JP4784856B2 - リニアアクチュエータおよび駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、ＰＷＭアンプで駆動される電磁アクチュエータの推力あるいはトルクのリップルを低減するためのアクチュエータの巻線構造とこれを用いたアクチュエータおよび駆動システムに関する。

本来、電磁アクチュエータが発生する推力あるいはトルクのリップルは、アクチュエータの機械的な構造、電磁気的な構造、あるいはアクチュエータを駆動する電圧や電流の波形に要因がある。これらの要因の中でアクチュエータの機械的な構造や電磁気的な構造は、アクチュエータの電磁設計技術の向上によって低減されているが、ＰＷＭアンプで駆動するアクチュエータの場合、アクチュエータを駆動する電圧や電流の波形は、リップルの発生に大きく影響を与えるようになってきた。
このために従来の推力あるいはトルクのリップルの低減する方法としては、ＰＷＭアンプの出力に低域通過フィルタを挿入して、キャリア周波数を含む高周波成分の推力あるいはトルクリップルを除去するものや、アクチュエータに短絡巻線やダンパー巻線など別個に巻線を追加するなどしているものがある（例えば、非特許文献１参照）。
ＰＷＭアンプの出力に低域通過フィルタを挿入する方法について図４を用いて説明する。この装置は無停電電源システムであり、負荷の電機品への高周波リップルを低減する為、インバータの出力にＬ−Ｃフィルタを挿入している。無停電電源であるために各種の負荷の電気品に対応しなければならないが、負荷の方には高周波リップルの影響を受けないようにする工夫がされていない場合が多く、電源側に大きな出力フィルタが用いられている。
アクチュエータに短絡巻線およびダンパー巻線を具備した例について図５を用いて説明する。図５はダンパー巻線を持つ電磁石である。ダンパー巻線７は主に時定数を小さくする目的で使われるが、高周波のリップル成分はダンパー巻線７に流れるために、リップル成分の電磁力は軽減される。
宮入庄太著「基礎パワーエレクトロニクス」丸善 H９年２月 P.135

従来のＰＷＭアンプの出力に低域通過フィルタを挿入する方法は、アクチュエータに流れるリップル電流を小さくするよう、並列回路のコンデンサに高周波電流をバイパスさせるか、アクチュエータの巻線と直列にコイルを接続して、高周波でのインピーダンスを大きくしている。それでもリップル電流が零でない限り、アクチュエータから推力あるいはトルクリップルが発生する。また、直列に挿入したコイルは、アクチュエータの電気的時定数を大きくしたことと等価になり、アクチュエータの応答を悪くする。インダクタンスと電流値が大きいコイル、および容量の大きいコンデンサは、体積も大きく高価である。
アクチュエータに巻線を追加しインダクタンスを増やす方法は、この追加した巻線にリップル電流を流すフィルタをアクチュエータ内に構成したことと、同じであり、アクチュエータの損失が増え、効率は低くなり、推力やトルクリップルも残るというような問題もあった。
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、ＰＷＭアンプに大きな出力フィルタを挿入せず、アクチュエータには追加巻線を設けることなく、滑らかな推力あるいはトルクが得られる電流にすることにより、リップルが生じないアクチュエータ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記載の発明は、多相巻線を備えたリニアアクチュエータにおいて、前記多相巻線の各相の巻線が磁気極性を対とする前記巻線を複数対有し、各対の前記巻線には何れか一方の磁気極性を有する前記巻線にコンデンサが並列接続され、前記巻線および前記コンデンサが基板上に配置されたものである。
また、請求項２記載の発明は、請求項１に記載のリニアアクチュエータと前記アクチュエータを駆動するＰＷＭアンプから構成された駆動システムであって、
前記ＰＷＭアンプの出力側に、低域通過フィルタが挿入されたものである。

請求項１に記載の発明によると、巻線の中間部分から巻線のインダクタンスと並列接続されるコンデンサが配置されることにより、高調波電流の位相がずれるため巻線の高調波起磁力はキャンセルされる。このように高周波電流のリップルが除去できることから、アクチュエータが発生するトルクあるいは推力のリップルを無くすことができる。
また、巻線に並列接続されたコンデンサを具備したアクチュエータ巻線を用いることで、高周波電流のリップルが除去できることから、アクチュエータが発生するトルクあるいは推力のリップルを無くすことができる。
また、請求項２に記載の発明によると、従来の巻線の配置はそのままで、高温に弱いコンデンサを、冷却効果の良好な個所にすることができ、アクチュエータの構造を変えることなく、信頼性も確保することができる。

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１は、本発明のアクチュエータ巻線１相の等価回路図である。図において、巻線は、中途からタップτ１,τ^’１,τ２,τ^’２,τ３,τ^’３,…,τｎ,τ^’ｎ（ｎ;正の整数）が出ている。またタップτi,τ^’iには、コンデンサＣｉが接続されている。
アクチュエータの巻線の部分インダクタンスＬｉ,ＬｉｒとコンデンサＣｉは、駆動するＰＷＭアンプのキャリアの角周波数をωとすると、次式の関係がある。
ω^２・Ｌｉｒ・Ｃｉ＝１＋１／Ｐｉ （１）
Ｌｉ/Ｌｉｒ＝Ｐｉ （２）
ここで、Ｐｉは正の数である。
このとき、ＰＷＭアンプのキャリア角周波数ωに対して並列共振となっている。次に、部分インダクタンスＬｉ,Ｌｉｒの起磁力の関係について説明する。キャリア角周波数ωに対する部分インダクタンスＬｉの電圧と電流は、式３で示される。
Ｖｉ＝ｊωＬｉＩｉ （３）
また、部分インダクタンスＬｉｒの電圧と電流は、コンデンサＣｉにより式４で示される。
Ｖｉｒ＝ｊωＬｉｒＩｉｒ／（１−ω^２ＬｉｒＣｉ） （４）
ここで、ω^２ＬｉｒＣｉが２となるように、Ｃｉを設定すると、式４は式５で示される。
Ｖｉｒ＝−ｊωＬｉｒＩｉｒ （５）
ここで、１つの巻線だけを考えて巻線の中点からタップを取り出すと式２のＰｉを１となり、部分インダクタンスＬｉおよびＬｉｒにかかる電圧は同じであり、ＬｉｒにはＬｉと同じ大きさで反対方向に流れる電流が作用することになる。すなわち、キャリア周波数の高周波電流による起磁力は相殺され、基本波成分のみの推力またはトルクが発生し、リップル成分は相殺される。
また、アクチュエータの巻線のインピーダンスは、抵抗ＲとインダクタンスＬの直列等価回路で表されるが、本発明では、キャリア角周波数ωの成分が相殺されることからキャリア周波数のインピーダンスは、抵抗成分のみとなる。従って、ＰＷＭアンプの出力にキャリア周波数の高周波電流を抑制する若干のローパスフィルタが必要となる。アクチュエータの駆動系の１例を図２に示す。図２は、ＰＷＭアンプで、本発明の巻線の一部分にコンデンサが接続されたアクチュエータを駆動するブロック図であるが、ＰＷＭアンプ２とアクチュエータ巻線１の間に、前述のようにキャリア周波数に対して若干のインピーダンスを持つ低域通過フィルタ３を挿入している。
このように、アクチュエータの巻線に別途巻線を巻回する必要がなく、また高周波のリップル成分の起磁力をキャンセルでき、基本波成分にはほとんど影響しないようになっている。
非特許文献１との違いは、低域通過フィルタの設計に於いて、ＰＷＭキャリアのリップル電流によるアクチュエータの推力あるいはトルクリップルは発生しないので、推力あるいはトルクリップルよりも電流リップルを一定の値以下にするという考え方で、低域通過フィルタの特性を厳しく設計しないで済む。すなわち、小さなフィルタ、とりわけ直列に接続するコイルは、より小さなインダクタンスでよい。
具体的なアクチュエータ巻線の構造について図３を用いて説明する。図３は、アクチュエータの巻線部の第２実施例を示す図である。アクチュエータの巻線は、プリント基板５に取り付けられていて、コイル４の途中からタップ６が出ており、これにコンデンサが接続されている。
このように、従来の巻線からタップを出し、コンデンサを取り付けただけの構成をしているので、簡単に実現することができる。
ここでは、平面型の巻線を例にアクチュエータ巻線構造を説明したが、これに限定されるものではなく、円筒型巻線や回転型モータに用いられる巻線構造でも良い。

コンデンサを具備したアクチュエータ巻線構造を用いて構成したリニアモータについて図４を用いて説明する。図４はアクチュエータ巻線構造を用いて構成したリニアモータを説明するために主要部品のみを記載した略図であり、この構造に限定されるものではない。図において５はアクチュエータ巻線１を具備した基板、８は移動子、８１は磁石、９はガイドレール、１０は固定子である。アクチュエータ巻線１が具備された基板５は固定子１０に配設されており、アクチュエータ巻線１に対向するように磁石８１を具備した移動子８が配置されている。また、移動子８はガイドレール９により移動方向に自在になるように支持されている。
このような構成をとることで、リニアモータは推力リップルが生じることなく、動作することができる。
ここでは、アクチュエータについてリニアモータを例に説明したが、これに限定されるものではなく、回転型のモータや、電磁石で構成したアクチュエータでも良い。

特定の推力あるいはトルクリップルを有するアンプで駆動される電磁アクチュエータに於いて、この高調波の起磁力を巻線の部分に接続したコンデンサによって打ち消すことができるので、ＰＷＭアンプで駆動されるアクチュエータにおいて高調波の電磁力が悪影響となる精密な装置のアクチュエータあるいはダイナミックスピーカの用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示すアクチュエータ巻線の等価回路図 本発明の駆動系のブロック図 本発明の巻線部の例を示す図 本発明のアクチュエータの例を示す図 従来のフィルタによる高周波リップルを低減する手法 従来のダンパー巻線を持つアクチュエータの図

符号の説明

１ アクチュエータの巻線
２ ＰＷＭアンプ
３ 低域通過フィルタ
４ コイル
５ 基板
６ タップ
７ ダンパー巻線
８ 移動子
８１ 磁石
９ ガイドレール
１０ 固定子

Claims (2)

1. 多相巻線を備えたリニアアクチュエータにおいて、
   前記多相巻線の各相の巻線が磁気極性を対とする前記巻線を複数対有し、各対の前記巻線には何れか一方の磁気極性を有する前記巻線にコンデンサが並列接続され、前記巻線および前記コンデンサが基板上に配置されたことを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 請求項１に記載のリニアアクチュエータと前記アクチュエータを駆動するＰＷＭアンプから構成された駆動システムであって、
   前記ＰＷＭアンプの出力側に、低域通過フィルタが挿入されたことを特徴とする駆動システム。
   

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