JP2013247770A - リニアモータ、リニア発電機、リニアモータを動力としたレシプロ式コンプレッサー駆動システム、およびリニア発電機を用いた充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】リニア電機の高効率化、高トルク化を信頼性の高い手法で実現させる。
【解決手段】コイルを含む電機子部、永久磁石または電磁石を含む界磁部、およびヨーク部、を有し、前記電機子部を前記界磁部中に配して、該電機子部におけるコイルを励磁して、前記電機子部または前記界磁部のいずれか一方を直線的に運動させるリニアモータにおいて、該電機子部を、磁性体によりコイルを包括した成形体、コイルの内外周の少なくとも一方に磁性円筒体で壁を形成してなる構造体、とする。
【選択図】 図６

Description

本発明は、リニアモータ、リニア発電機、およびこれらを用いたレシプロ式コンプレッサー駆動システムや充電システムに関する。

直線運動を必要とする電動機や発電機の用途は多いが、その中では回転電機による回転運動から直線運動に例えばラック＆ピニオンやベルト等の機械的に変換しているものが多い。しかし、回転運動を機械的に直線運動に変換する場合は、小形化やギヤのバックラッシュによる位置精度等が問題となる場合が多く、その場合は直線運動形電動機（以下、リニアモータ、と呼ぶ）が使用される。また、コンプレッサーにはリニアモータで駆動されるレシプロ形のピストンーシリンダー方式と回転モータで駆動されるスクロール式とがあり、前者は圧縮比が高くとれるが振動が大きくなる傾向があり、後者はその逆となり、それぞれ長所と短所を有している。しかし、コンプレッサーの高効率化が必要な場合は前者が採用され、近年のリニアモータの用途は増加傾向にある。これらのリニアモータにおいても、市場より軽薄短小化の要求が強く、また最近は地球温暖化対策として、リニアモータにおいては省エネルギー化や高効率化が、またリニア発電機においても自動車のエコドライブの強い要求から高効率化が要求されている。しかし従来式のリニアモータはエアギャップが小さく出来にくい等から高トルク化、高効率化で問題を有したものであった。

関係する従来技術としては、以下の特許文献１および２が挙げられる。

特開２００８−２２２１１２号公報 特開２０１２−０６５５２５号公報

１）リニアモータ及びリニア発電機は共にフレミングの法則に基づき、前者は推力を、後者は電力を発生させるが、両者ともその効率を高めるためには空隙部を通過してコイルと鎖交する磁束量を大きくすることが必要である。しかしリニア形電機は移動子と固定子間の空隙は回転機に比べて小さくすることが困難である。そのために空隙部の磁気抵抗が増大してコイルとの鎖交磁束量は大きくすることが困難である。本発明はリニア形電機の空隙部の磁気抵抗を低減させることを課題とする。その結果、従来のリニア形電機の効率向上を図り、省電力化に寄与するものである。

２）また、本発明は空隙部の磁気抵抗を低減させたリニア形電機の応用を開示するものである。

本発明を実現するには以下の手段による。

「手段１」
コイルを含む電機子部、永久磁石または電磁石を含む界磁部、およびヨーク部、を有し、前記電機子部を前記界磁部中に配して、該電機子部におけるコイルを励磁して、前記電機子部または前記界磁部のいずれか一方を直線的に運動させるリニアモータにおいて、該電機子部は、磁性体によりコイルを包括した成形体、あるいはコイルの内外周の少なくとも一方に磁性円筒体で壁を形成してなる構造体、であることを特徴とするリニアモータ。

「手段２」
「手段１」に記載のリニアモータであって、前記電機子部は、その内周面または外周面のいずれか一方または双方が凹凸状を呈しており、該電機子部と対向する部分は、前記電機子部が有する前記凹凸に空隙を介して追従する凹凸状を呈していることを特徴とするリニアモータ。

「手段３」
「手段１」または「手段２」に記載のリニアモータであって、前記界磁部における永久磁石または電磁石が、ｐ個に分割されており、前記電機子部における前記磁性体あるいは磁性円筒体も、同様にｐ個に分割されていることを特徴とするリニアモータ。ただし、ｐは２以上の整数。

「手段４」
コイルを含む電機子部、永久磁石または電磁石を含む界磁部、およびヨーク部、を有し、前記電機子部または前記界磁部のいずれか一方を外力により直線的に反復運動させることにより、前記電機子部のコイルに起電力を発生させるリニア発電機において、該電機子部は、磁性体によりコイルを包括した成形体、あるいはコイルの内外周の少なくとも一方に磁性円筒体で壁を形成してなる構造体、であることを特徴とするリニア発電機。

「手段５」
「手段４」に記載のリニア発電機であって、前記電機子部は、その内周面または外周面のいずれか一方または双方が凹凸状を呈しており、該電機子部と対向する部分は、前記電機子部が有する前記凹凸に空隙を介して追従する凹凸状を呈していることを特徴とするリニア発電機。

「手段６」
「手段４」または「手段５」に記載のリニア発電機であって、前記界磁部における永久磁石または電磁石が、ｐ個に分割されており、前記電機子部における前記磁性体あるいは磁性円筒体も、同様にｐ個に分割されていることを特徴とするリニア発電機。ただし、ｐは２以上の整数。

「手段７」
「手段１」から「手段３」のいずれか一つに記載のリニアモータを動力としたレシプロ式コンプレッサー駆動システム。

「手段８」
「手段４」から「手段６」のいずれか一つに記載のリニア発電機を４輪自動車あるいは２輪バイクのショックアブゾーバーに同心的にあるいは並列的に設けて車体の上下揺れのエネルギーで発電させて、バッテリーに充電させる充電システム。

「手段９」
「手段４」から「手段６」のいずれか一つに記載のリニア発電機を自動車のイスあるいは２輪バイクや電動自転車のサドル内のコイルバネと同心的にあるいは並列的に設けて車体の上下揺れのエネルギーで発電させて、バッテリーに充電させる充電システム。

「手段１０」
「手段４」から「手段６」のいずれか一つに記載のリニア発電機を内燃機関に取り付けて、その振動エネルギーで発電させてバッテリーに充電させる充電システム。

「手段１１」
「手段４」から「手段６」のいずれか一つに記載のリニア発電機を船舶や浮きに取り付けて、その上下あるいは左右の動エネルギーで発電させて、バッテリーに充電させる充電システム。

１）リニアモータあるいはリニア発電機における電機子部を、磁性体によりコイルを包括した成形体、あるいはコイルの内外周の少なくとも一方に磁性円筒体で壁を形成してなる構造体とすることにより、空隙有効長が減少し、空隙部分の磁気抵抗が減少して、リニア形電機の効率が改善する。

２）リニアモータあるいはリニア発電機における電機子部の内周面または外周面のいずれか一方または双方を凹凸状とし、該電機子部と対向する部分を、前記電機子部が有する前記凹凸に空隙を介して追従する凹凸状とすることにより、固定子と移動子間の対向面積が円筒形より増大するので空隙部分の磁気抵抗が減少して、リニア形電機の効率が改善する。

３）本発明によるリニアモータは推力が大きいためレシプロ式コンプレッサー駆動に最適である。

４）本発明によるリニア発電機を４輪自動車あるいは２輪バイクのショックアブゾーバーに同心的にあるいは並列的に設けて車体の上下揺れのエネルギーで発電させ、補助的に充電も可能となる。

５）本発明によるリニア発電機を自動車のイスあるいは２輪バイクや電動自転車のサドル内のコイルバネと同心的にあるいは並列的に設けて車体の上下揺れのエネルギーで発電させ、補助的に充電も可能となる。

６）本発明によるリニア発電機を内燃機関に取り付けて、その振動エネルギーで発電させ、また内燃機関を制振させる効果が得られる。

７）本発明によるリニア発電機を船舶や浮きに取り付けて、その上下あるいは左右の動エネルギーで波力発電させることができる。

本発明のリニア式電機の軸を含んだ断面図 図１の軸に垂直な図 別の本発明のリニア式電機の軸を含んだ断面図 図３の軸に垂直な図 別の本発明のリニア式電機の軸を含んだ断面図 図５の軸に垂直な図 別の本発明のリニア式電機の環状コイル部の軸を含んだ断面図 本発明をショックアブソーバーに適用した図 別の本発明のリニア式電機の軸に垂直な図 別の本発明のリニア式電機の軸に垂直な図 従来技術によるリニア式電機の軸を含んだ断面図

以下図面によって説明する。

図１は本発明の構成の一例を示したものであり、移動軸心を含んだ断面図である。

図２は図１の移動軸心方向から見た図である。

図１、図２で符号１は電機子部を構成するコイルでありソレノイドコイルである。符号２は磁性体移動子であり前記コイル１を包括する圧粉鉄心により形成されていてもよい。あるいは、前記コイル１を包括する樹脂であり、当該樹脂中には磁性体としての鉄粉が含有されている。符号３は界磁を作る永久磁石である。符号５は永久磁石３のバックヨークであり、外周部ヨーク４と端部で一体となっている。図中の矢印は界磁用の永久磁石３の磁束の流れを示したものである。符号６は前記コイル１を圧粉鉄心あるいは樹脂により包括する磁性体移動子２に固着された移動子であり、その下端部はコンプレッサーのピストンを形成している。符号７はそのシリンダー部であり、吸気穴と排気穴２３が設けられている。

符号８及び符号９はコイルバネであり、移動子６の両サイドに設けられてそのバネ定数は極力、移動子６の慣性量と移動往復周波数の間で共振を形成するように選ばれる。コイル１に交流を流せばフレミングの左手則で推力が生まれリニアモータとして往復運動をする。また移動子６に外力を加えて往復運動をさせればフレミングの右手則でコイル１に起電力を発生させることができる。このとき空隙部分の磁気抵抗が小さいほど推力や発電効率が向上する。空隙部分の磁気抵抗は空隙長に比例し、対向面積と移動子部分の透磁率に反比例する。本発明によれば、空隙部分の透磁率を低減するために、前記符号２が存在している。つまり、コイル１を磁性体としての圧粉鉄心により包含するか、あるいは鉄粉が含有された樹脂で包含するか、のいずれかで、電機子部が磁性体によりコイル１を包括した成形体となっている。

以下に、図１１を用いて、上記図１の本発明の構成を従来技術と比較しつつ説明する。

図１１は従来技術の構成を示した図であり、移動子軸を含む断面図である。同じ機能部品で形状が類似のものは同じ番号を付けてある。

図１１の図１と異なる部分は、電機子部を構成するコイル１を円筒状個体に形成するための符号２４の部分である。図１１における符号２４は樹脂モールドであり、符号３の外周部と符号４の内周部の間には、符号１なる反磁性体からなるコイルの銅線と樹脂と空気が存在しており、これらはいずれも真空の透磁率かそれ以下である。符号３の外周部と符号４の内周部の間の空隙長はコイル１や符号２４が往復運動するためにコイル１の直径に空隙長を加えた長さが必要であり、永久磁石３で作る空隙部分の磁界の強さは大きくするのが困難である。これに対して、図１の本発明にあっては、符号２は、コイル１を磁性体としての圧粉鉄心により包含するか、鉄粉が含有された樹脂で包含するか、のいずれかで、電機子部が磁性体によりコイル１を包括した成形体となっているので等価的に空隙が狭くなる効果を生み、空隙の磁束密度を高めることができる。

また、図１に示す本発明における磁性体移動子２中のコイル１は、磁性体移動子２に内蔵されているが、必ずしもコイルの外周と内周に磁性体の壁が存在しなくてもよく、どちらか一方でも、あるいは導体間のみであってもよい。

以下に、図３〜図６を用いて、さらに空隙部対向面積を大きくすることで磁気抵抗を小さくする本発明を説明する。

図３は別の本発明の形態であり、移動軸を含んだ図である。図４は図３の軸方向から見た図である。図３、図４にて、符号１０は歯付磁性体移動子であり、圧粉鉄心等の磁性体よりなり、コイル１を有している電機子部であり、その内周面は非円形で、図４に示すような凹凸状、具体的にはインターナルギヤ状の形を有して、空隙を介して、永久磁石３の外周に固着した符号１１なるエクスターナルギヤ状の所謂スパーギヤ形磁石外周部歯と、スラスト方向に移動自在に対向している。つまり、双方は互いに追従する凹凸状を呈している。永久磁石３はラジアル方向に同一極性に磁化してある。そして、永久磁石３の外周に固着してある磁石外周部歯１１、凹凸状空隙、コイル１を内蔵した歯付磁性体移動子１０、ヨーク４、および他端のヨーク５、のそれぞれが磁気的に連結しているため、磁石磁束はこれらを順に経由して永久磁石３に戻ることとなり、閉磁路が形成される。このとき、空隙対向面積が凹凸により増加するので磁気抵抗を小さくすることが出来る。このため、鎖交磁束を増大でき、高効率のリニア電機が実現する。尚、符号１０の内周、符号１１の外周は図示するギヤ状形に限らず、矩形歯状、あるいは台形状や波状にして、非円形で空隙を介して対向してもよい。

図５は更に別の実施形態であり、移動軸を含んだ図である。図６は図５の軸方向から見た図である。図６より歯付磁性体移動子１３の外周及び内周にはギヤ形状をして空隙を介して対向していることが分かる。歯付ヨーク１２は歯を内周に有した歯付ヨークである。これは珪素鋼鈑を移動軸方向に積層させても構成できるが、内部の材料を捨てるため材料利用率が積層方式では悪い。これに対して圧粉鉄心法は鉄粉に適宜珪素等の渦電流を防止する材料を加えて型内加圧後に熱処理成形するもので、この形状の製作には安価で適したものとなる。

歯付永久磁石１４は、ラジアル方向に同一極性に磁化してある。そして、凹凸状空隙、歯付磁性体移動子１３、歯付ヨーク１２、および他端のヨーク５、のそれぞれが磁気的に連結しているため、磁石磁束はこれらを順に経由して永久磁石１４に戻ることとなり、閉磁路が形成される。このとき、空隙対向面積が凹凸により増加するので磁気抵抗を小さく出来る。尚歯付永久磁石１４は図３、図４と同じく永久磁石３の外周に歯付ヨーク１１を固着させて構成してもよい。

この場合も図３、図４の場合と同じく、ギヤ状形に限らず、矩形状等の非円形で空隙が対向するものである。こうすれば図３、図４に対して、更に空隙対向面積が増大出来、磁気抵抗が小さく出来るので、鎖交磁束を増大でき、高効率のリニア電機が実現する。この場合、必要に応じて移動子用スラスト軸受けにはローリング防止機能を有したものを使用すればよい。

図７はコイル１の間に磁性体粉を介在させる代わりに、磁性円筒体１５、１６でコイル１を挟持したものである。図示はしてないが磁性円筒体１５の内周及び磁性円筒体１６の外周を非円形にして空隙対向してもよい。この場合、図５の態様と比べ、コイル１同士の隙間に磁性体粉を介在させない分、空隙の磁気抵抗がやや大きくなるが、従来技術の図９よりは空隙の磁気抵抗は減少できる。磁性円筒体１５、１６は、薄肉の端部６で一体化してもよい。端部６を薄肉とするのは、肉厚ではコイルとの鎖交磁束が減少するためである。なお、一体化をするにあっては、符号１５、１６の片方のみでもよく、この場合であっても、従来の図１１よりは空隙部磁気抵抗を低減できる。また、符号１５のみの場合は、１５をコイル１の磁性体の巻き枠として使用し、コイルの円筒形部の真円度を向上させることもできる。

さらに本発明の別の実施態様について説明する。図１〜図６に示した永久磁石３は円筒形を呈していたが、これに限定されることはなく、たとえば、４個の円弧状セグメントとしてその肉厚方向即ちラジアル方向に、同極に磁化し、それら４個の永久磁石を円筒状に配置して界磁部を構成してもよい。この永久磁石を図３、図４に適応すれば、図４は図９の如くなる。図９で図３、図４と同一機能部品は同一の部品番号としてある。図９にて、４個の永久磁石３はラジアル方向に同一極性に磁化してある。そして、磁性体よりなる磁石外周部歯１１、凹凸状空隙、歯付磁性体移動子１０、ヨーク４、および他端のヨーク５、のそれぞれは磁気的に連結しているため、磁石磁束は永久磁石３に戻こととなり、閉磁路が形成される。このとき、空隙対向面積が凹凸により増加するので磁気抵抗を小さく出来る他に、永久磁石３がセグメント状に分割されているので、歯付磁性体移動子１０は直線運動中にローリング動作が起こりずらくなり、必ずしも移動子用スラスト軸受けにはローリング防止機能を必要としなくてもよい効果が得られる。更に図５、図６に適応すれば、図６は図１０の如くなる。図１０で図５、図６と同一機能部品は同一の部品番号としてある。図１０にて、４個の永久磁石１４はラジアル方向に同一極性に磁化してある。そして、凹凸状空隙、歯付磁性体移動子１３、歯付ヨーク１２、および他端のヨーク５、のそれぞれは磁気的に連結しているため、磁石磁束は歯付永久磁石１４に戻ることとなり、閉磁路が形成される。このとき、空隙対向面積が凹凸により増加するので磁気抵抗を小さく出来る他に、歯付磁性体移動子１０は直線運動中にローリング動作が起こりずらくなっていることは図９の場合と同じである。尚、本発明において、永久磁石等の分割数は２以上の整数ｐであればよい。図９および図１０はｐ＝４の場合を示している。

図８は別の実施形態であり、ショックアブソーバーと組み合わせたリニア発電機である。符号１７は内部ヨーク、符号１８は外部ヨークであり端部で一体化して永久磁石３の磁束の磁路を形成する。符号１はコイルであり、図１の場合と同じように符号２の移動子で図示している。そして符号２はショックアブゾーバーのピストン２１と固着して一体で直線的に往復運動する。符号２１の端部は符号１９と符号２０なる空間を符号１８の内部のシリンダー間で形成し符号１９と符号２０にはオイルが充填されて符号１９と符号２０の間でオイルの移動が符号２１のピストン移動で起きてその粘性抵抗で制動する。符号２２は符号１７と符号２１の間に設けられたコイルバネである。

自動車やオートバイの車軸と車体間に図８なる本発明を小形にして活用すれば自動車走行時の縦揺れを電気エネルギーとして回生出来る。これは更に自動車の座席シート内部に適宜バネ間やバネと同心的に配置したり、あるいはオートバイのサドル内部に、あるいは電動自転車のサドル内部に設けて、車輪走行時の人間と車体間の上下振動差を電機エネルギーとして取り出すように利用できる。

さらにバネ定数を弱くして周波数の低い船舶の上下運動等に共振するようにすれば船舶に搭載して、あるいはヴイに搭載すれば波のエネルギーを電気エネルギーに変換できる。太陽光発電は夜間や雨天では利用できないが、波力は一般に天候が悪いほうが利用できる。

従来技術として引用した２つの特許文献との相違を説明する。特許文献１の図１にはリニアゼネレータが車と車体間に使用することが開示されている。また図７、図８にはリニアゼネレータの構造が開示されているが本発明のような高効率を狙うものではなく、異なるものであることは明らかである。また、特許文献２には図１等に別のリニアゼネレータの構造が開示されているがいずれも高効率を狙う本発明とは本質的に相違したものであることは明らかである。

本発明によるリニア電機は上述したように活用でき、高トルク化、高効率化に適した、きわめて実用的なものである。従って工業的に大きな貢献が期待される。

１ コイル
２ 磁性体移動子
３ 永久磁石
４、５、１７、１８ ヨーク
６ 移動子
７ シリンダー
８、９、２２ コイルバネ
１０、１３ 歯付磁性体移動子
１１ 磁石外周部歯
１２ 歯付ヨーク
１４ 歯付永久磁石
１５、１６ 磁性体壁
１９、２０ オイル
２１ ピストン
２３ 吸排気穴
２４ 非磁性体移動子

Claims (11)

1. コイルを含む電機子部、永久磁石または電磁石を含む界磁部、およびヨーク部、を有し、
   前記電機子部を前記界磁部中に配して、該電機子部におけるコイルを励磁して、前記電機子部または前記界磁部のいずれか一方を直線的に運動させるリニアモータにおいて、
   該電機子部は、磁性体によりコイルを包括した成形体、あるいはコイルの内外周の少なくとも一方に磁性円筒体で壁を形成してなる構造体、であることを特徴とするリニアモータ。
2. 請求項１に記載のリニアモータであって、
   前記電機子部は、その内周面または外周面のいずれか一方または双方が凹凸状を呈しており、
   該電機子部と対向する部分は、前記電機子部が有する前記凹凸に空隙を介して追従する凹凸状を呈していることを特徴とするリニアモータ。
3. 請求項１または２に記載のリニアモータであって、
   前記界磁部における永久磁石または電磁石が、ｐ個に分割されており、
   前記電機子部における前記磁性体あるいは磁性円筒体も、同様にｐ個に分割されていることを特徴とするリニアモータ。ただし、ｐは２以上の整数。
4. コイルを含む電機子部、永久磁石または電磁石を含む界磁部、およびヨーク部、を有し、
   前記電機子部または前記界磁部のいずれか一方を外力により直線的に反復運動させることにより、前記電機子部のコイルに起電力を発生させるリニア発電機において、
   該電機子部は、磁性体によりコイルを包括した成形体、あるいはコイルの内外周の少なくとも一方に磁性円筒体で壁を形成してなる構造体、であることを特徴とするリニア発電機。
5. 請求項４に記載のリニア発電機であって、
   前記電機子部は、その内周面または外周面のいずれか一方または双方が凹凸状を呈しており、
   該電機子部と対向する部分は、前記電機子部が有する前記凹凸に空隙を介して追従する凹凸状を呈していることを特徴とするリニア発電機。
6. 請求項４または５に記載のリニア発電機であって、
   前記界磁部における永久磁石または電磁石が、ｐ個に分割されており、
   前記電機子部における前記磁性体あるいは磁性円筒体も、同様にｐ個に分割されていることを特徴とするリニア発電機。ただし、ｐは２以上の整数。
7. 請求項１から３のいずれか一項に記載のリニアモータを動力としたレシプロ式コンプレッサー駆動システム。
8. 請求項４から６のいずれか一項に記載のリニア発電機を４輪自動車あるいは２輪バイクのショックアブゾーバーに同心的にあるいは並列的に設けて車体の上下揺れのエネルギーで発電させて、バッテリーに充電させる充電システム。
9. 請求項４から６のいずれか一項に記載のリニア発電機を自動車のイスあるいは２輪バイクや電動自転車のサドル内のコイルバネと同心的にあるいは並列的に設けて車体の上下揺れのエネルギーで発電させて、バッテリーに充電させる充電システム。
10. 請求項４から６のいずれか一項に記載のリニア発電機を内燃機関に取り付けて、その振動エネルギーで発電させてバッテリーに充電させる充電システム。
11. 請求項４から６のいずれか一項に記載のリニア発電機を船舶や浮きに取り付けて、その上下あるいは左右の動エネルギーで発電させて、バッテリーに充電させる充電システム。

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