JP2018042417A - 車両用回転電機 - Google Patents

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Abstract

【課題】三相短絡時の永久磁石の昇温を抑制する。
【解決手段】制御装置３０は、異常電圧検出部４０５が入出力端子の電圧値が閾値電圧以上であることを検出した場合に、回転速度検出部１０で検出された回転速度が予め設定された閾値より大きいときは、負極側アーム短絡部４０６により、第１多相巻線３０１の多相短絡と第２多相巻線３０２の多相短絡とを同時に行い、一方、検出された回転速度が閾値以下のときは、負極側アーム短絡部４０６により、第１多相巻線３０１の多相短絡を行った後に、第２多相巻線３０２の多相短絡を行う。
【選択図】図４

Description

この発明は、車両用回転電機に関する。
ランデル型の回転子を用いる車両用回転電機は、従来より、自動車等の車両に使用されてきた。ランデル型の回転子には、周方向に、複数の爪状磁極部が設けられている。また、隣接する爪状磁極部の間には、永久磁石が配置されている。
近年の環境問題から、車載される電装品の負荷が急増し、車両用回転電機の発電量の増加が求められている。このような課題を解決するために、回転子と一体に回転することで冷却風を発生する冷却ファンを備えた、車両用回転電機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載の従来の車両用回転電機では、固定子が、２組の三相固定子巻線を有している。２組の三相固定子巻線を、それぞれ、第１の三相固定子巻線ｘ１、ｙ１、ｚ１と、第２の三相固定子巻線ｘ２、ｙ２、ｚ２と呼ぶと、第２の三相固定子巻線ｘ２、ｙ２、ｚ２が、第１の三相固定子巻線ｘ１、ｘ２、ｙ２に対して、それぞれ、電気角でπ／６ラジアンだけずらして、巻装されている。
特許文献１に記載の従来の車両用回転電機では、電気角でπ／６位相差を有する２組の三相固定子巻線を設けることにより、誘起電力中に含まれる高調波成分を相殺することができる。これにより、電気ノイズ及び磁気騒音を低減している。また、磁気嵐を抑制することができるので、磁気嵐による爪状磁極部および永久磁石の昇温を抑制することができる。
特開平９−１５４２６６号公報
上述したように、特許文献１に記載の従来の車両用回転電機では、磁気嵐による爪状磁極部および永久磁石の昇温を抑制することはできるが、多相短絡による永久磁石の昇温を抑制することについては、何ら意図されていない。
一般に、直流電力と交流電力とを変換する車両用回転電機においては、Ｂ端子電圧が過電圧の時に、負極側アームを短絡させることで、安定した電力供給を可能にする。しかしながら、短絡時の逆起電力により、回転電機のコイルに電流が流れ、ステータの磁極が磁化する。この磁化した磁極の近傍を電動機の永久磁石が通過する際、永久磁石を貫く磁界が増減し、永久磁石内に渦電流が生じる。この渦電流により永久磁石が発熱する。
特許文献１では、多相短絡時の渦電流よる永久磁石の昇温を抑制することについては、何ら意図されていないため、多相短絡時に永久磁石が昇温してしまうという課題があった。
この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、多相短絡時の永久磁石の昇温を抑制することが可能な車両用回転電機を得ることを目的とする。
この発明は、直流電力と交流電力とを交換する車両用回転電機であって、外周に複数の爪状磁極片が設けられた回転子鉄心と、前記回転子鉄心に巻装された回転子巻線とを備えた回転子と、前記回転子鉄心の外周に対向して配置され、内周に複数のスロットが形成された固定子鉄心と、前記スロットに挿入されて前記固定子鉄心に巻装された固定子巻線とを備えた固定子と、前記回転子鉄心の隣接する前記爪状磁極片の間に配設されて、前記隣接する前記爪状磁極片の間の漏洩磁束を低減する向きに着磁された永久磁石と、前記回転子鉄心の両側に設けられ、前記回転子巻線と前記永久磁石とを冷却する２つの冷却ファンと、正極側アームのスイッチング素子と負極側アームのスイッチング素子とから構成され、入出力端子から入力される電力の直流と交流とを変換する電力変換部と、前記正極側アームのスイッチング素子及び前記負極側アームのスイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御装置と、前記車両用回転電機の回転速度を検出する回転速度検出部とを備え、前記固定子巻線は、多相結線された２つの巻線を前記固定子鉄心にそれぞれ独立して巻装して形成した、第１多相巻線と第２多相巻線とを含み、前記制御装置は、前記入出力端子の電圧値が、予め設定された閾値電圧以上か否かを検出する異常電圧検出部と、前記異常電圧検出部が前記入出力端子の電圧値が前記閾値電圧以上であることを検出したときに、前記第１多相巻線および前記第２多相巻線の前記負極側アームのスイッチング素子を導通させることで、前記第１多相巻線の多相短絡および前記第２多相巻線の多相短絡を行う、負極側アーム短絡部とを備え、前記制御装置は、前記異常電圧検出部が前記入出力端子の電圧値が前記閾値電圧以上であることを検出した場合に、前記回転速度検出部で検出された前記回転速度が予め設定された閾値より大きいときは、前記負極側アーム短絡部により、前記第１多相巻線の多相短絡と前記第２多相巻線の多相短絡とを同時に行い、前記回転速度検出部で検出された前記回転速度が予め設定された閾値以下のときは、前記負極側アーム短絡部により、前記第１多相巻線の多相短絡を行った後に、前記第２多相巻線の多相短絡を行う、車両用回転電機である。
この発明の車両用回転電機によれば、前記異常電圧検出部が前記入出力端子の電圧値が前記閾値以上であることを検出した場合に、前記回転速度検出部で検出された前記回転速度が予め設定された閾値より大きいときは、前記負極側アーム短絡部により、前記第１多相巻線の多相短絡と前記第２多相巻線の多相短絡とを同時に行い、前記回転速度検出部で検出された前記回転速度が予め設定された閾値以下のときは、前記負極側アーム短絡部により、前記第１多相巻線の多相短絡を行った後に、前記第２多相巻線の多相短絡を行うようにしたので、高回転速度域および低回転速度域の両方において、多相短絡時の永久磁石の昇温を抑制することができる。
この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機の構成を示した縦断面図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機に設けられた回転子鉄心の構成を示した斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機に設けられた電力変換装置の構成を示した回路図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機に設けられた制御装置の構成を示したブロック図である。 車両用回転電機における回転速度と永久磁石の温度変化との関係をグラフで示した説明図である。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る車両用回転電機（以下、回転電機１００と呼ぶ。）の構成を示す縦断面図である。図１に示すように、実施の形態１に係る回転電機は、制御装置一体型回転電機である。また、図２は、この発明の実施の形態１に係る回転電機１００の回転子鉄心４の構成を示す斜視図である。
図１において、回転電機１００は、固定子鉄心３と回転子鉄心４とを備えている。固定子鉄心３は、フロントブラケット１とリヤブラケット２とにより支持されている。回転子鉄心４は、固定子鉄心３の内側空間内に挿入されている。
回転子鉄心４は、複数の磁極片（図２の４ａ，４ｂ参照）を有している。これらの磁極片は、固定子鉄心３の内周面に対して、空隙を介して、対向している。回転子鉄心４には、界磁巻線としての回転子巻線７が巻装されている。
また、固定子鉄心３には、電機子巻線としての固定子巻線３０１，３０２が巻装されている。固定子巻線３０１，３０２のコイル片は、固定子鉄心３のスロット内に挿入されている。固定子巻線３０１，３０２は、それぞれ、三相巻線から構成されている。固定子巻線３０１，３０２は、並列結線されている。
固定子鉄心３と固定子巻線３０１，３０２とは、回転電機１００の固定子５を構成している。また、回転子鉄心４と回転子巻線７とは、回転電機１００の回転子１３を構成している。
また、フロントブラケット１とリヤブラケット２とは、複数のボルト１０１により、互いに接近する方向に締め付けられ、固定子鉄心３を強固に挟持している。
回転子軸６は、回転子鉄心４の中心部を貫通している。回転子軸６は、フロントブラケット１に支持されたフロント側軸受６１と、リヤブラケット２に支持されたリヤ側軸受６２とにより、回動自在に支持されている。
回転子鉄心４のフロント側端面には、フロント側冷却ファン５１が固定されている。また、回転子鉄心４のリヤ側端面には、リヤ側冷却ファン５２が固定されている。フロント側冷却ファン５１及びリヤ側冷却ファン５２は、回転子鉄心４と共に回転して、フロントブラケット１及びリヤブラケット２の外部から内部に空気を流入させ、回転電機本体１０２の内部を冷却する。フロント側冷却ファン５１及びリヤ側冷却ファン５２は、共に、遠心ファンから構成されている。なお、以下では、フロント側冷却ファン５１及びリヤ側冷却ファン５２をまとめて呼ぶ場合には、冷却ファン５１，５２と呼ぶこととする。
回転子鉄心４は、永久磁石４１を備えている。永久磁石４１は、軸方向で、フロント側冷却ファン５１とリヤ側冷却ファン５２との間に配置されている。
図２に示すように、固定子鉄心４には、周方向に、爪部４ａと爪部４ｂとが交互に設けられている。爪部４ａ及び爪部４ｂは、爪状の磁極片から構成されている。爪部４ａ及び爪部４ｂの外側の表面の形状は、図２に示されるように、台形になっている。爪部４ａの周方向の幅は、リヤ側が最も広く、フロント側に向かって徐々に狭くなっている。また、爪部４ａの径方向の厚みは、リヤ側が最も厚く、フロント側に向かって徐々に薄くなっている。爪部４ａは、固定子鉄心４との間に、空間４ｃを備えている。空間４ｃは、軸方向に延びた貫通穴である。一方、爪部４ｂの周方向の幅は、リヤ側が最も狭く、フロント側に向かって徐々に広くなっている。また、爪部４ｂの径方向の厚みは、リヤ側が最も薄く、フロント側に向かって徐々に厚くなっている。爪部４ｂは、固定子鉄心４との間に、空間４ｄを備えている。空間４ｄは、軸方向に延びた貫通穴である。また、隣接する爪部４ａと爪部４ｂとの間には、永久磁石４１が設けられている。永久磁石４１は、隣接する爪部４ａと爪部４ｂとの間の漏洩磁束を低減する向きに着磁されている。
図１に示すフロント側冷却ファン５１により生成された風は、回転子鉄心４の爪部４ｂの空間４ｄを通過し、永久磁石４１を冷却する。また同様に、リヤ側冷却ファン５２により生成された風は、回転子鉄心４の爪部４ａの空間である４ｃを通過し、永久磁石４１を冷却する。
図１に示すように、回転子軸６のフロント側端部には、プーリ１２が固定されている。プーリ１２には、車両のエンジン（図示せず）の回転軸と連動する伝達ベルト（図示せず）が巻き掛けられている。一方、回転子軸６のリヤ側端部の周面には、一対のスリップリング８が固定されている。一対のスリップリング８は、一対のブラシ９と摺動接触している。一対のブラシ９は、ブラシホルダー９０に支持されている。
磁極位置検出センサー１０が、回転子軸６のリヤ側端部とリヤブラケット２との間に配置されている。磁極位置検出センサー１０は、シンクロレゾルバから構成されている。磁極位置検出センサー１０は、回転子軸６のリヤ側端部に固定されたセンサー回転子１１１と、センサー回転子１１１に対向してリヤブラケット２に固定されたセンサー固定子１１２と、センサー固定子１１２に固定されたセンサー巻線１１３とを備えている。磁極位置検出センサー１０は、回転子軸６の回転を検出することで、回転電機１００の回転速度を検出している。
制御回路基板４０は、樹脂製の基板収納ケース７１内に収納されている。制御回路基板４０上には、制御装置３０を構成する制御回路が形成されている。制御回路は、後述する電力変換部２１のスイッチング動作を制御する。基板収納ケース７１は、ヒートシンク２３の外側面部に固定されている。基板収納ケース７１は、制御回路基板４０を収納している。
電力変換装置２０は、リヤブラケット２の外部に固定されている。電力変換装置２０は、ターミナル２２ａと電力変換部２１とから構成されている。電力変換装置２０は、固定子巻線３０１，３０２とバッテリ（図示せず）との間の電力変換を行なう。電力変換装置２０は、６個の電力変換部２１を有し、６相インバータ若しくは６相コンバータとして動作する。
図３は、この発明の実施の形態１に係る回転電機１００に設けられた電力変換装置２０の回路構成を示した回路図である。図３に示すように、実施の形態１では、車両用電力変換器としての６個の電力変換部２１が設けられている。
各電力変換部２１において、２個の半導体スイッチング素子２２３，２２４，２２５，２２６が直列接続されている。具体的には、半導体スイッチング素子２２３ａ，２２３ｂ，２２３ｃには、それぞれ、半導体スイッチング素子２２４ａ，２２４ｂ，２２４ｃが直列接続されている。さらに、半導体スイッチング素子２２５ａ，２２５ｂ，２２５ｃには、それぞれ、半導体スイッチング素子２２６ａ，２２６ｂ，２２６ｃが直列接続されている。各半導体スイッチング素子２２３，２２４，２２５，２２６には、それぞれ、１つのダイオードが逆並列接続されている。各電力変換部２１において、これらの２個の半導体スイッチング素子と２個のダイオードとが、樹脂に封入されて、１個のパッケージとして、パワーモジュールを構成している。
各電力変換部２１において、上側に設けられた１つの半導体スイッチング素子２２３，２２５と、当該半導体スイッチング素子に逆並列されたダイオードとが、６相ブリッジ回路のうちの１相分の正極側アームを構成している。
各電力変換部２１において、下側に設けられた１つの半導体スイッチング素子２２４，２２６と、当該半導体スイッチング素子に逆並列されたダイオードとが、６相ブリッジ回路のうちの１相分の負極側アームを構成している。
各電力変換部２１の直列接続された２個の半導体スイッチング素子の直列接続点が、６相（Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙ、Ｚ）の固定子巻線のうちの１相の固定子巻線３０１，３０２のそれぞれに接続される。
具体的には、半導体スイッチング素子２２３ａ，２２４ａの直列接続点が、固定子巻線３０１のＵ相に接続されている。半導体スイッチング素子２２３ｂ，２２４ｂの直列接続点が、固定子巻線３０１のＶ相に接続されている。半導体スイッチング素子２２３ｃ，２２４ｃの直列接続点が、固定子巻線３０１のＷ相に接続されている。
同様に、半導体スイッチング素子２２５ａ，２２６ａの直列接続点が、固定子巻線３０２のＺ相に接続されている。半導体スイッチング素子２２５ｂ，２２６ｂの直列接続点が、固定子巻線３０２のＹ相に接続されている。半導体スイッチング素子２２５ｃ，２２６ｃの直列接続点が、固定子巻線３０２のＸ相に接続されている。
上述のように構成された６個の電力変換部２１は、それぞれ、バッテリ（図示なし）からのプラス電源入力のＢターミナル２４に接続されるターミナル２２ａに接続される。
電力変換装置２０は制御装置３０に接続され、モータジェネレータ部とターミナル２２ａとから構成されている。制御装置３０は、電力変換部２１の半導体スイッチング素子のオン・オフ制御を行う。回転電機本体１０２は、Ｕ、Ｖ、Ｗ相端子を有する第一の固定子巻線３０１と、Ｘ、Ｙ、Ｚ相端子を有する第二の固定子巻線３０２と、回転子巻線７とから、構成されている。
モータジェネレータ部は、図３の一点鎖線で囲まれた部分から構成されている。すなわち、モータジェネレータ部は、図３に示すように、界磁スイッチング素子２２と、フリーホイールダイオード２２２と、第一の三相上アームスイッチング素子２２３ａ〜２２３ｃと、第一の三相下アームスイッチング素子２２４ａ〜２２４ｃと、第二の三相上アームスイッチング素子２２５ａ〜２２５ｃと、第二の三相下アームスイッチング素子２２６ａ〜２２７ｃとから構成されている。界磁スイッチング素子２２は、界磁回路を構成しており、回転子巻線７に流れる界磁電流の通電制御をＰＷＭ制御により行う。フリーホイールダイオード２２２は、界磁スイッチング素子２２に直列接続されている。
第一の三相上アームスイッチング素子２２３ａ〜２２３ｃおよび第一の三相下アームスイッチング素子２２４ａ〜２２４ｃは、寄生ダイオードを内蔵しており、電機子巻線の通電制御を行うためのブリッジ整流回路を構成している。また、第一の三相上アームスイッチング素子２２３ａ〜２２３ｃには、バッテリからのプラス電源入力のＢ端子２４が接続されている。第一の三相下アームスイッチング素子２２４ａ〜２２４ｃには、バッテリからのアース入力であるＧＮＤ端子が接続されている。
同様に、第二の三相上アームスイッチング素子２２５ａ〜２２５ｃおよび第二の三相下アームスイッチング素子２２６ａ〜２２６ｃは、寄生ダイオードを内蔵しており、電機子巻線の通電制御を行うためのブリッジ整流回路を構成している。また、第二の三相上アームスイッチング素子２２５ａ〜２２５ｃには、バッテリからのプラス電源入力のＢ端子２４が接続されている。第二の三相下アームスイッチング素子２２６ａ〜２２６ｃには、バッテリからのアース入力であるＧＮＤ端子が接続されている。
なお、図３においては、回転電機本体１０２が、固定子巻線３０１，３０２と回転子巻線７とを備えた三相界磁巻線方式発電電動機として記載されているが、本発明は、三相に限定されないため、相数は、三相以外でもよい。さらに、実施の形態１では、回転電機１００において、電力変換装置２０と回転電機本体１０２とが一体となっていると説明したが、電力変換装置２０と回転電機本体１０２とは物理的に分割されていても構わない。
次に、制御装置３０の内部構成について説明する。図４は、制御装置３０の内部構成を示したブロック図である。図４に示すように、制御装置３０は、Ｂ端子電圧検出部４０１と、界磁電流検出部４０２と、マイコン４０３と、ゲートドライバ４０４とから構成されている。マイコン４０３は、異常電圧検出部４０５と、負極側アーム短絡部４０６と、界磁電流制御部４０７とから構成されている。
なお、制御装置３０は、図４に記載した以外にも、車両用電力変換器のさまざまな機能を有するが、ここでは本発明に関係する部分のみ図４に記載している。
同様に、マイコン４０３は、図４に記載した以外にも、車両用電力変換器のさまざまな機能を有するが、ここでは本発明に関係する部分のみ図４に記載している。
マイコン４０３には、通常時に、ＰＷＭ制御により、第一の三相上アームスイッチング素子２２３ａ〜２２３ｃおよび第一の三相下アームスイッチング素子２２４ａ〜２２４ｃ、および、第二の三相上アームスイッチング素子２２５ａ〜２２５ｃおよび第二の三相下アームスイッチング素子２２６ａ〜２２６ｃを、オン・オフ操作するためのゲート信号を出力するＰＷＭ制御部が設けられているが、図４では、ＰＷＭ制御部についても、図示を省略している。電力変換装置２０は、各スイッチング素子２２３，２２４，２２５，２２６をＯＮ、ＯＦＦすることで、バッテリから得られる直流電力を交流電力に変換し、また、回転電機本体１０２から得られる交流電力を直流電力に変換する。
Ｂ端子電圧検出部４０１は、電力変換装置２０の負極側端子ＧＮＤの電位を基準とし、回転電機１００のＢ端子２４の電圧ＶＢ（Ｂ端子電圧）を検出し、検出した電圧ＶＢをマイコン４０３のＡＤ入力範囲内に変換して、信号Ｖｂｓｉｇとして、マイコン４０３に入力する。
界磁電流検出部４０２は、回転子巻線７に流れる電流を電流センサにて検出し、検出した電流値をマイコン４０３のＡＤ入力範囲内に変換して、信号Ｉｆｓｉｇとして、マイコン４０３に入力する。
マイコン４０３の異常電圧検出部４０５には、Ｂ端子電圧検出部４０１からの信号Ｖｂｓｉｇが入力される。異常電圧検出部４０５は、信号Ｖｂｓｉｎｇに基づいて、Ｂ端子電圧が過電圧か否かを検出する。
マイコン４０３の負極側アーム短絡部４０６は、異常電圧検出部４０５によってＢ端子電圧の過電圧が検出された場合に、負極側アームのスイッチング素子２２４ａ〜２２４ｃおよび２２６ａ〜２２６ｃを導通させるためのゲート信号を、ゲートドライバ４０４に出力する。
マイコン４０３の界磁電流制御部４０７には、異常電圧検出部４０５の検出結果と、界磁電流検出部４０２から出力される信号Ｉｆｓｉｇとが入力される。界磁電流制御部４０７は、それらの信号に基づいて、電力変換装置２０の界磁スイッチング素子２２のオン・オフ制御を行うための信号ＩｆＨ＊をゲートドライバ４０４に出力することで、回転子巻線７に流れる電流を制御する。
ゲートドライバ４０４では、マイコン４０３の負極側アーム短絡部４０６から出力されるゲート信号ＵＬ＊，ＶＬ＊，ＷＬ＊，ＸＬ＊，ＹＬ＊，ＺＬ＊に基づき、電力変換装置２０のスイッチング素子２２４ａ〜２２４ｃおよび２２６ａ〜２２６ｃのゲート操作を行うための信号ＵＬＧ，ＶＬＧ，ＷＬＧ，ＸＬＧ，ＹＬＧ，ＺＬＧを出力して、スイッチング素子２２４ａ〜２２４ｃおよび２２６ａ〜２２６ｃを導通させる。また、ゲートドライバ４０４は、マイコン４０３の界磁電流制御部４０７から出力される信号ＩｆＨ＊に基づき、電力変換装置２０の界磁スイッチング素子２２のオン・オフ操作を行うための信号ＩｆＧを出力して、界磁スイッチング素子２２のスイッチングを行う。
ここで、負極側アームの短絡動作について説明する。マイコン４０３の異常電圧検出部４０５は、Ｂ端子電圧検出部４０１から出力された信号Ｖｂｓｉｇに基づき、Ｂ端子電圧の過電圧を検出する。Ｂ端子電圧の過電圧の検出方法は、以下のように行う。例えば、１４［Ｖ］システムであれば、１８［Ｖ］程度を異常電圧検出しきい値とし、２８［Ｖ］システムであれば、３４［Ｖ］程度を異常電圧検出しきい値とする。そうして、Ｂ端子電圧検出部４０１で検出された電圧値が、異常電圧検出しきい値を超えた場合に、異常電圧検出部４０５は、Ｂ端子電圧が過電圧であると検出する。
負極側アーム短絡部４０６は、異常電圧検出部４０５がＢ端子電圧が過電圧であることを検出した場合に、負極側アームのスイッチング素子２２４ａ〜２２４ｃおよび２２６ａ〜２２６ｃを導通させることで、第１固定子巻線３０１と第２固定子巻線３０２の三相短絡を行う。
一方、異常電圧検出部４０５がＢ端子電圧が過電圧であることを検出しない場合には、負極側アーム短絡部４０６は、第１固定子巻線３０１と第２固定子巻線３０２の三相短絡を行なわない。
実施の形態１では、このように、過電圧を検出した場合に、第１固定子巻線３０１と第２固定子巻線３０２の三相短絡を行うことで、永久磁石４１の昇圧を抑制し、減磁を防止している。
しかしながら、第１固定子巻線３０１の三相短絡と第２固定子巻線３０２の三相短絡とを同時に行うと、永久磁石４１に渦電流が発生し、永久磁石４１が発熱してしまう。そのため、実施の形態１においては、以下のように、回転電機１００の回転速度に応じて、三相短絡を行うタイミングを切り替える。
実施の形態１では、永久磁石４１及び回転子巻線７のフロント側とリヤ側に、冷却ファン５１，５２が設けられている。冷却ファン５１，５２のそれぞれの風量は、回転電機１００の回転速度に比例して、増減する。回転子１３部分の通風量は、冷却ファン５１の風量と冷却ファン５２の風量との差で示され、冷却ファン５１の風量と冷却ファン５２の風量が異なるように設定されている。ゆえに回転子１３に通風される風量は、回転電機１００の回転速度に比例して、増減する。そのため、回転速度が高回転速度域においては、冷却ファン５１，５２により、永久磁石４１と回転子巻線７とが効率よく冷却される。
そのため、高回転速度域では、負極側アーム短絡部４０６が、第一の三相巻線３０１の三相短絡と第二の三相巻線３０２の三相短絡とを同時に行うことで、相短絡制御の渦電流により永久磁石４１が発熱しても、風量が著しく大きくなるため、減磁開始温度には至らず、減磁を防止することができる。また、第一の三相巻線３０１の三相短絡と第二の三相巻線３０２の三相短絡とを同時に行うので、過電圧の減衰時間が速く、他の電子機器に影響を与えることを防ぐことができる。
一方、低回転速度域では、永久磁石４１と回転子巻線７との両側の冷却ファンの風量が小さくなる。風量が小さいと、回転子巻線７が発熱し、永久磁石４１に熱伝導され、永久磁石４１の温度が上昇する。そのため、実施の形態１では、低回転速度域においては、渦電流の発生を抑えるために、第一の三相巻線の三相短絡を行った後に、第二の三相巻線の三相短絡を順に行う。このように、低回転速度域では、第一の三相巻線３０１の三相短絡と第二の三相巻線３０２の三相短絡とを同時に行わないようにしたので、渦電流の発生を抑えることができる。その結果、渦電流による永久磁石４１の昇温を抑えることができるので、減磁を防止できる。
図５は、回転電機１００の回転速度に対する永久磁石４１の温度上昇の相関を示したグラフである。
図５において、横軸は回転速度、縦軸は永久磁石４１の表面温度及び回転子１３部分に通風される風量である。
実線５０１は、第一の三相巻線３０１の三相短絡と第二の三相巻線３０２の三相短絡とを同時に行った場合の永久磁石４１の表面温度の変化を示す。
破線５０２は、この発明の実施の形態１による、三相短絡制御を行った場合の永久磁石４１の表面温度の変化を示す。破線５０２で示されるように、実施の形態１の三相短絡制御によれば、永久磁石４１が不可逆減磁開始温度を超えることはない。
二点鎖線５０３は、通常時の永久磁石４１の表面温度の変化を示す。
一点鎖線５０４は、冷却ファン５１，５２の風量の変化を示す。図５から分かるように、冷却ファン５１，５２の風量は、回転速度に比例する。
点線５０５は、永久磁石４１の不可逆減磁開始温度を示す。図５の例においては、不可逆減磁開始温度を２００℃に設定している。
回転子鉄心４の両側に、回転子巻線７と永久磁石４１とを冷却するための冷却ファン５１，５２を設けることで、通常発電時の永久磁石４１の温度は、不可逆減磁開始温度以下に設計される。図５の例においては、二点鎖線５０３で示されるように、通常発電時の永久磁石４１の最大温度は、不可逆減磁開始温度より低い１６０℃程度となっている。
また、一点鎖線５０４で示されるように、冷却ファン５１，５２による回転子１３部分の通風量は、回転速度に比例する関係にある。実施の形態１では、線５０１〜５０３で示されるように、回転速度が２０００〜５０００ｒ／ｍｉｎの低回転速度域のときに、永久磁石４１が最大温度を示している。この発電状態を維持されている状態から、突然、入出力端子が断線した場合、過電圧を保護するように、三相短絡を開始する。
二組の固定子巻線３０１，３０２の三相を同時に短絡させた場合、短絡時の逆起電力により、回転電機１００のコイルに電流が流れ、固定子５の磁極が磁化する。この磁化した磁極の近傍を回転電機１００の永久磁石４１が通過する際、永久磁石４１を貫く磁界が増減し、永久磁石４１内に渦電流が生じる。この渦電流による永久磁石４１の発熱が加算され、図５の実線５０１で示されるように、不可逆減磁開始温度２００℃を超え、減磁することになる。
従って、実施の形態１では、２０００ｒ／ｍｉｎ以上、５０００ｒ／ｍｉｎ以下の低回転速度域においては、入出力端子電圧が過電圧になった場合に、第一の固定子巻線３０１の三相短絡を行った後に、第二の固定子巻線３０２の三相短絡を順に行う。これにより、渦電流の発生を防止して、永久磁石４１の昇温を抑制し、減磁を防止できる。
一方、５０００ｒ／ｍｉｎを超えた高回転速度域では、第一の固定子巻線３０１の三相短絡と、第二の固定子巻線３０２の三相短絡とを、同時に行う。高回転速度域では、冷却ファン５１，５２の風量が著しく大きくなるため、相短絡制御の渦電流により永久磁石４１が発熱しても、冷却ファン５１，５２の冷却風により永久磁石４１が冷却されるので、永久磁石４１が不可逆減磁開始温度２００℃に至ることはない。これにより、減磁を防止できる。また、三相短絡を同時に行うので、過電圧の減衰時間が速く、他の電子機器に影響を与えることを防ぐことができる。
このように、実施の形態１においては、異常電圧検出部４０５がＢ端子電圧の過電圧を検出した場合に、回転電機１００の回転速度が２０００〜５０００ｒ／ｍｉｎの低回転速度域においては、第一の固定子巻線３０１の三相短絡を行った後に、第二の固定子巻線３０２の三相短絡を順に行い、一方、５０００ｒ／ｍｉｎを超えた高回転速度域では、第一の固定子巻線３０１の三相短絡と、第二の固定子巻線３０２の三相短絡とを、同時に行う。これにより、図５の破線５０２で示されるように、実施の形態１の三相短絡制御によれば、永久磁石４１が不可逆減磁開始温度を超えることはない。
なお、回転速度が２０００ｒ／ｍｉｎ未満の場合には、第一の固定子巻線３０１の三相短絡と、第二の固定子巻線３０２の三相短絡とを同時に行っても、順に行っても、どちらでもよい。回転速度が非常に小さい場合には、三相短絡を同時に行っても、渦電流が発生しないので、永久磁石４１の温度が、不可逆減磁開始温度２００℃に至ることはない。
このように、実施の形態１においては、低回転速度域を定義する回転速度の閾値を予め設定しておき、回転速度が当該閾値より大きい高回転速度域では、二組の固定子巻線の三相短絡を同時に行い、回転速度が当該閾値以下の低回転速度域では、一方の固定子巻線の三相短絡を行った後に、他方の固定子巻線の三相短絡を行う。実施の形態１では、閾値を、５０００ｒ／ｍｉｎに設定している。この閾値は、設計データまたは実験等により、予め、適宜、設定する。また、低回転速度域を定義する閾値として、低回転速度域を定義するための上限値（５０００ｒ／ｍｉｎ）のみを設定してもよく、あるいは、低回転速度域を定義するための上限値（５０００ｒ／ｍｉｎ）と下限値（２０００ｒ／ｍｉｎ）の両方を設定してもよい。こうすることで、低回転速度域および高回転速度域の両方において、永久磁石４１の昇温を抑制し、減磁を防止することができる。
以上のように、実施の形態１においては、回転電機１００が、外周に複数の爪状磁極片から構成された爪部４ａ，４ｂが設けられた回転子鉄心４と、回転子鉄心４に巻装された回転子巻線７とを備えた回転子１３と、回転子鉄心４の外周に対向して配置され、内周に複数のスロットが形成された固定子鉄心３と、スロットに挿入されて固定子鉄心３に巻装された固定子巻線３０１，３０２とを備えた固定子５と、回転子鉄心４の隣接する爪部４ａ，４ｂの間に配設されて、当該隣接する爪部４ａ，４ｂの間の漏洩磁束を低減する向きに着磁された永久磁石４１と、回転子鉄心４の両側に設けられ、回転子巻線７と永久磁石４１とを冷却する２つの冷却ファン５１，５２と、正極側アームのスイッチング素子２２３，２２５と負極側アームのスイッチング素子２２４，２２６とから構成され、入出力端子から入力される電力の直流と交流とを変換する電力変換部２１と、正極側アームのスイッチング素子２２３，２２５及び負極側アームのスイッチング素子２２４，２２６のオン・オフ制御を行う制御装置３０と、回転電機１００の回転速度を検出する回転速度検出部１０とを備えている。
また、固定子巻線は、多相結線された２つの固定子巻線３０１，３０２を固定子鉄心３にそれぞれ独立して巻装して形成した、第１多相巻線３０１と第２多相巻線３０２とを含んでいる。制御装置３０は、入出力端子の電圧値が、予め設定された閾値電圧以上か否かを検出する異常電圧検出部４０５と、異常電圧検出部４０５が入出力端子の電圧値が閾値電圧以上であることを検出したときに、第１多相巻線３０１および第２多相巻線３０２の負極側アームのスイッチング素子２２４，２２６を導通させることで、第１多相巻線３０１の多相短絡および第２多相巻線３０２の多相短絡を行う、負極側アーム短絡部４０６とを備えている。
制御装置３０は、異常電圧検出部４０５が入出力端子の電圧値が閾値以上であることを検出した場合に、回転速度検出部１０で検出された回転速度が予め設定された閾値より大きいときは、負極側アーム短絡部４０６により、第１多相巻線３０１の多相短絡と第２多相巻線３０２の多相短絡とを同時に行い、回転速度検出部１０で検出された回転速度が予め設定された閾値以下のときは、負極側アーム短絡部４０６により、第１多相巻線３０１の多相短絡を行った後に、第２多相巻線３０２の多相短絡を行う。
こうすることで、回転速度が予め設定された閾値以下の低回転速度域では、入出力端子電圧が過電圧になった場合に、第一の固定子巻線３０１の三相短絡を行った後に、第二の固定子巻線３０２の三相短絡を順に行うことで、渦電流の発生を防止して、永久磁石４１の昇温を抑制し、減磁を防止できる。
一方、回転速度が予め設定された閾値より大きい高回転速度域では、冷却ファン５１，５２の風量が著しく大きくなるため、相短絡制御の渦電流により永久磁石４１が発熱しても、冷却ファン５１，５２の冷却風により永久磁石４１が効率よく冷却されるので、永久磁石４１が不可逆減磁開始温度２００℃に至ることはない。これにより、減磁を防止できる。また、三相短絡を同時に行うので、過電圧の減衰時間が速く、他の電子機器に影響を与えることを防ぐことができる。
なお、上記の実施の形態では、第１及び第２固定子巻線３０１，３０２がそれぞれ三相巻線の場合を示しているが、その場合に限らず、例えば第１及び第２固定子巻線３０１，３０２がそれぞれ五相巻線、あるいは、それぞれ七相巻線であってもよく、それらの場合のいずれであっても同様な効果を奏する。
１ フロントブラケット、２ リヤブラケット、３ 固定子鉄心、４ 回転子鉄心、４ａ，４ｂ 爪部、５ 固定子、６ 回転子軸、７ 回転子巻線、８ スリップリング、９ ブラシ、１０ 磁極位置検出センサー、１２ プーリ、１３ 回転子、２０ 電力変換装置、２１ 電力変換部、２２ａ ターミナル、２２ 界磁スイッチング素子、２３ ヒートシンク、２４ Ｂターミナル、３０ 制御装置、４０ 制御回路基板、４１ 永久磁石、５１ フロント側冷却ファン、５２ リヤ側冷却ファン、６１ フロント側軸受、６２ リヤ側軸受、７１ 基板収納ケース、９０ ブラシホルダー、１００ 回転電機、１０１ ボルト、１０２ 回転電機本体、１１１ センサー回転子、１１２ センサー固定子、１１３ センサー巻線、２２１ 界磁スイッチング素子、２２２ フリーホイールダイオード、２２３ａ、２２３ｂ，２２３ｃ 三相上アームスイッチング素子、２２４ａ，２２４ｂ，２２４ｃ 三相下アームスイッチング素子、２２５ａ，２２５ｂ，２２５ｃ 三相上アームスイッチング素子、２２６ａ，２２６ｂ，２２６ｃ 三相下アームスイッチング素子、３０１，３０２ 固定子巻線、４０１ 端子電圧検出部、４０２ 界磁電流検出部、４０３ マイコン、４０４ ゲートドライバ、４０５ 異常電圧検出部、４０６ 負極側アーム短絡部、４０７ 界磁電流制御部。

Claims (3)

  1. 直流電力と交流電力とを交換する車両用回転電機であって、
    外周に複数の爪状磁極片が設けられた回転子鉄心と、前記回転子鉄心に巻装された回転子巻線とを備えた回転子と、
    前記回転子鉄心の外周に対向して配置され、内周に複数のスロットが形成された固定子鉄心と、前記スロットに挿入されて前記固定子鉄心に巻装された固定子巻線とを備えた固定子と、
    前記回転子鉄心の隣接する前記爪状磁極片の間に配設されて、前記隣接する前記爪状磁極片の間の漏洩磁束を低減する向きに着磁された永久磁石と、
    前記回転子鉄心の両側に設けられ、前記回転子巻線と前記永久磁石とを冷却する２つの冷却ファンと、
    正極側アームのスイッチング素子と負極側アームのスイッチング素子とから構成され、入出力端子から入力される電力の直流と交流とを変換する電力変換部と、
    前記正極側アームのスイッチング素子及び前記負極側アームのスイッチング素子のオン・オフ制御を行う制御装置と、
    前記車両用回転電機の回転速度を検出する回転速度検出部と
    を備え、
    前記固定子巻線は、多相結線された２つの巻線を前記固定子鉄心にそれぞれ独立して巻装して形成した、第１多相巻線と第２多相巻線とを含み、
    前記制御装置は、
    前記入出力端子の電圧値が、予め設定された閾値電圧以上か否かを検出する異常電圧検出部と、
    前記異常電圧検出部が前記入出力端子の電圧値が前記閾値電圧以上であることを検出したときに、前記第１多相巻線および前記第２多相巻線の前記負極側アームのスイッチング素子を導通させることで、前記第１多相巻線の多相短絡および前記第２多相巻線の多相短絡を行う、負極側アーム短絡部と
    を備え、
    前記制御装置が、
    前記異常電圧検出部が前記入出力端子の電圧値が前記閾値電圧以上であることを検出した場合に、
    前記回転速度検出部で検出された前記回転速度が予め設定された閾値より大きいときは、前記負極側アーム短絡部により、前記第１多相巻線の多相短絡と前記第２多相巻線の多相短絡とを同時に行い、
    前記回転速度検出部で検出された前記回転速度が予め設定された閾値以下のときは、前記負極側アーム短絡部により、前記第１多相巻線の多相短絡を行った後に、前記第２多相巻線の多相短絡を行う、
    車両用回転電機。
  2. 前記冷却ファンが発生させる前記回転子部分の通風量は、前記車両用回転電機の前記回転速度に比例して増減する、請求項１に記載の車両用回転電機。
  3. 前記固定子鉄心を支持するフロントブラケット及びリヤブラケットをさらに備え、
    前記回転速度検出部は、前記回転子の回転子軸のリヤ側端部に固定されたセンサー回転子と、前記センサー回転子に対向して前記リヤブラケットに固定されたセンサー固定子と、前記センサー固定子に固定されたセンサー巻線とを備える、
    請求項１または２に記載の車両用回転電機。
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