(57)【要約】  本発明の機械は、シリンダ（２）内で往復動できる少なくとも１つのピストン（１）と、ピストンの運動軸線に対して横方向の１又は複数の軸線（４）回りに揺動回転運動可能に設けられた少なくとも２つの釣合いロータ（３ｃ，３ｄ）とを有し、一方の釣合いロータは、ロータの１又は複数の軸線の一方の側に質量中心を有し、もう一つの釣合いロータは、ロータの１又は複数の軸線の反対側に質量中心を有し、本発明の機械は、ロータがピストンの往復動とは逆に動くことができるようピストンとロータとの間に設けられた少なくとも１つの連接部材又は機構体を更に有する。本発明の機械は、電気機械、例えば電気モータ又は発電機であるのが良い。電子制御システムが、ピストン運動又は出力波形を制御するのが良い。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
機械であって、シリンダ内で往復動できる少なくとも１つのピストンと、前記ピストンの運動軸線に対して横方向の１又は複数の軸線回りに揺動回転運動可能に設けられた少なくとも２つの釣合いロータとを有し、一方の前記釣合いロータは、前記ロータの前記１又は複数の軸線の一方の側に質量中心を有し、もう一つの前記釣合いロータは、前記ロータの前記１又は複数の軸線の反対側に質量中心を有し、前記機械は、前記ロータが前記ピストンの往復動とは逆に動くことができるよう前記ピストンと前記ロータとの間に設けられた少なくとも１つの連接部材又は機構体を更に有する、機械。
【請求項２】
前記ロータは、別々の互いに間隔をおいた軸線回りに揺動回転運動可能に設けられている、請求項１記載の機械。
【請求項３】
前記ロータは、共通軸線回りに揺動回転運動可能に設けられている、請求項１記載の機械。
【請求項４】
各前記ロータは、その運動軸線回りに実質的に円形の周囲を有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の機械。
【請求項５】
各前記ロータは、前記ロータの前記運動軸線の一方の側に設けられた湾曲した周囲を備える主部分と、前記ロータの前記運動軸線の他方の側に設けられた副部分とから成る、請求項１〜３のいずれか１項に記載の機械。
【請求項６】
前記ロータは、実質的に等しい質量のものであり、前記ロータは、前記ピストンの往復質量を実質的に釣り合わせる組合せ質量分布を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の機械。
【請求項７】
前記ロータ及び前記ピストンの質量は、実質的に同一の平面内に位置している、請求項１〜６のいずれか１項に記載の機械。
【請求項８】
前記ロータの前記１又は複数の運動軸線の一方の側で一方の前記ロータに連結された連接部材が設けられると共に前記ロータの前記１又は複数の運動軸線の他方の側で他方の前記ロータに接続された連接部材が設けられている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の機械。
【請求項９】
前記ロータは、各前記ロータの周辺部分に形成された歯車を有し、前記歯車は、前記ピストンに連結されている連接部材の各側に設けられたラックと噛み合っている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１０】
各前記ロータの周辺部分は、前記ピストンに連結されている連接部材と摩擦係合している、請求項１〜７のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１１】
前記ロータは、前記ピストンに連結されている連接部材に可撓性連接要素によって結合されている、請求項１〜７のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１２】
前記ロータを前記ピストンが前記シリンダ内でその行程長さの中間にある中立位置に付勢する付勢装置を有している、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１３】
単シリンダ型機械である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１４】
多シリンダ型機械である、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の機械の１基又は２基以上から成る多シリンダ型機械。
【請求項１６】
前記ピストンは、外燃エンジン又は内燃エンジンのピストンである、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１７】
前記ピストンは、ヒートエンジンのピストンである、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１８】
前記ピストンは、スターリングエンジンのピストンである、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の機械。
【請求項１９】
前記ピストンにより駆動される発電機を有する請求項１〜１７のいずれか１項に記載の機械。
【請求項２０】
前記ピストンを駆動する電気モータを有する、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の機械。
【請求項２１】
前記ロータのうちの１つ又は２つ以上は、磁石又は巻線を有する、請求項１９又は２０記載の機械。
【請求項２２】
１又は複数のロータと関連した１又は複数のステータを更に有する、請求項２１記載の機械。
【請求項２３】
前記ロータのうちの１つ又は２つ以上は、永久磁石又は電磁石を有し、前記機械は、前記１又は複数のロータと関連した１又は複数のステータを有し、前記ロータの運動により前記ステータ中にｅｍｆが生じるようになっている、請求項１９記載の機械。
【請求項２４】
１又は複数のステータが、磁石又は電磁石を有し、前記１又は複数のロータは、１又は複数の巻線を有し、前記ロータの運動により、前記ロータ巻線中にｅｍｆが生じるようになっている、請求項１９記載の機械。
【請求項２５】
１つのロータが、磁石又は電磁石を有し、別のロータが、巻線を有し、前記ロータ相互間の相対運動により、前記１又は複数の巻線中にｅｍｆが生じるようになっている、請求項１９記載の機械。
【請求項２６】
前記ロータのうちの１つ又は２つ以上は、磁石又は電磁石を有し、電圧を１又は複数のステータに印加すると、前記ロータの揺動運動及び前記ピストンの運動を行わせることができる、請求項２０記載の機械。
【請求項２７】
１又は複数のステータが、磁石又は電磁石を有し、前記ロータのうちの１つ又は２つ以上は、前記ロータ及び前記ピストンの運動を行わせるために電圧を印加することができる巻線を有する、請求項２０記載の機械。
【請求項２８】
１つのロータが、磁石又は電磁石を有し、別のロータが、前記ロータ及び前記ピストンの運動を行わせるために電圧を印加することができる巻線を有する、請求項２０記載の機械。
【請求項２９】
前記ピストンは、ポンプ又は圧縮機のピストンである、請求項２０又は２６〜２８のいずれか１項に記載の機械。
【請求項３０】
前記機械は、前記ピストンを駆動し、ピストンの一運動方向における前記ピストンの運動中ガスを圧縮するよう構成された電気モータであると共に前記ピストンが前記ガスの膨張段階中、前記ロータをピストンの別の運動方向に駆動する発電機である、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の機械。
【請求項３１】
１つ又は２つ以上の磁石若しくは電磁石又は巻線が、各前記ロータの湾曲した周辺部分に沿って設けられている、請求項１９〜３０のいずれか１項に記載の機械。
【請求項３２】
各前記ロータの運動の中心である軸線と前記ピストンからの前記連接部材又は機構体の前記ロータへの取付け軸線との間の距離は、前記ロータの前記運動軸線から前記ロータの外部周辺部分までの距離よりも短く、その結果、前記ロータの前記外部周辺部分のところにおける磁石及び（又は）巻線の線速度は、前記ピストンの線速度よりも高い、請求項１９又は２３〜２５のいずれか１項に記載の機械。
【請求項３３】
２つの前記ロータは、各々、複巻巻線を有するのが良い、請求項１９記載の機械。
【請求項３４】
ピストン運動を制御するよう構成された電子制御システムを有する、請求項１〜３３のいずれか１項に記載の機械。
【請求項３５】
前記制御システムは、ピストンの速度を制御するよう構成されている、請求項３４記載の機械。
【請求項３６】
前記制御システムは、ピストン位置を制御するよう構成されている、請求項３４又は３５記載の機械。
【請求項３７】
前記制御システムは、ピストン運動の上死点と下死点のうちのいずれか一方又はこれら両方のところでの前記ピストンの停止時間を制御するよう構成されている、請求項３４〜３６のいずれか１項に記載の機械。
【請求項３８】
前記制御システムは、前記ピストンの運動を制御して前記ピストンが非正弦運動態様で動くようにするよう構成されている、請求項３４〜３８のいずれか１項に記載の機械。
【請求項３９】
多数の巻線を備えたステータを有し、前記制御システムは、前記ステータ巻線への付勢電力を制御することによりピストン運動を制御するよう構成されている、請求項３４〜３８のいずれか１項に記載の機械。
【請求項４０】
前記制御システムは、ピストン運動を制御して前記ピストンにより駆動される発電機から非正弦波形出力を生じさせるよう構成されている、請求項１〜３８のいずれか１項に記載の機械。
【請求項４１】
請求項１〜３７のうちいずれか一に機械を有する微小組合せ型熱・電力（マイクロＣＨＰ）ユニット。
【請求項４２】
請求項３８記載の壁取付け型マイクロＣＨＰユニット。
【請求項４３】
請求項１〜３７のいずれか１項に記載の機械を有する波力式電気エネルギー発生器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非常に良くバランスが取られるよう構成できる往復動ピストン型機械に関する。この機械は、一形態では、発電機又はオルタネータ（同期発電機又は交流発電機）を含む場合がある。
【発明の概要】
【０００２】
本発明は、概略的には、一態様において、機械であって、シリンダ内で往復動できる少なくとも１つのピストンと、ピストンの運動軸線に対して横方向の１又は複数の軸線回りに揺動回転運動可能に設けられた少なくとも２つの釣合いロータとを有し、一方の釣合いロータは、ロータの１又は複数の軸線の一方の側に質量中心を有し、もう一つの釣合いロータは、ロータの１又は複数の軸線の反対側に質量中心を有し、ロータがピストンの往復動とは逆に動くことができるようピストンとロータとの間に少なくとも１つの連接部材又は機構体が設けられていることを特徴とする機械である。
【０００３】
機械は、以下に説明するように単シリンダ型機械であっても良く、多シリンダ型機械であっても良い。
【０００４】
一形態では、機械は、電気機械である。機械は、例えば外燃エンジン若しくは内燃エンジンのピストンにより駆動される発電機又は例えばポンプ若しくは圧縮機のピストンを駆動する電気モータを有するのが良い。かくして、本発明は、別の観点では、シリンダ内で往復動できる少なくとも１つのピストン及びこのピストンに連結された状態で揺動往復運動を可能に設けられた釣合いロータを有する電気機械であって、ロータがピストンの往復運動とは逆に動くようになっており、ロータの一方又は両方は、磁石又は巻線を有し、オプションとして、電気機械がロータと関連した１又は複数のステータを有するようになっていることを特徴とする電気機械である。
【０００５】
機械が電気機械、特に発電機である場合、一実施形態では、ロータの各々は、永久磁石又は電磁石を有するのが良く、機械は、ロータと関連したステータを有するのが良く、ロータの運動により、ステータ中にｅｍｆが生じるようになっている。別の実施形態では、１又は複数のステータは、磁石又は電磁石を有し、ロータは、１又は複数の巻線を有するのが良く、ロータの運動により、ロータ巻線中にｅｍｆが生じるようになっている。ステータ無しの別の実施形態では、１つのロータが、磁石又は電磁石を有し、別のロータが、１又は複数の巻線を有するのが良く、ロータ相互間の相対運動により、１又は複数の巻線中にｅｍｆが生じるようになっている。
【０００６】
機械が電気機械、特に、例えば流体、例えば液体若しくは気体の圧送又は気体の圧縮を行うピストンを駆動する電気モータである場合、一実施形態では、ロータの各々は、磁石又は電磁石を有するのが良く、ロータの揺動運動及びピストンの運動を駆動するために電圧を１又は複数のステータに印加するのが良い。別の実施形態では、１又は複数のステータは、磁石又は電磁石を有し、ロータが、ロータ及びピストンの運動を駆動するために電圧を加えられる１又は複数の巻線を有するのが良い。別の実施形態では、ステータ無しの実施形態では、１つのロータは、磁石又は電磁石を支持し、別のロータが、ロータ及びピストンの運動を駆動するために電圧が印加される巻線を支持するのが良い。  本発明又はその実施形態のうちの少なくとも１つの作用効果及び利点については、次に詳細に説明する特定の実施形態に関連して以下において説明する。
【０００７】
本明細書及び特許請求の範囲では、「発生器」という用語は、ｄｃ（直流）電力又はａｃ（交流）電力を発生させる電気機械を含む。
【０００８】
本明細書及び特許請求の範囲で用いられる「有する」、「備える」という用語は、「少なくとも一部が〜から成る」を意味し、即ち、その用語を含む独立形式の請求項を解釈する際、各請求項のその用語で始まる特徴は、存在することが必要であるが、他の特徴も又、存在する場合がある。
【０００９】
本発明の種々の実施形態を例示的に且つ本発明を限定する意図無く示す添付の図面を参照して本発明を更に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の機械の第１の実施形態を概略的に示す図である。
【図２】本発明の機械の第２の実施形態を概略的に示す図である。
【図３】本発明の機械の第２の実施形態を概略的に示す図である。
【図４】図２及び図３の実施形態に類似しているが、特にステータを有する電気機械である実施形態を概略的に示す図である。
【図５】ステータを有する電気機械である別の実施形態を一方の側から部分的に切除した状態で概略的に示す図である。
【図６】図５の矢印Ａの方向における図５の実施形態を概略的に示す図である。
【図７】図５及び図６の実施形態のための駆動回路を概略的に示す図である。
【図８】本発明の並列２シリンダ型機械を概略的に示す図である。
【図９】本発明の対向２シリンダ型機械を概略的に示す図である。
【図１０】本発明の対向６シリンダ型機械を概略的に示す図である。
【図１１】本発明の機械の別の実施形態を概略的に示す図である。
【図１２】本発明の機械の別の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１の機械は、説明を簡単にするために単シリンダ型機械として示されており、この機械は、シリンダ２内で往復動するピストン１を有している。ピストン及びシリンダは、例えば、ヒートエンジン（熱機関）、例えば、スターリングエンジン、内燃エンジン、圧縮機、例えば冷凍圧縮機又は空気若しくはガス圧縮機、流体ポンプ又は蒸気機関のものであって良い。説明を簡単にするために、「機械」という用語が、本明細書において用いられているが、この用語は、かかる用途及び他の用途まで及ぶものとして広く理解されるべきである。
【００１２】
２つの釣合いロータ３が、軸受４のところでピストンの運動軸線に対して横方向の軸線回りに設けられている。ピストン１とロータ３は、連接ロッド６によって結合されている。ロータ３の各々の質量の主部分は、ピボット軸線４の互いに反対の側に位置し、連接ロッド６は、図示のように他方の側でロータ３の副部分３ａに結合されている。
【００１３】
この構成は、機械の作動中、シリンダ２内におけるピストン１の往復直線運動がロータ３を駆動し又はロータ３の揺動回転運動によって行われ、ロータがピストン１の運動とは逆に動くようなものである。即ち、図１において矢印Ｐ１の方向におけるピストン１の下方運動中、ロータ３は、矢印Ｒ１の方向に動く。図１における矢印Ｐ２の方向におけるピストンの上方運動中、ロータは、矢印Ｒ２の方向に動く。
【００１４】
連接ロッド６は、機械の平面内において可撓性であるが軸方向には剛性であるのが良く又は連接ロッドの僅かな回転運動に対応するよう連接ロッドがピストン及び（又は）ロータ３に結合された関節継手を有するのが良い。
【００１５】
機械は、実質的に動的に釣り合わされる（バランスが取られる）のが良い。ロータは、ピストンの往復質量を実質的に釣り合わせる質量分布を有すると共にほぼ等しい回転慣性モーメントを有するよう形成されるのが良く、その結果、２つのクランクの回転慣性が実質的にバランスを取って互いに打ち消し合うようになっている。２つのロータ及びピストンの質量は、バランスを欠いたモーメントを回避するよう実質的に同一の平面内に位置すべきである。２つの連接ロッドの回転慣性モーメントの合計は、これらの回転方向が互いに逆であるのでゼロであろう。高い平衡度を得ることができ、他方、行程は、２つの互いに逆方向に回転するロータのレバーアーム長さと比較して短い。また、互いに逆方向に回転するクランクが互いに同時に固定された状態で、ピストン慣性を動的に釣り合わせているので、ピストンの運動は、高い平衡度を維持した状態で正弦運動から離れて様々であって良い。即ち、エンジンバランスを損なわないで非正弦ピストン運動を利用することができる。
【００１６】
発電機又はオルタネータである実施形態としての機械では、一形態では、ロータ３は、特に各ロータの湾曲した周囲に沿って設けられた磁石を有するのが良く、ステータ（図１には示されていない）が、ロータと各側で関連していて、ロータの運動によりステータの巻線中にｅｍｆが生じるようになっているのが良い。ロータ磁石は、永久磁石又は電磁石であるのが良く、その巻線は、例えばブラシ、ばね又はフレキシブルワイヤを介して電源に接続されている。変形例として、ステータは、磁石又は永久磁石を有し、ロータは、ロータがステータに対して動くと、ｅｍｆを生じさせる巻線を備えても良く、この場合も又、ブラシ、ばね又はフレキシブルワイヤにより外部回路に接続されているロータ巻線中に電流が生じる。
【００１７】
電気負荷が作動中の何処かの時点で失われた場合であっても、機構体が性質上本来的に釣り合わされており、このことは、機械が激しく揺れることはないということを意味する。
【００１８】
電気モータであってピストンが駆動される一実施形態としての機械では、例えば、ポンプ又は圧縮機では、ロータの各々は、永久磁石又は例えばブラシ、ばね又はフレキシブルワイヤにより電源に接続された電磁石を有するのが良く、ロータを駆動するために電圧をステータの巻線に印加するのが良い。変形例として、各側のステータは各々、磁石又は電磁石を有し、ロータは、ロータ及びピストンを駆動するために電圧が印加される１又は複数の巻線を有しても良い。
【００１９】
図２及び図３は、互いに逆方向に揺動するロータ３がピボット４のところで共通軸線回りに揺動する実施形態を示している。矢印Ｐ１によって示されているようなピストン１の下方運動により、それぞれ矢印Ｒ２，Ｒ１′の方向のロータ３ｃ，３ｄの運動が生じ、矢印Ｐ２の方向におけるピストンの上方運動により、矢印Ｒ１，Ｒ２′の方向におけるロータの運動が生じる。
【００２０】
ロータ３ｄが省かれた状態のエンジンを示す図３に示されているように、連接ロッド６ａが、軸線４の一方の側でロータ３ｃに連結され、連接ロッド６ｂが、軸線４の他方の側でロータ３ｃに連結されている（図３では、連接ロッド６ｂの端部が示されているが、ロータ３ｄは示されていない）。ロータ３ｃ，３ｄの各々は、共通運動軸線４に関して対称に且つ互いに逆に釣り合わされている。この実施形態では、ロータは、図示のように軸線４を中心とする円の形をしており、ロータ３ｃの重り部分３ｅにより、ロータの質量中心は、軸線４の一方の側に位置し、ロータ３ｄ（図３Ｄには示されていない）は、軸線４の逆の側に同様な重り部分を有する。
【００２１】
また、図２及び図３に示す実施形態では、連接ロッド６ａ，６ｂは、ブリッジ部分９に連結され、このブリッジ部分は、図示のようにピストン１に連結されている。変形例として、連接ロッド６ａ，６ｂは、ピストン１に直接（部分９を介さないで）連結されても良い。
【００２２】
また、発電機である実施形態では、モータ３は、周辺永久磁石又は電磁石を有するのが良く、包囲ステータ、又は変形例として（しかしながら好ましさの度合いは低い）ステータが永久磁石又は電磁石を有しても良く、その磁束は、ロータの軸線によって切られる。図４は、発電機又はオルタネータとして構成された図２及び図３の実施形態におけるステータ１０を示している。好ましい形態では、２つのロータ３ｃ，３ｄの磁極は、ロータ磁石が出力ステータ巻線を越えて互いに逆に回転すると、各運動中の磁石によって生じるｅｍｆの方向は、出力巻線中に同相直列電圧を生じさせる。これにより、発電機電圧が増大すると共にステータ巻線が単純化される。
【００２３】
別の実施形態では、２つの可動ロータは各々、ブラシ、ばね、フレキシブルワイヤ又はこれらの類似物により出力コネクタに接続された複巻巻線を有するのが良い。
【００２４】
発電機であり、図２及び図３の実施形態に類似した更に別の実施形態では、一方のロータは、磁石を有し、他方のロータは、ｅｍｆを発生させる巻線を有するのが良い。この場合も又、磁石と巻線の組合せを各ロータに設けても良い。この実施形態の利点は、図４において符号１０で示されている別個の包囲ステータが不要であり、発電機がロータを包囲している別個のロータが設けられている場合よりもコンパクトであるということにある。もう１つの利点は、発電機の磁束切断速度が２倍になるということにある。
【００２５】
図２〜図４の実施形態は、従前通りピストンを駆動する電気モータであっても良い。ロータの各々は、磁石又は電磁石を有するのが良く、ロータ及びピストンの運動を駆動するために電圧をステータに印加するのが良い。変形例として、ステータは、永久磁石又は電磁石を有し、ロータは、ロータ及びピストンを駆動するために電圧が印加される１又は複数の巻線を有しても良い。有利には、この場合も又、ステータ無し環境では、１つのロータは、永久磁石又は電磁石を備え、別のロータは、ロータ及びピストンの運動を駆動するために電圧が印加される巻線を備えても良く、或いは、各ロータは、磁石と巻線の組合せを備えても良い。
【００２６】
図５は、一方の側から別の実施形態を示しており、一方のロータが想像線で示され、ステータ１０は、２等分されている。図６は、図５の矢印Ａの方向で機械を示している。この機械は、図２〜図４の機械に類似しており、ロータ３ｃ，３ｄを有し、これらロータは、これらロータが軸受２０を介して取り付けられた共通アクスル４回りに揺動する。連接ロッド６ａが、アクスル４の一方の側でロータ３ｃに連結され、連接ロッド６ｂが、アクスル４の他方の側でロータ３ｄ（想像線で示されている）に連結されている。連接ロッド６ａ，６ｂは、ブリッジ部分９に連結され、このブリッジ部分は、連接ロッド６ｃによってピストンに連結されている。機械をできるだけコンパクトにするために、この実施形態では、連接ロッド６ａ，６ｂの各々が、他方のロータに設けられた弧状スロット２１を通ってそのそれぞれのロータに連結されている。さらに、連接ロッド６ａ，６ｂの各々は、ステータ１０（図６参照）に設けられたアパーチュア２２を貫通しており、又は変形例として、連接ロッド相互間でステータの頂部を横切ってスロットを形成しても良い。図１の実施形態の場合と同様、ロータの各々の主部分は、ロータの運動軸線の一方の側に湾曲した周囲部を有し、各ロータは、他方の側に位置していて、連接ロッド６ａ，６ｂがピボット継手２３を介してそれぞれ結合された副部分を有している。ロータ３ｃ，３ｄの各々は、従前通り共通運動軸線４に関して対称に且つ互いに逆に釣り合わされている。ロータの周辺部分は、永久磁石（又は変形例として、電磁石）を有し、機械は、包囲ステータ１０を有する。
【００２７】
例えばマイクロプロセッサを有し、オプションとして、ピストン及び（又は）ロータの位置及び（又は）運動を検出する１つ又は２つ以上のセンサを備えた電子制御システムが、ピストンの運動、例えばピストン速度及び（又は）位置を制御してピストンが非正弦運動態様で動くようにし、或いは、エンジン型実施形態又はポンプ又は圧縮機型実施形態ではシリンダの有効容量又はピストンによるシリンダの掃過面積を、そのピストンを制御してピストンが例えばシリンダの頂部のところでのみ作動するようにすることによって、変化させるよう構成されているのが良い。発電機型実施形態では、これは、発電機の電気出力の波形を調節し又は変更させるために用いられるのが良い。動作原理を説明すると、ピストンを所望の速度で且つ（或いは）所望の上死点（ＴＤＣ）位置及び（又は）下死点（ＢＤＣ）位置まで動かすのに必要なスラストは、互いに異なるクランク角度について計算される。機械の磁気回路及び電気回路は、必要な力を発生させるよう設計されている。
【００２８】
機械は、例えば、単相又は多相（場合によっては）のステッパー機械、ＢＬＤＣ機械、誘導機、リラクタンス機械、同期機械、角度制限トルク機械、サーボ機械、バーニヤハイブリッド機械又はＰＭ同期機械として具体化されるのが良い。
【００２９】
図５及び図６に示す実施形態のプロトタイプモータは、２相ステッパーモータとして構成されている。２つの相は、図７に示されているように２つのブリッジ回路全体を横切って接続されている。ブリッジ回路にはＤＣ源から給電される。制御システム２５が、機械のデューティサイクル、停止時間、速度、開始スラスト及び再生制動プロフィールを制御するために、Ｈブリッジ回路を駆動したりステータ巻線への電力切り換えを行ったりする。ステータは、２相ステッパーモータと同様に構成されており、４つのステータ極２６〜２９を備えている。この設計は、短い旧式のステータである。各極は、先のステータの２つのスロットを覆っている。各ロータは、ＴＤＣからＢＤＣに３０°動き、これは、２５ｍｍの行程に相当している。このプロトタイプ機械の分解能は、５°であり、等価行程では４．１７ｍｍである。
【００３０】
ＴＤＣ  状態１  状態２  状態３  状態４  状態５  ＢＤＣ
【００３１】
通常の作動において、機構体は、上述の状態３において自然な休止位置を有し、サイクル丸々１回の間に、ロータは、ＢＤＣまで揺動し、次にＴＤＣまで揺動し、次に状態３に戻る。ロータ運動の行程は、状態３の各側で１５°である。
【００３２】
行程長さを制御するため、サイクルは、一モードにおいて、ＢＤＣとＴＤＣとの間ではなく、各側において状態５と状態１との間に制限されるのが良い。これにより、行程は、２０°又は１６．７ｍｍに制限される。変形例として、別のモードでは、行程長さを１０°又は８．３５ｍｍ行程に制限しても良い。プロトタイプにおける行程制御に関し、達成可能な最小分解能は、１０°である。
【００３３】
別の制御変数は、ＤＣレベル又はバイアスである。１０°の行程では、自然な休止位置は、上述の５つの状態のうちの任意のところに位置することができる。例えば、状態１が自然な休止位置であって良く、機械は、この場合、作動中、ＴＤＣと状態２との間で揺動することができる。変形例として、自然な休止位置が状態２である場合、機械は、作動中、行程が１０°の場合状態１と状態３との間又は行程が２０°の場合、ＴＤＣと状態５との間で揺動することができる。一般に、自然な休止位置が状態２又は状態４である場合、２０°及び１０°の行程長さが可能である。自然な休止位置が状態１又は状態５である場合、１０°の行程が可能である。
【００３４】
ＴＤＣ若しくはＢＤＣ又はこれら両方のところにおけるピストンの停止時間は、ピストンの非線形又は非正弦移動が得られるよう制御されるのが良く、即ち、ピストンは、台形の運動プロフィールを生じさせるためにＴＤＣ及びＢＤＣのところで一時停止するよう制御されるのが良い。
【００３５】
ピストンの瞬間位置の位置検出システム、例えばエンコーダによって求めてピストン位置入力信号を機械制御装置２５に提供することができる。位置信号は、電力電子スイッチＳ１〜Ｓ３への駆動信号を生じさせるために用いられ、それにより個々のステータコイル２６〜２９を駆動して所望のピストン運動を達成する。プロトタイプ機械は、閉ループで駆動され、位置検出システムは、フィードバックを出してコミュテーションのための時点を決定する（スイッチＳ１〜Ｓ８を作動させて電流を別の１組のステータ極に向け直すことによりステータ極２６〜２９相互間で変更する）。
【００３６】
位置検出システムは又、適当な制御パラメータ（例えば、速度及び停止時間）が得られるよう変調レベルを調節するのを助ける。制御システム２５は、正確な運動プロフィール（ステッパーモータの微小ステッピングに類似している）を達成するために磁束プロフィールを達成するためにステータ巻線を付勢するよう構成されているのが良い。波形は、必要な非線形運動プロフィールを達成するよう個々の電力制御装置を備えた非線形波形であるのが良い。
【００３７】
機械は、変形例として、ピストンにより駆動される発電機として構成されても良く、この場合、電力電子回路は、ピストン位置に従って切り換えられ、巻線中に生じたエネルギーが取り出される。エネルギーは、非切り換え方法によっても取り出し可能である。変形例として、この機械は、生じた電力を引き出すための適当な送電網結合エレクトロニクスを備えた任意他の電気機械として設計されても良い。この電気機械は、これを誘導機械又は同期機械として設計することにより、電力エレクトロニクスを設けない状態で電力系統に接続されても良い。発電機は、ピストン運動を非正弦運動であるように制御することにより非正弦の出力波形を生じさせることができる。
【００３８】
図８は、本質的に図２及び図３の機械をスターリングエンジンとして使用できるよう並列ツイン形態に２つ並べて構成された２（ツイン）シリンダ型実施形態を示している。この機械は、シリンダ２ａ内で作動するディスプレーサ又はピストン１ａを有し、このディスプレーサ又はピストンは、１対のロータ３ｅに連結されており、かかるロータは、図２及び図３を参照して説明したのと同じ仕方でエンジンの作動中に互いに対して逆方向に揺動する。ピストン１ｂは、シリンダ２ｂ内で作動し、このピストンは、互いに逆向きに揺動するロータの対３ｆに連結されている。対をなすロータ３ｅ，３ｆの両方は、符号４のところに示す軸線を中心として揺動する（しかしながら、これらの軸線は、別々であるのが良い）。ロータ対は、機械的レベルのところでは互いに連結されておらず、共通の電気出力をもたらし又は電力の流れを巻線に出入りさせるよう切り換え又は調節するマイクロプロセッサ又は他の制御システムによって構成されても良い。変形例として、この機械は、この場合も又、２つのピストンを駆動する電気モータであっても良い。
【００３９】
図９は、エンジンの対向２シリンダ型実施形態を示している。ピストン１ａは、シリンダ２ａ内で作動し、このピストンは、図２Ａ及び図３を参照して説明したように、ブリッジ部分９を通り連接ロッド６を介して、ロータ３ｃ，３ｄから成る互いに逆向きに揺動するロータ対に連結されている。ピストン１ｂは、ピストン１ａとは逆向きに第２のシリンダ２ｂ内で作動する。連接部材１１が、ロータ３ｃ，３ｄ相互間を通ってピストン１ｂをブリッジ部分９に結合している。他の参照番号は、上述したのと同一の部分を示している。
【００４０】
図１０は、３つの隣接した対向２シリンダユニットを有する６シリンダ型実施形態を示しており、かかる２シリンダユニットの各々は、図９を参照して説明したように作動する。互いに反対側に位置するピストン１ａ，１ｂは、ブリッジ部分９ａを介して連接要素１１ａによって結合され、連接要素１１ｂによって結合されたピストンは、同様に、シリンダ２ｃ，２ｄ内で作動し、連接要素１１ｃによって結合されたピストンは、シリンダ２ｅ，２ｆ内で作動する。
【００４１】
非常に好ましくは各揺動式ロータについて発電機を有する電気機械の全ての実施形態において、ロータの運動の中心である軸線と、ピストンからの連接ロッドとロータの相互取付け軸線との間の距離は、ロータの同一の運動軸線からロータの外部周辺部までの距離よりも短く、したがって、磁石及び（又は）巻線の線速度は、ピストンの線速度よりも高い。これにより、出力電圧が増大し、それと同時に、出力電力が同一であるとすると、出力電流が減少し、それにより軽量且つ経済的なロータの設計を実現することができる。
特に好ましい形態では、本発明のエンジン及び発電機は、エンジン及びエンジン廃熱を湯沸かし又は空間暖房に変える微小組合せ型熱・電力（マイクロＣＨＰ）ユニットのエンジン及び発電機であるのが良い。特に、マイクロＣＨＰユニットは、エンジンが振動を低く又は最小限に抑えるよう構成可能なので、壁取り付けに適している場合がある。
【００４２】
本発明の別の利点は、従来型ステータ積層構造を好ましい実施形態（ステータを有する実施形態）に利用できることにあり、これに対し、先行技術の直線オルタネータ型電気機械は、非従来型ステータ積層構造を有し、それにより製造費が増大する。
【００４３】
図１１及び図１２は、１つのピストン（又は複数のピストン）とロータとを連結するための変形機構体を有する本発明の機械の実施形態を、説明を簡単にするために単シリンダ形態で概略的に示している。図１１では、ロータ１４は、各ロータの周囲の一部に形成された歯車１５を有し、これら歯車は、ピストン１の連接ロッド６の各側に設けられたラック１６と噛み合っており、したがって、ピストンが矢印Ｐ１の方向に動くと、ロータは、矢印Ｒ１の方向に動き、ピストンが矢印Ｐ２の方向に動くと、ロータは、矢印Ｒ２の方向に動くようになる。
【００４４】
図示していないが、図１１の実施形態に類似した別の実施形態では、連接ロッドとロータとの間の結合は、図示のようなラックと歯車ではなく、摩擦係合又は締め付け係合によるものであっても良い。例えば、図１１では歯車１５を備えた状態で示されているロータの周囲の所々は、ゴム又はこれに類似した合成材料又は連接ロッドの１又は複数の接触面の場合のように連接ロッド６と効果的な摩擦係合を生じさせる任意他の材料で作られた薄い層を備えていても良い。
【００４５】
図１２の実施形態では、ピストン１とロータ１４との間の連接ロッド６は、４つの可撓性の連接要素、例えばベルト、チェーン又はこれらの類似物（本明細書では、便宜上、これらをベルトと称する）によって連結されている。具体的に説明すると、ベルトＢ１，Ｂ２は、それぞれロータ１４の周囲から連接ロッド６の下方部分にそれぞれ繋がり、ベルトＢ３，Ｂ４は、ロータの周囲から連接ロッド６の上方部分に繋がっている。例えば、ピストンがロータを駆動する場合、ベルトＢ１，Ｂ２は、矢印Ｐ１によって示されているようなピストンの下方運動中、引張り状態にあり、それにより、ロータは、矢印Ｒ１の方向に回動し、これに対し、ピストンＰ２の上方運動中、ベルトＢ３，Ｂ４は、引張り状態にあり、それによりロータは、矢印Ｒ２の方向に動く。変形例として、ロータが電気モータ用途の場合のようにピストンを駆動する場合、矢印Ｒ１の方向におけるロータの運動により、ベルトＢ３，Ｂ４は、引張り状態になり、それにより矢印Ｒ２の方向におけるピストンの上方運動が生じ、ロータがこれらの方向を逆転し、Ｒ２の方向に動くと、ベルトＢ１，Ｂ２は、引張り状態になり、それにより矢印Ｐ２の方向におけるピストンの下方運動が生じる。
又はオルタネータ。これについてはピストンを駆動するモータとして構成された図５〜図７の実施形態を参照して一例として更に説明する。
【００４６】
上述した全ての実施形態において、例えば１又は複数の機械式ばねの付勢装置は、ロータを中立位置（ピストンがシリンダ内におけるその行程長さの中間にある位置）に付勢するよう構成されているのが良い。ばね装置が、２つのロータ又はロータの各対相互間で働き又はこれとは別に、機械の１つ又は２つ以上のロータと固定（非可動）部分との間で働くのが良い。付勢装置は、機械の固有作業周期数を作り出すよう構成されているのが良い。機械式ばね装置の代替手段として、付勢装置は、ガスシリンダ又はこれに類似した力若しくは磁力を利用しても良い。変形例として、ばね、磁石又はガスばねが、ピストン又はピストンロッドに作用しても良い。
【００４７】
発電機である機械の実施形態では、機械は、波力エネルギー発生器であっても良い。ピストンは、波動により動くダイヤフラム又は他の部品に連結されるのが良い。
【００４８】
別の特定の実施形態では、機械は、ガスが圧縮され（仕事がガスによって行われる）、次に膨張する（仕事がガスによって行われる）用途では、電気モータと発電機の両方であって良い。電力を機械に投入してピストンを駆動し、それにより一方向におけるピストンの運動中、ガスを圧縮することができるが、機械は、ガスの膨張段階中、ピストンがロータを駆動する発電機としての役目を果たすことができる。
【００４９】
上記は、本発明をその実施形態を含めて説明している。当業者には明らかな変形例及び改造例は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれるものである。
【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６】
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【図７】
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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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【国際調査報告】
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