WO2010074112A1 - リニア電動機 - Google Patents

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明平 森下
大輔 三須
末良 水野
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株式会社 東芝
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings

Definitions

  • the present invention relates to a linear electric motor that can respond to a high-speed response, and is lighter and can obtain a large thrust.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 as a method of using the Halbach array, a field composed of a conventional iron core and a permanent magnet is widely replaced with a Halbach array for the purpose of increasing torque. Yes.
  • the wheel in motor is comprised using the magnet whose density is smaller than iron on the outer rotor side, and the rotation part inertia moment of an electric wheel is reduced. In each of these, a magnetic path is formed using an iron core on the armature side, and the magnetic resistance of the magnetic circuit formed by the field is reduced.
  • Patent Document 4 discloses a linear motor in which a Halbach array field formed on a yoke is opposed to a gap, and an armature coil winding is disposed on a plane in the gap.
  • the armature current in the coil end is linked to the field magnetic flux in the direction opposite to the traveling direction of the linear motor or in the traveling direction. For this reason, not only thrust is not generated in a part of the armature coil, but electromagnetic force acts in a direction perpendicular to the traveling direction, and not only high thrust cannot be obtained, but also the life of the armature coil is reduced. There was a problem.
  • Patent Document 5 discloses a Halbach linear motor that does not use an iron core.
  • an armature coil is arranged so that a field is constituted by a columnar permanent magnet array and one of the permanent magnet array fields opposed to each other through a gap is surrounded. For this reason, there is a problem that a part of the armature coil does not interlink with the magnetic flux generated by the field and the generated thrust is reduced.
  • the conventional linear motor has a problem that the weight / thrust ratio is large due to the use of the iron core, and the power consumption is large.
  • a coil armature is also arranged around the field, but not all the magnetic flux of the field is linked to the coil, which eventually increases the weight / thrust ratio. It was.
  • the present invention has been made based on such circumstances, and an object of the present invention is to provide a linear motor that can reduce the weight / thrust ratio, suppress the power consumption, and reduce the operation cost. .
  • the linear electric motor according to the present invention includes a first permanent magnet array configured by adjoining the permanent magnets so that the magnetic poles of the annular or arc-shaped permanent magnets rotate 90 degrees at the maximum in a cross section including the central axis thereof.
  • a magnetic pole of an annular or arc-shaped permanent magnet has a magnetization vector radial direction component in the same direction as the first permanent magnet row and a magnetization vector axial direction component opposite to the first permanent magnet row.
  • a plurality of coils composed of two permanent magnet rows and a conductor located between the first permanent magnet row and the second permanent magnet row and disposed outside the second permanent magnet row And a coil support means for fixing the plurality of coils and moving in parallel with respect to the central axis of the second permanent magnet row, and the first permanent magnet row and the second permanent magnet row, respectively.
  • Magnetization vector of magnetic pole Magnet fixing means for fixing the coils so that their radial components are in the same direction, and coil exciting means for exciting the coil and generating a predetermined thrust between the coil support means and the magnet fixing means. It is comprised and comprises.
  • a strong magnetic flux can be linked to the armature coil without using an iron core, and the entire armature coil is linked to the magnetic flux of the field.
  • the linear motor of the present invention since a strong magnetic field is linked to the entire armature coil, the weight / thrust ratio can be reduced, power consumption during operation can be suppressed, and the operating cost can be reduced.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the overall structure of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in the above embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line C-C ′ in the above embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in the above embodiment.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the drive device in the above embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the overall structure of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in the above embodiment.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the line C-C ′ in the above embodiment.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in the above embodiment.
  • (First embodiment) 1 to 4 are views showing the configuration of the linear motor according to the first embodiment of the present invention.
  • the linear motor 1 includes a columnar stator 5 attached to a fixing member 3 fixed to the ground side by a predetermined method (not shown), and an axial direction of the stator 5 that is located on the opposite side of the fixing member 3.
  • a cylindrical movable element 7 having a notch that can be moved to the movable element 7 and a drive device 9 that supplies electric power from an external power source 8 to the movable element 7.
  • the stator 5 is an outer permanent as a first permanent magnet row configured by adjoining the permanent magnets so that the magnetic poles of a pair of arc-shaped permanent magnets rotate by 90 degrees in a cross section including the central axis.
  • Magnet array 11, outer pipe 13 as a first annular fixing member on which the first permanent magnet array is fixed to the inner inner surface by a predetermined method, and a magnetization vector radius in the same direction as outer permanent magnet array 11
  • An inner permanent magnet row 15 as a second permanent magnet row having a directional component and a magnetization vector axis direction component opposite to that of the outer permanent magnet row 11, and the inner permanent magnet row 15 are fixed by a predetermined method.
  • a support plate 25 as a positioning member for preventing the movement of the outer permanent magnet row 11 in the inner circumferential direction is fixed to the inner upper portion and the inner lower portion of the outer pipe 13 by a predetermined method.
  • the support plate 25 is fixed to the outer pipe 13 and fixed to the outer permanent magnet row 11, and there is no problem.
  • the first permanent magnet row and the second permanent magnet row have substantially the same magnetization energy, so that there is no gap between the outer permanent magnet row 11 and the inner permanent magnet row 15. An extremely large amount of radial magnetic flux is distributed.
  • the mover 7 is attached to a winding ring 33 having a U-shaped cross section around which the three-phase coil 31 is wound, and upper and lower corners of the winding ring 33, and the winding ring 33 extends along the guide rod 21. It consists of a linear bush 35 for guiding, an output ring 37 having a notch fixed to the winding ring 33 by a method not shown, and a notch fixing plate 39 for fixing the notch of the output ring 37 by a method not shown. ing.
  • a lead-out path 43 for leading out a lead wire 41 as power transmission means for introducing three-phase AC power into the three-phase coil 31 from the notch fixing plate 39 includes the output ring 37 and the notch fixing plate 39. Is provided.
  • the winding ring 33 and the linear bush 35 function as coil support means.
  • the three-phase coil 31 is disposed in a gap in which a large amount of magnetic flux in the radial direction is distributed, most of the magnetic flux is linked to the three-phase coil 31 at right angles, and a large thrust is generated with less current.
  • the lead wire 41 is connected to a driving device 9 as coil exciting means.
  • the drive device 9 includes a power converter 53 and a power supply power converter 55 that transfer power through a bus 51.
  • the bus bar 51 is connected to a smoothing capacitor 57 or the same power storage device 59 as power storage means.
  • the power consumption in the three-phase coil 31 and the power from the three-phase coil 31 are Even during power regeneration, the voltage fluctuation of the bus 51 is kept small.
  • the power storage device 59 includes a battery 61, a resistor 63, and a diode 65. When power is supplied from the battery 61, no power is consumed by the resistor 63, and when the battery 61 is charged, a part of the charging power is charged by the resistor 63. Is configured to be consumed. Thereby, overcharge of the battery 61 is suppressed.
  • a plurality of smoothing capacitors 57 and power storage devices 59 may be arranged at appropriate locations on the bus bar 51.
  • the power converter 53 includes a PWM inverter 67 and a thrust controller 69.
  • the thrust controller 69 is a power conversion element (not shown) of the PWM inverter 67 so that a thrust equal to a thrust command value input to the thrust controller 69 from the outside of the driving device 9 is generated in the three-phase coil 31. Controls the firing angle of the group.
  • the power supply power converter 55 includes an inverter 71 and a regenerative power reception controller 73.
  • the regenerative power reception controller 73 regenerates the electric power stored in the smoothing capacitor 57 and the battery 61 to the power source 8 based on an external regenerative power reception command signal, and an inverter for storing the electric power from the power source 8 Controls the firing angle of 71.
  • the thrust controller 69 detects a relative position of the three-phase coil 31 with respect to the outer permanent magnet row 11 and a current sensor 75 that detects at least the U-phase and W-phase excitation currents of the U, V, and W phases of the three-phase coil 31.
  • a position sensor 77 is provided. Torque control is performed based on signals from these sensors.
  • the position sensor 77 is composed of a scale 79 attached to the upper part of the inner surface of the outer pipe 13 of the stator 5 and an optical pickup 81 for detecting the scale of the scale 79, and the detected position information is extracted. Needless to say, it is introduced into the driving device 9 via a position sensor output line (not shown) bundled as a line 41. Further, the position information of the position sensor 77 is converted into movement distance information of the mover 5 by the thrust controller 69 and output to the outside of the driving device 9. Thereby, speed control and positioning control of the mover 5 can be performed by an external control device.
  • the mover 7 stops without outputting any thrust.
  • a thrust command value is introduced from the external control device into the driving device 9 to move the mover 7 to a predetermined position
  • the excitation current of the three-phase coil 31 is detected by the U-phase and W-phase current sensors 75.
  • the position sensor 77 detects the positions of the three-phase coil 31 with respect to the outer and inner permanent magnet rows 11 and 15, and the thrust controller 69 generates three thrusts with an excitation current that should generate a thrust that matches the thrust command value.
  • the mover 7 starts moving toward a predetermined position by the thrust generated in the three-phase coil 31.
  • the mover 7 continues to move according to a predetermined control such as speed control or positioning control according to a thrust command value output from an external control device, and the mover 7 reaches a predetermined position to operate the linear motor 1. finish.
  • a predetermined control such as speed control or positioning control according to a thrust command value output from an external control device
  • the mover 7 reaches a predetermined position to operate the linear motor 1. finish.
  • the thrust command value from the external control device becomes zero
  • this zero thrust command value is introduced into the thrust controller 69, the excitation current to the three-phase coil 31 becomes zero, and the device is again stopped. .
  • the iron core and the yoke are not present in the main magnetic flux formed by the outer and inner permanent magnet rows 11 and 15 or in the vicinity of the three-phase coil 31, and therefore the three-phase coil has a small self-inductance Even if the mover 7 moves at a high speed, the voltage required to pass a predetermined excitation current to the three-phase coil 31 is reduced, and the voltage requirement for the power supply 8 is reduced. Further, since the mover 7 does not require an iron core or a yoke, the weight can be reduced, and most of the three-phase coil 31 is linked to the main magnetic flux formed by the outer and inner permanent magnet rows 11 and 15, so that the thrust / weight The ratio is improved. For this reason, the controllability in the high-speed response of the needle
  • the permanent magnet array is configured as a stator.
  • this does not limit the use of the permanent magnet array as a stator.
  • the coil support means is used as a stator, there is an advantage that reliability is improved because no force is applied to the lead wire 41 and the risk of disconnection or damage can be avoided.
  • the linear motor 1 includes a stator 5 fixed to the ground side by means (not shown) having the outer permanent magnet row 11' and the inner permanent magnet row 15 as a stator field, and a mover having an armature as a three-phase coil 31. 7 and a drive unit 9.
  • the stator 5 includes an outer permanent magnet row 11 ′ as a first permanent magnet row that is configured by adjoining the permanent magnet so that the magnetic poles of the ring permanent magnet rotate by 90 degrees in a cross section including the central axis thereof.
  • the first permanent magnet row and the second permanent magnet row hold substantially the same magnetization energy, so that there is no gap between the outer permanent magnet row 11 and the inner permanent magnet row 15. An extremely large amount of radial magnetic flux is distributed.
  • a guide bar 21 ′ is attached to the stator 5 according to the present embodiment on the outer upper part and the outer lower part of the outer pipe 13 via guide bar support members 111 and 113. Electrodes 103, 105, 107, 109, which are divided into two parts in the range from the end on the guide bar support member 111 side to the guide bar support member 111, are fixed to the surface of the guide bar 21 '. Lead wires 41 from the electrodes are bundled by a predetermined method and introduced into the driving device 9 via a lead-out path 43 provided in the guide rod support member 111. On one fixed plate 23, an optical pickup 81 for detecting the scale of the scale 79 provided in the movable element 7 is attached at a predetermined position.
  • the mover 7 includes the winding ring 33, an output ring 37 having a notch fixed at both ends of the winding ring 33, and a notch for fixing the notch of the output ring 37 by a method not shown.
  • each of the electrodes 103 is connected.
  • the winding ring 33 and the linear bushes 35 ′, 35 ′′ function as coil support means.
  • the lead wire 41, the sliding electrode 101, and the electrodes 103, 105, 107, 109 are power sources. As a means of communication.
  • the magnetic field generated by the outer permanent magnet row 11 ′ and the inner permanent magnet row 15 interlinks with the entire circumference of the three-phase coil 31. It can be converted into thrust efficiently. Even if the mover 7 moves, the sliding electrode 101 moves while being in contact with the stator side electrodes 103, 105, 107, and 109. Therefore, even if the mover 7 is suddenly accelerated or decelerated, the lead wire 41 is moved. There is an advantage that the reliability and durability of the apparatus are improved without being damaged.
  • the scale and the optical pickup are used as the position sensor for obtaining the position information of the mover relative to the stator.
  • this does not limit the means for acquiring the position information.
  • a sensorless method of estimating the position from the back electromotive force of the type position sensor or the three-phase coil 31 may be used.
  • either the permanent magnet array or the coil support means is configured as the stator.
  • both the coil support means and the permanent magnet array may be movable and may be configured to move relative to each other.
  • Power supply power converter 57 ... Smoothing capacitor, 59 ... Power storage device, 61 ... Battery, 63 ... Resistor, 65 ... Diode, 67 ... PWM inverter, 69 ... Thrust controller, 71 ... Inverter, 73 ... Regenerative power reception controller, 75 ... Current sensor, 77 ... Position sensor, 79 ... scale, 81 ... optical pickup, 101 ... sliding electrode, 103, 105, 107, 109 ... electrode.

Abstract

　円弧状の永久磁石の磁極がその中心軸を含む断面において最大でも９０度づつ回転するよう当該永久磁石を隣接させて構成される外側永久磁石列（11）と、円環状の永久磁石の磁極が前記外側永久磁石列（11）と同じ向きの磁化ベクトル半径方向成分を有するとともに前記外側永久磁石列（11）と逆向きの磁化ベクトル軸方向成分を有する内側永久磁石列（15）を備える界磁と、前記外側永久磁石列（11）と前記内側永久磁石列（15）の間にリングの軸方向に移動できるように支持されるリング状の三相コイル（31）を備える電機子と、電機子に所定の推力を発生させる駆動装置（９）とを具備してリニア電動機を構成する。これにより、鉄心を用いなくても電機子コイルに強い磁束を鎖交させることができ、電機子コイル全体に界磁の磁束が鎖交する。

Description

リニア電動機
　本発明は、高速応答に対応でき、より軽量で大きな推力が得られるリニア電動機に関する。
　永久磁石のハルバッハ配列を用いた電動機は鉄心を用いずにコイルに多くの磁束を鎖交させることが可能なため、実用化に向けた研究が急速に進んでいる。
　ハルバッハ配列の使い方としては、特許文献１や特許文献２に見られるように、トルクの増大を目的として従来の鉄心と永久磁石で構成されていた界磁をハルバッハ配列に置き換えることが広く行われている。また、特許文献３では、鉄より密度の小さい磁石をアウターロータ側に使用してホイールインモータを構成し、電動車輪の回転部慣性モーメントを低減している。これらはいずれも電機子側で鉄心を用いて磁路が形成されており、界磁が形成する磁気回路の磁気抵抗を低減する構成となっている。
　さらに、上述のような回転機だけでなく、リニア電動機においてもハルバッハ配列の適用が図られている。特許文献４では、ヨーク上に構成されるハルバッハ配列の界磁を、空隙を介して対向させ、当該空隙中に電機子コイル巻線を平面上に配置するリニアモータが開示されている。
　このように、電機子コイル巻線を平面上に配置するとコイルエンドにおいてリニアモータの進行方向もしくは進行方向とは逆向きの電機子電流が界磁磁束と鎖交する。このため、電機子コイルの一部に推力が発生しないばかりか、進行方向とは直角な方向に電磁力が作用し、高推力が得られないだけでなく、電機子コイルの寿命が低下するという問題があった。
　一方、特許文献５では鉄心を使用しないハルバッハ配列のリニアモータが開示されている。しかし、このリニアモータでは、柱状永久磁石列で界磁を構成し、空隙を介して対向する永久磁石列界磁の一方を取り巻くように電機子コイルが配置されている。このため、電機子コイルの一部が界磁の発生する磁束に鎖交せず、発生推力が低下するという問題があった。
　上述のように、従来の電動機やリニア電動機にあっては、重量／トルク比もしくは重量／推力比が十分小さくなっているとは言えず、こうしたアクチュエータが動作する場合には余分な質量に見合った電力供給が必要であり、運転コストの増大、ひいては二酸化炭素排出量の増加も問題となっていた。また、鉄心を使用する場合ではその制御性に問題があった。
特開２００４－３５０４２７号公報 特開２００６－２６２６０３号公報 特開２００６－１８７１１６号公報 特開２００７－１９１２７号公報 特開２００７－８２３５２号公報
　このように、従来のリニア電動機にあっては、鉄心を使用するため重量／推力比が大きく、大きな電力消費を伴うという問題があった。こうした問題を解決するため、界磁の周りにコイル電機子を配置することも行われているが、界磁の磁束がすべてコイルに鎖交しておらず、結局、重量／推力比が増大していた。
　本発明は、かかる事情に基づきなされたもので、その目的とするところは、重量／推力比を低減し、電力消費量を抑制するとともに運用コストの低減化が図れるリニア電動機を提供することにある。
　本発明のリニア電動機は、円環状もしくは円弧状の永久磁石の磁極がその中心軸を含む断面において最大でも９０度づつ回転するよう当該永久磁石を隣接させて構成される第１の永久磁石列と、円環状もしくは円弧状の永久磁石の磁極が前記第１の永久磁石列と同じ向きの磁化ベクトル半径方向成分を有するとともに前記第１の永久磁石列と逆向きの磁化ベクトル軸方向成分を有する第２の永久磁石列と、前記第１の永久磁石列と前記第２の永久磁石列との間に位置し、前記第２の永久磁石列の外側に配置された導体で構成される複数のコイルと、複数の前記コイルが固定されるとともに前記第２の永久磁石列の中心軸に対して平行に移動するコイル支持手段と、前記第１の永久磁石列と前記第２の永久磁石列をそれぞれの磁極の磁化ベクトル半径方向成分が同じ向きとなるように対向させて固定する磁石固定手段と、前記コイルを励磁し、前記コイル支持手段と前記磁石固定手段との間に所定の推力を発生させるコイル励磁手段とを具備して構成される。
　このような構成によれば、鉄心を用いなくても電機子コイルに強い磁束を鎖交させることができ、電機子コイル全体が界磁の磁束に鎖交する。
　本発明のリニア電動機によれば、強い磁場が電機子コイル全体に鎖交するため、重量／推力比を低減でき、稼動時の電力消費が抑制できるともに運転コストが減少する。
図１は、本発明の第１の実施の形態の全体的な構造を示す概略図である。 図２は、上記の実施の形態におけるＡ－Ａ’断面図である。 図３は、上記の実施の形態におけるＣ－Ｃ’断面図である。 図４は、上記の実施の形態におけるＢ－Ｂ’断面図である。 図５は、上記の実施の形態における駆動装置の構成を示すブロック図である。 図６は、本発明の第２の実施の形態の全体的な構造を示す概略図である。 図７は、上記の実施の形態におけるＡ－Ａ’断面図である。 図８は、上記の実施の形態におけるＣ－Ｃ’断面図である。 図９は、上記の実施の形態におけるＢ－Ｂ’断面図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳しく説明する。
　（第１の実施の形態）
　図１乃至図４は本発明の第一の実施形態にかかわるリニア電動機の構成を示す図であり、その全体構成が1で示されている。
　このリニア電動機１は、地上側に固定される固定部材３に図示しない所定の方法で取付けられた円柱状の固定子５と、前記固定部材３の反対側に位置し前記固定子５の軸方向に可動する切欠き部を有する円筒状の可動子７と、前記可動子７に外部の電源８からの電力を供給する駆動装置９とを備えている。
　前記固定子５は、円弧状の一対の永久磁石の磁極がその中心軸を含む断面において９０度ずつ回転するように当該永久磁石を隣接させて構成される第1の永久磁石列としての外側永久磁石列11と、内側内面に前記第1の永久磁石列が所定の方法で固定される第1の円環状固定部材としての外側パイプ13と、前記外側永久磁石列11と同じ向きの磁化ベクトル半径方向成分を有するとともに前記外側永久磁石列11と逆向きの磁化ベクトル軸方向成分を有する第２の永久磁石列としての内側永久磁石列15と、前記内側永久磁石列15が所定の方法で固定される第２の円環状固定部材としての内側パイプ17と、前記外側パイプ13と前記内側パイプ17を図示しない所定の方法で固定部材３側において固定する固定円板19と、前記可動子７と干渉しないように切欠きが設けられ前記外側パイプ13と前記内側パイプ17および2本のガイド棒21を前記固定円板19とともに図示しない所定の方法で固定する固定板23で構成されている。そして、前記外側パイプ13の内側上部および内側下部には、前記外側永久磁石列11の内側周方向の動きを防止するための位置決め部材としての支持板25が所定の方法で固着されている。当該支持板25は前記外側パイプ13に固着されるとともに前記外側永久磁石列11に固定されていてなんら差し支えない。さらに、前記第１の永久磁石列と前記第２の永久磁石列は略等しい磁化エネルギーを保持しており、これにより、前記外側永久磁石列11と前記内側永久磁石列15との空隙中には半径方向の磁束が極めて多く分布するようになる。
　前記可動子７は、三相コイル31が巻装された断面がＵ字形状の巻装環33と、巻装環33の上下四隅に取付けられ当該巻装環33を前記ガイド棒21に沿って案内するリニアブッシュ35と、巻装環33に図示しない方法で固定され切欠き部を有する出力環37と、出力環37の切欠き部を図示しない方法で固定する切欠き固定板39で構成されている。そして、三相コイル31に三相交流電力を導入するための電力伝達手段としての引出し線41を切欠き固定板39から導出するための導出路43が前記出力環37および当該切欠き固定板39に設けられている。ここで、巻装環33とリニアブッシュ35はコイル支持手段として機能することはいうまでもない。また、三相コイル31が半径方向の磁束が極めて多く分布する空隙中に配置されるので磁束の大部分が三相コイル31と直角に鎖交し、より少ない電流で大きな推力が発生する。
　前記引出し線41はコイル励磁手段としての駆動装置９に接続されている。駆動装置９は、母線51を介して電力の授受を行う電力変換器53および電源電力変換器55を具備している。
　前記母線51には、図５に示すように、電力貯蔵手段としての平滑コンデンサ57や同蓄電装置59が接続されており、前記三相コイル31での電力の消費および前記三相コイル31からの電力の回生時でも前記母線51の電圧変動は小さく抑えられている。蓄電装置59はバッテリー61，抵抗器63，ダイオード65を備えており、バッテリー61からの電力供給時には抵抗器63での電力消費がなく、バッテリー61への充電時には抵抗器63で充電電力の一部が消費されるように構成されている。これにより、バッテリー61の過充電が抑制される。平滑コンデンサ57や蓄電装置59は各ひとつしか示されていないが、母線51の適当な箇所に複数個配置されていても差し支えない。
　前記電力変換器53はPWMインバータ67および推力制御器69を備えている。前記推力制御器69は前記駆動装置９の外部から当該推力制御器69に入力される推力指令値に等しい推力が前記三相コイル31に発生するよう前記PWMインバータ67の図示していない電力変換素子群の点弧角を制御する。
　前記電源電力変換器55はインバータ71と回生受電制御器73を備えている。回生受電制御器73は、外部からの回生受電指令信号に基づいて、平滑コンデンサ57およびバッテリー61に蓄えられた電力を前記電源８へ回生するとともに、前記電源８からの電力を貯蔵するためにインバータ71の点弧角を制御する。
　推力制御器69は三相コイル31のＵ，Ｖ，Ｗ相のうち少なくともＵ相とＷ相の励磁電流を検出する電流センサ75と三相コイル31の前記外側永久磁石列11に対する相対位置を検出するための位置センサ77を備えている。これらセンサからの信号に基づいてトルク制御が行われる。ここで、位置センサ77は前記固定子５の外側パイプ13の内面上部に取り付けられたスケール79と当該スケール79の目盛を検出する光学式ピックアップ81で構成されており、検出された位置情報は引き出し線41として束ねられた図示していない位置センサ出力線を介して駆動装置９内に導入されていることは言うまでもない。また、当該位置センサ77の位置情報は推力制御器69によって可動子５の移動距離情報に変換されて駆動装置９の外部へ出力されている。これにより、外部の制御装置で可動子５の速度制御や位置決め制御が可能となっている。
　次に、以上のように構成された本実施の形態に係るリニア電動機の動作について説明する。
 装置が停止状態にあるときは、可動子7は何らの推力も出力せずに停止している。ここで、外部の制御装置から、例えば所定の位置に可動子７を移動させるべく推力指令値が駆動装置９に導入されると、Ｕ相およびＷ相電流センサ75で三相コイル31の励磁電流が検出され、さらには位置センサ77で三相コイル31の外側および内側永久磁石列11，15に対する位置が検出されて推力制御器69は推力指令値に一致する推力を発生すべき励磁電流で三相コイル31を励磁する。すると、可動子７は三相コイル31に発生する推力により所定の位置に向かって移動を開始する。可動子７は外部の制御装置の出力する推力指令値により、速度制御や位置決め制御等の所定の制御にしたがって移動を継続し、可動子７が所定の位置に到達してリニア電動機１の運転が終了する。運転終了時には、外部の制御装置からの推力指令値がゼロとなり、このゼロ推力指令値が推力制御器69に導入されて三相コイル31への励磁電流がゼロとなり、装置は再び停止状態となる。
 装置が運転状態にあるとき、リニア電動機１においては鉄心やヨークが外側および内側永久磁石列11，15の作る主磁束内や三相コイル31近傍に存在しないため、三相コイルの自己インダクタンスが小さく、可動子７が高速で運動しても所定の励磁電流を三相コイル31に通電するのに必要な電圧が低減され、電源８への電圧要求が軽減される。また、可動子7に鉄心やヨークが不要なため、軽量化が実現できるとともに三相コイル31の大部分が外側および内側永久磁石列11，15の作る主磁束に鎖交するため、推力／重量比が向上する。このため、可動子７の高速な応答における制御性が向上するとともに省エネに寄与することができる。
　なお、上述した本発明の第一の実施の形態では、永久磁石列を固定子として構成していたが、これは永久磁石列を固定子として用いることを何ら限定するものでなく、コイル支持手段を地上側に固定し、永久磁石列を可動子として構成しても何ら差し支えない。コイル支持手段を固定子として用いる場合には引き出し線41に力が加わらず、断線や損傷の危険が回避できるので信頼性が向上するという利点がある。
 （第２の実施の形態）
　次に、本発明の第２の実施の形態を図６乃至図９に基いて説明する。なお、簡単のため、同一部分には同一記号を付して説明は省略する。
　図６乃至図９には本実施の形態におけるリニア電動機が全体として１’で示されている。リニア電動機１’は、外側永久磁石列11’および内側永久磁石列15を固定子界磁とする図示しない手段で地上側に固定された固定子５と三相コイル31を電機子とする可動子７と駆動装置９で構成されている。
　固定子５は、リング永久磁石の磁極がその中心軸を含む断面において９０度ずつ回転するように当該永久磁石を隣接させて構成される第1の永久磁石列としての外側永久磁石列11’と外側パイプ13と内側永久磁石列15と内側パイプ17と、前記可動子７と干渉しないように切欠きが設けられ前記外側パイプ13と前記内側パイプ17を図示しない所定の方法で固定する固定板23で構成されている。そして、前記第１の永久磁石列と前記第２の永久磁石列は略等しい磁化エネルギーを保持しており、これにより、前記外側永久磁石列11と前記内側永久磁石列15との空隙中には半径方向の磁束が極めて多く分布するようになる。
　さらに、本実施の形態にかかわる固定子５には前記外側パイプ13の外側上部および外側下部にはガイド棒21’がガイド棒支持部材111，113を介して取り付けられている。前記ガイド棒21’の表面にはガイド棒支持部材111側の端部から当該ガイド棒支持部材111までの範囲で上下に２分割された電極103，105，107，109が固着されており、各電極からの引出し線41は所定の方法で束ねられてガイド棒支持部材111に設けられた導出路43を経由して前記駆動装置９に導入されている。また、一方の固定板23には，前記可動子７が備えるスケール79の目盛を検出するための光学式ピックアップ81が所定の位置に取り付けられている。
　可動子７は前記巻装環33と、当該巻装環33の両端に図示しない方法で固定され切欠き部を有する出力環37と、出力環37の切欠き部を図示しない方法で固定する切欠き固定板39’と、前記出力環37の端部に取付けられ当該巻装環33を前記ガイド棒21’に沿って案内するリニアブッシュ35’，35”で構成されている。リニアブッシュ35’はガイド棒21’の表面に設けられた前記電極103，105，107，109のそれぞれに接触する摺動電極101を具備しており、片端が三相コイル31に接続された引出し線41が前記出力環37および前記リニアブッシュ35’に設けられた導出路43を介して当該摺動電極101に接続されている。これにより、三相コイル31は固定子５側の前記各電極103，105，107，109を介して前記駆動装置９と電気的に接続されることになる。ここで、前記各電極103，105，107，109のそれぞれには、駆動装置９の発生する三相交流電圧に応じた三相交流電流のＵ相，Ｖ相，Ｗ相および中性点電流が流れ、三相コイル31が励磁されて所定の推力で可動子７が動くことは言うまでもない。
　本実施の形態においては、巻装環33とリニアブッシュ35’，35”がコイル支持手段として機能している。また、引出し線41,摺動電極101および電極103，105，107，109が電力伝達手段としている。
　このように構成されたリニア電動機１’では、外側永久磁石列11’と内側永久磁石列15の作る磁界が三相コイル31の全周にわたってと鎖交するので駆動装置９から供給される電力を効率よく推力に変換できる。また、可動子７が移動しても摺動電極101が固定子側電極103，105，107，109に接触しながら移動するので、可動子７を急加速もしくは急減速させても引出し線41が損傷することがなく、装置の信頼性および耐久性が向上するという利点がある。
　上述の実施の形態では可動子の固定子に対する位置情報を得るための位置センサとしてスケールと光学式ピックアップを用いているが、これは位置情報の取得手段を何ら限定するものでなく、たとえば、磁気式位置センサや三相コイル31の逆起電力から位置を推定するセンサレス方式を用いてもよい。
　また、上述の実施の形態では永久磁石列とコイル支持手段のどちらかを固定子として構成していたが、これは永久磁石列やコイル支持手段のどちらかを固定子として用いることを何ら限定するものでなく、コイル支持手段および永久磁石列の両方を可動とし、これらが相対的に移動するように構成しても何ら差し支えない。
　このほか、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。要するに、本発明は前記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、前記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の形態を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を省略してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１，１’…リニア電動機、３…固定部材、５…固定子、７…可動子、８…電源、９…駆動装置、11，11’…外側永久磁石列、13…外側パイプ、15…内側永久磁石列、17…内側パイプ、19…固定円板、21，21’…ガイド棒、23…固定板、25…支持板、31…三相コイル、33…巻装環、35，35’，35”…リニアブッシュ、37…出力環、39，39’…切欠き固定板、41…引出し線、43…導出路、51…母線、53…電力変換器、55…電源電力変換器、57…平滑コンデンサ、59…蓄電装置、61…バッテリー、63…抵抗器、65…ダイオード、67…PWMインバータ、69…推力制御器、71…インバータ、73…回生受電制御器、75…電流センサ、77…位置センサ、79…スケール、81…光学式ピックアップ、101…摺動電極、103，105，107，109…電極。

Claims (14)

  1. 　円環状もしくは円弧状の永久磁石の磁極がその中心軸を含む断面において最大でも９０度づつ回転するよう当該永久磁石を隣接させて構成される第１の永久磁石列と、
    　円環状もしくは円弧状の永久磁石の磁極が前記第１の永久磁石列と同じ向きの磁化ベクトル半径方向成分を有するとともに前記第１の永久磁石列と逆向きの磁化ベクトル軸方向成分を有する第２の永久磁石列と、
    　前記第１の永久磁石列と前記第２の永久磁石列との間に位置し、前記第２の永久磁石列の外側に配置された導体で構成される複数のコイルと、
    　複数の前記コイルが固定されるとともに前記第２の永久磁石列の中心軸に対して当該コイルを平行に移動するコイル支持手段と、
    　前記第２の永久磁石列と前記第２の永久磁石列をそれぞれの磁極の磁化ベクトル半径方向成分が同じ向きとなるように対向させて固定する磁石固定手段と、
    　前記コイルを励磁し、前記コイル支持手段と前記磁石固定手段との間に所定の推力を発生させるコイル励磁手段と、
    　前記コイル励磁手段の出力する電力を前記コイルに伝達するための電力伝達手段と、
    を備えていることを特徴とするリニア電動機。
  2. 　前記磁石固定手段が当該手段を地上側に固定する固定部材を備えていることを特徴とする請求項１記載のリニア電動機。
  3. 　前記コイル支持手段が当該手段を地上側に固定する固定部材を備えていることを特徴とする請求項１記載のリニア電動機。
  4. 　前記コイル励磁手段がPWMインバータを備えていることを特徴とする請求項１記載のリニア電動機。
  5. 　前記コイル励磁手段が前記コイル支持手段もしくは前記磁石固定手段の運動エネルギーを電力として回生する回生手段を備えていることを特徴とする請求項１記載のリニア電動機。
  6. 　 前記コイル励磁手段が前記コイル支持手段の運動エネルギーを電力として電源に回生する回生手段を備えていることを特徴とする請求項２記載のリニア電動機。
  7. 　前記コイル励磁手段が前記磁石固定手段の運動エネルギーを電力として電源に回生する回生手段を備えていることを特徴とする請求項３記載のリニア電動機。
  8. 　前記回生手段に回生されるべき電力を蓄える電力貯蔵手段を備えていることを特徴とする請求項５記載のリニア電動機。
  9. 　前記第１の永久磁石列と前記第２の永久磁石列が略等しい磁化エネルギーを保持していることを特徴とする請求項１記載のリニア電動機。
  10. 　前記電力伝達手段が摺動部を備えていることを特徴とする請求項１記載のリニア電動機。
  11. 　前記第1の永久磁石列が当該磁石列を外側から固定する第1の円環状固定部材を具備していることを特徴とする請求項１記載のリニア電動機。
  12. 　前記第２の永久磁石列が当該磁石列を内側から固定する第２の円環状固定部材を具備していることを特徴とする請求項１記載のリニア電動機。
  13. 　前記第１の円環状固定部材が当該円環状固定部材の内側に前記第１の永久磁石列を位置決めする位置決め部材を備えていることを特徴とする請求項１１記載のリニア電動機。
  14. 　前記コイル支持手段が、前記第１の円環状固定部材の外側に具備されていることを特徴とする請求項１１記載のリニア電動機。
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