JP2020506659A - 磁気流体学的リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

ステータボアを有するステータと、ステータボア内で軸方向に移動可能で、間に磁気回路エアギャップを画定するトランスレータとを有するリニア電気機械（ＬＥＭ）、トランスレータに形成された少なくとも１つの流体軸受ジャーナル、トランスレータがステータボア内で軸方向に動くことを可能にするために、トランスレータに隣接して軸受ギャップを設ける少なくとも１つの流体軸受、トランスレータに予圧力を加えるための予圧室を含み、予圧室は、側壁、第１の端壁、および第２の端壁によって画定され、その少なくとも一部は、トランスレータと共に移動可能であり、軸受ギャップと磁気回路エアギャップとは同軸であるアクチュエータ。

Description

本発明は、アクチュエータに関し、特に、リニア電気機械（ＬＥＭ）を含むアクチュエータに関する。

そのようなアクチュエータは、変位および振動検査システム、製造作業およびロボット工学を含むがこれらに限定されない、様々な用途に使用することができる。変位および振動検査システムの用途では、アクチュエータを使用して周期的な力または運動プロファイルを検査対象に加えることができる。検査対象は、材料のサンプル、個別の部品、部品のサブシステムの組立体または完成品であり得る。そのような検査の目的は、加えられた力または変位の機能に対する検査対象の耐久性を判定することであり得る。あるいは、検査は、加えられた力または変位の機能に対する検査対象の反応を特徴付けることを求めてもよい。

自動車産業は、サブアセンブリの検査および完成品の検査のためにそのような検査用のアクチュエータを広く使用している。検査用のアクチュエータは、通常、さらなる車輪またはサスペンションの部品の１つなどの車両または車両の一部を支持するように配置される。

特に、車両を検査する用途では、本発明は、通常、車両の各コーナーが別々のアクチュエータに支持されている道路シミュレータ車両検査システムの一部として利用することができる。支持は、車両の車輪に直接設けられてもよく、またはサスペンション部分、スタブアクスルまたは支持アームなどの他の構成要素に設けてもよい。アクチュエータは、特定の状況では車体に取り付けることができる。そのとき、アクチュエータの動きは、様々な路面および他の地形上の車両の移動をシミュレートすることができる。したがって、検査環境は制御された環境であり、様々な走行速度や路面の状態を表す力または変位の入力機能を車両に適用することができる。例として、高周波の変位の振幅を変えることによって、さらに粗いまたはさらに滑らかな路面をシミュレートすることができる。あるいは、極端な負荷をかけて、ポットホールや、その他の道路のより大きな特徴をシミュレートすることもできる。そのような検査は、運転時の騒音を減少して、車両のサスペンションの部品が意図された運転条件範囲に対して十分に有能かつ耐久性があることを確実にするために、車両の開発において使用され得る。

代表的な走行速度での道路の負荷を特徴付ける高周波の変位をシミュレートするために、サーボ油圧システムが自動車検査システムの基盤として一般的に使用されている。これらのシステムでは、サーボ油圧パワーパックが高圧の油圧流体を発生させ、それが次に１つまたは複数のサーボ弁を使用して油圧アクチュエータに供給される。これらのシステムは、いくつかの周知の欠点を抱えている。

第１に、油圧油およびサーボ油圧パワーパックの構成要素の慣性が、生成可能な道路負荷機能の実用的な周波数を約１５０Ｈｚに制限する。これは、路面の粗さを正確に表現するのに必要な性能のレベルをはるかに下回っている。これは、２０ｍｍ以下のスケールの特徴で特徴付けられ、さらに、やがて望ましくない機内の騒音を出す車両の構造に、共振を発生させることが公知である入力振動周波数を下回るものである。

第２に、サーボ−油圧システムには、非常に大きくなり得るがそれでもシステム内を移動する油の慣性を制限するために油圧アクチュエータの比較的近くに配置させなければな
らない高価で専用の設備が、検査施設内にあることが必要となる。さらに、このインフラストラクチャには、専門家による運用、および保守の専門知識が必要である。

第３に、サーボ油圧システムが電力を大量に消費するため、運用コストが高くなり、自動車の開発および製造における二酸化炭素の排出の一部に加担することである。

第４に、サーボ油圧システムは非常に騒音が多くなる可能性があり、検査対象の反応によって生じる騒音と、検査アクチュエータシステム自体の関連性がある騒音とを区別することが困難になっている。

これらの欠点の結果として、ある種の自動車検査用途および他の検査用のアクチュエータの用途のために、サーボ油圧システムの代わりにリニア電磁アクチュエータが採用されている。リニア電磁アクチュエータは、より反応性がよく、よりコンパクトであり、操作および保守がより容易であり、より効率的で騒音が少ないという利点を有する。

いくつかのそのようなシステムでは、ばねおよび／または空気圧シリンダが設けられて、従来技術に記載されたアクチュエータが、電気機械トランスレータを通ってまたはそれに沿って、また検査対象の中に、静的な負荷を加えることを可能にする。この構成により、検査対象の重量のバランスをとるために、および／または検査対象が検査開始前に正しい位置にあることを確実にするために、アクチュエータの固定された力の成分を、動作前に調整することが可能になる。

米国特許第７４０１５２０号明細書は、複数の装置を含む車両の検査用の完全なシステムを教示している。その複数の装置は、車両の車輪の少なくとも一部を支持するためのフレームと、フレーム内に少なくとも部分的に収容されたリニア電磁アクチュエータとを含み、リニア電磁アクチュエータは、可動磁石を有し、使用時に、制御された実質的に垂直方向の力を車両の車輪に付与する。装置のそれぞれは、複数の支持された車両の車輪および複数の空気ばね（エアバッグと呼ばれることもある）の対応する１つに独立して制御された実質的に垂直な力を与えるよう配置される、または別法として、支持された車両を水平にするために、機械的ばね（コイルばね、ねじりばね、および板ばねを含む群に由来）が設けられる。

そのようなシステムは、多くの欠点を抱えている。

第１に、エアバッグまたは機械的ばねと、ホイールプレートまたは電気機械ムーバとの間の負荷支持の機械的な接続に対する要求が、移動性アセンブリに慣性の質量を追加する。この追加の慣性は、アクチュエータが所与の変位に対して達成することができるピークの周波数を減少させる。

第２に、エアバッグまたは機械的ばねのようなコンプライアント部材を使用すると、検査用のアクチュエータシステムに望ましくない共振が発生する可能性が出てきて、検査対象に適用される入力機能の完全性を危うくする。

第３に、米国特許第７４０１５２０号明細書により教示されている構成は、各アクチュエータ検査フレーム内で個別のばねおよび電気機械アセンブリを結合する必要があるため、構造が不要なレベルまで複雑になることが必要となり、装置全体のコストおよびサイズが増大する。

米国特許第８８４４３４５号明細書は、自動車などの検査対象に制御された様式で運動を与える装置を教示している。ベースには、第１端部と第２端部とを有するリニア電磁モ
ータが取り付けられており、第１端部はベースに接続されている。空気圧シリンダとピストンとの組み合わせは、第１端部と第２端部とを有し、第１端部はベースに接続されており、そのため空気圧シリンダとピストンとの組み合わせは、リニア電磁モータと略平行である。リニア電磁モータと空気圧シリンダとピストンとの組み合わせの第２の端部は、一般に、検査対象用のマウントにさらに取り付けられている移動可能な可動部材に連結されている。リニア電磁モータと空気圧シリンダとピストンの組み合わせのための制御システムが、空気圧シリンダとピストンの組み合わせを駆動して検査対象の実質的な静的な負荷を支え、リニア電磁モータが検査対象に制御運動を与える。

このようなシステムは、米国特許第７４０１５２０号明細書に関連して前述したものと同様のいくつかの欠点を抱えている。

第１に、個別の空気圧シリンダとピストンとの組み合わせ、負荷支持可動部材、および検査対象のためのマウントの必要性が、移動性アセンブリに相当の慣性の質量を追加する。この追加の慣性は、アクチュエータが所与の変位に対して達成することができるピークの周波数を減少させる。

第２に、エアバッグまたは機械的ばねではなく、空気圧シリンダとピストンとの組み合わせを使用することは、空気圧シリンダとピストンとの間のスライドシールに起因して、摩擦を導入する。この摩擦は検査対象にかかる合力に影響を与え、またアクチュエータの摩耗や寿命の低下を招く可能性がある。

第３に、米国特許第８８４４３４５号明細書により教示されている構成は、各アクチュエータ検査フレーム内で電気機械、空気圧シリンダ、可動部材および検査対象用のマウントを結合する必要があるため、構造が不要なレベルまで複雑になることが必要となり、装置全体のコストおよびサイズが増大する。

リニア電気機械はまた作動チャンバを含むことができ、作動チャンバの容積の変化が、１つ以上のコイルに電流を誘導するトランスレータの運動を引き起こし、またはコイルの１つ以上における電流に起因するトランスレータの運動が、作動チャンバの容積を変化させる。そのようなシステムの例には、燃焼圧力がトランスレータに作用して有用な電力出力を生成するフリーピストンエンジンのリニア発電機として使用すること、高圧ガスがトランスレータに作用して有用な電力出力を生成するガスエキスパンダとして使用すること、電気入力がトランスレータでの移動を誘導してガスを加圧するガス圧縮機として使用すること、トランスレータの移動が作動チャンバ内での油圧流体の変位を引き起こす、または引き起こされる油圧システムで使用することを含む。

アクチュエータとしてリニア電気機械を使用することに関して上述した問題の多くは、作動チャンバ内に含まれる流体に作用するモータまたは発電機としてそのような装置を使用するときにも存在するので、同様の利点も達成される。特に、フリーピストンエンジンのリニア発電機は、効率的で低排出量の燃焼に望ましい、一貫した圧縮および膨張の割合を達成するために、ピストンの運動を効果的に制御しなければならない。ピストンの運動の制御の課題は、従来技術において、フリーピストンエンジン形式が成功裏に開発され商品化され得る前に解決されなければならない主要な課題として広く認識されている。フリーピストンエンジンに通常使用されるリニア電気機械は、電気機械が加えることができる力に対して高いピストン質量を有するこれらの機械のために、所望のレベルの運動の制御を達成することが、稀にしかできない。この測定基準、または「特定力」と呼ばれることもあるその逆数（移動質量の単位当たりの力）は、フリーピストンエンジンの運動の制御の最も重要な決定要因である。

良好なピストン運動制御の性能は、フリーピストンのガスエキスパンダ（例えば、ランキンサイクル廃熱回収システムまたは冷凍サイクル内）、フリーピストンのガス圧縮機、およびフリーピストンのポンプを含む、作動チャンバ内に収容される流体に作用するモータまたは発電機としてリニア電気機械を使用する他の用途においても不可欠である。なぜなら、ストロークの終わりに達成される圧力または変位量をピストン運動が決定するからである。それ故、ピストンのストロークする位置の端での任意の制御されない変動は、装置の機能に直接影響を与える。

米国特許第７４０１５２０号明細書 米国特許第８８４４３４５号明細書

本発明は、上部で特定された問題のうちの１つ以上に対処することを目的とする。

本発明によれば、ステータボアを有するステータと、ステータボア内で軸方向に移動可能で、間に磁気回路エアギャップを画定するトランスレータとを有するリニア電気機械（ＬＥＭ）、トランスレータに形成された少なくとも１つの流体軸受ジャーナル、トランスレータがステータボア内で軸方向に動くことを可能にするために、トランスレータに隣接して軸受ギャップを設ける少なくとも１つの流体軸受、トランスレータに予圧力を加えるための予圧チャンバを含み、予圧チャンバは、側壁、第１の端壁、および第２の端壁によって画定され、その少なくとも一部は、トランスレータと共に移動可能であり、軸受ギャップと磁気回路エアギャップとは同軸であるアクチュエータが提供される。予圧チャンバは、好ましくは、ステータボアおよび軸受ギャップと同軸である。

流体軸受は気体軸受とすることができ、これは典型的には予圧チャンバが気体を含む応用に適している。あるいは、流体軸受は流体力学的または静圧軸受であり得、これは典型的には予圧チャンバが液体を含む応用に適している。本明細書が流体軸受の使用に言及している場合、これは気体軸受、流体力学的軸受および静圧軸受のいずれかを意味すると解釈されるべきである。

少なくとも１つの流体軸受が、トランスレータとステータとの間の同軸（したがって同心）位置、および間にある外部磁気回路エアギャップを好ましくは画定する。したがって、この構成は、トランスレータの移動質量を最小に保ちながら、中央コアに対してトランスレータを正確に位置決めするため、低い摩擦の流体軸受機能を組み込むことを可能にする。

１つの可能な実施形態では、流体軸受の少なくとも１つは、好ましくは中央コアに取り付けられており、中空のトランスレータ内部の一部に形成された軸受面に延びる。流体軸受は、典型的には、供給源から軸受ギャップ内への気体または液体軸受流体の流れをもたらす別個の構成要素である。この構成により、ステータの下に外部流体軸受と係合したままであるようにすべく、トランスレータをステータの下端を超える長さに追加する必要性はなく、これにより同じ電磁力に対するトランスレータの質量が、実質的に減少する。トランスレータおよび中央コアの同軸（したがって同心）位置をもたらすことに加えて、流体軸受はまた、リニア電気機械のステータによって生じるあらゆる横方向の負荷に対抗するための反力を付与する。中央コア上および電気機械ステータの上端部および下端部内に流体軸受を設けることは、ステータと流体軸受との間の横方向の負荷の力の伝達経路の長
さを短くする。トランスレータによる軸受位置への横方向の負荷の力の伝達は、軸受間でビームが曲がる、または片方の軸受の両側へカンチレバーが曲がることを引き起こす可能性がある。そのように曲がることは、トランスレータと中央コアとの間の非同心位置、拡大すると、トランスレータとステータとの間の非同心位置をもたらす可能性があり、したがって望ましくない。したがって、本発明の構成は、電気機械のステータ側の負荷の作用下でトランスレータが曲がるのを制限するのに十分なトランスレータの剛性を設けるための追加のトランスレータ質量の必要性を低減する。したがって、本発明は、他の構成よりも移動質量の単位当たりの電気機械力を大きくして、リニア電気機械ステータとトランスレータとの間の同軸（したがって同心）関係を維持することができる。

トランスレータではなく固定中央コアに流体軸受を配置することは、トランスレータの移動質量に寄与するこの構成要素の質量の追加を回避する。軸受ジャーナル面は、中空のトランスレータの構造に形成されてもよく、トランスレータへ別個に構成要素を追加することを必要としない。したがって、この構成は、トランスレータの移動質量を最小限に保ちながら、電気機械ステータによって発生した方向の横方向の負荷を中央コアに伝達するため流体軸受機能を組み込むことを可能にする。

この構成により、本発明は、アクチュエータの構成内に予圧チャンバを密接に統合することを可能にし、機械全体の大きさを縮小するのを促す。予圧チャンバは、高圧で供給され、トランスレータに合力を加える流体を収容する。これは検査対象の重量のバランスをとること、および／または検査対象が検査開始前に正しい位置にあることを保証するのに役立つ。この密接な統合はまた、移動質量が減少するように予圧チャンバとトランスレータとの間に負荷経路を設けるための別個の機械的要素の必要性を排除する。

予圧チャンバを形成するために剛性の壁要素を使用することはまた、エアバッグまたは機械的ばねに使用されるようなコンプライアント材料の使用を回避する。これは、そうでなければ検査対象に適用される入力機能に影響を与え得るアクチュエータシステムの共振の影響を低減する。

この配置はまた、サイズ、特にその幅がコンパクトであるアクチュエータを提供する。

少なくとも１つの流体軸受を設けることにより、トランスレータとステータとの間に非常に低い摩擦の界面がもたらされる。この配置は、摺動の接触軸受で通常見られるよりも低い機械的摩擦および摩耗を提供し、転動要素の軸受の往復の質量ペナルティなしにこの利点を提供する。したがって、この構成は、システムの慣性が低いために、より高い周波数での動作を可能にする。さらに、流体軸受は、接触性のシールに伴う摩擦なしに、予圧チャンバに圧力を保持するために有効な非接触圧力シールの一部を形成することができる。

本発明は磁気回路エアギャップに関する。本発明の目的に対しては、この用語は、比透磁率が空気に近いギャップを指す。間隙は、空気または他の流体を含んでも含まなくてもよい。そのような使用法は電気機械の分野では周知である。

１つ以上の軸受ジャーナルが設けられてもよく、少なくとも１つのジャーナルが好ましくはトランスレータの外面に設けられる。

予圧チャンバはばねのように作用することができ、その場合、トランスレータが移動すると予圧力が変化するように、そのチャンバはゼロでないばね定数を有する。別の構成では、チャンバは、それがゼロのばね定数を有するように構成することができる。予圧チャンバは、チャンバ内の圧力を調整するための少なくとも１つの導管を備えることができる
。そのような導管は、予圧チャンバ内の圧力が一定の値に調整されることを可能にし、それによってゼロのばね定数の構成を提供する。

電気機械は、磁石が可動トランスレータに固定されている可動磁石タイプのものであってもよい。一実施形態は、磁束回路が透磁性材料によって運ばれ、磁束がこの材料内のスロットにセットされた銅のコイルを流れる電流によって遮断される、スロット付きの機械として一般に知られているサブタイプの移動磁石機械を使用する。移動磁石機械の代替のサブタイプはスロットレスの機械として一般に知られており、それはより高いピークの力およびより低いコギング力を提供するが、スロット付きの機械のタイプよりも低い効率を提供する。代替実施形態は、磁束切換および切換リラクタンスの機械を含む他の確立されたリニア電気機械のタイプを使用することができる。

端壁の移動可能な部分の移動は、好ましくは、アクチュエータの幅を最小にするのを助けるステータボアと同軸である。磁気回路エアギャップは円筒形であるのが好ましい。

検査対象取り付け点は、通例、その上端でトランスレータに固定されるのが好ましい。

流体軸受は、トランスレータの外面の流体軸受ジャーナルに作用するのが好ましい。代替的にまたは追加的に、特にトランスレータが中空であり、中央コアに沿って軸方向に摺動するとき、流体軸受はトランスレータの内面の流体軸受ジャーナルに作用する。

アクチュエータは、通例、位置または速度のうちの１つまたは複数を感知する、トランスレータに接続されたエンコーダをさらに備えることができる。エンコーダは少なくとも１つの光学的、磁気的または機械的センサを使用することができる。エンコーダの支援は、トランスレータの位置および／または速度を判定することによってアクチュエータを制御するものである。

少なくとも１つの軸受ギャップは、トランスレータの周りに配置された複数の軸方向に延びる弓形断面チャネルを含み得る。軸受ギャップは円筒形であっても、２つ以上の弓形部分を含んでもよい。

アクチュエータは、ＬＥＭを収容するアクチュエータハウジング本体を含み、ハウジング本体が１つ以上の冷却チャネルを含むのでもよい。

本発明の一例を添付の図面を参照しながら説明する。

切断面ＡＡ、ＢＢおよびＣＣを示すアクチュエータである。 ストロークの最上部にある図１のアクチュエータを経る、軸方向の断面ＡＡである。 ストロークの底部にある図１のアクチュエータを経る、軸方向の断面ＡＡである。 アクチュエータを経る垂直断面ＢＢである。 アクチュエータを経る垂直の断面ＣＣである。 切断面ＤＤおよびＥＥを示す代替アクチュエータの外観図である。 中央コアおよび内部流体軸受を備えた第１の代替のアクチュエータを示す垂直の断面ＤＤである。 中央コアと、内部流体軸受および外部流体軸受とを備えた第２の代替のアクチュエータを示す垂直の断面ＤＤである。 ストロークの最上部にトランスレータを備えた第２の代替アクチュエータを示す垂直の断面ＤＤである。 ストロークの底部にトランスレータを備えた第２の代替アクチュエータを示す垂直の断面ＤＤである。 第２の代替的なアクチュエータ用の磁気回路エアギャップの詳細を示す、垂直の断面ＤＤの拡大図である。 第２の代替的なアクチュエータと、同心磁気回路エアギャップおよび軸受ギャップを示す軸方向の断面ＥＥである。 内部流体軸受の代替構成を示す軸方向の断面ＥＥである。 中央コアと内部ステータとを有する第３の代替アクチュエータを示す断面ＤＤである。 非対称的なオフセットの予圧チャンバを有するさらなる代替の構成を示す軸方向の断面ＤＤである。 軸受とトランスレータとの間のシールを示す軸方向の断面ＡＡである。 軸受とトランスレータとの間のシールを示す別の軸方向の断面ＡＡを示しており、これは本発明の一部ではない。

図１は、トランスレータ（後に示される）が沿って移動する運動軸２０、およびさらなる断面図のための様々な平面の位置を有する第１のアクチュエータ１０の外観図である。

図２は、ハウジング本体１１を有するアクチュエータ１０を示す。ハウジング本体１１は、典型的には円筒壁１２と、中空の内部を画定する端壁１３とから形成されている。内部はステータ１４、典型的には管状リニア電気機械ステータを保持し、それはステータの一端１６から他端１７まで軸方向に延びる円筒形のボア１５を有する。トランスレータ１８は、ステータ１４に対して軸方向に移動可能である。トランスレータとステータとの間に外部磁気回路エアギャップ２１（図５参照）が存在する。この例示的な実施形態では、ハウジング、したがってステータはしっかりと保持され、トランスレータ１８はステータ１４内で移動する。

一対の流体軸受２２ａおよび２２ｂが設けられている−図では、上側軸受２２ａはアクチュエータ１０の一端を画定し、ステータ１４の端部１６に隣接し、一方、下側軸受２２ｂはステータ１４の他端１７に隣接している。軸受２２ａ、２２ｂおよびステータ１４は、トランスレータが中で動くことができる静止アセンブリ５０を形成する。下側流体軸受２２ｂの反対側には予圧チャンバ２９を画定するチャンバハウジング２８がある。この例では、チャンバハウジングはハウジング本体１１内にあり、端壁１３によって保持されている。しかし、チャンバハウジングは端壁を形成することができ、必ずしもハウジング本体１１内にある必要はない。予圧チャンバへの開口部３０は、トランスレータ１８の端部１９ａによって閉じられている。このようにすると、トランスレータの摺動移動は、予圧チャンバの容積を変える。予圧チャンバにはまた、少なくとも１つの導管４７も設けられており、それを通して加圧流体を供給してトランスレータに必要な力を与えることができる。チャンバ２９は、高圧で供給され、検査対象の重量のバランスをとるため、および／または検査対象が検査開始前に確実に正しい位置にあるようにするために、合力をトランスレータ１８に加える、通常は気体（ただし液体または二相混合物でも可能である）である流体を収容する。予圧チャンバは、好ましくは静止アセンブリに隣接している（また、このことは、必ずしも直接接触しているとは限らないことを意味している）。この場所の目的は、トランスレータの追加の長さを最小限に抑えることである。

トランスレータ１８が円筒状ステータボア１５内を摺動移動することにより予圧チャンバ２９の容積が変化し、ピストンがシリンダ内を移動するのと同じ効果が生じる。予圧チャンバ２９内の作動流体は、好ましくは圧縮性ガスであるが、この流体はまた、トランス
レータ１８の動きによって導管４７を通って移動することになる油圧流体などの非圧縮性の液体であり得る。この配置は、トランスレータの運動および関連するガスの体積の変化がコンプライアント要素の形状の変化によって適応されるエアバッグタイプの予圧の力のシステムと比較したとき、検査対象の入力信号の質を改善する。そのコンプライアンスにより、共振や減衰などの不要なシステムの動作が発生する可能性がある。

記載された例のいずれにおいても、予圧チャンバは、円筒壁であってもなくてもよい側壁２９ａ、および典型的には端壁１３の内面またはハウジング１２によって形成され、側壁２９ａ、一部がトランスレータ１８と共に移動可能である第２の端壁に対して固定されている第１の端壁２９ｂによって形成される。図２の拡大図に示される例示的実施形態では、第２の端壁は、固定端壁２９ｃと、トランスレータ１８と共に移動可能なトランスレータ下端１９ａとから形成される。トランスレータと共に移動可能とは、予圧チャンバの容積がトランスレータの動きによって変化することを意味する。第１の端壁２９ｂはまた、トランスレータと共に予圧チャンバの容積を変えることができる移動可能な要素を含むことができる。そのような構成は、必要とされるより複雑な制御のために、あまり好ましくない。トランスレータは、ストロークの頂部または底部のいずれかで、第２の端壁２９ｃの残りの部分と整列し（図２参照）、チャンバ内に延び（図３参照）、端壁がトランスレータ端部１９ａだけではなく、トランスレータの側壁の一部も含むようにするか、第２の端壁２９ｃの残りの部分に対して引き込まれるようにする。すなわち、トランスレータの下端１９ａが第２の端壁２９ｃの残りの部分よりも高くなる（複数の図面にて）ようにする。代替的にまたは付加的に、第２の端壁の移動可能な部分として作用するように、さらなる壁の要素をトランスレータに取り付けてもよい。このようにすると、トランスレータ自体が予圧チャンバ端壁の一部であるのでなく、トランスレータが動くときに壁の一部分が移動可能になる。予圧チャンバは、軸２０に沿って一様な断面を有することができる。予圧チャンバは完全に閉鎖された容積部ではない場合があり、導管４７に加えて他の小さな隙間が、トランスレータと固定面２９ｃまたは２９ａとの間に存在する場合がある。予圧チャンバの容積部を画定する目的のために、そのような隙間はいずれも表面２９ａ、２９ｂ、２９ｃおよび１９ａと一体の部分とみなされる。１つ以上のシール（図１６のシール４６ａ参照）が、このような、または他の任意の例において提供でき、そのような間隙を通して予圧チャンバからの加圧流体の著しい漏れを防ぐことができる。そのようなシールは、ステータおよび／または軸受２２ａ、２２ｂの上または中に取り付けられた、ポリマーガスシールなどの１つまたは複数の別個のシールとすることができる。代替のシールの形態は、トランスレータと共に、ごくわずかな量の流体しか通過できない十分に狭い間隙を画定するための、ステータおよび／または１つまたは複数の気体軸受の構造の使用を含む。適切なシールの任意の例では、シールはジャーナル面２３（図５参照）と共に作用してシールを形成する。このように、ジャーナル２３は、軸受ジャーナル面としても、シール面としても作用する。

好ましい実施形態では、トランスレータの下端１９ａは、エンコーダ本体３２を貫通するかその近くを通るエンコーダスケール３１に接続されている。この例では、エンコーダは位置エンコーダで、エンコーダスケールはシャフトであるが、エンコーダスケールはまた平面であることができ、エンコーダタイプはまた速さ／速度エンコーダであって構わない。エンコーダ本体は端壁１３内に配置されているが、アクチュエータ１０の外側に配置されてもよく、アクチュエータを確実に制御できるように、トランスレータの位置および／または速さ／速度に関する情報を提供する。

トランスレータ１８の上端１９ｂは、アクチュエータ１０の上端から延出しており、検査対象用の取り付け点３３を備えている。取り付け点は、平らなプレートまたは他の表面であり得、その上で検査対象がバランスをとる、例えば車両のホイールのタイヤが挙げられる。あるいは、取り付け点は、トランスレータを検査対象にしっかりと固定するための
１つ以上の固定手段を含み得る。これは、トランスレータの端部を通る１つ以上の穴を含み得る。

図３は、より低い位置にある、典型的にはストロークの最下部にあるトランスレータ１８を示しており、そのとき、トランスレータの下端１９ａは、その容積が減少するように予圧チャンバ２９内にある。上端１９ｂは今、アクチュエータの上側外縁と実質的に同じ高さであるように示されている。しかし、実際、上端１９ｂは、検査対象が取り付け点に接続される方法に応じて依然として突出している場合がある。

トランスレータの低い位置への移動は、（ｉ）検査対象によるアクチュエータの負荷によって引き起こされ、その場合、トランスレータは、検査対象によって加えられた負荷が予圧チャンバによってバランスがとられるまで押し下げられること、または（ｉｉ）ステータに電流を印加することによって、トランスレータに動きを誘起させることのいずれかにより引き起こされる。予圧チャンバ内の圧力は、導管４７を通る加圧流体の供給を調節することによって制御され、この調節は、チャンバがトランスレータに一定の負荷、すなわちゼロのばね定数をもたらすことを可能にする、またはチャンバの圧力およびその結果生じる負荷が、トランスレータが移動するにつれて変化する、すなわち、チャンバはゼロではないばね定数を有することを許容することを可能にする。

図４は、図１のＢＢ線に沿った垂直断面図であり、トランスレータ１８、外側軸受ギャップ２４、外側流体軸受２２、およびステータの円筒壁１５の同軸かつ同心の配置を示す。

図５は、図１の垂直断面ＣＣであり、トランスレータ１８、外部磁気回路エアギャップ２１、ステータ１４および円筒壁１５の同軸かつ同心の配置を示す。トランスレータは、流体軸受２２ａ、２２ｂによって同軸の位置に保たれ、それは流体軸受２２ａ、２２ｂの内面とトランスレータの外側の１つ以上のジャーナル２３との間に、軸受ギャップ２４を画定する。流体軸受２２ａ、２２ｂはステータの各端部にあるので、軸受ギャップ２４と磁気回路エアギャップ２１とは、この構成では連続的である。軸受ギャップ２４と磁気回路エアギャップ２１との相対的な大きさは、トランスレータ、ステータおよび流体軸受の大きさに依存する。軸受ギャップは典型的には磁気回路エアギャップよりも小さいので、磁気回路エアギャップの厚さは、流体軸受の高いラジアル剛性によって、効果的に制御される。

図６は、アクチュエータ１０の代替例の外観図を示しており、後続の図に示されている断面ＤＤおよびＥＥの位置を示している。後続の図において、同等の構成要素については、図１から図５と同じ参照番号が使用されている。

図７は、中央コア３４を有する第１の代替の内部構成を示すＤＤに沿った垂直な断面である。中央コアは、ステータ１４に対して少なくとも軸方向に固定されており、この配置では、中央コア固定点４０で端壁１３に固定されている。中央コア３４の上端は中空のトランスレータ１８によって囲まれており、トランスレータは中央コア３４の上および外側を摺動する。単一の細長い内部流体軸受３５が中央コアに取り付けられており、この例では、ハウジング本体１１に外部流体軸受は設けられていない。流体軸受はステータ１４と実質的に同じ長さであり、その結果電気機械によって発生するあらゆる側方の負荷は、同じ軸方向の位置において流体軸受によって加えられる反対方向の力により適合される。中央コアを使用した結果として、チャンバハウジング２８は、図１から図５の例と比較したとき、ステータ１４よりも大きい。これにより、予圧チャンバ２９の容積を確実に所望の予圧ばね定数を提供するように設定することができる。予圧チャンバはここではチャンバハウジング２８、端壁１３および、トランスレータ１８の下端によって画定されるだけで
なく、中央コア３４の外面によっても画定される。したがって、チャンバ２９は略環状である。代替的または追加的に、同等の予圧チャンバの機能は、中央コア３４の上端とトランスレータ１８との間に形成されたチャンバ５０により実行されてもよい。１つ以上のシール（図１６のシール４６ａを参照のこと）は、予圧チャンバからトランスレータに沿って磁気エアギャップへの加圧流体の著しい漏れを防ぐために、このような、または他の任意の例において、設けることができる。そのようなシールは、ステータおよび／または軸受２２ａ、２２ｂの上または中に取り付けられた、ポリマーガスシールなどの１つまたは複数の別個のシールとすることができる。代替のシールの形態は、トランスレータと共に、ごくわずかな量の流体しか通過できない十分に狭い間隙を画定するための、ステータおよび／または１つまたは複数の気体軸受の構造の使用を含む。適切なシールの任意の例では、シールはジャーナル面２３（図５参照）と共に作用してシールを形成する。このように、ジャーナル２３は、軸受ジャーナル面としても、シール面としても作用する。

トランスレータ１８は依然として、その上端に位置する検査対象取り付け点を有する。ここで、図示の例示的実施形態では、エンコーダ本体３２は中央コアに配置されており、中空トランスレータ１８の上端の内側部分に取り付けられたエンコーダスケール３１がアクチュエータ内に留まることが可能になる。

図８は、内部流体軸受３５と外部流体軸受２２ａの両方が設けられている第２の代替の構成を示す。必要ならば、複数の外部または内部の流体軸受を設けることができる。

図９および図１０は、図９のストロークの最上部から図１０のストロークの最下部までの、流体軸受構成に関係がない中空トランスレータ１８の動きを示している。図９のストロークの最上部では、トランスレータ１８の下端はステータ１４の下端に実質的に隣接しており、この位置で予圧チャンバ２９の容積は最大である。この構成では、内部流体軸受３５の結果として、ステータの下に外部流体軸受と係合したままであるようにすべく、トランスレータをステータ１７の下端を超える長さに追加する必要性はなく、これにより同じ電磁力に対するトランスレータの質量が、実質的に減少する。ストロークの下端では、トランスレータ１８の上端はアクチュエータの上側外縁と実質的に同じ高さである。しかし、実際、上端は、検査対象が取り付け点に接続される方法に応じて依然として突出している場合がある。

内側軸受ギャップ３７および磁気回路エアギャップ２１のさらなる詳細は、図１１および図１２の図に示されている。図１１はまた、トランスレータ上の外部ジャーナル２３の位置も示す。これは、任意の外部流体軸受２２ａが作用する表面である。内部ジャーナル面３６も示されており、これは任意の内部流体軸受３５ａが作用する面である。ジャーナル面は通常、トランスレータの適切な位置に機械加工されており、対応する流体軸受が使用されない限り通常は設けられない。

流体軸受（内部または外部）は一般に多孔質構造を有する環状要素であり、それを通して気体が加圧下で供給されて軸受ギャップで負荷軸受機能を提供するが、いずれの流体軸受も図１３に示すような形態を取り得る。そこでは、流体軸受は、軸受が作用する表面要素の周囲（外側軸受用）または内側（内側軸受用）に間隔を置いている複数の流体軸受シュー４４から形成されている。２つの軸受シューが示されているが、３つまたは４つの軸受シューが可能であり、実際には、アクチュエータのサイズおよび軸受シューが受ける負荷に応じて、より多くの数も可能であろう。重要なことに、軸受シューは、トランスレータに均等な負荷をかけ、ステータに対するトランスレータの同軸の位置決めを維持するように、等間隔に配置されることが好ましい。流体軸受は、炭素などの一般に多孔質の材料から形成することができる。代替的に、流体軸受多孔はまた、１つまたは複数の中実の構成要素内にて機械加工された個別の孔のアレイを通して提供することもできる。

図１４は、内部流体軸受（外部流体軸受があるまたはない場合のいずれか）が代替的に２つ以上の流体軸受によって形成され得ることを示す。この例では、内部流体軸受は上部内部流体軸受３５ａと下部内部流体軸受３５ｂに置き換えられている。

内部流体軸受を分割することは、間の空間を利用することを可能にするが、それはこの場合、中央コア３４に取り付けられた内部ステータ３８を含んで、移動質量の単位当たりのより大きな電気機械の力をもたらすことによる。これにより、アクチュエータの動的性能が大幅に向上する。内部ステータ３８は、例えば上部内部流体軸受と下部外部流体軸受（またはその逆）との多くの異なる構成で使用することができ、図１４に示す特定の構成に限定されない。

図１５は、予圧チャンバ２９が均一な形状である必要はなく、予圧チャンバ自体がアクチュエータの他の部分と同軸である必要もないことを示している。予圧チャンバへの非対称的なオフセットは、前の図の配置のいずれにおいても利用することができ、予圧チャンバが不均一な断面および／または非円筒形の側壁を有することになる可能性がある。

図１６は、予圧チャンバ２９から磁気回路エアギャップ２１への望ましくない流体の流れを防ぐためのシール４６ａを示す。

図２および図３の構成のシール４６ａを示す図１６では、シール自体が軸受ジャーナル面２３のトランスレータと接触するように、シールは気体軸受２２ｂの内面に取り付けられている。したがって、軸受ジャーナル面がさらにシール面として作用し、トランスレータの長さ、したがって質量を最小に保つことを可能にする。図示されていない代替の構成では、シール４６ａは、気体軸受の上方のステータ１４自体に配置することができる。気体軸受２２ｂとシールとの間の距離がトランスレータのストローク以下である限り、シール４６ａはトランスレータの軸受ジャーナル面に依然として作用する。

本発明の一部ではない図１７の構成を考慮すると、トランスレータにあるジャーナル面２３が軸受面とシール面の両方として作用する利点は明らかである。この構成では、シール４６ａは、トランスレータと予圧チャンバ自体の側壁との間で気体軸受の下に配置されている。これは、より長いトランスレータ（少なくともストロークの長さだけ長くする必要がある）および予圧チャンバの壁に到達するためのより広いトランスレータを必要とした。トランスレータに対してこのように余分な大きさのあることは、トランスレータが非常に多大な余分な質量になることをもたらし、それは入力を制御するためのトランスレータの応答時間に悪影響を及ぼし、またトランスレータを動かすためにより大きな力を加えることを必要にする。応答性の高い動的アクチュエータを提供しようとしているときには、どちらも望ましくない。

Claims (23)

1. ステータボアを有するステータと、前記ステータボア内で軸方向に移動可能で、間に磁気回路エアギャップを画定するトランスレータとを有するリニア電気機械（ＬＥＭ）、
   前記トランスレータに形成された少なくとも１つの流体軸受ジャーナル、
   前記トランスレータが前記ステータボア内で軸方向に動くことを可能にするために、前記トランスレータに隣接して軸受ギャップを設ける少なくとも１つの流体軸受、
   前記トランスレータに予圧力を加えるための予圧室
   を含み、
   前記予圧室は、側壁、第１の端壁、および第２の端壁によって画定され、その少なくとも一部は、前記トランスレータと共に移動可能であり、
   前記軸受ギャップと前記磁気回路エアギャップとは同軸であるアクチュエータ。
2. 前記端壁の前記移動可能である部分の移動が前記ステータボアと同軸である、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記磁気回路エアギャップが円筒形である、請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記トランスレータに固定された検査対象取り付け点をさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
5. 前記流体軸受が、前記トランスレータの外面の流体軸受ジャーナルに作用する、請求項１から４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
6. 前記トランスレータが中空であり、中央コアに沿って軸方向に摺動する、請求項１から５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
7. 前記流体軸受が、前記トランスレータの内面の流体軸受ジャーナルに作用する、請求項６に記載のアクチュエータ。
8. 前記ＬＥＭが移動マグネット型の機械である、請求項１から７のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
9. 前記ＬＥＭは、スロットレスステータ型の機械である、請求項８に記載のアクチュエータ。
10. 前記ＬＥＭは、フラックス切換型の機械である、請求項１から７のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
11. 前記ＬＥＭは、スイッチドリラクタンス型機械である、請求項１から７のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
12. 前記トランスレータに接続されたエンコーダをさらに備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
13. 前記エンコーダは、位置または速度のうちの１つまたは複数を感知する、請求項１２に記載のアクチュエータ。
14. 前記エンコーダが少なくとも１つの光学的、磁気的または機械的センサを使用する、請
    求項１２または１３に記載のアクチュエータ。
15. 少なくとも１つの軸受ギャップが、前記トランスレータの周囲に配置された複数の軸方向に延びる弓形断面のチャネルを含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
16. 前記軸受ギャップが円筒形であるか、２つ以上の弓形部分を含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
17. 前記アクチュエータは、前記ＬＥＭを収容するアクチュエータハウジング本体を含み、前記ハウジング本体は、１つ以上の冷却チャネルを収容する、請求項１から１６のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
18. 前記流体軸受のうちの１つまたは複数が、気体軸受、流体力学軸受、または静圧軸受のいずれかである、請求項１から１７のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
19. 前記気体軸受と前記ステータとが静止アセンブリを形成する、請求項１から１８のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
20. 前記予圧室が前記静止アセンブリに隣接している、請求項１９に記載のアクチュエータ。
21. 前記予圧室から前記磁気エアギャップに入る流体の流れを制限するために前記静止アセンブリと前記トランスレータとの間に１つ以上のシールを含み、前記トランスレータに形成された前記気体軸受ジャーナルも前記シールのためのシール面を形成する、請求項１から２０のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
22. 前記シールが、前記ステータおよび／または前記気体軸受の上または中に取り付けられたシール構成要素に設けられる、請求項１から２１のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
23. 前記シールが、前記ステータおよび／または気体軸受自体に設けられる、請求項１から２２のいずれか一項に記載のアクチュエータ。

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