JPH0251351A

JPH0251351A - 質量平衡中心を有するリニアモータ装置

Info

Publication number: JPH0251351A
Application number: JP1089569A
Authority: JP
Inventors: Robert L Berry; ロバート・エル・ベリー
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1988-05-27
Filing date: 1989-04-07
Publication date: 1990-02-21
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: JPH0734637B2; IL89412A; EP0343350A3; EP0343350A2; US4831292A; IL89412A0

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は電気モータに関するものであり、特にモータ容
器への振動の伝達が最少であるリニアモータ装置に関す
るものである。

［従来の技術］電子装置またはセンサを冷却するために使用される低温
冷却装置のような応用においては、往復形式のピストン
を駆動する必要がある。これは初期に、モータからの回
転運動が接続ロッドおよびベアリングを具備するクラン
クメカニズムによって直線往復運動へ変換されるような
従来の回転電気モータによって達成された。長寿命を達
成するためには、モータおよびベアリングは一般にグリ
ース状の物を使用して潤滑にされなければならない。低
温冷却装置の適用において、適切なグリースのタイプは
冷却装置の動作流体を汚染しないように非常に低い蒸気
圧を有していなければならない。現在までの既知の全て
のグリースはいくらかの汚染物を与え冷却装置の寿命を
制限するものである。

低温冷却装置の寿命を伸ばすため使用された技術におけ
る最も新しい進歩はリニアモータの開発であり、それは
冷却装置ピストンが直線往復形式でモータによって直接
駆動されるものである。リニアモータ中では回転運動を
直線運動へ変換する必要がない。この故に、より簡単な
装置が、従来の回転ベアリングおよびそれらの潤滑グリ
ースの必要性を排除する。その代わりに、固体プラスチ
ック膜から形成されたスライダベアリングが使用され、
それによって潤滑グリースの必要性を排除し長寿命の冷
却装置を得ることを可能にし、動作流体の汚染物の大き
な源が除去された。

リニアモータが往復形式でピストンを駆動するように使
用されると、可動部分の質量の中心の結果的に生じる運
動は動作部分が取付けられたハウジングその他の構造に
おける振動力を発生し、全アセンブリの望ましくない機
械的振動を発生する。

リニアモータにおける振動を減少するため使用された１
つの技術は、共通軸上に配置され互いに位相が１８０’
ずれて動作される一対のリニアモータを使用することで
ある。しかしながら、このような装置は第２のモータお
よびその関連する制御回路のための付加的な費用を生じ
るだけでなく、全装置の大きさおよび重さがいくつかの
適用には大きすぎるものである。

リニアモータで使用されたもう１つの振動減少技術はダ
イナミック、またはフラム（Ｐｒａｔｖ　）逆平衡スキ
ームを含む。その典型的な装置においてはＰｒａｔ＋ｍ
平衡器はマス（質量）、および振動が減少されるべきハ
ウジングへマスを接続するスプリングを具備する。スプ
リング定数および質量は、リニアモータの振動の本質的
な周波数に正確に等しいスプリング−質量サブシステム
の本質的周波数を生じるように選択される。この状態に
おいて、スプリング−質量平衡サブシステムがその本質
的周波数で励起されると、ノ＼ウジング上のモータによ
って供給されたものと正確に反対の振動力を与える。こ
れらの振動力は互いに消去され、ハウジングへは振動は
伝達されない。フラム逆平衡システムの改良された形式
の１例が米国特許節４゜３６０．０８７号明細書（Ｐｅ
ｔｅｒ　Ｃｕｒｖｃｎ）に開示されている。フラム逆平
衡システムはこのシステムが設計された特定の周波数で
あるいはその付近で適切な振動減少を行うけれども、こ
のようなシステムは実際には頻繁に見られる広い範囲の
周波数にわたっては有効ではない。

［発明の解決すべき課題］本発明の目的は、モータ周波数に対して敏感ではないリ
ニアモータのための平衡装置を提供することである。

本発明のもう１つの目的は、本質的に広い範囲のモータ
動作周波数において装置ハウジングへ振動が伝達されな
いようなリニアモータ装置を提供することである。

本発明の更にもう１つの目的は、小さいサイズで軽量で
、かつコストの低いリニアモータ用の有効な振動減少装
置を提供することである。

［課題解決のための手段および作用］本発明に従ったリニアモータ装置において、質Ｑ　Ｍ　
ｍのモータ巻線アセンブリがハウジング中に配置され、
ハウジングに関する往復直線運動を受ける。質ＨＭ　ａ
のモータ電機子アセンブリは、モータ巻線アセンブリお
よびハウジングに関する往復直線運動を行うモータ電機
子アセンブリに隣接するハウジング中に配置される。ス
プリング定数に＋ｎを有する第１のスプリングはモータ
巻線アセンブリとハウジングとの間に動作的に配置され
、スプリング定数Ｋａを有する第２のスプリングは動作
的にモータ電機子アセンブリとノ１ウジングとの間に配
置され、スプリング効果はやはりモータ巻線アセンブ°
りとモータ電機子アセンブリとの間に与えられる。スプ
リング定数Ｋｍ＋およびＫａは実質的に関係式Ｋｍ　／
Ｋａ　−Ｍｍ　／Ｍａを満たす。

本発明の付加的な目的、利点および特徴は、添附図面に
関連して考慮された以下の本発明の好ましい実施例の詳
細な説明から容易に明らかとなる。

［実施例］特に第１図を参照すると、本発明に従ったリニアモータ
装置ｌＯは例えばアルミニウムからできているハウジン
グ１２を含んでいることがわかり、それは両端で同軸の
小さい直径の延長部分１６および１８を具備する拡大さ
れた円筒状の室１４を定める。

例えばステンレススチールからできているモータハウジ
ング２０は往復直線運動のためハウジング１２中に同軸
上に配置され、拡大された環状の中心部分２２と、中心
部分２２の各端部から縦に伸びている同軸のより小さい
直径の管状部分２４．２８を具備する。管状部分２４お
よび２６は、小さな環状間隙が管状部分２４または２Ｂ
の外部周辺表面と、各室延長部分１６または１８の隣接
する円筒状表面との間に存在するように各室の延長部分
１６および１８内へ伸びている。管状部分２４の外部端
部は端部２８によって閉鎖され、一方管状部分２Ｂの外
部端部は開いたままである。

円筒状のモータ電機子アセンブリ３０はモータハウジン
グ２０中に同軸に配置され、往復直線形態でハウジング
２０内で動くように適合される。電機子アセンブリ３０
が配置されるモータハウジング２０がハウジング１２に
関連して可動であるので、モータ電機子アセンブリ３０
もまたハウジング１２に関して可動であることがわかる
。第１図および第２図において説明された特定の例示装
置において、モータ電機子アセンブリ３０は共通の円筒
鉄芯３４を中心に同軸上に配置された複数の（３個が示
されている）連続して配置された環状磁石３２を具備す
る。

磁石３２は反対の極である隣接する磁石によって半径方
向に磁化されることが好ましい。例えば、もし端部磁石
がそれらの外部半径末端の各Ｎ極と、内部半径末端のＳ
極とを具備するなら、中央磁石はその外部半径末端では
そのＳ極を有し、その内部半径末端ではＮ極を有する。

例えばチタニウムあるいはタングステン合金のような低
膨張係数を有する非磁性金属の円筒ピストン３Ｇが電機
子鉄芯３４の一端へ取付けられモータハウジングの管状
部分２４中に延在する。低温冷却装置において、ピスト
ン３Ｇの外部端部とモータハウジンフ部分２４の端部２
８との間の空間は、例えばヘリウムのような適切な動作
気体を含む圧縮容積３８として機能する。既知のスライ
ドバルブまたは柔軟性気体伝送ライン（図示されていな
い）が動作気体を圧縮空間３８に出入れするために使用
されてもよい。モータ電機子鉄芯３４の端部へ取付けら
れた簡１１ｉな固体ピストンの代わりに、様々なより精
密なピストン装置が選択的にモータ電機子アセンブリ３
０の往復直線運動を気体圧縮空間へ伝達するため使用さ
れても良いことが指摘される。

ピストン３Ｇから反対側のモータ電機子鉄芯３４の端部
に、モータハウジング管状部分２６中に延在する円筒部
材４０が取付けられている。部材４０はピストン３６と
同じ材料でできており、その外部端部から部材４０中に
同軸に延在する縦の空洞を定める。

以下に更に詳細に記述される平寵スプリングはこの空洞
４２巾に配置される。

モータ巻線４４はモータハウジング中心部分２２中に同
軸に取付けられ、軸方向磁界を発生するための電流を伝
達し、モータハウジング２０中でモータ電機子アセンブ
リ３０を縦に前後に動かす。複数の積層鉄芯４Ｂがハウ
ジング部分２２の外端部と内端部との間に巻線４４に固
定され放射状に延在している。

積層鉄芯４Ｂは巻線４４中の交流電流によって発生した
磁束のため低い磁気抵抗路を供給する。巻線４４の反対
側の端部は各リード４７および４９を経て適切な電力供
給源５０へ接続される。リード４７および４９は各々室
１４中のコイル状の部分５１および５２を含み、巻線４
４を支持するモータハウジング２０を、リード４７およ
び４９上に過度の張力を与えることなくハウジング１２
において縦に動くようにするのに充分なたるみ（ｓｌａ
ｃｋ　）を与える。

ハウジング２０がハウジング１２中で自由に往復するよ
うにする方法でモータハウジング２０を支持するため、
モータハウジング２０は各々モータハウジング部分２４
の外側部表面の一部と室延長部分１Ｂの内側部表面の隣
接する部分との間、およびモータハウジング２Ｂの外側
部表面の一部と室延長部分１８の内側部表面の隣接部分
との間に配置された一対の環状スライダベアリング５４
および５６上へ取付けられている。スライダベアリング
５４および５Ｇはルロン（Ｒｕｒｏｎ　）あるいはテフ
ロンのようなプラスチック材料であることが好ましく、
例えば説明のための例示のように約、０１インチの厚さ
を有している。

モータハウジング２０中にモータ電機子アセンブリ３０
を支持し、電機子アセンブリ３０をモータハウジング２
０中で自由に往復運動させるため、電機子アセンブリ３
０はスライダベアリング５４および５６と類似している
一対のスライダベアリング５８およびＢＯ上に取付けら
れる。特に、第１図に示されるように、スライダベアリ
ング５８はピストン３Ｂの外側部表面の一部とモータハ
ウジング２４の内側部表面の隣接部分との間に配置され
、一方スライダベアリングＢＯは部材４０の外側部表面
の一部とモータハウジンフ部分２６の内側部表面の隣接
部分との間に配置される。

スライダベアリング５４．５６．５８、および６０はほ
とんどの場合本発明の振動減少装置に極僅かしか影響し
ない非常に小さい摩擦でモータ電機子アセンブリ３０を
ハウジング２０中で動くようにし、モータハウジング２
０をハウジング１２中で動くようにする。しかしながら
、モータハウジング２０とハウジング１２とのｍｌに摩
擦があり仁かな残りの振動の不均衡へ高められるような
充分な力がある場合には、補償摩擦がハウジング１２と
電機子アセンブリ３０との間に導入されてもよい。これ
はスライダベアリング５４．５６．５８および６０と同
じ材料の環状スライダベアリング６２をハウジング１２
へ室延長部分１８の端部で取付けることによって達成さ
れ、そのため部材４０の外側部表面はベアリング６２中
でスライドし所望される補償摩擦を発生する。

上述のように、本発明に従ったリニアモータ装置１０は
本質的にハウジング１２へ伝達される振動がないように
設計される。これは可動部分（即ち、巻線４４および積
層４６と共に電機子アセンブリ３０およびモータハウジ
ング２０が取付けられている部分）の質量の中心が、も
しこれらの部分が自由空間に吊るされているなら動くこ
とがないという質量中心平衡の原理を利用して達成され
る。モータハウジング２０および電機子アセンブリ３０
を適切なスプリング定数を有するスプリングによってハ
ウジングＩ２へ取付けることによって、モータハウジン
グ２０および電機子アセンブリ３０はハウジング１２に
関して自由空間において効果的に吊るされており、ハウ
ジング１２へ伝達される力は存在しない。

第１図に示された特定の実施例において、スプリング定
数Ｋｍを何するモータハウジングスプリング７０はハウ
ジングの管状部分２Ｇの周囲で室１４中に同軸に配置さ
れ、一端はモータハウジング中心部分２２の半径方向に
延在する表面に取付けられ、他端はハウジング１２へ取
付けられる。スプリング定数Ｋａを有するモータ電機子
スプリング７２は室延長部分１８および空洞４２中に同
軸上に配置され、部材４０へ取付けられた一端とハウジ
ングＩ２へ取付けられた他端とを具備する。スプリング
定数Ｋｍ＋およびＫａは比Ｋｍ　／Ｋａ−ＭＩＩ／Ｍａ
のように選択され、式中Ｍｍはハウジング２０、および
巻線４４および積層鉄芯４５を含むそれに固定された部
品の質量であり、Ｍａは電機子アセンブリ３０の質量で
ある。スプリング７０および７２として図示されるよう
な螺旋ワイヤスプリングについて、スプリング定数はワ
イヤ直径、巻数、および螺旋の直径のような幾何学的特
性およびスプリング材料によって決定される。スプリン
グ７０および７２のため使用される材料の例はベリリウ
ム銅、ステンレススチール、および特に長寿命が所望さ
れる場合にはカーボンスチールである。特に説明のため
の特定の数値例として、モータハウジングアセンブリ質
量Ｍ＋ａは１．０ポンド、電機子アセンブリ質ＥＩ　Ｍ
　ａは０．５ポンド、スプリング定数Ｋｍは平方インチ
当り４０ポンド、スプリング定数Ｋａは平方インチ当り
２０ボンドである。スプリング７０および７２によって
与えられた効果に加えて、スプリング効果はモータハウ
ジング２０と電機子アセンブリ３０との間で容積３８中
の気体によって供給され、ピストン３Ｇの直線往復運動
のため交互に圧縮および彫版を受ける。

本発明に従ったモータ装置ＩＯの動作において、モータ
ハウジング２０の運動によるハウジング１２へ供給され
る力ＦｌはＦｔａ　−Ｋｍ　Ｘｎによって与えられ、式
中ＸＩはモータハウジング２０によって動かされる距離
である。同様に、電機子３０の運動によるハウジング１
２へ供給される力ＦａはＦａ　−Ｋａ　Ｘａによって与
えられ、式中Ｘａは電機子アセンブリ３０によって動か
された距離である。モータハウジング２０および電機子
アセンブリ３０はそれらの各質量、即ちＸａ　／Ｘｍ　
−Ｍｍ　／Ｍａに逆比例の量だけ動き、スプリング定数
ＫｍおよびＫａは上述のように６質ｊｉｌ　Ｍ　ｔａお
よびＭａの比率に比例して選択され、力ＦｓおよびＦａ
は正確に整合し、ハウジング１２へ伝達される力は存在
しない。

本発明に従ったリニアモータ平衡装置がモータの動作の
周波数に対して敏感でなく、非常に良好な平衡が広い範
囲のモータ周波数にわたって達成されることが前述から
明らかとなるであろう。更に、単独モータのみが必要と
され、サイズ、重さおよび能率における充分な改善が２
個のモータを使用する平衡スキームに勝るものとして達
成される。本発明に従った装置はまた平衡のため必要と
される質量が低いので重量が軽量で、別々の逆平衡のた
め必要とされる付加的な重量は存在しない。

加えて、広い容積がハウジング内部の電子装置のために
利用でき、しかもおよびハウジングの方向にかかわらず
配列されたモータの巻線および電機子部品は整列できる
。

本発明は特定の例によって示され記述されたけれども、
本発明の技術的範囲を外れることなく当業者による様々
な変更および修正が存在する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、一部概略形式による本発明の１実施例のリニ
アモータ装置の縦断面図である。第２図は、第１図のライン２−２に沿って得られる横断
面図である。１０・・・リニアモータ装置、１２・・・ハウジング、
２０・・・モータハウジング、２２・・・中心部分、２
４．２６・・・管部分、３０・・・円筒モータ電機子ア
センブリ、３２・・・環状磁石、３６・・・円筒ピスト
ン、４０・・・円筒部材、４２・・・空洞、４４・・・
モータ巻線、４６・・・積層、４７．４９・・・リード
、５０・・・電力供給源、５１．５２・・・コイル部分
、５４、５６．５８．８０・・・スライダベアリング、
６２・・・環状スライダベアリング。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）ハウジングと、前記ハウジング中に配置され、前記ハウジングに関連し
て往復直線運動のため適合される質量Ｍｍのモータ巻線
アセンブリと、前記ハウジング中に配置され、前記モータ巻線アセンブ
リおよび前記ハウジングに関連して往復直線運動のため
適合される質量Ｍａのモータ電機子アセンブリと、前記モータ巻線アセンブリと前記ハウジングとの間に動
作的に配置されるスプリング定数Ｋｍを有する第１のス
プリング手段と、前記モータ電機子アセンブリと前記ハウジングとの間に
動作的に配置されるスプリング定数Ｋａを有する第２の
スプリング手段とを具備し、前記スプリング定数Ｋｍお
よびＫａが実質的に関係式Ｋｍ／Ｋａ＝Ｍｍ／Ｍａを満
たし、更に、前記モータ巻線アセンブリと前記モータ電機子ア
センブリとの間にスプリング効果を与えるための手段と
を含むリニアモータ装置。
（２）前記モータ巻線アセンブリと前記ハウジングとの
間に隣接して配置される第１の対のスライダベアリング
と、前記モータ巻線アセンブリと前記モータ電機子アセ
ンブリとの間に隣接して配置される第２の対のスライダ
ベアリングとを含む請求項１記載のリニアモータ装置。
（３）スプリング効果を与えるための前記手段が前記モ
ータ巻線アセンブリと前記モータ電機子アセンブリとの
間に含まれた可変量の気体である請求項１記載のリニア
モータ装置。
（４）前記ハウジングが実質的に円筒形からなり、前記
モータ巻線アセンブリが実質的に筒形であり、前記ハウ
ジング中に同軸に配置され、前記モータ電機子アセンブ
リが実質的に円筒形であり、前記モータ巻線アセンブリ
中に同軸に配置されている前記請求項１乃至３のいずれ
かに記載のリニアモータ装置。
（５）前記モータ巻線アセンブリの各外側部表面部分と
前記ハウジングの隣接する側部表面との間に隣接して配
置される第１の対の環状スライダベアリングと、前記モ
ータ電機子アセンブリの各外側部表面部分と前記モータ
巻線アセンブリの隣接する内側部表面部分との間に隣接
して配置される第２の対の環状スライダベアリングとを
具備する請求項４記載のリニアモータ装置。
（６）前記モータ電機子アセンブリが円筒状鉄芯、およ
び前記鉄芯の周囲に複数の連続して同軸に配置された環
状磁石を具備する請求項４記載のリニアモータ装置。
（７）前記モータ巻線アセンブリが拡大された環状中心
部分を有し、そこにモータ巻線が含まれ、同軸のより小
さい直径の管状部分が前記中心部分の各端部から縦に延
在する請求項４、５または６のいずれか１項に記載のリ
ニアモータ装置。
（８）前記第１のスプリング手段が、前記管部分の１つ
の周囲に同軸上に配置され、前記中心部分の半径方向に
延在する表面と前記ハウジングとの間に接続される巻線
スプリングである請求項７記載のリニアモータ装置。
（９）前記管状部分の１つが開放端部を有し、前記第２
のスプリング手段が前記開放端部を経て内部まで同軸に
延在する巻線スプリングである請求項７または８記載の
リニアモータ装置。
（１０）前記モータ電機子アセンブリがその外部端部か
ら伸びている縦の空洞を定める実質的に円筒形の部材を
具備し、前記第２のスプリング手段が前記空洞内へ伸び
ている請求項９記載のリニアモータ装置。
（１１）前記ハウジングへ取付けられ、前記実質的に円
筒形の部材の外側部表面の一部を囲んで隣接して配置さ
れる環状スライダベアリングを具備する請求項１０記載
のリニアモータ装置。
（１２）前記モータ電機子アセンブリが一端にピストン
を含み、前記管状部分の１つが前記管状部分の前記１つ
の内側部表面の一部および前記ピストンの端部表面と関
連して可変容積の閉鎖空間を定める端部部分を有し、気
体が前記閉鎖空間中に含まれる請求項７記載のリニアモ
ータ装置。