JP5359186B2 - 直動発電機 - Google Patents

Description

本発明は、磁気飽和による発電量減少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。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、円筒状の内側ヨーク３とその内側ヨーク３と同軸に配置され内側ヨーク３の外側を覆う円筒状の外側ヨーク２とを備える。内側ヨーク３には軸方向に磁極を向けた永久磁石４が組み込まれており、一方、外側ヨーク２には周方向に巻かれたコイル５が設けられて、コイル５の内側は外側ヨーク２の内側壁２ａで覆われ、コイル５の外側は外側ヨーク２の外側壁２ｂで覆われている。内側ヨーク３と外側ヨーク２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３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３と外側ヨーク２が相対的に軸方向に運動するとき、コイル５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。

内側ヨーク３には、内側ヨーク３と外側ヨーク２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２に向けて隆起した突起が形成されている。

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、内側ヨーク３の上部（又は下部）にある永久磁石４による磁路は、内側ヨーク３、内側ヨーク３の上部突起（又は下部突起）、外側ヨーク２の内側壁２ａ、内側ヨーク３の中央部突起、内側ヨーク３を通る短い閉磁路を形成する。

図４（ａ）のように、内側ヨーク３が内側ヨーク３の往復運動範囲の上部に位置している状態（上位置と呼ぶ）では、内側ヨーク３の上部にある永久磁石４による磁路は、中立位置のときとあまり変わらない。一方、内側ヨーク３の下部にある永久磁石４による磁路は、内側ヨーク３の下部突起、外側ヨーク２の外側壁２ｂ、外側ヨーク２の内側壁２ａ、内側ヨーク３の中央部突起、内側ヨーク３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４（ｃ）のように、内側ヨーク３が内側ヨーク３の往復運動範囲の下部に位置している状態（下位置と呼ぶ）では、内側ヨーク３の上部にある永久磁石４による磁路は、内側ヨーク３の上部突起、外側ヨーク２の外側壁２ｂ、外側ヨーク２の内側壁２ａ、内側ヨーク３の中央部突起、内側ヨーク３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。

ところが、発電に関与しない閉磁路に着目すると、上位置においては、内側ヨーク３の上部にある永久磁石４による短い閉磁路が、発電に関与している内側ヨーク３の下部にある永久磁石４による長い閉磁路と、外側ヨーク２の内側壁２ａで重複している（破線で囲んだエリアＢ１）。下位置においても、内側ヨーク３の下部にある永久磁石４による短い閉磁路が、発電に関与している内側ヨーク３の上部にある永久磁石４による長い閉磁路と、外側ヨーク２の内側壁２ａで重複している（破線で囲んだエリアＢ２）。このように複数の磁路が同じ場所で重複することにより、その場所で磁気飽和が発生する。

発電に関与している長い閉磁路が通る外側ヨーク２の内側壁２ａにおいて磁気飽和が発生することにより、当該発電に関与している長い閉磁路の磁束密度が低下し、発電量が減少する。

このように、従来の直動発電機３１には、複数の閉磁路が同じ場所で重複する構造であるため、磁気飽和による発電量減少という問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、磁気飽和による発電量減少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、固定ヨークと、該固定ヨークに沿って往復運動する移動ヨークとを備え、上記移動ヨークは、同極性の磁極を互いに反対の往復運動方向に臨ませた永久磁石が往復運動方向両端部に組み込まれ、上記固定ヨークは、上記移動ヨークの運動方向に対して直角に巻かれたコイルと、該コイルの上記移動ヨークに近い側を覆う内側壁と、上記コイルの上記移動ヨークから遠い側を覆う外側壁とを有し、上記移動ヨークの往復運動方向の一端部及び他端部の内側壁に臨み、上記移動ヨークの往復運動に伴い上記永久磁石に接近離間するバイパス用ヨークを備えたものである。

上記バイパス用ヨークは、上記移動ヨークが一方向に運動したとき、上記バイパス用ヨークが一方の上記永久磁石に沿い、もう一方の上記永久磁石から離れているよう配置されてもよい。

上記バイパス用ヨークは、円柱状であり、上記移動ヨークは、上記バイパス用ヨークと同軸に配置され上記バイパス用ヨークの外径より内径が大きい円筒状であり、上記固定ヨークは、上記移動ヨークと同軸に配置され上記移動ヨークの外径より内径が大きい円筒状であり、上記コイルは、上記固定ヨークと同軸に巻かれていてもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）磁気飽和による発電量減少を防止することができる。

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、固定ヨーク２と、固定ヨーク２に沿って往復運動する移動ヨーク３とを備えたものである。移動ヨーク３は、同極性の磁極を互いに反対の往復運動方向に臨ませた永久磁石４が往復運動方向両端部に組み込まれている。固定ヨーク２は、移動ヨーク３の運動方向に対して直角に巻かれたコイル５と、コイル５の移動ヨーク３に近い側を覆う内側壁２ａと、コイル５の移動ヨーク３から遠い側を覆う外側壁２ｂとを有する。直動発電機１は、移動ヨーク３に対して固定ヨーク２の反対側から臨み、移動ヨーク３の往復運動に伴い永久磁石４に接近離間するバイパス用ヨーク６を備えている。

図示した実施形態は、直動発電機１が往復運動の軸である上下軸を中心にして回転対称に形成されたものである。すなわち、バイパス用ヨーク６は、上下軸を中心とする円柱状に形成されている。移動ヨーク３は、バイパス用ヨーク６と同軸に配置されバイパス用ヨーク６の外径より内径が大きい円筒状に形成されており、以下、内側ヨーク３と呼ぶ。固定ヨーク２は、移動ヨーク３と同軸に配置され移動ヨーク３の外径より内径が大きい円筒状に形成されており、以下、外側ヨーク２と呼ぶ。コイル５は、外側ヨーク２と同軸に巻かれている。

図１に示した本発明の直動発電機１は、図３に示した従来の直動発電機３１にバイパス用ヨーク６を付加して構成される。さらに、ここでは、外側ヨーク２は外側ヨーク２の外周で固定構造物に固定され、バイパス用ヨーク６は内側ヨーク３から遠い側の上端と下端でそれぞれ固定構造物に固定されている。また、外側ヨーク２に、スラストガイドヨーク７が付加されている。

内側ヨーク３は、内側ヨーク本体３ａと永久磁石４と突起用フランジ３ｂとからなる。円筒状の内側ヨーク本体３ａの上端にはＮ極を上に向け内側ヨーク本体３ａと内径及び外径の同じリング状の永久磁石４が取り付けられている。内側ヨーク本体３ａの下端にはＮ極を下に向け内側ヨーク本体３ａと内径及び外径の同じリング状の永久磁石４が取り付けられている。上部の永久磁石４の上に、内側ヨーク本体３ａと内径が同じで内側ヨーク本体３ａよりも外径の大きい突起用フランジ３ｂが取り付けられている。突起用フランジ３ｂの外径が大きいことにより、径方向外方に向けて隆起した上部突起３ｃが形成されている。下部の永久磁石４の下にも、内側ヨーク本体３ａと内径が同じで内側ヨーク本体３ａよりも外径の大きい突起用フランジ３ｂが取り付けられており、径方向外方に向けて隆起した下部突起３ｄが形成されている。内側ヨーク本体３ａの上下の中央には、径方向外方に向けて隆起した中央部突起３ｅが形成されている。上部突起３ｃ、下部突起３ｄ、中央部突起３ｅは、外側ヨーク２及びスラストガイドヨーク７の内周面に対して、十分に接近して臨んでいる。

外側ヨーク２は、内側ヨーク本体３ａよりも上下にやや長く、上部・下部の永久磁石４の両Ｎ極間よりもやや短く形成されている。コイル５の内側は外側ヨーク２の内側壁２ａで覆われ、コイル５の外側は外側ヨーク２の外側壁２ｂで覆われている。外側ヨーク２の内側壁２ａは、上下の中央に切れ目２ｃを有する。外側ヨーク２の上端には、内側ヨーク３の上部突起３ｃに臨むスラストガイドヨーク７が設けられている。外側ヨーク２の下端には、内側ヨーク３の下部突起３ｄに臨むスラストガイドヨーク７が設けられている。両スラストガイドヨーク７は、内側ヨーク３が往復運動範囲の上部・下部に位置したときに、上部突起３ｃ及び下部突起３ｄに十分届く長さを有する。

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）のとき、内側ヨーク３の上部においても下部においても、内側ヨーク３の一部である突起用フランジ３ｂがバイパス用ヨーク６とスラストガイドヨーク７に近接して臨んでいる。内側ヨーク３の中央部突起３ｅは、切れ目２ｃの上下において外側ヨーク２の内側壁２ａに対し近接して臨んでいる。

このとき、内側ヨーク３の上部の永久磁石４による磁路は、バイパス用ヨーク６の一部、内側ヨーク３の突起用フランジ３ｂ、上部突起３ｃ、スラストガイドヨーク７、外側ヨーク２の内側壁２ａ、内側ヨーク３の中央部突起３ｅ、内側ヨーク本体３ａを通る閉磁路を形成し、下部の永久磁石４による磁路は、バイパス用ヨーク６の一部、内側ヨーク３の突起用フランジ３ｂ、下部突起３ｄ、スラストガイドヨーク７、外側ヨーク２の内側壁２ａ、内側ヨークの中央部突起３ｅ、内側ヨーク本体３ａを通る閉磁路を形成する。

図２（ａ）のように、内側ヨーク３が内側ヨーク３の往復運動範囲の上部に位置している状態（上位置）になると、内側ヨーク３の上部においては、内側ヨーク３の一部である突起用フランジ３ｂと永久磁石４がバイパス用ヨーク６に近接して臨み、突起用フランジ３ｂは上部突起３ｃがスラストガイドヨーク７に近接して臨む。内側ヨーク３の中央部においては、中央部突起３ｅが切れ目２ｃの上においてのみ外側ヨーク２の内側壁２ａに対し近接して臨み、さらに内側ヨーク３の下部においては、下部突起３ｄのみ外側ヨーク２の内側壁２ａに対し近接して臨む。

このとき、内側ヨーク３の上部の永久磁石４による磁路は、破線で囲んだエリアＡ１において、内側ヨーク３の突起用フランジ３ｂ、バイパス用ヨーク６、内側ヨーク本体３ａを通る短い閉磁路を形成する。一方、内側ヨーク３の下部の永久磁石４による磁路は、内側ヨーク３の突起用フランジ３ｂ、下部突起３ｄ、外側ヨーク２の外側壁２ｂ、外側ヨーク２の内側壁２ａ、内側ヨーク３の中央部突起３ｅ、内側ヨーク本体３ａを通る長い閉磁路を形成する。

下部の永久磁石４による長い閉磁路が図示した断面においてコイル５を取り囲んで、コイル５に交わる磁束が発生することは、従来の直動発電機３１と同じである。しかし、上部の永久磁石４による閉磁路が従来の直動発電機３１と大きく異なる。すなわち、上部の永久磁石４による閉磁路はバイパス用ヨーク６によってバイパス（短絡）されている。

図２（ｃ）のように、内側ヨーク３が内側ヨーク３の往復運動範囲の下部に位置している状態（下位置）になると、内側ヨーク３の上部にある永久磁石による磁路は、内側ヨーク３の突起用フランジ３ｂ、上部突起３ｃ、外側ヨーク２の外側壁２ｂ、外側ヨーク２の内側壁２ａ、内側ヨーク３の中央部突起３ｅ、内側ヨーク本体３ａを通る長い閉磁路を形成する。このときも、従来の直動発電機３１とは異なり、内側ヨーク３の下部の永久磁石４による磁路は、破線で囲んだエリアＡ２において、内側ヨーク３の突起用フランジ３ｂ、バイパス用ヨーク６、内側ヨーク本体３ａを通る短い閉磁路を形成する。

既に述べたように、従来の直動発電機３１では、発電に関与していない閉磁路が発電に関与している閉磁路と同じ場所で重複するため、磁気飽和が発生して発電量が減少した。これに対して、本発明の直動発電機１は、発電に関与していない閉磁路がバイパス用ヨーク６にバイパスされているため、発電に関与している閉磁路と同じ場所を通らない。よって、発電に関与している上記長い閉磁路において磁気飽和が発生することがなくなり、従来に比べて発電量が増加し、効率的な発電が可能となる。

以上説明したように、本発明によれば、内側ヨーク３の往復運動範囲の上部・下部にバイパス用ヨーク６を配置することで、コイル５に交わらない磁束が外側ヨーク２を通らないようにしたので、複数の閉磁路が同じ場所で重複することによる磁気飽和を回避して発電量減少を防止することができる。

本発明の直動発電機１は、従来の直動発電機３１と同じ大きさ、同じ発電量であるならば、永久磁石４の量を減らすことができる。

また、本発明の直動発電機１は、磁束の漏れが従来の直動発電機３１よりも少なくなるので、他の機器（例えば、磁気センサ）への磁気的影響が少なくなる。

バイパス用ヨーク６の上下長さは、中立位置のとき上部のバイパス用ヨーク６の下端が上部の永久磁石４の上端と同じ位置になる程度が好ましい。

永久磁石４の上下長さ（Ｎ極からＳ極までの長さ）は、内側ヨーク３の往復運動距離の半分よりやや短い程度が好ましい。

なお、上記実施形態では、上部の永久磁石のＮ極を上に向け下部の永久磁石のＮ極を下に向けたが、上部の永久磁石のＳ極を上に向け下部の永久磁石のＳ極を下に向けてもよい。

また、上記実施形態では、内側ヨーク３の往復運動方向を上下方向としたが、往復運動方向が他の方向であっても、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 固定ヨーク（外側ヨーク）
３ 移動ヨーク（内側ヨーク）
４ 永久磁石
５ コイル
６ バイパス用ヨーク
７ スラストガイドヨーク

Claims (3)

1. 固定ヨークと、該固定ヨークに沿って往復運動する移動ヨークとを備え、
   上記移動ヨークは、同極性の磁極を互いに反対の往復運動方向に臨ませた永久磁石が往復運動方向両端部に組み込まれ、
   上記固定ヨークは、上記移動ヨークの運動方向に対して直角に巻かれたコイルと、該コイルの上記移動ヨークに近い側を覆う内側壁と、上記コイルの上記移動ヨークから遠い側を覆う外側壁とを有し、
   上記移動ヨークの往復運動方向の一端部及び他端部の内側壁に臨み、上記移動ヨークの往復運動に伴い上記永久磁石に接近離間するバイパス用ヨークを備えたことを特徴とする直動発電機。
2. 上記バイパス用ヨークは、上記移動ヨークが一方向に運動したとき、上記バイパス用ヨークが一方の上記永久磁石に沿い、もう一方の上記永久磁石から離れているよう配置されることを特徴とする請求項１記載の直動発電機。
3. 上記バイパス用ヨークは、円柱状であり、
   上記移動ヨークは、上記バイパス用ヨークと同軸に配置され上記バイパス用ヨークの外径より内径が大きい円筒状であり、
   上記固定ヨークは、上記移動ヨークと同軸に配置され上記移動ヨークの外径より内径が大きい円筒状であり、
   上記コイルは、上記固定ヨークと同軸に巻かれていることを特徴とする請求項１又は２記載の直動発電機。

Images