JP2007159384A - リニアモータ及びそれを用いたリニア圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネットの前後振動の動きを効率よく取ることができ、空隙が最小化して、マグネットの出力を妨害する磁気抵抗が最小化するので、同一出力に対してマグネットの使用量を最小化することができるリニアモータ及びこれを用いたリニア圧縮機を提供する。
【解決手段】リニアモータ１及びこれを用いたリニア圧縮機１００は、巻回されたコイル１０を有するボビン２が設けられたアウタコア２０の、コイル１０に通電することにより、インナコア４０が被運動体３０と一緒に直線往復動可能に設置されると共に、その外周面にマグネット挿入溝３８が形成されて、マグネット５０がマグネット挿入溝３８に挿設される。
【選択図】図３

Description

本発明は、リニアモータ及びこれを用いたリニア圧縮機に関し、より詳しくは、インナコアが被運動体と一緒に直線往復動可能に設置されると共に、マグネットが、インナコアの外周面に形成されたマグネット挿入溝に挿設されたリニアモータ及びリニア圧縮機に関する。

一般に、リニアモータは、ピストン等の直線往復動対象物（以下、「被運動体」という）に、直線往復動の運動力を発生させるものであって、大きくは、コイルが設置された固定子と、この固定子との相互作用で被運動体を直線往復動させる可動子とで構成される。

最近、冷媒ガス等の流体をリニアモータを用いて圧縮するリニア圧縮機が開発された。

前述の固定子は、ボビンと、このボビンに巻線されたコイルと、ボビンに放射状に設置されたアウタコアと、アウタコアの内側に離隔して設置されたインナコアとで構成される。

前述の可動子は、コイルに電流が印加されるときに発生する磁気力との相互作用で、アウタコアとインナコアとの間を直線往復動するマグネットである。

マグネットは、アウタコアとインナコアとの間において直線往復動するように、アウタコアの内周面と外側空隙ｇ１を有し、インナコアの外周面と内側空隙ｇ２を有する。

リニアモータは、モータ力定数αと、コイルに印加される電流値ｉとによって力（出力）が決定されるが、モータ力定数は、マグネットによる空隙内磁束密度Ｂｍに比例するので、マグネットによる空隙内磁束密度Ｂｍが大きいほど高効率となる。

ここで、空隙内磁束密度Ｂｍは、下記の式１で表されるように、外側空隙ｇ１と内側空隙ｇ２が小さいほど大きくなる。

Ｂｍ＝Ｂｒ×ｔ／２（ｇ１＋ｇ２＋ｔ） …（式１）
ここで、Ｂｒは、マグネット内の磁束密度（固有性質）であり、ｔは、マグネットの厚さであり、２（ｇ１＋ｇ２＋ｔ）は、リニアモータの空隙である。

すなわち、リニアモータは、リニアモータの空隙が小さいほど、力（出力）が高くなる。

しかしながら、従来技術によるリニアモータは、マグネットの外側だけでなく、内側に空隙が存在し、マグネットが発生する力を妨害する磁気抵抗が大きくなるので、出力向上のためにマグネットの使用量が大きくなるという問題点があり、安定的なモータ性能を得るために、外側空隙だけでなく、内側空隙も管理しなければならないので、量産性が低いという問題点があった。

一方、空隙を最小化するために、インナコアをピストンと一緒に移動可能に設置し、インナコアの外周面にマグネットを取り付けると、マグネットとインナコアとの間の内側空隙ｇ２がなくなるので、それだけ効率は増大するものの、マグネットをインナコアに取り付けるための別途の構造物が必要となる、または、マグネットの前後振動の動きを効率よく取り難い、という問題点があった。

本発明の目的は、マグネットをインナコアに挿設することにより、マグネットの前後振動の動きを効率よく取ることができ、マグネットの厚さだけ空隙を減らすことができることにより、マグネットの使用量を減らすことができ、この結果、出力を高めることができるリニアモータ及びこれを用いたリニア圧縮機を提供するところにある。

本発明の他の目的は、マグネット両端側の自己循環磁束（ｓｅｌｆ ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｌｕｘ）を最小化して、自己循環磁束によるインナコアの飽和可能性を減らすことができるリニアモータ及びこれを用いたリニア圧縮機を提供するところにある。

前記目的を達成するために、本発明によるリニアモータは、ボビンと、ボビンに巻線されたコイルと、ボビンに設置されたアウタコアと、被運動体と一緒に直線往復動可能に設置され、外周面にマグネット挿入溝が形成されたインナコアと、マグネット挿入溝に挿設されたマグネットとを備えることを特徴とする。

また、本発明によるリニア圧縮機は、シリンダと、シリンダへ直線往復動可能に位置されたピストンと、ボビンと、ボビンに巻線されたコイルと、ボビンに設置されたアウタコアと、ピストンと一緒に直線往復動可能に設置され、外周面にマグネット挿入溝が形成されたインナコアと、マグネット挿入溝に挿設されたマグネットとを備えることを特徴とする。

本発明によるリニアモータまたはリニア圧縮機は更に以下の特徴を備える。

（ａ）マグネット挿入溝が、インナコアの外周面に沿って円筒状に形成されている。

（ｂ）マグネット挿入溝の入口部が、マグネットよりも大きく拡張されている。

（ｃ）マグネット挿入溝の入口部が、マグネットが最大のストロークであるとき、アウタコアのポールを超える位置まで形成されている。

（ｄ）マグネット挿入溝の入口部が、インナコアのポールの端部まで形成されている。

本発明によると、インナコアが被運動体と一緒に直線往復動可能に設置されると共に、その外周面にマグネット挿入溝が形成され、マグネットがマグネット挿入溝に挿設されることにより、マグネットの前後振動の動きを効率よく取ることができ、空隙が最小化して、マグネットの出力を妨害する磁気抵抗が最小化するので、同一出力に対してマグネットの使用量を最小化することができるという利点がある。

また、インナコアのマグネット挿入溝入口部が、マグネットよりもさらに大きく拡張形成されるが、マグネットが最大のストロークであるとき、アウタコアのポールを超える位置までより大きく形成されることにより、マグネットが両側端に位置したとき、入口部の拡張によって、空隙が大きくなる効果があり、磁気抵抗が増大するので、マグネット端部の自己循環磁束の量が減少して、自己循環磁束の集中によるインナコアの飽和を防止することができ、自己循環磁束が大きいときに発生するモータ力定数の減少及び効率の減少を防止することができるという利点がある。

また、インナコアのマグネット挿入溝入口部が、インナコアのポールの端部まで、マグネットよりも大きく形成されることにより、ストロークを大きくする場合も、自己循環磁束の量を最小化することができ、ストローク制御が容易であるという利点がある。

前記の目的以外に本発明の他の目的及び特徴は、添付図面を参照した実施形態についての説明を通じて明白に説明される。

図１は、本発明の第１の実施の形態によるリニアモータの一部切欠き縦断面図である。

本実施の形態によるリニアモータは、図１に示すように、ボビン２と、ボビン２に巻線されたコイル１０と、ボビン２に設置されたアウタコア２０と、ピストン等の被運動体３０を直線往復動させるように設置され、外周面にマグネット挿入溝３８が形成されたインナコア４０と、マグネット挿入溝３８に挿設されたマグネット５０とで構成される。

ボビン２は、全体的に、円筒状に形成され、外周面が開放される。

コイル１０は、ボビン２の内部に巻線される。

アウタコア２０は、コイル１０に交流電流が流れるとき、磁束の通路を形成するものであり、複数個が、ボビン２の円周方向に離隔して、ボビン２に放射状に配置される。

アウタコア２０は、ボビン２の一部を取り囲むように形成され、内周側に前後方側のポール２１、２２が前後離隔して形成される。

被運動体３０は、直線往復動するピストンやロッド等であり、その種類に限定されないが、以下、ピストンで構成されたものに限定して説明する。

インナコア４０は、アウタコア２０と一緒に磁束の通路を形成するものであり、鉄心が放射状に積層される。

インナコア４０は、ピストン３０に直接結合されて、マグネット５０の直線往復動の運動力をピストン３０に直接伝達することも可能であり、ピストン３０と結合された別体のコアフレーム４１に設置され、コアフレーム４１を介して、マグネット５０の直線往復動の運動力をピストン３０に伝達することも可能であるが、以下、コアフレーム４１の外周面に設置されたものに限定して説明する。

インナコア４０は、コアフレーム４１の外周面に接着剤で接着されても、スクリュー（ねじ）等の締付部材で締め付けられても、突起や溝等で係合設置されてもよいことは勿論である。

インナコア４０は、中空円筒体状に形成され、前端部に前方側ポール４４が形成され、後端部に後方側ポール４６が形成される。

インナコア４０は、その全長がアウタコア２０の長さと被運動体３０の行程距離（ストローク）の和よりも小さくなると、インナコア４０及びマグネット５０の運動時、インナコア４０とアウタコア２０との間の空隙を最小化しようとする方向、すなわち、マグネット５０運動の反対方向への逆方向力であるリラクタンス力が大きくなるところ、アウタコア２０の長さと被運動体３０の行程距離の和以上の長さを有する。

インナコア４０は、マグネット挿入溝３８が、インナコア４０の外周面に沿って全体的に円筒状に形成され、その長さは、マグネット５０の長さと同じであるかまたは少し大きく形成される。

マグネット５０は、円周方向に磁化されており、コイル１０に流れる交流電流の方向によって、アウタコア２０とインナコア４０を通過する磁束の方向が変わると、フレミング左手の法則によって、前後直線往復動する力を受けるようになり、この力は、インナコア４０とコアフレーム４１を介して被運動体３０に伝達される。

マグネット５０は、インナコア４０のマグネット挿入溝３８に接着剤等で直接密着して設置されてもよく、挿入後、カーボンフィルム等をテーピングしてから、高温で１時間固めることにより、密着して設置されてもよいことは勿論である。

マグネット５０は、勿論、その全部が、マグネット挿入溝３８に挿入されても、または、その一部のみが、マグネット挿入溝３８に挿入されて、残りはインナコアの外周面に突出させてもよいが、空隙の最小化のためには、その全部がマグネット挿入溝３８に挿入されることが好ましい。

また、リニアモータは、中央から外側方向へピストン３０、コアフレーム４１、インナコア４０とマグネット５０の組立体、アウタコア２０とボビン２とコイル１０の組立体の順に配置される。

以下、このように構成されたリニアモータの動作について説明する。

先ず、コイル１０に交流電流が印加されると、アウタコア２０とインナコア４０には、磁束が方向が変わりながら流れるようになり、マグネット５０には、磁束方向が変わることにより、前後直線往復する力が発生する。

図２は、本発明の第１の実施の形態によるリニアモータの電磁気を、インナコアの外周面にマグネットが突出して設置される場合の電磁気と比較した図である。

インナコア４０の外周面にマグネット挿入溝が形成されず、マグネット５０が、インナコア４０の外周面に突出して配置（点線）される場合、図２に示すように、電磁気αが略７３〜８４［Ｎ／Ａ］の範囲を有するのに対して、図１に示すように、インナコア４０の外周面にマグネット挿入溝３８が形成され、マグネット５０がマグネット挿入溝３８に挿入され、インナコア４０の外周面に突出しないように配置（実線）される場合、図２に示すように、電磁気αが略１０７〜１２５［Ｎ／Ａ］の範囲を有するようになる。

すなわち、マグネット５０をインナコア４０のマグネット挿入溝３８に挿設すると、空隙が最小化するので、マグネット５０の出力を妨害する磁気抵抗が最小化し、電磁気αは、相対的に大きくなる。

また、マグネット５０は、前進時、インナコア４０のマグネット挿入溝３８の前方部を前方向に押し、後進時、インナコア４０のマグネット挿入溝３８の後方部を後方向に押すことにより、インナコア４０は、マグネット５０と一緒に前進・後退する。

インナコア４０の直線往復動は、コアフレーム４１を介してピストン３０に伝達されて、マグネット５０とインナコア４０とピストン３０は、一体で直線往復動するようになる。

図３は、本発明によるリニアモータ１が適用されたリニア圧縮機１００の一実施の形態を示す一部切欠き断面図である。

本実施の形態によるリニア圧縮機１００は、図３に示すように、ピストン３０にガス冷媒等の流体が通過する流路３１が長く形成されている。

リニア圧縮機１００は、外観を形成するシェル５５と、シェル５５の内部に緩衝可能に設置（浮動保持）され、リニアモータ１とピストン３０を含むリニア圧縮部６０とで構成される。

シェル５５は、一方に、流体が吸入されるための吸入管５６が貫設され、他方には、リニア圧縮部６０で圧縮された流体が吐出するループ管５７が貫設されている。

リニア圧縮部６０は、ピストン３０が直線往復動可能に設置されたシリンダ６２と、シリンダ６２の外部に設置され、アウタコア２０の前方に配置されるシリンダブロック６４と、アウタコア３０の後方に配置されるアウタカバー６６と、アウタカバー６６に締め付けられ、流体吸入口６８が形成されたバックカバー７０と、ピストン３０の後端側に設置され、アウタカバー６６との間に第１のばね７２が介在され、バックカバー７０との間に第２のばね７４が介在されたばね支持体７６とで構成される。

リニア圧縮部６０は、中央から外側方向へ、ピストン３０、シリンダ６２、コアフレーム４１、インナコア４０とマグネット５０の組立体、アウタコア２０とボビン２とコイル１０との組立体の順に配置される。

ピストン３０は、後端側に、コアフレーム４１とばね支持体７６が、ねじ等の締付部材で締め付けられるように、フランジ３２が突設されている。

また、リニア圧縮部６０は、ピストン３０の流路３１を開閉するように、ピストン３０の前面に設置された吸入弁７８と、ピストン３０の反対側に位置するように、シリンダブロック６４に設置されて、ピストン３０の内部に圧縮室Ｃを形成し、圧縮室Ｃの内部圧力によって、シリンダ６２の前方を開閉する吐出弁アセンブリ８０とをさらに備えている。

吸入弁７８は、弾性的に撓みながら、流路３１を開閉する構造をしており、ピストン３０の前面にねじ等で締め付けられる。

吐出弁アセンブリ８０は、シリンダ６２の先端を開閉するための吐出弁８１と、吐出弁８１を付勢する吐出ばね８２が設置された内側吐出カバー８３と、内側吐出カバー８３との間に流路が形成された外側吐出カバー８４と、外側吐出カバー８４に設置され、ループ管５７が連結される吐出管８５とで構成される。

図３に示す参照符号９０は、アウタカバー６６とシリンダブロック６４を順に貫通して締め付けられる締付ボルトであり、参照符号９２は、ピストン３０の後端側に設置された消音機である。

図３に示す参照符号９４は、シリンダブロック６４をシェル５５に付勢する前方ダンパであり、参照符号９６は、ばね支持体７６をシェル５５に付勢する後方ダンパである。

以下、このように構成されたリニア圧縮機１００の動作について説明する。

先ず、ピストン３０の後退時、第１のばね７２と第２のばね７４によって、共振・増幅されて大きな力が発生し、この際、吸入弁７８は、圧縮室Ｃとピストン３０の流路３１との圧力差によって、流路３１を開放するようになり、流路３１の内部にあった冷媒ガス等の流体は、圧縮室Ｃに吸入される。

ピストン３０の前進時、第１のばね７２と第２のばね７４によって、共振・増幅されて大きな力が発生し、この際、吸入弁７８は、圧縮室Ｃに吸入された流体及び自己弾性力によって、ピストン３０の流路３１を密閉するようになり、圧縮室Ｃ内の流体は、ピストン３０と吸入弁７８によって加圧されて圧縮され、吐出弁アセンブリ８０とループ管５７から吐出される。

この際、シェル５５の内部の流体は、ピストン３０の流路３１に形成された負圧によって、バックカバー７０の流体吸入口６８と消音機９２を通過して、ピストン３０の流路３１に吸入される。

図４は、本発明の第２の実施の形態によるリニアモータ１の被運動体３０が最大前進したときの一部切欠き縦断面図であり、図５は、本発明の第２の実施の形態によるリニアモータ１の被運動体３０が最大後退したときの一部切欠き縦断面図である。

本実施の形態のよるリニアモータ１は、図４及び図５に示すように、インナコア４０のマグネット挿入溝３８の入口部３９が、マグネット５０よりも大きく形成される。

本実施の形態によるリニアモータ１は、マグネット挿入溝３８の入口部３９が、マグネット５０の最大ストロークであるとき、アウタコア２０の前方側ポール２１と後方側ポール２２を越える位置まで、マグネット５０よりも大きく形成される。

図１に示す本発明の第１の実施の形態によるリニアモータ１は、マグネット５０の先端部が、アウタコア２０の前方側ポール２１の先端に近接して前進し、または、マグネット５０の後端部が、アウタコア２０の後方側ポール２２の後端に近接して後退する場合、自己循環磁束が大きくなり、モータ力定数が減少するにつれて、効率が減少され、自己循環磁束がマグネット５０の先端部または後端部に集中して、インナコア４０のうち、マグネット５０の先端部周辺と後端部周辺が飽和されやすいが、マグネット挿入溝３８の入口部３９がマグネット５０よりも大きく形成されると、入口部３９によって、空隙が大きくなる効果が得られ、磁気抵抗が増大される。

すなわち、マグネット５０の端部５１、５２の自己循環磁束の量が、本発明の第１の実施の形態によるリニアモータ１に比べて、図４及び図５に示すように減少する。

また、自己循環磁束の減少と共に、相対的に磁気抵抗の少ないアウタコア２０のメイン磁束の大きさは増大する。

図６は、本発明の第３の実施の形態によるリニアモータ１の被運動体３０が最大前進したときの一部切欠き縦断面図であり、図７は、本発明の第３の実施の形態によるリニアモータ１の被運動体３０が最大後退したときの一部切欠き縦断面図である。

第３の実施の形態によるリニアモータ１は、図６及び図７に示すように、インナコア４０のマグネット挿入溝３８の入口部３９’が、インナコア４０の前方側と後方側ポール４４、４６の端部４４ａ、４６ａまで形成されて、本発明の第２の実施の形態によるリニアモータ１よりも入口部３９’が相対的に広く形成されるので、ストロークが大きい場合も、入口部３９’による空隙及び磁気抵抗の拡大と、それによる自己循環磁束を最小化することができるようになる。

本発明の第１の実施の形態によるリニアモータの一部切欠き縦断面図である。 本発明の第１の実施の形態によるリニアモータの電磁気を、インナコアの外周面にマグネットが突出して設置される場合の電磁気と比較した図である。 本発明によるリニアモータが適用されたリニア圧縮機の一実施の形態を示す一部切欠き断面図である。 本発明の第２の実施の形態によるリニアモータの被運動体が最大前進したときの一部切欠き縦断面図である。 本発明の第２の実施の形態によるリニアモータの被運動体が最大後退したときの一部切欠き縦断面図である。 本発明の第３の実施の形態によるリニアモータの被運動体が最大前進したときの一部切欠き縦断面図である。 本発明の第３の実施の形態によるリニアモータの被運動体が最大後退したときの一部切欠き縦断面図である。

符号の説明

１ リニアモータ
２ ボビン
１０ コイル
２０ アウタコア
２１、２２ ポール
３０ ピストン
３８ マグネット挿入溝
３９、３９’ マグネット挿入溝入口部
４０ インナコア
５０ マグネット
６２ シリンダ
７２ 第１のばね
７４ 第２のばね
７６ ばね支持体
７８ 吸入弁
８０ 吐出弁アセンブリ

Claims (8)

1. ボビンと、
   前記ボビンに巻線されたコイルと、
   前記ボビンに設置されたアウタコアと、
   被運動体と一緒に直線往復動可能に設置され、外周面にマグネット挿入溝が形成されたインナコアと、
   前記マグネット挿入溝に挿設されたマグネットとを備えることを特徴とするリニアモータ。
2. 前記マグネット挿入溝が、前記インナコアの外周面に沿って円筒状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記マグネット挿入溝の入口部が、前記マグネットよりも大きく拡張されたことを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
4. 前記マグネット挿入溝の入口部が、前記マグネットが最大のストロークであるとき、前記アウタコアのポールを超える位置まで形成されたことを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。
5. 前記マグネット挿入溝の入口部が、前記インナコアのポールの端部まで形成されたことを特徴とする請求項３に記載のリニアモータ。
6. 前記被運動体がピストンである請求項１から５の何れか１項に記載のリニアモータと、
   前記ピストンが直線往復動可能に設置されたシリンダと、
   とを備えることを特徴とするリニア圧縮機。
7. 前記リニアモータがアウタカバーとシリンダブロックに挟持されると共に、前記シリンダが前記シリンダブロックに取り付けられ、前記ピストン内に流路、前記ピストンと前記シリンダとの間には開閉弁を介して圧縮室が形成されて、リニア圧縮部が構成されていることを特徴とする請求項６に記載のリニア圧縮機。
8. 前記リニア圧縮部がシェル内に浮動保持されており、前記リニア圧縮部の流体吸入口が前記シェルに設けられた吸入管に接続され、前記リニア圧縮部の前記圧縮室に隣接する吐出弁アセンブリの吐出管が管路により前記シェルから引き出されることを特徴とする請求項７に記載のリニア圧縮機。

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