(57)【要約】【課題】改良型の、より強力な電気パルス発生機を提供すること。【解決手段】多極電気パルス発生機は擬似ランダム分布を有する極を含む。好ましくは、極は同じサイズおよび等間隔であり、極性は特に、原始多項式ｍ系列である、擬似雑音２進数列に対応している。ロータの回転の一点で、全てのロータの極は対応するステータ極と整列し、アーマチュア巻線を通る最大正味磁束をもたらす。他の全てのロータの位置では、極は整列せず、アーマチュア巻線を通る正味磁束は小さい。動作に際しては、整列しないロータ位置を通る回転では実質的に磁束変化は発生せず、したがって、いかなる電気的力も発生しない。ロータが整列位置に達すると、突然大きな磁束変化が起こり、それによって高エネルギ電気パルスが発生する。例示的な応用分野は、内燃機関の点火スパークの発生である。
2005522167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、
個々の極がそれぞれの極性を有する、複数の極を配置した電気導体を含む電磁気アーマチュアと、
個々の極がそれぞれの極性を有する、複数の極を有する磁界装置とを有し、
前記電磁気アーマチュアおよび前記磁界装置のいずれか一方が前記ロータに取り付けられ、前記電磁気アーマチュアおよび前記磁界装置の他方は前記ロータには取り付けられてはおらず、前記電磁気アーマチュアおよび前記磁界装置は互いに相対的に回転するように取り付けられ、
前記アーマチュアの前記極および前記磁界装置は擬似ランダム分布に従って配置され、前記ロータの１つまたは複数の離れた角整列位置で、前記アーマチュアの前記極が前記磁界装置の対応する極性の前記極と実質的に整列して、前記アーマチュアを通る比較的大きな正味磁束を生じさせ、前記１つまたは複数の離れた角整列位置以外の前記ロータの角位置では、前記アーマチュアを通る比較的小さな正味磁束を生じさせる、電気パルス発生装置。
【請求項２】
前記アーマチュアの前記極が、前記ロータの正確に１つの角位置で、前記磁界装置の対応する極性の前記極と実質的に整列する、請求項１に記載の電気パルス発生装置。
【請求項３】
前記アーマチュアが前記ロータに取り付けられ、前記磁界装置がステータに取り付けられている、請求項１または２に記載の電気パルス発生装置。
【請求項４】
前記アーマチュアがステータに取り付けられ、前記磁界装置が前記ロータに取り付けられている、請求項１、２または３に記載の電気パルス発生装置。
【請求項５】
前記磁界装置が、前記複数の極に配列され電源によって駆動される電気導体を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気パルス発生装置。
【請求項６】
前記磁界装置を駆動する前記電源が定直流電源である、請求項５に記載の電気パルス発生装置。
【請求項７】
前記磁界装置を駆動する前記電源が連続交流電源である、請求項５に記載の電気パルス発生装置。
【請求項８】
前記磁界装置を駆動する前記電源がスイッチ式電源であり、最初はオフであり、前記ロータが所望の回転速度に到達した後にオンとなり、少なくとも１個のパルスを供給する、請求項５に記載の電気パルス発生装置。
【請求項９】
前記磁界装置が複数の永久磁石を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気パルス発生装置。
【請求項１０】
前記アーマチュアの前記極は同じ大きさであり、前記軸周りに円周方向に等間隔で配置されており、前記磁界装置の前記極は同じ大きさであり、前記軸周りに円周方向に等間隔で配置されている、請求項１に記載の電気パルス発生装置。
【請求項１１】
前記アーマチュアの極の数が、前記磁界装置の極の数と同数である、請求項１０に記載の電気パルス発生装置。
【請求項１２】
前記電気パルス発生装置はスイッチ・モードで動作し、前記電気パルス発生装置の出力のために最初は開路構成であり、前記出力のために、前記ロータが所望の回転速度に達した後に少なくとも１つのパルスを供給するため負荷に切換可能に結合される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気パルス発生装置。
【請求項１３】
前記電気パルス発生装置が連続モードで動作し、前記電気パルス発生装置の出力が、前記ロータが前記１つまたは複数の離れた角整列位置を通り過ぎて回転したことに対応する連続した一連のパルスを供給する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電気パルス発生装置。
【請求項１４】
少なくとも１つの燃焼室と、
前記少なくとも１つの燃焼室の各々にあり、それぞれの燃焼室を密閉するそれぞれの可動パワー部材と、
スパーク点火装置とを備え、
前記スパーク点火装置が、
（ａ）軸の周りを回転し、前記少なくとも１つの可動パワー部材の動きと同期するロータと、
（ｂ）複数の極を有する磁界装置と、
（ｃ）複数の極に配置された電気導体を含む電磁気アーマチュアであって、前記電磁気アーマチュアおよび前記磁界装置のいずれか一方が前記ロータに取り付けられ、前記電磁気アーマチュアおよび前記磁界装置の他方は前記ロータには取り付けられてはおらず、前記電磁気アーマチュアおよび前記磁界装置は互いに相対的に回転するように取り付けられ、前記アーマチュアの前記極は、前記少なくとも１つの可動パワー部材の動作と同期する電気パルスを発生させるように、擬似ランダム分布により配置される電磁気アーマチュアと、
（ｄ）前記電磁気アーマチュアに結合され、同期するスパークを前記少なくとも１つの燃焼室に供給するスパーク点火回路とを含む、内燃機関。
【請求項１５】
航空機に動力を供給するために使用するように設計された、請求項１４に記載の内燃機関。
【請求項１６】
前記スパーク点火装置の前記アーマチュアが、前記ロータの各回転毎に正確に１つのパルスを発生させる、請求項１４に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発電機、詳細には不連続電気パルスを発生させるタイプの発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
高エネルギ電気パルスを発生させることが必要な装置または用途が多数存在する。従来型内燃機関のスパーク点火は、多分このような用途として最も知られたものである。これほど知られてはいないが、確立された高エネルギ電気パルスの応用分野が他にも多く存在する。例えば、放電加工機では一連の不連続電気パルスを使用して、電極と金属加工物との間の非伝導流体で満たされた隙間の両端間にスパークを発生させ、加工物を所望の形状に侵食形成する。パルス溶接では電気パルス放電による高熱によって金属を溶接する。多くの炉または同様な装置では、燃料に点火するのに電気パルスを使用し、それによって定常燃焼プロセスよりも高い効率を得る。特定の化学物質の合成工程では電気パルスを使用する。これらの他にも多数ある。
【０００３】
電気パルスを発生させる様々な従来型装置が存在し、それぞれ特定の種類の応用分野に十分なものである。例えば、遮断器回路および高圧変圧器に接続された高圧磁石発電機が、小型内燃機関に必要なスパークを発生させるために使用されてきた。自動車に使用するような、より大型のエンジンでは、高圧磁石発電機の代わりにバッテリを一般に使用し、より最新のエンジンでは遮断器接点を電子スイッチで置き換えている。
【０００４】
比較的低エネルギの電気パルスは、完全に集積電子回路によって発生させることができ、この目的のための様々な回路設計が存在する。パルスに必要とされるエネルギが増大するにつれて、パルス発生用の適切な電子モジュールの設計は益々困難となる。パルス・エネルギを増大させるため、キャパシタやインダクタなど個別の構成部品を付け加えることは可能であるが、このような構成部品でさえ実際上のサイズおよびパワーの制限がある。
【０００５】
純粋に電子的なパルス発生器に加えて、パルスを発生させるのに使用される様々な電気機械装置がある。高圧磁石発電機もそのような電気機械装置の単純な一例である。一般にこれらの装置は、回転部材の慣性力のような何らかの形の機械的エネルギを、電磁界を使用して電気エネルギへ転換する。
【０００６】
電気パルスの発生は、短い時間間隔で電気エネルギを集中させる問題と考えることができる。電子装置は最初に電力線電圧源またはバッテリからエネルギを引き出す。十分な時間が与えられると、任意の量のエネルギが得られる。同様に、電気機械装置も一般的に、移動する物体の運動エネルギからエネルギを引き出し、それを電気エネルギに転換する。十分な時間が与えられると、これも任意の量のエネルギを供給することができる。パルスを発生させるとは、十分に短い時間間隔でエネルギを貯蔵し、放出することを意味する。必要なエネルギの貯蔵量が大きく、放電の時間間隔が短くなるほど、電気パルス発生器に必要とされる設計制約は厳しくなる。
【特許文献１】米国特許第５，７２１，４６１号
【特許文献２】米国特許第５，６７０，８３７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電気パルスを発生させるための様々な従来型装置が存在するが、依然として改良型のパルス発生装置が強く求められている。どの装置でも同様だが、改良は製造コストの削減、信頼性の向上、エネルギ消費量の低減または運転費の低減の如き形をとる。しかし、より大きなエネルギ放出に対応できる装置、または大きさ、入力および他の特性が同程度の従来型パルス発生装置より短い時間間隔で放出を集中させる装置、あるいはその両方の装置が特に求められている。
【０００８】
より高いエネルギ／より短いパルスの電気パルス発生器は、かなり多くの従来の応用分野で現行のパルス発生器の交換用として、明白な実用性を有する。例えば、より高いエネルギのパルス発生器は、内燃機関用の点火源として使用するとより完全な燃料燃焼をもたらし、低温または同様な不都合な状態での起動をより容易にし、代替燃料の使用が可能となり、電子的雑音の存在下でもより効率的に動作し、または他のいくつかの設計制約をなくす可能性があり、したがって従来型スパーク点火手段を使用する同程度の内燃機関と比較して、このエンジンは燃料効率がより高く、動作コストがより安く、信頼性がより高く、あるいは何か他の意味で改良されている。電気パルス発生器を使用する現行の従来型応用分野の多くでも同様のことが認められる。
【０００９】
改良型の電気パルス発生器のさらに大きな潜在的用途は、未だ存在しない、または存在するとしても研究室で短時間のみ存在する応用分野にある可能性がある。この種のいくつかの応用分野は科学的作り話の雰囲気をもつものであるが、昨日の科学的作り話はしばしば今日の常識的な現実となることを思い起こすべきである。そのような潜在的応用分野の多くが未だ現実に具体化されていない理由の少なくとも一部分は、現行では十分に高エネルギでかつ継続時間が短い電気パルスを発生させる実用的な手段が手に入らないということにある。改良型の高エネルギパルス発生器が、この分野の実際的、実用的な装置の開発における重大なリンクをもたらす可能性がある。
【００１０】
そのような未来の応用分野の一例は電磁砲（rail gun）である。電磁砲は非常に高エネルギのパルス化された電磁界を使用して物体を高速度に加速する装置である。これは時には軍事応用分野と関連づけられるが、衛星を発射するなど、他の様々な目的にも使用できる。理論的にはそのような装置は可能であるものの、例えば、小型衛星を打ち上げるための実際的、実用的な装置では、従来の技術を使用して発生させるのが困難または不可能であるような巨大なエネルギの電気パルスが必要である。
【００１１】
別のそのような未来の応用分野は、制御核融合の分野である。核融合は極めて高い触媒的温度を必要とし、少なくともいくつかの研究は、十分に高エネルギでかつ継続時間の短い電気パルスを使用すれば、必要なトリガー状態をもたらすのに役立つ可能性があることを示唆している。この場合も、この種のパルスは、従来の技術を使用して発生させるのは困難または不可能であろう。
【００１２】
つまり、改良型のより強力な電気パルス発生器は、スパーク点火内燃機関のようなパルス発生器を使用する従来型装置の性能、コストまたは他の特性を高めるのみならず、例えあったとしても漠然と空想していたに過ぎない全く新らしい未開拓分野を切り開くものである。この分野の研究者達はこれらのニーズを知らなかったのではなく、提案され実施された様々なパルス発生器設計が製造されてきた。しかし、既存の設計には制限があり、より大きな実用性を阻んでいる。改良型のパルス発生技術が明らかに求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、電気パルスは、極が周期的に整列するような擬似ランダム分布を有する、移動する多極電磁気装置によって発生する。この装置は、極が整列したときに短いパルスを発生させることが可能であり、回転中の他の時間はほとんどあるいは全く電気出力を発生しない。
【００１４】
好ましい実施形態では、ロータとステータ上に同数の極が存在し、全ての極は同じ大きさであり、回転軸周りに円周方向に等間隔で配置されている。しかしながら、極の極性が単純なパターンで変る従来型の発生器と異なり、本実施形態による極の極性は、擬似雑音、擬似ランダム２進数列関数（pseudo-noise pseudo-random binary sequence function）に従って変化する。ロータ回転の一点において、ロータの全ての極は対応するステータの極と整列し、アーマチュア巻線を通る最大の正味磁束をもたらす。他の全てのロータ角度位置では、ロータとステータの極は不整列であり、アーマチュア巻線を通る正味磁束は少ない。動作の際、ロータの不整列角度位置中でロータが回転するときは、実質的にいかなる磁束変化も発生せず、したがって、いかなる電力も発生しない。ロータが整列位置に達したとき、突然大きな磁束変化が起き、それによって高エネルギ電気パルスが発生する。
【００１５】
好ましい実施形態では、極への極性の擬似ランダム分布関数（pseudo-randomdistribution function）割り当て（assignment）は、原始多項式拡散コード（primitive polynomialspreading code）「ｍ系列（m-sequence）」に従って行われる。この実施形態では、ロータおよびステータの各々の極数は（２Ｎ−１）であり、ここでＮは１より大きな正の整数である。ロータの極とステータの極は同一の数列に従う。原始多項式拡散コードｍ系列は、自己とはただ１つの周期的位相でのみ相関し、他の全ての周期的位相ではほとんどいかなる相関も生じないという特徴を有する。したがって、ロータが回転して（２Ｎ−１）個の極位置中の（２Ｎ−２）個の位置を通って回転するときは、巻線を通る正味磁束は（−１）ユニットであり、ここでユニットとは整列した１対の極が発生する磁束である。すなわち、これら（２Ｎ−２）の極位置ではロータ極とステータ極（「擬似ランダム」）の間には実質的にいかなる相関も存在しない。残りの極位置では、全ての極が整列し、正味磁束は（２Ｎ−１）ユニットである。したがって、ロータが整列位置に達したとき、突然大きな磁束変化が起きる。
【００１６】
コイルおよびマグネットの様々な代替配置が可能である。第１の好ましい実施形態では、ロータ極は擬似ランダム分布関数によって割り当てられた極性の永久磁石であり、一方ステータ極は同様に割り当てられた電磁気コイルである。第２の好ましい実施形態では、ロータ極およびステータ極は共に電磁気コイルであり、ロータ上に界磁巻線、ステータ上にアーマチュア巻線がある。第３の好ましい実施形態では、ロータ極およびステータ極は共に電磁気コイルであり、ロータ上にアーマチュア巻線、ステータ上に界磁巻線がある。第４の好ましい実施形態では、ステータ極は永久磁石であり、一方ロータ極は電磁気コイルである。
【００１７】
ある代替動作モードでは、駆動磁界は、交流電源によって駆動される電磁気コイルによって供給される。比較的低い回転周波数では、この装置は、ほとんどのエネルギが交流電源から供給されるパルス式または切換式の変圧器のごとく機能し、一方、より高速の回転周波数では、交流駆動構成要素の重要性はより小さくなる。
【００１８】
ある例示的な応用例では、この好ましい実施形態によるパルス発生機が内燃機関の点火スパークを発生させるのに使用される。しかしながら、他の多くの潜在的応用分野も可能である。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態に従って構成された電気パルス発生機は、同程度の大きさと動作特性の従来型パルス発生機よりも高エネルギで継続時間の短いパルスを発生させる潜在能力を有しており、現在知られている、あるいは今後開発される種々の応用分野に使用することができる。
【００２０】
本発明の詳細は、その構造についても動作についても、添付の図面を参照して最もよく理解することができる。図では、同一の参照番号は同一の部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本明細書に記載の実施形態は、電気パルスを発生させる回転電磁気装置であり、本明細書で使用する個々の用語は下記の意味を有する。「ロータ」は、軸の周りを回転する有形の部材である。「ステータ」は、軸に対して回転しない、静止した部材である。「アーマチュア」は、アーマチュアに対して時間変化する磁界によって電圧がその中に誘起される電気導体である。アーマチュアは一般にコイル状またはループ状に巻かれているため、アーマチュアはときには「アーマチュア巻線」または「アーマチュア・コイル」とも呼ばれるが、これはアーマチュアを形成する電気導体のいかなる特定の幾何形状をも示唆することを意味するものではないことを理解されたい。アーマチュアはロータまたはステータ上のいずれかに位置することができる。アーマチュアを駆動する磁界は実際は静止した変化しない磁界であり、ただアーマチュアが回転しているので「アーマチュアに対して時間的変化」している。「界磁巻線」または「界磁コイル」は、アーマチュアを駆動する（すなわち、アーマチュア内に電圧を誘起する）ための磁界を発生させる電気導体である。アーマチュアの場合と同様に、「巻線」または「コイル」の用語の使用は、界磁巻線のいかなる特定の形態も示唆するものではない。アーマチュアを駆動する磁界は界磁巻線または永久磁石によって発生する。界磁巻線または永久磁石はロータまたはステータのいずれかに位置することができるが、アーマチュアと同一の構成部品には配置できない。すなわち、アーマチュアがロータ上にあるときは、場合に応じて界磁巻線または永久磁石は、ステータなどの別の構成部品上にあり、逆の場合も同様である。
【００２２】
図面を参照すると、同一の番号はいくつかの図を通して同じ部品を示しているが、図１は、本発明の好ましい実施形態の１つのバージョンによる、電気パルスを発生させる回転電磁気装置１００の簡略化した断面図である。パルス発生器１００は、回転部材（ロータ）１０１およびステータ１０２を含む。図１で、パルス発生器１００は、ロータ１０１の回転軸に垂直な断面で示されている。図１における表示では、ロータ１０１は、円周方向に等間隔に配置され駆動磁界をもたらす複数の永久磁石の極１２６〜１４０を含み、一方ステータ１０２は、ロータの磁界によって駆動されるアーマチュアを構成する、円周方向に等間隔に配置された同数の電磁コイルの極１１１〜１２５を含む。外部の機械的動力源（図示せず）がロータを回転させ、回転する物体に運動エネルギを供給し、その一部が最終的にパルス発生器１００によって電気エネルギに転換される。この機械的動力源は、例えば電気モータ、内燃機関、油圧タービンまたはロータを回転させることができるものなら、多くの装置のうちのどんなものでもよい。図１に示すもの以外の界磁コイル、アーマチュア・コイルおよび磁石の構成も、本明細書でより詳細に論じるように可能である。文脈によって明確に限定されない限り、ここでは参照番号１００は、界磁コイル、アーマチュア・コイルおよび磁石のこれらの変形形態のうちのどれを使用したパルス発生機も含む。
【００２３】
図１に示すように、ロータ１０１は１５個の永久磁石の極１２６〜１４０を含み、そのうちの８個１２６、１２７、１２８、１２９、１３３、１３６、１３７、１３９はステータに対向しているＮ極（「Ｎ」）であり、一方、７個１３０、１３１、１３２、１３４、１３５、１３８、１４０はステータに対向しているＳ極（「Ｓ」）である。ステータは、同様に１５個の電磁気コイルの極１１１〜１２５を含む。これらのうちの８個１１１、１１２、１１３、１１４、１１８、１２１、１２２、１２４は、図１ではコアの上にコイル線を重ね合わせて示してあり、一方、７個１１５、１１６、１１７、１１９、１２０、１２３、１２５はコアの下にコイル線を隠して示してある。慣例により、この表示は、Ｎロータ極が存在するときは、ステータ巻線を通る正の磁束を、またＮロータ極が存在するときは、ステータ巻線を通る負の磁束を有する極を（本明細書ではそれぞれ、正磁束極、負磁束極と呼ぶ）それぞれ指定するために使用する。しかしながら、図１は例示の目的でステータ巻線を簡単に示すことを意図したものにすぎず、実際には巻線は３次元であり、その外観は図１に示すものと全く異なっており、巻線のかなりの部分は軸に平行して走っており、巻線は通常は図１に示すよりも多くの巻数を含むことを理解されたい。この好ましい実施形態の発生器で独特な点は、ステータおよびロータを構成するために使用する材料または形状、またはステータ巻線の巻き方ではなく、極の極性配列である。したがって、コアおよび巻線に使用される従来の様々な材料または設計のどれでもこの好ましい実施形態の電気パルス発生機に適切であること、あるいは今後開発される材料または設計技術も、本明細書に記載の本発明に適合し得ることが予想される。
【００２４】
全てのステータ（アーマチュア）極巻線１１１〜１２５は、２本の出力リード線１０３を有する単一の電気導体として論理的に直列に接続されており、発生した電圧パルスは出力リード線に現れる。巻線は必ずしも直接隣接する極と物理的に接続されている必要はない。すなわち、コアおよび巻線の物理的形状、および他の設計要因に応じて、隣接する極１１１から１１２に、次いで１１３に等々順次直列に接続するのが好ましいこともあり得る。これに対し、異なる極性の極を交互に直列に、したがって１１１−１２５−１１２−１１５−１１３などの極の順序で直列に接続するなど、他の配列を使用することが好ましいこともあり得る。
【００２５】
この好ましい実施形態では、ロータおよびステータの極の極性は擬似雑音擬似ランダム関数分布（pseudo-noise pseudo-random function distribution）に対応している。これは周期関数であって、位相がシフトしたとき、位相が周期またはサイクルの完全整数（fullintegral number）倍シフトしたときを除き、どの点でもそれ自体と直交する（それ自体とは相関しない）という特徴を有する。極の極性を割り当てるのに、ロータおよびステータの両方に同一の関数が使用される。したがって、ロータおよびステータが割り当て関数の同一位置で整列するとき、極の完全な相関が存在し、ロータの回転中の他の全ての位置では、ロータ極とステータ極の間に実質的にいかなる相関も存在しない。この現象は以下でより完全に説明するが、図１、２および３で視覚化することができる。
【００２６】
１対の整列マーク１０７、１０８がロータおよびステータ上にそれぞれ現れている。図１に示すとおり、ロータは整列した位置にある。この位置では、ロータ１０１の全てのＮ極（すなわち、極１２６、１２７、１２８、１２９、１３３、１３６、１３７、１３９）が、それぞれ正磁束ステータ極（すなわち、極１１１、１１２、１１３、１１４、１１８、１２１、１２２、１２４）と整列している。ロータ１０１の全てのＳ極（すなわち、極１３０、１３１、１３２、１３４、１３５、１３８、１４０）が、それぞれ負磁束ステータ極（すなわち、極１１５、１１６、１１７、１１９、１２０、１２３、１２５）と整列している。ステータ極は直列に接続されているので、ステータを通る正味磁束は全体として個々の極内の磁束の合計である。個々のステータ極内の磁束を任意に１ユニットと称することにすれば、整列した位置での正味磁束は、ロータのＮ極と整列している正磁束ステータ極（そのそれぞれは＋１ユニット）とロータのＳ極と整列している負磁束ステータ極（そのそれぞれは同様に＋１ユニット）の和となり、全正味磁束は＋１５ユニットとなる。
【００２７】
図２は、図１の図に対してロータ１０１が１極分（図の上方向から見て）時計方向に回転した、図１の電気パルス発生器１００の断面図である。この位置では、極は整列しておらず、整列マーク１０７、１０８が図１でのようには互いに隣接していないことが認められる。図１の整列した位置と異なり図２の位置では、ロータ１０１のＮ極のいくつかは正磁束ステータ極と整列しているが、他は負磁束ステータ極と整列している。ロータ１０１のＳ極についても同様である。ロータのＮ極が存在する場合の正磁束ステータ極を通る磁束が＋１ユニットであるとすれば、ロータのＳ極が存在する場合は−１ユニットであり、負磁束ステータ極に関してはその逆である。個々の各ステータ極における磁束は、図２に示すように＋１または−１ユニットに特定される。すなわち、整列記号１０８から始めて時計方向に進むと、最初のステータ極はロータのＳ極と対向している正極であり、磁束−１を与える。第２のステータ極は同様に正極であるが、ロータのＮ極と対向しているので、磁束は＋１となる。第３および４の極は、正でＮ極であり各磁束は＋１となる。第５の極は負でＮ極であり、磁束は−１となる。第６および７の極は負でＳ極であり、磁束はそれぞれ＋１になる。以下、ステータの周りの全ての極について同様である。ステータ極は直列に接続されているので、ステータ１０２を通る正味磁束は個々の極の磁束の和となる。図２の位置では、この和は−１ユニットになる。
【００２８】
図３は、図１の図に対してロータ１０１が２極分（図の上方向から見て）時計方向に回転した、図１の電気パルス発生器１００の別の断面図である。この場合も、整列マーク１０７、１０８の相対的位置によって示されるように、極は整列していない。図２に関して上記で行われた解析を図３についても繰り返すことができる。図３では、それぞれ個々のステータ極を通る磁束が＋１または−１ユニットのどちらかとして示されている。＋１または−１ユニットの磁束の順序は図２とは同じではなく、いくつかのステータ極では磁束は＋１から−１へ、あるいはその逆へと変化していることを示しているが、ステータを通る全正味磁束、すなわち個々の極磁束の和は図２における和と依然として同じ、すなわち−１ユニットである。
【００２９】
図２および図３で示した解析を、ロータ１０１の１４の非整列極位置の全てについて続けることができる。整列した位置を除いてロータ極がステータ極と直接対向している全ての非連関位置では、個々のステータ極の磁束はロータの異なる位置で変化するものの、ステータ極を通る正味磁束は−１ユニットであることが認められる。
【００３０】
さらに、全正味磁束が−１である、どの隣接する個別のロータ位置の間（例えば、図２と図３に示す位置の間）でも、ロータがある位置から他の位置に回転するとき、ステータ磁束は、任意の中間位置で本質的に一定のままである。いくつかのステータ極を通る磁束は変化せず、他の極を通る磁束は＋１から−１に変化し、さらに他の極を通る磁束は−１から＋１に変化する。正から負に変化する数は負から正へ変化する数と丁度同じであり、極および巻線は本質的に対称的であるので、短い弧を通して回転する間も磁束は一定のままである。しかしながら、ロータが整列位置に隣接した極位置から図１に示す整列位置へと回転すると、全正味磁束が−１から＋１５への突然のかつ劇的な変化が起こり、これはロータが回転し整列位置を離れると再び減少する。
【００３１】
したがって、ステータを通る全正味磁束をロータの角位置の関数としてプロットすると、ロータの１回転毎に繰り返す周期関数であることが理解できる。図４は理想化した、開路状態でのそのようなプロットを示す。図４を参照すると、ステータ磁束がロータの角回転のほとんどを通して一定の−１ユニットのままであり、整列位置にすぐ隣接した極位置（すなわち、−２４°）の直後に＋１５ユニットへの突然のスパイク（spike）が始まり、整列位置（０°）でピークとなり、次の極位置（＋２４°）で−１へと丁度同じだけ急激に減少することが認められる。図４に示す磁束「ユニット」は、前に示したように、個々のステータの磁束の倍数である。この磁束はステータおよびロータの幾何形状、コイル巻数、ロータの磁石の強度および他の様々な設計詳細に依存する。
【００３２】
時間変化する磁界はステータ（アーマチュア）コイル内に電圧を誘起する。図４を参照すると、ステータ内に誘起される電圧が、ロータが一定回転数で完全に一回転するときのロータの角位置の関数としてプロットされている。図５はやはり、理想化された開路状態でのそのようなプロットを示す。図５に示すように、大部分のロータ回転中の誘起電圧は０であり、これはステータ・コイル内の磁束が一定であることの結果である。整列位置にすぐ隣接した極位置（−２４°）から始めて、ステータ内の磁束が急速に変化し始めると、ステータ内に誘起電圧パルスが発生する。図５にはパルスは正の電圧として示されているが、配置に応じて丁度同じくらい簡単に負の電圧にすることができる。ロータが整列位置を横切ると、磁束は急激に減少し始める。この磁束の減少により、前に誘起されたパルスとほぼ同じ大きさで反対極性の電圧パルスが誘起される。図５はアーマチュア電圧の特性プロフィールを一般的に例示するためのものであり、したがって、プロットは単位無しであり、実際の誘起電圧は、磁界の強度、コイルの数、ロータの回転速度などに依存する。
【００３３】
図１の発生器の実施形態では、ロータおよびステータの各々には１５個の極が示されているが、極数は変更し得ることが理解されよう。ロータの整列位置で、対応するロータ極によって全てのステータ極が同じ方向に駆動されると仮定すると、整列位置での正味磁束はＭユニットとなり、ここでＭは極数である。図４に示すように、磁束は、２個の極の間の角距離、すなわち（３６０°／Ｍ）の間に、低い値（図１の配置の場合で−１ユニット）からＭユニットに上昇する。したがって、一般に、極数が増大するほど磁束の上昇は狭く急峻になると言える。その結果、他の全てが等しい場合は、極数が増大するほど発生する電圧パルス値は高くなる。
【００３４】
図４および図５は、理想化した開路での磁束および誘起電圧のグラフであり、本発生器の動作原理を概念的に説明するためにここに示したものであることを理解されたい。本物の実際の装置による現実の動作条件の下では、このプロットはいくらか異なることもある。発生器が負荷に接続される場合は、負荷インピーダンスがプロットに影響を与える。この負荷インピーダンスは必ずしも線形とは限らない。例えば、発生器がエアー・ギャップ内で点火スパークを発生させるために使用される場合は、ギャップ内のガスのイオン化によって負荷インピーダンスが変化する。一般に、ロータが整列位置に近づくとき、磁束は、最初は前に確立された経路を維持しようと試み、整列位置に極めて近接したときに始めて、駆動経路へ強制的に流し込まれ、電圧を誘起する。この現象は、磁束スパイクを、理想状態で予想したよりさらに急峻にし狭くし、ことによると誘起電圧パルスの大きさを増大させ、継続時間を減少させる効果があるかもしれない。しかしながら、プロットの現実の形状および生成される電圧の値は、非常に多くの個々の要因に依存しており一般化するのは困難である。
【００３５】
この好ましい実施形態では、極はサイズおよび製造特性が等しいので、１箇所のロータ整列位置でパルスを生成し、ロータの他の位置では実質上いかなる電圧も誘起しないように、擬似ランダム方式で極を割り当てることによってパルス効果が達成される。擬似ランダム方式で極を割り当てて所望の効果を達成する、多くの可能な代替方法が存在する。
【００３６】
特に、擬似雑音コードとして知られている一群の擬似ランダム関数が存在する。これらは２進数列であり、不規則雑音のような性質を示す。しかしながら、それらは、本質的にまたは意図的に周期性を示す。このような擬似雑音コードは、データ・チャンネル、携帯電話、コードレス電話、全地球測位システム等々などの拡散スペクトラム通信システムに使用されている。しかしながら、それらは従来は発電機の極割り当てには適用されていない。
【００３７】
この好ましい実施形態では、２進擬似雑音コード数列が、ステータおよびロータの極に極性を割り当てるために使用される。すなわち、指標位置から開始して、ロータの周りを（またはステータの周りを）円周方向に極から極へと、各極に２進数列の「１」または「０」に対応する極性が割り当てられる。すなわち、永久磁石極の場合は、「１」がＮに対応するなら、「０」はＳに対応する。コイルの場合は、「１」が磁束経路に対して第１の方向の巻線に対応するなら、「０」は反対方向に対応する。首尾一貫して適用される限り、対応関係は任意である。
【００３８】
ロータおよびステータの両者に極性を割り当てるために同一の数列を使用する。同一の数列を使用するので、ロータおよびステータの極は、それらが指標位置（ここでは整列位置と称する）に整列したときは、本質的に完全な対応を有する。しかし、他の全ての位置では、極割り当ての数列は雑音の外観を呈する。すなわち、ロータの極とステータの極の間にいかなる明白な相関関係も存在しない。真にランダムな極の割り当てでは、極の間に弱い相関（したがって、ロータがある位置から次の位置に回転するときに正味磁束の小さな変化）が存在する位置がいくつか生じる可能性があるが、整列位置以外では位相がシフトした数列の間の相関は常に０であり全ての極位置で正味磁束が一定である擬似ランダム数列、特に擬似雑音数列を案出することは可能である。
【００３９】
この好ましい実施形態で使用する特定の擬似雑音コード数列は原始多項式に基づく最大長数列（「ｍ系列」）であるが、他の擬似雑音コード数列も使用できる可能性があること、あるいは他の擬似ランダム関数も適切な極割り当てをもたらす可能性があることを理解されたい。ｍ系列は、Ｎを正の整数として（２Ｎ−１）の長さを有し、したがって、ステータの極数もロータの極数も同様に（２Ｎ−１）になるように選択することが好ましい。Ｎ＝１は単極という縮退した（degenerate）場合なので、Ｎは１より大きいと仮定する。２、３、４、５、および６次数に対する原始多項式を下記の表１に示す。
【００４０】
【表１】
2005522167.tif 000003
【００４１】
一般に、特定の次数に対して存在する原始多項式の数は、次数が増大するにつれてより大きくなる。次数７に対しては、１８個のそのような原始多項式が存在する。次数８に対しては１６個、次数９に対して４８個である。さらに高い次数に対しては、さらに多くの多項式が存在する。
【００４２】
図１に示す極の数列を発生させるために使用される原始多項式は、次数４の多項式（Ｎ＝４、極の数は２Ｎ−１、すなわち１５個を意味する）であり、具体的にはＸ４＋Ｘ＋１である。この多項式をイコール０と置き、ブール代数で配列し直すと、次の式が得られる。
Ｘ４＝Ｘ＋１（＝Ｘ１＋Ｘ０）                              （１）
１と０の周期的な数列は、線形フィードバック・シフト・レジスタ（ＬＦＳＲ）のフィボナッチ構成を使用して発生させることができ、多項式の各次数は対応するラッチ（latch）（すなわち、周期的信号数列の異なる位相）の出力を示す。方程式（１）に対する（すなわち、多項式Ｘ４＋Ｘ＋１に対する）ＬＦＳＲのフィボナッチ構成を図６に示す。ＬＦＳＲの適切なフィボナッチ構成はどの原始多項式についても構成することができる。このようにして発生させた数列が「ｍ系列」である。
【００４３】
図６のラッチ内の任意のどんな１組の初期値（全て０である縮退した場合を除く）の場合でも、ラッチによって生成される値の数列は周期的である。例えば、ラッチ値１、１、１、１（すなわち、Ｘ３＝Ｘ２＝Ｘ１＝Ｘ０＝１）の初期セットに対してＸ４は０となり、数列の次の段階でラッチが０、１、１、１の値をとることを意味する。この過程は、表２に示すように続けることができる。
【００４４】
【表２】
2005522167.tif 000004
【００４５】
位相１５では、値のセットは位相０に対する値と同じ１、１、１、１に戻り、したがってサイクルは単純に繰り返す。
【００４６】
異なる位相においても、各ラッチを通して１および０の同じ数列が循環していることが認められる。このｍ系列は１５個の値を含み、最後の値に達するとそれ自体無限に繰り返す。このｍ系列は以下の通りである。
１、１、１、１、０、０、０、１、０、０、１、１、０、１、０      （２）
【００４７】
図１のロータ１０１を参照すると、上記ｍ系列（２）の「１」が「Ｎ」に、「０」が「Ｓ」に対応する場合、ｍ系列（２）は、ロータ極１２６〜１４０の整列マーク１０７から開始し時計回りに進む数列に正確に対応していることが認められる。さらに、上記のｍ系列（２）の「１」を、ロータのＮ極が存在するときにステータ巻線を通る正の磁束を有するステータ極に対応させた場合は、「０」はロータのＮ極が存在するときにステータ巻線を通る負の磁束を有するステータ極に対応し、したがって、ｍ系列（２）はステータ極１１１〜１２５の整列マーク１０８から開始し時計回りに進む数列に正確に対応している。
【００４８】
ｍ系列は周期的であるので、任意の多数の位相のシフトしたバージョンとして存在することができる。例えば、数列、
０、０、１、０、０、１、１、０、１、０、１、１、１、１、０      （３）
は、上記ｍ系列（２）の丁度１位相シフトしたバージョンである。ｍ系列の特徴の１つは、この数列のどの位相バージョンも、同じ数列で異なる位相の他のどのバージョンに対しても本質的に直交していることである。言い換えれば、ｍ系列と同じｍ系列の位相がシフトしたバージョンの個々の要素の間では、いかなる相関関係も本質的に存在しない。勿論、同一の位相では、ｍ系列の個々の要素は完全に相互に相関する。
【００４９】
数学用語では、同一のｍ系列の異なる位相バージョンの間での、この直交性、すなわち相関関係の欠如は、数列内の０を−１に変換し任意の２つの数列の内積をとることによって表現することができる。正の相関（両方の項共に１または両方の項共に−１）を有する数列項の任意の１対について対応する内積項は１であり、負の相関を有する数列項の任意の１対について対応する内積項は−１である。この値は２進数であるため、ランダム数列の任意の１対は、同数の内積の正の相関項と負の相関項を、すなわち内積の項において同数の１と−１を与えるはずである。したがって、２つのランダム数列の内積はほぼ０になるはずである。例えばこの課題をｍ系列（２）およびその位相がシフトしたバージョン（３）について行うと、その内積は、以下のようになる。
1x-1 + 1x-1 + 1x1 + 1x-1 + -1x-1 + -1x1 +-1x1 + 1x-1 + -1x1 + -1x-1 + 1x1+ 1x1 + -1x1 + 1x1 + -1x-1 = -1
【００５０】
数列項が奇数の場合、内積が０になることは不可能であるが、−１は０に十分近く、あらゆる実用的な目的ではいかなる相関もないと言うことができる。ｍ系列（２）の位相バージョンの全ての可能な対について同じ内積を計算すれば、その対が全く同一の位相のバージョンを含む場合には内積は１５となることを除けば、内積は常に−１であることが分かる。言い換えれば、例えばＭが、その行が１および−１で表現されるｍ系列（２）の位相のシフトした異なるバージョンである１５×１５の行列であるとすると、Ｍとその転置行列の行列積（Ｍ・ＭＴ）は、行列要素が１５である主対角線に沿ったところを除き、その要素が全て−１である行列となる。さらには、同じ関係が全てのｍ系列に適用され、対角線に沿った値はｍ系列の要素の数となる。
【００５１】
発生器に関する実際の術語に言い換えると、これらの数学的関係は、ロータの極およびステータの極が全く同一のｍ系列に従って割り当てられた極性である場合、極はロータの回転の一点で完全に相関（整列）し、他の全ての位置ではいかなる相関関係も有さないことを意味する。整列点はアーマチュア内の最大正味磁束の点に対応し、ロータがこの点を通り過ぎて回転するとき大きなパルスを発生させる。他の全ての位置では事実上いかなる相関関係も有さず、したがって、正味磁束が同じ低い値であるので、ロータがこれらの点を通り過ぎて回転するときは、いかなる磁束変化も存在せず、いかなる電圧も発生しない。したがって、任意のｍ系列を電気パルス発生機の極の極性割り当てに使用することができる。この関係は極の数を変更する場合に有用である。Ｎを正の整数として、（２Ｎ−１）に等しい任意の極数について、適切なｍ系列を構成することができる。したがって、図１に示す例示的な発生器の１５極よりも極数の多いあるいは極数の少ない発生器を構成することが望ましい場合は、他の様々な極数はｍ系列による割り当てによって対応できる。
【００５２】
ｍ系列は、２つの全く同一の位相以外の数列の全ての位相でほとんど完全に互いに直交するので、この好ましい実施形態で極性割り当てに使用されているが、本発明による発生器ではｍ系列に対応する極性割り当てを使用しなければならないのではなく、その代わりに他の擬似雑音コード数列も使用することができる。特にｍ系列の１つの欠点は、Ｎを正の整数として、極数が（２Ｎ−１）でなければならないことである。その極数ではｍ系列が構成できない異なる極数を選択すべき設計上の理由、または極性割り当てに異なる擬似ランダム数列を選択すべき他の理由が存在する可能性がある。例えば、いわゆるバーカー・コード（Barker codes）（これは周期的擬似雑音コードの別の形態である）もいくつかの応用例で適切な極性割り当てをもたらす可能性がある。別の代替方法は、（２Ｎ−１）が所望の極数よりも大きくなるｍ系列など、より長い擬似雑音コードのサイクルの一部分のみを使用することである。さらに、本発明による極性割り当て用の擬似ランダム数列は、既知のどの擬似雑音コード数列にも従う必要はなく、この応用分野のために特に開発された数列、または現在既知のあるいは今後開発される、何らかの異なる数学的公式に従った数列でもよい。発生器が全ての非整合ロータ位置で完全に電気出力がないことは通常は望ましいが、厳密には必ずしもその必要はなく、いくつかの応用例では、１つのロータの極位置から次の極位置までの少量の磁束変化（少量の電気出力を誘起する）は許容できる可能性がある。
【００５３】
代替発生器構成の実施例
図１の発電機１００は、駆動磁界が、静止したアーマチュア（ステータ１０２）の内部に設置されそれに取り囲まれているロータ１０１に取り付けられた１組の永久磁石によって供給される、本発明による一実施形態を示す。しかしながら、ロータ、ステータ、磁界装置、並びにアーマチュアの設計および位置には多くの変形形態が可能であることが当業者には理解されよう。このようないくつかの代替実施形態を下記で説明するが、これらの代替実施形態は可能な変形形態の例として説明したものであり、他にも多くの変形形態が存在し、本明細書で明示的に説明する実施例は説明のためであり、限定のためではないことを理解されたい。
【００５４】
一般に、磁界装置とは駆動磁界をもたらすものならどんなものでもよいと言える。通常これは１組の永久磁石、または複数の極として配列された１つまたは複数の電磁気コイルのいずれかによって供給される。このコイルは通常、極を直列にして配置するが、並列も可能である。このコイルは通常、直流電源によって駆動されるが、切換式またはパルス式も可能である。交流電源によっても駆動可能であるが、このことは以下でさらに考察する。コイルの各極は通常、磁束経路を形成するために磁気コア材料を取り囲む。直流電源によって駆動されるコイルの場合は、磁気コアは、渦電流効果を最大限利用するために、鉄などの固体（solid）導電材料である。
【００５５】
アーマチュアは磁界装置によって駆動される導体である。通常は、アーマチュアは、渦電流損失を最小にするために、積層された磁気コアまたは非導電材料製の固体磁気コアの周囲に巻いた複数の巻線として構成される。例えば、アーマチュア・コアは、適切な厚さまで積み上げられた複数の積層された珪素鋼板である。アーマチュア極は、通常は最大の発生電圧を供給するために直列に接続されるが、並列に接続されることもある。
【００５６】
磁界装置およびアーマチュアは、電力を発生させるためには必ず互いに相対的に回転しなければならないが、どちらの要素が回転要素であってもよい。すなわち、（図１の実施形態でのように）磁界装置をロータに取り付け、アーマチュアはステータに取り付けることもできる、または磁界装置をステータに取り付け、アーマチュアをロータに取り付けることもできる。各要素を回転する別々のロータに取り付けることも可能であり、この場合２つのロータが互いに相対的に、多分反対方向に回転する。しかし、このような設計は、多分普通ではない応用例を除いて、複雑になり理にかなうとは思われない。
【００５７】
一般に、図１の実施形態に示すように、ステータはロータを取り囲み、事実上閉じ込めている。この設計は、ロータを回転可能軸に直接取り付けることができ、動いているロータがステータによって機械的な干渉から本質的に遮蔽されているので、しばしば機械的により単純である。しかし、多くの応用例において望ましいが、ステータを回転の軸に隣接して取り付ける代わりに、ロータをステータの周りに取り付けることも可能である。さらには、ロータとステータが図１に示すように同心の円筒である必要はない。ロータとステータは円盤状（実際には交互配置される円盤）でもよいし、代替幾何形状はいくらでも可能である。
【００５８】
例えば、図１の発電機１００を参照すると、上記の議論では内側の円筒状部材をロータ１０１とし、外側の円筒状部材をステータ１０２としてきた。しかし、外側部材（アーマチュア）をロータとし、内側部材をステータとすることも可能である。さらに、磁界装置を構成する永久磁石極を外側部材（ロータおよびステータのどちらにもなり得る）に取り付け、アーマチュアを構成する巻線を内側部材に取り付けることも可能である。
【００５９】
図７は、ある別の代替発生器構成の図を示す。図１と同様に、図７は回転軸に垂直な断面で示す簡略化した断面図である。図７に示すように、内側円筒状部材６０１は円周方向に等間隔に配置した複数の電磁気コイル極６２６〜６４０を含み、外側円筒状部材６０２は円周方向に等間隔に配置した等しい数の電磁気コイル極６１１〜６２５を含む。２本のリード線６０３を有する導体巻線が外側円筒状部材６０２のコイル極を直列に接続し、２本のリード線６０４を有する第２の導体巻線が内側円筒状部材６０１のコイル極を直列に接続している。導体巻線６０３は外側部材６０２の磁気コア構造体に巻かれており、導体巻線６０４は内側部材６０１の磁気コア構造体に巻かれている。
【００６０】
図７の説明においてここまでは、「ステータ」「ロータ」「アーマチュア」および「界磁コイル」などの言葉は避けて来たが、それには極めてもっともな理由がある。内側円筒状部材６０１はステータおよびロータのどちらにもなり得、アーマチュアまたは界磁コイルのどちらにもなり得、これらの任意の組み合わせにもなり得る。同じことが外側円筒状部材６０２についても言える。
【００６１】
具体的には、第１の代替実施形態では、部材６０１は磁界コイル装置として動作するロータであり、部材６０２はアーマチュアとして動作するステータである。この第１の代替実施形態では部材６０１の極内に磁界を発生させるために、駆動電流（好ましくは直流）がリード６０４に供給され、部材６０１が回転すると磁界が部材６０２（アーマチュア）に対して回転し、この回転する磁界が部材６０２の巻線６０３の出力中にパルスを誘起する。
【００６２】
第２の代替実施形態では、部材６０１はアーマチュアとして動作するロータであり、部材６０２は磁界コイル装置として動作するステータである。この第２の代替実施形態では、部材６０２の極内に静止磁界を発生させるために駆動電流（好ましくは直流）がリード６０３に供給され、部材６０１が回転するとアーマチュアがこの静止磁界に対して回転し、この回転が部材６０１の巻線６０４の出力中にパルスを誘起する。
【００６３】
第３の代替実施形態では、部材６０１は磁界コイル装置として動作するステータであり、部材６０２はアーマチュアとして動作するロータである。この第３の代替実施形態では、部材６０１の極内に磁界を発生させるために駆動電流（好ましくは直流）がリード６０４に供給され、部材６０２が回転すると、アーマチュアがこの静止磁界に対して回転し、この回転が部材６０２の巻線６０３の出力中にパルスを誘起する。
【００６４】
第４の代替実施形態では、部材６０１はアーマチュアとして動作するステータであり、部材６０２は磁界コイル装置として動作するロータである。この第４の代替実施形態では、部材６０２の極内に磁界を発生させるために駆動電流（好ましくは直流）がリード６０３に供給され、部材６０２が回転すると、磁界が部材６０１（アーマチュア）に対して回転し、この回転磁界が部材６０１の巻線６０４の出力中にパルスを誘起する。
【００６５】
外側部材６０２および内側部材６０１用の磁気コア構造の好ましい構成は、それぞれの部材の機能、すなわち、それがアーマチュア・コイルとして機能するのか、それとも界磁コイルとして機能するのかによって変わる。アーマチュアは（ロータ、ステータを問わず、部材６０１、部材６０２を問わず）電流の急峻な変化に直面する。したがって、渦電流損失を最小にするために（珪素鋼板の薄い鋼板などの）積層コアまたは非導電性コア材料を使用することが好ましい。界磁コイルは（ロータ、ステータを問わず、部材６０１、部材６０２を問わず）直流によって駆動することが好ましく、したがって、固体の、導電性コア材料が好ましい。しかしながら、界磁コイルも時間的に変化する電流によって駆動される応用分野では、代替方法として界磁コイル用に積層または非導電性コア材料が好ましい。
【００６６】
図８に更なる１組の代替発生器構成を示す。図８に示す構成では、アーマチュアおよび磁界装置は円盤状部材として構成され、回転軸上に中心を置き、軸に垂直に取り付けられており、円盤状アーマチュアは円盤状磁界装置に実質上平行である。図８は３枚の盤を示す分解図であり、内２枚は永久磁石磁界盤７０１、７０３であり、他はアーマチュア７０２である。所定の位置では、アーマチュア盤７０２は磁界盤７０１、７０３の間に挟まれている。３枚の盤を図８に示すが、盤の枚数は変りうること、特に盤の設計を共通軸に交互に重ね合わせた多数の円盤に拡張できることを理解されたい。
【００６７】
図８に示すように、磁界盤７０１、７０３はそれぞれ同数の、円周方向に等間隔に配置した永久磁石の極を含む。アーマチュア盤７０２は、２本のリード線７０４を有する導電性巻線を含み、これは同数のコイル極を形成する。図８に１本の巻線ループを簡略化した図で示すが、一般には多数のループを使用することを理解されたい。図８の極の指定はアーマチュア盤と対向する極を示している。盤７０３上の極の配置は、盤７０１上のそれと全く同じである。向きが反対であるため、それらは図８では互いの鏡像のように見える（すなわち、盤７０１にＮ極が示されている場所では常に対応するＳ極が盤７０３に示されている）。すなわち、盤７０１がアーマチュア７０２の上にあり、盤７０３がアーマチュア７０２の下にある場合は、盤７０１のＮ極は盤７０１の底部（アーマチュアと面している）のＮを示しており、上面がＳ極であることを示唆している。同様に、盤７０３上の対応する位置でのＳ極は、上面（アーマチュアと面している）のＳ極を示しており、したがって、実際には盤７０１と全く同じである。
【００６８】
図７の多数の変形形態の場合と同様に、磁界のアーマチュアがロータ上に存在してもよい。すなわち、盤７０２が静止しており、盤７０１および７０３がロータとして同調して回転しても、盤７０１および７０３が静止しており、盤７０２が回転してもよい。さらに、磁界盤は代替方法として電流電源によって駆動される電磁気コイルとして構成することもできる。
【００６９】
多数の円盤として構成された発電機の一例が、本明細書中で参考として援用する米国特許第５７２１４６１号明細書に出ている。電気モータ（発電機として同じ幾何形状を使用できる）の代替幾何形状の別の例が、本明細書中で参考として援用する米国特許第５６７０８３７号明細書に出ている。
【００７０】
交流駆動磁界を使用した動作
駆動磁界が電磁気巻線によって供給される場合は、巻線を交流電源によって駆動することが可能である。磁界巻線の一例として（磁界巻線は異なる構成にすることも可能であることは理解されたい）再び図７を参照すると、ロータが静止ししかも整列位置にあるときは、界磁コイル中の交流駆動電流が、駆動電流と同じ周波数の時間変化する磁界を発生させ、これが同一周波数の交流電圧をアーマチュアコイル内に誘起することが認められる。言い換えれば、この装置は磁気結合が可変の変圧器として動作する。ロータを回転させると、「変圧器」の磁気結合が変化する。実際は、駆動磁界コイルとアーマチュアの間の有意な結合はロータの整列位置にのみ存在し、他のどのロータの位置でもこの二者の間には非常に小さな結合しか存在しない。整列位置以外では、駆動コイルとアーマチュアは本質的に結合されない。
【００７１】
この「変圧器」動作モード（ロータが静止しており、界磁コイルが交流電源によって駆動される）では、駆動磁界の時間変動は完全に交流駆動電源に起因している。この構成でロータが回転するときは、ロータの回転による時間変動要素と交流駆動電源による時間変動要素が存在することになる。これらの要因の相対的な重要性は、２つの時間変動要素の相対的な周波数によって変わる。ロータの回転周波数が交流駆動電源の周波数よりかなり低い場合は、この装置は、電力のほとんどが界磁コイルの入力駆動電流によって供給されるパルス式またはスイッチ式変圧器のように機能し、変圧器はロータの回転周波数でオン・オフする。
【００７２】
ロータの回転周波数が交流駆動電源の周波数より相当高い場合は、駆動電流はロータが整列位置の近くにある短い時間間隔の間は直流と類似している。しかしながら、交流であるので、誘起される連続電圧パルスの大きさは交流駆動電圧に従って変化する。
【００７３】
ロータと交流駆動電源の両者が同一の周波数に近い場合は、両者共にアーマチュアに出現する時間変動駆動磁界に大きく寄与する。特に、交流電源およびロータが適切に同期する場合は、この装置は、直流駆動磁界の場合と同じくロータの回転に同期した通常のパルス流を発生する。交流駆動磁界構成部品は、交流入力の位相を制御することによってパルスの大きさや形状を調節することが可能になる。
【００７４】
一般には永久磁石または直流駆動磁界を駆動磁界として使用することを予想しているが、交流駆動磁界の性質が望ましい特殊な応用分野も存在する。
【００７５】
応用分野の例：内燃機関のスパーク点火
本発明による電気パルス発生機には考えられる応用分野が多数あるが、そのような応用分野の１つをここで説明する。この例示的な応用分野では、このパルス発生機は内燃機関の点火スパークを供給するために使用される。本明細書に記載の電気パルス発生機は、信頼性が高く点火が外部バッテリ・パワーに依存しないので、事実上どんなタイプのスパーク点火内燃機関にも使用可能であるが、このような電気パルス発生機は特に軽飛行機エンジンの点火システムに使用するのに適している。
【００７６】
（圧縮点火、またはディーゼルではなく）スパーク点火の内燃機関は、２つの電極の両端間のギャップに同期した電気パルス（「スパーク」）のアークを発生させることによって、密閉したチャンバ内の燃料混合物に点火する。必要な同期パルスを供給するために従来型の様々な機構を利用することができる。例えば、小型エンジンはしばしば、移動するエンジン部品の運動エネルギをもっぱら利用してパルスを発生させる高圧磁石発電機点火を使用する。大部分のより大型のエンジンは、様々な回路のいずれかに接続されたバッテリの化学的エネルギを使用してパルスを発生させる。これらの従来式解決策はいくつかの欠点を有している。高圧磁石発電機は適切な時間にスパークを誘起させるために、通常は、電気回路を開放する同期する機械的接点スイッチ（「ポイント」）を含む。このスイッチはスパーク侵食、磨耗、雰囲気中の湿度、および動作する機械的部品に関連する他の問題を生じ易い。バッテリ点火回路では、バッテリとそれを維持するための充電システムが明らかに必要であり、これは小型、携帯型エンジンではしばしば望ましくない。バッテリからパワーを引き出す回路は、バッテリ・パワーとそれを供給する充電システムが連続的に利用可能であることに依存している。すなわち、自動車では、自動車バッテリ、充電または電気システムのどの部分が故障しても、点火システムの故障が生じる。このことは軽飛行機では特に問題であり、この理由から、そのような飛行機では、飛行機の電気システムから独立した高圧磁石発電機ベースの点火システムをしばしば使用する。最後に、そのような従来型機構は通常状態では燃料混合物を点火するに十分なスパークを発生させるけれども、より完全な燃焼、不都合な条件下での改善した性能、代替燃料の使用、等々の観点から、より強力なパルスを発生させることによって利益が得られる可能性がある。
【００７７】
図９は、点火スパークを供給するために電気パルス発生機を使用するスパーク点火内燃機関の簡略化した図である。エンジンは移動可能なパワー部材８０２で密閉されている燃焼室８０１を含む。動作に際しては、様々な燃料機構（図示せず）のいずれかによって、燃料混合物がチャンバ８０１に導入され、電気スパークによって点火される。この結果起きる爆発が力の掛ったパワー部材を動かし、機械的力を発生させる。パワーは、外部で利用するため回転部材８０３（クランクシャフト）へ伝達される。図９はパワー部材８０２を往復動するピストンとして図示しているが、パワー部材はその代わりに、いわゆるワンケル（Wankel）またはロータリ・エンジンで使用されるような楔形部材であってもよいし、あるいは他の何らかの形状であってもよい。
【００７８】
パルス発生機１００は、パワー部材８０２および回転部材８０３の動作と同期したパルスを供給する。図９は回転部材８０３と発電機１００をリンクするタイミング・チェーン８０４を表す。タイミング・チェーン８０４は、ロータを回転させることによって発電機１００に駆動力を供給し、回転の正しい位相でスパークを発生させるためにロータの回転が部材８０３の回転と同期している。図９ではタイミング・チェーンを表しているが、周知のごとく、歯車と軸、歯付きベルトなどの代替機構をいくらでも使用でき、発電機１００のロータを、この技術分野で知られているように、タイミング・チェーンによって駆動されるカムシャフト、そのカムシャフトと結合した歯車など、複数のそのような機構を介して回転部材８０３とリンクすることもできる。さらに、発電機１００のロータを事実上クランクシャフトの一部分として、中間機構を全て不要とすることもできる。
【００７９】
前に説明したように、発生器１００がその整列点に達すると、電気パルスが発生する。図９の実施形態では、このパルスが変圧器８０５の一次回路を駆動する。変圧器８０５が二次回路を駆動し、チャンバ８０１内でスパーク・ギャップ８０６の両端間により高い電圧のアークを発生させる。
【００８０】
図９は、主要な電気構成部品を構造的ではなく概念的なレベルで表している。スパーク・ギャップ８０６は通常は取り替え可能な「スパーク・プラグ」によって形成される。変圧器８０５は別の変圧器でもよいが、スパーク・プラグ・キャップと一体化（いわゆるコイル・オン・プラグ技術）させてもよいし、あるいは発電機１００と構造的に一体化させることもできる。さらに、発電機１００および変圧器８０５の大きさは燃焼室に対して誇張して示してある。最後に、図９には単一の燃焼室８０１とパワー部材８０２を示すが、本発明による発生器を使用する内燃機関は複数の燃焼室およびそれに対応するパワー部材を有し、それぞれがエンジンの別々の周期的位相でパルスを必要とすることを理解されたい。この場合、パワーをロータに伝達し、ロータを同期させる機構は、ロータをクランクシャフトの回転数の何倍かの回転速度で回転させるか、所望の燃焼室にパルスを伝達するために、分配器、スイッチ類、またはその他の機構（図示せず）を設けることもできる。
【００８１】
前に説明したように、パルスは、サイクル中の適切な時期に（すなわち、圧縮行程の頂部近くで）スパークを供給するために、パワー部材の動作と同期しなければならない。ある種の内燃機関の設計では、過剰なスパークが他の点、例えば排気行程の頂部近くでも供給される。点火回路を単純化するためにこれらの設計を使用することがある。例えば、ある設計では２つの別々のシリンダの１対のスパーク・プラグが共通のスパーク発生回路に直列に接続されており、２つのシリンダ内のピストンは一緒に動くがシリンダはエンジンサイクルに関して互いに１８０°位相がずれており、したがって、１つのシリンダがその圧縮行程の頂部にあるときは、他はその排気行程の頂部にある、あるいは逆の場合も同様である。本明細書に記載のパルス発生装置はこの種類の構成においても同様に使用することができ、ここで使用する「同期」パルスは、いくつかのパルスが過剰か否かに拘わらず、単にパルスをエンジンが必要とするときに発生させることを意味する。
【００８２】
図５を参照すると、この好ましい実施形態によるパルスは一般に１対の反対の極性を有する交流サージ電圧として発生することが想起されよう。これは、電流が異なる方向にギャップを飛び越える１対のスパークをスパーク・プラグの電極の両端間に誘起するので、内燃機関のスパーク点火システムには望ましくない可能性がある。この現象は電極の過度の腐食や他の好ましくない効果を引き起こすおそれがある。
【００８３】
この２方向スパークを回避する、代替の内燃機関点火システムを図１０に示す。図１０のエンジンおよび点火システムは、一次回路に別のダイオード９０６およびキャパシタ９０７を加えたことを除き、本質的に図９のものと同じである。これらの追加構成部品の効果は、変圧器８０５の一次側に一方向にのみ流れる電流を発生させることであり、したがって、２次回路内に誘起されるスパークは一方向にしかギャップ８０６を横切らない。
【００８４】
動作に際しては、ダイオード９０６はパルスの最初の半分の間のみオンになり、これによって電流は変圧器８０５の一次側をバイパスし、ダイオード９０６中を流れキャパシタ９０７を充電する。発生するパルスの極性が変化すると、パルスの第２の半分の間、ダイオード９０６はオフになる。キャパシタ９０７は今では充電されており、発生器によって生成された電圧降下にこの電圧降下が加えられ、変圧器８０５の一次側を駆動して、ギャップ８０６内に必要なスパークを誘起する。キャパシタ９０７のキャパシタンスは、パルスの最初の半分のエネルギのほとんどを吸収するに十分な大きさであり、大きすぎて充電が不十分にならないよう、注意深く選択される。
【００８５】
他の代替の実施形態および実装形態
内燃機関のスパーク点火用の点火源として、１つの例示的実施形態を上記で説明した。しかしながら、パルス発生機は、本明細書に記載の様々な構成または動作モードのいずれにおいても、特に言及はしないが様々な多くの応用分野で使用可能であることを理解されたい。一般に、このようなパルス発生機は、現在供給されている電気パルス以上のものを必要とする従来の応用分野にも使用することができる。さらに、これは、電気パルスを同様に必要とするが、未だ存在しないまたは実施が限定されている応用分野に使用できる可能性がある。前に説明したように、それには、必要なパルスを発生させるに十分な手段が現在利用可能ではないが、本明細書で説明したパルス発生機によって供給できる可能性のある応用分野が含まれる。以下の潜在的に可能な応用分野は例示のためのみにリストしたものであり、限定することを意図していない。
【００８６】
放電加工、パルス溶接、パルス式炉点火、様々な化学反応触媒の応用分野、核反応の触媒的応用分野、レール・ガン、通信、レーダ、警報。
【００８７】
上記の説明では、ロータの回転速度は固定した値であることを一般に前提としてきた。実際には、回転速度は変更でき、本明細書に記載のパルス発生機の目的は、その回転数の値を検出し、または伝えることでもあり得る。すなわち、本明細書に記載のパルス発生機はロータの回転速度を検出するセンサとして使用可能であり、場合によっては、これを遠距離で、あるいはノイズの存在下で伝達することも可能かもしれない。
【００８８】
上記で説明したように、回転電気パルス発生機は、その極が各回転サイクルの特定の離れた位置（望ましくは１つ）でのみ電気パルスを発生させるように極が整列し、他の位置では極は実質上直交する、すなわちアーマチュア極に対する磁界極のいかなる相関も存在しないので、アーマチュアにはほとんどあるいはいかなる正味電圧も誘起されないという性質を有する、擬似ランダム分布を有するように設計されている。この好ましい実施形態では、これは、上記で説明したように所望の効果が発生するように極性を変化させた、同一の大きさ同一間隔の極を構成することによって達成される。別法として、極が好ましくは１回転で１回だけ、整列点でのみ整列し、その他ではアーマチュア内にほとんどあるいはいかなる正味電圧も誘起しないように、極の大きさ、極の間の間隔および他の構成上の詳細を変更することによって同様な効果を得ることも可能かもしれない。このような非対称設計では一般に設計上の複雑さが大きくなる。しかしながら、このような設計が有利であるような、普通でないまたは特殊な応用分野が存在するかもしれない。さらには、本発明による回転電気パルス発生機を、アーマチュアの極の数が駆動磁界の極の数と同一ではなく設計することも可能である。簡単な一例では、アーマチュアの極の数は駆動磁界極の数の２倍であり、したがって、各磁界極は整列位置で２つのアーマチュア極を駆動することができる。他の簡単な比率（例えば、３：２）も可能である。
【００８９】
上記で説明した様々な実施形態では、単一の整列位置が存在し、ロータの極はステータの対応する極性の極と１回転で１回だけ整列し、大きなパルスを発生させることを前提としてきた。しかしながら、極の擬似ランダム数列をロータおよびステータの周りである整数倍の回数繰り返すことによって、パルスが発生する整列点を複数設けることも別法として可能であることが理解されよう。このような実施形態は、例えば、設計上の理由で、各々の必要な電気スパーク出力を発生させる毎に、１回転の数分の１しか回転しないカムシャフトやその他の構成部品から電気パルス発生機を駆動することが望ましい多気筒内燃機関では有用な場合がある。
【００９０】
上記で説明した様々な実施形態では、ロータは一定回転速度で回転することを一般に前提としてきた。例えば、図５の電気パルス図では、正のピークが負のピークと同じ大きさである交互パルスが示されている。上記の内燃機関では、ロータはエンジンのクランクシャフト自体に結合され、シャフトと同期した回転速度で回転する。しかしながら、実際はパルスという形をした電気エネルギが生成されることは、エネルギがどこかからか来ていることを示唆し、このエネルギ源は勿論ロータの運動エネルギである。したがって、実際はロータはパルスを誘起し、機械的運動エネルギを電気エネルギに移転させるとき、回転速度が低下する。発生器の設計および応用分野によっては、このエネルギ移転がロータの回転速度に及ぼす影響が無視できることもあり、重大となることもある。内燃機関用のスパーク点火発生器では、結合されているロータまたはその他のエンジン構成部品の慣性は通常、スパークのエネルギに対して非常に大きいので、発生器によって起こるエネルギ移転のロータ回転速度に対する影響は通常無視できる。他の応用分野では、エネルギ移転の結果としてロータが非常に大きく減速することもある。極端な場合は、ロータがその行程で完全に止まってしまうように発生器を構成することも可能であるが、このような装置の構成はコア材料の磁気飽和などによる物理的な制約を受ける可能性がある。パルスの発生がロータの回転速度の大きな低下を起こす場合は、図５の特徴的なパルスの形状が異なる外観をとることもできる。
【００９１】
上記で説明した様々な実施形態では、発生器がロータの回転速度に一致する一連のパルスを誘起することを一般に前提としてきた。しかしながら、いくつかの応用分野では、単一の大きなパルスを誘起すること、そのためパルスを発生させる前に、ロータを複数回回転させ高速回転へ加速することが望ましい可能性がある。このような応用分野では、スイッチ・モードで動作させることが可能である。例えば、界磁コイルは最初はその中を電流を全然流さない開路としておく。ロータを所望の回転速度まで加速したあとで、スイッチを閉じ、界磁コイルに電流を供給する。次の整列地点でパルスが発生する。別法として、アーマチュア・コイルを開路としておき、所望の速度に到達したとき、所期の負荷にスイッチを入れることもできる。
【００９２】
上記で説明した様々な実施形態では、電気パルス発生器１００およびその変形形態を一般に孤立した存在物（entity）として説明してきた。いくつかの変形形態では、特に図７に示すように、適切な駆動磁界を発生させるために外部電源で界磁コイルに電力（好ましくは直流）を供給することが予想される。これは、２つの別の発生器のロータを共通の回転部材に取り付けた発生器の複合形態を使用して達成することができる。例えば、そのような実施形態として、第２の発生器のロータに取り付けた第１の発生器が、第２の発生器の界磁コイル用の電力を発生させる。この第１の発生器は連続した（直流または交流の）電力を供給する従来方式の発生器であり、第２の発生器は本明細書に記載のパルス発生機である。別法として、両方の発生器を本明細書に記載のパルス発生機として構成することも可能である。
【００９３】
上記で説明した様々な実施形態では、電気パルス発生機は回転装置であって、駆動磁界装置と駆動（アーマチュア）コイルの間の相対運動は、これらの要素の一方を他方の要素に対して軸周りで回転させることによってもたらされるものとして説明してきた。しかしながら、ある種の特殊な応用分野では、これと同じ原理が相対的動作の他の形態、特に直線的相対運動に対しても適用可能であることが理解されよう。例えば、Ｍ極を有する移動部材が、Ｍ極ごとに繰り返す極性数列でかなり多数の極を有する固定部材に沿って移動することが可能である。そのような装置の考え得る一応用分野は、必ずしもこのような応用分野にのみ限られるわけではないが、移動部材の位置または速度あるいはその両方を検出するパルス・センサである。
【００９４】
本発明の特定の実施形態をいくつかの代替方法とともに開示してきたが、以下の特許請求の範囲の範囲内で、形態および詳細に更なる変形を加えることが可能であることが当業者には理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の好ましい実施形態による、電気パルスを発生させる回転電磁気装置の簡略化した断面図である。
【図２】図１に対してロータが時計回りに１極分だけ回転した、好ましい実施形態による電気パルス発生機の断面図である。
【図３】図１に対してロータが時計回りに２極分だけ回転した、好ましい実施形態による電気パルス発生機の断面図である。
【図４】好ましい実施形態による電気パルス発生機の、合計正味ステータ磁束をロータの角位置の関数としてプロットした、開路状態での理想化した図である。
【図５】好ましい実施形態による電気パルス発生機の、ステータ電圧をロータの角位置の関数としてプロットした、開路状態での理想化した図である。
【図６】好ましい実施形態による発生器の極の極性を割り当てるために使用されるｍ系列を発生させることができる、線形フィードバック・シフト・レジスタのフィボナッチ構成を示す図である。
【図７】好ましい実施形態の第１組の代替バージョンによる、電気パルスを発生させる回転電磁気装置の簡略化した断面図である。
【図８】好ましい実施形態の第２組の代替バージョンによる、電気パルスを発生させる回転電磁気装置の簡略化した分解図である。
【図９】好ましい実施形態の発生器の例示的な応用による、点火プラグを提供するために電気パルス発生機を使用した、スパーク点火内燃機関の簡略図である。
【図１０】好ましい実施形態の発生器の例示的な応用による、代替点火回路を使用した点火スパークを提供するために電気パルス発生機を使用した、スパーク点火内燃機関の簡略図である。
【図１】
2005522167.tif 000005
【図２】
2005522167.tif 000006
【図３】
2005522167.tif 000007
【図４】
2005522167.tif 000008
【図５】
2005522167.tif 000009
【図６】
2005522167.tif 000010
【図７】
2005522167.tif 000011
【図８】
2005522167.tif 000012
【図９】
2005522167.tif 000013
【図１０】
2005522167.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成16年2月27日(2004.2.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータと、
個々の極がそれぞれの極性を有する、複数の極を配置した電気導体を含む電磁気アーマチュアと、
個々の極がそれぞれの極性を有する、複数の極を有する磁界装置とを有し、
前記電磁気アーマチュアおよび前記磁界装置のいずれか一方が前記ロータに取り付けられ、前記電磁気アーマチュアおよび前記磁界装置の他方は前記ロータには取り付けられてはおらず、前記電磁気アーマチュアおよび前記磁界装置は互いに相対的に回転するように取り付けられ、
前記アーマチュアの前記極および前記磁界装置はｍ系列（最長系列）に従って配置され、前記ロータの１つまたは複数の離れた角整列位置で、前記アーマチュアの前記極が前記磁界装置の対応する極性の前記極と実質的に整列して、前記アーマチュアを通る比較的大きな正味磁束を生じさせ、前記１つまたは複数の離れた角整列位置以外の前記ロータの角位置では、前記アーマチュアを通る比較的小さな正味磁束を生じさせる、電気パルス発生装置。
【請求項２】
前記アーマチュアの前記極が、前記ロータの正確に１つの角位置で、前記磁界装置の対応する極性の前記極と実質的に整列する、請求項１に記載の電気パルス発生装置。
【請求項３】
前記アーマチュアが前記ロータに取り付けられ、前記磁界装置がステータに取り付けられている、請求項１または２に記載の電気パルス発生装置。
【請求項４】
前記アーマチュアがステータに取り付けられ、前記磁界装置が前記ロータに取り付けられている、請求項１、２または３に記載の電気パルス発生装置。
【請求項５】
前記磁界装置が、前記複数の極に配列され電源によって駆動される電気導体を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気パルス発生装置。
【請求項６】
前記磁界装置を駆動する前記電源が定直流電源である、請求項５に記載の電気パルス発生装置。
【請求項７】
前記磁界装置を駆動する前記電源が連続交流電源である、請求項５に記載の電気パルス発生装置。
【請求項８】
前記磁界装置を駆動する前記電源がスイッチ式電源であり、最初はオフであり、前記ロータが所望の回転速度に到達した後にオンとなり、少なくとも１個のパルスを供給する、請求項５に記載の電気パルス発生装置。
【請求項９】
前記磁界装置が複数の永久磁石を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気パルス発生装置。
【請求項１０】
前記アーマチュアの前記極は同じ大きさであり、前記軸周りに円周方向に等間隔で配置されており、前記磁界装置の前記極は同じ大きさであり、前記軸周りに円周方向に等間隔で配置されている、請求項１に記載の電気パルス発生装置。
【請求項１１】
前記アーマチュアの極の数が、前記磁界装置の極の数と同数である、請求項１０に記載の電気パルス発生装置。
【請求項１２】
前記電気パルス発生装置はスイッチ・モードで動作し、前記電気パルス発生装置の出力のために最初は開路構成であり、前記出力のために、前記ロータが所望の回転速度に達した後に少なくとも１つのパルスを供給するため負荷に切換可能に結合される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気パルス発生装置。
【請求項１３】
前記電気パルス発生装置が連続モードで動作し、前記電気パルス発生装置の出力が、前記ロータが前記１つまたは複数の離れた角整列位置を通り過ぎて回転したことに対応する連続した一連のパルスを供給する、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電気パルス発生装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【書類名】明細書
【技術分野】
【０００１】
本発明は発電機、詳細には不連続電気パルスを発生させるタイプの発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
高エネルギ電気パルスを発生させることが必要な装置または用途が多数存在する。従来型内燃機関のスパーク点火は、多分このような用途として最も知られたものである。これほど知られてはいないが、確立された高エネルギ電気パルスの応用分野が他にも多く存在する。例えば、放電加工機では一連の不連続電気パルスを使用して、電極と金属加工物との間の非伝導流体で満たされた隙間の両端間にスパークを発生させ、加工物を所望の形状に侵食形成する。パルス溶接では電気パルス放電による高熱によって金属を溶接する。多くの炉または同様な装置では、燃料に点火するのに電気パルスを使用し、それによって定常燃焼プロセスよりも高い効率を得る。特定の化学物質の合成工程では電気パルスを使用する。これらの他にも多数ある。
【０００３】
電気パルスを発生させる様々な従来型装置が存在し、それぞれ特定の種類の応用分野に十分なものである。例えば、遮断器回路および高圧変圧器に接続された高圧磁石発電機が、小型内燃機関に必要なスパークを発生させるために使用されてきた。自動車に使用するような、より大型のエンジンでは、高圧磁石発電機の代わりにバッテリを一般に使用し、より最新のエンジンでは遮断器接点を電子スイッチで置き換えている。
【０００４】
比較的低エネルギの電気パルスは、完全に集積電子回路によって発生させることができ、この目的のための様々な回路設計が存在する。パルスに必要とされるエネルギが増大するにつれて、パルス発生用の適切な電子モジュールの設計は益々困難となる。パルス・エネルギを増大させるため、キャパシタやインダクタなど個別の構成部品を付け加えることは可能であるが、このような構成部品でさえ実際上のサイズおよびパワーの制限がある。
【０００５】
純粋に電子的なパルス発生器に加えて、パルスを発生させるのに使用される様々な電気機械装置がある。高圧磁石発電機もそのような電気機械装置の単純な一例である。一般にこれらの装置は、回転部材の慣性力のような何らかの形の機械的エネルギを、電磁界を使用して電気エネルギへ転換する。
【０００６】
電気パルスの発生は、短い時間間隔で電気エネルギを集中させる問題と考えることができる。電子装置は最初に電力線電圧源またはバッテリからエネルギを引き出す。十分な時間が与えられると、任意の量のエネルギが得られる。同様に、電気機械装置も一般的に、移動する物体の運動エネルギからエネルギを引き出し、それを電気エネルギに転換する。十分な時間が与えられると、これも任意の量のエネルギを供給することができる。パルスを発生させるとは、十分に短い時間間隔でエネルギを貯蔵し、放出することを意味する。必要なエネルギの貯蔵量が大きく、放電の時間間隔が短くなるほど、電気パルス発生器に必要とされる設計制約は厳しくなる。
【特許文献１】米国特許第５，７２１，４６１号
【特許文献２】米国特許第５，６７０，８３７号
【特許文献３】米国特許公報第４７４６８６２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電気パルスを発生させるための様々な従来型装置が存在するが、依然として改良型のパルス発生装置が強く求められている。どの装置でも同様だが、改良は製造コストの削減、信頼性の向上、エネルギ消費量の低減または運転費の低減の如き形をとる。しかし、より大きなエネルギ放出に対応できる装置、または大きさ、入力および他の特性が同程度の従来型パルス発生装置より短い時間間隔で放出を集中させる装置、あるいはその両方の装置が特に求められている。
【０００８】
より高いエネルギ／より短いパルスの電気パルス発生器は、かなり多くの従来の応用分野で現行のパルス発生器の交換用として、明白な実用性を有する。例えば、より高いエネルギのパルス発生器は、内燃機関用の点火源として使用するとより完全な燃料燃焼をもたらし、低温または同様な不都合な状態での起動をより容易にし、代替燃料の使用が可能となり、電子的雑音の存在下でもより効率的に動作し、または他のいくつかの設計制約をなくす可能性があり、したがって従来型スパーク点火手段を使用する同程度の内燃機関と比較して、このエンジンは燃料効率がより高く、動作コストがより安く、信頼性がより高く、あるいは何か他の意味で改良されている。電気パルス発生器を使用する現行の従来型応用分野の多くでも同様のことが認められる。
【０００９】
改良型の電気パルス発生器のさらに大きな潜在的用途は、未だ存在しない、または存在するとしても研究室で短時間のみ存在する応用分野にある可能性がある。この種のいくつかの応用分野は科学的作り話の雰囲気をもつものであるが、昨日の科学的作り話はしばしば今日の常識的な現実となることを思い起こすべきである。そのような潜在的応用分野の多くが未だ現実に具体化されていない理由の少なくとも一部分は、現行では十分に高エネルギでかつ継続時間が短い電気パルスを発生させる実用的な手段が手に入らないということにある。改良型の高エネルギパルス発生器が、この分野の実際的、実用的な装置の開発における重大なリンクをもたらす可能性がある。
【００１０】
そのような未来の応用分野の一例は電磁砲（rail gun）である。電磁砲は非常に高エネルギのパルス化された電磁界を使用して物体を高速度に加速する装置である。これは時には軍事応用分野と関連づけられるが、衛星を発射するなど、他の様々な目的にも使用できる。理論的にはそのような装置は可能であるものの、例えば、小型衛星を打ち上げるための実際的、実用的な装置では、従来の技術を使用して発生させるのが困難または不可能であるような巨大なエネルギの電気パルスが必要である。
【００１１】
別のそのような未来の応用分野は、制御核融合の分野である。核融合は極めて高い触媒的温度を必要とし、少なくともいくつかの研究は、十分に高エネルギでかつ継続時間の短い電気パルスを使用すれば、必要なトリガー状態をもたらすのに役立つ可能性があることを示唆している。この場合も、この種のパルスは、従来の技術を使用して発生させるのは困難または不可能であろう。
【００１２】
つまり、改良型のより強力な電気パルス発生器は、スパーク点火内燃機関のようなパルス発生器を使用する従来型装置の性能、コストまたは他の特性を高めるのみならず、例えあったとしても漠然と空想していたに過ぎない全く新らしい未開拓分野を切り開くものである。この分野の研究者達はこれらのニーズを知らなかったのではなく、提案され実施された様々なパルス発生器設計が製造されてきた。しかし、既存の設計には制限があり、より大きな実用性を阻んでいる。改良型のパルス発生技術が明らかに求められている。
【００１３】
米国特許公報第４７４６８６２号明細書は回転部材の回転速度と基準回転角の両者を検出するセンサを開示している。このセンサでは、磁化範囲または領域などの配置、並びに、円周方向に配置された凸型または凹型コイル部分などの関連する信号発生回路の配置が改良されており、したがって、信号発生回路の直列回路の単一出力信号から、回転速度信号と基準回転角信号の両方を得ることができる。一実施形態では、磁化範囲並びに関連する波状コイル・パターンの凸部分も幾何数列に従って配置され、したがって、回転部材が所定の角度にわたって回転する毎に、ただ１度だけ磁化部分と凸部分が互いに一致してより高い電圧を発生し、一方、非一致の場合は低い電圧を発生させる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、電気パルスは、極が周期的に整列するような擬似ランダム分布を有する、移動する多極電磁気装置によって発生する。この装置は、極が整列したときに短いパルスを発生させることが可能であり、回転中の他の時間はほとんどあるいは全く電気出力を発生しない。
【００１５】
好ましい実施形態では、ロータとステータ上に同数の極が存在し、全ての極は同じ大きさであり、回転軸周りに円周方向に等間隔で配置されている。しかしながら、極の極性が単純なパターンで変る従来型の発生器と異なり、本実施形態による極の極性は、擬似雑音、擬似ランダム２進数列関数（pseudo-noise pseudo-random binary sequence function）に従って変化する。ロータ回転の一点において、ロータの全ての極は対応するステータの極と整列し、アーマチュア巻線を通る最大の正味磁束をもたらす。他の全てのロータ角度位置では、ロータとステータの極は不整列であり、アーマチュア巻線を通る正味磁束は少ない。動作の際、ロータの不整列角度位置中でロータが回転するときは、実質的にいかなる磁束変化も発生せず、したがって、いかなる電力も発生しない。ロータが整列位置に達したとき、突然大きな磁束変化が起き、それによって高エネルギ電気パルスが発生する。
【００１６】
好ましい実施形態では、極への極性の擬似ランダム分布関数（pseudo-random
distribution function）割り当て（assignment）は、原始多項式拡散コード（primitive polynomial
spreading code）「ｍ系列（m-sequence）」に従って行われる。この実施形態では、ロータおよびステータの各々の極数は（２Ｎ−１）であり、ここでＮは１より大きな正の整数である。ロータの極とステータの極は同一の数列に従う。原始多項式拡散コードｍ系列は、自己とはただ１つの周期的位相でのみ相関し、他の全ての周期的位相ではほとんどいかなる相関も生じないという特徴を有する。したがって、ロータが回転して（２Ｎ−１）個の極位置中の（２Ｎ−２）個の位置を通って回転するときは、巻線を通る正味磁束は（−１）ユニットであり、ここでユニットとは整列した１対の極が発生する磁束である。すなわち、これら（２Ｎ−２）の極位置ではロータ極とステータ極（「擬似ランダム」）の間には実質的にいかなる相関も存在しない。残りの極位置では、全ての極が整列し、正味磁束は（２Ｎ−１）ユニットである。したがって、ロータが整列位置に達したとき、突然大きな磁束変化が起きる。
【００１７】
コイルおよびマグネットの様々な代替配置が可能である。第１の好ましい実施形態では、ロータ極は擬似ランダム分布関数によって割り当てられた極性の永久磁石であり、一方ステータ極は同様に割り当てられた電磁気コイルである。第２の好ましい実施形態では、ロータ極およびステータ極は共に電磁気コイルであり、ロータ上に界磁巻線、ステータ上にアーマチュア巻線がある。第３の好ましい実施形態では、ロータ極およびステータ極は共に電磁気コイルであり、ロータ上にアーマチュア巻線、ステータ上に界磁巻線がある。第４の好ましい実施形態では、ステータ極は永久磁石であり、一方ロータ極は電磁気コイルである。
【００１８】
ある代替動作モードでは、駆動磁界は、交流電源によって駆動される電磁気コイルによって供給される。比較的低い回転周波数では、この装置は、ほとんどのエネルギが交流電源から供給されるパルス式または切換式の変圧器のごとく機能し、一方、より高速の回転周波数では、交流駆動構成要素の重要性はより小さくなる。
【００１９】
ある例示的な応用例では、この好ましい実施形態によるパルス発生機が内燃機関の点火スパークを発生させるのに使用される。しかしながら、他の多くの潜在的応用分野も可能である。
【００２０】
本発明の好ましい実施形態に従って構成された電気パルス発生機は、同程度の大きさと動作特性の従来型パルス発生機よりも高エネルギで継続時間の短いパルスを発生させる潜在能力を有しており、現在知られている、あるいは今後開発される種々の応用分野に使用することができる。
【００２１】
本発明の詳細は、その構造についても動作についても、添付の図面を参照して最もよく理解することができる。図では、同一の参照番号は同一の部品を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本明細書に記載の実施形態は、電気パルスを発生させる回転電磁気装置であり、本明細書で使用する個々の用語は下記の意味を有する。「ロータ」は、軸の周りを回転する有形の部材である。「ステータ」は、軸に対して回転しない、静止した部材である。「アーマチュア」は、アーマチュアに対して時間変化する磁界によって電圧がその中に誘起される電気導体である。アーマチュアは一般にコイル状またはループ状に巻かれているため、アーマチュアはときには「アーマチュア巻線」または「アーマチュア・コイル」とも呼ばれるが、これはアーマチュアを形成する電気導体のいかなる特定の幾何形状をも示唆することを意味するものではないことを理解されたい。アーマチュアはロータまたはステータ上のいずれかに位置することができる。アーマチュアを駆動する磁界は実際は静止した変化しない磁界であり、ただアーマチュアが回転しているので「アーマチュアに対して時間的変化」している。「界磁巻線」または「界磁コイル」は、アーマチュアを駆動する（すなわち、アーマチュア内に電圧を誘起する）ための磁界を発生させる電気導体である。アーマチュアの場合と同様に、「巻線」または「コイル」の用語の使用は、界磁巻線のいかなる特定の形態も示唆するものではない。アーマチュアを駆動する磁界は界磁巻線または永久磁石によって発生する。界磁巻線または永久磁石はロータまたはステータのいずれかに位置することができるが、アーマチュアと同一の構成部品には配置できない。すなわち、アーマチュアがロータ上にあるときは、場合に応じて界磁巻線または永久磁石は、ステータなどの別の構成部品上にあり、逆の場合も同様である。
【００２３】
図面を参照すると、同一の番号はいくつかの図を通して同じ部品を示しているが、図１は、本発明の好ましい実施形態の１つのバージョンによる、電気パルスを発生させる回転電磁気装置１００の簡略化した断面図である。パルス発生器１００は、回転部材（ロータ）１０１およびステータ１０２を含む。図１で、パルス発生器１００は、ロータ１０１の回転軸に垂直な断面で示されている。図１における表示では、ロータ１０１は、円周方向に等間隔に配置され駆動磁界をもたらす複数の永久磁石の極１２６〜１４０を含み、一方ステータ１０２は、ロータの磁界によって駆動されるアーマチュアを構成する、円周方向に等間隔に配置された同数の電磁コイルの極１１１〜１２５を含む。外部の機械的動力源（図示せず）がロータを回転させ、回転する物体に運動エネルギを供給し、その一部が最終的にパルス発生器１００によって電気エネルギに転換される。この機械的動力源は、例えば電気モータ、内燃機関、油圧タービンまたはロータを回転させることができるものなら、多くの装置のうちのどんなものでもよい。図１に示すもの以外の界磁コイル、アーマチュア・コイルおよび磁石の構成も、本明細書でより詳細に論じるように可能である。文脈によって明確に限定されない限り、ここでは参照番号１００は、界磁コイル、アーマチュア・コイルおよび磁石のこれらの変形形態のうちのどれを使用したパルス発生機も含む。
【００２４】
図１に示すように、ロータ１０１は１５個の永久磁石の極１２６〜１４０を含み、そのうちの８個１２６、１２７、１２８、１２９、１３３、１３６、１３７、１３９はステータに対向しているＮ極（「Ｎ」）であり、一方、７個１３０、１３１、１３２、１３４、１３５、１３８、１４０はステータに対向しているＳ極（「Ｓ」）である。ステータは、同様に１５個の電磁気コイルの極１１１〜１２５を含む。これらのうちの８個１１１、１１２、１１３、１１４、１１８、１２１、１２２、１２４は、図１ではコアの上にコイル線を重ね合わせて示してあり、一方、７個１１５、１１６、１１７、１１９、１２０、１２３、１２５はコアの下にコイル線を隠して示してある。慣例により、この表示は、Ｎロータ極が存在するときは、ステータ巻線を通る正の磁束を、またＮロータ極が存在するときは、ステータ巻線を通る負の磁束を有する極を（本明細書ではそれぞれ、正磁束極、負磁束極と呼ぶ）それぞれ指定するために使用する。しかしながら、図１は例示の目的でステータ巻線を簡単に示すことを意図したものにすぎず、実際には巻線は３次元であり、その外観は図１に示すものと全く異なっており、巻線のかなりの部分は軸に平行して走っており、巻線は通常は図１に示すよりも多くの巻数を含むことを理解されたい。この好ましい実施形態の発生器で独特な点は、ステータおよびロータを構成するために使用する材料または形状、またはステータ巻線の巻き方ではなく、極の極性配列である。したがって、コアおよび巻線に使用される従来の様々な材料または設計のどれでもこの好ましい実施形態の電気パルス発生機に適切であること、あるいは今後開発される材料または設計技術も、本明細書に記載の本発明に適合し得ることが予想される。
【００２５】
全てのステータ（アーマチュア）極巻線１１１〜１２５は、２本の出力リード線１０３を有する単一の電気導体として論理的に直列に接続されており、発生した電圧パルスは出力リード線に現れる。巻線は必ずしも直接隣接する極と物理的に接続されている必要はない。すなわち、コアおよび巻線の物理的形状、および他の設計要因に応じて、隣接する極１１１から１１２に、次いで１１３に等々順次直列に接続するのが好ましいこともあり得る。これに対し、異なる極性の極を交互に直列に、したがって１１１−１２５−１１２−１１５−１１３などの極の順序で直列に接続するなど、他の配列を使用することが好ましいこともあり得る。
【００２６】
この好ましい実施形態では、ロータおよびステータの極の極性は擬似雑音擬似ランダム関数分布（pseudo-noise pseudo-random function distribution）に対応している。これは周期関数であって、位相がシフトしたとき、位相が周期またはサイクルの完全整数（full
integral number）倍シフトしたときを除き、どの点でもそれ自体と直交する（それ自体とは相関しない）という特徴を有する。極の極性を割り当てるのに、ロータおよびステータの両方に同一の関数が使用される。したがって、ロータおよびステータが割り当て関数の同一位置で整列するとき、極の完全な相関が存在し、ロータの回転中の他の全ての位置では、ロータ極とステータ極の間に実質的にいかなる相関も存在しない。この現象は以下でより完全に説明するが、図１、２および３で視覚化することができる。
【００２７】
１対の整列マーク１０７、１０８がロータおよびステータ上にそれぞれ現れている。図１に示すとおり、ロータは整列した位置にある。この位置では、ロータ１０１の全てのＮ極（すなわち、極１２６、１２７、１２８、１２９、１３３、１３６、１３７、１３９）が、それぞれ正磁束ステータ極（すなわち、極１１１、１１２、１１３、１１４、１１８、１２１、１２２、１２４）と整列している。ロータ１０１の全てのＳ極（すなわち、極１３０、１３１、１３２、１３４、１３５、１３８、１４０）が、それぞれ負磁束ステータ極（すなわち、極１１５、１１６、１１７、１１９、１２０、１２３、１２５）と整列している。ステータ極は直列に接続されているので、ステータを通る正味磁束は全体として個々の極内の磁束の合計である。個々のステータ極内の磁束を任意に１ユニットと称することにすれば、整列した位置での正味磁束は、ロータのＮ極と整列している正磁束ステータ極（そのそれぞれは＋１ユニット）とロータのＳ極と整列している負磁束ステータ極（そのそれぞれは同様に＋１ユニット）の和となり、全正味磁束は＋１５ユニットとなる。
【００２８】
図２は、図１の図に対してロータ１０１が１極分（図の上方向から見て）時計方向に回転した、図１の電気パルス発生器１００の断面図である。この位置では、極は整列しておらず、整列マーク１０７、１０８が図１でのようには互いに隣接していないことが認められる。図１の整列した位置と異なり図２の位置では、ロータ１０１のＮ極のいくつかは正磁束ステータ極と整列しているが、他は負磁束ステータ極と整列している。ロータ１０１のＳ極についても同様である。ロータのＮ極が存在する場合の正磁束ステータ極を通る磁束が＋１ユニットであるとすれば、ロータのＳ極が存在する場合は−１ユニットであり、負磁束ステータ極に関してはその逆である。個々の各ステータ極における磁束は、図２に示すように＋１または−１ユニットに特定される。すなわち、整列記号１０８から始めて時計方向に進むと、最初のステータ極はロータのＳ極と対向している正極であり、磁束−１を与える。第２のステータ極は同様に正極であるが、ロータのＮ極と対向しているので、磁束は＋１となる。第３および４の極は、正でＮ極であり各磁束は＋１となる。第５の極は負でＮ極であり、磁束は−１となる。第６および７の極は負でＳ極であり、磁束はそれぞれ＋１になる。以下、ステータの周りの全ての極について同様である。ステータ極は直列に接続されているので、ステータ１０２を通る正味磁束は個々の極の磁束の和となる。図２の位置では、この和は−１ユニットになる。
【００２９】
図３は、図１の図に対してロータ１０１が２極分（図の上方向から見て）時計方向に回転した、図１の電気パルス発生器１００の別の断面図である。この場合も、整列マーク１０７、１０８の相対的位置によって示されるように、極は整列していない。図２に関して上記で行われた解析を図３についても繰り返すことができる。図３では、それぞれ個々のステータ極を通る磁束が＋１または−１ユニットのどちらかとして示されている。＋１または−１ユニットの磁束の順序は図２とは同じではなく、いくつかのステータ極では磁束は＋１から−１へ、あるいはその逆へと変化していることを示しているが、ステータを通る全正味磁束、すなわち個々の極磁束の和は図２における和と依然として同じ、すなわち−１ユニットである。
【００３０】
図２および図３で示した解析を、ロータ１０１の１４の非整列極位置の全てについて続けることができる。整列した位置を除いてロータ極がステータ極と直接対向している全ての非連関位置では、個々のステータ極の磁束はロータの異なる位置で変化するものの、ステータ極を通る正味磁束は−１ユニットであることが認められる。
【００３１】
さらに、全正味磁束が−１である、どの隣接する個別のロータ位置の間（例えば、図２と図３に示す位置の間）でも、ロータがある位置から他の位置に回転するとき、ステータ磁束は、任意の中間位置で本質的に一定のままである。いくつかのステータ極を通る磁束は変化せず、他の極を通る磁束は＋１から−１に変化し、さらに他の極を通る磁束は−１から＋１に変化する。正から負に変化する数は負から正へ変化する数と丁度同じであり、極および巻線は本質的に対称的であるので、短い弧を通して回転する間も磁束は一定のままである。しかしながら、ロータが整列位置に隣接した極位置から図１に示す整列位置へと回転すると、全正味磁束が−１から＋１５への突然のかつ劇的な変化が起こり、これはロータが回転し整列位置を離れると再び減少する。
【００３２】
したがって、ステータを通る全正味磁束をロータの角位置の関数としてプロットすると、ロータの１回転毎に繰り返す周期関数であることが理解できる。図４は理想化した、開路状態でのそのようなプロットを示す。図４を参照すると、ステータ磁束がロータの角回転のほとんどを通して一定の−１ユニットのままであり、整列位置にすぐ隣接した極位置（すなわち、−２４°）の直後に＋１５ユニットへの突然のスパイク（spike）が始まり、整列位置（０°）でピークとなり、次の極位置（＋２４°）で−１へと丁度同じだけ急激に減少することが認められる。図４に示す磁束「ユニット」は、前に示したように、個々のステータの磁束の倍数である。この磁束はステータおよびロータの幾何形状、コイル巻数、ロータの磁石の強度および他の様々な設計詳細に依存する。
【００３３】
時間変化する磁界はステータ（アーマチュア）コイル内に電圧を誘起する。図４を参照すると、ステータ内に誘起される電圧が、ロータが一定回転数で完全に一回転するときのロータの角位置の関数としてプロットされている。図５はやはり、理想化された開路状態でのそのようなプロットを示す。図５に示すように、大部分のロータ回転中の誘起電圧は０であり、これはステータ・コイル内の磁束が一定であることの結果である。整列位置にすぐ隣接した極位置（−２４°）から始めて、ステータ内の磁束が急速に変化し始めると、ステータ内に誘起電圧パルスが発生する。図５にはパルスは正の電圧として示されているが、配置に応じて丁度同じくらい簡単に負の電圧にすることができる。ロータが整列位置を横切ると、磁束は急激に減少し始める。この磁束の減少により、前に誘起されたパルスとほぼ同じ大きさで反対極性の電圧パルスが誘起される。図５はアーマチュア電圧の特性プロフィールを一般的に例示するためのものであり、したがって、プロットは単位無しであり、実際の誘起電圧は、磁界の強度、コイルの数、ロータの回転速度などに依存する。
【００３４】
図１の発生器の実施形態では、ロータおよびステータの各々には１５個の極が示されているが、極数は変更し得ることが理解されよう。ロータの整列位置で、対応するロータ極によって全てのステータ極が同じ方向に駆動されると仮定すると、整列位置での正味磁束はＭユニットとなり、ここでＭは極数である。図４に示すように、磁束は、２個の極の間の角距離、すなわち（３６０°／Ｍ）の間に、低い値（図１の配置の場合で−１ユニット）からＭユニットに上昇する。したがって、一般に、極数が増大するほど磁束の上昇は狭く急峻になると言える。その結果、他の全てが等しい場合は、極数が増大するほど発生する電圧パルス値は高くなる。
【００３５】
図４および図５は、理想化した開路での磁束および誘起電圧のグラフであり、本発生器の動作原理を概念的に説明するためにここに示したものであることを理解されたい。本物の実際の装置による現実の動作条件の下では、このプロットはいくらか異なることもある。発生器が負荷に接続される場合は、負荷インピーダンスがプロットに影響を与える。この負荷インピーダンスは必ずしも線形とは限らない。例えば、発生器がエアー・ギャップ内で点火スパークを発生させるために使用される場合は、ギャップ内のガスのイオン化によって負荷インピーダンスが変化する。一般に、ロータが整列位置に近づくとき、磁束は、最初は前に確立された経路を維持しようと試み、整列位置に極めて近接したときに始めて、駆動経路へ強制的に流し込まれ、電圧を誘起する。この現象は、磁束スパイクを、理想状態で予想したよりさらに急峻にし狭くし、ことによると誘起電圧パルスの大きさを増大させ、継続時間を減少させる効果があるかもしれない。しかしながら、プロットの現実の形状および生成される電圧の値は、非常に多くの個々の要因に依存しており一般化するのは困難である。
【００３６】
この好ましい実施形態では、極はサイズおよび製造特性が等しいので、１箇所のロータ整列位置でパルスを生成し、ロータの他の位置では実質上いかなる電圧も誘起しないように、擬似ランダム方式で極を割り当てることによってパルス効果が達成される。擬似ランダム方式で極を割り当てて所望の効果を達成する、多くの可能な代替方法が存在する。
【００３７】
特に、擬似雑音コードとして知られている一群の擬似ランダム関数が存在する。これらは２進数列であり、不規則雑音のような性質を示す。しかしながら、それらは、本質的にまたは意図的に周期性を示す。このような擬似雑音コードは、データ・チャンネル、携帯電話、コードレス電話、全地球測位システム等々などの拡散スペクトラム通信システムに使用されている。しかしながら、それらは従来は発電機の極割り当てには適用されていない。
【００３８】
この好ましい実施形態では、２進擬似雑音コード数列が、ステータおよびロータの極に極性を割り当てるために使用される。すなわち、指標位置から開始して、ロータの周りを（またはステータの周りを）円周方向に極から極へと、各極に２進数列の「１」または「０」に対応する極性が割り当てられる。すなわち、永久磁石極の場合は、「１」がＮに対応するなら、「０」はＳに対応する。コイルの場合は、「１」が磁束経路に対して第１の方向の巻線に対応するなら、「０」は反対方向に対応する。首尾一貫して適用される限り、対応関係は任意である。
【００３９】
ロータおよびステータの両者に極性を割り当てるために同一の数列を使用する。同一の数列を使用するので、ロータおよびステータの極は、それらが指標位置（ここでは整列位置と称する）に整列したときは、本質的に完全な対応を有する。しかし、他の全ての位置では、極割り当ての数列は雑音の外観を呈する。すなわち、ロータの極とステータの極の間にいかなる明白な相関関係も存在しない。真にランダムな極の割り当てでは、極の間に弱い相関（したがって、ロータがある位置から次の位置に回転するときに正味磁束の小さな変化）が存在する位置がいくつか生じる可能性があるが、整列位置以外では位相がシフトした数列の間の相関は常に０であり全ての極位置で正味磁束が一定である擬似ランダム数列、特に擬似雑音数列を案出することは可能である。
【００４０】
この好ましい実施形態で使用する特定の擬似雑音コード数列は原始多項式に基づく最大長数列（「ｍ系列」）であるが、他の擬似雑音コード数列も使用できる可能性があること、あるいは他の擬似ランダム関数も適切な極割り当てをもたらす可能性があることを理解されたい。ｍ系列は、Ｎを正の整数として（２Ｎ−１）の長さを有し、したがって、ステータの極数もロータの極数も同様に（２Ｎ−１）になるように選択することが好ましい。Ｎ＝１は単極という縮退した（degenerate）場合なので、Ｎは１より大きいと仮定する。２、３、４、５、および６次数に対する原始多項式を下記の表１に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
一般に、特定の次数に対して存在する原始多項式の数は、次数が増大するにつれてより大きくなる。次数７に対しては、１８個のそのような原始多項式が存在する。次数８に対しては１６個、次数９に対して４８個である。さらに高い次数に対しては、さらに多くの多項式が存在する。
【００４３】
図１に示す極の数列を発生させるために使用される原始多項式は、次数４の多項式（Ｎ＝４、極の数は２Ｎ−１、すなわち１５個を意味する）であり、具体的にはＸ４＋Ｘ＋１である。この多項式をイコール０と置き、ブール代数で配列し直すと、次の式が得られる。
Ｘ４＝Ｘ＋１（＝Ｘ１＋Ｘ０）                              （１）
１と０の周期的な数列は、線形フィードバック・シフト・レジスタ（ＬＦＳＲ）のフィボナッチ構成を使用して発生させることができ、多項式の各次数は対応するラッチ（latch）（すなわち、周期的信号数列の異なる位相）の出力を示す。方程式（１）に対する（すなわち、多項式Ｘ４＋Ｘ＋１に対する）ＬＦＳＲのフィボナッチ構成を図６に示す。ＬＦＳＲの適切なフィボナッチ構成はどの原始多項式についても構成することができる。このようにして発生させた数列が「ｍ系列」である。
【００４４】
図６のラッチ内の任意のどんな１組の初期値（全て０である縮退した場合を除く）の場合でも、ラッチによって生成される値の数列は周期的である。例えば、ラッチ値１、１、１、１（すなわち、Ｘ３＝Ｘ２＝Ｘ１＝Ｘ０＝１）の初期セットに対してＸ４は０となり、数列の次の段階でラッチが０、１、１、１の値をとることを意味する。この過程は、表２に示すように続けることができる。
【００４５】
【表２】
【００４６】
位相１５では、値のセットは位相０に対する値と同じ１、１、１、１に戻り、したがってサイクルは単純に繰り返す。
【００４７】
異なる位相においても、各ラッチを通して１および０の同じ数列が循環していることが認められる。このｍ系列は１５個の値を含み、最後の値に達するとそれ自体無限に繰り返す。このｍ系列は以下の通りである。
１、１、１、１、０、０、０、１、０、０、１、１、０、１、０      （２）
【００４８】
図１のロータ１０１を参照すると、上記ｍ系列（２）の「１」が「Ｎ」に、「０」が「Ｓ」に対応する場合、ｍ系列（２）は、ロータ極１２６〜１４０の整列マーク１０７から開始し時計回りに進む数列に正確に対応していることが認められる。さらに、上記のｍ系列（２）の「１」を、ロータのＮ極が存在するときにステータ巻線を通る正の磁束を有するステータ極に対応させた場合は、「０」はロータのＮ極が存在するときにステータ巻線を通る負の磁束を有するステータ極に対応し、したがって、ｍ系列（２）はステータ極１１１〜１２５の整列マーク１０８から開始し時計回りに進む数列に正確に対応している。
【００４９】
ｍ系列は周期的であるので、任意の多数の位相のシフトしたバージョンとして存在することができる。例えば、数列、
０、０、１、０、０、１、１、０、１、０、１、１、１、１、０      （３）
は、上記ｍ系列（２）の丁度１位相シフトしたバージョンである。ｍ系列の特徴の１つは、この数列のどの位相バージョンも、同じ数列で異なる位相の他のどのバージョンに対しても本質的に直交していることである。言い換えれば、ｍ系列と同じｍ系列の位相がシフトしたバージョンの個々の要素の間では、いかなる相関関係も本質的に存在しない。勿論、同一の位相では、ｍ系列の個々の要素は完全に相互に相関する。
【００５０】
数学用語では、同一のｍ系列の異なる位相バージョンの間での、この直交性、すなわち相関関係の欠如は、数列内の０を−１に変換し任意の２つの数列の内積をとることによって表現することができる。正の相関（両方の項共に１または両方の項共に−１）を有する数列項の任意の１対について対応する内積項は１であり、負の相関を有する数列項の任意の１対について対応する内積項は−１である。この値は２進数であるため、ランダム数列の任意の１対は、同数の内積の正の相関項と負の相関項を、すなわち内積の項において同数の１と−１を与えるはずである。したがって、２つのランダム数列の内積はほぼ０になるはずである。例えばこの課題をｍ系列（２）およびその位相がシフトしたバージョン（３）について行うと、その内積は、以下のようになる。
1x-1 + 1x-1 + 1x1 + 1x-1 + -1x-1 + -1x1 +
-1x1 + 1x-1 + -1x1 + -1x-1 + 1x1+ 1x1 + -1x1 + 1x1 + -1x-1 = -1
【００５１】
数列項が奇数の場合、内積が０になることは不可能であるが、−１は０に十分近く、あらゆる実用的な目的ではいかなる相関もないと言うことができる。ｍ系列（２）の位相バージョンの全ての可能な対について同じ内積を計算すれば、その対が全く同一の位相のバージョンを含む場合には内積は１５となることを除けば、内積は常に−１であることが分かる。言い換えれば、例えばＭが、その行が１および−１で表現されるｍ系列（２）の位相のシフトした異なるバージョンである１５×１５の行列であるとすると、Ｍとその転置行列の行列積（Ｍ・ＭＴ）は、行列要素が１５である主対角線に沿ったところを除き、その要素が全て−１である行列となる。さらには、同じ関係が全てのｍ系列に適用され、対角線に沿った値はｍ系列の要素の数となる。
【００５２】
発生器に関する実際の術語に言い換えると、これらの数学的関係は、ロータの極およびステータの極が全く同一のｍ系列に従って割り当てられた極性である場合、極はロータの回転の一点で完全に相関（整列）し、他の全ての位置ではいかなる相関関係も有さないことを意味する。整列点はアーマチュア内の最大正味磁束の点に対応し、ロータがこの点を通り過ぎて回転するとき大きなパルスを発生させる。他の全ての位置では事実上いかなる相関関係も有さず、したがって、正味磁束が同じ低い値であるので、ロータがこれらの点を通り過ぎて回転するときは、いかなる磁束変化も存在せず、いかなる電圧も発生しない。したがって、任意のｍ系列を電気パルス発生機の極の極性割り当てに使用することができる。この関係は極の数を変更する場合に有用である。Ｎを正の整数として、（２Ｎ−１）に等しい任意の極数について、適切なｍ系列を構成することができる。したがって、図１に示す例示的な発生器の１５極よりも極数の多いあるいは極数の少ない発生器を構成することが望ましい場合は、他の様々な極数はｍ系列による割り当てによって対応できる。
【００５３】
ｍ系列は、２つの全く同一の位相以外の数列の全ての位相でほとんど完全に互いに直交するので、この好ましい実施形態で極性割り当てに使用されているが、本発明による発生器ではｍ系列に対応する極性割り当てを使用しなければならないのではなく、その代わりに他の擬似雑音コード数列も使用することができる。特にｍ系列の１つの欠点は、Ｎを正の整数として、極数が（２Ｎ−１）でなければならないことである。その極数ではｍ系列が構成できない異なる極数を選択すべき設計上の理由、または極性割り当てに異なる擬似ランダム数列を選択すべき他の理由が存在する可能性がある。例えば、いわゆるバーカー・コード（Barker codes）（これは周期的擬似雑音コードの別の形態である）もいくつかの応用例で適切な極性割り当てをもたらす可能性がある。別の代替方法は、（２Ｎ−１）が所望の極数よりも大きくなるｍ系列など、より長い擬似雑音コードのサイクルの一部分のみを使用することである。さらに、本発明による極性割り当て用の擬似ランダム数列は、既知のどの擬似雑音コード数列にも従う必要はなく、この応用分野のために特に開発された数列、または現在既知のあるいは今後開発される、何らかの異なる数学的公式に従った数列でもよい。発生器が全ての非整合ロータ位置で完全に電気出力がないことは通常は望ましいが、厳密には必ずしもその必要はなく、いくつかの応用例では、１つのロータの極位置から次の極位置までの少量の磁束変化（少量の電気出力を誘起する）は許容できる可能性がある。
【００５４】
代替発生器構成の実施例
図１の発電機１００は、駆動磁界が、静止したアーマチュア（ステータ１０２）の内部に設置されそれに取り囲まれているロータ１０１に取り付けられた１組の永久磁石によって供給される、本発明による一実施形態を示す。しかしながら、ロータ、ステータ、磁界装置、並びにアーマチュアの設計および位置には多くの変形形態が可能であることが当業者には理解されよう。このようないくつかの代替実施形態を下記で説明するが、これらの代替実施形態は可能な変形形態の例として説明したものであり、他にも多くの変形形態が存在し、本明細書で明示的に説明する実施例は説明のためであり、限定のためではないことを理解されたい。
【００５５】
一般に、磁界装置とは駆動磁界をもたらすものならどんなものでもよいと言える。通常これは１組の永久磁石、または複数の極として配列された１つまたは複数の電磁気コイルのいずれかによって供給される。このコイルは通常、極を直列にして配置するが、並列も可能である。このコイルは通常、直流電源によって駆動されるが、切換式またはパルス式も可能である。交流電源によっても駆動可能であるが、このことは以下でさらに考察する。コイルの各極は通常、磁束経路を形成するために磁気コア材料を取り囲む。直流電源によって駆動されるコイルの場合は、磁気コアは、渦電流効果を最大限利用するために、鉄などの固体（solid）導電材料である。
【００５６】
アーマチュアは磁界装置によって駆動される導体である。通常は、アーマチュアは、渦電流損失を最小にするために、積層された磁気コアまたは非導電材料製の固体磁気コアの周囲に巻いた複数の巻線として構成される。例えば、アーマチュア・コアは、適切な厚さまで積み上げられた複数の積層された珪素鋼板である。アーマチュア極は、通常は最大の発生電圧を供給するために直列に接続されるが、並列に接続されることもある。
【００５７】
磁界装置およびアーマチュアは、電力を発生させるためには必ず互いに相対的に回転しなければならないが、どちらの要素が回転要素であってもよい。すなわち、（図１の実施形態でのように）磁界装置をロータに取り付け、アーマチュアはステータに取り付けることもできる、または磁界装置をステータに取り付け、アーマチュアをロータに取り付けることもできる。各要素を回転する別々のロータに取り付けることも可能であり、この場合２つのロータが互いに相対的に、多分反対方向に回転する。しかし、このような設計は、多分普通ではない応用例を除いて、複雑になり理にかなうとは思われない。
【００５８】
一般に、図１の実施形態に示すように、ステータはロータを取り囲み、事実上閉じ込めている。この設計は、ロータを回転可能軸に直接取り付けることができ、動いているロータがステータによって機械的な干渉から本質的に遮蔽されているので、しばしば機械的により単純である。しかし、多くの応用例において望ましいが、ステータを回転の軸に隣接して取り付ける代わりに、ロータをステータの周りに取り付けることも可能である。さらには、ロータとステータが図１に示すように同心の円筒である必要はない。ロータとステータは円盤状（実際には交互配置される円盤）でもよいし、代替幾何形状はいくらでも可能である。
【００５９】
例えば、図１の発電機１００を参照すると、上記の議論では内側の円筒状部材をロータ１０１とし、外側の円筒状部材をステータ１０２としてきた。しかし、外側部材（アーマチュア）をロータとし、内側部材をステータとすることも可能である。さらに、磁界装置を構成する永久磁石極を外側部材（ロータおよびステータのどちらにもなり得る）に取り付け、アーマチュアを構成する巻線を内側部材に取り付けることも可能である。
【００６０】
図７は、ある別の代替発生器構成の図を示す。図１と同様に、図７は回転軸に垂直な断面で示す簡略化した断面図である。図７に示すように、内側円筒状部材６０１は円周方向に等間隔に配置した複数の電磁気コイル極６２６〜６４０を含み、外側円筒状部材６０２は円周方向に等間隔に配置した等しい数の電磁気コイル極６１１〜６２５を含む。２本のリード線６０３を有する導体巻線が外側円筒状部材６０２のコイル極を直列に接続し、２本のリード線６０４を有する第２の導体巻線が内側円筒状部材６０１のコイル極を直列に接続している。導体巻線６０３は外側部材６０２の磁気コア構造体に巻かれており、導体巻線６０４は内側部材６０１の磁気コア構造体に巻かれている。
【００６１】
図７の説明においてここまでは、「ステータ」「ロータ」「アーマチュア」および「界磁コイル」などの言葉は避けて来たが、それには極めてもっともな理由がある。内側円筒状部材６０１はステータおよびロータのどちらにもなり得、アーマチュアまたは界磁コイルのどちらにもなり得、これらの任意の組み合わせにもなり得る。同じことが外側円筒状部材６０２についても言える。
【００６２】
具体的には、第１の代替実施形態では、部材６０１は磁界コイル装置として動作するロータであり、部材６０２はアーマチュアとして動作するステータである。この第１の代替実施形態では部材６０１の極内に磁界を発生させるために、駆動電流（好ましくは直流）がリード６０４に供給され、部材６０１が回転すると磁界が部材６０２（アーマチュア）に対して回転し、この回転する磁界が部材６０２の巻線６０３の出力中にパルスを誘起する。
【００６３】
第２の代替実施形態では、部材６０１はアーマチュアとして動作するロータであり、部材６０２は磁界コイル装置として動作するステータである。この第２の代替実施形態では、部材６０２の極内に静止磁界を発生させるために駆動電流（好ましくは直流）がリード６０３に供給され、部材６０１が回転するとアーマチュアがこの静止磁界に対して回転し、この回転が部材６０１の巻線６０４の出力中にパルスを誘起する。
【００６４】
第３の代替実施形態では、部材６０１は磁界コイル装置として動作するステータであり、部材６０２はアーマチュアとして動作するロータである。この第３の代替実施形態では、部材６０１の極内に磁界を発生させるために駆動電流（好ましくは直流）がリード６０４に供給され、部材６０２が回転すると、アーマチュアがこの静止磁界に対して回転し、この回転が部材６０２の巻線６０３の出力中にパルスを誘起する。
【００６５】
第４の代替実施形態では、部材６０１はアーマチュアとして動作するステータであり、部材６０２は磁界コイル装置として動作するロータである。この第４の代替実施形態では、部材６０２の極内に磁界を発生させるために駆動電流（好ましくは直流）がリード６０３に供給され、部材６０２が回転すると、磁界が部材６０１（アーマチュア）に対して回転し、この回転磁界が部材６０１の巻線６０４の出力中にパルスを誘起する。
【００６６】
外側部材６０２および内側部材６０１用の磁気コア構造の好ましい構成は、それぞれの部材の機能、すなわち、それがアーマチュア・コイルとして機能するのか、それとも界磁コイルとして機能するのかによって変わる。アーマチュアは（ロータ、ステータを問わず、部材６０１、部材６０２を問わず）電流の急峻な変化に直面する。したがって、渦電流損失を最小にするために（珪素鋼板の薄い鋼板などの）積層コアまたは非導電性コア材料を使用することが好ましい。界磁コイルは（ロータ、ステータを問わず、部材６０１、部材６０２を問わず）直流によって駆動することが好ましく、したがって、固体の、導電性コア材料が好ましい。しかしながら、界磁コイルも時間的に変化する電流によって駆動される応用分野では、代替方法として界磁コイル用に積層または非導電性コア材料が好ましい。
【００６７】
図８に更なる１組の代替発生器構成を示す。図８に示す構成では、アーマチュアおよび磁界装置は円盤状部材として構成され、回転軸上に中心を置き、軸に垂直に取り付けられており、円盤状アーマチュアは円盤状磁界装置に実質上平行である。図８は３枚の盤を示す分解図であり、内２枚は永久磁石磁界盤７０１、７０３であり、他はアーマチュア７０２である。所定の位置では、アーマチュア盤７０２は磁界盤７０１、７０３の間に挟まれている。３枚の盤を図８に示すが、盤の枚数は変りうること、特に盤の設計を共通軸に交互に重ね合わせた多数の円盤に拡張できることを理解されたい。
【００６８】
図８に示すように、磁界盤７０１、７０３はそれぞれ同数の、円周方向に等間隔に配置した永久磁石の極を含む。アーマチュア盤７０２は、２本のリード線７０４を有する導電性巻線を含み、これは同数のコイル極を形成する。図８に１本の巻線ループを簡略化した図で示すが、一般には多数のループを使用することを理解されたい。図８の極の指定はアーマチュア盤と対向する極を示している。盤７０３上の極の配置は、盤７０１上のそれと全く同じである。向きが反対であるため、それらは図８では互いの鏡像のように見える（すなわち、盤７０１にＮ極が示されている場所では常に対応するＳ極が盤７０３に示されている）。すなわち、盤７０１がアーマチュア７０２の上にあり、盤７０３がアーマチュア７０２の下にある場合は、盤７０１のＮ極は盤７０１の底部（アーマチュアと面している）のＮを示しており、上面がＳ極であることを示唆している。同様に、盤７０３上の対応する位置でのＳ極は、上面（アーマチュアと面している）のＳ極を示しており、したがって、実際には盤７０１と全く同じである。
【００６９】
図７の多数の変形形態の場合と同様に、磁界のアーマチュアがロータ上に存在してもよい。すなわち、盤７０２が静止しており、盤７０１および７０３がロータとして同調して回転しても、盤７０１および７０３が静止しており、盤７０２が回転してもよい。さらに、磁界盤は代替方法として電流電源によって駆動される電磁気コイルとして構成することもできる。
【００７０】
多数の円盤として構成された発電機の一例が、本明細書中で参考として援用する米国特許第５７２１４６１号明細書に出ている。電気モータ（発電機として同じ幾何形状を使用できる）の代替幾何形状の別の例が、本明細書中で参考として援用する米国特許第５６７０８３７号明細書に出ている。
【００７１】
交流駆動磁界を使用した動作
駆動磁界が電磁気巻線によって供給される場合は、巻線を交流電源によって駆動することが可能である。磁界巻線の一例として（磁界巻線は異なる構成にすることも可能であることは理解されたい）再び図７を参照すると、ロータが静止ししかも整列位置にあるときは、界磁コイル中の交流駆動電流が、駆動電流と同じ周波数の時間変化する磁界を発生させ、これが同一周波数の交流電圧をアーマチュアコイル内に誘起することが認められる。言い換えれば、この装置は磁気結合が可変の変圧器として動作する。ロータを回転させると、「変圧器」の磁気結合が変化する。実際は、駆動磁界コイルとアーマチュアの間の有意な結合はロータの整列位置にのみ存在し、他のどのロータの位置でもこの二者の間には非常に小さな結合しか存在しない。整列位置以外では、駆動コイルとアーマチュアは本質的に結合されない。
【００７２】
この「変圧器」動作モード（ロータが静止しており、界磁コイルが交流電源によって駆動される）では、駆動磁界の時間変動は完全に交流駆動電源に起因している。この構成でロータが回転するときは、ロータの回転による時間変動要素と交流駆動電源による時間変動要素が存在することになる。これらの要因の相対的な重要性は、２つの時間変動要素の相対的な周波数によって変わる。ロータの回転周波数が交流駆動電源の周波数よりかなり低い場合は、この装置は、電力のほとんどが界磁コイルの入力駆動電流によって供給されるパルス式またはスイッチ式変圧器のように機能し、変圧器はロータの回転周波数でオン・オフする。
【００７３】
ロータの回転周波数が交流駆動電源の周波数より相当高い場合は、駆動電流はロータが整列位置の近くにある短い時間間隔の間は直流と類似している。しかしながら、交流であるので、誘起される連続電圧パルスの大きさは交流駆動電圧に従って変化する。
【００７４】
ロータと交流駆動電源の両者が同一の周波数に近い場合は、両者共にアーマチュアに出現する時間変動駆動磁界に大きく寄与する。特に、交流電源およびロータが適切に同期する場合は、この装置は、直流駆動磁界の場合と同じくロータの回転に同期した通常のパルス流を発生する。交流駆動磁界構成部品は、交流入力の位相を制御することによってパルスの大きさや形状を調節することが可能になる。
【００７５】
一般には永久磁石または直流駆動磁界を駆動磁界として使用することを予想しているが、交流駆動磁界の性質が望ましい特殊な応用分野も存在する。
【００７６】
応用分野の例：内燃機関のスパーク点火
本発明による電気パルス発生機には考えられる応用分野が多数あるが、そのような応用分野の１つをここで説明する。この例示的な応用分野では、このパルス発生機は内燃機関の点火スパークを供給するために使用される。本明細書に記載の電気パルス発生機は、信頼性が高く点火が外部バッテリ・パワーに依存しないので、事実上どんなタイプのスパーク点火内燃機関にも使用可能であるが、このような電気パルス発生機は特に軽飛行機エンジンの点火システムに使用するのに適している。
【００７７】
（圧縮点火、またはディーゼルではなく）スパーク点火の内燃機関は、２つの電極の両端間のギャップに同期した電気パルス（「スパーク」）のアークを発生させることによって、密閉したチャンバ内の燃料混合物に点火する。必要な同期パルスを供給するために従来型の様々な機構を利用することができる。例えば、小型エンジンはしばしば、移動するエンジン部品の運動エネルギをもっぱら利用してパルスを発生させる高圧磁石発電機点火を使用する。大部分のより大型のエンジンは、様々な回路のいずれかに接続されたバッテリの化学的エネルギを使用してパルスを発生させる。これらの従来式解決策はいくつかの欠点を有している。高圧磁石発電機は適切な時間にスパークを誘起させるために、通常は、電気回路を開放する同期する機械的接点スイッチ（「ポイント」）を含む。このスイッチはスパーク侵食、磨耗、雰囲気中の湿度、および動作する機械的部品に関連する他の問題を生じ易い。バッテリ点火回路では、バッテリとそれを維持するための充電システムが明らかに必要であり、これは小型、携帯型エンジンではしばしば望ましくない。バッテリからパワーを引き出す回路は、バッテリ・パワーとそれを供給する充電システムが連続的に利用可能であることに依存している。すなわち、自動車では、自動車バッテリ、充電または電気システムのどの部分が故障しても、点火システムの故障が生じる。このことは軽飛行機では特に問題であり、この理由から、そのような飛行機では、飛行機の電気システムから独立した高圧磁石発電機ベースの点火システムをしばしば使用する。最後に、そのような従来型機構は通常状態では燃料混合物を点火するに十分なスパークを発生させるけれども、より完全な燃焼、不都合な条件下での改善した性能、代替燃料の使用、等々の観点から、より強力なパルスを発生させることによって利益が得られる可能性がある。
【００７８】
図９は、点火スパークを供給するために電気パルス発生機を使用するスパーク点火内燃機関の簡略化した図である。エンジンは移動可能なパワー部材８０２で密閉されている燃焼室８０１を含む。動作に際しては、様々な燃料機構（図示せず）のいずれかによって、燃料混合物がチャンバ８０１に導入され、電気スパークによって点火される。この結果起きる爆発が力の掛ったパワー部材を動かし、機械的力を発生させる。パワーは、外部で利用するため回転部材８０３（クランクシャフト）へ伝達される。図９はパワー部材８０２を往復動するピストンとして図示しているが、パワー部材はその代わりに、いわゆるワンケル（Wankel）またはロータリ・エンジンで使用されるような楔形部材であってもよいし、あるいは他の何らかの形状であってもよい。
【００７９】
パルス発生機１００は、パワー部材８０２および回転部材８０３の動作と同期したパルスを供給する。図９は回転部材８０３と発電機１００をリンクするタイミング・チェーン８０４を表す。タイミング・チェーン８０４は、ロータを回転させることによって発電機１００に駆動力を供給し、回転の正しい位相でスパークを発生させるためにロータの回転が部材８０３の回転と同期している。図９ではタイミング・チェーンを表しているが、周知のごとく、歯車と軸、歯付きベルトなどの代替機構をいくらでも使用でき、発電機１００のロータを、この技術分野で知られているように、タイミング・チェーンによって駆動されるカムシャフト、そのカムシャフトと結合した歯車など、複数のそのような機構を介して回転部材８０３とリンクすることもできる。さらに、発電機１００のロータを事実上クランクシャフトの一部分として、中間機構を全て不要とすることもできる。
【００８０】
前に説明したように、発生器１００がその整列点に達すると、電気パルスが発生する。図９の実施形態では、このパルスが変圧器８０５の一次回路を駆動する。変圧器８０５が二次回路を駆動し、チャンバ８０１内でスパーク・ギャップ８０６の両端間により高い電圧のアークを発生させる。
【００８１】
図９は、主要な電気構成部品を構造的ではなく概念的なレベルで表している。スパーク・ギャップ８０６は通常は取り替え可能な「スパーク・プラグ」によって形成される。変圧器８０５は別の変圧器でもよいが、スパーク・プラグ・キャップと一体化（いわゆるコイル・オン・プラグ技術）させてもよいし、あるいは発電機１００と構造的に一体化させることもできる。さらに、発電機１００および変圧器８０５の大きさは燃焼室に対して誇張して示してある。最後に、図９には単一の燃焼室８０１とパワー部材８０２を示すが、本発明による発生器を使用する内燃機関は複数の燃焼室およびそれに対応するパワー部材を有し、それぞれがエンジンの別々の周期的位相でパルスを必要とすることを理解されたい。この場合、パワーをロータに伝達し、ロータを同期させる機構は、ロータをクランクシャフトの回転数の何倍かの回転速度で回転させるか、所望の燃焼室にパルスを伝達するために、分配器、スイッチ類、またはその他の機構（図示せず）を設けることもできる。
【００８２】
前に説明したように、パルスは、サイクル中の適切な時期に（すなわち、圧縮行程の頂部近くで）スパークを供給するために、パワー部材の動作と同期しなければならない。ある種の内燃機関の設計では、過剰なスパークが他の点、例えば排気行程の頂部近くでも供給される。点火回路を単純化するためにこれらの設計を使用することがある。例えば、ある設計では２つの別々のシリンダの１対のスパーク・プラグが共通のスパーク発生回路に直列に接続されており、２つのシリンダ内のピストンは一緒に動くがシリンダはエンジンサイクルに関して互いに１８０°位相がずれており、したがって、１つのシリンダがその圧縮行程の頂部にあるときは、他はその排気行程の頂部にある、あるいは逆の場合も同様である。本明細書に記載のパルス発生装置はこの種類の構成においても同様に使用することができ、ここで使用する「同期」パルスは、いくつかのパルスが過剰か否かに拘わらず、単にパルスをエンジンが必要とするときに発生させることを意味する。
【００８３】
図５を参照すると、この好ましい実施形態によるパルスは一般に１対の反対の極性を有する交流サージ電圧として発生することが想起されよう。これは、電流が異なる方向にギャップを飛び越える１対のスパークをスパーク・プラグの電極の両端間に誘起するので、内燃機関のスパーク点火システムには望ましくない可能性がある。この現象は電極の過度の腐食や他の好ましくない効果を引き起こすおそれがある。
【００８４】
この２方向スパークを回避する、代替の内燃機関点火システムを図１０に示す。図１０のエンジンおよび点火システムは、一次回路に別のダイオード９０６およびキャパシタ９０７を加えたことを除き、本質的に図９のものと同じである。これらの追加構成部品の効果は、変圧器８０５の一次側に一方向にのみ流れる電流を発生させることであり、したがって、２次回路内に誘起されるスパークは一方向にしかギャップ８０６を横切らない。
【００８５】
動作に際しては、ダイオード９０６はパルスの最初の半分の間のみオンになり、これによって電流は変圧器８０５の一次側をバイパスし、ダイオード９０６中を流れキャパシタ９０７を充電する。発生するパルスの極性が変化すると、パルスの第２の半分の間、ダイオード９０６はオフになる。キャパシタ９０７は今では充電されており、発生器によって生成された電圧降下にこの電圧降下が加えられ、変圧器８０５の一次側を駆動して、ギャップ８０６内に必要なスパークを誘起する。キャパシタ９０７のキャパシタンスは、パルスの最初の半分のエネルギのほとんどを吸収するに十分な大きさであり、大きすぎて充電が不十分にならないよう、注意深く選択される。
【００８６】
他の代替の実施形態および実装形態
内燃機関のスパーク点火用の点火源として、１つの例示的実施形態を上記で説明した。しかしながら、パルス発生機は、本明細書に記載の様々な構成または動作モードのいずれにおいても、特に言及はしないが様々な多くの応用分野で使用可能であることを理解されたい。一般に、このようなパルス発生機は、現在供給されている電気パルス以上のものを必要とする従来の応用分野にも使用することができる。さらに、これは、電気パルスを同様に必要とするが、未だ存在しないまたは実施が限定されている応用分野に使用できる可能性がある。前に説明したように、それには、必要なパルスを発生させるに十分な手段が現在利用可能ではないが、本明細書で説明したパルス発生機によって供給できる可能性のある応用分野が含まれる。以下の潜在的に可能な応用分野は例示のためのみにリストしたものであり、限定することを意図していない。
【００８７】
放電加工、パルス溶接、パルス式炉点火、様々な化学反応触媒の応用分野、核反応の触媒的応用分野、レール・ガン、通信、レーダ、警報。
【００８８】
上記の説明では、ロータの回転速度は固定した値であることを一般に前提としてきた。実際には、回転速度は変更でき、本明細書に記載のパルス発生機の目的は、その回転数の値を検出し、または伝えることでもあり得る。すなわち、本明細書に記載のパルス発生機はロータの回転速度を検出するセンサとして使用可能であり、場合によっては、これを遠距離で、あるいはノイズの存在下で伝達することも可能かもしれない。
【００８９】
上記で説明したように、回転電気パルス発生機は、その極が各回転サイクルの特定の離れた位置（望ましくは１つ）でのみ電気パルスを発生させるように極が整列し、他の位置では極は実質上直交する、すなわちアーマチュア極に対する磁界極のいかなる相関も存在しないので、アーマチュアにはほとんどあるいはいかなる正味電圧も誘起されないという性質を有する、擬似ランダム分布を有するように設計されている。この好ましい実施形態では、これは、上記で説明したように所望の効果が発生するように極性を変化させた、同一の大きさ同一間隔の極を構成することによって達成される。別法として、極が好ましくは１回転で１回だけ、整列点でのみ整列し、その他ではアーマチュア内にほとんどあるいはいかなる正味電圧も誘起しないように、極の大きさ、極の間の間隔および他の構成上の詳細を変更することによって同様な効果を得ることも可能かもしれない。このような非対称設計では一般に設計上の複雑さが大きくなる。しかしながら、このような設計が有利であるような、普通でないまたは特殊な応用分野が存在するかもしれない。さらには、本発明による回転電気パルス発生機を、アーマチュアの極の数が駆動磁界の極の数と同一ではなく設計することも可能である。簡単な一例では、アーマチュアの極の数は駆動磁界極の数の２倍であり、したがって、各磁界極は整列位置で２つのアーマチュア極を駆動することができる。他の簡単な比率（例えば、３：２）も可能である。
【００９０】
上記で説明した様々な実施形態では、単一の整列位置が存在し、ロータの極はステータの対応する極性の極と１回転で１回だけ整列し、大きなパルスを発生させることを前提としてきた。しかしながら、極の擬似ランダム数列をロータおよびステータの周りである整数倍の回数繰り返すことによって、パルスが発生する整列点を複数設けることも別法として可能であることが理解されよう。このような実施形態は、例えば、設計上の理由で、各々の必要な電気スパーク出力を発生させる毎に、１回転の数分の１しか回転しないカムシャフトやその他の構成部品から電気パルス発生機を駆動することが望ましい多気筒内燃機関では有用な場合がある。
【００９１】
上記で説明した様々な実施形態では、ロータは一定回転速度で回転することを一般に前提としてきた。例えば、図５の電気パルス図では、正のピークが負のピークと同じ大きさである交互パルスが示されている。上記の内燃機関では、ロータはエンジンのクランクシャフト自体に結合され、シャフトと同期した回転速度で回転する。しかしながら、実際はパルスという形をした電気エネルギが生成されることは、エネルギがどこかからか来ていることを示唆し、このエネルギ源は勿論ロータの運動エネルギである。したがって、実際はロータはパルスを誘起し、機械的運動エネルギを電気エネルギに移転させるとき、回転速度が低下する。発生器の設計および応用分野によっては、このエネルギ移転がロータの回転速度に及ぼす影響が無視できることもあり、重大となることもある。内燃機関用のスパーク点火発生器では、結合されているロータまたはその他のエンジン構成部品の慣性は通常、スパークのエネルギに対して非常に大きいので、発生器によって起こるエネルギ移転のロータ回転速度に対する影響は通常無視できる。他の応用分野では、エネルギ移転の結果としてロータが非常に大きく減速することもある。極端な場合は、ロータがその行程で完全に止まってしまうように発生器を構成することも可能であるが、このような装置の構成はコア材料の磁気飽和などによる物理的な制約を受ける可能性がある。パルスの発生がロータの回転速度の大きな低下を起こす場合は、図５の特徴的なパルスの形状が異なる外観をとることもできる。
【００９２】
上記で説明した様々な実施形態では、発生器がロータの回転速度に一致する一連のパルスを誘起することを一般に前提としてきた。しかしながら、いくつかの応用分野では、単一の大きなパルスを誘起すること、そのためパルスを発生させる前に、ロータを複数回回転させ高速回転へ加速することが望ましい可能性がある。このような応用分野では、スイッチ・モードで動作させることが可能である。例えば、界磁コイルは最初はその中を電流を全然流さない開路としておく。ロータを所望の回転速度まで加速したあとで、スイッチを閉じ、界磁コイルに電流を供給する。次の整列地点でパルスが発生する。別法として、アーマチュア・コイルを開路としておき、所望の速度に到達したとき、所期の負荷にスイッチを入れることもできる。
【００９３】
上記で説明した様々な実施形態では、電気パルス発生器１００およびその変形形態を一般に孤立した存在物（entity）として説明してきた。いくつかの変形形態では、特に図７に示すように、適切な駆動磁界を発生させるために外部電源で界磁コイルに電力（好ましくは直流）を供給することが予想される。これは、２つの別の発生器のロータを共通の回転部材に取り付けた発生器の複合形態を使用して達成することができる。例えば、そのような実施形態として、第２の発生器のロータに取り付けた第１の発生器が、第２の発生器の界磁コイル用の電力を発生させる。この第１の発生器は連続した（直流または交流の）電力を供給する従来方式の発生器であり、第２の発生器は本明細書に記載のパルス発生機である。別法として、両方の発生器を本明細書に記載のパルス発生機として構成することも可能である。
【００９４】
上記で説明した様々な実施形態では、電気パルス発生機は回転装置であって、駆動磁界装置と駆動（アーマチュア）コイルの間の相対運動は、これらの要素の一方を他方の要素に対して軸周りで回転させることによってもたらされるものとして説明してきた。しかしながら、ある種の特殊な応用分野では、これと同じ原理が相対的動作の他の形態、特に直線的相対運動に対しても適用可能であることが理解されよう。例えば、Ｍ極を有する移動部材が、Ｍ極ごとに繰り返す極性数列でかなり多数の極を有する固定部材に沿って移動することが可能である。そのような装置の考え得る一応用分野は、必ずしもこのような応用分野にのみ限られるわけではないが、移動部材の位置または速度あるいはその両方を検出するパルス・センサである。
【００９５】
本発明の特定の実施形態をいくつかの代替方法とともに開示してきたが、以下の特許請求の範囲の範囲内で、形態および詳細に更なる変形を加えることが可能であることが当業者には理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の好ましい実施形態による、電気パルスを発生させる回転電磁気装置の簡略化した断面図である。
【図２】図１に対してロータが時計回りに１極分だけ回転した、好ましい実施形態による電気パルス発生機の断面図である。
【図３】図１に対してロータが時計回りに２極分だけ回転した、好ましい実施形態による電気パルス発生機の断面図である。
【図４】好ましい実施形態による電気パルス発生機の、合計正味ステータ磁束をロータの角位置の関数としてプロットした、開路状態での理想化した図である。
【図５】好ましい実施形態による電気パルス発生機の、ステータ電圧をロータの角位置の関数としてプロットした、開路状態での理想化した図である。
【図６】好ましい実施形態による発生器の極の極性を割り当てるために使用されるｍ系列を発生させることができる、線形フィードバック・シフト・レジスタのフィボナッチ構成を示す図である。
【図７】好ましい実施形態の第１組の代替バージョンによる、電気パルスを発生させる回転電磁気装置の簡略化した断面図である。
【図８】好ましい実施形態の第２組の代替バージョンによる、電気パルスを発生させる回転電磁気装置の簡略化した分解図である。
【図９】好ましい実施形態の発生器の例示的な応用による、点火プラグを提供するために電気パルス発生機を使用した、スパーク点火内燃機関の簡略図である。
【図１０】好ましい実施形態の発生器の例示的な応用による、代替点火回路を使用した点火スパークを提供するために電気パルス発生機を使用した、スパーク点火内燃機関の簡略図である。


【国際調査報告】
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