JP4186791B2 - 内燃機関用スタータジェネレータ - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関のクランク軸に回転子が取りつけられた回転電機を備えて、機関の始動時には該回転電機を電動機として機能させることにより機関を始動させ、機関が始動した後は、該回転電機を発電機として機能させて、該回転電機の出力でインバータを介して電気負荷を駆動するようにした内燃機関用スタータジェネレータに関するものである。

内燃機関用スタータジェネレータは、特許文献１に示されているように、内燃機関のクランク軸に取り付けられる磁石回転子と、該磁石回転子の磁極に対向する磁極部を有する電機子鉄心にｎ相（ｎは２以上の整数）の電機子コイルを巻回して該ｎ相の電機子コイルから入出力端子を導出してなる固定子と、該固定子の各相の電機子コイルに対して磁石回転子の回転角度位置を検出する位置センサとを備えて、内燃機関の始動時には内燃機関を始動する電動機として機能し、内燃機関が始動した後は負荷を駆動する発電機として機能する回転電機と、この回転電機を電動機として機能させるために必要な駆動電流を直流電源から電機子コイルに供給する動作と回転電機が発電機として機能するときに該回転電機が出力する交流電圧を一定周波数の交流電圧に変換する動作とを行う駆動変換回路部と、内燃機関を始動する際に回転電機に駆動電流を流し、内燃機関が始動した後に回転電機が出力する交流電圧を一定周波数の交流電圧に変換するように駆動変換回路部を制御するコントローラとにより構成される。

特許文献１に示されたスタータジェネレータでは、上記駆動変換回路部が、スイッチ素子と帰還用ダイオードとの逆並列回路によりブリッジの各辺を構成したブリッジ形のドライブ回路からなっていて、内燃機関の始動時には、バッテリからドライブ回路を通して回転電機の電機子コイルに駆動電流を流し、内燃機関が始動した後は、回転電機の電機子コイルから得られる交流出力をドライブ回路内の帰還用ダイオードにより構成される整流回路を通してバッテリに供給することにより、バッテリを充電するようにしている。

特許文献１に示されたスタータジェネレータでは、内燃機関の運転中バッテリにより直流負荷を駆動することができるが、商用周波数の交流負荷を駆動することはできない。商用周波数の交流負荷を駆動する必要がある場合には、回転電機の交流出力を一旦直流出力に変換した後、インバータ回路により一定の周波数（商用周波数）の交流電圧に変換する必要がある。特許文献１に示されたようなスタータジェネレータにおいて、交流負荷を駆動するためにインバータ回路を付加した場合の回路構成は図７に示すようになる。

図７において、１は内燃機関、２は回転電機、３はドライブ回路４とインバータ回路５とからなる駆動変換回路、６は電動機駆動用の直流電源、７はコントローラである。

図示の回転電機２は、内燃機関のクランク軸に取りつけられた磁石回転子（図示せず。）と、磁石回転子の磁極に対向する磁極部を有する電機子鉄心（図示せず。）に３相の電機子コイルＬｕ，Ｌｖ及びＬｗを巻回して該３相の電機子コイルから入出力端子２ｕ，２ｖ及び２ｗを導出してなる固定子と、固定子側で各相の電機子コイルに対して磁石回転子の回転角度位置を検出する位置センサＨｕないしＨｗとにより構成されている。

図示の位置センサＨｕないしＨｗはホールＩＣからなっていて、各相の電機子コイルの磁極の中心位置に対して所定の位相角を有する位置で磁石回転子の磁極を検出して、検出している磁極がＳ極であるときとＮ極であるときとで異なるレベル示す位置検出信号ｈuないしｈwを出力する。

ドライブ回路４は、ブリッジの各アームをスイッチと帰還用ダイオードとの逆並列回路により構成した公知のブリッジ形の回路からなっている。図示の例では、一端が共通接続されたスイッチＳｕないしＳｗとこれらのスイッチに逆並列接続された帰還用ダイオードＤfuないしＤfwとによりブリッジの上辺が構成され、スイッチＳｕないしＳｗのそれぞれの他端に一端が接続され、他端が共通接続されたスイッチＳｘないしＳｚと、これらのスイッチの両端に逆並列接続された帰還用ダイオードＤfxないしＤfzとによりブリッジの下辺が構成されている。

図示の例では、スイッチＳｕないしＳｗ及びＳｘないしＳｚがＭＯＳＦＥＴにより構成され、スイッチＳｕないしＳｗ及びＳｘないしＳｚをそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴのドレインソース間に形成された寄生ダイオードが帰還用ダイオードＤfuないしＤfw及びＤfxないしＤfzとして用いられている。このドライブ回路においては、スイッチＳｕないしＳｗの一端の共通接続点及びスイッチＳｘないしＳｚの他端の共通接続点からそれぞれ直流側端子４ａ及び４ｂが引き出され、スイッチＳｕないしＳｗの他端とスイッチＳｘないしＳｚの一端との接続点からそれぞれ交流側端子４ｕないし４ｗが導出されている。交流側端子４ｕないし４ｗはそれぞれ電機子コイルＬｕないしＬｗから引き出された３相の入出力端子２ｕないし２ｗに接続されている。

インバータ回路５は、一端が共通接続されたスイッチＳａ及びＳｂと、これらのスイッチに逆並列接続された帰還用ダイオードＤfa及びＤfbと、スイッチＳａ及びＳｂの他端に一端が接続され、他端が共通接続されたスイッチＳｃ及びＳｄと、これらのスイッチＳｃ及びＳｄにそれぞれ逆並列接続された帰還用ダイオードＤfc及びＤfdとを備えて、スイッチＳａ，Ｓｂの一端の共通接続点及びスイッチＳｃ，Ｓｄの他端の共通接続点から直流側端子５ａ及び５ｂが導出され、スイッチＳａの他端とスイッチＳｃの一端との接続点及びスイッチＳｂの他端とスイッチＳｄの一端との接続点からそれぞれ交流側端子５ｃ及び５ｄが導出されたブリッジ形のスイッチ回路５Ａと、このスイッチ回路の交流側端子５ｃ，５ｄと負荷接続端子５ｅ，５ｆとの間に設けられたフィルタ回路５Ｂとを備えた周知の回路からなっている。スイッチ回路５Ａの直流側端子５ａ，５ｂはそれぞれドライブ回路４の直流側端子４ａ，４ｂに接続され、負荷接続端子５ｅ，５ｆ間には交流負荷８が接続されている。またスイッチ回路の直流側端子５ａ，５ｂ間には平滑用コンデンサＣｄが接続されている。

電動機駆動用の直流電源６は通常バッテリからなっており、その定格出力電圧は例えば１２［Ｖ］である。機関の始動時には、直流電源６からドライブ回路４を通して大きな駆動電流を流すため、ドライブ回路４を構成するスイッチ素子としては、電流容量が十分に大きいものを用いる必要がある。また定格電圧が１００［Ｖ］または２００［Ｖ］の交流負荷８を駆動する場合、交流負荷駆動時に回転電機２からドライブ回路４内の整流回路を通してインバータ回路５の直流側端子５ａ，５ｂ間に印加される電圧は１４０〜６００［Ｖ］になるため、ドライブ回路４を構成するスイッチ素子としては耐電圧性能が十分に高いものを用いる必要がある。

更に出力電圧が１２Ｖの直流電源６を直接ドライブ回路４の入力端子４ａ，４ｂ間に接続すると、該電源部が破損してしまうため、図示のように、直流電源６をダイオードＤ１を通してドライブ回路４の直流側端子４ａ，４ｂ間に接続して、ドライブ回路４からインバータ回路５に給電する電源ライン９の電圧がバッテリに印加されないようにする必要がある。

コントローラ７は、マイクロコンピュータ及び（または）ハードウェア回路からなっていて、位置センサＨｕないしＨｗの出力ｈuないしｈwを入力として、内燃機関１を始動する際に機関を始動させる方向に磁石回転子を回転させるべく、回転電機２の電機子コイルに駆動電流を流すようにドライブ回路４を制御し、内燃機関が始動した後はインバータ回路５から一定周波数の交流電圧が得られるようにインバータ回路５を制御する。
特開２００３−１８４７１２号公報

スタータジェネレータを図７に示したように構成した場合には、上記のように、ドライブ回路４を構成するスイッチ素子ＳｕないしＳｗ及びＳｘないしＳｚとして高耐圧で、電流容量が大きいものを用いる必要がある。しかしながら、高耐圧で電流容量が大きいスイッチ素子は大形で、しかも高価であり、また該スイッチ素子を取りつけるヒートシンクとしても大形のものを用いる必要があるため、上記のように構成した場合には、装置が大形になる上に、そのコストが高くなるのを避けられなかった。また高耐圧のスイッチ素子（特にＭＯＳＦＥＴの場合）は、損失が大きいため、図７に示したように構成した場合には、電源装置として交流負荷を駆動する際の効率が低下するという問題があった。

本発明の目的は、内燃機関に取りつけた回転電機を機関の始動時に電動機として動作させて機関を始動させ、機関が始動した後は、回転電機の出力を一定の周波数の交流出力に変換して交流負荷を駆動するようにした内燃機関用スタータジェネレータにおいて、コストの低減と損失の低減とを図り、装置の小形化を図ることができるようにすることにある。

本発明は、内燃機関のクランク軸に取り付けられる磁石回転子と、該磁石回転子の磁極に対向する磁極部を有する電機子鉄心にｎ相（ｎは２以上の整数）の電機子コイルを巻回して該ｎ相の電機子コイルから入出力端子を導出してなる固定子と、固定子の各相の電機子コイルに対して磁石回転子の回転角度位置を検出する位置検出手段とを備えて、内燃機関の始動時には内燃機関を始動する電動機として機能し、内燃機関が始動した後は負荷を駆動する発電機として機能する回転電機と、回転電機を電動機として機能させるために必要な駆動電流を直流電源から電機子コイルに供給する動作と回転電機が発電機として機能するときに該回転電機が出力する交流電圧を一定周波数の交流電圧に変換する動作とを行う駆動変換回路部と、内燃機関を始動する際に回転電機に駆動電流を流し、内燃機関が始動した後に回転電機が出力する交流電圧を一定周波数の交流電圧に変換するように駆動変換回路部を制御するコントローラとを備えた内燃機関用スタータジェネレータを対象とする。上記位置検出手段は、磁石回転子の磁極の極性を検出して、検出している磁極の極性に応じて異なるレベルの信号を出力するホールＩＣなどの位置センサや、フォトエンコーダなどの位置センサでもよく、電機子コイルに流れる電流または電機子コイルの誘起電圧から回転子の位置を推測して検出する位置検出手段でもよい。

本発明においては、上記駆動変換回路部が、直流電源の出力が入力される入力端子と回転電機の固定子の入出力端子に接続される出力端子とを有して直流電源から電機子コイルに駆動電流を供給するドライブ回路と、ｎ相の電機子コイルに誘起する交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、整流回路の出力電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、固定子の入出力端子とドライブ回路の出力端子及び整流回路の入力端子との間に設けられて回転電機の固定子の入出力端子をドライブ回路の出力端子に接続した状態にする第１の状態と固定子の入出力端子を整流回路の入力端子に接続した状態にする第２の状態とに切り換わる切換スイッチとを備えている。

またコントローラは、内燃機関を始動する際に該内燃機関の始動が完了したか否かを判定する始動判定部と、該始動判定部により始動が完了していないと判定されているときに切換スイッチを第１の状態にして回転電機に前記駆動電流を流すように位置検出手段による検出結果に応じてドライバ回路を制御するドライバ回路制御部と、始動判定部により始動が完了したと判定されたときに切換スイッチを第２の状態にしてインバータ回路から一定周波数の交流電圧を出力させるようにインバータ回路を制御するインバータ制御部とを備えている。

上記のように、直流電源から回転電機の電機子コイルに駆動電流を流すドライブ回路と、電機子コイルに誘起する交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、整流回路の出力電圧を交流電圧に変換するインバータ回路とを設けて、回転電機の固定子の入出力端子を切換スイッチによりドライブ回路の出力端子と整流回路の入出力端子とに切換接続するように構成すると、ドライブ回路を構成するスイッチ素子は、駆動電流を流し得る電流容量を有している必要があるが、該スイッチ素子に印加される電圧は電動機を駆動するための直流電源の出力電圧（通常１２Ｖ）であるので、ドライブ回路のスイッチ素子として低耐圧の素子を用いることができる。従って、ドライブ回路は、耐圧が低く、小形で安価なスイッチ素子を用いて構成することができ、その小形化とコストの低減とを図ることができる。

上記のように構成すると、図７に示した構成に比べて、整流回路と切換スイッチとを余分に必要とするが、整流回路は、基本的に整流素子のみにより構成することができ、整流素子としては、高耐圧で安価な小形の素子を容易に入手することができる。また切換スイッチも高価なものではないため、整流回路及び切換スイッチを余分に設けても、図７に示した構成を有する装置に比べて小形でかつ安価に構成することができる。

上記始動判定部は、内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出部と、この回転速度検出部により検出された回転速度と設定値とを比較して検出された回転速度が設定値未満のときに内燃機関の始動が完了していないと判定し、検出された回転速度が設定値以上になっているときに内燃機関の始動が完了していると判定する比較判定手段とにより構成することができる。

上記始動判定部はまた、電機子コイルの誘起電圧を検出する誘起電圧検出部と、この誘起電圧検出部により検出された誘起電圧と設定値とを比較して検出された誘起電圧が設定値未満のときに内燃機関の始動が完了していないと判定し、検出された誘起電圧が設定値以上になったときに内燃機関の始動が完了したと判定する比較判定手段とにより構成することができる。

上記始動判定部はまた、ドライブ回路を通して流れる駆動電流を検出する駆動電流検出部と、この駆動電流検出部により検出された駆動電流を設定値と比較して検出された駆動電流が設定値を超えているときに内燃機関の始動が完了していないと判定し、検出された駆動電流が設定値以下になったときに内燃機関の始動が完了したと判定する比較判定部とにより構成することもできる。

上記のように、駆動電流が設定値以下になったときに機関の始動が完了したと判定して、切換スイッチを切り換えるようにすると、切換スイッチが有接点スイッチからなっている場合に、該スイッチの遮断電流を小さくすることができるため、切換スイッチの接点の消耗を少なくすることができる。

以上のように、本発明によれば、直流電源から回転電機の電機子コイルに駆動電流を流すドライブ回路と、電機子コイルに誘起する交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、整流回路の出力電圧を交流電圧に変換するインバータ回路とを設けて、回転電機の固定子の入出力端子を切換スイッチによりドライブ回路の出力端子と整流回路の入出力端子とに切換接続するように構成したので、耐圧が低く、小形で安価なスイッチ素子を用いてドライブ回路を構成して、スタータジェネレータの小形化とコストの低減とを図ることができる。

以下図１ないし図６を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。図１は本発明の一実施形態の構成を示した回路図で、同図において図７に示したスタータジェネレータの各部と同等の部分にはそれぞれ図７に用いた符号と同一の符号を付してある。

図１において、１は内燃機関、２は回転電機、４はドライブ回路、５はインバータ回路、６は電動機駆動用の直流電源、７はコントローラ、１０は整流回路、１１は切換スイッチであり、本発明においては、ドライブ回路４とインバータ回路５と、整流回路１０と切換スイッチ１１とにより駆動変換回路部が構成されている。

回転電機２は、図７に示したものと同様に、内燃機関のクランク軸に取りつけられた磁石回転子（図示せず。）と、磁石回転子の磁極に対向する磁極部を有する電機子鉄心（図示せず。）に３相の電機子コイルＬｕ，Ｌｖ及びＬｗを巻回して構成した固定子と、固定子側で各相の電機子コイルに対して磁石回転子の回転角度位置を検出する位置センサＨｕないしＨｗとにより構成されている。電機子コイルＬｕないしＬｗは星形結線され、これらの電機子コイルの中性点と反対側の端子からそれぞれ固定子の入出力端子２ｕないし２ｗが導出されている。

ドライブ回路４は、ブリッジの各アームをスイッチと帰還用ダイオードとの逆並列回路により構成したブリッジ形の回路で、図示のドライブ回路においては、一端が共通接続されたスイッチＳｕないしＳｗとこれらのスイッチに逆並列接続された帰還用ダイオードＤfuないしＤfwとによりブリッジの上辺が構成され、スイッチＳｕないしＳｗのそれぞれの他端に一端が接続され、他端が共通接続されたスイッチＳｘないしＳｚと、これらのスイッチの両端に逆並列接続された帰還用ダイオードＤfxないしＤfzとによりブリッジの下辺が構成されている。本実施形態においては、スイッチＳｕないしＳｗ及びＳｘないしＳｚがＭＯＳＦＥＴにより構成され、スイッチＳｕないしＳｗ及びＳｘないしＳｚをそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴのドレインソース間に形成された寄生ダイオードが帰還用ダイオードＤfuないしＤfw及びＤfxないしＤfzとして用いられている。

図示のドライブ回路においては、スイッチＳｕないしＳｗの一端の共通接続点及びスイッチＳｘないしＳｚの他端の共通接続点からそれぞれ直流側端子４ａ，４ｂが引き出され、スイッチＳｕないしＳｗの他端とスイッチＳｘないしＳｚの一端との接続点からそれぞれ交流側端子４ｕないし４ｗが導出されている。直流側端子４ａ及び４ｂはそれぞれ直流電源６の正極側端子及び負極側端子に接続されている。

インバータ回路５は、一端が共通接続されたスイッチＳａ及びＳｂと、これらのスイッチに逆並列接続された帰還用ダイオードＤfa及びＤfbと、スイッチＳａ及びＳｂの他端に一端が接続され、他端が共通接続それたスイッチＳｃ及びＳｄと、これらのスイッチＳｃ及びＳｄにそれぞれ逆並列接続された帰還用ダイオードＤfc及びＤfdとを備えたブリッジ形のスイッチ回路５Ａと、フィルタ回路５Ｂとからなっている。スイッチ回路５Ａのブリッジの上辺を構成するスイッチＳａ，Ｓｂの一端の共通接続点及びブリッジの下辺を構成するスイッチＳｃ，Ｓｄの他端の共通接続点からそれぞれ直流側端子５ａ及び５ｂが導出され、スイッチＳａの他端とスイッチＳｃの一端との接続点及びスイッチＳｂの他端とスイッチＳｄの一端との接続点からそれぞれ交流側端子５ｃ及び５ｄが導出されている。

フィルタ回路５Ｂは、スイッチ回路５Ａの交流側端子５ｃと負荷接続端子５ｅとの間及び交流側端子５ｄと負荷接続端子５ｆとの間にそれぞれ接続されたコイルＬ１及びＬ２と、負荷接続端子５ｅ，５ｆ間に接続されたコンデンサＣfとからなる低域通過フィルタで、スイッチ回路５Ａから出力される交流電圧から高調波を除去するために設けられている。スイッチ回路５Ａの直流側端子５ａ，５ｂ間には平滑用コンデンサＣｄが接続され、負荷接続端子５ｅ，５ｆ間には負荷８が接続されている。

整流回路１０は、ダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗ及びＤｘ，Ｄｙ，Ｄｚのブリッジ回路からなる全波整流回路で、その直流出力端子１０ａ，１０ｂがそれぞれインバータ回路のスイッチ回路５Ａの直流側端子５ａ，５ｂに接続されている。

切換スイッチ１１は、固定子の入出力端子２ｕないし２ｗとドライブ回路４の出力端子４ｕないし４ｗ及び整流回路１０の入力端子１０ｕないし１０ｗとの間に設けられて回転電機２の固定子の入出力端子２ｕないし２ｗをそれぞれドライブ回路４の出力端子４ｕないし４ｗに接続した状態にする第１の状態と、固定子の入出力端子２ｕないし２ｗをそれぞれ整流回路１０の入力端子１０ｕないし１０ｗに接続した状態にする第２の状態とに切り換わるスイッチである。

図示の切換スイッチ１１は、固定接点ａuないしａw及びｂuないしｂwと、図示しない励磁コイルにより駆動されて固定接点ａuないしａwにそれぞれ接触する状態と固定接点ｂuないしｂwにそれぞれ接触する状態とに切り換えられる可動接点ｃuないしｃwとを備えている。切換スイッチ１１の固定接点ａuないしａwはそれぞれドライブ回路４の交流側端子４ｕないし４ｗに接続され、固定接点ｂuないしｂwはそれぞれ整流回路１０の交流側端子１０ｕないし１０ｗに接続されている。また可動接点ｃuないしｃwはそれぞれ電機子コイルＬuないしＬwから導出された入出力端子２uないし２wに接続されている。切換スイッチ１１は、励磁コイルが非励磁のときに可動接点ｃuないしｃwがそれぞれ固定接点ａuないしａwに接触子、励磁コイルが励磁されたときに可動接点ｃuないしｃwがそれぞれ固定接点ｂuないしｂwに接触するように構成されたリレーを用いることができる。

コントローラ７は、マイクロコンピュータ及び（または）ハードウェア回路からなっていて、内燃機関を始動する際に該内燃機関の始動が完了したか否かを判定する始動判定部と、始動判定部で始動が完了していないと判定されたときに切換スイッチに励磁電流を流さずに該切換スイッチを第１の状態とし、始動判定部により機関の始動が完了したと判定されたときに切換スイッチに励磁電流を流して該切換スイッチを第２の状態とするように切換スイッチを制御する切換スイッチ制御手段と、切換スイッチ１１が第１の状態にあるときに回転電機２に駆動電流を流すように位置センサＨｕないしＨｗの出力ｈuないしｈwに応じてドライバ回路４を制御するドライバ回路制御部と、切換スイッチ１１が第２の状態に切り換えられたときにインバータ回路５から一定周波数の交流電圧を出力させるようにインバータ回路５を制御するインバータ制御部とを構成する。

上記ドライブ回路制御部は、一般のブラシレス直流電動機に駆動電流を供給するために設けられているブリッジ形のドライブ回路を制御する制御部と同様に構成される。

またインバータ制御部は、交流発電機の整流出力を交流電圧に変換するインバータ発電装置において、インバータ回路を制御するために設けられる制御部と同様に構成される。

本発明においては、切換スイッチ１１を制御するために、内燃機関の始動が完了したか否かを判定する始動判定部を設けるが、機関の始動が完了したか否かの判定は、回転電機２の電機子コイルの誘起電圧、電機子コイルに流れる駆動電流または機関の回転速度を検出することにより行うことができる。

機関の回転速度から始動完了を検出する場合、上記始動判定部は、内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出部と、回転速度検出部により検出された回転速度と設定値とを比較して検出された回転速度が設定値未満のときに内燃機関の始動が完了していないと判定し、検出された回転速度が設定値以上になっているときに内燃機関の始動が完了していると判定する比較判定手段とにより構成することができる。

上記の始動判定部をハードウェア回路により構成した例を図４に示した。図４においてＣＰ1は比較器で、比較器ＣＰ1の反転入力端子には、図示しない直流電源の出力電圧Ｖccを抵抗器Ｒ1及びＲ2からなる抵抗分圧回路により分圧して得た基準電圧Ｖrが入力されている。また位置センサＨｖの出力ｈvが抵抗値が比較的小さい抵抗器Ｒ3を通してコンデンサＣ1の両端に印加され、コンデンサＣ1の両端の電圧が比較器ＣＰ1の非反転入力端子に入力されている。比較器ＣＰ1の出力端子は抵抗器Ｒ4を通して直流電源の正極側出力端子に接続されている。

図４に示した回路において、位置センサ（ホールＩＣ）Ｈｖが出力する位置検出信号ｈvは、ハイレベルを示す期間とローレベルを示す期間とが交互に現れる矩形波信号で、機関の回転速度の上昇に伴ってその周波数が高くなっていく。コンデンサＣ1は位置検出信号ｈvがハイレベルになっている期間充電され、位置検出信号ｈvがローレベルになったときに位置センサＨｖ内の回路を通して放電させられる。機関の回転速度が低いときには、位置検出信号ｈvがハイレベルになっている期間が長く、コンデンサＣ1を充電する時間が長いため、コンデンサＣ1の両端の電圧Ｖｃは位置検出信号ｈvの波高値まで上昇するが、機関の回転速度が高くなっていくと、位置検出信号ｈvがハイレベルになっている期間が短くなっていき、コンデンサＣ1を充電する時間が短くなっていくため、コンデンサＣ1の両端の電圧Ｖｃは回転速度の上昇にともなって低くなっていく。基準電圧Ｖrは、機関の回転速度が、始動完了時の回転速度（始動完了速度）に達したときのコンデンサＣ1の両端の電圧（始動完了速度に相当する設定値）に等しく設定されている。

機関の回転速度が設定値（始動完了速度）未満のときには、Ｖc＞Ｖrであるため、比較器ＣＰ1の出力端子の電位がハイレベルになっており、機関の回転速度が設定値以上になると、比較器ＣＰ1の出力端子の電位がローレベルに反転する。従って、比較器ＣＰ1の出力がハイレベルになっているときに機関の始動が完了していないと判定することができ、比較器ＣＰ1の出力がローレベルになったときに機関の始動が完了したと判定することができる。

図４に示した例では、位置センサＨｖと、抵抗器Ｒ3と、コンデンサＣ1とにより、回転速度検出部が構成されている。また比較器ＣＰ1と、抵抗器Ｒ1，Ｒ2及びＲ4とにより、回転速度検出部により検出された回転速度と設定値とを比較して検出された回転速度が設定値未満のときに内燃機関の始動が完了していないと判定し、検出された回転速度が設定値以上になっているときに内燃機関の始動が完了していると判定する比較判定手段が構成されている。

なお図４に示した例では、位置センサＨｖの出力から回転速度を検出しているが、回転速度検出部は、機関の回転速度の情報を含む信号から回転速度と一定の相関関係を有する回転速度検出信号を得るように構成すればよく、上記の例に限定されない。またコントローラにマイクロコンピュータが設けられる場合には、機関の回転速度の情報を含む信号、例えば位置センサＨｖの出力信号の立上がり（ローレベルからハイレベルへの立上がり）が検出される周期をタイマにより計測して、その計測値から機関の回転速度を求めるようにしてもよい。

磁石界磁回転形の回転電機においては、該回転電機を電動機として運転したときに、その回転速度と電機子コイルの誘起電圧との間に図２に示すような関係がある。図２においてＮｓは機関の始動完了速度であり、回転速度がこの始動完了速度Ｎｓ以上になったときに機関の始動が完了したと判定することができる。図２から明らかなように、機関の回転速度が始動完了回転速度Ｎｓに達したときの電機子コイルの誘起電圧を設定値Ｖｓとして、該誘起電圧が設定値Ｖｓよりも高いか低いかを見ることにより、機関の始動が完了しているか否かを判定することができる。

即ち始動判定部は、電機子コイルＬｕないしＬｗの誘起電圧を検出する誘起電圧検出部と、この誘起電圧検出部により検出された誘起電圧と設定値とを比較して、検出された誘起電圧が設定値未満のときに内燃機関の始動が完了していないと判定し、検出された誘起電圧が設定値以上になったときに内燃機関の始動が完了したと判定する比較判定手段とにより構成することができる。

図５は、電機子コイルの誘起電圧から機関の始動が完了したか否かを判定する始動判定部を、ハードウェア回路により構成した例を示したもので、この例では、回転電機の固定子の入出力端子２ｕ，２ｖ間の電圧が誘起電圧検出回路１２に入力されている。誘起電圧検出回路１２は、端子２ｕ，２ｖ間の電圧に比例した電圧検出信号Ｖｅを出力するように構成されていて、この誘起電圧検出回路から得られる電圧検出信号が、比較器ＣＰ1の反転入力端子に入力されている。比較器ＣＰ1の非反転入力端子には、設定値Ｖｓ（機関の回転速度が始動回転速度に達したときの誘起電圧）に相当する値に設定された基準電圧Ｖrが入力されている。

図５に示した始動判定部においては、機関の回転速度が始動完了速度未満のときに電圧検出信号Ｖｅが基準電圧Ｖｒ未満になっているため、比較器ＣＰ１の出力はハイレベルの状態にあり、回転速度が始動完了速度以上になると、電圧検出信号Ｖｅが基準電圧Ｖｒ以上になるため比較器ＣＰ１の出力がローレベルに反転する。従って、比較器ＣＰ1の出力がハイレベルになっているときに機関の始動が完了していないと判定することができ、比較器ＣＰ1の出力がローレベルになったときに機関の始動が完了したと判定することができる。

上記のように電機子コイルの誘起電圧から始動が完了したか否かを判定する場合も、始動判定部は、ソフトウェア的に構成することができる。例えば、誘起電圧検出回路１２と該検出回路から得られる電圧検出信号をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器とにより誘起電圧検出部を構成し、該Ａ／Ｄ変換器から得られる誘起電圧のデジタル値を設定値と比較して誘起電圧が設定値よりも高いか低いかの判定を行う処理をマイクロコンピュータに行わせることにより比較判定部を構成することができる。

磁石界磁回転形の電動機においては、その回転速度と電機子コイルを流れる駆動電流との間に図３に示すような関係がある。従って、機関の回転速度が始動完了回転速度Ｎｓに達したときの電機子コイルの駆動電流を設定値Ｉｓとして、駆動電流がこの設定値Ｉｓよりも大きいか小さいかを見ることにより、機関の始動が完了しているか否かを判定することができる。

即ち始動判定部は、ドライブ回路４を通して流れる駆動電流を検出する駆動電流検出部と、駆動電流検出部により検出された駆動電流を設定値と比較して検出された駆動電流が設定値を超えているときに内燃機関の始動が完了していないと判定し、検出された駆動電流が設定値以下になったときに内燃機関の始動が完了したと判定する比較判定部とにより構成することができる。

上記の始動判定部をハードウェア回路により構成した例を図６に示した。図６に示した例では、ドライブ回路４を通して流れる電流を検出する変流器ＣＴが設けられ、変流器ＣＴの両端の電圧が電流検出回路１３に入力されている。電流検出回路１３は、例えば変流器ＣＴの両端に接続された抵抗器と、該抵抗器の両端に得られる信号を増幅する増幅器とからなっていて、ドライブ回路４を通して電機子コイルに供給される駆動電流に比例した電流検出信号Ｖｉを出力する。この電流検出信号は比較器ＣＰ１の非反転入力端子に抵抗器Ｒ3を通して入力され、比較器ＣＰ１の反転入力端子には、設定値Ｉｓに相当する値に設定された基準電圧Ｖrが入力されている。

図６に示した始動判定部においては、機関の回転速度が始動完了速度未満のときに電流検出信号Ｖｉが基準電圧Ｖｒを超えているため、比較器ＣＰ１の出力はハイレベルの状態にある。回転速度が始動完了速度以上になると、電流検出信号Ｖｉが基準電圧Ｖｒ以下になるため比較器ＣＰ１の出力がローレベルに反転する。従って、比較器ＣＰ1の出力がハイレベルになっているときに機関の始動が完了していないと判定することができ、比較器ＣＰ1の出力がローレベルになったときに機関の始動が完了したと判定することができる。

上記のように電機子コイルを流れる駆動電流から始動が完了したか否かを判定する場合も、始動判定部をソフトウェア的に構成することができる。例えば、変流器ＣＴ及び電流検出回路と、電流検出回路の出力（駆動電流の検出値）をデジタル値に変換するＡ／Ｄ変換器とにより駆動電流検出部を構成し、該Ａ／Ｄ変換器から得られる駆動電流のデジタル値を設定値と比較して駆動電流が設定値より大きいか小さいかを判定する処理をマイクロコンピュータに行わせることにより比較判定部を構成することができる。

切換スイッチ１１として、励磁コイルにより駆動される有接点スイッチ（リレー）を有するものを用いる場合には、励磁コイルが非励磁のときに可動接点ｃuないしｃwがそれぞれ固定接点ａuないしａwに接触し、励磁コイルが励磁されたときに可動接点ｃuないしｃwがそれぞれ固定接点ｂuないしｂwに接触するように切換スイッチ１１を構成しておいて、図４ないし図６に示した比較器ＣＰ１の出力がハイレベルのときに切換スイッチ（リレー）の励磁コイルを非励磁とし、比較器ＣＰ1の出力がローレベルのときに切換スイッチの励磁コイルを励磁するように、比較器ＣＰ１の出力に応じて切換スイッチの励磁電流を制御する回路（比較器ＣＰ１の出力に応じて励磁電流をオンオフするスイッチ回路）を、比較器ＣＰ１と切換スイッチの励磁回路との間に設けることにより、機関の始動が完了していないときに切換スイッチ１１を第１の状態とし、機関の始動が完了したときに切換スイッチ１１を第２の状態とするように、切換スイッチを制御することができる。

なお切換スイッチ１１は、トランジスタ等のオンオフ制御が可能な半導体スイッチを用いて構成することもできる。

上記の実施形態では磁石回転子の回転角度位置を検出する位置検出手段として位置センサＨｕ〜Ｈｗを用いたが、この位置検出手段は、電機子コイルに流れる電流または電機子コイルの誘起電圧から磁石回転子の位置を検出するようにしたものでもよい。

本発明の一実施形態の構成を示した回路図である。 本発明の実施形態で用いる回転電機の回転速度と電機子コイルの誘起電圧との関係を概略的に示したグラフである。 本発明の実施形態で用いる回転電機の回転速度と電機子コイルの駆動電流との関係を概略的に示したグラフである。 本発明の実施形態で用いる始動判定部の構成例を示した回路図である。 本発明の実施形態で用いる始動判定部の他の構成例を示した回路図である。 本発明の実施形態で用いる始動判定部の更に他の構成例を示した回路図である。 従来技術により構成されたスタータジェネレータの構成を示した回路図である。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 回転電機
４ ドライブ回路
５ インバータ回路
６ 電動機駆動用の直流電源
７ コントローラ
８ 交流負荷

Claims (4)

1. 内燃機関のクランク軸に取り付けられる磁石回転子と、前記磁石回転子の磁極に対向する磁極部を有する電機子鉄心にｎ相（ｎは２以上の整数）の電機子コイルを巻回して該ｎ相の電機子コイルから入出力端子を導出してなる固定子と、前記固定子の各相の電機子コイルに対して前記磁石回転子の回転角度位置を検出する位置検出手段を備えて、前記内燃機関の始動時には前記内燃機関を始動する電動機として機能し、内燃機関が始動した後は負荷を駆動する発電機として機能する回転電機と、前記回転電機を電動機として機能させるために必要な駆動電流を直流電源から前記電機子コイルに供給する動作と前記回転電機が発電機として機能するときに該回転電機が出力する交流電圧を一定周波数の交流電圧に変換する動作とを行う駆動変換回路部と、前記内燃機関を始動する際に前記回転電機に前記駆動電流を流し、前記内燃機関が始動した後に前記回転電機が出力する交流電圧を一定周波数の交流電圧に変換するように前記駆動変換回路部を制御するコントローラとを備えた内燃機関用スタータジェネレータにおいて、
   前記駆動変換回路部は、前記直流電源の出力が入力される入力端子と前記回転電機の固定子の入出力端子に接続される出力端子とを有して前記直流電源から前記電機子コイルに駆動電流を供給するドライブ回路と、前記ｎ相の電機子コイルに誘起する交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記整流回路の出力電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記固定子の入出力端子と前記ドライブ回路の出力端子及び整流回路の入力端子との間に設けられて前記回転電機の固定子の入出力端子を前記ドライブ回路の出力端子に接続した状態にする第１の状態と前記固定子の入出力端子を前記整流回路の入力端子に接続した状態にする第２の状態とに切り換わる切換スイッチとを具備し、
   前記コントローラは、前記内燃機関を始動する際に該内燃機関の始動が完了したか否かを判定する始動判定部と、前記始動判定部により始動が完了していないと判定されているときに前記切換スイッチを第１の状態にして前記回転電機に前記駆動電流を流すように前記位置検出手段による検出結果に応じて前記ドライバ回路を制御するドライバ回路制御部と、前記始動判定部により始動が完了したと判定されたときに前記切換スイッチを前記第２の状態にして前記インバータ回路から前記一定周波数の交流電圧を出力させるように前記インバータ回路を制御するインバータ制御部とを備えている内燃機関用スタータジェネレータ。
2. 前記始動判定部は、前記内燃機関の回転速度を検出する回転速度検出部と、前記回転速度検出部により検出された回転速度と設定値とを比較して検出された回転速度が設定値未満のときに前記内燃機関の始動が完了していないと判定し、検出された回転速度が前記設定値以上になっているときに前記内燃機関の始動が完了していると判定する比較判定手段とにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用スタータジェネレータ。
3. 前記始動判定部は、前記電機子コイルの誘起電圧を検出する誘起電圧検出部と、前記誘起電圧検出部により検出された誘起電圧と設定値とを比較して、検出された誘起電圧が設定値未満のときに前記内燃機関の始動が完了していないと判定し、検出された誘起電圧が前記設定値以上になったときに前記内燃機関の始動が完了したと判定する比較判定手段とにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用スタータジェネレータ。
4. 前記始動判定部は、前記ドライブ回路を通して流れる駆動電流を検出する駆動電流検出部と、前記駆動電流検出部により検出された駆動電流を設定値と比較して検出された駆動電流が設定値を超えているときに前記内燃機関の始動が完了していないと判定し、検出された駆動電流が前記設定値以下になったときに前記内燃機関の始動が完了したと判定する比較判定部とにより構成されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用スタータジェネレータ。
   

Images