JP2010035331A - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な構成の追加や高コスト化、出力低下を伴うことなく時定数を低減することができる車両用回転電機を提供すること。
【解決手段】車両用交流発電機１は、回転子の界磁極を磁化させる界磁巻線４と、界磁極により発生する回転磁界によって交流電圧誘起する電機子と、電機子に誘起された交流電圧を直流に変換する整流器３と、界磁巻線４に通電する界磁電流を調整することにより出力電圧を制御する基準電圧調整回路５０と、基準電圧調整回路５０によって調整される界磁電流を増強あるいは減衰して界磁巻線４に供給するブートストラップ回路５１とを有する電圧制御装置５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用回転電機に関する。

自動車のエレクトロニクス化が進むに従い、電気負荷の増加に伴って車両用発電機は体格アップによる大型化により物理的に対応してきた。これらは言わば、ロータコイルの大型化および励磁電流の増加での対応といってよい。その副産物としてロータイナーシャの増大、また相対的なプーリ比の増加によるベルトスリップやバタツキなどの発生が問題となってきている。また、近年のコンパクトコンポーネントに伴うＶ型エンジンのトレンドや、燃費向上制御による気筒休止など偶力発生要因に起因した回転変動の問題が顕著化してきている。これらの問題に対し車両メーカーおよび各部品メーカーは変動吸収機能を持たせたプーリを採用することにより対応を図っている。しかしながら、これらは本質的に機械部品によるリニア動作であるため、エンジンコンポーネント毎の設定が必要となる不合理性を伴い、また耐久性などの信頼性の問題も懸念されている。

これらの背景から、エンジンコンポーネントに依存しないアクティブな制御により、クラッチプーリやダンパープーリと同等の機能を車両用発電機のトルク制御で行う試みもある（例えば、特許文献１参照。）が、実現のための根本的な問題として電気的時定数の大きさがネックとなっており、電気的時定数の低減が望まれる。

また、燃費向上の他の手段の一つとして、アイドル時のエンジンストップ、再始動に対応して、車両用発電機に電動機の機能を付加した発電電動機が搭載される車両もある。このような発電電動機では、電動機として動作する際に迅速な駆動トルクの発生が望まれるが、この場合にも電気的時定数の低減が必要であった。電気的時定数を低減する従来技術としては、時定数の小さい第２の界磁コイルを回転子に並列接続するものがある（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００３−１７４７９７号公報（第５−１０頁、図１−１３） 特開２００３−１７４７９８号公報（第４−７頁、図１−８）

ところで、特許文献２に開示された構成では、回転子の限られたスペースに２種類のコイルを巻くことになるため、工数増加に伴う高コスト化や起磁力減少に伴う出力低下などが発生するという問題があった。

また、特許文献１に開示された構成では、コイルの励磁電流の立ち上がりを早く、すなわち実質的に時定数を小さくするために、限定の条件下で励磁電圧を高電圧にしている。このため、高電圧切り替え機構や高電圧電源等の複雑な構成の追加が必要であって車両用発電機の制御装置が複雑になるとともに、高電圧に対応した絶縁性の向上が必要になり、高コスト化を招くという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、複雑な構成の追加や高コスト化、出力低下を伴うことなく時定数を低減することができる車両用回転電機を提供することにある。また、本発明の他の目的は、電動機として動作する際に迅速な駆動力発生を実現することができる車両用回転電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機は、回転子の界磁極を磁化させる界磁巻線と、界磁極により発生する回転磁界によって交流電圧誘起する電機子と、電機子に誘起された交流電圧を直流に変換する整流器と、界磁巻線に通電する界磁電流を調整することにより出力電圧を制御する基準電圧調整回路と、基準電圧調整回路によって調整される界磁電流を増強あるいは減衰して界磁巻線に供給するブートストラップ回路とを有する電圧制御装置とを備えている。

ブートストラップ回路を備えることにより、界磁電流を増強して界磁巻線に短時間に大きな界磁電流を流すとともに短時間で界磁電流を減衰させることが可能になり、電気的時定数を低減することができる。しかも、巻線の追加等が不要であって、複雑な構成の追加や高コスト化、出力低下を抑えることができる。電気的時定数の低減に伴って、車両用回転電機を電動機として動作させる場合には、迅速な駆動力発生を実現することができる。

また、上述した基準電圧調整回路は、整流器の出力電圧が基準値となるように調整する制御信号を出力し、ブートストラップ回路は、基準電圧調整回路から出力される制御信号に対する昇圧動作と回生充電動作とを界磁巻線に対して行うことが望ましい。具体的には、上述したブートストラップ回路は、バッテリ電力を界磁巻線に供給する第１のダイオードと、界磁巻線に発生した逆起電力を回生充電するコンデンサと、界磁巻線に発生した逆起電力をコンデンサに供給する第２のダイオードと、コンデンサによる回生充電動作と、コンデンサの充電電力を界磁巻線に放電する動作とを切り替えるスイッチング素子とを備えることが望ましい。

従来、界磁巻線に発生した逆起電力は、界磁巻線とこれに並列接続される環流ダイオードとによって形成される閉回路によって、界磁巻線の抵抗成分と環流ダイオードの抵抗成分により熱エネルギーとして放熱消費される。これに対し、本発明では、スイッチング素子が開成された後、界磁巻線に発生する逆起電力を第２のダイオードを介して界磁巻線への逆流を防止しつつコンデンサへ回生充電させ、短時間に界磁巻線に流れる界磁電流を減衰させることができる。また、スイッチング素子が閉成された界磁巻線への界磁電流供給時には、回生充電されたコンデンサの端子電圧と本来界磁巻線に印加される電圧（例えばバッテリの端子電圧）とが加算された高電圧が界磁巻線に印加され、短時間に界磁電流を増強供給することができる。

また、上述したスイッチング素子は、電界効果型トランジスタであり、制御信号によりオンオフ制御が行われることが望ましい。これにより、界磁巻線に接続されたスイッチング素子を制御信号に基づいて単純にオンオフする従来構成と同様にスイッチング素子をオンオフ制御すればよいため、ブートストラップ回路を制御するための複雑な構成が不要となり、構成の簡素化を図ることができる。

また、上述したブートストラップ回路は、界磁巻線の逆起電力を回生利用して発生した高電圧を界磁巻線に印加することが望ましい。これにより、従来無駄に消費されていた界磁巻線の環流電流を有効利用することができ、発電効率の向上が可能となるとともに、高電圧発生のための電源が不要となる。

以下、本発明の車両用回転電機を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、電機子巻線２、整流器３、界磁巻線４および電圧制御装置５を含んで構成されている。

電機子巻線２は、多相巻線（例えば三相巻線）であって、電機子鉄心に巻装されて電機子を構成している。電機子巻線２に誘起される交流出力が整流器３に供給される。整流器３は、電機子巻線２に誘起された交流電圧を直流に変換する全波整流回路である。例えば、電機子巻線２の各相に対応する整流素子としてダイオードが用いられている。界磁巻線４は、電機子巻線２に電圧を誘起させるために必要な鎖交磁束を発生する。この界磁巻線４は、界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成しており、界磁巻線に界磁電流を流すことにより界磁極が磁化される。

電圧制御装置５は、界磁巻線４に通電する界磁電流を調整することにより、車両用交流発電機１の出力電圧を所定範囲内に制御する。このために、電圧制御装置５は、基準電圧調整回路５０とブートストラップ回路５１とを含んで構成されている。基準電圧調整回路５０は、界磁巻線４に通電する界磁電流を調整することにより車両用交流発電機１の出力電圧を制御する。具体的には、基準電圧調整回路５０は、整流器３の出力電圧が基準値となるように調整する制御信号を出力することにより、出力電圧の制御を行っている。

ブートストラップ回路５１は、基準電圧調整回路５０から出力される制御信号に対する昇圧動作と回生充電動作とを界磁巻線４に対して行うことにより、界磁巻線４に流れる界磁電流を増強あるいは減衰する。具体的には、ブートストラップ回路５１は、バッテリ６から供給される電力を界磁巻線４に供給するダイオード（第１のダイオード）５２と、界磁巻線４に発生した逆起電力を回生充電するコンデンサ５３と、界磁巻線４に発生した逆起電力をコンデンサ５３に供給するダイオード（第２のダイオード）５４と、コンデンサ５３による回生充電動作とコンデンサ５３の充電電力を界磁巻線に放電する動作とを切り替えるスイッチング素子としてのＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）５５、５６と、レベルシフト回路５７とを備えている。２つのＦＥＴ５５、５６は、基準電圧調整回路５０から出力される制御信号がゲートに入力されており、この制御信号に基づいてオンオフされる。但し、一方のＦＥＴ５５のゲートと基準電圧調整回路５０との間にはレベルシフト回路５７が挿入されており、基準電圧調整回路５０から出力される制御信号の電圧レベルがバイアスされてＦＥＴ５５のゲートに入力される。これにより、ソースの電位が異なる２つのＦＥＴ５５、５６を共通の制御信号に基づいて同時にオンオフ制御することが可能となる。

なお、図１に示した車両用交流発電機１では１組の電機子巻線２および整流器３が備わっていたが、図２に示す車両用交流発電機１Ａのように２組の電機子巻線２および整流器３が備わっている場合であってもよい。

本実施形態の車両用交流発電機１はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。ブートストラップ回路５１は、基準電圧制御回路５０から出力される制御信号の電圧レベルに応じて２つの動作モードの動作を交互に繰り返す。具体的には、制御信号がハイレベルのときにＦＥＴ５５、５６がオンされて「昇圧放電」モードの動作が行われ、反対に、制御信号がローレベルのときにＦＥＴ５５、５６がオフされて「回生充電」モード動作が行われる。この制御信号は、所定周期のオンオフを繰り返すＰＷＭ（パルス幅変調）信号であり、基準電圧調整回路５０は、整流器３の出力電圧が所定の基準電圧（調整電圧）よりも低いときに制御信号のオンデューティを高く設定し、整流器３の出力電圧が所定の基準電圧よりも高いときに制御信号のオンデューティを低く設定する。

図３は、回生充電モードにおける動作の説明図である。図４は、昇圧放電モードにおける動作の説明図である。図５は、２つの動作モードにおける各部の状態を示す図である。

＜回生充電モードの動作＞
制御信号がローレベルのときにＦＥＴ５５、５６はともにオフされる。界磁巻線４にはその直前まで、ダイオード５２およびＦＥＴ５６を介した経路に沿って界磁電流が流れており、ＦＥＴ５６がオフされると界磁巻線４にはその瞬間に大きな逆起電力が発生する。この逆起電力による電流がダイオード５４を介してコンデンサ５３に供給され、コンデンサ５３が回生充電される。このときの電流経路が図３では矢印Ａで示されている。

＜昇圧放電モードの動作＞
次に制御信号がハイレベルに変化してＦＥＴ５５、５６がともにオンされると、コンデンサ５３にそれまで充電された電流がＦＥＴ５５を介して放電される（図４の矢印Ｂ、Ｃ）。この放電電流は、バッテリ６から供給される電流（図４の矢印Ｄ）とともに界磁巻線４に供給される。このため、界磁巻線４には、バッテリ電圧ＶＢとコンデンサ電圧ＶＣとを加算した高電圧ＶＢ＋ＶＣが印加される。

図６は、界磁電流の変化を示す図である。図７は、界磁電流の立ち上がり時点（昇圧放電モードの開始時点）の詳細を示す図である。図８は、界磁電流の立ち下がり時点（回生充電モードの開始時点）の詳細を示す図である。これらの図において、Ｉｆ１は本実施形態の界磁巻線４に流れる界磁電流を、Ｉｆ２は比較のために従来構成（界磁巻線と環流ダイオードが並列接続された構成）における界磁電流をそれぞれ示している。また、ＶＧはＦＥＴ５５、５６のそれぞれのゲートに印加される電圧であって、基準電圧調整回路５０から出力される制御信号の電圧レベルを示している。図６および図７に示すように、本実施形態の構成では、ＦＥＴ５５、５６がオンされると、コンデンサ５３による放電電圧分が上乗せされた高電圧が励磁巻線４に印加されるため、急速に界磁電流が立ち上がる。また、ＦＥＴ５５、５６がオフされると、界磁電流がコンデンサ５３に流れ込んで充電に用いられるため、急速に界磁電流が減衰する。

図９は、昇圧放電モード開始直後の界磁巻線４の入力電力Ｐｆ、入力電圧Ｖｆ、入力電流Ｉｆの変化の様子を示す図である。ＦＥＴ５５、５６がオンされた後にコンデンサ５３に充電された電力（電荷）の放電が始まるため、界磁巻線４の入力電圧Ｖｆは、オン直後が最も高くなり、放電が進むにつれて急速に減少し、所定時間経過後にほぼ一定となる。一方、界磁巻線４の入力電流Ｖｆは、オン直後から徐々に増加し、所定時間経過後にほぼ一定とする。界磁巻線４の入力電力Ｐｆは、入力電圧Ｖｆと入力電流Ｉｆとを掛けたものであるから、オン直後に速やかに増加してピークに達し、その後減少したのち、ほぼ一定の値を維持する。なお、このピーク部分に対応する電力は回生充電された分であり、コンデンサ５３の放電電力によるものである。

図１０は、回生充電モード開始直後の界磁巻線４の入力電力Ｐｆ、入力電圧Ｖｆ、入力電流Ｉｆの変化の様子を示す図である。ＦＥＴ５５、５６がオフされると界磁巻線４に逆起電力が発生するため、界磁巻線４の入力電圧Ｖｆは、オフ直後から急激に上昇する。このとき、界磁巻線４には大きな電流Ｉｆが流れ、この電流Ｉｆは時間とともに徐々に減少する。界磁巻線４の入力電力Ｐｆは、入力電圧Ｖｆと入力電流Ｉｆとを掛けたものであるから、オフ直後に速やかに減少してピークに達し、その後増加したのち、ほぼ一定の値を維持する。なお、このピーク部分に対応する電力はコンデンサ５３に回生充電される分である。

図１１は、コンデンサ５３の容量と充電エネルギーおよび放電エネルギーの関係を示す図である。図１１（Ａ）にはＦＥＴ５５、５６をオンした後の充電エネルギーの推移が、図１１（Ｂ）にはＦＥＴ５５、５６をオフした後の放電エネルギーの推移がそれぞれ示されている。また、図１１において、Ｃ１はコンデンサ５３の静電容量が５０μＦの場合を、Ｃ２はコンデンサ５３の静電容量が１０００μＦの場合を示している。充放電の速度はコンデンサ５３の静電容量で決まるのではなく、コンデンサ５３に蓄積された電荷Ｑに依存する。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、ブートストラップ回路５１を備えることにより、界磁電流を増強して界磁巻線４に短時間に大きな界磁電流を流すとともに短時間で界磁電流を減衰させることが可能になり、電気的時定数を低減することができる。しかも、巻線の追加等が不要であって、複雑な構成の追加や高コスト化、出力低下を抑えることができる。

特に、本実施形態では、ＦＥＴ５５、５６が開成された後、界磁巻線４に発生する逆起電力をダイオード５４を介して界磁巻線４への逆流を防止しつつコンデンサ５３へ回生充電させ、短時間に界磁巻線４に流れる界磁電流を減衰させることができる。また、ＦＥＴ５５、５６が閉成された界磁巻線４への界磁電流供給時には、回生充電されたコンデンサ５３の端子電圧と本来界磁巻線４に印加されるバッテリ端子電圧とが加算された高電圧が界磁巻線４に印加され、短時間に界磁電流を増強供給することができる。

また、スイッチング素子としてＦＥＴ５５、５６を用い、制御信号によりオンオフ制御を行うことにより、界磁巻線４に接続されたスイッチング素子を制御信号に基づいて単純にオンオフする従来構成と同様にこれらのＦＥＴ５５、５６をオンオフ制御すればよいため、ブートストラップ回路５１を制御するための複雑な構成が不要となり、構成の簡素化を図ることができる。

また、ブートストラップ回路５１は、界磁巻線４の逆起電力を回生利用して発生した高電圧を界磁巻線４に印加しているため、従来無駄に消費されていた界磁巻線４の環流電流を有効利用することができ、発電効率の向上が可能となるとともに、高電圧発生のための電源が不要となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、発電機能を有する車両用交流発電機１について説明したが、発電機と電動機の機能を有する車両用回転電機についても本発明を適用するようにしてもよい。この場合には、電気的時定数の低減に伴って、車両用回転電機を電動機として動作させる場合に迅速な駆動力発生を実現することができる。

一実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。 車両用交流発電機の変形例を示す図である。 回生充電モードにおける動作の説明図である。 昇圧放電モードにおける動作の説明図である。 ２つの動作モードにおける各部の状態を示す図である。 界磁電流の変化を示す図である。 界磁電流の立ち上がり時点（昇圧放電モードの開始時点）の詳細を示す図である。 界磁電流の立ち下がり時点（回生充電モードの開始時点）の詳細を示す図である。 昇圧放電モード開始直後の界磁巻線の入力電力Ｐｆ、入力電圧Ｖｆ、入力電流Ｉｆの変化の様子を示す図である。 回生充電モード開始直後の界磁巻線４の入力電力Ｐｆ、入力電圧Ｖｆ、入力電流Ｉｆの変化の様子を示す図である。 コンデンサの容量と充電エネルギーおよび放電エネルギーの関係を示す図である。

符号の説明

１ 車両用交流発電機
２ 電機子巻線
３ 整流器
４ 界磁巻線
５ 電圧制御装置
５０ 基準電圧調整回路
５１ ブートストラップ回路
５２、５４ ダイオード
５３ コンデンサ
５５、５６ ＦＥＴ
５７ レベルシフト回路

Claims (5)

1. 回転子の界磁極を磁化させる界磁巻線と、
   前記界磁極により発生する回転磁界によって交流電圧誘起する電機子と、
   前記電機子に誘起された交流電圧を直流に変換する整流器と、
   前記界磁巻線に通電する界磁電流を調整することにより出力電圧を制御する基準電圧調整回路と、前記基準電圧調整回路によって調整される界磁電流を増強あるいは減衰して前記界磁巻線に供給するブートストラップ回路とを有する電圧制御装置と、
   を備えることを特徴とする車両用回転電機。
2. 請求項１において、
   前記基準電圧調整回路は、前記整流器の出力電圧が基準値となるように調整する制御信号を出力し、
   前記ブートストラップ回路は、前記基準電圧調整回路から出力される制御信号に対する昇圧動作と回生充電動作とを前記界磁巻線に対して行うことを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項２において、
   前記ブートストラップ回路は、
   バッテリ電力を前記界磁巻線に供給する第１のダイオードと、
   前記界磁巻線に発生した逆起電力を回生充電するコンデンサと、
   前記界磁巻線に発生した逆起電力を前記コンデンサに供給する第２のダイオードと、
   前記コンデンサによる回生充電動作と、前記コンデンサの充電電力を前記界磁巻線に放電する動作とを切り替えるスイッチング素子と、
   を備えることを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項３において、
   前記スイッチング素子は、電界効果型トランジスタであり、前記制御信号によりオンオフ制御が行われることを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記ブートストラップ回路は、前記界磁巻線の逆起電力を回生利用して発生した高電圧を前記界磁巻線に印加することを特徴とする車両用回転電機。

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