JP6213782B2 - 磁気装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つのステータ磁石及び少なくとも１つのトランスレータ磁石を含む磁気装置であって、上記トランスレータは上記ステータに対してトランスレータ移動方向に移動可能であり、上記トランスレータ移動方向は指向的にステータに向かう向きであり、上記トランスレータは駆動軸に更に連結されている、磁気装置に関する。

本発明の磁気装置の可能な用途は、磁気駆動装置として、発電機として、又は、加えられる外力に抗して作用する力を発生させる抵抗装置としてのその使用を含む。磁気装置が磁気駆動装置として用いられる場合、駆動軸は機械的作用を行うことができる。

現行の技術水準によると、磁気駆動装置は、磁気双極子を用いるという原理に基づく。反発力及び引力を活性化することによって、トランスレータはステータ磁石に対して移動させられる。この移動は、トランスレータの方向を有する直線運動若しくは回転運動、又はステータを越えて方向付けられるトランスレータの揺動運動にあるものとすることができる。トランスレータ磁石の揺動運動に基づく現行の技術水準による磁気駆動装置は、トランスレータ磁石及びステータ磁石が少なくとも最終位置において互いに接触することを特徴とする。現行の技術水準による磁気駆動装置の、その終端位置にあるトランスレータ及びステータは１つの磁石として働き、したがってステータ及びトランスレータを分離するには高いエネルギー入力が必要である。

特許文献１は、２つのステータ間で移動可能な少なくとも１つのトランスレータを有する磁気装置であって、上記トランスレータの移動軸が上記ステータを通って延びる、磁気装置を開示している。トランスレータの移動は、ステータに設けられるスペーサ要素によって制限される。スペーサ要素は、発電機が発生させる騒音、及び、例えばステータとトランスレータとの接触によって発生する機械騒音を低減する目的を果たす。

特許文献２は、磁石によって駆動される針の移動を制御する装置を記載している。針の移動が、磁石が生成する力に対して制御されるという根拠はない。

特許文献３は、トランスレータの移動軸がステータを通って延びない磁気装置を示している。トランスレータはステータに沿って横方向に移動し、この結果、ステータとトランスレータとの間に結果として生じる力がトランスレータの移動に対して平行ではなくなる。トランスレータとステータとの間に結果として生じる力に対するトランスレータの移動の制御に関する根拠がないにもかかわらず、特許文献３に開示されている装置は、トランスレータの移動に関する力の向きに起因して、以下で説明する装置よりも大幅に低い効率を有する。

特許文献４は、トランスレータの移動がスペーサ要素によって制御される磁気装置を記載している。上記スペーサ要素は、ステータとトランスレータとの間の力に影響を与えないように形成される。

特許文献５は、以下で説明する磁気装置とは対照的に、トランスレータの移動を制御する制御装置を有しない磁気装置に関するものである。

特許文献６は、同様にトランスレータの移動を制御するいなかる制御装置も含まない磁気装置を開示している。

特開２００６−３２５３８１号 特開２００６−３４５６５２号 米国特許出願公開第２００６００４９７０１号 特開２０１０−１０４０７８号 ルーマニア特許第１２６２５６号 特開２００２−３３５６６２号

本発明の課題は、現行の技術水準による既知の電磁モータよりも高い効率を特徴とする、磁気装置、特に磁気駆動装置、発電機又は抵抗素子を提供することにある。

簡略化のために、トランスレータ磁石は以下ではトランスレータと称され、一方でステータ磁石はステータと称される。

本発明によると、より高い効率は、磁気装置に制御装置を含めることによって達成され、上記制御装置は、磁気装置の動作時に、ステータとトランスレータとの間に結果として生じる力に関して、ステータに対するトランスレータの距離ｒ＞０（ｒは０よりも大きい）を制御する装置を含み、トランスレータは、直線的なトランスレータ移動軸に沿ってステータに対してトランスレータの移動方向に移動可能であり、上記少なくとも１つのステータ及び上記トランスレータは上記トランスレータ移動軸に沿う向きである。

本発明によって提供されるようにトランスレータ及びステータが距離ｒ＞０だけ離間している場合、トランスレータ及びステータが１つの磁石として働くことを防止することが可能である。

本開示の枠組みでは、距離ｒは、ステータに面するトランスレータの表面とトランスレータに面するステータの表面との間の最小距離として規定される。

ステータ及びトランスレータは、磁石片、及び当該磁石片を覆う層、又はステータ及びトランスレータの磁石片間の接触の確立を防止するセパレータを含むことができるため、ステータとトランスレータとの間の距離ｒが０である場合、ステータ及びトランスレータの磁石片は互いに接触しない。

制御装置は、距離ｒを、磁石の一時的な特性に応じたものとすることもできる。磁石の一時的な特性は、一方では、熱歪み等の外的要因に起因して変化する場合があり、他方では、更なる制御装置によって制御することができる。磁場の磁場強度及び磁石の向きは、例えば現行の技術水準による方法によって制御することができる。現在の教示によって確立されているように、選択される材料及び材料の組み合わせも磁石の特性に影響を与える。

本発明の磁気装置の一部である制御装置は、上述の影響、並びに少なくとも１つのステータ及び少なくとも１つのトランスレータの磁石の特性を考慮して距離ｒを制御することができる。

試験的な設置では、最小の距離ｒは１．０ｍｍ〜２．０ｍｍになった。試験的な設置は、その距離を連続的に調整可能であるように構成することができるため、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍのあらゆる距離について試験を行った。

トランスレータ及びステータが沿うように配置される軸は多角形であるものとすることができるか、又は湾曲部分及び直線部分を有することができる。

確立されている教示によると、ステータ及びトランスレータは、１つの磁石として働き、接触するか、短時間でも接触するか、又はステータとトランスレータとの間の距離がトランスレータの揺動運動を得るようにちょうど十分に小さくなると、トランスレータをステータから分離するために付加的な分離エネルギーが必要になる。本明細書において開示される本発明の別の課題は、磁気装置であって、本発明の磁気装置の動作時にステータ及びトランスレータが決して互いに接触せず、したがって、確立されている教示のように磁気装置の動作中に１つの磁石として働くことが決してないことを確実にすることを特徴とする、磁気装置を提供することにある。これは、トランスレータがステータから離れる方向に移動するときに上記付加的な分離エネルギーを必要としない動作を可能にする。

本発明は、本発明の磁気装置が使用されていないときのトランスレータとステータとの接触を排除するものではない。

磁気装置は、磁気駆動装置として用いられる場合は、動かされるようになっているとともに、トランスレータ経路に沿うトランスレータの様々な加速を相殺する遠心質量体に連結することができる。一例として、本明細書では現行の技術水準によるフライホイールに言及する。

本発明による磁気装置は、少なくとも１つのステータ、及び当該ステータに対して移動することができるトランスレータを含む。本発明の磁気装置の１つの非常に効率的な実施形態は、２つのステータ、及び当該２つのステータ間に移動可能に取り付けられているトランスレータを含む。駆動装置が連続して配置される場合、本発明の磁気装置は、複数のステータ（ｎ＝１，２，３，．．．）、及び当該ステータ間に移動可能に取り付けられているｎ−１個のトランスレータを含むことができる。

本発明の磁気装置の可能な実施形態は、例えば軸の中央に配置される少なくとも１つのステータ、好ましくは２つのステータ、及び、ステータの両側において軸に配置される少なくとも１つのトランスレータ、好ましくは２つのトランスレータを含むことができる。

本発明による磁気装置は、本発明による別の磁気装置、及び／又は現行の技術水準による磁気装置と組み合わせることができる。

ステータに対するトランスレータの移動は揺動運動であるものとすることができる。

トランスレータはステータに対して常に振動する。トランスレータの移動は、ステータとトランスレータとの間の磁気双極子が発生させる引力及び反発力によって引き起こされる。

本発明の磁気装置の磁気駆動装置としての使用は、トランスレータの揺動運動を特徴とすることができる。

トランスレータの揺動運動は、機械的な拘束力を働かせるシステムによっても生じさせることができる。トランスレータを、クランク機構のような機械的な拘束力を働かせるシステムに連結することによって、トランスレータの揺動運動の振幅を制限することが可能となる。

機械的な拘束力を働かせるシステムは、異なるか又は同じであり得る磁場強度、及びトランスレータの移動に対するそれらの影響のバランスをとることができる。以下で記載する本発明は、異なる磁場強度を有する磁石又は同じ磁場強度を有する磁石を用いた試験装置を用いる試験に基づくものである。試験装置を動作させるのに同じ磁場強度を有する磁石を用いた実験は有益であった。

機械的な拘束力を働かせるシステムは、トランスレータを強制的に更に移動させて最終位置にすることができ、したがって、トランスレータを、一方のステータとトランスレータとの間の引力及び一方のステータ及びトランスレータに対する反発力に抗して、最も近いステータの磁場から出す。

本発明の磁気装置が抵抗素子として用いられる場合、トランスレータは、規定の時間だけ、ステータに対して規定の距離にあるままである。

以下の説明は、磁気分極の発生、又は、更なる磁場Ｊを形成する、磁場Ｈによって引き起こされる材料の磁化を論じる。さらに、トランスレータの移動の最終位置におけるステータに対するトランスレータの距離が求められ；ステータとトランスレータとの間の引力及び反発力はこの位置において最大になる。

以下に示す単純化は、本発明の範囲を限定することを決して意図するものではなく、本明細書において説明する主題のより良い理解のために行われるに過ぎない。

以下、磁気駆動装置が意図され、当該磁気駆動装置は、１つの軸に沿って配置される２つのステータ、及び軸に沿って移動可能であるように上記２つのステータ間に移動可能に取り付けられているトランスレータを含む。ステータ及びトランスレータは、上記軸に関して対称であるように構成されている。

強磁性コアは、磁場Ｈを介して磁気励起によって磁化され、これによって更なる磁場Ｍが形成される。磁場Ｍ及びＨは磁場Ｂを発生させ、式中の全ての磁場は互いに関連する。

磁場、磁化及び磁気誘導は、概して式１．１によって表すことができる。

式中、Ｊは、

である。

式（１．１）及び（１．２）の組み合わせによって、以下の結果となる：

体積磁化率は以下の関係によって規定される：

これは、磁場強度による磁化の増加の結果としての磁気誘導

又は

をもたらし、式中、

Ｈ／ｍ（ヘンリー毎メートル）は空間の透磁率であり、

は材料の体積磁化率であり、

は材料の相対透磁率であり、

は材料の絶対透磁率であり、

はテスラ（Ｔ）単位の磁気誘導であり、

はアンペア毎メートル（Ａ／ｍ）単位の磁場であり、

はテスラ（Ｔ）単位の磁化であり、

は、アンペア毎メートル（Ａ／ｍ）単位の１体積単位あたりの磁気双極子モーメントである。

以下では、磁気コアを有する円筒形の撚線コイルが意図され、円筒形の幾何学的形状の結果としてビオ・サバールの法則に従って単純化が生じる。

は、円筒コイルの中心であり、

は軸であり、軸

上の地点

における磁気誘導は、以下が当てはまる：

は軸

の単位ベクトルであり、

は強磁性コアの絶対透磁率であり、

は完全な巻回数であり、

はコイルの長さ（メートル（ｍ））であり、

はコイルの内径（メートル（ｍ））であり、

はコイル内のアンペア（Ａ）単位の電流の強さである。

磁極端部（

及び

）において、テスラに従った誘導磁場強度は以下のように規定される：

式（１．６）に基づいて、アンペア毎メートル単位の電磁極における磁場強度を導出することが可能である：

磁気双極子モーメント（Ａ／ｍ）が式（１．４．）及び（１．６．）からもたらされる：

最後に、磁気双極子モーメントは以下のように表すことができる：

は電磁石コアの体積として知られている。

既知のギルバートモデルによると、磁気双極子は、２つの磁荷

及び

に相当し、上記双極子は距離

だけ分離されている。正の磁荷はＮ極に関連し、一方で負の磁荷はＳ極に関連する。

磁気双極子モーメントはＳ極からＮ極に向かう向きである。

式中、

は、電流計（Ａ．ｍ）における電磁石の磁極のサイズであり、

は２つの磁極間の距離（メートル（ｍ））である。

式（２．５）及び（２．６）を組み合わせることによって、以下の式が得られる

式中、

は、電流計（Ａ．ｍ）における電磁石の磁極のサイズであり、

は材料の体積磁化率であり、

は完全な巻回数であり、

はコイルの長さ（メートル（ｍ））であり、

はコイルの内径（メートル（ｍ））であり、

はコイル内の電流の強さ（アンペア（Ａ））である。

以下、１つの軸上に配置される３つの電磁石を含み、第１の電磁石及び第２の電磁石は移動不能であり、以下ではステータと称される、本発明の磁気駆動装置の一実施形態を説明する。ステータは軸上に配置され、互いから距離ｄだけ離間している。本開示を考慮して、ステータは以下のパラメータによって十分に特徴付けられる。

はステータを形成するコイルの巻回数であり；

はステータの長さ（メートル（ｍ））であり；

はステータを形成するコイルの半径（メートル（ｍ））であり；

はステータを形成するコイル内の電流の強さ（アンペア（Ａ））であり；

はステータの強磁性コアの体積磁化率であり；

は２つのステータ間の距離である。

第３の磁石は、２つのステータによって画定される軸上に、かつ２つのステータ間に移動可能に配置される。以下では第３の磁石はトランスレータと称され、以下のパラメータによって十分に特徴付けられる。

はトランスレータを形成するコイルの巻回数であり；

はトランスレータの長さ（メートル（ｍ））であり；

はトランスレータを形成するコイルの半径（メートル（ｍ））であり；

はトランスレータを形成するコイル内の電流の強さ（アンペア（Ａ））であり；

はトランスレータの強磁性コアの体積磁化率であり；

は２つのステータ間を移動するときにトランスレータがカバーする距離である。

ステータは、直流源

及び

に電気的に接続されており、この結果、磁極の絶対値が同じになるが、発生する誘導磁場は反対方向の向きとなる。

ステータ及びトランスレータの分極は、以下の、結果として生じる力条件によって記載される引力及び反発力に基づくトランスレータの移動を達成するために、当業者が図１及び図２において識別することができるように選択されるべきである。

図１による、ステータ及びトランスレータの分極の結果生じる力条件を以下で計算する。図１に示されているトランスレータの分極は「負の」分極とも称され、これは、磁気双極子モーメント

が、方向

の向きであることを意味する。

式（２．５）に基づいて、以下が当てはまる：

及び

ギルバートモデルを参照すると、磁荷の相互作用に起因して、磁石間で発生する磁力は磁気双極子の極の近くで発達すると推測される。磁極間の相互作用する力は式（３．３）によって規定される。

式中、

は磁極の強度であり、

は磁極間の距離である。

ステータとトランスレータとの間の相互作用の結果、トランスレータに作用する力が生じる。この結果として生じる力は

軸に平行な、方向

（図１では左から右）への向きである。

ステータ間でトランスレータの移動がカバーする距離について

を考慮すると、

となり、式中、

は、軸

上のトランスレータ中心の位置である。既知のギルバートモデルを用いると、結果として生じる力は磁極間の８回の相互作用を加えることによって計算することができる。

である場合、距離

にわたる左側ステータとトランスレータとの間の引き付け合う相互作用は以下によって規定される：

：反発する相互作用、距離は

である場合、

となる。

：反発する相互作用、距離は

である場合：

となる。

：引力、距離は

である場合：

となる。

である場合、距離

にわたる右側ステータとトランスレータとの間の反発の相互作用は以下によって規定される：

：引力、距離は

である場合：

となる。

：引力、距離は

である場合：

となる。

：反発力、距離は

である場合：

となる。

トランスレータに作用する結果として生じる力は全ての相互作用のベクトル和として規定される：

式中：

はトランスレータの位置を規定し、

はトランスレータがカバーする距離を規定し、

である。

さらに、図２に示されているようなステータ及びトランスレータの分極の結果生じる力を計算する。図２に示されているトランスレータの分極は「正の」分極とも称され、これは、磁気双極子モーメント

が、方向

の向きであることを意味する。

式（３．１）及び（３．２）の組み合わせの結果、式（３．２’）となる：

及び

トランスレータが図１に従って分極される場合、

がステータとトランスレータとの相互作用から生じる力であり、トランスレータが図２に従って分極される場合、

が同様の力であるとすると、２つの極間の相互作用に関して以下の関係が規定される：

及び

これは、

であることを意味する。

がトランスレータ又はステータを形成するコイルの巻回数であり、

がステータ又はトランスレータの長さ（メートル（ｍ））であり、

がステータ又はトランスレータの半径（メートル（ｍ））であり、

がトランスレータ又はステータを形成するコイル内の電流の強さ（アンペア（Ａ））であり、

がステータ又はトランスレータの強磁性コアの磁化率であり、

が当てはまるようにステータ♯１が分極され、

が当てはまるようにステータ♯２が分極される場合、図１に示されている条件に関して以下が当てはまる。

式中、

はトランスレータの磁気双極子モーメント（

）の方向である。この方向はトランスレータ内の交流電圧

によって決まる。

は磁極強度であり、

はトランスレータの位置であり、

はトランスレータがカバーする距離であり、

はステータ間の予め設定された距離である。

電磁石が同じ長さを有する場合、すなわち

である場合、式（３．６）を以下のように単純化することができる：

以下の説明に関して、簡単にするために、磁石の極強度は一定であるが、実際には、トランスレータがステータ間を移動するときに、磁気誘導場

が発達すると推測する。

式（４．１ａ）が当てはまる。

式中、

はトランスレータが位置

に到達したときの位置

における

軸上の総誘導磁場であり、

は、位置

における

軸上の第１のステータの誘導磁場であり、

は、位置

における

軸上の第２のステータの誘導磁場であり、

は、位置

における

軸上のトランスレータの誘導磁場である。

磁気誘導場のサイズは式（２．１）によって規定したが、このサイズから、第１のステータとトランスレータとの間の磁気誘導場のサイズを導出することができる。

式中、

は、

が計算される軸

上の位置であり、

は、

が計算される軸

上の位置であり、

は、

が計算される軸

上の位置である。

であり、可変の変化

を当てはめる場合、

を以下のように表すことができる：

軸上では、誘導磁場は磁気双極子モーメントと同じ方向を向く。

式中、

は軸

の方向の単位ベクトルであり、

はトランスレータの磁気双極子モーメントの方向であることを考慮すると：以下のようになる：

方向は、トランスレータ内の交流電圧

の方向によって決まる。式（１．４）、（１．６）及び（２．５）を組み合わせると：

となる。

以下：
ステータ♯１：

ステータ♯２：

トランスレータ：

が当てはまるため、式（３．６）は：

に変換され、式中：

はトランスレータの位置であり、

はトランスレータの移動がカバーする距離であり、

はステータの中心間の距離である。

磁極強度は、第１のステータに関しては式（４．４ａ）、第２のステータに関しては式（４．４ｂ）、トランスレータに関しては式（４．４ｃ）を用いて計算する。磁極強度の計算は、式（４．２ａ）及び（４．２ｂ）を用いた極における総磁気誘導場の計算を含む。

式（４．５）はステータ間のトランスレータの位置に依存する。トランスレータに作用する結果として生じる力は、第１のステータとトランスレータとの間の反発力、及び第２のステータとトランスレータとの間の引力からなる。上記力のそれぞれの依存関係は、添付の図３ａ、図３ｂ、図３ｃに示されている。

上記の数学的な説明は、ステータに対するトランスレータの特定の位置において、引力、並びに、ステータ及びトランスレータの極が逆になった後の反発力が異なる大きさであることも示している。

本発明の磁気装置は、ステータ又はトランスレータの分極によってトランスレータに作用するとともにトランスレータを移動させる力が形成されることに基づく。

本発明の磁気装置の１つの実施形態は、永久磁石から形成されるステータ、及び電磁石から形成されるトランスレータを含むことができる。

この実施形態による本発明の磁気装置が磁気駆動装置として用いられる場合、トランスレータを電源に接続するケーブルの少なくとも幾つかのセクションが移動することに１つの欠点がある。ｎ＝１，２，３，．．個のステータ、及び当該ステータ間に配置されるｎ−１個のトランスレータを用いる場合、トランスレータが電磁石であることによって、一方で、ｎ−１個のトランスレータの極が変化してｎ個のステータ未満になる。

本発明の磁気装置の別の実施形態では、ステータは電磁石であってもよく、一方でトランスレータは永久磁石である。

本発明の磁気装置が磁気駆動装置として用いられる場合、この実施形態は、固定磁石であるステータが電源に連結されることを特徴とする。このことは、電源及びステータを接続するケーブルが移動しないという利点を有する。ｎ＝１，２，３，．．個のステータ、及び当該ステータ間に配置されるｎ−１個のトランスレータを用いる場合、ステータが電磁石であることによって、一方で、ｎ個のステータの極が変化してｎ−１個のトランスレータを上回る。

ステータ及びトランスレータの双方は電磁石又は永久磁石であるものとすることができる。

抵抗素子として用いられる場合、少なくとも１つのステータ及びトランスレータの双方は永久磁石である。この場合、ステータの移動は、ステータ及びトランスレータの同じ符号の極間の反発力を活性化することによって制限される。

本発明の磁気装置の可能な実施形態では、ステータは複数の個々のステータ磁石からなるものとすることができ、及び／又はトランスレータは複数の個々のトランスレータ磁石からなるものとすることができる。

個々の磁石は好ましくは、個々の磁場を重ね合わせることによってステータとトランスレータとの間により大きい引力及び反発力を発生させることができるように配置される。

制御装置は、ステータとトランスレータとの間に配置されるスペーサ要素、及び／又はトランスレータの移動を制限する機械的な拘束力を働かせるシステムを含むことができる。

スペーサ要素は、ステータ及び／若しくはトランスレータの極の変化によって、並びに／又はステータ若しくはトランスレータの極強度の変化によって活性化されるスイッチを含むことができる。

制御装置は、距離及び／又は時間測定装置を含むことができ、ステータ及び／若しくはトランスレータの分極、並びに／又はステータ及び／若しくはトランスレータの磁場強度は、ステータに対するトランスレータの位置及び／又は上記制御装置を用いる時間期間に応じて変化可能である。

本発明の磁気装置の１つの実施形態は、ステータに対するトランスレータの位置を制御する少なくとも１つの制御ユニットを含む。この制御装置は、トランスレータの、任意選択的にはステータに対する位置を、測定方法、特に現行の技術水準による距離及び位置測定方法によって測定するとともに、任意選択的に、ステータに対するトランスレータの位置に基づいてステータ及びトランスレータの分極を判断する位置測定装置に連結される。

制御装置は、トランスレータの特定の位置を測定することにも、トランスレータが特定の位置に到達したか否かを判断することにも限定されない。制御装置は、トランスレータの位置、又はその位置のいずれかにおけるトランスレータの速度を測定する位置又は速度測定装置等の更なる装置を含むことができる。

位置、及び任意の位置におけるトランスレータの速度を測定することは、特にトランスレータの速度が速い場合に、トランスレータがステータから特定の距離において減速又は加速しなければならないため、ステータからの規定の距離におけるトランスレータの移動を制御するのに有利であり得る。

トランスレータの位置は、単にステータに対するトランスレータの位置を測定することによっては判断されない。トランスレータの位置は任意の基準点に対して判断することができる。

本発明の磁気装置の別の実施形態は、トランスレータが、クランク軸等の、トランスレータに対して機械的な拘束を働かせるシステムに連結されることを特徴とし、上記システムは、トランスレータとステータとの間の距離を維持しながら、トランスレータの移動、より正確にはトランスレータの移動の振幅を制御する。機械的な拘束を働かせるシステムは、ホイール等の、本発明の磁気装置によって駆動される要素に連結するか又は本発明の磁気装置によって駆動される要素として形成することができる。

トランスレータの直線運動の場合、ステータの個々のステータ磁石及び／又はトランスレータの個々のトランスレータ磁石は、多角形を描く線に沿って、またトランスレータの移動方向に平行な向きである軸の周りに配置することができる。

トランスレータの移動方向、並びにそれぞれの磁場によって活性化される引力及び反発力は互いに平行である。

トランスレータの回転運動の場合、ステータの個々のステータ磁石及び／又はトランスレータの個々のトランスレータ磁石は、多角形を描く線に沿って、またトランスレータの移動方向に平行な向きである軸の周りに配置することができる。

トランスレータの移動方向、並びにそれぞれの磁場によって活性化される引力及び反発力は互いに平行である。

トランスレータは、ガイドユニットによってステータに対して移動可能に取り付けることができ、上記ガイドユニットのガイド軸が、２つの隣接する個々のステータ磁石間のエリアにおいてステータに、及び２つの隣接する個々のトランスレータ磁石間のエリアにおいてトランスレータに交差する。

ガイドユニットが本発明に従って配置される場合、それぞれの個々の磁石の磁場はガイドユニットの存在によっては妨げられない。

上記トランスレータがステータに対して最も離れた距離ｄに位置決めされている場合、ステータとトランスレータとの間に延びる容積部が真空であり得る。

本発明に従って真空又は空気圧が低下したエリアを形成することによって、トランスレータの移動に対して作用する空気抵抗が低下する。真空を形成するために、本発明の磁気装置を気密なハウジング内に配置し、駆動軸、電源ケーブル等は上記ハウジング内に延びる。

磁気駆動装置２０としての本発明の磁気装置の実施形態、及び本明細書において用いられる全ての変数を示す図である。 磁気駆動装置２０としての本発明の磁気装置の実施形態、及び本明細書において用いられる全ての変数を示す図である。 ステータに対するトランスレータの位置の距離に応じた、トランスレータに作用する力の大きさに関連するグラフである。 ステータに対するトランスレータの位置の距離に応じた、トランスレータに作用する力の大きさに関連するグラフである。 ステータに対するトランスレータの位置の距離に応じた、トランスレータに作用する力の大きさに関連するグラフである。 磁気駆動装置としての本発明の磁気装置の別の実施形態を示す図である。 磁気駆動装置としての本発明の磁気装置の別の実施形態を示す図である。 図１及び図２に示されている実施形態と同様の、磁気駆動装置としての本発明の磁気装置の別の実施形態を示す図である。 磁気駆動装置としての本発明の磁気装置の別の実施形態を示す図である。 駆動される軸による幾つかの磁気駆動装置の可能な連結を示す図である。 磁気駆動装置としての本発明の磁気装置の別の実施形態を示す図である。 磁気駆動装置としての本発明の磁気装置の別の実施形態を示す図である。 磁気駆動装置としての本発明の磁気装置の別の実施形態を示す図である。 抵抗素子としての本発明の磁気装置の別の実施形態を示す図である。 本発明の磁気装置の別の実施形態の等角図である。 図１３に示されている実施形態の底面図と同様の上面図である。 図１３及び図１４に示されている本発明の実施形態の側断面図である。 図１３〜図１５に示されている実施形態の有限要素法シミュレーションに用いられる要素の配置を示す図である。 有限要素法シミュレーションの結果について示す図である。 有限要素法シミュレーションの結果について示す図である。 有限要素法シミュレーションに関する図である。 有限要素法シミュレーションに関する図である。

図１及び図２は、磁気駆動装置２０としての本発明の磁気装置の実施形態、及び本明細書において用いられる全ての変数を示している。磁気駆動装置２０は、トランスレータ２、及びトランスレータ２に対して横方向に配置されているステータ１、１’を含む。ステータ１、１’及びトランスレータは、軸に沿う、図１及び図２に例示的に示されている実施形態ではトランスレータの駆動軸３に沿う向きである電磁石である。ステータ１、１’及びトランスレータ２の双極子モーメントは上記軸に平行である。

トランスレータ２の交互の分極を提供するために、当該トランスレータ２を、電源ケーブル１１を介して交流電源（図示せず）に接続し、一方で、ステータ１、１’のそれぞれを、更なる電源ケーブル１１を介して直流源（図示せず）に接続する。

トランスレータ２の分極は、トランスレータ２の、左側ステータ１に面する極が、左側ステータ１のより近くの極と同じように分極され、これによって左側ステータ１とトランスレータ２との間で反発力１３が活性化され；トランスレータ２の、右側ステータ１’に面する極が、右側ステータ１’のより近くの極とは異なって分極され、これによって右側ステータ１’とトランスレータ２との間で引力１２が活性化されるように選択される。引力１２及び反発力１３は、トランスレータ２に作用し、図１に示されているように、左側から右側へのトランスレータ移動方向６のトランスレータ２の移動において結果として生じる力を生じさせ、トランスレータ移動方向６はステータ１’へ向かう向きである。トランスレータ２の分極が変化した後のトランスレータ移動方向６へのトランスレータ２の移動が図２に示されている。

磁気駆動装置２０の動作時には、トランスレータ２はステータ１に対してゼロよりも大きい距離ｒに常に位置決めされる。この特徴（請求項１の特徴部を参照のこと）によって、本発明の磁気駆動装置２０の動作時のトランスレータ２とステータ１、１’のうちの一方との間のいかなる接触も排除することができる。距離ｒは、互いに面する、トランスレータ２の極の端部と、それぞれのステータ１、１’の極の端部との間の距離として規定される。

トランスレータ２が左側へのトランスレータ移動方向６に直線運動する場合、トランスレータ２は位置１６に到達する。位置１６はトランスレータ２の直線運動の最終位置であり、トランスレータ２と左側ステータ１との間の距離が最小の規定距離ｒ_２に相当し、一方でトランスレータと右側ステータ１’との間の距離が最大の規定距離ｒ_１に相当することを特徴とする。距離ｒ_１及びｒ_２は、図２に示されているように、右側から左側へのトランスレータ２の次の移動を行うトランスレータ２の分極の変化後に、トランスレータ２及び左側ステータ１の同じ符号の極間に発生する反発力が最大の大きさであるように規定される。

距離ｒは制御ユニットによって予め設定され、当該制御ユニットは電磁石であるトランスレータ２の分極を変化させる。トランスレータ２が位置１６に到達すると、トランスレータ２の極が変化し、それによってトランスレータ２は図１に示されている移動方向とは反対の移動方向に移動する。ステータ１、１’の分極が変化することによって、トランスレータ２と左側ステータとの間で反発力が活性化され、一方で、トランスレータ２と右側ステータ１’との間で引力が活性化され、上記力は規定のエネルギーレベルを有し、これによってトランスレータ２が図２に示されているように右側から左側へ移動する。

ステータ１は支持構造体１５によってステータ支持体１４上で支持される。

トランスレータ２は駆動軸３に連結され、駆動軸３は、図１に示されている実施形態ではトランスレータ２のガイドユニット７としても働く。ガイドユニット７のガイド軸８はトランスレータの移動方向６に平行である。ガイド軸８はステータ１、１’及びトランスレータ２を通って延び、ステータ１、１’及びトランスレータ２のそれぞれの磁場はガイド軸８の存在によっては妨げられない。

ステータ１、１’間の容積部は真空である。当該真空を達成するために、磁気駆動装置２０はハウジング（図示せず）内に配置される。

図３ａに開示されているグラフは、トランスレータ２が図１に示されているように移動するときの、トランスレータ２と左側ステータ１との間の反発力１３の依存性を示している。図３ａ並びに図３ｂ及び図３ｃでは、それぞれのステータ１、１’からのトランスレータ２の距離はｘ軸上に示されており、一方でトランスレータ２とステータ１、１’との間で作用する力はｙ軸上に示されている。図３ａ、図３ｂ及び図３ｃにおいて開示されているグラフは、本明細書において開示されている式及び以下の仮定に基づく計算の根拠をなす：

−トランスレータの進行は

である。

位置

では、トランスレータ２は左側ステータ１に接触する。図３ａのグラフのｙ値は０に更により近づく。反発力１３は距離εにおいてその最大に到達する。トランスレータ２の位置１６は、トランスレータ２のゼロ地点が隣接するステータ１、１’のゼロ地点から距離ε_ｍｉｎだけ離間するように、好ましくはガイドユニットによって選択される。

図３ｂのグラフは、図１の図示によるトランスレータ２と右側ステータ１’との間の距離に依存する引力１３を示している。概して、引力１３はトランスレータ２が右側ステータ１’にますます近くなると増大する。

図３ｃは、図３ａ及び図３ｂのグラフの結果としてのグラフを示している。図３ｃのグラフは、ステータ１、１’間のトランスレータ２の位置に依存した、反発力１３及び引力１２の発達から結果として生じる力条件を示しており、結果として生じる力条件は、図１及び図２を参照して、移動軸３に平行な軸に平行である。

図４及び図５は、磁気駆動装置２０としての本発明の磁気装置の別の実施形態を示しており、当該実施形態は図１及び図２に示されている実施形態と同様である。図３に示されている当該更なる実施形態では、図２に示されている実施形態とは対照的に、トランスレータ２の分極はトランスレータ２の移動中は同じままであり、一方でステータ１、１’の分極が変化する。

図６は、図４に示されている実施形態と同様の実施形態を示しており、当該実施形態は、図４に示されている実施形態とは対照的に２つのガイドユニットを含む。ステータ１、１’とトランスレータ２との間に作用する磁場は、ガイドユニット７によっては妨げられず、このことは図４に示されている実施形態に比して利点をなす。

図７は、本発明の磁気駆動装置２０の別の実施形態を示しており、トランスレータ２の移動は回転運動である。磁気駆動装置２０は、駆動軸３及びトランスレータ回転軸を中心とした円１０に、トランスレータ回転軸に対して直角に配置されている４つのセグメント形状の個々のトランスレータ磁石５を含む。個々のトランスレータ磁石５はガイドユニットを介して駆動軸３に機械的に連結されているため、上記個々のトランスレータ磁石５はトランスレータ２を形成する。個々のトランスレータ磁石４間のエリアには、４つの同様のセグメント形状の個々のステータ磁石４が配置されており、当該個々のステータ磁石４は機械的なカップリング（図示せず）によって連結されてステータ１を形成する。

上記開示によると、互いに面する、個々のステータ磁石４及び個々のトランスレータ磁石５の極は同じであるか又は異なる符号を有する。

トランスレータ２の移動が回転運動である場合、トランスレータは、磁気駆動装置２０の動作時には常にステータから離間しており、個々のトランスレータ磁石５の回転移動方向６は常に個々のステータ磁石４に向かう向きである。

図８は、本発明の第１の磁気駆動装置２０の、本発明の別の磁気駆動装置２０’への連結を示している。磁気駆動装置２０、２０’の機械的な連結は、ディスク中心１８の周りで回転するように支持されるディスク１７によって達成される。幾何学的な理由から、ロッド１９がディスク１７と磁気駆動装置２０、２０’のそれぞれとの間に設けられており、上記ロッドの一端はディスク中心１８に対して偏心位置でディスク１７に接続されており、その他端は、それぞれの磁気駆動装置２０、２０’に蝶着されている。

磁気駆動装置２０、２０’はディスク中心１８に対して固定位置に取り付けられており、それによって、磁気駆動装置２０、２０’によって発生される直線運動によってディスク１７の回転運動が形成される。ロッド１９、１９’を偏心位置に配置することによって、磁気駆動装置２０、２０’のトランスレータ２（図８には図示せず）の直線運動が機械的に制御される。

図９〜図１１は、複数の個々のステータ磁石４がステータ１、１’に配置され、複数の個々のトランスレータ磁石５がトランスレータ２に配置されることを特徴とする磁気駆動装置の一実施形態の図、並びにトランスレータ２及びステータ１、１’の詳細図を示している。

図９は、図９〜図１１に示されている磁気駆動装置の一実施形態の上面図を示している。磁気駆動装置は、軸９に沿って配置される２つのステータ１、１’を含む。さらに、２つのガイドユニット７が配置されており、当該ガイドユニット７はステータ１、１’間でトランスレータを支持するため、トランスレータは上記ステータ１、１’に対して移動することができる。トランスレータ２は、ステータ１、１’を通って駆動要素（図示せず）まで延びる駆動軸３に更に連結されている。ステータ支持体１４も駆動軸の支持体として働く。

図１０は、図９〜図１１に示されている本発明の磁気駆動装置の実施形態のステータ１の側面図を示している。ステータ１は、駆動軸３の周りに回転対称に配置されている５つの個々のステータ磁石４を含む。個々のステータ磁石４のそれぞれは、個々のトランスレータ磁石５に対向して配置されている。

図１１は、トランスレータ２の側面図を示している。トランスレータ２は、多角形１０に沿って図の平面に対して垂直である駆動軸３の周りに回転対称に配置されている複数の個々のトランスレータ磁石５を含む。個々のトランスレータ磁石５は、トランスレータ軸受２２によって、一方では駆動軸に配置され、他方ではトランスレータ支持体２１に配置される。トランスレータ軸受２２はウェブであり、それぞれが可能な限り小さい断面積を有する。

図１２は、抵抗素子としての本発明の磁気駆動装置の別の実施形態を示している。基本的に、構造は上述の実施形態の構造と同様であるが、ステータ１、１’は、トランスレータ２の極とステータ１、１’の極との間で反発力１３が活性化されるようにトランスレータ２に対して分極される。トランスレータ２はしたがって、駆動軸３を介してトランスレータ２に作用する力によって加速されるとステータ１、１’間の距離に沿って変位することができる。

図１３は、本発明の磁気装置の別の実施形態の等角図を示している。磁気装置は、２つのトランスレータ２間に配置されているステータ１を含み、当該ステータ１及びトランスレータ２はハウジングを形成する支持構造体１５内に配置されている。駆動軸３は上記支持構造体の外側に位置付けられている。ステータ１及びトランスレータ２は、トランスレータの移動方向６を決める軸９に沿って配置される。

トランスレータ２は２つのガイドユニット７に取り付けられるとともに２つのガイドユニット７によって支持されており、ガイド軸８はトランスレータの移動方向６に平行な向きである。ガイドユニット８は、トランスレータ２とステータ１との間の磁場に干渉しないようにトランスレータ２に対して横方向に配置されている。

ガイドユニット８は支持構造体１５によって支持されている。

図１３に示されている磁気装置は本質的に、上述の特徴のうちの好適な特徴を有する。トランスレータ２はＮ４５グレードの磁石である。ステータ１は、磁気コア２２、及び当該コア２２の周りに巻回されているコイル２３を含む電磁石である。

図１４は、図１３に示されている本発明の磁気装置の、底面図に対応する上面図である。図１３を参照して説明した装置の特徴は、本質的に図１４において分かる。

図１４では、トランスレータ２及びステータ１並びに軸９に沿う駆動軸３の位置が分かる。

ステータ１はステータ支持体１４によって支持構造体１５に取り付けられている。ステータ１のコア２２は支持構造体１５から突出する軸９の方向に延び、それによって、ステータ１とトランスレータ２との間の磁場はステータ支持体１４によっては干渉されない。

トランスレータ２をガイドユニット７に取り付けるのに用いられるトランスレータ支持体２４の形状は、当業者には明らかであるように、運動量の歪み、及び特にトランスレータ２の揺動運動によって引き起こされる振動力に適合されている。

図１５は、図１３及び図１４に示されている磁気装置の断面図を示している。上述した特徴に加えて、計算エリア２１が見え；このエリアに関して、有限要素法（ＦＥＭ）を用いて磁場強度曲線を求めた。計算をより容易にするために、計算エリア２１は対称な一方の半分のみをカバーし；図１５の対称軸は軸９に相当する。ＦＥＭ計算の結果（図１７及び図１８を参照のこと）については以下の段落において説明する。

図１６は、ＦＥＭ計算を行った対称な半分の詳細図を示している。対称軸はこの場合も軸９に相当する。図１６ではトランスレータ２の対称な半分が見える。

ステータ１はコア２２及びコイル２３を含み；この場合もそれぞれの対称な半分が見える。

図１６には別の計算エリア２１が示されている。

図１７及び図１８には、ＦＥＭシミュレーションの結果が示されている。ＦＥＭ計算は、ステータが９０Ａの電磁石であり、トランスレータ２が１０５０ｋＡ／ｍのＮ４５グレードの永久磁石であるという前提に基づくものである。

図１７では、トランスレータ２の位置とステータとの間の距離ｒは１．００ｍｍである。ステータ１とトランスレータ２との間の反発力１３はトランスレータ２に作用する並進力の大部分をなし、一方でトランスレータ２'の移動はトランスレータ２'とステータ１との間の引力１２によって引き起こされる。

図１８は、トランスレータ２がステータ１から等距離にあるときのＦＥＭシミュレーションの結果を示す。

図１９は、試験装置において測定した並進力とＦＥＭシミュレーションに基づいて計算した並進力とを比較するグラフを示している。双方の場合において、意図されるトランスレータは１０５０．０ｋＡ／ｍの永久磁石であった。計算のために、ステータに９０Ａのエネルギーを供給した。シミュレーションのために、ステータに９Ａのエネルギーを供給し、得られた値を９０Ａについて外挿した。

図１９に示されているグラフは、上記で説明した理論に基づくシミュレーション及び測定結果が基本的に一致することをはっきりと示している。

図２０は、異なって磁化された永久磁石であるトランスレータの並進力を比較するものであり、上記並進力は上記で説明した理論に基づいてＦＥＭシミュレーションによって計算する。グラフのｙ軸は並進力の計算値を示しており、一方でｘ軸はトランスレータの位置を示している。図２０のグラフは、ステータに、９０Ａについて外挿される９Ａのエネルギーが供給されたときの、トランスレータとして用いられる永久磁石の磁化の影響を示している。このグラフは、他の曲線の包括的な進路を示す「シミュレートされた力［Ｎ］」の曲線を示している。「シミュレートされた力［Ｎ］」の曲線は図１９にも含まれている。

１ ステータ
２ トランスレータ
３ 駆動軸
４ 個々のステータ磁石
５ 個々のトランスレータ磁石
６ トランスレータの移動方向
７ ガイドユニット
８ ガイド軸
９ 軸
１０ 多角形
１１ 電源ケーブル
１２ 引力
１３ 反発力
１４ ステータ支持体
１５ 支持構造体
１６ ステータの位置
１７ ディスク
１８ ディスクの中心
１９、１９’ ロッド
２０、２０’ 磁気駆動装置
２１ 計算エリア
２２ コア
２３ コイル

Claims (11)

1. 少なくとも１つのステータ（１、１’）及び少なくとも１つのトランスレータ（２）を含む磁気装置であって、前記トランスレータ（２）は前記ステータ（１、１’）に対してトランスレータ移動方向（６）に移動可能であり、前記トランスレータ移動方向（６）は前記ステータ（１、１’）に向かう向きであり、前記少なくとも１つのステータ（１、１’）及び前記トランスレータ（２）は一つの軸に沿って配置され、
   前記磁気装置は制御装置を含み、前記制御装置は、前記磁気装置の動作時に、前記ステータと前記トランスレータとの間に発生する力に対応して、前記トランスレータと前記ステータとの間の距離ｒ＞０（ｒは０より大きい）を制御する装置を含み、
   前記トランスレータ（２）は、直線的なトランスレータ移動軸に沿って前記ステータ（１、１’）に対して前記トランスレータ移動方向（６）に移動可能であり、前記少なくとも１つのステータ（１、１’）及び前記トランスレータ（２）は前記トランスレータ移動軸に沿う向きであること、および
   前記距離ｒの最小値は、制御ユニットによって、前記ステータ（１）と前記トランスレータ（２）の間に働く力に基づいて決定され、前記距離ｒが最小値のときに、下記数式１で決定される、前記トランスレータ（２）に作用する反発力が最大となることを特徴とし、
   
   式中、
   
   及び
   
   は前記ステータ（１）の磁極強度であり、
   
   及び
   
   は前記トランスレータ（２）の磁極強度であり、
   前記トランスレータの中心位置Ｘ_ｔのとりうる範囲は下記数式２であり、
   
   
   はｄを２つのステータ（１，１’）の中心の間の距離としたときのトランスレータ（２）の移動可能距離であり、
   Ｌ_ｓは前記ステータ（１，１’）の長さ、Ｌ_ｔは前記トランスレータ（２）の長さである、磁気装置。
2. 前記ステータの個々のステータ磁石（４）及び／又は前記トランスレータ（２）の個々のトランスレータ磁石（５）が、前記トランスレータの移動方向（６）に平行な向きである多角形の軸を中心とした多角形（１０）を描く線に沿って配置されることを特徴とする、請求項１に記載の磁気装置。
3. 前記トランスレータ（２）は、少なくとも１つのガイドユニット（７）によって前記ステータ（１）に対して移動可能に取り付けられ、前記ガイドユニット（７）のガイド軸（８）が、２つの隣接する個々のステータ磁石（４）間のエリアにおいて前記ステータ（１）に、及び２つの隣接する個々のトランスレータ磁石（５）間のエリアにおいて前記トランスレータ（２）に交差することを特徴とする、請求項１〜２のいずれか一項に記載の磁気装置。
4. 前記ステータ（１、１’）に対する前記トランスレータ（２）の移動は揺動運動であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気装置。
5. 前記ステータ（１、１’）は永久磁石であり、一方で前記トランスレータ（２）は電磁石であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気装置。
6. 前記ステータ（１、１’）は電磁石であり、一方で前記トランスレータ（２）は永久磁石であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気装置。
7. 前記ステータ（１、１’）及び前記トランスレータ（２）は永久磁石又は電磁石であることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気装置。
8. 前記制御装置は、前記ステータ（１、１’）と前記トランスレータ（２）との間に位置決めすることができるスペーサ要素を含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気装置。
9. 前記制御装置は、前記トランスレータ（２）の移動に対して機械的な拘束を働かせるシステムを含むことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁気装置。
10. 前記制御装置は、距離測定装置及び／又は時間測定装置を含み、前記距離測定装置及び／又は前記時間測定装置によって、前記ステータ（１、１’）及び／又は前記トランスレータ（２）の分極、および／又は、前記ステータ（１、１’）及び／又は前記トランスレータ（２）の磁場強度を、前記ステータ（１、１’）に対する前記トランスレータ（２）の位置及び／又は時間に応じて変化させることができることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気装置。
11. 前記トランスレータ（２）が前記ステータ（１）から最も離れた距離ｄに位置する場合、前記ステータ（１）と前記トランスレータ（２）との間に延びる容積部が真空であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁気装置。