JPH0691727B2 - 電気機械的変換器及び交流起電力を誘導する方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は一般的に電動機及び発電機として使用される電
磁型の電気機械的変換器に関し、そして更に詳細には比
較的小さい往復運動する質量を有しており、且つ直線的
に往復運動する交流発電機に使用するのに特に有利であ
る変換器に関する。

発明の背景 機械的な形態と電気的な形態との間でエネルギーを変換
するすべての電磁型の電気機械的変換器はワイヤコイル
（coil of wire）を通る磁束の時間変化を利用する同じ
基本原理で作動する。それ等の間の差はそれ等の実用性
及び相対的効率にある。

効率及び実用性を最適化するために、種々の異なるパラ
メータが考察され、且つ最適化されなければならない。
例えば、リニア交流発電機の如き、直線的に往復運動す
る機械において、駆動力によって打ち勝たれなければな
らない運動量を最小にするために往復運動で駆動されな
ければならない質量を最小にするのが望ましい。同様
に、エネルギー出力と交流発電機重量との最大化を提供
するために電気的交流発電機の全質量が最小であるのが
望ましい。

これを達成するのに役立つ１つの方法では、これは、高
透磁率の磁束路を提供するのに使用される変圧器の鉄が
飽和し始める前に機械が作動できる電流を最大にするこ
とである。飽和を生ずる磁束は２つの構成要素から生ず
る、１つは永久磁石の如き磁束源から、そして他方は電
機子巻線内に誘導された電流から生ずる。電機子反作用
磁束と呼ばれる後者の源は空隙距離によって分けられた
電機子電流に比例する。従って、作用間隙の数を増加す
ることによって電機子反作用磁束を減少すると飽和前に
より高い動作電流を許容にする。

スターリングエンジンによって駆動されるように意図さ
れたリニア交流発電機の設計の目的は、米国特許第4,33
0,993号に記載されている如きフリーピストンスターリ
ングエンジンの回転潤滑の利点を許すためにフリーピス
トンスターリングエンジンがその中心軸線の周りに回転
又はスピンされることができるように軸線方向に対称で
あることである。

種々の交流発電機の設計が従来技術に提案されてきた
が、それ等の異なった設計は固有の弱点を有している。
いくつかの設計は１方が反対に向けられた磁束の極性の
ためにある、逆の磁束を得るための２つの異なった磁石
の使用を必要とする。他のものは互に対向する、即ち反
対する方式にインターフエースしているそれ等の極を有
している多数の磁石を利用している、これ等は本発明に
比べて不必要な複雑化を生ずる。

他の設計は、磁束が電機子反作用に対して小さい余裕
（margin）のみを残して、鉄を殆んど飽和するのに充分
であるという点で電気的に非能率的である。本発明によ
ってアプローチされている最適設計は鉄飽和において等
しい電気機子反作用磁束及び磁石磁束（magnet flux）
を有することである。これは動力対重量比を最大にす
る。

更にまた、鉄芯材料に対する磁石の相対的運動は磁石を
平衡位置の方に動かそうとする実質的な磁性ばねの力を
生ずることはよく知られている。いくつかの装置におい
て、この平衡位置は往復経路の対向する境界の中間であ
る。しかしながら、リニア交流発電機がフリーピストン
エンジンによって駆動されるときは、リニア交流発電機
はエンジンのスタートを容易にするために往復経路の反
対端に比較的近い２つの平衡位置を有しているのが望ま
しい。

巻線の各巻線が最少の長さであり、且つ巻線がよく引き
締まって巻かれているのが望ましい。

いくつかの設計では、相対的に往復運動する部分の１方
が、さもなくば巻線導体によって占められるスペース内
に往復運動する。これは巻線を動く磁石から離して位置
づけするためにより多くの鉄を必要とすることによって
重量を増加する。

第１図に例示された従来技術の如きなお他の設計は以下
に説明されている如き望ましくない特性の波形を発生す
る。

本発明の簡単な概要 本発明は比較的高い透磁率材料で形成された磁束ループ
を有しており、該ループを通り横に形成されていて、且
つ往復運動経路に沿って整合された少くとも１対の間隔
をへだてた間隙を備えた電気機械的変換器である。コイ
ルがループの周りに巻かれていて、磁束ループとの磁気
結合及び外部回路への電気的接続を提供している。磁石
は２つの間隙内の交互の位置に対して往復運動経路に沿
って往復運動のために機械的に取付けられている。この
磁石は往復運動経路に対して横断している、好ましくは
垂直であり、且つ該間隙を横切っている磁化ベクトルを
有している。この磁石はそれぞれ交流発電機又は電気機
として作動するために機械的エネルギー入力又は出力に
駆動的に連結されている。

本発明は種々の方法において従来技術の装置と異なって
おり、最も注目に価するのは：磁石自身のみが往復運動
する、本質的に鉄質量は往復運動しない；本発明の基礎
的な実施態様は２つの間隙内に単一の磁石を必要とし、
これに反し、他のものは２つを必要とし、時には対向す
る関係にある；本発明の磁石は間隙を横切るよりは寧ろ
間隙内に入って行く；そして磁石は間隙を横切り、好ま
しくはその往復運動経路に対して垂直に磁化されること
を含んでいる。

１つの間隙の代りに２つの間隙を通過する電機子反作用
磁束のために、電機子反作用磁束が減少され、従って高
い動作電流を許している。その結果として、本発明によ
る電気機械的変換器は少くとも２つの係数だけ従来技術
に優る改良である動力対重量比を示す。このことは１部
では全質量が少ないので、更に詳細には往復運動しなけ
ればならない質量が単に磁石自身のみから成るからであ
る。高導磁度磁束路のどれも往復運動されない。このこ
とはまた１部では本発明において磁石によって誘導され
る磁束が電機子反作用磁束にほぼ等しいからである。そ
れ等の銅巻線は、巻線を通る磁石と巻線内の線の長さと
の高い比率を与える本発明の幾何学的形状のために、よ
り有効に使用される、 図面の説明 第１図はいくつかの従来技術の電気機械的変換器の原理
を例示している簡単化された概略的なダイアグラムであ
る。

第２図は本発明の実施態様の基本的な動作原理をその最
も簡単化された形で例示している概略的なダイアグラム
である。

第３図は第２図の実施態様の線対称変換又は回転によっ
て作り出された本発明の対称両頭（double-ended）実施
態様の概略的なダイアグラムである。

第４図、第５図、第６図及び第７図は第３図に例示され
た型式の本発明の実施態様の概略的なダイアグラムであ
る。

第８図は本発明の実施態様の概略的なダイアグラムであ
る。

第９図は本発明の他の実施態様であり、これでは、往復
運動をする磁石は、第３図乃至第７図の実施態様に例示
された如き外方向よりはむしろ電機子コイルの内方向で
ある経路内を往復運動する。

第10図は本発明の好ましい実施態様の分解図である。

図面に例示されている本発明の好ましい実施態様の説明
において、特定の学術用語が明確化のために採用されて
いる。しかしながら、本発明はそのように選択された特
定の用語に限定される意図を有していない、そして各々
の特定の用語は同様な目的を達成するために同様な方法
で動作するすべての技術的に同等のものを含むと理解さ
れるべきである。

詳細な説明 第１図は従来技術において多数ある装置の動作原理を例
示している。このような装置は、電機子コイル12が周り
に巻かれている比較的高い透磁率材料によって形成され
た磁束ループ10を有している。間隙（gap）14が経路内
に設けられている。磁石16が高い透磁率材料18内に埋め
込まれており、且つその往復運動の方向に分極化されて
いる。第１図の装置は磁石16が間隙14を横切るときに磁
束ループ10内に時間で変化する磁束を誘導する。磁石16
が極片に直接対向して位置づけされても、本質的には磁
束は磁束路10内に生じない。その結果は、多くのサイク
ル時間中、磁石が間隙を横切るとき以外多くの磁束変化
はないということである。従ってその構造体は比較的短
い期間の電圧スパイク（spike）を発生する傾向があ
る。

米国特許第4,346,318号は多少異なっている電動機を例
示している。それは単一の間隙内を往復運動される１対
の対向して分極化されていて、隣接して取付けられた磁
石を有している。

第２図は最も簡単化された形式の本発明を表わしてい
る。第２図の実施態様において、磁束ループは主セグメ
ント20と、比較的小さいセグメント22との２つのセグメ
ントにおける高い透磁率材料で形成される。この２つの
セグメントは本発明の実施態様では、磁束ループを通り
横切って形成された少くとも２つの間隔をへだてた間隙
があるので、分離している。これ等の２つの間隙24及び
26はまた往復運動路に沿って整合されなければならな
い。電機子コイル28がループの周りに巻かれている。

永久磁石又は他の磁束源である磁石30は、間隙24及び26
内で位置を交互に代えるために往復運動路に沿って往復
運動するために機械的に取付けられている。磁石30は往
復運動路を横切って、好ましくは往復運動路に垂直な磁
化ベクトルを有しているので、それは間隙を横切って磁
化される。磁石30は、往復運動中磁石の位置に対してほ
ぼ直線的に変化する磁束を磁束ループ内磁束を生ずる。
従って、これはシヌソイドに非常に近似している起電力
を誘導する。磁束路内に生じた磁束は、磁石が間隙26内
にあるとき、第２図に例示された如く、１つの方向にあ
り、そして磁石が間隙24に移動されるとき反対の方向に
ある。

この磁石は永久磁石であるのが好ましい、即ちそれは高
い残留磁束と、高い保磁力を示す。好ましくは、これは
希土類元素のコバルト永久磁石であって、サマリウムコ
バルトの如き直線性の消磁カーブを有しているのが最も
好ましい。磁束ループは従来の変圧器鉄（transformer
iron）の如き高透磁率材料で形成される。

従って、第２図の実施態様の動作において、交番起電
力、即ちe.m.f.は、往復運動経路を横切る磁石30の磁化
ベクトルを維持しながら、間隙24及び26内の交互に代わ
る位置間に、本質的には磁石30のみを往復運動すること
によってコイル28内に誘導される。往復運動する質量
（mass）はいかなる取付けられた強磁性体の磁束路も実
質的に欠いており、従って鉄の如き余分な質量は往復運
動において駆動される必要がない。

第２図に例示された基礎的な、簡単なシステムは第３図
又は第４図に示された如く拡張され、且つ両端を類似に
作られることができる。

第３図は第２図の実施態様の平面対称物（mirror imag
e）の追加を表わしており、下部セグメントは上部セグ
メントの反映である。これは、単一の巻線50が巻かれて
いる共通の脚44を分ちあっている２つ異なる磁束ループ
40及び42より成っている。磁石46及び48は、機械的に一
緒に連結されており、発電機又は電動機として利用する
ために機械的エネルギー入力又は出力装置に連結してい
るリンク49として象徴的に表わされている。第３図の実
施態様において、磁石46及び48は２つの磁束ループ内に
磁束を生じ、そしてその磁束はコイル50が周りに巻かれ
ている中間の脚44内に加わる。各々の巻き（turn）は双
方の磁束ループを囲んでいるので、磁束対巻線の長さの
比が改善される。

第３図の高透率材料の形状は、磁束通路が第４図に示さ
れた如くであるように物理的に変更されることができ
る。高透磁率質量52内に環状の周辺チヤネル54が形成さ
れており、この中にコイル56が巻かれることができる。
更に他の例として、高透率材料52の中央部分は積層構造
体の製造を簡単化するために仮想線57と59との間を省略
されることができる。電機的にこの構造体は２つの反対
に向いた磁束路より成っており、且つ第２図に例示され
た型式の往復運動をする磁石と協働する。この磁束路は
互に間隔をへだてられているが、双方はコイル56によっ
て囲まれている。

第４図は断面図であり、第５図は第４図の実施態様の端
部図であって、高透率材料の中央部分が省略されてい
る。更に、第５図の実施態様は第６図に例示された実施
態様を提供するために直角位相（quadrature）に２重に
されることができる。第６図は本質的には中心軸線70の
周りに互に90度はなして方向づけされており、且つコイ
ル72で巻かれた４つの磁束路60、62、64、68より成って
いる。これ等の４つの磁束路の各々は第２図及び第４図
に例示されたのと同様であり、そして単一のコイル72が
すべての４つの磁石路を囲んでおり、これによって、磁
束対巻線長さの比を更に改善することによって、第３図
の構造体以上に効率を改善している。

更に、第４図の実施態様の図は、本質的には第４図と同
じ断面のダイアグラムを有している第７図に例示された
円形の、軸線方向に対称な実施態様を提供するために、
その中心軸線の周りに連続的に回転されることができ
る。その実施態様において、往復運動をする磁石は、主
内方リング76と、副外方リング78とより成っている磁束
ループ内に形成された極間を囲み、且つ通過する単一
の、円形のバンド74となっている。コイルは、内方リン
グ76の外面の内側に形成されている溝内に巻かれてい
る。

第７図の実施態様の主な利点は、磁石74が２つの間隙間
を第７図の頁の内側方向及び外側方向に往復運動される
ことができるばかりでなく、電機子コイル内に起電力を
誘導するのに必要な磁束変化を発生するためのその能力
にいかなる影響をも与えることなくその中心軸線の周り
に回転されることができることである。このことは、特
許第4,330,993号に記載された流体力学的潤滑の利点を
得るために回転されるフリーピストンスターリングエン
ジンの動力ピストンに機械的に連結されるリニア交流発
電機に特に有用である。図に例示された磁石のすべては
平行な直線の往復運動路に沿って往復運動する。第５図
及び第６図の平行な、直線の経路は中心軸線の周りの円
筒状の装置内に位置づけされる。弧状の経路の如き他の
往復運動経路は本発明の概念内で使用されることができ
る。

本発明の磁束ループはまだ第８図に例示された如きカス
ケードシリーズ（cascaded series）の隣接するループ
に形成されることができる。第８図は単に第３図に例示
された実施態様の型式のカスケードシリーズの繰返しに
すぎない。それは第３図に例示された如く、中央の脚80
の如き共通の中央の脚を有しているカスケードの繰返し
の２つのループを有しており、そして更に脚82及び84の
如き側部脚を分ちあっている。

第３図乃至第８図の実施態様は主磁束路の外方に位置づ
けされた往復運動をする磁石又は複数の磁石及び電機子
コイルを例示している。しかしながら、その相対的位置
は、電機子コイルが往復運動をする磁石の外方にあるよ
うに逆にされることができる。これ等の類似の状態が第
９図に例示されている。

第９図において、強磁性の、管状の外部コア92はその中
央の円筒状の通路の内側に形成されたチヤネル94の如
き、複数の環状チヤネルを有している。複数の電機子コ
イル101、102、103等がこれ等のチヤネル内に巻かれて
いる。外部円筒状コア92が主磁束路を形成する。副磁束
路107が管状外部路内に挿入された中心の、軸線方向の
直線のロッドを有している。このロッドは動作中外部コ
アに対して固定のままである。

磁石110及び111の如き、磁石は機械的に一緒に連結され
ており、そして機械的なエネルギー入力又は出力に駆動
的に連結されている。これ等は図示された極性を有して
いる円形磁石を有しているのが好ましい。

第10図は本発明の現実的な、概略的でない実施態を例示
している。それは、フリーピストンスターリングエンジ
ン212によって駆動される、本発明による交流発電機210
を示している。このエンジンはデイスペンサ（dispence
r）214と、動力ピストン216とを有している。動力ピス
トン216は、アルミニウムの如き非強磁性の支持体222及
び224に取付けられている１対の磁石218及び220に連結
されている。これ等は、中心部分が鉄コア材料から除去
されていないということを除き、第４図及び第５図の実
施態様の方法で形成されている鉄磁束路材料230内に形
成された間隙226及び228を横切って往復運動で駆動され
る。磁束路232の副部分は外部ハウジングの１部分であ
る。

詳細な図面及び特定の実例が本発明の好ましい実施態様
を説明するのに与えられたが、これ等は例示の目的のみ
であり、本発明の装置は開示された詳細及び条件に限定
されず、且つ種々の変化が以下の請求の範囲によって規
定されている本発明の精神から逸脱することなく本発明
に行なわれることができると理解されるべきである。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】比較的高い透磁率の材料で形成された複数
   個の磁束ループ部材を具備し、 該磁束ループ部材の各々が、固定されており、閉じた磁
   束ループを形成するように、中心軸から略半径方向外側
   に延びており、 該磁束ループ部材の各々が、該磁束ループ部材の各々に
   ２つのギャップを形成するように、該磁束ループ部材を
   介して横に形成されている一対の間隔を空けて配置され
   たギャップを有し、 該ギャップが、該中心軸に平行な往復経路に沿って整合
   しており、 更に、該磁束ループ部材の総ての中央部分を取り囲むよ
   うに巻かれた、中央電機子コイルである電機子コイル
   と、上記往復運動経路に沿って往復運動できるように機
   械的に設置された、該磁束ループの各々のための磁束源
   とを具備し、 該磁束源が、上記往復運動経路を横切り、該ギャップと
   交叉している略半径方向磁化ベクトルを有し、機械的エ
   ネルギ入力又は出力に駆動的に連結されている電気機械
   的変換器において、 上記磁化ベクトルが該ギャップの双方の同じ半径方向に
   あるように、該磁束ループの２つのギャップの間の位置
   に交互に代わる、該磁束ループの各々の該一対のギャッ
   プための単一の磁束源を具備する ことを特徴とする電気機械的変換器。
2. 【請求項２】該磁束経路ループが、離間したギャップの
   複数の対を有し、磁石が該対の各々と共同する特許請求
   の範囲第１項記載の電気機械的変換器。
3. 【請求項３】該ギャップの対の各々が、平行な直線的往
   復経路に沿って形成されている特許請求の範囲第２項記
   載の電気機械的変換器。
4. 【請求項４】複数の該磁束ループが平行な往復運動経路
   に沿って整合したギャップを有する隣接ループのカスケ
   ードシリーズで形成されている特許請求の範囲第１項記
   載の電気機械的変換器。
5. 【請求項５】該磁束ループが、中心軸の回りに対称に配
   置されており、該往復運動経路が、円筒状である特許請
   求の範囲第１項記載の電気機械的変換器。
6. 【請求項６】該中心軸の回りに電機子コイルが巻かれて
   いる特許請求の範囲第５項記載の電気機械的変換器。
7. 【請求項７】該磁石の内側に電機子コイルが巻かれてい
   る特許請求の範囲第１項記載の電気機械的変換器。
8. 【請求項８】該磁石の外側に電機子コイルが巻かれてい
   る特許請求の範囲第１項記載の電気機械的変換器。
9. 【請求項９】比較的高い透磁率を有する強磁性材料から
   なる磁束ループ部材の回りに巻かれたコイルに、交番起
   電力を誘導する方法において、 取り付けられた磁束経路部材がなく、且つ該磁束ループ
   部材に形成された離間した一対のギヤップ内の交互位置
   の間の往復運動の経路を横切った１つの半径方向の磁化
   ベクトルを有するただ１つの磁束源を往復運動させて、
   双方のギヤップ内の磁化ベクトルが、常に、同じ半径方
   向にあるようにし、且つ該磁化経路部材を静止状態に維
   持する ことを特徴とする交番起電力を誘導する方法。