專利名稱：振動式電動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及振動式電動機，它可在例如斯特林(Stirling)冷凍機的振動式壓縮機
中使用。
背景技術(shù)：
通常將動磁式直線電動機(下文中簡稱為"動磁式電動機")用作振動式電動機。 圖6和7是解釋動磁式電動機的驅(qū)動原理的示意圖，并示出沿基本為圓柱形的電動 機的中心軸C截取的截面的部分。如圖6所示，電動機包括勵磁軛101、勵磁線圈 102、背軛103和運動部件104。運動部件104由安排在勵磁軛101和背軛103之 間的間隙部分中的圓柱形永磁體制成，并且被內(nèi)圓周側(cè)和外圓周側(cè)的不同磁極磁 化。還示出了由運動部件104生成的磁通量201。提供了用于支承運動部件104的 常規(guī)外殼，但未示出。
在所示的大多數(shù)動磁式電動機中，具有一磁化單極的單個永磁體用作運動部 件104，該運動部件104整體地連接到活塞(未示出)。運動部件104具有限制在勵 磁軛101的支柱寬度(leg width)內(nèi)的兩個軸向端部。在運動部件104的外圓周磁化 成N極且其內(nèi)圓周側(cè)磁化成S極的情況下，如圖6所示，從外圓周側(cè)生成的磁通 量201圍繞運動部件104的外側(cè)返回內(nèi)圓周側(cè)。因此，在運動部件104的兩個軸向 端部，上述的磁通量201等效于在與垂直于附圖的方向相反地饋入電流時生成的磁
通量。該磁通量被稱為永磁體的等效電流lM。
當(dāng)磁通量O通過將AC電流饋入勵磁線圈102而生成，并且當(dāng)該磁通量(D被 鏈接到其中存在等效電流IM的間隙G時，如圖7所示，安排在間隙G中的運動部 件104根據(jù)弗萊明(Fleming)左手定則通過沿附圖中橫向的力(推力)往復(fù)運動?？筛?據(jù)以下的方程式1簡單地計算上述的推力F:
其中字母B指示間隙G中生成的磁通量(D的磁通密度，而LM指示運動部件 104在圓周方向的平均長度。在方程式1中，與普通的B，I，L定則不同，等效電流lM增加一倍，因為在該模型中等效電流lM存在于運動部件104的兩個軸向端部的 兩個部分中。
另一方面，運動部件104設(shè)置有機械彈簧(例如，螺旋彈簧或板彈簧)，該機械 彈簧沿未示出的軸方向具有適當(dāng)彈力(如JP-A-2005-9397所示)。這是因為在機械振 動的共振點處驅(qū)動運動部件104能夠抑制輸入功率。 一般而言，斯特林冷凍機以 40至80Hz的相對低的頻率運行。簡單的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的固有頻率f針對彈性常數(shù) k和運動質(zhì)量m由以下的方程式2給出
f = 1/2" "k/m
此外，在將本發(fā)明的振動式電動機用作壓縮機的情況下，彈性常數(shù)k由以下
方程式3表達
k — kSp + kmag + kgas ，
其中
ksp指示機械彈簧的彈性常數(shù)；
kmag指示運動部件磁體的恢復(fù)力的彈性常數(shù)；而 kg^指示壓縮氣體的彈性常數(shù)。
對于這些彈性常數(shù)，彈性常數(shù)k^基本上根據(jù)所需的冷凍輸出由壓縮氣體的充 氣壓力和壓縮比來確定，從而難以隨意調(diào)節(jié)。如圖6和圖7所示，在運動部件104 是具有磁化單極的單個永磁體的情況下，磁體的恢復(fù)力很難在運動范圍中起作用， 從而實際上不需要考慮常數(shù)kmag。結(jié)果，機械彈性常數(shù)ksp具有寬的可調(diào)節(jié)范圍， 使得其設(shè)計相對容易。
此外，為了在不改變電動機主體的情況下(1^=常數(shù))增加推力F，如從方程式
1所顯而易見的，可增加間隙的磁通密度B或等效電流IM。首先，為了增加磁通 密度B，必須減小間隙的間隙長度或增加流過勵磁線圈102的勵磁電流。然而，前 一方法的問題在于運動部件104及其支承構(gòu)件被制作得很薄，這易于導(dǎo)致強度的降 低和制造成本的升高，而后一方法的問題在于焦耳熱損耗(fR)增加，由此引起性能下降。
另一方面，為了增加等效電流lM，可不僅改變作為運動部件104的永磁體的 厚度，而且采用具有更強磁力的永磁體。然而，這些選項將提高制造費用。
另一種增加推力F的方法在圖8中示出。在該動磁式電動機的示例中，沿與 主磁體105相反的方向磁化的圓柱形輔助磁體106和107被共軸且整體地連接到圓 柱形主磁體105的兩個軸向端部，使得形成運動部件104A以在實際上增加等效電
流Im。例如，美國專利No. 5,148,066和4,937,481示出，包括具有主磁體和一對輔 助磁體的運動部件是公知的。在圖8所示的例子中，在未勵磁狀態(tài)下，磁通量在主 磁體105和輔助磁體106和107之間的連接部分彼此抵消，使得運動部件104A在 中立位置的保持力變得比圖6和圖10的結(jié)構(gòu)強。這獲得的優(yōu)點是促進了所謂的"自 動定心"。
圖9是美國專利Na 5,148,066中描述的動磁式電動機的示意圖。圖9中所示 的電動機包括背軛201、勵磁線圈202、勵磁軛203、運動部件204、主磁體205、 輔助磁體206和207。將電動機經(jīng)由活塞302耦合到位于外殼301內(nèi)的斯特林發(fā)動 機300。置換器303也位于外殼301之內(nèi)。中立位置210指定用于運動部件204。 在運動部件204沿軸方向移動的情況下，根據(jù)圖9所示的現(xiàn)有技術(shù)，強恢復(fù)力作用 在運動部件204上。結(jié)果，可能不能充分地保持活塞沖程。
作為減小上述恢復(fù)力的對策，美國專利No. 5,148,066中的圖7A和8A中公開 了通過將輔助磁體形成為三角形或?qū)⑵錅p薄的方法來改變形狀和結(jié)構(gòu)。為了將這些 形狀設(shè)計成最優(yōu)值，參數(shù)被增加而難以設(shè)計輔助磁體。此外，如果采用形成三角形 輔助磁體等方法，則等效電流減小并產(chǎn)生不僅恢復(fù)力減小而且推力增加效果降低的 問題。
另一方面，在不采用減小恢復(fù)力的對策的情況下，強的恢復(fù)力作用在主磁體
和輔助磁體上。這就必須考慮由方程式3表達的常數(shù)k^g。隨著常數(shù)k^g增加，從
方程式2和方程式3顯然可知設(shè)計機械彈簧以調(diào)節(jié)機械振動的共振所需的范圍變 窄，使得低頻共振的設(shè)計變難。
在這種情況下，還可想到減小支承彈簧(或機械彈簧)的徑向保持力，從而削弱 整個彈力，或增加方程式2中的運動質(zhì)量。然而，這些對策仍有問題活塞和圓柱 體不能以非接觸的方式支承，并且整個結(jié)構(gòu)沉重且巨大。
鑒于上述情況，期望提供一種振動式電動機，其中通過輔助磁體在不降低推 力增加效果的情況下僅減小恢復(fù)力，從而減小尺寸同時增加效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種振動式電動機，其中通過輔助磁體在不降低推力增加效果的 情況下僅減小恢復(fù)力，從而減小尺寸同時增加效率。具體地，提供了一種振動式 電動機，它包括運動部件，該運動部件具有主磁體以及分別在連接位置共軸連 接到主磁體的軸向端部的輔助磁體；勵磁軛，該勵磁軛包括隔著間隙與運動部件相
對并與運動部件共軸排列的兩個支柱部分;勵磁線圈，該勵磁線圈纏繞在勵磁軛上， 用于在支柱部分中生成磁通量；以及背軛，該背軛被安排成面對勵磁軛，并且運動 部件位于背軛和勵磁軛之間，其中支柱部分中最靠近運動部件的面的外側(cè)端部延伸 通過背軛的軸向端部。
將勵磁軛設(shè)置在運動部件的徑向外側(cè)，并且將背軛設(shè)置在所述運動部件的 徑向內(nèi)側(cè)，或者，將勵磁軛設(shè)置在運動部件的內(nèi)側(cè)，并且將背軛設(shè)置在所述運 動部件的徑向外側(cè)。
在一個優(yōu)選結(jié)構(gòu)中，背軛的軸向端部和外側(cè)端部之間的距離相等。
此外，使背軛的軸向端部和外側(cè)端部之間的距離是勵磁軛支柱部分中最靠 近運動部件的面的軸向?qū)挾鹊?0%或更少。
此外，主磁體和輔助磁體之間連接部分之間的距離和兩支柱部分中最靠近 運動部件的面的中心部分之間的距離彼此相等。
另外，主磁體和所述輔助磁體的連接部分之間的距離大于兩支柱部分中最 靠近運動部件的面的中心部分之間的距離。
另外，運動部件的軸向長度大于支柱部分最靠近運動部件的面的外側(cè)端部 之間的距離。
根據(jù)本發(fā)明，可提供一種振動式電動機，它可減小由運動部件的永磁體引 起的恢復(fù)力，同時基本保持可另外由勵磁電流產(chǎn)生的運動部件的推力，并且該 振動式電動機尺寸小、重量輕、價格低。


將參考本發(fā)明的某些優(yōu)選實施例和附圖來描述本發(fā)明，附圖中 圖1是示出本發(fā)明的第一實施例的示意圖； 圖2是示出本發(fā)明的第二實施例的示意圖3是示出實施例中運動部件的位移和推力之間的關(guān)系的圖； 圖4是示出實施例中運動部件的位移和恢復(fù)力之間的關(guān)系的圖； 圖5是示出在實施例中的背軛長度改變的情況下運動部件的位移和恢復(fù)力之 間的關(guān)系的圖6是用于解釋動磁式電動機的驅(qū)動原理的示意圖； 圖7是用于解釋動磁式電動機的驅(qū)動原理的示意圖； 圖8是示出現(xiàn)有技術(shù)的示意圖；以及
圖9是示出現(xiàn)有技術(shù)的示意圖。
具體實施例方式
圖1是示出本發(fā)明的第一實施例的示意圖。如以上圖6至9所討論的，圖1 示出沿基本為圓柱形的電動機的中心軸c截取的截面的一部分。圖1示出一種電 動機，它包括勵磁軛l、纏繞在勵磁軛1上的勵磁線圈2、背軛3以及運動部件4。 運動部件4由安排在勵磁軛1和背軛3之間的間隙部分中的永磁體形成。在附圖中 未示出用于支承運動部件4的常規(guī)的框架。
如圖1所示，通過將輔助磁體6和7在連接位置8、 9共軸且整體地連接到主 磁體5的兩軸向端部來構(gòu)造運動部件4，其中主磁體5使其外圓周側(cè)為N極而其內(nèi) 圓周側(cè)為S極。輔助磁體6和7沿與主磁體5相反的方向磁化。主磁體5和輔助 磁體6和7較佳地由諸如釹或釤之類的稀土元素構(gòu)成。
勵磁軛1是通過層疊諸如鐵片或硅鋼片之類的多層片來形成的。在施加交變 磁場的情況下，正如在振動式電動機中，較佳地通過使用層疊鋼片等將勵磁軛1 沿垂直于磁通量的方向絕緣，因為垂直于磁通量的渦流被建立，使得性能劣化。
如圖所示，背軛3使其端部3a和3b位于支柱部分11和12最靠近運動部件4 的面llf和12f的外側(cè)部lla和12a的內(nèi)側(cè)上。簡言之，背軛3的軸向長度比外側(cè) 端部lla和12a之間的距離短。換言之，支柱部分11和12最靠近運動部件4的面 llf和12f的兩個外側(cè)端部lla和12a延伸過圓柱形背軛3的軸向端部3a、 3b。
此外，將背軛3設(shè)置成使得其端部3a和支柱部分11相對運動部件4的面llf 的外側(cè)端部1 la之間的距離Da等于其端部3b和支柱部分12相對運動部件4的面 12f的外側(cè)端部12a之間的距離Db。
另一方面，整個運動部件4的軸向長度大于支柱部分11和12最靠近運動部 件4的面llf和12f的外側(cè)端部lla和12a之間的距離，并且運動部件4的兩個端 部(即，輔助磁體6和7各自的一端部)位于外側(cè)端部lla和12a的外側(cè)。
此外，主磁體5和輔助磁體6和7之間的連接位置8和9位于外側(cè)端部lla 和12a的內(nèi)側(cè)。這里，連接位置8和9也可與最靠近的面llf和12f的中心部分lib 和12b吻合以簡化設(shè)計。
勵磁軛的支柱部分11和12還可改變，以在運動部件4的一側(cè)具有較小或較 大的寬度。或者，支柱部分11和12還可形成臺階形，以使最靠近的面llf和12f 的軸向?qū)挾缺戎е糠?1和12的根端部寬或窄。這是因為在該情況下背軛3的端
部3a和3b的位置也被安排在最靠近的面llf和12f的外側(cè)端部lla和12a的內(nèi)側(cè)，
以實現(xiàn)類似的效果。
圖2示出第二實施例，其中勵磁軛的支柱部分11和12僅在運動部件4的軸 外側(cè)上變窄。如圖所示，背軛3使其端部3a和3b位于支柱部分11和12最靠近運 動部件4的面llf和12f的外側(cè)端部lla和12a的內(nèi)側(cè)。簡言之，背軛3的軸向長 度比外側(cè)端部lla和12a之間的距離短。此外，將背軛3設(shè)置成使得其端部3a和 支柱部分11相對運動部件4最靠近的面1 lf的外側(cè)端部1 la之間的距離Da等于其 端部3b和支柱部分12相對運動部件4最靠近的面12f的外側(cè)端部12a之間的距離 Db。
另一方面，整個運動部件4的軸向長度大于最靠近的面llf和12f的外側(cè)端部 lla和12a之間的距離，并且運動部件4的兩個端部(g卩，輔助磁體6和7各自的一 端部)位于外側(cè)端部lla和12a的外側(cè)。此外，主磁體5和輔助磁體6和7之間的 連接位置8和9位于外側(cè)端部lla和12a的內(nèi)側(cè)。
接著，描述運動部件4的位移和推力以及恢復(fù)力之間的關(guān)系。
在本文中，將從背軛3的端部3a和3b到最靠近的面llf和12f的外側(cè)端部lla 和12a的距離表示為D(如參考圖1和圖2中的Da或Db)。此外，將最靠近的面llf 和12f的軸向?qū)挾缺硎緸閃(如參考圖1和圖2)。另一方面，如圖1和圖2所示， 最靠近的面llf和12f的中心部分llb和12b位于寬度W的中心部分。
圖3示出在其中距離D是寬度W的0%的情況下，即其中背軛3的各個端部 3a和3b與最靠近的面1 lf和12f的兩個外側(cè)端部1 la和12a之間存在吻合(圖3中 的"吻合")的情況下，以及其中背軛3被安排成使得距離D縮短到寬度W的18%(圖 3中的"縮短到18%")的情況下，運動部件4的位移和勵磁推力之間的關(guān)系。
圖4示出在其中距離D是寬度W的0%的情況下，即其中背軛3的各個端部 3a和3b與勵磁軛1的支柱部分11和12最靠近運動部件4的面llf和12f的兩個 外側(cè)端部lla和12a之間存在吻合(圖4中的"吻合")的情況下，以及其中背軛3 被安排成使得距離D縮短到寬度W的18%(圖4中的"縮短到18%")的情況下， 運動部件4的位移和恢復(fù)力之間的關(guān)系。
圖5示出在其中距離D是寬度W的0%的情況下，即其中背軛3的各個端部 3a和3b與勵磁軛1的支柱部分11和12最靠近運動部件4的面llf和12f的兩個 外側(cè)端部lla和12a之間存在吻合(圖5中的"吻合")的情況下，以及其中背軛3 被安排成使得距離D縮短到寬度W的18%(圖5中的"縮短到18%" )、 29%(圖5
中的"縮短到29%")以及50%(圖5中的"縮短到50%")的情況下，運動部件4 的位移和恢復(fù)力之間的關(guān)系。在"縮短到50%"的情況下，背軛3的端部3a和3b 與最靠近的面llf和12f的中心部分llb和12b之間存在吻合。
在圖3、圖4和圖5中的任一個中，用于向外側(cè)移動運動部件的力為正。
從圖3可理解，對于其中背軛3的端部3a和3b位置與最靠近的面1 lf和12f 的兩個外側(cè)端部lla和12a的位置吻合的情況，以及其中背軛3被安排成使得距離 D縮短到寬度W的18%的情況，勵磁推力繪制出基本相等的曲線。簡言之，曲線 暗示即使背軛3變短，勵磁推力也難以減小。
從圖4可理解，在lmm或更小的運動部件位移的中立范圍附近，恢復(fù)力基本 相等，但在背軛3變短使得距離D是寬度W的18%的情況下，恢復(fù)力被抑制得很 小。例如，對于4mm的位移，恢復(fù)力減小到一半。
此外，從圖5可知，對于較大的距離D，恢復(fù)力逐漸變小，對于距離D縮短 至寬度W的29%，它基本變?yōu)??？衫斫庠诰嚯xD縮短到寬度W的50%的情況下， 力不用作恢復(fù)力而是非線性推力。然而，在距離D縮短到寬度W的50。/。時恢復(fù)力 用作非線性推力的情形中，運動范圍的中間變得不穩(wěn)定，使得機械振動的諧振調(diào)節(jié) 變得太難，使得電動機不穩(wěn)定。
因此，使背軛3變短，使得其端部3a和3b位于軸向內(nèi)側(cè)的負支柱部分，且 距離是相對運動部件4的最靠近面的軸向?qū)挾萕的30%或更小(如參考圖1和2)， 從而將恢復(fù)力抑制到低水平，而不劣化由安裝輔助磁體6和7獲得的推力增加效果。 結(jié)果，可增加凈推力以在寬范圍內(nèi)驅(qū)動運動部件4。
在任一個實施例中，設(shè)置輔助磁體6和7沿軸向的長度，使得即使在使運動 部件4移動電動機沖程所需的最大長度時，運動部件4的兩端部(即，輔助磁體6 和7的各自一端部)也不覆蓋最靠近的面1 lf和12f(即，外側(cè)端部1 la和12a的內(nèi)側(cè))。 這是因為在輔助磁體6和7短的情況下，反作用力由存在于輔助磁體6和7的外側(cè) 端部的等效電流生成(如參考圖8)，從而減小了推力增加效果。
已參考本發(fā)明的某些優(yōu)選實施例描述了本發(fā)明。然而，應(yīng)理解在所附權(quán)利要 求書的范圍內(nèi)的修改和變化是可能的。例如，在所示的實施例中，勵磁軛l被安排 在運動部件4的徑向外側(cè)，而背軛3被安排在運動部件4的徑向內(nèi)側(cè)。然而，可顛 倒勵磁軛1和背軛3的安排。此外，在第一實施例中，連接部分8和9可從支柱部 分11和12的最靠近的面的中心部分llb和12b軸向偏移到運動部件4，盡管設(shè)計 參數(shù)增加了。此外，可將根據(jù)本發(fā)明的振動式電動機應(yīng)用于斯特林冷凍機的振動式 壓縮機等。
權(quán)利要求
1. 一種振動式電動機，包括運動部件，所述運動部件包含主磁體以及分別在連接位置共軸連接到所述主磁體的軸向端部的輔助磁體；勵磁軛，所述勵磁軛包括隔著間隙與所述運動部件相對的兩個支柱部分；勵磁線圈，所述勵磁線圈纏繞在所述勵磁軛上，用于在所述支柱部分中生成磁通量；以及背軛，所述背軛被安排成面對所述勵磁軛，并且所述運動部件位于所述背軛和所述勵磁軛之間；其中所述支柱部分中最靠近所述運動部件的面的外側(cè)端部延伸通過所述背軛的軸向端部。
2. 如權(quán)利要求1所述的振動式電動機，其特征在于，將所述勵磁軛設(shè)置 在所述運動部件的徑向外側(cè)，并且將所述背軛設(shè)置在所述運動部件的徑向內(nèi)
3. 如權(quán)利要求1所述的振動式電動機，其特征在于，將所述勵磁軛設(shè)置 在所述運動部件的內(nèi)側(cè)，并且將所述背軛設(shè)置在所述運動部件的徑向外側(cè)。
4. 如權(quán)利要求1所述的振動式電動機，其特征在于，所述背軛的軸向端 部和外側(cè)端部之間的距離相等。
5. 如權(quán)利要求1所述的振動式電動機，其特征在于，使所述背軛的軸向 端部和外側(cè)端部之間的距離等于或小于所述面的軸向?qū)挾鹊?0%。
6. 如權(quán)利要求1所述的振動式電動機，其特征在于，所述連接位置之間 的距離與所述面的中心部分之間的距離彼此相等。
7. 如權(quán)利要求1所述的振動式電動機，其特征在于，所述主磁體和所述 輔助磁體的連接位置之間的距離大于所述面的中心部分之間的距離。
8. 如權(quán)利要求1所述的振動式電動機，其特征在于，所述運動部件的軸 向長度大于所述面的外側(cè)端部之間的距離。
全文摘要
提供一種振動式電動機，其中通過輔助磁體在不降低推力增加效果的情況下僅減小恢復(fù)力，從而減小電動機的尺寸和成本，同時增加效率。振動式電動機包括運動部件，該運動部件具有主磁體以及分別共軸連接到主磁體的兩個軸向端部的輔助磁體；勵磁軛，該勵磁軛包括通過間隙與運動部件相對的兩個支柱部分，并與運動部件共軸排列；勵磁線圈，該勵磁線圈纏繞在勵磁軛上，用于在支柱部分中生成磁通量；以及背軛，該背軛被安排成面對勵磁軛，并且運動部件位于背軛和勵磁軛之間，其中勵磁軛的外側(cè)端部延伸過背軛的軸向端部。
文檔編號H02K33/16GK101383549SQ20081008642
公開日2009年3月11日 申請日期2008年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月5日
發(fā)明者大島惠司, 松本伸, 溝口義則 申請人:富士電機系統(tǒng)株式會社