JP4483911B2 - 車両用回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されて電動機および発電機として動作する車両用回転電機に関する。

近年、低燃費を目的としてアイドルストップする車両システムが提案されている。この車両システムでは、停車するたびにエンジンを切り、頻繁にエンジン始動を繰り返すため、車両用発電機をモータ駆動させて、ブラシ寿命が問題となるスタータの代わりとすることが要望されている。この車両システムでは、素早くエンジン回転を立ち上げるため、無回転の始動トルクとアイドル回転相当の回転が上がった領域で所定トルクが必要になる。

また、エンジンの回転変動を車両用発電機のトルク付与で安定化させたいといった要望もある。これは、エンジントルクの予期せぬ外乱等でエンジン回転が不安定になった場合に、車両用発電機をモータ駆動させてエンジン回転の安定化を図るものである。この車両システムにおいても、少なくともアイドル回転でモータトルクを発生させる必要がある。

一般に、車両用発電機では、発電機回転数で１５００ｒｐｍ程度のアイドル回転で必要電力を供給するように設計される。このような設計をした場合、通常は、発電電流の取り出しが可能となる回転数は１０００ｒｐｍ程度となる。

一方、この車両用発電機をモータ駆動させた場合、この１０００ｒｐｍの回転数ではバッテリに対して充電できる電圧が発生するため、モータ作動時はバッテリから電流を流し込むことができなくなり、トルクを発生できない回転数となってしまう。図８に示すように、無回転での始動トルクから発電開始回転数に直線的にトルクが減少してしまう。弱め界磁などの制御を行うことで多少はトルクは取り出すことができるが、上記の用途には十分とはいえない。

このような同期回転機の特性は、固定子のインダクタンス、具体的には固定子巻線の巻数によって決定される。図９に示すように、発電特性は、インダクタンス（巻数）の大小により発電開始回転数が異なり、これに合わせてモータ駆動時のトルク・回転数特性も変化する。

発電とエンジン駆動の機能を併せ持つ車両用回転機では、発電時の必要特性とエンジンのトルク必要特性とを同一のインダクタンスで実現することが難しく、発電特性を優先すると駆動トルクが足りないモータ特性となり、モータ特性を優先するとアイドル回転で発電出力が足りなくなるという相反する要求があった。

このような要求に応える従来技術としては、固定子巻線を２組用意してこれらを直並列に切り替えることでインピーダンスを変更する直並列切換回転電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、他の従来技術として、回転電機のＹ結線された３相巻線の中性点と高電位および低電位間にスイッチング素子を配置し、３相巻線に断線等の異常が発生した場合に、異常が発生した相の巻線の代わりに中性点を利用するようにした回転電機が知られている。
特開平４−８８９００号公報（第２−５頁、図１−２０） 特開２００７−９９０６６公報（第４−１２頁、図１−１６）

ところで、特許文献１に開示された直並列切換回転電機では、固定子に複数組の多相巻線を組込むことが必要であり、固定子の構造が複雑になってコスト高になるという問題があった。また、巻線の直並列を切り替えるためにスイッチング素子が追加で多数必要となり、例えば通常６個の整流素子に対し、９個のスイッチング素子が追加で必要となり、これもコスト高になる要因であった。

また、特許文献２に開示された回転電機は、モータ駆動時のみでかつ異常事態対応の技術であり、上述した要求に応えるものではない。また、本来の３相巻線を２相の巻線だけで駆動し、中性点を使用して擬似的に３相を作りあげるものであり、回転がスムーズでないなどの問題もある。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、発電時は小型、高出力、高効率を、モータ駆動時は高トルクを低コストで実現することができる車両用回転電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用回転電機では、複数のＮＳ磁極を有する回転子と、多相巻線を有する固定子と、多相巻線に対する入出力をスイッチング素子の導通制御で行うことにより交流・直流変換する整流装置と、スイッチング素子の導通制御を行う整流制御部とを備え、発電機および電動機として動作する車両用回転電機であって、多相巻線は、Ｙ結線され、整流装置は、多相巻線と高電位端との間に接続されるハイサイド巻線端スイッチング素子と、多相巻線と低電位端との間に接続されるローサイド巻線端スイッチング素子と、中性点と高電位端との間に接続されるハイサイド中性点スイッチング素子と、中性点と低電位端との間で接続されるローサイド中性点スイッチング素子とを備え、整流制御部は、ハイサイド巻線端スイッチング素子とローサイド巻線端スイッチング素子のみで整流装置が動作する多相全波整流モードと、ハイサイド巻線端スイッチング素子あるいはローサイド巻線端スイッチング素子とは異なる電位側のローサイド中性点スイッチング素子あるいはハイサイド中性点スイッチング素子とを含んで整流装置が動作する中性点整流モードとを切り替えるように、各スイッチング素子の導通制御を行う。

多相巻線がＹ結線されている場合には、通常の整流をすると必ず２相に電流が流れ、インダクタンスは各相の幾何学和となる。本発明では、ハイサイドもしくはローサイドの巻線端スイッチング素子と異なる電位側の中性点スイッチング素子を用いて整流する中性点整流モードを有するため、このモードの際は、電流は中性点から出入りし、１相の巻線しか電流は流れない。したがって、インダクタンスは１相の巻線分、すなわち低インダクタンスの巻線とすることができる。本発明では、整流制御部によって２つの制御モードを任意に切り替えることができ、結果として同一の多相巻線で擬似的にインダクタンスを変更することができる。したがって、多相巻線が一組ですみ、発電時は小型、高出力、高効率を、モータ駆動（電動機動作）時は高トルクを低コストで実現することができる。また、制御モードの切り替えによって任意に特性変更が可能となるため、その時々で最適な発電特性もしくは電動機トルク特性を得ることができる。

また、上述した整流制御部は、電動機および発電機のいずれとして動作させるかによって、多相全波整流モードと中性点整流モードとを切り替えることが望ましい。従来構成では、発電時とモータ駆動時は適切な特性を同時に得ることは難しいが、本発明により、等価的にインダクタンスを変更することが可能となるため、発電時とモータ駆動時の両方において良好な特性を得ることができる。

また、上述した整流制御部は、発電機として動作させる場合に多相全波整流モードに、電動機として動作させる場合に中性点整流モードに切り替えることが望ましい。これにより、発電時は低速回転においても高出力を得ることができ、モータ駆動時はインダクタンスを等価的に減少することができるため、車両用発電機では難しかった発電とモータ駆動とを同時に実現することができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用回転電機交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、一実施形態の車両用回転電機の全体構成を示す結線図である。図１に示すように、本実施形態の車両用回転電機１００は、固定子（図示せず）に含まれる多相巻線としての三相巻線１、回転子（図示せず）に含まれる界磁巻線２、整流装置３、制御装置５を含んで構成されている。

三相巻線１は、界磁巻線２が設けられた回転子の１磁極分に相当する電気角１８０°ピッチで固定子鉄心（図示せず）に巻回されて各相巻線がＹ結線されている。この三相巻線１の各相の３つの出力端（巻線端）と中性点Ｎとが整流装置３に接続されている。

整流装置３は、トランジスタとそのソース・ドレイン間に接続されたダイオードとからなる８個のスイッチング素子からなっている。具体的には、三相巻線１の各相の巻線端と高電位端３０との間に３個のハイサイド巻線端スイッチング素子３１１〜３１３が配置され、各相の巻線端と低電位端３２との間に３個のローサイド巻線端スイッチング素子３１４〜３１６が配置されており、これらによって三相全波整流ブリッジ３１が構成されている。一方、中性点Ｎからも出力端子１１１が取り出され、この出力端子１１１と高電位端３０との間にハイサイド中性点スイッチング素子３１７が配置され、出力端子１１１と低電位端３２との間にローサイド中性点スイッチング素子３１８が配置されている。本実施形態では、各スイッチング素子は低損失のＭＯＳＦＥＴが用いられている。各スイッチング素子は、ゲートに入力される制御信号が整流制御部としての制御装置５で生成され、導通制御（断続制御）が行われる。

この整流装置５は、外部のバッテリ２０および電気負荷９１に接続されている。車両用回転電機１００が発電動作を行う場合には、整流装置３からバッテリ２０や電気負荷９１に向けて充電電流や動作電流が供給される。反対に、車両用回転電機１００が電動機動作を行う場合には、バッテリ２０から整流装置３に向けて電動機動作に必要なモータ駆動電流が供給される。

制御装置５は、外部のＥＣＵ（電子制御装置）６と回転子の回転位置を検出する位置センサ５２とバッテリ２０の端子電圧を検出する電圧センサ５３（図１では単に制御装置５にバッテリ２０の端子電圧を取り込む接続線が電圧センサ５３として図示されている）のそれぞれに接続されており、これらから入力される信号に基づいて、制御モードの決定、各スイッチング素子への制御信号の入力、界磁巻線２への界磁電流の供給などを行う。

本実施形態では、２種類の制御モードで車両用回転電機１００を動作させることができる。一方は、ハイサイド巻線端スイッチング素子３１１〜３１３とローサイド巻線端スイッチング素子３１４〜３１６のみで整流装置３が動作する多相全波整流モードであり、他方は、ハイサイド巻線端スイッチング素子３１１〜３１３あるいはローサイド巻線端スイッチング素子３１４〜３１６とは異なる電位側のローサイド中性点スイッチング素子３１８あるいはハイサイド中性点スイッチング素子３１７とを含んで整流装置３が動作する中性点整流モードである。これの各制御モードの詳細動作については後述する。

ＥＣＵ６から制御装置５には、車両用回転電機１００を発電機として動作させるか電動機として動作させるかを指示する信号が送られてくる。車両用回転電機１００は、発電時には、回転子の界磁巻線２に電流を流すことによりＮＳ磁極を形成し、これを固定子の内周側で回転させることによって、電磁誘導作用により三相巻線１に交流電圧を発生させ、整流装置３により直流に変換して外部へ出力を供給する。一方、モータ駆動時は、回転子の界磁巻線２に電流を流すことによりＮＳ磁極を形成するとともに、バッテリ２０から印加される交流電圧を整流装置３で交流電圧に変換して三相巻線１に電流を流し、回転磁界を作って回転子を回転させる。

本実施形態の車両用回転電機１００はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。図２は、中性点制御モードにおける各スイッチング素子の動作状態を示す図である。また、図３は多相全波整流制御モードにおける各スイッチング素子の動作状態を示す図である。これらの図において、Ｇ１〜Ｇ３はハイサイド巻線端スイッチング素子３１１〜３１３のそれぞれのゲートに入力される制御信号を、Ｇ４〜Ｇ６はローサイド巻線端スイッチング素子３１４〜３１６のそれぞれのゲートに入力される制御信号を、Ｇ７はハイサイド中性点スイッチング素子３１７のゲートに入力される制御信号を、Ｇ８はローサイド中性点スイッチング素子３１８のそれぞれのゲートに入力される制御信号を示している。また、これらの制御信号がハイレベル（ＯＮ）のときに、対応するスイッチング素子がオン状態に制御され、ローレベル（ＯＦＦ）のときに、対応するスイッチング素子がオフ状態に制御される。また、図２、図３および後述する図４、図５において、横軸は時間軸である。

図３に示すように、多相全波整流モードでは、一般の全波整流と同様に各スイッチング素子の導通が制御される。ハイサイド中性点素子３１７とローサイド中性点スイッチング素子３１８は、常時オフされており、使用されない。

一方、図２に示すように、中性点制御モードでは、ハイサイド巻線端スイッチング素子３１１〜３１３のそれぞれ、およびローサイド巻線端スイッチング素子３１４〜３１６のそれぞれは、電気角で互いに１２０度位相差となるように制御される。導通区間は、６０度とし、他の相が時間的にオーバーラップしないよう設定されている。

また、ハイサイド中性点スイッチング素子３１７およびローサイド中性点スイッチング素子３１８は、６０度間隔で互いにオン状態とオフ状態が排他的に切り替わるようになっている。

巻線端スイッチング素子と中性点スイッチング素子は、必ず一組が反対極性のものが同時にオン状態になるよう導通制御され、中性点Ｎから電流が出力または入力されるように電流経路が形成される。ハイサイド巻線端スイッチング素子３１１〜３１３のいずれかがオンのときにローサイド中性点スイッチング素子３１８がオンになり、反対に、ローサイド巻線端スイッチング素子３１４〜３１６のいずれかがオンのときにハイサイド中性点スイッチング素子３１７８がオンになり、必ず異種電位端側がオンとなるように制御される。

図３に示す多相全波整流モードでは、三相巻線１の巻線端しか整流装置３に接続されないため（ハイサイド中性点スイッチング素子３１７とローサイド中性点スイッチング素子３１８がともに常時オフ状態のため）、図６に概要を示すように、必ず三相巻線１を２相を電流が流れる（図６の矢印で電流の経路が示されている）。したがって、三相巻線１のインダクタンスは等価的に増加する。理論上は、１相あたりの巻線のインダクタンスに対して、√３倍（約１．７倍）となる。これに対し、図２に示す中性点整流モードでは、三相巻線１の巻線端と中性点Ｎの両方が整流装置３に接続され、全てのスイッチング素子を介して電流が入出力されており、図７に概要を示すように、三相巻線１の１相分しか電流が流れないように制御される（図７の矢印で電流の経路が示されている）。したがって三相巻線１全体のインダクタンスは小さくなり、弱め界磁をすることなく励磁を弱めることができる。したがって、多相全波整流モードと中性点制御モードを使い分けることで、発電とモータ駆動、高速・低速回転などの様々な動作モードにおいて、最適なインダクタンスを選択することが可能になる。

例えば、制御装置５によって、回転子の回転数に応じて、多相全波整流モードと中性点整流モードとを切り替える場合が考えられる。回転数に応じて制御モードを切り替えることにより、制御プログラムを簡素化することができる。また、発電特性および電動機トルク特性は回転数に依存するため、より好適な特性を得ることができる。

また、制御装置５によって、所定の回転数よりも低速側では多相全波整流モードに、高速側では中性点整流モードに切り替える場合が考えられる。これにより、発電においては所定の回転数より低速側で、発電能力を高めるため固定子のインダクタンスを大きくすることができ、反対に高速側ではインダクタンスを減少させて反作用を減らすことができ、高出力を得ることができる。また、モータ駆動においてはインダクタンスが減るために高トルクを高速側で得ることができる。

また、制御装置５によって、電動機および発電機のいずれとして動作させるかによって、多相全波整流モードと中性点整流モードとを切り替える場合が考えられる。従来構成では、発電時とモータ駆動時は適切な特性を同時に得ることは難しいが、本発明により、等価的にインダクタンスを変更することが可能となるため、発電時とモータ駆動時の両方において良好な特性を得ることができる。具体的には、制御装置５によって、発電機として動作させる場合に多相全波整流モードに、電動機として動作させる場合に中性点整流モードに切り替える場合が考えられる。これにより、発電時は低速回転においても高出力を得ることができ、モータ駆動時はインダクタンスを等価的に減少することができるため、車両用発電機では難しかった発電とモータ駆動とを同時に実現することができる。

このように、本実施形態の車両用回転電機１００では、ハイサイド巻線端スイッチング素子３１１〜３１３もしくはローサイド巻線端スイッチング素子３１４〜３１６と異なる電位側の中性点スイッチング素子３１８あるいは３１７を用いて整流する中性点整流モードを有するため、この制御モードの際は、電流は中性点から出入りし、１相の巻線しか電流は流れない。したがって、インダクタンスは１相の巻線分、すなわち低インダクタンスの巻線とすることができる。本実施形態の車両用回転電機１００では、制御装置５によって２つの制御モードを任意に切り替えることができ、結果として同一の三相巻線１で擬似的にインダクタンスを変更することができる。したがって、三相巻線１が一組ですみ、発電時は小型、高出力、高効率を、モータ駆動（電動機動作）時は高トルクを低コストで実現することができる。また、制御モードの切り替えによって任意に特性変更が可能となるため、その時々で最適な発電特性もしくは電動機トルク特性を得ることができる。

ところで、図２に示した中性点整流モードでは、ハイサイド巻線端スイッチング素子３１１〜３１３およびローサイド巻線端スイッチング素子３１４〜３１６の全てを周期的に導通制御する全波整流を実施したが、半波整流に対応する中性点整流モードを実施するようにしてもよい。

図４は、半端整流に対応する変形例の中性点整流モードにおける各スイッチング素子の動作状態を示す図である。図４に示す中性点整流モードでは、ハイサイド中性点スイッチング素子３１７を常時オンし、それと異なる電位のローサイド巻線端スイッチング素子３１４〜３１６を導通制御している。このように、整流装置３に半端整流動作を行わせることにより、中性点整流モードにおいける三相巻線１のインダクタンスをさらに小さくすることができる。

図５は、半端整流に対応する他の変形例の中性点整流モードにおける各スイッチング素子の動作状態を示す図である。図５に示す中性点整流モードでは、ローサイド中性点スイッチング素子３１８を常時オンし、それと異なる電位のハイサイド巻線端スイッチング素子３１１〜３１３を導通制御している。この場合にも、中性点整流モードにおいける三相巻線１のインダクタンスをさらに小さくすることができる。なお、図４および図５に示した中性点整流モードでは、各巻線端スイッチング素子は導通区間を６０度としているが、これは１２０度であってもよい。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、三相巻線１を備えた車両用回転電機１００について説明したが、３相以外の多相巻線を備えた車両用回転電機に本発明を適用することができる。

一実施形態の車両用回転電機の全体構成を示す結線図である。 中性点制御モードにおける各スイッチング素子の動作状態を示す図である。 多相全波整流制御モードにおける各スイッチング素子の動作状態を示す図である。 半端整流に対応する変形例の中性点整流モードにおける各スイッチング素子の動作状態を示す図である。 半端整流に対応する他の変形例の中性点整流モードにおける各スイッチング素子の動作状態を示す図である。 多相全波整流モードの概要を示す図である。 中性点整流モードの概要を示す図である。 従来の車両用発電機の特性を示す図である。 従来の車両用発電機におけるインダクタンスと発電量との関係を示す図である。

符号の説明

１ 三相巻線
２ 界磁巻線
３ 整流装置
５ 制御装置
６ ＥＣＵ
２０ バッテリ
３０ 高電位端
３１ 三相全波整流ブリッジ
３２ 低電位端
５２ 位置センサ
５３ 電圧センサ
９１ 電気負荷
３１１〜３１３ ハイサイド巻線端スイッチング素子
３１４〜３１６ ローサイド巻線端スイッチング素子
３１７ ハイサイド中性点スイッチング素子
３１８ ローサイド中性点スイッチング素子

Claims (2)

1. 複数のＮＳ磁極を有する回転子と、多相巻線を有する固定子と、前記多相巻線に対する入出力をスイッチング素子の導通制御で行うことにより交流・直流変換する整流装置と、前記スイッチング素子の導通制御を行う整流制御部とを備え、発電機および電動機として動作する車両用回転電機において、
   前記多相巻線は、Ｙ結線され、
   前記整流装置は、前記多相巻線と高電位端との間に接続されるハイサイド巻線端スイッチング素子と、前記多相巻線と低電位端との間に接続されるローサイド巻線端スイッチング素子と、中性点と前記高電位端との間に接続されるハイサイド中性点スイッチング素子と、前記中性点と前記低電位端との間で接続されるローサイド中性点スイッチング素子とを備え、
   前記整流制御部は、前記ハイサイド巻線端スイッチング素子と前記ローサイド巻線端スイッチング素子のみで前記整流装置が動作する多相全波整流モードと、前記ハイサイド巻線端スイッチング素子あるいは前記ローサイド巻線端スイッチング素子とは異なる電位側の前記ローサイド中性点スイッチング素子あるいは前記ハイサイド中性点スイッチング素子とを含んで前記整流装置が動作する中性点整流モードとを切り替えるように、各スイッチング素子の導通制御を行うとともに、電動機および発電機のいずれとして動作させるかによって、前記多相全波整流モードと前記中性点整流モードとを切り替えることを特徴とする車両用回転電機。
2. 複数のＮＳ磁極を有する回転子と、多相巻線を有する固定子と、前記多相巻線に対する入出力をスイッチング素子の導通制御で行うことにより交流・直流変換する整流装置と、前記スイッチング素子の導通制御を行う整流制御部とを備え、発電機および電動機として動作する車両用回転電機において、
   前記多相巻線は、Ｙ結線され、
   前記整流装置は、前記多相巻線と高電位端との間に接続されるハイサイド巻線端スイッチング素子と、前記多相巻線と低電位端との間に接続されるローサイド巻線端スイッチング素子と、中性点と前記高電位端との間に接続されるハイサイド中性点スイッチング素子と、前記中性点と前記低電位端との間で接続されるローサイド中性点スイッチング素子とを備え、
   前記整流制御部は、前記ハイサイド巻線端スイッチング素子と前記ローサイド巻線端スイッチング素子のみで前記整流装置が動作する多相全波整流モードと、前記ハイサイド巻線端スイッチング素子あるいは前記ローサイド巻線端スイッチング素子とは異なる電位側の前記ローサイド中性点スイッチング素子あるいは前記ハイサイド中性点スイッチング素子とを含んで前記整流装置が動作する中性点整流モードとを切り替えるように、各スイッチング素子の導通制御を行うとともに、発電機として動作させる場合に前記多相全波整流モードに、電動機として動作させる場合に前記中性点整流モードに切り替えることを特徴とする車両用回転電機。

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