(57)【要約】  【課題】  リニアモータの体積を変えることなく推力を調整できるリニアモータの推力調整方法、及びこの推力調整方法を実施するのに適した構造のリニアモータを提供する。  【解決手段】  リニアモータ２０の固定子コイル２１には複数箇所に巻線のたるみ部２１ａが形成される。選択したたるみ部２１ａ同士を短絡することによりリニアモータ２０の推力の調整を行う。導電クリップ１００が複数個のたるみ部２１ａを挟むことにより短絡が実行される。たるみ部２１ａは所定数のコイルターン毎に形成されるとともに、固定子コイル２１の軸線方向に整列している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子コイルの複数箇所に巻線のたるみ部を形成し、選択したたるみ部同士を短絡することにより推力調整を行うことを特徴とするリニアモータの推力調整方法。
【請求項２】
単一の導電クリップが複数個のたるみ部を挟むことによりたるみ部同士の短絡が遂行されることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータの推力調整方法。
【請求項３】
短絡線の両端の導電クリップがそれぞれ異なるたるみ部を挟むことによりたるみ部同士の短絡が遂行されることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータの推力調整方法。
【請求項４】
固定子コイルの複数箇所に巻線のたるみ部が形成されることを特徴とするリニアモータ。
【請求項５】
前記固定子コイルにおいて、所定数のコイルターン毎に前記たるみ部が形成されることを特徴とする請求項４に記載のリニアモータ。
【請求項６】
前記固定子コイルにおいて、前記複数のたるみ部が固定子コイルの軸線方向に整列することを特徴とする請求項４又は５に記載のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリニアモータの推力調整方法及びこの推力調整方法を適用されるリニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
現今、リニアモータは様々な分野で使用されている。リニアモータの使用にあたり、推力調整の要請が生じることは必然と言える。推力調整を可能としたリニアモータの例を特許文献１、２に見ることができる。特許文献１に記載されたリニアモータでは電機子の追加によって推力を調整し、特許文献２に記載されたリニアモータではコイルユニットの装着個数により推力を調整している。
【特許文献１】特開２００２−１７１７４１号公報（第３−５頁、図１、３）
【特許文献１】特開２００３−２４４９２８号公報（第２−３頁、図２、４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１、２に記載されたリニアモータは電機子やコイルユニットの数の増減により推力を調整しており、推力調整の実施に伴い電機子全体あるいはコイルユニット全体の体積が大きく変動する。ところでリニアモータはスターリング機関でも使用されているが、スターリング機関では決められた容積の中に構成要素がきっちりと配置されており、リニアモータの体積の変動は許容の余地がない。またスターリング機関におけるリニアモータの推力（α値）の調整は微調整で足り、整数倍で増減するような大幅な推力調整は必要がない。
【０００４】
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、リニアモータの体積を変えることなく推力を調整できるリニアモータの推力調整方法、及びこの推力調整方法を実施するのに適した構造のリニアモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）本発明では、固定子コイルの複数箇所に巻線のたるみ部を形成し、選択したたるみ部同士を短絡することにより推力調整を行う。
【０００６】
（２）前記推力調整は、単一の導電クリップが複数個のたるみ部を挟んでたるみ部同士が短絡されることにより遂行される。
【０００７】
（３）前記推力調整は、短絡線の両端の導電クリップがそれぞれ異なるたるみ部を挟んでたるみ部同士が短絡されることにより遂行される。
【０００８】
（４）本発明に係るリニアモータでは、固定子コイルの複数箇所に巻線のたるみ部が形成される。
【０００９】
（５）前記構造のリニアモータにおいて、所定数のコイルターン毎に前記たるみ部が形成される。
【００１０】
（６）前記構造のリニアモータにおいて、前記複数のたるみ部が固定子コイルの軸線方向に整列する。
【発明の効果】
【００１１】
（１）固定子コイルの複数箇所に巻線のたるみ部を形成し、選択したたるみ部同士を短絡することにより推力調整を行うものであるから、固定子コイルの体積は一定のままで推力調整を行うことができる。これにより、一定容積の空間内にリニアモータをはじめとする構成要素を配置する場合でも、推力調整により固定子コイルの体積が増減して配置に困難をきたすようなことがない。
【００１２】
また、リニアモータをスターリング機関で使用する場合、スターリング機関毎のα値のばらつきが少なくなれば、ストローク検知精度が高くなり、精度の高い運転が可能となる。すなわち高（大）ストロークでも安全な運転が可能となるため、高出力運転が可能となる。スターリング冷凍機であれば冷凍能力を高くとれるということになる。
【００１３】
（２）単一の導電クリップで複数個のたるみ部を挟んで推力調整を実現するから、推力調整が容易である。
【００１４】
（３）短絡線の両端の導電クリップで異なるたるみ部を挟んで推力調整を実現するから、推力調整が容易である。
【００１５】
（４）リニアモータにおいて、固定子コイルの複数箇所に巻線のたるみ部を形成したから、たるみ部同士の短絡による推力調整を実現することができる。
【００１６】
（５）所定数のコイルターン毎にたるみ部が形成されるから、どのたるみ部同士を短絡すれば推力がいかほど調整されるかを正確に計算することができる。
【００１７】
（６）複数のたるみ部が固定子コイルの軸線方向に整列するから、適宜の組み合わせを選び出して短絡する作業を容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
最初に、リニアモータがスターリング機関の中でどのように使用されているかを図６、７に基づき説明する。図６はスターリング機関の断面図、図７はリニアモータの外観斜視図である。
【００１９】
スターリング機関１の組立の中心となるのはシリンダ１０、１１である。シリンダ１０、１１の軸線は同一直線上に並ぶ。シリンダ１０にはピストン１２が挿入され、シリンダ１１にはディスプレーサ１３が挿入される。ピストン１２及びディスプレーサ１３は、スターリング機関１の運転中、後述するガスベアリングによりシリンダ１０、１１の内壁に接触することなく往復運動する。ピストン１２とディスプレーサ１３は所定の位相差を備えて動く。
【００２０】
ピストン１２の一方の端にはカップ状のマグネットホルダ１４が固定される。ディスプレーサ１３の一方の端からはディスプレーサ軸１５が突出する。ディスプレーサ軸１５はピストン１２及びマグネットホルダ１４を軸線方向に自由にスライドできるように貫通する。
【００２１】
シリンダ１０はピストン１２の動作領域にあたる部分の外側にリニアモータ２０を保持する。リニアモータ２０は、固定子コイル２１を備えた外側ヨーク２２と、シリンダ１０の外周面に接するように設けられた内側ヨーク２３と、外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間の環状空間に挿入されたリング状のマグネット２４と、外側ヨーク２２を囲む管体２５と、外側ヨーク２２、内側ヨーク２３、及び管体２５を所定の位置関係に保持する合成樹脂製エンドブラケット２６、２７とを備える。マグネット２４はマグネットホルダ１４に固定されている。図７には、外側ヨークやエンドブラケットなどによって構成される、リニアモータ２０の外側部分の形状が示されている。
【００２２】
マグネットホルダ１４のハブの部分にはスプリング３０の中心部が固定される。ディスプレーサ軸１５にはスプリング３１の中心部が固定される。スプリング３０、３１の外周部はエンドブラケット２７に固定される。スプリング３０、３１の外周部同士の間にはスペーサ３２が配置されており、これによりスプリング３０、３１は一定の距離を保つ。スプリング３０、３１は円板形の素材にスパイラル状の切り込みを入れたものであり、ディスプレーサ１３をピストン１２に対し所定の位相差（一般的には約９０゜の位相差）をもたせて共振させる役割を果たす。
【００２３】
シリンダ１１のうち、ディスプレーサ１３の動作領域にあたる部分の外側には伝熱ヘッド４０、４１が配置される。伝熱ヘッド４０はリング状、伝熱ヘッド４１はキャップ状であって、いずれも銅や銅合金など熱伝導の良い金属からなる。伝熱ヘッド４０、４１は各々リング状の内部熱交換器４２、４３を介在させた形でシリンダ１１の外側に支持される。内部熱交換器４２、４３はそれぞれ通気性を有し、内部を通り抜ける作動ガスの熱を伝熱ヘッド４０、４１に伝える。伝熱ヘッド４０にはシリンダ１０及び圧力容器５０が連結される。
【００２４】
伝熱ヘッド４０、シリンダ１０、１１、ピストン１２、ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及び内部熱交換器４２で囲まれる環状の空間は圧縮空間４５となる。伝熱ヘッド４１、シリンダ１１、ディスプレーサ１３、及び内部熱交換器４３で囲まれる空間は膨張空間４６となる。
【００２５】
内部熱交換器４２、４３の間には再生器４７が配置される。再生器４７は容器に金網などの充填材（マトリックス）を詰め込んだり、金属薄板や合成樹脂フィルムをコイル状に巻いたりして形成したものであって、作動ガスが通る空隙を内部に有する。再生器４７の外側を再生器チューブ４８が包む。再生器チューブ４８は伝熱ヘッド４０、４１の間に気密通路を構成する。
【００２６】
リニアモータ２０、シリンダ１０、及びピストン１２を覆う筒状の圧力容器が胴体部５０を形成する。胴体部５０の内部はバウンス空間５１となる。
【００２７】
胴体部５０の構造は次のようになっている。すなわち胴体部５０は、伝熱ヘッド４０に接合されるリング状部５２と、このリング状部５２に接合されるキャップ状部５３とに２分割されている。リング状部５２、キャップ状部５３ともステンレス鋼製である。リング状部５２の一端はテーパ状に絞り込まれ、伝熱ヘッド４０にロウ付けされる。キャップ状部５３はパイプの内面に鏡板５３ａを溶接した構造である。
【００２８】
リング状部５２の他端と、これに向かい合うキャップ状部５３の開口端には、フランジ形状部５４、５５が設けられる。フランジ形状部５４、５５はいずれもステンレス鋼製のリングをリング状部５２とキャップ状部５３に溶接して形成されるものであり、最終的にはフランジ形状部５４、５５を溶接して密閉状態の胴体部５０を形成する。
【００２９】
胴体部５０には、リニアモータ２０に電力を供給するための端子部２８と、内部に作動ガスを封入するためのパイプ５０ａが配置される。これらはいずれもキャップ状部５３の外周面から放射方向に突出するように設けられる。
【００３０】
胴体部５０には振動抑制装置６０が取り付けられる。振動抑制装置６０は、胴体部５０に固定されるベース６１と、ベース６１に支持される板状のスプリング６２と、スプリング６２に支持されるマス（質量）６３とから成る。
【００３１】
ピストン１２の内部は空洞８０となっている。空洞８０はピストン１２の端面に配置される逆止弁９０を介して圧縮空間４５に連通する。ピストン１２の外周面にはガスベアリングを形成する凹部８１が同一円周上に所定の角度間隔で複数個配置されている。凹部８１の底部にはピストン１２を貫通する形で金属細管８２が打ち込まれ、この金属細管８２を通じて空洞８０から凹部８１に作動ガスが供給される。凹部８１の環状列はピストン１２の軸線方向に間隔を置いて２箇所以上形成する。すなわちガスベアリングを２箇所以上に形成する。
【００３２】
ディスプレーサ１３の内部も空洞８５となっている。空洞８５はディスプレーサ１３の端面に配置される逆止弁９０を介して圧縮空間４５に連通する。ディスプレーサ１３の外周面にはガスベアリングを形成する凹部８６が同一円周上に所定の角度間隔で複数個配置されている。凹部８６の底部に打ち込まれた金属細管８７を通じて空洞８５から凹部８６に作動ガスが供給される。
【００３３】
スターリング機関１は次のように動作する。リニアモータ２０のコイル２１に交流電流を供給すると外側ヨーク２２と内側ヨーク２３の間にマグネット２４を貫通する磁界が発生し、マグネット２４は軸方向に往復する。ピストン系（ピストン１２、マグネットホルダ１４、マグネット２４、及びスプリング３０）の総質量と、スプリング３０のバネ定数とにより定まる共振周波数に一致する周波数の電力を供給することにより、ピストン系は滑らかな正弦波状の往復運動を開始する。
【００３４】
ディスプレーサ系（ディスプレーサ１３、ディスプレーサ軸１５、及びスプリング３１）にあっては、その総質量と、スプリング３１のバネ定数とにより定まる共振周波数がピストン１２の駆動周波数に共振するよう設定する。
【００３５】
ピストン１２の往復運動により、圧縮空間４５では圧縮、膨脹が繰り返される。この圧力の変化に伴って、ディスプレーサ１３も往復運動を行う。このとき、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間の流動抵抗等により、ディスプレーサ１３とピストン１２との間には位相差が生じる。このようにしてフリーピストン構造のディスプレーサ１３はピストン１２と所定の位相差を有して同期して振動する。
【００３６】
上記の動作により、圧縮空間４５と膨脹空間４６との間にスターリングサイクルが形成される。圧縮空間では等温圧縮変化に基いて作動ガスの温度が上昇し、膨脹空間４６では等温膨脹変化に基づいて作動ガスの温度が低下する。このため、圧縮空間４５の温度は上昇し、膨張空間４６の温度は下降する。
【００３７】
運転中に圧縮空間４５と膨張空間４６の間を往復する作動ガスは、内部熱交換器４２、４３を通過する際に、その有する熱を内部熱交換器４２、４３を通じて伝熱ヘッド４０、４１に伝える。圧縮空間４５から再生器４７へ流れ込む作動ガスは高温であるため伝熱ヘッド４０は加熱され、伝熱ヘッド４０はウォームヘッドとなる。膨張空間４６から再生器４７へ流れ込む作動ガスは低温であるため伝熱ヘッド４１は冷却され、伝熱ヘッド４１はコールドヘッドとなる。伝熱ヘッド４０より熱を大気へ放散し、伝熱ヘッド４１で特定空間の温度を下げることにより、スターリング機関１は冷凍機関としての機能を果たす。
【００３８】
再生器４７は、圧縮空間４５と膨張空間４６の熱を相手側の空間には伝えず、作動ガスだけを通す働きをする。圧縮空間４５から内部熱交換器４２を経て再生器４７に入った高温の作動ガスは、再生器４７を通過するときにその熱を再生器４７に与え、温度が下がった状態で膨張空間４６に流入する。膨張空間４６から内部熱交換器４３を経て再生器４７に入った低温の作動ガスは、再生器４７を通過するときに再生器４７から熱を回収し、温度が上がった状態で圧縮空間４５に流入する。すなわち再生器４７は熱の保管庫としての役割を果たす。
【００３９】
ピストン１２とディスプレーサ１３が往復運動し、作動ガスが移動すると、スターリング機関１に振動が生じる。振動抑制装置６０がこの振動を抑える。
【００４０】
圧縮空間４５の中の高圧の作動ガスの一部は逆止弁９０を通じてピストン１２の空洞８０及びディスプレーサ１３の空洞８５に入り込む。そして凹部８１、８６から噴出する。噴出する作動ガスにより、ピストン１２の外周面とシリンダ１０の内周面との間、またディスプレーサ１３の外周面とシリンダ１１の内周面の間にガスの膜が形成され、ピストン１２とシリンダ１０との接触、またディスプレーサ１３とシリンダ１１との接触が防がれる。このため接触部の摩擦によるエネルギー損失、あるいは接触部の摩耗といった問題が発生しない。
【００４１】
スターリング機関１が所期の性能を発揮するにはピストン系が滑らかな正弦波状の往復運動を行うことが必要であり、これにはピストン系の質量、外部との摩擦、ばね定数などとともに、リニアモータ２０の推力（α値）の持つ意味が大きい。つまりピストン系の滑らかな動きを追求するにあたってはリニアモータの推力調整が不可欠となる。そこで本発明では、次のようにしてリニアモータの推力調整を可能とした。以下その第１実施形態を図１〜３に基づき説明する。図１はリニアモータ固定子コイル短絡状況を示す斜視図、図２は図１の部分拡大断面図、図３は導電クリップがコイル巻線を挟んだ状況を示す部分拡大側面図である。
【００４２】
リニアモータ２０の固定子コイル２１には、複数箇所に巻線のたるみ部２１ａが形成されている。たるみ部２１ａは、所定数のコイルターン毎に、例えば５ターン毎に１個とか、１０ターン毎に１個とかいった具合に形成される。これらのたるみ部２１ａは固定子コイル２１の軸線方向に整列するように設けられている。
【００４３】
スターリング機関１の組立が完了した時点で、仮の胴体部をかぶせ、ストロークを測定しながら運転する。測定したストロークと電圧電流からα値を計算する。計算したα値に基づき、コイルターンをいくつ短絡すれば良いかを計算する。コイルターンの数が５００であれば、１ターン短絡することによりα値を０．２％調整できることになる。
【００４４】
そこで、複数個のたるみ部２１ａの中から、必要数のコイルターンを短絡できるか、あるいは必要数と全く同じでなくても近似した数のコイルターンを短絡できる組み合わせを選び出し、導電クリップ１００で短絡する。
【００４５】
導電クリップ１００は真鍮のような導電性と硬度を兼ね備えた金属からなり、１対の平行なジョー１００ａを備えたコ字形の形状を呈している。図３に見られるように、ジョー１００ａ、１００ａは山形のエッジ部を向かい合わせている。このジョー１００ａ、１００ａの間にたるみ部２１ａを通しておいてペンチのような工具で圧力を加え、導電クリップ１００を変形させる（かしめる）と、山形のエッジ部がたるみ部２１ａのエナメル被覆を突き破り、導電クリップ１００とたるみ部２１ａは電気的に接続する。これによりたるみ部２１ａ同士が短絡される。短絡されたたるみ部２１ａ同士の間に位置するコイルターンは磁力発生に寄与しなくなり、リニアモータ２０の推力が変わる。
【００４６】
このように、固定子コイル２１の複数箇所に巻線のたるみ部２１ａを形成し、選択したたるみ部２１ａ同士を短絡することにより推力調整を行うものであるから、固定子コイル２１は体積一定のままで推力調整を行うことができる。このため、固定子コイル２１の体積が変化して胴体部５０の中に配置するのに困難をきたすようなことがない。また導電クリップ１００で複数個のたるみ部２１ａを挟んで推力調整を実現するものであるから、推力調整が容易であるとともに、そのための部品コストも安くて済む。さらに、所定数のコイルターン毎にたるみ部２１ａが形成されるから、どのたるみ部２１ａ同士を短絡すれば推力がいかほど調整されるかを正確に計算することができる。また、たるみ部２１ａは固定子コイル２１の軸線方向に整列するから、適宜の組み合わせを選び出して短絡する作業を容易に行うことができる。
【００４７】
また、スターリング機関１毎のα値のばらつきが少なくなれば、ストローク検知精度が高くなり、精度の高い運転が可能となる。すなわち高（大）ストロークでも安全な運転が可能となるため、高出力運転が可能となる。スターリング機関１を冷凍機として使用するのであれば、冷凍能力を高くとれるということになる。
【００４８】
第２実施形態を図４、５に示す。図４はリニアモータ固定子コイル短絡状況を示す斜視図、図５は図４の部分拡大断面図である。
【００４９】
第２実施形態では、両端に導電クリップ１１１を備えた短絡線１１０を使用する。短絡線１１０は銅やアルミニウムの単線又は撚り線からなる。導電クリップ１１１は第１実施形態の導電クリップ１００と基本的に同じ構造であるが、たるみ部２１ａを１個だけ挟めば良いので、導電クリップ１００よりも長さが短い。２個の導電クリップ１１１で異なるたるみ部２１ａを挟むことにより、たるみ部２１ａ同士が短絡される。この第２実施形態の場合、途中のたるみ部２１ａをまたぎ越せるので、大幅な推力調整も楽に行うことができる。
【００５０】
以上本発明の実施形態につき説明したが、発明の主旨を逸脱しない範囲でさらに種々の変更を加えて実施することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明は、固定子コイルを備えたリニアモータ全般に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】第１実施形態に係るリニアモータ固定子コイル短絡状況を示す斜視図
【図２】図１の部分拡大断面図
【図３】導電クリップがコイル巻線を挟んだ状況を示す部分拡大側面図
【図４】第２実施形態に係るリニアモータ固定子コイル短絡状況を示す斜視図
【図５】図４の部分拡大断面図
【図６】リニアモータを使用するスターリング機関の断面図
【図７】図５のリニアモータの外観斜視図
【符号の説明】
【００５３】
１    スターリング機関
２０  リニアモータ
２１  固定子コイル
２１a  たるみ部
１００  導電クリップ
１１０  短絡線
１１１  導電クリップ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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