-
8/10/2019 Us 4064442 Motor KePpe
1/8
United S t a t e s Patent [ 9 [ 4 , 0 6 4 , 4 4 2
G a r r o n [ 4 5 ] D e c . 2 0 ,
1 9 7 7
[ 5 4 ]
ELECTRIC
MOTOR HAVING PERMANENT [ 5 7 ] ABSTRACT
MAGNETS
AND RESONANT CIRCUIT
[ 7 5 ]
I n v e n t o r : C a r l o s S u b i e t a
G a r r o n , Takoma
a r k ,
Md.
[ 7 3 ] A s s i g n e e : CSG n t e r p r i s e s , I n c . ,
New Y o r k ,
NY
[ 2 1 ]
A p p l . N 0 . :
6 6 7 , 5 0 1
[ 2 2 ]
F i l e d :
M a r . 1 7 , 1 9 7 6
[ 5 1 ] I n t .
cm
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . .
. . H02'K
37/00
[ 5 2 ] US.
l .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
318/254; 310/46
[ 5 8 ] F i e l d o f S e a r c h . . . . . . . . . . . . . . .
.
. .
3 1 0 / 4 6 ;
3 1 8 / 1 3 8 ,
2 5 4 ,
3 1 8 / 1 3 0
[ 5 6 ]
R e f e r e n c e s
C i t e d
U . S . PATENT DOCUMENTS
1 , 8 5 9 , 6 4 3
5/1932
Worthington
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
310/46
2,040,677
5/1936
Suits . . . . . . . . . . . . . . . 3 1 8 / 1 3 0
3,313,993 4/1967 Rupp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 318/254
P r i m a r y Examiner-Donovan
F .
Duggan
A t t o r n e y ,
A g e n t , o r F i r m - F i t z p a t r i c k , C e l l a , H
a r p e r
S c i n t o
An l e c t r i c motor h a v i n g i n e a c h o f t h e
r o t o r and
t h e
s t a t o r
a
p e r m a n e n t
magnet
and a n
e l e c t r o m a g n e t o f
e q u a l
s t r e n g t h p l a c e d
i n p a r a l l e l
r e l a t i o n
s u c h
t h a t when
t h e
e l e c t r o m a g n e t c o i l i s a c t i v a t e d
t h e f l u x
o f
t h e mag
n e t s i s a d d i t i v e a n d when t h e c o i l i s d e a c
t i v a t e d t h e f l u x
o f t h e p e r m a n e n t m a g n e t t a k e s a c l o s e
d
c i r c u i t
p a t h
t h r o u g h t h e e l e c t r o m a g n e t c o r e ,
t h e r o t o r
b e i n g
mounted on
a s h a f t f o r
r o t a t i o n
r e l a t i v e t o
t h e
s t a t o r and
a
commutator
s w i t c h b e i n g i n c l u d e d
f o r
a l t e r n a t e l y
c o n n e c t i n g a n d d i s c o n n e c t i n g t h e e l e
c t r o m a g n e t
c o i l s
t o and from
a power
s o u r c e , wherein
c a p a c i t o r s a r e
p r o v i d e d
i n t h e c o i l c i r c u i t .
The
c a p a c i t o r
a n d
c o i l
c i r c u i t i s d e s i g n e d t o h a v e a r e s o n a n t
f r e q u e n c y r o u g h l y
e q u a l t o o r n e a r t h e s w i t c h i n g f r e q u e n
c y o f
t h e
c o m m u
t a t o r s w i t c h
a t t h e
i n t e n d e d s h a f t o p e r a t i n g s p e e d ,
t h e r eb y c a u s i n g
t h e
c a p a c i t o r s t o a l t e r n a t e l y s t o r e e n
e r g y f r o m a n d d i s c h a r g e e n e r g y
t o
t h e o i l s .
The
combi
n a t i o n o f
p e r m a n e n t m a g n e t s
w i t h e l e c t r o - m a g n e t s a n d
t h e a d d i t i o n o f c a p a c i t o r s
i n
t h e c o i l c i r c u i t
t o
form
a
r e s o n a n t c i r c u i t r e s u l t s
i n i n c r e a s e d
e f f i c i e n c y
o f t h e
motor.
5
C l a i m s ,
1 3 D r a w i n g
F i g u r e s
_ _ l _
0
I I I
ROTOR B STATOR
B SW
ROTOR A
STATOR A
T
-
8/10/2019 Us 4064442 Motor KePpe
2/8
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8/10/2019 Us 4064442 Motor KePpe
3/8
U.S.
Patent
D e c . 2 0 , 1 9 7 7
S h e e t 2 o f
3
4,064,442
A I R
GAP
3 M2 N
SHAFT
P ; 6] p 2
( V U J S L L .
r W Y I
UUUUUUI
ROTOR
M|A
FIG /0
T A T O R A
-
8/10/2019 Us 4064442 Motor KePpe
4/8
U.S. Patent
D e c .
2 0 ,
1 9 7 7
S h e e t 3 0 f 3
4,064,442
I 2 0 0
S P E E D
I 2
CASE 1 1 1 : MOTOR WITH PM AND WITH
RC
mag) D\
CASE
1I=MOTOR WITH
P M
BUT
WITHOUT RC
C U R V E S ) \ F \ D CASE l
=
MOTOR
WITHOUT PM
AND WITHOUT
RC
I000
_ _ | O
\\ E ,
P M
=
P ERMANENT
MAGNETS
\\ RC =
RESONANT
CIRCUIT
EFFICIENCY \
l N P E R C E N T C ASEm
( s o u r ) C U R V E S ) E\\ E F F I C I E N C Y
800 _- a
600
--s
\u
400 -4
\
\ CASE I
a \ S P E E D x \
200 _ _ 2
CASE
I
EFFICIENCY
O U T P U T FORCE
I N
OUN C E S
0 2
4 s 8
I 0 I 2 l 4
5
F/G.
/3
I : 4 -
4
I
I ,
Z
O
8 3 -
K
O
I I
I I
O
2 ' }
2
Z
3
O
I
. I
0
I 0
2 0
3 ' 0
4 ' 0
5 ' 0
6 0 7 0
8 ' 0
9 0
I 0 0 n 0
I ' 2 o B 0 1 4 0 I 5 0 I 6 0 I 7 0 I 8 0
DEGREES OF ROTATION DURI NG P O W E R CYCLE
-
8/10/2019 Us 4064442 Motor KePpe
5/8
4 , 0 6 4 , 4 4 2
1
ELECTRIC MOTOR HAVING
PERMANENT
MAGNETS AND RESONANT CIRCU IT
BACKGROUND OF THE
INVENTION
A
number
o f p r i o r a r t
e l e c t r i c
motors
a r e
k n o w n i n
which
p e r m a n e n t m a g n e t s a r e u s e d i n
c o n j u n c t i o n
w i t h
e l e c t r o m a g n e t s i n
t h e
m a g n e t i c ?ux
c i r c u i t . Examples
o f s u c h m o t o r s
a r e
g i v e n
i n
U . S . P a t . N o s .
1 , 8 5 9 , 6 4 3 ;
1 , 8 6 3 , 2 9 4 ;
3 , 3 9 6 , 2 9 6 and 3 , 4 2 6 , 2 2 4 ;
a s
w e l l
a s
i n copend
i n g
U . S .
a p p l i c a t i o n S e r . N o .
4 0 2 , 2 8 4 ,
? l e d
O c t .
1 ,
1 9 7 3 ,
o f C a r l o s
S u b i e t a
G a r r o n ,
i n v e n t o r
o f t h e
p r e s e n t
i n v e n
tion.
SUMMARY
OF
THE INVENTION
The p r e s e n t i n v e n t i o n c o m p r i s e s a n
i m p r o v e m e n t
i n
t h e
t y p e o f motor d e s c r i b e d i n d e t a i l below
and
i n t h e
a f o r e m e n t i o n e d US. a p p l i c a t i o n S e r . N
o . 4 0 2 , 2 8 4 ,
w h e r e i n e l e c t r o m a g n e t s a r e u s e d ' t o a
l t e r n a t e l y s u p p l e
ment
a n d s h o r t - c i r c u i t
t h e ?ux o f
p e r m a n e n t m a g n e t s i n
t h e r o t o r
and
s t a t o r a s
a
c o m m u t a t or
switch
o n
t h e
motor
s h a f t c o n n e c t s t h e
c o i l s
t o a n d
d i s c o n n e c t s t h e
c o i l s from
a power
s o u r c e a t
a f r e q u e n c y
dependent on
t h e
s h a f t s p e e d .
The
i m p r o v e m e n t c o m p r i s e s t h e i n c l u
s i o n o f c a p a c i t o r s
i n
t h e
c o i l c i r c u i t s u c h t h a t
a
r e s o n a n t
c i r c u i t
i s
f o r m e d
h a v i n g
a
r e s o n a n t
f r e q u e n c y a p p r o x i
m a t e l y e q u a l
t o
t h e c o m m u t a t o r
s w i t c h i n g
f r e q u e n c y .
The
c a p a c i t o r s s t o r e e n e r g y
i n t h e c i r c u i t d u r i n g
t h a t
p o r t i o n
o f
t h e
s w i t c h i n g
c y c l e
when
t h e power
s o u r c e
i s
d i s c o n n e c t e d , t h e r e b y r e d u c i n g t h e o
u t s i d e p o w e r
n e e d e d
t o r e c h a r g e t h e c o i l s
d u r i n g
t h e
n e x t p o r t i o n o f
the s w i t c h i n g
cycle.
BRIEF DESCRIPTION OF T
DRAWINGS
FIG.
1
shows
a
permanent
magnet
i n
c o n t a c t
with
two i r o n a r m a t u r e s a n d s u p p o r t i n g
a
k e e p e r ;
FIG.
2
shows t h e a p p a r a t u s
o f
FIG. 1
w i t h
an i r o n
bar
introduced between t h e a r m a t u r e s ;
FIG.
3 shows
t h e a d d i t i v e
?ux
e f f e c t
o f
two
perma
n e n t
m a g n e t s
a r r a n g e d i n a p a r a l l e l f l u x c i r c u i t
;
FIG. 4 shows
a
d e v i c e
f o r
a s s u r i n g
t h a t
t h e
e l e c t r o
m a g n e t
f l u x w i l l b e e q u a l i n m a g n i t u d e t o
t h a t
o f a
c o m p a r a b l e p e r m a n e n t m a g n e t ;
F I G .
5 shows a s t a t i c d e v i c e f o r i l l u s t r a t i n g
t h e p r i n
c i p l e o f t h e typeof
m o t o r
w i t h
w h i c h
t h e p r e s e n t im
p r o v e m e n t i n v e n t i o n i s
c o n c e r n e d ;
FIG. 6 shows i n s c h e m a t i c form a
motor
o f t h e t y p e
w i t h w h i c h t h e p r e s e n t i n v e n t i o n i s c o
n c e r n e d ;
FIGS.
7 - 9
show
t h e
motor
o f
FIG. 6
i n
v a r i o u s s t a g e s
o f t h e o p e r a t i n g c y c l e ;
FIG. 1 0
shows a motor
o f
t h e
t y p e shown
i n
FIG.
6
w h e r e i n
m u l t i p l e
r o t o r / s t a t o r p a i r s
a r e
p r o v i d e d
a l o n g
a s i n g l e
s h a f t ;
F I G . 1 1 s h o w s
i n
s c h e m a t i c f o r m t h e i m p r o v e m e n t
a c c o r d i n g t o
t h e p r e s e n t i n v e n t i o n , w h e r e i n c a p a c
i t o r s
a r e p r o v i d e d
i n t h e c o i l c i r c u i t
f o r t e m p o r a r i l y s t o r i n g
e n e r g y d u r i n g a p o r t i o n o f t h e o p e r a t i
n g c y c l e ;
F I G . 1 2 shows g r a p h i c a l l y t h e i n c r e a s e d
m o t o r
e f f i
c i e n c y o b t a i n a b l e
w i t h
t h e r e s o n a n t c i r c u i t
o f
t h e p r e
sent invention; a n d
F I G . 1 3 shows t h e o u t p u t f o r c e o b t a i n e d f
r o m t h e
r o t o r s h a f t o f t h e motor FIGS. 6
and
1 1
DESCRIPTION OF THE PREFERRED
EMBODIMENTS
R e f e r r i n g
now n
g r e a t e r d e t a i l t o
t h e
d r a w i n g s ,
FIG.
1 shows
a
magnet M n
c o n t a c t
w i t h two i r o n
a r m a t u r e s
P1 and P 2 . At t h e e x t r e m e e n d s A nd B o f a r m a t
u r e s
1 5
20
2 5
3 0
3 5
4 0
4 5
50
5 5
6 5
2
P 1
a n d
P 2 , r e s p e c t i v e l y ,
t h e m a g n e t i c
p o l e o f t h e
mag
n e t
m a n i f e s t s i t s e l f
a n d i s
c a p a b l e
o f
a t t r a c t i n g
a n d
s u p
p o r t i n g a g a i n s t t h e f o r c e
o f
g r a v i t y a f e r r o m a g n e t i c
k e e p e r K
i t h a
w e i g h t
X .
I f
a n i r o n p i e c e I i s i n t r o
d u c e d b e t w e e n t h e i r o n
a r m a t u r e s
P1 a n d P2
t o
c l o s e
t h e
m a g n e t i c c i r c u i t a s i n FIG. 2 ,
t h e
l i n e s o f a t t r a c t i o n
o f
t h e
v m a g n e t
w i l l
f o l l o w
t h e
p a t h
i n d i c a t e d
by
t h e
a r r o w s ,
t h e r e b y f o r m i n g
a
t o r o i d o r c l o s e d m a g n e t i c
? u x ' c i r c u i t . T h i s w i l l r e s u l t i n no m a g
n e t i c a t t r a c t i o n a t
, t h e e n d s
A nd
B o f
t h e i r o n
a r m a t u r e s
P1
and
P 2 .
I f a
k e e p e r
K
s
n o w
p l a c e d a c r o s s e n d s
A
nd
B ,
t h e arma
t u r e s w i l l n o t b e a b l e
t o
s u p p o r t t h e k e e p e r s
w e i g h t
X .
I n f a c t ,
t h e
a r m a t u r e
w i l l
s u p p o r t a maximum
w e i g h t
o f
p e r h a p s X/ 0 0 , d e p e n d i n g o f c o u r s e o n t h
e
p r e c i s i o n
o f
t h e a p p a r a t u s .
E x p e r i m e n t a l
o b s e r v a t i o n s
made b y
t h e
i n v e n t o r h a v e
e s t a b l i s h e d t h a t f o r a l l p r a c t i c a l p u
r p o s e s
t h e ?ux f o r c e
o f
t h e m a g n e t
i s s h u n t e d
by t h e
i n t r o d u c
t i o n o f i r o n
p i e c e I a s d e s c r i b e d
above w i t h
r e s p e c t
t o
F I G .
2 a n d t h e p o l e p i e c e s w i l l h a v e n o a p p r e
c i a b l e
a t t r a c t i o n toward
a
k e e p e r .
The
a r r a n g e m e n t ' o f
FIG.
3
i s
s i m i l a r t o t h at
o f
FIG.
2
e x c e p t t h a t t h e
i r o n
b a r
I
o f
FIG. 2 h a s
b e e n
r e p l a c e d
b y p e r m a n e n t m a g n e t M2 a n d i s i n p a r a l l e
l w i t h t h e
m a g n e t
M 1 .
The
m a g n e t o m o t i v e f o r c e (MMF) o f mag
n e t M1 s t h e same a s t h a t o f magnet M2 n d , i n
t h i s
c a s e , t h e p o l a r i t i e s o f
m a g n e t s M1
nd
M2
r e a l i g n e d
s o
t h a t t h e
m a x w e l l s
( m a g n e t i c
? u x e s ) a r e a d d i t i v e ,
r e s u l t
i n g
i n a s o u t h p o l e
a p p e a r i n g
a t e n d A f a r m a t u r e P1
a n d a
n o r t h
p o l e
a p p e a r i n g a t
end B o f a r m a t u r e P 2 .
H o w e v e r , t h e
m a g n e t i c f l u x
d e n s i t y a t p o l e s A
n d
B
s
d o u b l e
t h a t
o f t h e
a r r a n g e m e n t
o f FIG.
.
That
s
t o s a y ,
t h e
number
o f
g a u s s e s
a t
t h e
e n d s
A
nd B
o f
t h e
arma
t u r e s P1
and
P 2 a r e t w i c e t h e v a l u e s f o r t h e FIG. 1
a r r a n g e m e n t . I t
i s
t o
b e
u n d e r s t o o d t h a t t h e a r m a t u r e s
P1
and
P2
have been
d i m e n s i o n e d
s o
t h a t
s a t u r a t i o n
o f
t h e
a r m a t u r e
m a t e r i a l
w i l l
n o t b e
r e a c h e d u n d e r t h e
c o n d i t i o n s i l l u s t r a t e d h e r e i n .
C o n f o r m i n g
t o t h e l a w s o f
m a g n e t i c a t t r a c t i o n , t h e a r r a n g e m e n
t o f F I G . 3
w i l l
s u p p o r t t h e o r e t i c a l l y
a
k e e p e r
K1 h a v i n g a
w e i g h t
4X
b e c a u s e t h e a t t r a c t i o n
o f
t h e k e e p e r
t o
a r m a t u r e
e n d s
A
a n d
B n c r e a s e s
w i t h
t h e
s q u a r e
o f t h e r a t i o
o f
m a g n e t i c
? u x
d e n s i t y .
FIG.
4 shows
t h e
a r r a n g e m e n t OF
FIG.
2 w i t h
t h e
m a g n e t M1 removed a n d w i t h i r o n b a r I
h a v i n g
a c o i l
wound
around
i t . T h i s c i r c u i t i s a l s o p r o v i d e d w i t h
a
v a r i a b l e
r e s i s t o r R , an ammeter A nd a v o l t m e t e r V, a
power
s o u r c e
S and a s w i t c h
SW.
When w i t c h SW s
c l o s e d
t h e
c u r r e n t f l o w s
t h r o u g h
t h e c o i l
and
t h e c o r e I
i s m a g n e t i z e d . The c u r r e n t ?ows s o
t h a t
t h e p o l a r i t y o f
t h e i r o n b a r I i s a l i g n e d w i t h
t h a t shown f o r t h e
m a g n e t
M f FIG.
2 .
The
r e s i s t o r
R n FIG. 5 i s r e g u l a t e d s o a s
t o o b t a i n t h e same a t t r a c t i o n f o r c e a t t h
e e n d s A nd B
o f t h e a r m a t u r e s P1 and
P2
a s was produced b y t h e
magnet
M
f FIG. 2 .
T h u s ,
t h e FIG.
4 a r r a n g e m e n t w i l l
s u p p o r t a
k e e p e r
K f w e i g h t
X .
Once t h i s h a s b e e n
a c h i e v e d , t h e a m p e r a g e a n d v o l t a g e r e
a d i n g s o f t h e
ammeter A and t h e v o l t m e t e r V r e s p e c t i v e l y
, a r e
t a k e n . I n one a c t u a l
t e s t
t h e v a l u e s
measured by
t h e
i n v e n t o r were
0 . 8
amps
a n d 1 0 v o l t s , r e s p e c t i v e l y .
I n FIG. 5 t h e magnet M s
once
a g a i n
i n t r o d u c e d
between t h e a r m a t u r e s P1
a n d P 2 . S w i t c h SW
s i n
t h e
open
p o s i t i o n
a n d
s i n c e t h e r e
i s
no
c u r r e n t
?owing
t h r o u g h t h e c o i l a r o u n d t h e
i r o n
c o r e I t h e r e s u l t i s t h e
s am e one a s wa s d e s c r i b e d above with regard t o FIG.
2 .
T h i s i s t o s a y ,
a
c l o s e d m a g n e t i c
?ux
c i r c u i t i s p r o d u c e d
by t h e
d e v i c e
o f
FIG. 5
w i t h
s w i t c h
SW
p e n . At t h e
e n d s A
nd
B o f t h e a r m a t u r e s P1 a n d P2 t h e r e i s t h e r
e
f o r e n o a p p r e c i a b l e m a g n e t i c a t t r a c t
i o n .
-
8/10/2019 Us 4064442 Motor KePpe
6/8
4 , 0 6 4 , 4 4 2
3
Whe n t h e s w i t c h SW f
FIG.
5 i s c l o s e d ,
c u r r e n t
w i l l
?ow t h r o u g h
t h e
m a g n e t i z i n g c o i l o f c o r e I
and
a n
MMF i l l be produce d
i n
t h e c o r e I
which h a s
t h e same
m a g n i t u d e a s t h e MMF
f magnet M.
S i n c e t h e p o l a r i t y
o f
m a g n e t i z e d
c o r e
I i s a l i g n e d w i t h
t h e p o l a r i t y o f
magnet
M n
FIG.
5 ,
t h e
r e s u l t
i s t h e
same
a s
t h a t d e
s c r i b e d above w i t h r e s p e c t
t o FIG.
.
At t h e e n d s
A nd
B o f
t h e
a r m a t u r e s P1
a n d
P2
t h e
magnet
f l u x d e n s i t y
( i n
g a u s s e s ) w i l l
b e d o u b l e t h a t
o f
m a g n e t
M r m a g n e t i z e d
c o r e
I
t a k e n a l o n e .
T h e r e f o r e ,
t h e m a g n e t i c
f o r c e
a t
e n d s
A
a n d
B
o f
p o l e s P 1 a n d
P2 w i l l
t h e o r e t i c a l l y
s u p p o r t
a
k e e p e r K 1 o f w e i g h t 4 X .
I n a c t u a l t e s t s con
d u c t e d by
t h e
i n v e n t o r
i t
was f o u n d t h a t a k e e p e r o f
weight 3.3X - 3.5X was
s u p p o r t e d
b y t h e
d e v i c e .
The
l o w e r
v a l u e i s a t t r i b u t e d t o i n a c c u r a c y o
f
measurement
a n d
i m p r e c i s i o n o f t h e
c o m p o n e n t s .
Even
w i t h t h e s e
e x p e r i m e n t a l r e s u l t s
i t
c a n b e
s e e n
t h a t
t h e w e i g h t
w h i c h i s s u p p o r t e d b y t h e a p p a r a t u s
o f
F I G .
5
w i t h
s w i t c h SW l o s e d i s g r e a t e r t h a n t h e s u m o
f t h e w e i g h t s
w h i c h c o u l d
b e
s u p p o r t e d b y m a g n e t M r m a g n e t i z e d
c o r e
I
s t a n d i n g
a l o n e .
The
f o r e g o i n g
d i s c u s s i o n i l l u s t r a t e s t h e
f o l l o w i n g
p r i n c i p l e s w i t h
r e s p e c t
t o t h e a r r a n g e m e n t o f F I G . 5 :
1 . With s w i t c h
SW l o s e d
and a
m a g n e t i z i n g c u r r e n t
t h r o u g h
t h e
c o i l
o f c o r e
I
p r o d u c i n g
a ?ux e q u a l t o
t h a t
o f m a g n e t M, a n a t t r a c t i o n f o r c e
o f 3 - 4
t i m e s t h a t p o s s i
b l e
w i t h m a g n e ti z e d
c o r e I s t a n d i n g a l o n e
i s o b t a i n e d .
T h i s
s i g n i ? c a n t
i n c r e a s e i n m a g n e t i c
a t t r a c t i o n f o r c e i s
a r e s u l t o f
t h e
c o n t r i b u t i o n o f magnet M.
2 . With s w i t c h SW open t h e ?ux o f
magnet
M s
s h u n t e d t h r o u g h
t h e
n o n - m a g n e t i z e d
c o r e I
a n d
t h e
magnetic
a t t r a c t i o n of t h e p o l e p i e c e s
toward
an e x t e r
n a l
body s s u b s t a n t i a l l y z e r o .
F I G . 6 s h o w s a m o t o r u t i l i z i n g t h e p r i n
c i p l e s
e s t a b
l i s h e d
above w i t h r e s p e c t t o
FIGS
The
r o t o r
i s c o m
p o s e d o f a p e r m a n e n t m a g n e t M2, a r m a t u r
e s
P 1 a n d
P 2 , a n d f e r r o m a g n e t i c
c o r e
I 2 h a v i n g a m a g n e t i z i n g
c o i l .
The
r o t o r i s mounted f o r
r o t a t i o n
with a s h a f t and
r o t a t e s ,
f o r e x a m p l e , i n t h e c l o c k w i s e d i r e c t i
o n when
t h e
motor i s o p e r a t i n g .
W h e n
no c u r r e n t ?ows i n t h e
m a g n e t i z i n g c o i l
o f c o r e 1 2 , t h e m a g n e t i c f l u x o f m a g n e
t
M2 s s h o r t
c i r c u i t e d s o a s t o form
a c l o s e d
magnetic
f l u x
c i r c u i t .
There s t h e r e f o r e
no m a n i f e s t a t i o n o f m ag
n e t i c
p o l e i n
P 1 a n d P 2 .
The motor s t a t o r i n FIG. 6 i s
composed
o f
a perma
n e n t magnet M1, a r m a t u r e s P1
and
P2
and i r o n
b a r I 1
h a v i n g a
m a g n e t i z i n g c o i l . The
s t a t o r m a g n e t ,
c o r e and
a r m a t u r e
p i e c e s a r e
r i g i d l y
c o n n e c t e d
t o t h e
f r a m e
o f
t h e m o t o r . When no c u r r e n t
i s
s u p p l i e d t o t h e
c o i l
o f
c o r e 1 1 t h e
m a g n e t i c
f l u x from magnet M1 becomes
s h o r t c i r c u i t e d , f o r m i n g a c l o s e d m a g
n e t i c f l u x
c i r c u i t .
There w i l l
t h e r e f o r e
b e no m a n i f e s t a t i o n o f m a g n e t i c
p o l e i n a r m a t u r e s P1 a n d P2 a n d t h e
u p p e r p a r t s o f
t h e
a r m a t u r e s
P1 and P 2 a d j a c e n t t h e r o t o r
w i l l
n o t e x e r t a
f o r c e
o n
t h e
r o t o r .
I t w i l l
be
s e e n
t h a t whe n
no
c u r r e n t
p a s s e s t h r o u g h t h e r o t o r a n d s t a t o r c o
i l s , t h e r o t o r w i l l
b e
a l l o w e d
t o r o t a t e f r e e l y
on
i t s
s h a f t .
For c o n v e n i e n c e , t h e power s u p p l y a n d
c o m m u t a t o r
s w i t c h e s
f o r t h e c o i l s
o f c o r e s
I 1 and I 2 a r e n o t shown.
I t w i l l b e u n d e r s t o o d t h a t t h e c u r r e n t
s u p p l i e d t o t h e
c o i l
o f c o r e I 1 i s t h a t n e c e s s a r y t o m a k e t h e
MMF f I 1
a p p r o x i m a t e l y e q u a l
t o t h a t
o f
m a g n e t
M 1 .
S i m i l a r l y
t h e
c u r r e nt s u p p l i e d
t o t h e c o i l o f c o r e I 2 i s o n l y
t h e
amount
n e c e s s a r y t o
make
t h e
MMF
f
I 1
a p p r o x i m a t e l y e q u a l
t o t h a t o f magnet
M2. The commutator s w i t c h e s
m a y e
o f a n y
c o n v e n t i o n a l t y p e
known
i n
t h e a r t a n d
t h o s e
s k i l l e d i n
t h e
a r t w i l l r e a d i l y
u n d e r s t a n d how
t o
con
4
s t r u c t s u c h commutators i n view o f
t h e
d i s c u s s i o n
which
fo llows b e l o w .
3 0
4 5
Whe n
t h e commutator s w i t c h i s c l o s e d ,
c u r r e n t
w i l l
?ow
h r o u g h b o t h t h e
r o t o r and
t h e s t a t o r c o i l s
a n d ,
a t
t h e s a m e
t i m e , m a g n e t i c
p o l e s w i l l a p p e a r i n b o t h t h e
r o t o r and s t a t o r
armatures
a s sh own i n
FIG.
7 .
Of
c o u r s e , a m a g n e t i c r e p u l s i o n o f
l i k e
p o l e s w i l l o c c u r
a s
i n d i c a t e d b y t h e a r r o w s .
The
r e p u l s i o n f o r c e s a r e t h e
same t b o t h s i d e s o f
t h e
s h a f t , b u t i n o p p o s i t e
d i r e c t i o n ,
s o
t h a t
t h e y a r e a n n u l l e d
and
no t o r q u e w i l l
be
pro
d u c e d upon t h e s h a f t . I f t h e
r o t o r
i s r o t a t e d s l i g h t l y i n
t h e c l o c k w i s e d i r e c t i o n , t h e n t h e s o u
t h p o l e o f t h e r o t o r
w i l l
b e r e p e l l e d b y t h e s o u t h
p o l e
o f t h e
s t a t o r
a n d
a t t h e
same
t i m e
a t t r a c t e d
by
t h e
n o r t h p o l e o f
t h e s t a t o r .
S i m i l a r l y , t h e n o r t h p o l e o f t h e
r o t o r
w i l l
b e
r e p e l l e d
b y
t h e n o r t h p o l e o f t h e s t a t o r
a n d
e q u a l l y a t t r a c t e d b y t h e
s o u t h
p o l e
o f t h e s t a t o r , t h e r e b y
p r o d u c i n g a
t o r q u e
i n
t h e
c l o c k w i s e d i r e c t i o n
on
t h e r o t o r s h a f t .
I t can t h u s be
deduced t h a t t h e f o r c e a c t i n g t o t u r n
t h e
r o t o r when
t
i s i n t h e p o s i t i o n
o f
FIG.
7 i s z e r o
and
t h i s
f o r c e i n
c r e a s e s
u n t i l
t h e r o t o r r e a c h e s t h e
p o s i t i o n
i n d i c a t e d
i n
FIG.
8 . The r o t a t i o n a l
f o r c e
a c t i n g
on
t h e r o t o r i s a p
p r o x i m a t e l y p r o p o r t i o n a l t o
t h e s i n e
o f t h e
a n g l e
o f
r o t a t i o n f r o m FIG.
7
t o FIG. , a n d t h i s i s shown g r a p h
i c a l l y
i n F I G . 1 3 .
FIG. 9
i n d i c a t e s
a s i m i l a r c o n d i t i o n
t o
t h e
one shown
i n F I G . 7 , t h e d i f f e r e n c e b e i n g t h a t a t
b o t h e n d s o f
t h e
r o t o r
an
a t t r a c t i o n f o r c e e x i s t s toward
t h e
s t a t o r arm a
t u r e s .
Because
t h e f o r c e s
i n FIG.
9 a r e a c t i n g i n
oppo
s i t e
d i r e c t i o n s
no t o r q u e w i l l
b e
produced on
t h e
s h a f t
s i n c e
t h e
f o r c e s
c a n c e l
e a c h o t h e r .
The
r e s u l t a n t f o r c e
o n the
s h a f t
i s therefore z e r o . When the rotor reaches
t h e
p o s i t i o n
i n d i c a t e d i n
FIG.
9 t h e
commutator
s h u t s
o f f t h e c u r re n t s i m u l t a n e ou s l y i n
t h e r o t o r a n d
t h e s t a t o r
c o i l s , l e a v i n g
b o t h
t h e r o t o r a n d t h e s t a t o r
w i t h
c l o s e d
m a g n e t i c ?ux
c i r c u i t s
h a v i n g n o e x t e r n a l m a g n e t i c e f
f e c t . I n e r t i a o f t h e
r o t o r
w i l l t h e n
c a u s e
i t t o
r o t a t e
f r e e l y
u n t i l i t a g a i n
r e a c h e s
t h e p o s i t i o n
i n d i c a t e d
i n
F I G . 7 . When t h e r o t o r i s
s l i g h t l y
p a s t t h e p o s i t i o n
o f
FIG.
7
t h e
commutator once
a g a i n s u p p l i e s
c u r r e n t t o
b o t h
t h e
r o t o r a n d
t h e
s t a t o r
c o i l s
a n d
t h e c y c l e
r e p e a t s
i t s e l f .
I t can
be s e e n
from
t h i s d e s c r i p t i o n o f FIGS.
7-9
t h a t
t h e r o t o r a n d t h e
s t a t o r
r e c e i v e
c u r r e n t o n l y d u r i n g 1 8 0
of
each r e v o l u t i o n .
I f two r o t o r s a r e
p o s i t i o n e d on
t h e
s a m e s h a f t , each one with
i t s
own s t a t o r a s
s h o w n
i n
FIG.
1 0 , t h e y c a n be a r r a n g e d s o
t h a t
when
one r o t o r /
s t a t o r
p a i r
i s
a c t i v a t e d
t h e
o t h e r
r o t o r / s t a t o r p a i r
i s
i n
t h e c l o s e d m a g n e t i c
?ux
s t a t e .
Rotor
A s 1 8 0
o u t
o f
p h a s e w i t h r o t o r B a s i n d i c a t e d ,
s o
t h a t when
t h e
s h a f t
i s
i n
t h e p o s i t i o n
s h o w n ,
t h e c o i l s o f
11A
a n d
12A
h a v e
j u s t b e e n
s w i t c h e d
o f f
by
t h e
commutator a n d
t h e
c o i l s
o f
HE
n d 1 2 B ( n o t s h o w n ) h a v e b e e n
s w i t c h e d on by
t h e c o m m u t a t o r .
W h e n
t h e
s h a f t o f FIG. 1 0 h a s
r o t a t e d
an a d d i t i o n a l
9 0 ,
r o t o r
B
and s t a t o r
B
w i l l
have
t h e
m a g n e t i c p o l e s a s shown i n FIG.
8
w h i l e r o t o r A n d
s t a t o r A i l l b e i n
t h e c l o s e d m a g n e t i c
f l u x
s t a t e .
S i m i
l a r l y ,
a l a r g e r number o f r o t o r / s t a t o r p a i r s
c a n b e
a r
r a n g e d i n s p a c e d r e l a t i o n on a s i n g l e
motor s h a f t
s u c h
t h a t t h e
power
s u p p l i e d t o t h e
s h a f t
i s s u b s t a n t i a l l y
c o n s t a n t t h r o u g h t h e e n t i r e
3 6 0
o f r o t a t i o n . For exam
p l e ,
i f
1 8 r o t o r /
t a t o r p a i r s
a r e p r o v i d e d , a r o t o r
w i l l
b e
p o s i t i o n e d a t e a c h 2 0 i n c r e m e n t a r o u n
d
t h e s h a f t .
Power
m a y b e
s u p p l i e d
t o
e a c h
r o t o r / s t a t o r p a i r
o v e r
1 8 0
o f t h e r o t o r s
r o t a t i o n
o r , p r e f e r a b l y m a y
b e
s u p
p l i e d o n l y
d u r i n g
a p o r t i o n
o f
s u c h 1 8 0 p e r i o d . F o r
e x a m p l e , a
m o t o r
h a v i n g
1 8 r o t o r / st a t o r p a i r s m ay h a v e
-
8/10/2019 Us 4064442 Motor KePpe
7/8
power s u p p l i e d t o .
e a c h p a i r o v e r 2 0
o f t h e
t o t a l
3 6 0
o f
one
s h a f t r e v o l u t i o n .
The i n v e n t o r h a s f o u n d
t h a t
t h e e f f i c i e n c y o f t h e
m o t o r
d e s i g n d e s c r i b e d a b o v e a n d
h a v i n g
p e r m a n e n t
m a g n e t s
i n
t h e
m a g n e t i c
f l u x
c i r c u i t
i s
s i g n i ? c a n t l y
g r e a t e r
t h a n
t h a t f o r
a s i m i l a r
motor which u t i l i z e s o n l y
t h e e l e c t r o m a g n e t s , w i t h o u t
r e l y i n g o n
t h e
p e r m a n e n t
m a g n e t s
f o r
p a r t o f t h e
e f f e c t i v e
f l u x .
The
e f ? c i e n c y
may b e
f u r t h e r
i m p r o v e d , h o w e v e r , b y t h e
a d d i t i o n
o f
c a p a c i t o r s
t o t h e e l e c t r o m a g n e t c o i l c i r c u i t a
s
shown
i n
FIG.
I l l . Each
r o t o r o r
s t a t o r
c o i l
i s p r o v i d e d w i t h
i t s
own
a p a c i t o r t o
form a r e s o n a n t c i r c u i t .
I t i s w e l l
k n o w n
t h a t when a n i n d u c t a n c e i s con
n e c t e d i n a c i r c u i t o f a l t e r n a t i n g
c u r r e n t
t h e
c u r r e n t
w i l l
l a g
b y
9 0
w i t h
r e s p e c t t o
t h e
v o l t a g e ( n e g l e c t i n g t h e
r e s i s t i v e v a l u e
o f t h e
i n d u c t a n c e ) , and
t h a t
when a c a
p a c i t o r i s c o n n e c t e d
i n a
c i r c u i t
o f
a l t e r n a t i n g
c u r r e n t
t h e
c u r r e n t l e a d s b y
9 0
w i t h
r e s p e c t
t o
t h e v o l t a g e
( n e g l e c t i n g
c u r r e n t
l o s s e s
i n t h e c a p a c i t o r ) . I n o t h e r
w o r d s , t h e
i n d u c t i v e
and c a p a c i t i v e e f f e c t s a r e
t h e
same
b u t
a r e
1 8 0 o u t o f
p h a s e .
The power
drawn
by a n a l t e r n a t i n g c u r r e n t c i r c u i t i n
which
t h e c u r r e n t
i s o u t
o f
p h a s e
r e l a t i v e t o t h e
v o l t a g e
c an be c a l c u l a t e d
a s f o l l o w s :
Where:
Cos b
= h e a n g l e
by
which c u r r e n t
l a g s w i t h r e s p e c t
t o v o l t a g e. The v a l u e o f t h e c o s i n e ; c a n v
a r y
f r o m 0 t o
1 .
I f t h e v a l u e r e a c h e d z e r o ; t h e power
consumed by
t h e
c i r c u i t
would
b e
z e r o
( i m p o s s i b l e i n p r a c t i c e ) . B u t i f
t h e
c o s d ) = , t h e n t h e power c on s ume d i s :
The
c o n d i t i o n
when
c o s d )
= i n a r e a c t i v e c i r c u i t i s
c a l l e d r e s o n a n c e
a n d ,
when p r e s e n t ,
i t c a u s e s t h e
counter
EMF
t o
be
a n n u l l e d .
I f
t h e
c o i l r e s i s t a n c e
i s
s m a l l
t h e
i n s t a n t a n e o u s
c u r r e n t
w i l l
a t t a i n
e x t r e m e l y h i g h
v a l u e s . S i m i l a r l y , t h e
v o l t a g e
a c r o s s
t h e
c a p a c i t o r s w i l l r e a c h a
m u ch
h i g h e r v a l u e
t h a n t h a t
o f
t h e a p p l i e d
v o l t a g e
s o u r c e
d e p e n d i n g
on t h e
Q
a c t o r
o f t h e c o i l s . The Q
a c t o r
i s g i v e n b y :
Where:
X
=
nductive reactance of
the
c o i l s
R
=
e s i s t a n c e
o f
the
coils
The
v a l u e
o f
Q
n a g i v e n c o i l c a n b e
i n c r e a s e d by
r e
d u c i n g t h e
r e s i s t a n c e o f
t h e
c o i l o r
b y i n c r e a s i n g
t h e
d i a m e t e r o f t h e w i r e .
The o l t a g e
E , a c r o s s e a c h c a p a c i
t o r
i s
g i v e n
b y :
W h e r e :
E
s
t h e a p p l i e d
v o l t a g e
I f a 2 4 v o l t
s u p p l y i s
connected t o a c i r c u i t
o f
t h e
t y p e
shown i n FIG.
I 2
w i t h a f a c t o r Q =
,
t h e n t h e
v o l t a g e
a c r o s s t h e c a p a c i t o r s i s 1 2 0 v o l t s . For
t h e
same
c i r c u i t ,
i f t h e a p p l i e d v o l t a g e i s 2 4 v o l t s a n d t
h e c o i l r e s i s t a n c e
i s
1
ohm,
t h e
o s c i l l a t i n g
c u r r e n t
w i l l
b e 2 4
amps
FIG.
I l l
shows
t h a t
w i t h
s w i t c h SW
n p o s i t i o n
I t h e
s t a t o r E and t h e r o t o r B e c e i v e c u r r e n t
from t h e b a t
t e r y
a n d t h e i r r e s p e c ti v e c a p a c i t o r s w i l l b
e
c h a r g e d
w h i l e r o t o r A .
and
s t a t o r
A
r e i n
c l o s e d
c i r c u i t t h r o u g h
s w i t c h SW. I f s w i t c h SW s moved
t o
p o s i t i o n I I t h e
r o t o r
A nd
t h e
s t a t o r A i l l
r e c e i v e
c u r r e n t from t h e
1 5
2 5
3 5
4 0
4 5
5 5
6 5
4 , 0 6 4 , 4 4 2
6
b a t t e r y
a n d
t h e i r
r e s p e c t i v e c a p a c i t o r s
w i l l
b e
c h a r g e d ;
s t a t o r
B and r o t o r . B a r e
now
n c l o s e d c i r c u i t through
s w i t c h SW a n d
t h e i r
r e s p e c t i v e c a p a c i t o r s w i l l
d i s
c h a r g e ,
p r o d u c i n g i n t h e c o i l s o f t h e r o t o r
a n d
t h e s t a t o r
a
c u r r e n t
f l o w i n
t h e o p p o s i t e
d i r e c t i o n a s t h a t r e c e i v e d
f r o m t h e b a t t e r y .
I n
a
motor
o f
t h e
t y p e
shown
i n
FIG.
6
and
con
s t r u c t e d w i t h r e l a t i v e l y c l o s e t o l e r
a n c e s a n d
h a v i n g
a
s m a l l
a i r
gap between
r o t o r
and
s t a t o r , b u t
having no
r e s o n a n t c i r c u i t , h i g h v a l u e s o f
c o u n t e r EMF
e s u l t a n d
t h e
v a l u e o f
t h e
c o u n t e r
EMF
n c r e a s e s w i t h
t h e
s h a f t
s p e e d
a s i n a n y
s t a n d a r d m o t o r . U n l e s s
a
h i g h enough
v o l t a g e i s s u p p l i e d t o t h e
c o i l , t h i s
l a r g e
c o u n t e r
EMF
v a l u e w i l l p r e v e n t t h e
c u r r e n t
t h r o u g h
t h e c o i l f r o m
r e a c h i n g a
h i g h
e n o u g h v a l u e t o g i v e t h e
e l e c t r o m a g n e t
a f l u x a p p r o x i m a t e l y e q u a l t o t h a t o f t
h e
p e r m a n e n t
m a g n e t . The
? u x e s
o f
t h e
e l e c t r o m a g n e t
a n d
p e r m a n e n t
m a g n e t m u s t
b e o f
r o u g h l y t h e
same
m a g n i t u d e
f o r
t h e
d e s i r e d i n c r e a s e i n e f ? c i e n c y t o
r e s u l t .
What t h e r e s o
n a n t c i r c u i t o f F I G . 1 1 d o e s
i s
t o
u s e
t h e
l a r g e v a l u e o f
power s t o r e d i n t h e
c i r c u i t
t o g i v e t h e
e l e c t r o m a g n e t
t h e same
f l u x a s
t h a t
o f
t h e
permanent
magnet
w i t h o u t
r e q u i r i n g a d d i ti o n a l power ( o r g r e a t e r v
o l t a g e t o o v e r
c o m e t h e c o u n t e r
EMF)
from t h e power
s o u r c e .
N a t u r a l l y ,
t h e s w i t c h i n g
f r e q u e n c y
o f SW n F I G . ' 1 1
h a s
t o
b e a p p r o x i m a t e l y e q u a l t o t h e r e s o n a n
t f r e q u e n c y
o f
t h e c i r c u i t . T h i s
r e q u i r e s
t h a t
t h e
s h a f t
s p e e d b e
h e l d
n e a r l y
c o n s t a n t
s o
t h a t t h e
s h a f t - m o u n t e d
commutator
w i l l
s w i t c h
a t
t h e
r e s o n a n t fr e q u e n c y ,
o r
t h a t
t h e r e s o
n a n t f r e q u e n c y o f t h e c i r c u i t b e m o d i ?
a b l e t o c o i n c i d e
w i t h
t h e
s h a f t s p e e d .
Those
k i l l e d i n
t h e
a r t w i l l r e c o g
n i z e t h a t
a v a r i a b l e c a p a c i t a n c e
m a y be u s e d t o
match
t h e
r e s o n a n t
f r e q u e n c y o f t h e c i r c u i t
t o
t h e
p r e v a i l i n g
l o a d
s o t h a t
optimum
e f f i c i e n c y c a n b e
m a i n t a i n e d
a t
a l l
t i m e s .
The
i n c r e a s e d e f f i c i e n c y c a n be s e e n from
t h e
f o l l o w
i n g t e s t d a t a which was o b t a i n e d by t h e i n v e
n t o r i n a s e t
o f e x p e r i m e n t s
on
a p r o t o t y p e motor o f
t h e
t y p e d e
s c r i b e d h e r e i n . The v a l u e s
g i v e n
a r e a t
t h e
m a x i m u m
r a t e d c a p a c i t y .
V
n
I
i n
F
Speed
TEST v o l t s amps oz
rpm
I MOTOR WITHOUT PERMA
NENT
MAGNETS. AND
WITHOUT
RESONANT
CIRCUIT 8 . 8 9 . 8
5
400
I I MOTOR
WITH
PERMANENT
MAGNETS,
AND
WITHOUT
RESONANT C I R C U I T l 0 9 1 2
4 0 0
I I I MOTOR WITH
PERMANENT
MAGNETS AND WITH
RESONANT C I R C U I T
1 6 . 5
4 . 5 8 8 0 0
The same
p r o t o t y p e
motor
was
u s e d i n a l l
t h r e e
t e s t s ,
t h e c a p a c i t o r s o f t h e r e s o n a n t c i r c u i
t b e i n g b y p a s s e d
f o r
t e s t s
w i t h o u t t h e
r e s o n a n t
c i r c u i t and t h e permanent
m a g n e t s b e i n g r e m o v a b l e f r o m
t h e
r o t o r . T h i s
p r e
v e n t e d minor s t r u c t u r a l v a r i a t i o n s ( s u
c h a s a i r gap t o l e r
a n c e )
from
h a v i n g
any
e f f e c t on
t h e
d a t e
from
t e s t t o
t e s t .
From
t h e
t e s t
d a t a g i v e n
above
which was
o b t a i n e d
a t
m a x i m u m r a t e d
c a p a c i t y
o f t h e m o t o r , a n d
t h e f o l
l o w i n g
f o r m u l a s :
ELECTRICAL POWER INPUT =
1 , .
- 1 , . x
, ,
( w a t t s = o l t s
> < amps)
MECHANICALPOWEROUTPUT
=
PM
=
FX
r X
2
X rev/sec
-
8/10/2019 Us 4064442 Motor KePpe
8/8
4 , 0 6 4 , 4 4 2
7
8
Where r = i s t a n c e from t h e c e n t e r o f t h e
motor
s h a f t
o f
s a i d
r o t o r assembly
and s a i d s t a t o r
assembly
c o m
t o
t h e p o i n t o f a p p l i c a t i o n o f f o r c e
F .
- p r i s e s
a
f e r r o m a g n e t i c c o r e , a
c o i l
wrapped around s a i d
OVERALL EFF I C I EN CY =
, - , ,
PM X 100% c o r e a n d
a
p e r m a n e n t magnet p o s i t i o n e d f o r h a v i n g i
t s
t h e
f o l l o w i n g c o n c l u s i o n s
c a n b e d r a w n :
?ux
p a t h s h u n t e d t h r o u g h
s a i d
c o r e , when
s a i d c o i l i s
INPUT POWER OUTPUT POWER EFFI
TEST
P i n - w a t t s
P a n - w a t t s
CIENCY
I MOTOR WITHOUT
PERMANENT
MAGNETS,
AND
WITHOUT
RE
SONANT
C I R C U I T
8 5 . 3 2 . 3 2 . 7
I I
MOTOR WITH
PERMANENT
MAGNETS,
ANDWITHOUT
RESONANT C I R C U I T 9 0 . 0 5 . 5 6 . 1
I I I MOTOR WITH
PERMANENT
MAGNETS AND WITH RE
SONANT C I R C U I T 7 4 . 3 7 . 3
9 . 9
As can be s e e n i n t h e
formula
f o r mechanical
power
o u t p u t ,
b o t h t h e t o r q u e ( F
X
r )
a n d t h e v e l o c i t y ( r e v / - d e - e n e r g i z e d
, s u c h t h a t t h e
e f f e c t i v e
e x t e r n a l m a g n e t i c
s e c ) a r e
c o n s i d e r e d .
T h i s i s n e c e s s a r y b e c a u s e t h e f l u x i s s
u b s t a n t i a l l y z e r o ,
a n d
f o r h a v i n g
i t s ?ux a d d i t i v e
t o r q u e o r
v e l o c i t y
a l o n e
h a s
n o
s i g n i ? c a n c e ,
s i n c e t o t h a t o f
t h e
e l e c t r o m a g n e t
f o r m e d
by s a i d c o r e
a n d
t o r q u e
c a n
e x i s t w i t h o u t r o t a t i o n a l m o t i o n . For
com- 2 0 s a i d
c o i l ,
when s a i d c o i l i s
e n e r g i z e d , t o
form m a g n e t i c
m e r c i a l
m o t o r s
d a t a
i s
o f t e n
p r o v i d e d a b o u t t o r q u e
t o p o l e s a l i g n e d
w i t h
t h e
p o l e s
o f
s a i d
p e r m a n e n t
m a g n e t ,
d e t e r m i n e
a t
which
l o a d t h e motor
w i l l s t a r t ,
b u t i t
i s w h e r e i n
t h e m a g n e t i c d e n s i t y o f s a i d
e x t e r n a l
f l u x i s
r e l a t i v e b e c a u s e t h r o u g h a s e r i e s o f g
e a r s t h e l o a d on t h e s u b s t a n t i a l l y d o u b l
e d a s compared t o t h e d e n s i t y
which
s h a f t
c a n
b e v a r i e d .
The
o u t p u t
power
o f
t h e motor
would
r e s u l t from a
s i n g l e one o f s a i d m a g n e t s ; s a i d
c a n n o t be v a r i e d
i n
t h i s m a n n e r . Having c l a r i ? e d t h e se
2 5
motor i n c l u d i n g commutator
s w i t c h
means f o r
a l t e r
c o n c e p t s o f
p o w e r ,
i t i s i m p o r t a n t t o k e e p i n
m i n d
t h a t n a t e l y c o n n e c t i n g e a c h s a i d
c o i l
t o a n d
d i s c o n n e c t i n g
o n l y
t h e
power i n t o
and
power o u t o f t h e motor i s
e a c h
s a i d c o i l
from
a n
e n e r g i z a t i o n
s o u r c e ;
and
e a c h o f
compared
h e r e i n
i n e v a l u a t i n g
e f f i c i e n c y .
s a i d s t a t o r a n d
r o t o r
a s s e m b l i e s
i n c l u d i n g
a
c a p a c i t o r
The e s t s
c o n d u c t e d
by t h e i n v e n t o r i n c l u d e d t h e u s e
c o n n e c t e d i n
s e r i e s
w i t h
e a c h
s a i d c o i l .
o f a
Prony
b r a k e f o r m e a s u r i n g
o u t p u t
p o w e r . Such 3
2 .
The
d e v i c e
o f c l a i m
1 ,
w h e r e i n
t h e
r e s o n a n t f r e
d e v i c e
i s w e l l - k n o w n t o t h o s e s k i l l e d i n t h e a
r t and quency
o f
e a c h c i r c u i t formed
by a
s e r i e s - c o n n e c t e d
f u r t h e r d e s c r i p t i o n i s u n n e c e s s a r y h
e r e . The r e s u l t s o f a c o i l and
c a p a c i t o r
i s s u b s t a n t i a l l y e q u a l t o
t h e
s w i t c h i n g
s e r i e s
o f
t e s t s conducted on t h e
p r o t o t y p e
motor w i t h - f r e q u e n c y
o f
s a i d commutator
s w i t c h
m e a n s .
o u t p e r m a n e n t m a g n e t s
o r
r e s o n a n t c i r c u i t ,
on
t h e 3 .
The
d e v i c e o f
c l a i m 1 ,
w h e r e i n s a i d m o t o r
i n c l u d e s
motor
w i t h p e r m a n e n t m a g n e t s
a n d
w i t h o u t
r e s o n a n t
3 5
a
r o t a t a b l e
s h a f t ,
s a i d
r o t o r
a s s e m b l y
b e i n g
mounted on
c i r c u i t ,
a n d
o n t h e m o t o r w i t h
p e r m a n e n t
m a g n e t s
a n d
s a i d
s h a f t
a n d
w h e r e i n t h e s w i t c h i n g
f r e q u e n c y
o f s a i d
w i t h r e s o n a n t c i r c u i t ,
a r e
shown n C a s e s , I I
and I I
o f commutator
s w i t c h
means
i s
p r o p o r t i o n a l
t o t h e
s p e e d
FIG.
1 2 ,
r e s p e c t i v e l y . Note
t h a t
t h e p e a k
e f f i c i e n c y
o f
o f
r o t a t i o n o f t h e motor s h a f t . .
t h e C a s e I I I a r r a n g e m e n t i s more t h a n t r i
p l e t h a t o f 4 . The d e v i c e o f c l a i m 3 , i n c l u d
i n g means f o r a d j u s t
C a s e I a n d
a b o u t
60%
g r e a t e r
t h a n t h a t o f C a s e I I . 4 0 i n g
a l o a d
a p p l i e d t o s a i d s h a f t , whereby s a i d
commuta
A l t h o u g h t h e
a c t u a l e f f i c i e n c y
v a l u e s o b t a i n e d a r e r e l a -
t o r
s w i t c h i n g
f r e q u e n c y i s
m a i n t a i n e d
a p p r o x i m a t e l y
t i v e l y l o w
i n
c o m p a r i s o n
w i t h c o m m e r c i a l l y
m a n u f a c -
e q u a l t o t h e r e s o n a n t f r e q u e n c y o f e a c
h c i r c u i t f o r m e d
t u r e d m o t o r s , i t
i s
t o
b e n o t e d
t h a t
t h e
v a l u e s
were by a s a i d
s e r i e s - c o n n e c t e d
c o i l
and c a p a c i t o r .
o b t a i n e d from
t e s t s c o n d u c t e d
on a somewhat c r u d e 5 . The d e v i c e o f c l a i m 1
,
i n c l u d i n g
means
f o r a d j u s t
p r o t o t y p e
a n d i n d i c a t e o n l y t h e
r e l a t i v e
i n c r e a s e
i n
4 - 5 i n g t h e
v a l u e o f e a c h s a i d
c a p a c i t o r ,
whereby
t h e r e s o
e f ? c i e n c y
w h i c h s p o s s i b l e
w i t h
t h e i m p r o v e d m o t o r
o f
n a n t
f r e q u e n c y
o f e a c h
c i r c u i t
f o r m e d
by a
s a i d
s e r i e s
t h e
p r e s e n t i n v e n t i o n . c o n n e c t e d
c o i l a n d
c a p a c i t o r
i s
m a i n t a i n e d
a p p r o x i
I
c l a i m :
m a t e l y
e q u a l
t o
t h e commutator
means s w i t c h i n g f r e
1 . An e l e c t r i c
motor c o m p r i s i n g
a t l e a s t one
r o t o r q u e n c y .
a sse m bl y
and a t
l e a s t
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