JP7358461B2 - 線形電気機械 - Google Patents

Description

本開示は、線形電気機械（ｌｉｎｅａｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ）に関する。さらに、本開示は、線形電気機械を備えるハンマー装置に関する。

線形電気機械は、ステータ（ｓｔａｔｏｒ）と、線形電気機械の長手方向にステータに対して直線移動可能な可動子（ｍｏｖｅｒ）とを備える。可動子及びステータには、線形電気機械がリニアモータとして動作する場合には電気エネルギーを可動子の直線運動に変換し、線形電気機械がリニア発電機として動作する場合には可動子の直線運動を電気エネルギーに変換するための磁気的動作手段が設けられている。磁気的動作手段は、例えば、交流電流が多相巻線に供給されるときに、多相巻線に対して移動する磁界を生成するための多相巻線を含んでもよい。更に、磁気的動作手段は、多相巻線で生成される移動磁界に反応して力を生成する装置を備えることができる。力の生成装置は、例えば、永久磁石、電磁石、導電性構造、及び／又は空間的なリラクタンス変化量を提供する機械的構造を含んでもよい。多相巻線はステータ内に配置することができ、力の生成装置は可動子内に配置することができる。また、多相巻線が可動子内に位置し、力の生成装置がステータ内に位置することも可能である。

往復直線運動を発生させるための線形電気機械が可動子内に永久磁石を含む場合には、永久磁石を含む可動子の能動的な部分（ａｃｔｉｖｅ ｐａｒｔ）は、線形電気機械の全長に関する往復直線運動に対して十分な範囲を達成するためにステータの強磁性コア構造よりも長いことが有利である。この場合、可動子の永久磁石の少なくとも一部は、ステータの強磁性コア－構造によって覆われた領域の外側に一時的に存在する。ステータの強磁性コア構造によって覆われた領域の外側に一時的に存在する可動永久磁石に関連する固有の課題は、可動子が線形電気機械の長手方向にステータに対して直線的に可動となるように当該可動子を当該ステータに対して支持する支持構造等の導電性材料に渦電流を誘起しやすい変化する磁束を引き起こすことである。上記の渦電流は損失を生じさせ、それによって線形電気機械の効率を低下させる。原理的には、前述の支持構造の導電性材料を永久磁石から離すことができるように、可動子の能動的な部分から離れて、線形電気機械のフレーム（ｆｒａｍｅ）に可動式に支持される、永久磁石のない端部を可動子に設けることができる。しかし、これは、可動子の往復直線移動の範囲を対応して増加させることなく、線形電気機械の全長を増加させることになる。

以下は、様々な発明の実施形態のいくつかの態様の基本的な理解を提供するために、簡略化された概要を提示する。この概要は、本発明の広範な概要ではない。これは、本発明の重要な又は重要な要素を同一のものとみなすことも、本発明の範囲を細部にわたって表すことも意図するものではない。以下の概要は、単に、本発明の例示的な実施形態のより詳細な説明の前置きとして、本発明のいくつかの概念を簡略化された形態で提示する。

本書では、接頭語として使用される場合、「幾何学的」という語は、必ずしも対象物の一部ではない幾何学的概念を意味する。幾何学的概念は、例えば、幾何学的点、直線又は曲線の幾何学的線、幾何学的平面、非平面の幾何学的表面、幾何学的間隔、又はゼロ、１、２、もしくは３次元である任意の他の幾何学的実体であり得る。

本発明によれば、以下を含む新規の線形電気機械が提供される：
－ 線形電気機械の長手方向に連設された永久磁石を収容する能動部を備える可動子と、
－ 強磁性コア構造と、電流を伝導するための巻線とを含むステータ、及び
－ 前記線形電気機械の長手方向における前記ステータの強磁性コア構造の両側における第１及び第２の支持構造とを備えるものであって、
前記第１及び第２の支持構造は、前記線形電気機械の長手方向において前記ステータに対して直線移動可能となるように前記可動子を支持する。

可動子の上述の能動部は、線形電気機械の長手方向において、ステータの強磁性コア－構造よりも長く、第１の支持構造は、中実の金属、例えば中実の鋼からなるフレーム部を含む。第１の支持構造は、さらに、可動子をフレーム部の中実の金属から距離を隔てるように配置され、可動子に対向する摺動面を備える支持要素を備える。支持要素は、その電気伝導率、Ｓ／ｍがフレーム部の中実の金属の電気伝導率よりも小さく、例えば、中実の金属の電気伝導率の高々半分である。支持要素は、管状であって、可動子の端部を取り囲むように配置され、該端部は、可動子の端面を有する支持要素によって取り囲まれる。

可動子が第１支持構造のフレーム部の中実の金属から上述の距離だけ離されるため、可動子の永久磁石によって固体金属に誘導される渦電流が低減される。従って、線形電気機械の損失が低減され、それによって線形電気機械の効率が改善される。

本発明による線形電気機械は、例えば、必ずしもそうであるわけではないが、ステータの強磁性コア構造が可動子を取り囲むように配置され、ステータの巻線が可動子を取り囲み、周方向に電流を伝導するように配置された管状の線形電気機械であってもよい。

本発明によれば、以下を含む新規のハンマー装置（ｈａｍｍｅｒ ｄｅｖｉｃｅ）も提供される：
－ 作業機械から非破壊的に着脱可能に、作業機械に接続する要素を備えるフレームと、
－ フレームに支持され、フレームに関して直線的に移動可能なハンマリングヘッドと、
－ 本発明に係る線形電気機械とを備えるものであって、前記線形電気機械の前記ステータの強磁性コア－構造が前記フレームに取り付けられ、前記線形電気機械の可動子が前記ハンマリングヘッドを移動させるように配置されている。

例えば、掘削機のような作業機械は、通常、オフロード機（ｏｆｆ－ｒｏａｄ ｍａｃｈｉｎｅ）と呼ばれる。しかしながら、オフロード動作の能力は可能であるが、必要ではないことを強調するために、本文書ではより広範な用語「作業機械」（ｗｏｒｋｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ）を使用する。

各種例示的かつ非限定的な実施形態が、添付の従属請求項に記載されている。

構成及び動作方法の両方に関する各種例示的かつ非限定的な実施形態は、その追加の目的及び利点とともに、添付の図面と併せて読むことによって、特定の例示的かつ非限定的な実施形態の以下の説明から最もよく理解されるであろう。

「から成るべき」及び「含むべき」という動詞は、本文書中では、非列挙の特徴の存在を除外又は要求しない、開いた制限として使用されている。従属請求項中に列挙された特徴は、別段の明示的な記載がない限り、相互に自由に組み合わせることができる。さらに、本文書全体を通して、「ａ」又は「ａｎ」、すなわち単数形の使用は、複数を除外するものではないことを理解されたい。

例示的かつ非限定的な実施形態及びそれらの利点は、実例の意味で、及び添付の図面を参照して、以下においてより詳細に説明される：

図１ａは、例示的及び非限定的な実施形態による線形電気機械を図示し、 図１ｂは、例示的及び非限定的な実施形態による線形電気機械を図示し、 図１ｃは、例示的及び非限定的な実施形態による線形電気機械を図示し、 図２は、別の例示的及び非限定的な実施形態による線形電気機械の詳細を図示し、 図３は、例示的及び非限定的な実施形態による線形電気機械を含むハンマー装置を図示する。

［例示的な実施形態の説明］
以下に記載される明細書に提供される具体的な実施例は、添付の特許請求の範囲の範囲及び／又は利用可能性を制限するものと解釈されるべきではない。以下の説明で提供される例のリスト及びグループは、特に明記しない限り、網羅的ではない。

図１ａは、例示的かつ非限定的な実施形態による線形電気機械１００の断面図を示す。この断面は、座標系１９９のｙｚ平面と平行である。図１ｂは、図１ａの部分１８０の拡大図を示し、図１ｃは、図１ａの部分１８１の拡大図を示す。線形電気機械は、可動子１０１とステータ１０５とを備える。図１ａは、明確にするために、可動子１０１の一部も別個に示している。可動子１０１は、線形電気機械の長手方向に次々に設けられた永久磁石を収容する能動部１０２を備える。縦方向は、座標系１９９のｚ軸と平行である。図１ａ及び図１ｂでは、２つの永久磁石が符号１０３及び１０４で示されている。ステータ１０５は、強磁性コア構造と、巻線に電流を供給することに応答して可動子１０１に作用する磁力を発生させるための巻線とを備える。図１ｂにおいて、ステータの強磁性コア－構造は、符号１０６で示され、巻線の２つのコイルの断面は、符号１０７で示される。図１ｂに示すように、強磁性コア構造１０６は、巻線のコイルのためのステータスロットを構成する。通常、巻線は、例えば３相巻線のような多相巻線を構成するように配置され、例えば、各ステータスロットが、巻線の１つの相に属する単一のコイルのみを含むように、巻線を実装することができる。しかしながら、各ステータスロットは、例えば、巻線の異なる位相又は巻線の同じ位相に属し得る２つのコイルを含むことも可能である。

線形電気機械１００は、線形電気機械の長手方向におけるステータの強磁性コア構造の両側に、第１及び第２の支持構造１０８及び１０９を備える。第１及び第２の支持構造１０８，１０９は、線形電気機械の長手方向にステータ１０５に関して直線移動可能となるように可動子１０１を支持するように配置されている。図１ａに示すように、可動子１０１の能動部１０２は、線形電気機械の長手方向においてステータ１０５の強磁性コア－構造よりも長い。これにより、可動子１０１の往復直線移動中に、可動子１０１の永久磁石の一部が支持構造１０８のフレーム部１１０の内部に一時的に入る。フレーム部１１０は、中実の金属、例えば中実の鋼からなり、十分な機械的強度を達成する。支持構造１０８は、可動子１０１をフレーム部１１０の中実の金属から遠ざけるように配置された支持要素１１１をさらに備える。図１ｃにおいて、上述した距離はＤと表記されており、支持要素１１１は、可動子に対向して、可動子１０１を横断方向、すなわち線形電気機械の長手方向に垂直な方向に支持する摺動面１１２を構成している。支持要素１１１は、その電気伝導率Ｓ／ｍがフレーム部１１０の中実の金属のそれよりも小さい材料を含む。支持要素１１１の材料の電気伝導率は、例えば、フレーム部１１０の中実の金属の電気伝導率の５０％、４０％、３０％、２０％、１０％、又は５％未満であり得る。可動子１０１がフレーム部１１０の中実の金属から距離Ｄ離れて保たれているので、可動子の可動の永久磁石によって中実の金属に誘導される渦電流が低減される。結論として、線形電気機械の損失が低減され、それによって線形電気機械の効率が改善される。距離Ｄは、例えば、少なくとも５ｍｍ、少なくとも１０ｍｍ、少なくとも１５ｍｍ、少なくとも２０ｍｍ、少なくとも２５ｍｍ、又は少なくとも３０ｍｍとすることができる。

支持要素１１１は、例えば、ポリマー材料、又は低い導電率及び適切な機械的特性を有する他の何らかの適切な材料を含むことができる。ポリマー材料は、例えば、テフロン（登録商標）として知られるポリテトラフルオロエチレンとすることができる。例示的かつ非限定的な実施形態による線形電気機械では、支持要素１１１は、可動子１０１に当接する摺動面を構成するコーティングを備える。図１ｃでは、コーティングは符号１１５で示されている。このコーティングは、支持要素１１１の摺動面の耐摩耗性を向上させる。コーティングは、例えばクロムの層とすることができる。コーティングが導電性材料からなる場合には、コーティングは、有利には、薄くて、コーティングにおける渦電流損失を低減する。図１ｃでは、コーティング１１５の厚さは、明確にするために誇張されている。

図１ａ～図１ｃに示す例示的な線形電気機械は、ステータ１０５の強磁性コア構造１０６が可動子１０１を取り囲むように配置され、ステータの巻線１０７が可動子１０１を取り囲み、周方向に電流を流すように配置された管状の線形電気機械である。可動子１０１は、例えば、必ずしもそうではないが、図１ｂに示す幾何学的線１１７に関して実質的に回転対称であり得る。可動子１０１は、可動子の長手方向において永久磁石と交互になっている強磁性コア要素を含む。図１ｂでは、可動子１０１の２つの強磁性コア要素には、符号１１８が付されている。この例示的な場合において、可動子１０１の永久磁石の磁化方向は、長手方向と平行であり、長手方向に隣接する永久磁石は、互いに反対の磁化方向を有する。図１ｂでは、永久磁石の磁化方向が矢印で示されている。例示的な磁束線は、曲線の破線で示される。この例示的な場合、可動子１０１は、可動子の永久磁石及び強磁性コア要素を機械的に支持する中心ロッド１１６を備える。センターロッド１１６は、可動子１０１の永久磁石によって生成される磁束の可能な限りの量がステータ１０５を介して流れるようにするために、非強磁性材料で作られることが有利である。センターロッド１１６は、例えばオーステナイト鋼又は他の十分に強い非強磁性材料から作ることができる。

図１ａ～図１ｃに示す例示的な線形電気機械では、支持要素１１１は管状であり、可動子１０１の端部１１３を取り囲むように配置されている。支持構造１０８の端部１１４は閉鎖され、可動子１０１の端部１１３は、可動子１０１が支持構造１０８の閉鎖端部１１４に向かって移動するときに、ガス、例えば空気を圧縮するためのピストンとして動作するように配置される。管状支持要素１１１、支持構造１０８の端部１１４、及び可動子１０１の端部１１３によって規定される空間内のガスは、座標系１９９の負のｚ方向への可動子１０１の動きを強めるガススプリングとして作用し、座標系１９９の正のｚ方向への可動子１０１の動きに対して作用する。

図２は、例示的かつ非限定的な実施形態による線形電気機械の一部の断面図を示す。この断面は、座標系２９９のｙｚ平面と平行である。図２は、線形電気機械の支持構造２０８の一部と、線形電気機械の可動子２０１の一部とを図示している。支持構造２０８は、図１ａ～図１ｃに示す線形電気機械１００において可動子１０１を支持するように支持構造１０８が配置されているのと同様に可動子２０１を支持するように配置されている。支持構造２０８は、支持構造２０８のフレーム部２１０を構成する中実の金属の導電率よりも小さい導電率を有する材料を含む支持要素２１１を備える。この例示的な線形電気機械において、支持要素２１１は、フレーム部２１０を構成する中実の金属よりも電気伝導率が小さい強磁性材料２１９を備えており、例えば、中実の金属の電気伝導率の高々半分である。強磁性材料２１９は、可動子２０１の永久磁石によって生成される磁束のための低リラクタンス経路を提供し、それによって強磁性材料２１９は、支持構造２０８のフレーム部２１０に向けられる磁気浮遊磁束を低減する。さらに、強磁性体材料２１９は、永久磁石内で生じる磁束の変化量を減少させ、それによって強磁性体材料は、永久磁石の損失を減少させる。強磁性材料２１９は、例えば、フェライト又は例えばＳＯＭＡＬＯＹ（登録商標）軟磁性複合材料のような鉄粉末複合材料とすることができる。支持要素２１１はさらに、強磁性材料の表面上にコーティング２１５を含み、可動子２０１に接する摺動面を構成する。コーティング２１５は、例えば、クロムの層とすることができる。

図３は、例示的かつ非限定的な実施形態によるハンマー装置３５０の断面図を示す。この断面は、座標系３９９のｙｚ平面と平行である。ハンマー装置は、フレーム３３０が作業機械から非破壊的に取り外し可能であるように、例えば掘削機のような作業機械に接続するための素子３３１を備えるフレーム３３０を有する。ハンマー装置３５０は、フレーム３３０に支持され、フレームに対して直線移動可能なハンマーヘッド３３２を備える。ハンマー装置３５０は、本発明の一実施形態による線形電気機械３００を含む。線形電気機械３００のステータ３０５がフレーム３３０に取り付けられ、線形電気機械３００の可動子３０１がハンマリングヘッド３３２を移動させるように配置されている。線形電気機械３００は、例えば、図１ａ～１ｃに図示されているようなものであっても、図２に図示されているようなものであってもよい。

しかしながら、上述した種類のハンマー装置は、本発明の実施形態による線形電気機械の１つの例示的な用途に過ぎず、本発明の実施形態による線形電気機械は、多くの他の用途にも使用することができることに留意する価値がある。

上述の説明で提供された具体的な例は、添付の特許請求の範囲の利用可能性及び／又は解釈を制限するものと解釈されるべきではない。上記の説明で提供される例のリスト及びグループは、特に明記しない限り、網羅的ではない。

Claims (14)

1. 線形電気機械（１００、３００）であって：
   前記線形電気機械の長手方向に連設された永久磁石（１０３，１０４）を収容する能動部（１０２）を備える可動子（１０１，２０１，３０１）と、
   電流を伝導するための強磁性コア構造（１０６）及び巻線（１０７）を備えるステータ（１０５，３０５）と、
   前記線形電気機械の長手方向において前記ステータの強磁性コア構造の両側に、前記線形電気機械の長手方向において前記ステータに関して直線移動が可能となるように前記可動子を支持する第１及び第２の支持構造と、を備え、
   前記可動子の能動部（１０２）は、前記線形電気機械の長手方向において、前記ステータの強磁性コア構造よりも長く、前記第１の支持構造は、中実の金属からなるフレーム部（１１０、２１０）を備え、
   前記第１の支持構造は、更に、前記可動子を前記フレーム部の中実の金属から距離（Ｄ）離すように配置され、かつ前記可動子に対向する摺動面（１１２、２１２）を備える支持要素（１１１、２１１）を備え、前記可動子は前記摺動面上を摺動するように構成され、
   前記支持要素は、導電率が前記フレーム部の中実の金属の電気伝導率の半分以下である材料を含み、
   前記支持要素（１１１）は管状であり、前記可動子の端部（１１３）を取り囲むように配置され、前記端部は前記可動子の端面を有し、前記支持要素によって取り囲まれることを特徴とする、線形電気機械。
2. 第１の支持構造（１０８）の端部（１１４）は閉鎖され、前記支持要素内に位置する可動子の端部（１１３）は、第１の支持構造の閉鎖端部に向かう可動子の移動に応答してガスを圧縮するピストンとして動作するように構成される、請求項１に記載の線形電気機械。
3. 前記支持要素はポリマー材料を含む、請求項１又は２に記載の線形電気機械。
4. 前記支持要素は可動子に当接する摺動面を構成するコーティング（１１５）を含む。請求項１～３のうちいずれか１項に記載の線形電気機械。
5. 前記支持要素が、前記第１の支持構造の前記フレーム部（２１０）に向けられる磁気浮遊磁束を低減する強磁性材料（２１９）と、前記強磁性材料の表面上に形成され、前記可動子に対向する前記摺動面を構成するコーティング（２１５）とを有し、
   前記強磁性材料の電気伝導率は、前記第１の支持構造のフレーム部の中実の金属の電気伝導率の半分以下である、請求項１～３のうちいずれか１項に記載の線形電気機械。
6. 前記コーティング（１１５、２１５）がクロムの層である、請求項４又は５に記載の線形電気機械。
7. 前記線形電気機械は、前記ステータの強磁性コア構造（１０６）が前記可動子（１０１）を取り囲むように配置され、前記ステータの巻線（１０７）が前記可動子を取り囲み、周方向に電流を流すように配置された管状の線形電気機械である、請求項１～６のうちいずれか１項に記載の線形電気機械。
8. 前記可動子（１０１）は、長手方向に前記永久磁石（１０３、１０４）と交互に配置された強磁性体コア要素（１１８）を含み、
   永久磁石の磁化方向は、長手方向と平行であり、長手方向に隣り合う永久磁石は、互いに反対の磁化方向を有する、請求項７に記載の線形電気機械。
9. 前記可動子（１０１）は、前記長手方向に平行な幾何学的線（１１７）に関して回転対称である、請求項７又は８に記載の線形電気機械。
10. 前記可動子（１０１）は、前記永久磁石に囲まれたセンターロッド（１１６）を備える、請求項７～９のうちいずれか１項に記載の線形電気機械。
11. 前記センターロッドが非強磁性体からなる、請求項１０に記載の線形電気機械。
12. 前記距離（Ｄ）が少なくとも５ｍｍである、請求項１～１１のうちいずれか１項に記載の線形電気機械。
13. 前記支持要素の材料の電気伝導率は、前記第１の支持構造のフレーム部の中実の金属の電気伝導率の１０％以下である、請求項１～１２のうちいずれか１項に記載の線形電気機械。
14. フレーム（３３０）であって、前記フレームが作業機械から非破壊的に取り外し可能であるように前記作業機械に接続するための素子（３３１）を含むフレーム（３３０）と、
    前記フレームに支持され、前記フレームに関して直線移動可能なハンマリングヘッド（３３２）と、
    線形電気機械（３００）とを備えるハンマー装置（３５０）であって、
    前記線形電気機械のステータ（３０５）の強磁性コア構造が前記フレームに取り付けられ、前記線形電気機械の可動子（３０１）が前記ハンマリングヘッドを移動させるように配置されており、
    前記線形電気機械は、請求項１～１３のうちいずれか１項に記載の線形電気機械であることを特徴とする、ハンマー装置。

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