JP5564647B2

JP5564647B2 - 発電及び振動緩和装置

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Publication number: JP5564647B2
Application number: JP2012146042A
Authority: JP
Inventors: 照彦加納
Original assignee: 有限会社加納
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2032-06-13
Also published as: JP2013256271A

Description

陸上走行車輛の車体本体と車軸の間に設置する制震装置に関するものである。通常この位置には、コイルスプリング、リーフスプリング、ショックアブソーバ等が設置され制震の役割を果たしている。
本発明の技術分野は、車体本体と車軸の間にリニア発電装置を設置し、振動のエネルギーを電力に変換し、その電力を車輛の制震と車輛が走行中に消費する電力の補完に利用する装置の開発に関するものである。

リニア発電装置は、複数の永久磁石とコイルを互いに対向する近接した位置に配置し、その永久磁石又はコイル（以下摺動子と言う）の何れかを上下或いは横方向に摺動させてコイル内に電圧を生じさせる発電装置である。永久磁石とコイルの数を増せば発電量は増加する。又、永久磁石の磁気の強度、コイルの線径、コイルの形状によっても発電量は異なる。磁石とコイルの形状、配置方法等は用途によって変化させられる。
本発明は、陸上走行車両の車軸と車体本体間に振動を電力に変換するリニア発電装置を設置し、更にリニア発電装置の出力側に電気的負荷を与えることによってリニア発電装置内で摺動する摺動子の摺動幅に制限を与え、発電と制振の両効果を得る装置の開発を目的としている。更に、車輛に設置され、車軸と車体本体間の振動を電力に変換するリニア発電装置は、摺動子が常に安定した振動幅、振動回数で発電する状態ではなく、振動幅、振動回数は常に変化し、安定した振動幅、或いは振動回数は期待できない。
従って発電電圧、発電電流は常に変化をし、受電側に衝撃的な電力が送られて受電側機器が破損する可能性を考慮しなければならない。その問題解決も本発明の対象となる。

特開２０１１−０８４２０４特開２０１０−１９５２７０特開２０１０−１５５４７４特開２０１０−０２５１３９特開２００９−２８７６３８特開２００９−１７９３１９特開２００８−１６２３３３特開２００７−３２０３６３特開２００７−０９９２０５

電磁力を利用した自動車の新しいショックアブソーバの研究東京大学国際・産学共同研究センター／生産技術研究所Ｔｈｅｌｉｎｉｅｒｇｅｎｅｒａｔｏｒａｓｉｎｔｅｇｒａｌｃｏｍｐｏｎｅｎｔｏｆａｎｅｎｅｒｇｙｃｏｎｖｅｒｔｅｒｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓ．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＶｅｈｉｃｌｅＣｏｎｃｅｐｔｓ，ＧｅｒｍａｎＡｅｒｏｓｐａｃｅＣｅｎｔｅｒ

課題１、本発明は、陸上走行車両の走行中に発生する車軸と車体本体の間に発生する振動を電力に変換し、同時に発電機の出力側に設定された電気的負荷を負わせることによって前記の振動を電磁力によって制限し、発電と制振の双方を行い、更に、陸上走行車輛の走行中に発生する不安定な振動による衝撃的な電力を、緩衝回路の使用によって安定化させる機能を持つ発電装置の開発を課題としている。

課題２、本装置の設置場所は、車両本体下部で車輪が上下運動をし、更に異物の飛来も予想される過酷な環境にあり、これらの条件の下に発電と制振の両方の性能を発揮させることが次の課題となる。

課題を解決する為の手段

例１、（図１、図５、図６、参照）
車体本体と車軸の間にリニア発電機を設置する。
リニア発電機は図１に示す如きの構造である。
発電機の下部を車軸との結合部によって車軸と結合させ、ピストンロッドの上部を車体本体に結合させる。ピストンロッドに摺動套を設置し、同摺動套に複数のリング状永久磁石を配置し、その内側及び外側の両面の永久磁石に対向する位置に発電用コイルを配置し、車輛の走行中に発生する車軸の上下運動によって永久磁石を摺動させ、これによって各コイルの両端に電圧を生じさせ、各コイルから発生する交流電力を整流し、それを直列に接続して出力とするリニア発電装置である。
この装置の出力側へ電気的負荷を掛けて電流値を増すと、負荷によって発電機の摺動子の摺動速度は低下し、摺動子の摺動幅も低下する。一般の回転するモーターに於いても、負荷を増すと回転速度が低下し発熱する現象が起こる。
以上の如く、車輛走行中に於ける車体本体に対する車軸の振動をリニア発電機によって電力に変換し、発生した電力に負荷を与え、その負荷を調節することによってリニア発電装置の摺動子の摺動速度と摺動幅を調整し、これによって車輛走行時における制振効果を得ることが可能となる。

例２、（図２、図３、図５、図６、参照）
リニア発電装置の周囲にコイルスプリングを設置し、これによって急激な且つ振幅の大きい振動をコイルスプリングによって吸収させ、通常的な走行中に発生する振動をリニア発電装置によって電力に変換し、その電力に対して負荷を与え、発電及び制震の効果を得ようとするものである。図２はコイルを装置の約２分の１までの「高さにした場合、図３、は荷重の高い車輛の場合に発電装置全体の外周にコイルスプリングを設置し、対荷重性を高めた装置の図である。

例３、（図４、図５、図６、参照）
リニア発電装置の上部にエアーダンパーを設置し、これによって急激な且つ振幅の大きい振動をエアーダンパーによって吸収させ、通常的な走行中に発生する振動をリニア発電装置によって電力に変換し、その電力に対して負荷を与え、発電及び制震効果を得ようとするものである。この負荷を調節することによって発電量を調整し、車輛走行時における居住性も向上させる効果を得ることが出来る。前２例と同様にこの装置全体が発電機への負荷を変化させることによってショックアブソーバの役割と、発電機の動作を行うことを示すものである。

例４、（図５、図６、参照）
両図は、リニア発電機の出力側に負荷を掛ける配線図である。出力側に負荷が増すことによって摺動子の摺動スピードと摺動幅が狭まり。これと直結する振動子の振動回数と振動幅も低下し、ショックアブソーバの役割を果たすこととなる。出力側の負荷としては、バッテリーへの充電、エアーコンディショナーへの給電、照明等への給電、或いは車輛の走行コントロールの電源等、対象として想定できる領域は広い。
例５、（図７、図８、参照）
車輛の車軸と車輛本体の間に発生する電力を整流してバッテリーへ充電する場合に、不安定な発生電力である為に衝撃的な電流がリチュウムイオン電池の組織を破壊する可能性がある。これによって電池が爆発する恐れも生ずる。そのような事態を避けるために、７図、８図に示す安定化回路を設置して問題を解決する。

発明の効果

本発明に於いては、陸上走行車輛に車輛本体と、車軸の間にリニア発電装置を設置し、その発生電力の出力側に電気的負荷を与えることによって同上リニア発電装置の震動幅と振動速度を制限して制震の役割を果たし、同時に車輛の各種必要電力の一部を前記の電気的負荷として与えて省エネの役割を果たす事を目標としている。本発電及び制震方式は、従来方式の車軸の上下運動を回転運動に変換してこれによってコイル又は磁石を回転させて発電する手法と比較して、効率の良い発電と制震効果が期待できる。

陸上走行車輛に設置する一般的なリニア発電機の構造を示す図。リニア発電機の上部へコイルスプリングを設置した装置の図。リニア発電機の全てをコイルスプリングで覆い耐荷重性を高めた装置の図。リニア発電機の上部へエアーダンパーを設置した図。リニア発電機の出力側に負荷を掛ける配線の形状を示している。入力端子の直後に入力スイッチを置き、その後に整流器を置いて直流にし、これを出力側に設置した小型コンデンサーに蓄電する。その後で全体の電力を直列に結合して大型コンデンサーに充電する回路である。この場合は、受電側の２系列の被充電回路を想定している。２系列の負荷回路を示している。この負荷を増す事によって前段階への負荷が発生する。この負荷を増すことによって摺動子の摺動スピードと摺動幅が狭まり。これと直結する振動子の振動回数と振動幅も低下し、装置全体は発電、及びショックアブソーバの役割を果たすこととなる。１系列を制震用、１系列を充電用として区別することも出来る。車軸と車体本体の間に生ずる不安定な電力を、本図に示す衝撃緩和回路を通過させることによって衝撃を削除する。（Ａ）は衝撃緩和装置を使用しない場合の電圧変動を示し、（Ｂ）は衝撃緩和装置を使用した場合の電圧変動を示す。

発明を実施する為の形態

図１、はリニア発電機の構造を示し、図２は、リニア発電機の上部へコイルスプリングを設置した例を示し、図３は、リニア発電機全体をコイルスプリングで覆い、対荷重性を高めた装置の状態を示している。
図４はリニア発電機の上部へエアーダンパーを設置した例を示している。
リニア発電機への電気的な負荷が少ない場合にはリニア発電機の振動子は車軸の振動と同じ幅で上下することに抵抗はしないが、コイルに掛かる電気的な負荷が大きくなると、その振動幅を小さくする力が働きその振動の速度も低下する。原因は、発電機の負荷が少なく、発電機のコイルの中を流れる電流が少ないとコイルの前を通過する振動子の移動の自由度が高まり、逆に発電機のコイルの中を流れる電流が多い場合にはコイル前を通過する摺動子の移動の自由度が減少するからである。通常のモーターに於いて負荷が多くなると回転速度が落ち、負荷が軽いと回転速度が速くなるのと同じ原理である。
以上の如くリニア発電機の摺動子の上下運動の振幅と振動回数は、発電機のコイルに掛る負荷によって異なるものとなる。
本発明に於いては、過去には廃棄されて来たエネルギーを再生させるべくリニア発電装置で発電し、その電力を車輛走行、或いは冷暖房、照明等の補助電力等に使用して省エネの為に利用することに加えて、リニア発電機の負荷をコントロールすることによってショックアブソーバの効果を得る手法を提示している。

（図１、図５、図６、参照）
図１は、リニア発電機の断面図である。
図１の（１）は上部の車体本体との結合部、（２）は上部躯体保持部、（４）はピストンロッド、（５）はシールパッキング、（６）はリニア発電機外筒、（７）はリニア発電機用円形永久磁石、（８）はリニア発電機外側コイル、（９）はリニア発電機内側コイル、（１０）は摺動套、（１１）はリニアベアリング、（１２）は主軸、（１３）は摺動補助ロール、（１５）は下部躯体保持部、（１６）は車軸との結合部である。
本装置は、上部を車体本体に（１）の車体本体との結合部によって車体本体と結合し、下部を（１６）の車軸との結合部によって車軸と結合する。ピストンロッド（４）と摺動套の精密な上下運動を保証するためにピストンロッド（４）と主軸内面の間にリニアベアリング（１１）、及び摺動套下部内面と主軸（１２）の外面との間に摺動補助ロール（１３）を設置する。
車輛の走行中に発生する振動は、（１）の車体本体との結合部によって発電機の（４）のピストンロッドに伝達され、同（４）のピストンロッドに連結された摺動套の上下運動となり、これに設置された永矢磁石（７）が上下運動を行う。
その結果フレミングの法則によって磁石に対向する位置にある外側コイル（８）及び内側コイル（９）に電力が発生し、各コイルの両端に電圧が発生する。図５の（１８）は各コイルの出力端子、（１９）は出力スイッチである。そのスイッチ（１９）のＯＮによって発生電力は（２０）の整流器によって直流に整流される。整流された電力は個別出口コンデンサー（２１）に蓄電される。その電力は個別出力スイッチ（２２）の出力側で直列に結線され、出口コンデンサー（２３）に送られて蓄電される。この出力端子（２４）より（２５）の出力調整器を経て（２６）の電力使用設備によって負荷が掛けられる。
この負荷を（２５）の出力調整器でコントロールすることによって、リニア発電機の主軸は設定された範囲内の振幅で上下運動をする。以上の動作はショックアブソーバの動作であり、本リニア発電機は発電及び制震の動作を行うこととなる。

（図２、図５、図６、参照）
図２は、リニア発電機の全体をコイルスプリングで覆い、対荷重性を高めた例である。
（１）は上部の車体本体との結合部、（２）は上部躯体保持部、（３）はコイルスプリング、（４）はピストンロッド、（５）はシールパッキング、（６）はリニア発電機外筒、（７）は発電機用円形永久磁石、（８）はリニア発電機の外側コイル、（９）はリニア発電機の内側コイル、（１０）は摺動套、（１１）はリニアベアリング、（１２）は主軸、（１３）は摺動補助ロール、（１４）はリニア発電機内筒、（１５）は下部躯体保持部、（１６）は車軸との結合部である。陸上走行車輛の車軸と車体本体の間にコイルスプリング（３）によって装置全体を覆ったリニア発電装置を置き、突発的且つ大幅な上下運動をコイルスプリング（３）で吸収し、通常走行中に発生する振動をリニア発電装置によって電力に変換させ、この振動によって生ずる電力を前記［００１１］に示す用途に使用し、更にリニア発電装置への負荷として振動を抑制する効果を取り込み、これによって電力の生成と振動抑制の両効果を得ることができるリニア発電装置である。

（図４、図５、図６、参照）
リニア発電機上部にエアーダンパーを併設した例である。
（１）は上部の車体本体との結合部、（２）は上部躯体保持部、（４）はピストンロッド、（５）はシールパッキング、（６）はリニア発電機外筒、（７）は発電機用円形永久磁石、（８）はリニア発電機の外側コイル、（９）はリニア発電機の内側コイル、（１０）は摺動套、（１１）はリニアベアリング、（１２）は主軸、（１３）は摺動補助ロール、（１５）は下部躯体保持部、（１６）は車軸との結合部、（１７）はエアーダンパー、である。陸上走行車輛の車軸と車体本体の間に上部にエアーダンパー（１７）を設置したリニア発電装置を置き、突発的な大幅な上下運動をエアーダンパー（１７）で吸収し、通常走行中に発生する振動をリニア発電装置によって電力に変換させる。この振動によって生ずる電力を前記［００１１］に示す用途に使用し、更にリニア発電装置への負荷として振動を抑制する効果を取り込み、これによって電力の生成と振動抑制の両効果を得ることができる装置である。

（図５、図６、参照）
リニア発電機で発電した電力を整流して蓄電し、その出力電力に負荷を与えてリニア発電機の摺動を抑制し、電磁的ショックアブソーバの効果を得るための電気回路である。
（１８）はリニア発電機の各コイルの出力端子、（１９）は出力スイッチ、（２０）は全波整流器、（２１）は対個別コイルコンデンサー、（２２）は個別出力スイッチ、（２３）は出力コンデンサー、（２４）は出力端子、（２５）は出力調整器、（２６）は電力使用設備である。リニア発電機の各コイルの出力端子（１８）に出力された電力は（１９）の出力スイッチを経て個別の整流器（２０）によって整流され、個別のコンデンサー（２１）に蓄電される。その電力は個別出力スィッチ（２２）を経て直列に接続されて出力コンデンサー（２３）に蓄電される。蓄電された電力は、出力端子（２４）及び、（２５）の出力調整器を経て出力電力を調整され、最終用途の（２６）電力使用設備で使用される。
以上の如くリニア発電装置によって発電された電力は出力調整器によって負荷が調整され、利用される。この負荷がリニア発電機の負荷となり、リニア発電機の摺動子の摺動速度に影響を与え、その結果リニア発電機はショックアブソーバの役割を果たすこととなる。

リニア発電装置へ負荷を掛けるとその摺動速度は減速し、摺動幅も低下してショックアブソーバの役割を果たすと前項で述べたが、この場合、ショックアブソーバとして動作させる為には、負荷として与えるべき適切な電力の値については、前例として、或いは先行技術の文献にも明示はされているものはない。これを理論的な値で示そうとするならば、車輛が平坦な道路を走行中に生ずる振動によってリニア発電装置が発生させる電圧Ｖ（Ｖｏｌｔ）及び電流Ａ（Ａｍｐｅｒｅ）の値を掛け併せて得る電力値Ｗ（Ｗａｔｔ）と言うことが出来る。路面が荒れて振動が増してこの値を超えればＷは増大し、これによってリニア発電機に与える負荷が増し、摺動子の摺動速度を低下させ、摺動幅も低下させる動作を発生させる。その結果はショックの量を下げるショックアブソーバの動作となる。次に、余剰の電力Ｗは整流されコンデンサー（３２）及び抵抗（３３）による緩衝回路を経ててメインバッテリー（３４）へ充電される。

（図７、図８、参照）
本発明によるリニア発電装置は、前述の通り車輛本体と車軸の間の環境的には厳しい場所に設置される。又、車輛走行中の振動を電力に変換する目的を持って設置される。このため、発生する電力は電圧、電流、共に常に変動を繰り返す。この発生電力を整流してコンデンサーに蓄電し、それを被充電バッテリーのメインバッテリーへ充電する場合、その頻度、電圧、電流の変化によって生ずる被充電バッテリーの受ける電気的衝撃は被充電バッテリーの組織を破壊する可能性を否定することはできない。その電気的衝撃を緩和する手段を図７、図８、に示す。
（２７）は入力端子、（２８）は入力スイッチ、（２９）は整流器、（３０）はコンデンサー、（３１は出力スィッチ（３２）は緩衝用コンデンサー、（３３）は、緩衝用抵抗器、（３４）は被充電バッテリーである。図８は、電気的衝撃緩和作用の結果を示す。電気的衝撃を抵抗（３３）とコンデンサー（３２）を並列に結合した回路を、被充電バッテリーへの給電回路に直列に結線することによって、大きい電圧変動幅を小幅に変えて電撃を緩和する。Ａ図は電気的衝撃緩和回路の無い場合、Ｂ図は電気的衝撃緩和回路の有る場合を示す。頻繁な給電への効果は大きい。

本発明によるリニア発電装置は、過去に於いては廃棄されていたエネルギーを電力に替え、一方では走行車輛の電力用途に利用し、一方ではショックアブソーバの制御用途に利用しようとするものであり、省エネ及び、車輛の安定走行への両効果を得るものであり、利用の可能性は高い。

（１）上部の車体本体との結合部
（２）上部躯体保持部
（３）コイルスプリング
（４）ピストンロッド
（５）シールパッキング
（６）リニア発電機外筒
（７）発電機用永久磁石
（８）リニア発電機外側コイル
（９）リニア発電機内側コイル
（１０）摺動套
（１１）リニアベアリング
（１２）主軸
（１３）摺動補助ロール
（１４）リニア発電機内筒
（１５）下部躯体保持部
（１６）車軸との結合部
（１７）エアーダンパー
（１８）リニア発電機の各コイルの出力端子
（１９）リニア発電機の各コイルの出力スイッチ
（２０）全波整流器
（２１）対個別コイル用コンデンサー
（２２）個別出力スイッチ、
（２３）出力コンデンサー
（２４）出力端子
（２５）出力調整器
（２６）電力使用設備
（２７）入力端子
（２８）入力スイッチ
（２９）整流器
（３０）コンデンサー
（３１）出力スイッチ
（３２）コンデンサー
（３３）抵抗器
（３４）被充電バッテリー

Claims

陸上走行車輛の車輛本体と車軸の間にリニア発電装置を設置し、車輛の走行中に発生する車体本体と車軸の間の振動を当該リニア発電機の摺動子に与えて発電するとともに、当該リニア発電装置は複数の永久磁石とコイルとの組み合わせによる一方に位置する発電素子群と、他方に位置する発電素子群の端末とを別々に連結させて２個の発電素子群を形成させたものであって、発電素子群によって発生する電力に対して出力調整器によって調整された所定の負荷を掛けることによってリニア発電機の摺動を制限して制震効果を発揮させ、更に、上記リニア発電装置の発電素子群の出力をコンデンサーと抵抗を並列に設置する衝撃緩和回路を直列に経て被充電バッテリーへ充電し、以上によって振動緩和と発電の両効果を得る一連の装置。