JPS62502442A - 電気機械的変換器及び交流起電力を誘導する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ７リーピストン　スターリングエンジンによって駆動されるリニア交流発電機に 特に適した電気８械的変換器兄を立淀肚 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 。

万吸Ｏ１隻 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ｖｉ械的変換器はワイヤコイル（ｃｏｉｌ　ｏｆ　ｗｉｒｅ）を辿る磁束の時 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０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ｒｆｉ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比を提供するため 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 石の如き磁束源がら、そして他方は電磯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′ａｉｍ子反作子離 作用磁束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４，３３０，９９３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ク ーリングエンノ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（っがの設計は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ェースしているそれ 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軸ａｒＨｉｎ）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豆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成子反 作用磁束及び磁石磁束（＋ａＨｎｅｔ　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。しかしなが呟 　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外は、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。

＠線の各巻数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。

べ尺肌Δ飼莢螢賎艮 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 の間隔をへだでた間隙を備えた電気機械的変換器である６コイルがループの周り に巻かれてぃて、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 ー人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。高専磁 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がらである。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菌はいくつかの従来技術の電気８！械的変換器の原理を例示している簡単化 された概略的なグイ７グラムである。

第２−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 している概略的なグイアゲラムである。

第３図は第２図の実施態様のｉ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グイ７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 様の概略的なグイ７グラムである。

第８図は本発明の実施態様の概略的なグイ７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連動する。

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り１て、特定の学術 用語が明確化のために採用されている。しかしなか駄本発明はそのように選択さ れた特定の用語に限定されＺ４４図を有してｙｓなし１、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。

圧」Ｌ免Ｊ、−盟 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、電機子フィル１２が周りに巻かれている比較的高−・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しする。第１図のｖｃ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！！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つの間隔なへだでた間隙があるので、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（ｔｒａｎｓｆｏｒ輸ｅｒ　１ｒｏｎ）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、ｍｊ。

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 に上ってコイル２８内に誘導される。往復運動する質景（、、ＳＳ）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νｔでおり、従って鉄の如き余分な ′ｉｔ１は往復運動において駆動される必要がなり）。

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Ｍａに作られることができる。

第３ｔ４は第２図の実施態様の乎面対称物（ｍｉｒｒｏｒ　ｉｍａｇｅ）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′ｅｉｍ又は電動機として利用するために機械的エネルギー人力又は出 力Ｈｅに連結しているリンク４つ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６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内に環状の周辺チャネル５４ が形ｒ＆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１！造を簡単化するために仮 想＃ｉ５７と５９との間を省略されることができる。電に的にこの構造体は２つ の反対に向νま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１−る。

この磁束路は互に間隔をへだてられて塾するが、双方はフィル５６【こよって囲 まれている。

第４図は断面図であり、第５図はｔＩＳ４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りする。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）１２２重に されることができる。＃Ｓ６図は本質的には中心軸線７０の周り（こ互に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６０．６ ２．６４．６８より成ってしする。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を二改善することに よって、第３図の構造体以上−二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図と同じ断面のグイ７グラムを 有している＃Ｓ７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／（ンド７４となってしする。

フィルは、内方リング７６の外面の内側に形成されて（・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、α 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ビストンに 機械的に連結されるリニア交流発電はに特に有用である１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、直線の経路は中心細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た第８図に例示された如きカスケードシリーズ（ｃａｓ ｃａｄｅｄ　５ｅｒｉｅｓ）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ｊｌ１８０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 側に形成されたチャネル９４の如き、複数の環状チャネルな有している。、′ｏ 、数の電機子コイル１０１．１０２．１０３等がこれ等のチャネル内に巻かれて いる。外部円筒状コア９２が主磁束路を形成する０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でおり、そしてＩ ｆｉｔＪａ的なエネｔＬギー人力又は出力に駆動的に連結されて−）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く１゜第１０１ Ａは本発明の現実的な、概略的でない実施態を例示してνする。

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ｖｉ２１０を示している。このエンジンはディスペンサ（ｄｉ ｓｐｅｎｃｅｒ）　２１４と、動力ビストン２１６とを有している。

動力ビストン２１６は、アルミニウムの如き非強磁性の支持体２２２及いる。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な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蹟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. １．（ａ）比較的高い透磁率の材料で形成された磁束ループであって。 該ループを通り横に形成されており、且つ往復運動路に沿って整合されている少 くとも１対の間隔をへだてた間隙を有している磁束ループと、（ｂ）該ループの 周りに巻かれた電機子コイルと、（ｃ）該間隙内で位置を交互に代えるように該 往復運動路に沿って往復連動可能に機械的に取付けられている磁石とを具備して おり、該磁石が該往復運動路を横断し、該間隙を横切る磁化ベクトルを有してお り、且つ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ことを特徴と する電機機械的変換器。
2. ２．該磁束路ループが複数の対の該間間隔をへだてた間隙を有しており、そして 請求の範囲２による磁石が該対の各々と関連づけられている請求の範囲１に記載 の電機機械的変換器。
3. ３．各々の対の間隙が平行な、直線の往復運動路に沿って形成されている請求の 範囲第２に記載の電気機械的変換器。
4. ４．平行な往復運動路に沿って整合されたそれ等の間隙を有しているカスケード シリーズの隣接しているループに形成されている複数の該磁界ループがある請求 の範囲１に記載の電気機械的変換器。
5. ５．該磁束ループが中心軸線の周りに対称であり、そして該往復運動路が円筒状 である請求の範囲１に記載の電気機械的変換器。
6. ６．該電機子コイルが該中心軸線の周りに巻かれている請求の範囲５に記載の電 気機械的変換器。
7. ７．該電機子コイルが該磁石の内方に巻かれている請求の範囲１に記載の電気機 械的変換器。
8. ８．該電機子コイルが該磁石の外方に巻かれている請求の範囲１に記載の電気機 械的変換器。
9. ９．比較的高い透磁率、強磁性の材料で形成された磁束ループの周りに巻かれた コイル内に交番起電力を誘導する方法において、往復運動路を横断している源の 磁化ベクトルを維持しながら該ループ内に形成されている１対の間隔をへだてた 間隙内の交互に代る位置間に、実質的にいかなる取付けられた強磁性の磁束路の ない実質的に磁束源のみを往復運動することを特徴とする方法。