JPWO2007013506A1 - 往復動型サイクル機関の外側固定子および往復動型サイクル機関 - Google Patents

Abstract

内側固定子及び可動子と共に往復動型サイクル機関に備えられ、前記可動子の周囲にこの可動子の軸線と同軸に配置される筒形状を有し、前記可動子が有する界磁磁石部を介して前記内側固定子との間に磁路を形成する外側固定子であって、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し、巻線コイルが配設される内部空間と；前記軸線を含む断面で見た場合に、前記軸線に沿った両端位置に設けられてかつ、前記内周面側から径方向外側に向かって凹む逃げ部と；を備える。

Description

本発明は、往復動型サイクル機関の外側固定子および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２００５−２２１７４４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おり、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。

発電機に用いられる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１０３および外側固定子１０２が同軸的に配設されている。外側固定子１０２には、その内周面に形成された開口部１０２ｂを介して開口する内部空間１０２ａが形成されている。内部空間１０２ａには巻線コイル１０４が配設され、可動子１０３がその軸線Ｏ方向に往復動可能とする。外側固定子１０２および内側固定子１０１の内部には、可動子１０３の界磁磁石部１０３ａを介して連続する磁路が形成される。

可動子１０３には、界磁磁石部１０３ａと、界磁磁石部１０３ａの軸線Ｏ方向両端部に連結された第１復元磁石部１０３ｂおよび第２復元磁石部１０３ｃとが備えられている。可動子１０３がストローク端に位置したときに、第１復元磁石部１０３ｂおよび第２復元磁石部１０３ｃが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１０２との間から抜け出ないようにされている。

界磁磁石部１０３ａの界磁方向は径方向外方、つまり外側固定子１０２側へ向き、第１復元磁石部１０３ｂおよび第２復元磁石部１０３ｃ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１０３の内周面が、例えばステンレス鋼により形成された金属管１０５の外周面上に支持されている。
特開２００４−２９３８２９号公報

前記従来の往復動型サイクル機関１００では、第１復元磁石部１０３ｂｃが外側固定子１０２の第１端面１０２ｃに近づき、かつ第２復元磁石部１０３ｃが外側固定子１０２の第２端面１０２ｄから離れるように可動子１０３がその軸線Ｏ方向に移動したとき、すなわち第２復元磁石部１０３ｃから第１復元磁石部１０３ｂへ向かう方向に可動子１０３が移動したとき、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１０３のストローク端で、第１復元磁石部１０３ｂと外側固定子１０２の第１端面１０２ｃ近傍内周面とが対向するようになっている。同様に、第２復元磁石部１０３ｃが外側固定子１０２の第２端面１０２ｄに近づき、かつ第１復元磁石部１０３ｂが外側固定子１０２の第１端面１０２ｃから離れるように可動子１０３がその軸線Ｏ方向に移動したとき、すなわち第１復元磁石部１０３ｂから第２復元磁石部１０３ｃへ向かう方向に可動子１０３が移動したとき、往復動型サイクル機関１００の負荷が最大となる可動子１０３のストローク端で、第２復元磁石部１０３ｃと外側固定子１０２の第２端面１０２ｄ近傍内周面とが対向するようになっている。

図６に示されるように、往復動型サイクル機関１００の負荷が最大となる可動子１０３のストローク端位置では、内側固定子１０１の内部から界磁磁石部１０３ａを介して外側固定子１０２内部の外周部側に向けて連続する磁路Ｇが発生する。この磁路Ｇの一部に、第１復元磁石部１０３ｂおよび第２復元磁石部１０３ｃを介して内側固定子１０１側に向けて流れる漏洩磁路Ｇ１が発生するため、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という問題があった。

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の外側固定子および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の外側固定子は、内側固定子及び可動子と共に往復動型サイクル機関に備えられ、前記可動子の周囲にこの可動子の軸線と同軸に配置される筒形状を有し、前記可動子が有する界磁磁石部を介して前記内側固定子との間に磁路を形成する外側固定子であって、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し、巻線コイルが配設される内部空間と；前記軸線を含む断面で見た場合に、前記軸線に沿った両端位置に設けられてかつ、前記内周面側から径方向外側に向かって凹む逃げ部と；を備える。

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、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た前記往復動型サイクル機関の外側固定子と；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備え、前記各復元磁石部は、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の位置に達した際に、前記逃げ部と対向するようにそれぞれ配置されている。

これらの発明では、前記外側固定子が備えられた往復動型サイクル機関において、前記可動子が前記ストローク端に達した際に、前記復元磁石部の外周面が前記逃げ部と対向する構成とされるので、前記ストローク端で、前記復元磁石部が、外側固定子の内周面と近接した状態で対向することを防ぐことが可能になる。

したがって、前記可動子の前記ストローク端位置において、前記内側固定子から前記界磁磁石部を介して前記外側固定子の外周部側に向けて連続する磁路の一部に、前記復元磁石部を介して内側固定子へ向けて流れる漏洩磁路が発生するのを抑制することができ、前記往復動型サイクル機関の出力向上を図ることができる。

しかも、前記外側固定子の軸線方向における大きさを小さくするのではなく、前記逃げ部を形成することにより、前記漏洩磁路の発生を抑制するので、この外側固定子が備えられた往復動型サイクル機関で発生する磁界の強さを維持した状態で前記作用効果を奏することができ、前記往復動型サイクル機関の出力向上を確実に図ることができる。

前記外側固定子は、前記軸線を含む断面で見た場合に、前記開口部と前記内部空間との間に、前記開口部から前記内部空間に向かって広がる拡大空間部
を備えることが好ましい。

この場合、外側固定子の外形寸法を一定に維持した状態で、その体積の減少を最小限に抑制しつつ、前記内部空間を拡大することができる。したがって、この空間に配置される巻線コイルの容量を増大させることができ、この外側固定子が備えられた往復動型サイクル機関の出力のさらなる向上を図ることができる。

この発明に係る往復動型サイクル機関の外側固定子および往復動型サイクル機関によれば、漏洩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されている状態を示すものである。 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。 本発明に係る一実施形態を示す往復動型サイクル機関の外側固定子の作用効果を立証した結果を示すグラフである。 本発明に係る往復動型サイクル機関の従来例を示す一部断面図である。 図５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。

符号の説明

１０、２０ 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、１２ｄ 端面
１２ｅ、２１ａ 逃げ部
１３ 可動子
１３ａ 界磁磁石部
１３ｂ、１３ｃ 復元磁石部
１４ 巻線コイル

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
まず、本実施形態に係る外側固定子が備えられた往復動型サイクル機関１０の概略構成について説明する。この往復動型サイクル機関１０は、各種発電機に使用されるものであって、図１に示される構成を有する。すなわち、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、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を介して対向して位置されている。言い換えると、外側固定子１２は、内側固定子１１の回りに筒状空間を空けて配置され、この筒状空間内にその軸線Ｏ方向に往復動可能に筒状の可動子１３が配置されている。

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、熱硬化性樹脂等の電気絶縁性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性材料の熱硬化、材料の強度向上などの目的で熱処理を行うことにより製造される。

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性材料としては、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第１復元磁石部１３ｂおよび第２復元磁石部１３ｃ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前記金属管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、巻線コイル１４が配設されている。前記軸線Ｏ方向における内部空間１２ａの長さは、開口部１２ｂよりも長い。外側固定子１２、内部空間１２ａおよび開口部１２ｂの前記軸線Ｏ方向における各中央部の位置は略一致している。

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。

本実施形態の外側固定子１２では、軸線Ｏを含む断面で見た場合に、前記軸線Ｏに沿った両端位置に設けられ、内周面側から径方向外方へ向かって凹み、かつ前記外側固定子１２の第１端面１２ｃ、第２端面１２ｄに各別に連なる逃げ部１２ｅが形成されている。図示の逃げ部１２ｅでは、外側固定子１２の内周面から前記第１端面１２ｃ、第２端面１２ｄに向かうに従い径方向外方へ向けて傾く傾斜面、つまり面取り形状とされている。
外側固定子１２には、前記軸線Ｏを含む断面で見た場合に、前記開口部１２ｂと前記内部空間１２ａとの間に、前記開口部から前記内部空間に向かって拡がる拡大空間部１２ｆが設けられている。

以上の構成において、第１復元磁石部１３ｂ、第２復元磁石部１３ｃの一方が外側固定子１２の第１端面１２ｃ、第２端面１２ｄの一方に近づき、かつ第２復元磁石部１３ｃ、第１復元磁石部１３ｂの他方が外側固定子１２の第２端面１２ｄ、第１端面１２ｃの他方から離れるように、可動子１３がその軸線Ｏ方向に移動して往復動型サイクル機関１０の負荷が最大となる可動子１３のストローク端で、第１復元磁石部１３ｂ、第２復元磁石部１３ｃの一方の外周面がいずれか一方の逃げ部１２ｅと対向する構成とされている。

すなわち、図１および図２において、前記軸線Ｏ方向の下側に位置する下復元磁石部（第１復元磁石部）１３ｂが外側固定子１２の前記軸線Ｏ方向における下側に位置する下端面（第１端面）１２ｃに近づき、かつ前記軸線Ｏ方向の上側に位置する上復元磁石部（第２復元磁石部）１３ｃが外側固定子１２の前記軸線Ｏ方向における上側に位置する上端面（第２端面）１２ｄ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は、下復元磁石部１３ｂが下方の逃げ部１２ｅと対向する。つまり界磁磁石部１３ａと下復元磁石部１３ｂとの連結部が、下方の逃げ部１２ｅの軸線Ｏ方向位置にまで到達する。

これとは逆に、上復元磁石部１３ｃが外側固定子１２の上端面１２ｄに近づき、かつ下復元磁石部１３ｂが外側固定子１２の下端面１２ｃ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は、上復元磁石部１３ｃが上方の逃げ部１２ｅと対向する。つまり界磁磁石部１３ａと上復元磁石部１３ｃとの連結部が、上方の逃げ部１２ｅの軸線Ｏ方向位置にまで到達する。

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、１３ｃの軸線Ｏ方向における長さは約８ｍｍ、これら界磁磁石部１３ａ、復元磁石部１３ｂ、１３ｃの肉厚は約３．５ｍｍである。外側固定子１２の両端面１２ｃ、１２ｄ間の距離は約６５ｍｍ、逃げ部１２ｅ、１２ｅの軸線Ｏ方向における長さは２ｍｍ以上、径方向の長さ（深さ）は２ｍｍ以上である。可動子１３は、その軸線Ｏ方向に図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、可動子１３の前記ストローク端で、復元磁石部１３ｂ、１３ｃの外周面が逃げ部１２ｅと対向する構成とされているので、前記ストローク端で、前記一方の復元磁石部１３ｂ、１３ｃが、外側固定子１２の内周面と近接した状態で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に到達した際に、内側固定子１１から界磁磁石部１３ａを介して外側固定子１２の外周部側に向けて連続する磁路の一部が、一方の復元磁石部１３ｂ、１３ｃを介して内側固定子１１へ向けて流れる漏洩磁路の発生を抑制でき、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。

しかも、外側固定子１２の軸線Ｏ方向における大きさを小さくするのではなく、逃げ部１２ｅを形成することにより前記漏洩磁路の発生を抑制するので、この外側固定子１２が備えられた往復動型サイクル機関１０で発生する磁界の強さを維持した状態で前記作用効果を奏することができ、往復動型サイクル機関１０の出力向上を確実に図ることができる。

外側固定子１２において、開口部１２ｂの内部空間１２ａとの拡大空間部１２ｆでは、外側固定子１２の径方向外方に向かうに従い漸次、前記軸線Ｏ方向の開口大きさが大きくされているので、外側固定子１２の大きさを一定に維持した状態で、その体積の減少を最小限に抑制しつつ、内部空間１２ａを拡大することができる。したがって、この内部空間１２ａに配置される巻線コイル１４の容量を増大させることができ、この外側固定子１２が備えられた往復動型サイクル機関１０の出力のさらなる向上を図ることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施の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、前記実施形態では、開口部１２ｂの内部空間１２ａとの拡大空間部１２ｆが、外側固定子１２の径方向外方に向かうに従い漸次、前記軸線Ｏ方向の開口大きさが大きくなる構成を示したが、傾斜形状の拡大空間部１２ｆを設けずに開口部１２ｂの全体を同一の開口大きさとした構成を採用してもよい。前記拡大空間部１２ｆでは、径方向外方に向かうに従い漸次、連続的に前記軸線Ｏ方向の開口大きさが大きくなる構成を示したが、これに代えて、多段状に前記軸線Ｏ方向の開口大きさが大きくなる構成を採用してもよい。

前記実施形態の逃げ部１２ｅは、外側固定子１２の内周面から前記各端面１２ｃ、１２ｄに向かうに従い径方向外方へ向けて傾く傾斜面、つまり面取り形状とされた構成を示したが、これに代えて、図３に示すような、外側固定子１２の内周面に直交する径方向外方へ向けて凹む逃げ部２１ａを採用してもよい。

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、図３に示す逃げ部２１ａを有する外側固定子１２を備える、前述した各部の寸法、および逃げ部２１ａの径方向における大きさを一定とし（約３ｍｍ）、軸線Ｏ方向における逃げ部２１ａの大きさを種々異ならせた複数の往復動型サイクル機関２０を採用した。図４において出力比とは、逃げ部２１ａを備えない場合の出力を１として、逃げ部２１ａの前記軸方向における大きさを変更した場合の各出力の比を表している。

その結果、図４に示すように、外側固定子１２の両端面１２ｃ、１２ｄ間の距離が６５ｍｍ、界磁磁石部１３ａの軸線Ｏ方向の大きさが４０ｍｍ、可動子１３の軸線Ｏ方向のストローク量が、図１から図３における上下でそれぞれ１０ｍｍの場合には、逃げ部２１ａの軸線Ｏ方向の大きさが２ｍｍ以上であれば、前記作用効果が奏されることが確認された。

出力向上を図ることができる往復動型サイクル機関の外側固定子および往復動型サイクル機関を提供する。

Claims (4)

1. 内側固定子及び可動子と共に往復動型サイクル機関に備えられ、前記可動子の周囲にこの可動子の軸線と同軸に配置される筒形状を有し、前記可動子が有する界磁磁石部を介して前記内側固定子との間に磁路を形成する外側固定子であって、
   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し、巻線コイルが配設される内部空間と；
   前記軸線を含む断面で見た場合に、前記軸線に沿った両端位置に設けられてかつ、前記内周面側から径方向外側に向かって凹む逃げ部と；
   を備えたことを特徴とする往復動型サイクル機関の外側固定子。
2. 請求項１に記載の往復動型サイクル機関の外側固定子であって、
   前記断面で見た場合に、前記開口部と前記内部空間との間に、前記開口部から前記内部空間に向かって広がる拡大空間部
   を更に備える。
3. 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、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た請求項１に記載の往復動型サイクル機関の外側固定子と；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備え、
   前記各復元磁石部は、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の位置に達した際に、前記逃げ部と対向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。
4. 請求項３に記載の往復動型サイクル機関であって、
   前記外側固定子が、前記軸線を含む断面で見た場合に、前記開口部と前記内部空間との間に、前記開口部から前記内部空間に向かって広がる拡大空間部
   を備える。

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