JP2010051145A - 車両用回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】全ての回転領域において出力低下を防止して発電特性の向上を図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】発電電動機１は、回転子の界磁極を磁化させる界磁巻線３と、界磁極により発生する回転磁界によって交流電圧を誘起する電機子と、同期整流を行って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、所定回転数または所定回転範囲において前記同期整流の動作状態を切り替える制御装置７とを備えている。
【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。

近年の環境問題に対する燃費規制や、ＣＯ₂排出量削減規制の強化に対応するため、一部の車両カテゴリにおいては、信号待ちなどの一時停止時にエンジンを停止させるアイドルストップ機能を備えた車両が普及し始めている。

自動車がアイドルストップを行う手段の一つとして、車両用交流発電機にモータ機能を追加し、一時停止後のエンジン始動を行う始動用電動機と発電を行う発電機能を一つにまとめた回転電機が必要となる。また、アイドルストップを行う回転電機に必要な機能としては、エンジンを再始動させるための起動トルク特性はもちろんのこと、近年の自動車のエレクトロニクス化に伴う車両負荷の増加により、走行時の回生発電特性についても高効率化、高出力化が望まれるようになってきている。

回生発電特性の高効率化、高出力化を実現する手段として、三相インバータを用いた同期整流方式がある。発電電動機において同期整流を行う場合には、車両用回転電機の出力端子とＧＮＤ端子間に接続された三相インバータブリッジ回路によりダイオードに電流が流れる期間、つまり電流が流れる位相に対してスイッチング素子をオンすることにより、ダイオードよりもオン抵抗が低いスイッチング素子の効果によって整流損失を低減することができる（例えば、特許文献１、２参照。）。

ダイオードのＶ_F−Ｉ_F特性と、スイッチング素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ）のＶ_DS−Ｉ_D特性とのかねあいにより、低出力・低回転領域においてはダイオードの順方向電圧降下Ｖ_Fよりも、ＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSの方が低いため、整流損失が少なくなり、したがって回生発電効率の向上につながる。特に、ＭＯＳ−ＦＥＴを用いた三相フルブリッジインバータではその効果が大きい。
特開２００４−７９６４号公報（第１０−１４頁、図１−８） 特開２００４−１４７４６１号公報（第７−６頁、図１−４）

ところで、特許文献１、２に開示されているようにダイオードの代わりにＭＯＳ−ＦＥＴを用いた場合には、発電電動機の回転数が上昇するにしたがって発電電流が増加し、高出力・高回転領域となる条件では、ＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSは回転数とともにリニアに増加するため、ダイオードの順方向電圧降下Ｖ_Fを超えた通電電流が流れるようになると、ダイオードによる整流時の整流損失よりもＭＯＳ−ＦＥＴによる同期整流時の整流損失の方が大きくなってしまう逆転現象が生じる。このため、同期整流を行った場合には、高出力・高回転領域ではダイオード整流時よりも出力が低下してしまうという問題があった。なお、上述した説明では、発電電動機としての車両用回転電機について説明したが、発電のみを行う車両用交流発電機の整流をＭＯＳ−ＦＥＴを用いて行う場合についても同様の問題がある。

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、全ての回転領域において出力低下を防止して発電特性の向上を図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を誘起する電機子と、同期整流を行って、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、所定回転数または所定回転範囲において同期整流の動作状態を切り替える制御装置とを備えている。特に、上述した整流器は、寄生ダイオードを有する複数のスイッチ素子によって構成されており、同期整流の動作状態を所定回転数において切り替える場合に、この所定回転数は、寄生ダイオードを用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線と、寄生ダイオードを除くスイッチ素子を用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線とが重なる回転数に設定されている。これにより、寄生ダイオードによる整流動作とスイッチ素子による同期整流動作とを適宜使い分けることができるため、全ての回転領域において出力低下を防止して発電特性の向上を図ることができる。

また、上述した同期整流の動作状態を所定回転範囲において切り替える場合に、この所定回転範囲は、寄生ダイオードを用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線と、寄生ダイオードを除くスイッチ素子を用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線とが重なる回転数に対してヒステリシスが設定された範囲であることが望ましい。これにより、同期整流の動作状態を切り替える回転数近傍で車両用回転電機の回転数が上下した場合に頻繁に同期整流の動作状態が切り替わることを防止して整流動作が不安定になることを防止することができる。

また、上述した制御装置は、同期整流の動作状態を所定回転数において切り替える場合に、発電を開始する回転数から所定回転数までの回転領域において、整流器に同期整流を行わせることが望ましい。また、上述した制御装置は、所定回転数から最高回転数までの回転領域において、整流器にスイッチ素子に含まれる寄生ダイオードによる全波整流を行わせることが望ましい。これにより、回転数に応じて損失が少ないスイッチ素子あるいは寄生ダイオードを用いて整流動作を行うことが可能になり、全ての回転領域において出力低下を防止して発電特性の向上を図ることができる。特に、車両用回転電機によって回生発電を行う場合には、高回転領域での回生発電の効率を上げることができる。

また、上述した同期整流の動作状態を切り替える所定回転数または所定回転範囲は、温度による出力特性の変動を考慮して設定されることが望ましい。これにより、温度が変化した場合であっても常に損失が少ない整流動作が可能になり、温度変化によって出力特性が変動しても常に最も損失が少ない整流動作を行うことができる。

以下、本発明の車両用回転電機を適用した一実施形態の発電電動機について、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態の発電電動機の構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の発電電動機１は、電機子巻線２、界磁巻線３、三相インバータ４および制御装置７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。発電電動機１が発電動作を行う場合には、電機子巻線２に誘起される交流出力が三相インバータ４に供給される。一方、発電電動機１が電動動作を行う場合には、三相インバータ４から電機子巻線２に交流電圧が印加され、電機子巻線２による回転磁界が発生する。

界磁巻線３は、発電動作時に電機子巻線２に電圧を誘起させたり、電動動作時に電機子巻線２の回転磁界によって回転力を発生するために必要な鎖交磁束を発生する。この界磁巻線３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。

三相インバータ４は、スイッチ素子として６個のＭＯＳ−ＦＥＴ５ａ〜５ｆを有する三相ブリッジ回路である。６個のＭＯＳ−ＦＥＴ５ａ〜５ｆには寄生ダイオードが形成されており、三相インバータ４の負極端子から正極端子に向けてこれらの寄生ダイオードに順方向電流が流れるようになっている。

この三相インバータ４は、発電動作時には同期整流を行って電機子巻線２に誘起された交流電圧を直流に変換する整流動作を行う三相全波整流器として動作する。この整流動作は、所定回転数以下の低回転領域ではＭＯＳ−ＦＥＴ５ａ〜５ｆを適宜オンオフ制御することにより行われ、所定回転数以上の高回転領域では寄生ダイオードによって行われる。所定回転数を境にした整流動作の切り替えの詳細については後述する。

また、この三相インバータ４は、電動動作時には６個のＭＯＳ−ＦＥＴ５ａ〜５ｆを電機子巻線２の各相毎に１２０度ずらしたタイミングでオンオフ制御することにより、バッテリ１０から印加される直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ回路として動作する。

制御装置７は、発電電動機１に発電動作あるいは電動動作を行わせる制御を行っており基準電圧調整回路８とインバータ制御回路９とを含んで構成されている。基準電圧調整回路８は、発電動作時に、界磁巻線３に通電する界磁電流を調整することにより発電電動機１の出力電圧を制御する。

インバータ制御回路９は、発電動作時には、三相インバータ４に含まれる６個のＭＯＳ−ＦＥＴ５ａ〜５ｆをオンオフ制御して三相インバータ４に同期整流を行わせる同期整流制御信号を生成する。また、発電動作時には、三相インバータ４に含まれる６個のＭＯＳ−ＦＥＴ５ａ〜５ｆをオンオフ制御して三相インバータ４によって三相交流を発生する制御信号を生成する。

なお、図１に示した発電電動機１では１組の電機子巻線２および三相インバータ４が備わっていたが、図２に示す発電電動機１Ａのように２組の電機子巻線２および三相インバータ４が備わっている場合であってもよい。

本実施形態の発電電動機１はこのような構成を有しており、次に、発電動作時に所定回転数を境にして整流動作を切り替える場合の詳細について説明する。

図３は、インバータ制御回路９の具体的な構成を示す図である。なお、図３には電機子巻線２の１相分（Ｗ相）に対応する構成が示されており、実際には同じ構成が各相巻線に対応して設けられている。また、図３には、発電動作時の整流動作の切り替えに着目した部分的な構成が示されており、電動動作を行うための構成については省略されている。

図３に示すように、インバータ制御回路９は、同期整流制御信号生成回路９０と周波数−電圧変換制御回路９２とを含んで構成されている。同期整流制御信号生成回路９０は、電機子巻線２のＷ相電圧に基づいて、Ｗ相巻線に対応する２つのＭＯＳ−ＦＥＴ５ｃ、５ｆをオンオフ制御するために必要な同期整流制御信号を生成する。具体的には、同期整流制御信号生成回路９０は、Ｗ相電圧が、０Ｖよりも若干高い正側基準電圧よりも高くなったときに、ハイサイド整流部を構成するＭＯＳ−ＦＥＴ５ｃをオンさせる同期整流制御信号を生成して、ＭＯＳ−ＦＥＴ５ｃのゲートに入力する。また、同期整流制御信号生成回路９０は、Ｗ相電圧が、０Ｖよりも若干低い負側基準電圧よりも低くなったときに、ローサイド整流部を構成するＭＯＳ−ＦＥＴ５ｆをオンさせる同期整流制御信号を生成して、ＭＯＳ−ＦＥＴ５ｆのゲートに入力する。

周波数−電圧変換制御回路９２は、回転数が所定回転数以上の場合に同期整流停止信号を生成するためのものであり、周波数−電圧変換器１１、電圧比較器ＣＰ、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５を含んで構成されている。周波数−電圧変換器１１は、Ｗ相電圧の周波数を電圧に変換し、相電圧の周波数に比例した電圧を出力する。この出力電圧は、抵抗Ｒ２を介して電圧比較器ＣＰのマイナス入力端子に印加される。電圧比較器ＣＰのマイナス入力端子と出力端子との間には抵抗Ｒ３が接続されている。したがって、電圧比較器ＣＰの出力電圧がローレベルのときは、ローレベルの電圧と周波数−電圧変換器１１の出力電圧とを抵抗Ｒ２、Ｒ３で分圧した電圧がマイナス入力端子に印加され、電圧比較器ＣＰの出力電圧がハイレベルのときは、ハイレベルの電圧と周波数−電圧変換器１１の出力電圧とを抵抗Ｒ２、Ｒ３で分圧した電圧がマイナス入力端子に印加される。一方、電圧比較器ＣＰのプラス入力端子には、動作電圧Ｖccを抵抗Ｒ４、Ｒ５で分圧した基準電圧が抵抗Ｒ１を介して印加されている。

発電電動機１が低速回転時であって、電圧比較器ＣＰのマイナス入力端子に印加される電圧が基準電圧よりも小さい場合には電圧比較器ＣＰからはハイレベルの信号が出力される。この信号はアンド回路９４、９６のそれぞれの一方の入力端子に入力される。アンド回路９４、９６のそれぞれの他方の入力端子には同期整流制御信号生成回路９０から出力される２種類の同期整流制御信号が別々に入力されている。したがって、周波数−電圧変換制御回路９２内の電圧比較器ＣＰからハイレベルの信号が出力されると、アンド回路９４、９６のそれぞれの出力端子からは、同期整流制御信号生成回路９０から入力された同期整流制御信号がそのまま出力される。これらの同期整流制御信号がＭＯＳ−ＦＥＴ５ｃあるいは５ｆに入力される。

また、発電電動機１の回転数が所定回転数以上に上昇して、電圧比較器ＣＰのマイナス入力端子に印加される電圧が基準電圧よりも高くなると、電圧比較器ＣＰからはローレベルの信号が同期整流停止信号として出力される。この同期整流停止信号がアンド回路９４、９６のそれぞれに入力されると、アンド回路９４、９６は、同期整流制御信号生成回路９０から入力された同期整流制御信号を遮断する。このため、同期整流制御が停止される。この場合には、ＭＯＳ−ＦＥＴ５ｃ、５ｆをオンオフ制御することにより行われる同期整流ではなく、寄生ダイオードによる整流が行われる。

次に、同期整流制御を停止する所定回転数の設定方法について説明する。図４は、寄生ダイオードの順方向電圧降下Ｖ_Fと順方向電流Ｉ_Fとの関係と、ＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSとドレイン・ソース間電流Ｉ_Dとの関係を示す図である。図４に示すように、ＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSとドレイン・ソース間電流Ｉ_Dはほぼ線形の関係を有しており、ドレイン・ソース間電流Ｉ_Dの増加に伴ってドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSが次第に大きくなる。これに対し、寄生ダイオードの順方向電圧降下Ｖ_Fはほぼ一定である。したがって、発電電動機１の出力電流が回転上昇に伴って上昇していくと、ＭＯＳ−ＦＥＴ５ａ〜５ｆのドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSが寄生ダイオードの順方向電圧降下Ｖ_Fをある時点で超えることになる、この時点に対応する回転数が同期整流制御を停止させる所定回転数として設定されている。

図５は、発電電動機１の出力と整流動作切替えとの関係を示す図である。図５において、実線で示された出力特性曲線ＯＵＴ１は、全回転領域において同期整流を行った場合の回転数と出力電流の関係を示している。また、点線で示された出力特性曲線ＯＵＴ２は、全回転領域において寄生ダイオードによる整流を行った場合の回転数の出力電流の関係を示している。

図４を用いて説明したように、所定回転数（図５ではＮｃ）よりも低回転領域では出力電流が少なく、ＭＯＳ−ＦＥＴ５ａ〜５ｆのドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSの方が寄生ダイオードの順方向電圧降下Ｖ_Fよりも小さくなる。このため、発電を開始する回転数Ｎinから所定回転数Ｎｃまでの低回転領域では、同期整流を行った場合の方が出力電流が大きくなる。一方、所定回転数Ｎｃ以上の高回転領域では出力電流が多くなるため、ＭＯＳ−ＦＥＴ５ａ〜５ｆのドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSの方が寄生ダイオードの順方向電圧降下Ｖ_Fよりも大きく。このため、所定回転数Ｎｃから最高回転数までの高回転領域では、同期整流を行わずに寄生ダイオードによる整流を行った場合の方が出力電流が大きくなる。

なお、周波数−電圧変換制御回路９２内の電圧比較器ＣＰのマイナス入力端子と出力端子との間に抵抗Ｒ３が接続されているため、回転数が上昇していって同期整流制御が停止される所定回転数Ｎｃに対し、回転数が減少していってそれまで停止されていた同期整流制御が再開される回転数Ｎｃ’の方が低く設定されている。このように、同期整流停止信号の出力、停止のタイミングにヒステリシスを持たせることにより、回転数Ｎｃ近傍で回転数が変動した場合に同期整流制御の停止と再開が頻繁に繰り返されることを防止している。

すなわち、本実施形態では、同期整流の動作状態を切り替えるタイミングとしては、所定回転数Ｎｃだけでなく、Ｎｃ’〜Ｎｃまでの回転数範囲が設定されているといえる。また、ヒステリシスを持たせることが不要な場合には、電圧比較器ＣＰのマイナス入力端子と出力端子との間に接続された抵抗Ｒ３を省略すればよい。

図６は、本実施形態の発電電動機１の出力特性を示す図である。図６に示すように、所定回転数Ｎｃ以下の低回転領域では、寄生ダイオードを用いた整流によって得られる出力特性ＣではなくＭＯＳ−ＦＥＴ５ａ〜５ｆを用いた同期整流によって得られた出力特性Ａが得られる。これにより、低回転領域では、寄生ダイオードを用いた整流によって得られる出力特性Ｃに対してＦで示される出力増加となる。

一方、所定回転数Ｎｃ以上の高回転領域では、ＭＯＳ−ＦＥＴ５ａ〜５ｆを用いた同期整流によって得られる出力特性Ｂではなく寄生ダイオードを用いた整流によって得られる出力特性Ｄが得られる。これにより、高回転領域では、ＭＯＳ−ＦＥＴ５ａ〜５ｆを用いた同期整流によって得られる出力特性Ｂに対してＧで示される出力増加となる。

このように、本実施形態の発電電動機１では、寄生ダイオードによる整流動作とＭＯＳ−ＦＥＴによる同期整流動作とを適宜使い分けることができるため、全ての回転領域において出力低下を防止して発電特性の向上を図ることができる。特に、所定回転数以下の低回転領域ではより損失の少ないＭＯＳ−ＦＥＴを用いた同期整流を行い、所定回転数以上の高回転領域ではより損失の少ない寄生ダイオードを用いた整流を行うことにより、全ての回転領域において出力低下を防止して発電特性の向上を図ることができる。また、同期整流の動作状態を切り替える所定回転範囲としてヒステリシスを持たせることにより、所定回転数近傍で発電電動機１の回転数が上下した場合に頻繁に同期整流の動作状態が切り替わることを防止して整流動作が不安定になることを防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、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、一定の所定回転数Ｎｃ（あるいはＮｃ’〜Ｎｃの範囲）で同期整流の動作状態を切り替えたが、発電電動機１の温度によって出力電流が増減し、寄生ダイオードの順方向電圧降下Ｖ_FとＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSとの関係が逆転する回転数が変化するため、発電電動機１の温度による出力特性の変動を考慮して、同期整流の動作状態を切り替える所定回転数または所定回転範囲を設定するようにしてもよい。この設定は、例えば周波数−電圧変換制御回路９２内の抵抗Ｒ２、Ｒ３の抵抗値を温度に応じて可変すればよい。これにより、温度が変化した場合であっても常に損失が少ない整流動作が可能になり、温度変化によって出力特性が変動しても常に最も損失が少ない整流動作を行うことができる。

また、上述した実施形態では、電動動作と発電動作を行う発電電動機について説明したが、発電動作のみを行う車両用交流発電機についても本発明を適用することができる。また、上述した実施形態では、相電圧に基づいて同期整流制御信号を生成するようにしたが、回転子の回転位置をセンサで検出し、検出した回転位置に応じた同期整流制御信号を生成するようにしてもよい。

一実施形態の発電電動機の構成を示す図である。 発電電動機の変形例を示す図である。 インバータ制御回路の具体的な構成を示す図である。 寄生ダイオードの順方向電圧降下と順方向電流との関係と、ＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン・ソース間電圧とドレイン・ソース間電流との関係を示す図である。 発電電動機の出力と整流動作切替えとの関係を示す図である。 本実施形態の発電電動機の出力特性を示す図である。

符号の説明

１ 発電電動機
２ 電機子巻線
３ 界磁巻線
４ 三相インバータ
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ ＭＯＳ−ＦＥＴ
７ 制御装置
８ 基準電圧調整回路
９ インバータ制御回路
１０ バッテリ
１１ 周波数−電圧変換器
９０ 同期整流制御信号生成回路
９２ 周波数−電圧変換制御回路
９４、９６アンド回路

Claims (6)

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を誘起する電機子と、
   同期整流を行って、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、
   所定回転数または所定回転範囲において前記同期整流の動作状態を切り替える制御装置と、
   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、
   前記整流器は、寄生ダイオードを有する複数のスイッチ素子によって構成されており、
   前記同期整流の動作状態を前記所定回転数において切り替える場合に、この所定回転数は、前記寄生ダイオードを用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線と、前記寄生ダイオードを除く前記スイッチ素子を用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線とが重なる回転数に設定されることを特徴とする車両用回転電機。
3. 請求項１において、
   前記同期整流の動作状態を前記所定回転範囲において切り替える場合に、この所定回転範囲は、前記寄生ダイオードを用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線と、前記寄生ダイオードを除く前記スイッチ素子を用いて整流動作を行う場合の出力特性曲線とが重なる回転数に対してヒステリシスが設定された範囲であることを特徴とする車両用回転電機。
4. 請求項１において、
   前記制御装置は、前記同期整流の動作状態を前記所定回転数において切り替える場合に、発電を開始する回転数から前記所定回転数までの回転領域において、前記整流器に同期整流を行わせることを特徴とする車両用回転電機。
5. 請求項４において、
   前記制御装置は、前記所定回転数から最高回転数までの回転領域において、前記整流器に前記スイッチ素子に含まれる寄生ダイオードによる全波整流を行わせることを特徴とする車両用回転電機。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記同期整流の動作状態を切り替える前記所定回転数または前記所定回転範囲は、温度による出力特性の変動を考慮して設定されることを特徴とする車両用回転電機。

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