JP4770183B2 - リニア圧縮機 - Google Patents

Description

本発明は、リニア圧縮機に係わり、より詳しくは、リニア圧縮機の固定子を改善して、該リニア圧縮機の小型化および、材料費の低減を可能ならしめるリニア圧縮機に関するものである。

従来ピストンなどを往復動させるこの種のリニア圧縮機は、たとえば電磁石を有する固定子を、永久磁石を有する可動子の磁場内に設け、この可動子にピストンとスプリングを取り付けて、固定子側の電磁石に交番電流を流すことで生じる永久磁石と電磁石との間の磁力による吸引・反発作用と、スプリングの圧縮・伸長とによりピストンを往復動させるものである。このようなリニア圧縮機は、回転モータによるクランク機構を使用した圧縮機に比べて摩擦損失が少なく、例えば空調・冷凍機器用など幅広い分野で使用されている。

リニア圧縮機の一例としては、たとえば下記特許文献１に示されるものがある。特許文献１に示されるリニア圧縮機においては、固定子に配置される電機子コイルは、シリンダーの軸線と軸を同じくし、該シリンダーの軸線方向に沿って二個配置されており、この電機子コイルに電流を通電することにより、二個の該電機子コイルを装着したアウターヨークの内周面３箇所に磁極を生じさせている。そして、ピストンに固定される永久磁石と３箇所の磁極との間における磁場の作用により、ピストンを往復運動させる推力を発生させるようになっている。
特許第３４９９４４７号公報

近年、例えば空調・冷凍機器等に対する小型化への要求や、より幅広い用途に使用する目的で、このようなリニア圧縮機の小型・軽量化が求められている。しかしながら、上記特許文献１のような構成では、以下の理由により、リニア圧縮機の小型化を実現するのは困難であった。まず、リニア圧縮機において、ピストンを往復運動させるために所定の磁力（推力）を得るためには、電機子コイルに、「コイル素線通電電流」×「コイル巻数」によって決まる所定の全電流量が通電される必要がある。また、「コイル素線通電電流」は、素線の材質や形状などによってその最大値が制限されているため、電機子コイルに通電される該全電流量は、電機子コイルの巻数、つまり電機子コイルの軸線を含む断面積に影響される。ここで、固定子を小型化するためには、電機子コイルの全断面積を減らすことが考えられるが、電機子コイルの全断面積の減らすと、電機子コイルの巻数を減少させなければならず、ピストンを往復動させるための磁力が減少してしまう。そのため、十分にピストンを往復動することができなくなる。このように、従来の構成においては、固定子を小型化しようとすると、ピストンを往復動させるための磁力（推力）を犠牲にする必要があるため、ピストンを往復動させるための磁力（推力）を十分に維持しつつ、リニア圧縮機の固定子を小型化することは困難であった。

また、特許文献１に開示するような従来の構成では、固定子側のアウターヨークに穿設した二つの凹状の孔部にそれぞれ電機子コイルを嵌め込んで固定子が形成されており、アウターヨークの両端部と電機子コイルに挟まれた部分とが磁極として構成されている。ここで、可動子を効率的に往復動させるためには、可動子側の永久磁石を、アウターヨークの両端部の磁極をまたぐように配置する必要がある。そのため、特許文献１の構成においては、永久磁石の軸方向長さが比較的長くなってしまい、希土類など高価な材料で形成される永久磁石の材料費アップにつながるという問題がある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、リニアモータの固定子の構成を改善してリニア圧縮機を小型化するとともに、材料費を節減することを解決すべき技術課題とするものである。

上記課題を解決するためになされた請求項１の発明は、シリンダーと、該シリンダー内に該シリンダーの軸線方向に沿って往復動可能に配置されたピストンと、該ピストンに前記シリンダーの軸線方向に往復動可能なかたちで取り付けられる永久磁石を備えた可動子と、前記可動子の外周面に対向して配置され、前記可動子を覆う筒状の電機子コイルを備えた固定子と、を有し、前記永久磁石と前記電機子コイルとの間の磁場の作用により前記ピストンを前記シリンダーの軸線方向に沿って往復動させるリニア圧縮機において、
前記固定子は、第１の前記電機子コイルと、前記シリンダーの軸線方向に沿った前記第１の電機子コイルの両端面を挟持する筒状に形成された一対の板状強磁性材と、前記シリンダーの軸線方向に沿った前記板状強磁性材の前記第１の電機子コイルと反対側の端面を挟持する一対の第２の前記電機子コイルを備え、前記永久磁石は、前記シリンダーの軸線方向に沿って前記一対の板状強磁性材にわたって設けられ、前記第１の電機子コイルと前記第２の電機子コイルには、互いに反対方向の電流が通電され、前記可動子は、前記シリンダーの軸線方向に沿って前記永久磁石を隙間を介して挟持する一対の強磁性材が設けられているようにしたことである。

また上記課題を解決するにあたり請求項２のように、前記第２の電機子コイルの巻数が前記第１の電機子コイルの巻数よりも多く設定されていることが好ましい。

また上記課題を解決するにあたり請求項３のように前記固定子の内周面側には、前記シリンダーの軸線方向と同一軸心を有して形成された棒状の強磁性材が、前記固定子の内周面と隙間を有して設けられていることが好ましい。

また上記課題を解決するにあたり請求項４のように、前記固定子は、その外周面側に前記シリンダーの軸線方向と同一軸心を有して形成された筒状の強磁性材が配置されてなることが好ましい。

また上記課題を解決するにあたり請求項５のように、前記板状強磁性材を挟持する前記電機子コイルは、互いに反対方向の電流が通電するように、電源に対して並列に接続されていることが好ましい。

請求項１に記載のリニア圧縮機によれば、シリンダー内に往復動可能に配置されたピストンと、ピストンに取り付けられる永久磁石を備えた可動子と、可動子の外周面に対向して配置され可動子を覆う筒状の電機子コイルを備えた固定子と、を有し、
固定子は、第１の電機子コイルと、シリンダーの軸線方向に沿った第１の電機子コイルの両端面を挟持する筒状に形成された一対の板状強磁性材と、シリンダーの軸線方向に沿った板状強磁性材の第１の電機子コイルと反対側の端面を挟持する一対の第２の電機子コイルを備え、永久磁石は、シリンダーの軸線方向に沿って一対の板状強磁性材にわたって設けられ、第１の電機子コイルと第２の電機子コイルには、互いに反対方向の電流が通電され、可動子は、シリンダーの軸線方向に沿って永久磁石を隙間を介して挟持する一対の強磁性材が設けられている。したがって、電機子コイルに通電すると、板状強磁性材の両側における電機子コイルから、それぞれ反対方向の磁場が発生することになり、該電機子コイルで挟まれる板状強磁性材には、両側の電機子コイルにより同一方向の磁束が生じる。したがって、該電機子コイルで挟まれた板状強磁性材は、いずれか一方の極に励磁されるため、挟まれた板状強磁性材における磁束密度の高まりにより、固定子と可動子とにより構成されるリニアモータ部で発生させる磁力を増大させることができる。そのため、発生させる磁力を一定とした場合においては、効率よく電流を利用できる分だけ、電機子コイルのコイル巻数を減らすことができるため、固定子を小型化することができ、ひいてはリニア圧縮機を小型・軽量化できる。また、固定子を形成する両端部に電機子コイルが配置され、この両端部における電機子コイルにより、該両端部により挟まれている板状強磁性材を励磁しているので、たとえば従来技術である特許文献１に示されているような、両端部に磁極を配置した構成に対して、可動子の永久磁石の軸方向における長さを減少させることができ、ひいてはリニア圧縮機の小型・軽量化を実現することができる。これは、特許文献１に記載されている構成では、固定子の両端が磁極とされているため、可動子を効率よく可動させるためには、固定子の両端に配置される磁極にまたがるように永久磁石を配置する必要があり、永久磁石の軸方向長さが比較的長くなってしまうのに対して、本願発明の構成では、固定子の中心側に磁極となる板状強磁性材を配置することができるため、永久磁石の軸方向の長さを比較的短くすることができるためである。また、本発明の構成においては、前述した理由により電機子コイルの巻数を低減することができるため、磁極を複数設けるような場合にあっては、磁極間に配置される電機子コイルの巻数を低減することで磁極間のピッチを小さくすることができる。したがって、リニアモータ部で発生させる磁力を一定とした場合においては、磁極間のピッチが小さくできる分だけ、可動子側に担持された永久磁石の軸線方向の長さも短くてすむので、最終的にリニア圧縮機の小型・軽量化を実現することができる。さらに、比較的高価な永久磁石の材料費を低減できるという効果もある。

さらに、請求項２記載のリニア圧縮機によれば、第２の電機子コイルの巻数が第１の電機子コイルの巻数よりも多いので、より一層リニア圧縮機の小型化を実現することができる。つまり、従来の構成では、固定子の小型化を行うためには、電機子コイルの断面積（コイル巻数）を低減する必要があり、リニアモータ部で生じる磁力を犠牲にする必要があったが、本発明の構成においては、磁極間に配置される電機子コイルの巻数を減少させ、その分固定子の両端部を構成する電機子コイルの巻数を増大させることで、リニアモータ部で生じる磁力を低下させることなく、磁極間における電機子コイルの断面積を比較的小さくすることができる。そのため、磁極間のピッチを変えることなく固定子の外径を小さくすることができたり、あるいは固定子の外径を変えることなく、磁極間のピッチを小さくすることができる。

さらに、請求項３記載のリニア圧縮機によれば、電機子コイルに交番電流を通電すると、電機子コイルにより形成される磁場が、板状強磁性材と固定子の内周面側に配置される強磁性材とに、より密に磁気回路を形成することになる。これにより固定子と可動子とで構成されるリニアモータ部における磁力を増すことができる。

さらに、請求項４記載のリニア圧縮機によれば、電機子コイルに交番電流を通電すると、電機子コイルにより形成される磁場が、板状強磁性材と固定子の外周面側に配置されｒ強磁性材とに、より密に磁気回路を形成することになる。これにより固定子と可動子とで構成されるリニアモータ部における磁力を増すことができるという効果がある。

さらに、請求項５記載のリニア圧縮機によれば、電機子コイルが駆動電源に並列に接続されているので、電源から供給される電流に対して、複数で構成されている電機子コイルにおけるインダクタンスを抑えることができる。そのため、不必要に電源の電圧を上げることなく電流を供給することができる。また、それによって力率も改善され、無効な電源容量を抑えることもできるという効果がある。

以下、本発明に係わる実施形態例を、図面を参照しつつ説明する。

（第１実施形態例）
図１は、本発明の第１実施形態に係わるリニア圧縮機の全体構成を示す断面図で、図２は、本発明の第１実施形態に係わるリニア圧縮機における固定子の軸線方向における軸心での断面を示す構造断面図である。図１において、リニア圧縮機１は、主枠を形成する密閉容器２内に、リニアモータ部を構成する固定子３および固定子３に発生する磁場と永久磁石との作用によって往復動される可動子４およびバネ機構部５ａ、５ｂと、圧縮部を構成するシリンダー部６および該シリンダー部６内に往復動自在に嵌装されて可動子４と一体的になって往復動するようにしたピストン部７とから構成される。

密閉容器２は、磁性材からなる密閉容器円筒部８と、該密閉容器円筒部８の両端部に、側壁部９とシリンダー側側璧部１０をそれぞれ有して、内部を密閉するように形成した耐圧性の筐体で、リニアモータ部を備えたリニア圧縮機１の主枠を構成する。

密閉容器円筒部８は、内周面に固定子３が嵌着されるとともに、側壁部の一方（図１では右側）のシリンダー側側璧部１０は、該シリンダー側側璧部１０から該密閉容器２内に圧縮部を形成するシリンダー部６が延在するように形成されている。

シリンダー部６は、強磁性材からなる内径の異なる二つの円筒孔を有するように形成した段つき状の円筒体で、該シリンダー６内に往復動自在に嵌装されて、可動子４と一体的になって往復動するようにしたピストン部７を内包している。シリンダー部６のシリンダー側側壁部１０側に近い方に穿設された比較的内径の大きい円筒孔は、該円筒孔に嵌装されたシリンダライナー１２を介して、ピストン本体１３が嵌装されるピストン孔１１として形成されている。また、シリンダー部６のシリンダー側壁部１０側から離れた方に穿設された比較的内径の小さい円筒孔は、ピストン部７を構成するピストンロッド１５を保持するロッド孔１４として形成されている。

ピストン部７は、円筒状のピストン本体１３とピストンロッド１５で構成されている。該ピストンロッド１５のシリンダー側壁部１０側の端部は、シリンダー部６内に穿設されたピストン孔１１内に延出しており、ピストン孔１１内でピストン本体１３とボルト等により締結されている。また、該ピストンロッド１５のシリンダー側側壁部１０と反対側の端部は、シリンダー部６内に穿設されたロッド孔１４外に延出しており、シリンダー部６の外周を覆うように配置される可動子４とボルト１６により締結されている。すなわち、これらピストン本体１３及び可動子４は、ピストンロッド１５により連結されて一体的構造に形成されており、ピストン本体１３は、可動子４と一体になって、シリンダー部６に穿設された段つきの円筒孔内を、軸線方向（図１では水平方向）に往復動するように構成されている。

またシリンダー部６のシリンダー側側壁部１０側に近い方に穿設されたピストン孔１１には、シリンダー側側壁部１０側に、リニア圧縮機１の外部と連通する圧力導出管１７備えた蓋部１８が、シリンダー側側壁部１０に溶接などによって固着されて、ピストン本体１３の往復動によって発生させた圧力波を、リニア圧縮機１の外部に伝播するようになっている。

次に、リニアモータ部の構造を、図１、図２に基づいて説明する。リニアモータ部は、密閉容器２内に嵌着された固定子３および、固定子３に発生する磁場と永久磁石との作用によって往復動される可動子４および、バネ機構部５ａ、５ｂで構成される。

固定子３は、図１および図２に示すように、可動子４と同一軸心でその軸線方向に沿って円筒状に形成された、三つの電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃおよび二つの板状強磁性材２４ａ、２４ｂとを備えている。二つの該板状強磁性材２４ａ、２４ｂは、それぞれの軸線方向における両端面を、該電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃの端面で外接して挟持されて、両端部に該電機子コイル２３ａ、２３ｃを配置のもと、該電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃと該板状強磁性材２４ａ、２４ｂとは交互に、すなわち、側壁部９側からみて、該電機子コイル２３ａ、該板状強磁性材２４ａ、該電機子コイル２３ｂ該板状強磁性材２４ｂ、該電機子コイル２３ｃの順に、密閉容器円筒部８の内周面に並設するように嵌着される。

そして、板状強磁性材２４ａを挟持する両側の電機子コイル２３ａ、２３ｂには、互いに反対方向に電流を通電するようになっている。さらに、板状強磁性材２４ｂを挟持する両側の電機子コイル２３ｂ、２３ｃには、互いに反対方向に電流を通電するようになっている。

また図２で、電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃを記した断面図において、○のなかに×を記した印は、該電機子コイルの断面における電流の通電方向が、紙面に対して前面より背面に流れていることを示し、○印の中に●を記した印は、該電機子コイルの断面における電流の通電方向が、紙面に対して背面より前面に流れていることを示すもので（以下図２から図７においても同じ）、図２によれば、二つの板状強磁性材２４ａ、２４ｂを挟持する両側の電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃには、それぞれ、互いに反対方向に電流を通電するようになっている。

なお、二つの板状強磁性材２４ａ、２４ｂは、可動子４の移動方向に積層されたドーナツ板状の電磁鋼板からなる円筒状に形成されて、該可動子４と同一軸心でその軸線方向に沿って、密閉容器円筒部８の内周面に嵌着されている。

また、電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、導電性のよいコイルを、相対する可動子４の軸周り方向に巻いて、該可動子４の移動方向に円筒状に形成されている。また、電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃは、板状強磁性材２４ａ、２４ｂそれぞれの、軸線方向における両端面を該電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃそれぞれの端面で外接して挟持するように、該板状強磁性材２４ａ、２４ｂに固着されている。

また、上記の本発明に係わる、第１実施形態例では、固定子３を構成する二つの板状強磁性材２４ａ、２４ｂを、固定子３の両端部に電機子コイル２３ａ、２３ｃを配置のもとに、三つの電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃそれぞれで、該電機子コイルと該板状強磁性材とを交互に並設する構成にあるが、図３に示めすように、一つの板状強磁性材２４ａを備えて二つの電機子コイル２３ａ、２３ｂで挟持するように並設して、板状強磁性材２４ａを挟持する両側の電機子コイル２３ａ、２３ｂには、それぞれ、互いに反対方向に電流を通電するように構成した形態でもよい。

また、図示しないが、複数の板状強磁性材を備えて、固定子両端部に電機子コイルを配置のもとに、それぞれの該板状強磁性材を、それぞれの電機子コイルで交互に挟持して並設して、板状強磁性材を挟持する両側の電機子コイルにはそれぞれ、互いに反対方向に電流を通電するようにした形態でもよい。

また、図４に示すように、一つの板状強磁性材２４ａを二つの電機子コイル２３ａ、２３ｂで挟持し、該電機子コイル２３ａ、２３ｂそれぞれを、同じ方向に電流を通電する複数の電機子コイル、たとえば、２３ａ１、２３ａ２、・・・および２３ｂ１，２３ｂ２・・・に分割して並設するように構成し、板状強磁性材２４ａの両側に配置される電機子コイル２３ａ１、２３ａ２・・・と電機子コイル２３ｂ１，２３ｂ２・・・とは、互いに反対方向に電流を通電するようにした形態でもよい。

つぎに、可動子４は、図1に示すように、一端に円形蓋部２５をまた他端に鍔部２６を備えた開放端部を有する筒状のヨーク２８と、該ヨーク２８の外周面に担持された永久磁石２９および強磁性材３０、３１とで形成されて、シリンダー部６の外周面の外側において、固定子３の内周面と相対して対向するように配置され、該ヨーク２８の円形蓋部側２５では、該ヨーク２８とピストンロッド１５とは、軸心を同一にしてボルト１６などで固着される。

また、ヨーク２８は、該ヨーク２８の鍔部２６と該ヨーク２８の強磁性材３０を担持した端部において、それぞれ、バネ機構部５ａおよび、５ｂを介して、密閉容器円筒部８の両端部に形成された、側壁部９およびシリンダー側側壁部１０に、シリンダー部６と同心的に支持されて、ピストン部７と同心的に軸線方向に往復動可能になっている。

永久磁石２９および強磁性材３０、３１は、それぞれリング状に形成されて、固定子３の内周面と相対して対向するヨーク２８の外周面に、該強磁性材３０、３１が該永久磁石２９の両側に隙間を介して並設されるように、圧入や焼ばめた接着剤などで一体化構造としている。

バネ機構部５ａ、５ｂは、コイルスプリング３２ａ、３２ｂからなり、該バネ機構部５ａが、側壁部９とヨーク２８との間に配置され、また、該バネ機構部５ｂが、シリンダー側側壁部１０とヨーク２８の間に配置されるようになっている。これらばね機構５ａ、５ｂにより、ヨーク２８の軸心を固定子３の軸心と同心的になるように両者が保持されている。さらに、ヨーク２８と固定子３とは、非通電状態では、該ヨーク２８の外周面に担持された永久磁石部２９の軸線方向の中心部が、固定子３の軸線方向の中央に、すなわち、ピストン部７の往復動中心になるように保持されている。また、ばね機構５ａ、５ｂにより、通電時における可動子４の往復動動作の円滑化を図るようになっている。

また、バネ機構部５ａ、５ｂでは、可動子４の質量と、コイルスプリング３２ａ、３２ｂのバネ定数と、空間部１４で発生する気体圧縮作用によるバネ定数とで支配される可動子４の固有振動数が、電機子コイルに通電する電流周波数とほぼ一致するように設定されている。

なお、バネ機構部５ａ、５ｂは、コイルスプリング３２ａ、３２ｂの代わりに、それぞれ、円板に螺旋状のスリットを形成した構造のオックスホードタイプの板バネでもよい。

つぎに、まず、上記のように構成された、第１実施形態例に係わる、リニア圧縮機１全体の作用を説明する。図１において、リニアモータ部を構成している固定子３側の各電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃそれぞれに逆方向に交番電流を通電すると、可動子４側の永久磁石２９および強磁性材３０、３１から生じている磁束と、固定子３側の各電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃに電流を流すことによって生じる磁束との磁気的作用によって、可動子４側の永久磁石２９に、各電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃに供給される電流量に比例した磁力を発生させる。

永久磁石２９および、該永久磁石の両側の強磁性材３０、３１を担持して一体的構造にある可動子４は、この磁力が推力となって軸線方向に移動する可動力を受ける。電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃに通電される電流は、可動子４の質量とコイルスプリング３２ａ、３２ｂのバネ定数と空間部で発生する気体圧縮作用によるバネ定数とで支配される固有振動数に周波数がほぼ一致するかたちで交番するように設定してある。そのため、可動子４は、該交番電流に同期して、軸線方向に往復運動を行う。

可動子４の往復運動によって、該可動子４とピストンロッド１５を介して一体的構成にあるピストン本体１３が、シリンダー部６内のライナー１２内において往復運動して、圧力波を発生させ、蓋部１８に形成されている圧力導出管１７を介して圧力波が、リニア圧縮機１の外部に吐出される。

つぎに、上記のように構成された、第１実施形態例に係わるリニアモータ部の作用を説明する。図１において、リニア圧縮機の固定子３は、可動子４と同一軸心でその軸線方向に沿って円筒状に形成された三つの電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃおよび二つの板状強磁性材２４ａ、２４ｂとを備え、両端部に電機子コイル２３ａ、２３ｃをそれぞれ配置するとともに、二つの板状強磁性材２４ａ、２４ｂそれぞれの両端面を、電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃそれぞれの端面で外接して挟持するように構成して、二つの板状強磁性材を挟持する両側の電機子コイルには相互に反対方向に電流を通電するようにしている。

したがって、電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃそれぞれに逆方向に交番電流を通電すると、可動子４側の永久磁石２９および強磁性材３０、３１から生じている磁束と、固定子側の電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃに電流を流すことによって生じる磁束との、磁気的作用によって、可動子４側の永久磁石２９と強磁性材３０、３１側に、電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃに供給される電流量に比例した磁力が発生する。本発明による第１実施形態例では、二つの板状強磁性材２４ａ、２４ｂを挟持する三つの電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃには、相互に反対方向に電流を通電するようになっているので、それぞれの板状強磁性材２４ａ、２４ｂを挟持する電機子コイル２３ａ、２３ｂ、２３ｃまわりに発生する磁場は反対方向になるため、これら電機子コイルで挟まれる板状強磁性材での磁束密度が高まり、効率よく電流を利用でき、リニアモータ部における磁力を増すことができる。

また、リニアモータ部で発生させる磁力を一定とした場合においては、上記のように効率よく電流を利用できるので、その分電機子コイルのコイル巻数を減らすことが出来て、リニアモータ部の小型・軽量化が図れる。

また、固定子３を形成する両端部に、電機子コイル２３ａ、２３ｃが配置されているため、たとえば従来技術である特許文献１に示されている、両端部に板状強磁性材を配置した構成に対して、固定子３の外径を一定にしつつ磁極間のピッチを小さくすることができるので、リニアモータ部で発生させる磁力を一定とした場合においては、固定子３の外径を一定にしつつ可動子に担持された永久磁石の軸線方向の長さも短くすることができる。ひいては、比較的高価な永久磁石の材料費を低減することができる。

なお図３に示す形態においても、板状強磁性材を挟持する電機子コイルそれぞれに逆方向に交番電流を通電すると、同じように、それぞれの該電機子コイル間では、励磁力を強めて磁束密度が高まり、効率よく電流を利用でき、磁力を増すことができる。

また、板状強磁性材２４ａを挟持する両側の電機子コイル２３ａ１、２３ａ２・・・および、２３ｂ１、２３ｂ２・・・を複数に並設した、図４に示す形態においても、励磁力を強めて磁束密度が高まり、磁力を増すことができるものであるが、特に、リニアモータで発生させる磁力を一定とした場合においては、両側の電機子コイル２３ａ、２３ｂを単独で構成した場合に対して、電機子コイルの外径、すなわち、固定子３の外径を小さく出来て、該固定子を内周面に嵌着している密閉容器の内径も小さくすることができる。

（第２実施形態例）
図５は、本発明の第２実施形態例に係わるリニア圧縮機に用いられる固定子の軸線方向における軸心での断面構造図である。つまり、図５に示される固定子３ａを例えば図１に示すリニア圧縮機１の固定子３に代えて使用することができる。図５および図１に示す本発明の第２実施形態例においては、リニアモータの固定子３ａは、上記の第１実施形態例で説明した固定子３と同じように密閉容器２内周面に嵌着されている。この固定子３ａと、該固定子３ａに発生する磁場と永久磁石２９などとの作用によって往復動される可動子４と、バネ機構部５ａ、５ｂとによりリニアモータ部が構成される。該リニアモータ部の固定子３ａは、一つの電機子コイル３５ｂを挟持した二つの板状強磁性材３６ａ、３６ｂと、電機子コイル３５ｂを挟持した板状強磁性材３６ａ、３６ｂそれぞれの反対側端面の一方には、同方向に電流を通電して並設する三つの電機子コイル３５ａ１、３５ａ２、３５ａ３を、また他方には、同じく同方向に電流を通電して並設する三つの電機子コイル３５ｃ１，３５ｃ２，３５ｃ３を、それぞれ軸心を同一にして軸線方向に並設して構成されたものからなる。ここで、二つの板状強磁性材３６ａと３６ｂに挟持された電機子コイル３５ｂに通電される電流の方向は、板状強磁性材３６ａ、３６ｂそれぞれの、電機子コイル３５ｂとは反対側端面に外接して並設する電機子コイル３５ａ１、３５ａ２、３５ａ３および、３５ｃ１、３５ｃ２、３５ｃ３に通電される電流の方向とは、反対方向に電流を通電するように形成されている。つまり、板状強磁性材３６ａ、３６ｂに挟持される中央の電機子コイル３５ｂのみに第１方向に電流が通電され、固定子３ａの両端部を構成する電機子コイル３５ａ１、３５ａ２、３５ａ３、及び電機子コイル３５ｃ１、３５ｃ２、３５ｃ３には第１方向とは反対の第２方向に電流が通電される。

したがって、リニアモータ部を構成している固定子３ａに交番電流を通電すると、第１実施形態と同様に、固定子３ａの両端部を構成する電機子コイル３５ａ１、３５ａ２、３５ａ３及び電機子コイル３５ｃ１、３５ｃ２、３５ｃ３のまわりに発生する磁場と、板状強磁性材３６ａ、３６ｂにより挟持される電機子コイル３５ｂとのまわりに発生する磁場とは、互いに反対方向に形成される。そのため、これらの電機子コイルにより挟持される板状強磁性材３６ａ、３６ｂには同一方向の磁束が生じるため、該板状強磁性材３６ａ、３６ｂにおいては磁束密度が高まり、リニアモータ部により生じる磁力を増すことができる。

この結果、リニアモータで発生させる磁力を一定とした場合においては、上記のように効率よく電流を利用できるので、その分電機子コイルのコイル巻数を減らすことが出来て、リニアモータの小型・軽量化が図れる。

さらに、電機子コイル３５ｂを挟持する板状強磁性材３６ａ、３６ｂの、該電機子コイル３５ｂに対する反対側、つまり固定子３ａの両端部側には、それぞれ電機子コイル３５ａ１、３５ａ２、３５ａ３と３５ｃ１、３５ｃ２、３５ｃ３とが配設されている。これらの固定子３ａの両端部に配設される電機子コイル３５ａ１、３５ａ２、３５ａ３、３５ｃ１、３５ｃ２、３５ｃ３は、中央の電機子コイル３５ｂとそれぞれ同一の断面積を有している。つまり、個々の電機子コイルに通電される最大の電流値は、個々の電機子コイル間で略同一とされている。したがって、板状強磁性材３６ａ、３６ｂに挟持される電機子コイル３５ｂの巻数よりも、固定子３ａの両端部のいずれか一方を構成する電機子コイル（電機子コイル３５ａ１、３５ａ２、３５ａ３あるいは電機子コイル３５ｃ１、３５ｃ２、３５ｃ３）の合計巻数が多く設定されている。このため、リニアモータ部で発生させる磁力を一定とした場合には、板状強磁性材３６ａ、３６ｂにより挟持される電機子コイル３５ｂの軸方向長さ、すなわち磁極間のピッチを小さくすることができる。そのため、可動子側の永久磁石の軸線方向における長さも短くてすみ、比較的高価である永久磁石の材料費を低減することができる。

（第３実施形態例）
図６は、本発明の第３実施形態例に係わるリニア圧縮機に使用される固定子３ｂの軸線方向における軸心での断面構造図である。図６において固定子３ｂは、上記の第１実施形態例で説明した固定子３と同じように、密閉容器円筒部８の内周面に嵌着されて、該固定子３ｂに発生する磁場と永久磁石２９などとの作用によって往復動される可動子４および、バネ機構部５ａ、５ｂで構成されるリニアモータ部を形成するものである。上記の第１実施形態例および、第２実施形態例で説明した固定子３や固定子３ｂに対して、本実施形態の固定子３ｂは、固定子３や固定子３ｂの円筒内周面側に、さらに該円筒内周面と同一軸心を有して形成された強磁性材３７とが、円筒内周面と隙間を有して構成されたものである。強磁性材３７としては、中実棒、中空の円筒体、軸線方向と平行に複数の線材や棒を束ねた円筒体、または、径の異なるリング状の円環体を径方向に多層に積層した円筒体からなるものを採用することができる。

このような第３実施形態の構成においては、リニアモータ部に通電すると、電機子コイル２３ａおよび電機子コイル２３ｂで形成される磁場が、板状強磁性材２４ａと強磁性材３７とに、より密に形成されるようになり、磁極密度が高くなって、さらに効率よく電流を利用でき、磁力を増すことができる。

また、リニアモータ部で発生させる磁力を一定とした場合には、効率よく電流を利用できるので、その分コイル巻数を減らすことが出来て、リニアモータの小型・軽量化が図れるなど、第１実施形態例と同じような効果が、より効果的に得られる。

（第４実施形態例）
図７は、本発明の第３実施形態例に係わるリニア圧縮機の軸線方向における軸心での断面構造図である。図７において、固定子３ｃは、上記の第３実施形態例で説明した固定子３ｂと同じように、密閉容器２内周面に嵌着されて、該固定子３ｂに発生する磁場と永久磁石２９などとの作用によって往復動される可動子４および、バネ機構部５ａ、５ｂで構成されるリニアモータを形成するものである。上記の第３実施形態例で説明した固定子３ｂに対して、本実施形態の固定子３ｃは、固定子３ｂの円筒外周面側に、さらに円筒状の強磁性材３８が配置されてなるものである。強磁性材３８は、円筒外周面と同一軸心を有して形成された中空の円筒体、軸線方向と平行に複数の線材や棒を束ねた中空の円筒体、または、径の異なるリング状の円環体を径方向に多層に積層した中空の円筒体等を採用することができる。

このような構成によれば、固定子３ｃの電機子コイル２３ａと２３ｂに交番電流を通電すると、電機子コイル２３ａおよび電機子コイル２３ｂにより形成される磁場が、板状強磁性材２４ａ、強磁性材３７および強磁性材３８に、より密に形成されて励磁されるようになり、磁極密度が高くなって、さらに効率よく電流を利用でき、磁力を増すことができる。この結果、第３実施形態例で詳しく説明したことと同じように、リニアモータの小型・軽量化や、材料費の低減効果がより効果的に得られる。

図８は、リニア圧縮機の固定子における電機子コイルと駆動電源との配線説明図である。図８によれば、複数の電機子コイルには、挟持する各強磁性材前後について互いに反対側に電流を通電するよう、互いに駆動電源に対して並列に接続されている。このように、板状強磁性材を挟持する電機子コイルをそれぞれ駆動電源に 対して並列に接続することにより、駆動電源から供給される電流に対して、電機子コイルにおけるインダクタンスを抑えることができるので、不必要に電源の電圧を上げることなく電流を供給することができる。また、それによって力率も改善され、無効な電源容量を抑えることもできる。

（第１参考形態例）
図９は、本発明の第１参考形態例に係わるリニア圧縮の全体構成を示す断面図である。なお図９において、第１実施形態例で示した図１と同じ構成の部位については、同じ符号を用いて説明する。図９で示すように、本発明の第１参考形態例において、固定子３ｄは、上記の第１実施形態例で説明した固定子３に対して、一つの板状強磁性材２４ａを二つの電機子コイル２３ａと２３ｂとで挟持した固定子３ｄを備えたリニア圧縮機２０で構成される。

また、リニア圧縮機２０は、固定子３ｄの内周面と相対して対向する外周面には、リング状の永久磁石４１と４２が、可動子４の移動方向に二つ並設して固着されるとともに、それぞれ隣接する該永久磁石４１と４２は、移動方向に対して互いに磁極を反対方向にして、隙間４３を有して並設して形成された可動子４を有する。このような可動子４の構成により、電機子コイル２３ａと２３ｂとに、交番電流を通電すると、固定子３ｄと、二つの永久磁石４１および４２との間に形成される磁場の磁束密度はより密になって、さらに効率よく電流を利用できて、ひいては磁力を増すことができる。この結果、第１実施形態例で詳しく説明した効果と同様に、リニア圧縮機の小型・軽量化や、材料費の低減という効果がより効果的に得られる。

（第２参考形態例）
本発明による第２参考形態例は、図９の第１参考形態例に係わるリニア圧縮機において、可動子４の外周面に並設されたリング状の永久磁石４１、４２の一部を、リング状の他の強磁性材と置き換えて、それぞれを圧入や焼ばめた接着剤などで、可動子４と一体化構造としたものである。このような構成により、比較的高価な永久磁石の材料費を低減できる。

本発明の第１実施形態に係わるリニア圧縮機の全体構成を示す断面図。 本発明の第１実施形態に係わるリニア圧縮機の固定子を示す断面模式図。 本発明の変形例に係わる固定子を示す断面模式図。 本発明の変形例に係わる固定子を示す断面模式図。 本発明の第２実施形態例に係わる固定子の断面模式図。 本発明の第３実施形態例に係わる固定子の断面模式図。 本発明の第４実施形態例に係わる固定子の断面模式図。 電機子コイルと駆動電源との接続形態を示す模式図。 本発明の第５実施形態に係わるリニア圧縮機の全体構成を示す断面図。

符号の説明

１・・・リニア圧縮機
２・・・密閉容器
３・・・固定子
４・・・可動子
５ａ・・バネ機構部
５ｂ・・バネ機構部
６・・・シリンダー部
７・・・ピストン部
８・・・密閉容器円筒部
９・・・側壁部
１０・・シリンダー側側壁部
１１・・ピストン孔
１２・・ライナー
１３・・ピストン本体
１４・・ロッド孔
１５・・ピストンロッド
１６・・ボルト
１７・・圧力導波管
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ・・電機子コイル
２４ａ、２４ｂ・・板状強磁性材
２５・・円形蓋部
２６・・鍔部
２８・・ヨーク
２９・・永久磁石
３０・・強磁性材
３１・・強磁性材
３２ａ、３２ｂ・・コイルスプリング

Claims (5)

1. シリンダーと、該シリンダー内に該シリンダーの軸線方向に沿って往復動可能に配置されたピストンと、該ピストンに前記シリンダーの軸線方向に往復動可能なかたちで取り付けられる永久磁石を備えた可動子と、前記可動子の外周面に対向して配置され、前記可動子を覆う筒状の電機子コイルを備えた固定子と、を有し、前記永久磁石と前記電機子コイルとの間の磁場の作用により前記ピストンを前記シリンダーの軸線方向に沿って往復動させるリニア圧縮機において、
   前記固定子は、第１の前記電機子コイルと、前記シリンダーの軸線方向に沿った前記第１の電機子コイルの両端面を挟持する筒状に形成された一対の板状強磁性材と、前記シリンダーの軸線方向に沿った前記板状強磁性材の前記第１の電機子コイルと反対側の端面を挟持する一対の第２の前記電機子コイルを備え、
   前記永久磁石は、前記シリンダーの軸線方向に沿って前記一対の板状強磁性材にわたって設けられ、
   前記第１の電機子コイルと前記第２の電機子コイルには、互いに反対方向の電流が通電され、
   前記可動子は、前記シリンダーの軸線方向に沿って前記永久磁石を隙間を介して挟持する一対の強磁性材が設けられていることを特徴とするリニア圧縮機。
2. 請求項１に記載するリニア圧縮機において、前記第２の電機子コイルの巻数が前記第１の電機子コイルの巻数よりも多く設定されていることを特徴とするリニア圧縮機。
3. 請求項１又は２に記載するリニア圧縮機において、前記固定子の内周面側には、前記シリンダーの軸線方向と同一軸心を有して形成された棒状の強磁性材が、前記固定子の内周面と隙間を有して設けられていることを特徴とするリニア圧縮機。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載するリニア圧縮機において、前記固定子は、その外周面に前記シリンダーの軸線方向と同一軸心を有して形成された筒状の強磁性材が配置されてなることを特徴とするリニア圧縮機。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載するリニア圧縮機において、前記板状強磁性材を挟持する前記電機子コイルは、互いに反対方向の電流が通電するように、電源に対して並列に接続されていることを特徴とするリニア圧縮機。

Images