JP2002191158A - 車両用電動発電装置 - Google Patents

車両用電動発電装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】界磁巻線型同期機の体格増大を抑止しつつエン
ジン始動時間の短縮を実現した車両用電動発電装置を提
供すること。 【解決手段】エンジン始動時に、界磁巻線型同期機の界
磁電流による界磁磁束形成を電機子電流によりアシスト
する。界磁巻線111の過熱を抑止しつつエンジン始動
期間を短縮することができ、発電電動機100の体格増
大を回避することができる。。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両用電動発電装
置に関する。本発明は、車両用エンジン始動兼バッテリ
充電装置やハイブリッド電気自動車用の発電電動機とし
て使用することができる。
【0002】
【従来の技術】界磁巻線を有する同期機を車両用発電電
動機に用いることにより、エンジン始動と走行中の発電
とを単一の回転電機で行うことが従来より提案されてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、車両用
発電電動機では、大電力発電直後にエンジンをたとえば
アイドルストップなどで停止し、その短時間後に再度エ
ンジン始動を行うと、エンジン始動のために界磁巻線に
大界磁電流を悪冷却条件(低速回転条件)下で流す必要
があるため、界磁巻線が絶縁皮膜の最高許容温度Tmaxを
超え、絶縁皮膜の絶縁劣化や損傷を招く可能性が生じ
る。
【0004】したがって、車両用発電電動機では、最高
の周囲温度における最大発電直後にエンジン始動を行う
という上記最悪条件下で、界磁巻線温度がその絶縁皮膜
の最高許容温度Tmaxを超えないように設計する必要があ
った。このため、エンジン始動機能兼発電機能をもつ車
両用発電電動機の体格は、発電機能のみをもつ車両用発
電電動機に比較して特に内燃機関車(内燃機関の発生ト
ルクを機械的に車輪駆動機構に伝達する通常の車両)で
は、格段に大きくする必要がある。
【0005】しかしながら、このようなエンジン始動と
いう短時間の熱的過酷条件に合わせて車両用発電電動機
を設計することは、車両用発電電動機の運転時間のほと
んどにおいて、車両用発電電動機に冗長な熱的余裕を持
たせることになり、その体格、重量の増大が採用を困難
としていた。
【0006】また、上記アイドルストップでは、車両発
進指令入力後のエンジン始動時間短縮のため大きなエン
ジン始動トルクを発生する必要があるが、界磁巻線は大
きなインダクタンスをもつために界磁磁束を要求レベル
にまで増大するのに時間を要し、エンジン始動時間が長
時間化していた。
【0007】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、界磁巻線型同期機の体格増大を抑止しつつエンジ
ン始動時間の短縮を実現した車両用電動発電装置を提供
することをその目的としている。
【0008】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の車両用電
動発電装置は、界磁巻線を有する界磁巻線型の同期発電
電動機と、前記同期発電電動機の電機子巻線に電機子電
流を給電する交直双方向電力変換器と、前記同期発電電
動機の前記界磁巻線に界磁電流を供給して界磁巻線磁束
を形成する界磁回路と、前記交直双方向電力変換器及び
前記界磁回路を制御する制御回路とを有してエンジン始
動及び車両走行中の発電を行う車両用電動発電装置にお
いて、前記交直双方向電力変換器は、前記界磁束と同一
方向の磁束を形成する電流成分を有する前記電機子電流
を、エンジン始動時に前記電機子巻線に通電することを
特徴としている。
【0009】すなわち、本構成によれば、界磁電流によ
る界磁磁束形成を電機子電流によりアシストするので、
界磁巻線の過熱を抑止しつつエンジン始動期間を短縮す
ることができ、発電電動機の体格増大を回避することが
できる。
【0010】請求項2記載の構成によれば請求項1に記
載の車両用電動発電装置において更に、前記交直双方向
電力変換器は、前記界磁束と略同一方向(位相角差でπ
/4未満)の磁束を形成する前記電機子電流を、エンジ
ン始動期間の初期に前記電機子巻線に通電し、その後、
前記電機子電流の位相をエンジン始動用のトルク発生の
向きにシフトすることを特徴としている。
【0011】本構成によれば、電機子電流のほとんどを
界磁巻線による界磁束と略同一方向(位相角差でπ/4
未満)での磁束形成のために用いることができるので、
界磁束形成速度をアップして界磁束が十分に増大するま
での時間における界磁巻線の発熱を低減することができ
るので、上記効果を一層向上することができる。
【0012】請求項3記載の構成によれば請求項1又は
2に記載の車両用電動発電装置において更に、前記電機
子巻線は、エンジン始動に際して前記界磁巻線への通電
に先だって前記界磁巻線の略磁束形成角度位置に電機子
電流磁束を形成する電機子電流を給電されることを特徴
としている。
【0013】本構成によれば、エンジン始動時の界磁束
増大期間中における界磁巻線の発熱を一層抑止すること
ができる。たとえば、界磁巻線による界磁束と同一方向
へほとんど磁気飽和するレベルにまで、電機子電流によ
り磁束を形成した場合、その後の界磁巻線の界磁電流増
加速度は上記磁気飽和傾向による磁気回路の実質インダ
クタンスの減少のために、かつ、界磁電流による必要磁
束増加量が少ないために、格段に速くなる。
【0014】請求項4記載の構成によれば請求項1記載
の車両用電動発電装置において更に、前記同期発電電動
機は、ハウジングの内周面に固定された固定子の内周面
に所定ギャップを隔てつつ前記ハウジングに回転自在に
支承される円筒状のロータコアと、前記ロータコアに固
定されて前記ロータコアの外周面に界磁極を形成する永
久磁石と、前記ロータコアの径内側に配設されて前記ロ
ータコアとともに前記永久磁石の磁石磁界の短絡磁路を
形成するとともに、前記界磁巻線が巻装されて前記界磁
巻線磁束の磁路を形成する継鉄部とを有することを特徴
としている。
【0015】本構成によれば、界磁巻線が磁石磁界に打
ち克って電流磁束を逆方向に形成するため通常の同期機
より界磁磁界形成が遅れがちになるので、一層有効であ
る。なお、上記継鉄部は、円筒状のロータコアと一体に
回転する回転継鉄部とこの回転継鉄部とともに磁気回路
を構成する静止継鉄部とで構成することができ、界磁巻
線はこの静止継鉄部に巻装することができる。この界磁
巻線を静止継鉄部に巻装する構造では、界磁巻線を回転
させる必要がない。
【0016】
【発明の実施の形態】本発明の好適な態様を以下の実施
例を参照して説明する。
【0017】
【実施例】(全体構成)この実施例の車両用電動発電装
置の全体構成を図1に示す。
【0018】発電電動機100は、永久磁石併用界磁巻
線型同期機であって、ロータ110及びロータ110の
径方向外側に配置されたステータ120を有している。
【0019】ロータ110は、界磁巻線111が巻装さ
れた第1のロータコア112と、第1のロータコア11
2の径方向外側に位置して第1のロータコア112に対
して相対回転不能に同軸配置されるとともに磁石113
をもつ第2のロータコア114とを有している。ロータ
110は、エンジン(図示しない)のクランク軸にベル
ト等の伝達機構を介して機械的に連結されている。
【0020】ステータ120は、第2のロータコア11
4の外周面に所定ギャップを隔てて対面する内周面を有
するステータコア122と、それに巻装された電機子巻
線121とを有している。
【0021】その他、発電電動機100は、ロータ11
0の回転位置を検出する回転センサ130、界磁巻線1
11に直流電力を供給するブラシ141、スリップリン
グ142から構成される給電器140を有している。
【0022】200は、発電電動機100の電機子巻線
121と三相交流電力を授受するインバータ(交直双方
向電力変換器)であり、トランジスタ201a〜201
c、202a〜202cと、ダイオ−ド203a〜20
3c、204a〜204cにより構成されている。
【0023】300は、トランジスタ301とダイオ−
ド302とで構成されて、給電器140を介して界磁巻
線111に直流電力を供給する界磁回路である。
【0024】400は、要求信号および回転センサ13
0の信号に基づいてインバータ200、界磁回路300
を制御するコントローラ400である。
【0025】インバータ200および界磁回路300に
はコンデンサ500、バッテリ600、電気負荷700
が接続されている。
【0026】上記したこの車両用発電電動機100は、
磁石併用式の界磁巻線型同期機であってその構成及び基
本動作自体は既に良く知られており、かつ、本発明の主
旨でもないので、これ以上の説明は省略する。
【0027】(動作説明)界磁回路300が非通電時の
磁束の流れを図2に示す。磁石113は、ステータコア
122側へ流れる磁束φs1と第1のロータコア112
側へ流れる磁束φr1を形成している(以下、この状態
をAという)。
【0028】界磁回路300への通電時の磁束の流れを
図3に示す。界磁巻線111に界磁電流が流れることに
より、磁石113の磁束は全てステータコア122を流
れ、φs2(>φs1)が形成される。これと同時に、
界磁電流により、磁束φr1とは逆向きに磁束φr2が
形成される(以下、この状態をBという)。状態Bで
は、ステータコア122に流れる磁束はφs2+φr2
となって、これと電機子121に流れる電機子電流との
電磁作用によりトルクが発生する。
【0029】発電電動機100によりエンジンを始動さ
せる場合、コントローラ400からの信号により、界磁
回路300が界磁巻線111に界磁電流を供給して状態
Aから状態Bにする。しかし、界磁巻線111の大きな
インダクタンスのために、界磁巻線111の起磁力Ffだ
けでは、状態Aから状態Bへの移行に0.2秒以上の時
間を要する。
【0030】そこで、この実施例では、コントローラ4
00からの信号により、界磁巻線111への界磁電流給
電と同時に、界磁電流が形成する磁束と同一方向の磁束
を形成する電機子電流を電機子巻線121に流す。これ
により、電機子巻線121は、図4に示すように、界磁
巻線111の起磁力Ffと同一方向の起磁力Fadを発生す
る。
【0031】これにより、界磁巻線111の起磁力Ffの
方向へ急速に磁束が形成され、状態Aから状態Bへの変
化時間を短縮することができる。なお、この時、電機子
電流の大きさ(振幅)ができるだけ大きくなるように、
インバータ200のオンデューテイ比はできるだけ大き
く設定することが好適である。
【0032】前記界磁磁束が所定値に達したと推定され
る所定時間後、コントローラ400からの信号により電
機子121に流れる電機子電流の位相角を最大トルク発
生角まで徐々に電動トルク増大方向へシフトする。
【0033】これにより、エンジン始動時間を短縮する
ことができる。
【0034】(変形態様)上記実施例では、エンジン始
動に際し、界磁電流の通電開始と電機子電流の通電開始
とを同時に行ったが、電機子電流通電を先行させること
も可能である。
【0035】すなわち、エンジン始動時において、起磁
力Fadが界磁巻線の起磁力Ffの方向へ生じるように電機
子電流を最大限通電することにより、磁気回路に蓄積す
べき磁気エネルギーを電機子巻線から供給する。それが
一部又はほとんど終了した後で、界磁巻線111に給電
する。これにより、エンジン始動時における界磁巻線1
11の過熱を良好に防止することができる。
【0036】(変形態様)上記実施例では、磁石磁界短
絡構造の磁石併用式界磁巻線型同期機を例として説明し
たが、本発明は、界磁巻線型同期機全般に適用できるこ
とは明白である。
【0037】また、第2のロータコア114に軸方向に
磁気短絡部材を挿通し、この磁気短絡部材の軸方向一端
側から第1のロータコア112に磁石磁束を導き、更に
第1のロータコア112と第2のロータコア114との
間に介設された円筒状の静止継鉄部に導き、この静止継
鉄部から第2のロータコア114の軸方向他端部の内周
面に導くように磁石磁界短絡磁路を構成し、この静止継
鉄部の先端部に界磁巻線を巻装した界磁巻線静止構造の
磁石磁界短絡式磁石併用界磁巻線型同期機にも、本発明
を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この実施例の車両用電動発電装置の全体構成図
である。
【図2】図1の回転電機の界磁回路の非通電時の磁束の
流れ示す図である。
【図3】図1の回転電機の界磁回路の通電時の磁束の流
れ示す図である。
【図4】エンジン始動前の起磁力の方向を示す図であ
る。
【符号の説明】
100 界磁巻線型同期発電電動機 111 界磁巻線 121 電機子巻線 200 交直双方向電力変換器 300 界磁回路 400 制御回路

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】界磁巻線を有する界磁巻線型の同期発電電
    動機と、 前記同期発電電動機の電機子巻線に電機子電流を給電す
    る交直双方向電力変換器と、 前記同期発電電動機の前記界磁巻線に界磁電流を供給し
    て界磁巻線磁束を形成する界磁回路と、 前記交直双方向電力変換器及び前記界磁回路を制御する
    制御回路と、 を有してエンジン始動及び車両走行中の発電を行う車両
    用電動発電装置において、 前記交直双方向電力変換器は、前記界磁束と同一方向の
    磁束を形成する電流成分を有する前記電機子電流を、エ
    ンジン始動時に前記電機子巻線に通電することを特徴と
    する車両用電動発電装置。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の車両用電動発電装置にお
    いて、 前記交直双方向電力変換器は、前記界磁束と略同一方向
    の磁束を形成する前記電機子電流を、エンジン始動期間
    の初期に前記電機子巻線に通電し、その後、前記電機子
    電流の位相をエンジン始動用のトルク発生の向きにシフ
    トすることを特徴とする車両用電動発電装置。
  3. 【請求項3】請求項1又は2に記載の車両用電動発電装
    置において、 前記電機子巻線は、エンジン始動に際して前記界磁巻線
    への通電に先だって前記界磁巻線の略磁束形成角度位置
    に電機子電流磁束を形成する電機子電流を給電されるこ
    とを特徴とする車両用電動発電装置。
  4. 【請求項4】請求項1に記載の車両用電動発電装置にお
    いて、 前記同期発電電動機は、 ハウジングの内周面に固定された固定子の内周面に所定
    ギャップを隔てつつ前記ハウジングに回転自在に支承さ
    れる円筒状のロータコアと、 前記ロータコアに固定されて前記ロータコアの外周面に
    界磁極を形成する永久磁石と、 前記ロータコアの径内側に配設されて前記ロータコアと
    ともに前記永久磁石の磁石磁界の短絡磁路を形成すると
    ともに、前記界磁巻線が巻装されて前記界磁巻線磁束の
    磁路を形成する継鉄部と、 を有することを特徴とする車両用電動発電装置。
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