JP7420755B2

JP7420755B2 - 電磁アクチュエータ装置及びこれを備えたサスペンション装置

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Publication number: JP7420755B2
Application number: JP2021010173A
Authority: JP
Inventors: 遼佑星; 康明青山; 修之一丸
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2021-01-26
Filing date: 2021-01-26
Publication date: 2024-01-23
Anticipated expiration: 2041-01-26
Also published as: CN116669972A; WO2022163029A1; DE112021005786T5; US20240063704A1; JP2022114061A; KR20230113391A

Description

本発明は、リニアモータを用いた電磁アクチュエータ装置及びこれを備えたサスペンション装置に関する。

リニアモータは、端部が存在することにより、各々の巻線に鎖交する磁束量がアンバランスし推力脈動が発生する。脈動の低減には、端部の影響を受ける相の巻数を他の相と変えたり、ティースの形状を変更する等の手法が知られている。その手法として例えば特許文献１がある。

特許文献１に記載の技術においては、一方の端部に位置するティースの断面積に対し、もう一方の端部に位置するティースの断面積を縮小し、脈動の小さくするようにしている。

特開２０１６－９２８４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術においては、端部に位置するティースの断面積を過度に縮小した場合、磁気飽和によって各々の巻線に鎖交する磁束のアンバランスが生じ、推力脈動が増大するといった課題があった。また、磁気飽和しやすいことで漏れ磁束が増加し、推力に寄与する磁束が減少するといった課題があった。

本発明の目的は、脈動の低減と推力を向上させることができるリニアモータを用いた電磁アクチュエータ装置及びこれを備えたサスペンション装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、磁石部と、前記磁石部と相対移動する電機子とを備え、前記電機子には、相対移動方向に沿って形成された複数のティースと、前記複数のティース間に形成された複数のスロットと、前記複数のティースを繋ぐヨークと、前記複数のスロットに巻かれる巻線と、を備え、前記磁石部には、空隙を介して前記複数のティースと対向し、かつ相対移動方向に沿って配置された複数の磁石を備えた電磁アクチュエータ装置であって、前記電機子の一方のティース端部の最小断面積Ｓｃ１と、他方のティース端部の最小断面積Ｓｃ２との関係をＳｃ１＞Ｓｃ２とし、かつ前記他方のティース端部の最小断面積Ｓｃ２と、相対移動方向を横切る方向の前記ヨークの断面積Ｓｙとの関係をＳｃ２≧Ｓｙとしたことを特徴とする。

本発明によれば、推力脈動が小さく、推力の大きい電磁アクチュエータ装置及びこれを備えたサスペンション装置を提供することができる。上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

電磁アクチュエータ装置におけるリニアモータ部を抜き出した外観斜視図である。図１ＡをＩＢ－ＩＢ線（ＹＺ平面）で切断した断面図である。従来構造を示す断面図である。本発明の実施例１に係るリニアモータの構造を示す断面図である。一方の端部の断面積に対する推力と推力脈動の特性を示す図である。ＷｃとＷｍが等しい状態（Ｗｃ＝Ｗｍ）におけるリニアモータの構造を示す断面図である。本発明の実施例２に係るＷｃがＷｍより小さい状態（Ｗｃ＜Ｗｍ）におけるリニアモータの構造を示す断面図である。本発明の実施例２に係るＷｃがＷｍより大きい状態（Ｗｃ＞Ｗｍ）におけるリニアモータの構造を示す断面図である。本発明の実施例３に係る電磁アクチュエータ装置を用いた車両用サスペンション装置の構成図である。

以下、本発明の実施例について添付の図面を参照しつつ説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、同様の説明は繰り返さない。

本発明の各種の構成要素は必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、一の構成要素が複数の部材から成ること、複数の構成要素が一の部材から成ること、或る構成要素が別の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複すること、などを許容する。

本発明の電磁アクチュエータ装置について図１乃至図３を用いて説明する。実施例１において、電機子１０と磁石部２０とは相対移動する。実施例１では、相対移動する方向をＺ方向、このＺ方向と直交する２つの方向をＸ方向、Ｙ方向とする。

図１Ａは電磁アクチュエータ装置におけるリニアモータ部を抜き出した外観斜視図であり、図１Ｂは図１ＡをＩＢ－ＩＢ線（ＹＺ平面）で切断した断面図である。

図１Ａ及び図１Ｂは、リニアモータの主要部品を記載したものであり、その他の電磁アクチュエータ装置の機構部品は図示していない。図１Ａ及び図１Ｂにおいて、リニアモータ１は、磁石部２０と、磁石部２０と相対移動する電機子１０とを備えている。

電機子１０には、Ｚ方向（相対移動方向）に沿って形成された複数のティース１２と、複数のティース１２間に形成された複数のスロット１５と、複数のティース１２を繋ぐヨーク１４と、複数のスロットに巻かれる巻線１３が備えられている。複数のスロット１５はＵ相スロット１５ａ、Ｖ相スロット１５ｂ、Ｗ相スロット１５ｃから構成されている。

磁石部２０には、筒状に形成された磁性体２２（外筒）と、磁性体２２の内周側に配置されると共に、空隙を介して複数のティース１２と対向し、かつＺ方向（相対移動方向）に沿って配置された複数の磁石２１が備えられている。そして、筒状に形成された磁石部２０の内周側に電機子１０が配置される。

この磁石部２０と電機子１０が相対的にＺ方向に移動するとともに、Ｚ方向の力つまり推力を発生させる。

本リニアモータの構成は、磁石４個分に対して、ティースを構成する電機子１０の磁性体１１に巻線１３が３個配置される４極３スロット構造としている。これはリニアモータの構成の1例であり、同様の効果が得られればこの構成に限定されるものではない。例えば、極数やスロット数、円筒形状のリニアモータに限定するものではない。

図１に示したリニアモータは、３個の巻線１３（１３ａ，１３ｂ，１３ｃ）に３相交流を印加する３相リニアモータの例であり、３個の巻線１３の電流値を可変させることにより、任意の位置で任意の力を発生させることが可能である。推力は、磁石２１によって生じる磁束と、巻線１３によって生じる磁束の相互作用によって生じるものである。リニアモータは、回転機とは異なり電機子に端部が存在する。端部による影響でリニアモータには二次の推力脈動が発生することが知られている。これは端部による三相間の鎖交磁束のアンバランスによるものである。

図２は、ティース端部の寸法が異なる２つのリニアモータの比較断面図である。図２Ａは従来構造を示す断面図である。Ｓｃ２ａはティース端部１２ａの最小断面積であり、Ｓｃ１はティース端部１２ｃの最小断面積であり、Ｓｙはヨーク１４の断面積である。実施例１では、ヨーク１４の断面積は中央部がくり抜かれたドーナツ状となっている。ティース端部とヨークには、磁束６０が通っている。図２Ａにおいて、ティース端部１２ａの最小断面積Ｓｃ２ａとティース端部１２ｃの最小断面積Ｓｃ１の関係は等しくなっている（Ｓｃ２ａ＝Ｓｃ１）。

図２Ｂは本発明の実施例１に係るリニアモータの構造を示す断面図であり、ティース端部１２ｂの最小断面積Ｓｃ２ｂは、ティース端部１２ｃの最小断面積Ｓｃ１よりも小さい（Ｓｃ２ｂ＜Ｓｃ１）。本実施例のリニアモータは円筒形状であるため、ティース端部１２a、１２ｂ、１２ｃの断面積は一定ではなく、内径側に行くほど断面積が小さい。従って、実施例１ではスロットの底部（最も内径側）に位置するティース端部の断面積を用いて比較を行う。

図３は一方の端部の断面積に対する推力と推力脈動の特性を示す図である。図３の上図は推力の特性、図３の下図は推力脈動の特性である。図３において、Ｓｃ２＝Ｓｙを境界として図の左側がＳｃ２＜Ｓｙとなり、右側がＳｃ２＞Ｓｙとなる。また、Ｓｃ２＝Ｓｃ１を境界として図の左側がＳｃ２＞Ｓｃ１となり、右側がＳｃ２＜Ｓｃ１となる。

リニアモータにおけるティース端部の最小断面積Ｓｃ２，Ｓｃ１が等しい状態（Ｓｃ２＝Ｓｃ１）から一方のティース端部の最小断面積Ｓｃ２を縮小すると、推力は上昇し、ティース端部の最小断面積Ｓｃ２とヨークの断面積Ｓｙが等しくなる点（Ｓｃ２＝Ｓｙ）で極大値を取った後減少する。

リニアモータにおけるティース端部の最小断面積Ｓｃ２，Ｓｃ１が等しい状態（Ｓｃ２＝Ｓｃ１）から一方のティース端部の最小断面積Ｓｃ２を縮小すると、推力脈度はティース端部の最小断面積Ｓｃ２とヨークの断面積Ｓｙが等しくなる点（Ｓｃ２＝Ｓｙ）まで急激に減少する。

ティース端部の最小断面積Ｓｃ２がヨークの断面積Ｓｙより小さいとき（Ｓｃ２＜Ｓｙ）は、ティース端部がヨークより先に磁気飽和するため端部による脈動への影響は小さいが推力が著しく低下する。このとき、ティース端部の最小断面積Ｓｃ２，Ｓｃ１の関係はＳｃ２＞Ｓｃ１となっている。

一方のティース端部の最小断面積Ｓｃ２を縮小させ、ティース端部の最小断面積Ｓｃ２とヨークの断面積Ｓｙが等しくなったとき（Ｓｃ２＝Ｓｙ）は、ティース端部とヨークに磁束６０が通るため、ティース端部内とヨーク内で磁束密度が均等になる。そのため、ヨークまたはティース端部のどちらか一方が先に磁気飽和することがなく、推力に悪影響を及ぼさずにティース端部の最小断面積を縮小して推力脈動を低減できる。

ティース端部の最小断面積Ｓｃ２がヨークの断面積Ｓｙより大きいとき（Ｓｃ２＞Ｓｙ）、推力は減少し、推力脈動はＳｃ２が大きくなるにつれてまず増加し、極大値をとって減少に転じる。ティース端部の最小断面積が増加するとティース端部の磁石と対向する面におけるＺ軸方向の寸法が増加する。これによりティースが２つの磁石を跨る区間が長くなり、ティース先端と磁石間でループを描くため、推力に有効な磁束が減少するとともに脈動も減少する。

以上より、リニアモータにおけるティース端部の最小断面積Ｓｃ２，Ｓｃ１が等しい状態（Ｓｃ２＝Ｓｃ１）を基準としたとき、推力低下を抑制しつつ脈動を低減するには、電機子１０の一方のティース端部の最小断面積Ｓｃ１と、他方のティース端部の最小断面積Ｓｃ２との関係をＳｃ１＞Ｓｃ２とし、かつ他方のティース端部の最小断面積Ｓｃ２と、相対移動方向を横切る方向のヨークの断面積Ｓｙとの関係をＳｃ２≧Ｓｙとすることが好ましい。

また、図２Ｂのリニアモータにおいて、電機子に対しＺ軸方向の磁石磁束を利用して、電機子の磁極位置を検出するセンサ５０を置く場合は図２Ｂに示すように最小断面積の大きいティース端部１２ｃ側に置くことが望ましい。ティース端部１２ｂ側に置くと、大電流で駆動した場合に磁気飽和で漏れ磁束が発生し、磁極位置の検出に対する信頼性が低下する可能性がある。したがって、磁気飽和しにくいティース端部１２ｃ側にセンサ５０を設置することで磁極位置検出の信頼性を担保できる。

実施例１によれば、推力脈動を抑制し、推力向上を図った電磁アクチュエータ装置を提供することができる。

次に本発明の実施例２について、図３乃至図４を用いて説明する。実施例１と同一の構成は同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図３において、推力脈動が極大値となる点は、ティース端部１２ｂにおける磁石と対向する面のＺ軸方向の寸法Ｗｃと、磁石２１におけるティース端部１２ｂと対向する面のＺ軸方向の寸法Ｗｍが等しいときである（Ｗｃ＝Ｗｍ）。

また、Ｗｃ＝Ｗｍを境界として図の左側がＷｃ＜Ｗｍとなり、右側がＷｃ＞Ｗｍとなる。また、Ｓｃ２＝Ｓｃ１を境界として図の左側がＳｃ２＞Ｓｃ１となり、右側がＳｃ２＜Ｓｃ１となる。

図４ＡはＷｃとＷｍが等しい状態（Ｗｃ＝Ｗｍ）におけるリニアモータの構造を示す断面図である。図４Ａに示すＷｃ＝Ｗｍのとき、所定のタイミングで磁石２１とティース端部１２ｂが完全対向するため、空間に漏れる磁束が最小となり、ティースに入り込む磁束６０が最大となる。これによって、三相間の磁束のアンバランスが大きくなり推力脈動が図３に示すように極大値をとる。

図４Ｂは本発明の実施例２に係るＷｃがＷｍより小さい状態（Ｗｃ＜Ｗｍ）におけるリニアモータの構造を示す断面図である。図４Ｂに示すＷｃ＜Ｗｍのとき、ティース端部１２ｂの対向面積が小さいためにティース端部１２ｂに侵入する磁石磁束が減少する。このとき、ティース端部１２ｂに侵入する磁石磁束は図４ＡのＷｃ＝Ｗｍのときに比べ小さくなる。これによって、三相間の磁束のアンバランスが小さくなり、図３に示すように推力脈動が減少し、推力が増加する。

図４Ｃは本発明の実施例２に係るＷｃがＷｍより大きい状態（Ｗｃ＞Ｗｍ）におけるリニアモータの構造を示す断面図である。図４Ｃに示すＷｃ＞Ｗｍのとき、実施例１で述べたように隣接する２つの磁石２１にティース端部１２ｂが対向するため、ヨークを介して隣接するティースを通る磁束６０が減少しティース端部１２ｂの先端を介して隣接する磁石２１に入る漏れ磁束６１が増加するため、端部による三相間の磁束量のアンバランスは改善されるが、漏れ磁束６１が増加することで推力が減少する。

以上より脈動を低減するにはＷｍ≠Ｗｃ（Ｗｃ＜Ｗｍ及びＷｃ＞Ｗｍ）であることが望ましい。なお、寸法に制約がある場合、電機子のＺ軸方向の寸法が小さい方がストロークを確保できるため、Ｗｃ＜Ｗｍとし、かつ、ティース端部１２ｂの最小断面積Ｓｃ２とヨークの断面積Ｓｙの関係をＳｃ２＞Ｓｙにすることで、ティース端部のＺ軸方向の寸法を縮小し、ストロークを確保できる。

次に本発明の実施例３について、図５を用いて説明する。図５は本発明の実施例３に係る電磁アクチュエータ装置を用いた車両用サスペンション装置の構成図である。

実施例３では、４輪自動車等の車両に、車両用サスペンション装置を搭載した場合を例に挙げて説明する。

車体３２は、車両３１のボディを構成している。車体３２の下側には、左右の前輪と左右の後輪とからなる合計４個の車輪３３が設けられている。実施例３では走行中の振動を抑制するために、車体３２と各車輪３３との間に設けられたサスペンション装置３４を４個備えている。実施例３のサスペンション装置３４は、本発明の電磁アクチュエータ装置を用いた電磁サスペンション装置を示している。図示はされていないが、サスペンション装置３４には、電流を電磁アクチュエータに供給する電源と、電流を制御することで電磁力を可変できるコントローラが接続されている。サスペンション装置３４は、リニアモータが発生する電磁力を用いて直接車体に加わる振動を抑制する。

実施例３では、サスペンション装置３４を構成するリニアモータの大形化を抑制することができる。そして、車両３１におけるサスペンション装置３４の搭載スペースを小さくすることができ、走行に関係する機器類の搭載スペースを削減できる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定するものではなく、様々な変形例が含まれる。上述した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定するものではない。

１…リニアモータ、１０…電機子、１１…磁性体、１２…ティース、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ…ティース端部、１３…巻線、１４…ヨーク、１５…スロット、１５ａ…Ｕ相スロット、１５ｂ…Ｖ相スロット、１５ｃ…Ｗ相スロット、２０…磁石部、２１…磁石、２２…磁性体、３１…車両、３２…車体、３３…車輪、３４…サスペンション装置、５０…センサ、６０…磁束、６１…漏れ磁束

Claims

磁石部と、前記磁石部と相対移動する電機子とを備え、
前記電機子には、相対移動方向に沿って形成された複数のティースと、前記複数のティース間に形成された複数のスロットと、前記複数のティースを繋ぐヨークと、前記複数のスロットに巻かれる巻線と、を備え、
前記磁石部には、空隙を介して前記複数のティースと対向し、かつ相対移動方向に沿って配置された複数の磁石を備えた電磁アクチュエータ装置であって、
前記電機子の一方のティース端部の最小断面積Ｓｃ１と、他方のティース端部の最小断面積Ｓｃ２との関係をＳｃ１＞Ｓｃ２とし、かつ前記他方のティース端部の最小断面積Ｓｃ２と、相対移動方向を横切る方向の前記ヨークの断面積Ｓｙとの関係をＳｃ２≧Ｓｙとしたことを特徴とする電磁アクチュエータ装置。
請求項１において、
前記電機子の磁極位置を検出するセンサを備え、
前記センサは前記一方のティース端部側に配置したことを特徴とする電磁アクチュエータ装置。
請求項１において、
前記磁石部は筒状に形成され、筒状に形成された前記磁石部の内周側に前記電機子を配置したことを特徴とする電磁アクチュエータ装置。
請求項３において、
前記一方のティース端部の最小断面積Ｓｃ１と前記他方のティース端部の最小断面積Ｓｃ２は、前記スロットの底部に位置するティースの断面積であることを特徴とする電磁アクチュエータ装置。
請求項１において、
前記他方のティース端部における前記磁石と対向する面の相対移動方向の寸法Ｗｃと、前記磁石における前記他方のティース端部と対向する面の相対移動方向の寸法Ｗｍとの関係をＷｃ≠Ｗｍとしたことを特徴とする電磁アクチュエータ装置。
請求項１において、
前記他方のティース端部における前記磁石と対向する面の相対移動方向の寸法Ｗｃと、前記磁石における前記他方のティース端部と対向する面の相対移動方向の寸法Ｗｍとの関係をＷｃ＜Ｗｍとし、かつ、前記他方のティース端部の最小断面積Ｓｃ２と前記ヨークの断面積Ｓｙの関係をＳｃ２＞Ｓｙとしたことを特徴とする電磁アクチュエータ装置。
請求項１乃至６の何れか１項に記載の電磁アクチュエータ装置を備えたことを特徴とするサスペンション装置。