WO2019017028A1 - 往復動式リニアモータ - Google Patents

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WO2019017028A1
WO2019017028A1 PCT/JP2018/015966 JP2018015966W WO2019017028A1 WO 2019017028 A1 WO2019017028 A1 WO 2019017028A1 JP 2018015966 W JP2018015966 W JP 2018015966W WO 2019017028 A1 WO2019017028 A1 WO 2019017028A1
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force
mover
linear motor
reciprocating
armature
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PCT/JP2018/015966
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French (fr)
Inventor
海斗 堀田
渉 初瀬
小山　昌喜
鈴木　尚礼
修平 永田
智弘 小松
Original Assignee
日立オートモティブシステムズ株式会社
株式会社日立産機システム
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors

Definitions

  • the present invention relates to a reciprocating linear motor.
  • a restoring force such as a force by an elastic body or a magnetic attraction force (detent force) at which a permanent magnet of a mover and a magnetic pole of a coil attract each other is required.
  • Patent Document 1 As a reciprocating linear motor, one described in JP-A-2016-101019 (Patent Document 1) is known.
  • the reciprocating linear motor of Patent Document 1 has an armature having two magnetic poles aligned in the Z direction and a winding wound around each of the two magnetic poles, and a permanent magnet in the Z direction with respect to the armature.
  • a winding comprising a relatively moving mover, a first auxiliary magnetic pole provided between two magnetic poles, and a bridge provided between the first auxiliary magnetic pole and the magnetic pole, and wound around each of the two magnetic poles Wires are connected electrically (see abstract).
  • the reciprocating linear motor includes the first auxiliary magnetic pole to reduce the maximum amplitude value of the detent force (magnetic attraction force) received by the permanent magnet, thereby improving controllability.
  • Patent Document 1 Although the detent force is reduced by providing the first auxiliary magnetic pole in the reciprocating linear motor to improve the controllability, the non-linearity of the restoring force combined with the resonance spring is considered. Is not considered.
  • the non-linearity of the restoring force may be increased to make control difficult.
  • An object of the present invention is to provide a well-controllable reciprocating linear motor in consideration of the nonlinearity of an elastic body.
  • the linear motor of the present invention is An armature having a magnetic pole tooth and a winding, a field element having a permanent magnet, and an elastic body for giving an elastic force to the armature or the field element, the armature or the field element
  • FIG. 1 is a perspective view of a reciprocating linear motor 100 according to an embodiment of the present invention. It is XZ plane sectional drawing of the linear motor 100 shown to FIG. 1A.
  • FIG. 6 is a schematic view showing an XZ cross section of the linear compressor 200. It is a related figure of detent force to displacement of mover 110. It is a related figure of the elastic force to the displacement of mover 110, detent force, and its resultant force. It is a related figure of the elastic force to the displacement of mover 110, detent force, and its resultant force.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an appearance of a linear compressor 200 using a linear motor 100 according to the present invention. It is principal part sectional drawing of the linear compressor 200 shown to FIG. 6A. It is a block diagram of the refrigerator 2001 using the linear motor 100 which concerns on this invention. It is a block diagram of the air suspension 3004 for vehicles using the linear motor 100 which concerns on this invention.
  • the various components of the embodiment to be described later do not necessarily have to be individually independent, and a plurality of components are formed as one member, and one component is formed of a plurality of members. Allow one component to be part of another component, overlap between part of one component and part of another component, and so on.
  • FIG. 1A is a perspective view of a reciprocating linear motor 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is an XZ plan sectional view of the linear motor 100 shown in FIG. 1A.
  • the linear motor 100 includes a field element 110 having three permanent magnets 111 and an armature 120.
  • a configuration in which the field element 110 is a mover and the armature 120 is a stator will be described.
  • the field element 110 may be a stator, and the armature 120 may be a mover.
  • the field element 110 will be described by being called a mover.
  • the armature 120 has two magnetic poles 121, four windings 122, a spacer 124 provided between the two magnetic poles 121, and two end bridges 123.
  • Each magnetic pole 121 has two pole teeth 121u and 121d (pole tooth set 121a) opposed to each other with a gap in the Z direction, and a winding 122 is wound around each pole tooth 121u and 121d. There is.
  • the mover 110 is located in the air gap between the magnetic pole tooth set 121 a and moves relative to the armature 120 in the X direction.
  • the mover 110 has three permanent magnets 111 and a frame 112 for fixing the permanent magnets 111.
  • a voltage is applied to the winding of the armature 120 to flow a current, thereby generating a magnetic flux between the magnetic pole teeth 121u and 121d, giving a thrust to the mover 110 having the permanent magnet 111, and reciprocates the mover 110.
  • the mover 110 is configured to have a longitudinal direction that is the X direction in which the permanent magnets 111 are arranged.
  • the mover 110 has a flat plate shape, and the plate surface (the pole surface of the permanent magnet 111) is perpendicular to the Z direction.
  • the Y direction perpendicular to the X direction and the Z direction in the mover 110 and the armature 120 is the width direction, and the Z direction in the mover 110 is the thickness direction.
  • the number of permanent magnets 111 and the number of magnetic pole teeth 121a is not limited to the above. In this embodiment, a plurality of permanent magnets 111 and a plurality of magnetic pole teeth 121a are provided.
  • FIG. 2 is a schematic view showing the XZ cross section of the linear compressor 200. As shown in FIG.
  • the linear compressor 200 is a reciprocating compressor in which the compression element 210, the linear motor 100, the resonance springs 201A and 201B as elastic members, the elastic member support member 202, and the base member 203 are disposed in the hermetic container 101.
  • the compression element 210 comprises a cylinder 211 and a piston 212.
  • the working fluid supplied into the cylinder 211 is compressed by the reciprocating motion of the piston 211, and the compressed working fluid is sent to a discharge pipe (not shown) communicating with the outside of the compressor.
  • An elastic body support member 202 is provided at one end of the mover 110.
  • the resonance springs 201A and 201B which are elastic bodies, the resonance spring 201A is attached between the elastic body support member 202 and the armature 120, and the resonance spring 201B is attached between the elastic body support member 202 and the base member 203.
  • the resonant springs 201A and 201B are configured by coil springs.
  • the armature 120 and the base member 203 are fixed parts, and the mover 110 resonates by receiving the spring force of the resonant springs 201A and 201B via the elastic body supporting part.
  • the compressor 200 can be efficiently driven by utilizing the resonance phenomenon of the resonance springs 201A, 201B and the like.
  • the frequency of the current supplied to the winding 122 is controlled so that the mover 110 reciprocates at a resonance frequency determined by the mass of the mover 110, the spring constants of the resonance springs 201A and 201B, and the pressure in the cylinder 211. Is desirable.
  • the detent force is a magnetic attraction force in which the permanent magnet 111 of the mover (field element) 110 and the magnetic pole 121 of the armature 120 attract each other.
  • a voltage is applied to the armature 120 to flow a current to generate a magnetic flux, and a thrust applied to the mover 110 and a detent received from the magnetic portion of the armature 120 There is a force (magnetic attraction).
  • the detent force is determined by the relative positional relationship with the magnetic portion of the armature 120.
  • FIG. 3 is a relationship diagram of the detent force with respect to the displacement of the mover 110.
  • the vertical axis is the magnitude F of the detent force Fa received by the permanent magnet 111
  • the horizontal axis is the X direction position x at the center of the mover 110.
  • the detent force is positive in the + X direction.
  • the detent force changes non-linearly with the change of the position x in the X direction.
  • a restoring force is essential.
  • the sum of the force received by the mover 110 from the resonant springs 201A and 201B and the detent force received from the magnetic portion of the armature 120 is taken as the restoring force.
  • the detent force is determined by the relative position of the armature 120 and the mover 110, but the force received from the resonant springs 201A and 201B is also determined by the relative position. Therefore, the restoring force received by the mover 110 is a function of the relative position of the armature 120 and the mover 111.
  • the relative position (displacement) of the mover 110 is represented as x
  • the detent force is represented as Fa (x) as a function of the displacement.
  • k is a spring constant.
  • FIG. 4 is a relationship diagram between the elastic force and the detent force and the resultant force with respect to the displacement of the mover 110.
  • the vertical axis represents the restoring force Fc, the detent force Fa, and the magnitude F of the force (spring force or elastic force) Fb received from the resonant springs 201A and 201B
  • the horizontal axis represents the X direction position of the mover 110 center. It is x.
  • the spring force Fb has linearity
  • the detent force Fa has non-linearity
  • the restoring force Fc is a sum of the detent force Fa and the spring force Fb as described above.
  • the non-linearity of the restoring force Fc increases.
  • the controllability is deteriorated, for example, the amplitude of the reciprocating motion of the mover 110 changes rapidly.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the elastic force and the detent force with respect to the displacement of the mover 110 and the resultant force thereof. Similar to FIG. 4, the vertical axis represents the restoring force Fc, the detent force Fa, and the magnitude F of the force (spring force or elastic force) Fb received from the resonant springs 201A and 201B, and the horizontal axis represents the X direction of the mover 110 center. It is position x.
  • FIG. 5 shows the relationship between the forces when the spring constant of the resonant spring 201 is small, as compared with FIG.
  • the spring constant of the resonant spring 201 decreases, the change in the detent force Fa relatively increases with respect to the change in the spring force Fb, and the non-linearity of the restoring force Fc increases.
  • the resilience Fc does not uniformly increase or decrease with respect to the displacement x in the X direction, but switches from increase to decrease or from decrease to increase in the middle of the displacement x in the X direction.
  • the restoring force Fc has an inflection point with respect to the displacement x in the X direction because the non-linearity is large.
  • the inflection point When the inflection point is provided, when the displacement x of the mover 110 is gradually increased, the displacement rapidly increases near the inflection point, which makes control difficult.
  • the restoring force Fc may have no inflection point with respect to the displacement x. That is, the combination of the armature 102 and the resonant spring 201 may be selected such that the differential value of the restoring force Fc with respect to the displacement x is always negative or 0 within the range of reciprocation of the mover 110.
  • the differential value Fc 'for the displacement x of the restoring force Fc is determined as follows.
  • Fc ' Fa' (x) -k (2)
  • Fa '(x) is a differential value with respect to the displacement of the detent force Fa. That is, this Fc ′ may be always negative or 0 within the range of reciprocation of the mover 110.
  • the linear motor 100 may be designed to have a detent force Fa such that the differential value Fc 'of the restoring force Fc with respect to the displacement x is always negative or zero. That is, according to Equation 2, the linear motor 100 is designed such that the differential Fa '(x) with respect to the displacement of the detent force Fa is equal to or smaller than the spring constant k in the reciprocation range of the mover 110 do it.
  • the resonance springs 201A and 201B of the spring force Fb may be designed such that the derivative of the restoring force Fc with respect to the displacement x is always negative or zero. That is, if the resonant springs 201A and 201B are designed such that the spring constant k is equal to or larger than the differential Fa '(x) of the detent force Fa with respect to the displacement x within the range of reciprocating movement of the mover 110 Good.
  • the movable element 110 is set in such a range that the differential value Fc 'for the displacement x of the restoring force Fc is always negative or 0. It is sufficient to reciprocate.
  • the reciprocation range of the mover 110 is determined by the spring force (elastic force) Fb of the resonant spring (elastic body) 201A, 201B and the magnetic pole 121 (magnetic pole teeth 121u, 121d).
  • the sign of the inclination with respect to the displacement x of the mover 110 with respect to the stator (armature) 120 of the resultant force (restoring force) Fc acting between the permanent magnet 111 and the detent force Fa is set in the same range .
  • the detent force Fa changes sign of inclination with respect to the displacement x in the reciprocation range of the mover 110
  • the spring force (elasticity) of the resonant spring (elastic body) 201A, 201B When the sign of the inclination with respect to the displacement x is the same in the reciprocation range of the mover 110 in the reciprocation range of the mover 110, the resonant springs (elastic bodies) 201A and 201B are resonant springs (resonance springs (resonance range) in the reciprocation range of the mover 110.
  • the spring constant (elastic force) Fb of 201A and 201B and the detent force Fa have a spring constant k such that the sign of the inclination with respect to the displacement x of the resultant force Fc is the same.
  • FIG. 6A is a perspective view showing the appearance of a linear compressor 200 using the linear motor 100 according to the present invention.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of main parts of the linear compressor 200 shown in FIG. 6A.
  • the same components as those of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the compressor 200 of the present embodiment can be used as a gas compressor for compressing a refrigerant other than air, nitrogen gas, or a gas such as oxygen, and one side of the armature 120 in the reciprocating direction of the mover 110.
  • Resonance springs 201A and 201B provided on the other side, a piston provided on the other side of the armature 120 (disposed in the cylinder 1200, 212 in FIG. 2), a cylinder 211, an electromagnetic valve 1400 (1400A and 1400B), an exhaust valve 1500, and a dryer And an inverter 1700.
  • the drive motor of the piston 212 is configured by the linear motor 100, and the mover 110 has a flat plate shape (flat plate shape). Further, the mover 110 protrudes further rearward from the rear end of the end member (end bridge) 123.
  • Attached to the cylinder 211 is a casing 1800 for housing the armature 120 and the resonance springs 201A and 201B.
  • the end member 123 is used as the front surface of the casing 1800, but a member constituting the front surface of the casing 1800 may be provided on the front side of the end member 123. That is, instead of using the end member 123 as a front member of the casing 1800, a front member may be provided separately from the end member 123.
  • the cylindrical side surface (side member) 1810 and the rear surface (rear surface member, bottom surface member, base member) 203 are separately formed, and the bottom surface 203 is a cylinder by the insertion portion 1830 extending in the front and rear direction. It is fixed to 211 via a base plate 1900. Thus, the side surface 1810 is sandwiched by the rear surface 203 and the cylinder 211.
  • An electrode protrudes forward from the casing 1800 side, and the lead-out end of the winding 122 is electrically connected to one end of the electrode.
  • the other end of the electrode penetrates a through hole (not shown) formed in the base plate 1900, is inserted into the inside of the inverter 1700, and is electrically connected to the internal inverter circuit.
  • the base plate 1900 is provided with a gas suction and discharge port 1910.
  • the gas is a gas such as air, nitrogen gas, or oxygen described above, a refrigerant, or the like.
  • two solenoid valves 1400A and 1400B are attached to the base 1900, and two through holes (gas passages) 1920a and 1920b through which gas flows are provided corresponding to the respective solenoid valves 1400A and 1400B.
  • the solenoid valves 1400A and 1400B are three-way valves and constitute a gas intake / discharge valve. When one solenoid valve 1400A is in a suction state, the other solenoid valve 1400b is in a discharge state.
  • One solenoid valve 1400A flows the gas sucked from the suction / discharge port 1910 in the suction state into the inside of the casing 1800 through the through hole 1920a. At this time, the other solenoid valve 1400B is in the discharge state, and shuts off the flow of gas through the through hole 1920b.
  • the gas flowing into the inside of the casing 1800 through the solenoid valve 1400A flows through the gap between the mover 110 and the end member 123 and the base plate 1900, flows into the inside of the cylinder 211, and flows into the dryer 1600 through the cylinder 211. Further, the gas is discharged from the dryer 1600 through the other solenoid valve 1400B.
  • the gas flow follows the reverse of the above-described path.
  • the cylinder 211 compresses the inflowing gas as necessary.
  • a suction / discharge port (not shown) is provided at a position corresponding to the suction / discharge port 1910 on the side where the through hole 1920 b of the base plate 1900 is provided.
  • a dryer 1600 is attached to the cylinder head 211A of the cylinder 211 in a state where it can communicate with the inside of the cylinder 211.
  • FIG. 7 is a block diagram of a refrigerator 2001 using the linear motor 100 according to the present invention.
  • the same components as those of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the refrigerator 2001 is provided with a double-open refrigerator compartment door 2002a divided into right and left on the front side of the refrigerator compartment 2002, and on the front side of an ice making room 2003, an upper freezer compartment 2004, a lower freezer compartment 2005, and a vegetable compartment 2006.
  • Each has a drawer type ice chamber door 2003a, an upper freezer compartment door 2004a, a lower freezer compartment door 2005a, and a vegetable compartment door 2006a.
  • a machine room 2020 is provided on the back side of the vegetable room 2006, and a compressor 2024 is disposed in the machine room 2020. Further, an evaporator chamber 2008 is provided on the back side of the ice making chamber 2003, the upper freezing chamber 2004, and the lower freezing chamber 2005, and the evaporator 2007 is provided in the evaporator chamber 2008.
  • a radiator pipe (not shown), a capillary tube as a pressure reducing means, a three-way valve, etc. are connected by refrigerant piping, and a refrigeration cycle 2030 is formed.
  • the linear motor 100 of any of the above-described embodiments is employed as the compressor 2024 that constitutes the refrigeration cycle 2030 of the refrigerator 2001.
  • the compressor 200 described in the first embodiment may be employed as the compressor 2024.
  • the enlargement of the compressor 2024 which comprises the refrigerating cycle 2030 can be suppressed. And it becomes possible to secure a big space for a refrigerator compartment and a freezer compartment, and it becomes possible to provide a large capacity refrigerator without enlarging external dimensions.
  • FIG. 8 is a block diagram of a vehicle air suspension 3004 using the linear motor 100 according to the present invention.
  • the same components as those in the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will be omitted.
  • the vehicle body 3002 constitutes the body of the vehicle 3001. Below the vehicle body 3002, a total of four wheels 3003 consisting of left and right front wheels and left and right rear wheels are provided.
  • the air suspension 3004 includes four air springs 3005 provided between the vehicle body 3002 and the wheels 3003, an air compressor 3006, a valve unit 3008, and a controller 3011. The air suspension 3004 adjusts the vehicle height by supplying and discharging compressed air from the air compressor 3006 to each air spring 3005.
  • the linear motor 100 of any of the above-described embodiments is employed.
  • the compressor 200 described in the first embodiment may be employed as the air compressor 3006.
  • the air compressor 3006 is connected to the valve unit 3008 through a supply and discharge pipeline (pipe) 3007.
  • the valve unit 3008 is provided with four supply / discharge valves 3008 a, each of which is an electromagnetic valve, provided for each of the wheels 3003.
  • a branch conduit (pipe) 3009 is provided between the valve unit 3008 and the air spring 3005 of each wheel 3003.
  • the air spring 3005 is connected to the air compressor 3006 via the branch line 3009, the valve 3008a, and the supply and discharge line 3007. Then, the valve unit 3008 opens and closes the supply / discharge valve 3008 a in accordance with the signal from the controller 3011, thereby supplying / discharging compressed air to each air spring 3005 and adjusting the vehicle height.
  • the enlargement of the air compressor 3006 constituting the air suspension 3004 can be suppressed. Then, the mounting space of the air compressor 3006 in the vehicle 3001 can be reduced, and the degree of freedom in the arrangement of the air compressor 3006 is increased.
  • the present invention can be applied to various devices that move the stator 120 and the mover 110 relative to each other, in addition to the motor (linear motor).
  • the same effect can be obtained when used for a generator, a compressor, an electromagnetic suspension, a positioning device, and the like.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, but includes various modifications.
  • the embodiments described above are described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations.
  • part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
  • DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Linear motor, 110 ... Mover, 111 ... Permanent magnet, 120 ... Armature, 121 ... Magnetic pole, 121a ... Magnetic pole tooth group, 121u ... Magnetic pole tooth, 121d ... Magnetic pole tooth, 122 ... Winding, 123 ... End bridge , 200: linear compressor, 201: resonant spring, 202: elastic body support member, 203: base member, 210: compression element, 211: cylinder, 212: piston, 211: cylinder.

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Abstract

本発明の目的は、弾性体の非線形性を考慮した、制御性の良好な往復動式リニアモータを提供することにある。磁極歯１２１ｄ，１２１ｕ及び巻線１２２を有する電機子１２０と、永久磁石１１１を有する界磁子１１０と、電機子１２０又は界磁子１１０に弾性力を与える弾性体２０１と、を備え、電機子１２０又は界磁子１１０のうちいずれか一方を可動子１１０とし他方を固定子１２０とし、電機子１２０の巻線１２２に電流を流すことで発生する推力と弾性体２０１の弾性力とを利用して可動子１１０を往復動させる往復動式リニアモータ１００において、可動子１１０の往復動範囲を、弾性体２０１の弾性力と、磁極歯１２１ｄ，１２１ｕと永久磁石１１１との間に働くディテント力と、の合力の、固定子１２０に対する可動子１１０の変位に対する傾きの符号が同じ範囲に設定する。

Description

往復動式リニアモータ
　本発明は往復動式リニアモータに関する。
　往復動式リニアモータでは、共振現象を利用して駆動するため、弾性体による力や可動子の永久磁石とコイルの磁極とが引き合う磁気吸引力(ディテント力)といった復元力が必要となる。
　往復動式リニアモータとして、特開２０１６－１０１０１９号公報（特許文献１）に記載されたものが知られている。特許文献１の往復動式リニアモータは、Ｚ方向に並んだ二つの磁極と二つの磁極それぞれに巻回した巻線とを有する電機子と、永久磁石を有し電機子に対してＺ方向に相対移動する可動子と、二つの磁極の間に設けられた第一補助磁極と、第一補助磁極と磁極との間に設けられたブリッジと、を備え、二つの磁極それぞれに巻回した巻線を電気的に接続している（要約参照）。この往復動式リニアモータは、第一補助磁極を備えることで永久磁石が受けるディテント力（磁気吸引力）の最大振幅値を小さくし、制御性を向上させている。
特開２０１６－１０１０１９号公報
　往復動式リニアモータでは、モータのコスト低減や小型化が求められている。モータの小型化の際、可動子の磁石とモータコイルの磁極との距離が小さくなるため、ディテント力の影響が相対的に大きくなり、復元力の非線形性が増加する。復元力の非線形性が増加すると、ピストン振幅が急変するなど、制御が困難になるため、ディテント力の影響を考慮して、共振バネの設計を行うことが望まれる。
　しかしながら特許文献１では、往復動式リニアモータに第一補助磁極を備えることでディテント力を小さくして制御性を向上させることに配慮しているものの、共振バネと組み合わせた復元力の非線形性については考慮していない。
　したがって、弾性体の設計値によっては、復元力の非線形性が大きくなり、制御が困難になる場合がある。
　本発明の目的は、弾性体の非線形性を考慮した、制御性の良好な往復動式リニアモータを提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明のリニアモータは、
　磁極歯及び巻線を有する電機子と、永久磁石を有する界磁子と、前記電機子又は前記界磁子に弾性力を与える弾性体と、を備え、前記電機子又は前記界磁子のうちいずれか一方を可動子とし他方を固定子とし、前記電機子の前記巻線に電流を流すことで発生する推力と前記弾性体の弾性力とを利用して前記可動子を往復動させるリニアモータにおいて、
　前記可動子の往復動範囲を、前記弾性体の弾性力と、前記磁極歯と前記永久磁石との間に働くディテント力と、の合力の、前記固定子に対する前記可動子の変位に対する傾きの符号が同じ範囲に設定する。
　本発明によれば、弾性体の非線形性を考慮した、制御性の良好な往復動式リニアモータを提供することができる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の一実施例に係る往復動式リニアモータ１００の斜視図である。 図１Ａに示すリニアモータ１００のＸＺ平面断面図である。 リニア圧縮機２００のＸＺ断面を示す概略図である。 可動子１１０の変位に対するディテント力の関係図である。 可動子１１０の変位に対する弾性力とディテント力とその合力との関係図である。 可動子１１０の変位に対する弾性力とディテント力とその合力との関係図である。 本発明に係るリニアモータ１００を用いたリニア圧縮機２００の外観を示す斜視図である。 図６Ａに示すリニア圧縮機２００の要部断面図である。 本発明に係るリニアモータ１００を用いた冷蔵庫２００１の構成図である。 本発明に係るリニアモータ１００を用いた車両用エアサスペンション３００４の構成図である。
　以下、添付の図面を参照しつつ本発明の実施例を詳細に説明する。同様の構成要素には同じ符号を付し、また、同様の説明は繰り返さない。説明のため、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向という語を用いるが、重力方向は、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向のいずれかと平行でもよいし、それ以外の方向であってもよい。
　後述する実施例の各種の構成要素は、必ずしも個々に独立した存在である必要はなく、複数の構成要素が一個の部材として形成されていること、一つの構成要素が複数の部材で形成されていること、或る構成要素が他の構成要素の一部であること、或る構成要素の一部と他の構成要素の一部とが重複していること、等を許容する。
　［実施例１］
　＜リニアモータ１００＞
　図１Ａは、本発明の一実施例に係る往復動式リニアモータ１００の斜視図である。図１Ｂは、図１Ａに示すリニアモータ１００のＸＺ平面断面図である。
　リニアモータ１００は、３枚の永久磁石１１１を有する界磁子１１０と、電機子１２０と、を備える。本実施例では、界磁子１１０が可動子であり、電機子１２０が固定子である構成について説明する。界磁子１１０が固定子であり、電機子１２０が可動子である構成でもよい。以下、界磁子１１０を可動子と呼んで説明する。
　＜電機子１２０＞
　電機子１２０は、２つの磁極１２１と、４つの巻線１２２と、２つの磁極１２１の間に設けられるスペーサ１２４と、２つの端部ブリッジ１２３と、を有する。それぞれの磁極１２１は、Ｚ方向に空隙を介して対抗する２つの磁極歯１２１ｕ，１２１ｄ（磁極歯組１２１ａ）を有しており、各磁極歯１２１ｕ，１２１ｄには巻線１２２が巻回されている。
　＜可動子１１０＞
　可動子１１０は磁極歯組１２１ａの間の空隙に位置しており、電機子１２０に対してＸ方向に相対運動する。可動子１１０は、３つの永久磁石１１１と、永久磁石１１１を固定するフレーム１１２、とを有する。電機子１２０の巻線に電圧を印加して電流を流すことで磁極歯１２１ｕ，１２１ｄ間に磁束を発生させ、永久磁石１１１を有する可動子１１０に推力を与え、可動子１１０を往復動させる。
　可動子１１０は、永久磁石１１１の並び方向であるＸ方向を長手方向として構成される。可動子１１０は、平板状を成し、その板面（永久磁石１１１の磁極面）がＺ方向に垂直である。可動子１１０及び電機子１２０においてＸ方向及びＺ方向に垂直なＹ方向は幅方向であり、可動子１１０においてＺ方向は厚み方向である。
　なお、可動子１１０及び電機子１２０において、永久磁石１１１及び磁極歯組１２１ａの個数は上記の個数に限定されない。本実施例では、永久磁石１１１及び磁極歯組１２１ａが複数個設けられるものとする。
　＜リニア圧縮機２００＞
　図２は、リニア圧縮機２００のＸＺ断面を示す概略図である。
　リニア圧縮機２００は、圧縮要素２１０とリニアモータ１００と弾性体である共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂと弾性体支持部材２０２とベース部材２０３とが密閉容器１０１内に配置されたレシプロ圧縮機である。
　圧縮要素２１０はシリンダ２１１とピストン２１２とを含む。シリンダ２１１内に供給された作動流体はピストン２１１の往復動によって圧縮され、圧縮された作動流体は圧縮機外部に連通する吐出管（不図示）へと送られる。
　可動子１１０の一端部には弾性体支持部材２０２が設けられている。弾性体である共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂは、共振バネ２０１Ａが弾性体支持部材２０２と電機子１２０との間に、共振バネ２０１Ｂが弾性体支持部材２０２とベース部材２０３との間に、それぞれ取り付けられている。なお本実施例では、共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂは、コイルばねで構成される。
　電機子１２０及びベース部材２０３は固定部であり、可動子１１０は弾性体支持部を介して共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂのばね力を受けて共振する。この共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂなどによる共振現象を利用することで、効率よく圧縮機２００を駆動することができる。その際、可動子１１０の質量、共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂのバネ定数、及びシリンダ２１１内の圧力から決まる共振周波数で可動子１１０が往復動するように、巻線１２２に流す電流の周波数を制御することが望ましい。
　＜ディテント力＞
　ディテント力は、可動子（界磁子）１１０の永久磁石１１１と電機子１２０の磁極１２１とが引き合う磁気吸引力である。
　可動子１１０が電機子１２０から受ける力には、電機子１２０に電圧を印加し電流を流すことで磁束を発生させて可動子１１０に与えられる推力と、電機子１２０の磁性体部分から受けるディテント力(磁気吸引力)と、がある。ディテント力は電機子１２０の磁性体部分との相対的な位置関係で決定する。
　図３は、可動子１１０の変位に対するディテント力の関係図である。図３において、縦軸は永久磁石１１１が受けるディテント力Ｆａの大きさＦであり、横軸は可動子１１０中心のＸ方向位置ｘである。ディテント力は＋Ｘ方向に作用する力を正としている。図３に示すように、ディテント力はＸ方向位置ｘの変化に対して非線形に変化する。
　＜復元力＞
　リニア圧縮機２００が共振現象を利用するためには、復元力が必須である。本実施例では、可動子１１０が共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂから受ける力と、電機子１２０の磁性体部分から受けるディテント力と、を足し合わせたものを、復元力とする。
　ディテント力は電機子１２０と可動子１１０との相対位置で決定されるが、共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂから受ける力も相対位置により決定される。したがって、可動子１１０が受ける復元力は電機子１２０と可動子１１１との相対位置の関数となる。
　ここで可動子１１０の相対位置(変位)をｘ、ディテント力は変位の関数としてＦａ（ｘ）と表す。作動流体を圧縮する方向を正とすると、復元力Ｆｃは次式のように表すことができる。
    Ｆｃ＝Ｆａ(ｘ) － ｋ・ｘ　…（１）
ここでｋはバネ定数である。
　図４は、可動子１１０の変位に対する弾性力とディテント力とその合力との関係図である。図４において、縦軸は復元力Ｆｃ、ディテント力Ｆａ、及び共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂから受ける力（バネ力又は弾性力）Ｆｂの大きさＦであり、横軸は可動子１１０中心のＸ方向位置ｘである。
　図４に示すように、バネ力Ｆｂは線形性を有し、ディテント力Ｆａは非線形性を有する。復元力Ｆｃは、上述したように、ディテント力Ｆａとバネ力Ｆｂとを足し合わせた力である。バネ力Ｆｂに対してディテント力Ｆａの影響が大きくなると、復元力Ｆｃの非線形性が大きくなってくる。非線形性が大きくなると、可動子１１０の往復運動の振幅が急激に変化するなど、制御性が悪化する。
　以下、リニアモータ１００の構造に起因するディテント力Ｆａに対し、制御性が悪化しないような、電機子１２０と共振バネ２０１との関係について説明する。
　＜復元力の非線形性＞
　図５は、可動子１１０の変位に対する弾性力とディテント力とその合力との関係図である。図４と同じく、縦軸は復元力Ｆｃ、ディテント力Ｆａ、及び共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂから受ける力（バネ力又は弾性力）Ｆｂの大きさＦであり、横軸は可動子１１０中心のＸ方向位置ｘである。
　図５では、図４に対して、共振バネ２０１のバネ定数が小さい場合の各力の関係を示している。共振バネ２０１のバネ定数が小さくなると、バネ力Ｆｂの変化に対してディテント力Ｆａの変化が相対的に大きくなり、復元力Ｆｃの非線形性が大きくなる。このため復元力Ｆｃは、Ｘ方向の変位ｘに対して一様に増加または減少せず、Ｘ方向の変位ｘの途中で、増加から減少に、或いは減少から増加に切り替わる。
　すなわち図５では、復元力Ｆｃは、その非線形性が大きいため、Ｘ方向の変位ｘに対して、変曲点を持つ。変曲点を持つと、可動子１１０の変位ｘを徐々に大きくした際、変曲点付近で急激に変位が大きくなり、制御が困難になる。このような現象を抑制して制御を安定させるためには、図４に示すように、復元力Ｆｃが変位ｘに対して変曲点を持たないようにすれば良い。すなわち、復元力Ｆｃの変位ｘに対する微分値が、可動子１１０の往復動範囲で、常に負、又は０であるような、電機子１０２と共振バネ２０１との組み合わせを選べばよい。復元力Ｆｃの変位ｘに対する微分値Ｆｃ’は次式のように求められる。
    Ｆｃ’＝Ｆａ’(ｘ) － ｋ　…（２）
ここでＦａ’(ｘ)はディテント力Ｆａの変位に対する微分値である。つまり，このＦｃ’が可動子１１０の往復動範囲で、常に負、又は０であればよい。
　次に、リニアモータ１００と共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂとの設計例を示す。
　＜共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂを基準にする場合＞
　共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂを基準とする場合は、復元力Ｆｃの変位ｘに対する微分値Ｆｃ’が常に負、又は０であるような、ディテント力Ｆａのリニアモータ１００を設計すればよい。つまり数式２より、ディテント力Ｆａの変位に対する微分Ｆａ’(ｘ)が、可動子１１０の往復動範囲で、バネ定数ｋと等しいか、バネ定数ｋよりも小さくなるように、リニアモータ１００を設計すればよい。
　＜リニアモータ１００を基準にする場合＞
　リニアモータ１００を基準とする場合は、復元力Ｆｃの変位ｘに対する微分値が常に負、又は０であるような、バネ力Ｆｂの共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂを設計すればよい。つまり数式２より、バネ定数ｋが、可動子１１０の往復動範囲で、ディテント力Ｆａの変位ｘに対する微分Ｆａ’(ｘ)と等しいか、大きくなるように、共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂを設計すればよい。
　＜可動子１１０の往復動範囲を設計する場合＞
　共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂとリニアモータ１００とにおいて、上記のような設計ができない場合は、復元力Ｆｃの変位ｘに対する微分値Ｆｃ’が常に負、又は０であるような範囲で、可動子１１０を往復動させればよい。
　上記３つの設計例は、いずれの場合も、可動子１１０の往復動範囲を、共振バネ（弾性体）２０１Ａ，２０１Ｂのバネ力（弾性力）Ｆｂと、磁極１２１（磁極歯１２１ｕ，１２１ｄ）と永久磁石１１１との間に働くディテント力Ｆａと、の合力（復元力）Ｆｃの、固定子（電機子）１２０に対する可動子１１０の変位ｘに対する傾きの符号が同じ範囲に設定されることになる。
　また、１番目と２番目の設計例では、ディテント力Ｆａは、可動子１１０の往復動範囲において、変位ｘに対する傾きの符号が正負入れ替わり、共振バネ（弾性体）２０１Ａ，２０１Ｂのバネ力（弾性力）Ｆｂは、可動子１１０の往復動範囲において、変位ｘに対する傾きの符号が同じである場合に、共振バネ（弾性体）２０１Ａ，２０１Ｂは、可動子１１０の往復動範囲において、共振バネ（弾性体）２０１Ａ，２０１Ｂのバネ力（弾性力）Ｆｂとディテント力Ｆａとの合力Ｆｃの変位ｘに対する傾きの符号が同じになるバネ定数ｋを有する。
　次に、図６Ａ及び図６Ｂを参照して、リニア圧縮機２００について詳細に説明する。
　図６Ａは、本発明に係るリニアモータ１００を用いたリニア圧縮機２００の外観を示す斜視図である。図６Ｂは、図６Ａに示すリニア圧縮機２００の要部断面図である。なお、上述の実施例と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。
　本実施例の圧縮機２００は、空気や窒素ガス、或いは酸素などの気体のほか、冷媒を圧縮する気体圧縮機として用いることができ、可動子１１０の往復動方向について、電機子１２０の一方側に設けた共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂと、電機子１２０の他方側に設けたピストン（シリンダ１２００内に配置、図２の２１２）、シリンダ２１１、電磁弁１４００（１４００Ａ，１４００Ｂ）、排気弁１５００、ドライヤ１６００、及びインバータ１７００を有する。
　本実施例の圧縮機２００では、ピストン２１２の駆動モータがリニアモータ１００で構成されており、可動子１１０が扁平な板状（平板状）を成している。また、可動子１１０は端部部材（端部ブリッジ）１２３の後側端部から更に後方に突き出している。
　シリンダ２１１には、電機子１２０及び共振バネ２０１Ａ，２０１Ｂを収納するケーシング１８００が取付けられている。本実施例では、ケーシング１８００の前面として端部部材１２３を用いているが、端部部材１２３の前側にケーシング１８００の前面を構成する部材を設けても良い。すなわち、端部部材１２３をケーシング１８００の前面部材として兼用する代わりに、端部部材１２３とは別に前面部材を設けてもよい。
　ケーシング１８００は、筒状の側面（側面部材）１８１０と後面（後面部材、底面部材、ベース部材）２０３とが別体で構成されており、前後に延在する挿通部１８３０によって、底面２０３がシリンダ２１１にベース板１９００を介して固定されている。これにより、側面１８１０は後面２０３及びシリンダ２１１に挟持されている。
　ケーシング１８００側から前方に向けて電極が突出し、電極の一端部に巻線１２２の引き出し端部が電気的に接続されている。電極の他端部はベース板１９００に形成された貫通孔（図示せず）を貫通してインバータ１７００の内部に挿入され、内部のインバータ回路と電気的に接続されている。
　ベース板１９００にはガスの吸入吐出口１９１０が設けられている。ここで、ガスは、上述した空気や窒素ガス、或いは酸素などの気体のほか、冷媒などである。また、ベース１９００には２つの電磁弁１４００Ａ，１４００Ｂが取り付けられ、各電磁弁１４００Ａ，１４００Ｂに対応してガスが流れる２つの貫通孔（ガス通路）１９２０ａ，１９２０ｂが設けられている。電磁弁１４００Ａ，１４００Ｂは三方弁であり、ガスの吸入吐出弁を構成する。一方の電磁弁１４００Ａが吸入状態にある場合、他方の電磁弁１４００ｂは吐出状態となる。一方の電磁弁１４００Ａは吸入状態において吸入吐出口１９１０から吸入したガスを、貫通孔１９２０ａを通じてケーシング１８００の内部に流す。このとき、他方の電磁弁１４００Ｂは吐出状態になっており、貫通孔１９２０ｂを通じたガスの流れを遮断する。
　電磁弁１４００Ａを通じてケーシング１８００の内部に流入したガスは、可動子１１０と端部部材１２３及びベース板１９００との隙間を流れてシリンダ２１１の内部に流れ、シリンダ２１１を通じてドライヤ１６００に流れる。更に、ガスはドライヤ１６００からもう一方の電磁弁１４００Ｂを通じて吐出される。電磁弁１４００Ａ及び電磁弁１４００Ｂの吸入吐出の状態が入れ替わると、ガスの流れは上述した経路の逆を辿って流れる。シリンダ２１１では必要に応じて流入したガスの圧縮を行う。ベース板１９００の貫通孔１９２０ｂが設けられた側には、吸入吐出口１９１０に対応する位置に、図示しない吸入吐出口が設けられている。
　シリンダ２１１のシリンダヘッド２１１Ａには、ドライヤ１６００がシリンダ２１１の内部と連通可能な状態で取り付けられている。
　［実施例２］
　図７は、本発明に係るリニアモータ１００を用いた冷蔵庫２００１の構成図である。なお、上述の実施例と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。
　冷蔵庫２００１は、冷蔵室２００２の前面側に左右に分割された観音開きの冷蔵室扉２００２ａを備え、製氷室２００３と、上段冷凍室２００４と、下段冷凍室２００５と、野菜室２００６との前面側に、それぞれ引き出し式の製氷室扉２００３ａ、上段冷凍室扉２００４ａ、下段冷凍室扉２００５ａ、野菜室扉２００６ａを備えている。
　野菜室２００６の背面側には、機械室２０２０が設けられ、機械室２０２０に圧縮機２０２４が配置されている。また、製氷室２００３、上段冷凍室２００４、及び下段冷凍室２００５の背面側には、蒸発器室２００８が設けられ、蒸発器室２００８に蒸発器２００７が設けられている。冷蔵庫２００１では、圧縮機２０２４及び蒸発器２００７のほか、図示しない放熱器、減圧手段であるキャピラリチューブ及び三方弁等が冷媒配管で接続され、冷凍サイクル２０３０が形成されている。
　本実施例では、冷蔵庫２００１の冷凍サイクル２０３０を構成する圧縮機２０２４に、上述した各実施例のいずれかのリニアモータ１００を採用する。例えば、圧縮機２０２４として実施例１で説明した圧縮機２００を採用するとよい。これにより、冷凍サイクル２０３０を構成する圧縮機２０２４の大形化を抑制することができる。そして冷蔵室及び冷凍室のために大きなスペースを確保することが可能になり、外形寸法を大きくすることなく大容量の冷蔵庫を提供することが可能になる。
　［実施例３］
　図８は、本発明に係るリニアモータ１００を用いた車両用エアサスペンション３００４の構成図である。なお、上述した実施例と同様の構成には同じ符号を付し、説明を省略する。
　本実施例では、４輪自動車等の車両に、車両用エアサスペンションを搭載した場合を例に挙げて説明する。
　車体３００２は、車両３００１のボディを構成している。車体３００２の下側には、左，右の前輪と左，右の後輪とからなる合計４個の車輪３００３が設けられている。エアサスペンション３００４は、車体３００２と各車輪３００３との間にそれぞれ設けられた４個の空気ばね３００５と、空気圧縮機３００６と、バルブユニット３００８と、コントローラ３０１１とを備える。そして、エアサスペンション３００４は、各空気ばね３００５に対して空気圧縮機３００６から圧縮空気が給排されることにより、車高調整を行う。
　本実施例では、空気圧縮機３００６の駆動モータとして、上述した各実施例のいずれかのリニアモータ１００を採用する。例えば、空気圧縮機３００６として実施例１で説明した圧縮機２００を採用するとよい。空気圧縮機３００６は、給排管路（配管）３００７を通じてバルブユニット３００８に接続されている。バルブユニット３００８には、各車輪３００３に対して設けられた、電磁弁からなる給排バルブ３００８ａが４個設けられている。バルブユニット３００８と各車輪３００３の空気ばね３００５との間には、分岐管路（配管）３００９が設けられている。空気ばね３００５は、分岐管路３００９、バルブ３００８ａ、及び給排管路３００７を介して、空気圧縮機３００６に接続される。そして、バルブユニット３００８は、コントローラ３０１１からの信号に応じて給排バルブ３００８ａを開，閉弁させることにより、各空気ばね３００５に対して圧縮空気を給排し、車高調整を行う。
　本実施例では、エアサスペンション３００４を構成する空気圧縮機３００６の大形化を抑制することができる。そして、車両３００１における空気圧縮機３００６の搭載スペースを小さくすることができ、空気圧縮機３００６の配置の自由度が高まる。
　［その他の態様］
　本発明は、モータ（リニアモータ）のほか、固定子１２０及び可動子１１０を相対移動させる種々の機器に適用できる。例えば、発電機、圧縮機、電磁サスペンション、位置決め装置等に用いても同様の効果が得られる。
　なお、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　１００…リニアモータ、１１０…可動子、１１１…永久磁石、１２０…電機子、１２１…磁極、１２１ａ…磁極歯組、１２１ｕ…磁極歯、１２１ｄ…磁極歯、１２２…巻線、１２３…端部ブリッジ、２００…リニア圧縮機、２０１…共振バネ、２０２…弾性体支持部材、２０３…ベース部材、２１０…圧縮要素、２１１…シリンダ、２１２…ピストン、２１１…シリンダ。

Claims (4)

  1. 　磁極歯及び巻線を有する電機子と、永久磁石を有する界磁子と、前記電機子又は前記界磁子に弾性力を与える弾性体と、を備え、前記電機子又は前記界磁子のうちいずれか一方を可動子とし他方を固定子とし、前記電機子の前記巻線に電流を流すことで発生する推力と前記弾性体の弾性力とを利用して前記可動子を往復動させる往復動式リニアモータにおいて、
    　前記可動子の往復動範囲を、前記弾性体の弾性力と、前記磁極歯と前記永久磁石との間に働くディテント力と、の合力の、前記固定子に対する前記可動子の変位に対する傾きの符号が同じ範囲に設定したことを特徴とする往復動式リニアモータ。
  2. 　請求項１に記載の往復動式リニアモータにおいて、
    　前記ディテント力は、前記可動子の往復動範囲において、前記変位に対する傾きの符号が正負入れ替わり、
    　前記弾性体の弾性力は、前記可動子の往復動範囲において、前記変位に対する傾きの符号が同じであり、
    　前記弾性体は、前記可動子の往復動範囲において、前記弾性体の弾性力と前記ディテント力との合力の前記変位に対する傾きの符号が同じになるバネ定数を有することを特徴とする往復動式リニアモータ。
  3. 　請求項２に記載の往復動式リニアモータにおいて、
    　前記弾性体は、前記可動子を往復動する方向の一方向に付勢する第一コイルばねと、前記可動子を往復動する方向の他方向に付勢する第二コイルばねと、を有し、
    　前記可動子は、前記第一コイルばねと前記第二コイルばねとの付勢力を受けて共振するように構成され、
    　前記合力は、共振する前記可動子の復元力として機能することを特徴とする往復動式リニアモータ。
  4. 　請求項１乃至３のいずれか一項に記載の往復動式リニアモータを備えた圧縮機。
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