JP4296689B2 - ブラシレスリニアモータ - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として引戸式のドア本体を電動走行させる際に用いられるブラシレスリニアモータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
一般に、リニアモータは、図1に示すように、可動子2との間に磁力による推力を生じさせて可動子2を走行させる固定子1を備え、固定子1には可動子2の進行方向に列設された複数のコイル11が設けられる。また、各コイル11にはそれぞれ鉄心13が挿通されており、鉄心13の一端が可動子2に対面するように配置され、各鉄心13の他端同士は固定子ヨーク14により磁気的に結合される。一方、可動子2は、進行方向において複数の磁極が交互に異磁極となるように配置された永久磁石21を備え、永久磁石21の磁極が固定子に設けた鉄心13の一端に対面することにより、可動子2には固定子1との間の磁力による推力が生じるようにしてある。可動子2を走行させる推力を発生させるには、各コイル11に通電するタイミングを可動子2の位置に応じて制御する必要があるから、可動子2の磁極の位置を検出する磁気センサ31が固定子1側に設けられ、磁気センサ31の出力に基づいて各コイル11への通電タイミングが制御される。つまり、可動子2の磁極の位置に応じて励磁するコイル11を選択的に切り換えるために複数の磁気センサ31を備えた磁気センサブロック3が設けられ、磁気センサブロック3により検出した可動子2の位置に応じたタイミングで各コイル11への通電を制御することにより、可動子2を所望の方向に走行させることが可能になる。このように磁気センサ31を用いて各コイル11への通電タイミングを切り換えるからブラシが不要になっている。つまり、図1に示すリニアモータはブラシレスリニアモータとなっている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、磁気センサブロック3を構成する磁気センサ31としては、一般にホール素子やホールICが用いられている。磁気センサ31はコイル11の励磁相数分の個数が設けられており、複数の磁気センサ31のうちの1個でも異常が生じると、正しいコイル11を選択することができなくなり、可動子2を所望の方向に走行させることができなくなる。
【0004】
そこで、従来から磁気センサの異常を検出する技術が提案されている(特開平5−98867号公報)。この公報に記載の技術では、複数個の磁気センサの出力を2値化するとともに、磁気センサの出力の組み合わせの変化の順番を監視し、変化の順番が正常な場合とは異なっていると、磁気センサに異常が生じたとみなしている。したがって、この技術を用いれば磁気センサの異常を検知することが可能になると言える。
【0005】
しかしながら、上記公報に記載の技術では、磁気センサの出力の組み合わせの時間変化を検出するものであるから、比較的複雑な処理が必要になるという問題がある。
【0006】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、比較的簡単な処理で磁気センサの異常を確実に検知することを可能としたブラシレスリニアモータを提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、進行方向に沿って複数個の磁極が交互に異磁極となるように等間隔で配列された永久磁石を備える可動子と、可動子の磁極との間の相互作用により可動子に推力を与えるように可動子の進行方向に沿って列設された複数個のコイルと、可動子の磁極の位置を検出するように可動子の進行方向に離間して等間隔で配置された複数個の磁気センサからなる磁気センサブロックと、磁気センサブロックにより検出した可動子の磁極の位置に応じて前記コイルへの通電のタイミングを制御する制御回路とを備え、磁気センサブロックは、隣り合う2個のコイルの間に配置され、磁気センサブロックを挟んで配置されるコイル間の間隔と磁気センサブロックを挟まずに配置される各一対のコイル間の間隔との差が永久磁石の隣接する磁極間の距離の2倍に設定され、かつ磁気センサブロックに含まれる一つの磁気センサと可動子の進行方向において隣り合う一方のコイルとの間隔はコイル間の間隔と等しく設定され、磁気センサブロックでは、可動子が走行する全区間において各磁気センサに対向する永久磁石の磁極がすべて同極性となる部分がないように各磁気センサが配置されているものである。この構成によれば、複数設けた磁気センサの出力がすべて同極性を検出しているのと等価な状態が生じていれば異常とみなすことができ、磁気センサの出力の組み合わせのみで異常の有無を検出することが可能になる。
【0008】
請求項2の発明は、進行方向に沿って複数個の磁極が交互に異磁極となるように等間隔で配列された永久磁石を備える可動子と、3相のコイルおよびコイルに挿通された鉄心を備える複数個の電磁石が可動子の進行方向に沿って配列され各鉄心の一端間が固定子ヨークにより磁気的に結合された固定子と、可動子の磁極の位置を検出するように可動子の進行方向に離間して等間隔で固定子に配置された3個の磁気センサからなる磁気センサブロックと、磁気センサブロックにより検出した可動子の位置に応じて前記コイルへの通電のタイミングを制御する制御回路とを備え、磁気センサブロックは、隣り合う2個の電磁石の間に配置され、磁気センサブロックを挟んで配置される各一対の電磁石間の間隔と磁気センサブロックを挟まずに配置される電磁石間の間隔との差が永久磁石の隣接する磁極間の距離の2倍に設定され、かつ磁気センサブロックに含まれる中央の磁気センサと可動子の進行方向において隣り合う一方の電磁石との間隔は電磁石間の間隔と等しく設定され、磁気センサブロックでは、永久磁石の隣接する磁極間の距離に対して隣接する磁気センサ間の間隔が2/3倍となるように各磁気センサが配置されているものである。この構成によれば、可動子の磁極を検出してコイルへの通電のタイミングを決めるための磁気センサを用い、複数設けた磁気センサの出力がすべて同極性を検出しているのと等価な状態が生じていれば異常とみなすことができ、磁気センサの出力の組み合わせで異常の有無を検出することが可能になる。
【0009】
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記磁気センサブロックから前記制御回路に入力される信号は、前記磁気センサごとに可動子の各極性の磁極が検出されている期間に対応して2値化された出力であり、前記制御回路では、すべての磁気センサについて前記制御回路に入力される信号の信号値が等しいときには前記制御回路に入力される信号が異常であると判定するものである。この構成によれば、磁気センサブロックから制御回路に入力される信号が2値化されているから、制御回路に入力される信号の異常を論理値の組み合わせで簡単に検出することができる。
【0010】
請求項4の発明は、請求項3の発明において、前記制御回路では、入力される信号が異常であると判定したときに前記コイルへの通電を停止するものである。この構成によれば、磁気センサブロックから制御回路に入力される信号の異常を検出したときに誤動作せず、可動子は慣性で走行した後に自動的に停止することになる。
【0011】
請求項5の発明は、請求項3または請求項4の発明において、前記制御回路が、入力される信号が異常であると判定したことを表示する表示ランプを備えるものである。この構成によれば、磁気センサブロックから制御回路に入力される信号の異常を表示ランプの点灯状態によって容易に知ることができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
図1、図2に示すように、固定子1と可動子2とは対置され、固定子1には複数個の電磁石10を列設してある。各電磁石10は、可動子2の進行方向において一直線上に列設されており、各電磁石10はそれぞれコイル11が合成樹脂成形品のコイルボビン12に巻装され、コイルボビン12において円形に開口する中心孔に鉄心13が挿通された構成を有する。鉄心13の一端部は他の部位よりも大径となったヘッド13aを形成しており、このヘッド13aは可動子2に対面する磁極として機能する。各鉄心13の脚部13bの他端部は軟磁性材料で形成された固定子ヨーク14に設けた孔(図示せず)に挿入され、かしめ等により機械的かつ磁気的に結合される。
【0013】
一方、可動子2は進行方向において交互に異磁極が並ぶ永久磁石21を備える。永久磁石21は厚み方向の一面が鉄心13のヘッド13aに対面するように配置され、永久磁石21の厚み方向の他面には可動子ヨーク22が重ね合わされる。可動子ヨーク22は永久磁石21の上記他面側への磁束の漏洩を抑制して磁気効率を高めるために設けられている。永久磁石21は複数個の永久磁石を並べた形でもよいが、本実施形態では1枚の磁性体板に長手方向に沿って多極に着磁することによって永久磁石21を形成してある。永久磁石21の各磁極は等ピッチに形成されており、本実施形態では、永久磁石21の磁極間のピッチをLとするとき、固定子1における隣接する鉄心13間の距離が10L/6になるように設定してある。また、この可動子2は進行方向における全長よりも走行範囲のほうが大きくなっている。
【0014】
固定子1には磁気センサブロック3も設けられる。磁気センサブロック3は可動子2に設けた永久磁石21の磁極の位置を検出するための片側磁界型のホールICからなる3個の磁気センサ31を備え、図3に示すように、磁気センサブロック3の出力を制御回路42に与えることによって、制御回路42が各コイル11への通電タイミングを制御し、これによって可動子2と固定子1との間に磁力が作用して(つまり、コイル11と可動子2の磁極との相互作用により)可動子2が推力を受けるようにしてある。ホールICはホール素子を備えるとともに、ホール素子からのアナログ出力を永久磁石21の磁極の切り替わりに対応してHレベルとLレベルとに2値化する回路部とを集積したものである。ここに、片側磁界型のホールICとは、N極またはS極のうちの一方に対してのみ磁束密度が所定値以上になると2値出力を反転させるものを意味している。たとえば、S極において磁束密度の変化を2値化するとすれば、N極においては磁束密度が変化しても出力値を変化させないように構成したものである。磁気センサブロック3は3個の磁気センサ31をプリント基板32に実装してあり、このプリント基板32は固定子1の長手方向の中央付近において2個の電磁石10の間に配置されるとともに、固定用スペーサ33を介して固定子ヨーク14にねじ等により固定され、各磁気センサ31の先端面が鉄心13のヘッド13aとほぼ同一平面に位置するように配置される。ここに、両電磁石10の間隔は22L/6に設定され、磁気センサブロック3における各磁気センサ31の間隔は2L/3に設定される。また、図2において中央の磁気センサ31は左側の電磁石10に対して12L/6、右側の電磁石10に対して10L/6の間隔になるように配置される。なお、磁気センサ31としてホール素子を用い、ホール素子の出力を2値化する回路はプリント基板32に実装してもよい。
【0015】
本実施形態ではY結線となるように接続された3相のコイル11を設けてあり、2相ずつ励磁することによって可動子2に推力を与えるように制御される。磁気センサ31の出力に基づいて各コイル11の通電を制御する回路は図3に示すように構成される。コイル11は上述したように3相設けられ、各相のコイル11の一端同士は共通に接続されてY結線とされている。したがって、3相のコイル11からなるコイルブロック30は3端子を有している。一方、コイル11への通電を制御する回路は、直流電源41の両端間に接続された各組2個ずつのスイッチング素子Q11,Q12、Q21,Q22、Q31,Q32の直列回路を3組備える。コイルブロック30の各端子は各組の直列回路の中間点、つまりスイッチング素子Q11,Q12の接続点と、スイッチング素子Q21,Q22の接続点と、スイッチング素子Q31,Q32の接続点とにそれぞれ接続される。また、各スイッチング素子Q11,Q12、Q21,Q22、Q31,Q32には、それぞれ環流用のダイオードD11,D12、D21,D22、D31,D32が逆並列に接続される。ここに、スイッチング素子Q11,Q12、Q21,Q22、Q31,Q32に逆並列であるとは、スイッチング素子Q11,Q12、Q21,Q22、Q31,Q32に並列であって、かつスイッチング素子Q11,Q12、Q21,Q22、Q31,Q32のオン時とは逆向きに電流を流す極性であることを意味する。
【0016】
上述した各スイッチング素子Q11,Q12、Q21,Q22、Q31,Q32は磁気センサ31が接続された制御回路42によりオンオフされる。制御回路42はマイコンを主構成要素とし、あらかじめ設定されたプログラムに従って各スイッチング素子Q11,Q12、Q21,Q22、Q31,Q32を磁気センサ31の出力に応じて制御するのである。
【0017】
いま、スイッチング素子Q11,Q12の接続点に一端が接続されたコイル11をU相、スイッチング素子Q21,Q22の接続点に一端が接続されたコイル11をV相、スイッチング素子Q31,Q32の接続点に一端が接続されたコイル11をW相とすれば、制御回路32ではU相とV相とのコイル11、V相とW相とのコイル11、W相とU相とのコイル11に順次通電されるように、スイッチング素子Q11,Q12、Q21,Q22、Q31,Q32のオンオフを制御する。たとえば、スイッチング素子Q11,Q22をオンにする状態、スイッチング素子Q21,Q32をオンにする状態、スイッチング素子Q31,Q12をオンにする状態を循環的に繰り返すのである。また、可動子2の移動方向を逆にする場合には、スイッチング素子Q21,Q12をオンにする状態、スイッチング素子Q11,Q32をオンにする状態、スイッチング素子Q31,Q22をオンにする状態を循環的に繰り返す。制御回路32はマイコンを主構成としており、磁気センサ31により検出した可動子2の位置に基づいて上述のようにスイッチング素子Q11,Q12、Q21,Q22、Q31,Q32のオンオフを制御するのである。このように各2相ずつのコイル11を順次励磁することにより可動子2にほぼ直進する推力を与えることができる。
【0018】
図2においてU,V,Wの符号は各コイル11の相を示しており、これらの符号にアポストロフィを付与した各コイル11はアポストロフィを付与していない同相のコイル11とは励磁極性が逆になることを意味している。図示例ではU,V’,W,U’,V,W’の順で各相のコイル11が配列される。しかるに、上述のように制御回路32によってスイッチング素子Q11,Q12、Q21,Q22、Q31,Q32を循環的にオンオフさせると(つまり、U,V→V,W→W,U→U,Vのように通電すると)、同時に通電される2相のコイル11は互いに逆極性に励磁されるから、図2において隣接する2個ずつのコイル11が励磁されているときに、励磁されている各2個のコイル11の間の1個のコイル11は励磁されていないことになる。また、同時に励磁される2個のコイル11は同極性に励磁されることになる。たとえば、Uのコイル11において鉄心13のヘッド13aがN極になるように励磁されるとすれば、U’のコイル11はS極、Vのコイル11はS極,V’のコイル11はN極になる。つまり、このときにはN極,N極,無励磁,S極,S極,無励磁になる。また、磁気センサブロック3において、右端の磁気センサ31はU相、中央の磁気センサ31はW相、左端の磁気センサ31はV相にそれぞれ対応する。
【0019】
ところで、磁気センサ31から正常な出力が得られているときには、図4に示すように、可動子2の位置に応じて各磁気センサ31がそれぞれ2値出力を発生する。図から明らかなように、3個の磁気センサ31の出力はすべてが同時にHレベルあるいはLレベルになることはなく(図では上側がHレベルを示している)、少なくとも1個の磁気センサ31の出力値は他の磁気センサ31の出力値とは異なることになる。
【0020】
一方、U相の磁気センサ31が故障して出力がLレベルになるか、U相の磁気センサ31と制御回路42との間で断線したとすれば、図5に示すように、制御回路42への入力は常にLレベルになり、この場合には3個の磁気センサ31のすべての出力(制御回路42への入力)が同じ値(図示例ではLレベル)になる期間が生じる。図5においてはPで示す位置において、すべての磁気センサ31の出力がLレベルになっている。ここではU相の磁気センサ31についてのみ説明しているが、V相の磁気センサ31あるいはW相の磁気センサ31であっても同様である。
【0021】
図4と図5との関係から明らかなように、磁気センサ31から制御回路42への入力について、すべての入力が同じ値になる期間が生じる場合には、磁気センサ31の異常あるいは磁気センサ31と制御回路42との間の異常と見なせるから、このような状態の検出によって異常の有無を判断することが可能になる。したがって、可動子2の走行速度を決定する速度制御プログラムの一部に、図6に示すサブルーチンを組み込むようにし、速度制御プログラムの実行中にこのサブルーチンを定期的に実行すれば、磁気センサ31に関する異常の有無を検出することが可能になり、磁気センサ31に異常があれば可動子2を停止させるように制御することが可能になる。すなわち、可動子2の走行速度を考慮することにより、磁気センサ31の出力の変化点の直前のタイミングでメインルーチンからサブルーチンを呼び出し、磁気センサ31から制御回路42への入力がすべて同じ値になっているか否かを確認する(S1)。ここで、同じ値ではなければ、メインルーチンに戻り(S2)、同じ値になっていれば、すべてのスイッチング素子Q11,Q12、Q21,Q22、Q31,Q32をオフにすることによって、可動子2の移動を停止させ(S3)、発光ダイオードからなる図示していない表示ランプ(磁気センサ異常ランプ)を点灯させるなどして異常を報知する(S4)。このようなサブルーチンを設けることによって、図5における位置Pで磁気センサ31の異常の有無を検出することが可能になる。なお、可動子2の走行中でなくとも制御回路42を動作させておけば、手動で可動子2を移動させるようにしても磁気センサ31の異常の有無を検出することが可能である。ここに、表示ランプは、正常時と異常時とで色を変化させたり、連続点灯と点滅点灯とを切り換えたりする構成であってもよい。また、正常時に点灯する表示ランプと異常に点灯する表示ランプとを設けたり、異常時に点灯する表示ランプを複数設けたりしてもよい。
【0022】
【発明の効果】
請求項1の発明の構成によれば、複数設けた磁気センサの出力がすべて同極性を検出しているのと等価な状態が生じていれば異常とみなすことができ、磁気センサの出力の組み合わせのみで比較的簡単に異常の有無を検出することが可能になるという利点がある。
【0023】
請求項2の発明の構成によれば、可動子の磁極を検出してコイルへの通電のタイミングを決めるための磁気センサを用い、複数設けた磁気センサの出力がすべて同極性を検出しているのと等価な状態が生じていれば異常とみなすことができ、磁気センサの出力の組み合わせのみで異常の有無を比較的簡単に検出することが可能になるという利点がある。
【0024】
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記磁気センサブロックから前記制御回路に入力される信号は、前記磁気センサごとに可動子の各極性の磁極が検出されている期間に対応して2値化された出力であり、前記制御回路では、すべての磁気センサについて前記制御回路に入力される信号の信号値が等しいときには前記制御回路に入力される信号が異常であると判定するものであり、磁気センサブロックから制御回路に入力される信号が2値化されているから、制御回路に入力される信号の異常を論理値の組み合わせで簡単に検出することができるという利点がある。
【0025】
請求項4の発明は、請求項3の発明において、前記制御回路では、入力される信号が異常であると判定したときに前記コイルへの通電を停止するものであり、磁気センサブロックから制御回路に入力される信号の異常を検出したときに誤動作せず、可動子は慣性で走行した後に自動的に停止することになるという利点がある。
【0026】
請求項5の発明は、請求項3または請求項4の発明において、前記制御回路が、入力される信号が異常であると判定したことを表示する表示ランプを備えるものであり、磁気センサブロックから制御回路に入力される信号の異常を表示ランプの点灯状態によって容易に知ることができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の全体構成を示す概略構成図である。
【図2】同上の要部を示す概略構成図である。
【図3】同上の回路図である。
【図4】同上の磁気センサブロックの出力信号を示す動作説明図である。
【図5】同上の磁気センサの異常時における出力信号を示す動作説明図である。
【図6】同上における磁気センサの異常検知のためのサブルーチンを示す動作説明図である。
【符号の説明】
1 固定子
2 可動子
3 磁気センサブロック
10 電磁石
11 コイル
12 コイルボビン
13 鉄心
14 固定子ヨーク
21 永久磁石
22 可動子ヨーク
30 コイルブロック
31 磁気センサ
32 プリント基板
33 固定用スペーサ
41 直流電源
42 制御回路

Claims (5)

  1. 進行方向に沿って複数個の磁極が交互に異磁極となるように等間隔で配列された永久磁石を備える可動子と、可動子の磁極との間の相互作用により可動子に推力を与えるように可動子の進行方向に沿って列設された複数個のコイルと、可動子の磁極の位置を検出するように可動子の進行方向に離間して等間隔で配置された複数個の磁気センサからなる磁気センサブロックと、磁気センサブロックにより検出した可動子の磁極の位置に応じて前記コイルへの通電のタイミングを制御する制御回路とを備え、磁気センサブロックは、隣り合う2個のコイルの間に配置され、磁気センサブロックを挟んで配置されるコイル間の間隔と磁気センサブロックを挟まずに配置される各一対のコイル間の間隔との差が永久磁石の隣接する磁極間の距離の2倍に設定され、かつ磁気センサブロックに含まれる一つの磁気センサと可動子の進行方向において隣り合う一方のコイルとの間隔はコイル間の間隔と等しく設定され、磁気センサブロックでは、可動子が走行する全区間において各磁気センサに対向する永久磁石の磁極がすべて同極性となる部分がないように各磁気センサが配置されていることを特徴とするブラシレスリニアモータ。
  2. 進行方向に沿って複数個の磁極が交互に異磁極となるように等間隔で配列された永久磁石を備える可動子と、3相のコイルおよびコイルに挿通された鉄心を備える複数個の電磁石が可動子の進行方向に沿って配列され各鉄心の一端間が固定子ヨークにより磁気的に結合された固定子と、可動子の磁極の位置を検出するように可動子の進行方向に離間して等間隔で固定子に配置された3個の磁気センサからなる磁気センサブロックと、磁気センサブロックにより検出した可動子の位置に応じて前記コイルへの通電のタイミングを制御する制御回路とを備え、磁気センサブロックは、隣り合う2個の電磁石の間に配置され、磁気センサブロックを挟んで配置される各一対の電磁石間の間隔と磁気センサブロックを挟まずに配置される電磁石間の間隔との差が永久磁石の隣接する磁極間の距離の2倍に設定され、かつ磁気センサブロックに含まれる中央の磁気センサと可動子の進行方向において隣り合う一方の電磁石との間隔は電磁石間の間隔と等しく設定され、磁気センサブロックでは、永久磁石の隣接する磁極間の距離に対して隣接する磁気センサ間の間隔が2/3倍となるように各磁気センサが配置されていることを特徴とするブラシレスリニアモータ。
  3. 前記磁気センサブロックから前記制御回路に入力される信号は、前記磁気センサごとに可動子の各極性の磁極が検出されている期間に対応して2値化された出力であり、前記制御回路では、すべての磁気センサについて前記制御回路に入力される信号の信号値が等しいときには前記制御回路に入力される信号が異常であると判定することを特徴とする請求項1または請求項2記載のブラシレスリニアモータ。
  4. 前記制御回路では、入力される信号が異常であると判定したときに前記コイルへの通電を停止することを特徴とする請求項3記載のブラシレスリニアモータ。
  5. 前記制御回路が、入力される信号が異常であると判定したことを表示する表示ランプを備えることを特徴とする請求項3または請求項4記載のブラシレスリニアモータ。
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