JP2013115991A - 直動発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能で、発電出力が向上する直動発電機を提供する。
【解決手段】外部から加振されて軸方向に往復直線運動する入力シャフト２の外周に永久磁石３を有する可動子４が取り付けられ、入力シャフト２を軸方向に往復直線運動自在に保持するケース５の内周に入力シャフト２を中心にして周回したコイル６を有する固定子７が取り付けられ、固定子７の内周と可動子４の外周が空隙８を隔てて径方向に対向した直動発電機１において、固定子７は、板厚が一定で板厚方向への曲げ部９を有する第一電磁鋼板１０を周方向に積層してなり、可動子４は、板厚が一定で板厚方向への曲げ部１１、１２を有する第二電磁鋼板１３を周方向に積層してなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、小型化が可能で、発電出力が向上する直動発電機に関する。

往復直線運動により電力を起こす直動発電機が知られている。直動発電機は、固定子にコイル、可動子に永久磁石を取り付け（固定子に永久磁石、可動子にコイルでもよい）、固定子と可動子の相対的な運動により、コイルに交わる磁束の向きや磁束密度が変化することで、起電力を得るものである。固定子と可動子は、磁束を望ましい磁路に導くためのコアで構成される。コアは、透磁率が高く渦電流損失が少ない複数の電磁鋼板を互いに電気的に絶縁して積層したものである。

図７に示した直動発電機１０１は、固定子７と可動子４を中心軸Ｃに対して同軸に配置したものである。外部から加振されて軸方向に往復直線運動する入力シャフト２の外周に永久磁石３を有する可動子４が取り付けられ、入力シャフト２を軸方向に往復直線運動自在に保持するケース５の内周に入力シャフト２を中心にして周回したコイル６を有する固定子７が取り付けられる。固定子７の内周と可動子４の外周は、磁束が通りやすいよう極力狭く形成された空隙８を隔てて径方向に対向している。永久磁石３の着磁方向は径方向である。ここでは着磁方向は径方向外方とする。

図７には、コイル６の断面の周囲を周回する磁路Ｍのイメージが示されている。すなわち、磁束は、永久磁石３から固定子７の内周部を軸方向に通って端面部に至り（磁路Ｍａ）、端面部を径方向外方に通り（磁路Ｍｂ）、固定子７の外周部で軸方向に折り返して反対端面部に至り（磁路Ｍｃ）、反対端面部を径方向内方に通り（磁路Ｍｄ）、可動子４を径方向及び軸方向に通って永久磁石３に戻る（磁路Ｍｅ）。可動子４の運動位置に応じて磁路の方向が反転するのでコイル６に起電力が生じる。

特開２００７−２７４８７１号公報 特開２０１１−１１５０３７号公報

直動発電機のコアにおける電磁鋼板の積層構造として、複数の電磁鋼板が周方向に配列されたものが特許文献１に示されている。このように、複数の電磁鋼板が周方向に配列されると、図７にイメージとして示した全磁路Ｍにわたり磁束の向きが電磁鋼板の面に沿うので、渦電流の発生が抑制され、発電効率が向上する。軸方向から見ると電磁鋼板の辺が放射状に並ぶことから、以下、このような電磁鋼板の配置を放射状配置という。

しかしながら、電磁鋼板は板厚が均一であるため、電磁鋼板を放射状配置すると、コアの内周では電磁鋼板同士が密着するが外周では電磁鋼板間に隙間が生じる。コアの内周から外周までの径が大きいほど隙間は大きい。隙間がコア内にあることで、コア全体が占める空間に比して電磁鋼板が占める比率、すなわち電磁鋼板の密度が小さくなる。磁束を多く通すために十分な量の電磁鋼板を実装しようとするとコア全体が占める空間が大きくなり、直動発電機が大型化してしまう。

図８に示されるように、固定子７の内周は電磁鋼板１０２同士が密着するのに対し、固定子７の外周は電磁鋼板１０２間に隙間が生じている。磁束は、固定子７の外周部を軸方向に通るので、固定子７の外周部における磁路断面積は電磁鋼板１０２を中心軸Ｃに垂直に切った断面積（外周部のみ）で規定され、隙間の部分は磁路断面積に寄与しない。

また、図９に示されるように、外側に位置する固定子７の内周は電磁鋼板１０２同士が密着するのに対し、固定子７の内側に位置し空隙８を隔てて固定子７に対向している可動子４の外周は電磁鋼板１０３間に隙間が生じている。磁束は、固定子７から可動子４または可動子４から固定子７へ径方向に通るので、可動子４における磁路断面積は電磁鋼板１０３を周方向に切った断面積で規定され、隙間の部分は磁路断面積に寄与しない。

ここで、可動子４の磁気抵抗は、

で定義される。したがって、磁路断面積が小さいと、可動子４の磁気抵抗が大きくなり、発電出力が低下する。

これに対し、特許文献１のように、コアの中心部分に大きな空間を確保し、電磁鋼板の径方向の長さを短くすることで、コアの外周の電磁鋼板間に生じる隙間を小さくすることはできる。しかし、コアの中心部分に大きな空間を確保すると、コアの外径が大きくなり、直動発電機が大型化してしまう。また、特許文献１の電磁鋼板は、隙間があっても整列させ易いようにエンボスを形成することになるが、電磁鋼板のプレス加工が容易でない。

特許文献２のように電磁鋼板をロール状に巻いて電磁鋼板間の隙間を無くすることは可能である。しかし、電磁鋼板をロール状に巻くと、可動子の外周あるいは固定子の内周の径を周方向に一定にすることが難しく、空隙が周方向に均一にならない。また、特許文献２のコアは、磁路の一部で磁束の向きが電磁鋼板の面に交差するので、渦電流が大きくなり、発電出力が低下する。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型化が可能で、発電出力が向上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の直動発電機は、外部から加振されて軸方向に往復直線運動する入力シャフトの外周に永久磁石を有する可動子が取り付けられ、前記入力シャフトを軸方向に往復直線運動自在に保持するケースの内周に前記入力シャフトを中心にして周回したコイルを有する固定子が取り付けられ、前記固定子の内周と前記可動子の外周が空隙を隔てて径方向に対向した直動発電機において、前記固定子は、板厚が一定で板厚方向への曲げ部を有する第一電磁鋼板を周方向に積層してなり、前記可動子は、板厚が一定で板厚方向への曲げ部を有する第二電磁鋼板を周方向に積層してなるものである。

前記第一電磁鋼板及び前記第二電磁鋼板の両方又はいずれか一方は、前記曲げ部を径方向の複数箇所に有してもよい。

前記可動子は、前記第二電磁鋼板が前記固定子に臨む面取り部を有してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）小型化が可能となる。

（２）発電出力が向上する。

本発明の一実施形態を示す直動発電機の中心軸に直角な断面図である。 図１の直動発電機のＡ−Ａ断面図である。 固定子に使われる電磁鋼板の平面図及び側面図である。 可動子に使われる電磁鋼板の平面図及び側面図である。 本発明における固定子のコアを軸方向から見た部分平面図である。 本発明における固定子（内周部のみ）と可動子のコアを軸方向から見た部分平面図である。 直動発電機の中心軸に沿った断面図である。 従来技術における固定子のコアを軸方向から見た部分平面図である。 従来技術における固定子（内周部のみ）と可動子のコアを軸方向から見た部分平面図である。

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及び図２に示されるように、本発明に係る直動発電機１は、外部から加振されて軸方向に往復直線運動する入力シャフト２の外周に永久磁石３を有する可動子４が取り付けられ、入力シャフト２を軸方向に往復直線運動自在に保持するケース５（図６参照）の内周に入力シャフト２を中心にして周回したコイル６を有する固定子７が取り付けられ、固定子７の内周と可動子４の外周が空隙８を隔てて径方向に対向している。

固定子７は、板厚が一定で板厚方向への曲げ部９を有する第一電磁鋼板１０を周方向に積層してなり、可動子４は、板厚が一定で板厚方向への曲げ部１１、１２を有する第二電磁鋼板１３を周方向に積層してなる。

図３に示されるように、第一電磁鋼板１０は、固定子７の内周部に位置する内周リブ１４と、固定子７の端面部に位置する端面リブ１５と、固定子７の外周部に位置する外周リブ１６とが一体に形成されてコ字状を呈する。

第一電磁鋼板１０は、コイル６の軸方向片側に配置される片側切片１０ａと反対側に配置される反対側切片１０ｂとを有し、片側切片１０ａと反対側切片１０ｂが軸方向に並ぶ。

片側切片１０ａの外周リブ１６と反対側切片１０ｂの外周リブ１６は、互いに接して突き合わされるようになっている。本実施形態では、片側切片１０ａの外周リブ１６と反対側切片１０ｂの外周リブ１６の突き合わせ部分が段違いになっている。片側切片１０ａの内周リブ１４と反対側切片１０ｂの内周リブ１４は、軸方向に十分に広い間隔が空くようになっている。

第一電磁鋼板１０の曲げ部９は、折り曲げ線を境に２つの平面ができるよう折り曲げられている。曲げ部９は、プレス成形により成形するとよい。

図４に示されるように、第二電磁鋼板１３の曲げ部１１と曲げ部１２は、それぞれ折り曲げ線を境に２つの平面ができるよう折り曲げられている。曲げ部１１と曲げ部１２は、プレス成形により成形するとよい。第二電磁鋼板１３は、固定子７に臨む面取り部１７を有する。面取り部１７は、あらかじめ可動子４の外周面が円筒面に近づくよう面取り角を設定し、単体の第二電磁鋼板１３に面取り加工を施してもよい。あるいは、面取り加工をしない第二電磁鋼板１３を周方向に積層して可動子４を組み立てた後、ワイヤ加工により可動子４の外周面が円筒面となるように面取りしてもよい。

図２に示されるように、入力シャフト２には、可動子４の軸方向両端に接する２つのフランジ１８が設けられる。

第二電磁鋼板１３は、あらかじめフランジ１８と永久磁石３を嵌め込むための切欠部が形成される。フランジ１８の外周に第二電磁鋼板１３を置いて樹脂で仮接着することで図１のように第二電磁鋼板１３が放射状配置に整列される。残っている隙間には樹脂が充填される。

図２に示されるように、コイル６はボビン１９に収容される。ボビン１９は、外周面が円筒面になっている。ボビン１９の外周に、第一電磁鋼板１０の片側切片１０ａの外周リブ１６と反対側切片１０ｂの外周リブ１６を置いて仮接着することで図１のように第一電磁鋼板１０が放射状配置に整列される。残っている隙間には樹脂が充填される。

図１に示されるように、第一電磁鋼板１０は、全周にわたり設けられるのではなく、ボビン１９の導線引出部２０については除外される。なお、図１は符号記入のため、周方向の一部を省略してある。

以下、本発明に係る直動発電機１の作用効果を説明する。

本発明の直動発電機１にあっては、図５に示されるように、固定子７は、板厚が一定で板厚方向への曲げ部９を有する第一電磁鋼板１０を周方向に積層してなるため、従来技術より隙間が少なくなり、電磁鋼板の密度が大きくなる。したがって、磁束を多く通すために十分な量の電磁鋼板を実装したとき、コア全体が占める空間は従来技術より小さくなり、直動発電機１の小型化が達成される。特に、磁路Ｍｃ（図７参照）が通る固定子７の外周部で電磁鋼板の密度が大きくなるので、固定子７の外径が同じであれば従来技術に比べて磁路断面積が大きくでき、従来技術と同じ磁路断面積を確保しつつ固定子７の外径を小さくすることができる。

本発明の直動発電機１にあっては、図６に示されるように、可動子４は、板厚が一定で板厚方向への曲げ部１１、１２を有する第二電磁鋼板１３を周方向に積層してなるため、従来技術より隙間が少なくなり、電磁鋼板の密度が大きくなる。特に、磁路Ｍｅ（図７参照）が通る可動子４の外周部で空隙８から可動子４に入る磁路の磁路断面積が大きくなるので、磁気抵抗が小さくなり、発電出力が向上する。

本発明の直動発電機１にあっては、図６に示されるように、可動子４は、第二電磁鋼板１３が固定子７に臨む面取り部１７を有するので、空隙８の大きさが周方向に均一化され、空隙８を小さくしやすくなる。仮に、第二電磁鋼板１３に面取りを施さないと、参考図のように、可動子４の外周に段差が形成されて空隙８の大きさが周方向に不均一になり、空隙８を小さくしにくい。

本発明の直動発電機１にあっては、面取り部１７が固定子７に対向して面を臨ませるので、単に曲げ部１１、１２を形成したものより、固定子７に対する可動子４の対向面積がいっそう増加する。

本発明の直動発電機１にあっては、第一電磁鋼板１０及び第二電磁鋼板１３は、板厚が一定であり、プレス成形により容易に成形できる。

本実施形態では、第一電磁鋼板１０には一箇所の曲げ部９を形成し、第二電磁鋼板１３には二箇所の曲げ部１１、１２を形成したが、第一電磁鋼板１０及び第二電磁鋼板１３には、一箇所以上何カ所でも曲げ部を形成してよい。また、曲げ部を形成する位置及び曲げ角度は任意である。適切な曲げ位置と曲げ角度を選んで隙間を極力小さくすることにより、電磁鋼板の密度が大きくなる。

本実施形態では、曲げ部９、１１、１２を折り曲げ線に沿って平面を折り曲げるようにしたが、曲面となるように曲げてもよい。

本実施形態では、片側切片１０ａの外周リブ１６と反対側切片１０ｂの外周リブ１６の突き合わせ部分を段違いとしたが、段違いでなくともよく、合わせ目が軸に対して直角あるいは傾斜した直線となってもよい。

１ 直動発電機
２ 入力シャフト
３ 永久磁石
４ 可動子
５ ケース
６ コイル
７ 固定子
８ 空隙
９ 曲げ部
１０ 第一電磁鋼板
１１ 曲げ部
１２ 曲げ部
１３ 第二電磁鋼板
１７ 面取り部

Claims (3)

1. 外部から加振されて軸方向に往復直線運動する入力シャフトの外周に永久磁石を有する可動子が取り付けられ、前記入力シャフトを軸方向に往復直線運動自在に保持するケースの内周に前記入力シャフトを中心にして周回したコイルを有する固定子が取り付けられ、前記固定子の内周と前記可動子の外周が空隙を隔てて径方向に対向した直動発電機において、
   前記固定子は、板厚が一定で板厚方向への曲げ部を有する第一電磁鋼板を周方向に積層してなり、
   前記可動子は、板厚が一定で板厚方向への曲げ部を有する第二電磁鋼板を周方向に積層してなることを特徴とする直動発電機。
2. 前記第一電磁鋼板及び前記第二電磁鋼板の両方又はいずれか一方は、前記曲げ部を径方向の複数箇所に有することを特徴とする請求項１記載の直動発電機。
3. 前記可動子は、前記第二電磁鋼板が前記固定子に臨む面取り部を有することを特徴とする請求項１又は２記載の直動発電機。