[发明专利]振动式电动机

说明书

技术领域

本发明涉及振动式电动机，它可在例如斯特林(Stirling)冷冻机的振动式压缩机中使用。

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I_M。

当磁通量Φ通过将AC电流馈入励磁线圈102而生成，并且当该磁通量Φ被链接到其中存在等效电流I_M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：

F＝B·2I_M·L_M

其中字母B指示间隙G中生成的磁通量Φ的磁通密度，而L_M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I_M增加一倍，因为在该模型中等效电流I_M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缩机的情况下，弹性常数k由以下方程式3表达：

k＝k_sp+k_mag+k_gas，

其中：

k_sp指示机械弹簧的弹性常数；

k_mag指示运动部件磁体的恢复力的弹性常数；而

k_gas指示压缩气体的弹性常数。

对于这些弹性常数，弹性常数k_gas基本上根据所需的冷冻输出由压缩气体的充气压力和压缩比来确定，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k_mag。结果，机械弹性常数k_sp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(L_M＝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I_M。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(I²R)增加，由此引起性能下降。

另一方面，为了增加等效电流I_M，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。