JP3381411B2

JP3381411B2 - 車両用電動発電装置

Info

Publication number: JP3381411B2
Application number: JP24902394A
Authority: JP
Inventors: 裕章梶浦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1994-10-14
Filing date: 1994-10-14
Publication date: 2003-02-24
Anticipated expiration: 2018-02-24
Also published as: JPH08116699A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、車両に搭載される電動
機と発電機とを一体化した車両用電動発電装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、始動電動機と充電発電機とを
一体化した電動発電装置が提案されている（特開平２−
２６４１５３号公報参照）。この電動発電装置は、始動
電動機と充電発電機との双方が、エンジンのクランク軸
に１つの動力伝達系で双方向の動力伝達可能に連結され
るとともに、その動力伝達系に始動電動機への通電時と
充電発電機による充電時とで変速比が変化する変速機構
が介設されている。これにより、始動電動機として機能
する場合には、変速機構により始動電動機の出力が減速
してクランク軸に伝達され、充電発電機として機能する
場合には、クランク軸の出力が変速されることなく充電
発電機に伝達される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の電動
発電装置は、電動機能と発電機能の相反する性能（例え
ば、電動機として機能する回転数域では発電機として機
能しない）を１つの回転機で実現させるために、電動作
用と発電作用とを同時に行なわせることが無いにも係わ
らず、電動用の電機子巻線と発電用の電機子巻線とをそ
れぞれ備えている。このため、電動発電装置の単位重
量当りの出力が低くなるとともに、コストも高くなると
いう課題を有している。

【０００４】

【発明の目的】本発明は、上記事情に基づいて成された
もので、その目的は、１つの電機子巻線により電動機能
と発電機能とを両立させて、車両用電動発電装置の小型
軽量化、低コスト化、および制御性の向上を図ることを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、請求項１では、界磁巻線を有し、この界
磁巻線が励磁されて磁束を発生する回転子と、電機子巻
線を有し、前記回転子との相対回転に伴って前記電機子
巻線に誘起電圧が発生する固定子と、前記界磁巻線を励
磁する励磁回路と、前記電機子巻線に結線された複数の
スイッチング素子を備え、これらのスイッチング素子に
よって前記電機子巻線に発生する誘起電圧を全波整流し
て負荷に供給する全波整流回路を形成するとともに、そ
の全波整流回路の出力電圧の一部を前記電機子巻線に交
流電圧として印加する電圧印加回路を形成するスイッチ
ング手段と、電動機としての始動時には電気角で略１２
０°期間通電する１２０°通電方式で前記スイッチング
素子を駆動し、前記始動時以外の電動時および発電時に
は電気角で略１８０°期間通電する１８０°通電方式で
前記スイッチング素子を駆動する位相制御回路とを備え
た技術的手段を採用する。

【０００６】請求項２では、界磁巻線を有し、この界磁
巻線が励磁されて磁束を発生する回転子と、電機子巻線
を有し、前記回転子との相対回転に伴って前記電機子巻
線に誘起電圧が発生する固定子と、前記界磁巻線を正負
両方向に励磁可能に設けられて、電動時と発電時とで前
記界磁巻線への励磁方向を切り換える励磁回路と、前記
電機子巻線に結線された複数のスイッチング素子を備
え、これらのスイッチング素子によって前記電機子巻線
に発生する誘起電圧を全波整流して負荷に供給する全波
整流回路を形成するとともに、その全波整流回路の出力
電圧の一部を前記電機子巻線に交流電圧として印加する
電圧印加回路を形成するスイッチング手段と、前記回転
子に生じる磁束方向と前記電機子巻線との相対的な回転
位置を検出する位置検出手段と、電動機として始動後、
前記回転子の回転数が所定回転数以上の時は、前記電圧
印加回路により前記電機子巻線に印加される交流電圧の
位相が前記電機子巻線に発生する誘起電圧の位相に対し
て電気角で９０°進むように、前記位置検出手段の検出
値に基づいて前記スイッチング素子を駆動する位相制御
回路とを備えた技術的手段を採用する。

【０００７】請求項３では、界磁巻線を有し、この界磁
巻線が励磁されて磁束を発生する回転子と、電機子巻線
を有し、前記回転子との相対回転に伴って前記電機子巻
線に誘起電圧が発生する固定子と、前記界磁巻線を正負
両方向に励磁可能に設けられて、電動時と発電時とで前
記界磁巻線への励磁方向を切り換える励磁回路と、前記
電機子巻線に結線された複数のスイッチング素子を備
え、これらのスイッチング素子によって前記電機子巻線
に発生する誘起電圧を全波整流して負荷に供給する全波
整流回路を形成するとともに、その全波整流回路の出力
電圧の一部を前記電機子巻線に交流電圧として印加する
電圧印加回路を形成するスイッチング手段と、前記回転
子に生じる磁束方向と前記電機子巻線との相対的な回転
位置を検出する位置検出手段と、発電機として駆動する
場合は、前記電圧印加回路により前記電機子巻線に印加
される交流電圧の位相が前記電機子巻線に発生する誘起
電圧の位相に対して電気角で９０°遅れるように、前記
位置検出手段の検出値に基づいて前記スイッチング素子
を駆動する位相制御回路とを備えた技術的手段を採用す
る。

【０００８】請求項４では、請求項１〜３に記載された
何れかの車両用電動発電装置において、前記電圧印加回
路により印加される交流電圧は、ステップ状に変化する
擬似的正弦波から成ることを特徴とする。請求項５で
は、請求項１〜３に記載された何れかの車両用電動発電
装置において、前記スイッチング素子は、前記電圧印加
回路を構成するスイッチング素子部分と前記全波整流回
路を構成するスイッチング素子部分とから成ることを特
徴とする。

【０００９】請求項６では、請求項５に記載された車両
用電動発電装置において、前記電圧印加回路を構成する
前記スイッチング素子部分はトランジスタであり、前記
全波整流回路を構成する前記スイッチング素子部分はダ
イオードであることを特徴とする。請求項７では、請求
項５または６に記載された車両用電動発電装置におい
て、前記電圧印加回路を構成する前記スイッチング素子
部分と前記全波整流回路を構成するスイッチング素子部
分とは一体の素子から成ることを特徴とする。

【００１０】請求項８では、請求項７に記載された車両
用電動発電装置において、前記一体の素子は、ＩＧＢＴ
であることを特徴とする。請求項９では、請求項７に記
載された車両用電動発電装置において、前記一体の素子
は、ＭＯＳ−ＦＥＴであることを特徴とする。

【００１１】

【作用および発明の効果】請求項１に記載した本発明の
車両用電動発電装置は、電動機としての始動時に１２０
°通電方式でスイッチング素子を駆動し、始動時以外の
電動時および発電時に１８０°通電方式でスイッチング
素子を駆動する。電動機の始動時、即ち低回転時は、各
スイッチング素子の許容電流により最大電流が制限され
る。そこで、同一電流において１８０°通電方式と１２
０°通電方式とで各スイッチング素子を駆動し、電動始
動時の出力トルクを比較すると、下述のように１２０°
通電方式の方が出力トルクが大きくなる。

【００１２】例えば、３相電機子巻線の場合で説明する
と、１８０°通電方式（即ちスイッチング素子のオン時
間が電気角で１８０°）の場合は、ある１つの電機子巻
線につながったスイッチング素子の１つがオンされてい
る場合、他の２つの電機子巻線につながったスイッチン
グ素子も必ずオンされている（図２１（ｂ）参照）。こ
の時、３相電機子巻線には、図２１（ａ）に示すよう
に、電機子巻線ｕには電流Ｉ_DCが流れ、他の電機子巻線
ｖ、ｗには、それぞれ電流１／２Ｉ_DCが流れる。

【００１３】この結果、各電機子巻線ｕ、ｖ、ｗのター
ン数をｎとすれば、合成起磁力Ｆは、図２２に示すよう
に、各電機子巻線ｕ、ｖ、ｗの起磁力Ｆ_U、Ｆ_V、Ｆ_W
のベクトル合計となり、

【数１】Ｆ＝１．５ｎＩ_DC となる。

【００１４】これに対して、１２０°通電方式の場合
は、ある１つの電機子巻線につながったスイッチング素
子の１つがオンされている場合、他の何方か１つの電機
子巻線につながったスイッチング素子がオンされている
（図２３（ｂ）参照）。この時、３相電機子巻線には、
図２３（ａ）に示すように、電機子巻線ｕと電機子巻線
ｖ（または電機子巻線ｗ）とにそれぞれ電流Ｉ_DCが流れ
る。この結果、合成起磁力Ｆは、図２４に示すよう
に、電機子巻線Ｕの起磁力Ｆ_Uと電機子巻線Ｗの起磁力
Ｆ_Wとのベクトル合計となり、

【数２】Ｆ＝√３ｎＩ_DC となる。

【００１５】従って、１８０°通電方式の場合と１２０
°通電方式の場合との合成起磁力比を算出すると、

【数３】Ｆ１２０°／Ｆ１８０°＝√３ｎＩ_DC／１．５
ｎＩ_DC≒１．１５となり、同一電流では、１２０°通電方式の方が１８０
°通電方式より１５％程度電動出力が向上する（図１９
参照）。

【００１６】また、始動時以外の電動時および発電時、
即ち高回転時は、電動出力が電機子巻線に印加される実
効電圧に比例する。従って、始動時以外の電動時および
発電時には、１２０°通電方式より実効電圧が大きくな
る１８０°通電方式で各スイッチング素子を駆動する。
以上のように、電動機の始動時と始動時以外の電動時お
よび発電時とで１２０°通電方式と１８０°通電方式と
を切り換えて各スイッチング素子を駆動することによ
り、始動時（低回転時）および高回転時ともに高い電動
出力が可能となる。

【００１７】請求項２に記載した本発明の車両用電動発
電装置は、励磁回路により電動時と発電時とで界磁巻線
への励磁方向を切り換えることができる。一般に、電動
機では、電機子巻線への印加電圧を誘起電圧に対して９
０°進めた場合に最も出力が大きくなることが知られて
いる。また、本願発明者は、発電時において、電機子巻
線に発生する誘起電圧に対して９０°遅れた交流電圧を
電機子巻線に印加して、誘起電圧に対して遅れた位相の
合成電圧を作ることにより、低回転時の発電出力が向上
することを見出した（図２０参照）。

【００１８】これにより、電動時（始動時以外）に電機
子巻線に印加される交流電圧の位相が電機子巻線に発生
する誘起電圧の位相に対して電気角で９０°進むように
各スイッチング素子を駆動することにより、発電時に
は、励磁回路により界磁巻線への励磁方向を切り換える
ことで、電機子巻線に印加される交流電圧の位相が電機
子巻線に発生する誘起電圧の位相に対して電気角で９０
°遅れるように各スイッチング素子を駆動することがで
きる。

【００１９】この結果、電動機としての電動出力および
発電機としての低回転時の発電出力を向上することがで
きるため、ある任意回転数の電動機能および発電機能を
両立させることが可能となり、車両用電動発電装置の小
型軽量化および低コスト化を図ることができる。また、
励磁回路により界磁巻線への励磁方向を切り換えること
によって電動と発電の切り換えを連続的に行なうことが
できることから、制御性の向上を図ることができる。

【００２０】また、請求項３に記載した本発明の車両用
電動発電装置は、発電機として駆動する場合に、電機子
巻線に印加される交流電圧の位相が電機子巻線に発生す
る誘起電圧の位相に対して電気角で９０°遅れるよう
に、スイッチング素子を駆動し、励磁回路によって電動
時と発電時とで界磁巻線への励磁方向を切り換えること
により、請求項２と同様の効果を得ることができる。

【００２１】

【実施例】次に、本発明の一実施例を図に基づいて説明
する。図１は車両用電動発電装置の全体構成図である。
本実施例の車両用電動発電装置１は、界磁巻線２ａを有
する回転子２、電機子巻線４ａ、４ｂ、４ｃを有する固
定子（図示しない）、界磁巻線２ａを励磁する励磁回路
（下述する）、電機子巻線４ａ〜４ｃに誘起された交流
電圧を全波整流する６個のダイオード５ａ〜５ｆ、この
整流後の出力電圧の一部を電機子巻線４ａ〜４ｃに印加
する６個のトランジスタ６ａ〜６ｆ、界磁巻線２ａの磁
束方向と電機子巻線４ａ〜４ｃとの相対的な回転位置を
検出する位置検出手段（下述する）、この位置検出手段
の出力を増幅する増幅回路７、回転子２の回転速度を検
出するための速度検出巻線８、増幅回路７の出力および
速度検出巻線８に生じる誘起電圧に基づいてトランジス
タ６ａ〜６ｆを駆動する位相制御回路９、および励磁回
路を制御する制御回路１０より構成されている。

【００２２】回転子２は、界磁巻線２ａが励磁回路６よ
り励磁されることで界磁として働き、エンジン（図示し
ない）の回転動力を受けて回転駆動（図１の反時計方
向）される。電機子巻線４ａ、４ｂ、４ｃは、図１に示
すようにＹ結線されて、回転子２の回転に伴って電機子
巻線４ａ、４ｂ、４ｃの順に電気角で１２０°の位相差
を持った誘起相電圧が発生する。励磁回路は、励磁電流
の断続を行なう４個のトランジスタ１１ａ〜１１ｄと、
各トランジスタ１１ａ〜１１ｄとそれぞれ並列に接続さ
れた４個のダイオード１２ａ〜１２ｄとから成り、電動
時と発電時とで界磁巻線２ａへの励磁方向を正負両方向
に切り換える。

【００２３】６個のダイオード５ａ〜５ｆ（本発明のス
イッチング素子）は、ブリッジ形に接続されて本発明の
全波整流回路を構成し、整流後の出力電圧がバッテリ１
３および電気負荷１４に供給される。各トランジスタ６
ａ〜６ｆ（本発明のスイッチング素子）は、各ダイオー
ド５ａ〜５ｆとそれぞれ並列に、且つ各ダイオード５ａ
〜５ｆに対してそれぞれ導通方向が逆方向となるように
接続されて、本発明の電圧印加回路を構成する。

【００２４】位置検出手段は、回転子２と同一極数（本
実施例では２極）に設けられて、回転子２と一体に回転
するセンサ磁極１５と、３個の磁気センサ１６ａ〜１６
ｃとから成る。センサ磁極１５は、励磁回路のトランジ
スタ１１ａ、１１ｄがオンした時に、回転子２磁極に発
生する磁界の方向（正方向）とセンサ磁極１５に発生す
る磁界の方向とが一致するように設置されている。

【００２５】磁気センサ１６ａ〜１６ｃは、例えば、図
２に示すように、ホール素子１６を用いたもので、その
ホール素子１６に駆動電流を流して、ホール素子１６の
受感面に加わる磁束の直交成分に応じた電圧を発生する
ものである。各磁気センサ１６ａ〜１６ｃは、各電機子
巻線４ａ〜４ｃに対してそれぞれ同位相の位置、即ち電
機子巻線４ａに対して磁気センサ１６ａを、電機子巻線
４ｂに対して磁気センサ１６ｂを、電機子巻線４ｃに対
して磁気センサ１６ｃを、それぞれ電気角で同位相に配
置している。

【００２６】増幅回路７は、図３に示すように、３つの
作動増幅回路７ａ〜７ｃより構成されて、各作動増幅回
路７ａ〜７ｃにより各磁気センサ１６ａ〜１６ｃの出力
ｕ、ｖ、ｗをそれぞれ増幅して信号ｕ′、ｖ′、ｗ′と
する。

【００２７】位相制御回路９は、図４に示すように、ヒ
ステリシスバッファ回路９ａ、論理積回路９ｂ、信号切
換回路９ｃ、切換信号発生回路９ｄ、および出力回路９
ｅより構成される。ヒステリシスバッファ回路９ａは、
作動増幅回路７ａ〜７ｃからの信号ｕ′、ｖ′、ｗ′を
２組のデジタル信号ｕ₀、ｖ₀、ｗ₀およびｕ₁、
ｖ₁、ｗ₁（但し、信号ｕ₁、ｖ₁、ｗ₁は、信号
ｕ₀、ｖ₀、ｗ₀の反転信号である）に変換する。

【００２８】論理積回路９ｂは、ヒステリシスバッファ
回路９ａで変換された２組のデジタル信号ｕ₀、ｖ₀、
ｗ₀およびｕ₁、ｖ₁、ｗ₁の論理積（ｖ₀＊ｗ₁＝Ｕ
₀、ｗ₀＊ｕ₁＝Ｖ₀、ｕ₀＊ｖ₁＝Ｗ₀、ｖ₁＊ｗ₀
＝Ｕ₁、ｗ₁＊ｕ₀＝Ｖ₁、ｕ₁＊ｖ₀＝Ｗ₁）を演算
する。切換信号発生回路９ｄは、速度検出巻線８に発生
する誘起電圧を整流し、その整流電圧に基づいて信号切
換回路９ｃの切換信号を作り出す。

【００２９】信号切換回路９ｃは、切換信号発生回路９
ｄより出力される切換信号に基づいて、ヒステリシスバ
ッファ回路９ａで変換された信号（ｕ₀、ｖ₀、ｗ₀お
よびｕ₁、ｖ₁、ｗ₁）と、論理積回路で演算された信
号（Ｕ₀、Ｖ₀、Ｗ₀およびＵ₁、Ｖ₁、Ｗ₁）を選択
する。具体的には、切換信号発生回路９ｄの出力電圧が
０の場合（即ち速度検出巻線８に誘起電圧が発生してい
ない場合）は、論理積回路９ｂで演算された信号が選択
され、切換信号発生回路９ｄより一定レベルの電圧が出
力された場合は、ヒステリシスバッファ回路９ａで変換
された信号が選択される。

【００３０】出力回路９ｅは、制御回路１０より駆動信
号を受けて、信号切換回路９ｃで選択された信号を各ト
ランジスタ６ａ〜６ｆへの駆動信号Ｕ、Ｖ、Ｗおよび
Ｕ′、Ｖ′、Ｗ′として出力する。

【００３１】制御回路１０は、バッテリ１３の電圧を検
出するＳ端子、イグニッションスイッチ１７を介してバ
ッテリ１３に接続されるＩＧ端子、およびＥＣＵ１８
（マイクロコンピュータを内蔵するエンジン制御ユニッ
ト）から電動モードと発電モードとの選択を受けるＦＣ
端子等が設けられている。

【００３２】次に、本実施例の作動を説明する。イグニ
ッションスイッチ１７のＯＮによって制御回路１０のＩ
Ｇ端子とバッテリ１３とが接続されると、制御回路１０
は、励磁回路のトランジスタ１１ａ、１１ｄをフルオン
して界磁巻線２ａを正方向（センサ磁極１５と同方向）
に励磁する。この時、ＥＣＵ１８からは、電動モードを
指令する電動モード信号が制御回路１０のＦＣ端子に入
力されて、制御回路１０から位相制御回路９のＫ端子に
駆動信号が入力されている。

【００３３】増幅回路７は、回転子２の位置を示す磁気
センサ１６ａ〜１６ｃの信号ｕ、ｖ、ｗを増幅して
ｕ′、ｖ′、ｗ′とする。位相制御回路９では、切換信
号発生回路９ｄで速度検出巻線８の発生起電圧（誘起電
圧）が０であることを検出して切換信号とする。信号切
換回路では、切換信号発生回路９ｄの切換信号により、
論理積回路９ｂで演算された信号Ｕ₀、Ｖ₀、Ｗ₀およ
びＵ₁、Ｖ₁、Ｗ₁を選択する。出力回路９ｅでは、信
号切換回路９ｃで選択された信号Ｕ₀、Ｖ₀、Ｗ₀およ
びＵ₁、Ｖ₁、Ｗ₁を各トランジスタ６ａ〜６ｆへの駆
動信号Ｕ、Ｖ、ＷおよびＵ′、Ｖ′、Ｗ′として出力す
る。

【００３４】これにより、各トランジスタ６ａ〜６ｆが
駆動信号Ｕ、Ｖ、ＷおよびＵ′、Ｖ′、Ｗ′により１２
０°通電方式で駆動されて、電動発電装置１が電動機と
して駆動されることにより、電動発電装置１に接続され
たエンジンを始動する。なお、１２０°通電方式とは、
電気角で略１２０°期間各トランジスタ６ａ〜６ｆをオ
ンするもので、厳密に１２０°でなくても良い。

【００３５】この時のタイミングチャートを図５〜図７
に示す。回転子２の磁極位置に対してセンサ磁極１５と
磁気センサ１６ａ〜１６ｃとが図５に示す位置関係にあ
る場合、回転子２の回転に伴って各磁気センサ１６ａ〜
１６ｃより図６（ａ）に示すセンサ出力ｕ、ｖ、ｗが得
られる。このセンサ出力ｕ、ｖ、ｗ（増幅信号ｕ′、
ｖ′、ｗ′）をデジタル化したデンジタル信号（図６
（ｂ）参照）を位相制御回路９内で演算処理することに
より、図６（ｃ）に示す各トランジスタ６ａ〜６ｆへの
駆動信号Ｕ、Ｖ、ＷおよびＵ′、Ｖ′、Ｗ′が得られ
る。

【００３６】この駆動信号Ｕ、Ｖ、ＷおよびＵ′、
Ｖ′、Ｗ′で各トランジスタ６ａ〜６ｆを１２０°通電
した場合、電機子巻線４ａ〜４ｃに印加される印加相電
圧（図６（ｅ）参照）および印加線間電圧（図６（ｄ）
参照）は、回転子２の回転によって固定子に誘起される
誘起相電圧（図７（ｂ）参照）および誘起線間電圧（図
７（ａ）参照）に対してそれぞれ同位相となり、最大始
動トルクが得られる状態となっている。ここで、１２０
°通電方式で駆動するのは、電動機の始動トルクが各ト
ランジスタ６ａ〜６ｆの許容電流により制限されるのを
考慮して、限られた電流で大トルクを発生させるためで
ある（図２１〜２４参照）。

【００３７】その後、エンジンが設定回転数（例えばア
イドル回転数）になった時、速度検出巻線８の誘起電圧
が上昇し、切換信号発生回路９ｄからは一定のレベルの
信号が出力される。これにより、信号切換回路９ｃで
は、ヒステリシスバッファ回路９ａで変換された信号ｕ
₀、ｖ₀、ｗ₀およびｕ₁、ｖ₁、ｗ₁が選択されて、
出力回路９ｅより１８０°通電方式の駆動信号Ｕ、Ｖ、
ＷおよびＵ′、Ｖ′、Ｗ′が出力される。

【００３８】これにより、車両加速時においては、位相
制御回路９による１８０°通電方式により電圧印加回路
の各トランジスタ６ａ〜６ｆを駆動して、電動発電装置
１を電動機として駆動することにより、エンジンをアシ
ストする。なお、１８０°通電方式とは、電気角で略１
８０°期間各トランジスタ６ａ〜６ｆをオンするもの
で、厳密に１８０°でなくても良い。

【００３９】この時のタイミングチャートを図８〜図１
０に示す。上記のエンジン始動時と同様に、回転子２の
磁極位置に対してセンサ磁極１５と磁気センサ１６ａ〜
１６ｃとが図８に示す位置関係（図５に示す位置関係と
同じ）にある。

【００４０】この状態で、センサ出力のデジタル信号
（ヒステリシスバッファ回路９ａで変換された信号
ｕ₀、ｖ₀、ｗ₀およびｕ₁、ｖ₁、ｗ₁）を各トラン
ジスタ６ａ〜６ｆへの駆動信号Ｕ、Ｖ、ＷおよびＵ′、
Ｖ′、Ｗ′とすることから、電機子巻線４ａ〜４ｃに印
加される印加相電圧（図９（ｄ）参照）および印加線間
電圧（図９（ｃ）参照）は、回転子２の回転によって電
機子巻線４ａ〜４ｃに誘起される誘起相電圧（図１０
（ｂ）参照）および誘起線間電圧（図１０（ａ）参照）
に対してそれぞれ９０°進み、高回転時に最大電動トル
クが得られる状態となっている。ここで、１８０°通電
方式で駆動するのは、高回転時の電動出力が電機子巻線
４ａ〜４ｃに印加される実効電圧に比例するのを考慮し
て、実効電圧の高い通電方式で駆動するためである。

【００４１】続いて、車両減速時および定常走行時に
は、ＥＣＵ１８から発電モードを指令する発電モード信
号が制御回路１０のＦＣ端子に入力される。これによ
り、制御回路１０は、バッテリ１３の電圧を検出して、
その電圧に見合った発電出力となるように励磁回路のト
ランジスタ１１ｂ、１１ｃをデューティ制御し、界磁巻
線２ａを適当な電流で逆方向（センサ磁極１５と逆方
向）に励磁する。

【００４２】位相制御回路９では、上記の電動モード時
（エンジン回転数が設定回転数以上）と同様に、ヒステ
リシスバッファ回路９ａで変換された信号ｕ₀、ｖ₀、
ｗ₀およびｕ₁、ｖ₁、ｗ₁が選択されて、出力回路９
ｅより１８０°通電方式の駆動信号Ｕ、Ｖ、Ｗおよび
Ｕ′、Ｖ′、Ｗ′が出力される。これにより、車両用減
速時および定常走行時においては、位相制御回路９によ
る１８０°通電方式により電圧印加回路の各トランジス
タ６ａ〜６ｆが駆動されて、電動発電装置１を発電機と
して駆動することにより、バッテリ１３および負荷１４
に電力を供給する。

【００４３】この時のタイミングチャートを図１１〜図
１３に示す。界磁巻線２ａの励磁電流が逆方向となるこ
とから、回転子２の磁極位置に対するセンサ磁極１５と
磁気センサ１６ａ〜１６ｃとが図１１に示す位置関係と
なる。このため、各トランジスタ６ａ〜６ｆを介して電
機子巻線４ａ〜４ｃに印加される印加相電圧（図１２
（ｄ）参照）および印加線間電圧（図１２（ｃ）参照）
は、回転子２の回転によって電機子巻線４ａ〜４ｃに誘
起され誘起相電圧（図１３（ｂ）参照）および誘起線間
電圧（図１３（ａ）参照）に対してそれぞれ９０°遅
れ、最大発電出力が得られる状態となっている。

【００４４】ここで、本実施例の発電方式による効果を
従来の発電方式との比較に基づいて説明する。従来の発
電方式では、図１４に示すように、電機子抵抗ｒ、電機
子インダクタンスＬ、および負荷抵抗Ｒが直列に接続さ
れて、これに交流電圧源（誘起相電圧Ｅ0 ）が加えられ
ており、負荷抵抗Ｒの両端に加わる電圧Ｖは、誘起相電
圧Ｅ0に対して位相差δだけ遅れることになる。

【００４５】そして、この位相差δは、下記の式に示さ
れるように、ＲおよびｒとωＬとの関係により受動的に
決定される。

【数４】δ＝ｔａｎ^-1｛ωＬ／（Ｒ＋ｒ）｝ ω：電気角速度〔ω＝（ｐ／２）×（ｎ／６０）×２
π〕ｐ：磁極数ｎ：回転数（ｒｐｍ）

【００４６】このため、回転数ｎが低い時（ωが小さ
く、このωを無視できる時）は、δ＝０°と見做すと、
相電流Ｉは下記の式で求められる。ただし、ｋ、ｋ’は
比例定数である。

【数５】Ｉ＝（Ｅ0 −Ｖ）／Ｚｓ＝（Ｅ0 −Ｖ）／ｒ＝（ｋω−Ｖ）／ｒ

【００４７】また、回転数ｎが高い時（ωが大であり、
このωに比し抵抗ｒが無視できる時）は、δ＝９０°と
見做すと、相電流Ｉは下記の式で求められる。

【数６】Ｉ＝Ｅ0 ／Ｚｓ＝Ｅ0 ／ωＬ＝ｋ’／Ｌこの結果、従来の発電方式では、回転数に対して、図１
６の破線グラフで示す出力電流が得られる。

【００４８】一方、本実施例の発電方式（１相モデルの
回路図を図１５に示す）では、電圧印加回路を構成する
各トランジスタ６ａ〜６ｆの駆動タイミングにより位相
差δを９０°に設定することができる。そこで、例え
ば、図１７および図１８に示すようにδ＝９０°とすれ
ば、回転数ｎが低い時（ω＝小）、相電流Ｉは以下の式
で求められる。

【数７】Ｉ＝Ｅ0 ／Ｚｓ＝Ｅ0 ／ｒ＝ｋω／ｒ

【００４９】また、回転数ｎが高い時（ω＝大）、相電
流Ｉは以下の式で求められる。

【数８】Ｉ＝Ｅ0 ／Ｚｓ＝Ｅ0 ／ωＬ＝ｋ’／Ｌこの結果、本実施例の発電方式では、回転数
に対して、図１６の実線グラフで示す出力電流が得ら
れ、従来の発電方式と比べて低回転数域での出力が向上
することになる。

【００５０】以上のように、本実施例では、電動機とし
ての始動時は１２０°通電方式で各トランジスタ６ａ〜
６ｆを駆動し、電動機として始動時以外および発電時は
１８０°通電方式で各トランジスタ６ａ〜６ｆを駆動す
ることにより、始動時および高速回転時ともに高い電動
トルクを得ることができる（図１９参照）。また、各ト
ランジスタ６ａ〜６ｆを前記タイミングでスイッチング
しながら駆動することにより、発電時においては、電機
子巻線４ａ〜４ｃに発生する誘起電圧に対して９０°遅
れた位相の交流電圧を印加することができることによ
り、低回転時の発電出力の大幅ＵＰが可能となる（図２
０参照）。

【００５１】また、本実施例では、電動と発電との切り
換えをＥＣＵ１８からのモード信号に基づいて界磁巻線
２への界磁電流により連続的に行なうことができるた
め、制御性が良いと言える。以上のように、電動出力の
向上（特に始動時）、および低回転時の発電出力の向上
により、ある任意回転数の電動機能および発電機能を両
立させることが可能となり、その結果、電動発電装置１
の小型軽量化、低コスト化、および制御性の向上を図る
ことができる。

【００５２】〔変形例〕本実施例では、電動時におい
て、電機子巻線４ａ〜４ｃへの印加電圧が誘起電圧に対
して電気角で９０°進むように各トランジスタ６ａ〜６
ｆを駆動し、発電時には、励磁回路により界磁巻線２ａ
への励磁方向を切り換えて、電機子巻線４ａ〜４ｃへの
印加電圧が誘起電圧に対して電気角で９０°遅れるよう
に各トランジスタ６ａ〜６ｆを駆動する方法を採用した
が、その逆でも良い。つまり、発電時に電機子巻線４ａ
〜４ｃへの印加電圧が誘起電圧に対して電気角で９０°
遅れるように各トランジスタ６ａ〜６ｆを駆動し、電動
時には、励磁回路により界磁巻線２ａへの励磁方向を切
り換えて、電機子巻線４ａ〜４ｃへの印加電圧が誘起電
圧に対して電気角で９０°進むように各トランジスタ６
ａ〜６ｆを駆動する方法を採用しても良い。

【００５３】本実施例では、電圧印加回路を構成するス
イッチング素子としてトランジスタ６ａ〜６ｆを使用し
たが、サイリスタを使用することもできる。また、全波
整流回路を構成するダイオード５ａ〜５ｆと電圧印加回
路を構成するトランジスタ６ａ〜６ｆとを１つの素子で
一体的に構成するＩＧＢＴあるいはＭＯＳ−ＦＥＴとす
ることも可能である。

【００５４】本実施例では、３個の電機子巻線４ａ〜４
ｃをＹ結線としたが、相数および結線を限定するもので
はない。位置検出手段としてホール素子１６を用いた磁
気センサ１６ａ〜１６ｃを使用したが、フォトセンサを
用いても良い。あるいはエンコーダ、レゾルバ等の回転
センサを設置しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】車両用交流電動発電装置の全体構成図である。

【図２】磁気センサの模式図である。

【図３】増幅回路の構成を示す回路図である。

【図４】位相制御回路の構成を示す回路図である。

【図５】電動始動時における回転子の磁極位置に対する
センサ磁極と磁気センサとの位置関係を示す図である。

【図６】電動始動時のタイミングチャートである。

【図７】電動始動時のタイミングチャートである。

【図８】電動時における回転子の磁極位置に対するセン
サ磁極と磁気センサとの位置関係を示す図である。

【図９】電動時のタイミングチャートである。

【図１０】電動時のタイミングチャートである。

【図１１】発電時における回転子の磁極位置に対するセ
ンサ磁極と磁気センサとの位置関係を示す図である。

【図１２】発電時のタイミングチャートである。

【図１３】発電時のタイミングチャートである。

【図１４】従来の発電原理を示す１相モデルの回路図で
ある。

【図１５】本実施例の発電原理を示す１相モデルの回路
図である。

【図１６】本実施例の電動発電装置と従来電動発電装置
とを比較するグラフである。

【図１７】本実施例の発電方式を説明するベクトル図で
ある。

【図１８】本実施例の電圧電流波形図である。

【図１９】本実施例の発電方式と従来の発電方式とで発
電電流を比較したグラフである。

【図２０】本実施例の通電方式による電動トルクの変動
を示すグラフである。

【図２１】１８０°通電方式の説明図である。

【図２２】１８０°通電方式により生じる起磁力のベク
トル図である。

【図２３】１２０°通電方式の説明図である。

【図２４】１２０°通電方式により生じる起磁力のベク
トル図である。

【符号の説明】

１車両用電動発電装置２回転子２ａ界磁巻線４ａ〜４ａ電機子巻線５ａ〜５ｆダイオード（スイッチング素子／全波整流
回路）６ａ〜６ｆトランジスタ（スイッチング素子／電圧印
加回路）９位相制御回路１１ａ〜１１ｄトランジスタ（励磁回路）１２ａ〜１２ｄダイオード（励磁回路）１５センサ磁極（位置検出手段）１６ａ〜１６ｃ磁気センサ（位置検出手段）

フロントページの続き (56)参考文献特開平８−214470（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−277499（ＪＰ，Ａ) 特開平２−193599（ＪＰ，Ａ) 特開平５−344799（ＪＰ，Ａ) 特開平５−276686（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−26500（ＪＰ，Ａ) 特開平１−255494（ＪＰ，Ａ) 特開平６−62553（ＪＰ，Ａ) 特開平６−14600（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−62600（ＪＰ，Ｕ) 実開平１−150499（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02P 9/00 - 9/48 H02P 6/20 F02N 11/04,11/08 H02J 7/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ａ）界磁巻線を有し、この界磁巻線が励磁
されて磁束を発生する回転子と、ｂ）電機子巻線を有し、前記回転子との相対回転に伴っ
て前記電機子巻線に誘起電圧が発生する固定子と、ｃ）前記界磁巻線を励磁する励磁回路と、ｄ）前記電機子巻線に結線された複数のスイッチング素
子を備え、これらのスイッチング素子によって前記電機
子巻線に発生する誘起電圧を全波整流して負荷に供給す
る全波整流回路を形成するとともに、その全波整流回路
の出力電圧の一部を前記電機子巻線に交流電圧として印
加する電圧印加回路を形成するスイッチング手段と、ｅ）電動機としての始動時には電気角で略１２０°期間
通電する１２０°通電方式で前記スイッチング素子を駆
動し、前記始動時以外の電動時および発電時には電気角
で略１８０°期間通電する１８０°通電方式で前記スイ
ッチング素子を駆動する位相制御回路とを備えた車両用
電動発電装置。
【請求項２】ａ）界磁巻線を有し、この界磁巻線が励磁
されて磁束を発生する回転子と、ｂ）電機子巻線を有し、前記回転子との相対回転に伴っ
て前記電機子巻線に誘起電圧が発生する固定子と、ｃ）前記界磁巻線を正負両方向に励磁可能に設けられ
て、電動時と発電時とで前記界磁巻線への励磁方向を切
り換える励磁回路と、ｄ）前記電機子巻線に結線された複数のスイッチング素
子を備え、これらのスイッチング素子によって前記電機
子巻線に発生する誘起電圧を全波整流して負荷に供給す
る全波整流回路を形成するとともに、その全波整流回路
の出力電圧の一部を前記電機子巻線に交流電圧として印
加する電圧印加回路を形成するスイッチング手段と、ｅ）前記回転子に生じる磁束方向と前記電機子巻線との
相対的な回転位置を検出する位置検出手段と、ｆ）電動機として始動後、前記回転子の回転数が所定回
転数以上の時は、前記電圧印加回路により前記電機子巻
線に印加される交流電圧の位相が前記電機子巻線に発生
する誘起電圧の位相に対して電気角で９０°進むよう
に、前記位置検出手段の検出値に基づいて前記スイッチ
ング素子を駆動する位相制御回路とを備えた車両用電動
発電装置。
【請求項３】ａ）界磁巻線を有し、この界磁巻線が励磁
されて磁束を発生する回転子と、ｂ）電機子巻線を有し、前記回転子との相対回転に伴っ
て前記電機子巻線に誘起電圧が発生する固定子と、ｃ）前記界磁巻線を正負両方向に励磁可能に設けられ
て、電動時と発電時とで前記界磁巻線への励磁方向を切
り換える励磁回路と、ｄ）前記電機子巻線に結線された複数のスイッチング素
子を備え、これらのスイッチング素子によって前記電機
子巻線に発生する誘起電圧を全波整流して負荷に供給す
る全波整流回路を形成するとともに、その全波整流回路
の出力電圧の一部を前記電機子巻線に交流電圧として印
加する電圧印加回路を形成するスイッチング手段と、ｅ）前記回転子に生じる磁束方向と前記電機子巻線との
相対的な回転位置を検出する位置検出手段と、ｆ）発電機として駆動する場合は、前記電圧印加回路に
より前記電機子巻線に印加される交流電圧の位相が前記
電機子巻線に発生する誘起電圧の位相に対して電気角で
９０°遅れるように、前記位置検出手段の検出値に基づ
いて前記スイッチング素子を駆動する位相制御回路とを
備えた車両用電動発電装置。
【請求項４】前記電圧印加回路により印加される交流電
圧は、ステップ状に変化する擬似的正弦波から成ること
を特徴とする請求項１〜３に記載された何れかの車両用
電動発電装置。
【請求項５】前記スイッチング素子は、前記電圧印加回
路を構成するスイッチング素子部分と前記全波整流回路
を構成するスイッチング素子部分とから成ることを特徴
とする請求項１〜３に記載された何れかの車両用電動発
電装置。
【請求項６】前記電圧印加回路を構成する前記スイッチ
ング素子部分はトランジスタであり、前記全波整流回路
を構成する前記スイッチング素子部分はダイオードであ
ることを特徴とする請求項５に記載された車両用電動発
電装置。
【請求項７】前記電圧印加回路を構成する前記スイッチ
ング素子部分と前記全波整流回路を構成するスイッチン
グ素子部分とは一体の素子から成ることを特徴とする請
求項５または６に記載された車両用電動発電装置。
【請求項８】前記一体の素子は、ＩＧＢＴであることを
特徴とする請求項７に記載された車両用電動発電装置。
【請求項９】前記一体の素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴである
ことを特徴とする請求項７に記載された車両用電動発電
装置。