(57)【要約】  バンドコイルを有する線形ＶＲモータ又はアクチュエータが提供される。ＶＲアクチュエータは、単一の「Ｅ」又は二重の「Ｅ」として寸法が定められた第１のコアを含む。各中央の突出バーは、当該アクチュエータに事前に負荷をかけるために強磁性材料又はセラミック磁性材料により形成された永久磁石が冠着されることが可能であり、これが制御性の観点から有利なものとなり、アクチュエータは、当該ワイヤを通じる公称電流を伴うことなく重力荷重の影響を打ち消すことができる。第１のコアも、強磁性材料により形成される。突出バーの間の空間には、突出バーに平行に配され導電性のバンドコイルが装填される。強磁性材料のＩコアは、突出バーに直角に位置づけられる。バンドコイルに誘導される電流は、永久磁石により生成された磁束を制御可能に増幅し又は打ち消す。Ｉコア（例えば、円の軸の一部）及びＥコアの反対の部分に対して異なる形状（例えば円形）を用いてもよい。
2009516495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線形ＶＲモータ又はアクチュエータであって、
クロスバーから直角に突出する複数のバーを有する第１のコアと、
前記複数のバーの間に位置づけられ、導電性材料から形成される複数のバンドコイルと、
バーとして寸法が定められ、前記第１のコアの前記複数のバーの上方に位置づけられる第２のコアと、
を有するモータ又はアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載のＶＲアクチュエータであって、中央の直立バーの上部に位置づけられる永久磁石をさらに有するアクチュエータ。
【請求項３】
請求項１に記載のＶＲアクチュエータであって、前記複数のバーは、３つの等しく間隔の開いた３つのバーである、アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１に記載のＶＲアクチュエータであって、前記複数のバーは、３つのバーの第１のセットと３つのバーの第２のセットとに配列され、前記第２のセットは、前記第１のセットとは反対の前記クロスバーの側部に位置づけられる、アクチュエータ。
【請求項５】
請求項１に記載のＶＲアクチュエータであって、前記第１及び第２のコアは、強磁性材料から形成される、アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１に記載のＶＲアクチュエータであって、前記永久磁石は、セラミック材料により形成される、アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１に記載のＶＲアクチュエータであって、前記永久磁石は、強磁性材料により形成される、アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１に記載のＶＲアクチュエータであって、前記永久磁石の磁束が制御可能に増幅又は打消しがなされることができるように前記バンドコイルに電流が誘導される、アクチュエータ。
【請求項９】
ＶＲモータ又はアクチュエータであって、
クロスバーから直角に突出し等しく間隔の開けられた３つの直立バーを有する第１のコアと、
前記複数の直立バーの間に位置づけられ導電性材料から形成された複数のバンドコイルと、
バーとして寸法が定められ、前記３つの直立バーの上方に位置づけられる第２のコアと、
を有するモータ又はアクチュエータ。
【請求項１０】
請求項９に記載のＶＲアクチュエータであって、前記３つの直立バーの中央のバーの上部に位置づけられた永久磁石をさらに有するアクチュエータ。
【請求項１１】
請求項９に記載のＶＲアクチュエータであって、前記第１のコア及び前記第２のコアは、強磁性材料から形成される、アクチュエータ。
【請求項１２】
請求項９に記載のＶＲアクチュエータであって、前記永久磁石は、セラミック材料から形成される、アクチュエータ。
【請求項１３】
請求項９に記載のＶＲアクチュエータであって、前記永久磁石は、強磁性材料により形成される、アクチュエータ。
【請求項１４】
請求項９に記載のＶＲアクチュエータであって、前記永久磁石の磁束が制御可能に増幅又は取り消しされることができるように前記バンドコイルに電流が誘導される、アクチュエータ。
【請求項１５】
ＶＲモータ又はアクチュエータであって、
中央のクロスバーから直角に突出するバーの第１のセットを有する第１のコアと、
前記中央のクロスバーに直角に突出し、前記第１のセットのバーの反対に位置づけられたバーの第２のセットであって、前記第１のセットのバーが前記中央のクロスバーに沿って等しく間隔が開けられ、当該第２のセットのバーが前記中央のクロスバーに沿って等しく間隔が開けられるようにしたバーの第２のセットと、
前記複数の直立バーの間に位置づけられ、導電性材料から形成された複数のバンドコイルと、
バーとして寸法が定められ、前記第１のセットのバーの上方に位置づけられた第２のコアと、
バーとして寸法が定められ、前記第２のセットのバーの上方に位置づけられた第３のコアと、
を有するＶＲモータ又はアクチュエータ。
【請求項１６】
請求項１５に記載のＶＲアクチュエータであって、前記第１のセットの中央バーの上部に位置づけられた第１の永久磁石と、前記第２のセットの中央バーの上部に位置づけられた第２の永久磁石とをさらに有するアクチュエータ。
【請求項１７】
請求項１５に記載のＶＲアクチュエータであって、前記第１のセットのバーは、等しく間隔の開けられた３つのバーを有し、前記第２のセットのバーは、等しく間隔の開けられた３つのバーを有する、アクチュエータ。
【請求項１８】
請求項１５に記載のＶＲアクチュエータであって、前記第１のコア及び前記第２のコアは、強磁性材料から形成される、アクチュエータ。
【請求項１９】
請求項１５に記載のＶＲアクチュエータであって、前記第１及び第２の永久磁石は、強磁性材料及びセラミック材料のうちの１つにより形成される、アクチュエータ。
【請求項２０】
請求項１５に記載のＶＲアクチュエータであって、前記第１の永久磁石の磁束が制御可能に増幅又は打ち消しされ前記第２の永久磁石の磁束が反対の作用が行われるように前記バンドコイルに電流が誘導される、アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示内容は、広く電磁気アクチュエータに関する。より詳しくは、本開示内容は、バンドコイルを有する可変リラクタンスアクチュエータを提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第５，８６６，９６５号に開示され参照によりここに編入されるような回転型の可変リラクタンス（ＶＲ；variable reluctance）モータは、ステップモータとして広く利用されており、適切に制御されると、サーボモータに極めて近い振る舞いをさせるようにすることができる。ＶＲモータは、回転子及び固定子を有するが、他のタイプのモータとは異なり、ＶＲモータにおける固定子は、コイル巻線を含む（ブラシレス電動機）。大抵は歯部を備えた鉄などの積層構造の透過性の磁気材料からなる回転子は、コイル巻線又は永久磁石の無い受動部品である。固定子は、一連のコイルを形成するようワイヤの巻かれた突出部からなるのが普通である。これらコイルの励磁は、回転する電磁界を発生するよう電子的に切り替えられる。大抵は単一のコイルセットのみがその時々で活性化される。
【０００３】
１つの固定子コイルセットがオンになるとき、磁束経路は、コイルの周りに回転子を通じて発生される。回転子は、磁界により発生される磁束線と位置が合うようにトルクを受け、磁束経路を最小化する。固定子コイルの適切なスイッチング及び励磁により、所望の速度及びトルクで回転するように回転子を駆動させることができる。
【０００４】
このセットアップは、他の数多くのタイプのモータよりも良好な性能を提供する。ＶＲモータは、効率的な動作のために正弦波励起波形を必要としないので、他の先進の可変速度システムにより可能となるものよりも広い速度範囲にわたり高いトルク及び効率を維持することができる。ＶＲモータを活性化するために必要とされる最適波形は、高い自然の高調波成分を有し、通常は、所定の回転子角度においてモータコイルに供給される定電圧によるものである。このような波形は、事実上あらゆる速度において達成可能である。
【０００５】
また、コミュテーションを回転子角度に対して正確に制御することができれば、モータは、その予測される高い効率で動作することになる。実際、ＶＲ技術を用いて、９０パーセントシステム効率を超え良好な価格にて可変速度で低コストのモータを構成することができる。
【０００６】
ＶＲモータは、他の利益ももたらす。これらモータは、扱う負荷と精確にマッチするようにプログラム可能であり、これらの簡素で堅牢な構成は、何ら高価な磁石又はリス籠様ＡＣ誘導モータを持たない。内部励起又は永久磁石を伴わずに、このモータは、本質的に過負荷に耐性があり、単一ポイント欠陥に不感受性がある。
【０００７】
こうした利益は、１８００年代の初めの何十年かにおいてＶＲモータの初期の使用に従い殆どが隠れたままであった。これらモータは、ブラシレスモータのための電子コントローラの開発により１９８０年初期において再び現れた。これら同じコントローラも、高度に非線形のＶＲモータのために用いることができたのである。
【０００８】
米国国防総省は、積極的にＶＲモータの応用を推し進めている。これらモータは、タービンエンジンのための発電機からジェット戦闘機用のポンプモータまでにわたる用途に利用されている。この技術は、信頼性が最高の優先順位とされ、コストはそうでもない用途において非常に魅力的なものである。同じ理由により、航空宇宙産業も、航空機フラップ用のアクチュエータ制御を含む用途のためにＶＲモータを使用し始めている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、ＶＲモータは、欠点がないわけではない。最も重大なマイナス面は、モータの高いパルス磁束によりしばしば生じる音響ノイズ及び大振動である。このノイズは、特別な磁気回路を構成する電子部に構成部を付加し、機械的構成を調整することによって減らすことができるが、これらステップの幾つか又は全てを行うことは、モータの利益を低下させうるものである。設計者は、一般に、特定の用途に合うようにノイズ低減と性能との適正な組み合わせを選択する。
【００１０】
他の制約は、トルクリップルである。滑らかなトルク特性をＶＲモータに与えることが困難になりうるので、モータは、サーボモータよりも頻繁に可変速度モータに代わって用いられる。補償のためのエンコーダ及び電子構成部を付加することのような、トルクリップルを制御する方法があるが、これら付加される制御は、少なくともモータ自体が節減するものと同程度のコストがかかる可能性がある。トルクリップルが一番の関心事である場合、最良の選択肢は、代わりに永久磁石モータとすることかもしれない。
【００１１】
ＶＲモータは、代表値として０．５ｍｍよりも小さい比較的小さな空隙をもって動作する。当該シャフトが中心から外れている場合、バランスを崩した接線分力は、強力な非線形作用により作用し始めるので、シャフト及び軸受けシステムは、一般的には、他のモータよりも高い品質のものを必要とする。様々なモータ設計者が、当該空隙を広げるような設計に努めている。
【００１２】
測位システム又はステージのような非連続回転の用途に対しては、線形ＶＲモータ及びアクチュエータは、特に高い外部負荷（高Ｋファクタ）を伴う用途において、ローレンツモータ及びアクチュエータに比べて効率が高い。ローレンツモータ又はアクチュエータは、磁束経路のかなりの部分のために空気及び磁性材料（空気とみなされうる）を通じていく磁界においてワイヤコイル又はバンドコイルからなり、これにより、これらモータ又はアクチュエータは、かなり効率が低い。一方、ＶＲモータ及びアクチュエータにおいて、磁界を捕捉するために固定子及び移動体（回転子）の双方に鉄が用いられるので、空隙は非常に小さい。
【００１３】
結果として、ローレンツモータ及びアクチュエータにおけるエネルギ散逸は、等価な力に対してＶＲモータ及びアクチュエータに比べて大幅に高い。
【００１４】
大抵は、ＶＲモータ及びアクチュエータにおけるコイルは、０．２５ｍｍと０．５ｍｍとの間のオーダの直径を有する円形銅製ワイヤにより形成される。これらワイヤは、概して直角循環巻回方法（orthocyclic-winding method）を用いて巻かれる。
【００１５】
直角循環巻回方法は、円形ワイヤが最大の装填を得るための特別の巻回技術として規定される。ワイヤコイルをランダムに重ねるのではなく、直角循環巻回方法は、ワイヤを交互に配置させて、第２の層のワイヤが前のレベルの２つのワイヤ巻回の間に形成されるスペースに位置づけられるようにしている。したがって、当該ワイヤの実際の導電金属の全コイル領域に対する比と定義される装填ファクタは、理論的には円形ワイヤに対して最大化される。
【００１６】
現行のワイヤコイルにおける直角循環巻回方法にもかかわらず、銅の装填ファクタは、ワイヤ間の捕らえられた空気により制限される。ランダムに堆積巻回されたコイルに対しては、約０．７の装填ファクタが実現可能であり、直角循環巻回されたコイルに対しては、約０．８の実際の装填ファクタを得ることができる（理論的には、多数巻回の場合で０．９０６）。また、電流伝導ワイヤにおいて発生される熱は、個々のワイヤの絶縁被覆の低い熱伝導性により周囲に効率的に伝達されない。ワイヤの熱抵抗は、概して、所与の長さにわたる金属だけの抵抗よりも１００倍大きい。
【００１７】
従来のワイヤコイルの比較的高い熱抵抗は、アクチュエータの所定デューティサイクルに対して、単位断面積当たりの電流すなわち電流密度の最大値を限定することとなり、これにより、単位体積当たりの最大モータ力が制限される。この問題は、電流伝導ワイヤに基づいたローレンツアクチュエータにもある。
【００１８】
冷却ボディへの良好な熱伝導性により、改善された最大電流密度と、ＶＲモータ又はアクチュエータの効率（高ｋファクタ）とを組み合わせるため、ＶＲモータ及びアクチュエータにはバンドコイルが提案される。これらバンドコイルは、銅、アルミニウム、又は高い電気的熱的伝導性を有するようなその他の材料から形成される。特に高いスループット（高いデューティサイクル）の用途に対して、高い最大モータ力が得られる。
【００１９】
また、より低くかつより安定した動作温度が、同じアクチュエータ負荷又は電流密度に対して実現される。結果として得られる低い動作温度は、高い精度の用途において付加的な利益を奏する。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本開示内容は、クロスバーから直角に突出する複数のバーを備える第１のコアを有する線形リニアＶＲモータ又はアクチュエータを提供する。また、永久磁石は、直立したバーのうちの中央のバーの上部に位置づけてもよく、複数のバンドコイルは、複数のバーの間に位置づけられる。バンドコイルは、導電性材料から形成される。さらに、バーとして寸法の定められた第２のコアは、当該直立バーの上方に位置づけられる。
【００２１】
本開示内容のこれらの特徴、態様及び利点、並びにその他の特徴、態様及び利点は、次の詳細な説明、添付の請求項及び付随の図面についてよく理解されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
ここで、「線形」とは、特に磁束線に平行な方向における動きの並進方向を指すものであり、すなわち基本的に垂直抗力は、一定のギャップで横方向における動きを含む、固定子歯部からの磁束線と回転子歯部とを位置合わせするように概して当該磁束線と直交している、米国特許第５，８６６，９６５号に記述されているような回転型の用途に用いられるような接線分力と比較して、固定子と回転子との間のギャップ高さを増加又は減少させるために用いられる。
【００２３】
図１を参照して本開示内容の実施例を示す。本開示内容の片側形態線形ＶＲアクチュエータ１００は、鋼材又は他の何らかの強磁性金属のＥ（状）コア１０２を用いて構成されるか又は合金を用いることができる。このＥコアは、その名称が意味するように、その側部において急転する大文字「Ｅ」のように整形される。Ｅコア１０２の垂直バーの間の空間は、密集させられた複数の電流伝導性バンドコイル１０４により占められる。また、中央の垂直バーは、アクチュエータに事前に負荷をかけるために強磁性又はセラミック磁性材料により形成される永久磁石１０６が被せられるようにしてもよく、これは、制御性の観点から利点があり、当該アクチュエータがワイヤを通じる公称電流を伴うことなく重力による荷重の効果を打ち消すことを可能にするものである。垂直バーの反対に、鋼材又は何らかの強磁性金属により形成されたＩ（状）コア１０８が位置づけられ、或いは合金が使用可能である。
【００２４】
永久磁石１０６が存在する場合、アクチュエータ１００は、垂直方向における磁気的な引力、すなわち破線矢印１１０により示される方向におけるＩコア１０８への垂直力を誘導する。したがって、ゼロに等しい電流では、Ｅコア１０２は、Ｅコア１０２とＩコア１０８との間のギャップがゼロになるまで上の方へ引き寄せられる。
【００２５】
バンドコイル１０４への電流の供給により、永久磁石１０６からの磁束は、電流の方向に基づいて増幅又は削除させられる。磁束を増幅することによって、Ｅコア１０２は、Ｅコア／Ｉコアギャップはより急峻に閉鎖する。但し、バンドコイル１０４を通じる電流の流れの方向を変えることにより、磁束は、部分的にキャンセルされ、Ｅコア１０２は、例えば重力により下がり、これにより、Ｅコア／Ｉコアギャップを増加させる。Ｅコア１０２が上下に動く速度は、実際の電流値及び方向に依存する。したがって、当該技術において知られているようなギャップ測定手段を有する制御ループを適用することにより、アクチュエータ１００は、精細走査のための可動ステージのような用途において線形位置決め装置として用いることができる。
【００２６】
図２を参照すると、両側形態ＶＲアクチュエータ２００が示され、これが、前の実施例の単一Ｅコア１０２に代わり二重Ｅコア２０２を有するものとなっている。図１に示されるような片側ＶＲアクチュエータ１００は、例えば制御性の観点から重力又は他のアクチュエータにより与えられる付加的な外部負荷を必要とするが、図２に示されるような両側ＶＲアクチュエータ２００は、何ら付加的な外部負荷を必要としない。
【００２７】
二重Ｅコア２０２の垂直バーの間の空間は、密集させられた複数の電流伝導性バンドコイル２０４により占められる。また、これら各中央垂直バーは、個々のアクチュエータ部に事前に負荷をかけるために永久磁石２０６が冠着されており、これが制御性の観点から有利なものとなっており、アクチュエータは、公称電流を伴うことなく上下の磁力の差として重力の効果を打ち消すことができる。各側の垂直バーの反対には、Ｉコア２０８が位置づけられている。
【００２８】
永久磁石２０６が設けられる場合、アクチュエータ２００は、上下の垂直方向における引力、すなわち破線矢印２１０により示される方向における両Ｉコア２０８への垂直力を誘導する。２つの個々の磁石の強度及び垂直位置に応じて、二重Ｅコアアクチュエータは、上下方向においてＩコア２０８に磁気的に引き付けられている。図示のように、二重Ｅコアは、２つの反対方向において引力２１０を受けて、ゼロに等しい電流のときに二重コア２０２が２つのＩコア２０８の間に中心が位置づけられるようにして、永久磁石２０６の間の差に応じて線形ＶＲアクチュエータがステージに対する重力の効果を打ち消すことが可能なものとなっている。バンドコイル２０４を通じて流れる電流の大きさ及び方向を変えることは、二重Ｅコアを一方又は他方の方向にバイアスする。
【００２９】
なお、本発明の実施例をＩコア及び単一又は二重のＥコアを有するものとして説明したが、他の形状を用いてもよく、特定の用途に応じて円形コアなどとしてもよい。
【００３０】
説明した本発明の実施例は、限定するのではなく例証することを意図したものであり、本発明のあらゆる実施例を表すことを意図してしない。本発明の主旨又は範囲を逸脱することなく様々な変更及び変形が可能であり、添付の請求項において、文字通りそして法において認識される均等の範囲につき示されるように、例えば、Ｉコア（例えば円形軸の一部）及びＥコアの反対の部分のために異なる形状（例えば円形）を用いてもよい。
【００３１】
添付請求項を解釈する際、次のことに留意されたい。
ａ）「有する」なる文言は、所与の請求項に挙げたもの以外の要素又は作用の存在を排除しない。
ｂ）要素の単数表現は、そのような要素の複数の存在を排除しない。
ｃ）請求項における参照符号は、それらの範囲を限定しない。
ｄ）幾つかの「手段」は、同じアイテム又はハードウェア若しくはソフトウェアにより実現される構成又は機能により表すことができる。
ｅ）その開示の装置又は部分のいずれも、特に別段の言及がなければ他の部分に組み合わせてもよいし当該部分に分離してもよい。
ｆ）特段の言及がなければ、作用についての特別の順序を必要とすることを意図していない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本開示内容による片側形態の線形ＶＲアクチュエータの断面図。
【図２】本開示内容による両側形態の線形ＶＲアクチュエータの断面図。
【図１】
2009516495.tif 000003
【図２】
2009516495.tif 000004
【国際調査報告】
2009516495.tif 000005
2009516495.tif 000006
2009516495.tif 000007