(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モーター機能がなく、三つの巻き線を具備し、自己インダクタンスを有する三相オルタネータと、
オルタネータによって送られる交流電流を、直流電流に変換する整流器と、
オルタネータの自己インダクタンスによって、オルタネータの端子間に、高電圧を生じさせることができる、少なくとも一つのスイッチ要素を有する昇圧チョッパと、
オルタネータが回転して電気を発生させる時、三つの巻き線を星形に接続し、かつオルタネータが停止する時、三つの巻き線を三相回路網の個々の相に接続することができるスイッチユニットと、
を備えることを特徴とする発電装置。
【請求項２】
オルタネータが八個の磁極を有し、少なくとも一つのスイッチ要素が、3kHz〜15kHzの範囲のスイッチング周波数で動作することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記スイッチング周波数が、8kHz以下であることを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記スイッチング周波数が、約7.5kHzであることを特徴とする請求項３に記載の装置。
【請求項５】
オルタネータの相当たりのパーセンテージ率における自己インダクタンスが、式LωIＮ/V０によって規定され、0.15〜0.4の範囲であり、前記式でＬはオルタネータの相当たりの自己インダクタンスであり、ωは角周波数であり、ＩＮは任意の速度における電流であり、そしてＶ０は前記速度でのオルタネータの無負荷電圧であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
オルタネータの相当たりのパーセンテージ率における自己インダクタンスが、式LωIＮ/V０によって規定され、0.2〜0.3の範囲であり、Ｌはオルタネータの相当たりの自己インダクタンスであり、ωは角周波数であり、ＩＮは任意の速度における電流であり、そしてＶ０は前記速度でのオルタネータの無負荷電圧であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
整流器が、オルタネータ巻き線に接続される三つの入力端子と、スイッチ要素に接続された二つの出力端子を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
スイッチ要素が、単一のIGBTによって構成されることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
少なくとも一つのモーターを具備した、冷凍システムに接続されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記モーターの電圧Ｕと周波数ｆの両方を変えることができ、比率Ｕ/ｆを一定に保つことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、例えば車輛及びコンテナに搭載する発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車輛またはコンテナ上において、エンジンによって運転されるオルタネータと、整流器と、昇圧チョッパとを備えた装置によって、発電することが知られている。
【０００３】
多数のその様な搭載式発電装置が、提案されており、特に機器の重量を減らすことを目的としている。
【０００４】
従って、多数の装置が提案されており、そこでは昇圧チョッパがオルタネータの自己インダクタンスを利用して、特にチョッパに対してコイルを利用しないようにすることを可能にする。
【０００５】
特に、英国特許出願公開明細書GB-A-2 289 581は、従来の三相オルタネータと、整流器と、整流器よりも下流のハーフブリッジチョッパとを備えた装置を開示している。
【０００６】
米国特許明細書US-A-5 793 625及び米国特許明細書US-A-4 825 139が、別の装置を記載しており、チョッパがオルタネータの自己インダクタンスを利用している。
【０００７】
車輛またはコンテナに載せられた発電装置によって電気的に動力が与えられる設備は、例えば冷凍設備である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
エンジンが停止しても、設備は連続動作できなければならない。
【０００９】
本発明の目的はこの必要性を満足させることである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
従って本発明は、発電のための新たな装置を提供し、その装置は、
三つの巻き線を備えたモータ機能がなく、自己インダクタンスを有する三相オルタネータと、
オルタネータによって送られる交流電流（ＡＣ）を、整流電流に変換する整流器と、
オルタネータの自己インダクタンスによって、オルタネータの端子をわたって、高電圧を発生させることができる、少なくとも一つのスイッチ要素を有した昇圧チョッパと、
オルタネータを回転させた時、三つの巻き線を星形に接続し、かつオルタネータを停めた時、三つの巻き線を三相回路網の各相に接続することができるスイッチユニットと、
を備える。
【００１１】
【本発明の実施の形態】
本願人は、オルタネータのコイルが、整流器に電力を供給するため、三相回路網に直接接続することができることを明らかにしている。
【００１２】
従って、オルタネータに具備した整流器とは別の整流器を備える必要がなく、重量及びコストを減らし、信頼性を増し、シンプルになる。
【００１３】
加えて、オルタネータよりも下流にあるチョッパを有することによって、（複数の）負荷回路に可変な電力を供給して、環境に最高に適応した状態で、負荷回路を動作させることが可能である。
【００１４】
特に、装置は周波数ｆと電圧Ｕの両方を変えるため作用するレギュレータに、電力を供給することができ、その間に例えば比率Ｕ/ｆを一定に保つ。
【００１５】
それによって例えば一定トルクのモータを、電力供給回路網の電圧及び周波数に関係なく、そして大きさまたは寸法を全く増やすことなく、電力を変えて動作させることを可能にする。
【００１６】
400ボルト（V）、500ヘルツ（Hz）で5.5kWのモーター送電力は、その電力を460V、60Hzで6.6kWまで、500V、70Hzで7.5kWまで上げることができる。
【００１７】
加えて、負荷回路を整流器及びオルタネータの巻き線を介して接続することによって、力率を改善することが可能である。
【００１８】
好ましくは、八つの磁極を有するオルタネータを使用し、スイッチング要素に関して、3キロヘルツ（kHz）〜15kHzの範囲のスイッチング周波数で動作させ、また好適には8kHz以下、更に好ましくは7.5kHzである。
【００１９】
本願人は、本発明による装置を、充分な全体の効率を有したその様なスイッチング周波数で、動作させることが可能なことを明らかにしている。
【００２０】
オルタネータの相当たりのパーセンテージ率で、自己インダクタンスが、等式LωIＮ/V０によって画定され、ここでＬはオルタネータの自己インダクタンスであり、ωは角周波数であり、ＩＮは任意の速度における最小電流であり、例えば1500回転毎分（1500rpm）で、Ｖ０は前記速度でオルタネータの無負荷電圧であり、好ましくは値が15％〜40％の範囲、更に好ましくは20〜30％の範囲である。
【００２１】
約10kWの電力に対応する好ましい実施例において、300rpmで相の間で294ボルトの電圧であり、オルタネータの相当たりのインダクタンスは、2ミリヘンリー（mH）であるか、それよりも少なく、好ましくは1.5mH以下であり、それはパーセンテージ率で30％以下のインダクタンスに匹敵する。
【００２２】
また、電力が約10kWで、3000rpmでは相の間で電圧が294ボルトであることに対応する実施例において、オルタネーターの相当たりのインダクタンスは、1mHであるか、それよりも大きく、それはパーセンテージ率で20％以上に匹敵する。
【００２３】
本出願人は、インダクタンス及び周波数の値が、八磁極オルタネータにより、電流高調波（current harmonics）に関する損失を、特に低いレベルに保つことが可能である。
【００２４】
好ましくはオルタネータは、永久磁石オルタネータである。
【００２５】
また好ましくは、チョッパーが整流器よりも下流にあって、信号トランジスタ、例えば絶縁ゲート二極トランジスタ（IGBT）を利用することができる。
【００２６】
この信号トランジスタは、液状冷媒を循環させることによって簡単に冷却することができ、従来装置において、チョッパが複数のトランジスタを有しており、トランジスタが絶縁の問題を生じることなく、共通の冷却器に設けることができないので、冷却がトランジスタの数によって、一層困難になっていた。
【００２７】
スイッチング周波数は、好ましくは一定で、それによって制御電子回路が簡単になる。
【００２８】
チョッパは、間にコイルなしで、整流器に直接接続できる。
【００２９】
好ましい実施例において、チョッパは制御回路によって制御される、少なくとも一つのインバータを備え、制御回路はオルタネータにおける回転子の回転速度を示す情報を受信する。
【００３０】
従って制御回路は、インバータに接続された負荷に関して利用可能な電力に関連することができ、それに関連する動作を制御することができる。
【００３１】
一例として、装置は少なくとも一つのモーターを有する冷凍システムに、電力を与えることができる。
【００３２】
【実施例】
本発明は、実施例に限定するものではないが、以下の詳細な説明を読み、添付図面を参照することによって理解されるであろう。
【００３３】
図１に示されている発電システム１は、電動モータによって運転される種々の負荷２〜５を具備しており、モーターはファンまたはポンプを駆動させるものである。。
【００３４】
動作の二つの可能なモードが可能であり、それはすなわち電力がエンジン１２、例えばディーゼルエンジンによって供給され、その回転速度は、典型的に600rpm〜3600rpmの範囲にわたって変えられる自制動作モードと、エンジン１２を停止し、電力は例えば400V/50Hzまたは460V/60Hz、あるいは幾つかの組み合わせで、三相電気回路網Ｒから得られる、非自制動作モードである。
【００３５】
負荷２〜５は、一定または可変周波数で三相電気を、二つのインバータ７及び８によって電力供給され、インバータはそれ自体、整流器６に接続された昇圧チョッパ９によって、直流電流（ＤＣ）を供給され、整流器自体はオルタネータ１０に接続され、その回転子はエンジン１２によって伝動装置１１を介して回転させることができる。
【００３６】
伝動装置１１は、２または３のファクターによって回転子の回転速度を増すことを可能にし、例えばエンジンがアイドリングする時は5000rpm以上で、またエンジン１２を高速で運転させる時は500rpmの範囲の速度で、オルタネータ１０を回転させることができる。
【００３７】
システム１１は、特にオルタネータ１０の回転子の回転速度を表わす情報を受信する、制御回路１３を具備し、それによってインバータ７及び８に利用可能な電力に関して種々の負荷２〜５を制御する。
【００３８】
オルタネータ１０は、三つのコイル１０ａ、１０ｂ及び１０ｃを有する三相オルタネータであり、各コイルは自己インダクタンスＬを有している。
【００３９】
三つのコイル１０ａ、１０ｂ及び１０ｃの各々は、スイッチユニット３０の各端子３１ａ、３１ｂ、及び３１ｃに接続されており、スイッチユニットは同時動作を行うためスイッチ３５ａ、３５ｂ、及び３５ｃを有しており、各々がコイル１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃのいずれか一個に結合している。
【００４０】
端子３１ａ、３１ｂ、及び３１ｃは、スイッチ３５ａ、３５ｂ、及び３５ｃによって選択的に、各端子３２ａ、３２ｂ、及び３２ｃに、または各端子３３ａ、３３ｂ、及び３３ｃに接続されることができ、それは動作の選択モードに依存する。
【００４１】
端子３２ａ、３２ｂ、及び３２ｃは中間点３４で接続されており、端子３３ａ、３３ｂ、３３ｃは個々に三相回路網Ｒの三相Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３に個別に接続される。
【００４２】
ユニット３０のスイッチ３５ａ、３５ｂ及び３５ｃは、機械的または電子的なものであり得、それらは手動または自動で作動し、動作の自制モードと非自制モードとの間を任意に、その逆にも切り換えることができる。
【００４３】
スイッチングは、好ましくは一つの位置から別の位置へ切り替えて、各位置でロック可能であり、例えばキーを必要とする。
【００４４】
電子スイッチユニットが使用されると、好ましくは切り替えが三相回路網及び（または）オルタネータの電気磁石と、同調することを確実にするため作用し、負荷回路の動作を妨害することを、できるだけ少なくする。
【００４５】
自制動作モードでは、コイル１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃが中間位置３４に星形で接続され、動作の非自制モードでは、整流器６はコイル１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃを介して回路網Ｒによって、外的に整流器のブリッジを追加することなく、電力供給される。
【００４６】
送られる電力はチョッパ９によって調節されるので、電力を一定にすることができる。
【００４７】
従来の方法では、整流器６が整流電圧を送るため接続される、六個のダイオード６ａ〜６ｆを備えている。
【００４８】
昇圧チョッパ９は、整流器６の出力を短絡する適切な電子スイッチ１５と、ダイオード１６と、出力蓄積コンデンサとを有している。
【００４９】
チョッパ９は、並列型チョッパであり、オルタネータ１０の自己インダクタンスを利用して、無効エネルギー（reactive energy）を蓄積する。
【００５０】
記載の実施例において、電子制御回路によって制御されて、一定のスイッチング周波数で切り替わる、電子スイッチ１５は単一のIGBTによって構成されており、電子制御回路は、従来の方法で制作され図面には明確に示されていない。
【００５１】
電子回路は有利には、昇圧チョッパ９からの出力電圧のファンクションとして、電子スイッチ１５への制御信号のデューティー比（duty ratio）を変化させて、電圧を基準値に調節するように配置される。
【００５２】
記載の特別な実施例において、スイッチング周波数は、7.5kHzである。
【００５３】
図３及び図４はオルタネータ１０自体を示している。
【００５４】
オルタネータ１０は、液体によって冷却するように設計され、そのために冷却水循環路に接続する結合エンドピース２２及び２３を具備しＳたケーシング１４を備えている。
【００５５】
記載の実施例において、オルタネータ１０が八個の磁極を有する三相オルタネータであり、三つのコイル１０ａ、１０ｂ、及び１０ｃは個々に、従来の方法でオルタネータ１０における固定子２５のスロットに巻き付けられており、その固定子は合計で四十八個のスロットを有している。
【００５６】
好ましくは、かなり弱いが良好な飽和保磁力を持った残留磁界を有する磁石を使用する（Ｂｒは通常20℃で約1.1テスラ（T）であり、Ｈｏｊは通常150℃で約900キロアンペア/メートル（kA/m）である）。
【００５７】
使用される磁石の厚さは、例えば5mmに近い。
【００５８】
好ましくは、固定子ラミネートはシリコン合金から作られ、磁極の長さは約115mmである。
【００５９】
また記載の実施例において、巻数は20である。
【００６０】
更に図４に示されているように、固定子の電極ピースの外側におけるコイルの巻きによって形成され、且つその逆の端部から突出する巻き線端部２０は、導電性樹脂２１に埋め込まれて、損失を減らす助けになる。
【００６１】
記載の実施例において、装置の電力が約10kWであり、オルタネータの相当たりの自己インダクタンスＬは、約1.3mHである。
【００６２】
電子スイッチ１５のスイッチング周波数及び、オルタネータの各相の自己インダクタンスが、任意の機能と両立可能な高調波のレベルと、電子スイッチ１５におけるスイッチング損失を、同時に有することができる。
【００６３】
相当たりの自己インダクタンスは、先ず与えられた電子スイッチのスイッチング周波数を、相対的に低い高調波に保ち、第二に昇圧チョッパの出力電力に対して有害な伸長現象（spreading phenomenon）による電圧降下を、避けることができるように選択される。
【００６４】
パーセンテージ率では、インダクタンスは20％〜40％の範囲、好ましくは20％〜30％の範囲で選択される。
【００６５】
勿論、本発明は上記の実施例に限定されるもにではない。
【００６６】
特に電子スイッチ１５を、整流器の出力を短絡することができる一つ以上の適切な構成要素によって、構成することが可能である。それにもかかわらず、単一構成要素を使用することは利点である。それは単一構成要素が液状冷媒を循環させることによって、簡単に冷却されるからであり、多数の構成要素が使用されると、液状冷媒が種々の構成要素の間における電気的な絶縁の問題となる。
【００６７】
オルタネータ固定子の巻き線端部を導電性樹脂で本質的にコーティングしていないが、コイルを冷却し且つ、ユニットの重量当たりのオルタネータの電力を増すことを簡単にできる利点がある。
【００６８】
同じように、オルタネータの固定子を励磁するため永久磁石を使用することは、好適な解決手段であるが、別の励磁手段を使用することも本発明の範囲内である。
【００６９】
複数のオルタネータ１０は、並行に配置されており、送る電力を増加するため、共通シャフトによって運転される。
【００７０】
最終的に、本発明によるとオルタネータを回転させるか、またはエンジンを停止させることには関係なく、単一の整流器を使用することは可能である。
オルタネータにＡＣを供給することによって、オルタネータを適所にロックして、損失及び力を制限するように作用する。
【００７１】
外的な自己インダクタンスは必要ではない。
【００７２】
搭載される設備の重量は、相対的に小さくしたままにできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】モーター車輛を搭載し、本発明に関する発電装置を具備した発電システムのブロック線図。
【図２】本発明による発電装置の簡単な電気回路図。
【図３】絶縁されたオルタネータを示した斜視図。
【図４】図３のオルタネータの半分を断面で示した側面図。
【符号の説明】
１    発電システム
２    負荷
３    負荷
４    負荷
５    負荷
６    整流器
６ａ  ダイオード
６ｂ  ダイオード
６ｃ  ダイオード
６ｄ  ダイオード
６ｅ  ダイオード
６ｆ  ダイオード
７    インバータ
８    インバータ
９    チョッパ
１０  オルタネータ
１０ａコイル
１０ｂコイル
１０ｃコイル
１１  伝動装置
１２  エンジン
１３  制御回路
１４  ケーシング
１５  電子スイッチ
１６  ダイオード
１７
２０  巻き線端部
２１  導電性樹脂
３０  スイッチユニット
３１ａ端子
３１ｂ端子
３１ｃ端子
３２ａ端子
３２ｂ端子
３２ｃ端子
３３ａ端子
３３ｂ端子
３３ｃ端子
３４  中間点
３５ａスイッチ
３５ｂスイッチ
３５ｃスイッチ
Ｒ    回路網
【図１】
0004370068.tif 000002
【図２】
0004370068.tif 000003
【図３】
0004370068.tif 000004
【図４】
0004370068.tif 000005