JP2010518808A - 電池型電動機システム - Google Patents

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Abstract

電池型電動機システムを提供する。その電力源は、自分で発生させた電流を機械動力へと変換する。その際には、ある一組の複合的機能的諸構造を使用する。その好適な実施形態では、電気化学セル、特に周囲の磁界に対して反応する電極を有するものを使用する。その電気化学セルに磁界を加えると、外部にそのまま取り出せる機械出力が発生する。

Description

本発明は電池型電動機システムの改良に関する。より具体的には、本発明は、自分で発生させた電流を機械動力に変換する電力源及びその手段たる一組の機能的複合体に関する。
大抵の可動機械システムの性能はその総重量（質量）及びそれを加減速する動力発生部材の出力に依存している。例えば電動機駆動型車両の場合、電動機から得られる動力とその車両の総重量との関係によってその性能が大きく左右される。そのため、性能評価指標としてパワー対重量比なる数値がしばしば使用される。一般には、そのパワー対重量比が大きいほどそのシステムの性能は高いといえよう。パワー対重量比を向上させる手法は二通りある。第１は駆動用電動機から得られる動力を大きくすることである。動力が大きければそのシステムに固有の慣性をより容易に克服することができる。第２はそのシステムの総重量を削減することである。軽量なシステムであれば小出力の電動機でも容易に加速することができる。
米国特許第７１２９６１４号明細書 米国特許第６９９５４９２号明細書 米国特許第６９８４９１３号明細書 米国特許第６７８７９５１号明細書 米国特許第６７２０１０２号明細書 米国特許第６６７４２０３号明細書 米国特許第６６６４６９３号明細書 米国特許第６２７８２１０号明細書 米国特許第５９２３１０６号明細書 米国特許第５９６５９６５号明細書 米国特許第５１７７３９２号明細書 米国特許第４８９３０４２号明細書 米国特許第４４８４０９７号明細書 米国特許第４３１９１５２号明細書 米国特許第３７５７８４６号明細書 米国特許第４２０１６３５号明細書 米国特許第５２４０５６９号明細書 米国特許出願公開第２００４／００７０３０９号明細書 米国特許出願公開第２００９／００３８４０８号明細書 米国特許第６８３５４９３号明細書
特に、システム総重量の削減を通じ小出力電動機の性能を活かすことは、電動機システム設計者が最先に追求すべき課題である。即ち、商業的な価値が高く様々な分野で使用できるシステムを提供する上で、総重量削減は死活的に重要である。システム重量削減を実現するには、例えば、そのシステムの機能的冗長性を抑えればよい。搭載部材の冗長性をうまく省ける新規技術を開発することができれば、多くの技術分野に多大な利益がもたらされるであろう。
本発明の主たる目的は、上掲の諸問題を克服しシステム総重量を削減するため、基幹機能たる電動機機能及び化学電池機能を一組の機能的複合体で実現する電池型電動機システムを実現することにある。
本発明の他の目的は、そうしたシステムを、自己完結的で自分用のエネルギ源と共に移動するシステム、その内部で電力の発生及び蓄蔵の双方を行えるシステム、内蔵電源又は外部電源で充電できるシステム、電動機兼発電機として機能させうる（純粋な又はハイブリッド型の電動車両で回生制動に使用できる）システム、制御が容易で様々な速度で始動、停止及び稼働可能なシステム、そのフライホイールにエネルギを蓄蔵しうるシステム、高効率、安価且つ取扱容易なシステム等として実現することにある。本発明の他の目的乃至特徴については、後の説明を参照することでご理解頂けるであろう。
ここに、本発明の一実施形態に係る動力システムは、少なくとも一種類の第１方向沿いに磁力線が延びるよう磁界を発生させる磁界発生手段と、少なくとも一種類の電気化学プロセスによって少なくとも一種類の電位を発生させる電気化学エネルギ発生手段と、磁界発生手段で発生させた磁界と鎖交しうる位置のうちいずれかに電気化学エネルギ発生手段を位置決めする位置決め手段と、を備える。本システムでは、磁界発生手段、電気化学エネルギ発生手段及び位置決め手段を、電気化学エネルギ手段で発生する電位に応じた電流が、いずれかの第１方向と略直交する第２方向のうちいずれかに沿って、その電気化学エネルギ発生手段を構成する電極導体手段に流れるよう、また、電気化学エネルギ発生手段の導体電極手段に流れる電流と磁界発生手段で発生させた磁界との鎖交により生じる磁力が、当該いずれかの第１方向及び当該いずれかの第２方向の双方に対し略直交する第３方向に沿って、電気化学エネルギ発生手段に対し作用するよう、そして、電気化学エネルギ発生手段に作用する磁力が機械出力（機械エネルギ乃至機械力）として取り出されるよう、それぞれ配置及び構成する。
本システムでは、その位置決め手段に、磁界発生手段・電気化学エネルギ発生手段間相対運動を許容する可動化手段を設けるのが望ましい。即ち、電気化学エネルギ発生手段に磁界発生手段から磁界のベクトルが作用したとき、その磁界の作用で電気化学エネルギ発生手段が相対運動し、その相対運動によりもたらされる機械出力が取り出されるようにするのが望ましい。その作用、即ち磁界発生手段で発生した磁界とその電極導体手段に流れる電流との鎖交を強化するには、いずれかの電気化学エネルギ発生手段に属する電極導体手段に、その磁界を収束させる磁界収束手段を設けるのが望ましい。可動化手段は、磁界発生手段・電気化学エネルギ発生手段間相対回転運動を許容する可回転化手段とするのが望ましい。この可回転化手段は、電気化学エネルギ発生手段を、その電気化学エネルギ発生手段に磁界を及ぼしている磁界発生手段に対し、且ついずれかの第３方向に対し不平行な１本又は複数本の回転軸を中心に、その磁界の作用による回転トルクで回転運動させる。
本発明の他の実施形態に係る動力システムは、第１方向沿いに磁力線が延びるよう磁界を発生させる磁界源(magnetic field source)と、少なくとも一種類の電気化学プロセスによって電位を発生させる電気化学エネルギ源(electrochemical energy source)と、磁界源で発生させた磁界と鎖交しうる位置のうちいずれかに電気化学エネルギ源を位置決めする位置決め器(positioner)と、を各少なくとも１個備える。本システムでは、個々の磁界源、電気化学エネルギ源及び位置決め器を、各電気化学エネルギ源で発生する電位に応じた電流が、いずれかの磁界源に係る第１方向と略直交する第２方向に沿って、その電気化学エネルギ源の電極乃至電極群に流れるよう、また、各電気化学エネルギ源の電極乃至電極群に流れる電流といずれかの磁界源で発生させた磁界との鎖交により生じる磁力が、その磁界源に係る第１方向及びその電気化学エネルギ源に係る第２方向の双方に対し略直交する第３方向に沿って、その電気化学エネルギ源に対しほぼ直に作用するよう、そして、各電気化学エネルギ源に作用する磁力がそれぞれ機械出力として取り出されるよう、それぞれ配置及び構成する。
本システムでは、その位置決め器を、磁界源・電気化学エネルギ源間相対運動を許容する少なくとも１個の可動化器(motion enabler)として構成するのが望ましい。即ち、その電気化学エネルギ源にいずれかの磁界源から磁界のベクトルが作用するとその磁界源に対しその電気化学エネルギ源が相対運動し、その相対運動によりもたらされる機械出力が取り出されるようにするのが望ましい。その作用、即ちいずれかの磁界源で発生した磁界とその電極に流れる電流との鎖交を増やすには、電気化学エネルギ源の電極のうち１個又は複数個を、その磁界を収束させる磁界収束器(magnetic field concentrator)として機能させればよい。可動化器としては、例えば、磁界源・電気化学エネルギ源間相対回転運動を許容する１個又は複数個の可回転化器(rotator)を用いる。各可回転化器は、対応する電気化学エネルギ源を、その電気化学エネルギ源に磁界を及ぼしている磁界源に対し、且つその電気化学エネルギ源に係る第３方向に対し不平行な１本又は複数本の回転軸を中心に、その磁界の作用による回転トルクで回転運動させる。
本システムでは、その電気化学エネルギ源として電気化学セル(electrochemical cell)又はその集合体を使用することができる。その電気化学セルとしては、例えば、少なくとも一種類の電気化学プロセスを担う少なくとも一種類の電解質と、少なくともいずれかの電解質と導通する電極と、を有し、その電極のうち少なくとも１個が陽極導体(conductive anode)、他の少なくとも１個が陰極導体(conductive cathode)であるものを使用する。そうした電気化学セルでは、電解質における電気化学プロセスで少なくとも一種類の電荷が生じ、その電荷が陽極導体及び陰極導体に流れることとなる。陽極導体や陰極導体は磁性素材又はその組合せで形成するのが望ましい。更に、陽極導体及び陰極導体を、その間に間隙空間が少なくとも１個生じるよう向かい合わせに配置するのが望ましい。その間隙空間に概ね収まるよう電解質の層を形成することで、その電解質を陽極導体・陰極導体間に配置することができる。
本システムでは、更に、その電気化学エネルギ源を、複数個の電気化学セルの集まりにするのが望ましい。その場合、いずれかの電気化学セルの陽極導体とその電気化学セルの隣に位置する別の電気化学セルの陰極導体との対面部位には、その部位で両者間を電気的に絶縁する電気絶縁体を１個又は複数個設けるとよい。更に、複数個ある電気化学セルをその回転軸のうち少なくとも１本を中心にして略放射状に配置することで、ラジアル状電機子(radial armature)を１個又は複数個形成することができる。その場合、磁界源は固定子側に設ける。即ち、そのラジアル状電機子に対し磁界を作用させラジアル状電機子を回転させるように１個又は複数個の固定子を構成する。更に、ラジアル状電機子で発生したトルクを伝達するには、可回転化器に１本又は複数本のドライブシャフトを設け、ラジアル状電機子で発生するトルクをそのシャフトで伝達するようにすればよい。
本システムでは、電気化学セル同士を電気的に接続して１個又は複数個の積層コイル(laminated coil)を形成するのが望ましい。電気化学セル同士は、並列接続回路乃至直列接続回路が１個又は複数個形成されるよう電気的に接続するとよい。更に、磁界源からの磁界と鎖交する電流のレベルは、電流制御回路を１個又は複数個設け、それによって制御すればよい。また、電気化学セルのうち少なくとも１個は、二次電池セル又はその集合体となるよう形成するとよい。その場合、その電流制御回路のうち少なくとも１個に、充電回路を１個又は複数個設けるとよい。そして、その磁界源のうち少なくとも１個は、１個又は複数個の電磁石式磁界発生器又は永久磁石で形成するとよい。
本システムでは、また、電流の流れ方を制御するための整流子を少なくとも１個備える構成にするのが望ましい。その整流子のうち１個又は複数個を、いずれかの磁界と電流との鎖交を調整する調整器(coordinator)として機能させることができる。更に、二次電池セル又はその集合体への充電に使用される少なくとも１個の補助エネルギ源と、その補助エネルギ源によるその二次電池セルの充電に使用される少なくとも１個の接続用外部回路と、を備える構成にするのが望ましい。
本システムでは、更に、そのラジアル状電機子を、それぞれ少なくとも１個の電気化学セルを含む複数個の区画(discrete grouping)に分けることができる。それらの区画のうち少なくとも１個は、例えば、磁界源で発生する磁界と鎖交している状態では機械出力をもたらし、概ね鎖交していない状態では機械出力に代わる少なくとも一種類の非力行的(non-power-producing)機能を提供するよう、構成及び配置する。その非力行的機能のうち少なくとも一種類は、例えば磁界源で発生する磁界と概ね鎖交していない区画のうち少なくとも１個からの放熱である。或いは、磁界源で発生する磁界と概ね鎖交していない区画のうち少なくとも１個への充電である。そして、そのラジアル状電機子に、後に取り出せるよう運動エネルギを蓄えるフライホイールアセンブリを、少なくとも１個設けるようにするとよい。
本発明の他の実施形態に係る方法は、１個又は複数個の巻線型磁気コイル(wound magnetic field coil)を有する回転電機(rotory electric device)で使用され磁性コア(magnetically conductive core)を少なくとも１個有する巻線型磁気コイルを製造する方法であって、導電薄膜電池セル(electrically-conductive thin-film battery cell)を少なくとも１枚準備するステップと、少なくとも１枚の導電薄膜電池セルを少なくとも１個の磁性コアに巻いて磁界発生用電池性コイル(magnetic-field-producing battery-coil)を少なくとも１個形成するステップと、を有する。本方法では、更に、その導電薄膜電池セルとして、少なくとも一種類の電気化学プロセスにより電流を発生させその電流によって磁界発生用電池性コイルに少なくとも一種類の磁界をもたらすものを使用する。本方法では、より好ましくは、その導電薄膜電池セルを、少なくとも１枚の支持基板(supportive substrate)の上に少なくとも１個の陰極集電器(cathode current collector)を配し、少なくとも１個の陰極を陰極集電器のうち少なくとも１個と連携するようその支持基板の上に配し、少なくとも一種類の電気化学プロセスを担う少なくとも一種類の電解質を陰極のうち少なくとも１個と連携するようその支持基板の上に配し、少なくとも１個の陽極を電解質のうち少なくとも一種類と連携するようその支持基板の上に配し、そして少なくとも１個の陽極集電器(anode current collector)を陽極のうち少なくとも１個と連携するようその支持基板の上に配することで形成する。その支持基板は、その最大幅より十分大きな長手方向寸法を有する少なくとも１枚の略可撓性リボンによって形成する。本方法では、好ましくは、その導電薄膜電池セルとして、少なくとも一種類のリチウムベースケミストリに基づくものを使用する。本方法は、好ましくは、少なくとも１個の電機にその磁界発生用電池性コイルを組み込みその電機で機械出力を発生させうるようにするステップを有する。
本発明の他の実施形態に係る電池型電動機システム(combined electric motor-battery system)は、その間に形成されている少なくとも１個のラジアル状空隙を介し電気力学的に連携する固定子及び回転子をそれぞれ少なくとも１個備える。その固定子には、ラジアル状空隙を介し回転子に対面する突磁極を少なくとも１個発生させる固定子磁界源を少なくとも１個設け、回転子には、ラジアル状空隙を介し固定子に対面する突磁極を少なくとも１個発生させる回転子磁界源を少なくとも１個設ける。それら固定子磁界源及び回転子磁界源のうち少なくとも一方には巻線型磁気コイルを少なくとも１個設ける。その巻線型磁気コイルは、少なくとも１個のコアと、少なくとも１個の界磁巻線と、を有する構成とする。その界磁巻線は、少なくとも一種類の電気化学プロセスを通じ電流を発生させるよう構成する。そして、その電流によって巻線型磁気コイルを励振し突磁極を少なくとも１個発生させ、突磁極間電気力学的相互作用を機械出力に変換する。
本システムでは、好ましくは、その界磁巻線で導電薄膜電池セルを少なくとも１枚使用する。その導電薄膜電池セルは、好ましくは、少なくとも１枚の支持基板の上に少なくとも１個の陰極集電器を配し、少なくとも１個の陰極を陰極集電器のうち少なくとも１個と連携するようその支持基板の上に配し、少なくとも一種類の電気化学プロセスを担う少なくとも一種類の電解質を陰極のうち少なくとも１個と連携するようその支持基板の上に配し、少なくとも１個の陽極を電解質のうち少なくとも一種類と連携するようその支持基板の上に配し、そして少なくとも１個の陽極集電器を陽極のうち少なくとも１個と連携するようその支持基板の上に配することで形成する。更に、その支持基板は、その最大幅より十分大きな長手方向寸法を有する少なくとも１枚の略可撓性リボンによって形成するのが望ましい。
本システムは、好ましくは、その巻線型磁気コイルにおける電流の流れ方を動的に制御するために設けられた少なくとも１個の整流子と、その固定子にて少なくとも１個の突磁極が発生するよう固定子側に複数個設けられた上記巻線型磁気コイルと、その回転子にて少なくとも１個の突磁極が発生するよう回転子側に複数個設けられた永久磁石と、を備える。更に、それらの永久磁石を回転子の外縁辺のうち少なくとも一辺に沿って並べ、その回転子を固定子より内側に可回転配置する。その上で、固定子側の巻線型磁気コイルにおける電流の流れ方を動的に制御することで、固定子・回転子間電機子反作用によってその回転子を回転させることができるよう、固定子上及び回転子上に相応の固定子・回転子間位置関係で個々の突磁極を発生させる。また、その導電薄膜電池セルとして、少なくとも一種類のリチウムベースケミストリに基づくものを使用するのが望ましい。
本発明の他の実施形態に係る方法は、その従来型回転電機を構成する少なくとも１個のコアから既存の磁気巻線をほぼ全て取り除くステップと、導電電池セルを少なくとも１個準備するステップと、その従来型回転電機のコアの周りにその導電電池セルを装着することによって磁界発生用電池性コイルを少なくとも１個形成するステップと、を有する。本方法では、その導電電池セルにて、少なくとも一種類の電気化学プロセスにより電流を発生させることができるよう、またその電流を用いその磁界発生用電池性コイル内で少なくとも一種類の磁界を発生させることができるよう、従来型回転電機を電池型電動機に改造することができる。本方法でも、本願で説明又は示唆するあらゆる新規な特徴、構成要素、結合、ステップ乃至手法を採用することができる。
本発明の諸実施形態の基本となる単一セル電池型電動機システムの動作原理を示す図である。 本発明の好適な実施形態に係る電池型電動機システム、特に複数個の電気化学セルを機能的に積層して形成した積層コイルを示す斜視図である。 その積層コイルを略ドーナツ状にしたラジアル状電池型電動機を示す斜視図である。 そのラジアル状電池型電動機にて積層状態で使用されるセル電極板の概略形状例を示す図である。 そのセル電極板のより詳細な装着前形状例を示す斜視図である。 そのセル電極板の装着時形状を示す斜視図である。 そのセル電極板を図３に示したラジアル状電池型電動機の整流子ハブに１枚装着した状態を示す斜視図である。 そのセル電極板を次々と装着して積層状態にすることで図３に示したラジアル状電池型電動機を形成する手法を示す図である。 図３に示したラジアル状電池型電動機を用いた回転子をセル電極板を取り巻く諸層の拡大図と共に示す図である。 導電性を有する整流子バーへのセル電極板の装着手法の例を示す斜視図である。 電気化学セル内に流れる電流の概要を示す図である。 電気化学セル外で電流が順方向に流れる回路状態の概要を示す図である。 電気化学セル外で電流が逆方向に流れる回路状態の概要を示す図である。 ある回路状態における電気化学セル内陽極板陰極板間接続形態の概要を示す図である。 別の回路状態における電気化学セル内陽極板陰極板間接続形態の概要を示す図である。 電気化学セル同士を直列接続する回路の概要を示す図である。 電気化学セル同士を並列接続する回路の概要を示す図である。 ラジアル状電池型電動機内整流子動作の概要を示す図である。 それとは別の状態における整流子動作の概要を示す図である。 ２コイル直列接続型ラジアル状電池型電動機における整流子の概略動作を示す図である。 それとは別の状態における整流子動作の概要を示す図である。 ４コイル型ラジアル状電池型電動機における整流子の概略動作を示す図である。 ２コイル型ラジアル状電池型電動機で形成される磁気回路を示す断面図である。 ４コイル型ラジアル状電池型電動機における整流子内力行動作区画の概略回路構成を示す図である。 同じくその整流子内充電動作区画の概略回路構成を示す図である。 ４コイル型ラジアル状電池型電動機におけるコイル配置の一例を示す端面図である。 本発明の他の実施形態に係るラジアル状電池型電動機を構成する永久磁石型固定子アセンブリを示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係るラジアル状電池型電動機を構成する永久磁石型回転子アセンブリを示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る電池型電動機を構成するフライホイール型蓄力器の概要を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る電池型電動機を構成する電機子、特にその磁界発生用電池性コイルを形成する複巻き巻線の概要を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る回転電機用の磁界発生用電池性コイル、特にそのコイルの磁性コア及びそれに巻かれた少なくとも１枚の導電薄膜電池セルを示す斜視図である。 図３１Ａ中の３１Ｂ−３１Ｂ断面を示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係るラジアル状電池型電動機を示す斜視図である。 そのラジアル状電池型電動機の正面図である。 そのラジアル状電池型電動機の側面図である。 図３３中の３５−３５断面を示す部分破断斜視図である。 図３３中の３６−３６断面を示す断面図である。 そのラジアル状電池型電動機の構成要素を示す分解斜視図である。 図３１Ａに示した磁界発生用電池性コイルの形成方法を示す図である。 従来型の電動機を変形して本発明の好適な実施形態に係る電池型電動機を形成する方法を示す図である。
図１に、本発明の諸実施形態の基本となる単一セル電池型電動機システム１００、即ちその電池型電動機１０２を電気化学セル１個のみで形成したものの動作原理を示す。これから説明する原理は、基幹機能たる電池機能と電動機機能を単一の機能的複合体に統合したコンパクトな電気化学セルを形成し、そのセルを何個か使用して電池型電動機を構成することで、システムサイズの縮小及びシステム総重量の低減を実現する、というものである。以下の諸実施形態に係るシステム１００は、従って、自分で発生させた電力で動力を発生させることが可能でしかも軽量且つ小型である。
一般に、電動機システムの全般的性能、特にその内蔵電源で駆動されるシステムの性能は、そのシステムの総重量（質量）によって大きく左右されるものである。本発明の諸実施形態に係るシステム１００のそもそもの開発企図は、構造上及び機能上の冗長性を排しシステム総重量を削減する点にある。
まず、この電池型電動機１０２は、図示の通りエネルギ源構成単位１０３及び磁界源１０６を備えている。それらの個数は図示例では各１個であるが複数個にすることもできる。エネルギ源構成単位１０３は“少なくとも一種類の電気化学プロセスによって少なくとも一種類の電位を発生させる電気化学エネルギ発生手段”の具体例であり、図示例では電気化学セル１０４によって形成されている。このセル１０４は、ある一種類又は複数種類の電気化学プロセスによって化学エネルギを電気エネルギに直接変換するセルであり、システム稼働中に主たる電気エネルギ源として機能させることができる。更に、図示例のセル１０４は、陽極板１１２，陰極板１１４の二種類がある層状電極１１０と、それら電極板１１２・１１４間にその電極板１１２，１１４と作用するよう設けられた電解質層１０８（複数個設けてもよい）とにより形成されている。電気化学反応を折半分担するので電極板１１２，１１４は金属等の導電素材で形成されており、磁気回路を好適に形成できるよう少なくともその一方の素材は低磁気抵抗素材としてある。
電気化学セル１０４における化学反応は、化学エネルギを電気エネルギへと変換する化学反応、例えば還元／酸化反応のような反応乃至反応群である。この反応で生じた電荷は、層状電極１１０の電解質層接触面とその電解質層１０８との間で輸送されるので、そのセル１０４内に一種類又は複数種類の電流が発生する。即ち、図中の陰極板１１４からセル１０４内を通って陽極板１１２へと電流が流れるよう電位勾配が発生する。
更に、この電気化学セル１０４は、充電して再使用することが可能な二次電池セルとして構成することができる。そのセルケミストリ（セル１０４の根幹をなす化学反応）は様々な種類のセルケミストリのなかから用途に応じて決めることができる。例えば、リチウムイオン、リチウムイオンポリマ、ニッケル金属化水素、ニッケルカドミウム、塩化金属、銀亜鉛等、市販のセルで使用されているセルケミストリのなかから適当なものを使用するとよい。また、その電解質層１０８として、鉛蓄電池のように酸液を用いることも、或いはゲルを浸み込ませた多孔質プラスチックシートを用いることも可能である。そして、本件技術分野で習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）であれば、本願による開示を参照することによって、狙いとする用途や技術進歩といった事情を踏まえ、現状に相応しい他種セル技術を採用すること、例えば燃料電池、大容量ウルトラキャパシタ、スーパーキャパシタ、高エネルギ密度セル等を採用することができよう。
次に、磁界源１０６は磁石によって構成されている。永久磁石も使用することができるが、図示例では、電気化学セル１０４から電流の供給を受けて一種類又は複数種類の磁界（Ｂ）を発生させる電磁石を、その磁界の磁力線が第１方向１１９に沿って延びるよう、また層状電極１１０を通る１個又は複数個の磁気回路上をその磁界が辿ることとなるよう設けてある。
更に、この電池型電動機１０２には、その電気化学セル１０４に流れる電流の向きや大きさ等をはじめとする諸物理現象を制御する制御回路１１６が設けられている（複数個設けてもよい）。この回路１１６を通じた適当な回路接続及び電気的導通により、セル１０４の層状電極１１０に、図示の通り磁界（Ｂ）の向きとほぼ直交する第２方向１１８に沿って電流（Ｉ）を流すことができる。即ち、セル１０４を、“磁界発生手段で発生させた磁界と鎖交しうる位置のうちいずれかに電気化学エネルギ発生手段を位置決めする位置決め手段”の一例たるシステム内物理構造物によって、電流（Ｉ）磁界（Ｂ）間鎖交が生じる位置のうちいずれかに位置決めすることができる。この鎖交が生じると、図示の通り、方向１１８，１１９双方に対しほぼ直交する第３方向１２１に沿って、磁界（Ｂ），電流（Ｉ）に相応する磁力（Ｆ）がセル１０４に作用する。これは、磁界方向と直交する面沿いに電流経路が磁界中を過ぎると、磁界，電流双方の向きに対し直交する向きの磁力が発生する、という既知の物理法則の現れである。なお、電流（Ｉ）や磁界（Ｂ）を複数通り使用し磁力（Ｆ）を複数通り発生させることもできる。
また、層状電極１１０は磁界（Ｂ）を収束させる磁界収束器としても機能する。これは、“磁界発生手段で発生した磁界とその電極導体手段に流れる電流との鎖交を強化すべくいずれかの電気化学エネルギ発生手段に属する電極導体手段にその磁界を収束させる磁界収束手段”の一例である。即ち、電気化学セル１０４は、その層状電極１１０によって、所定の磁路に沿って磁界（Ｂ）を収束させる機能、所定の導通路に沿って電流（Ｉ）を流す機能、並びにセル１０４内電解質層１０８との電気化学反応を担う電極としての機能、という三種類の基本的電気力学機能をいずれも好適に提供している。そして、本システム１００では、独特なことに、電気化学セル構成部材を利用して発生させた機械力をそのまま出力として利用することができる。
これら、図１を参照して概説した諸機能は本発明の基本機能である。実際に本発明を実施する際には、後述の通り、ここで示した電極形状、導通路及び磁界方向を拡張した形態を採ることができる。更に、上述した電池型電動機１０２はセルを１個しか備えていないが、そうした構成でも応分の状況では好適に使用することができる。例えば、小型又は微細なデバイスなら単一セルの機械出力でも十分に駆動することができるので、本発明の基本思想はナノテクノロジ等の諸技術分野に適用することができる。適用すれば、その分野に画期的な前進がもたらされるであろう。また、より大型の装置、例えば電動車両に適用することもできる。その際には、後述の通り複数個のセルを組み合わせてパワー密度が高い装置にすればよい。
図２に、本発明の諸実施形態に係る電池型電動機システムで使用可能な積層コイル１２０の斜視外観を示す。積層コイルとは、複数個の電気化学セルを機能的に積層したもののことであり、図示例のコイル１２０は複数個の電気化学セル１０４を一列に積層した構成を採っている。更に、個々のセル１０４の陽極板１１２と、その隣のセル１０４の陰極板１１４との間は、“いずれかの電気化学セルの陽極導体とその電気化学セルの隣に位置する別の電気化学セルの陰極導体との対面部位に設けられその部位で両者間を電気的に絶縁する電気絶縁体”の一例たる絶縁層１２２によって、電気的に絶縁されている。コイル１２０内の各セル１０４間は、後に図１１を参照して説明する通り電気的に直列又は並列接続することができる。
こうして形成される導電性の積層コイル１２０は、図１に示した構成と同じく次に示す三種類の基本機能を有している。第１に、このコイル１２０は磁界収束器として機能する。第２に、このコイル１２０は電流導通路として機能する。この機能は、大まかには、従来型電動機で電機子（回転子）内磁極生成に使用されている巻線型コイルの機能に相応している。第３に、このコイル１２０は電気化学セル１０４の電極板１１２，１１４としての機能を提供する。このように、複数通りの機能を統合してシステム動作上必要な構造的冗長性を省くことで、本システム１００をベースとする駆動システムのサイズ及び重量を大きく削減することができる。そのサイズ縮小及び重量軽減は容易に達成できる。利用可能分野を含めたシステム性能も、そのサイズ縮小及び重量軽減に伴って向上する。
図３に、その積層コイル１２０を利用した電池型電動機１２６の一例斜視外観を示す。この例の電動機１２６はラジアル型であり、放射線上にコイル１２０を配置し概ねドーナツ状に並べることで形成した電池性電動機コイル１２８を備えている。更に、この電動機１２６ではコイル１２８の側面上に都合複数個の界磁石１３０が装着されている。この界磁石１３０は磁界源として使用されており、その界磁石１３０とコイル１２８との間には、対面部分間の相対的な動きを許容する軸方向間隙がある。ただ、そうした“遊び”はできるだけ小さい方がよい。使用する素材の実際的機械的制約上可能な範囲内であれ、そうした間隙をできるだけ狭くすることで、その磁気回路における界磁磁気抵抗損失を総体的に抑えることができる。また、図中、太い矢印線は界磁石１３０内磁界（Ｂ）の大まかな向きを、電機子１３６の外面に記した細い矢印線はコイル１２８内電流（Ｉ）の大まかな向きを、それぞれ表している。こうした電流がコイル１２８に流れると、その電流は界磁石１３０からの磁界と鎖交する。すると、図中の回転軸１３２を中心とした回転トルクが発生する。そのときの電流の流れ方は、後述の通り、整流回路等を経由し１個又は複数個の制御回路で制御することができる。重要なことは、このコイル１２８が、電動機１２６を稼働させるための電力を発生させる手段兼その電力を蓄蔵する手段として機能することや、こうした構造及び配置のコイル１２８を用い発電機型の電池型電動機システム１００を構成することが可能なことである。そうした発電性の実施形態では、セルに対し機械力を印加すると電流が発生してそのセルに蓄蔵されることとなる。
また、この電池性電動機コイル１２８は、複数個の界磁石１３０からなる固定子状のアセンブリに対する相対運動を許容する可動化器として、即ち“位置決め手段”を構成する“磁界発生手段・電気化学エネルギ発生手段間相対運動を許容する可動化手段”の一種として機能している。更に、このコイル１２８は、回転軸１３２を中心として回転する電機子１３６として、即ち“可動化手段”を構成する“少なくとも１本の回転軸の周りでの磁界発生手段・電気化学エネルギ発生手段間相対回転運動を許容する可回転化手段”の一種として機能している。その軸１３２は、電流・磁界間鎖交により生じる磁力の向き（図１中の第３方向１２１に相当）に対し不平行な向きに延びている。更に、界磁石１３０に都合複数個設けられている磁極シュー１３４は、その界磁石１３０に発する磁界と、コイル１２８上の電流とが鎖交する面積を、拡張する機能を有している。そして、図示の如くコイル１２８上の電流と鎖交する磁界をもたらす磁気回路を、より多数発生させることによって、この電動機１２６におけるパワー密度を高めることができる。
更に、回転軸１３２に対し同軸にドライブシャフトを配置しそのシャフトを電機子１３６と機械的に結合させることにより、システム稼働中にそのシャフト上で発生するトルクを、システム外に取り出し機械軸出力として利用することができる。いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、目的とする用途、技術進歩等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる動き方をする装置、例えばリニア電動機、リニアアクチュエータ等にすることも可能である。このように、電池性電動機コイル１２８は実質的に統合された構造体として構成されており、その構造体によって電力蓄蔵、電力供給及び電気機械パワー変換の諸機能を提供することができる。
図４に、層状電極１１０を構成する電極として使用しうるセル電極板１４０、特にその特殊な形状のあらましを示す。この電極板１４０はラジアル形状の電池型電動機１２６の構成要素となる電極板であり、図示の通り、非導通部１４２を境にほぼ対称に二分されている。即ち、共通の導通部１２７によって２個の電極片１４０Ａ，１４０Ｂをつないだ構成であるので、一方の電極片１４０Ａをある電気化学セル１０４の陽極板１１２、他方の電極片１４０Ｂをその隣のセル１０４の陰極板１１４、導通部１２７をそれらを互いに接続する部材として用い、複数個のセル１０４からなる積層コイル１２０を形成することができる。更に、電極板１４０における電流（Ｉ）の流路は略半円形であり、図中にそのあらましを矢印で示す通り、第１電極片１４０Ａとそれにつながる第２電極片１４０Ｂとでは電流の向きが互いに上下ほぼ逆向きになっている。図３に示した電池性電動機コイル１２８を形成するには、図中の回転軸１３２と交わらない面上にありその軸１３２に対し不平行な（例えば略直交する）線に沿って、磁界と図４中の電流との鎖交による磁力が発生することとなるよう、複数枚の電極板１４０を相応の向きで配置すればよい。
図５に、セル電極板１４０のより詳細な形状例を示す。便宜上、このセル電極板には別の符号１４０’を付してある。この図に示す電極板１４０’は初期状態、即ち本発明の実施形態に係る製造手順に供される前であるためまだ平坦である。また、その厚みはその端部から中央部にかけて徐々に増している。これは、ラジアル型の電池型電動機を形成するには個々の電気化学セルの厚みが端から端まで一定だと不都合で、その中心にくる回転軸１３２に近い方から電機子１３６の外縁部に近い方にかけて厚みが増していく形状の方がよいからである。こうした厚み変化のある電極板１４０’は、原材料のロール加工又は整形によって大量生産することができる。更に、この電極板１４０’は、図示の通り、ほぼ対称形状の二部分をその位置をずらして接いだ形状を有しており、その“接ぎ”の部分（中央部）から見て端部に当たる部位にはそれぞれ端拡幅部１４４、即ちその電極板１４０’を外部の制御回路に電気的に接続するための出っ張りが設けられている。図６に、図５に示した電極板１４０’の装着時斜視外観を示す。この図の状態では、図７に示す整流子ハブ１４６に装着しうるよう電極板１４０’がアーチ状に変形されている。この状態の電極板１４０’に電流を流すと、その流れ方は概ね半円状になる。即ち、図中に矢印で示す通り、一方の端拡幅部１４４から上方に向かい、電極片間をつなぐ導通部１２７’にてその向きがほぼ上下反転し、下方にある他の端拡幅部１４４に向かう、という経路で電流が流れることとなる。
図７に、電池性電動機コイル１２８の整流子ハブ１４６にセル電極板１４０’を１枚装着した状態での斜視外観を示す。各端拡幅部１４４は、電機子１３６における後述の整流動作に相応しい位置にてハブ１４６に装着されている。
図８に、順次装着により積層型の電池性電動機コイル１２８を形成する手順をその斜視外観により示す。この手順でコイル１２８を形成する際には、例えば、セル電極板１４０’をある位置に装着したらその次の位置には電解質層１０８又は絶縁層１２２を装着し、更にその次の位置にはまた別の電極板１４０’を装着する、という段取りを採るとよい。こうして適当な諸層を挟みながら複数枚の電極板１４０’を装着すると、複数個の電気化学セル１０４からなる図２の構造ができあがる。また、電極板１４０’及びそれに随伴させるべき諸層を予め一体にまとめておき、それらを各位置に装着する、という段取りを採ってもよい。このようにすれば、いわゆる当業者にはご理解頂ける通り、装着前にセル１０４が部分的に組み上がっている分、製造が容易になり製造コストが少なくなる。なお、コイル１２８を形成するセル１０４の個数は、その用途に応じ、即ち要求性能、コストその他の設計的条件を充足するよう、定めればよい。
更に、図示例では、電機子１３６を手前側部分と奥手側部分とに二分するよう絶縁ディスク１４８を設け、セル電極板１４０’を構成する手前側電極片の集まりと奥手側電極片の集まりとの間をそのディスク１４８で電気的に絶縁する構成を採っている。そのディスク１４８としては、磁気回路の形成に資するよう、その外面に電気絶縁性素材が被着している鉄製ディスクを使用している。但し、手前側と奥手側のセル間を電気的に絶縁する層は、こうしたディスク１４８に限らず様々な絶縁被覆乃至非導電膜で実現することができる。いずれにせよ、こうして様々な諸層を機械的に結合させ電池性電動機コイル１２８を形成することによって、実質的に均質で電機子１３６の出力軸上に機械力を伝達可能な構造を、形成することができる。
図９に、その電池性電動機コイル１２８を用いて組み上げた電機子１３６の側面を、その積層コイル１２０がどのような諸層で形成されているかを示す拡大図と共に示す。図示の通り、この電機子１３６では、陽極板１１２、電解質層１０８及び陰極板１１４からなる積層構造によって個々の電気化学セル１０４が形成されており、隣接するセル１０４間を適宜絶縁層１２２で分離することによってコイル１２０が形成されている。
なお、電池性電動機コイル１２８を一組の積層コイル１２０で形成するようにしてもよいし、単一のコイル１２８を複数組のコイル１２０で形成するようにしてもよい。コイル１２０を部分的に又は全面的に略固体マトリクスに封入する構成にすれば、回転中に発生する構造力を制御しやすくなる。また、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、目的とする用途、コスト的要因、技術進歩等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる積層構造にすること、例えば非曲線的な電極板を用いることや、触媒、電流調整、放熱等の作用を呈する別の諸層を追加することも可能である。
図１０に、複数枚のセル電極板１４０’を整流子ハブ１４６上に隣り合わせに装着する手法をその部分の斜視外観により示す。この例では、導電性を有する整流子バー１５０をハブ１４６上に設け、そのバー１５０に電極板１４０’の端拡幅部１４４を連結する、という手法を使用している。バー１５０はハブ１４６の外周上に複数個設けられており、それぞれ１枚又は複数枚の電極板１４０’を連結しうるよう構成されている。その役割は、装着された電極板１４０’をラジアル状電池型電動機１２６の整流子アセンブリに電気的に接続することにある。これらのバー１５０に電極板１４０’を連結すると、後述の通りそれらの電極板１４０’は互いに電気的に直列又は並列接続される。また、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、目的とする用途、目標とする使用期間長等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる一体化構造にすること、例えば、その積層コイルを保守可能な形態にしてその着脱やモジュール単位交換を可能にすること、簡便に扱えるタイプの電気的コネクタを使用し保守やコイル交換を容易にすること、回転子を対外封止可能な構造にして層間に液体の電解質を入れること等も可能である。
図１１〜図１３に、ラジアル状電池型電動機１２６における整流原理、特に電流の流れ方の変化の例を模式的に示す。まず、電気化学セル１０４を構成する層状電極１１０には、概ね図１１に示す如き内部電流が流れる。この電流は、電池型電動機システム１００自体に組み込まれている電流源、即ちシステム１００に組み込まれている電池１２６がシステム１００内で発生させた電流であるので、その向きは、整流動作の如何と関わりなく、陰極板１１４から陽極板１１２に向かう図示の向きで一定している。これは、システム１００乃至その電池１２６でいうところの整流が、従来型電動機における整流とは基本的に異なることの現れである。即ち、従来型電動機における整流が、外部電流源における電流方向を変えないで電動機巻線における電流方向を反転させる技術であるのに対して、本システム１００では電流源が外部にあるわけではなく整流による内部電流反転も生じない。
システム１００における整流は、寧ろ、電気化学セル１０４で生じた電流がその接続先の外部回路１５４上に流れるときの向きが、図１２にそのあらましを示す第１回路状態１５２と図１３にそのあらましを示す第２回路状態１５８との間で、切り替わるようにする動作のことである。この動作では、その陽極板１１２の長手方向に沿って電流が流れる向きが、回路１５４につながる回路を閉じるブラシ１５６の位置によって、図示の如く変化する。即ち、図１２に示すブラシ配置ならば陽極板１１２上を上から下へ、また図１３に示すブラシ配置ならば下から上へと電流が流れるので、回路１５４での電流の向きもそれに応じて変わる。
図１４及び図１５に、電気化学セル１０４における陽極板１１２・陰極板１１４間接続形態のあらましを示す。図示の通り、いずれの形態でも導電体１９０が側方に引き出されている。それらの導電体１９０のうち一方は、電池性電動機コイル１２８の手前側（図８参照）に位置する整流子バー１５０から引き出されており、他方は同コイル１２８の奥手側に位置する別のバー１５０から引き出されている。これとは違い、両導電体１９０をコイル１２８の同じ側（手前側でも奥手側でもよい）から引き出し、二段整流子からなるバーに連結するようにしてもよい。いずれにせよ、電流の向きは、図示の通り使用する接続形態によって変わる。
図１６に、電気化学セル間直列接続回路１９２の好適例を示す。この例では、複数個の電気化学セル１０４を互いに直列接続するに当たり、まず直列回路が形成されるように導電体１９０を接続し、その上で個々のセル１０４を整流子バーに連結する。接続するセル１０４の個数は任意に定めることができ、その電流方向も任意に定めることができる。また、図１７に、電気化学セル間並列接続回路１９４の好適例を示す。このように、複数個のセル１０４間の電気的接続形態を様々に定めることができるので、本発明では、発生させる電圧、電流或いは電力を、その用途に応じた様々なレベルにすることができる。
図１８に、整流子ハブ１４６が第１回転位置１６２にあるときの整流子１６０の状態を示す。簡明化のためこの図では大部分の電気化学セル１０４を省略してある。この図にそのあらましを示す通り、ハブ１４６の周縁部には２個の互いに独立な導通部１６７が設けられている。その導通部１６７にはそれぞれ何個かの整流子バー１５０が電気的に接続されており、そのバー１５０にはセル１０４の端拡幅部１４４が装着されている。ブラシ１５６は、図示の通り、その両側からハブ１４６を挟むように配置されている。個々のブラシ１５６は、そのハブ１４６が回転しているときにその表面の導通部１６７に接触して電気的な導通を発生させる。なお、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、目的とする用途等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なるブラシ配置にすること、例えば電子的なブラシ等価物にすること等も可能である。
また、この回転位置１６２では、整流子ハブ１４６上の０°マーク位置と１８０°マーク位置とにブラシ１５６が位置している。外部回路１５４に至る導通路はこれらのブラシ１５６によって形成される。その回路１５４には図示の如き向きに沿って電流が流れる。
図１９に、整流子ハブ１４６が第１回転位置１６２から１８０°回転し第２回転位置１６４になったときの整流子１６０の状態を示す。この図にそのあらましを示すように、ハブ１４６が１８０°回転すると、それまで陽極板１１２がつながっていたブラシ１５６に陰極板１１４がつながる。即ち、電気化学セル１０４側電極とブラシ１５６との関係が陰陽反転するため、外部回路１５４に流れる電流の向きが図示の如く反転する。
更に、図１８及び図１９にそのあらましを示す通り、外部回路１５４は一組の界磁巻線１６６を備えている。装置を稼働させるための磁界を発生させる界磁石１３０（図３参照）を電磁石によって実現する際にはこうした巻線１６６を使用する。また、この回路１５４には、図示の通り、一部の電流を巻線１６６から反らし磁界の強さを調整する電流制御部材１６８が設けられている。この部材１６８によって、回転速度、始動、制止等を速やかに制御することができる。ただ、図示した例は最も単純な例、即ち部材１６８をシンプルな可変抵抗器で実現した例である。実際にこの部材１６８を設ける際には、様々な種類の電流制御部材を使用することができる。即ち、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、目的とする用途、コスト、技術進歩等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる電流制御部材を使用すること、例えばスイッチ、リレー、整流器、パルス幅変調型制御回路、プロセッサ型制御回路等を使用することが可能である。
図２０に、本発明の他の実施形態に係る２コイル直列接続型ラジアル状電池型電動機１７２の概略動作、特にその電動機１７２の周縁に配された整流子１７０の一例位置を示す。また、図２１に、その電動機１７２を図２０の位置から１８０°回転させた後の整流子１７０の概略位置を示す。
この実施形態は、電池型電動機システム１００を構成する統合的パワー系統を利用しその整流子を新規且つ高効率なものにした実施形態である。この実施形態では、２個の積層コイル１２０を直列に接続することにより電池性電動機コイルが形成されており、またその整流子１７０に２本の整流子バー１５０が設けられている。それらのバー１５０のうち一方は、その電池性電動機コイルの陽極側に、他方は陰極側に、それぞれ電気的に接続されている。更に、それらのバー１５０には互いに別の整流子板１７６が固定されている。即ち、これらの図で０°位置にあるバー１５０には５°位置から１８０°位置までをカバーする整流子板１７６が、また同じく１８０°位置にあるバー１５０には１８５°位置から３６０°位置までをカバーする整流子板１７６が、それぞれ固定されている。それらの整流子板１７６は、図示の通り、その下にあるコイル１２０から絶縁層１７４によって電気的に絶縁されている。
更に、それらの整流子板１７６にブラシ１５６が接触すると、その接触を介しその整流子板１７６は外部回路１７７に接続される。この状態では、他方の整流子板１７６にも別のブラシ１５６が接触しているので、電流制御部材１６８を通る経路に沿って電流が流れることとなる。その電流は、図示の通り、回転子側が１８０°回転するとその向きが反転する。
なお、この図には、軸方向相互作用が好適に生じうるＮ，Ｓ界磁極配置も示されている。更に、この装置を稼働させるための磁界は、永久磁石で発生させてもよいし、外部回路１７７で励磁される電磁石で発生させてもよい。いずれにするかはその用途次第である。加えて、ブラシ間電圧はセル間接続形態によって左右される。即ち、直列か、並列か等によって左右される。
図２２に、本発明の他の実施形態に係る４コイル型ラジアル状電池型電動機１７３、特にそれを構成する４コイル対応型整流子１８０の概略動作を示す。電気化学セル１０４や積層コイル１２０の構成は本発明の技術的範囲内で様々に設定することができる。また、図示されている状態では、電池性電動機コイルを形成する４個のコイル１２０のうち２個が９０°位置（図中“Ａ”）及び２７０°位置（図中“Ｂ”）にある。位置“Ａ”のコイル１２０と位置“Ｂ”のコイル１２０は、図中の界磁石１３０からの磁界と鎖交し機械出力を発生させる。更に、位置“Ａ”，“Ｂ”のコイル１２０は、対応する整流子板１８１及びそれに接触しているブラシ１５６を介し外部回路１８２につながっている。即ち、この角度位置では、位置“Ａ”，“Ｂ”のコイル１２０に発する電流が、整流子内力行動作区画２００内のブラシ１５６を介し外部制御／界磁巻線回路１８２に流れ込むこととなる。
このとき、他の２個の積層コイル１２０は０°位置（図中“Ａプライム”）と１８０°位置（図中“Ｂプライム”）に位置している。即ち、それらのコイル１２０は界磁石１３０例えば界磁巻線からの磁界と鎖交していない。図示例の場合、そうした“不稼働”な位置“Ａプライム”，“Ｂプライム”のコイル１２０が、整流子内充電動作区画２０２を介し外部制御／充電回路１８５に接続される。この回路１８５は、その電池性電動機コイルを形成しているコイル１２０のうち“不稼働”なものを二次電源出力で充電する回路である。その二次電源としては、例えば回生制動系を使用することができ、また図２５に示すような外部動力源付オルタネータ／発電機も使用することができる。そうした回路１８５から供給される電流は、区画２０２に属するブラシ１５６及びその接触先たる一組の整流子板１８３を介し“不稼働”なコイル１２０に流れ込む。図示例の場合は位置“Ａプライム”，“Ｂプライム”のコイル１２０が流入先となる。
稼働時には、この４コイル型ラジアル状電池型電動機１７３を構成する個々の積層コイル１２０は、この図から読み取れるように、９０°に亘り電動機として力行した後約９０°に亘り不稼働になる、という動作の繰返しで回転する。不稼働期間には、そのコイル１２０を単に不稼働にして除熱するようにしてもよいし、そのコイル１２０に充電を施すこともできる。どちらにするかは随意である。それらの動作は、いずれも“機械出力に代わる少なくとも一種類の非力行的機能”の一種である。
図２３に、本発明の他の実施形態に係る２コイル型ラジアル状電池型電動機１８４の縦断面、特にその内部に形成される磁気回路及びその電動機１８４における電気的整流動作のあらましを示す。まず、この電動機１８４では、その電機子１８８が、２個の積層コイル１２０からなる電池性電動機コイルによって構成されている。それらのコイル１２０、即ち図中“Ａ”及び“Ｂ”で示される位置のコイル１２０は、電気的には互いに並列に接続されている。更に、位置“Ａ”，“Ｂ”のコイル１２０には整流子内力行動作区画を介し電流が流れており、この図ではその電流（Ｉ）の向きが細い矢印線の連なりで表されている。その電流の向きは、外部から見ると、位置“Ａ”のコイル１２０と位置“Ｂ”のコイル１２０とで異なる向きになっている。例えば図示した電機子位置では、位置“Ａ”のコイル１２０の左辺沿いに流れる電流が電動機１８４の内側から外側へと向かっているのに対し、位置“Ｂ”のコイル１２０の左辺沿いに流れる電流は電動機１８４の外側から内側へと向かっている。また、界磁石１３０は電磁石型であり、その電磁石を構成している界磁巻線１６６は、図中に太い矢印線で示されている向きの磁極が生じるよう、そのとき位置“Ａ”，“Ｂ”にあるコイルに直列接続される。
稼働時には、位置“Ａ”，“Ｂ”の積層コイル１２０に流れる電流と界磁石１３０に発する磁界とが鎖交し、それら電流，磁界両者の向きに対し略直交する向きに磁力が発生して位置“Ａ”，“Ｂ”のコイル１２０に作用する。位置“Ａ”のコイル１２０に作用する磁力の向きは紙面を手前側から奥手側に貫通する向きであり、位置“Ｂ”のそれに作用する磁力の向きは紙面を奥手側から手前側に貫通する向きであるので、その磁力によって電機子１８８は付勢されて回転する。また、そうして電機子１８８が回転すると、いずれはそれまで位置“Ａ”にあったコイル１２０が図の下側に、位置“Ｂ”にあったコイル１２０が上側にやってくる。もし、コイル１２０自体に対するコイル１２０内電流の向きがそのままでコイル１２０の位置が上下入れ替わると、図示されている向きとは逆の向きにコイル１２０内電流が流れることとなり、それだけだと磁力の向きが反転してしまう。しかし、本実施形態では磁界の向きも反転するので磁力の向きは保たれる。即ち、電機子１８８の回転に伴い、図１８に示した整流子側導通部１６７のうちそれまで下側に位置していたものが上側に移動して上側のブラシ１５６と接触し、それまで上側に位置していたものが下側に移動して下側のブラシ１５６と接触するので、界磁巻線１６６における電流の向きが反転する。巻線１６６に流れる電流の向きが反転するとその結果巻線１６６で生じる磁界の向きも反転する（図１８及び図１９参照）。従って電機子１８８の回転方向は変わらない。本実施形態では、電機子１８８が半周するたびにこの動作が繰り返されることとなる。
なお、４コイル型ラジアル状電池型電動機１７３の場合は、４個ある積層コイル１２０のうち２個が不稼働状態、例えば外部電源で充電される状態になる。その位置“Ａプライム”，“Ｂプライム”にある“余分な”コイル１２０も、その整流子板１８３に接触しているのが整流子内充電動作区画２０２内のブラシ１５６であるというだけで、それ自体の機能は他の位置“Ａ”，“Ｂ”にある２個のコイル１２０と相違がない。４個あるコイル１２０を２個ずつ磁気回路から外すのは、磁気回路から外れている位置“Ａプライム”，“Ｂプライム”のコイル１２０に除熱や充電を施すためであるが、それらを利用して“オンデマンド”な補助動力供給を行うこともできる。それには、区画２０２を適当な構成の外部制御回路に接続し、その区画２０２を過ぎる位置“Ａプライム”，“Ｂプライム”のコイル１２０に磁界を鎖交させればよい。いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、ユーザの意図、目的とする用途等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる回路構成を使用すること、“デマンドベース”の制御回路を使用して整流子内力行動作区画２００内の位置“Ａ”，“Ｂ”にあるコイル１２０を充電すること等も可能である。
図２４に、４コイル対応型整流子１８０の力行動作区画２００内回路構成の好適例を示す。簡明化のため、これと対をなす充電動作区画２０２（図２５参照）については図示を省略してある。この図からは、電池性電動機コイルを構成する積層コイル１２０のうち位置“Ａ”，“Ｂ”にあるものと、外部制御／界磁巻線回路１８２を構成する界磁巻線１６６及び電流制御部材１６８とが、この区画２００にてどのようにつながっているかを、読み取ることができる。
図２５に、４コイル対応型整流子１８０の充電動作区画２０２内回路構成の好適例を示す。この図からは、電池性電動機コイルを構成する積層コイル１２０のうち位置“Ａプライム”，“Ｂプライム”にあるものと、外部制御／充電回路１８５及び二次電源２０６とがどのようにつながっているかを、読み取ることができる。なお、図中の電流制御回路２１０は外部制御／充電回路１８５の一部であり、半周毎に電流極性を反転させる機能を有している。
その外部制御／充電回路１８５には、電池性電動機コイルを構成する積層コイル１２０のうち“不稼働”なものを、図中の二次電源２０６で充電させる機能がある。電源２０６としては、回生制動系の他、図示の通り外部動力源で駆動されるオルタネータ／発電機２０８も使用することができる。いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、ユーザの意図、目的とする用途等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる二次電力供給器、例えば誘導結合、燃料電池、二次電池、フライホイール型蓄力システム、内燃機関ベース発電機、大容量コンデンサ、スターリングサイクル熱回収器等を使用することもできる。
図２６に、４コイル型ラジアル状電池型電動機１７３におけるコイル配置の好適例、特にその側面を示す。この図からは、力行，充電両区画におけるセル内電流方向を読み取ることができる。また、界磁石１３０及びその磁極シュー１３４からの磁界は、充電区画内の位置“Ａプライム”，“Ｂプライム”にある積層コイル１２０とは鎖交していない。
位置“Ａ”，“Ａプライム”における積層コイル内電流方向は外向き、位置“Ｂ”，“Ｂプライム”におけるそれは内向きであるので、この例では、磁界方向を１８０°毎に反転させる必要がある。これとは違い、どの積層コイル１２０にも同じ向きに電流が流れ“単極”電動機が形成されるよう、電池型電動機システム１００を構成することもできる。その場合、磁界方向を１８０°毎に反転させる必要がないため、電磁石ではなく永久磁石を界磁石１３０として使用することもできる。更には、永久磁石を電機子（回転子）とし、積層コイル１２０に類するコイルを界磁巻線（固定子）とする構成にすることもできる。その場合、そのコイルで発生した電流を外部の電動機制御回路に供給することがブラシ１５６の役割となる。なお、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、ユーザの意図、目的とする用途、技術進歩等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる電動機制御手法を使用すること、例えば遠隔制御用電子回路を回転子に組み込んでコイル電流のスイッチオン／オフやパルス幅変調（ＰＷＭ）その他の手法による速度制御及び充電制御を行うようにし、ブラシを完全に不要にすることもできる。
更に、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、目的とする用途等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる界磁石構成、例えばその界磁として４対の電磁石を使用する（永久磁石を使用しない）構成を採ることもできる。そうした構成では、４個ある電磁石の巻線を全て励磁することによって、その電動機から大きなパワーを引き出すことができる。即ち、全ての電気化学セルを電磁石乃至その磁極シューからの磁界と鎖交させ、出力トルクを最大限に高めることができる。
また、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、意図した動作、使用する素材等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる界磁制御手法、例えば積層コイルのうち２個に電流が流れない状態で稼働させ、その積層コイルを形成している電気化学セルをその間に除熱して電池としての寿命を延ばすという手法や、制動中であることが制御回路で検知されたら各界磁巻線に通電しその回生制動エネルギで４個全ての積層コイルを充電するという手法等を、採ることができる。更に、そうした構成にて、配電網から供給される外部電力で電池型電動機を充電する場合には、界磁巻線への通電は不要である。また、界磁石として永久磁石を使用している場合は、界磁巻線への通電制御自体行えない。即ち、磁界を電気的に制御することができないので、配電網からの外部電力で充電している間は回転子を機械的にロックする必要があろう。
更に、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、意図した用途等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる充電手法、例えばその電動車両に搭載されているガソリンエンジンを利用して位置“Ａプライム”，“Ｂプライム”の積層コイルを充電し、それによってその充電状態を所望値域内に維持することで、電池としての寿命を延ばすといった手法等を、採ることができる。その場合、個々の積層コイルで９０°ずつカバーする必要はなく、３６０°に亘る角度範囲を車両設計者の求め乃至好みに応じ分割してカバーするようにすればよい。但し、整流を行うには最少でも２個の積層コイルが必要になる。また、非永久磁石型実施形態の場合、その速度制御を、固定子上の界磁巻線に流す電流の制御で行うことも、回転子を構成する積層コイルに流れる電流の制御で行うことも可能である。
図２７に、本発明の他の実施形態に係るラジアル状電池型電動機２２０、特にその永久磁石型固定子アセンブリ２２２の縦断面を示す。電池型電動機システム１００には様々なタイプの交流（ＡＣ）実施形態及び直流（ＤＣ）実施形態があるが、この図に示す電動機２２０は永久磁石型固定子及び４コイル型回転子２２１によって構成されている。より具体的には、この電動機２２０は、電気化学セルで形成されている積層コイル、界磁石１３０たる永久磁石、シュー及びブラシを保持するアセンブリ２２４、積層コイルとの導通のためのブラシ１５６、速度制御回路２２６、セル充電回路２２８、このシステム１００の機械出力を取り出すためのドライブシャフト２３０等を備えている。また、この図では、積層コイルのうち位置“Ａ”，“Ｂ”のもののみが示されており、ブラシ１５６もそれとの導通用のもののみが示されているが、この図の状態から９０°回転した位置“Ａプライム”，“Ｂプライム”には別の積層コイル及びそれに対応するブラシ、充電回路等がある。
この図の電機子位置では、図中細い矢印線の連なりで示される向きに沿って位置“Ａ”，“Ｂ”の積層コイル内に電流（Ｉ）が流れる。永久磁石型固定子アセンブリ２２２における磁界の向きは太い矢印線で示されている。いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、意図した用途、コスト等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる手段、例えば界磁巻線によって、回転子アセンブリ内に磁界を供給することもできる。
図２８に、本発明の他の実施形態に係るラジアル状電池型電動機２４０、特にその永久磁石型回転子アセンブリ２４２の縦断面を示す。この電動機２４０は、そのアセンブリ２４２の他、 固定子側の積層コイル（図では位置“Ａ”，“Ｂ”のもののみを示す）や速度制御回路２２６を備えている。それらの積層コイルはそれぞれ非導通部１４２を有する複数個の電気化学セル１０４によって構成されており、回転子アセンブリ２４２は図示の通りその非導通部１４２内で回転している。回転子アセンブリ２４２は図示の通りドライブシャフト２３０と機械的に結合しているので、そのアセンブリ２４２にて発生する回転トルク（機械動力）を、そのシャフト２３０を介しシステム外に取り出すことができる。更に、積層コイルを形成するセル１０４は固定子上に固定配設されており、その固定子は図示の如き固定子支持構造によってシャフト２３０上に支持されている。この支持構造では、シャフト２３０上に複数個のベアリング２４４を設けそれを利用することで、固定子に対するシャフト２３０の軸芯回転を可能にしている。この固定子支持構造は、更に、搭載先装置内の所定位置にこの電動機２４０を装着することができるよう、その装着に役立つマウント２４６を有している。なお、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、意図した用途、コスト等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる手段、例えば界磁巻線によって、回転子アセンブリ内に磁界を供給することもできる。
図２９に、本発明の他の実施形態に係る電池型電動機システム１００、特にフライホイール型蓄力器として機能するよう構成された電池型電動機２５０の概要を示す。
まず、この電池型電動機２５０では、その内部のフライホイール２５２の自転に係る軸芯回転エネルギのうち、さしあたって負荷２６０の駆動に必要ない分の運動エネルギが、そのフライホイール２５２に角運動量の形態で蓄蔵される。フライホイール２５２に蓄蔵されているエネルギは、負荷２６０の駆動に必要になったとき等、何らかの必要が生じたときに図示のような仕組みで取り出される。具体的には、フライホイール２５２・負荷２６０間の連結を形成・解除する機能を有する可制御連結器２５６をシャフト２５４上に設けておき、その連結器２５６の動作タイミングやフライホイール２５２の動作（回転速度）を制御回路２５８で制御するようにすればよい。また、そのフライホイール２５２の回転エネルギは使用につれて自然にたまっていくが、例えば搭載先車両の制動系等、外部エネルギ源から与えられるエネルギをこのフライホイール２５２に蓄蔵していくようにしてもよい。
こうした電池型電動機２５０は、例えばハイブリッド式電動車両の動力源として使用するのにひときわ適している。即ち、電動機２５０の回転はそれ自身の電力で非常に高い回転速度まで加速することができるので、電動機２５０は急加速が求められる用途に適している。一旦加速されたら、何らかの摩擦低減手段を用い電動機２５０の回転をできるだけ長期に亘り維持するようにするとよい。使用できる摩擦低減手段としては、例えば、磁気浮上型のベアリングで支持する、フライホイール２５２が収容されているハウジング内の空気を抜く、等の手段がある。いずれにせよ、その電動機２５０を車両の駆動輪に連結し、その出力でその車両を推進させることができる。
図３０に、本発明の他の実施形態に係る電池型電動機３００の概要を示す。この電動機３００は、図示の通り、少なくとも一種類の磁界を発生させる固定子アセンブリ３１０と、その磁界を過ぎるよう可回転支持されている電機子３０２とを備えている。電機子３０２は図示の通り磁性コア３０８及びその表面の複巻き巻線３０４で構成されており、その巻線３０４は互いに平行な複数本の導電性巻線やそれらの間に位置する電解質層及び絶縁層で構成されている。具体的には、まず、巻線３０４は図示の通り陽極巻線３１２、陰極巻線３１４、電解質層３１６及び絶縁層３１８によって形成されている。それらのうち電解質層３１６及び絶縁層３１８は巻線３１２・３１４間に位置している。電解質層３１６は巻線３１２及び３１４と共に電気化学セル３２２を形成する層であり、絶縁層３１８は巻線３１２・３１４間の電気的短絡を防ぐ層である。即ち、巻線３０４はセル３２２又はその集合体を形成しており、そのセル３２２によって電機子３０２上に磁界発生用電池性コイル３０６又はその集合体が形成されている。電機子３０２上には、そのコイル３０６で１個又は複数個の突磁極を発生させることができる。しかも、その突磁極で稼働用の磁界を発生させるのに必要な電流は、そのコイル３０６に蓄蔵させまたそのコイル３０６から引き出すことができる。即ち、界磁電流を実質的にその巻線３０４のみで発生させることができる。また、その結果としてコイル３０６に流れる電流は、図中の整流子３２０を用いた整流を通じて制御することができる。電動機３００内整流は前掲の諸実施形態に倣い行うことができる。
図３１Ａに、本発明の他の実施形態における回転電機用の磁界発生用電池性コイル３３０の斜視外観を示す。このコイル３３０は、図示の通り、軸芯コアたる磁性コア３３４の周りに少なくとも１枚の導電薄膜電池セル３３２を配した構成を有している。図３１Ｂに示したのは図３１Ａ中の３１Ｂ−３１Ｂ断面である。コイル３３０は、巻線型磁気コイルの形態を採っているので、電動機、発電機、起電オルタネータ等の回転電機に容易に組み込むことができる。なお、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、意図した用途、コスト等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる構成のコア、例えば空気コアを使用することもできる。
先に示した磁界発生用電池性コイル３０６と違い、この磁界発生用電池性コイル３３０は図示の通り導電薄膜電池セル３３２で形成されており、それによって１個又は複数個の電池セルからなる界磁巻線が形成されている。その性状は概ね可撓性のリボンであり、図示の通りその最大幅に比べ十分大きな長手方向寸法を有している。但し、この図におけるセル３３２の寸法比率は現物のそれと同じではなく、図示の便宜上実際のものより幅を広めにして描いてあるので、そのことに留意されたい。また、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、製造方法、技術進歩、製造コスト等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる幅のリボン、例えば従来の銅製巻線のそれに比肩する幅のリボンを使用することもできる。
更に、この導電薄膜電池セル３３２の可撓性は十分に高くなければならない。そうでないと、磁性コア３３４に巻くことができない。なお、磁界発生用電池性コイル３３０を形成する手順のあらましについては後に図３８を参照して説明する。
また、先に説明した電気化学セルと同じく、この導電薄膜電池セル３３２も、少なくとも一種類の電気化学プロセスを通じ電流を発生させるよう構成及び配置されている。その電流を用いることで、磁界発生用電池性コイル３３０内に少なくとも一種類の磁界を発生させることができる。
そうした薄膜型の固体電池を形成するには、その電池を形成する諸層を、薄膜（その厚みは例えば５μｍ未満）として１枚又は複数枚の支持基板上に成長させればよい。例えば、図３１Ｂに示すように、支持基板の一例たる少なくとも１枚の可撓性基板３３８の上に、少なくとも１個の陰極集電器３４０と連携しうるように少なくとも１個の陰極３４２を、また少なくとも１個の陽極集電器３４８と連携しうるように少なくとも１個の陽極３４６を設け、更にそれら陽極３４６及び陰極３４２と連携して上述の電気化学プロセスを担うよう少なくとも一種類の電解質３４４を形成及び配置することで、本実施形態の導電薄膜電池セル３３２を形成することができる。その基板３３８としては可撓性のあるポリマフォイルを一種類又は複数種類用いればよい。更に、こうしたセル３３２を形成するためのプロセスとしては、これから説明する通り低温成長プロセスを用いるのが望ましい。例えば米国ジョージア州アトランタ所在のＥｘｃｅｌｌａｔｒｏｎ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ ＬＬＣ．（インターネットＵＲＬ： www.excellatron.com）が販売用の薄膜電池セルを製造する際に使用している低温成長プロセス等が、その好適例である。また、薄膜電池はこれまでリチウムベースのセルケミストリに基づくものが多かったが、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、設計上の都合、目的とする用途、技術進歩等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なるセルケミストリに基づく薄膜電池にすること、例えば炭素−亜鉛、亜鉛−二酸化マンガン、生体材料、ナノマテリアル等のセルケミストリや、今後開発されるであろう他のセルケミストリに基づく薄膜電池に、することもできる。
まず、集電器３４０，３４８は、アルゴン（Ａｒ）雰囲気中で適当な素材をスパッタリングし、例えば約０．３μｍの厚みになるまで成長させることで、形成すればよい。陰極３４２は、その素材となる物質を含む焼結性ターゲット材を使用しＡｒ＋Ｏ2雰囲気中で無線周波数マグネトロンスパッタリングを行いＬｉＣｏＯ2又はＬｉＭｎ2Ｏ4の膜を成長させることによって、形成することができる。陽極３４６は、Ａｒ＋Ｏ2雰囲気中でＶの反応性スパッタリングを行いＶ2Ｏ5の膜を成長させることによって、形成することができる。電解質３４４は、例えばスパッタリングでＬｉＰＯＮの膜を成長させることによって形成することができる。可撓性基板３３８を陽極３４６に対して絶縁する必要があるので、電解質３４４の膜は、陰極３４２を覆い、基板３３８の一部も覆うが、陽極集電器３４８には達しないように形成するとよい。そして、保護層３３７を形成することでアセンブリを保護することができる。
導電薄膜電池セル３３２のセルケミストリとしては、例えばリチウムベースケミストリ又はその組合せを使用する。薄膜リチウム型の電池セルにするのであれば、電解質３４４たるＬｉＰＯＮ上に金属リチウムの薄い層を熱蒸着し、その層を陽極３４６とすればよい。薄膜リチウムイオン型の電池セルにするのであれば、Ｎ2雰囲気中でＳｎを含むターゲット材を用いスパッタリングを行うことによりＳｎ3Ｎ4の層を形成し、その層を陽極３４６とすればよい。こうした導電薄膜電池セルの構造や動作については、この引用を以て他の開示内容も含め本願に繰り入れられるところの特許文献２０（発明者：Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．）等に、より詳細な記載がある。また、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、目的とする用途、コスト等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なるエネルギ発生／蓄蔵手段を使用すること、例えば（湿式又は乾式の）電池板をその構成要素とする巻線やスーパーキャパシタを使用することもできる。
また、充電して再利用することができる電池は、従来、６０℃を上回る温度での容量減少が甚だしかった。これに比べ、上述した構成の導電薄膜電池セル３３２の温度安定性は良好であり、約１５０℃に達せんとする高温でも十分に使用することができる。こうした優れた熱特性があるということは、電動車両駆動用電動機等の高出力回転電機として使用するのに、このセル３３２がひときわ適しているということである。この点について次に図３２を参照して詳述する。
図３２に、本発明の一実施形態に係るラジアル状電池型電動機３５０の斜視外観を示す。図３３はその正面図、図３４は側面図、図３５は図３３中の３５−３５断面を示す部分破断斜視図、図３６は図３３中の３６−３６断面を示す断面図、図３７はその構成要素を示す分解斜視図である。この電動機３５０は図３１Ａに示した磁界発生用電池性コイル３３０に相応する構造及び配置の界磁巻線によって構成されている。更に、ベアリング等の支持構造物は簡明化のため図上から省いてある。
まず、このラジアル状電池型電動機３５０は、図示の通り、固定子アセンブリ３５２の内側に回転子アセンブリ３５４を可回転支持した構成であり、両者の間はラジアル状空隙３５６で隔てられている。更に、固定子アセンブリ３５２は図示の通り放射状に配置された固定子磁界源３５８を有している。この磁界源３５８は図示例では複数個であるが１個でもよい。磁界源３５８は、それぞれ、図中のラジアル状空隙３５６を介して延び回転子アセンブリ３５４を向く突磁極を、少なくとも１個は発生させるよう構成及び配置されている。
更に、その固定子磁界源３５８は巻線型界磁コイル３６２で形成されている。図示例では複数個であるがコイル３６２を１個にすることもできる。個々のコイル３６２は、先に注記した通り、磁界発生用電池性コイル３３０と概ね同じ構成を有している。即ち、少なくとも１個の磁性コア３６４の周りに図示の通り少なくとも１本の界磁巻線３６６を巻いた構成を有している。コア３６４は軟鉄又は鉄合金で形成されており、その一部は磁極シュー３６５、即ち磁界の行く先を調整し電流との鎖交範囲を拡げる部分になるよう構成されている。また、そのコア３６４の外側には、図示の通り、固定子構成部材の位置関係を保つための支持構造３６７がある。
また、その界磁巻線３６６としては上述の導電薄膜電池セル３３２が用いられている。このセル３３２は、少なくとも一種類の電気化学プロセスによって電流が発生するよう構成されているので、そのセル３３２で発生した電流を、巻線型界磁コイル３６２の励磁による磁界、ひいては磁極の形成に使用している。
他方の回転子アセンブリ３５４も回転子磁界源３６０を有している。図示例では磁界源３６０が複数個であるが１個でもかまわない。その磁界源３６０は、それぞれ少なくとも１個の突磁極を発生させるよう構成及び配置されている。即ち、ラジアル状空隙３５６を介し固定子アセンブリ３５２に面する突磁極を、それぞれ少なくとも１個発生させるよう構成及び配置されている。更に、各磁界源３６０には、回転子アセンブリ３５４内に突磁極を発生させるような構成及び配置で永久磁石３６８が設けられている。その永久磁石３６８は図示の通り回転子アセンブリ３５４内の柱状コア３６１によって支持されている。コア３６１の内部は部分的に空洞になっているので、必要であれば電子回路、変速ギア等の収容に使用することができる。
即ち、柱状コア３６１の外周面には図示の通り窪みが設けられていて、永久磁石３６８はその窪みに埋め込まれている。図示例のように固定子アセンブリ３５２に１６個の巻線型界磁コイル３６２がある場合は、回転子アセンブリ３５４にも永久磁石３６８を１６個設けるのが妥当である。その永久磁石３６８としては、固有磁界が強く損失が少ない希土類永久磁石を用いるのが望ましい。そうした特性は、コイル３６２上にある一定の電流を流したときに発生するトルクの一定度が良好になるという点で有益であり、種々の産業分野、とりわけ陸上車両の駆動系ではそうした特性が重宝される。希土類永久磁石のなかでも特に永久磁石３６８として使用するのに相応しいのは、ＮｄＦｅ系の永久磁石や、サマリウムコバルト（ＳｍＣｏ）系の永久磁石であろう。また、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、目的とする用途、コスト等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる種類の磁石、例えばセラミック磁石、フェライト磁石、巻線型磁気コイル等を使用することもできる。
こうした構成では、回転子アセンブリ３５４側突磁極群と固定子アセンブリ３５２側突磁極群との間の電気力学的相互作用によって回転運動が発生し、その回転運動がシャフト３７０からの機械出力に変換されることとなる。即ち、回転子アセンブリ３５４側突磁極それぞれが固定子アセンブリ３５２側突磁極のうち少なくともいずれかと相互作用するよう、ひいてはアセンブリ３５４・３５２間に電機子反作用が生じるよう配置されているので、（巻線型界磁コイル３６２における電流の流れ方を動的に制御する手段との協働で）回転子アセンブリ３５４に回転が生じることとなる。
更に、図示例では固定子アセンブリ３５２の各側面に中空円錐状窪み３７１が形成されており、その窪み３７１に更なる電気化学セル３７２を入れることができる。そうすることによって、このラジアル状電池型電動機３５０のエネルギ蓄蔵容量を加増することができるほか、そのセル３７２を第２の磁界発生手段として用いることができる。
従って、このラジアル状電池型電動機３５０は回転電機を使用する様々な分野で使用することができる。特に、その最高最低速度比が約１０：１と広いので、（低速／高トルク性能が強く要求されるものを除く）大抵の車両では、この電動機３５０を使用することで変速機を使用する必要がなくなる。更に、この電動機３５０を車両に搭載する際には、十分大出力の品３５０を１個、従来のエンジンと同じような形態で搭載することも、或いは比較的小出力の品３５０を都合複数個、車輪の内側に組み込むことも可能である。変速機無しの直接駆動を行える能力があり、またその回転子アセンブリ３５４の中空部に制御回路を組み込むことができるので、この電動機３５０では、後者のような“分散”型動力源配置を容易に実現することができる。例えば、その外周に路上走行用のタイヤを装着できるよう電動機３５０を構成し、その電動機３５０をその車両の各車輪として使用することにより、その車両の重量を車輪及びリムの重量分削減することができる。また、いわゆる当業者であれば本願の記載から直ちに理解できるように、状況次第では、目的とする用途、需要等といった諸事情を考慮し、上述のものとは異なる形態、例えば従来型の車両をその車輪内に電池型電動機が実装されているタイプの車両に改造するコンバージョンキット（全面的又は部分的に電力を利用して推進する車両に改造するキット）や、その固定子に永久磁石が配設されている形態等、他の様々な形態で電池型電動機を構成乃至使用することもできる。更に、適切なコンピュータ利用型開発ツールを助力として利用することで、その用途に応じた電池型電動機をより好適に設計することができる。例えば、米国ペンシルバニア州ピッツバーグ所在のＡｎｓｏｆｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎで作成されているソフトウェアＲＭｘｐｒｔ（商品名）は、本発明の好適な諸実施形態に係る電池型電動機システム１００の設計、解析及びシミュレーションの支援用に利用することができる。
また、このラジアル状電池型電動機３５０は、高性能な電動車両用電子制御回路の下で好適に稼働させることができる。即ち、電動機３５０を構成する導電薄膜電池セル３３２ではかなり大電流のパルス列を取り扱えるので、界磁巻線に対し大電流パルス列を供給できるよう構成されている大出力制御回路の下で、その大電流パルス列で稼働させることができる。なお、そうした大出力制御回路の例としては、米国コロラド州フレデリック所在のＵＱＭ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ， Ｉｎｃ．にて製造されている自動車用電子式電動機コントローラがある。
図３８に、本発明の好適な実施形態に係る電池型電動機システム１００、特に図３１Ａに示した磁界発生用電池性コイル３３０を形成する方法３８０を示す。本方法３８０を実行する際には、予め磁性コア３３４を１個又は複数個作成又は調達しておく。
本方法３８０では、その最初のステップ３８２にて導電薄膜電池セル３３２を少なくとも１枚準備する。即ち、図３１Ａ及び図３１Ｂ中のそれと基本的に同様の構造及び配置を有するセル３３２を準備する。その次のステップ３８４では、そのセル３３２を磁性コア３３４の周りに捲回することにより、図３１Ａに示した磁界発生用電池性コイル３３０を形成する。更にその次のステップ３８６では、そのコイル３３０を少なくとも１個の電機に実装し機械出力が得られるようにすることによって、ラジアル状電池型電動機３５０を形成する。
図３９に、従来型の電動機３９２を変形して本発明の好適な実施形態に係る電池型電動機システム１００、特にその電池型電動機３９４を形成する方法３９０を示す。本方法３９０は、電動機３９２を分解してその内部の銅巻線を取り出し、その代わりに同じ寸法の導電薄膜電池セル３３２を実装することにより、前述のセル３３２複数個からなる磁界発生用巻線型コイルを備えた電池型電動機３９８を製作する手順である。注記すべきことに、この変形は、電動機３９２の制御に用いられているシステムに対し基本的に影響を及ぼすことなく行うことができる。ベースとなる電動機３９２は“ありふれた”タイプのものでよいが、それに組み込む細長いリボン即ちセル３３２の方は、その回転電機に適合するよう製作しておく必要がある。
即ち、本方法３９０は、従来型の回転電機例えば電動機３９２を１個又は複数個の電池型電動機３９８へと改造する手順である。その最初のステップ４００では、巻線型固定子コイル３９５から銅その他の素材による巻線４０１を概ね全て外して磁性コア３９７を残す。その次のステップ４０２では、十分に長いリボン状の導電薄膜電池セル３３２を準備する。更に次のステップ４０６では、そのセル３３２をコア３９７の周りに捲回して１個又は複数個の電動機３９８を形成する。なお、前述の通り、そのセル３３２は、少なくとも一種類の電気化学プロセスを通じ電流を発生させるよう、またその電流を利用しその電動機３９４の磁界発生用電池性コイル内で少なくとも一種類の磁界を発生させうるよう、構成及び配置されている。
このように、いわゆる当業者には自明な通り、本発明の好適な諸実施形態に係る電池型電動機システム１００は、電池式微細電動機構から大型路上車両用駆動機構に至るまで、多岐に亘る技術分野で有効利用することができる。即ち、前述の通り電力発生兼蓄蔵装置として稼働するので本システム１００は本質的にコンパクトであり、そのシステム内伝達損失（＝電流の自乗×抵抗値）はかなり少なくなる。特に、本システム１００では、電動機機能や化学電池機能といった基本的な機能が一体になりある種の機能的複合体を形成しているため、本システム１００を利用することにより、大抵の電動駆動系で基本性能を向上させることができ、更にそのサイズ及び質量を抑えることができる。
以上、本発明の好適な諸実施形態について説明を行ったが、本発明の技術的範囲にはそうした実施形態に変形を施したもの、例えば形状、サイズ、素材等を変形したものも含まれるので、その点に留意頂きたい。本発明の技術的範囲は別紙特許請求の範囲のみで決まるものであり、本明細書の記載はその参考となるに過ぎない。更に、本発明には、本明細書に記載したもの以外にも様々な長所がある。いわゆる当業者であれば、本明細書及び別紙特許請求の範囲の記載から、そうした長所を理解することができよう。

Claims (35)

  1. ａ）第１方向沿いに磁力線が延びるよう磁界を発生させる磁界源と、
    ｂ）少なくとも一種類の電気化学プロセスによって電位を発生させる電気化学エネルギ源と、
    ｃ）磁界源で発生させた磁界と鎖交しうる位置のうちいずれかに電気化学エネルギ源を位置決めする位置決め器と、
    を各少なくとも１個備え、更に、個々の磁界源、電気化学エネルギ源及び位置決め器が、
    ｄ）各電気化学エネルギ源で発生する電位に応じた電流が、いずれかの磁界源に係る第１方向と略直交する第２方向に沿って、その電気化学エネルギ源の電極乃至電極群に流れるよう、
    ｅ）各電気化学エネルギ源の電極乃至電極群に流れる電流といずれかの磁界源で発生させた磁界との鎖交により生じる磁力が、その磁界源に係る第１方向及びその電気化学エネルギ源に係る第２方向の双方に対し略直交する第３方向に沿って、その電気化学エネルギ源に対しほぼ直に作用するよう、
    ｆ）そして、各電気化学エネルギ源に作用する磁力がそれぞれ機械出力として取り出されるよう、
    配置及び構成された動力システム。
  2. 請求項１記載の動力システムであって、
    ａ）その位置決め器が、磁界源・電気化学エネルギ源間相対運動を許容する１個又は複数個の可動化器であり、
    ｂ）その電気化学エネルギ源が、いずれかの磁界源から磁界が作用するとその磁界源に対して相対運動し、
    ｃ）そしてその相対運動によりもたらされる機械出力が取り出される動力システム。
  3. 請求項２記載の動力システムであって、その電気化学エネルギ源の電極のうち１個又は複数個が、いずれかの磁界源で発生した磁界とその電極に流れる電流とがより多く鎖交するようその磁界を収束させる磁界収束器として機能する動力システム。
  4. 請求項２記載の動力システムであって、
    ａ）その可動化器が、磁界源・電気化学エネルギ源間相対回転運動を許容する１個又は複数個の可回転化器であり、
    各可回転化器が、対応する電気化学エネルギ源を、
    ｂ）その電気化学エネルギ源に磁界を及ぼしている磁界源に対し、且つその電気化学エネルギ源に係る第３方向に対し不平行な１本又は複数本の回転軸を中心に、
    ｃ）その磁界の作用による回転トルクで回転運動させる動力システム。
  5. 請求項４記載の動力システムであって、
    ａ）その電気化学エネルギ源が電気化学セル又はその集合体であり、
    ｂ）その電気化学セルが、
    ｉ）少なくとも一種類の電気化学プロセスを担う少なくとも一種類の電解質と、
    ｉｉ）少なくともいずれかの電解質と導通する電極と、
    を有し、
    ｃ）その電極のうち少なくとも１個が陽極導体、他の少なくとも１個が陰極導体であり、
    ｄ）それら陽極導体及び陰極導体に、電解質における電気化学プロセスで生じた少なくとも一種類の電荷が流れる動力システム。
  6. 請求項５記載の動力システムであって、
    ａ）その陽極導体及び陰極導体が、その間に１個又は複数個の間隙空間が生じるよう向かい合わせに配置されており、
    ｂ）電解質の層が、その間隙空間に概ね収まるようそれら陽極導体・陰極導体間に形成された動力システム。
  7. 請求項６記載の動力システムであって、その電気化学エネルギ源が複数個の電気化学セルの集まりである動力システム。
  8. 請求項７記載の動力システムであって、いずれかの電気化学セルの陽極導体とその電気化学セルの隣に位置する別の電気化学セルの陰極導体との対面部位に設けられその部位で両者間を電気的に絶縁する電気絶縁体を、１個又は複数個備える動力システム。
  9. 請求項８記載の動力システムであって、
    ａ）複数個の電気化学セルをその回転軸のうち少なくとも１本を中心にして略放射状に配置することで形成された少なくとも１個のラジアル状電機子と、
    ｂ）そのラジアル状電機子に磁界を作用させそのラジアル状電機子を回転させる磁界源として機能する少なくとも１個の固定子と、
    を備える動力システム。
  10. 請求項９記載の動力システムであって、その可回転化器が、ラジアル状電機子で発生するトルクを伝達するよう構成及び配置された少なくとも１本のドライブシャフトを有する動力システム。
  11. 請求項９記載の動力システムであって、電気化学セル同士を電気的に接続することで形成された積層コイルを少なくとも１個有する動力システム。
  12. 請求項８記載の動力システムであって、電気化学セル同士を電気的に並列接続する並列接続回路を少なくとも１個有する動力システム。
  13. 請求項１３記載の動力システムであって、電気化学セル同士を電気的に直列接続する直列接続回路を少なくとも１個有する動力システム。
  14. 請求項９記載の動力システムであって、磁界源からの磁界と鎖交する電流のレベルを制御する電流制御回路を少なくとも１個備える動力システム。
  15. 請求項９記載の動力システムであって、その電気化学セルのうち少なくとも１個が二次電池セル又はその集合体である動力システム。
  16. 請求項１４記載の動力システムであって、その電流制御回路のうち少なくとも１個が充電回路を少なくとも１個有する動力システム。
  17. 請求項９記載の動力システムであって、その磁界源が電磁石式磁界発生器を１個又は複数個有する動力システム。
  18. 請求項９記載の動力システムであって、その磁界源が永久磁石を１個又は複数個有する動力システム。
  19. 請求項１６記載の動力システムであって、電流の流れ方を制御するための整流子を少なくとも１個備える動力システム。
  20. 請求項１９記載の動力システムであって、その整流子のうち１個又は複数個が、いずれかの磁界と電流との鎖交を調整する調整器として機能する動力システム。
  21. 請求項１５記載の動力システムであって、
    ａ）二次電池セル又はその集合体への充電に使用される少なくとも１個の補助エネルギ源と、
    ｂ）その補助エネルギ源によるその二次電池セルの充電に使用される少なくとも１個の接続用外部回路と、
    を備える動力システム。
  22. 請求項９記載の動力システムであって、
    ａ）そのラジアル状電機子が、それぞれ少なくとも１個の電気化学セルを含む複数個の区画に分かれており、
    それらの区画のうち少なくとも１個が、
    ｂ）磁界源で発生する磁界と鎖交している状態では機械出力をもたらし、
    ｃ）その磁界と概ね鎖交していない状態では機械出力に代わる少なくとも一種類の非力行的機能を提供するよう、
    構成及び配置された動力システム。
  23. 請求項２２記載の動力システムであって、その非力行的機能のうち少なくとも一種類が、磁界源で発生する磁界と概ね鎖交していない区画のうち少なくとも１個からの放熱である動力システム。
  24. 請求項２２記載の動力システムであって、その非力行的機能のうち少なくとも一種類が、磁界源で発生する磁界と概ね鎖交していない区画のうち少なくとも１個への充電である動力システム。
  25. 請求項９記載の動力システムであって、そのラジアル状電機子が、後に取り出せるよう運動エネルギを蓄えるフライホイールアセンブリを少なくとも１個有する動力システム。
  26. １個又は複数個の巻線型磁気コイルを有する回転電機で使用され磁性コアを少なくとも１個有する巻線型磁気コイルを製造する方法であって、
    ａ）導電薄膜電池セルを少なくとも１枚準備するステップと、
    ｂ）少なくとも１枚の導電薄膜電池セルを少なくとも１個の磁性コアに巻いて磁界発生用電池性コイルを少なくとも１個形成するステップと、
    を有し、更に、その導電薄膜電池セルとして、
    ｃ）少なくとも一種類の電気化学プロセスにより電流を発生させ、
    ｄ）その電流によって磁界発生用電池性コイルに少なくとも一種類の磁界をもたらすものを、
    使用する方法。
  27. 請求項２６記載の方法であって、その導電薄膜電池セルが、
    ａ）少なくとも１枚の支持基板の上に、
    ｉ）少なくとも１個の陰極集電器を配し、
    ｉｉ）少なくとも１個の陰極を陰極集電器のうち少なくとも１個と連携するよう配し、
    ｉｉｉ）少なくとも一種類の電気化学プロセスを担う少なくとも一種類の電解質を陰極のうち少なくとも１個と連携するよう配し、
    ｉｖ）少なくとも１個の陽極を電解質のうち少なくとも一種類と連携するよう配し、
    ｖ）少なくとも１個の陽極集電器を陽極のうち少なくとも１個と連携するよう配することで、
    形成されており、
    ｂ）更にその支持基板が、その最大幅より十分大きな長手方向寸法を有する少なくとも１枚の略可撓性リボンによって形成されている方法。
  28. 請求項２６記載の方法であって、その導電薄膜電池セルとして、少なくとも一種類のリチウムベースケミストリに基づくものを使用する方法。
  29. 請求項２６記載の方法であって、少なくとも１個の電機にその磁界発生用電池性コイルを組み込みその電機で機械出力を発生させうるようにするステップを有する方法。
  30. ａ）その間に形成されている少なくとも１個のラジアル状空隙を介し電気力学的に相互作用する固定子及び回転子をそれぞれ少なくとも１個備え、
    ｂ）その固定子が、ラジアル状空隙を介し回転子に対面する突磁極を少なくとも１個発生させる固定子磁界源を少なくとも１個有し、
    ｃ）その回転子が、ラジアル状空隙を介し固定子に対面する突磁極を少なくとも１個発生させる回転子磁界源を少なくとも１個有し、
    ｄ）それら固定子磁界源及び回転子磁界源のうち少なくとも一方が巻線型磁気コイルを少なくとも１個有し、
    ｅ）その巻線型磁気コイルが、
    ｉ）少なくとも１個のコアと、
    ｉｉ）少なくとも１個の界磁巻線と、
    を有し、
    ｆ）その界磁巻線が、少なくとも一種類の電気化学プロセスを通じ電流を発生させるよう構成されており、
    ｇ）その電流が、巻線型磁気コイルを励振して突磁極を少なくとも１個発生させ、
    ｈ）そしてそれらの突磁極間の電気力学的作用が機械出力に変換される電池型電動機システム。
  31. 請求項３０記載の電池型電動機システムであって、その界磁巻線が導電薄膜電池セルを少なくとも１枚有する電池型電動機システム。
  32. 請求項３０記載の電池型電動機システムであって、その導電薄膜電池セルが、
    ａ）少なくとも１枚の支持基板の上に、
    ｉ）少なくとも１個の陰極集電器を配し、
    ｉｉ）少なくとも１個の陰極を陰極集電器のうち少なくとも１個と連携するよう配し、
    ｉｉｉ）少なくとも一種類の電気化学プロセスを担う少なくとも一種類の電解質を陰極のうち少なくとも１個と連携するよう配し、
    ｉｖ）少なくとも１個の陽極を電解質のうち少なくとも一種類と連携するよう配し、
    ｖ）少なくとも１個の陽極集電器を陽極のうち少なくとも１個と連携するよう配することで、
    形成されており、
    ｂ）更にその支持基板が、その最大幅より十分大きな長手方向寸法を有する少なくとも１枚の略可撓性リボンによって形成されている電池型電動機システム。
  33. 請求項３０記載の電池型電動機システムであって、
    ａ）その巻線型磁気コイルにおける電流の流れ方を動的に制御するために設けられた少なくとも１個の整流子と、
    ｂ）その固定子にて少なくとも１個の突磁極が発生するよう固定子側に複数個設けられた上記巻線型磁気コイルと、
    ｃ）その回転子にて少なくとも１個の突磁極が発生するよう回転子側に複数個設けられた永久磁石と、
    を備え、
    ｄ）それらの永久磁石が回転子の外縁辺のうち少なくとも一辺に沿って並んでおり、
    ｅ）その回転子が固定子より内側に可回転配置されており、
    ｆ）固定子側の巻線型磁気コイルにおける電流の流れ方を動的に制御することで、固定子・回転子間電機子反作用によってその回転子を回転させることができるよう、固定子上及び回転子上に相応の固定子・回転子間位置関係で個々の突磁極を発生させる電池型電動機システム。
  34. 請求項３０記載の電池型電動機システムであって、その導電薄膜電池セルとして、少なくとも一種類のリチウムベースケミストリに基づくものを使用する電池型電動機システム。
  35. ａ）その従来型回転電機を構成する少なくとも１個のコアから既存の磁気巻線をほぼ全て取り除くステップと、
    ｂ）導電電池セルを少なくとも１個準備するステップと、
    ｃ）その従来型回転電機のコアの周りにその導電電池セルを装着することによって磁界発生用電池性コイルを少なくとも１個形成するステップと、
    を有し、
    ｄ）その導電電池セルにて、少なくとも一種類の電気化学プロセスにより電流を発生させることができ、
    ｅ）その電流を用いることで、その磁界発生用電池性コイル内で少なくとも一種類の磁界を発生させることができるよう、
    従来型回転電機を電池型電動機に改造する方法。
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