JP5879975B2 - 直動発電機 - Google Patents

Description

本発明は、小型化が可能で、発電出力が向上する直動発電機に関する。

往復直線運動により電力を起こす直動発電機が知られている。直動発電機は、固定子にコイル、可動子に永久磁石を取り付け（固定子に永久磁石、可動子にコイルでもよい）、固定子と可動子の相対的な運動により、コイルに交わる磁束の向きや磁束密度が変化することで、起電力を得るものである。固定子と可動子は、磁束を望ましい磁路に導くためのコアで構成される。コアは、透磁率が高く渦電流損失が少ない複数の電磁鋼板を互いに電気的に絶縁して積層したものである。

図６に示した直動発電機１０１は、固定子７と可動子４を中心軸Ｃに対して同軸に配置したものである。外部から加振されて軸方向に往復直線運動する入力シャフト２の外周に永久磁石３を有する可動子４が取り付けられ、入力シャフト２を軸方向に往復直線運動自在に保持するケース５の内周に入力シャフト２を中心にして周回したコイル６を有する固定子７が取り付けられる。固定子７の内周と可動子４の外周は、磁束が通りやすいよう極力狭く形成された空隙８を隔てて径方向に対向している。永久磁石３の着磁方向は径方向である。ここでは着磁方向は径方向外方とする。

図６には、コイル６の断面の周囲を周回する磁路Ｍのイメージが示されている。すなわち、磁束は、永久磁石３から固定子７の内周部を軸方向に通って端面部に至り（磁路Ｍａ）、端面部を径方向外方に通り（磁路Ｍｂ）、固定子７の外周部で軸方向に折り返して反対端面部に至り（磁路Ｍｃ）、反対端面部を径方向内方に通り（磁路Ｍｄ）、可動子４を径方向及び軸方向に通って永久磁石３に戻る（磁路Ｍｅ）。可動子４の運動位置に応じて磁路の方向が反転するのでコイル６に起電力が生じる。

特開２００７−２７４８７１号公報 特開２０１１−１１５０３７号公報

直動発電機のコアにおける電磁鋼板の積層構造として、複数の電磁鋼板が周方向に配列されたものが特許文献１に示されている。このように、複数の電磁鋼板が周方向に配列されると、図６にイメージとして示した全磁路Ｍにわたり磁束の向きが電磁鋼板の面に沿うので、渦電流の発生が抑制され、発電効率が向上する。軸方向から見ると電磁鋼板の辺が放射状に並ぶことから、以下、このような電磁鋼板の配置を放射状配置という。

しかしながら、電磁鋼板は板厚が均一であるため、電磁鋼板を放射状配置すると、コアの内周では電磁鋼板同士が密着するが外周では電磁鋼板間に隙間が生じる。コアの内周から外周までの径が大きいほど隙間は大きい。隙間がコア内にあることで、コア全体が占める空間に比して電磁鋼板が占める比率、すなわち電磁鋼板の密度が小さくなる。磁束を多く通すために十分な量の電磁鋼板を実装しようとするとコア全体が占める空間が大きくなり、直動発電機が大型化してしまう。

また、図７に示されるように、外側に位置する固定子７の内周は電磁鋼板１０２同士が密着するのに対し、固定子７の内側に位置し空隙８を隔てて固定子７に対向している可動子４の外周は電磁鋼板１０３間に隙間が生じている。磁束は、固定子７から可動子４または可動子４から固定子７へ径方向に通るので、可動子４における磁路断面積は電磁鋼板１０３を周方向に切った断面積で規定され、隙間の部分は磁路断面積に寄与しない。

ここで、可動子４の磁気抵抗は、

で定義される。したがって、磁路断面積が小さいと、可動子４の磁気抵抗が大きくなり、発電出力が低下する。

これに対し、特許文献１のように、コアの中心部分に大きな空間を確保し、電磁鋼板の径方向の長さを短くすることで、コアの外周の電磁鋼板間に生じる隙間を小さくすることはできる。しかし、コアの中心部分に大きな空間を確保すると、コアの外径が大きくなり、直動発電機が大型化してしまう。また、特許文献１の電磁鋼板は、隙間があっても整列させ易いようにエンボスを形成することになるが、電磁鋼板のプレス加工が容易でない。

特許文献２のように電磁鋼板をロール状に巻いて電磁鋼板間の隙間を無くすることは可能である。しかし、電磁鋼板をロール状に巻くと、可動子の外周あるいは固定子の内周の径を周方向に一定にすることが難しく、空隙が周方向に均一にならない。また、特許文献２のコアは、磁路の一部で磁束の向きが電磁鋼板の面に交差するので、渦電流が大きくなり、発電出力が低下する。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、小型化が可能で、発電出力が向上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の直動発電機は、外部から加振されて軸方向に往復直線運動する入力シャフトの外周に永久磁石を有する可動子が取り付けられ、前記入力シャフトを軸方向に往復直線運動自在に保持するケースの内周に前記入力シャフトを中心にして周回したコイルを有する固定子が取り付けられ、前記固定子の内周と前記可動子の外周が空隙を隔てて径方向に対向した直動発電機において、前記固定子は、板厚が一定で径方向長さが異なる第一電磁鋼板と第二電磁鋼板とを周方向に交互に積層してなり、前記第一電磁鋼板と前記第二電磁鋼板は、前記コイルの軸方向片側に配置される片側切片と反対側に配置される反対側切片とを有し、前記第一電磁鋼板の片側切片と前記第二電磁鋼板の反対側切片とが軸方向に並び、前記第一電磁鋼板の反対側切片と前記第二電磁鋼板の片側切片とが軸方向に並ぶものである。

前記第一電磁鋼板は、前記固定子の内周から外周までの径方向長さを有し、前記第二電磁鋼板は、前記第一電磁鋼板同士の隙間が板厚と同じになる位置から前記固定子の外周までの径方向長さを有してもよい。

前記可動子は、板厚が一定で径方向長さが異なる第三電磁鋼板と第四電磁鋼板とを周方向に交互に積層してなってもよい。

前記第三電磁鋼板は、前記可動子の内周から外周までの径方向長さを有し、前記第四電磁鋼板は、前記第三電磁鋼板同士の隙間が板厚と同じになる位置から前記可動子の外周までの径方向長さを有してもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）小型化が可能となる。

（２）発電出力が向上する。

本発明の一実施形態を示す直動発電機の中心軸に直角な断面図である。 図１の直動発電機のＡ−Ａ断面図である。 固定子に使われる電磁鋼板の平面図及び固定子のコアを軸方向から見た部分平面図である。 図３の部分拡大図である。 本発明における可動子と固定子のコアを軸方向から見た部分平面図である。 直動発電機の中心軸に沿った断面図である。 従来技術における可動子と固定子のコアを軸方向から見た部分平面図である。

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及び図２に示されるように、本発明に係る直動発電機１は、外部から加振されて軸方向に往復直線運動する入力シャフト２の外周に永久磁石３を有する可動子４が取り付けられ、入力シャフト２を軸方向に往復直線運動自在に保持するケース５（図６参照）の内周に入力シャフト２を中心にして周回したコイル６を有する固定子７が取り付けられ、固定子７の内周と可動子４の外周が空隙８を隔てて径方向に対向している。

固定子７は、板厚が一定で径方向長さが異なる第一電磁鋼板９と第二電磁鋼板１０とを周方向に交互に積層してなり、可動子４は、板厚が一定で径方向長さが異なる第三電磁鋼板１１と第四電磁鋼板１２とを周方向に交互に積層してなる。

図３及び図４に示されるように、固定子７では、第一電磁鋼板９は、固定子７の内周から外周までの径方向長さを有し、第二電磁鋼板１０は、第一電磁鋼板９同士の隙間が板厚と同じになる位置から固定子７の外周までの径方向長さを有する。

第一電磁鋼板９は、固定子７の内周部に位置する内周リブ１３と、固定子７の端面部に位置する端面リブ１４と、固定子７の外周部に位置する外周リブ１５とが一体に形成されてコ字状を呈する。本実施形態では、第二電磁鋼板１０は、外周リブ１５と同じ形状である。

図２及び図３に示されるように、第一電磁鋼板９と第二電磁鋼板１０は、コイル６の軸方向片側に配置される片側切片９ａ，１０ａと反対側に配置される反対側切片９ｂ，１０ｂとを有し、第一電磁鋼板９の片側切片９ａと第二電磁鋼板１０の反対側切片１０ｂとが軸方向に並び、第一電磁鋼板９の反対側切片９ｂと第二電磁鋼板１０の片側切片１０ａとが軸方向に並ぶ。

片側切片９ａの外周リブ１５及び片側切片１０ａと反対側切片９ｂの外周リブ１５及び反対側切片１０ｂは、互いに接して突き合わされるようになっている。本実施形態では、片側切片９ａの外周リブ１５及び片側切片１０ａと反対側切片９ｂの外周リブ１５及び反対側切片１０ｂの突き合わせ部分が段違いになっている。片側切片９ａの内周リブ１３と反対側切片９ｂの内周リブ１３は、軸方向に十分に広い間隔が空くようになっている。

図５に示されるように、可動子４では、第三電磁鋼板１１は、可動子４の内周（＝入力シャフト２）から可動子４の外周（空隙８）までの径方向長さを有し、第四電磁鋼板１２は、第三電磁鋼板１１同士の隙間が板厚と同じになる位置から可動子４の外周までの径方向長さを有する。

図２に示されるように、入力シャフト２には、可動子４の軸方向両端に接する２つのフランジ１７が設けられる。第三電磁鋼板１１は、ほぼ矩形の外観形状であるが、あらかじめフランジ１７と永久磁石３を嵌め込むための切欠部が形成される。第四電磁鋼板１２は、ほぼ矩形の外観形状であるが、あらかじめ永久磁石３を嵌め込むための切欠部が形成される。フランジ１７の外周に、第三電磁鋼板１１と第四電磁鋼板１２を交互に置いて樹脂で仮接着することで図１のように第三電磁鋼板１１と第四電磁鋼板１２が放射状配置に整列される。残っている隙間には樹脂が充填される。

図２に示されるように、コイル６はボビン１６に収容される。ボビン１６は、外周が円筒面になっている。ボビン１６の外径寸法は、ボビン１６の外周が第一電磁鋼板９同士の隙間が板厚と同じになる位置に一致するよう設定されている。ボビン１６の外周に、片側切片９ａの外周リブ１５及び片側切片１０ａと反対側切片９ｂの外周リブ１５及び反対側切片１０ｂの内周側を交互に置いて仮接着することで図１のように第一電磁鋼板９と第二電磁鋼板１０が放射状配置に整列される。残っている隙間には樹脂が充填される。

図１に示されるように、第一電磁鋼板９及び第二電磁鋼板１０は、全周にわたり設けられるのではなく、ボビン１６の導線引出部１８については除外される。なお、図１は符号記入のため、周方向の一部を省略してある。

以下、本発明に係る直動発電機１の作用効果を説明する。

本発明の直動発電機１にあっては、図３に示されるように、固定子７は、板厚が一定で径方向長さが異なる第一電磁鋼板９と第二電磁鋼板１０とを周方向に交互に積層してなるため、従来技術より隙間が少なくなり、電磁鋼板の密度が大きくなる。したがって、磁束を多く通すために十分な量の電磁鋼板を実装したとき、コア全体が占める空間は従来技術より小さくなり、直動発電機１の小型化が達成される。特に、本実施形態では、磁路Ｍｃ（図６参照）が通る固定子７の外周部では、第一電磁鋼板９の外周リブ１５同士の間に外周リブ１５と同じ形状を有する第二電磁鋼板１０が存在することになるので、従来技術に比べて磁路断面積は２倍が確保され、従来技術と同じ磁路断面積を確保しつつ固定子７の外径を小さくすることができる。

本発明の直動発電機１にあっては、図５に示されるように、可動子４は、板厚が一定で径方向長さが異なる第三電磁鋼板１１と第四電磁鋼板１２とを周方向に交互に積層してなるため、従来は隙間であったところに第四電磁鋼板１２が存在することになり、磁路Ｍｅ（図６参照）が通る可動子４の外周部における磁路断面積が大きくなる。この結果、可動子４の磁気抵抗が小さくなり、発電出力が向上する。

本発明の直動発電機１にあっては、第一〜第四電磁鋼板９〜１２は、板厚が一定であり、板厚方向の膨らみがないのでプレスにより容易に成形できる。

本実施形態では、片側切片９ａの外周リブ１５及び片側切片１０ａと反対側切片９ｂの外周リブ１５及び反対側切片１０ｂの突き合わせ部分を段違いとしたが、段違いでなくともよく、合わせ目が軸に対して直角あるいは傾斜した直線となってもよい。

１ 直動発電機
２ 入力シャフト
３ 永久磁石
４ 可動子
５ ケース
６ コイル
７ 固定子
８ 空隙
９ 第一電磁鋼板
１０ 第二電磁鋼板
１１ 第三電磁鋼板
１２ 第四電磁鋼板

Claims (4)

1. 外部から加振されて軸方向に往復直線運動する入力シャフトの外周に永久磁石を有する可動子が取り付けられ、前記入力シャフトを軸方向に往復直線運動自在に保持するケースの内周に前記入力シャフトを中心にして周回したコイルを有する固定子が取り付けられ、前記固定子の内周と前記可動子の外周が空隙を隔てて径方向に対向した直動発電機において、
   前記固定子は、板厚が一定で径方向長さが異なる第一電磁鋼板と第二電磁鋼板とを周方向に交互に積層してなり、
   前記第一電磁鋼板と前記第二電磁鋼板は、前記コイルの軸方向片側に配置される片側切片と反対側に配置される反対側切片とを有し、
   前記第一電磁鋼板の片側切片と前記第二電磁鋼板の反対側切片とが軸方向に並び、
   前記第一電磁鋼板の反対側切片と前記第二電磁鋼板の片側切片とが軸方向に並ぶことを特徴とする直動発電機。
2. 前記第一電磁鋼板は、前記固定子の内周から外周までの径方向長さを有し、
   前記第二電磁鋼板は、前記第一電磁鋼板同士の隙間が板厚と同じになる位置から前記固定子の外周までの径方向長さを有することを特徴とする請求項１記載の直動発電機。
3. 前記可動子は、板厚が一定で径方向長さが異なる第三電磁鋼板と第四電磁鋼板とを周方向に交互に積層してなることを特徴とする請求項１又は２記載の直動発電機。
4. 前記第三電磁鋼板は、前記可動子の内周から外周までの径方向長さを有し、
   前記第四電磁鋼板は、前記第三電磁鋼板同士の隙間が板厚と同じになる位置から前記可動子の外周までの径方向長さを有することを特徴とする請求項３記載の直動発電機。