JP2010035287A - 円筒型リニアモータ及びそれを用いた電磁サスペンション及び電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高ダンピングで、高推力のリニアモータ及びこれを用いた電磁サスペンション及び電動パワーステアリング装置を提供することにある。
【解決手段】固定子２は、固定子巻線７と、固定子鉄心５を有する。移動子３は、移動子鉄心１１と、複数の永久磁石９とを備える。固定子鉄心５は、移動子の側の表面に複数の小磁極５１ｂを有する複数の固定子鉄心磁極５１と、固定子鉄心磁極の両端に配置される２つの補助磁極５３と、固定子鉄心及び補助磁極と共に磁気回路を構成するヨーク部とを備える。固定子鉄心により構成される磁気回路は、前記３相に対して共有化される。複数の固定子鉄心磁極の内、一つの固定子鉄心が備える複数の小磁極５１ｂと対向する位置にそれぞれ位置する移動子３の複数の永久磁石９は、同極性となるように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、円筒型リニアモータ及びそれを用いた電磁サスペンション及び電動パワーステアリング装置に関する。

新幹線の車両や自動車等の揺動を永久磁石式の円筒リニアモータをインバータ使用して制限しようとの試みが検討されている。この場合、インバータが故障した場合においても、円筒型リニアモータの３相間の端子を短絡させて、大きな減衰（ダンピング）力を確保できれば、リニアモータに併設する油圧ダンパーをなくすか、小さくすることができ、サスペンション全体を小型、低価格で構成することが可能になる。

従来、これらに、電磁サスペンションのモータとして使用されるリニアモータとしては、永久磁石３相同期型円筒型リニアモータを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。３相同期型円筒型リニアモータは、２重筒の外筒（固定子）の内周側に磁極を設け、その間にコイルを取り付けた構成とし、内筒（移動子）には外周側に磁石を取り付けた構成としている。さらに、特許文献１も記載のように、磁極のピッチ（τｍ）と永久磁石（τｐ）の極ピッチとを、２／３＜τｍ／τｐ＜４／３の構成とすることによって、小形高推力、低推力脈動の円筒型リニアモータを実現している。

また、他の円筒型リニアモータとして、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相毎に独立した構成の磁極とし、磁極のピッチ（τｍ）と永久磁石（τｐ）の極ピッチとの関係が１／２＜τｍ／τｐ，つまり、τｍ／τｐ＜１／２の構成のものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−１８７０７９号公報 特開２００５−５１８８４号公報

しかしながら、特許文献１記載のものは、磁極のピッチ（τｍ）と永久磁石（τｐ）の極ピッチとの比が、２／３＜τｍ／τｐ＜４／３となっているために、永久磁石の磁路の飽和によって発揮できる推力に限界があり、高ダンピングが発揮できないという問題がある。

また、特許文献２記載のリニアモータでは、磁極のピッチ（τｍ）と永久磁石（τｐ）の極ピッチとの比が、τｍ／τｐ＜１／２の構成となっているために、周波数が高く、固定子巻線の磁束量を大きくする必要が無いために、固定子巻線のしめるスロット面積を大きくできることから、高ダンピングの性格を備えたモータとできる。しかし、特許文献２記載のものでは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相がそれぞれ、磁気回路を独立に構成しているために、各相間にスペーサを挿入して性能に関連しない空間を設けているため、体積当たりの推力、ダンピングが低減するという問題があった。

本発明の目的は、高ダンピングで、高推力のリニアモータ及びこれを用いた電磁サスペンション及び電動パワーステアリング装置を提供することにある。

本発明の最も代表的な特徴は、円筒状の固定子と、この固定子に対して隙間を介して配置されるとともに、前記固定子に対して直線的に移動可能な円筒状の移動子とを有する円筒型リニアモータであって、前記固定子は、前記移動子の移動方向に順次配列した３相の固定子巻線と、これらの固定子巻線間に配置された固定子鉄心とを備え、前記移動子は、移動子鉄心と、該移動子鉄心に固定され、等間隔の磁極を有する複数の永久磁石とを備え、前記固定子鉄心は、前記移動子の側の表面に複数の小磁極を有する複数の固定子鉄心磁極と、該固定子鉄心磁極の両端に配置される２つの補助磁極と、前記固定子鉄心及び前記補助磁極と共に磁気回路を構成するヨーク部とを備え、前記固定子鉄心により構成される磁気回路は、前記３相に対して共有化され、前記複数の固定子鉄心磁極の内、一つの固定子鉄心が備える複数の前記小磁極と対向する位置にそれぞれ位置する前記移動子の複数の永久磁石は、同極性となるように構成したものである。

また、本発明の他の特徴としては、固定子鉄心により構成される磁気回路は、３相に対して共有化され、固定子の複数の前記小磁極のピッチが、移動子の複数の永久磁石のピッチと等しくなるように構成したものである。

本発明の代表的な円筒型リニアモータ装置の特徴は、円筒状の固定子と、この固定子に対して隙間を介して配置されるとともに、前記固定子に対して直線的に移動可能な円筒状の移動子とを有する円筒型リニアモータと、前記固定子鉄心の磁気回路内に配置された前記移動子の磁極位置を検出するための位置センサと、該位置センサの出力により、前記移動子の位置を算出し、それによって前記リニアモータに供給される電流を制御する制御装置とを有する円筒型リニアモータ装置であって、前記円筒型リニアモータの前記固定子は、前記移動子の移動方向に順次配列した３相の固定子巻線と、これらの固定子巻線間に配置された固定子鉄心とを備え、前記移動子は、移動子鉄心と、該移動子鉄心に固定され、等間隔の磁極を有する複数の永久磁石とを備え、前記固定子鉄心は、前記移動子の側の表面に複数の小磁極を有する複数の固定子鉄心磁極と、該固定子鉄心磁極の両端に配置される２つの補助磁極と、前記固定子鉄心及び前記補助磁極と共に磁気回路を構成するヨーク部とを備え、前記固定子鉄心により構成される磁気回路は、前記３相に対して共有化され、前記複数の固定子鉄心磁極の内、一つの固定子鉄心が備える複数の前記小磁極と対向する位置にそれぞれ位置する前記移動子の複数の永久磁石は、同極性となるように構成したものである。

さらに、これらの円筒型リニアモータを、電磁サスペンションや電動パワーステアリング装置に適用したものである。

かかる構成により、高ダンピングで、高推力を得られるものとなる。

本発明によれば、リニアモータ及びこれを用いた電磁サスペンションを、高ダンピングで、高推力とすることができる。

以下、図１〜図１３を用いて、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータの構成について説明する。
最初に、図１及び図２を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータの全体構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータの構成を示す横断面図である。図２は、図１のａ−ａ断面図である。また、図１は、図２のｂ−ｂ断面図である。

図１に示すように、本実施形態による永久磁石式３相円筒型リニアモータ１は、円筒形状の固定子２と、固定子２の内部に摺動可能に保持された円筒形状の移動子３とから構成される。

固定子２は、固定子ケース４と、固定子鉄心５と、固定子巻線７と、固定子内部ケース１４から構成される。また、固定子ケース４の外周には、放熱のため凹凸部（図示せず）が形成されている。固定子ケース４の内周側には、固定子鉄心５が固定されている。固定子ケース４は、有底の円筒形状のものを軸方向に２分割したものを、分割面で合わせて、円筒形状としている。半割にした片方の固定子ケース４の中に固定子の各構成部品（後述する固定子鉄心ヨーク５２，固定子鉄心磁極５１，固定子巻線７，補助磁極５３）を配置した後、残りの半割の固定子ケースをかぶせて固定子が構成される。

固定子鉄心５は、図示の例では、９個のリング状の固定子鉄心ヨーク５２と、８個のリング状の固定子鉄心磁極５１と、２個のリング状の補助磁極５３とからなる。固定子鉄心ヨーク５２と固定子鉄心磁極５１とを交互に積層した構成とするとともに、この積層体の両側に補助磁極５３を積層した構成とする。固定子鉄心ヨーク５２と、固定子鉄心磁極５１と、補助磁極５３とは、いずれも、鉄製である。固定子鉄心磁極５１は、固定子鉄心ヨーク５２とは別体に構成しているため、両者を一体的に形成する場合に比べて、それぞれ、比較的単純なリング構成でよいため、制作性が向上する。なお、固定子鉄心磁極５１，固定子鉄心ヨーク５２，補助磁極５３としては、鉄粉を圧縮して固めた圧粉を用いることもできる。圧粉を用いることにより、固定子歯部の抵抗値を大きくでき、渦電流損を小さくできるため、発生する推力を大きくすることができる。

固定子鉄心ヨーク５２と固定子鉄心磁極５１とを交互に積層配置し、さらに、この積層体の両端に補助磁極５３を配置することによって、固定子側２の側の磁気回路が形成できる。

固定子鉄心ヨーク５２と、その両側に位置する固定子鉄心磁極５１とによって形成されるスロット、若しくは、固定子鉄心ヨーク５２に一方の側に位置する固定子鉄心磁極５１と他方の側に位置する補助磁極５３によって形成されるスロットからなる、９個のスロット６の内部には、９個の固定子巻線７（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）が配置される。なお、図示はしていないが、適用な絶縁手段（絶縁紙、ワニス）によって、固定子巻線７、固定子鉄心磁極５１，固定子鉄心ヨーク５２の間の絶縁が為される。

固定子巻線７は、表面をエナメル被覆された銅線を、リング状に複数ターン巻回したものが用いられる。ここでは、各巻線とも、同一方向に巻回されたものが用いられる。なお、平角線等の巻線を用いることによって、スロット６内の固定子巻線７の占積率が向上し、推力向上、高ダンピング化に寄与することができる。固定子巻線７のＵ１，Ｕ２，Ｕ３はＵ相に、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３はＶ相に、Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３はＷ相にそれぞれ接続されるものとする。ここで、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の巻線は一般にはスター結線される。

さらに、固定子鉄心磁極５１は、固定子鉄心歯部５１ａと、固定子鉄心小磁極５１ｂと、固定子鉄心小磁極スリット５１ｃと、固定子鉄心小磁極ヨーク５１ｄとから構成される。固定子鉄心歯部５１ａは、固定子磁極５１の内、外周側及び中央部付近に位置する部材である。固定子鉄心歯部５１ａは、固定子鉄心ヨーク５２との磁路を形成する。固定子鉄心小磁極５１ｂは、固定子磁極５１の内、内周側の、移動子３に対向する部分に位置する凸状の部材である。図示の例では、一つの固定子鉄心磁極５１は、３個の固定子鉄心小磁極５１ｂを有する。固定子鉄心小磁極ヨーク５１ｄは、固定子鉄心小磁極５１ｂと、固定子鉄心歯部５１ａとを磁気的に連結する部材である。固定子鉄心小磁極スリット５１ｃは、固定子磁極５１の内、内周側の、移動子３に対向する部分に位置する凹状の部分である。固定子鉄心小磁極スリット５１ｃは、固定子鉄心小磁極５１ｂと、固定子鉄心小磁極ヨーク５１ｄとによって形成される。固定子鉄心小磁極５１ｂが３個の場合、固定子鉄心小磁極スリット５１ｃは２個である。固定子鉄心歯部５１ａと、固定子鉄心小磁極５１ｂと、固定子鉄心小磁極スリット５１ｃと、固定子鉄心小磁極ヨーク５１ｄとは一体的に形成され、固定子鉄心磁極５１を構成している。

隣り合う固定子鉄心磁極５１の間と固定子鉄心ヨーク５２によって囲まれた空間はスロット６が形成される。スロット６の内部に、固定子巻線７が配置される。また、スロット６の移動子３の側にはスリット６１が形成され、隣り合う固定子鉄心磁極５１の間の磁気短絡を防止する役割をしている。

一方、補助磁極５３は、補助磁極歯部５３ａと、補助磁極小磁極５３ｂと、補助磁極小磁極スリット５３ｃと、補助磁極小磁極ヨーク５３ｄとから構成される。補助磁極歯部５３ａは、補助磁極５３の内、外周側及び中央部付近に位置する部材である。補助磁極歯部５３ａは、固定子鉄心ヨーク５２との磁路を形成する。補助磁極小磁極５３ｂは、補助磁極５３の内、内周側の、移動子３に対向する部分に位置する凸状の部材である。図示の例では、一つの補助磁極５３は、２個の補助磁極小磁極５３ｂを有する。補助磁極小磁極ヨーク５３ｄは、補助磁極小磁極５３ｂと、固定子鉄心歯部５１ａとを磁気的に連結する部材である。補助磁極小磁極スリット５３ｃは、補助磁極５３の内、内周側の、移動子３に対向する部分に位置する凹状の部分である。補助磁極小磁極スリット５３ｃは、補助磁極小磁極５３ｂと、補助磁極小磁極ヨーク５３ｄとによって形成される。補助磁極小磁極５３ｂが２個の場合、補助磁極小磁極スリット５３ｃは１個である。補助磁極歯部５３ａと、補助磁極小磁極５３ｂと、補助磁極小磁極スリット５３ｃと、補助磁極小磁極ヨーク５３ｄとは一体的に形成され、補助磁極５３を構成している。

補助磁極５３は、固定子鉄心磁極５１や固定子鉄心ヨーク５２と共に、固定子磁路を形成する。特に、補助磁極５３は、コギングを含めた脈動推力低減に重要な役割を果たすものである。

次に、移動子３は、移動子ケース１０と、移動子鉄心１１と、６４個の永久磁石９とからなる。移動子ケース１０は、有底の円筒形状であり、その内径は、固定子ケース４の外径よりも大きくなっている。また、移動子ケース１０の底部側の外端面には取り付け部（図示せず）が固定されている。取り付け部は、図２１を用いて後述する車両の場合、車体若しくは台車に取り付けるために用いられる部分である。

移動子鉄心１１は、移動子ケース１０の底部に固定されるとともに、円筒形状である。６４個の永久磁石９は、リング状であるとともに、移動子鉄心１１の外周側に互いに等間隔で取り付けられている。隣接する永久磁石９の極性は、Ｎ極，Ｓ極が軸方向に交互に並んだ構成となっている。移動子鉄心１１の両端部には、移動子鉄心突起部１１ａが形成され、永久磁石９が軸方向に移動するのを防止している。なお、ここで、永久磁石９の極性がＮ極であるとは、永久磁石９の外周側がＮ極に着磁され、内周側がＳ極に着されているリング状の磁石のことである。また、永久磁石９の極性がＳ極であるとは、永久磁石９の外周側がＳ極に着磁され、内周側がＮ極に着されているリング状の磁石のことである。

永久磁石９の外周側と、固定子鉄心磁極５１の内周側の間には、所定の空隙が設けられており、移動子３は、固定子２の内部を軸方向に非接触で往復動が可能である。

また、移動子３の端端に位置する永久磁石の外周近傍には、それぞれ３個のホール素子Ｈｕ，Ｈｖ、Ｈｗからなる磁極位置センサ１２が設けられている。３個のホール素子Ｈｕ，Ｈｖ、Ｈｗは、それぞれ、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の磁極位置を検出する。

また、固定子内部ケース１４の移動子側の端部には、ストロークセンサ固定子１３ａが設けられ、移動子３の移動子ケース１０の底部には棒状のストロークセンサ移動子１３ｂが設けられている。ストロークセンサ固定子固定子１３ａとストロークセンサ移動子１３ｂとによって、ストロークセンサ１３が構成される。ストロークセンサ１３は、固定子２に対する移動子３のｘ方向の移動量を検出するリニアセンサであり、例えば、ポテンショメータで絶対位置（ストローク）を検出する。また、ストロークセンサとしては、リラクタンスを利用した非接触センサでもよい。さらに、ストロークセンサは、磁極位置センサの代用にすることもできる。一方、磁極位置センサを、ストロークセンサによって代用することもできる。

次に、図３を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心磁極５１と永久磁石９との関係について説明する。

図３は、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータの要部構成を示す横断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

ここでは、図１に示した固定子鉄心磁極５１の要部として、３個の固定子鉄心ヨーク５２Ａ，５２Ｂ，５２Ｃと、２個の固定子鉄心５１Ａ，５１Ｂと、３個の固定子巻線７Ａ，７Ｂ，７Ｃとを図示している。固定子鉄心５１Ａは、３個の固定子鉄心小磁極５１ｂＡ１，５１ｂＡ２，５１ｂＡ３を有している。また、固定子鉄心５１Ｂは、３個の固定子鉄心小磁極５１ｂＢ１，５１ｂＢ２，５１ｂＢ３を有している。さらに、図１に示した永久磁石９の要部として、１０個の永久磁石９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅ，９ｆ，９ｇ，９ｈ，９ｉ，９ｊを図示している。

ここで、本実施形態では、隣接する固定子鉄心小磁極５１ｂの間のピッチτｓは、永久磁石９の中心間のピッチτｐの２倍に等しい。したがって、例えば、固定子鉄心５１Ａの固定子鉄心小磁極５１ｂＡ１に、Ｓ極の永久磁石９ａが対向している場合には、固定子鉄心５１Ａの固定子鉄心小磁極５１ｂＡ２，５１ｂＡ３には、Ｓ極の永久磁石９ｃ，９ｅがそれぞれ対向している。すなわち、本実施形態においては、１個の固定子鉄心磁極５１Ａは、３個の固定子鉄心小磁極５１ｂＡ１，５１ｂＡ２，５１ｂＡ３を有するとともに、これらの固定子鉄心小磁極５１ｂＡ１，５１ｂＡ２，５１ｂＡ３と対向する３個の永久磁石９ａ，９ｃ，９ｅは、同極性となる。また、隣接する１個の固定子鉄心磁極５１Ｂは、３個の固定子鉄心小磁極５１ｂＢ１，５１ｂＢ２，５１ｂＢ３を有するとともに、これらの固定子鉄心小磁極５１ｂＢ１，５１ｂＢ２，５１ｂＢ３と対向する３個の永久磁石９ｆ，９ｈ，９ｊは、同極性のＮ極となる。

ここで、本実施形態において、隣接する固定子鉄心磁極５１の中心間の距離（ピッチ）をτｍとし、隣接する永久磁石９の中心間の距離（ピッチ）をτｐとする。ここでは、隣接する固定子鉄心磁極５１の中心間の距離τｍと、隣接する永久磁石９の中心間の距離τｐとの間には、一つの固定子鉄心磁極５１に３個の固定子鉄心小磁極５１ｂが付いた構成としているので、次の式（１）が成立する。

τｍ＝τｐ・（５＋１／３）＝１６／３・τｐ …（１）

したがって、隣接する固定子鉄心磁極５１の中心間の距離（ピッチ）τｍは、１６／３・τｐとなり、周期性を考えると、電気角では２４０度の間隔となる。従って、軸方向右側に移動子が移動することによって、固定子巻線７のＵ，Ｖ，Ｗ相に電気角で１２０度位相のずれた誘起電圧が発生する原理となる。

なお、以上は、一つの固定子鉄心磁極５１に３個の固定子鉄心小磁極５１ｂが付いた場合であるが、一つの固定子鉄心磁極５１に２個の固定子鉄心小磁極５１ｂが付いた場合や、一つの固定子鉄心磁極５１に４個の固定子鉄心小磁極５１ｂが付いた場合も可能である。

一つの固定子鉄心磁極５１に２個の固定子鉄心小磁極５１ｂが付いた場合は、τｍ＝１０／３・τｐとなり、一つの固定子鉄心磁極５１に４個の固定子鉄心小磁極５１ｂが付いた場合は、τｍ＝２２／３・τｐとなる。

ここで、上式を書き直すと、一つの固定子鉄心磁極５１に３個の固定子鉄心小磁極５１ｂが付いた場合は、τｍ／τｐ＝１６／３となり、一つの固定子鉄心磁極５１に２個の固定子鉄心小磁極５１ｂが付いた場合は、τｍ／τｐ＝１０／３となり、一つの固定子鉄心磁極５１に４個の固定子鉄心小磁極５１ｂが付いた場合は、τｍ／τｐ＝２２／３となる。

一方、前述した特許文献１においては、２／３＜τｍ／τｐ＜４／３の構成とし、特許文献２においては、τｍ／τｐ＜１／２の構成としている。すなわち、本実施形態では、τｍ／τｐを、特許文献１や特許文献２の構成に比べて大きくしている。

以上のように、固定子巻線７のＵ，Ｖ，Ｗ相に電気角で１２０度位相のずれた誘起電圧が発生するので、この固定子巻線７に後述する制御装置によって、電気角で１２０度位相のずれた電流を通電することによって、軸方向に連続した推力を発生することができる。

上述した固定子２と移動子３とからなる円筒型リニアモータ１において、さらに、固定子巻線７に流す電流を制御して、発生する推力を制御する制御装置を備えて、電磁サスペンションが構成される。制御装置の構成については、後述する。電磁サスペンションは、ここでは、特に、鉄道車両の揺動防止に用いることができる。この場合、例えば、固定子２の軸方向端部の取り付け部（図示せず）は車体に取り付けられ、移動子の軸方向端部の取り付け部（図示せず）は、台車側に取り付けることによって、機能させることができる。

次に、以上の構成により、高ダンピングが得られる原理について説明する。

図１に示した本実施形態の構成により、固定子鉄心磁極５１の内周側の面積をＡ、移動子３と固定子２の間の空隙の磁束密度は最大値Ｂｇで正弦波状に変化すると考えると、一個の固定子鉄心磁極５１を通る磁束の最大値はφｍ１は、式（２）式で表される。

Φｍ１＝２／π・Ａｍ・３／５・Ｂｇ …（２）

一方、特許文献１で示された構成においては、一個の固定子鉄心磁極５１を通る磁束の最大値φｍ２は、

φｍ２＝２／π・Ａｍ・Ｂｇ …（３）

となる。

固定子鉄心磁極５１を通る磁束の約１／２が各固定子巻線７に鎖交すると考えられる。

ここで、誘起電圧Ｅについて考えると、誘起電圧Ｅは、一般に次式（４）で表せる。

Ｅ＝ｋ１・φｍ・Ｐ …（４）

ここで、Ｋ１は定数、Ｐは極数である。

ここで、本実施形態による円筒型リニアモータの極数Ｐ１は４８であり、特許文献１に示された円筒型リニアモータの極数Ｐ２は９である。従って、両者の極数の比（Ｐ１／Ｐ２）は、４８／９であるので、約５となる。そして、本実施形態による円筒型リニアモータによって発生する誘起電圧Ｅ１と、特許文献１に示された円筒型リニアモータによって発生する誘起電圧Ｅ２の比（Ｅ１／Ｅ２）は、３Ｐ１／５Ｐ２と表すことができるので、４８／１５となる。したがって、本実施形態による円筒型リニアモータによって発生する誘起電圧Ｅ１は、特許文献１に示された円筒型リニアモータによって発生する誘起電圧Ｅ２の、約３倍となる。

なお、実際には永久磁石９から固定子鉄心小磁極５１ａを通る磁束は固定子鉄心小磁極ヨーク５１ｄ、固定子鉄心小磁極スリット５１Ｃを通って戻り、固定子巻線７と鎖交しないために上記ほど大きな値とはならない。ただし、前述のように、誘起電圧を向上でき、発電定数Ｋｅを大きくすることができる。ダンピング力は、（Ｋｅ^２／Ｒ）に比例して大きくなるため、ダンピング力を大きくすることができる。

また、巻線抵抗Ｒは、本実施形態のものと、特許文献１のものでは、基本的に同じである。但し、本実施形態では、磁気回路は固定子鉄心磁極５１を通る磁束を少なくできることから、固定子２及び移動子３の磁路の断面積を小さくすることができる。その結果、スロットの断面形状を大きくし、抵抗Ｒを下げることができる。ダンピング力は、（Ｋｅ^２／Ｒ）に比例して大きくなるため、抵抗Ｒを下げることで、ダンピング力を大きくすることができる。

次に、図４を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心磁極５１と永久磁石９との他の構成について説明する。

図４は、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータの要部の他の構成を示す横断面図である。なお、図１や図３と同一符号は、同一部分を示している。

ここでは、固定子鉄心５１Ａは、２個の固定子鉄心小磁極５１ｂＡ１，５１ｂＡ２を有している。また、永久磁石としては、３個の永久磁石９ａ，９ｂ，９ｃを図示している。

この場合、隣接する固定子鉄心小磁極５１ｂの間のピッチτｓは、永久磁石９の中心間のピッチτｐの２倍に等しい。したがって、例えば、固定子鉄心５１Ａの固定子鉄心小磁極５１ｂＡ１に、Ｎ極の永久磁石９ａが対向している場合には、固定子鉄心５１Ａの固定子鉄心小磁極５１ｂＡ２には、Ｎ極の永久磁石９ｃが対向している。すなわち、本実施形態においては、１個の固定子鉄心磁極５１Ａは、２個の固定子鉄心小磁極５１ｂＡ１，５１ｂＡ２を有するとともに、これらの固定子鉄心小磁極５１ｂＡ１，５１ｂＡ２と対向する２個の永久磁石９ａ，９ｃは、同極性となる。

ここで、本実施形態において、隣接する固定子鉄心磁極５１の中心間の距離（ピッチ）をτｍとし、隣接する永久磁石９の中心間の距離（ピッチ）をτｐとする。ここでは、隣接する固定子鉄心磁極５１の中心間の距離τｍと、隣接する永久磁石９の中心間の距離τｐとの間には、一つの固定子鉄心磁極５１に２個の固定子鉄心小磁極５１ｂが付いた構成としているので、τｍ＝１０／３・τｐ となる。

隣接する固定子鉄心磁極５１の中心間の距離（ピッチ）τｍは、１０／３・τｐとなるので、周期性を考えると、電気角では２４０度の間隔となる。従って、軸方向右側に移動子が移動することによって、固定子巻線７のＵ，Ｖ，Ｗ相に電気角で１２０度位相のずれた誘起電圧が発生する原理となる。

以上のように、固定子巻線７のＵ，Ｖ，Ｗ相に電気角で１２０度位相のずれた誘起電圧が発生するので、この固定子巻線７に後述する制御装置によって、電気角で１２０度位相のずれた電流を通電することによって、軸方向に連続した推力を発生することができる。

この例でも、従来に比べて、円筒型リニアモータによって発生する誘起電圧Ｅ１は、特許文献１に示された円筒型リニアモータによって発生する誘起電圧Ｅ２よりも大きくできる。そのため、発電定数Ｋｅを大きくすることができるので、ダンピング力を大きくすることができる。

また、特許文献２に記載のリニアモータでは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相がそれぞれ、磁気回路を独立に構成している。すなわち、特許文献２の＜図１＞，＜図３＞及び段落番号＜００２８＞に記載のように、Ｕ相の環状コイル２は、一対の電機子ヨーク１により挟持されている。また、Ｖ相の環状コイル２は、一対の電機子ヨーク１により挟持されている。さらに、Ｗ相の環状コイル２は、一対の電機子ヨーク１により挟持されている。そして、Ｕ相用の電機子ヨークと、Ｖ相用の電機子ヨークとの間には、スペーサを挿入して、両者の間に間隙を設けている。このように、各相間にスペーサを挿入して、性能に関連しない空間を設けているため、体積当たりの推力、ダンピングを低減する。

一方、本実施形態では、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の磁気回路は、共有化されている。例えば、図３に示した例で、固定子巻線７ＡがＷ相の巻線、固定子巻線７ＢがＶ相の巻線、固定子巻線７ＣがＵ相の巻線とすると、固定子鉄心５１Ａは、Ｗ相とＶ相で共有されて磁気回路を構成する。また、固定子鉄心５１Ｂは、Ｖ相とＵ相で共有されて磁気回路を構成する。このように、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の磁気回路を共有化することで、不要な空間を形成していないため、体積当たりの推力、ダンピングが向上する。

次に、図５を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置の構成について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置の構成を示すブロック図である。なお、図１や図３と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態の円筒型リニアモータ装置は、円筒型リニアモータ１と、円筒型リニアモータ１の駆動電源を構成する直流電源１０１と、円筒型リニアモータ１に供給される電力を制御して駆動を制御する制御装置１００とからなる。

直流電源１０１は、直流電力の供給が可能なものである。

制御装置１００は、直流電源１０１から供給された直流電力を、所定の交流電力に変換して、円筒型リニアモータ１の固定子巻線７に供給するインバータ装置である。

制御装置１００は、直流電源１０１と固定子巻線７との間に電気的に接続された電力系のインバータ回路１０２（電力変換回路）と、インバータ回路１０２の動作を制御する制御回路１０３とを備えている。

インバータ回路１０２は、スイッチング用半導体素子（例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ：金属酸化膜半導体形電界効果トランジスタ，ＩＧＢＴ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）から構成されたブリッジ回路である。ブリッジ回路は、アームと呼ばれる直列回路が、円筒型リニアモータ１の相数分（本例では３相であるので、３つ）、電気的に並列に接続されて構成されている。各アームは、上アーム側のスイッチング用半導体素子と下アーム側のスイッチング用半導体素子とが、電気的に直列に接続されて構成されている。各アームの高電位側回路端は、直流電源１０１の正極側に電気的に接続され、低電位側回路端は直流電源１０１の負極側に電気的に接続されて接地されている。各アームの中点（上アーム側のスイッチング用半導体素子と下アーム側のスイッチング用半導体素子との接続点）は、固定子巻線７の対応する相巻線（Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３；Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３；Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３）に、電気的に接続されている。

インバータ回路１０２と直流電源１０１との間には、平滑用のコンデンサ１０７が、電気的に並列に接続されている。インバータ回路１０２と固定子巻線７との間には、電流センサ１０８が設けられている。電流センサ１０８は、変流器などから構成されたものであり、各相に流れる交流電流を検出するためのものである。

制御回路１０３は、インバータ回路１０２のスイッチング用半導体素子の動作（オン・オフ）を、入力情報に基づいて制御するものである。入力情報としては、円筒型リニアモータ１に対する要求推力（電流指令信号Ｉｓ）と、円筒型リニアモータ１の移動子３の磁極位置θが入力されている。要求推力（電流指令信号Ｉｓ）は、被駆動体に要求される要求量に応じて上位制御回路から出力された指令情報である。磁極位置θは、磁極位置センサ１２の出力から得られた検出情報である。ここで、電流指令信号Ｉｓは図示のように上位の位置制御回路１１２で、ストロークセンサ１３からの位置情報θｏと位置指令θｓとから作られる。

図において、位置検出器１２を構成するホール素子Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗの信号によって、角度演算回路１０４は、磁極位置情報θを出力する。これによって、固定子巻線７の各相の誘起電圧と同相の正弦波出力に応じた、或いは位相シフトされた正弦波出力に応じた各相の電流指令値Ｉｓｕ，Ｉｓｖ，Ｉｓｗに変換して、電流制御系（ＡＣＲ）１０５に出力する。

変換回路１０６から出力された各相の電流指令値Ｉｓｕ，Ｉｓｖ，Ｉｓｗは、対応する相の電流制御系（ＡＣＲ）１０５に入力される。各相の電流制御系（ＡＣＲ）１０５には、その他に、対応する相の電流センサ１０８から出力された出力信号Ｉｆｕ，Ｉｆｖ，Ｉｆｗが入力されている。各相の電流制御系（ＡＣＲ）１０５は、対応する相の電流センサ１０８の出力信号Ｉｆｕ，Ｉｆｖ，Ｉｆｗから得られた各相の電流値と、対応する相の電流指令値Ｉｓｕ，Ｉｓｖ，Ｉｓｗに基づいて、インバータ回路１０２の、対応する相のアームのスイッチング用半導体素子を駆動するための駆動信号を出力する。

各相の電流制御系（ＡＣＲ）１０５から出力された駆動信号は、対応する相のアームを構成するスイッチング用半導体素子の制御端子に入力される。これにより、各スイッチング用半導体素子がオン・オフ動作し、直流電源１０１から供給された直流電力が交流電力に変換され、固定子巻線７の対応する相巻線に供給される。

本例のインバータ装置では、固定子巻線７に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石９が作る磁束又は磁界の方向に対して直交するように、或いは位相シフト（固定子巻線７に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石９が作る磁束又は磁界の方向に対して９０度（電気角）以上進む）ように、固定子巻線７に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を常に形成している。これにより、本例の永久磁石回転電機装置では、無整流子（ブラシレス）の円筒型リニアモータ１を用いて、直流リニアモータと同等の特性を得ることができる。なお、固定子巻線７に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石９が作る磁束又は磁界の方向に対して９０度（電気角）以上進むように、固定子巻線７に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を常に形成する制御を弱め界磁制御という。

本例のインバータ装置は、円筒型リニアモータ１を限られた直流電圧で高速駆動するときに用いられる。

従って、本例の円筒型リニアモータ装置では、固定子巻線７に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石９が作る磁束又は磁界の方向に対して直交するように、固定子巻線７に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を移動子３の磁極位置に基づいて制御すれば、円筒型リニアモータ１から連続的に最大推力を出力できる。弱め界磁制御が必要な時には、固定子巻線７に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石６が作る磁束又は磁界の方向に対して９０度（電気角）以上進むように、固定子巻線７に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を移動子３の磁極位置に基づいて制御すればよい。

また、本例の円筒型リニアモータ１では、固定子巻線７の各相巻線に誘起される電圧の波形が正弦波になる。これは、図１に示した円筒型リニアモータ１における永久磁石９の極数を大きくしたことによって、固定子２，移動子３間の空隙の分布が自然に正弦波状になることによるものである。本例のインバータ装置では、その正弦波誘起電圧に対して、移動子３の磁極位置に応じた正弦波電流を固定子巻線７の各相巻線に１８０度（電気角）通電する。

従って、以上の構成、制御によって、本例の円筒型リニアモータ装置では、円筒型リニアモータ１の出力推力の変動を小さく抑えることができる。
次に、図６を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータにおける３相短絡のための構成について説明する。
図６は、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける３相短絡のための構成を示すブロック図である。なお、図１，図３及び図５と同一符号は、同一部分を示している。

図５に示したインバータ１０２が故障した場合、円筒型リニアモータが大きなダンピングを発生するようにするには、円筒型リニアモータの３相間の端子を短絡させる必要がある。

そのために、図６に示すように、インバータ１０２と、固定子巻線７の各相コイルＵ，Ｖ，Ｗとの間には、スイッチＳＷ−ｕ，ＳＷ−ｖ，ＳＷ−ｗを設けている。各スイッチＳＷ−ｕ，ＳＷ−ｖ，ＳＷ−ｗは、それぞれ２接点を有し、一方の接点は、インバータ１０２の３相出力端子にそれぞれ接続されている。各スイッチＳＷ−ｕ，ＳＷ−ｖ，ＳＷ−ｗの他方の接点は、互いに接続されている。

通常は、スイッチＳＷ−ｕ，ＳＷ−ｖ，ＳＷ−ｗは、インバータ１０２と、固定子巻線７の各相コイルＵ，Ｖ，Ｗとを接続するように切り替えられている。

制御回路１０３は、インバータ１０２が故障と判定すると、スイッチＳＷ−ｕ，ＳＷ−ｖ，ＳＷ−ｗを切り替えて、固定子巻線７の各相コイルＵ，Ｖ，Ｗを短絡する。これにより、円筒型リニアモータは、大きなダンピングを発生する。

車両の揺動防止時に、固定子巻線を３相短絡して高ダンピングを得ることにより、車両に通常備えられているダンパを省略することができる。

次に、図７〜図１３を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク５２，固定子鉄心磁極５１，及び補助磁極５３の他の形状について説明する。

図１に示した固定子鉄心５は、本実施形態のリニアモータが発生する推進力を固定子ケース４に伝達させる部材である。また、固定子鉄心５は、固定子巻線７で発生する熱を伝達させる部材である。そこで、リング状の固定子鉄心ヨーク５２，固定子鉄心磁極５１，及び補助磁極５３は軸方向には隙間なく、同軸度を保って構成される必要がある。

以下、同軸度を保てるような固定子鉄心ヨーク，固定子鉄心磁極，及び補助磁極の他の構成について説明する。

最初に、図７を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、固定子鉄心磁極、及び補助磁極の他の第１の形状について説明する。
図７は、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第１の形状を示す横断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

固定子鉄心５Ｋは、図示の例では、複数個のリング状の固定子鉄心磁極５１Ｋと、２個のリング状の補助磁極５３Ｋとからなる。固定子鉄心磁極５１Ｋは、固定子巻線７の直上で略Ｔ字形に分割された形状である。固定子鉄心磁極５１Ｋとを順次積層した構成とするとともに、この積層体の両側に図示しない補助磁極を積層した構成とする。これらの構成により、固定子の側の磁気回路が形成できる。

隣接する固定子鉄心磁極５１Ｋとによって形成されるスロットからなる、３個のスロットの内部には、３個の固定子巻線７が配置される。固定子鉄心磁極５１Ｋは、図１と同様に、内周側の、移動子３に対向する部分に位置する３個の固定子鉄心小磁極を有する。

なお、図７では、説明の簡単のため、３個の固定子巻線の場合について示しているが、図１に示したように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各相に３つずつ固定子巻線を有し、合計９個の場合には、固定子鉄心５Ｋは、８個のリング状の固定子鉄心磁極５１Ｋと、２個のリング状の補助磁極とからなる。

このように、固定子巻線７の直上で径方向に分割することで、固定子鉄心５の内部の磁束の流れに対し、分割面を垂直に構成でき、磁束の流れを妨げる影響を少なくできる。

次に、図８を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、固定子鉄心磁極、及び補助磁極の他の第２の形状について説明する。
図８は、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第２の形状を示す横断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

固定子鉄心５Ｌは、図示の例では、複数個のリング状の固定子鉄心磁極５１Ｌとからなる。固定子鉄心磁極５１Ｌは、固定子巻線７の端部で略Ｌ字形に分割された形状である。固定子鉄心磁極５１Ｌとを順次積層した構成とするとともに、この積層体の両側に図示しない補助磁極を積層した構成とする。これらの構成により、固定子の側の磁気回路が形成できる。

隣接する固定子鉄心磁極５１Ｌとによって形成されるスロットからなる、３個のスロットの内部には、３個の固定子巻線７が配置される。固定子鉄心磁極５１Ｌは、図１と同様に、内周側の、移動子３に対向する部分に位置する３個の固定子鉄心小磁極を有する。

なお、図８では、説明の簡単のため、３個の固定子巻線の場合について示しているが、図１に示したように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各相に３つずつ固定子巻線を有し、合計９個の場合には、固定子鉄心５Ｌは、８個のリング状の固定子鉄心磁極５１Ｌと、２個のリング状の補助磁極５３Ｌ１，５３Ｌ２とからなる。

このように、固定子巻線７の端部で略Ｌ字形に分割することで、固定子鉄心５Ｌに対する固定子巻線７の位置決め、保持などが容易になる。また、例えば、固定子鉄心５Ｌと固定子巻線７の間に、固定子鉄心５Ｌと固定子巻線７を固定する接着剤を隙間なく充填させることが容易となり、放熱性に優れた構成とできる。

次に、図９を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、固定子鉄心磁極、及び補助磁極の他の第３の形状について説明する。
図９は、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第３の形状を示す横断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

固定子鉄心５Ｍは、図示の例では、複数個のリング状の固定子鉄心磁極５１Ｍとからなる。固定子鉄心磁極５１Ｍは、固定子巻線７の端部で略Ｌ字形に分割された形状である。さらに、固定子巻線７の端部での分割面にインローを設けている。固定子鉄心磁極５１Ｍとを順次積層した構成とするとともに、この積層体の両側に図示しない補助磁極を積層した構成とする。これらの構成により、固定子の側の磁気回路が形成できる。

隣接する固定子鉄心磁極５１Ｍとによって形成されるスロット、若しくは、固定子鉄心磁極５１Ｍと補助磁極５３Ｍ１，５３Ｍ２によって形成されるスロットからなる、３個のスロットの内部には、３個の固定子巻線７が配置される。固定子鉄心磁極５１Ｍは、図１と同様に、内周側の、移動子３に対向する部分に位置する３個の固定子鉄心小磁極を有する。

なお、図９では、説明の簡単のため、３個の固定子巻線の場合について示しているが、図１に示したように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各相に３つずつ固定子巻線を有し、合計９個の場合には、固定子鉄心５Ｍは、８個のリング状の固定子鉄心磁極５１Ｍと、２個のリング状の補助磁極５３Ｍ１，５３Ｍ２とからなる。

このように、固定子巻線７の端部で略Ｌ字形に分割することで、固定子鉄心５Ｍに対する固定子巻線７の位置決め、保持などが容易になる。また、例えば、固定子鉄心５Ｍと固定子巻線７の間に、固定子鉄心５Ｍと固定子巻線７を固定する接着剤を隙間なく充填させることが容易となり、放熱性に優れた構成とできる。さらに、分割面にインローを設けることで、軸方向の同軸度を向上させることができる。

次に、図１０を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータにおける磁石の他の形状について説明する。

図１０は、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける磁石の他の形状を示す横断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本例においては、固定子鉄心５の形状は、図１に示したものと同様である。なお、説明の簡単のため、３個の固定子巻線の場合について示しているが、図１に示したように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各相に３つずつ固定子巻線を有し、合計９個の場合には、固定子鉄心５は、８個のリング状の固定子鉄心磁極５１と、２個のリング状の補助磁極５３とからなる。

永久磁石９Ａは、移動子鉄心１１Ａの外周部に、所定の間隔を離して、等間隔に配置されている。永久磁石９Ａの極性は、全て同じである。一方、移動子鉄心１１Ａの材料としては、磁性材を用いている。永久磁石９Ａは、磁性材からなる移動子鉄心１１Ａに埋め込まれている。または、各永久磁石９Ａの間に、磁性材を充填することもできる。各永久磁石９Ａの間の磁性材の部分が、仮想のＳ極として機能する。

これにより、使用する永久磁石の数を半減できるので、コストを低減できる。

次に、図１１を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第４の形状について説明する。

図１１は、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第４の形状を示す横断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

固定子鉄心５Ｎは、図示の例では、リング上の固定子コア５２と、リング状の固定子鉄心磁極５１Ｎとからなる。

固定子鉄心磁極５１Ｎには、固定子鉄心ヨーク５２と同様の磁性材からなるリング５４が挿入されている。リング５４の内周側の端部は、固定子鉄心磁極５１Ｎに形成された固定子鉄心小磁極５１ｂと同様に、固定子鉄心小磁極５１ｂ’を形成することができる。

これにより、図１に示した固定子鉄心小磁極スリット５１ｃを加工する工数を削減することができる。

次に、図１２を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第５の形状について説明する。

図１２は、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第５の形状を示す横断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

固定子鉄心５Ｐは、図示の例では、リング上の固定子コア５２と、リング状の固定子鉄心磁極５１Ｐとからなる。固定子鉄心磁極５１Ｐの内周側端部には、２個の固定子鉄心小磁極が形成されている。

固定子鉄心磁極５１Ｐの内周側端部の固定子鉄心小磁極には、スリット５１ｆが形成されている。

これにより、固定子鉄心小磁極の分割が容易になる。

次に、図１３を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第６の形状について説明する。

図１３は、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第６の形状を示す横断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

固定子鉄心５Ｑは、図示の例では、リング上の固定子コア５２と、リング状の固定子鉄心磁極５１Ｑとからなる。固定子鉄心磁極５１Ｑの内周側端部には、２個の固定子鉄心小磁極が形成されている。

固定子鉄心磁極５１Ｑの２個の固定子鉄心小磁極の間のスリット部には、非磁性材のリング状の滑り軸受け５５を設置されている。滑り軸受け５５は、移動子の永久磁石９の外周部に設置した薄肉パイプ３Ｘを摺動面として、摺動可能である。

これにより、軸受けによる支持構造のバリエーションが増える。

以上説明したように、本実施形態によれば、高ダンピングで、高推力のリニアモータを得ることができる。

次に、図１４を用いて、本発明の第２の実施形態による円筒型リニアモータの全体構成について説明する。

図１４は、本発明の第２の実施形態による円筒型リニアモータの構成を示す横断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態においては、補助磁極５３Ａの形状が、図１に示したものと異なっている。すなわち、補助磁極５３Ａは、永久磁石９の磁路を構成する補助磁極小磁極５３ｂと、隣の磁石の磁束をブロックする補助磁極スリット５３ｃに加えて、補助磁極５３Ａが固定子ヨーク５２と接する側と反対側，すなわち、固定子鉄心５の両端側に位置する部分であって、移動子３と対向する側に、補助磁極の切り欠き部５３ｅを設けている。

図１における構成においては、磁気的には固定子鉄心５と移動子３の磁気回路によって、永久磁石９のピッチτｐ、またはその整数分の一の周期を有するコギングが発生する可能性がある。

それに対して、補助磁極の切り欠き部５３ｅを設けることで、補助磁極の切り欠き部５３ｅは移動子３の永久磁石９の軸方向の移動に伴う、固定子２，移動子３間の磁気エネルギーの変動を緩やかにすることができる。その結果、コギングトルクの発生を緩やかにすることができる。軸方向両端に位置する補助磁極の切り欠き部５３ｅの軸方向の長さ、傾きを最適化することによって、コギングトルク、及び、推力脈動等を最小にすることができる。

なお、図７〜図１３に示した構成は、本実施形態にも適用できるものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、高ダンピングで、高推力のリニアモータを得ることができる。

また、コギングを低減ですることができる。

次に、図１５〜図２０を用いて、本発明の第３の実施形態による円筒型リニアモータの全体構成について説明する。

最初に、図１５を用いて、本発明の第３の実施形態による円筒型リニアモータの全体構成について説明する。

図１５は、本発明の第３の実施形態による円筒型リニアモータの構成を示す横断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態は、主として、図１に対して、固定子２と移動子３の内外周の配置を逆にした点に特徴がある。

原理的には、固定子２と移動子３間に働く電磁推力の原理は変わらないが、次の点で特徴がある。

第１には、推力発生面である固定子２と移動子３間の空隙部の位置が半径方向に移動するために、この部分の面積が増加する。電磁気現象による単位面積当たりの推力の最大はほぼ一定であるので、この面積を増加させることによって、推力は増加させることができる。

第２には、固定子巻線７の中心位置が、図１で示した場合に比較して、内径側にくるために、一周当たりの固定子巻線の長さが短くすることができる。これにより、発電定数であるＫｅを大きく、更には抵抗Ｒを小さくすることができるために、高ダンピング（Ｋｅ^２／Ｒ）を得ることができる。

次に、本実施形態では、磁極位置センサの位置が、図１に示したものと異なっている。ここでは、２種類の磁極センサの位置について説明する。

第１の配置としては、ホール素子Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗからなる磁極位置センサ１２は、隣接する固定子鉄心磁極５１の間のスリット６１に配置している。隣接する固定子鉄心磁極５１の間のスリット６１は、固定子鉄心磁極５１間の間隔に電気角で等しく、それによって、連続したスリットに、各相の磁極位置センサ１２であるホール素子Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗを配置することによって、固定子２と移動子３の間の永久磁石９の磁束密度分布を、検出することができる。図示のような極数の多い構成では、前述の磁束密度分布はほぼ正弦波状になるので簡単な変換によって、移動子３と固定子２の相対位置を検出することができる。

第２の配置としては、ホール素子Ｈｕ’，Ｈｖ’，Ｈｗ’からなる磁極位置センサ１２’は、固定子鉄心小磁極スリット５１ｃの内側に配置している。この位置でも、移動子３と固定子２の相対位置を検出することができる。

なお、本実施形態では、図１に示したストロークセンサ１３を省略しており、磁極位置センサ１２により、ストロークも検出するようにしている。

次に、図１６を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置の構成について説明する。
図１６は、本発明の第３の実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置の構成を示すブロック図である。なお、図１５と同一符号は、同一部分を示している。

本実施形態の円筒型リニアモータ装置は、円筒型リニアモータ１と、円筒型リニアモータ１の駆動電源を構成する直流電源１０１と、円筒型リニアモータ１に供給される電力を制御して駆動を制御する制御装置１００Ａとからなる。

円筒型リニアモータ１は、図１５に示したように構成されている。ここで、図１５にて説明したように、磁極位置センサ１２をスリット６１内に配置した例と、磁極位置センサ１２’を固定子鉄心小スリット５１ｃに配置した例があるが、ここでは、固定子巻線電流による磁界の影響をより大きく受ける固定子鉄心小スリット５１ｃに配置した場合について、磁極位置センサ１２の出力と磁界による角度への影響、それを補正する方法、並びにその位置情報に基づいて円筒型リニアモータ１への電流の通電制御の構成と動作について説明する。

図１６において、直流電源１０１は、直流電力の供給が可能なものである。制御装置１００Ａは、直流電源１０１から供給された直流電力を所定の交流電力に変換してその交流電力を円筒型リニアモータ１の固定子巻線７に供給するインバータ装置である。

制御装置１００Ａは、直流電源１０１と固定子巻線７との間に電気的に接続された電力系のインバータ回路（電力変換回路）１０２と、インバータ回路１０２の動作を制御する制御回路１０３Ａとを備えている。

インバータ回路１０２は、スイッチング用半導体素子（例えばＭＯＳ−ＦＥＴ：金属酸化膜半導体形電界効果トランジスタ、ＩＧＢＴ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）から構成されたブリッジ回路である。ブリッジ回路は、アームと呼ばれる直列回路が円筒型リニアモータ１の相数分（本例では３相であるので３つ）が電気的に並列に接続されて構成されている。各アームは、上アーム側のスイッチング用半導体素子と下アーム側のスイッチング用半導体素子とが電気的に直列に接続されて構成されている。各アームの高電位側回路端は直流電源１０１の正極側に電気的に接続され、低電位側回路端は直流電源１０１の負極側に電気的に接続されて接地されている。各アームの中点（上アーム側のスイッチング用半導体素子と下アーム側のスイッチング用半導体素子との間）は、固定子巻線７の対応する相巻線に電気的に接続されている。

インバータ回路１０２と直流電源１０１との間には、平滑用のコンデンサ１０７が電気的に並列に接続されている。インバータ回路１０２と固定子巻線７との間には電流センサ１０８が設けられている。電流センサ１０８は変流器などから構成されたものであり、各相に流れる交流電流を検出するためのものである。

制御回路１０３Ａは、インバータ回路１０２のスイッチング用半導体素子の動作（オン・オフ）を入力情報に基づいて制御するものである。制御回路１０３Ａは、図５に示した構成に加えて、センサ出力補正回路１０７を備えている。

制御回路１０３Ａの入力情報としては、円筒型リニアモータ１に対する要求推力（電流指令信号Ｉｓ）と、円筒型リニアモータ１の移動子３の磁極位置θが入力されている。要求推力（電流指令信号Ｉｓ）は、被駆動体に要求される要求量に応じて上位制御回路から出力された指令情報である。磁極位置θは、磁極位置センサ１２の出力から得られた検出情報である。ここで、電流指令信号Ｉｓは、図示のように、上位の位置制御回路１１２から与えられるものである。位置制御回路１１２は、磁極位置センサ１２からの位置情報θｏ（θと同一でストローク信号の代用）と位置指令θｓとから、電流指令信号Ｉｓを算出する。

３つのホール素子Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗからなる磁極位置センサ１２’から出力された出力信号Ｂｔは、電流センサ１０８から出力された出力信号（固定子巻線７に供給される３相電流の検知信号）Ｉａと共に、Ａ／Ｄ変換器（図示省略）によってセンサ出力補正回路１０７に入力される。センサ出力補正回路１０７は、電流センサ１０８の出力信号から得られたセンサ出力情報に基づいてセンサ出力補正情報Ｂｏを生成し、このセンサ出力補正情報Ｂａに基づいて、磁極位置センサ１２の出力信号から得られたセンサ出力情報を補正する。さらに、位置センサ補正出力情報Ｂｏを作成し、制御回路に送る構成である。尚、センサ出力補正回路１０７におけるセンサ出力情報の具体的な補正方法については後述する。

ここで、電流センサ１０８から出力された出力信号には、パルス幅変調（ＱＷＭ：パルスワイドモジュレーション）による高周波分が含まれている。移動子３の磁極位置検出精度を向上させるためにはその高周波分を取り除く必要がある。そこで、本実施例では、センサ出力補正回路１０７の入力側にフィルタ回路（図示省略）を設けてその高周波分を除去している。

補正されたセンサ出力情報Ｂｏは、センサ出力補正回路１０７から角度演算回路１０４に入力される。角度演算回路１０４は、位置センサ補正出力情報Ｂｏから移動子３の磁極位置情報θを算出して出力する。

角度演算回路１０４から出力された磁極位置情報θは、変換回路１０６に入力される。変換回路１０６には、その他に、上位制御回路から出力された要求推力（電流指令信号Ｉｓ）が入力されている。変換回路１０６は、電流指令信号Ｉｓから得られた電流指令値を、角度演算回路１０４から出力された磁極位置情報θに基づいて、固定子巻線７の各相の誘起電圧と同相の正弦波出力に応じた、或いは位相シフトされた正弦波出力に応じた各相の電流指令値Ｉｓｕ，Ｉｓｖ，Ｉｓｗに変換して出力する。

変換回路１０６から出力された各相の電流指令値Ｉｓｕ，Ｉｓｖ，Ｉｓｗは、対応する相の電流制御系（ＡＣＲ）１０５に入力される。各相の電流制御系（ＡＣＲ）１０５には、その他に、対応する相の電流センサ１０８から出力された出力信号Ｉｆｕ，Ｉｆｖ，Ｉｆｗが入力されている。各相の電流制御系（ＡＣＲ）１０５は、対応する相の電流センサ１０８の出力信号Ｉｆｕ，Ｉｆｖ，Ｉｆｗから得られた各相の電流値と、対応する相の電流指令値Ｉｓｕ，Ｉｓｖ，Ｉｓｗに基づいて、対応する相のアームのスイッチング用半導体素子を駆動するための駆動信号を出力する。

各相の電流制御系（ＡＣＲ）１０５から出力された駆動信号は、対応する相のアームを構成するスイッチング用半導体素子の制御端子に入力される。これにより、各スイッチング用半導体素子がオン・オフ動作し、直流電源１０１から供給された直流電力が交流電力に変換され、固定子巻線７の対応する相巻線に供給される。

本例のインバータ装置では、固定子巻線７に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石９が作る磁束又は磁界の方向に対して直交するように、或いは位相シフト（固定子巻線７に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石９が作る磁束又は磁界の方向に対して９０度（電気角）以上進む）ように、固定子巻線７に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を常に形成している。これにより、本例の永久磁石回転電機装置では、無整流子（ブラシレス）の円筒型リニアモータ１を用いて、直流リニアモータと同等の特性を得ることができる。なお、固定子巻線７に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石９が作る磁束又は磁界の方向に対して９０度（電気角）以上進むように、固定子巻線７に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を常に形成する制御を弱め界磁制御という。

本例の円筒型リニアモータ１を限られた直流電圧で高速駆動するときに用いられる。

従って、本例の円筒型リニアモータ装置では、固定子巻線７に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石９が作る磁束又は磁界の方向に対して直交するように、固定子巻線７に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を移動子３の磁極位置に基づいて制御すれば、円筒型リニアモータ１から連続的に最大推力を出力できる。弱め界磁制御が必要な時には、固定子巻線７に流れる電流が作る電機子起磁力の合成ベクトルを、永久磁石６が作る磁束又は磁界の方向に対して９０度（電気角）以上進むように、固定子巻線７に流れる電流（各相巻線に流れる相電流）を移動子３の磁極位置に基づいて制御すればよい。

また、本例の円筒型リニアモータ１では、固定子巻線７の各相巻線に誘起される電圧の波形が正弦波になる。これは、図１５で示した円筒型リニアモータ１における永久磁石９の極数を大きくしたことによって、固定子２と移動子３の間の空隙の分布が自然に正弦波状になることによるものである。本例のインバータ装置では、その正弦波誘起電圧に対して、移動子３の磁極位置に応じた正弦波電流を固定子巻線７の各相巻線に１８０度（電気角）通電する。従って、本実施例の円筒型リニアモータ装置では、円筒型リニアモータ１の出力推力の変動を小さく抑えることができる。

また、本実施例の回転電機装置では、磁極位置センサ１２として、磁気感知素子であるホール素子或いはホールＩＣを用いたので、ストロークセンサ１３などのセンサを用いた場合に対して、スペースを大幅に低減できるため、これを磁気回路、巻線空間に回すことによって、高ダンピングの円筒型リニアモータとすることができる。

さらに、簡単な構成でしかも安価に磁極位置検出が行える。

また、本実施例の回転電機装置では、ホール素子を固定子鉄心５に取り付けたので、誘起電圧とホール素子或いはホールＩＣの出力との間の位相調整作業を不要とし、磁極位置センサ１２の取付作業を容易にできる。

ここで、図１７を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置における磁極位置センサ１２の出力情報の補正原理について説明する。
図１７は、本発明の第３の実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置における磁極位置センサの出力情報の補正原理の説明図である。

本実施形態では、磁極位置センサ１２は、固定子巻線７の作る磁界の中に配置しており、これによって、移動子３の軸端にストロークセンサ１３などの特別な磁極位置センサを不要としている。これにより、本例では、回転電機を小型化すると共に、磁極位置センサの磁極位置合わせなどの作業を省略できる。

これを実現するために、本実施形態では、駆動電流による磁界の影響を受けた磁極位置センサの出力情報（位置情報）から、電流センサの出力情報（電流情報）に応じて、駆動電流による磁界の影響分を排除し、駆動電流による磁界の影響分を排除した後の位置情報から移動子３の磁極位置を検出するようにしている。これにより、本実施形態では、磁極位置センサの出力情報（位置情報）に含まれる誤差を低減でき、円筒型リニアモータ１の脈動推力を低減できる。

ここで、図１７に示すベクトルの関係から、駆動電流による磁界の影響分は、求めることができる。図１７において、Ｂｔは負荷時における磁極位置センサ１２の出力情報（位置情報）を、Ｉａは電流センサ１０８の出力情報（電流情報）をそれぞれ示している。図１７のベクトルの関係から判るように、位置情報Ｂｔに含まれる、駆動電流による磁界の影響分Ｂａは、電流情報Ｉａに対して同じ方向の成分であり、電流情報Ｉａの大きさにほぼ比例した関係にあることから、電流情報Ｉａから予め測定、或いは演算などによって求めておくことができ、これにより、駆動電流による磁界の影響を受けないセンサ出力Ｂｏを求めることができる。駆動電流による磁界の影響を受けないセンサ出力Ｂｏは、駆動電流を流さない時の無負荷時における磁極位置センサ１２の出力情報に相当する。このため、本実施例では、電流情報Ｉａに応じて駆動電流による磁界の影響分Ｂａを決定し、位置情報Ｂｔから駆動電流による磁界の影響分Ｂａを除去してセンサ出力補正情報Ｂｏを出力するようにしている。

次に、図１８を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置に用いるセンサ出力補正回路１０７の構成について説明する。
図１８は、本発明の第３の実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置に用いるセンサ出力補正回路の構成を示すブロック図である。

センサ出力補正回路１０７はマイクロコンピュータ（マイコン）により構成されている。センサ出力補正回路１０７を構成するマイコンは、インバータ装置の制御回路を構成するマイコンとは別に設けられてもよい。また、インバータ装置の制御回路を構成するマイコンによってセンサ出力補正回路１０７を構成してもよい。コスト低減を図る上では、後者が好ましい。

センサ出力補正回路１０７には、磁極位置センサ１２から出力された出力信号（アナログ信号）Ｂｔ及び電流センサ１０８から出力された出力信号（アナログ信号）Ｉａが入力される。磁極位置センサ１２及び電流センサ１０８の出力信号は、Ａ／Ｄ変換器（図示省略）によってデジタル信号に変換される。これにより、磁極位置センサ１２のセンサ出力情報Ｂｔ（波形データ）及び電流センサ１０８のセンサ出力情報Ｉａ（波形データ）を得ることができる。

磁極位置センサ１２のセンサ出力情報Ｂｔは位置センサ出力情報補正手段１０９に、電流センサ１０８のセンサ出力情報Ｉａはセンサ出力補正情報決定部１１０にそれぞれ入力される。また、センサ出力補正情報決定部１１０には、記憶部１１１から出力されたセンサ出力補正基礎情報Ｋａｂが入力されている。記憶部１１１には、図７のベクトルの関係から予め測定や演算などにより求められた、電気角度１サイクル分についてのセンサ出力情報Ｉａ（駆動電流）とセンサ出力補正情報Ｂａ（駆動電流による磁界の影響分）との関係を示すマップ（データテーブル）がセンサ出力補正基礎情報Ｋａｂとして格納されている。

センサ出力補正情報決定部１１０は、センサ出力補正基礎情報Ｋａｂを用いて、電流センサ１０８のセンサ出力情報Ｉａに対応するセンサ出力補正情報Ｂａを決定し、センサ出力補正情報Ｂａを位置センサ出力情報補正手段１０９に出力する。非線形の場合、センサ出力情報Ｉａを参照することにより決定できる。

以上の補正は、位置誤差を各周波数成分に分解し、各周波数毎に制御することによってより簡単な補正制御をすることができる。

位置センサ出力情報補正手段１０９は、磁極位置センサ１２のセンサ出力情報Ｂｔとセンサ出力補正情報Ｂａとの差分を演算する。これにより、磁極位置センサ１２のセンサ出力情報Ｂｔは、センサ出力補正情報Ｂａに基づいて補正さる。磁極位置センサ１２のセンサ出力情報Ｂｔとセンサ出力補正情報Ｂａとの差分値は、センサ補正出力情報Ｂｏとして、角度演算回路１０４に出力される。

次に、図１９及び図２０を用いて、本実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置に用いるセンサ出力補正回路１０７の動作及び補正結果について説明する。
図１９及び図２０は、本発明の第３の実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置に用いるセンサ出力補正回路の動作及び補正結果の説明図である。

図１９において、横軸は電気角度（度）を示し、縦軸は磁束密度を示している。図１９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、１サイクル分の電気角度（度）に対する磁束密度（Ｔ）の関係を示している。

図１９（Ａ）は、巻線電流０％におけるＵ相用Ｈｕの磁極位置センサ１２の出力波形を示している。すなわち、この波形は、無負荷時の磁極位置センサ１２の出力波形（無負荷時のセンサ出力情報Ｂｔ）に相当する。

図１９（Ｂ）は、巻線電流１００％におけるＵ相用Ｈｕの磁極位置センサ１２の出力波形を示している。すなわち、この波形は、全負荷時の磁極位置センサ１２の出力波形（全負荷時のセンサ出力情報Ｂｔ）に相当する。

図１９（Ｃ）は、巻線電流１００％におけるＵ相用Ｈｕの磁極位置センサ１２の出力波形を示している。すなわち、この波形は、全負荷時の磁極位置センサ１２の補正後の出力波形（全負荷時のセンサ補正出力情報Ｂｏ）に相当する。

なお、図１９では、Ｕ相についてのみ示しているが、Ｖ相は、Ｕ相から電気角で１２０度位相シフトした波形となり、Ｗ相は、Ｕ相から電気角で２４０度位相シフトした波形となる。

ここで、センサ出力補正情報Ｂａの波形は省略したが、前述のように、電流センサの出力情報Ｉａに基づいてセンサ出力補正基礎情報Ｋａｂから決定される。

図１９から明らかなように、全負荷時のセンサ補正出力情報Ｂｏは、全負荷時のセンサ出力情報Ｂｔからセンサ出力補正情報Ｂａ分が取り除かれ、無負荷時のセンサ出力情報Ｂｔとほぼ同じ波形になっている。これにより、磁極位置センサ１２の検出精度を向上できることが判る。

図２０において、横軸は電気角度（度）を示し、縦軸は角度誤差を示している。図２０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、１サイクル分の電気角度（度）に対する角度誤差の関係を示している。

図２０（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、図１９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）の３つの各状態における各相の波形を入力波形とした時の角度演算回路１０４の出力波形に含まれる誤差角度の波形を示している。誤差角度は、円筒型リニアモータ１に駆動電流を供給した時の移動子３の実際の正確な磁極位置と、磁極位置センサ１２の出力情報から演算により推定された磁極位置との差である。

ここで、図２０（Ａ）は、巻線電流０％（無負荷時）における、角度演算回路１０４の出力波形に含まれる誤差角度の波形を示している。図２０（Ｂ）は、巻線電流１００％（全負荷時）であって、かつセンサ出力補正が無い場合における、角度演算回路１０４の出力波形に含まれる誤差角度の波形を示している。図２０（Ｃ）は、巻線電流１００％（全負荷時）であって、かつセンサ出力補正が有る場合（ここでは、電流に対する平均の誤差角度を補正する）における、角度演算回路１０４の出力波形に含まれる誤差角度を示している。

図から明らかなように、センサ出力補正を行うことによって、巻線電流１００％（全負荷時）の角度演算回路１０４の出力波形に含まれる誤差角度を、センサ出力補正を行わない巻線電流１００％（全負荷時）の角度演算回路１０４の出力波形に含まれる誤差角度に比べて大幅に低減でき、巻線電流０％（無負荷時）の角度演算回路１０４の出力波形に含まれる誤差角度とほぼ同じにできる。これからも、磁極位置センサ１２の検出精度を向上できることが判る。

以上の制御によって、円筒型リニアモータの中に磁極位置センサ１２を備えることができ、ストロークセンサ１３の配置によるダンピング、推力の低下等を阻止することができる。以上は、磁極位置センサ１２として、固定子鉄心小磁極スリット５１ｃ内に配置した例を示した。磁極位置センサ１２としてスリット６１内に配置した場合には、固定子巻線７の磁界による対して磁極位置センサ１２の方向は水平で感度は最小、永久磁石９の磁界に対しては直角となるので感度は最大になるので、固定子巻線電流による検出誤差は固定子鉄心小磁極スリット５１ｃ内に配置する場合より少なくとも良くなる。あるいは固定子巻線電流に対する角度補正は必要なくなる可能性もある。

以上の磁極位置センサ１２の配置、補正制御等によって、ストロークセンサ１３等が省略でき、また、磁極位置センサ１２を配置する特別な空間を必要としないので、その空間を推力、ダンピング増加に使うことができ、高ダンピング、高推力の円筒型リニアモータを提供することができる。また、小型化することができる。

以上の実施例では、ホール素子或いはホールＩＣによって構成された磁極位置センサを例に挙げて説明した。磁極位置センサとしては他の磁気抵抗効果素子などを用いてもよい。このような場合であっても、以上の実施例で説明した効果を達成できる。

また、図１５に示した円筒型リニアモータ装置の制御回路は、トロークセンサを備えていないものである。したがって、図１６及び図１８に示した円筒型リニアモータ装置の制御回路は、図１若しくは図１５に示した円筒型リニアモータがトロークセンサを備えていない場合で、かつ、磁極位置センサ１２’を固定子鉄心小スリット５１ｃに配置した場合に対しても、適用できるものである。

また、図７〜図１３に示した構成は、本実施形態にも適用できるものである。

以上説明したように、本実施形態によれば、高ダンピングで、高推力のリニアモータを得ることができる。

また、コギングを低減ですることができる。

さらに、小型化することができる。

次に、図２１を用いて、本発明の各実施形態による円筒型リニアモータを電磁サスペンションとして用いた電動車両の構成について説明する。
図２１は、本発明の各実施形態による円筒型リニアモータを電磁サスペンションとして用いた鉄道車両の構成図である。

電動車両２００は、車体２０１と、台車２０２とで構成される。台車２０２は、車輪２０４を備えた車軸２０３をバネ２０５で支持している。台車２０２は、車体２０１を、バネ２０８を介して支持する。また、台車２０２に取り付けられた台車側フランジ２１１と、車体２０１に取り付けられた車体側フランジ２１０を介して、円筒リニアモータ１とダンパ２０９を支持する。円筒リニアモータ１は、図１，図１５若しくは図１５に示した構成を有している。

車体２０１は、加速度センサ２０７と、揺動制御装置２０６とを備える。揺動制御装置２０６は、加速度センサ２０７の信号に応じて、その加速度を減少させるように円筒型リニアモータ１に推力指令を発生し、揺動を抑制する推力を発生させる。ここで、揺動制御装置２０６には、前述の円筒型リニアモータ１の制御装置を含んでいる。

これによって、加速度センサ２０７の出力に対応した推力指令を発揮し、円筒型リニアモータ１の制御装置に加え、それによって円筒型リニアモータ１の位置信号を得ながら推力を最大にする電流を各相に通電することによって望みの揺動防止効果を発揮でき、横揺れの小さい車体２０１とすることができる。

ここで、円筒型リニアモータ１の制御装置の故障の際には、円筒型リニアモータ１の３相の端子を短絡させることによって、その固定子巻線に短絡電流を流すことによって、円筒型リニアモータ１の内部で消費する損失によって高ダンピング特性を得ることができ、揺動を低減することができる。

ダンパ２０９を備える場合には、円筒型リニアモータ１の推力によってアクティブに制御する場合にはダンパ２０９減衰力を小さく、円筒型リニアモータ１の故障時にはダンパ２０９減衰力大きく切り替えるダンパ減衰力切り替え信号を揺動制御装置２０６からダンパ２０９に送ることによって効果的な揺動抑制を得ることができる。さらに、本発明では、円筒型リニアモータ１のダンピングを大きくすることができるので、故障時に発揮していたダンパ２０９の作用を発揮できれば、ダンパ２０９を省略することができ、構成が簡単な電磁サスペンションを備えた電動車両とすることができる。

次に、図２２を用いて、本発明の各実施形態による円筒型リニアモータを適用したラック＆ピニオン方式の電動パワーステアリング装置の構成について説明する。

図２２は、本発明の各実施形態による円筒型リニアモータを適用したラック＆ピニオン方式の電動パワーステアリング装置の構成図である。なお、図２２では、リニアモータ部分のみ断面で示している。

図２２に示した電動パワーステアリング装置は、操舵アシストのためのリニアモータ１の推進力を、ラックハウジング３０２の内部のラック軸３０３に伝達し、その力がタイロッド３０４に伝達され、図示しないタイヤ（一般的には前輪）の操舵をアシストする電動パワーステアリング装置である。円筒リニアモータ１は、図１，図１５若しくは図１５に示した構成を有している。

ラックハウジング３０２には、ピニオンハウジング３０５が設置されていて、ピニオンハウジング３０５のラック歯車側には図示しないピニオンギアが設置されている。また、図示しない操舵コラムを介してステアリングホイールが設置されている。

操舵のためにステアリングホイールが回転操作された場合、操舵コラムを介してピニオンギアが回転し、ラック歯車に力が伝達され、ラック軸３０３の動きに変換される。リニアモータ１はその際のアシスト力を発生させる。アシスト力を発生させる機構、制御内容に関しては公知であるのでここでは省略する。

本実施形態のリニアモータを電動パワーステアリング装置に適用することにより、以下の効果が得られる。

第１に、リニアモータ１の推進力を機構的に減速機構や回転・直動変換機構を介さずに直接ラック軸３０２に力を作用させるため、ステアリングホイールを操作する運転者の操舵感が向上する。

第２に、リニアモータ１の推進力を機構的に減速機構や回転・直動変換機構を介さずに直接ラック軸３０２に力を作用させるため、リニアモータ１の失陥時でもステアリングホイールを操作する運転者の操舵力を軽減することができ、安全性が向上する。

第３に、リニアモータ１は失陥時でも高ダンピング（高減衰）を発生可能なので、アシスト力失陥時の操舵の安定性が向上する。

第４に、従来はゴムブシュ等でタイヤからの高周波振動がステアリングホイールに伝達されるのを防止していたが、リニアモータ１は高い周波数帯域まで推進力の応答が可能であるので高周波振動の抑制が可能となり、ゴムブシュ等を廃止することが可能となる。ステアリングホイールを操作する運転者の操舵感が向上する。

なお，上記の図２１，図２２に示す実施例以外に、例えば自動車の車体振動や構造物の振動などを低減させる目的に本発明のリニアモータを適用すると、制振効果が向上する、アクチュエータを小形化できる、ダンパ等の減衰要素を省略することができたり、減衰要素を簡略化することが可能になる等の効果が期待できる。

本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータの構成を示す横断面図である。 図１のａ−ａ断面図である。 本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータの要部構成を示す横断面図である。 本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータの要部の他の構成を示す横断面図である。 本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける３相短絡のための構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第１の形状を示す横断面図である。 本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第２の形状を示す横断面図である。 本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第３の形状を示す横断面図である。 本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける磁石の他の形状を示す横断面図である。 本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第４の形状を示す横断面図である。 本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第５の形状を示す横断面図である。 本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータにおける固定子鉄心ヨーク、及び固定子鉄心磁極の他の第６の形状を示す横断面図である。 本発明の第２の実施形態による円筒型リニアモータの構成を示す横断面図である。 本発明の第３の実施形態による円筒型リニアモータの構成を示す横断面図である。 本発明の第３の実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置における磁極位置センサの出力情報の補正原理の説明図である。 本発明の第３の実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置に用いるセンサ出力補正回路の構成を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置に用いるセンサ出力補正回路の動作及び補正結果の説明図である。 本発明の第３の実施形態による円筒型リニアモータを用いた円筒型リニアモータ装置に用いるセンサ出力補正回路の動作及び補正結果の説明図である。 本発明の各実施形態による円筒型リニアモータを電磁サスペンションとして用いた鉄道車両の構成図である。 本発明の各実施形態による円筒型リニアモータを適用したラック＆ピニオン方式の電動パワーステアリング装置の構成図である。

符号の説明

１…円筒型リニアモータ
２…固定子
３…移動子
４…固定子ケース
５…固定子鉄心
５１…固定子鉄心磁極
５１ａ…固定子鉄心歯部
５１ｂ…固定子鉄心小磁極
５１ｃ…固定子鉄心小磁極スリット
５１ｄ…固定子鉄心小磁極ヨーク
５２…固定子鉄心ヨーク
５３…補助磁極
５３ａ…補助磁極歯部
５３ｂ…補助磁極小磁極
５３ｃ…補助磁極スリット
５３ｄ…補助磁極小磁極ヨーク
５３ｅ…補助磁極の切り欠き部
６…固定子スロット
６１…スリット
７…固定子巻線
９…永久磁石
１１ａ…移動子鉄心突起部
１２…磁極位置センサ
Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗ…磁極位置センサ
１３…ストロークセンサ
１３ａ…ストロークセンサ固定子
１３ｂ…ストロークセンサ移動子
１４…固定子内部ケース
１０１…直流電源
１０２…インバータ回路
１０３…センサ出力補正回路
１０４…角度演算回路
１０５…電流制御系
１０６…変換回路
１０７…コンデンサ
１０８…電流センサ
１０９…位置センサ出力情報補正手段
１１０…センサ出力補正情報決定部
１１１…記憶部
１１２…位置制御回路
２００…電動車両
２０１…車体
２０２…台車
２０３…車軸
２０４…車輪
２０５，２０８…バネ
２０６…揺動制御装置
２０７…加速度センサ
２０９…ダンパ
２１０…車体側ハウジング
２１１…台車側ハウジング
３０２…ラックハウジング
３０３…ラック軸
３０４…タイロッド
３０５…ピニオンハウジング

Claims (11)

1. 円筒状の固定子と、この固定子に対して隙間を介して配置されるとともに、前記固定子に対して直線的に移動可能な円筒状の移動子とを有する円筒型リニアモータであって、
   前記固定子は、前記移動子の移動方向に順次配列した３相の固定子巻線と、これらの固定子巻線間に配置された固定子鉄心とを備え、
   前記移動子は、移動子鉄心と、該移動子鉄心に固定され、等間隔の磁極を有する複数の永久磁石とを備え、
   前記固定子鉄心は、前記移動子の側の表面に複数の小磁極を有する複数の固定子鉄心磁極と、該固定子鉄心磁極の両端に配置される２つの補助磁極と、前記固定子鉄心及び前記補助磁極と共に磁気回路を構成するヨーク部とを備え、
   前記固定子鉄心により構成される磁気回路は、前記３相に対して共有化され、
   前記複数の固定子鉄心磁極の内、一つの固定子鉄心が備える複数の前記小磁極と対向する位置にそれぞれ位置する前記移動子の複数の永久磁石は、同極性となるように構成したことを特徴とする円筒型リニアモータ。
2. 請求項１記載の円筒型リニアモータにおいて、
   円筒状の前記固定子を内周側に、円筒状の前記移動子を外周側に配置したことを特徴とする円筒型リニアモータ。
3. 請求項１記載の円筒型リニアモータにおいて、
   前記小磁極は、前記固定子の主磁極間に少なくとも３以上配置したことを特徴と円筒型リニアモータ。
4. 請求項１記載の円筒型リニアモータにおいて、
   前記補助磁極は、その軸方向の空隙面に、磁気的な切り欠き部を備えたことを特徴とする円筒型リニアモータ。
5. 円筒状の固定子と、この固定子に対して隙間を介して配置されるとともに、前記固定子に対して直線的に移動可能な円筒状の移動子とを有する円筒型リニアモータであって、
   前記固定子は、前記移動子の移動方向に順次配列した３相の固定子巻線と、これらの固定子巻線間に配置された固定子鉄心とを備え、
   前記移動子は、移動子鉄心と、該移動子鉄心に固定され、等間隔の磁極を有する複数の永久磁石とを備え、
   前記固定子鉄心は、前記移動子の側の表面に複数の小磁極を有する複数の固定子鉄心磁極と、該固定子鉄心磁極の両端に配置される２つの補助磁極と、前記固定子鉄心及び前記補助磁極と共に磁気回路を構成するヨーク部とを備え、
   前記固定子鉄心により構成される磁気回路は、前記３相に対して共有化され、
   前記固定子の複数の前記小磁極のピッチが、前記移動子の複数の永久磁石のピッチと等しくなるように構成したことを特徴とする円筒型リニアモータ。
6. 円筒状の固定子と、この固定子に対して隙間を介して配置されるとともに、前記固定子に対して直線的に移動可能な円筒状の移動子とを有する円筒型リニアモータと、
   前記固定子鉄心の磁気回路内に配置された前記移動子の磁極位置を検出するための位置センサと、
   該位置センサの出力により、前記移動子の位置を算出し、それによって前記リニアモータに供給される電流を制御する制御装置とを有する円筒型リニアモータ装置であって、
   前記円筒型リニアモータの前記固定子は、前記移動子の移動方向に順次配列した３相の固定子巻線と、これらの固定子巻線間に配置された固定子鉄心とを備え、
   前記移動子は、移動子鉄心と、該移動子鉄心に固定され、等間隔の磁極を有する複数の永久磁石とを備え、
   前記固定子鉄心は、前記移動子の側の表面に複数の小磁極を有する複数の固定子鉄心磁極と、該固定子鉄心磁極の両端に配置される２つの補助磁極と、前記固定子鉄心及び前記補助磁極と共に磁気回路を構成するヨーク部とを備え、
   前記固定子鉄心により構成される磁気回路は、前記３相に対して共有化され、
   前記複数の固定子鉄心磁極の内、一つの固定子鉄心が備える複数の前記小磁極と対向する位置にそれぞれ位置する前記移動子の複数の永久磁石は、同極性となるように構成したことを特徴とする円筒型リニアモータ装置。
7. 請求項６記載の円筒型リニアモータ装置において、
   前記制御装置は、前記位置センサからの出力を、固定子巻線への電流制御系の電流値をもとに補正するセンサ出力情報補正手段を備え、
   前記センサ出力情報補正手段は、前記位置センサの出力を補正するためのセンサ出力補正情報に応じて前記位置センサの出力情報を補正し、この補正された出力情報をセンサ補正出力情報として前記制御装置に出力し、
   前記制御装置は、前記センサ補正出力情報から前記移動子の磁極位置の情報を得て前記リニアモータに供給される電流を制御することを特徴とする円筒型リニアモータ装置。
8. 請求項６記載の円筒型リニアモータ装置において、
   前記位置センサは、前記複数の小磁極の間に位置するスリット内に配置したことを特徴とする円筒型リニアモータ装置。
9. 請求項６記載の円筒型リニアモータ装置において、
   前記位置センサは、前記固定子巻線の収納されるスロットの空隙側に位置するスリット内に配置したことを特徴とする円筒型リニアモータ装置。
10. 車両に用いられる電磁サスペンションであって、
    前記電磁サスペンションとして、円筒型リニアモータが用いられ、
    前記円筒型リニアモータは、円筒状の固定子と、この固定子に対して隙間を介して配置されるとともに、前記固定子に対して直線的に移動可能な円筒状の移動子とを備え、
    前記固定子は、前記移動子の移動方向に順次配列した３相の固定子巻線と、これらの固定子巻線間に配置された固定子鉄心とを備え、
    前記移動子は、移動子鉄心と、該移動子鉄心に固定され、等間隔の磁極を有する複数の永久磁石とを備え、
    前記固定子鉄心は、前記移動子の側の表面に複数の小磁極を有する複数の固定子鉄心磁極と、該固定子鉄心磁極の両端に配置される２つの補助磁極と、前記固定子鉄心及び前記補助磁極と共に磁気回路を構成するヨーク部とを備え、
    前記固定子鉄心により構成される磁気回路は、前記３相に対して共有化され、
    前記複数の固定子鉄心磁極の内、一つの固定子鉄心が備える複数の前記小磁極と対向する位置にそれぞれ位置する前記移動子の複数の永久磁石は、同極性となるように構成したことを特徴とする電磁サスペンション。
11. 車輪の操舵をアシストする動力源として円筒型リニアモータを用いる電動パワーステアリング装置であって、
    前記円筒型リニアモータは、円筒状の固定子と、この固定子に対して隙間を介して配置されるとともに、前記固定子に対して直線的に移動可能な円筒状の移動子とを備え、
    前記固定子は、前記移動子の移動方向に順次配列した３相の固定子巻線と、これらの固定子巻線間に配置された固定子鉄心とを備え、
    前記移動子は、移動子鉄心と、該移動子鉄心に固定され、等間隔の磁極を有する複数の永久磁石とを備え、
    前記固定子鉄心は、前記移動子の側の表面に複数の小磁極を有する複数の固定子鉄心磁極と、該固定子鉄心磁極の両端に配置される２つの補助磁極と、前記固定子鉄心及び前記補助磁極と共に磁気回路を構成するヨーク部とを備え、
    前記固定子鉄心により構成される磁気回路は、前記３相に対して共有化され、
    前記複数の固定子鉄心磁極の内、一つの固定子鉄心が備える複数の前記小磁極と対向する位置にそれぞれ位置する前記移動子の複数の永久磁石は、同極性となるように構成したことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

Images