説明

界磁巻線ジェネレータおよびその製造方法

【課題】乗物のドライブシャフトに界磁巻線ジェネレータを組み込んで発電に利用する。
【解決手段】界磁巻線ジェネレータ102内のロータ部材312に励磁機段ロータを接続するとともに、該ロータ部材312に主段ロータ304を接続する。励磁機段ロータ310および主段ロータ304に回転式整流器アセンブリ306を電気的に接続する。界磁巻線ジェネレータ102内の励磁機段ロータ310との界磁コミュニケーションを形成するように励磁機段ステータ308を配置するとともに、界磁巻線ジェネレータ102内の主段ロータ304との界磁コミュニケーションを形成するように主段ステータ302を配置する。界磁巻線ジェネレータ102の中心軸を中心として、主段ステータ302および主段ロータ304に対して、界磁巻線ジェネレータ102内の励磁機段ステータおよび励磁機段ロータを内周側に入れ子にすることを含む。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、ジェネレータに関し、詳しくは、ドライブライン(動力伝達系路)に導入可能なジェネレータに関する。
【0002】
なお、本出願の主題は、本出願人が同時係属中の米国特許出願12/486,365号明細書「NESTED TORSIONAL DAMPER FOR AN ELECTRIC MACHINE」および米国特許出願「HYBRID CASCADING LUBRICATION AND COOLING SYSTEM」(Attorney Docket No.PA−0011113−US)の主題に関連し、これらの全体を本願の参照とする。
【背景技術】
【0003】
オルタネータは、ロータとステータとの間における電磁誘導によって電流を発生させる。回転する電磁場によって、コイル状に巻かれた導体内に交流電流が誘導される。この交流電流は、例えば、整流器を使用して直流電流に変換することができる。
【0004】
地上を走行する乗物において、プーリ駆動式オルタネータを使うことによって発電することができる。プーリ駆動式オルタネータが発生させる電力は、エンジンクランクシャフトとプーリ駆動式オルタネータとの間で伝達される機械的な負荷の関数となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
より大きな電力を発生させる能力は、エンジンクランクシャフトとプーリ駆動式オルタネータとの間で伝達される機械的な負荷の制限によって制限され得る。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様によると、界磁巻線ジェネレータが、入れ子状に配置された励磁機段および主ジェネレータ段を含む。この界磁巻線ジェネレータは、ロータ部材に接続された励磁機段ロータと、ロータ部材に接続された主段ロータと、を含む。この界磁巻線ジェネレータは、さらに、ロータ部材に接続されるとともに励磁機段ロータおよび主段ロータに電気的に接続された回転式整流器アセンブリを含む。この界磁巻線ジェネレータは、さらに、励磁機段ロータとの界磁コミュニケーション(field communication)を形成する励磁機段ステータと、主段ロータとの界磁コミュニケーションを形成する主段ステータと、を含む。励磁機段ステータと励磁機段ロータは、界磁巻線ジェネレータの中心軸を中心として、主段ステータおよび主段ロータに対して、内周側に入れ子となるように配置されている。
【0007】
本発明の他の実施例によると、入れ子状の励磁機段および主ジェネレータ段を有する界磁巻線ジェネレータを製造する方法が提示される。この方法は、界磁巻線ジェネレータ内のロータ部材に励磁機段ロータを接続するとともに、該ロータ部材に主段ロータを接続することを含む。この方法はさらに、励磁機段ロータおよび主段ロータに回転式整流器アセンブリを電気的に接続することを含む。この方法はさらに、界磁巻線ジェネレータ内の励磁機段ロータとの界磁コミュニケーションを形成するように励磁機段ステータを配置するとともに、界磁巻線ジェネレータ内の主段ロータとの界磁コミュニケーションを形成するように主段ステータを配置することを含む。この方法はさらに、界磁巻線ジェネレータの中心軸を中心として、主段ステータおよび主段ロータに対して、界磁巻線ジェネレータ内の励磁機段ステータおよび励磁機段ロータを半径方向に入れ子状にすることを含む。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】界磁巻線ジェネレータを備えるドライブラインシステムの一実施例を示す図。
【図2】界磁巻線ジェネレータの一実施例を示す電気回路図。
【図3】励磁機段と主ジェネレータ段が入れ子状に配置された界磁巻線ジェネレータの一実施例の断面図。
【図4】励磁機段と主ジェネレータ段が入れ子状に配置された界磁巻線ジェネレータを生成するプロセスを示す図。
【発明を実施するための形態】
【0009】
図1に、ドライブラインシステム100の一実施例を示す。一実施例においては、このドライブラインシステム100は、トラックや戦車などの地上の乗物の一部である。このドライブラインシステム100は、エンジン104とトランスミッション106との間に挿入された界磁巻線ジェネレータ102を含む。一実施例においては、界磁巻線ジェネレータ102は、エンジン104およびトランスミッション106における既存の接続点と整合する接続点108を有する。これによって、界磁巻線ジェネレータ102がドライブラインシステム100に組み込まれる場合のエンジン104やトランスミッション106などの既存の部品に与える影響を最小にすることができる。なお、エンジン104とトランスミッション106との間に界磁巻線ジェネレータ102を示しているが、ドライブラインシステム100の構成要素の配置は、この配置のみに制限されない。例えば、ドライブラインシステム100内にクラッチなどの追加の構成要素を組み込んでもよいし、界磁巻線ジェネレータ102の直径が小さいことが望ましい場合、トランスミッション106の反対側の端部に界磁巻線ジェネレータ102を接続してもよい。
【0010】
図2は、図1における界磁巻線ジェネレータ102の電気回路図200の一例を示す。この電気回路図200は、直流電流(DC)界磁をつくる励磁機コイル202を含む。この励磁機コイル202は、バッテリまたはオルタネータ(図示せず)などのDC電源からDC電力を受けることができる。励磁機コイル202は、鉄心に導電性コイルが巻かれた励磁機ステータとすることができる。励磁機コイル202がつくったDC界磁によって、励磁機電機子204に誘導電流が発生する。励磁機電機子204は、DC界磁内で回転すると、回転式アセンブリ206の一部として交流電流(AC)を発生させる。この回転式アセンブリ206は、さらに、励磁機電機子204が発生させた交流電流を直流電流へ変換する回転式整流器アセンブリ208を含む。AC−DC変換は、複数のダイオードを使用して行うことができる。主回転DC界磁(main rotating DC field)をつくるために、回転式整流器アセンブリ208に、ロータコイル210が接続されている。一実施例においては、ロータコイル210は、主段ロータの一部であり、この主段ロータは、主回転DC界磁をつくるための、鉄心に巻かれた導電性コイルを含む。
【0011】
ロータコイル210が主段出力コイル212付近で回転すると、主段出力コイル212は、ロータコイル210の主回転DC界磁によって誘導された交流電流を発生させる。一実施例においては、主段出力コイル212は、界磁巻線ジェネレータの主段ステータの一部であり、この主段ステータは、鉄心に巻かれた導電性コイルを含む。検査の目的あるいは他の用途にAC電力を供給するために、主段出力コイル212から電流を引き出すために、変流器214を使用してもよい。検査の目的や他の目的に、アクセス点216およびアクセス点218などの追加のアクセス点を使用することができる。AC−DC変換を行うために、主段出力コイル212が発生させた交流電流を出力整流器アセンブリ220へ導くことができる。AC−DC変換は、整流用の複数のダイオードを使用して行うことができる。接続点222および接続点224は、出力整流器アセンブリ220からの出力である高電圧DCへのアクセスを提供する。高周波ノイズなどの電磁干渉(EMI)の影響をフィルタリングするために、接続点222と接続点224との間に、EMIフィルタ226を接続してもよい。
【0012】
図2における構成要素は、種々の幾何学的形状および電力のニーズに合わせてスケールを変えつつ、何度か繰り返すように設けることができる。例えば、中心軸の周りで周方向に、複数のコイルを配置することができる。また、図2における構成要素は、複数の物理的位置に配置されたグループ内へさらに分けることができる。例えば、出力整流器アセンブリ220は、主段出力コイル212から離れた位置に設けることができる。
【0013】
図3は、一実施例における図1の界磁巻線ジェネレータ102の断面図を示す。図3に示す界磁巻線ジェネレータ102は、主段ステータ302と主段ロータ304を含み、これらを合わせて、主ジェネレータ段305と呼ぶことができる。回転式整流器アセンブリ306を使用して、主ジェネレータ段305と、入れ子状に設けられた励磁機段307と、を電気的に接続することができる。励磁機段307は、励磁機段ステータ308と励磁機段ロータ310を含む。主段ロータ304および励磁機段ロータ310は、ドライシャフト314の回転によって駆動されるロータ部材312に接続されている。一実施例においては、ドライブシャフト314が界磁巻線ジェネレータ102の中心軸316を中心として回転し、これによって、ロータ部材312が回転する。ロータ部材312が回転しているときに、主段ステータ302と励磁機段ステータ308は、静止したままである。回転式整流器アセンブリ306は、ロータ部材312に接続された主段ロータ304あるいは励磁機段ロータ310に近接して配置することができ、主段ロータ304と励磁機段ロータ310の双方に電気的に接続されている。回転式整流器アセンブリ306に関する配線を保持するために、導線カバー318を使用してもよい。
【0014】
一実施例においては、主段ステータ302は、図2における主段出力コイル212の電気特性を提供する。主段ロータ304は、図2におけるロータコイル210に電気的に相当し得る。回転式整流器アセンブリ306は、図2における回転式整流器アセンブリ208に電気的に相当し得る。また、励磁機段ステータ308は、図2における励磁機コイル202に電気的に相当し得るものであり、励磁機段ロータ310は、図2における励磁機電機子204に電気的に相当し得る。
【0015】
ドライブシャフト314が回転すると、ロータ部材312が、励磁機段ステータ308付近で励磁機段ロータ310を回転させ、また、主段ロータ304は、主段ステータ302付近で回転する。ロータ部材312が回転しているとき、励磁機段ステータ308に、バッテリまたはオルタネータからの電流などのDC電源を与えると、界磁コミュニケーション(field communication)を形成するDC界磁がつくられ、励磁機段ロータ310内に交流電流が誘導される。代替的に、界磁巻線ジェネレータ102に永久磁石ジェネレータを組み込んで、この界磁巻線ジェネレータ102にDC電源を供給することによって、この界磁巻線ジェネレータ102を自励させてもよい。励磁機段ロータ310内の交流電流は、回転式ロータセンブリ306内を通流し、主段ロータ304内に直流電流を発生させる。ロータ部材312が回転すると、主段ロータ304内の直流電流によって、界磁コミュニケーションを形成するDC界磁がつくられ、主段ステータ302内に交流電流が誘導される。主段ステータ302内のACは、図2における出力整流器アセンブリ222などの外部出力整流器アセンブリを介して直流電流に変換することができる。また、界磁巻線ジェネレータ102からのAC電力は、例えば、AC配電ネットワーク内で直接使うことができる。従って、界磁巻線ジェネレータ102は、ドライブシャフト314の力学的回転を高圧DC電源および/またはAC電源へ直接変換することができる。
【0016】
図3に見られるように、主段ステータ302、主段ロータ304、励磁機段ステータ308および励磁機段ロータ310は、中心軸316の周りに同心状に配置され、励磁機段ステータ308および励磁機段ロータ310は、界磁巻線ジェネレータ102の中心軸316の周りで、主段ステータ302および主段ロータ304に対して、内周側に入れ子状に配置されている。この構成によって、界磁巻線ジェネレータ102がエンジン104とトランスミッション106との間に挿入されて接続点108に接続される場合、図1におけるドライブラインシステム100の全体の長さに与える影響が最小となる。符号326で示すドライブラインの長さの増加は、界磁巻線ジェネレータ102に起因してドライブラインの長さが追加された分を表す。一実施例においては、約64kgの重量で、約100kWの電力を発生させる型式の界磁巻線ジェネレータ102を設けるために、ドライブラインの長さの増加326は、100mmよりも小さい。本発明の範囲内において、様々な寸法にできることが理解されよう。
【0017】
ドライブシャフト314から半径方向に延びている入れ子状のロータおよびステータの配列は、本発明の範囲内において変えることができる。例えば、図3に示すように、励磁機段ロータ310と中心軸316との間の半径方向の距離は、励磁機段ステータ308と中心軸316との間の半径方向の距離よりも短くすることができる。代替的な構成においては、例えば、図3に示す励磁機段ステータ308と励磁機段ロータ310との相対位置が逆になるように、励磁機段ロータ310と中心軸316との間の半径方向の距離を、励磁機段ステータ308と中心軸316との間の半径方向の距離よりも長くすることができる。同様に、図3に示すように、主段ロータ304と中心軸316との間の半径方向の距離は、主段ステータ302と中心軸316との間の半径方向の距離よりも短くすることができる。これとは逆に、主段ロータ304と中心軸316との間の半径方向の距離を、主段ステータ302と中心軸316との間の半径方向の距離よりも長くすることができる。さらに代替的には、主ジェネレータ段305と中心軸316との間の半径方向の距離が、励磁機段307と中心軸316との半径方向の距離よりも短くなるように、主ジェネレータ段305と励磁機段307との相対位置を逆にすることができる。
【0018】
ドライブシャフト314は、また、エンジン104やトランスミッション106の部品に接続することができる。例えば、ドライブシャフト314は、図3におけるエンジン部品320に接続することができ、このエンジン部品320は、フライホイールかあるいは他の回転部品とすることができる。図3における界磁巻線ジェネレータ102は、さらに、該界磁巻線ジェネレータ102の動作をサポートする他の部品を含む。例えば、リザーバ324から界磁巻線ジェネレータ102の様々な部品へ冷却剤および/または潤滑剤を循環させるために、冷却剤ポンプ322を使用することができる。
【0019】
界磁巻線ジェネレータ102内での回転を支持するために、軸受326,328などの複数の軸受を使用することができる。これらの軸受326,328によって、界磁巻線ジェネレータ102を自立式のものとすることができる。代替的な実施例においては、図1におけるエンジン104内のクランクシャフトが、エンジン104のフライホイールとして機能するロータ部材312に直接接続される。この実施例においては、エンジン104内のクランクシャフト軸受が、ロータ部材312の回転を支持するのに十分であるため、軸受326,328を省略することができる。主段ステータ302および励磁機段ステータ308は、エンジン104に直接接続することができる。
【0020】
図4は、図1および図3の界磁巻線ジェネレータ102のような界磁巻線ジェネレータ内に、励磁機段と主ジェネレータ段とを入れ子状に配置するプロセス400を示す。ステップ402において、界磁巻線ジェネレータ102内のロータ部材312に、励磁機段ロータ310を接続する。ステップ404において、ロータ部材312に主段ロータ304を接続する。ステップ406において、励磁機段ロータ310および主段ロータ304に、回転式整流器アセンブリ306を電気的に接続する。ステップ408において、界磁巻線ジェネレータ102内の励磁機段ロータ310との界磁コミュニケーションを形成するように励磁機段ステータ308を配置する。ステップ410において、界磁巻線ジェネレータ102内の主段ロータ304との界磁コミュニケーションを形成するように主段ステータ302を配置する。ステップ412において、界磁巻線ジェネレータ102内の励磁機段ステータ308と励磁機段ロータ310を、界磁巻線ジェネレータ102の中心軸316を中心として、主段ステータ302および主段ロータ304に対して、内周側に入れ子状に配置する。
【0021】
図4に示したプロセス400によって生成される界磁巻線ジェネレータ102は、接続点108を介して、ドライブラインシステム100に直列に接続することができ、例えば、界磁巻線ジェネレータ102は、エンジン104およびトランスミッション106に接続することができる。これらのエンジン104、界磁巻線ジェネレータ102およびトランスミッション106は、図3におけるドライブシャフト314によって駆動することができる。励磁機段ロータ310、励磁機段ステータ308、主段ロータ304および主段ステータ302の様々な配置を利用することによって、様々な部品を、中心軸316から近い位置あるいは遠い位置となるように配置することができる。質量の大きなものが中心軸316の近くになるように部品を保持した場合、界磁巻線ジェネレータ102の慣性モーメントおよび他の設計/性能パラメータに悪影響が生じることがある。
【0022】
技術的効果としては、電力を発生させるための入れ子状の励磁機段および主ジェネレータ段を有しドライブラインに導入可能な界磁巻線ジェネレータを提供することである。界磁巻線ジェネレータの励磁機段と主ジェネレータ段を入れ子状に配置することによって、プーリ、ギアまたはチェーン駆動システムにおける機械的効率が向上する。界磁巻線ジェネレータの各段を入れ子状にすることによって、ドライブラインに沿って多段に配置されたカスケード型ジェネレータ段や永久磁石ロータを使用したものと比較して、ドライブラインの長さを短くすることができる。界磁巻線ジェネレータを使用することによって、永久磁石システムにおいて必要とされ得る動的整流(active rectification)を行わなくてもよいので、システム全体の重量およびコストを低減することができる。インバータを使用する場合、界磁巻線ジェネレータは、さらには、一体型スタータ・ジェネレータとして使用することができる。
【0023】
限られた数の実施例のみに関連して本発明を説明したが、本発明は、開示したこれらの実施例のみに限定されるものではない。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
入れ子状の励磁機段(307)および主ジェネレータ段(305)を有する界磁巻線ジェネレータ(102)であって、
ロータ部材(312)に接続された励磁機段ロータ(310)と、
ロータ部材(312)に接続された主段ロータ(304)と、
ロータ部材(312)に接続されるとともに、励磁機段ロータ(310)および主段ロータ(304)に電気的に接続された回転式整流器アセンブリ(306)と、
励磁機段ロータ(310)との界磁コミュニケーションを形成する励磁機段ステータ(308)と、
主段ロータ(304)との界磁コミュニケーションを形成する主段ステータ(302)と、
を備え、励磁機段ステータ(308)および励磁機段ロータ(310)は、界磁巻線ジェネレータ(102)の中心軸(316)を中心として、主段ステータ(302)および主段ロータ(304)に対して、内周側に入れ子にされていることを特徴とする界磁巻線ジェネレータ(102)。
【請求項2】
界磁巻線ジェネレータ(102)をドライブラインシステム(100)に直列に接続するための接続点(108)をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の界磁巻線ジェネレータ(102)。
【請求項3】
ドライブラインシステム(100)は、エンジン(104)およびトランスミッション(106)をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の界磁巻線ジェネレータ(102)。
【請求項4】
エンジン(104)、界磁巻線ジェネレータ(102)およびトランスミッション(106)は、ドライブシャフト(314)によって駆動されることを特徴とする請求項3に記載の界磁巻線ジェネレータ(102)
【請求項5】
界磁巻線ジェネレータ(102)に起因するドライブラインシステム(100)内のドライブラインの長さの増加(326)は、100mmよりも短いことを特徴とする請求項2に記載の界磁巻線ジェネレータ(102)。
【請求項6】
励磁機段ロータ(310)と中心軸(316)との間の第1の半径方向の距離は、励磁機段ステータ(308)と中心軸(316)との間の第2の半径方向の距離よりも短いことを特徴とする請求項1に記載の界磁巻線ジェネレータ(102)。
【請求項7】
励磁機段ロータ(310)と中心軸(316)との間の第1の半径方向の距離は、励磁機段ステータ(308)と中心軸(316)との間の第2の半径方向の距離よりも長いことを特徴とする請求項1に記載の界磁巻線ジェネレータ(102)。
【請求項8】
主段ロータ(304)と中心軸(316)との間の第1の半径方向の距離は、主段ステータ(302)と中心軸(316)との間の第2の半径方向の距離よりも短いことを特徴とする請求項1に記載の界磁巻線ジェネレータ(102)。
【請求項9】
主段ロータ(304)と中心軸(316)との間の第1の半径方向の距離は、主段ステータ(302)と中心軸(316)との間の第2の半径方向の距離よりも長いことを特徴とする請求項1に記載の界磁巻線ジェネレータ(102)。
【請求項10】
入れ子状の励磁機段(307)および主ジェネレータ段(305)を有する界磁巻線ジェネレータ(102)を製造する方法であって、
界磁巻線ジェネレータ(102)内のロータ部材(312)に励磁機段ロータ(310)を接続し、
ロータ部材(312)に主段ロータ(304)を接続し、
励磁機段ロータ(310)および主段ロータ(304)に、回転式整流器アセンブリ(306)を電気的に接続し、
界磁巻線ジェネレータ(102)内の励磁機段ロータ(310)との界磁コミュニケーションを形成するように励磁機段ステータ(308)を配置し、
界磁巻線ジェネレータ(102)内の主段ロータ(304)との界磁コミュニケーションを形成するように主段ステータ(302)を配置し、
界磁巻線ジェネレータ(102)内において、中心軸(316)を中心として、主段ステータ(302)および主段ロータ(304)に対して、励磁機段ステータ(308)および励磁機段ロータ(310)を内周側に入れ子状に配置する、
ことを含む方法。
【請求項11】
界磁巻線ジェネレータ(102)は、接続点(108)を介してドライブラインシステム(100)に直列に接続されることをさらに含む請求項11に記載の方法。
【請求項12】
ドライブラインシステム(100)は、エンジン(104)およびトランスミッション(106)をさらに含むことを特徴とする請求項11に記載の方法。
【請求項13】
エンジン(104)、界磁巻線ジェネレータ(102)およびトランスミッション(106)は、ドライブシャフト(314)によって駆動されることを特徴とする請求項12に記載の方法。
【請求項14】
ドライブラインシステム(100)内で、界磁巻線ジェネレータ(102)に起因するドライブラインの長さ増加(326)は、100mmよりも短いことを特徴とする請求項11に記載の方法。
【請求項15】
励磁機段ロータ(310)と中心軸(316)との間の第1の半径方向の距離は、励磁機段ステータ(308)と中心軸(316)との間の第2の半径方向の距離よりも短いことを特徴とする請求項10に記載の方法。
【請求項16】
励磁機段ロータ(310)と中心軸(316)との間の第1の半径方向の距離は、励磁機段ステータ(308)と中心軸(316)との間の第2の半径方向の距離よりも長いことを特徴とする請求項10に記載の方法。
【請求項17】
主段ロータ(304)と中心軸(316)との間の第1の半径方向の距離は、主段ステータ(302)と中心軸(316)との間の第2の半径方向の距離よりも短いことを特徴とする請求項10に記載の方法。
【請求項18】
主段ロータ(304)と中心軸(316)との間の第1の半径方向の距離は、主段ステータ(302)と中心軸(316)との間の第2の半径方向の距離よりも長いことを特徴とする請求項10に記載の方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【公開番号】特開2011−19391(P2011−19391A)
【公開日】平成23年1月27日(2011.1.27)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−154400(P2010−154400)
【出願日】平成22年7月7日(2010.7.7)
【出願人】(500107762)ハミルトン・サンドストランド・コーポレイション (165)
【氏名又は名称原語表記】HAMILTON SUNDSTRAND CORPORATION
【住所又は居所原語表記】One Hamilton Road, Windsor Locks, CT 06096−1010, U.S.A.
【Fターム(参考)】