专利名称：振动式电动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及振动式电动机，它可在例如斯特林(Stirling)冷冻机的振动式压縮机
中使用。
背景技术：
通常将动磁式直线电动机(下文中简称为"动磁式电动机")用作振动式电动机。 图6和7是解释动磁式电动机的驱动原理的示意图，并示出沿基本为圆柱形的电动 机的中心轴C截取的截面的部分。如图6所示，电动机包括励磁轭101、励磁线圈 102、背轭103和运动部件104。运动部件104由安排在励磁轭101和背轭103之 间的间隙部分中的圆柱形永磁体制成，并且被内圆周侧和外圆周侧的不同磁极磁 化。还示出了由运动部件104生成的磁通量201。提供了用于支承运动部件104的 常规外壳，但未示出。
在所示的大多数动磁式电动机中，具有一磁化单极的单个永磁体用作运动部 件104，该运动部件104整体地连接到活塞(未示出)。运动部件104具有限制在励 磁轭101的支柱宽度(leg width)内的两个轴向端部。在运动部件104的外圆周磁化 成N极且其内圆周侧磁化成S极的情况下，如图6所示，从外圆周侧生成的磁通 量201围绕运动部件104的外侧返回内圆周侧。因此，在运动部件104的两个轴向 端部，上述的磁通量201等效于在与垂直于附图的方向相反地馈入电流时生成的磁
通量。该磁通量被称为永磁体的等效电流lM。
当磁通量O通过将AC电流馈入励磁线圈102而生成，并且当该磁通量(D被 链接到其中存在等效电流IM的间隙G时，如图7所示，安排在间隙G中的运动部 件104根据弗莱明(Fleming)左手定则通过沿附图中横向的力(推力)往复运动。可根 据以下的方程式1简单地计算上述的推力F:
其中字母B指示间隙G中生成的磁通量(D的磁通密度，而LM指示运动部件 104在圆周方向的平均长度。在方程式1中，与普通的B，I，L定则不同，等效电流lM增加一倍，因为在该模型中等效电流lM存在于运动部件104的两个轴向端部的 两个部分中。
另一方面，运动部件104设置有机械弹簧(例如，螺旋弹簧或板弹簧)，该机械 弹簧沿未示出的轴方向具有适当弹力(如JP-A-2005-9397所示)。这是因为在机械振 动的共振点处驱动运动部件104能够抑制输入功率。 一般而言，斯特林冷冻机以 40至80Hz的相对低的频率运行。简单的弹簧质量系统的固有频率f针对弹性常数 k和运动质量m由以下的方程式2给出
f = 1/2" "k/m
此外，在将本发明的振动式电动机用作压縮机的情况下，弹性常数k由以下
方程式3表达
k — kSp + kmag + kgas ，
其中
ksp指示机械弹簧的弹性常数；
kmag指示运动部件磁体的恢复力的弹性常数；而 kg^指示压縮气体的弹性常数。
对于这些弹性常数，弹性常数k^基本上根据所需的冷冻输出由压縮气体的充 气压力和压縮比来确定，从而难以随意调节。如图6和图7所示，在运动部件104 是具有磁化单极的单个永磁体的情况下，磁体的恢复力很难在运动范围中起作用， 从而实际上不需要考虑常数kmag。结果，机械弹性常数ksp具有宽的可调节范围， 使得其设计相对容易。
此外，为了在不改变电动机主体的情况下(1^=常数)增加推力F，如从方程式
1所显而易见的，可增加间隙的磁通密度B或等效电流IM。首先，为了增加磁通 密度B，必须减小间隙的间隙长度或增加流过励磁线圈102的励磁电流。然而，前 一方法的问题在于运动部件104及其支承构件被制作得很薄，这易于导致强度的降 低和制造成本的升高，而后一方法的问题在于焦耳热损耗(fR)增加，由此引起性能下降。
另一方面，为了增加等效电流lM，可不仅改变作为运动部件104的永磁体的 厚度，而且采用具有更强磁力的永磁体。然而，这些选项将提高制造费用。
另一种增加推力F的方法在图8中示出。在该动磁式电动机的示例中，沿与 主磁体105相反的方向磁化的圆柱形辅助磁体106和107被共轴且整体地连接到圆 柱形主磁体105的两个轴向端部，使得形成运动部件104A以在实际上增加等效电
流Im。例如，美国专利No. 5,148,066和4,937,481示出，包括具有主磁体和一对辅 助磁体的运动部件是公知的。在图8所示的例子中，在未励磁状态下，磁通量在主 磁体105和辅助磁体106和107之间的连接部分彼此抵消，使得运动部件104A在 中立位置的保持力变得比图6和图10的结构强。这获得的优点是促进了所谓的"自 动定心"。
图9是美国专利Na 5,148,066中描述的动磁式电动机的示意图。图9中所示 的电动机包括背轭201、励磁线圈202、励磁轭203、运动部件204、主磁体205、 辅助磁体206和207。将电动机经由活塞302耦合到位于外壳301内的斯特林发动 机300。置换器303也位于外壳301之内。中立位置210指定用于运动部件204。 在运动部件204沿轴方向移动的情况下，根据图9所示的现有技术，强恢复力作用 在运动部件204上。结果，可能不能充分地保持活塞冲程。
作为减小上述恢复力的对策，美国专利No. 5,148,066中的图7A和8A中公开 了通过将辅助磁体形成为三角形或将其减薄的方法来改变形状和结构。为了将这些 形状设计成最优值，参数被增加而难以设计辅助磁体。此外，如果采用形成三角形 辅助磁体等方法，则等效电流减小并产生不仅恢复力减小而且推力增加效果降低的 问题。
另一方面，在不采用减小恢复力的对策的情况下，强的恢复力作用在主磁体
和辅助磁体上。这就必须考虑由方程式3表达的常数k^g。随着常数k^g增加，从
方程式2和方程式3显然可知设计机械弹簧以调节机械振动的共振所需的范围变 窄，使得低频共振的设计变难。
在这种情况下，还可想到减小支承弹簧(或机械弹簧)的径向保持力，从而削弱 整个弹力，或增加方程式2中的运动质量。然而，这些对策仍有问题活塞和圆柱 体不能以非接触的方式支承，并且整个结构沉重且巨大。
鉴于上述情况，期望提供一种振动式电动机，其中通过辅助磁体在不降低推 力增加效果的情况下仅减小恢复力，从而减小尺寸同时增加效率。
发明内容
本发明提供一种振动式电动机，其中通过辅助磁体在不降低推力增加效果的 情况下仅减小恢复力，从而减小尺寸同时增加效率。具体地，提供了一种振动式 电动机，它包括运动部件，该运动部件具有主磁体以及分别在连接位置共轴连 接到主磁体的轴向端部的辅助磁体；励磁轭，该励磁轭包括隔着间隙与运动部件相
对并与运动部件共轴排列的两个支柱部分;励磁线圈，该励磁线圈缠绕在励磁轭上， 用于在支柱部分中生成磁通量；以及背轭，该背轭被安排成面对励磁轭，并且运动 部件位于背轭和励磁轭之间，其中支柱部分中最靠近运动部件的面的外侧端部延伸 通过背轭的轴向端部。
将励磁轭设置在运动部件的径向外侧，并且将背轭设置在所述运动部件的 径向内侧，或者，将励磁轭设置在运动部件的内侧，并且将背轭设置在所述运 动部件的径向外侧。
在一个优选结构中，背轭的轴向端部和外侧端部之间的距离相等。
此外，使背轭的轴向端部和外侧端部之间的距离是励磁轭支柱部分中最靠 近运动部件的面的轴向宽度的30%或更少。
此外，主磁体和辅助磁体之间连接部分之间的距离和两支柱部分中最靠近 运动部件的面的中心部分之间的距离彼此相等。
另外，主磁体和所述辅助磁体的连接部分之间的距离大于两支柱部分中最 靠近运动部件的面的中心部分之间的距离。
另外，运动部件的轴向长度大于支柱部分最靠近运动部件的面的外侧端部 之间的距离。
根据本发明，可提供一种振动式电动机，它可减小由运动部件的永磁体引 起的恢复力，同时基本保持可另外由励磁电流产生的运动部件的推力，并且该 振动式电动机尺寸小、重量轻、价格低。
将参考本发明的某些优选实施例和附图来描述本发明，附图中 图1是示出本发明的第一实施例的示意图； 图2是示出本发明的第二实施例的示意图3是示出实施例中运动部件的位移和推力之间的关系的图； 图4是示出实施例中运动部件的位移和恢复力之间的关系的图； 图5是示出在实施例中的背轭长度改变的情况下运动部件的位移和恢复力之 间的关系的图6是用于解释动磁式电动机的驱动原理的示意图； 图7是用于解释动磁式电动机的驱动原理的示意图； 图8是示出现有技术的示意图；以及
图9是示出现有技术的示意图。
具体实施例方式
图1是示出本发明的第一实施例的示意图。如以上图6至9所讨论的，图1 示出沿基本为圆柱形的电动机的中心轴c截取的截面的一部分。图1示出一种电 动机，它包括励磁轭l、缠绕在励磁轭1上的励磁线圈2、背轭3以及运动部件4。 运动部件4由安排在励磁轭1和背轭3之间的间隙部分中的永磁体形成。在附图中 未示出用于支承运动部件4的常规的框架。
如图1所示，通过将辅助磁体6和7在连接位置8、 9共轴且整体地连接到主 磁体5的两轴向端部来构造运动部件4，其中主磁体5使其外圆周侧为N极而其内 圆周侧为S极。辅助磁体6和7沿与主磁体5相反的方向磁化。主磁体5和辅助 磁体6和7较佳地由诸如钕或钐之类的稀土元素构成。
励磁轭1是通过层叠诸如铁片或硅钢片之类的多层片来形成的。在施加交变 磁场的情况下，正如在振动式电动机中，较佳地通过使用层叠钢片等将励磁轭1 沿垂直于磁通量的方向绝缘，因为垂直于磁通量的涡流被建立，使得性能劣化。
如图所示，背轭3使其端部3a和3b位于支柱部分11和12最靠近运动部件4 的面llf和12f的外侧部lla和12a的内侧上。简言之，背轭3的轴向长度比外侧 端部lla和12a之间的距离短。换言之，支柱部分11和12最靠近运动部件4的面 llf和12f的两个外侧端部lla和12a延伸过圆柱形背轭3的轴向端部3a、 3b。
此外，将背轭3设置成使得其端部3a和支柱部分11相对运动部件4的面llf 的外侧端部1 la之间的距离Da等于其端部3b和支柱部分12相对运动部件4的面 12f的外侧端部12a之间的距离Db。
另一方面，整个运动部件4的轴向长度大于支柱部分11和12最靠近运动部 件4的面llf和12f的外侧端部lla和12a之间的距离，并且运动部件4的两个端 部(即，辅助磁体6和7各自的一端部)位于外侧端部lla和12a的外侧。
此外，主磁体5和辅助磁体6和7之间的连接位置8和9位于外侧端部lla 和12a的内侧。这里，连接位置8和9也可与最靠近的面llf和12f的中心部分lib 和12b吻合以简化设计。
励磁轭的支柱部分11和12还可改变，以在运动部件4的一侧具有较小或较 大的宽度。或者，支柱部分11和12还可形成台阶形，以使最靠近的面llf和12f 的轴向宽度比支柱部分11和12的根端部宽或窄。这是因为在该情况下背轭3的端
部3a和3b的位置也被安排在最靠近的面llf和12f的外侧端部lla和12a的内侧，
以实现类似的效果。
图2示出第二实施例，其中励磁轭的支柱部分11和12仅在运动部件4的轴 外侧上变窄。如图所示，背轭3使其端部3a和3b位于支柱部分11和12最靠近运 动部件4的面llf和12f的外侧端部lla和12a的内侧。简言之，背轭3的轴向长 度比外侧端部lla和12a之间的距离短。此外，将背轭3设置成使得其端部3a和 支柱部分11相对运动部件4最靠近的面1 lf的外侧端部1 la之间的距离Da等于其 端部3b和支柱部分12相对运动部件4最靠近的面12f的外侧端部12a之间的距离 Db。
另一方面，整个运动部件4的轴向长度大于最靠近的面llf和12f的外侧端部 lla和12a之间的距离，并且运动部件4的两个端部(g卩，辅助磁体6和7各自的一 端部)位于外侧端部lla和12a的外侧。此外，主磁体5和辅助磁体6和7之间的 连接位置8和9位于外侧端部lla和12a的内侧。
接着，描述运动部件4的位移和推力以及恢复力之间的关系。
在本文中，将从背轭3的端部3a和3b到最靠近的面llf和12f的外侧端部lla 和12a的距离表示为D(如参考图1和图2中的Da或Db)。此外，将最靠近的面llf 和12f的轴向宽度表示为W(如参考图1和图2)。另一方面，如图1和图2所示， 最靠近的面llf和12f的中心部分llb和12b位于宽度W的中心部分。
图3示出在其中距离D是宽度W的0%的情况下，即其中背轭3的各个端部 3a和3b与最靠近的面1 lf和12f的两个外侧端部1 la和12a之间存在吻合(图3中 的"吻合")的情况下，以及其中背轭3被安排成使得距离D縮短到宽度W的18%(图 3中的"縮短到18%")的情况下，运动部件4的位移和励磁推力之间的关系。
图4示出在其中距离D是宽度W的0%的情况下，即其中背轭3的各个端部 3a和3b与励磁轭1的支柱部分11和12最靠近运动部件4的面llf和12f的两个 外侧端部lla和12a之间存在吻合(图4中的"吻合")的情况下，以及其中背轭3 被安排成使得距离D縮短到宽度W的18%(图4中的"縮短到18%")的情况下， 运动部件4的位移和恢复力之间的关系。
图5示出在其中距离D是宽度W的0%的情况下，即其中背轭3的各个端部 3a和3b与励磁轭1的支柱部分11和12最靠近运动部件4的面llf和12f的两个 外侧端部lla和12a之间存在吻合(图5中的"吻合")的情况下，以及其中背轭3 被安排成使得距离D縮短到宽度W的18%(图5中的"縮短到18%" )、 29%(图5
中的"縮短到29%")以及50%(图5中的"縮短到50%")的情况下，运动部件4 的位移和恢复力之间的关系。在"縮短到50%"的情况下，背轭3的端部3a和3b 与最靠近的面llf和12f的中心部分llb和12b之间存在吻合。
在图3、图4和图5中的任一个中，用于向外侧移动运动部件的力为正。
从图3可理解，对于其中背轭3的端部3a和3b位置与最靠近的面1 lf和12f 的两个外侧端部lla和12a的位置吻合的情况，以及其中背轭3被安排成使得距离 D縮短到宽度W的18%的情况，励磁推力绘制出基本相等的曲线。简言之，曲线 暗示即使背轭3变短，励磁推力也难以减小。
从图4可理解，在lmm或更小的运动部件位移的中立范围附近，恢复力基本 相等，但在背轭3变短使得距离D是宽度W的18%的情况下，恢复力被抑制得很 小。例如，对于4mm的位移，恢复力减小到一半。
此外，从图5可知，对于较大的距离D，恢复力逐渐变小，对于距离D縮短 至宽度W的29%，它基本变为0。可理解在距离D縮短到宽度W的50%的情况下， 力不用作恢复力而是非线性推力。然而，在距离D縮短到宽度W的50。/。时恢复力 用作非线性推力的情形中，运动范围的中间变得不稳定，使得机械振动的谐振调节 变得太难，使得电动机不稳定。
因此，使背轭3变短，使得其端部3a和3b位于轴向内侧的负支柱部分，且 距离是相对运动部件4的最靠近面的轴向宽度W的30%或更小(如参考图1和2)， 从而将恢复力抑制到低水平，而不劣化由安装辅助磁体6和7获得的推力增加效果。 结果，可增加净推力以在宽范围内驱动运动部件4。
在任一个实施例中，设置辅助磁体6和7沿轴向的长度，使得即使在使运动 部件4移动电动机冲程所需的最大长度时，运动部件4的两端部(即，辅助磁体6 和7的各自一端部)也不覆盖最靠近的面1 lf和12f(即，外侧端部1 la和12a的内侧)。 这是因为在辅助磁体6和7短的情况下，反作用力由存在于辅助磁体6和7的外侧 端部的等效电流生成(如参考图8)，从而减小了推力增加效果。
已参考本发明的某些优选实施例描述了本发明。然而，应理解在所附权利要 求书的范围内的修改和变化是可能的。例如，在所示的实施例中，励磁轭l被安排 在运动部件4的径向外侧，而背轭3被安排在运动部件4的径向内侧。然而，可颠 倒励磁轭1和背轭3的安排。此外，在第一实施例中，连接部分8和9可从支柱部 分11和12的最靠近的面的中心部分llb和12b轴向偏移到运动部件4，尽管设计 参数增加了。此外，可将根据本发明的振动式电动机应用于斯特林冷冻机的振动式 压缩机等。
权利要求
1. 一种振动式电动机，包括运动部件，所述运动部件包含主磁体以及分别在连接位置共轴连接到所述主磁体的轴向端部的辅助磁体；励磁轭，所述励磁轭包括隔着间隙与所述运动部件相对的两个支柱部分；励磁线圈，所述励磁线圈缠绕在所述励磁轭上，用于在所述支柱部分中生成磁通量；以及背轭，所述背轭被安排成面对所述励磁轭，并且所述运动部件位于所述背轭和所述励磁轭之间；其中所述支柱部分中最靠近所述运动部件的面的外侧端部延伸通过所述背轭的轴向端部。
2. 如权利要求1所述的振动式电动机，其特征在于，将所述励磁轭设置 在所述运动部件的径向外侧，并且将所述背轭设置在所述运动部件的径向内
3. 如权利要求1所述的振动式电动机，其特征在于，将所述励磁轭设置 在所述运动部件的内侧，并且将所述背轭设置在所述运动部件的径向外侧。
4. 如权利要求1所述的振动式电动机，其特征在于，所述背轭的轴向端 部和外侧端部之间的距离相等。
5. 如权利要求1所述的振动式电动机，其特征在于，使所述背轭的轴向 端部和外侧端部之间的距离等于或小于所述面的轴向宽度的30%。
6. 如权利要求1所述的振动式电动机，其特征在于，所述连接位置之间 的距离与所述面的中心部分之间的距离彼此相等。
7. 如权利要求1所述的振动式电动机，其特征在于，所述主磁体和所述 辅助磁体的连接位置之间的距离大于所述面的中心部分之间的距离。
8. 如权利要求1所述的振动式电动机，其特征在于，所述运动部件的轴 向长度大于所述面的外侧端部之间的距离。
全文摘要
提供一种振动式电动机，其中通过辅助磁体在不降低推力增加效果的情况下仅减小恢复力，从而减小电动机的尺寸和成本，同时增加效率。振动式电动机包括运动部件，该运动部件具有主磁体以及分别共轴连接到主磁体的两个轴向端部的辅助磁体；励磁轭，该励磁轭包括通过间隙与运动部件相对的两个支柱部分，并与运动部件共轴排列；励磁线圈，该励磁线圈缠绕在励磁轭上，用于在支柱部分中生成磁通量；以及背轭，该背轭被安排成面对励磁轭，并且运动部件位于背轭和励磁轭之间，其中励磁轭的外侧端部延伸过背轭的轴向端部。
文档编号H02K33/16GK101383549SQ20081008642
公开日2009年3月11日 申请日期2008年3月12日 优先权日2007年9月5日
发明者大岛惠司, 松本伸, 沟口义则 申请人:富士电机系统株式会社