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，可将其用于例如斯特林(Stirling)冷冻机的振动式压縮机。
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4和5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4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在内圆周侧和外圆周侧上的磁极不同。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)内的其两个轴端部。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4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0通过将AC电流馈入励磁线圈102而生成时，并且当该磁通量O 被链接到其中存在等效电流lM的间隙G时，如图5所示，安排在间隙G中的运动 部件104根据弗菜明(Fleming)左手定则通过沿附图中横向的力滩力)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-2Im七m其中字母B指示间隙G中生成的磁通量0)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士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 弹簧具有沿未示出的轴方向的适当弹力(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lr = k + k + k jv ivSp i JVmag i "gas,其中k;p指示根据机械弹簧的弹性常数；k^g指示根据运动部件磁体的恢复力的弹性常数；而 k^指示根据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4和图5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k,p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(LM二常数)增加推力F，如从图l所 显而易见的，可增加间隙的磁通密度B和等效电流lM。首先，为了增加磁通密度 B，必需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tfR)增加，由此引起性能下降。另一方面，为了增加等效电流IM，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6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6所示的例子中，在未励磁状态下，主磁体105和辅助磁体106和107之间的连接部分磁通量彼此抵消，使得运动部件104A在中立位 置的保持力变得比图4和图IO的结构强。这获得的优点是促进了所谓的"自动定 心"。图7是美国专利No. 5,148,066中描述的动磁式电动机的示意图。图7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7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，参数被增加使得难以设计辅助磁体。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。这使得必需考虑由方程式3表达的常数kmag。随着常数kmag增加， 从方程式2和方程式3显然易见的是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，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，它包括具有主磁体以及分别在连接位置共轴连接到主磁体的轴端部的 辅助磁体的运动部件；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，并相对于运动部件安排该励磁轭，使得两个支柱部分上最靠近运动部件的中心部分之间的第一距离与连接位置之间的第二距离不同；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；其中运动部件的轴端部基本上与支 柱部分的面的外侧端部吻合。将励磁轭设置在运动部件的径向外侧，并且将背轭设置在运动部件的径向 内侧。或者，将励磁轭设置在运动部件的径向内侧，并且将背轭设置在运动部 件的径向外侧。在一个优选实施例中，连接位置之间的第二距离大于两个支柱部分上最靠近 运动部件的面的中心部分之间的第一距离，并且运动部件的轴长度大于第一距 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。本发明的其它特征和优点可从以下本发明的优选实施例的详细描述变得 显而易见。
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是示出根据本发明的振动式电动机的示意图；图2是示出在支柱部分的中心部分与运动部件的连接部分之间的位置关系移 动的情况下运动部件的位移和恢复力之间的关系图；图3是示出在支柱部分的中心部分lib和12b与运动部件的连接部分之间的 位置关系移动的情况下实施例的运动部件的位移和净推力之间的关系图；图4是用于解释常规的动磁式电动机的驱动原理的示意图；图5是用于解释常规的动磁式电动机的驱动原理的示意图；图6是示出常规的电动机结构的示意图；以及图7是示出常规的电动机结构的示意图。
具体实施方式
图l是示出根据本发明的振动式电动机的示意图。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之间的轭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1所示，支柱部分11和12上最靠近运动部件的面llf和12f的中心部分 1 lb和12b具有宽度W。背轭3的端部3a和3b基本上与支柱部分11和12上最靠 近运动部件4的面llf和12f的外侧端部lla和12a吻合。简言之，背轭3的轴长 度等于外侧端部lla和12a之间的距离。此外，连接位置8和9以及支柱部分11 和12的中心部分llb和12b沿轴向相对于彼此移动。从另一方面看，连接位置8 和9之间的距离与中心部分llb和12b之间的距离互不相同。图2示出两种情况下(图2中的中立)运动部件4的位移和恢复力之间的关系， 其中包括励磁轭1的支柱部分11和12的中心部分lib和12b的位置与连接位置8 和9吻合，以及中心部分lib和12b的位置向内移动1.5mm。与图2类似，图3 示出两种情况下(图3中的中立)运动部件4的位移和净推力之间的关系，其中包括 励磁轭1的支柱部分11和12的中心部分1 lb和12b的位置与连接位置8和9吻合， 以及中心部分llb和12b的位置向内移动1.5mm。在存在辅助磁体6和7的情况下，可从图2理解恢复力随着运动部件4的运 动稳定增加。同时，如图3所示，净推力随着运动部件4的运动稳定减小。净推力 表示由通过励磁电流在运动部件4中生成的力和恢复力合成的合力。在图2和图3 的"中立"情况下，可从曲线的斜率理解恢复力很强，并且净推力极端减小。简言 之，"中立"情况表示运动部件4的运动范围窄。另一方面，在中心部分llb和12b的位置向内偏移1.5mm的情况下，恢复力 和净推力两者的曲线的斜率比中立状态的缓和。简言之，可减小运动部件4的恢复 力，并且净推力很强并按其递减程度减小。具体地，中心部分llb和12b的位置相 对于连接位置8和9沿轴向向内侧移动。应理解，尽管辅助磁体6和7的厚度和形状与中立状态的条件相同，但可在不劣化由安装辅助磁体6和7获得的推力增加效 果的情况下在宽范围内驱动运动部件4。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的两端部也不覆盖支柱部分11和12上最靠近运 动部件4的面llf和12f。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6)，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，可将根据本发明的振动式电动机应用于斯特林冷冻机 的振动式压縮机等。
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端部的辅助磁体；励磁轭，所述励磁轭包括通过间隙与所述运动部件相对的两个支柱部分，并相对于所述运动部件安排所述励磁轭，使得所述两个支柱部分上最靠近所述运动部件的面的中心部分之间的第一距离与所述连接位置之间的第二距离不同；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；其中所述运动部件的轴端部基本上与所述支柱部分的面的外侧端部吻合。
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 在所述运动部件的径向内侧，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，所述第二距离大于 所述第一距离。
5. 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 长度大于所述第一距离。
全文摘要
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，它包括具有主磁体以及分别在连接位置共轴连接到主磁体的轴端部的辅助磁体的运动部件；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，并相对于运动部件安排该励磁轭，使得两个支柱部分上最靠近运动部件的面的中心部分之间的第一距离与连接位置之间的第二距离不同；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；其中运动部件的轴端部基本上与支柱部分的面的外侧端部吻合。
文档编号H02K33/18GK101252305SQ200810005779
公开日2008年8月27日 申请日期2008年2月1日 优先权日2007年2月21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