(57)【要約】【課題】リニア発電機において、重量、コスト及び損失を低減し、かつ、可動子に外部から与える復元力を低減することである。【解決手段】リニア発電機１０は、固定子２６と、固定子２６に対向配置された可動子であるピストン４０とを含む。固定子２６及びピストン４０のうち、一方の部材が、鉄心コア２７と巻線とを有し、他方の部材が永久磁石４３を有する。ピストン４０が固定子２６に対し直線方向に移動することによって発電する。ピストン４０は、使用時において、永久磁石４３が鉄心コア２７の直線方向の一端から直線方向の外側に外れた状態となるようにピストン４０が移動するように構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と、前記固定子に対向配置された可動子とを備え、
前記固定子及び前記可動子のうち、一方の部材が鉄心コアと前記鉄心コアに配置された巻線とを含み、
前記固定子及び前記可動子のうち、他方の部材が永久磁石を含み、
前記可動子が前記固定子に対し直線方向に移動することによって発電するリニア発電機であって、
前記可動子は、使用時において、前記永久磁石が前記鉄心コアの前記直線方向の一端から前記直線方向の外側に外れた状態となるように前記可動子が移動するように構成される、リニア発電機。
【請求項２】
請求項１に記載のリニア発電機において、
前記固定子が前記鉄心コアと前記鉄心コアに配置された前記巻線とを含み、
前記可動子が前記永久磁石を含み、
前記可動子は、使用時において、前記永久磁石が前記鉄心コアの前記直線方向の全範囲である主動作領域内と、前記主動作領域から前記直線方向一端側に外れる一端側領域とに移動するように構成される、リニア発電機。
【請求項３】
請求項２に記載のリニア発電機において、
前記可動子は、使用時において、前記永久磁石が前記主動作領域及び前記一端側領域と、前記主動作領域から前記直線方向他端側に外れる他端側領域とに移動するように構成される、リニア発電機。
【請求項４】
請求項１に記載のリニア発電機において、
前記固定子が前記永久磁石を含み、
前記可動子が前記鉄心コアと前記鉄心コアに配置された前記巻線とを含み、
前記可動子は、使用時において、前記鉄心コアが前記永久磁石の前記直線方向の全体と前記直線方向において一致する範囲を含む主動作領域と、前記鉄心コアが前記永久磁石の前記直線方向の全体とは前記直線方向において一致しないように前記永久磁石の一端に対して前記直線方向に外れる一端側領域とに移動するように構成される、リニア発電機。
【請求項５】
請求項４に記載のリニア発電機において、
前記可動子は、使用時において、前記鉄心コアが前記主動作領域及び前記一端側領域と、前記鉄心コアが前記永久磁石の前記直線方向の全体とは前記直線方向において一致しないように前記永久磁石の他端に対して前記直線方向に外れる他端側領域とに移動するように構成される、リニア発電機。
【請求項６】
請求項２から請求項５のいずれか１に記載のリニア発電機において、
前記主動作領域からの前記永久磁石の飛び出し量に応じて前記永久磁石の磁束によって前記可動子に加わる前記直線方向の吸引力について、前記吸引力の脈動のピークに対応する位置に前記可動子の前記永久磁石または前記鉄心コアの可動領域の外端が位置する、リニア発電機。
【請求項７】
請求項２から請求項６のいずれか１に記載のリニア発電機において、
前記可動子が、燃焼室及び空気ばね室を有するシリンダ内において前記直線方向に往復移動するフリーピストンである、リニア発電機。
【請求項８】
請求項７に記載のリニア発電機と、
前記リニア発電機を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記フリーピストンが前記空気ばね室側に移動する膨張行程における第１速度指令値と、前記フリーピストンが前記燃焼室側に移動する圧縮行程における第２速度指令値とを設定し、
発電時に、電気制動により前記フリーピストンの速度が第１速度指令値または第２速度指令値となるように発電量を制御し、
モータリング動作時に、前記巻線を励磁させて前記フリーピストンの速度が第１速度指令値または第２速度指令値となるように送電量を制御し、
前記フリーピストンが最も前記燃焼室寄りとなる上死点位置を通過するときを含む上死点側移動時間と、前記フリーピストンが最も前記空気ばね室寄りとなる下死点位置を通過するときを含む下死点側移動時間とで、発送電を休止するように発送電タイミングを制御する、リニア発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動子が固定子に対し直線方向に移動することにより発電するリニア発電機及びリニア発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からリニア発電機が知られている。リニア発電機は、固定子及び可動子を含み、可動子が固定子に対向配置される。可動子には永久磁石が配置され、固定子には巻線が配置される。可動子が固定子に対し直線方向に移動すると、永久磁石と巻線とが相対移動する。この際に生じる誘導起電力によりリニア発電機が発電する。
【０００３】
特許文献１には、軸方向に往復移動するフリーピストンエンジン（動力源）のロッドに可動子が結合され、可動子が外側の固定子に対し相対移動することで機械的出力を電気的パワーに変換するリニア発電機が記載されている。ロッドにおいて、燃焼室とは反対側には復帰用のバネが結合されている。
【０００４】
特許文献２には、ピストンチャンバ内の膨張空間で燃焼ガスが膨張し、そのガスによってピストンアセンブリを直線方向に変位させるフリーピストン装置が記載されている。この装置では、ピストンチャンバ内の弾性空間に圧縮ガスが入れられて、ピストンアセンブリに返送力を与える。ピストンアセンブリの移動に伴ってアーマチュア（可動子）が移動し、アーマチュアと固定子との相対移動によって電気エネルギが発生する。
【０００５】
特許文献３には、フリーピストン式発電機において、可動子であるピストンの変位を検出する手段を含む構成が記載されている。その手段（変位検出手段）は、ピストンの外周面に形成された複数の溝部と、溝部に充填された充填部材と、シリンダ部材に配置されて溝部の変位を検出する変位検出器とを有する。充填部材は、ピストンの構成材料とは変位検出器の検出特性が異なる材料から構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１７３６３０号公報
【特許文献２】特表２００９−５４１６３５号公報
【特許文献３】特開２０１３−２５６８８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１から特許文献３に記載された技術では、固定子が可動子に対し軸方向に大きくなった場合において、固定子が巻線を含む場合に、固定子のうち、可動子が対向しない多くの巻線配置部に電流が流れる。これにより、巻線の銅損が大きくなる可能性がある。また、固定子が鉄心コアを含む場合に鉄損が大きくなる可能性もある。また、固定子において、巻線の多くの部分で誘導起電力の発生に用いられないことや、その巻線の支持部となる鉄心コアが大きくなることにより、重量及びコストが大幅に増大する原因となる。さらに、可動子を往復移動させるときに、復元力を与えるために専用の手段が必要になる。例えば、特許文献１に記載された技術では専用の手段としてバネが必要になるので、重量及びコストがさらに増大する原因となる。また、特許文献２に記載された技術では、復元力発生のための専用のガス圧縮機構を用いているので、効率が悪い。
【０００８】
本発明の目的は、リニア発電機及びリニア発電システムにおいて、重量、コスト及び損失を低減でき、かつ、可動子に外部から与える復元力を低減できる構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るリニア発電機は、固定子と、前記固定子に対向配置された可動子とを備え、前記固定子及び前記可動子のうち、一方の部材が鉄心コアと前記鉄心コアに配置された巻線とを含み、前記固定子及び前記可動子のうち、他方の部材が永久磁石を含み、前記可動子が前記固定子に対し直線方向に移動することによって発電するリニア発電機であって、前記可動子は、使用時において、前記永久磁石が前記鉄心コアの前記直線方向の一端から前記直線方向の外側に外れた状態となるように前記可動子が移動するように構成される。
【００１０】
また、本発明に係るリニア発電システムは、本発明に係るリニア発電機と、前記リニア発電機を制御する制御装置とを備え、前記可動子は、燃焼室及び空気ばね室を有するシリンダ内において前記直線方向に往復移動するフリーピストンであり、前記制御装置は、前記フリーピストンが前記空気ばね室側に移動する膨張行程における第１速度指令値と、前記フリーピストンが前記燃焼室側に移動する圧縮行程における第２速度指令値とを設定し、発電時に、電気制動により前記フリーピストンの速度が第１速度指令値または第２速度指令値となるように発電量を制御し、モータリング動作時に、前記巻線を励磁させて前記フリーピストンの速度が第１速度指令値または第２速度指令値となるように送電量を制御し、前記フリーピストンが最も前記燃焼室寄りとなる上死点位置を通過するときを含む上死点側移動時間と、前記フリーピストンが最も前記空気ばね室寄りとなる下死点位置を通過するときを含む下死点側移動時間とで、発送電を休止するように発送電タイミングを制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るリニア発電機及びリニア発電システムによれば、重量、コスト及び損失を低減でき、かつ、可動子に外部から与える復元力を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る実施形態のリニア発電機を含むリニア発電システムにおいて、可動子であるピストンが上死点に位置する場合における断面図である。
【図２】図１のＡ部拡大図である。
【図３】図１に示すリニア発電機において、ピストンが主動作領域を移動するときの状態を示す断面図である。
【図４】図１に示すリニア発電機において、ピストンが下死点に位置する場合における断面図である。
【図５】本発明に係る実施形態のリニア発電システムにおいて、ピストン移動時における発送電領域とピストンの速度指令波とを示す図である。
【図６】本発明に係る実施形態のリニア発電システムにおいて、速度指令の設定方法を示す図である。
【図７Ａ】本発明に係る実施形態の基本構成を示す模式図である。
【図７Ｂ】図７Ａにおいて、ピストンの永久磁石に磁石磁束により吸引力が作用する状態を示す模式図である。
【図８】本発明に係る実施形態のリニア発電機の別例において、図７Ａに対応する図である。
【図９】本発明に係る実施形態のリニア発電機において、固定子の鉄心コアに対するピストンの永久磁石の飛び出し量ｅと、磁石磁束によるピストンの軸方向推力との関係のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】本発明に係る実施形態のリニア発電機の別例を示している図１に対応する図である。
【図１１】図１０の構成において、固定子側の永久磁石に対し、可動子側の鉄心コアが複数の位置に移動する状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下で説明する形状、材料、及び個数は、説明のための例示であって、リニア発電機の仕様に応じて適宜変更することができる。以下において複数の実施形態や、変形例などが含まれる場合、それらを適宜組み合わせて実施することができる。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。また、本文中の説明においては、必要に応じてそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００１４】
図１は、実施形態のリニア発電機１０を含むリニア発電システムにおいて、可動子でありフリーピストンであるピストン４０が上死点に位置する場合における断面図である。図２は、図１のＡ部拡大図である。図３は、リニア発電機１０において、ピストン４０が主動作領域を移動するときの状態を示す断面図である。図４は、リニア発電機１０において、ピストン４０が下死点に位置する場合における断面図である。
【００１５】
＜発電システム及び発電機の構成＞
フリーピストン式発電システムは、リニア発電機１０と、リニア発電機１０を制御する制御装置５０とを備える。リニア発電機１０は、シリンダ部材２０、ヘッド部材２１、及びピストン４０を含む。以下、リニア発電機１０は発電機１０と記載する。
【００１６】
シリンダ部材２０は、内部にシリンダ２２を有するブロック状に形成される。シリンダ部材２０は、アルミニウム、非磁性ステンレス合金などの非磁性金属材料により形成される。シリンダ２２の第１直線方向である軸方向（中心軸Ｏに沿う方向）の一端（図１の右端）は、シリンダ部材２０の一端面（図１の右端面）に開口する。シリンダ２２は、開口端側の小径円筒面Ｓ１と、底部側の大径円筒面Ｓ２とを有する。シリンダ２２の内部には、後述のピストン４０が軸方向に移動可能に嵌装される。
【００１７】
シリンダ部材２０の一端部にはヘッド部材２１が結合固定される。シリンダ部材２０の小径円筒面Ｓ１の内側空間で、ピストン４０の一端とヘッド部材２１とで囲まれた部分には燃焼室２３が形成される。シリンダ部材２０において、シリンダ２２の底部側（図１の左側）には、空気ばね室２４が設けられる。
【００１８】
ヘッド部材２１には、排気口２１ａが形成される。排気口２１ａは燃焼室２３に通じる。シリンダ部材２０に取り付けられた排気バルブ２５の駆動により燃焼室２３と排気口２１ａとの間が閉鎖または連通される。シリンダ部材２０の他の詳細構造は後で説明する。
【００１９】
ピストン４０は、柱状の大径部４１と、大径部４１の一端面（図１の右端面）に連結された柱状の小径部４２とを有する。大径部４１の外周面には円筒状の永久磁石４３が固定される。永久磁石４３は、外周面において空気ばね室２４側にＮ極が配置され、燃焼室２３側にＳ極が配置される。Ｎ極及びＳ極の配置は逆でもよい。また、Ｎ極及びＳ極を１組として、複数組がピストン４０の軸方向に配置されてもよい。
【００２０】
ピストン４０の大径部４１は、シリンダ２２の大径円筒面Ｓ２の内側に移動可能に配置される。ピストン４０の小径部４２は、シリンダ２２の小径円筒面Ｓ１の内側に移動可能に配置される。これによって、ピストン４０は、後述の固定子２６の内側に対向配置される。
【００２１】
ピストン４０は、燃焼室２３で発生する燃焼圧力と、空気ばね室２４の圧縮に伴う反発力とで、シリンダ２２内を軸方向に往復移動する。ピストン４０とシリンダ２２との間にはわずかな隙間が設けられており、燃焼室２３と空気ばね室２４との間でガスが流通することを抑制し、かつ、シリンダ２２内でのピストン４０の移動を可能とする。ピストン４０が上記のように大径部４１及び小径部４２を有するので、ピストン４０の空気ばね室２４側の受圧面積が、燃焼室２３側の受圧面積よりも大きくなる。これにより、空気ばね室２４の圧力が比較的小さい場合でも、ピストン４０を燃焼室２３側に押し戻す反発力を生じやすい。
【００２２】
リニア発電機１０は、図示しない可動子変位検出手段を備える構成としてもよい。可動子変位検出手段は、例えば特許文献３に記載されているように、ピストンの外周面の溝部と、シリンダ部材に配置された変位検出器とを含む構成とすることができる。このとき、溝部には充填部材が充填されずに溝部内を空隙としてもよい。
【００２３】
変位検出器は、例えば、渦電流センサ、光学センサ、静電容量センサ等の非接触センサのいずれかから構成される。
【００２４】
シリンダ部材２０の内周面には固定子２６が固定される。固定子２６は、略円筒状の鉄心コア２７と、鉄心コア２７に配置されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗとを含んでいる。鉄心コア２７は、鉄等の磁性材によって形成され、内周面に複数の円環状の溝部を有する。複数の溝部は、鉄心コア２７の軸方向に並んで配置される。巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗは、Ｕ，Ｖ、Ｗ相の順に並んで溝部に配置され、それが繰り返されて鉄心コア２７の軸方向複数位置に配置される。各巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗは、溝部内で複数回、周方向に沿って巻回されている。隣り合う同相の巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗは逆巻きで配置されてもよい。また、鉄心コア２７の軸方向長さは、永久磁石４７の軸方向長さより大きい。
【００２５】
ピストン４０の往復移動により、ピストン４０が固定子２６に対し軸方向に移動し、これによって永久磁石４３が巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗに対し移動する。これにより、誘導起電力が生じて発電機が発電する。以下、巻線２８ｕ、２８ｖ、２８ｗは総称して巻線２８と記載する場合がある。
【００２６】
さらに、ピストン４０は、使用時において、永久磁石４３が鉄心コア２７の軸方向の一端から軸方向の外側に外れた状態となるように、ピストン４０が移動するように構成される。より具体的には、ピストン４０は、使用時において、永久磁石４３が鉄心コア２７の軸方向の全範囲である主動作領域内と、主動作領域から両側に外れた一端側領域及び他端側領域とに移動するように構成される。「一端側領域」は、図１、図２に示すように、主動作領域から軸方向一端側（図１の右端側）に外れる移動領域である。「他端側領域」は、図４に示すように、主動作領域から軸方向他端側（図４の左端側）に外れる移動領域である。図３は、永久磁石４３が「主動作領域」を移動するときの状態を示している。図１から図４では、「主動作領域」「一端側領域」「他端側領域」を永久磁石４３が移動する範囲として示している。永久磁石４３が主動作領域の外側を移動するように構成されるので、永久磁石４３が鉄心コア２７の軸方向一端（図１の右端）から軸方向外側と、軸方向他端（図１の左端）から軸方向外側とに、それぞれ移動するように構成される。これにより、後述するように、発電機１０の重量、コスト及び損失を低減でき、かつ、ピストン４０に外部から与える復元力を低減できる。
【００２７】
また、発電機１０の始動時では、ピストン４０を停止状態から往復運動状態に移行させるために、発電機１０をモータとして動作させる。このとき、発電機１０のモータとしての動作には、初期化動作とモータリング動作とがある。「初期化動作」は、ピストン４０の絶対位置が不明であるときに、ピストン４０を移動させて絶対値の探索を行う動作である。「モータリング動作」は、初期化動作後に巻線２８に励磁電流を流してピストン４０を移動させることを意味する。ピストン４０の駆動方式として、「モータリング動作」は、燃焼圧力（爆発エネルギ）によりピストン４０を移動させる「ファイアリング」と対の関係にある。
【００２８】
制御装置５０は、発電時（ファイアリング時）には、燃焼圧力や空気ばね室２４の反発力等で付勢されたピストン４０を、電気制動によって速度制御することで、ピストン４０の挙動を制御する。また始動時（モータリング動作時）には、巻線２８に流す励磁電流を調整して速度制御することで、ピストン４０の挙動を制御する。
【００２９】
「電気制動」には、発電電力を抵抗器に消費させる発電制動と、発電電力を他の電気機器に分配する回生制動とがある。実施形態では、電気制動として、発電制動及び回生制動の少なくとも一方が実施されればよい。
【００３０】
また、シリンダ部材２０の軸方向一端に形成された燃焼室２３には、掃気孔２９（図４）、インジェクタ３０、及び点火手段３１が設けられる。
【００３１】
掃気孔２９は、燃焼室２３内に新気を導入する。新気の導入に際して、図示しない掃気ポンプを駆動させることによって、外部から掃気孔２９に新気を導入するようにしてもよい。掃気孔２９は、例えば、シリンダ２２の内周面に開口される。図１、図２に示すようにピストン４０が上死点に位置しているときには、掃気孔２９（図４）は、ピストン４０によって塞がれる。図４に示すようにピストン４０が下死点に位置しているときには、掃気孔２９は、大気に通じるように開放される。
【００３２】
排気口２１ａは、燃焼室２３で新気と燃料との混合気を燃焼させた後の排気を、外部に排出する。排気口２１ａを省略し、掃気孔２９のみで掃気及び排気を行うループフロー式が採用されてもよい。
【００３３】
インジェクタ３０は、燃料を噴射する噴射手段である。点火手段３１は、混合気に点火して燃焼圧力を生じさせる。点火手段３１を省略し、圧縮自着火方式によって燃焼圧力を生じさせることもできる。
【００３４】
空気ばね室２４は、ピストン４０を燃焼室２３側に押し戻す機能を有する。ピストン４０が燃焼室２３側から空気ばね室２４側に移動する際に、空気ばね室２４が圧縮される。この圧縮により反発力が生じ、当該反発力により、ピストン４０が燃焼室２３側に押し戻される。内圧を一定範囲に収めるため、空気ばね室２４に調圧弁が設けられてもよい。さらに、調圧弁に代えて、コンプレッサ等の加圧源が空気ばね室２４に接続されてもよい。
【００３５】
シリンダ２２の内周面付近の巻線２８は、外部に設けられたインバータ等の電力変換器（図示せず）に接続される。発電時に巻線２８で発生した交流電力は、外部に取り出されて電力変換器によって直流電力に変換され、バッテリ等の蓄電装置に供給される。また、初期化動作時及びモータリング動作時には、蓄電装置から供給された直流電力が電力変換器によって交流電力に変換された後、巻線２８に供給される。
【００３６】
制御装置５０は、発電機１０を安定して発電させるために、ピストン４０の挙動を制御する。また、初期化動作時及びモータリング動作時には、発電機１０をモータとして動作させ、ピストン４０を移動させる。
【００３７】
制御装置５０は、コンピュータを含んで構成される。例えば、コンピュータは、演算回路であるＣＰＵ、メモリ等の記憶部、及びインターフェースが内部バスを介して互いに接続される。記憶部には、後述の速度制御及び発送電休止制御を行うための制御プログラムが記憶されてもよい。このとき、ＣＰＵが当該プログラムを実行することで、当該制御が行われる。
【００３８】
制御装置５０は、インターフェースを介して、周辺機器との信号の送受信を行う。具体的には、位置検出器（図示せず）から検出信号を受信し、排気バルブ２５、インジェクタ３０、及び、点火手段３１に対し、動作させるための作動信号を送信する。電気制動を行う際には、発電機１０の発電量を制御する。例えば、発電電力の供給先（電気機器、蓄電装置、抵抗器等）を選択する。モータリング制御時には巻線２８に供給する励磁電流量を制御する。
【００３９】
＜速度制御及び発送電休止制御＞
図５は、実施形態のリニア発電システムにおいて、ピストン４０の移動時における発送電領域とピストン４０の速度指令波とを示す図である。制御装置５０は、速度制御に基づいてピストン４０の挙動を制御する。制御装置５０は、ピストン４０が空気ばね室２４側に移動する膨張行程において第１速度指令値を設定し、ピストン４０が燃焼室２３側に移動する圧縮工程において第２速度指令値を設定する。
【００４０】
膨張行程及び圧縮過程では、ピストン４０の速度がそれぞれで設定された速度指令値となるように速度制御を行う。発電時（ファイアリング時）には、電気制動によって速度制御を行う。具体的には、制御装置５０は、ピストン４０の速度を第１速度指令値（膨張行程）及び第２速度指令値（圧縮行程）にそれぞれ到達させるように発電量を制御する。始動時（モータリング動作時）には、励磁電流制御によって速度制御を行う。具体的には、制御装置５０は、ピストン４０の速度を第１速度指令値（膨張行程）及び第２速度指令値（圧縮行程）にそれぞれ到達させるように、巻線２８への送電量を制御する。
【００４１】
ピストン４０の速度は上死点及び下死点で最低速度を取り、ストローク中央位置で最高速度を取る。このような挙動に合わせて、発電制動及び励磁を行う。
【００４２】
上記のような発電制動及び巻線２８の励磁は、ピストン４０の全ストロークにわたって行ってもよいが、速度制御の効率が相対的に高い領域のみを狙って制御を実行することができる。一般的に、ピストン４０が上死点位置または下死点位置の近傍にいるときはピストン４０の速度が低くなり、この範囲の発電効率及び励磁電流による推進効率は相対的に低くなる。そこで、好ましくは、制御装置５０は、図５に示すように、ピストン４０が上死点位置を通過するときを含む上死点側移動時間（図５の矢印α範囲）で、発送電を休止するように発送電タイミングを制御する。さらに、制御装置５０は、ピストン４０が下死点位置を通過するときを含む下死点側移動時間（図５の矢印β範囲）で、発送電を休止するように発送電タイミングを制御する。発送電休止時には、電気制動及び励磁電流の送電を休止してピストン４０を自由運動させる。そして、制御装置５０は、図５の斜線部の領域で発送電を行うように、発送電タイミングを制御することができる。ここで、図５の下段には電力変化が示されている。ファイアリング（発電）時の発電量を実線で示し、モータリング動作時の送電量を破線で示している。
【００４３】
発送電領域及び発送電休止領域は、任意に定めることができる。例えば、上死点目標位置の半値から下死点目標位置の半値までの領域を巻線の励磁領域及び発電領域に設定してもよい。また、ピストン４０の最高速度の９０％以内の領域を励磁領域及び発電領域に設定してもよい。
【００４４】
また、発送電休止領域は、ピストン４０の永久磁石４３が一端側領域を移動するときと、他端側領域を移動するときとに対応させることが好ましい。具体的には、ピストン４０の永久磁石４３の全体が主動作領域にあるときには発送電領域で発送電を行い、永久磁石４３が一端側領域または他端側領域にあるときには発送電休止領域で発送電を休止させる。
【００４５】
＜速度指令波の生成＞
上述のように、速度制御においては、ピストン４０の速度を、膨張行程では第１速度指令値に制御し、圧縮過程では第２速度指令値に制御する。これにより、ピストン４０のストロークに応じた速度指令波は、図５で示したように、第１速度指令値及び第２速度指令値をピーク値とする矩形波となる。この速度指令波の生成について、以下説明する。
【００４６】
図６は、実施形態のリニア発電システムにおいて、速度指令の設定方法を示す図である。制御装置５０は、第１速度指令値及び第２速度指令値の設定に当たり、所定の往復周期における、ピストン４０の上死点位置と下死点位置とに基づいて、その次の往復周期における第１及び第２速度指令値を設定する。
【００４７】
具体的には、図６に示すように、予め定めた、上死点目標位置及び下死点目標位置と、ｋ−１周期目における、実際の上死点及び下死点との差を求める。上死点目標位置と実際の上死点との差ΔＳTDCと、下死点目標位置と実際の下死点との差ΔＳBDCとが求められると、制御装置５０は、これらの値を用いて速度指令波の振幅Ａと、速度０からのオフセット量ＯＳとを求める。
【００４８】
速度指令値の振幅Ａは、下記数式（１）により求めることができる。また、速度指令値のオフセット量ＯＳは、下記数式（２）により求めることができる。数式（１）（２）で求められた振幅Ａ及びオフセット量ＯＳに基づいてｋ周期目の速度指令波（したがって第１速度指令値及び第２速度指令値）が生成される。
【００４９】
【数１】
2017077144.tif 000003
【００５０】
ここで、数式（１）のｋpAは振幅比例項ゲイン、ｋiAは振幅積分項ゲインを示す。また、数式（２）のｋpOはオフセット比例項ゲイン、ｋiOはオフセット積分項ゲインを示す。
【００５１】
＜効果＞
上記の発電機１０によれば、図１の構成で一端側領域及び他端側領域まで鉄心コア及び巻線の配置部を延長した構成に比べて、鉄心コア及び巻線の軸方向両端部分を省略できる。これにより、発電機１０の重量及びコストを低減できる。また、同じ相の巻線２８が直列接続される場合には同相の巻線２８で同じ大きさの電流が流れるので、巻線の数が減少することで銅損を低減できる。また、鉄心コア２７の材料を低減できるので鉄損も低減できる。これにより、発電機１０の損失も低減できる。さらに、ピストン４０に外部から与える復元力も低減できる。これについて、図７Ａ、図７Ｂを用いてより具体的に説明する。
【００５２】
図７Ａは、実施形態の基本構成を示す模式図である。図７Ｂは、図７Ａにおいて、ピストン４０の永久磁石４３に磁石磁束により吸引力が作用する状態を示す模式図である。
【００５３】
実施形態では、図７Ａに示すように、ピストン４０（図１）に固定された永久磁石４３が主動作領域の両側の一端側領域及び他端側領域に飛び出すように、ピストン４０が移動可能である。このとき、図７Ｂに示すように永久磁石４３が鉄心コア２７より軸方向一端側（図７Ｂの右側）に飛び出した部分で、永久磁石４３の軸方向に対し直交する径方向には、鉄心コア２７が対向しない。そして、永久磁石４３のＮ極から出た磁束が鉄心コア２７の内周側から外周側を通って永久磁石４３のＳ極に戻るように磁束経路が形成される。そしてこの磁束経路が短くなるように永久磁石４３は鉄心コア２７に引っ張られる。これにより、永久磁石４３のうち、鉄心コア２７から飛び出した部分には、鉄心コア２７側に向かう軸方向の吸引力Ｆが作用する。このため、磁石磁束によって復元力がピストン４０に加わるので、燃焼室２３の燃焼圧力や、電気制動などのピストン４０に外部から与える復元力を低減できる。
【００５４】
また、実施形態では、空気ばね室２４側にピストン４０が移動した場合に空気ばね室２４の圧縮空気による反発力だけでなく、磁石磁束による吸引力をピストン４０に作用させることができる。これにより、空気ばね室２４での圧力を低くできるので、発電機１０の熱損失も低減できる。
【００５５】
また、特許文献１に記載された技術のように、ピストン４０に復元力を与えるためのバネを設ける必要がないので、重量及びコストをさらに低減できる。また、特許文献２に記載された技術のように、復元力発生用のガス圧縮機構を設ける必要がないので、効率向上を図れる。
【００５６】
また、特許文献１に記載された技術の場合には、燃焼室内での失火や異常燃焼などの原因でピストンに急激に力が加わった場合に、制御部による制御では対応できず、ピストンがエンジンヘッドに衝突する可能性がある。実施形態では、ピストン速度が急上昇した場合でも、磁石磁束による吸引力をピストン４０に作用させることができるので、このような衝突を防止できる。
【００５７】
なお、図１から図７Ｂに示した構成では、ピストン４０に固定された永久磁石４３が固定子２６の鉄心コア２７の軸方向全範囲から両側に飛び出すように、ピストン４０が移動する場合を説明した。一方、実施形態では、このような構成に限定せず、永久磁石４３が鉄心コア２７の軸方向の全範囲より一端側に外れた一端側領域には移動するが、他端側領域には移動しないように構成してもよい。逆に、永久磁石４３が鉄心コア２７の軸方向の全範囲より他端側に外れた他端側領域には移動するが、一端側領域には移動しないように構成してもよい。この場合でも、発電機の重量、コスト及び損失を低減でき、かつ、ピストンに外部から与える復元力を低減できる。
【００５８】
また、実施形態では、図８に示す発電機の別例で示すように、固定子２６において、鉄心コア２７の軸方向両端の外周側に形成される筒部２６ａが鉄心コア２７の内周側部分より軸方向外側に突出する構成としてもよい。
【００５９】
図９は、実施形態の発電機において、固定子２６の鉄心コア２７に対するピストン４０の永久磁石４３の飛び出し量ｅと、磁石磁束によるピストン４０の軸方向推力との関係のシミュレーション結果を示す図である。図９に示すように、永久磁石４３が鉄心コア２７から飛び出す場合には、その飛び出し量ｅに応じて、ピストン４０に磁石磁束による軸方向推力（吸引力）が生じる。この軸方向推力は、永久磁石４３と固定子２６との位置関係の変化によって細かく脈動する。そして、飛び出し量ｅがある程度以上に大きくなると、軸方向推力が小さくなり、ほぼ０となる。図９では、軸方向推力の平均値を破線で示している。そこで、好ましくは、永久磁石４３の飛び出し量ｅの最大値を、軸方向推力の脈動の正のピークに対応する飛び出し量に設定する。これによれば、ピストン４０が上死点位置または下死点位置にあるときに、大きな軸方向推力をピストン４０に加えることができる。具体的には、主動作領域からのピストン４０の飛び出し量である、永久磁石４３の飛び出し量に応じて磁石磁束によってピストン４０に加わる吸引力としての軸方向推力を考える。そして、シミュレーションまたは実験から予め得られた軸方向推力の脈動のピークに対応する飛び出し位置に、永久磁石４３の可動領域の外端である一端または他端または両端を最大で飛び出す位置（飛び出し量ｅが最大となる位置）として位置させる。ピストン４０の上死点位置及び下死点位置の一方または両方は、この可動領域の外端位置に応じて設定する。
【００６０】
また、図９の例では、軸方向推力の脈動における複数の正のピークのうち、最大となるピーク（破線枠γ１で囲んだ部分）は、二番目に大きいピーク（破線枠γ２で囲んだ部分）より飛び出し量ｅが小さい側にある。そこで、軸方向推力の大きさと、飛び出し量ｅの大きさとでいずれを優先させるかを適宜決定し、その決定に応じて、γ１、γ２のいずれかのピークを選択する。そして、選択されたピークに応じて、ピストン４０の上死点位置及び下死点位置の一方または両方を設定することができる。なお、飛び出し量ｅをより大きくすることを望む場合には、飛び出し量ｅがより大きい場合に対応する脈動のピークであって、三番目以降で大きいピークに応じて、ピストン４０の上死点位置及び下死点位置の一方または両方を設定してもよい。
【００６１】
このような構成によれば、何らかの原因でピストン４０に異常に大きい力が加わった場合でも、ピストン４０がシリンダ部材２０などの別の部材へ衝突する直前で永久磁石４３の磁気吸引力に基づいて大きい減速力をピストン４０に与えることができる。これにより、ピストン４０の衝突をより効果的に防止できる。
【００６２】
＜別例の構成＞
図１０は、実施形態の発電機の別例を示している図１に対応する図である。図１１は、図１０の構成において、固定子側の永久磁石６０に対し、可動子側の鉄心コア７０が複数の位置に移動する状態を示す模式図である。図１０、図１１に示す別例の発電機１０では、図１から図７Ｂに示した構成において、シリンダ部材２０の側に固定子として永久磁石６０が配置され、ピストン４０の側に鉄心コア７０及び巻線７１（図１１）が配置されている。
【００６３】
具体的には、シリンダ部材２０において、シリンダ２２の大径円筒面Ｓ２の内周面には円筒状の永久磁石６０が固定される。永久磁石６０は、図１１に示すように、内周面においてＮ極及びＳ極が軸方向（図１１の左右方向）に交互に配置される。また、ピストン４０（図１０）の大径部４１の外周面には鉄心コア７０が固定される。鉄心コア７０は、略円筒状であり、図１１に示すように外周面において軸方向に並んだ複数の溝部が形成されている。そして、複数の溝部には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の巻線７１が一端の溝部から順に並んで配置され、それが繰り返される。鉄心コア７０の軸方向長さは永久磁石６０の軸方向長さより大きい。図１０では、鉄心コア７０において溝部及び巻線７１の図示を省略している。
【００６４】
ピストン４０は、アルミニウム等の非磁性金属材料により形成されることが好ましい。ピストン４０の往復移動により、ピストン４０が永久磁石６０に対し軸方向に移動し、これによって巻線７１が永久磁石６０に対し移動する。これにより、誘導起電力が生じて発電機１０が発電する。発電によって得られた電力は、Ｕ，Ｖ，Ｗの各相の巻線７１から外部に取り出され、インバータ等の電力変換装置（図示せず）で直流電力に変換される。
【００６５】
さらに、ピストン４０は、使用時において、図１０、図１１（ａ）に示すように、永久磁石６０が鉄心コア７０の軸方向の一端（図１０、図１１の左端）から軸方向の外側に外れた状態となるように、ピストン４０が移動するように構成される。また、ピストン４０は、使用時において、図１１（ｅ）に示すように、永久磁石６０が鉄心コア７０の軸方向の他端（図１１の右端）から軸方向の外側に外れた状態となるように、ピストン４０が移動するように構成される。より具体的には、ピストン４０は、使用時において、鉄心コア７０の軸方向一端Ｔ１が主動作領域内と、主動作領域から両側に外れた一端側領域及び他端側領域とに移動するように構成される。「一端側領域」は、主動作領域から一端側（図１０、図１１の右端側）に外れる移動領域である。「他端側領域」は、主動作領域から他端側（図１０、図１１の左端側）に外れる移動領域である。
【００６６】
図１１を用いて、主動作領域、一端側領域及び他端側領域を説明する。図１１では、鉄心コア７０の軸方向一端（図１１の左端）が移動可能な最大の範囲を「全ストローク」として定義している。そして全ストロークのうち、中央の範囲を「主動作領域」とし、その上死点側（図１１の右側）に一端側領域を設定し、下死点側（図１１の左側）に他端側領域を設定している。
【００６７】
図１１では、（ａ）から（ｅ）に向かってピストン４０が上死点側から下死点側に移動する場合における鉄心コア７０の複数の位置（（ａ）〜（ｅ））を示している。（ｃ）は、永久磁石６０の軸方向中央と鉄心コア７０の軸方向中央とが軸方向において一致する場合である。そしてこの状態から、鉄心コア７０が上死点側（図１１の右側）に移動した場合には、鉄心コア７０の軸方向一端Ｔ１が永久磁石６０の軸方向一端（図１１の左端）と軸方向において一致した状態（ｂ）となる。さらに（ａ）では、永久磁石６０の軸方向一端が鉄心コア７０の軸方向一端Ｔ１から最大の飛び出し量ｅ飛び出すように、軸方向外側に外れた状態となる。一方、（ｃ）の状態から、鉄心コア７０が下死点側（図１１の左側）に移動した場合を考える。この場合には、（ｄ）において、鉄心コア７０の軸方向他端Ｔ２が永久磁石６０の軸方向他端（図１１の右端）と軸方向において一致した状態（ｄ）となる。そして、（ｅ）で永久磁石６０が鉄心コア７０の軸方向他端から最大の飛び出し量ｅ飛び出すように、軸方向外側に外れた状態となる。
【００６８】
図１１の構成では、（ａ）が一端側領域に永久磁石６０がある場合を示し、（ｂ）〜（ｄ）が主動作領域に永久磁石６０がある場合を示し、（ｅ）が他端側領域に永久磁石６０がある場合を示している。永久磁石６０が主動作領域にあるときには、鉄心コア７０が永久磁石６０の軸方向の全体と軸方向において一致する範囲を含む。永久磁石６０が一端側領域にあるときには、鉄心コア７０が、永久磁石６０の軸方向の全体とは軸方向において一致しないように、永久磁石６０の一端（図１１の左端）に対して軸方向他端側（図１１の右側）に外れる。永久磁石６０が他端側領域にあるときには、鉄心コア７０が、永久磁石６０の軸方向の全体とは軸方向において一致しないように、永久磁石６０の他端（図１１の右端）に対して軸方向一端側（図１１の左側）に外れる。したがって、ピストン４０は、使用時において、永久磁石４３が鉄心コア２７の軸方向一端Ｔ１から軸方向外側に外れた状態と、永久磁石４３が鉄心コア２７の軸方向他端Ｔ２から軸方向外側に外れた状態とに、それぞれなるように移動するように構成される。
【００６９】
図１０、図１１に示す構成の場合も、図１から図７Ｂの構成と同様に、発電機１０の重量、コスト及び損失を低減でき、かつ、ピストン４０に外部から与える復元力を低減できる。その他の構成及び作用は、図１から図７Ｂの構成において、鉄心コア２７及び巻線２８と永久磁石４３とが、シリンダ部材２０側とピストン４０側とにそれぞれ逆に配置された構成と同様である。なお、図１０、図１１の構成において、永久磁石６０が主動作領域及び一端側領域のいずれかに配置されるように鉄心コア７０が移動するが、他端側領域には永久磁石６０が配置されないように構成してもよい。逆に、永久磁石６０が主動作領域及び他端側領域のいずれかに配置されるように鉄心コア７０が移動するが、一端側領域には永久磁石６０が配置されないように構成してもよい。
【００７０】
また、図１０、図１１の構成を、図９を用いて説明した構成を利用した構成と組み合わせてもよい。具体的には、主動作領域からの永久磁石６０の飛び出し量ｅの最大値を、磁石磁束によりピストン４０に加わる軸方向推力の脈動の正のピークに対応する飛び出し量に設定する。このとき、永久磁石６０の飛び出し量ｅに応じて、上記の軸方向推力の脈動のピークに対応する位置に、鉄心コア７０の可動領域の外端である他端Ｔ２または一端Ｔ１または両端を、最大で飛び出す位置として位置させる。より具体的には、鉄心コア７０に対し永久磁石６０が最大で飛び出す位置が上記の脈動のピークに対応する飛び出し量ｅで飛び出した位置となるように、鉄心コア７０の他端Ｔ２または一端Ｔ１または両端を位置させる。ピストン４０の上死点位置及び下死点位置の一方または両方は、上記の可動領域の外端位置に応じて設定する。この構成によれば、ピストン４０の別の部材への衝突をより効果的に防止できる。
【００７１】
上記の図１０、図１１の構成では、鉄心コア７０の軸方向長さが永久磁石６０の軸方向長さより大きい場合を示したが、鉄心コアの軸方向長さが永久磁石の軸方向長さより小さい構成としてもよい。この構成では、図１の構成において、永久磁石と鉄心コア及び巻線を置き換えた構成と同様になり、主動作領域は、鉄心コアが永久磁石の軸方向の全範囲内にある場合となる。また、一端側領域及び他端側領域は、主動作領域から軸方向一端側、他端側にそれぞれ外れた領域となる。このときには、主動作領域ですでに永久磁石が鉄心コアから外れた領域を含む。この構成では、ピストンの移動によって鉄心コアからの永久磁石の飛び出し量が大きくなることにより、鉄心コアが永久磁石に引きつけられるように鉄心コアに吸引力が作用する。これにより、ピストンに外部から与える復元力を低減できる。
【００７２】
上記の各例の構成では、可動子がフリーピストン式発電システムのピストン４０である場合を説明したが、可動子は永久磁石、または鉄心コア及び巻線を含む構成であればよく、可動子が、直線方向に往復移動する動力源に接続される構成としてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０  リニア発電機、２０  シリンダ部材、２１  ヘッド部材、２１ａ  排気口、２２  シリンダ、２３  燃焼室、２４  空気ばね室、２５  排気バルブ、２６  固定子、２６ａ  筒部、２７  鉄心コア、２８ｕ  Ｕ相巻線、２８ｖ  Ｖ相巻線、２８ｗ  Ｗ相巻線、２９  掃気孔、３０  インジェクタ、３１  点火手段、４０  ピストン、４１  大径部、４２  小径部、４３  永久磁石、５０  制御装置、６０  永久磁石、７０  鉄心コア、７１  巻線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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