JP2019526020A - 可変速伝達装置およびこれを用いたシステム - Google Patents

Abstract

システム（１）は、ドライバ（３）と、ドライバ（３）によって駆動されて回転するように構成された回転負荷（５）と、負荷（５）の回転速度を制御可能に変更するコントローラ（１２）と、ドライバ（３）と負荷（５）との間に配置された可変速伝達装置（１１）とを備える。可変速伝達装置（１１）は、第１の入力シャフト（２３）と、第２の入力シャフト（２５）と、出力シャフト（２７）とを有する速度加算ギア機構（２１）を備える。出力シャフト（２７）は、回転負荷（５）に駆動可能に結合する。第１の入力シャフト（２３）は、ドライバ（３）に駆動可能に結合する。連続可変伝達デバイス（４３；１４３；２４３；３４３）が、ドライバ（３）および速度加算ギア機構（２１）の第２の入力シャフト（２５）に機械的に結合する。連続可変伝達デバイス（４３；１４３；２４３；３４３）は、コントローラ（１２）に機能的に結合する。【選択図】図１

Description

本開示の主題は、被駆動機械とドライバとを備えるシステムに関する。より具体的には、本明細書に開示される実施形態は、定速のドライバが例えば圧縮機または圧縮機列などの可変速の回転機械を駆動して回転させるシステムに関する。

いくつかの工業用途において、電気モータなどの一定の回転速度で回転するドライバを使用して回転負荷を駆動する必要性が存在する。いくつかの状況において、回転負荷は、圧縮機などのターボ機械である。大型の軸流または遠心圧縮機が、典型的には、パイプラインにおいて、パイプラインを通って輸送されるガスを加圧するために使用される。大型の遠心または軸流圧縮機は、天然ガスを液化させるために、いわゆるＬＮＧ用途にも使用される。圧縮機は、そのような設備において、天然ガスを冷却する密閉サイクルに用いられる冷媒流体を処理するために使用される。

いくつかの用途においては、回転負荷の回転速度を変化させる必要があり、回転速度は、例えば定格回転速度の約７０％〜約１０５％の間で変更され得る。電気モータは、配電網と電気モータとの間に可変周波数ドライバを介在させることによって、可変の速度で回転させることが可能である。可変周波数ドライバは、電気モータが必要とするきわめて大きな電力を変換しなければならないため、複雑、高価、かつ厄介な構成要素である。大型の圧縮機を駆動するための電気モータの典型的な用途は、１〜数十ＭＷの電力を必要とする可能性がある。

したがって、ドライバによって駆動される可変速の負荷の回転速度の調節について、より好都合なやり方を可能にするシステムが必要とされている。

欧州特許出願公開第２８７３８９２号明細書

第１の態様によれば、先行技術の上記の欠点に対処するために、好ましくは実質的に一定の回転速度で回転するように構成された定速ドライバと、おそらくは可変の速度でドライバによって駆動されて回転するように構成された回転負荷と、負荷の回転速度を制御可能に変更するコントローラと、定速ドライバと負荷との間に配置された可変速伝達装置とを備えるシステムが開示される。本明細書に開示される実施形態によれば、可変速伝達装置は、第１の入力シャフトと、第２の入力シャフトと、出力シャフトとを有する速度加算ギア機構を備えることができる。いくつかの実施形態において、出力シャフトは、回転負荷に駆動可能に結合する。第１の入力シャフトを、定速ドライバに駆動可能に結合させることができる。出力シャフトの速度は、第１の入力シャフトおよび第２の入力シャフトの速度の関数である。連続可変伝達デバイスを、定速ドライバ、したがって速度加算ギア機構の第１の入力シャフト、ならびに速度加算ギア機構の第２の入力シャフトに、機械的に結合させることができる。連続可変伝達デバイスは、第２の入力シャフトの速度を変更するように構成される。定速ドライバからの動力の大部分は、連続可変伝達デバイスを通過することなく、速度加算ギア機構の第１の入力シャフトから出力シャフトへと、速度加算ギア機構を通って伝達される。典型的には５０％未満であり、好ましくは３０％未満であり、より好ましくは２０％未満である定速ドライバからの動力の一部分だけが、連続可変伝達デバイスを通過し、速度加算ギア機構の第２の入力シャフトを介して速度を増し、あるいは減らすように、連続可変伝達デバイスによって調節される。連続可変伝達デバイスは、定速ドライバの回転速度、したがって速度加算ギア機構の第１の入力シャフトの回転速度が、一定のままであっても、速度加算ギア機構の出力シャフトの回転速度、したがってこの出力シャフトに駆動可能に結合した負荷の速度を、調節することができるように、コントローラに機能的に接続される。

速度加算ギア機構の第１の入力シャフトを、定速ドライバに直接的または間接的に結合させることができ、すなわち両者の間にギアボックスまたは任意の他の機械的な装置を配置しなくても、配置してもよい。したがって、速度加算ギア機構の第１の入力シャフトは、定速ドライバと同じ回転速度で回転することができ、あるいは異なる速度で回転することができる。同様に、速度加算ギア機構の出力シャフトを、負荷に直接結合させることができ、あるいは出力シャフトと負荷との間にギアボックスを設けてもよい。

いくつかの実施形態において、負荷は、例えば遠心、軸流、または混合圧縮機、あるいは任意の他の被駆動ターボ機械、またはレシプロ圧縮機、あるいは他の回転負荷など、１つの回転機械を含むことができる。他の実施形態において、負荷は、２つ以上の回転機械を含むことができる。後者は、同じ回転速度または異なる回転速度で回転する必要があるかもしれない。必要であれば、異なる回転速度をもたらすために、順に配置された回転被駆動機械の間にギアボックスを配置することができる。

典型的な実施形態において、連続可変伝達デバイスは、駆動（ｍｏｖｅｒ）部材および被駆動部材を備える。駆動部材を、定速ドライバに結合させることができる。被駆動部材を、駆動部材と実質的に同軸に配置することができる。被駆動部材を、速度加算ギア機構の第２の入力シャフトに結合させることができる。

いくつかの実施形態によれば、連続可変伝達デバイスは、磁気継手を備える。磁気継手を、導電性部材と協働する円形に並べられた磁石で構成することができ、磁石と導電性部材とがお互いに対して回転するとき、渦電流が発生する。渦電流が、磁石によって生成された磁場と協働することで、磁石装置から導電性部材へと、あるいはその反対に、トルクが伝達される。

磁気継手は、永久磁石、電磁石、または両方を使用することができる。磁気継手を介して伝達される動力の量を、例えば電磁石が使用される場合に、磁場の強度を制御することによって変更、すなわち調整することができる。他の実施形態においては、磁気継手を介して伝達される動力を、磁石と導電性部材との間の距離を調整することによって変更することができる。

他の実施形態において、連続可変伝達デバイスは、流体粘性（ｈｙｄｒｏ ｖｉｓｃｏｕｓ）ドライバを備える。流体粘性ドライバは、駆動部材および被駆動部材を備える。駆動部材は、少なくとも１つの駆動ディスクを備え、被駆動部材は、少なくとも１つの被駆動ディスクを備える。２つのディスクは互いに対向し、間にギャップを形成する。他の実施形態において、駆動部材は複数の駆動ディスクを備え、被駆動部材は複数の被駆動ディスクを備える。各々の駆動ディスクは、各々の被駆動ディスクが続けて配置された２つの駆動ディスクの間に配置され、逆も同様であるように、被駆動ディスクと対をなす。被駆動ディスクと対向するそれぞれの駆動ディスクとの各々の対の間に、ギャップが形成される。ギャップは、粘性摩擦によって駆動ディスクから被駆動ディスクへとトルクを伝達する粘性液体で満たされる。各々の対の被駆動ディスクと駆動ディスクとの間のギャップの幅を、駆動部材から被駆動部材へと伝達されるトルクを調整するために調整することができる。

さらなる実施形態において、連続可変伝達デバイスは、定速ドライバに駆動可能に結合した入力トラクションリングと、速度加算ギア機構の第２の入力シャフトに駆動可能に結合した出力トラクションリングと、入力トラクションリングおよび出力トラクションリングに摩擦を伴って接触した複数のトラクションプラネットとを含む。各々のトラクションプラネットは、各々のトラクションプラネットに傾けることができる回転軸を提供するように動作可能に構成された遊星軸に取り付けられる。連続可変伝達デバイスを介して伝達されるトルクは、トラクションプラネットの傾けることができる軸の角度位置を調整することによって変更される。

速度加算ギア機構は、遊星ギア列を備えることができる。ここで最も広い意味で理解されるように、遊星ギア列は、少なくとも２つの互いに噛み合うギアからなる機構であり、これらのギアのうちの少なくとも１つが、これらの少なくとも２つの互いに噛み合うギアのうちの他方のギアの回転軸の周囲を回転する回転部材上に無為に支持されている。本明細書に開示される構成において、遊星ギア列は、少なくとも２つの自由度と、少なくとも３つの噛み合うギアとを有し、そのうちの少なくとも１つ（遊星ギア）が、遊星ギア列を形成する噛み合うギアのうちの別の１つの不動の回転軸の周囲を回転する部材（遊星キャリア）上に無為に支持される。

連続可変伝達デバイスは、駆動シャフトと速度加算ギア機構の第２の入力シャフトとの間に配置された複数のギアまたは歯車によって形成された固定の伝達比のギア列を備えることができ、あるいはそのようなギア列と組み合わせられてよい。

さらに、本開示は、可変速の回転負荷を動作させるための方法であって、
・回転負荷を、定速ドライバによって、第１の入力シャフトと、第２の入力シャフトと、出力シャフトとを備えており、第１の入力シャフトは定速ドライバに駆動可能に結合し、出力シャフトは負荷に駆動可能に結合している速度加算ギア機構を介して、駆動するステップと、
・ドライバからの動力の一部を、ドライバおよび速度加算ギア機構の第２の入力シャフトに機械的に結合した連続可変伝達デバイスを介して伝達することによって、回転負荷の速度を変化させるステップと
を含む方法に関する。

本明細書に開示される機構は、主たる定速ドライバが電気モータであるシステムにおいてとくに有用かつ好都合であるが、ガスタービンまたは蒸気タービンなどの他の主たる定速ドライバを代わりに使用することも可能である。本明細書に記載のシステムは、主たる定速ドライバが固定または一定の速度の主たる機械であるすべての状況に適する。このシステムは、一定の速度で回転するように制約されたドライバ（可変周波数ドライバまたは他の周波数変換装置を持たない電気モータなど）だけでなく、例えば効率を最大化するために一定の速度で動作させることが好ましいドライバなど、主たる定速ドライバが実質的に一定の回転速度で回転するように構成されている場合に、常に有用である。

特徴および実施形態が、本明細書において以下で開示され、本明細書の一体の一部分を形成する添付の特許請求の範囲にさらに記載される。以上の簡単な説明は、以下の詳細な説明をよりよく理解できるようにするため、および本発明の技術的貢献をよりよく理解できるようにするために、本発明の種々の実施形態の特徴を記載している。当然ながら、以下で説明され、添付の特許請求の範囲に記載される本発明の他の特徴も存在する。この点で、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の実施形態が、それらの応用において、以下の説明において述べられ、あるいは図面に示される構成の詳細および構成要素の配置に限定されないことを、理解すべきである。本発明は、他の実施形態も可能であり、さまざまな方法で実施および実行することが可能である。また、本明細書において用いられる表現および用語が、説明を目的とするものであり、限定とみなされてはならないことを、理解すべきである。

したがって、本開示の根底にある考え方を、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法、および／またはシステムを設計するための基礎として容易に利用できることを、当業者であれば理解できるであろう。したがって、特許請求の範囲を、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限りにおいて、そのような等価な構成を含むと考えることが重要である。

開示される本発明の実施形態およびそれらに付随する多くの利点のさらに完全な認識が、それらが以下の詳細な説明を参照し、添付の図面と併せて検討することによってよりよく理解されるときに、容易に得られるであろう。

本開示によるシステムの第１の実施形態を概略的に示している。 本開示によるシステムの第２の実施形態を概略的に示している。 図１および図２のシステムのための可変速伝達装置の一実施形態について、図４の線ＩＩＩ−ＩＩＩによる断面図を示している。 図３の線Ａ−Ａによる図を示している。 図３の線Ｂ−Ｂによる図を示している。 図３の線ＩＩＩ−ＩＩＩによる可変速伝達装置の断面図を示している。 図３および図４の可変速伝達装置の概略図を示している。 説明用の速度およびトルク線図を示している。 説明用の速度およびトルク線図を示している。 図１および図２のシステムのための可変速伝達装置のさらなる実施形態の断面図を示している。 図１および図２のシステムのための可変速伝達装置のまたさらなる実施形態の断面図を示している。 図１および図２のシステムのための可変速伝達装置のまたさらなる実施形態の断面図を示している。

典型的な実施形態についての以下の詳細な説明は、添付の図面を参照する。別々の図面における同じ参照番号は、同一または類似の要素を表す。さらに、図面は、必ずしも縮尺どおりに描かれていない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。

本明細書の全体を通して、「一実施形態」、「実施形態」、または「いくつかの実施形態」への言及は、或る実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体のさまざまな場所において「一実施形態において」、「実施形態において」、または「いくつかの実施形態において」という表現が現れたとき、それは必ずしも同じ実施形態を指すものではない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態において任意の適切なやり方で組み合わせられてよい。

ここで図１を参照すると、一実施形態において、システム１は、ドライバ３と回転負荷５とを備える。図１の典型的な実施形態において、回転負荷５は、２つの回転機械５Ａおよび５Ｂを備える。回転機械５Ａ、５Ｂの一方または両方は、例えば、遠心圧縮機もしくは軸流圧縮機、またはレシプロ圧縮機、あるいはこれらの組み合わせなど、圧縮機を備えることができる。以下の説明においては、例として、回転機械５Ａ、５Ｂの両方が圧縮機であると仮定する。図１において、２つの圧縮機５Ａ、５Ｂは、単一のシャフト７に機械的に結合し、したがって同じ速度で回転する。他の実施形態においては、例えば、２つの圧縮機５Ａ、５Ｂが異なる回転速度で回転できるように、２つの圧縮機５Ａ、５Ｂの間にギアボックスを配置することができる。

図１の実施形態において、ドライバ３は、配電網９によって電力が供給される電気モータを含むことができる。ドライバ３は、可変周波数ドライバを省くことができるように、定速ドライバであってよく、固定の回転速度、すなわち一定の回転速度で、回転することができる。

負荷５の回転速度を変更するために、可変速伝達装置１１が、ドライバ３と負荷５との間の軸線に沿って配置されている。可変速伝達装置１１を、コントローラ１２に機能可能に接続することができ、コントローラ１２は、負荷５または一部分が負荷５によって形成されるプロセスと、さらにやり取りすることができる。コントローラ１２を、可変速伝達装置１１の出力を負荷５に駆動可能に接続するシャフト７の回転速度を、ドライバ３を可変速伝達装置１１の入力へと駆動可能に接続するシャフト１３の固定の回転速度に対して変更するように構成することができる。

図２が、本開示によるシステムのさらなる実施形態を示している。同じ参照番号は、図１に示した構成要素、要素、または部分と同じ構成要素、要素、または部分を示しており、再度の説明は省略する。図１のシステムと図２のシステムとの間の主な違いは、可変速伝達装置１１の出力シャフト８と、負荷５へと運動を伝達するシャフト７との間に配置されたギアボックス１５である。ギアボックス１５を、例えば、ドライバ３の出力シャフト１３と負荷５との間の必要な速度伝達比を、可変速伝達装置１１だけでは達成できない場合に、使用することができる。

ここで、図１および図２を引き続き参照しつつ、図３を参照して、可変速伝達装置１１について可能な実施形態を説明する。可変速伝達装置１１は、第１の入力シャフト２３と、第２の入力シャフト２５と、出力シャフト２７とを備える速度加算ギア機構２１を備える。出力シャフト２７は、シャフト７（または、図２の実施形態におけるシャフト８）に機械的に接続され、あるいはシャフト７（または、図２の実施形態におけるシャフト８）の一部を形成することができる。入力シャフト２３は、シャフト１３に機械的に接続され、あるいはシャフト１３の一部を形成することができる。

図３の実施形態において、速度加算ギア機構２１は、遊星ギア列である。遊星ギア列２１は、リングギア３１と、複数の遊星ギア３５を支持する遊星キャリア３３とを備える。各々の遊星ギア３５は、ピン３７によって遊星キャリア３３上に無為（ｉｄｌｙ）に取り付けられている。遊星ギア列２１は、出力シャフト２７にキー止めされて出力シャフト２７と共に回転するサンギア３９をさらに備える。

図３の実施形態において、リングギア３１は、内歯ギアであり、遊星ギア３５は、内歯のリングギア３１と噛み合っている。遊星ギア３５は、サンギア３９にさらに噛み合っている。リングギア３１は、リングギア３１、サンギア３９、および遊星キャリア３３が同軸となるように、第１の入力シャフト２３にキー止めされ、リングギア３１およびサンギア３９の軸を中心にして第１の入力シャフト２３と一緒に回転する。

遊星キャリア３３は、ギア４１と一緒に回転し、ギア４１は、遊星キャリア３３と一体に形成されてよい。ギア４１は、連続可変伝達デバイス４３から運動を受け取る。図３の実施形態において、連続可変伝達デバイス４３は、連続可変伝達デバイス４３の出力シャフト４７にキー止めされたピニオン４５を介して、ギア４１に機械的に結合する。

連続可変伝達デバイス４３は、例えば可変速伝達装置１１の入力シャフト２３を介してドライバ３から動力を受け取る入力シャフト４９をさらに備える。いくつかの実施形態においては、図３に示されるように、ギア列５１、５３を、可変速伝達装置１１の入力シャフト２３と連続可変伝達デバイス４３の入力シャフト４９との間に配置することができる。ギア列５１，５３を、シャフト２３および４９との間に所望の変速比をもたらすように設計することができる。図３の典型的な実施形態において、ギア列は、回転の方向を反対にするために、ギア５１および５３の間に配置されたアイドルギア５２をさらに含む。図示されていない他の実施形態においては、アイドルギア５２を省略することができる。いくつかの実施形態においては、アイドルギアを、ピニオン４５とギア４１との間に配置することができる。

このようにして、遊星ギア列２１は、２自由度を有し、入力される動力をドライバ３から直接受け取り、さらには連続可変伝達デバイス４３を介して受け取る。連続可変伝達デバイス４３を含む伝達ラインに沿って配置されたギア５３，５２，５１，４５，４１を含むギア列は、そこに配置されたギアまたは歯車の数に応じて、正または負のいずれかであってよい総伝達比を定める。

公知のとおり、遊星ギア列の最初のギアと最後のギアとの間の速度比τ_０は、ウィリス（Ｗｉｌｌｉｓ）の式

によって与えられ、ここで、
Ω_ｎは、遊星ギア列の最後のギア（図３および図４の実施形態においては、サンギア３９）の回転速度であり、
Ω_ｐは、遊星キャリア（図３および図４の３３）の回転速度であり、
Ω_１は、遊星ギア列の最初のギア（図３および図４の実施形態においては、リングギア３１）の回転速度である。

ウィリスの式によって示されるように、第１の入力シャフト２３と出力シャフト２７との間の伝達比を、遊星キャリア３３の回転速度を調節することによって調整することができる。遊星キャリア３３の回転速度は、連続可変伝達デバイス４３の出力シャフト４７の回転速度を制御することによって制御可能である。

負荷５の定格速度付近の速度変動の範囲は、通常は小さい。遊星ギア列２１を、遊星キャリア３３の静止状態（すなわち、Ω_ｐ＝０）において負荷５を所与の予め設定された回転速度で駆動するために適した速度伝達比をもたらすように設計することができる。この状態は、負荷５の所与の回転速度に対応することができる。

ドライバ３が不変の一定な回転速度に保たれているときに、負荷の回転速度の変化を、速度加算ギア機構２１によって連続可変伝達デバイス４３を介して得ることができる。連続可変伝達デバイス４３の出力シャフト４７の回転速度の調整は、コントローラ１２の制御下で、負荷５の要求回転速度の関数として得られる。

図３および図４の実施形態において、連続可変伝達デバイス４３は、磁気ディスク６１と強磁性ディスク６３とを備える磁気結合デバイスである。いくつかの実施形態において、磁気ディスク６１は、図３Ａに最もよく示されているように、複数の永久磁石６４，６５を備えることができる。各々の永久磁石６４，６５のＮ極およびＳ極は、ディスクの軸に平行に整列している。磁石６４，６５は、Ｎ極を対向する強磁性ディスク６３に向けている各々の永久磁石６４が、Ｓ極を対向する強磁性ディスク６３に向けている２つの永久磁石６５の間に配置されるように、交互に配置される。強磁性ディスク６３は、軟鉄ヨーク６７と、例えば銅、アルミニウム、または任意の他の導電性材料で製作され、磁気ディスク６１に面する軟鉄ヨーク６７の表面に配置された導電性部材６９とを備える。図示の実施形態において、導電性部材６９は、リングの形態であり、したがって以下では導電性リング６９とも呼ばれる。軟鉄ヨーク６７および永久磁石６５は、導電性リング６９を内部に位置させた磁気回路を形成する。

以下で説明されるように、別の実施形態を参照すると、磁石、導電性部材、および強磁性部材の配置は、別の配置でもよい。例えば、強磁性部材（すなわち、強磁性軟鉄ヨーク６７）および導電性部材は、交互の極性にて円形に配置された磁石によって取り囲まれてよいスリーブまたは円筒を形成することができる。

磁気ディスク６１が駆動されて回転すると、磁石６４，６５によって生成された可動磁場が、導電性リング６９に渦電流を発生させる。渦電流は磁場と相互作用し、磁気ディスク６１と強磁性ディスク６３との間でトルクが伝達される。後者が、磁気ディスク６１の速度よりも低い速度で回転し始める。磁気ディスク６１と強磁性ディスク６３との間に滑り速度が生じ、磁場と渦電流とが相互作用を続け両者の間にトルクを発生させる。

連続可変伝達デバイス４３を通って伝えられるトルクおよび滑り速度は、互いにおおむね線形な関係にあり、両者の間の関係は、磁石６４，６５と導電性リング６９との間の空隙に依存する。空隙を変更することにより、連続可変伝達デバイス４３の出力速度が、速度加算ギア機構２１を介して出力シャフト２７の所望の回転速度を得るために必要な値に設定されるように、滑り速度を調整することができる。

図示されていない他の実施形態においては、永久磁石６４，６５の代わりに、電磁石を使用することができる。この場合、電磁石の可変の磁化を、磁石と導電性リング６９との間の空隙の調整に代え、あるいは組み合わせて、制御パラメータとして使用することができる。

次に、図３、図３Ａ、および図３Ｂをさらに参照して、可変速伝達装置１１の動作の例（ただし、これに限られるわけではない）を、図５〜図７を参照して説明する。図５は、上述した可変速伝達装置１１の機能の仕組みを示している。５３〜４１と標記されたブロックは、ギア４１，４５，５１，５２，５３によって形成されるギア列を機能的に表している。ギア列は、磁気伝達装置と組み合わせられた単一の機能ブロックとして表されている。ギア列は、固定の伝達比τ_ｍを有する。この典型的な実施形態（ただし、これに限られるわけではない）において、ギア列の伝達比は、τ_ｍ＝−０．０９に設定される。一例として、ウィリスの式の伝達比τ_０は、τ_０＝−６．２である。上述したように、これは、遊星キャリア３３が静止しているときの遊星ギア列のシャフト２７および２３の間の伝達比である。ドライバ３、したがって入力シャフト２３の固定の回転速度を、１８００ｒｐｍであると仮定する。図６および図７の図は、以下の曲線を示している。

Ｃ１：圧縮機トルク、すなわち出力シャフト２７に加えられるトルク。

Ｃ２：磁気結合トルク、すなわち磁気継手４３を通るトルク。

Ｃ３：遊星キャリア３３の角速度。

Ｃ４：磁気継手４３の滑り速度、すなわちディスク６１および６３の角速度の差。

図６および図７の図の横軸には、負荷５の角速度がプロットされている。図６および図７の図は、負荷５の回転速度が変化するときの可変速伝達装置１１の主なパラメータの挙動を示している。

図８は、図８において１４３と標記された別の連続可変伝達デバイスを使用する可変速伝達装置１１のさらなる実施形態を示している。同じ参照番号は、図３および図４に示した構成要素と同一または同等の構成要素を示しており、再度の説明は省略する。とくに、速度加算ギア機構２１は、図３および図４のとおりに設計されている。

図８の実施形態において、連続可変伝達デバイス１４３は、第１の入力トラクションリング１６１と、第２の出力トラクションリング１６３とを備える。第１のトラクションリング１６１が、入力シャフト４９に拘束され、入力シャフト４９と共に回転する一方で、第２のトラクションリング１６３は、出力シャフト４７に拘束され、出力シャフト４７と共に回転する。トラクションリング１６１，１６３およびシャフト４７，４９は、同軸である。トラクションリング１６１，１６３の間には、例えば球の形態の１組のトラクションプラネット１６５が、トラクションリング１６１，１６３の軸の周囲に周状に配置されている。各々のトラクションプラネット１６５は、両方のトラクションリング１６１，１６３に摩擦を伴って接触している。トルクが、トラクションプラネット１６５を介して摩擦によって第１のトラクションリング１６１から第２のトラクションリング１６３へと伝達される。

各々のトラクションプラネット１６５は、回転軸上に無為に取り付けられ、この回転軸は、各々のトラクションプラネット１６５の回転軸をトラクションリングの軸およびトラクションプラネットの回転軸を含むそれぞれの平面において同時に傾けるように設計されたキャリアによって、両端部１６７、１６９において支持されている。回転軸を傾けることによって、各々のトラクションプラネット１６５の第１および第２のトラクションリング１６１，１６３との接触点の間の距離が変化し、したがって第１のトラクションリング１６１と第２のトラクションリング１６３との間の変速比が変化する。

上記で簡単に説明した連続可変伝達デバイスに関するさらなる詳細を、例えば欧州特許第２６２０６７２号において見つけることができ、その内容は本明細書に援用される。

図８の可変速伝達装置１１の動作は、図３および図４の実施形態の動作と同様である。トラクションプラネット１６５の回転軸の角度位置を変更することによって、遊星キャリア３３に伝達されるトルクが変化し、速度加算ギア機構２１の伝達比が必要に応じて調整され、ドライバ３が一定の速度で回転しているにもかかわらず、負荷５の回転速度を変更することができる。

図９が、図１および図２のシステムに適した可変速伝達装置１１のさらなる実施形態を示している。同じ参照番号は、図３および図４に示した構成要素と同一または同等の構成要素を示しており、再度の説明は省略する。とくに、速度加算ギア機構２１は、図３および図４のとおりに設計されている。図３および図４の磁気装置４３に代えて、別の連続可変伝達デバイスが使用される。図９の連続可変伝達デバイスは、２４３と標記されている。

連続可変伝達デバイス２４３は、シャフト４９に取り付けられてシャフト４９と共に回転する摩擦ディスク２４５と、シャフト４７に取り付けられてシャフト４７と共に回転する摩擦ディスク２４７とを備える流体粘性ドライバである。いくつかの実施形態において、複数の摩擦ディスク２４７および複数の摩擦ディスク２４５は、一方が他方の間に挟まれるように配置され、したがって各々の摩擦ディスク２４７が２つの隣接する摩擦ディスク２４５の間に位置し、逆もまた同様である。対をなす摩擦ディスク２４５，２４７の間に、ディスク間の直接の機械的接触を回避しつつ、摩擦ディスク間の摩擦によって運動を伝達する粘性液体がもたらされる。摩擦ディスク２４５と摩擦ディスク２４７との間のギャップを調整することで、シャフト４９およびディスク２４５からディスク２４７およびシャフト４７へと伝達されるトルクを変化させることができる。

連続可変伝達デバイス２４３を介して伝達されるトルクを調節することにより、遊星キャリア３３の速度、したがってシャフト２３とシャフト２７との間の伝達比を、変更することができる。

図１０が、図１および図２のシステムにおける使用に適したさらなる可変速伝達装置１１の断面図を示している。可変速伝達装置１１は、シャフト１３に結合し、あるいはシャフト１３の一部を形成する第１の入力シャフト２３と、シャフト７（または、シャフト８）に結合し、あるいはシャフト７（または、シャフト８）の一部を形成する出力シャフト２７とを有する速度加算ギア機構２１をやはり備える。図１０の実施形態において、速度加算ギア機構２１は、複合遊星ギア列である。遊星ギア列２１は、入力シャフト２３にキー止めされたリングギア３１と、遊星ギア３５Ａ、３５Ｂの対を支持する遊星キャリア３３とを備え、すなわち、いわゆる複合遊星機構を備える。遊星ギア３５Ａ、３５Ｂの対の各々は、シャフト３７によって遊星キャリア３３上に無為に支持される。各々の遊星ギア対の第１の遊星ギア３５Ａは、リングギア３１に噛み合っている。各々の遊星ギア対の第２の遊星ギア３５Ｂは、出力シャフト２７にキーで止められたサンギア３９に噛み合っている。

可変速伝達装置１１は、図１０の実施形態においては図３〜図７の連続可変伝達デバイス４３と同じ原理で動作する磁気デバイスである連続可変伝達デバイス３４３をさらに備える。

図１０の実施形態において、連続可変伝達デバイス３４３は、速度加算ギア機構２１と同軸である。図３〜図５と同様に、連続可変伝達デバイス３４３は、１組の円形に配置された磁石を備え、これらの磁石が、これらの磁石と同軸であり、これらの磁石と軟鉄ヨークまたは別の同様の強磁性部材とを含む磁気回路内に配置された導電性部材と協働する。図１０の実施形態において、磁石は、３４５で概略的に示されており、導電性部材は、３４７で示されている。軟鉄ヨーク（または、任意の他の強磁性部材）は、３４９で示されている。この典型的な実施形態において、磁石３４５および導電性部材３４７は、一方が他方の内側に配置される。磁石３４５は、図３、図３Ａ、図３Ｂ、および図４の連続可変伝達デバイス４３に関連して開示したように、交互の極性にて円形に配置された１組の磁石を備える。図１０の実施形態において、円形に配置された磁石の交互の磁極は、導電性部材３４７に半径方向において面するように配置される。

例えば銅スリーブなどの導電性部材３４７、および強磁性ヨーク３４９は、シャフト２３にキー止めされ、同じ回転速度でシャフト２３と共に回転する。磁石３４５は、速度加算ギア機構２１の第２の入力シャフト２５と一体のスリーブ３４６に取り付けられている。第２の入力シャフト２５は、遊星キャリア３３と一体であり、遊星キャリア３３と共に回転する。

導電性部材３４７と磁石３４５との間の滑り速度が、導電性部材３４７内に渦電流を生じさせ、渦電流が磁場と相互作用して、シャフト２３からシャフト２５を介して遊星キャリア３３へと伝達されるトルクを発生させる。

同じトルクを、磁石３４５と導電性部材３４７との間の相互作用を調整して、これらの間の滑りを変化させることによって、異なる速度で連続可変伝達デバイス３４３を介して伝達することができる。滑りの変化の結果として、遊星キャリア３３の回転速度も変化し、結果として遊星ギア列２１の伝達比が変更される。永久磁石３４５が使用される場合、磁石３４５に対する導電性部材３４７の軸方向位置を変更することによって、磁石３４５と導電性部材３４７との間の相互作用を変更することができる。

他の実施形態において、磁石３４５は、永久磁石の代わりに、電磁石であってよい。そのような場合、伝達比を、磁石と導電性部材３４７との間の相互の軸方向位置の操作に代え、あるいは加えて、電磁石の磁化を操作することによって調整することができる。

図１０においては、磁石が遊星キャリア３３と一緒に回転するように取り付けられ、強磁性ヨーク３４９および導電性スリーブ３４７は、シャフト２３にキー止めされ、シャフト２３と一緒に回転するが、磁石３４５がシャフト２３に一緒に回転するように取り付けられ、導電性スリーブ３４７および関連の強磁性ヨーク３４９が遊星キャリア３３上に一体に取り付けられて遊星キャリア３３と一緒に回転する反対の構成も、排除されるものではない。

図１０の遊星ギア列２１を、図８に示したようなトラクションリングおよびトラクションプラネットに基づく連続可変伝達デバイスや、図９に示したような流体粘性駆動装置に基づく連続可変伝達デバイスとの組み合わせにて使用することも可能である。

図１０の構成は、図３〜図９の実施形態と比べ、速度加算ギア機構２１と連続可変伝達デバイスとが同軸に配置されているという利点を有する。ギアの数が少なくなり、したがって全体的な効率が改善される。

図３〜図１０に示した速度加算ギア機構２１は、サンギア３９が出力シャフト２７にキー止めされ、すなわち速度加算ギア機構２１の出力がサンギア３９である一方で、第１の入力シャフトが、リングギア３１に駆動可能に結合したシャフト２３であり、第２の入力シャフトが、連続可変伝達デバイス４３に駆動可能に結合した遊星キャリア３３であるように、構成されている。これは、速度加算ギア機構２１について可能な唯一の構成ではない。当業者にとって公知のとおり、遊星ギア列を、いくつかの異なるやり方で構成することができ、その種々の回転部材を、さまざまなやり方で入力部材または出力部材として使用することができる。

例えば、遊星キャリア３３を入力シャフト２３にキー止めすることができ、連続可変伝達デバイス４３の出力シャフト４７をリングギア３１に駆動可能に結合させることができる。この場合、速度加算ギア機構２１の伝達比は、リングギア３１に作用する可変速伝達装置によって調整されると考えられる。

一般に、速度加算ギア機構２１は、２自由度を有する遊星ギア列、すなわち２つの入力シャフトおよび１つの出力シャフトを有し、出力シャフトは負荷５に駆動可能に結合し、第１の入力シャフトはドライバ３に駆動可能に結合し、第２の入力シャフトは連続可変伝達デバイスに駆動可能に結合した遊星ギア列を備えることができる。

本明細書に記載の主題について開示される実施形態を、いくつかの典型的な実施形態に関して、具体的かつ詳細に、図面に示し、充分に上述したが、本明細書において説明した新規な教示、原理、および考え方、ならびに添付の特許請求の範囲に記載される主題の利点から実質的に離れることなく、多数の変更、変化、および省略が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。したがって、開示される技術革新の適切な範囲は、すべてのそのような変更、変化、および省略を含むように、添付の特許請求の範囲の最も広い解釈によってのみ定められるべきである。加えて、プロセスまたは方法のあらゆるステップの順序または並びは、代案の実施形態に従って変更または並べ替えが可能である。

１ システム
３ ドライバ
５ 回転負荷
５Ａ 回転機械、圧縮機
５Ｂ 回転機械、圧縮機
７ シャフト
８ 出力シャフト
９ 配電網
１１ 可変速伝達装置
１２ コントローラ
１３ 出力シャフト
１５ ギアボックス
２１ 速度加算ギア機構、遊星ギア列
２３ 第１の入力シャフト
２５ 第２の入力シャフト
２７ 出力シャフト
３１ リングギア
３３ 遊星キャリア
３５ 遊星ギア
３５Ａ 第１の遊星ギア
３５Ｂ 第２の遊星ギア
３７ ピン、シャフト
３９ サンギア
４１ ギア
４３ 連続可変伝達デバイス、磁気装置、磁気継手
４５ ピニオン、ギア
４７ 出力シャフト
４９ 入力シャフト
５１ ギア列、ギア
５２ アイドルギア
５３ ギア列、ギア
６１ 磁気ディスク
６３ 強磁性ディスク
６４ 永久磁石
６５ 永久磁石
６７ 強磁性軟鉄ヨーク
６９ 導電性部材、導電性リング
１４３ 連続可変伝達デバイス
１６１ 入力トラクションリング
１６３ 出力トラクションリング
１６５ トラクションプラネット
１６７ 端部
１６９ 端部
２４３ 連続可変伝達デバイス
２４５ 摩擦ディスク
２４７ 摩擦ディスク
３４３ 連続可変伝達デバイス
３４５ 永久磁石
３４６ スリーブ
３４７ 導電性スリーブ、導電性部材
３４９ 強磁性ヨーク

Claims (13)

1. 定速ドライバ（３）と、
   前記定速ドライバ（３）によって駆動されて回転するように構成された回転負荷（５）と、
   前記負荷（５）の回転速度を制御可能に変化させるコントローラ（１２）と、
   前記定速ドライバ（３）と前記負荷（５）との間に配置された可変速伝達装置（１１）と
   を備えており、
   前記可変速伝達装置（１１）は、第１の入力シャフト（２３）と、第２の入力シャフト（２５）と、出力シャフト（２７）とを有する速度加算ギア機構（２１）を備え、
   前記出力シャフト（２７）は、前記回転負荷（５）に駆動可能に結合し、
   前記第１の入力シャフト（２３）は、前記定速ドライバ（３）に駆動可能に結合し、前記出力シャフト（２７）の速度は、前記第１の入力シャフト（２３）および前記第２の入力シャフト（２５）の速度の関数であり、
   連続可変伝達デバイス（４３；１４３；２４３；３４３）が、前記定速ドライバ（３）に機械的に結合し、前記速度加算ギア機構（２１）の前記第２の入力シャフト（２５）の速度を変更するように構成され、
   前記連続可変伝達デバイス（４３；１４３；２４３；３４３）は、前記定速ドライバ（３）の回転速度を一定にしたままで前記出力シャフト（２７）に駆動可能に結合した前記負荷の回転速度を変更できるように、前記コントローラ（１２）に機能的に結合している、システム（１）。
2. 前記連続可変伝達デバイス（４３；１４３；２４３；３４３）は、駆動部材（６１；１６１；２４５；３４７）および被駆動部材（６３；１６３；２４７；３４５）を備え、前記駆動部材は、前記定速ドライバ（３）に機械的に結合し、前記被駆動部材は、前記速度加算ギア機構（２１）の前記第２の入力シャフト（２５）に機械的に結合している、請求項１に記載のシステム（１）。
3. 前記被駆動部材は、前記駆動部材に実質的に同軸に配置されている、請求項２に記載のシステム（１）。
4. 前記駆動部材（６１；１６１；２４５；３４７）および前記被駆動部材（６３；１６３；２４７；３４５）は、両者の間で可変のトルクを伝達するように構成され、前記第２の入力シャフト（２５）の速度は、前記駆動部材と前記被駆動部材との間の伝達トルクを調整することによって変更される、請求項２または３に記載のシステム（１）。
5. 前記連続可変伝達デバイス（４３；３４３）は、磁気継手を備える、請求項１乃至４のいずれか１項または複数の項に記載のシステム（１）。
6. 前記連続可変伝達デバイス（２４３）は、流体粘性ドライバを備える、請求項１乃至４のいずれか１項または複数の項に記載のシステム（１）。
7. 連続可変伝達デバイス（１４３）は、前記定速ドライバ（３）に駆動可能に結合した入力トラクションリング（１６１）と、前記速度加算ギア機構（２１）の前記第２の入力シャフト（２５）に駆動可能に結合した出力トラクションリング（１６３）と、前記入力トラクションリングおよび前記出力トラクションリングに摩擦を伴って接触した複数のトラクションプラネット（１６５）とを備え、各々のトラクションプラネットは、各々のトラクションプラネットに傾けることができる回転軸をもたらすように動作可能に構成された遊星軸上に取り付けられている、請求項１乃至４のいずれか１項または複数の項に記載のシステム（１）。
8. 前記速度加算ギア機構（２１）は、遊星ギア列を備える、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のシステム（１）。
9. 前記遊星ギア列は、複合遊星機構を備える、請求項８に記載のシステム（１）。
10. 前記連続可変伝達デバイスを、前記駆動シャフト（１３）と前記速度加算ギア機構（２１）の前記第２の入力シャフト（２５）との間に配置された複数のギアまたは歯車（５１、５２、５３；４５；４１）によって形成された固定比のギア列に組み合わせることができる、請求項１乃至９のいずれか１項または複数の項に記載のシステム（１）。
11. 可変速の回転負荷（５）を動作させるための方法であって、
    前記回転負荷（５）を、定速ドライバ（３）によって、第１の入力シャフト（２３）と、第２の入力シャフト（２５）と、出力シャフト（２７）とを備えており、前記第１の入力シャフト（２３）は前記定速ドライバ（３）に駆動可能に結合し、前記出力シャフトは前記負荷に駆動可能に結合し、前記出力シャフト（２７）の速度は前記第１の入力シャフト（２３）および第２の入力シャフト（２５）の速度の関数である速度加算ギア機構（２１）を介して、駆動するステップと、
    前記定速ドライバ（３）からの動力の一部を、前記定速ドライバおよび前記速度加算ギア機構の前記第２の入力シャフトに機械的に結合した連続可変伝達デバイス（４３；１４３；２４３；３４３）を介して伝達することによって、前記回転負荷（５）の速度を変化させるステップと、
    を含む、方法。
12. 前記連続可変伝達デバイス（４３；１４３；２４３；３４３）は、磁気継手、流体粘性ドライバ、ならびに入力トラクションリングと、出力トラクションリングと、前記入力トラクションリングおよび前記出力トラクションリングに摩擦を伴って接触した両者の間の複数のトラクションプラネットとの組み合わせのうちの１つを備える、請求項１１に記載の方法。
13. 前記連続可変伝達デバイスは、駆動部材（６１；１６１；２４５；３４７）および被駆動部材（６３；１６３；２４７；３４５）を備え、前記駆動部材は、前記定速ドライバ（３）に機械的に結合し、前記被駆動部材は、前記速度加算ギア機構（２１）の前記第２の入力シャフト（２５）に機械的に結合し、前記回転負荷（５）の速度を変化させるステップは、前記駆動部材と前記被駆動部材との間の伝達トルクを変化させることによって前記第２の入力シャフトの速度を調整するステップを含む、請求項１２に記載の方法。

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