JP5768376B2

JP5768376B2 - 直動発電機

Info

Publication number: JP5768376B2
Application number: JP2011005792A
Authority: JP
Inventors: 幸士寺島; 阿部　誠; 阿部　　誠
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2011-01-14
Filing date: 2011-01-14
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2031-01-14
Also published as: JP2012147631A

Description

本発明は、ストロークの長さが長くなることなく巻線量を増加させることができる直動発電機に関する。

地球温暖化防止対策として省エネルギが重要視される近年、温度が低く未使用のまま捨てられている様々な廃熱を利用するスターリングエンジン等の外燃機関が再注目されている。スターリングエンジンには様々な形式があるが、構造が単純で信頼性が高いフリーピストン型スターリングエンジンが特に注目されている。フリーピストン型スターリングエンジンは、出力が直線運動となる。この直線運動を電力に変換するには、直動発電機が必要になる。

直動発電機は、車両や船舶や構造物等の振動、あるいは波浪や風などの自然界の振動から電力を得る手段としても知られている。

直動発電機は、永久磁石と巻線とが相対運動することで起電力が得られるよう、相対運動する２つのヨークの一方に永久磁石が設けられ、他方に巻線が設けられる。

図３に示された直動発電機１０１は、永久磁石１０２を含み一方向（以下、軸方向という）に往復振動するほぼ円柱状を呈する内側可動ヨーク１０３と、内側可動ヨーク１０３に対して側方向（以下、径方向外方という）に離れて位置し、内側可動ヨーク１０３を周回する巻線１０４を収容したほぼ円柱状を呈する外側固定ヨーク１０５とを備える。

内側可動ヨーク１０３は、軸方向に適宜な長さで延びた胴体部１０３ａと、胴体部１０３ａの軸方向の一端と反対端から径方向外方に突き出した一端突起部１０３ｂ及び反対端突起部１０３ｃと、一端突起部１０３ｂと反対端突起部１０３ｃの中間から径方向外方に突き出した永久磁石１０２とを有する。永久磁石１０２と一端突起部１０３ｂとの間は、軸方向に十分大きい距離ｄ離れている。永久磁石１０２と反対端突起部１０３ｃとの間は、軸方向に十分大きい距離ｄ離れている。永久磁石１０２と一端突起部１０３ｂと反対端突起部１０３ｃの外径は同じである。また、永久磁石１０２と一端突起部１０３ｂと反対端突起部１０３ｃの軸方向長さは同じである。なお、永久磁石１０２に代えて中央突起部１０３ｄが形成されてもよく、永久磁石１０２は胴体部１０３ａに挿入されたり一端突起部１０３ｂと反対端突起部１０３ｃに代えて設けられてもよい。すなわち、内側可動ヨーク１０３には、径方向外方に突き出た３箇所の突起部１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ（永久磁石１０２）が軸方向に分散して形成される。

外側固定ヨーク１０５は、内側可動ヨーク１０３を周回する巻線１０４を収容するもので、巻線１０４の軸方向の一端と反対端の内側可動ヨーク１０３側（以下、内周という）を覆い内側可動ヨーク１０３に臨む一端内壁１０５ａ及び反対端内壁１０５ｂと、巻線１０４の一端面と反対端面を覆う一端面壁１０５ｃ及び反対端面壁１０５ｄと、巻線１０４の内側可動ヨーク１０３と反対側（以下、外周という）を覆う外周壁１０５ｅとを有する。一端内壁１０５ａ、一端面壁１０５ｃ、外周壁１０５ｅ、反対端面壁１０５ｄ、反対端内壁１０５ｂは、巻線１０４の電線に直角な断面視で、巻線１０４の一部を除いて巻線１０４を包み込むように一体的に繋がっている。巻線１０４の内周では、一端内壁１０５ａと反対端内壁１０５ｂとの間は、軸方向に十分大きい距離ｄ離れている。一端内壁１０５ａと反対端内壁１０５ｂの内径は同じである。一端内壁１０５ａと反対端内壁１０５ｂの軸方向の長さは同じである。

外側固定ヨーク１０５の一端内壁１０５ａ及び反対端内壁１０５ｂと、内側可動ヨーク１０３の永久磁石１０２及び一端突起部１０３ｂあるいは反対端突起部１０３ｃとの間の径方向の距離ｇは、磁力線がこの間隙に集中するよう、十分に小さくなっている。

外側固定ヨーク１０５は、外壁などの固定対象物に固定される。内側可動ヨーク１０３は、図示しないフリーピストン型スターリングエンジンあるいは各種の振動源に連結される。

図３に示されるように、内側可動ヨーク１０３が最も反対端方向に移動した状態では、内側可動ヨーク１０３の一端突起部１０３ｂと外側固定ヨーク１０５の一端内壁１０５ａとが互いに対向し、永久磁石１０２と反対端内壁１０５ｂとが互いに対向する。磁力線は、永久磁石１０２のＮ極→内側可動ヨーク１０３の胴体部１０３ａ→一端突起部１０３ｂ→外側固定ヨーク１０５の一端内壁１０５ａ→一端面壁１０５ｃ→外周壁１０５ｅ→反対端面壁１０５ｄ→反対端内壁１０５ｂ→永久磁石１０２のＳ極の順に通る。

図４に示されるように、内側可動ヨーク１０３が最も一端方向に移動した状態では、永久磁石１０２と外側固定ヨーク１０５の一端内壁１０５ａとが互いに対向し、内側可動ヨーク１０３の反対端突起部１０３ｃと外側固定ヨーク１０５の反対端内壁１０５ｂとが互いに対向する。磁力線は、永久磁石１０２のＮ極→内側可動ヨーク１０３の胴体部１０３ａ→反対端突起部１０３ｃ→外側固定ヨーク１０５の反対端内壁１０５ｂ→反対端面壁１０５ｄ→外周壁１０５ｅ→一端面壁１０５ｃ→一端内壁１０５ａ→永久磁石１０２のＳ極の順に通る。

内側可動ヨーク１０３が図３の状態と図４の状態に交互に変わるように往復振動すると、巻線１０４に交わる磁力線が交互に逆方向に発生するので、巻線１０４に起電力が生じる。図４に示されるように、直動発電機１０１における内側可動ヨーク１０３のストロークの長さはＳ１、ストロークのために占有される空間の長さはＡ１である。

特開平１１−２６２２３４号公報特開２００４−８８８８４号公報

一般に、直動発電機により得られる電力を大きくするためには、巻線量を増加させること、具体的には巻線における電線のターン数を大きくすることが有効である。電線量を増加させるには、巻線を軸方向と径方向のいずれか又は両方に拡大する必要がある。

ところが、図５に示されるように、巻線１０４を軸方向に拡大した直動発電機１５１は、外側固定ヨーク１０５も必然的に軸方向に拡大している。この直動発電機１５１の内側可動ヨーク１０３が反対端方向に移動したとき、外側固定ヨーク１０５の反対端内壁１０５ｂと内側可動ヨーク１０３の反対端突起部１０３ｃとの径方向の距離ｇが小さくなり、反対端突起部１０３ｃから反対端内壁１０５ｂに磁力線が通るようになる。この磁力線は、巻線１０４に交わらない漏れ磁束となるので、起電力に寄与しない。このため直動発電機１５１により得られる電力が小さくなってしまう。

このような反対端突起部１０３ｃと反対端内壁１０５ｂとの望ましくない接近を回避するには、内側可動ヨーク１０３を軸方向に拡大することが考えられる。

しかし、図６に示されるように、内側可動ヨーク１０３が軸方向に拡大された直動発電機１６１は、ストロークの長さがＳ２と長くなり、ストロークのために占有される空間の長さＡ２が拡大されてしまう。ストロークの長さが長くなると、往復振動の周波数が同じであれば、内側可動ヨーク１０３の運動速度が大きくなる。往復振動の周波数を高めると、内側可動ヨーク１０３の運動速度がいっそう大きくなる。内側可動ヨーク１０３の運動速度が大きくなると、内側可動ヨーク１０３を振動自在に支持するための支持構造が複雑化する。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ストロークの長さが長くなることなく巻線量を増加させることができ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の本発明は、永久磁石を含み軸方向に往復振動する内側可動ヨークと、前記内側可動ヨークに対して径方向外方に離れて位置し、前記内側可動ヨークを周回する巻線を収容した外側固定ヨークと、を備え、前記内側可動ヨークは、軸方向に延びた胴体部と、前記胴体部の軸方向の一端から径方向外方に突き出た一端突起部と、前記胴体部の軸方向の反対端から径方向外方に突き出た反対端突起部と、前記胴体部の軸方向の中央から径方向外方に突き出た中央突起部と、を有し、前記外側固定ヨークは、前記巻線の軸方向の一端の内周を覆う一端内壁と、前記巻線の軸方向の反対端の内周を覆う反対端内壁と、前記巻線の軸方向の一端面を覆う一端面壁と、前記巻線の軸方向の反対端面を覆う反対端面壁と、前記巻線の外周を覆う外周壁と、を有し、前記一端内壁は、前記巻線の軸方向の中央寄りの内周に形成され、前記内側可動ヨークから径方向外方に第一の距離離れた磁力線通過部と、前記巻線の軸方向の一端側から前記一端内壁の前記磁力線通過部に亘って軸方向に延在するように形成され、前記内側可動ヨークから径方向外方に前記第一の距離より大きい第二の距離離れた磁力線遮断部と、を有し、前記反対端内壁は、前記巻線の軸方向の中央寄りの内周に形成され、前記内側可動ヨークから径方向外方に前記第一の距離離れた磁力線通過部と、前記巻線の軸方向の反対端側から前記反対端内壁の前記磁力線通過部に亘って軸方向に延在するように形成され、前記内側可動ヨークから径方向外方に前記第二の距離離れた磁力線遮断部と、を有し、前記一端突起部と前記反対端突起部は、前記中央突起部から前記胴体部の軸方向に第三の距離離れて位置し、前記一端内壁と前記反対端内壁は、前記巻線の軸方向に前記第三の距離離れて位置し、前記反対端内壁の前記磁力線通過部と前記一端突起部の前記磁力線通過部は、前記巻線の軸方向に前記第三の距離離れて位置する直動発電機である。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）ストロークの長さが長くなることなく巻線量を増加させることができる。

本発明の一実施形態を示す直動発電機の断面図である。図１の直動発電機の異なる状態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。図３の直動発電機の異なる状態における断面図である。従来の直動発電機に巻線及び外側固定ヨークの軸方向拡大を施した断面図である。従来の直動発電機に巻線及び外側固定ヨーク及び内側可動ヨークの軸方向拡大を施した断面図である。

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、永久磁石１０２を含み一方向（以下、軸方向という）に往復振動するほぼ円柱状を呈する内側可動ヨーク１０３と、内側可動ヨーク１０３に対して側方向（以下、径方向外方という）に離れて位置し、内側可動ヨーク１０３を周回する巻線１０４を収容したほぼ円柱状を呈する外側固定ヨーク１０５とを備える。

内側可動ヨーク１０３には、従来技術と同様に、径方向外方に突き出た３箇所の突起部１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ（永久磁石１０２）が軸方向に分散して形成される。

外側固定ヨーク１０５には、従来技術と同様に、軸方向の一端と反対端に巻線１０４の内側可動ヨーク側（以下、内周という）を覆う内壁１０５ａ、１０５ｂが形成される。

本発明に係る直動発電機１の外側固定ヨーク１０５には、巻線１０４の内周を覆い内側可動ヨーク１０３に臨む内壁１０５ａ，１０５ｂに、内側可動ヨーク１０３から径方向に第一の距離ｇ１離れた磁力線通過部２と、内側可動ヨーク１０３から径方向に第一の距離ｇ１より大きい第二の距離ｇ２離れた磁力線遮断部３とが形成される。

第一の距離ｇ１は、磁力線が磁力線通過部２に集中して通過するよう、十分小さいことが望ましい。第二の距離ｇ２は、磁力線が磁力線遮断部３で遮断されて漏れ磁束が生じないよう、十分大きいことが望ましい。

一端内壁１０５ａの磁力線通過部２は、一端内壁１０５ａの反対端に形成され、反対端内壁１０５ｂの磁力線通過部２は、反対端内壁１０５ｂの一端に形成される。２つの磁力線通過部２は、外側固定ヨーク１０５の軸方向中央を挟んで軸方向に十分大きい距離ｄ離れて形成される。

直動発電機１の動作を説明する。

図１に示されるように、内側可動ヨーク１０３が最も反対端方向に移動した状態では、内側可動ヨーク１０３の一端突起部１０３ｂと外側固定ヨーク１０５の一端内壁１０５ａの磁力線通過部２とが互いに対向し、永久磁石１０２と反対端内壁１０５ｂの磁力線通過部２とが互いに対向する。磁力線は、永久磁石１０２のＮ極→内側可動ヨーク１０３の胴体部１０３ａ→一端突起部１０３ｂ→外側固定ヨーク１０５の一端内壁１０５ａの磁力線通過部２→磁力線遮断部３→一端面壁１０５ｃ→外周壁１０５ｅ→反対端面壁１０５ｄ→反対端内壁１０５ｂの磁力線遮断部３→磁力線通過部２→永久磁石１０２のＳ極の順に通る。

図２に示されるように、内側可動ヨーク１０３が最も一端方向に移動した状態では、永久磁石１０２と外側固定ヨーク１０５の一端内壁１０５ａの磁力線通過部２とが互いに対向し、内側可動ヨーク１０３の反対端突起部１０３ｃと外側固定ヨーク１０５の反対端内壁１０５ｂの磁力線通過部２とが互いに対向する。磁力線は、永久磁石１０２のＮ極→内側可動ヨーク１０３の胴体部１０３ａ→反対端突起部１０３ｃ→外側固定ヨーク１０５の反対端内壁１０５ｂの磁力線通過部２→磁力線遮断部３→反対端面壁１０５ｄ→外周壁１０５ｅ→一端面壁１０５ｃ→一端内壁１０５ａの磁力線遮断部３→磁力線通過部２→永久磁石１０２のＳ極の順に通る。

内側可動ヨーク１０３が図１の状態と図２の状態に交互に変わるように往復振動すると、巻線１０４に交わる磁力線が交互に逆方向に発生するので、巻線１０４に起電力が生じる。図２に示されるように、直動発電機１０１における内側可動ヨーク１０３のストロークの長さはＳ、ストロークのために占有される空間の長さはＡである。

従来技術の図４と本発明の図２とを比較すると、ストロークの長さＳ１，Ｓが等しく、ストロークのために占有される空間の長さＡ１，Ａが等しい。しかし、本発明の巻線１０４は軸方向に大きくなっており、巻線量が増加している。よって、直動発電機１により得られる電力は直動発電機１０１より大きい。

以上説明したように、本発明の直動発電機１は、外側固定ヨーク１０５に内側可動ヨーク１０３から第一の距離ｇ１離れた磁力線通過部２と第二の距離ｇ２離れた磁力線遮断部３とが形成されたので、磁力線通過部２が内側可動ヨーク１０３の永久磁石１０２及び一端突起部１０３ｂあるいは反対端突起部１０３ｃに対向する突起となる。これにより、ストロークの長さＳは２つの磁力線通過部２間の距離に依存し、一方、巻線１０４の軸方向長さはストロークの長さＳに無関係に決定できる。よって、ストロークの長さＳを小さく抑えたまま、巻線１０４を軸方向に拡大して巻線量を増加させることができる。

本発明の直動発電機１は、巻線量の増加により発電量の増加が見込める。

本発明の直動発電機１は、巻線量の増加にあたって巻線１０４を径方向に拡大する必要がない。

本発明の直動発電機１は、巻線１０４を軸方向に拡大してもストロークのために占有される空間の長さＡは大きくならないので、設置スペースの拡大が防止できる。

本発明の直動発電機１は、磁力線遮断部３と内側可動ヨーク１０３間で磁力線が遮断されるので、漏れ磁束による発電能力低下が防止される。

本発明の直動発電機１は、ストロークの長さＳを小さく抑えられるので、内側可動ヨーク１０３に接続されるフリーピストン型スターリングエンジンの振動周波数が高周波化されても、内側可動ヨーク１０３の支持構造が複雑化しない。

本実施形態では、内側可動ヨーク１０３と外側固定ヨーク１０５がほぼ円柱状を呈するものとしたが、内側可動ヨーク１０３と外側固定ヨーク１０５はほぼ円柱状に限らず、ほぼ三角柱状、ほぼ四角柱状などほぼ多角柱状やほぼ楕円柱状に形成されてもよく、内側可動ヨーク１０３が一方向に往復振動するとき巻線１０４に交わる磁力線が交互に逆方向に発生するように突起部１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄと内壁１０５ａ、１０５ｂが形成されたものであれば、内壁１０５ａ、１０５ｂに磁力線通過部２と磁力線遮断部３が形成されることで、本発明は実施される。

１直動発電機
２磁力線通過部
３磁力線遮断部

Claims

永久磁石を含み軸方向に往復振動する内側可動ヨークと、
前記内側可動ヨークに対して径方向外方に離れて位置し、前記内側可動ヨークを周回する巻線を収容した外側固定ヨークと、
を備え、
前記内側可動ヨークは、軸方向に延びた胴体部と、前記胴体部の軸方向の一端から径方向外方に突き出た一端突起部と、前記胴体部の軸方向の反対端から径方向外方に突き出た反対端突起部と、前記胴体部の軸方向の中央から径方向外方に突き出た中央突起部と、を有し、
前記外側固定ヨークは、前記巻線の軸方向の一端の内周を覆う一端内壁と、前記巻線の軸方向の反対端の内周を覆う反対端内壁と、前記巻線の軸方向の一端面を覆う一端面壁と、前記巻線の軸方向の反対端面を覆う反対端面壁と、前記巻線の外周を覆う外周壁と、を有し、
前記一端内壁は、前記巻線の軸方向の中央寄りの内周に形成され、前記内側可動ヨークから径方向外方に第一の距離離れた磁力線通過部と、前記巻線の軸方向の一端側から前記一端内壁の前記磁力線通過部に亘って軸方向に延在するように形成され、前記内側可動ヨークから径方向外方に前記第一の距離より大きい第二の距離離れた磁力線遮断部と、を有し、
前記反対端内壁は、前記巻線の軸方向の中央寄りの内周に形成され、前記内側可動ヨークから径方向外方に前記第一の距離離れた磁力線通過部と、前記巻線の軸方向の反対端側から前記反対端内壁の前記磁力線通過部に亘って軸方向に延在するように形成され、前記内側可動ヨークから径方向外方に前記第二の距離離れた磁力線遮断部と、を有し、
前記一端突起部と前記反対端突起部は、前記中央突起部から前記胴体部の軸方向に第三の距離離れて位置し、
前記一端内壁と前記反対端内壁は、前記巻線の軸方向に前記第三の距離離れて位置し、
前記反対端内壁の前記磁力線通過部と前記一端突起部の前記磁力線通過部は、前記巻線の軸方向に前記第三の距離離れて位置することを特徴とする直動発電機。