(57)【要約】第１および第２のコアの周りに配置されたコイルが電機子の長手軸の存在する長手平面の相対向側に位置決めされている（永久磁石モータまたは可変リラクタンス・モータであってもよい）線形電動機として駆動される電磁変換器である。この電磁変換器は、発電機として動作するよう構成できる。
2005503747.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の磁束路を提供すると共に第１の空隙を画定する第１のコアと、
前記第１のコアの一部の周りに配置された少なくとも１つの第１の静止コイルと、
第２の磁束路を提供すると共に第２の空隙を画定する第２のコアと、
前記第２のコアの一部の周りに配置された少なくとも１つの第２の静止コイルと、
前記第１の空隙と前記第２の空隙とを介して長手軸に沿って線形運動できるように配置された第１の電機子とを有し、
前記第１の空隙と前記第２の空隙は、前記長手軸が前記第１の空隙と前記第２の空隙を通るように互いに隣接し隔離関係に配置され、
前記少なくとも１つの第１の静止コイルと前記少なくとも１つの第２の静止コイルは、前記長手軸が存在する長手平面の相対向する側に配置されている電機変換器。
【請求項２】
前記第１の空隙と前記第２の空隙は、前記それぞれの第１のコアと第２のコアの極片の２つの相対向面の間に形成されている請求項１記載の電機変換器。
【請求項３】
前記相対向面は、前記長手平面をほぼ横断する請求項２記載の電機変換器。
【請求項４】
前記第１のコアと前記第２のコアは、前記第１の磁束路と前記第２の磁束路が前記長手平面のほぼ相対向側に存在するように位置決めされている請求項１、２または３のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項５】
前記第１のコアと前記第２のコアは、ほぼ同一の形状を有する請求項１、２、３または４のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項６】
前記第１のコアと前記第２のコアは、前記長手平面に関し互いにほぼ対称的に位置決めされている請求項５記載の電機変換器。
【請求項７】
前記第１の電機子は、ほぼ矩形の断面を有する前記請求項１−６のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項８】
前記少なくとも１つの第１の静止コイルは、前記第１のコアの周りにトロイダル形状に巻かれており、前記少なくとも１つの第２の静止コイルは、前記第２のコアの周りにトロイダル形状に巻かれている請求項１−７のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項９】
前記少なくとも１つの第１の静止コイルは、２つの静止コイルを有し、前記少なくとも１つの第２の静止コイルは、２つの静止コイルを有する請求項１−８のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項１０】
前記第１の磁束路と前記第２の磁束路は、前記長手軸にほぼ直角である請求項１−９のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項１１】
前記第１の電機子は、前記長手軸の方向における前記空隙の長さにほぼ等しい前記長手軸の方向の長さを有する請求項１−１０のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項１２】
前記第１のコアと前記第２のコアは、軟磁性体合成物から作られている請求項１−１１のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項１３】
前記第１のコア、前記第２のコアは、前記第１および第２の空隙の近くにおいて他におけるよりも前記長手軸の方向に大きな寸法を有している請求項１−１２のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項１４】
第３の磁束路を提供すると共に第３の空隙を画定するための第３のコアを更に有し、前記第３の空隙は前記長手軸が前記第３の空隙を通るように前記第２の空隙に隣接し離隔した関係で配置されている請求項１−１３のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの第１の静止コイルは、前記第３の空隙を横切って磁界を発生するために前記第３のコアの一部の周りに配置されている請求項１４記載の電機変換器。
【請求項１６】
第４の磁束路を提供すると共に第４の空隙を画定するための第４のコアを更に有し、
前記第４の空隙は、前記長手軸が前記第４の空隙を通るように前記第３の空隙に隣接して離隔した関係に位置決めされている請求項１４または１５に記載の電機変換器。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの第２の静止コイルは、前記第４の空隙を横切って磁界を発生させるために前記第４のコアの一部の周りに配置されている請求項１６記載の電機変換器。
【請求項１８】
前記第１の空隙と前記第２の空隙を通って前記長手軸に沿い線形運動可能なように配置されている前記第１の電機子と前記第２の電機子を有するキャリッジを更に備え、前記第１の電機子と第２の電機子は、前記長手軸の方向において前記第２の空隙のほぼ長さだけ離隔されている請求項１４から１７のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項１９】
前記第１の電機子と前記第２の電機子は、前記長手軸にほぼ直角方向に両方とも分極化されている磁石である請求項１８記載の電機変換器。
【請求項２０】
前記キャリッジは、磁石である第３の電機子を有し、前記第３の磁石は、前記第１の電機子と前記第２の電機子とは逆方向に分極化されて、前記第１の電機子と前記第２の電機子との間に位置決めされている請求項１９記載の電機変換器。
【請求項２１】
前記第１の電機子は、磁石を有している請求項１から１８のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項２２】
前記磁石は、前記長手軸にほぼ直角な方向に分極化されている永久磁石である請求項２１記載の電機変換器。
【請求項２３】
前記磁石は、１つ以上のコイルと前記長手軸にほぼ直角な方向に分極可能な軟鉄コアとを備えた少なくとも１つの電磁石を有している請求項２１記載の電機変換器。
【請求項２４】
前記第１の電機子と前記第２の電機子は、高透磁率軟磁性体からなる請求項１８記載の電機変換器。
【請求項２５】
前記第１の電機子は、高透磁率軟磁性体からなる、請求項１から１８のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの第１の静止コイルと第２の静止コイルは、それぞれ前記第１の空隙と前記第２の空隙を横切って磁界を発生するためのものであり、前記第１の電機子は、前記発生された磁界に関して線形運動ができるように配置され、線形の電動機として動作するように構成された請求項１−２５のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの第１の静止コイルと前記少なくとも１つの第２の静止コイルに電流を発生する電気回路を更に有する請求項２６記載の電機変換器。
【請求項２８】
線形発電機として動作するように構成された請求項１から２５のいずれかに記載の電機変換器。
【請求項２９】
請求項２６または２７に記載の線形電動機を備えた線形コンプレッサ。
【請求項３０】
前記第１の電機子の端部に連結されたピストンを更に有する請求項２９記載の線形コンプレッサ。
【請求項３１】
前記第１の電機子を前記空隙内に吊設する吊設ばねを更に有する請求項２９または３０記載の線形コンプレッサ。
【請求項３２】
請求項２９から３１のいずれかに記載の線形コンプレッサを備えた冷蔵庫。
【請求項３３】
請求項３２の冷蔵庫を備えた無線通信アンテナ。
【請求項３４】
添付図面に関してほぼ記載すると共に図示した電機変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電機変換器、すなわち、線形電動機及び線形発電機に関する。特に、本発明は、例えば、無線送信アンテナを冷却するために使用されるような冷却装置またはクーラの線形コンプレッサに使用される電動機及びスターリング(Stirling)・エンジンにより駆動されるような発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の線形電機変換器は、スターリング・サイクル・クーラまたはパルス・チューブ・クーラを特に駆動するバルブレス・コンプレッサ、例えば、家庭用及び産業用の「フレオン」型冷却装置、Gifford McMahon（ＧＭ）クーラ及び、例えば、医療用のクリーン循環システム用のオイルレス・ガス・コンプレッサ、ポンプのモータとして使用してもよい。
【０００３】
これらの用途で以前使用された線形モータは、他の構成要素と合体される標準的な構成要素ではない。一般的に、それらはカスタム設計となっている。線形電動機を必要とする広範囲の用途のために特定要件に合うようにされたある範囲の電動機設計は、既に存在する。これらには、移動コイル、移動磁石及び移動鉄の各設計が含まれている。この範囲の現存の電動機設計に関わらず、大規模低コスト製造に真に適した設計は、欠如している。本発明は、このギャップを埋めようとするものである。
従来技術の移動コイル線形電動機は、高製造原価をもたらす可撓の電流リード線及び多量の磁石材料を必要とする。
【０００４】
従来技術の移動磁石・移動鉄心線形電動機は、一般的には、各々、空隙とその空隙に磁束を発生させる電気コイルを有する環状のコアにより形成された幾つかの磁気回路からなっている。これらの空隙は、これらの空隙内に受けられる電機子の移動方向に沿って整列されている。電機子は、鉄または永久磁石または電磁石であってもよい。しかし、これらの電動機は、一般的には、頑丈さが欠如しているか、または線形の機械テクノロジの他の態様とあまり両立しない複雑な構成を有している。
【０００５】
本発明は、特に、電機変換器の要素の形状、特に、この電機変換器の磁気回路が電機子の移動方向に沿って近接配置することを可能にするコイル用のコアに関する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によれば、第１の磁束路を提供すると共に第１の空隙を画定する第１のコアと、
前記第１のコアの一部の周りに配置された少なくとも１つの第１の静止コイルと、
第２の磁束路を提供すると共に第２の空隙を画定する第２のコアと、
前記第２のコアの一部の周りに配置された少なくとも１つの第２の静止コイルと、
前記第１の空隙と前記第２の空隙とを介して長手軸に沿って線形運動できるように配置された第１の電機子とを有し、
前記第１の空隙と前記第２の空隙は、前記長手軸が前記第１の空隙と前記第２の空隙を通るように互いに隣接し隔離関係に配置され、
前記少なくとも１つの第１の静止コイルと前記少なくとも１つの第２の静止コイルは、前記長手軸が存在する長手平面の相対向する側に配置されている電機変換器が提供される。
【０００７】
電機子の長手軸が存在する長手平面の相対向する側に、第１の静止コイルと第２の静止コイルを位置決めすることにより幾つかの利点が得られる。この結合構成によれば、かさばった第１の静止コイルと第２の静止コイルは、電動機の長手軸の移動方向に少なくとも一部重なる場合があるので、第１の空隙と第２の空隙は、共に接近配置することができるという利点が得られる。長手軸にそれらの第１の空隙と第２の空隙を接近して位置決めすることにより、電機子の更に効率的な使用、移動質量の減少、更にコンパクトな設計が得られる。第１のコアと第２のコアの周りにコイルを設けたことは、永久磁石及び移動鉄の設計のために電機子がコイルを必要とせず可撓性ある電流リード線が必要とされないということを意味する。本発明における磁気回路は、不所望の空隙を最小にし、従来技術における多くの線形電動機よりも磁石材料を更に効率的に使用している。最後に、このような電機変換器の構造は、従来技術の電機変換器の多くのものよりも簡単である。
【０００８】
コアにおける磁束路は、単一平面（すなわち、平面形状）内にあり、従って、シート金属から容易に打ち抜くことができる層状コアを製造することが可能となる。
第１の磁束路と第２の磁束路は、長手平面のほぼ対向側に存在するように位置決めされることが好ましい。
【０００９】
こうして、効率のために電機変換器の大きさを更に減少し、第１の空隙と第２の空隙との間の距離を極小化し、コアの形状を最大にすることが可能となる。更に、こうしてコアが位置決めされると、第１のコイルと第２のコイルの大きさは第１の空隙と第２の空隙との間の距離を小さく維持する必要により制限されることはない。
【００１０】
電機子は、特に構成が簡単でより安い製造原価を提供するようにほぼ矩形の断面を有してもよい。電機子が永久磁石から作られるならば、この形状により、電機子を正しい方向に磁化することは容易となる。または、電機子は、１つ以上のコイルと軟鉄コアを備えた少なくとも１つの電磁石を有してもよい。可撓の電流リード線は、電流をコイルに導くために必要となる。
【００１１】
少なくとも１つの第１の静止コイルが２つの静止コイルを有し、少なくとも１つの第２の静止コイルが２つの静止コイルを有する場合、第１の静止コイルと第２の静止コイルの両方は、円筒状のハウジング内の空間を良好に使用するように配置することができる。
電機子は、コイルを備えた電機子と必要とされた可撓の電流リード線の必要が除去されるように永久磁石を有することが好ましい。
好都合にも、この電機変換器は、可変リラクタンスの電動機で、電機子は、高透磁率の軟磁性体からなり、従って、高価な永久磁石材料の必要が除去される。
【００１２】
本発明の電機変換器は、第３の磁束路を提供すると共に第３の空隙を画定するための第３のコアを更に有してもよい。この場合、第３の空隙は、長手軸が第３の空隙を通るように第２の空隙に隣接し離隔した関係で配置されている。このような場合、少なくとも１つの第１の静止コイルは、第３の空隙を横切って磁界を発生するために第３のコアの一部の周りに配置されてもよい。
このような構成は、線形電動機の電機子の移動長を増大してもよいので、有益な場合がある。
【００１３】
更に、本発明の電機変換器は、第４の磁束路を提供すると共に第４の空隙を画定するための第４のコアを更に有してもよい。この場合、第４の空隙は、長手軸が第４の空隙を通るように第３の空隙に隣接して離隔した関係に位置決めされている。このような場合、少なくとも１つの第２の静止コイルは、第４の空隙を横切って磁界を発生させるために第４のコアの一部の周りに配置してもよく、従って、電機変換器の電機子の移動長は、さらに増大してもよい。
【００１４】
あるいは、電機子要素の追加の場合、電機変換器のパワーは、この電機変換器の直径を増大せずに増加することができる。
電機子は、長手軸の方向において第２の空隙のほぼ長さだけ離隔されている第１の電機子と第２の電機子を有するキャリッジを備えることが望ましい。これにより磁束鎖交の全変化が増大され、従って、パワー取り扱い能力が増大される。この能力の増大は、電動機の直径、コイルの数またはコイルに電流を供給する制御システムの複雑さを増大せずに達成することができる。
【００１５】
第１および第２の電機子は、高透磁率軟磁性体より成る永久磁石または電磁石であってもよく、キャリッジは、磁石である第３の電機子を有してもよい。この第３の電機子は、第１の電機子と第２の電機子とは逆方向に分極化されて、第１の電機子と第２の電機子との間に位置決めされている。これにより、線形電機変換器のパワー取り扱い能力が更に増大される。
もちろん、上記の第１、第２、第３、第４のコアと同じ方法で任意の数のコアを設けて全て接続してもよい。
【００１６】
電機変換器は、少なくとも１つの第１の静止コイルと第２の静止コイルがそれぞれ第１の空隙と第２の空隙を横切って磁界を発生するためのものであり、第１の電機子は、発生された磁界に応答して線形運動ができるように配置されている線形電動機として動作するように構成されてもよい。
【００１７】
本発明は、このような線形電動機を備えた線形コンプレッサを提供もする。
本発明は、このような線形コンプレッサを備えた冷蔵庫を提供もする。
電機変換器は、線形発電機として動作するよう構成されてもよい。
次に本発明を単に例として添付図面に関して記載する。
図面において、類似の参照数字は類似の部分を表示するために使用される。
【実施例１】
【００１８】
図１は、線形の電動機または発電機として使用してもよい電機変換器を示す。この装置は、第１の磁束路１７を提供すると共に第１の空隙１１を画定する第１のコア１０を有している。特に、第１の極片１２と第２の極片１４は、両方とも第１のコア１０の一部であって、それらの相対向する面の間に第１の空隙１１を画定している。この好適な実施例の相対向面は、ほぼ平行である。コア１０、２０の全ての要素は、高透磁率の軟磁性体からなる。この軟磁性体は、渦電流損とヒステリヒス損が低いことが好ましい。この例は、変圧器の積層鉄または鉄粉合成物である。
【００１９】
この積層鉄の場合、これらの積層鉄は、極片１２、１４の積層鉄に入る磁束がそのコアの周りのその通路の積層鉄内に主に留まるように形成されている。すなわち、図２において積層鉄は、本紙の面内にある。
第１の空隙１１は、第１の電機子５０が極片１２、１４の表面間に位置決めできるような寸法である。第１の電機子５０が第１の空隙１１に位置決めされると、（極片１２、１４を含む）第１のコア１０と第１の電機子５０を含む第１の磁気回路は完結される。
【００２０】
磁界は、第１のコア１０の一部の周りに巻かれた少なくとも１つの第１の（導電）コイル１５、１６を通して電流を流すことにより第１の空隙１１を横切り発生される。図１に示した実施例では、２つの第１のコイル１５、１６が第１のコア１０の一部を包囲するよう設けることができる。２つの第１のコイル１５、１６は、第１の空隙１１から等距離のところに位置決めされているが、必ずしもそうとは限らない。電流は、第１のコイル１５、１６を通して流れるときに、これら第１のコイル１５、１６は、極片１２、１４の相対向面間に磁界を発生する。その発生された磁界は、第１の電機子５０に対し力を発生する。この力は、電機子の種類とその磁極化の方向に依存して第１の空隙１１内にまたはこの第１の空隙１１から第１の電機子５０を移動させる傾向がある。
【００２１】
第１のコア１０の断面は、コア材料のために受容可能な磁束密度を与えるよう選択される。これにより、この設計においては一般的にコアの断面は、一定となる。この断面は、電機子と空隙において磁束密度がより低くなり得るように極片のところで局部的に増大してもよい。
【００２２】
第２のコア２０は、また２つの極片２２、２４をも有するが、まさに第１のコア１０のように、第２の磁束路を提供すると共に第２の空隙２１を画定している。第１の電機子５０が、第２の空隙２１に存在すると、第２の磁気回路は、完結される。少なくとも１つの第２のコイル２５、２６は、第２のコア２０の周りに巻かれている。電流が少なくとも１つの第２のコイル２５、２６を流されると、磁界が電機子５０を駆動するために第２の空隙２１を横切って発生される。図示の実施例では、２つの第２のコイル２５、２６は、極片２２、２４から、従って、第２の空隙２１から等距離のところの第２のコア２０の一部の周りに示してある。電流がこれらの第２の電気コイル２５、２６を流されると、磁界が第２の空隙２１を横切って発生される。この磁界は、第１の電機子５０に対し力を発生する。この力は、電機子の種類及び磁極化の方向に依存して空隙２１の中にまたは外へ第１の電機子５０を移動させる傾向がある。
【００２３】
図１に示した実施例では、第１の電機子５０は、Ｚとして示した長手軸上を移動する。この長手軸は、線形電動機の長手軸である。線形電動機の長手軸Ｚは、電機子５０の中心を通り、長手軸Ｚが第１および第２の空隙１１、２１を通るように互いに隣接して離隔した関係で位置決めされているということが理解される。
【００２４】
使用の場合、第１の電機子５０は、第１の空隙１１から第２の空隙２１へ及びその逆に長手軸Ｚに沿って移動する。これは極片１２、１４、２２、２４の相対向面が長手軸Ｚにほぼ平行に存在するように配置することにより達成される。第１の空隙１１、第２の空隙２１は、矩形形状を有するものとして示してあるが、これらの空隙は、電動機の長手軸Ｚに沿って伸びる任意の二次元形状とすることができる。
【００２５】
図１の線形電動機の長手軸Ｚに沿う平面図である図２でわかるように、長手軸Ｚが存在する（図示のようにページに直角な）長手平面ＹＺは、第１の磁気回路と第２の磁気回路を形成する要素のために対称線を提供する。もちろん、第１の磁気回路は、図示のように第２の磁気回路の上に配置されている。第１のコイル１５、１６と第２のコイル２５、２６は、長手平面ＹＺの相対向側に配置されている。この配置形態により、第１のコア１０の極片１２、１４は、第２のコア２０の極片２２、２４に接近配置することができる。このことは、これらの極片が共通の電機子を効果的に共有するために必要なことである。このことは、かさばるコイル１５、１６、２５、２６を収容して実際的な形状を維持しながら達成される。この結果として得られ低温冷却装置(cryocooler)で使用される装置は、一般的には８０ｍｍの全直径、３５ｍｍ長及び約３００ｇの重量がある。
【００２６】
この好適な実施例のコア１０、２０は、それぞれの磁束路が重なりを最小にするために互いに向きを変えるように形成されている。最良の発散角度(angle of divergence）は、中心線から約４５°である。それは、この角度がコイル１５、１６、２５、２６に対して最大の空間を与えるからである。１つのコイルから他のコイルへ磁束を導く帰還路は、電機変換器の必要な断面及び最小の全直径により規定される曲線に従う。
【００２７】
コア１０、２０、３０、４０は、長手軸Ｚが存在する長手平面の相対向側に静止コイル１５、１６、２５、２６を位置決めできる限り、どのような形状を持ってもよい。例えば、コア１０、２０、３０、４０は、矩形形状で、その４つの辺の１つに空隙を持つものであってもよい。このような場合、各コイルは、その空隙から離れてその矩形の各片の周りに位置決めされる。各コイルは、互いに重ねられずに長手平面ＹＺの相対向側に重ねられるので、コア内の空間は、コイルの大きさを増大するために効果的に使用してもよい。これは、コイルが互いに重ねられる場合には可能ではない。空間を利用するためには、コイル１５、１６、２５、２６は、矩形以外の断面形状を持つものであってもよい。コアの形状を変えると、より大きなコイルを使用する能力を得ることもできる。例えば、図２から最もよくわかるように、他の形状のコアの場合、基本的な矩形形状の上に三角形の断面の余分な巻き線（点線で示す）を加えるための十分な空間がコア内に存在する。更に充填比(fill factor)を増大するために、コイルは、平線で巻かれてもよい。
【００２８】
この線形電動機の構造は、簡単なまま維持される。それは、第１の磁気回路を含む要素が長手平面ＹＺの一方の側に設けられ、第２の磁気回路の要素が長手平面の別の側にほぼ設けられるという点を除き、第１の磁気回路を含む要素と第２の磁気回路を含む要素は、同一であるからである。事実上、第２の磁気回路の要素は、第１の磁気回路の要素に対し鏡像の向きをしている。従って、第１のコア１０、第２のコア２０は、第１の磁束路と第２の磁束路が長手平面ＹＺのほぼ相対向側に、かつ、この長手平面ＹＺにほぼ直角になるように位置決めされている。従って、その２つの磁気回路は、各々、主にＸＹ平面に磁束路を有するように位置決めされている。それら磁気回路の磁束路が主に互いに異なる半円筒を占有するようにそれら磁気回路は、長手平面ＹＺの周りに交互配置となる。もちろん、磁束路を形成する要素の類似性により、余分な磁気回路は、容易に（以下に記載するように）加えることができ、それにより、電機変換器のパワーを増大または電機子の移動長を増大させることができる。
【００２９】
従って、この形状配置により、極片１２、１４、２２、２４の周りの小さな領域を除き、その２つの磁束路は、良好に分離することができる。極片１２、１４は、実際極片２２、２４に接触することができるが、実際には隣接のコア１０と２０との間で過度の磁束が流れるのを防止するために小さな軸方向の間隙が望ましい。この方法での磁束の漏洩は、電動機力を減少する。
【００３０】
図２から、特に図３からわかるように、第１の電機子５０は、ほぼ矩形断面を有している。図３は、図１の線形電動機の長手平面ＹＺで得た断面である。図３からわかるように、第１のコア１０、第２のコア２０のノード１２、１４、２２、２４の相対向面は、長手平面にほぼ平行である。空隙１１、２１は、第１の電機子５０が移動できる電動機の長手軸Ｚに沿う通路を形成するように整列されている。従って、電機子５０は、両磁気回路に共通であるということがわかる。
【００３１】
第１の電機子５０が第１の空隙１１にある時に、極片１２、１４と第１の電機子５０との間の間隙は、その磁気回路における付加的な空隙である。この空隙が小さくなればなるほど、この空隙を介して磁束を駆動する場合に消費されるエネルギは、少なくなり、線形の電動機または発電機はより効率的になる。同じことが第２の磁気回路についても言える。図１に示した装置の平面形状の場合、特に電機子が簡単であるので、高効率の発電機またはエンジンを製作するために各要素は、低価格高許容度で製造することができる。
【００３２】
電機子と極片との間の一般的な間隙は、３０Ｗ電動機の場合、０．２５ｍｍの範囲にある。
図３から分るように、第１の電機子５０は、第１の（上部）空隙１１の上面と第２の（下部）空隙２１の底面との間の距離の長手軸上の長さのほぼ半分である。
【００３３】
図３では、第１の電機子５０は、永久磁石を有している。従って、図示の線形電動機は、「磁束切り替え」機である。この磁石は、Ｙ方向に、すなわち、極片１２、１４の１つの面から他の面へ向かう方向に分極化され、従って、第１の空隙１１を横切る方向にある。第１の空隙１１から第２の空隙２１への第１の電機子５０の長手軸Ｚ上での軸方向の移動により、第１の電機子５０の永久磁石の磁束は、第１のコア１０の第１の磁気回路から第２のコア２０の第２の磁気回路へ切り替えられる。
【００３４】
この線形電動機の永久磁性磁石バージョンにおいて第１の電機子５０用に使用される磁性材料の簡単な矩形形状は、製造及び磁化が容易で安価である。電機子は、その負荷に直結されてもよく、後で記載する簡単な吊設手段を必要とするだけである。従って、第１の電機子５０は、小さな移動質量と簡単な構造を有する。この実施例の電機子は、１つ以上のコイルと永久磁石よりもむしろ軟鉄コアとを備えた少なくとも１つの電磁石を有してもよい。このような場合、可撓電流リード線はコイルに電流を導くために必要とされる。電磁石は、より大きな装置に利用されるに適している。電磁石の電機子を備えた電動機の動作は、永久磁石の電機子の場合と同じである。
【００３５】
動作において、第１のコア１０のコイル１５、１６は、電流が流れて第１の電機子５０の磁石が第１のコア１０から反発されるように電源に接続される。同時に、第２のコア２０のコイル２５、２６は電流が流れて第１の電機子５０の磁石が第２のコア２０に吸引されるように電源に接続される。従って、この２つの回路は、長手軸Ｚに沿う力を発生するよう組み合わされる。電流の向きを逆転すると、この線形の電動機の長手軸Ｚに沿う逆方向の力が発生する。従って、コイルを通る交流電流は、例えば、線形コンプレッサにパワーを与えるために使用することができる交互の力を発生する。一般的には、この線形電動機は、１０ｍｍのストロークを有して約７５Ｈｚで動作する。エンジンは、約２８Ｗの出力軸パワーを持ち約８０％の効率である。
【００３６】
図３ａ、図３ｂ、図３ｃは、上死点、中間ストローク及び下死点にそれぞれ位置決めされている３つの状況を示す。図４は、垂直軸に沿う各磁気回路の磁束変化、水平方向における電動機の長手軸Ｚ上の第１の電機子５０の磁石の位置を示す。分るように、第１のコア１０により提供される磁束路の周りに流れる第１の磁気回路の磁束は、第１の電機子５０が上死点位置にある時に最大となり、第２のコア２０により提供される磁束の周りに流れる第２の磁気回路の磁束は、その位置において最小である。下死点位置では、各磁気回路の磁束レベルは逆転される。第１の電機子５０が中点を通る時、各磁気回路の磁束レベルは等しい。
【００３７】
図４に与えた軸方向位置の場合の磁束変化は、予期される一般的な特徴を示す。磁束変化率は、中点近くで最大で、上死点、下死点に向かって減少する。磁束が変化する実際の通路は、例えば、極片１２、１４と第１の電機子５０との間の間隙に小さな変化を与えるように、形状を細かに調整することにより、例えば、極片１２、１４をそれぞれの軸長に沿って形成することによりある程度制御することができる。
【００３８】
与えられた電流に関し発生される軸方向力は、磁束の変化率、従って、この曲線の傾斜に比例する。磁束変化率の制御は、例えば、不所望の高調波の発生を制御する場合に有用となり得る。
電機子５０が永久磁石または電磁石の時に、この線形電動機を駆動する回路は、第１の電機子５０を駆動するようにコイル１５、１６、２５、２６を通して電流を駆動する従来の方法で設計されている。これらのコイルは、この特定の実施例により決定される種々の方法で共に電気的に接続されてもよい。
【００３９】
図１に示した線形電動機の構成は、電機子５０が鉄のような高透磁率の軟磁性体からなる可変リラクタンス線形電動機として使用されてもよい。この軟磁性体は、例えば、渦電流損及びヒステリシス損が小さく、例えば積層の変圧器鉄芯を有することが望ましい。
従って、この線形電動機が可変のリラクタンス電動機として使用される時、その電機子は、軟高透磁率の矩形材料からなる単一片であってもよい。この電機子は、製造が容易で廉価であり、磁石は、必要とされない。このモータは、悪環境で、例えば、高温で動作するよう設計することができる。
【００４０】
この可変リラクタンス機では、鉄の電機子５０の移動により、第１のコア１０と第２のコア２０に関連した２つの磁気回路のリラクタンスが変化する。第１の電機子５０が中点位置にある場合、両方の磁気回路は、名目上同一のリラクタンスを有する。移動部材が第２の空隙２１を去って更に第１の空隙１１に入ることにより第１の磁気回路と更に係合する時、第２のコア２０に関連した第２の磁気回路のリラクタンスは増大し、第１のコアに関連した第１の磁気回路のリラクタンスは減少する。移動方向を反転すると、この２つの磁気回路におけるリラクタンス変化が反転する。
【００４１】
第１のコイル１５、１６が付勢され、第２のコイル２５、２６が付勢されないままとなると、第１の磁気回路のリラクタンスが減少するように第１の空隙１１に向かう方向において軟高透磁率の第１の電機子５０に力が加わる。この力は、空隙の体積に対する空隙エネルギの依存性によるものであり、リラクタンスが減少すると空隙エネルギも減少し、第１の電機子５０に対して仕事がなされる。
第２のコイル２５、２６を通して電流を流すことにより第２の磁気回路が付勢されコイル１５、１６がオフに切り替えられると、力は反転する。
【００４２】
従って、第１および第２の磁気回路が交互にオン、オフされると、線形コンプレッサを駆動するために使用することができる第１の電機子５０に対して交互の力が発生されることが分る。図１２は、これを達成し得る簡単な回路を示す。交流は、第２のコイル２５、２６と並列配置の第１のコイル１５、１６を通して流される。コイル１５、１６は、第１のダイオード１８と直列に配置され、第２のコイル２５、２６は第２のダイオード２８と直列に配置されている。第１のダイオード１８と第２のダイオード２８の向きは逆である。従って、交流電圧が加えられると、第１のダイオード１８、第２のダイオード２８は、交互に半サイクル導通してモータに交互の力を発生する。リラクタンス・モータの分野において公知のコイル１５、１６、２５、２６で適当な切り替えを生じさせる多くの種々の試みが存在するということが理解される。
【００４３】
第１の電機子５０が高透磁率の軟磁性体からなり、コア１０、２０とコイル１５、１６、２５、２６が図１から図３に示したように配列されると、この装置は、適切な電子回路が移動部材の移動と同期される場合、可変リラクタンス発電機として使用してもよい。電機子が永久磁石材料または図３に示し、かつ、上に述べた方向に分極化された電磁石からなる場合、この電磁石の移動により各磁気回路と通る磁束が変化され、従って、変化する磁束漏洩がコイルに誘導電圧を発生させる。
数組のコア１０、２０と関連するコイル１５、１６、２５、２６は、電機子力を増大させるか電機子５０の移動を増大させるために、直列に次々と配置してもよいということが理解される。
【実施例２】
【００４４】
図５は、電機子５０により及ぼされる力が２倍にされ、一方、コイル１１５、１１６、１２５、１２６の数は、同一のままである実施例を示す。この実施例では、第３のコア３０が（図示のように）下に、かつ、第１のコア１０と同一向きに位置決めされ、第４のコア４０は下に、かつ、第２のコア２０と同一向きに位置決めされている。第３のコア３０、第４のコア４０は、第１のコア１０、第２のコア２０と同一形状を有し、関連する空隙３１、４１を有している。コア１０、２０、３０、４０は、第１の空隙１１が第２の空隙２１に隣接し、第２の空隙２１が第３の空隙３１に隣接し、第３の空隙３１が第４の空隙４１に隣接するように位置決めされている。
【００４５】
図５からわかるように、４つのコイルだけが使用されているが、これは、第１のコア１０と第３のコア３０の両方の周りに第１のコイル１１５、１１６を設けることにより達成される。従って、磁界が第１の空隙１１を横切って発生されると、磁界は、第３の空隙３１を横切って発生もされる。同様な構成は、第２のコイル１２５、１２６を共有する第２のコア２０と第４のコア４０に関して使用されている。従って、第２のコイル１２５、１５６が付勢されると、磁界は、第２の空隙２１と第４の空隙４１を横切って発生される。もちろん、２つのコイルのみがこのモータの動作のために必要であるが、任意の数のコイルを使用してもよい。
【００４６】
各コアがそれ自体の関連したコイルを有するべきか、または図５に示したようにコイルを共有すべきかについての決定は、製造原価を考慮することにより決定するのが適当である。
図６は、図５の線形モータにおける空隙を示す。わかるように、キャリッジ１５０は、空隙１１と２１における磁石５１の移動が空隙３１と４１における磁石５２の移動と一致するように、同一方向に分極化され共に取り付けられているが、分離されている磁石（永久磁石または電磁石）である第１の電機子５１と第２の電機子５２からなる。これらの磁石は、プラスティックのような材料からなる非磁性部材５５により共に連結されている。
【００４７】
わかるように、上死点位置において第１の電機子５１は、第１の空隙１１内に完全に存在し、第２の電機子５２は、第３の空隙３１内に完全に存在する。同様に、下死点位置では、電機子５１と５２は、それぞれ第２の空隙と第４の空隙に完全に存在する。軸力を発生するために、適切な方向にコイル１１５、１１６、１２５、１２６を通る電流により、電機子５１、５２は、空隙１１、３１から反発されて空隙２１、４１に吸引される。この軸力は、電機子５１、５２に作用する組合せ力である。この組合せ力は、電流が反転されると反転される。この一般的な動作は、図１の基本的な２つのコア・ユニットについて既に記載したものと同様である。
【００４８】
第１および第２のコイル１１５、１１６、１２５、１２６は、各々２つより多くのコアの周りに位置決めすることができ、または個々のコアの周りの別々のコイルと多くのコアの周りのコイルとの組合せは、同一の線形電動機に含むことができるということが理解される。
図５と図６に示した実施例は、使用時に第１および第２の電機子５１、５２が高透磁率軟磁性体からなる図１の装置の場合と同一方法で、上記の可変リラクタンス電動機に等しく適用可能である。図５の装置は、電機子５１、５２の永久磁石かまたは電磁石または高透磁率軟磁性体からなる電機子５１、５２を備えた発電機として使用してもよい。
【００４９】
図７に示した実施例は、図６に示した実施例の変形例である。図７に示した実施例は、電機子が永久磁石または電磁石からなる磁束切り替え機で動作するだけである。この実施例では、付加的な第３の磁石５３が、図６に示した実施例の場合と同一の間隙を有する第１の磁石５１と第２の磁石５２の間に組み込まれている。図７の実施例では、第３の磁石５３は、電機子５０が上死点から下死点へ移動するときの磁束漏洩の変化が、第２および第３のコア２０、３０に関連した第２および第３の磁気回路について増大するように磁石５１と５２に対し逆方向に分極化されている。こうして、パワー取り扱い能力は、更に増大される。
【００５０】
明らかに、更なるユニットを付加して同じ方法で合体させることができ、得られる装置は発電機として使用することもできる。
図８は、シリンダ８５内にピストン８０を含む線形コンプレッサに取り付けた図５に示したような線形電動機を示す。ピストン８０は、取り付け手段５７を介して電機子に連結されている。ピストン８０、電機子、取り付け手段５７は、２組の吊設ばね７０に取り付けられている。吊設ばね７０は、ピストン/電機子装置の運動をモータ/コンプレッサ軸に沿う正確な線形運動に制限する。ピストンとシリンダとの間の半径方向の間隙は、流体の漏洩が容認できるほど小さくなるように非常に小さく維持されている。この種のシールは、接触面を有しないので、クリアランス・シールと呼ばれる。この種の機械の任意の磨耗面を除去することにより、機械は、オイルフリー動作で長寿命を達成することができる。
【００５１】
図８に示した実施例では、モータは、自己充足形のコンプレッサ装置の端部に取り付けられ、一方、図９の実施例では、電機子５０は、一体のコンプレッサ・モータを形成するために吊設ばね７２、７４の間に取り付けられている。図９の実施例の場合、電機子は、２組のばねを共に連結する構成要素としての作用もする。このために、必要な硬度及び強度を有するよう設計される。これらのコンプレッサは、バルブ付きまたはバルブレス・コンプレッサ、スターリング・サイクル・クーラまたはパルス・チューブ・クーラであってもよい。
【００５２】
上記の線形電動機により駆動してもよいバルブ・コンプレッサの例は、家庭用及び産業用の「フレオン」型冷蔵庫、ＧＭ(Gifford McMahon)クーラ及びオイルフリー・ガス・コンプレッサである。この線形電動機は、ポンプ、例えば、医療用のクリーン循環システム・ポンプであってもよい。
発電機モードで、上記の装置は、スターリング・エンジンで使用してもよい。
これらの線形電動機により駆動されるクーラまたは冷蔵庫の特定用途は、無線通信アンテナの冷却用である。
【実施例３】
【００５３】
図１から図９までの実施例では、コイルは、別々の成型部材の周りに巻かれている。従って、これらの巻かれたコイルをコアにはめ込むことができるためには、コアの組み立て前にコイルをはめ込むことができるようにコア自体は、３つの要素からなっている。その要素の数を最小にし、使用される材料の量を最小にする別の設計原理により、図１０と１１に示した幾分異なる構造が得られる。この更なる実施例では、コア２１０、２２０は、（紙面に平行な）鉄層かまたは軟磁性体合成物から作ることができるワンピース・コアである。
【００５４】
コイル２１５、２１６、２２５、２２６は、トロイダル変圧器のコイルを巻くと同一方法でコイルの周りに巻かれる。こうして、コア２１０、２２０は、あらかじめ巻かれたコイルをはめ込むために分離する必要はない。従って、モータは、非常に簡単な構造であり、ほとんど構成要素を有していない。従って、製造の観点から非常に魅力的である。
軟磁性体合成物からなる図１０のワンピース・コアは、軟鉄層に比較して非常に低いバルク導電率を有している。従って、任意の電流を回避するためにこのコアを積層する必要はなく、三次元磁界の変化は、最小の渦電流損のみで行われるので、設計の融通性を更に大にすることができる。
【００５５】
軟磁性体合成物を使用した場合、電機変換器がより高い周波数で使用することができるように渦電流損は、減少される。従って、コアが積層されている時に磁束がそれ自体（平坦磁界構造のため）コイルを横切って広がる図１から図７までの実施例の極片の付近において、磁界成分と関連した渦電流損の可能性は、減少される。低周波用途の場合に、受容可能なこれらの渦電流損は、高周波での動作が可能なように最小化することができる。
もちろん、図１０の実施例のコイルをある数、図６に示したと同じ方法で１つずつ互いに上に積み重ねることができる。しかし、このような場合、恐らく、各コアは、それ自体の別々のトロイダル・コイルを有することになろう。
【００５６】
コアの更なる精巧例は、図１０と図１１に示される。ラグ２０１は、コアの中に組み込まれているが、これは、モータに構成要素を取り付けることを可能にする１つの方法である。図１１においては、磁気回路の間の漏洩を減少させて実際の極片の近接状態を維持するように、極片２１２、２１４、２２２、２２４が電動機の長手軸Ｚに沿って形成してあるということが理解できる。これは、生じるコアの分離が更に大きくなることにより達成される。それは、極片がコアの残部よりもＺ方向により大きな寸法を有するからである。従って、異なるコアの極片は、依然として共に接近して位置決めされているが、コアの残部は、更に離して位置決めされ、それにより磁束漏洩の減少を達成する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】線形電動機または線形発電機の概略斜視図である。（実施例１）
【図２】図１の線形電動機の軸Ｚに沿う平面図である。
【図３】図１におけるＹ軸とＺ軸により形成された平面を通る断面図である。
【図４】動作中の図１の線形電動機のコアにおける磁束レベルの変化を示す略図である。
【図５】第２実施例による線形電動機の概略斜視図である。（実施例２）
【図６】図５の線形電動機の軸ＹとＺを通る平面で得た断面図である。
【図７】図６に示した線形電動機の変形例である。
【図８】コンプレッサの駆動に線形電動機の一般的な利用を示す略図である。
【図９】コンプレッサの駆動に線形電動機の更なる一般的な利用を示す略図である。
【図１０】本発明による線形電動機の別の実施例の長手軸に沿う平面図である。（実施例３）
【図１１】図１０の平面Ａ−Ａを通る断面図である。
【図１２】図１、図５または図１０の線形電動機の可変リラクタンス実施例用の簡単な駆動回路の回路図である。
【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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