JP4347845B2 - 巻線界磁式回転電機の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、巻線界磁式回転電機の制御装置、特に回転電機の界磁電流を所定の値に制御する界磁電流制御装置の改良に関するものである。

車両用の回転電機として用いられる発電機及び電動機では、充放電可能な直流電源との間に接続され、回転電機が電動機の場合には、直流電源からの直流電力を交流電力に変換し回転電機に電力を供給して駆動力を発生させ、回転電機が発電機の場合には、回転電機で発生した交流電力を直流電力に変換して直流電源あるいは車両用負荷を充電するように作用する複数個のパワー半導体スイッチング素子からなる電力変換装置が用いられる。
また、この電力変換装置の制御には上記回転電機の回転子に巻回された界磁コイルの界磁電流を界磁電流制御装置により制御することにより様々な動作を実行することができる巻線界磁型が多く使われている。

図７は従来の車両用巻線界磁式発電機の構造を示す側断面図を示している。図７に示す如く、この回転電機は、アルミニウム製のフロントブラケット１及びリヤブラケット２から構成されたケース３と、このケース３内に設けられ、一端部にプーリ４が固定されたシャフト６と、このシャフト６に固定されたクローポール型の回転子７と、回転子７の両端面に固定されたファン５と、ケース３内の内壁面に固定された固定子８と、シャフト６の他端部に固定され回転子７に電流を供給するスリップリング９と、スリップリング９に摺動する一対のブラシ１０と、このブラシ１０を収納したブラシホルダ１１と、固定子８に電気的に接続され固定子８で生じた交流を直流に整流する整流器１２と、ブラシホルダ１１に嵌着されたヒートシンク１９と、このヒートシンク１９に接着され固定子８で生じた電力の大きさを調整するレギュレータ２０とを備えている。

以下、上記の構造を有する車両用巻線界磁式発電機の動作を説明する。図示しない直流電源からレギュレータ２０、ブラシ１０、スリップリング９を通じて回転子巻線１３に電流が供給されて磁束が発生し、第１のポールコア体２１の爪状磁極２３にはＳ極が着磁され、第２のポールコア体２２の爪状磁極２４にはＮ極が着磁される。Ｎ、Ｓは逆でも良い。磁極が着磁された状態で、エンジンの回転力をベルトにより伝えることでプーリ４が回転し、シャフト６を介して回転子７が回転することで固定子巻線１６に起電力が生じる。

この交流の起電力は、整流器１２を通って直流電流に整流されるとともに、レギュレータ２０により電流の大きさが調整されて、図示しない直流電源に充電される。巻線界磁型の回転電機では車両負荷に応じて所定の出力を得るためにレギュレータ２０内に界磁電流制御用スイッチング素子を用い、そのデューティファクタ制御により界磁電流を調整している。なお、交流を直流に整流する整流器１２の変わりに、逆に直流を交流に変換する直流交流変換器を使用することで固定子のそれぞれの相に交流電流を流して電動機として使用してもよい。直流交流相互変換器を使用すれば、発電機と電動機の双方の機能を持たせることもできる。

図８は従来一般に用いられている界磁電流制御装置の主要回路構成図である。図において、３０は界磁電流制御装置、１００は回転電機を表している。界磁電流制御装置３０は
ＰＮ端子間に直列接続された界磁制御スイッチング素子２６とフライホイールダイオード２７と、上記界磁制御スイッチング素子２６の制御電極に対して制御信号を出力する制御コントローラ２５とから構成されている。回転電機１００側には界磁コイル１３が上記フライホイールダイオード２７との間で還流ループを構成するように接続されている。なお、上記還流ループ内に界磁コイル１３に流れる電流の大きさを測定するシャント２８が挿入されている。

以上のように巻線界磁式回転電機では界磁電流を界磁制御スイッチング素子２６のオン-オフによりデューティファクタ制御することで、発電・駆動出力を制御している。しかし、この界磁制御スイッチング素子２６が常時オンとなるオン故障が起こることが考えられる。この場合、発電時には必要とする車両負荷以上の発電をすることとなり、その余剰を吸収するために直流電源が過充電状態に陥ることが考えられる。また、駆動時には回転電機の発煙・発火や直流電源の過放電が起きることが考えられる。

特に発電・駆動を行う回転電機では、駆動トルク向上のためデューティ比が大きい場合の界磁電流が大きく設定されており、界磁制御スイッチング素子がオン故障した場合に発電量が発電用の回転電機よりも大きくなり、車両への影響、特に直流電源の過充電や、回転電機の発火などの問題が装置全体の信頼性を損なう結果となっていた。
このような問題への対応例として特開２００３−７９１９５（特許文献１）に示されたものがある。特許文献１では、界磁電流を制御するスイッチング素子を複数個直列に搭載することで、仮に片方がオン故障をおこしても残りのスイッチング素子を制御することにより、界磁電流の制御を行い故障の被害を押さえることを提案している。

特開２００３−７９１９５号公報

しかし、特許文献１（特開２００３−７９１９５）のように複数のスイッチング素子を使用しても、スイッチング素子の駆動回路の故障時には、全ての素子が同時にON故障して大きな界磁電流が通電される。また、ノイズ電圧などがスイッチング素子に印加されると全ての素子が同時に破壊してしまい、スイッチング素子を確実に保護することは難しかった。また、高価なスイッチング素子をむやみに増やすということは、その実装面積の増大もあり、電力変換装置素子として極力避けなければならないことである。
この発明は簡単・安価な構成で界磁電流の制御を行い、故障の被害を確実に押さえることができる巻線界磁式回転電機の制御装置を提供することを目的とする。

この発明の巻線界磁式回転電機の制御装置は、直流電源間に界磁コイルと直列に接続された界磁制御スイッチング素子のオンオフにより界磁コイルへの界磁電流を所定の目標値に制御する巻線界磁式回転電機において、上記界磁制御スイッチング素子と直列接続されると共に上記界磁コイルと並列接続された環流用スイッチング素子と、上記界磁制御スイッチング素子及び環流用スイッチング素子の制御電極に対して制御信号を出力する制御コントローラと、上記界磁コイルと環流用スイッチング素子との間で形成される還流ループに挿入され界磁電流の大きさを測定するシャント抵抗と、上記還流ループ外で上記界磁コイルと直列に挿入された電流制限素子とから構成され、上記制御コントローラは上記シャント抵抗により検出される界磁電流値が所定値を超えた場合に、上記界磁制御スイッチング素子と還流用スイッチング素子を同時に導通して上記電流遮断素子を作動させるようにしたものである。

この発明にかかる電力制御装置によれば、界磁電流が過大となった場合に、ヒューズが溶断し、発電機から直流電源への発電出力を停止し、直流電源が過充電となることを防止する。また、電動機の場合は、過剰な界磁電流の通電を停止し、電動機の発火やバッテリあがりを防止する効果を有する。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態１の回転電機用電力変換装置の界磁制御回路の主要回路図を示しており、図中、図８の従来装置と同一部分あるいは相当部分には同一符号を付して示している。図１において、界磁電流Ｉfは図示しない直流電源からP端子を通して界磁電流制御用半導体素子である界磁制御スイッチング素子２６、界磁コイル１３、界磁電流測定用シャント抵抗２８を流れ、N端子を通して接地される。また界磁コイル１３と並列にフライホイールダイオード２７が配置されている。

界磁制御スイッチング素子２６はMOSFETにて構成されており、その制御端子へ制御コントローラ２５から指令を受け、回転電機が必要な発電量・駆動トルクを発生するように界磁電流をデューティファクタ制御している。実際に流れている界磁電流Ｉfはシャント抵抗２８によって測定される。以上は図８の従来装置と全く同一の構成であるが、界磁コイル１３と直列であって、しかも還流ループＲから外れたN端子側に挿入されたヒューズ２８を配置している点で異なっている。

上記第1の実施形態の動作を説明する。いま、界磁制御スイッチング素子２６がオン故障を起こした場合、界磁回路への直流電流供給部から、界磁コイル１３に対し流すことができる最大電流が供給されることになり、このときヒューズ２９に最大電流が流れることになる。なお、ヒューズ２９は、最大界磁電流が流れた場合に所定の時間で溶断するように設定されている。ヒューズ２９が溶断することにより、発電時は直流側への発電出力を停止でき、直流電源が過充電となったり、駆動時の回転電機の発火や直流電源の過放電を防止することができる。また本保護機能は通常の界磁電流制御回路３０にヒューズ２９を追加するだけで実現できるため、回路の実装面積をほとんど変える必要なしに実現でき、コストも安く押さえることができる。

実施の形態２．
次に、この発明の第２の実施形態について、図２を参照して説明する。図２は本発明の実施の形態２の電力変換装置の界磁制御回路の主要回路図を示しており、図中、図８の従来装置と同一部分あるいは相当部分には同一符号を付して示している。本実施の形態は、界磁制御スイッチング素子２６の挿入位置が上記第1の実施形態と異なるのみである。すなわち、上記第1の実施形態では界磁制御スイッチング素子２６をＰ端子側に挿入しているが、本実施の形態では界磁制御スイッチング素子２６をＮ端子側に挿入している。

界磁電流Ｉfは図示しない直流電源からP端子を通して、界磁コイル１３、界磁電流測定用シャント抵抗２８、界磁制御スイッチング素子２６、ヒューズ２９を流れN端子を通して接地される。また界磁コイル１３、シャント抵抗２８と並列にフライホイールダイオード２７が配置されている。このような構成としても、界磁制御スイッチング素子２６がオン故障を起こした場合、界磁回路への直流電流供給部から、界磁コイル１３に対し流すことができる最大電流が供給されることになり、このときヒューズ２９に最大電流が流れ、これを溶断することにより、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
次にこの発明の実施の形態３について、図３を参照して説明する。図３の界磁制御回路の主要回路図においては、実施の形態１と類似しているが、フライホイールダイオードに代えて、MOSFETにて構成されたスイッチング素子(以下還流用スイッチング素子)３１を用いている点で相違している。また界磁コイル１３と直列に還流ループ外のN端子側にヒューズ２９を配置しているのは同一である。

本実施の形態の動作を説明する。界磁制御スイッチング素子２６がオン故障を起こした場合、界磁回路への直流電流供給部から、界磁コイル１３に対し流すことができる最大電流が供給されることになる。このときマイコン内蔵の制御コントローラ２５により、シャント抵抗２８で測定される界磁電流Ｉfと指令値との偏差をとり、偏差が所定値を超過した場合に、界磁制御スイッチング素子２６がオン故障したと判定する。上記判定がなされると還流用スイッチング素子３１をオンし、一時的に界磁回路を短絡する。これにより界磁電流Ｉfが両スイッチング素子２６、３１とヒューズ２９を通り接地点に流れる。各素子のオン時の抵抗はごくわずか（５〜１０ｍΩ）であるため、短絡時には回路に瞬間的に大電流（３００〜６００Ａ）が流れることになり、十分に定格電流の大きなヒューズを選択しても素早く溶断できる。一般にヒューズは定格電流が大きいものほど抵抗が下がるため、ヒューズによる損失を減らすことができる。

一方、還流用スイッチング素子３１がオン故障、あるいは界磁コイル１３が断線した場合には、界磁回路が短絡するため、界磁コイル１３に電流が流れず、シャント抵抗２８で検出されないため、これにより還流用スイッチング素子３１のオン故障、あるいは界磁コイル１３の断線と判定する。上記判定後、界磁制御スイッチング素子２６の制御停止、あるいは所定の時間、界磁制御スイッチング素子２６をオンしヒューズを溶断する。これにより実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

また、この実施の形態では、ヒューズ２９を大容量、すなわち、その許容電流を回転電機の最大界磁電流の２〜３倍に設定することで、その抵抗値を小さくすることができ、ヒューズによる損失を小さくできるため、通常の使用状態ではヒューズ２９を加えたことによる影響を無視することができる。また２つのスイッチング素子２６、３１を図のように配置することにより、２つのスイッチング素子を交互にオン-オフすることで、同期還流制御を行うことができ、界磁電流制御コントローラ２５の損失を低減することができる。

実施の形態４．
次にこの発明の実施の形態４について図４を参照して説明する。図４は本発明の実施の形態４の電力変換装置の界磁制御回路の主要回路図を示す。本実施の形態では、還流ループのP端子側にヒューズ２９で構成された電流遮断素子を配置している。ヒューズ２９の容量を最大電流の２〜３倍とすることで界磁回路全体の抵抗値を増やすことなく搭載できる。この場合の動作も上記と同様で、シャント抵抗で測定された界磁電流と指令値との偏差が一定値を超過した場合に界磁制御スイッチング素子のオン故障と判定し、還流用スイッチング素子３１をオンにする。この結果、大電流がヒューズに流れて溶断し、直流側への発電出力を停止し、直流電源が過充電となることを防止することができる。これにより実施の形態３と同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
次にこの発明の実施の形態５について図５を参照して説明する。図５は本発明の実施の形態５の電力変換装置の界磁制御回路の主要回路図であり、図５では還流ループのP端子側にバイメタルサーモスタットで構成された電流遮断素子３２を配置する。通常状態ではバイメタルによって界磁回路が接続されており、電流遮断素子が高温になるとバイメタルサーモスタットの動作によって回路が遮断される。

次に動作を説明すると、シャント抵抗２８で測定された界磁電流と指令値との偏差が一定値を超過した場合に界磁制御スイッチング素子２６のオン故障と判定し、還流用スイッチング素子３１をオンにする。これにより大電流が、界磁制御スイッチング素子２６、電流遮断素子３２、還流用スイッチング素子３１と流れ、電流遮断素子３２の温度が上昇し、バイメタルサーモスタットの動作により回路が遮断される。これにより発電時は直流側への発電出力を停止でき、直流電源が過充電になったり、駆動時の回転電機の発火や直流電源の過放電を防止することができる。

さらにバイメタルが元に戻ることを利用して車両負荷、直流電源の充電量に応じて、還流用スイッチング素子３１を制御することにより、最大発電と発電なしを繰り返すことで、車両が安全なところに停車するまでの間、車両の機能を維持するように制御することもできる。また、電流遮断素子３２を還流ループのN端子側に配置しても同様の効果を得ることができるのはもちろんである。
なお、上記のバイメタルサーモスタットを、一旦その動作により回路を遮断した場合に、温度が下がっても自動的に通電状態に復帰しないものを使用することもできる。

実施の形態６．
次にこの発明の実施の形態６について図６を参照して説明する。図６は本発明の実施の形態６の電力変換装置の界磁制御回路の主要回路図を示す。図６では還流ループのP端子側に温度上昇に伴い抵抗値が上昇する素子で構成された例えばサーミスタ等の電流制限素子３３を配置する。ただし電流遮断素子３３の抵抗は通常の使用温度範囲内では低くなるように設定し、設定温度以上で急激に抵抗が上昇する素子を使用する。

次にこの回路の動作を説明する。シャント抵抗２８で測定された界磁電流と指令値との偏差が一定値を超過した場合に界磁制御スイッチング素子２６のオン故障と判定し、還流用スイッチング素子３１をオンにする。この結果、大電流が電流遮断素子３３に流れ、素子の抵抗によって発熱し、素子が温度上昇するにつれてその抵抗が上昇する。電流遮断素子３３の抵抗が増えることで界磁電流が減り、回転電機の発電量を減らすことができ、図示しない直流電源が過充電となることを防止することができる。また、界磁電流を測定値から電流遮断素子３３が冷え、抵抗が下がったと判定されると、再び界磁制御スイッチング素子２６をオンすることで電流遮断素子３３を過熱し抵抗を上げる。以上の動作を繰り返すことで、車両が安全な場所に停車する前まで車両の機能を維持できる程度の発電することができる。
また、電流遮断素子３３を還流ループのN端子側に配置しても同様の効果を得ることができる。

実施の形態７．
次にこの発明の実施の形態７について図６を参照して説明する。本発明の実施の形態７では還流ループ内の電流測定用シャント抵抗２８がヒューズを兼ねた構造となっている。これにより実装面積を増加させること無く、界磁保護回路を搭載することができる。ヒューズは最大界磁電流の許容通電時間よりも長い時間で溶断するようなものを選択する。シャント抵抗２８での界磁電流の測定と指令値に偏差が一定値を超過した場合に界磁制御スイッチング素子がオン故障したと判定する。この判定結果を運転手等に周知すると共に、ヒューズが溶断するまで界磁電流を流す。ヒューズが溶断されることにより、発電時は直流側への発電出力を停止でき、直流電源が過充電になったり、駆動時の回転電機の発火や直流電源の過放電を防止することができる。

なお、実施の形態３〜７では界磁制御スイッチング素子２６を還流ループのP端子側に配置しているが、実施の形態２と同様にN端子側に配置した場合にも同様の効果を得ることができる。また、以上のような実施の形態１〜７で説明した界磁電流のフェールセーフ機能を持った電力変換装置を１つの製品として内蔵することにより、車両への搭載スペースの縮小、回転電機と電力変換装置間の配線の省略によるコスト削減を実現できる。

本発明の実施の形態１の回転電機用電力変換装置の界磁制御回路の主要回路図である。 本発明の実施の形態２の電力変換装置の界磁制御回路の主要回路図である。 本発明の実施の形態３の電力変換装置の界磁制御回路の主要回路図である。 本発明の実施の形態４の電力変換装置の界磁制御回路の主要回路図である。 本発明の実施の形態５の電力変換装置の界磁制御回路の主要回路図である。 本発明の実施の形態６の電力変換装置の界磁制御回路の主要回路図である。 従来の車両用巻線界磁式発電機の構造を示す側断面図である。 従来一般に用いられている界磁電流制御装置の主要回路構成図である。

符号の説明

１３ 界磁コイル、 ２５ 制御コントローラ、
２６ 界磁制御スイッチング素子、 ２７ フライホイールダイオード、
２８ シャント抵抗、 ２９ ヒューズ、
３０ 界磁電流制御装置、 ３１ 還流スイッチング素子、
３２ 電流遮断素子、 ３３ 電流限流素子、
１００ 回転電機。

Claims (7)

1. 直流電源間に界磁コイルと直列に接続された界磁制御スイッチング素子のオンオフにより界磁コイルへの界磁電流を所定の目標値に制御する巻線界磁式回転電機において、上記界磁制御スイッチング素子と直列接続されると共に上記界磁コイルと並列接続された環流用スイッチング素子と、上記界磁制御スイッチング素子及び環流用スイッチング素子の制御電極に対して制御信号を出力する制御コントローラと、上記界磁コイルと環流用スイッチング素子との間で形成される還流ループに挿入され界磁電流の大きさを測定するシャント抵抗と、上記還流ループ外で上記界磁コイルと直列に挿入された電流制限素子とから構成され、上記制御コントローラは上記シャント抵抗により検出される界磁電流値が所定値を超えた場合に、上記界磁制御スイッチング素子と還流用スイッチング素子を同時に導通して上記電流遮断素子を作動させるようにしたことを特徴とする巻線界磁式回転電機の制御装置。
2. 上記界磁制御スイッチング素子と還流用スイッチング素子は上記制御コントローラにより導通制御されるMOSFETにより構成されたことを特徴とする請求項１に記載の巻線界磁式回転電機の制御装置。
3. 上記電流遮断素子はヒューズにより構成されたことを特徴とする請求項１に記載の巻線界磁式回転電機の制御装置。
4. 上記電流遮断素子はバイメタルサーモスタットにより構成されたことを特徴とする請求項１に記載の巻線界磁式回転電機の制御装置。
5. 上記バイメタルサーモスタットは自動復帰しない素子により構成されたことを特徴とする請求項４に記載の巻線界磁式回転電機の制御装置。
6. 上記電流遮断素子は温度により抵抗が急峻に増大するサーミスタ素子により構成されたことを特徴とする請求項１に記載の巻線界磁式回転電機の制御装置。
7. 前記還流ループ内の電流測定用シャント抵抗はヒューズを兼ねた構造としたことを特徴とする請求項１記載の巻線界磁式回転電機の制御装置。

Images