(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両を車道上で移動させるシステムであって、
前記車道に埋設された３相巻線を有する少なくとも１つのパワーセグメントと、
前記パワーセグメントと相互作用して、前記車道上で前記車両を移動させるためのリニア同期モータを構成する、前記車両上に取り付けられた磁石システムと、
前記車道上で前記車両を移動させるための、前記車両上に設けられた電池式電気モータと、
前記車両上に設けられた、前記車両の速度を前記３相巻線の波形速度に最初に同期させる手段と、
前記車両上に設けられた手段であって、前記電池式電気モータが作動される時には前記磁石システムを格納し、そして前記リニア同期モータを構成する時には前記パワーセグメントと相互作用させるために、前記磁石システムを下げる前記手段とを備えたシステム。
【請求項２】
磁石システムを含む車両を車道上で移動させる方法であって、
車道に３相巻線を有する少なくとも１つのパワーセグメントを埋設するステップと、
前記磁石システムとの間でリニア同期モータを構成して前記車道上で車両を移動させるために、前記パワーセグメントを前記磁石システムと相互作用させるステップと、
前記車両の速度を前記３相巻線の波形速度に最初に同期させるステップと、
前記電池式電気モータが作動される時には前記磁石システムを格納し、そして前記リニア同期モータを構成する時には前記パワーセグメントと相互作用させるために、前記磁石システムを下げるステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広い意味で電動車両（完全電動車両）に関するものである。詳細には、本発明は、巻線を車道に埋め込んで、リニア同期モータ（ＬＳＭ）によって車両を推進するシステムに関するものである。本発明は、これに限定されるものではないが、特に、既に移動中の電動車両に駆動力を与えるシステムとして有用である。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、電気モータ及び発電装置は、それぞれ、電気エネルギーを機械エネルギーに、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用される。基本的に、モータと発電装置とは関連する物理的原理によって作動する。また、これらは共に、同様の作動構造、すなわち、導電体、磁場及び電流を有している。モータ（電気エネルギーから機械エネルギーへの変換）では、磁場内に導電体が置かれ、導電体に電流が流される。その結果、磁場は導電体に力を加える。この力はその後、導電体から機械的に伝達されて仕事をする（例えば、車両において車輪を回転させる）。発電装置（機械エネルギーから電気エネルギーへの変換）では、磁場内で導電体が物理的に移動する。この移動の結果、導電体内に電流が提供又は誘導される。その後、誘導された電流が蓄積される（例えば、電池を再充電する）。
【０００３】
リニア同期モータ（ＬＳＭ）は、導電体（例えば、三相巻線）が実質的に直線に配置されているタイプの電気モータである。磁場は、導電体（巻線）の配置とほぼ平行な経路に沿って移動される。その後、得られた力によって、導電体（巻線）に沿った方向に車両を移動させることができる。
【０００４】
その形態において、ＬＳＭは、双方向性磁場及び導電体を有する従来の電気モータとは大きく異なっている。典型的には、これに限定されるものではないが、従来の配置では磁場は固定して保持され、導電体は磁場内で回転させられる。このように明らかな構成の違いはあるものの、全ての他の重要な態様において、ＬＳＭ及び従来の電気モータの基本的物理構造は本質的に同じである。
【０００５】
多くの応用例では、多くの異なる理由から、発電装置（すなわち、電気モータ）は、他のタイプのモータ（例えば、化石燃料燃焼機関）よりも好ましいといえる。特に、ますます多くの陸上車両が発電装置を備えるようになってきている。例えば、多くの自動車メーカによって電池式車両が提供されている。ＬＳＭはまた、線路の延伸区間を走行する列車の推進装置として使用することも検討されてきている。しかしながら、車両用推進装置としてＬＳＭを使用する際に考慮すべき重要な点は、車両の移動が、ＬＳＭの固定構成要素（例えば、導電体／巻線）が予め配置された車道に制限されることである。しかし、応用する場合には、より柔軟な移動範囲を実現するために、このような制限を回避したほうがよい場合もある。その場合には、エネルギー消費要件が懸案事項となる可能性がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記に鑑みて、本発明の目的は、電池式電気モータによっても推進可能な電動車両（電気自動車）を、ＬＳＭを使用して推進させるシステムを提供することである。本発明の別の目的は、多相巻線の波形速度を車両速度に最初に同期させるＬＳＭ車両推進システムを提供することである。本発明のさらに別の目的は、用意に使用でき、比較的簡単に製造でき、比較的費用効率に優れた電動車両推進システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によるＬＳＭ推進システムは、車道に沿って電動車両を移動させる。構造的には、システムは、車道に埋め込まれた多相巻線を有する少なくとも１つの電源部（電源セグメント）を備えている。多相巻線は、車両に取り付けられた磁石システムと相互作用し、磁石システムとの間でリニア同期モータ（ＬＳＭ）を構成し、車道に沿って車両を移動させることが重要である。
【０００８】
推進のために、ＬＳＭ推進システムを用いることにより、車両は多相巻線の波形速度を車両の速度に最初に同期させることができる。さらに、車両は非ＬＳＭ推進駆動で作動することもできるので、ＬＳＭ推進システムの車両にはＬＳＭを選択的に構成するためのスイッチが配置される。
【０００９】
本発明で意図しているように、車両の非ＬＳＭ推進駆動には、車両がＬＳＭによって推進される場合に発電装置として運転できるモータが含まれている。モータ・モードでは、推進のための車輪を回転させるように、電池から得た電気エネルギーを用いる推進装置としてモータ／発電装置を使用する。モータは、約１２００ｒｐｍで約１２５ｈｐを発生可能な同期永久磁石モータであることが好ましい。他の形態として、車両がＬＳＭによって推進される場合、モータ／発電装置は発電装置モードで作動させることができる。この発電装置モードでは、回転している車輪は、電池を再充電するようにモータ／発電装置と相互作用する。
【００１０】
ＬＳＭを構成するために、車両は選択的に展開させることができる搭載磁石アレイを備えている。展開されると、磁石アレイは、間に約５ｃｍの空隙を有して、車両が上を移動する車道に隣接して位置決めされる。これにより、磁石の磁場が車道に埋め込まれた外部電源部と相互作用することが可能になる。ＬＳＭの作動では、ＬＳＭ用電源部は、電流が巻線を通過する外部電源によって与えられる三相巻線を備えていることが好ましい。ここで、三相巻線は単に例示しただけであることに留意されたい。当業者には分かるように、必要に応じて、異なる多相巻線を使用することができる。
【００１１】
構造的には、電気モータ／発電装置、電池（例えば、ウルトラキャパシタ）、及びモータ・モード又は発電装置モードのいずれかでモータ／発電装置を交互に作動させるシステム制御機器は全て、車両の車台の上に取り付けられている。さらに、上に記したように、車両は磁石システムも備えている。この磁石システムは、格納構成と展開構成の間で移動するように車台の上に取り付けられている。本発明では、磁石システムが格納構成にある場合、車両は上に開示したようにモータ・モードで作動される。他方では、磁石アレイが展開されている場合、ＬＳＭは車両用推進装置として働き、モータ発電装置は電池を再充電する。
【００１２】
より詳細には、磁石システムは、支持部材に取り付けられたハルバッハ配列の永久磁石を備えていることが好ましい。さらに、支持部材は裏当鉄（バックアイアン）であることが好ましい。ハルバッハ配列（永久磁石）を備えることにより、電源部の多相巻線内の電流と相互作用する磁場を構成することが重要である。ＬＳＭは約１５Ｈｚで作動し、巻線は電源部に沿って約１５ｍｐｈの波形速度を有するＬＳＭ場を作り出すことが好ましい。当業者には分かるように、１５ＨｚでのＬＳＭ動作、及び１５ｍｐｈの波形速度は例示的なものである。これに応じて、必要に応じて、異なるＬＳＭ周波数及び波形速度を使用することができる。さらに、車両の動力伝動機構が、車輪と電気モータの間に接続された差動装置を備えており、差動装置は約１０．９対１のギア比を有する。加えて、可変周波数インバータ整流器が、電気モータと電池との間に接続されており、これによってモータ／発電装置が発電装置モードで作動されている場合に直流電圧で電池を充電し、モータ・モードで作動されている場合に電気モータを付勢するように交流電圧を与える。
【００１３】
本発明の新規な特徴と発明自体の構成及び動作について、添付の明細書と併せて、添付の図面からよく理解されよう。同様の部品には同様の参照記号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】車両が移動している車道に埋め込まれた電源部に向かって移動している、本発明の電動車両の斜視図である。
【図２】電動車両用に本発明によって利用される電気システムのブロック図である。
【図３Ａ】磁石アレイを図１の線３−３に沿う断面で見た場合に、格納構成の磁石アレイを示す電動車両の側面図である。
【図３Ｂ】展開構成の磁石アレイを示す図３Ａで見られる電動車両の側面図である。
【図４】図１の線３−３に沿って見た場合に、磁石アレイの一部及び電源部の一部の代表断面図である。
【図５】電源部の上面図である。
【図６】図５の線６−６に沿って見た場合の電源部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
最初に図１を参照すると、車両移動システムが示されており、全体が１０で示されている。図１では、電動車両１１は、典型的には複数の車輪を有するが、必ず少なくとも１つの車輪１２を有していなければならない車輪付車両である。当業者には分かるように、車両１１は基本的に、当技術分野で知られているどの種類の車輪付陸上車両であってもよい。図面に示される車両（牽引車）は、例示しただけである。図１はまた、磁石システム１４が実質的に図示するように車両１１に取り付けられており、車両１１が少なくとも１つの電池１６を有していることを示している。本発明においては、電池１６は、約８メガ・ジュールの電気エネルギー容量を有するウルトラキャパシタを備えていることが好ましい。現実的には、車両１１上に複数の電池１６が存在する可能性があることに留意されたい。図１はまた、運転時間の少なくとも一部では、車両１１は車道１８に埋め込まれている電源部２０を備えた車道１８に沿って移動することが求められていることを示している。より詳細には、電源部２０は、外部電源（図示せず）から電流を受ける三相巻線２２を備えている。
【００１６】
次に図２を参照すると、車両１１の構成要素の概略ブロック図が示されており、車両１１の車台２４上に構成部品が配置されている。この配置では、車両１１の車輪１２は車軸２８を介して差動装置２６に接続されている。次に、差動装置２６はモータ／発電装置３０に直接接続されている。本発明においては、作動装置２６は、約１０．９対１のギア比を有することが好ましく、モータ／発電装置３０は１５ｍｐｈで約１４４５ｒｐｍで作動する永久磁石モータを組み込んでいることが好ましい。図２はまた、モータ／発電装置３０が交流線３４を介してインバータ整流器３２に接続されており、電池（ウルトラキャパシタ）１６が直流線３６を介してインバータ整流器３２に接続されていることを示している。さらに、図２の破線３８は、車両１１に内蔵された制御システム４０を使用して、インバータ整流器３２の動作を交替して選択し、それによってモータ／発電装置３０をモータモード又は発電装置モードで作動させることができることを示している。
【００１７】
モータ／発電装置３０をそのモータモードで作動させるためには、制御システム４０が使用されて、モータ／発電装置３０をモータとして動作させるために電池１６からの直流電圧を交流電圧に変換するようにインバータ整流器３２を案内する。したがって、モータ／発電装置３０は、車輪１２を回転させるために電力を与える。したがって、モータ／発電装置３０は、モータ／発電装置３０がそのモータモードで作動される場合に、車両１１用の推進装置として働く。別の方法では、モータ／発電装置３０をその発電装置モードで作動させるためには、インバータ整流器３２は、電池１６を再充電するためにモータ／発電装置３０からの交流電圧を直流電圧に変換するように、制御システム４０によって制御されている。この発電装置モードでは、車両１２の回転により、モータ／発電装置３０がインバータ整流器３２によって電池１６を再充電する直流電圧に変換される交流電圧を発生させる。
【００１８】
上に記したように、車両１１は２つの異なる推進装置を代わるがわる使用する。モータ／発電装置３０が上に開示したようにそのモータモードで作動される場合には、１つの推進装置が構成される。他の推進装置は、リニア同期モータ（ＬＳＭ）である。したがって、本発明の重要な態様は、どのようにリニア同期モータ（ＬＳＭ）が車両１１用の推進装置として構成されるかに関連している。図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、これがどのように達成されるか最もよく分かる。
【００１９】
図３Ａでは、磁石システム１４が格納構成で示されており、磁石システム１４は車道１８から有効に離されている。図３Ａはまた、磁石システム１４が、永久磁石４２用のバックアイアンとして働くことができる支持部材４４上に取り付けられた永久磁石４２を備えている。加えて、磁石システム１４は、複数の垂直隙間車輪を備えているが、垂直隙間車輪４６は例示的なものであることが分かる。図３Ｂでは、磁石システム１４が展開構成で示されており、磁石システム１４は（１つ又は複数の）垂直隙間車輪４６が車道１８に接触するまで、車道１８に向かって展開される（すなわち、下げられる）。この接触では、磁石システム１４の永久磁石４２は車道１８の表面からある距離４８にある。距離４８は約５ｃｍであることが好ましい。本発明において、磁石システム１４は、図４に示すハルバッハ配列などの、当技術分野でよく知られているどのようなタイプの磁石であってもよい。いずれにしても、図４に示すように、磁石システム１４が展開された場合、永久磁石４２の磁場が三相巻線２２の電場と直接相互作用するように、磁石システムは三相巻線２２に十分近い。この相互作用によって、車両１１に推進力が与えられる。ＬＳＭ用のこの配置では、約１５ｍｐｈの波形速度（すなわち、車両１１用速度）を作り出すために、三相巻線２２は約１５Ｈｚで作動されていることが好ましい。
【００２０】
その作動では、車両１１は、２つの推進装置のいずれかを選択的に使用することによって、車道１８に沿って移動することができる。しかし、選択は、車両１１が埋め込まれた電源部２０の上で移動しているかどうかに左右される。特に、車両１１が電源部２０の上で移動している場合、ＬＳＭ推進装置を車両１１上の磁石システム１４と車道１８に埋め込まれた三相巻線２２の間に作り出すことができる。これは、車両１１が電源部２０に近づくときに、磁石システム１４を展開構成（図３Ｂ参照）に下げることによって行なわれる。三相巻線２２の電気波形との磁石システム１４の磁場の連繋は、車両１１の速度が波形の速度（例えば、１５ｍｐｈ）と実質的に対応することによって達成される。いったん連繋が構成されると、ＬＳＭはその後、車両１１の推進装置として有効に機能することができる。
【００２１】
本発明において、車両１１がＬＳＭによって車道１８内で電源部２０の上で推進されているときに、電池１６を再充電することができることは重要である。特に、車両１１がＬＳＭの影響を受けて車道１８に沿って移動するときに、車輪１２は車道１８との接触によって回転される。車両１２のこのような回転はその後、モータ／発電装置３０で交流電圧を発生させるために使用される（すなわち、モータ／発電装置３０がその発電装置モードである）。交流電圧はその後、電池１６を再充電する際に使用するために、インバータ整流器３２によって直流電圧に変換される。
【００２２】
車両１１が電源部２０の上方を移動しておらず、したがってその磁石システム１４でＬＳＭを構成することができない場合、磁石システム１４はその格納構成に持ち上げられる（図３Ａ参照）。この場合、車両１１はその他の推進装置として電気モータで作動する。特に、モータ／発電装置３０が次にモータモードで作動するように制御システム４０によって指示された状態で、電池１６からの電力がインバータ整流器３２を通してモータ／発電装置３０まで通過させられて、モータ／発電装置３０をモータとして運転させる（すなわち、モータ／発電装置３０はそのモータモードである）。したがって、モータ／発電装置３０は、車両１１の推進のために車輪１２を回転させるように推進装置として機能する。
【００２３】
次に図５を参照すると、電源部２０の構造がより詳細に示されている。例示的なものであるが図５では、電源部２０は三相巻線２２を備えている。図示するように、巻線２２は車両１１の移動を駆動するように推進電流を与える（図１に示す）。さらに、巻線２２はリニア同期モータ（ＬＳＭ）用の制御機器５０に接続されている。より詳細には、ＬＳＭ用の制御機器５０を使用して、車両１１を当技術分野でよく知られている方法で矢印５１の方向に移動させる。車両１１のこのような推進は、ＬＳＭ用制御機器５０と巻線２２の間の接続により可能である。本発明のシステム１０では、ＬＳＭ制御機器５０は、作動のために信号プロセッサ５２からの入力を使用する。この相互接続は、図５で信号プロセッサ５２とＬＳＭ制御機器５０の間に示された線５４によって達成される。
【００２４】
図４と共に図５を相互参照して、磁石システム１４内の磁石４２の配置により、磁場の配向（すなわち、場ベクトル）は車両１１に沿って回転することを理解されたい。紙面の平面内では、磁場の垂直成分は車両１１に沿って正弦関数的に変わることをさらに理解されたい。図４は、その正弦関数変動の波長λを示している。
【００２５】
輸送システム１０では、車両１１に沿って磁場の１つ又は複数の波長λを構成するための多数の構成を使用することができる。例えば、車両１１に沿って１つの波長λを通して正弦関数的に変わる垂直成分を有する磁場を構成するように、４、８、１２、１６又はいくつかの他の４の倍数の磁石４２を適当に配置することができる。さらに、車両１１に沿って磁場が正弦関数的に変わる１つの波長λを形成するように磁化された磁石材料の単一の帯鋼（ストリップ）を想定することもできる。別の方法では、電気的に付勢されたコイルなどの非永久磁石を使用することによって、車両１１に沿って正弦関数的に変わる磁場の１つの波長λを構成することができる。
【００２６】
さらに図５では、巻線２２は、「Ｎ個の」別個のコイル５６を備えており、波長λを有する。図示するように、Ｎ＝３であり、３つのコイル５６ａ、５６ｂ、５６ｃは車道１８を横切るように直線的に配列されており、それによって隣接するコイル５６の間に「λ／Ｎ」又は「λ／３」の位相差がある。
【００２７】
次に図６を参照すると、電源部２０の構造をより明らかに理解することができる。図６に示すように、巻線２２内のコイル５６は転換部５８内で互いに垂直方向に離れている。車道１８では、コイル５６は互いに平行であり、車道１８の上表面６０と平行な平面内に位置決めされている。さらに、図示するように、スチール製上部プレート６２を利用して、巻線２２を覆っている。スチール製上部プレート６２の下では、巻線２２が鉄筋コンクリート６４内に埋設されている。
【００２８】
本明細書に詳細に図示及び開示した特定のリニア・モータ充電式電動車両を組み込む輸送システムは、本明細書で前に記した利点を提供し、目的を達成することが十分可能であるが、発明時点の好ましい実施例を例示したものに過ぎず、特許請求の範囲に記載された以外の明細書に示した構成又は設計の詳細に限定することを意図するものではない。さらに、図では３つのコイルを有する巻線について説明しているが、他の複数のコイルを使用することもできる。
【図１】
0005868842.tif 000002
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
0005868842.tif 000007
【図６】
0005868842.tif 000008