JP2008514869A - エンジンと発電機との間のトランスミッションのための定常状態と過渡部の制御 - Google Patents

Abstract

可変出力を所望の速度値を有する入力に変換するためのシステム（１）であって、当該システムは、トランスミッション（３０）を含み、これは、第１の速度（Ｖe）を有する出力を受け取り、第２の速度（Ｖgen）を有する入力を生成するものであり、該システムは、第１、第２および第３のセンサ（１２、１０、７）を含み、これらは、第１の速度（Ｖe）、第２の速度（Ｖgen）および前記入力に対するパワー需要（Ｐdem）に対応するデータ（３９、３２、３７）を生成するものであり、該システムは、比率設定ポイントコントローラ（３４）と、比率コントローラ（３６）と、速度コントローラ（４）とを含む。比率設定ポイントコントローラ（３４）は、データ（３９、３２、３７）を受信し、利用可能パワー（Ｐav）、システムの安定性レベル（Ｓ、Ｕ１、Ｕ２）、第１の速度（Ｖe）に対する所望の値、およびトランスミッション比率に対する所望の値と変化の速度を計算する。比率コントローラ（３６）は、比率設定ポイントコントローラ（３４）をインタフェースし、トランスミッション（３０）を作動させることで、トランスミッション比率を、変化の所望の速度に従って所望の値に変える。速度コントローラ（４）は、第１の速度（Ｖe）を、第２の速度（Ｖgen）が所望の速度値に対応するまで変化させる。
【選択図】図４

Description

関連する出願への相互参照
この特許出願は、２００４年９月２７日に出願されたカナダ特許出願第２，４７９，８９０号に関する優先権を主張する。

発明の分野
この発明は、概しては、機械的なトランスミッションシステム、および、エンジンで駆動される発電機システムに関する。より具体的には、この発明は、連続可変トランスミッションシステムに関するものであり、該システムは、発電機システムにおいて、最も効率の良いレンジ内での稼動のためのエンジン速度の連続的な調整（モジュレーション）を可能にしながらも、調整されたパワーを可変負荷に供給すべく、発電機の一定速度での駆動を提供するのに、有利に用いることができる。

背景技術
発電機システムは、多年に渡って用いられており、機械的エネルギーのソース、例えば、永久磁石発電機を駆動する内燃機関の動力取出し(power take-off)（ＰＴＯ）から、電力(electrical power)を負荷へ供給するために用いられている。負荷には、一般的に、交流の電流パワーを、実質的に一定の周波数（典型的には、５０または６０Ｈｚ）にて供給する必要があるために、発電機は、ほとんど一定の回転速度（２極発電機の場合、６０Ｈｚに対しては１８００r.p.m.、５０Ｈｚに対しては１５００r.p.m.）にて、駆動される必要がある。そうしないと、電気波動(electrical wave)の周波数を調節するために、発電機と負荷との間に電子周波数コンバータを挿入することが必要となる（例えば、合衆国特許第５，５５２，６４０号、Sutton et al. - Sept. 3, 1996 - British Gas plc.参照）。従って、この周波数の変換を排除するという観点から、ほとんどの発電機システムはディーゼルエンジンを用いて運転され、該ディーゼルエンジンは、常時、発電機の全定格パワー容量(full generator rated power capacity)が得られるように、一定の速度にてかなり高いレンジにて駆動される。

Sutton によって力説されたように、エンジンを一定の速度にて運転することは、非常に多くの短所を有し、これらは、適当なエンジン速度コントローラを導入することで回避することができる。事実、内燃機関が、最適な効率（出力機械的パワー/入力燃料パワー）のために、ある特定の速度にて所定のパワーを供給するということは、当業者には良く知られている。こうして、負荷需要が著しく変動したときでも、エンジンを一定速度にて運転することは、燃料コストの上昇、汚染物質の放出の増加、雑音レベルの上昇、およびメンテナンスコストの上昇をもたらす。従って、エンジン速度を、負荷の所での瞬間パワー需要と関連させて絶えず調節できることが望ましい。このようなシステムは多くの有利な特徴を有するが、中でも、負荷が大きなときは、これを支えるために、より高い速度レンジにて運転することでエンジンの全パワーを利用し、負荷が軽いときは、エンジンをアイドルレベルの付近で走行させることが可能となる。しかしながら、これは、発電機を定常周波数にて固定比率のギヤーボックスを通じて動作するために、エンジンの可変速度をある一定の速度の駆動に絶えず変換しなければならないという問題を引き起こす。

Cronin は、合衆国特許第４，３８２，１８８号（Lockheed Corp. - May 3, 1983）において、トロイダルドライブのような、連続可変トランスミッション(continuously variable transmission)（ＣＶＴ）を用いて、永久磁石発電機を一定の周波数にてあらかじめ選択されたエンジン速度レンジに渡って駆動できるように、エンジンからの可変速度の機械的出力を変換することが可能であることを教示している。事実、ＣＶＴにおいては、そのトランスミッションからの駆動の出力速度と、トランスミッションに供給される駆動の入力速度との比率は、あらかじめ定められた上限比率と下限比率の間で、連続的に、かつ、無限的に、可変である。しかしながら、Cronin の発明は、固有に可変なエンジン速度に対処することを意図されており、そのエンジンを効率の目的のために制御するという視点（基本構想）は有さない。合衆国特許第５，５３９，２５８号（Sutton et al. - July 23, 1996 - British Gas plc）、および、欧州特許第０６４３４７４号（Sutton - March 3, 1997 - British Gas plc）では、Sutton が、特定のエンジン駆動による発電機システムを開示しており、該システムは、トロイダルＣＶＴを有し、かつ、エンジンスロットルと連続的なトランスミッション比率とを制御するためのコンピュータ化されたシステムを有し、それによって、負荷パワー需要における変化が検出されると、エンジン速度が、測定された需要に対応する最も効率的なレンジ内に、自動的に、あるプログラムされたエンジン効率マップに基づいて設定されるものである。

このようなシステムは、負荷のパワー需要がゆるやかに変化するときは正しく動作するかも知れないが、負荷需要の急激な変化に直面したときでも、供給される電流の品質を維持することは、かなりの難題のままである。これは、主として、システム内の慣性および遅延に対する過渡的な応答に起因する。例えば、エンジンは、負荷が突然に加えられ、スロットルが全開されたとき、全速に加速するためには、ある程度の立ち上がり時間を必要とする。逆に、エンジンは、負荷が突然に発電機から切断されたときは、走行してはならず、そして、エンジンおよびＣＶＴは、パワー需要の変動した場合でも、常に、安定なモードにとどまらなければならない。乗り物においては満足に機能することができる多くのエンジン/ＣＶＴシステムが開発されているが、しかしながら、どれも、ａｃ発電機に対する要求（ネットワークに電力を送り、そして、１年に数千時間運転することを意図する）を満たすことはできない。また、ほとんどの連続可変トランスミッションおよびエンジン制御デバイスが、例えば、車、ボート、列車および飛行機などの車両(vehicle)のために開発されてきたということは、言及するに値する。そのため、これらのほとんどは、運転のために、油圧(hydraulic)パワーあるいは油圧デバイスに依存し、年間を通じてのこれほど多くの運転を維持できるような、価格的に手頃なタイプのものは構築されていない。油圧は、乗り物に対しては、自然な選択ではあるが、生産量が少ない場合のコスト、および保守要件の観点からは、これを、ヘビーデューティーな発電機に対して用いることは、望ましくない。このため、例えば、合衆国特許第３，５８１，５８７号（Dickenbrock - June 1, 1971 - General Motors Corp.）において記述されているような、完全に機械的なトロイダルＣＶＴが、このような用途に対しては、好ましいタイプのＣＶＴであると考えられる。トロイダルＣＶＴにおいては、機械的パワーは、入力トロイダルディスクから出力トロイダルディスクへと伝達され、その伝達は、中心から制御可能な距離にある各ディスクの内面上を走行する、一連の摩擦ローラーを通じて行なわれる。比率は、これらローラーが、各ディスク上の、異なる直径のトラック上を走行するようにさせることで制御され、これら直径の比率によって、トランスミッション比率が定義される。このかなり単純な基本的概念は、発電機システムに良く適合する。しかしながら、これらが、この過酷な用途にふさわしい十分な、信頼性、頑丈さおよび柔軟性を有するようにするためには、より早い段階の設計に、改善を組み入れることが必要である。

上の例から、従来技術の幾つかの発電機システムは、エンジン速度の変更を可能にし、結果として、効率を改善するために、連続可変トランスミッションを使用することを考えていることがわかるが、それにもかかわらず、それらシステムおよびトランスミッションデバイスは、周波数および電圧において安定な電力を可変負荷に供給するための、実用的で、信頼性が高く、頑丈で、しかも、手頃な安価の解決策を提供するためにそれらに必要な重要な特徴を欠いている。

従って、発電機システムおよび機械的トランスミッションシステムの分野において、可変速度の機械的なエネルギーのソースからの、ある装置の一定速度の駆動を可能にするトランスミッションシステムと、ある可変負荷に、安定した電力を供給するために有利に使用することができるエンジン速度を調節できることを特徴する高効率発電機システムを提供することは、大きな進歩である。

発明の要約
この発明の目的は、従って、高効率発電機システムと、そのための連続可変トランスミッションとを提供し、従来技術のデバイスおよびシステムの制約および短所を排除することにある。

より具体的には、本発明によると、機械的パワーの可変ソースの可変出力を、装置に対する所望の装置速度値を有する入力へと伝達するためのシステムが提供され、当該システムは、当該システムは、トランスミッションを有し、該トランスミッションは、該可変出力を受け取り、かつ、該入力を生成し、該トランスミッションは、該出力の第１の速度と該入力の第２の速度との間のトランスミッション比率を定めるものであり、当該システムは、第１のセンサを有し、該センサは、第１の速度を測定し、これに対応する第１の速度データを生成するものであり、当該システムは、第２のセンサを有し、該センサは、第２の速度を測定し、これに対応する第２の速度データを生成するものであり、当該システムは、第３のセンサを有し、該センサは、前記装置のパワー需要を測定し、かつ、これに対応するパワー需要データを生成するものであり、当該システムは、比率設定ポイントコントローラを有し、該比率設定ポイントコントローラは、第１と第２の速度データおよび前記パワー需要データを受け取り、該比率設定ポイントコントローラは、ソースの利用可能パワーと、当該システムの安定性レベルとを、第１の速度データおよびパワー需要データに応じて計算し、第１の速度に対する所望のソース速度値を、パワー需要に応じて決定し、トランスミッション比率に対する所望の比率値を、所望のソース速度値の関数として計算し、トランスミッション比率の変化の所望のレートを当該システムの安定性レベルに応じて決定するものであり、当該システムは、比率コントローラを有し、該比率コントローラは、比率設定ポイントコントローラを、トランスミッションにインタフェースするものであり、該比率コントローラは、トランスミッションを作動させて、変化の所望のレートに従って、トランスミッション比率を所望の比率値へと変化させるものであり、当該システムは、ソース速度コントローラを有し、該ソース速度コントローラは、第２の速度データを第２のセンサから受け取り、かつ、第２の速度データが所望の装置速度値に対応するまで、第１の速度を変化させるものである。

この発明によると、さらに、機械的パワーの可変ソースの可変出力を、装置に対する所望の速度値を有する入力へと変換するためのシステムが提供され、当該システムは、トランスミッションを有し、該トランスミッションは、該可変出力を受け取り、かつ、該入力を生成し、該トランスミッションは、該出力の第１の速度と該入力の第２速度との間の可変の比率を有するものであり、当該システムは、少なくとも１つのセンサを有し、該センサは、第１の速度に対応する第１の速度データと、第２の速度に対応する第２の速度データと、装置のパワー需要に対応するパワー需要データとを生成するものであり、当該システムは、第１のコントローラを有し、該コントローラは、第１の速度データ、第２の速度データ、および、パワー需要データを受け取り、利用可能パワーおよび所望のトランスミッション比率値を、第１の速度データおよび前記パワー需要データに基づいて計算し、第１の速度と所望の速度値とを含む設定レンジとの第１の比較、および、利用可能パワーと少なくとも１つの閾値との第２の比較に基づいて、当該システムを少なくとも第１および第２のカテゴリーの１つに分類し、当該システムが第１のカテゴリーにあるときは、可変比率を所望のトランスミッション比率値へ迅速に至らせるように前記トランスミッションに指示し、当該システムが第２のカテゴリーにあるときは、可変比率を所望のトランスミッション値に徐々に至らせることを前記トランスミッションに指示するものであり、当該システムは、第２のコントローラを有し、該コントローラは、第２の速度データを受け取り、かつ、第１の速度を変化させるために、第２の速度データが所望の速度値に対応するまで、速度訂正信号を機械的パワーのソースに送るものである。

さらに、この発明によると、機械的パワーの可変ソースの可変出力を装置に対する所望の速度値を有する入力へと変換する可変トランスミッションを制御する方法が提供され、当該方法は、前記可変出力の第１の速度と、前記入力の第２の速度と、前記装置のパワー需要とを得るステップを有し、当該方法は、計算するステップを有し、該計算は（１）第１の速度とパワー需要とに基づいた、利用可能パワーの計算、（２）第１の速度と利用可能パワーとに基づいた、前記装置の入力の安定性レベルの計算、（３）パワー需要に基づいた、トランスミッションの所望の比率の計算、および（４）安定性レベルに基づいた、比率の変化の所望のレートの計算であり、当該方法は、トランスミッションに対して、比率の変化の所望のレートにて所望の比率に変えるように指示するステップを有し、当該方法は、前記第１の速度を、前記第２の速度が実質的に前記所望の速度値と等しくなるまで変化させるステップを有する。

さらに、本発明によると、トロイダルトランスミッションが提供され、該トロイダルトランスミッションは、入力シャフトによって回転される第１および第２のトロイダルディスクを有し、該トロイダルトランスミッションは、前記第１と第２のトロイダルディスクの間に配置され、出力シャフトを回転させる、第３のトロイダルディスクを有し、該トロイダルトランスミッションは、前記第１のディスクのトロイダルキャビティ球溝と、前記第３のディスクの第１のトロイダルキャビティ球溝とに、摩擦的に咬み合う複数の第１の摩擦ローラーを有し、これら第１の摩擦ローラーの各々は、回転パワーを第２と第３のディスクの間で伝達するように回転可能であり、該トロイダルトランスミッションは、前記第２のディスクのトロイダルキャビティ球溝と、前記第３のディスクの第２のトロイダルキャビティ球溝とに、摩擦的に咬み合う複数の第２の摩擦ローラーを有し、これら第２の摩擦ローラーの各々は、回転パワーを第１と第３のディスクの間で伝達するように回転可能であり、該トロイダルトランスミッションは、前記第１の摩擦ローラーを、前記第３のディスクに対して、同じ第１の選択的な角度に維持する第１の手段を有し、この第１の手段は、前記第１の選択的な角度を変えるように作動可能であり、該トロイダルトランスミッションは、前記第２の摩擦ローラーを、前記第３のディスクに対して、同じ第２の選択的な角度に維持する第２の手段を有し、この第２の手段は、前記第２の選択的な角度を変えるように作動可能であり、該トロイダルトランスミッションは、第３の手段を有し、該第３の手段は、前記第１の選択的な角度が実質的に前記第２の選択的な角度と等しくなるように、前記第１の手段と第２の手段とを接続するためのものであり、かつ、該第３の手段は、前記第１の手段と第２の手段とを一緒に作動させて、前記第１および第２の選択的な角度に対する選択された値を得るためのものであり、前記選択された値は、トランスミッションの所望の比率と、トランスミッションの比率変化の所望のレートとうちの、少なくとも１つに対応し、この第３の手段は、制御信号の受け取りによって、前記第１および第２の手段を作動させるものである。

この発明の他の目的、長所、および特徴は、この発明の以下の好ましい実施例の非制限的な説明を、単に例示として与えられている添付の図面を参照にして読むことで、一層明白となるであろう。
これら図面中、同一の数字は、説明を通じて類似する部分を表す。

好ましい実施例の説明
連続可変トランスミッションシステム、および、それを用いた高効率発電機システムが、図１に示すように、総括的に数字１にて識別されている。以下に説明されるこのシステムは、適切なコントローラを持つ連続可変トランスミッションシステムの使用を通じて、機械的パワーの可変なソースから、装置へと、安定な出力を提供する。さらに、このシステムは、発電機から安定な定格電気出力を提供するとともに、発電機システム内のエネルギー効率の良いを改善させるために、その瞬間の電力需要に従ってエンジン速度の調節を遂行することも意図されている。

この連続可変トランスミッションシステムは、ＣＶＴデバイス３０を有し、該デバイスは、内燃機関（エンジン）２のような機械的なパワー源の出力に接続するための、入力駆動シャフト９を有している。入力速度センサ１２は、シャフト９の回転速度に応答し、トランスミッション３０の入力速度信号、または、エンジン２の出力速度信号を、ＣＶＴコントローラ３１に提供し、該コントローラ３１は、この連続可変トランスミッションシステムの重要要素(key component)である。ＣＶＴコントローラ３１は、さらに、５のような駆動される装置の出力においてパワー需要を監視するための負荷パワー信号入力デバイス３７を有する。低慣性フライホイール１３が、機械的パワーのソース（エンジン）２の回転速度の変動をある程度まで緩和するために、入力駆動シャフト９に固定的に取り付けられている。これは、エンジンの場合は通常そうされるように、パワー源自体に一体化されても良いが、しかし、その慣性は、必要なときにこのソースの迅速な対応が可能となるように最小限に（通常の発電機動システムの場合よりも低く、むしろ匹敵するパワーの車両のエンジンと同程度に）押さえられるべきである。

この連続可変トランスミッションシステムは、さらに、出力駆動シャフト１１を有しており、該シャフトは、安定した電力を負荷６に供給するための、発電機５の入力ロータシャフトのような、定速定格装置に接続するためのものである。ここでも、出力速度センサ１０は、シャフト１１の回転速度に応答して、トランスミッション３０の出力速度信号、あるいは発電機５の入力速度信号を、ＣＶＴコントローラ３１に提供する。高慣性フライホイール８が、出力駆動シャフト１１に固定的に取り付けられ、これは機械的エネルギーの緩衝装置として機能し、それによって、負荷パワー需要あるいはエンジン速度の急速な変化に起因して出力速度が突然に変化することが防止され、さらに、エンジン２をアシストして、必要なときにその速度をより速く増加させる。大きな慣性の出力フライホイール８内に蓄積されるエネルギーは、低慣性入力フライホイール１３のそれより、このシステムの適切な動態的挙動を確保するためには、はるかに大きくなければならない。この対策は、安定したトランスミッション出力を確保するために、過渡的状態を適切に管理することを可能にするための重要な要因であり、とりわけ、例えば、エネルギー効率の良いを最適化するために、エンジン速度の調節が遂行されるような場合に重要である。

出力駆動シャフト１１の回転速度が変化すると、発電機５内の回転子の入力回転速度が変化するが、これは、直接的に、出力電気波動の周波数に、それと同一の割合にて、影響を及ぼす。実際、電気出力の周波数は、この回転速度（秒当たりの回転数）に極の数（一般的には２）を掛けたものに等しい。例えば、２極発電機は、６０Ｈｚの出力波動を生成するためには、ぴったりと１８００r.p.m.にて駆動されなければならない。出力電圧も、回転速度の変動による影響を受けることがある。とりわけ、電源障害の場合に、電気的ネットワークに給電することを意図されているような場合には、電気波動パラメータの非常に限定された変動が発電システムから容認され得る。従って、このシステムは、非常に安定であり、負荷需要の変動に高いレベルの無影響性を特徴としなければならない。これは、エネルギー効率の良いという目的に従って、意図的にエンジン速度の調節を遂行する際に、大きな課題となる。

機能的に高効率な発電機システムを完成させるために、ＣＶＴコントローラ３１の負荷パワー入力デバイス３７に負荷パワー信号を供給するための、出力パワーセンサ（メータ）７がさらに提供される。さらに、エンジンコントローラ４は、出力速度信号を出力速度センサ１０から入力２３の所に受信し、速度制御信号をエンジン速度を制御するスロットルまたは調速機（governor、ガバナー)３に出力２４を通じて提供する。燃料の供給１５は、スロットルあるいは調速機３に、オプションとして燃料計測デバイス１４を通じて供給される。これらエンジン速度制御デバイス３、４、１５は、発電機システムに対する標準の在庫品(off-the shelf item)であることを指摘しておく。

作動の伝統的なモードにおいては、エンジン速度は一定にとどまることを意図され、発電機の速度設定ポイント(speed set point)と一致するが、エンジンコントローラ４の入力２３は、おそらくはその瞬間におけるモーター速度を示す速度センサ（例えば、１２）に接続されるところである。しかしながら、図２に詳細に示されている典型的な速度コントローラ４は、ほとんどの場合、単に入力２３における瞬間エンジン速度信号と、発電機速度設定ポイント信号２１とを、比較器２２において比較し、比較器は、速度エラー信号をエンジン速度コントローラ２０に送り、順に、スロットルあるいは調速機３を作動させるための制御信号を生成し、その結果として、発電機速度設定ポイントからの任意の逸脱が訂正される。高性能エンジンコントローラの幾つかの事例においては、発電機の出力パワーも、性能を改善させるために考慮される。このタイプのエンジンコントローラをここで説明されるシステムと共に使用することが考慮される。

この目下のセットアップにおいては、入力２３は、出力速度センサ１０に接続され、下流の発電機の回転速度は、ＣＶＴデバイス３０から監視されるが、この標準のエンジンコントローラ４も同様に動作する。すなわち、発電機の速度を発電機の速度設定ポイント２１上に（例えば、６０Ｈｚなる電気出力に対しては、１８００r.p.m.に）維持することを試み、エンジン２の速度をＣＶＴデバイス３０の挙動に関係なく制御する。従って、この高効率発電機システムを提供するために要求される可変速度制御の全ては、この連続可変トランスミッションシステムの、ＣＶＴコントローラ３１内に存在する。

図３からわかるように、ここでは、全てのエンジン制御デバイスがより一層の明快さのために除去されており、ＣＶＴコントローラ３１は、２つの主要なデバイス、すなわち、比率制御セクション（比率コントローラ３６、比率監視デバイス３３、および、逸脱評価デバイス３５を有する）と、デバイス３４によって表される比率設定ポイント選択セクションとを、有してなる。比率制御セクションは、比率設定ポイント選択デバイス３４から比率設定ポイントを受信し、それを、逸脱評価デバイス３５において、実際の比率値と比較し、その実際の比率値は、入力速度センサ１２と出力速度センサ１０とに接続された比率監視（計算）デバイス３３によって提供される。明らかなことであるが、実際の比率は、出力速度値を入力速度値にて割ることによって得られる。実際の比率値が、次に、比率設定ポイント値から、逸脱評価デバイス３５において引かれ、結果として、逸脱信号が得られ、この信号は比率コントローラ３６に送られ、このコントローラは、ＣＶＴデバイス３０内のアクチュエータを、その計算された比率設定ポイントに対する逸脱が最小となるように駆動するための適当な比率位置信号を生成する。従って、この比率設定ポイント選択デバイス３４は、このＣＶＴコントローラの最も重要なセクションであり、ここにおいて、エンジン２および発電機システム１の、最適なシステム性能を目指しての、効果的な制御が遂行される。

エンジン速度を最適化するためには、デバイス３４における比率設定ポイントの選択は、次のようなやり方にて遂行されなければならない。即ち、発電機５からの与えられたパワー需要に対して、ＣＶＴデバイスが、エンジン２を動かせて、その最もエネルギー効率の良いの良い速度にて作動させるというようなやり方である。さらに、発電機５からのパワー需要が変化したときには、比率設定ポイントは、出力電気波動（発電機５によって生成され、負荷６に供給されたものである）における周波数の振幅と電圧の過渡部とを最小とするように調節されなければならない。そのためには、発電機の速度は、可能な限り安定のままでなくてはならない。これらの要求の全ては、比率設定ポイント選択デバイス３４で実施される制御方法(control strategy)によって取り組まれる。

図３および図４を参照して、エンジン速度の最適化と、発電機出力の線形性とを達成するために、比率設定ポイント選択デバイス３４において主に実施される制御方法についてここで説明する。図４のプロセスチャートは、比率設定ポイント選択デバイス３４内の、ＰＩＤなどのような電子コントローラ（例えば、プロセッサ）によって、１秒間に多数回も遂行される無限ループを表している。このプロセスは次の通りである。

最初に、速度センサ１０が、発電機速度Ｖgen を読み出し、そして、該発電機速度Ｖgen を、速度信号３２を通じて、比率設定ポイント選択デバイス３４に連絡する。次に、判定４０に示されるように、比率設定ポイント選択デバイス３４は、この発電機速度Ｖgen を、プログラムされた許容レンジ（ある設定ポイント速度、例えば、１５００r.p.m.または１８００r.p.m.を含んでいる）と比較する。この設定ポイント速度は、所望の出力パラメータに応じて選択される操作値(operational value)である。前述したように、この設定ポイント速度は、例えば、発電機５の所望の周波数に応じて選択される。こうして、センサ１０は、周波数信号を比例設定ポイント選択デバイス３４に送ることができ、それが、設定ポイント（例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）含んだ周波数レンジと比較される。

もしその発電機速度Ｖgen が、その許容レンジ（つまり、設定限界）内であるときは、当該システムの安定性レベルは、このポイントでは未知であり（場合Ｘ）、そして、比率設定ポイント選択デバイス３４はステップ４２に進む。もしその発電機速度Ｖgen が、プログラムされたレンジ即ち設定限界から外れているときは、システムは、不安定であると判断され（場合Ｕ）、このため、この比率設定ポイント選択デバイス３４は、判定４１に進む。

判定４１に示されるように、もし発電機速度Ｖgen が、プログラムされたレンジ即ち設定限界から外れているときは（場合Ｕ）、比率設定ポイント選択デバイス３４は、速度信号３２が設定限界より低いかまたは高いかを決定する。もし速度信号３２が、設定限界より高いときは、ＶＣＴコントローラ３１は、システムは不安定であっても介入する必要はなく（場合あるいはカテゴリーＵ１）、エンジンコントローラ４（図２参照）は、これに対応して、ステップ５２に示されるように、エンジン２の速度Ｖe を、発電機速度Ｖgen が設定ポイントに達するまで低減および安定化させ、その後、この比率設定ポイント選択デバイス３４は、このループをステップ４０の所から再開する。

もしステップ４１において、発電機速度Ｖgen が設定限界よりも低いものであると、比率設定ポイント選択デバイス３４が判定したならば、あるいは、もしステップ４０において、発電機速度Ｖgen が設定限界内であると、比率設定ポイント選択デバイス３４が判定したならば、パワー計測器７は、パワー消費信号３７を通じて、パワー需要Ｐdem を、比率設定ポイント選択デバイス３４に連絡し、そして、速度センサ１２は、速度信号３９を通じて、エンジンの速度Ｖe を比率設定ポイント選択デバイス３４に連絡する。

比率設定ポイント選択デバイス３４にはデータベースが備えられており、該デバイス３４は、ステップ４２に従って、第一のプログラムされているデータテーブルに、このデータベースからアクセスし、そのエンジン速度Ｖe に対応する最大エンジンパワーＰmax に対する値を引き出す。次に、ステップ４３に示されているように、比率設定ポイント選択デバイス３４は、エンジン速度Ｖe に対する最大エンジンパワーＰmax およびそのパワー需要Ｐdem に基づいて、利用可能パワーＰav を計算する。

１つの好ましい実施例においては、この利用可能パワーＰav は、最大エンジンパワーＰmax から、パワー需要Ｐdem を引き、それから、安全ファクタを引いたものに対応し、安全ファクタは、発電機５からのパワー需要Ｐdem の偶発的な突然の増加に持ちこたえるために、いくらかのパワーの蓄えを提供するものである。

次に、ステップ４４に示されているように、比率設定ポイント選択デバイス３４は、利用可能パワーＰav が第一の閾値より低いかどうかを評価する。この第一の閾値に対する好ましい値は０とされるが、この場合は、パワー需要Ｐdem の突然の増加に持ちこたえるために必要とされるだけのパワー、すなわち、安全ファクタのみが利用できることとなる。

発電機速度Ｖgen が設定限界の範囲内にあり（場合Ｘ）、そして、その利用可能パワーが、判定４４において第一の閾値（例えば０）に等しいかまたはそれより上であると評価されるような場合においては、システムは安定であり（場合あるいはカテゴリーＳ）、よって、利用可能パワーＰav は十分であり、当該システムは、ステップ４５において、エネルギー効率の良い（即ち、経済的な）モードに入って良い。

ステップ４５では、比率設定ポイント選択デバイス３４は、データベースの第２のプログラムされたデータテーブルにアクセスし、パワー需要Ｐdem に対応する最適エンジン速度Ｖeff を取り出す。第２のデータテーブルによって提供される最適エンジン速度Ｖeffは、その速度において、エンジン２が、発電機５の所定のパワー需要Ｐdem に対して可能な限り効率的であるように駆動されるだろうという速度である。好ましくは、この最適エンジン速度Ｖeff は、最も効率的な速度の値と、パワー需要Ｐdem が突然増加した場合(
例えば、そのシステムの定格容量の１００％)にも、安定な状態（つまり、一定の速度Ｖgen）に発電機５を維持することができるための最小の値との間の、折衷点を表している。

ある実際的な例として、もしパワー需要Ｐdem が０（即ち、無負荷）のときは、エネルギー事情からは、エンジン速度Ｖe を、より低いアイドルレベル、例えば、トランスミッション３０の動作レンジの観点からは、例えば、おおむね５００r.p.m.に変更することが示唆される。しかしながら、エンジン速度Ｖe がアイドルレベルにある状態において、もし突然、全負荷(full load)が加えられた場合には、発電機速度Ｖgen を設定限界内に維持するために、エンジン２はその速度Ｖe を十分に迅速には上げることはできない。この理由から、この第２のデータテーブルのプログラミングに当たっては、０なるパワー需要に対する最適エンジン速度Ｖeff は、エンジン２が、ある突然の負荷に十分に対処でき、過渡的応答の期間と強さ(intensity)とを最小にすることができるように、例えば、１０００r.p.m.とされる。こうして、この第２のデータテーブルから得られるこの最適エンジン速度Ｖeffは、速度Ｖe であって、その速度において、与えられたパワー需要Ｐdemに対して最適な効率性および機能性が達成されるように、システムが作動するだろうという速度である。この第２のデータテーブルは、負荷６の予測される挙動を考慮に入れてプログラムしても良い。

次に、ステップ４６に従って、比率設定ポイント選択デバイス３４は、新なトランスミッション比率を計算し、その比率は、第２のデータテーブル内に見出だされる最適エンジン速度Ｖeff と、設定値における発電機速度Ｖgen との間の比率に対応する。比率設定ポイント選択デバイス３４は、この新たなトランスミッション比率を、逸脱評価デバイス３５に送る。

該逸脱評価デバイス３５は、また、実際のトランスミッション比率を比率計算デバイス３３から受け取り、それは、センサ１３によって提供されるエンジン速度信号３９と、センサ１０によって提供される発電機速度信号３２と、から計算されたものである。

ステップ５０において示されているように、システムが安定であるから、比率設定ポイント選択デバイス３４は、逸脱評価デバイス３５を通じて、比率コントローラ３６に対してトランスミッション比率を徐々に訂正するように指令する。比率コントローラ３６は、こうして、比率訂正信号３８をＣＶＴトランスミッション３０に送り、該トランスミッション比率を、比率設定ポイント選択デバイス３４によって計算された新たなトランスミッション比率へと徐々に到達するようにさせる。この比率の訂正は、こうして、ゆるやかに、即ち、このループの各実行において増分的(incrementally)に遂行され、結果として、安定性が維持されることともに、ステップ５２に示されるように、エンジンコントローラ４に、エンジン速度Ｖgen を調節させて、トランスミッション比率の変化に追従させる。その後、この比率設定ポイント選択デバイス３４は、ループを判定４０の所から再スタートする。

判定４７に示されるように、発電機速度Ｖgen は、設定限界内にあり（場合Ｘ）、利用可能パワーが、判定４４において、第１の閾値（例えば０）より低いことが決定されるような場合においては、比率設定ポイント選択デバイス３４は、第１のデータテーブル内に見出される最大のエンジンパワーＰmax と、パワー需要Ｐdem とを比較し、たとえ利用可能パワーＰavが第１の閾値より低い場合でも、該システムが安定であるために、最大パワーＰmax がパワー需要Ｐdem より十分に大きいかどうかを判定する。換言すれば、比率設定ポイント選択デバイス３４は、システムが十分な安全マージン、即ち、安全ファクタを有するかどうかを決定し、発電機５の負荷が突然増加した場合にも、最小の過渡期間にて、エンジン２が十分に補償することを可能とする。これは、例えば、利用可能パワーＰav （これは最大エンジンパワーＰmax と、パワー需要Ｐdem との関数である）と、第１の閾値より低い第２の閾値とを比較することで行うことができ、この第２の閾値は、選択された安全ファクタを表している。

もし判定４７において、利用可能パワーＰav が、少なくとも第２の閾値と等しいとき、即ち、最大エンジンパワーＰmax が、パワー需要Ｐdemよりも十分に大きいときは、システムは安定である（場合Ｓ）。ステップ４８に見られるように、比率設定ポイント選択デバイス３４は、少なくとも第１の閾値（例えば、０）と等しい利用可能パワーＰav を生成するような、最大エンジンパワーＰmax に対する新たな値を、パワー需要Ｐdem に基づいて計算する。

次に、ステップ４９に示されるように、比率設定ポイント選択デバイス３４は、データベースの第１のデータテーブルにアクセスし、最大エンジンパワーＰmax に対するこの新たな値に対応する新たなエンジン速度Ｖe の値を取り出す。この新たなエンジン速度Ｖe は、発電機５の負荷が突然増加した場合でも、エンジン２が、最小の過渡期間にて、十分な補償が可能であるような、新たな安全マージンあるいはファクタを有することを可能にする。

次に、前に説明されたステップ４６、５０および５２が遂行される。即ち、比率設定ポイント選択デバイス３４は、見出された新たなエンジン速度Ｖe に対応する新たなトランスミッション比率を計算し（ステップ４６）、この新たなトランスミッション比率を比率コントローラ３６に送り、該コントローラは、比率訂正信号３８をＣＶＴトランスミッション３０に送り、トランスミッション比率を次第に新たなトランスミッション比率へと到達させるようにし（ステップ５０）、そして、エンジンコントローラ４は、エンジン速度Ｖe を、トランスミッション比率の変化に追従して調節することで、Ｖgen をその設定値に維持する（ステップ５２）。比率設定ポイント選択デバイス３４は、その後、このループをステップ４０の所から再スタートする。

一方、もし判定４７において、利用可能パワーＰav が、第２の閾値より低いと決定されたならば、即ち、最大エンジンパワーＰmax が、比率設定ポイント選択デバイス３４によって決定されたパワー需要Ｐdem よりも十分に大きくないときは、システムは、不安定になることが予想される（場合Ｕ２）。このため、エンジン速度Ｖe は、システムを可能な限り早く安定なモードに戻すために、迅速に増加されなければならない。遂行される最初の複数のステップは、利用可能パワーＰav が、少なくとも第２の閾値と等しいときと同一である。即ち、比率設定ポイント選択デバイス３４は、少なくとも第１の閾値と等しい利用可能パワーＰav を生成するような、最大エンジンパワーＰmax に対する、ある新たな値を計算し（ステップ４８）、それに対応する新たなエンジン速度Ｖe 値を、第１のデータテーブルから取り出し（ステップ４９）、そして、見出だされた新たなエンジン速度Ｖe に対応する、新たなトランスミッション比率を計算する（ステップ４６）。

しかしながら、ステップ５１に示されているように、システムが不安定であるため（場合Ｕ２）、比率設定ポイント選択デバイス３４は、比率コントローラ３６に対して、トランスミッション比率をただちに訂正するように指令し、そして、比率コントローラ３６は、比率訂正信号３８をＣＶＴトランスミッション３０に送り、トランスミッション比率がただちに新たなトランスミッション比率へと変えられるようにする。

ここが、高慣性出力フライホイール８に蓄積されているエネルギーが役立つところであり、それが部分的に、システムへと、エンジンの加速を支援するために供給される。結果として、フライホイール８の速度は減速し、そして、その上にそのフライホイール８が搭載されている出力駆動シャフト１１が減速し、これに続いて、発電機速度Ｖgen が減速する。この駆動シャフト１１の所の速度の低下は、エンジンコントローラ４によって検出され、コントローラ４は、これに対応して、エンジン２を、フルスロットルモードに切り変える。こうして、システムは、パワーの過渡的な欠如から迅速に回復することができ、可能な限り安定に維持される。比率設定ポイント選択デバイス３４は、次に、このループのステップ４０から再スタートする。

同様に、もし、発電機速度Ｖgen が設定レンジより低く（場合Ｕ）、利用可能パワーＰav が第１の閾値より低いことが判定４４で判定されるような場合には、システムは不安定である（場合またはカテゴリーＵ２）。こうして、遂行される複数のステップは、上記で発電機速度Ｖgen が設定レンジ内であるような場合（場合Ｘ）に対して説明された複数のステップと同一であり、判定４７では、利用可能パワーＰav が、第２の閾値より低いことが決定される。換言すると、比率設定ポイント選択デバイス３４は、少なくとも第１の閾値に等しい利用可能パワーＰav を生成するような、最大エンジンパワーＰmax に対する所望の値を計算し（ステップ４８）、それに対応する新たなエンジン速度Ｖe 値を第１のデータテーブルから取り出し（ステップ４９）、見い出された新たなエンジン速度Ｖe に対応する新たなトランスミッション比率を計算し（ステップ４６）、そして、比率コントローラ３６に指令し、コントローラ３６は、ＣＶＴトランスミッション３０に対して、ただちに、高慣性出力フライホイール８内に蓄積されているエネルギーを利用して、その実際のトランスミッション比率を、新たなトランスミッション比率に変化させるように指令する（ステップ５１）。エンジンコントローラ４は、これに反応して、発電機速度を安定化させるために、エンジン速度Ｖe を増加させ（５２）、そして、比率設定ポイント選択デバイス３４は、このループをステップ４０の所から再スタートする。

最後に、発電機速度Ｖgen が設定レンジより低く（場合Ｕ）、利用可能パワーＰav が、少なくとも第１の閾値に等しいことが判定４４において決定されるような場合には、システムは不安定ではあるが、しかしながら、ＣＶＴコントローラ３１は、介入することは必要とされない（場合Ｕ１）。エンジンコントローラ４は、発電機速度Ｖgen を設定値へと安定化させるために、利用可能パワーＰav を使用してエンジン速度Ｖe を訂正し（ステップ５２）、そして、該比率設定ポイント選択デバイス３４は、このループをステップ４０の所から再スタートする。

これで、比率設定ポイント選択デバイス内で実現される制御方法の説明を終える。要約すれば、システム１では、ＣＶＴコントローラ３１は、システムの安定性レベルを、発電機速度Ｖgen および利用可能パワーＰav に基づいて評価し、システムを３つのカテゴリーのうちの１つに分類し、その３つのカテゴリーは、安定なシステム（Ｓ）、エンジンコントローラ２３のみによって安定化することができる不安定なシステム（Ｕ１）、または、ＣＶＴコントローラ３１によって安定化されることを必要とする不安定なシステム（Ｕ２）である。コントローラ３１は、さらに、トランスミッション比率の変化の適切な速度を、安定性レベルに基づいて評価し、もしシステムが安定なときは、その比率は、徐々に（例えば、増分的に）変えられ、そして、もしシステムが不安定なときは、その比率は、急速に（例えば、瞬間的に）変えられる。こうして、ＣＶＴコントローラ３１は、システムが安定（Ｓ）であるとみなされたときは、エンジン２に対して、該エンジンが最も効率的である速度を漸進的(progressively)に採用するように命令し、過渡的あるいは不安定なモード（Ｕ２）であるとみなされたときは、該エンジンが最も強力(powerful)となる速度を迅速に採用するように命令する。これが、粗い速度制御を遂行し、精細な制御は、エンジン速度コントローラ４に任され、それは、燃焼パラメータを調節することで遂行され、それによって、エンジン／ＣＶＴのタンデムの出力における速度が安定化され、発電機の周波数または速度が可能な限り安定となり、供給された電気波動がそれらの標準を満たすことが確保される。

次に、図５に移り、今度は、設定ポイント選択デバイス３４と比率コントローラ３６とによって指示された通りに比率を変えるための応答を果たす、ＣＶＴデバイス３０について、より詳細に説明する。

該ＣＶＴデバイス３０は、好ましくは、２段(dual stage)トロイダル・キャビティ・ローラータイプの連続可変比率トランスミッションである。多くの特徴において、このトランスミッションは、従来技術のそれと類似するため、この基本的な動作の詳細な説明については、合衆国特許第３，５８１，５８７号（Dickenbrock - June 1, 1971 - General Motors Corp.）、または、カナダ特許出願第２，４０１，４７４号（Careau ら - ２００４年３月５日公開、Ecole de Technologie Superieure に譲渡）を参照されたい。とは言え、本発明では、幾つかの重要な改善が考慮され、発電などの産業用途において使用するために、容易に制御可能な頑強なデバイスを提供している。このタイプのトランスミッションは、他のタイプ、例えば、静液圧(hydrostatic)ＣＶＴよりも好ましいが、これは、その作動のために油圧(hydraulics)を必要とせず、このため、コストと維持の両方が低減されるためである。さらに、トロイダルトランスミッションは、通常は、油圧トランスミッションと比較して、著しく高い効率を有する。

概要的に述べると、該トランスミッションは、一対の外側の入力トロイダルディスク５０、５１を有し、それらディスクは、回転軸６１上に固定的に取り付けられかつエンジン２によって駆動される入力シャフト９を通じて駆動され、かつ、該トランスミッションは、内側の両面(double sided)出力トロイダルディスク５２を有し、該ディスクは、軸６１のまわりに回転可能に取り付けられ、出力ギヤーステージを通じて出力シャフト１１を駆動し、こうして発電機５を駆動する。代替的には、外側のトロイダルディスク５０、５１を駆動する回転軸６１が、出力シャフト１１に接続され、それによって発電機５を駆動し、内側のトロイダルディスク５２が、入力シャフト９を通じて、エンジン２によって駆動されることが可能である。

これらトロイダルディスク５０、５１、５２は、それぞれトロイダルキャビティ球溝５３、５４および５５、５６を備えている。回転パワーは、外側入力ディスク５０および５１（軸６１を通じて接続されている）から、摩擦ローラー（例えば、５７および５８）を通じて、内側出力ディスク５２へ対称的に伝達され、これら摩擦ローラーは、軸方向に延在するキャリア５９、６０上に取り付けられ、２つの向かい合った前記球溝(race)の間で、これらに面するように走行し、回転パワーを、一方から他方に（外側球溝から内側球溝に）伝達する。複数の摩擦ローラー５７、５８、好ましくは３個が、球溝５３−５４、５５−５６の各対の間に設けられ、それらのキャリア５９、６０が、ボール形ジョイント６２、６３上にピボット回転可能に取り付けられ、これらジョイントは、共通のスパイダー(spider、放射状に出ている）ハブ６４、６５から延びており、該ハブは、軸６１上に回転可能に取り付けられ、かつ、トランスミッションのハウジングに固定的に接続されている。代替的には、２個、４個、さらには、より多くのローラー５７、５８を、球溝５３−５４、および、５５−５６の各対の間に設けることもできる。与えられた組のローラー５７、５８のキャリア５９、６０の遠位端部６６、７３は、これも軸６１に対して同軸状であり、スパイダーハブ６４、６５の外周に取り付けられた一対の同軸円形リング、すなわち内側リング６８、７１および外側リング６９、７２に、スライド可能に組み立てられている（図６ａ参照）。外側リング６９、７２は、スパイダーハブ６４、６５に、一連のローラー８３、８４（スパイダーハブ６４、６５の各アームの端の所に１つ）を通じて取り付けられ、それが、固定されたスパイダーハブ６４、６５に対する、外側リング６９、７２の限定された半径方向(radial)移動を可能とするが、しかし、軸方向移動を妨げる。外側リング６９、７２には、３つのスロット７０、７５が設けられており（特に図８ａ〜８ｃ参照）、これらスロットは、キャリア５９、６０（内側リング６８、７１中に設けられた３つのブッシング６７、７４内に接続されている）の遠位端部６６、７３の移動をガイドするための、ガイドスリーブまたはカムとして作用する。各ブッシング６７、７４は、スロット７０、７５内へと延び、変位の力は、このスロットからブッシングへと伝達され、順に、遠位端部６６、７３へと伝達される。内側リング６８、７１は、こうして、外側リング６９、７２に接続され、外側リング６９、７２に対して軸方向と径方向とに移動できる。これらスロット７０、７５および対応するブッシング６７、７４は、それぞれ、外側および内側リング６９、７２および６８、７１の外周上に、１２０度ずつ離して設けられる。図６および７ａ−７は、この二重リング比率制御機構の詳細な断面図である。

操作においては、トランスミッション比率の変化は、キャリア５９、６０の遠位端部６６、７３の移動を通じて、摩擦ローラー５７、５８を傾斜させることによって遂行され、それは、各ローラー５７、５８が、各向かい合う球溝５３−５４および５５−５６に面して、異なる直径の円形トラック上を走行するようになされる。このトラックの直径の比率によって、与えられた対のディスク５０−５２および５１−５２に対するトランスミッション比率が与えられる（異なる比率に対する図８ａ〜８ｃ参照）。遠位端部６６、７３の移動は、軸６１の回りの外側リング６９、７２の回転を通じて都合よく提供され、それが、キャリア５９、６０の遠位端部６６、７３を保持する内側リング６８、７１上に径方向の力の成分を生じさせる。こうして、この回転は、遠位端部６６、７３に半径方向の力を与え、その力によって、キャリア５９、６０が、ボール形状のジョイント６２、６３について傾く。こうして、摩擦ローラー５７、５８は、もはや、円形のトラック上ではなく、螺旋状のトラック上を走行し（それは、対のディスク５０（５１）および５２の反対向きの回転に起因しており）、それが、ローラーの接触点を、軸６１について上下に移動させる。摩擦ローラー５７、５８のこの運動の結果として、ボール形ジョイント６２、６３の回りにキャリア５９、６０の回転を起こさせる比率が変化する。この回転は、目下、外側リング６９、７２の前(prior)の回転に起因する前の傾斜平面に対して垂直な平面内で起こり、こうして、同一のトロイダルキャビティの３つのキャリア５９、６０の回転は、遠位端部６６、６７を動かし、内側リング６８、７１を軸方向に移動させるように働く。しかしながら、内側リング６８、７１は、これら３つのスロット７０、７５に従ってしか移動できないために、この軸方向の運動も、内側リング６８、７１の回転運動（軸６１の回りの、そして、その比率の変更を開始した最初の外側リング６９、７２の回転とは反対方向の回転運動）へと変換される。そして再び、この回転のために、遠位端部６６、７３が力を受け、結果として、キャリア５９の、ボール形ジョイント６２、６３を中心としての傾きが元に戻され、このため、この同一のトロイダルキャビティの３つの摩擦ローラー５７、５８は、もはや、螺旋状のトラック上ではなく、元の円形のトラック上（従って、固定された比率上）を走行し、トランスミッションを、定常状態に引き戻す（図８ａ〜８ｃ参照）。この構成の長所は、３つ１組み(trio)の３つのローラー５７、５８が、全て、自動的に、完全に同期して、かつ、高い精度にて、移動することであり、それは、キャリア５９、６０の遠位端部６６、７３が、全て、精密に加工された内側リング６８、７１にリンクされていることによる。外側リング６９、７２の半径方向の移動は、単一の電気的に駆動されるリニアアクチュエータ７６、例えば、ＤＣモーター／エンドレス・スクリューのタンデム（２連）、ソレノイドまたはその種の他のものを用いて達成されるのが有利であり、これは、第２の長所である。即ち、このような電気的なデバイス７６は、ＣＶＴコントローラ３１の比率コントローラ３６によって生成される電気的な信号を用いて容易に制御することができる。

図７に図示されているように、両方の外側リング６９、７２の移動を同時的に制御し、トランスミッション３０の両方の段（ステージ）における比率を同一に保つために、単一のリニアアクチュエータ７６が有利に用いられる。このアクチュエータ７６は、ナット７９内にネジ式に咬み合わされたエンドレスネジ７８を駆動するＤＣギヤ付モーター(DC geared motor)７７を有する。ナット７９は、第１のアーム８０に接続され、該アームは、第１のピン８１を通じて、第２のアーム８２に第一端部で接続されている。第２のアーム８２は、その第２端部において、第２のピン８３に接続されている。第１および第２のピン８１、８３は、両方とも、２つの外側リング６９、７２を相互接続する。こうして、比率位置信号３８を比率コントローラ３６から受信すると（図３参照）、モーター７７は、エンドレスネジ７８を回転させ、すると、該ネジ７８はナット７９を並進移動させ、それが、第１と第２のアーム８０、８２の並進移動(translation)を生み出し、第１と第２のピン８１、８３を通じて、協調された様式にて、外側リング６９、７２を回転させる。このアクチュエータ７６は、トランスミッション３０の両方の段における比率の、簡単で、調和した制御を可能とし、これは、従来のＣＶＴアクチュエータとは反対であって、従来のＣＶＴアクチュエータは、通常、液圧にて駆動され、このため、エネルギー効率は劣り、コストも高く、耐久性も低い。

加えて、アクチュエータ７６によって提供された両方の段における比率の協調された制御（該アクチュエータは外側リング６９、７２の両方を一緒に作動させ、外側リングは精密に加工され、ピン８１、８３によって相互接続されている）は、これらの段同士の間に改善された比率の整合を生じさせ、それが、当該トランスミッション３０の相当高い機械的効率を導く。

こうして、容易に理解できるように、本発明による上述の実施態様は、可変速度の機械エネルギーのソースから装置の一定速度の駆動を可能にするトランスミッションシステムを提供し、かつ、エンジン速度の調整を特徴とする高効率発電機システムを提供し、可変負荷に、安定した電力を供給するために有利に使用でき、多種多様な出願での用途において有利に使用できる。

上に説明された本発明の実施態様は、例示であることを意図している。従って、当業者は、上の説明が、もっぱら解説のためのものであり、様々な代替物および修正物を、本発明の精神から逸脱することなく工夫できることを理解できよう。トランスミッション３０およびコントローラ２３、３１は、様々なタイプの複数のソースによって生成される可変速度の出力から、様々なタイプの複数の装置への、一定速度の入力を提供するためにも、あるいは、１つのソースによって生成される一定速度の出力から、１つの装置への、可変速度の入力を提供するためにも、使用することができる。後者の１つの例は、一定速度の出力を生成する１つの電気モーターと、トランスミッションから可変速度の入力を受け取る１つのコンベアとを有する。このように、本発明は、添付のクレームの範囲内に入る、全てのこのような代替物、修正物、および改良物を包含することを意図する。

図１は、本発明の実施態様による、高効率発電機システムの概略図である。 図２は、図１の高効率発電機システムの部分概略図であり、エンジンコントローラの詳細を示している。 図３は、図１の高効率発電機システムの部分概略図であり、ＣＶＴコントローラの詳細を示している。 図４は、図３のＣＶＴコントローラによって遂行される動作を示すフローチャートである。 図５は、本発明の実施態様による、トロイダル連続可変トランスミッションの長手方向の断面図である。 図６ａは、本発明の実施態様による、トランスミッションの比率制御アセンブリの半径方向断面図である。図６ｂは、図６ａのアセンブリの線ＢＢに沿って取られた断面図である。 図７ａは、図６ａの比率制御アセンブリの側面図であり、その作動手段を示している。図７ｂは、図７ａの作動手段の部分正面図である。 図８ａは、図５のトランスミッションの、１つのローラーアセンブリの正面図であって、最小の低駆動比率(underdrive ratio)についての図である。 図８ｂは、図８ａのアセンブリの正面図であって、１の一定比率におけるものである。 図８ｃは、図８ａのアセンブリの正面図であって、最大の過駆動比率(overdrive ratio)についての図である。

Claims (21)

1. 機械的パワーの可変ソースの可変出力を、装置に対する所望の装置速度値を有する入力へと伝達するためのシステムであって、当該システムは、
   トランスミッションを有し、該トランスミッションは、該可変出力を受け取り、かつ、該入力を生成し、該トランスミッションは、該出力の第１の速度と該入力の第２の速度との間のトランスミッション比率を定めるものであり、
   第１のセンサを有し、該センサは、第１の速度を測定し、これに対応する第１の速度データを生成するものであり、
   第２のセンサを有し、該センサは、第２の速度を測定し、これに対応する第２の速度データを生成するものであり、
   第３のセンサを有し、該センサは、前記装置のパワー需要を測定し、かつ、これに対応するパワー需要データを生成するものであり、
   比率設定ポイントコントローラを有し、該比率設定ポイントコントローラは、第１と第２の速度データおよび前記パワー需要データを受け取り、該比率設定ポイントコントローラは、ソースの利用可能パワーと、当該システムの安定性レベルとを、第１の速度データおよびパワー需要データに応じて計算し、第１の速度に対する所望のソース速度値を、パワー需要に応じて決定し、トランスミッション比率に対する所望の比率値を、所望のソース速度値の関数として計算し、トランスミッション比率の変化の所望のレートを当該システムの安定性レベルに応じて決定するものであり、
   比率コントローラを有し、該比率コントローラは、比率設定ポイントコントローラを、トランスミッションにインタフェースするものであり、該比率コントローラは、トランスミッションを作動させて、変化の所望のレートに従って、トランスミッション比率を所望の比率値へと変化させるものであり、
   ソース速度コントローラを有し、該ソース速度コントローラは、第２の速度データを第２のセンサから受け取り、かつ、第２の速度データが所望の装置速度値に対応するまで、第１の速度を変化させるものである、
   前記システム。
2. 比率設定ポイントコントローラが、最大データテーブルから、第１の速度データに基づいて、実際の最大パワー値を取り出し、実際の最大パワーおよびパワー需要データに基づいて、利用可能パワーを計算する、請求項１記載のシステム。
3. 比率設定ポイントコントローラが、実際の最大パワーより高い新たな最大パワーを計算し、所望のソース速度値を、最大データテーブルから新たな最大パワーに基づいて取り出す、請求項２記載のシステム。
4. 与えられた安定性レベルに対して、パワー需要データが、与えられた閾値に少なくとも等しいとき、比率設定ポイントコントローラが、所望のソース速度値を効率データテーブルからパワー需要データに基づいて取り出し、所望のソース速度値が、パワー需要データに対応するソースのエネルギー効率の良い速度を表している、請求項１から３のいずれか１つに記載のシステム。
5. 第１の速度データを、所望の速度値を含む設定レンジと比較することで、かつ、パワー需要データを、少なくとも１つの閾値と比較することで、当該システムの安定性レベルが評価されるものである、請求項１から４のいずれか１つに記載のシステム。
6. 機械的パワーの可変ソースの可変出力を、装置に対する所望の速度値を有する入力へと変換するためのシステムであって、当該システムは、
   トランスミッションを有し、該トランスミッションは、該可変出力を受け取り、かつ、該入力を生成し、該トランスミッションは、該出力の第１の速度と該入力の第２速度との間の可変の比率を有するものであり、
   少なくとも１つのセンサを有し、該センサは、第１の速度に対応する第１の速度データと、第２の速度に対応する第２の速度データと、装置のパワー需要に対応するパワー需要データとを生成するものであり、
   第１のコントローラを有し、該コントローラは、第１の速度データ、第２の速度データ、および、パワー需要データを受け取り、利用可能パワーおよび所望のトランスミッション比率値を、第１の速度データおよび前記パワー需要データに基づいて計算し、第１の速度と所望の速度値とを含む設定レンジとの第１の比較、および、利用可能パワーと少なくとも１つの閾値との第２の比較に基づいて、当該システムを少なくとも第１および第２のカテゴリーの１つに分類し、当該システムが第１のカテゴリーにあるときは、可変比率を所望のトランスミッション比率値へ迅速に至らせるように前記トランスミッションに指示し、当該システムが第２のカテゴリーにあるときは、可変比率を所望のトランスミッション値に徐々に至らせることを前記トランスミッションに指示するものであり、
   第２のコントローラを有し、該コントローラは、第２の速度データを受け取り、かつ、第１の速度を変化させるために、第２の速度データが所望の速度値に対応するまで、速度訂正信号を機械的パワーのソースに送るものである、
   前記システム。
7. 第１のコントローラが、第１および第２の比較に基づいて、当該システムを、第１のカテゴリー、第２のカテゴリー、および、第３のカテゴリーのうちの１つに分類し、かつ、当該システムが第３のカテゴリーにあるときは、第１のコントローラが、トランスミッションに対して可変比率を変えるように指示することを避けるものである、請求項６記載のシステム。
8. 第１の速度が設定レンジより高い場合に、第１のコントローラが、当該システムを第３のカテゴリーに分類する、請求項７記載のシステム。
9. 第１の速度が設定レンジより低く、利用可能パワーが少なくとも１つの閾値より高い場合に、第１のコントローラが、当該システムを第３のカテゴリーに分類する、請求項７および８のいずれか１つに記載のシステム。
10. 第１の速度が設定レンジより低く、利用可能パワーが少なくとも１つの閾値より低い場合に、第１のコントローラが、当該システムを第１のカテゴリーに分類する、請求項６から９のいずれか１つに記載のシステム。
11. 第１の速度が設定レンジ内であり、利用可能パワーが少なくとも１つの閾値より低い場合に、第１のコントローラが、当該システムを第１のカテゴリーに分類する、請求項６から１０のいずれか１つに記載のシステム。
12. 前記の少なくとも１つの閾値が、第１の閾値を含んでおり、かつ、第１の速度が設定レンジ内であり、利用可能パワーが第１の閾値より高い場合に、第１のコントローラが、当該システムを第２のカテゴリーに分類する、請求項６から１１のいずれか１つに記載のシステム。
13. 前記の少なくとも１つの閾値が、さらに、第１の閾値より高い第２の閾値を含んでおり、かつ、
    当該システムが第２のカテゴリーに分類され、利用可能パワーが第２の閾値より高い場合に、第１のコントローラが、パワー需要データに基づいて、第１の速度に対するエネルギー効率の良いの良い値を計算し、かつ、第１の速度に対するエネルギー効率の良いの良い値に基づいて、所望のトランスミッション比率値を計算する、請求項１２記載のシステム。
14. 第１と第２のコントローラが、独立して作動する、請求項６から１３のいずれか１つに記載のシステム。
15. トランスミッションが、トロイダル連続可変トランスミッションである、請求項１から１４のいずれか１つに記載のシステム。
16. トランスミッションが、入力を生成するシャフトと、該シャフト上に取り付けられた高慣性フライホイールとを含んでいる、請求項１から１５のいずれかに記載のシステム。
17. 前記ソースが内燃機関であり、前記装置が発電機である、請求項１から１６のいずれか１つに記載のシステム。
18. 機械的パワーの可変ソースの可変出力を装置に対する所望の速度値を有する入力へと変換する可変トランスミッションを制御する方法であって、当該方法は、
    前記可変出力の第１の速度と、前記入力の第２の速度と、前記装置のパワー需要とを得るステップを有し、
    計算するステップを有し、該計算は（１）第１の速度とパワー需要とに基づいた、利用可能パワーの計算、（２）第１の速度と利用可能パワーとに基づいた、前記装置の入力の安定性レベルの計算、（３）パワー需要に基づいた、トランスミッションの所望の比率の計算、および（４）安定性レベルに基づいた、比率の変化の所望のレートの計算であり、
    トランスミッションに対して、比率の変化の所望のレートにて所望の比率に変えるように指示するステップを有し、
    前記第１の速度を、前記第２の速度が実質的に前記所望の速度値と等しくなるまで変化させるステップを有する、
    前記方法。
19. さらに、
    パワー需要に基づいて、前記ソースの所望の最大パワー値を計算し、
    所望の最大パワー値に基づいて、第１の速度に対する所望の値をデータテーブルから取り出し、かつ、
    第１の速度に対する前記所望の値に基づいて、前記所望のトランスミッション値を計算することを有する、請求項１８記載の方法。
20. 与えられた安定性レベルにおいて、かつ、与えられた閾値より高い利用可能パワーをもって、第１の速度に対する所望の値が、前記パワー需要に基づいてデータテーブルから取り出され、前記所望の値は、前記ソースのエネルギー効率の良い速度を提供しながらも、前記利用可能パワーを所望のレベルに維持するものである、請求項１８記載の方法。
21. トロイダルトランスミッションであって、
    入力シャフトによって回転される第１および第２のトロイダルディスクを有し、
    前記第１と第２のトロイダルディスクの間に配置され、出力シャフトを回転させる、第３のトロイダルディスクを有し、
    前記第１のディスクのトロイダルキャビティ球溝と、前記第３のディスクの第１のトロイダルキャビティ球溝とに、摩擦的に咬み合う複数の第１の摩擦ローラーを有し、これら第１の摩擦ローラーの各々は、回転パワーを第２と第３のディスクの間で伝達するように回転可能であり、
    前記第２のディスクのトロイダルキャビティ球溝と、前記第３のディスクの第２のトロイダルキャビティ球溝とに、摩擦的に咬み合う複数の第２の摩擦ローラーを有し、これら第２の摩擦ローラーの各々は、回転パワーを第１と第３のディスクの間で伝達するように回転可能であり、
    前記第１の摩擦ローラーを、前記第３のディスクに対して、同じ第１の選択的な角度に維持する第１の手段を有し、この第１の手段は、前記第１の選択的な角度を変えるように作動可能であり、
    前記第２の摩擦ローラーを、前記第３のディスクに対して、同じ第２の選択的な角度に維持する第２の手段を有し、この第２の手段は、前記第２の選択的な角度を変えるように作動可能であり、
    第３の手段を有し、該第３の手段は、前記第１の選択的な角度が実質的に前記第２の選択的な角度と等しくなるように、前記第１の手段と第２の手段とを接続するためのものであり、かつ、該第３の手段は、前記第１の手段と第２の手段とを一緒に作動させて、前記第１および第２の選択的な角度に対する選択された値を得るためのものであり、前記選択された値は、トランスミッションの所望の比率と、トランスミッションの比率変化の所望のレートとうちの、少なくとも１つに対応し、この第３の手段は、制御信号の受け取りによって、前記第１および第２の手段を作動させるものである、
    前記トロイダルトランスミッション。

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