JP2010081709A - 界磁巻線式同期発電電動機 - Google Patents

Abstract

【課題】界磁巻線を有した界磁巻線式同期発電電動機において、発電時のエンジンへの負荷トルクを推定し、その負荷トルク推定値が所定の値となるように制御することができる界磁巻線式同期発電電動機を提供することにある。
【解決手段】界磁巻線を有し発電電動機として動作する回転電機と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出する界磁電流検出手段と、前記界磁電流を所定の値に制御する界磁電流制御手段と、前記回転電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記界磁電流と前記回転速度から前記回転電機の負荷トルクを推定する負荷トルク推定手段とを備え、前記界磁電流制御手段は、前記負荷トルク推定手段により推定した負荷トルク推定値が所定の値になるように前記界磁電流を制御する。
【選択図】図２

Description

この発明は、主に車両に搭載され、エンジンの始動時には電動機として動作するとともに、始動後には発電機としても動作する電機子巻線及び界磁巻線を有する界磁巻線式回転発電電動機に関するものである。

近年、環境保護や燃費向上を目的として、エンジンとそれ以外の動力源、例えば回転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。このような車両においては、走行状況に応じてエンジン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思を感知した場合、回転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。

このような車両に搭載される回転発電電動機は、エンジンにトルクを授受可能な形態で搭載されるため、運転者のアクセル操作やエンジンのフリクションの影響などにより回転速度が大きく変化する。そのため、エンジンの回転速度によらず回転発電電動機の誘起電圧を制御可能な形態として、回転子に永久磁石を内蔵したものではなく、界磁電流にて制御可能な界磁巻線式が採用されてきた。

車両に搭載した回転発電電動機を発電機として使用する場合、結合しているエンジンには発電量に応じた負荷トルクが発生し、発電量が大きいほど負荷トルクも増大する。そのため、急激に発電量を増加させると、発生する負荷トルクも急激に増加してしまう。この負荷トルクの急変が、例えばアイドリング時に発生すると、エンジンストールを引き起こしてしまう。そのため、発電時にはエンジンストールを防止するためにも、エンジンに対してどの程度の負荷トルクが発生しているかを把握することが必要となる。

そこで、発電時の負荷トルクを把握する手段として、例えば、特許文献１では、車両用発電機の回転速度、界磁電流、バッテリ電圧などに基づいて、発電時に発生する負荷トルクを推定している。

特開２００７−３００７５０号公報

一般に、車両に搭載された発電機は、発電機と電気的に接続された電源の電圧に基づいて、発電量を制御している。しかし、この場合、何らかの要因により電源電圧が急変すると、発電量も急変してしまうため、その結果、負荷トルクも大きく変動してしまう。そして、急激な発電量の増加、つまり負荷トルクの急激な増加が、アイドリング時などエンジン出力が低い状態のときに起こると、エンジンストールを引き起こしてしまう。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、界磁巻線を有した界磁巻線式同期発電電動機において、発電時のエンジンへの負荷トルクを推定し、その負荷トルク推定値が所定の値となるように制御することができる界磁巻線式同期発電電動機を提供することにある。

この発明に係る界磁巻線式同期発電電動機は、界磁巻線を有し、発電電動機として動作する回転電機と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出する界磁電流検出手段と、前記界磁電流を所定の値に制御する界磁電流制御手段と、前記回転電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記界磁電流検出手段により検出した界磁電流と前記回転速度検出手段により検出した回転速度とに基づいて前記回転電機の負荷トルクを推定する負荷トルク推定手段とを備え、前記界磁電流制御手段は、前記負荷トルク推定手段により推定した負荷トルク推定値が所定の負荷トルク値になるように前記界磁電流を制御するとを特徴とする。

この発明の界磁巻線式同期発電電動機によれば、発電時のエンジンへの負荷トルクを所定の値に制御することができるため、エンジンに対して過剰な負荷トルクが生じないように発電量を制御することができる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における界磁巻線式同期発電電動機を車両に搭載した場合の構成図である。駆動源として、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と回転電機１０２とを含んでいる。これらは、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の授受可能な状態で配置されている。また、回転電機１０２は、蓄電池１０３と電気的に接続されている。この蓄電池１０３は、他の車両用負荷とともに共用する蓄電池でも、本回転電機１０２専用であっても良い。

次に、回転電機１０２の電気的な接続図を図２に示す。図２に示すように、回転電機１０２は、モータ・ジェネレータ部２００、電力変換部３００、制御部４００により構成されている。

モータ・ジェネレータ部２００は、３相のＹ型もしくはΔ型結線された電機子巻線２０１と、界磁巻線２０２により構成されている。なお、モータ・ジェネレータ部２００は３相以外の結線をしたものでも良い。

電力変換部３００は、いわゆる３相インバータであり、モータ・ジェネレータ部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３０３ａ〜３０３ｃ、３０４ａ〜３０４ｃと、モータ・ジェネレータ部２００の界磁巻線２０２に接続された界磁巻線電流用スイッチング素子３０１およびフライホイールダイオード３０２から構成される。

制御部４００は、電力変換部３００の各スイッチング素子の駆動を行うゲート駆動部４１０と、回転電機１０２を駆動するときの電力変換用スイッチング素子のオン・オフのタイミングを制御する駆動制御部４２０と、回転電機１０２の発電時に同期整流を行うときの電力変換用スイッチング素子のオン・オフのタイミングを制御する発電制御部４３０と、モータ・ジェネレータ部２００の界磁巻線２０２に流す界磁電流を制御する界磁電流制御部４４０とを備えている。

ここで、ゲート駆動部４１０では、駆動制御部４２０、発電制御部４３０、界磁電流制御部４４０から送られてくる３相電機子巻線２０１及び界磁巻線２０２へのオン・オフ指令に基づいて、電力変換用スイッチング素子３０３ａ〜３０３ｃ、３０４ａ〜３０４ｃおよび界磁巻線電流用スイッチング素子３０１を駆動し、モータ・ジェネレータ部２００の駆動及び発電などの制御を行う構成となっている。

また、制御部４００は、界磁巻線２０２に流れる界磁電流Ｉ_ｆを検出する界磁電流検出部４５０と、回転電機１０２の回転速度Ｎ_ｍｇを検出する回転速度検出部４５１と、界磁電流Ｉ_ｆと回転速度Ｎ_ｍｇと負荷トルクＴｒｑの関係をマップ化した負荷トルク特性マップを予め記憶している負荷トルク特性記憶部４６０と、負荷トルク特性記憶部４６０に記憶されている負荷トルク特性マップから発電時の負荷トルクＴｒｑを推定する負荷トルク推定部４７０と、界磁電流制御部４４０に対して制御したい負荷トルクＴｒｑの値である負荷トルク指令値Ｔｒｑ^＊を送信する負荷トルク指令部４８０とを備えている。ここで、負荷トルク指令部４８０が送信する負荷トルク指令値Ｔｒｑ^＊は、例えば外部のコントローラから送信されてくる指令値でも良いし、負荷トルク指令値４８０の内部で算出、設定したものでも良い。

負荷トルク推定部４７０では、界磁電流検出部４５０から界磁電流Ｉ_ｆ、回転速度検出部４５１から回転速度Ｎ_ｍｇを取得し、取得した界磁電流Ｉ_ｆ、回転速度Ｎ_ｍｇに基づいて負荷トルク特性記憶部４６０に記憶されている負荷トルク特性マップを参照することにより、発電時の負荷トルク推定値Ｔｒｑ＾を算出する。

次に、負荷トルクＴｒｑを所定の値（負荷トルク指令値Ｔｒｑ^＊）に制御する方法について説明する。負荷トルクＴｒｑの制御は、負荷トルク推定部４７０が算出した負荷トルク推定値Ｔｒｑ＾が、負荷トルク指令部４８０から送られてくる負荷トルク指令値Ｔｒｑ^＊に一致するように、界磁電流Ｉ_ｆを調整することにより行う。界磁電流Ｉ_ｆの調整は、界磁電流制御部４４０により行う。以下に、負荷トルクＴｒｑを制御する場合の動作を示す。

まず、図３に示すように、負荷トルク推定部４７０は、回転速度検出部４５１から回転速度Ｎ_ｍｇ、負荷トルク指令部４８０から負荷トルク指令値Ｔｒｑ^＊を取得する。次に、取得した回転速度Ｎ_ｍｇと負荷トルク指令値Ｔｒｑ^＊に基づき、負荷トルク特性記憶部４６０に記憶されている負荷トルク特性マップを参照し、負荷トルク推定値Ｔｒｑ＾が負荷トルク指令値Ｔｒｑ^＊と一致するような界磁電流指令値Ｉ_ｆ ^＊を算出する。そして、界磁電流制御部４４０は、負荷トルク推定部４８０から界磁電流指令値Ｉ_ｆ ^＊を取得し、界磁電流指令値Ｉ_ｆ ^＊に従って、ゲート駆動部４１０を介して界磁電流Ｉ_ｆを制御する。このように、界磁電流Ｉ_ｆを負荷トルク推定値Ｔｒｑ＾が負荷トルク指令値Ｔｒｑ^＊となるように制御することにより、負荷トルクＴｒｑを所定の値（トルク指令値Ｔｒｑ^＊）に制御することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、界磁電流Ｉ_ｆと回転速度Ｎ_ｍｇと負荷トルクＴｒｑの関係をマップ化し、記憶しておくことにより、負荷トルクＴｒｑが所定の値となる界磁電流Ｉ_ｆを算出することができるため、簡単に負荷トルクＴｒｑを制御することができる。

なお、この実施の形態１では、負荷トルク特性記憶部４６０に記憶した負荷トルク特性マップの参照値に従って界磁電流Ｉ_ｆを制御したが、例えば、負荷トルク推定部４７０で算出する負荷トルク推定値Ｔｒｑ＾と、負荷トルク指令部４８０で設定される負荷トルク指令値Ｔｒｑ^＊の差分に基づいて界磁電流指令値Ｉ_ｆ ^＊を増減させ、負荷トルク推定値Ｔｒｑ＾と負荷トルク指令値Ｔｒｑ^＊が一致するように界磁電流Ｉ_ｆを制御しても良い。

実施の形態２．
実施の形態１では、負荷トルク特性記憶部４６０に、界磁電流Ｉ_ｆと回転速度Ｎ_ｍｇと負荷トルクＴｒｑの関係をマップ化したものを記憶したが、実施の形態２では、さらに負荷トルク特性記憶部４６０に記憶する情報を増やすことにより、より高精度な負荷トルクＴｒｑの制御を行えるようにする。

図４に、実施の形態２における回転電機１０２の電気的な接続図を示す。図４に示す通り、図２に示す実施の形態１の回転電機１０２の構成と比べて、回転電機１０２のＰＮ間電圧Ｖｐを検出する直流電圧検出部４５２が付加されている。また、負荷トルク特性記憶部４６０では、界磁電流Ｉ_ｆ、回転速度Ｎ_ｍｇ、負荷トルクＴｒｑに加えて、ＰＮ間電圧Ｖｐとの関係もマップ化した負荷トルク特性マップを記憶しておく。これにより、ＰＮ間電圧Ｖｐが変化した場合においても、推定精度を低下させることなく、負荷トルクＴｒｑの推定が行うことができるため、より高精度な負荷トルクＴｒｑの制御を行うことができる。

また、図５のように、電機子温度やスイッチング素子温度など回転電機１０２の温度情報Ｔ_ｍｇを検出する温度検出部４５３を付加し、負荷トルク特性記憶部４６０に、界磁電流Ｉ_ｆ、回転速度Ｎ_ｍｇ、負荷トルクＴｒｑに加えて、温度情報Ｔ_ｍｇ、の関係をマップ化したもの記憶するようにしても良い。このように、回転電機１０２の温度情報Ｔ_ｍｇを負荷することにより、回転電機１０２の温度変化による負荷トルク特性の変化にも対応することができるため、より高精度な負荷トルクＴｒｑの制御が実現できる。

さらには、図６のように、直流電圧検出部４５２と温度検出部４５３とを共に付加し、負荷トルク特性記憶部４６０に、界磁電流Ｉ_ｆ、回転速度Ｎ_ｍｇ、ＰＮ間電圧Ｖｐ、温度情報Ｔ_ｍｇ、負荷トルクＴｒｑの関係をマップ化したもの記憶するようにすれば、さらに高精度な負荷トルクＴｒｑの制御を行うことができる。

また、負荷トルクＴｒｑはダイオード整流行った場合と同期整流を行った場合では異なるため、負荷トルク特性記憶部４６０にダイオード整流時の負荷トルク特性と同期整流時の負荷トルク特性マップを記憶しておけば、何れの整流方法においても高精度な負荷トルクＴｒｑの制御を行うことができる。

この発明の実施の形態１における界磁巻線式同期発電電動機の制御装置を車両に搭載した場合の構成図である。 この発明の実施の形態１における回転電機の電気的な接続図である。 この発明の実施の形態１における負荷トルクの制御方法を示した図である。 この発明の実施の形態２における回転電機の制御部に直流電圧検出部を付加した場合の電気的な接続図である。 この発明の実施の形態２における回転電機の制御部に温度検出部を付加した場合の電気的な接続図である。 この発明の実施の形態２における回転電機の制御部に直流電圧検出部と温度検出部を付加した場合の電気的な接続図である。

符号の説明

１０１ 内燃機関、１０２ 回転電機、１０３ 蓄電池、１０４ 内燃機関−回転電機結合部、２００ モータ・ジェネレータ部、２０１ 電機子巻線、２０２ 界磁巻線、３００ 電力変換部、３０１ 界磁巻線電流用スイッチング素子、３０２ フライホイールダイオード、３０３ａ Ｕ相上アームスイッチング素子、３０３ｂ Ｖ相上アームスイッチング素子、３０３ｃ Ｗ相上アームスイッチング素子、３０４ａ Ｕ相下アームスイッチング素子、３０４ｂ Ｖ相下アームスイッチング素子、３０４ｃ Ｗ相下アームスイッチング素子、４００ 制御部、４１０ ゲート駆動部、４２０ 駆動制御部、４３０ 発電制御部、４４０ 界磁電流制御部、４５０ 界磁電流検出部、４５１ 回転速度検出部、４５２ 直流電圧検出部、４５３ 温度検出部、４６０ 負荷トルク特性記憶部、４７０ 負荷トルク推定部、４８０ 負荷トルク指令部。

Claims (6)

1. 界磁巻線を有し、発電電動機として動作する回転電機と、
   前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出する界磁電流検出手段と、
   前記界磁電流を所定の値に制御する界磁電流制御手段と、
   前記回転電機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
   前記界磁電流検出手段により検出した界磁電流と前記回転速度検出手段により検出した回転速度とに基づいて前記回転電機の負荷トルクを推定する負荷トルク推定手段と
   を備え、
   前記界磁電流制御手段は、前記負荷トルク推定手段により推定した負荷トルク推定値が所定の負荷トルク値になるように前記界磁電流を制御する
   ことを特徴とする界磁巻線式同期発電電動機。
2. 請求項１に記載の界磁巻線式同期発電電動機において、
   前記界磁電流と前記回転速度と前記負荷トルクとの関係をマップ化した負荷トルク特性マップを記憶している負荷トルク特性記憶手段をさらに備え、
   前記負荷トルク推定手段は、前記界磁電流検出手段により検出した界磁電流と前記回転速度検出手段により検出した回転速度とに基づいて、前記負荷トルク特性記憶手段に記憶されている負荷トルク特性マップを参照することにより、負荷トルクを推定し、
   前記回転速度と制御目標である所定の負荷トルクとから、前記負荷トルク特性記憶手段に記憶されている負荷トルク特性マップを参照することにより、前記負荷トルク推定値が所定の負荷トルク値になるような界磁電流指令値を取得し、
   前記界磁電流制御手段は、前記負荷トルク推定手段からの界磁電流指令値に基づいて界磁電流を制御する
   ことを特徴とする界磁巻線式同期発電電動機。
3. 請求項１に記載の界磁巻線式同期発電電動機において、
   前記界磁電流制御部は、前記負荷トルク推定部により推定した負荷トルク推定値と、制御目標である所定の負荷トルク値との差分に基づいて前記界磁電流を増減させて、負荷トルク推定値と所定の負荷トルク値とが一致するように前記界磁電流を制御する
   ことを特徴とする界磁巻線式同期発電電動機。
4. 請求項１に記載の界磁巻線式同期発電電動機において、
   前記回転電機が出力する直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記界磁電流と前記回転速度と前記直流電圧と前記負荷トルクとの関係をマップ化した負荷トルク特性マップを記憶している負荷トルク特性記憶手段と
   をさらに備え、
   前記負荷トルク推定手段は、前記界磁電流と前記回転速度と前記直流電圧とから前記負荷トルクを推定し、
   前記界磁電流制御手段は、前記負荷トルク推定手段により推定した負荷トルク推定値が所定の値になるように前記界磁電流を制御する
   ことを特徴とする界磁巻線式同期発電電動機。
5. 請求項１に記載の界磁巻線式同期発電電動機において、
   前記回転電機の温度情報を検出する温度検出手段と、
   前記界磁電流と前記回転速度と前記温度情報と前記負荷トルクとの関係をマップ化した負荷トルク特性マップを記憶している負荷トルク特性記憶手段と
   をさらに備え、
   前記負荷トルク推定手段は、前記界磁電流と前記回転速度と前記温度情報とから前記負荷トルクを推定し、
   前記界磁電流制御手段は、前記負荷トルク推定手段により推定した負荷トルク推定値が所定の値になるように前記界磁電流を制御する
   ことを特徴とする界磁巻線式同期発電電動機。
6. 請求項１に記載の界磁巻線式同期発電電動機において、
   前記回転電機が出力する直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、
   前記回転電機の温度情報を検出する温度検出手段と、
   前記界磁電流と前記回転速度と前記直流電圧と前記温度情報と前記負荷トルクとの関係をマップ化した負荷トルク特性マップを記憶している負荷トルク特性記憶手段と
   をさらに備え、
   前記負荷トルク推定手段は、前記界磁電流と前記回転速度と前記直流電圧と前記温度情報とから前記負荷トルクを推定し、
   前記界磁電流制御手段は、前記負荷トルク推定手段により推定した負荷トルク推定値が所定の値になるように前記界磁電流を制御する
   ことを特徴とする界磁巻線式同期発電電動機。

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