JP2011508698A - 補機駆動システム、及び電気機械変換器の使用法 - Google Patents

Abstract

本発明は、電気機械変換器、特に電気可変トランスミッションを含む、補機駆動システムに関する。変換器は、一次シャフトに取り付けられるローターを有する一次シャフト、二次シャフトに取り付けられるインターローターを有する二次シャフト、及び電気機械変換器のハウジングに固定的に取り付けられるステーターを備える。一次シャフトから径方向に見て、ローター、インターローター及びステーターは、互いに同軸に配置される。更に、一次又は二次シャフトのうち一方は、エンジンの出力シャフトと連結するように配置され、一次又は二次シャフトのうち他方は、何れの車両ドライブラインにもつながっておらず、機械的補機ユニットの入力シャフトと連結するように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、一次シャフトに取り付けられるローターを有する一次シャフト、二次シャフトに取り付けられるインターローターを有する二次シャフト、及び電気機械変換器のハウジングに固定的に取り付けられるステーターを備え、一次シャフトから径方向に見て、ローター、インターローター及びステーターは、互いに同軸に配置され、ローター及びステーターは、一又はそれ以上の巻線とともに設計され、インターローターは、機械的にも電磁的にも一つの統一体を形成し、少なくとも接線方向における磁束の伝導体として配置される、電気機械変換器、特に電気可変トランスミッションを含む、補機駆動システムに関する。

内燃エンジンを含む車両駆動システムには、空調ユニット、冷却ファン、オイル・ポンプ、冷却水ポンプ、及び／又は、パワーステアリング・ユニット等の機械的補機ユニットが装備されていることが多い。従来技術のシステムから、機械的補機ユニットを、内燃エンジンの出力クランクシャフトに連結することが知られている。

そのような公知の車両駆動システムの欠点は、エンジンを切ると、機械的補機ユニットも電源が切られることである。このことは、比較的長い停止、或いは、例えば車両の運転者が交通信号を待っている時など反復的な停止の際に、特に不利である。

そのような公知の車両駆動システムの他の欠点は、補機の入力シャフト速度が内燃エンジンの出力クランクシャフト速度に直接関連しているため、特定の状況下において機械的補機ユニットの効率が低くなりうることである。

内燃エンジンと電気エンジン駆動システムとを組み合わせて装備する車両、いわゆるハイブリッド車両においても、内燃エンジンが切られて運転しておらず、電気モータのみが作動している場合は、機械的補機ユニットは電源が切られる。

従来技術においては、ハイブリッド車両に対して、内燃エンジンが切られたときに、機械的補機ユニットに機能性を与えるシステムが提供されてきた。特開２００２−２０４５０１号には、機械的補機ユニットが高電圧電気駆動システムに連結されるシステムが開示されている。このようなシステムの問題点は、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換において顕著なエネルギー損失が発生することである。更に、米国特許出願公開第２００４／０２２１５９４号には、機械的補機ユニットを駆動するために、内燃エンジンがワンウェイ・クラッチを介して電気モータに接続されているシステムが開示されている。内燃エンジンが切られている場合は、電気モータは、機械的補機ユニットを直接駆動することができる。機械的駆動システムの速度は著しく変化することがあるため、機械的補機入力シャフトの速度は制御されない。機械的補機の適切な機能を得るために、駆動システムと機械的補機入力シャフトとの連結は、駆動システムが低い速度であっても、十分に高い入力シャフト速度が保証されるように、設計されている。結果として、駆動システムの典型的な速度範囲では、入力シャフト速度は、補機の適切な機能のために必要とされる公称速度を実質的に超える。ゆえに、補機は非効率的に使用され、エネルギーが浪費される。更に、特開２００２−２０４５０１号及び米国特許出願公開第２００４／０２２１５９４号に開示されるシステムは、エネルギーを消費し、高価である。

更に、エンジンが一時的に切られたときに温度調節機能を継続する温度緩衝器として機能する相変化物質を含むリザーバを有する温度制御システムを備える車両を提供することが知られている。或いは、温度調節流体又は固体物質に基づく温度制御システムを適用することができる。温度制御システムは、例えば欧州特許第１４２４５３１号から公知である。しかしながら、温度制御流体リザーバの寸法は限られているため、比較的小さな空間のみを、限られた時間の間、温度制御できるに過ぎない。更に、そのようなシステムは、複雑、高価で、大量生産される車両にはあまり適切でない。

車両に駆動機構を与えるための、冒頭の段落による電気機械変換器は、国際公開第０３／０７５４３７号から公知であることを指摘しておく。

電気可変トランスミッション（ＥＶＴ）は、２つの機械的ポート、即ち一次（駆動）シャフト及び二次（被駆動）シャフト、並びに、エネルギーを通過させて交換することができる電気ゲートを有する電気機械変換器である。もし電気ゲートを使用しない場合は、ＥＶＴは、一般的な無限可変トランスミッションとして機能し、この場合、伝達比は非常に広い範囲を有する。ＥＶＴは、車両のクラッチと変速機とを組み合わせた機能と同等の機能を果たす。ＥＶＴとの組合せにおいて、内燃エンジンは実際には動力源として機能し、それによって、エンジンの最適特性に応じて速度を設定することができる。よって、燃費、騒音レベル、及び車両からの有害ガスの排出を低減することができる。ＥＶＴは無限可変トランスミッションであるから、加速時に変速ショックがない。このことは、常に一定の（許容される最大の）出力で加速が可能であり、従来の変速機であるように、時間の関数としての出力が、多かれ少なかれのこぎり歯状に推移することがないということも意味する。ゆえに、同じエンジンでは、ＥＶＴによる加速は、従来の変速機によるものよりも速く行われる。

従来は、車両の電気システムへ供給可能な電圧レベルは、採用するバッテリーの種類によって制限される。ＥＶＴを使用すると、出力電気変換器によって、より高い電圧レベルを単純に生成することができ、出力は、内燃エンジンによってのみ制限される。このことは、例えば、パワーステアリング用ポンプ又はバスのコンプレッサー等、従来はエンジンによって直接駆動される幾つかの補機設備を、電気的に駆動することができるということを意味する。すると、これらは、自由自在に電源オン・オフすることができるため、無負荷損失がより少なくなる。

しかしながら、機械的補機ユニットへのエネルギー経路が複数のエネルギー変換工程を含むため、そのシステムはエネルギー的に効率的でない。代わりに、国際公開第０３／０７５４３７号に開示される電気機械変換器のインターローターによって直接的に機械的補機ユニットを駆動することによっては、エネルギー的に非効率的なシステムが得られる。補機入力シャフト速度は、主として車両の車輪を駆動するインターローターのインターローター・シャフト速度に直接関連しているためである。

本発明の目的は、上記の欠点のうち少なくとも一つを防ぐ、冒頭の段落による補機駆動システムを提供することである。特に、本発明は、効率的な動作上の動きが得られる、冒頭の段落による補機駆動システムを提供することを目的とする。その目的のため、本発明によれば、一次又は二次シャフトのうち一方は、エンジンの出力シャフトと連結するように配置され、一次又は二次シャフトのうち他方は、何れの車両ドライブラインにもつながっておらず、機械的補機ユニットの入力シャフトと連結するように配置される。

車両ドライブラインを駆動することなく、電気機械変換器を、エンジンの出力シャフトと機械的補機ユニットの入力シャフトとに連結することによって、電気機械変換器のエネルギー的に効率的な運転を維持しつつ、機械的補機ユニットのおおよそ最適なシャフト速度を得ることができる。結果として、電気機械変換器及び機械的補機ユニットの全体的な性能を、原則として任意の車両駆動速度とは独立して、エネルギー的に効率的な条件範囲内に設定することができる。

更に、ローター及びステーターの巻線を流れる電流を制御することにより、エンジン又は電源の何れかによって、或いはその両方によって、機械的補機ユニットを駆動することができる。結果として、機械的補機ユニットは、エンジンが切られたときでも、その機能を維持することができる。そこで、電源は、機械的補機ユニットを駆動するため、モータがオフのときに、電気機械変換器にエネルギーを供給することができる。

本発明は、更に、補機駆動システムを含む車両駆動システムに関する。

本発明はまた、電気機械変換器の使用法に関する。

ここで、添付の図面に表されるような典型的な実施形態に基づき、本発明を更に説明する。

本発明による補機駆動システムの概略図を示す。 図１の補機駆動システムで使用される電気可変トランスミッションの概略図を示す。

図面中の対応する部分は、可能であれば、同じ参照番号で示す。

図１は、電気機械変換器２１を含む、本発明による補機駆動システム２０を概略的に示す。変換器は、車両の内燃エンジン２２と機械的補機ユニット２３とに機械的に連結される。機械的補機ユニット２３は、例えば、空調ユニットのポンプ、油圧ポンプ又はパワーステアリング・ユニットとして実施される。しかしながら、ターボ・コンプレッサー等、他の種類の機械的補機ユニットも適用することができる。

電気機械変換器、電気可変トランスミッション（ＥＶＴ）２１の基本的構造を、図２に概略的に表す。ＥＶＴ２１は、一次シャフト５を有する一次誘導機と、二次シャフト７を有する二次誘導機とが配置されるハウジング３を含む。２つのシャフト５、７は、ハウジング３に軸受で取り付けられる。一次誘導機は、電気的にアクセス可能な多相巻線を有するスリップリング電機子と、電気的にアクセス不能なケージ電機子９とによって形成されるローター８を含む。二次誘導機は、静止部、ハウジング３と固定的に接続されるステーター１０、及び、二次シャフト７に取り付けられるケージ電機子１１を含む。二次誘導機の二次シャフト７もまた、ローター８に軸受で取り付けられる。ステーター１０は、電気的にアクセス可能な多相巻線を有する。ローター８とステーター１０との間で、制御ユニットを介して電気エネルギーを交換可能であり、制御ユニットは、ここでは、スリップリング及びブラシの組合せ１４を介してローター巻線に接続される第一パワー・エレクトロニックＡＣ／ＤＣ変換器１２と、第二パワー・エレクトロニックＡＣ／ＤＣ変換器１３とを含み、これらは、両方とも交流電圧−直流電圧インバータとして設計されている。２つのインバータ１２、１３のＤＣ端子は相互接続され、バッテリー又はスーパーキャップ（ｓｕｐｅｒｃａｐ）等、制御ユニットに含まれるＤＣ貯蔵エネルギーシステム２に接続される。制御ユニットは、巻線を流れる電流を制御するための制御要素２２を含む。ゆえに、制御要素２２は、データ線２３、２４を介してインバータ１２、１３を制御する。一次及び二次誘導ケージ電機子９、１１は、共同でインターローター１５を形成する。ＥＶＴの基本は、再生電磁クラッチとして機能し、低損失速度比制御を可能とする一次誘導機である。二次機は、一次機からの再生エネルギーを供給され、トルク増大を可能とする補助モータとして機能する。

本発明の一態様による実施形態では、インターローターは磁気及び電気回路を含み、磁気回路は磁束伝導シリンダを含み、電気回路は、束伝導シリンダ内に延びる複数の電気回路形成巻線を含み、インターローターは、ローターとステーターとの間の直接トルクの働きが、インターローターの磁気飽和によって生じうるように、接線及び径方向における磁束の伝導体として配置される。

一次シャフト５は、内燃エンジン２２の出力シャフト２４に連結され、一方、二次シャフト７は、機械的補機ユニット２３の入力シャフト２６に連結される。より具体的には、一次シャフト５は、ベルト２５又はギヤ・トランスミッション等のトランスミッション・ユニットを介して、エンジン２２の出力シャフト２４に連結される。二次シャフト７は、補機ユニット２３の入力シャフト２６に直接連結される。言うまでもなく、一次及び二次シャフト７双方の対応するシャフトへの連結は、トランスミッション・ユニットを用いて、直接的に或いは間接的に行うことができる。結果として、補機駆動システムの運転時には、電気機械変換器２１は、エンジン２２によって駆動され、何れの車両ドライブラインをも駆動せず、本発明による機械的補機ユニット２３を駆動する。機械的補機ユニットを独占的に駆動することによって、車両ドライブラインにおけるシャフト速度と機械的補機の入力シャフトとの何れの依存をも、実質的に回避することができる。

図１に示す補機駆動システム２０は、内燃エンジン２２が車両のドライブラインを駆動する、車両駆動システムの一部を形成する。

図１を参照して説明する実施形態は、比較的低いシャフト速度で比較的大きなトルクを必要とする機械的補機ユニット２３に、特に適している。或いは、例えば遠心コンプレッサーがそうであるように、もし機械的補機ユニット２３が比較的高い駆動速度及び低いトルクを必要とする場合は、二次シャフト７をエンジン２２の出力シャフト２４に連結しつつ、一次シャフト５を有利な方法で機械的補機ユニット２３の入力シャフト２６に連結してもよい。このようにすると、ローターとインターローターとの大きさの幾何学的差異が、最適に利用される。

電気機械変換器２１をモータ２２と補機ユニット２３との間に配置することによって、補機ユニット２３の入力シャフト駆動速度を、モータ駆動速度からほぼ独立して設定することができ、結果的に、大抵の状況下で補機ユニットのより効率的な作用点（ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｏｉｎｔ）をもたらす。

電気機械変換器２１を適用することによって、機械的補機ユニット２３を、機械的に、電気的に、或いは、同時に機械的且つ電気的に組み合わせて駆動することができる。例として、エンジン２２が切られたときに、補機ユニットを電気的に駆動することができる。電気的ＤＣ貯蔵システム２は、そこで、補機ユニット２３を駆動するための電力を供給する。機械的に且つ電気的に補機ユニットの入力シャフトを駆動することによって、エネルギーの観点から最適な駆動状態を設定することができる。

更に、電気緩衝器は、エンジン２２が機械的補機ユニット２３に必要とされるよりも多くのエネルギーを生成する場合に、過剰なエネルギーを貯蔵することができる。同様に、電気緩衝器２は、エンジン２２が機械的補機ユニット２３に必要とされるよりも少ないエネルギーを生成する場合、例えばエンジンがアイドリングである場合に、電気機械変換器に対して追加のエネルギーを供給することができる。電源２を設けることによって、且つ／又は、伝達比を制御することによって、電気機械変換器に対するローター／インターローター速度比の最適動作範囲を定めることができる。

本発明による好ましい実施形態では、ローター／インターローター速度比は、おおよそ均一である。そこで電気機械変換器は、エネルギー的に効率的な方法で動作する。本発明による更なる好ましい実施形態では、ローター／インターローター速度比の範囲と、機械的補機ユニットの被駆動入力シャフトの運転速度とは、エネルギー的に最適な運転状況を得ることができるように、組み合わせて、エネルギー的に最適化される。例として、ローター／インターローター速度比の最適範囲は、１：２と２：１との間の値に設定され、よって１：１の状況を含む。この典型的なケースにおいては、電気機械変換器と機械的補機ユニット自体との両方が準最適に動作するかも知れないが、補機駆動システムは、ＥＶＴの効率的な運転範囲によって、全体として効率的に運転し、よって、エネルギーの節約をもたらす。

本発明による更なる好ましい実施形態では、エンジンが配置される車両の所定状態の間、例えばエンジンが切られるであろうアイドル停止モード又はイー・ドライブ（ｅ−ｄｒｉｖｅ）モードの間、ローター及び／又はステーターの巻線に給電するＤＣエネルギー貯蔵システム２によって実質的に独占的に機械的補機ユニットへエネルギーが供給される。アイドル停止モードでは、交通信号での停止又は同乗者の降車時の停止等の短い停止にて、エンジン２２が切られる。イー・ドライブ・モードは、車両が、ハイブリッド駆動システムの一部を形成する電気モータ駆動システムによって駆動される状況である。イー・ドライブ・モードの間、同様にハイブリッド駆動システムの一部を形成する内燃エンジンを切ることが可能である。更に、前記所定状態は、例えば車両の停止時に内燃エンジンの出力クランクシャフトが比較的低い速度を有する状況、或いは、内燃エンジンが所定の時間よりも短い時間運転している状況をも含むであろう。電気機械変換器を介して電気エネルギーを機械的補機ユニットへ供給することによって、補機の機能を、有利に提供し且つ／或いは維持することができる。

補機駆動システムを動作させる際、補機ユニットを駆動するために必要とされるよりも多くの電力を生成することが可能である。上記のように、過剰な電力は、例えば電気緩衝器２２に貯蔵することができる。緩衝器は、電気システムに連結することができる。このように、補機駆動システム２１は、車両の交流発電機に取って代わることができる。

本発明は、本明細書に説明した典型的な実施形態に限定されない。多くの変形が可能である点は、本技術分野における知識を有する者にとって明らかであろう。

機械的補機ユニットの入力シャフトに連結される電気機械変換器の一次又は二次シャフトを、更なる機械的補機ユニットの入力シャフトにも連結することができることを指摘しておく。一般に、電気機械変換器は、複数の機械的補機ユニットを駆動するために配置することができる。

更に、本発明による補機駆動システムは、選択的に、複数の電気機械変換器を含んでもよく、それらの各々は、単一エンジンの出力シャフトによって駆動され、一又はそれ以上の機械的補機ユニットを駆動する。

加えて、本発明による補機駆動システムを含む車両駆動システムは、車両ドライブラインを駆動するための独立した電気機械変換器を備えてもよい。もちろん、例えばハイブリッド・ドライブライン等の他の構成も可能である。

更に、ローター及びステーターに多相巻線を適用する代わりに、ローター及び／又はステーターに単相巻線を適用することができる点を指摘しておく。

同様に、電気機械変換器を駆動するのに内燃エンジンを用いる代わりに、例えば、ガスタービンなど別のタイプのエンジンを用いることもできる。

インターローターを違うように、例えば、インターローターは、ケージ電機子において一対の電気的にアクセス不能な巻線を含まないが、磁束伝導シリンダを含み、その反対側に例えばブロック形状の永久磁石物質を配置するように設計することも可能である。選択的に、永久磁石物質は埋め込まれる。他の可能な実施形態では、インターローターは磁束伝導シリンダを含み、一方の側には永久磁石物質が加えられ、他方の側には縦方向に延びる溝が設けられており、その中に電気的にアクセス可能な巻線が配置されている。しかしながら、後者のケースでは、電流供給点がインターローター上又は二次シャフト上に存在することを確保すべきである。二次シャフト上には、スリップリングを容易に取り付けることができ、それを通して電流を供給又は除去することができる。

本技術分野における知識を有する者にとって、他の同様の変形は明らかであろうし、添付の特許請求の範囲に表すように、本発明の範囲内にあると考えられる。

Claims (13)

1. 電気機械変換器、特に電気可変トランスミッションを含む、補機駆動システムであって、前記電気機械変換器は、一次シャフトに取り付けられるローターを有する前記一次シャフト、二次シャフトに取り付けられるインターローターを有する前記二次シャフト、及び前記電気機械変換器のハウジングに固定的に取り付けられるステーターを備え、前記一次シャフトから径方向に見て、前記ローター、前記インターローター及び前記ステーターは、互いに同軸に配置され、前記ローター及び前記ステーターは、一又はそれ以上の巻線とともに設計され、前記インターローターは、機械的にも電磁的にも一つの統一体を形成し、少なくとも接線方向における磁束の伝導体として配置され、前記一次又は前記二次シャフトのうち一方は、エンジンの出力シャフトと連結するように配置され、前記一次又は前記二次シャフトのうち他方は、何れの車両ドライブラインにもつながっておらず、機械的補機ユニットの入力シャフトと連結するように配置される、補機駆動システム。
2. 前記ローター及び／又は前記ステーターの前記一又はそれ以上の巻線は、単相又は多相型であり、電気的にアクセス可能である、請求項１に記載の補機駆動システム。
3. 前記インターローターは磁気及び電気回路を更に含み、前記磁気回路は磁束伝導シリンダを含み、前記電気回路は、前記束伝導シリンダ内に延びる複数の電気回路形成巻線を含み、前記インターローターは、前記ローターと前記ステーターとの間の直接トルクの働きが、前記インターローターの磁気飽和によって生じうるように、接線及び径方向における前記磁束の伝導体として配置される、請求項１又は２に記載の補機駆動システム。
4. 前記ローター及び／又は前記ステーターの電気的にアクセス可能な巻線は、前記巻線を流れる電流を制御するための制御ユニットに接続されている、前記請求項のうち何れかに記載の補機駆動システム。
5. 前記一次シャフトは、前記機械的補機ユニットの前記入力シャフトに接続されている、前記請求項のうち何れかに記載の補機駆動システム。
6. 前記機械的補機ユニットは、空調システムのポンプである、前記請求項のうち何れかに記載の補機駆動システム。
7. 前記制御ユニットは、ローター巻線に接続される第一ＡＣ／ＤＣインバータ、ステーター巻線に接続される第二ＡＣ／ＤＣインバータ、前記巻線を流れる電流を制御するための制御要素、及び、前記ＡＣ／ＤＣインバータのＤＣ端子に接続されるＤＣエネルギー貯蔵システムを含む、前記請求項のうち何れかに記載の補機駆動システム。
8. 車両のドライブラインを駆動する出力シャフトを有するエンジンを含む車両駆動システムであって、前記システムは、前記請求項のうち何れかに記載の補機駆動システムと、入力シャフトを有する機械的補機ユニットユニットとを更に含み、前記エンジンの前記出力シャフトは、前記電気機械変換器の前記一次又は二次シャフトに連結され、前記機械的補機ユニットユニットの前記入力シャフトは、前記電気機械変換器の前記二次又は一次シャフトとそれぞれ連結される、車両駆動システム。
9. 電気機械変換器、特に電気可変トランスミッションの使用法であって、前記電気機械変換器は、一次シャフトに取り付けられるローターを有する前記一次シャフト、二次シャフトに取り付けられるインターローターを有する前記二次シャフト、及び前記電気機械変換器のハウジングに固定的に取り付けられるステーターを備え、前記一次シャフトから径方向に見て、前記ローター、前記インターローター及び前記ステーターは、互いに同軸に配置され、前記ローター及び前記ステーターは、一又はそれ以上の巻線とともに設計され、前記インターローターは、機械的にも電磁的にも一つの統一体を形成し、少なくとも接線方向における磁束の伝導体として配置され、前記一次又は前記二次シャフトのうち一方は、エンジンに連結され、前記一次又は前記二次シャフトのうち他方は、何れの車両ドライブラインにもつながっておらず、機械的補機ユニットの入力シャフトと連結される、電気機械変換器の使用法。
10. 前記エンジンが配置される車両の所定状態の間、主として独占的に、前記ローター及び／又は前記ステーターの前記巻線へ給電するＤＣエネルギー貯蔵システムによって、エネルギーが前記機械的補機ユニットへ供給される、請求項９に記載の電気機械変換器の使用法。
11. 前記ローター／インターローター速度比は、おおよそ均一である、請求項９又は１０に記載の電気機械変換器の使用法。
12. 前記ローター／インターローター速度比の範囲と、前記機械的補機ユニットの前記被駆動入力シャフトの運転速度とは、組み合わせてエネルギー的に最適化される、前記請求項９〜１１のうち何れかに記載の電気機械変換器の使用法。
13. 前記機械的補機ユニットの前記入力シャフトは、同時に、機械的に且つ電気的に組み合わせて駆動される、前記請求項９〜１２のうち何れかに記載の電気機械変換器の使用法。

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