JP6916053B2

JP6916053B2 - リニアモータシステム

Info

Publication number: JP6916053B2
Application number: JP2017132626A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　尚礼; 尚礼鈴木; 小山　昌喜; 昌喜小山
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd; Hitachi Global Life Solutions Inc; Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd; Hitachi Global Life Solutions Inc; Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2017-07-06
Filing date: 2017-07-06
Publication date: 2021-08-11
Anticipated expiration: 2037-07-06
Also published as: JP2019017175A; WO2019008908A1

Description

本発明は、リニアモータシステムに係り、特に、弾性体を接続させた可動子を有するリニアモータを備えるリニアモータシステムに関する。

リニアモータにてピストンを往復運動させる、所謂リニア圧縮機として例えば特許文献１に記載される技術が知られている。特許文献１では、往復動形のピストン、ピストンを駆動するリニアモータ、及び所要冷力に従ってピストンのストロークの大きさが異なるようにリニアモータを制御するモータ制御部を有するリニア圧縮機が開示されている。特許文献１に記載されるリニア圧縮機は、ピストンが衝突近接位置を通過するか否かを検出する衝突近接感知部を備え、衝突近接点のリターン時間が冷力別の所定の許容時間により、リニアモータの推力を変更するものである。

特開２００５−１９５０２６号公報

しかしながら特許文献１に記載される衝突近接感知部は、ピストンの位置を感知するため、レーザ或いは光センサ等のセンサを有する必要があり、配線が煩雑になり省スペース化を実現することは困難となる。
そこで、本発明は、衝突を検知するセンサを要することなく、可動子の衝突を回避可能なリニアモータシステムを提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係るリニアモータシステムは、少なとも交流電圧が印加される巻線及び弾性体が接続する可動子を有するリニアモータを備え、前記巻線に流れる交流電流の振幅の変動を検出し、検出される振幅が所定値を超えた場合、前記可動子が最大変位を超えたと検知するリニアモータ駆動装置を有し、前記リニアモータ駆動装置は、前記巻線に流れる交流電流を入力し、駆動周波数より低い周波数成分の電流振幅を検出する低周波成分検出器と、前記低周波成分検出器により検出された電流振幅が所定値を超えた場合、前記可動子が最大変位を超えたと検知する衝突判定器と、を備え、前記低周波成分検出器は、駆動周波数の１／２以下の周波数成分の前記巻線に流れる電流の電流振幅を検出し、前記衝突判定器は、前記低周波成分検出器により検出された前記電流振幅が所定値を超えた場合、前記可動子が最大変位を超えたと検知すると共に、経過時間又は負荷条件に基づき、前記所定値を変更するものであって、前記衝突判定器により前記可動子が最大変位を超えたと検知された場合、前記巻線に印加する電圧を変更するための電圧指令値を出力する電圧指令値作成器を有することを特徴とする。
また、本発明に係るリニアモータシステムは、少なとも交流電圧が印加される巻線及び弾性体が接続する可動子を有するリニアモータを備え、前記巻線に流れる交流電流の振幅の変動を検出し、検出される振幅が所定値を超えた場合、前記可動子が最大変位を超えたと検知するリニアモータ駆動装置を有し、前記リニアモータ駆動装置は、前記巻線に流れる交流電流を入力し、駆動周波数より低い周波数成分の電流振幅を検出する低周波成分検出器と、前記低周波成分検出器により検出された電流振幅が所定値を超えた場合、前記可動子が最大変位を超えたと検知する衝突判定器と、を備え、前記低周波成分検出器は、駆動周期のＮ倍（Ｎ≧２）の周波数成分の前記巻線に流れる電流の電流振幅を検出し、前記衝突判定器は、前記低周波成分検出器により検出された前記電流振幅が所定値を超えた場合、前記可動子が最大変位を超えたと検知すると共に、経過時間又は負荷条件に基づき、前記所定値を変更するものであって、前記衝突判定器により前記可動子が最大変位を超えたと検知された場合、前記巻線に印加する電圧を減少させるための電圧指令値を出力する電圧指令値作成器を有することを特徴とする。

本発明によれば、衝突を検知するセンサを要することなく、可動子の衝突を回避可能なリニアモータシステムを提供することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例に係る実施例１のリニアモータシステムの全体概略構成図である。電機子の構成例の斜視図である。磁極の縦断面と磁束の流れを示す模式図である。磁極歯に発生する極性の説明図である。可動子に接続される外部機構の説明図である。図１に示すリニアモータ駆動装置の制御部を構成する電圧指令値作成器の構成例を示す説明図である。図１に示すリニアモータ駆動装置を構成する電力変換回路の構成例を示す図である。リニアモータを構成する可動子がストロークを制限するスットパーに衝突した際の電流波形例の説明図である。図１に示すリニアモータ駆動装置の制御部を構成する低周波成分検出器の構成例を示す説明図である。図１に示すリニアモータ駆動装置の制御部を構成する衝突判定器の構成例を示す説明図である。衝突及び衝突回避時における各種値の時間変化を示す説明図である。本発明の他の実施例に係る実施例２の密閉型圧縮機の縦断面図である。実施例２のリニアモータシステムの全体概略構成図である。図１３に示すリニアモータ駆動装置の制御部を構成する衝突判定器の構成例を示す説明図である。

以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施例を詳細に説明する。同様の構成要素には同様の符号を付し、重複する説明を省略する。
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、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、或る構成要素が他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していること、等を許容する。

本実施例では、説明の便宜上、互いに直交する前後方向、左右方向、及び上下方向という語を用いるが、重力方向は必ずしも下方向に平行である必要はなく、前後方向、左右方向、上下方向又はそれ以外の方向に平行にすることができる。

＜リニアモータシステム１００＞
図１は、本発明の一実施例に係る実施例１のリニアモータシステムの全体概略構成図である。リニアモータシステム１００は、リニアモータ駆動装置１０１及びリニアモータ１０４から構成される。後述するようにリニアモータ１０４は、相対移動する電機子９及び可動子６を有する。
本実施例では、可動子６が鉛直方向に移動するが、電機子９及び可動子６（界磁子）が相対移動すれば良く、電機子９が鉛直方向に移動する態様でも良い。なお、以下では、可動子６が鉛直方向に往復運動する場合を一例として説明するが、往復運動の方向は鉛直方向に限られるものではない。例えば、可動子６が水平方向に往復運動するよう構成しても良く、また、鉛直方向に対し任意の角度を有する方向に可動子６が往復運動する構成としても良い。また、これらは、電機子９につても同様である。
制御部１０２は、電流検出器１０７の検出結果に応じて、電力変換回路１０５への出力電圧指令値、又は電力変換回路１０５を駆動するドライブ信号（パルス信号）を出力する。制御部１０２の詳細は後述する。
詳細は後述するが、電力変換回路１０５は、直流電圧源１２０（図２１）の電圧を変換して交流電圧を出力する電力変換部の一例である。なお、直流電圧源１２０に代えて直流電流源を用いても良い。

＜リニアモータ１０４＞
図２はリニアモータ１０４の斜視図（電機子の構成例の斜視図）である。本実施例のリニアモータ１０４は、電機子９に対して、永久磁石２（２ａ，２ｂ）が並んだ方向（前後方向）に相対移動可能な可動子６を有する。電機子９は空隙を介して上下方向に対向する２つの磁極７と、磁極７に捲回された巻線８とを有している。可動子６は、この空隙に配置されている。磁極７は、可動子６に対向する端面としての磁極歯７０（ティースとも称される）を有している。
電機子９は、可動子６に対して前後方向の力（以下、推力と称する）を付与できる。例えば、後述するように、可動子６が前後方向に往復運動するように推力を制御できる。
可動子６は、上下方向に磁化した２つの平板状の永久磁石２（２ａ，２ｂ）を有している。後側の永久磁石２ａ及び前側の永久磁石２ｂは、互いに反対方向に磁化されている。本実施例では、後側の永久磁石２ａは上側にＮ極を有し、前側の永久磁石２ｂは上側にＳ極を有している。図２では、永久磁石２ａ，２ｂは図示しているが、可動子６は図示していない。可動子６としては、例えば、平板状の永久磁石２を固定した平板状のものを採用できる。
制御部１０２は、可動子６を永久磁石２ａ，２ｂが電機子９に対向する範囲で往復運動させるようにドライブ信号を出力する。

図３は、図２のＡ−Ａ’線に沿った平面での断面図である（Ａ―Ａ’断面矢視図）。図３に示すように、磁極７及びヨーク７ｅは、例えば鉄などの磁性体で一体的に形成され、磁気回路を構成している。図３の矢印線は、２つの巻線８に電流を流したときの磁束線の一例を示している。磁束の流れの向きは、巻線８に流れる電流の向きにより逆方向になり得るため、図に示す限りではない。この磁束線により、磁極歯７０が磁化される。

［可動子６に付与する推力］
図４は磁極歯７０の磁化により、可動子６が受ける推力を説明する図である。巻線８に流れる電流により生じる磁極歯７０の極性を、図中の磁極歯７０近傍に付した「Ｎ」、「Ｓ」で表している。また、図４において白抜き矢印は巻線８を流れる電流の向きを示している。図４の左図は、巻線８を流れる電流により、上側の磁極歯７０ａが「Ｓ」、下部の磁極歯７０ｂが「Ｎ」に磁化されることにより、可動子６が前方向に力を受け、可動子６が前に移動した例を示している。図４の右図は、巻線８を流れる電流により、上部の磁極歯７０ａが「Ｎ」、下部の磁極歯７０ｂが「Ｓ」に磁化されることにより、可動子６が後ろ方向に力を受け、可動子６が後ろに移動した例を示している。

このように、巻線８に電圧や電流を印加することで、２つの磁極７を含む磁気回路に磁束を供給して、対向する２つの磁極歯７０（磁極歯組）を磁化できる。電圧や電流として、例えば正弦波や矩形波（方形波）といった交流の電圧や電流を与えることで、可動子６を往復運動させる推力を与えることができる。これにより可動子６の運動を制御できる。

なお、可動子６に付与する推力は、印加する交流電流や交流電圧の振幅を変更することで変えられる。また、可動子６に付与する推力を既知の方法を用いて適切に変更することで、可動子６の変位を所望に変えられる。ここで、可動子６が往復運動（例えば、図４の左図及び右図のような磁極歯７０の磁化を順次繰り返すことで可動子６に生じる運動）をする場合、交流波形的に変化する可動子６の変位の変化量をストロークと呼ぶ。
磁極歯７０は磁性体であるため、永久磁石２を吸引する磁気吸引力が作用する。本実施例では可動子６を挟むよう間隙を介して２つの磁極歯７０を対向配置しているため、可動子６に作用する磁気吸引力の合力を低減できる。

回転モータの回転運動を直線運動に変換する場合、その変換機構として、例えばクランクシャフトが用いられる。クランクシャフトを有する場合、直線運動ストロークは機械的に制限される。一方、リニアモータの可動子６は機械的に制限されない。そのため、可動子６のストロークが所定値を超えてしまう可能性がある。そこで、本実施例に係るリニアモータシステム１００を構成するリニアモータ駆動装置１０１は、ストロークが所定値を超えたことを検出する構成を備える。

[可動子６外部の機構]
図５は、可動子６に接続される外部機構の説明図であり、例えば、コイルバネである共振バネ２３（アシストバネ）によって構成される外部機構を可動子６の一端に接続し、そのバネ力により可動子６が戻される機構を説明する図である。共振バネ２３は、一端が中間部２４を介して可動子６に接続し、他端が基部２５に固定されている。また、共振バネ２３の延在方向と略平行に延在し、共振バネ２３を案内又は支持する側部２６が設けられている。リニアモータ１０４を往復運動させる場合、可動子６の運動方向が変わる度に、加速と減速を繰り返す。減速時は、可動子６の速度エネルギーが電気エネルギーに変換される（回生動作）が、リニアモータ１０４への配線の抵抗によって損失が生じる。一方、図５のように、可動子６に共振バネ２３（アシストバネ）を付加し、可動子６の質量とバネ定数から決まる機械的な共振周波数で、可動子６を往復運動させる場合、可動子６の速度エネルギーを有効活用でき、高効率なリニアモータ駆動システムを構成することができる。共振バネ２３に代えて、例えば、板バネ、或は、適度なヤング率を有しコイルバネを用いた場合と同様に伸縮するゴム等の弾性体を用いても良い。このように構成すると、可動子６（界磁子６）が鉛直方向に移動する可動子（界磁子）移動型として構成されるが、可動子６に代えて電機子９に弾性体を接続して電機子９を鉛直方向に移動させる電機子移動型として構成しても良い。

例えば、可動子６のストロークが過大となった場合、共振バネ２３が縮みすぎて互いが接触したり、可動子６がストロークを制限するストッパー（図示せず）に衝突したりすることで、振動や騒音の原因となる。そのため、ストロークが所定値を超えたことを検出することが望ましい。

＜制御部１０２の概要＞
図１に示すように、制御部１０２は、電流検出器１０７による電流検出値Ｉｍを入力し低周波成分の振幅値を出力する低周波成分検出器１３０、低周波成分検出器１３０からの低周波成分の振幅値に基づき衝突判定を行い後述する衝突判定信号を出力する衝突判定器１３１、上位の制御器（図示せず）などより入力されるストローク指令値ｌ^＊及び衝突判定器１３１を入力しこれらに基づきリニアモータ１０４に印加する電圧指令値Ｖｍ^＊を出力する電圧指令値作成器１３３、及び、入力される電圧指令値Ｖｍ^＊に基づき電力変換回路１０５を駆動するドライブ信号を出力するＰＷＭ信号作成器１３４と、を備える。
以下、制御部１０２を構成する上述の各部の構成及び動作につき説明する。

＜電圧指令値作成器１０３＞
図６は、図１に示すリニアモータ駆動装置１０１の制御部１０２を構成する電圧指令値作成器１３３の構成例を示す説明図である。電圧指令値作成器１３３には、上位の制御器（図示せず）などより入力されるストローク指令値ｌ^＊及び後述する衝突判定信号に基づき、単相の交流電圧指令値Ｖｍ^＊を出力する。ここで、ストローク指令値ｌ^＊或いは周波数数指令値ω^＊のいずれか、または両方を変更することにより、リニアモータ１０４に印加する電圧指令値Ｖｍ^＊を調整することができる。すなわち、印加電圧の振幅及び周波数を調整することで、駆動周波数ωを共振周波数に制御することやストロークを制御することが可能となる。
図６に示すように、まず、電圧指令値作成器１３３で予め設定した周波数指令値ω^＊或いは、他の制御器（図示せず）などから入力される周波数指令値ω^＊を積分して位相指令値θ^＊を積分器１４０で作成する。次に、位相指令値θ^＊を余弦演算器８２ｂ（入力値の余弦を出力）に入力し、位相指令値θ^＊に対する余弦（ｃｏｓθ^＊）を得る。この余弦（ｃｏｓθ^＊）とストローク指令値ｌ^＊とを乗算器９２ａで乗じる。こうすることで、微分演算を行わずに可動子６の速度指令値ｖｍ^＊を得ることができる。一般には、位置指令値ｘｍ^＊及び速度指令値ｖｍ^＊の一方を正弦、他方を余弦にすることができる。なお、組み合わせによっては、負号を付加する必要がある。

さらに、可動子６の速度指令値ｖｍ^＊を乗算器９２ｂで誘起電圧定数Ｋｅ^＊と乗じ、単相の交流電圧指令値Ｖｍ^＊を得る。
なお、電圧指令値作成器１３３には、上記以外にも既知の同期式モータの駆動電圧指令方法を適用することができる。また、例えば周波数指令値ω^＊を、可動子６を含む振動体の機械共振周波数に固定しても良い。
また、ストローク指令切替器１５０につては後述する。

＜ＰＷＭ信号作成器１３３＞
図１に示すリニアモータ駆動装置１０１の制御部１０２を構成するＰＷＭ信号作成器１３４には、三角波のキャリア信号と電圧指令値作成器１３３より出力される電圧指令値Ｖｍ^＊を比較することによる既知のパルス幅変調を用い、電圧指令値Ｖｍ^＊に応じたドライブ信号が生成され、生成されたドライブ信号は電力変換回路１０５へ出力される。

＜電力変換回路１０５＞
図７は、図１に示すリニアモータ駆動装置１０１を構成する電力変換回路１０５の構成例を示す図である。フルブリッジ回路１２６は、制御部１０２により入力されたドライブ信号に応じて直流電圧源１２０をスイッチングして、リニアモータ１０４に電圧を出力する。フルブリッジ回路１２６は４つのスイッチング素子１２２を備えており、直列接続されたスイッチング素子１２２ａ，１２２ｂを持つ第一上下アーム（以下、Ｕ相と称する）と、スイッチング素子１２２ｃ，１２２ｄを持つ第二上下アーム（以下、Ｖ相と称する）と、を構成している。スイッチング素子１２２は、制御部１０２で生成される電圧指令値Ｖｍ^＊やパルス幅変調によるドライブ信号に基づき、ゲートドライバ回路１２３が出力するパルス状のゲート信号（１２４ａ〜１２４ｄ）に応じてスイッチング動作できる。
スイッチング素子１２２の導通状態（オン／オフ）を制御することにより、直流電圧源１２０の直流電圧を交流電圧に相当する電圧を巻線８に出力できる。なお、直流電圧源１２０に代えて直流電流源を用いても良い。スイッチング素子１２２としては、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体スイッチング素子を採用できる。

[リニアモータ１０４との結線]
電力変換回路１０５の第一上下アームのスイッチング素子１２２ａ，１２２ｂ間および第二上下アームのスイッチング素子１２２ｃ，１２２ｄ間それぞれが、リニアモータ１０４に接続されている。図７では、上側及び下側の電機子９の巻線８が並列に接続されている例を示しているが、巻線８を直列に接続することもできる。

＜電流検出器１０７＞
Ｕ相下アームとＶ相下アームには、例えばＣＴ（カレントトランス）等の電流検出器１０７を設けることができる。これにより、リニアモータ１０４の巻線８に流れる電流Ｉｍを検出できる。
電流検出器１０７として、例えば、ＣＴに代えて、電力変換回路１０５の下アームにシャント抵抗１２５を付加し、シャント抵抗１２５に流れる電流からリニアモータ１０４に流れる電流を検出する相シャント電流方式を採用できる。電流検出器１０７に代えて又は追加して、電力変換回路１０５の直流側に付加されたシャント抵抗１２５に流れる直流電流から、電力変換回路１０５の交流側の電流を検出するシングルシャント電流検出方式を採用しても良い。シングルシャント電流検出方式は、電力変換回路１０５を構成するスイッチング素子１２２の通電状態によって、シャント抵抗１２５に流れる電流が時間的に変化することを利用している。

［衝突時の電流波形］
図８は、リニアモータ１０４を構成する可動子６がストロークを制限するスットパーに衝突した際の電流波形例の説明図である。図８では横軸を時間、縦軸をモータ電流とし、モータ電流の時間変化を示している。なお、図８の上図は電気機械時定数が短い場合のモータ電流の波形を示しており、図８の下図は電気機械時定数が長い場合のモータ電流の波形を示している。図８の上図に示されるように、負荷系を含めた電気機械時定数が短い場合においては、衝突時のモータ電流の電流波形は振幅が大小交互に現れる。これは次のように説明できる。可動子６がストッパーに衝突すると、可動子６の速度が低下するため、誘起電圧は減少する。そのため、印加電圧が過多となり電流振幅が増加する。本実施例の可動子６は往復運動しているため、やがては逆方向に移動する。この時、可動子６の位置と印加電圧の位相関係がズレ、推力が減少する。そのため、次の周期ではストロークが所定値に収まり、モータ電流の電流振幅は元に戻る。その後、可動子６の位置と印加電圧の位相関係のズレが解消され、再度、可動子がストッパーに衝突する。

一方、図８の下図に示すように、負荷系を含めた電気機械時定数が長い場合においては、可動子６の位置と印加電圧の位相関係のズレが収束するまでに時間を要する。そのため、モータ電流の電流振幅の変動は、図８の上図より低い周波数となる。
図８の上図に示すように、電気機械時定数が短い場合には、可動子６がストッパーに衝突している際のモータ電流の電流波形は、振幅が大小交互になる。振幅が大小交互になっているということは、駆動周波数の１／２の周波数と見做すことができる。換言すれば、駆動周期は２倍と見做すことができる。一方、図８の上図に示すように、電気機械時定数が長い場合には、駆動周波数の１／２よりも低い周波数と見做すことができる。図８の下図の例は、駆動周波数の１／３の周波数と見做せる。換言すれば、駆動周期は３倍と見做すことができる。本実施例では、駆動周波数の１／２の周波数又は駆動周波数の１／２より低い周波数成分の電流波形を特定することで、ストロークが所定値を超えたことを検出する。なお、予め衝突時の電流波形を取得しておけば、どの周波数成分を取得すればよいか分かる。また、本実施例では、駆動周波数の１／２及び駆動周波数の１／３の一例として示したがこれに限られるものではない。例えば、駆動波数の１／４など予め衝突時の電流波形を取得することで適宜設定することができる。換言すれば駆動周期のＮ倍（Ｎ≧２）の周波数成分の巻線８に流れる電流（モータ電流）を検出することで、ストロークが所定値を超えたことを検出できる。

＜低周波成分検出器１３０＞
図９は、図１に示すリニアモータ駆動装置１０１の制御部１０２を構成する低周波成分検出器１３０の構成例を示す説明図である。なお、図９では、一例として、衝突時の電流波形が上述の図８の上図に示す負荷系を含めた電気機械時定数が短い場合について説明する。そのため、駆動周波数の１／２（駆動周期の２倍）の周波数成分の電流波形を特定する構成である。特定する周波数を変更する場合は、後述する分周期１５６の係数を適宜変更すれば良い。

まず、電圧指令値作成器１３３で予め設定した周波数指令値ω^＊或いは、他の制御器（図示せず）などから得られる周波数指令値ω^＊を分周期１５６にて１／２倍し、積分して位相指令値θ２^＊を積分器１４０ａで作成する。
次に、位相指令値θ２^＊を正弦演算器８１ｃ（入力値の正弦を出力）及び余弦演算器８２ｃ（入力値の余弦を出力）に入力し、それぞれ位相指令値θ２^＊に対する正弦（ｓｉｎθ２^＊）及び余弦（ｃｏｓθ２^＊）を得る。こ正弦（ｓｉｎθ２^＊）と電流検出値Ｉｍとを乗算器９２ｃで乗じると共に、余弦（ｃｏｓθ２^＊）と電流検出値Ｉｍとを乗算器９２ｄで乗じる。それらの結果をＬＰＦ（低域通過フィルタ）１５７ａ，１５７ｂで、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）の遮断周波数以下の値を得る。なお、これらＬＰＦ（低域通過フィルタ）１５７ａ，１５７ｂは、１次遅れフィルタ或いは２次遅れフィルタと同様に後れを有する。

さらに、乗算器９２ｅおよび乗算器９２ｆと、加算器９０と、平方根演算器９６とを用いて、ＬＰＦ１５７ａ及びＬＰＦ１５７ｂの出力値の二乗和平方根を取り、電流振幅を得る。
こうすることで、所望の周波数成分（ここでは、駆動周波数の１／２の周波数成分）の電流振幅（Ｉｍ＿１／２）を得ることができる。

もし、可動子６がストロークを制限するストッパー等に衝突していて、電流波形が図８の上図のように、振幅が大小交互に現れている場合、平方根演算器９６から出力される１／２周波数電流振幅（Ｉｍ＿１／２）が検出される。なお、リニアモータ１０４に流れる電流の振幅に変動がない場合は、平方根演算器９６の出力はゼロ近傍となる。

＜衝突判定器１３１＞
図１０は、図１に示すリニアモータ駆動装置１０１の制御部１０２を構成する衝突判定器１３１の構成例を示す説明図である。図１０に示すように、衝突判定器１３１が有する判定器１６４は、上述の低周波成分検出器１３０より入力された電流振幅（Ｉｍ＿１／２）が所定値Ａ以下の場合、ローレベル信号（デジタル出力の場合は、例えば、“０”）を衝突判定信号として出力し、所定値Ａよりも大きい場合、ハイレベル信号（デジタル出力の場合は、例えば、“１”）を衝突判定信号として出力する。
例えば、判定値（所定値Ａ）を経過時間に応じて変更する構成、或いは上位の制御器（図示せず）から変更する構成としても良い。また、判定値（所定値Ａ）にヒステリシス幅を設けることにより、ストロークが所定値を超えた判定タイミングと、ストロークが所定値以下になった判定タイミングを変えることができる。これにより、誤検知を防ぐことができる。これは例えば、電流検出値にノイズが多く含まれる場合に特に有効である。

［衝突判定時の動作］
図１１は、衝突及び衝突回避時における各種値の時間変化を示す説明図である。以下ではリニアモータ駆動装置１０１の制御部１０２を構成する電圧指令値作成器１３３の構成例を示す図６及び図１１を用いて、衝突判定時の一連の動作について説明する。図１１では上から順に、モータ電流の時間変化（電流波形）、可動子６のストロークの時間変化、電圧／電流の位相差の時間変化、低周波成分電流振幅の時間変化、衝突判定信号の状態変化、及び電圧振幅の時間変化を示している。なお、図１１では、一例として、衝突時のモータ電流の電流波形が上述の図８の上図に示す負荷系を含めた電気機械時定数が短い場合について説明する。すなわち、駆動周波数の１／２（駆動周期の２倍）の周波数成分の電流波形を特定する場合を一例として示している。

通常動作状態においては、電流検出器１０７より検出されるモータ電流及び可動子６のストロークの時間変化は、ほぼ同位相で一定の振幅を有する正弦波状の波形となっている。電圧／電流の位相差はゼロであり、低周波成分検出器１３０より出力される低周波成分電流振幅はゼロ近傍であり、衝突判定器１３１より出力される衝突判定信号はローレベル信号（Ｌ）であり、電圧指令値作成器１３３より出力される電圧指令値Ｖｍ^＊の電圧振幅は一定である。

可動子６がストッパーに衝突すると、モータ電流の振幅が増加し、通常動作状態におけるモータ電流の振幅よりも図１１に示すように振幅差分増加する。また、可動子６がストッパーに衝突することにより、可動子６の速度が低下するため誘起電圧は減少し、印加電圧が過多となり電流振幅が増加することにより、電圧／電流の位相差が急峻に増加する。その後、可動子６は往復運動しているため、やがては逆方向に移動し、電圧／電流の位相差は徐々に減少し次の周期ではゼロとなる。図１１に示す例では、これらの波形の変化が交互に３回繰り返されている。なお、この期間中、低周波成分検出器１３０より出力される低周波成分電流振幅は、上述のように低周波成分検出器１３０を構成するＬＰＦ（低域通過フィルタ）１５７ａ，１５７ｂは遅れを有することから、波形は徐々に増加する波形となる。なお、ここで低周波成分検出器１３０より出力される低周波成分電流振幅は、駆動周波数の１／２の周波数成分の電流振幅（Ｉｍ＿１／２）が出力されている。

上述のように、衝突判定器１３１は、低周波成分検出器１３０より入力される周波数成分の電流振幅（Ｉｍ＿１／２）、すなわち、図１１に低周波成分電流振幅値が所定値Ａを超えたことを検出すると衝突判定信号としてハイレベル信号（Ｈ）を出力する。電圧指令値作成器１３３は、衝突判定器１３１より衝突判定信号としてハイレベル信号（Ｈ）を入力すると、図６に示すように電圧指令値作成器１３３を構成するストローク指令切替器１５０は、Ａ側からＢ側に切り替る。すると、減算器９１にてストローク指令値ｌ^＊からストローク減算値Δｌ^＊だけ減少した値がストローク指令値ｌ^＊となる。このストローク指令値ｌ^＊からストローク減算値Δｌ^＊だけ減少した値がストローク指令値ｌ^＊と余弦（ｃｏｓθ^＊）とを乗算器９２ａで乗じる。さらに、可動子６の速度指令値ｖｍ^＊を乗算器９２ｂで誘起電圧定数Ｋｅ^＊と乗じ、単相の交流電圧指令値Ｖｍ^＊を出力する。すなわち、図１１の電圧振幅の時間変化に示されるように、モータに印加する電圧の振幅が減少し、衝突回避動作となる。

上述の衝突回避動作後、低周波成分検出器１３０より入力される周波数成分の電流振幅（Ｉｍ＿１／２）が所定値Ｃに到達すると、衝突判定器１３１は衝突判定信号としてローレベル信号（Ｌ）を電圧指令値作成器１３３へ出力する。そして、図１１に示すように、上述の通常動作状態に復帰する。

以上の通り本実施例によれば、衝突を検知するセンサを要することなく、可動子の衝突を回避可能なリニアモータシステムを提供することが可能となる。
また、本実施例の構成を用いれば、ストロークが所定値を超えたことを検出可能なリニアモータシステムの省配線化及び小型化が実現できる。

本実施例の構成は、下記の点を除き実施例１と同様にできる。本実施例は、後述するリニアモータシステム２００を搭載した機器の一例としての密閉型圧縮機５０に関する。

＜密閉型圧縮機５０＞
図１２、本発明の他の実施例に係る実施例２の密閉型圧縮機の縦断面図であり、リニアモータ１０４を有する密閉型圧縮機５０の縦断面図の一例である。密閉型圧縮機５０は、圧縮要素２０と電動要素３０とが密閉容器３内に配置されたレシプロ圧縮機である。圧縮要素２０及び電動要素３０は支持ばね４９によって密閉容器３内に弾性的に支持されている。電動要素３０は、可動子６及び電機子９を含む。
圧縮要素２０、はシリンダ１ａを形成するシリンダブロック１と、シリンダブロック１の端面に組み立てられるシリンダヘッド１６と、吐出室空間を形成するヘッドカバー１７とを備えている。シリンダ１ａ内に供給された作動流体はピストン４の往復動によって圧縮され、圧縮された作動流体は圧縮機外部に連通する吐出管（図示せず）へと送られる。なお、作動流体は、例えば、空気や冷凍サイクルの冷媒などを採用できる。

可動子６の一端にはピストン４が取り付けられている。本実施例では、可動子６及びピストン４が往復運動することで、作動流体を圧縮及び膨張させる。この圧縮及び膨張に要する仕事等が変動する負荷に相当する。電動要素３０の片端には圧縮要素２０を配置してある。シリンダブロック１は、可動子６の往復運動を案内するガイドロッドを前後方向に沿って有している。
密閉容器３にリニアモータ１０４を設置する場合は、ハーメチックコネクタやハーメチックシールと呼ばれる、気密性を持ったコネクタが用いられることがある。気密性を保つためには、コネクタの数は最小限にするのが望ましい。

可動子６に共振バネ２３（図１２中では図示せず）を付加し、可動子６の質量とバネ定数から決まる機械的な共振周波数で可動子６を往復運動させる場合、圧縮要素２０による共振周波数への影響も考慮する必要がある。すなわち、圧縮要素２０の吸込圧力や吐出空間の圧力によって、作動流体のバネ的な作用が加わるため、共振状態となる周波数が変化する。すなわち、シリンダ１ａの圧力が高い場合には、可動子６に付加された共振バネ２３のバネ定数が高いのと等価であり、共振周波数は高くなる。反対に、シリンダ１ａの圧力が低い場合には、可動子６に付加された共振バネ２３のバネ定数が支配的となり、共振周波数は、可動子６の質量とバネ定数から決まる機械的な共振周波数に近い。

ピストン４は可動子６及び共振バネ２３を介して基部２５に固定されているが、ストロークは機械的に制限されていない。そのため、想定以上に可動子６のストロークが大きくなると、ピストン４がシリンダヘッド１６に衝突する虞がある。或いは、ピストン４のシリンダ１ａと反対側や可動子６が、例えば、リニアモータ１０４の磁極７や巻線８に衝突する虞がある。ピストン４がシリンダヘッド１６に衝突すると、騒音となるだけでなく、最悪の場合、ピストン４やシリンダヘッド１６が破損し得る。そのため、起動時等の過渡時においても適切にストロークを制御することが望ましく、衝突した場合にはそれを検知する必要がある。

リニアモータ１０４を圧縮要素２０の動力とする場合は、圧縮要素２０の条件によって共振周波数が変化してしまう。これにより、たとえ同じ電圧をリニアモータ１０４に印加してもストロークが変化してしまうため、幅広い負荷条件においてもピストン４や可動子６が何処に衝突したのを検知することが必要である。そのため、本実施例のリニアモータシステム２００は、リニアモータ１０４に流れる交流電流の振幅の変動を検出し、振幅変動が所定値を超えた場合、可動子６の最大変位を超えたと検知することで、省配線化及び省スペース化を図り、且つ高効率なリニアモータ駆動を実現できる。

＜リニアモータシステム２００＞
図１３は、本実施例のリニアモータシステム２００の全体概略構成図である。リニアモータシステム２００は、リニアモータ駆動装置２０１及びリニアモータ１０４から構成される。
リニアモータ駆動装置２０１は、電力変換回路１０５、電流検出器１０６、及び制御部２０２を備える。制御部２０２は、低周波数成分検出器１３０、衝突判定器１３１ａ、電圧指令値作成器１３３、及びＰＷＭ信号作成器１３４を有する。
密閉型圧縮機５０を駆動する場合、吸込圧と吐出圧が変化する。特に、起動時は圧力の変化の割合が大きいため、衝突判定器１３１ａが誤検知する虞があるという課題がある。そこで、本実施例では、判定値（所定値）を経過時間或いは負荷条件によって切り替える構成としている。

図１４は、図１３に示すリニアモータ駆動装置２０１の制御部２０２を構成する衝突判定器１３１ａの構成例を示す説明図である。図１４に示すように、衝突判定器１３１ａは、２つの判定器１６４ａ及び判定器１６４ｂ、積分器９４、及び係数器１５９を備える。衝突判定器１３１が有する判定器１６４ａは、低周波成分検出器１３０より入力された他例えば電流振幅（Ｉｍ＿１／２）が所定値Ａ以下の場合、ローレベル信号（デジタル出力の場合は、例えば、“０”）を出力し、所定値Ａよりも大きい場合、ハイレベル信号（デジタル出力の場合は、例えば、“１”）を出力する。判定器１６４ａからの出力は、係数器１５９にて係数Ｋ＿ｃｏｌｌを乗じた値とされ、更に積分器９４にて積分される。
積分器９４の出力は、判定器１６４ｂへ入力される。判定器１６４ｂは積分器９４からの出力が所定値Ｂ（判定値）を超えた場合、ハイレベル信号（デジタル出力の場合は、例えば、“１”）を衝突判定信号として出力し、所定値Ｂ以下の場合、ローレベル信号（デジタル出力の場合は、例えば、“０”）を衝突判定信号として出力する。
これにより、所望の周波数成分の電流振幅が、所定の期間、判定値（所定値）を超えた場合に、ストロークが所定値を超えたことを検出することができる。

以上の通り本実施例によれば、密閉型圧縮機５０において、ストロークが所定値を超えたことを検出するリニアモータシステム２００を適用することで、省配線化及び小型化を実現することが可能となる。動作中に判定値（所定値）を変更、或いは判定値（所定値）にヒステリシスを設けることにより、誤検知を少なくでき、安定な駆動を実現できるリニアモータシステムを提供することができる。
また、経過時間や、リニアモータ１０４の負荷（例えば、圧力要素２０の吸込圧力と吐出圧力の差に比例する）に応じて、判定値（所定値）を適切に切り替えることにより、無負荷（圧力要素２０の吸込圧力と吐出圧力が均圧状態）から重負荷といった、幅広い負荷条件においても適切に衝突検知を行うことが可能なリニアモータシステムを提供することができる。
また、本実施例に示した圧縮機は、エアサスペンションにおいて車高を調整するために作動流体を圧縮する圧縮機に適用できる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやす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されるものではない。
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手続き等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良い。また、上記の各構成や機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現しても良い。
電力変換回路１０５は、電流を出力する態様であってもよい。この場合は、電圧指令値作成器１０３に代えて電流指令値作成器を設ければよい。

１…シリンダブロック
１ａ…シリンダ
２…永久磁石
３…密閉容器
４…ピストン
６…可動子
７…磁極
８…巻線
９…電機子
１６…シリンダヘッド
１７…ヘッドカバー
２０…圧縮要素
２３…共振バネ（アシストバネ）
３０…電動要素
５０…密閉型圧縮機
１００，２００…リニアモータシステム
１０１，２０１…リニアモータ駆動装置
１０２，２０２…制御部
１０４…リニアモータ
１０５…電力変換回路
１０６，１０７…電流検出器
１２６…フルブリッジ回路
１３０…低周波成分検出器
１３１，１３１ａ…衝突判定器
１３３…電圧指令値作成器
１３４…ＰＷＭ信号作成器
１４０…積分器
１５０…ストローク指令切替器

Claims

少なとも交流電圧が印加される巻線及び弾性体が接続する可動子を有するリニアモータを備え、
前記巻線に流れる交流電流の振幅の変動を検出し、検出される振幅が所定値を超えた場合、前記可動子が最大変位を超えたと検知するリニアモータ駆動装置を有し、
前記リニアモータ駆動装置は、
前記巻線に流れる交流電流を入力し、駆動周波数より低い周波数成分の電流振幅を検出する低周波成分検出器と、
前記低周波成分検出器により検出された電流振幅が所定値を超えた場合、前記可動子が最大変位を超えたと検知する衝突判定器と、を備え、
前記低周波成分検出器は、駆動周波数の１／２以下の周波数成分の前記巻線に流れる電流の電流振幅を検出し、
前記衝突判定器は、前記低周波成分検出器により検出された前記電流振幅が所定値を超えた場合、前記可動子が最大変位を超えたと検知すると共に、経過時間又は負荷条件に基づき、前記所定値を変更するものであって、
前記衝突判定器により前記可動子が最大変位を超えたと検知された場合、前記巻線に印加する電圧を変更するための電圧指令値を出力する電圧指令値作成器を有することを特徴とするリニアモータシステム。
請求項１に記載のリニアモータシステムにおいて、
前記衝突判定器は、
前記低周波成分検出器により検出された前記電流振幅が前記所定値以下の場合、ローレベル信号を衝突判定信号として前記電圧指令値作成器へ出力し、
前記低周波成分検出器により検出された前記電流振幅が前記所定値を超える場合、ハイレベル信号を衝突判定信号として前記電圧指令値作成器へ出力することを特徴とするリニアモータシステム。
請求項２に記載のリニアモータシステムにおいて、
前記電圧指令値作成器は、
予め設定或いは外部より入力される周波数指令値を積分して位相指令値を求める積分器と、
前記位相指令値に対する余弦を求める余弦演算器と、
前記可動子の変位の変化量であるストロークのストローク指令値と、前記ストローク指令値から所定のストローク減算値を減じた値のうちいずれか一方を選択するストローク指令切替器と、
前記余弦演算器の出力と、前記ストローク指令値又は前記ストローク指令値から所定のストローク減算値を減じた値とを乗ずる乗算器と、を備え、
前記ストローク指令切替器は、前記衝突判定信号がローレベル信号の場合、前記ストローク指令値を選択し、前記衝突判定信号がハイレベル信号の場合、前記ストローク指令値から所定のストローク減算値を減じた値を選択することを特徴とするリニアモータシステム。
少なとも交流電圧が印加される巻線及び弾性体が接続する可動子を有するリニアモータを備え、
前記巻線に流れる交流電流の振幅の変動を検出し、検出される振幅が所定値を超えた場合、前記可動子が最大変位を超えたと検知するリニアモータ駆動装置を有し、
前記リニアモータ駆動装置は、
前記巻線に流れる交流電流を入力し、駆動周波数より低い周波数成分の電流振幅を検出する低周波成分検出器と、
前記低周波成分検出器により検出された電流振幅が所定値を超えた場合、前記可動子が最大変位を超えたと検知する衝突判定器と、を備え、
前記低周波成分検出器は、駆動周期のＮ倍（Ｎ≧２）の周波数成分の前記巻線に流れる電流の電流振幅を検出し、
前記衝突判定器は、前記低周波成分検出器により検出された前記電流振幅が所定値を超えた場合、前記可動子が最大変位を超えたと検知すると共に、経過時間又は負荷条件に基づき、前記所定値を変更するものであって、
前記衝突判定器により前記可動子が最大変位を超えたと検知された場合、前記巻線に印加する電圧を減少させるための電圧指令値を出力する電圧指令値作成器を有することを特徴とするリニアモータシステム。
請求項４に記載のリニアモータシステムにおいて、
前記衝突判定器は、
前記低周波成分検出器により検出された前記電流振幅が前記所定値以下の場合、ローレベル信号を衝突判定信号として前記電圧指令値作成器へ出力し、
前記低周波成分検出器により検出された前記電流振幅が前記所定値を超える場合、ハイレベル信号を衝突判定信号として前記電圧指令値作成器へ出力することを特徴とするリニアモータシステム。
請求項５に記載のリニアモータシステムにおいて、
前記電圧指令値作成器は、
予め設定或いは外部より入力される周波数指令値を積分して位相指令値を求める積分器と、
前記位相指令値に対する余弦を求める余弦演算器と、
前記可動子の変位の変化量であるストロークのストローク指令値と、前記ストローク指令値から所定のストローク減算値を減じた値のうちいずれか一方を選択するストローク指令切替器と、
前記余弦演算器の出力と、前記ストローク指令値又は前記ストローク指令値から所定のストローク減算値を減じた値とを乗ずる乗算器と、を備え、
前記ストローク指令切替器は、前記衝突判定信号がローレベル信号の場合、前記ストローク指令値を選択し、前記衝突判定信号がハイレベル信号の場合、前記ストローク指令値から所定のストローク減算値を減じた値を選択することを特徴とするリニアモータシステム。