JP2002516055A - 電気機械を用いて自動車用のけん引制御システムおよび方法 - Google Patents

電気機械を用いて自動車用のけん引制御システムおよび方法

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JP2002516055A
JP2002516055A JP50971197A JP50971197A JP2002516055A JP 2002516055 A JP2002516055 A JP 2002516055A JP 50971197 A JP50971197 A JP 50971197A JP 50971197 A JP50971197 A JP 50971197A JP 2002516055 A JP2002516055 A JP 2002516055A
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electric machine
drive
torque
drive system
slip
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JP50971197A
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English (en)
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マスベルク,ウルリッヒ
ペルス,トーマス
ツェイエン,クラウス・ペーター
グリュンドゥル,アンドレアス
ホフマン,ベルンハルト
Original Assignee
イーエスアーデー・エレクトロニク・ジステームス・ゲーエムベーハー・ウント・コンパニ・カーゲー
グリュンドゥル・ウント・ホフマン・ゲーエムベーハー・ゲゼルシャフト・フュア・エレクトロテクニシェ・エントヴィクルンゲン
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    • B60T1/02Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles acting by retarding wheels
    • B60T1/10Arrangements of braking elements, i.e. of those parts where braking effect occurs specially for vehicles acting by retarding wheels by utilising wheel movement for accumulating energy, e.g. driving air compressors
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
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    • F02B75/06Engines with means for equalising torque
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
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    • F16F15/10Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system
    • F16F15/12Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system using elastic members or friction-damping members, e.g. between a rotating shaft and a gyratory mass mounted thereon
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16FSPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/10Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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Abstract

(57)【要約】 駆動アセンブリ、特に内燃機関(1)と、電気機械(4)とスリップ防止用コントロール手段とを有し、前記(或る)電気機械(4)は、それが特にブレーキ作用によって、及び/又は電気機械(4)がカップリングとして作用するときには、クラッチスリップ作用によって駆動スリップを減少させるように設計された特に自動車用駆動システムである。

Description

【発明の詳細な説明】 電気機械を用いて自動車用のけん引制御システムおよび方法 技術分野 本発明は特に自動車用駆動システムとその動作方法に関する。 背景技術 基本的に、自動車の力の伝達は、即ち自動車の前進運動を行わせる動力伝達は 、タイヤと道路との間の駆動スリップ次第で決まる。一般に、始動過程と加速過 程は低スリップ値で行われ、その間、スリップの増大が、有用なフォースクロー ジャ(force closure、Kraftscluss)の増大を最初に生じさせる。しかしながら 、そのスリップが増大し続けると力のフォースクロージャが再び減少するので、 対応した加速のもとで駆動トルクが過度に大きくなり、それによって、1個又は 複数個の駆動輪の回転速度が急速に上昇することになる。 駆動スリップの調整、即ち、いわゆる駆動スリップコントロール(ASR)は、 駆動輪のそのような空転を防ぎ、駆動スリップを許容値まで落とすように調整す る。そのような駆動スリップコントロールはこの技術分野でよく知られている( 例えば、『自動車ハンドブック』ロバートボッシュ社出版、デュッセルドルフ、 21st.Ed.1991年、555〜559頁参照)。 従来技術における駆動スリップの調整は、駆動スリップが制限値に達した時、 即ち時間との関係で駆動スリップの変化(時間の導関数)が制限値に達した時、 推進モーメントを減少させることによって行われる。駆動トルクの減少は、絞り 弁の調整又は点火時間の調整によるエンジンの調整によって、或いは1個又は1 個以上の車輪ブレーキを動作させることによって行われる。その両手段を組み合 わせることもまた周知である。特に、駆動スリップが第1制限値をこえる時に生 じるエンジン調整に加えて、駆動スリップが第2のより高い制限値に達する時に 車輪ブレーキが動作する。 これら周知の駆動スリップコントロールの欠点は、第1に、エンジンの調整が 遅くて時間がかかることであり、第2に、ドライブスリップの全体的コントロー ルを管理しにくいことである。即ち、駆動トルクの特定の減少を時間との関係で 表すことがほとんど不可能なことである。 発明の開示 本発明は従来、周知の駆動スリップコントロールを変更、改良する技術的問題 に基づく。 この問題は次のような駆動スリップコントロールを有する駆動システムによっ て解決される。即ち、特に、ブレーキ作用によって及び/または電気機械がカッ プリングとして作用する時クラッチのスリップ作用により(駆動アセンブリの) 駆動トルクを減少させることによって駆動スリップを減少させることができるよ うにこの電気機械を設計する(請求項1)のである。 本発明の駆動システムにおいて、駆動スリップの減少は一般に、従来技術にお けるように、或る条件が達成された時にのみ生じる。この条件は駆動スリップの 制限値をこえること、又は時間との関係で駆動スリップの変化の制限値をこえる ことである。しかし、この条件はまた、もっと複雑に即ち、前述の条件の両方、 又は他の種々の条件を結合させる意味に定義することもできる。 もし、今、限定した条件が達成されるとすれば、駆動輪に作用する推進モーメ ントは電気機械により短時間のうちに(しかも連続しないで)減少する。 そのような駆動スリップコントロールの効果は、それが迅速に、時間をかけな いで動作することであり、かくして、駆動スリップの減少を理想的にコントロー ルすることができる。従って、全体として、交通、安全もまた改善される。 “電気機械”は電気機械として又、電気ブレーキ、或いは発電機としてその両 方として動作する回転運動を行うあらゆる種類の機械のことである。 基本的に、駆動アセンブリの駆動軸への電気機械の連結は、間接的に、例えば トランスミッションを介して行われる。しかしながら、それは直接連結の方が好 ましい。例えば、フライフォイールに似た電気機械のロータは、駆動軸に、或い は駆動軸に連結された延長部に直接据え、そしてその駆動軸に、又は延長部にし っかりと連結され、又はトランスミッションを介在させないで(ピニオン、牽引 手段等により)連結される。 電気機械によるこれらの駆動スリップコントロールの更なる効果的な変形例を 次に列挙する。即ち、 1.エンジンの調整又は車輪ブレーキを使った従来技術の駆動スリップコント ロールに代えて、電気機械による駆動スリップコントロールに置き換える(請求 項2)、又は、エンジンの調整及び/または車輪ブレーキによる従来技術の駆動 スリップコントロールに組み合わせて電気機械による駆動スリップコントロール を使用する(請求項3)。駆動スリップを減少させるこれら種々異なる手段は、 同時に実行される必要はなく、例えば、更なる制限値をこえる時、特に、個々の 手段が十分に有効でない時、連続して実行させることができる。例えば、特に摩 耗し易い車輪ブレーキは、特に臨界状態ではじめに使用することができる。 2.駆動トルクの減少、又は駆動輪を駆動する軸のブレーキは、特に次のよう に生じる。 a).電気機械は、過電流ブレーキとして使用されるように設計される(請求項 4)。かくして、駆動トルクは、電気機械が過電流ブレーキとして動作する時に 減少する。 b).電気機械は発電機として動作する(請求項5)。このようにして発生した 電流は、例えば熱抵抗器を介して熱に変換されるか、或いは後で使用するために 蓄電される(請求項6)。このようにして、エネルギーの回復が生じる。従って 、これは発電機の全効率達成につながる。 c).電気機械と駆動アセンブリとの間で機械的カップリングがシフトする。こ の機械的カップリングは、自動的に動作し、駆動トルクを低下させるとき、カッ プリングの一部又は全部が開く(請求項7)。電気機械はそこで、ブレーキとし てのみ働き、駆動アセンブリは基本的に駆動輪から分離する。 3.クラッチとして動作する電気機械において、クラッチのスリップさせるこ とによって、或いはすでに存在するクラッチのスリップを増大させることによっ て駆動スリップを減少させる。さらに、クラッチとして動作する電気機械は、機 械的ブリッジカップリングを有する。これは最初に解放され、その後でのみ、ク ラッチスリップが可能となりかつ増大する(請求項9)。 基本的に、駆動スリップの減少は、クラッチスリップを介して、即ち、受動的 に調整されるだけでなく、駆動輪を駆動する軸に作用するブレーキ用カウンター トルクを発生させ、電気機械によって能動的に調整される(請求項10)。 回転磁場機械というのは、整流子機械とは対照的に、回転磁場が生じる機械を 意味する。これは例えば、特に三相電流のための誘導、又は同期機械であり、或 いは電子整流手段をもつ機械である。回転磁場機械において、360°の完全な一 回転を通して磁場が生じ、進行波機械では、磁場は1つ以上のセグメント(セク ター)にしか生じない。かくして、例えば、その進行波機械は誘導又は同期機械 であって、その固定子は回転子の1つ以上のセクターを横切って延びているだけ である。 好ましくは、この駆動システムは少なくとも1個のインバータを有する(請求 項12)。このインバータは、所望の(或る制限範囲内の)周波数、振幅、又は 位相をもって、或いはこれらの数量を所望の如く組み合わせて磁場(特に回転、 又は進行磁場)に必要な電圧及び/または電流を生じさせる。それは所定の直流 又は交流電圧から、或いは所定の直流又は交流電流から電子スイッチによってそ のような電流又は電圧を効果的に生じさせることができる(いわゆるパルスイン バータ)。特別な効果を出すために、3つの全ての数量、即ち、周波数と振幅と 位相を自由に選択することができる。 好ましくは、その電気機械はまた、回転むらを大きく減少させる機能を有する (請求項13)。 内燃機関の回転むらを減少させる装置は例えば次のものに開示されている。日 本特許抄録、11巻、28号(M-557)、1987年1月28日& JP-A61-200333(日産I)、 日本特許抄録、第4巻、29号(M-002)、1980年3月14日& JP-A550 05454(トヨタ )、EP-B-0427568(いすず)、DE-A-3230607(VW)、EP-B-0175952(マツダ)、 日本特許抄録、7巻、240号(M-251)、1983年10月25日、及びJP-A-58126434(日 産II)、DE-A-4100937(フィシュテル&サックス)、DE-A-4038301(日立/日産 )、EP-A-0440088(日産III)、EP-A-0604979(日本電装)。 特に、回転むらは、内燃機関に生じ、特に、駆動軸(即ち、特にクランク軸) に作用する個々のピストンのガスの力及び質量の力により内燃エンジンに生じる 。 例えば、4気筒4ストローク型エンジンでは、比較的大きな回転むらが第2オー ダで生じる(即ち、そのエンジンの回転周波数の2倍)。従って、6気筒4スト ローク型エンジンでは、それは第3オーダで生じる。さらに、それより高オーダ で回転むらが生じることもあり、かつまた、確率的に生じる不均一性もある。そ の内燃機関は例えば、2ストローク又は4ストローク型エンジンで偶数の気筒( 例えば、2、4、8、10、12気筒など)又は奇数の気筒(1、3、5、7、9、 11などの気筒)(オット又はディーゼル原理で動作する)をもつ。理論的には、 それはまた、例えば、外燃のピストンエンジン(いわゆるスターリングエンジン )のように種々異なる種類のであることもある。もうひとつの可能性は、少なく ともガスの力が回転むらを生じさせるような回転エンジン(例えばワンケルエン ジン)にある。 しかし、このシステムは前述の例の場合のように、駆動アセンブリ(例えば、 自動車や軌道車のそれのように)によって生じる回転むらを能動的に減少させる ばかりではない。むしろ、そのシステムはまた、例えば、ユニバーサルジョイン ト、三次元のシャフトの振動、或いは歯車の摩耗により、駆動アセンブリと伝達 点との間の動力列に生じる回転むらを処理することができる。 駆動システムはまた、電気機械をいくつか備えることもできる。例えば、自動 車に備えた第1機械が駆動アセンブリ(内燃機関)のクランク軸に直接動作する ようにし、第2機械をカップリングより下流に、例えば、カップリングとトラン スミッションとの間に配置する。 その電気機械は好ましくは、それが回転むらを減少させるために迅速に変化す る特に交代トルク(可変トルク)、即ち、正の回転むらに対するブレーキトルク と負の回転むらに対する駆動トルクを生じさせるように制御される(請求項14 )。これに比較して、ASRの働き(ブレーキスリップ又はクラッチスリップ) に対して電気機械がかけるトルクは一般に非常にゆっくりであり、従って、それ らのトルクは以後一定トルクと呼ぶ。その電気機械は少なくとも、或る時間では 、駆動作用、ブレーキ作用、発電機型作用を行う付加的な機能に対して更なる正 又は負の一定トルクを生じさせることができる(請求項15)。電気機械がまた 、電磁カップリングとして作用する形態において、迅速に交代するブレーキトル クと 駆動トルクの代わりに、迅速に変化する大又は小の大きさのカップリングスリッ プを生じる。 “迅速な変化”ということは、減少する回転むらの周波数範囲の変化を意味す る。即ち、3000min-1の回転速度での第2オーダの回転むらの場合、100Hzの周波 数の変化である。それとは反対に、重ね合わせる一定トルクは、重ねるときの最 初と最後の急峻なエッジを除いて、一般にゆっくりと変化(或いは一定でさえあ る)する。 所望方向へ所望強度をもった一定トルクが(特に付加的に)重ねられることに より、回転むらの減少と一定トルクの発生は互いに切り離される。その迅速に変 化するトルク(交代トルク)は実際には、重ね合わせによってその期間中に変化 することはなく、ゼロ線に対してシフトするだけである。1つの例外は、内燃機 関が付加的トルクの切換に伴う負荷の変化により回転むらを生じたときのみ迅速 に変化するトルクが変化することである。 ある瞬間に供給された一定トルクがその時点の脈動トルクの振幅より小さい場 合、電気機械の組合せトルクは、ゼロ線に対してシフトされるにも拘わらず、交 互に正値と負値を示す。他方、逆に一定トルクが脈動トルクの振幅より大きい場 合、前記組合せトルクは正値のみか負値のみであり、その大きさは迅速に変化す る成分を含む。一定のブレーキトルクは、電気機械にスリップ防止コントロール の一部として駆動ホイールのスリップを減少させるように作用し、電流供給用発 電機として作用し、及び/またはその車のブレーキを生じさせ又はそのブレーキ を持続させる。このブレーキ機能を発電機として使用する時に得られるブレーキ エネルギー(一定トルクのブレーキエネルギー)と、正の回転むらの間に生じる エネルギー(回転むらブレーキエネルギー)は効果的に保存され少なくとも部分 的に最高の総効率を達成し(例えば電気的アキュムレータ又はフライフォイール 用アキュムレータにおいて)、また、それらのエネルギーは後で駆動エネルギー として使用され、車のバッテリーに供給する回路を駆動し、及び/または負の回 転むらを減少させる(請求項16)。一定の駆動トルクは、例えば、その車の加 速を持続させ(電気機械が“ブースター”として働くとき)或いは加速を生じさ せ、例えば、ターボチャージ型エンジンの場合、加速ギャップをカバーする。 脈動トルクブレーキエネルギー及び/または一定のトルクブレーキエネルギー の蓄積は特に、電気的アキュムレータ又は機械的アキュムレータ(フライフォイ ール用アキュムレータ)によって行われる。電気的アキュムレータは例えば、キ ャパシタンス、インダクタンス及び/または(迅速動作)バッテリである。イン バータがある場合、それは中間回路インバータが好ましく、その中間回路はブレ ーキエネルギー用電気的アキュムレータを有し、又は少なくとも1個のそのよう なアキュムレータに連結される。それらは専ら、ブレーキエネルギーの蓄積のた めに作用するか(この場合、それは一般に、更に通常に存在する中間回路のアキ ュムレータにスイッチで切換えられ、それはインバータの動作周期中、必要な電 圧又は電流パルスを供給することができる)、或いはそれは動作周期のために必 要とされるブレーキエネルギーの蓄積のために一部だけ作用する、即ち、他のエ ネルギーを節約する(後者の場合、それは通常の中間回路用アキュムレータに一 致する)。さらに、その整流器を中間回路整流器として設計することはいかなる 場合でも、例えば、ブレーキエネルギーの中間の蓄積を行わない場合でさえ、効 果的である。 “中間回路”という用語は、基本的に直流電圧又は直流電流を供給することの できる回路を意味し、そこからインバータ成分(いわゆる機械インバータ)がパ ルス又は周期動作によって可変交流電圧又は電流を形成する。この直流電圧又は 直流電流は、エッジが極端に鋭い高電圧又は高電流レベルの電圧又は電流パルス を備えなければならない。 一般的に、中間回路用インバータは3個のサブアセンブリで成る、即ち電気エ ネルギーを供給し又は出すインプットサブアセンブリと、機械インバータの形を したアウトプットサブアセンブリとこれらのアセンブリ間にある中間回路とでな る。 フライフォイール用アキュムレータにおいて、フライフォイールは好ましくは (更なる)電気機械によってそのシステムに電気的に連結される。これは例えば 、回転磁場、又はそれ自体の整流器によってコントロールされるアキュムレータ 機械である。(第1の)電気機械とフライフォイール機械は、反対周期で動作す る。即ち、前者にブレーキがかかる時、後者はフライフォイールを加速し前者が 駆動 している時、即ちそれほどブレーキがかけられていない時、後者はフライフォイ ールを制動する。そのようなフライフォイールのエネルギーアキュムレータでは 比較的高エネルギー密度が作り出される。 一定トルクに関連して前述したように、その電気機械はまた、同時に又は時間 をずらして、ASR機能とは異なる他の機能を行い、もし存在すれば、回転むら の減少をも遂行し、かくして、従来のこれらの機能を行うように特定化された機 械を代替することができる。特に、その電気機械は駆動アセンブリのスターター の機能を有し、及び/または、例えばバッテリーを充電し或いはパワーグリッド を付勢する、電気供給のための発電機の機能を有する(請求項17)。その両機 能が遂行される場合、その機械はスターター及び発電機を構成するので、それは 従来の2個の別個の対応する機械を代替することができる。エンジンの始動の間 、一般に、回転むらを減少させる必要がないので、そのために、この電気機械は 一時的に、純粋な電気モータとして動作することになる。他方発電機の機能はま た、回転むらを減少させる時、望ましい。時間で平均したとき、脈動トルクに同 時ブレーキトルクを重ねることによって電気エネルギーの増加が達成される。 基本的に、電気機械は始動機能のためフライフォイール用スターターとして達 成することができる(例えば、ヘンネベルゲル著の“電気エンジン装置”ブラウ ンシュバイク、1990年98〜103頁参照)。しかしながら、その電気機械はそれが 直接スターターとして機能するような、即ち、それが休止状態から合流すること によってエンジンをスタートさせ得るようなトルクに強い構造を有する。また、 それは駆動軸に直接連結されるのが好ましい。即ち、トランスミッションを有し ないのである。そこで、回転子の回転速度は駆動アセンブリの回転速度に等しい ことが好ましい。その回転子(又は多分その回転的に取付られた固定子)は、エ ンジン又はその延長部(多分、エンジンから接続を外すことができる)の駆動軸 (普通、クランクシャフト)に取り付けられる。それは好ましくは、駆動軸に、 又は延長部にしっかりと連結されるか、或いは連結可能である。 それと同じやり方で、その電気機械はまた、自動車を加速又は制動するために (多分、駆動アセンブリに関連して)ASR機能の他に更なる機能として駆動軸 の加速及び/またはブレーキを生じさせ、又はそれを持続させることができる。 自動車にブレーキをかけるためにその電気機械はすでに前述したように、摩耗の ない発電機型ブレーキ又は特別ブレーキとして機能する。 これらの更なる機能を使用した時に得られるブレーキエネルギーは、前述のよ うに回復可能であり、そして後で駆動エネルギーとして使用され、或いは回路に 、又は例えば自動車のバッテリーへ供給される。その電気機械によって車にブレ ーキをかける時、最高効率のブレーキエネルギーを再生させるためには、ブレー キ中、例えば機械的カップリングのような介在部材によって、駆動アセンブリか ら電気機械を分離させるのが効果的である。 例えば補助機械(エアコンディショナー、サーボドライブ、ボンプ)と加熱シ ステムのような高電力消費部材へ供給するために、電気機械は比較的高電圧レベ ルで、好ましくは、特殊な感電保護手段は必要でない(例えば、約60V直流電 圧)低電圧領域の上域部分で電流を供給することが好ましく、そこでは、。電気 機械がこの電圧レベルをこえる場合、250〜450ボルトを選択するのが好ましい。 好都合なことにこの高電力消費部材は、高電圧レベルで(前述のように機械的に 動作されるか、廃熱で動作される代わりに)電気的に動作される(又は、加熱さ れる)。そのような高電圧レベルはすでに、特に、中間回路インバータの中間回 路に存在するので、この付加的目的のために特別に、そのような高電圧レベルを 発生させる必要はない。低電圧消費部材に対しては、従来の低電圧回路(12V又 は24V)が備えられる。 前述のように、回転むらの能動的減少は、電気機械が正及び負の回転むらに対 抗し、正の回転むらに対するブレーキとして、及び負の回転むらに対するブレー キとして作用するという事実に基づく。このために、制御装置は時間についての 情報を必要とし、可能なら正又は負の回転むらの大きさを必要とする。この情報 を得る1つの可能性は、瞬間的な回転むらの測定にあり、又はそれに関連するも うひとつの数量にある。その電気機械の動作がこの情報に基づく場合、自動(フ ィードバック)コントロールを備える。なぜなら、回転むらが実際に存在すると 、それはこの回転むらに直ちに作用することにつながるからである。もうひとつ の可能性は、その電気機械を動作するための情報として実際の回転むらを使用す るのでなく、予測される回転むらを使用することである。そこでは(非フィード バ ック)コントロールを使用する。例えば、内燃機関において、そのコントロール は(クランク)軸の角度の関数として、またプロトタイプを使用することによっ て、或いはコンピュータでシミュレーションを行うことによる1つ以上の動作パ ラメータ(例えば、回転速度及び絞り弁位置のような)の関数として瞬間的な回 転むらの大きさと方向を決定し、特徴的な線図の形で保存されたその情報を各エ ンジンへ供給する。動作中、このシステムは、瞬間的に存在するクランク軸の角 度とその他の動作パラメータ(例えば回転速度及び絞り弁位置のような)を測定 し、予測される回転むらの大きさと振幅に対して対応する記憶された線図値を読 みとり、回転むらに対抗するために制御装置を介して電気機械を制御する。閉鎖 ループ型コントロールと開放ループ型コントロールの両方の混合型も可能である 。測定された数量が直接回転むらである必要はない(時間の関数として角位置又 は角速度の測定値から誘導することができる)。その代わり、その数量はまた、 例えば、1本以上の気筒内のガス圧を、或いは、例えば、トルクハブによって測 定されるエンジンの瞬間的トルクを生じさせる回転むらの少なくとも一部分につ いて推論を可能とする1つ(又はそれ以上)他の数量とすることもできる。 このシステムの電気的回転磁場機械または進行波機械(又は直線機械)は、好 ましくは、特に三位相電流に対するインダクション機械、同期機械又は反作用機 械である。インダクション機械は一般に、比較的簡単な回転子(一般に、短絡回 路の巻線、又はその両端がスリップリングへ延長する巻線を備えた回転子)であ る。他方、同期機械は、異なる極をもつ回転子を有し、それらの極は例えばスリ ップリングによって付勢される永久磁石、または電磁石によって付勢される。反 作用機械は広い意味で同期機械に属する。特に、インダクション機械の場合、電 気機械の制御は好ましくは、磁場で方向づけられる自動コントロール(いわゆる ベクトルコントロール)に基づく。コンピュータ化した力学的機械モデルを使っ た例えば、課される電圧、固定子電流及び多分、回転子速度のような直接測定可 能な瞬間的数量で始動するとき、固定子電流は、回転子磁束と共にトルクを発生 させるトルク形成成分と、その成分に垂直をなし、機械磁束を発生させる成分と に分解され、かくして、そのトルクが決定される。 電気機械に付加した制御ユニットは一般に、補助システムであって、それは例 えば主システムとしての内燃機関と共に自動車の駆動列に配置される。それは補 助的性質のために、主システムに対してほとんどスペースをとるべきでないので 、可能な限りコンパクトにする。以下で述べる効果的な手段は、そのようなコン パクトな構造に役立ち、その他の効果的な目的にも役立つ。 すぐれた小型化を達成する1つの方法は、電気機械に小さな極分割を行わせる ことであり、特に、固定子の45°につき少なくとも1極をおく。完全な円(360° )の機械において、これは少なくとも合計8極に対応する。基本的には、それよ り小さな極分割さえ有効であり、それは閉鎖円の機械において、10極、12極、14 極、16極、或いはそれ以上の極に対応する。細かい極分割は、機械の軸方向及び 周囲方向の両方向へ固定子の巻線ヘッドを小型化することを可能にするので、こ の機械は軸方向での全体の長さを短縮化することができる。また、極を細かく分 割することにより、戻り磁束のための固定子の背面は肉薄となり(かくしてまた より軽量となる)、回転子はその機械の外径が同一であっても直径がより大きく なる。回転子の直径がより大きくなると、トルクがより大きくなる。なぜなら、 周囲方向への空隙がより長くなり、動作レバー腕がより長くなるからである。か くして、全体として、細かい極分割により、より軽量でより小型の機械となる。 さらに、巻線ワイヤの長さが短縮しているので抵抗損もそれだけ小さくなり、巻 線ヘッドがより小型化すると、非活性巻線ワイヤもそれだけ少なくてすむ。さら に、巻線ヘッドの表面によって漂遊磁場(これは基本的に、無効電力成分を決定 する)が決まるので、その漂遊磁場は細かい極分割に対して比較的少ない。少な い漂遊磁場は基本的には、回転むらを減少させるために効果的である。なぜなら 、この場合、従来の電気機械とは異なり、エンジンと発電機動作との間に継続的 な交換があって、無効電力は対応する極の逆転と共に継続的に消費されなければ ならないからである。 細かい極分割は高速回転磁場機械には一般的でない。なぜなら、それは比較的 高周波数の極の逆転を生じさせるからである。極の逆転周波数に対する通常の値 は、例えば120Hzである。他方、本発明の文脈で使用される電気機械は好ましく は、高い最大極逆転周波数を有し、それは好ましくは300〜1600Hzであり、特に 好ましいのは、400Hz〜1500Hzである。 極の逆転周波数が高くなると共に増大する固定子の渦流の影響を軽減するため に、固定子の固定子板を薄くするのが好ましい。それは0.35mm以下の厚みが好ま しく、特に0.25mm以下が好ましい。抵抗損を減少させる更なる手段として、固定 子板は再磁化損の低い材料、特に50Hz、1テスラで1w/kg以下の材料で形成する のが好ましい。 コンパクト構造に役立つ更なる手段として、電気機械は内部流体の冷却を行う のが好ましい。その流体はオイルが好ましい。非常に有効な冷却法は、内部のオ イルにその機械を完全に置くことである。しかしながら、この方法の欠点は、約 500rpmで乱流損が生じることであり、これらの乱流損は、約2000rpm以上で著し く大きくなる。これに対処するためには、冷却流体の供給をパワーロス及び/ま たは回転速度に応じて行うようにするのが好ましく、その流体の冷却は流体のス プレー冷却が好ましい。パワーロスをなくすためには、その時に必要とされるだ けの冷却流体をその機械に常時供給するようにする。 定量的に、コンパクト性は“トルク密度”で表現される。その電気機械は最大 トルクに比べて高トルク密度、特に、0.01Nm/cm3以上のトルク密度を有するのが 好ましい(請求項18)。 また、回転むらにより軸に、特にクランク軸に半径方向の振動がしばしば生じ る。この半径方向の振動に耐えるようにするために、このシステムは、電気機械 が磁気飽和領域で動作するように設計するのが好ましい。その磁場飽和の測定値 は周囲方向への空隙のセンチメートル単位の長さ当たりの固定子の電流範囲(最 大トルクで)である。好ましくは、この大きさは、少なくとも400〜1000A/cmで あり、特に、少なくとも500A/cmが好ましい。前述のように飽和領域で動作する ことにより、その機械が比較的広い空隙をもつように設計することが可能となる 。半径方向の振動中に生じるような空隙の変化は飽和範囲での動作によりほとん ど影響はない。 そのようなコンパクトな構造の電気機械は一般に、インダクタンスが比較的低 い。例えば同期電圧によって、電気回転場、または進行波を生じさせるために最 も正確な正弦状電流を達成するために、インバーターはここで、少なくとも、時 々、より高い周期周波数で、特に10KHz〜100KHz、或いはそれ以上で動作するの が 好ましい。これはまた、そのシステムに対して高い一時的解決を達成するのに効 果的である。例えば、20KHzの周期周波数で、それは2KHzの電気機械のトルク作 用において一時的解決を達成することができ、それによって200Hzで回転むらを 有効に減少させることができる(200Hzは例えば、3000rpmで第4オーダーに対応 する)。高周波数はまた、インバーターそれ自体のコンパクトな構造に役立つ。 なぜなら、それはより小さな中間回路キャパシターを可能とするからであり、そ れは短い経路で電子スイッチのとなりに直接配置される。さらに、インバータの EMC(EMC:電磁場適合性)フィルターはより小さくなりうる。 インバータのコンパクトな構造を達成する更なる効果的な方法は、インバータ の電子スイッチを流体で冷却することである。好ましくは、沸騰槽で冷却するの が好ましい。沸騰槽の冷媒として、例えばフッ化炭化水素を使用する。沸騰槽に よる冷却において、その冷媒は沸点で蒸発し、その蒸発で比較的高い蒸発熱を得 る。蒸気が上昇すると、それは例えば、外部クーラーにおいて凝縮し、それによ って、その蒸発熱を解消する。この冷却方法は、何らの冷却体なしでインバータ の電子スイッチのコンパクトな配置を最良にする。さらに、高い冷却性能を達成 するのに比較的わずかな温度差で十分であるということは効果的である。即ち、 空冷の場合の約40℃に比べて2〜10℃の差でよい。もうひとつの効果的な冷却方 法はインバータを複数の電子スイッチの接続で構成することであ、特に、2〜20 個、或いはそれ以上の電子スイッチを並列に接続する。その並列回路は熱源の分 布を分散させ、比較的低いパワーロス密度を生じさせる。 インバータは、好ましくは、スイッチとして、好ましくは、高速半導体スイッ チの半導体要素を含むことである。例えば、電界効果トランジスタ、特に、好ま しくは、金属酸化物半導体(MOS)の電界効果トランジスタ、バイポーラトラ ンジスタ、及び/又は絶縁ゲート接続(IGBTs)をもつバイポーラトランジ スタを含む。“高速”半導体スイッチとは、特に、10〜100KHz、或いはそれ以上 の最大クロック周波数を可能とするものを意味する。 そのインバータは、特に、パルス幅又はパルス振幅の変調に基づいて、好まし くはパルスを介して電気機械の磁場に必要な電圧及び/又は電流を発生させる。 一定の中間回路の電圧と共に、任意に調整自在な周波数振幅及び/または位相の 正弦波に近い電流は、機械のインダクタンスにより高クロック周波数でサイン評 価パルス幅変調によって生じる。パルス振幅の変調において、例えばインバータ を可変中間回路電圧で始動させ、異なる振幅のパルスを発生させる。 そのシステムにおける軸の瞬間的な角位置を明らかにするために、電気機械、 又は軸に回転子位置、又は軸位置の検出器が取り付けられるのが望ましい。瞬間 的な角位置に関する情報から、瞬間的な角速度及び加速度について、ひいては瞬 間的な回転むらについて推論することができる。自動制御システムにおいて、回 転むらの減少は、前述したように、この情報に基づく。開放ループの制御システ ムにおいて、瞬間的角位置と、可能であれば瞬間的平均回転速度に関する情報は 、特性線図から正確な期待値を読みとるために使用される。最も正確な角位置情 報を得るために、回転変換器(いわゆる“リゾルバー”)、即ち、角度によって 決まる変換比をもつ変換器が特に使用される。例えば高解像度増分検出器と簡単 な絶対的検出器との組合せのような高解像度エンコーダも使用される。 ASR機能及び他の機能をもつ電気機械の開放ループ又は閉鎖ループコントロ ールの場合、1個以上のセンサー及び/またはセンサー情報から引き出される1 個以上の数量が次のグループから与えられる。即ち、車の速度、長さ方向及び横 断方向の加速と、車の1個以上の車輪の角位置、回転速度、角加速と1個以上の 駆動輪のスリップと、駆動アセンブリの駆動軸の角位置又は回転速度又は角加速 、負荷状態、温度、排気成分、燃焼空気の量又は質量、絞り弁の位置、燃料の量 、注入時間、ガス圧と、インバータ(もしあれば)の電気機械を駆動するために 使用される電流、中間回路の電圧、周波数、位相、インバータスイッチのスイッ チ切換状態と、電気機械の角位置、回転速度、角加速と、トランスミッション出 力軸の回転速度とである。電流の電気的数量、中間回路電圧周波数、位相及び/ または、インバータスイッチのスイッチ状態から更なるセンサーを使用しないで 瞬間的磁束、瞬間的トルク及び瞬間的回転速度を推定することができる。 伝統的に、自動車の駆動システムにおいては、摩擦、閉鎖カップリングを使用 しており、これは始動位相でトルク変換(“グラインディングクラッチ”)によ りその車の始動を可能にする。更なる仕事は、駆動アセンブリをシフトトランス ミッションから分離することによりギヤシフトを可能にし、駆動アセンブリの回 転速度の調整と摩擦により与えられるトランスミッションにより次なる接続を可 能にすることである。さらに、水力学的クラッチも周知であり、それらのクラッ チの一部のものは、変換器の機能も有する。 そのようなカップリングの代わりに、それに加えて、効果的に電気機械を使用 する。その際し、それが駆動列において電磁カップリングとして作用するように 構成する。“電磁カップリング”において、トルクの伝達は電力、磁力或いは電 磁力によってカップリングを介して行われる。この種の力の伝達は、ほんの一時 的にのみ生じさせることができる。例えば、連結される軸と同一回転速度に達し た後、機械的カップリングによって力の伝達が行われる。この形態では、ASR 機能はクラッチスリップによって行われる。機械的ブリッジカップリングがある とすれば、それはこのプロセスではすばやく解放されなければならない。補助機 能として、電磁カップリングは能動的伝達同期手段として働く。 1つの効果的実施態様においては、このシステムは、電磁カップリングの機能 のために2個の電気機械を有する。二重電気機械である。通常の動作において、 即ち、駆動モーメントが駆動列を介してトルクを生じさせる時、第1電気機械は 発電機として機能し、第2電気機械はモータとして機能し、そのモータを動作す るために必要な電気エネルギーは基本的に、発電機から生じる。かくして、この 形態において、駆動体によって与えられる機械的回転エネルギーははじめに一対 の相対的に回転する電磁動作面(第1電気機械の固定子と回転子)によって電流 にへ変換され、それから、第2の一対の相対的に回転する電磁動作面(第2電気 機械の固定子と回転子)によって、異なる回転速度及び異なるトルクで、機械的 回転エネルギーに戻される。第1電気機械により生じるエネルギー量は、第2電 気機械によって生じるものより大であったり小であったりする。その超過分量は エネルギーアキュムレータに保存され、不足量はそのエネルギーアキュムレータ から引き出される。駆動スリップが存在する場合、第2電気機械によって生じる トルクは減少する。これはクラッチスリップに対応する。 もうひとつの効果的な形態において、カップリングは単一電気機械により形成 され、それは少なくとも2個の電磁動作ユニット(例えば、回転子と回転状に装 着された固定子)を有し、その1つのユニットは駆動端(例えば駆動アセンブリ から駆動軸の)でトルクトランスミッタに連結され、或いは連結されることがで き、もうひとつのユニットは、伝達端(例えば、トランスミッションへ延長する 伝達軸)でトルクトランスミッタに連結され、或いは連結され得る。この電気機 械は、例えば回転子と固定子をもつ通常の機械に対応するものであって、回転子 の回転の他に全体として回転することができる。その回転機械は、回転子と“固 定子”との間に正と負の相対的トルクを発生させる。この方法では、電気機械の 適切な作用によって、ASR機能のために所望のクラッチスリップ値が達成され る。 電気損を最小限にするために、電磁カップリングを分離するトルクトランスミ ッタは効果的に、ブリッジカップリング、特に、機械的カップリングに接続され る。これは、例えば、摩擦、閉鎖カップリングを含むことができ、或いはそれは クラッチスリップを消失させる適切なコントロールによって常に連結されるので 、例えば爪クラッチのような正の閉鎖カップリングを含むことができる。別のカ ップリングを備える代わりに、デュアル機械の2個の回転子を、或いは単一機械 の2個の動作ユニットを軸方向のシフト作用によって互いに摩擦閉鎖又は正の閉 鎖にもたらすことも可能である。 効果的形態において、回転状固定子は回転しないように形成され、それがその 対応するトルクトランスミッタからの連結が遮断されるように形成される。この 制限及び連結遮断はいわば、摩擦又は正の係止カップリングを固定子と1個の堅 固な部分(例えば、駆動アセンブリ又はトランスミッションのハウジング、又は 車の車台)との間に置き、そして固定子とトルクトランスミッタとの間でそのよ うなカップリングを解放することによって機械的に生じさせることができる。1 つの変形として、回転状固定子から固定状固定子へのこのスイッチ切り換えは電 気的に行われ、その際、前記動作ユニットは二重に存在する。即ち、1つはトル クトランスミッタにしっかりと接続され、永久的に回転するものであり、もうひ とつは、回転しないように永久的に制限されるが、トルクトランスミッタには接 続されないものである。2個のダブルで存在する動作ユニットのうちどちらかの 動作ユニットが電気的に駆動されると、その一方又は他方の状態が上述のように 達成されることになる。固定子が回転しないように制限され(又はその制限され た部分が電気的に動作する場合)、ブリッジカップリングが閉鎖される場合、電 気機械は最初に記載した機械と同様に動作することになり、それは動力列の連続 軸に取り付けられ、ブレーキ作用によってASR機能を達成することができる。 本発明はまた、駆動アセンブリ、特に、内燃機関、電気機械、駆動スリップ制 御システムを備えた特に自動車の駆動システムを動作する方法に関し、その際、 電気機械、特にブレーキ作用によって、及び/または、電気機械がクラッチとし て動作する時、クラッチスリップ作用によって駆動スリップの減少が生じる(請 求項19)。 この方法は1つ又は複数の前述の形態に従ったシステムによって有効に達成さ れる(請求項20)。その方法の個々の特徴及び効果については、そのシステム に関する前述の説明を参照してほしい。その説明はまた、種々の形態をもつその 方法にも完全にあてはまる。 さらに、この明細書の全てにおいて、数字の指示“x”は“少なくともx”の 意味に理解されるべきであり、好ましくは“正確にx”の意味にのみ理解される べきである。 図面の簡単な説明 本発明をここで、サンプル実施例と、略図によってもっと厳密に説明する。 図1はASR制御システムの制御シーケンスの概略図である。 図2はそのシステムの一実施例の実物とは不等大規模の概略図である。 図3は回転むらを能動的に減少するシステムの機能を示す概略サンプル図であ り、 図4はこのシステムに使用される種々の型の機械を示すために、軸方向に対し て垂直面でとった断面をもつ電気機械の概略横断面図である。 図5はこのシステムに使用されるインバータの概略回路図である。 図6はデュアル電気機械の概略図である。 図7は図1によるデュアル機械の概略図であって、接合用固定子本体を有する 。 図8は回転可能な電磁動作ユニットを有する電気機械の概略図である。 図9は回転可能な電磁動作ユニットを有するもうひとつの電気機械の概略図で ある。 図10は相対的に回転する電磁動作ユニットと、固定状動作ユニットとを有する もうひとつの電気機械の概略図である。 これらの図面において、機能が基本的に等しい部分には同一符号を付している 。 発明を実施するための最良の形態 図1によるASR制御システムの制御シーケンスは、準エンドレスループで示 す工程S1〜S6を通って進行する。 工程S1において、駆動スリップが第1制限値L1をこえるかどうかを問う。この 駆動スリップ値は、例えば、車の加速に関連して駆動輪の回転速度の時間的変化 の大きさから決定される。もし、駆動スリップが第1制限値L1をこえない場合、 制御システムは始動点へ戻り、その際、工程S1が再び実行される。もし、答えが イエスであれば、ASEを介在させるために備えられる電気機械は工程S2において 、トルク伝達駆動軸にブレーキ作用を生じさせる。変形例として、駆動軸におい て電磁カップリングとして動作する機械の場合、その機械はそれがクラッチをス リップさせ得るように制御される。工程S3において、そのシステムは駆動スリッ プ値がさらに増大しているかどうかを問う。ノーであれば、次の工程S4は飛び越 す。イエスであれば、更なる手段として次の工程S4において、駆動スリップを有 する車輪ブレーキが動作する。工程S5において、そのシステムは駆動スリップ値 が第2制限値L2以下に落ちたかどうかを問う。ノーであればS5の前の制御シーケ ンスへ戻り、その結果、S2の間に、できればS4の間に設定された工程がさらに保 持される。もし、イエスであれば、工程S6において、電気機械のブレーキ作用又 はカップリングスリップ作用が中断され、適用できれば、車輪ブレーキが解除さ れる。次に工程S1が再び実行され、再び制御工程が実行される。 図2に示される例えば乗用車のような自動車の駆動システムは、その駆動アセ ンブリとして内燃機関1を有する。その内燃機関1は4気筒、4行程のオット又 はディーゼルモータである。内燃機関1によって生じるトルクは駆動列2によっ て駆動輪3に伝達される。伝達方向へみて、駆動列2において、はじめに、エン ジン1、そのあとに電気機械4がくる。このあとに、カップリング5、トランス ミッション6、車軸駆動体7が続き、その車軸駆動体7はトルクを駆動輪3へ伝 達する。カップリング5とトランスミッション6は摩擦クラッチ及びギアボック スで構成することができ、また、例えば、自動カップリング又はトランスジュー サーカップリングも可能であり、その各々は、ギアボックス又は自動トランスミ ッションを有する。他の実施形態(図示せず)において、電気機械4によりブレ ーキをかける時、エンジン1がそれに従動するのを防ぐために、エンジン1と電 気機械4との間で駆動列2に更なるカップリング(制御システムによって動作さ れる)が配置される。 電気機械4は、ここでは、誘導又は同期設計の回転磁界、進行波機械は、固定 子8と回転子9で成る。固定子は固定状態にあって、内燃機関1と、車体(図示 せず)、或いはカップリングハウジング(図示せず)に支持され、回転子はエン ジン1又はその延長部の駆動軸(クランク軸)10に直接取り付けられ、それにし っかりと連結される。駆動軸10と回転子9はかくして、ともに回転し、それらの 間に歯車装置なしで配置される。 電気機械4はいくつかの機能を達成する。即ち、それは図1に関してすでに説 明したようにASR制御システムのなかでブレーキ装置として機能する。他方、 その電気機械4は、自動車のバッテリー11を充電し、電気消費部材へ供給するた めの発電機として機能し、それによって自動車に通常存在するダイナモに代替す る。さらに、この発電機は自動車、即ちエンジン1にブレーキをかける。さらに 、この電気機械4は、車の加速時、例えばエンジンを支援するために更なるモー タ(“ブースタ”)として機能する。それはまた、内燃機関のスタータとして機 能し、かくして、また、自動車に普通に備わっている別個のスタータに代替する 。それはまた、回転むらの減少手段として機能する。最後に、回転子9の慣性モ ーメントによって、それはフライフォイールとして機能し、かくして、従来の自 動車のクランク軸に一般的に存在するフライフォイールに代替する。 電気機械4は、スプレーによる流体の冷却12によって内部が冷却される。クー ラー13とポンプ14を通過した後、冷却流体、ここでは適切なオイルが回転軸のそ ばで回転子9にスプレーされる。回転子の回転と遠心力により、オイルは外方へ 移動し、それによって回転子9と固定子8が冷却され、電気機械4のハウジング 15から流出し、再び閉鎖回路のクーラー13へ戻る。パワーロスと回転速度次第で 、冷媒の流れはポンプ14の対応するコントロールによって与えられるので、毎回 、冷却流体の必要な最少量のみがハウジング15内に存在する。均等化容器(図示 せず)により、ハウジング15内の冷媒量をこのように変化させることができる。 他の形態(図示せず)では、電気機械(又は回転子のみ)はカップリング及び/ またはトランスミッションハウジング内に統合され、その中に位置する潤滑流体 及び/または冷却流体(例えば、クラッチ又はトランスミッションオイル)によ って冷却される。 さらに、電気機械4は、好ましくは8極以上の、例えば12極を有する回転変換 器16(いわゆるレゾルバー)を備えている。それは2個の隣接する回路板で成り 、その回路板の一方は固定状であり、他方は、駆動軸10と共に回転する。その回 路板でそれらの対向面にある導電路により形成される巻線を有するので、回転角 次第で決まる変換器の変換率が生じる。回転変換器16はトランスポンダー原理で 動作する。固定巻線(固定板)には、電流及び電圧を積極的に加え、その巻線は 電磁エネルギーを回転巻線(回転板)へ発する。回転巻線はこのエネルギーの一 部を再び元へ放出し、このエネルギー部分は回転角によって決まり、この回転角 によりその角度で決まる伝達率が与えられる。前記元へ放出された部分は固定巻 線に、回転角で決まる信号を生じさせる。この信号の数的表現により駆動軸10の 瞬間的回転角が少なくとも0.5度の精度で与えられる。もっと簡単な形態では、 増分の検出器が使用される場合と、そのような検出器が全く使用されない場合が ある。 インバータ17は非常な高クロック周波数(例えば、100KHz)で電気機械4の固 定子8に、正弦波パルス幅で変調した電圧パルスを与え、この電圧パルスは機械 のインダクタンスの作用のもとで、基本的に正弦状3相電流を生じさせ、その振 幅、周波数及び位相は自由に選択可能である。 インバータ17は電圧の中間回路パルスインバータであって、それは3つのサブ アセンブリで成る。即ち、直流電圧を低レベル(ここでは12V)からより高い中 間回路レベル(ここでは60V又は350V)まで変換し、或いは再び逆に戻すような 直流電圧コンバータ18(入力アセンブリ)と、電気的中間回路アキュムレータ19 、ここでは、キャパシター又は並列切り換えキャパシターの配置と、中間回路直 流電 圧から可変振幅、周波数及び位相の(同期化した)三相交流電圧を生じさせるこ とができ、又は、電気機械4が発電機として動作する時、そのような交流電圧を 中間回路の直流電圧へ変換することのできる機械インバータ21(出力アセンブリ )とである。その他の形態(図示せず)において、中間回路レベルは、特殊な感 電死保護を行うことなしに許される低電圧範囲の上縁に位置する。ここでは60V である。 インバータ17の3つのサブアセンブリ18、19、20は金属ハウジング21内に密封 して包囲され、そのハウジングは、適切な沸騰型冷媒で満たされる。これは例え ば、適切な圧力(50ミリバール〜3バール)で、例えば、60℃の適切な沸点をも つ弗素系炭化水素である。蒸発した冷媒は凝縮クーラー22内で凝縮し、閉鎖回路 内で液体の形でハウジング21へ戻る。このハウジング21は冷媒回路と共に密封さ れる。 直流電圧コンバータ18は低電圧例で車のバッテリー11に接続し、そして例えば 、照明装置及び電子装置のような種々の低電圧消費部材23に接続する。インバー タ17は一方、車のバッテリー11を充電し、低電圧消費部材23へ供給するために低 電圧レベルで電流を供給し、他方、内燃機関1を始動させるため低電圧レベルで 車のバッテリー11から電流を取り出すことができる。その他の形態(図示せず) では、車のバッテリーは中間回路レベルにあって、直接、中間回路に連結される 。 その中間回路アキュムレータ19は、電気アキュムレータである外部の更なるア キュムレータ24に接続し、ここでは特別キャパシタンス25及び/またはフライフ ォイールアキュムレータ26である。更なるアキュムレータ24はブレーキ位相で回 転むら減少手段から得られるエネルギーを保存し、それを次の駆動位相のために 再び放出する主な仕事を有する。さらに、そのアキュムレータ24はまた、電気機 械4により行われる他のブレーキプロセス(なかでもASRブレーキ作用)中に 生じるそのエネルギーを保存する。最後に、それはエンジン1の始動時、車のバ ッテリー11の負担を軽くする。なぜなら、そのアキュムレータは、バッテリーか らゆっくりエネルギーを取り入れ、それを保存するからである。かくして、始動 行程中に迅速な取り出しが可能となる。 他方、(内部の)中間回路アキュムレータ19はクロックに必要な急な、すなわ ち早い上昇時間を持つ電圧をその機械インバータグループへ送る基本的仕事を有 する。その仕事のためには高キャパシタンスを有する必要はない(例えば、2μ Fを有する)。事実、速度のためには、低リードインダクタンスがより効果的で あり、それはインバータ17の内部におく(好ましくは、機械インバータ20の電子 スイッチが配置される同一板上の)配置によって確実にされる。他方、その更な るアキュムレータ24は、比較的ゆっくりと動作するので、ここでもリード容量は 問題はない。特に、更なるキャパシタンス25は中間回路アキュムレータ19のそれ より50〜10,000倍大きくすることができる(ここでは、それは例えば回転むらエ ネルギーを与えるためには、4.7mFである)。 フライフォイール用アキュムレータ26により、もっと大きな保存容量さえ達成 可能である。そのアキュムレータ26は、ここでは、それ自体のインバータで制御 される電気機械27と、それに連結された回転質量体28とで成る。その回転質量体 は別のフライフォイールで形成されるか、或いは電気機械27の回転子に統合され る。回転質量体28の慣性モーメントは好ましくは、0.05〜2kgm2である。また、 フライフォイール用アキュムレータ26においてエンジン1を始動させるために必 要な多量のエネルギーを保存し、始動に必要な特定エネルギーをそこから迅速に (即ち1秒以内に)取り出すことができる。 その他の形態(図示せず)では、更なるアキュムレータ24は備えていない。こ こでは、更なるアキュムレータ24の機能を引き受けるように、中間回路アキュム レータ19が形成され、それをできればインバータ17の外側に配置する。 高電圧レベル(ここでは、60V又は350V)をもつ中間回路は、エアコンディシ ョナー29やサーボ駆動体30のような種々の高電圧消費体に電気エネルギーを供給 する。そのような高電力消費体は伝統的には、内燃機関1から機械的カップリン グによって動作させられているが、本発明ではその高電圧レベルは、より効率的 な純粋に電気的な動力で得られる。 制御装置31は半導体スイッチの適切な動作により、インバータ17によって生じ る交流電圧が有すべき振幅、周波数、位相に関して各時間モーメントでそのイン バータ17に指示する。例えば、対応型マイクロコンピュータシステムで形成され る制御装置31は、はじめに、電気機械4が特定時間に生じさせるトルクの大きさ と方向を決定する。その制御装置は、ASR制御ユニット34から得られるASR 情報に基づいてその作業を行う。回転むらの補助的減少機能のために、制御装置 は例えば、特徴的ダイアグラム制御システムによって、前記作業を行うこともで きる。即ち、その制御装置は、回転変換器16からの入力情報として、駆動軸10の 角度位置、その時の平均回転速度、その他、絞り弁位置のような動作パラメータ を決定し、これらの動作パラメータの関数として、その時点で予期される回転む らを、記憶された特徴的ダイアグラムから決定する。もうひとつの可能性は、例 えば回転変換器16によって与えられる情報に基づいて瞬間的な回転速度を計算す ることによって、及び/または、ガス圧センサー32により決定されるその時点で の内燃機関1内に存在するガス圧を数値で表すことによって、また、駆動列にあ るトルクハブ(図示せず)によって内燃機関1の瞬間的トルクを検出することに よって、その時に実際に存在する回転むらを決定する。瞬間的な回転むらのため にこのようにして決定された値から、それに対応する(反対位相)値が急速に変 化する電気機械4のトルクのために計算され、さらい、所望強度の正又は負の一 定トルクが重ねられる。内燃機関1を始動させるために、公称トルクは、記憶値 に基づいて決定されるが、その記憶値は、始動行程中の電気機械4の回転速度又 はトルクの公称時間曲線を特定する。多分それは、これらの数量の測定値とフィ ードバックコントロールを補足し、プリセット値を確実に保持する。 第2ステップにおいて、制御装置31は、電気機械4がこの公称総トルクを生じ させるためにインバータ17によって電圧又は電流のどのような振幅、周波数及び 位相を備えなければならないかを決定する。この決定は、電気インダクション機 械において、電場で方向づけられる自動コントロールに基づいて行われ、そのコ ントロールは、電気機械4に対するモデルの計算に基づいており、基本的に、固 定子の測定可能な電気的数量(電流及び電圧の振幅、周波数及び位相)と、回転 子の瞬間的平均速度とを入力情報として使用する。 図2において、制御装置31はインバータハウジング21の外側に配置して示され ている。しかしながら、リードインダクタンスを低く保持し、また、沸騰槽によ る冷却を実行するためには、その制御装置31を他の形態(図示せず)では、イン バータハウジング21内に配置する。 エンジン1の制御のために、制御装置31はモータ制御ユニット33とともにその 制御作業を行にための多くのセンサーとそのセンサーから引き出されるセンサー 情報とを共有する。例えば、回転変換器16(角度位置の検出器)や、ガス圧セン サー32があり、かつまた、エンジン1の平均回転速度、負荷状態(例えば、絞り 弁位置により)及びそのトルク(例えば、トルクハブにより)を決定するセンサ ー(図示せず)がある。 さらに、制御装置31は他のいくつかの制御ユニットと連絡する。即ち、ASR (駆動スリップ制御)制御ユニット34は、駆動スリップが存在する時、制御装置 31に次のことを伝える。即ち、駆動スリップが続く場合、より大きな救助手段と してASR制御ユニットが車輪ブレーキにより特定駆動輪のブレーキを設定する 前に、必要であれば電気機械4が発電機ブレーキとして一時的に作用するという ことを伝える。さらに、そのASR制御ユニットはそのスリップ情報をモータ制 御ユニット33へ中継し、エンジントルクを更に低下させる。エネルギー消費制御 ユニット(図示せず)は、自動車のバッテリー11を充電するため、そして、低電 圧消費体23及び高電力消費体29、30へ電力供給するためにどれだけのエネルギー が必要であるかを指示するので、制御装置31は対応する総スラストの調整ΔMeに 備えることができる(図1c参照)。モータ制御ユニット33は、電気機械4がその 振動減少機能の他にその車の加速又はブレーキを行うように想定されているかど うかを制御装置31に伝えるので、それは対応する総スラストシフトΔMeを与える ことができ、多分それは、回転むらの減少機能を一時的に遮断すると考えられる 。モータ制御ユニット33はまた、自動スタート・ストップ制御を遂行することが でき、そして、電気機械4がエンジン1を始動させるかどうかを制御装置31に伝 える。その他の形態(図示せず)においてASR制御はモータ制御ユニット33、 又は制御装置31に代替される。かくして、ASRユニットを別途必要としない。 各種のブレーキ作用中に得られるエネルギーは、更なるアキュムレータ24に保 持され、電気機械4の次なる動作のために再使用され、或いは車のバッテリー11 へ向けられる。 図3aは回転むらの積極的減少を示す。実線はクランク軸の角度の関数として駆 動軸10の回転速度nを示す。駆動軸は平均速度(ここでは、毎分3,000回転)の ま わりでそれより低速と高速へ向かって定期的に速度が変動し、それはこの理想的 例において、基本的に正弦状外観を有する。その軸は例えば、自動車の4気筒、 4行程の内燃機関のクランク軸であって、それはガス力と質量の力とから生じる 比較的大きな回転むらを第2オーダで(即ち100Hzの周波数で)有する。図示の ように、軸の1回転に必要な角度インターバルもまた、指示される。一般に、よ り高次の回転むらと、確率的性格の回転むらとがさらに軸(ここでは図示しない )に生じる。したがって、それらの外観は一般に、正弦状ではない。 平均トルクのまわりで、基本的には回転むらに比例してエンジンのトルクMvに 変動が生じる。図1aの実線はまた、クランク軸の角度の関数としてエンジントル クMvの曲線を示す。 図3bは軸角度の関数としての総トルクMeを示し、その総トルクMeを軸に連結さ れた電気機械が加える。機械トルクMeの曲線は回転むらとエンジントルクMvの曲 線におおむね一致するが、方向が反対である。即ち、回転むらがより高速へ向か っている時(いわゆる正の不均一性)、電気機械はその軸にブレーキをかけるト ルクを発生させ(いわゆる負のトルク)、回転むらが低速へ向かう場合(いわゆ る負の不均一性)、それは駆動トルクを発生させる(いわゆる正トルク)。トル クMeの大きさは、回転不均一性及びそれに比例するトルクMvの変動が図1aに点線 で示すように、事実上減少するように、或いはその作用を通して事実上消失さえ するように選択される。 図3bに示す動作モードにおいて、負と正のトルクの極大は等しい。かくして、 ブレーキ位相中に得られるエネルギーは基本的に、次の駆動位相で使用されるエ ネルギーに等しい。それ故に、外方へのエネルギー束はゼロであり、ブレーキエ ネルギーはそのシステム内で一時的にのみ緩和される。かくして、そのシステム はこの動作モードで、トルクが迅速に変化しながら純粋な回転むら減少手段のよ うに動作し、一定トルクを生じさせることはない。 一定のトルクをもつ従来のシステムから変更したこのシステムの動作モードの 一例が図3cに示されている。即ち、総トルクMeの時間経過は図1bのそれに対応す るが、それは負の方向へ特定量△Meだけ(いわゆる偏差)全てがシフトされる。 偏差△Meは一般に非常に緩慢となるが、ここに、約1回の回転期間で表される簡 単なタイムフレームにおいて、その偏差は相当な近似値まで一定する。偏差△Me はここで、迅速に変化するトルクの振輻より小さいので、総トルクMeは交互に正 値と負値をもつ。迅速なトルクの変化を平均して、一定トルク△Meを得る。かく して、平均するとき、内燃機関から機械的エネルギーが引き出され、それは大部 分が電気エネルギーに変換され、そのシステムから取り出される。この種の動作 における電気機械はかくして、回転むらの減少手段の機能の他に、発電機の機能 を有し、それはブレーキとして作用し、電流を分配して、例えば、そのシステム の動作損を釣り合わせ、車のバッテリーを充電し、および/または電気消費体を 動作させる。 偏差△Meが回転むらを減少させる振幅より大きい場合、電気機械はブレーキと して動作するのみで、もはや駆動体として動作することはなく、そのブレーキ作 用は、回転むらとは反対位相で、図1b、図1cに従って大きさが変化する。 発電機の電力は小さなものも非常に大きなものもどちらも、電気機械の(ソフ トウェア)制御システムの適切な調整によって簡単に調整され、何ら構造的(ハ ードウェア)変更を必要としない。電気機械のサイズだけに制限がある。たとえ ば小型及び大型の車種の場合、まさに同じ型の機械を使用することができ、設計 で合わせる必要はない。 総トルク曲線を正方向へシフト(正の偏差)させることもできる。そこで、電 気機械は、例えば車の加速時、エンジンを支援するため、回転むらの減少手段と しての機能の他に(駆動)モータとして動作する。 電気機械4は、図4により厳密に示すように、ブラシもワイパーも有しておら ず、かくして摩耗の問題もない。それは約250mmの外径と、55mmの軸方向の長さ を有し、10〜15kgの重量で、約50Nmの連続トルクと約150Nmのピークトルクを生 じさせる。それは、通常の内燃機関のピーク速度に対応する回転速度を得ること ができ(約6,000〜10,000rpm)、速度耐性は14,000rpmまでである。その電気機 械4は駆動軸10の方向へ(軸方向)溝35を有する外部固定子8を有する。固定子 8は、三相電流で付勢される時、12極を形成するように構成された三位相巻線36 を支持する。1個の極につき3本の溝があり、かくして全部で36本の溝がある( 他の形態(図示せず)において、1極につき少なくとも6本の溝があり、好まし くは、 9本の溝があって、漂遊効果を減少させる)。これらの極は、回転電流が振動し ながら固定子8内で円形運動により回転する。特定時間におけるそれらの瞬間的 位置が“S”(南極用)と“N”(北極用)の指示をつけた矢印で示されている 。外側で溝35を閉鎖する背板37は半径方向の厚みが比較的うすく、その厚さは3 〜25mmが好ましい(溝35の位置で)。固定子8は、再磁化損の小さい材料(ここ では50Hz、1テスラで1W/kg以下)の薄板(ここでは厚さ0.25mm)で構成され、 それらの薄板の面は軸方向へ直角をなす。 インダクション機械の場合、内側回転子9は、基本的に軸方向へ移動するかご バーを備えたリスかご状回転子として形成され、それらのかごバーは各々、端面 が短絡回路リング38に接合される。同期機械の場合、回転子9は、固定子8に対 応数の極(ここでは12極)を支持する。それらの極は永久磁石によって、或いは 適切に励磁されるコイルによって形成される。図3はまた、同期機械を示し、こ れはその回転子極(符号39)を概略的に示す。 回転子9と固定子8との間の空隙40は比較的大きく、その幅は0.25〜2.5mmで あり、好ましくは0.5〜1.5mmである。 その他の形態(図示せず)において、回転子は外側で、固定子は内側である。 図5はインバータ17の概略線図を示す。そこには、キャパシタの形で中間回路 アキュムレータ19が示され、これは更なるアキュムレータ24に並列でスイッチ切 換が行われる(ここではより厳密には示さない)。そのキャパシタはいくつかの キャパシタの並列接続を表している。 機械インバータ20は3個の並列に接続された(しかし、独立して結合する)ス イッチグループ42により形成され、そのスイッチグループ42の各々は、中間回路 のプラス極とマイナス極との間で2個の(独立してスイッチ切換する)スイッチ 43の直列接続で成る。その直列接続は中心部(即ちスイッチ43間で)で片側によ り3相巻線36の3個の巻線36a、36b、36cのうちの1つに接合される。他側では 、3個の巻線36a、36b、36cは一緒に接合される。 フリーホイールダイオード44はスイッチ43の各々に並列で接続される。そのダ イオードは分極化されていて、それは通常では遮断しており、反対のスイッチが 開く時のみ、自己インダクタンスによって生じる他方向への短時の電流を通過さ せるように極性が選ばれている。 各スイッチ43は、所望の振幅、周波数及び位相をもつ三相電流を形成するため 制御装置31によって直接駆動されるいくつかの(例えば5個の)MOS電界効果ト ランジスタの並列接続を表す。 直流電圧コンバータ18は2個のサブアセンブリ、即ち電気エネルギーを低電圧 レベル(12V)から中間回路の高電圧レベル(60V又は350V)まで上げるのと、高 電圧レベル(60V又は350V)から低電圧レベル(12V)まで電気エネルギー下げる のとで成る。第1のサブアセンブリは車のバッテリーを中間回路に配置した形態 を有しない。 前記第1のサブアセンブリは、例えば、昇圧トランスフォーマ45である。これ は車のバッテリー11のプラス極に接続するインダクタンス46と、中間回路のマイ ナス極とプラス極に接続するスイッチ47との直列回路を備え、この直列回路は中 間部で昇圧ダイオード48を介して(伝導方向へ分極化される)中間回路のプラス 極に接続される。スイッチ47が閉鎖される時、循環電流が車のバッテリー11のプ ラス極からマイナス極へ流れる。スイッチ47を開いた後、自己インダクタンス電 圧は、この電流の消滅を防ぎ、その結果、中間回路の高電圧レベル(60V又は350 V)を一時的にこえ、電流は(他のブロック用)昇圧ダイオード48を通って流れ 、中間回路アキュムレータ19を充電する。スイッチ47を定期的に開閉することに よって、疑似固定的充電用電流を準備し、例えば始動過程を準備する。スイッチ 47は半導体スイッチであり、それは制御装置31によって直接、動作される。 第2サブアセンブリは降圧電圧トランスフォーマ49であって、それは例えば、 スイッチ切換パワーパックと同じに機能する。それは中間回路のプラス極とマイ ナス極との間にあるスイッチ50の2つの直列回路で成り、それら各回路は並列に 接続したフリーホイーリングダイオード51を有する。高周波数(HF)トランスフォ ーマ52の第1巻線の端部は各々、これら直列回路の中間部に接続される。HFトラ ンスフォーマ52の第2巻線は、整流かつ平滑用ユニット53を付勢し、これは順次 、車のバッテリー11と低電圧消費体23とを付勢する。スイッチ50は半導体スイッ チを表し、それは制御装置31によって直接、動作される。それらスイッチを定期 的に開閉することによって、高周波の交流電流が発生し、それはHFトランスフォ ー マ52の第2巻線に、低電圧レベルで対応する交流電圧を含み、それはユニット53 によって整流され、滑らかにされる。そこで生じた直流電圧の正確な値は、スイ ッチ切換え周波数を介してスイッチ50によって正確に調整される。 他の形態(図示せず)では、通常のモータ管理システムから引き出されるモー タ制御ユニットは、制御装置31の機能を果たすので制御装置31は必要としない。 図6のデュアル電気機械4はまた、次のトランスミッションのための電磁カッ プリングの機能及び/または同期装置の機能を実行することができ、駆動軸、例 えば、内燃機関1の駆動軸10と出力軸、例えばトランスミッション6に連結され たトランスミッション軸55との間の駆動列2に取り付ける。そのデュアル電気機 械4は2個の電気機械4a、4bで成り、その各電気機械は非回転固定子8a、8bを備 え、そして各電気機械はまた、駆動軸と共に回転する回転子9aを備え、出力軸と 共に回転する回転子9aを備えている。回転子9a、9bと、ひいては駆動軸及び出力 軸は、機械的ブリッジカップリング60によって、ここでは、確実な係止カップリ ング、又は摩擦係止カップリングによって、しっかりと機械的に共に接合される 。好ましくは、これは制御された方法で、例えば機械的に、電気的に、油圧的に 、或いは空気圧的に動作される。他の実施形態では、ブリッジカップリング60は 存在しない。 図7は図6に対応するデュアル機械4を示し、回転子9a、9bは共軸的に共通の 固定子本体59に配置され、その固定子本体59は2個の(電気的に分離された、或 いは分離可能な)固定子8a、8bを収納し、たとえば、エンジン1のクランクケー ス61にしっかりと取付られる。ブリッジカップリング(図示せず)が例えば、回 転子9a、9bが軸方向のシフト作用によって互いに確実な、又は摩擦によるロック が行われるように取り付けられる。もうひとつの例として、それはたとえば、回 転子9a、9bに統合された摩擦カップリング、又は爪カップリングによって形成さ れる。 図6、図7のデュアル機械4において、ASRが介在すると、出力端にある機 械4bは、駆動スリップが存在する時、駆動トルクをより少なく発生させる。これ はクラッチスリップに対応する。 電磁カップリング及び/または同期装置を有する図8の単一の電気機械4は、 内側及び外側電磁能動要素を有し、それら要素はここでは、電気機械から通常の 用語を借りた回転子9と固定子8'と呼ぶ。回転子9は出力軸55にしっかりと接続 され、固定子8'は駆動軸10にしっかりと接続されている(他の形態では、ここで は図示しないが、この配置が逆になっている)。電気機械4は回転子の回転の他 に全体として回転する。したがって、ここでは“固定子”という用語は、それが 回転できることが判った上で、伝達される意味でのみ解釈されるべきである。こ れに対して、回転磁場機械のような、定常電気機械では、固定能動要素(即ち、 固定子)への電流供給を制限し、電流を供給しないで誘導のみによって回転する 能動要素(即ち、回転子)に電流を生じさせることができる。この場合、両能動 要素が回転でき、電流は回転移動可能な電気接続体(例えば、ワイパー及びスリ ップリング接触子、ここでは図示せず)を横切ってそれら両要素のうちの少なく とも片方へ(ここでは固定子8')へ供給される。出力軸55は機械的クラッチ、こ こでは車のシャーシ又はトランスミッションハウジングに支持されたブレーキ62 により回転が妨げられる。図示の形態はブリッジカップリングを有しないが、他 の形態(図示せず)は軸10,55の機械的接続のための摩擦による、或いはノンポ ジティブ係止ブリッジカップリングを備えている。機械4はエンジンハウジング 内に、或いはその上に、或いはトランスミッションハウジングに、或いは駆動列 2の他の場所に配置することもできる。 その単一電気機械4において、ASRの介在により、駆動スリップがあるとき クラッチをスリップさせることができる。駆動輪のスリップが大きすぎる場合、 クラッチスリップが瞬間的に増大し、駆動輪にかけられるトルクは減少する。ブ リッジカップリングが存在する場合、これは前もって接続を遮断しておく。 シフトカップリングとしての機能、またできれば始動カップリングとしての機 能において軸10,55の同期性は、軸10と55との間の回転速度が等しくなるように 、即ち、固定子8'と回転子9との間のカップリングスリップが全くなくなるよう に、機械4のトルク発生磁場を調整することによって達成される。インダクショ ン機械では、これは例えば、駆動トルクの方向とは反対方向へ回転する適切な周 波数を振幅をもつ回転磁場の磁気スリップの自動制御又は開放ループ制御によっ て行われる。正係止ブリッジカップリング(ここでは図示せず)は、カップリン グス リップが消滅している間、電磁損がない。 能動的トランスミッション同期作用は、ともに噛み合う歯車が同一周速をもつ ようにギアシフト中に出力軸55を加速又は制動する。この機能はカップリング機 能なしで単一機械4の形態で実施される。ここでは、それは内燃機関1の可変速 度で回転している駆動軸10に対してスラストすることによって達成される。その 特定同期作用に必要な機械4の相対速度を決定し、コントロールする時、その回 転の貢献度が考慮に入れられる。 ブレーキ62によって回転が妨げられる回転子9をスラストして、停止時の自動 車の駆動軸10の回転むらの減少が生じる。動力による移動時、出力軸55の回転む らは、ブリッジカップリングが連結されない状態で(又はそのカップリングが存 在しない時)、伝達トルクの急変により減少される。特に、それは、正の回転む らの場合、トルクを減少させ(即ち、クラッチスリップを増大させ)、負の回転 むらの場合トルクを増大させることによって(即ちクラッチトルクを減少させる こと)減少される。適切なトルクを発生させることによって、言い換えれば、多 少ともクラッチスリップを生じさせることによって、ブリッジクラッチを結合さ せない状態で更なる加速、或いは更なるブレーキが可能となる。電流を生じさせ る発電機の機能は、クラッチスリップを永久的に保持することによって達成され る。 電気機械4は、ブレーキ62により固定される出力軸55にスラストすることによ って内燃機関1を直接、始動させることができる。もうひとつの形態では、電気 機械4がそのために十分なトルクを与えない時、その機械4は摩耗なしのフライ フォイールのスタータとして働き、電磁カップリング機能を果たす。そのため、 電気機械4ははじめに、ギアを外し、ブレーキ62を解除した状態で、回転子9を 出力軸55とともに例えば2000rpmの比較的高速の回転速度まで加速する。電気機 械4はそれから、短時間のうちに逆転し、それによってブレーキモーメント、即 ち回転子9と固定子8'との間に摩擦接続を生じさせる。このようにして、回転子 9は出力軸55と共に、固定子8'は駆動軸10と共に、両者は速やかに共通の平均速 度(例えば800rpm)に達し、エンジン1が始動する。 図9は図8の回転能動ユニットを備えた電気機械の更なる変形例を示す。ここ で、固定子8'は駆動軸10に永久的に連結するのではなく、次の3つの異なるカッ プリング状態を制御可能な方法で採用することができる。 1.駆動軸10に連結する(図12のように) 2.駆動軸10に連結しないで自由に回転可能 3.回転しないように固定する 摩擦係止カップリングであるが、好ましくはまた、正(ポジティブ)の係止カ ップリングである2つの更なる機械的カップリングをこのために使用する。即ち 、閉鎖状態で固定子8'を駆動軸10に連結するエンジンカップリング63(カップリ ング状態1)と、閉鎖状態で例えばクランクケース61に連結することによって回 転しないように停止させるストップカップリング64(カップリング状態3)。カ ップリング状態2の場合、その両方とも開く。即ち、同時閉鎖は禁止されている 。カップリング63,64(それらは回転対称の理由でのみ、図4に二重に描かれて いる)は、ブリッジカップリング60と共に、例えば機械的に、電気的に、油圧的 に或いは空気圧的に制御された方法で動作される。 ASRの介在は、カップリング状態1のクラッチスリップによって、或いはカ ップリング状態3のブレーキ作用によって交互に生じる。 電気機械4とカップリング60,62,63のコントロールは、次のプロセスシーケン スに従って駆動システムの種々異なる動作状態及び機能を通して生じる。即ち、 1.内燃機関1の始動(フライフォイールの始動) i. ギアを外す(例えば、ドライバーによって) ii.エンジンカップリング63が閉鎖する iii.電気機械4により回転子9を高速へ加速 iv.回転子9にブレーキをかけ、固定子8'を加速することにより電気機械4 にブレーキトルクがかかり、エンジン1が始動する 2.車の始動 i. ブリッジカップリング60が開く、 ii.電気機械4により回転子9が係止する iii.第1ギアがかみ合う(例えばドライバーにより) iv.回転子9が公称始動トルクで電磁的に加速する v. 同期化した時、ブリッジカップリング60が閉鎖する 3.回転むらの減少を伴う定常駆動動作 i. エンジンカップリング63が開くので、固定子8'が自由に回転する ii.電気機械4により固定子8'が停止する iii.ストップカップリング64が閉鎖し、固定子8'とエンジン1のクランクケ ースとの間に剛直な接続が生じる iv.駆動軸10の回転むらを減少させるため、電気機械4によって脈動トルク が生じる 4.ギアシフト i. エンジン駆動トルクが除去される(必要であれば、電気機械からの支持 により)(例えば、ドライバーによって) ii.ブリッジカップリング60が開く iii.ギアが外される(例えばドライバーによって) iv.新ギアが噛み合うような同期状態を達成する新速度へ回転子9が加速、 又は制動される v. ギアが噛み合う(例えばドライバーにより) vi.ブリッジカップリング60が閉鎖する vii.エンジン駆動トルクが再びかけられる(例えば、ドライバーによって) 回転むらの減少はまた、上記ステップ1の後に続けることのできる次のプロセ スシーケンスによって示されるように、アイドリング時にも可能である。 5.回転むらの減少によるアイドリング i. エンジンカップリング63が開き、固定子8'が自由に回転する ii.固定子8'は電気機械4により停止する iii.ストップカップリング64が閉鎖し、固定子8'とエンジン1のクランクケ ースとの間に剛直な接続が生じる iv.駆動軸10の回転むらを減少させるために電気機械4によって脈動トルク が生じる カップリング60,63,64の閉鎖は、相対速度の消失時にのみ生じる。発電機の機 能と更なるブレーキトルク、又は駆動トルクは、同期機能及び回転むらの減少と 同様に、電気機械4の適切なブレーキトルク又は駆動トルクによって、ブリッジ カップリング60の閉鎖及びストップカップリング64の閉鎖により実行される。 他の実施形態はエンジン1を直接、スタートさせる、即ちブリッジカップリン グ60を閉鎖し、ストップカップリング64も閉鎖した状態で行う。 図10の電気機械4は大まかに言って機能的に図9のものと一致するので、図9 に関する説明と図5〜8の説明があてはまる。但し、以下に述べる新しい事項に 関するものは除く。図9の機械との主な差は、“回転する回転子”から“固定回 転子”への切換えがカップリングの開閉により機械的に行われず、電気的に行わ れることである。更なる相違は、図9に示す機械4の駆動軸10と出力軸55との役 割が逆転していることであって、これは機能モードの小さな新規事項であり、こ れについては以下でより詳しく説明する。しかしながら、これらの実施形態にお いて、駆動軸10と出力軸55の役割は図9のそれに一致する。従って、これらの実 施形態では、その差は図示しない。 図示の電気機械4において、前述のように(外側)固定子8'と(内側)回転子 9はそれぞれ、出力軸55に、そして、駆動軸10にしっかり固定されていて、取り 外すことができない。回転する固定子8'の他に、機械4は回転しないようにした 固定子8を備えており、それはクランクケース61に支持されている(例えば)。 これは回転する固定子8'のすぐそばにあって、エンジン1に向かって軸方向(例 えば)に離れている。それは回転する固定子8'と共軸をなし、それと同一内径を 有する。2個の固定子8',8の巻線はセルフスタンディング型であるので、それら は磁場の発生時に切り離され、或いは切り離すことができる。回転子9は十分な 広さをもつので、両固定子8',8の事実上全動作面にわたって軸方向へ延びている 。図9に示すように、ブリッジカップリング60は駆動軸10を出力軸55に連結する 。他の実施形態では(図示せず)回転子9は外側に、固定子8,8'は内側に位置す る。 固定した固定子8と回転する固定子8'との間のシフトは切換可能な電力供給ユ ニット、ここでは、適切に切り換えできるインバータによって行われる。これは 、直接始動機能、回転むらの減少機能、車のブレーキ及び加速の機能のために固 定した固定子8に、あるいは、発電機の機能として、即ち、電磁カップリング機 能、同期化機能及びフライフォイールの始動機能のために回転固定子8'へその都 度必 要とされるそれぞれの電流及び電圧を供給し、その場合、慣性もなく、それらの 間に認知できる程の時間遅もなく、切り換えを行うことができる。 図9とは異なって、“同期化”の機能は、回転する固定子8'と回転子9との間 にトルクを発生させることによってコントロールされるが、その機能は可変速駆 動軸10に支持されているため、より多くの制御技術を必要とする。これは、図10 の機械4において、ブリッジカップリング60が伝達方向にみて、固定された固定 子8と回転子9で形成される電気機械の後方に位置するためである。これに対し て、図9の機械4では、ブリッジカップリング60は固定された固定子をもつ電気 機械の前方に位置する。駆動軸10と出力軸55との役割が図10にくらべて逆転して いる実施形態(図示せず)においては、図9とのこの機能差は存在しない。 他の実施形態において、2個の固定子8,8'は2個の独立した電力供給装置、こ こではインバータによって同時にしかも独立して個々に電力が供給される。かく して、固定された固定子8の機能、例えば、発電機の機能及び回転むらの減少機 能は、回転する固定子8'の機能、例えば電磁カップリング機能を行っている間で さえ、実行することができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) B60K 41/02 B60T 8/58 D B60T 8/58 B60K 9/00 E F16D 48/06 F16D 27/16 (31)優先権主張番号 19532163.4 (32)優先日 平成7年8月31日(1995.8.31) (33)優先権主張国 ドイツ(DE) (81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE, DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L U,MC,NL,PT,SE),BR,CA,CN,J P,KR,US (72)発明者 マスベルク,ウルリッヒ ドイツ連邦共和国・ディ―51503・レスラ ート・ノネンヴェク・116 (72)発明者 ペルス,トーマス ドイツ連邦共和国・ディ―46359・ハイデ ン・ミューレンヴェク・13 (72)発明者 ツェイエン,クラウス・ペーター ドイツ連邦共和国・ディ―50670・ケル ン・フォン−ヴェルト−シュトラーセ・44 (72)発明者 グリュンドゥル,アンドレアス ドイツ連邦共和国・ディ―81377・ミュン ヒェン・ハーゼネイシュトラーセ・20 (72)発明者 ホフマン,ベルンハルト ドイツ連邦共和国・ディ―82319・シュタ ーンベルク・オットー−ガスナー−シュト ラーセ・3

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 駆動アセンブリ、特に内燃機関(1)と、 少なくとも1個の電気機械(4)と、 駆動スリップコントロール手段とで成り、 前記電気機械(4)はそれが、特に、ブレーキ作用によって、及び/又は電気機 械がカップリングとして動作する時には、クラッチスリップ作用によって、駆動 スリップの減少を生じさせるように設計された、特に自動車用駆動システム。 2. 駆動スリップを減少させるために駆動アセンブリの調整及び/または車 輪ブレーキを行わないようにした請求項1記載の駆動システム。 3. 駆動スリップを減少させるために、電気機械(4)による作用の他に、駆 動アセンブリの調整及び/または車輪ブレーキを実行し、これは電気機械(4)の 作用と同時に、或いはそれと連続してタイミングを合わせて行われる請求項1記 載の駆動システム。 4. 駆動スリップを減少させる電気機械(4)は渦電流ブレーキとして使用さ れた前述の請求項のいずれか1つに記載の駆動システム。 5. 駆動スリップを減少させる電気機械(4)は発電機ブレーキとして使用さ れる請求項1〜3のうちの1つに記載の駆動システム。 6. 発電機型ブレーキ作用によって生じる電気エネルギーは次の使用のため に保存され、或いは熱に変換される請求項5記載の駆動システム。 7. 自動的に駆動されるクラッチが駆動アセンブリと電気機械(4)との間で シフトされ、駆動モーメントが減少する際に、全部又は一部開く前述の請求項の いずれか1つに記載の駆動システム。 8. 電気機械(4)は電磁カップリングとして設計された前述の請求項のいず れか1つに記載の駆動システム。 9. 駆動トルクの減少は、クラッチスリップを可能にすることによって、或 いはすでに存在するクラッチスリップを増大させることによって生じ、そこで電 磁カップリングが機械的ブリッジカップリングがはじめに解除される請求項8記 載の駆動システム。 10. 駆動トルクを減少させる電気機械(4)は対抗トルクを積極的に発生させ る 請求項9記載の駆動システム。 11. 電気機械(4)は回転磁場機械又は進行波機械で構成した前述の請求項の いずれか1つに記載の駆動システム。 12. 電気機械(4)の磁場に必要な可変周波数、振幅及び/または位相の電圧 及び/または電流を発生させるために少なくとも1個のインバータ(17)を有して いる前述の請求項のいずれか1つに記載の駆動システム。 13. 電気機械(4)はまた、回転むらを積極的に減少させる機能を有してなる 、前述の請求項の1つに記載の駆動システム。 14. 回転むらを減少させる電気機械(4)は迅速に変化するトルク(可変トル ク)を発生させ、この変化は特に脈動である請求項15に記載の駆動システム。 15. 駆動作用又はブレーキ型又は発電機型作用を行い、又はカップリング機 能の場合制限作用を行う電気機械(4)は正又は負のトルク(一定トルク)を発生 させる前述の請求項のいずれか1つに記載の駆動システム。 16. ブレーキ作用の一定トルクの場合に得られるエネルギー(一定トルクの ブレーキエネルギー)及び/または、正の回転むらの減少中に得られるエネルギ ー(可変トルクのブレーキエネルギー)は少なくとも一部、保存され、できれば 負の回転むらを減少させるために再使用される請求項14又は15に記載の駆動シス テム。 17. 電気機械(4)はスターター機能及び/又は電流供給のための発電機の機 能を有する前述の請求項のいずれか1つに記載の駆動システム。 18. 電気機械(4)は最大トルクに換算して、0.01Nm/cm3以上の高トルク密度 を有する前述の請求項のいずれか1つに記載の駆動システム。 19. 駆動アセンブリ、特に内燃機関(1)と、電気機械(4)と、スリップ防止用 コントロール手段とか成り、前記電気機械(4)、特にブレーキ作用によって、及 び/又は電気機械(4)がカップリングとして作用するときは、クラッチスリップ 作用によって駆動スリップを減少させる特に自動車用駆動システムの動作方法。 20. 請求項1〜18の1つに記載の駆動システムを使用した請求項19に記載の 方法。
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