JP2002369485A - 磁気的な求心力の発生手段 - Google Patents
磁気的な求心力の発生手段Info
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- H02K33/16—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with polarised armatures moving in alternate directions by reversal or energisation of a single coil system
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- H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
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- Linear Motors (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 往復運動する永久磁石１を備える往復動発電
機又は往復動モータにおいて、バネ等の機械的手段を使
用しないでこの永久磁石の過大な往復運動を抑える。 【解決手段】 往復運動する永久磁石１の両端部が、固
定子２に形成した一対の半径方向間隙４，５の端に近づ
いた時に、磁気的に飽和するように固定子２の体積を設
定する。この飽和した磁気力によって、半径方向間隙
４，５から永久磁石１が外に飛出すのを防止する。
機又は往復動モータにおいて、バネ等の機械的手段を使
用しないでこの永久磁石の過大な往復運動を抑える。 【解決手段】 往復運動する永久磁石１の両端部が、固
定子２に形成した一対の半径方向間隙４，５の端に近づ
いた時に、磁気的に飽和するように固定子２の体積を設
定する。この飽和した磁気力によって、半径方向間隙
４，５から永久磁石１が外に飛出すのを防止する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、往復運動する永久
磁石によって、それぞれ機械的エネルギ又は電気的エネ
ルギを発生させる交流モータ又は交流発電機に関し、特
にこの永久磁石の往復運動を、所定の範囲内に制限する
磁気的な求心力を発生させる手段に関する。
磁石によって、それぞれ機械的エネルギ又は電気的エネ
ルギを発生させる交流モータ又は交流発電機に関し、特
にこの永久磁石の往復運動を、所定の範囲内に制限する
磁気的な求心力を発生させる手段に関する。
【０００２】
【従来の技術】本発明者は、米国特許第４,６０２,１７
４号において、リング形状の永久磁石の往復運動を交流
電圧に変換する発電機、あるいは交流電圧をリング形状
の永久磁石の往復運動に変換するモーターとして使用で
きる電気機械式変換器を提案した。この米国特許明細書
に記載された発明の実施の形態の１を図８に示す。この
発明において、永久磁石５５，５３は左右に往復運動し
ているが、この永久磁石が、固定子５２と固定子５７と
の半径方向間隙Ａ，Ｂの軸方向幅内にある場合には、電
機子コイル５６に電流が流れないときは、この永久磁石
に磁気的な力は作用しない。
４号において、リング形状の永久磁石の往復運動を交流
電圧に変換する発電機、あるいは交流電圧をリング形状
の永久磁石の往復運動に変換するモーターとして使用で
きる電気機械式変換器を提案した。この米国特許明細書
に記載された発明の実施の形態の１を図８に示す。この
発明において、永久磁石５５，５３は左右に往復運動し
ているが、この永久磁石が、固定子５２と固定子５７と
の半径方向間隙Ａ，Ｂの軸方向幅内にある場合には、電
機子コイル５６に電流が流れないときは、この永久磁石
に磁気的な力は作用しない。
【０００３】しかるに、永久磁石５５，５３が、いった
ん半径方向間隙Ａ，Ｂの軸方向幅の両端から外に出る
と、この半径方向間隙から、この永久磁石をさらに外側
に追やる強い磁気力が、固定子５２と５７とに発生す
る。したがって従来は、永久磁石５５，５３が、半径方
向間隙Ａ，Ｂの軸方向幅外に追い出されて、さらに外側
に追いやられるのを防止するために、この永久磁石の往
復運度を抑制する、機械的あるいは磁気的なバネ１００
等の求心手段が用いられていた。
ん半径方向間隙Ａ，Ｂの軸方向幅の両端から外に出る
と、この半径方向間隙から、この永久磁石をさらに外側
に追やる強い磁気力が、固定子５２と５７とに発生す
る。したがって従来は、永久磁石５５，５３が、半径方
向間隙Ａ，Ｂの軸方向幅外に追い出されて、さらに外側
に追いやられるのを防止するために、この永久磁石の往
復運度を抑制する、機械的あるいは磁気的なバネ１００
等の求心手段が用いられていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなバ
ネ等の求心手段は、構造を複雑にするだけでなく、製造
コストも増加させる。
ネ等の求心手段は、構造を複雑にするだけでなく、製造
コストも増加させる。
【０００５】そこで本発明の目的は、構造が複雑になら
ず、またコストも増加させないで、往復運動する永久磁
石に磁気的な求心力を発生させる手段を提供することに
ある。
ず、またコストも増加させないで、往復運動する永久磁
石に磁気的な求心力を発生させる手段を提供することに
ある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決すべく、
本発明による磁気的な求心力を発生させる手段の第１の
特徴は、往復運動を交流電圧に変換する往復動発電機、
又は交流電圧を往復運動に変換する往復動モータのいず
れかに使用するものであって、永久磁石と、磁性体材か
らなる固定子と、電機子コイルとを備えていることにあ
る。この永久磁石は、所定の半径方向厚さと軸方向長さ
とを有する円筒形状からなり、その円筒形状の円周面に
ほぼ垂直な方向に磁化してある。
本発明による磁気的な求心力を発生させる手段の第１の
特徴は、往復運動を交流電圧に変換する往復動発電機、
又は交流電圧を往復運動に変換する往復動モータのいず
れかに使用するものであって、永久磁石と、磁性体材か
らなる固定子と、電機子コイルとを備えていることにあ
る。この永久磁石は、所定の半径方向厚さと軸方向長さ
とを有する円筒形状からなり、その円筒形状の円周面に
ほぼ垂直な方向に磁化してある。
【０００７】固定子は、永久磁石の外周側に位置する外
側部材と、内周側に位置する内側部材とを備え、この外
側部材と内側部材とは、同一の磁束ループを形成するよ
うに構成されている。この外側部材又はこの内側部材の
少なくともいずれか一方は、この永久磁石の円周面に向
って半径方向に突起し、かつ相互に軸方向に分離した一
対のリング状の突起部を有している。そして、この一対
のリング状の突起部と、外側部材又は内側部材のいずれ
かの他方とは、所定の軸方向長さを有する一対の半径方
向間隙を、所定の軸方向間隔を隔てて形成している。電
機子コイルは、この固定子の軸を中心として巻装されて
いる。
側部材と、内周側に位置する内側部材とを備え、この外
側部材と内側部材とは、同一の磁束ループを形成するよ
うに構成されている。この外側部材又はこの内側部材の
少なくともいずれか一方は、この永久磁石の円周面に向
って半径方向に突起し、かつ相互に軸方向に分離した一
対のリング状の突起部を有している。そして、この一対
のリング状の突起部と、外側部材又は内側部材のいずれ
かの他方とは、所定の軸方向長さを有する一対の半径方
向間隙を、所定の軸方向間隔を隔てて形成している。電
機子コイルは、この固定子の軸を中心として巻装されて
いる。
【０００８】永久磁石の軸方向長さは、半径方向間隙の
軸方向長さと、軸方向間隔とを加えたものであって、こ
の永久磁石は、一対の半径方向間隙の間を、軸方向に移
動自在である。そして、永久磁石の円筒端面の軸方向位
置が、半径方向間隙の軸方向長さの両端位置に接近し、
かつ電機子コイルに電流が流れない時には、磁束ループ
を形成する固定子の少なくとも一部の領域が、磁気的に
飽和する。ここで磁気的な飽和による磁界の強さは、少
なくとも１６００アンペア／メータであって、この飽和
による磁界によって、永久磁石の軸方向移動を抑制する
磁気力を発生させる。
軸方向長さと、軸方向間隔とを加えたものであって、こ
の永久磁石は、一対の半径方向間隙の間を、軸方向に移
動自在である。そして、永久磁石の円筒端面の軸方向位
置が、半径方向間隙の軸方向長さの両端位置に接近し、
かつ電機子コイルに電流が流れない時には、磁束ループ
を形成する固定子の少なくとも一部の領域が、磁気的に
飽和する。ここで磁気的な飽和による磁界の強さは、少
なくとも１６００アンペア／メータであって、この飽和
による磁界によって、永久磁石の軸方向移動を抑制する
磁気力を発生させる。
【０００９】すなわち本発明においては、往復運動する
永久磁石の円筒端面が、半径方向間隙の軸方向幅の両端
位置に近づく時に、磁性体からなる固定子の全体又は一
部の領域が磁気的に飽和するように構成してある。すな
わち理論的あるいは経験的には、固定子を磁気的に飽和
させると、往復運動する永久磁石を、半径方向間隙内に
保持する力を発生させることが予測されるが、従来は、
効率が悪くなって性能が低下したり、発電機の出力電圧
波形が歪むのを防止するために、固定子を磁気的に飽和
させないように設計していた。しかるに本発明をこのよ
うに構成することによって、性能の低下等を招くことな
く、永久磁石の求心力を発生させることが可能になる。
永久磁石の円筒端面が、半径方向間隙の軸方向幅の両端
位置に近づく時に、磁性体からなる固定子の全体又は一
部の領域が磁気的に飽和するように構成してある。すな
わち理論的あるいは経験的には、固定子を磁気的に飽和
させると、往復運動する永久磁石を、半径方向間隙内に
保持する力を発生させることが予測されるが、従来は、
効率が悪くなって性能が低下したり、発電機の出力電圧
波形が歪むのを防止するために、固定子を磁気的に飽和
させないように設計していた。しかるに本発明をこのよ
うに構成することによって、性能の低下等を招くことな
く、永久磁石の求心力を発生させることが可能になる。
【００１０】本発明による磁気的な求心力の発生手段の
第２の特徴は、前記特徴１に記載した外側部材と内側部
材とは、円周方向に相互に分離した複数の円弧セグメン
トから構成してあることにある。
第２の特徴は、前記特徴１に記載した外側部材と内側部
材とは、円周方向に相互に分離した複数の円弧セグメン
トから構成してあることにある。
【００１１】本発明による磁気的な求心力の発生手段の
第３の特徴は、前記特徴１に記載した永久磁石は、円周
方向に相互に分離した複数の円弧セグメントから構成し
てあることにある。
第３の特徴は、前記特徴１に記載した永久磁石は、円周
方向に相互に分離した複数の円弧セグメントから構成し
てあることにある。
【００１２】すなわち、このように発明を構成した場合
にも、上記特徴１に記載した永久磁石の求心力を発生さ
せることが可能である。また、少なくとも外側部材及び
内側部材と、永久磁石との一方は、円筒形状を有してい
るため、永久磁石がその軸を中心として回転した場合に
も、外側部材及び内側部材と、永久磁石との円周方向の
相対位置関係は、同じに維持される。このため永久磁石
の回転によって、上記求心力の発生に影響を与えること
はない。したがって、永久磁石を積極的に回転させるよ
うに構成することが可能となり、この永久磁石を支持す
る軸の潤滑性能を向上することができる。
にも、上記特徴１に記載した永久磁石の求心力を発生さ
せることが可能である。また、少なくとも外側部材及び
内側部材と、永久磁石との一方は、円筒形状を有してい
るため、永久磁石がその軸を中心として回転した場合に
も、外側部材及び内側部材と、永久磁石との円周方向の
相対位置関係は、同じに維持される。このため永久磁石
の回転によって、上記求心力の発生に影響を与えること
はない。したがって、永久磁石を積極的に回転させるよ
うに構成することが可能となり、この永久磁石を支持す
る軸の潤滑性能を向上することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１〜図２に示す磁気的な求心力
の発生手段は、往復運動を交流電圧に変換する往復動発
電機、又は交流電圧を往復運動に変換する往復動モータ
のいずれかに使用するものであって、永久磁石１と、磁
性体である鉄材からなる固定子２と、電機子コイル３と
を備えている。永久磁石１は、所定の半径方向厚さと軸
方向長さとを有する円筒形状を有している。なお、永久
磁石１の内外円筒面は、それぞれその中心軸Ａ−Ａに平
行であり、両端面は、それぞれこの中心軸に直交する平
面で成形してある。また、永久磁石１は、その円筒形状
の円周面にほぼ垂直な方向に磁化してある。固定子２
は、永久磁石１の外周側に位置する外側部材２１と、内
周側に位置する内側部材２２とを有しており、それぞれ
永久磁石１の中心軸Ａ−Ａと同軸であって、この軸と軸
対称のリング形状に形成してある。外側部材２１と、内
側部材２２とは、同一の磁束ループを形成するように構
成されている。
の発生手段は、往復運動を交流電圧に変換する往復動発
電機、又は交流電圧を往復運動に変換する往復動モータ
のいずれかに使用するものであって、永久磁石１と、磁
性体である鉄材からなる固定子２と、電機子コイル３と
を備えている。永久磁石１は、所定の半径方向厚さと軸
方向長さとを有する円筒形状を有している。なお、永久
磁石１の内外円筒面は、それぞれその中心軸Ａ−Ａに平
行であり、両端面は、それぞれこの中心軸に直交する平
面で成形してある。また、永久磁石１は、その円筒形状
の円周面にほぼ垂直な方向に磁化してある。固定子２
は、永久磁石１の外周側に位置する外側部材２１と、内
周側に位置する内側部材２２とを有しており、それぞれ
永久磁石１の中心軸Ａ−Ａと同軸であって、この軸と軸
対称のリング形状に形成してある。外側部材２１と、内
側部材２２とは、同一の磁束ループを形成するように構
成されている。
【００１４】外側部材２１は、中心軸Ａ−Ａを含む断面
が略矩形形状になっており、その内周面には、軸方向長
さがＳの矩形断面形状を有する円周溝２１ａが形成して
ある。したがって、円周溝２１ａの両側部は、中心軸Ａ
−Ａに向う一対のリング形状の突起部が形成され、この
突起部の内周面と、内側部材２２の外周面とから、所定
の軸方向長さＬを有する一対の半径方向間隙４，５が、
軸方向間隔Ｓを隔てて形成される。内側部材２２は、中
心軸Ａ−Ａを含む断面が矩形状になっている。なお、外
側部材２１の両突起部の外側部分と、内側部材２２の両
端部分は、それぞれ三角形の断面形状に形成してある
が、このような三角形の断面形状は、軽量化のためであ
って、後述する磁気的な飽和とは関係がない。
が略矩形形状になっており、その内周面には、軸方向長
さがＳの矩形断面形状を有する円周溝２１ａが形成して
ある。したがって、円周溝２１ａの両側部は、中心軸Ａ
−Ａに向う一対のリング形状の突起部が形成され、この
突起部の内周面と、内側部材２２の外周面とから、所定
の軸方向長さＬを有する一対の半径方向間隙４，５が、
軸方向間隔Ｓを隔てて形成される。内側部材２２は、中
心軸Ａ−Ａを含む断面が矩形状になっている。なお、外
側部材２１の両突起部の外側部分と、内側部材２２の両
端部分は、それぞれ三角形の断面形状に形成してある
が、このような三角形の断面形状は、軽量化のためであ
って、後述する磁気的な飽和とは関係がない。
【００１５】外側部材２１の円周溝２１ａ内には、電機
子コイル３が、中心軸Ａ−Ａを中心として巻装されてい
る。そして永久磁石１の軸方向長さは、半径方向間隙
４，５の軸方向長さＬと、軸方向間隔Ｓとを加えたもの
になっている。
子コイル３が、中心軸Ａ−Ａを中心として巻装されてい
る。そして永久磁石１の軸方向長さは、半径方向間隙
４，５の軸方向長さＬと、軸方向間隔Ｓとを加えたもの
になっている。
【００１６】ここで、永久磁石１と固定子２と電機子コ
イル３とを、従来の設計思想によって構成した場合を図
９に示す。図９に示す従来例と比較すると、図２に示す
本発明は、外側部材２１の一対のリング形状の突起部を
連結する円筒部分２１ｂの半径方向厚さｙ1と、内側部
材２２の半径方向厚さＹ1とが、それぞれ従来例の厚さ
ｙ2，Ｙ2より薄くなっている。この理由は、従来の設計
思想では、上述したように、固定子３０２が磁気的に飽
和するのを防止するために、磁束ループが形成されるこ
の固定子の体積を大きくする必要があるのに対して、本
発明においては、後述するように、磁束ループが形成さ
れる固定子２の全体、又は一部の領域を占める体積を小
さくして、この固定子が磁気的に飽和し易くするためで
ある。
イル３とを、従来の設計思想によって構成した場合を図
９に示す。図９に示す従来例と比較すると、図２に示す
本発明は、外側部材２１の一対のリング形状の突起部を
連結する円筒部分２１ｂの半径方向厚さｙ1と、内側部
材２２の半径方向厚さＹ1とが、それぞれ従来例の厚さ
ｙ2，Ｙ2より薄くなっている。この理由は、従来の設計
思想では、上述したように、固定子３０２が磁気的に飽
和するのを防止するために、磁束ループが形成されるこ
の固定子の体積を大きくする必要があるのに対して、本
発明においては、後述するように、磁束ループが形成さ
れる固定子２の全体、又は一部の領域を占める体積を小
さくして、この固定子が磁気的に飽和し易くするためで
ある。
【００１７】さて永久磁石１は、一対の半径方向間隙
４，５の間を、軸方向に往復移動自在になっている。そ
して永久磁石１の軸方向位置を、半径方向間隙４，５の
軸方向長さＬの中央位置から、この永久磁石の一方の端
面までの距離Ｘで表すと、この距離Ｘの絶対値が、この
半径方向間隙の軸方向長さＬの１／２に近づき、電機子
コイル３に電流が流れない時に、磁束ループを形成する
外側部材２１の円筒部分２１ｂ又は内側部材２２の、少
なくともいずれかの一方が磁気的に飽和する。ここでこ
の磁気的な飽和による磁界の強さは、少なくとも１６０
０アンペア／メータであって、この飽和による磁界によ
って、永久磁石１の軸方向移動を抑制する磁気力を発生
させる。
４，５の間を、軸方向に往復移動自在になっている。そ
して永久磁石１の軸方向位置を、半径方向間隙４，５の
軸方向長さＬの中央位置から、この永久磁石の一方の端
面までの距離Ｘで表すと、この距離Ｘの絶対値が、この
半径方向間隙の軸方向長さＬの１／２に近づき、電機子
コイル３に電流が流れない時に、磁束ループを形成する
外側部材２１の円筒部分２１ｂ又は内側部材２２の、少
なくともいずれかの一方が磁気的に飽和する。ここでこ
の磁気的な飽和による磁界の強さは、少なくとも１６０
０アンペア／メータであって、この飽和による磁界によ
って、永久磁石１の軸方向移動を抑制する磁気力を発生
させる。
【００１８】ここで、永久磁石１の軸方向移動を抑制す
る上記磁気力の発生について説明する。ところで、永久
磁石１の磁力によって、外側部材２１と内側部材２２と
に形成される磁束ループの磁束密度と磁界の強度とは、
電機子コイル３に電流が流れていない場合には、この永
久磁石の位置Ｘと、この外側部材と内側部材との体積の
関数として表される。図３は、永久磁石１の往復運動に
よって、固定子２内に形成される磁束密度Ｂ1（Ｘ），
Ｂ2（Ｘ）及び磁界の強さＨ1（Ｘ），Ｈ2（Ｘ）が、永
久磁石１の位置Ｘによって変化する様子を示している。
ここで、Ｂ1（Ｘ）とＨ1（Ｘ）とは、本発明によるもの
であって、実線グラフで示している。一方、Ｂ2（Ｘ）
とＨ2（Ｘ）とは、図９に示す従来例によるものであっ
て、破線グラフで示している。以下、図３に示す磁束密
度Ｂ1（Ｘ），Ｂ2（Ｘ）及び磁界の強さＨ1（Ｘ），Ｈ2
（Ｘ）について説明する。
る上記磁気力の発生について説明する。ところで、永久
磁石１の磁力によって、外側部材２１と内側部材２２と
に形成される磁束ループの磁束密度と磁界の強度とは、
電機子コイル３に電流が流れていない場合には、この永
久磁石の位置Ｘと、この外側部材と内側部材との体積の
関数として表される。図３は、永久磁石１の往復運動に
よって、固定子２内に形成される磁束密度Ｂ1（Ｘ），
Ｂ2（Ｘ）及び磁界の強さＨ1（Ｘ），Ｈ2（Ｘ）が、永
久磁石１の位置Ｘによって変化する様子を示している。
ここで、Ｂ1（Ｘ）とＨ1（Ｘ）とは、本発明によるもの
であって、実線グラフで示している。一方、Ｂ2（Ｘ）
とＨ2（Ｘ）とは、図９に示す従来例によるものであっ
て、破線グラフで示している。以下、図３に示す磁束密
度Ｂ1（Ｘ），Ｂ2（Ｘ）及び磁界の強さＨ1（Ｘ），Ｈ2
（Ｘ）について説明する。
【００１９】永久磁石１，３０１が、その往復移動の中
心位置に対して対称となる位置、すなわち位置Ｘ＝０に
おいては、この永久磁石の両端部が、それぞれ左右の半
径方向間隙４，３０４，５，３０５に侵入している軸方
向長さは、Ｌ／２であって等しい。このため、永久磁石
１，３０１の両端部から発生し、左右の半径方向間隙
４，３０４，５，３０５を半径方向に通過する磁束の量
は、同一方向に同じとなり、固定子２，３０２は磁気的
に平衡状態になって、外側部材２１，３２１と内側部材
２２，３２２とには、磁束ループは形成されない。した
がって、永久磁石１，３０１の位置Ｘが０の場合には、
固定子２，３０２を通過する磁束密度Ｂ1，Ｂ2はゼロと
なり、磁界の強さＨ1，Ｈ2もゼロになる。
心位置に対して対称となる位置、すなわち位置Ｘ＝０に
おいては、この永久磁石の両端部が、それぞれ左右の半
径方向間隙４，３０４，５，３０５に侵入している軸方
向長さは、Ｌ／２であって等しい。このため、永久磁石
１，３０１の両端部から発生し、左右の半径方向間隙
４，３０４，５，３０５を半径方向に通過する磁束の量
は、同一方向に同じとなり、固定子２，３０２は磁気的
に平衡状態になって、外側部材２１，３２１と内側部材
２２，３２２とには、磁束ループは形成されない。した
がって、永久磁石１，３０１の位置Ｘが０の場合には、
固定子２，３０２を通過する磁束密度Ｂ1，Ｂ2はゼロと
なり、磁界の強さＨ1，Ｈ2もゼロになる。
【００２０】しかるに、永久磁石１，３０１が左右方向
に移動すると、この移動距離Ｘに比例して、左右の半径
方向間隙４，３０４，５，３０５に侵入しているこの永
久磁石の軸方向長さは、一方が長く他方が短くなる。こ
のため、左右の半径方向間隙４，３０４，５，３０５を
半径方向に通過する磁束の量は、一方が増加し、他方が
減少する。したがって、図３に示すように、永久磁石
１，３０１の移動距離Ｘに比例して、固定子２，３０２
を通過する磁束密度Ｂ1，Ｂ2は増加、又は減少し、磁界
の強さＨ1，Ｈ2も増加、又は減少する。そして、永久磁
石１，３０１の端面位置が、半径方向間隙４，３０４，
５，３０５から飛出す位置、すなわちＸ＝±Ｌ／２の時
に、磁束密度Ｂ1，Ｂ2と、磁界の強さＨ1，Ｈ2とは、最
大になる。
に移動すると、この移動距離Ｘに比例して、左右の半径
方向間隙４，３０４，５，３０５に侵入しているこの永
久磁石の軸方向長さは、一方が長く他方が短くなる。こ
のため、左右の半径方向間隙４，３０４，５，３０５を
半径方向に通過する磁束の量は、一方が増加し、他方が
減少する。したがって、図３に示すように、永久磁石
１，３０１の移動距離Ｘに比例して、固定子２，３０２
を通過する磁束密度Ｂ1，Ｂ2は増加、又は減少し、磁界
の強さＨ1，Ｈ2も増加、又は減少する。そして、永久磁
石１，３０１の端面位置が、半径方向間隙４，３０４，
５，３０５から飛出す位置、すなわちＸ＝±Ｌ／２の時
に、磁束密度Ｂ1，Ｂ2と、磁界の強さＨ1，Ｈ2とは、最
大になる。
【００２１】さて図９に示す従来例においては、磁気的
な飽和が生じないように、外側部材３２１と、内側部材
３２２とは、十分余裕を持った体積を有するように成形
してあるため、磁束密度Ｂ2（Ｘ）は、Ｘ＝Ｌ／２位
置、すなわち永久磁石３０１の端部が、半径方向間隙３
０４，３０５の端に近づくまで、直線的に増加する。な
お従来では、一般的に磁束密度Ｂ2（Ｘ＝Ｌ／２）の最
大値が、１．３Ｔ（テスラ）以下になるように、外側部
材３２１と内側部材３２２の体積を設計する。したがっ
て、磁束密度Ｂ2（Ｘ）によって発生する磁界の強さＨ2
（Ｘ）も、ほぼ直線的に増加する。なおこの磁界の強さ
Ｈ2（Ｘ＝Ｌ／２）の最大値は、８００Ａ／ｍ以下にな
るように、外側部材３２１と内側部材３２２との体積を
設計する。
な飽和が生じないように、外側部材３２１と、内側部材
３２２とは、十分余裕を持った体積を有するように成形
してあるため、磁束密度Ｂ2（Ｘ）は、Ｘ＝Ｌ／２位
置、すなわち永久磁石３０１の端部が、半径方向間隙３
０４，３０５の端に近づくまで、直線的に増加する。な
お従来では、一般的に磁束密度Ｂ2（Ｘ＝Ｌ／２）の最
大値が、１．３Ｔ（テスラ）以下になるように、外側部
材３２１と内側部材３２２の体積を設計する。したがっ
て、磁束密度Ｂ2（Ｘ）によって発生する磁界の強さＨ2
（Ｘ）も、ほぼ直線的に増加する。なおこの磁界の強さ
Ｈ2（Ｘ＝Ｌ／２）の最大値は、８００Ａ／ｍ以下にな
るように、外側部材３２１と内側部材３２２との体積を
設計する。
【００２２】一方、本発明においては、外側部材２１の
円筒部分２１ｂと、内側部材２２との半径方向厚さｙ
1，Ｙ1が薄く設定してある。したがって、形成される磁
束密度Ｂ1（Ｘ）は、より大きな勾配で上昇していき、
永久磁石１の位置ＸがＬ／２に近づくと、ついには磁気
的に飽和し、上昇カーブが鈍化する。なお、外側部材２
１の円筒部分２１ｂと、内側部材２２との半径方向厚さ
ｙ1，Ｙ1は、磁束密度Ｂが、永久磁石１の位置Ｘ＝Ｌ／
２において、１．５Ｔ以上になるように設定してある。
円筒部分２１ｂと、内側部材２２との半径方向厚さｙ
1，Ｙ1が薄く設定してある。したがって、形成される磁
束密度Ｂ1（Ｘ）は、より大きな勾配で上昇していき、
永久磁石１の位置ＸがＬ／２に近づくと、ついには磁気
的に飽和し、上昇カーブが鈍化する。なお、外側部材２
１の円筒部分２１ｂと、内側部材２２との半径方向厚さ
ｙ1，Ｙ1は、磁束密度Ｂが、永久磁石１の位置Ｘ＝Ｌ／
２において、１．５Ｔ以上になるように設定してある。
【００２３】ところで一般的に、鉄等の磁性体を磁界の
中に置くと磁化されるが、この磁界の強さＨの増加に対
する磁束密度Ｂの変化は、磁化曲線またはＢ−Ｈ曲線と
してよく知られている。そして磁界の強さＨを大きくし
ていくと、磁束密度Ｂの上昇が鈍化して、それ以上磁界
の強さＨを増加しても、磁束密度Ｂは殆ど増加しなくな
り、磁性体は磁気的に飽和した状態になる。逆にいえ
ば、この磁気的に飽和した状態においては、わずかな磁
束密度Ｂの変化によって、磁界の強さＨが大きく変化す
ることを意味する。したがって本発明においては、図３
に示すように、永久磁石１の位置ＸがＬ／２に近づく
と、外側部材２１の円筒部分２１ｂと、内側部材２２と
が磁気的に飽和するため、わずかな磁束密度Ｂ1の増加
で、磁界の強さＨが、急激に上昇することになる。な
お、この磁界強さＨ1（Ｘ＝Ｌ／２）の最大値は、固定
子２が十分磁気的に飽和するように、１６００Ａ／ｍ以
上に設定してある。
中に置くと磁化されるが、この磁界の強さＨの増加に対
する磁束密度Ｂの変化は、磁化曲線またはＢ−Ｈ曲線と
してよく知られている。そして磁界の強さＨを大きくし
ていくと、磁束密度Ｂの上昇が鈍化して、それ以上磁界
の強さＨを増加しても、磁束密度Ｂは殆ど増加しなくな
り、磁性体は磁気的に飽和した状態になる。逆にいえ
ば、この磁気的に飽和した状態においては、わずかな磁
束密度Ｂの変化によって、磁界の強さＨが大きく変化す
ることを意味する。したがって本発明においては、図３
に示すように、永久磁石１の位置ＸがＬ／２に近づく
と、外側部材２１の円筒部分２１ｂと、内側部材２２と
が磁気的に飽和するため、わずかな磁束密度Ｂ1の増加
で、磁界の強さＨが、急激に上昇することになる。な
お、この磁界強さＨ1（Ｘ＝Ｌ／２）の最大値は、固定
子２が十分磁気的に飽和するように、１６００Ａ／ｍ以
上に設定してある。
【００２４】次に、永久磁石１が半径方向間隙４，５か
ら飛出すのを防止する磁気力の発生について説明する。
この磁気力の発生は、いわゆるエネルギ保存則に基づく
ものであって、この法則では、磁界の強さＨにおいて、
磁束密度ＢをｄＢだけ増加させるためには、微小空間体
積ｄＶあたり、Ｈ ｘ ｄＢ ｘ ｄＶのエネルギが必
要となる。本発明においてこのエネルギは、永久磁石１
をｄＸだけ軸方向に移動させる機械的な仕事として与え
られる。したがって、永久磁石１に働く微小磁気力をｄ
Ｆとすると、この機械的な仕事は、ｄＦ ｘ ｄＸ ＝
Ｈ ｘ ｄＢｘ ｄＶとなり、この両辺をｄＸで割る
と、ｄＦ ＝ Ｈ ｘ ｄＢ／ｄＸｘ ｄＶとなる。し
たがって、永久磁石１に働く磁気力Ｆは、このｄＦ ＝
Ｈｘ ｄＢ／ｄＸ ｘ ｄＶを、周囲空間Ｖについて
積分した値となる。
ら飛出すのを防止する磁気力の発生について説明する。
この磁気力の発生は、いわゆるエネルギ保存則に基づく
ものであって、この法則では、磁界の強さＨにおいて、
磁束密度ＢをｄＢだけ増加させるためには、微小空間体
積ｄＶあたり、Ｈ ｘ ｄＢ ｘ ｄＶのエネルギが必
要となる。本発明においてこのエネルギは、永久磁石１
をｄＸだけ軸方向に移動させる機械的な仕事として与え
られる。したがって、永久磁石１に働く微小磁気力をｄ
Ｆとすると、この機械的な仕事は、ｄＦ ｘ ｄＸ ＝
Ｈ ｘ ｄＢｘ ｄＶとなり、この両辺をｄＸで割る
と、ｄＦ ＝ Ｈ ｘ ｄＢ／ｄＸｘ ｄＶとなる。し
たがって、永久磁石１に働く磁気力Ｆは、このｄＦ ＝
Ｈｘ ｄＢ／ｄＸ ｘ ｄＶを、周囲空間Ｖについて
積分した値となる。
【００２５】この磁気力Ｆは、エネルギ保存則によりマ
イナス値であって、ｄＸと逆方向の力となるために、永
久磁石１の運動を妨げるように作用する。ところでこの
積分は原理的には、全ての周囲空間について行うべきで
あるが、永久磁石１が、半径方向間隙４，５から飛出さ
ない場合には、磁界が強い磁性体からなる外側部材２１
と、内側部材２２とが占める体積Ｖについて行えば、永
久磁石１に働く磁気力Ｆを、ほぼ求めることができる。
イナス値であって、ｄＸと逆方向の力となるために、永
久磁石１の運動を妨げるように作用する。ところでこの
積分は原理的には、全ての周囲空間について行うべきで
あるが、永久磁石１が、半径方向間隙４，５から飛出さ
ない場合には、磁界が強い磁性体からなる外側部材２１
と、内側部材２２とが占める体積Ｖについて行えば、永
久磁石１に働く磁気力Ｆを、ほぼ求めることができる。
【００２６】図４は、永久磁石１，３０１の運動を妨げ
る磁気力Ｆ1，Ｆ2の変化を示したものであり、この磁気
力Ｆ1，Ｆ2は、図３に示す磁束密度Ｂ1（Ｘ），Ｂ2
（Ｘ）、及び磁界の強さＨ1（Ｘ），Ｈ2（Ｘ）につい
て、それぞれ上記の積分をしたものである。なおＦ1
は、本発明によるものであって、実線で表している。一
方Ｆ2は、従来例によるものであって、破線で表してい
る。なお、従来例及び本発明にいずれも、永久磁石１，
３０１の端部が、一旦半径方向間隙４，３０４，５，３
０５から外に出る、すなわち絶対値Ｘ＞Ｌ／２となる
と、この永久磁石を更に外に追い出す磁気力Ｆ1，Ｆ2が
急激に増加し、この永久磁石を、この半径方向間隙から
更に外側に飛出させる。
る磁気力Ｆ1，Ｆ2の変化を示したものであり、この磁気
力Ｆ1，Ｆ2は、図３に示す磁束密度Ｂ1（Ｘ），Ｂ2
（Ｘ）、及び磁界の強さＨ1（Ｘ），Ｈ2（Ｘ）につい
て、それぞれ上記の積分をしたものである。なおＦ1
は、本発明によるものであって、実線で表している。一
方Ｆ2は、従来例によるものであって、破線で表してい
る。なお、従来例及び本発明にいずれも、永久磁石１，
３０１の端部が、一旦半径方向間隙４，３０４，５，３
０５から外に出る、すなわち絶対値Ｘ＞Ｌ／２となる
と、この永久磁石を更に外に追い出す磁気力Ｆ1，Ｆ2が
急激に増加し、この永久磁石を、この半径方向間隙から
更に外側に飛出させる。
【００２７】すなわち永久磁石１，３０１の端部が、一
旦半径方向間隙４，３０４，５，３０５から外に出る、
すなわち絶対値Ｘ＞Ｌ／２となると、この永久磁石の磁
力による固定子２，３０２周りの磁界の強さの分布の変
化によって、半径方向間隙４，３０４，５，３０５を通
過する磁束密度Ｂ1，Ｂ2が減少する現象が生じる。そし
て、磁束密度Ｂ1，Ｂ2が減少する、すなわち、ｄ1Ｂ，
ｄ2Ｂがマイナスになると、上述したエネルギ保存則の
法則により、永久磁石１，３０１に働く磁気力Ｆが、プ
ラスになり、この永久磁石を、半径方向間隙４，３０
４，５，３０５から、より外側に追い出す力となって作
用する。
旦半径方向間隙４，３０４，５，３０５から外に出る、
すなわち絶対値Ｘ＞Ｌ／２となると、この永久磁石の磁
力による固定子２，３０２周りの磁界の強さの分布の変
化によって、半径方向間隙４，３０４，５，３０５を通
過する磁束密度Ｂ1，Ｂ2が減少する現象が生じる。そし
て、磁束密度Ｂ1，Ｂ2が減少する、すなわち、ｄ1Ｂ，
ｄ2Ｂがマイナスになると、上述したエネルギ保存則の
法則により、永久磁石１，３０１に働く磁気力Ｆが、プ
ラスになり、この永久磁石を、半径方向間隙４，３０
４，５，３０５から、より外側に追い出す力となって作
用する。
【００２８】従来は上述したように、磁気の飽和が発生
しないように、磁性体からなる固定子３０２の寸法を決
めていた。すなわち、磁界の強さＨ2は通常８００Ａ／
ｍ以下（典型的な値としては４００Ａ／ｍ）に設定され
ており、その結果磁気力Ｆ2は小さく、永久磁石３０１
の運動を制限する力として利用できなかった。しかるに
本発明においては、永久磁石１の位置Ｘが、Ｌ／２に近
づく時に、磁気的な飽和を生じさせて、磁界の強さＨ1
を１６００Ａ／ｍ以上に上げることによって、磁気力Ｆ
1を大幅に増加させ、この磁気力Ｆ1によって、永久磁石
１が半径方向間隙４，５から飛出すのを防止する。
しないように、磁性体からなる固定子３０２の寸法を決
めていた。すなわち、磁界の強さＨ2は通常８００Ａ／
ｍ以下（典型的な値としては４００Ａ／ｍ）に設定され
ており、その結果磁気力Ｆ2は小さく、永久磁石３０１
の運動を制限する力として利用できなかった。しかるに
本発明においては、永久磁石１の位置Ｘが、Ｌ／２に近
づく時に、磁気的な飽和を生じさせて、磁界の強さＨ1
を１６００Ａ／ｍ以上に上げることによって、磁気力Ｆ
1を大幅に増加させ、この磁気力Ｆ1によって、永久磁石
１が半径方向間隙４，５から飛出すのを防止する。
【００２９】すなわち従来例においては、図３に示すよ
うに、永久磁石３０１の位置ＸがＬ／２に近づいても、
磁界強さＨ2（Ｘ）は僅かしか上昇しないために、この
磁界強さＨ2（Ｘ）に基づく磁気力Ｆ2も、小さな値に留
まる。したがって、永久磁石３０１の往復運動を十分抑
制するに到らず、半径方向間隙３０４，３０５内に、こ
の永久磁石の端部を留めることができない。一方、本発
明においては、永久磁石１の位置ＸがＬ／２に近づく
と、磁界の強さＨ1（Ｘ）が急激に上昇するため、この
磁界強さＨ1（Ｘ）に基づく磁気力Ｆ1も、急激に増加す
る。したがって、永久磁石１の往復運動を十分抑制する
ことができ、半径方向間隙４，５内に、この永久磁石の
端部を留めることが可能となる。
うに、永久磁石３０１の位置ＸがＬ／２に近づいても、
磁界強さＨ2（Ｘ）は僅かしか上昇しないために、この
磁界強さＨ2（Ｘ）に基づく磁気力Ｆ2も、小さな値に留
まる。したがって、永久磁石３０１の往復運動を十分抑
制するに到らず、半径方向間隙３０４，３０５内に、こ
の永久磁石の端部を留めることができない。一方、本発
明においては、永久磁石１の位置ＸがＬ／２に近づく
と、磁界の強さＨ1（Ｘ）が急激に上昇するため、この
磁界強さＨ1（Ｘ）に基づく磁気力Ｆ1も、急激に増加す
る。したがって、永久磁石１の往復運動を十分抑制する
ことができ、半径方向間隙４，５内に、この永久磁石の
端部を留めることが可能となる。
【００３０】図６に、他の発明の実施の形態を示す。こ
の発明においては、外側部材１２１と内側部材１２２と
は、２の分離した円弧セグメントから構成してある。そ
して、外側部材１２１の内側には、その軸を中心とする
電機子コイル１０３が巻装してあり、この外側部材と内
側部材１２２の間に形成された、半径方向間隙１０４、
１０５の間を、円筒状の永久磁石１０１が往復運動す
る。他の構成は、図１に示す発明の実施の形態と同等で
ある。
の発明においては、外側部材１２１と内側部材１２２と
は、２の分離した円弧セグメントから構成してある。そ
して、外側部材１２１の内側には、その軸を中心とする
電機子コイル１０３が巻装してあり、この外側部材と内
側部材１２２の間に形成された、半径方向間隙１０４、
１０５の間を、円筒状の永久磁石１０１が往復運動す
る。他の構成は、図１に示す発明の実施の形態と同等で
ある。
【００３１】図７に、さらに他の発明の実施の形態を示
す。この発明においては、永久磁石２０１は、２の分離
した円弧セグメントから構成してある。そして、外側部
材２２１の内側には、その軸を中心とする電機子コイル
２０３が巻装してあり、この外側部材と内側部材２２２
の間に形成された、半径方向間隙２０４，２０５の間
を、リンク機構で互いに結合された、円弧セグメントか
らなる２の永久磁石２０１が往復運動する。他の構成
は、図１に示す発明の実施の形態と同等である。なお図
５に、それぞれの発明の構成を比較するために、図１〜
図２に示した発明の構成を正面から見た形状を示す。
す。この発明においては、永久磁石２０１は、２の分離
した円弧セグメントから構成してある。そして、外側部
材２２１の内側には、その軸を中心とする電機子コイル
２０３が巻装してあり、この外側部材と内側部材２２２
の間に形成された、半径方向間隙２０４，２０５の間
を、リンク機構で互いに結合された、円弧セグメントか
らなる２の永久磁石２０１が往復運動する。他の構成
は、図１に示す発明の実施の形態と同等である。なお図
５に、それぞれの発明の構成を比較するために、図１〜
図２に示した発明の構成を正面から見た形状を示す。
【００３２】このように発明を構成しても、永久磁石１
０１，２０１の位置Ｘが、Ｌ／２に近づいた時に、磁気
的な飽和が発生するように、外側部材１２１，２２１と
内側部材１２２，２２２との形状を定めることが、容易
にできる。また永久磁石１０１，２０１と、外側部材１
２１，２２１等とは、互いに軸対称の関係にあるため、
この永久磁石が回転しても、図１に示した実施例と同様
に、この外側部材等との相対位置関係は変化しない。し
たがって、永久磁石１０１，２０１を回転させることに
よって、この永久磁石に支持軸の潤滑や、シールの機能
を向上させることが可能になる。
０１，２０１の位置Ｘが、Ｌ／２に近づいた時に、磁気
的な飽和が発生するように、外側部材１２１，２２１と
内側部材１２２，２２２との形状を定めることが、容易
にできる。また永久磁石１０１，２０１と、外側部材１
２１，２２１等とは、互いに軸対称の関係にあるため、
この永久磁石が回転しても、図１に示した実施例と同様
に、この外側部材等との相対位置関係は変化しない。し
たがって、永久磁石１０１，２０１を回転させることに
よって、この永久磁石に支持軸の潤滑や、シールの機能
を向上させることが可能になる。
【００３３】なお、磁気的な飽和は、外側部材２１又は
内側部材２２の、いずれか一方で発生させるように、こ
の外側部材又は内側部材の寸法を設定することも容易に
できる。また電機子コイル３を、外側部材２１の外側あ
るいは内側部材２２の内側に巻装して構成することも容
易にできる。更に、永久磁石１と外側部材２１と内側部
材２２とを、軸方向に複数個並べて、この永久磁石を適
当なリンクで結合して、一緒に往復運動させるように構
成することも容易にできる。
内側部材２２の、いずれか一方で発生させるように、こ
の外側部材又は内側部材の寸法を設定することも容易に
できる。また電機子コイル３を、外側部材２１の外側あ
るいは内側部材２２の内側に巻装して構成することも容
易にできる。更に、永久磁石１と外側部材２１と内側部
材２２とを、軸方向に複数個並べて、この永久磁石を適
当なリンクで結合して、一緒に往復運動させるように構
成することも容易にできる。
【００３４】
【発明の効果】往復運動する永久磁石に対して、効率の
悪化や出力電圧波形が歪む等の、性能の低下等を招くこ
となく、磁気的な求心力を発生させることが可能にな
る。このため機械的なバネ等の求心手段が不要となり、
構造の複雑化やコストの増加を防止できる。また、固定
子と永久磁石との円周方向の相対位置関係が同じに維持
されるので、永久磁石を積極的に回転させるように構成
することが可能となり、この永久磁石を支持する軸の潤
滑性能を向上することができる。
悪化や出力電圧波形が歪む等の、性能の低下等を招くこ
となく、磁気的な求心力を発生させることが可能にな
る。このため機械的なバネ等の求心手段が不要となり、
構造の複雑化やコストの増加を防止できる。また、固定
子と永久磁石との円周方向の相対位置関係が同じに維持
されるので、永久磁石を積極的に回転させるように構成
することが可能となり、この永久磁石を支持する軸の潤
滑性能を向上することができる。
【図１】 磁気的な求心力の発生手段の拡大断面図であ
る。
る。
【図２】 各構成部材の寸法記号の説明図である。
【図３】 永久磁石の往復移動距離と、固定子に発生す
る磁束密度および磁界の強さとの関係を示す線図であ
る。
る磁束密度および磁界の強さとの関係を示す線図であ
る。
【図４】 永久磁石の往復移動距離と、永久磁石に働く
磁気的な求心力の関係を示す線図である。
磁気的な求心力の関係を示す線図である。
【図５】 磁気的な求心力の発生手段の正面図である。
【図６】 他の磁気的な求心力の発生手段の正面図であ
る。
る。
【図７】 他の磁気的な求心力の発生手段の正面図であ
る。
る。
【図８】 従来例による求心手段の構成図である。
【図９】 他の従来例による求心手段の構成図である。
１，１０１，２０１ 永久磁石 ２ 固定子 ２１，１２１，２２１ 外側部材 ２２，１２２，２２２ 内側部材 ３，１０３，２０３ 電機子コイル ４，１０４，２０４ 半径方向間隙 ５，１０５，２０５ 半径方向間隙
Claims (3)
- 【請求項１】往復運動を交流電圧に変換する往復動発電
機又は交流電圧を往復運動に変換する往復動モータのい
ずれかに使用するものであって、 永久磁石(1)と、磁性体材からなる固定子(2)と、電機子
コイル(3)とを備え、 上記永久磁石(1)は、所定の半径方向厚さと軸方向長さ
とを有する円筒形状からなり、 上記永久磁石(1)は、その円筒形状の円周面にほぼ垂直
な方向に磁化してあり、 上記固定子(2)は、上記永久磁石(1)の外周側に位置する
外側部材(21)と、内周側に位置する内側部材(22)とを備
え、 上記外側部材(21)と内側部材(22)とは、同一の磁束ルー
プを形成するように構成され、 上記外側部材(21)又は上記内側部材(22)の少なくともい
ずれか一方は、上記永久磁石(1)の円周面に向って半径
方向に突起し、かつ軸方向に相互に分離した一対のリン
グ状の突起部を有し、 上記一対のリング状の突起部と上記外側部材(21)又は上
記内側部材(22)のいずれかの他方とは、所定の軸方向長
さ(L)を有する一対の半径方向間隙(4),(5)を所定の軸方
向間隔(S)を隔てて形成し、 上記電機子コイル(3)は、上記固定子(2)の軸を中心とし
て巻装され、 上記永久磁石(1)の軸方向長さは、上記半径方向間隙
(4),(5)の軸方向長さ(L)と軸方向間隔(S)とを加えたも
のであり、 上記永久磁石(1)は、上記一対の半径方向間隙(4),(5)の
間を軸方向に移動自在であって、 上記永久磁石(1)の円筒端面の軸方向位置が、上記半径
方向間隙(4),(5)の軸方向長さの両端位置に接近し、か
つ上記電機子コイル(3)に電流が流れない時に、上記磁
束ループを形成する固定子(2)の少なくとも一部の領域
は磁気的に飽和し、 上記磁気的な飽和による磁界の強さは、少なくとも１６
００アンペア／メータであって、 上記飽和による磁界によって上記永久磁石(1)の軸方向
移動を抑制する磁気力を発生させることを特徴とする磁
気的な求心力の発生手段。 - 【請求項２】請求項１において、前記外側部材(121)と
内側部材(122)とは、円周方向に相互に分離した複数の
円弧セグメントから構成してあることを特徴とする磁気
的な求心力の発生手段。 - 【請求項３】請求項１において、前記永久磁石(201)
は、円周方向に相互に分離した複数の円弧セグメントか
ら構成してあることを特徴とする磁気的な求心力の発生
手段。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/863,713 | 2001-05-23 | ||
| US09/863,713 US6483207B1 (en) | 2001-05-23 | 2001-05-23 | Auto-centering linear motor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002369485A true JP2002369485A (ja) | 2002-12-20 |
| JP4469124B2 JP4469124B2 (ja) | 2010-05-26 |
Family
ID=25341626
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002126569A Expired - Lifetime JP4469124B2 (ja) | 2001-05-23 | 2002-04-26 | 磁気的な求心力の発生手段 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6483207B1 (ja) |
| JP (1) | JP4469124B2 (ja) |
| CN (1) | CN1320737C (ja) |
| BR (1) | BRPI0209915B1 (ja) |
| DE (1) | DE10296891T5 (ja) |
| WO (1) | WO2002095905A2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005198495A (ja) * | 2003-12-30 | 2005-07-21 | Lg Electronics Inc | 往復動式モータ |
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