(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に車両もしくはコンテナに搭載されることを意図した電気を生成する装置であって、
熱機関によって可変速度で回転駆動される三相オルタネータ（１０）と、
前記オルタネータ（１０）によって生み出される電流から整流された電流を発生させる整流器（６）と、
前記オルタネータ（１０）の自己インダクタンスを使用して電圧を上げる電圧昇圧機チョッパ（９）と、から構成され、
前記オルタネータが６又は８極を有し、前記チョッパが３から１５ｋＨｚの間の切換周波数で作動し、
前記オルタネータの１つの相当たりの自己インダクタンスをＬ、角周波数をω、所定速度における公称電流をＩN、前記速度における前記オルタネータの無負荷電圧をＶ0としたとき、ＬωＩN／Ｖ0で表されるインダクタンス％が、１５から４０％の間であることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記オルタネータが、８極を有する、請求項１にかかる装置。
【請求項３】
前記インダクタンス％が、２０から３０％の間であることを特徴とする、請求項１又は請求項２にかかる装置。
【請求項４】
電力が１０ｋＷ、３０００ｒｐｍにおける相間の電圧が２９４ボルトで、前記オルタネータの１つの相当たりの自己インダクタンスが２ｍＨ以下であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一にかかる装置。
【請求項５】
電力が１０ｋＷ、３０００ｒｐｍにおける相間の電圧が２９４ボルトで、前記オルタネータの１つの相当たりの自己インダクタンスが１ｍＨ以上であることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一にかかる装置。
【請求項６】
前記チョッパ（９）の切換周波数が、１０ｋＨｚより小さいことを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一にかかる装置。
【請求項７】
前記オルタネータが、永久磁石型であることを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一にかかる装置。
【請求項８】
前記装置から生み出される電力が、１から３０ｋＷの間であることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか一にかかる装置。
【請求項９】
前記チョッパ（９）が、前記整流器（６）の下流にあることを特徴とする、請求項１から請求項８のいずれか一にかかる装置。
【請求項１０】
前記チョッパ（９）が、単一のＩＧＢＴトランジスタにより構成されることを特徴とする、請求項１から請求項９のいずれか一にかかる装置。
【請求項１１】
前記切換周波数が一定であることを特徴とする、請求項１から請求項１０のいずれか一にかかる装置。
【請求項１２】
前記チョッパ（９）が、制御回路（１３）に制御されて前記オルタネータのロータの回転速度を表す合図を受信する少なくとも１つのインバータ（７；８）の役割を果たすことを特徴とする、請求項１から請求項１１のいずれか一にかかる装置。
【請求項１３】
永久磁石型の８極を有する三相オルタネータであって、１つの相当たりの自己インダクタンス％が２０から４０％の間にあり、熱機関による可変速度での回転駆動が可能であるオルタネータと、
前記オルタネータで生み出された電流から整流された電流を発生させる整流器と、
前記整流器の下流に配置された電圧昇圧機チョッパであって、電圧を上げるために前記オルタネータの自己インダクタンスを使用し、前記オルタネータを短絡させるために８ｋＨｚより小さい切換周波数で作動する単一のＩＧＢＴトランジスタを使用する電圧昇圧機チョッパと、の組み合わせからなることを特徴とする、１から３０ｋＷの間の電力を発生する搭載用の電気ジェネレータ。
【請求項１４】
特に車両もしくはコンテナに搭載されることを意図した電気を生成する装置であって、
熱機関によって可変速度で回転駆動される三相オルタネータ（１０）と、
前記オルタネータ（１０）によって生み出される電流から整流された電流を発生させる整流器（６）と、
前記オルタネータ（１０）の自己インダクタンスを使用して電圧を上げる電圧昇圧機チョッパ（９）と、から構成され、
前記オルタネータが８極を有し、前記チョッパが３から１５ｋＨｚの間の切換周波数で作動し、
前記オルタネータの１つの相当たりの自己インダクタンスをＬ、角周波数をω、所定速度における公称電流をＩN、前記速度における前記オルタネータの無負荷電圧をＶ0としたとき、ＬωＩN／Ｖ0で表されるインダクタンス％が、１５から４０％の間であることを特徴とする装置。
【請求項１５】
電力が１０ｋＷ、３０００ｒｐｍにおける相間の電圧が２９４ボルトで、前記オルタネータの１つの相当たりの自己インダクタンスが１．５ｍＨ以下であることを特徴とする、請求項１から請求項１２のいずれか一にかかる装置。
【請求項１６】
前記チョッパ（９）の切換周波数が、８ｋＨｚより小さいことを特徴とする、請求項１から請求項１２のいずれか一にかかる装置。
【請求項１７】
前記チョッパ（９）の切換周波数が、７．５ｋＨｚであることを特徴とする、請求項１から請求項１２のいずれか一にかかる装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オルタネータ、整流器、及び電圧昇圧機チョッパを利用した車両やコンテナへの搭載用の電気生成技術分野に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気を生成するための搭載用装置が多く提案されているが、その目的は、特に当該装置の質量を下げることであった。
電圧昇圧機チョッパが、オルタネータの自己インダクタンスを使用することによってチョッパ専用コイルの使用を回避している多くの装置が提案されている。特に、英国特許出願第ＧＡ−Ａ−２２８９５８１号では、従来の三相オルタネータと、整流器と、前記整流器の下流のハーフ・ブリッジ・チョッパとからなる装置を開示している。
そのような装置は、複雑であり、電力にも限界がある。
【０００３】
米国特許第ＵＳ−Ａ−５７９３６２５号は、１００Ｗの電力の装置を開示しており、本装置ではオルタネータは従来型であり、電圧昇圧機は高い切換周波数で作動する幾つかのＦＥＴトランジスタから構成されている。
更に、米国特許第ＵＳ―Ａ―４８２５１３７号は、オルタネータが従来型で、幾つかのＭＯＳトランジスタを使用する電圧昇圧機チョッパを備えた装置を開示している。
【０００４】
これら既知の装置は、構造が比較的複雑で、少なくともｋＷ単位の電力を供給するための使用には不適当であるため、十分に満足できるものではなかった。
本件出願人の知る限りでは、唯一、自動車分野においてのみ４極オルタネータが使用されており、それは製造が簡単で、比較的低周波の電流を発生し、このために磁気回路での損失が少ないという利点を有しているからである。
【０００５】
というのは、一般に、磁気回路での損失は、電流波の周波数に従って、すなわち極の数に従って増加するからである。
更に、インダクタンス値が一定の場合には、整流器のダイオード内のオーバラップ現象に伴う電圧降下がオルタネータによって生成される電流の周波数に従って増加するため、少ない極数の使用が奨励されている。
さらに又、極めて高い切換周波数で電圧昇圧機チョッパを作動させることの利点は、電流調波の水準を低くし、その結果オルタネータの昇温が抑えられることである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
満足できる効率で比較的高い電力を生成することができ、前記電力は典型的には１から３０ｋＷの間にあり、信頼性が高く、軽量で、例えば車両やコンテナなどへの搭載を可能にする装置を提供するニーズが存在している。
【０００７】
したがって、本発明の目的は、特に車両やコンテナに搭載が可能な電気を生成するための新規の装置であって、熱機関によって変動する速度で回転駆動されることができる三相オルタネータと、前記オルタネータによって生み出される電流から整流された電流を発生させる整流器と、電圧を高めるために前記オルタネータの自己インダクタンスを使用する電圧昇圧機チョッパとから構成され、前記オルタネータが６もしくは８極からなり、前記チョッパは好ましくは３から１５ｋＨｚの切換周波数で作動することを特徴とする装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
好ましくは、８極で、切換周波数が１０ｋＨｚ以下、好ましくは８ｋＨｚ以下、さらに好ましくは７．５ｋＨｚほどのオルタネータが使用される。
本件出願人は、本発明にかかる装置が、全体的に満足できる効率を保ちつつ、前記のような切換周波数での作動が可能であり、かつ、前記装置が信頼性が高く、組立ても容易であることを見出した。
【０００９】
オルタネータの極数を増加すると、磁気回路内での損失増加により装置の性能が低下するものと考えられ勝ちであるが、驚くべきことに、本発明にかかる装置は、車両もしくはコンテナに使用された場合には、コスト、重量、効率ともに完全に競合レベルにあることを示している。
【００１０】
その理由の１つとして、極数の増加は、オルタネータのインダクタンス値をかなり下げることを可能にし、オーバラップの間の電圧降下を低減できることからオルタネータの電流と発熱の損失が低減され、これによって従来の車両搭載用オルタネータに対する極数の増加によるオルタネータ内の磁気損失の増加と、チョッパでの切換による損失の増加とを埋め合わせている。
【００１１】
オルタネータの自己インダクタンスをＬ、角周波数をω、例えば１５００ｒｐｍなどの所定の速度における公称電流をＩＮ、前記速度におけるオルタネータの無負荷電圧をＶ０としたとき、算式ＬωＩＮ／Ｖ０で表されるオルタネータの１つの相に対する自己インダクタンス％は、好ましくは１５から４０％の間、更に好ましくは２０から３０％の間である。
【００１２】
１０ｋＷほどの電力に対応する好ましい実施の形態では、３０００ｒｐｍにおける相間の電圧は２９４ボルトであり、オルタネータの１つの相当たりのインダクタンスは２ｍＨ、もしくはそれ以下で、好ましくは１．５ｍＨ、もしくはそれ以下であり、この値は３０％以下のインダクタンス％に相当する。
１０ｋＷほどの電力に対応する実施の形態では、３０００ｒｐｍにおける相間の電圧は２９４ボルトであり、オルタネータの１つの相当たりのインダクタンスは１ｍＨ、もしくはそれ以上であり、この値は２０％以上のインダクタンス％に相当し、切換周波数は５ｋＨｚほどである。
【００１３】
本願出願人は、これらのインダクタンスと周波数との値は、８極オルタネータの場合には、電流調波による損失を特別に低い水準に保つことができることを発見した。
好ましくは、前記オルタネータは永久磁石型である。
【００１４】
更に好ましくは、前記チョッパは前記整流器の下流にあり、これによって、例えば１つのＩＧＢＴトランジスタなどの単一のトランジスタの使用を可能にしている。
この単一のトランジスタは、液体を循環することによって容易に冷却することができる。既存の装置では、チョッパは幾つものトランジスタからなっており、トランジスタの数の多さから冷却はより困難となり、絶縁問題に対処することなくトランジスタを共通の冷却装置上に搭載することができない。
【００１５】
好ましくは、前記切換周波数は一定とし、これによって制御の電子機器を簡略化する。
【００１６】
好ましい実施の形態では、前記チョッパは、制御回路によって制御されてオルタネータのロータの回転速度を表す合図を受信する少なくとも１つのインバータの役割を果たす。
これにより、前記インバータに接続された装置に入手可能な電力を考慮に入れることができ、それにしたがって各装置の作動を制御する。
【００１７】
本発明の目的は更に、永久磁石型の８極を有する三相オルタネータであって、１つの相当たりの自己インダクタンス％が２０から４０％の間、好ましくは２０から３０％の間にあり、熱機関により変動する速度で回転駆動されることが可能なオルタネータと、前記オルタネータで生み出された電流から整流された電流を発生させる整流器と、そして前記整流器の下流に配置された電圧昇圧チョッパであって、電圧を上げるために前記オルタネータの自己インダクタンスを使用し、前記オルタネータを短絡させるために好ましくは８ｋＨｚ以下、更に好ましくは７．５ｋＨｚほどの切換周波数で作動する単一のＩＧＢＴトランジスタを使用する電圧昇圧機チョッパとの組み合わせからなることを特徴とする、１から３０ｋＷの間の電力を発生する搭載用の電気ジェネレータを提供することにある。
【００１８】
本発明は、以下の例示目的で非限定的な発明の実施の形態の詳細説明を読み、添付の図面を精査することによって、よりよく理解される。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１に示すエネルギ構成配置１は、モータ・ファン又はポンプなど、電気モータによって駆動される各種装置２から５を含んでいる。
これらの装置２から５には、２つのインバータ７、８から一定の、もしくは変動する周波数の三相電流が供給され、インバータ７、８には整流器６に接続された電圧昇圧機チョッパ９からＤＣ電流が供給され、更に前記整流器６は、ロータ部が伝達装置１１を介して回転駆動されるオルタネータ１０に接続されている。前記回転駆動は、例えばジーゼルエンジンなどの熱機関１２によってもたらされ、その回転速度は典型的には６００から３６００ｒｐｍの間で変動する。
伝達装置１１は前記ロータの回転を、例えば２ないし３倍に増速することができ、したがって前記オルタネータ１０は、例えば、前記エンジンがアイドルしている時の１５００ｒｐｍから、前記エンジンが高速回転しているときの５０００ｒｐｍの間で駆動される。
【００２０】
前記構成配置１は、前記オルタネータ１０のロータの回転速度を表す合図を受信し、そして使用する各装置２から５を、インバータ７、８で入手可能な電力の関数として制御する制御回路１３を有する。
【００２１】
前記オルタネータ１０は、三相で、コイル１０ａ、１０ｂ、１０ｃを含み、夫々が自己インダクタンスである。
前記整流器６は、整流された電圧を生み出すよう構成された、いわゆる既存の形式の６つのダイオード６ａから６ｆで構成される。
【００２２】
前記電圧昇圧機チョッパ９は、前記整流器６の出力を短絡させる電子ブレーカ１５と、前記ブレーカ１５の下流にあるダイオード１６と、出力側の蓄電コンデンサ１７とを有する。
前記チョッパ９は並列チョッパ型で、反応エネルギを蓄えるために前記オルタネータ１０の自己インダクタンスを使用する。
【００２３】
上述の例示された実施の形態では、前記電子ブレーカ１５は単一のＩＧＢＴトランジスタからなり、電子制御回路に制御されて一定の切換周波数で開閉し、この電子制御回路は、従来の形式で実施されたものであって、図面の明確化のために示されているのではない。
【００２４】
前記電子制御回路は、有利にも、前記電子ブレーカ１５の制御信号のデューティ比を、昇圧チョッパ９の出力における電圧の関数として変更できるように構成されており、これによってこの電圧を設定値に調整するようにしている。
上述の例示の実施の形態では、前記切換周波数は、５ｋＨｚである。
【００２５】
前記オルタネータ１０は、図３、４に分離された状態で表示されている。
前記オルタネータ１０は、液体によって冷却するよう設計されたケーシング１１を備え、この目的の沿って循環冷却水に接続するニップル１２、１３が設けられている。
【００２６】
前記オルタネータ１０は、ここに述べる例示の実施の形態では８極からなる三相オルタネータで、前記３つのコイル１０ａ、１０ｂ、１０ｃが夫々従来の方法でオルタネータ１０のステータ２５の切り欠き部に巻き付けられ、前記切り欠き部は合計で４８個となる。
【００２７】
前記ロータ２４は、ここで述べる例示の実施の形態では、１つの極につき４つの永久磁石から構成される。
好ましくは、かなり弱い残留磁界を持つものの、優れた保磁力（Ｂｒが２０℃で約１．１Ｔ、そしてＨｃｊが１５０℃で約９００ｋＡ／ｍ）を備えた磁石が使用される。
使用される磁石の厚さは、５ｍｍである。
【００２８】
好ましくは、前記ステータの薄片はシリコン合金製で、当該鉄片の長さは１１５ｍｍほどである。
ここで述べる例示の実施の形態では、コイル巻数は２１である。
更に、図４に見られるように、コイルの巻線によって前記ステータの鉄片の外部に形成され、前記鉄片の両側に突き出た塊り部２０は、導電性レジン２１内にはめ込まれ、これによって当該部分からの損失を低減させる。
【００２９】
ここで述べる実施の形態では、前記装置の電力は１０ｋＷほどであり、オルタネータの１つの相当たりの自己インダクタンスＬは、１．３ｍＨほどである。
【００３０】
電子ブレーカ１５の前記切換周波数とオルタネータの各相の前記自己インダクタンスの値とは、所望の性能に対応した前記電子ブレーカ１５の開閉による損失と調波の水準とを同時に達成することを可能にする。
【００３１】
前記電子ブレーカの切換周波数が与えられ、一方において前記調波を比較的低い水準に保つことができる１つの相当たりの前記自己インダクタンスの選択された値は、他方において前記オーバラップ現象による電圧降下が前記昇圧チョッパの出力電力にとって有害となることを防いでいる。
前記インダクタンス％は、２０から４０％の間、好ましくは２０から３０％の間に選択される。
【００３２】
本発明は、勿論、上述の例示の実施の形態に限定されるものではない。
特に、前記整流器の出力を短絡させる機能を満足させることが可能な、前記電子ブレーカ１５などの１つもしくはそれ以上の適当な構成部品を使用することは可能である。但し、単一の構成部品であれば、循環する液体によって容易に冷却することが可能であるのに対し、複数の構成部品とした場合には、前記液体冷却がこれらの各種の構成要素に関連して電気絶縁問題を喚起することから、単一の構成部品を使用することが有利である。
【００３３】
前記の導電性レジン内にオルタネータのステータのコイル塊り部を包み込むことは絶対条件ではないものの、前記コイルの冷却を容易にし、オルタネータのユニット質量当たりの電力を増加させることから有利となる。
同様に、前記オルタネータのステータを励磁するために永久磁石を使用することは好ましい解決策ではあるが、分離した励磁を使用することが本発明の範囲から逸脱するものではない。
【００３４】
生成される電力を増強させる目的で幾つかのオルタネータ１０を並べ、同一の軸により駆動することも可能であろう。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、典型的には１から３０ｋＷの間の、比較的高出力で、比較的軽い質量の、信頼性のある高い効率の電気発生装置が供給される。
【図面の簡単な説明】
【図１】車両に搭載されたエネルギ構成配置のブロック図で、本発明にかかる電気生成装置を含む。
【図２】本発明にかかる電気生成装置の簡略化した配線図である。
【図３】分離されたオルタネータの斜視図である。
【図４】図３に示すオルタネータを軸で切った側面断面図である。
【符号の説明】
１．エネルギ構成配置、  ２〜５．電気モータによって駆動される各種装置、  ６．整流器、  ６ａ〜６ｆ．ダイオード、  ７、８．インバータ、  ９．電圧昇圧機チョッパ、  １０．オルタネータ、  １０ａ、１０ｂ、１０ｃ．コイル、  １１．伝達装置、  １２．熱機関、  １３．制御回路、  １５．電子ブレーカ、
１６．ダイオード、  １７．蓄電コンデンサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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