JP2010130757A - 直動発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で振動が少なくストロークに対する発電量が大きい直動発電機を提供する。
【解決手段】筐体に軸方向に往復運動可能に保持された内側可動ヨーク２と、内側可動ヨーク２の外周を囲み上記筐体に軸方向に往復運動可能に保持された外側可動ヨーク３と、内側可動ヨーク２の軸方向中央に取り付けられ径方向に磁極を向けた永久磁石４と、外側可動ヨーク３に収納され周方向に巻かれたコイル５と、外側可動ヨーク３のコイル５の内周側の軸方向中央に形成された間隙６と、外側可動ヨーク３を内側可動ヨーク２とは反対向きに往復運動させる反転リンク機構７とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型で振動が少なくストロークに対する発電量が大き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３に示されるように、従来の直動発電機３１は、筐体（図示せず；ただし図中斜線ハッチング部は筐体に保持又は固定されたことを示す）に軸方向に往復運動可能に保持された内側可動ヨーク３２と、内側可動ヨーク３２の外周を囲み上記筐体に固定された外側固定ヨーク３３と、内側可動ヨーク３２の軸方向中央に取り付けられ径方向に磁極を向けた永久磁石３４と、外側固定ヨーク３３に収納され周方向に巻かれたコイル３５と、外側固定ヨークのコイル３５の内周側の軸方向中央に形成された間隙３６とを備える。

外側固定ヨーク３３は、コイル３５の内周側の軸方向中央に位置して軸方向所定距離にわたる間隙３６を有しており、この間隙３６の上端からコイル３５の内周、外周、内周を経て間隙３６の下端までコイル３５を覆っている。すなわち、外側固定ヨーク３３は、コイル３５の内周に位置し、間隙３６によって上下に分離されている上内周壁３７及び下内周壁３８と、コイル３５の外周に位置する外周壁３９と一体的に形成してなる。

内側可動ヨーク３２は、内側可動ヨーク３２の上下両端面の径方向中央から軸方向に延びた上シャフト４０及び下シャフト４１を有し、これら上シャフト４０及び下シャフト４１がスライドガイド４２，４３により往復運動可能に保持されている。

発電原理は、内側可動ヨーク３２が軸方向に運動して内側可動ヨーク３２と外側固定ヨーク３３との相対位置が変化するとき、コイル３５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。

特開平１１−２６２２３４号公報 特開２００４−８８８８４号公報

従来の直動発電機３１の動作を図４により説明する。

図４（ｂ）では、内側可動ヨーク３２が内側可動ヨーク３２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、内側可動ヨーク３２の上部側と下部側に、永久磁石３４による磁路が形成される。上部側の磁路は、外側固定ヨーク３３の上内周壁３７、内側可動ヨーク４２を通る短い閉磁路を形成する。下部側の磁路は、外側固定ヨーク３３の下内周壁３８、内側可動ヨーク３２を通る短い閉磁路を形成する。これらの閉磁路にはコイル３５は交わらない。

図４（ａ）のように、内側可動ヨーク３２が内側可動ヨーク３２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、永久磁石３４による磁路は、外側固定ヨーク３３の上内周壁３７、外側固定ヨーク３３の外周壁３９、内側可動ヨーク３２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３５を取り囲んでいる。よって、コイル３５に交わる磁束が発生する。

図４（ｃ）のように、内側可動ヨーク３２が内側可動ヨーク３２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、永久磁石３４による磁路は、外側固定ヨーク３３の下内周壁３８、外側固定ヨーク３３の外周壁３９、内側可動ヨーク３２を通る長い閉磁路を形成する。このときもコイル３５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、内側可動ヨーク３２が往復運動すると、コイル３５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。

しかしながら、従来の直動発電機３１は、内側可動ヨーク３２の往復運動からエネルギを取り出すので、直動発電機３１に大きな振動が発生する。振動を防ぐためには、可動部の質量を低減すること、カウンタウエイトを設けることなどが考えられる。しかし、可動部の質量を低減すると、磁性体の質量が低減されることになり、発電量の低下を招く。また、カウンタウエイトを設けると、直動発電機３１全体の質量及び体積が大幅に増大してしまう。

また、従来の直動発電機３１は、径方向着磁されている永久磁石３４の軸方向長さを内側可動ヨーク３２の往復運動長さ（ストローク）に合わせる必要がある。永久磁石３４の軸方向長さＬｐは、（間隙３６の軸方向長さａ＋内側可動ヨーク３２の往復運動長さＳｐ）／２となる。よって、ストロークＳｐを短くするには、永久磁石３４の軸方向長さＬｐも短くする必要がある。しかし、永久磁石３４の大きさが小さくなると、コイル３５に交わる磁束が少なくなり、発電量が低下する。なお、図中、往復運動長さＳｐは、内側可動ヨーク３２の中心点が移動する範囲で示してある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型で振動が少なくストロークに対する発電量が大き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、筐体に軸方向に往復運動可能に保持された内側可動ヨークと、該内側可動ヨークの外周を囲み上記筐体に軸方向に往復運動可能に保持された外側可動ヨークと、上記内側可動ヨークの軸方向中央に取り付けられ径方向に磁極を向けた永久磁石と、上記外側可動ヨークに収納され周方向に巻かれたコイルと、上記外側可動ヨークの上記コイルの内周側の軸方向中央に形成された間隙と、上記外側可動ヨークを上記内側可動ヨークとは反対向きに往復運動させる反転リンク機構とを備えたものである。

上記反転リンク機構は、上記内側可動ヨークと一体的に往復運動する往復ステーと、一端が上記往復ステーに角度開閉自在に連結された第一アームと、上記筐体に固定され上記第一アームの他端を上記軸の直角方向に案内する直角方向ガイドと、一端が上記外側可動ヨークに角度開閉自在に連結され他端が上記第一アームの他端に角度開閉自在に連結された第二アームとからなってもよい。

上記外側可動ヨーク及び上記コイルの質量と上記内側可動ヨーク及び上記永久磁石の質量とが等しくてもよい。

上記永久磁石の軸方向長さが上記間隙の軸方向長さ／２＋上記内側可動ヨークの往復運動長さ又は上記外側可動ヨークの往復運動長さであってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）小型である。

（２）振動が少ない。

（３）ストロークに対する発電量が大きい。

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、筐体（図示せず；ただし図中斜線ハッチング部は筐体に保持又は固定されたことを示す）に軸方向に往復運動可能に保持された内側可動ヨーク２と、内側可動ヨーク２の外周を囲み上記筐体に軸方向に往復運動可能に保持された外側可動ヨーク３と、内側可動ヨーク２の軸方向中央に取り付けられ径方向に磁極を向けた永久磁石４と、外側可動ヨーク３に収納され周方向に巻かれたコイル５と、外側可動ヨーク３のコイル５の内周側の軸方向中央に形成された間隙６と、外側可動ヨーク３を内側可動ヨーク２とは反対向きに往復運動させる反転リンク機構７とを備えたものである。

内側可動ヨーク２は、中心軸Ｃを中心とするほぼ円柱状に形成されている。内側可動ヨーク２の上端と下端には径方向外方に突き出た突起部８，９があり、内側可動ヨーク２の往復運動位置に応じて上下いずれかの突起部８，９の外周面が外側可動ヨーク３の内周面に近接して臨むようになっている。内側可動ヨーク２は、内側可動ヨーク２の上下両端面の径方向中央から軸方向に延びた上シャフト１０及び下シャフト１１を有し、これら上シャフト１０及び下シャフト１１が内側可動ヨーク用スライドガイド１２，１３により往復運動可能に保持されている。

内側可動ヨーク２を往復運動させる加振力は、例えば、上シャフト１０の上端面に印加されるが、これに限らず、内側可動ヨーク２と一体化されている部材（内側固定ヨーク２自体も含む）のどこに加振力を印加してもよい。図中に示した内側可動ヨーク２の往復運動長さＳｉは、内側可動ヨーク２の適宜な一点が移動する範囲で示されている。

外側可動ヨーク３は、中心軸Ｃを中心とするほぼ円柱状に形成されている。外側可動ヨーク３は、コイル５の内周側の軸方向中央に位置して軸方向所定距離にわたる間隙６を有しており、この間隙６の上端からコイル５の内周、外周、内周を経て間隙６の下端までコイル５を覆っている。すなわち、外側可動ヨーク３は、コイル５の内周に位置し、間隙６によって上下に分離されている上内周壁１４及び下内周壁１５と、コイル５の外周に位置し、上内周壁１４の上部から下内周壁１５の下部まで連続する外周壁１６とを一体的に形成してなる。外側可動ヨーク３は、その外周が外側可動ヨーク用スライドガイド１７により往復運動可能に保持されている。

永久磁石４は、外周にＮ極、内周にＳ極を有する円筒状（環状）の永久磁石であり、Ｓ極が内側可動ヨーク２の外周面に固定され、Ｎ極が外側可動ヨーク３の内周面に近接して臨むように、内側可動ヨーク２の軸方向中央に取り付けられている。

コイル５は、直動発電機１の中心軸Ｃに対して直角に、中心軸Ｃの周囲に所定の径で巻かれている。

反転リンク機構７は、内側可動ヨーク２の下シャフト１１に中心軸Ｃに対して直角に取り付けられて内側可動ヨーク２と一体的に往復運動する往復ステー１８と、一端が往復ステー１８に角度開閉自在に連結された第一アーム１９と、上記筐体に固定され第一アーム１９の他端を上記軸の直角方向に案内する直角方向ガイド２０と、一端が外側可動ヨーク３に角度開閉自在に連結され他端が第一アーム１９の他端に角度開閉自在に連結された第二アーム２１とからなる。

反転リンク機構７は、図２（ａ）に示されるように、内側可動ヨーク２が上に移動すると第一アーム１９が水平となる向きに倒れつつ第一アーム１９の他端が径方向外方に移動する。第一アーム１９の他端が径方向外方に移動すると、第二アーム２１の他端も径方向外方に移動され、第二アーム２１が水平となる向きに倒れるため、外側可動ヨーク３が下に移動する。逆に、図２（ｃ）に示されるように、内側可動ヨーク２が下に移動すると第一アーム１９が垂直となる向きに起きあがりつつ第一アーム１９の他端が径方向内方に移動する。第一アーム１９の他端が径方向内方に移動すると、第二アーム２１の他端も径方向内方に移動され、第二アーム２１が垂直となる向きに起きあがるため、外側可動ヨーク３が上に移動する。このように、反転リンク機構７は、内側可動ヨーク２の運動を反対向きにして外側可動ヨーク３に伝達するものである。図中に示した外側可動ヨーク３の往復運動長さＳｏは、外側可動ヨーク３の適宜な一点が移動する範囲で示されている。なお、図示した反転リンク機構７では、第一アーム１９側の機構と第二アーム２１側の機構とが互いに対象に構成されており、内側可動ヨーク２の往復運動長さＳｉと外側可動ヨーク３の往復運動長さＳｏとが互いに等しい。

外側可動ヨーク３及びコイル５の質量と内側可動ヨーク２（上シャフト１０、下シャフト１１、往復ステー１８含む）及び永久磁石５の質量とが等しいのが好ましい。

永久磁石４の軸方向長さＬは、間隙６の軸方向長さａ／２＋内側可動ヨーク２の往復運動長さＳｉ又は外側可動ヨーク３の往復運動長さＳｏであるのが好ましい。

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、内側可動ヨーク２及び外側可動ヨーク３がそれぞれ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、永久磁石４は、外側可動ヨーク３に対して間隙６を跨いで部分的に上内周壁１４と下内周壁１５に近接して臨んでいる。

このとき、直動発電機１の上部と下部に、永久磁石４による磁路がそれぞれ形成される。上部の磁路は、外側可動ヨーク３の上内周壁１４、内側可動ヨーク２の突起部８、内側可動ヨーク２の外周を通る短い閉磁路を形成し、下部の磁路は、外側可動ヨーク３の下内周壁１５、内側可動ヨーク２の突起部９、内側可動ヨーク２の外周を通る短い閉磁路を形成する。これらの閉磁路にはコイル５は交わらない。

図２（ａ）のように、内側可動ヨーク２が往復運動範囲の上部に位置し、外側可動ヨーク３が往復運動範囲の下部に位置している状態（内側可動ヨーク上位置）になると、永久磁石４による磁路は、外側可動ヨーク３の上内周壁１４、外側可動ヨーク３の外周壁１６、内側可動ヨーク２の突起部９、内側可動ヨーク２の外周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。

図２（ｃ）のように、内側可動ヨーク２が往復運動範囲の下部に位置し、外側可動ヨーク３が往復運動範囲の上部に位置している状態（内側可動ヨーク下位置）になると、永久磁石４による磁路は、外側可動ヨーク３の下内周壁１５、外側可動ヨーク３の外周壁１６、内側可動ヨーク２の突起部８、内側可動ヨーク２の外周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、磁束の方向が内側可動ヨーク上位置と内側可動ヨーク下位置とでは逆方向である。

以上のように、内側可動ヨーク２と外側可動ヨーク３が互い違いに往復運動すると、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。

本発明の直動発電機１は、内側可動ヨーク２と外側可動ヨーク３を設け、これら内側可動ヨーク２と外側可動ヨーク３を反転リンク機構７によって互いに反対向きに往復運動させるようにしたので、従来の直動発電機３１よりもストロークを１／２にして同じ発電量を得ることができる。

本発明の直動発電機１は、内側可動ヨーク２と外側可動ヨーク３が互いに反対向きに往復運動するので、付加するカウンタウエイトを小さくすることができる。特に、内側可動ヨーク２（及び随伴する部材）と外側可動ヨーク３（及び随伴する部材）の質量が同等であれば、カウンタウエイトを付加する必要がない。このようにカウンタウエイトが不要なので、直動発電機１の質量及び体積を小さくすることができる。

内側可動ヨーク２と外側可動ヨーク３は相互にカウンタウエイトとして働くため、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、ストロークが従来の直動発電機３１の１／２になっても、永久磁石４の軸方向長さＬは従来の直動発電機３１と同じでよい。よって、永久磁石４の大きさが小さくならず、従来と同じ発電量を得ることができる。

なお、上記実施形態では、永久磁石４のＮ極を径方向外方に向けＳ極を径方向内方に向けたが、Ｓ極を径方向外方に向けＮ極を径方向内方に向けてもよい。

また、上記実施形態では、内側可動ヨーク２と外側可動ヨーク３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、往復運動方向が上下方向以外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。 従来の直動発電機の断面図である。 （ａ）は図３の直動発電機の上位置における断面図、（ｂ）は図３の直動発電機の中立位置における断面図、（ｃ）は図３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 内側可動ヨーク
３ 外側可動ヨーク
４ 永久磁石
５ コイル
６ 間隙
７ 反転リンク機構
１８ 往復ステー
１９ 第一アーム
２０ 直角方向ガイド
２１ 第二アーム

Claims (4)

1. 筐体に軸方向に往復運動可能に保持された内側可動ヨークと、
   該内側可動ヨークの外周を囲み上記筐体に軸方向に往復運動可能に保持された外側可動ヨークと、
   上記内側可動ヨークの軸方向中央に取り付けられ径方向に磁極を向けた永久磁石と、
   上記外側可動ヨークに収納され周方向に巻かれたコイルと、
   上記外側可動ヨークの上記コイルの内周側の軸方向中央に形成された間隙と、
   上記外側可動ヨークを上記内側可動ヨークとは反対向きに往復運動させる反転リンク機構と、
   を備えたことを特徴とする直動発電機。
2. 上記反転リンク機構は、
   上記内側可動ヨークと一体的に往復運動する往復ステーと、
   一端が上記往復ステーに角度開閉自在に連結された第一アームと、
   上記筐体に固定され上記第一アームの他端を上記軸の直角方向に案内する直角方向ガイドと、
   一端が上記外側可動ヨークに角度開閉自在に連結され他端が上記第一アームの他端に角度開閉自在に連結された第二アームと、
   からなることを特徴とする請求項１記載の直動発電機。
3. 上記外側可動ヨーク及び上記コイルの質量と上記内側可動ヨーク及び上記永久磁石の質量とが等しいことを特徴とする請求項１又は２記載の直動発電機。
4. 上記永久磁石の軸方向長さが上記間隙の軸方向長さ／２＋上記内側可動ヨークの往復運動長さ又は上記外側可動ヨークの往復運動長さであることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の直動発電機。

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