JP2006203957A - Turbocharger assisting motor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ターボチャージャの回転駆動を補助するターボチャージャアシスト電動機に関する。 The present invention relates to a turbocharger assist motor that assists in rotational driving of a turbocharger.
ターボチャージャの回転の立ち上がり応答性を改善するため、ターボチャージャの回転軸を電動機でアシストすることが考えられる。しかしながら、ターボチャージャは、アイドリング時の1万ないし2万回転から全負荷時の約20万回転まで、非常に高速で回転する。このような超高速での回転駆動は電動機およびその駆動装置に大きな負担を強いる。電動機を超高速で駆動するものとして、特開平6−121585号公報には、3相Y型の固定子巻線に蓄積された磁気エネルギーをコンデンサーに充電して次の固定子巻線電流の立ち上がりを急峻にしたものが提案されている。 In order to improve the start-up response of the rotation of the turbocharger, it is conceivable to assist the rotating shaft of the turbocharger with an electric motor. However, the turbocharger rotates at a very high speed from 10,000 to 20,000 revolutions at idling to about 200,000 revolutions at full load. Such ultra-high speed rotational driving places a heavy burden on the motor and its driving device. Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-121585 discloses that a motor is driven at an ultra-high speed by charging a capacitor with magnetic energy accumulated in a three-phase Y-type stator winding, and then rising of the next stator winding current. Proposals have been proposed in which
ターボチャージャではその超高速回転からくる過大な負担から、その全使用年月の間に電動機又は駆動装置に故障が発生する可能性を完全には排除できない。電動機アシストのターボチャージャにおいて、電動機や駆動回路の異常時に回転磁界が構成できなくなり電動機の駆動力が瞬時に停止すると、急激な吸入空気量の低下によりエンジンの気筒内では燃料過大になり、失火をもたらしたり排気が極度に悪化したりする。さらに、運転中の急激なエンジン出力の低下は車両の運転状態が急変し車両の安全性が損なわれるおそれがある。そこで何らかの異常時にもターボチャージャやコンプレッサの回転数を急変させないバックアップ機能が求められる。従来、このようなバックアップ機能の付いた電動機は提案されていなかった。 A turbocharger cannot completely eliminate the possibility that a motor or a drive device will fail during its entire use year due to the excessive burden caused by its ultra-high speed rotation. In a motor-assisted turbocharger, if the rotating magnetic field cannot be configured when the motor or drive circuit is abnormal and the driving force of the motor stops instantaneously, the fuel in the cylinder of the engine becomes excessive due to a sudden drop in the intake air volume, resulting in a misfire. Or the exhaust will get worse. Furthermore, a sudden decrease in engine output during driving may cause a sudden change in the driving state of the vehicle and impair the safety of the vehicle. Therefore, there is a need for a backup function that does not suddenly change the turbocharger or compressor speed in the event of any abnormality. Conventionally, an electric motor with such a backup function has not been proposed.
そこで本発明では、ターボチャージャの回転軸若しくはコンプレッサの回転軸を駆動する電動機であって、固定子巻線を6相有し、その6相の固定子巻線が3相ずつ互いに60度位相のずれた2つのY結線に分割して結合されていることと、固定子巻線の各相の断線、短絡等の異常を検出する相異常検出手段と、いずれの相異常も検出されないときは2つのY結線を6相駆動し、いずれかの相異常が検出されたときはその相を含むY結線への通電駆動を遮断し正常な相からのみなるY結線を3相駆動する切り替え手段を有する駆動装置と、を備えることを特徴とするターボチャージャアシスト電動機が提供される。電動機は誘導電動機であっても良いし、回転子に永久磁石を配したブラシレスモータであっても良い。 Therefore, in the present invention, an electric motor that drives a rotating shaft of a turbocharger or a rotating shaft of a compressor has 6 phases of stator windings, and each of the 6-phase stator windings has a phase of 60 degrees with respect to each other. It is divided and combined into two shifted Y connections, phase abnormality detection means for detecting abnormality such as disconnection or short circuit of each phase of the stator winding, and 2 when no phase abnormality is detected. There is switching means for driving one Y connection in six phases and, when any phase abnormality is detected, cutting off the energization drive to the Y connection including that phase and driving the Y connection consisting only of normal phases in three phases A turbocharger-assist electric motor comprising: a drive device; The electric motor may be an induction motor or a brushless motor in which a permanent magnet is arranged on a rotor.
上記のように構成すると、平常時は6相のモータとして滑らかに回転駆動される。いずれかの相に異常が検出されたときは、その相を含むY結線が実効的に駆動装置から切り離され、もう一方のY結線のみで3相駆動され同じ回転数の回転磁界が構成される。このときは通常の3相モータと同じであり、応答性は低下するものの駆動しようとする回転数は同じであり、トルクリギングも生じない。従って、電動機のいずれかの相に異常が発生したとしてもターボチャージャの回転数は殆ど低下せず、ターボチャージャアシスト電動機としてのバックアップ機能を果たすことができるという効果がある。 If comprised as mentioned above, it will be rotationally driven smoothly as a 6-phase motor in normal times. When an abnormality is detected in any one of the phases, the Y connection including that phase is effectively disconnected from the driving device, and only the other Y connection is driven for three phases to form a rotating magnetic field having the same rotational speed. . At this time, it is the same as a normal three-phase motor, and although the responsiveness is lowered, the rotational speed to be driven is the same and torque rigging does not occur. Therefore, even if an abnormality occurs in any phase of the electric motor, the rotational speed of the turbocharger hardly decreases, and there is an effect that a backup function as a turbocharger assist motor can be achieved.
図1は、アシスト電動機が付いたターボチャージャ1を示す断面図である。ハウジング9内に回転自在に支承された回転軸6の左端に、エンジンの排気ガス流によって回転駆動されるタービン4が固定されている。回転軸6の右端に吸入空気を加圧するコンプレッサ5が固定されている。これら9,6,4,5によりターボチャージャ7を構成している。ここでは、ターボの回転の立ち上がりをアシストする電動機2が組み込まれている。アシスト電動機2には誘導電動機が選択される。すなわち、回転軸6にはアルミダイカストからなるかご型の回転子8が取り付けられている。その周りのハウジング9には6つの(6相の)固定子巻線10が60°ごとに配置固定され固定子を構成している。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a
図2は、アシスト電動機2の固定子巻線10と駆動装置20を示すブロック図である。6相の固定子巻線10は、互いに120°ごとに離れた3つの巻線がY結線され、60°位相のずれた2つのY結線11、12が構成される。第1のY結線11は3つの巻線11a、11b、11cからなり、第2のY結線12は3つの巻線12a、12b、12cからなる。第1のY結線11は第1のインバータ21に接続され、第2のY結線12は第2のインバータ22に接続される。各インバータ21、22には電源バッテリー30から電力が供給される。各インバータ21、22は3相インバータであり、たとえば第1のインバータ21は、6つのスイッチング素子21a、21b、21c、21d、21e、21fを主な要素として構成される。第2のインバータ22も同様である。そして2つのインバータ21、22は協調して運転され、アシスト電動機2を6相駆動するようになっている。
FIG. 2 is a block diagram showing the stator winding 10 and the
そして、たとえば第1のY結線11に属する巻線11a、11b、11cのいずれかが断線若しくは短絡したときは、第1のインバータ21を全て停止し第2のインバータ22のみでアシスト電動機2を回転駆動する。つまり、第2のY結線12のみを3相励磁することによる回転磁界でアシスト電動機2をバックアップ駆動しようとするのである。
For example, when any of the
図3は、上記の制御思想を実現する制御装置を示すブロック図である。アシスト電動機2の第1のY結線11の巻線11a、11b、11cは第1のインバータ21に接続され、第2のY結線12の巻線12a、12b、12cは第2のインバータ22に接続されている。第1のY結線11の巻線11a、11bに至る線にはそれぞれ電流センサ51、52が取り付けられ、相電流i1,i2を検出する。相電流i3はY結線であるからi3=−(i1+i2)により算出できる。同様に、第2のY結線12の巻線12a、12bに至る線にはそれぞれ電流センサ54、55が取り付けられ、相電流i4,i5を検出する。相電流i1,i2,i4,i5のデータは制御装置40に送られる。制御装置40では、モータ回転数、モータ回転指令値等のデータに基づき第1のインバータ21の6つのスイッチング素子のオンオフ信号と第2のインバータ22の6つのスイッチング素子のオンオフ信号を出力する。2系列のオンオフ信号はそれぞれ禁止手段44、45をなすANDゲートを経由してインバータ21、22のゲート駆動回路23、24に送られる。ANDゲート44、45の他の入力端子には正常時は1が入力される。
FIG. 3 is a block diagram showing a control device for realizing the above control concept. The
モータの相電流値が入力される異常検出手段43では、6つの相の平均相電流値とそれぞれのY結線11、12の各相電流を比較して、異常に大きい又は異常に小さい相電流からその相の短絡又は断線を検出する。異常を検出すると異常の発生した相が第1のY結線11か第2のY結線12かの信号を切り替え手段42に送る。切り替え手段42では、異常検出手段43からの信号に基づき、異常の検出されたY結線を駆動する側の禁止手段に禁止信号を出力する。たとえば、第1のY結線11に異常が検出されたなら、切り替え手段42から第1の禁止手段44に「0」が出力され禁止手段の機能がANDであるから第1のゲート駆動回路23へは常に「0」を出力する。このため第1のインバータ21は停止する。一方、切り替え手段42から第2の禁止手段45には「1」が出力されたままになるから駆動制御手段41からの6つの信号がそのまま第2のゲート駆動回路24に送られ第2のインバータ22は運転を続ける。
In the abnormality detection means 43 to which the phase current value of the motor is input, the average phase current value of the six phases is compared with the respective phase currents of the
駆動制御手段41は、切り替え手段42からの異常信号に対応し、異常時の運転であることを認知し、バックアップ運転に適した運転指令をゲート駆動回路24に送る。この結果、Y結線の要素に異常を検出した側のインバータ21は停止し、正常側のY結線12を駆動するインバータ22だけでバックアップ運転が続けられる。
The drive control means 41 responds to the abnormal signal from the switching means 42, recognizes that the operation is in an abnormal state, and sends an operation command suitable for the backup operation to the
上記では制御装置40をあたかも回路のごとく説明したが、実際には制御装置40の各手段はマクロプロセッサによる処理として実現される。図4は、マクロプロセッサによる処理を示すフローチャートである。S1で処理が開始される。S2では相電流の検出が行われる。相電流i1,i2は電流センサ51,52により直接に検出され、相電流i3はi3=−(i1+i2)として計算により算出される。同様に、相電流i4,i5は電流センサ54,55により直接に検出され、相電流i6はi6=−(i4+i5)として計算により算出される。
S3では各相の実効電流(rms)およびその6相での平均値Imが求められる。S4では各相の実効電流Inrmsの平均値Imからのずれ値δIn(n=1〜6)が計算される。δIn=Im−Inrmsとして計算される。ずれ値δInは正負いずれの値もとりうる数値であり、実効相電流が過大なときは負の値となる。
In the above description, the
In S3, the effective current (rms) of each phase and the average value Im of the six phases are obtained. In S4, a deviation value δIn (n = 1 to 6) from the average value Im of the effective current Inrms of each phase is calculated. Calculated as δIn = Im-Inrms. The deviation value δIn is a numerical value that can be either positive or negative, and is a negative value when the effective phase current is excessive.
S5では各相の断線の有無が判定される。ずれ値δInが正値で所定値Iminより大のときは、δIn>Imin、実効相電流が過小であり、その相の巻線が断線したと判定しS8に進む。6つの相すべてで、ずれ値δInが所定値Iminより小さいときは巻線の断線は無いと判定しS6に進む。
S6では各相の短絡の有無が判定される。ずれ値δInが負値で所定値Imaxより小のときは、δIn<Imax、実効相電流が過大であり、その相の巻線が短絡したと判定しS8に進む。6つの相すべてで、ずれ値δInが負の所定値Imaxより大きいときは巻線の短絡は無いと判定しS7に進む。そしてS1に戻り、再び各相の巻線の断線、短絡の有無を調べるルーチンを繰り返す。
In S5, it is determined whether or not each phase is disconnected. When the deviation value δIn is a positive value and larger than the predetermined value Imin, it is determined that δIn> Imin, the effective phase current is too small, and the winding of the phase is disconnected, and the process proceeds to S8. When the deviation value δIn is smaller than the predetermined value Imin in all six phases, it is determined that there is no disconnection of the winding, and the process proceeds to S6.
In S6, it is determined whether each phase is short-circuited. When the deviation value δIn is a negative value and smaller than the predetermined value Imax, it is determined that δIn <Imax, the effective phase current is excessive, and the winding of the phase is short-circuited, and the process proceeds to S8. When the deviation value δIn is larger than the negative predetermined value Imax in all six phases, it is determined that there is no short circuit of the winding and the process proceeds to S7. Then, the routine returns to S1, and the routine for checking the presence / absence of disconnection and short circuit of the windings of each phase is repeated again.
S5又はS6で断線又は短絡と判定されたときはS8に進む。S8では異常判定フラグをセットし駆動制御手段41に巻線に異常が発生したことを知らせる。次いでS9に進み、異常を検知したY結線を駆動するインバータに信号を送る禁止手段(ANDゲート)に「0」を出力し、該当するインバータを停止させる。そしてS10に進み、処理を終了する。 If it is determined in S5 or S6 that the wire is broken or shorted, the process proceeds to S8. In S8, an abnormality determination flag is set to notify the drive control means 41 that an abnormality has occurred in the winding. Next, in S9, "0" is output to the prohibition means (AND gate) that sends a signal to the inverter that drives the Y connection where the abnormality is detected, and the corresponding inverter is stopped. Then, the process proceeds to S10 and the process ends.
図5は、アシスト電動機2の固定子巻線の各相に印加される電圧波形の一例を示す波形図である。U,V,Wは第1のY結線11の相を示し、X、Y、Zは第2のY結線12の相を示す。正常時には、図に示すように、第1のY結線11と第2のY結線12とでは60°電気角がずれて6相励磁される。いずれかの相たとえば第1のY結線11の一つの相に短絡断線等の異常が発生すれば、禁止手段44によりU、V、Wの相の励磁は停止され印加電圧は0になる。そして、X、Y、Zの第2のY結線12のみに120°電気角がずれた電圧が印加され3相励磁によりバックアップ運転が開始されターボチャージャのアシストが続行される。
FIG. 5 is a waveform diagram showing an example of a voltage waveform applied to each phase of the stator winding of the
図6は、アシスト電動機付きターボチャージャの構成例を示すブロック図である。エンジンのエグゾーストマニフォールドはターボチャージャ61に連通し、ターボチャージャ61の排気タービンを回転駆動して排気経路66に至る。ターボチャージャ61には電動機(たとえば誘導機)62が内蔵され、コンプレッサタービンの回転をアシストする。吸気経路65はターボチャージャ61に連通され、コンプレッサタービンにより吸気が圧縮される。圧縮された吸気はインタークーラ64で冷却され、インテークマニフォールドに導かれる。ここで、ターボチャージャ61の回転は排気によるコンプレッサタービンの駆動力だけではなく、アシスト電動機62の駆動力も加わっているので、特にターボチャージャ61の回転の立ち上がりが優れたものとなる。
FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration example of a turbocharger with an assist motor. The exhaust manifold of the engine communicates with the
以上述べた実施の形態ではターボチャージャの回転軸を直接アシスト電動機により補助駆動するものとしたが、ターボチャージャの補助コンプレッサを回転駆動する電動機に本発明を適用することも勿論可能である。 In the above-described embodiment, the rotating shaft of the turbocharger is auxiliary driven directly by the assist motor. However, it is of course possible to apply the present invention to an electric motor that rotationally drives the auxiliary compressor of the turbocharger.
図7は、アシスト電動機コンプレッサの付いたターボチャージャの構成例を示すブロック図である。エンジン74のエグゾーストマニフォールドはターボチャージャ73に連通し、ターボチャージャ73の排気タービンを回転駆動して排気経路78に至る。吸気経路77はターボチャージャ73に連通され、ターボチャージャ73のコンプレッサタービンにより吸気が圧縮される。圧縮された吸気は補助コンプレッサ71に送られ、さらに圧縮される。補助コンプレッサ71はアシスト電動機72により回転駆動される。補助コンプレッサ71の出力管とターボチャージャ73の出力管から分岐した管は、切り替え弁76に導かれる。切り替え弁76は、図示しない電子制御装置により制御され、補助コンプレッサ71の出力又はターボチャージャ73の出力が選択され吸気がインタークーラ75に送られる。インタークーラ75の出力はエンジン74のインテークマニフォールドに連通する。
FIG. 7 is a block diagram illustrating a configuration example of a turbocharger with an assist motor compressor. The exhaust manifold of the engine 74 communicates with the
図8は、補助コンプレッサ71の断面図である。ケーシング81に固定された軸受け82、83に回転軸84が回転自在に支承されている。回転軸84の右端にはコンプレッサタービン85が固定され、高速回転して吸気経路86、87の吸気を圧縮する。回転軸84の左寄りにはかご型のアルミダイカストからなる回転子89が固定される。回転子89の周囲のケーシング81には6極の固定子巻線88、88が固定され、固定子巻線88と回転子89とで誘導電動機からなるアシスト電動機90を構成している。6相からなる固定子巻線88は3相ずつY字結線され、60°位相のずれた2組のY字結線が構成される。そして、図2乃至図5を参照して説明したのと同様に、正常時は6相で回転駆動し、片方のY字結線が故障した場合は他方のY字結線で同じ速度の回転磁界を維持し、バックアップ運転を可能とする。補助コンプレッサ71はターボチャージャ73の立ち上がり時に作動しターボチャージャ73による過給をアシストするものである。このように、本発明に係るアシスト電動機はターボチャージャのみならずコンプレッサにも適用可能である。
FIG. 8 is a cross-sectional view of the
図9は、従来の駆動装置の構成を示すブロック図である。誘導電動機100の3つの固定子巻線100a、100b、100cの出力端子数は6つであり、駆動回路200にはそれぞれの巻線を駆動するインバータ201、202、203が備えられている。各インバータには4つのスイッチング素子201a、201b、201c、201dが必要であるから、駆動回路200の全スイッチング素子数は4×3=12である。一方、図2に示すように、本発明の駆動回路20の全スイッチング素子数は6×2=12であり、従来の駆動回路200と同じ数になり、本発明による駆動回路のコストアップは無い。
FIG. 9 is a block diagram showing a configuration of a conventional drive device. The number of output terminals of the three
以上述べた実施の形態では電動機を誘導電動機として説明したが、電動機を回転子に永久磁石を配したブラシレスモータであっても同様のバックアップ制御が可能なことは明らかである。
また、図5では各相を矩形波で励磁する場合を示したが、PWMで励磁しても良いことは明らかである。
さらに前記の実施の形態では固定子巻線の各相の短絡断線を各相の電流により検出するようにしたが、各相の電圧やインピーダンスから検出するようにすることもできる。
In the embodiment described above, the electric motor has been described as an induction motor. However, it is obvious that the same backup control is possible even with a brushless motor in which a permanent magnet is arranged on the rotor of the electric motor.
Further, FIG. 5 shows a case where each phase is excited by a rectangular wave, but it is obvious that excitation may be performed by PWM.
Furthermore, although the short circuit breakage of each phase of the stator winding is detected by the current of each phase in the above embodiment, it can be detected from the voltage and impedance of each phase.
2 アシスト誘導電動機
7 ターボチャージャ
10 固定子巻線
11 第1のY結線
12 第2のY結線
20 駆動装置
21 第1の3相インバータ
22 第2の3相インバータ
30 電源バッテリー
40 制御装置
42 切り替え手段
43 異常検出手段
44、45 禁止手段
51、52、54、55 電流センサ
2 Assist
Claims (3)
固定子巻線を6相有し、その6相の固定子巻線が3相ずつ互いに60度位相のずれた2つのY結線に分割して結合されていることと、
固定子巻線の各相の断線、短絡等の異常を検出する相異常検出手段と、
いずれの相異常も検出されないときは2つのY結線を6相駆動し、いずれかの相異常が検出されたときはその相を含むY結線への通電駆動を遮断し正常な相からのみなるY結線を3相駆動する切り替え手段を有する駆動装置と、
を備えることを特徴とするターボチャージャアシスト電動機。 An electric motor that drives a rotating shaft of a turbocharger or a rotating shaft of a compressor,
Having 6 phases of stator windings, the 6-phase stator windings being divided and coupled into two Y-connections that are out of phase with each other by 60 degrees;
Phase abnormality detection means for detecting abnormality such as disconnection and short circuit of each phase of the stator winding;
When any phase abnormality is not detected, two Y connections are driven in six phases, and when any phase abnormality is detected, the energization drive to the Y connection including that phase is cut off and the Y phase consists only of normal phases. A driving device having switching means for driving the connection in three phases;
A turbocharger assist electric motor comprising:
The turbocharger assist motor according to claim 1, wherein the electric motor is a brushless motor in which a permanent magnet is arranged on a rotor.
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