JP2004144019A - 車両用回転電機の制御法 - Google Patents

Abstract

【課題】過電圧や、過剰な温度上昇を来すことなく界磁磁束の立ち上がりを速め、始動時間を短縮することが可能な車両用回転電機の制御法を得る。
【解決手段】界磁巻線５を有する回転子と電機子巻線３を有する固定子とからなる回転電機１と、直流電源から界磁巻線５に供給される界磁電流を制御する界磁電流制御手段９と、直流電力を交流電力に変換して電機子巻線３に給電する電力変換器６とを備え、内燃機関始動時において、界磁電流制御手段９が界磁巻線５に給電を開始するとき、給電開始と同時か、もしくは、給電開始直前に、界磁巻線５による界磁磁束とは反対方向の磁束を発生するように電力変換器６が電機子巻線３に通電するようにしたものである。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、車両用内燃機関に装着され、発電機および電動機として使用される車両用回転電機の制御法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
車両に三相の同期回転機を搭載し、運転中における充電発電機と内燃機関始動時における始動電動機として使用することが従来から提案されている。近年、排出ガスを抑制するために停車中においては内燃機関を停止させるアイドル停止の機能を採用する車両が実現しているが、このような車両において、特に信号停車時においては、信号の変化に伴う内燃機関の再始動指令に対して即時に発進可能なように内燃機関の再始動を完了させる必要がある。
【０００３】
しかし充電発電機と始動電動機とを兼用させる場合、充電発電機の機能を満足させるためには回転電機の界磁巻線は後述するように時定数が大きくなってしまい、電動機として使用するときには界磁電流の立ち上がりに時間を要して再始動に時間がかかり、スムースな発進ができなくなるものであった。そして、このような課題を解決する手段としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載された技術が開示されている。
【０００４】
特許文献１に開示された技術は、界磁巻線と電機子巻線とを有する同期発電電動機を用いて内燃機関を始動させるとき、界磁巻線が生成する界磁磁束と同一方向の磁束を形成する電流成分を有する電機子電流を電力変換器から電機子巻線に供給するようにしたものである。また、特許文献２に開示された技術は、ハイブリッド車用の同期電動機において、界磁電流の立ち上がりが遅れてトルクの立ち上がりが緩慢になるのを補償するために、同期電動機の運転中において、同期電動機が過渡状態、すなわち、定速回転状態でないことを検出し、出力要求値に基づいて界磁磁束と同軸成分の磁束を得る電流成分を求め、その電流成分により電機子電流を制御するようにしたものである。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１９１１５８号公報（第４頁、第４図）
【特許文献２】
特開平１１−３１３４９８号公報（第３〜７頁、第７図、第８図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来例、特に特許文献１においては、電機子（固定子）に界磁磁束（回転子磁束）と同一方向の磁束を発生させるように通電することになるので、界磁の磁気回路を形成する鉄心が飽和して界磁巻線の自己インダクタンスが減少し、時定数が小さくなって界磁電流の立ち上がりが速まり、同期電動機の応答性が改善されるものであるが、このように制御される同期機においては次のような課題を残すことになる。
【０００７】
すなわち、電機子に界磁磁束と同一方向の磁束を発生させるように急激に通電を開始すると、界磁巻線にはこの磁束を打ち消す方向に誘導起電力が発生する。界磁電流の制御回路には、例えば、特許文献１の図３に示されているように半導体制御素子（図の３０１）が設けられるのが通常であるが、上記の誘導起電力は界磁巻線に本来通電する通電方向とは逆方向の起電力であり、この起電力は比較的高電圧に達するため、半導体制御素子の耐圧を必要以上に高めておく必要がある。また、この逆起電力を抑制するために半導体制御素子に双方向通電が可能な素子を使用した場合には、誘導起電力により本来の界磁電流とは反対方向の電流が流れることになり、これがバイアスとなって結果的に界磁磁束の立ち上がりを遅らせるという問題があった。
【０００８】
このような問題点を避けるためには電機子に通電する電流が所定の電流値に達した後、界磁電流を立ち上げるようにすればよいが、この場合には電機子に対する通電時間が増加し、電機子巻線や電機子巻線を通電性御する制御回路の温度上昇が問題となる。さらに、界磁巻線の磁気飽和や漏れ磁束を抑制するために界磁巻線と永久磁石とを併用し、永久磁石の磁束の一部が界磁巻線による主磁束と逆方向になるように構成した内燃機関始動用の同期機が使用されているが、このような同期機に上記の従来例を適用する場合には、界磁の磁気回路を飽和させるためには電機子に対する通電電流を増大させねばならず、特にランデル型の多極同期回転機においては界磁起磁力の総和が大きいため、電機子巻線と通電制御回路との温度上昇はさらに大きくなる。
【０００９】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、制御素子の過電圧や、電機子巻線と通電制御回路との過剰な温度上昇を来すことなく界磁磁束の立ち上がりを速め、始動時間を短縮することが可能な車両用回転電機の制御法を得ることを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わる車両用回転電機の制御法は、界磁巻線を有する回転子と電機子巻線を有する固定子とからなる回転電機と、直流電源から界磁巻線に供給される界磁電流を制御する界磁電流制御手段と、直流電源の電力を交流電力に変換して電機子巻線に給電する電力変換器とを備え、内燃機関始動時において、界磁電流制御手段が界磁巻線に給電を開始するとき、給電開始と同時、または、給電開始直前に、界磁巻線による界磁磁束とは反対方向の磁束が発生するように電力変換器から電機子巻線に通電するようにしたものである。
【００１１】
また、界磁巻線を有する回転子と電機子巻線を有する固定子とからなる回転電機と、直流電源から界磁巻線に供給される界磁電流を制御する界磁電流制御手段と、直流電源の電力を交流電力に変換して電機子巻線に給電する三相六アームの電圧型インバータからなる電力変換器とを備え、内燃機関始動時において、界磁電流制御手段が界磁巻線に給電を開始するとき、インバータの上アームまたは下アームのいずれか一方を全て導通して電機子巻線を短絡状態にし、界磁巻線に対する給電を行うようにしたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による車両用回転電機の制御法を説明する概略構成図であり、回転電機１は三相の電機子巻線（固定子巻線）３を有する電機子鉄心（固定子鉄心）２と、界磁巻線（回転子巻線）５を有するランデル型の多極構成の回転子鉄心（界磁鉄心）４とから構成され、回転電機１が電動機として機能するときには図示しない直流電源から電力供給を受け、インバータとして機能する電力変換器６から三相交流が電機子巻線３に供給され、界磁巻線５には回転軸７に設けられたスリップリング８を介して界磁電流制御手段９から直流電流が供給される。
【００１３】
回転電機１が発電機として機能するときには電力変換器６はコンバータ（整流手段）として機能して回転電機１が発電する三相交流を直流に変換し、図示しない直流電源を充電すると共に、界磁電流制御手段９が発電量を制御する。また、回転電機１が電動機として機能するときには界磁電流制御手段９は、各動作点における所定の直流電流を目標値として界磁電流を制御する。この発明は回転電機１を電動機として機能させるときの始動特性に関するものであり、以降、電動機としての機能について説明する。
【００１４】
三相同期電動機は、回転子と同期回転する直交座標であるｄ−ｑ軸に投影して定義し、その動作状態はｄ−ｑ軸上の二成分の合成ベクトルとして表現できるので、以降、このｄ−ｑ軸を使用して説明し、ここでは界磁巻線５に通電したときに回転子鉄心４と電機子鉄心２との間の空隙に発生する磁極中心をｄ軸とし、これとは電気角で位相が９０°進んだ位置をｑ軸とする。
【００１５】
図２は、ｄ軸位置における電機子（固定子）と界磁（回転子）との関係を等価モデルとして示したものであり、インバータとしての電力変換器６ａと、電機子巻線３ａと、界磁巻線５ａと、界磁電源としての界磁電流制御手段９ａとを、それぞれｄ軸等価回路に変換したものである。ここで電機子電流は、界磁巻線５ａに正方向に通電したときと同一方向の磁束を発生させる方向に通電した場合を正のｄ軸電流とし、逆方向に通電した場合を負のｄ軸電流とする。
【００１６】
図１に示したような回転電機１の構成においては、回転電機１が発電機として機能するときのスリップリング８の電流容量を減少させるため、あるいは界磁電流制御手段９の電流容量を小さくするために界磁巻線５は細線を多数巻きにしてアンペアターンを確保するのが一般的である。そして、このような構成における回転電機１の発生トルクは、主として電機子側のｑ軸電流と回転子側のｄ軸磁束との電磁的な相互作用により発生する。このような構成の回転電機を、例えばアイドル停止状態の内燃機関の再始動など、瞬間的な反応を求めるような使用をした場合には、界磁巻線５の時定数が０．３〜０．５秒程度と大きいため、界磁磁束の立ち上がり時間が大きく、即座にトルクを発生することができない。
【００１７】
界磁磁束の立ち上がり時間を小さくするために、例えば、内燃機関停止時においても界磁磁束を常に立ち上げておくことにより瞬間的な反応を求めることができるが、常に限界近くまで界磁巻線５に通電しておくことは界磁巻線５や界磁電流制御手段９の温度上昇を著しく大きくしてしまうことになる。また、別の方法として、正のｄ軸電流をあらかじめ電機子巻線３に通電しておき、回転子の磁気回路をあらかじめ磁気飽和させて回転子鉄心４の透磁率を小さくしておくことにより、等価的に界磁巻線５のインダクタンスを小さくして時定数を小さくすることができる。
【００１８】
しかし、図３に示したように、界磁電流制御手段９に一方向にのみ通電可能な半導体素子１０と素子保護用のダイオード１１とを組み合わせた一般的な電流制御回路を用いた場合には、界磁巻線５に誘起する逆起電力により、半導体素子１０およびダイオード１１の両端には高い逆電圧が印加されることになり、素子の耐圧を高くしておく必要がある。また、半導体素子１０に素子保護用のリカバリダイオードを並列接続した場合には、界磁巻線５に本来の励磁とは逆方向の電流が流れてしまい、負のバイアスが加わることになるので半導体素子１０をＯＮしても正方向電流の立ち上がりに遅延時間を生じることになる。
【００１９】
さらに、前もって徐々に電機子巻線３に正のｄ軸電流を通電してゆき、その後に界磁電流を立ち上げる方法も考えられるが、その場合には、電機子巻線３には大電流を長時間通電することになり、電機子巻線３と電力変換器６との温度上昇が大きくなる。そのために、この発明の実施の形態１による車両用回転電機では次のような制御を行うものである。
【００２０】
いま、界磁巻線５の両端電圧をＶｆとし、界磁電流をＩｆとした場合、ＶｆとＩｆとの関係は次式により示される。
Ｖｆ＝（Ｒｆ＋ｐＬｆ）Ｉｆ＋ｐＭＩｄ
ここに、ｐは微分演算子、Ｒｆは界磁巻線５の抵抗、Ｌｆは界磁巻線５の自己インダクタンス、Ｍはｄ軸上における電機子巻線３と界磁巻線５との相互インダクタンス、Ｉｄはｄ軸上における電機子巻線３の電流である。ここで、上記の式において、ｐＬｆＩｆ＝−ｐＭＩｄとなるようにＩｄを制御し、Ｉｆによる発生磁束をＩｄによる発生磁束が常に打ち消すようにすればインダクタンス分が相殺され、時定数が小さくなってＩｆはＶｆに応じて迅速に制御することが可能になる。
【００２１】
図４はこの動作を説明するもので、ＩｆとＩｄの通電制御量を示すタイムチャートである。図の（ａ）は電機子巻線３のＩｄにより発生する電機子と回転子との空隙におけるｄ軸磁束量を、また、図の（ｂ）は界磁巻線５のＩｆにより発生するｄ軸磁束量を示すものであり、図はｐＬｆＩｆ＝−ｐＭＩｄとなるように電流値を制御したものである。このように通電制御することにより、界磁巻線５と電機子巻線３の双方とも鎖交磁束を著しく低減でき、等価的にインダクタンスを消して瞬時に電流を立ち上げることが可能となるものである。
【００２２】
また、電力変換器６の容量などから電機子巻線３の電流を制限する必要がある場合においても、電機子巻線３による磁束と界磁巻線５による磁束とを上記のようにインダクタンスを打ち消す方向に設定することにより、図５の特性図に示すように途中までではあるが、界磁の立ち上げを迅速化することが可能となる。さらに、制御速度の限界から磁束が完全に打ち消される条件から外れた場合であっても、電機子巻線３に負のｄ軸電流を流すことにより、界磁巻線５の電流を速やかに立ち上げる方向に電磁誘導として作用するので、相応に界磁巻線５の界磁電流立ち上げを迅速化する効果が得られ、始動電動機としての回転電機１の動作開始時間を短縮することができる。なお、電機子巻線３による磁束と界磁巻線５による磁束との和をほぼ一定とすることにより、界磁電流をスムースに立ち上げることができる。
【００２３】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２による車両用回転電機の制御法を説明する要所構成図であり、この実施の形態における車両用回転電機は、界磁に界磁巻線と永久磁石とを併用したものにおいて、界磁電流の立ち上がりを迅速化するようにしたものである。実施の形態１で説明した図１のような構造を多極にした車両用のランデル型同期回転機では、各磁極の磁束はすべて界磁巻線５の内周側、すなわち、回転軸７を通過するような磁気回路となる。従って、この回転軸７の磁気飽和によって界磁の磁束量が制限されてしまい、これにより同期機の出力限界が決まる。
【００２４】
この出力限界を大きくするために、例えば図６に示すように、界磁に界磁巻線５と永久磁石１２とを併設し、界磁巻線５の起磁力と永久磁石１２の起磁力とを同一方向とすることにより、図に示すように回転軸７の中心部においては永久磁石１２による磁束Φ１と界磁巻線５によるｄ軸磁束Φ２とが逆方向となり、回転軸７の中心部における磁気飽和を緩和することができ、このような永久磁石１２を併用したランデル型同期機が近年種々提案されている。
【００２５】
この構成は、回転子のｄ軸磁路を容易に飽和させることができなくなることを意味しており、従って、磁路を飽和させることによりインダクタンスを小さくして界磁電流の立ち上げを速くしたい場合に、電機子巻線３に正のｄ軸電流を印加しても磁気飽和が起こりにくく、電機子巻線３に大電流を流さないと磁気飽和を利用した界磁電流の立ち上げ迅速化が困難なものとなる。
【００２６】
しかし、実施の形態１において説明したように、界磁電流Ｉｆによる発生磁束をｄ軸上の電機子巻線３の電流Ｉｄによる発生磁束が常に打ち消すようにＩｄを制御し、界磁巻線５の自己インダクタンスＬｆが界磁巻線５と電機子巻線３とのｄ軸上の相互インダクタンスＭにより相殺される方向に制御すれば、磁路の磁気飽和とは無関係に界磁電流の立ち上げ迅速化が可能になり、界磁巻線５と永久磁石１２とを併設するような回転電機においても迅速に内燃機関の再始動が可能になるものである。
【００２７】
実施の形態３．
上記の実施の形態１においては、電機子巻線３にｄ軸位置の通電を行う方法を説明したが、ｄ軸位置の位置制御を行うためには回転子の位置情報に基づき制御を行う必要がある。ランデル型の同期回転機は一般的には１０〜１６極と多極であり、特に１６極の多極構成の場合には機械角１度の検出誤差が電気角では８度に相当するため制御角にずれを生じ易く、制御の構成によっては磁束を完全に相殺することが困難となる場合がある。これを避けるためには、分解能が１度以下の高精度な角度検出器が必要となるが、絶対位置が検出可能な角度検出器では、１度以下の分解能を持たせるには取り付け精度に極めて高精度なものが要求される。特に磁気式の角度検出器をランデル型同期回転機の軸端に配置した場合には界磁巻線５からの漏れ磁束が大きく影響し、機械角１度の精度確保は困難なことが多い。
【００２８】
この実施の形態はこのような場合に、角度検出器を用いることなくｄ軸電流を制御する方法を提案するものである。電機子巻線３に対する給電は図１に示すように電力変換器６により行うが、電力変換器６は図７に示すような三相のインバータであり、上側の三アームにスイッチング素子１３ｕ〜１３ｗが、下側の三アームにスイッチング素子１４ｕ〜１４ｗが設けられている。内燃機関の再始動時において、まず、始動指令に基づく界磁指令が発令されるが、界磁指令により界磁制御手段９が界磁巻線５に給電を開始すると同時に、電力変換器６の下アームのスイッチング素子１４ｕ〜１４ｗの全て、または、上アームのスイッチング素子１３ｕ〜１３ｗの全てのいずれか一方がＯＮ状態とされ、電機子巻線３は全相短絡状態にされる。
【００２９】
続いて、界磁電流検出手段を用いて界磁巻線５の電流を検出するか、もしくはあらかじめ設定した所定時間の経過から界磁が所定の目標値に達したと判断することにより、電力変換器６の一方のアームの全ＯＮ状態を開放し、通常動作に復帰させると共に、電機子巻線３に対して事前に検出しておいた上記の短絡電流と同位相の電流となるように電力変換器６をＰＷＭ制御して通電を開始する。
【００３０】
このように通電制御することにより、界磁位置検出情報や電流成分のｄ軸値の演算手段を用いることなくｄ軸電流が制御でき、界磁電流の立ち上げを迅速化することができるものである。すなわち、上記の短絡電流はｄ軸位置に流れることになるのでこの短絡電流と同位相の電流を通電することによりインダクタンス分を相殺することができるものである。また、短絡電流がｄ軸位置に流れることが自明であるので、特に短絡電流の内、少なくとも二相分を検出する手段を付加することにより、センサを使用することなく回転子の回転位置情報を取得することもでき、安価に界磁磁束制御を実現できるものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明の車両用回転電機の制御法によれば、界磁巻線と電機子巻線を有する回転電機と、界磁電流を制御する界磁電流制御手段と、直流電力を交流電力に変換して電機子巻線に給電する電力変換器とを備え、内燃機関始動時において、界磁電流制御手段が界磁巻線に給電を開始するとき、給電開始と同時か、給電開始以前に、界磁巻線による界磁磁束とは反対方向の磁束を発生するように電力変換器が電機子巻線に通電するようにしたので、界磁巻線の自己インダクタンス分が界磁巻線と電機子巻線との相互インダクタンスにより相殺され、電圧印加時の界磁電流の立ち上がりが速くなって、内燃機関の始動を迅速に行うことができるもので、そのために逆電圧の発生や温度上昇もなく、また界磁に永久磁石を併用した同期機においても同様の効果を得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による車両用回転電機の制御法を説明する概略構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１による車両用回転電機の制御法を説明する説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１による車両用回転電機の制御法の効果を説明する説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１による車両用回転電機の制御法を説明する特性図である。
【図５】この発明の実施の形態１による車両用回転電機の制御法を説明する特性図である。
【図６】この発明の実施の形態２による車両用回転電機の制御法を説明する説明図である。
【図７】この発明の実施の形態３による車両用回転電機の制御法を説明する説明図である。
【符号の説明】
１　回転電機、２　電機子鉄心、３、３ａ　電機子巻線、
４　回転子鉄心、５、５ａ　界磁巻線、６、６ａ　電力変換器、
７　回転軸、８　スリップリング、９、９ａ　界磁電流制御手段、
１０　半導体素子、１１　ダイオード、１２　永久磁石、
１３ｕ〜１３ｗ、１４ｕ〜１４ｗ　スイッチング素子。

Claims (6)

1. 界磁巻線を有する回転子と電機子巻線を有する固定子とからなる回転電機、直流電源から前記界磁巻線に供給される界磁電流を制御する界磁電流制御手段、前記直流電源の電力を交流電力に変換して前記電機子巻線に給電する電力変換器を備え、内燃機関始動時において、前記界磁電流制御手段が前記界磁巻線に給電を開始するとき、給電開始と同時、または、給電開始直前に、前記界磁巻線による界磁磁束とは反対方向の磁束が発生するように前記電力変換器から前記電機子巻線に通電することを特徴とする車両用回転電機の制御法。
2. 前記回転子の界磁磁極中心位置における前記界磁巻線による界磁磁束と前記電機子巻線の通電による発生磁束との和が、ほぼ一定となるように前記界磁電流制御手段または前記電力変換器、あるいは、双方が電流値を制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用回転電機の制御法。
3. 前記回転子の界磁磁極中心位置における前記界磁巻線による界磁磁束と前記電機子巻線の通電による発生磁束とが、ほぼ等しい値になるように前記界磁電流制御手段または前記電力変換器、あるいは、双方が電流値を制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用回転電機の制御法。
4. 界磁巻線を有する回転子と電機子巻線を有する固定子とからなる回転電機、直流電源から前記界磁巻線に供給される界磁電流を制御する界磁電流制御手段、前記直流電源の電力を交流電力に変換して前記電機子巻線に給電する三相六アームの電圧型インバータからなる電力変換器を備え、内燃機関始動時において、前記界磁電流制御手段が前記界磁巻線に給電を開始するとき、前記インバータの上アーム、または、下アームのいずれか一方を全て導通して前記電機子巻線を短絡状態とし、前記界磁巻線に対する給電を行うことを特徴とする車両用回転電機の制御法。
5. 前記電機子巻線の短絡時における短絡電流を計測し、前記界磁巻線の電流が所定値に達したとき、または、前記界磁巻線に給電を開始してから所定の時間が経過したとき、前記インバータの全導通を解除して前記電機子巻線に前記短絡電流と同位相の電機子電流を供給することを特徴とする請求項４に記載の車両用回転電機の制御法。
6. 前記回転子の界磁は回転軸が磁路となるように巻回された前記界磁巻線による界磁と永久磁石による界磁とが併用されており、前記界磁巻線による界磁磁束と前記永久磁石による界磁磁束とが前記回転軸に対しては反対方向となるように前記永久磁石が磁化されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の車両用回転電機の制御法。

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