JPH0698519A

JPH0698519A - 誘導アクチュエータおよびその駆動方法

Info

Publication number: JPH0698519A
Application number: JP24368892A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Kaido; 力開道; Shigeru Nakazawa; 滋中澤; Takeshi Tachiki; 武志立木; Fumihiko Miyano; 文彦宮野
Original assignee: Nippon Steel Corp; Sankyo Seiki Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nidec Instruments Corp
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1992-09-11
Publication date: 1994-04-08

Abstract

(57)【要約】【目的】磁石を有せずに低コストで、単純な構造でメ
ンテナンスが容易であり、かつ、可動子が高剛性で、制
御性が比較的優れたアクチュエータとその駆動方法を提
供する。【構成】励磁巻線１，２と電機子導体３および前記励
磁巻線１，２と電機子導体３を貫通する磁心４で構成さ
れており、励磁巻線１，２との電磁誘導により電機子導
体３に流れる誘導電流と、励磁電流により生じる界磁に
より、駆動力が生じる誘導アクチュエータにおいて、２
個以上の励磁巻線１，２を有し、駆動力の方向が２方向
以上である。この誘導アクチュエータは、２個以上の励
磁巻線１，２の間で電流を切り替えることで、駆動方向
が制御される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、リニアアクチュエータ
やこれに類するものに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】リニアアクチュエータとして、ブラシ付
きの直流リニアモータ、ブラシレスリニアモータ、誘導
リニアモータ等をはじめ、電磁弁等のアクチュエータ等
があり、それぞれ長所と短所がある。ブラシ付きの直流
リニアモータは、制御性等優れた特徴を持つがブラシ等
の寿命等の問題がある。ブラシレスリニアモータは、高
推力が得られるものの、コギングトルクが大きく、また
永久磁石に要する費用が大きい。一方、電磁弁等のアク
チュエータは、構造もシンプルであり、比較的大きい推
力を得られるが、一方向の推力しか得られない場合が多
い。

【０００３】誘導リニアモータは、磁石を使用せず、ブ
ラシ等もなく、構造も比較的シンプルであるが、しかし
まだ、可動側には磁心と導体を含み、固定側には、多く
の巻線、ティースを有する磁心等を有している。

【０００４】最近、制御性のよいアクチュエータとし
て、ボイスコイルモータがＨＤＤの磁気ヘッド駆動用ア
クチュエータとして使用されている。このアクチュエー
タは、推力むらがなく、高精度制御用に適している。し
かし、永久磁石を有し、費用が高いこと、可動部へリー
ド線がつながっていることや、可動部の剛性が得られに
くい等、問題も多い。リード線を有せず、高剛性の可動
子を有するボイスコイルモータとして、誘導ボイスコイ
ルモータ（電気学会回転機研究会資料ＲＭ−９０−１１
５）も考案されているが、このモータはやはり磁石を必
要とし、連続した推力が得られにくい。

【０００５】従来のアクチュエータでは、磁石を有せず
に低コストで、単純な構造でメンテナンスが容易であ
り、かつ、可動子が高剛性であるアクチュエータとして
は、半閉磁路形単相交流リニアアクチュエータ（電学論
Ｄ，１０８巻８号昭６３）が報告されているが、
一方向駆動であることにより、制御が難しい場合が多
い。また、特願平０２−９３１２５（特開平０３−２９
３９５５号）では、誘導ボイスコイルモータの界磁に電
磁石を用いたものがあるが、電磁石用の巻線即ち界磁巻
線を入力巻線以外に付ける場合は、巻線の数が増えるこ
と、さらに効率よく界磁磁束を発生させるためには、界
磁巻線を電機子導体の近くに配置しないといけない等、
構造面で問題がある。

【０００６】このように、従来のアクチュエータでは、
磁石を有せずに低コストで、単純な構造でメンテナンス
が容易であり、かつ、可動子が高剛性で、制御性が比較
的優れたアクチュエータが殆どない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、磁石を有せ
ずに低コストで、単純な構造でメンテナンスが容易であ
り、かつ、可動子が高剛性で、制御性が比較的優れたア
クチュエータとその駆動方法を提供することを目的とし
てなされた。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の誘導アクチュエ
ータは、励磁巻線、電機子導体および磁心で構成され、
励磁巻線は、界磁を発生させ、かつ電機子導体に電磁誘
導で誘導電流を流すためのものであり、電機子導体は、
励磁巻線との電磁誘導により誘導電流を流すもので、励
磁巻線により生じる前記界磁との間で、推力を生じさせ
るもので、或いは、電機子導体に流れる誘導電流で生じ
る界磁と励磁巻線に流れる電流との間で、推力を生じる
ものである。

【０００９】磁心は電機子導体に界磁の磁束を集中させ
るものであり、かつ励磁巻線と電機子導体の間の電磁誘
導を効率よく行うため、励磁巻線により発生した磁束を
電機子導体に導き交鎖させるためのもので、前記の励磁
巻線や電機子導体を貫通している。励磁巻線は１個また
は２個以上であり、励磁巻線が２個以上である場合に
は、駆動方向が２方向以上となる。磁心は閉磁路を形成
する。

【００１０】アクチュエータの可動側は、主に電機子導
体であるが、電機子導体を固定して、励磁巻線或いは励
磁巻線を固定した磁心を可動側としてもよい。

【００１１】電機子導体は、誘導電流を効率よく流すた
めに、電気抵抗が低いほどよく、銅、アルミニウムやこ
れらの合金であることが好ましく、形状としては、金属
環等の一体ものや、２片以上の金属片をボルト止め等で
組み合わせたもので閉電路を形成したものでもよく、さ
らには、導線を巻いたものやボビンに導線を巻いたもの
でもよい。この電機子導体は、動かそうとする負荷と一
体化したもので、同時に加工したもの等でもよいことは
言うまでもない。２片のアルミニウム片を組み合わせる
場合に、その接触抵抗が、酸化膜等で大きくなり、問題
となる場合には、その接触面に、ニッケルメッキや銅メ
ッキを施す等の表面処理を行い、接触抵抗を低くすると
よい。

【００１２】磁心は、電磁誘導を効率よく行うために
は、閉磁路であるとよい。磁心が閉磁路であると、誘導
電流が電機子導体に効率よく流れるので、一方向のみの
駆動力が必要な場合であれば１個の励磁巻線の場合でも
効果がある。

【００１３】磁心は、透磁率が高い磁性材料を使用する
ことが必要であり、ケイ素鋼、鉄ニッケルや鉄コバルト
等の合金、ソフトフェライトそれにアモルファス磁性材
料等のように高透磁率の磁性材料でつくられたものであ
ることが好ましく、できれば、厚さが１mm以下の板状磁
性材料、直径が１mm以下の線状磁性材料、或は電気抵抗
率が５０μΩcm以上である磁性材料や磁区細分化処理さ
れた磁性材料等のような低鉄損磁性材料であると、電磁
駆動方式および電磁発電方式の効率や高周波性能がよく
なるので好ましい。５０μΩcm以上の電気抵抗率の磁性
材料は、ソフトフェライトや４％以上のＳｉを含む珪素
鋼板等である。厚さ１mm以上の板状磁性材料、直径が１
mm以上の線状磁性材料、或は電気抵抗率が５０μΩcm以
下である磁性材料や磁区細分化処理されてない磁性材料
では、高周波で駆動すると材料内に渦電流が生じ、電力
損失である鉄損が増すだけでなく、制御性にも悪い影響
を与える。磁心は、これ等の磁性材料で、積み重ねてつ
くられたもの、巻いてつくられたもの、寸法の異なる磁
心材を交互に重ねる等したラップ磁心等でつくるとよ
い。

【００１４】本発明の誘導アクチュエータを駆動し、制
御するには、２個以上の励磁巻線の間で、電流を切り替
えることで、駆動方向を制御するとよい。本発明の誘導
アクチュエータは、励磁巻線と電機子導体の位置で、駆
動方向が決定し、逆方向の推力を得ることが難しいの
で、２個以上の励磁巻線を配置し、それぞれの駆動方向
が異なるようにすれば、可動子の位置制御が容易にでき
る。駆動方向がそれぞれ異なる励磁巻線において、ある
方向に駆動するには、その方向に対応した励磁巻線Ａに
電流を流し、他方の励磁巻線Ｂ等には電流を流さなく、
他方向に駆動するには、その方向に対応した励磁巻線Ｂ
に電流を流し、それ以外の励磁巻線Ａ等には電流を流さ
ない。このように電流を流す励磁巻線を切り替えれば、
駆動方向が容易に制御できる。励磁巻線に流される電流
は、電磁誘導を効率よく生じせしめるためには一般に交
流がよく、交流の周波数を、励磁巻線と電機子導体との
間の電磁誘導を効率よく行える低周波数側限界周波数以
上にするとよい。交流は、正弦波、矩形波、三角波、パ
ルス波等どのような波形のものでもよい。

【００１５】

【実施例】〔実施例Ｉ〕図１に、本発明の誘導アクチュ
エータの一例を示す。図２は、図１のａ−ａ断面図を示
す。固定側は、２個の励磁巻線１，２、磁心４、可動側
は、電機子導体３より構成される。励磁巻線１，２は絶
縁皮膜が施された導線を磁心４に巻いてつくられた巻線
である。磁心４は方向性電磁鋼板を積層したもので、閉
磁路を形成するもので、この磁心４を通る励磁巻線１，
２による磁束が、切断部無しに流れることができる。方
向性電磁鋼板の圧延方向は４ａの方向である。磁心４の
部分４ｂは、励磁巻線１，２による界磁磁束が多く流
れ、駆動力が大きくなるようにするためのものである。
電機子導体３は、２個の銅片３ａ，３ｂよりできてお
り、それらの接触面３ｃは、半田付けされている。電機
子導体３の銅片３ａは、負荷側と同一片になっている。
この誘導アクチュエータの励磁巻線１に交流電流を流す
と、この励磁巻線１に流される電流により同時に生じ
る、界磁と電機子導体３の誘導電流により、電機子導体
３は５の方向に駆動力が生じる。一方、励磁巻線２に電
流を流すと、電機子導体３は６の方向に動く。

【００１６】図３は、この誘導アクチュエータを駆動す
る制御回路である。交流電源７は、周波数５０Hzで、電
流の大きさを調整できるようになっている。この電流
を、切り替えスウィッチ８で切り替え、励磁巻線１や２
に流す。スウィッチを９側に倒すと、励磁巻線１に電流
が流れ、電機子導体３は５の方向に駆動力が発生し、逆
にスウィッチ１０側に倒すと、励磁巻線２に電流が流
れ、電機子導体３は６の方向に駆動力が発生する。

【００１７】〔実施例II〕図４は、珪素鋼板をラップし
た閉磁路を形成している磁心１４にした誘導アクチュエ
ータであり、図５は、図４のｂ−ｂ断面図である。励磁
巻線１１と１２が巻かれた磁心１４ａと、電機子導体１
３がはまっている部分の磁心１４ｂがあり、これらが部
分１４ｃで、磁心を構成する電磁鋼板がラップしてい
る。電機子導体１３はアルミニウム製金属環で負荷側と
一体化しており、同時加工したものである。この誘導ア
クチュエータは、磁心部分１４ａを積層し、励磁巻線１
１，１２を巻き、他方、磁心部分１４ｂを、電機子導体
１３を貫通するように積層してつくられ、この部分の磁
心が完成時には、電機子導体１３を貫通した状態になっ
ている。これらの、励磁巻線１１と１２が巻かれた磁心
部分１４ａと金属環の電機子導体１３を貫通している部
分１４ｂを、部分１４ｃで、噛み合わせ、最終形状の誘
導アクチュエータをつくる。図１の場合と同様に、誘導
アクチュエータの励磁巻線１１に交流電流を流すと、こ
の励磁巻線１１に流される電流により同時に生じる、界
磁と電機子導体１３の誘導電流により、電機子導体１３
は１５の方向に駆動力が生じる。一方、励磁巻線１２に
電流を流すと、電機子導体１３は１６の方向に動く。

【００１８】〔実施例 III〕図６は、Ｅ形磁心２０ａと
Ｉ形磁心２０ｂをラップし、閉磁路を形成している磁心
２０を用いた誘導アクチュエータである。磁心２０のラ
ップ部分が２０ｃであり、磁心２０の中央部分の磁心に
励磁巻線１７，１８が巻かれ、銅環の電機子導体１９も
磁心２０に貫かれたようにセットされている。この場合
は、前もって巻かれた励磁巻線１７，１８と電機子導体
１９を貫くように、Ｅ形磁心２０ａとＩ形磁心２０ｂを
交互に積層およびラップし、磁心２０をつくり、誘導ア
クチュエータを製作する。

【００１９】〔実施例IV〕図７は、実施例Ｉの場合の誘
導アクチュエータにおいて、励磁巻線２を除いたもので
ある。すなわち、磁心２３は励磁巻線２１が巻かれてお
り、また磁心２３の一部が電機子導体２２を貫通してい
る。励磁巻線２１に電流を供給すると、電機子導体２２
は２４の方向に動く。この実施例は、一方向の駆動しか
必要ない場合の実施例である。

【００２０】〔実施例Ｖ〕図８は、実施例Ｉの誘導アク
チュエータに、３個の電機子導体を持たせたもので、カ
ーテン用のレール部分を誘導アクチュエータを兼ねさ
せ、カーテン開閉用のアクチュエータとしたものであ
る。無切断で長尺の方向性電磁鋼板積層磁心２７を用
い、その両端に励磁巻線２５，２６が巻かれている。電
機子導体２８ａ，２８ｂ，２８ｃは、カーテン３３のリ
ングを兼ねたものになっており、カーテンの開閉がスム
ーズにできるように、滑車３１ａ，３１ｂ，３１ｃが付
いている。なお、図中の符号３２ａ，３２ｂおよび３２
ｃはカーテン３３の吊り金具である。

【００２１】〔実施例VI〕図９は、実施例Ｉの誘導アク
チュエータにおいて、励磁巻線と電機子導体間の電磁誘
導率を周波数を変化させて調べたものである。誘導率
は、電機子導体／（総電流励磁巻線数×励磁巻線電流）
である。誘導率が０．７である低周波数側限界周波数は
約１Hzであり、周波数１０Hz以上１０００Hz以下で、誘
導率がほぼ１になっている。従って、５０Hzの交流で駆
動できる。

【００２２】

【発明の効果】本発明の誘導アクチュエータは、励磁巻
線、電機子導体と磁心のみで駆動できるものであり、構
造がシンプルであり、直流リニアモータ等のような、ブ
ラシの寿命等の問題もなく、メンテナンス等が簡単であ
る。また、高価な永久磁石等を用いないので、比較的安
価である。特願平０２−９３１２５の誘導ボイスコイル
モータでの入力巻線と、電磁石用の巻線即ち界磁巻線を
本発明では共通にし、励磁巻線として実施したものであ
り、より構造が簡単であり、発明の効果が大きい。本発
明のひとつとして、閉磁路の磁心を使用した誘導アクチ
ュエータがあるが、閉磁路にしたために、半閉磁路の磁
心を使用するよりも、電機子導体に効率よく誘導電流を
流し、駆動力を発生できるので、効率面で改善でき、効
果がある。

【００２３】本発明の誘導アクチュエータの可動部が電
機子導体である場合、可動子が金属環であるので、剛性
が高いこと、温度上昇による絶縁破壊、機械強度低下が
ないこと、負荷等と兼ねることができ、同時加工ができ
ること等利点が多い。

【００２４】制御性においても、磁石等によるコギング
トルクがないこと、励磁巻線を切り替えることで容易に
方向が変えられること等の長所がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例 Iの誘導アクチュエータの側面図であ
る。

【図２】図１のａ−ａ断面図である。

【図３】この誘導アクチュエータを駆動する制御回路の
ブロック図である。

【図４】実施例 II の誘導アクチュエータの側面図であ
る。

【図５】図４のｂ−ｂ断面図である。

【図６】実施例 IIIの誘導アクチュエータの側面図であ
る。

【図７】一方向駆動の誘導アクチュエータである実施例
IV を示す側面図である。

【図８】カーテン開閉用アクチュエータに応用した実施
例 Vを示す側面図である。

【図９】実施例Ｉの誘導アクチュエータにおける、励磁
巻線と電機子導体間の電磁誘導率の周波数特性を示す線
図である。

【符号の説明】

１励磁巻線２励磁巻線３電機子導体４磁心５電機子導体の駆動方向６電機子導体の駆動方向７交流電源８切り替えスウィッチ１１励磁巻線１２励磁巻線、１３電機子導体１４磁心１７励磁巻線１８励磁巻線１９電機子導体２０ラップ磁心２５励磁巻線２６励磁巻線２７磁心２８ａ，２８ｂ，２８ｃカーテンリングを兼ねた電機
子導体２９電機子導体の駆動方向３０電機子導体の駆動方向３１ａ，３１ｂ，３１ｃ滑車３３カーテン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者立木武志長野県諏訪郡下諏訪町5329番地株式会社三協精機製作所内 (72)発明者宮野文彦東京都港区新橋１−17−２株式会社三協精機製作所東京本社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】励磁巻線と電機子導体および、前記励磁
巻線と電機子導体を貫通する磁心で構成され、励磁巻線
との電磁誘導により電機子導体に流れる誘導電流と、励
磁電流により生じる界磁により、駆動力が生じるアクチ
ュエータにおいて、２個以上の励磁巻線を有し、駆動力
の方向が２方向以上であることを特徴とする誘導アクチ
ュエータ。
【請求項２】可動部が電機子導体である請求項１記載
の誘導アクチュエータ。
【請求項３】電機子導体が銅、アルミニウムやこれら
の合金である請求項１または２記載の誘導アクチュエー
タ。
【請求項４】電機子導体が２個以上である請求項１，
２または３記載の誘導アクチュエータ。
【請求項５】磁心が閉磁路である請求項１，２，３ま
たは４記載の誘導アクチュエータ。
【請求項６】磁心に使用される材料を次のうち何れか
一つ以上とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれ
かに記載の誘導アクチュエータ。ａ）厚さが１mm以下の板状磁性材料ｂ）直径が１mm以下の線状磁性材料ｃ）電気抵抗が５０μΩcm以上の磁性材料ｄ）磁区細分化処理された磁性材料
【請求項７】請求項１〜６のいずれかに記載の誘導ア
クチュエータにおいて、２個以上の励磁巻線の間で、電
流を切り替えることで、駆動方向を制御する誘導アクチ
ュエータの駆動方法。
【請求項８】流す電流を交流で行う請求項７記載の誘
導アクチュエータの駆動方法。
【請求項９】励磁巻線と電機子導体および、前記励磁
巻線と電機子導体を貫通する磁心で構成され、励磁巻線
との電磁誘導により電機子導体に流れる誘導電流と、励
磁電流により生じる界磁により、駆動力が生じるアクチ
ュエータにおいて、励磁巻線が１個であり、磁心が閉磁
路である誘導アクチュエータ。
【請求項１０】請求項９記載の誘導アクチュエータに
おいて、流す電流を交流で行う誘導アクチュエータの駆
動方法。
【請求項１１】交流の周波数を、励磁巻線と電機子導
体との間の電磁誘導を効率よく行える低周波数側限界周
波数以上とする請求項８または１０記載の誘導アクチュ
エータの駆動方法。