JPWO2007013505A1

JPWO2007013505A1 - 往復動型サイクル機関

Info

Publication number: JPWO2007013505A1
Application number: JP2007526871A
Authority: JP
Inventors: 宮原　正久; 正久宮原; 欣次金川
Original assignee: 三菱マテリアルＰｍｇ株式会社
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2006-07-26
Publication date: 2009-02-12
Anticipated expiration: 2026-07-26
Also published as: EP1912318A1; JP4558795B2; CN101233673B; CN101233673A; US20100141056A1; WO2007013505A1

Abstract

軸線を有する内側固定子と；前記内側固定子の周囲に同軸に配置される筒形状を有し、前記軸線に沿って往復動する可動子と；前記可動子の周囲に同軸に配置される筒形状を有する外側固定子と；を備えた往復動型サイクル機関であって、前記外側固定子が、前記可動子に面する内周面側に形成された開口部と；前記開口部を介して開口する内部空間と；前記内部空間内に配設された巻線コイルと；を有し、前記可動子が、界磁磁石部と；この界磁磁石部の前記軸線に沿った両端位置にそれぞれ設けられた復元磁石部と；を有し、前記界磁磁石部及び前記各復元磁石部間の境界面が、前記可動子が前記往復動型サイクル機関の負荷が最大となるストローク端位置に達した際に、前記開口部の開口周縁を越えて開口部内に達するようにそれぞれ配置されている。

Description

本発明は、往復動型サイクル機関に関する。
本願は、２００５年７月２９日に、日本に出願された特願２００５−２２１７４３号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

往復動型サイクル機関は、従来から、駆動装置や発電機等に用いられている。駆動装置としては、例えば下記特許文献１に示されるようなスターリングサイクル機関が知られている。

従来の往復動型サイクル機関１００としては、図５に示されるような構成が知られている。すなわち、環状または柱状の内側固定子１０１の回りに、各々が筒状に形成された可動子１０２および外側固定子１０３が同軸的に配設されている。外側固定子１０３には、その内周面に開口部１０３ａを介して開口する内部空間が形成されている。前記内部空間に、図示されない巻線コイルが配設され、可動子１０２がその軸線方向に往復動可能とされる。外側固定子１０３および内側固定子１０１の内部に、可動子１０２の界磁磁石部１０２ａを介して連続する磁路が形成される

発電機に備えられる往復動型サイクル機関の前記可動子１０２は、界磁磁石部１０２ａと、前記界磁磁石部１０２ａの軸線方向両端部に連結された復元磁石部１０２ｂとを備え、前記復元磁石部１０２ｂによって、可動子１０２がストローク端に位置したときに、その移動方向と反対方向に復元力を発生させることにより、内側固定子１０１と外側固定子１０３との間から抜けないようになっている。界磁磁石部１０２ａの界磁方向は径方向外方、つまり外側固定子１０３側へ向き、復元磁石部１０２ｂの界磁方向は径方向内方、つまり内側固定子１０１側へ向いている。可動子１０２は、その内周面において、例えばステンレス鋼により形成された金属管１０４の外周面上に支持されている。
一般的には、駆動装置に備えられる往復動型サイクル機関の可動子１０２では、界磁磁石１０２ａのみが備えられ、復元磁石部１０２ｂは備えられていない。
特開２００４−２９３８２９号公報

発電機に備えられる前記従来の往復動型サイクル機関１００では、前記界磁磁石部１０２ａの軸線方向における一方の端部１０２ｃが外側固定子１０３の開口部１０３ａの開口周縁に近づき、かつ前記界磁磁石部１０２ａの他方の端部（図示せず）が開口部１０３ａの開口周縁から離れるように可動子１０２がその軸線方向に移動し、前記往復動型サイクル機関１００の負荷が最大となる可動子１０２のストローク端に達したとき、前記端部１０２ｃが前記開口部１０３ａの開口周縁を超えず、前記端部１０２ｃの外周面と外側固定子１０３の内周面とが対向している。
このような動作は、往復動型サイクル機関１００が駆動装置に備えられた場合においても、可動子１０２に作用する負荷が大きいと生じ得るものである。

このため、往復動型サイクル機関１００の負荷が最大となる可動子１０２のストローク端位置において、界磁磁石部１０２ａの前記端部１０２ｃ側を介して内側固定子１０１および外側固定子１０３の内部に連続し、かつ外側固定子１０３の外周部側に到達しない短絡磁路Ｇ１が発生し、この往復動型サイクル機関１００のさらなる出力向上を図ることが困難であるという問題があった。このような課題は、この往復動型サイクル機関１００が備えられる駆動装置や発電機等の別を問わず生じていた。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、さらなる出力向上を図ることができる往復動型サイクル機関を提供することを目的とする。

上記課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明の往復動型サイクル機関は、軸線を有する内側固定子と；前記内側固定子の周囲に同軸に配置される筒形状を有し、前記軸線に沿って往復動する可動子と；前記可動子の周囲に同軸に配置される筒形状を有する外側固定子と；を備えた往復動型サイクル機関であって、前記外側固定子が、前記可動子に面する内周面側に形成された開口部と；前記開口部を介して開口する内部空間と；前記内部空間内に配設された巻線コイルと；を有し、前記可動子が、界磁磁石部と；この界磁磁石部の前記軸線に沿った両端位置にそれぞれ設けられた復元磁石部と；を有し、前記界磁磁石部及び前記各復元磁石部間の境界面が、前記可動子が前記往復動型サイクル機関の負荷が最大となるストローク端位置に達した際に、前記開口部の開口周縁を越えて開口部内に達するようにそれぞれ配置されている。

この発明では、往復動型サイクル機関の負荷が最大となる可動子のストローク端位置で、界磁磁石部と復元磁石部との境界面が前記開口部の開口周縁を越えるので、前記ストローク端で、界磁磁石部の前記端部近傍が外側固定子の内周面と対向することを防ぐことができる。したがって、可動子が前記ストローク端に達した際に、界磁磁石部の前記端部近傍を含む部分を介して内側固定子および外側固定子の内部に連続し、かつ外側固定子の外周部側に到達しない短絡磁路が発生することを抑制することができ、往復動型サイクル機関の出力向上を図ることができる。

前記外側固定子の内周面における前記開口部の開口周縁部に、前記開口部内に連なり、かつ径方向外方へ向けて凹む逃げ部が形成されていてもよい。この場合、可動子が前記ストローク端に達した際に、界磁磁石部の前記端部近傍が外側固定子の内周面と対向することを確実に防ぐことができる。

この発明に係る往復動型サイクル機関によれば、短絡磁路の発生を抑制することができ、その出力の向上を図ることができる。

本発明に係る第１実施形態を示す往復動型サイクル機関の一部断面図である。図１に示す往復動型サイクル機関の一部拡大図であって、往復動型サイクル機関の負荷が最大となる状態、すなわち可動子がそのストローク端に位置している状態を示すものである。図１に示す往復動型サイクル機関の作用効果を立証した結果を示すグラフである。本発明に係る第２実施形態を示す往復動型サイクル機関の一部拡大図であって、往復動型サイクル機関の負荷が最大となる状態、すなわち可動子がそのストローク端に位置している状態を示すものである。従来の往復動型サイクル機関の一例を示す一部拡大図であって、往復動型サイクル機関の負荷が最大となる状態、すなわち可動子がそのストローク端に位置している状態を示すものである。

符号の説明

１０往復動型サイクル機関
１１内側固定子
１２外側固定子
１２ａ内部空間
１２ｂ開口部
１２ｃ逃げ部
１３可動子
１３ａ界磁磁石部
１４巻線コイル

以下、図面を参照し、この発明の第１実施形態について説明する。
本実施形態の往復動型サイクル機関１０は、各種発電機に備えられるものであって、図１に示されるように、環状または柱状の内側固定子１１の回りに、各々が筒状に形成された可動子１３および外側固定子１２がこの順に、径方向内方から外方へ向けて順次同軸的に配設されている。すなわち、可動子１３の外周面と外側固定子１２の内周面とが対向している。可動子１３の内周面と内側固定子１１の外周面とが、後述する金属管１５を介して対向するように配置されている。

外側固定子１２は、例えばその周方向に複数の鋼板が積層されてなるもの、もしくは複合軟磁性材による焼結体から形成されている。前者の鋼板を用いる場合は、外側固定子１２の内周面側を構成する部分の鋼板の方が、外周面側を構成する部分の鋼板よりも厚さが小さい。後者の複合軟磁性材を用いる場合は、金属粉末を熱硬化性樹脂等の電気絶縁材料で被覆した金属粉末を圧粉成形して所定の形状とし、必要により歪取り焼鈍や絶縁材料の熱硬化、材料の強度向上などの目的で熱処理を行う。

前記金属粉末としては、純鉄粉末などの鉄粉末や、シリコン（Ｓｉ）を０．１〜１０重量％含有して残部が鉄及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｓｉ系鉄基軟磁性合金粉末（例えば、Ｆｅ−３％Ｓｉ粉末）や、Ｓｉを０．１〜１０重量％、アルミニウム（Ａｌ）を０．１〜２０重量％含有して残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｓｉ−Ａｌ系鉄基軟磁性合金粉末（例えば、Ｆｅ−９％Ｓｉ−５％Ａｌからなる組成を有するセンダスト粉末）や、Ａｌを０．１〜２０重量％含有して残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ａｌ系基軟磁性合金粉末（例えば、Ｆｅ−１６％Ａｌからなる組成を有するアルパーム粉末）や、クロム（Ｃｒ）を１〜２０重量％含有すると共に必要に応じてＡｌを５重量％以下、Ｓｉを５重量％以下のうちの少なくとも１種を含有して残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｒ系鉄基軟磁性合金粉末や、ニッケル（Ｎｉ）を３５〜８５重量％含有すると共に必要に応じてモリブデン（Ｍｏ）を５重量％以下、銅（Ｃｕ）を５重量％以下、Ｃｒを２重量％以下、マンガン（Ｍｎ）を０．５重量％以下のうちの少なくとも１種を含有して残部がＦｅ及び不可避不純物からなるニッケル基軟磁性合金粉末や、コバルト（Ｃｏ）を０．１〜５２重量％、バナジウム（Ｖ）を０．１〜３重量％含有して残部がＦｅ及び不可避不純物からなるＦｅ−Ｃｏ−Ｖ系鉄基軟磁性合金粉末などを用いることができる。

金属粉末を被覆する絶縁材料としては、有機絶縁材料や無機絶縁材料、あるいは有機絶縁材料と無機絶縁材料とを混合した混合材料が用いられている。有機絶縁材料としては、エポキシ樹脂やフッ素樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノキシ樹脂、ユリア樹脂、イソシアネート樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂などを用いることができる。また、無機絶縁材料としては、リン酸鉄などのリン酸塩や各種ガラス状絶縁物、珪酸ソーダを主成分とする水ガラス、絶縁性酸化物を用いることができる。

本実施形態の可動子１３は、界磁磁石部１３ａと、前記界磁磁石部１３ａの軸線Ｏ方向両端部に連結された復元磁石部１３ｂとを備えている。可動子１３は、その内周面において、例えばステンレス鋼により形成された金属管１５の外周面上に支持されている。
外側固定子１２には、その内周面に形成された開口部１２ｂを介して開口する内部空間１２ａが形成されている。前記内部空間１２ａには、巻線コイル１４が配設されている。

以上の構成において、可動子１３が、内側固定子１１と外側固定子１２との間をその軸線Ｏ方向に往復動可能とされるとともに、外側固定子１２および内側固定子１１の内部に、界磁磁石部１３ａを介して連続する磁路を形成する。

本実施形態では、界磁磁石部１３ａの軸線Ｏ方向における第１端部１３ｃが外側固定子１２の開口部１２ｂの開口周縁に近づき、かつ第２端部１３ｄが開口部１２ｂの開口周縁から離れるように、可動子１３がその軸線Ｏ方向に移動し、前記往復動型サイクル機関１０の負荷が最大となる可動子１３のストローク端位置で、前記第１端部１３ｃが外側固定子１２の開口部１２ｂの開口周縁を超える構成とされている。

すなわち、図１および図２において、界磁磁石部１３ａの軸線Ｏ方向における上端部（第１端部）１３ｃが外側固定子１２の開口部１２ｂの開口周縁に近づき、かつ下端部（第２端部）１３ｄが開口部１２ｂの開口周縁から離れるように、可動子１３がその軸線Ｏ方向下方に移動したときの前記ストローク端位置で、前記上端部１３ｃが開口部１２ｂの開口周縁を超えるようになっている。つまり、界磁磁石部１３ａの上端部１３ｃの外周面が外側固定子１２の内周面と対向しないように、換言すれば上端部１３ｃ側の復元磁石部１３ｂが外側固定子１２の開口部１２ｂと対向するようになっている。

これとは逆に、界磁磁石部１３ａの下端部１３ｄが外側固定子１２の開口部１２ｂの開口周縁に近づき、かつ上端部１３ｃが開口部１２ｂの開口周縁から離れるように、可動子１３がその軸線Ｏ方向上方に移動したときの前記ストローク端位置でも、前記下端部１３ｄが開口部１２ｂの開口周縁を超えるようになっている。つまり、界磁磁石部１３ａの下端部１３ｄの外周面が外側固定子１２の内周面と対向しないように、換言すれば下端部１３ｄ側の復元磁石部１３ｂが外側固定子１２の開口部１２ｂと対向するようになっている。

界磁磁石部１３ａの軸線Ｏ方向における長さは約４０ｍｍ、各復元磁石部１３ｂの軸線Ｏ方向における長さは約８ｍｍ、これら界磁磁石部１３ａおよび復元磁石部１３ｂの肉厚は約３．５ｍｍである。外側固定子１２の軸線Ｏ方向の長さは約６５ｍｍ、開口部１２ｂの軸線Ｏ方向の長さは１８ｍｍ以上２４ｍｍ以下、好ましくは２１ｍｍである。開口部１２ｂは、その軸線Ｏ方向の中央部が外側固定子１２の軸線Ｏ方向の中央部と略一致するように、外側固定子１２の内周面に形成されている。可動子１３は、その軸線Ｏ方向に沿って図１および図２において上下にそれぞれ１０ｍｍずつ往復移動するようになっている。

以上説明したように本実施形態に係る往復動型サイクル機関１０によれば、前記往復動型サイクル機関１０の負荷が最大となる可動子１３のストローク端位置に可動子１３が達した際に、界磁磁石部１３ａの前記第１端部１３ｃおよび復元磁石部１３ｂ間の境界面が外側固定子１２の開口部１２ｂの開口周縁を越えるので、前記ストローク端位置で、界磁磁石部１２ａの前記第１端部１３ｃの外周面が外側固定子１２の内周面と対向することを防ぐことができる。

したがって、可動子１３が前記ストローク端位置に達した際に、界磁磁石部１３ａの前記第１端部１３ｃ側を介して内側固定子１１および外側固定子１２の内部に連続し、かつ外側固定子１２の外周部側に到達しない短絡磁路が発生することを抑制することができ、往復動型サイクル機関１０の出力向上を図ることができる。

ここで、前記作用効果を立証するためのシミュレーション試験を実施した。試験モデルとして、前述した各部の寸法を一定とし、開口部１２ｂの軸線Ｏ方向における開口寸法を種々異ならせた複数の往復動型サイクル機関を採用した。その結果、図３に示すように、界磁磁石部１３ａの軸線Ｏ方向の大きさが４０ｍｍで、可動子１３の軸線Ｏ方向のストローク量が、図１および図２における上下でそれぞれ１０ｍｍの場合には、開口部１２ｂの前記大きさが１８ｍｍ以上であれば、前記作用効果が特に顕著となることが確認された。図３において出力比とは、開口部１２ｂの前記開口寸法が１６ｍｍの場合の出力を１として、前記大きさを変更した場合の各出力の比を表している。

なお、本発明の技術的範囲は前記第１実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、図４に示される第２実施形態のように、外側固定子１２の内周面における前記開口部１２ｂの開口周縁部に、前記開口部１２ｂ内に連なり、かつ径方向外方へ向けて凹む逃げ部１２ｃを形成し、可動子１３が前記ストローク端位置に達した際に、界磁磁石部１３ａの前記第１端部１３ｃ近傍の外周面を前記逃げ部１２ｃと対向させることによって、前記短絡磁路が形成されることを抑制することも可能である。
つまり、界磁磁石部１３ａの第１端部１３ｃおよび復元磁石部１３ｂ間の境界面が逃げ部１２ｃに対向することにより、界磁磁石部１３ａの第１端部１３ｃ近傍の外周面は外側固定子１２の内周面に近接しない位置まで到達するので、前記短絡磁路の形成が抑制される。
さらに、可動子１３は、第１端部１３ｃおよび復元磁石部１３ｂ間の境界面が開口部１２ｂの開口周縁を越えて開口部１２ｂ内に達する位置まで到達してもよい。この場合も、前記短絡磁路の形成が抑制される。

前記各実施形態では、可動子１３として、界磁磁石部１３ａと復元磁石部１３ｂとを備え、各種発電機に使用される往復動型サイクル機関を示したが、これに代えて、界磁磁石部１３ａのみを備え、駆動装置に使用される往復動型サイクル機関としてもよい。

磁力を利用した往復動型サイクル機関において、短絡磁路の発生を抑制することができ、その出力の向上を図ることができる。

Claims

軸線を有する内側固定子と；前記内側固定子の周囲に同軸に配置される筒形状を有し、前記軸線に沿って往復動する可動子と；前記可動子の周囲に同軸に配置される筒形状を有する外側固定子と；を備えた往復動型サイクル機関であって、
前記外側固定子が、前記可動子に面する内周面側に形成された開口部と；前記開口部を介して開口する内部空間と；前記内部空間内に配設された巻線コイルと；を有し、
前記可動子が、界磁磁石部と；この界磁磁石部の前記軸線に沿った両端位置にそれぞれ設けられた復元磁石部と；を有し、
前記界磁磁石部及び前記各復元磁石部間の境界面が、前記可動子が前記往復動型サイクル機関の負荷が最大となるストローク端位置に達した際に、前記開口部の開口周縁を越えて開口部内に達するようにそれぞれ配置されている
ことを特徴とする往復動型サイクル機関。
請求項１記載の往復動型サイクル機関であって、
前記軸線を含む断面で見た場合に、前記外側固定子の前記開口周縁に、前記内周面側から径方向外側に向かって凹む逃げ部が形成されている。
軸線を有する内側固定子と；前記内側固定子の周囲に同軸に配置される筒形状を有し、前記軸線に沿って往復動する可動子と；前記可動子の周囲に同軸に配置される筒形状を有する外側固定子と；を備えた往復動型サイクル機関であって、
前記外側固定子が、前記可動子に面する内周面側に形成された開口部と；前記開口部を介して開口する内部空間と；前記内部空間内に配設された巻線コイルと；前記軸線を含む断面で見た場合に、前記開口部の開口周縁に、前記内周面側から径方向外側に向かって凹むように形成された逃げ部と；を有し、
前記可動子が、界磁磁石部と；この界磁磁石部の前記軸線に沿った両端位置にそれぞれ設けられた復元磁石部と；を有し、
前記界磁磁石部及び前記各復元磁石部間の境界面が、前記可動子が前記往復動型サイクル機関の負荷が最大となるストローク端位置に達した際に、前記逃げ部の位置に達するようにそれぞれ配置されている
ことを特徴とする往復動型サイクル機関。