JPH0734637B2 - 質量平衡中心を有するリニアモータ装置 - Google Patents

質量平衡中心を有するリニアモータ装置

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JPH0734637B2
JPH0734637B2 JP1089569A JP8956989A JPH0734637B2 JP H0734637 B2 JPH0734637 B2 JP H0734637B2 JP 1089569 A JP1089569 A JP 1089569A JP 8956989 A JP8956989 A JP 8956989A JP H0734637 B2 JPH0734637 B2 JP H0734637B2
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housing
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structure assembly
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/02—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs
    • H02K33/04—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs wherein the frequency of operation is determined by the frequency of uninterrupted AC energisation
    • H02K33/06—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs wherein the frequency of operation is determined by the frequency of uninterrupted AC energisation with polarised armatures

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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電機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
直接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（Frahm）逆平衡スキームを
含む。その典型的な装置においてはフラム平衡器は質量
と、振動が減少されるべきハウジングとその質量とを連
結しているスプリングとを具備している。そのスプリン
グ定数および質量は、このスプリングと質量とから成る
システムの固有振動周波数がリニアモータの振動の固有
振動周波数に正確に等しくなるように選択される。この
ような状態においては、スプリングと質量とから成るシ
ステムがその固有振動周波数で励起されると、ハウジン
グに対してモータによって供給された振動力と正確に反
対の振動力が与えられる。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例が米国特許第4,360,
087号明細書（Peter Curwen）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］ 本発明のリニアモータ装置は、ハウジングと、このハウ
ジング中に配置され、ハウジングに関して往復直線運動
可能に構成されている質量Mmのモータ巻線構造アセンブ
リと、ハウジング中に配置され、モータ巻線構造アセン
ブリおよびハウジングに関して往復直線運動可能に構成
されている質量Maのモータ電機子アセンブリと、モータ
巻線構造アセンブリとハウジングとの間に配置されてい
るスプリング定数Kmを有する第１のスプリング手段と、
モータ電機子アセンブリとハウジングとの間に配置され
ているスプリング定数Kaを有する第２のスプリング手段
とを具備し、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、 さらに、モータ巻線構造アセンブリとモータ電機子アセ
ンブリとの間にスプリング効果を与えるための手段を備
えていることを特徴とする。
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10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24,26を具備する。管状部分2
4および26は、小さな環状間隙が管状部分24または26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26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36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36の
外部端部とモータハウジング部分24の端部28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
ータ電機子鉄心34の端部へ取付けられた簡単な固体ピス
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30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36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衡ス
プリングはこの空洞42中に配置される。
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46が巻線44に固定
され、モータハウジング20の拡大された中心部分22の内
側の、モータ電機子アセンブリとの間の空間に放射状に
延在して配置されており、これら巻線44および積層鉄芯
46によってモータ電機子アセンブリに対向するモータの
１次側であるモータ巻線構造アセンブリを構成してい
る。積層鉄芯46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44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（slack）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16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26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56は商標名ル
ロン（Ruron）或いは商標名テフロンとして市販されて
いる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20中で自
由に往復運動させるため、電機子アセンブリ30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60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36
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
60は部材40の外側部表面の一部とモータハウジング部分
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謹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20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との間に摩擦があり僅かな残りの振動
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、本発明によるリニアモータ装置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、すなわち電機子アセンブリ30お
よび巻線44と積層鉄芯46とより構成された巻線構造アセ
ンブリならびに巻線構造アセンブリに固定されたモータ
ハウジング20の質量の中心が、もしもこれらの部分が自
由空間に吊されているならば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。巻線構造アセン
ブリと固定されたモータハウジング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12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図に示された実施例において、スプリング定数Kmを
有するモータハウジングと結合されたスプリング70はモ
ータハウジングの管状部分26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の中心部分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
取付けられている。スプリング定数Kaを有するモータ電
機子アセンブリと結合されたスプリング72は室の延長部
分18および空洞42中に配置され、一端が部材40へ取付け
られ、他端がハウジング12へ取付けられている。スプリ
ング定数KmおよびKaは両者の比がKm/Ka＝Mm/Maとなるよ
うに選択される。この式において、Mmは巻線44と積層鉄
芯46とより構成された巻線構造アセンブリの質量である
が、この場合巻線構造アセンブリに取付けられているモ
ータハウジング20の質量もそれに含まれている。Maは電
機子アセンブリの質量である。スプリング70および72と
して図示されている螺旋ワイヤスプリングを例として説
明すれば、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のために使
用される材料を例示すれば、ベリリウム銅、ステンレス
スチール等が使用可能であり、特に長寿命が所望される
場合にはカーボンスチールが適している。特定の数値例
を示すと、モータハウジング20を含めたモータ巻線構造
アセンブリの質量Mmは1.0ポンド、電機子アセンブリの
質量Ma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ポン
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との間の空間38中の気体によって与え
られ、ピストン36の直線往復運動のために交互に圧縮お
よび膨張を受ける。
本発明によるモータ装置の動作において、巻線構造アセ
ンブリを含むモータハウジング20の運動によるハウジン
グ12へ供給されるFmは、式Fm＝FmXmによって与えられ、
この式においてXmはモータハウジング20によって動かさ
れる距離である。同様に電機子アセンブリ30の運動によ
ってハウジング12に供給されるFaはFa＝FaXaによって与
えられ、この式においてXaは電機子アセンブリ30によっ
て動かされる距離である。巻線構造アセンブリを含むモ
ータハウジング20および電機子アセンブリ30はそれぞれ
それらの質量に逆比例する量だけ移動し、したがって、
Xa/Xm＝Mm/Maであり、スプリング定数KmおよびKaは上述
のように各質量MmおよびMaの比率に比例して選択されて
いるために、力Fmと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チ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、一部概略形成による本発明の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、24,26……管部分、3
0……円筒モータ電機子アセンブリ、32……環状磁石、3
6……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、54,56,58,60……
スライダベアリング、62……環状スライダベアリング。

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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して
    往復直線運動可能に構成されている質量Mmのモータ巻線
    構造アセンブリと、 前記ハウジング中に配置され、前記モータ巻線構造アセ
    ンブリおよび前記ハウジングに関して往復直線運動可能
    に構成されている質量Maのモータ電機子アセンブリと、 前記モータ巻線構造アセンブリと前記ハウジングとの間
    に配置されているスプリング定数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
    配置されているスプリング定数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を満足し、 さらに、前記モータ巻線構造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
    手段を具備していることを特徴とするリニアモータ装
    置。
  2. 【請求項２】前記モータ巻線構造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、前記モータ巻線構造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. 【請求項３】スプリング効果を与えるための前記手段が
    前記モータ巻線構造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. 【請求項４】前記ハウジングが実質的に円筒形からな
    り、前記モータ巻線構造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
    線構造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１項記載のリニアモータ装置。
  5. 【請求項５】前記モータ巻線構造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
    前記モータ巻線構造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. 【請求項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. 【請求項７】前記モータ巻線構造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
    記載のリニアモータ装置。
  8. 【請求項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. 【請求項９】前記管状部分の１つが解放端部を有し、前
    記第２のスプリング手段が前記解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. 【請求項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. 【請求項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. 【請求項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。
JP1089569A 1988-05-27 1989-04-07 質量平衡中心を有するリニアモータ装置 Expired - Lifetime JPH0734637B2 (ja)

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US199979 1988-05-27
US07/199,979 US4831292A (en) 1988-05-27 1988-05-27 Linear motor arrangement with center of mass balancing

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JPH0251351A JPH0251351A (ja) 1990-02-21
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JP (1) JPH0734637B2 (ja)
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