(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁エネルギー移送を伴う駆動システム（１）であって、
複数のステータ（４）を備える軌道（３）であって、各ステータ（４）は、変動電流が供給される場合、基本高調波（８）及び少なくとも１つの更なる高調波（９）を有する磁場を発生させるように適合された少なくとも１つの巻線を有する、軌道（３）と、
一次磁気要素（５）を備える可動要素（２）であって、前記一次磁気要素（５）は、前記基本高調波（８）を受信して前記可動要素（２）を前記軌道（３）に沿って駆動させるように適合されている、可動要素（２）と
を備え、
前記可動要素（２）は、前記少なくとも１つの更なる高調波（９）を受信して前記可動要素（２）上で動力を発生させるように適合された二次磁気要素（６ａ〜６ｃ）を更に備え、
前記少なくとも１つの更なる高調波（９）は、分数調波であって、
前記駆動システム（１）は、前記可動要素（２）上での前記動力の発生を高めるために、前記ステータの前記電流を変調して、前記少なくとも１つの更なる高調波（９）を高めるように適合された制御ユニットを更に備えることを特徴とする、駆動システム（１）。
【請求項２】
前記変動電流は交流である、請求項１に記載の駆動システム（１）。
【請求項３】
前記一次磁気要素（５）及び／又は前記二次磁気要素（６ａ〜６ｃ）は巻線を備える、請求項１又は２に記載の駆動システム（１）。
【請求項４】
前記可動要素（２）は、前記可動要素（２）に沿って交互に配置された複数の一次磁気要素（５）及び二次磁気要素（６ａ〜６ｃ）を備える、請求項１〜３の何れか一項に記載の駆動システム（１）。
【請求項５】
前記二次磁気要素（６ａ〜６ｃ）の巻線の幅（Ｗ）は、前記基本高調波（８）と前記二次磁気要素（６ａ〜６ｃ）によって受信された前記少なくとも１つの更なる高調波（９）との周波数比のように、後続の一次磁気要素（５）との間の距離（ｄ）に実質的に比例する、請求項１〜４の何れか一項に記載の駆動システム（１）。
【請求項６】
前記可動要素（２）は、取付プレート（１２）を更に備え、前記取付プレート（１２）上に、前記一次磁気要素（５）及び前記二次磁気要素（６ａ〜６ｃ）が取り付けられ、前記取付プレート（１２）には、前記二次磁気要素（６ａ〜６ｃ）を受容するためのスロット（７）が設けられている、請求項１〜５の何れか一項に記載の駆動システム（１）。
【請求項７】
前記取付プレート（１２）は、高透磁率を有する材料で作られている、請求項６に記載の駆動システム（１）。
【請求項８】
前記取付プレート（１２）は、鉄で作られている、請求項７に記載の駆動システム（１）。
【請求項９】
前記複数のステータは、前記変動電流の連続的な位相が連続的に供給される、請求項１〜８の何れか一項に記載の駆動システム（１）。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの更なる高調波（９）は、ソフトウェア又はファームウェアによって高められる、請求項１〜９の何れか一項に記載の駆動システム（１）。
【請求項１１】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の駆動システム（１）を備える、線形分数スロット同期機。
【請求項１２】
請求項１〜１０の何れか一項に記載の駆動システム（１）を備える、回転同期機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁エネルギー移送を伴う駆動システムに関する。本発明はまた、線形分数スロット同期機及び回転同期機に関する。その目的は、用途に応じて、種々の使用のために移動要素において電力を発生させるために、サーボブラシレスモータの可動要素上でエネルギー収集を行うことである。
【背景技術】
【０００２】
食品包装産業において、包装の形成の間、又は包装が生成された後の何れかに、包装材料を食品内容物で満たされる包装に変形する大型機械において、包装が製造され、食品で充填される。これらの包装機械において、包装、及び包装又は包装材料を取り扱うための機器が搬送される必要がある。
【０００３】
特許文献１は、包装材料が搬送されている間に包装を形成することを意図したボール紙ベースの包装材料上にプラスチックの物体を成形する課題のための解決策を開示している。複数の成形ステーションは、成形ステーションが包装材料の移動シート上に整列されるように、環状軌道に沿って線形同期モータによって牽引される。一定期間の間に、移動する成形ステーションは包装材料の領域に位置合わせされて、この領域上に物体を成形する。この解決法は、包装機械における包装材料の供給を停止することなく、包装材料において作業がなされることができるという利点を有する。更に、包装材料の対応する領域との各成形ステーションの正確な整列が達成されることができる。
【０００４】
特許文献１においては、成形ステーションは、機械的にカムによって作動される。しかし他の状況では、包装において実行される作動は、電力を必要とする。このような移動する物体への電力移送は、慣例でブラシコネクタによって達成されてきた。しかし、ブラシコネクタは、摩耗を受け、且つ、メンテナンスの必要性をもたらす機械的な解決策である。
【０００５】
特許文献２は、ブラシコネクタが誘導エネルギー移送システムによって置き換えられて、誘導加熱作動を実行するために電力で包装機械におけるチェーンに沿って移動する密封口を提供する解決策を示す。
【０００６】
特許文献３は、誘導を使用して電力が各移動車両に移送される同期線形モータを使用して車両の線形駆動のための更に強化されたシステムを開示する。この解決策は、車両の運動のための同期線形モータによって使用される同じ電磁機構を使用して、また電力を移送する。同期線形モータにおいて、車両に位置する励磁部に対向する長いステータの個々の部分に進行波の場が発生する。進行波の場は、直流電源によって励磁器巻線において発生した場と協働して、車両を前方に移動させる。進行波の場を発生させるためにステータ部分に供給される交流は、励磁器巻線においてほとんど電圧を誘起しない。誘導エネルギー移送を保証するために、より高い周波数の交流が、進行波の場を発生させるために利用可能な交流に重畳される。より高い周波数の交流は、ステータ巻線及び励磁器巻線を含む変圧器の二次巻線として考えることができる励磁器巻線において高周波電圧を誘起する。しかし、移動する車両への電力の無線移送のためのこの解決法は、電力を移送するために重畳された高周波の交流で車両を移動させる交流を達成するための、非標準電源の必要性又は複数の電源の使用により、複雑で高価である。
【０００７】
上記に基づいて、線形同期モータにおける車両に電力を移送するためのより簡易な解決策が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１５／１０１４９２号
【特許文献２】国際公開第２００６／０４８４４１号
【特許文献３】国際公開第９３／０２８８８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、現状の状態を改善し、上記の問題を解決し、電磁エネルギー移送を伴う改善された駆動システムを提供することである。
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、これらの目的及び他の目的は、電磁エネルギー移送を有する駆動システムによって完全に又は少なくとも部分的に達成される。システムは、複数のステータを備える軌道を含み、各ステータは、選択された波形を有する変動電流が供給される場合、基本高調波、分数調波、及び高次高調波を有する移動（並進又は回転）磁場を発生させるように適合された少なくとも１つの巻線を有する。システムはまた、この基本高調波を受信するように適合された一次磁気要素を備える可動要素を含み、この軌道に沿ってこの可動要素を駆動させる。システムは、この可動要素が、更なる高調波、好ましくは分数調波を受信するように適合された二次磁気要素を更に備えて、この可動要素上で動力を発生させることを特徴とする。
【００１１】
変動電流は、好ましくは周期的な波形に従って周期的に変動する。波形は、正弦、正方形、若しくは三角形、又はステータを介して同期機を駆動させるのに適した他の任意の形状とすることができる。変動電流は、好ましくは交流、すなわち電流が周期的に変化する傾向であって、波形は電位ゼロに中心合わせされる。交流は、同期機を駆動させるための従来の波形の形状であるので、好ましくは正弦波形の形状を有する。
【００１２】
一次磁気要素は、複数のステータによって生成された磁場によって牽引され、それによって可動要素を移動させることを意図される。
【００１３】
一次磁気要素は、永久磁石、電磁石、又は磁気回路であってもよい。可動要素によって必要とされるエネルギーを低減するために、一次磁気要素は好ましくは永久磁石である。
【００１４】
二次磁気要素は、磁気回路であってもよい。特に、二次磁気要素は、銅線のような高い導電率を有するワイヤによって作られた巻線である。二次磁気要素の目的は、更なる高調波、好ましくは第１の分数調波の磁場から巻線のワイヤにおいて電流を誘導することである。巻線は、更に好ましくは数回巻かれて、更なる高調波の磁場によって誘起される電流を増加させるためのコイルを形成する。
【００１５】
本発明においては、電気機械設計に固有であるエアギャップ起磁力の分数調波を使用する、例えば線形同期機における電磁エネルギー移送のためのシステムが扱われる。分数スロット同期機が、分数調波成分及び高次高調波を含むエアギャップ起磁力分布において高い高調波成分を生成することは周知である。同期機の移動要素は、起磁力の基本高調波にリンクされ、それらは同じ並進速度を有する。他の全ての高調波は、移動要素と同期して移動する基本高調波に対して、異なる周波数、従って異なる速度及び方向を有する。
【００１６】
本発明では、ステータから移動要素へのエネルギー移送を得るために寄生効果が利用される。このようにして、移動要素は、エネルギーを収集し、オンボードで動力を発生させるために、ステータの分数調波を利用している。分数調波は、（同期モータの）可動要素の運動を発生させるために使用される、分数スロット電気機械トポロジの結果として、運動制御システムの本質的な特徴として如何なる方法でも存在することに留意されたい。本発明は、さもなければ完全に使用されず、損失と見なされる（ブラシレスモータの）可動要素上に電力を発生させるために、分数調波を利用している。高調波の次数が増加すると、高調波の振幅は減少する。この理由から、好ましくは、重要なエネルギー移送効果を得るために、分数調波のみが使用される。主な利点は、追加の一次磁気要素、回路、又は高周波高調波電流注入を追加することなく、システムが可動要素上で動力を発生させることができることである。二次電磁要素又は回路は、可動要素に埋め込まれていてもよい。上で示された利点に加えて、解決策は完全に無線である。
【００１７】
可動要素は、例えば、 製品を製造したり、材料や物体を取り扱ったりするための機械に使用される独立したカートであってもよい。背景技術で説明されたように、独立したカートは、通常、先行技術において公知の線形同期機の手法によって動作される。先行技術のカートを駆動させるために使用されたステータは、線形同期機としてカート又は車両を駆動させる主に基本高調波を有する磁場を生成するように最適化されている。ステータの他の全ての高調波は、エネルギー消費を低減するための設計によって意図的に最小化される。しかし、エネルギー損失につながる、基本高調波以外の高調波を完全に避けることは不可能である。本発明は、同期機の欠点を利用し、独立したカート／車両へのエネルギー移送のために先行技術においては使用されなかった高調波の少なくとも１つを使用する。周波数において基本高調波より小さい第１の分数調波が、通常、最も大きい振幅を有するので、その分数調波が好ましくは使用される。二次磁気要素、好ましくは誘導コイルが、分数調波の周波数に等しい周波数を有する磁場から電流を誘導するように設計される。このようにして、独立したカートのための線形同期機の駆動ステータにおける従前の望ましくない影響が、独立したカートへの無線エネルギー移送のために使用されて、電気機器は、独立したカートにおいて使用されることができる。
【００１８】
本発明の別の態様によれば、二次磁気要素の巻線の幅は、基本高調波と更なる高調波との間の周波数比として、後続の一次磁気要素間の距離に実質的に比例するように選択される。例えば、第１の分数調波が基本高調波の周波数の半分を有する場合、二次磁気要素の巻線の幅は、後続の一次磁気要素間の距離の２倍である。これによって、可動要素の速度に関して、分数調波の受信の最適な同期に近づく一方で、同時に、二次磁気要素の巻線は、一次磁気要素の合間の空間に配置されてもよい。
【００１９】
本発明の１つの実施形態においては、可動要素には、例えば鉄のような高透磁率材料で作られた可動要素の一部に切欠き又はスロットが設けられる。スロットは、二次磁気要素を収容し、二次磁気要素は、好ましくは、銅線等の高導電率を有する材料のワイヤによって巻かれたコイルである。スロットは、分数調波からのエネルギー移送の効率を増加させるように、二次磁気要素の巻線によって生成された磁束エネルギーを集めて集線する手法である。
【００２０】
可動要素は、一次磁気要素及び二次磁気要素が取り付けられる取付プレートを更に備えてもよい。二次磁気要素を受容するためのスロットが、取付プレートの切欠きとして作られている。取付プレートは、好ましくは、高透磁率を得るために、鉄、好ましくは純鉄のような高透磁率を有する材料で作られる。取付プレートは、特に、二次磁気要素が取付プレートの切欠きスロットに収容される場合、二次磁気要素のための磁束集線器として機能する。
【００２１】
システムは、ステータの電流を変調するように適合された制御ユニットを更に備えてもよい。これは、可動要素上で動力の発生を制御するために、エネルギー移送のために使用される分数調波を高め、又は制御することである。分数調波の変調は、駆動装置の異なる電流制御によって行われてもよい。制御ユニットは、モータを制御するために如何なる方法でも存在することに留意されたい。この更なる改良は、１つ又は複数の分数調波を増加させて、可動要素へのエネルギー移送を増加させるために、制御ユニットのファームウェアの変更を含む。このようにして、可動要素へのエネルギー移送が制御されてもよい。この結果、先行技術の欠点は、意図的に増加されて、本発明におけるエネルギー移送のために使用される。
【００２２】
本発明の第２の態様によれば、これらの目的及び他の目的は、上記の特徴による駆動システムを備える線形分数スロット同期機又は回転同期機によって達成される。上記と同じ利点がまた、本発明の第２の態様に当てはまる。
【００２３】
一般的に、特許請求の範囲で使用される全ての用語は、本明細書で明示的に定義されない限り、技術分野における通常の意味に従って解釈されるべきである。「ａ／ａｎ／ｔｈｅ［要素、装置、構成要素、手段、ステップ、等］」に対する全ての言及は、明示的に記載されない限り、この要素、装置、構成要素、手段、ステップ、等の少なくとも１つの例を参照するものとして解釈されるべきである。
【００２４】
本発明の上記の目的、並びに追加の目的、特徴、及び利点は、本発明の好ましい実施形態の以下の例示的及び非限定的な詳細な説明を添付の図面と併せて参照することによって、より完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１ａ】公知の先行技術による駆動システムを有する線形同期機の側面図である。
【図１ｂ】公知の先行技術による駆動システムを有する線形同期機の側面図である。
【図２】本発明の１つの例示的な実施形態による駆動システムを有する線形同期機の側面図である。
【図３】図２の平面Ａ−Ａに沿った断面図である。
【図４】駆動システムのステータによって発生された基本高調波及び分数調波を示す図である。
【図５】本発明による誘導電力移送の概略図である。
【図６】本発明による駆動システムを使用する可動要素のための軌道の１つの可能な実施形態の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図１ａ及び図１ｂは、公知の先行技術による駆動システムを有する線形同期機の側面図を示す。可動要素２’のための駆動システム１’は、複数のステータ４’を有する軌道３’を含み、各ステータ４’は、磁場、及び、従って磁束を発生させるように、電流が供給される（図示されない）巻線を有する。磁束は可動要素２’における磁気要素５’に作用して、可動要素２’をこの軌道３’に沿った方向に牽引する。ステータ巻線に供給される電流は交流であって、例えば、三相と、移動要素２’の速度を制御する周波数とを有する正弦電流である。図１ａ及び図１ｂにおいて、三相はＡ、Ｂ、及びＣとして参照される。三相Ａ、Ｂ、Ｃは、駆動システム１’における後続のステータ巻線に供給されて、移動要素２’における磁気牽引の連続的な移動、それによって移動要素２’の途切れのない移動を達成する。
【００２７】
図２は、本発明の１つの例示的な実施形態による駆動システム１を有する線形同期機の側面図である。可動要素２のための駆動システム１は、複数のステータ４を有する軌道３を備え、各ステータは電流が供給される（図示されない）巻線を有して、磁場及び磁束を発生させる。磁束は可動要素２の磁気要素５に作用して、可動要素２を該軌道３に沿った方向に牽引する。ステータ巻線に供給される電流は、例えば、移動要素２の速度を制御する周波数を有する三相を伴う交流である。交流の周波数は、典型的には０．２〜１０Ｈｚの範囲内である。これらの位相は、駆動システム１における後続のステータ巻線４に供給されて、移動要素２における磁気牽引の連続的な移動を達成する。
【００２８】
図２における移動要素は、二次電磁要素６ａ〜６ｃを更に備え、二次電磁要素６ａ〜６ｃは、移動要素２の移動のために使用される磁場の基本高調波の分数調波磁気波周波数のエネルギーを受け取るように設計された巻線である。二次磁気要素の巻線は、分数調波によって生成された可変磁束を受け取るように設計されている。移動要素２の部品は、鉄板１２に取り付けられている。
【００２９】
二次磁気要素６ａ〜６ｃは、好ましくは、分数調波の磁場を集めるためのコイルを含むインダクタである。高透磁率の磁束集線材料が、動力移送を増加させるためにコイルの周りに配置されている。図２においては、磁束集線材料は、可動要素の取り付けプレートである。取付プレートの切欠き７は、二次磁気要素６ａ〜６ｃの巻線／コイルを容易にするように作れられる。
【００３０】
二次磁気要素６ａ〜６ｃの巻線は、好ましくは、一次磁気要素５の合間の空間に配置されて、それらは、基本高調波によって生成された磁束が可動要素２を牽引するために使用されると、同時に分数調波によって生成された磁束をリンクすることができる。二次磁気要素６ａ〜６ｃの巻線のワイヤのための一次磁気要素５の合間の空間の使用は、受信する二次磁気要素を一次磁気要素５と同じようにステータに近づけて配置することを可能にし、それによって、ステータからの磁場の振幅がステータからの距離と共に指数関数的に減少するので、エネルギー移送の効率が増加する。この結果、一次磁気要素５及び二次磁気要素６ａ〜６ｃが織り交ぜられているので、可動要素は、非常にコンパクト化されることができる。
【００３１】
図３は、図２の平面Ａ−Ａに沿った断面図である。二次磁気要素６ａ〜６ｃの巻線６ａ〜６ｃは、一次磁気要素５の合間の空間に配置される。一次磁気要素５は距離ｄによって離間されている。図３の実施形態においては、３つの巻線６ａ〜６ｃは、ステータ４の分数調波を受け取るように示されている。一次磁気要素の合間の空間の使用は、二次磁気要素の巻線６ａ〜６ｃの幅Ｗが基本高調波と更なる高調波との周波数比として実質的に選択される場合、分数調波の良好なリンクを保証する。例えば、第１の分数調波が（図４に示されるように）基本高調波の周波数の半分を有する場合、二次磁気要素の巻線６ａ〜６ｃの幅は、２つの一次磁気要素を囲むように選択されるべきである。その時、一次磁気要素５の基本高調波からの磁気牽引は、二次磁気要素による分数調波の誘導受信と同期する。
【００３２】
二次磁気要素６ａ〜６ｃの巻線によって誘起される電流は、接続ケーブル１１ａ〜１１ｃを介して（図示されない）整流器に供給されて、直流が可動要素２上の任意の電気機器によって使用されてもよい。
【００３３】
図４は、駆動システム１のステータ４によって発生された基本高調波８及び更なる高調波９、１０を示す図である。先行技術の解決策における更なる高調波９、１０は、基本高調波８のみが移動要素２の移動のために使用されるので、鉄損で損失されるエネルギーを消費する欠点である。エネルギー損失は、透磁率を有する材料の誘導渦電流に起因する。そのため、先行技術のステータ巻線の構成は、分数調波９及び高次高調波１０を最小化するように最適化されて、磁場エネルギーの形態で送信された交流のエネルギーのみが、基本高調波８で送信される。しかし、分数調波９及び高次高調波１０による損失を避けられず、望ましくない高調波を発生させることなく分数スロットステータ巻線を構築し、完全な供給交流を生成することは不可能である。
【００３４】
しかし、本発明においては、分数調波９及び高次高調波１０の不可避の副作用が、移動要素２の二次磁気要素６ａ〜６ｃを介してエネルギーを移送するために使用される。軌道３のステータ巻線によって生成された磁場の最も強い分数調波９の従前の損失されたエネルギーは、移動要素２の二次磁気要素６ａ〜６ｃの巻線によって回収され、誘導的に電気に変換される。軌道３のステータ巻線に交流を供給する（図示されていない）電源もまた、移動要素２の移動のために「あまり最適ではない」ように、その代わりに移動要素２へのエネルギー移送のために使用されることができるより大きい分数調波を生成するように、交流を変更するために制御されてもよい。最も強い分数調波９は、図４に示されるように、基本高調波８の半分の周波数を有するものであることが多い。
【００３５】
供給電流及びそれによる分数調波９は、静的な量の電力を移動要素２に移送するように手動で変更されることができるが、それはまた、移動要素２に移送されるエネルギーの動力を調整することができるように、制御ユニット又はコンピュータソフトウェアによって制御されてもよい。その際に、可動要素２に電気が必要とされない場合、エネルギーが節約されてもよい。移動要素２上の幾つかの機器はまた、移動要素２に移送される動力の量によって直接制御されることができる。
【００３６】
ステータ巻線によって生成される磁場の分数調波９を使用することによって、移動要素２の受信する二次磁気要素以外、余分な部品は不要である。移動要素２に移送された電力は、例えば、包装機械の密封口のような機械の工具に、工具等の冷却のために使用される。このようにして発生された電力は、可動要素２上で産業用に使用可能なＤＣ又はＡＣ電力を生成するために、電気的手段、例えばフィルタ及び／又はＤＣ−ＤＣコンバータで更に調整されることができる。
【００３７】
図５は誘導エネルギー移送の概略図である。軌道３に配置された、駆動システム１のステータ４のステータ巻線には、ＤＣ／ＡＣコンバータによって生成された三相交流（ＡＣ）が供給される。ステータ４のＡＣ電流は、ＡＣ電流の周波数と同じ基本高調波８の周波数を有する磁場を生成する。基本高調波８は、可動要素を移動させるために、可動要素の一次磁気要素５にリンクされるように適合される。ステータ４に供給される交流の周波数が駆動システムの可動要素２の速度を決定するので、供給された主配線は、生成されたＡＣの周波数を制御するように配置され、それによって、本発明の駆動システムの軌道３上の可動要素２の速度を制御する。上で説明されたように、基本高調波８に対する分数調波９は、二次磁気要素６によってその巻線を介して受信されるように適合される。二次磁気要素６の巻線に誘起された電流は、可動要素２上で電気エネルギーを必要とする任意の電気負荷を駆動させるために、整流されてＤＣ／ＡＣコンバータに供給される。当然ながら、整流器からのＤＣ電流は、必要に応じて負荷によって直接使用されてもよい。
【００３８】
図６は、本発明による駆動システム１を使用した可動要素２のための軌道の１つの可能な実施形態の図である。可動要素２は、軌道３に沿って方向Ｒに移動する。ステータは、可動要素２の取付プレート１２に面して側面３に一体化されている。各可動要素の取付プレート１２は、図２及び図３に示される類型のものであって、すなわち、それらは、永久磁石の形態の一次磁気要素５と、軌道３のステータ４によって生成された磁場の第１の分数調波９を介した誘導エネルギー移送のための二次磁気要素６ａ〜６ｃとの両方を装備している。可動要素２は、金型、誘導密封口、他の機器のための冷却システム、又は他の任意の機器のような電気工具を装備していてもよい。この結果、電気エネルギーは、同期機の駆動システム１のステータ４からの磁場の分数調波の通常は望ましくない影響を使用して、可動要素２に無線送信される。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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