JP6426931B2 - Generator - Google Patents

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本発明は、発電機に係り、特に、固定された磁石間にてコアレスのコイルがリニア駆動されて発電する発電機に関する。   The present invention relates to a generator, and more particularly to a generator in which a coreless coil is linearly driven between fixed magnets to generate electric power.

熱音響機関は、蓄熱器の両端に温度差を与えることで音波振動を発生する機関であり、この音波振動エネルギーを電力に変換(発電)することで、工場等からの排熱を電気エネルギーとして再生することができる。この発電の目的としてリニア発電機が位置づけされる。リニア発電機において、往復運動の振幅の規模は様々である。例えば熱音響機関による音波振動は、振幅が±1〜±200mm程度、振動周波数は約10〜約1000Hzである。   A thermoacoustic engine is an engine that generates sonic vibration by giving a temperature difference to both ends of a heat storage unit, and converts (generates) this sonic vibration energy into electric power to use the exhaust heat from a factory etc. as electrical energy. It can be played back. A linear generator is positioned as the purpose of this power generation. In linear generators, the magnitude of the amplitude of the reciprocation is variable. For example, the sound wave vibration by the thermoacoustic engine has an amplitude of about ± 1 to ± 200 mm, and a vibration frequency of about 10 to about 1000 Hz.

これに対して、圧電効果、磁歪効果などを用いた振動発電は振幅が1mm前後と振幅が小さく発電量も少ない微小振動源である。また、波力発電は振幅が大きい一方、周波数はHzオーダーであり、波力によってプロペラを回すのが多い。このように、振動発電や波力発電は、熱音響からの振動エネルギーによる発電とはエネルギー源の諸元が異なる。そのため、例えば熱音響機関に適した効率の良いリニア発電機が見当たらないのが現状である。   On the other hand, vibration power generation using the piezoelectric effect, magnetostrictive effect, etc. is a minute vibration source having a small amplitude of about 1 mm and a small power generation amount. Also, while wave power generation has a large amplitude, the frequency is on the order of Hz, and the propeller is often turned by wave power. As described above, in vibration power generation and wave power generation, the specifications of energy sources are different from power generation by vibration energy from thermoacoustics. Therefore, at present, there is no efficient linear generator suitable for a thermoacoustic engine, for example.

リニア発電機では、コイルをよぎる磁界を変化させることで発電することができる。リニア発電機は、磁界を変化させるために運動する部材に応じて、可動鉄心型、可動磁石型、可動コイル型などに分類される。コイルが移動することにより発電する可動コイル型発電機や、コイルに流す電流によりコイルが移動するモータやアクチュエータに関する先行技術としては、例えば特許文献1〜5に記載された技術が知られている。   In a linear generator, power can be generated by changing a magnetic field crossing a coil. The linear generator is classified into a movable core type, a movable magnet type, a movable coil type, and the like according to a member that moves to change a magnetic field. As the prior art related to a moving coil type generator that generates electric power by moving a coil, and a motor or actuator in which a coil moves by an electric current supplied to the coil, for example, techniques described in Patent Documents 1 to 5 are known.

特許文献1に記載された永久磁石発電機は、コア無しコイル(コアレスのコイル)と永久磁石とを備えた回転型発電機であり、2枚の磁石で挟まれた円盤状のコイルが回転することによって発電するものである。   The permanent magnet generator described in Patent Document 1 is a rotary generator provided with a coreless coil (coreless coil) and a permanent magnet, and a disk-shaped coil sandwiched between two magnets rotates. To generate electricity.

特許文献2には、永久磁石の内周面が固定子コイル(空心コイル)の外周面にエアギャップを介して対向しており、コイルに電流を供給することで永久磁石が回転するアウタロータ形のコアレスモータが記載されている。特許文献2に記載されたコアレスモータは、コイルを回転させることで可逆的に発電へ応用することも可能な構成になっている。
従来の可動コイル型の発電機は、特許文献1,2のように、回転子と固定子から構成する回転型が一般的であり、往復運動をそのまま電気に変換するリニア発電機は、殆ど見られない。
In Patent Document 2, the inner peripheral surface of a permanent magnet faces the outer peripheral surface of a stator coil (air core coil) via an air gap, and the outer rotor type in which the permanent magnet is rotated by supplying a current to the coil Coreless motors are described. The coreless motor described in Patent Document 2 is configured to be reversibly applicable to power generation by rotating a coil.
The conventional moving coil type generator is generally a rotary type composed of a rotor and a stator as in Patent Documents 1 and 2, and a linear generator that converts reciprocating motion into electricity as it is can be seen almost I can not.

特許文献3に記載された揺動型アクチュエータは、永久磁石の磁気回路上にコイルを貼り付けたアームを置き、コイルに流す電流の向きに対応し、アームを一定角度回転させるアクチュエータである。   The oscillating actuator described in Patent Document 3 is an actuator in which an arm having a coil attached thereto is disposed on a magnetic circuit of a permanent magnet, and the arm is rotated at a constant angle corresponding to the direction of current flowing through the coil.

特許文献4に記載されたリニアモータは、複数個の永久磁石を連続配置し、その側面に沿って電磁石をその極性を変化させつつ、電磁石を永久磁石に沿って移動させるものである。ここで、電磁石は、非磁性体のコイル枠にコイルを巻いたものであり一種の可動コイルの形態をなしている。
特許文献3、4とも移動体を線形に移動させることを目的としたものであり、コイルの支持体を移動させることでコイル内に電気を発生させることは原理的には可能であるものの、全振幅が20mm程度である振動を用いた発電の用途には不向きである。
The linear motor described in Patent Document 4 continuously arranges a plurality of permanent magnets, moves the electromagnet along the permanent magnet while changing the polarity of the electromagnet along the side surface. Here, the electromagnet is obtained by winding a coil around a nonmagnetic coil frame, and forms a kind of movable coil.
Both Patent Documents 3 and 4 aim to move the moving body linearly, and although it is theoretically possible to generate electricity in the coil by moving the coil support, it is possible to It is unsuitable for the use of the electric power generation using the vibration whose amplitude is about 20 mm.

特許文献5に記載されたボイスコイル型リニアモータは、コイルが駆動する方向(コイルの軸方向)の一方の側から見て矩形の断面を持ち、矩形中心軸にコイルを巻き、矩形断面上側を2つの磁石で挟み、また下側断面を2つの磁石で挟む構造としている。そして、軸方向の両端には、それぞれ側ヨークが配されている。このボイスコイル型リニアモータは、内ヨークと平行させて設けた一対の外ヨークと、この外ヨークと内ヨークとを連結する一対の側ヨークとで日の字型の閉鎖磁気回路を構成する。   The voice coil type linear motor described in Patent Document 5 has a rectangular cross section as viewed from one side in the coil driving direction (axial direction of the coil), the coil is wound around a rectangular central axis, and the rectangular cross section is It has a structure in which it is sandwiched by two magnets and the lower cross section is sandwiched by two magnets. And the side yoke is each distribute | arranged to the both ends of an axial direction. In this voice coil linear motor, a sun-shaped closed magnetic circuit is constituted by a pair of outer yokes provided parallel to the inner yoke and a pair of side yokes connecting the outer yoke and the inner yoke.

このボイスコイル型リニアモータは、コイルに電流を流すことでコイルを振動させるものである。ボイスコイル型リニアモータは、外部から振動エネルギーを与えてコイルをリニア駆動させることで可逆的に発電へ応用することも可能な構成になっている。
なお、例えばスピーカーは、一種の可動コイル型リニアモータでもある。スピーカーは、磁石とヨークで磁気回路を構成するものであり、コイルが駆動する方向(コイルの軸方向)の一方の側にバックヨークを備え、他方の側に振動板を備えている。
The voice coil linear motor vibrates the coil by supplying a current to the coil. The voice coil type linear motor can be reversibly applied to power generation by applying vibrational energy from the outside to linearly drive the coil.
For example, the speaker is also a kind of moving coil type linear motor. The speaker comprises a magnetic circuit with a magnet and a yoke, and is provided with a back yoke on one side in the direction (the axial direction of the coil) in which the coil is driven, and a diaphragm on the other side.

特許4782303号公報Patent 472303 gazette 特許2646319号公報Patent No. 2646319 特開平7−143721号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-143721 特許3220666号公報Patent 3220666 特開平8−214530号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-214530

発電機として、リニア運動に適していること、重量が軽いこと、発電効率が高いこと、構造が複雑ではないこと、放熱が良好であること等が求められている。
可動コイル型は、可動鉄心型や可動磁石型と異なり、往復運動をさせるのはコイルである。可動子であるコイルが軽いと、可動子が磁石や鉄心である場合に比べ、高い周波数でも動かすことができる。また、可動コイル型は、磁気回路が変化しないことから鉄損やコギングからフリーである。
As a generator, it is required to be suitable for linear motion, to be light in weight, to have high power generation efficiency, not to be complicated in structure, and to be good in heat dissipation.
The moving coil type is different from the moving iron core type and the moving magnet type, and it is a coil that causes reciprocation. When the coil, which is a mover, is light, movement can be performed at a higher frequency as compared with the case where the mover is a magnet or an iron core. In addition, the moving coil type is free from iron loss and cogging because the magnetic circuit does not change.

しかしながら、特許文献5に記載されたボイスコイル型リニアモータは、コイル電流によって磁界がヨークに形成され、電流変化とともに鉄損が生じる問題があると共に、軸方向の両端に側ヨーク(バックヨーク)があって開放されていないことから冷却効果が少ない問題がある。   However, the voice coil type linear motor described in Patent Document 5 has a problem that a magnetic field is formed in the yoke by the coil current, and iron loss occurs as the current changes, and side yokes (back yokes) are formed at both ends in the axial direction. There is a problem that the cooling effect is small because it is not open.

また、特許文献5に記載されたボイスコイル型リニアモータは、矩形断面上側を2つの磁石で挟み、また下側断面を2つの磁石で挟む構造としているため、磁石、インナーヨーク、バックヨークで形成される磁気回路が上下方向のみに形成され、発電機を構成する場合、出力が大きくとれない。また、スピーカーは、コイルの外側の周囲に磁石を置き、磁石、インナーヨーク、バックヨークで磁気回路を一つ形成するだけの構造なので、発電機を構成する場合、出力が大きくとれない。   Moreover, since the voice coil type linear motor described in Patent Document 5 has a structure in which the upper side of the rectangular cross section is sandwiched by two magnets and the lower side cross section is sandwiched by two magnets, it is formed of a magnet, an inner yoke, and a back yoke. The magnetic circuit to be formed is formed only in the vertical direction, and when the generator is configured, the output can not be large. In addition, since the speaker has a structure in which a magnet is placed around the outside of the coil and one magnetic circuit is formed by the magnet, the inner yoke, and the back yoke, a large output can not be obtained when the generator is configured.

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、構造を複雑化することなく、コギングレス、鉄損フリー、軽量、高効率、高放熱性のリニア発電に適した発電機を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and a generator suitable for linear power generation of coggingless, iron loss free, light weight, high efficiency, high heat dissipation without complicating the structure The task is to provide.

前記課題を解決するために、本発明に係る発電機は、コアレスのコイルの可動範囲内に発生させた磁界に前記コイルの少なくとも一部分が鎖交するように前記コイルがリニア駆動されて発電する発電機であって、電気的に接続された複数のコイルと、前記複数のコイルを離間して支持する非磁性体からなるコイル支持体と、前記各コイルの周方向の内側および外側のそれぞれに配置されたヨークと、を備え、前記コイル支持体は前記複数のコイルをコイルの軸方向に支持しており、前記コイル毎に、前記コイルの周方向の外側から内側へ向いて前記コイルの一領域と鎖交する向きの磁界と、前記コイルの周方向の内側から外側へ向いて前記コイルの他領域と鎖交する向きの磁界とを当該コイルの可動範囲内に発生させ、対向した2つの前記コイルにおいて、一方のコイルの所定領域に発生させた磁界の向きと、前記一方のコイルの所定領域に対向した他方のコイルの所定領域に発生させた磁界の向きとは逆向きであり、複数の前記磁界は定常的であって、隣り合う前記磁界の向きが交互になった磁界同士によってループ状の磁気回路が複数形成されるように構成されており、前記ヨークは、前記各コイルの周方向の内側に配置された柱状の軸ヨークと、前記軸ヨークを周方向に取り囲むように筒状に形成されて前記各コイルの周方向の外側に配置された外部ヨークと、を備え、前記コイルの軸方向の両端が開放されており、前記コイル支持体に支持された前記各コイルが前記磁界中を前記コイルの軸方向に駆動することで発電することを特徴とする。
また、本発明に係る発電機は、前記コイルの振動周波数と同等の周波数で発電するようにしてもよい。
また、本発明に係る発電機は、前記コイルの可動範囲内に磁界を発生させる手段として、前記各コイルの外側にそれぞれ配置された外側磁石と、前記各コイルの内側にそれぞれ配置された内側磁石と、を備え、さらに、前記軸ヨークには、前記内側磁石が前記外側磁石と対向する位置になるように固定され、前記外部ヨークには、前記外側磁石が前記内側磁石と対向する位置にて対向するもの同士が異極性となるように固定さ、軸方向に隣り合う2つの前記外側磁石は、隣同士の極性を逆にして配置され、前記外側磁石が、前記コイルを周方向に取り囲むように配設されているようにしてもよい。
In order to solve the above problems, the generator according to the present invention generates electricity by linearly driving the coil so that at least a part of the coil is linked to a magnetic field generated within the movable range of the coreless coil. A plurality of electrically connected coils, a coil support made of a nonmagnetic material for supporting the plurality of coils at a distance, and the coils are disposed on the inner and outer sides in the circumferential direction of the respective coils. And the coil support supports the plurality of coils in the axial direction of the coil, and for each of the coils, a region of the coil is directed inward from the outer side in the circumferential direction of the coil. A magnetic field in the direction of interlinking with the magnetic field, and a magnetic field in the direction of interlinking with the other region of the coil, directed from the inside to the outside in the circumferential direction of the coil, within the movable range of the coil The The direction of the magnetic field generated in the predetermined area of one coil is opposite to the direction of the magnetic field generated in the predetermined area of the other coil facing the predetermined area of the one coil. The magnetic field is stationary, and a plurality of looped magnetic circuits are formed by magnetic fields in which the directions of the adjacent magnetic fields alternate, and the yoke is formed in the circumferential direction of each of the coils. And an outer yoke formed in a tubular shape so as to surround the axial yoke in the circumferential direction and disposed on the outer side in the circumferential direction of each of the coils; Both ends in the axial direction are open, and the coils supported by the coil support generate power by driving in the magnetic field in the axial direction of the coil.
In the generator according to the present invention, power may be generated at a frequency equivalent to the vibration frequency of the coil.
In the generator according to the present invention, as means for generating a magnetic field within the movable range of the coil, an outer magnet respectively arranged outside the coils and an inner magnet respectively arranged inside the coils , And the inner magnet is fixed to the axial yoke so as to face the outer magnet, and the outer magnet is disposed to face the inner magnet to the outer yoke. The two outer magnets adjacent to each other in the axial direction are arranged such that the polarities of the adjacent ones are opposite to each other, and the outer magnets move the coils in the circumferential direction. It may be arranged so as to surround it.

かかる構成によれば、発電機は、外側磁石がコイルを周方向に取り囲むように配設されているので、外側磁石に対向した内側磁石が軸ヨークを周方向に取り囲み、また、外側磁石が固定された外部ヨークは軸ヨークを周方向に取り囲むように配設される。
また、発電機では、外側磁石とその対向する内側磁石とによる一対の磁石と、同様の一対の磁石とが、コイルの軸方向に隣り合っているので、これら隣り合う二対の磁石間において、コイルの軸方向にクローズされた定常的な磁気回路を構成できる。したがって、発電機は、コイルの運動に対応して安定した起電力を発生することができる。また、発電機では、コイルの軸方向にループ状に形成される磁気回路がコイルの周方向に複数形成される構造なので、出力を大きくすることができる。また、発電機では、可動子が軽量なコイルなので、可動子が磁石や鉄心である場合に比べ、高い周波数でも動かすことができる。また、発電機では、磁石が固定されたヨークにおいて、コイルの軸方向の両端が開放されており、放熱が良好である。
According to such a configuration, since the generator is disposed so that the outer magnet surrounds the coil in the circumferential direction, the inner magnet facing the outer magnet surrounds the axial yoke in the circumferential direction, and the outer magnet is fixed. The outer yoke is disposed to surround the shaft yoke in the circumferential direction.
Further, in the generator, since a pair of magnets by the outer magnet and the opposing inner magnet and a pair of similar magnets are adjacent in the axial direction of the coil, between the two pairs of adjacent magnets, A stationary magnetic circuit closed in the axial direction of the coil can be configured. Thus, the generator can generate a stable electromotive force in response to the movement of the coil. Further, in the generator, since a plurality of magnetic circuits formed in a loop shape in the axial direction of the coil are formed in the circumferential direction of the coil, the output can be increased. Further, in the generator, since the mover is a lightweight coil, it can be moved at a higher frequency as compared with the case where the mover is a magnet or an iron core. Moreover, in the generator, in the yoke to which the magnet was fixed, the axial both ends of the coil are open | released and heat dissipation is favorable.

また、本発明に係る発電機は、前記外部ヨークは前記軸ヨークを周方向に取り囲むように筒状に形成されており、前記外側磁石は、前記外部ヨークの筒内周面を周方向に第1所定間隔をあけて取り囲む所定数の磁石で形成され、前記内側磁石は、前記軸ヨークの外周面を周方向に第2所定間隔をあけて取り囲む前記所定数と同数の磁石で形成されていることが好ましい。   Further, in the generator according to the present invention, the outer yoke is formed in a tubular shape so as to surround the shaft yoke in the circumferential direction, and the outer magnet is formed by circumferentially extending the inner circumferential surface of the outer yoke. 1 is formed of a predetermined number of magnets surrounding at a predetermined interval, and the inner magnet is formed of the same number as the predetermined number of magnets surrounding the outer peripheral surface of the axial yoke at a second predetermined interval in the circumferential direction Is preferred.

この場合、前記コイル支持体として、例えば、コイルの軸方向に延伸した爪状部材であって前記複数のコイルを径方向における外側と内側から挟持する複数の軸方向支持体と、前記軸ヨークが貫通する開口を有した環状の板部材であって、前記複数の軸方向支持体を軸方向の所定位置でそれぞれ固定する複数の支持板と、を備え、前記複数の軸方向支持体が、前記内側磁石を形成する複数の磁石間の隙間、及び、前記外側磁石を形成する複数の磁石間の隙間に嵌入されているものを用いることができる。   In this case, the coil support includes, for example, a plurality of axial supports, which are claw-shaped members extending in the axial direction of the coil and sandwiching the plurality of coils from the outer side and the inner side in the radial direction; An annular plate member having an opening passing therethrough, and a plurality of support plates respectively fixing the plurality of axial supports at predetermined positions in the axial direction, the plurality of axial supports being It is possible to use one which is fitted in the gap between the plurality of magnets forming the inner magnet and the gap between the plurality of magnets forming the outer magnet.

また、本発明に係る発電機は、前記コイルにおいて1ターン分の全体の長さに対する1ターン分の磁界と鎖交する部分の長さの割合である導線使用率が50%以上であることが好ましい。   In the generator according to the present invention, the wire usage rate is 50% or more, which is a ratio of the length of a portion interlinked with the magnetic field for one turn to the entire length for one turn in the coil. preferable.

また、本発明に係る発電機は、前記外部ヨークが前記軸ヨークを周方向に取り囲むように筒状に形成されており、前記外側磁石が、前記外部ヨークの筒内周面の全周を取り囲む磁石で形成され、前記内側磁石が、前記軸ヨークの外周面の全周を取り囲む磁石で形成されていてもよい。このようにすることで、磁束密度が高くなり、発電出力を高くすることができる。   Further, in the generator according to the present invention, the outer yoke is formed in a tubular shape so as to surround the axial yoke in the circumferential direction, and the outer magnet surrounds the entire inner circumferential surface of the outer yoke. It may be formed of a magnet, and the inner magnet may be formed of a magnet surrounding the entire circumference of the outer peripheral surface of the axial yoke. By doing this, the magnetic flux density becomes high, and the power generation output can be made high.

また、本発明に係る発電機は、前記コイルの軸方向において隣り合って磁界の向きが互いに逆向きの2つの前記磁界同士の間の距離を所望の長さL(L>0)とし、かつ、前記各コイルの振動の片振幅をlとして決定している場合、前記コイルの軸方向における前記磁界の幅Wと、前記各コイルの軸方向の幅wとが、下記式(1)の関係を満たすように構成されていることが好ましい。
L≧l+w/2−W/2 … 式(1)
Further, the generator according to the present invention, the distance between two of said magnetic field between the direction of the magnetic field What if the opposite directions to each other adjacent in the axial direction of the coil as a desired length L (L> 0), and, if determining the half amplitude of the vibration of the coils as l, and the width W of the magnetic field in the axial direction of the coil, wherein the width w of the axial direction of the coil, the following formula (1) It is preferable to be configured to satisfy the relationship.
L l l + w / 2-W / 2 Formula (1)

かかる構成によれば、発電機において、可動子が移動し過ぎて逆向きの磁束の中に入る事態を防止し、動作を安定なものにすることができる。
また、本発明に係る発電機は、コアレスのコイルの可動範囲内に発生させた磁界に前記コイルの少なくとも一部分が鎖交するように前記コイルがリニア駆動されて発電する発電機であって、電気的に接続された複数のコイルと、前記複数のコイルを離間して支持する非磁性体からなるコイル支持体と、を備え、前記コイル支持体は前記複数のコイルをコイルの軸方向に支持しており、前記コイル毎に、前記コイルの周方向の外側から内側へ向いて前記コイルの一領域と鎖交する向きの磁界と、前記コイルの周方向の内側から外側へ向いて前記コイルの他領域と鎖交する向きの磁界とを当該コイルの可動範囲内に発生させ、対向した2つの前記コイルにおいて、一方のコイルの所定領域に発生させた磁界の向きと、前記一方のコイルの所定領域に対向した他方のコイルの所定領域に発生させた磁界の向きとは逆向きであり、複数の前記磁界は定常的であって、隣り合う前記磁界の向きが交互になった磁界同士によってループ状の磁気回路が複数形成されるように構成されており、前記コイル支持体に支持された前記各コイルが前記磁界中を前記コイルの軸方向に駆動することで発電し、前記コイルの可動範囲内に磁界を発生させる手段として、前記各コイルの外側にそれぞれ配置された外側磁石と、前記各コイルの内側にそれぞれ配置された内側磁石と、を備え、さらに、前記内側磁石が前記外側磁石と対向する位置になるように固定された柱状の軸ヨークと、前記外側磁石が前記内側磁石と対向する位置にて対向するもの同士が異極性となるように固定された外部ヨークと、を備え、軸方向に隣り合う2つの前記外側磁石は、隣同士の極性を逆にして配置され、前記外側磁石は、前記コイルを周方向に取り囲むように配設されており、前記外部ヨークは前記軸ヨークを周方向に取り囲むように筒状に形成されており、前記外側磁石は、前記外部ヨークの筒内周面を周方向に第1所定間隔をあけて取り囲む所定数の磁石で形成され、前記内側磁石は、前記軸ヨークの外周面を周方向に第2所定間隔をあけて取り囲む前記所定数と同数の磁石で形成されていてもよい。
According to this configuration, in the generator, it is possible to prevent the mover from moving too much and entering the reverse magnetic flux, and the operation can be stabilized.
The generator according to the present invention is a generator that generates electric power by linearly driving the coil such that at least a part of the coil is linked to a magnetic field generated within the movable range of the coreless coil. And a coil support made of a nonmagnetic material for supporting the plurality of coils apart from each other, the coil support supporting the plurality of coils in the axial direction of the coil A magnetic field directed from the outside to the inside of the circumferential direction of the coil and linking with one region of the coil, and the other from the inside to the outside of the circumferential direction of the coil. A magnetic field in the direction of interlinking with the area is generated within the movable range of the coil, and the direction of the magnetic field generated in the predetermined area of one of the two opposing coils, and the predetermined area of the one coil The direction is opposite to the direction of the magnetic field generated in the predetermined area of the other opposing coil, and the plurality of the magnetic fields are stationary, and the adjacent magnetic fields alternate in the direction of the magnetic field to form a loop. A plurality of magnetic circuits are formed, and each of the coils supported by the coil support generates electric power by driving in the axial direction of the coil in the magnetic field, and within the movable range of the coils As means for generating a magnetic field, an outer magnet respectively disposed outside each of the coils, and an inner magnet respectively disposed inside each of the coils are provided, and the inner magnet is opposed to the outer magnet A columnar axial yoke fixed so as to be positioned, and an external yoke fixed so that those facing each other at the position where the outer magnet faces the inner magnet have different polarities. The two outer magnets axially adjacent to each other are arranged with their polarities reversed from each other, the outer magnets are arranged to surround the coil in the circumferential direction, and the outer yoke is the axial yoke The outer magnet is formed of a predetermined number of magnets surrounding the inner circumferential surface of the outer yoke at a first predetermined interval in the circumferential direction, The magnet may be formed of the same number of magnets as the predetermined number surrounding the outer peripheral surface of the axial yoke at a second predetermined interval in the circumferential direction.

また、本発明に係る発電機は、前記コイルと、当該コイルの外側に配置された前記外側磁石と、当該コイルの内側に配置された前記内側磁石と、からなる単位構成が、前記コイルの軸方向に2連以上配列することもできる。このようにすることで、発電出力を高くすることができる。   Further, in the generator according to the present invention, a unit configuration including the coil, the outer magnet disposed outside the coil, and the inner magnet disposed inside the coil is an axis of the coil. It is also possible to arrange two or more in the direction. By doing this, the power generation output can be increased.

本発明によれば、構造を複雑化することなく、コギングレス、鉄損フリー、軽量、高効率、高放熱性のリニア発電に適した発電機を提供することができる。
本発明の発電機は、コイル駆動方向の両側にヨークが不要なため、コイルを軸方向に複数個並べたり、ターン数を増やしたり、コイルの巻き幅を増やしたりすることで、発電出力を増大することができる。また、本発明の発電機は、コイルの軸方向の両端が開放されているので、コイルをコイルの軸上で安定に支持することができると共に、コイルや磁気回路を自然冷却することができる。
According to the present invention, it is possible to provide a generator suitable for linear power generation of coggingless, iron loss free, light weight, high efficiency and high heat dissipation without complicating the structure.
The generator according to the present invention does not require yokes on both sides in the coil drive direction, so the power generation output can be increased by arranging a plurality of coils in the axial direction, increasing the number of turns, or increasing the coil winding width. can do. Further, in the generator of the present invention, since both axial ends of the coil are open, the coil can be stably supported on the axis of the coil, and the coil and the magnetic circuit can be naturally cooled.

本発明の実施形態に係る発電機の外観を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view showing typically the appearance of the generator concerning the embodiment of the present invention. 図1の発電機を右から見た右側面図である。It is the right view which looked at the generator of FIG. 1 from the right. 一部に図1のA−A線断面を含む斜視図である。It is a perspective view including the AA line section of Drawing 1 in part. 図1のA−A線断面矢視図である。It is an AA line cross section arrow line view of FIG. 図1のコイルを支持するコイル支持体の斜視図である。It is a perspective view of the coil support body which supports the coil of FIG. 図1の発電機において可動させるコイルの変位量の説明図であって、(a)はマイナスの最大変位、(b)は変位の中心位置、(c)はプラスの最大変位を示している。It is explanatory drawing of the displacement amount of the coil moved in the generator of FIG. 1, Comprising: (a) is negative maximum displacement, (b) has shown the center position of displacement, (c) has shown positive maximum displacement. 図1の発電機の磁場解析のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the magnetic field analysis of the generator of FIG. 図1の発電機の過渡応答解析の説明図であって、(a)は各コイルと負荷抵抗との接続を示す回路図、(b)は(a)の発電機を等価回路で示した図である。It is explanatory drawing of the transient response analysis of the generator of FIG. 1, Comprising: (a) is a circuit diagram which shows the connection of each coil and load resistance, The figure which showed the generator of (a) by an equivalent circuit. It is. 図1の発電機の過渡応答解析のシミュレーション結果を示すグラフである。It is a graph which shows the simulation result of the transient response analysis of the generator of FIG. 本発明の変形例に係る発電機の模式図である。It is a schematic diagram of the generator which concerns on the modification of this invention.

本発明の発電機を実施するための形態について、図1〜図6を適宜参照して詳細に説明する。なお、各図面に示される部材等のサイズや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。   The form for carrying out the generator of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 6 as appropriate. Note that the size, positional relationship, and the like of members and the like shown in the drawings may be exaggerated for the sake of clarity.

発電機1は、固定された磁石20,30間にてコアレスのコイル10がリニア駆動されて発電するものである。
発電機1は、電気的に接続された複数のコイル10と、各コイル10の外側にそれぞれ配置された外側磁石20と、各コイル10の内側にそれぞれ配置された内側磁石30と、内側磁石30が外側磁石20と対向する位置になるように固定された軸ヨーク40と、外側磁石20が内側磁石30と対向する位置にて対向するもの同が異極性となるように固定された外部ヨーク50と、コイル支持体60(図5参照)と、を備えている。
図3及び図4に示すように、発電機1では、移動方向である左右方向の軸上に2つのコイル10a,10bが離間させて支持されている。なお、説明の都合上、図5以外の図面ではコイル支持体を省略している。また、図3において寸法を表す記号の説明については後記する。なお、軸ヨーク40は軸内部まで詰まった形状で図示したが、中心部を軸方向に空洞にした円筒形状でも良い。
In the generator 1, the coreless coil 10 is linearly driven between the fixed magnets 20 and 30 to generate electric power.
The generator 1 includes a plurality of coils 10 electrically connected to each other, an outer magnet 20 disposed outside each coil 10, an inner magnet 30 disposed inside each coil 10, and an inner magnet 30. external yoke but a shaft yoke 40 fixed so as to position facing the outer magnet 20, the same Judges that faces at a position outside the magnet 20 faces the inner magnet 30 is fixed so as to be different polarities 50 and a coil support 60 (see FIG. 5).
As shown in FIGS. 3 and 4, in the generator 1, the two coils 10 a and 10 b are separated and supported on an axis in the left-right direction which is the moving direction. In addition, the coil support body is abbreviate | omitted in drawings other than FIG. 5 on account of description. Further, the explanation of the symbols representing the dimensions in FIG. 3 will be described later. The axial yoke 40 is illustrated as being clogged up to the inside of the shaft, but may be a cylindrical shape in which the central portion is hollow in the axial direction.

以下では、複数のコイル10と、コイル支持体60とを合わせて可動子とも呼ぶ。
内側磁石30と、内側磁石30が固定された軸ヨーク40とを合わせて内側固定子とも呼ぶ。また、外側磁石20と、外側磁石20が固定された外部ヨーク50とを合わせて外側固定子とも呼ぶ。なお、内側固定子と外側固定子とを区別しない場合、単に固定子と呼ぶ。
Hereinafter, the plurality of coils 10 and the coil support 60 are collectively referred to as a mover.
The inner magnet 30 and the axial yoke 40 to which the inner magnet 30 is fixed are collectively referred to as an inner stator. Further, the outer magnet 20 and the outer yoke 50 to which the outer magnet 20 is fixed are collectively referred to as an outer stator. When the inner stator and the outer stator are not distinguished, they are simply referred to as a stator.

<コイル>
コイルの軸方向(図4では左右方向)に複数(2つ)のコイル10a,10bが配置されている。コイル材料としては、導体であればよく、例えば銅、銀、アルミニウム等を挙げることができる。銅の絶縁被覆(マグネットワイヤと呼ばれているタイプのもの)が好適である。
<Coil>
A plurality of (two) coils 10a and 10b are disposed in the axial direction of the coil (the left and right direction in FIG. 4). The coil material may be any conductor, and examples thereof include copper, silver, aluminum and the like. Copper insulation (of the type referred to as magnet wire) is preferred.

コイル10の運動方向は、軸方向(図4では左右方向)である。
コイルの振幅範囲は、例えば±1mm〜±200mmの範囲であれば、本発明の原理を用いることが可能である。
The motion direction of the coil 10 is the axial direction (left and right direction in FIG. 4).
If the amplitude range of the coil is, for example, in the range of ± 1 mm to ± 200 mm, it is possible to use the principle of the present invention.

<磁石>
外側磁石20は、図3及び図4に示すように、内側磁石30と対向する位置にて対向するもの同が異極性となるように配置されている。つまり、外側磁石20についての内側磁石30と対向する面の側がS極ならば、内側磁石30についての外側磁石20と対向する面の側がN極である。
また、図3及び図4に示すように、軸方向に隣り合う2つの外側磁石20は、隣同の極性を逆にして配置されている。
さらに、外側磁石20は、図1及び図2に示すように、コイル10a,10bを周方向に取り囲むように配設されている。
外側磁石20についてのコイルの軸方向の長さは予め定められており、以下、これを磁石の幅W(図3及び図6参照)ともいう。
コイルの軸方向に隣り合う2つの外側磁石20の間の距離は予め定められている。以下、この距離を軸方向磁石間距離L(図3及び図6参照)とも呼ぶ。
<Magnet>
Outer magnet 20, as shown in FIGS. 3 and 4, the Judges that faces are arranged such that different polarities at positions opposing the inner magnet 30. That is, if the side of the surface facing the inner magnet 30 of the outer magnet 20 is the S pole, the side of the surface facing the outer magnet 20 of the inner magnet 30 is the N pole.
Further, as shown in FIGS. 3 and 4, the two outer magnets 20 adjacent to each other in the axial direction is arranged to reverse the polarity of Tonarido workers.
Furthermore, as shown in FIGS. 1 and 2, the outer magnet 20 is disposed so as to surround the coils 10 a and 10 b in the circumferential direction.
The axial length of the coil for the outer magnet 20 is predetermined, and hereinafter also referred to as the magnet width W (see FIGS. 3 and 6).
The distance between the two outer magnets 20 axially adjacent to the coil is predetermined. Hereinafter, this distance is also referred to as axial magnet distance L (see FIGS. 3 and 6).

内側磁石30は、図3及び図4に示すように、外側磁石20と対向する位置にそれぞれ配置されている。
内側磁石30についてのコイルの軸方向の長さ(磁石の幅)は予め定められており、外側磁石20の磁石の幅Wと同一であることが好ましい。
内側磁石30の厚さT5、外側磁石20の厚さT2は、それぞれ磁気飽和が起こり難い寸法・形状であれば良く、必ずしも同じ厚さである必要はない。
コイルの軸方向に隣り合う2つの内側磁石30の間の距離は予め定められており、外側磁石20の軸方向磁石間距離Lと同一であることが好ましい。
内側磁石30と外側磁石20との距離は、コイル10が振動可能な空間を確保できるように予め定められている。以下、この距離を径方向磁石間距離T3(図3参照)とも呼ぶ。
The inner magnets 30 are respectively disposed at positions facing the outer magnets 20 as shown in FIGS. 3 and 4.
The axial length (width of the magnet) of the coil for the inner magnet 30 is predetermined and is preferably the same as the width W of the magnet of the outer magnet 20.
The thickness T5 of the inner magnet 30 and the thickness T2 of the outer magnet 20 may be any size and shape in which magnetic saturation does not easily occur, and may not necessarily have the same thickness.
The distance between the two inner magnets 30 axially adjacent to the coil is predetermined and is preferably the same as the distance L between the outer magnets 20 in the axial direction.
The distance between the inner magnet 30 and the outer magnet 20 is predetermined so as to secure a space in which the coil 10 can vibrate. Hereinafter, this distance is also referred to as a radial direction magnet-to-magnet distance T3 (see FIG. 3).

磁石材料としては、一般的なもの、例えば、永久磁石、電磁石、超電導磁石等を用いることができる。永久磁石の場合、例えば、ネオジム、サマリウムコバルト、フェライト等を用いることが好ましく、特にネオジムが好適である。   As a magnet material, a general thing, for example, a permanent magnet, an electromagnet, a superconducting magnet etc. can be used. In the case of a permanent magnet, for example, neodymium, samarium cobalt, ferrite or the like is preferably used, and neodymium is particularly preferable.

<ヨーク>
図1〜図4に示すように、軸ヨーク40は、柱体の形状を有している。図1に示す発電機1では、一例として断面が円形の円柱形とした。
図1〜図4に示すように、外部ヨーク50は、軸ヨーク40を周方向に取り囲むように筒状に形成されている。図1に示す発電機1では、一例として断面が円環状の円筒形の外部ヨーク50とした。
<Yoke>
As shown in FIGS. 1 to 4, the axial yoke 40 has a cylindrical shape. In the generator 1 shown in FIG. 1, as an example, the cross section has a circular cylindrical shape.
As shown in FIGS. 1 to 4, the outer yoke 50 is formed in a tubular shape so as to surround the axial yoke 40 in the circumferential direction. In the generator 1 shown in FIG. 1, as an example, the cylindrical outer yoke 50 has an annular cross section.

ヨーク材料としては、磁束回路を構成できる材料であればよく、例えば、鉄(純鉄)、永久磁石、電磁鋼板等を用いることができる。飽和磁束密度が高いことが求められるので、特に純鉄が好適である。   The yoke material may be any material that can form a magnetic flux circuit, and for example, iron (pure iron), a permanent magnet, a magnetic steel sheet, etc. can be used. Pure iron is particularly preferred because a high saturation magnetic flux density is required.

発電機1は、軸ヨーク40と外部ヨーク50とを上記形状としたことで、コイル駆動方向(図1の左右方向)の両側にヨークを設ける必要がなくなる。発電機1は、磁石を設けたヨークにおいて、軸方向の両端が開放されており、バックヨークを備えていない。   The generator 1 does not have to provide yokes on both sides in the coil driving direction (left and right direction in FIG. 1) by forming the shaft yoke 40 and the external yoke 50 in the above-described shape. In the yoke 1 provided with a magnet, both ends in the axial direction of the generator 1 are open and do not have a back yoke.

<磁石とコイルの配置>
本実施形態では、外側磁石20は、図2に示すように、外部ヨーク50の筒内周面を周方向に第1所定間隔をあけて取り囲む複数の所定数の磁石20で形成されている。
同様に、内側磁石30は、軸ヨーク40の外周面を周方向に第2所定間隔をあけて取り囲む前記所定数と同数の磁石で形成されている。
<Arrangement of magnets and coils>
In the present embodiment, as shown in FIG. 2, the outer magnet 20 is formed of a plurality of magnets 20 surrounding the inner circumferential surface of the outer yoke 50 at a first predetermined interval in the circumferential direction.
Similarly, the inner magnet 30 is formed of the same number of magnets as the predetermined number surrounding the outer peripheral surface of the axial yoke 40 at a second predetermined interval in the circumferential direction.

ここでは、外側磁石20についての内側磁石30と対向する面(内周面)の周方向の角度が、内側磁石30についての外側磁石20と対向する面(外周面)の周方向の角度と同じになるように、第1所定間隔と第2所定間隔とが決定されている。別の観点では、磁石20の間隔(第1所定間隔)及び磁石30の間隔(第2所定間隔)は、図2において磁石が配置された角度範囲θに対応付けられる。   Here, the angle in the circumferential direction of the surface (inner circumferential surface) facing the inner magnet 30 in the outer magnet 20 is the same as the angle in the circumferential direction of the surface (outer circumferential surface) facing the outer magnet 20 in the inner magnet 30 The first predetermined interval and the second predetermined interval are determined so that In another viewpoint, the distance between the magnets 20 (first predetermined distance) and the distance between the magnets 30 (second predetermined distance) correspond to the angular range θ in which the magnets are disposed in FIG.

具体的には、図2に示すように、外側磁石20は、コイル10毎に、コイル10を囲むようにそれぞれ90°ずらして配置した4個の磁石20で形成されており、同様に、内側磁石30は、コイル10毎に4個の磁石30で形成されている。図2において、磁石が配置された角度範囲θは60°であり、周方向の磁石間の隙間に対応する角度は30°である。図2に示すように外側固定子と内側固定子との間にコイル10を配置する前の状態において固定子の周方向に配置された磁石間の隙間が4か所空いているのは、図5に一例を示す構成のコイル支持体60がこの部分に組み込まれるからである。なお、図2では、外側固定子と内側固定子との間にコイル10を配置した後の状態を図示しているため、隙間が8箇所に空いている。   Specifically, as shown in FIG. 2, the outer magnet 20 is formed of four magnets 20 which are disposed 90 ° apart so as to surround the coil 10 for each coil 10, similarly, The magnet 30 is formed of four magnets 30 for each coil 10. In FIG. 2, the angular range θ in which the magnets are disposed is 60 °, and the angle corresponding to the gap between the magnets in the circumferential direction is 30 °. As shown in FIG. 2, there are four gaps between the magnets disposed in the circumferential direction of the stator before the coil 10 is disposed between the outer stator and the inner stator as shown in FIG. This is because the coil support 60 having the configuration shown as an example in 5 is incorporated in this portion. In addition, in FIG. 2, since the state after arrange | positioning the coil 10 between the outer side stator and the inner side stator is shown in figure, the clearance gap is vacant in eight places.

所定のターン数の導線を巻回したコイル10において1ターン分のうち、全体の長さをC[m]、磁界と鎖交する部分の長さをx[m]とすると、導線使用率η[%]は、式(2)で表される。図2に示す例では、ηは67%となる。
η=x/C×100 … 式(2)
Assuming that the entire length is C [m] and the length of a portion interlinked with the magnetic field is x [m] in one turn of the coil 10 in which the conductor of a predetermined number of turns is wound, the conductor usage rate η [%] Is expressed by equation (2). In the example shown in FIG. 2, η is 67%.
η = x / C × 100 ... Formula (2)

なお、特許文献5に記載されたような日の字状に形成されたヨークを備える構造では、コイルの1ターン分のうち磁界と鎖交する部分は、軸方向から見たコイルの4辺のうち上下方向だけである。つまり、発電に寄与する部分は上下2箇所のコイル辺であって、左右2箇所のコイル辺は発電に寄与せず、導線の使用率を約50%に低下させていた。   In the structure including the yoke formed in the shape of the day character as described in Patent Document 5, the portion interlinked with the magnetic field in one turn of the coil corresponds to the four sides of the coil viewed from the axial direction. It is only in the vertical direction. That is, the part contributing to power generation is the upper and lower two coil sides, and the two coil sides on the left and right do not contribute to the power generation, and the usage rate of the conducting wire is reduced to about 50%.

発電機1は、図4に示すように、左側のコイル10aを挟む2つの磁石30,20の極性を軸ヨーク40の側からSN,SNと配置し、かつ、右側のコイル10bを挟む2つの磁石30,20の極性を外部ヨーク50の側からSN,SNと配置している。つまり、2つのコイル10a,10bを通過する太い矢印で示す向きの磁束線による磁気回路が形成されるように磁石を配置した。   As shown in FIG. 4, the generator 1 arranges the polarities of the two magnets 30, 20 sandwiching the left coil 10a with SN, SN from the side of the shaft yoke 40, and sandwiches the right coil 10b. The polarities of the magnets 30 and 20 are arranged as SN and SN from the side of the outer yoke 50. That is, the magnets are arranged such that a magnetic circuit is formed by magnetic flux lines in the direction indicated by thick arrows passing through the two coils 10a and 10b.

磁石20と磁石30との間には、コイル10が往復運動をするためのエアギャップがある。加振されることによって左側のコイル10aと右側のコイル10bとは同じ方向に動く。一方で、左側のコイル10aが配置されている部位において固定子が作る磁束の向きは、右側のコイル10bが配置されている部位において固定子が作る磁束の向きとは逆向きである。したがって、同じ方向に動いたときに各コイル10a,10bに流れる電流の向きに合わせて、左側のコイル10aの導線の巻き回す向きは、右側のコイル10bの導線の巻き回す向きとは逆向きとしている。   Between the magnet 20 and the magnet 30, there is an air gap for the coil 10 to reciprocate. By being excited, the left coil 10a and the right coil 10b move in the same direction. On the other hand, the direction of the magnetic flux produced by the stator at the portion where the left coil 10a is disposed is opposite to the direction of the magnetic flux produced by the stator at the portion where the right coil 10b is disposed. Therefore, according to the direction of the current flowing in each coil 10a and 10b when moving in the same direction, the winding direction of the lead of the coil 10a on the left side is opposite to the winding direction of the lead of the coil 10b on the right There is.

図4は、図2の発電機を鉛直面(例えばΨ=0°)で切断したときの断面矢視図であるが、例えば−30°≦Ψ≦30°となる範囲の所定角度の平面で切断した場合も同様の図面となり、同様に磁気回路が形成される。また、図2の発電機を水平面(例えばΨ=90°)で切断したり、例えば60°≦Ψ≦120°となる範囲の所定角度の平面で切断した場合も同様の図面となり、同様に磁気回路が形成される。つまり、発電機1では、図2において上下前後の放射状の多数の方向に磁気回路が形成される。なお、特許文献5に記載されたような日の字状に形成されたヨークを備える構造では、1つの方向にしか磁気回路が形成されない。   FIG. 4 is a sectional view of the generator of FIG. 2 taken along a vertical plane (e.g.,) = 0 °), for example, at a plane of a predetermined angle in the range of −30 ° ≦ ° ≦ 30 °. The same drawing is obtained in the case of cutting, and a magnetic circuit is similarly formed. In addition, the same drawing is obtained when the generator of FIG. 2 is cut along a horizontal plane (for example, Ψ = 90 °) or a plane having a predetermined angle within a range of 60 ° ≦ Ψ ≦ 120 °, for example. A circuit is formed. That is, in the generator 1, magnetic circuits are formed in many directions in the upper and lower, front and back directions in FIG. 2. In the structure including the yoke formed in the shape of a Japanese character as described in Patent Document 5, the magnetic circuit is formed only in one direction.

<コイル支持体>
コイル支持体60(図5参照)は、複数のコイル10a,10bを同一軸上に離間させて支持するものである。コイル支持体60は、コイルと共に振動する。コイル支持体60は非磁性体からなる。
非磁性体の材料としては、例えばプラスティック、セラミックス、非磁性体の金属等を挙げることができる。
<Coil support>
The coil support 60 (see FIG. 5) supports the plurality of coils 10a and 10b spaced apart on the same axis. The coil support 60 vibrates with the coil. The coil support 60 is made of nonmagnetic material.
Examples of the nonmagnetic material include plastics, ceramics, nonmagnetic metals and the like.

図5に一例を示すコイル支持体60は、複数(例えば4個)の軸方向支持体61,62,63,64と、複数(例えば2枚)の支持板65,66と、を備えている。   The coil support 60, an example of which is shown in FIG. 5, includes a plurality of (for example, four) axial supports 61, 62, 63, 64 and a plurality of (for example, two) support plates 65, 66. .

軸方向支持体61,62,63,64は、コイルの軸方向に延伸した爪状部材であって複数のコイル10a,10bを径方向における外側と内側から挟持するものである。軸方向支持体61,62,63,64は、内側磁石30を形成する複数の磁石間の隙間、及び、外側磁石20を形成する複数の磁石間の隙間に嵌入される。   The axial supports 61, 62, 63, 64 are claws extended in the axial direction of the coil, and sandwich the plurality of coils 10a, 10b from the outside and the inside in the radial direction. The axial supports 61, 62, 63, 64 are fitted in the gaps between the plurality of magnets forming the inner magnet 30 and the gaps between the plurality of magnets forming the outer magnet 20.

支持板65,66は、軸ヨーク40が貫通する開口65a,66aを有した環状の板部材であって、複数の軸方向支持体61,62,63,64を軸方向の所定位置でそれぞれ固定するものである。図示した例では、支持板65が、コイル支持体60の左端で軸方向支持体61,62,63,64を固定し、支持板66が、コイル支持体60の右端で軸方向支持体61,62,63,64を固定する。
支持板65,66には、軸方向支持体61,62,63,64の各爪状部材が嵌合する複数(例えば8個)の穴部が形成されている。
The support plates 65, 66 are annular plate members having openings 65a, 66a through which the shaft yoke 40 passes, and fix a plurality of axial support members 61, 62, 63, 64 at predetermined positions in the axial direction. It is In the illustrated example, the support plate 65 fixes the axial supports 61, 62, 63, 64 at the left end of the coil support 60, and the support plate 66 supports the axial support 61 at the right end of the coil support 60, Fix 62, 63, 64.
The support plates 65 and 66 have a plurality of (e.g., eight) holes in which the claw members of the axial supports 61, 62, 63 and 64 are fitted.

この場合、可動子(コイル10及びコイル支持体60)は例えば次のようにして固定子に組み込まれる。コイル支持体60は、各コイル10の左右方向からスペーサ67,67を密着させて配設した上で軸方向支持体61,62,63,64によって各コイル10の内側と外側から挟持して各コイル10と一体に組み立てられる。ここで、スペーサ67,67は、例えば軸方向支持体61からコイル10がずれないようにするために2つの爪状部材の隙間を埋める非磁性体である。そして、各コイル10と一体に組み立てられた4つの軸方向支持体61,62,63,64を、図2に示す固定子において90°ずらして配置された4つの隙間にそれぞれはめ込む。そして、固定子のヨークが配置されていない軸方向(左右方向)の両側から軸方向支持体61,62,63,64の左端及び右端を2つの支持板65,66の穴部に嵌合して固定する。   In this case, the mover (coil 10 and coil support 60) is incorporated into the stator, for example, as follows. The coil support 60 is disposed with the spacers 67 and 67 in close contact with each other in the left and right direction of each coil 10, and is held by the axial supports 61, 62, 63 and 64 from the inside and the outside of each coil 10 It is assembled integrally with the coil 10. Here, the spacers 67, 67 are nonmagnetic materials that fill the gap between the two claws, for example, in order to prevent the coil 10 from shifting from the axial support 61. Then, the four axial supports 61, 62, 63, 64 assembled integrally with the respective coils 10 are respectively fitted in four gaps arranged 90.degree. Apart in the stator shown in FIG. Then, the left end and the right end of the axial supports 61, 62, 63, 64 are fitted in the holes of the two support plates 65, 66 from both sides in the axial direction (left and right direction) where the yoke of the stator is not disposed. Fix it.

図5に示す例では、振動による導線の破断を防ぐため、コイル10と図示しない外部回路との接触部には編み線を用いている。すなわち、コイル10aの導線の左端部は、図示しない編み線を介して外部回路に接続され、コイル10aの導線の右端部は、コイル10bの導線の左端部に連結されている。また、コイル10bの導線の右端部は、図示しない編み線を介して外部回路に接続されている。ここで、2つのコイル10a,10bを直列に接続するために1本の導線で2つのコイル10a,10bを形成してもよい。   In the example shown in FIG. 5, in order to prevent breakage of the lead wire due to vibration, a braided wire is used at the contact portion between the coil 10 and an external circuit (not shown). That is, the left end of the conducting wire of the coil 10a is connected to the external circuit through a braided wire not shown, and the right end of the conducting wire of the coil 10a is connected to the left end of the conducting wire of the coil 10b. Further, the right end portion of the conductive wire of the coil 10b is connected to an external circuit through a braided wire not shown. Here, in order to connect two coils 10a and 10b in series, one coil may form two coils 10a and 10b.

<動作>
発電機1のコイル支持体60は、コイル10の軸方向の両側から、図示しない支持機構によって支持される。このうち、一方(例えば左)の支持機構にはコイル支持体60を往復運動させるための駆動軸が設けられ、他方(例えば右)の支持機構にはコイル支持体60の往復運動を円滑にするための軸受が設けられる。例えば熱音響機関と接続される場合には、前記した一方の支持機構の駆動軸は、熱音響機関の音波振動出力端、すなわち共鳴管の先端部近傍に設けられたピストンなどで構成した振動部に直結される。ここで、振動部は、音波振動エネルギーが与えられると共鳴管内にて往復運動する部材である。
そして、発電機1は、振動エネルギーによって可動子が往復運動して図4および図6に示すように、コイル10a,10bが磁界方向に対して垂直に動くことで、フレミングの右手の法則にしたがって、鎖交箇所に起電力が発生し、コイル10a,10bから電力を取り出すことができる。可動子の運動方向は図4において左右方向である。図4には、コイル10a,10bが左向きに動くときの電流の向きを図示した。
<Operation>
The coil support 60 of the generator 1 is supported from both axial sides of the coil 10 by a support mechanism (not shown). Among them, one (for example, the left) support mechanism is provided with a drive shaft for reciprocating the coil support 60, and the other (for example, the right) support mechanism facilitates the reciprocation of the coil support 60. Bearings are provided. For example, when connected to a thermoacoustic engine, the drive shaft of one of the support mechanisms described above is a vibration unit constituted by a sound wave vibration output end of the thermoacoustic engine, that is, a piston provided in the vicinity of the tip of the resonance pipe. Directly connected to Here, the vibration unit is a member that reciprocates within the resonance tube when sonic vibration energy is applied.
Then, in the generator 1, the movable element reciprocates by vibrational energy, and as shown in FIGS. 4 and 6, the coils 10a and 10b move perpendicular to the magnetic field direction, according to Fleming's right-hand rule An electromotive force is generated at the linkage point, and power can be extracted from the coils 10a and 10b. The moving direction of the mover is the left and right direction in FIG. FIG. 4 illustrates the direction of the current when the coils 10a and 10b move leftward.

[発電機の構成要素の設計例]
図3に示すように、コイル10の内径は、軸ヨーク40の直径φ1と、磁石30の厚さT5の2倍の長さと、エアギャップとの和で表される。ここでは、エアギャップを、径方向磁石間距離T3からコイルの厚さを差し引いた長さで定義した。すなわち、コイルの厚さをT4とすると、エアギャップGは次の式(3)で表される。
G=T3−T4 … 式(3)
コイル10の内径は、1ターンの導線長さに比例する。コイル10の内径を大きくすれば、コイル10を横切る磁束が増え、発電量が増える。径方向磁石間距離T3を所定値に保つ場合、コイル10の内径を大きくしたときに同様に外側固定子の外径も大きくする。
[Design Example of Generator Components]
As shown in FIG. 3, the inner diameter of the coil 10 is represented by the sum of the diameter φ1 of the axial yoke 40, the length twice the thickness T5 of the magnet 30, and the air gap. Here, the air gap is defined as a length obtained by subtracting the thickness of the coil from the distance between radial magnets T3. That is, assuming that the thickness of the coil is T4, the air gap G is expressed by the following equation (3).
G = T3-T4 ... Formula (3)
The inner diameter of the coil 10 is proportional to the wire length of one turn. When the inner diameter of the coil 10 is increased, the magnetic flux crossing the coil 10 is increased and the amount of power generation is increased. When the inter-magnet distance T3 is maintained at a predetermined value, the outer diameter of the outer stator is similarly increased when the inner diameter of the coil 10 is increased.

コイル10に使用する導線として平角線を用いると、丸線に比べて占積率が向上する。巻線(導線)に丸線を用いたコイルでは導線間に隙間が発生し、体積当たりの巻き数は悪くなる。一方、平角線は密着整列が可能で導線間の隙間がなくなり、巻き数の低下を抑えることができる。また、巻き終えたときのコイル表面の凹凸がなくなるため、エアギャップを縮小して設置することができる。   When a flat wire is used as the conductive wire used for the coil 10, the space factor is improved as compared with the round wire. In a coil in which round wires are used for the windings (conductors), a gap is generated between the conductors, and the number of turns per volume becomes worse. On the other hand, the flat wire can be closely aligned, and there is no gap between the conducting wires, and the reduction in the number of turns can be suppressed. Moreover, since the unevenness | corrugation on the surface of a coil at the time of completion | finish of winding is lose | eliminated, an air gap can be shrink | contracted and it can install.

コイル10に使用する導線としてアルミ電線を用いると、銅線に比べて軽量化が向上する。アルミ電線は抵抗率が銅線より1.6倍程度大きくなるが、比重が3割と小さいため、コイルの重量を半分程度にすることができる。   When an aluminum wire is used as the wire used for the coil 10, the weight reduction is improved compared to a copper wire. The resistivity of an aluminum wire is about 1.6 times larger than that of a copper wire, but the specific gravity is as small as 30%, so the weight of the coil can be reduced to about half.

径方向磁石間距離T3は、径方向の磁石20,30間において所望の磁束密度(例えば0.8T程度以上)が得られる距離に調整した。径方向磁石間距離T3を満足するように、コイル10の厚さT4とエアギャップGとを決定した。   The radial direction inter-magnet distance T3 was adjusted to a distance at which a desired magnetic flux density (for example, about 0.8 T or more) can be obtained between the radial direction magnets 20 and 30. The thickness T4 of the coil 10 and the air gap G were determined so as to satisfy the radial direction inter-magnet distance T3.

さらに、本実施形態では、可動子が移動し過ぎることによって逆向きの磁束の中に入ってしまうことを避けるため、磁石の幅W及びコイルの軸方向の幅(コイル幅w)とが選択されている。すなわち、軸方向磁石間距離Lと、コイルの振動の片振幅lとが決定している場合、発電機1は、磁石の幅W及びコイル幅wが下記式(1)の関係を満たすように構成されている。
L≧l+w/2−W/2 … 式(1)
Furthermore, in the present embodiment, the width W of the magnet and the axial width (coil width w) of the coil are selected in order to prevent the mover from entering the reverse magnetic flux due to excessive movement. ing. That is, when the axial direction inter-magnet distance L and the one-sided amplitude l of the vibration of the coil are determined, the generator 1 is such that the width W of the magnet and the coil width w satisfy the relationship of the following formula (1) It is configured.
L l l + w / 2-W / 2 Formula (1)

このことは、磁石の幅Wがコイル幅w以下であっても成り立つ。ただし、磁石の幅Wがコイル幅wより小さい場合、可動子が運動を始める前からコイルの一部分が磁界を抜けていることになる。また、磁石の幅Wがコイル幅wと同じである場合、可動子が運動を始めるとコイルの一部分が磁界を抜け始め、可動子の移動距離が(W+w)/2に達したときにコイルは磁界と鎖交しなくなってしまう。運動する領域に対し、コイルと鎖交する磁界が小さいと、発電が可能な速度が出ていても、そこに磁界がないため、起電力は発生しない。コイルが磁界領域に達したときのみ出力が発生するので、平均電力は低くなる。   This holds true even if the width W of the magnet is equal to or less than the coil width w. However, when the width W of the magnet is smaller than the coil width w, part of the coil is out of the magnetic field before the mover starts to move. Also, if the width W of the magnet is the same as the coil width w, when the mover starts to move, a part of the coil starts to lose the magnetic field, and when the move distance of the mover reaches (W + w) / 2, the coil It does not interact with the magnetic field. If the magnetic field linked to the coil is small relative to the moving area, no electromotive force is generated because there is no magnetic field even if the speed at which power can be generated is high. The average power is low because the output occurs only when the coil reaches the magnetic field region.

そこで、出力を大きくするために、ここでは、図示するように、磁石の幅Wはコイル幅wよりも大きいものとする。出力を正弦波状の波形にするためには、可動範囲内に広く磁界を発生させればよい。可動範囲内に広く磁界を発生させるために、磁石の幅Wをコイルの振動の片振幅lよりも広くした。可動範囲は、コイル幅wと、コイルの振動の片振幅lの2倍の長さ(全振幅)との和で表される。
表1に、発電機の構成要素の各パラメータとその値の一例を示す。表1に示すパラメータ値は、後記するシミュレーションにおいて設定値として用いた。対応するパラメータを表す記号は、図2、図3及び図6に示したものである。
Therefore, in order to increase the output, here, the width W of the magnet is made larger than the width w of the coil as shown in the drawing. In order to make the output a sinusoidal waveform, a magnetic field may be generated widely within the movable range. In order to generate a magnetic field widely in the movable range, the width W of the magnet was made wider than the half amplitude l of the vibration of the coil. The movable range is represented by the sum of the coil width w and the length (full amplitude) twice as large as the one-sided amplitude l of the coil vibration.
Table 1 shows an example of each parameter of the component of the generator and its value. The parameter values shown in Table 1 were used as set values in the simulation described later. The symbols representing the corresponding parameters are as shown in FIG. 2, FIG. 3 and FIG.

図6は、図4と同様の図面であるが、コイルの変位量を説明するために断面を示すハッチングを省略している。図6(b)は、コイル10a,10bの位置が変位の中心位置の場合を示す図である。図6(a)は、図6(b)に示すコイル位置から変位量l(片振幅l)だけ左(マイナス方向)に変位した左端位置を示す図であり、図6(c)は、図6(b)に示すコイル位置から変位量l(片振幅l)だけ右(プラス方向)に変位した右端位置を示す図である。
表1に示す設定では、磁石の幅Wが、コイル幅wと、片振幅lの2倍の長さ(全振幅)との和となるように設定されている。これにより、可動子の往復運動中にコイル10が磁界を抜けることなく、コイル10が磁界と鎖交しなくなるような事態を防止して、出力を大きくすることができる。
FIG. 6 is a view similar to FIG. 4, but hatching indicating a cross section is omitted to explain the displacement of the coil. FIG. 6 (b) is a diagram showing the case where the positions of the coils 10a and 10b are central positions of displacement. 6 (a) is a view showing a left end position displaced to the left (minus direction) by a displacement amount l (one amplitude l) from the coil position shown in FIG. 6 (b), and FIG. 6 (c) is a view It is a figure which shows the right end position displaced only the displacement amount 1 (one amplitude l) from the coil position shown to 6 (b) right (plus direction).
In the setting shown in Table 1, the width W of the magnet is set so as to be the sum of the coil width w and the length twice the half amplitude l (full amplitude). As a result, the output can be increased by preventing the situation where the coil 10 does not interlink with the magnetic field without the coil 10 losing the magnetic field during the reciprocating movement of the mover.

表1に示す設定では、軸ヨーク40及び外部ヨーク50の材料を鉄とした。
一般のモータや発電機ではコイルが鉄芯(コア)に巻きつけられているときに、コイルの電流の向き又は磁束の向きが交播する。この場合に鉄損(渦電流損、ヒステリシス損)が出る。そのため、モータや発電機では珪素鋼板(電磁鋼板)が使われることが多い。
一方、本実施形態の発電機1では、コイル10の外部の固定子(磁石及びヨーク)の磁束の向きや強さが変わらずに常に一定の状態である。つまり、磁気回路が変化しにくく、磁気回路の磁場は直流であるといえる。このように発電機1では交播磁界が発生しないので、表1に示す設定のように、高価な珪素鋼板を使わずに通常の鉄を用いてコストを抑えることができる。
In the setting shown in Table 1, the material of the axial yoke 40 and the outer yoke 50 is iron.
In a general motor or generator, when the coil is wound around an iron core (core), the current direction or the magnetic flux direction of the coil crosses. In this case, iron loss (eddy current loss, hysteresis loss) occurs. Therefore, silicon steel plates (magnetic steel plates) are often used in motors and generators.
On the other hand, in the generator 1 of the present embodiment, the direction and strength of the magnetic flux of the stator (magnet and yoke) outside the coil 10 are always in a constant state without changing. That is, it can be said that the magnetic circuit is hard to change, and the magnetic field of the magnetic circuit is direct current. As described above, in the generator 1, no cross-over magnetic field is generated, so that the cost can be suppressed by using normal iron without using expensive silicon steel plates as in the setting shown in Table 1.

[シミュレーション]
本実施形態の発電機1の性能を確認するため、電磁界解析ソフトウェア(JMAG(登録商標):株式会社JSOL製)を用いて、磁場解析と、過渡応答解析のシミュレーションを行った。
[simulation]
In order to confirm the performance of the generator 1 of the present embodiment, simulations of magnetic field analysis and transient response analysis were performed using electromagnetic field analysis software (JMAG (registered trademark): manufactured by JSOL Co., Ltd.).

<1.磁場解析>
磁場解析結果から磁束のベクトル図を図7に示す。図7は、図4に示す発電機1の断面図の上半分の領域に対応しており、図7の左右方向は、図4に示す左右方向に一致している。コイル10a,10bの位置は、図6(b)と同様に変位の中心位置である。
<1. Magnetic field analysis>
A vector diagram of magnetic flux is shown in FIG. 7 based on the result of magnetic field analysis. 7 corresponds to the area of the upper half of the cross-sectional view of the generator 1 shown in FIG. 4, and the left-right direction of FIG. 7 corresponds to the left-right direction shown in FIG. The positions of the coils 10a and 10b are central positions of displacement as in FIG. 6 (b).

図7において、磁束密度のベクトルプロット(小さな多数の矢印)は、矢印の大きさ及び色により磁束密度の強度を示し、矢印の向きで磁束の向きを示している。このベクトルプロットにおいて、矢印の大きさは、例えば赤(1.5T)、橙(1.3T)、黄(1.2T)、緑(0.9T)、水色(0.5T)、青(0.3T)、濃紺(0.1T)の順に小さくなっている。   In FIG. 7, a vector plot of magnetic flux density (small multiple arrows) indicates the strength of magnetic flux density by the size and color of the arrow, and indicates the direction of magnetic flux in the direction of the arrow. In this vector plot, the sizes of the arrows are, for example, red (1.5 T), orange (1.3 T), yellow (1.2 T), green (0.9 T), light blue (0.5 T), blue (0 .3 T), and then decreasing in the order of navy blue (0.1 T).

ベクトルプロットにおいて、矢印の向きから、運動方向(左右方向)に対し、コイルに鎖交させる磁界の向きは垂直(上下方向)であり、2つのコイル10を通過して、ループ状に1つの磁気回路を形成していることが確認できる。   In the vector plot, the direction of the magnetic field linked to the coil is perpendicular (up and down) to the direction of movement (left and right direction) from the direction of the arrow, and it passes through two coils 10 to form one magnetic It can be confirmed that a circuit is formed.

ベクトルプロットにおいて、磁束密度の最大値は2.1T、最小値は0.0076Tであることが分かった。
このうち、内側固定子の左右方向の中間部における磁束密度は、平均1.5T(赤)となり、磁気飽和が発生しないよう調整できたことが確認できた。同じく、外側固定子でも磁束密度は高いといころで1.5T程度であり飽和現象は発生していない。
また、対向する外側磁石20と内側磁石30との間の中心点での磁束密度は、0.9T(緑)程度となった。
In the vector plot, it was found that the maximum value of the magnetic flux density is 2.1 T and the minimum value is 0.0076 T.
Among them, the magnetic flux density at the middle portion in the left and right direction of the inner stator was 1.5 T (red) on average, and it was confirmed that the magnetic saturation was able to be adjusted. Similarly, even in the outer stator, the magnetic flux density is as high as 1.5 T at high torque, and no saturation phenomenon occurs.
The magnetic flux density at the center point between the opposing outer magnet 20 and the inner magnet 30 was about 0.9 T (green).

図示を省略するが、コイル10a,10bの位置が、図6(a)と同様に変位の左端位置の場合、磁束密度の最大値は2.0T、最小値は0.014Tであった。
また、図示を省略するが、コイル10a,10bの位置が、図6(c)と同様に変位の右端位置の場合、磁束密度の最大値は2.1T、最小値は0.0087Tであった。なお、コイル10の位置によらず、どの場合でも同様の磁気回路を形成していることが確認できた。
Although illustration is omitted, when the position of the coils 10a and 10b is the left end position of the displacement as in FIG. 6A, the maximum value of the magnetic flux density is 2.0T and the minimum value is 0.014T.
Although not shown, when the positions of the coils 10a and 10b are at the right end position of the displacement as in FIG. 6C, the maximum value of the magnetic flux density is 2.1 T and the minimum value is 0.0087 T. . It was confirmed that the same magnetic circuit was formed regardless of the position of the coil 10 in any case.

<2.過渡応答解析>
シミュレーション上にて、可動子を正弦波状に往復運動させた。このときの条件としては、動作周波数を60Hzとし、コイルの振動の片振幅lを12mmとした。
そして、図8(a)の回路図に示すように、発電機1において直列に接続された2つのコイル10a,10bからなるコイル全体の両端に外部負荷を接続すると共に、電流計及び電圧計を接続し、このときに流れる電流から出力を算出した。なお、2つのコイル10a,10bは巻線方向が互いに異なる。図8(a)に破線で示す発電機1は、図8(b)に示す等価回路では、起電力Eと内部抵抗(抵抗値r)で表すことができる。抵抗値rとしては表1に示すように、0.585Ωであるものとした。
<2. Transient response analysis>
The mover was reciprocated sinusoidally on the simulation. As the conditions at this time, the operating frequency is 60 Hz, and the one-sided amplitude l of the vibration of the coil is 12 mm.
Then, as shown in the circuit diagram of FIG. 8A, an external load is connected to both ends of the entire coil consisting of two coils 10a and 10b connected in series in the generator 1, and an ammeter and a voltmeter are Connection was made, and the output was calculated from the current flowing at this time. The two coils 10a and 10b have different winding directions. The generator 1 shown by a broken line in FIG. 8A can be represented by an electromotive force E and an internal resistance (resistance value r) in the equivalent circuit shown in FIG. 8B. As shown in Table 1, the resistance value r was 0.585 Ω.

外部負荷として、抵抗値RL=0.585Ω,2.34Ω,5.265Ωの負荷抵抗をそれぞれ接続した場合の特性を過渡応答解析からそれぞれ算出した。その結果を図9に示す。 The characteristics when load resistances of resistance value R L = 0.585 Ω, 2.34 Ω and 5.265 Ω were respectively connected as external loads were calculated from transient response analysis. The results are shown in FIG.

抵抗値RL=0.585Ωの負荷抵抗を接続した場合、その抵抗値が内部抵抗の抵抗値rと同じなので最大出力が得られ、コイル10の位置が変位の中心位置(図6(b)参照)であるとき、出力波形の振幅が最大となり、この最大値のときに1730Wとなった。この例では動作周波数が60Hzなので、周期は約0.017秒である。よって、例えば、出力0Wで約0.013秒のときに、コイル10の位置が変位の左端位置である場合(図6(a)参照)、次に出力0Wとなる約0.022秒のときに、コイル10の位置が変位の右端位置(図6(c)参照)となり、さらに次に出力0Wとなる約0.03秒のときに、コイル10の位置が変位の左端位置に戻っていることになる。
抵抗値RL=2.34Ωの負荷抵抗を接続した場合、振幅最大値のときに1230Wとなった。
抵抗値RL=5.265Ωの負荷抵抗を接続した場合、振幅最大値のときに700Wとなった。
When a load resistance of resistance value R L = 0.585Ω is connected, the resistance value is the same as the resistance value r of the internal resistance, so the maximum output is obtained, and the position of the coil 10 is the center position of displacement (FIG. 6 (b) When it is reference), the amplitude of the output waveform became maximum, and when it was this maximum value, it became 1730 W. Since the operating frequency is 60 Hz in this example, the period is about 0.017 seconds. Therefore, for example, when the position of the coil 10 is at the left end position of the displacement when the output 0 W is about 0.013 seconds (see FIG. 6A), then the output 0 W is about 0.022 seconds. The position of the coil 10 is the right end position of the displacement (see FIG. 6C), and the position of the coil 10 is returned to the left end position of the displacement at about 0.03 seconds when the output is 0 W next. It will be.
When a load resistance of resistance value R L = 2.34 Ω was connected, the maximum value was 1230 W at the maximum value.
When the load resistance of resistance value R L = 5.265 Ω was connected, it became 700 W at the maximum amplitude value.

表1に示すようにコイルの2個の重さは170gであり、コイル支持体60を含めた可動子であっても軽量であるため、熱音響機関においても60Hz以上の動作周波数で振動させることができる。   As shown in Table 1, the weight of the two coils is 170 g, and even the mover including the coil support 60 is lightweight, so that it vibrates at an operating frequency of 60 Hz or more in the thermoacoustic engine as well. Can.

以上説明したように、本発明の実施形態に係る発電機1では、コイル10の軸方向の両端は、ヨークなどを設けずに開放したので、自然冷却でコイルや磁気回路の発熱を放熱できる。また、発電機1は、コイル10の軸方向の両端にヨークが不要であることから、装置全体としても従来よりも軽量になる。また、発電機1は、磁気回路における鉄損からフリーであり、コギングからフリーである。   As described above, in the generator 1 according to the embodiment of the present invention, since both ends in the axial direction of the coil 10 are opened without providing a yoke or the like, heat generation of the coil and the magnetic circuit can be dissipated by natural cooling. In addition, since the generator 1 does not require the yoke at both axial ends of the coil 10, the entire device is also lighter than in the past. The generator 1 is free from iron loss in the magnetic circuit and free from cogging.

以上、実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、コイル10毎に、コイル10を周方向に囲むようにそれぞれ90°ずらして配置した4個ずつの磁石20,30を用いることとしたが、コイル10を取り囲んで配置する磁石の個数は、2個以上であればよい。図5に示すようなコイル支持体を用いる場合、バランスを考慮すると3個以上であることが好ましい。また、磁石が配置された角度範囲θは導線使用率ηが少なくとも50%以上となるように決定すればよい。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on embodiment, this invention is not limited to this. For example, although four magnets 20 and 30 are disposed for each coil 10 and shifted by 90 ° so as to surround the coil 10 in the circumferential direction, the number of magnets disposed surrounding the coil 10 is It is sufficient if it is two or more. When a coil support as shown in FIG. 5 is used, three or more are preferable in consideration of balance. Further, the angular range θ in which the magnet is disposed may be determined so that the wire usage rate η is at least 50% or more.

また、磁石が配置された角度範囲θは360°であってもよい。つまり、コイル10毎に、コイル10の全周を囲むように円環状の1個ずつの磁石20,30を用いてもよい。このように円環状にすると、角度範囲θ<360°の場合に比べて費用が高くなるが、磁石の体積が増加するので磁束が多くなり、発電出力を高くすることができる。
また、角度範囲θ=360°の場合、コイル支持体としては、図5に示した構造ではなく、代わりに、例えば非磁性体の円筒状で複数のコイル10を所定幅だけ離間させて外周面に固定させることのできるボビンを用いることができる。
Further, the angular range θ in which the magnet is disposed may be 360 °. That is, for each coil 10, one annular magnet 20, 30 may be used so as to surround the entire circumference of the coil 10. This annular shape increases cost as compared with the case of the angular range θ <360 °, but increases the volume of the magnet, so that the magnetic flux increases and the power generation output can be increased.
Also, in the case of the angular range θ = 360 °, the coil support is not the structure shown in FIG. 5, but instead is, for example, a cylindrical nonmagnetic body, and a plurality of coils 10 are separated by a predetermined width Bobbins that can be fixed to

また、コイル支持体は、図5に示したものに限定されるものではない。コイル支持体は、非磁性体の材料を用いて形成され、軸方向の可動度を有して、コイル10を空間に固定できる構造であればよく、例えばコイル10の全体を耐熱性の樹脂で筒状に固めることで形成してもよい。
また、コイル支持体において、コイル駆動方向の少なくとも一端に空冷用はねを設けて冷却機能を高めた構成としてもよい。
Also, the coil support is not limited to that shown in FIG. The coil support may be formed of a nonmagnetic material and has a degree of axial movement, so long as the coil 10 can be fixed in the space. For example, the entire coil 10 is made of a heat-resistant resin You may form by solidifying in a cylindrical shape.
Further, in the coil support, an air-cooling splash may be provided at at least one end in the coil driving direction to enhance the cooling function.

また、コイル10aとコイル10bとは接合できれば、直列接続に限らず並列接続でもよい。
また、発電機1は、複数のコイル10として、2連のコイル10a,10bを用いたが、3連のコイルや4連以上のコイルを用いてもよい。このようにコイル10を3連以上の多連の接続とする場合、コイルの個数に応じて磁石20,30を軸方向で増やせばよい。図10には、一例として4連のコイル10a,10b,10c,10dを用いた発電機1Bを示した。図10は、図3に対応した図面である。この発電機1Bには、コイル10と、そのコイル10の外側にそれぞれ配置された磁石20と、当該コイル10の内側にそれぞれ配置された磁石30と、からなる単位構成が、コイルの軸方向に4連配列されている。コイルの軸方向に隣り合う2つの単位構成により、図4に示した磁気回路と同様の磁気回路が形成される。例えばコイル10cを含む単位構成とコイル10dを含む単位構成では、図4に示した磁気回路と同じ方向のループが形成され、コイル10bを含む単位構成とコイル10cを含む単位構成では、図4に示した磁気回路とは逆方向のループが形成される。このようにコイル10を3連以上の多連の接続とする場合、2連のコイル10を用いた場合に比べて、可動子の重量は増えるが、コイルを増加させた分だけ出力を増加させることができる。
Further, as long as the coil 10a and the coil 10b can be joined together, they may be connected not only in series but also in parallel.
Moreover, although the generator 1 used two sets of coils 10a and 10b as the several coil 10, you may use three sets of coils and a coil of four or more sets. When the coil 10 is thus connected in multiples of three or more, the magnets 20 and 30 may be increased in the axial direction according to the number of coils. In FIG. 10, the generator 1B using 4 series coil 10a, 10b, 10c, 10d as an example was shown. FIG. 10 is a drawing corresponding to FIG. In the generator 1B, a unit structure including a coil 10, a magnet 20 disposed on the outer side of the coil 10, and a magnet 30 disposed on the inner side of the coil 10 extends in the axial direction of the coil. It is arranged in four rows. A magnetic circuit similar to the magnetic circuit shown in FIG. 4 is formed by the two unit configurations adjacent in the axial direction of the coil. For example, in the unit configuration including the coil 10c and the unit configuration including the coil 10d, a loop in the same direction as the magnetic circuit shown in FIG. 4 is formed, and in the unit configuration including the coil 10b and the unit configuration including the coil 10c, FIG. A loop is formed in the opposite direction to the illustrated magnetic circuit. When the coil 10 is connected in multiples of three or more in this way, the weight of the mover increases as compared with the case where two or more coils 10 are used, but the output is increased by the amount by which the coil is increased. be able to.

また、軸ヨーク40の断面形状は、図示した円形に限らず、楕円形や多角形であっても構わない。同様に、外部ヨーク50の断面形状は、図示した円環に限らず、楕円形や多角形をもとにした環形状であっても構わない。外部ヨーク50の断面形状がこのような形状の場合、コイル10の形状は、図2に示した円環の形状の代わりに、外部ヨーク50の断面形状と同様に楕円形や多角形をもとにした環形状となっても構わない。   Moreover, the cross-sectional shape of the axial yoke 40 is not limited to the illustrated circular shape, and may be an elliptical shape or a polygonal shape. Similarly, the cross-sectional shape of the outer yoke 50 is not limited to the illustrated annular ring, and may be an annular shape based on an oval or a polygon. When the cross-sectional shape of the outer yoke 50 is such a shape, the shape of the coil 10 is based on an oval or a polygon as in the cross-sectional shape of the outer yoke 50 instead of the shape of the annular ring shown in FIG. It does not matter if it has an annular shape.

また、発電機の加振源(振動源)は、熱音響機関に限定されるものではない。発電機を例えば車量のサスペンションの中に組み込んで、その振動で発電させるようにしてもよい。発電機を例えば海の上に浮かべて波力等によって発電させるようにしてもよい。発電機を例えば橋桁に設置して、橋桁の振動で発電させるようにしてもよい。   Also, the vibration source (vibration source) of the generator is not limited to the thermoacoustic engine. A generator may, for example, be incorporated into the suspension of the vehicle volume to generate electricity by its vibration. For example, the generator may be floated on the sea to generate electric power by wave power or the like. A generator may be installed, for example, on a bridge girder to generate power by vibration of the bridge girder.

1 発電機
10,10a,10b コイル
20 外側磁石
30 内側磁石
40 軸ヨーク
50 外部ヨーク
60 コイル支持体
61,62,63,64 軸方向支持体
65,66 支持円板
65a,66a 開口部
67 スペーサ
1 generator 10, 10a, 10b coil 20 outer magnet 30 inner magnet 40 axial yoke 50 outer yoke 60 coil support 61, 62, 63, 64 axial support 65, 66 support disc 65a, 66a opening 67 spacer

Claims (6)

コアレスのコイルの可動範囲内に発生させた磁界に前記コイルの少なくとも一部分が鎖交するように前記コイルがリニア駆動されて発電する発電機であって、
電気的に接続された複数のコイルと、
前記複数のコイルを離間して支持する非磁性体からなるコイル支持体と、
前記各コイルの周方向の内側および外側のそれぞれに配置されたヨークと、を備え、
前記コイル支持体は前記複数のコイルをコイルの軸方向に支持しており、
前記コイル毎に、前記コイルの周方向の外側から内側へ向いて前記コイルの一領域と鎖交する向きの磁界と、前記コイルの周方向の内側から外側へ向いて前記コイルの他領域と鎖交する向きの磁界とを当該コイルの可動範囲内に発生させ、
対向した2つの前記コイルにおいて、一方のコイルの所定領域に発生させた磁界の向きと、前記一方のコイルの所定領域に対向した他方のコイルの所定領域に発生させた磁界の向きとは逆向きであり、
複数の前記磁界は定常的であって、隣り合う前記磁界の向きが交互になった磁界同士によってループ状の磁気回路が複数形成されるように構成されており、
前記ヨークは、
前記各コイルの周方向の内側に配置された柱状の軸ヨークと、
前記軸ヨークを周方向に取り囲むように筒状に形成されて前記各コイルの周方向の外側に配置された外部ヨークと、を備え、前記コイルの軸方向の両端が開放されており、
前記コイル支持体に支持された前記各コイルが前記磁界中を前記コイルの軸方向に駆動することで発電することを特徴とする発電機。
A generator wherein the coil is linearly driven to generate electric power so that at least a part of the coil interlinks with a magnetic field generated within a movable range of the coreless coil,
A plurality of coils connected electrically,
A coil support made of nonmagnetic material for supporting the plurality of coils apart from each other;
And yokes respectively disposed on the inner side and the outer side in the circumferential direction of each of the coils .
The coil support supports the plurality of coils in the axial direction of the coil,
For each of the coils, a magnetic field directed inward from the outer side of the circumferential direction of the coil in a direction intersecting with one region of the coil, and from the inner side to the outer direction of the coil in the circumferential direction Generating an alternating magnetic field within the movable range of the coil,
In the two opposing coils, the direction of the magnetic field generated in the predetermined area of one coil and the direction of the magnetic field generated in the predetermined area of the other coil opposed to the predetermined area of the one coil are opposite to each other And
The plurality of magnetic fields are stationary, and a plurality of looped magnetic circuits are formed by magnetic fields in which the directions of the adjacent magnetic fields alternate with each other,
The yoke is
Column-shaped axial yokes disposed on the inner side in the circumferential direction of the respective coils,
An outer yoke formed in a cylindrical shape so as to surround the axial yoke in the circumferential direction and disposed outside the circumferential direction of each coil, and the axial ends of the coil are open;
A generator characterized in that each of the coils supported by the coil support drives power in the magnetic field in the axial direction of the coil.
前記コイルの振動周波数と同等の周波数で発電することを特徴とする請求項1に記載の発電機。   The generator according to claim 1, wherein power is generated at a frequency equivalent to the vibration frequency of the coil. 前記コイルの可動範囲内に磁界を発生させる手段として、
前記各コイルの外側にそれぞれ配置された外側磁石と、
前記各コイルの内側にそれぞれ配置された内側磁石と、を備え、さらに、
前記軸ヨークには、前記内側磁石が前記外側磁石と対向する位置になるように固定され、
前記外部ヨークには、前記外側磁石が前記内側磁石と対向する位置にて対向するもの同士が異極性となるように固定さ
軸方向に隣り合う2つの前記外側磁石は、隣同士の極性を逆にして配置され、
前記外側磁石は、前記コイルを周方向に取り囲むように配設されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の発電機。
As a means for generating a magnetic field within the movable range of the coil,
An outer magnet disposed on the outside of each of the coils;
And an inner magnet respectively disposed inside the coils.
The inner magnet is fixed to the axial yoke so as to face the outer magnet ,
Wherein the outer yoke, between which the outer magnet is opposed at a position opposed to the inner magnet is fixed so as to be different polarities,
The two axially adjacent outer magnets are arranged such that their polarities are opposite to each other,
The generator according to claim 1, wherein the outer magnet is disposed to surround the coil in a circumferential direction.
前記外部ヨークは前記軸ヨークを周方向に取り囲むように筒状に形成されており、
前記外側磁石は、前記外部ヨークの筒内周面を周方向に第1所定間隔をあけて取り囲む所定数の磁石で形成され、
前記内側磁石は、前記軸ヨークの外周面を周方向に第2所定間隔をあけて取り囲む前記所定数と同数の磁石で形成されていることを特徴とする請求項3に記載の発電機。
The outer yoke is formed in a tubular shape so as to surround the axial yoke in the circumferential direction,
The outer magnet is formed of a predetermined number of magnets surrounding the inner circumferential surface of the outer yoke at a first predetermined interval in the circumferential direction,
4. The generator according to claim 3, wherein the inner magnet is formed of the same number of magnets as the predetermined number surrounding the outer peripheral surface of the axial yoke at a second predetermined interval in the circumferential direction.
前記コイルの軸方向において隣り合って磁界の向きが互いに逆向きの2つの前記磁界同士の間の距離を所望の長さL(L>0)とし、かつ、前記各コイルの振動の片振幅をlとして決定している場合、前記コイルの軸方向における前記磁界の幅Wと、前記各コイルの軸方向の幅wとが、下記式(1)の関係を満たすように構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか一項に記載の発電機。
L≧l+w/2−W/2 … 式(1)
The distance between two magnetic fields adjacent to each other in the axial direction of the coil and in which the direction of the magnetic field is opposite to each other is a desired length L (L> 0), and the amplitude of the vibration of each coil is When it is determined as l, the width W of the magnetic field in the axial direction of the coil and the width w in the axial direction of each coil satisfy the relationship of the following formula (1): The generator according to any one of claims 1 to 4, wherein the generator is characterized.
L l l + w / 2-W / 2 Formula (1)
コアレスのコイルの可動範囲内に発生させた磁界に前記コイルの少なくとも一部分が鎖交するように前記コイルがリニア駆動されて発電する発電機であって、A generator wherein the coil is linearly driven to generate electric power so that at least a part of the coil interlinks with a magnetic field generated within a movable range of the coreless coil,
電気的に接続された複数のコイルと、A plurality of coils connected electrically,
前記複数のコイルを離間して支持する非磁性体からなるコイル支持体と、を備え、A coil support made of a nonmagnetic material for supporting the plurality of coils apart from each other;
前記コイル支持体は前記複数のコイルをコイルの軸方向に支持しており、The coil support supports the plurality of coils in the axial direction of the coil,
前記コイル毎に、前記コイルの周方向の外側から内側へ向いて前記コイルの一領域と鎖交する向きの磁界と、前記コイルの周方向の内側から外側へ向いて前記コイルの他領域と鎖交する向きの磁界とを当該コイルの可動範囲内に発生させ、For each of the coils, a magnetic field directed inward from the outer side of the circumferential direction of the coil in a direction intersecting with one region of the coil, and from the inner side to the outer direction of the coil in the circumferential direction Generating an alternating magnetic field within the movable range of the coil,
対向した2つの前記コイルにおいて、一方のコイルの所定領域に発生させた磁界の向きと、前記一方のコイルの所定領域に対向した他方のコイルの所定領域に発生させた磁界の向きとは逆向きであり、In the two opposing coils, the direction of the magnetic field generated in the predetermined area of one coil and the direction of the magnetic field generated in the predetermined area of the other coil opposed to the predetermined area of the one coil are opposite to each other And
複数の前記磁界は定常的であって、隣り合う前記磁界の向きが交互になった磁界同士によってループ状の磁気回路が複数形成されるように構成されており、The plurality of magnetic fields are stationary, and a plurality of looped magnetic circuits are formed by magnetic fields in which the directions of the adjacent magnetic fields alternate with each other,
前記コイル支持体に支持された前記各コイルが前記磁界中を前記コイルの軸方向に駆動することで発電し、Each of the coils supported by the coil support generates power by driving in the magnetic field in the axial direction of the coil,
前記コイルの可動範囲内に磁界を発生させる手段として、  As a means for generating a magnetic field within the movable range of the coil,
前記各コイルの外側にそれぞれ配置された外側磁石と、  An outer magnet disposed on the outside of each of the coils;
前記各コイルの内側にそれぞれ配置された内側磁石と、を備え、さらに、And an inner magnet respectively disposed inside the coils.
前記内側磁石が前記外側磁石と対向する位置になるように固定された柱状の軸ヨークと、A columnar axial yoke fixed so that the inner magnet faces the outer magnet;
前記外側磁石が前記内側磁石と対向する位置にて対向するもの同士が異極性となるように固定された外部ヨークと、を備え、And an outer yoke fixed such that the opposite magnets face each other at the position where the outer magnet faces the inner magnet.
軸方向に隣り合う2つの前記外側磁石は、隣同士の極性を逆にして配置され、The two axially adjacent outer magnets are arranged such that their polarities are opposite to each other,
前記外側磁石は、前記コイルを周方向に取り囲むように配設されており、The outer magnet is disposed so as to circumferentially surround the coil.
前記外部ヨークは前記軸ヨークを周方向に取り囲むように筒状に形成されており、The outer yoke is formed in a tubular shape so as to surround the axial yoke in the circumferential direction,
前記外側磁石は、前記外部ヨークの筒内周面を周方向に第1所定間隔をあけて取り囲む所定数の磁石で形成され、The outer magnet is formed of a predetermined number of magnets surrounding the inner circumferential surface of the outer yoke at a first predetermined interval in the circumferential direction,
前記内側磁石は、前記軸ヨークの外周面を周方向に第2所定間隔をあけて取り囲む前記所定数と同数の磁石で形成されていることを特徴とする発電機。The generator according to claim 1, wherein the inner magnet is formed of the same number of magnets as the predetermined number surrounding the outer peripheral surface of the axial yoke at a second predetermined interval in the circumferential direction.
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