JP2023012651A - リニアモータ及びこれを備えたサスペンション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】推力脈動活用し、推力を向上することができるリニアモータ及びこれを備えたサスペンション装置を提供する。
【解決手段】リニアモータは、電機子と、電機子のティース間に形成された複数のスロットに巻回される複数の巻線と、ティースに対向して配置され電機子と相対移動する複数の磁石を備えた磁石部を備える。電機子は、端部に巻線が配置されない非巻線空間により推力脈動が生じるように構成されている。磁石部がストロークする範囲は、推力脈動により推力が増加する範囲と重なるように設定した。この構成により、推力脈動活用し、推力を向上させたリニアモータを得ることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、リニアモータ及びこれを備えたサスペンション装置に関する。

リニアモータは、端部が存在することにより、各々の巻線に鎖交する磁束量がアンバランスし二次脈動のディテントが発生する。このディテントを活用する手法として特許文献１の技術が知られている。

特許文献１に記載の技術においては、電機子コアの形状を非対称形状とし、一方向のディテント力の平均値をオフセットさせている。

特開２０２０-３１４８３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、一動作方向のみディテント力を向上させ推力を増加させるため、動作方向が一方向に限定されない用途では、推力が一方の動作方向での推力が低下する課題があった。

本発明の目的は、推力脈動活用し、推力を向上することができるリニアモータ及びこれを備えたサスペンション装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、電機子と、前記電機子のティース間に形成された複数のスロットに巻回される複数の巻線と、前記ティースに対向して配置され前記電機子と相対移動する複数の磁石を備えた磁石部により構成されるリニアモータであって、前記電機子は、端部に前記巻線が配置されない非巻線空間により推力脈動が生じるように構成され、前記磁石部がストロークする範囲を、前記推力脈動により推力が増加する範囲と重なるように設定したことを特徴とする。

本発明によれば、推力脈動活用し、推力を向上することができるリニアモータ及びこれを備えたサスペンション装置を提供することができる。

電磁アクチュエータ装置におけるリニアモータ部を抜き出した外観斜視図である。 図１ＡをＩＢ－ＩＢ線（ＹＺ平面）で切断した断面図である。 図１ＢをＸ方向から見たリニアモータの断面図である。 本発明の実施例１に係るリニアモータの可動子の変位ｚと、推力の特性を示した図である。 本実施例と比較する比較例１におけるリニアモータのストロークと推力の関係を示す図である。 本実施例と比較する比較例２におけるリニアモータのストロークと推力の関係を示す図である。 本発明の実施例２に係るリニアモータの推力特性を示す図である。 ストローク内でのＦ＞Ｆａとなる領域の個数ｎと、平均推力の関係を示す図である。 本発明の実施例３に係るリニアモータを用いた車両用サスペンション装置の構成図である。

以下、本発明の実施例について添付の図面を参照しつつ説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、同様の説明は繰り返さない。

本発明の各種の構成要素は必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、一の構成要素が複数の部材から成ること、複数の構成要素が一の部材から成ること、或る構成要素が別の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複すること、などを許容する。

本発明のリニアモータの実施例１について図１乃至図５を用いて説明する。実施例１において、電機子１０と磁石部２０とは相対移動する。実施例１では、電機子１０と磁石部２０とが相対移動する方向をＺ方向、このＺ方向と直交する２つの方向をＸ方向、Ｙ方向とする。

図１Ａは電磁アクチュエータ装置におけるリニアモータ部を抜き出した外観斜視図である。図１Ｂは図１ＡをＩＢ－ＩＢ線（ＹＺ平面）で切断した断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂは、リニアモータの主要部品を記載したものであり、その他の電磁アクチュエータ装置の機構部品は図示していない。図１Ａ及び図１Ｂにおいて、リニアモータ１は、磁石部２０と、磁石部２０と相対移動する電機子１０とを備えている。

電機子１０には、Ｚ方向（相対移動方向）に沿って形成された複数のティース１２と、複数のティース１２間に形成された複数のスロット１５と、複数のティース１２を繋ぐヨーク１４と、複数のスロットに巻回される巻線１３が備えられている。複数のスロット１５はＵ相スロット１５ａ、Ｖ相スロット１５ｂ、Ｗ相スロット１５ｃから構成されている。

磁石部２０には、筒状に形成された磁性体２２（外筒）と、磁性体２２の内周側に配置されると共に、空隙を介して複数のティース１２と対向し、かつＺ方向（相対移動方向）に沿って配置された複数の磁石２１が備えられている。この複数の磁石２１の各々は、筒状に形成されている。そして、筒状に形成された磁石部２０の内周側に電機子１０が配置される。

この磁石部２０と電機子１０が相対的にＺ方向に移動するとともに、Ｚ方向の力つまり推力を発生させる。本実施例では磁石部２０が可動子であるが、電機子１０を可動子としても良い。

本リニアモータの構成は、磁石４個分に対して、ティースを構成する電機子１０の磁性体１１（電機子コア）に巻線１３が３個配置される４極３スロット構造としている。これはリニアモータの構成の一例であり、同様の効果が得られればこの構成に限定されるものではない。例えば、極数やスロット数、円筒形状のリニアモータに限定するものではない。

図１Ａ及び図１Ｂに示したリニアモータは、３個の巻線１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）に３相交流を印加する３相リニアモータの例であり、３個の巻線１３の電流値を可変させることにより、任意の位置で任意の力を発生させることが可能である。推力は、磁石２１によって生じる磁束と、巻線１３によって生じる磁束の相互作用によって生じるものである。リニアモータは、回転機とは異なり電機子に端部が存在する。端部には巻線１３が配置されていない非巻線空間（端部の相対移動方向外側）が存在し、この非巻線空間による影響でリニアモータには二次の推力脈動が発生することが知られている。これは端部による三相間の鎖交磁束のアンバランスによるものである。

図２は、図１ＢをＸ方向から見たリニアモータの断面図である。実施例１では、ヨーク１４の断面積は中央部がくり抜かれたドーナツ状となっている。図２のτpは、隣合う磁石２１の磁極ピッチである。電気角１周期分は２τｐに該当する。

図３は、本発明の実施例１に係るリニアモータの可動子の変位ｚと、推力の特性を示した図である。実施例１においてストロークとは、リニアモータの可動子（磁石部２０）の動作領域である。図３では可動子の変位ｚを磁極ピッチτｐで表記している。

実施例１では、可動子（磁石部２０）のストローク位置ｚ＝Ｌ／２と磁極ピッチτｐの関係は０＜Ｌ／２＜τｐ／２である。ただし、Ｌはストロークの長さを示す。

図３に示すように、ｚ＝０の位置から、０≦ｚ≦２τｐの電気角１周期をリニアモータが変位すると、推力の増加と減少が、電気角1周期に対し２回繰り返される。これがリニアモータの電機子の端部構造に起因する三相間の磁束のアンバランスによる二次脈動である。

実施例１ではストローク中心をｚ＝０としている。ｚ＝０は電気角１周期分の推力の平均値（平均推力Fａ）と、可動子の各位置における推力の瞬時値Ｆが一致する点である。なお、０≦ｚ＜２τｐの範囲においては、脈動によって推力の増加しＦ＞Ｆａとなる領域が２つ、脈動によって推力が減少しＦ＜Ｆａとなる領域が２つあるため脈動による増減が相殺される。したがって、電気角1周期である０≦ｚ＜２τｐの領域における平均推力に、脈動による推力増減の影響は含まれない。ただし、ｚ＝０は実施例１のリニアモータを用いたサスペンション装置を搭載した車両の基準車高と一致する点である。

０＜ｚ＜τｐ／２の領域では推力ＦがＦ＞Ｆａとなる。この領域では二次脈動によって推力が増加する領域である。そこで、リニアモータのストローク領域を０＜Ｌ／２＜τｐ／２とすることで正の推力が出やすい領域を活用し、効率よく推力を発生できる。

実施例１のリニアモータがｚ軸負方向に変位するとき，－τｐ／２＜Ｌ／２＜０の領域で動作する。この領域は推力Ｆ＜Ｆｐとなる領域で，二次脈動で正方向の推力が減少，すなわち負方向の推力の大きさが増加する。このため，負方向に変位した場合でも負の推力を効率よく発生できる。したがってリニアモータの動作方向に限定されず高い推力を得られる。

図４Ａは、本実施例と比較する比較例１におけるリニアモータのストロークと推力の関係を示す図である。比較例１ではストローク位置ｚ＝Ｌ／２と磁極ピッチτｐの関係がτｐ／２＜Ｌ／２＜τｐである。τｐ／２＜ｚ＜τｐの領域では、推力が減少するため、ストロークでの平均推力が減少する。また、ストローク端部にあたるｚ＝Ｌ／２は推力が減少する領域内に位置するため、最も推力が必要なストローク端部での推力が減少するため、所望の推力を得るための電流が増加する。本実施例と比較例１より、所定のストロークに対して磁極ピッチτｐを決定することで、効率よく推力を発生させることができる。そして、所定のストロークに対して磁極ピッチτｐを決定することで、消費電力を低減や、大推力化による小型化、低コスト化が可能である。以上から，小さい起磁力で所望の推力を得ることができ、電流を小さくする、あるいは巻数削減と巻線断面積の増加で巻線抵抗を下げることで，消費電力を低減できる。

図４Ｂは、本実施例と比較する比較例２におけるリニアモータのストロークと推力の関係を示す図である。図４Ｂの比較例２では、図３に示す本実施例のリニアモータと同様に、ストローク端部ｚ＝Ｌ／２と磁極ピッチτｐの関係は０＜Ｌ／２＜τｐ／２で、かつストローク中心をｚ＝τｐ／２としている。ストローク中心ｚ＝τｐ／２から可動子が正方向に変位した場合、τｐ／２＜ｚ＜３τｐ／２の領域では、二次脈動により推力が減少してＦ＜Ｆａとなるため、所望の推力を得るための電流が増加し、消費電力が増加する。したがって、ストローク中心を適切に設定することで高い推力向上効果を得られる。

車両用サスペンションは乗員数の増減により車体側の重量が変化し、電機子と磁石部の初期相対位置が変化する。そこで、本実施例のリニアモータを用いたサスペンション装置に対し、エアサスペンション３６（図７参照）などの車高調整デバイスを用いるようにすると良い。エアサスペンション３６などの車高調整デバイスを用いることにより、リニアモータのストローク中心を常に一定にすることができ、車体側の重量に関わらず常に推力を小さい電流で効率よく発生することが可能となる。

実施例１によれば、推力脈動活用し、推力を向上することができるリニアモータを提供することができる。

次に、本発明の電磁アクチュエータ装置の実施例２について図５乃至図６を用いて説明する。図５は、本発明の実施例２に係るリニアモータの推力特性を示す図である。

図５では磁極ピッチτpとストローク位置ｚ＝L／２の関係が、３τｐ＜L／２＜７τｐ／２である（７τｐ／２＝３．５τｐ）。このとき、２τｐ≦ｚ＜５τｐ／２は、ｚ＝０から順に数えて４番目の、推力が脈動によって増加しＦ＞Ｆａとなる領域である。０≦ｚ＜３τｐの領域では脈動によって推力の増加しＦ＞Ｆａとなる領域が３つ、脈動によって推力が減少しＦ＜Ｆａとなる領域が３つあるため、脈動による推力の増減が相殺される。したがって、０≦ｚ＜２τｐの領域における平均推力は、０≦ｚ＜２τｐ（電気角１周期分）の平均推力Ｆａと等しい。

ここで、ストローク長の端部であるｚ＝Ｌ／２と磁極ピッチτｐが２τｐ＜L／２＜５τｐ／２の関係となるようにすることで、２τｐ≦ｚ＜５τｐ／２での推力の増加分が加わり、０≦ｚ＜７τｐ／２の領域の平均推力Ｆａ′と電気角１周期分のＦａの関係はＦａ′＞Ｆａとなり、使用するストローク内でのリニアモータの平均推力を向上できる。

なお、ストロークＬと磁極ピッチτｐの関係は本発明の実施例に限定されるものではなく、２（ｎ―１）×τｐ／２＜Ｌ／２＜（２ｎ―１）×τｐ／２(ｎ＝１，２，３…)の関係を満たしていればよい。ｎは０≦ｚ≦Ｌ／２の間にＦ＞Ｆａとなる領域がいくつ存在するかを示す。

実施例２では、図５にＩＶで示した、ｚ＝０から数えて４番目のＦ＞Ｆａとなる領域に、ストロークの端部ｚ＝Ｌ／２が位置するのでｎ＝４である。

図６は、ストローク内でのＦ＞Ｆａとなる領域の個数ｎと、平均推力の関係を示す図である。ｎが増加すると平均推力は減少する。これはｎが増加するほどストローク長さＬに対して、磁極ピッチτが減少する。Ｌ＝２０とするとｎ＝１のとき０＜Ｌ／２＜τｐ／２であるので、磁極ピッチτｐはτｐ＞２０を満たせばよい。Ｌ＝２０でｎ＝２とすると、τｐは２０／３＜τｐ＜１０を満たせばよい。ｎ＝１における磁極ピッチτｐが満たすべき値の範囲の下限値２０に対し、ｎ＝２における磁極ピッチτｐ′が満たすべき値の範囲の上限は１０であるのでτｐ＞τｐ′である。ｎが大きいほど磁極ピッチτｐが小さくなるため、ｎが大きいほど磁性体１１（電機子コア）に対向する磁石２１の面積が縮小し、推力が減少する。ｎ＝１とｎ＝２では平均推力が急激に減少し、ｎ＝２のときの平均推力はｎ＝１の平均推力の０．３５である。消費電力を抑えて高推力を得るためにはｎ＝１であることが望ましい。

実施例２によれば、推力脈動活用し、推力を向上することができるリニアモータを提供することができる。

次に本発明の実施例３について、図７を用いて説明する。図７は、本発明の実施例３に係るリニアモータを用いた車両用サスペンション装置の構成図である。

実施例３では、４輪自動車等の車両に、車両用サスペンション装置を搭載した場合を例に挙げて説明する。

車体３２は、車両３１のボディを構成している。車体３２の下側には、左右の前輪と左右の後輪とからなる合計４個の車輪３３が設けられている。実施例３では走行中の振動を抑制するために、車体３２と各車輪３３との間に設けられたサスペンション装置３４を４個備えている。

実施例３のサスペンション装置３４は、実施例１及び２に係るリニアモータを備えた電磁アクチュエータ３５と、エアサスペンション３６とで構成している。エアサスペンション３６は、空気圧により車高を調整する車高調整デバイスとして機能する。図示はされていないが、サスペンション装置３４には、電磁アクチュエータ３５に電流を供給する電源と、電流を制御して電磁力を可変するコントローラが接続されている。サスペンション装置３４は、リニアモータが発生する電磁力を用いて車体に加わる振動を抑制する。サスペンション装置３４は、電磁アクチュエータ３５に備えたリニアモータのストローク中心ｚ＝０に磁石部２０が位置する時を基準車高としている。エアサスペンション３６は、車体側の重量が変化した場合、空気圧により車高を調整し、ストローク中心ｚ＝０と基準車高を一致させるようにしている。

実施例３によれば、電磁アクチュエータ３５に備えたリニアモータのストローク中心と基準車高を一致させることにより、車体側の重量に関わらず常に推力を小さい電流で効率よく発生することが可能となる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。上述した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。

１…リニアモータ、１０…電機子、１１…磁性体（電機子コア）、１２…ティース、１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ…巻線、１４…ヨーク、１５…スロット、１５ａ…Ｕ相スロット、１５ｂ…Ｖ相スロット、１５ｃ…Ｗ相スロット、２０…磁石部、２１…磁石、２２…磁性体（外筒）、３１…車両、３２…車体、３３…車輪、３４…サスペンション装置、３５…電磁アクチュエータ、３６…エアサスペンション

Claims (7)

1. 電機子と、前記電機子のティース間に形成された複数のスロットに巻回される複数の巻線と、前記ティースに対向して配置され前記電機子と相対移動する複数の磁石を備えた磁石部により構成されるリニアモータであって、
   前記電機子は、端部に前記巻線が配置されない非巻線空間により推力脈動が生じるように構成され、
   前記磁石部がストロークする範囲を、前記推力脈動により推力が増加する範囲と重なるように設定したことを特徴とするリニアモータ。
2. 請求項１において、
   前記磁石部のストロークの長さをＬ、前記磁石部のストローク位置をｚ、前記複数の磁石が隣り合う磁石のピッチをτpと定義したとき、ストローク位置ｚ＝Ｌ／２に対し以下の関係が成立することを特徴とするリニアモータ。
   ０＜Ｌ／２＜τｐ／２
3. 請求項１において、
   前記磁石部のストロークの長さをＬ、前記磁石部のストローク位置をｚ、前記複数の磁石が隣り合う磁石のピッチをτpと定義したとき、ストローク位置ｚ＝Ｌ／２に対し以下の関係が成立することを特徴とするリニアモータ。
   ２（ｎ―１）×τｐ／２＜Ｌ／２＜（２ｎ―１）×τｐ／２ (ｎ＝１，２，３…)
4. 請求項１乃至３の何れか１項において、
   前記電機子と前記磁石部との間に発生する推力の平均値が、前記磁石部の位置における瞬時値と一致する点を、ストローク中心ｚ＝０としたことを特徴とするリニアモータ。
5. 車体と車輪との間に備えられたサスペンション装置であって、
   前記サスペンション装置は、請求項１乃至４の何れか１項のリニアモータを備えたことを特徴とするサスペンション装置。
6. 車体と車輪との間に備えられたサスペンション装置であって、
   前記サスペンション装置は、請求項４に記載のリニアモータを備え、
   前記ストローク中心ｚ＝０に前記磁石部が位置する時を基準車高とすることを特徴とするサスペンション装置。
7. 請求項６において、
   前記ストローク中心ｚ＝０と前記基準車高を一致させるための車高調整デバイスを備えたことを特徴とするサスペンション装置。

Images