JP5006967B2 - 交流発電システム - Google Patents

Description

本願は、２００７年７月１０日出願の米国仮特許出願第６０／９４８，８０３号に基づき、本願において、第６０／９４８，８０３号の優先権および利益を、本願の主題が、この仮出願内の範囲にまで主張する。

本開示は発電機に関し、より詳細には、可変速度動力源と共に使用する交流（ＡＣ）発電機に関する。

可変速度を有するエネルギー源から持続可能で安定した交流電力を発電する必要性がある。一般的に、可変出力速度を有するエネルギー源を扱う場合、直流は、当業者に既知の技術を使用して、より容易に定電圧に標準化されるので、従来の解決法は、直流発電機にエネルギー源を結合させてきた。

しかし、直流電源方式はいくつかの欠点を有し、直流電源方式は、通常、相当する交流電源方式より比較的低い電圧で動作する。その結果、直流システムは、より太い配線を必要とし、構成要素は、平均して等価な交流構成要素より大型で費用がかかる。電子的に直流電圧を上昇させ、次いで人工的に電圧を裁断して、疑似交流正弦波を発生させることにより直流電流を交流電流に変換することは可能であるが、疑似交流正弦波出力を発生させるのに必要な電気的制御システムの複雑さ、ならびに必要とされる電圧変換および電圧裁断中に生じる効率損失のために、この解決法は問題を含む。

したがって、可変速度動力源を信頼できる交流電流に変換することを可能にする必要性がある。

本開示は、適切な制御装置を備えた可変速度トランスミッションを利用して、可変速度の動力源を、実質的に一定周波数の交流電流を発生させるために標準交流発電機に入力できる実質的に一定速度の動力源に変換する、可変速度動力源に結合された交流発電機システムに関する。

別の形態において、本開示は、本質的に有限範囲内で利用可能な無数のトランスミッション比を有する連続可変トランスミッションに結合された可変速度の原動機の動力源を備えた車両に取り付けられた交流発電機システムに関する。連続可変トランスミッションが、交流発電機に結合され、連続可変トランスミッションは、実質的に一定の出力速度を生じるように制御される。

交流発電機システムに結合された、車両用の原動機を示す本開示のシステムの一実施形態の概略図である。 代替制御を含む図１に示された、システムの一代替実施形態の概略図である。 図１および代替制御信号を示す図２に示された、システムの一代替実施形態の概略図である。 パワーテークオフ（ＰＴＯ）の縦方向の拡大部分断面図である。 （本開示により）交流発電システムが設置された車両の概略部分平面図である。 ＶＤＰＤが最も低いギアの状態での、図５に示された可変直径プーリードライブ（ＶＤＰＤ）の平面図である。 ＶＤＰＤが最も高いギアの状態での、図５に示された可変直径プーリードライブ（ＶＤＰＤ）の平面図である。 可変速度動力源から一定の交流電力を発生させるためのシステムを示す本開示の一実施形態の概略図である。

次に、本開示の原理の理解を促進するために、一定の実施形態を参照し、その実施形態を説明するために固有の言い回しを使用する。しかしながら、本開示の範囲は、それにより限定されるものではなく、本明細書に記載されたような変更形態、更なる改変形態および原理の更なる応用などは、本開示に関係する当業者に通常に起こるものであることを理解されたい。

本開示は、車両に以前は応用された非常に複雑な直流発電機およびインバータの代わりに、容易に利用可能な商業的に高度に開発された比較的廉価な交流発電機の該車両への応用に関するいくつかの実施形態を含む。このことは、以下に記載され、図１〜８に示された要素によって、使用に便利で安全な強力な発電機に適合するような方法で達成することができる。

より一般的な意味において、本開示は、動力源からの非一定速度を交流発電機への実質的一定速度に変換させるように制御された連続可変トランスミッションによって、交流発電機を非一定速度の動力源に結合させることに関する。

図１〜図３は、交流発電システムが組み込まれた車両システム１００、１０１および１０２を示す。既存の車両用の構成要素が、基準線Ａによって交流発電機付属機器から区別されて示される。既存の車両構成要素に含まれるのは、車両システム１００、１０１または１０２である。既存の車両構成要素は車両フレームも含み、これは図１〜３には示されないが、図５に部分的に示される。車両システム１００、１０１および１０２（ならびに本明細書において呼ばれる、一般に「車両」）は、小型または大型のトラックまたはバスなどの陸地用の車両、ボートまたは船などの水上用の乗り物、および航空機などの空用の乗り物を含む多くの異なる種類の動力輸送手段を含み得る。車両システム１００、１０１および１０２は、他の構成要素の間で、主要な機械的出力部３４を介してトランスミッション４０に結合されたエンジン３０を含む。これらの構成要素は、車両システム１００、１０１および１０２用の原動機として機能する。図１〜図３は、発電用の独立システムをおそらく含む既存の車両への交流発電システムの組込みを説明しているが、本開示は、そのように限定されないことに留意されたい。本明細書において開示されるシステムは、開示された交流発電システムが、更なる能力を発電に提供する、または他の全ての発電システムに取って代わる状態で、オリジナルの車両設計の一部として車両に組み込むことができると想定している。

エンジン３０は、火花点火式のガソリンもしくは天然ガス燃料のエンジン、または圧縮点火ディーゼルエンジンを含む様々な原動機のうちのいずれか１つであってよい。機械的出力部を提供する他の型の原動機が組み込み可能であることは当業者にとって明らかであろう。同様に、トランスミッション４０は、様々なトランスミッションのうちの１つであってよいが、本明細書においては、当技術分野で知られているような差動装置（図示せず）に結合することができる回転可能な出力シャフト４８を与えるオートマチックトランスミッションとして示される。トランスミッション４０は、クラス６以上のトラックのトランスミッションにおける標準装備であるパワーテークオフユニット（ＰＴＯ）６０を追加する設備を含むことが好ましい。しかし、本明細書で説明されたようなＰＴＯ６０の使用は必須ではない。

なお図１〜図３を全体として参照すると、交流発電機システム１０５、１０６および１０７として全体的に示された交流発電機システムには、特定の用途向けの様々なサイズおよび製造業者から選択される交流発電機１６０が含まれる。出力をキロワットで測定すると、５〜１５キロワットが、以下に記載されるように車両内に容易に収容されることが判明した。但し、それよりもずっと大型の発電機を適切な改変で収容することはできる。しかし、この目的のために、三相交流発電機を含む他の多くの交流発電機が利用できることは当業者にとっては明らかであろう。交流発電機の利点の１つは、市場に出回っている標準インバータにより生成された模擬または模造正弦波とは対照的に、電力会社によって生成された正弦波を複製した正弦波を発生させることである。交流発電機は、非常に頑強で、多くの商用活動において経験され得るような連続電流高負荷を容易に処理することも交流発電機の特徴である。

交流発電機１６０は、後に詳述するようにエンジン３０およびトランスミッション４０から成る、原動機用のコンパートメント外部の車両内に配置される。しかし、交流発電機１６０は、空間が許容する場合、または開示されたシステムがオリジナルの車両設計に組み込まれる場合、原動機のコンパートメントの内部を含むほとんどどんな場所にも組み込みができることに留意されたい。

図１〜図３の構成要素を参照する一方で、図１〜図７を通して、同様の機能を実施する構成要素を参照するために同じ参照番号が使用される。しかし、様々な実施形態において同じ参照番号が付けられた一部の構成要素の間で、適当な変形番号が存在し得ることを理解されたい。

なお図１〜図３を参照すると、交流発電機システム１０５、１０６および１０７は、ＰＴＯ６０およびギアボックス１１０で原動機（エンジン３０およびトランスミッション４０）に結合される。ギアボックス１１０は、ＰＴＯ６０からの出力部６４でＰＴＯ６０に結合される。ギアボックス１１０は、後述するように、１：１比の受動ギアボックスとすることができる、あるいは乗算ギアボックスまたは除算ギアボックスとすることができる。一部の実施形態において、ＰＴＯ６０は、ギアボックス１１０の機能を実施することができ、ギアボックス１１０を省略することができる。

ＰＴＯ６０は、ソレノイド１１６でトランスミッション４０および出力部４６と選択的に係合し、またはそこから切り離される。ソレノイド１１６は、電気信号がない時は切り離された位置に偏らされ、電気信号がライン１７５を介してソレノイド１１６に送信された時は、係合位置に移動させられる種類のものである。ライン１７５を通してソレノイド１１６内のコイルに電力供給することにより、ＰＴＯ６０が出力部４６に結合される。ソレノイド１１６が電力供給されない状態では、ＰＴＯ６０は切り離されたままとなる。ライン１７５は、ソレノイド１１６を監視および制御インタフェース１７０に接続し、これによりソレノイド１１６の係合を可能にし、したがって、本明細書に記載されたような一定の条件が存在する場合にだけＰＴＯ６０および交流発電機システム１０５、１０６または１０７の機械動作を可能にする。

交流発電機システム１０５、１０６および１０７への機械入力が、ＰＴＯ６０から来るものとして示されたが、代替的機械入力が、スプリットトランスミッション、付属ギアボックス、付属ベルトドライブなどの主要な出力を含むエンジンのいかなる便利な出力からも導出されてよい。

ギアボックス１１０は、出力１１４を通して可変直径プーリードライブ（ＶＤＰＤ）１２０に結合される。ＶＤＰＤ１２０は、図５〜図７において更に詳細に説明され、リーブスドライブとしても当技術分野で知られている。一般に、可変直径プーリードライブ、すなわち当技術分野で知られているリーブスドライブは、固定入力速度を可変出力速度に変換するために使用されることに留意されたい。たとえば、リーブスドライブは、可変速度の木工旋盤 の回転速度を制御するために使用されてきた。しかし、本応用において、可変直径のプーリードライブ、すなわちリーブスドライブは、逆方向で使用される、すなわち本明細書に記載されたように、入力速度が変動し、駆動によって出力速度が実質的に一定に制御される。

以下に更に詳細に説明するように、ＶＤＰＤ１２０は、回転軸に対して垂直に分かれて、Ｖ字型ベルトがその間を移動する２枚のＶ字型ベルトのプーリを含む。トランスミッション比は、１つのプーリの２つの部分が近づき、他のプーリの２つの部分が離れるよう移動させることにより変化する。ベルトの断面がＶ型であるため、これによりベルトは一方のプーリ上で高く載り、他方のプーリ上で低く載る。こうすることで、プーリの有効直径を変化させ、全体のトランスミッション比を変える。プーリ間の距離は変化せず、ベルトの長さも変化しないので、トランスミッション比を変化させることは、ベルト上で適切な張力を保持するために、両方のプーリが同時に調整（一方がより大きく、他方がより小さい）されねばならないことを意味する。

図１〜図３および図５〜図７に示されたように、ＶＤＰＤ１２０は、一般に一定力のもと、たとえば、スプリングにより一方のＶ型ベルトプーリの対で動作し、他方のＶ型ベルトプーリは定位置に制御される。第１のＶ型ベルトプーリに加えられた一定の力により、第２のＶ型ベルトプーリの隙間によって規定される適切な位置にＶ型ベルトを移動させる。後述するように、ＶＤＰＤ１２０の効率的なトランスミッション比は、上述の２つのＶ型ベルトプーリのうちの１つの位置決めを制御することで直線アクチュエータ１３０によって制御される。アクチュエータ１３０の直線位置は、位置制御器１４０によって制御され、位置制御器１４０は、ライン１３６を介して位置センサ１３２からフィードバックを受ける。位置制御器１４０は、後述するように、ライン１４４を介して速度制御器１５０から入力される設定点１４２に基づいて直線アクチュエータ１３０の位置決めを制御する。

アクチュエータ１３０は、空気式アクチュエータ、油圧アクチュエータ、リニアモータおよびエレクトロメカニカルアクチュエータを含む、ＶＤＰＤ１２０を調整できる、当業者に知られたどのような形でもよい。それぞれの異なる種類のアクチュエータは、異なる制御方法およびシステムを有するので、いずれの適切な制御方法またはシステムも本明細書で扱われるものであり、本明細書に説明されるいかなる無関係な要素も必須の要素ではないことを理解されたい。

以下により完全に説明され、図５に示されるように、この時点での好ましい実施形態は、空気式ダイアフラムリニアアクチュエータである。空気式ダイアフラムリニアアクチュエータの場合、位置センサ１３２および／または位置制御器１４０は、アクチュエータ１３０に直接組み込むことができる。特に、この実施形態において、ライン１３６は、ダイアフラムの一方側に作用する、３〜１５ｐｓｉまで変動する空気式制御信号である。ダイアフラムの他方側は、そこに印加される約４０〜６０ｐｓｉの動作圧力を有する。３〜１５ｐｓｉ制御信号は、ポジショナに伝えられ、これは制御信号を「増幅する」力平衡式装置を使用する。「増幅された」制御信号は、ダイアフラム上の動作圧力に対して均衡がとられる。ダイアフラムの動きにより、動作圧力空気流のフローが増大または減少し、これがアクチュエータ１３０の位置を移動させる。したがって、位置センサ１３２および／または位置制御器１４０、ならびにライン１３４および１３６は、アクチュエータ１３０を制御する追加の構成要素を必要とし得るシステム向けに本明細書では含まれるが、これらの構成要素は個々に必須ではないことを理解されたい。アクチュエータ１３０の機能は、アクチュエータ１３０の実位置を制御する設定点１４２に反応することであり、アクチュエータ１３０はＶＤＰＤ１２０の効率的なトランスミッション比を制御する。以下でより詳細に説明されるように、設定点１４２は、出力部１２６で所望の回転速度を生むのに必要な位置を反映する。

交流発電機１６０は、ＶＤＰＤ１２０の出力部１２６からの回転可能な入力を受けるように構成された機械的入力部１６１を有する。入力部１６１は、リンク１６３などの適切な機械的リンクを介してＶＤＰＤ１２０に結合される。図５〜図７に示された実施形態において、直接的な機械的継ぎ手が利用される。機械的リンクの実際の形は、交流発電機システム１０６を取り付けるために利用可能な空間に一部には依存する。機械入力部１６１を出力部１２６に機械的に結合させる可能な方法には、当技術分野で知られるように、直結ドライブシャフト、オフセットドライブシャフト、ベルトおよびプーリまたはギアボックスが含まれる。

交流発電機１６０によって発電される交流電流の周波数は、機械入力部１６１が回転する速度に依存する。入力部１６１の回転速度の変動は、交流発電機１６０によって発電される電流の周波数の変動と相互に関連する。図示した実施形態において、ＶＤＰＤ１２０は、ＰＴＯ６０およびギアボックス１１０を通ってエンジン１３０およびトランスミッション４０から来る可変速度を出力部１２６で実質的に固定された速度に変換する。出力部１２６で実質的に固定された速度は、所望の電流周波数を発生させるように制御される。ギアボックス１１０とＶＤＰＤ１２０双方の実際の比は、エンジン３０および／またはトランスミッション４０の動作速度上の所望の周波数を生じさせるために交流発電機１６０の最適ＲＰＭ条件に適合するように選択される。これは、ＶＤＰＤ１２０内のプーリの直径およびギアボックス１１０のトランスミッション比を選択して必要とするＲＰＭを達成することによってなされる。

一般に、所望の周波数を発生させる交流発電機１６０の最適回転速度は、その周波数の倍数である。たとえば、６０Ｈｚの交流発電機は、一般に、１８００ｒｐｍまたは３６００ｒｐｍの最適回転速度で発生動作する。同様に、５０Ｈｚの交流発電機に対しては、最適入力部速度は、一般に１５００ｒｐｍまたは３０００ｒｐｍである。どんな場合でも、特定の交流発電機向けの実際の最適回転速度に関係なく、様々な構成要素、特にギアボックス１１０およびＶＤＰＤ１２０のトランスミッション比は、最適回転速度と予期される車両システム１００の動作特性とを比較することによって決定される。最適回転速度は、エンジン３０およびトランスミッション４０を含む車両システム１００により生み出された予期される速度範囲と比較される。

好ましい実施形態において、トランスミッション４０の出力は、７００ｒｐｍ〜２４００ｒｐｍの間で変化し、平均は約１５５０ｒｐｍである。好ましい実施形態では、３６００ｒｐｍの発電機を使用して６０Ｈｚの交流電流を発生させる。したがって、好ましい実施形態において、ギアボックス１１０は、２：１の変換比を有し、出力６４と比較して出力１１４での速度を事実上２倍にする。ＶＤＰＤ１２０は、最高のトランスミッション比が２．６で、最低のトランスミッション比が０．７５である。この構成により、ギアボックス１１０およびＶＤＰＤ１２０は、７００ｒｐｍ（ギアボックス１１０の後では１４００ｒｐｍ）から３６００ｒｐｍに、更に２４００ｒｐｍ（ギアボックス１００の後では４８００ｒｐｍ）から３６００ｒｐｍに変換することができる。車両システム１００の予期された全動作範囲上でＶＤＰＤ１２０を見ると、ＶＤＰＤ１２０の効率的な動作範囲は、好ましい実施形態の全範囲より事実上３．４３高い。これは、可変直径プーリードライブからの良好な性能のために許容可能な動作範囲であることが判明した。大幅にこの範囲を増大すると一部のシステムに不安定さが生じる可能性がある。

交流発電機１６０により発生した周波数の整合性に関して、ほとんどの電気機器は、周波数の何らかの変動を許容する。たとえば、米国において、ＵＬ２２００は、６０Ｈｚのシステムで、−１０Ｈｚ〜＋８Ｈｚの変動（すなわち、５０Ｈｚ〜６８Ｈｚ）を許容する。もう１つの例として、５０Ｈｚの規格を利用する多くの規格は、±６Ｈｚ（すなわち、４４Ｈｚ〜５６Ｈｚ）の変動を許容する。他の国々も、大抵の電気機器が、損傷または故障なしに適応するように設計された同様な許容周波数の範囲を有する。したがって、交流発電機１６０への入力速度は、交流発電機に接続される機器に悪影響を与えることなく何らかの変動をおそらく経る可能性がある。どんな場合でも、発生した周波数の許容変動量は、そこに接続される機器によって許容された範囲に最終的に依存する。

交流発電機１６０の周波数出力は、周波数センサ１６２によって監視される。周波数センサ１６２は、交流発電機１６０の回路内に組み込むことができる、あるいは周波数センサ１６２は、独立していてよい。どんな場合でも、周波数センサ１６２は、交流発電機１６０によって発電された電流の周波数を検知する。

速度制御器１５０は、周波数設定点１５４を含む。周波数設定点１５４は、通常、ヨーロッパ規格電子機器用に５０Ｈｚ、または米国規格電子機器用に６０Ｈｚに設定される。しかし、周波数設定店１５４は、特定の用途用に任意の所望の周波数とすることができる。周波数設定点１５４は、２つのオプションを有するレジストリ制御の形にできることに留意されたい。一方は５０Ｈｚで他方は６０Ｈｚで、米国およびヨーロッパの規格に適合する。またはその代わりに、周波数設定点１５４は、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのいずれでも前もってプログラムすることができる。周波数設定点１５４は、たとえば、速度ポットまたは他の形の可変入力を通して、ある範囲にわたって調整可能とすることができる。

交流発電機１６０の電気出力は、断路器１６６を通して出力部１６８に結合される。一実施形態において、出力部１６８は、従来のプラグを介して他の電気装置に電力供給するために利用される電気ソケットの形である。たとえば、米国で一般に見受けられる１２０ＶＡＣまたは２４０ＶＡＣのプラグである。他の実施形態において、出力部１６８は、車両内に組み込まれた機器または構成要素に直接配線することができる。たとえば、配送トラック上の高電圧冷凍システム、またはレクリエーション用車両の電気機器およびコンセントである。加えて、出力部１６８または断路器１６６のいずれにも、非常停止スイッチおよび／または温度過上昇センサを組み込むことができる。断路器１６６および出力部１６８の両方が監視および制御インタフェース１７０に結合される。

監視および制御インタフェース１７０は、車両システム１００、１０１および１０２、ならびに交流発電機システム１０５、１０６および１０７を監視し、安全でない状態での動作を防止するための様々なインターロックを含む。監視および制御インタフェース１７０は、ライン１７５を通してソレノイド１１６に結合され、他の全てのプログラムされたインターロックが満たされたときにソレノイド１１６を通電させるだけである。監視および制御インタフェース１７０は、ライン１７７によってエンジン３０に結合され、ライン１７６によってトランスミッション４０に結合され、エンジン３０およびトランスミッション４０の動作条件を監視する。監視および制御インタフェース１７０は、ライン１７３によって速度制御器１５０および１５５に結合され、ライン１７９によって断路器１６６に、ライン１７８によって出力部１６８に結合される。監視および制御インタフェース１７０は、ライン１７４によって交流発電機１６０に結合される。監視および制御インタフェース１７０が、交流発電機１６０からの出力が周波数または電圧いずれかの問題のために安全でないと判定した場合、監視および制御インタフェース１７０は、断路器１６６を起動させて、出力部１６８を交流発電機１６０から切断する。同様に、監視および制御インタフェース１７０が、車両システム１００、１０１または１０２が、その性能範囲を超えて動作している、たとえば、エンジン３０が、最大ＲＰＭ制限を超えていると判定した場合、監視および制御インタフェース１７０は、ソレノイド１１６の電源を断ち、同時に断路器１６６を開放させることによって交流発電機システム１０５、１０６または１０７を切り離す。

また、ライン１７１によって監視および制御インタフェース１７０に結合される表示部１７２を含むことが好ましい。表示部１７２は、オペレータが交流発電機１６０による発電に関してフィードバックを受けるように、有利には、オペレータの近く、おそらく車両の制御キャブ内に配置することができる。表示部１７２は、オペレータが交流発電機システム１０５、１０６または１０７の動作を制御することを可能にするオペレータインタフェースを含むこともできる。たとえば、オペレータインタフェースは、オペレータがトランスミッション４０からＰＴＯ６０を係合または切り離すようにソレノイド１１６を作動することを可能にする（全てのインターロックが許容されると仮定する）。

次に、具体的に図１に示された実施形態に目を向けると、速度制御器１５０は、周波数センサ１６２から交流発電機１６０の周波数出力の入力を受ける。速度制御器１５０は、周波数センサ１６２で測定された周波数を周波数設定点１５４と比較する。この比較結果は、速度制御器１５０内の標準制御ロジックと共に使用され、ライン１４４を介して位置制御器１４０の設定点１４２を制御することによって、出力部１２６でのＶＤＰＤ１２０の回転速度を制御する。この制御ロジックは、出力部１２６でＶＤＰＤ１２０の回転速度をできるだけ敏速に調整しながら全ての制御接点を最小化するために、特定のシステム用に調整されることが好ましい。

次に、具体的に図２に示された実施形態に目を向けると、交流発電機システム１０６および車両システム１０１が示されている。交流発電機システム１０６は、交流発電機システム１０５とは異なる、あるいは交流発電機システム１０５には含まれない何個かの構成要素を含む。具体的には、ＶＰＤＰ１２０およびギアボックス１１０の継ぎ手は、ＲＰＭセンサ１２２も含み、これは出力部１１４および／または入力部１２１の回転速度を検知する。ＲＰＭセンサ１２２は、出力部１１４、入力部１２１、またはその中間の任意の場所に配置することができる。ＲＰＭセンサ１２２は、ライン１５２によって速度制御器１５０に結合される。更にまた、速度制御器１５０は設定点１５１を含む。設定点１５１は、最初に、交流発電機１６０に対する最適回転速度で設定される。また、交流発電機システム１０６には、以下に論じるように、合計ブロック１５６およびフィードバックトリム制御器１５８も含まれる。フィードバックトリム制御器１５８は、ライン１５９を介して監視および制御インタフェース１７０に更に結合される。

速度制御器１５０は、ＲＰＭセンサ１２２により測定された速度を設定点１５１と比較する。この比較結果は、速度制御器１５０内の標準制御ロジックと共に使用され、ライン１４４を介して位置制御器１４０の設定点１４２を制御することによって、出力部１２６でのＶＤＰＤ１２０の回転速度を制御する。この制御ロジックは、出力部１２６でＶＤＰＤ１２０の回転速度をできるだけ敏速に調整しながら全ての制御接点を最小化するために、特定のシステム用に調整されることが好ましい。

フィードバックトリム制御器１５８は、ライン１６４を介して周波数センサ１６２を監視する。図２に示されたように、フィードバックトリム制御器１５８は、合計ブロック１５６と共に動作し、設定点１５１を介して速度制御器１５０を調整する。フィードバックトリム制御器１５８および合計ブロック１５６は、共に周波数設定点１５４を受ける。

合計ブロック１５６およびフィードバックトリム制御器１５８は、周波数センサ１６２によって検知されたままに、交流発電機１６０によって発生した電流の周波数を定期的に監視し、発生した周波数を周波数設定点１５４と比較する。発生した周波数と周波数設定点１５４との差は、ある時間にわたって監視され、所望の周波数を良好に発生させるために速度制御器１５０を調整する。

一実施形態において、フィードバックトリム制御器１５８は、発生する周波数を、頻繁に、たとえば１００ミリ秒おきに周波数設定点１５４と比較する。発生した周波数と周波数設定点１５４との間の変動は、変動の程度に応じて正または負の値として表される。この正または負の値は合計ブロック１５６へ頻繁に、実施例においては１００ｍｓおきに伝達され、そこで動作合計は、その値で更新される。合計ブロック１５６は、長い期間、たとえば３０分間にわたって伝達された全ての値を合計する。長い期間の最後に達したとき、合計ブロック１５６は設定点１５１を調整し、速度制御器１５０を適宜制御して速度を調整し、ＶＤＰＤ１２０が交流発電機１６０を回転させて周波数設定点１５４に表された所望の周波数を良好に発生させる。

図１および図２に示された実施形態間の相違に関して、図１は、交流発電機１６０の速度を制御するために発生する電流の周波数に基づいて調整がなされる閉ループ制御の一実施形態として特徴付けることができる。図２に示された実施形態は、自動トリムを備えたフィードフォワード制御システムとして特徴付けることができる。この点に関して、速度制御器１５０は、ＶＤＰＤ１２０による速度制御の後に交流発電機１６０によって発生させた周波数よりむしろＶＤＰＤ１２０への入力ＲＰＭを監視する。

図２によって具現化された制御システムは、入力１２１の速度とアクチュエータ１３０の位置と出力部１２６での結果速度との間の既知の関係に依存する。（出力部１２６の速度は発生した周波数に直接に関係し、この周波数が実際に制御されているものである。）この関係は、較正テストによって確立することができる。現在までの実験が示すのは、線形に近い関係が存在する一方で、２次多項式の関係式によってモデル化できる非線形な特徴が関係式中に一部存在することである。この点に関して、速度制御器１５０は、この既知の関係を利用して、ＲＰＭセンサ１２２により測定された入力部１２１での速度に基づいて出力部１２６での速度を制御するようにプログラムすることができる。当技術分野で知られているように、入力速度と出力速度との間の既知の関係は、速度制御器１５０内で直接プログラムされる。

次に、図３に示された実施形態に目を向けると、交流発電機システム１０７および車両システム１０２が示されている。交流発電機システム１０７は、以下の通りに、交流発電機システム１０５または１０６に示されないいくつかの更なる特徴を含む。

具体的には、車両システム１０２は、スロットル１０およびセンサ１２を含む。スロットル１０は、当業者に知られたどのような形であってもよい。大抵の用途において、スロットル１０は、車両の運転室に配置されたフットペダルの形をとることができる。センサ１２は、スロットル１０と対応付けられ、スロットル１０の相対的な位置を検知する。一部の実施形態において、センサ１２は、スロットル１０に直接結合される、またはスロットル１０の位置を直接検知する位置センサの形とすることができる。他の実施形態において、センサ１２は、スロットル１０に取り付けられた機械的リンク機構に連結することができ、機械的リンク機構に沿ったどの場所にも配置することができる。どんな場合でも、当技術分野で知られているように、センサ１２は、スロットル１０の相対的な位置を表す制御信号を発生させる。

車両システム１０２において、エンジン３０は、エンジン制御モジュール（ＥＣＭ）２０によって制御され、エンジン制御モジュール２０は、ライン２４によってエンジン３０と連通する。エンジン制御モジュール２０とエンジン３０との間の相互接続は、エンジンの種類および所望の制御パラメーターに応じて、広範囲にわたって変えることができる。ほとんどの場合、エンジン燃料供給装置（図示せず）は、ＥＣＭ２０によって、エンジンＲＰＭ、必要なトルク、周囲温度、絶対圧力およびその他の多数の変数などのエンジン動作パラメーターに基づくアルゴリズムに従って制御される。その結果、ライン２４を通したＥＣＭ２０とエンジン３０との間の通信は、当技術分野で知られているように、パラメーター信号はＥＣＭ２０に送信され、制御信号はエンジン３０に送信される双方向接続とすることができる。

同様に、トランスミッション４０は、ライン５２を通してトランスミッション４０と相互接続され、ライン２２を通してエンジン制御モジュール２０に接続されたトランスミッション制御モジュール５０の形でより高度な制御を行う。トランスミッション制御モジュール５０、ＥＣＭ２０、エンジン３０およびトランスミッション４０、全ては連係動作し、当技術分野で知られているように、必要とされるパワー、燃費経済性および排出レベルの適切なバランスが保持される。

この連係動作を容易にするために、エンジン３０は、ＲＰＭセンサ３２を含み、これが、エンジン３０が回転している実際の速度と相互に関連するパラメーター信号を提供する。同様に、トランスミッション４０は、トランスミッションを通して様々な点に配置されたＲＰＭセンサ４２およびＲＰＭセンサ４４を含み、更なるパラメーター信号を提供する。たとえば、ＲＰＭセンサ４２は、トランスミッション４０への入力部に配置され、ＲＰＭセンサ４４は出力シャフト４８に配置される。同様に、示された実施形態において、ＰＴＯ６０は、任意選択で出力部６４上にＲＰＭセンサ６２を含む。

交流発電機システム１０５または１０６に含まれない、いくつかの追加のセンサが、交流発電機システム１０７に含まれる。具体的には、ＲＰＭセンサ６２は、任意選択で出力部６４上に含まれ、ＲＰＭセンサ１１２は、任意選択で出力部１１４上に含まれ、ＲＰＭセンサ１２２は、任意選択で入力部１２１上に含まれる。また、ＲＰＭセンサ１２４は、任意選択で、入力部１６１と出力部１２６との間の適切な機械的リンク機構内に含まれる。

周波数センサ１６２は、ライン１６４を通して速度制御器１５５に信号を送る。速度制御器１５５は周波数設定点１５４を含む。
速度制御器１５５は設定点１４２を制御し、設定点１４２は、アクチュエータ１３０の位置を制御し、アクチュエータ１３０の位置は、ＶＤＰＤ１２０のトランスミッション比を制御して、入力部１６１で交流発電機１６０で見られる入力速度を制御する。そして、最終的に、交流発電機１６０によって発電された交流電流の周波数を制御する。これを達成するために、速度制御器１５５は、以下の制御信号の１つまたは複数を受信する。センサ１２は、ライン１５２ａによって速度制御器１５５に結合することができる。エンジン制御モジュール２０は、ライン１５２ｂによって速度制御器１５５に結合することができる。トランスミッション制御モジュール５０は、ライン１５２ｃによって速度制御器１５５に結合することができる。ＲＰＭセンサ３２は、ライン１５２ｄによって速度制御器１５５に結合することができる。ＲＰＭセンサ４２は、ライン１５２ｅによって速度制御器１５５に結合することができる。ＲＰＭセンサ４４は、ライン１５２ｆによって速度制御器１５５に結合することができる。ＲＰＭセンサ６２は、ライン１５２ｇによって速度制御器１５５に結合することができる。ＲＰＭセンサ１１２は、ライン１５２ｈによって速度制御器１５５に結合することができる。ＲＰＭセンサ１２２は、ライン１５２ｉによって速度制御器１５５に結合することができる。ならびに／またはＲＰＭセンサ１２４は、ライン１５２ｊによって速度制御器１５５に結合することができる。

１５２ａから１５２ｊを含む上述の制御信号の１つまたは複数を利用して、速度制御器１５５は、適切なアルゴリズムを用いて、設定点１４２を変えることによってＶＤＰＤ１２０のトランスミッション比を制御する。説明された制御信号の各々は、適切なアルゴリズムで交流発電機１６０によって発生させられた周波数と相互に関連し得る。速度制御器１５５は、ＶＤＰＤ１２０のトランスミッション比をできるだけ正確かつ敏速に調整しながら全ての制御振動を最小化するために、特定のシステム用に調整されることが好ましい。

更なる種類の情報またはデータをＥＣＭ２０および／またはトランスミッション制御モジュール５０から速度制御器１５５に取り入れることも可能である。この点に関して、エンジン制御モジュール２０およびトランスミッション制御モジュール５０が、ギアのシフトをいつ行うかを決定する、あるいは任意の所定の時間で用いる燃料空気比もしくは燃料の量を制御するなどのエンジン３０およびトランスミッション４０の動作を制御する制御プログラムを有することが当技術分野で知られている。したがって、ＥＣＭ２０またはトランスミッション制御モジュール５０から速度制御器１５５に対して、ＥＣＭ２０またはトランスミッション制御モジュール５０によって利用される制御プログラムへのアクセスなしには、他のいかなる直接測定に基づいても予測できない可能性がある、車両システム１０２から来る将来速度を先取りした何らかの情報を含む制御信号を取り入れることが可能である。

速度制御器１５５は、エンジン制御モジュール２０および／またはトランスミッション制御モジュール５０に直接組み込むことができることも想定される。車両およびトランスミッションの製造業者との討議により、対象となる車両に現在使用されるエンジン制御モジュール２０および／またはトランスミッション制御モジュール５０には、追加のハードウェアなしに、速度制御器１５５の機能を実施するための十分な容量があることが示されている。しかし、車両製造業者は、エンジン制御モジュール２０および／またはトランスミッション制御モジュール５０の独自開発の動作を共有することに乗り気でなく、また、エンジン制御モジュール２０またはトランスミッション制御モジュール５０にいかなる変更を加えることにも乗り気でない。車両製造業者が、車両システム１０２として、直接に既存の制御器の構成要素に速度制御器１５５の機能を直ちに組み込むことは可能性が低いけれども、しかしながら、将来のある時点で、本明細書で開示されたシステムが広範に採用されたときに、車両製造業者が、車両上に既に存在する既存の構成要素に本明細書で論じられた機能を組み込む、または全ての機能を制御する新型の制御器を使用する可能性が予期される。いずれの場合も、速度制御器１５５の機能は、適切な場合はいつでも組み込むことができる。

具体的に、速度制御器１５５の機能に関して、速度制御器１５５は、先に交流発電機システム１０５および１０６において開示した速度制御器１５０と同様の機能を実行する。
この点に関して、速度制御器１５５は、周波数センサ１６２により発生させた信号に基づく閉ループ制御システムとして動作することができる。逆に、速度制御器１５５は、以下のいずれかの入力からの信号を利用する交流発電機システム１０６に関して論じたものと同様なフィードフォワード制御モードで動作することができる。センサ１２、ＥＣＭ２０、ＲＰＭセンサ３２、トランスミッション制御モジュール５０、ＲＰＭセンサ４２、ＲＰＭセンサ４４、ＲＰＭセンサ６２、ＲＰＭセンサ１１２、ＲＰＭセンサ１２２および／またはＲＰＭセンサ１２４。速度制御器１５５によって利用される実際の制御入力は、入力として利用可能な、ＶＤＰＤ１２０、交流発電機１６０および個々のセンサの動作パラメーターに依存して変動する。速度制御器１５５は、先に交流発電機システム１０６に開示されたトリム機能を組み込むこともできる。速度制御器１５５に利用される実際のアルゴリズムは、実際のシステムの経験によるテストを用いて開発することができる、あるいは既知のシステムパラメーターからモデル化することができる。

一部の実施形態において、図１〜図３に示され、システム１００、１０１および１０２に具現化された制御システムは、様々な構成要素を制御し、通信するために、標準化されたコンピュータネットワーク・プロトコルおよびバス標準を利用する。たとえば、ある実施形態は、既存の車両構成要素および交流発電機付属品双方の通信および制御のためにＣＡＮ−ｂｕｓ標準を使用する。

ＰＴＯ６０は、出力部４６でトランスミッション４０に係合可能かつ切離し可能として開示された。図４は、この特徴の一実施を示す。ハウジング２５２は、適切な手段（図示せず）によってトランスミッションハウジング２５４に固定される。ハウジング２５２は、トランスミッションＰＴＯドライブギア２５８上に配置される。出力部シャフト２６０は、トランスミッション４０の軸に平行な軸上の出力部シャフト２６０への適切なベアリング２６２および２６４によってハウジング２５２内で支えられる。出力部シャフト２６０の端部は、ハウジング２５２から延長し、ユニバーサルジョイント２３６と接続する。出力部シャフト２６０は、平歯車２６８がはめ込まれる細長いスプライン部分２６６を有する。平歯車２６８は、平歯車２６８を出力シャフト２６０で回転させる内部スプライン２７０を有するが、図４に示された固定位置からそれを軸方向に外すことができる。

図４に示された固定位置は、交流発電機システム１０５、１０６または１０７が、ＰＴＯドライブギア２５８から間隔をあけて右端の位置に位置する平歯車２６８で原動機から切り離された状態を示す。図４はまた、部分的なラインによって示される平歯車２６８’が、ＰＴＯドライブギア２５８と係合された左端の位置に位置する場合の交流発電機システム１０５、１０６または１０７が原動機と係合された状態も示す。

平歯車２６８は、一体的延長部２７２およびフォーク２７６を受ける溝２７４を有する。フォーク２７６は、ソレノイド１１６の可動出力シャフト２７８に固定される。ソレノイド１１６の出力シャフト２７８は、出力シャフト２７８上のフランジ２８４およびソレノイド１１６の端壁２８６に対して作用するスプリング２８２によって、図４に示されたその固定位置に偏らせる。次いで、ソレノイド１１６は、スプリング２８２によってその切り離された位置で平歯車２６８を保持し、電力がライン１７５によってソレノイド１１６に印加されたとき、図４に示されたように出力シャフト２７８は左に位置がずれ、こうして、トランスミッションＰＴＯドライブギア２５８を備えたメッシング平歯車２６８で出力シャフト２６０およびユニバーサルジョイント２３６を回転させる。本明細書に説明されたように、ユニバーサルジョイント２３６は、交流発電機システム１０５、１０６または１０７の他の構成要素に結合される。

メッシング平歯車２６８およびトランスミッションＰＴＯドライブギア２５８のサイズおよび／または歯数は、必要に応じて変更し、ＰＴＯ６０のトランスミッション比を設定することができる。この点に関して、２：１のトランスミッション比は、ギアボックス１１０を使用せずに、このようにして達成することができる。

ＰＴＯ６０のハウジング２５２は、原動機コンパートメントの現存の壁と干渉しないように傾きを付けた外部構成を有するのが好ましいことに留意されたい。これは、相手先商標製造会社によってなされた設備とは反対に、ＰＴＯをトランスミッションの側面から外すのが望まれる場合の用途には特に有利である。

本明細書において、切離し可能なメッシング平歯車を利用してＰＴＯ６０が示され、説明されたが、ＰＴＯ６０の係合を制御する他の手段が、当技術分野で知られている。たとえば、油圧動力クラッチ板を使用することは、当技術分野で知られたＰＴＯを係合させる方式である。

図５に目を向けると、交流発電機システム１０５、１０６または１０７を組み込んだ車両システム１００、１０１または１０２の一実施形態が車両３１０上で示されている。車両３１０は、概ね互いに平行で、多くの車両に構造的な支持を形成する一対のフレームレール３３０および３３２を有する。フレームレール３３０および３３２の内側に、エンジン３０（図示せず）は、トランスミッション４０（図示せず）と共に取り付けられる。

トランスミッション４０は、出力シャフト４８が、フレームレール３３０および３３２の縦方向の接続に概ね平行であるように方向付けられ、取り付けられることが好ましい。エンジン３０およびトランスミッション４０は、どのようにも方向付けることができ、それでもなお、本開示の利点を達成することに留意されたい。出力シャフト４８は、本開示の理解を容易にするために、図５に示されていない。しかし、出力シャフト４８が、車両後部の差動アクスルを駆動することは当業者にとって明らかであろう。他の実施形態において、車両３１０は、出力シャフト４８を車両前部の同様な差動または駆動装置に接続することによって全輪駆動を設けるために更なる出力を有することができる。図５に示されたように、トランスミッション４０は、Ｇｅｎｅｒａｌ ＭｏｔｏｒｓのＡｌｌｉｓｏｎ Ｄｉｖｉｓｉｏｎによって製造されたオートマチックトランスミッションである。しかし、他のトランスミッションのブランドが、同等の利点を持って使用できることは明らかであろう。トランスミッション４０は、全ての市販のトランスミッションに対応するパワーテークオフユニットを取り付けるための標準取付け板を有する。トランスミッション４０は、上述したようにパワーテークオフドライブギア２５８も含む。

特に図５に示されたように、ＰＴＯ６０は、（具体的には図４に例示されたように）出力シャフト２６０に結合されるユニバーサルジョイント２３６を有する。ユニバーサルジョイント２３６は、エンジン３０およびトランスミッション４０から成る原動機を実質的に収納する車両コンパートメントから後部に延長するトルクチューブ３３８に接続される。トルクチューブ３３８は、ユニバーサルジョイント３４２に延長して、交流発電機１６０に接続する可変直径プーリードライブ１２０への入力を構成する。

図示された実施形態において、ＰＴＯ６０をＶＤＰＤ１２０に結合させるためにトルクチューブ３３８が利用されるが、様々な環境において、他のリンク機構が適切であろう。たとえば、必要とされる構成要素を最適に配置するために、ＰＴＯ６０は、ベルトおよびプーリードライブシステム、ギアボックス、または当技術分野で知られる他の任意の機械的リンク機構によってＶＤＰＤ１２０に結合することができる。

可変直径プーリードライブ１２０は、ユニバーサルジョイント３４２に結合されたシャフト３５２を有するハウジング３５０を含む。シャフト３５２は、スラスト軸受３５４およびベアリング３５６によって収容され、Ｖプーリ部材３５８ａおよび３５８ｂを含む。Ｖプーリ部材３５８ａは、シャフト３５２に沿って移動可能で、一方、Ｖプーリ部材３５８ｂは、シャフト３５２上に実質的に固定される。スプリング３６０は、Ｖプーリ部材３５８ａ上で横圧を与え、これが、Ｖプーリ部材３５８ａと３５８ｂとの間でＶベルト３６２を圧縮する。また、Ｖベルト３６２は、Ｖプーリ部材３６４ａと３６４ｂとの間を通過する。Ｖプーリ部材３６４ａおよび３６４ｂは、Ｖプーリ部材３６４ａが実質的にシャフト３６６上に固定され、Ｖプーリ部材３６４ｂがシャフト３６６上で移動可能な状態でシャフト３６６上に配置される。シャフト３６６は、止めねじ３７０によって、部分的に交流発電機１６０への入力部１６１上に取り付けられる。スラスト軸受３６８は、Ｖプーリ部材３６４ｂをシャフト３６９に結合させ、シャフト３６９は、リニアアクチュエータ１３０に結合される。

リニアアクチュエータ１３０は、可動シャフト３７４および空気入力３７８を有する空気式アクチュエータ３７２を含む。リニアアクチュエータ１３０は、マウンティングブラケット３８０によってハウジング３５０に結合され、シャフト３７４は、継ぎ手３７６によってシャフト３６９に結合される。継ぎ手３７６は、ねじ付き継ぎ手として示されたが、当技術分野で知られているいかなる継ぎ手も利用することができる。

図５に示されたシステムは、以下の通りに動作する。空気式アクチュエータ３７２は、シャフト３７４の位置を設定し、シャフト３７４は、スラスト軸受３６８、シャフト３６９および継ぎ手３７６によってＶプーリ部材３６４ｂに直接連結される。Ｖプーリ部材３６４ａと３６４ｂとの間隙は、Ｖベルト３６２の位置を規定する。Ｖプーリ部材３６４ａおよび３６４ｂの位置によって設定されるＶベルト３６２の位置は、引き続いて、Ｖプーリ部材３５８ａと３５８ｂとの間隙を規定する。スプリング３６０により生み出された圧縮力は、Ｖプーリ部材３５８ａの位置をＶベルト３６２の位置から見えるところに保持する。

図示されたように、Ｖプーリ部材３５８ａおよび３５８ｂおよび３６４ａおよび３６４ｂの位置は、ＶＤＰＤ１２０を経由するトランスミッション比を規定する。
空気式アクチュエータ３７２は、多くの商用トラックの圧縮空気への広い有用性のため好ましいアクチュエータである。しかし、以前に述べたように、ＶＤＰＤ１２０に必要とされる調整を与えることができる全てのアクチュエータが使用可能であることを理解されたい。たとえば、ダンプカーまたはゴミ収集トラックなどの油圧システムを搭載する商用車輌においては、油圧アクチュエータが適切であり得る。使用可能な別の候補のアクチュエータは、モータおよびボールねじを含む電気機械式アクチュエータである。本明細書に説明された交流発電機システム１０５、１０６および１０７は、このようなモータを動作するための十分な電流を発生させるので、実行可能な代替方法となり得る。しかし、このようなシステムの１つの制限は、たとえば、始動時に、交流発電機システム１０５、１０６または１０７が、電気機械式リニアアクチュエータのモータを動作させるための適正な電流を発電していないときに、リニアアクチュエータ１３０を動作させるのに十分な電気的バッテリー容量を有することである。当技術分野で知られているように、このようなバッテリー容量は、高圧バッテリーパックの形とすることができる。

具体的に空気式アクチュエータ３７２に関して、空気式アクチュエータの好ましい実施形態は、説明されたシステム内で最適化して実施する。特に、市販の空気式アクチュエータは、一般に、一方向の力を生み出すダイアフラムを含む。図示された実施形態において、力は左方へ、すなわち交流発電機１６０の方へ向けられる。反対方向へ移動するには、反対方向への復帰力を与えるスプリングが必要である。このスプリングは、通常、空気式アクチュエータ内に直接組み込まれる。したがって、空気式アクチュエータが動作するためには、この装置を移動させるのに内部スプリングに勝るだけの十分な力が、ダイアフラム上に作用しなければならない。しかし、図５に示された実施形態において、スプリング３６０は、同等の対抗する復帰力を与える。特に、スプリング３６０によって生じる力により、Ｖプーリ部材３５８ａはＶプーリ部材３５８ｂのできるだけ近くに移動する。これにより、Ｖプーリ部材３６４ｂを右側に移動させることによって、Ｖプーリ部材３６４ａおよび３６４ｂに同等の力が作用する。したがって、スプリング３６０は、空気式アクチュエータ３７２によって生み出された空気圧力の反対方向の右側へ空気式アクチュエータ３７２を移動させ得る力をもたらす。したがって、空気式アクチュエータ３７２は、内部のスプリング作動を取り除くことによって最適化されることが好ましい。これにより、内部のスプリングに勝る必要がなくなるので、ＶＤＰＤ１２０を移動させ、調整するのに必要な空気圧力の量が低減される。この最適化はまた、ＶＤＰＤ１２０の敏感度を増大させると考えられる。

図６および図７に目を向けると、２つの最も離れた位置における図５に描かれた装置を示している。図６は、共にできるだけ接近した位置にあるＶプーリ部材３６４ａおよび３６４ｂを示し、ＶＤＰＤ１２０が交流発電機１６０に対して最大可能な範囲にまで入力部１２１での速度を減少させる。逆に、図７は、Ｖプーリ部材３６４ｂおよび３６４ａができるだけ離れた位置にある正反対の状態を示し、なおＶベルト３６２を保持しながら、ＶＤＰＤ１２０が交流発電機１６０に対して最大可能な範囲にまで入力部１２１での速度を増大させる。図６および図７は、矢印３９０および３９２を含む。矢印３９０は、空気式アクチュエータ３７２内でダイアフラムによって生じる力の方向を示し、矢印３９２は、スプリング３６０によって生じる力の方向を表す。

可変直径プーリードライブ１２０に関して、ＶＤＰＤ１２０は、開示された用途によく適していると考えられるが、所与の範囲内で入力シャフトと出力シャフトの回転速度比が連続的に変えることができ、実質的に無数の可能なトランスミッション比を与える任意の可変または連続的に可変なトランスミッションが使用できることを理解されたい。たとえば、以下の異なる種類の連続可変トランスミッションを利用することができる。無限可変トランスミッション、ラチェッティング連続可変トランスミッション、ローラーベースの連続可変トランスミッション、静水圧連続可変トランスミッション、およびハイドロスタ（Ｈｙｄｒｉｓｔｏｒ）無限可変トランスミッション、すなわちＳｉｍｋｉｎｓのラチェッティングＣＶＴ。

本明細書に開示された交流発電システム１０５、１０６および１０７は、主として補助電源発電向けであり、一方、車両システム１０１、１０２または１０３は、典型的には、独立、自立型の、おそらく直流の発電システムを有することに留意されたい。しかし、開示された交流発電システムは、車両用の主要な発電システムとして利用できることも想定されている。この点に関して、開示されたシステムによって発電される高電圧交流は、車両内で利用される従来の低電圧直流システムを上回る多くの利点を有する。特に、構成要素は、低電圧直流とは対照的に高圧交流を使用した場合、通常はより小型で、おそらく費用がかからない。加えて、低電圧直流電流とは対照的に高電圧交流を使用した場合、配線はより細くなり得る。複式の発電システムをなくして、単式の発電システムだけを備えることによって、更に省力を実現することができる。

システム１０５、１０６または１０７によって発電された交流電力に対して本明細書において論じた多数の用途は、車両の補助的構成要素向けであったが、一方、開示されたシステムによって発電された高出力交流電流は、ハイブリッド車両などの原動機に対する予備動力源として利用できることも想定されていることに留意されたい。低出力直流電流とは対照的な高出力交流電流の上で論じた利点は、ハイブリッド電気車両にも当てはまろう。開示されたシステム１０５、１０６および１０７は、代替物または予備の原動機動力源として動作する交流電気モータへの電力供給に利用することができる。

次に図８に目を向けると、交流発電システムが、風車または水車などの可変速度エネルギー源に結合されたシステム４００が示されている。システム４００は、エネルギー利用アセンブリ４３０と、トランスミッション４４０と、連続可変トランスミッション（ＣＶＴ）４２０と、交流発電機４６０と、制御器４５０と、断路器４６６と、出力部４６８とを含む。

エネルギー利用アセンブリ４３０は、エネルギー源を利用し、エネルギーを回転シャフトの形式で機械的エネルギーに変換するのに適した任意の装置であってよい。エネルギー利用アセンブリ４３０の具体的な非限定的実施例には、風車アセンブリまたは水車アセンブリが含まれる。当技術分野で知られているように、風車アセンブリは、風力エネルギーを回転シャフトの形式で機械的エネルギーに変換するように構成された１つまたは複数のブレードに結合された回転シャフトを含み得る。水車アセンブリは、運動する水を通り抜ける、シャフトが取り付けられた水車を含むことができ、この水車アセンブリは、移動する水中のエネルギーを回転シャフトの形式、すなわち、目下図示されている出力４３１として機械的エネルギーに変換するように構成されている。いずれにせよ、これらのアセンブリは当技術分野では周知であるので、エネルギー利用アセンブリ４３０の具体的な詳細は、見やすくするため省略する。

トランスミッション４４０は、いくつかの機能を実行することができる。出力４３１は、頻繁に比較的低い速度で回転するが、一方、交流発電機４６０は、一般に、適正な動作のために比較的高い回転速度を必要とする。したがって、トランスミッション４４０は、交流発電機４６０の仕様を満たすために、エネルギー利用アセンブリ４３０から来る回転速度を大幅に加速するために比較的高いギア比を必要とする可能性がある。

トランスミッション４４０は、複数の増分ギア比を含むことができる。たとえば、風車の場合、出力速度は、毎分数回転からの毎分数百（またはそれ以上の）回転の間で、風車の構成および優勢な風速に依存して場合によっては変化し得る。反対に、連続可変トランスミッションは、一般に、有限範囲の入力速度上で動作する。したがって、トランスミッション４４０が、ＣＶＴ４２０に許容可能な範囲に出力４４１を保持するために多重ギア比を含むことは必要となり得る。

連続可変トランスミッション４２０は、可変直径プーリードライブ（リーブスドライブ）、ラチェッティング連続可変トランスミッション、ローラーベースの連続可変トランスミッション、静水圧連続可変トランスミッション、およびＨｙｄｒｉｓｔｏｒ無限可変トランスミッションまたはＳｉｍｋｉｎｓのラチェッティング連続可変トランスミッションを含む、上で論じた任意のＣＶＴであってよい。ＣＶＴ４２０は、所与の範囲内で実質的に無数の可能なトランスミッション比を与えながら、入力シャフトと出力シャフトの回転速度の比を連続的に変更できることが好ましい。

交流発電機４６０は、本明細書に開示されたように、注文生産の交流発電機も確かに利用可能であるが、入手が容易な商用に開発が進んだ比較的廉価な交流発電機であることが好ましい。交流発電機４６０のキロワットでの個々の規模は、出力部４６８での需要負荷、およびエネルギー利用アセンブリ４３０からの有能電力によって規定される。

制御器４５０は、適切などんな制御手段でも使用して、ＣＶＴ４２０のトランスミッション比を制御するように動作可能である。たとえば、ＣＶＴ４２０が可変直径プーリードライブである場合、リニアアクチュエータを制御器４５０によって制御し、必要に応じてＣＶＴ４２０のトランスミッション比を調整することができる。制御器４５０は、以下の１つまたは複数を含む、システム４００の様々な構成要素の動作を監視する。エネルギー利用アセンブリ４３０によって利用されるエネルギー源を検知するように動作可能なセンサ４１０、エネルギー利用アセンブリ４３０とトランスミッション４４０との間でＲＰＭを検知するセンサ４３２、トランスミッション４４０とＣＶＴ４２０との間のＲＰＭを検知するＲＰＭセンサ４２２、ＣＶＴ４２０と交流発電機４６０との間のＲＰＭを検知するように動作可能なＲＰＭセンサ４２４、および、交流発電機４６０によって発電される交流電流の周波数を検知するように動作可能な周波数センサ４６２。

制御器４５０は、周波数設定点４５４も受ける。周波数設定点４５４は、通常、ヨーロッパ規格電子機器用に５０Ｈｚ、または米国規格電子機器用に６０Ｈｚに設定される。しかし、周波数設定点４５４は、特定の用途向けに任意の所望の周波数とすることができる。周波数設定点４５４は、２つのオプションを有するレジストリ制御の形にできることに留意されたい。一方は５０Ｈｚ、他方は６０Ｈｚで、ヨーロッパおよび米国の規格に適合する。または、周波数設定点４５４は、代わりに５０Ｈｚまたは６０Ｈｚのいずれでも前もってプログラムすることができる。周波数設定点４５４は、たとえば、速度ポットまたは他の形の可変入力を通して、ある範囲にわたって調整可能とすることができる。

制御器４５０は、交流発電機４６０が、周波数設定点４５４と実質的に同等の周波数で交流を発生させるように出力４２１を一定の速度に保持するために、ＣＶＴ４２０および必要ならば場合によりトランスミッション４４０の動作を制御する。制御器４５０には、交流発電機システム１０５に関して論じたものと同様の閉ループ制御方式を利用することができる、あるいは制御器４５０は、交流発電機システム１０６または１０７に関して論じたものと同様のフィードフォワード制御方式を利用することができる。制御器４５０に対して潜在的に利用可能な様々な入力の各々は、モデリングまたは経験に基づくテストを通して開発された適切なアルゴリズムでモデル化することができる。

交流発電機４６０によって発電された電流は、断路器４６６を通して出力部４６８に結合される。出力部４６８は、電気コンセント、他の機器との直接接続、または電力グリッドへの接続さえも含む、当技術分野で知られている任意の形をとることができる。（当技術分野で知られているように、電力グリッドに接続するためには追加の機器が必要である。）断路器４６６は安全機能として提供されるが、必須ではない。

本開示が、図面および上記の説明において詳細に示され、説明されたが、これらは、例示として見なされ、性質において限定的とは見なされず、好ましい実施形態だけが示され、説明されており、本発明の趣旨の範囲内から来る全ての変更および改変は保護されることが望まれることを理解されたい。

Claims (19)

1. 制御システムによって制御された原動機と回転エネルギーを前記原動機から伝達するように動作可能な機械的出力部とを有する車両上に取り付けられ、ある有限の範囲内の回転速度で前記回転エネルギーが伝達され、且つ前記機械的出力部は前記原動機から選択的に係合可能および非係合可能である、交流発電機システムであって、
   目標速度で回転したときに、目標周波数で交流電気エネルギーを発生させるように動作可能な交流発電機と、
   前記交流発電機により発生される交流電気の周波数を決定するように動作可能な周波数センサと、
   前記機械的出力部を前記交流発電機に結合させる、有限可変トランスミッション比を有する連続可変トランスミッションと、
   前記機械的出力部からの前記回転エネルギーが、前記目標周波数で交流電気を発生するために実質的に前記目標速度で前記交流発電機を回転させるように、前記交流発電機により発生される前記交流電気の決定された周波数の少なくとも一部に基づいて前記有限可変トランスミッション比を制御するための動作が可能な前記連続可変トランスミッションに結合された制御器と、を含み、前記制御器は前記機械的出力部に結合され、且つ前記原動機から前記交流発電機により発生される前記交流電気の周波数が安全範囲外に離れるならば前記機械的出力部を選択的に係合しないように動作する、
   交流発電機システム。
2. 前記連続可変トランスミッションは、可変直径プーリードライブ、無限可変トランスミッション、ラチェッティング連続可変トランスミッション、ローラーベースの連続可変トランスミッション、静水圧連続可変トランスミッション、ハイドロスタ（Ｈｙｄｒｉｓｔｏｒ）無限可変トランスミッション、およびラチェッティングＣＶＴからなる群から選択される、請求項１に記載の交流発電機システム。
3. 前記連続可変トランスミッションは可変直径プーリードライブである、請求項１に記載の交流発電機システム。
4. 前記目標周波数は５０Ｈｚ〜６８Ｈｚである、請求項１、２または３のいずれかに記載の交流発電機システム。
5. 前記目標周波数は４４Ｈｚ〜５６Ｈｚである、請求項１、２または３のいずれかに記載の交流発電機システム。
6. 制御システムによって制御された原動機と回転エネルギーを前記原動機から伝達するように動作可能な機械的出力部とを有する車両上に取り付けられ、ある有限の範囲内の回転速度で前記回転エネルギーが伝達される交流発電機システムであって、
   目標速度で回転したときに、目標周波数で交流電気エネルギーを発生させるように動作可能な交流発電機と、
   前記機械的出力部を前記交流発電機に結合させる、有限可変トランスミッション比を有する可変直径プーリードライブと、
   前記機械的出力部からの前記回転エネルギーが、実質的に前記目標速度で前記交流発電機を回転させるように前記有限可変トランスミッション比を制御するための動作が可能な前記可変直径プーリードライブに結合された制御器と、
   前記可変直径プーリードライブのＶプーリ部材の位置を調整し、内部スプリング作動を含まない空気式アクチュエータと、
   前記可変直径プーリードライブへの入力部の回転速度を決定するように動作可能なＲＰＭセンサとを含み、前記制御器は、前記可変直径プーリードライブへの前記入力部の前記決定された回転速度に少なくとも一部には基づいて前記有限可変トランスミッション比を制御するように動作可能である、
   交流発電機システム。
7. 前記機械的出力部と前記交流発電機との間に、前記可変直径プーリードライブと直列に配置された固定トランスミッション比を有するギアボックスを更に含む、請求項１から６のいずれかに記載の交流発電機システム。
8. 制御システムによって制御された原動機と回転エネルギーを前記原動機から伝達するように動作可能な機械的出力部とを有する車両上に取り付けられ、ある有限の範囲内の回転速度で前記回転エネルギーが伝達される交流発電機システムであって、
   目標速度で回転したときに、目標周波数で交流電気エネルギーを発生させるように動作可能な交流発電機と、
   前記機械的出力部を前記交流発電機に結合させる、有限可変トランスミッション比を有する連続可変トランスミッションと、
   前記機械的出力部からの前記回転エネルギーが、実質的に前記目標速度で前記交流発電機を回転させるように前記有限可変トランスミッション比を制御するための動作が可能な前記連続可変トランスミッションに結合された制御器と,を備え、
   可変直径プーリードライブのＶプーリ部材の位置を調整し、内部スプリング作動を含まない空気式アクチュエータを更に含む、
   交流発電機システム。
9. 制御システムによって制御される原動機と、前記原動機から回転エネルギーを伝達するように動作可能であり、且つ前記原動機から選択的に係合可能および非係合可能である、機械的出力部とを有する移動車両上で交流電気を発電する方法であって、
   ａ）目標速度で回転したときに、目標周波数で交流電気エネルギーを発生させるように動作可能な交流発電機であって、前記交流発電機が前記車両上で取り付けられ、有限可変トランスミッション比を有する連続可変トランスミッションを通して前記交流発電機への前記機械的出力部に結合される交流発電機を設けるステップと、
   ｂ）前記有限可変トランスミッション比を制御するように動作可能な制御器を設けるステップと、
   ｃ）前記交流発電機で発電された前記電気の前記周波数を決定するステップと、
   ｄ）前記有限可変トランスミッション比を前記決定された周波数および前記目標周波数に相互に関連させる制御ロジックを提供するステップと、
   ｅ）前記制御器内で、前記交流発電機が前記目標周波数で交流電気を発生するように前記有限可変トランスミッション比を決定するステップと、
   ｆ）前記交流発電機が前記目標周波数で交流電気を発生するように前記連続可変トランスミッションの前記トランスミッション比を調整するステップと、
   ｇ）前記制御器において、前記交流発電機で発電された前記電気の前記周波数を監視し、且つ前記交流発電機で発電された前記電気の前記周波数が安全範囲外に離れるならば前記機械的出力部を選択的に非係合にするステップと、
   を含む方法。
10. ｈ）可変直径プーリードライブ、無限可変トランスミッション、ラチェッティング連続可変トランスミッション、ローラーベースの連続可変トランスミッション、静水圧連続可変トランスミッション、ハイドロスタ（ｈｙｄｒｉｓｔｏｒ）無限可変トランスミッション、およびラチェッティングＣＶＴからなる群から前記連続可変トランスミッションを選択するステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
11. ｉ）前記連続可変トランスミッションとして可変直径プーリードライブを設けるステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
12. ｊ）前記機械的出力部と前記交流発電機との間に、前記連続可変トランスミッションと直列に配置された固定トランスミッション比を有するギアボックスを設けるステップを更に含む、請求項９から１１のいずれかに記載の方法。
13. 制御システムによって制御される原動機と、前記原動機から回転エネルギーを伝達するように動作可能な機械的出力部とを有する移動車両上で交流電気を発電する方法であって、
    ａ）目標速度で回転したときに、目標周波数で交流電気エネルギーを発生させるように動作可能な交流発電機であって、前記交流発電機が前記車両上で取り付けられ、有限可変トランスミッション比を有する連続可変トランスミッションを通して前記交流発電機への前記機械的出力部に結合される交流発電機を設けるステップと、
    ｂ）前記有限可変トランスミッション比を制御するように動作可能な制御器を設けるステップと、
    ｃ）前記交流発電機で発電された前記電気の前記周波数を決定するステップと、
    ｄ）前記有限可変トランスミッション比を前記決定された周波数および前記目標周波数に相互に関連させる制御ロジックを提供するステップと、
    ｅ）前記制御器内で、前記交流発電機が前記目標周波数で交流電気を発生するように前記有限可変トランスミッション比を決定するステップと、
    ｆ）前記交流発電機が前記目標周波数で交流電気を発生するように前記連続可変トランスミッションの前記トランスミッション比を調整するステップと、
    ｇ）可変直径プーリードライブのＶプーリ部材の位置を調整し、内部スプリング作動を含まない空気式アクチュエータを設けるステップを含む、
    方法。
14. 目標速度で回転するとき、目標周波数で交流電気エネルギーを発生させるように動作可能な交流発電機と、
    前記交流発電機により発生される交流電気の周波数を決定するように動作可能な周波数センサと、
    独立に制御された回転する車両上の可変速度機械的出力部を前記交流発電機に結合させ、有限可変トランスミッション比を有する連続可変トランスミッションと、
    前記可変速度の回転する機械的出力部は、一体に結合されたときに前記交流発電機を実質的に前記目標速度で回転させるように、前記交流発電機により発生される前記交流電気の決定された周波数の少なくとも一部に基づいて前記有限可変トランスミッション比を制御するための動作が可能な制御器と、
    を含む、車両へ交流発電機システムを追加するためのキット。
15. 前記連続可変トランスミッションは、可変直径プーリードライブ、無限可変トランスミッション、ラチェッティング連続可変トランスミッション、ローラーベースの連続可変トランスミッション、静水圧連続可変トランスミッション、ハイドロスタ（Ｈｙｄｒｉｓｔｏｒ）無限可変トランスミッション、およびラチェッティングＣＶＴからなる群から選択される、請求項１４に記載のキット。
16. 前記連続可変トランスミッションは可変直径プーリードライブである、請求項１４に記載のキット。
17. 目標速度で回転するとき、目標周波数で交流電気エネルギーを発生させるように動作可能な交流発電機と、
    独立に制御された回転する車両上の可変速度機械的出力部を前記交流発電機に結合させ、有限可変トランスミッション比を有する連続可変トランスミッションと、
    前記可変速度の回転する機械的出力部は、一体に結合されたときに前記交流発電機を実質的に前記目標速度で回転させるように、前記有限可変トランスミッション比を制御するための動作が可能な制御器と、
    前記連続可変トランスミッションへの入力部の回転速度を決定するように動作可能なＲＰＭセンサを更に含み、前記制御器は、前記連続可変トランスミッションへの前記入力部の前記決定された回転速度に少なくとも一部には基づいて前記有限可変トランスミッション比を制御するように動作可能である、
    車両へ交流発電機システムを追加するためのキット。
18. 目標速度で回転するとき、目標周波数で交流電気エネルギーを発生させるように動作可能な交流発電機と、
    独立に制御された回転する可変速度機械的出力部を前記交流発電機に結合させ、有限可変トランスミッション比を有する連続可変トランスミッションと、
    前記可変速度の回転する機械的出力部は、一体に結合されたときに前記交流発電機を実質的に前記目標速度で回転させるように、前記有限可変トランスミッション比を制御するための動作が可能な制御器と、
    可変直径プーリードライブのＶプーリ部材の位置を調整するように動作可能な、内部スプリング作動を含まない空気式アクチュエータと、
    含むキット。
19. 前記可変直径プーリードライブへの入力部の回転速度を決定するように動作可能なＲＰＭセンサを更に含み、前記制御器は、前記可変直径プーリードライブの前に前記決定された回転速度に少なくとも一部には基づいて前記有限可変トランスミッション比を制御するように動作可能である、請求項１８に記載のキット。

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