JP2009065755A - 振動型モータおよびそれを用いた振動型圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】 補助磁石による推力増大効果を低減させることなく、設計パラメータを簡素化し、モータの効率を上げ、低コスト、高信頼性を実現する振動型モータおよびそれを用いた可動磁石型圧縮機を提供する。
【解決手段】 内周側及び外周側が異極に着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の主磁石と、この主磁石の軸方向両端部にそれぞれ同軸状に接合され、かつ、内周側及び外周側が前記主磁石とは逆極性で着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の補助磁石とを有する可動部、前記可動部の半径方向外側に一定の空隙部を介して、前記可動部に対向する二つの脚部を備え、前記可動部の円周方向に均等に配置された複数個の励磁ヨーク、前記複数個の励磁ヨークに個別に巻装され、前記脚部に磁束を発生させる励磁コイル、前記可動部の半径方向内側に、前記励磁ヨークと対向するように配置されている、円筒状のバックヨークを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スターリング冷凍機の振動型圧縮機等に使用可能な振動型モータおよびそれを用いた振動型圧縮機に関するものである。

従来から、この種の振動型モータとして、可動磁石型のリニアモータ（以下、単に可動磁石型モータともいう）が使用されている。
図５，図６は、可動磁石型モータの駆動原理を説明するための概略的な構成図であり、何れもほぼ円筒状のモータの中心軸Ｃに沿った断面図の一部を示している。
図５において、１０１は励磁ヨーク、１０２は励磁コイル、１０３はバックヨーク、１０４は励磁ヨーク１０１とバックヨーク１０３との間の空隙部に配置され、かつ内周側及び外周側が異極に着磁された円筒状の永久磁石からなる可動部、２０１は可動部１０４による磁束である。なお、可動部１０４を支持するケーシングは図示を省略してある。
多くの可動磁石型モータでは、図示する如く可動部１０４として単極着磁された単一の永久磁石が使用されており、この可動部１０４はピストン（図示せず）と一体的に連結されていると共に、可動部１０４の軸方向両端部は、励磁ヨーク１０１の脚幅内に収められている。
図５に示すように、可動部１０４の外周側をＮ極、内周側をＳ極とした場合、外周側から発生した磁束２０１は可動部１０４の外側を回って内周側に戻る。このため、可動部１０４の軸方向両端部では、上記の磁束２０１が、あたかも紙面垂直方向にそれぞれ逆向きに電流を流した場合に発生する磁束と等価になる。これを、永久磁石の等価電流Ｉ_Mと呼ぶ。

図６に示す如く、励磁コイル１０２に交流電流を加えて磁束Ｂを発生させ、この磁束Ｂを等価電流Ｉ_Mが存在する空隙部Ｇに鎖交させると、空隙部Ｇに配置された可動部１０４は、フレミングの左手の法則に従い、図の左右方向の力（推力）を受けて往復運動する。
上記の推力Ｆは、簡易的に数式１によって算出することができる。

ここで、Ｂは空隙部Ｇの磁束密度、Ｌ_Mは可動部１０４の周方向の平均長さである。
数式１において、通常のＢ・Ｉ・Ｌ則と異なって等価電流Ｉ_Mが２倍されているのは、本モデルでは可動部１０４の軸方向両端部の２箇所に等価電流Ｉ_Mが存在するためである。
一方、可動部１０４は、図示していない軸方向に適正なばね力を持つ機械ばね（例えば、コイルばねや板ばね）を設置している（特許文献２参照）。これは、機械振動の共振点で運転させることで、入力電力を抑えることができるからである。一般的には、スターリング冷凍機では、40〜80Hzの比較的低周波数で運転される。
また、図５，図６に示すように、励磁ヨーク１０１が励磁コイル１０２を覆うように配置するには、励磁ヨーク１０１を分割可能な構造とし、励磁ヨーク１０１と励磁コイル１０２を別個に製造した後に組み合わせて整合する必要がある。具体的には、励磁ヨーク１０１を、円筒周方向に分割された構造（特許文献２参照）や、円筒軸方向に脚部１１１，１１２が分割可能な構造とし、後に組み合わせて整合することが多い。

ところで、モータの体格を変えずに（Ｌ_M＝一定）、推力Ｆを大きくするためには、数式１から明らかなように、空隙部の磁束密度Ｂまたは等価電流Ｉ_Mを増加させればよい。
まず、磁束密度Ｂを増加させるには、空隙部のギャップ長を短くするか、励磁コイル１０２を流れる励磁電流を増加させる必要がある。しかし、前者の方法は、可動部１０４及びそれを支える部材が薄くなるため強度不足や加工コストの上昇を招き易く、後者の方法はジュール熱損失（Ｉ²Ｒ）が増大して性能の低下を招くという問題がある。
一方、等価電流Ｉ_Mを増加させるには、可動部１０４としての永久磁石の厚さを変えるほか、磁力がより大きい永久磁石を使うことが考えられるが、いずれもコストを上昇させる原因となる。
そこで、推力Ｆを大きくするための別の方法として、図７に示すような構造が考えられる。この可動磁石型モータは、円筒状の主磁石１０５の軸方向両端部に、主磁石１０５とは逆方向に着磁された円筒状の補助磁石１０６，１０７を同軸状かつ一体的に接合して可動部１０４Ａを形成し、等価電流Ｉ_Mを仮想的に増加させたものである。
なお、図７の構造によると、非励磁状態において主磁石１０５と補助磁石１０６，１０７との接合部分において磁束が打ち消し合うことにより、図５，図６の構造に比べて可動部１０４Ａの中立位置における保持力が強くなり、いわゆる自動中立位置決め（セルフセンタリング）が容易になるという利点もある。

図７に示したように、主磁石と一対の補助磁石とからなる可動部を備えた従来技術として、特許文献１に記載された可動磁石型モータが公知となっている。
図８は、特許文献１に記載された可動磁石型モータの構成図である。図８において、２０１はバックヨーク、２０２は励磁コイル、２０３は励磁ヨーク、２０４は可動部、２０５は主磁石、２０６，２０７は補助磁石、３００はスターリングエンジン、３０１はケーシング、３０２はピストン、３０３はディスプレイサーである。また、２１０は可動部２０４の中立位置を示す。
米国特許第５１４８０６６号明細書（Ｆｉｇ．１） 特開２００５−９３９７号公報

従来技術において、図５，図６に示した可動部１０４が単一の永久磁石の場合には、磁石の変位量が大きくなるほど励磁ヨーク１０１を通る磁束が大きくなり、励磁コイル１０２の鎖交磁束が大きく変化する。
図７に示した可動部１０４Ａが主磁石１０５と補助磁石１０６，１０７を使用した場合には、励磁ヨーク１０１において、脚部１１１，１１２のみでほとんどの磁束がループするため、励磁コイル１０２の鎖交磁束がほとんど変化しない。しかし、略円筒状に巻かれた励磁コイル１０２を使用しているため、励磁コイル１０２の円筒軸に沿って永久磁石からなる可動部１０４Aが運動すると、励磁コイル１０２の鎖交磁束が変化する。
いずれの場合においても励磁コイル１０２の鎖交磁束が変化するために起電力が発生し、電気共振の設計をするに際してこの起電力を考慮しなければならず、設計を困難にさせていた。
また、励磁ヨーク１０１を分割可能な構造とし、励磁ヨーク１０１と励磁コイル１０２を組み合わせて整合することで、コスト的に高いものとなっていた。さらに、励磁コイル１０２を励磁ヨーク１０１が覆っているため、励磁コイル１０２の放熱環境が悪くモータ全体の効率を低下させるといった問題もあった。

一方、励磁コイル１０２の半径方向外側に放射状に励磁ヨーク１０１を分割配置した場合には、複数ある励磁ヨークの全てを一本の励磁コイル１０２により励磁していることから、コイルインピーダンスが大きくなることでモータの力率が悪化し、電源への負担が大きくなっていた。
そこで、本発明の解決課題は、補助磁石による推力増大効果を低減させることなく、設計パラメータを簡素化し、モータの効率を上げ、低コスト、高信頼性を実現する振動型モータおよびそれを用いた可動磁石型圧縮機を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、
内周側及び外周側が異極に着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の主磁石と、この主磁石の軸方向両端部にそれぞれ同軸状に接合され、かつ、内周側及び外周側が前記主磁石とは逆極性で着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の補助磁石とを有する可動部、
前期可動部の半径方向外側に一定の空隙部を介して、前記可動部に対向する二つの脚部を備え、前記可動部の円周方向に均等に配置された複数個の励磁ヨーク、
前記複数個の励磁ヨークに個別に巻装され、前記脚部に磁束を発生させる励磁コイル、
前記可動部の半径方向内側に、前記励磁ヨークと対向するように配置されている、円筒状のバックヨークを備え、
前記励磁コイルに交流電流を通流して前記可動部を軸方向に往復動させるようにしたことを特徴とする。
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した振動型モータにおいて、前記励磁ヨークが磁束方向に分割せず一体で構成されていることを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載した振動型モータにおいて、前記励磁ヨークが電磁鋼板を積層し、カシメ接合していることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３に記載した振動型モータにおいて、前記可動部の軸方向長さを、前記励磁ヨーク脚部にあって前期可動部に最も近い面の外側端部間の距離よりも長くしたことを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４に記載した振動型モータを搭載した振動型圧縮機において、外部との気密を保持する圧力ケーシングを有し、前記圧力ケーシングの内部において、前記圧力ケーシングの内壁と前記励磁コイルが接触していることを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項４に記載した振動型モータを搭載した振動型圧縮機において、前記励磁コイルが、良熱伝導材料により一体となるようモールド成型され、前記圧力ケーシングの内部において、前記圧力ケーシングの内壁と前記モールド成型部が接触していることを特徴とする。

本発明によれば、補助磁石による推力増大効果を低減させることなく、設計パラメータを簡素化し、モータの効率を上げ、低コスト、高信頼性を実現する振動型モータおよびそれを用いた可動磁石型圧縮機を提供することが可能である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明に係る振動型モータの実施態様の主要部を示す構成図であり、モータ中心軸Ｃに沿った断面図である。図２は図１に示したＡ−Ａ切断面の切断図である。
図１または図２において、１は励磁ヨーク、２は励磁ヨーク１に個別に巻装された励磁コイル、３はバックヨーク、４は励磁ヨーク１とバックヨーク３との空隙部に配置された円筒状の永久磁石からなる可動部である。
可動部４は、外周側をＮ極、内周側をＳ極に着磁した円筒状の主磁石５の軸方向両端部に、主磁石５とは逆方向に着磁された円筒状の補助磁石６，７を同軸状かつ一体的に連結して構成されている。また、主磁石５及び補助磁石６，７は磁石ホルダ１０に固定されている。なお、８，９は、主磁石５と補助磁石６，７との接合部である。
主磁石５及び補助磁石６，７には、例えばネオジウムやサマリウムといった希土類の永久磁石が用いられる。
励磁コイル２が個別に巻装された複数の励磁ヨーク１は、図２に示すように円筒状の可動部４の半径方向外側に、磁束を発生させる２つの脚部１１，１２の内径を基準に放射状に配置されている。

励磁ヨーク１は磁束方向に分割されずに一体に構成している。磁束方向に分割される場合に比べて、励磁ヨーク１の磁気抵抗が低減し、モータ効率が向上するからである。また、脚部１１，１２の内径の同軸度は加工精度で決定されることになり、バックヨークとのクリアランスを均一に構成することが容易となる。これにより、製品性能のばらつきが抑えられると同時に、設計公差を緩和することが可能となり、コストダウンを図ることもできる。
励磁ヨーク１は、鉄板や珪素鋼板などを複数、積層して形成する方が好ましい。振動型モータのように交番磁界が加わる場合には、磁束に垂直な方向を絶縁することにより、励磁ヨーク１に発生する渦電流を抑制し、性能の低下を防止できるからである。
なお、励磁ヨーク１を積層して形成する場合には、プレス加工等をした積層用の鋼板等をカシメ接合することが好ましい。積層用の鋼板等をカシメ接合してブロック化することで、そのまま励磁コイル２の巻線加工が可能となるからである。さらに、積層された鋼板等が励磁コイル２により固定されて広がらなくなるため、溶接等の後加工を無くすこともでき、コストダウンを図ることができるからである。
軸方向に沿った補助磁石６，７の長さは、モータストロークとして要求される最大変位時にも、可動部４の両端部（補助磁石６，７の各一端）が脚部１１，１２にあって可動部４に最も近い面にかからないような長さとなっている。これは、補助磁石６，７の長さが短い場合には、補助磁石６，７の外側端部に存在する等価電流（図８参照）による反力を発生させてしまい、推力の増大効果が小さくなってしまうためである。

支持ばね１３，１４はリング形状のスペーサ１５，１６を介して励磁ヨーク１と締結されている。なお、スペーサ１５，１６は非磁性材料（例えばステンレス）が用いられる。さらに、磁石ホルダ１０の両端部は、支持ばね１３，１４に締結されている。
この支持ばね１３，１４は、例えば円板にスパイラル形状のスリットを加工したものが複数枚積層されたフレクシャーベアリングなるものが、一般的によく使用されている。この種のばねは、径方向の剛性が大きく強固に支持できるが、軸方向の剛性は小さく自由に振動することができるからである。
これにより、励磁ヨーク１を固定し、複数の励磁コイル２に同位相の交流電流を流すことで、主磁石５および補助磁石６，７に推力が働き、可動部４が固定されている磁石ホルダ１０が左右へ運動することとなる。
複数の励磁ヨーク１に励磁コイル２が個別に巻装され、円筒状の可動部４の半径方向外側に放射状に配置されたことにより、励磁コイル２の内部で永久磁石が運動することはなく、励磁コイル２には起電力がほとんど発生せず、動特性を考慮した設計が容易になる。
また、分割された励磁ヨーク１を個別の励磁コイル２により励磁することで、コイルのインダクタンス成分が並列に配置された回路になり、インダクタンス成分が低減されことで、力率を向上することができる。

次に、図３は振動型モータを用いた圧縮機の実施態様の一つを示した構成図である。図３に示す圧縮機は、前述の振動型モータ２１を覆うように圧力ケーシング２２が設置されている。本発明に係る振動型モータの励磁コイル２はモータの最大外径部に存在する。よって、励磁コイル２と圧力ケーシング２２を接触するように構成することが可能である。具体的な接触方法としては、圧入や焼きばめといった接触圧を高める方法で実現可能である。
このように構成することで、励磁コイル２の発熱を直に表面積の大きい圧力ケーシング２２に熱伝導できるようになり、振動型モータ２１の保護だけでなく、モータ効率も向上させることができる。
次に、図４は振動型モータを用いた圧縮機のもう一つの実施態様を示した構成図である。
図４に示すように、振動型モータ２１から圧力ケーシング２２への熱伝導性を高めると同時に、振動型モータ２１の組立時の作業性を高めるために、少なくとも励磁ヨーク１および励磁コイル２を含む振動型モータ２１の外周部を良熱伝導材料３１（例えばアルミニウム）にてモールド成型する。こうすることで、圧力ケーシング２２と振動型モータの接触面が大きくなり、より放熱を促進することができ、励磁コイル２の絶縁の信頼性が向上する。

なお、組立は実施例２と同様に、圧入や焼きばめといった接触圧力が大きい方法で行われる。

本発明に係る振動型モータの実施態様を示す構成図である。 本発明に係る振動型モータのＡ−Ａ断面図である。 本発明に係る振動型モータを用いた圧縮機の第１実施態様の構成図である。 本発明に係る振動型モータを用いた圧縮機の第２実施態様の構成図である。 可動磁石型モータの駆動原理を説明するための構成図である。 可動磁石型モータの駆動原理を説明するための構成図である。 従来技術を説明するための構成図である。 特許文献１に記載された従来技術を示す構成図である。

符号の説明

１：励磁ヨーク
２：励磁コイル
３：バックヨーク
４：可動部
５：主磁石
６，７：補助磁石
８，９：接合部
１０：磁石ホルダ
１１，１２：脚部
１３，１４：支持ばね
１５，１６：スペーサ

Claims (6)

1. 内周側及び外周側が異極に着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の主磁石と、この主磁石の軸方向両端部にそれぞれ同軸状に接合され、かつ、内周側及び外周側が前記主磁石とは逆極性で着磁された永久磁石からなるほぼ円筒状の補助磁石とを有する可動部、
   前記可動部の半径方向外側に一定の空隙部を介して、前記可動部に対向する二つの脚部を備え、前記可動部の円周方向に均等に配置された複数個の励磁ヨーク、
   前記複数個の励磁ヨークに個別に巻装され、前記脚部に磁束を発生させる励磁コイル、
   前記可動部の半径方向内側に、前記励磁ヨークと対向するように配置されている、円筒状のバックヨークを備え、
   前記励磁コイルに交流電流を通流して前記可動部を軸方向に往復動させるようにしたことを特徴とする振動型モータ。
2. 前記励磁ヨークが磁束方向に分割せず一体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載した振動型モータ。
3. 前記励磁ヨークが電磁鋼板を積層し、カシメ接合していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載した振動型モータ。
4. 前記可動部の軸方向長さを、前記励磁ヨーク脚部にあって前期可動部に最も近い面の外側端部間の距離よりも長くしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載した振動型モータ。
5. 外部との気密を保持する圧力ケーシングを有し、前記圧力ケーシングの内部において、前記圧力ケーシングの内壁と前記励磁コイルが接触していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載した振動型モータを搭載した振動型圧縮機。
6. 前記励磁コイルが、良熱伝導材料により一体となるようモールド成型され、前記圧力ケーシングの内部において、前記圧力ケーシングの内壁と前記モールド成型部が接触していることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載した振動型モータを搭載した振動型圧縮機。
   

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