JPH11275898A - 運転効率最適化のため主動力出力能力に適合するインピ―ダンスをもつ発電機 - Google Patents
運転効率最適化のため主動力出力能力に適合するインピ―ダンスをもつ発電機Info
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- JPH11275898A JPH11275898A JP11031738A JP3173899A JPH11275898A JP H11275898 A JPH11275898 A JP H11275898A JP 11031738 A JP11031738 A JP 11031738A JP 3173899 A JP3173899 A JP 3173899A JP H11275898 A JPH11275898 A JP H11275898A
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- B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
- B60L50/10—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by engine-driven generators, e.g. generators driven by combustion engines
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Abstract
(57)【要約】
【課題】界磁コイルおよび界磁励起手段をもたず、主動
力により直接に最大効率で駆動される、永久磁石発電機
を供すること。 【解決手段】出力軸が速度ωで回転し、ωの各値につい
て出力パワー対ωの勾配Ｍd をもつ出力パワー関数が速
度ωにより決定される主動力手段と、前記軸の回転に応
じて電力を供給する発電機とをもつ電力発生装置におい
て、発電機出力電力対ωの勾配Ｍg が勾配Ｍd に近似す
るように、発電機の電気インピーダンスが選ばれ、それ
によって効率が増大するようにωを制御できる。
力により直接に最大効率で駆動される、永久磁石発電機
を供すること。 【解決手段】出力軸が速度ωで回転し、ωの各値につい
て出力パワー対ωの勾配Ｍd をもつ出力パワー関数が速
度ωにより決定される主動力手段と、前記軸の回転に応
じて電力を供給する発電機とをもつ電力発生装置におい
て、発電機出力電力対ωの勾配Ｍg が勾配Ｍd に近似す
るように、発電機の電気インピーダンスが選ばれ、それ
によって効率が増大するようにωを制御できる。
Description
【発明の属する技術分野】本発明は主動力駆動発電機に
関し、特に動力の全速度範囲にわたり最大の効率と最小
の排出をもたらすように、主動力の出力駆動能力に適合
して内部インピーダンスが選ばれた新規な発電機に関す
る。
関し、特に動力の全速度範囲にわたり最大の効率と最小
の排出をもたらすように、主動力の出力駆動能力に適合
して内部インピーダンスが選ばれた新規な発電機に関す
る。
【従来の技術】発電機をその回転子軸に取り付けた主動
力により駆動することはよく知られている。典型的に
は、発電機の界磁コイルの励起に応じて発電機の電気出
力が供されるが、界磁コイル自体およびそれと別個の界
磁励起電子回路はいずれもコスト高で望ましくない。さ
らに、励起された界磁コイルの使用はしばしば発電機が
低い効率で運転される原因になる。これは通常望ましく
ないことで、特に主動力と発電機の組合せが電動車に組
み込まれ、車輪がその発電機から直接又は間接的に供給
される電力を受けるモーターで駆動される場合、そうで
ある。効率の向上は燃料消費を改良するだけでなく、汚
染やその他の望ましくない特性の低減をもたらす。
力により駆動することはよく知られている。典型的に
は、発電機の界磁コイルの励起に応じて発電機の電気出
力が供されるが、界磁コイル自体およびそれと別個の界
磁励起電子回路はいずれもコスト高で望ましくない。さ
らに、励起された界磁コイルの使用はしばしば発電機が
低い効率で運転される原因になる。これは通常望ましく
ないことで、特に主動力と発電機の組合せが電動車に組
み込まれ、車輪がその発電機から直接又は間接的に供給
される電力を受けるモーターで駆動される場合、そうで
ある。効率の向上は燃料消費を改良するだけでなく、汚
染やその他の望ましくない特性の低減をもたらす。
【発明が解決しようとする課題】それ故、界磁コイルお
よび界磁励起手段をもたず、主動力により直接に最大効
率で駆動される、永久磁石発電機を供することが望まし
い。
よび界磁励起手段をもたず、主動力により直接に最大効
率で駆動される、永久磁石発電機を供することが望まし
い。
【課題を解決するための手段】本発明によると、主動力
が出力軸をもち、その速度ωにおける回転が、ωの各値
について出力パワー対ωの勾配Ｍd をもつ出力パワー関
数を決定し、出力軸はその軸の回転に応じて電力を発現
するよう発電機と結合され、そして発電機の電気インピ
ーダンスは発電機出力電力対ωの勾配Ｍg が勾配Ｍd に
近似するように選ばれ、それにより効率の向上を可能に
する。現在の好ましい実施態様では、発電機勾配は主動
力勾配との比が２の範囲内にある。作動曲線勾配Ｍg が
0.15 hp/rev 程度である主動力ディーゼルエンジンを有
するハイブリッド電動車に用いる場合、発電機電気イン
ピーダンスＺは作動曲線勾配Ｍg が約0.075 hp/revと約
0.3 hp/rev の間になるように選ばれる。それ故、本発
明の一つの目的は、発電機の作動特性が駆動エンジンの
それに合うように選ばれたインピーダンスを有する、エ
ンジン駆動発電機を提供し、それにより効率を向上する
ことにある。 本発明のこれらの目的は、以下の詳細な
説明を考慮すれば、それを添付の図面と関連して読むと
き当業者にとって明白であろう。添付の図面で同様の要
素は、同様の照合符号で示される。
が出力軸をもち、その速度ωにおける回転が、ωの各値
について出力パワー対ωの勾配Ｍd をもつ出力パワー関
数を決定し、出力軸はその軸の回転に応じて電力を発現
するよう発電機と結合され、そして発電機の電気インピ
ーダンスは発電機出力電力対ωの勾配Ｍg が勾配Ｍd に
近似するように選ばれ、それにより効率の向上を可能に
する。現在の好ましい実施態様では、発電機勾配は主動
力勾配との比が２の範囲内にある。作動曲線勾配Ｍg が
0.15 hp/rev 程度である主動力ディーゼルエンジンを有
するハイブリッド電動車に用いる場合、発電機電気イン
ピーダンスＺは作動曲線勾配Ｍg が約0.075 hp/revと約
0.3 hp/rev の間になるように選ばれる。それ故、本発
明の一つの目的は、発電機の作動特性が駆動エンジンの
それに合うように選ばれたインピーダンスを有する、エ
ンジン駆動発電機を提供し、それにより効率を向上する
ことにある。 本発明のこれらの目的は、以下の詳細な
説明を考慮すれば、それを添付の図面と関連して読むと
き当業者にとって明白であろう。添付の図面で同様の要
素は、同様の照合符号で示される。
【発明の実施の形態】まず図１を参照すると、システム
１０は、例えばハイブリッド電動車などのための動力シ
ステムで、主動力としてエンジン１１を用いている。燃
料源１２はエンジンの燃料入力１１ａに連結され、燃料
はエンジン内で燃焼され、出力軸１１ｓを回転速度、す
なわち周期ωで回転させる。エンジン軸１１ｓの回転速
度ωは、エンジン／負荷制御手段１４の出力１４ｂから
エンジン制御入力１１ｂに与えられる信号に応じて設定
される。手段１４には、発電機負荷１８へ又はそれか
ら、電気配線バス１６を経て信号を受信又は送信するよ
うに少なくとも一つの入力／出力ポート１４ａが接続さ
れており、センサー、スイッチ及び、ハイブリッド電動
車などの中の車輪駆動モーターのような、一つ以上の最
終作用体に結合されたトランスジューサ及び／または作
用体を、有してもよい。 エンジン軸１１ｓは、負荷１
８との接続のため、発電機出力端子２０ａと２０ｂの間
に交流出力電圧Ｖg を生成するように発電機手段２０の
回転子軸２０ｓに直接に連結されている。一般に、発電
機２０はこれまで励起界磁形式のもので、内部に界磁コ
イル２０ｆ（模擬線で表示）を有し、界磁励起手段２２
の界磁励起出力２２ｆに接続されている。手段２２の典
型的なものは、発電機電気出力に接続された入力２２
ａ，２２ｂを、交流電圧の監視のために有する。また指
令や、他の検出されたパラメータやその他の信号を受信
するための制御入力ポート２２ｃを有する。それにより
入力信号の全てが、発電技術でよく知られた方法で、界
磁コイル（２０ｆ）励起信号特性を制御することにより
発電機電圧Ｖg を設定するために利用可能になる。本発
明の一観点によると、発電機２０は永久磁石型であり、
励起コイル２０ｆを全くもたず、システム１０は同様に
いかなる形の界磁励起手段２２ももたず、またそのよう
な界磁励起手段に伴う特別のセンサや、駆動体や、電気
接続を何ももたない。ハイブリッド電動車などに見られ
るような例示的発電機負荷１８は、整流により蓄電池２
６上に現れるパルス状直流電圧Ｖ’とするため、発電機
端子２０ａと２０ｂからの交流電圧Ｖg を受け入れるた
めの全波整流（ＦＷＲ）手段２０を含んでもよい。被制
御スイッチ手段２８は、蓄電池２６に対し直流電動機の
ような可変負荷３０と直列に接続されている。手段２８
と手段３０の直列結合は、従って電池手段２６と並列
に、そしてＦＷＲ手段２４の出力にわたり接続されてい
る。被制御スイッチ手段入力２８ａにおける電位（電気
ポテンシャル）は、入力２８ｃにおける制御信号の状態
に応じてその出力２８ｂに（かつ従って負荷３０に）選
択的に結合される。この信号は例えばバス１６等を経て
与えられる。次に図２も参照すると、発電機電圧Ｖg は
常にあるピーク値のバイポーラＡＣ電圧２０ｗである
（それは極大値Ｖcc、すなわち発電機開回路電圧を有す
るであろう、そして発電機直列負荷Ｚを通ずる発電機電
流に起因する電圧降下により典型的には幾分低い大きさ
であろう）。手段２４の出力電圧Ｖ’の中で、負極性半
周期２０ｎ（破線で示す）は全波整流過程により反転さ
れる。等極性電圧Ｖ’は正極性突出２０ｐのみから成
る。手段２４の整流ダイオードが逆バイアスされたとき
には、電流Ｉ’は流れない。それは、ＦＷＲ手段出力に
わたり接続されている電池手段２６の電圧Ｖb より電圧
Ｖ’の瞬間的値が小さければ、いつでも起きる。しかし
電圧Ｖ’が瞬間的に電池電圧Ｖb より大になるやいな
や、ＦＷＲ手段２４のダイオードが順バイアスされ、電
流Ｉ’のパルス３２が、図２の下側の波形に示すよう
に、いくつかのピーク値Ｉp まで流れる。スイッチ２８
が非導通であれば、電流Ｉ’の全てが電池２６を充電お
よび再充電する。スイッチ２８が導通であれば、手段２
４又は電池２６の一方又は両方から電流が手段２８を経
てさらに電気負荷３０へ流れる。 永久磁石発電機（Ｐ
ＭＧ）手段２０は図３に示されるようなThevenin等価回
路をもつ、すなわち発電機端子２０ａと２０ｂとの間
に、値Ｖcc（発電機入力軸２０ｓの回転速度ωの関数で
ある）の正弦波電源２０ｙを、直列抵抗２０ｒ及び直列
リアクタンス２０ｘから成る発電機インピーダンス２０
ｚと直列に有する。本発明の一観点によると、発電機イ
ンピーダンス２０ｚの値Ｚは、ある特定の作動勾配Ｍg
を設定するべく選ばれ、このＭg は軸速度Ｓ（１分当た
り回転数）に対する力量Ｐ（馬力）の変化として定義さ
れるが、以下に詳細に討議されるごとく、エンジンＰ／
Ｓ曲線の勾配Ｍd に適合することが望ましい。勾配Ｍg
は、抵抗成分大きさＲおよび／またはリアクタンス成分
大きさＸの操作により設定しうる。次いで図４を参照す
ると、グラフ４０にはエンジン１１の回転速度Ｓ（毎分
回転数（ｒｐｍ））が横軸４１に、エンジン出力Ｐ（単
位馬力）が縦軸４２に沿って、打点されている。特定の
ディーゼルエンジン１１について、極大パワーＰmax 曲
線４４とともに、エンジン・軸負荷間の公知の結合によ
って、正味パワーＰnet 曲線４４’が得られる。曲線４
４’は曲線４４の近くをたどり、この特定のエンジンに
ついては、パワー対速度曲線４４は約(240−60) ｈｐ／
（2000−800)rpm ＝0.15hp／rev の勾配Ｍd をもつ。発
電機２０は、その出力電圧Ｖg により定まる作動曲線４
６をもつ。Ｖg 自体は、整流後には電池電圧Ｖb に等し
い。従って、同発電機は電池電圧の最低限度（ここでは
約４５０Ｖdc）に対し，出力電力対軸２０ｓの速度Ｓの
第一の作動曲線４６ａと、より大きいＶb 値（ここでは
約５００，５４０，５８０，６２０Ｖdc）に対してそれ
ぞれ、別の作動曲線４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ，４６ｅを
有する。 本発明によると、発電機インピーダンスＺは
発電機作動曲線４６が、エンジン作動勾配Ｍd に近似の
勾配Ｍg をもつように選ばれる。典型的には、どんな速
度Ｓに対する発電機曲線４６の勾配Ｍg も、同じ速度で
のエンジン曲線４４の勾配Ｍd との関係が２以下の比に
収まる。例えば、最小の発電機作動曲線勾配Ｍg,min が
約Ｍd ／２、最大の発電機作動曲線勾配Ｍg,max が約２
Ｍd である。例を示すと、Ｍd が0.15であるエンジンに
ついて発電機曲線４６の最小の勾配は約0.075 （曲線４
５ａの上端でのように）、最大の発電機曲線勾配Ｍg は
約0.３（曲線４６ｅの下端でのように）。従来公知のエ
ンジンー発電機結合において、伝統的発電機作動曲線４
８は約0.４馬力／回転の勾配Ｍold を典型として有して
いた。本発明による整合エンジンー発電機対は従来の発
電機の作動勾配より小さい作動曲線勾配を有し、典型的
には従来の発電機勾配より２または３分の一小さい。２
４０ピーク馬力のディーゼルエンジンと、約４５０ボル
トと約６２０ボルトの間のピーク交流電圧の電力を出力
する永久磁石発電機２０という、特定の組合せについ
て、発電機２０は主動力とのインピーダンス整合のため
だけでなく、発電機が約１０００rpm 未満の回転速度に
おいて出力電力を生じなくなるように選ばれることが、
わかるであろう。それ故、ピーク電力の約５％より大き
いことで定義される有意な電力は、用いた特定エンジン
に排出の増大その他の望ましくない特性をもたらす低速
領域より上に選ばれた速度に限り供給される。本発明の
他の観点によると、有意の発電機出力電力が１０００ r
pmと１２００rpmの間の軸速度で始まるようにすると、
エンジン放熱を減少させ、しかもディーゼルターボが全
ディーゼル運転速度を落とさないだけの充分な速度を得
る迄、ディーゼルエンジン１１には負荷を与えない。し
かも、燃料消費が増える前に約１２００ rpmまでエンジ
ンを徐々に加速するように、ディーゼルエンジンの燃料
噴射システムを調節し、低い末端トルク要求に対応し、
従ってエンジン１１からのガスおよび粒子の排出を減ら
すようにすることができる。最後に図５を参照すると、
グラフ５０で横軸５１には負荷電流Ｉl 、縦軸５２には
負荷電圧Ｖl が打点されている。負荷（モーター３０）
は、破線で示したＶ−Ｉ曲線５３をもつ一定の電力負荷
である。この曲線は負荷モーターに与えられた電力であ
り、曲線５３上のどの点でも、発電機電圧Ｖg にほぼ等
しい作動電圧と作動電流との積である。設定速度におい
て発電機２０は、電池システム電圧点Ｖb により定まる
電力を生ずる発電機電力曲線に従って作動するであろ
う。例示のために、実線曲線５５により与えられる第一
の作動速度発電機動力曲線を想定する。この曲線は第二
の曲線５６の中間速度（例えば１８００ rpm）より高い
速度（例えば２０００ rpm）のものであるとし、それは
第三の作動曲線５７の低めの速度（例えば１８００ rp
m）よりはまだ高いとする。もし発電機の電力要求があ
る速度での発電機能力より著しく低いと、例えば曲線５
５上で２０００ rpmだとすると、電流Ｉは当然低下し
て、システムがもっと効率の低い点で作動するようにな
る。曲線５５上で最大の効率は点５５ａにおいて得ら
れ、回転子損失の増加が矢印Ａの方向に、Ｉ2 Ｒ損失の
増加が矢印Ｂの方向に起きる。唯一可能な作動点は曲線
５３と５５とが交わるところ、すなわち点５５ｐと５５
ｐ’である。比較的高い発電機電圧は通常、点５５ｐで
の運転を要求する。このとき効率はその発電機曲線５５
に対する最大効率よりずっと低い。点５５ａからかなり
離れた電圧Ｖo,1 と電流Ｉl,1 での運転をコントローラ
１４が認識し、発電機の効率を増大させるように、ディ
ーゼルエンジン１１の速度を調節、例えば減速する。若
干おくれて発電機速度は低下し、発電機２０は発電機曲
線５６に沿って作動するに至る。正確な作動点は、曲線
５３と５６とが交わる点５６ｐとなる。作動点５６ｐは
この新たな速度での発電機の最大効率作動点５６ａか
ら、なおかなり遠く離れている。それ故、コントローラ
１４はエンジン速度を、曲線５７を作る速度に達するま
で引き続き減少させる。そのとき発電機は、最大作動効
率点５６ａに極めて近い点５７ｐで運転される。発電機
軸を回転させるエンジンに発電機のインピーダンスＺを
整合することにより、最低約９４％の効率が得られるこ
とが見出された。曲線４８のような作動曲線をもつ発電
機の典型的な効率８５％と対比される。本発明をその一
つの好ましい実施態様に関して記述したが、多くの変更
と変形が当業者には今や明白であろう。それ故、添付の
請求の範囲によってのみ制限されることが私の意図する
ところであり、記述によりここに呈示された詳細および
方法によって制限されることを意図してはいない。
１０は、例えばハイブリッド電動車などのための動力シ
ステムで、主動力としてエンジン１１を用いている。燃
料源１２はエンジンの燃料入力１１ａに連結され、燃料
はエンジン内で燃焼され、出力軸１１ｓを回転速度、す
なわち周期ωで回転させる。エンジン軸１１ｓの回転速
度ωは、エンジン／負荷制御手段１４の出力１４ｂから
エンジン制御入力１１ｂに与えられる信号に応じて設定
される。手段１４には、発電機負荷１８へ又はそれか
ら、電気配線バス１６を経て信号を受信又は送信するよ
うに少なくとも一つの入力／出力ポート１４ａが接続さ
れており、センサー、スイッチ及び、ハイブリッド電動
車などの中の車輪駆動モーターのような、一つ以上の最
終作用体に結合されたトランスジューサ及び／または作
用体を、有してもよい。 エンジン軸１１ｓは、負荷１
８との接続のため、発電機出力端子２０ａと２０ｂの間
に交流出力電圧Ｖg を生成するように発電機手段２０の
回転子軸２０ｓに直接に連結されている。一般に、発電
機２０はこれまで励起界磁形式のもので、内部に界磁コ
イル２０ｆ（模擬線で表示）を有し、界磁励起手段２２
の界磁励起出力２２ｆに接続されている。手段２２の典
型的なものは、発電機電気出力に接続された入力２２
ａ，２２ｂを、交流電圧の監視のために有する。また指
令や、他の検出されたパラメータやその他の信号を受信
するための制御入力ポート２２ｃを有する。それにより
入力信号の全てが、発電技術でよく知られた方法で、界
磁コイル（２０ｆ）励起信号特性を制御することにより
発電機電圧Ｖg を設定するために利用可能になる。本発
明の一観点によると、発電機２０は永久磁石型であり、
励起コイル２０ｆを全くもたず、システム１０は同様に
いかなる形の界磁励起手段２２ももたず、またそのよう
な界磁励起手段に伴う特別のセンサや、駆動体や、電気
接続を何ももたない。ハイブリッド電動車などに見られ
るような例示的発電機負荷１８は、整流により蓄電池２
６上に現れるパルス状直流電圧Ｖ’とするため、発電機
端子２０ａと２０ｂからの交流電圧Ｖg を受け入れるた
めの全波整流（ＦＷＲ）手段２０を含んでもよい。被制
御スイッチ手段２８は、蓄電池２６に対し直流電動機の
ような可変負荷３０と直列に接続されている。手段２８
と手段３０の直列結合は、従って電池手段２６と並列
に、そしてＦＷＲ手段２４の出力にわたり接続されてい
る。被制御スイッチ手段入力２８ａにおける電位（電気
ポテンシャル）は、入力２８ｃにおける制御信号の状態
に応じてその出力２８ｂに（かつ従って負荷３０に）選
択的に結合される。この信号は例えばバス１６等を経て
与えられる。次に図２も参照すると、発電機電圧Ｖg は
常にあるピーク値のバイポーラＡＣ電圧２０ｗである
（それは極大値Ｖcc、すなわち発電機開回路電圧を有す
るであろう、そして発電機直列負荷Ｚを通ずる発電機電
流に起因する電圧降下により典型的には幾分低い大きさ
であろう）。手段２４の出力電圧Ｖ’の中で、負極性半
周期２０ｎ（破線で示す）は全波整流過程により反転さ
れる。等極性電圧Ｖ’は正極性突出２０ｐのみから成
る。手段２４の整流ダイオードが逆バイアスされたとき
には、電流Ｉ’は流れない。それは、ＦＷＲ手段出力に
わたり接続されている電池手段２６の電圧Ｖb より電圧
Ｖ’の瞬間的値が小さければ、いつでも起きる。しかし
電圧Ｖ’が瞬間的に電池電圧Ｖb より大になるやいな
や、ＦＷＲ手段２４のダイオードが順バイアスされ、電
流Ｉ’のパルス３２が、図２の下側の波形に示すよう
に、いくつかのピーク値Ｉp まで流れる。スイッチ２８
が非導通であれば、電流Ｉ’の全てが電池２６を充電お
よび再充電する。スイッチ２８が導通であれば、手段２
４又は電池２６の一方又は両方から電流が手段２８を経
てさらに電気負荷３０へ流れる。 永久磁石発電機（Ｐ
ＭＧ）手段２０は図３に示されるようなThevenin等価回
路をもつ、すなわち発電機端子２０ａと２０ｂとの間
に、値Ｖcc（発電機入力軸２０ｓの回転速度ωの関数で
ある）の正弦波電源２０ｙを、直列抵抗２０ｒ及び直列
リアクタンス２０ｘから成る発電機インピーダンス２０
ｚと直列に有する。本発明の一観点によると、発電機イ
ンピーダンス２０ｚの値Ｚは、ある特定の作動勾配Ｍg
を設定するべく選ばれ、このＭg は軸速度Ｓ（１分当た
り回転数）に対する力量Ｐ（馬力）の変化として定義さ
れるが、以下に詳細に討議されるごとく、エンジンＰ／
Ｓ曲線の勾配Ｍd に適合することが望ましい。勾配Ｍg
は、抵抗成分大きさＲおよび／またはリアクタンス成分
大きさＸの操作により設定しうる。次いで図４を参照す
ると、グラフ４０にはエンジン１１の回転速度Ｓ（毎分
回転数（ｒｐｍ））が横軸４１に、エンジン出力Ｐ（単
位馬力）が縦軸４２に沿って、打点されている。特定の
ディーゼルエンジン１１について、極大パワーＰmax 曲
線４４とともに、エンジン・軸負荷間の公知の結合によ
って、正味パワーＰnet 曲線４４’が得られる。曲線４
４’は曲線４４の近くをたどり、この特定のエンジンに
ついては、パワー対速度曲線４４は約(240−60) ｈｐ／
（2000−800)rpm ＝0.15hp／rev の勾配Ｍd をもつ。発
電機２０は、その出力電圧Ｖg により定まる作動曲線４
６をもつ。Ｖg 自体は、整流後には電池電圧Ｖb に等し
い。従って、同発電機は電池電圧の最低限度（ここでは
約４５０Ｖdc）に対し，出力電力対軸２０ｓの速度Ｓの
第一の作動曲線４６ａと、より大きいＶb 値（ここでは
約５００，５４０，５８０，６２０Ｖdc）に対してそれ
ぞれ、別の作動曲線４６ｂ，４６ｃ，４６ｄ，４６ｅを
有する。 本発明によると、発電機インピーダンスＺは
発電機作動曲線４６が、エンジン作動勾配Ｍd に近似の
勾配Ｍg をもつように選ばれる。典型的には、どんな速
度Ｓに対する発電機曲線４６の勾配Ｍg も、同じ速度で
のエンジン曲線４４の勾配Ｍd との関係が２以下の比に
収まる。例えば、最小の発電機作動曲線勾配Ｍg,min が
約Ｍd ／２、最大の発電機作動曲線勾配Ｍg,max が約２
Ｍd である。例を示すと、Ｍd が0.15であるエンジンに
ついて発電機曲線４６の最小の勾配は約0.075 （曲線４
５ａの上端でのように）、最大の発電機曲線勾配Ｍg は
約0.３（曲線４６ｅの下端でのように）。従来公知のエ
ンジンー発電機結合において、伝統的発電機作動曲線４
８は約0.４馬力／回転の勾配Ｍold を典型として有して
いた。本発明による整合エンジンー発電機対は従来の発
電機の作動勾配より小さい作動曲線勾配を有し、典型的
には従来の発電機勾配より２または３分の一小さい。２
４０ピーク馬力のディーゼルエンジンと、約４５０ボル
トと約６２０ボルトの間のピーク交流電圧の電力を出力
する永久磁石発電機２０という、特定の組合せについ
て、発電機２０は主動力とのインピーダンス整合のため
だけでなく、発電機が約１０００rpm 未満の回転速度に
おいて出力電力を生じなくなるように選ばれることが、
わかるであろう。それ故、ピーク電力の約５％より大き
いことで定義される有意な電力は、用いた特定エンジン
に排出の増大その他の望ましくない特性をもたらす低速
領域より上に選ばれた速度に限り供給される。本発明の
他の観点によると、有意の発電機出力電力が１０００ r
pmと１２００rpmの間の軸速度で始まるようにすると、
エンジン放熱を減少させ、しかもディーゼルターボが全
ディーゼル運転速度を落とさないだけの充分な速度を得
る迄、ディーゼルエンジン１１には負荷を与えない。し
かも、燃料消費が増える前に約１２００ rpmまでエンジ
ンを徐々に加速するように、ディーゼルエンジンの燃料
噴射システムを調節し、低い末端トルク要求に対応し、
従ってエンジン１１からのガスおよび粒子の排出を減ら
すようにすることができる。最後に図５を参照すると、
グラフ５０で横軸５１には負荷電流Ｉl 、縦軸５２には
負荷電圧Ｖl が打点されている。負荷（モーター３０）
は、破線で示したＶ−Ｉ曲線５３をもつ一定の電力負荷
である。この曲線は負荷モーターに与えられた電力であ
り、曲線５３上のどの点でも、発電機電圧Ｖg にほぼ等
しい作動電圧と作動電流との積である。設定速度におい
て発電機２０は、電池システム電圧点Ｖb により定まる
電力を生ずる発電機電力曲線に従って作動するであろ
う。例示のために、実線曲線５５により与えられる第一
の作動速度発電機動力曲線を想定する。この曲線は第二
の曲線５６の中間速度（例えば１８００ rpm）より高い
速度（例えば２０００ rpm）のものであるとし、それは
第三の作動曲線５７の低めの速度（例えば１８００ rp
m）よりはまだ高いとする。もし発電機の電力要求があ
る速度での発電機能力より著しく低いと、例えば曲線５
５上で２０００ rpmだとすると、電流Ｉは当然低下し
て、システムがもっと効率の低い点で作動するようにな
る。曲線５５上で最大の効率は点５５ａにおいて得ら
れ、回転子損失の増加が矢印Ａの方向に、Ｉ2 Ｒ損失の
増加が矢印Ｂの方向に起きる。唯一可能な作動点は曲線
５３と５５とが交わるところ、すなわち点５５ｐと５５
ｐ’である。比較的高い発電機電圧は通常、点５５ｐで
の運転を要求する。このとき効率はその発電機曲線５５
に対する最大効率よりずっと低い。点５５ａからかなり
離れた電圧Ｖo,1 と電流Ｉl,1 での運転をコントローラ
１４が認識し、発電機の効率を増大させるように、ディ
ーゼルエンジン１１の速度を調節、例えば減速する。若
干おくれて発電機速度は低下し、発電機２０は発電機曲
線５６に沿って作動するに至る。正確な作動点は、曲線
５３と５６とが交わる点５６ｐとなる。作動点５６ｐは
この新たな速度での発電機の最大効率作動点５６ａか
ら、なおかなり遠く離れている。それ故、コントローラ
１４はエンジン速度を、曲線５７を作る速度に達するま
で引き続き減少させる。そのとき発電機は、最大作動効
率点５６ａに極めて近い点５７ｐで運転される。発電機
軸を回転させるエンジンに発電機のインピーダンスＺを
整合することにより、最低約９４％の効率が得られるこ
とが見出された。曲線４８のような作動曲線をもつ発電
機の典型的な効率８５％と対比される。本発明をその一
つの好ましい実施態様に関して記述したが、多くの変更
と変形が当業者には今や明白であろう。それ故、添付の
請求の範囲によってのみ制限されることが私の意図する
ところであり、記述によりここに呈示された詳細および
方法によって制限されることを意図してはいない。
【図１】ハイブリッド電動車等でよく見られるようなエ
ンジン駆動発電機およびその負荷の、模式ブロック図で
ある。
ンジン駆動発電機およびその負荷の、模式ブロック図で
ある。
【図２】本発明のエンジン駆動インピーダンス整合発電
機により与えられる電圧と電流を示す関連グラフの組で
ある。
機により与えられる電圧と電流を示す関連グラフの組で
ある。
【図３】本発明の新規な整合発電機のテベニン(Theveni
n)等価回路である。
n)等価回路である。
【図４】特定のディーゼルエンジンの最大および正味動
力曲線、従来の非整合発電機の作動曲線、および本発明
の新規な整合発電機についての作動曲線の組を示すグラ
フである。
力曲線、従来の非整合発電機の作動曲線、および本発明
の新規な整合発電機についての作動曲線の組を示すグラ
フである。
【図５】電圧電流作動曲線および一つの特定作動シナリ
オに対する定負荷対電力曲線を示すグラフで、主動力対
発電機効率が本発明の原理により向上される様子を示し
ている。
オに対する定負荷対電力曲線を示すグラフで、主動力対
発電機効率が本発明の原理により向上される様子を示し
ている。
１０ システム １１ エンジン、ディーゼルエンジン １１ａ 燃料入力 １１ｂ エンジン制御入力 １１ｓ エンジン軸、出力軸 １４ エンジン／負荷制御手段、コントローラ、制
御手段 １４ａ 入力／出力ポート １４ｂ 出力 １６ 電気配線バス １８ 発電機負荷（手段）、負荷 ２０ 発電機（手段）、永久磁石発電機（ＰＭＧ）
手段 ２０ｓ 回転子軸、発電機入力軸 ２０ａ，２０ｂ 発電機出力端子 ２０ｆ 界磁コイル ２０ｎ 負極性半周期 ２０ｐ 正極性突出 ２０ｗ バイポーラＡＣ電圧 ２０ｒ 直列抵抗 ２０ｘ 直列リアクタンス ２０ｙ 正弦波電源 ２０ｚ 発電機インピーダンス ２２ 界磁励起手段 ２２ａ, ２２ｂ 界磁励起入力 ２２ｃ 制御入力ポート ２２ｆ 界磁励起出力 ２４ 全波整流（ＦＷＲ）手段 ２６ 蓄電池、電池（手段） ２８ 被制御スイッチ手段、スイッチ手段 ２８ａ 被制御スイッチ手段入力 ２８ｂ 出力 ２８ｃ 入力 ３０ 可変負荷、電気負荷 ３２ パルス ４０ グラフ ４１ 横軸 ４２ 縦軸 ４４ 極大パワーＰmax 曲線 ４４’ 正味パワーＰnet 曲線 ４６ 作動曲線、発電機（作動）曲線 ４６ａ 作動曲線 ４６ｂ, ４６ｃ, ４６ｄ, ４６ｅ 作動曲線 ４８ 伝統的発電機作動曲線 ５０ グラフ ５１ 横軸 ５２ 縦軸 ５３ Ｖ−Ｉ曲線 ５５ （発電機）曲線 ５５ａ 点 ５５ｐ，５５ｐ’ 点 ５６ （発電機）曲線 ５６ａ 最大効率作動点 ５６ｐ 作動点 ５７ 作動曲線 ５７ａ 最大作動効率点 ５７ｐ 点
御手段 １４ａ 入力／出力ポート １４ｂ 出力 １６ 電気配線バス １８ 発電機負荷（手段）、負荷 ２０ 発電機（手段）、永久磁石発電機（ＰＭＧ）
手段 ２０ｓ 回転子軸、発電機入力軸 ２０ａ，２０ｂ 発電機出力端子 ２０ｆ 界磁コイル ２０ｎ 負極性半周期 ２０ｐ 正極性突出 ２０ｗ バイポーラＡＣ電圧 ２０ｒ 直列抵抗 ２０ｘ 直列リアクタンス ２０ｙ 正弦波電源 ２０ｚ 発電機インピーダンス ２２ 界磁励起手段 ２２ａ, ２２ｂ 界磁励起入力 ２２ｃ 制御入力ポート ２２ｆ 界磁励起出力 ２４ 全波整流（ＦＷＲ）手段 ２６ 蓄電池、電池（手段） ２８ 被制御スイッチ手段、スイッチ手段 ２８ａ 被制御スイッチ手段入力 ２８ｂ 出力 ２８ｃ 入力 ３０ 可変負荷、電気負荷 ３２ パルス ４０ グラフ ４１ 横軸 ４２ 縦軸 ４４ 極大パワーＰmax 曲線 ４４’ 正味パワーＰnet 曲線 ４６ 作動曲線、発電機（作動）曲線 ４６ａ 作動曲線 ４６ｂ, ４６ｃ, ４６ｄ, ４６ｅ 作動曲線 ４８ 伝統的発電機作動曲線 ５０ グラフ ５１ 横軸 ５２ 縦軸 ５３ Ｖ−Ｉ曲線 ５５ （発電機）曲線 ５５ａ 点 ５５ｐ，５５ｐ’ 点 ５６ （発電機）曲線 ５６ａ 最大効率作動点 ５６ｐ 作動点 ５７ 作動曲線 ５７ａ 最大作動効率点 ５７ｐ 点
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年３月１８日
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正内容】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図４】
Claims (20)
- 【請求項１】出力軸が速度ωで回転し、速度ωによりω
の各値において出力パワー対ωの勾配Ｍd をもつ出力パ
ワー関数が決定される主動力手段と、前記軸の回転に応
じて電力を供給し、発電機出力電力対ωの勾配Ｍg が前
記勾配Ｍd に近似するようにインピーダンスが選ばれる
発電機手段とを有する、電力発生装置。 - 【請求項２】前記装置の効率を増大するように軸回転の
速度を制御する手段をさらに有する請求項１の装置。 - 【請求項３】発電機インピーダンスが勾配Ｍd の約２倍
より大でない作動曲線勾配Ｍg を与える請求項１の装
置。 - 【請求項４】発電機インピーダンスが勾配Ｍd の約半分
より小でない作動曲線勾配Ｍg を与える請求項１の装
置。 - 【請求項５】約１５００ rpmより小さい回転速度ωにつ
いて発電機の最大電力出力の約１０％より小さい、低電
力出力を前記発電機手段が供給する請求項１の装置。 - 【請求項６】約１０００ rpmより小さい回転速度ωにつ
いて発電機電力出力が供給されない、請求項５の装置。 - 【請求項７】主動力手段が炭化水素燃料燃焼エンジンで
ある請求項１の装置。 - 【請求項８】前記エンジンがハイブリッド電気車のター
ボディーゼルエンジンである請求項７の装置。 - 【請求項９】下記段階から成る電力発生方法： （ａ）出力軸が速度ωで回転し、速度ωにより、ωの各
値において出力パワー対ωの勾配Ｍd をもつ出力パワー
関数が決定される主動力手段を設けること、（ｂ）前記
出力軸の回転に応じて電力を発現する発電機を設けるこ
と、（ｃ）発電機出力電力対ωの勾配Ｍg が勾配Ｍd に
近似するように、発電機インピーダンスを選ぶこと。 - 【請求項１０】勾配Ｍg が勾配Ｍd に対し比率２の範囲
内にある請求項９の方法。 - 【請求項１１】発電機の効率を最大にするように主動力
速度ωを変化させる段階をさらに含む、請求項９の方
法。 - 【請求項１２】界磁励起を有しない発電機を運転する段
階をさらに含む請求項９の方法。 - 【請求項１３】予め選ばれた最小のω値より上でのみ有
意の電力出力を供給するように発電機を選ぶ段階をもさ
らに含む、請求項９の方法。 - 【請求項１４】下記段階から成る、ハイブリッド電気車
の電力を発生する方法： （ａ）出力軸が速度ωで回転し、速度ωにより、ωの各
値において出力パワー対ωの勾配Ｍd をもつ出力パワー
関数が決定される主動力を設けること、（ｂ）前記出力
軸の回転に応じて電力を発現する発電機を設けること、
（ｃ）発電機出力電力対ωの関数が勾配Ｍd に近似する
勾配Ｍg をもつように、発電機インピーダンスを選ぶこ
と。 - 【請求項１５】勾配Ｍg が勾配Ｍd に対し比率約２の範
囲内にある請求項１４の方法。 - 【請求項１６】発電機の効率を最大にするように主動力
速度ωを変化させる段階をさらに含む、請求項１４の方
法。 - 【請求項１７】界磁励起を有しない発電機を運転する段
階をさらに含む、請求項１４の方法。 - 【請求項１８】予め選ばれた最小のω値より上でのみ有
意の電力出力を供給するように発電機を選ぶ段階をもさ
らに含む、請求項１４の方法。 - 【請求項１９】ディーゼルエンジンである主動力を選ぶ
段階と、入力軸を有する交流発電機である発電機を選ぶ
段階と、エンジン出力軸を発電機入力軸に直接連結する
段階をさらに含む、請求項１４の方法。 - 【請求項２０】界磁励起を有しない発電機を運転する段
階と、発電機の効率を最大にするように主動力速度ωを
変化させる段階と、予め選ばれた最小のω値より上での
み有意の電力出力を供給するように発電機を選ぶ段階を
さらに含む、請求項１９の方法。
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