JP2013251992A - 電磁サスペンション - Google Patents

Abstract

【課題】固定子に対する可動子の絶対位置（リニアモータのストローク）の検出を非接触で行う。
【解決手段】可動子７の軸方向端部となるヨーク８の底部８Ｂに、磁界強度を検出する第１の磁気センサユニット１２を設ける。この第１の磁気センサユニット１２は、可動子７の永久磁石９から放出される磁束のうちヨーク８の底部８Ｂを回る磁束の強度を検出する。また、固定子２のロッド３には、電気角を検出する第２の磁気センサユニット１３を設ける。そして、第１の磁気センサユニット１２の出力から求められる大よそのストローク位置と第２の磁気センサユニット１３の出力から求められる電気角とから、固定子２に対する可動子７の絶対位置となる機械角を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば鉄道車両、自動車等の車両の振動を緩衝するのに好適に用いられる電磁サスペンションに関する。

一般に、鉄道車両、自動車等の車両には、車体側（ばね上）と各車軸側（ばね下）との間に緩衝器が設けられている。このような緩衝器として、互いに相対直線運動可能に支持された固定子と可動子とからなるリニアモータを用いた電磁サスペンションが知られている（例えば、特許文献１参照）。

この種の従来技術による電磁サスペンションでは、例えば３相リニア同期モータ等により構成されるリニアモータに通電する電流を、固定子と可動子との位置（ストローク位置）に応じて転流操作することで、電磁サスペンションの全可動域（全ストローク領域）で目標通りの推力（減衰力）を発生させるようにしている。

この場合、転流操作とは、３相リニア同期モータの磁石磁束に対して電気角で９０度進んだ位相に通電することをいう。そして、電磁サスペンションの全可動域で、９０度の電流位相を保つためには、磁石磁束の位置（磁極位置）を検出する必要がある。

従来技術による電磁サスペンションでは、ストローク位置を固定子に対する可動子の絶対位置（機械角）として検出することで、転流操作に合わせて、車体の異常動揺や電磁サスペンションの初期位置異常等の判定およびそれを抑制するための制御等を行っている。

例えば、特許文献２には、リニアモータによって駆動される移動部（走行テーブル）の位置検出を、ロータリエンコーダを用いて行う構成が開示されている。

アブソリュート式のロータリエンコーダを用いて絶対位置検出を行う場合、車体の異常動揺や電磁サスペンションの初期位置異常等の判定およびそれを抑制するための制御が可能である。

特開２０１０−１２７３８３号公報 特開平９−２２２３１８号公報 特表２０１１−５０３５４０号公報

特許文献２による従来技術では、移動部の移動に伴ってロータリエンコーダをワイヤによって回転させる構成となっているため、ロータリエンコーダとワイヤとの摺動面が摩耗する虞がある。このような技術を電磁サスペンションに用いると、摺動面の耐久性を十分に確保できない虞がある。また、ポテンショメータを用いて磁極位置の検出を行うことが考えられるが、この場合は、ポテンショメータの摺動面の耐久性を十分に確保できない虞がある。

一方、電磁サスペンションの磁極位置の検出を、例えばＡＭＲセンサやホールセンサなどの磁気センサを用いて非接触で行うことが考えられる。例えば、可動子の移動に伴って磁気センサユニットがリニアモータの永久磁石に対して相対変位する構成とすることが考えられる。磁気センサユニットは例えば特許文献３に示されるような磁束の向きを検出するフルブリッジを２つ有するＡＭＲセンサと、磁束の強度を検出するホールセンサを組み合せて構成される。この場合は、逆極性で隣合う永久磁石上を、磁気センサユニットが移動（相対変位）する毎に、磁気センサユニットの出力は、フルブリッジを２つ有するＡＭＲセンサが出力する電気角１８０度を１周期とする正弦波及び余弦波状と、ホールセンサが出力する電気角３６０度を１周期とする正弦波状に出力される。この正弦波と余弦波の出力から、磁極位置として電気角（３６０度を１周期とする）を求めることができる。しかし、そのままでは（電気角だけでは）、電磁サスペンションの伸縮位置（ストローク）、即ち、固定子に対する可動子の絶対位置（機械角）を求めることができないため、車体の異常動揺や電磁サスペンションの初期位置異常等の判定およびそれを抑制するための制御が出来ない。

本発明は、上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、固定子に対する可動子の絶対位置（機械角、ストローク）の検出を非接触で行うことができる電磁サスペンションを提供することにある。

上述した課題を解決するため、本発明は、互いに相対直線運動可能に支持された第１部材と第２部材とのうちの一方の部材を固定子とし、前記第１部材と第２部材とのうちの他方の部材を可動子としてなるリニアモータを用いた電磁サスペンションに適用される。

そして、本発明が採用する構成の特徴は、前記第１部材は、電機子を含んで構成され、前記第２部材は、永久磁石を含んで構成され、前記第２部材の軸方向端部には、磁界強度を検出する磁気センサを設け、該磁気センサは、前記第２部材の永久磁石から放出される磁束のうち前記第２部材の軸方向端部を回る磁束の強度を検出する構成とし、前記第１部材には、電気角を検出する別の磁気センサを設ける構成としたことにある。

本発明によれば、従来の構成と同じ個数の磁気センサで、固定子に対する可動子の絶対位置（機械角、ストローク）の検出を非接触で行うことができる。

第１の実施の形態による電磁サスペンションを示す縦断面図である。 電磁サスペンションのストロークが伸び状態での磁束分布の一例を示す図１と同方向からみた縦断面図である。 電磁サスペンションのストロークが中間状態での磁束分布の一例を示す図１と同方向からみた縦断面図である。 電磁サスペンションのストロークが縮み状態での磁束分布の一例を示す図１と同方向からみた縦断面図である。 第１の磁気センサの出力および第２の磁気センサの出力と機械角（絶対位置）との関係の一例を示す特性線図である。 第１の磁気センサの出力と第２の磁気センサの出力とから機械角を算出する処理を示す流れ図である。 第２の実施の形態による電磁サスペンションを示す縦断面図である。 第１の磁気センサの出力および第２の磁気センサの出力と機械角（絶対位置）との関係の一例を示す特性線図である。 第３の実施の形態による電磁サスペンションを示す縦断面図である。 電磁サスペンションのストロークが中間状態での磁束分布の一例を示す図９と同方向からみた縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態による電磁サスペンションを、添付図面に従って詳細に説明する。

図１ないし図６は本発明の第１の実施の形態を示している。図において、電磁サスペンション１は、リニアモータ（リニアアクチュエータ）を用いた電磁サスペンションであり、固定子２と、可動子７と、第１の磁気センサユニット１２と、第２の磁気センサユニット１３とにより大略構成されている。そして、固定子２（の電機子４）と可動子７（の永久磁石９）とにより、３相リニア同期モータを構成している。

ここで、固定子２と可動子７とは、互いに相対直線運動可能に支持された第１部材と第２部材であって、本実施の形態の場合は、第１部材と第２部材とのうちの第１部材を固定子２とし、第２部材を可動子７とした場合を例示している。しかし、これに限らず、第１部材を可動子とし、第２部材を固定子としてもよい。

本実施の形態で第１部材に相当する固定子２は、ロッド３と電機子４とにより大略構成されている。ここで、ロッド３は、例えば有底円筒状に形成され、ストローク方向となる軸方向（図１の左、右方向）に延びる筒部３Ａと、該筒部３Ａの一端側（図１の左端側）を閉塞する底部３Ｂとにより構成されている。底部３Ｂには、例えば鉄道車両のばね上部材（例えば車体）に対してピン付きゴムブッシュ３Ｃを介して取付けられる取付アイ３Ｄが設けられている。一方、筒部３Ａの開口端側（図１の右端側）には、電機子４が固定されている。さらに、ロッド３には、電機子４の近傍に位置して後述する第２の磁気センサユニット１３が支持部材３Ｅを介して取付けられている。

電機子４は、例えば圧粉磁心や積層された電磁鋼板、磁性体片より切削加工等によって形成された略筒状のコア５と、所定の方向に巻かれてコア５内に収納された複数のコイル６Ａ、６Ｂ、６Ｃとによって構成されている。各コイル６Ａ、６Ｂ、６Ｃは、後述の可動子７（の永久磁石９）の内周面と対向して配置されている。

この場合、コイル６Ａ、６Ｂ、６Ｃは、略筒状のコア５の外周面側に位置して該コア５の周方向に配置されると共に、略筒状のコア５の軸方向の３箇所位置に軸方向に離間して配置されている。なお、コイル６Ａ、６Ｂ、６Ｃの個数は、図示したものに限らず、設計仕様等に応じて適宜設定することができる。

ここで、軸方向に隣合う３個のコイル６Ａ、６Ｂ、６Ｃは、例えば電気角で１２０度ずつの位相差をもつように配置される。配線方法は、駆動電源側の電圧や電流仕様に応じて適宜選択することができる。

本実施の形態で第２部材に相当する可動子７は、ストローク方向となる軸方向の変位を可能に固定子２に組み付けられている。ここで、可動子７は、ヨーク８と、複数の永久磁石９とにより大略構成されている。

ヨーク８は、例えば磁性体を用いて有底円筒状に形成され、ストローク方向となる軸方向に延びる筒部８Ａと、筒部８Ａの他端側（図１の右端側）を閉塞する底部８Ｂとにより構成されている。筒部８Ａの開口側には、固定子２のロッド３側に向けて径方向内側に突出する鍔部８Ｃが全周にわたって設けられている。

一方、底部８Ｂには、筒部８Ａの内側に位置して底部８Ｂから電機子４の内側に延びる案内筒部８Ｄが設けられている。また、底部８Ｂのうち案内筒部８Ｄの反対側には、例えば鉄道車両のばね下部材（例えば台車）に対してピン付きゴムブッシュ８Ｅを介して取付けられる取付アイ８Ｆが設けられている。

ヨーク８の筒部８Ａの内周面側には、複数の円環状の永久磁石９が軸方向に沿って並んで配置されている。この場合、軸方向に隣合う各永久磁石９は、例えば互いに逆極性になっている。図２に示すように、例えば、右側から数えて奇数個目（１個目、３個目、５個目、７個目、９個目、１１個目）の永久磁石９は、内周面側がＮ極、外周面側がＳ極となり、右側から数えて偶数個目（２個目、４個目、６個目、８個目、１０個目）の永久磁石９は、内周面側がＳ極となり、外周面側がＮ極となっている。

なお、１０はヨーク８の鍔部８Ｃの内周面とロッド３の筒部３Ａの外周面との間に設けられた摺動部材（軸受、スリーブ）を示し、１１は電機子４の一端側（右端側）の内周面とヨーク８の案内筒部８Ｄの外周面との間に設けられた摺動部材（軸受、スリーブ）を示している。

ところで、固定子２の各コイル６Ａ、６Ｂ、６Ｃに電流を流すと、これら各コイル６Ａ、６Ｂ、６Ｃに流れる電流と、可動子７の永久磁石９との間に電磁力が生じ、この電磁力によって電磁サスペンション１は推力（減衰力）を発生する。この電磁力を制御し、目標通りの推力を発生させるためには、コイル６Ａ、６Ｂ、６Ｃが発生する電流磁束が永久磁石９の１／２個分、即ち、電気角で９０度分だけ、永久磁石９の磁束に対してずれるように、Ｕ相コイル６Ａ、Ｖ相コイル６Ｂ、Ｗ相コイル６Ｃに流れる電流値を制御する。

各相に流す電流値の制御方法としては、可動子７が電気角で３６０度移動する間にＵ相コイル６Ａ、Ｖ相コイル６Ｂ、Ｗ相コイル６Ｃに流れる電流の向きを１２通りで切換えることで、電流磁束と各永久磁石９の磁束の位相差を、９０±１５度に保つ、１２０度通電方式と呼ばれる制御方法や、Ｕ相コイル６Ａ、Ｖ相コイル６Ｂ、Ｗ相コイル６Ｃそれぞれの電流の向きと大きさからなるベクトルを合成し、合成したベクトルが各永久磁石９の磁束と位相差を９０度に保つように各層の電流を制御するベクトル制御方式と呼ばれる制御方法が一般に知られている。

このような１２０度通電方式やベクトル制御方式で電流値の制御（転流制御）を行う場合、電流磁束と各永久磁石９との位相差を９０度に保つためには、永久磁石９の磁極位置を検出する必要がある。さらに、車体の異常動揺や電磁サスペンションの初期位置異常等の判定およびそれを抑制するための制御等を行うためには、電磁サスペンション１の伸縮位置（ストローク）、即ち、固定子２に対する可動子７の絶対位置（機械角）を求める必要がある。

ここで、磁気センサを用いて磁極位置の検出を非接触で行うことが考えられる。例えば、可動子７の移動に伴って磁気センサユニットが永久磁石９に対して相対変位する構成とすることが考えられる。具体的には、第２の磁気センサユニット１３として、磁束の向きを検出するフルブリッジを２つ有するＡＭＲセンサと、磁束の強度を検出するホールセンサとから構成することが考えられる。この場合は、逆極性で隣合う永久磁石９上を、磁気センサユニット１３が移動（相対変位）する毎に、磁気センサユニット１３からは、フルブリッジを２つ有するＡＭＲセンサが出力する電気角１８０度を１周期とする正弦波及び余弦波と、ホールセンサが出力する３６０度を１周期とする波形が出力される。これらの出力から、磁極位置として電気角（３６０度を１周期とする）を求めることができる。

磁気センサユニット１３による電気角検出の具体的方法は、例えば特許文献３などに示される。フルブリッジを２つ有するＡＭＲセンサの位相差４５度の出力信号２本の逆正接をとることで１８０度を１周期とする電気角信号を得、そして、ホールセンサで検出される磁束向きをもとに、前記の電気信号が０〜１８０度ないしは１８０〜３６０度のどちらであるかを判定することで、結果として３６０度周期で電気角を求めることができる。

しかし、そのままでは（電気角だけでは）、電磁サスペンションの伸縮位置（ストローク）、即ち、固定子に対する可動子の絶対位置（機械角）を求めることができない。

そこで、本実施の形態では、第２部材に相当する可動子７の軸方向端部、より具体的には、可動子７の一端部（右端部）となるヨーク８の底部８Ｂに、磁界強度を検出する磁気センサとしての第１の磁気センサユニット１２を設けている。ここで、第１の磁気センサユニット１２は、例えばホール効果やＧＭＲ効果を利用した（ホール素子やＧＭＲ素子を用いた）磁気検出センサとして構成することができる。そして、第１の磁気センサユニット１２は、可動子７の永久磁石９から放出される磁束のうち可動子７の軸方向一端部（底部８Ｂ）を回る磁束の強度を検出する。

即ち、永久磁石９のＮ極から放出される磁束は、近くの永久磁石９のＳ極、または、自身の磁石のＳ極（裏側）に戻ってくるような磁束線を描く。この磁束線は、磁気抵抗の低い径路を選んで通過する。例えば、図２で右から７個目の永久磁石９（９Ａ）から放出され該永久磁石９（９Ａ）の左隣り（右から８個目の）永久磁石９（９Ｂ）に戻る磁束Ａは、最短経路となる空気中を通ってＳ極に戻るよりも、強磁性体のコア５を通過してＳ極に戻る方が磁気抵抗が低くなるため、磁束の廻る径路が長くなっても磁気抵抗の低い径路となるコア５を通過してＳ極に戻る径路を優先的に通過する。

ここで、可動子７の軸方向一端部となるヨーク８の底部８Ｂの磁束について、図２ないし図４を用いて説明する。なお、図２は、電磁サスペンション１のストロークが伸び状態での磁束線の分布の概略を示し、図３は、電磁サスペンション１のストロークが中間状態での磁束線の分布の概略を示し、図４は、電磁サスペンション１のストロークが縮み状態での磁束線の分布の概略を示している。

図２の状態では、最も底部８Ｂに近い（右から１個目の）永久磁石９（９Ｃ）の端部は、永久磁石９（９Ｃ）の表（内周面側）から裏（外周面側）に直接回り込む磁束Ｂ以外に、永久磁石９（９Ｃ）の表からヨーク８の案内筒部８Ｄと底部８Ｂと筒部８Ａとを経由して永久磁石９（９Ｃ）の裏に回り込む磁束Ｃと、永久磁石９（９Ｃ）の表から底部８Ｂと筒部８Ａとを経由して永久磁石９（９Ｃ）の裏に回り込む磁束Ｄがある。

図３の状態では、最も底部８Ｂに近い永久磁石９（９Ｃ）の端部は、図２の状態と同様に、永久磁石９（９Ｃ）の表から裏に直接回り込む磁束Ｂ以外に、永久磁石９（９Ｃ）の表からヨーク８の案内筒部８Ｄと底部８Ｂと筒部８Ａとを経由して永久磁石９（９Ｃ）の裏に回り込む磁束Ｃと、永久磁石９（９Ｃ）の表から底部８Ｂと筒部８Ａとを経由して永久磁石９（９Ｃ）の裏に回り込む磁束Ｄがある。

さらに、図３の状態では、電機子４が底部８Ｂ側に近付いたことにより、右から５個目の永久磁石９（９Ｄ）の表（内周面側）から電機子４のコア５とヨーク８の案内筒部８Ｄと底部８Ｂと筒部８Ａとを経由して永久磁石９（９Ｄ）の裏（外周面側）に回り込む磁束Ｅが生まれる。右から５個目の永久磁石９（９Ｄ）の表から出る磁束の大部分は、磁気抵抗の小さいコア５内でループするため、底部８Ｂを通過する磁束はわずかであるが、底部８Ｂには、磁束Ｃ、Ｄに加えて磁束Ｅが通過するため、底部８Ｂの磁界は、図２の状態と比較して強くなる。

図４の状態では、電機子４が底部８Ｂの近傍まで近付いたことにより、最も底部８Ｂに近い永久磁石９（９Ｃ）の磁気抵抗値が大きく下がることから、永久磁石９（９Ｃ）の表から電機子４のコア５とヨーク８の案内筒部８Ｄと底部８Ｂと筒部８Ａとを経由して永久磁石９（９Ｃ）の裏に回り込む磁束Ｆが増加する。これにより、底部８Ｂの磁界は、図２の状態および図３の状態と比較して強くなる。

これにより、可動子７の軸方向一端部となるヨーク８の底部８Ｂに設けられた第１の磁気センサユニット１２の出力は、電磁サスペンション１の伸縮位置（ストローク）、即ち、固定子２に対する可動子７の絶対位置（機械角）に応じて変化する。例えば、磁気センサユニット１２の出力は、図５の特性線１４で示すように変化する。ここで、該特性線１４を用いて磁気センサユニット１２の出力から絶対位置を求めることができる。

本実施の形態の場合は、可動子７の軸方向一端部に第１の磁気センサである第１の磁気センサユニット１２を設けることに加え、第１の磁気センサとは別の磁気センサである第２の磁気センサユニット１３を固定子２に設けている。そして、第１の磁気センサユニット１２の出力と第２の磁気センサユニット１３の出力との２つの出力を用いて絶対位置を精度良く求めることができるように構成している。

第２の磁気センサユニット１３は、電気角を検出するためのもので、固定子２のロッド３に支持部材３Ｅを介して取付けられている。第２の磁気センサユニット１３は、例えばフルブリッジを２つ有するＡＭＲセンサである。電気角が検出できるのであれば、ホール効果やＧＭＲ効果を利用した磁気センサでもよい。

従来の方式では、第２の磁気センサユニット１３には電気角を０〜３６０度で検出するためにＡＭＲセンサとホールセンサなどの２つの磁気センサが必要であったが、本発明では、第１の磁気センサユニット１２を設けることで、第２の磁気センサユニット１３の電気角検出が０〜１８０度周期であったとしても、それが０〜１８０、１８０〜３６０、３６０〜５４０、５４０〜７２０の、どの０〜１８０度にいるかを、第１の磁気センサユニット１２の出力を元に識別することができる。そのため、第２の磁気センサユニット１３にはＡＭＲセンサが１つあればよい。つまり、従来の方式と同じ磁気センサの数で、絶対位置検出が出来るようになる。

第２の磁気センサユニット１３は、固定子２に設けられているため、可動子７の移動に伴って永久磁石９が変位すると、第２の磁気センサユニット１３のＡＭＲセンサの出力の逆正接は、図５の特性線１５で示すように、電気角１８０度を１周期とする鋸波状に変化する。

ここで、図１および図５に示す電気角は、逆極性で隣合う永久磁石９の２個ごとに、０度〜３６０度を繰り返す角度の数え方であるのに対して、絶対位置に対応する機械角は、電磁サスペンション１の全ストローク領域中の位置を考慮して、０度〜３６０度〜７２０度〜１０８０度と増大していく角度の数え方である。なお、このような本明細書で用いる機械角は、回転モータの機械角とは若干異なるものである。即ち、回転モータでの機械角は、モータ１回転を３６０度と数える数え方であるが、本明細書で用いる機械角は、リニアモータの機械角であり、回転モータの機械角の定義とは若干異なる。

何れにしても、リニアモータの機械角が分かれば、電磁サスペンション１の絶対位置、例えば、ストロークが伸びた状態、中間の状態、縮んだ状態の何れかであるかを判断できるのに対し、電気角だけでは、電磁サスペンション１のストロークは判断できない。この場合、コイル６Ａ、６Ｂ、６Ｃに流れる電流値の制御（転流制御）は、電気角を用いて行うことができるが、車体の異常動揺や電磁サスペンション１の初期位置異常等の判定を行う場合は、絶対位置が必要になる。

図５に示すように、第２の磁気センサユニット１３の出力の逆正接は、１８０度を１周期とする鋸波形状となるのに対して、第１の磁気センサユニット１２の出力は、機械角が増大する程振幅が大きくなる正弦波状の出力である。上述の図２ないし図４に示すように、可動子７の位置に応じて磁束の流れが変化する影響で、第１の磁気センサユニット１２の出力は３６０周期でゆらぐ。このとき、第２の磁気センサユニット１３の出力と、第１の磁気センサユニット１２の出力の関係から、モータの絶対位置を一意に求めることが出来る。例えば図５において、第２の磁気センサユニット１３の出力が０．２５で第１の磁気センサユニット１２の出力が約０．５４の時は絶対位置で４５度、第２の磁気センサユニット１３の出力が０．２５で第１の磁気センサユニット１２の出力が約０．４５のときは２２５度、同様に０．２５と０．５７のときは４０５度、０．２５と０．３９のときは５８５度である。

そこで、本実施の形態では、第２の磁気センサユニット１３の出力から電気角を把握すると共に、第１の磁気センサユニット１２の出力から大よそのストローク位置を把握することにより、精度良く絶対位置（機械角）を求めることができるように構成している。具体的には、第１の磁気センサユニット１２および第２の磁気センサユニット１３が接続されたコントローラ（図示せず）は、図６に示す処理を実行することにより、第１の磁気センサユニット１２の出力と第２の磁気センサユニット１３の出力とから絶対位置となる機械角を求める構成としている。なお、図６に示す処理は、可動子７の移動（リニアモータの移動）よりも十分速い周期で連続的に（繰り返し）実行されるものである。

車両の給電開始ないしエンジン始動等に伴う電力供給を受けて図６の処理動作がスタートすると、ステップ１では、第１の磁気センサユニット１２の出力を読込む。続くステップ２では、第２の磁気センサユニット１３の出力を読込む。ステップ１で第１の磁気センサユニット１２の出力を読込むと共に、ステップ２で第２の磁気センサユニット１３の出力を読込んだならば、ステップ３で、第２の磁気センサユニット１３の値から逆正接により電気角を演算する。

ステップ４では第１の磁気センサユニット１２の出力値とステップ３で求めた第２の磁気センサユニット１３の出力値を、あらかじめ設けたマップに入力することで、出力としてストロークの領域番号（縮み、中間、伸び等を表す数字）を得る。なお、マップの一例を下記の表１に示す。

ステップ５では、下記の数１式を用いて現在の機械角を求める（算出する）。なお、この式中、電気角は、ステップ３で演算した電気角情報を用い、領域は、ステップ４で求めた領域番号を用いる。

このように、ステップ５では、第１の磁気センサユニット１２で検出される大よそのストローク位置と、第２の磁気センサユニット１３で検出される精度の高い電気角とを用いて機械角を求める。このため、電磁サスペンション１の伸縮位置（ストローク）、即ち、固定子２に対する可動子７の絶対位置（機械角）を精度良く求めることができる。なお、ステップ５で、機械角を求めたならば、リターンを介してスタートに戻り、ステップ１以降の処理を繰り返す。

本実施の形態による電磁サスペンション１は、上述のような構成を有するもので、次にその作動について説明する。

例えば、電磁サスペンション１を、例えば鉄道車両のばね下部材（台車）とばね上部材（車体）との間に左、右方向に横置き状態で介在させた場合は、車体が左、右方向に振動すると、電磁サスペンション１にはストローク方向（軸方向）に力が作用する。この力に応じて、可動子７と固定子２とが相対移動する。このとき、コイル６Ａ、６Ｂ、６Ｃには、第１の磁気センサユニット１２の出力と第２の磁気センサユニット１３の出力とから求められる電気角と機械角とに応じて所定の電流を流すことにより、電磁サスペンション１の減衰力を調整することができ、車両の乗り心地や走行安定性を向上させることができる。

この場合、車体が台車に対して左、右方向に変位すると（電磁サスペンション１の縮み方向または伸び方向に変位すると）、第１の磁気センサユニット１２の出力と第２の磁気センサユニット１３の出力とから求められる機械角も、その変位に応じて変化する。そして、この機械角から、例えば、車体の左、右方向の変位が限界位置（縮み方向または伸び方向の限界位置）に近付いていると判定されたときに、電磁サスペンション１の減衰力を大きくする制御を行うことにより、車体が変位限界に達する（例えば台車のストッパに当接する）ときの衝撃を緩和することができる。これにより、乗り心地や走行安定性を向上することができる。

本実施の形態によれば、電磁サスペンション１のストローク位置、即ち、固定子２に対する可動子７の絶対位置（機械角）の検出を非接触で行うことができる。

即ち、第２部材に相当する可動子７の軸方向一端部、即ち、ヨーク８の底部８Ｂを回る磁束の強度は、固定子２に対する可動子７の絶対位置に対応する機械角に応じて変化する。このため、ヨーク８の底部８Ｂに設けた第１の磁気センサユニット１２の出力と機械角との相関関係に基づいて、第１の磁気センサユニット１２の出力から機械角を求めることができる。この場合、第１の磁気センサユニット１２は、可動子７に対して相対直線運動する固定子２に対して非接触で検出を行うため、摺接に伴う耐久性の低下を招くことはない。このため、機械角の検出を長期間にわたり安定して行うことができる。しかも、リニアモータの基本構造の変更等の大きな設計変更を必要とすることなく機械角の検出を行うことができるため、機械角の検出に要するコストの増大を抑制することができる。

さらに、本実施の形態によれば、第１の磁気センサユニット１２に加え、電気角を検出する第２の磁気センサユニット１３を設ける構成としているので、第１の磁気センサユニット１２の出力と第２の磁気センサユニット１３の出力とから機械角を高精度で求めることができる。即ち、第１の磁気センサユニット１２の出力から大よそのストロークを求め、該大よそのストロークに第２の磁気センサユニット１３から検出される電気角を加算することで、機械角を精度良く求めることができる。

そして、求めた機械角は、車体の異常動揺や電磁サスペンション１の初期位置異常等の判定およびそれを抑制するための制御等に用いることができる。これにより、電磁サスペンションが取付けられた鉄道車両、自動車等の車両の安定性、信頼性の向上を図ることができる。

次に、図７および図８は本発明の第２の実施の形態を示している。本実施の形態の特徴は、第１の磁気センサを第２部材の軸方向他端部となる可動子の他端部（左端部）に設ける構成としたことにある。なお、本実施の形態では、上述した第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

第１の磁気センサユニット２１は、上述した第１の実施の形態の磁気センサである第１の磁気センサユニット１２と同様に、第２部材に相当する可動子７の軸方向端部の磁界強度を検出するものである。この場合、第１の実施の形態では、第１の磁気センサユニット１２を、可動子７の一端部（右端部）となるヨーク８の底部８Ｂに設ける構成としているのに対して、本実施の形態では、第１の磁気センサユニット２１を、可動子７の他端部（左端部）となるヨーク８の鍔部８Ｃに設ける構成としている。そして、第１の磁気センサユニット２１は、可動子７の永久磁石９から放出される磁束のうち可動子７の軸方向他端部（鍔部８Ｃ）を回る磁束の強度を検出する。

ここで、ヨーク８の鍔部８Ｃの磁束について、上述の図２ないし図４を用いて説明する。まず、図４の状態では、最も鍔部８Ｃに近い（左から１個目の）永久磁石９（９Ｅ）の端部は、永久磁石９（９Ｅ）の表（内周面側）から裏（外周面側）に直接回り込む磁束Ｇ以外に、永久磁石９（９Ｅ）の表からロッド３の筒部３Ａを経由して永久磁石９（９Ｅ）の裏に回り込む磁束Ｈと、永久磁石９（９Ｅ）の表からロッド３の筒部３Ａとヨーク８の鍔部８Ｃと筒部８Ａとを経由して永久磁石９（９Ｅ）の裏に回り込む磁束Ｊがある。

図３の状態では、最も鍔部８Ｃに近い永久磁石９（９Ｅ）の端部は、図４の状態と同様に、永久磁石９（９Ｅ）の表（内周面側）から裏（外周面側）に直接回り込む磁束Ｇ以外に、永久磁石９（９Ｅ）の表からロッド３の筒部３Ａを経由して永久磁石９（９Ｅ）の裏に回り込む磁束Ｈと、永久磁石９（９Ｅ）の表からロッド３の筒部３Ａとヨーク８の鍔部８Ｃと筒部８Ａとを経由して永久磁石９（９Ｅ）の裏に回り込む磁束Ｊがある。さらに、図３の状態では、電機子４が鍔部８Ｃ側に近付いたことにより、左から３個目の永久磁石９（９Ｆ）の表（内周面側）から電機子４のコア５とロッド３の筒部３Ａとヨーク８の鍔部８Ｃと筒部８Ａとを経由して永久磁石９（９Ｆ）の裏（外周面側）に回り込む磁束Ｋが生まれる。これにより、鍔部８Ｃには、磁束Ｊに加えて磁束Ｋが通過するため、鍔部８Ｃの磁界は、図４の状態と比較して強くなる。

図２の状態では、電機子４が鍔部８Ｃの近傍まで近付いたことにより、最も鍔部８Ｃに近い永久磁石９（９Ｅ）の磁気抵抗値が大きく下がることから、永久磁石９（９Ｅ）の表から電機子４のコア５とロッド３の筒部３Ａとヨーク８の鍔部８Ｃと筒部８Ａとを経由して永久磁石９（９Ｅ）の裏に回り込む磁束Ｌが増加する。これにより、鍔部８Ｃの磁界は、図４の状態および図３の状態と比較して強くなる。

これにより、可動子７の軸方向他端部となるヨーク８の鍔部８Ｃに設けられた第１の磁気センサユニット２１の出力は、電磁サスペンション１の伸縮位置（ストローク）、即ち、固定子２に対する可動子７の絶対位置（機械角）に応じて変化する。例えば、磁気センサユニット２１の出力は、図８の特性線２２で示すように変化するため、該特性線２２を用いて磁気センサユニット２１の出力から絶対位置を求めることができる。

かくして、このように構成される第２の実施の形態においても、上述した第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。即ち、第１の磁気センサユニット２１の出力と第２の磁気センサユニット１３の出力とから機械角を高精度で求めることができる。

次に、図９および図１０は、本発明の第３の実施の形態を示している。本実施の形態の特徴は、第１の磁気センサにより該第１の磁気センサの近傍を漏れる磁束の強度を検出する構成としたことにある。なお、本実施の形態では、上述した第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

第２部材に相当する可動子７の軸方向端部、より具体的には、可動子７の一端部（右端部）となるヨーク８の底部８Ｂには、磁気的なギャップとなる非磁性体製のギャップ部材３１が設けられている。そして、第１の磁気センサユニット１２、即ち、可動子７の永久磁石９から放出される磁束のうち可動子７の軸方向一端部（底部８Ｂ）を回る磁束の強度を検出する第１の磁気センサユニット１２は、ギャップ部材３１に取付けられている（貼り付けられている）。

この場合、図１０に示すように、ヨーク８の底部８Ｂでは、ギャップ部材３１を設けたことに伴って、ループする磁束が底部８Ｂの外部に漏れる（ないしは、外部に漏れる磁束の量がギャップ部材３１を設けない場合よりも大きくなる）。本実施の形態では、第１の磁気センサユニット１２は、ヨーク８の底部８Ｂで外部に漏れる磁束の強度を検出する構成となっている。なお、第１の磁気センサユニット１２は、ギャップ部材３１に直接取付ける構成に限らず、ヨーク８の底部８Ｂのうちギャップ部材３１から外れた部位に取付ける（貼り付ける）構成としてもよい。

また、漏れ磁束が十分大きいのであれば、軸方向一端部（底部８Ｂ）にギャップ部材３１を設けなくとも同様の効果を得られる。

かくして、このように構成される第３の実施の形態においても、上述した第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。即ち、第１の磁気センサユニット１２の出力と第２の磁気センサユニット１３の出力とから機械角を高精度で求めることができる。

なお、上述した各実施の形態では、別の磁気センサである第２の磁気センサユニット１３を第１部材に相当する固定子２に１個設ける構成とした場合を例に挙げて説明した。しかし、これに限らず、例えば、２個の別の磁気センサを９０度の位相をずらして第１部材に設ける構成としてもよい。

上述した各実施の形態では、互いに相対直線運動可能に支持された第１部材と第２部材とのうちの第１部材を固定子２とし、第２部材を可動子７とした場合を例に挙げて説明した。しかし、これに限らず、例えば、第１部材と第２部材とのうちの第１部材を可動子とし、第２部材を固定子としてもよい。

上述した各実施の形態では、固定子２を車両のばね上部材（例えば車体側）に取付けると共に、可動子７を車両のばね下部材（例えば台車側、車軸側）に取付ける構成とした場合を例に挙げて説明した。しかし、これに限らず、例えば、固定子を車両のばね下部材に取付けると共に、可動子を車両のばね上部材に取付ける構成としてもよい。

上述した各実施の形態では、電磁サスペンション１を横置き状態で鉄道車両等の車両に取付ける構成とした場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、例えば、電磁サスペンションを縦置き状態で自動車等の車両に取付ける構成としてもよい。

上述した各実施の形態では、電磁サスペンション１を車両に取付ける構成とした場合を例に挙げて説明したが、これに限らず、例えば、振動源となる種々の機械、建築物等に用いる電磁サスペンションに用いてもよい。

さらに、上述した各実施の形態では、横断面形状が円形のリニアモータ、即ち、固定子２および可動子７を円筒状に形成した場合を例に挙げて説明した。しかし、これに限らず、例えば、横断面形状がＩ字状（平板状）や矩形状、Ｈ字状のリニアモータ等、横断面形状が円形以外のリニアモータにより構成してもよい。

以上の実施の形態によれば、固定子に対する可動子の絶対位置（機械角、リニアモータのストローク）の検出を非接触で行うことができる。

即ち、第２部材の軸方向端部を回る磁束の強度は、固定子に対する可動子の絶対位置に応じて変化する。このため、第２部材の軸方向端部に設けた磁気センサの出力と絶対位置との相関関係を予め求めておくことにより、磁気センサの出力から絶対位置を求めることができる。この場合、磁気センサは、相対直線運動する部材に対して非接触で検出を行うため、摺接に伴う耐久性の低下を招くことはない。このため、固定子に対する可動子の絶対位置の検出を長期間にわたり安定して行うことができる。しかも、リニアモータの基本構造の変更等の大きな設計変更を必要とすることなく絶対位置の検出を行うことができるため、絶対位置の検出に要するコストの増大を抑制することができる。

そして、検出された絶対位置は、車体の異常動揺や電磁サスペンションの初期位置異常等の判定およびそれを抑制するための制御等に用いることができる。これにより、電磁サスペンションが取付けられた鉄道車両、自動車等の車両の安定性、信頼性の向上を図ることができる。

実施の形態によれば、電気角を検出する別の磁気センサを設ける構成としているので、第２部材の軸方向端部に設けた磁気センサの出力と電気角を検出する別の磁気センサの出力とから固定子に対する可動子の絶対位置を高精度で求めることができる。即ち、第２部材の軸方向端部に設けた磁気センサの出力から大よその絶対位置を求め、該大よその絶対位置と別の磁気センサから検出される電気角とを対応させることで、絶対位置を精度良く求めることができる。これにより、鉄道車両、自動車等の車両の安定性、信頼性の更なる向上を図ることができる。

１ 電磁サスペンション
２ 固定子
３ ロッド
４ 電機子
７ 可動子
８ ヨーク
８Ｂ 底部（軸方向端部）
８Ｃ 鍔部（軸方向端部）
９ 永久磁石
１２、２１ 第１の磁気センサユニット（磁気センサ）
１３ 第２の磁気センサユニット（別の磁気センサ）

Claims (1)

1. 互いに相対直線運動可能に支持された第１部材と第２部材とのうちの一方の部材を固定子とし、前記第１部材と第２部材とのうちの他方の部材を可動子としてなるリニアモータを用いた電磁サスペンションにおいて、
   前記第１部材は、電機子を含んで構成され、
   前記第２部材は、永久磁石を含んで構成され、
   前記第２部材の軸方向端部には、磁界強度を検出する磁気センサを設け、
   該磁気センサは、前記第２部材の永久磁石から放出される磁束のうち前記第２部材の軸方向端部を回る磁束の強度を検出する構成とし、
   前記第１部材には、電気角を検出する別の磁気センサを設ける構成としたことを特徴とする電磁サスペンション。

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