JP6349506B2 - ハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出装置及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出装置及び方法に関し、特に、筒状マグネット部の磁石軸であるｄ軸方向とｑ軸方向の磁気抵抗の大小を利用して可動子の位置を検出するための新規な改良に関する。
従来、用いられていたこの種の円筒リニアモータとしては、例えば、特許文献１〜３の構成を挙げることができる。
すなわち、特許文献１は「リニアモータ」に関し、特許文献２は「同軸リニアモータ」に関し、さらに、特許文献３は「磁石埋め込み型円筒リニアモータ」に関し、この特許文献３の構成を図４及び図５に示している。
すなわち、特許文献１は「リニアモータ」に関し、特許文献２は「同軸リニアモータ」に関し、さらに、特許文献３は「磁石埋め込み型円筒リニアモータ」に関し、この特許文献３の構成を図４及び図５に示している。
図４においては、円筒状ケース１の内側に多数の固定子巻線２を軸方向Ａに沿って所定間隔で有する円筒状固定子３が設けられ、前記円筒状固定子３の内側に形成された内側空隙３ａ内には棒状の可動子５が軸方向Ａに沿って往復動可能に配設されている。
前記可動子５の外周には、図５のように、輪状の３個の第１〜第３リングマグネット６ａ〜６ｃからなるリングマグネット体６が所定間隔で配設されている。
尚、前記各リングマグネット６ａ〜６ｃの磁化方向は、４５度ラジアル磁化方向６ａＡと６ｂＡ及びスラスト磁化方向６ｃＡにより着磁され、周知のハルバッハ配列によって構成されている。
前記可動子５の外周には、図５のように、輪状の３個の第１〜第３リングマグネット６ａ〜６ｃからなるリングマグネット体６が所定間隔で配設されている。
尚、前記各リングマグネット６ａ〜６ｃの磁化方向は、４５度ラジアル磁化方向６ａＡと６ｂＡ及びスラスト磁化方向６ｃＡにより着磁され、周知のハルバッハ配列によって構成されている。
従来の円筒リニアモータは、以上のように構成されているため、次のような課題が存在していた。
すなわち、従来のリニアモータにおいては、リニア位置検出のためには、ロータリエンコーダ、リニアエンコーダあるいはレゾルバ等の直線位置を検出するためのリニア検出手段を設ける必要があり、その場合には、円筒リニアモータ自体の形状もセンサの分だけ大形化し、かつ、特殊環境（粉塵、油等の雰囲気下）では耐久性が十分ではなく、かつ、高コストといった難点を有することになっていた。
すなわち、従来のリニアモータにおいては、リニア位置検出のためには、ロータリエンコーダ、リニアエンコーダあるいはレゾルバ等の直線位置を検出するためのリニア検出手段を設ける必要があり、その場合には、円筒リニアモータ自体の形状もセンサの分だけ大形化し、かつ、特殊環境（粉塵、油等の雰囲気下）では耐久性が十分ではなく、かつ、高コストといった難点を有することになっていた。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、筒状マグネット
部の磁石軸であるｄ軸方向とｑ軸方向の磁気抵抗の大小を利用して可動子の位置を検出するようにしたハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出装置及び方法を提供することを目的とする。
部の磁石軸であるｄ軸方向とｑ軸方向の磁気抵抗の大小を利用して可動子の位置を検出するようにしたハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出装置及び方法を提供することを目的とする。
本発明によるハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出装置は、円筒状ケースの内壁に設けられた円筒状固定子と、前記円筒状固定子に所定間隔で設けられた多数の固定子巻線と、前記円筒状固定子の内側空隙内に軸方向移動自在に設けられた可動子と、前記可動子の外周に所定間隔で設けられた多数の筒状マグネット部と、前記各筒状マグネット部間に設けられた磁性体部と、を備え、前記筒状マグネット部の磁石軸であるｄ軸方向よりこのｄ軸方向と直交するｑ軸方向の磁気抵抗の方が小さくなるため、前記磁気抵抗の大小を利用し、かつ、ｄｑ軸に対し、制御上の推定軸をγδ軸として定義し、γ軸方向に高周波の交番電圧を印加し、前記可動子を停止した状態で、実際のｄ軸を０度としてγ軸とｄ軸の位相角△θを変化させながらγ軸上で重畳周波数におけるインダクタンスを検出し、前記ｄ軸方向のｄ軸インダクタンスより前記ｑ軸インダクタンスの方が大となること（突極性）に起因して、前記可動子の位置に応じて前記可動子の（固定子からみた）インダクタンスが変化するので、前記変化の特性を利用して前記可動子の位置を検出することを特徴とするハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた構成であり、また、本発明によるハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出方法は、円筒状ケースの内壁に設けられた円筒状固定子と、前記円筒状固定子に所定間隔で設けられた多数の固定子巻線と、前記円筒状固定子の内側空隙内に軸方向移動自在に設けられた可動子と、前記可動子の外周に所定間隔で設けられた多数の筒状マグネット部と、前記各筒状マグネット部間に設けられた磁性体部と、を備え、前記筒状マグネット部の磁石軸であるｄ軸方向よりこのｄ軸方向と直交するｑ軸方向の磁気抵抗の方が小さくなるため、前記磁気抵抗の大小を利用し、かつ、ｄｑ軸に対し、制御上の推定軸をγδ軸として定義し、γ軸方向に高周波の交番電圧を印加し、前記可動子を停止した状態で、実際のｄ軸を０度としてγ軸とｄ軸の位相角△θを変化させながらγ軸上で重畳周波数におけるインダクタンスを検出し、前記ｄ軸方向のｄ軸インダクタンスより前記ｑ軸インダクタンスの方が大となること（突極性）に起因して、前記可動子の位置に応じて前記可動子の（固定子からみた）インダクタンスが変化するので、前記変化の特性を利用して前記可動子の位置を検出する方法である。
本発明によるハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出装置及び方法は、以上のように構成されているため、次のような効果を得ることができる。
すなわち、円筒状ケースの内壁に設けられた円筒状固定子と、前記円筒状固定子に所定間隔で設けられた多数の固定子巻線と、前記円筒状固定子の内側空隙内に軸方向移動自在に設けられた可動子と、前記可動子の外周に所定間隔で設けられた多数の筒状マグネット部と、前記各筒状マグネット部間に設けられた磁性体部と、を備え、前記筒状マグネット部の磁石軸であるｄ軸方向よりこのｄ軸方向と直交するｑ軸方向の磁気抵抗の方が小さくなるため、前記磁気抵抗の大小を利用し、かつ、ｄｑ軸に対し、制御上の推定軸をγδ軸として定義し、γ軸方向に高周波の交番電圧を印加し、前記可動子を停止した状態で、実際のｄ軸を０度としてγ軸とｄ軸の位相角△θを変化させながらγ軸上で重畳周波数におけるインダクタンスを検出し、前記ｄ軸方向のｄ軸インダクタンスより前記ｑ軸インダクタンスの方が大となること（突極性）に起因して、前記可動子の位置に応じて前記可動子の（固定子からみた）インダクタンスが変化するので、前記変化の特性を利用して前記可動子の位置を検出することを特徴とするハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いたことにより、別装着による位置センサを用いることなく、リニア位置の検出ができ、省スペース及び小型化を達成できる。
すなわち、円筒状ケースの内壁に設けられた円筒状固定子と、前記円筒状固定子に所定間隔で設けられた多数の固定子巻線と、前記円筒状固定子の内側空隙内に軸方向移動自在に設けられた可動子と、前記可動子の外周に所定間隔で設けられた多数の筒状マグネット部と、前記各筒状マグネット部間に設けられた磁性体部と、を備え、前記筒状マグネット部の磁石軸であるｄ軸方向よりこのｄ軸方向と直交するｑ軸方向の磁気抵抗の方が小さくなるため、前記磁気抵抗の大小を利用し、かつ、ｄｑ軸に対し、制御上の推定軸をγδ軸として定義し、γ軸方向に高周波の交番電圧を印加し、前記可動子を停止した状態で、実際のｄ軸を０度としてγ軸とｄ軸の位相角△θを変化させながらγ軸上で重畳周波数におけるインダクタンスを検出し、前記ｄ軸方向のｄ軸インダクタンスより前記ｑ軸インダクタンスの方が大となること（突極性）に起因して、前記可動子の位置に応じて前記可動子の（固定子からみた）インダクタンスが変化するので、前記変化の特性を利用して前記可動子の位置を検出することを特徴とするハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いたことにより、別装着による位置センサを用いることなく、リニア位置の検出ができ、省スペース及び小型化を達成できる。
本発明は、筒状マグネット部の磁石軸であるｄ軸方向とｑ軸方向の磁気抵抗の大小を利用して可動子の位置を検出するようにすることである。
以下、図面と共に本発明によるハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出装置及び方法の好適な実施の形態について説明する。
尚、図４及び図５で示される従来構成と同一又は同等部分には、同一符号を付して説明する。
図１において、符号１で示されるものは、筒状をなす周知の磁性リングである円筒状ケースであり、この円筒状ケース１の内壁１ａには固定子巻線２を有する複数の輪状の固定子コア３ｂが軸方向に沿って長手状に配設されてなる円筒状固定子３が配設されており、前記円筒状固定子３の内側空隙３ａ内には、長手棒状をなす可動子５が軸方向移動Ｐに沿って往復移動自在に設けられ、この可動子５の外周面５ａには、３個のマグネット片１０ａ，１０ｂ，１０ｃからなる筒状マグネット部６が軸方向に沿って所定間隔で配列されている。
尚、図４及び図５で示される従来構成と同一又は同等部分には、同一符号を付して説明する。
図１において、符号１で示されるものは、筒状をなす周知の磁性リングである円筒状ケースであり、この円筒状ケース１の内壁１ａには固定子巻線２を有する複数の輪状の固定子コア３ｂが軸方向に沿って長手状に配設されてなる円筒状固定子３が配設されており、前記円筒状固定子３の内側空隙３ａ内には、長手棒状をなす可動子５が軸方向移動Ｐに沿って往復移動自在に設けられ、この可動子５の外周面５ａには、３個のマグネット片１０ａ，１０ｂ，１０ｃからなる筒状マグネット部６が軸方向に沿って所定間隔で配列されている。
前記各筒状マグネット部６間には、輪状をなす磁性体部２０（磁性体リング）が配設され、この磁性体部２０の材質としては、例えば、軟磁性体が好適である。
図２は、回転型モータでは周知のように、磁石軸であるｄ軸方向ｄより、このｄ軸方向ｄと直交するｑ軸方向ｑの磁気抵抗が小さくなるため、磁気抵抗の大小による磁気的な突極構造を構成することによって、ｄ軸インダクタンスＬｄよりもｑ軸インダクタンスＬｑの方が大きく、この各インダクタンスの違いにより、前記可動子５の軸方向移動における位置の検出を行うことができる。
尚、前述の各インダクタンスＬｄとＬｑの検出は、各固定子巻線２を用いて行うことができる。
図２は、回転型モータでは周知のように、磁石軸であるｄ軸方向ｄより、このｄ軸方向ｄと直交するｑ軸方向ｑの磁気抵抗が小さくなるため、磁気抵抗の大小による磁気的な突極構造を構成することによって、ｄ軸インダクタンスＬｄよりもｑ軸インダクタンスＬｑの方が大きく、この各インダクタンスの違いにより、前記可動子５の軸方向移動における位置の検出を行うことができる。
尚、前述の各インダクタンスＬｄとＬｑの検出は、各固定子巻線２を用いて行うことができる。
尚、図３は前記各固定子巻線２を用い、電流測定によって可動子５の位置検出を行うことができることを示している。この場合の駆動としては、ｑ軸に主電流ｉを通電し、ｄ軸電流はｉｄ＝０制御である。
すなわち、図３に示すように、ｄｑ軸に対し、制御上の推定軸をγδ軸として定義、
γ軸方向に高周波の交番電圧を印加。
可動子５を停止した状態で、実際のｄ軸を０度としてγ軸とｄ軸の位相角△θを変化させながらγ軸上で重畳周波数におけるインダクタンスを検出する。
このインダクタンスは、偏差を持つので、磁極位置を推定することができる。
ｄ軸磁路にエアギャップと同じ磁気抵抗の大きい磁石が存在するためで、ｄ軸の磁気抵抗がｑ軸の磁気抵抗に対して大きくなる。すなわち、ｄ軸インダクタンスＬｄより前記ｑ軸インダクタンスＬｑの方が大となる。
このインダクタンス特性を利用して磁極位置を推定するという仕組みである。
また、実際の制御では、γ軸方向γに高周波の交番電圧を印加する。
γ軸γが本来のｄ軸ｄに対して位置誤差△θを含む場合は、印加方向に直交する方向に干渉分の電流変化ｉδｈが生じ、△θ＝０であれば、電流は０となる。
従って、ｉδｈ＝０となるように制御系を構成すれば、ｄｑ軸と推定γδ軸は一致し、可動子５の位置を間接推定することが可能となる。
すなわち、図３に示すように、ｄｑ軸に対し、制御上の推定軸をγδ軸として定義、
γ軸方向に高周波の交番電圧を印加。
可動子５を停止した状態で、実際のｄ軸を０度としてγ軸とｄ軸の位相角△θを変化させながらγ軸上で重畳周波数におけるインダクタンスを検出する。
このインダクタンスは、偏差を持つので、磁極位置を推定することができる。
ｄ軸磁路にエアギャップと同じ磁気抵抗の大きい磁石が存在するためで、ｄ軸の磁気抵抗がｑ軸の磁気抵抗に対して大きくなる。すなわち、ｄ軸インダクタンスＬｄより前記ｑ軸インダクタンスＬｑの方が大となる。
このインダクタンス特性を利用して磁極位置を推定するという仕組みである。
また、実際の制御では、γ軸方向γに高周波の交番電圧を印加する。
γ軸γが本来のｄ軸ｄに対して位置誤差△θを含む場合は、印加方向に直交する方向に干渉分の電流変化ｉδｈが生じ、△θ＝０であれば、電流は０となる。
従って、ｉδｈ＝０となるように制御系を構成すれば、ｄｑ軸と推定γδ軸は一致し、可動子５の位置を間接推定することが可能となる。
前述の本発明によるハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出装置及び方法の要旨とするところは、以下の通りである。
すなわち、円筒状ケース１の内壁１ａに設けられた円筒状固定子３と、前記円筒状固定子３に所定間隔で設けられた多数の固定子巻線２と、前記円筒状固定子３の内側空隙３ａ内に軸方向移動Ｐ自在に設けられた可動子５と、前記可動子５の外周に所定間隔で設けられた多数の筒状マグネット部６と、前記各筒状マグネット部６間に設けられた磁性体部２０と、を備え、前記筒状マグネット部６の磁石軸であるｄ軸方向ｄよりこのｄ軸方向ｄと直交するｑ軸方向ｑの磁気抵抗の方が小さくなるため、前記磁気抵抗の大小を利用し、かつ、ｄｑ軸に対し、制御上の推定軸をγδ軸として定義し、γ軸方向に高周波の交番電圧を印加し、前記可動子５を停止した状態で、実際のｄ軸を０度としてγ軸とｄ軸の位相角△θを変化させながらγ軸上で重畳周波数におけるインダクタンスを検出し、前記ｄ軸方向ｄのｄ軸インダクタンスより前記ｑ軸インダクタンスの方が大となること（突極性）に起因して、前記可動子５の位置に応じて前記可動子５の（固定子３からみた）インダクタンスが変化するので、前記変化の特性を利用して前記可動子５の位置を検出することを特徴とするハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出装置及び方法である。
すなわち、円筒状ケース１の内壁１ａに設けられた円筒状固定子３と、前記円筒状固定子３に所定間隔で設けられた多数の固定子巻線２と、前記円筒状固定子３の内側空隙３ａ内に軸方向移動Ｐ自在に設けられた可動子５と、前記可動子５の外周に所定間隔で設けられた多数の筒状マグネット部６と、前記各筒状マグネット部６間に設けられた磁性体部２０と、を備え、前記筒状マグネット部６の磁石軸であるｄ軸方向ｄよりこのｄ軸方向ｄと直交するｑ軸方向ｑの磁気抵抗の方が小さくなるため、前記磁気抵抗の大小を利用し、かつ、ｄｑ軸に対し、制御上の推定軸をγδ軸として定義し、γ軸方向に高周波の交番電圧を印加し、前記可動子５を停止した状態で、実際のｄ軸を０度としてγ軸とｄ軸の位相角△θを変化させながらγ軸上で重畳周波数におけるインダクタンスを検出し、前記ｄ軸方向ｄのｄ軸インダクタンスより前記ｑ軸インダクタンスの方が大となること（突極性）に起因して、前記可動子５の位置に応じて前記可動子５の（固定子３からみた）インダクタンスが変化するので、前記変化の特性を利用して前記可動子５の位置を検出することを特徴とするハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出装置及び方法である。
本発明によるハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出装置は、リニアモータの位置検出を別体の検出器を用いることなく行うことができ、小形化でき、製鉄所等の厳しい環境下でも使用可能となる。
１ 円筒状ケース
１ａ 内壁
２ 固定子巻線
３ 円筒状固定子
３ａ 内側空隙
３ｂ 固定子コア
５ 可動子
５ａ 外周面
６ 筒状マグネット部
１０ａ マグネット片
１０ｂ マグネット片
１０ｃ マグネット片
２０ 磁性体部
ｄ ｄ軸方向
ｑ ｑ軸方向
Ｐ 軸方向（軸方向移動）
１ａ 内壁
２ 固定子巻線
３ 円筒状固定子
３ａ 内側空隙
３ｂ 固定子コア
５ 可動子
５ａ 外周面
６ 筒状マグネット部
１０ａ マグネット片
１０ｂ マグネット片
１０ｃ マグネット片
２０ 磁性体部
ｄ ｄ軸方向
ｑ ｑ軸方向
Ｐ 軸方向（軸方向移動）
Claims (2)
- 円筒状ケース(1)の内壁(1a)に設けられた円筒状固定子(3)と、前記円筒状固定子(3)に所定間隔で設けられた多数の固定子巻線(2)と、前記円筒状固定子(3)の内側空隙(3a)内に軸方向移動(P)自在に設けられた可動子(5)と、前記可動子(5)の外周に所定間隔で設けられた多数の筒状マグネット部(6)と、前記各筒状マグネット部(6)間に設けられた磁性体部(20)と、を備え、前記筒状マグネット部(6)の磁石軸であるｄ軸方向(d)よりこのｄ軸方向(d)と直交するｑ軸方向(q)の磁気抵抗の方が小さくなるため、前記磁気抵抗の大小を利用し、かつ、ｄｑ軸に対し、制御上の推定軸をγδ軸として定義し、γ軸方向に高周波の交番電圧を印加し、前記可動子(5)を停止した状態で、実際のｄ軸を０度としてγ軸とｄ軸の位相角△θを変化させながらγ軸上で重畳周波数におけるインダクタンスを検出し、前記ｄ軸方向(d)のｄ軸インダクタンスより前記ｑ軸インダクタンスの方が大となること（突極性）に起因して、前記可動子(5)の位置に応じて前記可動子(5)の（固定子(3)からみた）インダクタンスが変化するので、前記変化の特性を利用して前記可動子(5)の位置を検出することを特徴とするハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出装置。
- 円筒状ケース(1)の内壁(1a)に設けられた円筒状固定子(3)と、前記円筒状固定子(3)に所定間隔で設けられた多数の固定子巻線(2)と、前記円筒状固定子(3)の内側空隙(3a)内に軸方向移動(P)自在に設けられた可動子(5)と、前記可動子(5)の外周に所定間隔で設けられた多数の筒状マグネット部(6)と、前記各筒状マグネット部(6)間に設けられた磁性体部(20)と、を備え、前記筒状マグネット部(6)の磁石軸であるｄ軸方向(d)よりこのｄ軸方向(d)と直交するｑ軸方向(q)の磁気抵抗の方が小さくなるため、前記磁気抵抗の大小を利用し、かつ、ｄｑ軸に対し、制御上の推定軸をγδ軸として定義し、γ軸方向に高周波の交番電圧を印加し、前記可動子(5)を停止した状態で、実際のｄ軸を０度としてγ軸とｄ軸の位相角△θを変化させながらγ軸上で重畳周波数におけるインダクタンスを検出し、前記ｄ軸方向(d)のｄ軸インダクタンスより前記ｑ軸インダクタンスの方が大となること（突極性）に起因して、前記可動子(5)の位置に応じて前記可動子(5)の（固定子(3)からみた）インダクタンスが変化するので、前記変化の特性を利用して前記可動子(5)の位置を検出することを特徴とするハルバッハ配列及び磁性リングによるｄｑ比を用いた円筒リニアモータの位置検出方法。
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