JP5248499B2 - 電動機 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
なし

発明の分野
本発明は、直流電動機に関する。

発明の背景
エネルギコストが上昇し、かつ供給が減少し続けているので、特に電動機用のエネルギのより効率的な利用に関するかなりの必要性がある。電動機は多くの装置に動力を供給するので、所与の入力エネルギに対して電動機の電力出力を改善することは、エネルギコストのかなりの節約を意味するであろう。

特に、改良された電動機から利益を得るであろう１つの使用法は、電気自動車における利用である。電気自動車は、１００年以上にわたって存在してきたが、それらは、ごく最近になって広く用いられるようになった。電動機の電力出力における改善は、電気自動車がさらに一層実用的になり、市場で受け入れられるようになるのを支援することになろう。

既存の電気自動車が直面する１つの問題は、従来のガソリンまたはディーゼル車と比較して、電気自動車の購入価格がより高いことである。これは、一つには、かかる車両が用いる高価な電動機のためである。かかる電動機の設計は単純であるが、しかしそれらの構造は非常に複雑である。さらに、かかる電動機用の制御システムは、高電圧ならびに電流、特に、関連する高突入電流という必要条件のために、複雑である。最後に、現在の電気自動車の電動機は、複雑な伝動システムを必要とする。

金属コアなしに電磁気コイルを有する電動機が、例えば、低出力用途で一般に用いられる「パンケーキ」型電動機において以前は用いられた。しかしながら、プラスチックなどの非磁化コア材料は、高出力電動機用には用いられなかった。

よりエネルギ効率の良い電動機を製造するために電動機を構築および制御するための新しいアイデアが当該技術分野において必要とされている。

発明の概要
一実施形態において、本発明は、非磁化コアを囲む複数のワイヤコイルを含む固定子と、自身に永久磁石が埋め込まれた回転子であって、固定子に隣接して配置され、かつ回転可能な駆動軸に取り付けられた回転子と、電源と、回転子に動作可能に接続された位置センサと、ワイヤコイルへの電気エネルギの分配を制御するために、電源、位置センサおよびワイヤコイルに動作可能に接続された制御回路と、を含む多相電動機であって、制御機構が、第１のコイルから第２のコイルに電荷を転送する多相電動機である。

別の実施形態において、本発明は、非磁化コアを囲む複数のワイヤコイルを含む固定子と、固定子に隣接して回転可能に取り付けられた回転子と、回転子に取り付けられた複数の永久磁石と、電源と、回転子に動作可能に接続された位置センサと、ワイヤコイルへの電気エネルギの分配を制御するために、電源、位置センサおよびワイヤコイルに動作可能に接続された制御回路と、を含む電動機を提供するステップを含む、電動機を動作させる方法である。本実施形態の本発明には、電源を用いて第１のコイルに電気的に通電することと、第１のコイルを第２のコイルに電気的に接続し、それによって、コントローラの指示の下で第１のコイルから第２のコイルに電気エネルギを転送することと、がさらに含まれる。

さらに別の実施形態において、本発明は、非磁化コアを囲む複数のワイヤコイルを含む固定子であって、非磁化コアがプラスチック管を含む固定子と、自身に永久磁石が埋め込まれた回転子であって、固定子に隣接して配置され、かつ回転可能な駆動軸に取り付けられた回転子と、電源と、駆動軸を通して回転子に動作可能に接続された位置センサと、ワイヤコイルへの電気エネルギの分配を制御するために、電源、位置センサおよびワイヤコイルに動作可能に接続された制御回路と、を含む多相電動機であって、制御機構が、第１の放電しているコイルから第２の充電しているコイルに電荷を転送し、回転子が、周囲エッジが自身の間にある対向面のペアを有するディスクを含み、回転子が、周囲エッジの近くで面に装着された鋼リングをさらに含み、永久磁石が、少なくとも１つの希土類磁石が固定子に隣接するように、２つの希土類磁石断片の間に挟まれた一片の鋼を含む多相電動機である。

本発明のさらなる適用可能分野は、下記で提供される詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示すが、あくまで例示を目的としており、本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

本発明は、詳細な説明および添付の図面からより完全に理解されよう。

図面の簡単な説明
電動機の一実施形態の概略図を示す。 単一コイルの一実施形態を示す。 永久磁石および電磁気コイルの組み合わせが、どのように様々なレベルの力を生成するかを示す。 永久磁石および電磁気コイルの組み合わせが、どのように様々なレベルの力を生成するかを示す。 永久磁石および電磁気コイルの組み合わせが、どのように様々なレベルの力を生成するかを示す。 永久磁石および電磁気コイルの組み合わせが、どのように様々なレベルの力を生成するかを示す。 固定子コイルを支持するために用いられるタイプの長手方向ストリップの一実施形態を示す。 図４Ａに示すストリップなどの複数の長手方向ストリップに固定子コイルが取り付けられた固定子の断面を示す。 コイルから通じるワイヤを通すために、スロットを側部に形成した長手方向ストリップの一実施形態を示す。 ワイヤを通すためのワイヤチャネルを取り付けられた長手方向ストリップの別の実施形態を示す。 コイルを保持する取り付けブラケットが、どのように長手方向ストリップに装着されるかの一実施形態を示す。 任意選択の鋼シャントリングが用いられる回転子の一実施形態を示す。 異なるタイプのコアの回りに巻かれたワイヤコイルのいくつかの実施形態を示す。 異なるタイプのコアの回りに巻かれたワイヤコイルのいくつかの実施形態を示す。 異なるタイプのコアの回りに巻かれたワイヤコイルのいくつかの実施形態を示す。 モジュール回転子構成要素の一実施形態における正面図および側面図をそれぞれ示す。 モジュール回転子構成要素の一実施形態における正面図および側面図をそれぞれ示す。 回転子で用いるための合成磁石の一実施形態を示す。 本発明の電動機における一実施形態の断面における永久磁石と電磁気コイルとの間の磁束線の図を示す。 本発明の電動機のコイルに通電するための回路の一実施形態を示す。 本発明の電動機のコイルに通電するための回路の別の実施形態を示す。 位置センサの一実施形態を示す。 鉄削り粉を用いた直接的評価によって決定された、本発明の電動機における一実施形態の磁力線を示す。 鉄削り粉を用いた直接的評価によって決定された、本発明の電動機における一実施形態の磁力線を示す。 徐々に大きくなる永久磁石の磁力線を示す。 徐々に大きくなる永久磁石の磁力線を示す。 徐々に大きくなる永久磁石の磁力線を示す。 永久磁石の２つのスライス間に挟まれた鋼スラグを含む合成磁石の磁力線を示す。 電動機において、放電しているコイルから充電されたかまたは充電しているコイルへ、崩壊磁場電流を分路するための回路の一実施形態を示す。 電動機において、放電しているコイルから充電されたかまたは充電しているコイルへ、崩壊磁場電流を分路するための回路の別の実施形態を示す。 電動機において、放電しているコイルから充電されたかまたは充電しているコイルへ、崩壊磁場電流を分路するための回路のさらに別の実施形態を示す。 電動機において、放電しているコイルから充電されたかまたは充電しているコイルへ、崩壊磁場電流を分路するための回路のさらに別の実施形態を示す。 電磁気コイルの相対的位置が破線で示される、本発明の回転子における一実施形態の側面図を示す。 本発明の電動機の一実施形態における永久磁石およびコイルの相対的位置を示す図２０のライン２１−２１に沿った断面を示す。 本発明の電動機の別の実施形態における永久磁石およびコイルの相対的位置を示す図２０のライン２１−２１に沿った断面を示す。 本発明の電動機の別の実施形態における永久磁石およびコイルの相対的位置を示す図２０のライン２１−２１に沿った断面を示す。 本発明の電動機の別の実施形態における永久磁石およびコイルの相対的位置を示す図２０のライン２１−２１に沿った断面を示す。 三相電動機の一実施形態のタイミング図を示す。 四相１８永久磁石電動機の一実施形態のタイミング図を示す。 ８つのコイルおよび１８の永久磁石を有する四相電動機の一実施形態における永久磁石およびコイルの側面図を示す。

好ましい実施形態の詳細な説明
好ましい実施形態の下記の説明は、本質的にはあくまで例示的なものであり、決して、本発明、その用途または使用法を限定するものではない。

本明細書で説明する電動機は「マグネトロン」電動機と呼ばれるが、いくつかの点で従来の電動機と異なり、その結果、電動機の挙動を説明する典型的な方式が、必ずしもマグネトロン電動機には当てはまらない。これは、次のいくつかの要因による。

１．従来の電動機出力は、磁束を集中させるために鋼を必要とする。

２．従来の電動機は、金属部材において電気力を磁束に変換し、それにより、固定子および回転子を通して磁気回路を完成し、この磁気回路が、回転子に印加されるトルクを発生する。

これらの要因のために、典型的な電動機の最大電力出力は、巻線における銅の量と同様に、磁場および回転子における鋼の量によって制限される。

本明細書で説明する電動機は、次の構成要素において異なる。

１．マグネトロン電動機は、磁束を集中させるための鋼を必要とせず、実際には、ほとんどの実施形態において、鋼は、電動機の動作に有害である。

２．マグネトロン電動機において、磁気回路は、回転子における永久磁石、および２つの外側または端部回転子上の鋼の端部プレートの構成によって完成される。磁束の集中は、コイルが通電されたときに電力の増加をもたらす構成によって達成される（図３Ａ−３Ｄ、１４Ａ、１４Ｂ）。図３Ａ−３Ｃは、１つまたは複数の回転子に取り付けられた永久磁石と、固定子における充電された電磁気ワイヤコイルとの組み合わせが、どのように様々なレベルの力を生成するかを示し、より多くの永久磁石を所与のコイルに関連させることによって、増加する量の力がもたらされるという結論を伴う。例えば、各回転子３６が、８つの永久磁石５２を取り付けられている場合に、単一コイル３４を２つの回転子３６に関連させることによって、一実施形態では、２フィートポンドを少し上回る力が生成される。最初の２つの回転子３６のどちらかの側において、この構成に第３の回転子３６を加えることによって、電動機は、３フィートポンドを少し上回る力を生成するようにされる。同様に、最初の３つの回転子３６のどちらかの側に第４の回転子３６を加えることによって、電動機は、４フィートポンドの力を発生するようにされる。最後に、最初の４つの回転子３６のどちらかの側に第５の回転子３６を加えることによって、電動機は、５フィートポンドの力を発生するようにされる。

さらに、図３Ｄに示すように、より多くのコイルを永久磁石５２と組み合わせることによって、さらに大きな力を生成することができる。例えば、１つのコイル３４および５つの回転子３６（この場合に、各回転子３６は、合計で４０の永久磁石５２に対して８つの永久磁石５２を含む）を有することによって、５フィートポンドの力が与えられる。同じ５回転子の電動機に第２のコイル３４を加えることによって、力は、１０フィートポンドへと２倍にされる。第３のコイル３４の追加によって、力は、１５フィートポンドへと増加され、第４のコイル３４によって、２０フィートポンドの力が与えられる。コイル３４は、電動機３０の周囲回りの任意の位置に追加してもよく、それぞれは、５フィートポンドの力を追加する。

別の相違は、磁束線の方向である。典型的な電動機では、全ての磁束線が巻線に対して直角であり、これは、（発生される逆起電力により）回転子が回転するときに回転子における抵抗の原因となる。典型的な電動機では、この逆起電力は必要であるか、または電流は巻線が燃え尽きるほどに高い。

マグネトロン電動機では、磁束の一部が、巻線と平行であり、抵抗または発生される逆起電力を低減する。この磁束方向は、回転子間の間隔に対する、回転子における永久磁石のスペーシングによって、変更することができる。さらに、逆起電力の不足によって引き起こされる突入または高電流がない。したがって、マグネトロン電動機の設計によって、電流は自動的に制御される。

マグネトロン電動機は、機能上の差異を生じるいくつかの重要な差異をその構成に有する。

典型的な電動機では、巻線は、それらが互いに重なり合うような方法で、鋼のスロットに配置される。このために、１つの巻線が熱くなると、それは重なり合っている巻線を加熱し、電動機全体が過熱して燃え尽きる。たとえ１つの巻線だけが燃え尽きた場合であっても、いずれかの巻線を交換するために、巻線の全てを取り除かなければならない。

マグネトロン電動機では、巻線は単純なボビンコイルであり、それぞれは互いに独立し、一つずつ取り除くかまたは電動機に配置することができる。この設計によって、電動機は、完全にモジュール式になる。回転子モジュールを追加し、それによって電動機を延長することができるが、これは、コイルモジュール用のスロットを追加し、かくして電動機出力を増加させる。このモジュール概念によって、新しい電動機を設計することがはるかに簡単になる。

最後のことは典型的な電動機には当てはまらないが、逆起電力を用いて入力電力を再発生または補足することによって、これらの電動機をより効率的にする試みには当てはまる。

マグネトロン電動機は、その動作において非常によく働き、２つの別個の方法によって実現される新しいアプローチを用いる。

１．本出願の他のところで言及するように、磁束方向を変化させることによる、回転子抵抗または逆起電力の低減。

２．コイルが通電を遮断されるときに崩壊磁場エネルギを利用した、異なるコイル、好ましくはちょうどターンオンしているコイルへの入力電力の補足。

したがって、多相電動機３０には、複数のコイル３４を含む固定子３２と、駆動軸３８に取り付けられた回転子３６と、コイル３４を充電するための電源４０と、電源４０によってコイル３４の充電を制御するための制御機構４２と、が含まれる（図１および２）。

一実施形態において、固定子３２には複数のワイヤコイル３４が含まれるが、これらのワイヤコイル３４は、非磁化コア４４に巻かれる。非磁化コア４４は、限定するわけではないが、固体棒でも中空管でも、プラスチックを含む様々な材料のいずれかで作製してもよい。コイルコア４４は、断面が円形で、ワイヤコイル３４自体も円形になるようにするのが好ましい。とはいえ、コア４４およびワイヤコイル３４の他の形状が可能である。一実施形態において、巻きワイヤは、コア４４の中心を通り、かつ外側の回りにある一連の放射状の留め具によって適所に保持される。さらに、一実施形態において、コイル３４は、グラスファイバなどの樹脂を用いて成形される。鋳型によって樹脂に形状が与えられ、樹脂が、コイル３４が装着される取り付けブラケット４６（下記を参照）を補完する。次に、関連する樹脂を備えたコイル３４は、接着剤または他の装着手段を用いて、取り付けブラケット４６に装着される。

典型的な構成において、コイルコア４４の断面直径は、１インチである。さらに、一実施形態において、コイルワイヤは、１１ゲージの銅線で、コア４４の回りに約３００回巻かれる。本実施形態において、ワイヤコイル３４の外径は、３インチである。とはいえ、他の構成が可能であり、本発明内に包含される。

コイル３４のワイヤ巻線は、均一な方向を有するが、この場合に、巻線は、コイル３４が固定子３２に取り付けられたときに回転子３６の回転面と平行な平面にある。コイル３４が固定子３２内に配置され、電気的に通電された場合に、生成される磁界は、固定子３２から隣接する回転子３６へ横に広がる。方向は、コイル３４の一側が磁北（Ｎ）であり、他側が磁南（Ｓ）であるようになる。この方向は、入力電気の極性を逆にすることによって変更することができる。下記でさらに説明するように、各コイル３４は、ワイヤコイル３４の端部を適切な電源４０に接続することによって、電気的に通電される。

ワイヤコイル３４は、フレーム構造４７によって固定子３２内の適所に保持されるが、このフレーム構造４７は、一実施形態ではアルミニウムで作製される。フレームには、駆動軸３８の長軸と平行に、すなわち回転軸と平行に延在する複数の長手方向ストリップ４８材料が含まれる。一実施形態において、長手方向ストリップ４８材料には、正確な方向で正確な位置にコイル３４を配置するために、一連のノッチ５０が形成されている。

コイル３４は、取り付けブラケット４６に保持され、次に、このブラケット４６は、フレーム構造４７の長手方向ストリップ４８に装着される（図４Ａ、４Ｂ）。一実施形態において、ブラケット４６は、長手方向ストリップ４８と適切に結合するように、端部でわずかに曲げられる。ブラケット４６は、元へ戻せるファスナを用いて、長手方向ストリップ４８に装着するのが好ましく、それによって、欠陥があるかまたは損傷したコイル３４を修理または交換することが、より容易になる。一実施形態において、長手方向ストリップ４８には、コイル取り付けブラケット４６の装着用のねじまたはボルトを受け入れるための一連のねじ穴があけられている。コイル３４は、長手方向ストリップ４８に沿って離間配置され、回転子３６に対して、自身との間に空間を残すようにする。各コイル３４は、多くの永久磁石５２が埋め込まれた回転子３６を、自身にごく隣接して有する。コイル３４を適所に保持するためのフレーム構造４７（この構造４７は電動機の周辺部に存在する）を除けば、他の点では、固定子３２は、一実施形態において他の多くの電動機と異なり、空所である。この構成によって、はるかに容易な製造および組み立てが可能になる。

支持構造４７における長手方向ストリップ４８の端部は、電動機３０のどちらかの端部で端部プレート５４に装着される。これらの端部プレート５４はまた、駆動軸３８を支持し、今度は駆動軸３８が回転子３６を支持し、それによって、電動機３０はその全体的な構造を与えられる。一実施形態において、駆動軸３８は、端部プレート５４の１つまたは両方を通過しかつ越えて突出し、続いて、駆動される装置に結合される。

特定の一実施形態において、端部プレート５４は、厚さが０．６２５インチで、直径が１１．７５インチである。さらに、端部プレート５４には、駆動軸３８用の軸受を保持するための軸受保持プレート５６（図１）が取り付けられていてもよく、この軸受保持プレート５６には、内径が２．５インチ、外径が４インチのリングが含まれる。

一実施形態において、各コイル３４からのリード線５８は、取り付けブラケット４６を通して提供される（図２）。別の実施形態において、長手方向ストリップ４８には、ワイヤが通るためのチャネル６０が形成されている（図５Ａ、５Ｂ、６）。この場合に、ワイヤは、側部において、ストリップの長いエッジに形成されたスロット６２を通ってコイル３４から離れる（図５Ａ）。一実施形態において、コイル取り付けブラケット４６の側部部分は、メインチャネル６０に隣接するスロット６２を覆うように十分に広くされる（図６）。さらに別の実施形態において、隆起されたワイヤチャネル６４が、長手方向ストリップ４８の一側に形成または装着されるが、この場合には、ワイヤが通過するように、各コイル３４と位置合わせされた、チャネル６４の側部の穴がある（図５Ｂ）。これらの後者の実施形態のどちらでも、ワイヤは、長手方向ストリップ４８を通って電動機の一端部または両端部へと延在し、そこで電源４０および制御機構４２と接続する。

本明細書では、集合的には、円形に取り付けられた一連のワイヤコイル３４が、固定子３２と呼ばれる。一実施形態において、電動機３０は、各固定子３２が、その両側に回転子３６を有するように、４つの固定子３２および５つの回転子３６を有するが、しかし電動機の両端部における回転子３６は、一側に固定子３２を有するだけで、他側には有しない。さらに、いくつかの実施形態において、電動機３０の両端部における回転子３６は、永久磁石５２の上で回転子３６の外周に沿って延在する鉄含有金属（例えば鋼）のシャントリング６６を有する（図７Ａ、７Ｂ）。永久磁石５２が、磁石および他の材料のスライスの層状複合物である場合には、磁石は、リング６６を装着した回転子３６の側部には含まれない。リング６６は、電動機３０における磁束を改善し、馬蹄効果を生じ、また、いずれかの導電材料が電動機の端部にある場合に生じるであろう抵抗を除去する。鋼リング６６が省略される実施形態において、導電性でない材料、例えばフェノール樹脂またはある他のタイプの樹脂で端部プレート５４を作製することが好ましい。

ワイヤのゲージ、コイル巻線の長さ、巻数、および用いられるコア材料のタイプが、それぞれ、電動機３０の特性を変化させる。さらに、永久磁石５２の形状と同様にコア４４材料の形状がまた、電動機３０が回転を止める方法を変えることができる。いくつかの可能なタイプのコア４４構造、およびコア４４構造がコイル３４の特性に対して与える影響のいくつかを下記に挙げる（図８Ａ、８Ｂ、８Ｃ）。

一構造において、ワイヤ巻きコイル３４は、固体の積層コア４４を有する（図８Ａ）。この構成は、高インダクタンスおよびかなりのヒステリシス損失を有し、磁束はコアに集中される。

別の構成では、中空コア４４を備えたワイヤ巻きコイル３４が設けられる（図８Ｂ）。この構成は、中程度のインダクタンス、中程度のヒステリシス損失を有し、磁束はコア４４に集中される。この構成の一例は、中空の鉄コアを備え、コイルの回りに巻かれたワイヤである。

さらに別の構成では、空心４４を備えたワイヤ巻きコイル３４が設けられる（図８Ｃ）。この構成は、低インダクタンスを有し、ヒステリシス損失がなく、磁束は、全磁極面にわたってより均一に分配される。

また、ワイヤは、典型的で平坦な積層ではない積層として用いられる。さらに、ワイヤは、円形、パイ形、または中空積層パイプを含む任意の形状とすることができる。高回転速度（ＲＰＭにおける）用には、高効率な空心が最良であるはずだが、他方で、積層コアは、高ＲＰＭおよび効率が問題とされない場合に、より高いトルク用に、より適している可能性がある。

一実施形態において、回転子３６は、フェノール樹脂から作製されるが、他のタイプの樹脂も同様に働くであろう。別の実施形態では、回転子３６は、アルミニウムで作製される。いずれの場合も、回転子３６は、一実施形態において、駆動される構成要素に電動機３０の動力を伝達するために、駆動軸３８に固定して装着される。回転子３６は、永久または固定磁石５２を収容するために一連の穴が開けられた、本質的には平坦な円形ディスクである。

任意の可変数の回転子３６および固定子３２（一般に、固定子の数より１つ多くの回転子がある）を単一の電動機３０に組み立てることができるように電動機３０をモジュール方式で作製して、任意のサイズおよび出力の電動機３０を、限られた数の基本要素から作製できるようにすることができる。回転子間の正確な間隔をなお維持しながら電動機３０のモジュールを作製するために、一実施形態において、回転子３６は、中心近くの一側から突出する中空スペーサ６８を有する（図９Ｂ）。一実施形態において、スペーサ６８は、鋼である。一実施形態においてアルミニウムである回転子３６、および装着されたスペーサ６８の両方は、駆動軸３８を収容する穴を中央に有し、かつまた駆動軸３８から突出する隆起部７２を収容するスロット７０を穴の内部に有するが、この場合に、隆起部７２およびスロット７０は、互いに相補的である。隆起部７２およびスロット７０の組み合わせによって、駆動軸３８に対するずれもなく、回転子３６から駆動軸３８への動力の伝送が支援される。あるいは、隆起部７２は、回転子３６の開口部の内部にあってもよく、その結果、スロット７０は駆動軸３８に作製される（図２０）。

特定の一実施形態において、回転子３６は、厚さが１．５インチ、直径が９インチである。鋼スペーサ６８は、直径が３インチで、回転子３６の面から２．７インチだけ突出している。駆動軸３８の直径は、駆動軸を収容するための、回転子３６およびスペーサ６８内の穴と同様に、約１．５インチである。一実施形態において、スペーサ８は、４つの０．２５インチボルトを用いて回転子３６に装着されるが、２つの部品を連結する他の手段が、本発明内に包含される（図９Ａ）。

一実施形態において、永久磁石５２には、２つの希土類永久磁石５２Ａと、中間の鋼棒５２Ｂとの複合物が含まれる。一実施形態において、複合構造は、全体的に円筒状で、１インチの直径および１．５インチの長さを有する（図９Ｃ）。本実施形態において、永久磁石５２Ａは、それぞれ、厚さが０．２５インチであり、鋼棒５２Ｂは、厚さが１インチである。一実施形態において、磁石５２Ａおよび鋼棒５２Ｂは、接着剤を用いて、互いにおよび回転子３６に装着される。

本実施形態には８つの合成永久磁石５２があり、永久磁石５２は、エッジ近くで回転子３６の回りに等間隔で配置される。８つの１インチ直径の穴が、回転子３６のエッジから約０．１２５インチ離れて回転子３６に形成される。本実施形態においておよび一般的に、永久磁石５２は、極性が、磁北であることと磁南であることとの間で交番し、回転子の一側または他側を指すように、配置される。回転子３６の回りでこの交番構成を連続的に達成するために、偶数の永久磁石５２またはその複合物が常にあることが好ましい。

一実施形態において、回転子３６において隣接する永久磁石５２間の距離は、隣接する回転子３６間の距離にほぼ等しいが（図１０）、隣接する永久磁石５２間の距離は、ときには、回転子間の間隔より大きくてもよい。一実施形態において、これらの距離は、両方とも約２．５インチである。一般に、逆起電力は、所与の回転子３６において隣接する永久磁石５２間の距離が低減されるとともに、低減される。また、一般的な問題として、逆起電力、ｒｐｍおよびトルクは、回転子間の間隔および回転子３６内における永久磁石５２間の間隔に応じて変化する。

一実施形態において、制御機構４２には、位置センサ８０に接続された回路７４が含まれ、回路７４は、コイル３４および電源４０に接続される。下記でさらに説明するが、別の実施形態において、制御機構４２にはまた、マイクロプロセッサ４３が含まれる。電動機３０の本実施形態を制御するための回路７４の一例を図１１に示す。この回路７４は、８つの永久磁石５２を有する６コイル三相電動機用であるが、単一の電源４０を用いる。スイッチ７８は、双極双投スイッチとして動作する。これらのスイッチ７８は、下記でさらに説明するように、回転子３６または駆動軸３８に関連する位置センサ８０によって制御される。コイル１および４、２および５ならびに３および６は、固定子３２の正反対の側に位置し、常にもう一方と逆の状態にある。すなわち、コイル１がオンの場合に、コイル４はオフであり、コイル４がオンの場合に、コイル１はオフである。この特定の実施形態において、ダイオード８２は、特定のコイルからの崩壊磁場エネルギが、正反対の相手のコイルを変化させる助けとなるように、回路７４における電流の方向性フローを制御する。

図１２は、前の回路の半分のスイッチ７８を用いて、本発明の電動機３０を制御するための回路７４の別の実施形態を示す。この代替構成では、２つの電源４０があり、これによって、システムの構成が単純化される。この回路７４は、「プッシュオンリー」電動機用には好ましい。なぜなら、それは、特定のコイル３４に供給される電力の極性の切り替えに容易には備えられず、したがって、サイクル中に、コイル３４の磁気極性の切り替えには備えられないからである。繰り返すと、ダイオード８２は、ペアのコイル３４間に配置されて、崩壊磁場エネルギをコイル３４間に導く。また、スイッチ７８は、下記でさらに説明するが、位置センサ８０によって制御される。

図１３は、本実施形態の６コイル、三相、８永久磁石５２電動機用の位置センサ８０、特に磁気的に制御される位置センサ８０用の一般的な要件を示す。一実施形態において、位置センサ８０には、駆動軸３８に装着された制御ホイール８４が含まれ、制御ホイール８４が駆動軸３８の運動を追跡し、今度は駆動軸３８が回転子３６の位置を追跡するようにする。磁気ストリップ８６の存在または欠如を検出するために、磁気センサ８８またはピックアップがホイール８４の周囲回りに取り付けられた状態で磁気ストリップ８６を含む様々な手段を用いて、制御ホイール８４の位置を追跡してもよい。図１３に示すように、制御ホイール８４に隣接して１５度の間隔で磁気センサ８８を離間配置し、かつ磁気ストリップ８６をホイール８６のひと巻きの長さの１／８延伸させれば、これは、下記でさらに説明するように、正確な順序で適切な期間、磁気センサ８８のそれぞれを作動させ、コイル３４に通電する効果がある。

８つの永久磁石５２を有する電動機３０にとって、所与のコイル３４用の好ましいオンタイムは、回転子３６のひと巻きの長さの１／８、または４５度にほぼ等しい。したがって、コイル３４を作動させる、位置センサ８０における磁気ストリップ８６は、制御ホイール８４のひと巻きの長さの１／８にわたって延伸する。制御ホイール８４は、回転子３６および駆動軸３８の回転が制御ホイール８４を回すように、回転子３６または駆動軸３８に固定して装着される（図１を参照）。適切な位相を維持するために、磁気センサ８８は、制御ホイールに沿って１５度離れて配置されて、連続してコイルをターンオンしかつペアコイルの一方を、同じペアのもう一方のコイルがターンオンされたときにターンオフするようにする。本実施形態において、コイル１−３は、コイル４−６とは反対の極性で通電される。同様に、コイル１、２および３が、通電され、それぞれ、コイル４、５および６と反対の時間に通電を遮断される。

６つのコイル、３つの位相、および８つの永久磁石を有する上記の実施形態の一般的な原理は、２を超える任意の数の位相、任意の偶数の永久磁石、および任意の数のコイルへ拡張することができる。あるコイルから別のコイルへの崩壊磁場エネルギの転送をより容易に調整するために、偶数のコイルを有することが好ましいが、本明細書で論じる原理を用いて、奇数のコイルを有する電動機を設計することもまた可能である。

また、電動機３０においてコイル３４および位相の数を増加させることによって、電動機３０、特に、コイル３０を駆動するために必要とされる電子機器を製造する複雑さおよびコストが増加する。他方で、より多数のコイル３４および位相を有することによって、電動機３０の効率が向上する。なぜなら、各コイルの充電サイクルのちょうど正しいポイントで、あるコイルから別のコイルへの崩壊磁場エネルギの分路を実行することがより容易だからである。一実施形態において、８つのコイルおよび１８の永久磁石を備えた四相電動機は、製造コストと電動機性能との間のほどよい両立を呈する。

電動機性能に大きな効果を与え得る別の要因は、「逆起電力」である。逆起電力は、回転子における磁石と固定子における巻線との間の相対運動によって電動機に生じる。電動機のコイル間のエリアにおいて絶えず変化する磁束が、「逆起電力」と呼ばれる、回転子の回転に抵抗する起電力を誘導する。また、回転子における任意の導電性材料に電圧が誘導される可能性があるので、回転子は、非導電性材料で作製されるのが好ましい。とはいえ、一実施形態では、アルミニウムを用いて、負の効果が制限された回転子を作製した。

従来の電動機では、合計トルクは、電動機において回転子および固定子における鋼量および銅量によって決定される。最良の効率を得るためには、銅および鋼を釣り合わせるようにバランスを取らなければならない。しかしながら、本発明の電動機では、回転子または固定子における鋼部材に対する厳密な要求はない。合計トルクは、永久磁石５２、およびコイル３４の電流によって生成される磁場における合計磁束によって決定される。次に、コイル３４の磁束は、コイル３４を通して流れる電流のアンペア×コイル３４回りのワイヤの巻数の関数である。

また、回転子３６における永久磁石５２間の平均磁束密度および回転子３６間の平均磁束の追加効果によって、ここで説明している電動機３０のトルクが影響される。逆起電力は、磁束に直角なワイヤを磁束が通過する場合にのみ生じる。しかしながら、ここで説明している電動機３０の回転子３６では、永久磁石５２間の磁束は、巻線と平行である。したがって、逆起電力は、これらの磁束線に沿った回転子３６の運動によっては発生されない。隣接する回転子３６の永久磁石５２間に延在する磁束線は、巻線に直角であり（図１０）、したがって、回転子３６が回転する場合に逆起電力を生じる。利用可能な合計電力が、永久磁石５２およびコイル３４磁束の結合磁束であるので、ビオ・サバールの法則によれば、コイル３４と永久磁石５２との間の間隔がまた、効力を生じる。ちょうどコイル３４および永久磁石５２の数が合計磁束を増加させるように、コイル３４および永久磁石５２の両方のそれぞれのサイズが、利用可能な合計磁束を増加させることに留意されたい。

固定した直径ならびに固定したコイルおよび永久磁石サイズの電動機では、平均磁束密度もまた固定される。しかしながら、回転子により多くの永久磁石を追加することによって、回転子における合計磁束が増加されるだけでなく、回転子における永久磁石間の平均磁束密度も増加される。回転子から回転子への合計磁束もまた増加するが、しかし間隔は同じままであり、その結果、平均磁束密度は、かなり一定したままになる。回転子における永久磁石間の平均磁束密度がより強くなると、逆起電力は、磁束線が巻線と平行なので、減少する。低回転速度（ＲＰＭにおける）で電流が高い代わりに、この非常に低い逆起電力を用いると、これらの条件下の電流は、回転子内および回転子から回転子への複雑な磁束線ゆえに、実際には非常に低い。電流がコイルの抵抗によって制御されるという点において、電流は、電界効果トランジスタが、自身を通る電流フローを制御する方法と類似した方法で制限される。本発明の電動機は、回転子における磁束が、固定子巻線における比較的小さな電流によって制御されるという点で、電界効果トランジスタに似ている。最終結果は、電動機が、突入またはピーク電流を有さないということ、電動機が、磁性金属を有しないので、非常に高い回転速度（ＲＰＭにおける）で動作できるということである。さらに、利用可能な高い合計磁束のために、電動機は、非常に高いトルクを有する。

本明細書で説明するような典型的な電動機３０の磁束線９０を、図１０に概略的に示す。さらに、図１４Ａおよび１４Ｂは、電動機構成要素に対する金属削り粉の分布に従って決定された、本明細書で説明するような電動機３０における磁束線９０の直接的評価の結果を示す。見て分かるように、主磁束線９０は、回転子３６の永久磁石５２間、すなわち別個の回転子３６の永久磁石５２間および同じ回転子３６の永久磁石５２間の両方の空間にある。

一実施形態において、永久磁石５２は、希土類磁石である。上記のように、別の実施形態では、永久磁石５２は、別の材料５２Ｂが中間に挟まれた２つのスライスの永久磁石５２Ａ好ましくは希土類磁石を含む複合構造である。好ましい実施形態において、２つのスライスの磁石５２Ａは、ほぼ同じ厚さである。スライスの磁石５２Ａは、南磁極が積層部の一側に面し、北磁極が、積層部の反対側に面するような向きにされる。一実施形態において、永久磁石５２Ａ間の中間材料５２Ｂは、鉄または鋼などの非磁性材料であり、一般に、材料５２Ｂは、永久磁石５２Ａにおける磁束密度を可能にする高透磁率を有するのが好ましい。好ましい実施形態において、永久磁石５２は、単一の断片であっても複合物であっても、断面が円形で、全体として円筒状であるが、他の断面形状が可能である。

電動機の永久またはときには固定と呼ばれる磁石５２は、電磁石と相互作用するが、これらの電磁石自体は、交番極性を有し、回転子３６の回転につれて回転子３６を永久磁石５２の方へかまたはそこから離れるように交互にプッシュおよびプルするようにする。永久磁石５２に高磁束密度、例えば１２，０００ガウスを有することが望ましい。

前述のように、この目的のために、希土類磁石は特にうまく働く。図１５Ａ、１５Ｂおよび１５Ｃに示すように、北および南磁極間の距離が増加するとともに、磁場強度は、磁極面からさらに拡張される。今度は、増加した磁場強度によって、電動機３０の出力が向上する。しかしながら、これは、希土類磁石のコストを考えれば、かかる大きな永久磁石で作製された電動機の価格を非常に高価にしてしまう。したがって、匹敵する磁場強度を生成する代替機構を図１５Ｄに示す。上記のように、図１５Ｄでは、非磁性材料５２Ｂのスライスが、２つの希土類磁石５２Ａ間に挟まれて、少ない希土類磁石材料ひいては少ないコストで同様の磁束長さを有するユニットを生成する。一実施形態において、非磁化材料５２Ｂは、鉄などの金属または鋼スラグなどの鉄含有合金である。別の実施形態では、材料５２Ｂは、ニッケルコバルトである。一般に、中間のフィラー材料５２Ｂは、永久磁石５２Ａにおける磁束密度を可能にする高透磁率を有するべきである。上記の挟まれた磁石ユニットの磁束密度は、同じ寸法の完全な磁石と同じであるが、挟まれたユニットの保磁力強度が、完全な磁石と比較してわずかに低減されることは、注目に値しない。最後に、完全な磁石ではなく複合永久磁石を提供する主な動機が、金銭を節約することであるので、実際に、完全な磁石のコストが、複合磁石構成要素を組み立てるコストに対して均衡をとらなければならない。

回転子３６および固定子３２は、互いに対してサイズが異なってもよい。一実施形態において、固定子３２は、回転子３６より大きな直径を有して、回転子３６が電動機３０内に位置できるようにし、他方で、固定子３２のコイル３４を保持するための構造的支持体が、電動機３０の周囲に位置している。

同様に、永久磁石５２および電磁気コイル３４は、互いに異なる直径かまたは同じ直径を有することができる。しかしながら、直径に関係なく、好ましい実施形態において、永久磁石５２および電磁気コイル３４の中心は、駆動軸３８の中心から同じ半径方向距離で互いに整列されて、それぞれの構成要素の磁場が最適に整列されるようにする。

一実施形態において、永久磁石（または上記の複合物）は、回転子と同じ厚さで、同じ磁石が、回転子の両側で外側に向いて、南磁極が一側に面し、かつ北磁極が他側に面するようにする。

電源４０は、４８ボルトにおいてコイル当たり３０アンペアを供給できる任意のタイプの従来型直流（ＤＣ）電源が好ましい。しかしながら、電圧およびアンペアは、速度（ＲＰＭにおける）およびトルクに依存して異なってもよい。速度（ＲＰＭにおける）は電圧依存性であり、他方でトルクは、アンペア依存性である。一般に、電源４０は、コイル３４を巻くために用いられるワイヤのゲージに釣り合わせるべきである。例えば、コイル３４が、３０アンペアで定格された１０ゲージのワイヤで巻かれる場合には、電源４０は、所与の時間に活性化する各コイル３４に対して、３０アンペアの電流を供給できなければならない。したがって、電動機が６つのコイル３４を有し、それらの全てが同時に通電される可能性がある場合には、これは、１８０アンペアの電流を供給できる電源４０を必要とすることになろう。一実施形態において、電源４０は、１２ボルトの自動車用バッテリであるが、所与の直流（ＤＣ）電圧で十分なアンペアを提供できる他のタイプの電源４０もまた、用いることが可能である。一般に、電源４０は、電動機３０のサイズおよび電力と釣り合うべきであり、より小さな電動機３０は、より小さな電源４０を必要とし、より大きな電動機３０は、より大きな電源４０を必要とする。

制御機構４２は、回転子３６が回転するときに適切な順序でコイル３４間の電力を迅速に切り替えできる任意のタイプとすることができる。制御機構４２には、位置センサ８０が含まれるが、この位置センサ８０は、米国特許第４，３５８，６９３号明細書（これは、あらゆる目的のために参照により本明細書に援用されている）に示されているように、駆動軸に結合されたブラシおよび物理的または光学的スイッチを含む、回転子３６の位置を追跡する様々な位置検出機構を用いる。さらに、上記のような磁気センサ８８およびストリップ８６もまた用いることができる。用いられる位置検出機構のタイプにかかわらず、位置検出機構は、回転子３６の位置を追跡するために回転子３６の運動に結び付けられて、コイル３４の充電を、回転子３６の運動と適切に調整できるようにするのが好ましい。上記のように、一実施形態において、制御ホイール８４が駆動軸３８に固定して装着され、位置検出機構が、制御ホイール８４に関連付けられる。

要約すると、回転子の位置を追跡して、この情報を制御回路に提供することができ、それに応じて、今度はこの回路がコイルに通電する任意の機構、すなわち、ブラシ／整流子、光センサ、磁気ピックアップ、カム駆動スイッチ、誘導センサおよびレーザセンサを、本発明の電動機と共に用いることができる。したがって、等間隔で配置されたスイッチ、ブラシ、ライトセルまたは他の適切なスイッチ手段を用いることができ、それらの動作は、適切なローブもしくは光の通過、または他のシーケンシング手段の要素によって制御される。

制御機構４０の好ましい１つの特徴は、放電しているコイル３４から、充電ポイントにある電動機３０の別のコイル３４へ電力を方向転換すべきだということである。多相電動機３０がそのサイクルを通過するときに、様々なコイル３４は、電動機サイクルの位相、ならびにコイルおよび永久磁石５２の相対的位置に従って、充電および放電される。

例えば、電磁気コイル３４の南極が、永久磁石５２の北極の方へ動くときに、電磁気コイル３４と永久磁石５２との間には引力が存在し、今度は、この引力が、電動機３０における回転トルクを生成する力を発生する。しかしながら、２つの磁気ユニット３４、５２が整列された場合には、トルクを生成する力は終わり、磁石間の引力は、電動機３０の抵抗になる。この状況を回避するために、コイル３４における電磁電荷は、電磁気コイル３４が永久磁石５２と整列されるポイントでかまたはそのポイントの前に解放される。

コイル３４における電荷は、コイル３４への電力を遮断することによって解放される。コイル３４への電力の遮断は、電磁場の崩壊につながる。電磁場が崩壊するときに解放されるエネルギの多くは、電動機３０における別のコイル３４、好ましくは、自身のサイクルにおいてちょうど充電されるポイントにあるコイル３４の充電を支援するために、再捕捉して用いることができる。いくつかの電動機では、崩壊磁場エネルギを捕捉および利用できないために、かなりの量のエネルギが失われ、したがって熱として消散される。さらに、崩壊磁場に関連するエネルギの解放は熱を発生するので、この熱は、電動機が過熱しないように消散しなければならない。なぜなら、この熱は、とりわけコントローラを損傷する可能性があるからである。したがって、効率を向上させ、かつ熱の蓄積を低減するために、一実施形態において、崩壊磁場エネルギを第２のコイルへと方向転換して、第２のコイルを充電するエネルギを供給する（図１６）。

一実施形態において、１つのコイル３４からの崩壊磁場エネルギは、図１６に示す回路などの回路７４を用いて、別のコイル３４に供給される。図１６に示す回路７４は、第１のコイルにおける崩壊磁場によって発生された電圧を用いて、電動機システムにおける第２のコイルの電流を生じる電圧を供給する。この再分配システムによって、効率が向上され、かつ電動機の崩壊磁場に関連する熱に変換される電力量を低減する。本実施形態において、スイッチ７８（トランジスタまたは他の適切なスイッチング装置であってもよい）が閉じられると、電源４０（たとえばバッテリ）は、コイルＡ１を充電する。スイッチ７８が開かれると、コイルＡ１からの崩壊磁場は、コイルＡ２に通電する。しかしながら、電力損失ゆえに、コイルＡ２は、コイルＡ１ほど完全には充電されない可能性がある。したがって、いくつかのコイルを、コイルＡ１と同様に並行して充電してもよく、次に、これら２つ以上のＡ１コイルからの全崩壊磁場電荷をコイルＡ２に供給して、単一のコイルＡ１が電源４０から受け取るのと等しい完全な電荷をコイルＡ２に供給することができる。

図１７に示す回路７４の別の実施形態は、図１６に示すそれに類似しているが、この場合には、コイルＡ２が、コイルＡ１に直接結び付けられた第１の電源４０とは別個に、コイルＡ２に結び付けられた追加電源４０を同様に有することを除いて類似している。スイッチａ１およびａ２が、交互に開かれて閉じられる場合には（常に互いに反対の構成において、すなわち、ａ２が閉じられる場合にはａ１は開けられ、逆もまた同様である）、それぞれの電源からちょうど切断されたコイルからの崩壊磁場は、もう一方のコイルを充電するのを支援する。前の回路と同様に、ダイオード８２または他の類似の装置がラインに差し込まれて、電流を順方向だけに導く。例えば「プッシュプル」タイプの電動機構成用のいくつかの実施形態において、強力な崩壊磁場電荷による、スイッチ全体にわたるスパーキングを避けるために、過渡期中に一瞬、スイッチａ１およびａ２の両方を、同時に閉じることが必要である。図１６および１７において、コイルは、それらがターンオンされるたびに、常に同じ電気極性で充電される。すなわち、それは、いわゆる「プッシュオンリー」構成である。

最後に、図１８は、図１７の回路に似た、回路７４の別の構成を示すが、この場合には、コイルＡ１およびＡ２の両方は、同じ電源４０を利用することができ、他方でまた、一方のコイルからの崩壊磁場をもう一方のコイルに供給できるようにして、このもう一方のコイルに通電するように支援する。本発明の電動機３０において、この原理は、回路に存在するどんな数のコイルにも拡張して、単一の電源４０によって電動機３０に電力を供給可能にすることができる。さらに、トランジスタまたは他のスイッチ７８は、位置センサ８０に結合され、今度は、位置センサ８０が、回転子３６の運動に結び付けられて、コイル３４のスイッチオンおよびオフが、回転子３６の運動で調整されるようにする。

特定の一実施形態では、カスケード回路７４を生成する４つのコイルＡ−Ｄがある（図１９）。電源４０は、コイルＡに通電する。コイルＡが通電を遮断されると、コイルＡからの崩壊磁場は、コイルＢに通電する。次に、コイルＢからの崩壊磁場は、コイルＣに通電し、最後に、コイルＣからの崩壊磁場は、コイルＤに通電する。次に、コイルＤからの崩壊磁場は、コイルＡにフィードバックされ、サイクルを完成することができる。続く各パルスは、各ステップにおける抵抗損失ゆえに、より弱くなる可能性がある。しかしながら、これらの損失を取り戻すために、電源４０からの入力回路を確立して、各コイル用の充電パルスが完全にコイルを充電するほど強くなるようにすることができる。

電流がコイル間を正確な方向に流れるのを確実にするために、ダイオード８２が、ラインと直列に差し込まれて、逆流を防止する（図１９）。図示のダイオード８２の代替として、崩壊磁場を別のコイルへ適切に導く任意のスイッチまたは装置を用いることができる。これによって、崩壊磁場エネルギが、常に、サイクルにおける次のダイオードへ「順方向」方式で流れ、前のコイルへと「逆方向」には流れないことが保証される。

崩壊磁場エネルギを電動機の他のコイルに供給する原理の一実施形態を、図２０の側面図で示された電動機などの三相電動機用に示す。本実施形態において、永久磁石５２は、回転子３６に取り付けられ、電磁気コイル３４は、固定子３２に取り付けられる（図２０）。図２０において、回転子３６および固定子３２は、２つの構成要素間の関係を示すために、互いに重ね合わされて示されている。６つのコイルが破線で示されて、Ａ−Ｃのラベルを付けられ、各相の２つの対向して配置されたコイル、すなわち、２つの位相Ａコイル、２つの位相Ｂコイルおよび２つの位相Ｃコイルがある。回転子３６の永久磁石５２は、それらの極（ＮまたはＳのラベルを付けられる）が固定子３２に面するような向きにされるが、この場合に、隣接する永久磁石５２は、互いに反対の向きにあり、それらが回転子３６の回りで交番極性を有するようにする（図２０）。簡単にするために、単一の固定子３２および２つの隣接する回転子３６を示すが、原則として、多数の隣接する回転子３６および固定子３２を組み立てて、さらに大きな出力を生成することが可能である。

図２１Ａ−２１Ｅは、コイルがどのように通電されるか、および第２のコイルが通電されるときに、第１のコイルからの崩壊磁場がどのように第２のコイルに供給されるかを、三相電動機用に段階的に示す。図２１Ａでは、位相Ａコイルは、スイッチングの過程にあり、位相ＢおよびＣコイルは、通電される。このポイントでは、位相Ａコイルからの崩壊磁場は、位相ＢおよびＣコイルのどちらかまたは両方に供給することができる。図２１Ｂでは、３つの全ての位相Ａ−Ｃのコイルが、通電される。図２１Ｃでは、位相ＡおよびＢコイルが通電されるが、他方で位相Ｃコイルは、スイッチングの過程にある。このポイントでは、位相Ｃコイルからの崩壊磁場は、位相ＡおよびＢコイルのどちらかまたは両方に供給することができる。図２１Ｄでは、３つの全ての位相Ａ−Ｃのコイルが、再度通電される。最後に、図２１Ｅでは、位相ＡおよびＣコイルは通電されるが、他方で位相Ｂコイルは、スイッチングしている。このポイントでは、位相Ｂコイルからの崩壊磁場は、位相ＡおよびＣコイルのどちらかまたは両方に供給することができる。

上記の例は三相電動機用に示すが、これらの原理は、実際には、２以上の任意の位相を有する電動機に適用することができる。

本明細書で説明する電動機３０は、多相電動機として制御されるのが好ましい。多相電動機３０を製造するために、コイル３４が、固定子３２の回りの様々なポイントに位置している。これらのコイル３４は、特定の連続パターンでターンオンされるが、これには、場合によっては、各段階で、電荷の極性を逆にして磁気極性を逆にすることが含まれる。好ましい実施形態において、電動機サイクルの同じポイントで一緒に通電される、固定子３２の対向する側におけるコイル３４の対応するペアがある。すなわち、それらは、互いに同相である。例えば、三相電動機では、６つのコイルがあるのが好ましく、この場合に、固定子の正反対の側に（１８０度離れて）あるコイルのペアには、一緒に通電してもよい。とはいえ、各相は、より多くのコイルを含むことが可能で、例えば、３つのコイルを各相にグループ化することできるが、これには、三相電動機用に合計９つのコイルを必要とすることになろう。この場合に、所与の位相に属するコイルは、固定子の回りに、１２０度離れて等間隔で配置されることになろう。本明細書に開示する概念を用いて、２以上の位相を有する電動機を構成できるが、好ましい実施形態では、電動機は、３以上の位相を有して、放電しているコイルから充電しているコイルへの電力の転送により容易に対処する。

一実施形態において「プッシュオンリー」電動機と呼ばれるが、コイル３４の電気極性は、コイル３４が通電されるときはいつも同じであって、コイル３４が通電されるときはいつも磁気極性がまた同じであることを意味する。別の実施形態において、電気ひいては磁気極性は、コイルが通電されるたびに、逆にされる。ときには「プッシュプル」実施形態と呼ばれる、この後者の実施形態では、電動機は、より多くの出力を発生することができる。なぜなら、各コイルが、２倍頻繁に活性化され、近くの磁石をコイルの方へ引っ張るか、または近くの磁石をコイルから押しやるからである。とはいえ、電動機は、コイルが均一の極性を有してもまたは反転する極性を有しても、やはり動作可能である。

回転子における永久磁石の数によって、各相が持続する、回転子の回転における小部分が決定される。例えば、８つの永久磁石が回転子の回りに分配される場合には、各相は、４５度の回転に対応する、回転の８分の１の間持続する。同様に、１０の永久磁石がある場合には、各相は、回転の１／１０または３６度の間持続し、１２の永久磁石がある場合には、各相は、３０度の回転である。

図２２Ａ、２２Ｂおよび２２Ｃは、６つのコイル３４および８つの永久磁石５２を有する三相電動機３０における、永久磁石５２と電磁気コイル３４との間の関係の線形表現を示す。図は、コイル３４および永久磁石５２のそれぞれの中心を通る輪状線に沿った断面である。永久磁石５２は、回転子３６に取り付けられ、コイル３４は、固定子３２に取り付けられる。図は、１つの固定子３２に隣接する２つの回転子３６を示すが、基本原理は、任意の数の回転子および固定子に拡張することができる。しかしながら、好ましくは、回転子３６は、回転子および固定子の積み重ねのどちらかの端部における最後の要素である。

図２２Ａ、２２Ｂおよび２２Ｃに示すように、永久磁石５２は、交互する極性で配列される。好ましい実施形態において、電動機３０は、偶数の永久磁石５２を有して、永久磁石５２の極性が回転子３６の回りで連続的に交番するようにする。図示の実施形態において、コイル３４は、単一の極性で通電されるだけであり、その結果、コイル３４は、１つの極性で通電されるかまたは通電されないかである。図示の実施形態において、同じ位相だが固定子の対向側にあるペアコイル３４は、互いに反対の極性で通電されて、磁気極性が互いに対して逆にされるようにする。

図２３は、図２２Ａ、２２Ｂおよび２２Ｃの線形表現に示す電動機３０などの電動機３０用のタイミング図を示す。図の上部に、回転子３６の回転サイクルに対応する、１５度の増分で印を付けられた数直線がある。したがって、この数直線の下にある、各相に関連するラインは、位相がどのように回転子３６の位置に関連するかを示す。各相において、対をなす対向側コイル３４は、ペアコイル３４が反対の電気および磁気極性を有するペアとして、ターンオンおよびオフされる。例えば、コイル１がターンオンされて、その磁北極が第１の方向に面する場合には、対向して配置されたコイル４は、オフである。その後、コイル４がターンオンされ、その磁南極が第１の方向にある場合には、コイル１は、ターンオフされる。上記のように、この電動機は、ときには「プッシュオンリー」電動機と呼ばれる。なぜなら、この図示の実施形態におけるコイルは、それらが通電される場合には常に同じ極性を有するからである。図２３の上部における状態図の下に、状態図に示す種類などの、互いに重ね合わされた回転子３６および固定子３２の側面図が示されている。電動機３０の側面図は、永久磁石５２の位置がコイル３４の位置にどのように関連するかを示す。

図２４および２５は、回転子３６における１８の永久磁石５２および固定子３２における８つのコイルを有する電動機３０用の類似の状態図および側面図を示す。繰り返すと、コイル３４は、電動機３０が「プッシュオンリー」の種類であるように、通電されるときに常に同じ極性を有する。また、もう一方の状態図に関して、特定の位相を表わすラインがハイである場合には、ペアコイルの第１のコイルがターンオンされて第２のコイルがターンオフされ、ラインがローである場合には、第１のコイルはオフであり、第２のコイルは、第１のコイルと反対の電気および磁気極性を備えてオンである。

上記の両方の場合において、コイルの特定のペアが、通電と非通電との間で遷移するときに、ターンオフされているコイルからのエネルギは、ターンオンされているコイルに供給され、その結果、一コイルからの崩壊磁場エネルギは、捕捉され、単に消散されないようにすることができる。

単に一方のコイルをスイッチオンし、もう一方のコイルをスイッチオフするのではなく、状態図に示す遷移時にコイルに通電するために用いられる電力の極性を交番することによって、上記の電動機のどちらかなどの電動機を「プッシュプル」モードに変換することが可能である。

プッシュプル構成の場合には、各ペアのコイルからの崩壊磁場エネルギは、固定子における異なるコイルセット、すなわち異なる位相にあるコイルセットに転送される。しかしながら、この後者のプッシュプルの場合では、もう一方の位相のコイルは、崩壊磁場エネルギがこれらのコイルに供給されるときには既に充電され、その結果、崩壊磁場エネルギは、もう一方のコイルの充電を支援するのではなく、代りに充電の維持を支援することになろう。

一実施形態において、電動機３０の制御機構４２には、コイル３４の充電および放電を制御するための、プログラム可能なマイクロプロセッサ４３が含まれる（図１）。マイクロプロセッサ４３は、位置センサ８０から入力を受信し、回路７４におけるスイッチ７８を制御する。マイクロプロセッサ４３が提供する、程度が向上した制御を用いれば、多くの追加機構を電動機３０に加えることができる。

一実施形態において、電動機３０は、全ての動作可能なコイル３４より少数で動作することができる。例えば、多数の固定子３２を有する電動機において、個別の固定子３２をターンオンまたはオフすることができ、したがって、電動機は、必要に応じて、様々なレベルの出力を発生することが可能になる。例えば、各固定子３２が、１００馬力（ｈｐ）を発生し、かつ５つの固定子３２がある場合には、電動機は、いくつか固定子３２が作動されるかに依存して、１００、２００、３００、４００または５００ｈｐを発生することができる。さらに、固定子３２の任意の組み合わせを所定の時間に作動させることができ、固定子３２が互いに隣接しなければならないという要件はない。

別の実施形態において、異なる固定子３２におけるコイル３４のグループを、他のコイル３４が不作動の間に作動させることによって、さらに程度が進んだ制御を達成することができる。例えば、３つの固定子３２を備えた三相電動機３０において、第１の固定子３２における１ペアのコイル３４を、第２の固定子３２における別のペアを、および第３の固定子３２における別のペアを作動させることができる。しかしながら、そうするためには、コイル３４が、同じ固定子３２において対向するペアで作動されること、およびコイル３４のペアが、それぞれ、電動機サイクルの異なる位相であること、すなわち、その意味として、ペアが電動機の周囲回りに等しく分配されることを必要とする。

特定の固定子３２が、または固定子３２の個別コイル３４が不作動の間も、電動機３０が引き続き動作しているときでさえ、不作動のコイル３４は、修理または交換のために取り除くことができる。

本発明の範囲を逸脱せずに、対応する図に関連した上記のような例示的な実施形態に、様々な修正を施すことが可能であるため、前述の説明に含まれ、添付の図面に示された全ての事項は、限定ではなく実例として解釈すべきであるものと意図されている。したがって、本発明の幅および範囲は、上記の例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、本明細書に添付された下記の特許請求の範囲およびその均等物にしたがってのみ定義されるべきである。

Claims (19)

1. 非磁化コアを囲む複数のワイヤコイルを含む固定子であって、前記複数のワイヤコイルは、相ごとのコイル配置を含む、固定子と、
   永久磁石が埋め込まれた少なくとも１つの回転子であって、前記固定子に隣接して配置され、かつ回転可能な駆動軸に取り付けられた、回転子と、
   電源と、
   前記回転子に動作可能に接続された位置センサと、
   前記ワイヤコイルへの電気エネルギの分配を制御するために、前記電源、前記位置センサおよび前記ワイヤコイルに動作可能に接続された制御回路と、
   を含み、
   前記制御回路が、各相において、前記コイル配置における第１のコイルから、該第１のコイルがターンオフされたときにターンオンされる、前記コイル配置における第２のコイルに電荷を転送する多相電動機。
2. 前記第１のコイルが放電しているコイルである、請求項１に記載の多相電動機。
3. 前記第２のコイルが充電しているコイルである、請求項２に記載の多相電動機。
4. 前記回転子が、周囲エッジがその間にある一対の対向面を有するディスクを含み、前記ディスクが非磁化材料で作製される、請求項３に記載の多相電動機。
5. 前記回転子が、周囲エッジ近くの面に装着された鋼リングをさらに含む、請求項４に記載の多相電動機。
6. 前記永久磁石が、少なくとも１つの希土類磁石が前記固定子に隣接するように、２つの希土類磁石の断片の間に挟まれた一片の鋼を含む、請求項５に記載の多相電動機。
7. 前記位置センサが、カム駆動ばね接点、ブラシ、磁気分配器および光電分配器の少なくとも１つを含む、請求項６に記載の多相電動機。
8. 前記位置センサが、前記駆動軸を通して前記回転子に動作可能に接続される、請求項７に記載の多相電動機。
9. 各ワイヤコイルが、前記回転子の回転面と平行な平面にあるワイヤ巻線を含む、請求項８に記載の多相電動機。
10. 前記非磁化コアが、プラスチック管、棒および空心の少なくとも１つを含む、請求項９に記載の多相電動機。
11. 前記回転子の面から突出する中空管スペーサであって、前記駆動軸と同軸の前記回転子の回転中心に取り付けられ、かつこのスペーサが前記回転子と第２の隣接する回転子との間で固定した距離を維持するように前記駆動軸を囲むスペーサをさらに含む、請求項１０に記載の多相電動機。
12. 一対の端部プレートに固定して装着された複数の長手方向ストリップを含む、前記回転子に対して前記固定子を支持するためのフレーム構造をさらに含み、
    前記駆動軸が端部プレートによって支持され、
    前記固定子の前記ワイヤコイルが前記長手方向ストリップに着脱自在に装着された、請求項１１に記載の多相電動機。
13. 前記固定子が６つのコイルを含み、前記回転子が８つの永久磁石を含む、請求項１２に記載の多相電動機。
14. 多相電動機を提供するステップであって、当該多相電動機は、
    非磁化コアを囲む複数のワイヤコイルを含む固定子であって、前記複数のワイヤコイルは、相ごとのコイル配置を含む、固定子と、
    前記固定子に隣接して回転可能に取り付けられた回転子と、
    前記回転子に取り付けられた複数の永久磁石と、
    電源と、
    前記固定子に回転可能に接続された位置センサと、
    前記ワイヤコイルへの電気エネルギの分配を制御するために、前記電源、前記位置センサおよび前記ワイヤコイルに動作可能に接続された制御回路と、
    を含む、多相電動機を提供するステップと、
    各相において、前記電源を用いて、前記コイル配置における第１のコイルに電気的に通電するステップと、
    各相において、前記第１のコイルを、該第１のコイルがターンオフされたときにターンオンされる、前記コイル配置における第２のコイルに電気的に接続し、それによって、前記制御回路の指示の下で前記第１のコイルから前記第２のコイルに電気エネルギを転送するステップと、
    前記電源から前記第１のコイルを切断するステップと、
    を含む、多相電動機を動作させる方法。
15. 非磁化コアを囲む複数のワイヤコイルを含む固定子であって、前記複数のワイヤコイルが、相ごとのコイル配置を含み、前記非磁化コアがプラスチック管を含む固定子と、
    自身に永久磁石が埋め込まれた回転子であって、前記固定子に隣接して配置され、かつ回転可能な駆動軸に取り付けられた回転子と、
    電源と、
    前記駆動軸を通して前記回転子に動作可能に接続された位置センサと、
    前記ワイヤコイルへの電気エネルギの分配を制御するために、前記電源、前記位置センサおよび前記ワイヤコイルに動作可能に接続された制御回路と、
    を含む多相電動機であって、
    前記制御回路が、各相において、前記コイル配置における第１の放電しているコイルから、該第１の放電しているコイルがターンオフされたときにターンオンされる、前記コイル配置における第２の充電しているコイルに電荷を転送し、
    前記回転子が、周囲エッジがその間にある一対の対向面を有するディスクを含み、
    前記回転子が、前記周囲エッジ近くの面に装着された鋼リングをさらに含み、
    前記永久磁石が、少なくとも１つの希土類磁石が前記固定子に隣接するように、２つの希土類磁石の断片の間に挟まれた一片の鋼を含む多相電動機。
16. 前記位置センサが、カム駆動ばね接点、ブラシ、および光電分配器の少なくとも１つを含む、請求項１５に記載の多相電動機。
17. 前記ディスクが、アルミニウムおよびフェノール樹脂の少なくとも１つで作製される、請求項１６に記載の多相電動機。
18. 各ワイヤコイルが、前記回転子の回転面と平行な平面にあるワイヤ巻線を含む、請求項１７に記載の多相電動機。
19. 前記固定子が６つのコイルを含み、前記回転子が８つの永久磁石を含む、請求項１８に記載の多相電動機。

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