JP2006523081A - 改良型磁石とコイル構造を持つリニア発電機及び製造方法 - Google Patents

Abstract

リニア発電機は据え付けの巻線とその巻き線に関連して軸方向に往復運動するように配列された電機子磁石、又は据え付け磁石構造とその据え付け磁石構造に関連して往復運動するように配列された可動巻線を含む。電動子磁石又は据え付け磁石構造は複数の個々の極構造から成り立っており、各極構造はお互いに同極の向かい合った極に連結する一対の磁石を含んでいる。それに加えて、多層積み重ね配列にされた少なくとも第一の時計回り巻線と第二の反時計回り巻線を含む二重巻線構造の形状であってもよい。

Description

本発明は米国特許出願No.10/170715に開示されたタイプのリニア発電機、特に、以下のひとつ又は両方を含むリニア発電機に関する。
直列N-S交互極、高い残留磁気と保磁力の問題を克服し、それによりフラックス密度を高める新規性のある接合方法を使用し組立てられた電機子磁石又は多極固定子磁石構造、
直線動作の間に最大磁気線切断になる新規性のある巻き方法を使用して組立てられた工程式あるいは移動式巻線。

リニア発電機で、磁石要素と巻線はお互いに関連しあって直線方向に往復運動する。この直線往復運動は起電力を減少させるように、巻線中に磁石要素の動作に抵抗する反磁性効果を起こさせる。

一般的に、発電機の動作部分はコイルを通って直線的に動作する単一磁石から成る。反磁性効果による損失に立ち向かうために、並列巻線と磁石要素を使用し、発電機に促進材料を加えて、2002年6月14日に提出された同時係属された米国特許出願No.10/170715の中で提案された。促進材料は磁石が弾力性のある物質と係合する時、機械的回復力を分け与えるために動作する磁石の移動の最後に備え付けられたゴム栓や金属バネのような弾性物質中に存在し、反対方向で、動作磁石がその動作の最後に近づいた時、斥力を生成する磁性材やシステムのような形状で、又は機械的で磁性材の組合せの形状である。

そのリニア発電機は小型で効率がよく、米国同時係属特許出願No.10/170717の携帯電話、パーソナルCDプレーヤー、携帯型電子ゲームプレーヤー等の様々な電子機器の再充電源への発電機動作を変換するために使用しても良い。これは発電に伴って電力グリッドからの充電、節電、汚染削減の必要性を排除し、再充電可能な電池、使い捨て非再充電可能電池の使用を促進する。

その様な電源の商業的開発の限界は、適当な大きさと価格の磁石とコイルの相対的に低い磁石効率であり、粒子束密度は相対的に低く、及び/又は能率の上がらない磁気線の分配を行なう。しかしながら、米国特許No.5347186及びNo.5818132の中で発表された希薄空気磁石、米国特許No.4500827の合成電機子と多コイル構造、米国特許No.4709176で公開された巻線磁石コア、又は米国特許No.5975714で公開された合成コイルと積み重ねネオジウムディスク磁石のように、より効率的な磁石や磁石/コイル構造が既知であるが、以前に提出されたコイル及び/又はコイル構造は上記のように製造するには一般的に高価であり大きすぎる。さらに、コイルからの磁気線の分配はコイル構造へ浸透性物質を加える事により達成され、浸透性物質は構造を複雑化させるばかりでなく、反磁性抵抗効果に対しても欠点を持っている。

簡単に製造でき携帯電話、携帯型CDプレーヤー、携帯型電子ゲーム機のような電子機器の中の充電源として使用され、それにより結果としてエネルギーの消費と汚染の削減を伴う電力グリッドの需要を削減し、結果として固形廃棄物の削減を伴う再充電可能の電池の需要を増加させるリニア発電機を提供することが本発明の第一の目的である。

粒子束密度を増加させたリニア発電機の電機子を提供することが本発明の第二の目的である。

電機子を持った相互作用を最大限にする磁気線を増加し、磁気線の分配を改良して、浸透性材料を必要としないリニア発電機の巻き配列を提供することが本発明の第三の目的である。

効率を良くし、価格を下げ、サイズを小さくするリニア発電機の製造方法を提供することが本発明の第四の目的である。

これらの目的は複数の同軸上に配列された巻線、巻線内で直線状に往復運動するように配列された多極電機子から製造されるリニア発電機による本発明の好ましい第一の実施例の原理に従って達成され、さらに
磁石が弾力性のある物質と係合するように及び反対方向に、機械的回復力を分け与えるために動作する磁石の移動の最後に備え付けられたゴム栓や金属バネのような弾性物質、
動作磁石がその動作の最後に近づいた時、斥力を生成する磁性材やシステムのような形状、
又は機械的で磁性材の組合せ、
のような形状の促進材料を含んでいる。

本発明の好ましい第一実施例の原理によれば、多極電機子は、直列に配列された各々N極とS極を含む複数の個々の磁石から出来上がっている。

本発明の目的は更に、固定式多極磁石構造を取り囲み直線状を往復運動する複数の軸上に配列された巻線から組立てられたリニア発電機による第二の好ましい実施例の原理に従い達成される。多極磁石構造は軸上に配列された巻線の中に位置する単一多極磁石を含み、さらに、巻線の外側に位置する平行磁石構造又は軸上に配列された巻線の内側と外側の両方に位置する同軸磁石構造を含んでいても良い。

本発明の各好ましい実施例の中で、電機子又は固定型多極磁性構造は、極構造を形成するようにお互いに一対の表面の中の二つの磁石の同極のような少なくとも一つの磁石の平面に適用される接着剤、焼結、溶接、半田付け、ボンド付け、同種材料又は技術、又は二つ以上の結合方法の組合せにより接合される一対の磁石により組立てられても良い。そして、NS交互極性構造は長方形平行六面体形多極磁石を形成するようにそれぞれの磁石の端部を接合される。その極構造中の束密度磁石構造は従来の四極のそれよりも概して高いといわれている。

さらに、本発明の好ましい各実施例の中に、巻線は芯なし又は空気芯二重巻線構造から成っていていてもよく、その中でコイルは多層積み重ね配列に少なくとも一つの第一時計回り巻線と少なくとも一つの第二反時計回り巻線を含み、電機子及び/又は固定式多極磁石構造を最大化し、電機子の中で磁束との相互作用を最大化するように線の分配を促進し、それにより最大エネルギーを生成する。

図１，２を参照すると、リニア発電機１は複数の固定式巻線１１と直列接続双極子磁石及び/又はN-S交互単一極構造14Sと14Nからできている可動多極電機子１２を含んでいる。２Aと２Bは図2のIV-IVの線に沿う断面図を示す。直列接続双極子磁石は図８図９A及び図9Bと下記されるように随意に、一対の双極子磁石から構成されていても良い。

電機子１２と巻線１１の磁場間の相互作用による抗力に打ち勝つために、図１と図２に見られるように、二つの好ましい実施例のリニア発電機は図１と図２のようなそれぞれの電機子の通路の中の各巻線の端末に促進材料１３Aと１３Bを含む。促進材料１３Aと１３Bは、電機子１２に対する斥力、又は弾力性のある磁性要素を生成するようなゴム、バネ、またはそれらの結合体のような弾力性のある材料からできていても良い。促進材料は反発又は斥力を生成する機械、装置又はシステムの一部であってもよい。さらに、第一の実施例の巻線１１は可動性があり、そして電機子１２は巻線１１のために配列されている促進材料を備えて固定式であり、電機子よりも巻線に対して斥力を生成する。

あるいは、本発明の第二実施例の原則に従って、図１と図２の固定式コイルと可動式電機子磁石は図３に示された様に可動コイル３１の中に配置された固定式多極磁石構造により置き換えられても良い。固定式多極磁石構造３２は図１及び/又は図２の多電動子同様の構造を持っていても良いが、（図示されていないが）ハウジングに対して固定される。同様に、図３の具体例の中に、（図示されないが）促進材料は可動巻線３１に対して斥力を生成するように配列される。これらの促進材料の構成は、必要とはされないが図１と図２の電機子１２に関連して記述された物と同様である。

コイル３１を通過して延びる磁力線をさらに増加させるために、図２と図３の発電機は図４と図５に示された様に、一つの磁石構造に限定しないで、コイル３１の外側に位置しているが、付加的な固定式磁石構造を含むように修正されてもよい。磁石構造４２は、多直列接続双極性磁石からも構成されており、個々の双極性磁石は中央磁石構造と同様の構造を持つ必要がない。

図６は図４と図５に示された発電機構造の変種を表し、多極磁石３２は連結された二つの半円筒形構造から成り立ち、同軸上に配列された二つのアーチ型構造と、コイル３１、磁石３２、４２より成る。あるいは、図７の様に、外部磁石構造はおおよそ半円形の切断面を持ち、発電機の周囲の３分の１、４分の１あるいはそれ以下で周りに広がる円弧形状の切断面を持つ多極磁石（図示されず）で置き換えられる。多極磁石４２は図示された形状に限定されないことが当業者により理解される。

図８に描かれたように、図１〜図７に表されたいかなる実施例の多極磁石構造１２、３２、又は４２は図９Aと図９Bの極構造を形成する一対のN-S交互直列接続磁石１，２；３，４；及び５，６から好ましくは成る。各一対の磁石１，２；３，４；と５，６は、端末７，８を持ち、端末間で同極性及び/又は反対の磁極性は側面方向を向いており、及び/又は、円筒形の磁石構造の場合、（図示されないが）個々の半円筒状双極性磁石は、端末７，８に対応する端末を持ち、同極磁性又は反対の極磁性は側面を向いている。交互極構造は金属の芯に磁気を与えることにより、好ましい方法では磁気を与えられた極構造を別々に結合させることにより製造されるが、本発明は交互極構造を形成する特定の方法に限定することを意図しない。

一対の各磁石はそれぞれの磁石の同極が互いに向き合うように、一つの磁石の少なくとも一つの側面９に接着剤のコーティング、溶接、ボンド、はんだ、焼結、又は他の適当な結合方法により、又は、二つ以上の異なるいかなる組合せにより、一対の他の部材に結合される。

図９Aと図９Bのように、一対の磁石１，２；３，４；及び５，６は多極磁石電機子１２又は多極磁性固定子構造３２を形成するために磁石のそれぞれの端末７，８上で、接着、溶着、ボンド、はんだ、焼結又は同等か二つ以上の組合せを実施することにより直列に結合される。上記のように、説明された多極磁石構造の粒子束密度は説明されたような一対の個々の磁石で組み立っていない多磁石構造より実質的に高いということが発見された。

図１から図７のリニア発電機に対応する巻線１１及び/又は３１は、極磁石構造１２及び/又は３２の反対の極にて最も効果がある方法で磁気的に相互に影響するために、隣り合う巻線が逆方向に巻かれる空気芯コイルを形成する。特に、図１０に描かれたように、第一の巻線１１Aは時計回りに巻かれ、第二の巻線１１Bはコイルの軸に沿って見て反時計回りに巻かれ、第三の巻線１１Cは時計回りに巻かれ、第四の巻線１１Dは反時計方向に巻かれる。巻線１１及び/又は３１の間隔と数は、理想的な磁気線切断を効率的に、そして、発電機のために最大エネルギー出力を達成するため、極磁石構造をシュミレートした動作の磁気線の分配を理想的にするために、それぞれの極磁石構造１２及び/又は３２の間隔と数によって簡単に調整することができる。しかしながら、本発明の巻線の数は少なくとも一つのコイル巻線が含まれている限りは、その図面の中に描かれた物に限らない。更に、巻き線は多層積み重ね配列の少なくとも一つの層であっても良い。予想外の磁力抵抗が起きるのを避けるため、巻線１１及び/又は３１は浸透材でないほうが良い。

当業者が本発明を創造し使用できるように、十分な詳細で本発明の二つの好ましい実施例についてこのように詳細に述べできたが、それにも拘らず、記述された実施例の数多くの変化と修正が本発明の精神から逸脱することなくなされることが理解される。例えば、上記のように、一対の個々の双極性磁石から電機子磁石を組立てる際、個々の双極性磁石と一対の双極性磁石は接着剤以外の溶接、はんだ付け、ボンディング、焼結又はこれらの二つ以上の接合手段のような接合手段により接合されてもよい。ほかに、磁極構造の数はひとつより大きい少なくとも二つで、極磁石の構造的形状は上記の実施例に限定せず、三角形、楕円形又は他の幾何学的形状であっても良い。更に、極磁石構造の配列はN-S-N-S,N-S-S-N極性に限定せず、N-S交互極性の他の組合せに広げることができる。従って、本発明は上記の説明や説明図に限定せず、添付した請求項の範囲により個々に定義されることが意図される。

据え付けコイルとN -S-N-S直列交互配列持つ多極磁性電機子磁石を含む本発明の好ましい第一実施例の原理に従って組立てられたリニア発電機の概要図。 据え付けコイルとN -S-S-N直列交互配列を持つ多極磁性電機子磁石を含む本発明の好ましい第二実施例に従うリニア発電機の概要図。 IV-IVの線に沿う図２の断面図である。 IV-IVの線に沿う図２の断面図である。 可動コイルとN -S-S-N直列交互配列を持つ多極磁性固定子構造を含む、本発明の好ましい第二実施例の原理に従い組立てられたリニア発電機の特定の実施の概要図。 N -S-S-N直列交互配列を持つ複数の据付け型多極磁性固定子構造を含む、図３の発電機の変種の概要図。 V-Vの線に沿う図４の発電機の断面図。 V-Vの線に沿う図４の発電機の代替の断面図。 V-Vの線に沿う図４の発電機の更なる代替の断面図。 図１〜図７のリニア発電機に使用される多極電機子磁石又は固定子構造の組立てを示す概要図。 図８に示される方法を使用し組立てられる多極電機子磁石又は固定子構造の組立てを示す概要図。 図８に示される方法を使用し組立てられる多極電機子磁石又は固定子構造の組立てを示す概要図。 図１のリニア発電機の使用に適した多極巻線配列の概要図。

Claims (49)

1. 軸上に配列された複数の巻線、
   外力の掛かる前記軸に沿う前記巻線に沿って動くように配列された少なくとも一つの電磁式電機子、及び、
   移動の方向を逆転させその動作を促進するための磁力電機子に力を加えるための前記軸の端末に備えられる少なくとも一つの促進材料と、
   前記磁石電機子は直列に配列されたNS交互極性の極を持つ少なくとも一つの磁気極構造を含む、
   リニア発電機。
2. 前記磁極構造が二つの端末と側面を持つ個々の平行六面体形状双極磁石、相互に向き合うような前記側面平面で相互に結合された前記一対の双極磁石、前記磁石構造を形成するための前記個々の双極性磁石の前記端部で相互に組み合わさる前記一対、より成る請求項１記載のリニア発電機。
3. 前記個々の双極磁石が接着剤により接合される、請求項２記載のリニア発電機。
4. 前記個々の双極磁石が溶接又は半田付けにより接合される、請求項２記載のリニア発電機。
5. 前記個々の双極磁石が焼結により接合される、請求項２記載のリニア発電機。
6. 前記個々の双極磁石がボンドにより接合される、請求項２記載のリニア発電機。
7. 前記磁石極構造が接着剤により接合される、請求項２記載のリニア発電機。
8. 前記磁石極構造が焼結により接合される、請求項２記載のリニア発電機。
9. 前記磁石極構造がボンドにより接合される、請求項２記載のリニア発電機。
10. 前記巻線が前記軸方向から見た場合、時計回り、反時計回りに交互に巻かれ、前記巻線は、前記各巻線は多層積み重ね配列にされる少なくとも一つを持つ、請求項１記載のリニア発電機。
11. 前記促進材料が弾力性材料製である請求項１記載のリニア発電機。
12. 前記促進材料がゴム製である請求項１１記載のリニア発電機。
13. 前記促進材料がバネ製である請求項１１記載のリニア発電機。
14. 前記促進材料が前記磁性体に斥力を生成する磁性体又はシステムを含む請求項１記載のリニア発電機。
15. 前記促進材料が更に弾力性部材を含む請求項１４記載のリニア発電機。
16. 前記促進材料は対応する電機子の端部で極構造と同じ極性を持つ磁石を含み、磁性要素がそれに接近する時、磁性要素がそれにより拒絶される請求項１４記載のリニア発電機。
17. 少なくとも一つの前記促進材料が前記軸の端部に備えられる請求項１記載のリニア発電機。
18. 複数の前記電機子を含む請求項１記載のリニア発電機。
19. 各々が一対の端面を持つ少なくとも一つの一対の個々の平行六面体形双極磁石を提供すること、
    同極が相互に対面して接着させて、前記一対を形成するように前記個々の双極磁石の側面を結合させること、
    少なくとも二つのNS交互極性の逆の極性を含む直列接続磁石配列を形成するように前記磁石の端面を結合させること、
    の段階を含む請求項１のリニア発電機に使用するための磁石組立方法。
20. 少なくとも一つの固定式磁石構造、
    外力の掛かる構造の軸に平行する磁石構造に関連して動作するように配列された複数の巻線と、
    巻線移動の方向を逆転させ、その動作を促進させるように、巻線に力を加えるたに前記軸の端末に備えられる少なくとも一つの促進材料と、
    前記磁石構造が直列に配列されたNS交互極性の極を持つ少なくとも一つの磁気極構造を含む、
    より成るリニア発電機
21. 前記磁石構造が前記巻線を通過する前記軸に沿って延びる第一多極磁石を含む請求項１または２０記載のリニア発電機。
22. 前記磁石構造が前記巻線の外側の前記第一多極磁石に平行に延びる少なくとも一つの付加的多極磁石を含む請求項２１記載のリニア発電機。
23. 前記第一多極磁石が連結された二つの半円筒形構造から成り立ち、前記少なくとも一つの付加的多極磁石は互いに結合した二つのアーチ型構造を持つ凹んだ円筒形構造であり、前記第一多極磁石と同軸である請求項２２記載のリニア発電機。
24. 前記第一多極磁石が固体の円筒形であり、前記少なくとも一つの付加的多極磁石は半球状の切断面を持つ請求項２２記載のリニア発電機。
25. 前記磁極構造が二つの端末と側面を持つ個々の平行六面体形状双極磁石、同極が相互に向き合うように前記側面平面で相互に結合された前記一対の双極磁石、前記磁石構造を形成するために前記個々の双極性磁石の前記端部で相互に組み合わさる前記一対、より成る請求項１記載のリニア発電機。
26. 前記個々の双極磁石が接着剤により接合される請求項２５記載のリニア発電機。
27. 前記個々の双極磁石が溶接又は半田付けで接合される請求項２５記載のリニア発電機。
28. 前記個々の双極磁石が焼結で接合される請求項２５記載のリニア発電機。
29. 前記個々の双極磁石がボンドで接合される請求項２５記載のリニア発電機。
30. 前記磁極構造が接着剤により接合される請求項２５記載のリニア発電機。
31. 前記磁極構造が焼結により接合される請求項２５記載のリニア発電機。
32. 前記磁極構造がボンドにより接合される請求項２５記載のリニア発電機。
33. 前記巻線は前記軸方向から見た場合、時計回り、反時計回りに交互に巻かれ、前記巻線が、前記各巻線の多層積み重ね配列に配列される少なくとも一つを持つ、請求項２０記載のリニア発電機。
34. 前記促進材料が弾力性物質から作られる請求項２０記載のリニア発電機。
35. 前記促進材料がゴムから作られる請求項３４記載のリニア発電機。
36. 前記促進材料がバネから作られる請求項３４記載のリニア発電機。
37. 前記促進材料が前記巻線に斥力を生成する磁性物質又はシステムを含む請求項２０記載のリニア発電機。
38. 前記促進材料が弾力性部材を含む請求項３７記載のリニア発電機。
39. 少なくとも一つの前記促進材料が前記軸の各端末に備えられる請求項２０記載のリニア発電機。
40. 各々が一対の端面と一対の側面を持つ、少なくとも一つの一対の個々の平行六面体形双極磁石を提供すること、
    同極が相互に対面して接着するように、前記一対を形成するために前記個々の双極磁石の側面を結合させること、及び、
    少なくとも二つのNS交互極性の極性を持つ直列接続磁石を形成するように前記磁石の端面を結合すること、
    の段階から成る請求項２０記載のリニア発電機に使用する磁石組立方法。
41. 直列に配列された交互極性を持つ少なくとも一つの磁石構造と、
    前記磁極構造が、二つの端末と側面を持つ少なくとも一対の個々の平行六面体形状双極磁石、同極が相互に向き合うような前記側面平面で相互に結合された前記一対の双極磁石、前記磁石構造を形成するための前記個々の双極性磁石の前記端部で相互に組み合わさる前記一対、より成る
    リニア発電機のための磁石構造。
42. 前記個々の双極性磁石が接着剤にて接合される請求項４１に記載の磁石構造。
43. 前記個々の双極性磁石が溶接又は半田付けにて接合される請求項４１に記載の磁石構造。
44. 前記個々の双極性磁石が焼結にて接合される請求項４１に記載の磁石構造。
45. 前記個々の双極性磁石がボンドにて接合される請求項４１に記載の磁石構造。
46. 前記個々の双極性磁石が接着剤にて接合される請求項４１に記載の磁石構造。
47. 前記磁極構造が焼結にて接合される請求項４１に記載の磁石構造。
48. 前記磁極構造がボンドにて接合される請求項４１に記載の磁石構造。
49. 各巻線は多層積み重ね配列の少なくとも一つの層の中に形成される少なくとも一つの巻線を持つ複数の巻線であって、前記巻線は少なくともひとつの第1の時計回り巻線と少なくとも一つの第2の反時計回り巻線を含む前記巻線から成る
    リニア発電機巻き構造。

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