(57)【要約】  本発明は、動力源から発電機に動力を伝達させるための変速機装置に関する。変速機装置は、無段変速機（ＣＶＴ）と、ＣＶＴより効率的に動力を伝達する副変速機とを備えている。変速機装置は、ＣＶＴ及び副変速機からの動力を複合することによって、発電機に供給すべき複合出力動力とするための動力混合機構を備えている。複合出力動力に占めるＣＶＴ出力動力の割合が、動力源によって供給される動力が大きくなるに従って小さくなる。
2013521456.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御可能な変動出力を有している主動機から出力シャフトに動力を伝達させるための変速機装置であって、
動力源の変動出力から動力を受けるように、及び、ＣＶＴ出力動力を供給するように構成されている無段変速機（ＣＶＴ）と、
前記動力源の前記変動出力から動力を受けるように、及び、副変速機出力動力を供給するように構成されている副変速機と、
前記ＣＶＴ出力動力と前記副変速機出力動力とを複合することによって、前記出力シャフトに供給するための複合出力動力を生成するように構成されている動力混合機構と、
を備えている前記変速機装置において、
前記複合出力動力に占める前記ＣＶＴ出力動力の割合が、前記動力源によって供給される動力が大きくなるに従って小さくなることを特徴とする変速機装置。
【請求項２】
前記出力シャフトが、発電機の入力に関連していることを特徴とする請求項１に記載の変速機装置。
【請求項３】
前記ＣＶＴの伝達率を調整することによって、前記複合出力動力に占める前記ＣＶＴ出力動力の割合が調整されることを特徴とする請求項２に記載の変速機装置。
【請求項４】
前記動力源が、内燃エンジンであることを特徴とする請求項２に記載の変速機装置。
【請求項５】
前記複合出力動力に占める前記ＣＶＴ出力動力の割合が、前記ＣＶＴの伝達率がオーバードライブ状態からアンダードライブ状態に移行するに従って小さくなることを特徴とする請求項２に記載の変速機装置。
【請求項６】
前記複合出力動力に占める前記ＣＶＴ出力動力の割合が、前記ＣＶＴの伝達率がアンダードライブ状態の伝達率である場合に、前記複合出力動力に占める前記副変速機出力動力の割合より小さいことを特徴とする請求項５に記載の変速機装置。
【請求項７】
前記発電機におけるロード要求の変化に応じて、前記ＣＶＴの伝達率を調整するように構成されている電子制御装置を備えていることを特徴とする請求項３に記載の変速機装置。
【請求項８】
前記変速機装置が、前記発電機に関連している電力計を備えており、
前記電力計が、ロード要求に関するデータを前記電子制御装置に供給するように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の変速機装置。
【請求項９】
前記電子制御装置が、前記動力源の速度及び／又は動力を変化させるために前記動力源を制御するように構成されていることを特徴とする請求項７に記載の変速機装置。
【請求項１０】
前記複合出力動力の速度に関するデータを前記電子制御装置に供給するように構成されている第１の速度センサを備えていることを特徴とする請求項７に記載の変速機装置。
【請求項１１】
前記動力源の速度に関するデータを前記電子制御装置に供給するように構成されている第２の速度センサを備えていることを特徴とする請求項１０に記載の変速機装置。
【請求項１２】
前記動力源の回転式出力シャフトに関連している慣性が小さいフライホイールを備えていることを特徴とする請求項２に記載の変速機装置。
【請求項１３】
前記発電機の回転式入力シャフトに関連している慣性が大きいフライホイールを備えていることを特徴とする請求項１２に記載の変速機装置。
【請求項１４】
前記副変速機が、前記ＣＶＴの入力シャフトを備えていることを特徴とする請求項２に記載の変速機装置。
【請求項１５】
前記動力混合機構が、遊星歯車組立体を備えていることを特徴とする請求項２に記載の変速機装置。
【請求項１６】
前記遊星歯車組立体が、
第１の太陽歯車と、第１の遊星歯車列と、固定されたリング歯車とを備えている第１の遊星機構と、
第２の太陽歯車と、第２の遊星歯車列と、前記複合出力動力をロードに供給するために出力シャフトと連通しているリング歯車とを備えている第２の遊星機構と、
を備えており、
前記ＣＶＴ出力動力が前記第１の太陽歯車に供給され、前記副変速機出力動力が前記第２の太陽歯車に供給されることを特徴とする請求項１５に記載の変速機装置。
【請求項１７】
前記第１の遊星歯車列と前記第２の遊星歯車列とが、遊星キャリアそれぞれを介して相互に接続されていることを特徴とする請求項１６に記載の変速機装置。
【請求項１８】
前記第１の遊星機構と前記第２の遊星機構と前記出力シャフトとが、同軸に配置されていることを特徴とする請求項１６に記載の変速機装置。
【請求項１９】
前記第２の遊星機構の混合比が、１．６３であることを特徴とする請求項１６に記載の変速機装置。
【請求項２０】
前記第１の遊星機構の混合比が、３．５３であることを特徴とする請求項１９に記載の変速機装置。
【請求項２１】
前記ＣＶＴが、トロイダルＣＶＴであることを特徴とする請求項２に記載の変速機装置。
【請求項２２】
変動する制御可能な出力を有している主動機から出力シャフトに動力を供給するための方法であって、
動力混合機構において無段変速機（ＣＶＴ）出力動力を受けるステップと、
前記動力混合機構において副変速機出力動力を受けるステップと、
前記動力混合機構において前記ＣＶＴ出力動力及び前記副変速機出力動力を複合することによって、前記出力シャフトに供給するための複合出力動力を生成するステップと、
を備えている前記方法において、
前記複合出力動力に占める前記副変速機出力動力の割合が、前記出力シャフトにおけるロード要求の変化に応じて変化することを特徴とする方法。
【請求項２３】
前記出力シャフトが、発電機に関連していることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に変速機装置に関し、より具体的には無段変速機（ＣＶＴ）及び副変速機からの動力を複合させた複合出力動力をロードに伝達させるための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＶＴは、本発明が属する技術分野において周知されており、ＣＶＴ技術を利用することによって、約６５％〜約９３％の効率を見込むことができる。
【０００３】
幾つかの用途では、このような効率は許容範囲内である。しかしながら、例えば発電のような他の用途では、効率は、高ければ高いほど望ましいとされる。
【０００４】
このようなことを背景として、ＣＶＴの利点を提供すると共に既存のＣＶＴが有している欠点のうち少なくとも幾つかの欠点を低減する、より効率的な変速機装置が求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際特許出願ＰＣＴ／ＣＡ２００５／００１４７９
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】非限定的な実施例における、発電機装置のブロック図である。
【図２】無段変速機と動力混合機構とを備えている変速機装置の断面図である。
【図３】図２に表わす動力混合機構の分解側面図である。
【図４】非限定的な実施例における、ＣＶＴによる出力動力の割合とＣＶＴの伝達比との関係を示すグラフである。
【図５】非限定的な実施例における、動力の伝達効率とエンジンの回転速度とＣＶＴの伝達率と動力混合機構の伝達効率との関係を示す表である。
【図６】エンジンから発電機に動力を伝達させるための、非限定的な方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
特に、発明の詳細な説明及び図面が、特定の実施例を説明することを目的とするにすぎず、本発明の理解を補助するものであることに留意すべきである。
【０００８】
本発明の図示の実施例では、動力源からの動力を出力シャフトに伝達するための変速機装置であって、
動力源からの動力を受けるように、及び、ＣＶＴ出力動力を供給するように構成されている無段変速機（ＣＶＴ）と、
動力源からの動力を受けるように、及び、副変速機出力動力を供給するように構成されている副変速機と、
ＣＶＴ出力動力と副変速機出力動力とを複合することによって、出力シャフトに供給すべき複合出力動力を生成するように構成されている動力混合機構であって、複合出力動力に占めるＣＶＴ出力動力の割合が、動力源によって供給される動力が大きくなるに従って小さくなる、動力混合機構と、
を備えている変速機装置が提供される。
【０００９】
他の実施態様では、動力源からの動力を出力シャフトに供給するための方法であって、
動力混合機構において無段変速機（ＣＶＴ）出力を受けるステップと、
動力混合機構において副変速機出力動力を受けるステップと、
動力混合機構においてＣＶＴ出力動力と副変速機出力動力とを複合することによって、出力シャフトに供給するための複合出力動力を生成するステップと、
を備えている方法において、
複合出力動力に占める副変速機出力動力の割合が、出力シャフトにおけるロード要求の変化に応じて変更される方法が提供される。
【００１０】
特許請求の範囲及び／又は明細書において、“備えている（comprising）”との記載と関連して利用された場合における、“１つの（a又はan）”との記載の利用は、“１つの（one）”を意味するが、“１つ以上の（one or more）”、“少なくとも１つの（at least one）”、及び“１つ又は１つより多くの（one or more than one）”の意味も含んでいる。同様に、“他の（another）”との記載は少なくとも２番目以降を意味する場合がある。
【００１１】
本明細書及び特許請求の範囲で利用されるように、“備えている（comprising）”（及び“comprise”や“comprises”のような任意の形態）、“有している（having）”（及び“have”や“has”のような任意の形態）、又は“含んでいる（containing）”（及び“include”や“includes”のような任意の形態）は、包括的又は非限定的であり、別の記載されていない要素又は方法ステップを除外する訳ではない。
【００１２】
“約（about）”との記載は、値が当該値を決定するために利用される装置又は方法についての固有の誤差を含んでいることを示すために利用される。
【００１３】
本発明の他の目的、利点、及び特徴は、添付図面を参照しつつ、図示する本発明の実施例に関する例示のみを目的とする以下の非限定的な説明を読むことによって明らかとなるだろう。
【００１４】
図１は、図示の実施例における変速機装置を含んでいる発電機装置１０の非限定的なブロック図である。発電機装置１０は、内燃エンジン１２の形態をした原動機と、変速機装置２０と、ロード２４が作用可能な発電機２２とを備えている。
【００１５】
一般に、発電機２２に作用するロード２４は、略一定の周波数（一般に６０Ｈｚや５０Ｈｚ）で供給される交流電流によって給電される。交流電流をロード２４に略一定の周波数で供給可能とするために、発電機２２を、略一定の回転速度（例えば６０Ｈｚの場合に１８００ｒｐｍや５０Ｈｚの場合に１５００ｒｐｍ）で駆動する必要がある。交流電流が略一定の周波数で供給されない場合には、静止周波数変換装置（electronic frequency converter）を、電波の周波数を調節するために、発電機２２とロード２４との間において利用する必要がある。
【００１６】
周波数変換装置を利用することを回避するために、既存の発電機のうち大部分の発電機が、略一定の速度で駆動されるディーゼルエンジンによって給電されている。しかしながら、ロード要求が変更された場合には、エンジンが一定の速度において効率的に動作しない。効率的に最適化するために、内燃エンジンは、特定の速度において所定の動力（出力としての機械的出力／入力としての燃料発電量）を供給する必要がある。従って、効率的に動作させるためには、発電機２２におけるロード要求の変化に応じて、エンジン１２の回転速度を制御、増大、又は減少させることが望ましい。エンジン１２の回転速度を制御、増大、又は減少させることができないならば、ロード要求が変更された場合であってもエンジン１２を一定の速度で動作させるので、燃料コスト、増大する汚染物質の排出、及びさらに大きくなる騒音の観点において、エンジンが非効率的に動作することになる。
【００１７】
図示の実施例では、ロード要求を変更している最中にエンジン１２をより効率的に動作させるために、無段変速機（ＣＶＴ）１４を含んでいる変速機装置２０が、エンジン１２の制御可能な変動出力と発電機２２の入力との間に配設されている。ＣＶＴ１４は、例えば２つのキャビティを有しているトロイダル状のＣＶＴとされるが、ＣＶＴ１４の非限定的な例示を図２に表わす。ＣＶＴ１４は、発電機２２に設けられているエンジン１２の出力シャフトにおいて、エンジン１２の変動する制御可能な出力を一定の速度に変換可能である。
【００１８】
ＣＶＴ１４が発電機２２における入力速度を調節可能な方法については、図１及び図２に関連して詳述する。
【００１９】
図１に表わすように、発電機装置１０は、電力計２６とエンジン１２とＣＶＴ１４と通信している状態にある電子制御装置２８を備えている。電力計２６は、発電機２２の出力と通信している状態で配設されているので、ロード２４を介して発電機２２に対する電力要求を読み取ることができる。
【００２０】
さらに、電子制御装置２８は、（エンジン１２の回転速度でもある）ＣＶＴ１４に対する入力における回転速度を示す測定値を得る入力速度センサ３３と、（発電機２２に対する入力速度でもある）変速機装置２０の出力における回転速度を示す測定値を得る出力速度センサ３５と通信している状態にある場合がある。発電機２２の電気的出力の周波数をモニタリングすることによっても、変速機装置の出力速度を得ることができることに留意すべきである。当該測定値が電子制御装置２８に付与されるので、少なくとも部分的に当該測定値に基づいて、電子制御装置２８は以下のことを実施可能となる：
【００２１】
エンジン１２に対する燃料供給比（fuel rate supply）を増減するためにエンジン１２のスロットル２７を制御すること、ひいては、エンジン１２の速度及び／又は動力を制御すること、又は、電子制御式エンジンの場合には、所望の回転速度を示す制御信号をエンジン制御装置に発信すること；及び
【００２２】
エンジン１２における速度及び／又は出力の変化とは無関係に発電機２２において一定の速度を維持するために、ＣＶＴ１４の伝達率を制御すること。
【００２３】
従って、原動機の変動出力とＣＶＴの伝達率とを制御することによって、様々な負荷条件において伝達の全体効率を改善することができる。
【００２４】
電子制御装置２８が発電機装置１０のこれら２つの構成部品を制御可能とされる非限定的な方法については、特許文献１に詳細に開示されている。当該特許文献の内容全体が、参照により本明細書に組み込まれている。
【００２５】
図２は、変速機装置２０の説明を目的とする非限定的な実施例を表わす。変速機装置２０は、ＣＶＴ１４と、副変速機１６と、動力混合機構１８とを備えている。図示する非限定的な実施例では、副変速機１６が、ＣＶＴ１４の入力シャフト４０を備えている。副変速機１６自体が、ＣＶＴ変速機１４の一部分である直線状の駆動シャフトである。図１に表わすように、副変速機１６は、ＣＶＴ１４から独立しているので、ＣＶＴ変速機１４から独立して動力を伝達することができる。しかしながら、本明細書で説明する非限定的な実施例では、副変速機１６がＣＶＴ１４の中心シャフト４０であることに留意すべきことである。
【００２６】
動力混合機構１８は、ＣＶＴ１４からの動力と副変速機１６からの動力とを複合することによって複合出力動力を生成することができる、遊星歯車組立体３８を備えている。このことについては、以下に詳述する。
【００２７】
ＣＶＴ１４の入力シャフト４０が、エンジン１２から入力回転速度を受けるためにエンジン１２に接続されている。エンジン１２が任意のタイプの原動機であることに留意すべきである。原動機としては、例えばディーゼルエンジンやガソリン内燃エンジンが挙げられる。図２に表わすＣＶＴ１４は、入力シャフト４０に固定状態で接続されている一組のトロイダルディスク４６，４８と、ケージ状構造体５２を介してＣＶＴ出力動力シャフト４４に固定状態で接続されている両側出力トロイダルディスク５０とを備えている。図示する非限定的な実施例では、入力シャフト４０とＣＶＴ出力動力シャフト４４との両方が同軸に配置されている。
【００２８】
第１のトロイダルキャビティ５４は、入力トロイダルディスク４６と出力トロイダルディスク５０との間に形成されており、第２のトロイダルキャビティ５６は、入力トロイダルディスク４８と出力トロイダルディスク５０との間に形成されている。第１のトロイダルキャビティ５４はトロイダルレース５８，６０を形成しており、第２のトロイダルキャビティ５６はトロイダルレース６２，６４を形成している。３つの摩擦ローラ６６（１つのみ図示する）は、これら摩擦ローラ６６がトロイダルレース５８，６０の両方と係合しているように、第１のトロイダルキャビティ５４内に位置決めされており、３つの摩擦ローラ６８（１つのみ図示する）は、これら摩擦ローラ６８がトロイダルレース６２，６４と係合状態にあるように、第２のトロイダルキャビティ５６内に位置決めされている。しかしながら、言うまでもなく、任意の数量の摩擦ローラ６６，６８がトロイダルキャビティ内に配設されていても良い。
【００２９】
摩擦ローラ６６，６８は、アキシアルキャリア７０，７２それぞれに回転可能に取り付けられているので、摩擦ローラ６６，６８は、外側の入力トロイダルディスク４６，４８と出力トロイダルディスク５０との間において回転運動を伝達するように回転可能とされる。このような態様では、入力トロイダルディスク４６，４８は駆動ディスクであり、出力トロイダルディスク５０は従動ディスクである。動作中において、摩擦ローラ６６，６８がトロイダル面の異なる接触点においてトロイダルレース５８，６０及びトロイダルレース６２，６４に接触するように摩擦ローラ６６，６８を傾けることによって、ＣＶＴの伝達率が変更される。上述のように、ＣＶＴの伝達率を変化させる方法については、特許文献１に詳述されている。
【００３０】
当業者であれば理解可能なように、ＣＶＴ１４は、動力入力部としてディスク５０と共に利用され、動力出力部としてディスク４６，４８と共に利用される。
【００３１】
ＣＶＴ出力動力シャフト４４及び（副変速機１６の一部分でもある）入力シャフト４０の両方が、動力混合機構１８の遊星歯車組立体３８に動力を伝達させる。遊星歯車組立体３８は、ＣＶＴ１４からの動力と副変速機１６からの動力とを複合することによって、出力シャフト４２を介して発電機２２に供給される複合出力動力を生成する。
【００３２】
変速機装置２０の出力シャフト４２は、発電機２２の回転速度を安定させるように機能する。出力シャフト４２の回転速度が変化することによって、発電機２２に対する入力回転速度が変化し、これにより出力電波の周波数が同一の割合で直接影響を受ける。また、出力電圧は、発電機２２の入力速度が変動することによって影響を受ける場合がある。一般的に、上述の極限られた電波のパラメータの変動は、特に停電した際に電気回路網に給電することを試みる場合に、発電機システムから許容可能とされる。従って、発電機システムは、安定的であり、ロード要求の変動に対する高い耐性を特徴とする必要がある。
【００３３】
一般に、トロイダルＣＶＴは、非常に高い耐久性を有しており、発電機装置１０に関連する場合もある過酷な利用にも耐えることができる。さらに、トロイダルＣＶＴ１４は、他のタイプのＣＶＴと比較して応答時間が比較的短いという機械的性質を有している。しかしながら、トロイダルＣＶＴ１４は、動力伝達中において、ローラと回転ディスクとの間における摩擦に起因する摩擦損失を発生させるという欠点を有している。一般に、トロイダルＣＶＴが発電機と共に利用される場合には、トロイダルＣＶＴの効率が非常に良好である一方、摩擦損失の結果として、動力源についての燃料要求が高まるので、コストが非常に高くなる。
【００３４】
エンジン１２と発電機２２との間における動力伝達の全体効率を改善するために、上述のように、本発明における変速機装置２０は、ＣＶＴ１４に加えて、副変速機１６を備えている。副変速機１６は、ＣＶＴ１４の効率より高い効率を有している任意の変速機、例えば単なる駆動シャフトとされる。動力混合機構１８は、ＣＶＴ１４からの動力と副変速機１６からの動力とを複合することによって、発電機２２に供給される複合出力動力を生成するように機能する。
【００３５】
本出願全体を通じて詳細に説明するように、比較的効率的な副変速機１６からの動力を比較的効率的でないＣＶＴ１４からの動力と混合することによって、変速機装置２０は、ＣＶＴ１４を単独で利用することによって得られる効率より高い効率で動力を伝達させることができる。
【００３６】
より具体的には、エンジン１２が比較的低速で運転しており、比較的小さな動力を供給している状況において、例えば発電機２２に作用するロード２４が比較的小さい場合には、動力混合機構１８によって、比較的大きな割合の動力がＣＶＴ１４から発電機２２に供給される。対照的に、エンジン１２が比較的高速で運転しており、比較的大きな動力を供給している場合には、例えば発電機２２に作用するロード２４が大きい場合には、動力混合機構１８によって、比較的大きな割合の動力が副変速機１６から発電機２２に伝達される。
【００３７】
当業者であれば理解可能なように、小さなロードにおける伝達効率を最大化することが望ましい特定の用途については、動力混合システムは、小さな動力要求において最大割合の動力を副変速機に伝達させる一方、大きな動力要求において比較的大きな割合の動力をＣＶＴに伝達させるように構成されている。
【００３８】
エンジン１２によって発生される動力が大きくなるに従って、ＣＶＴ１４によって発電機２２に伝達される動力の割合が小さくなる。このような態様では、比較的大きな動力がエンジン１２によって発生される（これにより、一般に燃料消費の観点から比較的コスト高となる）場合には、当該動力の大部分が、比較的効率的な副変速機１６を介して発電機２２に伝達される。一般に、副変速機１６を介して伝達される出力動力の割合が大きくなるに従って、変速機装置２０の全体効率が大きくなる。
【００３９】
動力混合機構１８の伝達率とＣＶＴ１４の伝達率とを複合することによって、ＣＶＴ１４からの動力及び副変速機１６からの動力の割合を、発電機２２におけるロード要求の変化に応じて変更することができる。より具体的には、発電機２２におけるロード要求の変化によって、ＣＶＴ１４が自身の伝達率を変化させ、これにより発電機２２において比較的安定した速度を維持するためにエンジンの回転速度を調整することをエンジンに強制することができる。動力混合機構１８内における歯車の構成と共にＣＶＴの伝達率を変化させることによって、ＣＶＴ１４及び副変速機１６の動力分割について調整可能となる。
【００４０】
図３は、図示の実施例における動力混合機構１８の概略的な分解図である。図示の如く、動力混合機構１８は、速度調整用遊星歯車列として機能する第１の遊星歯車列８０と混合用遊星歯車列として機能する第２の遊星歯車列８２とを有している、遊星歯車組立体３８を備えている。
【００４１】
図示の如く、第１の遊星歯車列８０は、太陽歯車８４と、遊星歯車８６と、変速機装置２０のハウジング８１に固定されているリング歯車８８とを含んでいる。ＣＶＴ出力動力シャフト４４は太陽歯車８４に固定状態で接続されているので、ＣＶＴ出力動力シャフト４４の回転速度及び動力が太陽歯車８４に作用する。太陽歯車８４の回転が遊星歯車８６に作用するので、遊星歯車８６が太陽歯車８４とリング歯車８８との間において回転する。上述のように、リング歯車８８が変速機装置２０のハウジング８１に固定されているので、リング歯車８８は回転しない。
【００４２】
第１の遊星歯車列８０では、太陽歯車８４が入力部として機能し、遊星歯車８６に接続されている遊星キャリア（図示しない）が出力部として機能する。このような装置についての歯車比（gear ratio）は、（１＋リング歯車の歯数）／（太陽歯車の歯数）によって計算される。図示する非限定的な実施例では、第１の遊星歯車列８０は歯車比３．５３を有している。このような装置は、ＣＶＴ１４の出力と混合用遊星歯車列８２の入力との間において速度を調整するために利用可能とされる。
【００４３】
第２の遊星歯車列８２は、太陽歯車９０と、遊星歯車９２と、リング歯車９４とを備えている。副変速機１６が太陽歯車９０に接続されているので、入力シャフト４０の回転速度及び動力が太陽歯車９０に作用する。さらに、第１の遊星歯車列８０の遊星歯車８６の遊星キャリア（図示しない）は、自身の回転速度及び動力を第２の遊星歯車列８２の遊星歯車９２の遊星キャリア（図示しない）に作用させる。第１の遊星歯車列８０及び第２の遊星歯車列８２の遊星キャリアそれぞれが相互に接続されているからである。
【００４４】
このような態様では、第２の遊星歯車列８２は、２つの入力部、すなわち、太陽歯車９０を介した副変速機１６からの入力部と、遊星歯車９２を介したＣＶＴ１４からの入力部とを備えている。太陽歯車９０からの入力と、遊星歯車９２の遊星キャリアからの入力との両方が、ＣＶＴ１４及び副変速機１６からの回転及び動力の混合をリング歯車９４に作用させるように機能する。このような態様では、ＣＶＴ１４及び副変速機１６の両方からの動力がリング歯車９４に供給されるので、リング歯車９４は変速機装置２０の出力シャフト４２を回転させる。出力シャフト４２の回転速度は、発電機２２に伝達され、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚの周波数を維持するために比較的一定に維持される必要がある。
【００４５】
非限定的な実施例では、第２の遊星歯車列８２は遊星歯車比１．６３を有している。動作中において、リング歯車９４の回転速度は、以下の式を利用することによって計算可能である。
ωｒ＝（ωｃ×（１＋Ｒ）−ωｓ）／Ｒ
ここで、ωｒ＝遊星リング歯車の回転速度；
ωｃ＝遊星キャリアの回転速度；
ωｓ＝太陽歯車の回転速度；及び
Ｒ＝遊星歯車比。
【００４６】
図３に表わす遊星歯車組立体３８は２自由度を有している。遊星歯車組立体３８は、２つの独立した入力動力を、すなわち、ＣＶＴ１４からの第１の入力動力と副変速機１６からの第２の入力動力とを受けることができる。これら２つの入力動力に基づいて、歯車同士の関係が混合出力動力を調節する。
【００４７】
図３に表わす実施例では、ＣＶＴ１４は太陽歯車８４に入力動力を供給し、副変速機１６は太陽歯車９０に入力動力を供給する。その後に、複合出力動力がリング歯車９４を介して出力シャフト４２に供給される。遊星歯車組立体３８が２自由度を有している（すなわち、遊星歯車組立体３８が単一の出力動力に複合可能な２つの相違する入力動力を受けることができる）限り、２つの動力源からの入力動力が歯車それぞれに供給され、出力動力が歯車それぞれから受けられ得る一方、遊星歯車組立体３８から同一の動作を依然として得ることができる。より具体的には、このことは、２つの入力部の間における動力の再循環とは対照的に、入力速度及び入力トルクの方向が出力部に向かう動力の複合を形成する限り成立する。２自由度の遊星歯車組立体３８を所望の性能を得るように構成するための方法については、当業者に知られているので、本明細書では詳述しない。
【００４８】
また、当業者であれば理解可能なように、動力が再循環している構成が、ＣＶＴ内に供給される動力を制限すること及び副変速機内の動力を最大化することという同一の所望の効果を発揮し、これにより結果として、全体的な伝達効率を高めることができる。
【００４９】
上述のように、図３に概略的に表わす遊星歯車組立体は、ＣＶＴ１４からの動力と副変速機１６からの動力との混合を含んでいる複合出力動力を出力シャフト４２に供給するように構成されている。複合出力動力は、第１の割合のＣＶＴ１４からの動力と、第２の割合の副変速機１６からの動力とを備えている。第１の割合と第２の割合との合計は、損失を考慮しなければ１００％の複合出力動力である。
【００５０】
ＣＶＴ１４からの動力の割合と副変速機１６からの動力の割合とが、複合出力動力となるが、一定ではない。その代りに、動力混合機構１８によって、これら割合（すなわち動力分割）がＣＶＴ１４の伝達率に従って変更される。ＣＶＴ１４の伝達率が変化するに従って、ＣＶＴ１４によって供給される出力動力の割合と、副変速機１６によって供給される出力動力の割合とが、ＣＶＴの伝達率と動力混合機構１８の遊星歯車組立体３８の歯車比との組み合わせによって調節される。
【００５１】
当該図示の実施例では、遊星歯車組立体３８は、ＣＶＴ１４の伝達比がオーバードライブからアンダードライブに（すなわち、最小比から最大比に）移行するに従って、ＣＶＴ１４によって出力シャフト４２に供給される出力動力の割合が減少するように構成されている、歯車比を有している。このことは、図４のグラフに表わされている。図４は、ＣＶＴ比がオーバードライブ状態にある（ＣＶＴ比が約０．４５〜約０．７５である）場合に、全出力動力のうち比較的大きな割合の出力動力がＣＶＴ１４によって供給される。ＣＶＴ比がアンダードライブ状態に向かって変化する（ＣＶＴ比が約１．０から約２．３に変化する）に従って、ＣＶＴ１４からの動力の割合が減少するので、全出力動力のうち比較的大きな割合の出力動力が、比較的効率的な副変速機１６によって供給される。
【００５２】
ＣＶＴ１４は、エンジン１２が比較的低いエンジン速度及び比較的低いエンジン出力を有している場合には、一般にオーバードライブ状態にあり、エンジン１２が比較的高いエンジン速度及び比較的高いエンジン出力を有している場合には、一般にアンダードライブ状態にある。エンジン１２の出力動力が大きくなるに従って、当該出力動力のうち多くの出力動力が、ＣＶＴ１４より効率的に動力を伝達する副変速機１６を介して発電機２２に供給される。このような態様では、発電機２２におけるロード要求が高まるに従って、すなわち、より大きなエンジン１２からの動力を必要とするに従って、ＣＶＴは、より大きな動力が副変速機１６を介して発電機２２に供給されるアンダードライブ状態に向かって移行する。従って、変速機装置２０の全体効率は、エンジン１２の出力発生が大きくなるに従って高くなる。
【００５３】
上述のように、ＣＶＴ１４は、副変速機１６より効率的でない動力伝達経路を有している。副変速機１６によって供給される出力動力の割合が大きくなるに従って、変速機装置２０の全体効率も高くなる。
【００５４】
動作中において、発電機２２におけるロード要求が変更された場合には、一般に、ＣＶＴ１４は伝達比を変化させる。発電機２２におけるロード要求が変化する場合には、ＣＶＴ１４は、ロード２４によって要求される動力について最も効率的な回転速度でエンジン１２を動作させる伝達比に、自身の伝達比を常に変化させる。このように伝達比を変化させることによって、エンジン１２は、所定の動力要求について効率的に動作する一方、発電機２２に供給される回転速度を略一定に維持することができる。
【００５５】
上述のように、変速機装置２０も、発電機２０におけるロード要求が変化した場合に、副変速機１６によって供給される複合出力動力の割合が変化するように構成されている。発電機２０におけるロード要求が、より大きな動力がエンジン１２から必要とされるように変化するので、変速機装置２０は、変速機装置２０の全体効率が高まるように、ＣＶＴ１４と副変速機１６との間において動力分割する。
【００５６】
図５に表わす表は、伝達効率１０６とエンジンの回転速度１００とＣＶＴ１４の伝達率１０２と全体の伝達率１０４との間における関係を示している。図５に表わす値は、発電機に対する入力速度を１８００ｒｐｍ（６０Ｈｚ）、第１の遊星歯車列８０についての速度調整遊星歯車比を３，５３、第２の遊星歯車列８２についての混合用遊星歯車比を１．６３、ＣＶＴ１４及び第１の遊星歯車列８０についての伝達率を９０％、及び、副変速機１６についての伝達効率を約１００％と仮定した場合の値である。
【００５７】
ＣＶＴ１４の伝達率１０２がオーバードライブ状態からアンダードライブ状態に移行するに従って、変速機組立体全体の伝達率１０４が大きくなる。変速機組立体全体の伝達率１０４が大きくなるに従って、副変速機１６によって供給される出力動力の割合が、遊星歯車組立体３８の物理特性に基づいて大きくなる。従って、図５の表から明らかなように、ＣＶＴ１４が副変速機１６より効率的でない場合には、ＣＶＴ１４の伝達率１０２が（ＣＶＴ１４によって供給される出力動力が徐々に小さくなるように）オーバードライブ状態からアンダードライブ状態に移行するので、変速機装置２０の全体効率１０６が高められる。
【００５８】
例えば、ＣＶＴ１４の伝達率１０２が０．４５（オーバードライブ比）である場合には、（図４に基づけば）出力動力の約６５％がＣＶＴ１４によって供給されるので、変速機装置の伝達効率１０６は約９３．５％である。しかしながら、ＣＶＴ１４の伝達率１０２が１．３１（若干のアンダードライブ状態）である場合には、（図４に基づけば）出力動力の約４６％がＣＶＴ１４によって供給されるので、変速機装置２０の伝達効率１０６が９６．１％まで高められる。
【００５９】
動力混合機構１８は、このような動力分割を行うように構成されている。ＣＶＴ１４の伝達率が０．８２以上である場合には、副変速機１６によって供給される出力動力の割合は、ＣＶＴ１４によって供給される動力の割合より大きい。動力の一部分が副変速機１６を介して供給されることによって、変速機装置２０の動力の伝達効率が高められる。留意すべきでは、当業者であれば、所望の動力分割性を得るために、遊星歯車組立体３８の歯車比及び構成を選定可能なことである。
【００６０】
図６は、エンジン１２からの動力を上述した発電機２２に伝達させるための非限定的な方法を要約したフローチャートである。
【００６１】
最初に、ステップ１１０，１１２において、当該方法は、動力混合機構においてＣＶＴからの動力と副変速機からの動力とを受けるステップを含んでいる。当該ステップが逐次的に実施されることが図示されているが、当然ながら、当該ステップが、同時に又は逆の順序で実施されても良い。
【００６２】
当業者であれば理解可能なように、変速機装置２０全体において同様に効率を向上させるために動力を循環させる方法（power looping strategy）を利用している、異なる遊星歯車組立体３８を利用することもできる。非限定的な例示として、このような構成は、特定のＣＶＴ比において動力の１５０％が副変速機に伝達されると共に動力の−５０％がＣＶＴに伝達されるように、動力を循環させることができる。従って、ステップ１１０又は１１２における動力は正数であっても負数であっても良いことは言うまでもない。
【００６３】
ステップ１１４では、当該方法は、ＣＶＴからの動力と副変速機からの動力とを複合するステップであって、複合出力動力に占めるＣＶＴからの動力の割合が、発電機におけるロード要求に従って変動するステップを含んでいる。動力混合機構がＣＶＴからの動力と副変速機からの動力とを複合する方法の一例は、ＣＶＴからの動力の割合が変化する方法と同様であり、上記において詳述した通りである。
【００６４】
図１を参照すると、電子制御装置２８は、エンジン１２とＣＶＴ１４との間に位置決めされているクラッチ３２と通信している状態にある。クラッチ３２は、ＣＶＴ１４をエンジン１２から係合解除するように機能する任意の適切な（機械式、液圧式、又は電磁式）クラッチ機構であれば良い。クラッチが作動した場合には、ＣＶＴ１４がエンジン１２から係合解除されるので、ＣＶＴ１４はエンジン１２から動力も回転運動も受けない。ＣＶＴ１４が係合解除された場合には、エンジン１２からの動力及び回転運動のすべてが、エンジン１２から副変速機１６を介して発電機２２に伝達される。
【００６５】
当業者にとっては言うまでもなく、遊星歯車組立体３８の要素が動作することによって、エンジン１２からの動力及び回転運動のすべてがエンジン１２から副変速機１６を介して発電機２２に伝達される必要がある。例えば、遊星キャリアは、惰性で回転している太陽歯車８４を介して動力が循環することを防止する。
【００６６】
上述のように、副変速機１６は、ＣＶＴ１４よりも効率的に発電機２２に動力を伝達させることができる。従って、ＣＶＴ１４をエンジン１２から係合解除することによって、エンジン１２からの動力及び回転運動のすべてが、副変速機１６を介して比較的高効率で発電機２２に伝達可能とされる。
【００６７】
ＣＶＴ１４がエンジン１２から係合解除される、このような直接駆動構造は、発電機の出力範囲及び速度範囲の一部分について有用であるにすぎないかもしれない。一例として、８０％〜１００％の動力を発生させている発電機２２は、ＣＶＴ変速機からの動力損失を回避するために、及び、より大きな動力をより効率的にエンジン１２から発電機２２に供給させるために、上述の実施例では直接駆動装置である副変速機１６を利用することができる。しかしながら、動力が８０％を下回った場合には、ＣＶＴ１４は、エンジンの速度を低減するために、及び、出力範囲の残り部分についてより多くの燃料を確実に節約するために再び動作する。
【００６８】
従って、非限定的な実施例では、電子制御装置２８は、発電機２２におけるロード要求を示す電力計２６からの信号を監視する。さらに、電子制御装置２８は、発電機２２におけるロード要求が事前設定された範囲内であることを検出した際に、電子制御装置がクラッチ３２を作動させるように機能することによって、ＣＶＴ１４がエンジン１２から係合解除されるような、論理回路及びプログラム指令を備えている。このような態様では、発電機２２におけるロード要求が事前設定された範囲内である場合に、ＣＶＴ１４がエンジン１２から接続解除されるので、変速機装置２０は、実施可能な最も効率的な方法でエンジン１２から発電機２２に動力を伝達させることができる。
【００６９】
図１に表わすシステムでは、エンジンフライホイール３４の慣性が出力フライホイール３６の慣性より小さいことに留意すべきである。エンジンの速度が変動するにも関わらず、システムの出力が一定の速度であるからである。従って、オルタネータに作用するロードが突然遮断された場合には、大きな出力フライホイール３６に蓄積された慣性エネルギが、発電機の速度を比較的一定に保つために利用される。この時、変速機システムがシフトダウンされ、この出力回転慣性エネルギの一部分がエンジンに伝達され、エンジンの速度が急速に高められる。このようにエンジンを急加速することによって、より大きな動力をより急速に伝達させ、これにより、システムを安定状態に戻すと共にシステムの応答時間を低減することができる。
【００７０】
当業者であれば容易に理解可能なように、内燃エンジン１２を、例えばガソリンエンジン、ディーゼルエンジンやガス燃焼エンジンのような他の原動機に置き換えることができる。すべての原動機が、原動機の回転速度及び／又は出力トルクが様々なパラメータに従って利用者又は自動制御装置によって調整可能とされるように、利用者によって制御可能とされることに留意すべきである。
【００７１】
添付図面及び上述の説明は発電機のための変速機装置に関連するが、他のタイプのロードが出力シャフト、すなわち図示の実施例における遊星歯車装置８２のリング歯車９４と関連していることに留意すべきである。例えば、ポンプ、コンプレッサ、コンベア、ファン、エンジンの補機やターボチャージャーが、このような変速機装置と関連している場合がある。
【００７２】
言うまでもなく、本発明は、その用途において、添付図面及び上述の説明における構造及び部品の詳細に限定される訳ではない。本発明は、他の実施例及び様々な方法によって実現可能である。また、言うまでもなく、本明細書で用いられた用語及び述語は、本発明を説明することを目的とするものであり、限定することを目的とする訳ではない。さらに、本発明は図示の実施例によって上述のように説明されるが、本発明は、その技術的思想、技術的範囲、及び性質から逸脱しない限り、変更可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１０  発電機装置
１２  内燃エンジン
１４  ＣＶＴ
１６  副変速機
１８  動力混合機構
２０  変速機装置
２２  発電機
２４  ロード
２６  電力計
２７  スロットル
２８  電子制御装置
３２  クラッチ
３３  入力速度センサ
３４  エンジンフライホイール
３５  出力速度センサ
３６  出力フライホイール
３８  遊星歯車組立体
４０  入力シャフト
４４  ＣＶＴ出力動力シャフト
４６  入力トロイダルディスク
４８  入力トロイダルディスク
５０  出力トロイダルディスク
５２  ケージ状構造体
５４  第１のトロイダルキャビティ
５６  第２のトロイダルキャビティ
５８  トロイダルレース
６０  トロイダルレース
６２  トロイダルレース
６４  トロイダルレース
６６  摩擦ローラ
６８  摩擦ローラ
８０  第１の遊星歯車列
８１  ハウジング
８２  第２の遊星歯車列
８４  太陽歯車
８６  遊星歯車
８８  リング歯車
９４  リング歯車
１００  エンジンの回転速度
１０２  ＣＶＴ１０４の伝達率
１０４  ＣＶＴ
１０６  伝達効率
【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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【国際調査報告】
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