(57)【要約】【課題】鉄損を抑制することができるリニアモータを提供する。【解決手段】実施形態のリニアモータは、固定子及び可動子と、ベースヨーク部と、磁石と、コイルと、対向部と、を持つ。固定子及び可動子は、相互に対向する。ベースヨーク部は、前記固定子及び前記可動子のうちの一方の第１部材が有し、他方の第２部材から離れて配置される。磁石は、前記第１部材及び前記第２部材のうち一方が有する。コイルは、前記第１部材及び前記第２部材のうち他方が有する。対向部は、前記ベースヨーク部の前記第２部材側に配置され、前記第１部材に取り付けられる磁石またはコイルを、前記第２部材との対向面で支持する。対向部は、複数の電磁鋼板を備える。【選択図】図１
2017189017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
相互に対向する固定子及び可動子と、
前記固定子及び前記可動子のうちの一方の第１部材が有し、他方の第２部材から離れて配置されるベースヨーク部と、
前記第１部材及び前記第２部材のうち一方が有する磁石と、
前記第１部材及び前記第２部材のうち他方が有するコイルと、
前記ベースヨーク部の前記第２部材側に配置され、前記第１部材が有する磁石またはコイルを、前記第２部材との対向面で支持する対向部と、を備え、
前記対向部は、複数の電磁鋼板を備える、
リニアモータ。
【請求項２】
前記可動子は、前記磁石を有し、
前記固定子は、前記コイルを有する、
請求項１に記載のリニアモータ。
【請求項３】
前記第１部材及び前記第２部材のうち外側に配置される外側部材は、筒状をなしている、
請求項１または２に記載のリニアモータ。
【請求項４】
前記筒状は、円筒状である、
請求項３に記載のリニアモータ。
【請求項５】
前記複数の電磁鋼板は、前記可動子の移動方向に並設されている、
請求項１から４のうちのいずれか一項に記載のリニアモータ。
【請求項６】
前記電磁鋼板は、中空板状のリング形状をなしている、
請求項１から４のうちのいずれか一項に記載のリニアモータ。
【請求項７】
前記電磁鋼板は、表面に絶縁体を備える、
請求項１から６のうちのいずれか一項に記載のリニアモータ。
【請求項８】
前記可動子は、前記磁石を有し、
前記固定子は、前記ベースヨーク部を有し、
前記可動子における前記磁石の移動範囲は、前記可動子の移動方向における前記ベースヨーク部の長さよりも短い、
請求項１から７のうちのいずれか一項に記載のリニアモータ。
【請求項９】
前記可動子は、前記コイルに流れる電流と前記磁石の磁束との間で生じるローレンツ力によって移動する請求項１から８のうちのいずれか一項に記載のリニアモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、リニアモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、極低温冷凍機用のコンプレッサに用いられるモータとして、ボイスコイルモータといわれるリニアモータがある。従来のリニアモータでは、コイルが可動子に搭載されて移動する。このため、コイルに接続する配線に引き回しに手間がかかった。また、可動型コイルでは、配線が疲労しやすかった。これに対して、磁石が可動子に搭載されて移動するリニアモータがある。しかし、磁石が移動するリニアモータでは、固定子に作用する磁束が変化して渦電流が発生しやすく、固定子の鉄損が大きくなる傾向があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−２０５６８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明が解決しようとする課題は、鉄損を抑制することができるリニアモータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態のリニアモータは、固定子及び可動子と、ベースヨーク部と、磁石と、コイルと、対向部と、を持つ。固定子及び可動子は、相互に対向する。ベースヨーク部は、前記固定子及び前記可動子のうちの一方の第１部材が有し、他方の第２部材から離れて配置される。磁石は、前記第１部材及び前記第２部材のうち一方が有する。コイルは、前記第１部材及び前記第２部材のうち他方が有する。対向部は、前記ベースヨーク部の前記第２部材側に配置され、前記第１部材に取り付けられる磁石またはコイルを、前記第２部材との対向面で支持する。対向部は、複数の電磁鋼板を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１実施形態のリニアモータの側断面図。
【図２】図１のII-II線断面図。
【図３】対向部の斜視図。
【図４】第２実施形態のリニアモータの側断面図。
【図５】図６のV-V線断面図。
【図６】第２実施形態のリニアモータの側面図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、実施形態のリニアモータを、図面を参照して説明する。なお、各実施形態において共通する部材については共通の番号を付し、その説明を省略することがある。
【０００８】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のリニアモータの側断面図、図２は、図１のII-II線断面図である。図１は、図２のI-I線断面図に相当する。リニアモータ１０は、例えば極低温冷凍機用のコンプレッサに用いられる。なお、本明細書においては、リニアモータの軸方向、径方向、及び周方向を、それぞれ単に軸方向、径方向、及び周方向という。
図１に示すように、第１実施形態に係るリニアモータ１０は、固定子（第１部材、外側部材）２０と、可動子（第２部材）３０とを備えている。固定子２０と可動子３０とは相互に対向している。また、可動子３０は、固定子２０の内側に配置されている。
固定子２０は、アウタヨーク（ベースヨーク部）２１と、インナヨーク（対向部）２２と、第１コイル（コイル）２３及び第２コイル（コイル）２４と、を有する。可動子３０は、可動ヨーク３１と、第１永久磁石（磁石）３２及び第２永久磁石（磁石）３３と、を有している。リニアモータ１０は、可動子３０に磁石（第１永久磁石３２及び第２永久磁石３３）が設けられた、いわゆるＭＭ型モータである。
【０００９】
アウタヨーク２１は、筒状をなしている。特に、軸方向に直交する方向に切断した断面が、図２に示すように、円形をなす円筒状をなしている。アウタヨーク２１は、鉄鋼によって形成されている。ただし、鉄鋼以外のステンレス鋼や他の磁性体で形成されていてもよい。アウタヨーク２１は、可動子３０から離れて配置されている。
インナヨーク２２は、アウタヨーク２１における可動子３０側の面である内周面に沿って配設されている。インナヨーク２２は、円筒状をなしている。インナヨーク２２は、第１コイル２３及び第２コイル２４を可動子３０との対向面で支持している。
インナヨーク２２は、図３に示すように、円盤状（中空板状のリング形状）のリング部材２５，２５…を複数備えている。複数のリング部材２５，２５…は、可動子３０の移動方向に並設されている。可動子３０の移動方向は、軸方向である。隣り合うリング部材２５同士の側面は、互いに接触している。インナヨーク２２は、複数のリング部材２５によって円筒状に形成されている。なお、アウタヨーク２１とインナヨーク２２とは、一体であってもよい。
【００１０】
リング部材２５は、例えば珪素鋼板で構成されている。珪素鋼板は、強磁性体に珪素を加えて磁気的な性質を改良した鉄板である。強磁性体としては、コバルト、ニッケル、鉄などが挙げられるが、珪素鋼板では、鉄が用いられている。珪素鋼板では、鉄に珪素が加えられて結晶方位のそろい方や磁区の幅がコントロールされている。
リング部材２５の表面には、例えば、絶縁体が被覆された絶縁処理が施されている。リング部材２５は、表面に絶縁体を備えている。リング部材２５は、絶縁処理により、通電しにくくされている。
【００１１】
第１コイル２３及び第２コイル２４は、いずれもインナヨーク２２の内側面で支持されている。第１コイル２３及び第２コイル２４は、いずれもアウタヨーク２１の回転軸８０を中心として巻かれている。第１コイル２３と第２コイル２４とは、リニアモータ１０の軸方向に離間して配置されている。第１コイル２３の巻き方向は、第２コイル２４の巻き方向とは、逆向きとなっている。なお、第１コイル２３の巻き方向と、第２コイル２４の巻き方向と同じ向きとしてもよい。この場合、第１コイル２３及び第２コイル２４に流れる電流の向きを逆にすればよい。
【００１２】
可動ヨーク３１は、円筒状をなしている。可動ヨーク３１は、アウタヨーク２１及びインナヨーク２２と同軸に配置されている。可動ヨーク３１は、中空部が形成された円筒形状をなしている。中空部が形成されることにより、磁束の量を考慮しながら可動子３０の軽量化が図られている。
第１永久磁石３２及び第２永久磁石３３は、可動ヨーク３１の外周面に取り付けられている。第１永久磁石３２と第２永久磁石３３とは、リニアモータ１０の軸方向に離間して配置されている。第１永久磁石３２と第２永久磁石３３との離間距離は、第１コイル２３と第２コイル２４との離間距離と略同一である。また、第１コイル２３と第２コイル２４との離間距離は、リニアモータ１の有効ストローク、移動範囲、推力等の要因に応じて、同一以外の距離としてもよい。
第１永久磁石３２及び第２永久磁石３３は、いずれもリング状をなしている。また、第１永久磁石３２及び第２永久磁石３３は、リング状が分割されて扇形とされた分割部分が並べられてリング状となっていてもよい。
【００１３】
第１永久磁石３２のＮ極は、アウタヨーク２１の半径方向内側に配置され、Ｓ極は外側に配置されている。第１永久磁石３２の磁化方向は径方向とされている。第２永久磁石３３のＮ極は、アウタヨーク２１の半径方向外側に配置され、Ｓ極は、半径方向内側に配置されている。第２永久磁石３３の磁化方向は径方向とされている。第１永久磁石３２と第２永久磁石３３とでは、Ｓ極とＮ極とが、アウタヨーク２１の半径方向に内側と外側とで逆転して配置されている。また、第１永久磁石３２のＮ極がアウタヨーク２１の半径方向外側、Ｓ極が外側に配置され、第２永久磁石３３のＮ極がアウタヨーク２１の半径方向内側、Ｓ極が外側に配置されていてもよい。
このように、第１永久磁石３２の磁極及び第２永久磁石３３の磁極は、相反して配置されている。また、第１永久磁石３２，第２永久磁石３３、アウタヨーク２１、及び可動子３０は、磁気回路が閉塞するように配置されている。
【００１４】
上記のリニアモータ１０において、第１コイル２３及び第２コイル２４に電流を流すと、第１コイル２３と第１永久磁石３２との間にローレンツ力が生じる。同様に、第２コイル２４と第２永久磁石３３との間にもローレンツ力が生じる。これらのローレンツ力は、リニアモータ１０の軸方向に働く。第１コイル２３及び第２コイル２４に流す電流は、例えば正弦波電流、矩形波電流などの交流電流とすればよい。また、第１コイル２３及び第２コイル２４に流す電流は直流としてもよい。
第１永久磁石３２及び第２永久磁石３３は磁束９０を発生させる。第１永久磁石３２は、径方向外側に向けて磁束９０を発生させる。第２永久磁石３３は、径方向内側に向けて磁束９０を発生させる。磁束９０は、主に第１永久磁石３２、第１コイル２３、インナヨーク２２、アウタヨーク２１、インナヨーク２２、第２コイル２４、第２永久磁石３３、可動ヨーク３１の間をこの順で循環して通過する。
【００１５】
このとき、第１コイル２３と第１永久磁石３２との間に生じたローレンツ力は、第２コイル２４と第２永久磁石３３との間に生じたローレンツ力と同じ方向に働く。可動子３０は、このローレンツ力によって、軸方向に移動する。可動子３０における第１永久磁石３２及び第２永久磁石３３の移動範囲は、可動子３０の移動方向におけるアウタヨーク２１の長さより短くされている。
インナヨーク２２は、珪素鋼板で形成された複数のリング部材２５が並設されて形成されている。磁束９０は、インナヨーク２２を主に半径方向に流れ、アウタヨーク２１に到達する。アウタヨーク２１は筒状をなしており、磁束９０は、アウタヨーク２１を主に軸方向に流れる。
【００１６】
また、第１コイル２３と第２コイル２４に供給する電流の向きを反転させた場合を考える。この場合、第１コイル２３，第２コイル２４と第１永久磁石３２，第２永久磁石３３との間のローレンツ力は、やはり軸方向に働く。また、第１コイル２３と第２コイル２４に供給する電流の向きを反転させた場合、ローレンツ力が働く方向は、軸方向の反対側に反転する。
可動子３０は、第１コイル２３と第２コイル２４に供給する電流の向きを反転することによって、往復運動を行う。可動子３０の往復運動の範囲は、適宜決定できるが、例えばアウタヨーク２１の幅（軸方向の長さ）よりもわずかに短い範囲内とされている。また、可動子３０の往復運動の範囲は、アウタヨーク２１の幅の範囲内としてもよいし、アウタヨーク２１の幅の範囲内を超えた範囲としてもよい。
【００１７】
上記のリニアモータ１０では、固定子２０に珪素鋼板からなるリング部材２５が複数並設されたインナヨーク２２が設けられている。
仮に、リニアモータ１０の固定子２０にインナヨーク２２が設けられていない場合を想定する。このとき、磁束９０が通過する第１コイル２３とアウタヨーク２１との間、及びアウタヨーク２１と第２コイル２４との間で渦電流が生じることがある。この渦電流は、アウタヨーク２１内を径方向に流れる磁束の変化によって発生することが考えられる。この渦電流によって渦電流損が生じ、鉄損が大きくなることがある。
この点、リニアモータ１０では、第１コイル２３とアウタヨーク２１との間、及びアウタヨーク２１と第２コイル２４との間にインナヨーク２２が設けられている。インナヨーク２２は、珪素鋼板からなるリング部材２５を複数並設して形成されている。このため、インナヨーク２２に生じる渦電流は、リング部材２５の厚さ程度の径の渦電流で済ませることができると考えられる。したがって、渦電流損を小さくすることができる。
インナヨーク２２と第２コイル２４との間においても、同様にして渦電流の発生を抑制することができる。したがって、渦電流損を小さくすることができる。よって、リニアモータ１０における鉄損を抑制することができる。
【００１８】
また、上記のリニアモータ１０には、インナヨーク２２のほかにアウタヨーク２１が設けられている。このため、インナヨーク２２をアウタヨーク２１によって補強できるので、リニアモータ１０の剛性を高めることができる。さらに、アウタヨーク２１が鉄鋼であることにより、リニアモータ１０の剛性をより高めることができる。
また、可動子３０の外周に磁石が配置されるので、磁石に近い固定子２０の内周側には大きな磁束が作用する。そのため、磁石から遠い固定子２０の外周側と比較して、固定子２０の内周側では大きな渦電流が発生する。これに対して、本実施形態では、固定子２０の内周側に珪素鋼板で形成されたインナヨーク２２が配置されているので、渦電流損を効果的に抑制することができる。
【００１９】
また、上記のリニアモータ１０は、筒状をなしている。このため、軸方向の両端部を閉塞することにより、リニアモータ１０に気体などを封入しやすくできる。したがって、リニアモータ１０を極低温冷凍機用のコンプレッサとして好適に利用することができる。また、リニアモータ１０は、円筒状である。このため、リニアモータ１０内の圧力を均等にしやすくできる。したがって、より好適にリニアモータ１０を極低温冷凍機用のコンプレッサとして利用することができる。
【００２０】
また、上記のリニアモータ１０において、可動子３０における第１永久磁石３２及び第２永久磁石３３の移動範囲は、可動子３０の移動方向におけるアウタヨーク２１の長さより短くされている。これにより、アウタヨーク２１の端部近傍に可動子３０が移動した場合でも、固定子２０に作用する磁束量の減少を抑制できる。磁束量の減少の抑制によって、リニアモータ１０のコギングを抑制することができる。
可動子に磁石が設けられたＭＭ型モータは、一般的に長寿命であり、メンテナンスフリー性に長けている。さらに、上記のリニアモータ１０では、コギングを抑制することができるので、長寿命化及びメンテナンスフリー性がさらに高くされている。
【００２１】
また、上記のリニアモータ１０では、珪素鋼板からなる複数のリング部材２５が軸方向に並設されたインナヨーク２２のほかに、アウタヨーク２１が設けられている。珪素鋼板は、固くて脆い材料であるため、組み付けのためなどにインナヨーク２２にタップを切るなどの加工が難しい。このため、組付性の低下などが懸念される。この点、上記のリニアモータ１０では、アウタヨーク２１にタップを切るなどの加工を容易に施すことができる。したがって、組付性の低下を抑制できる。
【００２２】
ところで、支持部材としては、圧粉鉄心を筒状に形成したものを用いることも考えられる。圧粉鉄心とは、磁性材料を粉末にして表面を絶縁皮膜で覆い、結合剤を混ぜて加圧性形成した鉄心である。
ところが、圧粉鉄心は焼結によって製造されるので、タップを切りなどの加工は難しい点は珪素鋼板と同様である。また、圧粉鉄心は、大掛かりな型を用いて製造されるものであるので、その製造に手間がかかる。この点、珪素鋼板は、簡素な型で製造することができる。しかも、上記のリニアモータ１０では、珪素鋼板からなる複数のリング部材２５によってインナヨーク２２を形成する。このため、リング部材２５は小さなものとできるので、リング部材２５の製造はより簡素なもので済ませることができる。
このように、インナヨーク２２は、簡素な型等で製造できるので、リニアモータ１０は、圧粉鉄心によって支持部材を設ける場合と比較して、容易に製造することができる。
【００２３】
また、軸方向に連続した板状の珪素鋼板を、径方向に沿わせて周方向に複数並設することが考えられる。このように複数の珪素鋼板を設けた場合にも、渦電流の発生を抑制できると考えられる。
しかし、珪素鋼板をこのように周方向に並設すると、珪素鋼板同士の間に隙間が生じてしまうため、剛性の低下を招く恐れがある。また、珪素鋼板は、固くて脆い材料であるため、タップを切るなどの加工が難しく、組付性の低下を招く恐れがある。この点、上記のリニアモータ１０では、アウタヨーク２１が設けられ、アウタヨーク２１の内側面に設けられたインナヨーク２２によって第１コイル２３及び第２コイル２４が支持されている。
インナヨーク２２とアウタヨーク２１との間では、隙間を小さくできるので、剛性の低下を抑制することができる。また、アウタヨーク２１に対してタップを切るなどの加工ができるので、組付性の低下を抑制することができる。
【００２４】
（第２実施形態）
図４は、第２実施形態のリニアモータの側断面図、図５は、図６のV-V線断面図、図６は、第２実施形態のリニアモータの側面図である。図４は、図５のIV-IV線断面図に相当する。第２実施形態のリニアモータは、アウタヨークにスリットが設けられている点で、第１実施形態と異なっている。第２実施形態のリニアモータにつき、第１実施形態と同様の部分については、説明を省略する場合がある。
図４に示すように、第２実施形態に係るリニアモータ４０は、固定子５０と、可動子３０と、を備えている。可動子３０は、上記第１実施形態と共通する構成を備えている。固定子５０と可動子３０とは相互に対向している。また、可動子３０は、固定子５０の内側に配置されている。
固定子５０は、アウタヨーク５１と、インナヨーク２２と、第１コイル２３及び第２コイル２４と、を有する。インナヨーク２２、第１コイル２３、及び第２コイル２４は、上記第１実施形態と共通する構成を有している。
【００２５】
アウタヨーク５１は、筒状、さらには円筒状をなしている。この点は、上記第１実施形態と共通する。アウタヨーク５１は、複数のスリット５２，５２…を備えている。複数のスリット５２，５２…は、図５及び図６に示すように、いずれも軸方向に沿って設けられている。
複数のスリット５２，５２…は、周方向に略等間隔で離間して配置されている。このため、隣り合うスリット５２，５２同士の間の距離は、一定とされている。また、スリット５２，５２…は、アウタヨーク５１の軸方向の長さよりも短い。このため、スリット５２の両端部には、アウタヨーク５１の一部が残されている。
【００２６】
上記のリニアモータ４０では、固定子２０に珪素鋼板からなるリング部材２５が複数並設されたインナヨーク２２が設けられている。このため、インナヨーク２２において大きな渦電流の発生を抑制することができる。したがって、渦電流損を小さくすることができるので、リニアモータ４０における鉄損を抑制することができる。
【００２７】
また、上記のリニアモータ４０では、アウタヨーク５１に複数のスリット５２，５２…が設けられている。このため、インナヨーク２２に加えてアウタヨーク５１においても磁束の流れによる渦電流をより小さくすることができるので、さらなる鉄損の抑制を図ることができる。
また、アウタヨーク５１にはスリット５２，５２が設けられているが、軸方向の両端部には、鉄鋼からなるアウタヨーク５１の一部が残されている。このため、アウタヨーク５１の剛性の低下が抑制されている。したがって、リニアモータ１０の剛性を確保しながら、渦電流による鉄損の抑制を好適に図ることができる。
【００２８】
上記のリニアモータ１０では、可動子に永久磁石が設けられ、固定子にコイルが設けられていたる。これに対して、可動子にコイルが設けられ、固定子に永久磁石が設けられていてもよい。この場合、可動子の可動ヨークの固定子側にコイルを設け、固定子のアウタヨークの可動子側に永久磁石を設ければよい。また、支持部材は、可動子に設けられ、可動ヨークとコイルとの間に設ければよい。
また、電磁鋼板で形成された支持部材を可動子に設けてもよい。この場合には、可動子の外周側に支持部材を配置し、可動子の内周側に可動ヨークを配置して、可動ヨークにより支持部材を補強する。一方の固定子はアウタヨークのみで形成する。この場合、固定子にコイルを設け可動子に永久磁石を設けてもよいし、固定子に永久磁石を設け可動子にコイルを設けてもよい。
また、上記のリニアモータ１０では、固定子２０の内側に可動子３０が配置されているが、可動子の内側に固定子が配置されるようにしてもよい。この場合、固定子にコイルを設け、可動子に永久磁石を設けてもよいし、固定子に永久磁石を設け、可動子にコイルを設けてもよい。
また、上記のリニアモータ１０は、外側部材となる固定子２０が円筒状とされているが、他の筒状であってもよい。例えば、外側部材は、断面が多角形の角筒状であってもよいし、断面が楕円形の楕円筒状であってもよい。また、外側部材は、筒状以外のＵ字形状等の形状であってもよい。
【００２９】
また、インナヨーク２２を構成するリング部材２５は、珪素鋼板で形成されているが、珪素鋼板以外の電磁鋼板で形成されていてもよい。また、リング部材２５には、絶縁体が被覆された絶縁処理が施されているが、絶縁処理が施されていないものとしてもよい。また、リング部材は、外側部材が円筒形状以外の筒状である場合には、外側部材の断面形状に即した形状とすればよい。例えば、外側部材が四角筒状である場合には、四角形状の中空の板材とすればよい。
【００３０】
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、複数の電磁鋼板を備える支持部材を持つことにより、鉄損を抑制できる。また、支持部材がアウタヨークとともに配置されることにより、リニアモータの剛性を確保することができる。
【００３１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３２】
１０…リニアモータ、２０…固定子（第１部材、外側部材）、２１…アウタヨーク（ベースヨーク部）、２２…インナヨーク（対向部）、２３…第１コイル（コイル）、２４…第２コイル（コイル）、２５…リング部材（電磁鋼板）、３０…可動子（第２部材）、３１…可動ヨーク、３２…第１永久磁石（磁石）、３３…第２永久磁石（磁石）、４０…リニアモータ、５０…固定子、５１…アウタヨーク、５２…スリット、８０…回転軸、９０…磁束
【図１】
2017189017.tif 000003
【図２】
2017189017.tif 000004
【図３】
2017189017.tif 000005
【図４】
2017189017.tif 000006
【図５】
2017189017.tif 000007
【図６】
2017189017.tif 000008