JP2011115037A

JP2011115037A - 直動発電機

Info

Publication number: JP2011115037A
Application number: JP2009272505A
Authority: JP
Inventors: Shinya Hasegawa; 真也長谷川
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-06-09

Abstract

【課題】渦電流によるエネルギ損失を防止する直動発電機を提供する。
【解決手段】内側ヨーク３は、電磁鋼板が径方向に積層された内側ヨーク本体部５と電磁鋼板が軸方向に積層された突起部７とを有し、外側ヨーク２は、電磁鋼板が径方向に積層された外側ヨーク内壁部９と電磁鋼板が軸方向に積層された端面部１０と電磁鋼板が径方向に積層された外側ヨーク外壁部１１とを有し、運動範囲の両端位置で突起部７及び端面部１０における積層断面同士がエアギャップを介して正対する。
【選択図】図１

Description

本発明は、渦電流によるエネルギ損失を防止する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。そこで、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が期待されている。

図４に示されるように、従来の直動発電機４０は、ほぼ円柱状の内側ヨーク４１と、その内側ヨーク４１と同軸に配置され内側ヨーク４１の外側を覆うほぼ円筒状の外側ヨーク４２とを備える。内側ヨーク４１は、円柱状の本体部４３の外周の軸方向中央部に径方向外方に磁極を向けた永久磁石４４が取り付けられており、一方、外側ヨーク４２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４２の内側壁４６で覆われ、コイル４５の外側は外側ヨーク４２の外側壁４７で覆われている。外側ヨーク４２の内側壁４６の軸方向中央部には分離部４８が設けられている。内側ヨーク４１と外側ヨーク４２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４１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４１と外側ヨーク４２が相対的に軸方向に運動するとき、コイル４５に交わる磁束の向き及び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４１の軸方向両端部には、内側ヨーク４１と外側ヨーク４２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４２に向けて隆起した突起４９が形成されている。

従来の直動発電機４０の動作を図５により説明する。

図５（ｂ）では、内側ヨーク４１が内側ヨーク４１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４１の軸方向中央にある永久磁石４４による磁路は、内側ヨーク４１の本体部４３、内側ヨーク４１の突起４９、外側ヨーク４２の内側壁４６を通る短い閉磁路を形成する。

内側ヨーク４１が中立位置のとき、図示した４つの閉磁路は、いずれも図示した断面においてコイル４５を取り囲んでいない。このとき、コイル４５に交わる磁束がない。よって、上記４つの閉磁路は、いずれも発電に関与しない。

図５（ａ）のように、内側ヨーク４１が内側ヨーク４１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４１の上部に生じている磁路は、中立位置のときとあまり変わらない。一方、内側ヨーク４１の下部に生じている磁路は、内側ヨーク４１の本体部４３、内側ヨーク４１の突起４９、外側ヨーク４２の外側壁４７、外側ヨーク４２の内側壁４６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。このとき、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４１が内側ヨーク４１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４１の上部に生じている磁路は、内側ヨーク４１の本体部４３、内側ヨーク４１の突起４９、外側ヨーク４２の外側壁４７、外側ヨーク４２の内側壁４６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４１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。

特開平５−２９２６８８号公報特開２００７−２７４８７１号公報特開２０００−１７９５８３号公報

ところで、磁束が変化するとヨークには渦電流が発生する。渦電流が発生すると、ヨークの電気抵抗による発熱が原因でエネルギ損失が生じる。そこで、ヨークには、表面を絶縁処理した薄いケイ素鋼板を積層したものが用いられる。ケイ素鋼板を磁束の向きと平行に配置することで渦電流の発生を抑制することができる。しかし、図４に示したように、直動発電機４０は、ほぼ円柱状の内側ヨーク４１とほぼ円筒状の外側ヨーク４２とから構成されている。円柱状の内側ヨーク４１や円筒状の外側ヨーク４２では、場所によらず磁束と平行になるようケイ素鋼板を積層することは難しい。

例えば、特許文献１では、ケイ素鋼板を軸方向に積層する。これによりケイ素鋼板の向きが磁束の向きと同じラジアル方向（放射状）になり、渦電流の発生を抑制することができる。しかし、この構造では、磁束の向きが軸方向になると、ケイ素鋼板の向きが磁束の向きと同じでなくなるので、渦電流の発生は抑制できない。

特許文献２では、磁性板を周方向に積層する。これにより磁性板の向きが磁束の向きと同じラジアル方向になり、渦電流の発生を抑制することができる。ところが、この構造では、ヨークの外周において磁性板同士の隙間が生じ、磁束密度が低下してしまう。

特許文献３では、ケイ素鋼板を軸方向に積層したアーマチュアと、ケイ素鋼板を径方向に積層したヨークの内極壁及び外極壁と、ケイ素鋼板を軸方向に積層したヨークの円板壁とを有する。しかし、この構造では、内極壁及び外極壁の端面に積層断面が表れるのに対し、これに対向するアーマチュアの端面は最上層のケイ素鋼板の面となっている。よって、アーマチュアの端面近傍においては渦電流の発生は抑制できない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、渦電流によるエネルギ損失を防止する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、外側ヨークと、前記外側ヨークに沿って軸方向に所定運動範囲を往復運動する内側ヨークと、これら外側ヨーク及び内側ヨークを介して形成される磁路に交差するコイルとを備え、前記内側ヨークは、電磁鋼板が径方向に積層され軸方向に前記外側ヨークよりも前記運動範囲分長く形成された内側ヨーク本体部と、前記内側ヨーク本体部の外周面の軸方向中央部に取り付けられ前記外側ヨークに対してエアギャップを介して臨む永久磁石と、前記内側ヨーク本体部の外周面の軸方向両端部より径方向外方に突き出され前記外側ヨークに対してエアギャップを介して臨み電磁鋼板が軸方向に積層された突起部とを有し、前記外側ヨークは、電磁鋼板が径方向に積層され軸方向中央部に軸方向の一端側と他端側とを分離する分離部が形成された外側ヨーク内壁部と、前記外側ヨーク内壁部の軸方向両端部の端面を覆い電磁鋼板が軸方向に積層された端面部と、前記外側ヨーク内壁部から前記コイルを収容する空間を隔てると共に前記端面部の外側を覆うように電磁鋼板が径方向に積層された外側ヨーク外壁部とを有し、前記内側ヨークが前記運動範囲の一端に位置するとき、前記永久磁石が前記分離部よりも一端側に位置すると共に前記内側ヨークの他端側の突起部と前記外側ヨークの他端側の端面部とが軸方向に同じ位置になり、これら軸方向に同じ位置の突起部及び端面部における積層断面同士がエアギャップを介して正対し、前記内側ヨークが前記運動範囲の他端に位置するとき、前記永久磁石が前記分離部よりも他端側に位置すると共に前記内側ヨークの一端側の突起部と前記外側ヨークの一端側の端面部とが軸方向に同じ位置になり、これら軸方向に同じ位置の突起部及び端面部における積層断面同士がエアギャップを介して正対するように構成されたものである。

前記外側ヨーク内壁部、前記外側ヨーク外壁部、前記内側ヨーク本体部は、電磁鋼板がロール状に巻かれることにより、電磁鋼板が径方向に積層されてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）渦電流によるエネルギ損失を防止することができる。

本発明の一実施形態を示す直動発電機の軸に沿った断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、積層構造を説明する斜視図である。（ａ）は図１の直動発電機の上位置における軸に沿った断面図、（ｂ）は図１の直動発電機の中立位置における軸に沿った断面図、（ｃ）は図１の直動発電機の下位置における軸に沿った断面図である。従来の直動発電機の軸に沿った断面図である。（ａ）は図４の直動発電機の上位置における軸に沿った断面図、（ｂ）は図４の直動発電機の中立位置における軸に沿った断面図、（ｃ）は図４の直動発電機の下位置における軸に沿った断面図である。

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、外側ヨーク２と、外側ヨーク２に沿って軸方向に所定運動範囲を往復運動する内側ヨーク３と、これら外側ヨーク２及び内側ヨーク３を介して形成される磁路に交差するコイル４とを備える。

内側ヨーク３は、電磁鋼板が径方向に積層され軸方向に外側ヨーク２よりも運動範囲分長く形成された内側ヨーク本体部５と、内側ヨーク本体部５の外周面の軸方向中央部に取り付けられ外側ヨーク２に対してエアギャップを介して臨む永久磁石６と、内側ヨーク本体部５の外周面の軸方向両端部より径方向外方に突き出され外側ヨーク２に対してエアギャップを介して臨み電磁鋼板が軸方向に積層された突起部７とを有する。

外側ヨーク２は、電磁鋼板が径方向に積層され軸方向中央部に軸方向の一端側と他端側とを分離する分離部８が形成された外側ヨーク内壁部９と、外側ヨーク内壁部９の軸方向両端部の端面を覆い電磁鋼板が軸方向に積層された端面部１０と、外側ヨーク内壁部９からコイル４を収容する空間を隔てると共に端面部１０の外側を覆うように電磁鋼板が径方向に積層された外側ヨーク外壁部１１とを有する。

ここで、直動発電機１における電磁鋼板の積層構造を説明する。

図２（ａ）に示した積層構造は、電磁鋼板２１が軸方向に積層されたものである。この電磁鋼板２１は、中心に穴を有する円板であり、これを軸方向に複数枚積層することにより、全体としては円筒状となる。積層断面は外周面に表れ、端面には最上層の電磁鋼板２１の面が表れる。

図２（ｂ）に示した積層構造は、電磁鋼板２２が径方向に積層されたものである。この電磁鋼板２２は、円筒であり、径が順次異なる複数の円筒を重ねることにより、全体としては円筒状となる。積層断面は端面に表れ、外周面には最外層の電磁鋼板２２の外周面が表れる。

図２（ｃ）に示した積層構造は、電磁鋼板２３が径方向に積層されたものである。この電磁鋼板２３は、帯状の電磁鋼板をロール状に巻くことにより、全体としては円筒状（板厚は無視する）となる。積層断面は端面に表れ、外周面には最外層の電磁鋼板２２の外周面が表れる。図２（ｂ）の積層構造よりも図２（ｃ）の積層構造のほうが製造が容易であり、低コストとなる。

電磁鋼板２１〜２３としては、表面を絶縁処理した薄いケイ素鋼板が好ましい。

図１の直動発電機１では、外側ヨーク２の端面部１０と内側ヨーク３の突起部７とが図２（ａ）の構造であり、外側ヨーク内壁部９、外側ヨーク外壁部１１、内側ヨーク本体部５が図２（ｃ）の構造である。

次に、本発明に係る直動発電機１の動作を説明する。

図３（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、永久磁石６による磁路は、内側ヨーク本体部５、突起部７、端面部１０、外側ヨーク内壁部９を通る短い閉磁路を形成する。

内側ヨーク３が中立位置のとき、図示した４つの閉磁路は、いずれも図示した断面においてコイル４を取り囲んでいない。このとき、コイル４に交わる磁束がない。よって、上記４つの閉磁路は、いずれも発電に関与しない。

図３（ａ）のように、内側ヨーク３が内側ヨーク３の往復運動範囲の一端（図示上部）に位置している状態（上位置と呼ぶ）では、永久磁石６が分離部８よりも一端側、つまり上部に位置する。これにより、永久磁石６と分離部８よりも下部の外側ヨーク内壁部９とを通る磁路は形成されない。このとき内側ヨーク３の上部に生じている磁路は、中立位置のときとあまり変わらない。一方、内側ヨーク３の下部に生じている磁路は、内側ヨーク本体部５、突起部７、端面部１０、外側ヨーク外壁部１１、上部の端面部１０、外側ヨーク内壁部９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４を取り囲んでいる。このとき、コイル４に交わる磁束が発生する。

図３（ｃ）のように、内側ヨーク３が内側ヨーク３の往復運動範囲の反対端（図示下部）に位置している状態（下位置と呼ぶ）では、永久磁石６が分離部８よりも他端端側、つまり下部に位置する。これにより、永久磁石６と分離部８よりも上部の外側ヨーク内壁部９とを通る磁路は形成されない。このとき内側ヨーク３の上部に生じている磁路は、内側ヨーク本体部５、突起部７、端面部１０、外側ヨーク外壁部１１、下部の端面部１０、外側ヨーク内壁部９を通る長い閉磁路を形成する。このときもコイル４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３が往復運動すると、コイル４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。

図３（ａ）及び図３（ｃ）における発電に寄与する長い閉磁路と積層構造との関係に着目すると、閉磁路の大部分において、磁束の向きと電磁鋼板の向きが同じである。これにより、本発明の直動発電機１は、発電に寄与する長い閉磁路の大部分にわたり、渦電流の発生を抑制することができる。この結果、渦電流によるエネルギ損失を防止することができ、発電効率、発電量が向上すると共に、渦電流に起因する発熱が減少する。発熱が減少することにより、コイル４の抵抗値の熱依存による増大がなくなり、発電効率が向上する。そして、発電効率、発電量が向上することにより、同じ能力であれば直動発電機１の小型化（重量、体積の減少化）を図ることができる。

また、本発明の直動発電機１では、電磁鋼板を周方向に積層した部分を有さないので、電磁鋼板同士の隙間が生じることがなく、磁束密度が低下しない。

さらに、本発明の直動発電機１では、内側ヨーク３が運動範囲の一端に位置する図３（ａ）のとき、内側ヨーク３の他端側（下部）の突起部７と外側ヨーク２の他端側（下部）の端面部１０とが軸方向に同じ位置になり、これら軸方向に同じ位置の突起部７及び端面部１０における積層断面同士がエアギャップを介して正対する。また、内側ヨーク３が運動範囲の他端に位置する図３（ｃ）のとき、内側ヨーク３の一端側（上部）の突起部７と外側ヨーク２の一端側（上部）の端面部１０とが軸方向に同じ位置になり、これら軸方向に同じ位置の突起部７及び端面部１０における積層断面同士がエアギャップを介して正対する。これにより、エアギャップの両側において磁束の向きと電磁鋼板の向きが同じとなり、エアギャップの箇所でも渦電流の発生を抑制することができる。

１直動発電機
２外側ヨーク
３内側ヨーク
４コイル
５内側ヨーク本体部
６永久磁石
７突起部
８分離部
９外側ヨーク内壁部
１０端面部
１１外側ヨーク外壁部

Claims

外側ヨークと、前記外側ヨークに沿って軸方向に所定運動範囲を往復運動する内側ヨークと、これら外側ヨーク及び内側ヨークを介して形成される磁路に交差するコイルとを備え、
前記内側ヨークは、電磁鋼板が径方向に積層され軸方向に前記外側ヨークよりも前記運動範囲分長く形成された内側ヨーク本体部と、前記内側ヨーク本体部の外周面の軸方向中央部に取り付けられ前記外側ヨークに対してエアギャップを介して臨む永久磁石と、前記内側ヨーク本体部の外周面の軸方向両端部より径方向外方に突き出され前記外側ヨークに対してエアギャップを介して臨み電磁鋼板が軸方向に積層された突起部とを有し、
前記外側ヨークは、電磁鋼板が径方向に積層され軸方向中央部に軸方向の一端側と他端側とを分離する分離部が形成された外側ヨーク内壁部と、前記外側ヨーク内壁部の軸方向両端部の端面を覆い電磁鋼板が軸方向に積層された端面部と、前記外側ヨーク内壁部から前記コイルを収容する空間を隔てると共に前記端面部の外側を覆うように電磁鋼板が径方向に積層された外側ヨーク外壁部とを有し、
前記内側ヨークが前記運動範囲の一端に位置するとき、前記永久磁石が前記分離部よりも一端側に位置すると共に前記内側ヨークの他端側の突起部と前記外側ヨークの他端側の端面部とが軸方向に同じ位置になり、これら軸方向に同じ位置の突起部及び端面部における積層断面同士が正対し、
前記内側ヨークが前記運動範囲の他端に位置するとき、前記永久磁石が前記分離部よりも他端側に位置すると共に前記内側ヨークの一端側の突起部と前記外側ヨークの一端側の端面部とが軸方向に同じ位置になり、これら軸方向に同じ位置の突起部及び端面部における積層断面同士が正対するように構成されたことを特徴とする直動発電機。
前記外側ヨーク内壁部、前記外側ヨーク外壁部、前記内側ヨーク本体部は、電磁鋼板がロール状に巻かれることにより、電磁鋼板が径方向に積層されることを特徴とする請求項１記載の直動発電機。