JP2008527958A - 管状発電機の改良 - Google Patents

Abstract

管状リニア発電機は、一連の永久磁石（１３、１４、...）および強磁性スリーブ（３１）内に収納されかつ該スリーブに固着される１つ以上の管状コイル（図示せず）を具備する。トランスレータとアーマチュアとの間の相対移動により、コイルに電気が発生される。スリーブは、スリーブとトランスレータに沿う永久磁石との間のコギング力を減じるために、（３２）で示すように、その端部の一方または両方で、その円周の周りの透過性について、輪郭による変化がつけられる。

Description

本発明は、管状リニア発電機の性能の改良に関する。

本明細書で開示される改良を適用することができる管状発電機は、該発電機のアーマチュアが一つ以上の管状コイルを収納しかつトランスレータが細長い一連の磁極を収納する種類のものである。後者の連続は、管状コイルを同心状に前後に通過するために一列に配置される多くの永久磁石から形成されてもよい。磁極から出る磁束線が環状コイルの数巻きを分断するにつれて、電気が発生される。現在全世界で使用されている一つのそのような構成の例は、イギリス特許ＧＢ２０７９０６８および対応外国特許の、管状リニア電気モータである。

（本文全体を通じて、用語「アーマチュア」は、そのコイルを収納する発電機の部分を指し、かつ用語「トランスレータ」は、永久磁石を収納する部分を指す。一方の他方に対する相対移動の結果として、電気が発生される。さらに、本分野における専門家によって一般に公知であるように、記載した種類の永久磁石発電機は、電気モータと同様に動作することができる。したがって、用語「発電機」および「モータ」は、本出願内では置換可能であるとみなされる。）

往復機械エネルギーの電力への変換を必要とする工業的応用が増えつつある。特に、一つは、海の波エネルギーの電気への変換である。そのような海の波エネルギー変換器の例は、海に置かれる浮きの運動が用いられ、それによりリニア発電機のアーマチュアとトランスレータとの間に相対運動が生じ、ひいては海の波エネルギーの電力への変換が生じる。

リニア発電機の所与の寸法およびコストについて電力の発生を最適化するために、発電機が、できるだけ磁気的にかつ電気的に効率的であることが重要であると認識されよう。電力変換効率は、波エネルギー変換器にとって特に重要な考察であり、発生されるのに十分な電気が初期資本投資に対する適切な収益率を保証することが絶対必要である。任意の電気モータ／発電機の効率に対する著しい寄与は、それに生成されるかつ／あるいはその構成に固有の磁束の最適な使用である。

磁束の使用を最適化する一つのそのような手段は、アーマチュアを形成する環状コイル全体に同軸に置かれかつ該環状コイルに固着される強磁性円筒スリーブの位置を含むことがある。スリーブの存在は、コイルとの磁束結合を改良するような態様で、トランスレータから出る磁束線を引き出すのに役立つ。

しかしながら、管状永久磁石リニア発電機において強磁性スリーブの任意の形態を使用することの欠点は、好ましくないコギングが生じうることである。コギングは、発電機の移動部の固定部に対する相対運動の方向に受けられる機械力の不均一という意味である。これは、アーマチュアの分離した間隔の磁極と強磁性スリーブとの間の突出極磁力効果により生じる。コギングは、激しければ、長期間にわたって、機械振動、ならびに機械故障さえ起す。

本発明によれば、縦軸に沿って互いに相対移動可能である、環状アーマチュアおよびそれを通して同心状に位置決めされるトランスレータを有するリニア発電機が提供され、磁気透過性スリーブが、アーマチュアに固着されかつ該アーマチュアを円周方向に取り囲み、スリーブの一端または両端の透過性が、その円周の周りで、アーマチュアがトランスレータに対して相対的な状態である該スリーブの移動においてスリーブ上での縦方向コギング力の変化が減じられるように、輪郭による変化がつけられる。コギング力のこのような減少は、もちろん、該端部が均一な透過性を有するなら、対応するコギング力と比較される。

好ましい形態では、上記のスリーブ透過性の輪郭による変化は、スリーブの一端または両端で、スリーブ端部の円周の回りの材料の量の変化によって達成され、そのような変化は、アーマチュアの円周の周りの位置でのスリーブ材料のさまざまな欠如の形態である。好ましくは、円周の周りには変化の多くのサイクルがあり、（水平縦軸を有する発電機で参照されるように）スリーブ上の正味力が「ピッチ」または「偏揺れ」方向について変化する任意の傾向を減じる。

このような欠如を達成する一つの方法は、スリーブが取り囲むアーマチュアの縦方向のスリーブ端縁のさまざまな縦方向オフセットによる方法であり、そのようなオフセットの変化の例は、実質的にシヌソイド、三角形、またはキャステレイテッドであってもよい。この手段によって、スリーブの任意の１つ以上の所与の端縁は、特定の磁極および／または数組の極に対してある方向に引き寄せられ、他の所与の端縁は、さほど引き寄せられないかあるいは反対方向に引き寄せられ、任意の特定の極または一組の極に対するスリーブの正味引力が、それによって減じられ、該減少は、マージン内では、スリーブのトランスレータとの相対位置にかかわらず得られる。

実施において、輪郭による変化は、所定の、かつ連続曲線に追従してもよく、その結果、例えば一対の長い方の長さおよび一対の短い方の長さを有するスリーブが生じ、各対の長さは、対角線上にある。代わりに、キャステレイテッド輪郭が使用されてもよい。輪郭による変化がスリーブの両端で実施される場合には、スリーブの全平均長が、スリーブの一端になお残っている任意の残留コギングが、他方端部に残っている任意の残留コギングの逆の影響によってできる限り遠くで相殺されるような設計によって選択される。

コイル上で作用する磁束を有利に改良しつつ、そのような磁気透過性スリーブを使用することには、一つの著しい欠点がある。これは、渦電流が、スリーブが、トランスレータの永久磁石全体にわたって前後に走行するようにスリーブで誘起されるということである。この結果、制動作用が生じ、かつ少なくとも同じくらい重要なことには、スリーブ材料が加熱される。これは、アーマチュアコイル内に生じる熱損失に付加され、発電機モードであろうとモータモードであろうと、性能全体を著しく傷つける。

本発明の一態様によれば、スリーブは、トランスレータから磁束線を引き出すための多数の個別強磁性要素を含みあるいは該多数の個別強磁性要素から構成されるが、各々は、スリーブの円周の周りでかつ／あるいは該円周に沿って渦電流の循環を実質的に排除するような形状でありかつ排除するように個々に絶縁される。

本発明の本態様の好ましい実施形態では、該個別要素は、上記スリーブを形成するために縦方向に互いに平行にかつ互いに隣接して置かれる、軟鉄等の強磁性材料の分離した長さから形成される。該長さは、好適な樹脂等によって互いに接着されてもよい。個別要素は、「ＴＲＡＰＯＦＥＲＭ」等の、特に好ましい磁気透過性を有する強磁性材料から製造されてもよい。

他の実施形態では、要素は、非導電プラスチック材料内に埋め込まれる、小さい玉軸受等の個別粒子を含んでもよい。

上記の配置の組合せの結果、実質的には本来の有害なコギング力または制動力なくかつそのスリーブ内にほとんどあるいは全く熱損失なく動作が可能であるリニア発電機となる。全体として、この結果、本発明に従って構成されるスリーブなしで動作する発電機（またはモータ）と比較して、性能が３０％を超えて上昇する。

所望の性能に従って永久磁石の異なる等級を選択するのが、管状リニア発電機のトランスレータを構築する際に実用的である。例えば、高出力が必要とされ、かつコストはまったく問わない場合、希土類ネオジウムホウ素鉄磁石が用いられてもよい。これらの磁石の飽和保持力は高く、かつアーマチュアコイルで循環している電流から生じる無磁界が磁石を好ましくない作業点にもたらしうる危険がほとんどない。他方、より低い飽和保持力のセラミック磁石、例えばフェライトのような公知のものが用いられれば、それらのＢＨ曲線特性に明確な屈曲点が存在するため、このような影響を受けることがある。本明細書に記載したような強磁性スリーブの使用は、トランスレータに沿って位置決めされる永久磁石のＮ極／Ｓ極からの磁気結合を助けるという事実のため、この危険を軽減する。（事実上、スリーブは、磁界がそれに沿って走行する磁気短絡経路を形成する。）

しかしながら、スリーブは、アーマチュアコイルのそれぞれの側を越えてうまく伸長する場合には、該スリーブがそのようなコイルをちょうど被覆する場合、例えば、スリーブが、その最長部で、環状アーマチュアコイルの正確な全長に合せて作られ、ひいてはそれらの内面上のみでアーマチュアの端部コイルを被覆する場合より大きい効果があるこの目的を果たすのは明らかであろう。

本発明の特徴によれば、強磁性スリーブの長さは、アーマチュアコイルのスタックの縦全体の長さを十分越える長さに、該スタックの各端部に生じる重複が、磁石の誘起された消磁に対する保護が、アーマチュアの最外端部に位置しているコイルにさらされるトランスレータ磁石に、その中央での磁石とほぼ同程度与えられることを保証するように作られる。

管状リニア発電機またはモータの構成において、その環状コイルに樹脂を含浸することが公知である。この目的は、コイルを相対的に適所に保持することおよび外部熱導電面への熱導電経路を提供することである。しかしながら、管状リニア発電機において用いられるべきそのような構成が、本明細書において開示する改良の主題であれば、スリーブの、スリーブによって同軸に取り囲まれる磁石からの半径方向距離は、樹脂層の厚さによって増大されることが認識されよう。実施において、スリーブと磁石との間に最良の磁気結合を与えるために、この半径方向距離をできるだけ小さく保つのが望まれる。

本発明のさらなる特徴によれば、強磁性スリーブを構成する個別要素は、製造工程中コイルを接着する樹脂内に埋め込まれる。この手段によって、要素によって形成される強磁性スリーブを、コイルの外径にできるだけ近く、かつ対応してアーマチュアの磁極にできるだけ近くすることができるようになる。

管状リニア発電機の具体的な応用、ならびに特にすでに記載した波エネルギー応用のために、アーマチュアのトランスレータとの相対運動を制動することができることが望まれるかもしれない。このことは、例えば、異常波の到達から生じる突然のかつ予想外の移動の場合に必要であるかもしれない。一つのそのような制動作用は、アーマチュアコイルを短絡することによって都合よく達成されることもある。コイル内を循環している起電力は、トランスレータの運動を減速するのに非常に有効でありうる。本明細書に記載したような強磁性スリーブを同じ目的のために用いることができるのも有利であるが、既に説明したように、まさにその設計は、渦電流の使用における循環を防止する。

本発明のまたさらなる特徴によれば、スリーブを構成するあるいは該スリーブ内に含まれる個別要素の多くまたは全ては、それぞれ、共有切換手段に係る導電手段によって配線され、それにより、選択された数の接続、あるいはそれらの全ての相対接続、ひいては渦電流の制御された循環が可能になる。本手段によって、スリーブは、要望どおり、限られた範囲にもかかわらず、さらなる制動手段として活動されてもよい。

ここから、本発明を、添付の図面を参照して説明する。

図１および図２ならびに該図面を説明する本文は、本発明の理解を助けるための一般的な参照背景を提供する。

図１を参照して、本明細書で開示される改良が適用されてもよい典型的な管状リニア発電機を、１０で概略的に示す。トランスレータ１１は、一連の間隔のあけられた軸方向に磁化した永久磁石１３、１４、１５等を収納する非強磁性管１２を具備する。磁石の同じ極が互いに向き合うのが分かるだろう。効果は、本明細書では１６、１７および１８で概略的に示す力線が、永久磁石を保持する管から外へ放射状に出て、それによって、本明細書では２０、２１、２２および２３で示す同軸アーマチュアコイルの数巻きを図示したように分断する（なお、これらのコイルは、明確にするために本明細書には示さないが、一般に、さらなる管内で接着される）ということである。アーマチュアとトランスレータとの間で強制的に相対移動させた結果、正弦波交流起電力がアーマチュアコイルに発生される。（この配置は、イギリス特許ＧＢ２０７９０６８に開示される管状リニア電気モータと同一である）。

認識されるように、アーマチュアコイルに発生される起電力は、永久磁界の強さ、ならびにフレミングの右手の法則の原理を用いて、該力線が分断しているアーマチュアコイルの数巻きの相対運動の方向に対して力線がどれくらい直交しているかに依存する。

図２を参照して、この直交性、ひいては発電量を改良するための手段を示す。本明細書において一端縁のみ２４で示す強磁性スリーブは、コイル全体に位置決めされる。スリーブの効果は二倍である。第１に、該スリーブは、永久磁石からよりまっすぐに、ひいては該磁石を保持する管からより直交的に力線を引き出すのを助け、かつ第２には、２５、２６および２７で示すように、磁力線がそれに沿っていつでも移動できる経路を提供する。この後者の態様は、磁石が動作する有効な作用点を助け、かつ該磁石の使用中の減磁の可能性を減じるので、重要な利点がある。

以上の説明は、スリーブを用いて出力を増大するという、一般的な、かつ本分野において公知の概念を概説し、あるいはリニアモータとして用いられる前述の構成の場合には、それから利用できるスラストは、付勢されるべきコイルであった。本発明の実際の概念を、残りの図面を参照して詳細に説明する。

顕著な欠点は、図２に示すような簡単な強磁性スリーブの使用から生じる。これは、コギングとして公知の影響による。コギングは、発電機の移動部の固定部に対する相対運動方向に受けられる機械力の機械的不均一という意味である。これは、アーマチュアの分離した間隔の磁極と強磁性スリーブとの間の突出極磁力効果により生じる。（図２を参照して理解できるように、任意の強磁性物体を永久磁石と近接させる場合に周知であるように、スリーブは、磁石に対して縦方向に整列しようとして、それらの磁界にとって最上の経路を提供するだろう。）コギングにより、結果として生じる有害な機械効果を伴うジャダー運動が生じることがある。そのようなコギングプロフィールを、図３に示す。かけられた力を２８で、コギング力を２９で示し、かつその結果生じる力を３０で示す。

図４を参照して、この効果を軽減する手段を示す。アーマチュアコイルを取り囲むスリーブは、本明細書では３１で示され、かつ多数の個別要素から形成され、その全目的を以下で説明する。図に示すように、スリーブは、３２で示すような両端で、形状が修正される。該端部は、均一な外周をその端部に有するよりむしろ、その代わりに、図示したように輪郭による変化がつけられる。該輪郭による変化は、図示したように、その右側で、その側部より以上伸長するスリーブの頂部および底部の効果を達成する。このことは、単にスリーブを構成する個別要素の好適な並置だけで製造において達成される。輪郭による変化の目的は、コギング力を減じることである。（なお、スリーブの左側では、該側部は、逆に頂部および底部より以上伸長する。）

このことを、図５を参照してさらに説明する。スリーブの一方端部の頂部（この場合には、もっとも突出している部分）を３３で概略的に示し、かつ側部および最も突出していない部分を３４で示す。トランスレータを３５で示す。要素３３および３４の重なりは、一方の長さが一組の磁極まで引っ張ろうとしている間、他方の長さは、「中間」状態にあり、よってこの力に寄与しないように選択される。アーマチュアがトランスレータと相対的に移動するようになるので、位置が反転される。その間、スリーブの端部の段階的な輪郭による変化は、この工程を助ける。スリーブの端部での効果は、正味コギング力を減じることである。

スリーブの他方端部３７では、要素の長さの相対的な突出部が、（それらの物理的な長さを注意深く選択することによって）前もって決められるので、この他方端部でのそれらの作用が、第１端部３６での作用に対して位相がずれていることを除いては、類似の配置が広がる。参照のために、図４のスリーブの左側端部および右側端部の両方とも参照されたい。このことは、さらにコキング効果を減じ、最終正味力は、図３に示す原形の振幅と比較して、図６の３８で示すように、実質的に減じられる。キャストレイテッド輪郭の組合せ等、ゆるやかな曲線と組み合わされた代わりのスリーブ端部プロフィールが可能であり、なおさらにコギング効果を減じる。

ここで、本発明の重要な態様を説明する。図４に示すスリーブから、本発明が多くの個別要素から形成されるのが分かるだろう。この理由は、次の通りである。

任意のそのようなスリーブが（簡単な強磁性シリンダと同様に）固体導電材料から構成されるなら、本発明には著しい欠点がある。これは、発生中、スリーブのトランスレータに対するまさにその相対運動は、該スリーブ内で循環している寄生渦電流を生成するということである。該寄生渦電流は、スリーブを加熱すること、ならびに少なくとも同様に悪いが、該寄生電流によって作られる磁界のため、アーマチュアのトランスレータに対する相対的な通過を妨げることの両方に役立つ。これらの結果、移動を生じるまさにその力に対向する反力が生じる。効果は、スリーブにスロットを打抜くことによってある程度減じられることもあるが、これにより該スリーブの存在が必要とする該材料のまさにその省略によって、スリーブの効率が減じられる。

本発明にしたがって形成され、かつまた循環している渦電流によって生じる上記の困難を克服する図４のスリーブを、３１で概略を示す。該スリーブは、多数の細長い個別要素３９、４０等を具備し、各々は、軟鉄すなわち「ＴＲＡＰＯＦＥＲＭ」等の、好ましい高透過性を有する強磁性材料で作られている。これらの要素の各々は、その隣りから絶縁される。該要素は、実質的にはまるでスリーブが一片から作られるかのように、力線を引き出し続けるが、該要素は互いに絶縁されているので、このことは、渦電流の循環を事実上全て排除し、該スリーブの存在は、縦要素内に限定される。したがって、出力について著しい利点が生じるが、渦電流による何ら顕著な衝撃もない。

図７は、図２ｂに示すスリーブの一部の拡大図を示す。スリーブを構成する分離した縦要素を、本明細書では再度３９、４０および４１で示す。各要素は、その全長に沿って絶縁されて、その隣りへの電気伝導を防ぐ。

図８を参照して、磁石の、その安全動作点を越えてとられる、トランスレータ内での可能性をさらに減じるための配置を、４２で示す。（このことは、強い無磁界の存在、あるいは磁石がそのような磁界に露出することおよび高温での動作を組み合せて生じることがある）。

すでに述べたように、本発明のスリーブの存在は、磁界がそれに沿っていつでも移動できる経路を提供するので、磁石の安全動作を助ける。しかしながら、スリーブの（平均）長さが、該スリーブがただアーマチュアの端部コイルのみ覆うようにされるなら、該コイルによって同軸で取り囲まれる磁石は、より中央に配置された磁石と同程度までは保護されないだろう。よって、スリーブは、４３および４４で示すような良好なマージンによって、アーマチュアコイルスタックの全長「ｌ」を超える長さに作られる。この手段によって、スリーブによって提供される磁界結合は、安全動作点内での該磁石の機能をそのように助ける操作磁石の全てにわたってうまく伸長するのが分かる。

磁気空隙を実施可能である限り減じることによって、電磁機構内での磁気結合を最大にするのは周知である。袖付管状リニア発電機の場合にこのことを達成するための配置も、コイルおよびスリーブの端面図を示す図９を参照して示す。コイルを、その保護および接着のために樹脂に包み込むのが慣例である。（硬化）樹脂全体にわたってスリーブを構成する個別要素４６を組み立てる（結果として空隙が大きくなるであろう）よりはむしろ、該個別要素４６は、その代わりに、４７で示すように、該樹脂内で成形される。この手段によって、個別要素４６は、コイル面４８にできるだけほぼ近く、ひいてはトランスレータ磁石と結合する磁束が最大にされる。

永久磁石型回転電気モータのアーマチュアコイルを短絡することは、そのアーマチュアの運動を制動するのに有効であることは周知である。管状リニア発電機の場合には、アーマチュアコイルを短絡することは、トランスレータのそのアーマチュアに対する相対運動の即時のかつ有効な制動作用を同様に提供する。しかしながら、以上の説明から、スリーブは、その構成のまさにその要点が、循環している渦電流の効果を避けることであるので、この効果に寄与することができないと理解されたい。

しかしながら、特別な状況では、特に、例えば、予期しない振幅の波が突然到達することがある波エネルギー変換器において、できる限り短い時間、運動を止めることができるのは有効であるかもしれない。

これにより、例えば、後者に対して結果として損害を与えるリニア発電機を駆動する点吸収装置の過度の運動を生じることがある。

スリーブが制動効果になお寄与することができるようにする方法を、図１０を参照して示す。要素４９、５０等の各々は、対応するスイッチ５１および５２等に接続される。各スイッチの残りの半分は、バスバー５３に接続される。スイッチのいくつかあるいは全てをオンに切り替えることによって、限られた範囲であっても使用可能な経路が設けられ、いくつかは、循環すべき渦電流となり、ひいては、それによってスリーブが制動努力を増すことができるようになる。

多数の変形が、当業者に明らかとなろう。

典型的な管状リニア発電機のアーマチュアおよびトランスレータを示す。 発電機のアーマチュアを取り囲む強磁性スリーブの一端縁の図である。 均一な長さのスリーブを用いる場合に生じることがあるコギング力を示す。 輪郭による変化がつけられた端部を持つスリーブの斜視図である。 コギング力が減じられることがある方法を示す。 そのような減じられたコギング力を示す。 スリーブを構成する個別要素の分解図である。 発電機のコイルを覆う細長いスリーブを示す。 樹脂に埋め込まれたスリーブを構成する要素を示す図である。 スリーブが電磁ブレーキの役目を果たすことができるようにする手段を示す。

Claims (9)

1. 縦軸に沿って相対移動可能である、環状アーマチュアおよびそれを通して同心状に位置決めされるトランスレータを有するリニア発電機であって、磁気透過性スリーブが、前記アーマチュアに固着されかつ該アーマチュアを円周方向に取り囲み、前記スリーブの一端または両端の透過性は、その円周の周りで、前記アーマチュアが前記トランスレータに対して相対的な状態である前記スリーブの移動において前記スリーブ上での縦方向コギング力の変化が減じられるように、輪郭による変化がつけられる、リニア発電機。
2. 前記透過性の輪郭による変化は、前記スリーブの一端または両端で、前記スリーブ端部の円周の周りの材料の量の変化によって達成され、そのような変化は、前記アーマチュアの円周の周りの位置でのスリーブ材料のさまざまな欠如の形態である、請求項１に記載のリニア発電機。
3. 前記スリーブ材料の量の変化は、前記スリーブが取り囲む前記アーマチュアの縦方向の前記スリーブ端縁のさまざまな縦方向オフセットによって達成され、そのようなオフセットの変化の例は、実質的にシヌソイド、三角形、またはキャストレイテッドである、請求項２に記載のリニア発電機。
4. 前記スリーブの両端は、そのように輪郭による変化がつけられるが、前記スリーブの母線の対向端部において端縁部分をオフセットすることは、前記端部の端縁部分間の距離が、前記スリーブの円周の周りで実質的に一定であるようなものである、請求項３に記載のリニア発電機。
5. 前記スリーブは、前記トランスレータから磁束線を引き出すための多数の個別強磁性要素を含みあるいは該多数の個別強磁性要素から構成されるが、各々は、前記スリーブの円周の周りでかつ／あるいは該円周に沿って渦電流の循環を実質的に排除するような形状でありかつ排除するように個々に絶縁される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のリニア発電機。
6. 前記個別要素は、軟鉄等の強磁性材料の分離した長さからなり、各々は、前記アーマチュアスリーブを形成するために、その隣りから絶縁されかつ互いに平行にかつ隣接して置かれる、請求項５に記載のリニア発電機。
7. 前記要素は、プラスチック材料内に埋め込まれる、小さい玉軸受または鉄結晶等の個別粒子を含む、請求項５に記載のリニア発電機。
8. 前記スリーブを構成するまたは該スリーブ内に含まれる前記個別要素の多くまたは全てが、それぞれ、それらの選択された割合あるいは全ての互いの接続、ひいては渦電流の制御された循環を可能にする共有切換手段に係る導電手段によって接続される、請求項５に記載のリニア発電機。
9. 前記スリーブの長さは、その最小限で、前記トランスレータ磁石の誘起された減磁に対する保護が、前記スリーブの存在によって、前記アーマチュアの各端部で露出される前記磁石に、その中央での磁石とほぼ同程度与えられることを保証するのに十分な程度だけ前記アーマチュアの縦方向長さを越える、請求項１〜８のいずれか一項に記載のリニア発電機。

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