JP2007089344A - Linear electromagnetic device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、コンプレッサーやスターリング冷凍機等、ピストンとシリンダの組合せ等により構成され、磁界を生成する一次側とそれによって直線状に移動する二次側を備えたリニア式モータ、或いは直線状に移動する一次側とそれによって発電する二次側を備えたリニア式発電機等の電磁装置に関する。 The present invention is composed of a combination of a piston and a cylinder, such as a compressor or a Stirling refrigerator, and has a primary side that generates a magnetic field and a secondary side that moves linearly thereby, or linearly moves The present invention relates to an electromagnetic device such as a linear generator having a primary side that performs power generation and a secondary side that generates power.
従来、略円筒状に形成された円筒部を有するケーシングと、このケーシングの円筒部内に同軸状に挿入されるシリンダと、このシリンダの先端側内部に摺動可能に挿入されるディスプレイサーと、前記シリンダの基端側内部に摺動可能に挿入されるピストンと、前記シリンダの基端側外部に配置されて前記ピストンの基端に枠を介して固定される永久磁石を有する可動子及び前記永久磁石の外周側に対向配置される電磁コイルと電磁コアを有する固定子とを有する駆動装置とを備えたものが公知である(例えば特許文献1)。 Conventionally, a casing having a cylindrical portion formed in a substantially cylindrical shape, a cylinder that is coaxially inserted into the cylindrical portion of the casing, a displacer that is slidably inserted into the front end side of the cylinder, A mover having a piston slidably inserted inside the base end side of the cylinder, a permanent magnet disposed outside the base end side of the cylinder and fixed to the base end of the piston via a frame, and the permanent A device including a driving device having an electromagnetic coil and a stator having an electromagnetic core disposed opposite to each other on the outer peripheral side of a magnet is known (for example, Patent Document 1).
このような従来技術は、図4のフリーピストン型スターリング冷凍機の例を示す断面図のように、シリンダ101等の固定体の内側に、僅かな隙間を介して、またはこれに接してピストン102等の可動体が配置され、これに結合したリニア式モータ等の駆動用動力源により駆動される。即ち、前記ピストン102とこれを駆動させるリニア式モータ等の動力源は別の構造体となっていた。このリニア式モータは、巻き線(電磁コイル)103を有する外側固定子104と、内側固定子105と、磁石(永久磁石)106を有する可動子107から構成されている。なお、これと同じ構造で入力と出力を入れ換えることで、発電機とすることもできる。
As shown in the cross-sectional view of the example of the free piston type Stirling refrigerator shown in FIG. 4, such a conventional technique has a
このようなものにおいては、前記巻き線(電磁コイル)103に交流電流を流すと、この巻き線(電磁コイル)103から交番磁界が発生して前記外側固定子104の電磁コア108で集中し、この交番磁界によって、前記永久磁石106を軸方向に往復動させる力が生じる。そして、この力によって、前記永久磁石106が固定されたピストン102がシリンダ101内を軸方向に往復動する。そして、前記ピストン102がディスプレイサー109に近づく方向に移動すると、前記ピストン102とディスプレイサー109との間に形成された圧縮室C内の気体が圧縮されて、連通孔110、排熱フィン111、再生器112、吸熱フィン113、隙間114を通り、前記ディスプレイサー109の先端と円筒部115の先端部116の間に形成された膨張室Eに至ることで、前記ディスプレイサー109が前記ピストン102に対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストン102が前記ディスプレイサー109から遠ざかる方向に移動すると、前記圧縮室Cの内部が負圧となり、前記膨張室E内の気体がこの膨張室Eから前記隙間114、吸熱フィン113、再生器112、排熱フィン111、連通孔110を通って前記圧縮室Cに還流することで、前記ディスプレイサー109が前記ピストン102に対して所定の位相差をもって引き上げられる。このような工程中において、二つの等温変化と等体積変化とからなる可逆サイクルが行われることによって、前記膨張室Eの近傍は低温となり、一方、前記圧縮室Cの近傍は高温となる。
前記従来技術においては、以下の問題があった。まず、前記ピストン102とこれを駆動する前記可動子107が別の構造体となっているため、形状が大きくなっていた。即ち、前記ピストン102及びシリンダ101の外側に往復動するリニア式モータの内側固定子105(インナーコア)があり、更にその外側に前記磁石(永久磁石)106を含む前記可動子107が配置されているため、スターリング冷凍機全体が大きくなり、小型化の障害となっていた。また、前記シリンダ101の外側に配置されたリニア式モータにより前記シリンダ101の内側に配置された前記ピストン102を駆動するため、駆動機構が複雑となっていた。更に、前記リニア式モータの狭い空隙、即ち、前記磁石(永久磁石)106と外側固定子104との隙間及び前記磁石(永久磁石)106と内側固定子105との隙間を一定に保つための高価な精密加工が必要であった。
The prior art has the following problems. First, since the
そこで、本発明は構造が簡単で、高い加工精度を必要とする部分を減らし、組立が容易でありながら、且つ、高い信頼性の得られる、ピストンを備えたリニア式電磁装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention provides a linear electromagnetic device having a piston that has a simple structure, reduces the number of parts that require high machining accuracy, is easy to assemble, and is highly reliable. Objective.
請求項1の発明は、シリンダと、このシリンダに摺動可能に挿入されるピストンと、前記ピストンに固定される永久磁石と、前記永久磁石の外周側に対向配置される電磁コイルと電磁コアを有する固定子とを有するリニア式電磁装置において、前記ピストン自体が少なくとも1個の永久磁石又は導磁性体を含むことを特徴とするリニア式電磁装置である。
The invention of
請求項2の発明は、前記シリンダを合成樹脂で形成したことを特徴とする請求項1記載のリニア式電磁装置である。
The invention according to
請求項3の発明は、前記固定子を前記ピストンの外側を覆うように配置し、該固定子の全体、または内面を合成樹脂により前記シリンダと一体的に成型したことを特徴とする請求項1記載のリニア式電磁装置である。 According to a third aspect of the present invention, the stator is disposed so as to cover the outer side of the piston, and the whole or inner surface of the stator is integrally molded with the cylinder by a synthetic resin. It is a linear electromagnetic device of description.
請求項1の発明によれば、前記ピストン自体にリニア式電磁装置を構成する永久磁石や導磁性体等を組み込むことにより、構造を簡単にし、形状を小型化させることができる。 According to the first aspect of the present invention, the structure can be simplified and the size can be reduced by incorporating the permanent magnets, the magnetic conductors and the like constituting the linear electromagnetic device into the piston itself.
請求項2の発明によれば、前記固定子と前記永久磁石又は導磁性体との間にあるシリンダが、磁力線を透過させる合成樹脂であるため、磁力線が前記シリンダによって遮断されないので、前記リニア式電磁装置を効率的に作動させることができる。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、前記シリンダ、固定子回りの部品点数及び組立工数を低減することができるばかりでなく、前記固定子の電磁コアの内面と前記ピストンの永久磁石又は導磁性体との距離を短くして、前記リニア式電磁装置を効率的に作動させることができる。 According to the invention of claim 3, not only can the number of parts and the number of assembling steps around the cylinder and the stator be reduced, but also the inner surface of the electromagnetic core of the stator and the permanent magnet or magnetic conductor of the piston Thus, the linear electromagnetic device can be operated efficiently.
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。 Preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below do not limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, all the configurations described below are not necessarily essential requirements of the present invention.
図1は実施例1を示している。なお、以降の各実施例において、リニア式電磁装置としてリニア式モータを例にとって説明する。1は略円筒状に形成された円筒部2と胴部3とで構成されるケーシングである。前記円筒部2はステンレス鋼などからなり、基部4と中間部5と先端部6が一体に構成されている。
FIG. 1 shows a first embodiment. In the following embodiments, a linear motor will be described as an example of a linear electromagnetic device.
前記円筒部2の内部には、前記胴部3の内部まで延びるシリンダ7が、前記円筒部2に対して同軸的に挿入されて設けられている。なお、前記シリンダ7は、例えば、補強材としての炭素短繊維を含むPPS(Polyphenylene Sulfide)等の合成樹脂で作られていると共に、その内面に、摺動面を構成すると共に非磁性金属製で且つ肉厚の薄い摺動筒7Aが挿入されている。そして、前記シリンダ7の内側には、ディスプレイサー8が軸方向に摺動可能に収容されている。また、このディスプレイサー8の先端と前記円筒部2の先端部6の間には膨張室Eが形成されており、隙間9によって前記シリンダ7の先端の内外が連通されている。また、前記中間部5において、前記円筒部2の内周と前記シリンダ7の外周との間に再生器10が設けられていると共に、前記基部4において、前記シリンダ7の内外を連通する連通孔11が前記シリンダ7自体に形成されている。また、前記円筒部2の先端部6の内周と前記シリンダ7の先端外周との間には、吸熱フィン12が設けられると共に、前記再生器10と連通孔11の間において、前記円筒部2の内周と前記シリンダ7の外周との間に排熱フィン13が設けられている。そして、前記シリンダ7の内部先端から隙間9、吸熱フィン12、再生器10、排熱フィン13、連通孔11を通って前記シリンダ7内の圧縮室Cに至る経路14が形成されている。
Inside the
更に、前記胴部3内において、前記シリンダ7の基部側の内側には、ピストン15が軸方向に摺動可能に収容されている。前記ピストン15はシリンダ7内を摺動するピストン本体15Aを有し、その基端部は、駆動装置16に対して同軸的に連結されている。なお、前記ピストン本体15Aは、例えば、潤滑剤としての二硫化モリブデン及び補強材としての炭素短繊維を含むPPS等の合成樹脂で作られている。前記駆動装置16は、前記ピストン本体15Aの内周面に固定される永久磁石17と、同じく前記ピストン本体15Aの内周面に固定されると共に前記永久磁石17の軸方向両側及び内周側に配置される導磁性体18と、前記永久磁石17の外周側に近接して設けられた環状の電磁コイル19と電磁コア20を有する固定子21とで構成されている。なお、前記固定子21の内面と対向する前記シリンダ7の基端側は、他の部分に比べて肉厚が薄く形成されており、これによって、前記電磁コア20の内面と前記永久磁石17の外周との距離が短くされている。
Further, a
また前記ピストン15には、このピストン15の動作を制御するための第一の板バネ23が接続されている。さらに、前記ディスプレイサー8の基端側には、このディスプレイサー8の動作を制御するためのロッド24の一端が接続されていると共に、このロッド24の他端には第二の板バネ25が接続されている。なお、前記ロッド24は前記ピストン15を貫通して延びている。また、前記一対の板バネ23,25は、前記胴部3内において、前記シリンダ7の基端側の外部に配置されていると共に、前記第一の板バネ23よりも第二の板バネ25が前記シリンダ7の基端側から離れた位置に配置されている。
The
また、前記シリンダ7の中間部の外周面には、該シリンダ7と同軸状に突出するフランジ状のマウント27が前記シリンダ7と一体に成形されていると共に、このマウント27に前記駆動装置16を構成する電磁コア20の一端が当接するように形成されている。また、前記電磁コア20の他端には、例えばリング状の固定部材28が当接している。なお、この固定部材28は、前記電磁コア20より熱伝導性の良好な、例えばアルミニウム等の金属を用いてダイカスト等の鋳造によって成形されている。そして、前記マウント27と固定部材28とで前記電磁コア20を挟持して、例えばビス(図示せず)によって締め付けることによって、前記電磁コア20、ひいてはこの電磁コア20と一体化している前記電磁コイル19が前記マウント27に固定される。さらに、前記マウント27から、複数の接続用腕部30が前記シリンダ7の軸方向と略平行に突設されている。なお、前記接続用腕部30は、その基端において前記マウント27と一体に形成されている。そして、前記接続用腕部30の先端部に対して、前記第一の板バネ23がスペーサ31によって螺子止めされていると共に、このスペーサ31に対して前記第二の板バネ25がビス32によって螺子止めされている。
A flange-
そして、前記構成により、前記電磁コイル19に交流電流を流すと、この電磁コイル19から交番磁界が発生して電磁コア20で集中し、この交番磁界によって、前記永久磁石22を軸方向に往復動させる力が生じる。なお、前記電磁コア20と前記ピストン15に設けられた永久磁石17との間には、非磁性金属の摺動筒7Aが設けられているが、この摺動筒7Aは前述したように肉厚が薄く形成されていることで、前記固定子21からの磁力線の遮断が最小限に抑えられている。この力によって、前記永久磁石17及び導磁性体18が固定されたピストン15が、前記シリンダ7内を軸方向に往復動する。そして、前記ピストン15が前記ディスプレイサー8に近づく方向に移動すると、前記ピストン15とディスプレイサー8との間に形成された圧縮室C内の気体が圧縮されて、前記連通孔11、排熱フィン13、再生器10、吸熱フィン12、隙間9を通り、前記ディスプレイサー8の先端と円筒部2の先端部6の間に形成された膨張室Eに至ることで、前記ディスプレイサー8が前記ピストン15に対して所定の位相差をもって押し下げられる。一方、前記ピストン15が前記ディスプレイサー8から遠ざかる方向に移動すると、前記圧縮室Cの内部が負圧となり、前記膨張室E内の気体がこの膨張室Eから前記隙間9、吸熱フィン12、再生器10、排熱フィン13、連通孔11を通って前記圧縮室Cに還流することで、前記ディスプレイサー8が前記ピストン15に対して所定の位相差をもって引き上げられる。このような工程中において二つの等温変化と等体積変化とからなる可逆サイクルが行われることによって、前記膨張室Eの近傍は低温となり、一方、前記圧縮室Cの近傍は高温となる。
With this configuration, when an alternating current is passed through the
そして、このように、前記ピストン15自体をリニア式モータの可動子とし、これと僅かな隙間を介してまたは接してシリンダ7を配置し、更にその外側に前記電磁コイル19を有する前記固定子21を配置し、前記電磁コイル19に通電することにより、可動子である前記ピストン15が駆動される。
In this way, the
以上のように、前記実施例では、シリンダ7と、このシリンダ7に摺動可能に挿入されるピストン15と、前記ピストン15に固定される駆動用永久磁石17と、前記永久磁石17の外周側に対向配置される電磁コイル19と電磁コア20を有する固定子21とを有するリニア式モータにおいて、前記ピストン17に少なくとも1個の駆動用の前記永久磁石17及び導磁性体18を含み、これら固定子21とピストン15との間で、このピストン15を往復動させる駆動力を発生させることにより、従来技術における可動子のように、永久磁石を固定するための枠を必要とせず、前記ピストン15自体に駆動用の部品を組み込むことにより、構造を簡単にし、形状を小型化させることができる。
As described above, in the embodiment, the
また、前記シリンダ7を合成樹脂であるPPSで構成したことによって、前記固定子21から発生した磁力線が前記シリンダ7によって遮断されずに前記ピストン15内の永久磁石17及び導磁性体18に届くので、前記ピストン15を効率的に往復動させることができる。
Further, since the
図2は実施例2を示しており、前記実施例1と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。 FIG. 2 shows a second embodiment, and the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
ケーシング1内には、シリンダ40が同軸的に挿入されて設けられている。なお、前記シリンダ40は、例えば、補強材としての炭素短繊維を含むPPS等の合成樹脂で作られていると共に、その内面に、摺動面を構成すると共に非磁性金属製で且つ肉厚の薄い摺動筒40Aが挿入されている。そして、前記シリンダ40の基部側の内側には、ピストン41が軸方向に摺動可能に収容されている。前記ピストン41は、前記シリンダ40内を摺動するピストン本体41Aを有している。なお、前記ピストン本体41Aは、例えば、潤滑剤としての二硫化モリブデン及び補強材としての炭素短繊維を含むPPS等の合成樹脂で作られている。前記ピストン41を往復駆動させるための駆動装置42は、前記ピストン本体41Aの内周面に固定される永久磁石17と、前記ピストンの内側に設けられると共に固定具43に固定された導磁性体44と、前記永久磁石17の外周側に近接して設けられた環状の電磁コイル19と電磁コア20を有する固定子21とで構成されている。なお、本実施例では、前記固定子21は、インサート成形等によって、合成樹脂であるPPS等で形成された前記シリンダ40と一体的に構成されている。また、前記固定子21の内面を覆う前記シリンダ40の肉厚は充分に薄く形成されており、これによって、前記電磁コア20の内面と前記永久磁石17の外周との距離が短くされている。そして、前記固定具43は、前記シリンダ40に設けられた取付部45によって、前記シリンダ40に対して固定されている。
A
以上のように、前記固定子21を前記ピストン41の外側を覆うように配置し、前記固定子21の全体、または内面を合成樹脂であるPPS等により前記シリンダ40と一体で成型したことで、前記シリンダ40及び固定子21回りの部品点数を少なくすることができると共に、組立工数を低減することができる。
As described above, the
図3は実施例3を示しており、前記実施例1と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。 FIG. 3 shows a third embodiment, and the same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
ケーシング1内には、シリンダ50が同軸的に挿入されて設けられている。なお、このシリンダ50は、例えば、補強材としての炭素短繊維を含むPPS等の合成樹脂で作られていると共に、その内面に、摺動面を構成すると共に非磁性金属製で且つ肉厚の薄い摺動筒50Aが挿入されている。そして、前記シリンダ50の基部側の内側には、ピストン15が軸方向に摺動可能に収容されている。前記ピストン15は、前記シリンダ50内を摺動するピストン本体15Aを有し、その基端部は、駆動装置16に対して同軸的に連結されている。前記駆動装置16は、前記ピストン本体15Aの内周面に固定される永久磁石17と、同じく前記ピストン本体15Aの内周面に固定されると共に前記永久磁石17の軸方向両側及び内周側に配置される導磁性体18と、前記永久磁石17の外周側に近接して設けられた環状の電磁コイル19と電磁コア20を有する固定子21とで構成されている。なお、本実施例では、前記固定子21は、インサート成形等によって、合成樹脂であるPPS等で形成された前記シリンダ50と一体的に構成されている。また、前記固定子21の内面を覆う前記シリンダ50の肉厚は充分に薄く形成されており、これによって、前記電磁コア20の内面と前記永久磁石17の外周との距離が短くされている。また、前記シリンダ50の中間部の外周面には、該シリンダ7と同軸状に突出するマウント51が前記シリンダ50と一体に成形されていると共に、このマウント51によって前記シリンダ50が前記ケーシング1内に固定されている。
A
以上のように、前記固定子21を前記ピストン15の外側を覆うように配置し、前記固定子21の全体、または内面を合成樹脂であるPPS等により前記シリンダ50と一体で成型したことで、前記シリンダ50及び固定子21回りの部品点数を少なくすることができると共に、組立工数を低減することができる。
As described above, the
なお、本発明は以上の実施例に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上記各実施例では、ピストンと固定子との間にシリンダを設けているが、前記固定子の電磁コアの内面自体をシリンダの内面としても良い。 In addition, this invention is not limited to the above Example, A various deformation | transformation implementation is possible within the range of the summary of invention. For example, in each of the above embodiments, the cylinder is provided between the piston and the stator. However, the inner surface of the electromagnetic core of the stator may be the inner surface of the cylinder.
本発明は、実施例の磁界を生成する一次側とそれによって直線状に移動する二次側を備えたリニア式モータとは逆に、直線状に移動する一次側により、二次側に磁界を生成するリニア式発電機にも利用できる。これはピストンを発電機の可動子とし、これと僅かな隙間を介してまたは接してシリンダを配置し、さらにその外側に電磁コイルと電磁コアからなる固定子を配置し、前記ピストンが往復することにより、前記電磁コイルに誘導電流を発生させるようにしたものである。この場合においても、リニア式モータと同様な効果を奏する。 In contrast to a linear motor having a primary side that generates a magnetic field and a secondary side that moves linearly, the magnetic field is applied to the secondary side by a primary side that moves linearly. It can also be used for generating linear generators. This is because a piston is used as a mover of a generator, a cylinder is arranged through or in contact with a slight gap, and a stator consisting of an electromagnetic coil and an electromagnetic core is arranged outside thereof, and the piston reciprocates. Thus, an induced current is generated in the electromagnetic coil. Even in this case, the same effect as the linear motor can be obtained.
7,40,50 シリンダ
15,41 ピストン
15A,41A ピストン本体
17 駆動用永久磁石
18,44 導磁性体
19 電磁コイル
20 電磁コア
21 固定子
7, 40, 50
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