JP2010016953A

JP2010016953A - 車両用発電電動機及びその制御方法

Info

Publication number: JP2010016953A
Application number: JP2008173653A
Authority: JP
Inventors: Naohide Maeda; 直秀前田; Nobuhiko Fujita; 暢彦藤田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2010-01-21
Also published as: US20100001672A1; US8212512B2; FR2933548A1

Abstract

【課題】出力トルクや発電量の変動値が許容値を超えないように制限することができる複数の電機子巻線系を持つ車両用発電電動機とその制御方法を提供する。
【解決手段】複数組の三相巻線５ａ，５ｂを有する発電電動機１と、この発電電動機の各組の三相巻線に接続された複数組のインバータ部１０ａ，１０ｂと、発電電動機の動作状態に応じてインバータ部を制御する制御回路部１１とを備えた車両用発電電動機において、制御回路部１１は、発電電機１が電動機として動作し、その出力トルクの変動値が所定値を超える場合、複数組の三相巻線５ａ，５ｂのうち、少なくとも１組の三相巻線に流れる電機子電流を停止するようにインバータ部１０ａ，１０ｂを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数組の電機子巻線を有する車両用発電電動機とその制御方法に関する。

従来から三相同期電動機や発電機のような発電電動機で十分な出力を得るためや動作時の騒音を低減するために、三相電機子巻線（以下三相巻線という）と三相巻線を制御するためのインバータ装置からなる電機子巻線系を複数組持つものが提案されている。また、発電電動機の負荷が小さいときに、複数組ある電機子巻線系の一部の動作を停止することでインバータ装置でのスイッチング損失を低減し効率を上げることや、一部の電機子巻線系が故障した場合に残りの電機子巻線系の出力を上げることでフェイルセーフ機能を持たせることが提案されている(例えば特許文献１)。

特開平５−１０３４９７号公報

上記のように複数の電機子巻線系を持つと出力を上げることができるが、発電電動機と内燃機関とを接続する場合、特にベルトを介して接続する場合には出力トルクが大きくなりすぎる場合に内燃機関を破壊したり、ベルト寿命が短くなってしまう問題があった。
また、通常発電電動機での発電出力は、バッテリと車両負荷に供給されるが、車両負荷は車両の環境によって変動し(例えばエアコンのオン/オフなど)、一定ではない。このため発電電動機は必要な発電量に合わせて発電量を調整しているが、追従できない発電量の変化に対しては通常はバッテリが吸収することになる。しかし、バッテリの充電容量が多い場合には、余剰な発電量を吸収する余裕が無く、バッテリが過充電となってバッテリ寿命に悪影響を及ぼしてしまう問題があった。

本発明は以上のような問題を解消するためになされたもので、出力トルクや発電量の許容値以上の変動に対応するために、すばやく出力トルクや発電量を変化させることができる複数組の電機子巻線系を持つ車両用発電電動機とその制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、内燃機関と接続され、複数組の三相巻線を有する発電電動機と、この発電電動機の各組の三相巻線にそれぞれ接続されたインバータ部と、上記発電電動機の動作状態に応じて上記インバータ部を制御する制御回路部とを備えた車両用発電電動機において、上記制御回路部は、上記発電電機が電動機として動作し、その出力トルクの変動値が所定値を超える場合、上記複数組の三相巻線のうち、少なくとも１組の三相巻線に流れる電機子電流を停止するように上記インバータ部を制御するものである。

また，本発明は、内燃機関と接続され、複数組の三相巻線を有する発電電動機と、この発電電動機の各組の三相巻線にそれぞれ接続されたインバータ部と、上記発電電動機の動作状態に応じて上記インバータ部を制御する制御回路部とを備えた車両用発電電動機において、上記制御回路部は、上記発電電機が発電機として動作し、その発電量の変動値が所定値を超える場合、上記複数組の三相巻線のうち、少なくとも１組の三相巻線に流れる電機子電流を停止するように上記インバータ部を制御するものである。

本発明の車両用発電電動機によれば、発電電動機が電動機として動作する場合、出力トルクの過度の変動を確実に防止し、内燃機関の破損の危険性を避けることができる。
また、発電電動機が発電機として動作する場合、発電出力の過度の変動を確実に防止し、過電流の流入によるバッテリの寿命低下や破損を防止することができる。

実施の形態１．
図1は本発明の実施の形態１に係る車両用発電電動機のブロック回路図、図２は実施の形態１に係る車両用発電電動機の断面図である。
発電電動機１は界磁巻線２とそれを覆う界磁鉄心３を有する回転子４と、回転子４を回転自在に保持するハウジング７，８と回転子４を覆って設けられ、三相巻線５a（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）と三相巻線５ｂ(Ｘ相、Ｙ相、Ｚ相)の２組の三相巻線を有している固定子６と、界磁巻線２に界磁電流を供給する界磁回路部９、各組の三相巻線５ａ，５ｂにそれぞれ接続され、各々の電機子電流を独立して供給するインバータ部１０ａ，１０ｂと、発電電動機１の動作状態に応じてインバータ部１０ａ，１０ｂを制御する制御回路部１１から構成されている。インバータ部１０ａ，１０ｂは、それぞれ三相ブリッジ接続されたスイッチング素子により構成され、制御回路部１１によりそれらのスイッチング素子をオン、オフ制御される。

また、発電電動機１は回転子４の端部に取り付けられたプーリ１２とベルト（図示せず）を介して内燃機関に接続されており、相互に動力を交換することができる。また、回転子４の回転速度や電機子電流、界磁電流、発電電動機等の温度などを測定するセンサが発電電動機各部に取り付けられ、制御回路部１１に入力される。また、発電電動機の制御に必要な車両情報が外部から制御回路部１１に入力される。
なお、図２において、１３はスリップリング、１４はブラシホルダ、１５は回転センサ
を示している。

発電電動機１の通常時の動作を説明する。内燃機関を停止状態から駆動状態へ移行する場合、制御回路部１１がインバータ部１０ａ，１０ｂを介して電機子電流と界磁電流を制御し発電電動機を電動機として動作させ、内燃機関を始動させる。
内燃機関の駆動状態においては、内燃機関から動力を受けて回転子４が回転し、発電電動機１は発電機として動作し、車両負荷に電力を供給し、バッテリ１６の充電を行う。

次に本実施の形態での発電電動機１の動作を説明する。通常駆動モードでは上記のように制御回路部１１が各組の三相巻線５ａ，５ｂへ電機子電流を供給し、発電電動機１を駆動することで、内燃機関を始動させる。内燃機関を回転させるために必要なトルクが急減する場合(例えば内燃機関の着火直後など)、通常のトルク制御手段である電機子電流や界磁電流を調整すると各部の応答性から、トルクの変動に追従することが困難となる。
このため、本実施の形態ではトルクの急減に対応するために、２組あるインバータ部１０ａ，１０ｂのうち、少なくとも１組のインバータ部のスイッチング素子をすべてオフし、２組ある三相巻線５ａ，５ｂの少なくとも１組に流れる電機子電流を停止する。これにより発電電動機１に発生するトルクを減少させ、必要となるトルクに確実に追従することができる。

また、内燃機関が着火した場合には、着火前とは逆に内燃機関が動力源となって発電電動機１を駆動することになる。このとき、発電電動機１が駆動動作していると発電電動機１と内燃機関を接続しているベルトに掛かる張力が急激に変化し、ベルト寿命に悪影響を及ぼすことになる。このため上記の場合と同様に電機子電流を制御し、トルク変動に対する追従性を向上させ、ベルトの張力変動を抑制することでベルト寿命を延ばすことができる。さらに、発電電動機１が過剰なトルクで内燃機関を駆動することによる内燃機関の損傷を防止することができる。

図３は、本実施の形態での発電電動機１の電動モードにおける動作の一例を示すフローチャートで、内燃機関の始動モード開始が指令されると、制御回路部１１は内燃機関の始動に必要なトルクＴｑの発生指令を受けて、各組の三相巻線５ａ，５ｂへ所要の電機子電流を供給し、発電電動機１を駆動する（ステップＳ３１）。次のステップＳ３２において、内燃機関の初爆が発生したかどうかの判定を行い、初爆発生が確認されると、ステップＳ３３で発電電動機１の出力トルクのトルク変動値△Ｔｑ（指令トルクＴｑと現在の出力トルクとの差）が所定値△Ｔｑ０以下かどうかを判定する。

そして、△Ｔｑ＜△Ｔｑ０の場合には、これに対応して制御回路部１１は発電電動機１の電機子電流及び界磁電流を必要に応じて適宜調整し（ステップＳ３４）、△Ｔｑ≧△Ｔｑ０の場合には、制御回路部１１は発電電動機１の２組あるインバータ部１０ａ，１０ｂのうち、少なくとも１組のインバータ部のスイッチング素子をすべてオフし、２組ある三相巻線５ａ，５ｂの少なくとも１組に流れる電機子電流を遮断（ステップＳ３５）した後、始動モードを終了する。上記ステップＳ３２において初爆発生が確認されなかった場合は、再度ステップＳ３１に戻る。

なお、ステップＳ３３において発電電動機１のトルク変動値△Ｔｑが所定値△Ｔｑ０を超える場合、出力トルクを減少させるため任意の三相巻線の電機子電流を緩やかに減らしながら停止させてもよい。これにより、出力トルクの急減を和らげ、内燃機関等に対するショックを抑制して、内燃機関へのダメージや、乗り心地の悪化を防ぐことができる。

以上のように実施の形態１によれば、内燃機関と接続され、複数組の三相巻線５ａ，５ｂを有する発電電動機１と、この発電電動機の各組の三相巻線に接続された複数組のインバータ部１０ａ，１０ｂと、発電電動機の動作状態に応じてインバータ部を制御する制御回路部１１とを備えた車両用発電電動機において、制御回路部１１は、発電電機１が電動機として動作し、その出力トルクの変動値が所定値を超える場合、複数組の三相巻線５ａ，５ｂのうち、少なくとも１組の三相巻線に流れる電機子電流を停止するようにインバータ部１０ａ，１０ｂを制御することにより、発電電動機が電動機として動作する場合、出力トルクの過度の変動を確実に防止し、内燃機関破損の危険性を避けることができる。

実施の形態２．
通常発電電動機１での発電出力は、バッテリ１６と車両負荷に供給されるが、車両負荷は車両の環境によって変動し(例えばエアコンのオン/オフなど)、一定ではない。このため発電電動機１は必要な発電量に合わせて発電量を調整しているが、追従できない発電量の変化に対しては通常はバッテリ１６が吸収することになる。しかし、バッテリ１６の充電容量が多い場合には、余剰な発電量を吸収する余裕が無く、バッテリ１６が過充電となってバッテリ寿命に悪影響を及ぼしてしまう。

そこで本実施の形態２では、発電電動機１の発電動作時において、必要な発電量が急激に減少した場合に、少なくとも２組ある三相巻線５ａ，５ｂのうち、少なくとも１組の三相巻線での発電を停止する。三相巻線の組数を減少することで発電量をすぐに減らすことができ、素早く要求される発電量に応答することができる。
また、三相巻線５ａ，５ｂによる発電を停止する方法として、発電を停止する三相巻線を全て短絡（三相短絡）する方法を適用することもできる。これにより発電電動機１で消費するトルクを変化させずに発電量を減少させることができ、発電電動機と内燃機関を接続するベルトに掛かる張力の変動を抑制でき、ベルトの寿命を延ばすことができる。

さらに回生ブレーキとして発電電動機１を使用する場合において、必要な発電量の減少を本実施の形態の方法で吸収することで、発電電動機１でのトルクの消費量を減らさずに発電量を減少させ、摩擦ブレーキによる制動力を急激に変化させることなく対応することができるため、車両の乗り心地が悪化することを防止することができる。

図４は、本実施の形態２での発電電動機１の発電モードにおける動作の一例を示すフローチャートで、発電電動機１の発電モードにおいて、発電電動機１の発電量Ｉ１が指令される（ステップＳ４１）と、ステップＳ４２で制御回路部１１は発電量の変動値△Ｉ１（指令発電量Ｉ１と現在の発電量との差）の判定を行う。すなわち発電量の変動値△Ｉ１が△Ｉ１＞０または△Ｉ１＜所定値△Ｉ０である場合には、それに対応した界磁電流Ｉｆ１を決定（ステップＳ４３）し、△Ｉ１＜０及び△Ｉ１≧△Ｉ０である場合には、２組あるインバータ部１０ａ，１０ｂのうち、一方のインバータ部のスイッチング素子をすべてオフし、２組ある三相巻線５ａ，５ｂのうち一方の組に流れる電機子電流を停止（ステップＳ４４）すると共に、その状態に対応した界磁電流Ｉｆ２を決定（ステップＳ４４）し、発電電動機１が指令された発電量Ｉ１を出力するようにインバータ部１０ａ，１０ｂ及び界磁回路部９を制御する（ステップＳ４５）。

以上のように実施の形態２によれば、内燃機関と接続され、複数組の三相巻線５ａ，５ｂを有する発電電動機１と、この発電電動機の各組の三相巻線に接続された複数組のインバータ部１０ａ，１０ｂと、発電電動機の動作状態に応じてインバータ部を制御する制御回路部１１とを備えた車両用発電電動機において、上記制御回路部１１は、上記発電電機が発電機として動作し、その発電量の変動値が所定値を超える場合、上記複数組の三相巻線５ａ，５ｂのうち、少なくとも１組の三相巻線に流れる電機子電流を停止するように上記インバータ部１０ａ，１０ｂを制御することにより、発電出力の過度の変動を確実に防止し、過電流の流入によるバッテリの寿命低下や破損を防止することができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３ではインバータ部１０ａ，１０ｂによる三相巻線５ａ，５ｂへの通電は矩形波通電で行われる。矩形波通電制御方式を採用することで、ＰＷＭ制御方式で必要な平滑コンデンサを削減できるため、インバータ部１０ａ，１０ｂの小型化が可能となり、発電電動機１へのインバータ部１０ａ，１０ｂの搭載性がよくなる。また平滑コンデンサが無くなる為、コストが低減できる。
さらに矩形波通電では、トルクを制限するために位相を変化させても消費電力は変わらず効率が悪化するだけであるが、通電する電機子巻線数を制限することで効率を変えずにトルク制限を実施することができる。

なお、以上の各実施の形態における発電電動機１では、回転子４や固定子６とインバータ部１０ａ，１０ｂや制御回路部１１が一体となった例を挙げているが、これらを別体としてもよい。また制御回路部１１がＥＣＵなどに統合されていてもよい。

本発明の実施の形態１に係る発電電動機のブロック回路図である。本発明の実施の形態１に係る発電電動機の断面図である。本発明の実施の形態１における動作の一例を説明するためのフローチャートである。本発明の実施の形態２における動作の一例を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１：発電電動機、２：界磁巻線、３：界磁鉄心、４：回転子、５ａ，５ｂ：三相巻線、６：固定子、７，８：ハウジング、９：界磁回路部、１０ａ，１０ｂa：インバータ部、１１：制御回路部、１２：プーリ、１３：スリップリング、１４：ブラシホルダ、１５：回転センサ、１６：バッテリ

Claims

内燃機関と接続され、複数組の三相巻線を有する発電電動機と、この発電電動機の各組の三相巻線にそれぞれ接続されたインバータ部と、上記発電電動機の動作状態に応じて上記インバータ部を制御する制御回路部とを備えた車両用発電電動機において、上記制御回路部は、上記発電電機が電動機として動作し、その出力トルクの変動値が所定値を超える場合、上記複数組の三相巻線のうち、少なくとも１組の三相巻線に流れる電機子電流を停止するように上記インバータ部を制御することを特徴とする車両用発電電動機。
上記制御回路部は、上記少なくとも１組の三相巻線の電機子電流を漸減させながら停止させるように上記インバータ部を制御することを特徴とする請求項１記載の車両用発電電動機。
上記制御回路部は、上記少なくとも１組の三相巻線に接続された上記インバータ部を構成するスイッチング素子を全てオフにすることを特徴とする請求項１または２記載の車両用発電電動機。
内燃機関と接続され、複数組の三相巻線を有する発電電動機と、この発電電動機の各組の三相巻線にそれぞれ接続されたインバータ部と、上記発電電動機の動作状態に応じて上記インバータ部を制御する制御回路部とを備えた車両用発電電動機において、上記制御回路部は、上記発電電機が発電機として動作し、その発電量の変動値が所定値を超える場合、上記複数組の三相巻線のうち、少なくとも１組の三相巻線に流れる電機子電流を停止するように上記インバータ部を制御することを特徴とする車両用発電電動機。
上記制御回路部は、上記少なくとも１組の三相巻線を短絡させるように上記インバータ部を制御することを特徴とする請求項４記載の車両用発電電動機。
上記インバータ部による三相巻線への通電は矩形波通電で行われることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載の車両用発電電動機。
内燃機関と接続され、複数組の三相巻線を有する発電電動機と、この発電電動機の各組の三相巻線にそれぞれ接続されたインバータ部とを有し、上記発電電動機の動作状態に応じて上記インバータ部を制御する車両用発電電動機の制御方法において、
上記発電電動機を電動機として動作させ上記内燃機関を始動する場合、上記内燃機関の初爆を判定するステップと、上記発電電動機の出力トルクの変動値が所定値を超えたか否か判定するステップとを含み、
上記内燃機関の初爆が発生し、上記出力トルクの変動値が上記所定値を超えた場合に、上記複数組の三相巻線のうち、少なくとも１組の三相巻線に流れる電機子電流を停止するように上記インバータ部を制御することを特徴とする車両用発電電動機の制御方法。
内燃機関と接続され、複数組の三相巻線を有する発電電動機と、この発電電動機の各組の三相巻線にそれぞれ接続されたインバータ部とを有し、上記発電電動機の動作状態に応じて上記インバータ部を制御する車両用発電電動機の制御方法において、
上記発電電動機を発電機として動作させる場合、発電量を指令するステップと、上記発電電動機の発電量の変動値が所定値を超えたか否か判定するステップとを含み、
上記発電量の変動値が０より小さく、かつ上記所定値を超えた場合に、上記複数組の三相巻線のうち、少なくとも１組の三相巻線に流れる電機子電流を停止するように上記インバータ部を制御することを特徴とする車両用発電電動機の制御方法。