JPH0837762A - 発電機と電動機を組み合わせた機械 - Google Patents

発電機と電動機を組み合わせた機械

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 例えばハイブリッド駆動構造を有するモータ
車両において大きな分布を有する電磁トルクコンバータ
として使用できる発電機と電動機を組み合わせた機械を
提供する。 【構成】 この電気機械は、内燃機関に連結された入力
軸(2) に中空円筒状発電機ロータ(6) を取りつけかつ中
空円筒状電動機ロータ(7) を出力軸(3) に取りつけ、両
方のロータ(6,7) の内側には円周にわたって分配されか
つ交番磁極を有する永久磁石を有する。少なくとも一つ
の切り換え可能な短絡巻線(11)を有するステータ(10)を
設け、ステータには短絡巻線を、案内兼変位装置(12,1
3,15)によりロータ(6,7) の永久磁石(8,9) の下で広範
囲にわたって変位できるように配置してある。永久磁石
(8,9) の間の磁場センサ(23,24) を用いて、互いに対向
して位置する永久磁石の極性を決定できかつ短絡ライン
(11)をセンサ信号に応じて開閉できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、請求項１の上位概念に
よる発電機と電動機を組み合わせた機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】ドイツ公開公報 DE-A 30 41 867 には、
燃焼機関が、電動機または発電機モードで随意に使用で
きる電気機械を駆動する電動機車両駆動装置が開示され
ている。この電気機械の出力側に配置されているのは、
手動歯車箱または自動歯車箱として構成することができ
る機械的変速機である。次いで、この変速機は差動歯車
装置を駆動し、この作動歯車装置で電動機車両の被駆動
車輪のための駆動車軸が始動する。
【０００３】他の発電機と電動機を組み合わせた機械が
米国特許 2,790,917に開示されており、共通のステータ
が、電動機ロータとそれに軸方向に隣接して位置する発
電機ロータとを覆っている。
【０００４】さらに、ドイツ実用新案 GB 457,972 に
は、二つのD.C.機械および両方の機械のロータを覆う共
通の励磁巻線を有する発電機と電動機を組み合わせた機
械が示され、励磁巻線は、伝達比を設定するための調整
装置によりロータに対し共軸に軸方向に変位できるよう
に配置されている。
【０００５】米国特許 4,532,447には、一方が他方の上
に同心に配置されている三つの作用構成要素を有する発
電機と電動機を組み合わせた機械が開示されている。中
心の構成要素 RT が、磁場センサにより交番磁場の周期
的変動中オンとオフに切り換えられる巻線を担持してい
る。
【０００６】さらに、無限に可変な変速機を使用すると
きに、内燃機関のトルクと動力特性を、所望に応じて走
行抵抗に広範囲にわたって釣り合わせることができるこ
とが知られている。それ故、車両の動力伝動には無限に
可変な変速機の方を機械的または自動多段変速機よりも
選ぶべきである。周知の多段変速機のもっている不利益
は過度に低い分布係数であり、特に比較的貧弱な効率で
ある。さらに、電気機械を収容する結果として、駆動組
立体の全長が増加し、そのため特に駆動組立体の前方横
方向設置の場合にはスペースの問題となることが時折あ
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】それ故、本発明の目的
は、この種の駆動組立体の全長を著しく短くすることが
できる電気機械を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この課題の解決は、請求
項１の特徴により実現される。本発明の有利な発展と具
体例は従属項に記載されている。さらに、電磁トルクコ
ンバータとしての本発明による発電機と電動機を組み合
わせた機械の使用と操作は請求項９から１０に請求され
ている。
【０００９】本発明は、一つのハウジング内の発電機と
電動機を組み合わせた機械において、単独のステータ
が、交番極性を有する永久磁石を備えた発電機および電
動機のロータの下で軸方向に変位可能であるように配置
されかつ一つまたは複数の短絡巻線を備えているが、こ
のステータは電気的変速機に無限に可変な制御を与える
のに充分であるという認識に基づいている。このように
して、発電機のロータと電動機のロータの両方がステー
タの同一の固定巻線と相互作用する。それ故、このD.C.
機械の必須の特徴は、同じ電流が発電機の構成要素内と
電動機の構成要素内を流れることである。
【００１０】ステータがその短絡巻線と共に軸方向に変
位できる可能性によって、発電機の構成要素と電動機の
構成要素の有効導体長さを変えることができる。無限に
可変な制御をする電気的変速機として本発明による発電
機と電動機を組み合わせた機械の回転速度とトルク伝達
比の開放ループおよび閉鎖ループ制御可能性が、発電機
ロータと電動機ロータの磁場における導体長さをこのよ
うに変えることにより可能になる。かくして、変速機の
所望のトルク伝達比（すなわち、分布）はステータを変
位させることにより広範囲にわたって設定することがで
きる。
【００１１】この種の電気機械のために伝達することが
できる典型的な脈動トルクは、ロータに取りつけられた
複数の補助モータにより平均することができる。このた
めに、トリクリップルをできるだけ小さくするように、
複数の導体長さがステータにずらして配置される。
【００１２】本発明によるD.C.機械の構造設計に特に重
要なのは、ステータの短絡巻線が、ハウジングの開口を
通って突出するロッドにより軸方向に変位させることが
できる摺動スリーブに取りつけられていることである。
この目的のために、ステータが中空円筒状摺動スリーブ
に取りつけられ、この摺動スリーブ自体は、発電機と電
動機を組み合わせた機械の入力軸と出力軸の回転軸線に
対して共軸に、ハウジングの内側に連結された中空円筒
状ステータ担持体の上を変位させることができる。
【００１３】本発明による電気機械の構造設計の他の特
徴は、電動機ロータの永久磁石が出力軸の方向において
発電機ロータの永久磁石の後ろに配置されるように発電
機ロータが電動機ロータを囲んでいることである。この
ようにして、特別に空間を節約する設計が達成される。
さらに、これによって、発電機のロータのおよび電動機
構成要素の永久磁石をステータ巻線から同じ距離に配置
することができる。
【００１４】駆動機械に、すなわち通常は内燃機関に連
結された入力軸がただ一つの軸受により機械ハウジング
に支持される。出力軸を支持するために、入力軸が機械
ハウジングに深く導入され、そしてそこに電動機のロー
タのための二つの軸受を担持し、その電動機ロータは出
力軸に着座している。さらに、出力軸は他の軸受により
機械ハウジングに支持される。
【００１５】最後に、発電機と電動機を組み合わせた機
械の構造は少なくとも二つの磁場センサを有し、その各
々は電動機および発電機ロータの永久磁石の間に配置さ
れる。これらの磁場センサを用いて、対向している機械
ロータの回転中、その瞬間に対向している永久磁石の極
性を決定することができる。このようにして決定できる
磁場センサの信号に応じて、ステータの短絡巻線を切り
換えることができ、したがって出力軸に連結されたロー
タの回転方向を制御することができる。このようにし
て、本発明によるD.C.機械は、ステータ巻線を変位させ
たときに電磁トルク変換器（または電磁的変速機）とし
て用いることができる。この種の発電機／電動機組合せ
の用途は、いわゆるハイブリッド駆動装置を有する電動
機車両において特に重要である。
【００１６】
【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例により詳細
に説明する。図１には、本発明による発電機と電動機を
組み合わせた機械の代表的な実施例を概略図で示す。駆
動機械（図示省略）に連結されている入力軸２が、１で
示したハウジングの中へ導かれている。入力軸２は軸受
５によりハウジング１に支持されかつ６により示された
発電機ロータを担持している。この発電機ロータは中空
の円筒状設計でありかつその長手方向範囲の外端部に内
側に向いている永久磁石９を有し、この永久磁石９は発
電機ロータの円周に沿って取り付けられかつ交番極性を
有する。
【００１７】軸受５と反対側にあるハウジング１の側で
は、出力軸３がハウジング１から出ている。この出力軸
３は軸受４によりハウジング１に支持されかつほぼ中空
円筒状設計である電動機ロータ７に連結されている。こ
のロータ７は、ハウジングの中へ深く導かれている入力
軸２に軸受１６、１７により取り付けられている。発電
機ロータ６のように、電動機ロータ７もその中空円筒状
の長手方向範囲の端部に、交番極性を有する内側に向い
ている永久磁石を担持している。
【００１８】発電機と電動機を組み合わせた機械の短い
設計のために特に重要なことは、発電機ロータ６が電動
機ロータ７を次のように、すなわちロータ６の永久磁石
９がロータ７の永久磁石８の後ろに出力軸３の方向に配
置されるように囲むことである。
【００１９】ステータ担持体１２は、中空円筒状設計で
あって入力軸２と出力軸３を囲んでいるが、ハウジング
１の内側から発電機および電動機ロータの中空円筒状空
間の中へ延びている。電気機械のステータ１０を担持す
る摺動スリーブ１３がこのステータ担持体１２に配置さ
れている。
【００２０】少なくとも一つの切り換え可能な短絡巻線
１１がステータ１０に取り付けられ、前記短絡巻線１１
は発電機構成要素と電動機構成要素のロータ６、７の永
久磁石８、９に作用的に接続されている。
【００２１】ステータ１０は、ハウジング１の開口２５
を通って突出しているロッド１５により入力軸２と出力
軸３に対して共軸に摺動スリーブ１３と共に変位させる
ことができる。
【００２２】ステータ１０の巻線１１が軸方向に変位で
きることにより、発電機構成要素と電動機構成要素の有
効導体長さを変えることができる。本発明によるD.C.機
械の回転速度とトルク伝達比の制御可能性が、電動機構
成要素と発電機構成要素の磁場における導体長さのこの
ような変化により実行される。
【００２３】図２には、発電機および電動機ロータ６、
７における永久磁石８、９の配置を概略的に示す。矢印
はロータの回転方向を示し、部分的にしか示されていな
い短絡巻線１１は図１による位置に対応するステータ位
置に示してある。短絡巻線１１のスイッチ１８は、短絡
巻線を例えば二極トランジスタにより短絡できることを
示している。
【００２４】発電機磁石対は、巻線が短絡した（スイッ
チ１８が閉じた）状態のロータ６で内燃機関により駆動
される場合に、永久磁石９の運動により電圧が巻線１１
に誘起され、前記電圧の結果としてこの導体ループに電
流が流れることになる。ロータ６、７に反対極性の永久
磁石があるとすれば、この電流が、駆動部（発電機ロー
タ６）の回転運動と同じ方向を有する電動機ロータ７に
作用する力をもたらす。同じ符号の二つの極が互いに対
向して位置している場合には、力が反対方向に作用す
る。
【００２５】巻線が永久的に短絡すれば、発電機側が回
転する際に、絶えず変化する符号でもって力が出力に作
用する。それ故、出力側がアイドリングの場合でさえ、
回転運動が引き起こされない。どの方向の力が出力で、
すなわち電動機ロータ７で所望されるかに依って、それ
故常に互いに対して二つの永久磁石対の「正しい」およ
び「正しくない」位置がある。
【００２６】ここに示された本発明の本質的な特徴は、
磁石の「正しい」位置に対し電流の流れを許し（図２の
スイッチ１８が閉じている）および永久磁石の「正しく
ない」位置に対し電流の流れを阻止する（スイッチ１８
が開いている）ことである。この機能的原理が絶えず追
求されれば、車両駆動として利用できる脈動トルクが出
力側に作用する。パルス周波数は、巻線の活動および不
活動の期間により与えられる。最大周波数は、理論的に
は、出力側が静止していて駆動側がその最大回転速度に
あるときに起こる。ガソリン機関の最大回転速度は、全
ての場合に、100 Hzに対応して6,000 rpm である。この
結果として、28極の機械において加えられた電圧に対し
約1.4 ｋHzの周波数になる。最新の半導体要素はそのよ
うな値と対処できるので好都合である。
【００２７】出力軸３の出力が負荷されると、有効値が
出力側負荷トルクに比例する電流が巻線１１に得られ
る。有効導体長さが発電機構成要素と電動機構成要素
（図１、図２）において同じである場合には、入力速度
に等しい出力側アイドリングのための出力速度が得られ
る。この理論的限界の場合の電流はゼロである。装荷が
起こると、回転速度が装荷にしたがって落ち、すなわち
出力側がD.C.分巻電動機の特性または外側で励磁される
D.C.機械の特性を有する。この位置では、両方のロータ
の伝達トルクは同じであり、これはｉ：１の歯車箱伝達
比に対応する。
【００２８】図３は、ステータ１０を電動機ロータの永
久磁石の方向に変位させた本発明による発電機と電動機
を組み合わせた機械を示し、ロッド１５の変位方向を１
９で示してある。この位置では、短絡巻線１１は、図４
により、その有効長さが発電機ロータ６の永久磁石９の
領域内よりも電動機ロータ７の永久磁石８の領域内にさ
らに非常に進んで位置し、その結果出力側トルクが増大
して出力速度が減少する。
【００２９】短絡巻線１１を図５、６により矢印２０の
方向に変位させると、反対の効果が起こる。出力軸３の
出力速度が増加すると共に、出力トルクが減少する。短
絡巻線１１を、ステータ１０が発電機ロータの方向にあ
る状態に変位させると、駆動構成要素の有効導体長さが
いっそう大きくなり、対照的に出力構成要素の有効導体
長さがいっそう小さくなる。電流の有効値が第一次近似
で負荷トルクにのみ依存するので、その有効値をここで
は初めに一定と考えることができる。出力構成要素の導
体長さが減少すると、伝達トルクが減少する。対照的
に、発電機構成要素の遡及的トルクが増大する。損失を
無視すると、供給された動力は出力と同じでなければな
らないので、その結果は出力側の回転速度の増大であり
かつ駆動側の回転速度の減少である。
【００３０】それ故、ステータの変位の結果として、無
限に可変な電気的変速機を非常に大きな分布でつくるこ
とができる。このように、この発電機と電動機を組み合
わせた機械を用いて、慣用の変速機、例えば変換器を含
む遊星歯車を例えば冒頭に述べた駆動構造において取り
替えることができる。さらに、ステータの適当な変位と
共に、本発明によるD.C.機械をモータ車両のためのスタ
ータまたはダイナモとして用いることもできる。
【００３１】すでに説明しかつ図面にスイッチシンボル
１８により示したように、互いに対する永久磁石８、９
の個々の極の位置に応じてステータ巻線をオンとオフに
切り換えなければならない。図７に示したように、半導
体スイッチ、例えばあまり費用のかからない切り換えト
ランジスタ２１、２２を有利にも遮断器として用いるこ
とができる。
【００３２】すでに述べかつ図８に示したように、磁場
センサ２３、２４は、各場合に発電機および電動機ロー
タ６、７において永久磁石８、９の間に配置されるが、
これらのスイッチ１８を作用させるのに役立つ。これら
の磁場センサは、これらに対向して位置する永久磁石の
磁場の極性を検出し、そしてこれによりスイッチ１８を
作用させることができる。互いに対する磁極の位置に応
じて巻線のスイッチオンおよびスイッチオフ時間によ
り、所望に応じてこの電磁トルクコンバータの両方の回
転方向を得ることができる。これに当てはまる法則は、
単純化した形では、両方のセンサ２３、２４が異なる磁
場極性を感知してスイッチ１８がスイッチオンした場合
に二つのロータが同じ方向に回転するが、センサ２３、
２４が同じ磁場極性を感知してスイッチ１８がスイッチ
オンした場合にロータ６、７が反対方向に回転させられ
るということである。このように、磁場センサ２３、２
４からの情報の評価後、入力ロータ（発電機ロータ６）
に対する出力ロータ（電動機ロータ７）の回転方向を所
望通りに選択することができるようにステータ１０の短
絡巻線１１を遮断器２１、２２を用いて切り換えること
ができる。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明により、駆
動組立体の全長を著しく短くすることができる発電機と
電動機を組み合わせた電気機械が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発電機／電動機組合せの概略横断面図である。
【図２】図１による発電機と電動機のロータの永久磁石
の上のステータ巻線の重なりの概略図である。
【図３】ステータを出力軸の方向に変位させた場合の図
１による図である。
【図４】図３によるステータ巻線の位置に関連した図２
による図である。
【図５】ステータを出力軸の方向に変位させた場合の図
１による図である。
【図６】図２による図であるが、ステータを図５により
変位させた場合を示す図である。
【図７】ステータ巻線を作用させるための遮断器の回路
図である。
【図８】発電機と電動機ロータにおける磁場センサの配
置の概略図である。
【符号の説明】
１ ハウジング ２ 入力軸 ３ 出力軸 ６ 発電機ロータ ７ 電動機ロータ ８，９ 永久磁石 １０ ステータ １１ 短絡巻線 １２ ステータ担持体 １３ 摺動スリーブ １５ ロッド １６，１７ 軸受 ２３，２４ 磁場センサ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 発電機と電動機の両方のロータとステー
    タが配置されているハウジング(1) を有し、入力軸(2)
    に取り付けられた中空円筒状発電機ロータ(6) を有し、
    出力軸(3) に取り付けられた中空円筒状電動機ロータ
    (7) を有し、ロータ(6,7)は軸方向に互いに隣接して位
    置しかつロータの内側には、交番極性をもって周方向に
    分配された永久磁石(8,9) を有し、中空円筒状ロータ
    (6,7) の内側に軸方向に変位可能に配置された中空円筒
    状ステータ(10)を有し、このステータは、二つのロータ
    の永久磁石の互いの位置に応じて切り換えられる少なく
    とも一つの短絡巻線(11)を有する発電機と電動機を組み
    合わせた機械。
  2. 【請求項２】 摺動スリーブ(13)に取り付けられたステ
    ータ(10)は、ハウジングの開口(25)を通って突出しかつ
    スリーブ(13)に係合するロッド(15)により、ハウジング
    （1)の内側に連結された中空円筒状ステータ担持体(12)
    の上を軸(2,3）の回転軸線に対して共軸に変位させるこ
    とができることを特徴とする請求項１の機械。
  3. 【請求項３】 電動機ロータ(7) の永久磁石(9) がロー
    タ(7) の永久磁石(8) の後ろに出力軸(3) の方向に配置
    されていることを特徴とする請求項１または２の機械。
  4. 【請求項４】 ロータ(6,7) の永久磁石(8,9) がステー
    タ巻線(11)から同じ間隔を置いて配置されていることを
    特徴とする請求項１から請求項３までのうちのいずれか
    一つに記載の機械。
  5. 【請求項５】 出力軸(3) に連結されたロータ(7) が軸
    受(16,17) により入力軸(2) に支持されていることを特
    徴とする請求項１から請求項４までのうちのいずれか一
    つに記載の機械。
  6. 【請求項６】 磁場センサ(23,24) がロータ(6,7) に永
    久磁石(8,9) の間に配置されていることを特徴とする請
    求項１から請求項４までのうちのいずれか一つに記載の
    機械。
  7. 【請求項７】 ステータ(10)に複数の別々の短絡巻線(1
    1)が設けられていることを特徴とする請求項１または２
    の機械。
  8. 【請求項８】 請求項１から７までのうちのいずれか一
    つの機械を電磁トルクコンバータとして用いる使用方
    法。
  9. 【請求項９】 請求項８の特徴を有する電気的トルクコ
    ンバータの制御方法において、出力軸(3) に連結された
    ロータ(7) の回転方向を、磁場センサ(23,24) の信号に
    応じてステータ(10)の巻線(11)を切り換えることにより
    制御することを特徴とする方法。
  10. 【請求項１０】 請求項８の特徴を有する電磁トルクコ
    ンバータの制御方法において、出力軸(3) の回転速度と
    出力トルクを、電動機と発電機のロータ(6,7) の永久磁
    石(8,9) に沿ってステータ巻線を変位させることにより
    制御することを特徴とする方法。
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