(57)【要約】  磁気作動式往復モータは、永久磁石の貯蔵エネルギー及び電磁場を利用して、磁気アクチュエータを往復駆動する。変換機構が、磁気アクチュエータの往復運動を、作業対象物に動力提供する回転運動に変換する。ソレノイドは、中央部分に巻かれたワイヤのコイルを有する管状中央部分を有する非強磁性スプールを備え、電源及び切り替え機構に接続される。磁気アクチュエータは、内部の各端部の管状シャフト内部に配置された永久磁石を有する。切り替え機構は、ソレノイドの端部の磁極を切り替えて、永久磁石を交互に排斥して吸引する。シャフトは、ソレノイドの中央部分を通して往復するように受けられる。制御機構が、磁気アクチュエータにより回転可能に動力供給される出力シャフト及び切り替え機構を相互接続して、ソレノイドの極性を切り替え、磁気アクチュエータを駆動する。【選択図】      図２
2013531966.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気作動式往復モータであって、
枠；
前記枠により固定支持されるソレノイドであって、第１の端部及び逆方向の第２の端部を有し、第１のエネルギー付与状態では、前記第１の端部に第１の極性及び前記第２の端部に第２の極性を有し、第２のエネルギー付与状態では前記第１の端部に前記第２の極性及び前記第２の端部に前記第１の極性を有するように構成される、ソレノイド；
前記ソレノイドを通して往復するように配置された磁気アクチュエータであって、１つ又は複数の壁が第１の端部と第２の端部との間に管状チャンバを画定する細長い管状シャフト、前記シャフトの前記第１の端部において前記管状チャンバ内部に配置された第１の永久磁石、及び前記シャフトの前記第２の端部において前記管状チャンバ内部に配置された第２の永久磁石を有し、前記第１の永久磁石は、前記第１の極性及び前記第２の極性のうちの一方であるアクチュエータ極性で磁気的に充電された前記ソレノイドの前記第１の端部に向けて配置された端部を有し、前記第２の永久磁石は、前記アクチュエータ極性で磁気的に充電された前記ソレノイドの前記第２の端部に向けて配置された端部を有する、磁気アクチュエータ；
前記磁気アクチュエータ及び作業対象物を動作可能に相互接続して、前記磁気アクチュエータの往復運動を回転運動に変換する手段であって、それにより、前記作業対象物を回転させる、変換する手段；
前記ソレノイドに電磁的にエネルギー付与するように構成された電源；
前記電源及び前記ソレノイドを電気的に相互接続して、前記ソレノイドを前記第１のエネルギー付与状態と前記第２のエネルギー付与状態との間で交互に切り替える切り替え手段；および
前記切り替え手段に動作可能に係合し、前記切り替え手段の動作及びタイミングを制御して、前記ソレノイドを前記第１のエネルギー付与状態と前記第２のエネルギー付与状態との間で切り替え、前記ソレノイドに対して前記磁気アクチュエータを往復駆動し、前記作業対象物を回転させる制御手段
を備える、往復モータ。
【請求項２】
前記ソレノイドは、中央部分に巻かれたワイヤのコイルを有するスプールを備え、前記中央部分は概して開放された中心を有し、前記磁気アクチュエータは前記コイルの前記開放中心で往復するように受けられる、請求項１に記載の往復モータ。
【請求項３】
前記磁気アクチュエータの前記シャフトは、前記中央部分の前記開放中心で往復するように受けられる、請求項２に記載の往復モータ。
【請求項４】
前記スプールは、第１の端部部分及び第２の端部部分をさらに備え、前記中央部分は、前記第１の端部部分と前記第２の端部部分との間に配置され、前記第１の端部部分及び前記第２の端部部分のそれぞれは、前記枠により固定支持される、請求項２に記載の往復モータ。
【請求項５】
前記ソレノイドの前記スプールは、強磁性芯を有さない１つ又は複数の非強磁性材料から作られる、請求項４に記載の往復モータ。
【請求項６】
前記変換する手段は、少なくとも、前記磁気アクチュエータに動作可能に接続された第１の出力シャフトを備えて、前記磁気アクチュエータの往復運動の結果として回転するとともに、前記制御手段に動作可能に接続されて、前記制御手段を動作させる、請求項１に記載の往復モータ。
【請求項７】
前記変換する手段は、第１の端部及び第２の端部を有する接続ロッドおよび、前記第１の出力シャフト及び第２の出力シャフトを画定するクランクシャフトをさらに備え、前記接続ロッドの前記第１の端部は、前記磁気アクチュエータに旋回可能に取り付けられ、前記接続ロッドの前記第２の端部は、前記クランクシャフトに取り付けられ、前記クランクシャフトを回転させるように構成され、前記第２の出力シャフトは前記作業対象物に接続されて、前記作業対象物を回転させる、請求項６に記載の往復モータ。
【請求項８】
前記制御手段はカムである、請求項１に記載の往復モータ。
【請求項９】
前記制御手段は整流子である、請求項１に記載の往復モータ。
【請求項１０】
前記整流子は一対のスプリットディスク、一対の中実ディスク、前記スプリットディスク及び前記中実ディスクのそれぞれを隔てるディスク絶縁体を備える、請求項９に記載の往復モータ。
【請求項１１】
前記制御手段は電子駆動組立体である、請求項１に記載の往復モータ。
【請求項１２】
磁気作動式往復モータであって、
枠と、
前記枠により固定支持されるソレノイドであって、第１の端部、逆方向の第２の端部、前記第１の端部と前記第２の端部との間の中央部分、及び前記中央部分に巻かれたワイヤのコイルを有し、前記中央部分は概して開放された中心を有し、前記ソレノイドは、第１のエネルギー付与状態では、前記第１の端部に第１の極性及び前記第２の端部に第２の極性を有し、第２のエネルギー付与状態では前記第１の端部に前記第２の極性及び前記第２の端部に前記第１の極性を有するように構成される、ソレノイド；
前記ソレノイドを通して往復するように配置された磁気アクチュエータであって、１つ又は複数の壁が第１の端部と第２の端部との間に管状チャンバを画定する細長い管状シャフト、前記シャフトの前記第１の端部において前記管状チャンバ内部に配置された第１の永久磁石、及び前記シャフトの前記第２の端部において前記管状チャンバ内部に配置された第２の永久磁石を有し、前記シャフトは、前記中央部分の前記開放中心に往復するように受けられ、前記第１の永久磁石は、前記第１の極性及び前記第２の極性のうちの一方であるアクチュエータ極性で磁気的に充電された前記ソレノイドの前記第１の端部に向けて配置された端部を有し、前記第２の永久磁石は、前記アクチュエータ極性で磁気的に充電された前記ソレノイドの前記第２の端部に向けて配置された端部を有する、磁気アクチュエータ；
前記磁気アクチュエータ及び作業対象物を動作可能に相互接続して、前記磁気アクチュエータの往復運動を回転運動に変換する手段であって、それにより、前記作業対象物を回転させ、前記変換手段は、少なくとも、前記磁気アクチュエータに動作可能に接続された第１の出力シャフトを備えて、前記磁気アクチュエータの往復運動の結果として回転する、変換する手段；
前記ソレノイドに電磁的にエネルギー付与するように構成された電源；
前記電源及び前記ソレノイドを電気的に相互接続して、前記ソレノイドを前記第１のエネルギー付与状態と前記第２のエネルギー付与状態との間で交互に切り替える切り替え手段；および
前記第１の出力シャフトに接続され、前記切り替え手段に動作可能に係合して、前記切り替え手段の動作及びタイミングを制御し、前記ソレノイドを前記第１のエネルギー付与状態と前記第２のエネルギー付与状態との間で切り替え、前記ソレノイドに対して前記磁気アクチュエータを往復駆動させ、前記作業対象物を回転させる制御手段
を備える、往復モータ。
【請求項１３】
前記ソレノイドは、前記第１の端部に第１の端部部分及び前記第２の端部に第２の端部部分を有するスプールを備え、前記中央部分は、前記第１の端部部分と前記第２の端部部分との間に配置され、前記第１の端部部分及び前記第２の端部部分のそれぞれは、前記枠に固定支持される、請求項１２に記載の往復モータ。
【請求項１４】
前記ソレノイドの前記スプールは、強磁性芯を有さない１つ又は複数の非強磁性材料から作られる、請求項１３に記載の往復モータ。
【請求項１５】
前記変換する手段は、第１の端部及び第２の端部を有する接続ロッドおよび、前記第１の出力シャフト及び第２の出力シャフトを画定するクランクシャフトをさらに備え、前記接続ロッドの前記第１の端部は、前記磁気アクチュエータに旋回可能に取り付けられ、前記接続ロッドの前記第２の端部は、前記クランクシャフトに取り付けられ、前記クランクシャフトを回転させるように構成され、前記第２の出力シャフトは前記作業対象物に接続されて、前記作業対象物を回転させる、請求項１２に記載の往復モータ。
【請求項１６】
前記制御手段はカムである、請求項１２に記載の往復モータ。
【請求項１７】
前記制御手段は整流子である、請求項１２に記載の往復モータ。
【請求項１８】
前記整流子は一対のスプリットディス、一対の中実ディスク、前記スプリットディスク及び前記中実ディスクのそれぞれを隔てるディスク絶縁体と、を備える、請求項１７に記載の往復モータ。
【請求項１９】
前記制御手段は電子駆動組立体である、請求項１２に記載の往復モータ。
【請求項２０】
磁気作動式往復モータであって、
枠と、
前記枠により固定支持されるソレノイドであって、第１の端部、逆方向の第２の端部、前記ソレノイドの前記第１の端部と前記第２の端部との間に配置される管状中央部分を有するスプール、及び前記中央部分に巻かれたワイヤのコイルを有し、前記中央部分は概して開放された中心を有し、前記スプールは強磁性芯を有さない１つ又は複数の非強磁性材料から作られ、前記ソレノイドは、第１のエネルギー付与状態では、前記第１の端部に第１の極性及び前記第２の端部に第２の極性を有し、第２のエネルギー付与状態では前記第１の端部に前記第２の極性及び前記第２の端部に前記第１の極性を有するように構成される、ソレノイド；
前記ソレノイドを通して往復するように配置された磁気アクチュエータであって、１つ又は複数の壁が第１の端部と第２の端部との間に管状チャンバを画定する細長い管状シャフト、前記シャフトの前記第１の端部において前記管状チャンバ内部に配置された第１の永久磁石、及び前記シャフトの前記第２の端部において前記管状チャンバ内部に配置された第２の永久磁石を有し、前記シャフトは、前記中央部分の前記開放中心に往復するように受けられ、前記第１の永久磁石は、前記第１の極性及び前記第２の極性のうちの一方であるアクチュエータ極性で磁気的に充電された前記ソレノイドの前記第１の端部に向けて配置された端部を有し、前記第２の永久磁石は、前記アクチュエータ極性で磁気的に充電された前記ソレノイドの前記第２の端部に向けて配置された端部を有する、磁気アクチュエータ；
前記磁気アクチュエータ及び作業対象物を動作可能に相互接続して、前記磁気アクチュエータの往復運動を回転運動に変換する手段であって、前記変換する手段は、第１の端部及び第２の端部を有する接続ロッドを備えるとともに、第１の出力シャフト及び第２の出力シャフトを画定するクランクシャフトを備え、前記接続ロッドの前記第１の端部は前記磁気アクチュエータに取り付けられ、前記接続ロッドの前記第２の端部は前記クランクシャフトに取り付けられて、前記磁気アクチュエータが往復する際、前記クランクシャフトを回転させ、前記第１の出力シャフト及び前記第２の出力シャフトのそれぞれは、前記クランクシャフトの回転運動の結果として回転するように構成され、前記第２の出力シャフトは前記作業対象物に接続され、前記作業対象物を回転させる、変換する手段；
前記ソレノイドに電磁的にエネルギー付与するように構成された電源；
前記電源及び前記ソレノイドを電気的に相互接続して、前記ソレノイドを前記第１のエネルギー付与状態と前記第２のエネルギー付与状態との間で交互に切り替える切り替え手段；および
前記第１の出力シャフトに接続され、前記切り替え手段に動作可能に係合して、前記切り替え手段の動作及びタイミングを制御し、前記第１の出力シャフトが回転する際、前記ソレノイドを前記第１のエネルギー付与状態と前記第２のエネルギー付与状態との間で切り替え、前記ソレノイドに対して前記磁気アクチュエータを往復駆動させ、前記作業対象物を回転させる制御手段であって、カム、整流子、及び電子駆動組立体のうちの少なくとも１つを備える、制御手段
を備える、磁気作動式往復モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本願は、２０１１年７月５日に出願された米国特許出願第１３／１７６，６０３号及び２０１０年７月８日に出願された米国特許出願第１２／８３２，９２８号の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明の分野は、一般には駆動機構を利用して、動力を出力シャフト又はクランクシャフトに提供する往復モータに関する。より詳細には、本発明は、永久磁石の磁気排斥力及び磁気吸引力を利用して、磁気アクチュエータを往復させるそのようなモータに関する。さらにより詳細には、本発明は、アクチュエータの方向変更が、軸方向充電ソレノイドを利用して、アクチュエータを交互に排斥又は吸引することにより得られるそのようなモータに関する。
【背景技術】
【０００３】
往復モータは、利用可能な略あらゆる輸送モードで、全世界を通してすべての種類の動力供給ニーズに使用されてきており、これからも使用され続ける。一般に、往復モータは、シリンダ内に摺動可能に配置されたピストンを有し、駆動力を利用して、ピストンをシリンダ内部で一方向又は両方向に駆動して、クランクシャフト等の出力シャフトを回転させる。最も一般的に利用される往復モータは、内燃機関である。典型的な内燃機関は、それぞれが内部で往復するピストンを有して、クランクシャフトを駆動させ、運動又は動力を生み出す一連のシリンダを備える。空気及び燃料が、ピストンの上部でシリンダ内部に画定されるピストンチャンバ内で結合し、スパークプラグからのスパークにより点火され、ピストンを下方に駆動する爆発的駆動力を提供する。燃料及び空気は、吸気弁を通してピストンチャンバ内に供給され、燃焼後、排気が強制的に排気弁を通して排出される。燃料／空気点火シーケンスの適切な性能を得るために、機構を作動させる弁が、適切な時間に吸気弁及び排気弁を開閉しなければならない。比較的高いエンジン動作速度により、このプロセスは非常に高速に行われる。大量使用により、内燃機関は、利用開始以来、エンジンの動作特徴を改良するために、米国及び大半の先進国での集中的な取り組みのテーマであってきた。これらの取り組みにも拘わらず、内燃機関は、石油から作られるガソリン及び他の生産物等の比較的非効率的な燃料の利用として周知あり、大半の都市及び町に存在する空気汚染問題の大きな原因である。したがって、内燃機関の連続使用は、多くの人々により、地球の限られた天然資源に対する大きな欠点及び人間の健康に対する大きな脅威として認識されている。
【０００４】
他の種類の往復装置も周知である。例えば、電磁往復エンジンは、シリンダ内部でピストンを動かし、出力シャフトを回転させる駆動力として電磁力を利用する。そのようなエンジンの典型的な構成は、シリンダの周囲に配置された複数の電磁石を備え、電磁石は、電流により作動して、シリンダ内の往復運動でピストンを駆動するために必要な電磁力を提供する。この種の電磁エンジンが、電磁石への給電にいくらか大きな電流源を有さなければならず、通常、エンジンの動作に必要なように、電流を電磁石に提供する複雑な制御機構を必要とすることが周知である。これら及び他の実際的な理由により、電磁往復エンジンは一般にあまりよく受け入れられてこなかった。
【０００５】
シリンダ内部でピストンを往復させるために利用されてきた別の動力源は、永久磁石に蓄えられた磁気エネルギーである。周知のように、同じ極性の２つの磁石の端部が、互いの近傍に配置された場合、磁石のうちの一方又は両方が移動可能であると仮定して、２つの磁場の排斥力が、磁石を排斥し、逆に、２つの磁石の逆の極性の端部が互いの近傍に配置された場合、磁場の吸引力が、磁石を互いに向けて引きつける。往復モータの駆動力として永久磁石を利用することの既知の利点は、これらの磁石から利用可能なエネルギーが比較的一定であり、長い動作寿命を提供可能なことである。しかし、永久磁石を使用して、シリンダ内部でピストンを往復駆動するために、異なる極性の利点をまず利用して、ピストンを永久磁石に引きつけ、次に、同様の極性の利点を利用して、永久磁石からピストンを離れて駆動する機構を設けなければならない。当然、これは、適切な時間に非常に高速で行わなければならない。したがって、電磁力とは対照的に、永久磁石を使用する場合に極性を高速で切り替え可能であることに伴う問題が、運動又は発電のためにシリンダ内でピストンを往復させて、出力シャフトを回転させる駆動力としての永久磁石の利点を利用する能力をかなり制限する。
【０００６】
長年にわたり、ピストン又は他の作動装置を往復させる駆動力として永久磁石をある程度利用する様々な往復装置が特許を取得している。例えば、Ｐｅｃｃｉに付与された（特許文献１）には、内部スリーブの周囲に配置されたコイルと、両端部に電磁絶縁端壁とを有する、同心カウンターボア内に配置された電磁ソレノイドを有する電磁モータが開示されている。鉄金属芯が、内部スリーブで摺動可能に受けられ、電磁力に応答して往復して、駆動シャフトを回転させる。Ｋｉｎｉｓｈｉに付与された（特許文献２）には、所定の極性を有し、シリンダチャンバ内に摺動可能に配置された磁性材料から作られたピストンを有する開放底部シリンダを備えた往復装置が開示されている。シリンダの下でエンジンブロックに回転可能に取り付けられたディスクが、ディスクの回転が永久磁石をピストンに周期的に位置合わせされ、間の排斥力により、ピストンをシリンダチャンバ内で往復させるように、シリンダの開放底部に面する表面上に、同様の極性の少なくとも１つの永久磁石を有する。Ｈｏｗａｒｄに付与された（特許文献３）には、同様の極性が互いに面するように配置された永久磁石と、磁石間に配置されて、磁石の同様の極間に位置合わせするように移動する際、磁気排斥動作及び吸引動作を繰り返し行わせる磁束場抑制器とを有する磁気運動変換モータが開示されている。磁石は往復して、クランクシャフトに接続されたピストンロッドを駆動し、クランクシャフトは、主出力シャフトとして共通の駆動シャフトに接続される。Ｂｌａｌｏｃｋに付与された（特許文献４）には、内部に往復するように配置された永久磁石ピストンを有する非強磁性シリンダと、シリンダの外端部に配置された電磁石とを有する電磁往復エンジンが開示されている。電磁石を電力源に相互接続する切り替え装置が、電磁石に、シリンダ内のピストンを往復させる電場を生成させる。Ｔｕｒｎｅｒに付与された（特許文献５）には、非磁性シリンダ内に摺動可能に配置された磁気ピストンを有する往復ピストン電気モータが開示されており、非磁性シリンダは、両端部に巻かれたワイヤコイルを有し、ワイヤコイルは電気的に作動して、シリンダ内部のピストンを往復させて、ピストンロッドによりピストンに接続されたクランクシャフトを駆動する。Ｇｉｆｆｏｒｄに付与された（特許文献６）には、ピストン内に取り付けられた固定磁石を有する往復電磁エンジンが開示されており、固定磁石は、続けてエネルギー付与される、シリンダ壁に半径方向に取り付けられた電磁石を断続的に吸引して排斥する。コンピュータ化された制御メカニズムが、ピストンを往復させ、回転可能なクランクシャフトを駆動するタイミングを調整する。Ｈａｒｔｙ等に付与された（特許文献７）には、シリンダ内に往復するように配置されたピストンを有する往復エンジンが開示されており、往復エンジンは、ピストン及びシリンダに接続された対向する電磁石により駆動される。極性切り替え機構が極性を切り替えて、ピストンを往復させる。Ｂｕｔｌｅｒに付与された（特許文献８）には、クランクシャフトに接続された可動枠の両端部に取り付けられた永久磁石間に配置された逆の磁極を有する電磁石を備える電磁往復エンジンが開示されている。磁気吸引力及び磁気排斥力を使用して、枠を往復させ、クランクシャフトを回転させる。
【０００７】
以前に開示されたか、又は現在利用可能な永久磁石往復モータに関連する主な欠点の１つは、極性を切り替えて、シリンダ内でピストンを往復駆動する機構が一般に、１つ又は複数の電磁石を利用し、電磁石が、動力源を電磁石に相互接続する切り替え機構を使用することである。ピストンを永久磁石に対して往復させるために、電磁石を使用することに伴う大きな問題は、永久磁石の力場が、電磁石の鉄芯に強く吸引されることである。この強い磁気吸引力は、磁気排斥力が永久磁石と鉄心との間の吸引を克服するのを、不可能ではないにしろ非常に難しくし、それにより、磁気切り替えに応答してピストンを往復させるために必要な排斥ステップ（吸引／排斥動作のうちの）をなくす。永久磁石と鉄心との間の強い磁気吸引を克服できる場合、電磁石に過度の量のエネルギーが必要である。他の装置は、電気モータ又は他の原動機を利用して、永久磁石を有する部材を回転または旋回させ、ピストン上の磁石を往復して吸引又は排斥して、ピストンの往復に必要な力を提供する。当然、外部原動機の使用は、磁気作動式往復モータのエネルギー効率、ひいてはそのようなモータの主な利点の１つを大幅に低減する。現在利用可能な磁気作動式往復モータに関連する別の主な欠点は、切り替え機構が一般に、いくらか複雑であり、動作の誤作動又は停止を受ける。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第３，６７６，７１９号
【特許文献２】米国特許第３，８１１，０５８号
【特許文献３】米国特許第３，９６７，１４６号
【特許文献４】米国特許第４，３１７，０５８号
【特許文献５】米国特許第４，５０７，５７９号
【特許文献６】米国特許第５，４５７，３４９号
【特許文献７】米国特許第６，５５２，４５０号
【特許文献８】米国特許第７，５５７，４７３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、必要なのは、極性を切り替える改良された機構を有して、周期的にピストンのような磁気アクチュエータを吸引又は排斥して、アクチュエータを往復移動させ、出力シャフトを回転可能に駆動する改良された磁気作動式往復モータである。改良された往復モータは、磁気アクチュエータを永久磁石に向けて、又は離れて吸引及び排斥するために鉄芯電磁石を利用せず、永久磁石と鉄心との過度の吸引を回避する。往復モータは、吸引位置から排斥位置に永久磁石を往復させて、シリンダ内に配置されたピストンを往復して駆動するために原動機等に頼るべきではない。好ましい往復モータは、動作が単純であり、必要な可動構成要素の数が限られており、製造が比較的安価であるべきである。好ましい往復モータは、クランクシャフト又は他の出力シャフトに接続して、回転力を生成すべきであり、且つ車両の運動生成及び動力生成を含め、広範囲の往復モータ用途に適合可能であるべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の磁気作動式往復モータは、問題を解消し、上で識別した利点を提供する。すなわち、本発明は、ソレノイドを利用して電磁力を提供し、両端部のそれぞれに永久磁石を有する細長い電磁アクチュエータを往復運動させ、電磁力の極性が交互になり、磁気アクチュエータを往復させ、出力シャフトを駆動する、改良された新しい往復モータを開示する。ソレノイドのコイルは、所定位置に固定して保持される非鉄スプールに巻かれる。アクチュエータの１つ又は複数のシャフトは、磁気アクチュエータの永久磁石の１つがソレノイドに向かって吸引されている間、他方の永久磁石がソレノイドにより排斥されることに応答して、スプール内で線形移動する。本磁気作動式往復モータは、電磁石を利用せず、その結果、効率の損失、さらには磁気アクチュエータが動かなくなることに繋がり得る、永久磁石が電磁石の鉄心に吸引されることに伴う問題がなくなる。ソレノイドは高速で極性を交互にして、磁気アクチュエータの永久磁石の磁気的な吸引及び排斥を行い、アクチュエータを往復させ、出力シャフトを駆動する。本発明の磁気作動式往復モータは、永久磁石を吸引位置から排斥位置に旋回、回転、又は他の様式で移動させて、磁気アクチュエータを往復駆動するために、原動機等の外部動力源に頼らない。新しい往復モータは動作が比較的単純であり、必要とする可動構成要素の数が限られ、製造が比較的安価である。本発明の磁気作動式往復モータは、クランクシャフトに接続し、車両運動（陸海空に関わりなく）及び動力生成を含め、広範囲の往復モータ用途に適業可能な回転力を生成する。
【００１１】
本発明の一般的な一態様では、磁気作動式往復モータは、枠、枠により固定支持されるソレノイド、ソレノイドにエネルギー付与するために電気的にソレノイドと接続される電源、電源とソレノイドとを電気的に相互接続する切り替え機構、ソレノイドの電磁場に応答して、ソレノイドに対して往復する磁気アクチュエータ、磁気アクチュエータに動作可能に接続され、磁気アクチュエータの往復運動を変換して、出力シャフトに取り付けられたフライホィール等の作業対象物を回転させる機構、及び出力シャフトに切り替え機構の動作及びタイミングを制御する切り替え機構に相互接続する機構を備える。一実施形態では、枠はチャンバを画定し、ソレノイドはチャンバ内の枠により支持される。別の実施形態では、枠は、本発明のモータを実質的に囲む筐体である。ソレノイドは、第１の端部、逆方向の第２の端部、第１の端部と第２の端部との間に配置された管状中央部を有するスプール、及び中央部に巻かれたワイヤコイルを有する。スプールの中央部は、概して開放された中心を有し、中心を通して、磁気アクチュエータの部分が往復する。スプールは、１つ又は複数の非強磁性材料から作られる。電磁石とは異なり、本発明のソレノイドは強磁性芯を有さない。ソレノイドは、第１のエネルギー付与状態では第１の端部に第１の極性及び第２の端部に第２の極性を有し、第２のエネルギー付与状態では第１の端部に第２の極性及び第２の端部に第１の極性を有するように構成される。切り替え機構は、第１のエネルギー付与状態と第２のエネルギー付与状態との間でソレノイドを交互に切り替える。磁気アクチュエータは、第１の端部及び第２の端部を有する細長いシャフト、シャフトの第１の端部に第１の永久磁石、並びにシャフトの第２の端部に第２の永久磁石を有する。シャフトは、コイルの開放中心で往復して受けられる。第１の永久磁石は、第１の極性及び第２の極性のうちの一方であるアクチュエータ極性で磁気的に充電されるソレノイドの第１の端部に向かって配置される端部を有する。第２の永久磁石は、アクチュエータ極性で磁気的に充電されるソレノイドの第２の端部に向かって配置される端部を有する。好ましい実施形態では、磁気アクチュエータの往復運動を変換して、作業対象物を回転させる機構は、第１の出力シャフト及び第２の出力シャフトを有する。好ましい実施形態では、切り替え機構の動作及びタイミングを制御する制御機構は、第１の出力シャフトに取り付けられる。フライホィール又は他の作業対象物は、第２の出力シャフトに取り付けることができる。
【００１２】
一実施形態では、シャフトは管状チャンバを有し、第１の永久磁石は、シャフトの第１の端部から管状チャンバ内に延びる内向き端部を有する第１の拡張部材を有し、第２の永久磁石は、シャフトの第２の端部から管状チャンバ内に延びる内向き端部を有する第２の拡張部材を有する。第１の拡張部材の内向き端部は、第２の拡張部材の内向き端部から離間して配置されて、シャフトの管状チャンバ内で第１の拡張部材と第２の拡張部材との間にギャップを画定する。
【００１３】
好ましい実施形態では、磁気アクチュエータは、シャフトの第１の端部と第２の端部との間に管状チャンバを画定する１つ又は複数の壁を有する細長い管状シャフトを有する。第１の永久磁石は、管状チャンバ内部のシャフトの第１の端部に配置され、第２の永久磁石は、管状チャンバ内部のシャフトの第２の端部に配置される。この実施形態では、両方の永久磁石が全体的に、管状シャフト内部に配置され、ギャップが第１の永久磁石の第２の端部と、第２の永久磁石の第１の端部とを隔てる。上記実施形態と同様に、ソレノイドの両端部の極性を切り替える逆磁気切り替えが、磁気アクチュエータを往復駆動して、所望の作業を生み出す。この構成は、本発明のモータの性能を改良することが分かっている。
【００１４】
一実施形態では、切り替え機構の動作及びタイミングを制御する制御機構は、第１の出力シャフトに取り付けられて、出力シャフトと共に回転するカムである。別の実施形態では、制御機構は、一対のスプリットディスク及び一対の中実ディスクを有するスプリット整流子であり、各ディスクはディスク絶縁体で隔てられる。電池等の電源から入力電力を受け取るスイッチが、中実ディスクに動作可能に係合し、出力電力をソレノイドに向けるスイッチが、スプリットディスクに動作可能に係合する。スプリット及び中実ディスクの回転は、所望の逆磁気切り替えを提供する。別の実施形態では、制御機構は、ハーフブリッジドライバ、バストランジスタ、及びユーザインタフェースに動作可能に接続されて、磁気アクチュエータを駆動する逆磁気切り替えを提供するように、電力を電源からソレノイドに転送する制御ユニットを備える電子駆動組立体である。
【００１５】
上述したように、ソレノイドは、スプールの中央部分に巻かれたワイヤ、好ましくは薄いエナメルベースの絶縁カバーを有する銅線で構成されるコイルを備えて、エネルギー付与された場合、軸方向充電電磁場を提供する。コイルは、開放された中心を有する管形中央部分により画定される縦軸を有し、中心を通して磁気アクチュエータが往復する。磁気アクチュエータのシャフトは、コイルの縦軸と軸位置合わせされる縦軸を有する。好ましい実施形態では、シャフトの各端部の永久磁石は、シャフト及びコイルの両方の縦軸に軸位置合わせされる。各永久磁石はアクチュエータ極性を有し、アクチュエータ極性は、両磁石で同じであり、２つの磁石の間に配置されるソレノイドコイルに向けて軸方向に向けられる。コイルは、エネルギー付与されると、逆の磁極である第１の極性及び第２の極性をソレノイドの２つの端部に生成する。ソレノイドの各端部の極性は、それぞれの対向する永久磁石のアクチュエータ極性に軸方向に向けられる。動作に際して、切り替え機構は、ソレノイドの両端部の極性を周期的に切り替えて、磁気アクチュエータの両端部で磁石を交互に排斥して吸引する。１つの永久磁石がソレノイドの各端部に吸引されている際、他方の永久磁石はソレノイドの各端部で排斥されている。この交互の排斥及び吸引動作は、磁気アクチュエータを往復させ、フライホィール等の作業対象物を動作させて、モータの所望の作業出力を取得する。好ましい実施形態では、カム、スプリット整流子、電子駆動組立体、又は同様の制御機構が、出力シャフトに接続され、切り替え機構と動作可能に相互作用して、磁気アクチュエータを往復駆動し、モータを動作させる逆磁気切り替えに必要なタイミングを提供する。出力シャフトにより動作してもよく、又は動作しなくてもよい他の制御機構を利用して、切り替え機構を動作させて、逆磁気切り替えタイミングを提供することもできる。
【００１６】
したがって、本発明の主な態様は、上述した利点を提供し、現在利用可能な磁気駆動式往復モータに関連する欠点及び制限を解消する、逆磁気切り替えを使用する磁気作動式往復モータを提供することである。電磁力を利用して、各端部に永久磁石を有する細長い磁気アクチュエータを往復させて、出力シャフトを駆動し、発電、車両の推進、ポンプの駆動、又は他のモータ用途を行う磁気作動式往復モータを提供することも、本発明の重要な態様である。電磁力を利用して、磁気アクチュエータに搭載された対向して位置決めされた一対の永久磁石を交互に吸引して排斥する磁気作動式往復モータであって、磁気アクチュエータが電磁石を利用せず、永久磁石と電磁石の鉄心との間の吸引をなくす、磁気作動式往復モータを提供することも、本発明の重要な態様である。ソレノイドを利用して、電磁力を提供し、ソレノイドコイルが巻かれる非鉄スプール内部に線形配置されたシャフトを有する磁気アクチュエータを往復駆動する磁気作動式往復モータを提供することも、本発明の態様である。原動機等を利用する必要がなく、磁気アクチュエータを磁気で往復させ、出力シャフトを駆動するために必要な磁気切り替えを提供する磁気作動式往復モータを提供することも、本発明の態様である。
【００１７】
本発明の上記及び他の態様及び利点について、添付図及び以下の好ましい実施形態の説明を参照することにより、さらに詳細に説明する。本明細書に記載のように、本発明は、現在説明され、特許請求の範囲により理解される形態、構造、動作モード、及びプロセスの組み合わせの新規の特徴にある。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施形態により構成された磁気作動式往復モータの側面図である。
【図２】図１の線２−２に沿った図１の磁気作動式往復モータの断面正面図である。
【図３】図１の磁気作動式往復モータの上面図である。
【図４】筐体なしで示される図１の磁気作動式往復モータの側面図である。
【図５】図４の線５−５に沿った図４の磁気作動式往復モータの断面正面図である。
【図６】本発明の実施形態により構成され、接続された一連の磁気作動式往復モータの正面図であり、磁極がソレノイドの軸方向充電電磁場に向けられたＳ極を有する状態で位置決めされた永久磁石を用いる完全な動作サイクルを通してモータを示す。
【図７】本発明の実施形態により構成され、接続された一連の磁気作動式往復モータの正面図であり、磁極がソレノイドの軸方向充電電磁場に向けられたＮ極を有する状態で位置決めされた永久磁石を用いる完全な動作サイクルを通してモータを示す。
【図８】本発明の磁気作動式往復モータを利用する磁気アクチュエータ及び接続ロッドコネクタの一実施形態の側面図である。
【図９】図８の線９−９に沿った図８の磁気アクチュエータ及び接続ロッドコネクタの垂直断面図である。
【図１０】本発明の磁気作動式往復モータと共に利用される磁気アクチュエータの第１の実施形態の側面図である。
【図１１】図１０の線１１−１１に沿った図１０の磁気アクチュエータの垂直断面図である。
【図１２】図１０の磁気アクチュエータの分解組立側面斜視図である。
【図１３】本発明の磁気作動式往復モータの好ましい実施形態と共に利用されるソレノイドの分解組立側面斜視図である。
【図１４】図１に示される本発明の磁気作動式往復モータの実施形態の磁気アクチュエータ及びロッド接続組立体の側面図である。
【図１５】図１４に示される磁気アクチュエータ及びロッド接続組立体の分解組立側面斜視図である。
【図１６】本発明の磁気作動式往復モータの好ましい実施形態で使用されるソレノイドの電気系統の概略である。
【図１７】本発明の磁気作動式往復モータと共に利用される磁気アクチュエータの好ましい実施形態の側面図である。
【図１８】図１７の線１８−１８に沿った図１７の磁気アクチュエータの垂直断面図である。
【図１９】図１７の磁気アクチュエータの分解組立側面斜視図である。
【図２０】静止板に搭載された切り替え機構を有する第１の出力シャフトに搭載されて示される本発明のモータと併用される側面図スプリット整流子制御機構である。
【図２１】第１の出力シャフトなしで示される図２０のスプリット整流子制御機構の正面図である。
【図２２】静止板なしで示される図２１のスプリット整流子制御機構及び切り替え機構の側面図である。
【図２３】ソレノイド及び電源に電気的に結合されて示される図２２のスプリット整流子制御機構の上面斜視図である。
【図２４】本発明のモータと併用される電子駆動組立体制御機構の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
読み手による本発明の理解を促進するために、同様の要素に同様の数字表示が与えられた図を参照して、本発明の好ましい実施形態について以下に説明する。含まれるテキスト及び図面は、好ましい実施形態の単なる例示であり、本発明の構成のいくつかの可能な構成方法を表しているにすぎない。特定の構成要素、材料、構成、及び使用が示されるが、本明細書及び添付図において説明される構成要素及び構成要素の構成に対するいくつかの変形を、本明細書に記載の本発明の範囲及び機能を変更せずに行い得ることを理解されたい。例えば、本明細書に提供される図及び説明は主に単一のモータに向けられるが、これが単に本開示を簡明化するためのものであり、複数のモータを一緒に利用して、所望の作業目的を提供し得るため、本発明がそのように限定されないことを当業者は容易に理解しよう。
【００２０】
構成要素から製造され、本発明の好ましい実施形態に従って構成された磁気作動式往復モータを、全体的に１０として図に示す。図１〜図３に最もよく示されるように、本発明のモータ１０は一般に、内部にチャンバ１４を画定する枠１２、枠１２により固定支持される軸方向充電電磁ソレノイド１６、ソレノイド１６を通して往復するように配置されたピストンのような磁気アクチュエータ１８、ソレノイド１６を動作させるように構成された切り替え機構２０、電力をソレノイド１６に供給する電源２２（図１６に示される）、及び磁気アクチュエータ１８に接続され、磁気アクチュエータ１８の往復運動を変換して、図に示されるフライホィール等の作業対象物２６を動作させる往復変換機構２４を備える。作業対象物２６は、ポンプ、発電機、車両、又は有用な作業を達成する他の機械的装置に接続することができる。
【００２１】
より詳細に以下において説明するように、モータ１０の動作中、ソレノイド１６にエネルギー付与されて、ソレノイド１６の対向する端部に逆の磁極を有する軸方向充電磁場が提供され、磁気アクチュエータ１８上の第１の永久磁石２８及び第２の永久磁石３０として識別される永久磁石を磁気的に排斥又は吸引して、磁気アクチュエータ１８を往復させ、作業対象物２６を回転させる。好ましい実施形態では、枠１２は、本発明のモータ１０の残りの構成要素を実質的又は全体的に囲む筐体として構成される。しかし、内燃機関とは異なり、磁気アクチュエータ１８の往復運動に燃焼ガス又は他の圧力誘導機構がモータ１０で利用されないため、枠１２を、封止され囲まれたチャンバ１４を提供するように構成する必要はない。その代わり、本発明のモータ１０は、磁気排斥力及び磁気吸引力を軸方向充電ソレノイド１６と永久磁石２８／３０との間で利用して、磁気アクチュエータ１８を往復させ、作業対象物２６を駆動する。好ましくは、枠１２、ソレノイド１６、及び磁気アクチュエータ１８は、チャンバ１４内の磁気アクチュエータ１８の移動が最小量の摩擦で達成され、モータ１０により生成される動力の損失を低減するように協働して構成される。本発明のモータ１０は、動作にガソリン又は他の化石燃料に基づくエネルギー源を利用しないため、モータ１０は、これらの限られた資源を使用する必要がなく、内燃機関の周知の問題である汚染排気を生み出さない。
【００２２】
図１〜図３に示されるように、枠１２は中実壁を有し、モータ１０のその他の構成要素を全体的に囲むことができるが、この構成が必ずしも必要なわけではなく、実際には、様々な重量及び製造費の考慮事項により好ましくないこともある。包囲枠１２の主な目的は安全である。すなわち、人の負傷又はモータ１０に接触し得る他の機器への損傷を回避することである。所望であれば、磁気アクチュエータ１８及び往復変換機構２４を全体的に露出させることができる。ソレノイド１６及び磁気アクチュエータ１８は、概して線形の方向に磁気アクチュエータ１８の移動を向け、それにより、可能な限り大きな力が往復変換機構２４に提供されて、作業対象物２６を動作させる（すなわち、フライホィールを回転させる）ように協働して構成すべきである。本発明のモータ１０は、磁気アクチュエータ１８を往復させるために圧縮ガスの膨張に頼らないため、枠１２を多くの異なる方法で構成して、本発明の目的を達成することができる。例えば、一実施形態では、枠１２は、概して開放されたケージ又はスリーブのような構成で構成される。後述するように、ソレノイド１６及び永久磁石２８／３０により生成される磁力により、枠１２は、アルミニウム、セラミック、炭素繊維、プラスチック、熱可塑性樹脂（ナイロン及びポリフルオロエチレン等）、炭素複合材、及び様々な非磁性材料等の非強磁性材料から作られるべきである。本発明の好ましい実施形態では、枠１２はＤｅｌｒｉｎ（登録商標）から作られる。当業者により容易に理解されるように、枠１２は、円形、正方形、矩形、又は楕円形の断面を含め、様々な異なるサイズ及び形状で構成することができる。
【００２３】
上述したように、モータ１０のソレノイド１６は、対向する端部で逆の極性の極を有する軸方向充電電磁場を提供するように構成される。従来技術による磁気作動式電磁モータとは異なり、モータ１０のソレノイド１６は電磁石ではなく、鉄芯又は鉄に基づく芯を有さない。切り替え機構２０及び電源２２と協働して、ソレノイド１６は、磁気アクチュエータ１８の永久磁石２８／３０を磁気的に交互に吸引して排斥し、磁気アクチュエータ１８を往復させ、作業対象物２６を動作させて、動力生成、車両推進、又は他の有用な作業の実行を行うように構成される。本発明者は、主磁気アクチュエータ１８上の永久磁石２８／３０の強い磁場に起因して、電磁石の使用が永久磁石２８／３０と電磁石の鉄心との間に存在する強い吸引により、磁気アクチュエータ１８の往復能力を大幅に低減することを発見した。この強い吸引は、永久磁石２８／３０の一方が電磁石に固定して吸引されることに繋がり、したがって、磁気アクチュエータが往復するいかなるチャンスもなくすか、又は電源２２から克服のために大きすぎるエネルギーを必要とし、それにより、モータ１０を実施に対して非効率にする可能性が高い。
【００２４】
好ましい実施形態では、ソレノイド１６は、図１０〜図１３に最もよく示されるように、概してディスク形の第１の端部部分４０及び概してディスク形の第２の端部部分４２を有するスプール３８の管形中央部分３６に巻かれたワイヤ３４で形成されるコイル３２を備える。スプール３８の中央部分３６は、管状開放中心４４を画定し、後述するように、モータ１０の動作中にソレノイド１６が磁気的に作用した場合、この中心４４を通して、磁気アクチュエータ１８の部分が受けられて往復する。コイル３２のワイヤ３４は中央部分３６に巻かれて、磁気アクチュエータ１８の永久磁石２８／３０を交互に吸引して排斥する軸方向充電磁場を提供する。コイル３２は、図１３に最もよく示されるように、第１のワイヤ端部４６及び第２のワイヤ端部４８を有し、これらのワイヤ端部は、図１６に示されるように、切り替え機構２０の１つ又は複数のスイッチを介して電源２２に電気的に接続する。スプール３８の端部部分４０／４２は、枠１２に対して固定される。一実施形態では、端部部分４０／４２は、モータ１０内のソレノイド１６を固定して位置決めする枠１２の部分に取り付けられるか、接続されるか、又は一体形成される。所望であれば、枠１２は、ソレノイド１６のみを固定して囲み（完全であるか、それとも部分的であるかに関わらず）、それにより、磁気アクチュエータ１８を露出したままにするように構成することができる。
【００２５】
好ましい実施形態では、コイル３２のワイヤ３４は、薄い層の絶縁コーティングを有する、エナメルコーティング磁石ワイヤ等の絶縁された導電性銅線である。所望の電磁場を提供するワイヤのゲージ及び長さは、モータ１０の特定の用途に合わせて設計する必要がある。一実施形態では、本発明者は、２４ゲージワイヤを約１４４フィート（約４３．８９ｍ）分利用して、外径約０．７５インチ（約１．９ｃｍ）、長さ１．５０インチ（３．８１ｃｍ）を有する中央部分３６に層毎に約７６回の巻き（合計で１，３８６回の巻き）を有する約２２層のワイヤを提供した。当業者には容易に理解されるように、ワイヤサイズ及びコイル構成の広範囲の異なる組み合わせをソレノイド１６に利用することができ、ワイヤ３４のゲージが大きいほど、より多くの電流が可能であり、これは、大きな永久磁石２８／３０に必要とされるが、より多くの熱を生み出す。ソレノイド１６のスプール３８は、エネルギー付与されたソレノイド１６により生成される磁場と磁気アクチュエータ１８の永久磁石２８／３０により生成される磁場との干渉を回避するために、非強磁性材料から作られるべきであり、好ましい実施形態では、スプール３８はＤｅｌｒｉｎ（登録商標）又は他の熱可塑性材料から作られる。一実施形態では、スプール３８は、全長約２．００インチ（５．０８ｃｍ）を有し、端部部分４０／４２は厚さ約０．２５インチ（６．３５ｍｍ）及び直径約２．００インチ（５．０８ｃｍ）を有する。この実施形態では、中央部分３６は、内径約０．６３インチ（１．６ｃｍ）を有し、開放中心４４を画定し、開放中心４４を通して、スプール３８の第１の端部部分４０及び第２の端部部分４２又はそれらの近傍で交互になる磁極に応答して、磁気アクチュエータ１８の部分が受けられ、往復する。
【００２６】
より詳細に後述するように、モータ１０の切り替え機構２０は、ソレノイド１６の第１の端部５０及び第２の端部５２での極性を交互に切り替えて、図６及び図７に示されるように、第１のエネルギー付与状態５４及び第２のエネルギー付与状態５６を提供するように構成される。第１のエネルギー付与状態５４では、ソレノイド１６の第１の端部５０は第１の磁極５８（Ｎとして示される）を有し、ソレノイド１６の第２の端部５２は第２の磁極６０（Ｓとして示される）を有する。第２のエネルギー付与状態５６では、ソレノイド１６の第１の端部５０は第２の磁極６０であり、ソレノイド１６の第２の端部５２は第１の磁極５８である。両永久磁石２８／３０は、一端部の、以下、アクチュエータ極性６１（５８又は６０の一方）と呼ばれる磁極に面するソレノイドが一般に、ソレノイド１６の第１の端部５０及び第２の端部５２に向けられるように位置決めされる。切り替え機構２０がソレノイドの第１のエネルギー付与状態５４と第２のエネルギー付与状態５６との間で高速に切り替える場合、ソレノイド１６の端部５０／５２での磁極は、永久磁石２８／３０の対面端部のアクチュエータ極性６１（５８又は６０のいずれか）に対応する関係（例えば、アクチュエータ極性６１と同じか、又は逆）になり、図６及び図７の動作順に示されるように、永久磁石２８／３０を磁気的に吸引して排斥し、ソレノイド１６に対して磁気アクチュエータ１８を往復させる。図６では、アクチュエータ極性６１はＳであり、図７では、アクチュエータ極性６１はＮである。当業者により容易に理解されるように、第１の磁極５８及び第２の磁極６０は、互いに逆であり（必要に応じて吸引又は排斥するため）、両永久磁石２８／３０が、ソレノイド１６の端部に面して同じアクチュエータ極性６１を有する限り、上述した極性と逆であってもよい。
【００２７】
上述したように、本発明の磁気アクチュエータ１８は、ソレノイド１６及びチャンバ１４内部で協働して受けられて、磁気アクチュエータ１８とソレノイド１６及び枠１２との摩擦量が最小の状態で内部で往復するようなサイズであり、そのように構成すべきである。好ましい実施形態では、磁気アクチュエータ１８は、図８及び図９に最もよく示されるように、第１の端部６４に第１の永久磁石２８を有し、第２の端部６６に第２の永久磁石３０を有する細長い管状シャフト６２を備える。シャフト６２は、２つの永久磁石２８／３０を相互接続し、永久磁石を所望の離間関係に維持する。シャフト６２の外径は、図９に最もよく示されるように、スプール３８の中央部分３６により画定される開放中心４４内部で摺動可能に受けられるようなサイズであり、そのように構成され、それにより、磁気アクチュエータ１８は、ソレノイド１６に対して自在に往復し、作業対象物２６を動作させ得る。第１の永久磁石２８は、第１の端部６８及び第２の端部７０を有し、第２の永久磁石３０は、第１の端部７２及び第２の端部７４を有する。第１の永久磁石２８の第２の端部７０は、シャフト６２の第１の端部６４にあり、第２の永久磁石３０の第１の端部７２は、シャフト６２の第２の端部６６にある。永久磁石２８／３０は、これらの構成要素に利用される材料に適切であり得る場合、シャフト６２に取り付けるか、又は別の様式で接続することができる。
【００２８】
本発明の好ましい実施形態では、第１の永久磁石２８及び第２の永久磁石３０は希土類磁石であり、希土類磁石は、向上した磁気性能及び長寿命で知られている。希土類磁石は、本発明の往復モータ１０の動作に望ましい特徴を提供することが分かっている。好ましい実施形態では、永久磁石２８／３０は、軸を通して磁気的に充電される、ペンシルバニア州Ｊａｍｉｓｏｎに所在のＫ＆Ｊ  Ｍａｇｎｅｔｉｃｓから入手可能なようなＮ４２等級ネオジム磁石（ＮｄＦｅＢ）である。或いは、サマリウム磁石（ＳｍＣｏ）として既知のような他の希土類磁石を、本発明のモータ１０と共に利用してもよい。上で識別した両方の種類の希土類磁石は、少なくとも概して、様々な異なるサイズ及び形状に製造されるように適合可能であり、概して耐腐食性及び耐酸化性を有し、高温で安定性を有することが分かっている。磁気アクチュエータ１８のシャフト６２は、広範囲の異なる材料から作ることができる。シャフト６２は、Ｄｅｌｒｉｎ（登録商標）等の熱可塑性材料を含む非強磁性材料から製造することができるが、好ましい実施形態では、シャフト６２は、焼き入れ鋼等の鉄材料から製造される。シャフト６２に鉄材料を利用することで、ソレノイド１６及び永久磁石２８／３０の磁場をソレノイド１６の中心に向けて内側に引っ張ることから生じる磁性利点が提供される。これらの磁場を内側に引っ張ると、磁気アクチュエータ１８の行程にわたってより強力でより均一な磁気引き／押し効果を生み出し、モータ１０の動作及び出力を向上させる。好ましくは、シャフト６２は接地であり、いかなる不規則な表面をなくし、平滑な外面を提供し、シャフト６２とスプール３８の中央部分３６の内面との摩擦を低減するように仕上げられる。
【００２９】
ソレノイド１６と同様に、シャフト６２の両端部での永久磁石２８／３０は、直径方向に充電されるのではなく、軸方向に充電される。ソレノイド１６の交互になるエネルギー付与状態５４／５６に応答して、磁気アクチュエータ１８の必要な吸引及び排斥動作を得るために、第１の永久磁石２８の第２の端部７０での磁極及び第２の永久磁石３０の第１の端部７２での磁極は両方とも、同じでなければならず（すなわち、端部７０／７２でのアクチュエータ極性６１が第１の極性５８又は第２の極性６０のいずれかであるべきである）、それにより、永久磁石２８／３０の一方は、ソレノイド１６の各端部５０／５２に吸引され、その間、他方の永久磁石２８／３０はソレノイド１６の各端部５０／５２により排斥される。例えば、図６では、アクチュエータ極性６１はＳであり、図７では、アクチュエータ極性はＮである。ソレノイド１６が第１のエネルギー付与状態５４である状態で、図６及び図７での一連のモータの左から２番目のモータ１０に示されるように、第１の永久磁石２８はソレノイド１６に吸引され、その間、第２の永久磁石３０はソレノイド１６により排斥されている。図６及び図７での一連のモータの右から２番目のモータ１０に示されるように、ソレノイド１６が第２のエネルギー付与状態５６の場合、第１の永久磁石２８はソレノイド１６により排斥され、その間、第２の永久磁石３０はソレノイド１６により吸引されている。第１のエネルギー付与状態５４と第２のエネルギー付与状態５６とでソレノイド１６を交互にするための、切り替え機構２０により達成されるソレノイド１６の両端部５０／５２の極性５８／６０の切り替えは、磁気アクチュエータ１８を固定ソレノイド１６（枠１２により固定される）に対して往復させて、フライホィール等の作業対象物２６を動作させて、発電、車両推進、ポンプ加圧、又は他の様々な作業目的の達成を行う。
【００３０】
シャフト６２は、図９、図１１、図１２、及び図１５に示されるように、中実部材であってもよく、シャフト６２の１つ又は複数の内壁により画定される内部管状チャンバ７６を有する中空管状部材であってもよい。一実施形態では、シャフト６２の管状チャンバ７６は、図９に最もよく示されるように、第１の永久磁石２８及び第２の永久磁石３０のそれぞれの中央開口部７８に位置合わせされる。好ましい実施形態では、シャフト６２は、少なくとも第１の端部６４及び第２の端部６６に管状チャンバ７６を有し、永久磁石２８／３０は中実であり、それぞれは、図１１及び図１２に示されるように、シャフト６２の両端部６４／６６において管状チャンバ７６内に延びる、第１の永久磁石２８の第１の拡張部材８０及び第２の永久磁石３０の第２の拡張部材８２として示される拡張部材としてである。この実施形態では、シャフト６２の第１の端部６４及び第２の端部６６での管状チャンバ７６は、第１の拡張部材８０及び第２の拡張部材８２のそれぞれを受けるようなサイズであり、そのように構成される。拡張部材８０／８２は、第１の永久磁石２８及び第２の永久磁石３０の各端部７０／７２に取り付け、接続し、又は一体形成し得る。拡張部材８０／８２は、端部７０／７２と同じ極性５８／６０を有する。好ましい実施形態では、第１の拡張部材８０は内向き端部８４を有し、第２の拡張部材８２は内向き端部８６を有し、これらの内向き端部は互いに向かって内向きに配置される。すなわち、第１の拡張部材８０の内向き端部８４は、図１１及び図１２に示されるように、シャフト６２の管状チャンバ７６内部にギャップ８８を画定するように、第２の拡張部材８２の内向き端部８６に向けられる。本発明者は、拡張部材８０／８２の内向き端部８４／８６間にギャップ８８を有する構成が、本発明のモータ１０のこの実施形態に最良の性能を提供することを発見した。拡張部材８０／８２の長さ及びそれにより生じるモータ１０の最適な性能を提供するギャップ８８の長さは、恐らく、永久磁石２８／３０及びソレノイド１６の磁場の、サイズ及び強度を含む様々な特徴に依存する。代替の実施形態では（図に示されず）、拡張部材８０／８２は、ギャップ８８がないように互いに向かって完全に延びてもよく、さらには磁石２８／３０が単体であってもよい。
【００３１】
上述したように、磁気アクチュエータ１８は、磁気アクチュエータ１８の線形往復運動を変換して、作業対象物２６を回転させ、所望の作業目的を達成する往復変換機構２４に動作可能に接続される。好ましい実施形態では、磁気アクチュエータ１８の第２の端部２８は、図８、図９、図１４、及び図１５に最もよく示されるように、往復変換機構２４に取り付けられる。図に示される実施形態では、往復変換機構２４は、第２の永久磁石３０の第２の端部７４に接続ロッドコネクタ９０を備えるとともに、接続ロッド９２及びクランクシャフト９４を備える典型的なピストン／クランクシャフト構成を備える。接続ロッドコネクタ９０は旋回ブラケットであり、旋回ブラケットは、接続ロッド９２の第１の端部１００にある開口部９８内で受けられて、接続ロッド９２が磁気アクチュエータ１８に対して旋回できるようにする接続ピン９６を用いて、第２の永久磁石３０の第２の端部７４に固定して取り付けられる。接続ロッド９２の第２の端部１０２は、クランクシャフト９４に取り付けられるクランプ部材１０４を備える。図２、図３、及び図５に最もよく示されるように、クランクシャフト９４は、第１の出力シャフト１０６及び第２の出力シャフト１０８を有する。好ましい実施形態では、第１の出力シャフト１０６は、切り替え機構２０のタイミング／動作を制御して、第１の磁気状態５４と第２の磁気状態５６との間でソレノイドを変更させ、磁気アクチュエータ１８を往復させる、全体的に１１０として示される制御機構を支持するか、又は制御機構に取り付けられる。この実施形態では、第２の出力シャフト１０８は、作業対象物２６に接続し、作業対象物２６を回転させる。当業者は容易に馴染みがあるように、適切なブッシング、軸受け、ナット、及び他の装置を利用して、磁気アクチュエータ１８に接続された接続ロッド９２の往復運動によるクランクシャフト９４の回転から生じる第２の出力シャフト１０８の回転が、必要に応じて作業対象物２６を回転させて、本発明のモータ１０の機能及び有用寿命を保証するように、作業対象物２６を第２の出力シャフト１０８に固定しなければならない。これもまた当業者には既知なように、様々な他の構成が、磁気アクチュエータ１８の線形往復運動を作業対象物２６（例えば、フライホィール）の所望の回転運動に変換する往復変換機構２４としての使用に適する。
【００３２】
上述したように、クランクシャフト９４の第１の出力シャフト１０６は、制御機構１１０に接続し、制御機構１１０を利用して、磁気アクチュエータ１８の往復運動を得るために必要なソレノイド１６の逆磁気切り替えのタイミングを制御する。制御機構１１０と切り替え機構２０との相互作用は磁気切り替えを提供し、磁気切り替えは、第１の永久磁石２８の第２の端部７０のアクチュエータ極性６１及び第２の永久磁石３０の第１の端部７２のアクチュエータ極性６１に向けられたソレノイド１６の端部５０／５２の極性を逆にする。本発明の往復モータ１０の好ましい実施形態では、制御機構１１０はカム１１２であり、カム１１２は、第１の出力シャフト１０６と共に回転して、切り替え機構２０を適宜動作させて、磁気アクチュエータ１８を往復させるために必要な逆極性動作を提供する。制御機構１１０は、クランクシャフト９４の第１の出力シャフト１０６に直結されるため、本発明の往復モータ１０を含め、すべての磁気作動式往復モータにとって重要な極性反転を提供するために、外部エネルギー源又は原動機は必要ない。カム１１２は、往復するにつれて、切り替え機構２０に動作可能に接触して、ソレノイド１６を第１のエネルギー付与状態５４と第２のエネルギー付与状態５６との間で高速で切り替える。
【００３３】
本発明のモータ１０の好ましい実施形態では、電源２２は、直流電流をソレノイド１６のコイル３２に提供して、ソレノイド１６にエネルギー付与し、電磁場を生成し、電磁場は、ソレノイド１６の第１の端部５０及び第２の端部５３に交互になる第１の極性５８及び第２の極性６０に提供する。好ましくは、第１のワイヤ端部４６及び第２のワイヤ端部４８は、切り替え機構２０を介して再充電可能な電池（電源２２として）に接続する。再充電可能な電池は、モータ１２及び／又は他のソース（例えば、Ａ／Ｃ電力、太陽、風力等）からの発電により充電することができる。切り替え機構２０は、カム１１２の移動により作動する２工程磁気力モータ１０を生成する、図１６に１１４及び１１６として示される一対の単極双投スイッチを利用する。軸方向充電ソレノイド１６の逆磁気切り替えは、軸方向充電永久磁石２８／３０と併せて動作して、磁気アクチュエータ１８を往復させ、上述したように、作業目的を達成するために利用される作業対象物２４を回転させる。オン／オフスイッチ１１８を使用して、モータ１０の動作を開始又は停止する。
【００３４】
図６及び図７に最もよく示されるように、磁気アクチュエータ１８は、対向端部に永久磁石２８／３０の往復支持構造を画定する。枠１２はソレノイド１６に固定して支持され、ソレノイド１６は、切り替え機構２０を介して電源２２によりエネルギー付与された場合、軸方向充電電磁場を生成する。永久磁石２８／３０のそれぞれは、北（Ｎ）又は南（Ｓ）等の共通アクチュエータ極性６１を、永久磁石２８／３０を相互接続するシャフト６２の対向端部６４／６６にある往復永久磁石２８／３０間に固定して位置決めされたソレノイド１６に向ける。図６及び図７に示されるように、一実施形態では、ソレノイド１６に向けられる永久磁石２８／３０のアクチュエータ極性６１は、第１の極性Ｎであり、別の実施形態では、ソレノイド１６に向けられる永久磁石２８／３０のアクチュエータ極性６１はＳである。永久磁石２８／３０のアクチュエータ極性６１がＮであるか、それともＳであるかは、特に重要ではないが、磁極が同じであり、Ｎ又はＳの向きに固定され、それにより、切り替え機構２０が逆磁気切り替えを提供することができ、逆磁気切り替えが磁気アクチュエータ１８を往復させ、作業対象物２２を動作させて、所望の作業目的を提供することが重要である。
【００３５】
図１７〜図１９に示される本発明の好ましい実施形態では、シャフト６２は、図１９に最もよく示されるように、シャフト６２の１つ又は複数の壁７７の内面により画定される内部管状チャンバ７６を有する管状部材７５を備える。この実施形態では、永久磁石２８／３０は中実であり、図１８に示されるように、シャフト６２の管状チャンバ７６内部に全体的又は少なくとも実質的に配置される。実際には、この実施形態は、シャフト６２の端部６４／６６のそれぞれを超えて延びる永久磁石２８／３０の実質的な量がわずかであるか、またはないように、拡張部材８０／８２を永久磁石２８／３０で置換又は結合する。少なくともシャフト６２の第１の端部６４及び第２の端部６６に向かう管状チャンバ７６は、第１の永久磁石２８及び第２の永久磁石３０のそれぞれを受けるようなサイズであり、そのように構成される。第１の永久磁石２８の第２の端部７０は、第２の永久磁石３０の第１の端部７２と同じ極性５８／６０を有し、この極性はアクチュエータ極性６１である。第１の永久磁石２８の第１の端部６８は、第２の永久磁石３０の第２の端部７４と同じ極性５８／６０を有する。図１１及び図１２の実施形態では第１の拡張部材８０の内向き端部８４であった、第１の永久磁石２８の内向き端部８４は、図１１及び図１２の実施形態では第２の拡張部材８２の内向き端部８６であった第２の永久磁石３０の内向き端部８６に向けられ、内向き端部８６に対して離間されて、シャフト６２の管状チャンバ７６内部にギャップ８８を画定する。本発明者は、この構成が、本発明のモータ１０に最良の性能を提供することを発見した。シャフト６２内部の永久磁石２８／３０の長さ及びそれにより生じるモータ１０に最適な性能を提供するギャップ８８の長さは、恐らく、永久磁石２８／３０及びソレノイド１６の磁場の、サイズ及び強度を含む様々な特徴に依存する。この実施形態の磁気アクチュエータ１８は、図１０〜図１２に示される実施形態のシャフト６２の、端部６４／６６に位置決めされ、外側に向かって延びるより大きなサイズの永久磁石２８／３０を有するコスト及び重量をなくす。本発明者は、端部６４／６６又はその近傍での略全体的にシャフト６２内部への永久磁石２８／３０の位置決めが、モータ１０に向上した性能をより低コストで提供することを発見した。
【００３６】
上述した実施形態では、カム１１２が制御機構１１０として利用され、ソレノイド１６の端部５０／５２の極性を反転させることにより、制御機構１１０は、磁気アクチュエータ１８の往復に必要な逆磁気切り替えの動作及びタイミングを制御する。代替の実施形態では、制御機構１１０は、図２０〜図２３に示されるスプリット整流子１２０等の整流子である。カム１１２と同様に、スプリット整流子１２０は、図２０に示されるように、第１の出力シャフト１０６に搭載又は取り付けられて、磁気アクチュエータ１８の往復に応答して、出力シャフト１０６と共に回転し、スプリット整流子１２０は、切り替え機構２０と動作可能に係合して、ソレノイド１６の端部５０／５２の極性を反転する逆磁気切り替えを提供する。図２０及び図２１に示される実施形態では、切り替え機構２０は、スイッチ搭載板１２２に搭載されるか、又は他の様式で取り付けられ、スイッチ搭載板１２２はフライホィール搭載板１２４に搭載されるか、又は他の様式で取り付けられ、フライホィール搭載板１２４は、一実施形態では、枠１２に固定して搭載される。制御機構１１０は、第１のシャフト１０６と共に回転し、第１の出力シャフト１０６は、静止搭載板１２２／１２４上の切り替え機構２０に関連して、磁気アクチュエータ１８の往復及び往復変換機構２４の結果として回転する。切り替え機構２０と協働的に係合した、制御機構１１０の回転は、逆磁気切り換えを提供する。示される実施形態では、第１の出力シャフト１０６は、スプリット整流子１２０の中央を通して、図２１及び図２３に最もよく示されるように中央開口部１２６を通して受けられ、スプリット整流子１２０は、図２０及び図２２に最もよく示されるように、スプリット整流子１２０の両側に第１のクランプ機構１２８及び第２のクランプ機構１３０を含み、クランプは、第１の出力シャフト１０６を締め付けるか、又は他の様式で係合する。
【００３７】
図２０〜図２３に示される実施形態のスプリット整流子１２０は、第１のスプリットディスク１３２ａ及び１３２ｂとして示される一対のスプリットディスク１３２並びに図２２及び図２３において１３６ａ、１３６ｂ、及び１３６ｃとして示されるディスク絶縁体１３６により隔てられた第１の中実ディスク１３４ａ及び第２の中実ディスク１３４ｂとして示される一対の中実ディスク１３４を備える。図２２に最もよく示されるように、第１の端部絶縁体１３８は、第１のスプリットディスク１３２ａを第１のクランプ機構１２８から隔て、第２の端部絶縁体１４０は、第２の中実ディスク１３４ｂを第２のクランプ機構１３０から隔てる。各スプリットディスク１３２ａ／１３２ｂは、スプリット整流子１２０の各側にスプリット部分１４２を有し、スプリット絶縁体１４４が内部に配置されて、スプリットディスク１３２ａ／１３２ｂの端部を隔てる。一実施形態では、スプリットディスク１３６及び中実ディスク１３８は両方とも、銅から作られる。当分野で周知のように、様々な他の導電材料をディスク１３６／１３８に利用することができる。同様に、上述した絶縁材料を含む様々な絶縁材料をディスク絶縁体１３６、第１の端部絶縁体１３８、第２の端部絶縁体１４０、及びスプリット絶縁体１４４に利用することができる。図２３に最もよく示される搭載ブラケット１４６及び１４８は、スイッチ１１４／１１６のそれぞれをスイッチ搭載板１２２に取り付ける。
【００３８】
スプリット整流子１２０に関連する磁極関係及び電気接続は、図２２及び図２３に最もよく示される。図２２は、スプリットディスク１３２及び中実ディスク１３４の磁極の関係の一実施形態を示す。図２３は、電池等の電源２２からＳＰＤＴ１１４へとスプリット整流子１２０に入力される電流及びソレノイド１６に出力される電流を示し、ソレノイド１６は磁気切り替えを提供して、磁気アクチュエータ１８を往復駆動し、出力シャフト１０６／１０８を回転させる。
【００３９】
別の代替の実施形態では、制御機構１１０は電子駆動組立体１５０であり、電子駆動組立体１５０の例示的な概略が図２４に示される。本明細書に記載の他の制御機構１１０と同様に、電子駆動組立体１５０は、電源２２から電力を受け取り、磁気アクチュエータ１８の往復駆動に必要な逆磁気切り替えを提供するように、ソレノイド１６に転送するように構成される。制御ユニット１５２へのデータインタフェースのためにバストランジスタ１５４に無線又は有線で接続され、フロントパネルコントローラＶＦＤ／ＬＥＤのユーザインタフェース１５６に無線又は有線で接続される制御ユニット１５２に、マイクロプロセッサ等が構成され、電子駆動組立体１５０を制御するデータ処理及び同様の動作を提供する。制御ユニット１５２は、図２４に示されるように、電子回路を備えるハーフブリッジドライバ１５８に協働して係合し、電子回路は、電圧を負荷の両端にいずれかの方向で印加できるようにし、入力センサ１６０及び出力センサ１６２から電子信号を受信して処理し、電子信号はハーフブリッジドライバ１５８の制御に使用される。制御ユニット１５２は、無線で、又は有線接続を用いてハーフブリッジドライバ１５８と通信する。一実施形態では、ハーフブリッジドライバ１５８は、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換するインバータである。電子駆動組立体１５０は、適宜構成されたコンデンサ１６４、ダイオード１６６、並びに高効率及び高速切り替えで知られた絶縁ゲート双極トランジスタ又はＩＧＢＴ等のトランジスタ１６８も備える。上述した例示的な電子駆動組立体１５０は、上述したスプリット整流子１２０に代えて利用される。スプリット整流子１２０よりも優れた電子駆動組立体１５０の一利点は、電子駆動組立体１５０が、所望の作業出力の提供にシステム内で利用できたはずのエネルギーの損失を表すスパーキングをなくすことである。
【００４０】
使用に際して、ソレノイド１６の端部５０／５２での第１の極性５８及び第２の極性６０の周期的な切り替えは、第１の永久磁石２８の第１の端部７０に向かう軸方向充電電磁場を生成し、第２の永久磁石３０の第２の端部７２は、永久磁石２８／３０を交互に排斥して吸引し、ソレノイド１６及び枠１２（ソレノイド１６及びクランクシャフト９４を固定支持する）に対して磁気アクチュエータ１８を往復させる。磁気アクチュエータ１８の往復は、接続ロッド９２により、クランクシャフト９４を回転駆動し、クランクシャフト９４は、クランクシャフト９４の第１の出力シャフト１０６において制御機構１１０に回転可能に係合し、切り替え機構２０を動作させ、切り替え機構２０は、ソレノイド１６の逆磁気切り替えに必要なタイミングを提供し、第２の出力シャフト１０８において作業対象物２６を回転させる。したがって、本発明の磁気作動式往復モータ１０は、磁気アクチュエータ１８の往復に必要な極性シフトを提供するために、いかなる外部電源又は原動機も必要とせず、それにより、本モータを、ポンプ、発電機、又は車両の動作等の作業出力を得るためにより効率的且つ有用なものにする。本発明の往復モータ１０の使用は、現在利用可能な往復モータに関連するエネルギー需要及び汚染をなくす。
【００４１】
本発明の１つ又は複数の特定の形態が本明細書に示され説明されるが、本発明がそのように限定されず、本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに、設計及び材料に様々な変更及び再構成を受け入れる余地があることを当業者は容易に理解するであろう。特に、本発明が、本明細書に記載の任意の寸法関係に関する変更並びに組立体、材料、サイズ、形状、及び使用の変更を受けることに留意されたい。例えば、本発明の目的を達成するために、均等な機能の構成要素で置換可能な本明細書に記載の多くの構成要素がある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図６】
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【図７】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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