JP3876611B2

JP3876611B2 - 流体搬送装置

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Publication number: JP3876611B2
Application number: JP2000340368A
Authority: JP
Inventors: 弘中金; 晃司牧; 泰三宮崎; 倫之羽二生; 良一長沼
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-11-02
Filing date: 2000-11-02
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2020-11-02
Also published as: US6623255B2; US20030059320A1; JP2002138957A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体搬送装置に関し、特に、ピストンを往復動させて作業を行う流体搬送装置に関するものである。ここに、流体搬送装置とは、流体を搬送する装置を定義するが、例えば、圧縮機，ポンプ等を含めたものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の流体搬送装置においてはモータを用いた往復動動作による流体搬送を行う場合、前記モータは様々な構造のモータが考えられている。しかし、従来のモータの一つであるリニアモータは回転機を切り開いて直線駆動する構造のものが用いられている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のリニアモータを有する流体搬送装置において、リニアモータは回転機を切り開いて直線駆動する構造のものであるため、電機子と可動子間の漏れ磁束が多くモータ効率が悪く、流体搬送装置のように高出力を必要とする用途には実用化が困難であるという課題がある。さらに、電機子と可動子の間に磁気吸引力が一方向に働くため、可動子の支持機構に大きな負担がかかり、構造に歪みが生じて様々な弊害を生じ実用化が困難であるという課題がある。
【０００４】
本発明では、例えば、従来流体搬送装置の高効率化を狙い、電機子と可動子間を通る磁束の漏れを少なくして、電機子と可動子間に生ずる磁気吸引力を小さくしている。本発明の一つの目的は、モータ効率を良くし高出力化を可能にした流体搬送装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は往復移動により作動流体を搬送する流体搬送装置において、前記流体搬送装置のモータとして、移動方向に沿って所定ピッチで設けられた磁極を有し、ピストンが装着される可動子と、可動子の移動方向に沿って所定ピッチでかつ可動子を介して対向するように可動子の上下に設けられた電機子の磁極歯と、これら磁極歯の隣接する磁極歯及び対向する磁極歯が異極となるように励磁する巻線とを備え、可動子，磁極歯，巻線によりリニアモータを構成し、リニアモータの電機子を複数個並べ、極ピッチをＰとするとき、隣り合う相異なる電機子の磁極歯とのピッチを（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝｛ここに、ｋは隣り合う電機子の配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータの相数｝として、前記巻線を所定の制御回路に従って励磁することによって可動子を往復移動させ、この往復移動の過程でピストンによる流体搬送を行うことを特徴とするものである。
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は往復移動により作動流体を搬送する流体搬送装置において、前記流体搬送装置のモータとして、移動方向に沿って所定ピッチで設けられた磁極を有し、ピストンが装着される可動子と、可動子の移動方向に沿って所定ピッチでかつ可動子を介して対向するように可動子の上下に設けられた電機子の磁極歯と、これら磁極歯の隣接する磁極歯及び対向する磁極歯が異極となるように励磁する巻線とを備え、可動子，磁極歯，巻線によりリニアモータを構成し、該リニアモータは、磁性体で形成された電機子と、該電機子に巻回された巻線と、該電機子が生ずる磁場に作用することにより、該電機子と相対的に移動可能な可動子とからなるリニアモータであって、該リニアモータは更に電機子の一方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した一方の磁極歯列と、可動子の他方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した他方の磁極配列とを有し、該一方に設けた磁極配列の第１段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第１段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方に設けた磁極配列の第２段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第２段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方及び該他方の第１段の磁極歯列と該一方及び該他方に設けた第２段の磁極歯列の間に該可動子が配列されたリニアモータを用いて、該可動子の先端にピストンが装着され、前記巻線を所定の制御回路に従って励磁することによって可動子を往復移動させ、この往復移動の過程でピストンによる流体搬送を行うことを特徴とするものである。
【０００７】
本発明の上記特徴及びその他の特徴は、以下で説明される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。また、図中において、同一符号で示す構成要素は、同一物又は相当物である。
【０００９】
図１は、リニアモータを有する流体搬送装置の基本構成ブロック図である。
１０１は後述する電機子と可動子からなるリニアモータであり、１００はケーシング、１０２はコントローラ、１０３はドライバー、１０４はバッテリ、１０５は電源コード、６は可動子、１２０はバネ、１１０は吸入弁、１１１は吐出弁、１２１は圧縮室、可動子６の先端にはピストン１２２が装着される構造である。
【００１０】
前記の吸入弁１１０と吐出弁１１１らは片路開閉型の弁を用いることが出来る。また、ピストン１２２の移動行程部等からなる圧縮室１２１はシーリングするのは言うまでもない。
【００１１】
また、前記流体搬送装置の電源としてはバッテリ、または外部電源どちらでも駆動可能にした切換え機能（図示せず）を備える。また、バッテリ１０４，電源コード１０５は必要に応じて脱着が可能で有る。また、コントローラ１０２とドライバー１０３はケーシング１００に内装しても良い。
【００１２】
前記リニアモータのピストン１２２が装着されない他方の可動子先端にはバネ１２０を備えて、バンパーの機能を用いる。更に、可動子６の往復移動にバネ１２０の共振現象を利用して流体搬送装置の効率を上げる。
【００１３】
図２，図３は本実施形態のリニアモータを用いた制御ブロック図を示す。
【００１４】
図２（ａ）はリニアモータ１０１の電機子と可動子の相対的な変位と磁極を検出するセンサ（図示せず）とその信号をフィードバックする制御部１０２とパワードライブ部１０３からなるクローズループ制御システムを構成するブロック図を示す。
【００１５】
図２（ｂ）はリニアモータ１０１と制御部１０２とパワードライブ部１０３からなるオープンループ制御システムを構成するブロック図を示す。
【００１６】
図３（ａ）は、リニアモータ１０１と、電圧センサと、制御器１０２と、パワードライブ部１０３からなる磁極センサレス制御システムを構成するブロック図を示す。本実施形態においては、電圧センサを用いてリニアモータが発生する誘起電圧Ｅｏを制御器１０２内に読み込んでいる。制御器１０２内では、誘起電圧の大きさから磁極位置を推定し、リニアモータを駆動する信号をパワードライブ部１０３へ出力する。本構成の制御システムでは、磁極位置センサをリニアモータ部１０１に取り付けることなく、安定にリニアモータ１０１を駆動できるようになる。
【００１７】
図３（ｂ）は、リニアモータ１０１と、電流センサと、制御器１０２と、パワードライブ部１０３からなる磁極センサレス制御システムを構成するブロック図を示す。本実施例においては、電流センサを用いてリニアモータに流れる電流Ｉを制御器１０２内に読み込んでいる。制御器１０２内では、リニアモータに印加している電圧と検出電流値から、リニアモータの誘起電圧を演算し、磁極位置を推定演算する。本構成の制御システムでは、磁極位置センサをリニアモータ部１０１に取り付けることなく、安定にリニアモータを駆動できるようになる。
【００１８】
図４において、図１で示したケーシング１００の内部の構造を改良したものである。勿論、制御部１０２，ドライバー部１０３，バッテリ１０４，電源コード１０５などは共通構成要素である。図４は、リニアモータ１０１の可動子６の両側にピストン１２２を用いる流体搬送装置の本発明の他の実施例である。これにより、ひとつのリニアモータ１０１で二以上の吸入と吐出が可能となる。したがって、コンパクトになるという効果がある。
【００１９】
図５は本発明の流体搬送装置に用いるリニアモータの概略構成を示す。図５（ａ）は、本発明の一実施形態によるリニアモータの基本構成図であり、図５（ｂ）は、それらの基本構成を多極化にした概略の一例を示す。
【００２０】
図５（ａ）において、５１は第一の対向部を有する鉄心であり、５２は第二の対向部を有する鉄心である。前記鉄心５１と前記鉄心５２には上部と下部の磁極が互い違いになるように構成されている。ここで、前記鉄心５１の上部磁極歯１１ａと下部磁極歯２１ｂを第一の対向部と定義し、前記鉄心５２の下部磁極歯１２ｂと上部磁極歯２２ａを第二の対向部と定義する。よって、（２ｎ−１）番目の鉄心は第一の対向部、（２ｎ）番目の鉄心は第二の対向部になるように電機子を構成する（但し、ｎ＝１，２，３，……）。また、図５（ａ）に示すように、前記鉄心５１と前記鉄心５２には一つの巻線４が巻回される。可動子６は前記鉄心５１の第一の対向部に挟持され、かつ、可動子が前記鉄心５２の第二の対向部に挟持され、電機子とは相対移動することを特徴とするリニアモータである。ここに、電機子は鉄心と巻線４からなり、可動子は永久磁石，磁性体，非磁性体からなる。また、各対向部の上部磁極歯と下部磁極歯の間に一定のギャップ８を設け、ギャップ８に前記可動子を通すと、可動子が第一の対向部に挟持され、かつ、可動子が前記第二の対向部に挟持された構造を形成する。上記により、本実施形態のリニアモータ各対向部の上部磁極歯と下部磁極歯の間ギャップには磁束が上部と下部の磁極歯間を交番して上下に流れる電機子を形成し、ギャップを通して可動子が相対移動する構造になる。
【００２１】
図６に、本実施形態のリニアモータの磁束が流れる概念と積層鋼板により組み立てられた概略図を示す。
【００２２】
上記のような構成にすれば、図６（ａ）に示すように電機子３の各対向部の上部磁極歯（１１ａ，２２ａ）と下部磁極歯（２１ｂ，１２ｂ）の間のギャップには磁束が上部と下部の磁極歯間を交番して上下に流れる電機子３を形成し、ギャップを通して可動子６が相対移動する構造になる。
【００２３】
また、本実施形態のリニアモータでは、可動子６と上部磁極歯(１１ａ，22ａ)に働く吸引力と可動子６と下部磁極歯（２１ｂ，１２ｂ）に働く吸引力の大きさはほぼ同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対であるので、全体の吸引力は小さくなる。このため、可動子６と電機子３の磁極歯間の吸引力を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくできる。
【００２４】
図６（ｂ）において、電機子３は積層鋼板からなり、前記第一の対向部と第二の対向部が交互に複数個配置された構造である。また、電機子３の巻線４が配置される鉄心部と可動子６が挟持される対向部を有する磁極部を積層鋼板により分割製作して組み立てることを示す。
【００２５】
図７は、図６（ｂ）で示した積層鋼板で構成された電機子をモールドしたイメージを示す。電機子３は積層鋼板，巻線，支持機構（図示せず）を含めてモールドしたものである。また、電機子３は図８に示すように電機子を直列に配置して、Ａ相，Ｂ相の各々を個別にモールドしても良いし、多相を纏めてモールドしても良い。図９に示すように電機子を並列に配置して、Ａ相，Ｂ相の各々を個別にモールドしても良いし、多相を纏めてモールドしても良い。
【００２６】
電機子３の形状は流体搬送装置の形状に合わせて、角材状，円筒状等が可能であり、可動子６も同じく角材状、図１１に示すような円筒状等が可能である。
【００２７】
図８は本実施形態のリニアモータを用いた配置の実施形態を示す。
【００２８】
ここで、図８では、電機子３を２個直列に並べることを示す。Ａ相，Ｂ相間には電気角９０°の位相差を持たせて励磁を切換えることで進行磁界が発生し、可動子６が相対移動する。図１３に２相リニアモータの励磁シーケンスを示す。前進後進の移動量および移動速度は要求仕様条件により設定される。
【００２９】
図１４，図１５に２相リニアモータの他の励磁シーケンスを示す。
【００３０】
図１４に示すようにモータ電流を疑似正弦波にコントロールして、モータのステップ角をより細かなステップ角で駆動する方法で、騒音，振動が小さくなる効果がある。
【００３１】
図１５はインバータ部で周波数制御と出力電圧制御を同時に行うため、出力電圧波形はパルス幅変調（ＰＷＭ）され正弦波状とすることにより、低次高調波を除去できモータの推力リップルを低減させることができ、騒音，振動が小さくなる効果がある。
【００３２】
図９はリニアモータ配置の他の実施形態を示す。図９では、電機子３，可動子６を２個並列に並べることを示す。電機子３を２個並列に並べ、２個の可動子６を一体化したり、電機子３を複数個並列に並べ、複数個の可動子６を一体化しても同様である。
【００３３】
なお、本発明の実施形態として、１相，２相リニアモータについて説明したが、３相，４相，５相等の多相リニアモータとして利用することができる。
【００３４】
リニアモータの電機子３を複数個並べ、極ピッチをＰとするとき、隣り合う相異なる電機子３の磁極歯とのピッチは（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝｛ここに、ｋは隣り合う電機子３の配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータの相数｝とする。
【００３５】
図１０は、本発明の平板状の可動子についての他の実施形態を示す。図１１は、前記平板状の可動子を円筒型可動子にした例を示す。
【００３６】
図１０において、平板状の強磁性体の両面に凸の磁極歯１３を設けると、電機子３の対向部の磁極との間で進行方向に対して磁気抵抗が変化する。すなわち、凸の磁極歯１３と電機子３の対向部の磁極との間の磁気抵抗は、強磁性体の平板部１６と電機子の対向部の磁極との間の磁気抵抗より小さい。この磁気抵抗の変化を利用すると、移動自在な可動子６となる。ここで、凸の磁極歯１３を強磁性体にし、平板部１６に永久磁石を設けることにより、複合型可動子にすることも可能である。また、凸の磁極歯１３を強磁性体にして平板部１６を非磁性体とする組み合わせにしても良い。
【００３７】
図１１において、動作原理は図１０の説明と同じであり、軸３５に強磁性体３６と非磁性体３７を交互に取り付けた組み合わせとする。また、永久磁石を使用しても良い。この場合、図１１の右側に示すように、対向する磁極歯も軸３５の形状に沿って曲面形状を有している。
【００３８】
図１２は、本発明の実施形態によるリニアモータの断面図を示す。図１２において、支持機構１４は電機子３側に、支持機構１５は可動子６側に設けられ相対移動する可動子６を支持する機構である。よって、可動子６は、支持機構１４，１５に支持されてトンネルを通るようにギャップ８を通して相対移動する。
【００３９】
図１６は、前記ピストン１２２両側にリニアモータ１０１(１０１Ａと101Ｂ）を用いるリニアモータを有する流体搬送装置他の実施例である。図１６のようにリニアモータを複数個配置する場合でも、図８に示す電機子Ａ相と電機子Ｂ相の間にピストン１２２を配置した構造が可能である。１０１Ａは電機子Ａ相，101Bは電機子Ｂ相として構成すれば良いことである。
【００４０】
図１６において、二つのリニアモータ１０１Ａと１０１Ｂを、１０１Ａは電機子Ａ相、１０１Ｂは電機子Ｂ相として構成したものについて、具体的に説明する。
【００４１】
電機子Ａ相の磁極歯と電機子Ｂ相の磁極歯間のピッチが｛（ｋ・Ｐ；ｋ＝０，１，２，）｝になるように電機子Ａ相と電機子Ｂ相を直列に並べて、可動子６Ａと可動子６Ｂとの磁極中心が（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）になるように構成しても良い。ここに、Ｍは相数である。
【００４２】
言い替えると、可動子６Ａと可動子６Ｂは、（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）ピッチだけずらせてピストン１２２と一体化する。相対的に、可動子６Ａと可動子６Ｂの磁極ピッチは同ピッチに揃えて、電機子Ａ相と電機子Ｂ相の磁極中心間を（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）ピッチだけずらせても良い。
【００４３】
電機子Ａ相と電機子Ｂ相の巻線を交互に移動磁界が発生するように励磁すると、上部磁極面と下部磁極面の間ギャップ８には極ピッチ毎に反対方向に磁束が流れ、移動に必須なＰ／２によって推力が発生し、可動子６が相対移動し、該可動子に連結されたピストン１２２が自由自在に移動する。
【００４４】
図１７はリニアモータ付流体搬送装置における本発明の他の実施形態を示す。図１７において、１２３はフィルター、１３０はタンク、１３１は計器、１３２は安全弁、１３３はタンク１３０に備えた吐出弁である。また、計器１３１の信号はコントローラ１０２にリンクさせて最適制御を行うことも可能である。図１７に示すバネ１２０はリニアモータ１０１前後に両方配置しても良いし、片方だけ配置しても良い。各図中において、同一符号で示す構成要素は、同一物又は相当物であることを意味する。
【００４５】
図１８はリニアモータ付流体搬送装置における本発明の他の実施形態を示す。図１８において、ケーシング９９とケーシング１００らを二重構造にして流体の搬送でリニアモータを冷却する冷却機能を持たせたことを特徴とするリニアモータ付流体搬送装置である。すなわちケーシング１００が流体によって冷却される構成である。
【００４６】
図１９はリニアモータ付流体搬送装置における本発明の他の実施形態を示す。図１９において、ピストン１２２とケーシング１００の間に弾性体１３４を備えた構造を示す。また、該弾性体１３４はシーリング効果をもたらす。図１９では、リニアモータ１０１の両端に、上記構造が設けられている。これにより、二つのピストン１２２を駆動している。
【００４７】
以上説明したように、リニアモータは有効磁束の磁気回路の磁路が短くなり、磁極歯の漏れ磁束を少なくすることにより、モータ効率を良くし高出力化を可能にした。
【００４８】
また、本実施形態のリニアモータでは、可動子６と上部磁極歯に働く吸引力と可動子６と下部磁極歯に働く吸引力の大きさは同じであり、かつ、吸引力が働く方向は反対であるので、全体の吸引力は小さくなる。このため、可動子６と電機子３の磁極歯間の吸引力を小さくすることができ、支持機構の負担を小さくできる。
【００４９】
更に、部品点数が少なく、流体搬送装置の薄型化も可能である。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、モータの効率が良く、高出力化可能な流体搬送装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるリニアモータ付流体搬送装置の基本構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施形態の制御ブロック図。
【図３】本発明の実施形態における他の制御ブロック。
【図４】本発明の他の実施形態におけるリニアモータとピストンの構成その１。
【図５】本発明の流体搬送装置に用いるリニアモータの概略。
【図６】リニアモータの磁束流れの概念図と積層鋼板により構成した組み立て概略図。
【図７】電機子をモールドしたリニアモータの概略構成例を示す斜視図。
【図８】２個直列に並べたリニアモータを示す模式図。
【図９】２個並列に並べたリニアモータ。
【図１０】可動子における他の実施形態のその１。
【図１１】可動子における他の実施形態のその２。
【図１２】本発明の実施形態によるリニアモータの断面図。
【図１３】２相リニアモータの励磁シーケンスを示すタイムチャート。
【図１４】２相リニアモータの他の励磁シーケンスを示すタイムチャート。
【図１５】２相リニアモータの他の励磁シーケンスを示すタイムチャート。
【図１６】本発明の他の実施形態におけるリニアモータとピストンの構成その２。
【図１７】本発明の他の実施形態におけるリニアモータとピストンの構成その３。
【図１８】本発明の他の実施形態におけるリニアモータとピストンの構成その４。
【図１９】本発明の他の実施形態におけるリニアモータとピストンの構成その５。
【符号の説明】
１…磁極、１１ａ…磁極１の上部磁極歯、１２ｂ…磁極１の下部磁極歯、２…磁極、２１ｂ…磁極２の下部磁極歯、２２ａ…磁極２の上部磁極歯、３…電機子、４…巻線（電機子側）、５…鉄心、６…可動子、１０１…リニアモータ、102…コントローラ、１０３…ドライバー、１０４…バッテリ、１０５…電源コード、１２２…ピストン。

Claims

往復移動により作動流体を搬送する流体搬送装置において、
前記流体搬送装置のモータとして、移動方向に沿って所定ピッチで設けられた磁極を有し、ピストンが装着される可動子と、
可動子の移動方向に沿って所定ピッチでかつ可動子を介して対向するように可動子の上下に設けられた電機子の磁極歯と、
これら磁極歯の隣接する磁極歯及び対向する磁極歯が異極となるように励磁する巻線とを備え、
可動子，磁極歯，巻線によりリニアモータを構成し、リニアモータの電機子を複数個並べ、極ピッチをＰとするとき、隣り合う相異なる電機子の磁極歯とのピッチを（ｋ・Ｐ＋Ｐ／Ｍ）｛（ｋ＝０，１，２，…），（Ｍ＝２，３，４，…）｝｛ここに、ｋは隣り合う電機子の配置可能範囲で自由に選べる数、Ｍはモータの相数｝として、前記巻線を所定の制御回路に従って励磁することによって可動子を往復移動させ、この往復移動の過程でピストンによる流体搬送を行う流体搬送装置。
往復移動により作動流体を搬送する流体搬送装置において、
前記流体搬送装置のモータとして、移動方向に沿って所定ピッチで設けられた磁極を有し、ピストンが装着される可動子と、
可動子の移動方向に沿って所定ピッチでかつ可動子を介して対向するように可動子の上下に設けられた電機子の磁極歯と、
これら磁極歯の隣接する磁極歯及び対向する磁極歯が異極となるように励磁する巻線とを備え、
可動子，磁極歯，巻線によりリニアモータを構成し、該リニアモータは、磁性体で形成された電機子と、該電機子に巻回された巻線と、該電機子が生ずる磁場に作用することにより、該電機子と相対的に移動可能な可動子とからなるリニアモータであって、
該リニアモータは更に電機子の一方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した一方の磁極歯列と、可動子の他方の磁極に磁気的に結合され、該可動子の移動方向に対し略垂直方向に第１段及び第２段に分けて配列した他方の磁極配列とを有し、該一方に設けた磁極配列の第１段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第１段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方に設けた磁極配列の第２段の磁極歯と該他方に設けた磁極歯列の第２段の磁極歯が該可動子の移動方向に対して交互に配置され、該一方及び該他方の第１段の磁極歯列と該一方及び該他方に設けた第２段の磁極歯列の間に該可動子が配列されたリニアモータを用いて、該可動子の先端にピストンが装着され、前記巻線を所定の制御回路に従って励磁することによって可動子を往復移動させ、この往復移動の過程でピストンによる流体搬送を行うことを特徴とする流体搬送装置。