JP5446865B2 - 磁気浮上システム - Google Patents

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Description

本発明は、組み合わせ自在な磁気浮上支持を構成できる磁気浮上システムに関する。
従来の磁気浮上システムは、汎用に使えるようにつくられたコントローラやモータがなかったため、制御対象のセンサ構成やアクチュエータ構成に応じて、専用のコントローラやモータを開発していた。
図9において、110は制御対象となる多自由度ステージであり、ステージの位置および姿勢を駆動するためのアクチュエータと、位置および姿勢を検出するためのセンサを備えており、センサ信号を出力する。100は多自由度ステージ制御装置であり、多自由度ステージ110のセンサ信号を基にアクチュエータに流す電流を変化させ、多自由度ステージ110の位置および姿勢を制御する。多自由度ステージ制御装置は、指令生成器140、制御演算器150、推力変換演算器160、電流指令器170、位置演算器180、センサ信号変換器190よりなる。140は指令生成器であり、多自由度ステージの位置および姿勢の指令を与える。位置指令は、X軸、Y軸、Z軸方向の位置と、ロール、ピッチ、ヨーの姿勢とを合わせた6自由度で与える。それぞれ使用者が与える位置決めコマンドを元に制御周期ごとに補完して生成するか、あらかじめ決められた動作を制御周期ごとの位置指令として与える。190はセンサ信号変換器であり、センサ信号を受け取り、絶対座標で表したセンサ位置を算出する。180は位置演算器であり、センサ信号変換器190により算出されたセンサ位置情報を用いて、多自由度ステージ110の位置および姿勢を演算する。150は制御演算器であり、位置演算器180により算出された位置および姿勢を、指令生成器140が生成した指令に追従させるように操作量を決定する。操作量とは、具体的には重心位置の並進推力と重心まわりのモーメントなどとする。X軸、Y軸、Z軸、ロール、ピッチ、ヨーの6自由度でそれぞれ位置PID制御や、位置PI制御・速度P制御のカスケード制御、位置P制御・速度PI制御のカスケード制御などとし、フィードフォワード制御や一次遅れフィルタ、ノッチフィルタなどの技術を用いる。指令生成器140の生成する指令を速度指令とし、制御演算器150は、位置および姿勢の微分に相当する量を算出して、位置および姿勢の微分相当量を指令に追従させるように操作量を決定する速度制御系としてもよい。160は推力変換演算器であり、制御演算器150が算出した操作量を実現するために各アクチュエータが出すべき推力を算出する。170は電流指令器であり、推力変換演算器160から受け取った推力指令通りの推力を発生するように多自由度ステージ110のアクチュエータ電流を制御する。
位置演算器180での演算の内容は、多自由度ステージ110のセンサ構成によって異なる。各種センサ構成に対応した多自由度ステージの位置姿勢算出方法が考案されている。(例えば、特許文献1参照)。
次に、図11のようなアクチュエータ構成の場合について、各アクチュエータの推力指令を算出する方法を以下に説明する。
図11において、31乃至33は推進モータ可動子、34乃至36は浮上モータ可動子であり、X軸方向の力を発生するアクチュエータを1つ、Y軸方向の力を発生するアクチュエータを2つ、Z軸方向の力を発生するアクチュエータを3つ備えたアクチュエータ構成となっている。制御する自由度とアクチュエータの数が一致しているため、この場合の推力変換演算式は以下のように求められる。
重心位置を(xG、yG、zG)、X軸アクチュエータの位置を(xx1、yx1、zx1)、2つのY軸アクチュエータの位置をそれぞれ(xy1、yy1、zy1)、(xy2、yy2、zy2)、3つのZ軸アクチュエータの位置をそれぞれ(xz1、yz1、zz1)、(xz2、yz2、zz2)、(xz3、yz3、zz3)とする。X軸アクチュエータの推力をFx1、2つのY軸アクチュエータの推力をそれぞれFy1、Fy2、3つのZ軸アクチュエータの推力をそれぞれFz1、Fz2、Fz3とする。重心位置の並進推力のX軸成分、Y軸成分、Z軸成分をそれぞれFx、Fy、Fzとし、重心まわりのモーメントのX軸成分、Y軸成分、Z軸成分をそれぞれTx、Ty、Tzする。このとき(1)式が成り立つ。


(1)式は正方行列となっており逆行列を求めることができるため、それをGとおけば(2)式が得られる。

推力変換演算器160で、(2)式の演算をすることにより多自由度ステージの操作量から各アクチュエータの推力指令を算出できる。
冗長なアクチュエータを持つ図12のようなアクチュエータ構成の場合についても、推力指令を分配する方法が考案されている(例えば、特許文献2参照)。図12において、31乃至33は推進モータ可動子、34乃至37は浮上モータ可動子であり、X軸方向の力を発生するアクチュエータを1つ、Y軸方向の力を発生するアクチュエータを2つ、Z軸方向の力を発生するアクチュエータを4つ備えたアクチュエータ構成となっている。制御する自由度が6であるのに対し、アクチュエータの数が7つあるため、この場合の推力変換演算式は何らかの拘束条件を与えて求める。例えば特許文献2では、無理な力が作用しないようにする拘束条件を与えている。この他に、疑似逆行列を用いる方法も知られている。
図10は、図11や図12に示す従来のアクチュエータ構成のステージの側面図である。図10において、71および72は浮上モータ固定子であり、浮上モータ可動子24および25とそれぞれ対をなして多自由度ステージ10を浮上させる浮上力を発生する。このように浮上モータ固定子と浮上モータ可動子を1対1で対応させる構成とした場合、推進方向のストロークは、浮上モータ固定子71および72の長さによって決定される。
また、磁気浮上支持の制御では、浮上モータ可動子または浮上モータ固定子のいずれかあるいは両方に永久磁石を備えることによって、制御中心点付近で制御対象の重量とちょうど釣り合うような吸引力または反発力を発生させるゼロパワー制御がよく用いられる。これにより消費電力を抑えることができる。図10は、浮上モータ可動子と浮上モータ固定子との反発力により浮上するような図となっているが、上下を反転した吊り下げ型として吸引力によって浮上支持する構成にすることもでき、浮上モータ可動子または浮上モータ固定子のいずれかをコの字型とすれば制御対象の下にモータがあって吸引力によって浮上支持する構成や、制御対象の上にモータがあって反発力によって浮上支持する構成とすることもできる。
特開2006−201092号公報(第23頁乃至第24頁、図1乃至図8) 特開2006−72398号公報(第9頁、図2)
制御対象を直線的に動かすための機構として、回転型のサーボモータとボールねじを組み合わせた構成が従来からよく使われてきた。しかし、ボールねじは、位置によってねじれ剛性が変わるため制御しにくく、慣性モーメントも大きいため高速な動作が難しかった。また、ロストモーションの問題や、摩擦による発熱・振動・騒音・摩耗などの問題もあった。このような問題点に対して、リニアモータとリニアガイドを組み合わせた構成もよく用いられるようになった。この構成とすることにより問題は大きく改善されるが、リニアガイド部ではやはり接触があるため、ロストモーションの問題や、摩擦による発熱・振動・騒音・摩耗などの問題を完全には解決できない。そこで、上記のような構成では精度や動作速度の要求を満足できないような高性能用途においては、磁気浮上支持の制御が用いられる。磁気浮上支持することにより、リニアガイドやボールねじ駆動に比べて振動・騒音・摩耗がなく、精度やメンテナンス性がよく、高速動作が可能となる。ところが、従来の磁気浮上システムは、汎用性がなく、センサ構成やアクチュエータ構成が異なる制御対象に対しては新たに専用のコントローラやモータを開発しなければならないという問題があった。新たに専用のコントローラやモータを開発する場合には、開発に多くの時間やコストが必要となる。また、ソフトの不具合も生じやすく信頼性が低くなるというような問題もあった。また、従来技術では、浮上モータ固定子と浮上モータ可動子を1対1で対応させる構成となっているため、ストロークを長くするためには固定子を長くする必要があり、あまり長くすると、加工範囲の広い加工装置が必要であったり、巻き線作業など制作が困難になったりする。また、コイルが長くなるため、実際には可動子の付近のみに磁束を生じさせれば充分であるのに、部分的に電流を流すということができないので長いコイル全体に電流を流す必要があり、銅損による消費電力が大きいなどの問題があった。また、図12のように浮上モータ可動子を4隅に配置する構成とすると、浮上モータ固定子同士が干渉するためにストロークが長くできない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、浮上モータ固定子を、連結して使用できるユニットとし、連結数を変えることによってユーザーがストロークを任意に選択できる磁気浮上システム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。
本願発明は、制御対象に取り付けられて前記制御対象に浮上力を発生させるための浮上アクチュエータ可動子と、前記制御対象の動作時の反力を受ける固定または可動構造体に取り付けられる浮上アクチュエータ固定子と、前記浮上アクチュエータ固定子に流れる電流を制御する電流制御装置と、前記制御対象の位置および姿勢を検出する位置センサと、前記位置センサにより検出された位置および姿勢の情報を用いて前記制御対象が磁気浮上支持されるように前記電流制御装置への電流指令を決定するコントローラとを備え、前記浮上アクチュエータ固定子は、推進方向に連結できる浮上アクチュエータ固定子ユニットから構成され、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、前記浮上アクチュエータ可動子との間に浮上力を発生するためのコイルと鉄心とを備え、複数の前記浮上アクチュエータ固定子ユニットを前記推進方向に連結した際、前記鉄心が隙間無く連続するように、前記鉄心の先端部の長さを前記コイルの両端の長さよりも長いかまたは同じ長さであり、さらに、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、端効果により前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの中央部に比べて磁束が小さくなる第1の端効果領域と第2の端効果領域とを備え、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの推進方向長さは、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットとの間に浮上力を発生する複数の前記浮上アクチュエータ可動子の推進方向距離から第1の端効果領域の長さおよび第2の端効果領域の長さを差し引いた長さよりも短く、前記コントローラは、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第1の端効果領域の上に前記浮上アクチュエータ可動子がある場合、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットと、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第1の端効果領域の側に連結された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットとの2つを選択し、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第2の端効果領域の上に前記浮上アクチュエータ可動子がある場合、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットと、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第2の端効果領域の側に連結された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットとの2つを選択し、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第1の端効果領域と第2の端効果領域を除く中央部分の上に前記浮上アクチュエータ可動子がある場合、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットのみを選択し、選択された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットのみで制御対象を浮上させるように電流指令を与えるものである。
本願発明によると、アクチュエータ固定子ユニットの連結部でも一様な浮上力を発生させることができ、浮上制御精度が向上する。また、使用する浮上アクチュエータ固定子ユニットを減らして消費電力や発熱を抑えることができる。
本発明の第1実施例を示す磁気浮上システムの全体構成図 本発明の第1実施例を示す磁気浮上システムの側面図 本発明の第2実施例の浮上モータ固定子ユニットの形状を示す側面図 本発明の第2実施例の浮上モータ固定子ユニットの形状を示す上面図 本発明の第1実施例の浮上モータ固定子ユニットの連結部の定義を示す側面図 本発明の浮上モータ固定子ユニットによりつくられる磁場を表す説明図 本発明の浮上モータ固定子ユニットによりつくられる磁場を表す説明図 本発明の浮上モータ固定子ユニットによりつくられる磁場を表す説明図 従来の多自由度ステージ制御装置の演算内容を示すブロック図 従来の多自由度ステージの構成を示す側面図 従来の多自由度ステージのアクチュエータ構成図1 従来の多自由度ステージのアクチュエータ構成図2
符号の説明
10 多自由度ステージ
11 推進モータ可動子
12 浮上モータ可動子
13 浮上モータ固定子ユニット
14 コントローラ
15 電流制御装置
20 浮上モータ固定子ユニット
21 浮上モータ固定子ユニット
22 浮上モータ固定子ユニット
23 浮上モータ固定子ユニット
24 浮上モータ可動子
25 浮上モータ可動子
26 連結固定機構
27 固定構造体
28 第1の端効果領域
29 第2の端効果領域
40 浮上モータ固定子ユニット中央部
41 連結部
301 鉄心
302 コイル
100 多自由度ステージ制御装置
110 多自由度ステージ
140 指令生成器
150 制御演算器
160 推力変換演算器
170 電流指令器
180 位置演算器
190 センサ信号変換器
31 推進モータ可動子
32 推進モータ可動子
33 推進モータ可動子
34 浮上モータ可動子
35 浮上モータ可動子
36 浮上モータ可動子
37 浮上モータ可動子
71 浮上モータ固定子
72 浮上モータ固定子
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、本発明の第1実施例を示す磁気浮上システムの全体構成図である。図において、10は鉛直方向を磁気浮上支持され、推進方向に移動する制御対象であり、本実施例では、ユーザーが設計した多自由度ステージである。11は推進モータ可動子であり、図示しない推進モータ固定子との間に推進方向の推力を発生する。図は、推進方向左右にモータを1つずつ配置した例である。12は浮上モータ可動子であり、図は、制御対象10の四隅に配置した例である。13は浮上モータ固定子ユニットであり、推進方向に複数個連結することでユーザーがストロークを自由に設計できる。本実施例では、浮上アクチュエータとして、ボイスコイルモータを用いた場合を想定して記述するが、他にもリラクタンス型のモータや静電モータなど一般に知られている様々なアクチュエータが使用できる。左右方向についても同様に連結し、タイル状に敷き詰めることで水平2方向に移動可能としてもよい。図は、推進方向左右に4個ずつのモータ固定子ユニットを配置した例である。14はコントローラであり、図示しない位置センサによって検出された制御対象の位置および姿勢の情報を用いてフィードバック制御し、制御対象が磁気浮上支持されるように電流指令を決定する。この制御をするためには各アクチュエータの位置情報が必要であるが、本発明ではモータをユニット化し、ユーザーが自由に配置できるようにしているため、コントローラ14はそれらの位置情報を入力するための入力装置を備えている。特に、本発明では浮上モータ固定子ユニット13を推進方向に連結して用いるため、ユニットそれぞれの位置情報を入力しておく。あるいは、1つのモータ固定子ユニットの長さLをあらかじめコントローラのメモリ上に保持しておけば、左右の浮上モータ可動子1つずつの位置(x1、y1)、(x2、y2)と連結数を入力するだけで、例えば1つ前方のユニットの位置は(x1、y1+L)、(x2、y2+L)として得ることができる。コントローラは、3つ以上の浮上モータ可動子を配置することにより、浮上方向の位置や、ロール角、ピッチ角を制御できるため、常に一定のギャップで水平の状態を保っておくだけでなく、位置や姿勢それぞれの指令を与え、浮上位置やロール角、ピッチ角の姿勢を指令に追従させるように制御をしてもよい。15は電流制御装置であり、コントローラ14から電流指令を受け取って各浮上モータ固定子ユニット13に流れる電流を制御する。図示していないが、浮上方向と推進方向の両方に直交する左右方向位置についても、永久磁石の反発力を利用して非接触支持するか、他のアクチュエータを用意して制御するか、浮上モータ固定子ユニット13を縦置きにした列を追加で配置して制御してもよい。あるいは、浮上方向のモータは、浮上力を発生させる際に左右方向の位置のずれを戻す作用もあるため、この作用を用いれば、左右方向位置を支持または制御するアクチュエータや永久磁石を配置しなくてもよい。
次に、図2を用いて各浮上モータ固定子ユニットへの電流指令の与え方を説明する。図は、図1と同じ構成の浮上制御システムを側面から見た図である。20乃至23は連結された浮上モータ固定子ユニットである。24および25は浮上モータ可動子である。手前のもののみ図示しているが、これらは左右に2列あり、同様の動作をする。27は固定構造体であり、多自由度ステージ10が動いたときの反力を受ける構造体である。床面に固定しておくか、あるいは反力を床面に伝えないよう、受けた反力で移動するカウンタマスとしても良い。26は連結固定機構であり、浮上モータ固定子ユニットを連結して固定できるようにするための機械的な機構である。本実施例では、単に固定構造体27に対してボルトで固定するための穴である。固定構造体27のタップの間隔は浮上モータ固定子ユニットが隙間無く連結されるように決定する。連結固定機構は、浮上モータ固定子ユニット同士を固定するような機構を持たせてもよい。今、図のように多自由度ステージ10の浮上モータ可動子25が浮上モータ固定子ユニット23の上にあり、浮上モータ可動子24が浮上モータ固定子ユニット21と浮上モータ固定子ユニット22との連結部の上にあるとする。このとき、浮上モータ固定子ユニット20に電流を流しても多自由度ステージ10にはほとんど影響しないため、電流指令は0としておく。浮上モータ可動子25に発生する浮上力は浮上モータ固定子ユニット23のコイルに流れる電流によって制御できる。一方、浮上モータ可動子24は固定子ユニットの連結部の上にいるので、浮上モータ固定子ユニット21および22の2つを用いて浮上力を制御する。浮上モータ固定子ユニット1つのコイルによって発生する磁束は、中央付近では一様になるように設計するが、両端では端効果により磁場が弱まるため、このように2つのユニットを用いることによって連結部でも連続した一様な磁場を得ることができる。このときどの程度一様な磁場が得られるかは、浮上モータ固定子ユニットの形状によって異なる。この形状については実施例2で述べる。ここで、図5を用いて連結部の一例を説明する。図5は図2の中央付近を抜き出した図である。図のように、端効果により浮上モータ固定子ユニット中央部40に比べて磁束が小さくなる両端部分のうちの一方を第1の端効果領域28、他方を第2の端効果領域29と定義する。浮上モータ固定子ユニット21、22が推進方向について対称形であれば第1の端効果領域28と第2の端効果領域29の長さは同じになる。浮上モータ固定子ユニット21と浮上モータ固定子ユニット22が図のように連結されているとき、浮上モータ固定子ユニット21の第2の端効果領域29と浮上モータ固定子ユニット22の第1の端効果領域28を合わせた領域を浮上モータ固定子ユニット21と浮上モータ固定子ユニット22との連結部41と定義する。図では、浮上モータ可動子24の中央が連結部41の上にいるので、浮上モータ固定子ユニット21および22の2つを用いて浮上力を制御する。ここで、図6から図8を用いて浮上モータ固定子ユニットのつくる磁場について説明する。浮上モータ固定子ユニット21と浮上モータ固定子ユニット22は同じ構造で、左右対称であるとする。また、これらとの間に力を発生する浮上モータ可動子は、下面をN極とする永久磁石を持っているものとする。この場合、浮上モータ固定子ユニットの上面にN極を生じるように電流を流せば反発力が発生し、逆にS極を生じるように電流を流せば吸引力が発生する。この力をマグネット力と呼ぶ。また、浮上モータ可動子が透磁率の高い鉄心を含む場合は、固定子ユニットに流す電流の向きにかかわらず吸引力が発生する。この力をリラクタンス力と呼ぶ。マグネット力とリラクタンス力との和が実際の浮上力となる。これらの力の大きさは、浮上モータ固定子ユニットがつくる磁場の垂直方向成分によって決まる。図6の点線は、浮上モータ固定子ユニット21のみに電流を流した場合に、浮上モータ固定子ユニット21の上部に発生する磁場の垂直方向成分を示したものである。浮上モータ固定子ユニット21によって発生する磁束は、中央付近では遠方までほぼまっすぐ上方に伸びるが、両端部では磁束が左右に広がるような経路を通る。そのため、磁場の垂直方向成分は、中央付近では均一になるが、第1の端効果領域28および第2の端効果領域29の上部では弱まる。そのため、端効果領域では所望の浮上力を得ることができない。図7の点線は、浮上モータ固定子ユニット22のみに同じ電流を流した場合に、浮上モータ固定子ユニット22の上部に発生する磁場の垂直方向成分を示したものである。図6と同様に、両端では磁場が弱まる。図8の点線は浮上モータ固定子ユニット21と浮上モータ固定子ユニット22の両方に同じ電流を流した場合に、浮上モータ固定子ユニット21の上部に発生する磁場の垂直方向成分を示したものである。図のように、浮上モータ固定子ユニット21の第2の端効果領域29と浮上モータ固定子ユニット22の第1の端効果領域28で発生する磁場は、互いに補い合い、ほぼ均一になる。その結果、浮上力も所望の通りに発生させることができる。図2に戻り、多自由度ステージ10が推進方向(図の左方向)へ移動していく場合、浮上モータ可動子24がある程度浮上モータ固定子ユニット21の中央に近づけば、端効果の影響が小さくなり、モータ固定子ユニット21の発生する浮上力のみで一様な磁場が得られ、所望の浮上力を発生できるため、浮上モータ固定子ユニット22への電流指令を0とする。さらに多自由度ステージが推進方向に進み、浮上モータ可動子25が浮上モータ固定子ユニット22と浮上モータ固定子ユニット23との連結部に近づいたら、浮上モータ固定子ユニット22および23の2つを用いて浮上モータ可動子25に発生する浮上力を制御する。さらに多自由度ステージが推進方向に進み、浮上モータ可動子25が浮上モータ固定子ユニット22の中央に近づけば、浮上モータ固定子ユニット23への電流指令を0とする。さらに多自由度ステージが推進方向に進み、浮上モータ可動子24が浮上モータ固定子ユニット20と浮上モータ固定子ユニット21との連結部に近づいたら、浮上モータ固定子ユニット20および21の2つを用いて浮上モータ可動子24に発生する浮上力を制御する。このように、多自由度ステージの位置に応じて電流を流す浮上モータ固定子ユニットを選択し、浮上モータ可動子1つにつき1つまたは2つの浮上モータ固定子ユニットを選択し、選択された浮上モータ固定子ユニットのみで制御対象を浮上させるように電流指令を与え、その他の浮上モータ固定子ユニットに対しては電流指令を0とすることによって、消費電力を抑えることができる。このような制御を行うためには、図のように浮上モータ可動子間の距離よりも浮上モータ固定子ユニット1つの長さが短くなっている必要がある。仮に同じ長さであるとすると、浮上モータ可動子が同時に連結部にさしかかり、浮上モータ可動子24と浮上モータ可動子25に働く浮上力を独立して制御することが難しくなる。また、端効果の影響を受けないように連結部では2つの浮上モータ固定子ユニットを用い、浮上モータ固定子ユニットの中央部では1つの浮上モータ固定子ユニットを用いるような制御をするためには、モータ固定子ユニットの推進方向長さは、浮上モータ可動子24と浮上モータ可動子25との距離から第1の端効果領域28の長さおよび第2の端効果領域29の長さを差し引いた長さよりも短くなければならない。さもないと、浮上モータ可動子24が浮上モータ固定子ユニット21の第2の端効果領域29を通り過ぎて中央部に入る前に浮上モータ可動子25が浮上モータ固定子ユニット23の第1の端効果領域28に入ってしまい、浮上モータ固定子ユニット22は、浮上モータ可動子24と浮上モータ可動子25を同時に制御することはできないため、上述の制御が実現できない。
本発明が従来技術と異なる部分は、浮上モータ固定子を分割されたユニットとし、ユーザーが所望のストロークに合わせて自由に連結して使用できるようにした部分と、コントローラにモータ固定子ユニットの数および位置とモータ可動子位置を入力する入力装置を備えた部分と、モータ可動子1つにつき1つまたは2つのモータ固定子ユニットを選択し、選択されたユニットのみで浮上させるように電流指令を与え、その他のユニットに対しては電流指令を0とするようにした部分である。
次に、図3を用いて浮上モータ固定子ユニットの形状について説明する。図3で、302はコイルであり、電流を流すと浮上方向の磁束を発生する。301は鉄心であり、コイル302の発生した磁束の漏れを減らし、強い浮上力を発生させるためのものであり、鉄損を少なくするために珪素鋼板を積層したものなどが用いられる。通常の浮上モータ固定子は、ほぼ直方体の形状であり、連結して用いようとしても周囲に巻かれたコイルが干渉し、隣接する鉄心間に隙間ができてしまう。隙間部分では磁気抵抗が大きく、磁束が通過しにくいため、連結部で磁束が弱まり、所望の浮上力を得ることが難しくなる。本発明では、図のように鉄心302の先端部の長さをコイル302の両端の長さよりも長いかまたは同じ長さとする。これにより、モータ固定子ユニットを連結させたとき、鉄心部の上面を接触させることができ、連結部でも中央付近とほぼ同程度の磁気抵抗となるため、連結部までほぼ均等な密度で磁束が分布するようになる。その結果、隣接するモータ固定子ユニットを同時に励磁した際、連結部でもほぼ一様な磁場が得られ、浮上力が低下することなく固定子を連結することができる。
図3は側面から見た図であるが、さらに、それと直角な別の側面から見た場合も同様に鉄心先端部の長さがコイルの両端の長さより長いか同じ長さとしてもよく、そのような形状の浮上モータ固定子ユニットをタイル状に敷き詰めることにより、平面上の磁気浮上支持をすることも可能である。
また、図4は連結された浮上モータ固定子ユニットを上面から見た形状の例を示す図である。前述のように、図3のような構造とすることにより連結部でも磁場は大幅に均一化されるが、それでも多少磁場が弱まる場合がある。上面から見た鉄心の形状は、図4(a)に示すような長方形である必要はなく、(b)のような平行四辺形や(c)のような台形としてもよい。このような形状とすることにより、連結部の磁場の変化が分散され、隣接するモータ固定子ユニットを同時に励磁した際、連結部でもほぼ一様な磁場が得られ、浮上力が低下することなく固定子を連結することができる。また、凹凸のある(d)のようなV字型の面や(e)のような曲面としてもよい。このような形状とすることにより、上述した効果の他に、連結されたユニットを固定する際に位置決めが容易になり、また、構造上も特に横からの力に強くなるという利点もある。また、(f)のように、両端の幅を広くしてもよい。このような形状とすることにより、磁束密度が弱まった分、磁路の面積を増やして中央付近と同等の磁束を発生させることができる。この効果により、特に浮上モータ固定子ユニット1つのみ励磁した場合の端効果の影響を減らすことができる。また、これと(b)から(e)を組み合わせ、両端の幅を広くし、連結面を(b)から(e)のような形状としてもよい。

Claims (1)

  1. 制御対象に取り付けられて前記制御対象に浮上力を発生させるための浮上アクチュエータ可動子と、
    前記制御対象の動作時の反力を受ける固定または可動構造体に取り付けられる浮上アクチュエータ固定子と、
    前記浮上アクチュエータ固定子に流れる電流を制御する電流制御装置と、
    前記制御対象の位置および姿勢を検出する位置センサと、
    前記位置センサにより検出された位置および姿勢の情報を用いて前記制御対象が磁気浮上支持されるように前記電流制御装置への電流指令を決定するコントローラとを備え、
    前記浮上アクチュエータ固定子は、推進方向に連結できる浮上アクチュエータ固定子ユニットから構成され、
    前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、前記浮上アクチュエータ可動子との間に浮上力を発生するためのコイルと鉄心とを備え、複数の前記浮上アクチュエータ固定子ユニットを前記推進方向に連結した際、前記鉄心が隙間無く連続するように、前記鉄心の先端部の長さを前記コイルの両端の長さよりも長いかまたは同じ長さであり、
    さらに、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットは、端効果により前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの中央部に比べて磁束が小さくなる第1の端効果領域と第2の端効果領域とを備え、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの推進方向長さは、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットとの間に浮上力を発生する複数の前記浮上アクチュエータ可動子の推進方向距離から第1の端効果領域の長さおよび第2の端効果領域の長さを差し引いた長さよりも短く、
    前記コントローラは、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第1の端効果領域の上に前記浮上アクチュエータ可動子がある場合、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットと、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第1の端効果領域の側に連結された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットとの2つを選択し、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第2の端効果領域の上に前記浮上アクチュエータ可動子がある場合、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットと、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第2の端効果領域の側に連結された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットとの2つを選択し、前記浮上アクチュエータ固定子ユニットの第1の端効果領域と第2の端効果領域を除く中央部分の上に前記浮上アクチュエータ可動子がある場合、その前記浮上アクチュエータ固定子ユニットのみを選択し、選択された前記浮上アクチュエータ固定子ユニットのみで制御対象を浮上させるように電流指令を与えることを特徴とする磁気浮上システム。
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