JP2009532011A - 電磁変換装置 - Google Patents

Abstract

電磁変換装置（１０）は、間にエアギャップ（３８、３９）がある一対のヨーク（３４、３５）を備えるコア（３０、３１）と、コア（３０、３１）の周りに配置される少なくとも１つのコイル（３２）と、コイル（３２）が励磁されるのに応じてエアギャップ（３８、３９）内で移動可能であり、一対の懸架ばね（２２、２３）の間に取り付けられる電機子（１４）とを含み、電機子（１４）は、コア（３０、３１）に対して不動であるピストン（１２）が内部に配置されるシリンダ（４）を含むことを特徴とする。

Description

本発明は、たとえば、冷蔵庫で使用され得るようなコンプレッサを駆動するリニアモータとして、圧力パルセータまたは圧力ポンプとして、もしくは流体、たとえば空気圧で駆動される発電機として使用することができる、電磁変換装置に関する。

国際公開第０３／０２６１０７号パンフレットでは、コンプレッサを駆動するために使用され得る、リニアモータである電磁変換器が開示されている。そこに記載されている構成では、永久磁石または電磁石である矩形の電機子があり、それがコアのヨーク間に設けられたエアギャップ内で移動する。電機子は、コアの外部でピストンに連結され、ピストンは、リモートシリンダ（remote cylinder）内で移動してポンピングを提供する。電機子は、電機子の動きを軸に沿うように制約する懸架ばねに取り付けられてもよく、ピストンには、ピストンが内部で往復運動するシリンダに対して周囲の封止がなされていない。

矩形の電機子を利用するこの形状により、矩形の電機子が極間のエアギャップ内で完全に位置合せされない場合に、不平衡な径方向の力が発生する可能性がある。この不釣り合いにより、ピストンがシリンダと接触する可能性があり、その結果、摩擦、摩耗及び性能の低下がもたらされる。

本発明の一態様によれば、間にエアギャップがある一対のヨークを備えるコアと、コアの周りに配置される少なくとも１つのコイルと、コイルが励磁されるのに応じてエアギャップ内で移動可能な電機子であって、一対の懸架ばねの間に取り付けられる電機子とを含み、電機子は、コアに対して不動であるピストンが内部に配置されるシリンダを含むことを特徴とする、電磁変換装置を提供する。

このため、国際公開第０３／０２６１０７号パンフレットに開示されている構成とは対照的に、電機子は、コアの外部でピストンに連結されず、ポンピングのためまたは発電機を駆動するためのチャンバが、シリンダを含む電機子自体によって提供され、シリンダは、コイルが励磁されるとピストンに対して移動するか、またはピストン及びシリンダが相対的に移動するとコイルを励磁する。このため、ポンピングチャンバまたは駆動チャンバとモータ／発電機とが一体化される。

懸架ばねの対の間に、電機子／シリンダが取り付けられるため、ピストンがコアの外部となっている、国際公開第０３／０２６１０７号パンフレットのものに比較してポンプの全長を短くすることができる。さらに、移動するシリンダのジオメトリが、小型の同軸ポンプの構造を可能にする。懸架ばねの軸方向剛性が同じである場合、本発明の構成では、国際公開第０３／０２６１０７号パンフレットの構成よりシリンダの径方向剛性が高くなる。

本発明の一実施形態では、シリンダは、その外側で、シリンダのシリンダ軸を中心とする導電性材料のリングを支持する。たとえば、シリンダは、間にリングが配置される一対の環状をした構造部（circumferential formations）を外側に含んでもよく、その構造部は、使用時に、リングとシリンダとの間で駆動力を伝達することができる。しかしながら、少なくとも１つの締結具及び／または接着剤、もしくは他の方法を択一的に使用するまたは加えて使用して、リングを配置してもよい。

一構成では、リングはリング磁石であり、リング磁石は、コアのヨークの間に延びるリング磁石の直径に沿って磁化されるか、または、少なくともリング磁石の磁化軸は、コイルが励磁されたときにヨークの対の間のエアギャップを横切る磁束の方向に対して平行である。

いずれの場合も、ヨークが各々、リングの円筒状の外面に対し、リングの湾曲に対応する湾曲を有する部分円筒状の面を備えることが望ましく、それによりヨークが、リングの円筒状の外面に継続的に近接する。

別の実施形態では、シリンダは、その外側で、各々が同じ方向、すなわちヨークの対の間のエアギャップを横切る磁束の方向に対して平行に磁化され、ヨークに隣接して位置するようにシリンダ上で支持されることが好ましい、一対の磁石を支持する。

この場合、シリンダが、その外側で、磁石を配置する構造を含む磁性材料のリングを支持することが望ましいが、この場合もまた、必要に応じて、かかる配置する構造の代わりにまたはそれに加えて、少なくとも１つの締結具及び／または接着剤により磁石を配置してもよい。磁性材料は、２つの磁石の磁路を結合し、それによりシリンダの外部に磁束を伝導して、少なくとも、ピストンに対するシリンダの移動に対するいかなる磁気減衰効果も低減する。

好ましい実施形態では、コアは第１磁路を与え、第２磁路は、最初に言及したコアに類似する構造のものであり、そのため間に第２エアギャップを備える第２のヨーク対を有する、第２コアによって与えられ、第２コアの周りに第２コイルが配置される。第１コアのヨークの間に設けられる第１エアギャップと、第２エアギャップとを、シリンダ軸に沿って互いに隣接して配置してもよく、最初に言及したコイルと第２コイルとを、シリンダ軸が位置する長手方向の平面の両側に配置してもよい。

本発明の第２態様によれば、本発明の第１態様による電磁変換装置を含む圧力パルセータまたは圧力ポンプを提供する。

本発明の第３態様によれば、本発明の第１態様による電磁変換器を含む発電機を提供する。

ここで、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。

図１及び図２を参照すると、冷蔵庫の冷媒等の流体を圧縮するために使用され得るポンプ１０が示されている。しかしながら、ポンプには他の多くの用途があり、本明細書における冷媒を圧縮するためのポンプの使用に対する言及は、単に例示的なものである。また、「ポンプ」という用語は、本発明が、流体を圧縮するかまたは減圧することができる圧力パルセータには一般的に適用可能ではないということを意味するように意図するものではない。

ポンプ１０は、図１で単に概略的に描かれたピストン１２と、シリンダ１４とによって構成されており、ピストン１２と及びシリンダ１４は、シリンダ１４がピストン１２に対して移動する際、それらの間にポンピングチャンバ１５を画定する。シリンダ１４が移動する際にピストン１２に覆われたり開放されたりするシリンダ１４の入口ポート及び出口ポートと、ポンピングチャンバ１５に入りかつそこから出る流体流路とは図示していない。

ポンピングチャンバ１５は、シリンダ１４をピストン１２に対して駆動するリニア駆動モータと一体化されている。ピストン１２は、ポンプ１０のハウジング１８に対して固定されているピストンロッド１３に支持されており、したがって不動である。

シリンダ１４は、外側でリング磁石２０を支持している。リング磁石２０を配置するために、シリンダ１４の外部には、各々がシリンダ１４の周りの円周方向に延在することが好ましい一対の位置決め構造部１５及び１６が設けられている。このため、これら位置決め構造部１５及び１６が、リング磁石２０とシリンダ１４との間で駆動力を伝達することができる。リング磁石２０を、１つ以上の締結具及び／または接着剤を択一的にまたは加えて使用することにより、シリンダ１４の外側に配置してもよい。いずれの場合も、磁石２０が後述するようにシリンダ軸Ａに沿って直線状に駆動されると、シリンダ１４は、シリンダ軸Ａに沿って前後に実質的に直線状に駆動される。

シリンダ１４は、両端が、それぞれの懸架ばね２２及び２３に取り付けられている。懸架ばね２２及び２３は、シリンダ１４のシリンダ軸Ａに沿った直線状の移動を可能にし、かかる移動の直線性を実質的に正確に維持し、径方向のゆがみを最小限にする。

懸架ばね２２及び２３を、各々、径方向の剛性は高いが傾斜に対する抵抗が低い、１つ以上の渦巻ばね群によって提供してもよい。２つのかかる渦巻ばね群２２及び２３の間にシリンダ１４を取り付けることにより、ばねへの曲げ作用が最小限になり、そのため懸架の径方向剛性が向上する。

懸架ばね２２及び２３は、各々、それぞれのハウジング端壁２４及び２５によって備え付けられている。

ポンプ１０は、第１コア３０及び第２コア３１をさらに含み、それらは、シリンダ軸Ａに沿って並列に設けられている。第１コア３０及び第２コア３１は、互いに同様の構造のものであり、図２に示す第１コア３０の構造について詳細に説明する。

第１コア３０は、たとえば無垢または積層した鉄材料によって提供される一片の磁性材料を含み、その周りに第１コイル３２が巻回されている。第１コア３０は、一対のヨーク３４及び３５を備え、それらは各々、シリンダ軸Ａを中心に置く部分円筒状の面３４ａ及び３５ａを与え、ヨーク３４及び３５の対は、互いに正反対となっている。ヨーク３４及び３５の間には第１エアギャップ３８があり、第１エアギャップ３８には、シリンダ１４及びリング磁石２０のサブアセンブリが設けられている。

図２において北磁極及び南磁極を示す指標「ｎ」及び「ｓ」によって示すように、リング磁石２０は、第１コア３０のヨーク３４及び３５の間に延びるリング磁石２０の直径に沿って磁化され、すなわち、リング磁石２０の磁化軸は、第１コイル３２が励磁されるとき、ヨーク３４及び３５の対の間の第１エアギャップ３８を横切る磁束の方向に対して平行である。

第２コア３１は、第１コア３０と構造が類似しているが、第２コア３１の少なくとも第２コイルが巻回されている部分が、シリンダ軸Ａを含む平面Ｐの反対側に位置している。しかしながら、第２コア３１のヨークは、第１コア３０のヨーク３４及び３５のすぐ隣に配置されており、それらヨークの間に、第１エアギャップ３８と軸方向に位置合せされた第２エアギャップ３９を備える。第２エアギャップ３９においてもまた、シリンダ１４及び磁石２０のサブアセンブリが使用時に往復運動する。

使用時、第１コイル３２及び第２コイル３２は、交流電流または少なくともスイッチド電流（switched current）によって励磁される。それに応じて、リング磁石２０、したがってシリンダ１４は、エアギャップ３８及び３９内でシリンダ軸Ａに沿って前後に直線状に移動し、その時のシリンダ１４の移動方向は、印加される電流の方向によって決まる。このため、シリンダ１４及び磁石２０のサブアセンブリは、コア３０及び３１、コイル３２並びにサブアセンブリによって提供されるリニアモータの電機子である。シリンダ１４がピストン１２に対して直線状に移動すると、（設けられている場合は）ポンピングチャンバ１５の入口ポート及び出口ポートが開閉し、したがって流体がポンピングされる。

通常、コイル３２に印加される電流は、たとえば５０Ｈｚ〜７５Ｈｚの周波数の交流かまたはスイッチド電流であり、懸架ばね１４及び１５が、電流方向が反転する際に移動範囲の両極端部におけるシリンダ１４の移動を止めることと、反対方向への移動の開始を補助する。

図３を参照すると、上述した実施形態の構造に類似する代替実施形態が示されている。

しかしながら、リング磁石２０がシリンダ１４によってその外側で支持される代わりに、シリンダ１４が、個々の磁石４０及び４１からなる一対の磁石を支持している。磁石４０及び４１は、各々、第１コア３０及び第２コア３１のヨーク３４及び３５に隣接して配置されるようにシリンダ１４の外側で支持されている。磁石４０及び４１の対は、各々、同じ方向に、すなわちヨーク３４及び３５の対の間のエアギャップ３８及び３９を横切る磁束の方向に対して平行に磁化される。

各磁石４０及び４１は、径方向外側の面４０ａ及び４１ａを有し、径方向外側の面４０ａ及び４１ａは、部分円筒状であり、そのため、ヨーク３４及び３５の隣接する部分円筒状の面３４ａ及び３５ａに近接して位置する。

この場合、シリンダ１４が、その外側で、磁石４０及び４１を配置する構造を含む磁性材料のリング４５を支持することが望ましいが、必要に応じて、かかる配置する構造の代わりにまたはそれに加えて、磁石４０及び４１を１つ以上の締結具及び／または接着剤によって配置してもよい。リング４５の磁性材料は、２つの磁石４０及び４１の磁路を結合し、それにより、コイル３２が励磁されたときのヨーク３４及び４５の間の磁束をシリンダ１４の外側に伝導し、少なくともピストン１２に対するシリンダ１４の移動へのいかなる磁気減衰作用を低減する。

図１の実施形態では、ヨーク３４及び３５の間におけるこの磁束の伝導は、リング磁石２０を通して提供される。

本発明の範囲から逸脱することなく、さまざまな変更を行ってもよい。

たとえば、コアによって提供されるヨーク３４及び３５とコイル３２の巻回とを、上述したものとは異なるように構成してもよいが、第１コア３０及び第２コア３１の周りに巻回されるコイル３２は、平面Ｐの両側に配置され、エアギャップ３８及び３９がシリンダ軸Ａに沿って互いに隣接することが好ましい。

図面では、ポンプハウジング１８が端壁２４及び２５を有し、それらの間にコア３０及び３１が配置されており、シリンダ１４が、端壁２４及び２５の間に設けられる空間Ｓ内で直線状に往復運動するように示すが、ポンプハウジング１８を別の方法で構成してもよい。

別の実施形態（図示せず）では、シリンダ１４が、リング磁石２０または個々の磁石４０及び４１からなる一対の磁石を支持する代わりに、導電性材料のリングを支持してもよく、電機子は、スイッチドリラクタンスリニアモータ（switched reluctance linear motor）のように、コア３０及び３１のコイル３２によって生成される、電界の変化に応じて移動する。

さらに別の実施形態では、図示し説明した装置を、たとえば、圧縮空気等の流体をピストン１２とシリンダ１４との間のチャンバ１５内に導入することにより、ピストン１２及びシリンダ１４を相対的に移動させることによって、電気エネルギーを生成するために利用してもよい。チャンバ１５は、かかる実施形態では、ポンピングチャンバよりむしろ駆動チャンバを構成する。いずれの場合も、装置は、電気エネルギーをシリンダ１４の移動に変換するか、またはシリンダ１４の移動を電気エネルギーに変換する電磁変換器である。

特定の形態で表現されるまたは開示した機能を実行する手段に関して表現される、上述した説明、または特許請求の範囲、または添付図面で開示される特徴、もしくは開示した結果を得る方法またはプロセスを、必要に応じて、本発明をその種々の形態で実現するために別個で利用してもよく、またはかかる特徴の任意の組合せで利用してもよい。

本発明による電磁変換器を含むポンプの例示的な側面図である。 線ＩＩ−ＩＩに沿った図１のポンプの例示的な断面図である。 図２に類似するが本発明を具現化する別のポンプの図である。

Claims (20)

1. 間にエアギャップがある一対のヨークを備えるコアと、
   前記コアの周りに配置される少なくとも１つのコイルと、
   前記コイルが励磁されるのに応じて前記エアギャップ内で移動可能な電機子であって、一対の懸架ばねの間に設けられる電機子と
   を含み、
   前記電機子は、前記コアに対して不動であるピストンが内部に配置されるシリンダを含むことを特徴とする、電磁変換装置。
2. 前記電機子の前記シリンダと前記ピストンとが、前記シリンダ及び前記ピストンの間にチャンバを備える、請求項１に記載の電磁変換装置。
3. 前記シリンダは、外側で、前記シリンダのシリンダ軸を中心とする導電性材料のリングを支持する、請求項１または２に記載の電磁変換装置。
4. 前記シリンダは、間に前記リングが配置される一対の環状をした構造部を外側に含む、請求項３に記載の電磁変換装置。
5. 前記構造部である位置決め構造部は、使用時に、前記リングと前記シリンダとの間で駆動力を伝達する、請求項４に記載の電磁変換装置。
6. 前記リングは、少なくとも１つの締結具及び／または接着剤によって配置される、請求項３〜５のいずれか一項に記載の電磁変換装置。
7. 前記リングはリング磁石であり、
   前記リング磁石は、前記コイルが励磁されるとき、前記リング磁石の磁化軸が、前記一対のヨークの間の前記エアギャップを横切る磁束の方向に対して平行であるように磁化される、請求項３〜６のいずれか一項に記載の電磁変換装置。
8. 前記リング磁石は、前記コアの前記ヨークの間に延びる前記リング磁石の直径に沿って磁化される、請求項７に記載の電磁変換装置。
9. 前記ヨークは各々、前記リングの円筒状の外面に対し、前記リング磁石の湾曲に対応する湾曲を有する部分円筒状の面を備え、それにより前記ヨークが、前記リングの前記円筒状の外面に継続して近接する、請求項３〜８のいずれか一項に記載の電磁変換装置。
10. 前記シリンダは、前記ヨークの対の間の前記エアギャップを横切る磁束の方向に対して平行な同一の方向に各々が励磁される、一対の磁石を外側で支持する、請求項１または２に記載の電磁変換装置。
11. 前記磁石は、前記ヨークに隣接して位置するように前記シリンダに支持される、請求項１０に記載の電磁変換装置。
12. 前記シリンダは、外側で、磁性材料のリングを支持し、
    前記磁性材料のリングは、前記２つの磁石の磁路を結合し、前記磁束を前記シリンダの外側に伝導する、請求項１０または１１に記載の電磁変換装置。
13. 前記磁性材料のリングが、前記磁石を配置するための構造を含む、請求項１２に記載の電磁変換装置。
14. 前記磁石が、少なくとも１つの締結具及び／または接着剤によって配置される、請求項１２または１３に記載の電磁変換装置。
15. 前記コアは第１磁路を与え、
    第２磁路は、前記最初に言及したコアに類似する構造をもつとともに、間に第２エアギャップを備える第２のヨーク対を有する、第２コアによって与えられ、
    前記第２コアの周りに第２コイルが配置される、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の電磁変換装置。
16. 前記第１コアの前記ヨークの間に設けられる前記第１のエアギャップと、前記第２エアギャップとが、前記シリンダのシリンダ軸に沿って互いに隣接して配置され、前記最初に言及したコイルと前記第２コイルとが、前記シリンダ軸が位置する長手方向の平面の両側に配置される、請求項１５に記載の電磁変換装置。
17. 実質的に添付図面を参照して以下に述べられる、及び／または、添付図面に示される電磁変換装置。
18. 請求項１〜１７のいずれか一項に記載の電磁変換装置を含む圧力パルセータまたは圧力ポンプ。
19. 請求項１〜１７のいずれか一項に記載の電磁変換装置を含む発電機。
20. 本明細書で説明し及び／または添付図面に示す特徴のうちの、任意の新規な特徴または前記特徴の新規な組合せ。

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