JP2023103594A - リニアモータ及びこれを備えた電動サスペンション装置、制振システム - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータでは、３つのコイルはＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれが１２０°の位相差を持つ電流を流して駆動されるが、電機子の移動方向の両端部でコアが途切れるため、３つのコイルのインダクタンスに差が生じ、駆動時に３つのコイルに誘起される電圧に差が生じる。
【解決手段】リニアモータは、ティース２及びティース２に備えられたコイル５を有する電機子と、電機子の外周側に備えられた永久磁石１０とを有し、電機子と永久磁石１０が相対的に移動する。本発明のリニアモータのティースは、移動方向における幅が異なるように、移動方向に複数並べて配置した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リニアモータ及びこれを備えた電動サスペンション装置、制振システムに関する。

リニアモータを備えた電磁サスペンションとして、例えば特許文献１に記載の技術がある。

電磁サスペンションを構成するリニアアクチュエータは、磁性体からなる複数の円筒状カバーを有している。円筒状カバーは、永久磁石の径方向内周側で電機子と対向する位置の可動子に配置され、永久磁石を保持している。電機子には、３つのコイルが備えられている。また、リニアアクチュエータは、非磁性体からなる複数の環状スペーサを有している。環状スペーサは、円筒状カバーの径方向に延びて設けられている。環状スペーサは、隣り合う永久磁石の各々の一端面（下端面）と他端面（上端面）との間、および、隣り合う円筒状カバーの各々の一端面（下端面）と他端面（上端面）との間に当接して設けられている。

特開２０２０－１５９４９２号公報

特許文献１に記載のリニアアクチュエータ（リニアモータ）においては、３つのコイルで駆動される。通常３つのコイルはＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれが１２０°の位相差を持つ電流を流して駆動される。

しかしながら、リニアモータは一方向に駆動するため，電機子のコアの端部は一方向の両端、つまり、電機子の進行方向の両端部でコアが途切れる。このため、３つのコイルのインダクタンスに差が生じ、駆動時に３つのコイルに誘起される電圧に差が生じる。特許文献１の図３においては、電機子端部にある２つのコイルと、２つのコイルに挟まれた中央部のコイルでは誘起される電圧が異なる。これは、リニアモータが駆動する際のディテント（電流０Ａ時に生じる磁石と永久コアの吸引力による力）が大きくなるためである。

一般に３つの相が不平衡になると２次の脈動が大きくなる。特許文献１に記載の技術においては、この誘起される電圧のアンバランスによって、電流を流した際にも２次の脈動が大きくなるといった課題があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、電圧のアンバランスによって生じる脈動を抑制したリニアモータ及びこれを備えた電動サスペンション装置、制振システムを提供することにある。

上記課題を解決するために本発明は、ティース及び前記ティースに備えられたコイルを有する電機子と、前記電機子の外周側に備えられた永久磁石とを有し、前記電機子と前記永久磁石が相対的に移動するリニアモータであって、前記ティースは移動方向における幅が異なるように、移動方向に複数並べて配置したことを特徴とする。

本発明によれば、電圧のアンバランスによって生じる脈動を抑制したリニアモータ及びこれを備えた電動サスペンション装置、制振システムを提供することができる。

本発明の実施例１に係るリニアモータの一例を示す模式図である。 本発明の実施例１に係るリニアモータ１をＹＺ平面で切り取った側面の模式図である。 一般的な５極６スロット構造のリニアモータ１をＹＺ平面で切り取った側面の模式図である。 一般的な５極６スロット構造と、実施例１の構造による鎖交磁束の変化を模式的示した図である。 本発明の実施例２に係るリニアモータ１をＹＺ平面で切り取った側面の模式図である。 本発明の実施例３に係るリニアモータを搭載した電動サスペンション装置の構成図である。 本発明の実施例４に係るリニアモータの一例を示す模式図である。 本発明の実施例４に係るリニアモータ１をＹＺ平面で切り取った側面の模式図である。 従来の制振システムの構成を示す模式図である。 本発明の実施例５に係る制振システムの構成を示す模式図である。

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。

本実施例では、電動サンペンション装置に適用するリニアモータの例を説明する。図１は、本発明の実施例１に係るリニアモータの一例を示す模式図である。

リニアモータは、筒状に形成された外筒の内部を電機子が往復移動する。電機子が移動する移動方向をＺ方向若しくは軸方向、Ｚ方向と直交する方向をＹ方向、Ｚ方向及びＹ方向と直交する方向をＸ方向とする。図１のＯ－Ｏ線は、リニアモータ１の中心線を示している。

図１の模式図は、リニアモータ１をＹＺ平面で切り取った図である。図１のリニアモータは永久磁石５個に対し、コイル乃至ティースが６個配置される５極６スロット構成のリニアモータの例である。永久磁石とコイル、及びティースの組み合わせは一例であって、この組み合わせに限定されるものではない。例えば、７極６スロット、１０極１２スロット、８極９スロットなどどのような組み合わせでも同様の効果が得られれば適用可能である。

コイル５とティース２（コア）で構成される電機子は、磁性体で構成される外筒２０の内側に設けられた永久磁石１０の２次側の部材と相対的に直線移動し、リニアモータ１を構成する。電機子と２次側部材はロッド（図示しない）等を介してタイヤ側（図示しない）、車体側（図示しない）に接続され、車体側の振動を抑制する電動サスペンション装置を構成する。ここで、リニアモータ１のコイル５は通常、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相のインバータ(図示しない)に接続され、３相の電流を制御することで、リニアモータ１が軸方向(Ｚ方向)の推力を発生させ振動を抑制するものである。この際、通常の３相モータ（回転機）をインバータで制御する際は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルが円周上に均等にバランスして構成されるため、３相のアンバランスが生じ難い。

一方で、リニアモータは３相の３種類のコイル位相に対し、直線状のティース（コア）にコイルを配置するため、移動方向（軸方向）中央部のティースに配置されるコイルと、移動方向（軸方向）端部のティースに配置されるコイルの位置によってインダクタンスやコイルに鎖交する磁束がアンバランスとなる。

図２は、本発明の実施例１に係るリニアモータ１をＹＺ平面で切り取った側面の模式図である。

５極６スロットの組み合わせによるリニアモータのコイル５は、図２に示すようにＵ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルの位相が、Ｚ方向左からＵ＋、Ｕ－、Ｗ－、Ｗ＋、Ｖ＋、Ｖ－となる。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相はそれぞれ位相差が１２０°であり、±はそれぞれ位相差が１８０°となることを示す。この時、コイル５とティース２で構成される電機子の両端に配置されるＵ相と、Ｖ相のコイル５のインダクタンス及びコイル５に鎖交する鎖交磁束が、電機子の中央部に配置されるＷ相のコイルの鎖交磁束と異なる。そこで、実施例１では、電機子の中央部のティース２ｃと、電機子の両端に位置するティース２ａ，２ｂの幅を変えることによって、この差を小さくするようにしている。

図２では、移動方向（軸方向・Ｚ方向）の一端側に配置した２つのティース２ａ（第１ティース）における移動方向の幅、及び移動方向の他端側に配置した２つのティース２ｂ（第２ティース）における移動方向の幅を、移動方向の中央部に配置した３つのティース２ｃ（第３ティース）おける移動方向の幅よりも広くしている。

換言すると、ティース２ｃの移動方向（軸方向・Ｚ方向）をティース２ａ，２ｂの移動方向（軸方向・Ｚ方向）の幅よりも狭くしている。なお、移動方向（軸方向・Ｚ方向）の両端部に位置するティース２ａとティース２ｂは同じ幅としている（２ａ＝２ｂ＞２ｃ）。

これにより、中央部のコイル５（Ｗ－，Ｗ＋，Ｖ＋）のインダクタンス及びコイル５に鎖交する鎖交磁束が小さくなり、各相におけるコイル間のインダクタンス及びコイル５に鎖交する鎖交磁束の差が小さくなり、磁束のアンバランスによる脈動を抑制できる。この結果、各コイルの磁束の変化及びインダクタンスの差を小さくすることにより、駆動時の脈動が小さく、制御性が高い、リニアモータを提供することができる。

図３は、一般的な５極６スロット構造のリニアモータ１をＹＺ平面で切り取った側面の模式図である。図３は、中心線Ｏから下半分を示している。図３に示した一般的な５極６スロット構造では、ティース２の幅（Ｚ方向の各位置のティース幅）が均等となっている。

図４は、一般的な５極６スロット構造と、実施例１の構造による鎖交磁束の変化を模式的示した図である。鎖交する磁束は実際にはきれいな正弦波ではない（高調波が重畳している）が、実施例１の効果を示すため、基本波成分を模式的に示している。リニアモータの推力は電気角（位置）の磁束の変化量で大きさが決まる。つまり、この磁束の微分値の大小で推力が決まる。したがって、各相において磁束の変化によるアンバランスがある場合、その合計の値によって力が発生する。つまり、その磁束の合計値が脈動している場合、推力にも脈動が生じる。図４（a）はティースのＺ方向の幅を均等にした場合の各相の鎖交磁束とその合計を模式的に示しており、図４（ｂ）はティースのＺ方向の幅を位置によって変えた場合の各相の鎖交磁束とその合計を模式的に示している。

一般的な構造である図４（a）では、Ｗ相に比較し、Ｖ相及びＵ相の鎖交磁束が低下しており、その結果、磁束の合計値が脈動している。

これに対し、実施例１の構造である図４（ｂ）では、３つの相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の鎖交磁束が均等になるようにティースのＺ方向の幅を変えるようにしているので、その合計値の脈動成分が減少し、推力の脈動を抑制、さらには、各コイルのインダクタンスのアンバランスが解消し、制御性が向上している。

一般的な磁気回路において、ある磁気回路の隣に、異極の起磁力を有する同一の磁気回路が存在する場合、パーミアンスは２倍程度になる。従って、あるコイルの両側にティースがある場合と、コイルの片側にのみティースがある場合では、最大パーミアンスの差が２倍程度になる。そこで、移動方向（軸方向・Ｚ方向）の中央部に位置するティース２ｃの幅は、移動方向（軸方向・Ｚ方向）の端部側に位置するティース２ａ，２ｂの幅の２倍以内とすることが好ましい。

実施例１によれば、駆動時の脈動が小さく、制御性が高い、リニアモータを提供することができる。

本発明の第２の実施例について説明する。実施例１と共通する構成については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。図５は、本発明の実施例２に係るリニアモータ１をＹＺ平面で切り取った側面の模式図である。図５は、中心線Ｏから下半分を示している。ティース２は、移動方向（軸方向・Ｚ方向）に複数並んで配置されている。

図５において、移動方向（軸方向・Ｚ方向）と直交する径方向内側のティース２ｃの幅をＷｉ１とし、径方向外側のティース２ｃの幅（ティース２ｃの先端部幅）をＷｏ１とし、径方向内側と径方向外側の間に位置する径方向中間部のティース２ｃの幅をＷｍ１とする。同様に、移動方向（軸方向・Ｚ方向）と直交する径方向内側のティース２ｂの幅をＷｉ２とし、径方向外側のティース２ｂの幅（ティース２ｂの先端部幅）をＷｏ２とし、径方向内側と径方向外側の間に位置する径方向中間部のティース２ｂの幅をＷｍ２とする。ティース２ａは、ティース２ｂと同様である。

円筒状の電機子を有する磁気回路は、移動方向（軸方向・Ｚ方向）と直交する径方向外側に行く程断面積が増加する。例えば、ティース２ｃの径方向内側の磁路断面は、Ｗｉ１×πＤｉで表される。一方で、Ｗｉ１の位置よりも径方向外側（径方向中間部）の磁路断面はＷｍ１×πＤｍで表される。ここで、πＤｍ＞πＤｉであるので、径方向内側と径方向外側の磁路断面積を同一にするには、Ｗｉ１×πＤｉ＝Ｗｍ１×πＤｍの関係から、Ｗｉ１＞Ｗｍ１が成り立つ。Ｗｉ１＝Ｗｍ１とした場合、磁路の径方向内側で磁路断面積が狭くなるため、大きな電流を流した場合、磁気飽和により脈動が大きくなる問題があった。そこで、実施例２では、ティース２ｃにおいて移動方向と直交する径方向内側の幅Ｗｉ１を、移動方向と直交する径方向外側（径方向中間部）の幅Ｗｍ１よりも大きくする（Ｗｉ１＞Ｗｍ１）ことで、磁路断面積の変化を小さくすることができ、磁気飽和による脈動を抑制できる。ティース２ａ，２ｂにおいてもティース２ｃと同様の関係にある。

実施例２では、ティース２ｃにおいて移動方向と直交する径方向内側の幅Ｗｉ１と、移動方向と直交する径方向外側（径方向中間部）の幅Ｗｍ１との関係をＷｉ１＞Ｗｍ１とし、かつ、移動方向（軸方向・Ｚ方向）の端部側に配置したティース２ｂ（２ａ）の幅Ｗｉ２と、移動方向（軸方向・Ｚ方向）の中央部に配置してティース２ｃの幅Ｗｉ１の関係をＷｉ２＞Ｗｉ１とすることにより、磁気回路の内側外側（径方向内側・外側）での磁路幅の差と、磁気回路の軸方向の中心と外側（移動方向の中央部・端部）のパーミアンスの差を小さくすることが可能となる。

これにより、推力の脈動や電流を流した際のインダクタンスの変化を小さくすることが可能となり、脈動の小さなリニアモータを実現できるため、推力の脈動が小さく制御性のため電動サスペンションが構築できる。

ここで、Ｗｉ１＞Ｗｍ１であって、磁気回路の径が大きなリニアモータを構築した場合、磁路断面をＷｉ１×πＤｉ＝Ｗｍ１×πＤｍの関係が成り立つように構築すると、πＤｍ＞πＤｉの場合、Ｗｉ１＞Ｗｍ１となり、Ｗｍ１が狭くなる。この場合、ティースの先端の開口部が大きくなり、電流０Ａにおけるディテントが大きくなる問題がある。

そこで、実施例２では、ティース２ｃ，２ｂ（２ａ）の先端の開口部が狭くなるように、ティース２ｃの先端部幅をＷｏ１＞Ｗｍ１、ティース２ｂ（２ａ）の先端部幅をＷｏ２＞Ｗｍ２とすることで、開口部を狭く（小さく）することができ、開口部が大きいことによる脈動、つまりディテント小さくすることが可能となり、脈動の小さなリニアモータを提供できる。

図６は、本発明の実施例３に係るリニアモータを搭載した電動サスペンション装置の構成図である。電動サスペンション装置１００には、例えば実施例１若しくは実施例２のリニアモータを搭載する。

電動サスペンション装置１００は、ティース２とコイル５で構成された電機子の内側にインナーロッド９０が接続され、インナーロッド９０の端部にロッドエンド３０、インナーチューブ６０が配置される。たとえば、このロッドエンドにタイヤ側のサスペンションのリンクが結合される。また、電機子にギャップをもって対向する永久磁石１０と、その外周側に磁性体で構成される外筒２０が設けられる。その外筒にばね止め５０が接続され、圧縮されたばね４０が配置される。タイヤ側に接続された電機子と車体側に接続された2次側部材(永久磁石１０や外筒２０など)は相対的に直線運動をし、インナーチューブ摺動部材８０で支持される。また、外筒２０には、ロッド支持部材７０が結合され、ロッド支持部材７０に、例えば、ベアリングやすべり軸受などが設けられ、可動部が相対的に直線運動できるように構成されている。そして、実施例３では、この電動サスペンション装置１００に実施例１若しくは実施例２のリニアモータを搭載している。

実施例３によれば、駆動時の脈動が小さく、制御性が高い電動サスペンション装置を提供することができる。

本発明の実施例４について説明する。実施例１及び実施例２と同様の構成については同じ記号を付し、その詳細な説明は省略する。

図７は、本発明の実施例４に係るリニアモータの一例を示す模式図である。図８は、本発明の実施例４に係るリニアモータ１をＹＺ平面で切り取った側面の模式図である。

実施例４のリニアモータは、実施例１及び２と同様、実施例３の電動サスペンション装置に適用可能である。実施例４では、電機子のＺ方向の中心部から、それぞれのコイルから見て、外周側に向かっていくと近くにあるティースの磁性体の量が減少していく。従って、パーミアンスの変化を小さくするためには、ティース２ｄ，２ｅ，２ｆの幅を、２ｄ＜２ｅ＜２ｆのような大小関係にすることで実現できる。

一方で、電動サスペンション装置は、任意の位置での推力を大きくしたいケースがある。その場合には、故意に脈動を大きくするような構造にし、その脈動を活用して大きな推力を得られる箇所を設ける。例えば、図８に示すように、電機子（複数のティース）の右側のように、磁気回路の外側に行く程ティース幅を小さくし、脈動を大きくする構造を得ることができる。

実施例４によれば、任意の位置で推力を大きくすることができるリニアモータ、電動サスペンション装置を提供することができる。

本発明の実施例５について説明する。図９ａは、従来の制振システムの構成を示す模式図である。図９ｂは、本発明の実施例５に係る制振システムの構成を示す模式図である。

通常、３相のリニアモータ１は、インバータ２００などの駆動回路に接続され、インバータ２００には直流または交流の電力が供給される。この供給された電力をスイッチング素子により、３相の電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗになるように制御される。この電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗは、リニアモータ１のインダクタンスＬの値を考慮して決定される。

従来の制振システムは図９aに示すように、インダクタンスＬの値はリニアモータ１のパラメータとして、一定値で与えられる。しかしながら、リニアモータ１は実施例１及び２で説明したように、Ｚ方向の位置によってインダクタンスＬが変化する。

そこで、図９ｂに示すように、例えばホール素子、ホールＩＣ等の位置センサを設置したり、モータ電流、電圧等のパラメータから演算するセンサレス方式によりリニアモータの電機子と２次側の相対的な位置Ｚを検出し、その位置情報に基づいて、インダクタンスＬの値を補正する。実施例５では、インダクタンスのＬの値を補正することにより、位置によるインダクタンスＬの差を補償し、各相の電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを制御することにより位置による磁気回路の違いや飽和によるインダクタンスの変化を補償することが可能となり、脈動を低下させることができる。

さらに、この補償に電流値の情報によるインダクタンスＬの飽和を考慮することによりさらに、脈動を低減できる。つまり、インダクタンスＬの値を、電機子と２次側の相対的な位置Ｚと流している電流値ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをもって補正することにより、脈動低減の効果が高まる。このリニアモータを電動サスペンションに適用することにより、脈動の小さな制御性の高いシステムを提供できる。

１…リニアモータ、２，２ａ，２ｂ，２ｃ、２ｄ，２ｅ，２ｆ…ティース、５…コイル、１０…永久磁石、２０…外筒、３０…ロッドエンド、４０…ばね、５０…ばね止め、６０…インナーチューブ、７０…ロッド支持部材、８０…インナーチューブ摺動部材、９０…インナーロッド、１００…電動サスペンション装置

Claims (8)

1. ティース及び前記ティースに備えられたコイルを有する電機子と、前記電機子の外周側に備えられた永久磁石とを有し、前記電機子と前記永久磁石が相対的に移動するリニアモータであって、
   前記ティースは移動方向における幅が異なるように、移動方向に複数並べて配置したことを特徴とするリニアモータ。
2. 請求項１において、
   前記ティースは少なくとも３つ以上配置し、
   前記複数のティースのうち、移動方向の中央部に位置するティースの幅は、移動方向の端部側に位置するティースの幅と異なることを特徴するリニアモータ。
3. 請求項２において、
   移動方向の端部側に位置するティースの幅は、移動方向の中央部に位置するティースの幅よりも広くしたことを特徴とするリニアモータ。
4. 請求項３において、
   移動方向の中央部に位置するティースの幅は、移動方向の端部側に位置するティースの幅の２倍以内としたことを特徴とするリニアモータ。
5. 請求項３において、
   前記複数のティースは、移動方向と直交する径方向内側の幅を、移動方向と直交する径方向外側の幅よりも大きくしたことを特徴とするリニアモータ。
6. 請求項３において、
   前記複数のティースは、移動方向と直交する径方向外側にティース先端部を備え、
   前記ティース先端部よりも径方向内側に位置する中間部の幅は、前記ティース先端部の幅よりも小さくしたことを特徴とするリニアモータ。
7. 請求項１乃至６の何れか１項のリニアモータを備えた電動サスペンション装置。
8. リニアモータの位置を検出し、前記リニアモータの位置情報から前記リニアモータのインダクタンス値を推定し、推定したインダクタンス値を補正して制御を行う制振システムにおいて、
   請求項１乃至６の何れか１項のリニアモータを備えた制振システム。

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