JP5300989B2 - リニア・モータ充電式電気車両 - Google Patents

Description

本発明は、概ね、全電気車両に関する。より詳細には、本発明は、電池又はリニア同期モータ（ＬＳＭ）によって交替で推進される電気車両に関する。本発明は、限定されないが、特に、ＬＳＭによって推進されているときに、その電池を再充電する電気車両として有用である。

電気エネルギーを機械エネルギーに変換する及び機械エネルギーを電気エネルギーに変換するのに電気モータ及び発電機がそれぞれ使用され得ることはよく知られている。基本的に、モータ及び発電機の両方は、関連する物理原理で動作する。また、モータ及び発電機の両方は、類似の動作構造、すなわち、導体、磁場及び電流を必要とする。一方で、モータの場合（電気エネルギーから機械エネルギーへの変換）、導体が磁場内に位置され、電流がその導体を通過させられる。その結果、磁場が導体に力を作用させる。次いで、この力は、仕事を行う（例えば、車両の車輪を回転させる）ために導体から機械的に伝達される。他方で、発電機の場合（機械エネルギーから電気エネルギーへの変換）、導体が磁場内で物理的に移動される。この移動の結果として、導体内に電流が発生すなわち誘導される。次いで、この誘導電流は蓄電され得る（例えば、電池を再充電する）。

リニア同期モータ（ＬＳＭ）は特別なタイプの電気モータであり、導体（例えば、三相巻線）が実質的に直線状の構成で配置されている。次いで、磁場が、導体（巻線）のレイアウトに実質的に平行な経路に沿って移動される。次いで、得られた力が、車両を導体（巻線）に沿った方向に移動させるのに応用される。

この構成では、ＬＳＭは、相互作用磁場及び導体を有する従来の電気モータとは顕著に異なっている。必須ではないが、通常、従来の構成の磁場は、導体が磁場内で回転される間は静止した状態で維持される。このような構成上の明白な違いはあるいが、その他の重要な側面においては、ＬＳＭ及び従来の電気モータの基本原理は本質的に同じである。

多くの理由から、多くの用途において、電力装置（すなわち、電気モータ）が別のタイプのモータ（例えば、化石燃料燃焼エンジン）より好ましい場合がある。特に、電力装置を装備した陸上車は増加している。例えば、多くの自動車製造業者が電池式自動車を提供している。また、鉄道線路の延長区間の上を移動する列車の推進ユニットとしてＬＳＭを使用する考え方が増えている。しかし、車両の推進ユニットとしてＬＳＭを使用することの重要な考慮事項は、車両の移動を、ＬＳＭの固定された構成要素（例えば、導体／巻線）が予め配置されているような車道に効果的に限定することである。しかし、一部の用途では、移動予想最大寸法により柔軟性をもたせるためにこのような制限を回避することが望ましい場合もある。その場合、エネルギー消費の要求基準が問題となる場合がある。

上記を鑑みて、本発明の目的は、異なる２つのタイプの推進ユニット（すなわち、ＬＳＭ及び電池式電気モータ）によって交替で推進される全電気式車両を提供することである。本発明の別の目的は、車両を推進するための電池式モータとして、又は、車両がＬＳＭによって推進されているときに電池を再充電するための発電機として、のいずれかでモータ／発電機を選択的に動作させるための制御装置を含む全電気式車両を提供することである。本発明の別の目的は、使用が容易であり、製造が比較的単純であり、費用効果が比較的高い全電気式車両を提供することである。

本発明による全電気式車輪車両は、２つの電気推進ユニットのいずれかによって交替で推進される。一方のユニットは、車載型の電池式電気モータ／発電機を有する。もう一方のユニットは、車載型構成要素及び外部構成要素の両方を含むリニア同期モータ（ＬＳＭ）である。いずれの場合も、車両の車輪は、車両がその上を移動している車道に接触した状態を維持する。

本明細書に対して意図されることは、どちらの推進ユニットが使用されるかに応じて、モータ／発電機が２つのモード（すなわち、モータ・モード又は発電機モード）のいずれかで動作され得ることである。モータ・モードでは、車両は、推進のために車両の車輪を回転させるために電池からの電気エネルギーを用いて、推進ユニットとしてモータ／発電機を使用する。好適には、モータは、約１２００ｒｐｍで約９３．２ｋＷ（１２５ｈｐ）を発生させることができる同期永久磁石モータである。逆に、車両がＬＳＭによって推進される場合、モータ／発電機は発電機モードで動作され得る。このモードでは、車両の回転する車輪が、電池を再充電するためにモータ／発電機と相互作用する。

ＬＳＭを確立するために、車両は、選択的に展開され得る車載型磁石アレイを有する。この磁石アレイは、展開される場合、車両がその上を移動している車道に隣接するように位置され、それらの間には約５ｃｍの空隙がある。これにより、磁石の磁場が、車道内に埋め込まれた外部電力セグメントと相互作用することが可能となる。ＬＳＭを動作させるために、ＬＳＭ用の電力セグメントは、好適には、巻線を通過する外部電源によって提供される電流を用いる三相巻線を含む。この点に関して、三相巻線は単に例であることに留意されたい。当業者には理解されるように、所望される場合、別の多相巻線が使用されてもよい。

構造的には、電気モータ／発電機と、電池（例えば、（ウルトラ・コンデンサ）と、モータ・モード又は発電機モードのいずれかでモータ／発電機を交替で動作させるためのシステム制御装置とが、すべて、車両の車台上に取り付けられる。さらに、上で述べたように、車両はまた、格納形態と展開形態との間を移動するように車台上に取り付けられる磁石アレイを備える。本発明では、磁石アレイが格納形態にある場合、車両は上で開示したモータ・モードで動作される。反対に磁石アレイが展開されている場合、ＬＳＭが車両のための推進ユニットとして機能し、モータ発電機が電池を再充電する。

より詳細には、磁石アレイは、好適には、支持部材上に取り付けられる永久磁石を含む。さらに、支持部材は好適にはバック・アイアンであり、永久磁石はハルバッハ配列である。重要なことは、電力セグメントの三相巻線内で電流と相互作用する磁場を確立するようにハルバッハ配列（永久磁石）が設置されることである。好適には、ＬＳＭは約１５Ｈｚで動作し、巻線は、約２４．１ｋｍ／ｈ（１５ｍｐｈ）の電力セグメントに沿った波形速度を有するＬＳＭフィールドを作る。当業者には理解されるように、ＬＳＭが１５Ｈｚで動作すること及び波形速度が２４．１ｋｍ／ｈ（１５ｍｐｈ）であることは例である。したがって、所望される場合、異なるＬＳＭ周波数及び波形速度が使用されてよい。さらに、車両の伝動装置は、車輪と電気モータとの間に接続される差動装置を含み、この差動装置は約１０．９対１のギア比を有する。加えて、周波数可変のインバータ−整流器が、モータ／発電機が発電機モードで動作される場合にＤＣ電圧で電池を再充電するために、及び、モータ／発電機がモータ・モードで動作される場合に電気モータを作動させるためのＡＣ電圧を供給するために、電気モータと電池との間に接続される。

本発明の新規の特徴さらには本発明自体は、その構造及びその動作の両方に関して、同様の参照符号は同様の部品を示している、付随する説明と併せた添付図面から最も良く理解される。

車両がその上を移動する車道の中に埋め込まれた電力セグメントに向かって移動している状態で車両が示されている、本発明による全電気式車両を示す斜視図である。 全電気式車両のための、本発明で採用される電気システムを示すブロック図である。 磁石アレイが図１の線３−３に沿った断面で示されている、磁石アレイが格納形態にある状態の全電気式車両を示す側面図である。 磁石アレイが展開形態にある、図３Ａに見られる車両を示す図である。 磁石アレイの一部分及び図１の線３−３に沿った電力セグメントの一部分を示す典型的な断面図である。

最初に図１を参照すると、本発明による全電気式車両が示されており、１０で指定されている。示されるように、車両１０は、通常は複数の車輪を有するが少なくとも１つの車輪１２を必ず有さなければならない車輪車両である。当業者には理解されるであろうが、車両１０は、本質的に、当技術分野で知られている任意の種類の車両陸上車であってよい。図面に示される車両（トラクタ）１０は単に例である。図１はまた、概ね図示されるように磁石アレイ１４が車両１０に取り付けられていること、及び、車両１０が少なくとも１つの電池１６を担持していることを示している。本発明の目的のために、電池１６は、好適には、約８メガジュールの電気エネルギー能力を有するウルトラ・コンデンサを含む。注記：実用事項として、複数の電池１６が車両１０上で担持されてよい。図１はまた、移動時間の少なくとも一部において、車両１０が、好適には車道１８内に埋め込まれる電力セグメント２０を含む車道１８に沿って移動すると予想されることを示している。より具体的には、電力セグメント２０は、外部電源（図示せず）から電流を受け取る三相巻線２２を有する。

次に図２を参照すると、車両１０用の構成要素の概略的なブロック図が示されており、構成要素が車両１０の車台２４上に配置されている。この配置では、車両１０の車輪１２がアクスル２８を介して差動装置２６に接続されている。次いで、差動装置２６がモータ／発電機３０に直接に接続されている。本発明の目的のために、差動装置２６は好適には約１０．９対１のギア比を有し、モータ／発電機３０は、好適には、２４．１ｋｍ／ｈ（１５ｍｐｈ）時に約１４４５ｒｐｍで動作する永久磁石モータを組み込んでいる。図２はまた、モータ／発電機３０がＡＣ線３４を介してインバータ−整流器３２に接続されていること、及び、電池（ウルトラ・コンデンサ）１６がＤＣ線３６を介してインバータ−整流器３２に接続されていることを示している。さらに、図２は、車両１０に車載された制御システム４０がインバータ−整流器３２の動作を交替させるのに使用され得、それによりモータ／発電機３０がモータ・モード又は発電機モードのいずれかで動作するようになることを破線３８で示している。

モータ／発電機３０をモータ・モードで動作させるために、制御システム４０が、電池１６からのＤＣ電圧をモータ／発電機３０をモータとして動作させるためのＡＣ電圧に変換するようにインバータ−整流器３２に指示を出すのに使用される。それにより、モータ／発電機３０が車輪１２を回転させるための動力を供給する。したがって、モータ／発電機３０は、モータ／発電機３０がモータ・モードで動作する場合に車両１０のための推進ユニットとして機能する。逆に、モータ／発電機３０を発電機モードで動作させる場合、インバータ−整流器３２が、モータ／発電機３０からのＡＣ電圧を電池１６を再充電するためのＤＣ電圧に変換するために制御システム４０によって制御される。この発電機モードでは、車輪１２が回転することによりモータ／発電機３０がＡＣ電圧を発生させ、このＡＣ電圧がインバータ−整流器３２により電池１６を再充電するためのＤＣ電圧に変換される。

上述したように、車両１０は２つの異なる推進ユニットを交替で使用する。一方の推進ユニットは、モータ／発電機３０が上述したようなモータ・モードで動作するときに確立される。もう一方の推進ユニットはリニア同期モータ（ＬＳＭ）である。したがって、本発明の重要な側面は、リニア同期モータ（ＬＳＭ）が車両１０のための推進ユニットとしてどのように確立されるかに関連する。これがどのようにして達成されるかは、図３Ａ及び図３Ｂを参照すると最も良く理解される。

図３Ａでは、磁石アレイ１４が格納形態にある状態で示されており、ここでは、磁石アレイ１４は車道１８から効果的に離れている。図３Ａはまた、磁石アレイ１４が、永久磁石４２用のバック・アイアンとして機能することができる支持部材４４に取り付けられた永久磁石４２を含むことを示している。加えて、磁石アレイ１４が複数の垂直クリアランス車輪を含んでいることが分かり、その例が垂直クリアランス車輪４６である。図３Ｂでは、磁石アレイ１４が展開形態にある状態で示されており、ここでは、磁石アレイ１４が、垂直クリアランス車輪（複数可）４６が車道１８に接触するまで、車道１８に向かうように展開される（すなわち、下げられる）。このようにして接触すると、磁石アレイ１４の永久磁石４２が車道１８の表面から距離４８のところにくるようになる。好適には、距離４８は約５センチメートルである。本発明の目的のためには、永久磁石４２は、図４に示されるハルバッハ配列などの当技術分野でよく知られている任意のタイプの磁石であってよい。いずれの場合も、磁石アレイ１４が展開されると、図４に示されるように、磁石アレイ１４が三相巻線２２に十分に接近し、永久磁石４２の磁場が三相巻線２２の電界と直接に相互作用するようになる。この相互作用により車両１０のための推進力が供給される。ＬＳＭのこの配置では、三相巻線２２は、好適には、約２４．１ｋｍ／ｈ（１５ｍｐｈ）の波形速度（すなわち、車両１０の速度）を発生させるために約１５Ｈｚで動作する。

動作中、車両１０は２つの推進ユニットのいずれかを選択的に使用することによって車道１８に沿って移動することができる。しかし、この選択は、埋め込まれた電力セグメント２０の上を車両１０が移動しているか否かに依存する。具体的には、車両１０が電力セグメント２０の上を移動している場合、車両１０上の磁石アレイ１４と車道１８内に埋め込まれた三相巻線２２との間にＬＳＭ推進ユニットが形成され得る。これは、車両１０が電力セグメント２０に接近しているときに磁石アレイ１４を下げて展開形態（図３Ｂを参照）にすることによって達成される。磁石アレイ１４の磁場が三相巻線２２の電気波形に関与することは、車両１０の速度を波形速度（例えば、２４．１ｋｍ／ｈ（１５ｍｐｈ））に実質的に一致させることによって達成される。ＬＳＭは、一度確立されると、その後は車両１０の推進ユニットとして効果的に機能することができる。

本発明の目的のために重要なことは、車両１０が車道１８内の電力セグメント２０上でＬＳＭによって推進されているときに電池１６が再充電され得ることである。具体的には、車両１０がＬＳＭの影響下で車道１８に沿って移動しているときに、車輪１２が、車道１８と接触することによって回転される。車輪１２のこの回転は、モータ／発電機３０を用いてＡＣ電圧を発生させるのに使用される（すなわち、モータ／発電機３０は発電機モードにある）。次いで、このＡＣ電圧が、インバータ−整流器３２により、電池１６を再充電するのに使用されるＤＣ電圧に変換される。

車両１０が電力セグメント２０の上を移動しておらず、したがって磁石アレイ１４を用いたＬＳＭを確立することがもはやできない場合、磁石アレイ１４は持ち上げられて格納形態（図３Ａを参照）となる。この場合、車両１０は、もう一方の推進ユニットとしての電気モータによって動作される。具体的には、その時点でモータ／発電機３０がモータ・モードで動作するように制御ユニット４０によって指示されていると、電池１６からの電力がインバータ−整流器３２を通過してモータ／発電機３０に到達し、モータ／発電機３０がモータとして作動する（すなわち、モータ／発電機３０はモータ・モードにある）。したがって、モータ／発電機３０は、車輪１２を回転させて車両１０を推進させるための推進ユニットとして機能する。

本明細書で詳細に示されて開示される特定のリニア・モータ充電式電気車両は、目的を完全に達成することができ、本明細書で上述した利点を完全に提供することができるが、この特定のリニア・モータ充電式電気車両は本発明の現在好適である実施例の単なる例であること、及び、本明細書に示される構成又は設計の細部を添付の特許請求の範囲に記載されていること以外で制限する意図がないことを理解されたい。

Claims (3)

1. 車輪車両を移動させるためのデュアル・モード動力ユニットであって、
   前記車両の車輪を回転させることによって電池を充電するために発電機モードで動作する、前記車両上に取り付けられる発電機組立体であり、前記車両がリニア同期モータに応答して移動するときに前記車輪が回転し、前記車両上の磁石アレイが前記車両の外部に位置される三相巻線と相互作用することにより前記リニア同期モータが確立される、発電機組立体と、
   前記電池によって動力供給される電気モータを用いて前記車輪を回転させて前記車両を移動させるためにモータ・モードで動作する、前記車両上に取り付けられるモータ組立体と、
   前記発電機モードと前記モータ・モードを交替で起動させるための、前記車両上に取り付けられる制御システムと、
   伝動装置にして、約１０．９対１のギア比を有する、前記車輪と前記電気モータとの間に接続された差動装置と、前記動力ユニットが前記発電機モードで動作される場合にＤＣ電圧で前記電池を再充電するための、及び、前記動力ユニットが前記モータ・モードで動作される場合に前記電気モータを作動させるためにＡＣ電圧を供給するための、前記電気モータと前記電池との間に接続された周波数可変のインバータ−整流器とを有する伝動装置と
   を有する、デュアル・モード動力ユニット。
2. 前記車両が前記車道に沿って移動するときに磁石アレイと車道の電力セグメント内にある三相巻線との間にリニア同期モータを確立するために磁石アレイを展開形態へと選択的に移動させるための前記制御システムに接続された磁石アレイをさらに有する、請求項１に記載のデュアル・モード動力ユニット。
3. 前記磁石アレイが、支持部材と、該支持部材に装架された永久磁石とを有している、請求項２に記載のデュアル・モード動力ユニット。

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