JP2013519356A

JP2013519356A - 磁気駆動往復運動エンジン及び電磁石制御システム

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Publication number: JP2013519356A
Application number: JP2012552147A
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Inventors: スティーブンマイルス; マイケルクリストファー
Original assignee: マグネティックマイルスリミテッドライアビリティカンパニー
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2011-02-08
Publication date: 2013-05-23
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Abstract

本発明は、磁気駆動往復運動エンジンであって、当該エンジンの制御及び動作のための特有の電磁石制御システムを有するものを提供する。当該エンジンは、バッテリなどの蓄えられた電力源によって動作し、電磁石に供給される電力を制御することによって実行時間を延長し、電磁コイル内における熱発生を制限することによってコイル寿命を延長するように構成及び配置されている。さらに、当該制御システムは、エンジン速度及び／又はトルク出力を制御して当該エンジンを幅広い用途に対して万能なものにすることが可能である。当該システムは、新規なエンジン又は様々な構成の従来のエンジンに使用され、電磁石の使用により利益を受ける他の産業又はデバイスに使用され得るように構成及び配置される。

Description

本発明は、広くは、往復運動（reciprocating）エンジンに関する。特に、本発明は、内燃エンジンが用いられる場所への使用に適用可能な磁気駆動往復運動エンジン及び電磁石制御システムである。

往復運動内燃エンジン、例えばオットーサイクル及びディーゼルサイクルのエンジンは、国内外の生活のほぼ全ての場面における重要な要素である。往復運動内燃エンジンは、我々に交通、消費財、安全、医学的援助、及び動力発生（これらはほんの数例である）を提供することによって、我々の生活を支援する。しかし、往復運動内燃エンジンは欠点に悩まされており、仮にこれらエンジンの使用に代わるものが存在するならば当該欠点の多くは許容できるものではない。当該エンジンは化石燃料を必要とし、熱、騒音、振動、及び有毒な副産物を生成する多くの非効率さに悩まされており、これらの多くを我々が容認している理由は我々が他に経済的に適切な代替手段を有していないことだけである。化石燃料の供給の減少及び有害な大気ガスの増加に伴って、政府は内燃に対する代替手段を見つけるのに新たな関心を持っている。

例えば、内燃エンジンの特徴を消耗させるいくつかのエネルギは、摩擦、効率の悪い燃焼、燃焼室からの熱損失、エンジン中を通過する空気の空力抵抗、油ポンプ及び水ポンプ等の付属機器によって使用されるエネルギ、並びに不完全なバルブタイミングを含む。これらエンジンの効率に影響を及ぼす他の問題は、これらが排気を低減するように設計されなければならないことであり、設計に妥協が必要であるということである。その結果、平均的なエンジンは、その約３５％が有効であり、信号ではアイドリングを維持しなければならないため、さらに１７％のエネルギを消耗し、全体の効率は約１８％となる。これは、化石燃料として我々が乗り物に投入しているエネルギの約８２％が消耗されて無益な副産物としてエンジンから出て行くことを意味している。

往復運動エンジンにおける化石燃料の必要性を除去する試みが何十年にも亘って行われてきた。様々な種類の代替燃料及びエンジン構成が示唆されており、そのいくつかは他のものよりも成功しているが、全体的に多くのものは非常に限定的な成功であった。１の代替手段はバイオ燃料である。バイオ燃料はトウモロコシ又はサトウキビなどの植物材料に由来するものであり得る。しかし、これら燃料は、農地、植え付け及び収穫用のトラクタ、並びにバイオマスを燃料に変換する蒸留所を必要とする。藻、ゴミ、農業廃棄物、又は他の源に由来するバイオ燃料は、農地を使用する必要がないために手助けになり得るが、大規模な商業的開発までに数年はかかるように見える。これら燃料が使用に適した規模で開発されたとしても、当該燃料を一般社会に流通させるための適切なシステムが存在しない。当該流通システムは開発のためにさらに数年を必要とするであろう。従って、多くの科学者は、バイオマスのエネルギへの展開を本当に所望するならばバイオマスを自動車燃料ではなく電気に変えるべきであるということに同意している。

他の分類における代替手段の設計は、ピストンの往復運動又は運動を発生させる電気及び／又は磁気に依存している。例えばA. K. Hinchmanに特許された米国特許第2,296,554号である。Hinchmanの発明は自己タイミングのピストン電気エンジンに関するものであり、ピストン上において作動する一次電磁コイル及び二次電磁コイルを含んで当該ピストンに往復運動させるシリンダを開示している。当該コイルは、当該ピストンの運動によって制御又は作動されるリレータイマによって適切な周期にて電圧印加されている。

Ramirezに特許された米国特許第3,939,367号は、永久磁石及びエンジンブロックアセンブリに取り付けられ得る電磁石駆動の機械ユニットであって、当該アセンブリの一部を形成する少なくとも１つのピストン、コネクティングロッド、及びドライブシャフトにおいて作動して回転力を得るものを開示している。

Blalockに特許された米国特許第4,317,058号は電磁往復運動エンジンを開示している。当該電磁エンジンはシリンダを強磁性でない材料に置換しており、ピストンは永久磁石に置換されている。シリンダヘッドは電磁石に置換されている。

全ての既知の先行技術に関する欠点は電磁石の動作に関する。自動車などの用途に適したエンジンを作製するためには非常に大型の電磁石が必要である。大型の電磁石は高電流及び／又は高電圧の電気の供給を必要とし、往復運動エンジン内のピストンの燃焼をシミュレートするために当該電気の入り切りは速やかに行われなければならない。これにより接触部間におけるアーク放電などのいくつかの問題が発生し、早期故障をもたらす。さらに、長期間の高電流負荷において動作する電磁石は大量の熱を発生させる。熱の増加は効率を大きく減少させ、頻繁に電磁石コイルの故障をもたらす。また、電磁石によって発生する磁場は、例えば、アバランシェ降伏のカスケード現象、誘導起電力、スパイク、及びタイミングシステムなどの他のエンジンシステムにおける電圧のクリップなどの問題を頻繁に生じさせる。

従って、当該技術分野には、先行技術の問題に対処する制御システムを有する磁気駆動往復運動エンジンが必要とされている。当該磁気駆動エンジンは信頼性を有し、安価で生産できるべきである。当該磁気駆動エンジンはバッテリの電力によって動作するように構成及び配置されるべきである。当該磁気駆動エンジンは、電磁石に供給された電力を制御することによって実行時間を延長する制御システムを含み、これによって熱発生を制御して信頼性のあるコイル寿命及び効率的な動作を実現するべきである。さらに、電磁石の動作を制御するのに用いられる当該システムは、エンジン速度及び／又はトルク出力を制御することが可能であるべきである。当該制御システムは、エンジンの性能を妥協することなく磁場に関する問題を低減又は除去するべきである。

本発明は、磁気駆動往復運動エンジンであって、当該エンジンの制御及び動作のための特有の電磁石制御システムを有するものを提供する。当該エンジンは、バッテリなどの蓄えられた電力源によって動作し、電磁石に供給される電力を制御することによって実行時間を延長し、磁束を犠牲にすることなく電磁コイル内における熱発生を制限するように構成及び配置されている。さらに、当該制御システムは、エンジン速度及び／又はトルク出力を制御して当該エンジンを幅広い用途に対して万能なものにすることが可能である。当該電磁制御システム及び磁気部品は、新規なエンジン又は従来のエンジンに使用され、電磁石の使用により利益を受ける他の産業又はデバイスに使用され得るように構成及び配置される。

広くは、内燃往復運動のエンジンが、シリンダヘッドを除去してこれを電磁コイルに置換することによって使用される。ピストンは、少なくとも１つ以上、好ましくは複数の永久磁石を保持するように変形される。さらに、標準的なタイミングシステムは除去されて光ファイバシステムに置換され、当該光ファイバシステムは高電圧のＤＣスイッチ機構と通信して電磁石に対する電力の流れを制御し、エンジンによって発生した磁気インパルスから当該タイミングシステムを切り離す。好ましい実施例において、電力は持続時間が変化した一組の電気パルスとして電磁石へ供給され、これによって電力消費を最小化しかつ当該電磁石によって発生する磁束を最大化する。当該電力パルスは、クランクシャフトの角度に基づいて異なる電気パルス及びこれに従う磁束の供給を可能にし、これによってエンジンによって提供されるトルク供給を最大化する。もし存在するならば、燃料供給システムのみならず冷却システムも除去されることが可能である。

従って、本発明の目的は、磁気駆動往復運動ピストンエンジンを提供することである。

本発明の他の目的は、往復運動ピストンエンジンに特に適した電磁石用の制御システムを提供することである。

本発明の他の目的は、永久磁石及び電磁石の組合せを使用する磁気駆動エンジンを提供することである。

本発明の他の目的は、電磁石内の熱発生を制御する電磁石制御システムを提供することである。

本発明の他の目的は、少なくとも１つのパルス化された電気信号を各燃焼ウィンドウ期間中の電磁石の各々へ提供する電磁石制御システムを提供することである。

本発明の他の目的は、少なくとも２つの異なるパルス化された信号を各燃焼ウィンドウ期間中の電磁石の各々へ提供する電磁石制御システムを提供することである。

本発明の他の目的は、可変的にパルス化された電力をクランクシャフトの角度に基づいて電磁石へ提供してエンジンによって生成されるトルクを最大化する電磁石制御システムを提供することである。

本発明の他の目的は、特有のコア材料を有する電磁石制御システムを提供することである。

本発明の上記以外の目的及び利点は添付の図面を併用して記載されている以下の説明から明らかになり、これらは本発明の特定の実施例を図示及び例示するためのものである。ここに含まれる図面は本明細書の一部を構成し、本発明の例示的な実施例を含み、かつその様々な目的及び特徴を示している。

本発明による１の実施例を示す部分断面の上面図である。本発明によるピストンアセンブリを示す部分断面の上面斜視図である。本発明によるコイルアセンブリの１の実施例を示す斜視図である。本発明による１の実施例の電気回路図である。図４に示された回路図の部分的な図である。図４に示された回路図の部分的な図である。図４に示された回路図の部分的な図である。図４に示された回路図の部分的な図である。図４に示された回路図の部分的な図である。図４に示された回路図の部分的な図である。本発明による１の実施例の電力制御回路の電気回路図である。図１１の電力制御回路が使用された場合の電磁コイルへの電力供給の１の実施例を示す図である。

本発明は様々な態様にて実施例となることができ、限定的ではないが出願当初において好ましい実施例が図示されかつ以下に記載されるが、本開示は本発明の例示と考慮されるべきものであり、示された特定の実施例に本発明を制限するものではない。

図１及び図２を参照すると、磁気駆動往復運動エンジン１０が示されている。磁気駆動往復運動エンジン１０は、ここではシリンダ１４として示されたほぼ直線の経路に沿って往復運動するように構成及び配置された少なくとも１つのピストン１２を含む。ピストン１２は少なくとも１つ、好ましくは複数の永久磁石１６を含み、永久磁石１６はピストン１２に取付けられている。当該磁石は非金属スリーブ３８を介してピストン１２の上面に取付けられるのが好ましい。当該スリーブはファスナ４０を用いて当該ピストンの上面に取付けられ、ストラップ部材４２が当該磁石上に伸長されて当該磁石の位置をさらに固定してもよい。ピストン１２はクランクシャフト２０に回転可能なように接続されたコネクティングロッド２０へ枢動可能なように取付けられ、これによってピストンの往復運動をクランクシャフトの回転運動に変換する。電磁石アセンブリ２２は、制御された態様にて電圧印加された際に永久ピストン磁石１６に反応する位置でありかつピストン１２のストローク端部を越えた位置に取付けられる。クランクシャフトの回転を監視するためにタイミング／燃焼システムが用いられ、これによってクランクシャフトの位置に応じて電磁石アセンブリ２２に磁場を発生させる。電磁石アセンブリ２２及び永久磁石１６は、コイルバンクとピストンとの間に押し力（pushing force）が生成されるように構成されるのが好ましい。代替例においては、一方のバンクが電磁的に押す一方で反対のバンクが電磁的に引いてもよい。水平対向（horizontally opposed）エンジンが図示されているが、本発明は、その範囲を離れることなく当該技術分野では既知の往復運動エンジン構成に使用されることが可能である。当該エンジン構成は、Ｖ型エンジン、Ｗ型エンジン、インライン型エンジン、ラジアル型エンジン等を含むが、これらに限定されるべきではない。

図３を参照すると、電磁コイル２２の部分断面図が示されている。当該コイルは一対のエンドキャップ３４、３６を有する中心スプール２４を含み、これらは全て磁場を発生させるのに適した強磁性材料から構成されている。エンドキャップ３４、３６は、概して、動作中のコアに対するワイヤコイルの動きを防ぐためのバリアを提供する。最も好ましい実施例において、当該コアは、高い透磁率を有しかつ低い飽和保磁力及び磁気歪みを有した低いヒステリシス損失の材料から構成される。最も好ましい実施例において、当該コアの材料は鉄ニッケル系合金（銅、シリコン、及びモリブデンを加えた約１５％の鉄と約８０％のニッケル）である。当該コア材料は水素雰囲気を有する磁場において焼鈍されるべきである。焼鈍は、材料の結晶構造を変化させ、粒子を整列させ、いくつかの不純物、特に磁性粒子の境界における自由運動を妨害する炭素を除去する。適切なコア材料は、ＮＨ州ロンドンデリーにあるMuShield社から市販されているMU-SHIELDというものでもよい。コアの周囲に巻かれているのはデュポンカプトン社の絶縁材のバリア層２６である。コア２４の周囲には複数のワイヤラップ２８が広がって（巻き付けられて）おり、これによって電場を生成する。非限定的な好ましい実施例においては、カプトンテープ２８の絶縁材に巻かれている巻き数約２５０の８ゲージ銅ワイヤが提供される。コイルワイヤの末端３０及び３２はコイルから外側に伸びてタイミング／燃焼システムへ取付けられる。当該技術分野では既知であるが、より多くの巻き数のワイヤを提供することは電圧印加された際により大きな磁場を提供することであり、より少ない巻き数のものはより小さな磁場を提供する。

図４−図１０を参照すると、タイミング／燃焼システム１００の１の実施例を示す配線図が示されている。当該タイミング／燃焼システムは、概して、低電圧電源モジュール１０２、高電圧電源モジュール１０４、タイミングモジュール１０６、及び燃焼モジュール１０８を含む。低電圧電源モジュール１０２は、電力インバータ１１０及び複数の電源１１２、１１４、１１６、１１８を含み、当該電源は、タイミングモジュール１０６及び燃焼モジュール１０８を構成する電子部品を動作させるための様々な出力電圧を有している。好ましくは、電力インバータ１１０は、１２ＶのＤＣ電力をフィルタリング及び調整して正弦波の形式にして、１２ＶのＤＣ供給電力１２０を１２０ＶのＡＣ電力１２２へ変換する。好ましくは、変換された電力１２２は４つの電源へ供給される。当該４つの電源は、１２０ＶのＡＣ電力１２２を１５ＶのＤＣ電力１２４へ変換する第１電源１１２及び第２電源１１４と、１２０ＶのＡＣ電力を１２ＶのＤＣ電力１２６へ変換する第３電源１１６と、１２０ＶのＡＣ電力を５ＶのＤＣ電力１２８へ変換する第４電源１１８と、である。タイミング／燃焼システムが依存する高い磁気パルスフラックスは信号伝達機能及び検知機能を妨害することがあるため、インバータ１１０及び電源１１２−１１８は電力を重複してフィルタリング及び調節して他の電子部品へ供給する。この構成は、電子部品を故障させ得るアバランシェ降伏、過電圧、過電流、歪んだタイミング、又は早期燃焼を発生させ得る過渡的なスパイク異常の恐れを大きく低減する。

高電圧（ＨＶＤＣ）システム１０４は複数のバッテリ１３０及びコンデンサ１３２であるのが好ましい。最も好ましい実施例においては、バッテリ１３０のアレイは直列に接続された１０個の１２ＶのＤＣバッテリ１３４を含み、これによって合計１２０ＶのＤＣ電力１３６を電磁コイルへ提供する。好ましくは、コンデンサ１３２のアレイは約１２個の１０，０００ピコファラドのコンデンサ１３８を含む。当該コンデンサは当該バッテリを円滑に活用するように構成及び配置され、これによって、実行時間を延長し、バッテリ１３４内における熱発生を低減し、コイルに対してより円滑な電力信号を提供する。バッテリアレイ１４０の正極性は単極単投スイッチのライン側へ接続され、これはメイン電力スイッチ１４２として機能し、ＨＶＤＣシステムに亘る全ての１２０ＶのＤＣ電力が供給された部品に電圧印加するか又は当該部品を停止することが可能である。メイン電力スイッチ１４２の負荷側から１２０ＶのＤＣ正極性が２つの別々のＨＶＤＣ供給レッグ１４４、１４６へ分割される。第１レッグ１４４は、第１コイル１５６及び第２コイル１５８を含む第１コイルバンク１５０へ電力を供給する第１絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）１４８のコレクタ１４９へ接続され、第２レッグ１４６は、第２コイル１６０及び第３コイル１６２を含む第２コイルバンク１５４へ電力を供給する第２ＩＧＢＴ１５２のコレクタ１５１へ接続される。

好ましい実施例において、第１ＩＧＢＴ１４８及び第２ＩＧＢＴ１５２は三菱社の品番CM1200DC 34Nのものであり、これは定格１，７００ボルト、１，２００アンペアである。第１ＩＧＢＴ１４８及び第２ＩＧＢＴ１５２はデュエルスイッチ（２チャネル）機能を含むように構成され、それぞれが独立して動作するか、タンデムにて動作するか、又は交互に動作することが可能である。２つのＩＧＢＴが使用される場合、各ＩＧＢＴの第１チャネル１６４及び１６６は、それぞれ第１コイルバンク及び第２コイルバンクを独立して切り替える。さらに、好ましい実施例は２つのＩＧＢＴを含むが、本発明の範囲を離れることなく、それよりも多いＩＧＢＴ又は少ないＩＧＢＴが使用されてもよい。第１ＩＧＢＴ１４８の第１チャネル１６４のエミッタからは１２０ＶのＤＣ電力がブロッキングダイオード１６８を通過し、第２ＩＧＢＴ１５２の第１チャネル１６６のエミッタからは１２０ＶのＤＣ電力がブロッキングダイオード１７０を通過する。ダイオード１６８及び１７０は好ましくはビシェイ社の品番SDIIOOC16 B-PUKの電力ダイオードであり、これは定格１４００アンペア、１６００ボルトである。ダイオード１６８は第１コイルバンク１５０に接続され、ダイオード１７０は第２コイルバンク１５４に接続される。ダイオード１６８及び１７０は、フライバックダイオード１７２又は１７４の故障による逆起電力が第１ＩＧＢＴ又は第２ＩＧＢＴへ達することを防ぐ。

さらに図４−図１０を参照すると、タイミングシステム１０６の主要部品は２つのＵ字型の光電赤外線センサ１７６、１７８である。赤外線センサ１７６、１７８はタイミングディスク１８１と協働してクランクシャフト２０及びこれに従うピストン１２の位置に応じたタイミングを提供し、これによって第１コイルバンク１５０又は第２コイルバンク１５４に電圧印加を開始し、かつ第１コイルバンク及び／又は第２コイルバンクを停止／電圧印加停止する。このように、当該赤外線センサはコイルバンクの独立した動作の持続時間を定めるように動作する。特定の持続時間に関する低電圧のオン又はオフのデジタル信号は、低電圧電力変調器１８０及びパルスコントローラ１８２の各々へ送信される。動作中において、各光電赤外線センサ１７６、１７８は、いつ電力を各ＩＧＢＴ１４８、１５２へ送って各コイルバンク１５０、１５４へ電圧印加するかを電力変調器１８０及びパルスコントローラ１８２が信号伝達するためのタイミングディスク１８１の回転を検知する。好ましくは、当該信号は、トゥルーバイパス型（ＴＢ）オプトカプラ１８４、１８６の各々に対する起電力シールドケーブルを介した特定の持続時間における１２ＶのＤＣ信号である。最も好ましい実施例においては、１つのRT-610-10と、１つの電力変調器及びパルスコントローラと、１つのオプトカプラがシリンダの各バンクに対して設けられる。独立したパルス幅変調器（ＰＷＭ）を各コイルバンクに対するＴＢオプトカプラ群へ提供することは、コイルバンクの機能構成のオプションを接続及び増加することによる故障の可能性を分離する。低電圧電力変調器１８０及びパルスコントローラ１８２の各々は、タイミング／燃焼システム１０６を光ファイバ結合のＩＧＢＴ１４８、１５２に接続させる機能を果たす。さらに、電力変調器１８０及びパルスコントローラ１８２は、タイミング／燃焼モジュール１０６から受信した所定のオン／オフのデジタル信号から、送信された当該信号のタイムフレーム／持続時間及びこれに従うデューティサイクルが手動で変更されることが可能な信号へ変換する。本目的は、各コイルバンク内における電磁コイル及びＩＧＢＴスイッチ部品に対するＤＣ高電圧／電流源１０４によって発生する熱を低減することと、各コイルバンク内における電磁コイル２２へ供給される有効な電圧を減少させることによってモータ１０の１分当たりの回転数（ＲＰＭ）を手動で変更可能にすることと、逆起電力の収集効率を高めることと、である。これは、パルスコントローラ及び電力変調器内のパルス幅変調器によって実現される。実際には、ＴＢオプトカプラ部品１７６、１７８は、RT-610-10のＵ字型光電赤外線センサ１７６、１７８からシールドされた１２Ｖ、ＤＣのオンのデジタル信号を受信すると、光遮断スイッチ１８８、１９０を閉じる。この動作は、パルス幅が変調された５ＶのＤＣ信号の持続時間が、タイミング／燃焼システム内においてRT-610-10から電気的に遮断されたRT-610-10の光電赤外線センサ１７６、１７８によって送信された信号を反映することを可能にする。光遮断は、システムの一部の他の部分からのファイアウォールに使用され、アバランシェ降伏のカスケード現象、誘導起電力、スパイク、及び電圧クリップによって発生する問題を防ぐ。パルス幅が変調された電気信号はパルス幅変調されたレーザ光信号へ変換され、パルス幅が変調された５ＶのＤＣ信号はＴＢオプトカプラ上の光ファイバトランスミッタ１９２、１９４に電力を供給する。当該パルス幅が変調されたレーザ光のオン又はオフのデジタル信号は、光ファイバケーブル１９６、１９８を介して、光ファイバ結合のＩＧＢＴドライバ２００、２０２へ送信され、高電圧のＤＣ電力を制御するＩＧＢＴを開閉する。光ファイバは高い磁束の環境の影響を受けないため、パルス化された電気信号をレーザパルス化信号へ変換することは、当該信号の非常に低い減衰性及び高い統合性を維持し、当該信号の統合性を維持して起電力シールドの必要性を除去し、使用可能なパルス幅を広くする。従って、より高度なパルス化を用いることが可能となり、標準的なハードワイヤのＩＧＢＴドライバによって除外されていた逆起電力に関するシステム構成のオプションが可能となる。

燃焼システム１０８を参照すると、光ファイバ結合のＩＧＢＴドライバは、ＩＧＢＴゲートの開閉を制御し、コイルバンクに対するＨＶＤＣ電力のオンオフを切り替えるように構成及び配置されている。ＩＧＢＴドライバ２００、２０２に供給された電力は、電源１１２、１１４から伸びるシールド付きツイストペアワイヤ１２４を介して１５Ｖ、ＤＣの０．５アンペアにフィルタリングされかつ調整される。さらに、ＩＧＢＴドライバ２００、２０２は、トルクパワー出力ＩＣコントローラ／センサとして組み込まれ得る特徴を含むように構成及び配置され、当該特徴は、電磁石と永久磁石との間のプッシュ−プッシュシステムから、一方のコイルバンクでは押して他方のコイルバンクは引く（引き付ける）ことによってパワーストロークに対してより大きなトルクを加えるシステムへ、シフトすることを可能にする。プッシュ−プッシュモードからプッシュ−プルモードへのシフトは動作中に行なわれてもよい。

高電圧のＤＣ切替は２つの高電圧高電流の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）によって実現され、当該ＩＧＢＴは、定格１７００ボルト、１２００アンペアの三菱社の品番CM1200DC 34NのＨＶＩＧＢＴモジュールであるのが好ましい。各ＩＧＢＴはドライバボード２００、２０２によって制御され、当該ドライバボードは低電圧電力変調器及びパルスコントローラに設けられたＴＢオプトカプラ部品１８４、１８６にそれぞれ光ファイバ結合される。各ＩＧＢＴは、使用される他のＩＧＢＴの別々のシリンダ又はコイルバンクのそれぞれに電圧を印加する。好ましくは、各電磁コイルバンク１５０、１５４は、正側接続部及び負側接続部においてフライバックダイオード２０４、２０６を含む。定格１６００Ａ、３０００Ｖのビシェイ社の品番SDI500030L B-PUKのダイオードはフライバックを除去するのに適していることがわかっている。フライバックは、供給電圧がシステムパルス化及びスイッチング周波数によって急に変化した場合のコイルバンクによって発生する誘導負荷において見られる突然の電圧スパイクである。高電圧ＤＣは各コイルバンクから別の分離ダイオード２０８、２１０を通って持続しており、当該ダイオードはビシェイ社の品番SD1500030L B-PUK 1600A 3000Vであるのが好ましい。分離ダイオード２０８、２１０は古い部品と考えられており、その一次的な機能は磁気コイルバンクを他のコイルバンクから分離することである。分離ダイオード２０８、２１０は、共通の銅バス２１２へ接続し、当該銅バスは高電圧のＤＣ１２０Ｖ電源バッテリアレイの負端子に接続する。

図１１及び図１２を参照すると、代替的な光遮断器の構成が示されている。この実施例にはタイマ回路２２２及びポテンショメータ２２４が含まれる。この構成によれば、ＩＧＢＴの燃焼ウィンドウ期間が２つ以上のパルス信号へ分解され、これによって図１２に示されるように電源及び電磁石上においてさらなる制御を可能にする。この構成は、初めの電気インパルス２２６及びそれに続く第２の電気パルス２２８を許容する。当業者であれば、この構成によって電磁石のデューティサイクルが特定の用途へカスタマイズされ得ることを認識するであろう。さらにこの構成は、電磁石のデューティサイクルがトルクセンサなどのセンサからの入力に基づいて変更され、エンジン負荷に基づいて電力消費を低減することを可能にする。他の利点は、当該燃焼ウィンドウ期間の第１部分における低いデューティサイクル及び当該燃焼ウィンドウ期間の第２部分における高いデューティサイクルを含み得る当該燃焼ウィンドウ期間中に発生するピークトルクを制御することを含む。

なお、図示していないが、バッテリの電力供給を維持するために当業者には周知の電力発生手段が用いられてもよい。当該電力発生手段は、交流電源、発電機、高圧磁石発電機、発電制動（dynamic breaking）等を含むが、これらに限定されるべきではない。当該電力発生手段は、ベルト、シャフト、ギア、直接結合、流体駆動等によってエンジンから直接動作されてもよい。あるいは、当該電力発生手段は、例えば発電制動、ホイールジェネレータ、及び補助的な内燃又は外燃エンジンを混合的に介してエンジンに間接的に結合されてもよい。さらに、本発明によるエンジンは、静的構成の従来の電力網から動作されてもよく、これによってバッテリの必要性を除去することができる。

本明細書に記載された全ての特許及び刊行物は、本発明の属する技術分野における当業者のレベルを示している。全ての特許及び刊行物は、個別の刊行物が参照することにより組み込まれるために詳細かつ個別に示されるのと同様に、参照することにより本明細書に組み込まれているものとする。

本発明の特定の形態が示されているが、本発明は当該特定の形態又はここに記載及び図示された変形に限定されるものではない。当業者には、本発明の範囲を離れることなく様々な変形を行うことが可能であり、本発明が本明細書及び本明細書に含まれる図面に図示及び記載されているものに限定されないことは明らかであろう。

当業者であれば、本発明が上記目的を達成するのによく適合し、かつ本発明が上記した結果及び利点並びに内在する結果及び利点を得ることを容易に理解するであろう。ここに記載された実施形態、方法、手順、及び技術は、好ましい実施例を示すものであり、例示的なものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本発明の精神に含まれかつ特許請求の範囲に定義される技術分野における当業者であれば、本発明の変形及び他の使用を考案するであろう。本発明は特定の好ましい実施例に関連して記載されているが、特許請求の範囲に記載された発明は当該特定の実施例に不当に限定されるべきものではない。そして、当業者には明らかである本発明を実施するために記載された態様の様々な変形は、特許請求の範囲に含まれるものである。

Claims

磁気駆動往復運動エンジンであって、
直線経路に沿って往復運動するように構成及び配置されかつ少なくとも１つの永久磁石が取付けられている少なくとも１つのピストンと、
少なくとも１つのオフセットジャーナルを有して前記少なくとも１つのピストンの往復運動を回転運動へ変換するクランクシャフトと、
前記少なくとも１つのピストンに枢動可能なように取付けられた第１端部及び前記クランクシャフトの前記少なくとも１つのオフセットジャーナルに回転可能なように接続された第２端部を有するコネクティングロッドと、
前記エンジンにおける電圧印加された際に前記少なくとも１つの永久磁石に反応する位置に取付けられた少なくとも１つの電磁石アセンブリと、
低電圧電力を電子部品へ供給する低電圧電源と、
高電圧直流電源と、
タイミングモジュール及び燃焼モジュールを含むタイミング／燃焼システムと、を含み、
前記タイミングモジュールは前記低電圧電源を用いて前記クランクシャフトの回転を監視するように構成及び配置され、前記タイミングモジュールはパルス化された低電圧信号を前記燃焼モジュールへ送信し、これによってパルス化された態様にて高電圧電力を前記高電圧電源から前記少なくとも１つの電磁石アセンブリへ流れさせ、前記クランクシャフトの回転を生じさせる前記クランクシャフトの位置に応じて磁場を発生させることを特徴とする磁気駆動往復運動エンジン。
請求項１に記載の磁気駆動往復運動エンジンであって、
前記燃焼モジュールは前記タイミングモジュールに光学的に接続された少なくとも１つのドライバボードを含み、前記ドライバボードは少なくとも１つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタに電気的に接続されており、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタは少なくとも１つのゲートの開閉を制御して前記少なくとも１つの電磁石に対して前記高電圧直流電源を接続及び切断するように構成及び配置されていることを特徴とする磁気駆動往復運動エンジン。
請求項２に記載の磁気駆動往復運動エンジンであって、
前記少なくとも１つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタは２つのスイッチチャネルを含み、前記２つのスイッチチャネルはそれぞれが独立して動作するか、タンデムにて動作するか、又は交互に動作することが可能であることを特徴とする磁気駆動往復運動エンジン。
請求項３に記載の磁気駆動往復運動エンジンであって、
前記燃焼システムは前記少なくとも１つの電磁石の正側接続部及び負側接続部に電気的に接続された少なくとも１つのフライバックダイオードを含むことを特徴とする磁気駆動往復運動エンジン。
請求項１に記載の磁気駆動往復運動エンジンであって、
前記タイミングモジュールは少なくとも１つの光電赤外線センサを含み、前記少なくとも１つの光電赤外線センサはタイミングディスクと協働して前記クランクシャフトの回転位置を提供するように構成及び配置されており、前記光電赤外線センサは電力変調器及びパルスコントローラへ伝達する所定の電気信号を生成することを特徴とする磁気駆動往復運動エンジン。
請求項５に記載の磁気駆動往復運動エンジンであって、
前記タイミングモジュールは前記光電赤外線センサに電気的に接続された少なくとも１つの電力変調器及びパルスコントローラを含み、前記電力変調器及びパルスコントローラは、前記光電赤外線センサから受信した当該所定のデジタル信号を、送信された信号のタイムフレーム／持続時間及びこれに従うデューティサイクルが手動で変更されることが可能な信号へ変換することを特徴とする磁気駆動往復運動エンジン。
請求項１に記載の磁気駆動往復運動エンジンであって、前記直線経路はシリンダであることを特徴とする磁気駆動往復運動エンジン。
請求項１に記載の磁気駆動往復運動エンジンであって、
前記ピストンは前記ピストンに取付けられた複数の磁石を含み、前記磁石は互いに作用し合って個別の磁石の各々よりも大きな磁束を発生させることを特徴とする磁気駆動往復運動エンジン。
電磁石を動作させるためのタイミング／燃焼システムであって、
電力インバータ及び１つ以上の電源を含む低電圧電源と、
直列に接続された複数のバッテリを含む高電圧直流電源と、
タイミングモジュールと、
前記タイミングモジュールに光学的に接続された燃焼モジュールと、を含み、
前記低電圧電源の前記１つ以上の電源はタイミングモジュール及び燃焼モジュールを含む電子部品を動作させるための少なくとも１つの出力電圧を有し、
前記タイミングモジュールは他の機械部品に対する１の機械部品の動きを監視することによって前記動きに対するパルス化された光信号を生成するように構成及び配置されており、前記パルス化された光信号は燃焼モジュールへ伝達され、
前記燃焼モジュールは前記タイミングモジュールからの前記パルス化された光信号を受信するように構成及び配置されており、前記燃焼モジュールは前記タイミングモジュールから受信された前記パルス化された信号を反映するパルス化された態様にて前記高電圧直流電源を電磁石へ接続するように構成及び配置されていることを特徴とするタイミング／燃焼システム。
請求項９に記載の電磁石を動作させるためのタイミング／燃焼システムであって、
前記タイミングモジュールは前記燃焼モジュールへ伝達するための前記機械部品間の前記動きに応じた２つ以上の所定の光パルスを生成することを特徴とするタイミング／燃焼システム。
請求項９に記載の電磁石を動作させるためのタイミング／燃焼システムであって、
前記高電圧電源は直列に接続された約１０個の１２ボルトバッテリを含み、これによって合計１２０ボルトの直流電力を提供することを特徴とするタイミング／燃焼システム。
請求項１１に記載の電磁石を動作させるためのタイミング／燃焼システムであって、
前記高電圧電源は前記バッテリと電磁コイルとの間に接続された複数のコンデンサを含み、これによって前記バッテリからの電気引き出しを円滑にし、かつ前記電磁コイルに対してより円滑な電力信号を提供することを特徴とするタイミング／燃焼システム。
請求項９に記載の電磁石を動作させるためのタイミング／燃焼システムであって、
前記燃焼システムは前記タイミングモジュールに光学的に接続された少なくとも１つのドライバボードを含み、前記ドライバボードは少なくとも１つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタに電気的に接続されており、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタは少なくとも１つのゲートの開閉を制御して前記少なくとも１つの電磁石に対して前記高電圧直流電源を接続及び切断するように構成及び配置されていることを特徴とするタイミング／燃焼システム。
請求項１３に記載の電磁石を動作させるためのタイミング／燃焼システムであって、
前記少なくとも１つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタは２つのスイッチチャネルを含み、前記２つのスイッチチャネルはそれぞれが独立して動作するか、タンデムにて動作するか、又は交互に動作することが可能であることを特徴とするタイミング／燃焼システム。
請求項１４に記載の電磁石を動作させるためのタイミング／燃焼システムであって、
前記燃焼システムは前記少なくとも１つの電磁石の正側接続部及び負側接続部に電気的に接続された少なくとも１つのフライバックダイオードを含むことを特徴とするタイミング／燃焼システム。
請求項９に記載の電磁石を動作させるためのタイミング／燃焼システムであって、
前記タイミングモジュールは少なくとも１つの光電赤外線センサを含み、前記少なくとも１つの光電赤外線センサはタイミングディスクと協働して前記クランクシャフトの回転位置を提供するように構成及び配置されており、前記光電赤外線センサは電力変調器及びパルスコントローラへ伝達する所定の電気信号を生成することを特徴とするタイミング／燃焼システム。
請求項１６に記載の電磁石を動作させるためのタイミング／燃焼システムであって、
前記タイミングモジュールは前記光電赤外線センサに電気的に接続された少なくとも１つの電力変調器及びパルスコントローラを含み、前記電力変調器及びパルスコントローラは、前記光電赤外線センサから受信した当該所定のデジタル信号を、送信された信号のタイムフレーム／持続時間及びこれに従うデューティサイクルが手動で変更されることが可能な信号へ変換することを特徴とするタイミング／燃焼システム。
磁気駆動往復運動エンジンにおける使用に特に適した電磁コイル構成であって、
磁場を発生させるのに適した強磁性材料から構成されかつコアを有するスプールと、
前記コアの周囲に複数回巻かれた導電性を有する連続的ワイヤと、を含み、
前記コアは水素雰囲気を有する磁場において焼鈍されており、これにより材料の粒子を整列させることによって中心のコアの結晶構造を変化させて高い透磁率を提供し、
前記連続的ワイヤは絶縁材料に被覆されており、前記連続的ワイヤの末端は外側に伸びて電源に接続することを特徴とする電磁コイル構成。
請求項１８に記載の電磁コイル構成であって、前記コアの材料は鉄ニッケル系合金であることを特徴とする電磁コイル構成。
請求項１９に記載の電磁コイル構成であって、
前記コアの材料は微量の銅、シリコン、及びモリブデンを加えた約８０％のニッケルと約１５％の鉄を含むことを特徴とする電磁コイル構成。
請求項１８に記載の電磁コイル構成であって、
前記コアは前記スプールを画定する一対のエンドキャップを含み、前記エンドキャップは、前記コアよりも大きな直径を有していることによって前記連続的ワイヤが前記エンドキャップ間に巻き付けられて前記電磁コイルの動作中に前記コアに対する前記連続的ワイヤの動きを防ぐバリアを提供することを特徴とする電磁コイル構成。
請求項１８に記載の電磁コイル構成であって、
前記連続的ワイヤは前記コアの周囲に約２５０回巻きつけられており、前記連続的ワイヤは８ゲージ銅ワイヤであることを特徴とする電磁コイル構成。