特許 6994441 電動機一体型ピストン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-15

(45)【発行日】2022-01-14

(54)【発明の名称】電動機一体型ピストン

(51)【国際特許分類】

   H02K 41/03 20060101AFI20220106BHJP

   H02K 33/16 20060101ALI20220106BHJP

【ＦＩ】

H02K41/03 A

H02K33/16 A

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2018145206

(22)【出願日】2018-08-01

(65)【公開番号】P2020022289

(43)【公開日】2020-02-06

【審査請求日】2020-11-30

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】110001841

【氏名又は名称】特許業務法人梶・須原特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】林 俊平

(72)【発明者】

【氏名】松本 拓也

(72)【発明者】

【氏名】徳山 貴士

【審査官】池田 貴俊

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－０２２０８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１５０８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０８５６９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｋ ４１／０３

Ｈ０２Ｋ ３３／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ピストンと、
前記ピストンの往復動方向に沿って延びるレール状の固定子と、
前記往復動方向に沿って延びるとともに前記ピストンに固定され、前記ピストンの周方向において前記固定子に対向して配置される可動子と、
を備え、
対向する面に力を発生させる相互に対向配置された前記固定子と前記可動子との組が、前記ピストンの周方向に複数配置されており、
前記固定子および前記可動子は、前記往復動方向から見た場合に、前記ピストンの外周縁部または前記ピストンの外周縁部よりも内側に配置されており、
前記組の数ｎが、以下の式（１）、および式（２）を満たす、電動機一体型ピストン。
ｎ＞２π（１－β） ・・・式（１）
Ｈ＜（１－２π／ｎ（１－β））×ｔａｎ（π／ｎ） ・・・式（２）
β：装置の径で規格化した前記固定子の厚み（０＜β＜１）
Ｈ：装置の径で規格化した１組の前記固定子と前記可動子との合計厚み

【請求項2】

請求項１に記載の電動機一体型ピストンにおいて、
以下の式（３）をさらに満たす、電動機一体型ピストン。

β：装置の径で規格化した前記固定子の厚み（０＜β＜１）
ｎ：対向する面に力を発生させる前記固定子と前記可動子との組の数
Ｈ：装置の径で規格化した１組の前記固定子と前記可動子との合計厚み

【請求項3】

請求項１または２に記載の電動機一体型ピストンにおいて、
前記固定子および前記可動子が、前記ピストンの往復動方向に沿って螺旋状に延びている、電動機一体型ピストン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電動機一体型ピストンに関する。

【背景技術】

【0002】

この種の技術として、例えば特許文献１に記載の技術がある。その従来技術は、次のようなものである。

【0003】

特許文献１に記載のピストンを備えるリニアモータでは、力が発生するモータ部分（電動機部分）を円筒型にすることで、半径方向に働く力を低減（相殺）し、これにより摩擦を低減している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１６－９２９７２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載のリニアモータには、次のような問題がある。電動機の推力は、力を発生させる面の表面積に影響を受ける。力を発生させる面とは、特許文献１に記載のリニアモータでは、可動子を構成する磁極と、固定子を構成するティースとの対向する面のことである。

【0006】

ここで、図３Ａは、特許文献１に記載のリニアモータに関し、上記力を発生させる面を最大限に大きくした場合の、特許文献１の図５に相当するリニアモータの模式断面図である。リニアモータの軸方向の長さ（図３Ａにおける紙面奥行方向の長さ）をＬとすると、図３Ａに示す従来のリニアモータにおける上記表面積Ｓは、２π（ｒ－ｂ）Ｌとなる。「ｒ」、「Ｌ」を大きくして表面積Ｓを大きくすることで、電動機の推力を大きくすることができる。なお、「ｒ」はリニアモータの径であり、「ｂ」は固定子の厚みである。

【0007】

しかしながら、特許文献１に記載のような電動機部分が円筒型のピストンを備えるリニアモータでは、下記の式からわかるように、リニアモータの径が大きいほど体積あたりの上記表面積は小さくなってしまう。すなわち、リニアモータの径が大きくなればなるほど、電動機の必要推力を確保しづらくなる。「ｒ」が大きいほどＳ／Ｖは小さくなる。

Ｓ／Ｖ：体積あたりの表面積

【0008】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、ピストンが大口径であっても、体積あたりの、可動子・固定子の対向する力を発生させる面の表面積を大きくすることができ、従来よりも、小型高出力または同一体積であっても大出力となる構造の電動機一体型ピストンを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、ピストンと、前記ピストンの往復動方向に沿って延びる固定子と、前記往復動方向に沿って延びるとともに前記ピストンに固定され、前記ピストンの周方向において前記固定子に対向して配置される可動子と、を備え、対向する面に力を発生させる相互に対向配置された前記固定子と前記可動子との組が、前記ピストンの周方向に複数配置されており、前記組の数ｎが、以下の式（１）、および式（２）を満たす、電動機一体型ピストンである。
ｎ＞２π（１－β） ・・・式（１）
Ｈ＜（１－２π／ｎ（１－β））×ｔａｎ（π／ｎ） ・・・式（２）
β：装置の径で規格化した前記固定子の厚み（０＜β＜１）
Ｈ：装置の径で規格化した１組の前記固定子と前記可動子との合計厚み

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、従来のリニアモータよりも体積あたりの、可動子・固定子の対向する力を発生させる面の表面積を大きくすることができ、ピストンが大口径であっても、従来よりも、小型高出力または同一体積であっても大出力となる構造の電動機一体型ピストンを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態に係る電動機一体型ピストンの斜視図である。

【図2】図１に示す電動機一体型ピストンについて、固定子と、可動子が固定されたピストンとを別々に示した図である。

【図3A】従来のリニアモータの模式断面図である。

【図3B】出力増加が可能な条件を説明するための、固定子および可動子の組の一部配置を示す図３Ａに相当する図である。

【図4】永久磁石を可動子として用いた場合の本発明の一実施形態に係る電動機一体型ピストンを示す、軸方向に沿う方向における断面図である。

【図5A】図４のＡ－Ａ断面図である。

【図5B】図４、図５Ａに示す固定子および可動子をより具体的に示す図である。

【図6】図４に示す電動機一体型ピストンの変形例を示す、図４に相当する図である。

【図7A】図６のＢ－Ｂ断面図である。

【図7B】図６、図７Ａに示す固定子および可動子をより具体的に示す図である。

【図8】本発明の一実施形態に係る電動機一体型ピストンを示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明の電動機一体型ピストンは、様々な産業用機械の可動部（駆動部）として用いることができ、具体的には、例えば、レシプロ圧縮機の可動部（駆動部）として用いることができる。

【0013】

図１から図２に示す電動機一体型ピストン１０１は、ピストン１と、ピストン１の往復動方向（Ｚ軸方向）に沿って延びる固定子２a、２ｂと、この往復動方向（Ｚ軸方向）に沿って延びるとともにピストン１に固定された可動子３であって、ピストン１の周方向において固定子２a、２ｂに対向して配置される可動子３と、を備える。

【0014】

固定子２a、２ｂは、図示を省略するケーシングに固定されており、ピストン１に固定された可動子３は、レール状の固定子２a、２ｂに対向した状態で当該固定子２a、２ｂに対して相対的に往復動し、この往復動によりピストン１は往復動する。

【0015】

本実施形態において、Ｚ軸方向で見たときのピストン１の形状は円形とされているが、ピストン１の形状は多角形であってもよい。

【0016】

本実施形態では、可動子３の端部にピストン１が固定されているが、可動子３の往復動方向における中央などの中途部にピストン１が固定されてもよい。

【0017】

本実施形態では、ピストン１の周方向における、可動子３の両側に固定子２a、２ｂが配置されているが、ピストン１の周方向における、可動子３の片側のみに固定子が配置されてもよい。

【0018】

また、固定子２a、２ｂと可動子３との位置関係が逆であってもよい。すなわち、レール状の固定子を間に挟み込むように、固定子の両側に可動子が配置されてもよい。

【0019】

本実施形態では、ピストン１の往復動方向（Ｚ軸方向）から見た場合に、固定子２a、２ｂおよび可動子３は、ピストン１の外周縁部に配置されている。これに代えて、ピストン１の外周縁部よりも内側に、固定子２a、２ｂおよび可動子３が配置されてもよい。

【0020】

本実施形態では、対向する面に力を発生させる相互に対向配置された固定子２a、２ｂと可動子３との組が、ピストン１の周方向に等間隔で６組配置されている。この組の数ｎは、６に限定されることはない。対向する面に力を発生させる相互に対向配置された固定子と可動子との組の数ｎについて、図３Ａ、図３Ｂを参照しつつ説明する。

【0021】

図３Ａ、図３Ｂにおいて、「ｒ」は、装置（リニアモータ）の径（例えば、ケーシングの内径）、「ａ」は、可動子の厚み、「ｂ」は、固定子の厚みである。また、図３Ｂにおいて、「ｎ」は、対向する面に力を発生させる相互に対向配置された固定子と可動子との組の数（自然数）、「Ｗ」は、固定子と可動子とが対向する幅である。

【0022】

図３Ａに示す従来形状、および図３Ｂに示す本発明形状（本発明配置）における、対向する面に力を発生させる相互に対向配置された固定子と可動子との対向面の表面積を、それぞれ、Ｓｃ、Ｓｄとすると、Ｓｃ、Ｓｄは、次式で表される。
Ｓｃ＝２π（ｒ－ｂ）Ｌ
Ｓｄ＝ｎＷＬ
ここで、「Ｌ」は、装置（リニアモータ）の軸方向の長さ（図３Ａ、図３Ｂにおける紙面奥行方向の長さ）である。

【0023】

ここで、図３Ｂにおいて次式が成立する。

【0024】

上記式より、Ｓｄは、最大で次のようになる。

【0025】

ここで、ａ＝αｒ、ｂ＝βｒとすると、上記ＳｄおよびＳｃは、次のように表される。

α：装置（リニアモータ）の径で規格化した可動子の厚み（０＜α＜１）
β：装置（リニアモータ）の径で規格化した固定子の厚み（０＜β＜１）

【0026】

α＋β＝Ｈ（Ｈ：装置（リニアモータ）の径で規格化した１組の固定子と可動子との合計厚み）として、Ｓｄ＞Ｓｃとなる条件を求める。

【0027】

Ｈ＜（１－２π／ｎ（１－β））×ｔａｎ（π／ｎ） ・・・式（２）

【0028】

ここで、Ｈ＞０、且つｔａｎ（π／ｎ）＞０であるため、
１－２π／ｎ（１－β）＞０
ｎ＞２π（１－β） ・・・式（１）

【0029】

以上より、上記の式（１）、および式（２）を満たせば、従来のリニアモータよりも体積あたりの、可動子・固定子の対向する力を発生させる面の表面積を大きくすることができる。その結果、ピストンが大口径であっても、従来よりも、小型高出力または同一体積であっても大出力となる構造の電動機一体型ピストンとなる。

【0030】

次に、本発明の電動機一体型ピストンをレシプロ圧縮機などの圧縮機に適用する場合、ピストン１の往復動にともなって変化する容積量が出力に関係してくる。そのため、ピストンの断面積（ピストンの往復動方向に垂直な面の面積）を低下させることは望ましくない。そこで、ピストンの断面積を小さくすることなく、固定子と可動子との対向面の表面積を大きくする条件を求める。

【0031】

図３Ａに示す従来形状、および図３Ｂに示す本発明形状における、ピストンの断面積（ピストンの往復動方向に垂直な面の面積）を、それぞれ、Ａｃ、Ａｄとすると、Ａｃ、Ａｄは、次式で表される。

【0032】

Ａｃ＝π（ｒ－ｂ）²＝πｒ²（１－β）²

【0033】

ここで、Ａｄ≧Ａｃとなるには、

【0034】

ここで、０＜β＜１であるから、

【0035】

以上より、式（１）および式（２）に加えて式（３）を満たすことで、ピストンの断面積（ピストンの往復動方向に垂直な面の面積）を小さくすることなく、従来のリニアモータよりも体積あたりの、可動子・固定子の対向する力を発生させる面の表面積を大きくすることができる。

【0036】

図４から図５Ｂは、永久磁石を可動子５a、５ｂとして用いた場合の本発明の一実施形態に係る電動機一体型ピストン１０２を示す。

【0037】

電動機一体型ピストン１０２は、ピストン１と、ピストン１の往復動方向（Ｚ軸方向）に沿って延びる固定子４と、この往復動方向（Ｚ軸方向）に沿って延びるとともにピストン１に固定された可動子５a、５ｂであって、ピストン１の周方向において固定子４に対向して配置される可動子５a、５ｂと、を備える。

【0038】

固定子４は、図示を省略するケーシングに固定されており、ピストン１に固定された可動子５a、５ｂは、１つの固定子４を間に挟み込むように、固定子４の両側に配置されている。可動子５a、５ｂは、固定子４に対向した状態で当該固定子４に対して相対的に往復動し、この往復動によりピストン１は往復動する。

【0039】

可動子５a、５ｂは、それぞれ、複数の永久磁石で構成される。固定子４に関し、固定子４を構成する巻線コイルの図示は省略されている。

【0040】

本実施形態では、対向する面に力を発生させる相互に対向配置された固定子４と可動子５a、５ｂとの組が、ピストン１の周方向に等間隔で６組配置されている。なお、図４中の二点鎖線で囲まれる領域は、ピストン１の可動領域を示す。

【0041】

図６から図７Ｂは、永久磁石を可動子７として用いた場合の図４から図５Ｂに示す電動機一体型ピストン１０２の変形例を示す。

【0042】

変形例に係る電動機一体型ピストン１０３は、ピストン１と、ピストン１の往復動方向（Ｚ軸方向）に沿って延びる固定子６a、６ｂと、この往復動方向（Ｚ軸方向）に沿って延びるとともにピストン１に固定された可動子７であって、ピストン１の周方向において固定子６a、６ｂに対向して配置される可動子７と、を備える。

【0043】

固定子６a、６ｂは、図示を省略するケーシングに固定されており、１つの可動子７を間に挟み込むように、可動子７の両側に配置されている。可動子７は、固定子６a、６ｂに対向した状態で当該固定子６a、６ｂに対して相対的に往復動し、この往復動によりピストン１は往復動する。

【0044】

可動子７は、複数の永久磁石で構成される。固定子６a、６ｂに関し、固定子６a、６ｂを構成する巻線コイルの図示は省略されている。

【0045】

本変形例では、対向する面に力を発生させる相互に対向配置された固定子６a、６ｂと可動子７との組が、ピストン１の周方向に等間隔で６組配置されている。なお、図６中の二点鎖線で囲まれる領域は、ピストン１の可動領域を示す。

【0046】

なお、上記実施形態において、永久磁石を可動子とすることに代えて、巻線コイルを備える可動子とし、永久磁石を固定子として用いてもよい。

【0047】

図８は、固定子８および可動子９ａ、９ｂが、ピストン１の往復動方向に沿って螺旋状に延びている、本発明の一実施形態に係る電動機一体型ピストン１０４を示す。

【0048】

電動機一体型ピストン１０４は、ピストン１と、ピストン１の往復動方向（Ｚ軸方向）に沿って螺旋状に延びる固定子８と、この往復動方向（Ｚ軸方向）に沿って螺旋状に延びるとともにピストン１に固定された可動子９a、９ｂであって、ピストン１の周方向において固定子８に対向して配置される可動子９ｂと、を備える。

【0049】

固定子８は、図示を省略するケーシングに固定されており、ピストン１に固定された可動子９ｂは、固定子８の片側に配置されている。可動子９ｂは、固定子８に対向した状態で当該固定子８に対して相対的に螺旋状に往復動し、この往復動によりピストン１は螺旋状に往復動する。

【0050】

本実施形態の電動機一体型ピストン１０４によると、装置（リニアモータ）の軸方向の長さを短くしつつ、可動子・固定子の対向する力を発生させる面の表面積を大きくすることができ、装置の搭載空間に制約がある場合などにおいて大出力を得るのに有効である。

【0051】

なお、図８には、電動機一体型ピストン１０４を構成する固定子および可動子の一部のみが示されている。実際には、電動機一体型ピストン１０４は、対向する面に力を発生させる相互に対向配置された固定子と可動子との組が、ピストン１の周方向に複数配置される。

【0052】

また、実際には、図８に示されている固定子８は、ピストン１の往復動方向（Ｚ軸方向）において、可動子９a、９ｂが固定されたピストン１部分まで螺旋状に延びるが、図８において、その図示は割愛されている。

【0053】

以上、本発明の実施形態について説明した。なお、その他に、当業者が想定できる範囲で種々の変更を行うことは可能である。

【符号の説明】

【0054】

１：ピストン
２ａ、２ｂ：固定子
３：可動子
４：固定子
５a、５ｂ：可動子
６a、６ｂ：固定子
７：可動子
８：固定子
９ａ、９ｂ：可動子
１０１、１０２、１０３、１０４：電動機一体型ピストン

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】