JP2004215375A

JP2004215375A - 発電ダンパ装置

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Publication number: JP2004215375A
Application number: JP2002381198A
Authority: JP
Inventors: 紘二 ▲吉▼岡; Koji Yoshioka
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2004-07-29

Abstract

【課題】車両の運動状態にかかわらず十分な減衰力を発生させ、併せて、省エネルギを実現することが可能となる発電ダンパ装置を提供する。
【解決手段】界磁巻線により励磁される磁界と電機子巻線との相対移動によって発電する発電機１と、車輪の変位により懸架装置ＫＳに蓄積された変位エネルギによって前記磁界と前記電機子巻線とを相対移動させる伝動機構１００を備え、伝動機構１００により発電機１を作動させて前記変位エネルギを電気エネルギに回生して振動を減衰させる発電ダンパ装置で、車両の運動状態を検出する状態検出センサ１６と、前記磁界が前記電機子巻線に対して変化するように前記界磁巻線に通電して励磁する励磁電源部１７と、状態検出センサ１６の検出情報に基づいて、前記磁界と前記電機子巻線との相対移動に対する減衰力を増加させるように励磁電源部１７を駆動制御する制御部１８を備える。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種車両に適用される発電ダンパ装置に関し、詳しくは、界磁巻線により励磁される磁界と電機子巻線との相対移動によって発電する発電機と、車輪の変位により懸架装置に蓄積された変位エネルギによって前記磁界と前記電機子巻線とを相対移動させる伝動機構を備え、前記伝動機構により前記発電機を作動させて前記変位エネルギを電気エネルギに回生して振動を減衰させる発電ダンパ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、自動車等の車両の操縦安定性を確保するとともに乗心地を良くするために、懸架装置においては懸架バネに蓄えられた弾性エネルギ等を熱エネルギに変えて放散する油圧ダンパ装置が使用されている。
自動車の油圧ダンパ装置が消費するエネルギの一例について、入手したデータを解析して調べたところ、排気量１３００ｃｃクラスの自動車で少し荒れた舗装路を時速６０ｋｍで走行すると、６３９．９Ｗのエネルギを消費するという結果が得られた。即ち、一般家庭で良く使われている２０Ｗの蛍光灯を３２本点灯させるのと同じエネルギを油圧ダンパが消費していることになる。油圧ダンパのエネルギ消費は路面の状態が悪いと走行中継続することになり、排気量の大きな自動車ではさらに大きなエネルギ消費を伴うので、省エネの観点から無視できる値ではない。
【０００３】
一方、近年では、車両に対する省エネルギ技術の要請は極めて高く、走行中に油圧ダンパによって消散しているエネルギを電気エネルギとして回生できる次世代の懸架装置用の発電ダンパ装置が求められている。このような情勢を示すように、例えば、１９９９年４月から「エネルギーの使用の合理化に関する法律」いわゆる「省エネ法」が施行され、自動車の燃費は現在商品化されている製品のうち最も優れているもの以上にするというトップランナー方式が導入され、併せて勧告に従わなかった場合の公表、命令、罰則も規定されました。
【０００４】
油圧ダンパを廃止して発電ダンパ装置を実用化しようとする技術としては、従来、以下のようなものが提案されている。
先ず、「自動車の磁力式サスペンション装置」と題する特許公開公報（特許文献１参照）には、懸架装置に蓄えた変位エネルギを発電機によって電気エネルギに変換するという発想を見ることができる。しかし、この装置では、回生した電気エネルギを可変抵抗器で熱エネルギとして放散することによって振動減衰を行っており、省エネの観点が見られない。
【０００５】
次に、「振動減衰装置」と題する特許公開公報（特許文献２参照）では、振動速度が遅い領域では発電される電力が小さく減衰力も不足するので、エネルギが必要なアクチュエータを作動させて振動減衰させている。また、「振動エネルギを電気的なエネルギとして蓄えアクティブ制御を行う防振装置」と題する特許公開公報（特許文献３参照）では、２個の直流モータをばね下とばね上に配置し、ばね下の直流モータで発電し、この発電した電気エネルギを利用してばね上の直流モータをアクチュエータとして使い、ばね上の振動減衰を行っている。しかし、上記「振動減衰装置」及び「防振装置」では、アクチュエータを作動させて振動減衰を行っており、省エネを目指していないことは明らかである。
【０００６】
次に、「車両のサスペンション装置」と題する特許公開公報（特許文献４参照）では、機械的な増速機構を使ってサスペンションでの変位を増幅して、発電効率を上げようとしているが、機械的な増速機構を用いているので、制御（減衰力の調節）には不適で重量が増加する不利もある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平４−１２９８１５号公報（第１−３頁、図１−図３）
【特許文献２】
特開平１０−２７４２８１号公報（第２−５頁、図１−図６）
【特許文献３】
特開平１１−６５６７９号公報（第２−４頁、図１−図１５）
【特許文献４】
特開２００１−５５０３３号公報（第２−３頁、図１−図２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の発電ダンパ装置を実用化する上では、ダンパが吸収するエネルギの不足、特に、車両が凹凸の大きい路面を遅い車速で走行したときに、懸架装置のばねが蓄える変位エネルギ（変位量）は大きくなるが、ばねの変位に伴う磁束の変化率（変化速度）が小さいため、発電機での誘導起電力が弱く減衰力不足に陥ることが最大の問題であった。
【０００９】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両の運動状態にかかわらず十分な減衰力を発生させることが可能であり、併せて、省エネルギを実現することが可能となる発電ダンパ装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明に係る発電ダンパ装置の第一の特徴構成は、請求項１に記載した如く、車両の運動状態を検出する状態検出センサと、前記磁界が前記電機子巻線に対して変化するように前記界磁巻線に通電して励磁する励磁電源部と、前記状態検出センサの検出情報に基づいて、前記磁界と前記電機子巻線との相対移動に対する減衰力を増加させるように前記励磁電源部を駆動制御する制御部を備える点にある。
【００１１】
同第二の特徴構成は、請求項２に記載した如く、上記第一の特徴構成に加えて、前記回生した電気エネルギを蓄積するとともに、蓄積した電気エネルギを前記励磁電源部に供給するエネルギ蓄積部を備えている点にある。
【００１２】
同第三の特徴構成は、請求項３に記載した如く、上記第一又は第二の特徴構成に加えて、前記発電機は、前記界磁巻線による磁界と前記電機子巻線とが共通軸線周りに相対回転するロータリー式発電機である点にある。
【００１３】
同第四の特徴構成は、請求項４に記載した如く、上記第一又は第二の特徴構成に加えて、前記発電機は、前記界磁巻線による磁界と前記電機子巻線とが軸線方向に相対移動するリニア式発電機である点にある。
【００１４】
同第五の特徴構成は、請求項５に記載した如く、上記第一から第四のいずれかの特徴構成に加えて、前記励磁電源部は、励磁電流の通電と遮断により前記磁界を断続発生させるものである点にある。
【００１５】
同第六の特徴構成は、請求項６に記載した如く、上記第一から第五のいずれかの特徴構成に加えて、前記励磁電源部は、前記磁界を前記電機子巻線に対して相対的に移動させるものである点にある。
【００１６】
同第七の特徴構成は、請求項７に記載した如く、上記第一から第六のいずれかの特徴構成に加えて、前記伝動機構は、前記磁界と前記電機子巻線との相対移動速度を増加させるために、前記懸架装置に備えたバネの伸縮による変位を増大させる増速機構を備えている点にある。
【００１７】
以下に、本発明に係る発電ダンパ装置の作用並びに効果を説明する。
第一の特徴構成によれば、界磁巻線により励磁される磁界と電機子巻線との相対移動によって発電する発電機を、車輪の変位により懸架装置に蓄積された変位エネルギによって上記磁界と電機子巻線とを相対移動させる伝動機構により作動させて、上記懸架装置に蓄積された変位エネルギを電気エネルギに回生して振動を減衰させるときに、車両の運動状態を検出する状態検出センサの検出情報に基づいて、制御部が上記界磁巻線により励磁される磁界が電機子巻線に対して変化するように界磁巻線に通電して励磁する励磁電源部を駆動制御して、上記磁界と電機子巻線との相対移動に対する減衰力を増加させる。
【００１８】
すなわち、上記界磁巻線により励磁される磁界が電機子巻線に対して変化していないときは、その静止した励磁磁界と電機子巻線との相対移動に対する減衰力は、懸架装置に蓄積された変位エネルギによって上記励磁磁界と電機子巻線とが相対移動するときの相対移動速度だけによって定まるが、本願発明では、車両の運動状態に基づいて上記励磁磁界を電機子巻線に対して変化させて、その励磁磁界の変化によって発生した減衰力が上記静止磁界の場合の減衰力に加算されて減衰力を増加させることができる。そして、この場合、励磁磁界の変化状態を適宜調整することで減衰力を適切な値に設定することができる。
従って、車両の運動状態にかかわらず十分な減衰力を発生させることが可能である発電ダンパ装置が提供される。
【００１９】
同第二の特徴構成によれば、前記発電機によって回生した電気エネルギがエネルギ蓄積部に蓄積されるとともに、エネルギ蓄積部に蓄積した電気エネルギが前記励磁電源部に供給される。
すなわち、本願発明の発電ダンパ装置では、懸架装置に蓄積された変位エネルギから前記発電機によって回生された電気エネルギと、前記減衰力を増加させるために前記励磁電源部に通電して磁界エネルギに変換されたのち前記発電機によって再度回生された電気エネルギとを合わせたエネルギがエネルギ蓄積部に蓄積され、そのエネルギ蓄積部に蓄積された電気エネルギが前記励磁電源部に供給されて上記変化する磁界の励磁に使われる。ここで、変位エネルギから電気エネルギへの変換、電気エネルギから磁気エネルギへの変換及び磁気エネルギから電気エネルギへの変換の各過程では、銅損、鉄損、機械損などの変換ロスが生じるが、これらのロスを小さくすることは可能である。
従って、前記減衰力の増加に併せて、省エネルギを実現することが可能となる発電ダンパ装置が提供される。
【００２０】
同第三の特徴構成によれば、ロータリー式発電機が、懸架装置に蓄積された変位エネルギによって前記界磁巻線による磁界と前記電機子巻線とを共通軸線周りに相対回転させて発電する。
すなわち、前記伝動機構を懸架装置に蓄積された変位に伴い例えば先端部が上下方向に揺動する横アームなどで構成して、その横アームの基端部と車体側との間に上記ロータリー式発電機を設けるようにすると、従来の回転式の誘導発電機などを本願の発電ダンパ用の発電機として用いることができる。
従って、従来の回転式の誘導発電機などを利用した本発明の発電ダンパ装置の好適な実施形態が実現される。
【００２１】
同第四の特徴構成によれば、リニア式発電機が、懸架装置に蓄積された変位エネルギによって前記界磁巻線による磁界と前記電機子巻線とを軸線方向に相対移動させて発電する。
すなわち、前記伝動機構を懸架装置に蓄積された変位に伴い例えば下端部が上下方向に揺動する縦アームなどで構成して、その縦アームの上端部と車体側との間に上記リニア式発電機を設けるようにすると、従来のリニアモータなどを本願の発電ダンパ用の発電機として用いることができる。
従って、従来のリニアモータなどを利用した本発明の発電ダンパ装置の好適な実施形態が実現される。
【００２２】
同第五の特徴構成によれば、前記励磁電源部は、前記界磁巻線に対する励磁電流の通電と遮断により前記界磁巻線により励磁される磁界を断続発生させて、前記電機子巻線に対して変化させる。
すなわち、界磁巻線に励磁電流を通電して磁界を励磁した状態と励磁電流を遮断して磁界を励磁しない状態を繰り返すだけの簡易な電流駆動構成により、前記磁界を前記電機子巻線に対して変化させて前記減衰力を増加させる。
従って、簡易に構成できる本発明の発電ダンパ装置の好適な実施形態が提供される。
【００２３】
同第六の特徴構成によれば、前記励磁電源部は、前記界磁巻線により励磁される磁界を前記電機子巻線に対して相対的に移動させることにより変化させる。
すなわち、前記懸架装置に蓄積された変位エネルギにより前記発電機において前記界磁巻線により励磁される磁界を前記電機子巻線に対して相対的に移動させて、前記減衰力を増加させる。
上記磁界と前記電機子巻線との相対移動について例示すれば、前記ロータリー式発電機の場合では、上記磁界として電機子巻線に対して相対回転させる回転磁界を生成し、また、前記リニア式発電機の場合では、上記磁界として電機子巻線に対して直線的に移動させる直線磁界を生成して、前記減衰力を増加させる。
従って、従来の回転式の誘導発電機などを利用して本発明の発電ダンパ装置を容易に実現することができる好適な実施形態が提供される。
【００２４】
同第七の特徴構成によれば、前記伝動機構に備えた増速機構が、前記磁界と前記電機子巻線との相対移動速度を増加させるため、前記懸架装置に備えたバネの伸縮による変位エネルギの電気エネルギへの変換効率が増大する。
すなわち、前記懸架装置に蓄積された変位が比較的小さくても、増速機構によって前記懸架装置に備えたバネの伸縮による変位が増大して、前記磁界と前記電機子巻線との相対移動速度が増加するので、前記磁界と前記電機子巻線との相対移動に対する減衰力を大きくすることができる。
従って、前記懸架装置に生じた変位が比較的小さい場合においても十分な減衰力を発生させることが可能となる本発明の発電ダンパ装置の好適な実施形態が提供される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る発電ダンパ装置の実施形態について、以下、図面に基づいて説明する。
〔第１実施形態〕
先ず、界磁巻線により励磁される磁界を電機子巻線に対して変化させる方法として、インバーターの技術を使って、上記磁界を電機子巻線に対して相対的に回転させる回転磁界を利用する方法がある。
すなわち、バッテリー等から供給される直流を、インバーターの技術を使うことで任意の周波数を持つ交流に変換することが出来るので、これを利用することで必要な回転速度をもった回転磁界を作り出せる。例えば２極機の交流発電機ならば、ｆＨｚの交流の場合、磁界は１秒間にｆ回転する。
従って、第１実施形態では、界磁巻線Ｗ１により励磁される磁界と電機子巻線Ｗ２との相対移動によって発電する発電機１が、界磁巻線Ｗ１による磁界と電機子巻線Ｗ２とが共通軸線Ｋ周りに相対回転するロータリー式発電機１Ａである。
【００２６】
以下、回転磁界を使った発電ダンパの原理を、図１の三相同期発電機の回転界磁形と呼ばれる構造に基づいて説明する。
従来行われている発電方法は、ロータ３のコイルに電源から直流を流して電磁石とし、このロータ３を回転させてステータ２に三相起電力を発生させている。これに対して本発明の第１実施形態の発電ダンパでは、ステータ２のコイルを界磁巻線Ｗ１とし、ロータ３のコイルを共通軸線Ｋ周りに回転する電機子巻線Ｗ２として、懸架装置と連結されたロータ３が矢印Ｂの方向に回転しているときに、バッテリーの直流をインバーターで三相交流に変換してステータ２の３つの端子ａ，ｂ，ｃに加え、ステータ２の界磁巻線Ｗ１に矢印Ｂと逆の矢印Ａのような左回りの回転磁界を発生させる。
【００２７】
これによって、ロータ３の電機子巻線Ｗ２はより多くの磁束を切るようになるので電磁誘導で単相のより高い起電力が生じる。このロータ３の電機子巻線Ｗ２に新たに生じた誘導電流によって発生する磁界とステータ２の回転磁界Ａとの間で生じる電磁力が、ロータ３の運動に制動トルクを加える（減衰力が増大する）ために、これと連結された懸架装置の運動も減衰することになる。そして、ロータ３の電機子巻線Ｗ２に生じた電流はスリップリング４とブラシ５から取り出し、ロータ３に加えられた懸架装置の力学的エネルギーを電気エネルギーとして回生すると同時に、上記回転磁界を発生させるために加えられた電気エネルギも、電気磁気変換及び磁気電気変換の過程を経て再度電気エネルギとして回生する。
【００２８】
回転磁界を加えることによる減衰力の増大効果は次のように説明される。
ロータ３の角速度をω１、ステータ２の界磁巻線Ｗ１に加えられた回転磁界の角速度をω２とする。磁束Φを正弦波で表わし、振幅をΦｏ，時間をｔで表すと、相対角速度は（ω１＋ω２）になるので、磁束Φは次式▲１▼で表わされる。
【００２９】
【数１】
Φ＝Φｏｓｉｎ（ω１＋ω２）ｔ −−−−−−−−−−▲１▼
【００３０】
電磁誘導により発生する電圧Ｅは、磁束Φの時間変化に比例するので、次式▲２▼となる。
【００３１】
【数２】
Ｅ＝−ｄΦ／ｄｔ＝−Φｏ（ω１＋ω２）ｃｏｓ（ω１＋ω２）ｔ −−−−−▲２▼
【００３２】
ここで、ｃｏｓ（ω１＋ω２）ｔの最大値は、次式▲３▼
【００３３】
【数３】
｜ｃｏｓ（ω１＋ω２）ｔ｜≦１ −−−−−−−−−−−▲３▼
【００３４】
より１になるので、Ｅの最大値Ｅｍは次式▲４▼のようになる。
【００３５】
【数４】
Ｅｍ＝Φｏ（ω１＋ω２） −−−−−−−−−−−▲４▼
【００３６】
周波数をｆとすると、ω＝２πｆであり、これを上式▲４▼に代入すると次式▲５▼となる。
【００３７】
【数５】
Ｅｍ＝２πΦｏ（ｆ_１＋ｆ_２） −−−−−−−−▲５▼
【００３８】
この式▲５▼より、誘導電圧の最大値Ｅｍは振幅Φｏが一定ならば周波数（ｆ_１＋ｆ_２）に比例することが分かる。したがって、インバーターを使って高い周波数ｆ_２を界磁巻線Ｗ１に加えることによって、誘導電圧Ｅｍを高めることが出来る。また、磁界の強さΦｏを強くすることによっても、Ｅｍは高めることが出来る。
従って、この方法によれば、減衰力は回転磁界の強さ（振幅）や速さ（角速度）を変更することによって変えることが出来る。
【００３９】
ここで、本発明の発電ダンパにおけるエネルギーの流れを、エネルギー保存の法則から考察すると次のようになる。
入力エネルギ＝懸架ばねの変位エネルギ（懸架装置に蓄積された変位エネルギ）＋電源から供給された電気エネルギ
出力エネルギ＝懸架ばねの変位エネルギから変換回生された電気エネルギ＋電源から供給された電気エネルギが磁界のエネルギに変換されたのち再度変換回生された電気エネルギ
【００４０】
この解析により、懸架ばねの変位エネルギーが電気エネルギーに変換され、また、磁界発生用に電源から供給された電気エネルギが再度電気エネルギーに変換されて電源に送られて、後述するように（図４参照）バッテリーに充電されることになる。また、このエネルギー変換の過程では、変換に伴う必然的なエネルギー損失として、導線の電気抵抗による銅損、鉄のヒステリシスによる鉄損、軸受摩擦による機械損が生じるが、これらは良く知られているように大きい値ではない。
以上のようにして、懸架ばねの変位エネルギを電気エネルギに変換すると共に、インバータの増幅作用で必要な減衰力を得ることが出来る。
【００４１】
なお、図示はしないが、上記回転界磁形の発電機において、ロータ３を電機子巻線Ｗ２ではなく界磁巻線Ｗ１とし、ステータ２を界磁巻線Ｗ１ではなく電機子巻線Ｗ２とする構成において、ロータ３の界磁巻線Ｗ１に単相交流電流を流し、ロータ３の角変位に応じてステータ２の電機子巻線Ｗ２から、３相の誘導電流を取り出すことが出来るように変更することは、容易に推測される。
【００４２】
図１では、回転界磁形と呼ばれる構造を利用したが、次に回転電機子形と呼ばれる構造を使った発電ダンパを図２に示す。図２の発電機１もロータリー式発電機１Ｂであり、ロータ６のコイルを界磁巻線Ｗ１とし、ステータ７のコイルを電機子巻線Ｗ２とする。ロータ６が懸架ばねの変位エネルギで矢印Ａの方向に回転しているときに、バッテリーの直流をインバーターで三相交流に変換し、ロータ６の端子ａ，ｂ，ｃに接続してロータ６の界磁巻線Ｗ１に矢印ＡＡの回転磁界を発生させることによって、ステータ７の電機子巻線Ｗ２に単相のより大きい電流を発生させる。
以上の実施例では、三相同期発電機が２極の構造を有する場合を示したが、この極数が増加しても、発電ダンパとして利用できることは言うまでもない。
【００４３】
次に、以上述べた発電ダンパ装置を、自動車の懸架装置に適用した場合における車輪まわりの装置構成を図３に示す。図３の懸架装置ＫＳはストラット懸架装置と呼ばれる形式で、車輪１１を支持するスイングアーム８の軸受部に前記ロータリー式発電機１Ａ，１Ｂを設置した構造である。スイングアーム８の基端部を前記ロータリー式発電機１Ａ，１Ｂのロータ３，６に連結し、ステータ２，７を車体フレーム１０に固定する。さらに、スイングアーム８の先端部に支持パイプ９の下端部を連結し、支持パイプ９の上端部をスライドベアリング１２によって車体フレーム１０側の支持ロッド１０Ａに連結するとともに、コイルばね１３によって車体フレーム１０に支持させる。この構造で車体の重量はコイルばね１３が支持し、コイルばね１３に蓄積された変位エネルギによる上下運動の案内は、支持ロッド１０Ａがスライドベアリング１２を介して支持パイプ９の内部に出入りすることで行われる。上記構造により、現在採用されている油圧ダンパは廃止される。
【００４４】
従って、上記構造において、スイングアーム８や支持パイプ９等が、車輪１１の変位により懸架装置ＫＳに蓄積された変位エネルギによって、前記ロータリー式発電機１Ａ，１Ｂにおいて前記界磁巻線Ｗ１により励磁される磁界と前記電機子巻線Ｗ２とを相対移動させる伝動機構１００を構成する。そして、この発電ダンパ装置では、上記伝動機構１００により前記ロータリー式発電機１Ａ，１Ｂを作動させて前記懸架装置ＫＳに蓄積された変位エネルギを電気エネルギに回生してコイルばね１３の振動（即ち、車体の振動）を減衰させる。
【００４５】
一般に車輪１１の変位はそれほど大きくなく、スイングアーム８の回転軸部の角速度は小さいので、上記伝動機構１００は、前記界磁巻線Ｗ１により励磁される磁界と前記電機子巻線Ｗ２との相対移動速度を増加させるために、前記懸架装置ＫＳに備えたコイルバネ１３の伸縮による変位速度を増大させる増速機構ＺＫを備えている。増速機構ＺＫは、具体的には、図３に示すように、スイングアーム８の基端部に固定された大径ギア１４と、ロータリー式発電機１Ａ，１Ｂのロータ軸に固定され且つ上記大径ギア１４に噛み合う小径ギア１５とで構成され、スイングアーム８の回転角速度に対してロータリー式発電機１Ａ，１Ｂのロータの回転速度を増幅している。
【００４６】
本発明の発電ダンパ装置のシステム全体の構成を図４に示す。図４のブロック線図に示すように、前記伝動機構１００や発電機１等の他に、車両の運動状態を検出する状態検出センサ１６と、前記界磁巻線Ｗ１により励磁される磁界が前記電機子巻線Ｗ２に対して変化するように前記界磁巻線Ｗ１に通電して励磁する励磁電源部１７と、前記状態検出センサ１６の検出情報に基づいて、前記界磁巻線Ｗ１により励磁される磁界と前記電機子巻線Ｗ２との相対移動に対する減衰力を発生させるように前記励磁電源部１７を駆動制御する制御部１８と、直流電圧を供給するバッテリー１９を備えている。そして、上記励磁電源部１７は、前記界磁巻線Ｗ１により励磁される磁界を前記電機子巻線Ｗ２に対して相対的に移動させるものであり、具体的には、上記磁界を電機子巻線Ｗ２に対して回転させるために、バッテリー１９から供給される直流を任意の周波数の交流に変換するインバーター回路などで構成される。
【００４７】
図４において、走行する自動車は前記懸架装置ＫＳによって支えられ、発電ダンパの役割は懸架装置ＫＳのコイルばね１３のたわみ速度を調節し、ばね１３に蓄えられた変位エネルギを電気エネルギに変換して適宜回収することである。この発電ダンパの働きによって、良い乗り心地と操縦性さらには安定性が確保される。ここで、従来の油圧ダンパに替わって発電ダンパを採用すると、変位エネルギーの一部が電気エネルギーとして回生されるが、車速が遅く荒れた路面を走行すると減衰力不足になる。この不足分を算出するために、まず車両の運動状態を表す状態量を前記状態検出センサ１６で検出する。状態検出センサ１６は、具体的には、車両の運動状態として、ばねの変位、ばね下加速度、ばね上加速度、車体の速度、ハンドルの操舵角等を検出する各種のセンサで構成され、各センサからの検出信号が制御部１８に入力される。
【００４８】
制御部１８では、状態検出センサ１６からの情報を解析して、不足する減衰力を算出する。このために、例えば、乗り心地を判断するためのばね上加速度波形に対して高速フーリエ変換を行って得られたパワースペクトルを、予め設定しておいた制御目標のパワースペクトルと比較して、減衰力の過不足を判断する。多くの場合は、減衰力が不足するので、この不足量を補うために、前記励磁電源部１７を駆動制御して、前記界磁巻線Ｗ１に磁束線の変化を増大させるような電流を供給する。これによって、フレミングの右手の法則に従い、電機子巻線Ｗ２により大きな誘導電流が流れるため、界磁巻線Ｗ１に励磁される磁界との間でフレミングの左手の法則に従うトルクが発生し、このトルクが減衰力となって、発電機１のロータとこれに連結された懸架装置ＫＳの運動が減衰させられる。
【００４９】
発電ダンパ装置によって減衰力を切り換えて、良い乗り心地と操縦安定性を確保する具体例を説明する。例えば自動車が旋回する時、車体の速度を検出する車速センサとハンドルの操舵角を検出するステアリング・センサの信号を制御部１８に入力し、制御部１８の出力信号で減衰力を高い側に切換えて、車体のロール角を小さくする。急制動時のダイブ制御、急加速時のスクワット制御では、いずれも減衰力を高い側に切り替えて動きを抑制する。また、路面の凹凸に応じて減衰力を制御し、乗心地と車輪の接地性をうまく両立させることができる。このために、良路では減衰力を小さく、悪路では減衰力を高く設定する。
【００５０】
図３では、車輪１１が路面突起に乗り上げると、スイングアーム８が矢印Ａの方向に回転すると同時にロータも矢印Ｂの方向に角変位し、支持パイプ９が矢印Ｃの方向に変位してコイルばね１３を圧縮する。このときロータの角変位が発電機１の外部仕事になり、界磁巻線Ｗ１の発生する磁界を電機子巻線Ｗ２が切ることによって、発電機１において上記外部仕事が電気エネルギーに変換され回生される。なお、スイングアーム８は上下揺動して角変位の方向が変わるので、ホール素子やロータリーエンコーダのセンサー等によって、スイングアーム８の動きを検出して、前記回転磁界Ａ，ＡＡの方向を切り替える。
【００５１】
図４に示すように、発電機１で回生された電気エネルギはバッテリー１９に蓄えられるとともに、バッテリー１９から励磁電源部１７に直流電圧が供給されている。従って、このバッテリー１９によって、前記発電機１が回生した電気エネルギを蓄積するとともに、蓄積した電気エネルギを前記励磁電源部１７に供給するエネルギ蓄積部１９が構成される。
【００５２】
ところで、図４では図示を省略しているが、前記ロータリー式発電機１Ａ，１Ｂの場合のように、発電ダンパで得られた電流が交流の場合はこれをコンバーターで直流に変換しバッテリー１９を充電する。また、発生した回生電流をバッテリー１９に直接供給すると、車輪１１の振動が激しくなった場合、電流値が大きくなって過充電が起こったり、他の電気装置が破損したりすることがあるので、発生起電力が設定値よりも上昇した場合、回生電流を減少させて充電電圧を一定に保つために、電圧調整器をつけてもよい。
【００５３】
以上のように、本発明の発電ダンパは、懸架装置ＫＳに蓄えられるエネルギを全て発電機１で回生することを目的にして、バッテリー１９から供給される電気エネルギを用いてインバータの技術を利用して移動磁界（回転磁界）を発生させるところに特徴がある。その結果、本発明の発電ダンパ装置により、リアルタイムの減衰力制御が容易になるので，最良の乗心地と操縦安定性を確保しながら，しかもエネルギを回生して省エネルギも実現できることになる。言い換えると、本発明の発電ダンパは、制御対象の振動をリアルタイムで制御できるので、いわゆるセミアクティブダンパを構成することによって、現在広く使われているパッシブ・ダンパよりも性能を向上させながら、省エネを達成することが出来る。
【００５４】
〔第２実施形態〕
上記第１実施形態では、回転磁界を励磁する交流発電機型のロータリー式発電機を利用したが、第２実施形態では、図５に示す直流発電機型のロータリー式発電機１Ｃを利用して発電ダンパを構成している。以下、第１実施形態と相異する点について説明する。
図５に示すように、左右に位置する積層鉄板２０にコイル２１が巻かれておりこのコイル２１に端子ａ，ｂから電流を流し電磁石を構成している。図５では矢印の方向に電流を流し、左側がＮ極で右側がＳ極になっている。したがって、左右の積層鉄板２０が界磁で、巻かれたコイル２１が界磁巻線Ｗ１に相当する。ロータコイル２２が電機子巻線Ｗ２に相当する。尚、図では電機子巻線Ｗ２を簡単化して１巻の構造で図示している。このロータコイル２２が前記懸架装置ＫＳと連結され、懸架装置ＫＳのばね１３の変位エネルギでＸ−Ｘ’ 軸（共通軸線）周りに矢印Ｂの方向に角変位している状態にある。この時、コイル２１による界磁磁界の磁束線をロータコイル２２の電機子巻線Ｗ２が切ることで電磁誘導が生じるが、その場合に、誘導電圧を大きくするには、磁束線の変化率を大きくすることが必要である。以下に、その方法を説明する。
【００５５】
バッテリー１９の直流をチョッパの技術を使って、高頻度で通電・遮断して上記コイル２１に供給すれば、磁束の変化率が大きくなる。そして、第２実施形態では、前記励磁電源部１７が、励磁電流の通電と遮断により前記界磁巻線Ｗ１により励磁される磁界を断続発生させている。
【００５６】
図６と図７に、バッテリー１９の直流をチョッパで断続した時の駆動電流波形を示している。図において、ロータコイル２２の回転方向の変化（懸架装置ＫＳのコイルばね１３の変位方向の変化）に対応させて、駆動電流Ｉの向き（正負）を反転変化させている（変化点をｔ１，ｔ２で表わす）。なお、図７の電流波形は、パルスが立上がりと立下りで非対称になっている。この理由は、磁束の増加時と減少時とで電磁誘導の効果が相殺されるのを防ぐためである。このような電流を、界磁巻線Ｗ１の端子ａ，ｂから流して、電磁石とする。誘導起電力は、ロータコイル２２（電機子巻線Ｗ２）が切る磁束の本数に比例するので、次々と新しい磁束に切り替えることによって同じ角変位であってもより大きい誘導電圧が発生する。
単位時間にロータコイル２２が角変位して切る磁束線の数をｎとし、チョッパによって磁束がｍ回断続したとすると、ロータコイル２２が通過した磁束線の本数Ｎはｎ・ｍ（Ｎ＝ｎ・ｍ）となり、誘導起電力はｍ倍大きくなったことになる。
このようにして、発電ダンパのエネルギ吸収量はｍ倍になる。これを利用して、走行状態に対応してｍを制御すれば、最適の減衰力を設定できる。
【００５７】
懸架装置ＫＳのコイルばね１３の変位方向が逆になってロータコイル２２（電機子巻線Ｗ２）の回る方向が逆になると、誘導電流の方向も逆になるので、これに対応して、界磁巻線Ｗ１の励磁電流の向きを反転させるために励磁電源部１７から流す電流の方向も反対にすれば、スリップリング２３とブラシ２４からは電流の方向が変わらない直流を取り出すことが出来る。この場合は、誘導電流を整流せずに、バッテリー１９に充電して蓄えることが可能になる。
これまでは、ステータ（積層鉄板）側の界磁用コイル２１にチョッパ電流を流して電磁石としたが、これとは逆にロータ側を界磁にしてロータコイル２２に電流を流し（ロータコイル２２を界磁巻線Ｗ１とし）、ステータ側のコイル２１を電機子巻線Ｗ２として誘導電流を取り出すことも可能である。
【００５８】
〔第３実施形態〕
上述した第１、第２実施形態の発電ダンパは、界磁巻線Ｗ１による励磁磁界と電機子巻線Ｗ２が共通軸線周りに回転するロータリー式発電機を利用するものであった。これに対し、第３実施形態では、直線的に作動する筒型の油圧ダンパのように、前記界磁巻線Ｗ１による磁界と前記電機子巻線Ｗ２とが軸線方向に相対移動するリニア式発電機１Ｄを発電ダンパに利用している。以下、第１、第２実施形態と相異する点について説明する。
【００５９】
図８にリニア式発電機１Ｄの構造を示す。中央パイプ２６の外周面には、パイプ軸線と直角方向向きの複数の巻線２５で構成される界磁巻線Ｗ１が規則正しく配列されており、その外側に位置する内パイプ２７の内周面に、複数の円筒状巻線２８からなる電機子巻線Ｗ２が配置されている。また、内パイプ２７の外周には軸方向に移動する外パイプ２９がはめ込まれている。外パイプ２９の右半分は拡管によって内径が広げられ、その内径が広げられた位置に、スペーサー３１を真ん中にして２個のドライベアリング３０で前後を挟んだ構造のドライメタルからなる軸受パイプ３６が配置され、内パイプ２７と外パイプ２９が軸方向に滑らかに移動する構造としている。そして、内パイプ２７と外パイプ２９の共通する軸方向Ｙ−Ｙ’ が、リニア式発電機１Ｄにおける軸線方向に相当する。なお、後述の磁気回路（図１０参照）を形成するために、中央パイプ２６と内パイプ２７は軟鉄等の磁性材料で作製する。また、外パイプ２９はアルミ製である。
【００６０】
上記外パイプ２９の左端には、蓋部材３２が外周をかしめ加工で留められ、この蓋部材３２に形成した円筒状の突起部３２Ａに中央パイプ２６がはめ込まれて固着保持されており、中央パイプ２６の左端部には内パイプ２７と外パイプ２９が衝突したときの衝撃力を緩和するために、ゴム製の緩衝リング３３がはめられている。さらに、リニア式発電機１Ｄの両側には、夫々取付けリング３４，３５が設けられ、内パイプ２７が右側の取付けリング３４によって車体側に連結され、外パイプ２９が左側の取付けリング３５によって車輪側に連結されている。
【００６１】
界磁巻線Ｗ１（巻線２５）の結線方法の一例を、図９に示す。巻線２５は、単純化して１巻で表わしている。図８に示すように、複数の巻線２５は３つ毎に結線されて３群に分けられ、各群に対する電流供給端子ａ，ｂ，ｃが設けられている。端子ａに対応する巻線群はａで表示し、同様に端子ｂ，ｃに対応する巻線群はｂ，ｃで表示している。そして、軸方向で隣り合う巻線は、互いに逆の方向に巻かれている。この端子ａ，ｂ，ｃに、三相交流を流して、軸方向に移動する磁界を作り出す。
【００６２】
図１０に、界磁巻線Ｗ１により発生した磁界による磁気回路を示している。界磁巻線Ｗ１を構成する各巻線２５は、パイプ軸と直角方向を向いた軟鉄の回りに巻かれており、隣り合う巻線２５でＮＳ，ＳＮ，ＮＳというように逆向きの磁界が励磁されている。これによって、隣り合う巻線２５では図のような互いに逆周りの磁気回路が形成され、中央パイプ２６と内パイプ２７が相対的に軸方向に移動することによって、電機子巻線Ｗ２（各円筒状巻線２８）に誘導電圧が発生する。なお、中央パイプ２６と内パイプ２７の相対移動に伴って各円筒状巻線２８に誘導される誘導電圧は極性（誘導電流の方向）が変化するので、各円筒状巻線２８は誘導電圧を互いに打ち消す（キャンセルする）ことがないように直列接続するか、あるいは並列に接続する。この誘導電圧を増大する方法は、次の通りである。
【００６３】
図８に示すように、懸架装置ＫＳと連結された外パイプ２９が車輪の変位によってＡの方向に移動する時に、電機子巻線Ｗ２がＢの方向に動くので界磁巻線Ｗ１にＢ方向と反対のＡ方向に移動する移動磁界を発生させることによって、電機子巻線Ｗ２はより多くの磁束を切るようになるので、フレミングの右手の法則によって電機子巻線Ｗ２に電磁誘導によって高い誘導電圧を生じる。この時流れる誘導電流と移動磁界Ａとの間にフレミングの左手の法則によって現れる電磁力が強い制動力となって作用し、外パイプ２９とこれに連結された懸架装置ＫＳの運動が減衰する。このようにして、懸架装置ＫＳの懸架ばねに蓄積された変位エネルギーが電気エネルギーとして回生される。
【００６４】
上記リニア形発電機１Ｄを利用した発電ダンパを懸架装置ＫＳに適用した装置構成例を図１１に示す。図１１において、スイングアーム８の基端部を上下揺動自在な状態で車体フレーム１０に支持し、スイングアーム８の先端部に連結された支持パイプ９の上端部を懸架装置ＫＳのコイルばね１３によって車体フレーム１０に支持させるとともに、上記支持パイプ９の上端部を前記リニア式発電機１Ｄの外パイプ２９に連結している。上記構造において、車輪１１の変位エネルギによってコイルばね１３が伸縮し、このコイルばね１３の伸縮に応じてリニア式発電機１Ｄの内パイプ２７と外パイプ２９が相対的に直線振動する。例えば、図１１のように、車輪１１が突起に乗り上げるとスイングアーム８が矢印のように上方に角変位し、支持パイプ９がコイルばね１３を矢印Ａの方向に圧縮する。このとき、外パイプ２９が矢印Ａの方向に移動する（このとき、内パイプ２７はＢ方向に動く）ので、前述のように、界磁巻線Ｗ１（円筒状巻線２５）に矢印Ａ方向に移動する移動磁界を励磁することにより、減衰力を増大させることができる。
【００６５】
リニア形発電ダンパでは、ロータリー形発電ダンパと比較して、ロータがスライダー（内パイプ２７が相当する）に替わり、回転磁界が直線運動磁界に替わる事になる。
なお、図１２に示すように、上記支持パイプ９の直線振動をボール・スクリュウの働きを利用して角振動に変換し、前記リニア式発電機１Ｄの代わりに前述のロータリー式発電機１Ａ，１Ｂを使う方法も可能である。なお、この場合は、回転磁界の方向を直線振動の方向に応じて切り換えることが必要である。
【００６６】
〔別実施形態〕
上記第１及び第２実施形態では、増速機構ＺＫを構成するのに歯車伝動（ギア機構）を利用したが、この他利用できる技術として、発電機１Ａ，１Ｂの取り付け位置に自由度を持たせると共にスイングアーム８の角変位を拡大するために、ベルト伝動等を利用することも可能である。具体的には、発電機１Ａ，１Ｂのロータ３，６とスイングアーム８の回転部にプーリーを取付け、２つのプーリーの間をＶベルトでつなぐ、いわゆる動力伝達の方法を用いる。
【００６７】
上記実施形態では、回生された電力を貯蔵するエネルギ蓄積部をバッテリー１９で構成したが、バッテリー１９以外に、コンデンサーやキャパシタ等を利用することも出来る。
【００６８】
次に、図１０に示すリニア式発電機の一部構造の変形例を図１３に示す。この変形構造では、界磁巻線Ｗ１は内パイプ２７のパイプ内周部にパイプ軸方向に向く状態で間隔を隔てて巻かれた複数の小径巻線４０で構成され、パイプの各小径巻線４０の間には鉄製のリング４２がはめられ、隣接する各巻線４０による磁極はＮＳ，ＳＮ，ＮＳのように反対向きの磁極になっている。中央パイプ２６には長方形断面形状の溝が形成され、この溝に、複数の円筒状巻線４１からなる電機子巻線Ｗ２が巻かれている。以上の構造によって、図１３に示す磁気回路が形成され、内パイプ２７と中央パイプ２６を軸方向に相対移動させることにより、電機子巻線Ｗ２（各円筒状巻線４１）に誘導電圧を発生させることができる。
【００６９】
以上の説明では、本発明の発電ダンパを自動車のマクファーソン式懸架装置に適用した場合について記述したが、本発明の発電ダンパはこれに限定されることはなく、油圧ダンパ等の減衰要素が用いられる分野に広く及ぶものである。製品分野に関して言うと、自動車では、ダブルウィッシュボーン式、マルチリンク式等の懸架装置は勿論、航空機降着装置、鉄道車両懸架装置、建設機械懸架装置、農業機械懸架装置、オートバイ懸架装置、雪上車懸架装置等を具体的に挙げることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る発電ダンパの発電機構造を示す断面図
【図２】本発明の第１実施形態に係る発電ダンパの発電機構造の変形を示す断面図
【図３】本発明の第１及び第２実施形態に係る発電ダンパ装置を備えた懸架装置の構造を示す断面図
【図４】本発明の発電ダンパ装置の制御ブロック図
【図５】第２実施形態に係る発電ダンパの発電機構造を示す斜視図
【図６】第２実施形態における界磁の駆動電流波形図
【図７】第２実施形態における界磁の駆動電流波形図
【図８】第３実施形態に係る発電ダンパの発電機構造を示す断面図
【図９】第３実施形態における界磁巻線の結線図
【図１０】第３実施形態における励磁磁界の磁気回路図
【図１１】第３実施形態における発電ダンパ装置を備えた懸架装置の構造を示す断面図
【図１２】伝動機構の変形例を示す概略構成図
【図１３】別実施形態における励磁磁界の磁気回路図
【符号の説明】
１発電機
１Ａロータリー式発電機
１Ｂロータリー式発電機
１Ｃロータリー式発電機
１Ｄリニア式発電機
１１車輪
１６状態検出センサ
１７励磁電源部
１８制御部
１９エネルギ蓄積部
１００伝動機構
ＫＳ懸架装置
Ｗ１界磁巻線
Ｗ２電機子巻線
ＺＫ増速機構

Claims

界磁巻線により励磁される磁界と電機子巻線との相対移動によって発電する発電機と、車輪の変位により懸架装置に蓄積された変位エネルギによって前記磁界と前記電機子巻線とを相対移動させる伝動機構を備え、前記伝動機構により前記発電機を作動させて前記変位エネルギを電気エネルギに回生して振動を減衰させる発電ダンパ装置であって、
車両の運動状態を検出する状態検出センサと、前記磁界が前記電機子巻線に対して変化するように前記界磁巻線に通電して励磁する励磁電源部と、前記状態検出センサの検出情報に基づいて、前記磁界と前記電機子巻線との相対移動に対する減衰力を増加させるように前記励磁電源部を駆動制御する制御部を備える発電ダンパ装置。
前記回生した電気エネルギを蓄積するとともに、蓄積した電気エネルギを前記励磁電源部に供給するエネルギ蓄積部を備えている請求項１記載の発電ダンパ装置。
前記発電機は、前記界磁巻線による磁界と前記電機子巻線とが共通軸線周りに相対回転するロータリー式発電機である請求項１又は２記載の発電ダンパ装置。
前記発電機は、前記界磁巻線による磁界と前記電機子巻線とが軸線方向に相対移動するリニア式発電機である請求項１又は２記載の発電ダンパ装置。
前記励磁電源部は、励磁電流の通電と遮断により前記磁界を断続発生させるものである請求項１〜４のいずれかに記載の発電ダンパ装置。
前記励磁電源部は、前記磁界を前記電機子巻線に対して相対的に移動させるものである請求項１〜５のいずれかに記載の発電ダンパ装置。
前記伝動機構は、前記磁界と前記電機子巻線との相対移動速度を増加させるために、前記懸架装置に備えたバネの伸縮による変位を増大させる増速機構を備えている請求項１〜６のいずれかに記載の発電ダンパ装置。