JPH10512437A - リニヤー形電気機械変換装置用磁石支持スリーブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 リニヤーモーター又はリニヤー同期発電機のための往復磁石体（２０）の支持構造（４２）である。磁石体（２０）は、スリーブ（２２）の円周方向をまわり等間隔に配置された複数の長手方向スロット（２６）を有する円筒状の金属の支持スリーブ（２２）を備える。スリーブ（２２）には同数の磁石セグメント（４０）が取り付けられ、これらは組み合わせられたスロット（２６）の少なくもある部分上を伸びかつ組み合わせられたスロット（２６）の両側でスリーブ（２２）の壁（２４）に取り付けられる。長手方向スロット（２６）が、好ましくはスリーブ（２２）の一方の長手方向端部の付近からスリーブ（２２）の反対側の長手方向端部の付近までスリーブ（２２）を完全に貫いて伸びる。スリーブ（２２）は、好ましくはチタン又はアルミニウムであるが、金属であっても高抵抗率、即ち約５０μΩ/cm 以上を持つべきである。

Description

【発明の詳細な説明】 リニヤー形電気機械変換装置用磁石支持スリーブ技術分野 本発明は、一般にリニヤーモーター又は同期発電機のようなリニヤー形電気機 械変換装置の分野に関し、特にリニヤー形の電気機械変換装置の往復磁石のため の支持スリーブに関する。背景技術 電気機械変換装置の分野においては、電気導体の近くの時間的に変化する磁場 は、導体を横切る電圧を誘導し、閉ループの電流経路があれば電流が流れる。逆 もまた真である。即ち、電気導体を通る時間的に変化する電流は、時間的に変化 する磁場を生ずるであろう。これが、リニヤー形の同期発電機及びモーターの機 能を備えた電気機械変換装置の原理である。 従来技術の電気機械変換装置、特に同期発電機がレッドリッチの米国特許４６ ０２１７４号に示される。電気導体を通過する磁束を増加させるために（従って 発生電流を増加させるために）、巻線が使用され、そして磁石は巻線の中心付近 の中央通路内で往復する。更なる強化は、巻線を通る磁束ループ内への比較的透 磁率の大きい材料の形成である。磁石は、巻線の内側ではなく磁束経路構造の間 において往復し、この構造を通過する磁束が巻線に電流を誘導する。 間隙内で往復させられる磁石は、同様に間隙を通過する支持構造内に埋設され ることが多い。支持構造は剛性が大きく、構造的に弱い磁石が別の本体に駆動可 能に連結されることを可能とする。（通常は導電性である）支持構造も時間的に 変化する磁場に遭遇するため、支持構造に電 流が誘導されエネルギー損失を生ずる。この損失は効率を低下させ、この望まし くない電流のために発生する熱は磁石を破損させる可能性がある。 リニヤー形電気機械変換装置用の最も普通の形状は図１Ａ及び１Ｂに示される 円形の軸対称集合である。円筒状の磁石支持構造１２は、磁束ループセグメント １０と１６との間に形成された間隙１４内を長手方向に往復する。典型的には、 構造１２は、内部に磁石の埋設された導電性の支持体で作られる。支持構造１２ が間隙内で往復すると、時間的に変化する磁束が支持構造１２を通過する。支持 構造１２の遭遇した時間的に変化する磁場により、支持構造に渦電流が誘導され 、電流の正味の流れを支持構造１２の周囲をまわるようにさせる。周囲の電流は 、支持構造１２における望ましくなくかつ使用できない電流を発生させ、ＩＲ損 失を生ずる。 誘導電流による損失が無視できるほど小さく、一方では磁石セグメント用の強 固な支持を提供する磁石支持に対する要求がある。発明の簡単な開示 本発明は、電気機械変換装置用の往復する磁石体である。この磁石体は、少な くも１個のスロットを有する円筒状の金属製支持スリーブを備える。好ましい実 施例においては、スリーブは複数のスロットを持つ。磁石体は、更に、スリーブ に取り付けられた磁石セグメントを備える。好ましい実施例には、同数の磁石セ グメントとスロットとがある。各磁石セグメントは、対にされた同数のスロット とセグメントを形成している組合せスロットの少なくも一部分の上を延びる。各 対の各磁石セグメントは、組み合わせられたスロットの両側のスロットに取り付 けられる ことが好ましい。 本発明は、第１の長手方向端部付近から第２の長手方向端部付近に伸びるスロ ットであって、スリーブを完全に貫いて伸びていて、円筒状スリーブの軸線に平 行でかつスリーブの周囲のまわりに等間隔に置かれる前記スロットを考える。図面の簡単な説明 図１Ａは、従来技術のリニヤー形式の同期発電機又はモーターを断面で示して いる端面図であり、図１Ｂは同じく側面図である。 図２は、本発明の好ましい実施例を断面で示している側面図である。 図３は、本発明の好ましい実施例を断面で示している端面図である。 図４は、本発明の別の実施例を断面で示している側面図である。 図５は、本発明の別の実施例を断面で示している側面図である。 図６は、円筒状スリーブの一部分を断面で示している側面図である。 図７は、別の円筒状スリーブの一部分を断面で示している側面図である。そし て、 図８は、別の円筒状スリーブの一部分を断面で示している側面図である。 図面に示された本発明の好ましい実施例の説明は、明確のため特別な用語によ るであろう。しかし、本発明は、このように選ばれた特別な用語により限定され ることは意図されず、そして特別な用語の各は同様な目的を達成するために同様 な方法で機能する技術的に同等なものの総てを含むことを理解すべきである。詳細な説明 本発明は、リニヤー形式のモーター又は同期発電機のような電気機械 変換装置の往復している磁石体に向けられる。変換装置全体は、往復磁石体以外 の総てが本技術の熟練者に知られる通常の変換装置の部分であるため、ここでは 特別には説明されない。従って、本発明の以下の説明は主として往復磁石体及び その関連部分の説明であり、通常の部分は普通の技術者により本発明について十 分に実施できる。 好ましい磁石体２０が図２に示される。スリーブ２２は、筒状、好ましい実施 例においては円筒状であるスリーブ壁２４を持つ。磁石体２０は、図１の構造１ ２と同様に、普通のように、磁束経路セグメント間の間隙内でこれにごく接近し て往復する。スリーブ壁２４には、第１の長手方向端部２８の付近から反対側の 第２の長手方向端部３０の付近まで長手方向スロット２６が形成され、円周方向 の電流の流れを限定する。スロット２６の長さは壁２４の長さより短く、壁２４ の両端２８及び３０においてスロットなしの幅狭の円周方向リングを残すことが 好ましい。スロット２６は、スリーブ壁２４の厚さを完全に貫いて延びることが 好ましい。 外向きに延びているフランジ３２が第１の長手方向端部２８に形成され、これ は、スリーブ壁２４から約９０°の角度でスリーブ壁２４の全周をまわって延び 、フランジ３２とスリーブ壁２４との間の連結部３４を作る。反対側の第２の長 手方向端部３０には、内向きに延びているフランジ３６が形成され、これは連結 部３８において壁２４と約９０°の角度を形成する。フランジ３２及び３６は、 スリーブ２２に半径方向の剛性を与え、更に、例えば磁石体２０を駆動する構造 、或いはこれに駆動される構造を取り付けるための取付け部を提供する。 磁石セグメント４０がスリーブ２０の外面にスリーブ円周方向で等間 隔に取り付けられる。これら磁石セグメントが磁場を提供する。この磁場は、（ 同期発電機におけるように）磁石を往復させることにより時間的に変化するする ように作られ、或いは磁石セグメント１１０の磁場が、（モーターにおけるよう に）巻線において作られる時間的に変化する磁場による影響を受けて磁石体２０ を運動させる。磁石４０は、好ましくは接着剤によりスリーブ壁２４の外面に接 着され、これは高透磁率の磁束経路の間隙形成用構造のごく近くに置かれる。 磁石４０の長手方向端部は、外向きに延びているフランジ３２及び外向きに延 びている中間フランジ４２に押し付けられる。中間フランジ４２は、外向きに延 びているフランジ３２と内向きに延びているフランジ３６の中間でスリーブ壁２ ４の外面に取り付けられる。外向きに延びているフランジ３２と中間フランジ４ ２とは、スリーブ壁２４の直角な接着面の提供に加えて磁石４０用の長手方向の 支持を提供する。フランジ３２及び４２は、図８にフランジ１００及び１０２に より示されるように、磁石４０を定位置に、より強固に保持するように磁石４０ の上方に曲げることができる。 図３は図２の磁石体の断面の端面図を示し、この図はスロット２６上の磁石セ グメント４０の位置決めを更に明瞭に示す。スロット２６はスリーブ壁２４に等 間隔に置かれ、同数の磁石セグメント４０がスリーブ壁２４に取り付けられる。 各磁石セグメント４０は、好ましくはその組み合わせられたスロット２６の長さ の少なくも一部分の上を延び、組み合わせられたスロット２６と磁石セグメント ４０との対を多数形成する。スロット２６と同じ数の磁石／スロットの対がある 。磁石セグメント４０は、スロット２６の全長を延びることは要求されない。こ れは、スリ ーブ２２を一緒に保持するために、スリーブ壁２４の一部分が反対側の長手方向 端部で円周方向で連続したままであるためである。しかし、セグメント４０がス リーブ２６上を延び、かつ各磁石セグメント４０が、それの伸びているスロット ２６の両側でスリーブ壁２６に取り付けられることは、スリーブ壁２４を更に強 固にすることであり好ましい。 例えば、フリーピストン式スターリングサイクル機関のピストンに往復磁石体 ２０を駆動可能に取り付けるための取付け穴５０が図３のフランジ３６に示され る。 図２及び３を参照すれば、スリーブ壁２４に形成されたスロット２６は、スリ ーブ壁２４をまわる電流の円周方向の流れに対する大きい抵抗である電気的障壁 を形成する。空気は壁２４よりも非常に大きい抵抗を有するため、空隙から抵抗 が生ずる。この電流は、上述のように、時間的に変化する磁場のある間隙をスリ ーブ壁２４が通過することにより作られる。スリーブ壁２４は金属であるため、 スリーブ壁２４が間隙内の時間的に変化する磁場を通過するとき、スリーブ壁２ ４内に渦電流が発生する。これら局所的な渦電流は、スロットのない装置におい ては、組み合ってスリーブ壁２４のまわりの最終の円周方向の流れを形成するで あろう。電流の円周方向の流れを（好ましくは直角に）横切るスロット２６の形 成により、大きい（電気的）抵抗障壁が形成され、これが円周方向の電流の流れ を阻止し又は少なくも減少させ、これによりこの円周方向電流と組み合った損失 を減らす。局所化された損失、即ち、スロット間で発生する電流による損失は、 いかなる電気伝導材料にも存在するが、スロット数を大きくすることにより更に 減らすことができる。 異なった結果を得るために、スロット数の増加の代わりにスロットの 相対長さを変えることができる。図４は、図２の磁石体２０と同様な磁石体６０ を示す。スロット６２は、スリーブより僅かに短い長さを有するのではなく、ス リーブ壁６４と同じ長さを持つ。スロット６２は、一方の長手方向端部６６から 反対側の第２の長手方向端部６８に延びかつスリーブ壁６４を完全に貫き、これ により、スリーブ壁６４を、取り付けられた磁石７０により一緒に保持される多 数の個別スリーブセグメントに分割する。磁石７０はスロット６２の一方の側か らスロット６２の反対の側に延び、各磁石７０は組み合わせられた各スロット６ ２の両側でスリーブ壁６４に取り付けられる。この実施例においては、磁石７０ （又はその他の適切な構造）は、スリーブ壁６４のセグメントを一緒に保持する ためにスロット６２を横切って延びなければならない。 磁石体６０は、その長手方向の両端にあって円筒を強固にする連続した一体の 連結用構造を持たないので、（図２及び３の）磁石体２０と比べて構造的に不利 である。しかし、長手方向両端部の連結用構造が無いことにより、図２及び３の 実施例に比してスリーブ壁６４をまわる円周方向の電流が少なくなる。 好ましい磁石体の抵抗率は、好ましくは銅の抵抗率（１．７μΩ/cm）の１０ 倍以上、より好ましくは５０μΩ/cm 以上である。チタンの抵抗率は約１７０μ Ω/cm であり、ステンレス鋼（３００シリーズ）抵抗率は約７５μΩ/cm である 。もし材料の抵抗率が銅の抵抗率の１０倍以上、（即ち、１７μΩ/cm 以上）で あるならば、これは高抵抗率材料と考えられ、この値又はこれ以上の抵抗率を有 する材料が本発明用として好ましい。抵抗率が２μΩ/cm より小さい材料は低抵 抗率材料と考えられ、本発明用には好ましくない。 抵抗率が２から約１７μΩ/cm の間の材料は中間抵抗率材料と考えられ、ある 種の状況下では本発明に好ましい可能性がある。中間抵抗率材料は、その抵抗率 の代わりにこの材料を望ましいものとする高強度又は低密度のような有利な性質 のため望まれることがある。しかし、材料の抵抗率が小さくなると、損失を減ら すために必要なスロット数が大きくなる。例えば、銅は約１．７μΩ/cm の抵抗 率を有し、そしてチタンより相当に多いスロット数を必要とするであろう。逆に 、材料の抵抗率が大きくなると、損失を減らしなおかつ満足な結果を得るために 必要なスロット数は少なくなる。これは、より大きい抵抗率が局所的な渦電流、 従って局所的な損失を減らすためである。スロットの利点と抵抗率の利点とを平 衡させることにより、適切な磁石体を得ることができる。図２のスロット２６及 び図４のスロット６２は、これらが形成された円筒状スリーブの軸線と一般に平 行であるが、スリーブ軸線に対して平行でなく傾けることが可能である。スリー ブ壁をまわる電流の流れは円周方向であるため、スリーブ壁に形成されたいかな る非円周方向のスロットも電流の流れと干渉するであろう（従って電流に対する 障壁となるであろう）。このため、電流の流れを横切る総てのスロットはこの電 流に対する障壁であり、磁石体が使用される場合は本発明の部分と考えられる。 好ましい磁石体に示された長手方向スロットは電流の流れと直角であり、これに より電流の流れに対する最も効果的な障壁を提供する。同期発電機の場合は、磁 石体に形成されたスロットが図５に示されるように螺旋方向を有することがある 。 スリーブに形成されたスロットの方向に加えて、スリーブ壁を部分的にだけ貫 いて延びるスロットによっても電流に対する障壁が作られる。 この形式の障壁は電流を無くすのではなく、これを減らすだけであろう。図６に おいて、スリーブ８０は、スロット８４が形成されたスリーブ壁８２を持っ。ス ロット８４は壁８２を完全に貫いては形成されず、壁８２の外面から深さｄまで 延びる。この電流経路は断面積を小さくし、スロットのないスリーブ壁８２の隣 接部分と比べて電流の流れに対する抵抗を大きくする。 特別な材料のスリーブにおけるスロットの形成は、構造的な剛性の低下と円周 方向の電流の流れに対する抵抗率増加との間の妥協である。いかなる妥協によっ たときも、スロットの形状、抵抗率及び強度特性のいかなる組合せも本発明の何 かの応用に望ましい領域がある。一例として、最小深さのスロットは、構造的な 損失は無視できるが電流に対する抵抗はごく小さい。別の極端な例の場合、図４ に示されるように、スリーブの一方の端部から他方の端部に伸びていてかつ厚さ 全体を貫くスロットは、強度及び電流を極端に減らす。加えて、低抵抗率を有す る（銅又はアルミニウムのような）材料を使用できるが、損失を減らすためにか なり数の多いスロットが必要であろう。更に、セラミック及びプラスチックのよ うな極端に抵抗率の大きい材料を使うことができるが、熱抵抗特性及び強度特性 は適切とはいえない。理想的には、妥協しないことが要求されるとすれば、無限 の抵抗率を持った材料から無限の強度でかつ厚さのないスリーブを作ることが必 要であろう。 技術的な妥協の原理を考慮し、本発明は、スロットの深さと長さ、及びスリー ブ材料の好ましい組合せに達した。好ましい材料は、チタン又はステンレス鋼の ような大きい抵抗率と大きい強度とを有するものである。スリーブ側壁の全厚さ を貫きかつ長手方向の一方の端部付近から反 対側の長手方向端部付近に伸びている多数の長手方向スロットが好ましいスロッ ト配置である。スリーブ壁の厚さは、磁石体全体が往復する間隙を横切る距離の 約１/１０である（間隙は、従来技術については図１Ａ及び１Ｂに示され、また 本発明が往復する間隙は同様である）。好ましい実施例においては、これは約０ .４から０.５mm である。 妥協の別の組合せを示す別の実施例が図７に示される。スリーブ８８は、スリ ーブ８８の長さに沿って深さの変化するスロット９０を持つ。これは、円周方向 の電流の流れが少ない領域において材料の連続リングを提供することにより長手 方向端部（ここはより少量の磁束に暴露される）に強さを与える。円周方向電流 が大きい（磁石に近い）領域では、スロットはスリーブ８８の厚さを完全に貫い て形成される。 リニヤー形式のモーター又は同期発電機においては、抵抗率と損失との間に反 比例の関係がある。これは、抵抗率の増加に比例して損失が減少することを意味 する。このため、強度及び重量のようなその他の総ての要因が一定であるならば 、抵抗率のより大きい材料を有することが望ましい。 本発明のある好ましい実施例が詳細に明らかにされたが、本発明の精神及び以 下の請求項の範囲から離れることなく種々の変更をなし得ることを理解すべきで ある。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年４月３０日 【補正内容】 請求の範囲 １．（ａ）スリーブ壁及び前記スリーブ壁に形成された少なくも１個の軸方向 の長いスロットを有する円筒状の金属の支持スリーブであって、前記スロットが スリーブ壁を通る電流の流れる方向を横切る前記円筒状の金属の支持スリーブ、 及び （ｂ）スリーブに取り付けられた磁石セグメント を備えた電気機械変換装置用の往復磁石体。 ２．磁石セグメントがスロットの少なくもある部分上を伸び、スロットの両側 でスリーブに取り付けられる請求項１による磁石体。 ３．スリーブが高抵抗率の金属で作られる請求項２による磁石体。 ４．スリーブがこれに形成された複数のスロットを有し、同数の磁石セグメン トがスリーブに取り付けられ、各磁石セグメントは同数の対にされたスロットと セグメントを形成する組み合わせられたスロットの少なくもある部分上で伸び、 各対の各磁石セグメントは組み合わせられたスロットの少なくもある部分上で伸 びかつ組み合わせられたスロットの両側でスリーブに取り付けられている請求項 ３による磁石体。 ５．スロットが螺旋状である請求項４による磁石体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ， ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，Ｇ Ｅ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ， ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＷ，ＮＯ，ＮＺ，Ｐ Ｌ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）少なくも１個のスロットを有する円筒状の金属の支持スリーブ、及 び （ｂ）スリーブに取り付けられた磁石セグメント を備えた電気機械変換装置用の往復磁石体。 ２．磁石セグメントがスロットの少なくもある部分上を伸び、スロットの両側 でスリーブに取り付けられる請求項１による磁石体。 ３．スリーブが高抵抗率の金属で作られる請求項２による磁石体。 ４．スリーブがこれに形成された複数のスロットを有し、同数の磁石セグメン トがスリーブに取り付けられ、各磁石セグメントは同数の対にされたスロットと セグメントを形成しつつ組み合わせられたスロットの少なくもある部分上で伸び 、各対の各磁石セグメントは組み合わせられたスロットの少なくもある部分上で 伸びかつ組み合わせられたスロットの両側でスリーブに取り付けられている請求 項３による磁石体。 ５．スロットが螺旋状である請求項４による磁石体。 ６．スロットがスリーブ軸線と平行である請求項４による磁石体。 ７．スロットが互いに平行であり、かつスリーブのまわりに等間隔に置かれた 請求項６による磁石体。 ８．スリーブの第１の長手方向端部からスリーブの反対側の第２の端部に伸び るスロットがスリーブに形成される請求項４による磁石体。 ９．スリーブの第１の長手方向端部付近からスリーブの反対側の第２の端部付 近に伸びるスロットがスリーブに形成される請求項４による磁石体。 １０．スロットがスロットの長さに沿って変化する深さにスリーブ内 に伸びる請求項４による磁石体。 １１．スロットがスロットの全長に沿って一定である深さにスリーブ内に伸び る請求項４による磁石体。 １２．スリーブを完全に貫いてスロットが形成される請求項１１による磁石体 。 １３．第１のフランジがスリーブの第１の端部から半径方向外向きに伸び、そ して第２のフランジがスリーブの第２の端部から半径方向内向きに伸びる請求項 ４による磁石体。 １４．スロットがフランジの少なくも一方を通って形成される請求項１３によ る磁石体。 １５．スリーブと第１のフランジとの間の第１の連結部付近からスリーブと第 ２のフランジとの間の第２の連結部付近に伸びているスロットがスリーブに形成 される請求項１３による磁石体。 １６．スリーブの端部の中央でスリーブから半径方向外向きに伸びている第３ のフランジを更に備え、更にスリーブと第１のフランジとの間の第１の連結部付 近からスリーブと第３のフランジとの間の第３の連結部付近に伸びているスロッ トがスリーブに形成される請求項１３による磁石体。 １７．スリーブの厚さが間隙の厚さの約１/１０であり、この中を磁石体が往 復する請求項４による磁石体。 １８．スリーブが高抵抗率材料である請求項４による磁石体。 １９．スリーブがチタンである請求項１８による磁石体。 ２０．スリーブがステンレス鋼である請求項１８による磁石体。 ２１．スリーブの抵抗率が約５０μΩ/cm より大きい請求項１８による 磁石体。 ２２．スリーブの抵抗率が銅の抵抗率の１０倍より大きい請求項１８による磁 石体。 ２３．スリーブがこれに形成された複数のスロットを有し、スリーブに数の異 なった磁石セグメントが取り付けられ、少なくも１個の磁石セグメントが１個以 上のスロットの上を伸びている請求項３による磁石体。