JP5702204B2

JP5702204B2 - リニア駆動／発電装置

Info

Publication number: JP5702204B2
Application number: JP2011067846A
Authority: JP
Inventors: 相木　宏介; 宏介相木; 英雅小坂; 堀田　義博; 義博堀田; 祐一大輝; 中北　清己; 清己中北; 勝海中村
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: JP2012205397A

Description

本発明はリニア駆動／発電装置、特にその固定子の構造に関する。

従来から、フリーピストンエンジンを駆動源として用い、リニア発電機を駆動して発電するフリーピストンエンジン駆動リニア発電装置が提案されている。フリーピストンエンジン駆動リニア発電装置では、対向して配置された一対のフリーピストンエンジンが互いのピストンをシャフトで連結され、シャフトの中央部に設けられた磁石部がリニア発電機の磁界内を往復移動することで発電する。一方のピストンエンジンが膨張、ガス交換、圧縮、燃焼を繰り返し、他方のピストンエンジンが一方のピストンエンジンとタイミングをずらして膨張、ガス交換、収縮、燃焼を繰り返すことでシャフトが往復移動する。

下記の特許文献１には、フリーピストンエンジン駆動リニア発電装置の構成が開示されており、シャフトをその中心軸回りに回転運動させる回転手段を設けることが開示されている。

また、下記の特許文献２には、リニアモータ及びこれを駆動源とするプレス成形装置が開示されている。ステータの内周面に沿いかつ軸線方向に伸びるコアとこのコア内に整列配設された複数のコイルとを含むコイルユニットを取り付け、ステータの両端側に装着されたリニアブッシュで軸線方向に往復直線運動可能に支持されたロッドの外周面に永久磁石ユニットを取り付ける構成としている。

さらに、非特許文献１には、フリーピストンエネルギ変換器用のリニア永久磁石発電機が開示されており、軸方向に固定子鉄心とコイルとを積層して固定子を構成し、各列の固定子鉄心を円周方向に分割して配置する構成としている。

特開２００４−１１５７７号公報特開２００１−３５２７４７号公報

"Design and Experimental Verification of a Linear Permanent Magnet Generator for a Free-Piston Energy Converter", Jiabin Wang et al, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 22, No.2, June 2007

従来技術におけるリニア発電装置の固定子鉄心の構成では、磁極歯部において軸方向に磁束が流れやすい。例えば、非特許文献１では、電磁鋼板を円周方向に積層しているため、円周断面で見ると１枚の電磁鋼板となり、その断面上は磁束が自由に流れやすくなっている。また、特許文献２では、粉末磁性体を用いて固定子鉄心を一体成形しているので、固定子鉄心内ではどの方向にも磁束が流れやすくなっている。

このように磁極歯部で軸方向に磁束が流れやすい状態では、磁極歯間を流れる磁束が発生し、コイル全体を鎖交しない漏れ磁束となってしまう。そして、漏れ磁束が発生すると、力率が低下するだけでなく、漏れ磁束により鉄損が発生して損失増加の原因ともなる。

本発明の目的は、リニア駆動／発電装置において、固定子鉄心内を流れる磁束に関して、磁極歯部では径方向にヨーク部まで磁束が流れるようにし、ヨーク部では軸方向に磁束が流れるような固定子鉄心を構成することにより、力率及び効率を向上させることにある。

本発明は、リニア駆動／発電装置であって、円筒状の固定子と、前記固定子内を軸方向に往復移動する、磁石を備えた可動子とを有し、前記固定子は、前記軸方向に積層された固定子鉄心及び固定子コイルを有し、前記固定子鉄心は、前記軸方向に複数の鋼板を積層せずに前記軸方向に延在した固定子ヨーク鉄心と、前記軸方向に複数の電磁鋼板を積層してなり、前記固定子ヨーク鉄心と別個の固定子磁極鉄心とを有し、前記固定子磁極鉄心の軸方向長さは、前記固定子ヨーク鉄心の軸方向長さよりも短く、前記固定子コイルは、前記固定子ヨーク鉄心の軸方向のうち、前記固定子磁極鉄心が存在しない空間に配設されることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記固定子ヨーク鉄心と前記固定子磁極鉄心のいずれか一方に溝が形成され、他方に前記溝に係合する突部が形成される。

また、本発明の他の実施形態では、前記固定子ヨーク鉄心は、前記固定子の円周方向に複数の電磁鋼板を積層して構成される。

また、本発明の他の実施形態では、前記固定子磁極鉄心の前記可動子に対向する端部には、スリットが形成される。

また、本発明の他の実施形態では、前記固定子鉄心は、前記固定子の円周方向に複数個に分割される。

また、本発明の他の実施形態では、前記固定子ヨーク鉄心は、前記固定子の円周方向に一体化され、前記固定子磁極鉄心は、前記固定子の円周方向に複数個に分割される。

本発明によれば、固定子鉄心内を流れる磁束に関して、固定子磁極鉄心が軸方向に電磁鋼板を積層して構成されているので、軸方向への磁束の漏れが抑制され、径方向に磁束が流れるようになる。また、固定子ヨーク鉄心まで磁束が流れた磁束は、固定子ヨーク鉄心では軸方向に磁束が流れるので、駆動／発電装置の力率及び効率を向上させることができる。

第１実施形態におけるリニア発電装置の構成図である。第１実施形態における固定子の平面図である。第１実施形態における固定子鉄心の斜視図である。第１実施形態における磁束の流れを示す説明図である。第２実施形態における固定子の平面図である。第３実施形態における固定子鉄心の斜視図である。第４実施形態における固定子鉄心の斜視図である。第５実施形態における固定子鉄心の斜視図である。その他の実施形態における固定子の平面図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について、リニア発電装置を例にとり説明する。但し、本実施形態は同様にリニア駆動装置にも適用できるものである。

＜基本原理＞
まず、本実施形態の基本原理について説明する。

本実施形態のリニア発電装置では、固定子側に設けられる固定子鉄心を固定子ヨーク鉄心と固定子磁極鉄心とに分割し、固定子ヨーク鉄心を軸方向、すなわち可動子の往復移動方向に沿って配設するとともに、固定子磁極鉄心を固定子ヨーク鉄心から可動子側に向けて突出形成して歯部を構成する。固定子磁極鉄心を粉末磁性体で形成する場合には、可動子に設けられた永久磁石からの磁束が固定子磁極鉄心内を通るが、固定子磁極鉄心の歯部間にも漏れてしまう。固定子磁極鉄心を単一の電磁鋼板で形成する場合も同様である。

そこで、本実施形態では、固定子磁極鉄心を複数の電磁鋼板を積層して構成するとともに、その積層方向を歯部の方向、すなわち軸方向とする。このように、電磁鋼板の積層方向を軸方向とすることで、径方向には一体の電磁鋼板が存在することとなり、可動子の永久磁石からの磁束は固定子磁極鉄心内を径方向に流れ、軸方向には漏れ難くなる。

このように、本実施形態では、固定子磁極鉄心を複数の電磁鋼板で構成するとともに、電磁鋼板の積層方向を軸方向とすることにより漏れ磁束を防止して力率の向上を図るものである。

次に、本実施形態の構成をより具体的に説明する。

＜第１実施形態＞
図１に、本実施形態におけるリニア発電装置の構成を示す。リニア発電装置は、固定子１０と可動子２０を備える。固定子１０は中空円筒形状をなし、可動子２０はシャフト状をなして中空円筒形状の固定子１０の軸方向に沿って往復移動する。

固定子１０の内壁面には、固定子鉄心１１が配設される。固定子鉄心１１は、固定子ヨーク鉄心１２と固定子磁極鉄心１４から構成される。固定子鉄心１１は軸方向に積層してなり、固定子磁極鉄心１４の間に固定子コイル１６が配設される。すなわち、固定子鉄心１１と固定子コイル１６は軸方向に積層して構成される。

また、可動子２０は、可動子鉄心２２と永久磁石２４を備える。可動子鉄心２２及び永久磁石２４は、固定子１０の固定子鉄心１１及び固定子コイル１６と同様に軸方向に積層されて構成される。可動子１０は、例えばフリーピストンエンジンにより往復駆動される。すなわち、可動子２０の両端に対向して配置された一対のフリーピストンエンジンの一方のピストンエンジンが膨張、ガス交換、圧縮、燃焼を繰り返し、他方のピストンエンジンが一方のピストンエンジンとタイミングをずらして膨張、ガス交換、収縮、燃焼を繰り返すことで可動子２０が往復移動する。

図２に、固定子１０を軸方向から見た平面図を示す。固定子鉄心１１は、円周方向に分割され、例えば図２に示すように円周方向に４分割される。分割数は必ずしも４である必要はなく、６あるいはそれ以上であってもよい。

図３に、４分割された固定子鉄心１１のうちの１つの固定子鉄心１１の斜視図を示す。固定子鉄心１１は、上記のように、固定子ヨーク鉄心１２と固定子磁極鉄心１４から構成される。固定子ヨーク鉄心１２は、粉末磁性体を成形して構成される。また、固定子磁極鉄心１４は、電磁鋼板を軸方向に積層して構成される。但し、固定子ヨーク鉄心１２の軸方向の長さをＬ１、固定子磁極鉄心１４の軸方向の積層長さをＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２となるように電磁鋼板を積層して固定子磁極鉄心１４が構成される。このように、Ｌ１＞Ｌ２となるように固定子磁極鉄心１４の長さを調整することで、固定子ヨーク鉄心１２の軸方向には、固定子磁極鉄心１４が存在しない空間が存在することになる。本実施形態では、この空間、すなわち固定子ヨーク鉄心１２の軸方向のうち、固定子磁極鉄心１４が存在しない空間に固定子コイル１６を配設する。

以上のように、本実施形態におけるリニア発電装置では、固定子鉄心１１が固定子ヨーク鉄心１２と固定子磁極鉄心１４とに分割され、固定子ヨーク鉄心１２は粉末磁性体を成形して構成される一方で、磁極歯部として機能する固定子磁極鉄心１４は軸方向に電磁鋼板を積層して構成される。このため、粉末磁性体を一体成形して構成する場合に比べて磁極歯部では軸方向に磁束が流れ難くなり、固定子ヨーク鉄心１２まで径方向に磁束が流れる。そして、固定子ヨーク鉄心１２では軸方向に磁束が流れることになるので、対極に磁束が流れることになる。

図４に、本実施形態におけるリニア発電装置の磁束の流れを示す。可動子２０の可動子永久磁石２４のＮ極からの磁束は固定子磁極鉄心１４を径方向に沿って流れ、固定子ヨーク鉄心１２に達する。そして、固定子ヨーク鉄心１２を軸方向に沿って流れ、再び固定子磁極鉄心１４を径方向に沿って流れてＳ極に流れる。このように、磁束が径方向に固定子ヨーク鉄心１２まで流れることで、磁束が固定子コイル１６全体を鎖交し、漏れ磁束が減少して力率が向上する。さらに、漏れ磁束による鉄損も減少するので、装置全体の効率が向上する。

＜第２実施形態＞
第１実施形態では、固定子鉄心１１が円周方向に４分割され、固定子ヨーク鉄心１２及び固定子磁極鉄心１４も同様に円周方向に４分割されるが、固定子ヨーク鉄心１２は円周方向に分割されずに一体化され、固定子磁極鉄心１４のみ円周方向に４分割されていてもよい。

図５に、固定子１０を軸方向から見た他の平面図を示す。固定子ヨーク鉄心１２は円周方向に分割されておらず、固定子磁極鉄心１４のみが円周方向に４分割される。本実施形態においても、固定子ヨーク鉄心１２は粉末磁性体を成形して構成される一方で、磁極歯部として機能する固定子磁極鉄心１４は軸方向に電磁鋼板を積層して構成される。このため、粉末磁性体を一体成形して構成する場合に比べて磁極歯部では軸方向に磁束が流れ難くなり、固定子ヨーク鉄心１２まで径方向に磁束が流れ、力率が向上する。

＜第３実施形態＞
第１及び第２実施形態では、電磁鋼板を軸方向に積層することで固定子磁極鉄心１４を構成しているが、固定子磁極鉄心１４を円周方向に高精度に配設するとともに、積層した固定子磁極鉄心１４の抜けを防止するために、固定子ヨーク鉄心１２と固定子磁極鉄心１４とが構造上互いに係合する構成としてもよい。

図６に、本実施形態における固定子鉄心１１の斜視図を示す。固定子ヨーク鉄心１２にダブテイル溝１２ａを形成するとともに、固定子磁極鉄心１４にダブテイル突部を形成し、ダブテイル突部をダブテイル溝１２ａに嵌合させつつ電磁鋼板を積層して固定子磁極鉄心１４を構成する。これにより、固定子磁極鉄心１４はダブテイル溝１２ａにより円周方向が位置決めされるとともに、電磁鋼板の抜けが効果的に防止される。

＜第４実施形態＞
上記の各実施形態では、固定子ヨーク鉄心１２は、粉末磁性体を成形して構成されているが、固定子磁極鉄心１４と同様に電磁鋼板を積層して構成されていてもよい。

図７に、本実施形態における固定子鉄心１１の斜視図を示す。固定子ヨーク鉄心１２は、電磁鋼板を円周方向に積層して構成される。また、固定子磁極鉄心１４は、電磁鋼板を軸方向に積層して構成される。この場合においても、固定子ヨーク鉄心１２の軸方向の長さをＬ１、固定子磁極鉄心１４の軸方向の積層長さをＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２となるように電磁鋼板が積層される。

＜第５実施形態＞
上記の各実施形態では、電磁鋼板を積層することで固定子磁極鉄心１４が構成されているが、可動子２０の磁極との位置関係や、可動子２０を浮上させるための固定子浮上コイルに流す電流の条件によっては、固定子磁極鉄心１４の磁極先端部で磁束が軸方向に漏れる可能性がある。本実施形態のようなリニア発電装置では、可動子２０の往復移動方向と磁束の向きが直交するため、可動子２０の位置を径方向、すなわち往復移動方向と垂直方向に維持することが困難となるため、固定子磁極鉄心１４よりもさらに可動子２０側の先端に固定子浮上コイルを配設し、この固定子浮上コイルと可動子２０の可動子永久磁石２４との電磁力により可動子２０の径方向位置を調整する場合があるが、固定子浮上コイルに流れる電流によって固定子磁極鉄心１４の電磁鋼板面内に渦電流が生じる可能性がある。

そこで、図８に示すように、固定子磁極鉄心１４の先端部、すなわち固定子磁極鉄心１４の可動子２０に対向する端部に、円周方向に沿って複数のスリット１５を形成する。スリット１５により電磁鋼板が先端部において互いに離間し、渦電流の発生を抑制し、あるいは渦電流の発生面積を縮小化できる。複数のスリット１５は、積層される全ての電磁鋼板に形成してもよく、あるいは複数の電磁鋼板のいくつかに形成してもよい。また、必ずしも複数のスリット１５ではなく、単一のスリットを先端に形成してもよい。

＜その他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく種々の変更が可能である。

例えば、図６に示す形態では、固定子ヨーク鉄心１２に溝１２ａを形成し、固定子磁極鉄心１４に突部を形成しているが、固定子ヨーク鉄心１２に突部を形成し、固定子磁極鉄心１４に溝を形成してもよい。要するに、固定子ヨーク鉄心１２と固定子磁極鉄心１４のいずれか一方に溝を形成し、他方にこの溝に嵌合する突部を形成して係合させる構成とすればよい。

また、図６〜図８の形態を互いに組み合わせることもできる。例えば、図６と図７の組み合わせ、図６と図８の組み合わせ、図７と図８の組み合わせ、さらには図６と図７と図８の組み合わせも可能である。図７と図８の組み合わせでは、固定子ヨーク鉄心１２は電磁鋼板を円周方向に積層して構成されるとともに、固定子磁極鉄心１４の先端にスリット１５が形成される。

また、図２あるいは図５のいずれかと、図６〜図８の形態を互いに組み合わせることもできる。例えば、図５と図６の組み合わせでは、固定子ヨーク鉄心１２は円周方向に一体的に形成されるとともに固定子磁極鉄心１４は円周方向に４分割され、かつ、固定子ヨーク鉄心１２にはダブテイル溝１２ａを形成し、固定子磁極鉄心１４にダブテイル突部を形成する。

また、本実施形態では、軸方向に複数の電磁鋼板を積層することで固定子磁極鉄心１４が構成されるが、必ずしも電磁鋼板の積層方向と軸方向が厳密に平行であることを意味するものではなく、電磁鋼板の積層方向が軸方向に沿っていれば足りる。また、「軸方向」は、可動子２０の往復移動方向であるが、シャフト形状の可動子２０のシャフトの軸方向あるいはシャフトの長手方向ということもできる。あるいは、円筒形固定子１０の延在方向ということもできる。図１において、互いに直交する２軸をｘ軸、ｙ軸とすると、軸方向はｘ軸方向、径方向はｙ軸方向である。

また、本実施形態では、可動子２０は一対のフリーピストンにより往復移動しているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、他のエンジンないし駆動機構により可動子２０を往復移動してもよい。但し、フリーピストンを用いたリニア発電装置、言い換えればフリーピストンエネルギコンバータ（Free-Piston Energy Converter：ＦＲＥＣ）は、化学エネルギを電気エネルギに変換する効率に優れており、望ましいといえる。

さらに、本実施形態をリニア駆動装置に適用する場合には、固定子コイル１６を発電コイルでなく、駆動コイルとして用いて駆動電流を流す。これにより、可動子２０の可動子永久磁石２４との間の電磁力により可動子２０は軸方向に移動する。

なお、図５では、固定子磁極鉄心１４が円周方向に４分割されているが、必ずしも固定子磁極鉄心１４が完全に分割されている必要はなく、固定子鉄心の外周部において分割されていればよい。したがって、図９に示すように、固定子磁極鉄心１４は円筒状固定子の外周部において４つに分割され、それぞれの磁極が互いに分離しているものの、内周部においてそれぞれの磁極が互いに接続され一体化してもよい。

１０固定子、１１固定子鉄心、１２固定子ヨーク鉄心、１４固定子磁極鉄心、１５スリット、１６固定子コイル、２０可動子、２２可動子鉄心、２４可動子永久磁石。

Claims

リニア駆動／発電装置であって、
円筒状の固定子と、
前記固定子内を軸方向に往復移動する、磁石を備えた可動子と、
を有し、
前記固定子は、前記軸方向に積層された固定子鉄心及び固定子コイルを有し、
前記固定子鉄心は、
前記軸方向に複数の鋼板を積層せずに前記軸方向に延在した固定子ヨーク鉄心と、
前記軸方向に複数の電磁鋼板を積層してなり、前記固定子ヨーク鉄心と別個の固定子磁極鉄心と、
を有し、前記固定子磁極鉄心の軸方向長さは、前記固定子ヨーク鉄心の軸方向長さよりも短く、
前記固定子コイルは、前記固定子ヨーク鉄心の軸方向のうち、前記固定子磁極鉄心が存在しない空間に配設される
ことを特徴とするリニア駆動／発電装置。
請求項１記載のリニア駆動／発電装置において、
前記固定子ヨーク鉄心と前記固定子磁極鉄心のいずれか一方に溝が形成され、他方に前記溝に係合する突部が形成される
ことを特徴とするリニア駆動／発電装置。
請求項１記載のリニア駆動／発電装置において、
前記固定子ヨーク鉄心は、前記固定子の円周方向に複数の電磁鋼板を積層して構成される
ことを特徴とするリニア駆動／発電装置。
請求項１記載のリニア駆動／発電装置において、
前記固定子磁極鉄心の前記可動子に対向する端部には、スリットが形成される
ことを特徴とするリニア駆動／発電装置。
請求項１記載のリニア駆動／発電装置において、
前記固定子鉄心は、前記固定子の円周方向に複数個に分割される
ことを特徴とするリニア駆動／発電装置。
請求項５記載のリニア駆動／発電装置において、
前記固定子ヨーク鉄心は、前記固定子の円周方向に一体化され、
前記固定子磁極鉄心は、前記固定子の円周方向に複数個に分割される
ことを特徴とするリニア駆動／発電装置。
請求項６記載のリニア駆動／発電装置において、
前記固定子磁極鉄心は、円筒状の外周部において円周方向に複数個に分割され、円筒状の内周部において一体化される
ことを特徴とするリニア駆動／発電装置。