CN1238965C - 车辆用发电电动机系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种发电机特性及电动机特性优异、逆变器等外围设备能够小型化的车辆用发电电动机系统。旋转电机(1)由具有三相电枢绕组(2)的定子及转子(12)构成，转子(12)由使多个励磁磁极(14a及15a)磁化的励磁线圈(3)、以及与励磁线圈(3)一起使多个励磁磁极(14a及15a)磁化的永磁体(17)构成，具有在旋转电机(1)起到作为电动机功能时起到作为逆变器的功能的功率变换器(4)，在使旋转电机(1)起到作为电动机功能时，由于利用永磁体(17)相当于增磁，使得功率变换器(4)在低速旋转区对电枢绕组(2)的通电电流加以限制。

Description

车辆用发电电动机系统

技术领域

本发明涉及安装在车辆用内燃机上进行内燃机起动及对电池电源进行充电的车辆用发电电动机系统。

背景技术

近年来，为了简化安装在车辆上的装备，正研究使用兼用作电池充电及内燃机起动用的发电机及电动机的同步电机，关于其结构提出了各种方案。在这样的同步电机中，从抑制凸极型的磁极部分产生的漏磁通以增大输出等的目的出发，对于同步电机的励磁也提出了各种同时采用励磁绕组及永磁体那样的结构的方案。

例如，在专利文献1中揭示了一种技术，它是在由产生磁通的转子线圈(励磁绕组)、及覆盖该转子绕组而形成的具有交替啮合的爪形磁极的一对磁极铁心构成的凸极型转子中，在交替啮合的爪形磁极之间设置永磁体，通过使该永磁体磁化，具有与接触的磁极相同的极性，来抑制磁极之间等产生的漏磁通，该漏磁通的抑制是与增大同步发电机的发电输出相关的。

另外，除了上述专利文献1所揭示的结构以外，作为增大发电输出的措施还可以采用下述的方案，即与励磁组的磁通势方向平行设置永磁体，通过这样对电枢进行增磁，同时减轻在励磁组的内径一侧形成的磁路的磁饱和，以增大同步发电机的输出，或者作为增大低速旋转区的输出的措施可以采用下述的方案，即在电枢绕组中流过利用逆变器进行相位控制的电流，通过使转矩电流为负而使发电输出增加。

专利文献1

日本专利特开平11-136913号公报(第3～4页，第1图，第2图)

在将同步电机兼用作内燃机起动用的电动机及电池充电用的发电机时，例如与发电机专用的情况比较，则有下述的问题。即，为了提高作为内燃机起动用电动机的响应性，必须减少励磁绕组数(电感量)，以减小时间常数，因此在起到作为发电机功能时，特别在低速旋转区中发电量不足，经常发生电池处于放电状态的情况。

作为解决的措施，如上所述，虽考虑利用逆变器进行相位控制并在电枢绕组中流过使转矩电流为负的电流，以力图提高低速旋转区的发电特性，但该方法如后所述，发电效率降低，不一定能说是最好的方法。另外，在使用同步电机作为起动用电动机时，由于逆变器中流过起动时的大电流，因此必然大型化，或者必须考虑采用水冷方式对开关元件进行水冷等，再有的问题是由于电池的充放电电流的增大，将导致寿命降低。

再有，在使用同时采用励磁绕组及永磁体的同步电机作为发电机兼电动机时，虽然发电机的特性因永磁体的磁通部分而提高，如上所述改善了低速旋转区的发电量不足的情况，但在起到作为内燃机起动用的电动机的功能时，虽然起动时的最大转矩增大，但存在的问题是，随着转速上升，因永磁体的磁通而产生的电枢感应电压上升，抑制了电枢电流，结果高速时的电动机特性急剧恶化。

发明内容

本发明正是为了解决这样的问题而提出的，目的在于得到发电机特性及电动机特性优异、逆变器等外围设备能够小型化的车辆用发电电动机系统。

本发明有关的车辆用发电电动机系统，包括由具有三相电枢绕组的定子及具有使多个励磁磁极磁化的励磁线圈和对该励磁线圈产生的磁通附加磁通的永磁体的转子所构成的旋转电机、在旋转电机起到作为发电机功能时起到作为整流装置的功能而在旋转电机起到作为电动机功能时起到作为逆变器的功能的功率变换器、以及控制功率变换器的控制装置，在旋转电机起到作为电动机功能时，控制装置控制功率变换器，使其对低速旋转区的电枢绕组的通电电流加以限制。

在本发明的车辆用发电电动机中，在旋转电机起到作为电动机功能时，由于使其对低速旋转区的电枢电流加以限制，因此利用来自永磁体的附加磁通，即使限制了电枢电流也能够得到足够的转矩，由于限制了电枢电流，因此能够使起到逆变器的功能的功率变换器小型化，并简化了冷却方式，同时能够延长电池的寿命，再有由于电池电压的变动减少，因此能够抑制因车载电子设备的低电压而引起的动作复位等，能够得到优异的车辆用发电电动机系统。

附图说明

图1为根据本发明实施形态1的车辆用发电电动机系统的系统构成图。

图2为根据本发明实施形态1的车辆用发电电动机系统中使用的转子的部分剖视图。

图3为说明根据本发明实施形态1的车辆用发电电动机系统之效果的特性图。

图4为说明根据本发明实施形态1的车辆用发电电动机系统之效果的特性图。

图5为说明根据本发明实施形态1的车辆用发电电动机系统之效果的特性图。

图6为说明根据本发明实施形态1的车辆用发电电动机系统之效果的特性图。

图7为说明根据本发明实施形态2的车辆用发电电动机系统之效果的特性图。

图8为根据本发明实施形态3的车辆用发电电动机系统中使用的转子的部分剖视图。

[标号说明]

1发电电动机，2电枢绕组，3励磁绕组，4功率变换器，5励磁电流控制装置，6u～6w、7u～7w开关元件，8u～8w、9u～9w二极管，10电池，11开关元件，12转子，13旋转轴，14、15转子铁心，14a、15a爪形磁极，17永磁体，18跨接构件。

具体实施方式

实施形态1

图1至图6说明的是根据本发明实施形态1的车辆用发电电动机系统，图1为车辆用发电电动机的系统构成图，图2所示为根据本实施形态的车辆用发电电动机系统中使用的转子结构例子的部分剖视图，图3至图6为说明效果的特性图。

在图1中，发电电动机1是具有三相电枢绕组2、励磁绕组3及利用图2如后所述的励磁用永磁体的同步旋转电机，安装在车辆用内燃机上，同时利用未图示的控制装置的控制，在内燃机起动时起到作为起动电动机的功能，另外在内燃机起动后起到作为充电发电机的功能，来自未图示的控制装置的控制指令提供给功率变换器4及励磁电流控制装置5，通过两者的控制，发电电动机1起到起动电动机或充电发电机的功能。

功率变换器4的开关元件6u～6w及7u～7w连接成三相桥式电路，二极管8u～8w及9u～9w与各开关元件反向连接，各开关元件6u～6w及7u～7w利用来自未图示的控制装置的控制信号进行PWM控制，对发电电动机1的电枢绕组2供给三相交流电流，使发电电动机1起到作为电动机的功能。另外，在发电电动机1起到作为发电机的功能时，发电电动机1的输出利用各二极管8u～8w及9u～9w进行全波整流，对安装在车辆上的电池10进行充电。

励磁电流控制装置5是从电池10接受供给的功率，对励磁绕组3供给励磁电流，在发电电动机1起到作为发电机的功能时，根据输出电压使开关元件11导通及关断，通过该占空比来控制励磁电流，将发电电动机1的输出控制在与电池10的放电状态相应的目标值，另外在发电电动机1起动作为电动机的功能时，则如后所述，利用未图示的控制装置的控制，将励磁电流控制成与转速及电枢绕组2的电流等相对应的目标电流值。

图2所示为发电电动机1中的转子12的简要结构。转子12由旋转轴13、固定在该旋转轴13上的具有励磁绕组3并利用流过励磁绕组3的励磁电流进行磁化的凸极型转子铁心14及15、以及对励磁绕组3供给励磁电流的滑环16等构成，转子14及15分别具有多个爪形磁极14a及15a，各爪形磁极14a与15a交替啮合排列，利用励磁电流进行磁化，使它们交替成为不同极性。另外，在各爪形磁极14a与15a之间插入永磁体17，永磁体17被磁化成具有与相对的各爪形磁极14a及15a相同的极性。

通常，在爪形磁极14a与15a之间，产生与相对的面的面积及距离相应的漏磁通，因这部分而使得与电枢绕组2交链的励磁磁通减少，但通过如上所述设置永磁体17并使之磁化，则能够抑制各爪形磁极间的漏磁通，同时永磁体17产生的磁通附加在励磁绕组3的磁通上，与电枢绕组2交链。这在所有各爪形磁极之间都相同，电枢绕组2的交链磁通大幅度增加。在本实施形中，在使这样构成的车辆用发电电动机起到作为电动机的功能时，它的控制内容是如下所述那样构成的。

即，在发电电动机1起到作为电动机的功能时，通常对发电电动机1要供给为了得到必要的起动转矩用的励磁电流及电枢电流，而在根据本发明实施形态1的车辆用发电电动机系统中，由于励磁通利用永磁体17而增大，因此为了得到必要的起动转矩用的电枢电流因励磁磁通的增大而可控制设定为较小的值。由于电动机产生的转矩与电枢电流与励磁磁通之积成正比，因此该设定是可行的。

功率变换器4的各开关元件6u～6w及7u～7w形成对发电电动机1的电枢供给电枢电流的逆变器，而逆变器的容量是根据内燃机起动时流过的电枢电流来决定的，通过这样来决定各开关元件的容量及冷却方式。如上所述，通过对系统进行控制，使得因电枢绕组2的交链磁通的增大而降低电枢电流，就能够降低各开关元件6u～6w及7u～7w的容量，并简化冷却方式(例如由水冷变为空气冷却)，同时能够降低功耗，并能够避免因大电流通电而造成电池电压的异常降低所导致的电子设备的动作复位等。

例如在系统电压为12V系列的车辆上安装的控制装置及音响设备中是这样构成的，即若电源电压降低至6～8V左右，则进行复位，这样每次内燃机起动都要复位。如上所述，在本实施形态中，能够减少内燃机起动时的发电电动机1的电枢电流，能够抑制电池电压的降低，结果能够守铨不发生这样的电子设备的复位现象，或者至少大幅度减少发生的频次。在实施形态1中，是因采用永磁体17而使励磁磁通增大，从而使起动时的电枢绕组2的线电流减少，而得到所需要的转矩，例如在系统电压为12V的线电流抑制在300A以下，则能够简化对功率变换器4的冷却方式，即使用空气冷却方式也完全能够实用，能够使功率变换器4及其外围设备小型化，随着充放电电流的减少以力图提高电池寿命。

车辆暂时停车时，为了抑制排气，采用使内燃机运转暂时停止的空转停止。在使车辆空转停止时，必须与起动指令同时在短时间内使内燃机再起动。如上所述，在采用永磁体17而使励磁磁通增大的情况下，能够通过减少匝数来减少励磁绕组3的安匝数，能够将励磁绕组3的时间常数设定得较小。通过这样，能够缩短励磁电流的上升时间，加速进行内燃机的再起动，另外通过因匝数减少而使励磁电流增加，与利用永磁体17而附加励磁磁场一起作用，使转矩增大，再进一步能够缩短再起动时间。

图3及图4所示为使发电电动机1起到作为电动机功能时的特性。在图3中，发电电动机1产生的转矩如图所示，随着转速的上升而下降。在为了限制功率变换器4的各开关元件6u～6w及7u～7w的容量而利用PWM控制对电枢电流加上限制的情况下，根据该限制，虽对电枢绕组2的通电电流量在低速旋转区不增大至规定值以上，对于低速旋转区产生的转矩有界限，但因永磁体17而附加的励磁磁通，能够补偿该转矩，如图所示，尽管有电流限制，但能够增大低速转矩。

图4所示为在这样利用永磁体17使低速转矩增大时及不利用永磁体17附加励磁磁通时的起动特性，在利用永磁体17有附加励磁磁通时，在电源接通后，由于能够将励磁绕组3的时间常数设定为较小，因此输出迅速上升，即使限制功率变换器4的容量，或者简化冷却方式，也能够缩短内燃机的起动时间。

在这样利用永磁体17的附加励磁磁通使用为电动机的转矩增大时，由于电枢绕组2的电动势与磁通量及转速成正比，因此感应电压与转速上升一起上升，若该电压超过功率变换器4的逆变器输出电压，则不能进行电流控制，不能维持高转速区的转矩。因而，在未图示的控制装置中，设定与转速相应的目标励磁电流值，另外构成励磁电流控制装置与，使其根据该目标励磁电流值来控制励磁电流，通过这样发电电动机1维持高速区的转矩。

图5是表示该状态的曲线图，是在使发电电动机1起到作为电动机的功能时，表示不同励磁电流相对于各转速而产生的转矩的曲线图。控制装置检测发电电动机1的转速，若励磁电流控制装置与控制达到与转速对应的励磁电流，则能够使其具有描绘图中最高转矩那样的转矩特性，能够在短时间内，另外容易完成内燃机的再起动。即，在低速旋转区增大励磁电流，与利用永磁在17所附加的励磁磁通一起，增大电枢电流的抑制效果，并随着转速上升而使励磁电流减少，达到与各转速对应的目标值，通过这样能够有效地将电动机的输出转矩设定在与各转速对应的最高转矩值附近。

另外，在利用发电电动机1起动内燃机时，在起动开始虽然有比较大的电流流过，电池10的端电压下降，但随着转速上升，电枢电流就减少，电池10的端电压大大上升，逆变器的输入电压也随着转速而一起上升。对于发电电动机1的控制设定控制图，控制图中设定三相端电压，并根据该设定值进行电流控制即转矩控制，但能够控制的三相端电压也随着转速一起上升。图6所示为与转速对应的发电电动机1产生的转矩因上述三相端电压而变化的特性。

发电电动机1产生的转矩如图6的实线所示，虽因三相端电压的值而变化，但若使未图示的控制装置检测发电电动机1的转速，设定与该转速对应的三相端电压，并根据该电压设定值来控制功率变换器4的逆变器功能，就能够如图6的虚线所示的特性那样，将与转速及三相端电压相对应的产生的转矩经常维持在最大值附近，能够有效地增大发电电动机1的电动机输出。另外，将与该转速对应的三相端电压及上述的与转速对应的目标励磁电流值作为控制图存入未图示的控制装置，通过这样能够有效地控制发电电动机1。

实施形态2

本实施形态是说明使发电电动机1起到作为发电机的功能时的控制的形态。如上所述，在使发电电动机1起到作为电动机的功能时，为了减小励磁绕组3的时间常数，以缩短励磁电流的上升时间，在使励磁绕组3的匝数减少时，作为发电机的发电性能，特别是低速区的输出降低，将导致频频产生电池输出增加。对此，在以往的控制中，如上所述采用下述的控制方式，即由功率变换器4的逆变器进行相位控制，在电枢绕组2中流过使转矩电流为负的交流电流，以补偿发电输出。

但是，在这样的控制方式中，由于电枢绕组2中流过进行相位控制的电流，因此必然发电效率降低。在本实施形态中，由于有利用永磁体17产生的励磁磁通的补偿，因此不利用电枢电流进行补偿，而能够提高发电输出。图7所示的为该状态的特性图，图中的特性A是使励磁绕组3的时间常数降低情况下的输出特性，特性B是对特性A附加永磁体17情况下的输出特性，特性C是在电枢中流过进行相位控制的电流情况下的输出特性，通过附加永磁体17，即使减少励磁绕组3的匝数，也能够得到足够的发电输出，能够得到兼具有发电机功能及电动机功能的发电电动机，同时通过仅限定于电动机控制时使用功率变换器4的逆变器功能，就能够使控制简化。

实施形态3

图8所示为根据本发明实施形态3的车辆用发动电动机系统中使用的转子的构成剖视图，根据本发明实施形态的发电电动机正是为了对插入爪形磁极之间的永磁体的机械强度及却磁进行保护的发电电动机。

在图8中，将转子12的转子铁心14及15延长的爪形磁极14a及15a交替排列，在爪形磁极14a与15a之间插入永磁体17，将永磁体17磁化成与接触的爪形磁极相同的极性。在各爪形磁极14a及15a与永磁体17的外周侧设置跨接构件18，跨接构件18由例如薄环形磁性体形成，嵌入各爪形磁极14a及15a的外周，或者通过锻造等与各爪形磁极14a及15a形成一体，跨接在各爪形磁极14a与15a之间。

插入爪形磁极14a与15a之间的永磁体17受到因转子12的旋转而产生的离心力作用，同时受到因励磁绕组3的磁通势及电枢绕组2的磁通势产生的反磁场的作用。在永磁体17是使用烧结磁体等情况下，烧结磁体在机械性能上不是很牢固的材料，另外高温下矫顽力降低，容易因反磁场而产生去磁，但利用上述那样的结构，由于利用跨接构件18能够承受加在永磁体17上的离心力，利用跨接构件18能够将励磁绕组3及电枢绕组2产生的反磁场短路而削弱去磁力，因此能够既在机械性能上、又在磁性能上进行保护。

Claims (9)

1、一种车辆用发电电动机系统，其特征在于，包括：

由具有三相电枢绕组的定子及具有使多个励磁磁极磁化的励磁线圈和对该励磁线圈产生的磁通附加磁通的永磁体的转子所构成的旋转电机、

在所述旋转电机起到作为发电机功能时起到作为整流装置的功能而在所述旋转电机起到作为电动机功能时起到作为逆变器的功能的功率变换器、以及

控制所述功率变换器的控制装置，

在所述旋转电机起到作为电动机功能时，所述控制装置控制所述功率变换器，使其对低速旋转区的所述电枢绕组的通电电流加以限制。

2、如权利要求1所述的车辆用发电电动机系统，其特征在于，包括：

控制流过所述励磁线圈的励磁电流的励磁电流控制装置，

在所述旋转电机起到作为电动机功能时，在低速旋转区中所述控制装置控制所述励磁电流控制装置，使励磁电流增大。

3、如权利要求2所述的车辆用发电电动机系统，其特征在于，

所述控制装置控制所述励磁电流控制装置，随着所述旋转电机的转速增大而使励磁电流减少。

4、如权利要求1至3任一项所述的车辆用发电电动机系统，其特征在于，

在起到作为逆变器的功能的所述功率变换器控制所述旋转电机作为起动电动机时，所述控制装置使所述逆变器的三相端电压设定值与所述旋转电机的转速相应进行变化。

5、如权利要求1所述的车辆用发电电动机系统，其特征在于，

所述电枢绕组的通电电流的限制值设定为300A以下。

6、如权利要求1所述的车辆用发电电动机系统，其特征在于，

具有逆变器功能的所述功率变换器的冷却法是空气冷却。

7、如权利要求1所述的车辆用发电电动机系统，其特征在于，

控制所述功率变换器的逆变器功能，使其仅在所述旋转电机作为电动机使用时起动逆变器功能。

8、如权利要求1所述的车辆用发电电动机系统，其特征在于，

所述转子是具有交替啮合排列的多个爪形磁极形成的一对转子铁心的凸极型转子，在相邻的所述爪形磁极之间插入所述永磁体。

9、如权利要求8所述的车辆用发电电动机系统，其特征在于，

相邻的所述爪形磁极之间在所述爪形磁极的外周部分利用磁性体的跨接构件形成磁性短路，在所述跨接构件的内周侧配置所述永磁体。

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