JP2018113749A - エネルギー変換機 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気漏洩の低減、エネルギー効率の向上、推力の向上に有効な構成を持つエネルギー変換機を提供する。【解決手段】本発明によるエネルギー変換機は、第１の円筒状永久磁石１０のＮ極側に、外周側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ第２の円筒状永久磁石１２を組み合わせ、第１の円筒状永久磁石のＳ極側に、中心軸側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ第３の円筒状永久磁石１３を組み合わせてなる配列磁石体を複数組、直列に組み合わせた配列磁石集合体を備える。配列磁石集合体において隣り合う２組の配列磁石体の一方の組は、第１の円筒状永久磁石の磁極の向きが、他方の組の配列磁石体の第１の円筒状永久磁石の磁極の向きと反対になるように他方の組に組み合わせるようにして、第３の円筒状永久磁石又は第２の円筒状永久磁石を交互に共用する構成とした。【選択図】図６

Description

本発明は、リニアモータ、リニア発電機等のエネルギー変換機に関し、特にハルバッハ配列磁石体を備えたエネルギー変換機に関する。

ハルバッハ配列磁石体を用いた磁界発生装置は、通常の配列磁石体を用いた磁界発生装置に比べて推力向上を実現できることから回転型モータやリニアモータに適用されている。ハルバッハ配列磁石体のリニアモータへの適用例は特許文献１に記載されており、以下に、図４、図５を参照して説明する。

図４は、ハルバッハ配列磁石体を用いた周期磁界発生装置の断面図である。図４において、１０２は磁石の磁化の方向、１０３はバックヨーク、１１１は発生磁界方向（図中、上向き又は下向き）に磁化された主永久磁石、１１２は磁極の向きが主永久磁石１１１の磁極の向きと直角（図中、右向き又は左向き）になるように磁化された副永久磁石、１０４は主永久磁石１１１の磁界発生側に配置された軟磁性材料体である。主永久磁石１１１と副永久磁石１１２は交互に隣り合わせになるように直線状に並べてバックヨーク１０３上に配置されている。特に、副永久磁石１１２を、主永久磁石１１１と軟磁性材料体１０４のそれぞれと同じ厚みの２種類の幅の磁石で構成した構造としている。

このようなハルバッハ配列磁石体の構成によれば、生成される磁束の大部分をバックヨーク１０３側とは反対側（図の上側）の面に作用させることができ、しかも正弦波またはそれに近い磁束密度波形を有する周期的な磁界を発生させることができる。

図５は図４の周期磁界発生装置を用いたリニアモータの概略構成を示す断面図である。図５において、一対の周期磁界発生装置をその磁界発生側が対向するように配置し、それらの間に複数のコイル１０５を配置している。このような構成によれば、コイル１０５に通電することによって、コイル１０５により発生する磁界と周期磁界発生装置による発生磁界との吸引力と反発力により、コイル１０５を固定子とした場合は可動子となる周期磁界発生装置を直線的に、図中左右方向に移動させることができる。一方、周期磁界発生装置を固定子とした場合は可動子となるコイル１０５を直線的に、図中左右方向に移動させることができる。

特開２０１１−２４３７９号公報（図２、図９） 特開２０１０−２８８４１８号公報 特開２０１２−１８６９３６号公報

ところで、上述したタイプのリニアモータとは別のタイプ、つまりハルバッハ配列磁石体を用いないタイプのリニアモータとして、円筒型と呼ばれるリニアモータが提案されている（特許文献２参照）。この円筒型リニアモータは、円筒状のケーシング内壁に複数の環状コイルを長さ方向（中心軸方向）に沿って配置して固定子とし、この固定子内にケーシングの中心軸に沿って直動自在に設けた可動軸の外周に複数の円筒状永久磁石を中心軸方向に沿って並べて固着して可動子とした構成を持つ。

なお、特許文献２には、軸体の外周に複数の円筒状永久磁石を中心軸方向に沿って並べて固着した固定子と、この固定子の周囲に中心軸方向に直動可能に配置され、円筒状のケーシング内壁に複数の環状コイルを中心軸方向に沿って配置した可動子と、を含む円筒型リニアモータも提案されている。

以下では、便宜上、ハルバッハ配列磁石体を用いるかどうかにかかわらず、永久磁石を可動子とするタイプを磁石可動型と呼び、コイルを可動子とするタイプをコイル可動型と呼ぶことがある。

円筒型リニアモータの別の例として、複数の円筒状永久磁石を同磁極同士が対向しあうように直列に組み合わせて固定子とし、その周囲に複数の環状コイルを、微小ギャップを介して中心軸方向に移動可能に構成して可動子としたリニアモータが提案されている（特許文献３参照）。このような円筒型リニアモータはシャフトモータと呼ばれているが、本明細書においては、円筒型リニアモータと呼ぶ場合、シャフトモータも含むものとする。

本発明の課題は、上記のような円筒型リニアモータに比べて、磁気漏洩の更なる低減、エネルギー効率の更なる向上、推力の更なる向上に有効な構成を持つエネルギー変換機を提供することにある。

本発明の更なる課題は、特許文献２のように円筒状のケーシング内壁に複数の環状コイルを長さ方向（中心軸方向）に沿って配置して固定子とし、ケーシング内にその中心軸に沿って直動自在に設けた可動軸の外周に複数の円筒状永久磁石を中心軸方向に沿って並べて固着して可動子とした構成を持つ円筒型リニアモータの場合、磁束が外部に多く漏洩してしまい、コイルのある内部には磁束があまり多くないという課題を解消するのに有効な構成を持つ磁気回路を備えたエネルギー変換機を提供することにある。

本発明の更なる課題は、円筒型リニアモータ、リニア発電機への適用に適したエネルギー変換機を提供することにある。

本発明によれば、長さ方向に異方性を持つ第１の円筒状永久磁石の一端側に、半径方向に異方性を持つ第２の円筒状永久磁石を組み合わせ、他端側には半径方向に異方性を持つと共に前記第２の円筒状永久磁石の磁極の向きとは反対の磁極の向きを持つ第３の円筒状永久磁石を組み合わせてなる配列磁石体を少なくとも１組備えたことを特徴とするエネルギー変換機が提供される。

本発明の第１の態様は、前記配列磁石体が、前記第１の円筒状永久磁石のＮ極側に、外周側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第２の円筒状永久磁石を組み合わせ、前記第１の円筒状永久磁石のＳ極側に、中心軸側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第３の円筒状永久磁石を組み合わせてなり、前記配列磁石体を複数組、直列に組み合わせた配列磁石集合体を備え、該配列磁石集合体において隣り合う２組の前記配列磁石体の一方の組は、前記第１の円筒状永久磁石の磁極の向きが、他方の組の前記配列磁石体の前記第１の円筒状永久磁石の磁極の向きと反対になるように前記他方の組に組み合わせるようにして、前記第３の円筒状永久磁石又は第２の円筒状永久磁石を交互に共用する構成とする。

上記第１の態様においては、前記配列磁石集合体における前記第１〜第３の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に構成した断面円形の固定子と、前記固定子の外周側に該固定子に沿って直動可能に組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した可動子とで、円筒型リニアモータとして作用するように構成することができる。

上記第１の態様においてはまた、前記配列磁石集合体における前記第１〜第３の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に中心軸方向に可動とした断面円形の可動子と、前記可動子の外周側に中心軸方向に沿って組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した固定子とで、円筒型リニアモータとして作用するように構成することもできる。

本発明の第２の態様は、前記配列磁石体が、前記第１の円筒状永久磁石のＳ極側に、外周側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第２の円筒状永久磁石を組み合わせ、前記第１の円筒状永久磁石のＮ極側に、内周側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第３の円筒状永久磁石を組み合わせてなり、前記配列磁石体を複数組、直列に組み合わせた配列磁石集合体を備え、該配列磁石集合体において隣り合う２組の前記配列磁石体の一方の組は、前記第１の円筒状永久磁石の磁極の向きが、他方の組の前記配列磁石体の前記第１の円筒状永久磁石の磁極の向きと反対になるように前記他方の組に組み合わせるようにして、前記第３の円筒状永久磁石又は第２の円筒状永久磁石を交互に共用する構成とする。

上記第２の態様においては、前記配列磁石集合体を一体的に中心軸方向に可動とした断面環状形の可動子と、前記可動子の内周側に中心軸方向に沿って組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した固定子とで、円筒型リニアモータとして作用するように構成することができる。

上記第１、第２の態様のいずれにおいても、前記円筒型リニアモータは三相駆動型であり、前記複数の環状コイルがＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルの組み合わせを１組とする少なくとも１組からなる。

本発明によるエネルギー変換機は、上記第１の態様において、前記配列磁石集合体における前記第１〜第３の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に中心軸方向に可動とした断面円形の可動子と、前記可動子の外周側に中心軸方向に沿って組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した固定子とを備え、前記可動子にブイを取り付けて波により前記可動子を上下動させて、前記可動子と前記固定子の間に相対的変位を生じさせるようにして、波力発電機として作用するように構成することができる。

本発明によるエネルギー変換機はまた、前記配列磁石集合体における前記第１〜第３の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体化した断面円形の固定子と、前記固定子の外周側に中心軸方向に沿って組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿いかつ前記ケーシングと共に前記中心軸方向に可動とした断面円形の可動子とを備え、前記可動子にブイを取り付けて波により前記可動子を上下動させて、前記可動子と前記固定子の間に相対的変位を生じさせるようにして、波力発電機として作用するように構成することができる。

本発明によれば、磁気漏洩の低減、エネルギー効率の向上、推力の向上に有効な構成を持つエネルギー変換機を提供することができる。

本発明に用いられる永久磁石とその磁化方向の表記法について説明するための図である。 本発明を円筒型リニアモータに適用する場合の構成要素であるハルバッハ配列磁石体の第１の例について説明するための図で、該配列磁石体を中心軸側に配置し外周側に環状コイルを配置する場合の該配列磁石体の最小限の構成について説明するための斜視図である。 本発明を円筒型リニアモータに適用する場合の構成要素であるハルバッハ配列磁石体の第２の例について説明するための図で、該配列磁石体を外周側に配置し該配列磁石体の中心穴内にコイルを配置する場合の最小限の構成について説明するための斜視図である。 ハルバッハ配列磁石体を用いた、従来の周期磁界発生装置の断面図である。 図４の周期磁界発生装置を用いたリニアモータの断面図である。 図２に示されたハルバッハ配列磁石体を複数組、直列に組み合わせて構成したハルバッハ配列磁石集合体の各永久磁石の磁化方向について説明するための図である。 図３に示されたハルバッハ配列磁石体を複数組、直列に組み合わせて構成したハルバッハ配列磁石集合体の各永久磁石の磁化方向について説明するための図である。 図２及び図６に示されたハルバッハ配列磁石体を固定子として採用した円筒型リニアモータの主要構成を示した縦断面図である。 図３及び図７に示されたハルバッハ配列磁石体を可動子として採用した円筒型リニアモータの主要構成を示した縦断面図である。 図８に示された円筒型リニアモータにおいて、ハルバッハ配列磁石体を可動子とし、環状コイルを固定子として採用した円筒型リニアモータの概略構成を示す側面図および正面図である。 三相リニアモータにおける永久磁石の磁極と三相コイルの基本的の構成について説明するための図である。 図１１の磁極Ｎ−Ｎ間が長くなった場合に増やされるコイルと、図２に示される配列磁石体２組からなる配列磁石集合体との関係を示した図である。 本発明を波力発電機に適用した場合の構成例を示した図である。

本発明の実施形態を説明する前に、図１を参照して、本発明に係る永久磁石の態様を説明する。図１（ｂ）に示すように、第１の円筒状永久磁石１０、１１０はその長さ方向（中心軸方向）に異方性を有する。一方、図１（ａ）に示すように、第２、第３の円筒状永久磁石１２、１３はその半径方向に異方性を有する。

磁化方向について言えば、図１（ｅ）に矢印で示すように、第１の円筒状永久磁石１０は図の左方向向きに磁極の向きを有し、図１（ｆ）に矢印で示すように第１の円筒状永久磁石１１０は図の右方向向きに磁極の向きを有する。第１の円筒状永久磁石１０、１１０は同じものであるが、異なる参照番号を付している理由については、図２、図３の説明において説明する。

図１（ｃ）に矢印で示すように第２の円筒状永久磁石１２はその断面の、中心から外周側に向かう放射方向に磁極の向きを有し、図１（ｄ）に矢印で示すように第３の円筒状永久磁石１３はその断面の、外周側から中心に向かう方向に磁極の向きを有する。また、電流の向きを表示する方法に倣って、第２、第３の円筒状永久磁石１２、１３についてはそれぞれ図１（ｃ）、図１（ｄ）の右側に示したように表記するものとする。

次に、図２、図３を参照して、本発明のハルバッハ配列磁石集合体（以下、配列磁石集合体と略称することがある）の最小限の構成要素であるハルバッハ配列磁石体（以下、配列磁石体と略称することがある）を第１、第２の例について説明する。図２、図３に示される矢印も磁極の向きを示す。

図２（ａ）は、配列磁石体を中心軸側に配置し、その外側に環状コイルを配置する円筒型リニアモータの場合の最小単位の配列磁石体（第１の例）である。この態様によれば、長さ方向に異方性を持つ第１の円筒状永久磁石１０と、該円筒状永久磁石１０のＮ極側（矢印の先端側）の端部に組み合わされた磁石であって、半径方向に異方性を持ち磁石の外周を向くように磁化した第２の円筒状永久磁石１２と、第１の円筒状永久磁石１０のＳ極側（矢印の終端側）の端部に組み合わされた磁石であって、半径方向に異方性を持ち磁石の中心方向を向くように磁化した第３の円筒状永久磁石１３と、を有する配列磁石体が提供される。本例では、各円筒状永久磁石は同じ内径及び外径としているが、これは最も好ましい例であり、これに限定されるものでは無い。例えば、第２、第３の円筒状永久磁石１２、１３の外径が第１の円筒状永久磁石１０の外径と同じで、内径が第１の円筒状永久磁石１０の内径より大きくても良い。または、第２、第３の円筒状永久磁石１２、１３の外径が第１の円筒状永久磁石１０の外径より小さく、内径は第１の円筒状永久磁石１０の内径より大きくても良い。これは、後述されるすべての実施形態に適用される。

第１の例の配列磁石体は、第２の円筒状永久磁石１２の外周を出て第３の円筒状永久磁石１３の外周に入射し、第３の円筒状永久磁石１３から第１の円筒状永久磁石１０に入射する外周側の磁束密度が、内周側の磁束密度に比べてはるかに大きいという特徴を有している。

なお、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示されている配列磁石体を、左右逆にして示しており、これも第１の例として考えて良い。図２（ｂ）を示した理由は、後述の図６の説明で明らかになる。

図３は配列磁石体を外周側に配置し、磁石の中心穴の中にコイルを配置する円筒型リニアモータの場合の最小単位の配列磁石体（第２の例）を示す。この態様によれば、長さ方向に異方性を持つ第１の円筒状永久磁石１１０と、該第１の円筒状永久磁石１１０のＳ極側（矢印の終端側）の端部に組み合わされた磁石であって、半径方向に異方性を持ち磁石の外周を向くように磁化した第２の円筒状永久磁石１２と、第１の円筒状永久磁石１１０のＮ極側（矢印の先端側）の端部に組み合わされた磁石であって、半径方向に異方性を持ち磁石の中心方向を向くように磁化した第３の円筒状永久磁石１３と、を有する配列磁石体が提供される。各円筒状永久磁石の内径及び外径は図２で説明したとおりである。

第２の例の配列磁石体は、第３の円筒状永久磁石１３の内周を出て第２の円筒状永久磁石１２の内周に入射し、第２の円筒状永久磁石１２から第１の円筒状永久磁石１０に入射する内周側の磁束密度が、外周側の磁束密度に比べてはるかに大きいという特徴を有している。

このように、第１の例と第２の例の配列磁石体は、同じ第１の円筒状永久磁石であってもその両側への第２、第３の円筒状永久磁石の組み合わせを変えることで形成される磁路が異なる。そこで、第１の例の配列磁石体における第１の円筒状永久磁石と、第２の例の配列磁石体における第１の円筒状永久磁石とを識別し易くするために第１、第２の円筒状永久磁石には異なる参照番号を付している。

図６は、図２で説明した最小単位の配列磁石体（第１の例）を複数組（ここでは４組）、直列に組み合わせて配列磁石集合体を構成した例を示す。この配列磁石集合体においては、隣り合う２組（例えば１組目と２組目）の配列磁石体の一方の組（１組目）は、第１の円筒状永久磁石１０の磁極の向きが、他方の組（２組目）の配列磁石体の第１の円筒状永久磁石１０の磁極の向きと反対になるように他方の組（２組目）に組み合わせるようにして、第３の円筒状永久磁石１３を共用できる構成としている。同様にして、２組目と３組目では第２の円筒状永久磁石１２を共用でき、３組目と４組目で第３の円筒状永久磁石１３を共用できる。つまり、隣り合う２組の配列磁石体において第３の円筒状永久磁石１３又は第２の円筒状永久磁石１２を交互に共用する構成としている。

この配列磁石集合体は、図８で説明するように、中心軸側に固定配置してコイル可動型の円筒型リニアモータを構成するのに適している。これは、図２に示す配列磁石体においては、円筒状永久磁石１０、１２、１３の外周側の磁束密度が内周側の磁束密度に比べてはるかに大きいという特徴を有しているからである。

図６のような配列磁石集合体は、すべての円筒状永久磁石の中心部の穴に、両端にネジ部を持つステンレス製のシャフトを通し、両端をナットで固定して使用することができるが、これは一例にすぎず、これに限定されるものでないことは言うまでも無い。

なお、図２に示した配列磁石体は、コイル可動型に限らず、磁石可動型にも適用可能であり、その一例は図１０で説明される。

図７は、図３で説明した最小単位の配列磁石体（第２の例）を複数組（ここでは２組）、直列に組み合わせて配列磁石集合体を構成した例を示す。この配列磁石集合体においても、隣り合う２組（１組目と２組目）の配列磁石体の一方の組（１組目）は、第１の円筒状永久磁石１１０の磁極の向きが、他方の組（２組目）の配列磁石体の第１の円筒状永久磁石１１０の磁極の向きと反対になるように他方の組（２組目）に組み合わせるようにして、第３の円筒状永久磁石１３を共用できる構成としている。配列磁石集合体を、図６のように４組の配列磁石体で構成する場合には、２組目と３組目では第２の円筒状永久磁石１２を共用し、３組目と４組目で第３の円筒状永久磁石１３を共用する。つまり、隣り合う２組の配列磁石体において第３の円筒状永久磁石１３又は第２の円筒状永久磁石１２を交互に共用する構成となる。

この配列磁石集合体は、図９で説明するように、中心軸側に固定配置した複数の環状コイルの外周側に直動可能に配置して磁石可動型の円筒型リニアモータを構成するのに適している。これは、図３に示す配列磁石体においては、円筒状永久磁石１１０、１２、１３の内周側の磁束密度が外周側の磁束密度に比べてはるかに大きいという特徴を有しているからである。

（第１の実施形態）
次に、図８を参照して、図６に示すようなハルバッハ配列磁石集合体（以下、配列磁石集合体と呼ぶ）を円筒型リニアモータに適用した、本発明の第１の実施形態について説明する。

本実施形態においては、配列磁石集合体側を固定子とし、環状コイル側を可動子とするが、図１０で説明するように、配列磁石集合体側を可動子とし、環状コイル側を固定子とすることも可能である。

本実施形態において使用する永久磁石として、外径２３．５ｍｍ、内径６ｍｍ、長さ２２．５ｍｍの長さ方向に異方性を持つ円筒状Nd-Fe-B磁石（第１の円筒状永久磁石１０、１１０）と、外径２３．５ｍｍ、内径６ｍｍ、長さ１１．２５ｍｍの半径方向に異方性を持つ円筒状Nd-Fe-B磁石（第２、第３の円筒状永久磁石１２、１３）とが挙げられるが、一例にすぎず、本発明はこれらの数値に限定されないことは言うまでもない。また、磁石もNd-Fe-B磁石の他、Sm-Co磁石、フェライト磁石やその他の永久磁石であってもよい。

図８は、本発明の第１の実施形態による三相リニアモータ（円筒型リニアモータ）における固定子と可動子の断面図、特に固定子の中心軸に沿った縦断面図である。以下では、中心軸という場合、特にことわりがない場合、固定子の中心軸を意味する。また、固定子は断面円形、可動子は断面環状形が望ましいが、この限りではなく、固定子と可動子の断面形状が相互の移動を妨げないように適合していれば良い。

固定子３０は、図２で説明したハルバッハ配列磁石体（以下、配列磁石体と呼ぶ）を複数組、ここでは５組を直列に繋ぎ合わせてなる。すなわち、図６で説明したように、隣り合う２組の配列磁石体の一方の組は、第１の円筒状永久磁石１０の磁極の向きが、他方の組の配列磁石体の第１の円筒状永久磁石１０の磁極の向きと反対になるように他方の組に組み合わせるようにして、第３の円筒状永久磁石１３又は第２の円筒状永久磁石を交互に共用する構成としている。すなわち、１組目と２組目で第３の円筒状永久磁石１３を共用し、２組目と３組目では第２の円筒状永久磁石１２を共用し、３組目と４組目で第３の円筒状永久磁石１３を共用し、４組目と５組目では第２の円筒状永久磁石１２を共用する構成としている。

配列磁石体の組数は、可動子のストロークにより決められる。

このような配列磁石体を複数組、直列に繋ぎ合わせて配列磁石集合体を構成する手法の一例を説明すると以下の通りである。

少なくとも両端に近い部分にそれぞれ雄ネジを切った丸棒状のセンター軸４０の一端側にナット４１Ａを装着する。続いて、５組の配列磁石体からなる配列磁石集合体を構成すべく、第１〜第３の円筒状永久磁石を、１２−１０−１３−１０−１２−１０−１３−１０−１２−１０−１３の順にセンター軸４０に装着してゆく。なお、センター軸４０の全長に亘って雄ネジを形成しても良い。

配列磁石体５組分の円筒状永久磁石を装着したら、センター軸４０の他端側の雄ネジにナット４１Ｂを装着し、円筒状永久磁石相互の締め付けを行なう。ナットによる締め付けは、後で緩みが生じないように、ダブルナットで行なわれるのが望ましい。

次に、上記のように一体化した配列磁石集合体を円筒状のケーシング５０内に挿着する。ケーシング５０は、配列磁石集合体の外周に密着するような内径で薄い肉厚の方が望ましい。

ケーシング５０の両端は蓋部材４２Ａ、４２Ｂで塞ぐようにし、ケーシング５０内の気密を維持する必要がある場合には、ケーシング５０と蓋部材４２Ａ、４２Ｂの間に、Ｏ（オー）リング等のシール材を設けるか、あるいはロウ付け等の方法により密閉するのが好ましい。

センター軸４０、ケーシング５０は、ステンレス等の材料で提供される。また、通常、固定子３０は、その両端側において土台等に固定される。

以上のように構成された固定子３０の外周側に、６個の環状（円筒状を含む）コイル８０−１Ｕ、８０−１Ｖ’、８０−１Ｗ、８０−２Ｕ’、８０−２Ｖ、８０−２Ｗ’をコイルケーシング９０に装着してなる円筒状の可動子１００が、固定子３０に沿って直動可能に組み合わされる。なお、Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’は、巻線の方向が逆向きであることを示す。６個の環状コイルはそれぞれボビンに巻線を巻回してなり、巻線はスターあるいはデルタ結線されて、図示しない三相電源に接続されるとともに図示しない制御装置に接続される。

ここで、リニアモータにおける永久磁石とコイルの関係について図１１、図１２を参照して簡単に説明する。

通常、永久磁石を用いる三相リニアモータに適用される永久磁石の磁極とＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルの関係は図１１のようになる。つまり、磁極Ｎ−Ｎ間に対してＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルが対応し、磁極Ｎ−Ｎ間の長さ＝（Ｕ相コイル長＋Ｖ相コイル長＋Ｗ相コイル長）となる。また、各相のコイル長＝（磁極Ｎ−Ｎ間の長さ）／３となる。

磁極Ｎ−Ｎ間の長さが長いときは図１２のようにすることもできる。図１２に示されるように、磁極Ｎ−Ｎ間にＵ、Ｖ、Ｗの各相当たり２個、合計６個のコイルが入る。コイルの配置は、Ｕ相−Ｖ’相−Ｗ相−Ｕ’相−Ｖ相−Ｗ’相が基本構成となり、コイルの数が３個（６個、９個、１２個、・・・）を越える場合、この基本構成が繰り返される。前述したように、Ｖ’相、Ｕ’相、Ｗ’相は巻線の方向が逆にされる。各相のコイル長＝（磁極Ｎ−Ｎ間の長さ）／６となる。

図１２には、このような磁極Ｎ−Ｎ、三相を構成する６個のコイルと、前述した配列磁石体の第１の例、第２の例のうち、例えば第１の例の配列磁石体を２組組み合わせた配列磁石集合体との関係を示している。

図８に戻って、第１の実施形態では、６個の環状コイルを示しているが、上述したように、三相の円筒型リニアモータの構成に必要な環状コイルの最小限の個数は３個である。つまり、可動子側のコイルは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相１組を単位とし、必要推力に応じて複数組設置される。６個の環状コイルの合計長は、一例を挙げれば、（第２又は第３の円筒状永久磁石の長さ×２＋第１の円筒状永久磁石の長さ×２）である。また、円筒型リニアモータとしての可動距離範囲は、図６の場合、（配列磁石集合体の全長−６個の環状コイルの合計長）となる。

可動子１００は、ケーシング５０の周囲に軸受等を介して直動可能に組み合わされるが、ケーシング５０に沿うように配置されたガイド棒を介して直動可能に支持されても良い。しかし、これらに限定されるものではない。更に、可動子１００は三相電源と接続するための可撓性の電力ケーブルを備えるが、コイルと三相電源との接続形態は、巻線のスターあるいはデルタ結線形態を含め、本発明の要旨ではないので、詳しい説明は省略する。これは、後述する第２、第３の実施形態においても同様である。

更に、円筒型リニアモータとしての動作原理はこれまでの円筒型リニアモータと同様であり、制御装置による可動子の位置制御を含む制御形態も本発明の要旨ではないので、詳しい説明は省略する。

コイルケーシング９０は、その内径がケーシング５０の外径より大きく、配列磁石集合体の外周と環状コイルの内周、厳密にはコイルケーシング９０の内周との間には微小ギャップが形成される。

なお、ケーシング５０の内周と配列磁石集合体の外周との間にギャップを設けると共に、蓋部材４２Ａ、４２Ｂにそれぞれ、等角度間隔をおいて中心軸方向に貫通する複数の孔を設け、一方の側の孔から圧縮空気等の冷媒を導入し、他方の側の孔から冷媒を排出することにより、固定子３０側の冷却を行うことができる。

以上のような構成により、三相の環状コイル８０−１Ｕ、８０−１Ｖ’、８０−１Ｗ、８０−２Ｕ’、８０−２Ｖ、８０−２Ｗ’に流す電流を制御して位置制御や速度制御を行うことで円筒型リニアモータとして動作させることができる。

（第１の実施形態の効果）
以上の説明のように、本発明の第１の実施形態による円筒型リニアモータは、図２、図６で説明した円筒状のハルバッハ配列磁石体を用いたことにより、生成される磁束の大部分が円筒状のハルバッハ配列磁石体の外周側、すなわち環状コイルに作用するので、磁気漏洩の低減、エネルギー効率の向上を実現することができ、環状コイルに作用する磁束密度が大幅に増加する結果、ハルバッハ配列磁石体を使用しない円筒型リニアモータに比べて約１．２〜１．５倍の推力が得られる。

（第２の実施形態）
次に、図９を参照して、図７に示すようなハルバッハ配列磁石集合体（以下、配列磁石集合体と呼ぶ）を円筒型リニアモータに適用した、本発明の第２の実施形態について説明する。

図９は、複数の環状コイルを中心軸側に配置して固定子とし、この固定子の外周側に配列磁石集合体を直動可能に配置して可動子とした磁石可動型の円筒型リニアモータを縦断面図で示す。

第２の実施形態は、配列磁石集合体を可動子とし、コイルを固定子として使用することができるので、固定子コイルに配線された電線が固定され、電線の屈曲による断線を防ぐことができる。

図９を参照して、円筒状のケーシング２１０の内壁に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相を１組とする５組の環状コイル２２０−１Ｕ、２２０−１Ｖ’、２２０−１Ｗ、２２０−２Ｕ’、２２０−２Ｖ、２２０−２Ｗ’、２２０−３Ｕ、２２０−３Ｖ’、２２０−３Ｗ、２２０−４Ｕ’、２２０−４Ｖ、２２０−４Ｗ’、２２０−５Ｕ、２２０−５Ｖ’、２２０−５Ｗを、長さ方向（中心軸方向）に沿って固定配置して固定子２００としている。ケーシング２１０の両端は蓋部材２１１Ａ、２１１Ｂで塞いでいる。固定子２００は、その両端側において土台等に固定されるのが望ましい。

環状コイルはそれぞれボビンに巻線を巻回してなり、巻線は組毎にスターあるいはデルタ結線されて、図示しない三相電源に接続されるとともに図示しない制御装置に接続される。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の組数は、必要ストロークに応じて決定される。

以上のように構成された固定子２００の外周側に、図７で説明した配列磁石集合体を一体化してなる円筒状の可動子３００が、固定子２００に沿って直動可能に組み合わされる。図示していないが、配列磁石集合体も円筒状のケーシングで保持する構成とするのが望ましい。第１の実施形態と同様、可動子３００も、ケーシング２１０の周囲に軸受等を介して直動可能に組み合わされるが、ケーシング２１０に沿うように配置されたガイド棒を介して直動可能に支持されても良い。

可動子３００は、図７で説明したように、２組の配列磁石体の一方の組は、第１の円筒状永久磁石１１０の磁極の向きが、他方の組の配列磁石体の第１の円筒状永久磁石１１０の磁極の向きと反対になるように他方の組に組み合わせるようにして、第３の円筒状永久磁石１３を共用する構成としている。配列磁石体の組数は、可動子３００の必要推力により決められる。また、円筒型リニアモータとしての可動距離範囲は、図９の場合、（環状コイルの合計長−配列磁石集合体の全長）となる。

なお、本実施形態においても、ケーシング２００の内径側と環状コイルの外周との間にギャップを設けるか、または環状コイルの内周側に一端側から他端側に連なる貫通路を設けると共に、蓋部材２１１Ａ、２１１Ｂにそれぞれ、等角度間隔をおいて中心軸方向に貫通する複数の孔を設け、一方の側の孔から圧縮空気等の冷媒を導入し、他方の側の孔から冷媒を排出することにより、固定子２００の冷却を行うことができる。

（第２の実施形態の効果）
以上の説明のように、本発明の第２の実施形態による円筒型リニアモータは、図３、図７で説明した円筒状のハルバッハ配列磁石体を用いたことにより、生成される磁束の大部分が円筒状のハルバッハ配列磁石体の内周側、すなわち中心軸側に固定配置されている環状コイルに作用するので、磁気漏洩の低減、エネルギー効率の向上を実現することができ、環状コイルに作用する磁束密度が大幅に増加する。また、可動子側には電線の配線がなく、コイルを可動子とした場合のように、配線の屈曲による断線の心配がなくなる。

（第３の実施形態）
図１０を参照して、磁石可動型の円筒型リニアモータの変形例を第３の実施形態として説明する。

本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、図８で説明した可動子１００、つまり複数の環状コイルを固定子４００とし、図８で説明した環状コイルの空間内に配置されている配列磁石集合体による固定子３０を可動子５００として構成している。

図１０に外観を示すように、ケーシング４１０の断面円形空間の内壁に複数の環状コイル４２０を長さ方向（中心軸方向）に沿って配置して固定子４００とし、環状コイル４２０の内側空間に中心軸に沿って直動自在に可動軸５１０を設けると共に、可動軸５１０の外周に、図８で説明した配列磁石集合体を中心軸方向に沿って固着して可動子５００としている。そして、図８で説明したセンター軸４０を延長したものが可動軸５１０となる。可動軸５１０の両端を脚部５２０で支持し、可動軸５１０の直動運動をこれらの脚部５２０を介して、テーブル６００上に固定したリニアガイド５３０でガイドする。

（第３の実施形態の効果）
本実施形態においては、配列磁石体は図６に示す態様の配列なので、磁束のほとんどが配列磁石体の外周側、すなわちコイルのある外側の空間に集まり、円筒型リニアモータの推力を大幅に向上させることができる。また、可動子側には電線の配線がなく、コイルを可動子とした場合のように、配線の屈曲による断線の心配がなくなる。

（第４の実施形態）
図１３を参照して、図８に示した構造をリニア発電機として適用する場合の一例を第４の実施形態として説明する。

本実施形態は、本発明をエネルギー変換機のうちの円筒型リニア発電機に適用した例であり、特に、水上の波による上下動を利用して電気エネルギーを得る、いわゆる波力発電機に適用した例である。

本波力発電機は、図８で説明した円筒型リニアモータとは異なり、配列磁石集合体側を可動子６５０とし、環状コイル側を固定子７００としている。また、配列磁石集合体及び環状コイルのサイズも図８の数値例よりも大きい方が望ましい。一方、配列磁石集合体側及び環状コイル側の構造や永久磁石の材料は図８で説明したものと同じで良い。そこで、図１３において図８と同じ構成要素については、便宜上、同じ参照番号を付して説明する。

図１３において、可動子６５０は、図２で説明した配列磁石体（ハルバッハ配列磁石体）を複数組、ここでは５組を直列に繋ぎ合わせてなる。図６で説明したように、隣り合う２組の配列磁石体の一方の組は、第１の円筒状永久磁石１０の磁極の向きが、他方の組の配列磁石体の第１の円筒状永久磁石１０の磁極の向きと反対になるように他方の組に組み合わせるようにして、第２の円筒状永久磁石１２又は第３の円筒状永久磁石１３を交互に共用する構成としている。但し、図１３では、図８と異なり、図中、下方から１組目と２組目で第２の円筒状永久磁石１２を共用し、２組目と３組目では第３の円筒状永久磁石１３を共用し、３組目と４組目で第２の円筒状永久磁石１２を共用し、４組目と５組目では第３の円筒状永久磁石１３を共用する構成としている。

このような配列磁石体を複数組、直列に繋ぎ合わせて配列磁石集合体を構成する手法は、図８で説明した手法と同じで良く、サイズが異なるだけである。

図８で説明した手法により一体化した配列磁石集合体を円筒状のケーシング５０内に挿着する。ケーシング５０は、配列磁石集合体の外周に密着するような内径で薄い肉厚の方が望ましいが、海中に水没する部分があるので、耐腐食性や機械的強度等を考慮して材料、厚さが決定される。ケーシング５０の両端は蓋部材４２Ａ、４２Ｂで塞ぐようにし、ケーシング５０内の気密を維持する必要があるので、ケーシング５０と蓋部材４２Ａ、４２Ｂの間に、Ｏ（オー）リング等のシール材を設けるか、あるいはロウ付け等の方法により密閉する。センター軸４０、ケーシング５０は、ステンレス等の材料を使用することができる。

可動子６５０は、その上端側においてブイ（フロート）８００に固定され、中心軸が水中で上下方向（鉛直方向）を向くように設置される。可動子６５０はまた、波によりブイ８００と共に流されずしかも傾かずに上下動可能となる支持構造（図示省略）を介して設置される。なお、ブイ８００は、可動子６５０の上下動に際して固定子７００と干渉し合わないように構成すれば可動子６５０の上下両端の間、又は可動子６５０の下端側に固定されても良い。この場合、可動子６５０及び固定子７００の少なくとも一部を水没させずに済ませることができる。

上記のように構成された固定子６５０の外周側に、円筒状の固定子７００が組み合わされる。固定子７００は、６個の環状（円筒状を含む）コイル８０−１Ｕ、８０−１Ｖ’、８０−１Ｗ、８０−２Ｕ’、８０−２Ｖ、８０−２Ｗ’をそれらの中心軸方向に直列に並ぶようにコイルケーシング９０に装着したものを、円筒状のシリンダ９５内にその内壁に密着するように収容してなる。なお、Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’は、巻線の方向が逆向きであることを示す。６個の環状コイルはそれぞれボビンに巻線を巻回してなり、３つの巻線を１組にしてスターあるいはデルタ結線されて、整流手段を含む三相の処理回路及び出力回路（いずれも図示省略）に接続される。ケーシング５０の外周壁とコイルケーシング９０の内周壁との間のギャップは小さい方が望ましいことは言うまでも無い。シリンダ９５は、フレーム９６を介して筏９００に取り付けられている。

図１３においては、便宜上、筏９００を小さく描いているが、実際には、可動子６５０、固定子７００、フロート８００の大きさに比べてかなり大きい。これは、可動子６５０がブイ８００と共に波により上下動するのに対し、固定子７００は、波の影響を受けずに可動子６５０に対してほぼ静止状態にあることが望ましいからである。しかし、可動子６５０と固定子７００との間で大きな相対的変位を得ることができる構造であればよく、水上に突出するように水底に立設した支柱に固定子７００を固定するような構造でも良い。また、図１３では可動子６５０及びブイ８００の組立体と固定子７００の組み合わせ体を１組のみ示しているが、実際には、発電量を大きくするために、１つの筏９００に上記組み合わせ体が複数組設置される。

本波力発電機における永久磁石とコイルの関係については、図１１、図１２を参照して説明した通りとして良い。

本第４の実施形態でも６個の環状コイルを示しているが、前述した三相の円筒型リニアモータと同様、本第４の実施形態の構成に必要な環状コイルの最小限の個数は３個である。つまり、固定子側のコイルは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相１組を単位とし、可動子６５０の変位量に応じて複数組設置される。６個の環状コイルの合計長は、一例を挙げれば、（第２又は第３の円筒状永久磁石の長さ×２＋第１の円筒状永久磁石の長さ×２）である。また、可動子６５０の可動距離範囲は、図１３の場合、（配列磁石集合体の全長−６個の環状コイルの合計長）となる。

コイルケーシング９０は、その内径がケーシング５０の外径より大きく、配列磁石集合体の外周と環状コイルの内周との間、厳密にはケーシング５０の外周とコイルケーシング９０の内周との間に微小ギャップが形成される。

以上のような構成により、ほぼ静止状態にある固定子７００に対して波力によって可動子６５０が上下動することにより三相の環状コイル８０−１Ｕ、８０−１Ｖ’、８０−１Ｗ、８０−２Ｕ’、８０−２Ｖ、８０−２Ｗ’に誘起される電力を、整流手段を含む処理回路、出力回路を通して取り出すことができる。

なお、図１３では配列磁石集合体側を可動子６５０とし、環状コイル側を固定子７００としているが、配列磁石集合体側を固定子とし、環状コイル側を可動子とすることもできる。すなわち、配列磁石集合体側と環状コイル側との位置関係は図１３に示すままとしたうえで、配列磁石集合体側を筏又は水底に立設した支柱に取り付けて静止状態を維持できるようにして固定子とし、環状コイル側を波により傾くことなく上下動するようにブイに取り付けて可動子とする。言い換えれば、配列磁石集合体側と環状コイル側のどちらにブイを取り付けるかで、どちらを可動子にするかが決まる。

しかし、いずれにしても、波による配列磁石集合体側又は環状コイル側の上下動により環状コイル側に誘起される電力を波力発電電力として得ることができる。

（第４の実施形態の効果）
本実施形態においては、ハルバッハ配列磁石集合体を用いることにより、これまでのハルバッハ配列磁石集合体を用いない波力発電機に比べて発電量が増えるので増幅手段無しでダイレクトに電力を取り出すことのできる波力発電機を提供することができる。

本発明による波力発電機はまた、図９で説明した構造にも適用可能である。すなわち、図９に示される配列磁石集合体側、環状コイル側の一方にブイを取り付けて波により上下動する可動子とし、配列磁石集合体側、環状コイル側の他方をほぼ静止状態に維持できるようにして固定子とすれば良い。

以上、本発明を好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでも無い。例えば、ハルバッハ配列磁石体、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のコイルはいずれも複数組の場合について説明しているが、これらは１組でも円筒型リニアモータ、リニア発電機としての作用を実現することができる。

本発明によるエネルギー変換機は、リニアモータやリニア発電機への適用に適している。

１０、１１０ 第１の円筒状永久磁石
１２ 第２の円筒状永久磁石
１３ 第３の円筒状永久磁石
３０、２００、４００、７００ 固定子
４０ センター軸
４１Ａ、４１Ｂ ナット
５０、２１０、４１０ ケーシング
８０−１Ｕ、８０−２Ｕ’、８０−１Ｖ’、８０−２Ｖ、８０−１Ｗ、８０−２Ｗ’、４２０ 環状コイル
９０ コイルケーシング
９５ シリンダ
９６ フレーム
１００、３００、５００、６５０ 可動子
５１０ 可動軸
５２０ 脚部
５３０ リニアガイド
６００ テーブル
８００ ブイ
９００ 筏

Claims (9)

1. 長さ方向に異方性を持つ第１の円筒状永久磁石の一端側に、半径方向に異方性を持つ第２の円筒状永久磁石を組み合わせ、他端側には半径方向に異方性を持つと共に前記第２の円筒状永久磁石の磁極の向きとは反対の磁極の向きを持つ第３の円筒状永久磁石を組み合わせてなる配列磁石体を少なくとも１組備えたことを特徴とするエネルギー変換機。
2. 前記配列磁石体は、前記第１の円筒状永久磁石のＮ極側に、外周側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第２の円筒状永久磁石を組み合わせ、前記第１の円筒状永久磁石のＳ極側に、中心軸側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第３の円筒状永久磁石を組み合わせてなり、
   前記配列磁石体を複数組、直列に組み合わせた配列磁石集合体を備え、該配列磁石集合体において隣り合う２組の前記配列磁石体の一方の組は、前記第１の円筒状永久磁石の磁極の向きが、他方の組の前記配列磁石体の前記第１の円筒状永久磁石の磁極の向きと反対になるように前記他方の組に組み合わせるようにして、前記第３の円筒状永久磁石又は第２の円筒状永久磁石を交互に共用する構成としたことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換機。
3. 前記配列磁石集合体における前記第１〜第３の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に構成した断面円形の固定子と、
   前記固定子の外周側に該固定子に沿って直動可能に組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した可動子とで、円筒型リニアモータとして作用するように構成したことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー変換機。
4. 前記配列磁石集合体における前記第１〜第３の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に中心軸方向に可動とした断面円形の可動子と、
   前記可動子の外周側に中心軸方向に沿って組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した固定子とで、円筒型リニアモータとして作用するように構成したことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー変換機。
5. 前記配列磁石体は、前記第１の円筒状永久磁石のＳ極側に、外周側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第２の円筒状永久磁石を組み合わせ、前記第１の円筒状永久磁石のＮ極側に、内周側に向かう半径方向に磁極の向きを持つ前記第３の円筒状永久磁石を組み合わせてなり、
   前記配列磁石体を複数組、直列に組み合わせた配列磁石集合体を備え、該配列磁石集合体において隣り合う２組の前記配列磁石体の一方の組は、前記第１の円筒状永久磁石の磁極の向きが、他方の組の前記配列磁石体の前記第１の円筒状永久磁石の磁極の向きと反対になるように前記他方の組に組み合わせるようにして、前記第３の円筒状永久磁石又は第２の円筒状永久磁石を交互に共用する構成としたことを特徴とする請求項１に記載のエネルギー変換機。
6. 前記配列磁石集合体を一体的に中心軸方向に可動とした断面環状形の可動子と、
   前記可動子の内周側に中心軸方向に沿って組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した固定子とで、円筒型リニアモータとして作用するように構成したことを特徴とする請求項５に記載のエネルギー変換機。
7. 前記円筒型リニアモータは三相駆動型であり、前記複数の環状コイルがＵ相コイル、Ｖ相コイル、Ｗ相コイルの組み合わせを１組とする少なくとも１組からなることを特徴とする請求項３、４、６のいずれか１項に記載のエネルギー変換機。
8. 前記配列磁石集合体における前記第１〜第３の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体的に中心軸方向に可動とした断面円形の可動子と、
   前記可動子の外周側に中心軸方向に沿って組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿うように配置した固定子とを備え、
   前記可動子にブイを取り付けて波により前記可動子を上下動させて、前記可動子と前記固定子の間に相対的変位を生じさせるようにして、波力発電機として作用するように構成したことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー変換機。
9. 前記配列磁石集合体における前記第１〜第３の円筒状永久磁石のそれぞれの中心部の穴に軸体を挿着して一体化した断面円形の固定子と、
   前記固定子の外周側に中心軸方向に沿って組み合わされ、円筒状のケーシングに該ケーシングと同心の複数の環状コイルを前記ケーシングに沿いかつ前記ケーシングと共に前記中心軸方向に可動とした断面円形の可動子とを備え、
   前記可動子にブイを取り付けて波により前記可動子を上下動させて、前記可動子と前記固定子の間に相対的変位を生じさせるようにして、波力発電機として作用するように構成したことを特徴とする請求項２に記載のエネルギー変換機。

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