JP4727819B2 - ロータリー装置を制御するシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トルクを発生するために使用されるモータ、および発電のために使用される発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的に電気モータは固定子および回転子から構成されている。
【０００３】
電気モータの動作は、導体を通る電流が磁界を生成し、ワイヤのコイルのような電磁装置おける電流の方向が磁極の位置を決定し、同じ磁極が反撥し、逆の磁極が吸引するという基本原理に基づいている。
【０００４】
一般的にフィールド構造と呼ばれる固定子は、モータ中で一定の磁界を生成する。
【０００５】
一般に、磁界は、回転子から均一に隔てて配置された界磁磁石と呼ばれる永久磁石によって生成される。
【０００６】
回転子またはアーマチャは一般に、励起されて磁界を生成し、それによって北極と南極を生成することのできる一連の等間隔で配置されたコイルから構成されている。
【０００７】
コイルを励起された状態にしておくことにより、回転子と固定子の磁界の相互作用によって回転子が回転される。
【０００８】
確実に単一方向に回転させるために、一般に、コイルに供給された電流の方向を変化させるように回転子のコイルの巻線に整流子が接続される。
【０００９】
電流の方向が反転されなかった場合には、回転子は単一方向に回転し、その後回転の全サイクルを終える前にその方向を逆転させてしまう。
【００１０】
上記の説明は、典型的な直流モータを示している。交流モータは、交流によりその方向が独立的に反転されるので整流子を有しない。
【００１１】
誘導電動機のような典型的な交流モータに対して、回転子は外部電源に直接接続されない。交流は固定子中のフィールドコイルを廻って流れ、回転磁界を生成する。この回転磁界が回転子中の電流を誘導し、その結果別の磁界が発生する。
【００１２】
この回転子から誘導された磁界が固定子からの磁界と相互作用し、回転子を回転させる。
【００１３】
発電機は事実上電気モータと逆のものである。電気を固定子または回転子のいずれかのコイルに供給するのではなく、原動機により生成された物理的な力によって回転子またはアーマチャが回転される。
【００１４】
実際に、発電機は機械的なエネルギを電気エネルギに変化させる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来のロータリー装置と比較して改善された効率で動作する改善されたロータリー装置を提供することである。
【００１６】
本発明の別の目的は、電気的および、または機械的なエネルギを発生することのできるロータリー装置を制御するシステムを提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、制御装置と、固定子および回転子を備えたロータリー装置とを備えているロータリー装置を制御するシステムが提供され、このシステムの制御装置はロータリー装置の回転を制御するためにこのロータリー装置に接続され、この制御装置は回転子を単一方向に回転させる極性の磁界を生じさせるためにロータリー装置の１以上の励起コイルを周期的に付勢するように構成され、さらに制御装置は、付勢された励起コイルから生じた力とは別の力が前記単一方向における回転子の回転を誘導する合力を生成したとき、励起コイルの付勢を遮断するようにオフに切替えられる。
【００１８】
制御装置は、別の力からの合力が作用して回転子を逆方向に回転させる期間のあいだ励起コイルを付勢し、それによって励起コイルにより与えられた力が合力にまさる（それより大きくなる）ように構成されることが好ましい。
【００１９】
制御装置は、合力がゼロになる前に励起コイルの付勢を遮断するようにオフに切替わるように構成されることが好ましい。
【００２０】
制御装置は、合力がゼロになる前のある期間のあいだ励起コイルの付勢を遮断するようにオフに切替わり、合力がゼロになる前に、別の力により誘導された逆ＥＭＦが回転子を単一方向に回転させることを可能にするように構成されることが好ましい。
【００２１】
合力は、逆ＥＭＦから発生した力以外のものであることが好ましい。
【００２２】
励起コイルは、回転子が完全に１回転する角度の予め定められた角度だけ制御装置によって付勢されるように構成されてもよい。
【００２３】
その代わり、励起コイルは、モータが回転する予め定められた期間のあいだ制御装置によって付勢されるように構成されてもよい。
【００２４】
特定の／各励起コイルは、回転子の単一の回転（サイクル）中２回以上付勢されることが好ましい。
【００２５】
特定の／各または１以上の励起コイルは、合力が回転子に力を逆方向に与えるたびに付勢されてもよい。
【００２６】
特定の／各または１以上の励起コイルは、制御装置によって供給される周期的なパルスにより付勢されてもよい。
【００２７】
周期的なパルスは、全て同じ符号であることが好ましい。
【００２８】
特定の／各励起コイルまたは選択された励起コイルは、合力が逆方向である場合は常に、合力がゼロから最大に変化してゼロに戻る期間より短い期間のあいだ付勢される。
【００２９】
１実施形態によると、固定子は１以上の励起コイルを有している。
【００３０】
回転子は、特定の／各励起コイルが励起されたときに発生させる磁界と相互作用する磁界を生じさせて回転子を単一方向に回転させる力を与えることのできる１以上の磁界発生手段を有していてもよい。
【００３１】
特定の／各励起コイルは、磁界発生手段に対して反撥するか、あるいはこれを吸引するように構成された磁気相互作用手段を含んでいることが好ましい。
【００３２】
別の実施形態によると、磁気相互作用手段は、磁界発生手段を引きつけるように構成される。
【００３３】
磁気相互作用手段は、磁性体を吸引することのできる鉄金属その他の物質の本体を含んでいてもよい。
【００３４】
磁界発生手段は永久磁石であってもよい。
【００３５】
磁気相互作用手段は鉄芯または永久磁石であってもよい。
【００３６】
磁界発生手段は永久磁石を含むか、または磁性体を吸引することのできる部材を含んでいることが好ましい。
【００３７】
固定子は、回転子の周囲から等距離で隔てて配置された複数の励起コイルを含んでいることが好ましい。
【００３８】
各励起コイルは電磁石であることが好ましい。
【００３９】
特定または各励起コイルは、そのコイルによる磁気相互作用手段を含んでいることが好ましい。
【００４０】
回転子は、均一に隔てて配置された複数の磁界発生手段を含んでいることが好ましい。
【００４１】
１実施形態によると、回転子は均一に隔てて配置された複数の永久磁石を含んでいる。
【００４２】
均一に隔てて配置された永久磁石は全て同じ極性のものであってもよい。
【００４３】
均一に隔てて配置された磁界発生手段は、付勢可能なコイルシミュレート磁石であってもよい。
【００４４】
磁界発生手段の磁極は全て同じであることが好ましい。
【００４５】
付勢された励起コイルにより生成された磁極は、磁界発生手段に対するものと同じであってもよい。
【００４６】
別の実施形態によると、励起コイルに対して交互のパターンの磁極が設けられる。
【００４７】
別の実施形態によると、交互のパターンの永久磁石が回転子に設けられる。
【００４８】
本発明のさらに別の実施形態によると、固定子は複数の磁束発生手段を有している。
【００４９】
固定子に対する磁界発生手段は永久磁石であってもよい。
【００５０】
回転子は、複数の励起コイルと１個の整流子を含んでいることが好ましい。
【００５１】
回転子はアーマチャであってもよく、固定子は界磁巻線であってもよい。
【００５２】
回転子の磁界発生手段は、直流または交流の外部電源によって付勢されることが好ましい。
【００５３】
固定子の磁気相互作用手段は、交流または直流で動作するコイルによって付勢されてもよい。
【００５４】
１実施形態によると、固定子は、回転子の磁界発生手段によって電流が誘導されるように構成された１以上の誘導コイルを含んでいる。
【００５５】
特定の／各誘導コイルは、特定の／各励起コイルと異なっていてもよい。
【００５６】
特定の／各誘導コイルはまた、励起コイルであってもよい。
【００５７】
特定の／各励起コイルは、出力回路に接続され、それによって特定の／各励起コイルにおいて誘導された電流が出力回路に出力されるように構成されてもよい。
【００５８】
スイッチング回路は、誘導コイルにおいて誘導された電流を整流するように構成されていることが好ましい。
【００５９】
整流は、電源によって特定のまたは各励起コイルが付勢される直前に行われることが好ましい。
【００６０】
出力回路に出力された電流は、電気装置を動作するために使用されるようにされることが好ましい。
【００６１】
制御装置は、励起コイルを付勢する電流が発生されないとき、特定の／各励起コイルを出力回路に接続するように構成されたスイッチング回路を含んでいることが好ましい。
【００６２】
制御装置はスイッチング回路を設けられることが好ましい。
【００６３】
制御装置はロータリースイッチであってもよい。
【００６４】
ロータリースイッチは、特定の／各磁界発生手段と整列された１以上の接触子を有していてもよい。
【００６５】
ロータリースイッチは、回転子の永久磁石と整列された１以上の接触子を有していることが好ましい。
【００６６】
ロータリースイッチは、好ましい形態において磁石である磁界発生手段と同数の接触子を有していてもよい。
【００６７】
特定の／各接触子は、垂直の高さと共に変化する幅を有していてもよい。
【００６８】
ロータリースイッチは、垂直に移動されることのできる調節可能なブラシを備えていることが好ましい。
【００６９】
接触子は、幅が上端部から下端部に向かって変化されていることが好ましい。
【００７０】
ロータリースイッチと回転子は、同じ中心軸上に配置されてもよい。
【００７１】
ロータリースイッチと回転子は、共通軸上に取付けられてもよい。
【００７２】
ロータリースイッチは回転子と別の室内に取付けられることが好ましい。
【００７３】
１実施形態によると、各励起コイルは、付勢されたとき、隣接する磁界発生手段に対して反撥するように構成される。
【００７４】
各励起コイルは、各サイクルの予め定められた期間のあいだ逆起電力によって付勢されるように構成されてもよい。
【００７５】
予め定められた期間は、励起コイルへの電流がオフに切替えられた後に発生することが好ましい。
【００７６】
別の実施形態によると、特定の／各励起コイルは、回転子の磁界発生手段を引きつけるように構成される。
【００７７】
本発明は、上述したシステムを構成するコンポーネントのいくつかの変形を考慮している。たとえば、電流、電圧、発生された磁界、回転子／固定子に対する磁石の磁極の数は全て変更されてもよく、それに応じて励起コイルの切替えのタイミングが変化する。
【００７８】
ロータリー装置は、回転子／アーマチャ中より多くの固定子／フィールド巻線上に生成された磁極を有していてもよいし、その逆であってもよい。
【００７９】
１実施形態によると、これら両者の磁極の数は同じである。
【００８０】
制御装置により制御されている励起コイルの切替えは、生成される逆起電力の影響を最大にするように構成されていることが好ましい。
【００８１】
励起コイルは、回転子の回転の維持と、トルクまたは電流の所望の出力の生成に十分な最小持続期間のパルス化された電流を実効的に供給されることが好ましい。
【００８２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を単なる一例として添付図面を参照して説明する。
図４において本発明の第１の実施形態にしたがって示されているように、それぞれから９０°隔てられて均一に配置された４個の永久磁石Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４を有する回転子11から構成されたシステムが提供される。
【００８３】
システムは、互いに１２０°隔てて配置された３個の電磁磁石励起コイルＡ、Ｂ、Ｃから構成された固定子を含んでいる。
【００８４】
各コイルＡ、Ｂ、Ｃは、５４ボルトの電源とスイッチ接触子ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３とを備えた回路中に接続されている。
【００８５】
各接触子ＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３は、隣接する接触子に関して９０°間隔を隔てて配置された接触子14、15、16、17を有するロータリースイッチ13の一部分である。
【００８６】
ロータリースイッチ13は、接触子ブラシ18、19を備えており、回転子11の軸と同じまたは共通の軸20上に取付けられている。
【００８７】
各接触子14、15、16、17はとくに、垂直な辺21と、上辺23から底辺24に外側方向に傾斜する傾斜辺22とからなる２つの平行でない辺を有する台形に構成されている。
【００８８】
その結果、各接触子の幅は上辺23から底辺24に向かうにつれて増加する。
【００８９】
ブラシ18は接触子14、15、16、17に関して垂直に移動されることができ、一方ブラシ19はベースと定常的に接触している。
【００９０】
図１には単一の一連の４個の接触子14、15、16、17を有するロータリースイッチ13だけが示されているが、図４に示されている３コイル固定子に対しては、実際に３個の接触子ディスクが軸20上に存在していることが好ましい。
【００９１】
各接触子ディスクはコイルＡ、Ｂ、Ｃのそれぞれ１つに対する接触子を有しているが、他のディスクに対する各ブラシはそれぞれ３０°および６０°オフセットされることになる。
【００９２】
以下、図１乃至４に示されているシステムの動作を説明する。
磁石Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４が図４に示されているように磁石Ｍ１がコイルＡの一方の端部と対向した状態で最初に整列されていると仮定した場合、コイルＡは、永久磁石がそれを通過した後で磁石Ｍ１乃至Ｍ４の１つが予め定められた期間のあいだコイルＡに対向して整列された場合、常に付勢される。
【００９３】
図７に示されているように、コイルＡは接触子ＲＳ１によって付勢され、ロータリースイッチ13により電気接続が生成される。
【００９４】
これは、ブラシ18と接触して整列される接触子14乃至17の１つによって行われる。この時点で電源ＶＡから電流が供給され、ブラシ18がもはや接触子14乃至17の１つと接触していない状態になるまで電流が供給され続ける。
【００９５】
第１の実施形態の３コイル／４極構成に関して、回転子11の１２度５１”５０´の回転に対して各スイッチＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３が閉じられるように各接触子の幅が充分なものとなる垂直位置にブラシが移動されることが好ましい。この時間の後、スイッチＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３は開かれ、電流はコイルＡ乃至Ｃのいずれにも流れなくなる。各コイルへの電流がオフに切替えられたとき、各コイルＡ乃至Ｃにおいて逆起電力が誘起され、この逆起電力によって、スイッチＲＳ１、ＲＳ２、ＲＳ３の接触子が開かれた後の短い期間のあいだ付加的に電流が各コイルにおいて流れることができる。
【００９６】
コイルＡ乃至Ｃを上述したように切替えることによって、電流がコイルＡ乃至Ｃに定常的に流された場合に要求されるものより低い固定子への入力電流で回転子11を回転させることができる。
【００９７】
以下の表１は、磁石の５°から３０°までの角度的変位に対する磁石Ｍ１乃至Ｍ４の角度位置に対して、回転子13上の合力を示している。
【００９８】
表 １
Ｍ１ 5°CC 10°CC 15°CC 20°CC 25°CC 30°CC
Ｍ２ 25°CW 20°CW 15°CW 10°CW 5°CW 0°CW
Ｍ３ 55°CW 50°CW 45°CW 40°CW 35°CW 30°CW
Ｍ４ 35°CW 40°CC 45°CC 50°CC 55°CC 60
ＲＦ CC CC 0 CW CW 0
示されているように、回転子13の磁石が一時に５°回転されたとき、回転子上の合力は５°から１５°までの反時計方向の力から１５°から３０°までの時計方向の力に変化する。０°、１５°および３０°では合力が０であるため、回転子の永久磁石がこれらの方位のいずれかで整列されたなら、合力は全く存在しないので回転子は時計方向および反時計方向のいずれにも駆動されない。
【００９９】
図６に示されているように、回転子の角度変位に対する、回転子に与えられた合力の大きさのグラフは３０°のサイクルを有する正弦曲線を表している。
【０１００】
回転子の完全な３６０°回転に関して、回転子は合力の１２サイクルの変化を経験する。
【０１０１】
表１および図６は、回転子を時計方向または反時計方向に回転させるために付加的な力を与えなければ、回転子はいずれの方向においても連続的に回転することができないことを示している。
【０１０２】
回転子を時計方向に回転させることが所望されていると仮定した場合、この力は、回転子の３６０°の全回転において０から１５°まで、３０°から４５°まで、６０°から７５°まで等に発生する反時計方向の合力を圧倒しなければならない。
【０１０３】
各コイルＡ乃至Ｃは鉄芯を有しているため、コイルが付勢されていないときでさえ、各磁石と鉄芯との間に発生した磁石本来の固有磁気吸引力の結果、各磁石Ｍ１乃至Ｍ４が最も近い鉄芯の方向に移動しようとする。
【０１０４】
磁気吸引力は、磁石が鉄芯と対向して位置された場合は常に最大なので、その磁石が回転子を時計方向または反時計方向のいずれかに移動させる力を提供しない。同様に、磁石が隣接する鉄芯間の中間に位置しているときも、その磁石により与えられ、回転子を時計方向または反時計方向のいずれかに回転させる力が０となる。
【０１０５】
図６および表１に示されているように、磁石Ｍ１が時計方向に５°移動された場合、この磁石Ｍ１とコイルＡの鉄芯との間に固有磁気吸引力が生じており、磁石Ｍ１を反時計方向に引っ張っている。別の磁石により与えられた合力が永久磁石Ｍ１とコイルＡの鉄芯との間の吸引力を圧倒するのに十分であったなら、回転子は依然として時計方向に移動するであろう。
【０１０６】
しかしながら、表１に示されているように、別の磁石Ｍ２乃至Ｍ４の角度位置のために生じた全体的な力は反時計方向のものである。
【０１０７】
この合力を圧倒するために、磁石Ｍ１と同じ極性の磁極ＸをコイルＡに生成し、それによって磁石Ｍ１に対して反撥することによりコイルＡから遠ざける必要がある。
【０１０８】
図６に示されているように、コイルＡと磁石Ｍ１との間の磁気反撥作用の強度は、回転子を反時計方向に推し進める合力を圧倒するために十分に強くなければならない。
【０１０９】
磁石Ｍ１の１５°角度変位に対してコイルＡに電流を与えることができたが、コイルＡは磁石Ｍ１の１２°５１' ５５''の角度変位に対してのみ付勢されることが好ましい。電流をこの角度変位の期間中コイルＡに供給することにより、磁石Ｍ１の０°から１５°の角度変位のあいだに発生する反時計方向の合力を圧倒するためにコイルＡに供給される電流量が最小になる。
【０１１０】
コイルＡに電流を供給する期間をこれより長くすることもできるが、この期間中電流を供給することにより、逆起電力がコイルＡに誘起されたときコイルＡが磁石Ｍ１に与える反撥力が増加することが認められた。
【０１１１】
磁石Ｍ１乃至Ｍ４の１つが０°でコイルＡと整列されるたびに、コイルＡはその磁石が１２°５１' ５５''角度的に変位するあいだ付勢される。したがって、図７に示されているように、０°からのコイルＡに対する電流の供給は１２°５１' ５５''で終了し、９０°からの電流供給は１０２°５１' ５５''で、１８０°からの電流供給は１９２°５１' ５５''で、および２７０°からの電流供給は２８２°５１' ５５''で終了する。
【０１１２】
コイルＢおよびＣに対して類似の切替えパターンが適応される。たとえば、コイルＢは、磁石Ｍ２が３０°から４２°５１' ５５''に移動されたときに電流を供給され、同様にコイルＣは、磁石Ｍ３が６０°から７２°５１' ５５''に移動されるときに電流を供給される。
【０１１３】
回転子は２３０ｍｍの直径を有し、各コイルは６．８オームの抵抗を有していることが好ましい。
【０１１４】
図８は、６．８オームのコイル抵抗および直径２３０ｍｍの４極回転子に対する入力電圧対入力電流をグラフで示している。
【０１１５】
コイルをオンおよびオフに切替える厳密なタイミングシーケンスは、ロータリー装置および制御装置のパラメータに応じて変化する。
【０１１６】
したがって、各コイルに対する入力回路の入力電圧、コイル抵抗および全体的なインピーダンスを変えることにより、コイルがオンにされていなければならない持続期間が変化する。
【０１１７】
実際、コイルをオンに切替えるタイミングシーケンス変化させることのできる多数の要因があるが、これらのいくつかを以下に要約する。
【０１１８】
［固定子］
その変数には、固定子鉄芯の構成時に使用される材料の選択、固定子鉄芯の数およびそれらの位置、ならびに固定子の鉄芯の物理的寸法、断面積および形状が含まれる。
【０１１９】
［回転子］
その回転子に含まれている極性を与えられた永久磁性体の物理的寸法と、磁気強度および形状と、回転子に含まれている極性を与えられた永久磁性体の数と、それらの位置および間隔と、全て同じ極性の永久磁性体の使用、あるいは永久磁性体に対する交互する極性の使用。
【０１２０】
［固定子コイル］
固定子鉄芯上に位置されたコイルの物理的寸法、銅、銀、アルミニウムその他のようなコイルに巻くために使用されるワイヤのタイプ。円形、正方形、三角形、長方形その他のような巻線の形状および断面積；コイル上に巻かれた巻回数および層数ならびに結果的なオーム抵抗；単一巻線、二重巻線、同方向の二重巻線、反対方向の二重巻線、左から右またはその逆に交互に巻かれた巻線のようなコイルホルダー上への巻き方であり、上記の例のいずれかが単一のコイルホルダー上に巻かれる。
【０１２１】
［回転子の速度］
これは、直流電流が導かれる（入力される）長さ（オンおよびカットオフ期間）および、または固定子コイルに供給するために使用される電源電圧の制御によって制御されることができる。
【０１２２】
システムに対して行ってもよいその他の変形を以下に示す：
（ａ）コイルは直列、並列または直並列に接続されることができる。
【０１２３】
（ｂ）回転子において永久磁石の北極／南極配列が使用された場合にのみ、偶数個の永久磁石が必要であるが、固定子中に位置される固定子コイルは必ずしも対の偶数である必要はない。さらに、上記の北極南極配列の固定子コイルに供給される直流の方向は同期されなければならず、これは、固定子コイル中で必要とされる磁界が永久磁石と対面する固定子コイル、鉄芯の端部に対応した極性のものでなければならないことを意味する。
【０１２４】
（ｃ）全ての極性が同じ永久磁石を使用している場合、回転子上に均一な間隔でそれらを含むための十分な余地があるならば回転子中で任意の数の永久磁石が使用されてもよい。
【０１２５】
（ｄ）永久磁石間の間隔は正確でなければならず、互いに近すぎている場合、導かれた直流電流の効果が低くなり、離れ過ぎている場合には、十分な電位が得られない。
【０１２６】
（ｅ）以下に示すような永久磁石と固定子コイル鉄芯の種々の組合せを有することが可能であるが、これらに制限されない：
（ｉ）回転子中で３個の磁石が使用され、１乃至３個の固定子コイルが使用されることが可能である。
【０１２７】
（ii）回転子中で５個の永久磁石が使用され、１乃至５個の固定子コイルが使用されることができる。
【０１２８】
(iii) 回転子中で９個の永久磁石が使用され、１乃至３個または９個の固定子コイルが使用されることが可能である。
【０１２９】
（iv）出力は各組合せによって変化する。
【０１３０】
（ｖ）回転子が含んでいる永久磁石の個数が偶数か否かにかかわらず、固定子はただ１個の固定子コイルおよび固定子鉄芯により動作することができ、その効率は依然として高いが、総出力が減少する。
【０１３１】
（ｆ）固定子および回転子は、木、プラスチック、青銅および類似した非磁性材料のような非磁性材料から形成されなければならない。
【０１３２】
スイッチングは機械的なロータリースイッチによりその好ましい形態で行われているが、それはまた固体電子装置またはその他のスイッチング装置によって行なわれることができる。
【０１３３】
各コイルに対するオン期間の長さは物理的な長さの比である。そのとき、ブラシがロータリースイッチの導電部分および非導電部分と接触している。
【０１３４】
この比率は、１秒中の比率の頻度または数と呼ばれる。
【０１３５】
ロータリー装置により生成された出力は機械的であると同時に電気的なものであることができ、あるいは主に電気的なものまたは主に機械的なものであってもよい。以下において、固定子は鉄芯を備えた単一の励起コイルを有し、回転子は単一の永久磁石を有していると仮定する第２の実施形態を参照してこの理由を説明する。
【０１３６】
回転子の永久磁石を手で非常にゆっくり時計方向に回転させたとき、回転子の永久磁石と固定子の鉄芯との間の磁石本来の固有磁気吸引力が発生する地点を決定することができる。
【０１３７】
固有磁気吸引力は、永久磁石の前縁が図９に示されている地点Ａに達したときに発生し、永久磁石の中心が鉄芯30に対向する地点Ｂと整列されるまで指数関数的に増加する。
【０１３８】
永久磁石がさらに回転されて地点Ｂから離された場合、ＮＭＡ（固有磁気吸引力）は地点Ｂで最大点となり、その後永久磁石の後縁が地点Ｃに達するまで最大から指数関数的に減少し、なくなる。
【０１３９】
回転子が一定の速度で時計方向に移動され、オシロスコープが固定子コイルに接続されたとき、図１０に示されているように、地点Ａと地点Ｂとの間、およびその後地点Ｂと地点Ｃとの間で永久磁石の運動を観察することができる。
【０１４０】
誘起された誘導曲線はオシロスコープ上で明らかにされ、この誘起された誘導は正弦波曲線31を生成する。地点Ａと地点Ｂとの間における誘起される磁気誘導は、この例では負の誘起される磁気誘導であり、Ｂと地点Ｃとの間における誘起される磁気誘導はこの例では正の誘起される磁気誘導である。
【０１４１】
負および正の誘起される磁気誘導曲線は、大きさが全く同じで符号が異なるものであることもまた認められる。
【０１４２】
永久磁石が固定子コイルにおける負の磁気誘導を正弦波曲線31の０°で誘起し始めたとき、誘起される磁気誘導は０である。正弦波曲線の９０°で誘起される磁気誘導は最大であり、その後永久磁石が地点Ｂと整列されたとき、すなわち正弦波曲線の１８０°で０に戻り、その後永久磁石は地点Ｂと整列している位置、あるいはそれが正弦波曲線の１８０°である位置から移動し始める。
【０１４３】
永久磁石が地点Ｂと整列している位置から地点Ｃに向かって移動し始めると、今度は正の磁気誘導が最初に正弦波曲線の１８０°で０であり、その後正弦波曲線の２７０°で最大となり、正弦波曲線の３６０°で０に戻る。
【０１４４】
正弦波曲線の０°および３６０°は、正弦波曲線の０°に対する地点Ａおよび３６０°に対する地点Ｃと同じである必要はないことを認識すべきである。
【０１４５】
地点ＡおよびＣは、回転子の永久磁石の強度と、固定子の鉄芯の断面積および、または形状とによって決定される。
【０１４６】
正弦波曲線の０°と１８０°との間における負の誘起された磁気誘導は、反対の極性の固定子コイルおよび鉄芯において電磁力を生成する。
【０１４７】
回転子に面した鉄芯端部は、図１１に示されているようにこの例では永久磁石と極性が逆である。
【０１４８】
正弦波曲線の１８０°と３６０°との間における正の誘起される磁気誘導は、この例では永久磁石の極性と同じであり、回転子に面した鉄芯端部の極性と同じ極性の固定子コイルおよび鉄芯における電磁力を生成する。
【０１４９】
永久磁石が地点Ａに達したとき、永久磁石と固定子鉄芯との間の固有磁気吸引力は最小であり、その後永久磁石は地点Ｂに向かって移動し始める。その後誘起される磁気誘導が地点Ａと地点Ｂとの間のどこかである正弦波曲線の０°で再び発生し始めたとき、固有磁気吸引力はすでに増加している。
【０１５０】
永久磁石が正弦波曲線の０°にあり、それから地点Ｂまたは正弦波曲線の１８０°に向かって移動した場合、固定子コイルにおける負の誘起される磁気誘導が固定子鉄芯において電磁力（電磁界）を生じさせ、回転子に面した鉄芯端部は極性が永久磁石と反対であり、効果は正弦波曲線の０°でゼロであり、正弦波曲線の９０°で最大であり、その後正弦波曲線の１８０°で再びゼロになる。
【０１５１】
その後、永久磁石が地点Ｂで整列される。その地点で、磁気吸引力は距離に比例し、これは地点ＡからＢの方向に移動されているときに指数関数的に増加する。そこで、固定子鉄芯は地点Ｂで固定され静止している。したがって、それは地点Ｂに向かって移動する永久磁石である。
【０１５２】
一例として固定子鉄芯が、強度が同じで反対の極性を与えられた永久磁性体の場合、磁気吸引力は上述の距離係数のために４倍以上大きくなる。
【０１５３】
さらに、これは、磁気的北極および南極の磁気構造間の磁力が２倍になったために発生する。したがって、固定子コイル中の誘導された磁気誘導が上述したように回転子に面した固定子鉄芯端部で逆の極性の電磁力を生じさせたときに、永久磁石と回転子に面した鉄芯端部との間の磁気吸引力が劇的に増加する。
【０１５４】
この増加は正弦波曲線の０°からスタートしてその９０°まで続き、それから正弦波曲線の９０°から１８０°にかけて上記の効果が減少する。
【０１５５】
図１１には、固有磁気吸引力と固定子コイルにおいて誘導される磁気誘導の組合せ曲線33が０°から１８０°まで示されており、これは逆の極性の回転子に面した固定子コイル端部において電磁力を生じさせる。１８０°から３６０°までは、固定子鉄芯および同じ極性の回転子の場合の曲線34が示されている。
【０１５６】
永久磁石が地点Ｂにおいて整列され、固定子コイルに対する直流の短期間だけの供給が地点Ｂから開始される場合、直流の供給は永久磁石と回転子に面した固定子の鉄芯との間の固有磁気吸引力を圧倒するために十分な長さの期間しか行われない。固定子コイルに供給される導かれた直流は、回転子に面した鉄芯端部において同じ極性の磁極を生成し、したがって永久磁石に対して反撥してこれを地点Ｂから地点Ｃの方向に移動させる。
【０１５７】
したがって、回転子に面した固定子鉄芯端部の同じ極性により、固有磁気吸引力が固有磁気反撥力に変化されている。
【０１５８】
“オン”期間は固有磁気吸引力を圧倒するために十分な長さでなければならず、固有磁気吸引力が消滅する地点Ｃに後縁が達するまでの長さであることができる。しかしながらその点に関して、永久磁石によって生成された固定子コイル中の正の誘起された磁気誘導が固定子においてまたは回転子に面した鉄芯端部において電磁力を生じさせ、その瞬間にゼロである正弦波曲線の１８０°すなわち地点Ｂからスタートする永久磁石と同じ極性が生成される。正弦波曲線の２７０°において、それは最大であり、その後正弦波曲線の３６０°におけるゼロで終了する。換言すると、正弦波曲線の２７０°における力は最大反撥力であり、回転子の速度に依存する固定子コイルにおいて誘導される磁気誘導が存在している。図１２には、回転子の速度変化の影響が曲線35によって示されている。
【０１５９】
図１２に示されているように、回転子の速度にかからわず、固定子コイルにおいて誘導される磁気誘導は正弦波曲線の２７０°で最大である。
【０１６０】
電流のオン期間は、誘起された磁気誘導が正弦波曲線の３６０°を通って地点Ｃを越えた電磁反撥力の十分な大きさの地点まで戻されることができる。したがって、回転速度が速くなると、上述したように固定子コイルにおいて誘導される磁気誘導が高いために、それだけ一層入力直流のオン期間は短くなければならない。“オン”期間がオフに切替えられる時点は“カットオフ”点と呼ばれる。このカットオフ点から正弦波曲線の３６０°まで、上述したように固定子コイルにおいて誘起された磁気誘導である逆起電力により反撥力が生成される。
【０１６１】
オン期間中、地点Ｂにおける固定子鉄芯と永久磁石との間に生成された磁気反撥力は、組合せられた反撥力とみなされることができる。この力の一部は永久磁石の固有磁気反撥により生成され、別の一部は固定子コイルに供給される入力直流によって生成される。したがって、固定子コイル中の入力直流によって生成される誘導磁力が同じ極性を有する永久磁石の磁力と等しくされた場合、オン期間とカットオフ期間との間のこの反撥力の半分は、この例では、固定子コイルへの入力直流の供給により誘起された磁力に対する反応として永久磁石の固有磁気反撥から生成されたものである。
【０１６２】
固定子コイルに供給される入力直流は磁気反撥力を生じさせ、また、それは地点Ａと地点Ｃとの間の移動全体のための全体的なシステムに対する唯一の外部入力である。
【０１６３】
全入力は次のように要約されることができる：
（ａ）地点Ａと地点Ｂとの間において、誘起された磁気誘導により固定子コイルで生じる組合せられた固有磁気吸引力および電磁力；
（ｂ）オン期間およびカットオフ点中に、永久磁石と回転子に面した固定子鉄芯との間の組合せられた磁気反撥力；
（ｃ）カットオフ点と地点Ｃとの間の電磁反撥力（上述の誘起される磁気誘導を参照）；
（ｄ）図１２において斜線を付けられた部分36で表されている逆起電力により生じる電磁反撥力。
【０１６４】
本発明の別の実施形態によると、固定子は互いに関して１８０°の位置にある２個のコイルを有し、回転子は互いに関して１２０°隔てられた３個の永久磁石を有している。
【０１６５】
以下の表２に示されているように、０°から３０°までは合力が回転子を反時計方向に推し進める。３０°において合力は０であり、３０°から９０°まで合力は時計方向である。９０°から１２０°まで合力は反時計方向である。これは、回転子の３６０°の回転を通じて３回繰り返されて全サイクルを満了する。
【０１６６】
表 ２
Ｍ１ 5°C 10°CC 15°CC 20°CC 25°CC 30°CC
Ｍ２ 55°CW 50°CW 45°CW 40°CW 35°CW 30°CW
Ｍ３ 65°CC 70°CC 75°CC 80°CC 85°CC 90
ＲＦ CC CC CC CC CC 0
上記の磁極およびコイルの構成に関して、回転子を時計方向に回転させることが所望された場合、これが反時計方向であるときには常に反時計方向の力を圧倒するために電流が固定子のコイルに供給される必要があるが、上述したように、合力が反時計方向である全期間中はコイルを付勢するためにコイルに電流を供給する必要はない。
【０１６７】
説明の便宜上および簡単化のために、上記の実施形態は回転子上の永久磁石と固定子上のコイルとに制限されている。しかしながら、本発明の背景にある基本概念は、永久磁石が適切な磁極を生成するために励起されるコイルによって置換された場合にも、変わらない。
【０１６８】
同様に、交流ロータリー装置に関して、モータの１方向の回転を維持すると共にこの１方向のモータ回転の維持に対して逆起電力が与える影響を最大にするために必要な電流量を減少させるために、固定子巻線または回転子／アーマチャ巻線により生成される回転磁界が切替えられることができる。
【０１６９】
上記の原理はまた、磁界を生成するためにコイルが付勢される発電機に適用される。このような状況において、単一方向の回転を維持し、かつ回転子／アーマチャの単一方向における回転を維持する傾向のある逆起電力の影響を最大にする十分な期間だけコイルがオンに切替えられる。
【０１７０】
上記の概念を使用することにより、機械的および電気的出力を同時に生成することが可能である。固定子コイル巻線において生じた電流は出力として使用されることができ、同様に回転子により生成されたトルクは機械的出力を供給するために使用されることができる。同様に、一方または他方の出力形態だけが使用されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態によるロータリー装置および制御装置の垂直断面図。
【図２】 図１に示されている制御装置の上面図。
【図３】 図１に示されている制御装置の側面図。
【図４】 本発明の第１の実施形態によるロータリー装置を制御するシステムの概略図。
【図５】 図４に示されているロータリー装置の概略図。
【図６】 図４に示されているシステムの永久磁石Ｍ１の力対角度位置を示すグラフ。
【図７】 図４に示されているシステムの４個の永久磁石のそれぞれの入力電流対角度変位を示すグラフ。
【図８】 図４のシステムに示されているロータリー装置の各コイルに対する入力電圧対入力電流を示すグラフ。
【図９】 本発明の第２の実施形態による単一の永久磁石を有する回転子および単一の励起コイルを有する固定子の固有磁気吸引力対角度変位の変形を示す概略図。
【図１０】 本発明の第２の実施形態による磁界対角度変位を示すグラフ。
【図１１】 本発明の第２の実施形態による永久磁石の誘導された磁気誘導対角度変位を示すグラフ。
【図１２】 本発明の第２の実施形態による永久磁石の誘導された電磁誘導力対角度変位を示す別のグラフ。

Claims (17)

1. 制御装置と、固定子および回転子を備えたロータリー装置とを備えている回転可能な装置を制御するシステムにおいて、
   制御装置はロータリー装置の回転を制御するためにこのロータリー装置に接続され、回転子を単一方向に回転させる極性の磁界を生じさせるためにロータリー装置の固定子に設けられた１以上の励起コイルを周期的に付勢するように構成され、
   制御装置はさらに、回転子の回転の１地点においてオフに切替えられて付勢される励起コイルの付勢を停止し、励起コイルの付勢によって生成される回転子の１以上の部品と固定子の１以上の部品との間の磁気力による力とは異なる、励起コイルの付勢の停止によって生成される逆起電力により生成された力により前記単一方向に回転子を連続的に回転させるように構成されている制御システム。
2. 制御装置は、回転子の１以上の部品と固定子の１以上の部品との間の磁気力によって得られる力が回転子を逆方向に回転させるように作用する期間中１以上の励起コイルを励起し、それによってその１以上の励起コイルにより与えられた力が前記逆方向に回転させようとする力より大きくなるように構成されている請求項１記載のシステム。
3. 制御装置は、回転子の１以上の部品と固定子の１以上の部品との間の磁気力によって得られる力がゼロになる前に、回転子の回転の１地点で励起コイルへの入力電流をオフに切替えるように構成されている請求項２記載のシステム。
4. 制御装置は、励起コイルをオフに切替えることによる逆起電力によって生成された力が回転子を前記単一方向に回転させるように駆動する地点において１以上の励起コイルをオフに切替えるように構成されている請求項３記載のシステム。
5. １以上の励起コイルは、回転子が完全に１回転する角度の１以上の予め定められた角度だけ制御装置によって付勢されるように構成される請求項４記載のシステム。
6. 励起コイルは、回転子の各回転に対して１以上の予め定められた期間のあいだ制御装置によって付勢されるように構成される請求項４記載のシステム。
7. １以上の励起コイルは、回転子の単一の回転中に２回以上付勢されるように構成されている請求項５または６記載のシステム。
8. 回転子の１以上の部品と固定子の１以上の部品との間の磁気力による力が回転子を反対方向に回転させようとする力となる都度、前記単一方向の回転を維持するために１以上の励起コイルが付勢される請求項７記載のシステム。
9. １以上の励起コイルは、制御装置によって供給される周期的なパルスにより付勢される請求項８記載のシステム。
10. 周期的なパルスは、全て同じ符号である請求項９記載のシステム。
11. １以上の励起コイルは、回転子の１以上の部品と固定子の１以上の部品との間の磁気力による力がゼロから最大値まで変化する予め定められた期間より短い期間中たけ付勢される請求項１０記載のシステム。
12. 回転子は、励起コイルにより発生された磁界と相互作用して回転子を単一方向に回転させる力を与える磁界を生じさせることのできる１以上の磁界発生手段を有している請求項１１記載のシステム。
13. 励起コイルは、磁界発生手段に対して反撥するか、あるいはこれを吸引するように構成された磁気相互作用手段を含んでいる請求項１２記載のシステム。
14. 磁気相互作用手段は励起コイルまたは各励起コイルの鉄芯を含み、磁界発生手段は１以上の永久磁石を含んでいる請求項１３記載のシステム。
15. 制御装置をオフに切替えて励起コイルを出力に接続し、それによって励起コイルに誘起された電流が使用されることができるように構成されたスイッチング回路を含んでいる請求項３記載のシステム。
16. 制御装置はロータリースイッチを含んでいる請求項１乃至１５のいずれか１項記載のシステム。
17. ロータリースイッチは、その断面の幅が高さと共に変化する接触子を有している請求項１６記載のシステム。

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