JP2008206368A - 電動機付ターボチャージャ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動電流の低下を抑えてモータの制御性能を向上させる。
【解決手段】ターボチャージャＤの回転軸に軸結合したモータＢによってターボチャージャＤの回転を支援する電動機付ターボチャージャであって、バッテリＥから供給された直流電力を所望電圧の直流電力に変圧する変圧回路１ａと、該変圧回路１ａから入力された直流電力を交流電力に電力変換してモータＢを駆動する電力変換回路２ａと、変圧回路１ａと電力変換回路２ａとを制御する制御回路１ｂ，２ｂとを具備し、変圧回路１ａと電力変換回路２ａとが別体として構成され、電力変換回路２ａとモータＢとが一体に構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ターボチャージャの回転をモータによって補助する電動機付ターボチャージャに関する。

例えば下記特許文献１には、モータを車輌用のターボチャージャに軸結合し当該ターボチャージャの回転を上記モータによって補助（アシスト）する電動機付ターボチャージャ用のモータ制御装置が開示されている。このモータ制御装置は、車両のバッテリから供給された所定電圧の直流電力を昇圧回路で特定電圧まで昇圧した後、インバータ（電力変換回路）で交流電力に電力変換することによりモータを制御・駆動する。このような電動機付ターボチャージャにおいて、ターボチャージャは、通常はエンジンの排ガスによって駆動され、必要に応じてモータによってアシストされる。
特開２００６−２００４０４号公報

ところで、上記ターボチャージャは主にエンジンの排ガスによって駆動されるために当該エンジンの近傍に配置されるが、車両においてエンジンの近傍にはエンジンを機能させるための各種補機が実装されるために過密状態にある。上記モータは、このようなターボチャージャに軸結合するようにターボチャージャと一体に設けられるが、モータ制御装置は、エンジンの近傍が過密状態にあるためにモータからある程度離間した位置に実装され、ケーブルでモータに接続されることにより当該モータを制御する。

しかしながら、このようにモータ制御装置とモータとをケーブルで接続した場合に当該ケーブルの回路定数（特にインダクタンス）が原因となってモータ制御装置の負荷インダクタンスが上昇して所望の駆動電流をモータに流し込むことができず、この結果としてモータの制御性が低下するという問題がある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、負荷インダクタンスを低減してモータの制御性を向上させることを目的とするものである。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、ターボチャージャの回転軸に軸結合したモータによってターボチャージャの回転を支援する電動機付ターボチャージャであって、外部のバッテリから供給された直流電力を所望電圧の直流電力に変圧する変圧回路と、該変圧回路から入力された直流電力を交流電力に電力変換して前記モータを駆動する電力変換回路と、前記変圧回路と前記電力変換回路とを制御する制御回路とを具備し、前記変圧回路と前記電力変換回路とが別体として構成され、前記電力変換回路と前記モータとが一体に構成されている、という手段を採用する。
第２の解決手段として、上記第１の手段において、制御回路のうち、変圧回路を制御する変圧制御部は変圧回路と一体に構成され、電力変換回路を制御する電力変換制御部は電力変換回路と一体に構成される、という手段を採用する。
第３の解決手段として、上記第１または第２の手段において、変圧回路はチョッパ方式変圧回路である、という手段を採用する。
第４の解決手段として、上記第１〜第３いずれかの手段において、電力変換回路はインバータである、という手段を採用する。
第５の解決手段として、上記第１〜第４いずれかの手段において、制御回路は内部の不揮発性記憶部に記憶された設定値に基づいて変圧制御信号を生成して変圧回路に出力する、という手段を採用する。

本発明によれば、変圧回路と電力変換回路とが別体として構成され、電力変換回路とモータとが一体に構成されているので、電力変換回路とモータとを電力ケーブルで接続する必要がなく、よって負荷インダクタンスを低減してモータの制御性を向上させることが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る電動機付ターボチャージャのブロック図である。この図に示すように、本電動機付ターボチャージャは、モータ制御駆動装置Ａ、永久磁石同期モータＢ、位置センサＣ及びターボチャージャＤから構成されている。

モータ制御駆動装置Ａは、外部の車両バッテリＥから供給された直流電力及び車両のＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）から供給される回転速度指令値ω_０に基づいて永久磁石同期モータＢを制御するものであり、昇圧部１と電力変換部２とケーブル３Ａ，３Ｂとから構成されている。また、上記昇圧部１は、昇圧回路１ａと昇圧制御部１ｂとから構成され、電力変換部２は、インバータ２ａと電力変換制御部２ｂとから構成されている。

昇圧回路１ａは、チョッパ方式昇圧回路であり、昇圧制御部１ｂによる制御の下に、車両バッテリＥから供給された所定電圧の直流電力（バッテリ電力）をスイッチングしたのち平滑化することによって特定の電圧（出力電圧）に昇圧し、当該出力電圧をケーブル３Ａ，３Ｂを介してインバータ２ａに出力する。昇圧制御部１ｂは、内部メモリに記憶された出力電圧に関する設定値及び上記センサの検出値に基づいて上記昇圧回路１ａを制御するものである。より詳細には、昇圧制御部１ｂは、センサの検出値及び内部メモリの設定値に基づいて変圧制御信号を生成することにより、出力電圧が設定値と等しくなるようにチョッパ回路のスイッチングデューティ比を制御する。なお、チョッパ回路１ｄのスイッチング周期は所定値に固定されている。

インバータ２ａは、三相インバータであり、電力変換制御部２ｂによる制御の下に、ケーブル３Ａ，３Ｂを介して昇圧回路１ａから入力された直流電力を図示するように三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の交流電力に変換して永久磁石同期モータＢ（三相同期モータ）に出力する。三相インバータについては電力変換回路として広く周知であり、よって詳細については省略するが、電力変換制御部２ｂから入力されるＰＷＭ（Pulse Wideth Modulation）信号に基づいて電力用スイッチングトランジスタを駆動することにより、直流電力を互いに１２０°の位相差を有する三相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の交流電力に変換する。

電力変換制御部２ｂは、周知のベクトル制御方式に基づいてＰＷＭ信号を生成するものであり、位置センサＣから入力される永久磁石同期モータＢのロータの回転位置に関する検出値（回転検出値）とＥＣＵから供給される回転速度指令値ω_０とに基づいて上記ＰＷＭ信号を生成することによりインバータ２ａを制御する。より詳細には、電力変換制御部２ｂは、上記回転検出値に基づいてロータの回転速度を演算し、当該回転速度が回転速度指令値ω_０と一致するようにＰＷＭ信号を生成する。
なお、昇圧制御部１ｂと電力変換制御部２ｂとは、本実施形態における制御回路を構成している。

ここで、本電動機付ターボチャージャは、モータ制御駆動装置Ａにおける昇圧部１と電力変換部２とは、図示するように別体として構成されており、ケーブル３Ａ，３Ｂによって相互に接続されている。また、電力変換部２は、永久磁石同期モータＢの筐体の一部に設けられ、破線で示すように位置センサＣ及びターボチャージャＤと共に永久磁石同期モータＢと一体に構成されている。このような昇圧部１と電力変換部２との別体構成及び電力変換部２、永久磁石同期モータＢ、位置センサＣ及びターボチャージャＤの一体構成は、本本電動機付ターボチャージャの特徴的構成である。

上記永久磁石同期モータＢは、エンジンの排気ガスによって回転駆動するターボチャージャＤの回転軸に軸結合し、ロータが永久磁石から構成されたブラシレス型の三相同期モータである。位置センサＣは、永久磁石同期モータＢに付帯して設けられ、永久磁石同期モータＢのロータの回転位置を検出して電力変換制御部２ｂに出力する。ターボチャージャＤは、車両エンジンの排気ガスによって回転駆動すると共に、上記永久磁石同期モータＢによって回転が補助（アシスト）される。

すなわち、本電動機付ターボチャージャは、通常は排気ガスによって回転駆動するターボチャージャＤを、必要に応じて永久磁石同期モータＢでアシストすることにより、ターボチャージャＤの性能をそれ単体の場合よりも向上させるものである。

次に、このように構成された本電動機付ターボチャージャの作用・効果について詳しく説明する。

本電動機付ターボチャージャにおいて、昇圧制御部１ｂは、昇圧回路１ａからインバータ２ａに出力する出力電圧を、上述したように昇圧制御部１ｂの内部メモリに予め記憶された設定値となるように常に一定値に制御する。また、ＥＣＵから回転速度指令値ω_０が入力されると、電力変換制御部２ｂは、当該回転速度指令値ω_０に応じた回転速度で永久磁石同期モータＢが回転するように、つまり位置センサＣの回転検出値に基づく角速度検出値が回転速度指令値ω_０に一致するようにインバータ２ａを制御する。永久磁石同期モータＢの回転数（つまりターボチャージャＤの回転数）は、回転速度指令値ω_０に応じて自在に可変設定される。

ここで、本電動機付ターボチャージャでは、昇圧部１と電力変換部２とを別体として構成しているので、上述したように電力変換部２を永久磁石同期モータＢと一体に構成することが可能となる。そして、この結果として、電力変換部２が永久磁石同期モータＢと別体に構成され、その間がケーブルによって別途接続されている場合に比較して、永久磁石同期モータＢの制御性能を向上させることができる。

つまり、チョッパ方式の昇圧部１は、車両バッテリＥから供給されたバッテリ電力をスイッチングして得られたパルス状の電力を所定の平滑回路を用いて平滑化するものであり、平滑回路の構成素子として素子形状が比較的大きなコイルを必要とするために装置構成が比較的大きなものとなる。
したがって、昇圧部１が電力変換部２と一体に構成されている場合には、車両においてターボチャージャＤと一体に設けられる永久磁石同期モータＢの近傍に電力変換部２を設けることができず、よって電力変換部２と永久磁石同期モータＢとの間をケーブルによって別途接続する必要が生じる。

そして、電力変換部２と永久磁石同期モータＢとをケーブルで接続した場合には、ケーブルが回路定数として有するインダクタンスが原因となって永久磁石同期モータＢに所望の駆動電流を流すことができない自体が生じる。つまり、電力変換部２の負荷インダクタンスがケーブルの分だけ増加するので、永久磁石同期モータＢに流すことのできる駆動電流が減少する。

しかしながら、本電動機付ターボチャージャでは、昇圧部１と電力変換部２とを別体として構成し、かつ電力変換部２を永久磁石同期モータＢと一体に構成するので、電力変換部２を永久磁石同期モータＢとを接続するケーブルが不要であり、よって永久磁石同期モータＢに所望の駆動電流を供給することが可能となり、この結果として永久磁石同期モータＢの制御性能を向上させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、昇圧制御部１ｂを昇圧回路１ａと一体に構成し、また電力変換制御部２ｂをインバータ２ａと一体に構成した。つまり、昇圧制御部１ｂと電力変換制御部２ｂとを別体に構成したが、電力変換部２をより小型化するために、昇圧制御部１ｂと電力変換制御部２ｂとを昇圧回路１ａと一体に構成するようにしても良い。
（２）上記実施形態では、変圧回路を昇圧回路１ａとして構成したが、必要に応じて変圧回路を降圧回路としても良い。
（３）上記実施形態では、電力変換回路をインバータ２ａとしたが、他の方式の電力変換回路としても良い。

本発明の一実施形態に係わるモータ制御駆動装置の機能構成を示すブロック図である。

符号の説明

Ａ…モータ制御駆動装置、Ｂ…永久磁石同期モータ、Ｃ…位置センサ、Ｄ…ターボチャージャ、１…昇圧部、１ａ…昇圧回路、１ｂ…昇圧制御部、１ｃ…チョッパ回路、１ｄ…平滑回路、１ｅ…コイル、１ｆ…コンデンサ、２…電力変換部、２ａ…インバータ、２ｂ…電力変換制御部、３Ａ，３Ｂ…ケーブル

Claims (5)

1. ターボチャージャの回転軸に軸結合したモータによってターボチャージャの回転を支援する電動機付ターボチャージャであって、
   外部のバッテリから供給された直流電力を所望電圧の直流電力に変圧する変圧回路と、
   該変圧回路から入力された直流電力を交流電力に電力変換して前記モータを駆動する電力変換回路と、
   前記変圧回路と前記電力変換回路とを制御する制御回路とを具備し、
   前記変圧回路と前記電力変換回路とが別体として構成され、前記電力変換回路と前記モータとが一体に構成されていることを特徴とする電動機付ターボチャージャ。
2. 前記制御回路のうち、前記変圧回路を制御する変圧制御部は前記変圧回路と一体に構成され、前記電力変換回路を制御する電力変換制御部は前記電力変換回路と一体に構成されることを特徴とする請求項１記載の電動機付ターボチャージャ。
3. 前記変圧回路は、チョパ方式変圧回路であることを特徴とする請求項１または２記載の電動機付ターボチャージャ。
4. 前記電力変換回路は、インバータであることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の電動機付ターボチャージャ。
5. 前記制御回路は、内部の不揮発性記憶部に記憶された設定値に基づいて変圧制御信号を生成して前記変圧回路に出力することを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の電動機付ターボチャージャ。

Images