JP3163639U

JP3163639U - 移動体の懸架装置

Info

Publication number: JP3163639U
Application number: JP2010005430U
Authority: JP
Inventors: 裕二石野; 石野　　裕二; 毅水野
Original assignee: Saitama University NUC
Current assignee: Saitama University NUC
Priority date: 2010-08-12
Filing date: 2010-08-12
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2020-08-12

Abstract

【課題】移動体が加速・減速・旋回した場合でも、搭乗者や搭載物の姿勢が不安定にならない移動体の懸架装置を提供する。【解決手段】荷台を支持するゼロパワー磁石ユニット３１、３２と、その電磁石３１の電流を制御するコントローラ３５と、コントローラ３５にフィードフォワード制御の指令信号を出力する指令信号出力部４６とを備え、指令信号出力部４６は、ゼロパワー磁石ユニットのギャップを乱す外乱（加減速、旋回）が生じる際に指令信号を出力し、これを受けてコントローラ３５は、外乱によるギャップの変位方向と逆方向にギャップを変位させるように電磁石３１の電流を制御し、引き続いて、ギャップを永久磁石３２の吸引力で維持される間隔に変位させるように電磁石３１の電流を制御する。ゼロパワー磁石ユニット３１、３２が、外乱の作用する方向と逆方向の「負の剛性」の変位のみを行うため、荷台が搭乗者や搭載物の姿勢を安定に保つ方向に傾く。【選択図】図３

Description

本考案は、磁石の吸引力を利用して懸架する移動体の懸架装置に関し、移動体の加減速や旋回により搭乗者や搭載物の姿勢が不安定になるのを防止するものである。

乗用車では、走行時のタイヤの振動が搭乗者に伝わらないように、タイヤとボディとの間にバネと減衰機構とを備えたサスペンション（懸架装置）が配置されている。
図１５は、荷台１１及び搭載物（搭乗者）１２がサスペンション１０で支えられた車両を模式的に示している。サスペンション１０のバネは、復元力を有し、作用する力の方向に、その力の大きさに比例した量だけ変形する。これを、バネが「正の剛性」を持つと言う。
進行する車両の前方のバネと後方のバネとの変形量が異なる場合、荷台１１は、回転軸２０を中心に回転（ピッチング）する。なお、この場合、荷台１１及び搭載物１２の重心２１は、回転軸２０よりも上側にある。

例えば、図１６（ａ）に示すように、この車両の加速度が増加すると、重心２１に慣性力が働き、荷台１１は、回転軸２０を中心に紙面上で反時計方向に回転しようとする。そのため、車両の進行方向前方のバネに対して引き伸ばす力が作用し、「正の剛性」を持つバネは、その力の大きさに比例した長さだけ伸びる。一方、進行方向後方のバネに対しては、圧縮力が作用し、「正の剛性」を持つバネは、その力の大きさに比例した長さだけ縮む。
その結果、荷台１１は、前方が上がり、後方が下がる「ノーズアップ」状態になる。ノーズアップ状態では、図１６（ｂ）に示すように、重心２１に作用する慣性力（Inertia）及び重力(Gravity)を合成した合力の方向（加速度のなす角度:Angle of acceleration）と、荷台１１の垂直方向(Angle of platform)とが、重力方向を境にして異なる象限に位置し、それらの角度差が大きい。そのため、搭載物１２は後方に倒れやすい。
また、この車両の減速時には、荷台１１の前方が下がり、後方が上がる「ノーズダイブ」状態になり、搭載物１２は前方に倒れやすい。

こうした欠点は、「正の剛性」を持つバネに代えて、「負の剛性」を持つゼロパワー磁石ユニットで荷台１１を支えることにより改善できる。
ゼロパワー磁石ユニットは、例えば下記特許文献１に記載されており、図１７（ａ）に示すように、電磁石３１と、電磁石３１の磁路中に挿入された永久磁石３２（極の一方を黒、他方を白で表す）と、永久磁石３２の吸引力で浮上する浮上体３３とを有している。
このゼロパワー磁石ユニットを制御する制御系は、浮上体３３の変位を検出する変位センサ３４と、変位センサ３４の検出結果に基づいて電磁石３１のコイルの電流を制御するコントローラ３５と、コントローラ３５の指示によりコイルへの通電を行うアンプ３６とを有している。
浮上体３３の定常的な浮上は、永久磁石３２の吸引力だけで行われ、電磁石３１のコイルに流れる定常的な電流が零になるようにコントローラ３５で制御される。

図１７（ｂ）に示すように、浮上体３３に荷重３７が加わり、浮上体３３と電磁石３１とのギャップが広がると、それを変位センサ３４が検出し、コントローラ３５が、電磁石３１のコイルに電流を流して吸引力を増やす。吸引力が増すとゼロパワー磁石ユニットのギャップは狭まる。ギャップが狭まると、永久磁石３２による吸引力が増加し、荷重３７が付加された浮上体３３は、永久磁石３２の吸引力だけで支持される。
このように、ゼロパワー磁石ユニットの浮上体３３に電磁石３１から引き離す方向の荷重が加わると、増加した荷重と永久磁石３２の吸引力とを釣り合わせるためにギャップが縮まり、ゼロパワー磁石ユニットは、最終的に（図１７（ｂ）に示すように）荷重方向と逆向きに変位して安定化する。そのため、ゼロパワー磁石ユニットは「負の剛性」を有している。

図１８（ａ）に示すように、荷台１１がゼロパワー磁石ユニット３０で支持された車両は、加速度が増加すると、重心２１に慣性力が働き、荷台１１は、回転軸２０を中心に紙面上で反時計方向に回転しようとする。そのため、車両の進行方向前方のゼロパワー磁石ユニット３０に対して引き伸ばす力が作用し、「負の剛性」を持つゼロパワー磁石ユニット３０は縮む方向に変形する。一方、進行方向後方のゼロパワー磁石ユニット３０に対しては、圧縮力が作用し、「負の剛性」を持つゼロパワー磁石ユニット３０は伸張するように変形する。
その結果、荷台１１は「ノーズダイブ」の状態になる。ノーズダイブ状態では、図１８（ｂ）に示すように、重心２１に作用する慣性力及び重力を合成した合力の方向（加速度のなす角度）と、荷台１１の垂直方向とが、重力方向を境にして同一の象限に位置し、それらの角度差は小さい。そのため、搭載物１２は倒れ難い。
また、この車両の減速時には、荷台１１が「ノーズアップ」状態になり、同様に、搭載物１２は倒れ難い。
なお、特許文献１に記載されているように、ゼロパワー磁石ユニットの制御に際して、ギャップ検出用の変位センサを用いないセンサレス化の手法が種々開発されている。

特開２００３−２０４６０９号公報

しかし、懸架装置に用いたゼロパワー磁石ユニットは、加速・減速の初期段階で、通常のバネと同様に、荷重方向と同じ向きに変位する。
図１９は、１秒毎に変化する２秒周期のステップ状の外乱（Ａ）に対応するゼロパワー磁石ユニットのギャップ変化（Ｂ）を示している。このように、ゼロパワー磁石ユニットには、ステップ状の各外乱の初期に「正の剛性」と同じ方向の変位が現われ、その後に「負の剛性」の変位に変化する。
この「正の剛性」と同じ方向の変位は、搭載物の姿勢を不安定にする方向に荷台を傾けることになる。

本考案は、こうした事情を考慮して創案したものであり、移動体が加速や減速、あるいは旋回した場合でも、搭乗者や搭載物の姿勢が不安定にならない移動体の懸架装置を提供することを目的としている。

本考案は、移動体の懸架装置であって、被支持体を支持するゼロパワー磁石ユニットと、ゼロパワー磁石ユニットの電磁石に通電する電流を制御するコントローラと、コントローラにフィードフォワード制御の指令信号を出力する指令信号出力部とを備え、指令信号出力部は、ゼロパワー磁石ユニットのギャップを乱す外乱が生じる際に、コントローラにフィードフォワード制御の指令信号を出力し、コントローラは、指令信号が出力されると、外乱によるギャップの変位方向と逆方向にギャップを変位させるように電磁石の電流のフィードフォワード制御を行い、このフィードフォワード制御に引き続いて、ギャップを永久磁石の吸引力で維持される間隔に変位させるように電磁石の電流の制御を行うことを特徴とする。
この懸架装置のゼロパワー磁石ユニットは、コントローラの制御により、外乱を受けた初期段階から「負の剛性」の変位のみを行うことになる。

また、本考案の懸架装置では、指令信号出力部が、移動体の加速若しくは減速時、または、旋回時に指令信号を出力する。
移動体の加速・減速による慣性力や、移動体の旋回による遠心力でゼロパワー磁石ユニットのギャップが変位する場合に、その初期段階から、ゼロパワー磁石ユニットが「負の剛性」の変位を行うようにフィードフォワード制御が行われる。

また、本考案の懸架装置では、指令信号出力部が、移動体の運転操作に基づいて指令信号をコントローラに出力することができる。
車両の加減速や旋回は、運転者の運転操作によって行われるため、運転操作から得られる信号を指令信号として、車両の加減速や旋回時のフィードフォワード制御を行うことができる。

また、本考案の懸架装置では、指令信号出力部が、移動体の通過するレールの曲率と、移動体の通過速度とに基づいて指令信号をコントローラに出力するようにしても良い。
移動体がレール上を走行する列車や搬送車の場合は、レールの曲がり具合と走行速度とから、レールのカーブ位置での遠心力を予め算出することができ、その算出結果に基づいて、指令信号の出力タイミングや、フィードフォワード制御の制御量を設定することができる。

また、本考案の懸架装置では、ギャップを永久磁石の吸引力で維持される間隔に変位させるとき、電磁石の定常的な電流がゼロとなるように制御する。
こうしたゼロパワー制御により、電磁石の電力消費を最小化することができる。

また、本考案の懸架装置では、ギャップを永久磁石の吸引力で維持される間隔に変位させるとき、この間隔を調整するための電流を電磁石に定常的に流し続けるようにしても良い。
こうすることで、「負の剛性」の大きさを調整することができる。

本考案の懸架装置では、被支持体を支持するゼロパワー磁石ユニットに、外乱の作用する方向と逆方向の「負の剛性」の変位のみを行わせることができる。そのため、移動体の加速・減速時、あるいは旋回時に、懸架装置で支持された搭乗者や搭載物の姿勢を安定に保つことができる。
また、旋回時に搭乗者や搭載物の姿勢が不安定にならないため、移動体の脱線を防止する効果が期待できる。

本考案の実施形態に係る懸架装置の側（断）面図図１の懸架装置の平（断）面図図１の懸架装置のゼロパワー磁石ユニット、及び、その制御系を示す図図３の制御系のブロック線図図３の制御系のブロック線図（負の剛性の大きさが調整可能な第１の制御系）図３の制御系のブロック線図（負の剛性の大きさが調整可能な第２の制御系）フィードフォワード制御を実施したときのゼロパワー磁石ユニットの変位と実施しないときの変位を示す図実験装置の全体像を示す図図８の実験装置の搬送車への駆動機構を示す図図８の搬送車の内部構造を示す図図８の実験装置のモータ駆動力を示す図加速時の荷台角度を測定した実験結果を示す図減速時の荷台角度を測定した実験結果を示す図搬送実験の結果を示す図従来の懸架装置を示す図荷台を正の剛性を持つバネで支持したときの荷台の傾斜を示す図ゼロパワー磁石ユニットの動作を説明する図荷台を負の剛性を持つゼロパワー磁石ユニットで支持したときの荷台の傾斜を示す図フィードフォワード制御を実施しないときのゼロパワー磁石ユニットの変位を示す図

本考案の実施形態に係る懸架装置は、図１の側（断）面図に模式的に示すように、ゼロパワー磁石ユニット３０で荷台４４及び枠体４５を支えている。荷台４４に結合された枠体４５の一部は、タイヤ４１の車軸４２側に固定された架台４３の裏面と対向する位置まで延びており、この架台４３に対向する枠体４５の側にゼロパワー磁石ユニット３０の永久磁石３２側が固定され、枠体４５に対向する架台４３の裏面にゼロパワー磁石ユニット３０の電磁石３１側が固定されている。
このゼロパワー磁石ユニット３０は、図２に示すように、４箇所に配置されており、枠体４５及び荷台４４は、定常的には、各ゼロパワー磁石ユニット３０の永久磁石３２の吸引力を受けて、架台４３に非接触の状態で磁気浮上している。

このゼロパワー磁石ユニット３０の制御系は、図３に示すように、ゼロパワー磁石ユニット３０のギャップの変位を検出する変位センサ３４と、電磁石３１のコイル電流を制御するコントローラ３５と、コントローラ３５の指示でコイルへの通電を行うアンプ３６と、運転者が加速・減速・旋回などの操作を行う運転操作部４６とを備えている。
運転操作部４６は、特許請求の範囲で言う「指令信号出力部」に当たる。
車両の駆動部４７は、運転操作部４６の操作に基づいて車両の加速・減速・旋回を実行する。

また、運転操作部４６の操作を示す信号が、コントローラ３５にも出力される。
コントローラ３５には、運転操作部４６から運転操作を示す信号と、変位センサ３４からゼロパワー磁石ユニット３０のギャップの変位を示す検出信号とが入力する。
コントローラ３５は、運転操作部４６から加速、減速または旋回の運転操作を示す信号が入力すると、これをフィードフォワード制御の指令信号として捉え、車両の加速、減速または旋回から生じる力がゼロパワー磁石ユニット３０のギャップを変位させる方向と逆方向にギャップを変位させるように電磁石３１の電流のフィードフォワード制御を行う。
このフィードフォワード制御の間に変位センサ３４からゼロパワー磁石ユニット３０のギャップの変位を示す検出信号が出力されるので、フィードフォワード制御に引き続き、ギャップを永久磁石３２の吸引力のみで維持できる間隔に変位させるための電磁石３１の電流制御（即ち、ゼロパワー磁気浮上制御）を行う。

このコントローラ３５の制御により、ゼロパワー磁石ユニット３０は、加速、減速または旋回の初期段階から「負の剛性」の変位のみを行う。そのため、重心が回転中心より上側にある系の荷台４４は、運転操作部４６で加速の運転操作が行われると、初期段階から「ノーズダイブ」状態になる。また、運転操作部４６で減速の運転操作が行われると、荷台４４は、初期段階から「ノーズアップ」状態になる。また、運転操作部４６で旋回の運転操作が行われると、荷台４４は、初期段階から、旋回の中心に近い側が低く、中心から遠い側が高くなるように傾く（ローリング）。
その結果、荷台４４上の搭乗者や搭載物は、車両の加速、減速及び旋回時に、安定した姿勢を維持することができる。

図４は、この制御系のブロック線図を示している。図中の各符号は、次の意味を有している。
ｕ：モータ指令値
Ｈ（ｓ）：モータから外乱トルクに至る伝達関数
Ｈ’（ｓ）：フィードフォワード補償ゲイン
ｗ：外乱
ｗ_d’：フィードフォワード補償信号
ｗ_d：運転操作によるトルク
ｗ_v：外部からのトルク
Ｐ_d：変位フィードバック
Ｐ_z：速度フィードバック
ｓ：ラプラス演算子
ｋ_i：ゼロパワー磁石ユニットの電流あたりの推力
ｋ_s：ゼロパワー磁石ユニットの変位あたりの推力
ｒ：重心とゼロパワー磁石ユニットの水平距離
Ｉ：搭載物の慣性モーメント
θ：搭載物の傾き

このように、フィードフォワード制御を行う場合は、図１９と同様に１秒毎に変化する２秒周期のステップ状の外乱を加えたときのゼロパワー磁石ユニットの変位が、図７の曲線（ａ）のように変化し、外乱初期の逆応答が消える。なお、曲線（ｂ）は、図１９に示した、フィードフォワード制御を行わない場合のゼロパワー磁石ユニットの変位である。

なお、図４の制御系では、フィードフォワード制御に引き続いて行われるゼロパワー磁気浮上制御において、負の剛性の大きさを調整することができない。これは、電磁石３１に流れる定常的な電流がゼロとなるように制御しているため、負の剛性の大きさが永久磁石の吸引力とギャップとで決まってしまうからである。
負の剛性の大きさを調整する場合は、定常状態でも電磁石３１に電流を流し、その電流量をフィードバック制御することで可能になる。
図５及び図６は、図４の制御系に、負の剛性の大きさを調整するフィードバックを加えた系を示している。ここで、
Ｐ_p：剛性の大きさを調整するフィードバック
Ｐ_l：剛性の大きさを調整するフィードバック
である。
図４に代えて、図５または図６の制御系を用いることで、負の剛性の大きさを調整することができる。

フィードフォワード制御による効果を確かめるため、次のような装置で実験を行った。
この装置は、図８に示すように、走行台５１と、走行台５１上を走行する搬送車５２とを備えている。図９に示すように、走行台５１の端に設置したモータ５３と搬送車５２とをワイヤ５４で繋いで、搬送車５２を駆動した。図１０に示すように、搬送車５２には、二つのゼロパワー磁石ユニット３０を設置し、また、軸５５を中心にピッチングが可能なフロータ５６を設けて、このフロータ５６に二つのゼロパワー磁石ユニット３０の永久磁石３２を対称に固定した。また、フロータ５６には、荷台５７を固定した。

図１１は、搬送車５２を加速及び減速したときのモータ５３の駆動力を示している。いずれの場合も３．２秒間駆動した後、駆動を停止している。
図１２は、搬送車５２を加速したときの荷台５７の角度変化を示している。曲線ａはフィードフォワード制御を行わないときの特性、曲線ｂはフィードフォワード制御量を１．１[Ａ／Ｎ]（Ａ：アンペア、Ｎ：ニュートン）に設定したときの特性、曲線ｃはフィードフォワード制御量を２．３[Ａ／Ｎ]に設定したときの特性、また、曲線ｄはフィードフォワード制御量を３．４[Ａ／Ｎ]に設定したときの特性を示している。縦軸の角度が正であればノーズアップ状態であり、負であればノーズダイブ状態である。フィードフォワード制御を行わない場合（曲線ａ）は、加速の初期段階でノーズアップ状態にあるが、フィードフォワード制御を行うことにより、加速の初期段階でノーズダイブ状態になる。ノーズダイブの角度は、フィードフォワード制御量によって違っている。

図１３は、搬送車５２を減速したときの荷台５７の角度変化を示している。曲線ａはフィードフォワード制御を行わないときの特性、曲線ｂはフィードフォワード制御量を１．１[Ａ／Ｎ]に設定したときの特性、曲線ｃはフィードフォワード制御量を２．３[Ａ／Ｎ]に設定したときの特性、また、曲線ｄはフィードフォワード制御量を３．４[Ａ／Ｎ]に設定したときの特性を示している。フィードフォワード制御を行わない場合（曲線ａ）は、減速の初期段階でノーズダイブ状態にあるが、フィードフォワード制御を行うことにより、減速の初期段階でノーズアップ状態になる。ノーズアップの角度は、フィードフォワード制御量によって違っている。

また、図１４は、搬送車５２の荷台５７に直径６ｍｍ、長さ２５ｍｍ、底部の直径が１０ｍｍの凸状の丸棒を置き、加減速を行っても倒れずに搬送できた回数を調べたものである。平均速度を変えて、それぞれ２０回試行し、その内の成功回数を示している。
このように、重心が懸架装置の支持部分よりも上にある場合に、その懸架装置の剛性を負の値にした方が、荷台上の搭載物は倒れにくくなる。

なお、図３では、運転操作部が「指令信号出力部」となる場合について説明したが、運転操作部の運転操作情報などからフィードフォワード制御の指令信号を作成してコントローラ３５に出力する「指令信号出力部」を別に設けても良い。
例えば、移動体がレール上を走行する列車やモノレール、搬送車などの場合は、カーブでの遠心力を、移動体が通過するレールの曲率と、移動体の通過速度と、移動体の重量とから予め求めることができるから、こうした輸送システムでは、指令信号出力部が、これらの情報を予め取得し、それを基に、フィードフォワード制御の制御量を指定して、コントローラに適切なフィードフォワード制御を行わせることが可能である。また、その制御量をコントローラ自身が算出し、それに基づいてフィードフォワード制御を実行するようにしても良い。
このように、適切なフィードフォワード制御を伴う負の剛性の変位により、搭乗者や搭載物は、列車などが旋回した場合でも、安定した状態を保つことができる。旋回時に、搭乗者や搭載物の姿勢が不安定であると、搭乗者や搭載物が列車内で片寄り、脱線の危険性が生じるが、適切なフィードフォワード制御を伴う負の剛性の変位により、こうした危険が回避できる。
また、本考案は、鉄製ガイドレールに対し、永久磁石の吸引力により非接触状態で浮上走行する磁気浮上搬送車などのサスペンションにも適用できる。

本考案の懸架装置は、乗用車を始めとして、トラック、搬送車、列車、電車など、移動体に広く用いて、加速・減速・旋回時の搭乗者及び搭載物の姿勢を安定に保つことができる。

１０サスペンション
１１荷台
１２搭載物（搭乗者）
２０回転軸
２１重心
３０ゼロパワー磁石ユニット
３１電磁石
３２永久磁石
３３浮上体
３４変位センサ
３５コントローラ
３６アンプ
３７荷重
４１タイヤ
４２車軸
４３架台
４４荷台
４５枠体
４６運転操作部
４７駆動部
５１走行台
５２搬送車
５３モータ
５４ワイヤ
５５軸
５６フロータ
５７荷台

Claims

移動体の懸架装置であって、
被支持体を支持するゼロパワー磁石ユニットと、
前記ゼロパワー磁石ユニットの電磁石に通電する電流を制御するコントローラと、
前記コントローラにフィードフォワード制御の指令信号を出力する指令信号出力部と
を備え、
前記指令信号出力部は、前記ゼロパワー磁石ユニットのギャップを乱す外乱が生じる際に、前記コントローラにフィードフォワード制御の指令信号を出力し、
前記コントローラは、前記指令信号が出力されると、前記外乱による前記ギャップの変位方向と逆方向に前記ギャップを変位させるように前記電磁石の電流のフィードフォワード制御を行い、該フィードフォワード制御に引き続いて、前記ギャップを前記永久磁石の吸引力で維持される間隔に変位させるように前記電磁石の電流の制御を行うことを特徴とする懸架装置。
請求項１に記載の懸架装置であって、前記指令信号出力部が、前記移動体の加速若しくは減速時、または、旋回時に前記指令信号を出力することを特徴とする懸架装置。
請求項２に記載の懸架装置であって、前記指令信号出力部が、前記移動体の運転操作に基づいて前記指令信号を前記コントローラに出力することを特徴とする懸架装置。
請求項２に記載の懸架装置であって、前記指令信号出力部が、前記移動体の通過するレールの曲率と、当該移動体の通過速度とに基づいて前記指令信号を前記コントローラに出力することを特徴とする懸架装置。
請求項１に記載の懸架装置であって、前記ギャップを前記永久磁石の吸引力で維持される間隔に変位させるとき、前記電磁石の定常的な電流がゼロとなるように制御することを特徴とする懸架装置。
請求項１に記載の懸架装置であって、前記ギャップを前記永久磁石の吸引力で維持される間隔に変位させるとき、前記間隔を調整するための電流を前記電磁石に定常的に流し続けることを特徴とする懸架装置。