JP2005073416A - リニアモータ及びリニア圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】リニアモータの可動子に放熱突起を配列させることで、リニアモータの高効率化および信頼性の向上を図る。
【解決手段】鉄心１３４にコイル１２４を旋巻させてなる１対の電磁石１２１，１２２と電磁石１２１，１２２の間に一定の空間をもって挟まれ、永久磁石１１１ａ，１１１ｂを板状に配置した往復動可能な可動子１１０の外周面１１４に往復動方向１３３に対し略直角方向に非対象な形状の放熱突起１１８ａが複数配列されることで、放熱突起１１８ａにより放熱面積が増え、可動子１１０の動きにつれて放熱突起１１８ａからの放熱が促進されるため、放熱力が向上するとともに、可動子１１０が往復動することにより引き起こす風の流れ１３１ａによって、コイル１２４の冷却ができるため、リニアモータの温度が下がり、リニアモータの効率および信頼性を向上することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は冷凍冷蔵装置や空調機等に用いられるリニアモータ及びリニア圧縮機に関するものである。

従来、高効率を目的としたリニアモータとして永久磁石の配列比が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は従来のリニアモータの可動子の平面図を示したものである。

図６は従来のリニアモータの平面図を示したものである。

図５、図６に示すように、リニアモータ２０は一対の電磁石２１，２２とそれらの間に一定空間を持って挟まれた可動子２３とから構成される。電磁石２１，２２は一方向に配列された３箇所の磁極を有しており、各磁極により形成される磁極が、任意の一時点においてその配列方向で交互にＮ極、Ｓ極となるように、各磁極にコイル２４が巻かれる。電磁石２１，２２は各磁極が互いに対向するように配置され、また、任意の一時点では電磁石２１，２２の対向する磁極は互いに逆極性となるように、コイル２４に流す電流が制御される。電磁石２１，２２の間の隙間には、板状の可動子２３が、電磁石２１，２２の磁極の配列方向に往復動可能に配置される。可動子２３には複数個の永久磁石２５，２６が往復動方向に配列して埋め込まれており、その数は各電磁石２１又は２２の磁極の数から１を減じた数となっている。この複数の永久磁石２５，２６の配列ピッチは電磁石２１，２２の磁極のピッチとほぼ等しくなっており、また、各永久磁石２５，２６の磁極は互いに逆方向を向くように配列される。また、可動子２３において、該往復動の方向に配列される２個の永久磁石２５，２６の両端間の距離Ｌ０に対する永久磁石２５，２６の垂直方向の長さＬの比（Ｌ／Ｌ０）が０．７５である。

以上のように構成されたリニアモータ２０について、以下その動作を説明する。初めに電磁石２１，２２の各コイル２４に図６に示すような方向の電流を流すと、上側の電磁石２１の各磁極は左側からＳ極−Ｎ極−Ｓ極となる。一方、下側の電磁石２２の各磁極は左側からN極−Ｓ極−Ｎ極となる。可動子２３の左側の永久磁石２６は、上がＳ極、下がＮ極となっているため、この永久磁石２６は電磁石２１，２２の左側の磁極に反発され、中央の磁極に引かれる。また、可動子２３の右側の永久磁石２５は、上がN極、下がＳ極となっているため、この永久磁石２５は中央の磁極に反発され、右側の磁極に引かれる。つまり、永久磁石２５，２６共右方向の力を受けるため、可動子２３は右へ移動する。コイル２４に流す電流の向きを共に反転すれば可動子２３の移動方向は逆になるため、コイル２４に適当な交流電流を流すことにより可動子２３を連続的に往復動させることができる。また、その時の永久磁石の配列がＬ／Ｌ０＝０．７５の時、リニアモータの効率が高くなる旨を主張している。
特開平７−３９１２８号公報

しかしながら上記従来の構成では、可動子２３は電磁石２１，２２の間の隙間にあり、コイル２４は、両端の磁極および可動子２３に囲まれて形成されているため、リニアモータの自己発熱が滞留しやすくなっている。従って、コイル２４及び永久磁石２５，２６の温度が上がり、コイル２４の電気抵抗が増すこととなり、銅損が増えるために効率が低下するといった課題を有していた。

さらに、永久磁石２５，２６は、温度が上がると減磁するという特性も持っているため、高温によって引き起こされる減磁により初期のモータ特性が得られず、信頼性が低下するといった課題を有していた。

本発明は、従来の課題を解決するもので、高効率で信頼性の高いリニアモータを提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明のリニアモータは、鉄心にコイルを旋巻させてなる１対の固定子と、前記固定子の間に所定の空隙をもって往復動可能に永久磁石を板状に配置した可動子とを備え、前記可動子の外周面に放熱突起を設けたことで、可動子の放熱面積を増やし、可動子の動きにつれて放熱突起からの放熱が促進されることで、放熱力を向上させるという作用を有する。

本発明のリニアモータは、高効率で信頼性の高いリニアモータを提供することができる。

請求項１に記載の発明は、鉄心にコイルを旋巻させてなる１対の固定子と、前記固定子の間に所定の空隙をもって往復動可能に永久磁石を板状に配置した可動子とを備え、前記可動子の外周面に放熱突起を設けたリニアモータにおいて、前記放熱突起を有することにより、放熱面積を増やし、可動子の動きにつれて放熱突起からの放熱が促進されるため、放熱力を向上させることで、高効率で信頼性の高いリニアモータを提供することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の放熱突起を可動子の往復動方向に複数配列することにより、さらに可動子の放熱面積を増やし、可動子の動きにつれて放熱突起からの放熱が促進されるため、放熱力をさらに向上させることで、さらに高効率で信頼性の高いリニアモータを提供することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明の放熱突起を可動子の往復動方向に対し略直角方向に非対象な形状とすることにより、前記可動子が往復動することで放熱突起が引き起こす風の流れを往復動方向に対して直角方向にすることができ、可動子を冷却するだけでなく、コイルも冷却させることができるため、さらに高効率で信頼性の高いリニアモータを提供することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明の放熱突起を断面が略直角三角形状か略台形形状で、往復動方向に対し平行でない一辺が往復動方向に略直角でもう一辺が往復動方向に対し３０〜６０度の範囲の角度をもったことで、前記可動子が往復動することで放熱突起が引き起こす風の流れを往復動方向に対して直角方向に安定して流すことができ、さらにコイルを冷却させることができるため、さらに高効率で信頼性の高いリニアモータを提供することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明の放熱突起を往復動方向の中心線を中心にして略回転対称に形成されたことで、前記可動子が往復動することで放熱突起が引き起こす風の流れを往復動方向に対して略直角方向の両側に流すことができ、前記可動子を介して相対する位置に配されているコイルを冷却させることができるため、さらに高効率で信頼性の高いリニアモータを提供することができる。

請求項６に記載の発明は、永久磁石の平面上に複数の放熱突起を設けたことで、さらに可動子の放熱面積を増やし、可動子の動きにつれて放熱突起からの放熱が促進されるため、放熱力をさらに向上させることで、さらに高効率で信頼性の高いリニアモータを提供することができる。
請求７に記載の発明は、密閉容器内に請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のリニアモータと、圧縮室を形成するシリンダと、前記リニアモータの可動子と連結され前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記可動子の往復動に伴い伸縮する共振ばねとを備えたリニア圧縮機であり、リニア圧縮機内のリニアモータは放熱力が高く、コイルの冷却力が高くできるため、高効率で信頼性の高いリニア圧縮機を提供することができる。
本発明の請求項８に記載の発明は、前記シリンダにガスベアリングを形成するとともに冷凍機油を用いないものであり、請求項７に記載の高い放熱効果および高いコイルの冷却効果によって、熱搬送媒体である冷凍機油を用いずに、高効率で信頼性の高いリニア圧縮機を提供することができる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるリニアモータの平面図を示したものである。

図２は、本発明の実施の形態１におけるリニアモータの可動子の斜視図を示したものである。

図３は、本発明の実施の形態１におけるリニアモータの放熱突起の水平断面図を示したものである。

図１、図２、図３において、リニアモータ１２０の可動子１１０には、同一寸法の永久磁石１１１ａ，１１１ｂが往復動方向１３３に互いに極性が異なるように配列されており、永久磁石１１１ａ，１１１ｂは希土類磁石（例えばネオジム−鉄−ボロン系合金を焼結により矩形板状に成形し、上下面がＮ極／Ｓ極となるように帯磁させたもの）を使用している。永久磁石１１１ａ，１１１ｂを保持する枠１１３は、非磁性ステンレス鋼とし、枠１１３の左右には、可動子１１０を固定するネジ部１１７ａ，１１７ｂが一体化されている。また、枠１１３の外周面１１４には、往復動方向１３３に対し略直角方向に非対象な形状で、枠１１３およびネジ部１１７ａ，１１７ｂとともにダイキャスト等の製法で簡単に一括形成することができる放熱突起１１８ａ，１１８ｂが複数配列されている。例えば、放熱突起１１８ａ，１１８ｂは、水平断面が略直角三角形状、もしくは、略台形形状であり、水平断面において往復動方向１３３に対し平行でない一辺が往復動方向１３３に略直角で、もう一方が往復動方向１３３に対し角度αを持った形状である。角度αは、３０〜６０度の範囲を持っている。さらに、放熱突起１１８ａと放熱突起１１８ｂは、往復動方向１３３の中心線１３０を中心にして、略回転対称に形成されている。また、永久磁石１１１ａ，１１１ｂを含む枠１１３の平面部１３２に往復動方向１３３に直角な方向に短辺を持ち、上下方向に長辺を持った直方体で、枠１１３，ネジ部１１７ａ，１１７ｂ、および放熱突起１１８ａ，１１８ｂとともにダイキャスト等の製法で簡単に一括形成することができる放熱突起１１９が複数配列されている。さらに、永久磁石１１１ａ，１１１ｂにも放熱突起１１９と同形状の放熱突起１２５が複数配列されている。なお、放熱突起１２５も、焼結製法により永久磁石１１１ａ，１１１ｂ形成時に一括形成することができる。

また、固定子１２３に備えられた電磁石１２１，１２２はそれぞれ鉄心１３４にコイル１２４が巻かれて３つの磁極を有しており、電磁石１２１，１２２の磁極は可動子１１０を介して相対する位置に配されている。

以上のような構成において以下その動作、作用を説明する。

初めに電磁石１２１，１２２のそれぞれの鉄心１３４に巻かれたコイル１２４に図１に示すような方向の電流ｉを流すと、電磁石１２１の各磁極は左側からＳ極−N極−Ｓ極となる。一方、電磁石１２２の各磁極は左側からＮ極−Ｓ極−Ｎ極となる。可動子１１０の左側の永久磁石１１１ａは、電磁石１２１側がＳ極、電磁石１２２側がＮ極となっているため、この永久磁石１１１ａは電磁石１２１，１２２の左側の磁極に反発され、中央の磁極に引かれる。また、可動子１１０の右側の永久磁石１１１ｂは、上がＮ極、下がＳ極となっているため、この永久磁石１１１ｂは中央の磁極に反発され、右側の磁極に引かれる。つまり、永久磁石１１１ａ，１１１ｂ共に右方向の力を受けるため、可動子１１０は右へ移動する。コイル１２４に流す電流ｉの向きを共に反転すれば可動子１１０の移動方向は逆になるため、コイル１２４に適当な交流電流を流すことにより可動子１１０を連続的に往復動させることができる。記可動子１１０が連続的に往復動することで、可動子１１０の枠１１３の外周面１１４に複数配列された放熱突起１１８ａ，１１８ｂが往復動方向１３３に風を引き起こし、放熱突起１１８ａ，１１８ｂの隙間１１８ｃに風が入り込む。放熱突起１１８ａ，１１８ｂは、断面が略直角三角形状、もしくは、略台形形状で、往復動方向１３３に対し平行でない一辺が往復動方向１３３に略直角で、もう一方が往復動方向１３３に対し角度αを持っているため、隙間１１８ｃは、左右どちらか一方の開口面積が大きくなり、隙間１１８ｃに入り込んだ風は、開口面積が大きい方向、すなわち可動子１１０の往復動方向１３３と略直角方向に風の流れ１３１ａ，１３１ｂを造る。ここで、角度αを３０〜６０度の範囲にすると風の流れ１３１ａ，１３１ｂは、可動子１１０の往復動方向１３３と略直角方向に、さらに安定して流れやすくなる。さらに、放熱突起１１８ａと放熱突起１１８ｂは、往復動方向１３３の中心線１３０を中心にして、略回転対称に形成されているため、風の流れ１３１ａと風の流れ１３１ｂは互いに逆方向となり、可動子１１０を介して相対する位置に配されているコイル１２４を冷却することができるので、コイル１２４の温度が下がることで、コイル１２４の電気抵抗が減り、銅損が減るため、高効率で信頼性の高いリニアモータを提供することができる。

また、永久磁石１１１ａ，１１１ｂを保持する枠１１３には、体積抵抗率の高い非磁性ステンレス鋼を用いるため、渦電流損を小さくすることができ、さらに高効率のリニアモータを提供することができる。

また、放熱突起１１９，１２５は、可動子１１０と電磁石１２１，１２２のエアギャップを小さく保つために、往復動方向１３３に直角な方向に短辺を持たせる。また、上下方向に長辺を持たせることで、放熱突起１１９，１２５の左面１１９ａ，１２５ａ、及び右面１１９ｂ，１２５ｂの面積が大きくなり、可動子１１０の動きにつれて、往復動方向１３３に風の流れを造りやすくするため、放熱が促進される。よって、放熱突起１１８ａ，１１９，１２５によって可動子１１０の放熱面積が増え、可動子１１０の動きにつれて放熱突起１１８，１１９，１２５からの放熱が促進されるため、可動子１１０自体の放熱力が向上し、永久磁石１１１ａ，１１１ｂの温度が下がることで電気抵抗が下がり、銅損が減るため、さらに高効率のリニアモータを提供することができるとともに、永久磁石１１１ａ，１１１ｂの減磁防止にも繋がり、さらに信頼性の高いリニアモータを提供することができる。

なお、本実施の形態において永久磁石１１１ａ，１１１ｂを保持する枠１１３には、非磁性ステンレス鋼を用いたが、非磁性ステンレス鋼よりも体積抵抗率が低いものの、熱伝導率の高いアルミニウム材を使用すると、放熱力が向上し高効率のリニアモータを提供することができる。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２におけるリニア圧縮機の縦断面図である。

なお、実施の形態１と同一構成部には同一符号を付し、詳細な説明を省く。

図４に示すようにリニア圧縮機２２０は、コイル２６０を有する固定子２０１および可動子２０４からなるリニアモータ２０７と、リニアモータ２０７によって駆動される圧縮機構２１０が密閉容器２１３に収納されている。

圧縮要素を構成するピストン２２２はシリンダ２１６内に往復自在に挿入されるとともに可動子２０４と連結されて可動部２２１を形成する。

シリンダヘッド２３１はバルブプレート２３４を介してシリンダ２１６に固定され吸入室２２５と吐出室２２８を形成している。また、シリンダ２１６、ピストン２２２、バルブプレート２３４は圧縮室２５５を形成するとともに、シリンダ２１６には一端がピストン２２２の外周面に複数個開口し他端が吐出室２２８に開口するガスベアリング２５８を有している。シリンダ２１６には固定子２０１が固定され、固定部２３８を形成する。リニアモータ２０７の上下に配設される可動子２０４の往復動に伴い伸縮する共振ばね２１９ａ，２１９ｂは、外周側が固定部２３８に固定され、内周側は可動部２２１に固定されることで可動部２２１を固定部２３８に対し、揺動可能に支持している。

以上のような構成において以下その動作、作用を説明する。

交流電源から電流が固定子２０１に流れると、可動子２０４と固定子２０１の発生する磁界の作用により可動子２０４の軸方向への推力が発生し、この推力は共振ばね２１９ａ，２１９ｂを変形させるとともにその共振ばね２１９ａ，２１９ｂの反発力を利用しながら共振することで可動部２２１は効率よくシャフト方向に往復振動を繰り返す。

冷凍システム（図示せず）からの冷媒ガスは、一旦吸入室２２５に入りその後、シリンダ２１６とピストン２２２から形成された圧縮室２５５に吸入され、圧縮された冷媒ガスは、一旦吐出室２２８内に吐出された後、吐出管２５９を介して冷凍システムに吐出される。

また圧縮された冷媒ガスの一部は吐出室２２８からガスベアリング２５８を介してシリンダ２１６の内壁から噴出されるが、この噴出した冷媒のガス膜の剛性がピストン２２２を半径方向に支持し、ピストン２２２とシリンダ２１６の摺動部は相互に接触することがないため、可動部２２１を、摺動部を持たずに支持する共振ばね２１９ａ，２１９ｂと相まってオイルの潤滑を必要とせず、また摺動損失もほとんど発生しない。

さらに、本実施の形態のリニアモータ２０７を密閉容器２１３内で用いることで、前記実施の形態１で示したリニアモータの冷却効果に加えて、前記実施の形態１で示した風の流れ１３１ａ，１３１ｂは、一方向に安定した風の流れ２６１を形成し循環するため、さらにリニアモータの冷却効果が向上し、冷却効果がある冷凍機油を用いなくても、リニアモータの温度上昇が低く抑えられることにより、コイル２６０の電気抵抗が減り、銅損が減るため、リニア圧縮機の高効率化を図ることができる。さらに、リニアモータの温度上昇が抑えられることで、リニアモータに用いられる永久磁石の減磁防止にも１−繋がり、減磁による初期のモータ特性の低下を抑制でき、信頼性の高いリニア圧縮機を提供することができる。

なお、本実施の形態においてはオイルレスのリニア圧縮機にて説明したため、リニアモータ２０７の冷却に冷凍機油を用いることはできないが、オイルインのリニア圧縮機であれば冷凍機油をリニアモータ２０７の冷却手段として用いることが可能なため、更に高いリニアモータの冷却効果が得られ、過酷な条件化での信頼性を確保することができることは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかるリニアモータ及びリニア圧縮機は、高効率および信頼性の高いものを備えることが可能となるので、冷凍冷蔵装置や空調機等に用いられるリニアモータ及びリニア圧縮機の他に、往復動式の可動を有する機械部品の電動部等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１におけるリニアモータの可動子の斜視図 本発明の実施の形態１におけるリニアモータの平面図 本発明の実施の形態１におけるリニアモータの放熱突起の断面図 本発明の実施の形態２におけるリニア圧縮機の縦断面図 従来のリニアモータの可動子の平面図 従来のリニアモータの平面図

符号の説明

１１０，２０４ 可動子
１１１ａ，１１１ｂ 永久磁石
１１４ 外周面
１１８ａ，１１８ｂ，１１９，１２５ 放熱突起
１２０，２０７ リニアモータ
１２３，２０１ 固定子
１２４，２６０ コイル
１３０ 中心線
１３３ 往復動方向
１３４ 鉄心
２１３ 密閉容器
２１６ シリンダ
２１９ａ，２１９ｂ 共振ばね
２２０ リニア圧縮機
２２２ ピストン
２５５ 圧縮室
２５８ ガスベアリング

Claims (8)

1. 鉄心にコイルを旋巻させてなる１対の固定子と、前記固定子の間に所定の空隙をもって往復動可能に永久磁石を板状に配置した可動子とを備え、前記可動子の外周面に放熱突起を設けたリニアモータ。
2. 放熱突起は可動子の往復動方向に複数配列した請求項１に記載のリニアモータ。
3. 放熱突起は可動子の往復動方向に対し略直角方向に非対象な形状とした請求項２に記載のリニアモータ。
4. 放熱突起は断面が略直角三角形状か略台形形状で、往復動方向に対し平行でない一辺が往復動方向に略直角でもう一辺が往復動方向に対し３０〜６０度の範囲の角度をもった請求項３に記載のリニアモータ。
5. 放熱突起は往復動方向の中心線を中心にして略回転対称に形成された請求項３または請求項４に記載のリニアモータ。
6. 前記永久磁石の平面上に複数の放熱突起を設けた請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のリニアモータ。
7. 密閉容器内に請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のリニアモータと、圧縮室を形成するシリンダと、前記リニアモータの可動子と連結され前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記可動子の往復動に伴い伸縮する共振ばねとを備えたリニア圧縮機。
8. 前記シリンダと前記ピストンの間にガスベアリングを形成するとともに冷凍機油を用いない請求項７に記載のリニア圧縮機。

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