電気機械変換器
【課題】小型で軽量な電気機械変換器を提供する。
【解決手段】電気機械変換器、特に、電動可変変速機は、ロータ８が取り付けられた一次側シャフト５と、インターロータ１５が取り付けられた二次側シャフト７と、電気機械変換器のハウジング３に固定して取り付けられたステータ１０が設けられる。一次側シャフト５から半径方向に見ると、ロータ８、インターロータ１５およびステータ１０は互いに同心円状に配置される。ロータ８およびステータ１０は、一つ以上の単相または多相の電気的にアクセス可能な巻線を用いて設計される。インターロータ１５は、機械的および電磁的な両面で一つの統一体を形成し、少なくとも接線方向に磁束の導体として配置される。
【解決手段】電気機械変換器、特に、電動可変変速機は、ロータ８が取り付けられた一次側シャフト５と、インターロータ１５が取り付けられた二次側シャフト７と、電気機械変換器のハウジング３に固定して取り付けられたステータ１０が設けられる。一次側シャフト５から半径方向に見ると、ロータ８、インターロータ１５およびステータ１０は互いに同心円状に配置される。ロータ８およびステータ１０は、一つ以上の単相または多相の電気的にアクセス可能な巻線を用いて設計される。インターロータ１５は、機械的および電磁的な両面で一つの統一体を形成し、少なくとも接線方向に磁束の導体として配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータが取り付けられた一次側シャフトと、インターロータが取り付けられた二次側シャフトと、ハウジングに固定して取り付けられたステータが設けられ、一次側シャフトから半径方向に見ると、ロータ、インターロータおよびステータは互いに同心円状に配置され、ロータおよびステータは、一つ以上の単相または多相の電気的にアクセス可能な巻線を用いて設計された、電気機械変換器、特に、電動可変変速機に関する。一次側シャフトによって供給されたパワーの一部分は、電磁的な方式で、二次側シャフト上のインターロータへ直接的に送られ、別の部分は、例えば、スリップリングを使用して、一次側シャフトから集められ、パワーエレクトロニック変換器を介してステータへ供給され得る。さらに、パワー伝送方向は反転させてもよく、出力速度は入力速度より高くすることも低くすることも可能である。これらの速度は符号が変化してもよい。
【背景技術】
【０００２】
このような電気機械変換器は、特に、国際公開公報第００／３４０６６号パンフレット、米国特許第３６８３２４９号明細書、および、欧州特許第０８６６５４４Ａ号明細書によって公知である。それらは、多種多様な道路車両だけではなく、ディーゼル列車のような鉄道車両、および、船舶において電動可変変速機（ＥＶＴ）の形で適用可能である。
【０００３】
より詳細には、国際公開公報第００／３４０６６号は、電気機械変速機を具備し、二つの同軸配置ロータを囲むステータを含み、ロータは内燃機関と動力伝達部のそれぞれに結合された、ハイブリッド型駆動装置を開示する。内側ロータとステータとの間に配置された外側ロータは、この出願との関連でインターロータと称される。国際公開公報第００／３４０６６号において、ロータとインターロータ、および、インターロータとステータは、二つの機械的に統合された電気機械を形成し、これらの両方の電気機械は、同期型と非同期型のどちらでもよい。ロータとインターロータとの間、ならびに、インターロータとステータとの間の磁束伝達は、どちらも半径方向または軸方向である。電気機械は電磁的に分離され、磁束はロータからインターロータを介してステータへ伝達されず、その逆にも伝達されない。インターロータは、機械的に結合されているが電磁的に分離された部品から構築される。電気機械変速機の電気機械は、それぞれ個別の制御手段で制御される。
【０００４】
電動可変変速機（ＥＶＴ）は、二つの機械部品、すなわち、一次側（駆動）シャフトおよび二次側（被駆動）シャフトと、エネルギーを交換する際に経由する電気的ゲートと、を備えた電気機械変換器である。電気的ゲートが使用されない場合、ＥＶＴは一般の無段変速機として機能し、ここで変速比は非常に広いレンジを持つ。ＥＶＴは、車両のクラッチとギアボックスの組み合わせの機能に匹敵する機能を実現する。ＥＶＴと組み合わせることにより、燃焼機関は、実際に、パワー源として働き、これにより、速度はエンジンの最適特性に従って設定可能である。燃料消費、雑音レベル、および、車両からの有害ガスの排出は、このようにして低減することが可能である。ＥＶＴは無段変速機であるため、加速中にギアシフトによる衝撃はない。これは、また、従来のギアボックスの場合のように、出力が時間的に多少鋸歯状の経過を辿ることなく、常に一定（最大許容）出力による加速が可能であることを意味する。したがって、同一エンジンを用いた場合、ＥＶＴによる加速は、従来のギアボックスよりも高速に進む。
【０００５】
ＥＶＴは、電気的ゲートをオンボードバッテリに接続することにより実質的に耐久性のあるスターターモーターとして機能し得る。その結果として、ＥＶＴを装備した路線バスは、例えば、全く問題なくバス停でエンジンを停止することが可能であり、従来のスターターモーターでは、頻繁な始動は、スターターモーターとスターターリングの過度の消耗を伴うので、これは、より快適であり、燃料のかなりの節約につながる。
【０００６】
電気的ゲートを介して、パワーエレクトロニック変換器から、オンボードネットワークへ給電することができるので、オンボードバッテリは充電可能である。したがって、実質的に耐久性のあるダイナモが得られる。従来のダイナモは効率が悪いので、燃料の節約も軽微である。一般的なダイナモを備えた電気システムでは、パワーはベルトドライブおよび低いオンボード電圧によって実際的に制限される。ＥＶＴを使用する場合、パワーエレクトロニック変換器を介して、より高い電圧レベルが簡単に生成され、パワーはディーゼルエンジンだけによって制限される。すなわち、例えば、パワーステアリング用のポンプ、または、バスのコンプレッサのようなエンジンによって直接駆動されるある種の補助装備は、高効率で電気的に駆動することができる。それらは自由自在にスイッチをオンオフすることができるので、無負荷損はより少ない。
【０００７】
ＥＶＴを用いる場合、モーターによって制動することは簡単に実現可能である。ブレーキングパワーはエンジンの速度を上げることにより増加させ得る。しかし、これは雑音の発生量の増加を伴う。その上、制動エネルギーは、電気的ゲートに接続された抵抗で消費することが可能である。これにより、例えば、従来のバスにおけるリターダとは対照的に、停止するまで制動することが可能である。制動するとき、可能であれば、モーターはスイッチをオフしてもよく、その結果として、燃料消費が削減され、エンジンは雑音を発生しない。
【０００８】
電気的ゲートには、バッテリの形式のバッファまたはフライホイールシステムを接続可能である。これらを用いて、制動エネルギーを蓄積可能であり、制動エネルギーはその後加速のため再使用可能である。かなり費用のかかるこのような拡張は、特に路線バスの場合に、燃料のかなりの節約を生じる。
【０００９】
電気的ゲートによって、変換器はハイブリッド車両で使用するため特に好適になり、カルダン軸用の機械的エネルギーは、内燃機関エンジンと電源の両方により生成可能である。
【００１０】
既存のＥＶＴの最も重大な欠点はその質量である。それは従来のギアボックスの質量よりも著しく大きい。さらに、既存のＥＶＴはまた従来のギアボックスよりも高価である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
既に説明したように、冒頭に記載されたような電気機械変換器は、欧州特許第０８６６５４４Ａ号で知られている。しかし、そこに記載されている電気機械変換器の欠点は、インターロータが、機械的に互いに連結され、一方、電磁的には互いに分離されている二つのロータ部品により形成されるので、ロータは一方のロータ部品と共に第１の機械を形成し、もう一方のロータ部品はステータと共に、第１の機械と独立に動作する第２の機械を形成することである。その結果として、二つの機械の磁束は別々に制御可能であるという利点が得られるが、この構造の結果として、電気機械変換器は大型であり、かつ、重いという重大な欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の欠点を解決するため、冒頭に記載されたような電気機械変換器は、インターロータが機械的にも電磁的にも一つの統一体を形成し、少なくとも接線方向に磁束用の導体として配置される、ことを特徴とする。換言すると、欧州特許第０８６６５４４Ａ号における電気機械変換器と対比すると、二つのロータ部品は電磁的に結合され、さらに、一つの統一体に統合されるので、希望の体積および重量の削減が可能になる。本発明による電気機械変換器においては、勿論、半径方向の磁束伝導性はそのまま存在する。
【００１３】
電気機械の部品は電磁的に結合され、磁束がロータからインターロータを介してステータへ伝達され、その逆向きにも伝達される。この機械は機械的にも電磁的にも一つの統一体を形成する。電磁式変速機の部品は単一の制御装置により制御される。
【００１４】
一つの統一体を形成するインターロータを利用することは欧州特許第１１５４５５１Ａ号から知られているが、そこに記載されているインターロータは、それだけが排他的に半径方向で磁束導体としての機能を果たす。そのため、この欧州特許出願に記載されたインターロータは、かなり薄い壁を有する管状ユニットで作られているが、接線方向から見ると、磁束導体材料は、少なくとも非常に少ない程度までしか磁束を伝達しない材料、特に銅によって常に代替される。インターロータは半径方向だけではなく接線方向でも磁束用の導体を形成するという本発明による特徴のために、以下でさらに説明されるように、電気機械変換器の一部分で磁束減衰を働かすことが可能であるが、これは他の部分では行われない。
【００１５】
インターロータは電気回路および磁気回路により構成される。本発明による第１の実施形態では、磁気回路は、半径方向内側および外側に歯が設けられ、縦方向に延びる溝がその歯の間に位置し、電気回路を形成する短絡巻線がその溝の中に広がる、円柱状ヨークにより形成される。第２の実施形態では、インターロータは磁束伝導性円柱状ヨークにより形成され、半径方向内側および外側には、例えば、ブロックの形をした永久磁性材料が配置される。第３の実施形態では、インターロータは磁束伝導性円柱状ヨークにより形成され、一方側には永久磁性材料が設けられ、もう一方側には縦方向に延びる溝が配置され、溝内には電気的にアクセス可能な巻線が設けられる。
【００１６】
好ましくは、インターロータの磁束伝導性回路は、特に、歯を具備し、歯の間に溝が設置されているヨークは、インターロータの半径方向内側および／または半径方向外側に実質的に滑らかな表面を有する。特に、回路の磁束伝導性材料の半径方向内側および／または半径方向外側は、回路の外形に関して自由に外側へ達する部分である。これにより、磁極の所定の固定パターンをインターロータの磁束伝導性材料に加える突極がないので、インターロータの磁束伝導性材料内の磁極のパターンは、制約がなく動作中に変更可能である。これに関連して、実質的に滑らかな表面は、完全に滑らかな表面を意味するだけではなく、滑らかな、例えば、円柱状外形に、回路に対して半径方向内側へ向けられた溝（スロット）を有する表面を含むことに注意する必要がある。このような凹部は、回路の半径方向内側と外側のそれぞれの全周の半分未満を、好ましくは、全周の約２０−３０％を構成する。
【００１７】
ステータ巻線およびロータ巻線は、一つ以上のパワーエレクトロニック変換器を介して相互接続される。その結果として、例えば、車両が速度を上げるときに、ロータからステータへの電気エネルギーの移動が可能であり、例えば、オーバードライブ中に、その逆への電気エネルギーの移動が可能である。特殊なケースでは、これらの一つ以上のパワーエレクトロニック変換器は、例えば、オンボードバッテリをそれに接続するため、単一の電気的ゲートを介して電気的にアクセス可能であり、その結果として、ＥＶＴを用いて、実質的に耐久性のあるスターターモーターが実現可能である。逆に言えば、ＥＶＴから、この電気的ゲートを介して、オンボードバッテリを充電可能であるので、実質的に耐久性のあるダイナモを実現することが可能である。他の実施形態では、ステータ巻線およびロータ巻線は、それぞれ別々に、電気的ゲートを介してパワーエレクトロニック変換器から電気的にアクセス可能である。このようなケースでは、車両が停止中であり、燃焼機関だけが動作中であるとき、ロータとインターロータの組み合わせは、例えば、車両の冷房設備のための発電機としての機能を果たし得る。また、インターロータとステータの組み合わせを、例えば、ハイブリッド車両においてモーターとして使用することが可能であり、このケースでは、ロータとインターロータの組み合わせは使用されない。
【００１８】
入力シャフトおよび出力シャフトは、入力シャフトと出力シャフトとの間で機械的力が直接的に伝達される、いわゆるロックアップポジションを形成するため、例えば、かみ合いクラッチまたは摩擦クラッチを用いて、機械的に相互接続する選択肢もある。
【００１９】
本発明は、電気機械変換器に関係するだけではなく、駆動用内燃機関を始動し、または、電気機器に給電する上記の電気機械変換器が設けられた装置に関係し、また、上記の電気機械変換器が設けられ、エネルギーの蓄積用のシステムが設けられた装置に関係する。
【００２０】
以下、本発明は、添付図面に表されているような典型的な実施形態に基づいて説明される。
【００２１】
図面中の対応する部品は同じ参照番号で示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
電動可変変速機（ＥＶＴ）は、二つの機械的ゲートおよび一つの電気的ゲートを備えた電気機械変換器である。ＥＶＴは、本来的に無段階変速機であり、その上、電気的ゲートを介してエネルギーを交換することができる。以下の図面の説明において、最初に電気的ゲートは無視される。
【００２３】
ＥＶＴの基本構造は、図１に概略的に示され、欧州特許第０８６６５３３Ａ号で知られている。このＥＶＴは、電気機械部１とパワーエレクトロニック部２で作られている。電気機械部１は、一次側シャフト５を備えた一次側誘導機４と二次側シャフト７を備えた二次側誘導機６が配置されたハウジング３を含む。２本のシャフト５および７は、ハウジング３にベアリング取り付けされる。一次側誘導機４は、本実施形態では、電気的にアクセス可能な多相巻線を備えたスリップリング電機子により形成されたロータ８と、非電気的にアクセス可能なケージ電機子９と、により構成される。二次側誘導機６は、固定子、すなわち、ハウジング３と固定的に連結されたステータ１０と、二次側シャフト７に取り付けられたケージ電機子１１と、により構成される。二次側誘導機６の二次側シャフト７は、また、ロータ８にベアリング取り付けされる。ステータ１０は、電気的にアクセス可能な多相巻線を有する。ロータ８とステータ１０との間で、電気エネルギーはパワーエレクトロニック部２を介して交換可能であり、ここで、パワーエレクトロニック部２は、パワーエレクトロニック変換器１２とパワーエレクトロニック変換器１３を含み、それらは共に交流−直流インバータとして設計されている。二つのインバータは互いに直流電圧側で接続される。本発明によるＥＶＴの基本は、一種の電気機械クラッチとしての機能を果たす一次側誘導機３である。二次側機械は発電機付きの補助モーターとしての機能を果たす。
【００２４】
この簡単な方式の公知のＥＶＴの動作を説明するため、そこでは損失が発生しない場合を想定する。第一に、スリップリング電機子８は、一次側電圧インバータ１２により形成された直流電圧源から給電され、二次側シャフト７は一次側シャフト５とほぼ同じ速度で回転する場合を考える。一次側誘導機４内の回転磁場はスリップリング電機子８と同期して回転する。二次側誘導機６はまだ動作可能ではない。一次側シャフト５と一次側ケージ電機子９、したがって、二次側シャフト７との間の速度差の結果として、回転磁場が生成され、電流が一次側ケージ電機子９に誘導されるので、電気機械トルクが作成され、これにより、一次側シャフトのトルクは、僅かなスリップ損失だけで二次側シャフトへ伝達される。直流電圧源は、スリップリング電機子８の回転分巻巻線の抵抗で浪費される電力だけを供給し、この電力も無視される。
【００２５】
通常動作中、一次側電圧変換器は、直流電圧ではなく、交流電圧を送出し、パワーエレクトロニック部２を介してエネルギー交換が行われる。
【００２６】
ケージ電機子９のスリップ角速度を無視すると、静止状態、すなわち、トルク平衡状態では、
Ｔ１＝Ｔｃ１
が成り立ち、ここで、Ｔ１は、例えば、内燃機関によって一次側シャフト５に加えられるトルクであり、Ｔｃ１は、スリップリング電機子８によって電磁場を介して一次側誘導機４のケージ電機子９に加えられるトルクである。機械パワーに関して、
Ｐｍ１＝ωｍ１Ｔ１
および
Ｐｍ１２＝ωｍ２Ｔｃ１＝ωｍ２Ｔ１
であり、ここで、Ｐｍ１は一次側シャフト５を介して与えられる機械パワーであり、ωｍ１は一次側シャフト５の角速度であり、Ｐｍ１２は二次側誘導機６へ伝えられる機械パワーであり、ωｍ２は二次側シャフト７の角速度である。これらの二つの力の差
Ｐｅ＝（ωｍ１−ωｍ２）Ｔ１
は、スリップリングおよびスリップリングに接触しているブラシの組み合わせ１４と、パワーエレクトロニック部２とによって除去される。ここで、（ωｍ１−ωｍ２）は、スリップリング電機子８に対する回転磁場の速度を表し、この速度は、エアギャップトルクと一体として、回転分巻巻線によって変換されるパワーを限定する。二次側シャフト７が一次側シャフト５よりも低速（停止を含む）で回転するならば、すなわち、ωｍ１＞ωｍ２であるならば、スリップリング電機子８は、前記スリップリングおよびスリップリングに接触しているブラシの組み合わせ１４を介して電気パワーを送出する。ωｍ１＜ωｍ２である場合（道路車両のオーバードライブ）では、逆に、スリップリング電機子８に電気パワーを供給しなければならない。
【００２７】
以下では、さらに、ωｍ１＞ωｍ２を仮定する。スリップリング電機子８は、したがって、電気パワーを送出する。この電気パワーは、電圧インバータ１２および１３を用いて、パワーエレクトロニック変換過程によって、二次側誘導機６へ供給される。この変換過程はまた無損失であり、スリップ角速度およびその他の損失が発生しないと仮定するならば、完全な電気的に供給されるパワーは機械パワーに変換される。したがって、二次側ロータに加えられるトルクに関して、
Ｔｃ２＝Ｐｅ／ωｍ２＝（ωｍ１−ωｍ２）Ｔ１／ωｍ２
が成り立つ。二次側シャフトによって、例えば、機械的負荷に加えられるトルクは、一次側トルクと、二次側ロータに加えられたトルクの合計
Ｔ２＝Ｔ１＋Ｔｃ２＝ωｍ１Ｔ１／ωｍ２
である。この場合（ωｍ１＞ωｍ２）、出力トルクは入力トルクよりも大きい。
【００２８】
二次側シャフトが一次側シャフトよりも高速で回転する場合（ωｍ１＜ωｍ２）、上記の式は依然として有効である。しかし、その場合には、スリップリングおよびスリップリングに接触しているブラシの組み合わせ１４を介して、電気パワーは一次側誘導機４へ供給されなければならない（Ｐｅ＜０）。このパワーは、二次側誘導機６によって供給され、このとき、二次側誘導機は発電機として働く。この動作条件では、二次側誘導機６のロータ１１に加えられるトルクは負であり（Ｔｃ２＜０）、Ｔ２はＴ１よりも小さい。
【００２９】
図２は図１のＥＶＴのより実際的な構造を概略的に示す。本実施形態では、二次側誘導機６は一次側誘導機４の周りに構築される。ハウジング３内で、中心線から順番に、スリップリング電機子８と、一次側ケージ電機子９と、二次側ケージ電機子１１と、ステータ１０が互いに同心円状に配置されている。一次側ケージ電機子９および二次側ケージ電機子１１のそれぞれは、一緒に中空インターロータ１５を形成する。これにより、一次側誘導機４および二次側誘導機６のそれぞれに磁束の一部分を共同で使用させることが可能になるので、ケージ巻線間のヨークはより軽量化された構造にすることが可能である。このため、二つのケージ電機子は、欧州特許第０８６６５４４Ａ号の電磁変換器の場合のように機械的に結合されるだけでなく、電磁的にも結合される。最も好ましい形式では、これは、二つのケージ電機子９および１１を一つの統合された統一体として作ることにより実現される。このようにして得られたインターロータ１５は図３に示され、さらに図４−６には、図３のロータ、インターロータ、および、ステータのＡ−Ａによる断面図が示されている。インターロータ１５は、電気および磁気回路により構成される。図３および図４から６の実施形態では、磁気回路は、縦方向に延びる溝を両側に有する積層された円柱体１６により形成され、溝内には電気回路を形成する短絡巻線１７が広がる。図４から６では、これらの巻線は数ヶ所だけに示されている。この数ヶ所だけに示されていることは、ロータ８の円柱体の溝およびステータ１０の円柱体の溝のそれぞれにあるロータ巻線１８およびステータ巻線１９についても当てはまる。
【００３０】
本例では、歯を具備し、歯の間に溝が設けられたヨークであるインターロータの磁束伝導性回路は、その半径方向内側および半径方向外側に実質的に滑らかな表面を有する。インターロータの磁気伝導性材料内の磁極のパターンは動作中に変更可能である。電気機械変換器のロータ部品、インターロータ部品およびステータ部品は電磁的に結合され、磁束は、ロータからインターロータを介してステータへ伝達され、また、その逆にも伝達される。インターロータは、機械的にも電磁的にも一つの統一体を形成する。電磁変速機の部品は単一の制御装置によって一緒に制御される。
【００３１】
図３に示された実施形態では、電気機械変換器は４個の極を含み、一方、図４から６では、太線で、これらの極の一つに対して、多数の磁力線が示されている。図４は、特に、欧州特許第１１５４５５１Ａ号のＥＶＴの場合に生じる状況と類似の状況が示され、インターロータ１５において接線方向に伝導性はなく、半径方向だけに伝達が行われる。関連した磁力線の進路は図４に参照番号２０によって示されている。ＥＶＴ内で局部的な磁場減衰が起こる可能性はなく、以下で明らかにされ、図５および６に示されているように、この磁場減衰は、接線方向にインターロータ１５内で磁束伝導性がある場合に限り起こり得る。
【００３２】
図５には、本発明によるＥＶＴにおいて、例えば、このようなＥＶＴが設けられた車両で速度を上げるときに生じる状況が示されている。ロータ８は、最初に、インターロータ１５の速度（ωｍ２）よりも相対的に高い速度（ωｍ１）を有する。速度差（ωｍ１−ωｍ２）の値がかなり大きく、一次側パワーエレクトロニック変換器１２によってロータ８のスリップリングに特定の電圧、すなわち、Φｒをロータに発生した磁束とし、ｃを定数として、
Ｕｒ＝ｃ（ωｍ１−ωｍ２）Φｒ
が供給される場合、ロータには、かなり弱い磁束Φｒが生成される。この場合、ロータ８によってインターロータ１５に加えられるトルクはそれほど大きくする必要がないので、磁束は大きくなくても構わない。このとき、ロータ８はステータ１０用の発電機としての機能を果たし、電圧インバータ１２および１３を介して、パワーはステータへ伝えられ、次に、Φｓはステータに発生された磁束であり、ｃ’は定数であるとして、かなり高い電圧
Ｕｓ＝ｃ’．ωｍ２．Φｓ
がステータに供給される。すなわち、かなり強い磁束Φｓがステータに発生されるので、次に、かなり大きいトルクＴｃ２は、インターロータ１５、すなわち、シャフト７へ伝達可能であり、そこに負荷が取り付けられ得る。したがって、インターロータとステータの組み合わせはモーターとしての機能を果たす。このとき、インターロータとステータの組み合わせ内の磁束は飽和状態になるであろう。この状況における磁力線の進路は図５に２１によって示され、接線方向の磁束の進路がインターロータ１５内に出現する。
【００３３】
図６は、例えば、車両のＥＶＴの従来の動作範囲において本発明によるＥＶＴに起こる状況を表す。この場合、ロータ８はインターロータ１５の速度（ωｍ２）よりもかなり低い速度（ωｍ１）を有する。速度差（ωｍ１−ωｍ２）の値がかなり小さく、一次側パワーエレクトロニック変換器１２によってロータ８のスリップリングに特定の電圧、すなわち、Φｒをロータに発生した磁束とし、ｃを定数として、
Ｕｒ＝ｃ（ωｍ１−ωｍ２）Φｒ
が供給される場合、ロータには、かなり強い磁束Φｒが生成されるので、ロータ８はインターロータ１５に強いトルクを加えることができる。その場合、電圧インバータ１２および１３を介して、小さいパワーがステータへ伝えられ、Φｓはステータに発生された磁束であり、ｃ’は定数であるとして、かなり低い電圧
Ｕｓ＝ｃ’．ωｍ２．Φｓ
がステータ１０に供給される。すなわち、かなり弱い磁束Φｓがステータに発生され、その結果として、パワーエレクトロニック部２を介して、かなり小さいトルクＴｃ２を、インターロータ１５、すなわち、シャフト７へ伝達可能であり、そこに負荷が取り付けられ得る。ここで、ロータとインターロータの組み合わせはモーターとしての機能を果たす。
このとき、ロータとインターロータの組み合わせ内の磁束は飽和状態になるであろう。この状況における磁力線の進路は図６に２２によって示され、この場合も接線方向の磁束の進路がインターロータ１５内に出現する。
【００３４】
オーバードライブの状況では、電圧インバータ１２および１３を介して、ステータ１０からロータ８へのパワー伝達が行われる。このとき、ステータはかなり小さいトルクをインターロータ１５に加える。それに反して、強いトルクがロータ８によってインターロータに加えられる。
【００３５】
本発明は、図３および図４−６を参照して説明された典型的な実施形態に限定されるものではなく、当然のことながら請求項に係る発明の保護範囲に含まれる限り、それらに関するあらゆる種類の変更を包含する。したがって、例えば、インターロータは、例えば、ブロックの形をした永久磁性材料が両側に配置された磁束伝導性円柱体として設計することが可能である。他の実現可能な実施形態によれば、インターロータは、永久磁性材料が一方側に塗布され、縦方向に延びる溝がもう一方側に設けられ、その溝に電気的にアクセス可能な巻線が配置されている、磁束伝導性円柱体により形成される。後者の場合、しかし、電流供給点は、インターローラ１５または二次側シャフト７に存在し、このシャフト７には、スリップリングを簡単に取り付けることが可能であり、スリップリングを介して電流が供給され、若しくは、取り出される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来技術による電動可変変速機の基本構造の概略図である。
【図２】電動可変変速機のより実際的な構造の概略図である。
【図３】本発明による電動可変変速機の一実施形態の詳細図である。
【図４】本発明による電動可変変速機におけるロータとインターロータとステータの組み合わせの動作を説明するための断面図である。
【図５】本発明による電動可変変速機におけるロータとインターロータとステータの組み合わせの動作を説明するための断面図である。
【図６】本発明による電動可変変速機におけるロータとインターロータとステータの組み合わせの動作を説明するための断面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロータが取り付けられた一次側シャフトと、インターロータが取り付けられた二次側シャフトと、ハウジングに固定して取り付けられたステータが設けられ、一次側シャフトから半径方向に見ると、ロータ、インターロータおよびステータは互いに同心円状に配置され、ロータおよびステータは、一つ以上の単相または多相の電気的にアクセス可能な巻線を用いて設計された、電気機械変換器、特に、電動可変変速機に関する。一次側シャフトによって供給されたパワーの一部分は、電磁的な方式で、二次側シャフト上のインターロータへ直接的に送られ、別の部分は、例えば、スリップリングを使用して、一次側シャフトから集められ、パワーエレクトロニック変換器を介してステータへ供給され得る。さらに、パワー伝送方向は反転させてもよく、出力速度は入力速度より高くすることも低くすることも可能である。これらの速度は符号が変化してもよい。
【背景技術】
【０００２】
このような電気機械変換器は、特に、国際公開公報第００／３４０６６号パンフレット、米国特許第３６８３２４９号明細書、および、欧州特許第０８６６５４４Ａ号明細書によって公知である。それらは、多種多様な道路車両だけではなく、ディーゼル列車のような鉄道車両、および、船舶において電動可変変速機（ＥＶＴ）の形で適用可能である。
【０００３】
より詳細には、国際公開公報第００／３４０６６号は、電気機械変速機を具備し、二つの同軸配置ロータを囲むステータを含み、ロータは内燃機関と動力伝達部のそれぞれに結合された、ハイブリッド型駆動装置を開示する。内側ロータとステータとの間に配置された外側ロータは、この出願との関連でインターロータと称される。国際公開公報第００／３４０６６号において、ロータとインターロータ、および、インターロータとステータは、二つの機械的に統合された電気機械を形成し、これらの両方の電気機械は、同期型と非同期型のどちらでもよい。ロータとインターロータとの間、ならびに、インターロータとステータとの間の磁束伝達は、どちらも半径方向または軸方向である。電気機械は電磁的に分離され、磁束はロータからインターロータを介してステータへ伝達されず、その逆にも伝達されない。インターロータは、機械的に結合されているが電磁的に分離された部品から構築される。電気機械変速機の電気機械は、それぞれ個別の制御手段で制御される。
【０００４】
電動可変変速機（ＥＶＴ）は、二つの機械部品、すなわち、一次側（駆動）シャフトおよび二次側（被駆動）シャフトと、エネルギーを交換する際に経由する電気的ゲートと、を備えた電気機械変換器である。電気的ゲートが使用されない場合、ＥＶＴは一般の無段変速機として機能し、ここで変速比は非常に広いレンジを持つ。ＥＶＴは、車両のクラッチとギアボックスの組み合わせの機能に匹敵する機能を実現する。ＥＶＴと組み合わせることにより、燃焼機関は、実際に、パワー源として働き、これにより、速度はエンジンの最適特性に従って設定可能である。燃料消費、雑音レベル、および、車両からの有害ガスの排出は、このようにして低減することが可能である。ＥＶＴは無段変速機であるため、加速中にギアシフトによる衝撃はない。これは、また、従来のギアボックスの場合のように、出力が時間的に多少鋸歯状の経過を辿ることなく、常に一定（最大許容）出力による加速が可能であることを意味する。したがって、同一エンジンを用いた場合、ＥＶＴによる加速は、従来のギアボックスよりも高速に進む。
【０００５】
ＥＶＴは、電気的ゲートをオンボードバッテリに接続することにより実質的に耐久性のあるスターターモーターとして機能し得る。その結果として、ＥＶＴを装備した路線バスは、例えば、全く問題なくバス停でエンジンを停止することが可能であり、従来のスターターモーターでは、頻繁な始動は、スターターモーターとスターターリングの過度の消耗を伴うので、これは、より快適であり、燃料のかなりの節約につながる。
【０００６】
電気的ゲートを介して、パワーエレクトロニック変換器から、オンボードネットワークへ給電することができるので、オンボードバッテリは充電可能である。したがって、実質的に耐久性のあるダイナモが得られる。従来のダイナモは効率が悪いので、燃料の節約も軽微である。一般的なダイナモを備えた電気システムでは、パワーはベルトドライブおよび低いオンボード電圧によって実際的に制限される。ＥＶＴを使用する場合、パワーエレクトロニック変換器を介して、より高い電圧レベルが簡単に生成され、パワーはディーゼルエンジンだけによって制限される。すなわち、例えば、パワーステアリング用のポンプ、または、バスのコンプレッサのようなエンジンによって直接駆動されるある種の補助装備は、高効率で電気的に駆動することができる。それらは自由自在にスイッチをオンオフすることができるので、無負荷損はより少ない。
【０００７】
ＥＶＴを用いる場合、モーターによって制動することは簡単に実現可能である。ブレーキングパワーはエンジンの速度を上げることにより増加させ得る。しかし、これは雑音の発生量の増加を伴う。その上、制動エネルギーは、電気的ゲートに接続された抵抗で消費することが可能である。これにより、例えば、従来のバスにおけるリターダとは対照的に、停止するまで制動することが可能である。制動するとき、可能であれば、モーターはスイッチをオフしてもよく、その結果として、燃料消費が削減され、エンジンは雑音を発生しない。
【０００８】
電気的ゲートには、バッテリの形式のバッファまたはフライホイールシステムを接続可能である。これらを用いて、制動エネルギーを蓄積可能であり、制動エネルギーはその後加速のため再使用可能である。かなり費用のかかるこのような拡張は、特に路線バスの場合に、燃料のかなりの節約を生じる。
【０００９】
電気的ゲートによって、変換器はハイブリッド車両で使用するため特に好適になり、カルダン軸用の機械的エネルギーは、内燃機関エンジンと電源の両方により生成可能である。
【００１０】
既存のＥＶＴの最も重大な欠点はその質量である。それは従来のギアボックスの質量よりも著しく大きい。さらに、既存のＥＶＴはまた従来のギアボックスよりも高価である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
既に説明したように、冒頭に記載されたような電気機械変換器は、欧州特許第０８６６５４４Ａ号で知られている。しかし、そこに記載されている電気機械変換器の欠点は、インターロータが、機械的に互いに連結され、一方、電磁的には互いに分離されている二つのロータ部品により形成されるので、ロータは一方のロータ部品と共に第１の機械を形成し、もう一方のロータ部品はステータと共に、第１の機械と独立に動作する第２の機械を形成することである。その結果として、二つの機械の磁束は別々に制御可能であるという利点が得られるが、この構造の結果として、電気機械変換器は大型であり、かつ、重いという重大な欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の欠点を解決するため、冒頭に記載されたような電気機械変換器は、インターロータが機械的にも電磁的にも一つの統一体を形成し、少なくとも接線方向に磁束用の導体として配置される、ことを特徴とする。換言すると、欧州特許第０８６６５４４Ａ号における電気機械変換器と対比すると、二つのロータ部品は電磁的に結合され、さらに、一つの統一体に統合されるので、希望の体積および重量の削減が可能になる。本発明による電気機械変換器においては、勿論、半径方向の磁束伝導性はそのまま存在する。
【００１３】
電気機械の部品は電磁的に結合され、磁束がロータからインターロータを介してステータへ伝達され、その逆向きにも伝達される。この機械は機械的にも電磁的にも一つの統一体を形成する。電磁式変速機の部品は単一の制御装置により制御される。
【００１４】
一つの統一体を形成するインターロータを利用することは欧州特許第１１５４５５１Ａ号から知られているが、そこに記載されているインターロータは、それだけが排他的に半径方向で磁束導体としての機能を果たす。そのため、この欧州特許出願に記載されたインターロータは、かなり薄い壁を有する管状ユニットで作られているが、接線方向から見ると、磁束導体材料は、少なくとも非常に少ない程度までしか磁束を伝達しない材料、特に銅によって常に代替される。インターロータは半径方向だけではなく接線方向でも磁束用の導体を形成するという本発明による特徴のために、以下でさらに説明されるように、電気機械変換器の一部分で磁束減衰を働かすことが可能であるが、これは他の部分では行われない。
【００１５】
インターロータは電気回路および磁気回路により構成される。本発明による第１の実施形態では、磁気回路は、半径方向内側および外側に歯が設けられ、縦方向に延びる溝がその歯の間に位置し、電気回路を形成する短絡巻線がその溝の中に広がる、円柱状ヨークにより形成される。第２の実施形態では、インターロータは磁束伝導性円柱状ヨークにより形成され、半径方向内側および外側には、例えば、ブロックの形をした永久磁性材料が配置される。第３の実施形態では、インターロータは磁束伝導性円柱状ヨークにより形成され、一方側には永久磁性材料が設けられ、もう一方側には縦方向に延びる溝が配置され、溝内には電気的にアクセス可能な巻線が設けられる。
【００１６】
好ましくは、インターロータの磁束伝導性回路は、特に、歯を具備し、歯の間に溝が設置されているヨークは、インターロータの半径方向内側および／または半径方向外側に実質的に滑らかな表面を有する。特に、回路の磁束伝導性材料の半径方向内側および／または半径方向外側は、回路の外形に関して自由に外側へ達する部分である。これにより、磁極の所定の固定パターンをインターロータの磁束伝導性材料に加える突極がないので、インターロータの磁束伝導性材料内の磁極のパターンは、制約がなく動作中に変更可能である。これに関連して、実質的に滑らかな表面は、完全に滑らかな表面を意味するだけではなく、滑らかな、例えば、円柱状外形に、回路に対して半径方向内側へ向けられた溝（スロット）を有する表面を含むことに注意する必要がある。このような凹部は、回路の半径方向内側と外側のそれぞれの全周の半分未満を、好ましくは、全周の約２０−３０％を構成する。
【００１７】
ステータ巻線およびロータ巻線は、一つ以上のパワーエレクトロニック変換器を介して相互接続される。その結果として、例えば、車両が速度を上げるときに、ロータからステータへの電気エネルギーの移動が可能であり、例えば、オーバードライブ中に、その逆への電気エネルギーの移動が可能である。特殊なケースでは、これらの一つ以上のパワーエレクトロニック変換器は、例えば、オンボードバッテリをそれに接続するため、単一の電気的ゲートを介して電気的にアクセス可能であり、その結果として、ＥＶＴを用いて、実質的に耐久性のあるスターターモーターが実現可能である。逆に言えば、ＥＶＴから、この電気的ゲートを介して、オンボードバッテリを充電可能であるので、実質的に耐久性のあるダイナモを実現することが可能である。他の実施形態では、ステータ巻線およびロータ巻線は、それぞれ別々に、電気的ゲートを介してパワーエレクトロニック変換器から電気的にアクセス可能である。このようなケースでは、車両が停止中であり、燃焼機関だけが動作中であるとき、ロータとインターロータの組み合わせは、例えば、車両の冷房設備のための発電機としての機能を果たし得る。また、インターロータとステータの組み合わせを、例えば、ハイブリッド車両においてモーターとして使用することが可能であり、このケースでは、ロータとインターロータの組み合わせは使用されない。
【００１８】
入力シャフトおよび出力シャフトは、入力シャフトと出力シャフトとの間で機械的力が直接的に伝達される、いわゆるロックアップポジションを形成するため、例えば、かみ合いクラッチまたは摩擦クラッチを用いて、機械的に相互接続する選択肢もある。
【００１９】
本発明は、電気機械変換器に関係するだけではなく、駆動用内燃機関を始動し、または、電気機器に給電する上記の電気機械変換器が設けられた装置に関係し、また、上記の電気機械変換器が設けられ、エネルギーの蓄積用のシステムが設けられた装置に関係する。
【００２０】
以下、本発明は、添付図面に表されているような典型的な実施形態に基づいて説明される。
【００２１】
図面中の対応する部品は同じ参照番号で示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
電動可変変速機（ＥＶＴ）は、二つの機械的ゲートおよび一つの電気的ゲートを備えた電気機械変換器である。ＥＶＴは、本来的に無段階変速機であり、その上、電気的ゲートを介してエネルギーを交換することができる。以下の図面の説明において、最初に電気的ゲートは無視される。
【００２３】
ＥＶＴの基本構造は、図１に概略的に示され、欧州特許第０８６６５３３Ａ号で知られている。このＥＶＴは、電気機械部１とパワーエレクトロニック部２で作られている。電気機械部１は、一次側シャフト５を備えた一次側誘導機４と二次側シャフト７を備えた二次側誘導機６が配置されたハウジング３を含む。２本のシャフト５および７は、ハウジング３にベアリング取り付けされる。一次側誘導機４は、本実施形態では、電気的にアクセス可能な多相巻線を備えたスリップリング電機子により形成されたロータ８と、非電気的にアクセス可能なケージ電機子９と、により構成される。二次側誘導機６は、固定子、すなわち、ハウジング３と固定的に連結されたステータ１０と、二次側シャフト７に取り付けられたケージ電機子１１と、により構成される。二次側誘導機６の二次側シャフト７は、また、ロータ８にベアリング取り付けされる。ステータ１０は、電気的にアクセス可能な多相巻線を有する。ロータ８とステータ１０との間で、電気エネルギーはパワーエレクトロニック部２を介して交換可能であり、ここで、パワーエレクトロニック部２は、パワーエレクトロニック変換器１２とパワーエレクトロニック変換器１３を含み、それらは共に交流−直流インバータとして設計されている。二つのインバータは互いに直流電圧側で接続される。本発明によるＥＶＴの基本は、一種の電気機械クラッチとしての機能を果たす一次側誘導機３である。二次側機械は発電機付きの補助モーターとしての機能を果たす。
【００２４】
この簡単な方式の公知のＥＶＴの動作を説明するため、そこでは損失が発生しない場合を想定する。第一に、スリップリング電機子８は、一次側電圧インバータ１２により形成された直流電圧源から給電され、二次側シャフト７は一次側シャフト５とほぼ同じ速度で回転する場合を考える。一次側誘導機４内の回転磁場はスリップリング電機子８と同期して回転する。二次側誘導機６はまだ動作可能ではない。一次側シャフト５と一次側ケージ電機子９、したがって、二次側シャフト７との間の速度差の結果として、回転磁場が生成され、電流が一次側ケージ電機子９に誘導されるので、電気機械トルクが作成され、これにより、一次側シャフトのトルクは、僅かなスリップ損失だけで二次側シャフトへ伝達される。直流電圧源は、スリップリング電機子８の回転分巻巻線の抵抗で浪費される電力だけを供給し、この電力も無視される。
【００２５】
通常動作中、一次側電圧変換器は、直流電圧ではなく、交流電圧を送出し、パワーエレクトロニック部２を介してエネルギー交換が行われる。
【００２６】
ケージ電機子９のスリップ角速度を無視すると、静止状態、すなわち、トルク平衡状態では、
Ｔ１＝Ｔｃ１
が成り立ち、ここで、Ｔ１は、例えば、内燃機関によって一次側シャフト５に加えられるトルクであり、Ｔｃ１は、スリップリング電機子８によって電磁場を介して一次側誘導機４のケージ電機子９に加えられるトルクである。機械パワーに関して、
Ｐｍ１＝ωｍ１Ｔ１
および
Ｐｍ１２＝ωｍ２Ｔｃ１＝ωｍ２Ｔ１
であり、ここで、Ｐｍ１は一次側シャフト５を介して与えられる機械パワーであり、ωｍ１は一次側シャフト５の角速度であり、Ｐｍ１２は二次側誘導機６へ伝えられる機械パワーであり、ωｍ２は二次側シャフト７の角速度である。これらの二つの力の差
Ｐｅ＝（ωｍ１−ωｍ２）Ｔ１
は、スリップリングおよびスリップリングに接触しているブラシの組み合わせ１４と、パワーエレクトロニック部２とによって除去される。ここで、（ωｍ１−ωｍ２）は、スリップリング電機子８に対する回転磁場の速度を表し、この速度は、エアギャップトルクと一体として、回転分巻巻線によって変換されるパワーを限定する。二次側シャフト７が一次側シャフト５よりも低速（停止を含む）で回転するならば、すなわち、ωｍ１＞ωｍ２であるならば、スリップリング電機子８は、前記スリップリングおよびスリップリングに接触しているブラシの組み合わせ１４を介して電気パワーを送出する。ωｍ１＜ωｍ２である場合（道路車両のオーバードライブ）では、逆に、スリップリング電機子８に電気パワーを供給しなければならない。
【００２７】
以下では、さらに、ωｍ１＞ωｍ２を仮定する。スリップリング電機子８は、したがって、電気パワーを送出する。この電気パワーは、電圧インバータ１２および１３を用いて、パワーエレクトロニック変換過程によって、二次側誘導機６へ供給される。この変換過程はまた無損失であり、スリップ角速度およびその他の損失が発生しないと仮定するならば、完全な電気的に供給されるパワーは機械パワーに変換される。したがって、二次側ロータに加えられるトルクに関して、
Ｔｃ２＝Ｐｅ／ωｍ２＝（ωｍ１−ωｍ２）Ｔ１／ωｍ２
が成り立つ。二次側シャフトによって、例えば、機械的負荷に加えられるトルクは、一次側トルクと、二次側ロータに加えられたトルクの合計
Ｔ２＝Ｔ１＋Ｔｃ２＝ωｍ１Ｔ１／ωｍ２
である。この場合（ωｍ１＞ωｍ２）、出力トルクは入力トルクよりも大きい。
【００２８】
二次側シャフトが一次側シャフトよりも高速で回転する場合（ωｍ１＜ωｍ２）、上記の式は依然として有効である。しかし、その場合には、スリップリングおよびスリップリングに接触しているブラシの組み合わせ１４を介して、電気パワーは一次側誘導機４へ供給されなければならない（Ｐｅ＜０）。このパワーは、二次側誘導機６によって供給され、このとき、二次側誘導機は発電機として働く。この動作条件では、二次側誘導機６のロータ１１に加えられるトルクは負であり（Ｔｃ２＜０）、Ｔ２はＴ１よりも小さい。
【００２９】
図２は図１のＥＶＴのより実際的な構造を概略的に示す。本実施形態では、二次側誘導機６は一次側誘導機４の周りに構築される。ハウジング３内で、中心線から順番に、スリップリング電機子８と、一次側ケージ電機子９と、二次側ケージ電機子１１と、ステータ１０が互いに同心円状に配置されている。一次側ケージ電機子９および二次側ケージ電機子１１のそれぞれは、一緒に中空インターロータ１５を形成する。これにより、一次側誘導機４および二次側誘導機６のそれぞれに磁束の一部分を共同で使用させることが可能になるので、ケージ巻線間のヨークはより軽量化された構造にすることが可能である。このため、二つのケージ電機子は、欧州特許第０８６６５４４Ａ号の電磁変換器の場合のように機械的に結合されるだけでなく、電磁的にも結合される。最も好ましい形式では、これは、二つのケージ電機子９および１１を一つの統合された統一体として作ることにより実現される。このようにして得られたインターロータ１５は図３に示され、さらに図４−６には、図３のロータ、インターロータ、および、ステータのＡ−Ａによる断面図が示されている。インターロータ１５は、電気および磁気回路により構成される。図３および図４から６の実施形態では、磁気回路は、縦方向に延びる溝を両側に有する積層された円柱体１６により形成され、溝内には電気回路を形成する短絡巻線１７が広がる。図４から６では、これらの巻線は数ヶ所だけに示されている。この数ヶ所だけに示されていることは、ロータ８の円柱体の溝およびステータ１０の円柱体の溝のそれぞれにあるロータ巻線１８およびステータ巻線１９についても当てはまる。
【００３０】
本例では、歯を具備し、歯の間に溝が設けられたヨークであるインターロータの磁束伝導性回路は、その半径方向内側および半径方向外側に実質的に滑らかな表面を有する。インターロータの磁気伝導性材料内の磁極のパターンは動作中に変更可能である。電気機械変換器のロータ部品、インターロータ部品およびステータ部品は電磁的に結合され、磁束は、ロータからインターロータを介してステータへ伝達され、また、その逆にも伝達される。インターロータは、機械的にも電磁的にも一つの統一体を形成する。電磁変速機の部品は単一の制御装置によって一緒に制御される。
【００３１】
図３に示された実施形態では、電気機械変換器は４個の極を含み、一方、図４から６では、太線で、これらの極の一つに対して、多数の磁力線が示されている。図４は、特に、欧州特許第１１５４５５１Ａ号のＥＶＴの場合に生じる状況と類似の状況が示され、インターロータ１５において接線方向に伝導性はなく、半径方向だけに伝達が行われる。関連した磁力線の進路は図４に参照番号２０によって示されている。ＥＶＴ内で局部的な磁場減衰が起こる可能性はなく、以下で明らかにされ、図５および６に示されているように、この磁場減衰は、接線方向にインターロータ１５内で磁束伝導性がある場合に限り起こり得る。
【００３２】
図５には、本発明によるＥＶＴにおいて、例えば、このようなＥＶＴが設けられた車両で速度を上げるときに生じる状況が示されている。ロータ８は、最初に、インターロータ１５の速度（ωｍ２）よりも相対的に高い速度（ωｍ１）を有する。速度差（ωｍ１−ωｍ２）の値がかなり大きく、一次側パワーエレクトロニック変換器１２によってロータ８のスリップリングに特定の電圧、すなわち、Φｒをロータに発生した磁束とし、ｃを定数として、
Ｕｒ＝ｃ（ωｍ１−ωｍ２）Φｒ
が供給される場合、ロータには、かなり弱い磁束Φｒが生成される。この場合、ロータ８によってインターロータ１５に加えられるトルクはそれほど大きくする必要がないので、磁束は大きくなくても構わない。このとき、ロータ８はステータ１０用の発電機としての機能を果たし、電圧インバータ１２および１３を介して、パワーはステータへ伝えられ、次に、Φｓはステータに発生された磁束であり、ｃ’は定数であるとして、かなり高い電圧
Ｕｓ＝ｃ’．ωｍ２．Φｓ
がステータに供給される。すなわち、かなり強い磁束Φｓがステータに発生されるので、次に、かなり大きいトルクＴｃ２は、インターロータ１５、すなわち、シャフト７へ伝達可能であり、そこに負荷が取り付けられ得る。したがって、インターロータとステータの組み合わせはモーターとしての機能を果たす。このとき、インターロータとステータの組み合わせ内の磁束は飽和状態になるであろう。この状況における磁力線の進路は図５に２１によって示され、接線方向の磁束の進路がインターロータ１５内に出現する。
【００３３】
図６は、例えば、車両のＥＶＴの従来の動作範囲において本発明によるＥＶＴに起こる状況を表す。この場合、ロータ８はインターロータ１５の速度（ωｍ２）よりもかなり低い速度（ωｍ１）を有する。速度差（ωｍ１−ωｍ２）の値がかなり小さく、一次側パワーエレクトロニック変換器１２によってロータ８のスリップリングに特定の電圧、すなわち、Φｒをロータに発生した磁束とし、ｃを定数として、
Ｕｒ＝ｃ（ωｍ１−ωｍ２）Φｒ
が供給される場合、ロータには、かなり強い磁束Φｒが生成されるので、ロータ８はインターロータ１５に強いトルクを加えることができる。その場合、電圧インバータ１２および１３を介して、小さいパワーがステータへ伝えられ、Φｓはステータに発生された磁束であり、ｃ’は定数であるとして、かなり低い電圧
Ｕｓ＝ｃ’．ωｍ２．Φｓ
がステータ１０に供給される。すなわち、かなり弱い磁束Φｓがステータに発生され、その結果として、パワーエレクトロニック部２を介して、かなり小さいトルクＴｃ２を、インターロータ１５、すなわち、シャフト７へ伝達可能であり、そこに負荷が取り付けられ得る。ここで、ロータとインターロータの組み合わせはモーターとしての機能を果たす。
このとき、ロータとインターロータの組み合わせ内の磁束は飽和状態になるであろう。この状況における磁力線の進路は図６に２２によって示され、この場合も接線方向の磁束の進路がインターロータ１５内に出現する。
【００３４】
オーバードライブの状況では、電圧インバータ１２および１３を介して、ステータ１０からロータ８へのパワー伝達が行われる。このとき、ステータはかなり小さいトルクをインターロータ１５に加える。それに反して、強いトルクがロータ８によってインターロータに加えられる。
【００３５】
本発明は、図３および図４−６を参照して説明された典型的な実施形態に限定されるものではなく、当然のことながら請求項に係る発明の保護範囲に含まれる限り、それらに関するあらゆる種類の変更を包含する。したがって、例えば、インターロータは、例えば、ブロックの形をした永久磁性材料が両側に配置された磁束伝導性円柱体として設計することが可能である。他の実現可能な実施形態によれば、インターロータは、永久磁性材料が一方側に塗布され、縦方向に延びる溝がもう一方側に設けられ、その溝に電気的にアクセス可能な巻線が配置されている、磁束伝導性円柱体により形成される。後者の場合、しかし、電流供給点は、インターローラ１５または二次側シャフト７に存在し、このシャフト７には、スリップリングを簡単に取り付けることが可能であり、スリップリングを介して電流が供給され、若しくは、取り出される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来技術による電動可変変速機の基本構造の概略図である。
【図２】電動可変変速機のより実際的な構造の概略図である。
【図３】本発明による電動可変変速機の一実施形態の詳細図である。
【図４】本発明による電動可変変速機におけるロータとインターロータとステータの組み合わせの動作を説明するための断面図である。
【図５】本発明による電動可変変速機におけるロータとインターロータとステータの組み合わせの動作を説明するための断面図である。
【図６】本発明による電動可変変速機におけるロータとインターロータとステータの組み合わせの動作を説明するための断面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロータ（８）が取り付けられた一次側シャフト（５）、インターロータ（１５）が取り付けられた二次側シャフト（７）、および、電気機械変換器のハウジング（３）に固定して取り付けられたステータ（１０）が設けられ、
前記一次側シャフト（５）から半径方向に見ると、前記ロータ（８）、前記インターロータ（１５）および前記ステータ（１０）は互いに同心円状に配置され、
前記ロータ（８）および前記ステータ（１０）は、一つ以上の多相の電気的にアクセス可能な巻線を用いて設計されている、
電気機械変換器、特に、電動可変変速機であって、
前記インターロータ（１５）は、機械的にも電磁的にも一つの統一体を形成し、少なくとも接線方向及び半径方向に磁束を形成可能な導体として配置され、
前記インターロータの内側または外側の少なくとも一方の側における磁気伝導性材料内の磁極のパターンは動作中に自由に変更可能である
電気機械変換器。
【請求項２】
前記インターロータ（１５）は電気回路および磁気回路により構成され、前記磁気回路は縦方向に延びる溝を両側に有する円筒体により形成され、前記電気回路を形成する短絡巻線が前記溝内に広がる、請求項１に記載の電気機械変換器。
【請求項３】
前記インターロータ（１５）は磁束伝導性円柱体により形成され、一方側には永久磁性材料が塗布され、もう一方側には縦方向に延びる溝が設けられ、電気的にアクセス可能な巻線が前記溝内に設けられる、請求項１に記載の電気機械変換器。
【請求項４】
前記ステータの巻線および前記ロータの巻線は一つ以上のパワーエレクトロニック変換器（１２，１３）を介して相互接続される、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項５】
前記一つ以上のパワーエレクトロニック変換器（１２，１３）は単一の電気的ゲートを介して電気的にアクセス可能である、請求項４に記載の電気機械変換器。
【請求項６】
前記ステータの巻線および前記ロータの巻線は、それぞれ別々に、電気的ゲートを介してパワーエレクトロニック変換器によりアクセス可能である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項７】
駆動用燃焼機関を始動する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気機械変換器を具備した装置。
【請求項８】
電気機器に給電する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気機械変換器を具備した装置。
【請求項９】
エネルギー蓄積用システムが組み込まれている、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気機械変換器を具備した装置。
【請求項１】
ロータ（８）が取り付けられた一次側シャフト（５）、インターロータ（１５）が取り付けられた二次側シャフト（７）、および、電気機械変換器のハウジング（３）に固定して取り付けられたステータ（１０）が設けられ、
前記一次側シャフト（５）から半径方向に見ると、前記ロータ（８）、前記インターロータ（１５）および前記ステータ（１０）は互いに同心円状に配置され、
前記ロータ（８）および前記ステータ（１０）は、一つ以上の多相の電気的にアクセス可能な巻線を用いて設計されている、
電気機械変換器、特に、電動可変変速機であって、
前記インターロータ（１５）は、機械的にも電磁的にも一つの統一体を形成し、少なくとも接線方向及び半径方向に磁束を形成可能な導体として配置され、
前記インターロータの内側または外側の少なくとも一方の側における磁気伝導性材料内の磁極のパターンは動作中に自由に変更可能である
電気機械変換器。
【請求項２】
前記インターロータ（１５）は電気回路および磁気回路により構成され、前記磁気回路は縦方向に延びる溝を両側に有する円筒体により形成され、前記電気回路を形成する短絡巻線が前記溝内に広がる、請求項１に記載の電気機械変換器。
【請求項３】
前記インターロータ（１５）は磁束伝導性円柱体により形成され、一方側には永久磁性材料が塗布され、もう一方側には縦方向に延びる溝が設けられ、電気的にアクセス可能な巻線が前記溝内に設けられる、請求項１に記載の電気機械変換器。
【請求項４】
前記ステータの巻線および前記ロータの巻線は一つ以上のパワーエレクトロニック変換器（１２，１３）を介して相互接続される、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項５】
前記一つ以上のパワーエレクトロニック変換器（１２，１３）は単一の電気的ゲートを介して電気的にアクセス可能である、請求項４に記載の電気機械変換器。
【請求項６】
前記ステータの巻線および前記ロータの巻線は、それぞれ別々に、電気的ゲートを介してパワーエレクトロニック変換器によりアクセス可能である、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機械変換器。
【請求項７】
駆動用燃焼機関を始動する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気機械変換器を具備した装置。
【請求項８】
電気機器に給電する、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気機械変換器を具備した装置。
【請求項９】
エネルギー蓄積用システムが組み込まれている、請求項１から６のいずれか一項に記載の電気機械変換器を具備した装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１７０７４（Ｐ２０１０−１７０７４Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２０７４０５（Ｐ２００９−２０７４０５）
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【分割の表示】特願２００３−５７３７６４（Ｐ２００３−５７３７６４）の分割
【原出願日】平成１５年２月２８日（２００３．２．２８）
【出願人】（５０１２５９６６２）ネイダーランゼ、オルガニザティー、ボー、トゥーゲパストナトゥールウェテンシャッペルーク、オンダーツォーク、ティーエヌオー (28)
【氏名又は名称原語表記】ＮＥＤＥＲＬＡＮＤＳＥ ＯＲＧＡＮＩＳＡＴＩＥ ＶＯＯＲ ＴＯＥＧＥＰＡＳＴＮＡＴＵＵＲＷＥＴＥＮＳＣＨＡＰＰＥＬＩＪＫ ＯＮＤＥＲＺＯＥＫ ＴＮＯ
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月８日（２００９．９．８）
【分割の表示】特願２００３−５７３７６４（Ｐ２００３−５７３７６４）の分割
【原出願日】平成１５年２月２８日（２００３．２．２８）
【出願人】（５０１２５９６６２）ネイダーランゼ、オルガニザティー、ボー、トゥーゲパストナトゥールウェテンシャッペルーク、オンダーツォーク、ティーエヌオー (28)
【氏名又は名称原語表記】ＮＥＤＥＲＬＡＮＤＳＥ ＯＲＧＡＮＩＳＡＴＩＥ ＶＯＯＲ ＴＯＥＧＥＰＡＳＴＮＡＴＵＵＲＷＥＴＥＮＳＣＨＡＰＰＥＬＩＪＫ ＯＮＤＥＲＺＯＥＫ ＴＮＯ
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