JP2004506887A - 電気機械のトルクの検出方法及び装置 - Google Patents

Abstract

電気機械（１９）、例えば自動車におけるジェネレータ（１９）のトルク（Ｍ_ＧＬ）を求めるための方法及び装置が提案される。この方法及び装置は、ユニット（４３）によって電気機械（１９）のトルク（Ｍ_ＧＬ）が、電気機械（１９）の実際の電力（Ｐ_Ｇ）、実際のジェネレータ回転数（Ｎ_Ｇ）及び実際のジェネレータ効率（η_Ｇ）からの関数として求められることを特徴とする。

Description

【０００１】
従来技術
従来技術からは、ジェネレータにおける所要トルクを、送出される電力を介して求めることが公知である。ジェネレータから送出される電力は、発生した出力電圧及びジェネレータの出力電流から求められる。
【０００２】
電気的なジェネレータ出力をそのように直接的に検出することは特別な事例である。何故ならばジェネレータにおいて電流を直接検出することは、多額の費用がかかるので例外とされるからである。今日のジェネレータが供給する実効電流のアンペアはとても高いので、比較的高価な電流測定装置が必要である。したがってジェネレータの所要トルクを考慮することは、機関制御のトルクバランスにおいては極まれにしか行われない。
【０００３】
利点
独立請求項記載の本発明の方法及び本発明の装置によれば、出力電流を測定せずに、ジェネレータの出力とともに負荷トルクを求めることができる。
【０００４】
従属請求項に記載した構成によって、独立請求項に記載した特徴の有利な実施形態及び変形実施形態が生じる。
【０００５】
電気機械のトルクの検出は、実際のジェネレータ効率ないし機械効率が既知であることを前提としている。ジェネレータの瞬時の電力と実際のジェネレータ回転数の関係とジェネレータ効率との間の数学的に式化された関係は非常に複雑であるので、そのために有利にはいわゆる３つの量の間の関係が特性マップ内に記憶されている。その特性マップからジェネレータの出力及びジェネレータ回転数に依存して、その都度の実際のジェネレータ効率が制御ユニットによって取り出される。このためにそのような特性マップは予め求められ、記憶媒体に記憶される。特性マップに依存して効率を記憶することは、実際の効率が殊に迅速に求められるという点で有利である。ジェネレータの駆動シャフト、通常はクランクシャフトの回転数は、現代の機関制御においては既知である。付加的な装置のコストをかけずに、例えば回転数センサを使用せずにジェネレータの回転数を検出するために、ジェネレータの駆動シャフトとジェネレータシャフトとの間の既知の伝達比を用いて回転数を簡単に計算できる。
【０００６】
実際のジェネレータ出力は様々なやり方で検出することができる。現代の自動車のように通常、例えばＣＡＮバスシステムのような情報ネットワークが設けられている場合には、電気負荷のスイッチオン状態とともにこの電気負荷の所要出力は実質的には既知である。この情報ネットワークによって交換されるコードが評価されるならば、スイッチオン状態をテーブル又は特性マップと比較することによって、所要出力を簡単なやり方で求めることができる。電気負荷の状態ないし所要出力が既知でない場合には、この状態ないし出力を概括的に想定した所要出力を用いることによって考慮することができる。情報コードを評価することは有利である。何故ならば必要とされる情報は実質的に既に存在しているものであり、したがってテーブルないし特性マップとの調整を行うだけでよいからである。
【０００７】
択一的にジェネレータの出力を励磁コイルの励磁電流及びジェネレータの回転数に依存して検出することもできる。ここでもやはり比較的簡単なやり方で以下のようにして検出することができる。すなわち、ジェネレータから送出された出力を励磁電流及びジェネレータの回転数に依存して特性マップから取り出す。これによりジェネレータ出力、励磁電流及び回転数の間の複雑な関係は簡潔化される。何故ならば特性マップはジェネレータを予め測定することによって得られるからである。
【０００８】
ジェネレータの回転数も、例えば出力電圧の周波数を評価することによって得ることができる。別の方式では回転数センサを使用する。この回転数センサは、出力電圧の周波数を介してジェネレータ回転数を求めるのと同じように、ジェネレータ回転数が駆動シャフトとジェネレータシャフトとの間のスリップに依存しないという利点を有する。したがって後者の方式によって検出された回転数の値はより正確である。
【０００９】
励磁電流は多くの方式によって簡単に検出することができる。第１の変化例では、励磁電流は励磁コイルの電圧及び抵抗に依存して検出される。第２の変化例では励磁電流は、出力電圧、励磁コイルの抵抗及びジェネレータ調整器のいわゆるデューティ比に依存して検出される。固定子コイルの出力電圧は、バッテリ電圧と充電線路を介して降下する電圧との和として求められる。固定子コイル巻線の出力電圧に依存した励磁電流の算出は、自動車においていわゆるバッテリ状態識別器を使用できる場合には有利である。この状態識別によってバッテリ電圧は既知である。第３の変化例では、励磁電流は調整器のデューティ比、励磁コイルの電気抵抗及び単なるバッテリ電圧の関係から求められる。第２の変化例と比較するとこの方法は有利である。何故ならばここでは充電線路を介した電圧降下の算出が省けるからである。
【００１０】
励磁電流をより正確に算出するために、励磁コイルの抵抗を励磁コイルの温度に依存して求めることは有利である。例えば水冷式のジェネレータでは冷却媒体温度を励磁コイルの温度とみなすことによって、励磁コイルにおける抵抗の温度依存性を考慮することができる。最後に別の簡単な変化例では、励磁コイルの作動温度に対して事前に求められた固定の値を取り上げ、この値を装置に記憶することも可能である。
【００１１】
図面
本発明を付属の図面及びフローチャートに基づき、複数の実施例において以下詳細に説明する。ここで図１は牽引手段を介してジェネレータに結合されている駆動機械の概略図である。図２は搭載電源の図である。図３、４、５、６及び７は実施例のフローチャートである。
【００１２】
同一ないし同様に作用する構成部分は同一の参照記号で示している。
【００１３】
図１には駆動機械１０が図示されており、この駆動機械１０は駆動シャフト１３及び駆動プーリ１６を介してジェネレータ１９を駆動させる。このために駆動プーリ１６はベルト２２を介してジェネレータプーリ２５と接続されている。このジェネレータプーリ２５がロータシャフト２８を駆動させ、このロータシャフト２８は電磁的に励磁されるロータ３１を用いて固定子巻線３４内に出力電圧Ｕ_Ｓを誘起する。この出力電圧Ｕ_Ｓによって搭載電源３７に電気エネルギが供給される。
【００１４】
ジェネレータプーリ２５に作用する負荷トルクＭ_ＧＬは基本的には電気系によって、すなわちそこで作用する電磁抵抗とジェネレータ１９から放出された電力Ｐ_Ｇによって惹起される。負荷トルクＭ_ＧＬは、目下放出された電力Ｐ_Ｇ、ジェネレータ回転数Ｎ_Ｇ及びジェネレータ１９の効率η_Ｇに依存している。ジェネレータ１９からジェネレータプーリ２５及びベルト２２並びに駆動プーリ１６を介して駆動シャフト１３に作用するトルクＭ_ＧＡを算出するために、駆動シャフト１３とロータシャフト２８との間の伝達比ｕを用いて計算することが必要である。
【００１５】
ジェネレータ１９のジェネレータプーリ２５に作用するトルクＭ_ＧＬは式１により、数値２、円周率π、ジェネレータ１９の回転数Ｎ_Ｇ及び効率η_Ｇの積とジェネレータ１９の電力Ｐ_Ｇとの商として生じる。
【００１６】
【数１】

【００１７】
トルクＭ_ＧＬを検出するための種々の方式は、ジェネレータ１９の出力Ｐ_Ｇを検出するための種々の方式から生じる。
【００１８】
第１の実施例においては、いわゆる情報ネットワーク、この例ではＣＡＮバスシステムが使用される自動車でのジェネレータ１９の電力Ｐ_Ｇを検出するために、ユニット４３において計算及びメモリユニット４６を用いてコードＣが評価される。このコードＣは暗号化された様々な電気負荷Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３及びＲ_４のスイッチオン状態を内容としている。計算及びメモリユニット４６はコードＣを伝送するために、ＣＡＮドライバ４９を介してＣＡＮバスシステム４０に接続されている。
【００１９】
図２はジェネレータ１９を概略的に示し、このジェネレータ１９は搭載電源網３７に電気的なエネルギを供給する。搭載電源網３７の部品は、バッテリ５２並びに複数の負荷Ｒ_１、Ｒ_２、Ｒ_３及びＲ_４である。この場合においては、これらの負荷には二つ一組でいわゆる信号出力分配器ＳＬＶ１及びＳＬＶ２が後置接続されている。
【００２０】
このスイッチオン状態から、例えばエアコンの駆動部、シート調整の駆動部またはワイパ駆動部のような種々の電気負荷のための所要電力Ｐ_Ｒｇｅｓ全体が生じる。Ｐ_Ｒｉは一般の負荷Ｒ_ｉの所要電力である。ここでｉは１つの負荷を表すために使用し、一般的には整数である。
【００２１】
図３のフローチャートによれば、第１のステップＳ１１において、ジェネレータがもたらすべき個々の電力配分が検出される。
【００２２】
個々の負荷Ｒ_ｉの出力Ｐ_Ｒｉは式２より、コードＣに依存する関数ｆ_１である。計算及びメモリユニット４６においては、１つまたは複数のスイッチオン状態に相応する電力値がコードＣを解号することによって検出される。このために相応の関数ｆ_１が特性マップＫ_１の形態で記憶されている。コードＣからなるスイッチオン状態を電力値に一義的に対応付けすることによって、個々の負荷Ｒ_ｉの出力Ｐ_Ｒｉが得られる。
【００２３】
【数２】

【００２４】
これらの個々の所要電力Ｐ_Ｒｉから、計算及びメモリユニット４６において和を形成することにより、ジェネレータ１９によってもたらされるべき電力Ｐ_Ｇが形成される。式３ないし図３におけるステップＳ１２も参照されたい。
【００２５】
【数３】

【００２６】
ここで指数ｎは負荷の最大数値を表し、この負荷の出力Ｐ_ＲｉをコードＣから求めることができる。このことは図２の例においては、Ｐ_Ｇは式４に従って和として得られるということを意味している。
【００２７】
【数４】

【００２８】
これらのコードＣを評価することに加えて、コードからは状態が既知でない電気負荷Ｒ_Ｐの所要電力を、例えば出力バランスにおける付加的な総括値Ｐ_ＲＰとして考慮することができる（式５）。このことは例えばＣＡＮ端子を持たない小さな負荷に有効である（図２）。
【００２９】
【数５】

【００３０】
これに加え、バッテリ４３によって消費または放出される出力Ｐ_ＢＡＴを、ジェネレータ電力Ｐ_Ｇの算出のために考慮することができる（式６を参照されたい）。この出力Ｐ_ＢＡＴはバッテリ状態識別器により既知である。
【００３１】
【数６】

【００３２】
バッテリ状態識別器は電圧測定器５５及び電流測定器５８を有する。検出された電流値及び電圧値は計算及びメモリユニット４６に供給され、式６に従い加算される。
【００３３】
計算及びメモリユニット４６によりジェネレータ出力Ｐ_Ｇが算出されると、既知のジェネレータ回転数Ｎ_Ｇを用いて、特性マップＫ_２を介してジェネレータ１９の効率η_Ｇを定めることができる（式７ないし図３のステップＳ１３を参照されたい）。特性マップＫ_２は計算及びメモリユニット４６に記憶されており、検出されたジェネレータ出力Ｐ_Ｇ及びジェネレータ回転数Ｎ_Ｇに依存して効率η_Ｇを記憶している。
【００３４】
η_Ｇは式７より、ジェネレータ出力Ｐ_Ｇ及びジェネレータ回転数Ｎ_Ｇに依存している関数ｆ_２として生じる。
【００３５】
【数７】

【００３６】
ジェネレータ回転数Ｎ_Ｇは間接的に、駆動機械１０の制御装置６１により既知である。ＣＡＮバスシステムを介して、回転数Ｎ_Ａがユニット４３に伝送される。駆動機械１０の既知の回転数Ｎ_Ａからジェネレータ回転数Ｎ_Ｇが、ロータシャフト２８と駆動シャフト１３との間の伝達比ｕを用いて検出される。
【００３７】
式１及びもはや既知である量、すなわちジェネレータ１９の電力Ｐ_Ｇ、円周率π、ジェネレータ１９の回転数Ｎ_Ｇ並びに効率η_Ｇによって、ジェネレータ１９のトルクＭ_ＧＬを検出することができる（図３、ステップＳ１４）。
【００３８】
駆動シャフト１３に作用するないしもたらされるジェネレータ１９のトルクＭ_ＧＡは式８による数式的な関係を用いて算出することができる（図３、ステップＳ１５）。
【００３９】
【数８】

【００４０】
この例での伝達比ｕは、駆動プーリ１６とジェネレータプーリ２５のプーリ直径の比から生じる。
【００４１】
ジェネレータ１９の電力Ｐ_Ｇを検出するための第２の実施例では、出力Ｐ_Ｇは特性マップＫ３より励磁電流Ｉ_ＥＲＲ及びジェネレータ回転数Ｎ_Ｇに依存して算出される。この特性マップＫ３は計算及びメモリユニット４６に記憶されている。
【００４２】
したがってジェネレータ１９の出力Ｐ_Ｇは式９により得られる。
【００４３】
【数９】

【００４４】
すなわち出力Ｐ_Ｇは、励磁電流Ｉ_ＥＥＲ及びジェネレータ１９の回転数Ｎ_Ｇの関数ｆ_３である。
【００４５】
励磁電流Ｉ_ＥＥＲはオームの法則に従い、励磁コイルの電圧Ｕ_ＥＲＲ及び励磁コイルの抵抗Ｒ_ＥＲＲに依存して求められる（式１０及び図４のステップＳ２１、Ｓ２２及びＳ２３も参照されたい）。
【００４６】
【数１０】

【００４７】
励磁コイルの電圧Ｕ_ＥＲＲはジェネレータ１９において測定される。抵抗Ｒ_ＥＲＲは一定とみなされる。この例では抵抗Ｒ_ＥＲＲは、１６０℃の作動温度Ｔ_ＥＲＲにおいては一定の抵抗とみなしている。この温度は走行状態における平均温度Ｔ_ＥＲＲに近似している。
【００４８】
ジェネレータ出力Ｐ_Ｇを算出した後では、第１の実施例のステップ１３を継続する。
【００４９】
第２の実施例の変化例において、ジェネレータ１９がフル稼動しており、したがってジェネレータ調整器６４の信号ＤＦが零である場合には、先ず固定子コイル電圧Ｕ_Ｓがバッテリ電圧Ｕ_ＢＡＴと充電線路６７を介した電圧降下Ｕ_Ｌとの和として求められる（図５のステップＳ３１、Ｓ３２及び式１１を参照されたい）。
【００５０】
【数１１】

【００５１】
充電線路６７を介した電圧降下Ｕ_Ｌが測定されない場合には、この電圧降下は式１２により得られる。
【００５２】
【数１２】

【００５３】
すなわち電圧降下は、バッテリから又はバッテリへと流れる電流Ｉ_ＢＡＴと個々の負荷Ｒ_ｉに対する電流Ｉ_Ｂｉとの和と充電線路の抵抗Ｒ_Ｌとの積である。
【００５４】
ＤＦは時間Ｔ_Ａと、時間Ｔ_Ｅと時間Ｔ_Ａの和との商である（式１３を参照されたい）。したがってＤＦはジェネレータ調整器６４のデューティ比を表す。Ｔ_Ｅはジェネレータ調整器６４が励磁コイルに電流を流す時間であり、Ｔ_Ａはジェネレータ調整器６４が励磁コイルに電流を流さない時間である。このことはＤＦの値が零である間は、励磁コイルに絶えず電流が流れていることを意味する。
【００５５】
【数１３】

【００５６】
励磁コイル電圧Ｕ_ＥＲＲは式１４により、固定子コイル電圧Ｕ_Ｓ及び信号ＤＦに依存して求められる。
【００５７】
【数１４】

【００５８】
励磁コイル抵抗Ｒ_ＥＲＲが第２の実施例のように検出されている、ないし既知である場合には、図４のステップＳ２２を継続する。
【００５９】
第２の実施例の第２の変化例において、ジェネレータ１９がフル稼動しておらず、したがってジェネレータ調整器６４の信号ＤＦが零とは異なる場合には、ジェネレータインタフェースを介して設定された目標電圧Ｕ_{Ｓ，ｓｏｌｌ}が固定子コイル電圧Ｕ_Ｓとみなされる（図６、ステップ４１を参照されたい）。第２の実施例のこの第２の変形実施形態では、ステップＳ３３及び後続のステップをさらに継続する。
【００６０】
第２の実施例の第２の変化例を基礎とする第３の変化例では簡潔に、充電線路６７を介した電圧降下Ｕ_Ｌが零であることを前提とするので、バッテリ電圧が固定子コイル電圧Ｕ_Ｓとみなされる（図７のステップ５１を参照されたい）。第３の変化例は図６のステップ３３を継続する。
【００６１】
第２の実施例では励磁コイルの抵抗Ｒ_ＥＲＲは一定とみなされている。抵抗Ｒ_ＥＲＲのより現実的な値を得るために、種々のアプローチが可能である。
【００６２】
２０℃の室温での既知の励磁コイルの抵抗、例えばＲ_ＥＲＲ＝２．６Ωを前提とするならば、想定したバッテリ温度での励磁コイルの抵抗を式１５により求めることができる。
【００６３】
【数１５】

【００６４】
α_ＥＲＲは励磁コイルの導体材料の温度係数である。測定された励磁コイル温度Ｔ_ＥＲＲを用いてより正確な抵抗値Ｒ_ＥＲＲを得ることができる。水冷式のジェネレータ１９では冷却媒体温度を測定することができる。水冷式のジェネレータ１９はしばしば駆動機械１０と同一の冷却サイクルを有しているので、温度は駆動機械１０の冷却媒体温度を測定することにより明らかとなり、この温度を制御装置６１からＣＡＮを介してユニット４３に伝送することができる。
【００６５】
ジェネレータ回転数Ｎ_Ｇを全ての実施例及び変化例とは別の異なる方式で得ることもできる。このことは一方では出力電圧Ｕ_Ｓの周波数を検出することによって可能であり、他方ではロータシャフト２８またはジェネレータプーリ２５の回転数Ｎ_Ｇを測定することにより可能である。
【００６６】
ジェネレータ１９を駆動させる駆動機械１０ないし駆動シャフト１３の回転数を介してジェネレータ回転数ＮＧを検出する別の方式も存在する。伝達比ｕを介したジェネレータ回転数Ｎ_Ｇの検出は正確ではない。何故ならば通常存在する、駆動プーリ１６とジェネレータプーリ２５との間の動作条件に依存した種々異なるレベルのスリップ量のために伝達比ｕは一定とはならないからである。駆動シャフト１３とロータシャフト２８との間の伝達部の幾何形状に基づいた理論伝達比ｕを固定のスリップ値分だけ減少することによって、この不正確性を例えば概括的に考慮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】駆動機械の概略図である。
【図２】搭載電源の概略図である。
【図３】実施例のフローチャートである。
【図４】実施例のフローチャートである。
【図５】実施例のフローチャートである。
【図６】実施例のフローチャートである。
【図７】実施例のフローチャートである。

Claims (15)

1. 電気機械、例えば自動車におけるジェネレータ（１９）のトルク（Ｍ_ＧＬ）の検出方法において、
   ユニット（４３）によって電気機械（１９）のトルク（Ｍ_ＧＬ）を、ジェネレータ（１９）の実際の電力（Ｐ_Ｇ）、実際のジェネレータ回転数（Ｎ_Ｇ）及び実際のジェネレータ効率（η_Ｇ）から関数として求めることを特徴とする、トルクの検出方法。
2. ジェネレータ（１９）の電力（Ｐ_Ｇ）及びジェネレータ回転数（Ｎ_Ｇ）に依存したジェネレータ効率（η_Ｇ）を特性マップ（Ｋ_２）に記憶し、
   該ジェネレータ効率（η_Ｇ）を該特性マップ（Ｋ_２）から前記ユニット（４３）によって得るか、該ユニット（４３）に供給する、請求項１記載の方法。
3. 実際のジェネレータ回転数（Ｎ_Ｇ）を、ジェネレータ（１９）とジェネレータを駆動させる駆動シャフト（１３）との間の伝達比を用いて、該駆動シャフト（１３）の実際の回転数（Ｎ_Ａ）から導出する、請求項１または２記載の方法。
4. 前記ジェネレータ（１９）から放出される電力（Ｐ_Ｇ）を、ジェネレータに接続された個々の電気負荷（Ｒ_ｉ）の既知の所要電力（Ｐ_Ｒｉ）の和として求める、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記ユニット（４３）は、少なくとも１つの負荷（Ｒ_ｉ）の所要電力（Ｐ_Ｒｉ）を、情報ネットワーク（４０）を介して交換されるコード（Ｃ）を評価することによって求め、
   該コード（Ｃ）は少なくとも１つの負荷（Ｒ_ｉ）の動作状態（Ｚ_Ｂ）に関する情報を含む、請求項４記載の方法。
6. 動作状態に関する少なくとも１つの負荷（Ｒ_ｉ）の所要電力（Ｐ_Ｒｉ）を特性マップ（Ｋ_１）から求める、請求項５記載の方法。
7. ジェネレータ（１９）から放出された電力（Ｐ_Ｇ）を励磁電流（Ｉ_ＥＲＲ）及びジェネレータ回転数（Ｎ_Ｇ）に依存して求める、請求項１から３のいずれか１項記載の方法。
8. ジェネレータ（１９）から放出された電力（Ｐ_Ｇ）を励磁電流（Ｉ_ＥＲＲ）及びジェネレータ回転数（Ｎ_Ｇ）に依存して特性マップ（Ｋ_３）から得る、請求項７記載の方法。
9. 前記励磁電流（Ｉ_ＥＲＲ）を、電圧（Ｕ_ＥＲＲ）及び励磁コイルの電気抵抗（Ｒ_ＥＲＲ）に依存して求めるか、
   固定子コイルの電圧（Ｕ_Ｓ）、ジェネレータ調整器（６４）のデューティ比（ＴＡ／（ＴＡ＋ＴＥ））及び励磁コイルの電気抵抗（Ｒ_ＥＲＲ）に依存して求める、請求項７記載の方法。
10. 前記ユニット（４３）は、固定子巻線の電圧（Ｕ_Ｓ）に対する値として、近似的にバッテリ電圧（Ｕ_ＢＡＴ）を使用する、請求項８記載の方法。
11. 固定子コイルの電圧（Ｕ_Ｓ）を、ジェネレータ（１９）とバッテリ（５２）との間の充電線路（６７）を介した電圧降下（Ｕ_Ｌ）とバッテリ電圧（Ｕ_ＢＡＴ）との和として算出する、請求項８記載の方法。
12. 励磁巻線の電気抵抗（Ｒ_ＥＲＲ）を温度に依存して定める、請求項８記載の方法。
13. 駆動シャフトに作用するトルク（Ｍ_ＧＡ）を、電気機械（１９）のトルク（Ｍ_ＧＬ）と、ジェネレータ（１９）と駆動シャフト（１３）の間の伝達比（ｕ）とを乗算することによって求める、請求項１から１２のいずれか１項記載の方法。
14. シャフト（１３）は駆動シャフトの出力シャフト、例えばクランクシャフトである、請求項１から１３のいずれか１項記載の方法。
15. 請求項１から１４のいずれかに記載の方法による、駆動機械（１０）のクランクシャフトに作用する、電気機械（１９）、例えば自動車におけるジェネレータ（１９）のトルク（Ｍ_ＧＡ）を検出するための装置、例えば駆動機械（１０）の制御装置において、
    ジェネレータの電力の検出手段と、
    実際のジェネレータ効率（η_Ｇ）の検出手段と、
    トルク（Ｍ_ＧＬ）の検出手段と、
    シャフトに作用するトルク（Ｍ_ＧＡ）の検出手段とを備えたことを特徴とする、トルクの検出装置。