JP5126537B2

JP5126537B2 - 電磁サスペンション装置

Info

Publication number: JP5126537B2
Application number: JP2008302632A
Authority: JP
Inventors: 友行李; 典之内海; 博史吉倉; 裕介赤見; 力岩村
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2008-11-27
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2028-11-27
Also published as: JP2010127383A

Description

本発明は、自動車、鉄道車両等の車両、あるいは、建造物等の構造物に装着されて、電磁力を利用して振動制御を行なう電磁サスペンション装置に関するものである。

従来の電磁サスペンション装置としては、例えば特許文献１に記載されているように、回転型の電動モータとボール−ネジ等の回転−直動変換機構と組合わせて、電動モータの回転運動を直線運動に変換して推力を発生させるようにしたものや、例えば特許文献２に記載されているように、直動型のモータ（リニアモータ）を用いて、直接推力を発生させるようにしたものが知られている。また、上記特許文献２には、電磁力を補うために油圧ダンパを組合わせる技術が開示されている。
特開平８−１９７９３１号公報特開２００２−２２７９２７号公報

電磁サスペンション装置においては、充分大きな推力を得ること、限られたスペースに装着するために省スペースであること、また、信頼性が高いことが要求されている。

そこで、本発明は、大きな推力を得ることができ、省スペースで信頼性が高い電磁サスペンション装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る電磁サスペンション装置は、互いに相対直線運動可能に支持された第１及び第２部材と、
前記第１及び第２部材の一方に設けられた固定子及び他方に設けられた可動子からなるリニアモータと、
前記第１及び第２部材の一方に取付けられた回転モータと、
前記回転モータの回転軸に連結された回転部材の回転運動を、前記第１及び第２部材の他方に取付けられた直動部材の直線運動に変換する回転−直動変換機構とを備えていることを特徴とする。

本発明に係る電磁サスペンション装置によれば、リニアモータと回転モータとを並列に配置して大きな推力を得ることと省スペースを実現できる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明の第１実施形態について、図１を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係る電磁サスペンション装置１は、鉄道車両の車体と台車との間に装着されて、車体の横揺れに対する振動制御を実行するものであり、略有底円筒状の固定子２内に、略有底円筒状の可動子３を挿入して、可動子３の底部側を外部に延出した構造となっている。固定子２及び可動子３の底部の外側端部には、それぞれ車体側及び台車側に連結するための連結部４、５が設けられている。ここで、固定子２及び可動子３は、互いに相対直線運動可能に支持された第１及び第２部材であって、便宜的に「固定子２」及び「可動子３」としているが、固定子２が固定され、可動子３が移動するものに限定するものではない。

可動子３は、円筒状のヨーク６の外周部に、複数のリング状の永久磁石７が軸方向に沿って並べて取付けられている。固定子２は、永久磁石７に対向する部位に設けられた円筒状のコア８の内周部に、複数のコイル９が並べて取付けられている。コア８の両端部には、ベアリング１０、１１が取付けられ、これらのベアリングに１０、１１よって、永久磁石７とコア８及びコイル９との間に１ｍｍ程度の空隙をもって固定子２と可動子３とが軸方向に沿って摺動可能に案内されている。

そして、固定子２と可動子３とで永久磁石同期型のリニアモータＬを構成しており、コイル９への通電によって、推力を発生させて可動子３をその軸方向に沿って直線運動させることができる。なお、ここでは、可動子３に永久磁石７を設けた永久磁石型同期リニアモータとしているが、誘導型等のその他の形式のリニアモータとしてもよい。

固定子２の底部の内側には、回転型電動モータである回転モータ１２が取付けられている。なお、回転モータ１２は、同期モータ、誘導モータ、直流モータ、その他、いずれの形式のものでもよいが、上述の固定子２と可動子３とで構成されるリニアモータＬと同様の形式であることが望ましい。この場合、後述する制御やセンサを共用化することが容易となる。

回転モータ１２の回転軸１３には、ボール−ネジ機構Ｂのネジ軸１４が連結され、可動子３の開口部内には、ボール−ネジ機構Ｂのナット１５が取付けられており、ネジ軸１４とナット１５とが螺合されている。ボール−ネジ機構Ｂは、回転部材であるネジ軸１４の回転と直動部材であるナット１５の直線運動とを相互に変換可能な回転−直動変換機構である。これにより、回転モータ１２に通電してネジ軸１４を回転させると、ナット１５が軸方向に沿って直線運動して可動子３をその軸方向に沿って移動させる。なお、回転モータ１２及びボール−ネジ機構Ｂに減速機構を組込んでもよい。

以上のように構成した本実施形態の作用について次に説明する。
リニアモータＬのコイル９及び回転モータ１２に駆動電流を通電することにより、リニアモータＬによって可動子３に直接推力を発生させ、また、回転モータ１２の回転軸１３の回転をボール−ネジ機構Ｂによって直線運動に変換して固定子３に推力を付与する。そして、加速度センサ等によって検出した振動状態に応じて、スカイフック理論等の公知の振動制御理論に基づき、可動子３の推力を調整して加振及び制振状態を制御することによって振動を抑制する。

また、固定子２と可動子３との相対移動に伴い、コイル９及び回転モータ１２のコイルに誘導起電力が生じるので、これらのコイルに流れる電流に抵抗を付与することにより、減衰力を発生させることができる。そして、この電流を可変抵抗器で制御し、あるいは、電流のオン／オフをデューティ制御することによって、所望の減衰力を発生させることができる。

このとき、リニアモータＬと回転モータ１２とを並列に配置しているので、大きな推力及び減衰力を得ることができる。また、リニアモータＬ及び回転モータ１２の一方が故障した場合、他方によって振動制御を維持することができるので、信頼性を高めることができる。さらに、円筒状の固定子２及び可動子３の内部に回転モータ１２及びボール−ネジ機構Ｂを配置したので、スペース効率に優れ、省スペースが可能である。

一般的に電磁サスペンション装置は、そのストローク中心付近において、大きな推力が要求される場合が多いので、リニアモータＬの永久磁石７及びコイル９を大きな推力が要求されるストローク中心付近にのみ配置し、大きな推力が要求されないストローク中心から離れた部分については、回転モータ１２のみによって推力を発生させるようにしてもよい。これにより、性能の低下を最小限に抑えつつ、永久磁石７及びコイル９の数を少なくして、軽量化及び製造コストの低減を図ることができる。

次に、上記第１実施形態の変形例について、図２及び図３を参照して説明する。なお、図１に示すものに対して、同様の部分には同一の符号を付して、異なる部分についてのみ詳細に説明する。

図２に示す変形例では、固定子２の開口部側に取付けられた一方のベアリング１０を省略し、代りに、固定子２の開口部付近まで延びるネジ軸１４の先端部に、可動子３の内周面を摺動可能に案内するベアリング１６が回転可能に取付けられている。これにより、ベアリング１１、１６によって可動子３を安定的に支持すると共に、ベアリング１６によってネジ軸１４の先端部を支持することができ、ボール−ネジ機構Ｂの作動を円滑にすることができる。また、固定子２の全長を短くして省スペースとすることができる。

また、図３に示す変形例は、図２に示す変形例に対して、固定子２の開口部側のベアリング１０を省略せず、代わりに、底部側に取付けられたベアリング１１を省略したものであり、図２に示す変形例と同様の作用効果を奏する。

次に、本発明の第２実施形態について、図４を参照して説明する。なお、図１に示す第１実施形態に対して、同様の部分には同一の符号を付して、異なる部分についてのみ詳細に説明する。

図４に示すように、本実施形態では、回転モータ１２は、可動子３内の底部に配置され、固定子２内の底部に、円筒状のガイド部材１７が取付けられ、ガイド部材１７の先端側が可動子３内に摺動可能に挿入されている。そして、ボール−ネジ機構Ｂのナット１５は、ガイド部材１７の先端部に取付けられてネジ軸１４と螺合している。また、ベアリング１０、１１の代わりに、可動子３の開口部の内周部に取付けられたベアリング１８及びガイド部材１７の先端部の外周部に取付けられたベアリング１９によって、固定子２と可動子３とを移動可能に支持している。これにより、可動子３が回転モータ１２に干渉することがなくなり、そのストロークを長くすることができる。

次に、本発明の第３実施形態について、図５を参照して説明する。なお、図２に示すものに対して、同様の部分には同一の符号を付して、異なる部分についてのみ詳細に説明する。

図５に示すように、本実施形態では、図２に示すものに対して、可動子３の内部のネジ軸１４の先端部に取付けられたベアリング１６と、可動子３の底部との間及びナット１５との間に圧縮コイルバネである戻しバネ２３、２４が設けられている。これにより、戻しバネ２３、２４のバネ力により、非通電状態において、可動子３をストローク中心に保持する。

なお、上記第３実施形態において、戻しバネ２３、２４に代えて、あるいは、戻しバネ２３、２４に加えて、可動子３のストロークを規制するバネ部材、弾性部材等の緩衝部材からなるバンプストッパ（図示せず）を設けてもよい。このとき、可動子３のストローク範囲を規制する他の規制手段が設けられる場合には、ベアリング１６、ピストン２０の片側に配置される戻しバネ２３、２４又はバンプストッパを適宜省略してもよい。

次に、図１から図５に示す実施形態に係る電磁サスペンション装置１に、可動子３のストロークを検出するセンサを組込んだ実施形態について、図６から図１１を参照して説明する。なお、本実施形態は、図１から５に示すいずれのものにも同様に適用することができるが、ここでは、一例として図２に示すものに適用した場合について説明する。また、図２に示すものに対して、同様の部分には同一の符号を付して、異なる部分についてのみ詳細に説明する。

図６に示す例では、電磁サスペンション装置１の外部に、固定子２と可動子３とを連結するリニアストロークセンサ２５が設けられている。リニアストロークセンサ２５は、作動子２５Ａの伸縮を電気抵抗の変化として検出するものであり、接触式、非接触式の可変抵抗を利用したもの、その他の公知のストロークセンサを用いることができる。

図７に示す例では、回転モータ１２の回転軸１３に、回転センサ２６が連結されている。回転センサ２６としては、例えばレゾルバがあり、単回転検出式、多回転検出式等のものを用いることができ、また、その他の公知の回転センサとしてもよい。これにより、回転センサ２６が検出する回転軸１３の回転に基づいて、可動子３のストロークを得る。

図８に示す例では、固定子２の内部において、回転モータ１２に、可動子３の端部に対向させて非接触式の距離センサ２７が取付けられている。距離センサ２７は、光学式センサ等の公知の距離センサとすることができる。これにより、距離センサ２７によって検出する距離センサ２７から可動子３までの距離に基づいて、可動子３のストロークを得る。

そして、ストロークセンサ２５、回転センサ２６又は距離センサ２７の検出に基づき、リニアモータＬのコイル９及び回転モータ１２に駆動電流を供給する。このとき、単一のセンサの検出に基づいて、リニアモータＬ及び回転モータ１２を制御する方法について、図９から図１１を参照して説明する。図９から図１１は、回転モータ１２の回転軸１３の回転角と逆起電力との関係、リニアモータＬの可動子３のストロークと逆起電力との関係及びセンサ（ストロークセンサ２５、回転センサ２６、距離センサ２７）の出力を示している。

図９に示すように、例えばボール−ネジ機構Ｂのピッチ及びリニアモータＬの磁極ピッチを適当に設定して、回転モータ１２の１回転によって生じる逆起電力と、このときの可動子３のストロークによって生じる逆起電力の周期及び位相を一致させる。これにより、回転モータ１２の駆動に必要なセンサ出力と、リニアモータＬの駆動に必要なセンサ出力が一致することになる。その結果、回転モータ１２とリニアモータＬとでセンサ出力を共用することができ、単一のセンサ出力に基づいて２つのモータの駆動を制御することができる。

また、上記において、回転モータ１２の１回転によって生じる逆起電力の周期をこのときの可動子３のストロークによって生じる逆起電力の周期の整数倍にすることにより（２倍にした場合を図１０に示し、３倍にした場合を図１１に示す）、簡単な演算により、回転モータ１２とリニアモータＬとでセンサ出力を共用することができ、単一のセンサ出力に基づいて２つのモータの駆動を制御することができる。

なお、図６から図８に示すストロークセンサ２５、回転センサ２６及び距離センサ２７は、適宜２つを組合わせて、これらの出力によって回転モータ１２及びリニアモータＬのそれぞれを制御するようにしてもよい。この場合、上述の図９から図１１を用いて説明した方法を適用することにより、一方のセンサが故障したとき、他方のセンサの出力を回転モータ１２及びリニアモータＬで共用することができ、信頼性及びセンサの故障に対する堅牢性を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る電磁サスペンション装置の概略構成を示す縦断面図である。図１に示す電磁サスペンション装置の変形例の概略構成を示す縦断面図である。図１に示す電磁サスペンション装置の他の変形例の概略構成を示す縦断面図である。本発明の第２実施形態に係る電磁サスペンション装置の概略構成を示す縦断面図である。本発明の第３実施形態に係る電磁サスペンション装置の概略構成を示す縦断面図である。ストロークセンサが組込まれた図２に示す電磁サスペンションの概略構成を示す縦断面図である。回転センサが組込まれた図２に示す電磁サスペンションの概略構成を示す縦断面図である。距離センサが組込まれた図２に示す電磁サスペンションの概略構成を示す縦断面図である。回転モータの逆起電力の周期がリニアモータの逆起電力の周期と一致するようにした場合のこれらの周期及びセンサ出力を示すグラフ図である。回転モータの逆起電力の周期がリニアモータの逆起電力の周期の２倍となるようにした場合のこれらの周期及びセンサ出力を示すグラフ図である。回転モータの逆起電力の周期がリニアモータの逆起電力の周期の３倍となるようにした場合のこれらの周期及びセンサ出力を示すグラフ図である。

符号の説明

１電磁サスペンション装置、２固定子（第１部材）、３可動子（第２部材）、１２回転モータ、Ｂボール−ネジ機構（回転−直動変換機構）、Ｌリニアモータ

Claims

互いに相対直線運動可能に支持された第１及び第２部材と、
前記第１及び第２部材の一方に設けられた固定子及び他方に設けられた可動子からなるリニアモータと、
前記第１及び第２部材の一方に取付けられた回転モータと、
前記回転モータの回転軸に連結された回転部材の回転運動を、前記第１及び第２部材の他方に取付けられた直動部材の直線運動に変換する回転−直動変換機構とを備えていることを特徴とする電磁サスペンション装置。
前記第１及び第２部材は、一方が他方の内側に軸方向に沿って移動可能に挿入された円筒状の部材であり、
前記リニアモータの固定子及び可動子は、前記第１及び第２部材の互いに対向する内周部及び外周部に配置され、
前記第１及び第２部材の一方の内部に前記回転モータが配置され、他方の内部に前記直動部材が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁サスペンション装置。
前記第１及び第２部材のうちで外側に配置された一方に前記回転モータが取付けられ、内側に挿入された他方に、前記直動部材が取付けられると共に前記回転部材が挿入され、該回転部材に前記第１及び第２部材のうちで内側に配置されたものを支持するベアリングが取付けられていることを特徴とする請求項２に記載の電磁サスペンション装置。
前記リニアモータと前記回転モータとは、前記第１及び第２部材の相対変位を検出する単一のセンサの検出に基づいて制御されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電磁サスペンション装置。