JP2010115034A - 直動発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁束の漏洩がなく、小型で振動の少ない直動発電機を提供する。
【解決手段】円柱状の中心ヨーク部２と、中心ヨーク部２の軸方向両端にそれぞれ配置され同一極性の磁極が互いに軸方向反対に向けられた永久磁石３と、中心ヨーク部２から径方向に間隙４を隔てて中心ヨーク部２の外周を囲むと共に軸方向中央に軸方向の間隙５を有する内層ヨーク部６と、内層ヨーク部６の外周に巻かれたコイル７と、コイル７の外周を囲む外層ヨーク部８と、永久磁石３の磁極と内層ヨーク部６の軸方向端と外層ヨーク部８の軸方向端とを繋ぐ両端の端部ヨーク９と、中心ヨーク部２と内層ヨーク部６との間隙内に軸方向運動自在に配置された磁路切替ヨーク１０とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁束の漏洩がなく、小型で振動の少ない直動発電機に関する。

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。

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。

図４に示されるように、従来の直動発電機４１は、円柱状の内側ヨーク４２とその内側ヨーク４２と同軸に配置され内側ヨーク４２の外側を覆う円筒状の外側ヨーク４３とを備える。内側ヨーク４２には軸方向に磁極を向けた永久磁石４４が組み込まれており、一方、外側ヨーク４３には周方向に巻かれたコイル４５が設けられて、コイル４５の内側は外側ヨーク４３の内側壁４６で覆われ、コイル４５の外側は外側ヨーク４３の外側壁４７で覆われている。内側ヨーク４２と外側ヨーク４３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４２が軸方向に往復運動するようになっている。

発電原理は、内側ヨーク４２と外側ヨーク４３が相対的に軸方向に運動するとき、コイル４５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。

内側ヨーク４２には、内側ヨーク４２と外側ヨーク４３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４３に向けて隆起した突起４８が形成されている。

特開平１１−２６２２３４号公報 特開２００４−８８８８４号公報

従来の直動発電機４１の動作を図５により説明する。

図５（ｂ）では、内側ヨーク４２が内側ヨーク４２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４２の上部（又は下部）にある永久磁石４４による磁路は、内側ヨーク４２の上部突起（又は下部突起）、外側ヨーク４３の内側壁４６、内側ヨーク４２の中央部突起４８を通る短い閉磁路を形成する。

図５（ａ）のように、内側ヨーク４２が内側ヨーク４２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４２の上部にある永久磁石４４による磁路は、中立位置のときとあまり変わらないが、空間を通る距離が長い。一方、内側ヨーク４２の下部にある永久磁石４４による磁路は、内側ヨーク４２の下部突起、外側ヨーク４３の外側壁４７、外側ヨーク４３の内側壁４６、内側ヨーク４２の中央部突起４８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４５を取り囲んでいる。よって、コイル４５に交わる磁束が発生する。

図５（ｃ）のように、内側ヨーク４２が内側ヨーク４２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４２の上部にある永久磁石４４による磁路は、内側ヨーク４２の上部突起、外側ヨーク４３の外側壁４７、外側ヨーク４３の内側壁４６、内側ヨーク４２の中央部突起４８を通る長い閉磁路を形成する。このときもコイル４５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。

以上のように、内側ヨーク４２が往復運動すると、コイル４５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。

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４２の上部にある永久磁石４４による短い閉磁路が空間を長く通るので、外部に漏れやすい。下位置においても、内側ヨーク４２の下部にある永久磁石４４による短い閉磁路が空間を長く通るので、外部に漏れやすい。外部に漏れた磁束は、直動発電機４１の近隣に配置されている他の機器（例えば、磁気センサ）に影響を与える。磁束の漏洩を防ぐには、直動発電機４１を磁気シールドで囲む必要がある。

また、直動発電機４１は、外側ヨーク４３よりも内側ヨーク４２が軸方向に長い。このため、直動発電機４１の体積が大きくなる。

また、直動発電機４１は、可動質量が大きいため、直動発電機４１に振動が発生する。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、磁束の漏洩がなく、小型で振動の少ない直動発電機を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、円柱状の中心ヨーク部と、該中心ヨーク部の軸方向両端にそれぞれ配置され同一極性の磁極が互いに軸方向反対に向けられた永久磁石と、上記中心ヨーク部から径方向に間隙を隔てて上記中心ヨーク部の外周を囲むと共に軸方向中央に軸方向の間隙を有する内層ヨーク部と、該内層ヨーク部の外周に巻かれたコイルと、該コイルの外周を囲む外層ヨーク部と、上記永久磁石の磁極と上記内層ヨーク部の軸方向端と上記外層ヨーク部の軸方向端とを繋ぐ両端の端部ヨークと、上記中心ヨーク部と上記内層ヨーク部との間隙内に軸方向運動自在に配置された磁路切替ヨークとを備えたものである。

上記磁路切替ヨークは、上記内層ヨーク部の軸方向間隙よりも軸方向端側まで運動可能であってもよい。

上記磁路切替ヨークの軸方向長さは、上記内層ヨーク部の軸方向間隙の長さと上記磁路切替ヨークの運動可能距離との和の１／２以上であってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）磁束の漏洩をなくすることができる。

（２）小型化できる。

（３）振動が少ない。

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。

図１に示されるように、本発明に係る直動発電機１は、円柱状の中心ヨーク部２と、中心ヨーク部２の軸方向両端にそれぞれ配置され同一極性の磁極が互いに軸方向反対に向けられた永久磁石３と、中心ヨーク部２から径方向に間隙４を隔てて中心ヨーク部２の外周を囲むと共に軸方向中央に軸方向の間隙５を有する内層ヨーク部６と、内層ヨーク部６の外周に巻かれたコイル７と、コイル７の外周を囲む外層ヨーク部８と、永久磁石３の磁極と内層ヨーク部６の軸方向端と外層ヨーク部８の軸方向端とを繋ぐ両端の端部ヨーク９と、中心ヨーク部２と内層ヨーク部６との間隙内に軸方向運動自在に配置された磁路切替ヨーク１０とを備えたものである。

直動発電機１は、磁路切替ヨーク１０のみ可動であり、他の部材は全て一体化され、固定構造物に固定されている。直動発電機１は、磁路切替ヨーク１０の往復運動の軸である上下軸ｃを中心にして回転対称に形成されている。

中心ヨーク部２は、直動発電機１の中心に位置する。中心ヨーク部２の上端にはＮ極を上に向け中心ヨーク部２と外径の同じ円盤状の永久磁石３が配置されている。中心ヨーク部２の下端にはＮ極を下に向け中心ヨーク部２と外径の同じ円盤状の永久磁石３が配置されている。

内層ヨーク部６は、中心ヨーク部２の外径より所定寸法大きい内径を有する。これにより、径方向の間隙４が周方向に連続的に形成されている。また、内層ヨーク部６の上下軸ｃ方向中央には、上下軸ｃ方向に長さｄの間隙５が周方向に連続的に形成されている。

コイル７は、上下軸ｃを中心にして内層ヨーク部６の外周に巻かれている。

外層ヨーク部８は、コイル７の外周を上下軸ｃ方向に切れ目なく囲むよう円筒状に形成されている。

端部ヨーク９は、中心ヨーク部２両端の永久磁石３のＮ極と内層ヨーク部６の両端と外層ヨーク部８の両端とを繋いで、磁路切替ヨーク１０以外の全ての部材を一体化している。

磁路切替ヨーク１０は、中心ヨーク部２の外周及び内層ヨーク部６の内周に対してそれぞれ微小な間隙を有し、上下軸ｃ方向に長さＷで、中心ヨーク部２を囲む円筒状（環状）に形成されている。磁路切替ヨーク１０は、中心ヨーク部２と内層ヨーク部６との径方向の間隙４内を、上下軸ｃ方向に上下それぞれストロークｓ／２ずつ運動できるようになっている。磁路切替ヨーク１０の長さＷは、（間隙５の長さｄ＋ストロークｓ）／２以上が望ましい。

次に、直動発電機１の動作を説明する。

図２（ｂ）に示されるように、磁路切替ヨーク１０が磁路切替ヨーク１０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、磁路切替ヨーク１０は、中心ヨーク部２に近接して臨んでいると共に、間隙５の上下均等な長さずつ、内層ヨーク部６に近接して臨んでいる。

このとき、中心ヨーク部２の上部の永久磁石３による磁路は、上部の端部ヨーク９、間隙５より上部の内層ヨーク部６、磁路切替ヨーク１０、中心ヨーク部２を通る閉磁路を形成し、下部の永久磁石３による磁路は、下部の端部ヨーク９、間隙５より下部の内層ヨーク部６、磁路切替ヨーク１０、中心ヨーク部２を通る閉磁路を形成する。これらの磁路は、発電に関与しない。

図２（ａ）のように、磁路切替ヨーク１０が磁路切替ヨーク１０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、磁路切替ヨーク１０が全長にわたり、間隙５より上部の内層ヨーク部６に近接して臨む。

このとき、上部の永久磁石３による磁路は、上部の端部ヨーク９、間隙５より上部の内層ヨーク部６、磁路切替ヨーク１０、中心ヨーク部２を通る短い閉磁路を形成する。一方、下部の永久磁石３による磁路は、下部の端部ヨーク９、外層ヨーク部８、上部の端部ヨーク９、間隙５より上部の内層ヨーク部６、磁路切替ヨーク１０、中心ヨーク部２を通る長い閉磁路を形成する。

下部の永久磁石３による長い閉磁路が図示した断面においてコイル７を取り囲んで、コイル７に交わる磁束が発生し、この磁路が発電に関与する。一方、発電に関与しない上部の永久磁石３による閉磁路は、全く空間に出ることなく、ヨーク内に閉じ込められる。

図２（ｃ）のように、磁路切替ヨーク１０が磁路切替ヨーク１０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、磁路切替ヨーク１０が全長にわたり、間隙５より下部の内層ヨーク部６に近接して臨む。

このとき、上部の永久磁石３による磁路は、上部の端部ヨーク９、外層ヨーク部８、下部の端部ヨーク９、間隙５より下部の内層ヨーク部６、磁路切替ヨーク１０、中心ヨーク部２を通る長い閉磁路を形成する。一方、下部の永久磁石３による磁路は、下部の端部ヨーク９、間隙５より下の内層ヨーク部６、磁路切替ヨーク１０、中心ヨーク部２を通る短い閉磁路を形成する。

上部の永久磁石３による長い閉磁路が図示した断面においてコイル７を取り囲んで、コイル７に交わる磁束が発生し、この磁路が発電に関与する。一方、発電に関与しない下部の永久磁石３による閉磁路は、全く空間に出ることなく、ヨーク内に閉じ込められる。

以上のように、磁路切替ヨーク１０が往復運動すると、磁路切替ヨーク１０が磁路を切り替えるスイッチとなり、コイル７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。

既に述べたように、従来の直動発電機４１では、発電に関与していない閉磁路が空間を長く通るので、外部に漏れやすい。これに対して、本発明の直動発電機１は、発電に関与していない閉磁路が全く空間に出ることなく、ヨーク内に閉じ込められる。よって、直動発電機１の近隣に配置されている他の機器（例えば、磁気センサ）に磁気的な影響を与えることがない。磁束の漏洩がないので、直動発電機１を磁気シールドで囲む必要もない。

また、従来の直動発電機４１では、永久磁石４４を含む内側ヨーク４２が往復運動するため、可動質量が大きい。これに対して、本発明の直動発電機１は、磁路切替ヨーク１０以外の全てのヨーク、コイル７、永久磁石３が固定であり、磁路切替ヨーク１０が往復運動するだけなので、可動質量が小さい。本発明における可動質量は従来の１／２以下にすることができる。

本発明の直動発電機１は、可動質量が小さいため、従来に比べて極めて小さい駆動力で発電することが可能である。これにより、同じ発電力を得るための直動発電機１全体を従来よりも小型化し、体積を小さくすることができる。

本発明の直動発電機１は、可動質量が小さいため、従来に比べて直動発電機１の振動を低減することができる。

本発明の直動発電機１は、可動質量が小さいため、可動質量に対抗させるカウンターマスを減少させることができる。

次に、本発明の他の実施形態を説明する。

図３に示されるように、本発明の直動発電機３１は、直動発電機１の磁路切替ヨーク１０の一端に、複数本のシャフト１１を取り付け、端部ヨーク９に貫通穴１２を形成し、この貫通穴１２にシャフト１１を通して端部ヨーク９の外にシャフト１１を伸ばしたものである。これにより、内部の間隙４内に収容された磁路切替ヨーク１０を外部から支持することができる。さらに、直動発電機３１は、端部ヨーク９の外部のシャフト１１をスライドシャフト１３に連結し、スライドシャフト１３をスライドガイド１４により摺動往復移動可能に保持させてある。

スライドシャフト１３がスライドガイド１４に対する往復運動範囲の中間に位置しているとき、直動発電機３１が中立位置を取る。スライドシャフト１３を外力によって加振すると、磁路切替ヨーク１０が往復移動されて発電が行われる。

なお、上記実施形態では、上部の永久磁石３のＮ極を上に向け下部の永久磁石３のＮ極を下に向けたが、上部の永久磁石３のＳ極を上に向け下部の永久磁石３のＳ極を下に向けてもよい。

また、上記実施形態では、磁路切替ヨーク１０の往復運動方向が上下方向となる姿勢に直動発電機１を配置したが、往復運動方向が他の方向となる姿勢であっても、本発明は適用できる。

本発明の一実施形態を示す直動発電機の断面図である。 （ａ）は図１の直動発電機の上位置における断面図、（ｂ）は図１の直動発電機の中立位置における断面図、（ｃ）は図１の直動発電機の下位置における断面図である。 本発明の他の実施形態を示す直動発電機の断面図である。 従来の直動発電機の断面図である。 （ａ）は図４の直動発電機の上位置における断面図、（ｂ）は図４の直動発電機の中立位置における断面図、（ｃ）は図４の直動発電機の下位置における断面図である。

符号の説明

１ 直動発電機
２ 中心ヨーク部
３ 永久磁石
４ 間隙
５ 間隙
６ 内層ヨーク部
７ コイル
８ 外層ヨーク部
９ 端部ヨーク
１０ 磁路切替ヨーク

Claims (3)

1. 円柱状の中心ヨーク部と、
   該中心ヨーク部の軸方向両端にそれぞれ配置され同一極性の磁極が互いに軸方向反対に向けられた永久磁石と、
   上記中心ヨーク部から径方向に間隙を隔てて上記中心ヨーク部の外周を囲むと共に軸方向中央に軸方向の間隙を有する内層ヨーク部と、
   該内層ヨーク部の外周に巻かれたコイルと、
   該コイルの外周を囲む外層ヨーク部と、
   上記永久磁石の磁極と上記内層ヨーク部の軸方向端と上記外層ヨーク部の軸方向端とを繋ぐ両端の端部ヨークと、
   上記中心ヨーク部と上記内層ヨーク部との間隙内に軸方向運動自在に配置された磁路切替ヨークとを備えたことを特徴とする直動発電機。
2. 上記磁路切替ヨークは、上記内層ヨーク部の軸方向間隙よりも軸方向端側まで運動可能であることを特徴とする請求項１記載の直動発電機。
3. 上記磁路切替ヨークの軸方向長さは、上記内層ヨーク部の軸方向間隙の長さと上記磁路切替ヨークの運動可能距離との和の１／２以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の直動発電機。

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