(57)【要約】  リニア電気機械マシンのための磁気アセンブリであって、このマシンの往復動の軸に中心付けられた環状支持体（８）を備える磁気アセンブリ。環状支持体にはマグネットアセンブリ（９）が取り付けられている。マグネットアセンブリは、実質的にマグネットである少なくとも１つの環状部（２０）を備えている。環状部（２０）は、略径方向の面内に、環状部の壁を貫く経路の少なくとも半分まで延びる少なくとも１つの非導電部（２１、２２、２３、２５）を有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
リニア電気機械マシンのための磁気アセンブリであって、
前記リニア電気機械マシンの往復動の軸に中心付けられた環状支持体と、前記環状支持体に取り付けられるマグネットアセンブリとを備え、
前記マグネットアセンブリが、実質的にマグネットであり且つ往復動の前記軸に中心付けられる少なくとも１つの環状部を備え、前記少なくとも１つの環状部が、略径方向の面内に、前記環状部の壁を貫く経路の少なくとも半分まで延びる少なくとも１つの非導電部を有している磁気アセンブリ。
【請求項２】
前記非導電部がスリットである、請求項１に記載の磁気アセンブリ。
【請求項３】
前記非導電部が中実非導電材料である、請求項１に記載の磁気アセンブリ。
【請求項４】
前記非導電部が前記環状部と一体に形成されている、請求項３に記載の磁気アセンブリ。
【請求項５】
前記非導電部が前記環状部のスロット内に挿入される構成要素である、請求項３に記載の磁気アセンブリ。
【請求項６】
前記環状支持体が、使用時に往復動の前記軸に沿って往復するように配置されるドラムである、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気アセンブリ。
【請求項７】
当該磁気アセンブリがステータであり、
前記環状支持体が往復動される構成要素に対して固定されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気アセンブリ。
【請求項８】
前記非導電部が、前記マグネットの軸方向を向く面から延びている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気アセンブリ。
【請求項９】
前記非導電部が、前記マグネットの径方向を向く面から延びている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気アセンブリ。
【請求項１０】
２つの非導電部を備え、各非導電部が前記マグネットの反対側の面から延びている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気アセンブリ。
【請求項１１】
前記非導電部又は前記各非導電部が、前記環状部の少なくとも７５％を横切って延びている、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁気アセンブリ。
【請求項１２】
前記非導電部又は前記各非導電部が、環状部のほぼ９０％を横切って延びている、請求項１１に記載の磁気アセンブリ。
【請求項１３】
前記スリットが前記環状部を完全に横切って延びている、請求項２に記載の磁気アセンブリ。
【請求項１４】
前記非導電部又は前記各非導電部が環状部を完全に横切って延びている、請求項３〜５のいずれか一項に記載の磁気アセンブリ。
【請求項１５】
中心軸と複数の供給ノズルとを有する環状モールドを使用して環状マグネットを形成する方法であって、前記ノズルが、前記中心軸を中心に前記環状モールドに対応して円形に配置されるとともに、前記中心軸の方向に移動することができ、少なくとも１つのノズルが粉末非導電材料を収容し、残りの前記ノズルが粉末磁性材料を収容する、方法において、
前記ノズルを前記モールド内へと下降させるステップと、
粉末材料を前記モールド内に分配するステップと、
前記材料が分配されて前記モールドが満たされるとノズルを上昇させるステップと、
前記ノズルを除去するステップと、
前記粉末材料を圧縮して加熱することにより１つのリングを形成するステップと、
前記材料を磁場に晒して磁極を形成するステップと
を備える方法。
【請求項１６】
前記材料が圧縮されて加熱される前に、前記材料が磁場に晒される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記材料が圧縮されて加熱された後に、前記材料が磁場に晒される、請求項１５又は１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リニア電気機械マシンのためのマグネットアセンブリ、及び、マグネットを形成するための方法に関する。特に、本発明はリニアモータ又はオルタネータのためのマグネットアセンブリに関する。
【０００２】
当分野において周知であるように、オルタネータでは、導電体の近傍でのマグネットの移動が導電体中に電流を誘導する。モータの場合、導電体を流れる電流の変化により、マグネット中の磁場が変化し、それによりマグネットが動く。
【０００３】
本発明は、このようなマシンで使用するためのマグネットアセンブリの改良された構造に関する。本発明は、リニアスターリングエンジンのため、特にリニアフリーピストンスターリングエンジンのために設計された。しかしながら、前述したように、本発明はリニア電気機械マシンに対して広く適用できる。
【背景技術】
【０００４】
国際公開公報第９７／１３２６１号は、リニア電気機械マシンのためのマグネットアセンブリを開示している。特に、往復動方向に延びる複数のスロットを有する環状ドラムの形態を成す支持構造体が設けられる。ドラム上には複数のマグネットが装着されている。一般に、マグネットの数はスロットの数に等しい。スロット付きのドラム及び複数のマグネットセグメントは、ドラム及びマグネット中の渦電流によって引き起こされる損失を減少させるように構成されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、国際公開公報第９７／１３２６１号のマグネットアセンブリを改善するとともに、匹敵する効率を有するがかなり低いコストで製造することができ且つ大量生産組み立てに適したマグネットアセンブリを形成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、リニア電気機械マシンのための磁気アセンブリであって、このマシンの往復動の軸に中心付けられた環状支持体と、上記環状支持体に取り付けられるマグネットアセンブリとを備え、上記マグネットアセンブリは、実質的にマグネットであり且つ往復動の上記軸に中心付けられる少なくとも１つの環状部を備え、上記少なくとも１つの環状部は、略径方向の面内に、上記環状部の壁を貫く経路の少なくとも半分まで延びる少なくとも１つの非導電部を有している磁気アセンブリが提供される。
【０００７】
非導電部は渦電流を制限する働きをする。環状部を使用すると、製造プロセスがかなり簡略化される。国際公開公報第９７／１３２６１号においては、一般に、１０個のマグネットセグメントが存在する。これらのマグネットセグメントのそれぞれはドラムに対して個別に取り付けられなければならない。それだけでなく、各セグメントは、隣接するセグメント及びドラムのスロットと正確に位置合わせされるように、正確な周方向位置に配置されなければならない。
【０００８】
それとは異なり、本発明の環状部は、別個の構成要素の数が大きく減らされているため、装着が簡単である。マグネットを任意の周方向に装着できるため、マグネット及びドラムの周方向のアライメントは問題ではない。
【０００９】
その最も簡単な形態において、非導電部はスリットにより形成される。その結果、非導電部はエアギャップにより効果的に設けられる。これは、製造が簡単であり、軽量なマグネットを形成する。しかしながら、１つ以上のスリットの存在はマグネットの強度を低下させる。したがって、伸長動作中にマグネットの形状を保持できるようにするために大きな強度が必要とされる場合には、非導電部が中実非導電材料から成っていてもよい。
【００１０】
マグネットアセンブリは、マシンの往復動部分又は静的部分に関して使用されてもよい。第１のケースにおいて、環状支持体は、使用時に往復動の軸に沿って往復するように配置されるドラムである。後者のケースでは、環状支持体が固定されるとともに、コアがドラムに対して往復動され、コア中に磁場が誘導される。
【００１１】
本発明は１つの環状部を用いて行われてもよい。しかしながら、複数のこのような環状部が軸方向に配置されることが好ましい。これにより構成要素の数が増大するが、依然として国際公開公報第９７／１３２６１号の構成要素の数よりはかなり少なく、周方向アライメントの問題は依然として生じない。
【００１２】
使用できる非導電部の可能な形態は数多く存在する。例えば、非導電部は、マグネットの軸方向を向く端面から延びていてもよく、或いは、径方向を向く面から延びていてもよい。
【００１３】
１つの非導電部が渦電流のかなりの減少をもたらすことが分かった。マグネットの周囲に更に曲がりくねった経路を形成するため、２つの離間した非導電部が設けられてもよい。この場合、各非導電部はマグネットの反対側の面から延びている。２つの非導電部のケースでは、これらが千鳥状に配置されて重なり合い、それにより、往復動の軸に中心付けられるマグネット内の任意の円が少なくとも１つの非導電部と交差する。すなわち、マグネットの周りには途切れの無い周方向経路が存在しない。
【００１４】
好ましくは、各非導電部は、マグネットの少なくとも７５％を横切って延びており、場合によってはマグネットの９０％程度にわたって延びている。非導電部の範囲が大きくなればなるほど、渦電流の減少が良好となる。
【００１５】
或いは、非導電部はマグネットを完全に横切って延びていてもよい。スリットの場合には、このような１つの非導電部だけがマグネットを完全に横切って延びる。しかしながら、中実非導電部においては、このような非導電部が複数存在していてもよい。
【００１６】
非導電部は、環状部のスロット内に挿入される別個の構成要素であってもよい。しかしながら、好ましくは、非導電構成要素は環状部と一体に形成される。これは、本発明の第２の態様の主題である。
【００１７】
本発明の第２の態様によれば、好ましくは、中心軸と複数の供給ノズルとを有する環状モールドを使用して環状マグネットを形成する方法であって、上記ノズルは、上記中心軸を中心に上記環状モールドに対応して円形に配置されるとともに、上記中心軸の方向に移動することができ、少なくとも１つのノズルが粉末非導電材料を収容し、残りの上記ノズルが粉末磁性材料を収容する方法において、上記ノズルを上記モールド内へと下降させるステップと、粉末材料を堆積するステップと、上記材料が分配されてモールドが満たされるとノズルを上昇させるステップと、上記ノズルを除去するステップと、上記粉末材料を圧縮して加熱することにより１つのリングを形成するステップと、上記材料を磁場に晒して磁極を形成するステップとを備える方法が提供される。
【００１８】
この方法は、１回の作業で複合コアを製造する簡単な手法を与える。
【００１９】
磁場は、材料が圧縮されて加熱される前又は後に印加されてもよいが、両方の場合に印加されることが好ましい。
【００２０】
ここで、添付図面を参照して、本発明に係るマグネットアセンブリの一例について説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明を適用できるリニアフリーピストンスターリングエンジンの基本的な構成要素を示している。スターリングエンジンは、外部バーナによって加熱される複数のフィン２が設けられたヘッド１を備えている。エンジンの中間部分から熱を除去するために冷却回路３が設けられている。エンジンのヘッド内にはディスプレーサ４が位置されており、このディスプレーサ４は、エンジンを貫通して軸方向下側へ延び且つエンジンケーシングに固定される少なくとも１つの板バネ６に取り付けられたフレキシブルロッド５に対して取り付けられている。したがって、ディスプレーサ４は軸方向に往復動するように装着されている。ディスプレーサ４と位相をずらしてエンジン内で往復動するように支持されるパワーピストン７がロッド５を取り囲んでいる。パワーピストン７には環状ドラム８が取り付けられており、この環状ドラム８には以下で詳しく説明するマグネットアセンブリ９が設けられている。
【００２２】
マグネットアセンブリ９は、ステータ１１のエアギャップ（空隙）１０内で軸方向に往復動するように配置されている。ステータ１１は、外側環状巻線及び積層板アセンブリ１２と、強磁性体（例えば軟磁性複合材料）から成る内側コア１４とを備えている。これは、永久磁化された構成要素ではないが、通常の動作中に誘導される渦電流を減少させるために依然として縦スリット（非導電材料で満たされてもよく或いは中空のままであってもよい）を備えることができる。マグネットアセンブリ９、１４は鉄ネオジムなどの標準的な永久磁石材料から成る。リニアフリーピストンの動作は当分野において周知である。
【００２３】
本発明は、ドラム８上の環状マグネットアセンブリ９の改良された構造に関する。マグネットの様々な他の構造が図２Ａ〜２Ｃに示されている。
【００２４】
図２Ａは、軸方向端面からマグネットの約３／４ほど下側へ延びる第１の軸方向スロット２１を有する環状マグネット２０を示している。第２のスロット２２は、反対側の軸方向端面に切り込まれており、マグネットを横切って同様の長さ延びている。
【００２５】
図２Ｂでは、軸方向スロットが、マグネット２０の２つの対向する周面のスロット２３、２４と置き換えられている。
【００２６】
図２Ｃでは、マグネット２０の全幅にわたって１つのスリット２５が設けられており、分割リング形態が効果的に形成されている。
【００２７】
３つの構造に関しては多くのバリエーションが考えられえることは言うまでもない。例えば、図２Ａ及び図２Ｂでは、２つのスロットのうちの一方だけが必要とされてもよい。或いは、３つ以上のスロットが設けられてもよく、また、マグネットの周囲にわたって延びる多数のスロットが存在してもよい。更に、実施例のうちの２つ又は３つにおけるスロットが１つのマグネット上で組み合わされるように、スロットの形態が混ぜ合わされてもよい。
【００２８】
スロットの厳密な形態が性能要件にしたがって決定されることは言うまでもない。これらは、一方での渦電流の減少と他方でのマグネットの取り扱い容易性及び製造コストとの間のトレードオフを与える。１つのスロット、例えば図２Ａに示されるスロット２１は、取り扱いが容易で且つ渦電流をかなり減少させるマグネットを与える。渦電流を更に減少させるため、図２Ｃの分割リング形態と共に、図２Ａ又は図２Ｂの複数の千鳥状のスロット配置を与えることができる。しかしながら、これは、製造するのに更に費用がかかるとともに、取り扱いが更に難しくなる。
【００２９】
スリットである非導電材料に関連して図２Ａ〜２Ｃを説明してきた。しかしながら、図示の形態は、中実である非導電材料に対しても同様に適用できる。この場合には、代わりに、スリットにより占められる領域が非導電材料で満たされる。図２Ｃは、マグネットの全幅にわたって延びる１つのスリットを示している。このようなスリットは１つだけ設けることができ、そうしないと、マグネットが２つの構成要素になってしまう。しかしながら、中実の非導電材料が使用される場合、この非導電材料は、構成要素を１つの環状構成要素として維持しつつ複数の場所でマグネットの全幅にわたって延びることができる。
【００３０】
中実非導電材料挿入物を有する環状リングを形成するため、図２Ａ〜２Ｃのスリットを適当な材料で満たすことができる。しかしながら、現在の優先傾向は、図３、４を参照して説明する１つの製造プロセスで中実非導電部分を有する環状マグネットを形成することである。
【００３１】
好ましい中実非導電材料はセラミックパウダー又は熱可塑性物質である。
【００３２】
図示の構成は、マグネットの幅を完全に横切って延びる非導電材料の２つの領域を形成するようになっている。
【００３３】
装置は、主軸３２の周りにこれを中心とする環状凹部３１を有するモールド３０を備えている。環状凹部３１の上側には、主軸３２の周りに配置され且つノズルリング３４上に装着されたノズル３３がある。これらのノズルは、軸３２に沿って環状凹部３１内に入り込むことができるとともに環状凹部３１から抜け出ることができる。ノズル３３の大部分は粉末磁性材料で満たされる。しかしながら、両側にある２つのノズル３３Ａが非導電材料で満たされる。
【００３４】
ノズルを環状凹部３１内に入り込ませてそれらの出口を凹部の底部近傍に位置させた状態で、凹部の下側領域内への粉末の注入を可能にするため、重力供給方式を使用してノズルリングの上端内へ粉末が供給される。重力供給方式に代わる手段として、低速ガス供給装置を使用することができる。
【００３５】
充填プロセス中に磁性粒子の正確なアライメントを確保するため、供給プロセス中にモールドに対して磁場が印加される。ノズルリング３４は、異なる供給材料の混合を防止するために攪拌を最小限に抑えつつ徐々に上昇される。
【００３６】
モールドが充填されると、ノズルリング３４が除去され、したがって、磁場が除去される。混合物を圧縮成型するために中実の締め固めリング（図示せず）が徐々にモールド内へ下降される。モールドが炉内に位置され、この時点で、モールドを移動させることなく炉がその動作温度まで上昇される。これにより、モールド内の材料が焼結され、２つの材料から成る１つのリングが形成される。リングがモールドから除去されて冷却され、その後、磁気パターンを補強して正確な数の磁極を形成できるようにするためにリングが更なる磁場に晒される。
【００３７】
図５は、マグネットドラム８及びマグネットアセンブリ９の構成を更に詳しく示している。ドラム８の最下端には、ドラムをパワーピストン７に対して装着できるようにするフランジ１５が設けられている。ドラムは、環状形態を成しており、国際公開公報第９７／１３２６１号の教示内容にしたがって軸方向に延びる複数のスロット１６を備えている。なお、スロット１０が斜め方向に延在することもできる。マグネットアセンブリは、４つの環状マグネット、すなわち、２つの主マグネット２０と２つのスプリングマグネット２６とを備えている。主マグネット２０は、上記図２Ａ〜２Ｃのうちのいずれかにしたがって構成されてもよく、或いは、これらの図に関して説明された任意の代替手段にしたがって構成されてもよい。スプリングマグネット２６は、主マグネットと反対の極性の環状マグネットであり、パワーピストン７の移動が特定の予め設定された限界に近づくときに復元力を形成するために設けられている。このようなスプリングマグネットは当分野において周知である。
【００３８】
マグネット２０、２６は、径方向の剛性をドラムに与える環状リップ２７に対してスプリングマグネット２６が当接位置された状態でドラム上に配置されるとともに、接着剤を用いて所定位置に固定される。その後、ドラムがパワーピストン７の下端にボルト締結され、マグネット９がエアギャップ１０内に挿入される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明を適用できるリニアフリーピストンスターリングエンジンの概略断面図である。
【図２Ａ】本発明と共に使用するのに適したマグネットの一形態を示している。
【図２Ｂ】本発明と共に使用するのに適したマグネットの一形態を示している。
【図２Ｃ】本発明と共に使用するのに適したマグネットの一形態を示している。
【図３】本発明の第２の態様にしたがってマグネットを形成するためのモールド及びノズルの概略断面図である。
【図４】図３に示されるノズルのレイアウトを示す概略平面図である。
【図５】マグネット及びドラムの組み立てを示す分解断面図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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