JP2015014278A - 始動発電機及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の大型化を招くことなく効率良くエンジンを始動させることができる始動発電機を提供する。
【解決手段】 エンジン始動時にはエンジンのクランクシャフトを所定の回転開始位置から助走をつけて回転させるスタータモータとして動作する一方、エンジン始動後にはジェネレータとして動作させる始動発電機において、エンジン始動時には、コントローラにより、エンジンの回転数が所定の第１回転数に達する時点で巻線への印加電圧が前記バッテリーの端子電圧より高い所定電圧になるように前記印加電圧を徐々に昇圧し、この昇圧された印加電圧を少なくとも前記エンジンが始動するまで維持するように、前記ドライバーを制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、始動発電機、特に自動二輪車を含む各種車両のエンジンのスタータ及びジェネレータを兼ねた始動発電機及びその制御方法に関する。

従来、例えば自動二輪車のエンジンのクランクシャフトに取り付けられ、スタータ及びジェネレータを兼ねた始動発電機が知られている。即ち、この始動発電機は、エンジン始動時にはクランクシャフトを回転させてエンジンを始動させるスタータモータとして機能する。一方、この始動発電機は、エンジン始動後にはクランクシャフトにより回転されてジェネレータとして機能する。

エンジンのクランクシャフトに減速機構なしに直接取り付けられる始動発電機の場合、エンジン始動時に大きなトルクを発生することが要求される。即ち、エンジン始動時には、特にエンジンの１回目の乗り越しトルクが大きいため、エンジンを始動させるためには、この乗り越しトルクを超える大きなトルクが必要である。このため、例えば特開２０００−３１６２９９号公報には、エンジン始動時に駆動電圧を昇圧してスタータモータの始動トルクを増大させることが提案されている。

具体的には、この提案では、エンジン回転時に充電されるコンデンサを設け、エンジン始動時に前記コンデンサをバッテリーに対して直列接続するように構成されている。このようにエンジン始動時にコンデンサをバッテリーに直列接続することによって、コンデンサに充電された電圧がバッテリーの電圧に重畳されて、始動発電機の駆動電圧が上昇する。これによってエンジン始動に必要な大きな乗り越しトルクを超えるトルクが得られるとされている。

特開２０００−３１６２９９号公報

しかしながら、上記提案に係る方法のようにエンジン始動時に駆動電圧を昇圧させても、必ずしも所期するする大きな始動トルクが得られないものであった。即ち、駆動電圧を昇圧した場合、ステータの巻線には大きな電流が流れるが、ステータの磁気回路が磁気飽和してしまう。このためエンジン始動時に昇圧した駆動電圧に比例したトルクが得られないものであった。即ち、エンジン始動のために投入した始動エネルギーがステータの磁気飽和により有効に活用されないものであった。

昇圧した駆動電圧に比例した大きな始動トルクを得るためには、ステータの断面積を拡大して磁気回路を磁気飽和させないように構成することが考えられる。しかし、ステータの断面積を拡大すると、装置の大型化を招くばかりか、エンジンの高速回転時における鉄損が増加する。

上述のような技術的背景のもとで、ステータの大型化を招くことなく、効率良く始動トルクを発生することができる、エンジン用始動発電機の出現が望まれていた。

本発明は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、特に自動二輪車のエンジンのクランクシャフトに取り付けられる始動発電機であって、ステータの大型化を招くことなく、エンジン始動時に必要な始動トルクを効率良く発生することができる、エンジン用始動発電機及びその制御方法を提供することを目的とするものである。

更に、この発明の他の目的及び利点は、以下の好ましい実施形態から明らかになるであろう。

以下に、本発明に係る始動発電機について説明する。

この始動発電機は、エンジン始動時にはエンジンのクランクシャフトを所定の回転開始位置から助走をつけて回転させるスタータモータとして動作する一方、エンジン始動後にはジェネレータとして動作するものである。このように本発明に係る始動発電機は、エンジン始動時にはエンジンのクランクシャフトを所定の回転開始位置から助走をつけて回転させる、いわゆるスイングバック機能を備えたものである。このスイングバック機能により、エンジンの正回転方向における軽負荷領域の位置からクランキングを開始することができる。このため、スタータモータの始動トルクが比較的小さい場合でも、圧縮上死点近傍の高負荷域を容易に乗り越えることができる。

上記始動発電機は、巻線を備えたステータと、前記クランクシャフトに取り付けられ、前記ステータに対して回転自在に配置されたロータと、駆動用電源としてのバッテリーに接続され、前記巻線への通電を制御するドライバーと、前記ドライバーを制御するコントローラとを有する。

前記コントローラは、エンジン始動時には、前記ドライバーを以下のように制御する。即ち、前記コントローラは、前記エンジンの回転数が所定の第１回転数に達する時点で前記巻線への印加電圧が前記バッテリーの端子電圧よりも高い所定電圧になるように前記印加電圧を徐々に昇圧するように前記ドライバーを制御する。また、前記コントローラは、その昇圧された印加電圧を少なくとも前記エンジンが始動するまで維持するように前記ドライバーを制御する。このようにエンジン始動時に前記巻線への印加電圧を一気に昇圧せずに徐々に昇圧すれば、ステータの磁気飽和によるエネルギー損失を回避することができる。従って、実質的に始動トルクの上昇に寄与するエネルギーのみを効果的に供給することができる。

前記エンジンの第１回転数としては、好ましくは例えば４００ｒｐｍを例示することができる。また、前記第２回転数としては、好ましくは例えば１２００ｒｐｍを例示することができる。

前記コントローラは、前記エンジンの回転数が前記第１回転数に達する時点まで前記エンジンの回転数に応じて前記印加電圧を昇圧させるように、前記ドライバーを制御することが望ましい。この制御により、ステータの磁気回路の磁気飽和を回避しつつ実質的に始動トルクの上昇に寄与するエネルギーのみを効率的に供給することができる。

前記コントローラは、前記エンジンの回転数が前記第１回転数と該第１回転数よりも高い第２回転数との間で前記昇圧された印加電圧を維持するように、前記ドライバーを制御することが好ましい。これによりエンジン始動に必要なトルクが維持され、エンジンを確実に始動することができる。

前記コントローラは、エンジン始動時には、前記クランクシャフトを一旦逆転方向に回転させ、前記所定の回転開始位置から正転方向に回転させるように、前記ドライバーを制御することが好ましい。このように前記クランクシャフトを一旦逆転方向に回転させ、前記所定の回転開始位置から正転方向に回転させることにより、大きな始動トルクを必要とすることなく、エンジンを始動させることができる。

前記ロータは、前記ステータの外周を取り囲むように配置されている、いわゆるアウターロータ形式のものが好適に採用される。この場合、ロータがフライホイールとしても機能する。

前記始動発電機は、更に、前記クランクシャフトの回転角度を検出するセンサを備え、前記コントローラは、前記センサからの出力信号に基づいて前記ドライバーを制御するものとしても良い。

前記ドライバーは、前記バッテリーに接続されたチョッパ回路と、該チョッパ回路に接続されたインバータ回路とを有するものが好適に用いられる。この場合、チョッパ回路は、昇圧チョッパ及び降圧チョッパの双方の機能を有するものとする。

前記コントローラは、前記始動発電機がジェネレータとして動作している際に、前記エンジンの回転数が前記第２回転数よりも高い第３回転数を超える高速回転領域にあるときには、前記チョッパ回路により前記バッテリーに印加される電圧を降圧するように、前記ドライバーを制御することが好ましい。これにより、バッテリーへの過剰な充電電流を抑制することができる。

前記コントローラは、前記始動発電機がジェネレータとして動作している際に、前記バッテリーへの充電電流が所定値を超えた時点から前記チョッパ回路により前記バッテリーに印加される電圧を降圧するように、前記ドライバーを制御しても良い。これにより、バッテリーへの充電電流を抑制することができる。

この発明の他の側面によると、前記いずれかに記載の始動発電機を備えた、例えば自動二輪車を含む車両が提供される。

この発明の更に他の側面によると、エンジン始動時にはスタータモータとして動作する一方、エンジン始動後にはジェネレータとして動作する始動発電機の制御方法が提供される。この方法は、前記エンジンの回転数が所定の第１回転数に達する時点でステータに巻き付けられた巻線への印加電圧が駆動用電源としてのバッテリーの端子電圧よりも高くなるように、前記印加電圧を徐々に昇圧し、この昇圧された印加電圧を少なくとも前記エンジンが始動するまで維持する。

前記エンジンの第１回転数を４００ｒｐｍに設定し、前記エンジンの第２回転数を１２００ｒｐｍに設定することが好ましい。

前記エンジンの回転数が前記第１回転数に達する時点まで前記エンジンの回転数に応じて前記印加電圧を昇圧させるようにしても良い。また、前記エンジンの回転数が前記第１回転数と該第１回転数よりも高い第２回転数との間では、前記昇圧された印加電圧を維持することが望ましい。

エンジン始動時に、前記エンジンのクランクシャフトを一旦逆転方向に回転させ、所定の回転開始位置から正転方向に回転させることが望ましい。

前記バッテリーにチョッパ回路を接続し、
エンジン始動後に前記始動発電機がジェネレータとして動作している際に、
前記エンジンの回転数が前記第３回転数を超えたとき、前記チョッパ回路により前記バッテリーに印加される電圧を降圧させるようにしても良い。

前記バッテリーにチョッパ回路を接続し、
エンジン始動後に前記始動発電機がジェネレータとして動作している際に、
前記バッテリーへの充電電流が所定値を超えたとき、前記チョッパ回路により前記バッテリーに印加される電圧を降圧させるようにしても良い。

図１は、この発明の実施形態に係る始動発電機及びこの始動発電機が取り付けられたエンジンの概略構成を示す断面図である。 図２は、前記始動発電機の電気的構成図である。 図３は、本発明に基づいて始動発電機の巻線に印加される印加電圧を制御した実施例、前記印加電圧を一気に昇圧した比較例、及び印加電圧を昇圧しない参考例における、始動発電機の巻線への印加電圧の制御を示すグラフである。 図４は、前記実施例、比較例及び参考例における、前記始動発電機の巻線に流れる電流の変化を示すグラフである。 図５は、前記実施例、比較例及び参考例における、仕事率の変化を示すグラフである。 図６は、前記実施例、比較例及び参考例における、始動発電機のトルクの変化を示すグラフである。 図７は、前記実施例、比較例及び参考例における、投入した仕事の変化を示すグラフである。 図８は、前記始動発電機を備えた車両の一例を示す説明図である。

以下、この発明を、好ましい実施形態に基づいて図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る始動発電機ＳＧ及びこれを備えたエンジンＥを示す概略断面である。

まず、図１に基づいて、本実施形態の始動発電機及びこれが取り付けられるエンジンＥの概略構成を説明する。

この実施形態に係る始動発電機ＳＧは、図１に示すように、例えば自動二輪車のエンジンＥに取り付けられている。即ち、この始動発電機ＳＧは、エンジンＥのクランクシャフト５に連結されて、エンジン始動時にクランクシャフト５を回転させてエンジンＥを始動させるスタータモータとして機能する。一方、この始動発電機ＳＧは、エンジン始動後には、クランクシャフト５により回転されてジェネレータとして機能する。もっとも、この発明は自動二輪車のエンジン用の始動発電機に適用される場合に限定されるものではなく、各種車両における始動発電機にも適用されるものである。

この実施形態に係るエンジンＥは、クランクケース１と、このクランクケース１に設けられたシリンダ２と、このシリンダ２内に摺動可能に設けられたピストン３と、上端部が前記ピストン３に連結されたコネクティングロッド４と、前記クランクケース１内に回転可能に設けられ、前記コネクティングロッド４の下端部が連結されたクランクシャフト５とを備えている。

前記クランクシャフト５の右側端部は、クランクケース１から外方突出状に延出されている。このクランクシャフト５の右側端部には、後述するように、エンジン始動時にクランクシャフト５を回転させてエンジンＥを始動させるスタータモータとして機能する一方、エンジン始動後にクランクシャフト５により回転されてジェネレータとして機能する始動発電機ＳＧが取り付けられている。

この実施形態においては、図１に示すような構造のエンジンＥを示したが、この発明においては、エンジン本体側の具体的な構成は、図示実施形態に示したような構成に限定されるものではない。

前記始動発電機ＳＧは、図１に示すように、ロータ２０と、ステータ３０とを有する。

前記ロータ２０は、有底円筒状に形成された回転子本体２１と、該回転子本体２１に固定された界磁用永久磁石２２とを有する。前記回転子本体２１は、前記クランクシャフト５の一端部に固定され、該クランクシャフト５と共に一体的に回転自在となされている。このようにクランクシャフト５に直結されて、該クランクシャフト５と共に回転するように取り付けられたロータ２０は、エンジンＥのフライホイールとしても機能する。

一方、前記ステータ３０は、径方向外側に向かって一体的に延びた複数の突極としての歯部３１を有する。各歯部３１の周囲には、電機子巻線３２が巻き付けられている。

また前記始動発電機ＳＧには、駆動用電源としてのバッテリーＢがドライバー６０を介して接続されている。このバッテリーＢと始動発電機ＳＧとの間で、後述するコントローラ７０を介して電力の授受が行われる。

上記ドライバー６０の具体的構成について、図２を参照しつつ説明する。始動発電機ＳＧのドライバー６０は、バッテリーＢに接続されたチョッパ回路４０と、このチョッパ回路４０の出力側に接続されたインバータ回路５０とを有する。上記始動発電機ＳＧの駆動回路としてのインバータ回路５０は、６個のスイッチング素子としてのＦＥＴ５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗ及び５２Ｕ、５２Ｖ、５２Ｗを３相ブリッジ接続して構成されたブリッジ回路である。このＦＥＴブリッジ回路の各ＦＥＴのドレイン・ソース間には、ダイオード５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗ及び５４Ｕ、５４Ｖ、５４Ｗがそれぞれ接続されており、発電動作時に３相交流が全波整流されて直流電圧が出力される。なお、上記スイッチング素子は、ＦＥＴに限られるものではなく、例えばＭＯＳトランジスタ等を適宜用いても良い。

インバータ回路５０の入力端子５０ａ及び５０ｂは、直流母線１０及び１１にそれぞれ接続されている。一方、インバータ回路５０の出力端子５５Ｕ、５５Ｖ及び５５Ｗは、始動発電機ＳＧのステータ３０の巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗの各端子に接続されている。各巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗの他端子は共通に接続されている。

インバータ回路５０の一方の入力端子５０ｂに接続された直流母線１１は、バッテリーＢの負端子に接続されている。また、インバータ回路５０の入力端子５０ａ及び５０ｂ間、即ち直流母線１０及び１１の間には、コンデンサ１２が接続されている。

一方、チョッパ回路４０は、スイッチング素子としての２個のＦＥＴ４１及び４２を有する。これらＦＥＴ４１及び４２は、インバータ回路５０の入力端子５０ａ及び５０ｂ間、即ち直流母線１０及び１１間に、直列接続状態で配置されている。各ＦＥＴ４１及び４２のドレイン・ソース間には、それぞれダイオード４３及び４４が接続されている。また、前記両ＦＥＴ４１及び４２の接続端、即ちチョッパ回路４０の中性点には、コイル４５を介して前記バッテリーＢの正端子が接続されている。

また前記コンデンサ１２に並列に電圧検出器１３が接続されている。これにより前記インバータ回路５０の入力側端子電圧（即ち巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗへの印加電圧）が検出される。また前記始動発電機ＳＧには、位置検出器１４が設けられており、これによりロータ２０の回転位置が検出される。

コントローラ７０には、前記電圧検出器１３及び前記位置検出器１４の出力端子がそれぞれ接続されている。このコントローラ７０は、前記チョッパ回路４０及び前記インバータ回路５０で構成されるドライバー６０を制御するものである。具体的には、コントローラ７０は、前記ドライバー６０を以下のように制御する。即ち、前記エンジンＥの回転数が所定の第１回転数に達する時点で前記巻線３２Ｕ、３２Ｖ、３２Ｗへの印加電圧が前記バッテリーの端子電圧（例えば１２Ｖ）から該端子電圧よりも高い所定の電圧（例えば２４Ｖ）になるように前記印加電圧を徐々に昇圧し、この昇圧された印加電圧を少なくとも前記エンジンＥが始動するまで維持する。

まず、前記始動発電機ＳＧをスタータとして動作させる場合における、前記ドライバー６０及び前記コントローラ７０の動作について説明する。チョッパ回路４０が非動作状態にあるとき、バッテリーＢの電圧は、コイル４５及びダイオード４３を介してコンデンサ１２に印加される。この実施形態では、１２ＶのバッテリーＢを採用しているため、コンデンサ１２は１２Ｖに充電される。コントローラ７０は、チョッパ回路４０を構成するＦＥＴ４２のゲート信号を制御してこのＦＥＴ４２をオンオフする。

ＦＥＴ４２がオンになると、コイル４５及びＦＥＴ４２によって閉ループ回路が形成される。従って、コイル４５にバッテリーＢから電流が流れ込む。次に、ＦＥＴ４２がオフになると、コイル４５に蓄積されたエネルギーがダイオード４３を介して放出される。このため昇圧された電圧がコンデンサ１２に印加される。電圧の昇圧率は、コントローラ７０により任意に制御される。この実施形態では、後述するように、コンデンサ１２の端子電圧がロータ２０の回転数に応じて徐々に昇圧するようにドライバー６０を制御している。

またコントローラ７０は、位置検出器１４からの位置検出信号に基づいて、インバータ回路５０のＦＥＴ５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗ、５２Ｕ、５２Ｖ及び５２Ｗのゲート信号を制御する。これによりＦＥＴ５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗ、５２Ｕ、５２Ｖ及び５２Ｗが順次オンオフされる。これにより始動発電機ＳＧのステータの巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗに電流が流れ、ロータ２０が回転する。

始動発電機ＳＧが始動すると、エンジンＥのクランクシャフト５が回転し、エンジンＥが始動する。このようにして始動発電機ＳＧは、エンジンＥのスタータとして機能する。

次に、前記始動発電機ＳＧをジェネレータとして動作させる場合における、前記ドライバー６０及び前記コントローラ７０の動作について説明する。

エンジンＥが始動すると、コントローラ７０は、インバータ回路５０のＦＥＴ５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗ、５２Ｕ、５２Ｖ、５２Ｗの各ゲートへのゲート信号の供給を停止して、これらＦＥＴをすべてオフの状態とする。即ち、インバータ回路５０を非動作状態にする。エンジンＥが動作している状態においては、クランクシャフト５により始動発電機ＳＧが回転される。従って、ステータ３０の各巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗに電圧が誘起される。このように各巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗに誘起された交流電圧は、インバータ回路５０のダイオード５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗ、５４Ｕ、５４Ｖ及び５４Ｗにより全波整流されて直流電圧に変換される。この直流電圧は、コンデンサ１２に印加される。

コンデンサ１２に印加された電圧は、チョッパ回路４０を介してバッテリーＢに印加され、これによりバッテリーＢは充電される。しかし、エンジンＥの回転数が高い場合は、誘起される交流電圧も大きくなり、ひいてはバッテリーＢが過充電されることがある。このようにバッテリーＢの過充電を防止するために、コントローラ７０はチョッパ回路４０のＦＥＴ４１をオンオフ制御してチョッパ回路４０を降圧チョッパとして動作させる。即ち、コントローラ７０は、チョッパ回路４０のＦＥＴ４１をオンオフ制御してバッテリーＢに印加される電圧を降圧する。

このようにコントローラ７０は、エンジン始動時には、チョッパ回路４０を昇圧チョッパとして作動させて、ステータ３０の巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗに印加される電圧を上昇させる。一方、エンジン始動後は、チョッパ回路４０を降圧チョッパとして作動させてバッテリーＢへの充電電流を抑制させる。

この実施形態においては、上記コントローラ７０は、具体的には、上記ドライバー６０を以下のように制御する。即ち、エンジン始動時には、エンジンＥの回転数が所定の第１回転数に達する時点で前記巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗへの印加電圧が前記バッテリーＢの端子電圧（この実施形態では１２Ｖ）から該端子電圧よりも高い所定電圧（この実施形態では２４Ｖ）になるように前記印加電圧を徐々に昇圧する。そして、この昇圧された印加電圧を少なくともエンジンＥが始動するまで維持する。

このようにステータ３０の巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗへの印加電圧を前記バッテリーＢの端子電圧（この実施形態では１２Ｖ）から該端子電圧よりも高い所定電圧（この実施形態では２４Ｖ）になるように一気に昇圧せずに、徐々に昇圧するようにした理由は以下のとおりである。即ち、図３に一点鎖線で示すように、エンジンＥの始動時に１２Ｖから２４Ｖに一気に昇圧すると、図４に一点鎖線で示すように、巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗに流れる電流は一気に増加する。これに従って、仕事率も図５に一点鎖線で示すように、急激に増加する。しかし、ステータ３０の磁気回路が磁気飽和するため、増大した電流に比例して始動トルク（モータトルク）が増大しない。即ち、投入したエネルギの一部が発熱として消費される。

始動トルクを電流に比例して増加させるためには、ステータ３０の磁気回路が磁気飽和しないようにステータ３０の断面積を十分に大きく設定する必要がある。しかし、ステータ３０の断面積を拡大することは、装置の大型化を招くばかりか、高速回転時の鉄損の増加を招く。このような問題を解決すべく、本発明に係る実施形態では、エンジン始動時に、ステータ３０の巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗへの印加電圧を前記バッテリーＢの端子電圧（この実施形態では１２Ｖ）から該端子電圧よりも高い所定電圧（この実施形態では２４Ｖ）になるように一気に昇圧せずに、徐々に昇圧するようにしたものである。

なお、この発明において「徐々に昇圧する」とは、一定の割合で印加電圧を上昇させる場合に限定されることを意味するものではない。例えば、段階的に印加電圧を上昇させるような場合も含む意味として解釈されるべきである。本発明においては、エンジン始動開始時に必ずしも昇圧することを必要とするものではない。換言すると、エンジン始動時はバッテリーＢの端子電圧（例えば１２Ｖ）をそのまま印加してエンジンＥを始動させ、その後エンジンＥが所定の第１回転数に達するまでに前記巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗへの印加電圧が所定電圧（例えば２４Ｖ）となるように徐々に昇圧しても良い。あるいは、エンジン始動時はバッテリーＢの端子電圧よりも少し高い電圧を巻線への印加電圧とし、その後徐々に昇圧しても良い。要するに、本発明は、エンジン始動時に一気に所定電圧（本実施形態では２４Ｖ）まで昇圧することを排除する趣旨であると理解すべきである。

このように本発明においては、エンジンＥを始動させる瞬間には、例えばバッテリーＢの端子電圧（例えば１２Ｖ）に対応する比較的小さな始動トルクしか発生しない。このため、本発明においては、エンジンＥを始動させるために大きな１回目の乗り越しトルクを乗り越えることができるように、エンジン始動時にはエンジンＥのクランクシャフト５を所定の回転開始位置から助走をつけて回転させるスタータモータとして動作させる。即ち、いわゆるスイングバック機能を活用して大きな１回目の乗り越しトルクを乗り越えるようにしている。図３において、巻線への印加電圧を負の値にしているのは、クランクシャフト５を一旦逆方向に回転させてスイングバックさせるためである。

この実施形態では、位置検出器１４によりロータ２０の位置を検出し、コントローラ７０によってドライバー６０を制御することにより、エンジンＥのクランクシャフト５を一旦所定の回転開始位置に設定する。そしてその位置から助走をつけてエンジンＥを始動させる。

エンジンＥの始動開始時には、チョッパ回路４０を作動させずバッテリーＢの端子電圧１２Ｖをそのままインバータ回路５０に印加して、始動発電機ＳＧを始動させる。そして、エンジン始動開始直後から、チョッパ回路４０を昇圧チョッパとして作動させることにより、インバータ回路５０の入力端子５０ａ、５０ｂに印加される印加電圧をエンジン回転数に応じて上昇させる。この実施形態では、エンジンＥが所定の第１回転数に達する時点でインバータ回路５０の入力端子５０ａ、５０ｂに印加される印加電圧がバッテリーＢの端子電圧１２Ｖの２倍の２４Ｖになるように昇圧する。そしてこの昇圧した印加電圧を、エンジンＥの回転数が所定の第２回転数に達するまで維持するように、コントローラ７０がドライバー６０（チョッパ回路４０）を制御する。

エンジンＥの第１回転数としては、例えば４００ｒｐｍを例示することができる。また、第２回転数としては、エンジンＥが始動開始した後の回転数であればよく、例えば１２００ｒｐｍを例示することができる。即ち、この実施形態では、エンジン始動の際に、４００ｒｐｍに達した時点で前記印加電圧が２４Ｖに昇圧されるように、１２Ｖからエンジン回転数に比例して一定の割合で昇圧するようになっている。そして、エンジン回転数が１２００ｒｐｍに達する時点までは、その昇圧された状態が維持される。第１回転数４００ｒｐｍと第２回転数１２００ｒｍｐの間で、エンジンＥが始動する。

エンジンＥの回転数が４００ｒｐｍに達する時点で印加電圧が所定の電圧（２４Ｖ）になるように印加電圧を徐々に昇圧するように制御した場合であっても、印加電圧を一気に２４Ｖにまで昇圧させた場合と較べて、実際に発生するトルクは殆ど変らない。即ち、図７に示すように、印加電圧を一気に昇圧した比較例の方が、印加電圧を徐々に昇圧した実施例よりも投入した仕事量が多いにも拘わらず、図６に示すように、発生する最大トルクはほとんど同じである。従って、印加電圧を徐々に昇圧させた場合には、投入したエネルギーを浪費することなく、確実にトルクを発生するエネルギーとして活用できることがわかる。なお、印加電圧を昇圧することなく１２ＶでエンジンＥを始動させた場合には、昇圧した場合と較べて、始動直後からトルクが低下している。

次に上記始動発電機ＳＧをジェネレータ（発電機）として動作させる場合について説明する。

コントローラ７０は、エンジンＥが始動した後は、始動発電機ＳＧをジェネレータとして動作させるために、インバータ回路５０のＦＥＴ５１Ｕ、５１Ｖ、５１Ｗ、５２Ｕ、５２Ｖ、５２Ｗのゲートへの信号の供給を停止して、これらすべてのＦＥＴをオフの状態とする。即ち、インバータ回路５０を非動作状態とする。エンジンＥの始動に伴って、始動発電機ＳＧのロータ２０がエンジンＥのクランクシャフト５により回転される。このようにロータ２０がステータ３０の周りを回転すると、ロータ２０に取り付けられた永久磁石２２の磁束がステータ３０の各巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗを鎖交するため、各巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗに電圧が誘起される。この誘起された電圧は、インバータ回路５０のダイオード５３Ｕ、５３Ｖ、５３Ｗ、５４Ｕ、５４Ｖ及び５４Ｗにより全波整流されて直流電圧に変換される。この直流電圧によりバッテリーＢが充電される。

エンジンＥの回転数が高いと誘起される電圧も高くなり、そのままではバッテリーＢへの充電電流が過剰になる。これに対応すべく、既に説明したように、前記コントローラ７０がチョッパ回路４０を制御して、チョッパ回路４０を降圧チョッパとして動作させることにより、バッテリーＢの過充電が防止される。

上述したように、この発明の実施形態によれば、エンジン始動時にはエンジンＥのクランクシャフト５を所定の回転開始位置から助走をつけて回転させるスタータモータとして動作させるものである。従って、エンジンＥの大きな１回目の乗り越しトルクを容易に乗り越えることができるので、比較的小さな始動トルクであってもエンジンを始動させることが可能である。また、コントローラ７０は、エンジン始動時には、巻線３２Ｕ、３２Ｖ及び３２Ｗへの印加電圧を一気に昇圧せずに、徐々に昇圧するものである。従って、ステータ３０の磁気回路が磁気飽和することがなく、投入したエネルギーを効率的に始動トルクとして活用することができる。従って、従来のバッテリーＢをそのまま用いつつ、装置の大型化を招くことなく、効率的にエンジンＥを始動することができる。

また、エンジン始動後には、コントローラ７０によってドライバー６０を適宜制御することによって、バッテリーＢへの過充電を未然に防止することができる。

上記実施形態では、印加電圧をバッテリーＢの電圧（１２Ｖ）の倍の電圧（２４Ｖ）に昇圧する場合について説明したが、これに限定されるものではない。バッテリーＢの電圧や昇圧電圧については、適宜任意に設定することができる。また、ドライバー６０の具体的な回路構成についても、図示実施形態に限定されるものではなく、他の任意の回路構成を採用することができる。

ここに用いられた用語及び表現は、説明のために用いられたものであって限定的に解釈するために用いられたものではなく、ここに示され且つ述べられた特徴事項の如何なる均等物をも排除するものではなく、この発明のクレームされた範囲内における各種変形をも許容するものであると認識されなければならない。

本発明は、多くの異なった形態で具現化され得るものであるが、この開示は本発明の原理の実施例を提供するものと見なされるべきであって、それら実施例は、本発明をここに記載しかつ／または図示した好ましい実施形態に限定することを意図するものではないという了解のもとで、多くの図示実施形態がここに記載されている。

本発明の図示実施形態を幾つかここに記載したが、本発明は、ここに記載した各種の好ましい実施形態に限定されるものではなく、この開示に基づいていわゆる当業者によって認識され得る、均等な要素、修正、削除、組み合わせ（例えば、各種実施形態に跨る特徴の組み合わせ）、改良及び／又は変更を有するありとあらゆる実施形態をも包含するものである。クレームの限定事項はそのクレームで用いられた用語に基づいて広く解釈されるべきであり、本明細書あるいは本願のプロセキューション中に記載された実施例に限定されるべきではなく、そのような実施例は非排他的であると解釈されるべきである。例えば、この開示において、「好ましくは」という用語は非排他的なものであって、「好ましいがこれに限定されるものではない」ということを意味するものである。

この発明にかかる、例えば自動二輪車のエンジンに取り付けられる始動発電機として好適に用いられる。

５ クランクシャフト
２０ ロータ
３０ ステータ
３２ 巻線
４０ チョッパ回路
５０ インバータ回路
６０ ドライバー
７０ コントローラ
Ｂ バッテリー
Ｅ エンジン
ＳＧ 始動発電機

Claims (22)

1. エンジン始動時にはエンジンのクランクシャフトを所定の回転開始位置から助走をつけて回転させるスタータモータとして動作する一方、エンジン始動後にはジェネレータとして動作する始動発電機であって、
   巻線を備えたステータと、
   前記クランクシャフトに取り付けられ、前記ステータに対して回転自在に配置されたロータと、
   駆動用電源としてのバッテリーに接続され、前記巻線への通電を制御するドライバーと、
   前記ドライバーを制御するコントローラとを有し、
   前記コントローラは、エンジン始動時には、前記エンジンの回転数が所定の第１回転数に達する時点で前記巻線への印加電圧が前記バッテリーの端子電圧よりも高い所定電圧になるように前記印加電圧を徐々に昇圧し、この昇圧された印加電圧を少なくとも前記エンジンが始動するまで維持するように、前記ドライバーを制御する、ことを特徴とする始動発電機。
2. 前記エンジンの第１回転数は、４００ｒｐｍである、請求項１に記載の始動発電機。
3. 前記コントローラは、前記エンジンの回転数が前記第１回転数に達する時点まで前記エンジンの回転数に応じて前記印加電圧を昇圧させるように、前記ドライバーを制御する、請求項１又は２に記載の始動発電機。
4. 前記コントローラは、前記エンジンの回転数が前記第１回転数と該第１回転数よりも高い第２回転数との間で前記昇圧された印加電圧を維持するように、前記ドライバーを制御する、請求項１ないし３のいずれか１に記載の始動発電機。
5. 前記第２回転数は１２００ｒｐｍである、請求項４に記載の始動発電機。
6. 前記コントローラは、エンジン始動時には、前記クランクシャフトを一旦逆転方向に回転させ、前記所定の回転開始位置から正転方向に回転させるように、前記ドライバーを制御する、請求項１ないし５のいずれか１に記載の始動発電機。
7. 前記ロータは、前記ステータの外周を取り囲むように配置されている、請求項１ないし６のいずれか１に記載の始動発電機。
8. 更に、前記クランクシャフトの回転角度を検出するセンサを備え、
   前記コントローラは、前記センサからの出力信号に基づいて前記ドライバーを制御する、請求項１ないし７のいずれか１に記載の始動発電機。
9. 前記ドライバーは、前記バッテリーに接続されたチョッパ回路と、該チョッパ回路に接続されたインバータ回路とを有する、請求項１ないし８のいずれか１に記載の始動発電機。
10. 前記チョッパ回路は、前記バッテリーの端子電圧よりも高い電圧を出力する昇圧機能を有する、請求項９に記載の始動発電機。
11. 前記コントローラは、前記始動発電機がジェネレータとして動作している際に、前記エンジンの回転数が前記第２回転数よりも高い第３回転数を超える高速回転領域にあるときには、前記チョッパ回路により前記バッテリーに印加される電圧を降圧するように、前記ドライバーを制御する、請求項１ないし１０のいずれか１に記載の始動発電機。
12. 前記コントローラは、前記始動発電機がジェネレータとして動作している際に、前記バッテリーへの充電電流が所定値を超えた時点から前記チョッパ回路により前記バッテリーに印加される電圧を降圧するように、前記ドライバーを制御する、請求項１ないし１１のいずれか１に記載の始動発電機。
13. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の始動発電機を備えた車両。
14. 請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の始動発電機を備えた自動二輪車。
15. エンジン始動時にはスタータモータとして動作する一方、エンジン始動後にはジェネレータとして動作する始動発電機の制御方法であって、
    エンジン始動時にスタータモータとして動作させる際には、
    前記エンジンの回転数が所定の第１回転数に達する時点で、ステータに巻き付けられた巻線への印加電圧が駆動用電源としてのバッテリーの端子電圧よりも高くなるように、前記印加電圧を徐々に昇圧し、
    この昇圧された印加電圧を少なくとも前記エンジンが始動するまで維持する、
    ことを特徴とする始動発電機の制御方法。
16. 前記エンジンの第１回転数は、４００ｒｐｍである、請求項１５に記載の始動発電機の制御方法。
17. 前記エンジンの回転数が前記第１回転数に達する時点まで前記エンジンの回転数に応じて前記印加電圧を昇圧させる、請求項１５又は１６に記載の始動発電機の制御方法。
18. 前記エンジンの回転数が前記第１回転数と該第１回転数よりも高い第２回転数との間では、前記昇圧された印加電圧を維持する、請求項１５ないし１７のいずれか１に記載の始動発電機の制御方法。
19. 前記エンジンの第２回転数は、１２００ｒｐｍである、請求項１８に記載の始動発電機の制御方法。
20. エンジン始動時に、前記エンジンのクランクシャフトを一旦逆転方向に回転させ、所定の回転開始位置から正転方向に回転させる、請求項１５ないし１９のいずれか１に記載の始動発電機の制御方法。
21. 前記バッテリーにチョッパ回路を接続し、
    エンジン始動後に前記始動発電機がジェネレータとして動作している際に、
    前記エンジンの回転数が前記第３回転数を超えたとき、前記チョッパ回路により前記バッテリーに印加される電圧を降圧させる、請求項１５ないし２０のいずれか１に記載の始動発電機の制御方法。
22. 前記バッテリーにチョッパ回路を接続し、
    エンジン始動後に前記始動発電機がジェネレータとして動作している際に、
    前記バッテリーへの充電電流が所定値を超えたとき、前記チョッパ回路により前記バッテリーに印加される電圧を降圧させる、請求項１５ないし２０のいずれか１に記載の始動発電機の制御方法。

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