JP2010148342A - リニア式電磁装置における筒状永久磁石の固定構造および固定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リニア式電磁装置において、内周面と外周面が異極性である筒状永久磁石を、筒状支持体の周壁の内周面に組込み、強固に固定する作業が困難である。
【解決手段】内周面と外周面が異極性である扇断面の永久磁石片を筒状支持体の周壁内に分散配置した後、周壁に縮径加工（サイジング加工）を施すことで、永久磁石片を円周状に強制配列しつつ相互密着させられるとともに、筒状支持体の内周面に強固に固定できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、リニア式アクチュエータやスターリング機関等に組み込まれるリニア式電磁装置における筒状永久磁石の固定構造および固定方法に関し、特にシリンダとピストン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駆動装置、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装置等のリニア式電磁装置の、筒状永久磁石の固定構造および固定方法に係る。

近年、種々のリニア式電磁装置が普及し、代表的な利用例としてスターリング機関が知られている。例えば特許文献１に記載の、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スターリング式冷凍機（圧縮機）や、特許文献２に記載の、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スターリングエンジンなどが知られている。これらにおける駆動や発電は、内部に組み込まれたリニア式電磁装置によるものである。リニア式電磁装置は、筒状（或いはリング状）の永久磁石部と、微小隙間を介し永久磁石部の内周か外周に配されたコイル部とから構成され、両者が軸方向へ相対的に往復移動することで駆動あるいは発電が成されるものである。

特許文献１のスターリング式冷凍機においては、ピストン１５と連動する筒状の永久磁石１８の外周を電磁コア２４及び電磁コイル１９が取り囲むリニア式電磁装置が記載されている。電磁コイル１９に交流電流を流し交番磁界を発生させ、永久磁石１８及びピストン１５を軸方向に往復駆動させることで、膨張室Ｅの高温化と圧縮室Ｃの低温化を実現する。このスターリング式冷凍機においてリニア式電磁装置は、所謂リニアモーター或いはリニアアクチュエータとして機能する。

また、特許文献２に記載の所謂フリーピストン式のスターリングエンジンにおいては、パワーピストン２と連動するリング状永久磁石１４の内周に微小隙間を介し内ヨーク１２及びコイル１３を配するリニア式電磁装置が記載されている。内部ガス流動によってパワーピストン２及び筒状の永久磁石１４が軸方向に往復駆動されることで、コイル１３との間で交流電流が生起される。本スターリングエンジンにおいてリニア式電磁装置は、所謂リニア発電機として機能する。

このようなリニア式電磁装置においては、リング状の永久磁石を、常に一定の微小隙間を保ちながらコイルに対して相対的に軸方向移動させることが肝要であるので、リング状永久磁石とそれを保持する筒状支持部材（特許文献１では支持体１７、特許文献２では可動部１５）との剛結が肝要である。剛結方法の一例として特許文献１においては、径方向に負の熱膨張係数を有するリング状永久磁石１８を樹脂製の支持体１７（筒状支持部材）にインサート成形することで、運転中に支持体１７が冷却された際に、一層支持体１７と永久磁石１８が一層剛結する技術が開示されている。あるいは特許文献２においては、可動部１５（筒状支持部材）の端部にリング状永久磁石１４を接着や溶着などの方法で接合する構成が開示されている。

しかしながら、特許文献１におけるインサート成形は樹脂製の支持体１７だから実現し得る特殊製法であって、高温環境ゆえに金属製支持体が主流であるリニア式電磁装置においては一般的でないとともに、製造コストが嵩む問題がある。特許文献２における突合せ接合は、接合面積が少ない上に磁石側面を保持できないため運転中の剛結確保が難しく、最悪は永久磁石の離脱も懸念される。

また、上記問題以前に、そもそも金属によるワンピースのリング状或いは円筒状（以下、総じて筒状という）の永久磁石を製造すること自体が困難という問題がある。すなわちリニア式電磁装置においては、筒状永久磁石の内周面が均一に同一極性（例えばＮ極）を有すると共に、外周面は内周面と異なる均一極性（例えばＳ極）を有することが必要であるが、円筒状金属をそのように着磁させることは物性的（配向性）にも工法的にも非常に困難であり、更に特許文献１のようにインサート成形後に着磁させる作業は困難を極める。

一方、通常の回転式モーターでは、複数の扇状断面の永久磁石片を円周状に配置し円筒状ステータコア（永久磁石部材）を構成することが慣用なので、リニア式電磁装置においても同様手法の適用が容易に想起され得る。しかしながら、円筒状ステータコアを構成する小永久磁石片の隣り合う内周面同士・外周面同士は異極となり、リニア式電磁装置に必要な極性の筒状永久磁石を構成できない。

そこで、図１０に示すように円筒を分割する略扇状断面の小さい永久磁石１０７の、内側曲面を例えばＮ極となるよう着磁するとともに外側曲面がＳ極となるよう着磁しておいて、それら複数の永久磁石１０７を、図９及び図１０に示すようにケーシング１０６の内周面１０９に密着するように隣接配置すれば、例えば内周全面が均一にＮ極で外周全面が均一にＳ極の擬似的な筒状永久磁石１０８を得られる。閉断面でない小永久磁石片であるので、内外異極着磁は容易である。

特開２００４−２９７８５８号公報 特開２００５−０６１３３０号公報

ところが、図１０のように筒状ケーシング１０６の内周面１０９に８個の小永久磁石片１０この強大な反発力に抗して８個の小永久磁石片１０７を同時に円周上に位置決めし固定する作業は非常に困難で、特殊な装置や治具さえ必要となり、量産に著しく不適合という問題がある。

そこで、本発明は、内周面と外周面が異なる極性を有する複数の小永久磁石片を、容易かつ確実に筒状支持体の周壁内周面に密着配置し固定する構造、及び方法を提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明のリニア式電磁装置の筒状（リング状）永久磁石とこれを支持する筒状支持体との固定構造は、請求項１のように、内側曲面と外側曲面が異極に帯磁した複数個の永久磁石片を環状配置して筒状永久磁石を構成するとともに、前記筒状支持体の周壁の縮径加工により前記筒状永久磁石が前記周壁の内面に密着固定されるものとした。

また、請求項２に記載のように、前記筒状支持体の周壁に形成された凹凸にて前記筒状永久磁石片が係止される構造とするとよい。

また、請求項３に記載のように、前記筒状永久磁石を構成し隣り合う前記永久磁石片同士、及び／又は、前記永久磁石片と前記周壁の内周面とを相互に接着してもよい。

そして、本発明のリニア式電磁装置の筒状永久磁石とこれを支持する筒状支持体との固定方法は、請求項４に記載のように、リニア式電磁装置を構成する筒状永久磁石とこれを支持する筒状支持体との固定方法であって、内側曲面と外側曲面が異極に帯磁した複数個の永久磁石片を筒状支持体内に配する第１の工程と、次いで、複数の押型により前記周壁の内周面が特定径に至るまで全周均一に縮径加工し前記複数個の永久磁石片を相互に隣接させるとともに前記内周面に密着させ筒状永久磁石を形成する第２の工程と、を含む固定方法とした。

また、請求項５に記載の固定方法のように、筒状支持体内に同芯状に芯金を配し、前記周壁の内周面が特定径に至るまで縮径加工したときに前記芯金の外周面と前記筒状永久磁石の内側曲面とが密着するようにするとよい。

また、請求項６に記載の固定方法のように、押型の押圧面に設けた凸凹により、前記縮径加工と同時に前記筒状永久磁石を係止し得る凸凹を前記周壁に形成してもよい。

本発明は上述のように構成されているので、以下に記載の効果を奏する。すなわち、請求項１記載のリニア式電磁装置の筒状永久磁石とこれを支持する筒状支持体との固定構造によれば、筒状支持体内に永久磁石片を向きが一致せずとも周上に配置しておけば、縮径加工によって永久磁石片が強制的に相互に密着され、かつ筒状支持体内周面に密着され、筒状永久磁石を構成するので、上述の作業性の問題が解消するとともに、隣接する永久磁石片同士が相互に楔状に係止し合うため、確実な固定が可能となる。

また、請求項２に記載の構成とすれば、筒状支持体の周壁に形成された凹凸にて筒状永久磁石が係止されるため、軸方向移動に抗する確実な固定が可能となる。

また、請求項３に記載の構成とすれば、隣り合う前記永久磁石片同士、及び／又は、前記永久磁石片と前記周壁の内周面とが相互に接着されることにより、更に筒状永久磁石を筒状支持体へ強固に固定可能となる。

そして、請求項４に記載の固定方法によれば、筒状支持体内に永久磁石片を向きが一致しておらずとも環状に配置しておけば、縮径加工によって永久磁石片が強制的に相互に密着、かつ筒状支持体内周面に密着され筒状を構成するので、上述の作業性の問題が解消するとともに、隣接する永久磁石片同士が相互に楔状に係止し合うため、確実な固定を実現できる。

また、請求項５に記載の固定方法によれば、筒状支持体内の内外周面とも完全に円周面を描くよう整列される。更に、芯金外周面が筒状永久磁石の内側曲面が構成する円周面に転写されて両周面が同芯状に形成され、筒状支持体と筒状永久磁石とが確実に同軸形成されるので、リニア式電磁装置の機能が担保される。

また、請求項６に記載の固定方法によれば、筒状永久磁石の固定を確実化する機械的係止手段（凸凹や折り曲げ）を、他工程を要せず縮径加工と同時に形成できるものである。

以下、本発明の望ましい実施形態に関し、図面を参照して説明する。図１は本発明における筒状支持体１６と複数の永久磁石片たる永久磁石２０の固定構造、および固定方法の一態様を示すもので、（Ａ）図は固定前の状態を示し、（Ｂ）は固定後の状態、すなわち筒状支持体１６としての完成状態を示し、環状に密着配列された８個の永久磁石２０全体にて筒状（リング状）永久磁石を構成する。なお、筒状支持体１６のリニア式電磁装置における設置状態、及びそれを包含するスターリングエンジン構造は、図６にて詳説する。

（Ａ）図の状態において、円断面を有する非磁性金属製の有底筒状体３１内に同芯状に芯金３２を配し、有底筒状体３１と芯金３２との環状隙間ａに８個の永久磁石２０を挿入する。永久磁石２０は横断面が略扇形であって、内側曲面ｂは予めＮ極に均一帯電されるとともに外側曲面ｃは予めＳ極に均一帯電されている。このため、隣り合う永久磁石２０同士は側面が異極同士のため互いに反発した状態で散在し、例えば（Ａ）図のような状態で均衡する。すなわち、反発力ｄによって磁石２０同士は周方向へ移動しようとするが、移動先にも磁石２０が存在して反発し、内側一端ｅを芯金３２に当接し外側一端ｆを有底筒状体３１内面に当接した均衡状態が（Ａ）図である。

（Ａ）図の状態において、有底筒状体３１の周壁を全周に亘って同時に求心方向へ押圧し、特定径まで縮径させる。このような縮径加工自体は所謂サイジング加工と呼ばれる従来手法であって、図３乃至図５にて後述する割型式縮径装置ＲＤ、ＲＤ２によって成される。有底筒状体３１を縮径させるにつれて隙間ａは縮小し、各永久磁石２０は環状に強制配列される。すなわち、隙間ａの消滅と引き換えに、各永久磁石２０の外側曲面ｃは縮径された周壁１９内面に強制密着（ｈ）するとともに、各永久磁石２０の内側曲面ｂは芯金３２の外周面に強制密着（ｇ）し、更に、隣接する永久磁石２０の側面同士も強制密着（ｉ）する。このようにして、８個の永久磁石２０の環状配列により、筒状永久磁石が形成される。

この後、芯金３２を抜き去り、割型式縮径装置ＲＤを解除して筒状支持体１６を取り出す。図２に明らかなように、筒状支持体１６は周壁１９の内周面に複数の永久磁石２０を環状に密着配置している。上記の縮径加工（サイジング加工）による密着（ｇ，ｈ，ｉ）で、永久磁石２０同士は互いに位置決めし合い強固に固定（ロック）し合うので、リニア式電磁装置の稼動状態においても、総体としての永久磁石２０は筒状支持体１６に確実に固定される。もちろん、上述の如く公知のサイジング工法及び設備を利用するので、工法的困難性も伴わない。なお、永久磁石２０の更なる剛結を望むのであれば、（Ａ）状態において永久磁石２０及び／又は有底筒状体３１内面に接着剤を塗布した後にサイジング加工を施せば、密着後に更なる固定力を得られる。

以上のように、本発明の永久磁石の固定構造および固定方法によれば、隙間ａに複数の永久磁石２０を入れ込むだけでよいので、永久磁石２０同士の協力な相互反発に抗して位置決めや仮固定する作業の必要が無いため、工程と治具設備を著しく簡略化でき量産に適する。また、永久磁石２０同士は、塑性加工（縮径）された周壁１９により外周から強固に保持され永久磁石２０同士が相互に位置決め、固定（ロック）し合うので、一体リング磁石よりも強力に固定可能である。なお、（Ａ）状態において、隙間ａを大きく設定できず永久磁石２０の反発力により入れ込み難い場合には、有底筒状体３１の外側に同極性の永久磁石３３を適宜配すると、永久磁石２０同士の反発力が緩和されて入れ込み易くなる。更に、後述する図５のように永久磁石３３を配した状態でサイジング加工を施しても構わない。

図３及び図４を用いて、汎用の割型式縮径装置ＲＤの構造と、それによる縮径加工（所謂サイジング加工）を説明する。割型式縮径装置ＲＤは図示しないコントローラ及び油圧駆動装置によってハウジングＧＤ内の油圧室ＰＲへ流入／流出する油圧ＯＰを制御することで、複数の楔型ＤＰを軸方向（紙面上下方向）へ動かし、楔型ＤＰとテーパー摺接する複数の押型ＤＶ（割型、コレット、セグメントとも呼ぶ）を求心／放射方向へ同時に同量だけ駆動することで、ワーク（有底筒状体３１）の周壁に縮径加工を施すものである。図３は割型式縮径装置ＲＤ内で有底筒状体３１に縮径加工が施され、筒状支持体１６が形成された状態の斜視図であり、図４はその縦断面図である。本実施形態における割型式縮径装置ＲＤ内の押型ＤＶは放射状に８個が配されているが、これに限らず個数は任意であって、基本的に多いほど縮径部の断面が所望形状（本実施形態では真円）に近く形成される。

図４は、割型式縮径装置ＲＤによるサイジング加工の終了直後、すなわち、図１（Ｂ）の状態を示す縦断面図である。押型ＤＶを求心方向へ駆動して縮径された周壁１９を形成すると共に、周壁１９内面と芯金３２の小径段部４２の外周面とで永久磁石２０を密着挟持し、筒状支持体１６が形成された状態である。筒状支持体１６の底凹部１８が芯金３２上面に係止するとともに芯金中央上面の凸部４０が底凹部１８中心の孔に嵌装した状態でサイジング加工を施すので、芯金３２と筒状支持体１６が同軸状にセンタリングされるとともにサイジング加工時にも同軸が維持される。そして、サイジング加工終了後に８つの押型ＤＶを放射方向へ開放して、筒状支持体１６を（紙面上方へ）取り出す。この際、芯金３２を紙面下方へ退避させる動作を織り込んでも良い。

図５は、他の割型式縮径装置ＲＤ２によるサイジング加工の終了直後を示し、図１（Ｂ）の状態を示す縦断面図である。割型式縮径装置ＲＤ２は上記ＲＤに対して、押型ＤＶ２と芯金５０のみが異なり、他の構成部品及びワークである筒状支持体１６は同じである。芯金５０の先端部には細径部５２が設けられ、細径部５２周囲には複数のスプリング５３を介して放射状に押型ＤＶ２が配されている。サイジング加工終了時には押型ＤＶ２により一定径まで縮径された周壁１９が形成されるが、周壁１９のスプリングバックによる若干の拡径を見込んで、サイジング時に一定径よりも若干小さい径までサイジング加工することができる。その際、押型ＤＶ２は、スプリング５２の展伸力に抗して求心方向へ若干オーバーシュートされる。

また、割型式縮径装置ＲＤ２においては、各々の押型ＤＶ２内部の永久磁石２０と近接する位置に、永久磁石２０と同極性で複数個の永久磁石５６を埋めこんである。したがって、上記００２９段落で先述の通り、永久磁石５６の磁力によって永久磁石２０同士の反発力が緩和されるため、サイジング加工前のセットやサイジング加工時の位置決め維持が容易となる。以上、２種類の割型式縮径装置を紹介したが、これに限定するものではない。また、サイジング加工を施す装置は割型式に限らず、周知のスエージング加工やスピニング加工による縮径設備を適宜使用しても良い。ただし工法や設備選択においては、縮径に伴うスプリングバックや板厚変化の特性を勘案すべきである。

図６は、上記のように製造された筒状支持体１６を用いるスターリングエンジン１の構造を示す縦断面図である。所謂フリーピストン式のスターリングエンジン１はシリンダ２と外ブロック３及び内ブロック２４とで筐体を構成する。シリンダ２内には円筒状のスリーブ５及び作動ガスの通路６を同軸状に配する。通路６内には再生器７が、シリンダ２内にはウオータージャケット９がそれぞれ組み込まれ、通路６内を往復する作動ガスを加熱及び冷却する。スリーブ５内にはディスプレーサピストン３が摺動可能に設置され、ディスプレーサピストン３の上部空間は膨張室１０となる。ディスプレーサピストン３を軸方向に指示するロッド１２はパワーピストン４を摺動自在に貫通し、その先端は支持板１３に固定されている。そして、支持板１３は複数のコイルスプリング１５を介して、支持部材１４に対しフローティング支持されている。

パワーピストン４は下端を筒状支持体１６の底凹部１８に嵌装固定され、パワーピストン４と筒状支持体１６は一体的に軸方向へ往復移動する。筒状支持体１６の側壁１９の内周面には、上述の工法によって複数の永久磁石２０が強固に固定される。そして、永久磁石２０の外周には微小隙間を介して筒状の外ヨーク２３が配され、永久磁石２０の内周には微小隙間を介して筒状の内ヨーク２２及びコイル２０が配されている。すなわち、永久磁石２０、外ヨーク２３、内ヨーク２２及びコイル２０によって、リニア式電磁装置（リニア発電機）が構成される。

このようなスターリングエンジン１の運転においては、高温空間１０と低温空間１１の間を通路６を介して周期的に移動する作動ガスによって、パワーピストン４及び筒状支持体１６が軸方向に往復駆動され、リニア式電磁装置（リニア発電機）にて発電が成される。磁力に抗して１分間に数千回も往復動（ストローク）する永久磁石には大きな応力が作用するが、本件発明の永久磁石の固定方法及び固定構造においては、確実に筒状永久磁石を筒状支持体内周面に固定し続けることができる。

ストローク数や負荷が著しく大きい等の理由で、筒状支持体６０と永久磁石６４、６５、６６とを更に強固に固定する必要がある場合、図７に示すように、軸方向移動をメカニカルに阻止する係止部を設けても良い。凸状係止部６２は内向きに突出する点または線状（リブ状）の凸部であり、折曲係止部６３は周壁６１端部を内向きに全周折り曲げたものである。これら係止部は、ストッパとなって筒状磁石の軸方向移動を強制的に阻止する。凸状係止部６２及び折曲係止部６３は、例えば押型ＤＶに凸部を設けて、サイジング加工時に縮径と同時に形成することが好ましい。係止部としては、上記の凸凹や折曲以外の形状は任意であるし、それらの形成数や形成位置も適宜設定すればよい。

また、図７に示すように、筒状永久磁石６４の軸方向両端面に、逆極性を有する環状永久磁石６５及び６６を密着固定しても良い。筒状永久磁石６４への環状永久磁石６５及び６６の密着固定は、凸状係止部６２及び折曲係止部６３によればよいし接着を併用しても構わない。このように筒状永久磁石６４の軸方向両側に筒状永久磁石６４とは逆極性を有する永久磁石６５及び６６が存在することによって、ストローク時の過大移動（オーバーストローク）を防止することが可能となり、リニア式電磁装置として有益である。

更に、筒状永久磁石は、図７に示すように永久磁石片７２の側端部同士が凸凹状に嵌合７３するようにしても良いし、図８に示すように永久磁石片８２の側端部同士が斜めに嵌合８３するようにしても良い。この他、永久磁石片の相互嵌合形状は任意であるが、サイジングの進行によって永久磁石片同士が自発的に嵌合し合い、環状配列化の支障とならない嵌合形状とすることが肝要である。

このように、本願発明はリニア式電磁装置（リニア発電機、リニア駆動装置）におけるリング状永久磁石と筒状支持体との固定に広く適用可能であり、そのリニア電磁装置を適用するシステムはスターリングエンジン／冷凍機に限定するものではなく、例えば、リニアモーターやリニアアクチュエータ等にも適用自在である。筒状支持体の形状も本実施形態に限定するものではなく、また、筒状支持体内に筒状永久磁石を単独配置しても複数個を軸方向に配置（タンデム配置）しても構わない。更に、リニア式電磁装置、すなわち筒状永久磁石及び筒状支持体の横断面（往復移動軸に直角な断面）も、円に限らず任意である。

本発明における筒状永久磁石と筒状保持体との固定方法及び構造を示す図である。 本発明における筒状支持体の斜視図である。 本発明における筒状支持体にサイジング加工を施す装置の斜視図である。 本発明における筒状支持体にサイジング加工を施す装置の縦断面図である。 本発明における筒状支持体にサイジング加工を施す他の装置の縦断面図である。 本発明における筒状支持体を組み込んだスターリングエンジンの縦断面図である。 本発明における他の筒状支持体の要部拡大図である。 本発明における永久磁石と筒状支持体との他の構造を示す図である。 本発明における永久磁石と筒状支持体との他の構造を示す図である。 本発明における筒状支持体の上面視の図である。 従来の工法の概念図である。 従来の工法の概念図である。

符号の説明

１ スターリングエンジン
１６，６０，７０，８０ 筒状支持体
２０，３３，５６，６４，６５，６６，７２，８２ 永久磁石
３２ 芯金

Claims (6)

1. リニア式電磁装置の筒状永久磁石とこれを支持する筒状支持体との固定構造であって、
   内側曲面と外側曲面とが異極に帯磁した複数個の永久磁石片を環状配置し筒状永久磁石を構成するとともに、
   前記筒状支持体の周壁の縮径加工により前記筒状永久磁石が前記周壁の内面に密着固定されたことを特徴とするリニア式電磁装置の筒状永久磁石の固定構造。
2. 前記周壁に形成された凹凸にて前記筒状永久磁石が係止されることを特徴とする請求項１記載のリニア式電磁装置の筒状永久磁石の固定構造。
3. 前記筒状永久磁石を構成し隣り合う前記永久磁石片同士、及び／又は、前記永久磁石片と前記周壁の内周面とが相互に接着されたことを特徴とする請求項１及び請求項２記載のリニア式電磁装置の筒状永久磁石の固定構造。
4. リニア式電磁装置を構成する筒状永久磁石とこれを支持する筒状支持体との固定方法であって、
   内側曲面と外側曲面が異極に帯磁した複数個の永久磁石片を筒状支持体の周壁内に配する第１の工程と、
   次いで、複数の押型により前記周壁の内周面が特定径に至るまで全周均一に縮径加工して、前記複数個の永久磁石片を相互に隣接させるとともに前記内周面に密着させ筒状永久磁石を形成する第２の工程と、
   を含むことを特徴とするリニア式電磁装置の筒状永久磁石の固定方法。
5. 前記筒状支持体内に同芯状に芯金を配し、前記内周面が特定径に至るまで縮径加工したときに前記芯金の外周面と前記筒状永久磁石の内側曲面とが密着することを特徴とする請求項４に記載のリニア式電磁装置の筒状永久磁石の固定方法。
6. 前記押型の押圧面に設けた凸凹により、前記縮径加工と同時に前記筒状永久磁石を係止し得る凸凹が前記周壁に形成されることを特徴とする請求項４及び請求項５記載のリニア式電磁装置の筒状永久磁石の固定方法。

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