JP2007174766A

JP2007174766A - 回転電機装置

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Publication number: JP2007174766A
Application number: JP2005366673A
Authority: JP
Inventors: Noriyuki Wada; 典之和田; Masato Mori; 真人森
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2005-12-20
Publication date: 2007-07-05
Anticipated expiration: 2025-12-20
Also published as: JP4185094B2

Abstract

【課題】回転電機装置に対して、装置の大型化、コストアップを招くことなく、通常出力停止時のサージ電圧を抑制する。
【解決手段】電機子巻線２０２への通電用スイッチング素子を制御し、回転電機２００の電機子巻線へ矩形波状の電圧を印加する電力変換部と、電力変換部の通電用スイッチング素子への出力停止指示が通常停止指示か異常停止指示かの判定をする出力停止判定部と、出力停止判定部からの停止指示が通常停止指示の場合は、オン状態にある電力変換部の通電用スイッチング素子を停止指示の無い場合においてオフする予定の時刻までオンし続けると共に、オフ状態にあるスイッチング素子はオンしないように指示する出力停止処理部とを備え、電力変換部の通電用スイッチング素子の停止を制御する。
【選択図】図２

Description

この発明は、主に車輌に搭載され、発電電動機、発電機、又は電動機として動作する回転電機装置に関し、特にそのスイッチング素子の出力停止制御装置に係わるものである。

近年、環境保護や燃費向上を目的として、内燃機関とそれ以外の動力源、例えば発電電動機などを備えた、いわゆるハイブリッド車と呼ばれるものの開発・実用化が進んでいる。このような車輌においては、走行状況に応じて内燃機関とそれ以外の動力源の使い分けを行う。例えば、アイドリング時の不必要な燃料消費を抑制するため、信号にて停車した場合などに内燃機関を停止させ、アクセルオンやブレーキオフなどの運転者による発進の意志を感知した場合、発電電動機にて内燃機関の再始動を行ったりするアイドルストップと呼ばれる技術がある。

このような環境に好適な技術を普及させるためには、信頼性向上・小型・低コスト化が重要であり、本願のシステムも例外ではない。なかでも、インバータ内の直流入力電圧を平滑するコンデンサ、電機子巻線や直流入力の電流を検出する電流センサなどを削減し、簡易な方法で発電電動機の制御を行う手法として、任意の通電幅を持った矩形波を印加する、いわゆる矩形波駆動方式と呼ばれるものがある。この方式は、ＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）駆動方式と呼ばれるものに比べ、スイッチング回数が少ないため、スイッチングロスの影響も低減できると共に平滑コンデンサを削除できるため、低コスト化が図れる。

しかし、矩形波駆動方式においても、ＰＷＭ駆動方式に比べてスイッチング回数は少ないが動作を行う。そのため、スイッチング時においてサージ電圧が発生し、このサージ電圧を吸収するためのコンデンサが必要となる。このサージ吸収用のコンデンサは、充分な容量が必要であると共に高い耐電圧を必要とするので、一般的に高価で大型なものとなる。そのため、このサージ吸収用のコンデンサ容量を減らすことができれば、装置の小型・低コスト化を達成可能である。

一般的にスイッチング時のサージ電圧ｖは、式１にて表される。
ｖ＝Ｌ × ｄｉ／ｄｔ・・・式１
ここで、Ｌ：直流入力側のインダクタンス、
ｉ：スイッチングオフ寸前に通電されていた電流
式１より、サージ電圧を低くするには、電流の少ない状態でスイッチングをオフすれば良いことになる。通常運転中のスイッチング動作は、発電電動機が効率の最も良い略力率１にて運転されているため、基本的に電流の少ない状態でスイッチングされている。

しかし、モード遷移動作などにおいて、駆動状態から駆動停止状態に移行する際に、指示どおりに駆動を停止させるためにスイッチング動作を停止すると、遮断時の電機子巻線の電流値によっては、大きなサージ電圧が発生する可能性があり、サージ吸収用のコンデンサを減らすことができない。また、この時のサージ電圧のレベルによっては、本装置だけでなく他のシステムに対しても悪影響を及ぼす恐れがある。

さらに、発電電動機の誘起電圧が直流入力電圧（蓄電池電圧）よりも高い状態で、インバータのスイッチングを停止すると、インバータ内の還流ダイオードが全波整流回路として機能し発電電動機は発電機として動作する恐れがある。これは意図しない発電機としての動作であり回避する必要がある。

過去にもスイッチング停止後の誘起電圧抑制手段に関するものとして、特許文献１があったが、永久磁石を搭載した発電電動機に関するものであり、トルク制御手段を必要としているため、トルク制御手段を構築する必要があり、制御構成が複雑なものであった。さらに、ベクトル制御が前提であるため、一般に電機子電流を検出する手段が必要であり、またシフトポジションを検出する手段なども具備しているので、装置が大型化・コストが増大する傾向にあった。

特許第３０７７４３４号明細書

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、回転電機装置に対して、装置の大型化、コストアップを招くことなく、通常出力停止時のサージ電圧を抑制することを目的とするものである。
また、回転電機装置に対して、電機子巻線への通電用スイッチング素子の通電停止指示時には、界磁巻線への通電を停止又は停止指示させておいて、誘起電圧上昇を抑制し、上記通常停止指示時における意図しない発電機としての動作を防止することを目的とするものである。

この発明に係わる回転電機装置は、電機子巻線と固定子を有する回転電機と、前記電機子巻線への通電用スイッチング素子を制御し、前記回転電機の電機子巻線へ矩形波状の電圧を印加する電力変換部と、前記電力変換部の通電用スイッチング素子への出力停止指示が通常停止指示か異常停止指示かの判定をする出力停止判定部と、前記出力停止判定部からの停止指示が通常停止指示の場合は、オン状態にある前記電力変換部の通電用スイッチング素子を停止指示の無い場合においてオフする予定の時刻までオンし続けると共に、オフ状態にあるスイッチング素子はオンしないように指示する出力停止処理部とを備え、前期出力停止処理部の指示を前記電力変換部に伝え、前記電力変換部の通電用スイッチング素子の停止を制御するようにしたものである。

また、この発明に係わる回転電機装置は、電機子巻線と界磁巻線を有する回転電機と、前記電機子巻線への通電用スイッチング素子と前記界磁巻線への通電用スイッチング素子を制御し、前記回転電機の電機子巻線へ矩形波状の電圧を印加する電力変換部と、前記電力変換部の通電用スイッチング素子への出力停止指示が通常停止指示か異常停止指示かの判定をする出力停止判定部と、前記出力停止判定部からの停止指示が通常停止指示の場合は、前記界磁巻線への通電用スイッチング素子をオフ又はオフするように指示した所定設定時間経過後で、オン状態にある前記電機子巻線への通電用スイッチング素子を、停止指示の無い場合においてオフする予定の時刻までオンし続けると共に、オフ状態にある前記電機子巻線への通電用スイッチング素子はオンしないように指示する出力停止処理部とを備え、前期出力停止処理部の指示を前記電力変換部に伝え、前記電力変換部の通電用スイッチング素子の停止を制御するようにしたものである。

この発明の回転電機装置によれば、緊急を要しない通常停止指示において、回転電機装置が力率略１にて運転されているため、オフする予定時刻においては電機子電流が略０であるので、サージ電圧の発生を抑制でき、サージ吸収用のコンデンサ容量を小さくでき、電磁ノイズも軽減できる。そのため、装置の小型・低コスト・低ノイズ化が達成可能である。

また、この発明に係わる回転電機装置は、電機子巻線への通電用スイッチング素子の通電停止指示時には、界磁巻線への通電は停止又は停止指示されている状態のため、誘起電圧を低く制御でき、上記通常停止指示時における意図しない発電機としての動作を防止できる。

実施の形態１．
以下にこの発明の実施の形態を説明する。図１はこの発明の実施の形態１である発電電動機を車輌に適用したときの接続構成図を示す。図において、駆動源となる例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの内燃機関１０１と発電電動機１０２は、直接結合あるいはベルトやプーリーなどの結合手段１０４を介して、互いにトルクが授受可能な状態で配置されている。また、発電電動機１０２は、蓄電池１０３と電気的に接続されている。なお、この蓄電池１０３は、他の車両用負荷と共用する蓄電池でも、発電電動機１０２専用のものでも良い。

図２は実施の形態１の発電電動機における回転電機と電力変換部を一体化した電力変換部付回転電機装置１０５を示すブロック構成図である。図２のとおり電力変換部付回転電機体１０５は、３相のＹ型又はΔ型結線された電機子巻線２０１（なお、３相に限らず、２相や６相であってよい。）と固定子を有する回転電機（モータ・ジェネレータ部分）２００と、その制御機能を有する電力変換部１１０からなる。

回転電機２００と電力変換部１１０を一体化することにより次のようなメリットがある。電機子巻線２０１と電力変換部１１０間の配線が最短となり、配線ドロップなどの影響も軽減でき、限られた電圧を有効利用することができるため、特性アップが図られる。加えて、電機子巻線２０１と電力変換部１１０の配線は通常、線径の太いものが使用されるため、重量・コスト・信頼性などの面で非常に優位である。

電力変換部１１０は、いわゆる３相インバータ（なお、３相インバータに限らず、電機子巻線に応じて２相インバータや６相インバータであってもよい。）であり、回転電機２００の電機子巻線２０１の各相に接続された６個の電力変換用スイッチング素子（通電用スイッチング素子）２２０ａ〜２２０ｃ、２２１ａ〜２２１ｃと、これらの電機子巻線２０１への通電用スイッチング素子を駆動する駆動回路２１０から構成される。蓄電池１０３はその端子間電圧Ｐ―Ｎを電力変換部１１０の直流端子に印加している。図２の通電用スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴであるので寄生ダイオードが存在し、これが、通常還流ダイオードの役割を果たすため、あえて還流ダイオードは図示していない。駆動回路２１０では、入力された各相のオン・オフ指令に基づいて、電力変換用スイッチング素子２２０ａ〜２２０ｃ、２２１ａ〜２２１ｃを駆動し、回転電機２００の駆動及び発電などの制御を行う構成となっている。

図３は実施の形態１における各相のオン・オフ指令時の電流波形を示す波形図である。図３において、ＵＨ〜ＷＬは、それぞれ図２の通電用スイッチング素子２２０ａ〜２２０ｃ、２２１ａ〜２２１ｃのオン・オフを表す。回転電機を効率よく制御するためには、力率を略１にて運転するのが良いので、通常図３のような波形となる。すなわち、各相の電流が略０付近の時にスイッチングを行っている。一般的にスイッチング時のサージ電圧は、上記式１にて表されるので、図３では、スイッチング時のサージ電圧が最小のポイントにてスイッチングしていることになる。

それでは、この発明の主要部である発電電動機の出力停止制御装置について説明する。図４は、実施の形態１における出力停止制御装置を示すブロック図である。図４において、出力停止制御装置は、通常の動作による出力停止であるか、異常発生による出力停止であるかの判定を行う出力停止判定部１２１と、この出力停止判定部１２１からの指示により各相の通電用スイッチング素子へのオン・オフ指示を行う出力停止処理部１２２とを有する。電力変換部１１０では、この出力停止処理部１２２のオン・オフ指示を受け、駆動回路２１０にて各相の通電用スイッチング素子２２０ａ〜２２０ｃ、２２１ａ〜２２１ｃを駆動制御する。

つづいて、それぞれの部位に関する詳細説明を行う。まず、出力停止判定部１２１には、システムの異常（例えば、電力変換部の短絡や地絡）などによって即座に通電用スイッチング素子を停止する必要が生じたかのシステム情報と通常の動作モードの変化により通電用スイッチング素子を停止する必要が生じたかのモード情報が入力される。それらの情報をもとに図５に示すフローチャートに従って判定を行う。図５は実施の形態１における出力停止判定部の処理フローを示すフローチャートである。

すなわち、図５において、システム異常が発生しているか否かの判定を定周期的に（例えば、何百回／ｓ）行い（Ｓ１００）、システム異常が発生している場合は、異常停止指示を返す（Ｓ１０１）。異常が発生していない場合は、通常の動作モードにより、通電用スイッチング素子を停止する必要が発生したか否かの出力停止モード判定を行う（Ｓ１０２）。ここで、出力停止モードであると判定された場合は、通常停止指示を返し（Ｓ１０３）、出力停止モードではないと判定された場合は、出力許可指示を返す（Ｓ１０４）。以上のような判定を行い、出力停止判定部１２１では、(a)異常停止指示、(b)通常停止指示、(c)出力許可指示のうちのいずれかの指示を出力する。

出力停止判定部１２１の指示を出力停止処理部１２２へ渡すと、出力停止処理部１２２では、(a)異常停止指示、(b)通常停止指示、(c)出力許可指示に応じて、電力変換部１１０へ伝送するための各相通電用スイッチング素子のオン・オフ指令を生成する。それぞれの指示に対するオン・オフ指令は以下のとおりである。

異常停止指示の場合
即座に通電用スイッチング素子を停止させる必要があるため、図６のように現在オン状態にある通電用スイッチング素子（ＵＨ、ＶＨ、ＷＬ）を即座に遮断し、かつオフ状態にある通電用スイッチング素子（ＵＬ、ＶＬ、ＷＨ）もオンしないようにする。このようにした場合、図６においては、Ｗ相電流が比較的大きい時刻にてＷＬのスイッチングをオフすることになり、大きなサージ電圧が発生することが懸念されるが、それよりも緊急にスイッチングを遮断することのほうが重要であるため、このような処理を行う。なお、図６は実施の形態１，２，３と４における異常停止指示の場合の出力停止処理部の動作を示す説明図である。

なお、本願ではスイッチングを停止させる必要のあるシステム異常について特に言及を行っていないが、通常、緊急を要するシステムの異常が発生した場合、ソフトウェアにて通電用スイッチング素子を停止すると遅延が発生するためハードウェアにて停止させるのが効果的である。そのような場合、ソフトウェアにてスイッチング停止処理を行う時点でハードウェアにてスイッチングが停止されているが、ソフトウェアでも同様の処置を行うことにより、スイッチング停止に関するシステム的整合が取れるので意義がある。
（ハードウェアではスイッチング停止しているのにソフトウェアではスイッチング停止指示を行っていないという不整合を防止する）

通常停止指示の場合
通常の動作モード遷移などによる出力停止処理のため、前記(a)のような緊急性は要しない。そこで、サージ電圧を可能な限り減らすために、図７のように各相の電流が略０付近でスイッチングを行うようにする。すなわち、通常出力停止指示があった時刻ｔ_ｓｔｏｐにおいて、オン状態にある通電用スイッチング素子（ＵＨ、ＶＨ、ＷＬ）は、本来オフする予定の時刻（ｔ_ＵＨｏｆｆ、ｔ_ＷＬｏｆｆ、ｔ_ＶＨｏｆｆ）までオン動作を継続すると共に、現在オフ状態にある通電用スイッチング素子（ＵＬ、ＶＬ、ＷＨ）をオンしないように処理する。通常発電電動機は、効率の良いポイントにて運転するために力率が略１で運転されている。そのため、上記のように処理することによって電流が略０のときにスイッチングオフでき、サージ電圧の発生を抑制できる。また、スイッチング時の電流変化が小さいため、電磁ノイズなどの影響も軽減できる。なお、図７は、実施の形態１，２，３と４における通常停止指示の場合の出力停止処理部の動作を示す説明図である。

出力許可指示の場合
出力停止処理を行う必要がないため、図３のように運転を継続するように各相の通電用スイッチング素子を制御する。このようにして決定した通電用スイッチング素子のオン・オフ指令は、電力変換部１１０に伝送され、各通電用スイッチング素子を駆動する。

上記のようにすることにより、緊急を要しない通常停止指示において、発電電動機が力率略１にて運転されているため、オフする予定時刻においては電機子電流が略０であるので、サージ電圧の発生を抑制でき、サージ吸収用のコンデンサ容量を小さくでき、電磁ノイズも軽減できる。そのため、装置の小型・低コスト・低ノイズ化が達成可能である。これに反して、出力停止指示後、即座に通電用スイッチング素子を停止すると、電機子巻線電流の値によっては非常に大きなサージ電圧が発生してしまうので、これを軽減するために大きなコンデンサが必要となるが、これを回避することができる。

また、電機子巻線電流検出手段や誘起電圧検出手段などの特別な検出装置を必要としない。特許文献１のようにトルク制御手段などを必要としないため、制御構成が簡易となる。矩形波通電で、スイッチング回数が少ないため、スイッチングロスの影響も低減され、効率ＵＰが図れ、冷却構造なども小型化できる。
また、緊急を要する異常停止指示においては、即座に通電用スイッチング素子を遮断できるので、安全性・信頼性が高い。

実施の形態２．
図８は実施の形態２,３と４の発電電動機における回転電機と電力変換部を一体化した電力変換部付回転電機装置１０５を示すブロック構成図である。図８において、上述した実施の形態１（図２）と比して、回転電機２００と電力変換部１１０の構成が一部異なっている。まず、回転電機２００において、界磁巻線式の発電電動機であるため界磁巻線２０２が追加されている。さらに、電力変換部１１０に界磁巻線２０２に通電するための電力変換用スイッチング素子（通電用スイッチング素子）２１１と還流ダイオード２１２が付加されている。実施の形態２では、界磁巻線２０２への通電用スイッチング素子２１１を駆動回路２１０でオン・オフ制御することにより、主磁束を界磁巻線２０２にて制御可能な界磁巻線式とし、誘起電圧を制御可能な界磁巻線式同期発電電動機としている。

実施の形態２における出力停止制御装置に関するブロック図は、図４と同じであるが、出力停止判定部１２１における処理フローが異なる。そのため、その箇所に関する説明を行い、それ以外の部位に関する説明は省略することがある。それでは、出力停止判定部１２１の処理フローについて説明する。図９は実施の形態２における出力停止判定部の処理フローを示すフローチャートである。上述した実施の形態１（図５）の処理フローと比較すると、界磁巻線２０２を追加したことによる界磁電流の遮断処理（Ｓ２０１、Ｓ２１３）と出力停止モード判定（Ｓ２１０）以下が異なっている。

まず、出力停止判定部１２１の入力情報の一つであるシステム情報により、即座に通電用スイッチング素子を停止する必要があるか否かの判定を行う（Ｓ２００）。この判定にてシステム異常有りと判定された場合は、界磁電流を遮断もしくは遮断指示する（Ｓ２０１）と共に異常停止指示（Ｓ２０２）を行う。遮断指示と異常停止指示は出力停止処理部１２２に伝達され、電力変換部１１０から界磁巻線２０２と電機子巻線２０１の通電用スイッチング素子をオフに制御する。逆にシステム異常が発生していないと判定された場合は、Ｓ２１０へ進む。

ここでは、出力停止判定部１２１の入力情報であるモード情報により、通常モード遷移における出力停止の必要があるか否かの判定を行う（Ｓ２１０）。ここで、出力停止モードであると判定された場合は、通常出力停止許可（Ｓ２１１）状態となる。同時に、この停止許可状態にて設定時間用カウンタインクリメンタでカウントアップする（Ｓ２１２）と共に、界磁巻線２０２への通電用スイッチング素子２１１の通電を遮断もしくは遮断指示を行う（Ｓ２１３）。遮断指示は出力停止処理部１２２に伝達され、電力変換部１１０から界磁巻線２０２への通電用スイッチング素子２１１をオフに制御する。

その後、先ほどのカウンタ（Ｓ２１２）の値による判定（通常出力停止許可後の設定時間を経過したかの判定）をＳ２１４にて行う。もし、この判定を行わずに通電用スイッチング素子の停止処理を行うと、界磁電流の立ち下がり期間による残留磁束により発電電動機に誘起電圧が発生する。そして、この誘起電圧が直流入力電圧（蓄電池電圧）よりも高い場合、インバータ内の還流ダイオードが全波整流回路として機能し、発電電動機は発電機として動作する恐れがある。

一般に、誘起電圧Ｅが直流入力電圧（蓄電池電圧）よりも高い状態で、インバータのスイッチングを停止すると、インバータの還流ダイオードが全波整流回路として機能し発電電動機は発電機として動作する。すなわち、界磁電流と回転速度がある値以上になった状態でインバータのスイッチングを停止すると発電機として動作することになる。これは、予期せぬ発電機としての動作であり、インバータの直流入力端子や蓄電池に非常に大きな電圧が誘起することになる。そのため、インバータのスイッチング素子の寿命を縮める（最悪の場合は耐圧破壊を引き起こす）だけでなく、インバータの直流入力端子や蓄電池などに接続している他のシステムに対しても許容以上の電圧が印加され、信頼性を著しく低下させる。

そこで、誘起電圧により発電電動機が意図しない発電機として動作しないように、界磁電流が立ち下がり、残留磁束により意図しない発電機として動作することがないように、界磁電流遮断後（Ｓ２１３）又は遮断指示後の所定時間経過後に通常出力停止指示を行うようにする（Ｓ２１５）。つまり、所定時間経過により、界磁電流が立ち下がっているものと判断することができる。なお、実施の形態２は、次の実施の形態３による界磁電流の所定通電量の記憶手段及び界磁電流検出手段も不要であるため、低コスト・小型化が達成できる。判定（Ｓ２１４）にて所定時間経過していないと判定された場合は、残留磁束により意図しない発電機として動作する可能性があるため、出力許可指示（Ｓ２２２）を行い、スイッチング停止動作を遅延する。一方、Ｓ２１０にて出力停止モードでないと判定された場合は、設定時間用カウンタインクリメンタのクリア処理を行い（Ｓ２２１）、通常のどおり、出力許可指示（Ｓ２２２）とする。

その後、出力停止判定部１２１の指示を、実施の形態１と同様に、出力停止処理部１２２へ渡す。出力停止処理部１２２では、(a)異常停止指示、(b)通常停止指示、(c)出力許可指示に応じて、電力変換部１１０へ伝送するための各相通電用スイッチング素子のオン・オフ指令を生成する。それぞれの指示に対するオン・オフ指令は以下のとおりである。

異常停止指示の場合
すでに、Ｓ２０１で遮断指示が出力停止処理部１２２に伝達され、電力変換部１１０から界磁巻線２０２の通電用スイッチング素子をオフに制御する。と同時に通電用スイッチング素子を停止させる必要があるため、図６のように現在オン状態にある通電用スイッチング素子（ＵＨ、ＶＨ、ＷＬ）を即座に遮断し、かつオフ状態にある通電用スイッチング素子（ＵＬ、ＶＬ、ＷＨ）もオンしないようにする。このように、フェイル発生などの異常事態においては、界磁巻線への通電を遮断すると同時に、電機子巻線への通電用スイッチング素子の通電を遮断するので、信頼性が高い。

通常停止指示の場合
すでに、Ｓ２１３で界磁巻線２０２への通電用スイッチング素子２１１の通電を遮断もしくは遮断指示を行っており、遮断指示は出力停止処理部１２２に伝達され、電力変換部１１０から界磁巻線２０２への通電用スイッチング素子２１１をオフに制御している。そして、界磁電流遮断後又は遮断指示後の所定時間経過後に通常出力停止指示を行う。この通常停止指示の場合は、通常の動作モード遷移などによる出力停止処理のため、前記(a)のような緊急性は要しない。

そこで、サージ電圧を可能な限り減らすために、図７のように各相の電流が略０付近でスイッチングを行うようにする。すなわち、通常出力停止指示があった時刻ｔ_ｓｔｏｐにおいて、オン状態にある通電用スイッチング素子（ＵＨ、ＶＨ、ＷＬ）は、本来オフする予定の時刻（ｔ_ＵＨｏｆｆ、ｔ_ＷＬｏｆｆ、ｔ_ＶＨｏｆｆ）までオン動作を継続すると共に、現在オフ状態にある通電用スイッチング素子（ＵＬ、ＶＬ、ＷＨ）をオンしないように処理する。通常発電電動機は、効率の良いポイントにて運転するために力率が略１で運転されている。そのため、上記のように処理することによって電流が略０のときにスイッチングオフでき、サージ電圧の発生を抑制できる。また、スイッチング時の電流変化が小さいため、電磁ノイズなどの影響も軽減できる。

以上のようにすることにより、実施の形態１の効果と共に、電機子巻線への通電用スイッチング素子の通電停止指示時には、界磁巻線への通電は停止又は停止指示されている状態のため、誘起電圧を低く制御でき、上記通常停止指示時における意図しない発電機としての動作を防止できる。また、電流検出手段を必要とせず、小型で、低コストで、高信頼化された装置を実現できる。また、通常、界磁巻線の時定数は、電機子巻線に比べて大きいため、先に界磁巻線への通電を停止させる。電機子巻線へのゲート出力停止と界磁巻線への通電停止を同時に行うと、界磁巻線の残留磁束により誘起電圧が上昇し、予期せぬ発電動作を行うので、これを防止できる。

実施の形態３．
図１０は実施の形態３における出力停止制御装置を示すブロック図である。上述した実施の形態１，２のブロック図（図４）に比べ、出力停止判定部１２１に入力する情報として、通常停止指示判定用界磁電流記憶手段１３３のＩｆ_ｊｕｄｇｅが追加となっている。それ以外の部位は、上述の実施の形態２と同様であるのでその説明を割愛する。それでは、この出力停止判定部１２１について説明する。図１１は実施の形態３における出力停止判定部１２１の処理フローを示すフローチャートである。上述した実施の形態２（図９）の処理フローと比較すると、入力情報として追加となった界磁電流の判定（Ｓ３１４）が付加されている。その他の処理に関しては、上述した実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。

まず、システムは正常（Ｓ３００）であり、通常のモード遷移などにより出力停止モードであると判定（Ｓ３１０）された場合は、通常出力停止許可状態になり（Ｓ３１１）、同時にこの許可状態にてカウンタインクリメンタを起動する（Ｓ３１２）と共に、界磁巻線２０２への通電を遮断もしくは遮断指示する（Ｓ３１３）。その後、界磁電流値が通常停止指示判定用界磁電流値Ｉｆ_ｊｕｄｇｅよりも大きいか否かの判定を行う（Ｓ３１４）。この判定は、前述の実施の形態２と同様に、スイッチング停止後の誘起電圧を抑制するための処置である。すなわち、誘起電圧により発電電動機が意図しない発電機として動作しないように誘起電圧を監視する手法として、比例関係にある界磁電流によって判定を行うものである。

実施の形態２では、所定時間経過した後に通常出力停止処理を行っていたので、通常出力停止許可状態にて界磁電流が小さい場合においても、最悪ケースで設定した時間（通常流しうる界磁電流の最大値が立ち下がるまでの時間）待つ必要があった。そのため、俊敏にモード遷移を行うことができないという問題が発生する。そこで、界磁電流を直接判定値に用いることで、これらの問題を回避している。この判定部（Ｓ３１４）にて界磁電流値が所定値以下であると判定した場合は、通常停止指示を行う（Ｓ３１６）。これにより、予期せぬ発電機としての動作を防止できる。

一方、まだ界磁電流が設定値以下になっていないと判定された場合は、通常出力停止許可後のカウンタが所定時間経過したか否かの判定を行う（Ｓ３１５）。このカウンタは、通常出力停止許可時に起動したものである（Ｓ３１２）。この判定における設定時間は、界磁電流遮断後（Ｓ３１３）充分長い時間におけるものを設定する。なぜなら、この判定の役割は、界磁電流を遮断しているにもかかわらず、なかなか界磁電流が設定値以下にならないという何らかの異常（例えば界磁電流センサ不良）により、スイッチングを停止できないことを回避するものであり、普通はこの判定によって通常停止指示（Ｓ３１６）することはない。すなわち、２重系を構築した形態となっている。カウンタが所定値以下の場合は、この状態でスイッチングを停止すると意図しない発電機としての動作をする恐れがあるため、界磁電流が所定値まで下降するまでの間は、出力許可指示（Ｓ３２２）を行い、スイッチング停止を遅延する。

上述のように界磁電流値にて直接判定を行うことにより、通常出力許可時の界磁電流が小さい場合は、即座にスイッチング停止を行うことができ、界磁電流が大きい場合は、界磁電流が所定値まで立ち下がるまで（誘起電圧が下降するまで）スイッチング停止を行わないため、意図しない発電機としての動作を回避することができる。つまり、界磁電流が所定値以下になるまで電機子巻線への通電用スイッチング素子をゲートオフしないので誘起電圧を低く制御でき、全ゲートオフ後において、ダイオード全波整流による意図しない発電動作を防止できる。また、時間監視を行うことで、より信頼性の高いシステムを構築することができる。なお、この実施の形態は記憶手段などソフトウェアにて行う手法について記載したが、コンパレータを使用することでハードウェアでも構築可能である。

実施の形態４．
図１２は実施の形態４おける出力停止制御装置を示すブロック図である。上述した実施の形態３（図１０）に比べ、通常停止指示判定用界磁電流記憶手段１３３に入力する情報が追加となっている。すなわち、回転速度算出手段１３１からの回転速度Ｎｍｇ及び直流入力端子間電圧算出手段１３２のＶｄｃである。それ以外の箇所は、実施の形態３と同様であるため説明を省略する。

一般に、界磁電流が一定の場合、回転速度の上昇と共に誘起電圧も略比例して増加する。また、界磁電流がＩｆ_１＜Ｉｆ_２＜Ｉｆ_３の関係が成立している場合、回転速度が一定のとき発生する誘起電圧もＩｆ_１＜Ｉｆ_２＜Ｉｆ_３と同じ関係が成り立つ。図１３は界磁電流をパラメータにしたときの回転速度に対する誘起電圧を示す特性図である。一方、図１１のＳ３１４にて界磁電流による判定を行うのは、スイッチング動作停止指示時に誘起電圧＞直流入力端子間電圧（蓄電池電圧）となり意図しない発電機としての動作を回避するためであった。そのため、この判定に使用する界磁電流値は、回転速度により変化させると良いことになる。

実施の形態３において、判定用の界磁電流値は常に一定であったが、この場合、許容される回転速度の最大値によって界磁電流を設定する必要がある。そのため、回転速度が低い場合において、通常停止許可時の界磁電流と回転速度の関係では誘起電圧が低いにも関わらず、所定の界磁電流以下になるまで待つ必要があったので、特に低い回転速度において、モード遷移がリアルタイムに行われない恐れがあった。
そこで、回転速度により判定用の界磁電流値を変えて記憶することにより、いかなる回転速度においても安全にスイッチング動作を停止させることができる。

次に、界磁電流判定値を直流入力電圧Ｖｄｃにより変化させる理由について述べる。前述したように回転速度が一定の場合、界磁電流が大きいほど発生する誘起電圧も大きくなる。一方、直流入力端子間電圧が小さくなると、意図しない発電機としての誘起電圧レベルも下がり、直流入力端子間電圧が大きい時は逆に誘起電圧レベルも上がる。そのため、直流入力端子間電圧（蓄電池電圧）が小さいときは、界磁電流判定値を小さく、逆に直流入力端子間電圧（蓄電池電圧）が大きいときは界磁電流判定値を大きくすると良い。これにより、リアルタイム性が要求される場合においても、安全かつ確実にスイッチング動作を停止させることができる。

ここで、回転速度算出手段１３１にレゾルバ、エンコーダ、ホール素子などのセンサを用いた場合、発電電動機に電力変換部を一体化したことにより、電力変換部までの配線が最短となり、軽量化・低コスト化・高信頼化を達成することができるという利点がある。また、伝送線路の電圧ドロップの影響が小さくなり、直流入力端子間電圧算出手段１３２の直流電圧検出精度が向上するという利点もある。

さらに、界磁電流Ｉｆ、回転速度Ｎｍｇと誘起電圧Ｅには次の式２のような関係がある。
Ｅ＝Ｋ_１ × Ｎｍｇ × Ｉｆ（Ｋ_１：係数）・・・式２
また、上記記載のとおり、直流入力端子間電圧と誘起電圧Ｅも界磁電流判定値に関係しているため、界磁電流判定値を回転速度と直流入力端子間電圧の２つのパラメータから抽出するとなお良い。なお、ＲＯＭ容量の制約などで両方の記憶領域を確保できない場合は、どちらか一方のみを記憶してもよいし、一方の値からある係数により補正してもよい。

式２より界磁電流は、誘起電圧Ｅに比例し回転速度に反比例する。そのため、誘起電圧を一定とした場合の界磁電流は、回転速度の上昇と共に小さくなる。そのため、回転速度が高い状態では界磁電流判定値を小さくし、逆に回転速度が低い状態で判定値を大きくするように、回転速度により変化させればよい。また、発電電動機が発電機として動作するには、誘起電圧が直流入力電圧（蓄電池電圧）よりも高い必要がある。そのため、直流入力電圧（蓄電池電圧）の値により発電機として動作する誘起電圧が変わるため、界磁電流所定値を直流入力電圧（蓄電池電圧）で可変にすればよいことになる。

すなわち、発電機として動作するには
直流入力電圧＜誘起電圧＝Ｋ_２×Ｉｆ（Ｋ_２：係数）・・・式３
であるので、直流入力電圧により変化させればよい。さらに誘起電圧は、式４にて表されるので
直流入力電圧＜誘起電圧＝Ｋ_３×Ｉｆ×Ｎｍｇ
→ 直流入力電圧÷Ｎｍｇ＜Ｋ_３×Ｉｆ（Ｋ_３：係数）・・式４
であるので、直流入力電圧と回転速度の両方にて変化させれば、なお効果的である。

なお、実施の形態では記憶手段に記憶させる手法について説明したが、回転速度や直流入力端子間電圧により所定の界磁電流値をオンラインで演算しても良い。上記のように、通常停止指示判定用界磁電流設定値を回転速度や直流入力端子間電圧（蓄電池電圧）により変化させることにより、リアルタイム性を最大限維持でき、かつ安全にスイッチング動作を停止させることができる。

以上の実施の形態では、回転電機装置として、発電電動機を例に説明したが、発電機又は電動機においても同様に適用できる。また、回転電機と電力変換部を一体化した電力変換部付回転電機装置を例に説明したが、回転電機と電力変換部を別体として、両者間を配線で接続する構成としても同様に適用できる。

この発明の実施の形態１である発電電動機を車輌に適用したときの接続構成図を示す。実施の形態１の発電電動機における回転電機と電力変換部を一体化した電力変換部付回転電機体を示すブロック構成図である。実施の形態１における各相のオン・オフ指令時の電流波形を示す波形図である。実施の形態１における出力停止制御装置を示すブロック図である。実施の形態１における出力停止判定部の処理フローを示すフローチャートである。実施の形態１，２，３と４における異常停止指示の場合の出力停止処理部の動作を示す説明図である。実施の形態１，２，３と４における通常停止指示の場合の出力停止処理部の動作を示す説明図である。実施の形態２，３と４の発電電動機における回転電機と電力変換部を一体化した電力変換部付回転電機体を示すブロック構成図である。実施の形態２における出力停止判定部の処理フローを示すフローチャートである。実施の形態３における出力停止制御装置を示すブロック図である。実施の形態３における出力停止判定部１２１の処理フローを示すフローチャートである。実施の形態４おける出力停止制御装置を示すブロック図である。界磁電流をパラメータにしたときの回転速度に対する誘起電圧を示す特性図である。

符号の説明

１０１内燃機関１０２発電電動機
１０３蓄電池１０４結合手段
１０５電力変換部付回転電機装置１１０電力変換部
１２１出力停止判定部１２２出力停止処理部
１３１回転速度算出手段１３２直流入力端子間電圧算出手段
１３３通常停止指示判定用界磁電流記憶手段
２００回転電機２０１電機子巻線
２０２界磁巻線２１０駆動回路
２１１通電用スイッチング素子２１２還流ダイオード
２２０ａ〜２２０ｃ通電用スイッチング素子
２２１ａ〜２２１ｃ通電用スイッチング素子

Claims

電機子巻線と固定子を有する回転電機と、
前記電機子巻線への通電用スイッチング素子を制御し、前記回転電機の電機子巻線へ矩形波状の電圧を印加する電力変換部と、
前記電力変換部の通電用スイッチング素子への出力停止指示が通常停止指示か異常停止指示かの判定をする出力停止判定部と、
前記出力停止判定部からの停止指示が通常停止指示の場合は、オン状態にある前記電力変換部の通電用スイッチング素子を停止指示の無い場合においてオフする予定の時刻までオンし続けると共に、オフ状態にあるスイッチング素子はオンしないように指示する出力停止処理部とを備え、前期出力停止処理部の指示を前記電力変換部に伝え、前記電力変換部の通電用スイッチング素子の停止を制御するようにしたことを特徴とする回転電機装置。
前記出力停止判定部からの停止指示が異常停止指示の場合は、前記出力停止処理部がオン状態にある前記電力変換部の通電用スイッチング素子をオフすると共に、オフ状態にある通電用スイッチング素子はオンしないように指示し、前記出力停止処理部の指示を前記電力変換部に伝え、前記電力変換部の通電用スイッチング素子の停止を制御するようにしたことを特徴とする請求項１記載の回転電機装置。
電機子巻線と界磁巻線を有する回転電機と、
前記電機子巻線への通電用スイッチング素子と前記界磁巻線への通電用スイッチング素子を制御し、前記回転電機の電機子巻線へ矩形波状の電圧を印加する電力変換部と、
前記電力変換部の通電用スイッチング素子への出力停止指示が通常停止指示か異常停止指示かの判定をする出力停止判定部と、
前記出力停止判定部からの停止指示が通常停止指示の場合は、前記界磁巻線への通電用スイッチング素子をオフ又はオフするように指示した所定設定時間経過後で、オン状態にある前記電機子巻線への通電用スイッチング素子を、停止指示の無い場合においてオフする予定の時刻までオンし続けると共に、オフ状態にある前記電機子巻線への通電用スイッチング素子はオンしないように指示する出力停止処理部とを備え、前期出力停止処理部の指示を前記電力変換部に伝え、前記電力変換部の通電用スイッチング素子の停止を制御するようにしたことを特徴とする回転電機装置。
前記出力停止判定部からの停止指示が異常停止指示の場合は、前記界磁巻線への通電を停止すると共に、前記出力停止処理部がオン状態にある前記電機子巻線への通電用スイッチング素子をオフにし、オフ状態にある前記電機子巻線への通電用スイッチング素子はオンしないように指示し、前記出力停止処理部の指示を前記電力変換部に伝え、前記電力変換部の通電用スイッチング素子の停止を制御するようにしたことを特徴とする請求項３記載の回転電機装置。
前記出力停止判定部は、通常出力停止許可となった場合に、前記界磁巻線への通電量が所定値以下になったとき、通常停止指示を行うようにしたことを特徴とする請求項３記載の回転電機装置。
前記出力停止判定部は、前記界磁巻線への通電量の所定値を、
前記回転電機の回転速度並びに直流入力端子間電圧もしくは蓄電池の端子間電圧
のうちいずれか一つ以上をパラメータとして変化させることを特徴とする請求項５記載の回転電機装置。
前記出力停止判定部は、通常出力停止許可状態が所定設定時間継続した場合は、通常出力停止指示を、前記出力停止処理部に伝えるようにしたことを特徴とする請求項３記載の回転電機装置。