(57)【要約】内燃エンジンからの排気ガスによって駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに連結されたロータ、及び前記ロータが前記タービンによって回転させられる時に、前記ロータと共に電力を発生するように構成された鉄なしコイルを含んだステータを有する発電機とを備えるターボ発電機。
2011517744.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃エンジンからの排気ガスによって駆動されるように構成されたタービンと、
前記タービンに連結されたロータ、および前記ロータが前記タービンによって回転させられる時に、前記ロータと共に電力を発生するように構成された鉄なしコイルを含んだステータを有する発電機とを備えるターボ発電機。
【請求項２】
前記タービンは前記ロータに直接動力を供給するように構成される請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項３】
前記ロータは永久磁石をさらに備える請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項４】
前記ステータは前記ロータの周囲にスロットレス積層体をさらに備え、前記鉄なしコイルは前記ロータと前記スロットレス積層体との間に配置される請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項５】
前記鉄なしコイルは三相巻線を形成するように相互に連結された同心の内側および外側の巻線部を備え、前記外側および内側の巻線部は前記内側巻線部の周りに複数回巻き付けられた少なくとも一つの連続的な繊維ストランドによって分離され、かつ封入材料を含浸される請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項６】
前記タービンは、タービンホイールと、前記タービンホイールから延びるタービンシャフトとを備え、前記ロータは前記タービンシャフトに直接連結された中空のロータシャフトを備える請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項７】
前記中空のロータシャフトはネジ式接続によって前記タービンシャフトに直接連結される請求項６に記載のターボ発電機。
【請求項８】
前記内燃エンジンの排気管に連結されるように構成されたハウジングをさらに備え、前記タービンは、前記ハウジング内に配置されたタービンホイールを備え、前記排気管からの排気ガスは前記タービンホイールを駆動する請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項９】
前記ハウジングは、前記タービンホイールを駆動するように用いられる前記排気ガスを出力するように構成された排気口をさらに備える請求項８に記載のターボ発電機。
【請求項１０】
前記ステータは前記鉄なしコイルと同心のスロットレス積層体をさらに備え、前記鉄なしコイルは軸線に沿った両方向において、前記スロットレス積層体を越えて延びる請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項１１】
前記軸線に沿った方向の一方において前記スロットレス積層体を越えて延びる前記鉄なしコイルの一部の周囲に延びる一部を有する冷却液用通路を含んだハウジングをさらに備える請求項１０に記載のターボ発電機。
【請求項１２】
冷却液および潤滑油用の通路を有するハウジングをさらに備える請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項１３】
タービンハウジング部と、前記タービンハウジング部に連結された発電機ハウジング部と、前記タービンハウジング部および前記発電機ハウジング部の間のヒートディフレクタとをさらに備える請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項１４】
車両のエンジン冷却システムに連結されるように構成された冷却通路を含んだハウジングをさらに備える請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項１５】
第二の円周状に延びる部分に接続された第一の円周状に延びる部分を含んだ冷却液用通路を有するハウジングをさらに備え、前記第一の円周状に延びる部分は前記第二の円周状に延びる部分の軸線方向の長さよりも長い軸線方向の長さを有する請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項１６】
前記ハウジングは前記冷却液用通路の第一の円周状に延びる部分への冷却液用ポートをさらに備える請求項１５に記載のターボ発電機。
【請求項１７】
ターボ発電機は潤滑油用通路と、前記潤滑油用通路への潤滑油用ポートとをさらに備え、前記潤滑油用ポートは前記冷却液用ポートから放射方向に沿ってオフセットする請求項１６に記載のターボ発電機。
【請求項１８】
前記潤滑油用ポートは前記冷却液用通路の第二の円周状に延びる部分から軸線方向に沿ってオフセットする請求項１７に記載のターボ発電機。
【請求項１９】
車両のエンジン潤滑システムに連結されるように構成された潤滑油用通路を含んだハウジングをさらに備える請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項２０】
加工後に閉鎖される一つ以上の補助的な孔を含んだ加工された潤滑油用通路を有するハウジングをさらに備える請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項２１】
前記ターボ発電機は、潤滑油用通路を有するハウジングをさらに備え、前記潤滑油用通路は前記ハウジングの軸方向軸線に対して垂直ではない角度で前記ハウジング内を延びる請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項２２】
前記ターボ発電機は、潤滑油用通路と、前記潤滑油用通路内の軸受と、前記潤滑油用通路に接続された潤滑油用ポートとを有するハウジングをさらに備え、前記タービンは前記軸受内で回転するように構成されたタービンシャフトをさらに備え、前記潤滑油用ポートは前記軸受から軸線方向に沿ってオフセットする請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項２３】
前記軸受はフローティングジャーナル軸受を備える請求項２２に記載のターボ発電機。
【請求項２４】
タービンハウジング部と、相互に連結される第一および第二ハウジング部を有する発電機ハウジング部とをさらに備える請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項２５】
前記ターボ発電機は、ハウジングと、前記鉄なしコイルから前記ハウジングを通って延びる少なくとも一つの電気コネクタ組立品とをさらに備え、前記少なくとも一つの電気コネクタ組立品の各々はスタッドと、前記スタッドおよび前記ハウジングの間に絶縁体とを備える請求項１に記載のターボ発電機。
【請求項２６】
前記少なくとも一つの電気コネクタ組立品の各々は、前記電気コネクタ組立品が前記鉄なしコイルに接続される前に、前記スタッドが前記絶縁体に対して回転可能となるように構成される請求項２５に記載のターボ発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、内燃エンジンからの排気ガスによって動力を供給されるターボ発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車用の電気系統は長年にわたって発達し続けている。現在、これらの電気系統は、増加する電気部品、例えば、サーボモータ、オンボードコンピュータ、ナビゲーションシステム、エンターテインメントシステム等を支持することをしばしば必要とする。さらに、機械部品、例えば、パワーステアリングポンプ、空調用コンプレッサ、ウォータポンプ、オイルポンプ、及びエンジンのクランクシャフトによって典型的に駆動される他の構成部品等は、次第に電動式になってきている。電力の需要の増加につれて、従来の電力発生手段の使用は、魅力のないものとなっている。この需要を満たすために必要なオルタネータの物理的サイズの観点だけでなく、化石燃料が不足する時代において内燃エンジンに設けられる付加的な燃料消費負荷の観点からも、エコロジー的影響は大きく、燃料消費を削減することが望まれている。
【０００３】
一つの実行可能な解決方法は、内燃エンジンの排気ガスのエネルギから電力を発生させることである。内燃エンジンおよび排気システムの間に取り付けられた高速タービンは、発電機を駆動するように用いられることができる。この解決法は多くの利点を提供し得る。例えば、乗り物の燃料の経済性が改善される。クランクシャフト駆動式オルタネータの寸法が縮小され、あるいはオルタネータが排除されて、エンジンの燃料消費が低減し、より小型で、より費用のかからない構成が提供される。ハイブリッド車においては、タービン駆動式発電機は電気駆動システム用の電力の供給を補足するために用いられ、内燃エンジンの稼働時間を短縮し、ひいては燃料消費を削減する。即ち、全てのターボ発電機によって生成された電力は、比例的に、エンジンの燃料消費を直接削減する。
【０００４】
これらの利点を有するが、効率的なタービン駆動式発電機を自動車に統合することは困難である。この事実は、従来の発電機が特定の速度範囲内で作動する時にのみ電力を供給可能であったためである。従来の発電機によって供給される電力は、内燃エンジンの排気ガスのエネルギによって生成される高回転タービン速度の場合と同様に、作動速度が特定の範囲を超える時に、急速に低下する。結果として、この技術は自動車に幅広く適用されなかった。現在存在する僅かな応用例は、発電機の作動速度を発電に必要な範囲まで低下させるために、タービンの出力に減速ギア機構を備えた大型の商用の乗り物（例えば、船や大型トラック）に限られている。この構成はエンジンルーム内に大きな空間を必要とし、一般的な乗用車には不適当である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、一般的な乗用車への応用に適切な内燃エンジンによって生成された排気ガスのエネルギから電力を発生させるシステムが技術的に必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様において、ターボ発電機は、内燃エンジンからの排気ガスによって駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに連結されたロータ、及び前記ロータが前記タービンによって回転させられる時に、前記ロータと共に電力を発生するように構成された鉄なしコイルを含んだステータを有する発電機とを備える。
【０００７】
本発明の別の態様において、ターボ発電機は、内燃エンジンからの排気ガスによって駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに連結されたロータ、及び前記ロータの周囲に鉄なしコイルを含んだステータを有する発電機とを備える。
【０００８】
本発明のさらなる態様において、ターボ発電機は内燃エンジンからの排気ガスによって駆動されるように構成されたタービンと、発電機とを備え、前記発電機は前記タービンに連結されたロータと、前記ロータの周囲のスロットレス積層体、並びに前記ロータ及び前記スロットレス積層体の間に配置されたコイルを有するステータとを備える。
【０００９】
本発明の別のさらなる態様において、ターボ発電機は内燃エンジンからの排気ガスのエネルギを回転力に変換する手段と、鉄なしコイルを用いて前記回転力を電力に変換する手段とを備える。
【００１０】
本発明のさらに別の態様において、乗り物は内燃エンジンと、ターボ発電機とを備える。前記ターボ発電機は、内燃エンジンからの排気ガスによって駆動されるように構成されたタービンと、前記タービンに連結されたロータ、及び前記ロータが前記タービンによって回転させられる時に、前記ロータと共に電力を発生するように構成された鉄なしコイルを含んだステータを有する発電機とを備える。
【００１１】
ターボ発電機の他の態様が以下の詳細な説明によって当業者にとって容易に明らかになる。以下の詳細な説明においては、ターボ発電機の例示的な構成が示されるに過ぎない。本発明は、ターボ発電機の他の態様および異なる態様を含み、本明細書を通して示される様々な細部が様々な他の事項において、本発明の精神や権利範囲を逸脱することなく、変更可能である。従って、図面および明細書は、当然説明を目的とするものであり、限定するものではない。図面において、本発明の様々な態様が例示的に示されるが、これらに限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ターボ発電機を備えた自動車システムの例示的実施形態を示す機能ブロック図。
【図２】ターボ発電機の例示的実施形態の側方から見た断面図。
【図３】ターボ発電機の例示的実施形態におけるタービンホイール組立品の側面図。
【図４】ターボ発電機の例示的実施形態における発電機用のロータの側方から見た断面図。
【図５】ターボ発電機の例示的実施形態における発電機用のステータの側方から見た断面図。
【図６】ターボ発電機の例示的実施形態における三つの電気コネクタ組立品の側方から見た断面図。
【図７】ターボ発電機の例示的実施形態における一つの電気コネクタ組立品の側方から見た断面図。
【図８】ターボ発電機の例示的実施形態におけるレギュレータを示す機能ブロック図。
【図９】図２において示されたターボ発電機の例示的実施形態の上方から見た断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明がより完全に記述され、ターボ発電機の様々な態様が示される。しかし、本発明は多くの異なる形態によって具現化可能であり、本明細書に示されるターボ発電機の様々な態様に限定されるべきではない。以下においてターボ発電機の詳細な説明がなされ、本開示は独立かつ完全で、当業者に本発明の権利範囲を完全に示唆する。
【００１４】
本明細書は、ターボ発電機の様々な態様を示す特定の詳細な説明を含む。しかし、本発明はこれらの特定の詳細な説明なしで実施可能であることが明らかになる。いくつかの例においては、本明細書を通して示される発明の概念が不明瞭になることを防ぐために、周知の要素はブロック図で示されるか、省略される。
【００１５】
ターボ発電機の様々な態様は、共に連結された構成部品を記載することによって説明され得る。本明細書に示す「連結された」という用語は、二つの構成部品の間の直接的な接続か、場合に応じて、介在的構成部品または中間構成部品を介した非直接的な接続かのどちらかを意味するように用いられる。対照的に、構成部品が「直接連結された」と言及される場合には、別の構成部品に「直接連結」され、介在する要素は存在しない。
【００１６】
ターボ発電機の様々な態様は、一つ以上の例示的実施形態を参照して説明される。本明細書において用いられる「実施形態」という用語は、「一例として提供される」ことを意味し、本明細書に示されるターボ発電機の他の実施形態よりも、必ずしも好適、または有利であることを意味しない。
【００１７】
さて、ターボ発電機の特定の例示的実施形態が示される。一つの例示的実施形態において、ターボ発電機は、電力を生成する発電機に連結されたタービンを備える。タービンはタービンシャフトに連結されたタービンホイールを備える。タービンホイールは、内燃エンジンからの排気ガスによって駆動される。タービンホイールは、発電機に連結されたタービンシャフトを回転させるように用いられる。発電機は、永久磁石を備えたロータシャフトを含んだロータを備える。ロータシャフトはタービンシャフトに連結されている。発電機は、永久磁石を包囲したスロットレス積層体を備えたステータも有する。ステータは、永久磁石とスロットレス積層体との間に鉄なしコイルも有する。スロットレス積層体は磁気帰路の一部として作用する。
【００１８】
本明細書を通して示されるターボ発電機の様々な態様は、一般的な乗用車（即ち、自動車）内への組込みに適当である。しかし、当業者が容易に理解されるように、これらの態様は他の応用例に拡張されることができ、例えば、内燃エンジンを備えた商用の乗り物、内燃エンジンを備えた航空機および船、固定された装置（例えば、ポンプ、発電機等）を駆動するように構成された内燃エンジン、または他の内燃エンジンを備えた他の適当なシステムに応用することができる。従って、自動車システムに対する言及は、ターボ発電機の様々な態様の説明のためにすぎず、これらの態様は幅広い応用例を有している。
【００１９】
図１は、ターボ発電機を備えた自動車システムの例示的実施形態を示した機能ブロック図である。自動車システム１００は内燃エンジン１０２を備え、内燃エンジン１０２は、本実施形態において、車両を推進させるために駆動系（図示せず）に動力を供給するように用いられる。自動車システム１００は、燃料システム１０４、点火システム１０６、排気システム１０８、冷却システム１１０、潤滑システム１１２、ターボ発電機１１６、レギュレータ１１８、電気的負荷１２０、及び図示されていない他のシステムも備えることができる。
【００２０】
上述の自動車システム１００は、周知であり、従って、簡単に記載される。燃料システム１０４は、適切な空気燃料混合物を内燃エンジン１０２に供給するように用いられる。空気燃料混合物は、点火システム１０６によって点火される時に、内燃エンジン１０２によって燃焼されて、駆動系（図示せず）に動力を供給する。内燃エンジン１０２における空気燃料混合物の燃焼により発生した排気ガスは、排気システム１０８によって大気へ給送される。冷却システム１１０は、燃焼によって発生した熱を分散させるために内燃エンジン１０２に冷却液を供給するように用いられる。潤滑システム１１２は、内燃エンジン１０２内の可動部品に潤滑油を供給するように用いられる。
【００２１】
ターボ発電機１１６は、内燃エンジン１０２から排気システム１０８へ流動する排気ガスの経路内に配置される。上述したように、ターボ発電機１１６は、電力を生成するために発電機に連結されたタービンを備える。タービンは、以下においてより詳細に説明されるようなラジアルタービン、または他の特定の適当な構成である。一例として、タービンは、軸流タービンであって良い。発電機（図示せず）は、タービン（図示せず）によって直接動力を供給され、タービンは、２０００ｒｐｍから２０００００ｒｐｍを超える範囲において常に変動する回転速度、および常に変動する出力を有した内燃エンジン１０２からの排気ガスによって駆動される。発電機は三相永久磁石同期機であり、５０００ｒｐｍから２０００００ｒｐｍを超える回転速度で三相ＡＣ電力を生成する。この広範囲の回転速度および出力にわたる動作は、以下においてより詳細に説明される単一のステータの構成によって実現される。
【００２２】
ターボ発電機１１６によって生成される三相ＡＣ電力は、レギュレータ１１８に供給され、レギュレータ１１８は電気的負荷１２０に分配される前の電圧を整流し、かつ調整する。電気的負荷１２０は、電力を必要とする車両の部品（例えば、バッテリ、サーボモータ、ワイパ用モータ、ヘッドライト、室内灯、計器パネル、ファン、オンボードコンピュータ、ナビゲーションシステム、エンターテインメントシステム等）を表している。電気的負荷１２０は点火システム１０６も含むが、図１において点火システム１０６は、明瞭にするために分けて示されている。
【００２３】
潤滑システム１１２は、ターボ発電機１１６内の可動部品に潤滑油を供給するように用いられる。冷却システム１１０は、タービンを通って流動する排気ガスによって発生した熱から発電機１１６を保護するために、冷却液をターボ発電機１１６に供給するように用いられる。
【００２４】
図２は、ターボ発電機の例示的実施形態の側方から見た断面図である。ターボ発電機１１６は、複数の部分を有したハウジングを備える。前記複数の部分は、タービンハウジング部２０２および発電機ハウジング部を備える。発電機ハウジング部は、第一ハウジング部２０４と第二ハウジング部２０６とに、さらに分割されている。タービンハウジング部２０２は、挟持プレート２０５を通って延びたボルト２０３で発電機ハウジング部に連結されている。端部プレート２０８は、ネジ２０９によって第二ハウジング部２０６の遠位端に取り付けられている。複数の部分を有したハウジングは、ターボ発電機１１６の組立を容易にするが、当業者が容易に理解するように、該ハウジングは単一の部品を含んだ如何なる適切な方法で構成されることもできる。タービンハウジング部２０２は、高温耐熱鋳鉄、高温耐熱鋼鉄、または排気ガスによって発生した熱に耐えることが可能な他の適切な材料から製造される。発電機ハウジング部は、アルミニウム、鋼鉄、鋳鉄、又は他の適切な材料から製造される。
【００２５】
タービンハウジング部２０２は、内燃エンジンの排気管等の排気ガス源に取り付けられるための流入口２１０を備える。タービンハウジング部２０２は、排気ガスを排出する排気口２１２も備える。排気口２１２は、タービンハウジング部２０２から大気中に放出するための排気システムまで排出される排気ガスを給送するように構成された管（図示せず）、または他の部品に取り付けられている。
【００２６】
ターボ発電機１１６は、タービンホイール組立品を備える。タービンホイール組立品は、図３において斜視図で別々に示されている。タービンホイール組立品３００は、高温耐熱鋼鉄、又は他の適切な材料から製造される。タービンホイール組立品３００は、内燃エンジンから流動する排気ガスに応じて、タービンハウジング部２０２内で回転するように構成されたタービンホイール３０２を備える。タービンホイール組立品３００は、タービンホイール３０２と回転するタービンシャフト３０４とをさらに備える。タービンシャフト３０４は、ピストンリング３０６と、スリンガ３０７と、第一軸受面３０８と、ネジ式継ぎ手３１０と、第二軸受面３１４を備えた長尺状遠位部３１２とを有する。
【００２７】
ターボ発電機１１６は、ステータおよびロータを備えた発電機も有する。ロータは、図４の側方から見た断面図において別々に示されている。ステータは、図５の側方から見た断面図において別々に示されている。ロータ４００は、第一および第二フランジ４０６、４０８にそれぞれ固定された永久磁石４０４を支持する中空のロータシャフト４０２と共に示されている。ロータシャフト４０２は、鋼鉄、又は他の適切な材料から製造される。永久磁石４０４は、ロータシャフト４０２上の単一の磁石、又は配列された磁石である。
【００２８】
ロータシャフト４０２は、ロータシャフト４０２とタービンシャフト３０４とを連結するために、タービンシャフト３０４上のネジ式継ぎ手３１０に連結されたネジ式継ぎ手４１０を備えるが、二つのシャフトを共に連結するための他の手段が用いられてもよい。ロータシャフト４０２は、第一ピストンリング４１４を備えたヘッド４１２も有する。第二ピストンリング４１６は、第二フランジ４０８上に配置されている。ロータ４００は、ロータシャフト４０２の両端において、それぞれ第一および第二スリンガ４１８、４２０を伴って示されている。
【００２９】
タービンホイール組立品３００は、ネジ式継ぎ手が係合するまで、タービンシャフト３０４の遠位部３１２をロータ４００のヘッド４１２の開口部内に挿入することによって、ロータ４００に組み付けられ、係合位置においてタービンホイール組立品３００はロータ４００内に螺入可能である。この構成によって、タービンがロータに「直接動力を供給する」ことが可能となり、この事実は、タービンシャフト３０４と、ロータシャフト４０２とはほぼ同一の速度で回転することを意味する。即ち、タービンシャフト３０４と、ロータシャフト４０２との間には、減速ギア機構は存在しない。上述した例示的実施形態において、タービンシャフト３０４はロータシャフト４０２に直接連結されているが、タービンによって動力を供給されるロータは、タービンシャフト３０４と、ロータシャフト４０２とを直接連結しなくても良い。タービンシャフト３０４およびロータシャフト４０２がほぼ同一の速度で回転する場合、ロータを直接駆動するタービンの二つのシャフトの間に、中間構成部品または介在的構成部品が存在しても良い。タービンホイール３０２がタービンハウジング部２０２内を流動する排気ガスによって回転させられる時に、ネジ式継ぎ手が締め付けられるように、シャフト上のネジ式継ぎ手の配向が設定される。
【００３０】
タービンシャフト３０４は、第一および第二軸受２１４、２１６によって支持されている。第一軸受２１４は、第一ハウジング部２０４と、タービンシャフト３０４上の第一軸受面３０８との間に配置され、第二軸受２１６は、第二ハウジング部２０６と、タービンシャフト３０４上の第二軸受面３１４との間に配置されている。第一および第二軸受２１４、２１６は、タービンシャフト３０４の回転速度よりも遅い速度で発電機ハウジング部内を回転するフローティングジャーナル軸受であり得る。軸線方向軸受２１８が第二ハウジング部２０６および端部プレート２０８の間に配置され、タービンシャフト３０４の軸線方向に沿った移動を制限する。第一および第二スラストハブ２２０、２２２が軸線方向軸受２１８の両端に配置されている。ナット２２３が、シャフト３０４の直径が段階的に減少した環状面に対向した位置に、スラストハブ２２０、２２２を保持するように用いられる。端部キャップ２２４は、端部プレート２０８に連結されている。端部キャップ２２４は、ターボ発電機１１６から油が漏出することを防ぐ。
【００３１】
ステータ５００は、ワッシャ形状の鋼鉄積層品と、円筒状コイル５０４とから組立てられた円筒状のスロットレス積層体５０２とを備える。スロットレス積層体５０２と、ロータシャフト４０２上の永久磁石４０４とは二つの円筒状の同心の構成部品として設けられ、スロットレス積層体５０２は磁気帰路の一部として作用する。コイル５０４は、スロットレス積層体５０２と、永久磁石４０４との間の円筒状の間隙内に配置され、コイル５０４は軸線に沿った両方向においてスロットレス積層体５０２および永久磁石４０４を越えて延びている。この間隙は永久磁石４０４と、スロットレス積層体５０２との間に高い磁束密度を提供し、コイル５０４に如何なる磁性部品（例えば、鉄）も必要としない。
【００３２】
コイル５０４は、様々な方法で構成されることができる。一つの例示的実施形態において、コイル５０４は、構造的に独立した三層巻線を備える独立した鉄なしコイルである。鉄なしコイルの相巻線は、磁気帰路上の溝内に巻き付けられたり、積層された鉄リングで挟持されたりする必要がない。相巻線は一連の導電性トレースを形成するようなパターンで切断された二枚の銅シート材プレートから構成される。二枚の銅シート材プレートは、次に、トレースが軸方向軸線に沿って延びた状態で、内側および外側の伸縮する円筒状巻線部として巻かれる。内側巻線部は、連続的な繊維ストランドを巻き付けられ、外側巻線部内に挿入される。次に、外側巻線部は連続的な繊維ストランドを巻き付けられる。内側および外側の巻線は、三相巻線を完全に形成するように接続され、封入材料を含浸される。この方法で構成された鉄なしコイルの一例が、ＴｈｉｎＧａｐ  ＬＬＣ社に付与された米国特許第６８６４６１３号明細書に開示されており、その内容が本明細書に組込まれる。
【００３３】
上述したステータの構成は、ロータシャフト４０２がタービンによって回転させられる時に、永久磁石４０４によって発生する変動磁場に応じて、コイル５０４内に三相ＡＣ電圧を発生させる。三相ＡＣ電圧は三つの電気コネクタ組立品を介してターボ発電機の出力を供給する。ターボ発電機の例示的実施形態用の電気コネクタ組立品が、図６の前方から見た断面図に示されている。各電気コネクタ組立品６００は、コイル５０４の単相巻線から、第二ハウジング部２０４を通って延びている。電気コネクタ組立品の別の視点からの図が図７に示されている。
【００３４】
各電気コネクタ組立品６００は、一端において端子６０６と、他端においてリップ６０８とを備えたスタッド６０４を有する。端子６０６とリップ６０８との間には、スタッド６０４がコイル５０４を第二ハウジング部２０４に短絡させることを防止するように構成された絶縁体６１０が存在する。各電気コネクタ組立品６００は、スタッド６０２上のナット６１２を介して、第二ハウジング部２０４内に螺入される。ワッシャ６１３は、ナット６１２を絶縁体６１０から分離する。設置の際に、スタッド６０４は、絶縁体６１０に対して回転し、リップ６０８における孔６１４をコイル５０４の相巻線の一つから延びたリード６１６に整合させることができる。整合すると、ネジ６１８等の固定具がリップ６０８及びリード６１８の孔を通って挿入され、電気コネクタ組立品６００をコイル５０４に連結することができる。
【００３５】
電気コネクタ組立品は、図１に示す電気的負荷１２０に分配される前に、レギュレータ１１８に接続されている。図８は、レギュレータの例示的実施形態を示す機能ブロック図である。レギュレータ１１８はターボ発電機１１６からの三相ＡＣ電圧出力をＤＣ電圧に変換するためのダイオード整流器８０２を備える。整流器８０２によって生成されたＤＣ電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８０４に供給される。ＤＣ−ＤＣコンバータ８０４は、整流器８０２からの常に変動する電圧出力を、変動する負荷条件下において、電気的負荷１２２が必要とする電圧に変換する。ＤＣ−ＤＣコンバータ８０４は、降圧コンバータ、昇圧コンバータ、あるいは降圧／昇圧コンバータであり得る。コントローラ８０６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ８０４からの出力電圧を監視するとともに、フィードバック信号をＤＣ−ＤＣコンバータ８０４に供給して、電気的負荷１２２が必要とする範囲内の出力電圧に維持するように一つ以上のスイッチを備えた負荷サイクルを制御する。
【００３６】
レギュレータ１１８は、ターボ発電機１１６の部品であって良く、またターボ発電機１１６から遠くに離間していても良い。後者の例として、レギュレータ１１８は、一つ以上の分離した構成部品として、又は車両の電気系統の一つ以上の構成部品に統合されて、車両の電気系統に設置されることができる。例えば、整流器８０２およびＤＣ−ＤＣコンバータ８０４は一つ以上の分離した構成部品として設置されても良く、コントローラ８０６は車両のオンボードコンピュータ内に統合されても良い。特定の応用例と、全体のシステムの全体的な設計の制約とに応じて、当業者はレギュレータ１１８の適当な実施態様を決定することができる。
【００３７】
ターボ発電機１１６は、図２及び９を参照して説明される潤滑システムおよび冷却システムをさらに備えても良い。図９は、図２に示したターボ発電機の上方面から見た断面図である。
【００３８】
潤滑システムは、車両のエンジン潤滑システムから潤滑油を受け入れるための第一ハウジング部２０４における第一の潤滑油流入ポート２２８と、潤滑油を車両のエンジン潤滑システムに復帰させるための第一の潤滑油流出ポート２３２とを備える。第一潤滑油用通路２３０は、流入ポート２２８から第一軸受２１４までの通路と、第一軸受２１４から流出ポート２３２までの排出領域とを備える。タービンシャフト３０４上のスリンガ３０７と、ロータシャフト４０２上の第一スリンガ４１８とは、過剰な潤滑油を第一軸受２１４の領域から排出領域へ除去することを容易にするように用いられる。タービンシャフト３０４上の第一ピストンリング３０６は、潤滑油がタービンハウジング部２０２内に漏出することを防ぐ。
【００３９】
第一潤滑油用通路２３０は、ハウジングの長さを伸ばすことなく、第一軸受２１４に潤滑油を供給するように構成されている。このことは、ハウジング内に、加工後に、溝を有するヘッドレスネジ２３１、２３３で閉鎖されるように構成された補助的な加工孔を設けることと、通路が流入ポート２２８からタービンハウジング部２０２に向かって水平方向に延び、かつ次に軸方向軸線に対して垂直ではない角度で第一軸受２１４まで延びるように、流入ポート２２８から第一軸受２１４までの通路を掘削することとによって、実現される。
【００４０】
潤滑システムは、車両のエンジン潤滑システムからの潤滑油を受け入れるための第二ハウジング部２０６における第二の潤滑油流入ポート２３４と、潤滑油を車両のエンジン潤滑システムに復帰させるための第二潤滑油流出ポート２３６とをさらに備える。第二潤滑油用通路２３８は、流入ポート２３４から第二軸受２１６および軸線方向軸受２１８までの通路を備える。第二潤滑油用通路２３８は、第二軸受２１６および軸線方向軸受２１８から流出ポート２３６までの排出領域をさらに備える。ロータシャフト４０２の第二フランジ４０８上の第二スリンガ４２０は、過剰な潤滑油を第二軸受２１６の領域から排出領域まで除去することを容易にするように用いられる。第二フランジ４０８上の第二ピストンリング４１６は、潤滑油が発電機内に漏出することを防ぐ。第二ハウジング部２０６と端部プレート２０８との間の第二シール２４２は、潤滑油が外側に漏出すること、および外側から第二ハウジング部２０６と端部プレート２０８とによって画定される空間内に水が浸入することを防ぐ。第一シール２４０は外側からターボ発電機１１６内に水が浸入することを防ぐ。
【００４１】
冷却システムは、第一潤滑油流入ポートおよび流出ポート２２８、２３２からそれぞれ９０度、放射方向に沿ってオフセットした一対の冷却液用ポート２４４、２４６を備える。冷却液用ポート２４４、２４６は、第一ハウジング部２０４内の冷却通路２４８を車両のエンジン冷却システムに接続するように設計されている。冷却通路２４８は、発電機と、第一ハウジング部２０４内の第一潤滑油用通路２３０と、タービンシャフト３０４および第一ハウジング部２０４の間の第一軸受２１４とを排気ガスによって生じた熱から保護するために用いられる。タービンハウジング部２０２と、第一ハウジング部２０４との間のヒートディフレクタ２５０によってさらに保護される。
【００４２】
冷却液用通路２４８は、第一ハウジング部２０４内のタービンシャフト３０４の近位部の周囲に延びている。軸線方向に沿った冷却液用通路の長さは、タービンハウジング部２０２からコイル５０４の端部を越えて、スロットレス積層体５０２まで、冷却液用ポート２４４、２４６と同一の放射方向面において延びている。潤滑システムに適合するために、第一潤滑油流入ポートおよび流出ポート２２８、２３２と同一の放射方向面において冷却液用通路２４８の軸線方向に沿った長さは短縮される。
【００４３】
本開示の様々な態様は、当業者が本発明を実施することを可能とするために提供される。本明細書を通して示されたターボ発電機の様々な態様に対する変更が当業者にとって容易に明らかになり、本明細書に開示された概念は、内燃エンジンの排気ガス源を備えた他の応用例に拡張され得る。従って、特許請求の範囲は本明細書を通して示されたターボ発電機の様々な態様に限定されるものではなく、特許請求の範囲の文言に一致する全権利範囲である。本明細書を通して示された様々な態様の要素に対する当業者に周囲の、もしくは以後知られる全ての構造的および機能的均等物は、参照によって本明細書に明らかに組込まれ、かつ請求項に包含される。さらに、本開示が特許請求の範囲において明示的に記述されているかに関わらず、本明細書で示された何れも、公衆に捧げられることは意図されていない。請求項の要素が、「〜する手段」（ｍｅａｎｓ  ｆｏｒ）という文言を用いて、方法請求項の場合には「〜する工程」（ｓｔｅｐ  ｆｏｒ）という文言を用いて明示的に示されていないのであれば、いかなる請求項の要素も、米国特許法１１２条第６パラグラフの規定の下で解釈されるべきではない。
【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９】
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【図１】
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【図８】
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【国際調査報告】
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