JPS61503000A - 線形電磁機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ６、前記の往復動素子における永久磁石材料が円筒形胴部の形態をしており、且 つ交互極性の前記の区分が半径方向に極性を与えられている、請求の範囲第１項 又は第２項又は第３項又は第４項に記載の発明。

７、流体力学的流体膜を形成して前記の往復動素子が前記の固定子と接触しない ようにするために前記の往復動素子に一方向のトルクを１１与するための装置を 更に備えている、請求の範囲第６項に記載の発明。

８、前記の各磁化区分がこれの軸線方向寸法に比べて小さい軸方向寸法を持った 遷移領域によって分離されている、請求の範囲第１項又は第３項又は第４項に記 載の発明。

９、環状穴を規定する固定子であって、これの中央領域に少なくとも一つのコイ ルが前記の穴に間して軸方向に且つこれらから半径方向内側に取り１寸けられて いる前記の固定子、交互の半径方向極性の多くの磁性を持った管形永久磁石を備 えた往復動素子、 前記の往復動素子に作用する気体ばねを規定する装置であって、この気体ばねの 実効ばね係数及び前記の往復動素子の質量が共振周波数を規定している前記の気 体ばね規定装置、並びに前記の実効ばね係数を変更して動作周波数の制御を可能 にするための実効ばね係数変更装置、 を備えている電磁機械。

１０、前記の気体ばね規定装置が、 前記の往復動素子の第１の側と流体連通した作動流体室、及び 前記の往復動素子の第２の側と流体連通した反発流体室、を備えている、請求の 範囲第９項に記載の発明。

１１、前記の実効ばね係数変更装置が、　・前記の作動流体室における平均圧力 を変更するための装置、及び 前記の反発流体室における平均圧力を変更するための装置、を備えている、請求 の範囲第１０項に記載の発明。

１２、前記の反発流体室における平均圧力を変更するための前記の装置が、 第１及び第２の反対向きの面のある可動壁面を持ったベローであって、この第１ 面が前記の反発流体室と流体連通していて、前記の壁面の移動により前記の反発 流体室の容積を変えるようになっている前記のベロー、 サーボ制御式プランジャ、 前記のプランジャの面と前記可動壁面の前記の第２面との間の流体容積を規定し て、この流体容積が非圧縮性流体で満たされたときに、前記のプランジャの移動 により前記の可動壁面の対応する移動が生じ、これに対応して前記の反発気体の 容積が変わるようにする装置、並びに 基準周波数と前記の動作周波数との周波数の差を表す信号に応答して前記のプラ ンジャを移動し、その結果前記の動作周波数を前記の１Ｐ５ＩＢ周波数に一致さ せるようにすることのできる装置、 を備えている、請求の範囲第１１項に記載の発明。

１３、固定子を規定する装置、 前記の固定子に取り付けられたコイル、交互の極性の区分のある永久磁石材料を 持った往復動素子であって、前記の固定子に対するこの素子の往復運動により前 記のコイルを通る磁束の周期的反転が生じてこのコイルに交流電圧が誘起される ようになっている前記の往復動素子、磁気抵抗が航記の往復動素子の位置に概し て無関係である比較的低い磁気抵抗の磁路を規定する前記の固定子と関係した磁 束グＪ路装置、 押しのけビス１〜ンを備えたスターリング機関、前記の押しのけピストンの第１ の側及び前記の往復動素子の第１の側と流体連通した作動流体室を規定する装置 、前記の往復動素子の第２の側と流体連通した反発流体室を規定する装置、 前記の往復動素子に作用する気体ばねを規定する前記の作動流体室及び前記の反 発流体室、 共振周波数を規定する前記の気体ばねの実効ばね係数及び前記の往復動素子の質 量、 前記の交流電圧と標準交流電圧との間の位相及び周波数間係更して動作周波数の 制御を可能にするための実効ばね係数変更装置、並びに 交流電圧出力を発生するための装置の電圧出力に応答して前記のスターリング機 関押しのけピストンの可変減衰を与えることができ、 その結果前記の押しのけピストンの行程を変えて前記の電圧出力の電圧安定化を 維持することができるようにする減衰付与装置、 を備えている、前記の交流電圧出力を発生するための装置。

１４、前記の実効ばね係数変更装置が、前記の作動流体室における平均圧力を変 更するための装置、及び 前記の反発流体室における平均圧力を変更するための装置、を備えている、請求 の範囲第１３項に記載の発明。

１５、前記の減衰付与装置が、 第２の固定子を規定する装置、 前記の第２の固定子に巻かれた第２コイル、交互の極性の区分のある永久磁石材 料を持った第２往復動素子であって、前記の押しのけピストンに堅く結合されて いて前記の第２固定子に対する前記の押しのけピストンの往復運動により前記の 第２コイルを通る磁束の周期的反転が生じてこのコイルに交流電圧が誘起される ようになっている前記の第２往復動素子、及び 前記の第２コイルを制御された負荷に結合してこの第２コイルを通じ可変Ｔ、流 が引き出されるようにするための装置、を備えている、請求の範囲第１３項に記 載の発明。

１６、中央段付き部分において結合された第１及び第２の平行な条片部分を備え た導電材料からなる概してＺ形の薄板であって、この薄板が巻かれていない状態 にあるときに互いに遠く雛れているそれぞれの第１及び第２端部まで前記の条片 部分が延びており、且つ前記の条片部分がこれの一つのものの幅よりもわずかに 大きい距離だけずれている前記の概してＺ形の薄板、前記の両条片部分が反対向 きに巻かれて前記の第１及び第２の端部が前記の薄板からなるはく巻きコイルの 半径方向最外領域にあり、従って前記の第１端部から前記の第２端部へ流れる電 流が、前記の第１条片部分に沿って流れるときには半径方向内側へらせん状に進 み、且つ又前記の第２条片部分に沿って流れるときには半径方向外側へらせん状 に進み、この半径方向内側及び半径方向外側の流れが同じ角度方向を持っている ような前記の両条片部分、 からなっているはく巻きコイル。

１７、前記の両条片部分が概して円形状に巻かれてほぼ円筒対称性を持ったコイ ルを規定している、請求の範囲第１４項に記載の発明。

１８、前記の両端部にそれぞれの曲がり部が形成されて第１及び第２の接続耳部 を与えている、請求の範囲第１４項に記載の発明。

１９、前記の第１及び第２の接続耳部が概して互いに接近している、請求の範囲 第１８項に記載の発明。

２０　前記の第１及び第２の接続耳部が前記のコイルの対立した側に配置されて いる、請求の範囲第１８項に記載の発明。

２１　三相回路網に結合するための第１、第２及び第３の端子を規定する装置、 前記のインダクタを前記の第１端子と第２端子との間に結合する装置、 前記のコンデンサを前記の第２端子と第３端子との間に結きする装置、 単一の電磁機械を前記の第３端子と第１端子との間に結合する装置、 を備えている、単一の電磁機械を三相回路網に結合するための回路。

２２、前記のコンデンサ及びインダクタがそれぞれ前記の電磁Ｏｉ械の電力定格 の約５３％の電力定格を持つような大きさである、請求の範囲第２１項に記載の 発明。

２３、前記の固定子が所定の中心間間隔においてＮ個の軸方向に整列したコイル を備えており、且つ前記の往復動素子における前記の各区分が前記の所定中心間 間隔の２分の１の間隔で配置されている、請求の範囲第１項又は第２項に記載の 発明。

明　細　書 ｄ連 世韮 この発明は一般に、機械エネルギーを電気エネルギーに又はその逆に変換する電 磁機械に、更に詳しくは線形（リニア）電磁機械に関係している。

１乳α１１ 電気エネルギーを機械エネルギーに又は機械エネルギーを電気エネルギーに効率 よく変換することの必要性は十分に確立されているので詳述の必要はない。以下 の説明は機関駆動式同期発電機に関して行なわれるが、同様の一般的考察事項は 電動機に適用されるものと理解略される。

多くの適用例において、ＲＦｉｉｉｉエネルギー人力はディーゼル機関、プレイ ｌ〜ン機関又はスターリング機関におけるピストンのような確実動作の押しのけ 機械的素子によって与えられる。最も普通の同期発電機は、運動学的変換器を利 用して確動押しの寄生摩擦及び寿命を短くする損傷を受けやすく、その種の大抵 の変換器は独立した軸受及び特別に処方された潤滑剤を用いた潤滑装置を必要と する。それゆえ、そのような運動学的変換器の要件は機械に経費、重量及び容積 を加える。

更に、回転機械は比較的重く且つ非効率になりがちである。

たとえば、代表的な１０キロワツトの同期発電機は直径１２インチ、長さ１８イ ンチ、重量約１００ボンドであって、８０％程度の効率を持っている。なるほど 、比較的重量／電力比が低くて比較的効率の高い回転機械は存在するが、このよ うな望ましい特性を示す機械は１００メガワット級の中央発電所用機械でありが ちである。

前述の欠点の幾つかは往復動電磁素子が自由ピストン機関の確動押しのけ素子に 直接接続されている線形形態をも使用することによって除去することができる。

このような線形電磁機械は一般に二つの群れに類別することができる。第一は、 磁界が電機子コイルに対して往復運動をして、これにより周知のヘンリーの誘導 の法則によってコイルに電圧が誘起されるようになっているヘンリー形機械であ る。第二は、ｔｍ子コイルに加えられる磁束が時間と共に周期的に変えられて、 これにより周知のファラデーの誘導の法則によってコイルに電圧が誘起されるよ うになっているファラデー形機械である。従来技術は画形式の機械の例を十分に 持っている。

ヘンリー形機械の代表例は次の米国特許に開示されたものである。

オステンバーブ（Ｏｓｔｅｎｂｅｒｇ）　２３６２１５１マーチン（Ｍａｒｔｉ ｎ）　２８４２６８８デイツキンソ（Ｄ　１ｃｋｉｎｓｏｎ）　２９４４１６０ スタウダー（Ｓ　ｔａｕｄｅｒ）　３０２４３７４カツトコスキ（Ｃｕｔｋｏｓ ｋｙ）　３４６５１６１フアラデー形ａ械の代表例は次の米国特許に記載された ものでクリスチアン（Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ）　２９２８９５９シュミット（Ｓｃ ｂｍｉｄＬ）タト　２９９２３４２ワイソツキ（Ｗｙｓｏｃｋｉ）　３０９４６ ３５ジエイムズ（Ｊａｍｅｓ）　、ｆＩ−３１０５１５３ドーズ（Ｄａｍｅｓ） 　３２０６６０９コルゲイト（ＣｏｌＦｉａｔｅ）　３２３４３９５モンブチ（ Ｍｏｎｔｐｅｔｉｔ）　４ト３４４３１１１ウイルズ（Ｗｉｌｌｓ）　３６２９ ５９５しかしながら、運動学的変換器の除去は前述の問題のうちの幾つかと克服 するが、従来技術の線形（リニア）同期発電機の電圧出力はその種の機械をある 用途には不適当なものにする。更に詳細には、電力送電線網に接続されるべき交 流電力発生装置は精密に制御された周波数及び位相でほぼ純粋な正弦波を提供し なければならない。従来技術のファラデー形機械は、ヘンリー形Ｉｌｌ械よりも 構成するのが簡単になる傾向があるが、著しいコギング作用を受けやすい可変磁 気抵抗病械である。そのために自由ピストン機関で制御するのが非常に困難であ り、従って正弦波出力電圧は実際上達成不可能である。

免−Δｉ法 この発明は、従来中央発電所機械においてのみ達成可能であった高い効率及び低 い重ＪｊＬ／電力比を小形装置でも持つような線形（リニア〉電磁機械を幹キ提 供する。例示的実施例では、この発明による１１．２５キロワツトの機械は約２ ５ボンドの重量であって、９８％の効率である。更に、この発明の同期発電機の 実施例からの出力波形はほぼ純粋に正弦波であり、且一定の周波数及び電圧を維 持するように制御させ得る。

概略的には、この発明は電磁気抵抗ファラデー形機械である。

高効率及び低重量は、往復動素子がピストンからなって０てそれに交互の半径方 向極性の多数の磁極を持った管形永久磁石が取り付けられている幾何型的形態の 使用によって達成される。

永久磁石は半径方向内側の固定子コイルに対して往復運動をし、これによりコイ ルに加えられる磁束を周期的に反転させて正弦波出力電圧を誘起させる。往復動 永久磁石の使用はコイルが動かされるとした場合よりも軽い重量を提供し、且つ 可動コイルが低い透磁率を呈するであろうからより低い磁気抵抗を提供する。適 当な電力レベルを達成するためには、可動コイル設計のものでは大きい磁束結合 をン必要とすることになろうが、これはより多くの永久磁石材料を与えることに よって又は往復動素子に鉄の歯をｌ加えて磁気抵抗を減少させることによって達 成することができよう。コイルを永久磁石往復動機構の半径方向内側に配置する と、同じコイルの巻数を与えるのにコイルの銅がより少なくて済むので効率が大 きくなる。従って、所与の電流密度に対して抵抗性熱損失が少なくなる。

この発明の更なる態様によれば、トルク付与装置は永久磁石往復動機槽に一方向 のトルクをγ与えてそれの回転を維持する。

これにより流体力学的流体膜が生じて磁石は壁面に接触することなく固定子穴に 浮かぶようになる。トルク付与装置は電気的なもの（トルク付与用コイル）又は 機械的ならのくピストン上のタービン羽根）でよい。

この発明の更なる態様によれば、永久磁石は電気的周波数と同期した減衰した共 振周波数で往復運動をする。同期発電機の実施例では、活動流体圧力変動がピス トンの一方の面に作用し、且つ反発流体（気体ばね）が反対の面に作用する０反 発気体及び作動流体によって発生されるばね効果並びに磁石／ピストン往復動機 構の買置は特性固有周波数を持ったばね一質量系を規定する。この系は、反発気 体及び作動流体の平均圧力を変えて周波数を制御するためのサーボ制御式ベロー のような装置を含んでいる。これは周波数の非常に精密な制御を可能にし、ベロ ーの圧力インパルス作用を用いて周波数な瞬時的に変えることができ、従って固 定周波数標準に対する電気的出力の位相偏移が生じる。それゆえ、同期発電機の 電気的出力を調整して電力送電線網に位相同期させることができる。

この系の周波数は、負荷の変化に応答して反発室の容積を変えるように動作する 第２のサーボ制御式ベローを設けることによって負荷に実質上無関係にすること ができる。これは往復動永久磁石に作用する負荷依存性の誘導性ばね力を補償す る。機械的共振振動を固定周波数に維持するために、反発気体のばね係数は負荷 （電流）の増大につれて減少される。

永久磁石の行程はピストンヘッドに作用する圧力装置における負荷によって決定 される。自由ピストン機関駆動式同期発電機の場合には、永久磁石の行程は燃料 の燃焼又は機関の性質に依存する押しのけ素子の位相角を制御することによって 変えることができる。このようにして、電圧出力は所望の一定レベルに維持する ことができる。

この発明は更に、二つ以上の往復動永久磁石を同期されてそれらの各出力は同相 にするか又は多相の電気的動作を可能にするような位相間隔にする方法を提供す る。更に、この発明の単相機械を三相負荷に接続するための回路網が開示されて いる。

この発明の性質及び利点の更なる理解のためには、この明細書の残りの部分及び 添付の図面を参照するべきである。

１１Ｌへｉ乳ｒＩ吸 第１図はこの発明による線形同期発電機及び制御システムの概略図であり、 第２図Ａ及び第２図Ｂはこの線形同期発電機に関する電気的な概略図及び位相図 であり、 第２図Ｃは無効電圧低下の関数としての端子電圧の曲線図であり、 第３図は同期発電機固定子の斜め投影断面図であり、第４図は同期発電機往復動 機構の斜め投影断面図であり、第５図Ａないし第５図Ｃは線形同期発電機の磁気 回路を例示する断面図であり、 第５図りは往復動機構の線形位置の関数としてのコイルを通る曲線図であり、 第６図Ａ及び第６図Ｂは往復動機構に回転を付与するための機構を例示しており 、 第７図Ａ及び第７図Ｂははく巻きコイルのための好適な形態を示ｌしており、 第８図は平均圧力の関数としての周波数の曲線図であり、第９図は誘導性ばね力 の関数としての抗力の曲線図であり、第１０１０１ｌないし第１０図Ｃはピスト ン位置の関数としての実効ばね力の直線性を例示する曲線図であり、第１１図は 多数の同期発電機を位相同期させるための回路の概略図であり、又 第１２図は三相回路網に接続するための回路の概略図である。

光訓トλ詳」シｌ朋− 動作の　観　び−０・　、理 第１図は駆動及び制御装置と関連した線形同期発電ＩＲ５を含むシステム２の概 略図である。その最も大まかな見方では、同期発電機５は永久磁石往復動機構１ ０を備えており、この往復動機構は固定子取付式電機子（アーマチュア）コイル １２ａ及び１２ｂに対して線形に振動して一組の出力端子１５に正弦波出力電圧 を発生する。往復動機構１０には冠部１６があって、これは任意の好都合な圧力 変動源１８によって圧力変動が与えられて作動流体空間１７において作動流体に よって作用を及ぼされる。例示的なシステムでは、これは自由ピストンスクーリ ング機関の押のけピストン２０でよい。典型的には、機械的不平衡を避けるため に単一の機関が二つの同一の同期発電機を反対位相で駆動することになろう。

１を動流体空間１７内の作動流体はピストン冠部１６の一方の面に作用し、又反 発室２２内の反発気体は反対の面に作用する。

以下において更に詳細に述べられるように、動作周波数は、作動流体内の平均圧 力を制御する第１サーボ制御式ベロー２５と反発室２２の容積及び反発気体の平 均圧力を制御する第２サーボ制御式ベロー２７とによって制御される。更に、行 程は押しのけ反発室２つの容積を制御する第３サーボ制御式ベロー２８によって 制御される。

同期発電機５の正確な幾何学的形態を説明する前に、電気約諾特性を述べよう。

線形往復動電磁機械は通常の回転電気ｌｌ！械に極めて顕似しており、これに対 しては多くの理論及び試験結果が存在する。線形機械と回転機構との主要な差異 は磁気回路の形状、それの損失に及ぼす影響、リアクタンス、及び磁束漏れであ る。これらの差異は第１図に示されるような同期発電機の実施例を考察すること によって最もよく例証されるであろう。

そして、以下において詳細に論じられるように、この発明の設計は電動機にも等 しく適用可能である。

すべての同期発電機は理論的な場合には正弦波形である交流電圧を発生する。電 圧Ｅは機械のコイルをとおる磁束の変化ｄφ／ｄｔによって発生され、磁束の変 化から生じる電圧は次の周知のファラデーの式からめられる。

ｌｔ 但し、Ｎ＝コイルの巻線 正弦波電圧に対しては正弦的磁束変化が要求される。

回転機械においてはコイルが、角位置に関して変化する磁束密度を持った磁界中 で回転する。それゆえ、通過磁束の変化は次の式から得られる。

Ｌｄｅｄｔ −ｉ的には、回転速度が一定であって、角位置に関する磁束の変化ができるだけ 正弦波に近づくように設計されている。

線形同期発電機については、コイル又は他の可動部分の運動は振動的であり、通 過磁束の変化は次の式がら得られる。

ｄφ ｍ＝線形位置に関する磁束の変化 ｄ× 正弦波電圧波形及び正弦的変位のためには、線形位置に関する磁束の変化が一定 でなければならない、すなわち磁束φが変位対応する外れによって補償すること ができる。

第２図Ａは線形同期発電機に対する簡単化された等価回路を示している。同期発 電機は電機子コイル１２のリアクタンスＸｃｏｉｌと直列に出方電圧Ｅ。を待っ た理想的電圧発生器３ｏがらなっている。抵抗Ｒ１ｏａｄ　によって特徴づけら れた抵抗性負荷３５は出力端子１５の間に接続されている。無負荷電圧は上の式 １及び３がらもとめられるが、負荷によって電流が引き出されると、電機子コイ ル１２を流れるその電流は永久磁石の磁束に対抗するように作用する逆起磁力（ ｍｍｆ）を発生する。この逆ＩＩＩＩＩＩｆは負荷の性質に依存する永久磁石に 対する位相間係を持っている。純抵抗性の負荷に対しては、電流は電圧と同相で あり且つ逆ｍｗｒｆは永久磁束ｍｍｆと９０’を越える位相外れになっている（ 位相角は９０＋δである）。電機子電流は通常磁束の減少及びこれに対応する電 圧の減少を生じさせる。

第２図Ｂは一般化された負荷に対して電機子電流によって引き起こされる電圧変 化を図示した位相図である。端子電圧Ｅ。

及び無負荷発電機電圧Ｅ。は電力角δだけ位相外れになっており、又電流工は位 相角θだけ位相外れになっているが、この位相角θは純抵抗性負荷に対しては零 である。

合成磁束変化は運動による変動と電機子電流によるものとのベクトル相である。

電機子電流は純抵抗性負荷に対しては電機子電圧と同相である。この電流の無効 分は負荷の性質に応じて電圧に先行したりする。誘導性負荷に対しては電流は遅 れ、容では、電機子電流によって発生された磁束は端子電圧の減少を生じさせる 電圧ベクトルを生じることになり、従って電機子電流が増大するにつれて端子電 圧が減少する。所与の周波数に対しては行程が増大すると電圧Ｅ。が増大するこ とが理解されるであろう。

第２図Ｃは無効電圧低下に対する端子電圧の大きさの曲線図を示している。この 曲線図は半径Ｅ。を待った４分の１の円である。負荷の抵抗を変えることによっ て、電力角を変えて負荷に供給される電力を極大にすることができる。ピーク電 力点は４５°の；方角に対して発生するが、この電力角における私力電圧及び電 力はＥ６°及び１．、°と命名される。注記しておくが、Ｅ４５°＝Ｅ　′（２ である。Ｉｔｓｏより大きい電流をＧ／ 引き出す抵抗性負荷に対しては電圧が電流増大よりも速く低下するので電力は最 大電力より小さくなる。同期発電機は゛電流が■１．°よりも小さい領域におい て動作することが望ましい。この動作範囲の電流に対しては、電圧はＥ４５°と Ｅｏとの間で変化する。電圧の二の変ｆヒは、電圧ｔ　Ｅ　ｏより低いレベルに 保つように可変行程（以下を９照）を設けることによって避けることができる。

過負荷容量が通常必要とされるので、定格電力は最大値よりも低いレベルに設定 するべきである。この条件は４５゜よりも小さい電力角δにおいてしめされてお り、動作点は電流Ｉ　及び端子電圧ＥＲによって指定されている。良好な変動率 を達成するためには、可変行程を使用して、ＩＲまで引き出すの７０．７％〜１ ００％）で変化させて、次の全行程を維持しながら過負荷状態下で変動率の劣化 を許容することによって電圧を全負荷範囲（零ないし最大電力）においてＥｌ、 °に維持してもよい８ 肌び具体的設計考察事項 式１及び３に示されたように、磁束対変位曲線の傾斜は同期発電機５の無負荷電 圧を決定するための主要な要因である。コイルを通る最大永久磁石磁束は次のよ うに表現することができる。

φｍ＝　Ｆ　ＩＡ　Ｂ　（４） ここで、φＭ＝最大磁束［マンクスウエル］　゛Ａ−磁極面債［Ｃ川す Ｂ−誘導［ガウスコ Ｆｚ　＝−無次元の漏れ係数 以下において採択実施例に閃して見られるように、中間行程（ｍｉｄｓｔｒｏｋ ｅ）位置における最大傾斜は、はぼによってあたえられる、但し、×−＝最大変 位。係数１．３３はこの実施例に対する幾何学的形状である。別の幾何学的形状 の場合はこの係数は異なった値になるであろう、正弦波振動に対しては、中間行 程における速度は によってあたえられる。但し、ｒ＝捩振動周波数ｒｗｓ　電圧は式１．３．４． ５及び６を組み合わせることによって決定され得て、次のようにあたえられる。

電機子電流によって引き起こされる電圧変化は第２図Ａないし第２図Ｃに関連し て論述された。電機子電流による電圧分に対する関係はこの電流によって引き起 こされる磁束変化に関する式でもとめることができる。やはりφと命名されたこ の磁束は次のように与えられる。

ここで、ノｌ−に東透磁率 Ｆｓ＝無次元の電機子磁束フ帰・ジ係数り一磁石を通る経路長 ｌ ｍ＝電機子電流の時間的変化率 ｔ 電流の正弦酌交（ヒに対しては、 屯し、１ｏ−＝電流振動幅 誘導電圧のｒｍｓ値は次のようである。

最大電力がＥ　ｉ−Ｅ　ａ　／　Ｉ　２に対して生じることを思い出して、ピー ク電力におけるＩｏの値は式７および９がらめられ、そして丁のｒ□３値は ることに注目して、最大電力は であたえられる。

このように、永久磁石線形同期発電機に対しては、最大電力は周波数、永久磁石 材料の容積、及び磁石材料のＢＨ積に正比例している。最大電力は漏れ係数の二 乗に比例するので、磁束漏れは電力を大いに減少させることになる。例えば、２ ０％の漏れ（ＦＩ＝０．８０）は理想的な漏れないものに対して３６％最大電力 を減少させることになるであろう。明らかに、漏れの小さい設計形態のものが望 まれるが、その理由はそのような設計のものは永久磁石材料を一層有効に利用し 且つ所与の電力に対して必要とする永久磁石材料の量を低減させるからである。

漏れ磁束は所与の永久磁石容積に対して厚い磁石形郭のものよりも大きい磁極面 績を与える薄い磁石を備えた設計のものを使用することによって減少させられる 。鉄心断面積を十分に大きくして磁束密度を飽和よりも十分小さくしても磁束漏 れは減少する。

以下で見られるように、この発明の形態はこれらの利点を達成第３図は符号４０ で総括的に示された固定子（ステータ）に対する採択された幾何学的形態を図解 した斜め投影断面図である。

固定子４０は、外側向筒形壁部４１、コイル１２ａ及び１２ｂを備えた中央部分 ４２、並びに環状端壁４３を備えている。固定子部分４１及び４２は（以下で説 明されるはずの）管形永久磁石の往復運動に便宜を与える環状穴４４を規定して いる。固定子端壁４３は円筒形ベローハウジング４５を保持しており、このハウ ジングにはベロー２７が収容されている。ベロー２７の外側にあるベローハウジ ング内部の領域は反発室２２の一部分を形成している。ベローハウジング４５に は固定子端壁４３の近くに放射状の通路４６が形成されていて穴４４とベローハ ウジング４５の内部との間は流体的に連通している。

コイル１２ａ及び１２ｂは各鉄心素子４８ａ及び４８ｂにおける包囲部内に銅は く巻きのコイルである。鉄心素子４８ａ及び４８ｂはそれぞれ各はく巻きコイル を収容する分割構造のものである。採択されたコイル形態は以下において説明さ れる。鉄心素子は必要でない鉄の量を最小限にするような形状にされていて、絶 縁性スペーサ５０によって分離されている。中空のチタン製締付ボルト５２は鉄 素子及びスペーサをベローハウジング４５にこれと同軸になるように堅く保持し て固定子中央部分４２を規定している。外側固定子部分４１は各コイルに対向し て鉄製磁束帰路素子５７ａ及び５７ｂを支えている。鉄心素子及び磁束・ｊ着路 素子はテーバの付いた打抜式けい素鋼薄板からなる積層ｉｌｌ造のものである。

この構造は変圧器のものと類似である。

固定子部分４１及び４３並びにスペーサ５０はファイバガラス又はマイカータ（ Ｍｉｃａｒｔａ）のような任意の非磁性構造材料で作られている。

第４図は往復動機構１０の斜め投影断面図である。往復動機構１０はピストン冠 部１６に同軸的に取り付けられ且つ環状穴４４内で往復運動をするような大きさ を持った管形永久磁石７０からなっている。磁石７０は交互の半径方向の極性の 五つの磁気区分７０ａ〜７０ｅに分割されていて、各区分の軸方向の長さは中心 間区分間隔が中心間コイル間隔の２分の１であるようになっている。往復動機構 １０が環状穴４４内に正しく配置されたときには反発室２２が形成される。反発 室は、磁石区分７０ａと固定子端壁４３との間の穴４４の部分、ピストン冠部１ ６と鉄心４８ｂとの間の領域、締付ボルト５２の中空領域、及びベロー２７によ って占拠された領域を除くベローハウジング４５の内部によって規定される６作 動流体空間１７における作動流体は一服的に反発室２２内の反発流体と同じもの であるが、その場合には管形磁石７０の外面と固定子外側部分４１の内面との間 の狭いすきまがガスシールを形成している。

第５図Ａないし第５図Ｃは前述の形態の磁束結合特性を概略的断面図で図解して いる。概略的には、永久磁石ｍｍｆは鉄心素子及び磁束帰路素子によって規定さ れた磁気回路は往復動機構が移動するにつれて変化するような方法で結合してい る。

第５図Ａは最も左の（下死点）位置にある往復動機構１０を介しており、この位 置では磁石区分７０ａが磁気回路から完全に離脱している。磁石区分７０ｂ及び ７０ｃは鉄心素子４８ａ及び磁束帰路素子５７ａと共働して、コイル１２ａを完 全に包囲する低磁気抵抗磁束路８０を形成しており、又磁石区分７０ｄ及び７０ ｅは同様に鉄心素子４８ｂ及び磁束帰路素子５７ｂと共働しこの位置では磁石区 分７０ｂ及び７０ｄがコイル中央部に直接向かい合っている。この位置では低磁 気抵抗磁束路８２はコイル１２ａを包囲していない。

第５１図Ｃは最も右の（上死点）位置にある往復動機構をしめしており、この位 置では区分７０ｅが磁気回路から荒脱している。

区分７０ｂは鉄心素子４８ａ及び磁束帰路素子５７ａと共働して、コイル１２ａ を包囲する低磁気抵抗磁束２８８３を形成しており、又区分７０ｃ及び７０ｄは 同様に鉄心素子４８ｂ及び磁束帰路素子５７ｂと共働している。しかしながら、 磁束の方向は第５図Ａの位置におけるものとははんたいである。

第５図りは往復動機構の位置の間数としてコイルを通る磁束の曲線図である。見 られるように、この磁束曲線は中央領域において高度に線形であるが、行程の両 端部では磁束漏れのためにわずかな外れがある。

今度はこの幾何学的形態の基本的な理論的根拠を考えてみることにより、電気的 見地からはコイル１２ａ及び１２ｂを管形磁石７０の半径方向外側に配置するこ ともできるであろうが、そのような形態はより大きいコイルを必要とすることに なろう。

しかしながら、コイルの銅導体における所与の電流密度に対しては、オーム、性 熱損失（抵抗損）は使用された銅の重量に比例する。それゆえ、銅の重量を減少 させる形態は銅の費用を節約するだけでなく、（電流密度が上昇しなければ）損 失をも低減する。

同様に、所与の磁束密度に対して磁気回路の鉄を減少させる形態は重量を減少さ せるだけでなく、鉄心における渦電流損及びヒステリシス損をも低減させる。コ イル及び鉄心素子を管形磁石の半径方向内側に配置することは明らかに物理的に より小さい素子を生じることになる。更に、過大な磁束漏れを生じることなく銅 及び鉄の重量を減少させる設計を達成するためには、磁束路を短くし且つコイル の内接する領域における平均磁束密度を高くすることが必要不可欠である。磁石 円筒体の内側にコイルを備えた形態は外側にコイルのある形態の場合よりもより 高い磁束密度を与える。

それにもかかわらず、管形磁石の外側にコイルを備えた形態は幾つかの利点を持 っている。この形態はテーバの付いた積層構造の必要性をなくし且つ一層好都合 な冷却装置、例えば固定子の外径と接触した外部熱交換器の使用を可能にする。

それゆえ、特定の選択は特定の環境によって決まり、ある情況下では管形磁石の 内側及び外側にコイルを備えた形態が有利であろう。

採択実施例は二つのコイル及び五つの磁石区分を利用している。容易に察知され ることであろうが、一つのコイル及び三つの磁石区分を備えた実施例も作動する であろうけれども、多数のコイル及び磁石区分を備えた実施例はより良い磁石利 用を提供する。一般的には、Ｎ個のコイルに対しては（２Ｎ＋１）個の磁気区分 が存在することになろうが、釣上つを越える磁石区分を持った配列は五つの磁石 区分を備えた採択実施例の利用率を　。

越えて利用率を認められるほどには改善しない。

磁石７０は、セラミックー１０及びコバルト釉上酸化物形永久磁石によって示さ れるような、線形減磁曲線を示す材料で乍ることが望ましい。これらの永久磁石 に対する代表的な比Ｍ１値は６０Ｈｚでの動作の場合セラミック磁石に対しては １．Ｉｂ／ｋｗ及びコバルト希土酸化物磁石に対しては０．３１ｂ／ｋｌＩ＋で ある。

コバルト希土酸化物磁石はこの点では望ましいように思えるであろうけれども、 現在ではセラミック材料よりもかなり高価であるので、低費用のため力セラミッ ク材料が採択されている。

表１はこの発明による比較的小形の装置に対する代表的な寸法及び特性を示して いる。

表　１ 線形同期発電機の諸性性 電圧　２４０ボルト 定格電力　７５００ワ・ソト 最大電力　１１２５０ワラ１〜 行程　１−５インチ 周波数　６０Ｈｚ 永久磁石材料　セラミック１０ 永久磁石厚さ　０６インチ 永久磁石而積／区分　１８．フインチ２永久磁石平均半径　２，２インチ 永久磁石軸方向長さ　７．３５インチ （区分１．３５インチ、遷移区間０．１５インチ）コイル巻線　５２回 重量 永久磁石　１１１ｂ 計　２５１ｂ 損失　定格電力　最大電力 銅損　４０．３Ｗ　１６１．２Ｗ 鉄損　２７．８Ｗ　２７．８Ｗ 計　６８．　１．Ｗ　１８９．ＯＷ 効率　９９％　９８％ 比重量　３．３１ｂ／’に彎　２．２１ｂ／ｋｍ第６図Ａ及び第６図Ｂは往復動 機構１０に一方向のトルクを及ぼすための別の技術を図解している。このトルク を作用させる目的は往復動機構に一方向の回転は付与して流体力学的に流体膜を 発生さぜ、往復動機構が環状穴４４の壁に摩擦接触しないようにすることもでき る。

第６図Ａは固定子取付式トルク発生用導体９０を図示しており、この導体には軸 方向に流れる交流が発生されて往復動ｉ構の運動と同期して流れ且つ永久磁石区 分と相互に作用して所望のトルクを誘起させる６導体９０は望ましくは、固定子 中央部分４２に取り付けられた銅の非常に薄い板からなっており、円周上に中央 母線接続部９２及び円周上に延びた一対の外側母線接続部９５を備えていて、第 １及び第２の導体区分９６ａ及び９６ｂを規定している。中央母線接続部９２は 軸方向にコイル中心に向かい合って配置されている。導体９０は典型的には固定 子中央部分４２の周りに３６０°の角度広がりを持っている。

しかしながら、共通の中央母線接続部と外側母線接続部との間に加えられた電圧 に応答して電流が軸方向に流れることは理解されるはずである。コイル電圧から 得られた交流電圧は母線接、４続部９２と母線接続部９５との間に加えられる。

この電圧はコンデンサ９８を介して加えられる。例えば、往復動機構が第５図Ａ のｔｑ置にあるときに電流が母線接続部９２からばれるように流れているものと 仮定する。往復動機構が第５図Ｃの位置にあるときには電流は中央母線接続部の 方へ流れることになろう。

しかしながら、電流極性のこの１８０°の反転と共にやはり磁石位置の交替が生 じるので、Ｉ−ルクは一方向になる。トルクの大きさは導体９０を流れる電流の 振幅及び位相によって決まる。

調力薄板材料は一最にほんの数ミルの厚さであるので、抵抗が十分に高く、従っ て全コイル電圧を加えることができる。又は、出力電圧から得られた任意の好都 合な電圧を利用することもできる６図示の実施例は往復動機構の半径方向内側に あるトルク発生用導体３利用しているが、管形磁石の半径方向外側ににある１〜 ルク発生用導体を備えた実施例も、もはやこの導体を電機子コイルに直接接続す ることはできないけれども、概して同等に実行可能であることは理解されるはず である。

第６１Ｂはタービン駆動機構を利用して一方向トルクを付与する別の技術を図解 しており、このものではｆヤ動流体を利用してｌ−ルクを付与している。管形磁 石７０と外側固定子部分４１との間のすきまは明確のために幾分誇張されている 。ピストン冠部１６には複数の衝動タービン羽根１０２及び補強用リング１０５ からなる羽根付き羽根車がはめ込まれている。外側固定子壁４１には複数の半径 方向に延びた流体ポー）　１０５．　内部マニホルド１０７．及び作動流体空間 １７の内部と連通した複数の斜めに延びたノズル通路１０８が形成されている。

到来作動流体は流体ポート１０５を通ってマニホルド１０７に流入し、次にノズ ル１０８を通ってタービン羽根１０２に衝突して往復動機構に回転を与える。ノ ズルは上死点の近くでタービ２羽根に接触するように配置されている。

別の方法として、管形磁石に対向した、第６図に示されたオリフィス１１０によ って与えられる流体静力学的流体軸受の使用によって往復動機構を固定子穴に浮 かせてもよい。始動期間中流体力学的作用が永久磁石を浮かし続けるのに十分に なるまでこのオリフィスを通して加圧流体を注入すればよい。

第７図Ａ及び第７図Ｂは銅は（巻きコイル１２ａ及び１２ｂに対する好適な形態 を図示している。第７図Ａはコイルが点線で示された適当な心棒１１８に巻かれ る前のコイル１２ａのための導体を示している。コイル導体は概してＺ形をして いて、条片幅よりわずかに大きい距離だけずらされた平行な条片部分１２０ａ及 び１２０′　を備えている。これらの条片部分は中央の段付き部分１２１ａで接 合されている。条片部分１２０ａ　及び１２０ａ’　の遠端にはそれぞれの接続 耳部１２２ａ及び１２２ａ′が形成されている。中央段付き部分１２１ａはコイ ルの半径方向最内部分を規定しており、これから離れる方向に延びた二つの条片 部分は円筒形の棒面上で反対方向に巻かれている。

コイルが巻かれると、耳部１２２ａ及び１２２’ａ’は半径方向最外コイル面か ら突出してコイルに対する接続点を提供する。

察知されることであろうが、接続耳部１２２ａ及び１２２ａ’の間を流れる電流 はコイルの肉条片部分について同じ方向に流れ、最初は条片部分１２０ａにおい て半径方向内側へらせんを描いて流れ、次に条片部分１２０　ａ’において半径 方向外側へではあるが同じ角度方向にらせんを描いて流れる。

第７図Ｂは巻かれたコイルに対する母線接続部をしめしている。コイル１２ｂに 対しては各素子がアルファベットの指示子ｒｂＪを持っていることを除いて対応 する数字符号が使用されている。各素子部分の長さは、コイルが巻かれたとき、 接続耳部１２２ａ及び１２２ａ　’　が互いにはｇ近接して配置され且つ耳部１ ２２ｂ及び１２２ｂ′がコイル］、２ｂの対立した側に配置されるように運ばれ る。コイル１２８及び１２ｂの直列接続のために、第１の軸方向に延びたｅ線棒 １２７が接続耳部１２２ｂ′に接続され、第２の軸方向に延びた母線棒１２８が 接続耳部１２２ｂと１２２ｂ′との間に接続され、且つ第３の軸方向に延びた０ ：線棒１３０が接続耳部１２２ａに接続されている。鉄心素子４８ａ及び４８ｂ 、スペーサ５０、並びにベローハウジング、１５には母線棒を収容するために適 当な沼が設けられていて、直列接続のコイルを流れるもの以外のすべての電流を 阻止するように適当な電気的絶縁が施されている。

４基聯≠４牢年ミ季淀；ｔ〒響＃庄寓障→弁駐う憂φ４’ＨＬ１．：り１す０ｅ 概略的には、制御システムは多重フィードバックループをそなえていて、主な制 御変数は周波数、出力電圧、及び場合によっては機関温度である。操作変数は機 関平均圧力、反発室２２の容積、及び押しのけ反発室２９の容積、及び押しのけ 減衰率（後述）である、更に、機関への熱入力の単巻又は機関からのパワー出力 も操作変数と考えられるであろう。

反発気体と作動流体、及び往復動機ｆＩＩ１１０の質量によって発生されるばね 効果は特性固有周波数を持ったばね質量システムを規定する。この周波数は往復 動機構の質量を減少させることによって又は反発気体及び作動流体の実効ばね係 数を増大させることによって増大することができる。実際問題として、周波数は 作動及び反発流体の実効ばね係数を変更することによって最も容易に制御される 。これは両流体の平均圧力を変えることによって行なわれるが、往復動機構が装 置の一端又は他端の方への一方向運動を受けるためには両流体は同じ平均圧力を 持つべきであることがわがっている。第８図は交流送電線網に結合するための設 計周波数である６０Ｈｚの近傍における周波数に対する平均圧力の関数としての 振動周波数の曲線図である。

前述のように、作動流体空間１７における平均圧力並びに反発室２２の平均圧力 及び容積はベロー２５及び２７の設定値によって変えることができる。ベロー２ ５の設定値は第１サーボ制陣式プランジャ機構１４０によって制御され、又はベ ロー２７の設定値は第２ザーボ制御式プランジャ［ｉｌ、４２によって制御され る。プランジャ機構１４０及び１４２は、周波数を同期間ｒ系に維持するために 出力端子１５における交流出力と電力送７Ｓ線網のような周波数源５がらの交流 とを監視する適当な周波数詞０１１回路部１４５からの信号によって制御される 。位相は、必要ならばばね係数を瞬間変えて周波数を瞬時変更し、これにより所 望の正味の位相偏移を生じさせることによって偏移させることができる。

往復動機構１０にｆヤ用する気体ばね力の外に、この発明の線形電磁機械は電機 子ＴＬ流と同相で往復動機構に作用する全反動力Ｆｒを示す。一方の成分は同期 発電償と関係した抗力（又はモータ実施例における駆動力）である。他方の成分 は誘導性ばね力である。抗力は内部ｅｍｆど同相であるが、誘導性ばね力は９０ °遅れている。第９図は水平軸上に描かれた誘導性ばね力の関数としての、垂直 軸上に描かれた抗力の曲線図である。固定周波数く線路周波数に整合する）での 共振機械振動を維持するなめに、反発室２２と関係したばね力は負荷（電流）が 増大するにつれて減少させなければならない。これはベロー２７の設定値によっ て決定される反発室２２の容積を変えることによって行なわれる。ベロー２７は 無負荷時には完全に延ばされ、ピーク負荷時には部分的にしぼめられ、又短絡状 態に対しては完全にしぼめられる。別の方法としては、調整可能なキャパシタン スを用いて誘導性ばね力を補することもできるであろう。

前述のように２往復動機構１０の振動が正弦的である程度は位置の関数として総 合実効気体ばね力の線形性によって決定される。第１０図Ａは力対往復動機構位 置の曲線図を示しており、原点はカゼ口及び中間行程にとられている。第１曲線 １５０は、原点を通るように正規化された、室２２における反発気体によって及 ぼされる力を示している。この曲線は非常に非線形的である。第２曲線１５２は 反発気体力及び作動気体力の付加的効果を示しており、この曲線は更に線形に近 づいていて磁束曲線の非線形性を補償する非線形性を持っていることがわかる。

両方の曲線は１．９３１に等しい反発気体及び作動気体の圧力比に対するもので ある。

第１０図Ｂは１サイクルについての作動流体圧力の曲線図である。この曲線は正 弦波形ではなくて、むしろ、サイクルの高圧力部分がサイクルの低圧力よりも短 くなっている。圧力のビー２１６０は無負荷時の往復動機構上死点（最も右の位 置〉に対応し、又圧力曲線の上昇部の点１６２は全負荷時の往復動機構上死点に 対応する。第１０図Ｃは中間負荷に対する合成パワーピストン運動の曲線図であ り、作動流体圧力波形は非常に非正弦的であるけれども、この運動はほとんど正 弦的であることがわかる。

前述のように、所望の動ｆｕ範囲における電圧安定化は往復動機構１０の行程で 制御することによって維持される。この行程は、圧力発生装置、図示の実施例に おいてはスターリング機関の押しのけピストンにおける負荷によって決定される 。既知のように、スターリング機関の動１１Ｅに関しては、パワーピストン、こ の場合には往復動ｆｉｆｌｉｌｏの動作を決定する際に、押しのけピストン運動 の行程及び位相が熱力学上極めて重要である。代表的な機関設計は押しのけピス トン２０の質量及び押しのけ反発室２つの実効ばね率によって決定される、約０ ．９８の押しのけ周波数比によって特徴づけられる。低い熱交換器圧力低下のた めの、減衰比は０゜１より小さく、従って押しのけピストン運動は周波数及び減 衰比の小さい変化に非常に感じやすい。

負荷が減少するにつれて、押しのけピストンの位相角は機関のパワー出力と低下 させるために１８０°の方へ増大するが、ピストン行程は比較的大きいままであ る。このようにして、低いパワーレベルにおいてさえも同期発電機から一定の出 力電圧が得られる。非常に低いパワーレベルにおいては、所望の行程及び位相角 含達成ｒるために少量の負の押しのけピストン減衰が一般に必要である。

周波数は、サーボ制御式プランジャ１ｔｌｉ１７０によって制御されるベロー２ ８の設定値によって決定される、反発室２９の実効ばね率を変えることによって 制御することができる。減衰バラ、メータは、押しのけピストン２０を線形同期 発電機又は電動機に結合し且つそれに接続された電流又は電圧を調整することに よって制御することができる。この押しのけピストン制御式同期発電機又は電動 機は同期発電機５にならって構成することができるが、その場合押しのけピスト ン２０は固定コイル１７５と相互作用をする管形磁石１７２を備えている。これ は同期発電機結合形押しのけピストンとして第１図で概略的に示されている。適 当な行程制御回路部１７７は出力端子１５における電圧を検出して、要求された ようにプランジャ機構１７０の設定値及びコイル１７５における負荷を変更する 。

反発室２２の有効容積は６０Ｈｚ設計周波゛数での動作をする維持するために負 荷の減少と共に減少しなければならない。誘導性ばね定数は負荷と共に減少する ので、ばね定数のこの低下は反発気体の圧力比及びばね定数を増大することによ って対抗させられなければならない。加えて、ピストン行程の減少は非線形気体 動作のために等価的ばね率の小さい減少を生じさせる。

この影響も又反発室容積を変えることによって調整される。又は、誘導性ばね力 は容量性回路の使用によって補償することもできる。

利用可能な広範囲の制御の選択自由性は、システムの過渡的応答が必要な用件に 合うように調整され得ることを示しており、スターリング機関は本来安定である が全システムの安定性及び過渡的応答はフィードバック制御システムによって主 として決定される。特定の制御回路部及びアルゴリズムは技術に通じた者に一般 によく知られている。注記しておくが、個別部品により適当な制御論理回路を実 現することが可能であるけれども、−ｆｉ的にはマイクロプロセッサ制御器が採 択されるであろう。

ある適用例では、多数の同期発電機を、同じ圧力変化源から駆動されるのであろ うとなかろうと、位相同期関係で動作させることが望まれろ。これは第１１図に 示されたように多数の同期発電機（５，５′）の端子を直列に接続し且つ直列結 合の出力端子間にコンデンサ１８０を接続することによって行うことができる。

負荷３５はコンデンサ１８０の両端に接続されている。

コンデンサは直列接続の同期発電機のインダクタンス及び回路の全キャパシタン スが機械系のものに等しい共振周波数を持った共振回路を形成するように選択さ れている。共振回路のインダクタンスが強制的に振動させられるときに発生する エネルギー伝達は周知であり、このエネルギー伝達は往復動用永久磁石のそれぞ れを位相同期させる同期力を発生する。位相同期は種種の同期発電機に対する反 発室を相互に流体通過にしておくことによって一層助成される。

この発明の線形電磁機械は単相装置であるが、これを三相電力回路網との接続に 利用することが可能である。第１の方法は、三つの個別の線形機械を利用して、 このそれぞれを三相回路網の一つの胛部に接続し、前述のような制御ベローを利 用してその周波数を調整制御することにより各機械を１２０°一定の相対的位相 角に保持することである。第２の方法も又、三つの個別の線形機械を使用して、 このそれぞれを三相回路網の一つの脚部に接続し、圧力装置のタイミングにより 周波数を調整することによって各機械を１２０°一定の相対的位相角に保持する ことである。

第１２図は三相回路網に結合されたただ一つの機械を利用した第３の方法を示し ている。この回路網の三つの端子は１９ａ、１９０ｂ、及び１９０ｃで示され、 自由選択の接地点は１９０ｄで示されている。Ｙ結線が図示されているがら、Δ 結線も使用可能であろう。同期発電［５はインダクタンス１９２と直列に接続さ れ、この直列接続の両端にはコンデンサ１９５が接続されている。同期発電ｆｉ ５とインダクタンス１９２との間の共通端子は回路網端子１９０ａに接続され、 又コンデンサ１９５の両端子は回路網端子１９０ｂ及び１９０ｃに接続されてい る。コンデンサ及びインダクタンスはそれぞれ同期発電機の電力定格の約５３％ の電力定格を持つような大きさにされている。この位相出力は二相系統によって 引き出される負荷に無関係に位相同期状態に維持される。このような変成方式は この発明による線形電動ｆｉ（リニアモータ）に対しても使用することができる 。

諺≠潟ぜ 要約すると、この発明ははるかに大きい回転機械のものに匹敵する低い重量／電 力比を持った線形電磁機械のための非常に小形で効率のよい設計を提供すること がわかるであろう。半径方向に磁極の付いた管形磁石往復動機構は周波数、行程 、及び位相を容易に制御することができるようにする減衰した共振周波数で振動 するので、小形の機械でさえも電力回路網への接続に適している。一体的トルク 付与装置は作動又は反発流体を用いて自動軸受を形成して支持及びシーリングを 可能にする方法を提供している。

上記はこの発明の採択実施例の詳細且つ完全な開示を与えているが、この発明の 精神及び範囲から外れることなく種種の変更例、別形の構成及び幾何学的形態、 並ひ゛に笠価物を使用することができる。既に述べたことであるが、同期発電機 の実施例が開示されているけれども、この発明は交流又は直流パルスで給電され るリニアモータに適用される。

加えて、採択実施例は円筒対称性のある管形往復動機構を利用しているが、六角 形のような他の幾何学的形態を使用することができよう。実際、往復動機構は管 形である・必要はなく、平面状でもよいであろう。多数の管形配列棒金入れ子穴 に重ねたり平面状配列体を積み重ねたりしてコイルをイ〉′タリーブしてもよい であろう。

更に、比較的小さい機械に対するパラメータが述べられているが、設計上電力出 力は設計寸法の三乗に比例するので・、同等の重、ｉｔ／電力比が押押の寸法に ついて達成され、一定の効率に対しては寸法の大きいほど重量２・′電力比が小 さくなる。それゆえ、前述の説明は請求の範囲によって規定されるこの発明の範 囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、２Ａ。

ＦＩＧ、２Ｂ。

ＦＩＧ、４゜ ＦＩＧ、５Ａ。

ＦＩＧ、５Ｂ。

ＦＩＧ、５Ｃ。

浄書（内容に変更なし） ＦＩＧ、５θ Ｆ／に、６Ａ、 Ｆ／（９，６Ｂ。

浄書（内容に変更なし） Ｆ／Ｇ、　８．　”５ツメ）ノ 昂告゛（内容に変エユなし） ＦＩ６．　９ 浄店：（内容に変更なし） ＦＩＧ、／Ｉ ＦＩＧ、／２゜ 手続補正書（方式） １、事件の表示 ＰＣＴ／ＵＳ８４１００８８０ ２、発明の名称 線形電磁機械 ３、補正をする者 事件との関係　出　願　人 住所 名　称　ニュー・プロセス・インダストリーズ・国際調査報告

Claims (23)

【特許請求の範囲】
1. １．固定子を規定する装置、 前記の固定子に取り付けられたコイル、交互の極性の区分のある永久磁石材料を 持った往復動素子であって、前記の固定子に対するこの素子の往復運動により前 記のコイルを通る磁束の周期的反転が生じてこのコイルに交流電圧が誘起される ようになっている前記の往復動素子、及び磁気抵抗が前記の往復動素子の位置に 概して無関係である比較的低い磁気抵抗の磁路を規定する前記の固定子と関係し た磁束帰路装置、 を備えている線形電磁機械。
2. ２．固定子を規定する装置、 前記の固定子に取り付けられたコイル、交互の極性の磁化区分のある永久磁石材 料を持った往復動素子であって、前記の固定子に対するこの素子の軸方向におけ る往復運動により前記のコイルを通る磁束の周期的反転が生じてこのコイルに交 流電圧が発生されるようになっており、前記の磁化区分がそれぞれ等しい軸方向 の長さを持っており且つこの長さよりも相当に小さい軸方向の長さを持った遷移 領域によって軸方向に配置されている前記の往復動素子、及び磁気抵抗が前記の 往復動素子の位置に概して無関係である、前記の永久磁石材料の磁化に起因する 磁束線に対する比較的低い磁気抵抗の磁路を与えるための、前記の固定子と関係 した磁束帰路装置、 を備えている線形電磁機械。
3. ３．固定子を規定する装置、 前記の固定子に取り付けられ且つ所定の中心間軸線方向間隔において配置された 複数のコイル、 交互の磁極の磁化区分のある永久磁石材料を持った往復動素子であって、この区 分が前記の所定中心間軸方向間隔の２分の１の間隔で配置されていて、前記の素 子の前記の固定子に対する往復運動により前記のコイルを通る磁束の周期的反転 が生じてこのコイルに交流電圧が誘起されるようになっている前記の往復動素子 、及び 磁気抵抗が前記の往復動素子の位置に概して無関係である、前記の永久磁石材料 の磁化に起因する磁束線に対する比較的低い磁気抵抗の磁路を与えるための、前 記の固定子と関係した磁束帰路装置、 を備えている線形電磁機械。
4. ４．環状穴を規定する固定子、 前記の固定子に取り付けられ且つこれに沿って中心間軸方向間隔において前記の 穴から半径方向内側に配置された複数のコイル、 交互の極性の永久磁化された円筒形区分を持った往復動素子であって、この区分 が前記のコイルの中心間間隔の２分の１の間隔で配置されていて、前記の固定子 に対する前記の往復動素子の軸方向往復運動により前記のコイルを通る磁束の周 期的反転が生じているコイルに交流電圧が誘起されるようになっている前記の往 復動素子、及び 磁気抵抗が前記の往復動素子の位置に概して無関係である、前記の往復動素子の 磁化に起因する磁束線に対する比較的低い磁気抵抗の磁路を与えるための、前記 の固定子と関係した磁束帰路装置、 を備えている線形電磁機械。
5. ５．前記の固定子がＮ個の軸方向に整列したコイルを備えており、且つ前記の往 復動素子が（２Ｎ＋１）個の交互の区分を備えている、請求の範囲第１項又は第 ２項又は第３項又は第４項に記載の発明。
6. ６．前記の往復動素子における永久磁石材料が円筒形胴部の形態をしており、且 つ交互極性の前記の区分が半径方向に極性を与えられている、請求の範囲第１項 又は第２項又は第３項又は策４項に記載の発明。
7. ７．流体力学的流体膜を形成して前記の往復動素子が前記の固定子と接触しない ようにするために前記の往復動素子に一方向のトルクを付与するための装置を更 に備えている、請求の範囲第６項に記載の発明。
8. ８．前記の各磁化区分がこれの軸線方向寸法に比べて小さい軸方向寸法を持った 遷移領域によって分離されている、請求の範囲第１項又は第３項又は第４項に記 載の発明。
9. ９．環状穴を規定する固定子であって、これの中央領域に少なくとも一つのコイ ルが前記の穴に関して軸方向に且つこれらから半径方向内側に取り付けられてい る前記の固定子、交互の半径方両極性の多くの磁性を持った管形永久磁石を備え た往復動素子、 前記の往復動素子に作用する気体ばねを規定する装置であって、この気体ばねの 実効ばね係数及び前記の往復動素子の質量が共振周波数を規定している前記の気 体ばね規定装置、並びに前記の実効ばね係数を変更して動作周波数の制御を可能 にするための実効ばね係数変更装置、 を備えている電磁機械。
10. １０．前記の気体ばね規定装置が、 前記の往復動素子の第１の側と流体連通した作動流体室、及び 前記の往復動素子の第２の側と流体連通した反発流体室、を備えている、請求の 範囲第９項に記載の発明。
11. １１．前記の実効ばね係数変更装置が、前記の作動流体室における平均圧力を変 更するための装置、及び 前記の反発流体室における平均圧力を変更するための装置、を備えている、請求 の範囲第１０項に記載の発明。
12. １２．前記の反発流体室における平均圧力を変更するための前記の装置が、 第１及び第２の反対向きの面のある可動壁面を持ったベローであって、この第１ 面が前記の反発流体室と流体連通していて、前記の壁面の移動により前記の反発 流体室の容積を変えるようになっている前記のベロー、 サーボ制御式プランジャ、 前記のプランジャの面と前記可動壁面の前記の第２面との間の流体容積を規定し て、この流体容積が非圧縮性流体で満たされたときに、前記のプランジャの移動 により前記の可動壁面の対応する移動が生じ、これに対応して前記の反発気体の 容積が変わるようにする装置、並びに 基準周波数と前記の動作周波数との周波数の差を表す信号に応答して前記のプラ ンジャを移動し、その結果前記の動作周波数を前記の基準周波数に一致させるよ うにすることのできる装置、 を備えている、請求の範囲第１１項に記載の発明。
13. １３．固定子を規定する装置、 前記の固定子に取り付けられたコイル、交互の極性の区分のある永久磁石材料を 持った往復動素子であって、前記の固定子に対するこの素子の往復運動により前 記のコイルを通る磁束の周期的反転が生じてこのコイルに交流電圧が誘起される ようになっている前記の往復動素子、磁気抵抗が前記の往復動素子の位置に概し て無関係である比較的低い磁気抵抗の磁路を規定する前記の固定子と関係した磁 束帰路装置、 押しのけピストンを備えたスターリング機関、前記の押しのけピストンの第１の 側及び前記の往復動素子の第１の側と流体連通した作動流体室を規定する装置、 前記の往復動素子の第２の側と流体連通した反発流体室を規定する装置、 前記の往復動素子に作用する気体ばねを規定する前記の作動流体室及び前記の反 発流体室、 共振周波数を規定する前記の気体ばねの実効ばね係数及び前記の往復動素子の質 量、 前記の交流電圧と標準交流電圧との間の位相及び周波数関係を表すフィードバッ ク信号に応答して前記の実効ばね係数を変更して動作周波数の制御を可能にする ための実効ばね係数変更装置、並びに 交流電圧出力を発生するための装置の電圧出力に応答して前記のスターリング機 関押しのけピストンの可変減衰を与えることができ、 その結果前記の押しのけピストンの行程を変えて前記の電圧出力の電圧安定化を 維持することができるようにする減衰付与装置、 を備えている、前記の交流電圧出力を発生するための装置。
14. １４．前記の実効ばね係数変更装置が、前記の作動流体室における平均圧力を変 更するための装置、及び 前記の反発流体室における平均圧力を変更するための装置、を備えている、請求 の範囲第１３項に記載の発明。
15. １５．前記の減衰付与装置が、 第２の固定子を規定する装置、 前記の第２の固定子に巻かれた第２コイル、交互の極性の区分のある永久磁石材 料を持った第２往復動素子であって、前記の押しのけピストンに堅く結合されて いて前記の第２固定子に対する前記の押しのけピストンの往復運動により前記の 第２コイルを通る磁束の周期的反転が生じてこのコイルに交流電圧が誘起される ようになっている前記の第２往復動素子、及び 前記の第２コイルを制御された負荷に結合してこの第２コイルを通じ可変電流が 引き出されるようにするための装置、を備えている、請求の範囲第１３項に記載 の発明。
16. １６．中央段付き部分において結合された第１及び第２の平行な条片部分を備え た導電材料からなる概してＺ形の薄板であって、この薄板が巻かれていない状態 にあるときに互いに遠く離れているそれぞれの第１及び第２端部まで前記の条片 部分が延びており、且つ前記の条片部分がこれの一つのものの幅よりもわずかに 大きい距離だけずれている前記の概してＺ形の薄板、前記の両条片部分が反対向 きに巻かれて前記の第１及び第２の端部が前記の薄板からなるはく巻きコイルの 半径方向最外領域にあり、従って前記の第１端部から前記の第２端部へ流れる電 流が、前記の第１条片部分に沿って流れるときには半径方向内側へらせん状に進 み、且つ又前記の第２条片部分に沿って流れるときには半径方向外側へらせん状 に進み、この半径方向内側及び半径方向外側の流れが同じ角度方向を持っている ような前記の両条片部分、 からなっているはく巻きコイル。
17. １７．前記の両条片部分が概して円形状に巻かれてほぼ円筒対称性を持ったコイ ルを規定している、請求の範囲第１４項に記載の発明。
18. １８．前記の両端部にそれぞれの曲がり部が形成されて第１及び第２の接続耳部 を与えている、請求の範囲第１４項に記載の発明。
19. １９．前記の第１及び第２の接続耳部が概して互いに接近している、請求の範囲 第１８項に記載の発明。
20. ２０．前記の第１及び第２の接続耳部が前記のコイルの対立した側に配置されて いる、請求の範囲第１８項に記載の発明。
21. ２１．三相回路網に結合するための第１、第２及び第３の端子を規定する装置、 コンデンサ、 インダクタ、 前記のインダクタを前記の第１端子と第２端子との間に結合する装置、 前記のコンデンサを前記の第２端子と第３端子との間に結合する装置、 単一の電磁機械を前記の第３端子と第１端子との間に結合する装置、 を備えている、単一の電磁機械を三相回路網に結合するための回路。
22. ２２．前記のコンデンサ及びインダクタがそれぞれ前記の電磁機械の電力定格の 約５３％の電力定格を持つような大きさである、請求の範囲第２１項に記載の発 明。
23. ２３．前記の固定子が所定の中心間間隔においてＮ個の軸方向に整列したコイル を備えており、且つ前記の往復動素子における前記の各区分が前記の所定中心間 間隔の２分の１の間隔で配置されている、請求の範囲第１項又は第２項に記載の 発明。