JP5803195B2

JP5803195B2 - リニア駆動／発電装置

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Publication number: JP5803195B2
Application number: JP2011067853A
Authority: JP
Inventors: 相木　宏介; 宏介相木; 英雅小坂; 堀田　義博; 義博堀田; 祐一大輝; 中北　清己; 清己中北
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: JP2012205398A

Description

本発明はリニア駆動／発電装置、特に浮上コイルの構成に関する。

従来から、リニアモータ等のリニア駆動装置や、フリーピストンを用いたリニア発電装置が知られている。

下記の特許文献１には、軸方向に永久磁石を配置した棒状の固定子と、その外側に配置された電機子コイルを装着した可動子からなるリニアモータにおいて、固定子の撓み等による接触から保護し、固定子と可動子の空隙を一定に保持するための空気静圧軸受を備える構成が開示されている。

また、特許文献２には、軸方向に永久磁石を配置した棒状の固定子と、その外側に配置された電機子コイルを装着した可動子からなるリニアモータにおいて、固定子の撓み等による接触から保護するために、可動子と固定子の間にアルミニウム製のコイル保護パイプを備える構成が開示されている。

また、特許文献３には、フリーピストンエンジン駆動リニア発電装置の構成が開示されており、シャフトをその中心軸回りに回転運動させる回転手段を設けることが開示されている。

また、特許文献４には、リニアモータ及びこれを駆動源とするプレス成形装置が開示されている。ステータの内周面に沿いかつ軸線方向に伸びるコアとこのコア内に整列配設された複数のコイルとを含むコイルユニットを取り付け、ステータの両端側に装着されたリニアブッシュで軸線方向に往復直線運動可能に支持されたロッドの外周面に永久磁石ユニットを取り付ける構成としている。

さらに、非特許文献１には、フリーピストンエネルギ変換器用のリニア永久磁石発電機が開示されており、軸方向に固定子鉄心とコイルとを積層して固定子を構成し、各列の固定子鉄心を円周方向に分割して配置する構成としている。

特開２００９−２２５６４０号公報特開２００７−１７４８０４号公報特開２００４−１１５７７号公報特開２００１−３５２７４７号公報

"Design and Experimental Verification of a Linear Permanent Magnet Generator for a Free-Piston Energy Converter", Jiabin Wang et al, IEEE Transaction on Energy Conversion, Vol. 22, No.2, June 2007

可動子が軸方向に往復運動するリニア駆動／発電装置においては、可動子の進行方向と磁束の向きが直交するため、可動子位置を径方向（進行方向に直交する方向）に支持することが困難である。

特許文献１では、空気静圧軸受で可動子を支持する構成であるが、空気静圧軸受だけでは固定子の撓み等から保護することは可能であっても、外力、例えば振動等による接触から保護することは支持力が比較的低いために難しい。また、空気軸受を構成するには硬質な部材を高精度に加工する必要があるため、コスト的にも安価に製造できない問題がある。

また、特許文献２では、固定子と可動子の間に配置されたアルミニウム製のコイル保護パイプは接触からコイルを保護するためのものであり、可動子を支持するためのものではない。また、導電性を有するアルミニウムで構成されているので、電磁誘導により仮に電磁力が生じたとしても発生する支持力が相殺されてしまう。また、このときの電磁力及び誘導電流は損失となり、効率低下を招く。

本発明の目的は、リニア駆動／発電装置において、簡易な構成で効率的に可動子の偏心を抑制して可動子の径方向位置を維持することにある。

本発明は、リニア駆動／発電装置であって、円筒状の固定子と、前記固定子内を軸方向に往復移動する、磁石を備えた可動子とを有し、前記固定子は、前記軸方向に積層された固定子鉄心及び固定子コイルと、前記固定子鉄心の前記可動子側の端部に設けられた浮上コイルとを有し、前記浮上コイルは、少なくとも前記可動子を挟んで互いに対向する１組のコイルからなり、前記１組のコイルはヌルフラックス線により互いに接続され、前記浮上コイルの内、前記可動子の移動速度が相対的に小さい、前記可動子の前記往復移動の端部に位置する浮上コイルに電流を選択的に印加する手段を有することを特徴とする。

また、本発明の他の実施形態では、前記固定子鉄心及び前記浮上コイルは、前記固定子の円周方向に複数に分割される。

また、本発明の他の実施形態では、前記浮上コイルは、前記固定子の円周方向に４分割され、４分割された前記浮上コイルは、前記可動子を挟んで互いに対向する第１組のコイルと、前記可動子を挟んで互いに対向し、前記第１組のコイルと直交する方向に配設された第２組のコイルからなる。

本発明によれば、可動子が偏心してもヌルフラックス線により接続された少なくとも１組の浮上コイルにより可動子に復元力が生じて偏心を抑制することができる。また、本発明によれば、可動子の移動速度が小さい場合においても、浮上コイルに電流を供給することで復元力不足を補うことができる。

第１実施形態におけるリニア発電装置の構成図である。図１の一部拡大図及び断面図である。浮上コイルの配置説明図である。ｘ軸方向の浮上コイルの接続図である。ｙ軸方向の浮上コイルの接続図である。可動子位置と可動子速度との関係を示すグラフ図である。第２実施形態におけるシステム構成図である。第２実施形態における可動子速度と浮上力との関係を示すグラフ図である。他の実施形態における固定子鉄心及び浮上コイルの分割説明図である。他の実施形態における固定子鉄心及び浮上コイルの分割説明図である。他の実施形態における固定子鉄心及び浮上コイルの分割説明図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

＜基本原理＞
まず、本実施形態の基本原理について説明する。

円筒状の固定子内をシャフト状の可動子が往復移動するリニア駆動装置あるいはリニア発電装置において、固定子鉄心の先端、つまり固定子鉄心の可動子側の端部に浮上コイルを設け、可動子の径方向の偏心を抑制する。すなわち、可動子が径方向に偏心すると、偏心した方向にある浮上コイルに鎖交する磁束は増大する一方、可動子を挟んで対向する位置にある浮上コイルに鎖交する磁束は減少するため、これら対向する１組の浮上コイルの誘導電流による生じる電磁力は互いに逆向きで相殺してしまい、可動子を中心位置に復元する復元力として用いることはできない。

そこで、本実施形態では、可動子を挟んで対向する１組の浮上コイルを互いにヌルフラックス線で接続する。ヌルフラックス方式は、１組の浮上コイルを構成するそれぞれの浮上コイルの巻き方向が交差するように接続するものであり、これにより１組の浮上コイルには可動子の偏心方向と逆向きの電磁力が生じるようになり、可動子の偏心を有効に防止する。

浮上コイルは、可動子の偏心方向に可動子を挟むように対向して配設されるが、可動子が任意の方向に偏心し得るのであれば、少なくとも互いに直交する２組の浮上コイルを用いることが望ましい。すなわち、互いに直交する方向をｘ方向及びｙ方向とすると、ｘ方向に１組の浮上コイルを配設し、ｙ方向にもう１組の浮上コイルを配設する。ｘ方向の１組の浮上コイルは互いにヌルフラックス方式で接続され、ｙ方向のもう１組の浮上コイルも互いにヌルフラックス方式で接続される。これにより、ｘ−ｙの２方向で可動子の偏心が抑制される。

以下、本実施形態について、より具体的に説明する。

＜第１実施形態＞
図１に、本実施形態におけるリニア駆動装置の構成を示す。リニア駆動装置は、固定子１０と可動子２０を備える。固定子１０は中空円筒形状をなし、可動子２０はシャフト状をなして中空円筒形状の固定子１０の軸方向に沿って往復移動する。

固定子１０は、固定子鉄心１２及び固定子コイル１４並びに浮上コイル１６を備える。固定子鉄心１２及び固定子コイル１４は、軸方向に積層して配設される。また、浮上コイル１６は、固定子鉄心１２の先端、すなわち固定子鉄心１２の可動子２０側の端部に配設される。

可動子２０は、可動子鉄心２２と永久磁石２４を備える。可動子鉄心２２及び永久磁石２４は、固定子１０の固定子鉄心１２及び固定子コイル１４と同様に軸方向に積層されて配設される。可動子１０は、例えばフリーピストンエンジンにより往復駆動される。すなわち、可動子２０の両端に対向して配置された一対のフリーピストンエンジンの一方のピストンエンジンが膨張、ガス交換、圧縮、燃焼を繰り返し、他方のピストンエンジンが一方のピストンエンジンとタイミングをずらして膨張、ガス交換、収縮、燃焼を繰り返すことで可動子２０が往復移動する。可動子の往復移動により、固定子コイル１６には誘導起電力が生じて誘導電流が流れ発電する。浮上コイル１６は、固定子１０と可動子２０との接触を防止し、固定子１０と可動子２０との径方向の相対的位置関係を維持するためのコイルである。

図２に、固定子１０の固定子鉄心１２、固定子コイル１４、浮上コイル１６の配設状態を示す。図２（ａ）は、図１における固定子１０の一部拡大図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＢ−Ｂ断面図、図２（ｃ）は図２（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図２（ｂ）、図２（ｃ）に示すように、固定子鉄心１２は、円周方向に分割されており、本実施形態では円周方向に４分割される。固定子コイル１２が存在しない部位では、図２（ｃ）に示すように、固定子鉄心１２は円周方向に分割されて放射状に配設されるため、結果として十文字状の配置をなす。また、固定子コイル１４は、円周方向に巻回される。さらに、浮上コイル１６も、固定子鉄心１２と同様に円周方向に４分割される。浮上コイル１６は、４分割された内の互いに対向する位置にある２つのコイルが組となる。径方向から見た平面における互いに直交する２軸をｘ軸及びｙ軸とすると、４分割された内の互いに対向する位置にある２組のコイルの一方の組で可動子２０のｘ方向位置を調整し、２組のコイルの他方の組で可動子２０のｙ方向位置を調整する。

図３に、浮上コイル１６の配置位置を示す。円周方向に４分割された固定子鉄心１２を固定子鉄心１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄとし、固定子鉄心１２ａと１２ｂが互いに対向し、固定子鉄心１２ｃと１２ｄが互いに対向するものとする。図に示すように直交する２軸をｘ軸、ｙ軸とすると、固定子鉄心１２ａ、１２ｂはｘ軸方向の固定子鉄心であり、固定子鉄心１２ｃ、１２ｄはｙ軸方向の固定子鉄心となる。固定子鉄心１２ａには、浮上コイル１６の内、ｘ軸方向の浮上コイル１６ｘ＋が巻回される。また、固定子鉄心１２ａに対向する固定子鉄心１２ｂには、浮上コイル１６の内、同じｘ軸方向の他の浮上コイル１６ｘ−が巻回される。可動子２０が固定子１０に対してｘ軸方向に変位した場合、その変位に応じた電流がこれらｘ軸方向の浮上コイル１６ｘ＋、１６ｘ−に流れる。すなわち、可動子２０が固定子１０に対してｘ軸方向に変位すると、その分だけ可動子２０の可動子永久磁石２４と浮上コイル１６ｘ＋、１６ｘ−との間に相対的変位が生じ、浮上コイル１６ｘ＋及び１６ｘ−に誘導電流が生じる。具体的には、可動子２０が浮上コイル１６ｘ＋の方向に偏心すると、浮上コイル１６ｘ＋に鎖交する可動子永久磁石２４の磁束が増加し、これを妨げる向きに浮上コイル１６ｘ＋に誘導電流が流れる。他方、浮上コイル１６ｘ−に鎖交する可動子永久磁石２４の磁束は減少し、これを妨げる向きに浮上コイル１６ｘ−に誘導電流が流れる。

また、固定子鉄心１２ｃには、浮上コイル１６の内、ｙ軸方向の浮上コイル１６ｙ＋が巻回される。また、固定子鉄心１２ｃに対向する固定子鉄心１２ｄには、浮上コイル１６の内、同じｙ軸方向の他の浮上コイル１６ｙ−が巻回される。可動子２０が固定子１０に対してｙ軸方向に変位した場合、その変位に応じた電流がこれらｙ軸方向の浮上コイル１６ｙ＋、１６ｙ−に流れる。すなわち、可動子２０が固定子１０に対してｙ軸方向に変位すると、その分だけ可動子２０の可動子永久磁石２４と浮上コイル１６ｙ＋、１６ｙ−との間に相対的変位が生じ、浮上コイル１６ｙ＋及び１６ｙ−に誘導電流が生じる。具体的には、可動子２０が浮上コイル１６ｙ＋の方向に偏心すると、浮上コイル１６ｙ＋に鎖交する可動子永久磁石２４の磁束が増加し、これを妨げる向きに浮上コイル１６ｙ＋に誘導電流が流れる。他方、浮上コイル１６ｙ−に鎖交する可動子永久磁石２４の磁束は減少し、これを妨げる向きに浮上コイル１６ｙ−に誘導電流が流れる。

このように、可動子２０が径方向に偏心すると、偏心した方向にある浮上コイルとそれに対向する浮上コイルには互いに逆向きの誘導電流が流れるため、偏心した方向にある浮上コイルとこれに対向する浮上コイルの誘導電流により生じる電磁力も互いに逆向きとなって相殺されてしまうので、このままでは誘導電流により生じた電磁力を可動子２０の支持力として利用することができない。

そこで、本実施形態では、互いに対向する２つの浮上コイルをそれぞれヌルフラックス線で接続する。

図４に、ｘ軸方向の浮上コイル１６ｘ＋、１６ｘ−の接続方法を示す。浮上コイル１６ｘ＋及び１６ｘ−をヌルフラックス線１７ｘで接続する。これにより、ヌルフラックス線１７ｘには、浮上コイル１６ｘ＋、１６ｘ−でそれぞれ形成される２つの閉回路の誘導起電力の差に応じた電流が流れることになり、浮上コイル１６ｘ＋、１６ｘ−の位相を揃えて誘導電流により生じる電磁力の向きを一致させる。これにより、可動子２０には中心軸方向に戻す復元力が生じて偏心が抑制される。

図５に、ｙ軸方向の浮上コイル１６ｙ＋、１６ｙ−の接続方法を示す。浮上コイル１６ｙ＋及び１６ｙ−をヌルフラックス線１７ｙで接続する。これにより、ヌルフラックス線１７ｙには、浮上コイル１６ｙ＋、１６ｙ−でそれぞれ形成される２つの閉回路の誘導起電力の差に応じた電流が流れることになり、浮上コイル１６ｙ＋、１６ｙ−の位相を揃えて誘導電流により生じる電磁力の向きを一致させる。これにより、可動子２０には中心軸方向に戻す復元力が生じて偏心が抑制される。

＜第２実施形態＞
上記の第１実施形態では、ｘ軸方向に互いに対向した２つの浮上コイル１６ｘ＋、１６ｘ−をヌルフラックス線１７ｘで接続し、かつ、ｙ軸方向に互いに対向した２つの浮上コイル１６ｙ＋、１６ｙ−をヌルフラックス線１７ｙで接続することで、誘導電流により生じる電磁力を利用して可動子２０の偏心を抑制しているが、浮上コイル１６に生じる誘導電流は可動子２０との相対速度に応じて変化するところ、可動子２０の移動速度は往復運動の中央において相対的に大きく、往復運動の両端部において相対的に小さくなる。

図６に、可動子２０の軸方向位置と可動子２０の速度との関係を示す。可動子２０の位置は、往復運動の一方端を０、他方端を１．０として規格化している。また、図において、往路の可動子速度を実線で、復路の可動子速度を破線で示す。図に示すように、可動子速度は往復運動の一方端から中央に向けて増加し、中央において最大となり、中央から他方端に向けて減少する。往路及び復路ともに同様な特性を示す。

往復運動の中央においては可動子速度が相対的に大きいため、誘導電流により生じる浮上コイル１６の電磁力も大きく、可動子２０の偏心を抑制することができる。ところが、往復運動の端部においては可動子速度が相対的に小さいため、誘導電流により生じる浮上コイル１６の電磁力も小さく、これだけでは可動子２０の偏心を抑制することが困難となる場合も生じ得る。

そこで、本実施形態では、可動子２０の速度が低下して十分な電磁力が得られない両端部の浮上コイル１６に外部から電力を供給し、外部から「強制的に」電流を流して電磁力を発生させ、誘導電流により生じた電磁力を補強する。

図７に、本実施形態のシステム構成図を示す。バッテリ５０からの電力をスイッチング制御器５２を介して固定子１０の両端部の浮上コイル１６に供給する。スイッチング制御器５２のスイッチングは、制御器５４により制御される。制御器５４は、可動子２０の位置を検出するセンサからの信号に基づき可動子２０が端部に位置することを検出した場合に、スイッチング制御器５２のスイッチをオンする指令を出力する。これにより、バッテリ５０からの電力は端部の浮上コイル１６に供給され、不足する電磁力を補う。また、制御器５４は、可動子２０の位置を検出するセンサからの信号に基づき可動子２０が中央に位置することを検出した場合に、スイッチング制御器５２のスイッチをオフする指令を出力する。これにより、バッテリ５０からの電力は端部の浮上コイル１６に供給されず、中央の浮上コイル１６の誘導電流による電磁力で可動子２０の偏心を抑制する。

図８に、可動子速度と浮上力、すなわち誘導電流による電磁力との関係を示す。可動子速度が小さいと浮上力も小さく、可動子速度が大きいと浮上力も大きくなる。したがって、浮上コイル１６に外部から電力を供給しないと、図中一点鎖線１００で示すように可動子速度が小さい端部において浮上力が不足する。

一方、可動子速度が小さい端部において外部のバッテリ５０から強制的に浮上コイル１６に電流を流すと、図中実線２００で示すように端部における浮上力が増大し、結果として可動子速度によらず、つまり可動子２０の軸方向位置によらず一定値以上の浮上力が得られることとなり、可動子２０の偏心を抑制することができる。

＜他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、種々の変更が可能である。

例えば、上記の第１及び第２実施形態では、固定子鉄心１２を円周方向に４分割しているが、それ以上に分割することもできる。また、浮上コイル１６も固定子鉄心１２と同様に４分割以上に分割することもできる。固定子鉄心１２と浮上コイル１６の分割数は必ずしも同一である必要はなく、異なっていてもよい。

図９に、固定子鉄心１２及び浮上コイル１６を円周方向に６分割した場合を示す。また、図１０に、固定子鉄心１２及び浮上コイル１６を円周方向に８分割した場合を示す。さらに、図１１に、固定子鉄心１２を円周方向に８分割し、浮上コイル１６を円周方向に４分割した場合を示す。いずれの図も、図２（ｂ）に対応するものであり、固定子１０のＢ−Ｂ断面を示すものである。一般に、固定子鉄心１２及び浮上コイル１６の分割数が増大するほど、より正確に可動子２０の位置を中心に近づけることができる。但し、分割数が増大するほど部品点数が増大するので、コストとのバランスを考慮することが望ましい。図１１の形態では、浮上コイル１６の分割数を４に抑えることで部品点数を削減し、安価に製造することができる。

また、本実施形態では、可動子２０は一対のフリーピストンにより往復移動しているが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、他のエンジンないし駆動機構により可動子２０を往復移動してもよい。但し、フリーピストンを用いたリニア発電装置、言い換えればフリーピストンエネルギコンバータ（Free-Piston Energy Converter：ＦＲＥＣ）は、化学エネルギを電気エネルギに変換する効率に優れており、望ましいといえる。

また、本実施形態では、可動子２０の往復移動の端部において可動子速度が小さくなることに伴い、往復移動の端部に位置する浮上コイル１６に外部のバッテリ５０から電力を供給して電流を強制的に流しているが、可動子２０の位置を検出する代わりに可動子２０の速度を検出し、可動子２０の速度が小さくなったときにその位置の浮上コイル１６に外部のバッテリ５０から電力を供給して電流を強制的に流してもよい。この場合、外部電力により電流が流れる浮上コイル１６は、必ずしも往復移動の端部に限定されるものではない。

さらに、本実施形態をリニア駆動装置に適用する場合には、固定子コイル１４を発電コイルでなく、駆動コイルとして用いて駆動電流を流せばよい。

１０固定子、１２固定子鉄心、１４固定子コイル、１６浮上コイル、２０可動子、２２可動子鉄心、２４可動子永久磁石。

Claims

リニア駆動／発電装置であって、
円筒状の固定子と、
前記固定子内を軸方向に往復移動する、磁石を備えた可動子と、
を有し、
前記固定子は、
前記軸方向に積層された固定子鉄心及び固定子コイルと、
前記固定子鉄心の前記可動子側の端部に設けられた浮上コイルと、
を有し、
前記浮上コイルは、少なくとも前記可動子を挟んで互いに対向する１組のコイルからなり、前記１組のコイルはヌルフラックス線により互いに接続され、
前記浮上コイルの内、前記可動子の移動速度が相対的に小さい、前記可動子の前記往復移動の端部に位置する浮上コイルに電流を選択的に印加する手段
を有することを特徴とするリニア駆動／発電装置。
請求項１記載のリニア駆動／発電装置において、
前記固定子鉄心及び前記浮上コイルは、前記固定子の円周方向に複数に分割される
ことを特徴とするリニア駆動／発電装置。
請求項２記載のリニア駆動／発電装置において、
前記浮上コイルは、前記固定子の円周方向に４分割され、
４分割された前記浮上コイルは、前記可動子を挟んで互いに対向する第１組のコイルと、前記可動子を挟んで互いに対向し、前記第１組のコイルと直交する方向に配設された第２組のコイルからなる
ことを特徴とするリニア駆動／発電装置。