JP2015519250A - レンジエクステンダのための振動減衰部 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の電気機械エネルギーコンバータ（２）と；動力を伝達するために第１の電気機械エネルギーコンバータ（２）に結合することができる内燃エンジン（３）と；を備える、自動車、特に電気自動車のためのレンジエクステンダ（１）に関する。振動ダンパ（６ａ，６ｂ，６ｃ）が、第１の電気機械エネルギーコンバータ（２）のロータ（５）内に組み込まれている。

Description

本発明は、電気機械エネルギーコンバータと、動力を伝達するために電気機械エネルギーコンバータに結合することができる内燃エンジンと、を備える自動車、特に電気自動車のためのレンジエクステンダに関する。

レンジエクステンダは、電気自動車におけるさらなるパワートレイン要素の名称であり、大抵、エネルギー貯蔵装置及び／又は電気モータに電気エネルギーを供給するために発電機を駆動する内燃エンジンからなり、これにより、電気自動車の航続距離を伸ばす。

局所的な動力供給システム内で充電されるアキュムレータ又はバッテリーは、大抵、電気自動車にエネルギーを供給するためのエネルギー貯蔵装置として使用される。動力供給システムが利用可能でなく且つエネルギー貯蔵装置内に残るエネルギーがほとんどない場合には、レンジエクステンダは、輸送中にエネルギー貯蔵装置を再充電するか又は電気自動車が駆動し続けることを少なくとも保証することができる。

レンジエクステンダを備えた電気自動車では、レンジエクステンダの内燃エンジンは、通常、特にエネルギー貯蔵装置の充電状態に応じて運転者のいかなる部分にも直接作用せず移動中に始動及び停止する。電気エネルギーは、大抵、電気機械エネルギーコンバータ、すなわち、通常、永久磁石式同期モータである電気モータによって作り出される。

電気機械エネルギーコンバータは、大抵、適切な制御電子回路によって制御される少なくとも２つの稼働モードを有し、発電機モードが、レンジエクステンダの通常稼働である。逆に、電気機械エネルギーコンバータは、モータモードでも稼働することができる。このモードは、通常、内燃エンジンを始動させるために使用される。

しかしながら、レンジエクステンダの内燃エンジンは、電気自動車の運転経験を損なうべきではなく、このことは、トラクションドライブとして働く電気機械エネルギーコンバータの特別な性能特徴と、ドライブトレインにおける内燃エンジンの騒音がないことと、に実質的に起因する。

従って、レンジエクステンダの内燃エンジン及び／又は電気機械エネルギーコンバータから生じる妨害ファクタは、防がれるか又は可能な限り抑えられるべきである。

従って、振動に加えてレンジエクステンダを始動するとき及びレンジエクステンダが稼働中の騒音は、通常、できる限り防がれるべきである。

特許文献１は、シャフト、特に内燃エンジンの駆動シャフト又は内燃エンジンに結合されるかもしくは結合することができるシャフトの回転に関する不規則を積極的に減少させるためのシステムに関する。このシステムは、シャフトに結合されるか又はシャフトに結合することができる電気モータを備え、このシステムでは、制御装置が、電気モータがシャフトにおけるポジティブ及びネガティブな回転に関する不規則に対抗するように電気モータを制御する。

国際公開第９７／０８４３５号パンフレット

本発明は、レンジエクステンダを備えた自動車における上記の問題を減らす改良されたレンジエクステンダを提供する目的に基づいている。

この目的は、請求項１に従うレンジエクステンダと、請求項８に従う自動車と、によって達成される。有利な実施形態は、従属請求項において記載されている。

従って、本発明によるレンジエクステンダでは、振動ダンパが、第１の電気機械エネルギーコンバータのロータ内に組み込まれている。

ロータ内に組み込まれた振動減衰部は、すべての駆動状況において、振動、従ってＮＶＨ（騒音、振動、ハーシュネス）を減少させるか又は完全に抑制しさえもする。これは、実質的に改善された運転経験をもたらす。電気機械エネルギーコンバータのロータ内に組み込まれることに特に起因して、減衰は、スペースをとらない方式で実現される。有利なことに、ロータ内への組み込みは、第１の電気機械エネルギーコンバータのロータが、振動ダンパとして働くデュアルマスフライホイールの補助的な質量であることを意味する。デュアルマスフライホイールに関して、好ましくは、デュアルマスフライホイールの主要な質量は、ロータリーピストンエンジンのシャフトに直接的に位置付けられる。従って、そうすることによって振動ダンパのためのさらなる構成要素の数が減少する。また、減衰部の電子制御は、このケースでは必要ない。実際には、本発明による振動減衰部は、シンプル、頑丈及び経済的な装置を構成する。

本発明で意味する電気機械エネルギーコンバータは、電気エネルギーを機械エネルギーに且つ機械エネルギーを電気エネルギーに変換することを果たし、且つ特に電気モータ及び発電機を含む。動力が移される方向に依存して、電気機械エネルギーコンバータは、動力が電気側から機械側へ移されるモータモードと、動力の流れが逆転する発電機モードと、の間で変わる。

本発明によって規定される内燃エンジンは、燃焼プロセスにおいて燃料の化学エネルギーを機械エネルギーに変換する熱機関として理解される。内燃エンジン稼働では、ピストンと称される駆動要素は、一般に、チャンバ内での燃焼時に空気燃料混合物の膨張によって燃焼範囲から強制的に外に出され、それによって、これが駆動シャフトを動かし、好ましくは回転させる。

本発明で意味する自動車は、物品、ツール又は人を輸送する働きをする輸送移動手段であり、機械駆動される。

本発明で意味する電気自動車は、エネルギー貯蔵装置、好ましくは電気機械エネルギー貯蔵部、アキュムレータ及び／又はバッテリーからの電気エネルギーによって駆動される自動車として好ましくは理解される。エネルギー貯蔵装置が枯渇した場合には、エネルギー貯蔵装置は、電力供給ネットワーク又は携帯用供給装置、好ましくはレンジエクステンダ又は太陽電池を介して再充電されなければならない。

本発明の意味する振動ダンパは、構造的要素、特にＮＶＨを排除するための振動減衰部により内燃エンジンのシャフトのねじり振動を減衰させることに関連する。４ストロークピストンエンジン、ただし同様にロータリーピストンエンジンでは、個々のシリンダ又はディスクの点火順序と組み合わせて４つのストロークの周期的なサイクル（吸入、圧縮、燃焼、排気）が、シャフト、好ましくは接続されたフライホイールの回転の不規則につながる。上記のドライブトレインの慣性及び剛性は、ねじり振動を引き起こすことができる特徴的な固有振動数を有する構造体を引き起こし、これらねじり振動は、レシプロエンジン又はロータリーピストンエンジンに導入される回転の不規則に起因して、避けられないシャフトのねじり振動につながる。振動ダンパが、デュアルマスフライホイール、ねじりダンパ又は任意の他の公知のねじり振動ダンパであることを特に優先する。

本発明の意味する動力伝達をもたらすための結合は、好ましくは共通のシャフトを介する動力の機械的、流体機械的、油圧機械的又は磁力的伝達に関連し；すなわち、電気機械エネルギーコンバータ及び内燃エンジンは、同軸である。

騒音、振動、ハーシュネス（独語ではGerausch、Vibration、Rauheit）を表すＮＶＨは、運転者の運転経験を評価するときの重要な基準である。上記に関して、ハーシュネスは、２０Ｈｚから１００Ｈｚの間の移行範囲の可聴的及び触覚的振動双方に関する。一般的に言えば、ＮＶＨは、振動伝達媒体、例えば機械的な自動車構造に力を局所的に導入する振動源によって引き起こされる。

本発明の有利な一実施形態では、内燃エンジンは、第１の電気機械エネルギーコンバータと第２の電気機械エネルギーコンバータとの間に配置され、第２の電気機械エネルギーコンバータも動力を伝達するために内燃エンジンと結合され、且つ／又は振動減衰部は、第２の電気機械エネルギーコンバータのロータ内に組み込まれている。

第２の電気機械エネルギーコンバータは、内燃エンジンの機械エネルギーを電気エネルギーにより効率的に変換することを可能にする。さらに、内燃エンジンの軸受の横方向力は、稼働中の内燃エンジンの回転の不規則に起因するシャフトが曲がることをシャフトの両端において２つの電磁エネルギーコンバータの案内によって減少することができるので、弱められる。

本発明のさらに有利な一実施形態では、内燃エンジンは、ロータリーピストンエンジンである。

本発明によって規定されるように、ロータリーピストンエンジンは、好ましくは略三角形のピストンが、内燃エンジンの稼働中にそのハウジング内でメイン軸回りに回転する装置であって、ピストンがそれ自体の軸回りに回転し、しかしながら、この軸が好ましくはそれ自体の円形経路の周りにさらに動かされる、装置として好ましくは理解される。言い換えると、ピストンは、メイン軸周りで環状運動を実現する。内燃エンジンとしてロータリーピストンエンジンを使用する利点は、レシプロエンジンと比較して上記のエンジンのより大きな滑らかさの度合いである。この型のロータリーピストンエンジンは、好ましい一実施形態ではワンケルエンジンである。本発明は、２つ、３つ又はより多くの隣接して配置されたピストンを有するロータリーピストンエンジンに使用することもできる。本発明は、任意の他の型の内燃エンジン、好ましくはレシプロエンジンにさらに使用することもできる。

ロータリーピストンエンジンは、自動車の乗客を動揺させることがないことをもたらすように、その稼働に対して特に有利により大きな滑らかさを有する。さらに、ロータリーピストンエンジンは、従来のオットーエンジン又はディーゼルエンジンよりも実質的に小さい騒音を発生する。最後に、レシプロエンジンよりも実質的により高い回転速度が達成される。

本発明のさらに有利な実施形態では、第１の電気機械エネルギーコンバータ及び／又は第２の電気機械エネルギーコンバータがマスダンパをさらに備えている。

本発明の意味するマスダンパは、材料の圧縮及び伸張による振動エネルギーの吸収部として理解される。エネルギー消費又はこれと同時に生じる発生される熱エネルギーそれぞれは、振動から得られ、且つ減衰効果を有する。また、好ましくは、マスダンパは、第１の電気機械エネルギーコンバータ及び／又は第２の電気機械エネルギーコンバータのロータ内に組み込まれている。マスダンパは、振動減衰部によって消散されることができない過度のエネルギーを熱エネルギーに変換することを可能にする。従って、これは、振動のさらなる減少を達成する。

本発明における上記の及びさらなる利点、特徴並びに可能な用途は、図面に基づく好ましい実施形態の以下の説明から分かる。

本発明の第１の実施形態のレンジエクステンダの概略的な描写である。 本発明の第２の実施形態によるレンジエクステンダ１の概略的な描写である。

本発明の第１の実施形態をより詳細に説明するために以下において図１が参照される。図１に関して、本発明は、内燃エンジン３として略三角形のロータリーピストンを有するロータリーピストンエンジンを有するレンジエクステンダ１の例を用いて説明される。ロータリーピストンエンジン３は、断面で示され、この断面において、ディスクのトロコイド形状及びロータリーピストン又はロータそれぞれの三角形状を見ることができるようにロータリーピストンエンジン３のディスクが像平面において回転される。図１に関して、シャフト８は、円で示される。ロータリーピストンエンジンの回転方向は、シャフト８周りで時計回りの矢印によって示されるが、回転方向は、反時計回りであってもよい。ロータリーピストンエンジン３のシャフト８のねじり振動は、両方向の矢印でさらに示される。

しかしながら、描写される実施形態は、単なる一例である。ユニットは、任意の他の型の内燃エンジン、特にレシプロエンジン、より特にオットーエンジン又はディーゼルエンジンで稼働されてもよい。

レンジエクステンダ１は、好ましくは、ロータリーピストンエンジン３及び電気機械エネルギーコンバータ２を有している。優先的に、シャフト８は、動力を伝達するためにロータリーピストンエンジン３を電気機械エネルギーコンバータ２に結合させる。従って、好ましくは、ロータリーピストンエンジン３及び第１の電気機械エネルギーコンバータ２は、同軸であり；すなわち、電気機械エネルギーコンバータ２のロータ５は、ロータリーピストンエンジン３のシャフトに取り付けられている。

電気機械エネルギーコンバータ２は、ロータ５及びステータ７ａ，７ｂを備え、これらにおいて、ロータ５は、エンジンが稼働するときに交互に起きる電磁場に起因して回転する。電気機械エネルギーコンバータ２は、電気機械、好ましくは極電機(pole machine)、好ましくは内部又は外部極電機、さらにより好ましくは非同期機、特に好ましくは自励式非同期機、最も好ましくはリラクタンス機である。

電気機械エネルギーコンバータ２は、単に発電機及び／又は発電機エンジンとして構成されてもよい。発電機モードでは、電気機械エネルギーコンバータ２は、ロータリーピストンエンジン３のシャフト８を介してそれに提供されるトルクから電気エネルギーを作り出す。電気エネルギーは、第１の電気機械エネルギーコンバータ２のステータ７ａ，７ｂ内のロータ５によって引き起こされる電磁誘導によって作り出される。この電気エネルギーは、パワーエレクトロニクス１０を介して回路、好ましくは電気自動車の直流リンク内に送られる。しかしながら、あるいは又はさらに、電気エネルギーは、優先的に公共電力供給システムに送られてもよい。

時間変化トルクによって誘導され且つシャフト８の回転に重なるねじり振動は、ロータリーピストンエンジン３の燃焼プロセス中に発生する。これらねじり振動は、ロータリーピストンエンジン３内のガスの主要な高調波及び質量力に起因して主に生じる。振動ダンパ６ａ，６ｂ，６ｃ、好ましくはフライホイール又はデュアルマスフライホイールは、ねじり振動を弱めるために使用され、且つ第１の電気機械エネルギーコンバータ２のロータ５内に組み込まれている。これは、さらなる構成要素が振動ダンパ６のために必要とされるが、これら構成要素がロータ５内に組み込まれることによってスペースをとらない方式で収容されることができることを意味する。従って、図１が示すように、好ましくはロータ５は、デュアルマスフライホイールの補助的なフライホイールマスとなることができる。そして、主要なフライホイールマスは、好ましくは、ロータリーピストンエンジン３の共通のシャフト８及び第１の電気機械エネルギーコンバータ２に直接的に取り付けられる。主要なフライホイールマスがシャフト８内に組み込まれることは、さらにより優先的であり、最も優先的には、シャフト８が主要なフライホイールマスである。従って、主要なフライホイールマス及び補助的なフライホイールマスは、好ましくは、スチールもしくはゴム製のバネ６ｂ又は任意の他の型の可撓性を有する結合手段によって結合される。

さらに、バランスマス９ａが、好ましくはロータ５内に組み込まれ、偏心器又はロータリーピストンエンジン３のロータリーピストンそれぞれの一致していない質量を相殺する。さらに、好ましくは、図示されない、振動を吸収するためのマスダンパもロータ５内に組み込まれている。これは、特に、主要なフライホイールマス６ａと補助的なフライホイールマス６ｃとの間に配置されたさらなる弾性要素によって実現され、それらの圧縮又は伸張が振動エネルギーを他の形態のエネルギー、好ましくは熱エネルギーに変換する。

バランスマスは、シャフト８の両端に分配されてもよく、従って、２つの構成要素のバランスマス９ａ及び９ｂがある。

これから、本発明のレンジエクステンダ１の第２の実施形態を説明するために図２が参照される。

第２の実施形態は、上述した図１の第１の実施形態と選択的に組み合わせることができる。

第２の実施形態は、さらなる第２の電気機械エネルギーコンバータ４が、ロータリーピストンエンジン３に対して第１の電気機械エネルギーコンバータ２から反対側にも設けられている点で第１の実施形態と異なっており、第２の電気機械エネルギーコンバータ４は、ロータリーピストンエンジン３及び／又は第１の電気機械エネルギーコンバータ２と好ましくは同軸で、動力を伝達するためにロータリーピストンエンジン３のシャフト８に同様に結合されることができる。また、第２の電気機械エネルギーコンバータ４は、ロータ１１内に組み込まれた振動ダンパ１２ａ，１２ｂ，１２ｃを備えている。バランスマス９ｂは、さらに同様に好ましくはロータ１１内に組み込まれ、ロータは、好ましくは、さらなる振動エネルギーを消散させるさらなるマスダンパを備えている。また、第２の電気機械エネルギーコンバータ４のロータ１１は、電気エネルギーが発電機の稼働中に作り出されるステータ１３ａ，１３ｂ内で回転する。その上、この電気エネルギーは、パワーエレクトロニクス１４を介して回路、好ましくは電気自動車の直流リンク１４に送られる。

本発明に従うレンジエクステンダは、ブロック単位の発電所として又は他の自動車の用途のための発電機ユニットとして選択的に使用することができる。

１ レンジエクステンダ、２ 第１の電気機械エネルギーコンバータ、３ ロータリーピストンエンジン、４ 第２の電気機械エネルギーコンバータ、５ 第１の電気機械エネルギーコンバータのロータ、６ａ，６ｂ，６ｃ 第１の電気機械エネルギーコンバータの振動ダンパ、７ａ，７ｂ 第１の電気機械エネルギーコンバータのステータ、８ シャフト、９ａ，９ｂ バランスマス、１０，１４ パワーエレクトロニクス、１１ 第２の電気機械エネルギーコンバータのロータ、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ 第２の電気機械エネルギーコンバータの振動ダンパ、１３ａ，１４ａ 第２の電気機械エネルギーコンバータのステータ

Claims (8)

1. 第１の電気機械エネルギーコンバータ（２）と；
   動力を伝達するために前記第１の電気機械エネルギーコンバータ（２）に結合することができる内燃エンジン（３）と；
   を備える、自動車、特に電気自動車のためのレンジエクステンダ（１）であって、
   振動ダンパ（６ａ，６ｂ，６ｃ）が、前記第１の電気機械エネルギーコンバータ（２）のロータ（５）内に組み込まれていることを特徴とするレンジエクステンダ（１）。
2. 前記内燃エンジン（３）が、前記第１の電気機械エネルギーコンバータ（２）と第２の電気機械エネルギーコンバータ（４）との間に配置され、
   前記第２の電気機械エネルギーコンバータ（４）も動力を伝達するために前記内燃エンジン（２）に結合され、且つ／又は振動ダンパ（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）が、前記第２の電気機械エネルギーコンバータ（４）のロータ（１１）内に組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載のレンジエクステンダ（１）。
3. 前記内燃エンジン（３）が、ロータリーピストンエンジンであることを特徴とする請求項１又は２に記載のレンジエクステンダ（１）。
4. 前記振動ダンパ（６ａ，６ｂ，６ｃ，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ）が、デュアルマスフライホイールであることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のレンジエクステンダ（１）。
5. マスダンパが、前記第１の電気機械エネルギーコンバータ（２）及び／又は第２の電気機械エネルギーコンバータ（４）の前記ロータ（５，１１）内にさらに組み込まれていることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のレンジエクステンダ（１）。
6. 前記結合が、共通のシャフト（８）によって実現されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のレンジエクステンダ（１）。
7. バランスマス（９ａ，９ｂ）が、前記第１の電気機械エネルギーコンバータ（２）及び／又は第２の電気機械エネルギーコンバータ（４）の前記ロータ（５，１１）内にさらに組み込まれていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のレンジエクステンダ（１）。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載のレンジエクステンダ（１）を有する自動車、特に電気自動車。

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