JP2008206344A - 振動型モータ - Google Patents

Abstract

【課題】補助磁石による推力増大効果を低減させずに復元力のみを低減させ、小型化、高効率化、低価格化を可能にする。
【解決手段】内周側及び外周側が異極に着磁された円筒状の主磁石５と、そ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主磁石５とは逆極性で着磁された円筒状の補助磁石６，７と、を有する可動部４と、空隙部を介して可動部４の外側、内側に配置される外側ヨーク１及び内側ヨーク３と、外側ヨーク１または内側ヨーク３の何れかに巻装された励磁コイル２及び二つの脚部１１，１２と、を備え、励磁コイル２に交流電流を通流して可動部４を軸方向に往復動させる振動型モータにおいて、主磁石５と補助磁石６，７との接合部８，９と、脚部１１，１２の中央部１１ｂ，１２ｂとを軸方向にずらすと共に、内側ヨーク３の軸方向長さと脚部１１，１２の外側端部１１ａ，１２ａ間の距離とをほぼ一致させる。
【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４，図５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４において、１０１は外側ヨーク、１０２は励磁コイル、１０３は内側ヨーク、１０４は外側ヨーク１０１と内側ヨーク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、外側ヨーク１０１の脚幅内に収められている。

図４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５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。
［数式１］
Ｆ＝Ｂ・２Ｉ_Ｍ・Ｌ_Ｍ
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。

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（Ｉ^２Ｒ）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６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６の構造によると、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４，図５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６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７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７において、２０１は外側ヨーク、２０２は励磁コイル、２０３は内側ヨーク、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。

図７の従来技術では、非励磁状態において、主磁石２０５と補助磁石２０６，２０７との接合部を内側ヨーク２０３の脚幅ａの１／２の位置に一致させることで、可動部２０４を中立位置２１０に位置決めしている。

米国特許第５１４８０６６号明細書（Ｆｉｇ．１）

図７に示した従来技術によると、可動部２０５を軸方向に変位させた場合、可動部２０４に大きな復元力が働くためにピストンストロークを十分に確保できない場合がある。
上記の復元力を緩和する対策として、特許文献１のＦｉｇ．７Ａ，８Ａには、補助磁石を三角形に形成したり厚さを薄くする等の方法により形状、構造を変化させることが開示されているが、これらの形状等を最適値に設計するためにはパラメータが非常に多くなり、補助磁石の設計が困難になるという問題があった。また、補助磁石を三角形にする等の方法を採ると、等価電流が減少し、復元力だけでなく推力増大効果も低減させてしまうという問題もあった。

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ずに復元力のみを低減させるようにし、推力の増大、及び小型化、高効率化を可能にした振動型モータ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、を有する可動部と、
空隙部を介して前記可動部の外側に配置される外側ヨークと、
空隙部を介して前記可動部の内側に配置される内側ヨークと、
前記外側ヨークまたは内側ヨークの何れかに巻装された励磁コイルと、
この励磁コイルが巻装されたヨークに設けられ、前記空隙部を介して前記可動部に磁束を作用させる二つの脚部と、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振動型モータにおいて、
前記主磁石と補助磁石との接合部と、前記脚部の中央部とを、軸方向にずらすと共に、前記内側ヨークの軸方向長さと前記脚部の外側端部間の距離とをほぼ一致させたものである。

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、前記励磁コイル及び前記脚部を、前記外側ヨークに設けたものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した振動型モータにおいて、前記脚部の中央部を前記接合部よりも内側にずらしたものである。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項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、前記脚部の外側端部間の距離よりも長くしたものである。

本発明によれば、励磁電流によって発生する可動部の推力を低減させることなく、可動部の永久磁石に起因した復元力を緩和することができると共に、モータ全体を軸方向に短尺化し、小型、軽量かつ低価格の振動型モータ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はこの実施形態の主要部を示す構成図であり、図４〜図７と同様に、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１において、１は外側ヨーク、２は外側ヨーク１に巻装された励磁コイル、３は内側ヨーク、４は外側ヨーク１と内側ヨーク３との間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。なお、可動部４を支持するケーシングは図示を省略してある。

上記可動部４は、図６と同様に、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、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。

外側ヨーク１は、鉄板や珪素鋼板などを複数、積層して形成されている。振動型モータのように交番磁界が加わる場合には、磁束に垂直な方向に渦電流が発生して性能を低下させるため、積層鋼板等を用いて磁束に垂直な方向を絶縁することが好ましい。

可動部４に対向する外側ヨーク１の脚部１１，１２は、図示するように可動部４側をテーパ状として幅狭に形成されており、可動部４に対向する脚部１１，１２の外側端部１１ａ，１２ａの位置は、内側ヨーク３の軸方向両端部とそれぞれ一致している。つまり、内側ヨーク３の軸方向長さは、外側端部１１ａ，１２ａ間の距離と一致している。
また、脚部１１，１２の中央部１１ｂ，１２ｂは、可動部４の接合部８，９よりもそれぞれ内側に位置している。

なお、外側ヨーク１の脚部１１，１２は、可動部４側に向かって拡がるようにテーパ状に形成しても良く、あるいは、脚部１１，１２を階段状に形成して可動部４との対向面の軸方向長さを脚部１１，１２の基端部よりも長くまたは短く形成しても同様の効果を得ることができる。しかし、図１に示すように脚部１１，１２を可動部４側に向けて幅狭に形成する方が、ヨークや磁石の使用量を少なくすることができ、モータを軸方向に短尺化してモータ全体の小型軽量化、低コスト化を図ることができる。

一方、可動部４全体の軸方向に沿った長さは、脚部１１，１２の外側端部１１ａ，１２ａ間の距離よりも長く、可動部４の両端部（補助磁石６，７の各一端部）は外側端部１１ａ，１２ａよりも外側に位置している。また、主磁石５と補助磁石６，７との間の接合部８，９は、外側端部１１ａ，１２ａよりも内側に位置している。

軸方向に沿った補助磁石６，７の長さは、可動部４がモータストロークとして要求される最大長だけ変位した時にも、補助磁石の６，７の外側端部が脚部１１，１２にかからないように設定されている。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６参照）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。

次に、図２は、可動部４の接合部８，９に対して、外側ヨーク１の脚部１１，１２の中央部１１ｂ，１２ｂの位置を一致させた場合（図２における「中立」）と、内側に１．５ｍｍずらした場合の、可動部４の変位と復元力との関係を示している。
また、図３は、図２と同様に可動部４の接合部８，９に対して、外側ヨーク１の脚部１１，１２の中央部１１ｂ，１２ｂの位置を一致させた場合（図３における「中立」）と、内側に１．５ｍｍずらした場合の、可動部４の変位と正味推力との関係を示している。

図２から、補助磁石６，７がある場合には、可動部４が移動するにつれて復元力が右上がりに増加することがわかる。同時に、図３によれば、可動部４が移動するにつれて正味推力は右下がりに減少する。この正味推力は、励磁電流により可動部４に発生した力と復元力とからなる総合力を意味している。図２，図３において「中立」の場合には、曲線の傾きから、復元力が非常に大きく正味推力の減少が激しいことがわかる。すなわち、「中立」の場合には、可動部４の可動領域が狭いことを意味している。

一方、中央部１１ｂ，１２ｂの位置を内側に１．５ｍｍずらした場合には、中立状態に比べて可動部４の復元力、正味推力ともに曲線の傾きが緩やかになっている。つまり、可動部４による復元力を緩和させることができると共に、正味推力も大きく、その減少度合いも低減されている。
すなわち、接合部８，９に対して中央部１１ｂ，１２ｂの位置を軸方向に沿って内側にずらすことにより、補助磁石６，７の厚さや形状に関しては中立状態と同じ条件であるにも関わらず、補助磁石６，７の設置による推力増大効果を損なわずに、可動部４を広い領域にわたって駆動可能であることが判る。

なお、上述した実施形態では、外側ヨーク１に励磁コイル２及び脚部１１，１２を設けてあるが、励磁コイル２及び脚部１１，１２を内側ヨーク３に設けても良い。
また、本発明に係る振動型モータは、スターリング冷凍機の振動型圧縮機等に適用することができる。

本発明の実施形態を示す構成図である。 実施形態における可動部の変位と復元力との関係を示す図である。 実施形態における可動部の変位と正味の推力との関係を示す図である。 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。 従来技術を示す構成図である。 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：外側ヨーク
１１，１２：脚部
１１ａ，１２ａ：外側端部
１１ｂ，１２ｂ：中央部
２：励磁コイル
３：内側ヨーク
４：可動部
５：主磁石
６，７：補助磁石
８，９：接合部

Claims (4)

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、を有する可動部と、
   空隙部を介して前記可動部の外側に配置される外側ヨークと、
   空隙部を介して前記可動部の内側に配置される内側ヨークと、
   前記外側ヨークまたは内側ヨークの何れかに巻装された励磁コイルと、
   この励磁コイルが巻装されたヨークに設けられ、前記空隙部を介して前記可動部に磁束を作用させる二つの脚部と、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振動型モータにおいて、
   前記主磁石と補助磁石との接合部と、前記脚部の中央部とを、軸方向にずらすと共に、前記内側ヨークの軸方向長さと前記脚部の外側端部間の距離とをほぼ一致させたことを特徴とする振動型モータ。
2. 請求項１に記載した振動型モータにおいて、
   前記励磁コイル及び前記脚部を、前記外側ヨークに設けたことを特徴とする振動型モータ。
3. 請求項１または２に記載した振動型モータにおいて、
   前記脚部の中央部を前記接合部よりも内側にずらしたことを特徴とする振動型モータ。
4. 請求項１〜３の何れか１項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、前記脚部の外側端部間の距離よりも長くしたことを特徴とする振動型モータ。

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