JP2009065755A - Vibrating-type motor and vibrating-type compressor using the same - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a vibration type motor that can be used for a vibration type compressor of a Stirling refrigerator, and a vibration type compressor using the vibration type motor.
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IMと呼ぶ。
Conventionally, a movable magnet type linear motor (hereinafter also simply referred to as a movable magnet type motor) has been used as this type of vibration type motor.
FIG. 5 and FIG. 6 are schematic configuration diagrams for explaining the driving principle of the movable magnet type motor, and all show a part of a sectional view along the central axis C of the substantially cylindrical motor. .
In FIG. 5, 101 is an exciting yoke, 102 is an exciting coil, 103 is a back yoke, 104 is disposed in a gap between the
In many movable magnet type motors, a single permanent magnet magnetized as the
As shown in FIG. 5, when the outer peripheral side of the
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IM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。
As shown in FIG. 6, when a magnetic flux B is generated by applying an alternating current to the
The thrust F can be simply calculated by
数式1において、通常のB・I・L則と異なって等価電流IM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IM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。
In
On the other hand, the
Also, as shown in FIGS. 5 and 6, in order to arrange the
ところで、モータの体格を変えずに(LM=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IM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IM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IM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。
By the way, in order to increase the thrust F without changing the physique of the motor (L M = constant), it is sufficient to increase the magnetic flux density B or the equivalent current I M in the air gap as is apparent from
First, in order to increase the magnetic flux density B, it is necessary to shorten the gap length of the gap or increase the exciting current flowing through the
On the other hand, in order to increase the equivalent current I M , it is conceivable to use a permanent magnet having a larger magnetic force in addition to changing the thickness of the permanent magnet as the
Therefore, as another method for increasing the thrust F, a structure as shown in FIG. 7 can be considered. In this movable magnet type motor, cylindrical
According to the structure of FIG. 7, the neutral position of the
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。
FIG. 8 is a configuration diagram of the movable magnet type motor described in
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。
In the prior art, when the
When the
In either case, an electromotive force is generated because the interlinkage magnetic flux of the
Further, the
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。
On the other hand, when the
Therefore, the problem to be solved by the present invention is to use a vibration type motor that simplifies design parameters, increases the efficiency of the motor, realizes low cost, and achieves high reliability without reducing the effect of increasing thrust by the auxiliary magnet. The object is to provide a movable magnet compressor.
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。
In order to solve the above problem, the invention according to
A substantially cylindrical main magnet composed of permanent magnets magnetized with different polarities on the inner peripheral side and the outer peripheral side, and the axially opposite ends of the main magnet are respectively joined coaxially, and the inner peripheral side and the outer peripheral side are A movable part having a substantially cylindrical auxiliary magnet made of a permanent magnet magnetized with a polarity opposite to that of the main magnet;
A plurality of exciting yokes provided with two legs opposed to the movable part through a constant gap on the radially outer side of the movable part in the previous period, and arranged evenly in the circumferential direction of the movable part;
An exciting coil that is individually wound around the plurality of exciting yokes and generates magnetic flux in the legs;
A cylindrical back yoke disposed on the radially inner side of the movable part so as to face the excitation yoke,
An alternating current is passed through the exciting coil to reciprocate the movable part in the axial direction.
According to a second aspect of the present invention, in the vibration type motor according to the first aspect, the excitation yoke is integrally formed without being divided in the magnetic flux direction.
According to a third aspect of the present invention, in the vibration type motor according to the first or second aspect, the excitation yoke is formed by laminating electromagnetic steel sheets and crimping.
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。
According to a fourth aspect of the present invention, in the vibration type motor according to any one of the first to third aspects, the axial length of the movable portion is outside the surface closest to the previous movable portion in the excitation yoke leg portion. It is characterized by being longer than the distance between the end portions.
The invention according to
According to a sixth aspect of the present invention, in the vibration type compressor mounted with the vibration type motor according to any one of the first to fourth aspects, the exciting coil is molded so as to be integrated with a good heat conductive material, and the pressure is increased. Inside the casing, the inner wall of the pressure casing and the molded part are in contact with each other.
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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, without reducing the thrust increase effect by an auxiliary magnet, the design parameter is simplified, the efficiency of the motor is increased, and the vibration type motor that realizes low cost and high reliability, and the movable magnet type using the same It is possible to provide a compressor.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a main part of an embodiment of a vibration type motor according to the present invention, and is a cross-sectional view along a motor central axis C. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG.
In FIG. 1 or FIG. 2, 1 is an excitation yoke, 2 is an excitation coil individually wound around the
The
For the
As shown in FIG. 2, the plurality of
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。
The
The
In addition, when laminating | stacking and forming the
The lengths of the
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。
The support springs 13 and 14 are fastened to the
As the support springs 13 and 14, for example, a flexure bearing formed by laminating a plurality of spiral-shaped slits on a disk is generally used. This is because this type of spring has a great rigidity in the radial direction and can be strongly supported, but has a small rigidity in the axial direction and can vibrate freely.
As a result, the
Since the excitation coils 2 are individually wound around the plurality of
Further, by exciting the divided
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。
Next, FIG. 3 is a block diagram showing one embodiment of a compressor using a vibration type motor. In the compressor shown in FIG. 3, a
With this configuration, heat generated by the
Next, FIG. 4 is a block diagram showing another embodiment of a compressor using a vibration type motor.
As shown in FIG. 4, at least the
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。 As in the second embodiment, the assembly is performed by a method having a large contact pressure such as press fitting or shrink fitting.
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
1: Excitation yoke 2: Excitation coil 3: Back yoke 4: Moving part 5:
Claims (6)
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。 A substantially cylindrical main magnet composed of permanent magnets magnetized with different polarities on the inner peripheral side and the outer peripheral side, and the axially opposite ends of the main magnet are respectively joined coaxially, and the inner peripheral side and the outer peripheral side are A movable part having a substantially cylindrical auxiliary magnet made of a permanent magnet magnetized with a polarity opposite to that of the main magnet;
A plurality of exciting yokes provided with two legs facing the movable part through a constant gap on the radially outer side of the movable part, and arranged uniformly in the circumferential direction of the movable part;
An exciting coil that is individually wound around the plurality of exciting yokes and generates magnetic flux in the legs;
A cylindrical back yoke disposed on the radially inner side of the movable part so as to face the excitation yoke,
An oscillation type motor characterized in that an alternating current is passed through the excitation coil to reciprocate the movable part in the axial direction.
The said exciting coil is molded so that it may become united with a good heat conductive material, and the inner wall of the said pressure casing and the said molding part are contacting in the inside of the said pressure casing. 5. A vibration type compressor equipped with the vibration type motor described in any one of items 4 above.
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