JP2018507680A - 無段変速装置 - Google Patents

Abstract

可変比変速装置が、一つの第一セットのコイルを有するロータと、第一セットの鉄セグメントを有する第二ロータと、第二および第三セットのコイルを有する第三ロータと、第二セットの鉄セグメントを有する第四ロータと、第四セットのコイルを有する第五ロータと、を備える。第一セットのコイルは第一セットの鉄セグメントと磁気的に接続される。第一セットの鉄セグメントは第二セットのコイルと磁気的に接続される。第一、第二および第三ロータは第一セットの磁気歯車を形成する。第三ロータ上の第三セットのコイルは、第四ロータ上の第二セットの鉄セグメントと磁気的に接続される。第二セットの鉄セグメントは第四セットのコイルと磁気的に接続される。第三、第四および第五ロータは、第一セットの磁気歯車に連結される第二セットの磁気歯車を形成する。【選択図】図１ａ

Description

本発明は、減速する車両からの運動エネルギーを利用し蓄積し、このエネルギーを車両が加速するときに高出力で供給して車両に動力を与えるエネルギー貯蔵機能内蔵無段変速装置に関する。

本発明は、自動車において用いられる自動車用変速機およびギアボックスのために主として開発されたものである。しかしながら、本発明はまた、オートバイ、バス、トラック、列車、および風力タービンならびに他の再生可能エネルギー・システムにおける発電等、他の用途も想定される。

エネルギーの価格、特に道路や海や空の多くの乗り物にパワー供給を行うガソリンや軽油など石油ベースの燃料の価格は、連続的に徐々に増加している。経済の大部分は輸送費の増加に影響を受ける。また、各国政府は排気規制に対してより厳しい環境基準の導入を継続している。

このため、多大な労力および投資がハイブリッド自動車の開発に注がれている。これらの自動車は、動力（パワー）の主要源として内燃機関を、電気モータによってパワーを増大させて、用いる。他の最近の開発には、電気自動車も含まれており、その性能は今やガソリン車やディーゼル車に匹敵する。しかしながら、自動車に動力を供給するために用いられる電気エネルギーは電池に蓄積されるが、電池は重く、高価であり、蓄電容量が限られている。したがって、電気自動車の航続距離は制限され、このことにより、これらの自動車に対する主流的認識が肯定的ではない。

ハイブリッド自動車および電気自動車を含む大多数の車両は、車両が頻繁に停止・発進を行う交通量が多い都市環境において走行する。自動車を減速させる一般的な方法には、自動車を減速させるよう摩擦パッドを用いるディスクブレーキまたはドラムブレーキの使用がある。減速過程の際に、大量のエネルギーが熱として放散されて、効率的に散逸される。ハイブリッド自動車は、自動車が減速するときに発電機として電気モータを動作させ、制動において通常浪費されるエネルギーの一部を回収して蓄電するよう回生制動を多くの場合用い、そして加速するときには自動車を推進させるよう用いる機能を有する。しかしながら、このような車両の蓄電量は電池の瞬間受容量によって制限され、そして、低い速度においては発電機における変化磁束は効果がないレベルに下がり、このことは、制動時に全体的な運動エネルギーのうちの少量を利用できるに過ぎないことを意味する。

車両効率を向上するための駆動における最近の開発は、車両変速機すなわちギアボックスに焦点を当てている。従来の自動変速機（オートマチック・トランスミッション）は、トルクコンバータにおいてある程度のエネルギーを失う。したがって、自動変速機の効率は低下する。手動変速機（マニュアル・トランスミッション）は、より効率的な機械システムを有しているが、運転者制御のギアチェンジ（変速）のために通常あらゆる改善が低下する。この分野における主な最近の競争技術のうちの二つが、デュアル・クラッチ・トランスミッション（ＤＣＴ）と無段変速機（ＣＶＴ）とである。ＤＣＴは、高性能自動車において好ましく、非常に迅速なギアチェンジができるが、低速度では不安定となる場合がある。ＣＶＴ開発の領域は、従来の機械的ギアボックスから電気的なギアボックスに、そしてさらに最近では磁気ギアボックスへと種々のニーズを満たすよう展開されている。現在のＣＶＴは、一般的にＤＣＴほど効率的ではなく、典型的には小型自動車に限定されており、したがって、より大型の用途に対して効率的で強力なＣＶＴの開発には大きな可能性がある。

限定要因となる電池では、大量の運動エネルギーを蓄積し必要に応じて放出する効果的な方法はない。機械的蓄積機能を内蔵するより高い容量にスケールアップされたＣＶＴは、エネルギー意識をもった運転者や企業にとって非常に魅力的であろう。

風力事業において、ギアボックスは風力発電施設（ウインド・ファーム）の動作に関して最も大きな問題のうちの一つである。ギアボックスは、すべての風力タービン損失の約１５％に相当し、ギアボックスの変更は３ＭＷの風力タービンでは典型的には３週間と約３００，０００ＵＳドルを要する。これを克服する方法の一つは、直接駆動風力タービンを用いることである。しかしながら、低い速度では、発電機効率は低下する。また、発電機は複雑であり、維持するのに費用が嵩む。

風力タービンを複雑化するのはロータの速度の変化である。もし一定速度で発電機に動力を供給できれば、その場合、同期発電機を用いることができる。また、この場合、現在約２７％もの風力タービン損失の中で最大の割合を示す電力変換器の必要性を解消する可能性があろう。ＣＶＴギアボックスを用いることによって、この機能を提供することができ、すべての風力タービン損失の約４２％にも達するギアボックスと電力変換装置との損失のほとんどを解消する可能性があろう。エネルギー貯蔵機能なしには、機械的ＣＶＴはそのような高荷重では動作することができず、そして、風力タービンの動作に特有の風力発電スパイクを抑制するまたは低パワーレベルに対応する荷重平均化または効果的な技術がない。さらに改良したギアボックスを用い、風力事業や他の再生可能事業におけるいくつかの大きくコストが嵩む課題を解決できる可能性が実際にはある。

本発明の目的は、上述のニーズの一以上を少なくともある程度実質的に満たすことにある。

ここでは、
回転軸を有し、少なくとも一つの第一セットのコイルを有する少なくとも一つの第一ロータと、
回転軸を有し、少なくとも一つの第一セットの鉄セグメントを有する少なくとも一つの第二ロータと、
回転軸を有し、少なくとも一つの第二セットのコイルと少なくとも一つの第三セットのコイルとを有する少なくとも一つの第三ロータと、
回転軸を有し、少なくとも一つの第二セットの鉄セグメントを有する少なくとも一つの第四ロータと、
回転軸を有し、少なくとも一つの第四セットのコイルを有する少なくとも一つの第五ロータと、
を備える可変比変速装置を開示する。
少なくとも一つの第一セットのコイルは、少なくとも一つの第一セットの鉄セグメントと磁気的に接続されるよう配置される。少なくとも一つの第一セットの鉄セグメントは、少なくとも一つの第三セットのコイルと同じロータ上の少なくとも一つの第二セットのコイルと磁気的に接続されるよう配置される。少なくとも一つの第一ロータと少なくとも一つの第二ロータと少なくとも一つの第三ロータとが、第一セットの磁気歯車を形成するように構成される。
少なくとも一つの第三ロータ上の少なくとも一つの第三セットのコイルは、少なくとも一つの第四ロータ上の少なくとも一つの第二セットの鉄セグメントと磁気的に接続されるよう配置される。少なくとも一つの第二セットの鉄セグメントは、少なくとも一つの第四セットのコイルと磁気的に接続されるよう配置される。第三ロータと第四ロータと第五ロータとが、第一セットの磁気歯車に連結される第二セットの磁気歯車を形成するように構成される。

このような装置では、第一セットの磁気歯車においては第一ロータと第二ロータと第三ロータとで構成され、第二セットの磁気歯車においては第三ロータと第四ロータと第五ロータとで構成される、一セットの二つの一体的磁気歯車が形成される。第三ロータは両方において共通である。五つのロータのそれぞれは、それに隣接するロータに磁気的に連結される。これにより、第一セットの磁気歯車は、入力シャフトと出力シャフトとを有し、可変ギア比でパワーを出力シャフトに伝達するために典型的に用いられる。ここでさらに詳細に説明する通り、出力シャフトは、変速機構造に応じて、第二ロータまたは第三ロータのいずれであってもよい。

好ましくは、第二セットの磁気歯車は、ブレーキの際に（車両用途において）またはパワーが過剰となったときに（風力タービン用途において）利用される、運動エネルギーを機械的に貯蔵するフライホイールを有する。その後、この貯蔵されたエネルギーは、用途に応じて、出力シャフトの加速のために、発電機に追加のパワーを与えるために、後で変速機に戻るよう供給される。

好ましくは、第一セットおよび第二セットの磁気歯車のそれぞれは、関連するギアボックス制御器を介してロータ速度を制御するための磁石または誘導コイルと巻線とを有する一体的モータ／発電機を有する少なくとも一つの選択されたロータを有する。ギアボックス制御器は、最終的に、第一セットおよび第二セットの磁気歯車のそれぞれのギア比を制御する。ギアボックス制御器と電気的に接続される電池が、好ましくは備えられる。変速装置の動作のおよそ５０％において、モータ／発電機と関連する電池は、ロータを加速させるためにモータ／発電機に電力（パワー）を供給することになり、動作の約５０％においては、ロータを減速する必要があるであろう。動作の後者のフェーズの際に、モータ／発電機は電力を生成してギアボックス制御器へと戻し、電池に貯蔵して後でロータを加速するために用いる。この構成により、変速装置のパワー要求が一定程度低減され、変速装置の効率が一定程度向上する。

第一ロータ上の第一セットのコイル（永久磁石など）がＮ_１個の極ペアを有し、第三ロータ上の第二セットのコイル（永久磁石など）がＮ_２個の極ペアを有する場合、第二ロータ上の鉄セグメントの数が以下のＮ_３個のセグメント
Ｎ_３＝Ｎ_１＋Ｎ_２
となるよう、第一セットおよび第二セットの磁気歯車は設計されている。

最小のノイズで最大効率が望まれる場合、この同じ規則が、第一セットおよび第二セットの磁気歯車の両方ともに適用される。これにより、固有のギア比（特定の磁気歯車の鉄セグメント・ロータが静止中の場合のギア比）が、
Ｇ_ｒ＝Ｎ_１／Ｎ_２
に設定される。

第二ロータが、一体的化モータ／発電機を備えるロータであり、したがって速度制御されるよう選択されている場合、磁気ギアの動作ギア比を調整するために、第一ロータの速度ω_１と第二ロータの速度ω_２と第三ロータの速度ω_３との間の関係が、以下の
ω_１＋Ｇ_ｒ・ω_２−（１＋Ｇ_ｒ）ω_３＝０
となるように第二ロータの速度を制御することができる。

式の最後の項の前にある負号は、第三ロータが第一ロータに対して反対方向に回転することを示している。磁気ギアの動作ギア比を制御するには、第一ロータ（入力シャフトとして割り当てられる）の速度ω_１と第三ロータ（出力シャフトとして割り当てられる）の速度ω_３とを測定し、固有のギア比Ｇ_ｒを知ることによって、第二ロータの速度を、第一ロータからのパワー入力を用いて、可変ギア比で、第三ロータの速度を制御するために用いることができる。同様に、三つのロータのうちの任意のものを速度制御ロータとして選択することができ、出力ロータとして割り当てられるどのロータの速度でも、入力ロータにおけるパワー入力を介して達成される可変ギア比で、制御することができる。

第一セットの磁気歯車が第三ロータを介して第二セットの磁気歯車と結合される場合、変速装置は単一セットの連結ギアとして機能し、これにより、第一セットの動作ギア比は第一ロータおよび第二ロータのうちの一方の速度によって制御され、第二セットのギア比は第四または第五ロータの速度によって制御される。第一セットの磁気歯車がエンジンから車両駆動シャフトにパワーを伝達するよう配置され、そして第二セットが駆動シャフトからフライホイール・パワー伝達手段にパワーを伝達するために配置される構成を用いることにより、この場合、第一または第二ロータは動作ギア比を制御し、最終的に駆動シャフトの速度を制御すると同時に、第四または第五ロータは、回生制動においてもしくは車両加速において、または風力タービンの用途においては負荷平準化において用いられるフライホイールに加えるもしくは取り出すパワーの量を制御する。

好ましい態様において、第一セットの磁気歯車は、割り当てられた出力シャフトに可変ギア比でパワーを伝達するように用いられ、フライホイールと連結される第二セットの磁気歯車と連結される。フライホイールは、ブレーキまたはパワー・スパイクの際に利用する運動エネルギーを機械的に貯蔵して加速のためにまたはパワーが低いときにこのエネルギーを戻すよう供給する。この並列構成においては、パワー組合せ、分離および貯蔵を単一デバイスで達成することができる。

他の好ましい態様において、第一セットの磁気歯車は、第一ステージ・ギア・セットであって、該第一ステージ・セットの磁気歯車と第二セットの磁気歯車との間で配置される第二ステージ（または第三）セットの磁気歯車への入力に可変ギア比でパワーを伝達するために用いられる。第二ステージ・セットの磁気歯車は、第二ステージ・セットの磁気歯車の出力シャフトに可変ギア比でパワーを伝達する。この直列構成においては、非常に高い可変ギア比を、風力タービンに必要とされるものなど単一デバイスにおいて達成することができる。

好ましい態様において、第一および第二セットの磁気歯車の五つのロータの回転の軸が、同心状に好ましくは同軸状に構成された磁気歯車セットを提供するよう、同じ軸上にある。

他の態様において、ツイン（二つの）第五ロータの回転の軸は、他の四つのロータの軸に対して直交して配置される。本磁気歯車は、位置合わせ不良に関して許容範囲が非常に大きく、そして磁束を、磁気歯車の機械的な同等物の性能と同等でありときにはそれを超える種々の回転式ギアにわたって伝達することができる。融通性のある磁気ギアボックス設計のために、ロータ軸を、したがって、他のロータ軸と、直列、並列、直交、オフセット、横方向、分離、組合せそして任意角等の種々の構成で、並べて配置することができる。

好ましい実施態様において、第一セットの磁気歯車は、第一ロータと第二ロータと第三ロータとの間に径方向磁束を有する構成で配置される。第二セットの磁気歯車は、第三ロータと第四ロータと第五ロータとの間の軸方向磁束構造（軸方向に磁束が向かう位置関係の構造）で配置される。この態様において、第一セットの磁気歯車におけるパワーの流れは、バランスがよく取れており、径方向磁束構造（径方向に磁束が向かう位置関係の構造）で伝達され、一方、フライホイールからの軸方向磁束は出力シャフトに最小限の空間において連結されており、このことは、変速装置内で構成を組合せることがいかに極めて有用であるかを際立って示している。

他の態様において、第二セットの磁気歯車は、第三ロータおよび第四ロータに対して直交する垂直軸を中心に回転する一ペアの第五フライホイール・ロータを有する。この構成により、フライホイールにおけるあらゆる大きい歳差力を打ち消す利点があり、レーシングカーや他の車両の用途に最適である。第四ロータおよび第五ロータ上の磁束伝達を最適化するよう、第五ロータ上の第四セットのコイルおよび第四ロータ上の鉄セグメントを、幾何学的に、延伸・傾斜磁極形状に設計することができる。

それぞれのセットのコイルは、一連の永久磁石または対応するステータコイルによって励起される誘導コイルで構成することができる。

好ましい態様において、コイルは、ハルバッハ配列構造を用いて組み込まれる永久磁石で構成され、磁極は、二つ、三つまたは四つ以上の磁石に跨がることができる。この構成には、ロータに組み込まれる極数を低減でき、したがって、より高いギア比を達成することができ、そして、磁界の大部分はエアギャップにおいてノイズを低減できる正弦波であり、一方の側に作用させて磁気利用を高める利点がある。

他の態様において、コイルは、磁極が従来のＮ極／Ｓ極構造で配置されるよう組み込まれる永久磁石で構成される。極数の総数が上述した規則Ｎ_３＝Ｎ_１＋Ｎ_２に従う限り、第一ロータ、第三ロータおよび第五ロータのそれぞれの極のペアの数には多くの選択肢がある。

五つ以上のロータのそれぞれは、回転可能に装着可能であり、空間においてロータを、その軸回りに回転自在に、かつ実質的に一定に保持するための少なくとも一つのベアリングによって支持される。変速装置は、入力シャフトおよび出力シャフトの一定の範囲の選択肢を提供する。すなわち、第一ロータ、第二ロータ、または第三ロータのいずれかを入力シャフトとして構成し、他の二つのロータのうちの対応する一方を出力シャフトとして構成することができる。これには、一定範囲の製品設計で変速装置を構成できる利点がある。

好ましい態様において、第一ロータは入力シャフトとして構成され、第二ロータは出力シャフトとして構成され、そして第三ロータは速度制御ロータとして構成される。この構成においては、入出力シャフトは同じ方向に回転するので、現在の自動車用ギアボックス構成と互換性を有するという利点がある。

他の態様において、第一ロータは入力シャフトとして構成され、第二ロータは速度制御ロータとして構成され、そして第三ロータは出力シャフトとして構成される。この構成においては、ギア比は、風力タービンにおいて用いられるギアボックスに必要とされているものなど、典型的には非常に高い比である。

好ましい態様において、単一の入力シャフトと単一の出力シャフトとが備えられる。他の実施態様においては、複数の入力シャフトすべてが、磁気ギアボックスへと供給を行う。これは、単一のソース（源）へのパワーを増大するのに有用である。

他の実施態様においては、複数の出力シャフトすべてへと、変速装置から供給が行われる。これは、単一のソースからパワーを複数の流れで供給するのに有用である。

他の実施態様においては、複数の入出力シャフトすべてが、磁気ギアボックスへの供給および磁気ギアボックスからの供給を行う。これは、複数のソースからパワーを複数の流れで供給するのに有用である。

好ましい態様において、入出力シャフトはそれぞれ、それぞれと関連しギアボックス制御器と電気的に接続される回転速度センサと好ましくはトルクセンサとを有する。

二つの速度および／またはトルクセンサがギアボックス制御器へのフィードバックとして用いられ、これにより、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）から受信した速度要求および／またはアクセルペダルおよびブレーキペダルへの運転者の要求に基づいて、要求されたギア比を達成するよう、ギアボックス制御器は第一または第二ロータおよび第四または第五ロータ速度を適切に制御することができる。運転者は、動力供給や制動（ブレーキ）の要求を送信すると、これが、ギアボックス制御器によって回生制動および加速が確実に滑らかに行われるよう用いられる。ギアボックス制御器は、電池へと電力を送るとともに電池から電力を受ける。ギアボックス制御器は、第一または第二ロータおよび第四または第五ロータ上のモータ／発電機に典型的には三相接続によって接続されるとともに、ロータリエンコーダまたはホールセンサとすることができる回転速度センサに接続される。ギアボックス制御器が二つの制御ロータの速度を正確に予測し設定することができるように、速度および／またはトルクセンサを利用したさらなる制御対応を行うことができる。風力タービンの場合には、出力シャフトの速度は定数として設定され、ギアボックス制御器は、この一定速度が確実に達成されるよう制御ロータの速度を設定する。また制御器は、制御パラメータおよび出力要求の遠隔調節を含む遠隔監視（モニタリング）および制御を行うこともできる。

好ましい態様において、第三ロータおよび第五ロータは、変速装置においてギア比を調整するように速度制御を受ける。この構成には、第一ロータおよび第五ロータ上のモータ／発電機コイルまたは永久磁石が磁気ギアボックスの端部（ｅｘｔｅｎｔｓ）に設置されて、対応するステータコイルへ手が届きやすくなる（アクセスが容易になる）という利点がある。

好ましい態様において、第二ロータおよび第四ロータは、磁気ギアボックスにおいてギア比を調整するように速度制御を受ける。

好ましくは、変速装置を安定した取り付け台に固定するとともに、蓄積されていたエネルギーをフライホイールの破損の場合には閉じ込めるよう、同時に、少なくとも入出力シャフトが筐体から突出できるよう、筐体すなわちケーシングが、変速装置を十分に囲繞するすなわち閉じ込めるように配置される。入出力シャフトは、環境に対して変速装置を閉じ込めるためにシール（封止部材）を使用することもできる。しかしながら、通常の使用法において、種々の変速装置部品は接触することがなく潤滑油が不要であり、したがって、筐体において完全真空状態または準真空状態が所望とされない限り、典型的にはシールは必要ではない。

ある態様において、筐体はさらに、逆止弁と、筐体および変速装置を完全真空状態または準真空状態とするよう構成される真空ポンプと、を有する。真空状態とすることにより、回転時におけるフライホイールへのあらゆる流体摩擦を低減でき、したがって、エネルギー貯蔵の効率が向上する。好ましくは、装置は、変速装置および筐体の外部に配置されるウォータ（水）ジャケットを有する。ウォータ・ジャケットは、変速装置の内側に生じたあらゆる熱を吸収する。あるいは、筐体を密閉封止し、低い内圧まで真空状態とすることもでき、そして、メカニカルシールを用いることなく筐体の内部と外部軸との間でパワーを伝達するために電磁結合などの結合が設けられる。

ある態様において、駆動シャフトは車両の駆動シャフトである。他の態様においては、駆動シャフトはコンプレッサを駆動するよう構成される。さらに他の態様においては、駆動シャフトは、風力タービンの内部における発電機を駆動するよう接続される。

好ましくは、ギアボックス制御器は、コントローラプログラムと特定の設計要求に応じて、少なくとも二つのモータを制御することができるとともに運転者要求、速度・トルクセンサ入力など一定の範囲の入力を受け付けることができるデジタル制御スイッチ（切替）ブラシレスモータ制御器である。

好ましくは、ギアボックス制御器とモータ／発電機とはがそれぞれ、ロータ位置・速度センサを有する。より好ましくは、ギアボックスは、少なくとも一つのロータリエンコーダおよび／または磁気ホールセンサを有する。

好ましくは、ギアボックス制御器は、ギア比を制御するのに適切な応答時間での制御方法で第一または第二ロータおよび第四または第五ロータを制御し、かつパワー伝達および応答時間要求を満たすのに十分な性能であり、またそれができる。

好ましくは、エネルギー貯蔵機能として、電池またはスーパーコンデンサなど外部電力貯蔵装置を備える。

好ましくは、コイルは永久磁石である。あるいは、コイルは、誘導コイル、スイッチトリラクタンスコイル（ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ ｃｏｉｌｓ）、または磁束生成可能なコイルである。

好ましくは、第一、第二、第三および第四セットのコイルは、径方向に磁束が向かう位置関係の構造（径方向磁束構造）で配置されている。

あるいは、第一セットのコイル、第二セットのコイル、第三セットのコイルおよび第四セットのコイルは、軸方向に磁束が向かう位置関係の構造（軸方向磁束構造）、横方向に磁束が向かう位置関係の構造（横方向磁束構造）もしくは径方向と横方向とに磁束が向かう位置関係の構造（ハイブリッド磁束構造）、またはこれらの組合せで配置される。

好ましくは、鉄セグメントは、ヒステリシス損失を低減し効率を向上するために、積層電磁鋼または軟磁性磁気化合物を備える。

あるいは、鉄セグメントは、固体鉄またはフェライトのバーである。

好ましくは、磁気ギアボックスをエンジンおよび出力シャフトから完全に切り離すために、外部クラッチが入出力シャフトに配置される。

あるいは、入力シャフトの回転時に出力シャフトを静止状態とできるようクラッチ作用を実行するために、第一ロータもしくは第二ロータ、および第四ロータもしくは第五ロータの速度をある速度に制御することができる。

あるいは、磁気ギアボックスをエンジンおよび出力シャフトから切り離すために、車両クラッチを用いることができる、または他の従来クラッチング装置を用いることができる。

あるいは、所望のロータを切り離すために、例えば変速装置をフライホイールおよび／または入力シャフトから切り離すよう、磁気クラッチを変速装置の内部に装着することもできる。典型的には、磁気クラッチを、薄い鋼または金属スクリーンで構成でき、これにより、鋼スクリーンにおいてロータ間のあらゆる磁束を渦電流として散逸するとともにそのロータを鋼スクリーンの反対側のロータから切り離すことができる。あるいは、エアギャップが非常に大きくなるようにロータを離間するよう移動させる機械的作動磁気クラッチを他の態様とする。

例示としての本発明の好ましい態様を、添付の図面を参照して説明する。

図１ａは、径方向および軸方向に磁束が向かう位置関係の構造の、無段変速機の第一実施形態の半分に対応する概略的断面図である。

図１ｂは、図１ａの第一セットの磁気歯車の概略的側部断面図である。

図２は、出力シャフトが入力シャフトと同じ方向に回転するように構成されている変速装置の第二実施形態の半分に対応する概略的断面平面図である。

図３は、電動機（モータ）／発電機が装置の端部に位置するよう変速装置が好適に構成されている第三実施形態の半分に対応する概略的断面平面図である。

図４は、変速装置が磁束密度を高めたハイブリッド磁束コイルで構成される第四実施形態の半分に対応する概略的断面平面図である。

図５は、磁束密度を高めたハイブリッド磁束コイルで構成されるとともにモータ／発電機が装置の端部に位置するよう変速装置が構成されている第五実施形態の半分に対応する概略的断面平面図である。

図６は、変速装置が反対方向に回転するツイン・フライホイールで構成される第六実施形態の半分に対応する概略的断面平面図である。

図７は、変速装置が、直列に配置されているとともに第二セットの磁気歯車に連結される第一セットの磁気歯車およびさらなる（第三）セットの磁気歯車を有する、第七実施形態の半分に対応する概略的断面平面図である。

図１ａに、エネルギー貯蔵機能内蔵無段変速機装置１００の第一実施形態を半分に対応する断面図で示す。変速装置１００は、第一ロータとしての入力シャフト１と、第二ロータとしての鉄セグメント（区分）・ロータ２と、第三ロータとしての出力シャフト３と、第四ロータとしての鉄セグメント・ロータ４と、第五ロータとしてのフライホイール５と、を有する。ロータ１，２，３，４，５はすべて、安定した取り付け台に装置を固定するとともにフライホイール５の破損の場合にはダメージを最小限にするよう用いることができる筐体６の内部に収容される。

本第一実施形態において、五つのロータ１，２，３，４，５はすべて、破線４７で示す同じ回転軸を共有する。第一ロータ１は、断面が略「Ｙ」字状であり、変速装置の入力端部に入力シャフトと、遠位側環状部分と、を備える。一セットのコイル７が環状部分の外周面に組み込まれる。第一ロータ１は、入力シャフト１を回転自在とするよう適切に装着される一セットのベアリング２１によって、支持される。第二ロータ２は、一セットのベアリング２３によって支持される。また、第二ロータ２は環状であり、第一ロータ１の環状部分の外径より多少大きい内径を有しており、これにより、第一ロータ１と第二ロータ２とが同じ回転軸４７に同軸状に装着されるとエアギャップが二つのロータ間に形成される。また、第三ロータ３は、断面が「Ｙ」字状であり、その環状部分の内径が第二ロータ２の外径より多少大きく、これにより、エアギャップが第二ロータ２と第三ロータ３との間に形成される。ロータ３の環状部分は、端面で終端し、そこから変速装置の出力シャフト３が遠端側へと延設されている。出力シャフト３は、一セットのベアリング２６によって支持される。

第三ロータ３は、環状部分の端面に組み込まれた一セットのコイル１１を有する。第四ロータ４は、断面が環状であり、軸４７に第三ロータ３の端面に隣接して装着されて、エアギャップが二つのロータ間に形成される。第五ロータもまた、断面が環状であり、軸４７に第四ロータ４に隣接して装着されて、エアギャップが二つのロータ間に形成される。第四ロータ４は、一セットのベアリング２４によって支持される。また、フライホイール５は、一セットのベアリング２５によって支持される。

入力シャフト１は、そのロータに、典型的に強力な希土類永久磁石である組み込まれたコイル７を有する。好ましくは、永久磁石は、それらのパワーを最大限にするためにハルバッハ配列（Ｈａｌｌｂａｃｈ Ａｒｒａｙ）で配置される。あるいは、コイルを、誘導コイル、または誘導コイルと永久磁石との組合せとすることもできる。第三ロータ／出力シャフト３は、環状部分の外面に組み込まれた同様なコイル９を有する。第三ロータ３に組み込まれたコイルの数は、上記の要約欄に記載した設計基準Ｎ_３＝Ｎ_１＋Ｎ_２にしたがって、入力シャフト１の環状部分に組み込まれたコイルの数に応じて変更される。第二シャフト２は、矢印１０示すよう磁束が磁気的なトルクを最終的には機械的なトルクを磁気ギアを通じて可変ギア比で伝達できるよう、ロータに組み込まれた鉄セグメント８を有する。図１ｂの側面図に示した第一セットの磁気歯車（ギア）１０１は、入力シャフト１上に四つの極のペアを、出力シャフト３上に七つの極のペア（Ｎ_２）を有しており、関係Ｎ_３＝Ｎ_１＋Ｎ_２を用いて、第二ロータ２上の１１個の鉄セグメントが備えられている。これにより、固有ギア比（Ｇｒ）が１：１．７５に設定される。

図１ｂに示す通り、ロータ１，２，３の極のペアは、典型的には、第一ロータ１上のＮ極３２およびＳ極３３に分割され、第三ロータ３上のＮ極２８およびＳ極２９に分割され、そして、第二ロータ２上の鉄セグメント３０および空気または非フェライト・セグメント３１に分割され、これにより、第二ロータ２が静止している場合には磁束が固定の固有ギア比（Ｇｒ）で、または第二ロータ２の速度に応じた可変動作ギア比で、入力シャフト１が出力シャフト３に連結される。複数の磁石にわたって延設される磁極を有するハルバッハ配列を、固有のギア比（Ｇｒ）をより高いレベルに調整するために使用することができる。

第一セットの磁気歯車１０１において、一セットコイル７は、入力シャフト１に組み込まれた永久磁石で構成されており、磁束１０を第二ロータ２に組み込まれた一セットの鉄セグメント８へとそして一セットの鉄セグメント８から伝達する。一セットの鉄セグメントは、この磁束１０を、第三ロータ３に組み込まれている一セットの永久磁石９へとそして一セットの永久磁石９から伝達する。機械的トルクが入力シャフト１に印加されると、磁束１０に変換されて、第一セットのコイル７と鉄セグメント８との間に形成されたエアギャップと、鉄セグメント８と第二セットのコイル９との間に形成されたエアギャップと、において磁気トルクが生成される。この磁気トルクは、出力シャフト３において機械的トルクに戻るよう変換される。第一セットの磁気歯車の磁束１０は、図１ａおよび図１ｂに示す通り、径方向に磁束が向かう位置関係の構造（径方向磁束構造）で生成される。

第二セットの磁気歯車は、第三ロータ３と第四ロータ４と第五ロータ５とを備える。一のセットコイル１１は、出力シャフト３に組み込まれる一セットの永久磁石を備え、第四ロータ４に組み込まれる一セットの鉄セグメント１２へとそして一セットの鉄セグメント１２から磁束１４を伝達する。一セットの鉄セグメント１２は、この磁束１４を、フライホイール５に組み込まれている一セットの永久磁石１３へとそして一セットの永久磁石１３から伝達する。機械的トルクが出力シャフト３に印加されると、磁束１４に変換されて、第一セットのコイル１１と鉄セグメント１２との間に形成されたエアギャップと、鉄セグメント１２とコイル１３との間に形成されたエアギャップと、において磁気トルクが生成される。この磁気トルクは、フライホイール５において機械的トルクに戻るよう変換される。フライホイール５は、用途に応じて、回生制動モードの場合またはパワー・スパイクが負荷平準化を必要とする場合、フライホイールを加速させることによってフライホイールにエネルギー貯蔵（チャージ）を行う。加速時またはパワーが低い時、フライホイール５は、逆にパワーを出力シャフト３に伝達して機械的トルクを供給するよう、エネルギー放出（ディスチャージ）を行い減速する。第二セットの磁気歯車の磁束１４は、図１ａに示す通り、軸方向に磁束が向かう位置関係の構造（軸方向磁束構造）で生成される。第一セットの磁気歯車には径方向磁束構造を、第二セットの磁気歯車には軸方向磁束構造を、組み合わせて用いることによって、空間および基幹施設（インフラ）をより有効に活用でき、ギアボックスをよりコンパクトに軽量にすることができる。

回転速度センサ２２が、変速装置１００の入力端部において入力シャフト１の近傍に組み込まれる。速度とトルクとを測定することができるように、速度センサ２２はトルクセンサ２２ａに連結される。回転速度センサ２７は、出力シャフト３の近傍に組み込まれる。速度とトルクとを測定することができるように、この速度センサ２７はトルクセンサ２７ａに連結される。あるいは、トルクセンサが取り付けられないとき、その場合には速度センサ２２が第二ロータ２の速度をモニタリングし、速度センサ２７が第四ロータ４の速度をモニタリングする。センサ２２，２７は、ギアボックス制御器（コントローラ）３４と電気的に接続される。また、筐体６に組み込まれた二つの制御モータ・ステータ１６，１９の内部に組み込まれるさらなる速度センサ２７ｂ，２７ｅとフライホイール５の近傍に組み込まれるさらなる速度センサ２７ｄとがギアボックス制御器３４と電気的に接続される場合、追加的でより正確な制御が提供される。したがって、ギアボックス制御器３４は五つのロータすべての速度を確認するように構成することができ、変速装置１００の制御を最大限に引き出せる可能性がある。

永久磁石で構成される一セットの小型コイル１５が、第二ロータ２に組み込まれる。モータ・ステータすなわちモータ発電機１６は、筐体６上に第二ロータ２に隣接して装着される対応するセットのステータコイル１６を有する。モータ発電機１６は、第二ロータ２の回転が生じるよう制御するように磁束１７を生成するためにギアボックス制御器３４から供給される電力を用いる。ギアボックス制御器３４は、ステータコイル１６の内部にまたはステータコイル１６の近傍に配置される速度センサ２７ｂからのフィードバックを用いて第二ロータ２の速度を測定し、閉ループ制御アルゴリズムを利用して、ステータコイル１６に適切な量のパワーを送出し、これにより、第二ロータ２の速度を正確に制御する。第二ロータ２の速度は、第一セットの磁気歯車１０１の動作ギア比を入力シャフト１の回転速度と出力シャフト３の回転速度との間の比として設定する。

永久磁石で構成される一セットの小型コイル１８が、第四ロータ４の周辺部に組み込まれる。モータ・ステータすなわちモータ発電機１９は、筐体６上に第四ロータ４に隣接して装着される対応するセットのステータコイルを有する。モータ発電機１９は、第四ロータ４の回転が生じるよう制御するように磁束２０を生成するためにギアボックス制御器３４から供給される電力を用いる。ギアボックス制御器３４は、ステータコイル１９の内部にまたはステータコイル１９の近傍に配置される速度センサ２７ｃからのフィードバックを用いて第四ロータ４の速度を測定し、閉ループ制御アルゴリズムを利用して、ステータコイル１９に適切なパワーを送出し、これにより、第四ロータ４の速度を正確に制御する。第四ロータ４の速度によって、第二セットの磁気歯車の動作ギア比が出力シャフト３の回転速度とフライホイール５の回転速度との間の比として設定される。この動作ギア比は、必要とされるパワー伝達の方向に対応して適切なギア比を設定することによって、回生制動を用いてまたは大きなパワー・スパイクの際にフライホイール５にチャージを行うよう、そして、加速時にまたはパワーが低いときにフライホイール５にディスチャージを行わせるよう用いられる。

どちらの方向にも、つまりギアボックス制御器３４から電池３５に、そしてその逆にも、電力が流れるように、ギアボックス制御器３４は電池３５に接続される。またギアボックス制御器３４はエンジンコントロールユニット３６にも接続され、これにより、車両運転者、エンジンおよび他のシステムからのあらゆる命令（コマンド）を、エンジンコントロールユニット３６を介してかつ／または車両のブレーキペダルまたはアクセルペダルなどソースから直接的に、ギアボックス制御器３４に通信することができる。ギアボックス制御器３４は、ケーブル３７を用いて回転速度センサ２７に接続され、ケーブル３８を用いてモータ発電機１９の一セットのコイルに接続され、ケーブル３９を用いてモータ発電機１６の一セットのコイルに接続され、ケーブル４０を用いて回転速度センサ２２に接続される。速度・トルクセンサから利用可能な大量のデータを用いることによって、入力シャフト１から出力シャフト３への滑らかなパワー伝達と出力シャフト３とフライホイール５との間の滑らかなパワー伝達とを可能にするよう第二ロータ２および第四ロータ４の速度を正確に制御するために正しいパワー・プロファイルを提供するように、このデータをギアボックス制御器３４が処理することができる。

図２に、無段変速機装置２００の第二実施形態を半分に対応する断面平面図で示す。装置２００は、装置１００との多くの共通部分を有しており、したがって、同様な参照符号を付している。変速装置２００は、図２に概略的に示すギアボックス制御器２３４に接続される。本実施形態においては、第二ロータ２０２と第三ロータ２０３は、図１ａの実施形態と比較して、入れ替わっている。第二ロータ２０２には鉄セグメント２０８が組み込まれており、ここでは、出力シャフトとして構成されており、図１の実施形態の第三ロータ３と同様に断面が「Ｙ」字状である。第三ロータ２０３には永久磁石２０９が組み込まれており、ここでは、速度制御ロータとして構成されるとともに、断面が単に環状である。第三ロータ２０３は、対応するモータ／発電機２１６からの磁束２１７を介して速度制御される。第一実施形態のように、電池２３５とエンジンコントロールユニット２３６は、ギアボックス制御器２３４とツーウェイの電気的通信で接続される。図２の構成には、現在の自動車ギアボックスでは一般的である入力シャフト２０１の回転方向と整合するよう出力シャフト２０２の回転方向を変更できる利点がある。

図３に、無段変速機装置３００の第三の好ましい実施形態を半分に対応する断面平面図で示す。変速装置３００は、図に概略的にのみ示すギアボックス制御器に接続される。本実施形態のロータ構成は多くの面で図２の構成と同じであり、同様な部品には図２と同様な参照符号を付している。しかしながら、第三ロータ３０３は、ここでは、第三ロータ３０３の外周面の中央に組み込まれたより多くのセットの永久磁石３１５を収容している。第四ロータ３０４は、ここでは、一セットの鉄セグメント３１２が組み込まれたフライホイールとして構成されている。第五ロータ３０５は、ここでは、その周辺外面に一セットの永久磁石３１８が組み込まれた速度制御ロータである。モータ発電機は、第五ロータ３０５の速度を制御するために配置され、一セットの永久磁石３１８とステータコイル３１９とを備えており、コイル３１９と磁石３１８との間に磁束３２０が形成される。モータ／発電機は、第三ロータ３０３の速度を制御するために用いられ、一セットの永久磁石３１５とステータコイル３１とを備える。コイル３１６と磁石３１５との間に磁束３１７が形成される。この構成において、第三ロータ３０３と第五ロータ３０５とが、第一セットの磁気歯車と第二セットの磁気歯車とに対する速度制御ロータとしてそれぞれ用いられる。第一実施形態のように、電池３３５とエンジンコントロールユニット３３６は、ギアボックス制御器３３４とツーウェイの通信で接続される。図３の構成により、モータ／発電機を変速装置の端部に組み込んで十分な空間が提供され、コストを低減しかつ／または性能を向上することができる。

図４に、概略的に示すギアボックス制御器４３４に接続される無段変速機装置４００の第四実施形態を半分に対応する断面平面図で示す。図１ａにおいて符号を付した部品と同様な部品には同様な参照符号を付しているが、本実施形態においては、ロータ・コイル構成が先の実施形態とは異なる。本実施形態は、出力シャフトとして構成されるとともに断面が「Ｔ」字状である第一ロータ４０１を有する。第一ロータの近接端部における入力シャフトは、第一ロータ４０１の遠端部における短い円筒状部分へと拡大し、端面４０１ａにおいて終端する。第二ロータ４０２は、第一ロータ４０１の短い円筒状部分の外径より多少大きい内径を有する周壁を有する環状形状のロータを備える。エアギャップが二つのロータ４０１，４０２の周壁間に形成されて、軸４７回りに回転するよう第二ロータ４０２は装着される。第二ロータ４０２の周壁は第一ロータ４０１の端面４０１ａを越えて延設される。また、第二ロータは、周壁の内面から周壁に沿ってほぼ中間まで延設される内側に面する環状フランジ４０２ａを有する。フランジ４０２ａは第一ロータ４０１の端面４０１ａに隣接して配置され、これにより、エアギャップが端面４０１ａとフランジ４０２ａとの間で形成される。

第三ロータ４０３は、断面が「Ｔ」字状である長い出力シャフトとして構成される。エアギャップが第三ロータ４０３の近接端部とフランジ４０２ａとの間に形成されるよう第三ロータ４０３の近接端部はフランジ４０２ａに隣接して配置されるよう、そして、第三ロータ４０３の外側周壁と第二ロータ４０２の周壁との間にエアギャップが形成されるよう第三ロータ４０３の外側周壁は第二ロータ４０２の周壁の内部にちょうど収容されるように、第三ロータ４０３は軸４７に装着される。第二ロータ４０２は、第三ロータ４０３の周壁に沿って途中の部分で終端する。第三ロータ４０３は、遠位面で終端する円筒状部分を有する。出力シャフトは円筒状部分から遠位方向に延設される。

第四ロータ４０４は、第二ロータ４０２と同じ形状および同じ寸法であり、第四ロータ４０４が隣接する第三ロータ４０３の外側周壁をちょうど収容して二つのロータ４０３，４０４間にエアギャップが形成されるよう、そして、第四ロータ４０４の内側に面する環状フランジ４０４ａは隣接する第三ロータ４０３の遠位面をちょうど収容してエアギャップが二つのロータ４０３，４０４間にこの方向にも形成されるよう、回転するよう軸４７に装着される。

第五ロータ４０５は環状である。エアギャップがロータ４０３，４０４間とロータ４０４，４０５間とに形成されるよう、第五ロータ４０５は、ロータ４０３の出力シャフト部と同軸状にかつ第四ロータ４０４の環状フランジ４０４ａに隣接してシャフト４７に装着される。

第一ロータ４０１の端面４０１ａと周辺面との両方には、第一セットの永久磁石４０７が組み込まれる。第二ロータ４０２の周壁と環状フランジ４０２ａとの両方には、第一セットの鉄セグメント４０８が組み込まれる。第三ロータは、第三ロータの近接端部に鉄セグメント４０８に隣接して組み込まれた第二セットの永久磁石４０９と、第三ロータの遠位面と外側周壁の遠端部に組み込まれた第三セットの永久磁石４１１と、を有する。第二セットの鉄セグメント４１２が、第四ロータ４０４の周壁と環状フランジ４０４ａとに沿って組み込まれる。第五ロータ４０５の近接端部と周辺部には、鉄セグメント４１２に隣接して、第四セットの永久磁石４１３が組み込まれる。四つのセットの永久磁石４０７，４０９，４１１，４１３はすべて、磁界を鉄セグメント４０８，４１２へと径方向と軸方向との両方に供給することができるハイブリッド構造で構成されている。第一セットの永久磁石４０７は磁束４１０を鉄セグメント４０８へと供給し、鉄セグメント４０８が磁束４１０を第二セットの永久磁石４０９へと供給する。第三セットの永久磁石４１１は磁束４１４を鉄セグメント４１２へと供給し、鉄セグメント４１２が磁束４１４を第四セットの永久磁石４１３へと供給する。第一実施形態のように、電池４３５とエンジンコントロールユニット４３６は、ギアボックス制御器４３４とツーウェイの電気的通信で接続される。本実施形態のハイブリッド磁束構造により、エアギャップにける磁束密度、トルク密度および変速装置の容量を向上できる。

図５に、無段変速機装置５００の第五実施形態を半分に対応する断面平面図で示す。変速装置５００は、ギアボックス制御器５３５に接続される。ロータ構成は、第二ロータ５０２と第四ロータ５０４と一セットの永久磁石５１５と一セットのステータコイル５１６と磁束５１７と一セットの永久磁石５１８と一セットのステータコイル５１９と磁束５２０とを除いて、図４の実施形態のロータ構成と同様であり、同様な部品には図４と同様な参照符号を付している。本実施形態において、第二ロータ５０２および第四ロータ５０４はそれぞれ、ロータ５０４，５０２の外面上にそれぞれ組み込まれるモータ／発電機５１６，５１９を有する。一セットの永久磁石５１５は、磁束５１７を生成するステータコイル５１６の直近で第二ロータ５０２に組み込まれる。他の一セットの永久磁石５１８は、磁束５２０を生成するステータコイル５１９の直近で第四ロータ５０４に組み込まれる。この構成において、モータ／発電機５１６，５１９は、先に説明した実施形態よりも十分に空間を利用することができ、したがって、より大きくかつより強力なものとすることができる。このことは、典型的には非常に強力なハイブリッド磁束磁気ギアボックスを制御するのに非常に効果的である。

図６に、無段変速機装置６００の第六実施形態を半分に対応する断面平面図で示す。変速装置６００は、概略的にのみ示すギアボックス制御器６３４に接続される。第一ロータ、第二ロータおよび第三ロータのロータ構成は、図１ａの実施形態の構成と同様であり、同様な部品には図１と同様な参照符号を付している。しかしながら、ここでは、第三ロータ６０３には、さらなる第二セットの永久磁石６１１ａが組み込まれている。第四ロータ６０４は、第三ロータ６０３に隣接して装着され、第三ロータ６０３と同じ軸である軸４７回りに回転する。第五ロータは、ここでは、第一フライホイール６４１と第二フライホイール６４２とを備える一ペアのフライホイールに分割されている。フライホイール６４１，６４２はそれぞれ、第四ロータ４０４に隣接して配置されるが、ここでは、第三ロータ６０３と第四ロータ６０４とが周囲に装着されている軸４７に垂直である回転軸６４８回りに回転するよう装着される。フライホイール６４１，６４２はそれぞれ、変速装置６００の長さにわたって広がっている。第一フライホイール６４１には第一セットの永久磁石６４５が組み込まれる。また、第二フライホイール６４２には第二セットの永久磁石６４３が、第四ロータ６０４に組み込まれる一セットの鉄セグメント６１２に隣接して組み込まれる。

一セットの永久磁石６１１ａは、第四ロータ６０４に組み込まれる一セットの鉄セグメント６１２に隣接して第三ロータ６０３の周辺部に組み込まれる。対応する磁束は、ここでは、第一磁束６４６および第二磁束６４４の二つの領域に、ロータ６４１に組み込まれた第一セットの永久磁石６４５、ロータ６４２に組み込まれた第二セットの永久磁石６４３に分割される。第一フライホイール６４１および第二フライホイール６４２は、それらの対応する最上部セットの永久磁石６４５および底部セットの永久磁石６４３が両方とも第二セットの鉄セグメント６１２と磁気的に接続されて両方のフライホイールが単一の第四ロータ６０４に連結されるよう、軸６４８回りに回転する。一セットの永久磁石６１１ａは、第一セットの永久磁石６４５および第二セットの永久磁石６４３の両方に連結される一セットの鉄セグメント６１２に磁気的に連結されて、対応する第一磁束６４６および第二磁束６４４が生成される。第一磁束６４６と第二磁束６４４とは、通常大きさが等しいが、反対方向に作用する。これらの磁束により、第一フライホイール６４１と第二フライホイール６４２とが反対方向に回転する。通常の動作において、フライホイールの速度は同様となることになり、したがって、フライホイールが筐体６０６とそのマウントに印加するあらゆる歳差力は、それらのシャフトと筐体６０６とに実質的に等しいが反対の力を印加するそれぞれのフライホイールによって実質的に相殺される。この歳差力の十分な低減または相殺により、移動車両において、特に高性能なレース用車両において、車両操縦性へのあらゆる悪影響を低減できるという大きな利点が得られる。

図７に、無段変速機装置７００の第七実施形態を半分に対応する断面平面図で示す。変速装置７００は、ギアボックス制御器７３４に接続される。図３と同様な部品には同様な参照符号を用いている。しかしながら、第二セット（第二ステージ）の磁気歯車が、第一セットの磁気歯車とフライホイール７０４との間に組み込まれている。この第二ステージ・セットの磁気歯車は、第一ロータとしての入力シャフト７０２と、第二ロータおよび出力シャフトとしての鉄セグメント・ロータ７５０と、制御ロータとしての（つまりギアボックス制御器７３４によって制御されるロータとしての）第三ロータ７５１と、を備える。この場合、この第二ステージ・セットの磁気歯車は、フライホイールと第四ロータとしての鉄セグメント・ロータ７０４と第五ロータとしての第二セットの磁気歯車の制御ロータ７０５とを備えるエネルギー貯蔵システムと統合される。本実施形態の七つのロータはすべて、筐体７０６の内部に収容される。

本構成において、２ステージ（二段）・ギアボックスは、典型的には、風力タービンを２０ＲＰＭなど低速から約１，５００のＲＰＭまで対応させるように用いられる。このような高速化では、ギアボックスの第一ステージおよび第二ステージにおいて１：８および１：９などのギア比をそれぞれ達成可能な１：７５ギアボックス比が必要とされる。この構成において、第一ステージ・セットの磁気歯車よりはるかに速く回転しているとき、フライホイール７０４を第二ステージ・セットの磁気歯車と連結することにより、第二ステージ・セットのギアとフライホイールとの間のギア比を大幅に低減して効率を向上できる利点がある。ギアボックスを１，５００のＲＰＭなどの高速から２０ＲＰＭへと大幅に低減させることが必要とされるとき、この場合、速度を低下させてトルクを現在の入力シャフト１に供給するよう、トルクを現在の出力シャフト７５０に追加することによって、ギアボックスを逆に用いることができる。本実施形態において、ここで説明した実施形態の基本原理から逸脱することなく、非常に高いギア比、自由度および伝達トルクを達成するよう、二つ以上のステージを複数の入出力シャフトと結合した組合せを組込むよう拡張することができることは当業者には理解されよう。

第二ステージ・セットの磁気歯車および第二セットの磁気歯車の五つのロータ７０２，７５０，７５１，７０４，７０５はすべて、破線７４７で示す同じ回転軸を共有する。入力シャフト７０２は、入力シャフト７０２を回転自在とするよう適切に装着される一セットのベアリング２３によって、支持される。同様に、第二ロータおよび出力のシャフト７５０は一セットのベアリング７６０によって支持され、制御ロータ７５１は一セットのベアリング５９によって支持され、第四フライホイール・ロータ７０４は一セットのベアリング２４によって支持され、そして、制御ロータ７０５は一セットのベアリング７２５によって支持される。

第二セットの磁気歯車において、入力シャフト７０２のロータには、コイル７５２が組み込まれる。制御ロータ７５１は、同様ではあるが、ギアボックス設計に応じてシャフト７０２に組み込まれるコイルの数とは異なる数のコイル７６５を有する。ギアボックスからの出力シャフトでもある第二ロータ７５０は、矢印７５５で示すよう磁束が磁気的なトルクを最終的には機械的なトルクを磁気ギアを通じて可変ギア比で伝達できるよう、第二ロータ７５０に組み込まれた鉄セグメント７５３を有する。

第二セットの磁気歯車において、永久磁石で構成される一セットの小型コイル７５４が、第三ロータ７５１に組み込まれる。筐体７０６の内壁に組み込まれる対応するセットのステータコイル７５７は、第三ロータ７５１の回転が生じるよう制御するように磁束７５６を生成するためにギアボックス制御器（図示せず）から供給される電力を用いる。このように回転を制御することにより、第二セットの磁気歯車と第二ステージの磁気ギアボックスとの可変ギア比を設定する。

第二セットの磁気歯車において、第二セットのコイル７５８は、第二ロータに組み込まれて、第四セットのコイル７０４に入る磁束７１４を用いて第四ロータおよびフライホイール７０４と、または第五制御ロータ７０５に組み込まれた第五セットのコイル７１３に磁束およびトルクを伝達する鉄セグメント７１２と、相互作用する。機能的ギア比を、最終的にはフライホイール７０４と出力シャフト７５０との間のパワー伝達の方向および大きさを制御するよう、第五制御ロータ７０５は速度制御される（先に図１において説明した通り）。

風力発電に用いられる場合、磁気ギアボックス７００は典型的には、フライホイール７０４を、強い突風やパワー・スパイクを平滑化するとともに風が弱いかまたは全く吹いていないときにはさらなるパワーを提供することができる負荷平準化装置として利用する。風力パワー・スパイクを受けたとき、その場合、フライホイール７０４を加速させて入力シャフト７０１からエネルギーを取り出すようフライホイール・ギア比を増加する。風が弱い場合、フライホイール７０４は出力シャフト７５０にパワーを供給するよう減速する。風が長時間止まると、その場合、フライホイール７０４もまた停止することができる。風が再び吹き始めると、その場合、先ず、第一フライホイール７０４を最高速度まで加速するようチャージして、風速および電力要求に応じてエネルギーを吸収または供給可能な状態にしておくことが好ましい。

本実施形態の全体的な機能的ギア比は、第一および第二セットの磁気歯車のギア比をそれらの関連する制御ロータ７０３，７５９をそれぞれ用いて適切に設定することによって、綿密に制御される。

フライホイール７０４が使用される場合、もしもロータ速度が高すぎるときに破損させる虞があるフライホイール７０４への流体摩擦を低減するために準真空または完全真空で動作させることがより効率的である。一の方法は、筐体７０６の内部の空気に完全に抜くことである。小さい漏れが生じたり追加的な保守が必要となったりする場合もあるが、これは効果的に機能することができる。より効果的な方法では、筐体７０６と入力７０１との間と筐体６と出力シャフト７５０との間との接合部に、メカニカルシール７６１，７６２をそれぞれ組み込むことができる。これらのメカニカルシール７６１，７６２、およびシャフト１，５０の典型的な低い速度によって、筐体７０６には適切な封止が提供されることになる。シール７６１，７６２からの漏れがあると、その場合には、気圧センサ（図示せず）がこれを検出することになり、真空ポンプ７６４が動作され、吸気パイプ７６３を介して筐体７０６が準真空または完全真空に引かれる。これにより、磁気ギアボックス７００の効率が向上することになる。真空ポンプ７６４によって用いられるパワーは、準真空または完全真空で動作しない場合に通常失われるパワーより十分に低い。

電池３５，２３５，３３５，４３５，５３５，６３５，７３５に代わって、変速装置１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００は、ギアボックス制御器３４，２３４，３３４，４３４，５３４，６３４，７３４への外部電力貯蔵容量を提供する手段としてスーパーコンデンサを使用することもできる。

鉄セグメントは、積層電磁鋼（ラミネーテッド・エレクトリカル・スチール）または軟磁性磁気化合物で構成される。あるいは、鉄セグメントは、固体鉄（ソリッド・アイアン）またはフェライトのバーである。

変速装置をエンジンおよび出力シャフトから切り離すために、外部クラッチを入出力シャフトに配置できる。あるいは、入力シャフトを回転させながら出力シャフトを静止させることができるようクラッチ作用を実行するように、ロータ速度をギアボックス制御器によって制御することもできる。

所望のロータを切り離すために、例えば変速装置をフライホイールおよび／または入力シャフトから切り離すよう、磁気クラッチを変速装置の内部に装着することもできる。典型的には、磁気クラッチを、薄い鋼または金属スクリーンで構成でき、これにより、鋼スクリーンにおいてロータ間のあらゆる磁束を渦電流として散逸するとともにそのロータを鋼スクリーンの反対側のロータから切り離すことができる。あるいは、エアギャップが非常に大きくなるようにロータを離間するよう移動させる機械的作動磁気クラッチを他の態様とする。

具体例を参照しつつ本発明を説明したが、本発明を他の多くの態様で実施できることは当業者には理解されよう。

Claims (38)

1. 回転軸を有し、少なくとも一つの第一セットのコイルを有するロータと、
   回転軸を有し、少なくとも一つの第一セットの鉄セグメントを収容している第二ロータと、
   回転軸を有し、少なくとも一つの第二セットのコイルと少なくとも一つの第三セットのコイルとを収容している第三ロータと、
   回転軸を有し、少なくとも一つの第二セットの鉄セグメントを収容している第四ロータと、
   回転軸を有し、少なくとも一つの第四セットのコイルを収容している第五ロータと、
   を備える貯蔵機能内蔵可変比変速装置であって、
   前記少なくとも一つの第一セットのコイルは、前記少なくとも一つの第一セットの鉄セグメントと磁気的に接続されるよう配置され、前記少なくとも一つの第一セットの鉄セグメントは、前記少なくとも一つの第三セットのコイルと同じロータ上の前記少なくとも一つの第二セットのコイルと磁気的に接続されるよう配置され、前記第一ロータと前記第二ロータと前記第三ロータとが、第一セットの磁気歯車を形成するように構成されており、
   前記第三ロータ上の前記少なくとも一つの第三セットのコイルは、前記第四ロータ上の前記少なくとも一つの第二セットの鉄セグメントと磁気的に接続されるよう配置され、前記少なくとも一つの第二セットの鉄セグメントは、前記少なくとも一つの第四セットのコイルと磁気的に接続されるよう配置され、前記第三ロータと前記第四ロータと前記第五ロータとが、前記第一セットの磁気歯車に連結される第二セットの磁気歯車を形成するように構成されている可変比変速装置。
2. 請求項１に記載の可変比変速装置であって、
   前記第一セットの磁気歯車は、入力シャフトと出力シャフトと速度制御ロータとを備えており、
   前記出力シャフトの回転速度は、動力が可変ギア比で前記出力シャフトに伝達されるよう、前記入力シャフトの回転速度と前記速度制御ロータの回転速度とによって決定される可変比変速装置。
3. 請求項１または２に記載の可変比変速装置であって、
   前記第二セットの磁気歯車の前記第四ロータおよび前記第五ロータのうちの一方は、前記変速装置の動作の際に利用される運動エネルギーを機械的に蓄積するためのフライホイールを備え、
   前記第四ロータとおよび前記第五ロータの他方は速度制御が行われるよう構成されており、
   前記フライホイールの回転速度は、少なくとも部分的に前記速度制御ロータの回転速度に応じて制御可能である可変比変速装置。
4. 請求項２または３に記載の可変比変速装置であって、
   前記変速装置は、前記変速装置の前記入力シャフトと前記出力シャフトとの間のギア比を調整するよう前記変速装置の前記速度制御ロータの速度を制御するとともに、前記変速装置と外部パワー貯蔵装置との間のパワー伝達を制御するためのギアボックス制御器を有する可変比変速装置。
5. 請求項４に記載の可変比変速装置であって、
   前記ギアボックス制御器は、前記変速装置においてギア比を調整するよう、前記第一セットの磁気歯車の前記第二ロータおよび前記第三ロータのうちの一方と、前記第二セットの磁気歯車の前記第四ロータおよび前記第五ロータのうちの一方と、の速度を制御するように構成されている可変比変速装置。
6. 請求項４〜７のいずれか１項に記載の可変比変速装置であって、
   前記第一ロータおよび前記第二ロータのうちの一方と前記第四ロータと前記第五ロータのうちの一方とにはモータ／発電機が組み込まれており、
   前記ギアボックス制御器は、前記ロータの速度制御のために、前記モータ／発電機と電気的に接続されている可変比変速装置。
7. 請求項２に記載の可変比変速装置であって、
   前記第一ロータは前記入力シャフトとして構成され、前記第二ロータは前記出力シャフトとして構成され、そして前記第三ロータは前記速度制御ロータとして構成されている可変比変速装置。
8. 請求項２に記載の可変比変速装置であって、
   前記第一ロータは前記入力シャフトとして構成され、前記第二ロータは前記速度制御ロータとして構成され、そして前記第三ロータは前記出力シャフトとして構成されている可変比変速装置。
9. 請求項１に記載の可変比変速装置であって、
   前記第一ロータ、前記第二ロータ、前記第三ロータ、前記第四ロータおよび前記第五ロータはそれぞれ、共通の回転軸回りに同軸状に配置されている可変比変速装置。
10. 請求項９に記載の可変比変速装置であって、
    前記第一セットの磁気歯車の前記ロータは、前記第二セットの磁気歯車の前記ロータと同軸状に配置されている可変比変速装置。
11. 請求項１に記載の可変比変速装置であって、
    前記第五ロータは、それぞれがフライホイールとして構成される一ペアの第五ロータを含んでおり、それぞれが前記第一ロータ、前記第二ロータ、前記第三ロータおよび前記第四ロータの回転軸に対して直交する方向である軸回りに回転するよう配置されている可変比変速装置。
12. 請求項１に記載の可変比変速装置であって、
    前記第一セットの磁気歯車の前記第一セットのコイルおよび前記第二セットのコイルは径方向の磁束を生成するよう配置されており、
    前記第二セットの磁気歯車の前記第三セットのコイルおよび前記第四セットのコイルは軸方向に磁束が向かう位置関係の構造を形成するよう配置されている可変比変速装置。
13. 請求項１に記載の可変比変速装置であって、
    前記第一セットのコイル、前記第二セットのコイル、前記第三セットのコイルおよび前記第四セットのコイルは、径方向に磁束が向かう位置関係の構造またはハイブリッドの磁束が向かう位置関係の構造で配置されている可変比変速装置。
14. 請求項１に記載の可変比変速装置であって、
    前記第一セットのコイル、前記第二セットのコイル、前記第三セットのコイルおよび前記第四セットのコイルは、軸方向に磁束が向かう位置関係の構造、横方向に磁束が向かう位置関係の構造もしくは径方向と軸方向との両方に磁束が向かう位置関係のハイブリッド構造、またはこれらの組み合わせで配置されている可変比変速装置。
15. 請求項１に記載の可変比変速装置であって、
    前記第一セットのコイル、前記第二セットのコイル、前記第三セットのコイルおよび前記第四セットのコイルはそれぞれ、一連の永久磁石、対応するステータコイルによって励起されるよう構成される誘導コイル、スイッチトリラクタンスコイル、または磁束生成可能なコイルである可変比変速装置。
16. 請求項１５に記載の可変比変速装置であって、
    前記第一セットのコイル、前記第二セットのコイル、前記第三セットのコイルおよび前記第四セットのコイルはそれぞれ、ハルバッハ配列構造で組み込まれる永久磁石であり、前記永久磁石の磁極は、前記永久磁石の二つ、三つまたは四つ以上に跨がることができる可変比変速装置。
17. 請求項１５に記載の可変比変速装置であって、
    前記それぞれのセットのコイルは永久磁石で構成されており、前記永久磁石の磁極は、従来のＮ／Ｓ構造を用いて組み込まれている可変比変速装置。
18. 請求項１に記載の可変比変速装置であって、
    前記第一ロータ、前記第三ロータおよび前記第五ロータのコイルの極数と前記第二ロータおよび前記第四ロータの鉄セグメントの数とが、式Ｎ_３＝Ｎ_１＋Ｎ_２を用いて決定され、
    Ｎ_３は前記第二ロータまたは第四ロータの鉄セグメントの数であり、Ｎ_１は前記第一ロータまたは第三ロータのコイルの極のペアの数であり、そしてＮ_２は前記第三ロータまたは第五ロータのコイルの極のペアの数である可変比変速装置。
19. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の可変比変速装置であって、
    前記第一セットの磁気歯車の前記第二ロータは、第一ステージ・セットの磁気歯車であり、前記出力シャフトは、前記第一ステージ・セットの磁気歯車と前記第二セットの磁気歯車との間で配置される第二ステージ・セットの磁気歯車への入力シャフトを備えており、前記第一ステージ・セットの磁気歯車は第一可変ギア比で前記第二ステージ・セット磁気歯車にパワーを伝達するように構成されており、
    前記第二セットの磁気歯車は、第二ステージ出力シャフトとして構成された第六ロータと、第二可変ギア比で前記第二ステージ出力シャフトへパワーを伝達するよう速度制御されるように構成される第七ロータと、有する可変比変速装置。
20. 請求項４または１９に記載の可変比変速装置であって、
    前記入力シャフトと前記出力シャフトおよび／または第二ステージ出力シャフトとがそれぞれ、それぞれと関連する前記ギアボックス制御器と電気的に接続される回転速度センサを有する可変比変速装置。
21. 請求項２０に記載の可変比変速装置であって、
    前記入力シャフトと前記出力シャフトおよび／または第二ステージ出力シャフトとがそれぞれ、それぞれと関連する前記ギアボックス制御器と電気的に接続されるトルクセンサを有する可変比変速装置。
22. 請求項２０または２１に記載の可変比変速装置であって、
    前記ギアボックス制御器とモータ／発電機とはがそれぞれ、ロータ位置センサおよび／または速度センサを有する可変比変速装置。
23. 請求項２２に記載の可変比変速装置であって、
    前記ロータ位置センサおよび／または速度センサは、少なくとも一つのロータリエンコーダおよび／または磁気ホールセンサを有する可変比変速装置。
24. 請求項２０〜２３のいずれか１項に記載の可変比変速装置であって、
    ロータの速度を制御するために、前記ギアボックス制御器は、センサ測定値を一以上の要求入力と組み合わせて用いる可変比変速装置。
25. 請求項２４に記載の可変比変速装置であって、
    前記一以上のユーザ要求は、エンジンコントロールユニットから受信した速度要求、車両のブレーキペダルまたは加速ペダルを介して通信されたユーザ要求、または風力タービン電力負荷レベル要求のうちの一つ以上を含む可変比変速装置。
26. 請求項４に記載の可変比変速装置であって、
    前記ギアボックス制御器は、デジタル制御スイッチブラシレスモータ制御器である可変比変速装置。
27. 請求項４または２６に記載の可変比変速装置であって、
    前記ギアボックス制御器は、外部電力貯蔵装置と電気的に接続されるよう配置される可変比変速装置。
28. 請求項２７に記載の可変比変速装置であって、
    前記外部電力貯蔵装置は電池またはスーパーコンデンサである可変比変速装置。
29. 請求項１〜２８のいずれか１項に記載の可変比変速装置であって、
    さらに、前記変速装置のそれぞれのロータを封入する筐体すなわちケーシングを備える可変比変速装置。
30. 請求項２９に記載の可変比変速装置であって、
    前記筐体は、逆止弁と、前記筐体を完全真空状態または準真空状態とするよう構成される真空ポンプと、を有する可変比変速装置。
31. 請求項３０に記載の可変比変速装置であって、
    さらに、前記筐体すなわちケーシングを十分に囲繞するよう配置されるウォータ・ジャケットを備える可変比変速装置。
32. 請求項３０に記載の可変比変速装置であって、
    前記筐体は、汚染物質が前記変速装置に入るのを防止するためのシールを有する可変比変速装置。
33. 請求項２〜３２のいずれか１項に記載の可変比変速装置であって、
    前記変速装置は、複数の入力シャフトから単一の出力シャフトに、または単一の入力シャフトから複数の出力シャフトに、またはその両方の組み合わせで、パワーを伝達するよう構成されている可変比変速装置。
34. 請求項２に記載の可変比変速装置であって、
    前記出力シャフトは車両エンジンもしくはコンプレッサの駆動シャフトである、または前記出力シャフトもしくは第二ステージ出力シャフトは、風力タービンの内部における発電機を駆動するよう接続されている可変比変速装置。
35. 請求項１〜３４のいずれか１項に記載の可変比変速装置であって、
    前記鉄セグメントは、積層電磁鋼または軟磁性磁気化合物を備える可変比変速装置。
36. 請求項３４に記載の可変比変速装置であって、
    さらに、前記駆動シャフトまたは発電機から変速装置を切り離すよう、前記入出力シャフトまたは第二ステージ出力シャフトのそれぞれと機能的に接続されるように配置される外部クラッチを備える可変比変速装置。
37. 請求項３４に記載の可変比変速装置であって、
    前記ギアボックス制御器は、前記入力シャフトの回転時に前記出力シャフトまたは前記第二ステージ出力シャフトが静止状態となるようクラッチ作用を実行するために、前記第一ロータもしくは第二ロータ、および前記第四ロータもしくは第五ロータ、および／または前記第六ロータもしくは第七ロータの速度をある速度に制御するように構成される可変比変速装置。
38. 請求項３４に記載の可変比変速機であって、
    さらに前記変速装置から前記フライホイールおよび／または入力シャフトを切り離すために前記ギアボックスの内側に組み込まれる磁気クラッチを備える可変比変速機。

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