JP3930246B2 - ブラシレス多相交流電機およびその通電制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスの多相交流電機およびその通電制御装置に係り、特に、進角通電に適したブラシレス多相交流電機およびその通電制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、内燃機関用のスタータモータとジェネレータとは個別に装備されていたが、それぞれの機能を一体化させたスタータ兼ジェネレータ装置が、例えば特開平10−148142号公報に開示されている。
【0003】
一方、内燃機関用のスタータモータとして、ステータの外周を円筒状のロータが回転する外転型の永久磁石式回転電動機が知られている。また、このような永久磁石式回転電機において、ロータおよびステータ間での磁束分布の歪みを緩和させてトルク振動の発生を防止するために、隣接する永久磁石の間に補極部を形成した永久磁石式回転電機が、例えば特開平8−275476号公報に開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
補極部を備えた従来の永久磁石式回転電機では、補極部が永久磁石の一部としても機能することから、当該回転電機への通電タイミングは、前記補極部の回転方向に関する幅に相当する角度だけ進角させることが望ましい。
【0005】
ここで、上記した従来技術では、標準通電タイミング(0°進角)を磁極センサの検知信号の変化として検知し、当該標準通電タイミングに基づいて進角位置を演算により求めていたため、特にロータ回転数が不安定となる低回転域では、進角位置を正確に検知することができなかった。
【0006】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、各相に供給する相電流を所望の角度だけ正確に進角できるようにしたブラシレス多相交流電機およびその通電制御装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
【0008】
(1)ロータの回転位置を検知する磁極センサを備え、各相へ供給される相電流が、前記磁極センサの検知信号に基づいて所定量だけ進角されるブラシレス多相交流電機において、前記磁極センサを、前記進角通電される相電流の通電タイミングが当該磁極センサにより検知される磁界の変化タイミングと一致するように配置したことを特徴とする。
【0009】
(2) ブラシレス多相交流電機の各磁極センサの検知信号に基づいてロータの1回転を複数のステージに分割し、各相電流をステージ単位で制御するブラシレス多相交流電機の通電制御装置において、各相へ供給する相電流の位相を1ステージ相当角の半分の角度だけ進角させたことを特徴とする。
【0010】
上記した特徴(1) によれば、ロータの回転位置が進角通電の切り替えタイミングに達すると、これに応答して磁極センサの検知信号が変化するので、進角通電の切り替えタイミングを磁極センサの検知信号に基づいて正確に検知することができる。
【0011】
上記した特徴(2) によれば、ロータの正転時のみならず逆転時にも、回転位置が進角通電の切り替えタイミングに達すると、これに応答して磁極センサの検知信号が変位するので、進角通電の切り替えタイミングを正確に検知することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図1は、本発明の車両用発電制御装置を適用したスクータ型自動二輪車の全体側面図である。
【0013】
車体前部と車体後部とは低いフロア部4を介して連結されており、車体の骨格をなす車体フレームは、概ねダウンチューブ6とメインパイプ7とから構成される。燃料タンクおよび収納ボックス(共に図示せず)はメインパイプ7により支持され、その上方にシート8が配置されている。
【0014】
車体前部では、ステアリングヘッド5に軸支されて上方にハンドル11が設けられ、下方にフロントフォーク12が延び、その下端に前輪FWが軸支されている。ハンドル11の上部は計器板を兼ねたハンドルカバー13で覆われている。メインパイプ7の立ち上がり部下端にはブラケット15が突設され、このブラケット15には、スイングユニット2のハンガーブラケット18がリンク部材16を介して揺動自在に連結支持されている。
【0015】
スイングユニット2には、その前部に単気筒の2ストローク内燃機関Eが搭載されている。この内燃機関Eから後方にかけてベルト式無段変速機10が構成され、その後部に遠心クラッチを介して設けられた減速機構9に後輪RWが軸支されている。この減速機構9の上端とメインパイプ7の上部屈曲部との間にはリヤクッション3が介装されている。スイングユニット2の前部には内燃機関Eから延出した吸気管19に接続された気化器17および同気化器17に連結されるエアクリーナ14が配設されている。
【0016】
図2は、前記スイングユニット2をクランク軸201に沿って切断した断面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【0017】
スイングユニット2は、左右のクランクケース202L、202Rを合体して構成されるクランクケース202に覆われ、クランク軸201は、クランクケース202Rに固定された軸受け208、209により回転自在に支持されている。クランク軸201には、クランクピン213を介してコンロッド(図示せず)が連結されている。
【0018】
左クランクケース202Lは、ベルト式無段変速室ケースを兼ねており、左クランクケース202Lまで延びたクランク軸201にはベルト駆動プーリ210が回転可能に設けられている。ベルト駆動プーリ210は、固定側プーリ半体210Lと可動側プーリ半体210Rとからなり、固定側プーリ半体210Lはクランク軸201の左端部にボス211を介して固着され、その右側に可動側プーリ半体210Rがクランク軸201にスプライン嵌合され、固定側プーリ半体210Lに接近・離反することができる。両プーリ半体210L、210R間にはVベルト212が巻き掛けられている。
【0019】
可動側プーリ半体210Rの右側ではカムプレート215がクランク軸201に固着されており、その外周端に設けたスライドピース215aが、可動側プーリ半体210Rの外周端で軸方向に形成したカムプレート摺動ボス部210Raに摺動自在に係合している。可動側プーリ半体210Rのカムプレート215は、外周寄りがカムプレート215側に傾斜したテーパ面を有しており、該テーパ面と可動プーリ半体210Rとの間の空所にドライウェイトポール216が収容されている。
【0020】
クランク軸201の回転速度が増加すると、可動側プーリ半体210Rとカムプレート215との間にあって共に回転する前記ドライウェイトボール216が、遠心力により遠心方向に移動し、可動側プーリ半体210Rはドライウェイトボール216に押圧されて左方に移動して固定側プーリ半体210Lに接近する。その結果、両プーリ半体210L、210R間に挟まれたVベルト212は遠心方向に移動し、その巻き掛け径が大きくなる。
【0021】
車両の後部には前記ベルト駆動プーリ210に対応する被動プーリ(図示せず)が設けられ、Vベルト212はこの被動プーリに巻き掛けられている。このベルト伝達機構により、内燃機関Eの動力は自動調整されて遠心クラッチに伝えられ、前記減速機構9等を介して後輪RWを駆動する。
【0022】
右クランクケース202R内には、スタータモータとACジェネレータとを組み合わせたスタータ兼ジェネレータ1が配設されている。スタータ兼ジェネレータ1では、クランク軸201の先端テーパ部にアウターロータ60がネジ253により固定されている。前記アウターロータ60の内側に配設されるインナステータ50は、クランクケース202にボルト279により螺着されて支持される。なお、前記スタータ兼ジェネレータ1の構成については、後に図3ないし図7を参照して詳細に説明する。
【0023】
ファン280は、その中央円錐部280aの裾部分をボルト246によりアウターロータ60に固着されており、ファン280はラジエタ282を介してファンカバー281により覆われている。
【0024】
クランク軸201上には、前記スタータ兼ジェネレータ1と軸受け209との間にスプロケット231が固定されており、このスプロケット231にはクランク軸201からカムシャフト(図示せず)を駆動するためのチェーンが巻き掛けられている。なお、前記スプロケット231は、潤滑オイルを循環させるポンプに動力を伝達するためのギヤ232と一体的に形成されている。
【0025】
図3、4は、前記スタータ兼ジェネレータ1(永久磁石式回転電動機)の回転軸(クランク軸201)に垂直な面での一部破断平面図およびその側面断面図、図5、6は、ロータヨークの平面図およびその部分拡大図であり、いずれも前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【0026】
本実施形態のスタータ兼ジェネレータ1は、図3、4に示したように、ステータ50と、当該ステータ50の外周を回転するアウターロータ60とから構成され、前記アウターロータ60は、図4、5に示したように、リング状のケイ素鋼板(薄板)を略円筒状に積層して構成されたロータヨーク61と、図3、7に示したように、ロータヨーク61の円周方向に設けられた複数の開口部611内に交互に挿貫されたN極永久磁石62NおよびS極永久磁石62Sと、図3、4に示したように、前記ロータヨーク61を前記クランク軸201に連結するカップ状のロータケース63とによって構成されている。
【0027】
前記ロータケース63は、その円周端部に爪部63aを具備し、当該爪部63aを内側へ折り曲げることによって前記積層構造のロータヨーク61が軸方向に挟持され、かつ前記ロータヨーク61の開口部611内に挿貫された各永久磁石62(62N,62S)がロータヨーク61内の所定位置に保持される。
【0028】
前記ステータ50は、ケイ素鋼板(薄板)を積層して構成され、図3に示したように、ステータコア51およびステータ突極52を含む。各ステータ突極52にはステータ巻線53が単極集中方式で巻回され、ステータ50の主面は保護カバー71で覆われている。
【0029】
前記ロータヨーク61には、図5、6に示したように、前記永久磁石62が軸方向に挿入される開口部611が円周方向に30度間隔で12個形成されている。隣接する各開口部611の間は補極部613として機能する。
【0030】
前記各開口部611内には、図7に示したように、断面が略太鼓状の永久磁石62が挿入されている。ここで、本実施形態では前記開口部611の形状と永久磁石62の断面形状とが同一ではなく、前記開口部611に前記永久磁石62が挿入された状態では、各永久磁石62の円周方向に沿った両側部に第1空隙612が形成され、かつ各永久磁石62の両端部におけるステータ側には第2空隙614が形成される。
【0031】
次いで、前記ロータヨーク61に設けたスリット614およびロータヨーク61と永久磁石62との間に形成される空隙部612の作用について、図8、9を参照して説明する。
【0032】
図8は、当該スタータ兼ジェネレータ装置1をスタータモータとして機能させた際の磁束密度分布を示した図であり、図9は、当該装置1をジェネレータとして機能させた際の磁束密度分布を示した図である。
【0033】
前記スタータ兼ジェネレータ装置1をスタータモータとして機能させる際、前記制御ユニット40を介してバッテリ42から各ステータ巻線53へ励磁電流を供給すると、図8に示したように、N極に励磁されたステータ突極52Nから放射方向に発生した磁力線がS極永久磁石62Sのステータ側表面から裏面へ抜け、その多くはロータヨーク61のコア部615および補極部613を経由し、隣接するS極に励磁されたステータ突極52S、ステータコア51を経由して前記N極に励磁されたステータ突極52Nへ戻る。
【0034】
このとき、本実施形態では各永久磁石62の円周方向に沿った両側部に空隙612が形成され、各永久磁石62の側部から補極部613への漏れ磁束が減ぜられるので、磁力線の大部分は各永久磁石62からロータヨーク61のコア部615へ抜け、さらに前記補極部613を経由してステータ50側へ達する。この結果、アウターロータ60とステータ50との間のエアギャップを通過する磁束の垂直成分が増えるので、前記空隙612を設けない場合に比べて駆動トルクを増加させることが可能になる。
【0035】
さらに、本実施形態では永久磁石62の両端部におけるステータ側にも、円周方向の磁路を制限するためのスリット614が形成されているので、ロータヨーク61の内側を通過する漏れ磁束も減少する。
【0036】
すなわち、図10に図8の破線円内を拡大して示したように、スリット614の一方(614A)は、ロータヨーク61の補極部613を通過する磁束B1がロータヨーク61の内側円周部616へ導かれるのを妨げ、磁束B1の多くをステータ突極52Sへ効率良く導くように作用する。また、スリット614の他方(614B)は、永久磁石62Nからロータヨーク61の内側円周部616を通過する磁束B2が補極部613へ導かれるのを妨げ、磁束B2の多くをステータ突極52Sへ効率良く導くように作用する。この結果、アウターロータ60とステータ50との間のエアギャップを通過する磁束の垂直成分が更に増え、スタータモータとしての駆動トルクを更に増加させることが可能になる。
【0037】
一方、当該スタータ兼ジェネレータ装置1をジェネレータとして機能させる際は、図9に示したように、各永久磁石62から発生する磁束がステータ突極およびステータコアと共に閉磁路を形成するので、ロータの回転数に応じた発電電流をステータ巻線に発生させることができる。
【0038】
なお、本実施形態では後述するレギュレータ100によるレギュレート電圧を14.5Vに設定し、当該スタータ兼ジェネレータ装置1をジェネレータとして機能させた際の出力電圧が前記レギュレート電圧に達すると、相電流を短絡させるようにしている。これにより、各ステータ巻線53にショート電流が遅れ位相で流れ、ステータ50内を通過する磁力線が減少し、隣接する永久磁石62間を結ぶ漏れ磁束が増加するので、当該スタータ兼ジェネレータ装置1の被動トルクが減少して内燃機関Eの負荷が減少する。
【0039】
すなわち、図11に図9の破線円内を拡大して示したように、隣接する永久磁石62S,62N間には、ロータヨーク61の外側円周部617を経由する磁束B3と、ロータヨーク61の補極部613を経由する磁束B4と、ロータヨーク61の内側円周部616を通過する磁束B5と、ロータヨーク61の内側円周部616、エアギャップおよびステータ突極52Nを経由する磁束B6とが発生する。
【0040】
上記したように、本実施形態によれば、アウターロータ60のロータヨーク61が各永久磁石62間に補極部613を有する永久磁石式回転電動機において、各永久磁石62とロータヨーク61との間に空隙612およびスリット614を設けたので、隣接する永久磁石間での漏れ磁束が減少し、アウターロータ60とステータ50との間のエアギャップ部を垂直に交差する磁束が増える。したがって、当該永久磁石式回転電動機をジェネレータとして機能させる際の被動トルクを増加させることなく、スタータモータとして機能させる際の駆動トルクを増大させることができる。
【0041】
図12は、前記スタータ兼ジェネレータ1の制御系のブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【0042】
ECUには、スタータ兼ジェネレータ1のジェネレータ機能が発生する三相交流を全波整流する3相全波整流器300と、全波整流器300の出力を予定のレギュレート電圧(レギュレータ作動電圧:例えば、14.5V)に制限するレギュレータ100とが設けられる。
【0043】
ECUには、ロータ角度を検知する磁極センサ29(29U、29V、29W)、点火コイル21、スロットルセンサ23、フューエルセンサ24、シートスイッチ25、アイドルスイッチ26、冷却水温センサ27および点火パルサ30が接続され、各部から検出信号がECUに入力される。点火コイル21の二次側には点火プラグ22が接続されている。
【0044】
さらに、ECUには、スタータリレー34、スタータスイッチ35、ストップスイッチ36,37、スタンバイインジケータ38、フューエルインジケータ39、スピードセンサ40、オートバイスタ41、およびヘッドライト42が接続される。ヘッドライト42には、ディマースイッチ43が設けられる。
【0045】
上記の各部には、メインヒュ−ズ44およびメインスイッチ45を介してバッテリ46から電流が供給される。なお、バッテリ46は、スタータリレー34によってECUに直接接続される一方、メインスイッチ45を介さず、メインヒューズ44だけを介してECU3に接続される回路を有する。
【0046】
次いで、本実施形態における進角通電の制御方法を、図13〜図16の波形図を参照して説明する。
【0047】
本実施形態では、前記各磁極センサ29U、29V、29Wの検知信号に基づいてロータの1回転を複数のステージ(#0,#1,#2・・・)に分割し、各相電流を前記ステージ単位で制御する。
【0048】
図13に示したように、本実施形態ではロータの60°(機械角)を電気角の360°とし、これを6つのステージ(#0〜#5)に分割している。したがって、1ステージは機械角の10°に相当する。そして、ロータの低回転域および逆転時には電気角で120°の正転(逆転)通電を5°(機械角)進角で実行し、ロータの高回転域では電気角で180°の正転通電を10°(機械角)進角で実行する。
【0049】
図14は、前記120°正転通電、5°進角における信号波形図、図15は、180°正転通電、10°進角における信号波形図、図16は、逆転120°通電、5°進角における信号波形図である。
【0050】
本実施形態では、各磁極センサ29U、29V、29Wが磁界の変化を検知し、その検知信号が変位するタイミングで各相への通電タイミングを切り替えるようにしている。
【0051】
さらに具体的に言えば、図14に示した正転120°通電における5°進角では、V相センサ(磁極センサ29V)の検知信号が立ち下がるタイミング、すなわちステージ#0からステージ#1への切り替わりタイミングにおいてV相への正方向通電を開始し、かつU相への正方向通電を停止している。同様に、U相センサ(磁極センサ29U)の検知信号が立ち上がるタイミング、すなわちステージ#1からステージ#2への切り替わりタイミングにおいてU相への逆方向通電を開始し、かつW相への逆方向通電を停止している。同様に、W相センサ(磁極センサ29W)の検知信号が立ち下がるタイミング、すなわちステージ#2からステージ#3への切り替わりタイミングにおいてW相への正方向通電を開始し、かつV相への正方向通電を停止している。
【0052】
同様に、図15に示した正転180°通電における10°進角でも、ステージ#0からステージ#1への切り替わりタイミングにおいて、U相への正方向通電を逆方向通電へ切り替えている。同様に、ステージ#1からステージ#2への切り替わりタイミングにおいて、W相への逆方向通電を正方向通電へ切り替えている。同様にステージ#2からステージ#3への切り替わりタイミングにおいて、V相への正方向通電を逆方向通電へ切り替えている。
【0053】
換言すれば、本実施形態では各磁極センサ29U、29V、29Wが、各相電流の進角通電を切り替えるタイミングで磁界の変化を検知し、その検知信号の出力を変位させられるように、所定の位置に配置されている。
【0054】
このように、本実施形態では相電流を進角させる通電の切り替えタイミングが、磁極センサ29の検知信号の変位タイミングと一致するように、前記各磁極センサを所定の位置に配置したので、相電流を進角させる際の通電制御を正確に行えるようになる。
【0055】
さらに、本実施形態では、進角度を1ステージ相当角である10°の半分である5°に設定したので、図16に示した逆転120°通電における5°進角でも、正転時と同一の磁極センサ29を用いて、進角通電の切り替えタイミングを磁極センサの検知信号の変位タイミングと一致させることができる。したがって、本実施形態によれば、正転時のみならず逆転時にも、相電流を進角させる際の通電制御を正確に行えるようになる。
【0056】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)進角制御時における通電の切り替えタイミングが、磁極センサによる磁界変化の検知タイミングと一致するので、進角制御時における通電制御を正確に行えるようになる。
(2)進角度を1ステージ相当角の半分に設定したので、逆転120°通電における5°進角でも、進角制御時における通電制御の切り替えタイミングを、磁極センサによる磁界変化の検知タイミングと一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明を適用したスクータ型自動二輪車の全体側面図である。
【図2】 図1のスイングユニットのクランク軸に沿った断面図である。
【図3】 スタータ兼ジェネレータ(永久磁石式回転電動機)の回転軸(クランク軸)に垂直な面での一部破断平面図である。
【図4】 図3の側面断面図である。
【図5】 ロータヨークの平面図である。
【図6】 ロータヨークの側面図である。
【図7】 ロータヨークの部分拡大図である。
【図8】 ロータヨークに設けた空隙部の機能(電動時)を説明するための図である。
【図9】 ロータヨークに設けた空隙部の機能(発電時)を説明するための図である。
【図10】 図9の部分拡大図である。
【図11】 図10の部分拡大図である。
【図12】 スタータ兼ジェネレータの制御系のブロック図である。
【図13】 本実施形態における通電制御の動作タイミングを模式的に表現した図である。
【図14】 120°正転通電を5°進角で実行した場合の信号波形図である。
【図15】 180°正転通電を10°進角で実行した場合の信号波形図である。
【図16】 120°逆転通電を5°進角で実行した場合の信号波形図である。
【符号の説明】
1…スタータ兼ジェネレータ,50…ステータ,51…ステータコア,52…ステータ突極,53…ステータ巻線,60…アウターロータ,61…ロータヨーク,62(62N,62S)永久磁石…,63…ロータケース,71…保護カバー,201…クランク軸,611…開口部,612…第1空隙,613…補極部,614…第2空隙
Claims (3)
- 複数の永久磁石が円周方向に沿って配置され、互いに隣接する各永久磁石間に補極部を有する略円筒形状のロータを具備し、
前記ロータの1回転が複数のステージに分割され、各相へ供給される相電流が、ロータの回転位置を検知する複数の磁極センサの検知信号に基づいてステージ単位で制御され、誘起電圧に対して進角されるブラシレス多相交流電機の通電制御装置において、
各相を、ロータの回転速度が所定の基準速度以下の場合には120°(電気角)の通電角で1ステージ相当角の半分だけ進角通電し、ロータの回転速度が前記基準速度を越えると180°(電気角)の通電角で1ステージ相当角だけ進角通電する手段を具備し、
前記各磁極センサが、前記120°(電気角)の通電角での進角通電および前記180°(電気角)の通電角での進角通電のいずれでも、前記進角通電される相電流の通電タイミングが前記磁極センサにより検知される磁界の変化タイミングと一致するように配置されたことを特徴とするブラシレス多相交流電機の通電制御装置。 - 前記ブラシレス多相交流電機は、内燃機関のクランク軸に連結されて当該内燃機関をクランキングするスタータモータであることを特徴とする請求項1に記載のブラシレス多相交流電機の通電制御装置。
- 正転時と逆転時とで進角量が同一であることを特徴とする請求項1に記載のブラシレス多相交流電機の通電制御装置。
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