JP4623587B2 - 車輌用回転電機 - Google Patents

Description

この発明は、自動車等の車輌用回転電機に関するものであり、特に車輌エンジンに連結されて、電動機として駆動する時は、エンジンにトルクを伝達し、始動やアイドリングストップ時にエンジンを駆動し、発電機として駆動する時は、エンジンのトルクを受けて回転駆動される電動、発電機に係るものである。

車輌用回転電機は、車載バッテリを電源として用いられるが、車輌用のバッテリの端子電圧は従来から１４Ｖ以下であることが多く、このバッテリを用いて力行（アイドリングストップやエンジンアシスト）を行うときに、電圧が小さいため出力トルクが大きくできないという問題点がある。このため前記問題を解消するための一方法として電圧制御を行わず、最大電圧を利用できる電圧位相のみを制御する１８０°あるいは１２０°矩形波通電方式、あるいはこのコンバインド方式が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００４−３２０８６１号公報

しかしながら前記特許文献１には、電機子巻線電流値を制御することが示されているにすぎず、最近の乗用車等に要求されているアイドリングストップ時やエンジンアシスト時のより一層の高トルク高出力化に対して考慮されていない。

一般に、固定子巻線の巻数を多くした場合、同一電流では速度０（アイドリングストップ時）におけるトルクは向上できる。しかし巻数が多いために巻線抵抗も大となり通電電流は減少する。高速域（エンジンアシスト時）においては、回転子の界磁巻線に電流を流すことにより発生する磁束と、固定子巻線の磁束の合計×回転数＋抵抗ドロップが電源電圧となるよう制御する必要があり、このときの最適な配分を設定する必要がある。

この発明は前記のような課題を解決するためになされたものであり、速度０（アイドリングストップ時）におけるトルクを向上させるとともに、高速域（エンジンアシスト時）の出力を向上させるものである。

この発明に係る車輌用回転電機は、エンジンに連結されバッテリと、インバータとこのインバータに接続され固定子巻線を有する固定子と、回転子とを備え、
バッテリの内部抵抗をＲ_ｂ、
バッテリとインバータ間の接続回路抵抗をＲ_ｄｃ、
インバータの順方向抵抗をＲ_ｉｎｖ、
インバータと固定子巻線間の接続回路抵抗をＲ_ａｃ、
とし、車輌用回転電機の回転速度が零の場合、
固定子巻線の抵抗値Ｒ_ｓｔが
Ｒ_ｓｔ＝Ｋ｛２／３（Ｒ_ｂ＋Ｒ_ｄｃ）＋（Ｒ_ｉｎｖ＋Ｒ_ａｃ）｝
但し、０．６≦Ｋ≦１．７
で表される値を満足するようインバータ制御により、電気角で１８０度区間の矩形波通電が行われるとともに、
回転子の界磁巻線の作る界磁磁束を打ち消す方向に磁束を発生させる電流を流すことを必要とする、車輌用回転電機の回転速度が高速域の場合、該回転速度における前記固定子巻線電流の実行値をＩ _ａｒｍｓ 、回転速度が零における前記バッテリと前記インバータ間に流れる電流をＩ _ｄｃ０ としたとき、
０．３４≦Ｉ _ａｒｍｓ ／Ｉ _ｄｃ０ ≦０．３６
で表されるＩ _ａｒｍｓ が力率１で通電されるものである。

この発明に係る車輌用回転電機は、バッテリの内部抵抗をＲ_ｂ、バッテリとインバータ間の接続回路抵抗をＲ_ｄｃ、インバータの順方向抵抗をＲ_ｉｎｖ、インバータと固定子巻線間の接続回路抵抗をＲ_ａｃ とし、前記車輌用回転電機の回転速度が零の場合、
前記固定子巻線の抵抗値Ｒ_ｓｔが
Ｒ_ｓｔ＝Ｋ｛１／２（Ｒ_ｂ＋Ｒ_ｄｃ）＋（Ｒ_ｉｎｖ＋Ｒ_ａｃ）｝
但し、０．６≦Ｋ≦１．７
で表される値を満足するよう前記インバータ制御により、電気角で１２０度区間の矩形波通電が行われるとともに、
回転子の界磁巻線の作る界磁磁束を打ち消す方向に磁束を発生させる電流を流すことを必要とする、車輌用回転電機の回転速度が高速域の場合、該回転速度における前記固定子巻線電流の実行値をＩ _ａｒｍｓ 、回転速度が零における前記バッテリと前記インバータ間に流れる電流をＩ _ｄｃ０ としたとき、
０．３４≦Ｉ _ａｒｍｓ ／Ｉ _ｄｃ０ ≦０．３６
で表されるＩ _ａｒｍｓ が力率１で通電されるので、最適な抵抗値（巻数）を設定することができ、搭載するバッテリ電源においてアイドリングストップ時の起動トルクを最大化することができるとともに、高速域（エンジンアシスト時）の出力を向上できるという効果がある。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１はこの実施の形態１による回転電機の通電系統回路図を示す。回転電機１は電動機あるいは電動、発電機のいずれかであってもよい。この回転電機１は車載バッテリ２からインバータ３を介して通電される。ここで、
Ｖ_ｂ０；バッテリ電圧、
Ｒ_ｂ；バッテリ内部抵抗、
Ｒ_ｄｃ；バッテリ、インバータ間接続回路抵抗（ＤＣライン抵抗）、
Ｒ_ｉｎｖ；インバータ順方向抵抗、
Ｒ_ａｃ；インバータ、固定子巻線間接続回路抵抗（ＡＣライン抵抗）、
Ｒ_ｓｔ；固定子巻線抵抗
である。
図１では回転電機１の固定子巻線はＹ結線を示しているが、Δ結線の場合は図２のように等価Ｙ結線として考えるものとする。
図中インバータ３として点線で囲まれた部分は、１８０°区間通電する駆動方式の場合、各相（図では３相）で上アームか下アームのいずれかがＯＮされており、他方はＯＦＦされているため、図中Ｖ_ｄｃで示した位置より左側（ＡＣ回路）では、どの運転状態においても２相が並列回路をなしている。よって、速度０におけるＤＣライン電流Ｉ_ｄｃ０は、次式（１）で表される。

１２０°区間通電する駆動方式の場合、３相のうち１相の上アームと下アームが両方ＯＦＦであり、残りの２相では上アームか下アームの一方がＯＮとなるため、同様に速度０におけるＤＣライン電流Ｉ_ｄｃ０は、次式（２）で表される。

固定子巻線のターン数をＮとすれば、巻数を増やすと巻線の断面積が小さくなり、巻線の全長が長くなることから、巻線抵抗Ｒ_ｓｔは次式（３）で表される。

速度０におけるトルクＴ_０はアンペアターンに比例すると考えられるため、１８０°区間通電する駆動方式の場合は次の式（４）で表される。

１２０°区間通電する駆動方式の場合には式（５）で表される。

（４）（５）式を最大とする巻数Ｎの条件は、分母の微分が０となる条件である。よって、１８０°区間通電する駆動方式の場合は式（６）となる。

１２０°区間通電する駆動方式の場合には式（７）となる。

（６）（７）式を変形し、（３）式の関係を導入すると次式（８）（９）が得られる。
１８０°区間通電する駆動方式の場合には

１２０°区間通電する駆動方式の場合

すなわち、それぞれの通電方式において巻線抵抗Ｒ_ｓｔが式（８）（９）式を満たすとき、速度０つまりアイドリングストップ時におけるトルクが最大となるということがわかる。
しかし、上記の式（８）（９）は巻数を小数点を含めて自由に選べるときの理論計算値であり、実際には巻数は整数あるいはΔ結線では整数／√３のように、飛び飛びの値となる。よって、次の（１０）（１１）式に示す係数ｋ_１８０，ｋ_１２０を用いて、巻線抵抗の許容範囲を決定する。
１８０°区間通電する駆動方式の場合

１２０°区間通電する駆動方式の場合

（１０）（１１）式を（３）式に代入して整理すると巻数Ｎについて次式（１２）（１３）を得る。
１８０°区間通電する駆動方式の場合

１２０°区間通電する駆動方式の場合

ここで、

である。

また、（１０）（１１）式を（１）（２）式に代入すると次式（１５）（１６）を得る。
１８０°区間通電する駆動方式の場合

１２０°区間通電する駆動方式の場合

よって、速度０トルク（アイドリングストップ時トルク）は（４）（５）式に（１２）（１３）（１４）（１５）式を代入することにより次式（１７）（１８）で表される。
１８０°区間通電する駆動方式の場合

１２０°区間通電する駆動方式の場合

（１７）（１８）式を見ると、ｋ_１８０，ｋ_１２０に関しては、独立で速度０トルクを決定していることがわかる。よって、ｋ_１８０＝１あるいはｋ_１２０＝１の時の速度０トルクを１と規格化したとき、ｋ_１８０あるいはｋ_１２０の値による速度０トルクの変化を計算することができる。これを図３に示す。
図３より、速度０トルクが、ｋ値が１のときと比較して３％低下する範囲を設定すると、
０．６≦Ｋ≦１．７
が得られる。図４にその一例を示す。

実施の形態２．
次に実施の形態２について説明する。
界磁磁束のみにより固定子に発生させる電圧が電源電圧を超えるため、固定子から界磁磁束を打ち消す向きに磁束を発生させる電流を流す必要がある回転速度における出力Ｐ_ｏ（ここでは高速出力と呼ぶ）を増加させる電機子電流の範囲を規定する。
線間電圧Ｖ、総磁束φとすると３相２相変換した電機子電流Ｉ（＝√３Ｉ_ａｒｍｓ）は次式（１９）で表される。

１８０°区間通電する駆動方式の場合、Ｖ＝√６／πＶ_ｄｃ、Ｖ_ｄｃ＝Ｖ_ｂ０−Ｉ_ｄｃ（Ｒ_ｄｃ＋Ｒ_ｂ）、Ｉ_ｄｃ＝√６／πＩの関係を（１９）式に代入すると、次式（２０）が得られる。ここで√６／πは矩形波をフーリエ級数展開した基本波実効値である。

よって、

出力Ｐ_ｏは、力率１を想定すると次式（２２）となる。

ここで、

とおけば、（２２）式は次式（２４）に変形される。

すなわち、Ｉ＝√６Ｖ_ｂ０／２πＡ（Ｉ_ａｒｍｓ＝Ｖ_ｂ０／２πＡ）のとき、出力は最大値となり、３Ｖ^２ _ｂ０／２π^２Ａとなる。
（２３）式に（１０）式を代入すると（２５）式となり

高速域の出力が最大となる電流Ｉ_ａｒｍｓは次式（２６）で表される。

（２６）式／（１５）を計算すると

（２７）式について、αをパラメータにして製造可能な範囲で変化させて（例えば０．１＜α＜２．５）ｋ_１８０による影響をプロットすると図５を得る。
図５より、０．６≦ｋ_１８０≦１．７の範囲では、
０．３４≦Ｉ_ａｒｍｓ／Ｉ_ｄｃ０≦０．３６
の関係のとき、高速出力（エンジンアシスト時出力）が最も大きくなるといえる。

同様に、１２０°区間通電する駆動方式の場合、Ｖ＝３／√２πＶ_ｄｃ、Ｖ_ｄｃ＝Ｖ_ｂ０−Ｉ_ｄｃ（Ｒ_ｄｃ＋Ｒ_ｂ）、Ｉ_ｄｃ＝√６／πＩの関係を（１９）式に代入すると、次式（２８）が得られる。

よって、

出力Ｐ_ｏは、力率１を想定すると次式（３０）となる。

ここで、

とおけば、（３０）式は次式（３２）に変形される。

すなわち、Ｉ＝３Ｖ_ｂ０／２√２πＡ（Ｉ_ａｒｍｓ＝√３Ｖ_ｂ０／２√２πＡ）のとき、出力は最大値となり、９Ｖ^２ _ｂ０／８π^２Ａとなる。
（３１）式に（１１）式を代入すると（３３）式が得られ

となり、高速域の出力が最大となる電流Ｉ_ａｒｍｓは次式（３４）で表される。

（３４）式／（１６）式を計算すると（３５）式となる。

（３５）式について、αをパラメータにして（例えば製造可能な範囲として０．１＜α＜２．５）ｋ_１２０による影響をプロットすると図６を得る。
図６より、０．６≦ｋ_１２０≦１．７の範囲では、
０．３７５≦Ｉ_ａｒｍｓ／Ｉ_ｄｃ０≦０．３９
の関係のとき、高速出力が最も大きくなるといえる。

実施の形態３．
次に実施の形態３について説明する。
エンジンのトルクの温度変化は図７のようになっており、オイルの粘性の温度変化などが要因で低温ほどエンジンをかけるのに必要なトルクは大きくなる。それに対して、電動機も低温の方が固定子巻線などの抵抗が下がるために電流が増え、トルクは大きくなる。ただし、バッテリの内部抵抗は低温ほど大きくなるので組み合わせ次第で逆に低温のほうが電流が小さくなってトルクが低下する場合もある。要求されるトルク、すなわちエンジン始動に必要なトルクに対して、電動機のトルクをなるべく大きくとりたい場合に、最も低い温度でトルクが最大となる巻線仕様を選定することで、エンジンの始動を少しでも早くすることが可能となる。
この実施の形態３では、一般温暖地向エンジン仕様用の回転電機としては周囲温度４０℃〜８０℃として、また寒冷地向仕様の最も低い温度としては−６０℃〜−２０℃とする固定子巻線抵抗値を選定することで、その温度におけるエンジンの出力持性を向上させることが出来る。

実施の形態４．
次に実施の形態４について説明する。
低温では始動しないシステムの場合は低温でのトルクは不要となるため、使用範囲内でもっとも高温となるところで仕様を決定することで、アイドルストップ後のエンジン再始動やアシストに対して要求トルクをなるべく上回る特性を出すことができる。回転電機の温度が上昇すると巻線抵抗が増加し、銅損が増加することから、温度が最も高いときに出力が最も低下する。この温度条件が最悪の状況で最大出力を得るには、上記の設定巻線抵抗を回転電機の最大温度１４０℃〜１８０℃で満足する必要がある。
このようにこの実施の形態４でも、周囲温度に合わせた固定子巻線抵抗値を選定するので、その温度における出力持性が向上する。

この発明の実施の形態１〜４は、車輌用エンジンに連続された発動機、電動・発電機等の回転電機に利用可能である。

この発明の実施の形態１〜４の回転電機の通電系統回路を示す図である。 Δ結線を等価Ｙ結線に説明する図である。 この発明は実施の形態１の速度０トルクとＫ値の関係を示す図である。 この発明の実施の形態１の速度０トルクとＫ値との関連を示す１例図である。 この発明の実施の形態２による１８０度区間通電時のＫ値と電流Ｉ_ａｒｍｓ／速度Ｉ_ｄｃ０との関係を示す図である。 この発明の実施の形態２による１２０度区間通電時のＫ値と電流Ｉ_ａｒｍｓ／速度零Ｉ_ｄｃ０との関係を示す図である。 この発明の実施の形態３によるエンジンのトルクの温度変化を示す図である。

符号の説明

１ 回転電機、２ バッテリ、３ インバータ、Ｖ_ｂ０ バッテリ電圧、
Ｒ_ｂ バッテリ内部抵抗、
Ｒ_ｄｃ バッテリ、インバータ間接続回路（ＤＣライン）抵抗、
Ｒ_ｉｎｖ インバータ順方向抵抗、
Ｒ_ａｃ インバータ、固定子巻線間接続回路（ＡＣライン）抵抗、
Ｒ_ｓｔ 固定子巻線抵抗。

Claims (5)

1. バッテリと、インバータと、このインバータに接続され固定子巻線を有する固定子と、回転子とを備えエンジンに連結された車輌用回転電機において、
   前記バッテリの内部抵抗をＲ_ｂ、
   前記バッテリと前記インバータ間の接続回路抵抗をＲ_ｄｃ、
   前記インバータの順方向抵抗をＲ_ｉｎｖ、
   前記インバータと前記固定子巻線間の接続回路抵抗をＲ_ａｃ、
   とし、前記車輌用回転電機の回転速度が零の場合、
   前記固定子巻線の抵抗値Ｒ_ｓｔが
   Ｒ_ｓｔ＝Ｋ｛２／３（Ｒ_ｂ＋Ｒ_ｄｃ）＋（Ｒ_ｉｎｖ＋Ｒ_ａｃ）｝
   但し、０．６≦Ｋ≦１．７
   で表される値を満足するよう前記インバータ制御により、電気角で１８０度区間の矩形波通電が行われるとともに、
   前記回転子の界磁巻線の作る界磁磁束を打ち消す方向に磁束を発生させる電流を流すことを必要とする、前記車輌用回転電機の回転速度が高速域の場合、該回転速度における前記固定子巻線電流の実行値をＩ _ａｒｍｓ 、回転速度が零における前記バッテリと前記インバータ間に流れる電流をＩ _ｄｃ０ としたとき、
   ０．３４≦Ｉ _ａｒｍｓ ／Ｉ _ｄｃ０ ≦０．３６
   で表されるＩ _ａｒｍｓ が力率１で通電されることを特徴とする車輌用回転電機。
2. バッテリと、インバータと、このインバータに接続され固定子巻線を有する固定子と、回転子とを備えエンジンに連結された車輌用回転電機において、
   前記バッテリの内部抵抗をＲ_ｂ、
   前記バッテリと前記インバータ間の接続回路抵抗をＲ_ｄｃ、
   前記インバータの順方向抵抗をＲ_ｉｎｖ、
   前記インバータと前記固定子巻線間の接続回路抵抗をＲ_ａｃ、
   とし、前記車輌用回転電機の回転速度が零の場合、
   前記固定子巻線の抵抗値Ｒ_ｓｔが
   Ｒ_ｓｔ＝Ｋ｛１／２（Ｒ_ｂ＋Ｒ_ｄｃ）＋（Ｒ_ｉｎｖ＋Ｒ_ａｃ）｝
   但し、０．６≦Ｋ≦１．７
   で表される値を満足するよう前記インバータ制御により、電気角で１２０度区間の矩形波通電が行われるとともに、
   前記回転子の界磁巻線の作る界磁磁束を打ち消す方向に磁束を発生させる電流を流すことを必要とする、前記車輌用回転電機の回転速度が高速域の場合、該回転速度における前記固定子巻線電流の実行値をＩ _ａｒｍｓ 、回転速度が零における前記バッテリと前記インバータ間に流れる電流をＩ _ｄｃ０ としたとき、
   ０．３７５≦Ｉ _ａｒｍｓ ／Ｉ _ｄｃ０ ≦０．３９
   で表されるＩ _ａｒｍｓ が力率１で通電されることを特徴とする車輌用回転電機。
3. 前記固定子巻線抵抗値Ｒ_ｓｔが、周囲温度４０℃〜８０℃において満足することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の車輌用回転電機。
4. 前記固定子巻線抵抗値Ｒ_ｓｔが、周囲温度−６０℃〜−２０℃において満足することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の車輌用回転電機。
5. 前記固定子巻線抵抗値Ｒ_ｓｔが、周囲温度１４０℃〜１８０℃において満足することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の車輌用回転電機。

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