JP2010104144A - Direct-acting power generator - Google Patents
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Description
本発明は、磁気飽和による発電量減少を防止する直動発電機に関する。 The present invention relates to a linear motion generator that prevents a decrease in power generation due to magnetic saturation.
発電の原動力には、火力、水力、原子力、熱、風力、潮力などがある。従来の発電機は、これらの原動力から作り出した直線運動を回転運動に変換する運動変換機構を備えている。従来の発電機は、運動変換機構を備えることで大きさが巨大化すると共に、直線運動を回転運動に変換する際の変換損失や機械的接触による摩擦損失のため発電効率が低下する。 The driving forces for power generation include thermal power, hydropower, nuclear power, heat, wind power, and tidal power. Conventional generators include a motion conversion mechanism that converts linear motion generated from these driving forces into rotational motion. The conventional power generator has a motion conversion mechanism that increases in size and reduces power generation efficiency due to conversion loss when converting linear motion into rotational motion and friction loss due to mechanical contact.
上記問題を解決するために直線運動のひとつである往復運動を電力に変換する直動発電機が提案されている。直動発電機は、運動変換機構を備えないので小型化が可能であると共に、運動変換の際の変換損失や摩擦損失がないため発電効率が向上する。従来の発電機では振動運動を回転運動に変換することが困難であることから、往復運動中にストローク変動が発生するフリーピストン型スターリングエンジンや、潮力、振動力を発電に利用する直動発電機は、高効率が期待される。 In order to solve the above problems, a linear motion generator that converts reciprocating motion, which is one of linear motion, into electric power has been proposed. Since the linear motion generator does not include a motion conversion mechanism, it can be miniaturized, and power generation efficiency is improved because there is no conversion loss or friction loss during motion conversion. Since it is difficult to convert vibration motion into rotational motion with conventional generators, free piston type Stirling engines that generate stroke fluctuation during reciprocating motion, and direct-acting power generation that uses tidal power and vibration power for power generation The machine is expected to be highly efficient.
図3に示されるように、従来の直動発電機31は、円筒状の内側ヨーク3とその内側ヨーク3と同軸に配置され内側ヨーク3の外側を覆う円筒状の外側ヨーク2とを備える。内側ヨーク3には軸方向に磁極を向けた永久磁石4が組み込まれており、一方、外側ヨーク2には周方向に巻かれたコイル5が設けられて、コイル5の内側は外側ヨーク2の内側壁2aで覆われ、コイル5の外側は外側ヨーク2の外側壁2bで覆われている。内側ヨーク3と外側ヨーク2は、相対的に軸方向に運動できる。図示したものは、内側ヨーク3が軸方向に往復運動するようになっている。
As shown in FIG. 3, the conventional
発電原理は、内側ヨーク3と外側ヨーク2が相対的に軸方向に運動するとき、コイル5に交わる磁束の磁束密度が変化して起電力が発生するというものである。
The principle of power generation is that when the
内側ヨーク3には、内側ヨーク3と外側ヨーク2との間にあるエアギャップを磁束が通過することによる磁束密度の低下を防ぐために、外側ヨーク2に向けて隆起した突起が形成されている。
The
従来の直動発電機31の動作を図4により説明する。
The operation of the conventional
図4(b)では、内側ヨーク3が内側ヨーク3の往復運動範囲の中間に位置している状態(中立位置と呼ぶ)を示している。このとき、内側ヨーク3の上部(又は下部)にある永久磁石4による磁路は、内側ヨーク3、内側ヨーク3の上部突起(又は下部突起)、外側ヨーク2の内側壁2a、内側ヨーク3の中央部突起、内側ヨーク3を通る短い閉磁路を形成する。
FIG. 4B shows a state where the
図4(a)のように、内側ヨーク3が内側ヨーク3の往復運動範囲の上部に位置している状態(上位置と呼ぶ)では、内側ヨーク3の上部にある永久磁石4による磁路は、中立位置のときとあまり変わらない。一方、内側ヨーク3の下部にある永久磁石4による磁路は、内側ヨーク3の下部突起、外側ヨーク2の外側壁2b、外側ヨーク2の内側壁2a、内側ヨーク3の中央部突起、内側ヨーク3を通る長い閉磁路を形成する。この長い閉磁路は図示した断面においてコイル5を取り囲んでいる。よって、コイル5に交わる磁束が発生する。
As shown in FIG. 4A, in the state where the
図4(c)のように、内側ヨーク3が内側ヨーク3の往復運動範囲の下部に位置している状態(下位置と呼ぶ)では、内側ヨーク3の上部にある永久磁石4による磁路は、内側ヨーク3の上部突起、外側ヨーク2の外側壁2b、外側ヨーク2の内側壁2a、内側ヨーク3の中央部突起、内側ヨーク3を通る長い閉磁路を形成する。このときもコイル5に交わる磁束が発生するが、磁束の方向が上位置と下位置とでは逆方向である。
As shown in FIG. 4C, in the state where the
以上のように、内側ヨーク3が往復運動すると、コイル5に交わる磁束が交互に逆方向に発生するので、大きな磁束密度変動が発生して発電が行われる。
As described above, when the
ところが、発電に関与しない閉磁路に着目すると、上位置においては、内側ヨーク3の上部にある永久磁石4による短い閉磁路が、発電に関与している内側ヨーク3の下部にある永久磁石4による長い閉磁路と、外側ヨーク2の内側壁2aで重複している(破線で囲んだエリアB1)。下位置においても、内側ヨーク3の下部にある永久磁石4による短い閉磁路が、発電に関与している内側ヨーク3の上部にある永久磁石4による長い閉磁路と、外側ヨーク2の内側壁2aで重複している(破線で囲んだエリアB2)。このように複数の磁路が同じ場所で重複することにより、その場所で磁気飽和が発生する。
However, paying attention to the closed magnetic path that does not participate in power generation, in the upper position, a short closed magnetic path by the
発電に関与している長い閉磁路が通る外側ヨーク2の内側壁2aにおいて磁気飽和が発生することにより、当該発電に関与している長い閉磁路の磁束密度が低下し、発電量が減少する。
When magnetic saturation occurs in the inner wall 2a of the
このように、従来の直動発電機31には、複数の閉磁路が同じ場所で重複する構造であるため、磁気飽和による発電量減少という問題がある。
As described above, the conventional
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、磁気飽和による発電量減少を防止する直動発電機を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a linear motion generator that solves the above-described problems and prevents a decrease in power generation due to magnetic saturation.
上記目的を達成するために本発明は、固定ヨークと、該固定ヨークに沿って往復運動する移動ヨークとを備え、上記移動ヨークは、同極性の磁極を互いに反対の往復運動方向に臨ませた永久磁石が往復運動方向両端部に組み込まれ、上記固定ヨークは、上記移動ヨークの運動方向に対して直角に巻かれたコイルと、該コイルの上記移動ヨークに近い側を覆う内側壁と、上記コイルの上記移動ヨークから遠い側を覆う外側壁とを有し、上記移動ヨークに対して上記固定ヨークの反対側から臨み、上記移動ヨークの往復運動に伴い上記永久磁石に接近離間する補助発電用電磁部材を備えたものである。 In order to achieve the above object, the present invention includes a fixed yoke and a moving yoke that reciprocates along the fixed yoke, and the moving yoke faces the same polarity magnetic poles in opposite reciprocating directions. Permanent magnets are incorporated at both ends in the reciprocating direction, and the fixed yoke includes a coil wound at right angles to the moving direction of the moving yoke, an inner wall covering the side of the coil close to the moving yoke, An outer wall that covers a side of the coil far from the moving yoke, facing the moving yoke from the opposite side of the fixed yoke, and approaching and separating from the permanent magnet as the moving yoke reciprocates. An electromagnetic member is provided.
上記補助発電用電磁部材は、上記移動ヨークが一方向に運動したとき、上記補助発電用電磁部材が一方の上記永久磁石に沿い、もう一方の上記永久磁石から離れているよう配置されてもよい。 The auxiliary power generation electromagnetic member may be arranged such that when the moving yoke moves in one direction, the auxiliary power generation electromagnetic member is along one of the permanent magnets and away from the other permanent magnet. .
上記補助発電用電磁部材は、円柱状の補助発電用ヨークと、該補助発電用ヨークと同軸に巻かれている補助発電用コイルとからなり、上記移動ヨークは、上記補助発電用電磁部材と同軸に配置され上記補助発電用電磁部材の外径より内径が大きい円筒状であり、上記固定ヨークは、上記移動ヨークと同軸に配置され上記移動ヨークの外径より内径が大きい円筒状であり、上記コイルは、上記固定ヨークと同軸に巻かれていてもよい。 The electromagnetic member for auxiliary power generation includes a columnar auxiliary power generation yoke and an auxiliary power generation coil wound coaxially with the auxiliary power generation yoke, and the moving yoke is coaxial with the auxiliary power generation electromagnetic member. The fixed yoke is arranged in a cylindrical shape having an inner diameter larger than the outer diameter of the moving yoke, and has an inner diameter larger than the outer diameter of the moving yoke. The coil may be wound coaxially with the fixed yoke.
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。 The present invention exhibits the following excellent effects.
(1)磁気飽和による発電量減少を防止することができる。 (1) It is possible to prevent a decrease in power generation due to magnetic saturation.
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1に示されるように、本発明に係る直動発電機1は、固定ヨーク2と、固定ヨーク2に沿って往復運動する移動ヨーク3とを備えたものである。移動ヨーク3は、同極性の磁極を互いに反対の往復運動方向に臨ませた永久磁石4が往復運動方向両端部に組み込まれている。固定ヨーク2は、移動ヨーク3の運動方向に対して直角に巻かれたコイル5と、コイル5の移動ヨーク3に近い側を覆う内側壁2aと、コイル5の移動ヨーク3から遠い側を覆う外側壁2bとを有する。直動発電機1は、移動ヨーク3に対して固定ヨーク2の反対側から臨み、移動ヨーク3の往復運動に伴い永久磁石4に接近離間する補助発電用電磁部材6を備えている。
As shown in FIG. 1, a
図示した実施形態は、直動発電機1が往復運動の軸である上下軸を中心にして回転対称に形成されたものである。すなわち、補助発電用電磁部材6は、上下軸を中心とする円柱状の補助発電用ヨーク7と、該補助発電用ヨーク7と同軸に巻かれている補助発電用コイル8とから構成された部材であり、構成上は電磁石と同一である。移動ヨーク3は、補助発電用電磁部材6と同軸に配置され補助発電用電磁部材6の外径より内径が大きい円筒状に形成されており、以下、内側ヨーク3と呼ぶ。固定ヨーク2は、移動ヨーク3と同軸に配置され移動ヨーク3の外径より内径が大きい円筒状に形成されており、以下、外側ヨーク2と呼ぶ。コイル5は、外側ヨーク2と同軸に巻かれている。
In the illustrated embodiment, the
図1に示した本発明の直動発電機1は、図3に示した従来の直動発電機31に補助発電用電磁部材6を付加して構成される。補助発電用電磁部材6は、補助発電用ヨーク7と補助発電用コイル8とからなる。さらに、ここでは、外側ヨーク2は外側ヨーク2の外周で固定構造物に固定され、補助発電用電磁部材6は内側ヨーク3から遠い側の上端と下端でそれぞれ固定構造物に固定されている。また、外側ヨーク2に、スラストガイドヨーク9が付加されている。
The
内側ヨーク3は、内側ヨーク本体3aと永久磁石4と突起用フランジ3bとからなる。円筒状の内側ヨーク本体3aの上端にはN極を上に向け内側ヨーク本体3aと内径及び外径の同じリング状の永久磁石4が取り付けられている。内側ヨーク本体3aの下端にはN極を下に向け内側ヨーク本体3aと内径及び外径の同じリング状の永久磁石4が取り付けられている。上部の永久磁石4の上に、内側ヨーク本体3aと内径が同じで内側ヨーク本体3aよりも外径の大きい突起用フランジ3bが取り付けられている。突起用フランジ3bの外径が大きいことにより、径方向外方に向けて隆起した上部突起3cが形成されている。下部の永久磁石4の下にも、内側ヨーク本体3aと内径が同じで内側ヨーク本体3aよりも外径の大きい突起用フランジ3bが取り付けられており、径方向外方に向けて隆起した下部突起3dが形成されている。内側ヨーク本体3aの上下の中央には、径方向外方に向けて隆起した中央部突起3eが形成されている。上部突起3c、下部突起3d、中央部突起3eは、外側ヨーク2及びスラストガイドヨーク9の内周面に対して、十分に接近して臨んでいる。
The
外側ヨーク2は、内側ヨーク本体3aよりも上下にやや長く、上部・下部の永久磁石4の両N極間よりもやや短く形成されている。コイル5の内側は外側ヨーク2の内側壁2aで覆われ、コイル5の外側は外側ヨーク2の外側壁2bで覆われている。外側ヨーク2の内側壁2aは、上下の中央に切れ目2cを有する。外側ヨーク2の上端には、内側ヨーク3の上部突起3cに臨むスラストガイドヨーク9が設けられている。外側ヨーク2の下端には、内側ヨーク3の下部突起3dに臨むスラストガイドヨーク9が設けられている。両スラストガイドヨーク9は、内側ヨーク3が往復運動範囲の上部・下部に位置したときに、上部突起3c及び下部突起3dに十分届く長さを有する。
The
次に、直動発電機1の動作を説明する。
Next, the operation of the
図2(b)に示されるように、内側ヨーク3が内側ヨーク3の往復運動範囲の中間に位置している状態(中立位置)のとき、内側ヨーク3の上部においても下部においても、内側ヨーク3の一部である突起用フランジ3bが補助発電用電磁部材6とスラストガイドヨーク9に近接して臨んでいる。内側ヨーク3の中央部突起3eは、切れ目2cの上下において外側ヨーク2の内側壁2aに対し近接して臨んでいる。
As shown in FIG. 2 (b), when the
このとき、内側ヨーク3の上部の永久磁石4による磁路は、補助発電用電磁部材6の一部、内側ヨーク3の突起用フランジ3b、上部突起3c、スラストガイドヨーク9、外側ヨーク2の内側壁2a、内側ヨーク3の中央部突起3e、内側ヨーク本体3aを通る閉磁路を形成し、下部の永久磁石4による磁路は、補助発電用電磁部材6の一部、内側ヨーク3の突起用フランジ3b、下部突起3d、スラストガイドヨーク9、外側ヨーク2の内側壁2a、内側ヨークの中央部突起3e、内側ヨーク本体3aを通る閉磁路を形成する。
At this time, the magnetic path of the upper
図2(a)のように、内側ヨーク3が内側ヨーク3の往復運動範囲の上部に位置している状態(上位置)になると、内側ヨーク3の上部においては、内側ヨーク3の一部である突起用フランジ3bと永久磁石4が補助発電用電磁部材6に近接して臨み、突起用フランジ3bは上部突起3cがスラストガイドヨーク9に近接して臨む。内側ヨーク3の中央部においては、中央部突起3eが切れ目2cの上においてのみ外側ヨーク2の内側壁2aに対し近接して臨み、さらに内側ヨーク3の下部においては、下部突起3dのみ外側ヨーク2の内側壁2aに対し近接して臨む。
As shown in FIG. 2 (a), when the
このとき、内側ヨーク3の上部の永久磁石4による磁路は、破線で囲んだエリアA1において、内側ヨーク3の突起用フランジ3b、補助発電用電磁部材6の補助発電用ヨーク7、内側ヨーク本体3aを通る短い閉磁路を形成する。一方、内側ヨーク3の下部の永久磁石4による磁路は、内側ヨーク3の突起用フランジ3b、下部突起3d、外側ヨーク2の外側壁2b、外側ヨーク2の内側壁2a、内側ヨーク3の中央部突起3e、内側ヨーク本体3aを通る長い閉磁路を形成する。
At this time, the magnetic path by the
下部の永久磁石4による長い閉磁路が図示した断面においてコイル5を取り囲んで、コイル5に交わる磁束が発生することは、従来の直動発電機31と同じである。しかし、上部の永久磁石4による閉磁路が従来の直動発電機31と大きく異なる。すなわち、上部の永久磁石4による閉磁路は図示した断面において補助発電用電磁部材6の補助発電用コイル8を取り囲んでいるため、補助発電用コイル8に交わる磁束が発生する。
The long closed magnetic circuit by the lower
図2(c)のように、内側ヨーク3が内側ヨーク3の往復運動範囲の下部に位置している状態(下位置)になると、内側ヨーク3の上部にある永久磁石による磁路は、内側ヨーク3の突起用フランジ3b、上部突起3c、外側ヨーク2の外側壁2b、外側ヨーク2の内側壁2a、内側ヨーク3の中央部突起3e、内側ヨーク本体3aを通る長い閉磁路を形成する。このときも、従来の直動発電機31とは異なり、内側ヨーク3の下部の永久磁石4による磁路は、破線で囲んだエリアA2において、内側ヨーク3の突起用フランジ3b、補助発電用電磁部材6の補助発電用ヨーク7、内側ヨーク本体3aを通る短い閉磁路を形成する。このため、補助発電用コイル8に交わる磁束が発生する。
As shown in FIG. 2C, when the
既に述べたように、従来の直動発電機31では、発電に関与していない閉磁路が発電に関与している閉磁路と同じ場所で重複するため、磁気飽和が発生して発電量が減少した。これに対して、本発明の直動発電機1は、上記長い閉磁路と上記短い閉磁路とが同じ場所を通らない。よって、上記長い閉磁路において磁気飽和が発生することがなくなり、従来に比べて発電量が増加し、効率的な発電が可能となる。
As already described, in the conventional
さらに、本発明の直動発電機1は、上記長い閉磁路によるコイル5に交わる磁束と、上記短い閉磁路による補助発電用コイル8に交わる磁束とがそれぞれ発生する。このため、従来に比べて、補助発電用コイル8による起電力が付加される。
Furthermore, the
以上説明したように、本発明によれば、内側ヨーク3の往復運動範囲の上部・下部に補助発電用電磁部材6を配置することで、コイル5に交わらない磁束が外側ヨーク2を通らないようにしたので、複数の閉磁路が同じ場所で重複することによる磁気飽和を回避して発電量減少を防止することができ、加えて、補助発電用電磁部材6からも電力が得られることから、発電量が増加する。
As described above, according to the present invention, the auxiliary power generation electromagnetic member 6 is disposed above and below the reciprocating range of the
本発明の直動発電機1は、従来の直動発電機31と同じ大きさ、同じ発電量であるならば、永久磁石5の量を減らすことができる。
If the
また、本発明の直動発電機1は、磁束の漏れが従来の直動発電機31よりも少なくなるので、他の機器(例えば、磁気センサ)への磁気的影響が少なくなる。
Further, since the
補助発電用電磁部材6の上下長さは、中立位置のとき上部の補助発電用電磁部材6の下端が上部の永久磁石4の上端と同じ位置になる程度が好ましい。
The vertical length of the auxiliary power generating electromagnetic member 6 is preferably such that the lower end of the upper auxiliary power generating electromagnetic member 6 is at the same position as the upper end of the upper
永久磁石4の上下長さ(N極からS極までの長さ)は、内側ヨーク3の往復運動距離の半分よりやや短い程度が好ましい。
The vertical length of the permanent magnet 4 (length from the N pole to the S pole) is preferably slightly shorter than half of the reciprocating distance of the
なお、上記実施形態では、上部の永久磁石のN極を上に向け下部の永久磁石のN極を下に向けたが、上部の永久磁石のS極を上に向け下部の永久磁石のS極を下に向けてもよい。 In the above-described embodiment, the north pole of the upper permanent magnet faces upward and the north pole of the lower permanent magnet faces downward. However, the south pole of the lower permanent magnet faces upward while the south pole of the upper permanent magnet faces upward. May be pointed down.
また、上記実施形態では、内側ヨーク3の往復運動方向を上下方向としたが、往復運動方向が他の方向であっても、本発明は適用できる。
Moreover, in the said embodiment, although the reciprocating direction of the
1 直動発電機
2 固定ヨーク(外側ヨーク)
3 移動ヨーク(内側ヨーク)
4 永久磁石
5 コイル
6 補助発電用電磁部材
7 補助発電用ヨーク
8 補助発電用コイル
9 スラストガイドヨーク
1
3 Moving yoke (inner yoke)
4
Claims (3)
上記移動ヨークは、同極性の磁極を互いに反対の往復運動方向に臨ませた永久磁石が往復運動方向両端部に組み込まれ、
上記固定ヨークは、上記移動ヨークの運動方向に対して直角に巻かれたコイルと、該コイルの上記移動ヨークに近い側を覆う内側壁と、上記コイルの上記移動ヨークから遠い側を覆う外側壁とを有し、
上記移動ヨークに対して上記固定ヨークの反対側から臨み、上記移動ヨークの往復運動に伴い上記永久磁石に接近離間する補助発電用電磁部材を備えたことを特徴とする直動発電機。 A fixed yoke and a moving yoke that reciprocates along the fixed yoke;
In the moving yoke, permanent magnets having magnetic poles of the same polarity facing in opposite reciprocating directions are incorporated at both ends of the reciprocating direction,
The fixed yoke includes a coil wound at right angles to the moving direction of the moving yoke, an inner wall covering the side of the coil close to the moving yoke, and an outer wall covering the side of the coil far from the moving yoke. And
A linear motion generator comprising an auxiliary power generation electromagnetic member that faces the moving yoke from the opposite side of the fixed yoke and that approaches and moves away from the permanent magnet as the moving yoke reciprocates.
上記移動ヨークは、上記補助発電用電磁部材と同軸に配置され上記補助発電用電磁部材の外径より内径が大きい円筒状であり、
上記固定ヨークは、上記移動ヨークと同軸に配置され上記移動ヨークの外径より内径が大きい円筒状であり、
上記コイルは、上記固定ヨークと同軸に巻かれていることを特徴とする請求項1又は2記載の直動発電機。 The electromagnetic member for auxiliary power generation comprises a columnar auxiliary power generation yoke and an auxiliary power generation coil wound coaxially with the auxiliary power generation yoke,
The moving yoke is arranged in the same axis as the auxiliary power generation electromagnetic member and has a cylindrical shape having an inner diameter larger than the outer diameter of the auxiliary power generation electromagnetic member,
The fixed yoke has a cylindrical shape that is disposed coaxially with the moving yoke and has an inner diameter larger than an outer diameter of the moving yoke,
The linear motion generator according to claim 1, wherein the coil is wound coaxially with the fixed yoke.
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Cited By (1)
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CN104868690A (en) * | 2015-05-14 | 2015-08-26 | 浙江工业大学 | Vibration energy collecting device |
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- 2008-10-23 JP JP2008273078A patent/JP2010104144A/en active Pending
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