JP4320664B2

JP4320664B2 - 磁気浮上搬送装置

Info

Publication number: JP4320664B2
Application number: JP2006099035A
Authority: JP
Inventors: アブドラハマンナファ
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2009-08-26
Anticipated expiration: 2026-03-31
Also published as: JP2007274838A

Description

本発明は、界磁極を有する可動子と、分割して配置された固定子コイルユニットと、この固定子コイルユニットに切替スイッチを介し給電する複数のインバータを備える磁気浮上搬送装置及びその制御方法に関する。

従来の、界磁極を有する可動子と、分割して配置された固定子コイルユニットと、この固定子コイルユニットに切替えスイッチを介し給電する複数のインバータを備える磁気浮上搬送装置及びその制御方法は、一般的に複数のインバータと巻線切替えを用い各々の固定子コイルユニットに給電し、推力制御と可動子重心の浮上制御をする。また、１つのインバータが故障した時には、他のインバータの出力を制御する信頼性の高い浮上式鉄道もある（例えば、特許文献１参照）。
また、可動子に部分的に推力と浮上力を発生させる機構を備えたことにより、３次元的に浮上して走行するものもある（例えば、特許文献２参照）。
図８は、特許文献１に開示されている従来の磁気浮上搬送装置の構成を示すブロック図であり、３重き電方式のリニアモータ給電装置である。
図８において、ＶＨは界磁極を搭載した移動車両、ＳＥＣ_Ｎ、ＳＥＣ_Ｎ＋１、ＳＥＣ_Ｎ＋２…は地上側に分割して設置された電機子コイルユニット、ＳＷ_Ｎ、ＳＷ_Ｎ＋１、ＳＷ_Ｎ＋２…は電機子コイルユニット切替えスイッチ、Ａ、Ｂ、Ｃは各々のＡ系、Ｂ系及びＣ系の３相交流電線、ＩＮＶ−Ａ、ＩＮＶ−Ｂ、ＩＮＶ−ＣはＰＷＭ制御インバータ、Ｃｄ直流平滑コンデンサ、ＣＮＶはＰＷＭ制御コンバータ、ＤＣＢ_１〜ＤＣＢ_３は直流遮断器、ＡＣＢ_１〜ＡＣＢ_３は交流遮断器、Ｌｓは交流リアクトル、ＴＲｓは電源トランス、ＢＵＳは３相交流電源の電線路を表す。図８のリニアモータの給電装置では、地上の電機子コイルを２層に配置し、Ａ系統から給電を受ける電機子コイルユニットＳＥＣ_ＮとＢ系統から給電を受ける電機子コイルユニットＳＥＣ_Ｎ＋１をラップし、さらにこの電機子コイルユニットＳＥＣ_Ｎ＋１とＣ系統から給電を受ける電機子コイルユニットＳＥＣ_Ｎ＋２をラップし、配置している。この３重き電方式によるリニアモータの給電装置では、１台のインバータ（例えばＩＮＶ−Ａ）が故障した場合、直流遮断器ＤＣＢ１、及び交流遮断器ＡＣＢ１をＯＦＦし、故障系統（Ａ系統）のインバータＩＮＶ−Ａだけを切り離し、他の系統に接続しているインバータＩＮＶ−Ｂ、ＩＮＶ−Ｃから給電を続けることにより、車両ＶＨを継続して走行することができる。
図９は、特許文献２に開示された従来の磁気浮上搬送装置の外観を示す図である。
図９において、１は車両、２は磁石、３は回転体、４はモータ、５−１、５−２、５−３は電気伝導性の板である。回転体３が回転することにより、電気伝導性の板に誘導電流を発生し、回転体３に反発力が発生する。この時、回転体３の回転中心が電気伝導性の板５−１、５−２または電気伝導性の板５−２、５−３の境界線とずらして配置しているため、円板が回転する時に発生する推進方向の磁気抗力は各回転板の左右で異なり、左右の円板の回転方向を逆にすることによって、合力として推力が得る。また、回転体３の位置が左右にずれた場合には、主として電気伝導性の板に発生する左右方向の力に差が生じ、結果的に回転体３の組み合わせが右に寄れば左側に、左に寄れば右側に戻そうとする案内力が発生することになる。
特開平４−９１６０３号公報（図１）特開平８−１１１３１３号公報（図３）

従来の界磁極を有する可動子と、分割して配置された固定子コイルユニットと、この固定子コイルユニットに切替えスイッチを介し給電する複数のインバータを備える磁気浮上搬送装置は、走行の時には、推力制御をし、可動子重心の浮上制御することができるが、走行力によるピッチングとローリングを相殺することができないという問題があった。また、可動子が浮上し、静止している時には、外乱により発生するピッチングも相殺することができないという問題もあった。
例えば、特許文献１の磁気浮上搬送装置は、推力制御し、可動子重心の浮上制御することができるが、ピッチング制御とローリング制御は考慮していない。また、特許文献２の磁気浮上搬送装置は、推力制御、浮上制御、案内制御、ピッチング制御およびローリング制御することができるが、可動子にある４つのモータに電力を供給する必要があり、システムが複雑になるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、可動子に電力を供給することなしで、複数のインバータと巻線切替えを用い、推力制御、浮上制御、ピッチング制御およびローリング制御をして揺れのない磁気浮上搬送装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、界磁極を有する可動子と、多相コイルを有する複数の固定子ユニットと、前記固定子ユニットの多相コイルに切替スイッチを介して給電する複数のインバータと、を備えた磁気浮上搬送装置において、前記固定子ユニットは、走行方向に対し左右２列に複数配置され、前記可動子は、走行方向に対し前記固定子ユニットより３倍以上長く、前記可動子が静止している時、前記複数のインバータは、前記可動子に対向している複数の固定子コイルに給電し、前記可動子が走行する時、前記切替えスイッチは、前記可動子に対向している複数の固定子ユニットに給電するよう切替えを行い、前記インバータは、対応する前記固定子コイルユニットに給電し、前記可動子に推力と浮上力を発生させることを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上搬送装置において、前記可動子の前後左右の４箇所に前記固定子ユニットと前記可動子とのギャップを検出しギャップ信号を生成するギャップセンサと、前記ギャップ信号から前部の左右の推力の和と、後部の左右の推力の和は同等で、かつ、前後左右のギャップが一定になるようインバータの推力指令を制御する制御部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上搬送装置において、前記可動子の位置を検出するリニアスケールを左右の固定子の中間に備えたことを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上搬送装置において、前記可動子の位置を検出するリニアスケールを左右の固定子の中間に備えたことを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上搬送装置において、前記推力電流はｑ軸電流であり、前記浮上力電流はｄ軸電流であることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項１記載の磁気浮上搬送装置において、前記インバータは、常に同数の固定子コイルユニットに給電することを特徴とするものである。

本発明によると、複数のインバータが対応した固定子ユニットを独立に制御するため、可動子の前後左右推力、浮上力を独立に制御でき、推力制御、浮上制御、ピッチング制御、ローリング制御をして揺れのない磁気浮上装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１０は、本発明の磁気浮上搬送装置の構造を説明するための図である。図１０において、５０は固定部、５１は固定子左、５２は固定子右、５３は可動部、５４は可動子左、５５は可動子右、５６はギャップセンサ左、５７はギャップセンサ右、５８はリニアスケールである。固定部５０上に固定子左５１と固定子右５２が取り付けられており、可動子左５５と可動子右５６は可動部５３に取り付けられている。ギャップセンサ左５６は、可動部の左側前後に取り付けられ、ギャップセンサ右５７は右側前後の取り付けられている。図１１は、本発明の電気的な構成を説明する図である。図１１において、５９は制御部、Ｓ１〜Ｓ６は右側の固定子ユニット、Ｓ１’〜Ｓ６’は左側の固定子ユニット、６１、６２は切替スイッチ、６３はインバータ１、６４はインバータ２、６５はインバータ１’、６６はインバータ２’である。制御部５９は、リニアスケール５９の位置信号から、選択スイッチ６１、６２をオンオフさせ、可動子５５、５６が対向している固定子ユニットＳ１〜Ｓ６、Ｓ１’〜Ｓ６’をインバータＩＮＶ１、ＩＮＶ２、ＩＮＶ１’、ＩＮＶ２’と電気的に接続するとともに、ギャップ信号と推力指令から、各インバータの振幅と位相を演算して電流指令を生成する。
図１は、本発明の実施例を示す磁気浮上搬送装置の基本構成を示す図である。図１において、１０は固定子、１１は可動子、１４は固定子コイルユニット、１５は切替スイッチ、１６は３相交流インバータである。固定子１０には各々の固定子コイルユニットＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ５、Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ３’、Ｓ４’、Ｓ５’に分割して配置されている。また、固定子コイルユニットＳ１、Ｓ２、Ｓ５は、切替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ５を介し、３相交流インバータＩｎｖ．１から給電される。固定子コイルユニットＳ３、Ｓ４は、切替えスイッチＳＷ３、ＳＷ４を介し、３相交流インバータＩｎｖ．２から給電される。固定子コイルユニットＳ１’、Ｓ２’、Ｓ５’は、切替えスイッチＳＷ１’、ＳＷ２’、ＳＷ５’を介し、３相交流インバータＩｎｖ．１’から給電される。固定子コイルユニットＳ３’、Ｓ４’は、切替えスイッチＳＷ３’、ＳＷ４’を介し、３相交流インバータＩｎｖ．２’から給電される。
図２は、本発明の実施例を示す磁気浮上搬送装置の固定子と可動子の構成を示す説明図である。図２において、可動子１１は、永久磁石の磁極１２が配置されており、固定子コイルユニット１４の３倍の長さとなっている。また、各固定子コイルユニット１４は３相のＵ、Ｖ、Ｗコイル１３で構成され、固定子コイルユニット１４を３相交流電流で給電することにより、可動子１１に推力Ｆｘと浮上力Ｆｚが発生する。

図３は、本発明の磁気浮上搬送装置の固定子コイルユニット切替えを示す図である。図３（ａ）に示すように、可動子１１が６つの固定子コイルユニットＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ１’、Ｓ２’、Ｓ３’に対向する状態の時には、切替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ１’、ＳＷ２’、ＳＷ３’、ＳＷ４’はＯＮになり、切替えスイッチＳＷ５とＳＷ５’はＯＦＦになる。
図３（ｂ）に示すように、可動子１１が４つの固定子コイルユニットＳ１、Ｓ４、Ｓ１’、Ｓ４’を部分的に対向している時には、切替えスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ１’、ＳＷ２’、ＳＷ３’、ＳＷ４’はＯＮになり、切替えスイッチＳＷ５とＳＷ５’はＯＦＦになる。
図３（ｃ）に示すように、可動子１１が６つの固定子コイルユニットＳ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ２’、Ｓ３’、Ｓ４’に対向する状態の時には、切替えスイッチＳＷ１とＳＷ１’はＯＦＦになり、切替えスイッチＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷ５、ＳＷ２’、ＳＷ３’、ＳＷ４’、ＳＷ５’はＯＮになる。図３において、可動子１１の位置により、適切な８つの固定子コイルユニット１４を選択し、各インバータ１６は選択された２つの固定子コイルユニット１４に電流を供給する。

図４は、本発明の磁気浮上搬送装置の原理を示す図である。図４（ａ）は、移動距離ｘ１にある状態での、可動子１１に発生する夫々の推力と浮上力を示し、図３（ａ）および図３（ｂ）の状態に対応する。４つのインバータ１６を利用することにより、可動子１１に４つの走行力と４つの浮上力を発生することができる。図４（ｂ）は、移動距離ｘ２にある状態での、可動子１１に発生する夫々の推力と浮上力を示し、図３（ｃ）の状態に対応する。
本発明の磁気浮上搬送装置の制御原理は、ピッチングとローリングを相殺するように前記夫々の浮上力を制御することである。
図５は、本発明の磁気浮上搬送装置のピッチング制御を示す図であり、ピッチング制御を明確にするためｘ軸方向とｚ軸方向だけを示している。図５（ａ）は、図４（ａ）の状態を横方向から図示したものであり、推力もしく外乱により発生するピッチングを示すものである。このピッチングは、適切な浮上力Ｆｚ１と適切な浮上力Ｆｚ２で相殺することができる。前記浮上力Ｆｚ１と前記浮上力Ｆｚ２はピッチング角度θを０にするように可動子重心１７にピッチングダンピングトルク１８を発生するように決定する。図５（ｂ）は、図４（ｂ）の状態を横方向から図示したものであり、推力もしく外乱により発生するピッチングを示す。このピッチングは、適切な浮上力Ｆｚ１、Ｆｚ１１と適切な浮上力Ｆｚ２で相殺することができる。前記浮上力Ｆｚ１、Ｆｚ１１と前記浮上力Ｆｚ２はピッチング角度θを０にするような可動子重心１７にピッチングダンピングトルク１８を発生するように決定される。
図６は、本発明の磁気浮上搬送装置のローリング制御を示す図であり、ローリング制御を明確にするためｙ軸方向とｚ軸方向だけを示している。図６は、固定子の形状もしく外乱により発生するローリングを示すものである。このローリングは、適切な浮上力Ｆｚ１と適切な浮上力Ｆｚ１’で相殺することができる。前記浮上力Ｆｚ１と前記浮上力Ｆｚ１’はローリング角度γを０にするように可動子重心１７にローリングダンピングトルク１９を発生するように決定される。
本実施例では、４台のインバータを用いた制御を示したが、同原理で、より多くのインバータを用いることで、より高精度な制御も可能である。
また、同原理で、２台のインバータを利用し、推力制御と浮上制御とピッチング制御、もしくは推力制御と浮上制御とローリング制御をすることもできる。
また、推力リプルを発生させないため、推力方向では、各モータの電流、またはｄ軸電流の制御をすることもある。

図７は、本発明の磁気浮上搬送装置の制御ブロック図である。まず、位置指令Ｘ０、速度指令Ｖ０、可動子重心１７のギャップ長さ指令δ０を入力する。センサーブロック２０の計測情報を用い、ＰＩＤ制御ブロックで、可動子１１の全体Ｆｘと可動子１１の浮上力Ｆｚを決める。θ＝０、γ＝０の制御ブロックで、可動子１１の位置ｘとローリング角度γとピッチング角度θと可動子重心１７のギャップ長さδにより、適切な浮上力指令置Ｆｚ１、Ｆｚ２、Ｆｚ１’、Ｆｚ２’を決める。前記推力と前記浮上力を発生するように、インバータＩｎｖ．１、インバータＩｎｖ．１’、インバータＩｎｖ．２とインバータＩｎｖ．２’が適切な電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ１’、Ｉ２’を出力する。前記電流Ｉ１、Ｉ２、Ｉ１’、Ｉ２’は切替えスイッチ１５ブロック２１を介し可動子の位置ｘにより適切な固定子コイルユニット１４を選択して供給される。
以上の方法によって、推力制御と浮上制御とピッチング制御とローリング制御が実現できる。

本発明が特許文献１と異なる部分は、推力制御と可動子重心の浮上制御に加えてピッチング制御とローリング制御できるようにした部分である。
また、本発明が特許文献２と異なる部分は、可動子に電力を供給する必要をなくした部分である。

本発明の実施例を示す磁気浮上搬送装置及びその制御方法の基本構成を示す図本発明の実施例を示す磁気浮上搬送装置及びその制御方法の固定子と可動子の構成を示す説明図本発明の磁気浮上搬送装置及びその制御方法の固定子コイルユニット切替えを示す図本発明の磁気浮上搬送装置の原理を示す図本発明の磁気浮上搬送装置のピッチング制御を示す図本発明の磁気浮上搬送装置のローリング制御を示す図本発明の磁気浮上搬送装置の制御ブロック図従来の磁気浮上搬送装置及びその制御方法の特許許文献１の第１実施例の構成を示すブロック図従来の磁気浮上搬送装置及びその制御方法の特許文献２の第１実施例の図３を示す図本発明の磁気浮上搬送装置の構造を説明する図本発明の電気的な構成を説明する図

符号の説明

１０固定子
１１可動子
１２界磁極
１３コイル
１４固定子コイルユニット
１５切替スイッチ
１６インバータ
１７可動子重心
１８ピッチングダンピングトルク
１９ローリングダンピングトル
２０センサーブロック
２１切替えスイッチブロック
５０固定部
５１固定子左
５２固定子右
５３可動部
５４可動子左
５５可動子右
５６ギャップセンサ左
５７ギャップセンサ右
５８リニアスケール
５９制御部
６１、６２切替スイッチ
６３、６４、６５、６６インバータ

Claims

界磁極を有する可動子と、多相コイルを有する複数の固定子コイルユニットと、前記固定子コイルユニットの多相コイルに切替スイッチを介して給電する複数のインバータと、を備えた磁気浮上搬送装置において、
前記固定子コイルユニットは、走行方向に対し左右２列に複数配置され、
前記可動子は、走行方向に対し前記固定子コイルユニットより３倍以上長く、
前記可動子が静止している時、前記複数のインバータは、前記可動子に対向している複数の固定子コイルに給電し、
前記可動子が走行する時、前記切替えスイッチは、前記可動子に対向している複数の固定子コイルユニットに給電するよう切替えを行い、
前記インバータは、対応する前記固定子コイルユニットに推力を発生する推力電流と浮上力を発生する浮上力電流を合成して給電することを特徴とする磁気浮上搬送装置。
前記複数のインバータは４台で、前記可動子の前後左右の固定子コイルユニットに給電することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上搬送装置。
前記可動子の前後左右の４箇所に前記固定子コイルユニットと前記可動子とのギャップを検出しギャップ信号を生成するギャップセンサと、
前記ギャップ信号からローリング角度とピッチング角度を演算し、前記ローリング角度と前記ピッチング角度と推力指令から前記インバータの推力電流指令と浮上力電流指令を生成する制御部と、
を備えることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上装置。
前記可動子の位置を検出するリニアスケールを左右の固定子の中間に備えたことを特徴とする請求項１記載の磁気浮上搬送装置。
前記推力電流はｑ軸電流であり、前記浮上力電流はｄ軸電流であることを特徴とする請求項１記載の磁気浮上搬送装置。
前記インバータは、常に同数の固定子コイルユニットに給電することを特徴とする請求項１記載の磁気浮上搬送装置。