(57)【特許請求の範囲】
【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)を有し、以ってステータがその短絡巻線と共に軸方向に変位できることにより、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ことを特徴とする発電機と電動機を組み合わせた機械。
【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に記載の機械。
【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に記載の機械。
【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。
【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。
【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。
【請求項７】
ステータ(10)に複数の別々の短絡巻線(11)が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の機械。
【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。
【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。
【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。
【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、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)を有し、以ってステータがその短絡巻線と共に軸方向に変位できることにより、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ことを特徴とする発電機と電動機を組み合わせた機械により実現される。
本発明の有利な発展と具体例は従属請求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８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１９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、２４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
【図１】
0003580593.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
0003580593.tif 000006
【図６】
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【図７】
0003580593.tif 000008
【図８】
0003580593.tif 000009