(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン複合発動機タービンと、
第１の量の永久磁石を含む高速ロータと、第２の量の永久磁石を含む低速ロータと、該高速ロータ及び該低速ロータの間の多極ロータとを含む磁気歯車からなるパワースプリット装置と、を備え、
前記磁気歯車は、
前記タービンによって駆動されるように構成された機械的入力ドライブを含む、前記高速ロータ、前記低速ロータ、及び前記多極ロータのうちいずれか１つの第１ロータと、
機械的出力ドライブを含む、前記高速ロータ、前記低速ロータ、及び前記多極ロータのうちいずれか１つの第２ロータと、
機械的ドライブに接続されておらず、入力ドライブ角速度と出力ドライブ角速度との比を制御するための制御ロータを含む、前記高速ロータ、前記低速ロータ、及び前記多極ロータのうちいずれか１つの第３ロータとを備える、電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項２】
前記第３ロータの回転速度を制御する制御装置を備え、それによって入力ドライブ角速度と出力ドライブ角速度の前記比を制御する、請求項１に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項３】
前記制御装置がステータを含み、前記第３ロータと該ステータが、該ステータに対する前記第３ロータの回転時に電力を発生するように構成された電気機械を形成する、請求項２に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項４】
ステータとコントローラを含み、該ステータと前記第３ロータが、該ステータに対する前記第３ロータの回転時に電力を発生するように構成された電気機械を形成し、前記コントローラが、前記電気機械により発生した電力の量を制御することにより、入力ドライブ角速度と出力ドライブ角速度の比を制御する、請求項１に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項５】
前記電気機械に接続される電力貯蔵装置を含み、前記電気機械により発生した電力を該電力貯蔵装置に貯蔵する、請求項４に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項６】
前記コントローラが、前記電気機械を制御して、前記電力貯蔵装置から前記電気機械への電力の伝達時に前記第１ロータ、前記第２ロータ、及び前記第３ロータの１つ以上のロータの回転を引き起こすことによって機械動力を発生させるように構成される、請求項５に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項７】
請求項６に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機を含む内燃機関であって、該内燃機関がクランク軸を含み、前記パワースプリット装置の前記機械的出力ドライブが該クランク軸に接続され、前記コントローラが、前記電気機械への電力の伝達を制御して、前記電気機械によって発生する機械動力によりクランク軸を回転させる、内燃機関。
【請求項８】
前記機械的入力ドライブが、前記コントローラの制御下で前記タービンに接続可能かつ取り外し可能である、請求項７に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記第１ロータが前記多極ロータである、請求項１に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項１０】
前記第２ロータが前記低速ロータである、請求項９に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項１１】
前記第２ロータが前記高速ロータである、請求項９に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項１２】
前記第１ロータが前記高速ロータである、請求項１に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項１３】
前記第２ロータが前記多極ロータである、請求項１２に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項１４】
前記第２ロータが前記低速ロータである、請求項１２に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項１５】
前記第１ロータが前記低速ロータである、請求項１に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項１６】
前記第２ロータが前記多極ロータである、請求項１５に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項１７】
前記第２ロータが前記高速ロータである、請求項１５に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項１８】
前記高速ロータが、同心円状に配置された第１ロータ、第２ロータ、及び第３ロータのうち最も外側のロータである、請求項１に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項１９】
前記高速ロータが、同心円状に配置された第１ロータ、第２ロータ、及び第３ロータのうち最も内側のロータである、請求項１に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項２０】
前記第１ロータと前記第２ロータとの間の磁束が、前記第１ロータ及び前記第２ロータの回転軸に対して放射状に延びる、請求項１に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項２１】
前記第１ロータと前記第２ロータとの間の磁束が、前記第１ロータ及び前記第２ロータの回転軸に対して軸方向に延びる、請求項１に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項２２】
ステータを含み、前記第３ロータと該ステータが、該ステータに対する前記第３ロータの回転時に電力を発生するように構成された電気機械を形成する、請求項１に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項２３】
前記第１ロータと前記第２ロータとの間の磁束が、前記第１ロータ及び前記第２ロータの回転軸に対して放射状に延びる、請求項２２に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項２４】
前記第３ロータと前記ステータとの間の磁束が、前記第１ロータ及び前記第２ロータの回転軸に対して放射状に延びる、請求項２３に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項２５】
前記第３ロータと前記ステータとの間の磁束が、前記第１ロータ及び前記第２ロータの回転軸に対して軸方向に延びる、請求項２３に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項２６】
前記第１ロータと前記第２ロータとの間の磁束が、前記第１ロータ及び前記第２ロータの回転軸に対して軸方向に延びる、請求項２２に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項２７】
前記第３ロータと前記ステータとの間の磁束が、前記第１ロータ及び前記第２ロータの回転軸に対して放射状に延びる、請求項２６に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項２８】
前記第３ロータと前記ステータとの間の磁束が、前記第１ロータ及び前記第２ロータの回転軸に対して軸方向に延びる、請求項２６に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機。
【請求項２９】
請求項１に記載の電磁式無段変速パワースプリットタービン複合発動機を含む、内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してタービン複合発動機、より詳細には、電磁式無段変速機（ＣＶＴ）パワースプリットタービン複合発動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
機械式タービン複合発動機エンジンはよく知られており、例えば、特許文献１に記載されており、一般に、排気ガス流中に配置されるパワータービンを含み、これは適切な歯車減速装置を介した機械駆動継手と、エンジンのフライホイールを駆動する流体又はばね継手とを備える。このようなタービン複合発動機エンジンにおいては、エネルギーは、排気ガス流から回収されて、エンジン出力軸に再び与えられ、ブレーキ専用燃料の消費を低減する。但し、この場合、タービン複合発動機の回転速度は、エンジン（クランク軸）の回転速度によって決定される。様々な理由から、エンジン（クランク軸）の回転速度とは独立して、パワータービンの回転速度を制御できることが望ましい。
【０００３】
電気式タービン複合発動機が、機械式タービン複合発動機に関連する問題の多くに対する解決策として提案されている。電気式タービン複合発動機は、パワータービンに直接接続した高速発電機を含んでいてもよく、これは、受動整流器、又は制御型インバーターのいずれかとしての付属の電力電子装置を備える。発生した電力がいったんＤＣ（直流）に変換されると、好適な貯蔵装置又は電送装置があれば、電力は貯蔵されるか、あるいは車両のどこにおいても直ちに使用することができる。回収された排気動力を、車両を駆動するのに使用するためには、これを機械動力に再変換しなければならない。
【０００４】
このようなシステムは、タービン複合発動機速度が可変であるという利点をもたらしうるが、システムの複雑度及び効率に関しては相当な対価がかかる。一例として、４０ｋＷの排気エネルギーの回収を可能にし、しかも回収エネルギーの１００％をクランク軸に与えられるように寸法決定されたシステムは、容量４０ｋＷの高速発電機、発生ＡＣのＤＣへの変換に関連する容量４０ｋＷの電力電子装置、中間ＤＣのＡＣへの変換に関連する容量４０ｋＷの電力電子装置、並びに容量４０ｋＷの電気機械が必要となるだろう。また、効率も毎回の中間変換によって低下しうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第４，８４３，８２２号明細書
【特許文献２】国際公開２００７／１４４５５６号パンフレット
【特許文献３】国際公開２００７／１２５２８４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パワースプリット電気タービン複合発動機を使用することにより、タービン複合発動機速度が独立に変動するように、動力の大部分を機械式タービン複合発動機に直接伝送することができ、回収エネルギーの最小部分しか電気エネルギーに変換されない。パワースプリット電気タービン複合発動機では、機械的遊星歯車を使用して、パワースプリット装置（ＰＳＤ）構成が伝統的に達成されている。このようなシステムは、歯車装置の典型的問題、例えば、潤滑の必要性、歯車の摩耗、妨害、騒音、振動などを被る傾向がある。さらに、ギヤ比は、遊星歯車内の歯車の大きさによる制約を受ける。これらの問題のいくつか又はすべてを解消できるシステムを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様において、電磁式ＣＶＴパワースプリットタービン複合発動機は、内燃機関からの排気ガスによって駆動されるタービン複合発動機タービンと、磁気歯車からなるパワースプリット装置とを含む。磁気歯車は、第１の量の永久磁石を含む高速ロータと、第２の量の永久磁石を含む低速ロータと、高速ロータ及び低速ロータの間の多極ロータとからなる。高速ロータ、低速ロータ、及び多極ロータの第１ロータは、上記タービンによって駆動されるように構成された機械的入力ドライブを含む。高速ロータ、低速ロータ、及び多極ロータの第２ロータは、機械的出力ドライブを含む。高速ロータ、低速ロータ、及び多極ロータの第３ロータは、機械的ドライブに接続されておらず、入力ドライブ角速度と出力ドライブ角速度の比を制御するための制御ロータを含む。
【０００８】
本発明の特徴及び利点は、図面と共に以下に示す詳細な説明を読むことにより、十分に理解されよう。尚、これらの図面において、同様の数字は類似の要素を示すものとする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一態様に従った、電磁式ＣＶＴパワースプリットタービン複合発動機を備える内燃機関を含む車両の動力伝達系統の側面の概略的な部分断面図である。
【図２】本発明の別の態様に従った、電磁式ＣＶＴパワースプリットタービン複合発動機の側面の概略的な断面図である。
【図３】本発明の別の態様に従った、電磁式ＣＶＴパワースプリットタービン複合発動機の側面の概略的な断面図である。
【図４】本発明の別の態様に従った、電磁式ＣＶＴパワースプリットタービン複合発動機の側面の概略的な断面図である。
【図５】本発明の別の態様に従った、電磁式ＣＶＴパワースプリットタービン複合発動機の側面の概略的な断面図である。
【図６】本発明の別の態様に従った、電磁式ＣＶＴパワースプリットタービン複合発動機の側面の概略的な断面図である。
【図７】本発明の別の態様に従った、電磁式ＣＶＴパワースプリットタービン複合発動機の側面の概略的な断面図である。
【図８】本発明の別の態様に従った、電磁式ＣＶＴパワースプリットタービン複合発動機の側面の概略的な断面図である。
【図９】本発明の別の態様に従った、電磁式ＣＶＴパワースプリットタービン複合発動機の側面の概略的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
電磁式ＣＶＴパワースプリットタービン複合発動機２３を含む内燃機関２１を図１に示す。内燃機関２１は、ターボチャージャタービン２５ａとターボチャージャコンプレッサ２５ｂとを有するターボチャージャ２５を含む。しかし、ターボチャージャ２５は選択的である。タービン複合発動機２３は、内燃機関２１からの排気ガスによって駆動される動力回収タービン２７（以下「タービン」、「タービン複合発動機タービン」などと呼ぶ）を含む。排気管２９が、タービン２７と内燃機関２１とをつないでいる。
【００１１】
タービン複合発動機２３は、磁気歯車３３を含むパワースプリット装置３１（ＰＳＤ）をさらに含む。磁気歯車３３は、第１の量の永久磁石３７を含む高速ロータ３５（ＨＳＲ）と、第２の量の永久磁石４１を含む低速ロータ３９（ＬＳＲ）と、高速ロータと低速ロータの間の多極ロータ４３（ＰＰＲ）とからなる。ＰＰＲ４３は、一般に、例えば積層鋼構造から、又は粉末状金属材料（往々にしてＳＭＣ（軟磁性複合材料）と呼ばれる）から渦電流を形成する方法などによって、渦電流を最小限に抑えるように設計される。特許文献２及び特許文献３は、磁気歯車３３に関連して用いるのに適した磁気歯車の実施形態を開示しているが、これらは参照として本明細書に組み込まれる。
【００１２】
特定の理論に拘束されるものではないが、本発明の態様に関連して用いるために本発明で考慮されるタイプの磁気歯車の動作の基本的原理は、１つの磁気ロータの磁界を、極磁片ロータによる別の磁気ロータの磁界の変調によって形成される空間高調波に結合させることである。機械的遊星歯車と同様に、磁気歯車は固定比を有するが、この比から、歯車を作動させることができる別の比を決定することができる。機械的遊星歯車の場合には、固定型遊星キャリヤと共に、太陽歯車と旋回大歯車との間の角速度の比を決定するのが一般的である。従って、機械的遊星歯車の場合には、「基本ギヤ比」、すなわち、ｋは以下の通りである。
【数１】
0005567596.tif 000002
（式中、ωＳ、ωＲ、ωＣは、それぞれ太陽歯車、大旋回歯車及びキャリヤの角速度であり、ＺＳ、ＺＲは、太陽歯車及び大旋回歯車の歯の数である）。機械的遊星歯車との比較により、固定型多極ロータ（極磁片ロータとも呼ばれる）による磁気歯車変速についても「基本ギヤ比」を決定することができる。従って、磁気歯車の場合には、「基本ギヤ比」は以下の通りである。
【数２】
0005567596.tif 000003
（式中、ωＨＳＲ、ωＬＳＲ、ωＰＰＲは、それぞれ高速ロータ（ＨＳＲ）、低速ロータ（ＬＳＲ）、及び多極ロータ（ＰＰＲ）の角速度であり、ＰＨＳＲ、ＰＬＳＲは、ＨＳＲ及びＬＳＲにおける磁石対の数である）。ＨＳＲ及びＬＳＲの両方についての極対（Ｎ及びＳ配列磁極の対）の数は、ＰＰＲの磁極片の数同様に、どんな設計についても決定する。機械的歯車３３においては、３つの要素すべてが回転できるようにして、２つの自由度を導入する。このような構成では、ＨＳＲ及びＬＳＲと、ＰＰＲとの間の角速度の比は、以下の等式により与えられる。
（３）  ＰＨＳＰωＨＳＲ＋ＰＬＳＲωＬＳＲ＝（ＰＨＳＲ＋ＰＬＳＲ）ωＰＰＲ
【００１３】
３つの回転要素と２つの自由度を有し、１つの要素が、例えば入力軸に接続され、１つの要素が、例えば出力軸に接続されているとき、入力角速度と出力角速度との比は、「基本ギヤ比」と、残る非接続の「制御ロータ」の速度とによって決定される。入力角速度と出力角速度との比、すなわち「変速比」は、連続的に変動可能である。
【００１４】
ＰＳＤ３１は、タービン２７によって駆動されるように構成された機械的入力ドライブ４７を含む第１ロータ４５と、機械的出力ドライブ５１を含む第２ロータ４９と、機械的ドライブに接続されておらず、入力ドライブ角速度と出力ドライブ角速度との比を制御するための制御ロータを含む第３ロータ５３とを備える。磁気歯車３３は、様々な構成で配置することができ、そのいくつかを図１〜図９に示しているが、第１ロータは、ＨＳＲ、ＬＳＲ、及びＰＰＲの１つであってよく、第２ロータは、ＨＳＲ、ＬＳＲ、及びＰＰＲの１つであってよく、また、第３ロータは、ＨＳＲ、ＬＳＲ、及びＰＰＲの１つであってよい。例示する目的で、図１に示す実施形態においては、第１ロータ４５はＬＳＲ３９であり、第２ロータ４９はＰＰＲ４３であり、第３ロータ５３はＨＳＲ３５である。機械的入力ドライブ４７及び機械的出力ドライブ５１は軸方向接続で示されているが、例えば、適切な伝動装置を設ける方法などにより、軸方向のオフセット接続であってもよいことは理解されよう。
【００１５】
制御装置５５は、第３ロータ５３の回転速度を制御して、入力ドライブ角速度と出力ドライブ角速度との比を制御するために設けられるが、この比は、図１の実施形態については、ＬＳＲ３９の角速度ωＬＳＲとＰＰＲ４３の角速度ωＰＰＲとの比である。制御装置５５は、ステータ５７と第３ロータ５３とを含む。第３ロータ５３とステータ５７は、ステータに関して第３ロータの回転時に電力を発生する、すなわち、機械動力の伝達によって電力を発生するように構成された電気機械５９を形成する。発生した電力は、バッテリー６１のような電力貯蔵装置に貯蔵するか、あるいは、例えば、電気部品を含む従来の車両又はハイブリッド自動車などの車両６５（図１に擬似的に概略を示す）における電気系統６３のような既存の電気系統との連結などにより、別の機械を駆動するのに使用できる。電気機械５９はまた、通常、モーターとしても機能できる。すなわち、電気機械５９は、例えば、電力貯蔵装置６１から該電気機械に電力を伝達する際、１つ以上のロータの回転を引き起こすことにより機械動力を発生できる。
【００１６】
制御装置５５は、一般に、例えば、電気機械によって発生する電力の量（発生した電力が、正（例えば、発電機操作）又は負（例えば、モーター操作）のいずれであるかなど）を制御することにより、入力ドライブ角速度と出力ドライブ角速度との比を制御するためのコントローラ６７を含む。コントローラ６７は、一般に、電子制御ユニット（ＥＣＵ）のようなコンピューターを含み、非計算タスクを実施する他の構成要素を含んでもよい。例えば、コントローラ６７は、要求されるトルクが発生するように、電気機械の相巻線中の電流を制御する必要があると考えられる。これは、通常、当業者には周知の方法でマイクロコントローラにより制御される電力電子装置によって達成される。電力電子装置の目的は、電力の流れを制御することである。
【００１７】
エンジン２１は、通常、フライホイールなどの荷重６９を含むか、又は該荷重に連結されており、ＰＳＤ３１の機械的出力ドライブ５１は、一般に、任意の好適な連結装置、例えば、固定された伝動装置によって上記荷重に連結される。コントローラ６７は、例えば、電力貯蔵装置６１から電気機械５９への電力の伝達を制御することにより、例えば、電気機械５９により発生する機械動力によってクランク軸６８を回転させるように構成することができる。機械的入力ドライブ４７は、機械的入力ドライブとタービンとの間にロックアップ装置７３を設けるなどの方法により、回転するのを阻止できる。こうしたロックアップ装置７３は、クラッチシステム、又は摩擦ブレーキ、あるいは連結要素、例えば、ピン又はつめに類似したものでよく、これらは、電磁、油圧、空気若しくは機械により作動させる。このようにして、始動／エンジンクランキング中に第１ロータ４５の回転を阻止することにより、電気機械５９のトルクをクランク軸に与えることができる。もしこれが、コントローラ６７によって制御可能なロックアップ装置７３であれば（図１において、制御可能なロックアップ装置７３とコントローラ６７を結ぶ点線で示すように）、エンジンブレーキモード中に作動させれば同様に有利であろう。制御可能なロックアップ装置の代わりに、機械的入力ドライブ４７とタービン２７との間に「フリーホイール」又はラチェットタイプの接続を用いて、始動／エンジンクランキング中に第１ロータ４５の回転を阻止することにより、電気機械５９のトルクをクランク軸６８に供給することも可能である。
【００１８】
現在のところ、ほとんどのＰＳＤ３１設計は、一般に、制御電気機械５９の磁気回路における第３又は制御ロータ５３として、ＨＳＲ又はＬＳＲ磁石いずれかの磁束を用いることが考慮されているが、ＰＰＲを用いて変速比を制御することも可能である。制御ロータとしてＰＰＲ４３を用いることは、従来の電気機械を、パワースプリット装置としての磁気歯車と組み合わせることと概念は同じと考えられ、二次磁気回路が必要になる。しかし、このような構成も排除されるわけではなく、また、ＨＳＲ３５、ＬＳＲ３９、及びＰＰＲ４３は、図２〜図７に示すように、図１に示す構成に限定されるものではない。
・図２は、第１ロータ２４５がＰＰＲ４３であり、第２ロータ２４９がＬＳＲ３９であり、第３ロータ２５３がＨＳＲ３５である、タービン複合発動機２２３を示す。
・図３は、第１ロータ３４５がＰＰＲ４３であり、第２ロータ３４９がＨＳＲ３５であり、第３ロータ３５３がＬＳＲ３９である、タービン複合発動機３２３を示す。
・図４は、第１ロータ４４５がＨＳＲ３５であり、第２ロータ４４９がＰＰＲ４３であり、第３ロータ４５３がＬＳＲ３９である、タービン複合発動機４２３を示す。
・図５は、第１ロータ５４５がＨＳＲ３５であり、第２ロータ５４９がＬＳＲ３９であり、第３ロータ５５３がＰＰＲ４３である、タービン複合発動機５２３を示す。
・図６は、第１ロータ６４５がＬＳＲ３９であり、第２ロータ６４９がＨＳＲ３５であり、第３ロータ６５３がＰＰＲ４３である、タービン複合発動機６２３を示す。
【００１９】
所与のＰＳＤにおいて、第１ロータ、第２ロータ、又は第３ロータとして様々な機能を果たすことに加えて、ＨＳＲ３５、ＬＳＲ３９、及びＰＰＲ４１は、多様な物理的構成に配置できる。例えば、図２は、同心円状に配置された第１ロータ２４５、第２ロータ２４９、及び第３ロータ２５３からなる、最も外側のロータとしてのＨＳＲ３５を示すのに対し、図４は、ＨＳＲ３５が、同心円状に配置された第１ロータ４４５、第２ロータ４４９、及び第３ロータ４５３からなる、最も内側のロータともなりうることを示す。
【００２０】
図７は、ＨＳＲ３５、ＬＳＲ３９及びＰＰＲ４１が同心円状に配置されており、ＨＳＲ３５が、ＬＳＲ３９の放射状に内側及び放射状に外側のどちらであってもよいことを示している。この実施形態では、ＨＳＲ３５は、第３ロータ７４５として機能し、ＬＳＲ３９は、第１ロータ又は第２ロータのいずれであってもよい。
【００２１】
例えば、図１に示す実施形態においては、第１ロータ４５と第２ロータ４９との間（並びに第１ロータ４５、第２ロータ４９、及び第３ロータ５３の間）の磁束は、第１ロータ及び第２ロータの回転軸に対して放射状に延びている。図８は、第１ロータ８４５と第２ロータ８４９との間（並びに第１ロータ８４５、第２ロータ８４９、及び第３ロータ８５３の間）の磁束が、第１ロータ及び第２ロータの回転軸に対して軸方向に延びる配置を示す。
【００２２】
例えば、図１に示す実施形態では、第１ロータ４５と第２ロータ４９との間の磁束は、第１ロータ及び第２ロータの回転軸に対して放射状に延びており、また、第３ロータ５３とステータ５７との間の磁束は、第１ロータ及び第２ロータの回転軸に対して放射状に延びている。図８は、第１ロータ８４５と第２ロータ８４９との間の磁束が、第１ロータ及び第２ロータの回転軸に対して軸方向に延びており、また、第３ロータ８５３とステータ８５７との間の磁束が、第１ロータ及び第２ロータの回転軸に対して軸方向に延びる実施形態を示す。図９は、第１ロータ９４５と第２ロータ９４９との間の磁束が、第１ロータ及び第２ロータの回転軸に対して放射状に延びており、また、第３ロータ９５３とステータ９５７との間の磁束が、第１ロータ及び第２ロータの回転軸に対して軸方向に延びる実施形態を示す。
【００２３】
本発明の態様のタービン複合発動機においてＣＶＴを使用すると、様々な利点が得られる。例えば、独立の動力タービン２７を用いて、該タービンの速度をエンジン２１についての低燃料消費に関して最適化できる。低エンジン荷重では、タービン複合発動機を制御してアイドリングさせることができるため、定回転速度のタービンと比較して多量の排気エネルギーを回収できる。高エンジン荷重かつ低エンジン速度であれば、排気エネルギー回収を増大するように、タービン複合発動機をより最適な速度で運転することができる。
【００２４】
例示のために、動力タービン及びエンジンの特定の設計においては、低エンジン荷重かつ高エンジン速度では、タービンがクランク軸の回転速度の約２０倍で動作しているとき、最適量の動力を動力タービンにより排気ガスから抽出できる。また、高エンジン荷重かつ低エンジン速度では、タービンがクランク軸の回転速度の約９０倍で動作しているとき、最適量の動力を動力タービンにより排気ガスから抽出できる。上記の比２０：１〜９０：１の範囲は、動力タービン及びエンジンの１つの具体的設計に特有のものであり、この比は、動力タービン及びエンジンの様々な設計によって変動する。しかし、タービンとクランク軸との間の固定ギヤ比を選択することについての利点はみとめることができる。固定ギヤ比を最小理想比から最大理想比までの範囲から選択する場合には、エンジンが、高荷重かつ低速度であるとき、動力タービンは、最大システム効率が達成される速度より低い速度で動作することになる。反対に、低荷重かつ高エンジン速度では、動力タービンは、最大システム効率が達成される速度を超える速度で動作することになる。
【００２５】
本発明の態様から得られる別の利点は、ＥＧＲ量を増大するために排気背圧を上昇させるときに発生する、増加したエンジンポンプ損失の一部を回収することが可能である（タービン複合発動機タービン動力と同様）点に関する。例えば、排気行程中に、シリンダから排気ガスを排出させるためには、４サイクルエンジンが稼働しなければならない。これより多くの再循環排気ガスが必要な場合（例えば、排出規制のため）には、排気行程中にエンジンが稼働する背圧は上昇するため、エンジンは、排気ガスについて、より多くの作業を行うのだが、通常この排気ガスは失われる。タービン速度がクランク軸速度から切り離されているタービン複合発動機では、過渡時であっても最適タービン速度が得られるように、制御ロータの速度を制御することにより、排気ガスになされたポンプ作業のより大きな割合を回収できる。
【００２６】
本発明の態様から得られる別の利点は、ターボチャージャに対する圧力降下を増大し、これによってターボラグ、すなわちターボチャージャが所望の吸気圧力を供給できるまでの遅延時間を短縮する目的で、可変タービン複合発動機の速度を高めることにより改善される加速に関する。ターボチャージャのコンプレッサは、排気流におけるタービン複合発動機の上流で、ターボチャージャのタービンによって駆動されている。吸気チャージを圧縮するのに供給される動力は、ターボチャージャのタービンにより排気ガスから抽出される動力に応じて変動する。このように、吸気コンプレッサに供給される動力（従ってターボラグも）は、ターボチャージャタービンにおける差圧に依存する。従って、圧力低下を増大させることにより、ターボラグを改善（短縮）できる。
【００２７】
磁気歯車ＰＳＤを用いることにより、歯車の摩耗がない、固有の過負荷保護、妨害がない、シャフト同士の物理的及び電気的分離、潤滑の必要がない、メンテナンスの縮小及び信頼性の改善、騒音／振動の軽減、高価な流体継手の必要がないなど、様々な利点が得られる。磁気歯車ＰＳＤを用いることにより、シャフト同士の物理的及び電気的分離など、さらに別の利点も得ることが可能である。物理的分離は、膜を介して変速機を動作可能にすることにより、流体、例えば、潤滑油又は気体を変速機の一端から他端まで分離することができるため、有利であろう。電気的分離は、故障状態で有利となりうる。また、暗電流（往々にして、ベアリング電流と呼ばれ、ベアリングの早期故障を引き起こす可能性がある）を減少させる上でも有利となりうる。
【００２８】
さらに、歯車の磁気回路と電気機械を統合することにより、システムのパッケージ容量を大幅に減少できる。機械的遊星歯車とは異なり、磁気歯車ＰＳＤのギヤ比は、歯車の大きさによる制約を受けず、外側シャフトより速いか又は遅い内側シャフトで、効果的に「逆転させる（ｔｕｒｎ  ｉｎｓｉｄｅ  ｏｕｔ）」ことができる。
【００２９】
ＣＶＴパワースプリットタービン複合発動機を使用すると、定格動力の制御部分のみを電力に変換し、その後再変換するだけでよいため、電気部品の定格を下げるなどの利点が得られる。電磁式ＣＶＴスプリットタービン複合発動機は、動力の制御部分のみを電力に変換し、その後、非可逆式変換を介して戻すため、さらに高い効率を有する可能性がある。例えば、最も大きな利益をもたらす歯車効果を用いて、電気機械の定格速度を好適な範囲内に置くことができ、これにより、電気機械の容易かつ効率的な制御や、鉄損の減少などが可能になる。
【００３０】
また、電磁式ＣＶＴパワースプリットタービン複合発動機を用いることにより、電力電子変換装置のコストも実質的に削減できる。さらに、システムのコスト及び複雑度も低減できる。システム動力の一部分のみを電力に変換するため、高価な「マイルドハイブリッド」システムコストの必要性が、おそらくすべて排除される。例えば、４０ｋＷタービン複合発動機システムのうち、可変ギヤ比を制御するのに必要な電力部分は、約１０ｋＷとなりうる。電力として発生した制御部分は、既存の車両の電気設計に使用することができ、交流発電機に代わって、システムコストをさらに削減すると同時に効率を高めることができるだろう。
【００３１】
本発明の一態様によるシステムは、車両の電気設計が好適に構成されていれば、電気的に発生した電力流を推進力流に変換し直すことに関連するコストのすべてを回避できる。一例として、冷却ファンなどの他のエンジン補助装置は、電力をクランク軸に戻すのではなく、電気によって駆動して、その効率を高めることができる。
【００３２】
本発明の出願では、「含む、有する」のような用語の使用に制限はなく、「〜からなる」などの用語と同じ意味を有するものとし、別の構造、材料、又は行為の存在を排除するものではない。同様に、「〜できる」又は「〜しうる」のような用語の使用に制限はなく、構造、材料、又は行為が必ずしも必要ではないことを表すものであるが、このような用語を用いなかったとしても、構造、材料、又は行為が必須であることを表す意図があるわけではない。構造、材料、又は行為が必須であると考えられる範囲まで、これらの用語はそのようなものとして認識される。
【００３３】
本発明について、好ましい実施形態に従って例示及び説明してきたが、特許請求の範囲に記載するように、本発明の範囲から逸脱することなく、改変及び変更が加えられうることは認識されよう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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