JPS5857066B2 - リニアモ−タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は電磁力によって浮上および駆動を行なうリニ
アモータに関し、特に移動子としての界磁を固定子とし
ての電機子に対して上記浮上および、駆動するに加えて
、界磁を電機子の山内に常に保持案内する力をも電磁力
によって得ようとする改良されたりニアモータに関する
。

リニアモークシステムには大別して同期式リニアモータ
と非同期式リニアモータの三方式がある。

同期式リニアモータは、回転電動機の同期形回転電動機
に対応するもので、直流磁界を発生させる界磁が、電機
子コイルの発生する移動磁界に同期して移動することに
より推力を得る方式のものであり、この場合輸送システ
ム向けに提案されているものの殆んどは地上側固定子と
して移動磁界を発生する電機子コイルを配設し、それに
対して車輛側移動子として界磁を対置する地上−次式の
ものである。

非同期式リニアモータは、一次側電機子コイルで移動磁
界を発生させ、二次側の導体内に生じる渦電流との間に
発生する力で推進力を得るものでこれを輸送システムに
用いる場合は殆んど一次側（電機子）が車載され、二次
側導体が地上側に敷設される。

この方式はいわゆるリニアインダクションモータとして
知られている。

このリニアシンクロナスモータは比較的遅い速度領域で
の用途に適しでおり、高速度領域での用途には一次側と
二次側の双方に電力を必要とするが、前記の同期式リニ
アモータのほうが適している。

またリニアインダクションモータの場合は固定子に対し
て移動子を浮上支持することおよびアライメントのため
の案内をすることをリニアモータ自体で行なうのはむず
かしく、別の支持・案内手段が必要となる。

従来からリニアインダクションモータで用いられている
支持・案内手段は、リニアモータとは別系統の電磁シス
テムによる磁気吸引力利用のもの、空気等の流体噴射に
よるもの、ゴムタイヤなどの車輪によるものなどが知ら
れている。

一方、同期式リニアモータを大別すると、サイクロコン
バータまたはインバータによるリニアシンクロナスモー
タとサイリスクフリップフロップインバータによる直流
リニアモータとに分けることができ、現在ではこれら両
者ともに電機子を地上側固定子とする地上−次式として
開発が進められている。

リニアシンクロナスモータでは、移動子としての二次側
界磁を超電導電磁石とし、固定子としての一次側電機子
コイルには交流電力を供給してその周波数制御により速
度制御を行なっている。

またこのリニアシンクロナスモータでは、移動子の推進
力と案内力とを同一の移動子側超電導電磁石界磁と固定
子側電機子コイルとの組合せで発生せしめ、浮上刃をこ
れとは別の移動子側超電導電磁石と固定子側誘導コイル
との組合せで発生させている。

一方、直流リニアモータでは移動子側に常電導直流電磁
石を搭載して二次側とし、固定子側には空心の電機子コ
イル偶数相の多相化配列で敷設して、電機子コイルの各
相に直流定電流電力をサイリスクフリップフロップイン
パークによって転流して供給することにより移動磁界を
発生させ、これと鎖交する上記電磁石からの磁束によっ
て移動子にフレミング力による推進力と浮上刃とを与え
ている。

すなわち移動子の移動方向と直角な電機子コイル辺の生
じる磁界によって転流周波数に応じた速度での推進を行
ない、移動方向と平行な電機子コイル辺の生じる磁界に
よって移動子の浮上を行なっており、この場合、移動子
側に別の電磁石を搭載すれば上記電機子コイルを共用し
て案内力を得ることができる。

さらに近年になってリニアシンクロナスモータの改良と
して移動子側電磁石を常電導直流電磁石とし、固定子側
には鉄心付の電機子コイルを用いて、この鉄心により推
進力と同時に磁気吸引による浮上刃を発生させるように
したものが提案された力＼ この場合でも移動子のアラ
イメントのための案内力は別系統のものによらざるを得
ない。

以上のように現在までに知られているリニアモータでは
、１つのりニアモータ系でそれに必要とされる推進駆動
力、浮上刃、案内力の全機能を共に単−電磁気系で得て
いるものはなく、各々を別個の系か或いはそのうち二つ
を１つＱ、ノ系で得て残りを別の系で得るかしなければ
ならず、移動子側および固定子側の設備構成が多くなっ
て簡略化は望めない。

この発明は一対の界磁と電機子との組合せによって上述
の推進駆動力と浮上刃および案内力の全てを電磁力とし
て得ることのできるリニアモータを提供することを目的
としている。

すなわちこの発明のりニアモータにおいては、移動子と
しての界磁力＆その移動方向に沿う複数条の平行な磁極
を有する界磁鉄心と、該磁極が条斑に単極磁極となるよ
うに該界磁鉄心に巻装されて直流励磁される界磁コイル
を備え、また固定子としての電機子が、上記界磁鉄心と
同様の横断面形状を有すると共に複数の磁極列を上記界
磁の磁極の条と各々平行に対面するように長さ方向に沿
つて複数列平行に配設してなる電機子鉄心と、各磁極列
が磁極列毎に単極磁極となるように且つ順に励磁切換さ
れることにより該単極磁極が電機子鉄心長さ方向に移動
するように電機子鉄心に巻装されて断続的に直流励磁さ
れる複数相のコイル列からなる電機子コイルとを備え、
上記界磁と電機子とをそれらの磁極面同志が平行間隙を
介して対面するように配置して、上記移動方向の駆動力
と、上記電機子の磁極面に直角な吸引力と、上記駆動力
および吸引力の双方に直角で界磁を電機子の山内に保持
案内する力とを、共に上記電機子コイルと界磁コイルの
励磁によって界磁に作用させるようにしてなるものであ
る。

上記の吸引力は、電機子と界磁との間の空隙内のマクス
ウェル応力により生じ、また界磁を常に電機子山内に納
めようとする力は、磁極面に直角な方向の磁場と電機子
コイル間のフレミング力とじて生じる。

このリニアモータを浮上式鉄道などの輸送システムに用
いるときは、電機子磁極面を下向きにして界磁磁極面を
上向きに水平対面配置することにより、上記マクスウェ
ル応力による吸引力は界磁にかかる荷重に対抗する移動
子浮上刃となり、また上記フレミング力による力は移動
子の移動方向に直角な方向での水平移動に対して界磁の
移動を阻止する案内力となる。

この発明を実施例図面と共に詳述すれば、第１図はこの
発明のりニアモータの基本的な実施例構成と作動原理を
示す斜視説明図で、固定子としての電機子１０は、電機
子鉄心１５に４相のコイル列ｌＬ１２，１３．１４を２
列構成とした電機子コイル１６を巻装していて、電機子
コイルの各相コイル列への電流切換器１７を原理構成回
路と共にボしである。

電機子鉄心１５はＥ字状断面形状のいわゆる外鉄鉄心で
あり、基本的形状は第２図に示した通りである。

この電機子鉄心１５は、その長さ方向に延在する複数の
平行な磁極列１５ａ、１５ｂ。

１５ｃが下向きに突出するように成形してあり、中央の
磁極列１５ｂには所定間隔、この場合コイル列１１〜１
４の各コイルのコイル長の半分の間隔でスロット１８が
設けられ、磁極列１５ｂの両側の溝１９ａ、１９ｂと上
記スロット１８の間に第１図に示すように電機子コイル
１６の各コイル列１１〜１４が装着され、コイル通電時
に各磁極列１５ａ、１５ｂ、１５ｃが、例えば１５ａ。

１５ｃがＮ極、１５ｂがＳ極のように常に単極磁極とな
るようにコイル巻き方向と通電方向が定められる。

すなわち電機子コイル１６は第１図のようにコイル長の
半分のピンチで各コイル列をずらしてコイル列１１と１
３、コイル列１２と１４を各々互いのコイルピッチ間に
嵌め込んで一列ずつにし、これを溝１９ａ、１９ｂとス
ロット１８に二列重ねて装着して磁極列１５ｂを囲む４
相コイルとし、同相コイルは直列接続して電流切換器１
７と図示のように接続することにより各相コイル列に同
じ向きの電流が間欠的に順番に流れるようにして単極磁
界が相順に長さ方向に移動を繰返すようにする。

一方移動子としての界磁２０は前記コイル長の半分より
長い長さをもつＥ字状断面形状の界磁鉄心２１と、これ
に巻装された界磁コイル２２とを備え、該鉄心２１は電
機子鉄心１５の断面形状と同様に形成されていて互いに
磁極面を向い合わせるようになされている。

界磁鉄心２１は電機子長さ方向に沿うその移動方向に延
在した複数の平行な磁極条２１ａ、２１ｂ、２１ｃをも
ち、該磁極条２１ａは電機子鉄心１５の磁極列１５ａと
対面し、２１ｂは１５ｂと、また２１ｃは１５ｃと各各
対面する。

磁極列間の溝２３には中央の磁極列２１ｂを囲むように
上記界磁コイル２２が装着され、この界磁コイル２２に
界磁制御装置２４を介して直流電流を供給することによ
り対面する電機子の各磁極と吸引し合うように例えば磁
極列２１ａ、２１ｃがＳ極、２１ｂがＮ極の単極磁極と
なるように励磁される。

上記のような構成のこの発明のりニアモータは例えば第
３図ａ、ｂ、ｃに示すような高架鉄道などの輸送システ
ムの、駆動システムとして応用され、この場合、電機子
を地上側固定子にして走行路支持桁３１に下向きに架設
し、それと対面するように界磁を車体３２の界磁台枠３
０に取付け、各々の異極の磁極同志が所定の平行間隙を
介して対面するように制御する。

尚、第３図ａで３３は補助支持タイヤ３４を車体３２に
支持する空気はね、３５は給電用の剛体トロリー、３６
は界磁台枠３０の先端に取付けられて支持桁３１に対し
て車体３２が限界量以上に大きく横振れするのを防ぐ補
助案内タイヤであり、前記の補助支持タイヤ３４と補助
案内タイヤ３６はあくまでもリニアモータで制御する不
要な支持力（浮上刃）と案内力とを障害発生時などに補
助するために設けられている。

第３図中に示すように一車輛の両側にこの発明のりニア
モータが一対配置され、界磁２０は一車輛につき第３図
す、ｃのように４基装備されている。

電機子は例えは３００ｍのような適当なき電区間毎に直
列接続した各相コイル列を適当な電流切換器により順に
励磁するようにすればよい。

このようにして上記インバータによる転流により電機子
に発生する移動磁界に応じて第１図中に記したように駆
動力、案内力、浮上刃を発生し、例えば車輛を５００ｋ
ｍ／ｈ程度の高速で浮上走行させることができる。

この発明のりニアモータにおける上述の駆動力、案内力
、浮上刃の作用原理を述べれは、第４図に示すように電
機子のコイル１１と１２および界磁のコイル２２に図中
記号の如き向きの電流が流れたとき、コイルｌＬ１２の
後縁辺（第４図でコイル１１又は１２の左方の紙面表裏
方向に向う辺）に界磁磁束が鎖交して界磁２０に矢印Ａ
方向の駆動力が生じる。

すなわち電機子長手方向に対して直角な電機子コイルの
辺に界磁の磁界が作用してフレミング力が発生しその反
力として界磁が駆動力を得るものである。

案内力は第６図のように電機子と界磁との対面位置が中
心から左右にすれたときに電機子長手方向に沿う電機子
コイル平行辺に界磁の磁界が作用して生じるフレミング
力（矢印Ｃ）により生じ、第５図のように電機子と界磁
とが中心を合わせて対面しているときは互いに向い合う
案内力として釣合っている。

この場合、電機子の磁極巾と界磁の磁極巾とを異ならせ
ることにより案内性を変えることができる。

浮上刃は、前述したように電機子および界磁がともに単
極磁界を作り出しているので、第５図のようにマスクウ
ェル応力（矢印Ｂ）として発生する。

この浮上刃は、電機子と界磁との対面間隙を一定に保持
する必要があるため、第１図に示すように界磁電流を制
御して上記間隙を制御する必要があるが、案内力につい
ては、特別異常な外力に対応するために適当なストッパ
、例えば第３図の補助案内タイヤ３６のような補助手段
を設ける他は案内力制御のための電流コントロールは不
要であり、従ってモータとして上記浮上刃の制御と駆動
力の転流周波数の制御とを行なえばよい。

この発明のりニアモータでは、電機子および界磁を適当
に設計することにより浮上空隙最大３０關程度、左右案
内巾最大５０ ｍｒｒ＠度、および駆動速度５００ｋｍ
／ｈ程度のものを得ることができる。

電機子コイルの構成は例えば第７図に示すような重ね巻
き、又は第８図に示すような波巻きが採用でき、いずれ
も多相のコイル列が各々所定寸法でラップするようにし
て各々コイルに同じ向きの電流が相順に流れるようにす
ればよい。

例えば、第７図および第８図で、開閉器４１，４２，４
３゜４４を、４Ｌ４２、次いで４２，４３、次いで４３
．４４そして４４，４１の頓番で順次繰返し導通させる
ことにより、コイル１１ 、１２ 、１３゜１４の順で
磁界を移動させることができる。

以上の説明では、電機子鉄心と界磁鉄心が共にＥ字状断
面形状のものについて述べたが、これ以外にも例えば第
９図ａ−ｄに示すように各々同様寸法のＵ字状断面形状
の電機子鉄心１５′と界磁鉄心２１′とを用いて構成し
てもよく、この場合、電機子鉄心１５′の両側の磁極列
１５’ａ 、 １５’ｃには交互にコイル長ピッチでス
ロット１８’ａ 、 １ ｓ’ｂを設け、このスロット
間に各磁極列毎に交互に電機子コイル列ｌＬ１２，１３
．１４をずらして巻装する。

また界磁鉄心２１′にも両磁極条２１’ａ。２１′ｂに
各々別の界磁コイル２２’ａ 、 ２２’ｂを巻装し、
両コイル２２’ａ 、 ２２’ｂに互いに向きの異なる
電流を流して両磁極条が極性の異なる単極磁極例えば２
１′ａがＮ、２１’ｂがＳとなるようにする。

電機子ではコイル１１．１３によって磁極列１５′ａが
Ｓ極、コイル１２．１４によって磁極列１５′ｂがＮ極
の単極移動磁界を生じるようにし、コイル１１，１２、
次いで１２．１３、次いで１３．１４、そして１４，１
１の順で励磁されるように制御される。

この第９図の例では、特に電機子鉄心の１つの磁極列に
設けるスロットのピッチが前述のＥ字状断面形状の電機
子鉄心の場合に比べて倍の寸法、すなわちコイル長ピッ
チとなり、それだけ磁気回路中の抵抗を少なくできて効
率の向上が計れるものである。

尚またこの発明のりニアモータの応用例として挙げた第
３図の例では、案内力を第６図の矢印Ｃの案内力で得て
いるか、例えば電機子と界磁とを縦にして対面配置し、
このような縦配置のりニアモータを車体の両側に向い合
せ又は背中合せで配設し、以って第４，５．６図中の矢
印Ｂの浮上刃を案内力に利用してもよい。

以上に述べた如くこの発明のりニアモータによれは、一
組の電機子と界磁の組合せで駆動力の他に案内力と浮上
刃とを同時に発生させることができ、界磁と電機子とが
吸着しないように界磁制御しつつ電機子コイルの転流制
御で駆動速度を制御するだけで安定した駆動が可能であ
る。

また鉄心として外鉄形のものを用いることによって鉄心
の背の磁路部分の厚さを薄くできるから軽量の長ピツチ
界磁を用いることが可能となり、界磁と電機子の双方が
互いに吸引力をもつため、浮上空隙を最大３０ｍ鍜度に
まで大きくできるものである。

また界磁の左右案内がコイルの長さ方向に平行な辺に働
く電磁力によって行なえるので、その最大案内中を５０
ｍｍ程度と大きくできるため、補助案内用タイヤとして
滑走シューや硬質タイヤよりやわらかく荷重に対する変
形量の大きい空気ゴムタイヤを用いることができ、この
ため輸送システムに用いた際に滑走シューや硬質タイヤ
による補助案内手段よりその走行騒音や抵抗を著るしく
低減できるものであ。

さらにまた鉄心が外鉄形の場合、その周外側に放冷用の
フィンなどを装備しやすくなり、電機子および界磁の空
冷が極めて容易となるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のりニアモータの一実施例に係る基本
構成と作動原理を示す斜視説明図、第２図は第１図の例
の電機子鉄心の斜視図、第３図ａ。 ｂおよびＣはこの発明のりニアモータの一応用例を示す
正面図、平面図および側面図、第４図は駆動力と浮上刃
の発生原理を示す側面説明図、第５図は平衡した案内力
と浮上刃の発生原理を示す正面説明図、第６図は界磁が
左方へずれた際にそれを戻すように発生する案内力の原
理説明図、第７図は電機子コイルの巻き方の一例を示す
説明図、第８図は電機子コイルの巻き方の別の例を示す
説明図、第９図ａ ） ｂ ｌ Ｃｌ ｄはこの発明の
りニアモータ別の実施例を示すものでａは横断面図、ｂ
はａ図のｂ−ｂ線矢視図、Ｃはｂ図のｃ−ｃ線矢視図ｄ
はｂ図のｄ−ｄ線矢視図である。 １０：電機子、ｌＬ１２，１３，１４：電機子コイルを
構成する各相コイル、１５：電機子鉄心、１５ａ、１５
ｂ、１５ｃ：磁極列、１６：電機子コイル、１８ニスロ
ツト、１９ａ、１９ｂ：溝、２０：界磁、２１：界磁鉄
心、２１ａ。 ２１ｂ、２１ｃ：磁極条、２２：界磁コイル、２３：溝
、２４：界磁制御装置、３０：界磁台枠、３１：走行路
支持桁、３２：車体、３３：空気ばね、３４：補助支持
タイヤ、３５：剛体トロリー、３６：補助案内タイヤ、
４１．４２，４３，４４：開閉器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 移動子としての界磁が、その移動方向に沿う複数条
   の平行な磁極を有する界磁鉄心と、該磁極が条斑に単極
   磁極となるように該界磁鉄心に巻装されて直流励磁され
   る界磁コイルとを備え、固定子としての電機子が、上記
   界磁鉄心と同様の横断面形状を有すると共に複数の磁極
   列を上記界磁の磁極の条と各々平行に対面するように長
   さ方向に沿って複数列平行に配設してなる電機子鉄心と
   、各磁極列が磁極列毎に単極磁極となるように且つ頓に
   励磁切換されることにより該単極磁極が電機子鉄心長さ
   方向に移動するようにそれぞれ長さ方向に列をなす複数
   相のコイル列を長さ方向に関して所定のピッチ分ずつず
   らして且つ高さ方向に関して積層して電機子鉄心に巻装
   してなる電機子コイルとを備え、上記界磁と電機子とを
   それらの磁極面同志が平行間隙を介して対面するように
   配置して、上記移動方向の駆動力と、上記電機子の磁極
   面に直角な吸引力と、上記駆動力および吸引力の双方に
   直角で界磁を電機子の山内に保持案内する力とを、共に
   上記電機子コイルと界磁コイルの励磁によって界磁に作
   用させるようにしたことを特徴とするりニアモータ。 ２ 界磁鉄心および電機子鉄心が互いに向い合うＥ字状
   横断面形状を有し、中央の磁極の条又は列に各々界磁コ
   イル又は電機子コイルを巻装してなる特許請求の範囲第
   １項に記載のりニアモータ。 ３ 界磁鉄心および電機子鉄心が互いに向い合うＵ字状
   横断面形状を有し、両側の各磁極の条又は列に各々界磁
   コイル又は電機子コイルを巻装してなる特許請求の範囲
   第１項に記載のりニアモータ。 ４ 電機子コイルの各相コイル列が重ね巻きコイルから
   なる特許請求の範囲第１項に記載のりニアモータ。 ５ 電機子コイルの各相コイル列が波巻きコイルからな
   る特許請求の範囲第１項に記載のりニアモータ。 ６ 電機子コイルが２の整数倍の相数のコイル列からな
   り、互いに半ピツチずつ相をずらして配設してなる電機
   子コイル列のうち相の最も近い二組のコイル列毎に順次
   転流するように転流回路から各コイル列に順番に励磁電
   流を流すようにしてなる特許請求の範囲第１項に記載の
   りニアモータ。