JP3650491B2 - 駆動電気機械の速度制御による複合動力装置 - Google Patents

駆動電気機械の速度制御による複合動力装置 Download PDF

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Description

【０００１】
本発明は駆動電気機械の速度制御による複合動力装置に関するものである。
【０００２】
近年来、エネルギーと騒音との問題が日々に厳しさを増し、電力駆動の自動車はその汚染程度が少ないので、この問題を軽減できる。しかしながら、長期間に亘る電動車の研究開発はバッテリー容量の制限から大きな進展が得られず、バッテリーの体積と数量を増やせば車の自重が増加して電気エネルギー消費を増大して不経済になる。故にバッテリー技術に大きな突破がない限り、実用的な駆動方式として複合駆動構造の採用は必需である。
【０００３】
本発明の複合動力装置は遠心クラッチを介して結合させるエンジン（又はその他の回転装置）と電気機械とから構成され、手動操作インターフェイスと、中央制御器と、駆動制御装置とに応答して以下の作動状態を形成する。
【０００４】
Ａ）電気機械は起動モータとして使用され、電気機械を高速で運転することにより遠心クラッチの駆動側を引き寄せて、該クラッチを閉合させてエンジンを駆動する。エンジンが起動された後、エンジンは負荷を駆動すると共に、発電機として作動させるように電気機械を駆動する。
【０００５】
Ｂ）エンジンが停止している時に、電気機械が電力により負荷を駆動するため低速で作動する。駆動形態の選択は電気機械の作動速度により決定され、電力駆動が低速で行なわれる場合に、電気機械は発電機ブレーキを備えるように使用され、電力駆動が高速で行なわれる場合に、遠心クラッチは閉合してエンジンを駆動しそして摩擦制動ブレーキとして機能する。
【０００６】
本発明の複合動力装置は以下の構成部材を含む。
【０００７】
遠心クラッチＦＣ１０１、ＦＣ１０２、該遠心クラッチは多重スリーブ構造又は一体構造で実施された２つのクラッチにより構成された複動型遠心クラッチの形態であって、該遠心クラッチは内層、中間層及び外層を含む三重構造に組立てられ、内層は遠心力が設定値に達した時に相互に駆動するため出力軸と結合するように外向きに作動する駆動摩擦円盤を備えている。中間層はエンジンに結合され、摩擦係合する内側リングを備え、その外側は遠心力が設定値に達した時、外向きに作動する駆動摩擦円盤を備え、外層の内側リングと摩擦係合してクラッチの機能を構成する。外層はエンジンが低速で駆動している時にエンジンと負荷との接続を一時的に切り離すためにエンジンに結合されている。
【０００８】
電気機械Ｅ１０１、該電気機械は負荷が小さければそれに対応して回転速度が増大する電気特性を有する直列励磁電気機械又は複合励磁補助電気機械、又は負荷制御に応じてトルク機能を備えるために電流制御（定電流制御を含む）を行うことができる交流又は直流ブラシ付又はブラシレスの電気機械である。
【０００９】
駆動制御装置Ｄ１０１、該駆動制御装置は起動、停止、速度変更、又は正逆回転のような作動を備えるために電気機械をモータとして作動させるか又は電気機械を発電量を制御する機能を有する発電機として作動させるように手動操作インターフェイスＭ１０１と中央制御器ＣＣＵ１０１により制御される。
【００１０】
以下に本発明の駆動電気機械の速度制御による複合動力装置の実施例を説明する。
【００１１】
図１は本発明の複合動力装置の第１実施例を示し、該第１実施例において、エンジンＩＣ１０１の駆動軸Ｓ１０３と負荷を駆動する出力軸Ｓ１０４との間に備えた回転軸Ｓ１０２には遠心クラッチＦＣ１０１と第２歯車Ｇ１０２とを設け、出力軸Ｓ１０４は負荷を直接駆動するか、又は出力クラッチＣＬ１０１又は速度変更機構ＧＢ１０１を介して負荷を駆動する。図示の実施例において、第２歯車Ｇ１０２は第１歯車Ｇ１０１と噛合っているが、その歯車列は多段減速機又はチェーンホイールのような伝動機構に代えることができる。
【００１２】
電気機械Ｅ１０１は第１歯車Ｇ１０１に結合され、手動操作インターフェイスＭ１０１、中央制御器ＣＣＵ１０１及び駆動制御装置Ｄ１０１により制御され、第１歯車Ｇ１０１を次のように駆動するためのモータ出力を備えるために電気機械Ｅ１０１をバッテリーＢＡＴ１０１の電力で作動させることができる。第１歯車Ｇ１０１は高速で回転して遠心クラッチＦＣ１０１を閉合させるように駆動しそしてエンジンＩＣ１０１を起動してさせる。それによりエンジンＩＣ１０１は負荷を直接駆動するか、又はクラッチＣＬ１０１又は速度変更機構ＢＧ１０１を介して負荷を駆動する。一方、電気機械Ｅ１０１はエンジンＩＣ１０１と共に負荷を駆動するために電力供給されるか、又は電気機械に対する電力の供給が遮断され、電気機械Ｅ１０１を待機状態にさせるか、又は電気機械Ｅ１０１はエンジンＩＣ１０１により発電機として作動するように駆動され、バッテリーＢＡＴ１０１を充電するか又は他の負荷に電気を供給するのいずれかである。
【００１３】
交流電力発電のために、電気機械Ｅ１０１は永久磁石式又はコイル励磁式の可変周波数駆動界磁型電気機械、又はブラシ付交流電源式電気機械にすることができ、その電機子巻線は交流出力用の導電リング及び直流入／出力用の整流子に接続されている。その交流出力はエンジン定速制御を介して可変周波数出力又は定周波数出力にすることができる。高速すべりの場合において、負荷フィートバックは摩擦制動ブレーキを備えるようにエンジンＩＣ１０１を駆動するために使用でき、電気機械Ｅ１０１は回生フィートバック制動機能のために使用され得る。一方低速駆動の場合において、即ちエンジンと結合した遠心クラッチの作動回転速度より低い場合に、電気機械は負荷を駆動するモータとして作動され得る。低速すべりの場合において、電気機械は発電機として作動され、バッテリーに運動エネルギーを回収させることによりブレーキ機能を備えるか、又はブレーキ機能を備えるために他の負荷に電力を供給する。上述した機能の各々の各種の構成部材の作動状態の要約は表１に示されている。特に表１はエンジンＩＣ１０１の作動状態及び歯車の方向（時計廻り方向（ＣＷ）又は反時計廻り方向（ＣＣＷ）、エンジン速度（停止）、Ｏ−Ｍａｘ（走行速度）及びＭａｘ→Ｏ（減速））、バッテリー状態（充電／放電）、電気機械作動（モータ／発電機）、及びクラッチ状態（開放／閉合）を示し、各種の機能は上述した通り手動操作インターフェイスＭ１０１及び中央制御機ＣＣＵ１０１により選択可能である。
【００１４】
図２は本発明の複合動力装置の第２実施例を示し、第２実施例において、エンジンＩＣ１０１の駆動軸Ｓ１０３と負荷の駆動出力軸Ｓ１０４との間に複動型遠心クラッチＦＣ１０１、ＦＣ１０２と第２歯車Ｇ１０２とを設け、出力軸Ｓ１０４は負荷を直接駆動するか、又は速度変更機構ＧＢ２０１を介して負荷を駆動する。第２歯車Ｇ１０２は第１歯車Ｇ１０１と噛合い、図示の歯車列は多段減速機又はチェーンホイール等の伝動部材に代えることができる。電気機械Ｅ１０１は第１歯車に連結され、駆動制御装置Ｄ１０１、中央制御器ＣＣＵ１０１及び手動操作インターフェイスＭ１０１により制御され、第１歯車Ｇ１０１を駆動するためバッテリーＢＡＴ１０１からの電力により作動され得る。電気機械Ｅ１０１は交流電力発電機能を有し、永久磁石又はコイル励磁式の可変周波数駆動界磁型電気機械、又はブラシ付交流電源式電気機械からなり、その電気子巻線は交流出力用の導電リングと直流入／出力用の整流子に連結されているので、その交流出力はエンジンの定速制御を介して可変周波数出力にするか、又は定周波数出力にすることができる。
【００１５】
この実施例の複動型遠心クラッチはスリーブ結合構造又は一体型構造で形成した２つの遠心クラッチＦＣ１０１とＦＣ１０２により構成され、該遠心クラッチは内層、中間層及び外層を含む三層構造に組立てられている。内層は遠心力が設定値に達した時に外向きに作動する駆動摩擦円盤を備え、そして相互に駆動するため出力軸に結合している。中間層はエンジンに結合しており、そして摩擦係合面の内側リングを備え、その外側には遠心力が設定値に達成した時に外向きに作動する駆動摩擦円盤を備え、外層の内側リングと摩擦係合して出力クラッチ機能を構成する。外層はエンジンが低速で作動されている時にエンジンと負荷との間の接続を一時的に切り離すためにエンジンと結合している。この実施例は、中央制御器ＣＣＵ１０１、手動操作インターフェイスＭ１０１、駆動制御装置Ｄ１０１、及びバッテリーＢＡＴ１０１により制御され、そして以下の機能を備える。
【００１６】
エンジン起動：電気機械Ｅ１０１は複動型遠心クラッチＦＣ１０１とＦＣ１０２を駆動させるために高速で回転するので、内層の駆動摩擦円盤が中層の内側リングと係合してエンジンを起動する。
【００１７】
エンジンによる運転：該エンジンが複動型遠心クラッチＦＣ１０１，ＦＣ１０２を駆動するために起動した後、中層の速度が設定回転速度まで増大した時、中層の外側の駆動摩擦円盤が遠心力により外層と係合し、出力軸Ｓ１０４を更に駆動し、それにより負荷を直接駆動するか、又は速度変更機構を介して負荷を駆動させると共にバッテリーを充電させるために発電機として作動させるように電気機械Ｅ１０１を駆動するか、又はオフ状態における非負荷運転に待機させるように電気機械を作動させ、エンジン速度が落ちた時に、複動遠心クラッチの中層の駆動摩擦円盤が引込んで出力軸との接続を切り離し、そしてエンジンが非負荷運転する。
【００１８】
複合動力駆動：エンジンＩＣ１０１が負荷を駆動するように運転されている時に、電気機械Ｅ１０１が電力の供給により負荷を共に駆動させるためエンジンの負荷駆動を支援して複合動力駆動を行う。
【００１９】
電力駆動：電気機械Ｅ１０１は低速で作動するようにバッテリーＢＡＴ１０１により作動され、複動遠心クラッチＦＣ１０１とＦＣ１０２の内層の駆動摩擦円盤の回転速度より低い速度で運転され、そして電気機械Ｅ１０１は電力により負荷を直接駆動する。
【００２０】
低速すべり走行時の運動エネルギーの回収：負荷が低速ですべり走行している時、そして出力軸Ｓ１０４の回転速度が複動遠心クラッチＦＣ１０１とＦＣ１０２の内層の駆動摩擦円盤の作動回転速度より低い時に、電気機械Ｅ１０１は発電機として作動し、バッテリーに充電するための回生制動を備える。
【００２１】
高速すべり走行時の運動エネルギーの回収：負荷が高速ですべり走行している時、そして、出力軸Ｓ１０４の回転速度が複動型遠心クラッチＦＣ１０１とＦＣ１０２の内層の駆動摩擦円盤の作動回転速度より高い時に、クラッチの内層と中層が係合し、エンジンＩＣ１０１が摩擦制動を備えるように作動される。電気機械Ｅ１０１は発電機として作動するように駆動され、バッテリーＢＡＴ１０１を充電するために回生制動を備える。これらの機能は表２に要約されており、表２は上述した機能のための特別な作動形態を示す。表２は２つのクラッチＦＣ１０１とＦＣ１０２の形態がこの表に示されていることを除いて表１と同一である。
【００２２】
図３は本発明の複合動力装置の第３の実施例を示し、第３実施例において、図２に示した実施例のものと同一である複動型遠心クラッチＦＣ１０１とＦＣ１０２の内側リングと外側リングにより駆動される出力軸Ｓ１０２に取付けた第２歯車Ｇ１０２と負荷を駆動するか又は速度変更機構を介して負荷を駆動する出力軸Ｓ１０５との間に出力クラッチＣＬ３０１を設け、出力軸Ｓ１０２と出力軸Ｓ１０５の結合と脱離を制御する。クラッチＣＬ３０１は手動で駆動させるか、又は電磁力又は流体力で駆動され、該クラッチＣＬ３０１が閉合した時に、この実施例は第２実施例に関して上述したものと同じ機能を有する。しかし、クラッチＣＬ３０１が離間している時に、この実施例は停止時に発電についての別の機能を有し、即ちエンジンＩＣ１０１が複動遠心クラッチＦＣ１０１とＦＣ１０２の中間層と外層とを係合させるように駆動し、それにより電気機械Ｅ１０１を発電機として作動させるように駆動し、バッテリーに充電するか、又はその他の負荷に電力を供給する。この場合に、発電は更にタイミング又は容量により制御され得る。
【００２３】
電気機械Ｅ１０１は永久磁石式又はコイル励磁式の可変周波数駆動界磁電気機械又はブラシ付交流電源式電気機械から成り、その電気子巻線は変流出力用の導電リング及び直流入／出力用の整流子に接続されており、それにより交流出力はエンジンの定速制御を介して可変周波数出力又は一定周波数出力にさせることができる。これらの機能は表３に要約されており、表３は本発明の第３実施例に関して上述した機能の各々に対する各構成部材の特別な作動状態を示す。この表はクラッチＣＬ３０１についての作動状態を含んでいる点で表２と相違している。
【００２４】
図４は本発明の複合動力装置の第４実施例を示し、第４実施例において、電気機械Ｅ１０１とエンジンＩＣ１０１の出力軸が共軸構造をなし、電動機ユニットＥ１０１とエンジンＩＣ１０１との間に前述の複動型遠心クラッチＦＣ１０１とＦＣ１０２を設け、該複動遠心クラッチはその内層を有すると共に出力軸Ｓ１０４を有する電気機械Ｅ１０１の共同軸Ｓ１０１と結合した外層を有し、その中間層はエンジンの回転軸Ｓ１０３と結合しており、以下の作動形態を含む。
【００２５】
電気機械Ｅ１０１は手動操作インターフェイスＭ１０１、中央制御器ＣＣＵ１０１、駆動制御装置Ｄ１０１の制御を介してエンジンを起動するために高速で運転され、エンジンが起動後にも電気機械Ｅ１０１の駆動が継続してエンジンと共同で負荷を駆動するか、又は電気機械Ｅ１０１は発電機として作動してバッテリーを充電するか又はその他の負荷に電力を供給する。交流発電機の出力時、前述の実施例のものと同様に、電気機械Ｅ１０１は永久磁石式又はコイル励磁式の可変周波数駆動界磁型電気機械、又は電気子巻線を変流出力用の導電リングと直流入／出力用の整流子に接続させたブラシ付整流子式電気機械から構成されるように選択され、交流出力はエンジンの定速制御を介して可変周波数出力又は定周波数出力にすることができ、更にモータとして作動でき、回転方向及び回転速度について制御可能であり、待機状態に保持するためその伝動を切り離すことができる。
【００２６】
電気機械Ｅ１０１は複動型遠心クラッチの中間層の内側リングに結合させるために必要な内層の駆動摩擦円盤の回転速度以下の低速で作動するように制御され、そして電気機械は電力で負荷を駆動する。
【００２７】
低速すべり走行時における運動エネルギーの回収：負荷がスリップしている時、そして出力軸Ｓ１０４の回転速度が複動型遠心クラッチＦＣ１０１とＦＣ１０２の内層の駆動摩擦円盤の回転速度より低い時に、電気機械Ｅ１０１は発電機として作動してバッテリーを充電することにより回生制動を備える。
【００２８】
高速すべり走行時におけるエンジンの摩擦制動と運動エネルギーの回収：負荷が高速でスリップしている時、そして出力軸Ｓ１０４の回転速度が複動型遠心クラッチＦＣ１０１とＦＣ１０２の内層の駆動摩擦円盤の回転速度より高い時に、該クラッチの内層と中層が係合し、エンジンＩＣ１０１がすべって摩擦制動を備える。電動機ユニットＥ１０１も発電機として作動するように駆動され、バッテリーＢＡＴ１０１を充電することにより回生制動を備える。上述の機能は表４に要約され、表４は本発明の第４実施例に関して上述した機能の各々について各種の構成部材の特別な作動状態を示す。
【００２９】
図５は本発明の複合動力装置の第５実施例を示し、第５実施例において、クラッチＣＬ１０１が図４の実施例に関して示した出力軸Ｓ１０４と負荷軸Ｓ１０５との間に配設されており、このクラッチＣＬ１０１は手動で駆動されるか、又は電磁力又は流体力により駆動される。該クラッチが閉合されている時にはこの実施例の複合動力装置は実施例４と同じ機能を有するが、クラッチＣＬ１０１が離間している時に、この実施例は停止時に発電について別の機能を有し、即ち、エンジンＩＣ１０１が複動型遠心クラッチＦＣ１０１とＦＣ１０２の中間層と外層とを係合させるように駆動し、それにより電気機械Ｅ１０１を発電機として作動するように駆動し、バッテリーＢＡＴ１０１を充電するか又はその他の負荷に電力を供給する。電気機械Ｅ１０１は永久磁石式又はコイル励磁式の可変周波数駆動界磁型電気機械、又は電気子巻線を交流出力用の導電リングと直流入／出力用の整流子に接続させたブラシ付交流電源式電気機械から構成されるように選択され、その交流出力はエンジンの定速制御を介して可変周波数出力又は定周波数出力にすることができ、その発電機能は更にタイミング又は容量により制御可能である。
【００３０】
これらの機能は表５に要約されており、表５は本発明の第５実施例に関して上述した機能の各々についての各種の構成部材の特別な作動状態を示す。上記実施例は共に電気機械とエンジンが特別の伝動機構を介して多機能駆動を行う複合動力装置を構成し、電気機械の回転速度と遠心クラッチの切り換え作動により負荷を駆動するために電気機械及び／又はエンジンを作動させるものである。本発明のこの構成は効率のよい低汚染の電力駆動を採用することができる。
【００３１】
【表１】
Figure 0003650491
【００３２】
【表２】
Figure 0003650491
【００３３】
【表３】
Figure 0003650491
【００３４】
【表４】
Figure 0003650491
【００３５】
【表５】
Figure 0003650491

【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の複合動力装置の第１実施例のブロック図である。
【図２】 本発明の複合動力装置の第２実施例のブロック図である。
【図３】 本発明の複合動力装置の第３実施例のブロック図である。
【図４】 本発明の複合動力装置の第４実施例のブロック図である。
【図５】 本発明の複合動力装置の第５実施例のブロック図である。
【符号の説明】
ＢＡＴ１０１ バッテリー
ＣＣＵ１０１ 中央制御器
ＣＬ１０１、ＣＬ３０１ クラッチ
Ｄ１０１ 駆動制御装置
Ｅ１０１ 電気機械
ＦＣ１０１、ＦＣ１０２ 複動型遠心クラッチ
Ｇ１０１、Ｇ１０２ 歯車
ＧＢ１０１ 速度変更機構
ＧＢ２０１ 速度変更機構
ＩＣ１０１ エンジン
Ｍ１０１ 手動操作インターフェイス
Ｓ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０４、Ｓ１０５ 回転軸
Ｓ１０３ 駆動軸

Claims (7)

  1. エンジンと、電気機械と、該エンジンと電気機械を断続させるための遠心クラッチと、前記エンジンと電気機械とを負荷に接続させる出力軸と、前記電気機械に接続させたバッテリーと、該電気機械の作動を以下のように制御するための制御手段と、
    ａ）前記クラッチを閉合するに十分な速度において前記バッテリーからの電力により電気機械をモータとして作動させ、それにより該電気機械をエンジンに接続し、そして電気機械をエンジン用の始動機として作動させること。
    ｂ）エンジンが前記クラッチを閉合させるに十分な速度で走行している時及び負荷を駆動している時に、電気機械をエンジンと共に負荷を駆動するように作動させること。
    ｃ）エンジンが停止しているときに負荷を電気機械により駆動させるためにクラッチを閉合させない速度においてバッテリーからの電力により電気機械をモータとして作動させること。
    から構成した複合動力装置。
  2. 前記クラッチが電気機械又はエンジンのいずれか一方の十分な速度での回転により閉合しそして電気機械をエンジンに接続させるように配設された複動型遠心クラッチであり、前記電気機械を制御するための制御手段が更に前記バッテリーに充電するための発電機として電気機械を作動させるためにエンジンが電気機械を駆動する機能を有する請求項１に記載の複合動力装置。
  3. 前記クラッチが電気機械又はエンジンのいずれか一方の十分な速度での回転により閉合しそして該電気機械をエンジンに接続させるように配設した複動型遠心クラッチであり、前記電気機械を制御するための制御手段が更に前記クラッチを閉合させるに十分な速度でエンジンが走行している時に電気機械をモータとして作動する機能を有すると共にエンジンが該モータ用の摩擦ブレーキとして作動する機能を有する請求項１に記載の複合動力装置。
  4. 前記クラッチが電気機械又はエンジンのいずれか一方の十分な速度での回転により閉合しそして電気機械をエンジンに接続させるように配設された複動型遠心クラッチであり、前記電気機械を制御するための制御手段が更に前記バッテリーを充電するために回生制動として電気機械を作動させる機能を有する請求項１に記載の複合動力装置。
  5. 前記電気機械を歯車列の手段により前記クラッチに接続させ、該歯車列と前記出力軸との間に配置させた第２クラッチを備えた請求項１に記載の複合動力装置。
  6. 前記第２クラッチと出力軸との間に接続させた速度変更機構を備えた請求項１に記載の複合動力装置。
  7. エンジンと、電気機械と、該エンジンと電気機械を接続させるための複動型遠心クラッチと、前記エンジンと電気機械を負荷に接続させるための出力軸と、前記電気機械に接続させたバッテリーと、該電気機械の作動を以下のように制御させるための制御手段と、
    ａ）前記クラッチを閉合するに十分な速度において前記バッテリーからの電力により作動されるモータとして電気機械を運転し、それにより電気機械をエンジンに接続し、そして電気機械をエンジン用の始動機として作動させること。
    ｂ）エンジンが前記クラッチを閉合させるに十分な速度で走行している時そして該エンジンが負荷を駆動している時に、該エンジンと共に負荷を駆動するように電気機械を作動させること。
    ｃ）エンジンが停止している時に負荷を電気機械により駆動させるためにクラッチを閉合させない速度においてバッテリーからの電力により電気機械をモータとして作動させること。
    ｄ）負荷が低速でスリップしている時に、バッテリーに充電しかつ前記クラッチによる摩擦ブレーキなしで回生制動を備えるために過剰運動エネルギーにより発電機として電気機械を作動させることにより過剰運動エネルギーを回収すること。
    ｅ）負荷が高速でスリップしている時に、エンジンにより負荷を駆動すると共にバッテリーに充電しかつ摩擦制動を備えるように前記クラッチが閉合する時に回生制動を備えるための発電機として電気機械を作動させることにより過剰運動エネルギーを回収すること。
    から構成した複合動力装置。
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