JP4841647B2

JP4841647B2 - 界磁巻線式発電電動機

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Publication number: JP4841647B2
Application number: JP2009126108A
Authority: JP
Inventors: 健一秋田; 健治中島; 真人森
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2029-05-26
Also published as: US20100301816A1; FR2946198A1; JP2010279085A; FR2946198B1; US8334680B2

Description

本発明は、主に車両に搭載され、エンジン始動時に電動機として動作するとともに、エンジン始動後に発電機としても動作する界磁巻線式発電電動機に関するものである。

一般に、車両用発電電動機は、エンジンルームに搭載される。そのため、車両用発電電動機の使用温度は、極めて高温となる。また、車両用発電電動機の内部温度は、車両用発電電動機が発電及び駆動などの動作を行う際に発生する発熱によって、さらに高温となる。従って、長時間の連続動作などで車両用発電電動機の温度が過剰に上昇すると、内部部品の破損などによって車両用発電電動機が故障してしまう。

そこで、従来、温度上昇による車両用発電電動機の故障を防止する手段として、車両用発電電動機の温度を計測し、その温度が所定温度を超えた場合に界磁電流を制限し、発電量を抑制することによって熱的負担を軽減する車両用発電電動機が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−９５６７号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来技術では、車両用発電電動機の温度情報に基づいて、界磁電流を制限するため、温度検出用の温度センサが必要となる。そのため、温度センサの搭載による車両用発電電動機のコストアップ及び構造変更につながるといった問題点があった。

また、従来技術では、車両用発電電動機に温度センサを搭載することができない場合、車両用発電電動機の温度上昇に基づいて、界磁電流を制限することができない。従って、車両用発電機からの発電量を抑制することができず、温度上昇による車両用発電電動機の故障を防ぐことができないといった問題点があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、コストアップ及び構造変更を低減するとともに、温度センサを搭載することなしに、温度上昇による故障を防止することができる界磁巻線式発電電動機を得ることを目的とする。

本発明に係る界磁巻線式発電電動機は、界磁巻線を有し、発電電動機として動作する回転電機と、界磁巻線に流れる界磁電流を検出する界磁電流検出部と、界磁電流検出部で検出された界磁電流に基づいて判定値を算出し、判定値が所定判定閾値に到達したか否かを判定する界磁電流制限判定部と、界磁電流制限判定部により判定値が所定判定閾値に到達したと判定された場合には、界磁巻線に流れる界磁電流を所定許容値に制限するように制御する界磁電流制御部とを備え、界磁電流制限判定部は、界磁電流検出部で検出された界磁電流が所定界磁電流閾値よりも大きい状態が継続する間、所定界磁電流閾値よりも大きい界磁電流値を時間積分した判定用積分値を判定値として算出し、判定用積分値の許容最大値を所定判定閾値として判定を行う界磁電流積分手段を有し、界磁電流制御部は、所定界磁電流閾値よりも小さい界磁電流値を所定許容値として界磁巻線に流れる界磁電流を制御する界磁巻線式発電電動機であって、界磁電流積分手段は、所定界磁電流閾値よりも小さい第２の所定界磁電流閾値を用いて、界磁電流検出部で検出された界磁電流が所定界磁電流閾値以下であり、かつ第２の所定界磁電流閾値よりも大きい状態が継続する間、判定用積分値を維持し、界磁電流検出部で検出された界磁電流が第２の所定界磁電流閾値以下の状態が継続する間、第２の所定界磁電流閾値以下の界磁電流値を時間積分した減算積分値を算出し、判定値として算出した判定用積分値から減算積分値を減算して判定用積分値を更新し、界磁電流制御部は、第２の所定界磁電流閾値よりも小さい界磁電流値を所定許容値として界磁巻線に流れる界磁電流を制御するものである。

本発明に係る界磁巻線式発電電動機よれば、界磁巻線に流れる界磁電流の検出結果に基づいて、界磁巻線式発電電動機の温度が過剰に上昇しないように界磁電流を制限することにより、コストアップ及び構造変更を低減するとともに、温度センサを搭載することなしに、温度上昇による故障を防止することができる界磁巻線式発電電動機を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る界磁巻線式発電電動機を車両に搭載した場合の構成図である。図１の回転電機の内部構成図である。図２の界磁電流制限部の内部構成図である。本発明の実施の形態１に係る界磁電流の制限が必要か否かを判定する方法を示す説明図である。本発明の実施の形態２に係る界磁電流制限部の内部構成図である。本発明の実施の形態２に係る界磁電流の制限が必要か否かを判定する方法を示す説明図である。本発明の実施の形態３に係る界磁電流制限部の内部構成図である。本発明の実施の形態３に係る界磁電流の制限が必要か否かを判定する方法を示す説明図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る界磁巻線式発電電動機を車両に搭載した場合の構成図である。図１における界磁巻線式発電電動機は、内燃機関１０、結合手段２０、蓄電池３０及び回転電機４０を備えている。

内燃機関１０及び回転電機４０は、結合手段２０を介して互いに接続されている。蓄電池３０及び回転電機４０は、互いに電気的に接続されている。ここで、結合手段２０としては、例えば、ベルト及びプーリなどが挙げられる。

なお、本発明の実施の形態１における内燃機関１０及び回転電機４０は、結合手段２０を介して接続されているが、これに限定されず、内燃機関１０及び回転電機４０を直接結合してもよい。

また、内燃機関１０は、ガソリンエンジン及びディーゼルエンジンのいずれかに限定されるものではない。

さらに、蓄電池３０は、回転電機４０専用であってもよく、回転電機４０以外の他の車両用負荷を共有してもよい。

図２は、図１の回転電機４０の内部構成図である。回転電機４０は、モータ・ジェネレータ部５０、電力変換部６０及び制御部７０を備えている。

モータ・ジェネレータ部５０は、３相のＹ字型（三角型）結線された電機子巻線５１及び界磁巻線５２を備えている。なお、モータ・ジェネレータ部５０は、３相以外の電機子巻線５１を用いてもよい。

３相インバータの電力変換部６０は、界磁巻線５２に接続された界磁巻線電流用スイッチング素子６１、フライホイールダイオード６２及び電機子巻線５１の各相に接続された電力変換用スイッチング素子６３ａ〜６３ｃ、６４ａ〜６４ｃを備えている。

制御部７０は、ゲート駆動部８０、駆動制御部９０、発電制御部１００、界磁電流制御部１１０、界磁電流検出部１２０、界磁電流指令部１３０及び界磁電流制限部１４０を備えている。

ゲート駆動部８０は、駆動制御部９０、発電制御部１００及び界磁電流制御部１１０から送られてくる電機子巻線５１及び界磁巻線５２へのＯＮ／ＯＦＦ指令に基づいて、界磁巻線電流用スイッチング素子６１及び電力変換用スイッチング素子６３ａ〜６３ｃ、６４ａ〜６４ｃを駆動し、モータ・ジェネレータ部５０の駆動及び発電を制御する。

駆動制御部９０は、回転電機４０を駆動するときの電力変換用スイッチング素子６３ａ〜６３ｃ、６４ａ〜６４ｃのＯＮ／ＯＦＦのタイミングを制御する。

発電制御部１００は、回転電機４０の発電時に、同期整流を行うときの電力変換用スイッチング素子６３ａ〜６３ｃ、６４ａ〜６４ｃのＯＮ／ＯＦＦのタイミングを制御する。

界磁電流検出部１２０は、界磁巻線５２に流れる界磁電流Ｉを検出する。界磁電流指令部１３０は、制御目標とする界磁電流値（以下、「界磁電流指令値Ｉ_ｆ」と称する）を界磁電流制御部１１０に対して送信する。

界磁電流制限部１４０は、界磁電流Ｉが所定の閾値（以下、「界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ」と称する）以上での動作を所定時間（以下、「連続動作許可時間Ｔ_ｔｈ」と称する）連続で行った場合において、界磁電流Ｉを制限する界磁電流値（以下、「界磁電流制限値Ｉ_ｌｉｍ」と称する）を界磁電流制御部１１０に対して送信する。

ここで、界磁電流制御部１１０は、界磁電流制限部１４０から界磁電流制限値Ｉ_ｌｉｍを受信した場合において、界磁電流制限値Ｉ_ｌｉｍに基づいて、界磁巻線５２に流す界磁電流Ｉを制御する。反対に、界磁電流制御部１１０は、界磁電流制限部１４０から界磁電流制限値Ｉ_ｌｉｍを受信しない場合において、常に界磁電流指令値Ｉ_ｆに基づいて、界磁巻線５２に流す界磁電流Ｉを制御する。

図３は、図２の界磁電流制限部１４０の内部構成図である。界磁電流制限部１４０は、記憶部１４１、界磁電流制限判定部１４２及び界磁電流制限指令部１４３を備えている。

記憶部１４１は、界磁電流閾値記憶部１４１ａ、連続動作許可時間記憶部１４１ｂ、界磁電流制限値記憶部１４１ｃ、界磁電流制限時間記憶部１４１ｄを備えている。

界磁電流閾値記憶部１４１ａには、予め界磁電流閾値Ｉ_ｔｈが記憶されている。連続動作許可時間記憶部１４１ｂには、予め連続動作許可時間Ｔ_ｔｈが記憶されている。

界磁電流制限値記憶部１４１ｃには、予め界磁電流制限値Ｉ_ｌｉｍが記憶されている。界磁電流制限時間記憶部１４１ｄには、予め界磁電流Ｉの制限を行う時間（以下、「界磁電流制限時間Ｔ_ｌｉｍ」と称する）が記憶されている。

界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流連続動作計測手段１４２ａを備えている。界磁電流連続動作計測手段１４２ａは、界磁電流Ｉが界磁電流閾値Ｉ_ｔｈを超えた場合に、界磁電流Ｉの連続動作時間を計測する。また、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流Ｉ、界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ及び連続動作許可時間Ｔ_ｔｈに基づいて、界磁電流Ｉの制限が必要か否かを判定する。

界磁電流制限指令部１４３は、界磁電流制限判定部１４２によって界磁電流Ｉの制限が必要だと判定された場合、界磁電流制限値Ｉ_ｌｉｍを界磁電流制御部１１０に対して送信する。

次に、界磁電流制限判定部１４２及び界磁電流制限指令部１４３の動作について、図４を参照しながら、以下に説明する。

まず、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流検出部１２０によって検出された界磁電流Ｉと、界磁電流閾値記憶部１４１ａに予め記憶されている界磁電流閾値Ｉ_ｔｈとを比較する。次に、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流Ｉが界磁電流閾値Ｉ_ｔｈを超えた場合、界磁電流Ｉ＞界磁電流閾値Ｉ_ｔｈの条件下における連続動作時間の計測を開始する。

次に、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流Ｉ＞界磁電流閾値Ｉ_ｔｈの条件下での連続動作時間が連続動作許可時間Ｔ_ｔｈに達した時点で界磁電流Ｉの制限が必要であると判定する。そして、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流制限指令部１４３に判定結果を送信する。

界磁電流制限指令部１４３は、界磁電流制限判定部１４２の判定結果に基づいて、界磁電流Ｉの制限が必要であると判定された場合、界磁電流制限値記憶部１４１ｃから界磁電流制限値Ｉ_ｌｉｍと、界磁電流制限時間記憶部１４１ｄから界磁電流制限時間Ｔ_ｌｉｍとを取得する。そして、界磁電流制限指令部１４３は、界磁電流制限時間Ｔ_ｌｉｍの間、界磁電流制御部１１０に対して界磁電流制限値Ｉ_ｌｉｍを送信する。これにより、界磁電流制限値Ｉ_ｌｉｍを受信した界磁電流制御部１１０は、界磁電流Ｉを界磁電流制限値Ｉ_ｌｉｍに制御することができ、温度上昇による故障を防止することができる。

ここで、界磁電流制限指令部１４３は、界磁電流制限時間Ｔ_ｌｉｍが経過時点で界磁電流制御部１１０に対する界磁電流制限値Ｉ_ｌｉｍの送信を停止する。即ち、界磁電流Ｉの制限が解除され、界磁電流指令値Ｉ_ｆに基づいて界磁電流Ｉが制御される。

なお、本発明の実施の形態１に係る界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ、連続動作許可時間Ｔ_ｔｈ及び界磁電流制限時間Ｔ_ｌｉｍは、界磁電流Ｉと回転電機４０の温度との関係を実測し、その関係から回転電機４０の温度が少なくとも正常動作可能な温度領域内となるように設定される。

以上のように、実施の形態１による界磁巻線式発電電動機は、界磁巻線に流れる界磁電流の検出結果に基づいて、界磁巻線式発電電動機の温度が過剰に上昇しないように界磁電流を制限している。これにより、コストアップ及び構造変更を低減するとともに、温度センサを搭載しなくても、温度上昇による故障を防止することができる界磁巻線式発電電動機を得ることができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、検出された界磁電流が所定界磁電流閾値よりも大きい状態が所定許容時間以上継続した場合に、界磁電流制限を行う場合について説明した。これに対して、本発明の実施の形態２では、所定界磁電流閾値よりも大きい界磁電流値を時間積分した値に基づいて、界磁電流制限を行う場合について説明する。

図５は、本発明の実施の形態２に係る界磁電流制限部１４０の内部構成図である。図５における界磁電流制限部１４０は、記憶部１４１、界磁電流制限判定部１４２及び界磁電流制限指令部１４３を備えている。

記憶部１４１は、界磁電流閾値記憶部１４１ａ、界磁電流制限値記憶部１４１ｃ、界磁電流制限時間記憶部１４１ｄ及び界磁電流積分閾値記憶部１４１ｅを備えている。また、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流積分手段１４２ｂを備えている。

先の実施の形態１における図３の記憶部１４１と比較すると、本実施の形態２における図５の記憶部１４１は、連続動作許可時間記憶部１４１ｂの代わりに、界磁電流積分閾値記憶部１４１ｅを備えている点が異なっている。また、先の実施の形態１における図３の界磁電流制限判定部１４２と比較すると、本実施の形態２における図５の界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流連続動作計測手段１４２ａの代わりに、界磁電流積分手段１４２ｂを備えている。

本実施の形態２では、界磁電流Ｉが界磁電流閾値Ｉ_ｔｈより大きい場合において、界磁電流閾値Ｉ_ｔｈよりも大きい界磁電流値を時間で積分し、その時間積分値（以下、「界磁電流積分値Ｉ_ｆ＿ｉ」を称する）が所定の閾値（以下、「界磁電流積分閾値Ｉ_ｔｈ＿ｉ」と称する）を超えた場合に、界磁電流Ｉの制限を行っている。なお、他の構成は、先の実施の形態１と同様である。

界磁電流積分閾値記憶部１４１ｅには、界磁電流制限判定部１４２が接続されているとともに、予め界磁電流積分閾値Ｉ_ｔｈ＿ｉが記憶されている。

界磁電流積分手段１４２ｂは、界磁電流Ｉが界磁電流閾値Ｉ_ｔｈよりも大きい場合において、界磁電流閾値Ｉ_ｔｈよりも大きい界磁電流値を時間で積分する。一方、界磁電流Ｉが界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ以下となった場合には、積分値を０クリアする。

次に、界磁電流制限判定部１４２の動作について、図６を参照しながら説明する。まず、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流検出部１２０によって検出された界磁電流Ｉと、界磁電流閾値記憶部１４１ａから取得した界磁電流閾値Ｉ_ｔｈとを比較する。次に、界磁電流Ｉが界磁電流閾値Ｉ_ｔｈを超えた場合には、その時点からその超過分の界磁電流値を積分し、界磁電流積分値Ｉ_ｆ＿ｉを算出する。次に、界磁電流積分値Ｉ_ｆ＿ｉが界磁電流積分閾値Ｉ_ｔｈ＿ｉを超えた場合には、界磁電流Ｉの制限が必要であると判定する。そして、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流制限指令部１４３に判定結果を送信する。なお、界磁電流制限指令部１４３の動作は、先の実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。

以上のように、実施の形態２よる界磁巻線式発電電動機は、先の実施の形態１とは異なり、界磁電流Ｉが界磁電流閾値Ｉ_ｔｈを超えた場合において、その超過分の界磁電流値を時間で積分し、その界磁電流積分値Ｉ_ｆ＿ｉが界磁電流積分閾値Ｉ_ｔｈ＿ｉ以上となった場合に、界磁電流Ｉの制限が必要であると判定する。これにより、界磁電流Ｉの大きさによって界磁電流Ｉを制限するタイミングを変化させることができ、先の実施の形態１よりも、より適切なタイミングで界磁電流Ｉを制限することができる。

実施の形態３．
先の実施の形態１、２では、１つの界磁電流閾値を用いて、界磁電流の制限が必要であるか否かを判定する場合について説明した。これに対して、本実施の形態３では、２つの界磁電流閾値を用いて、界磁電流の制限が必要であるか否かを判定する場合について説明する。

図７は、本発明の実施の形態３に係る界磁電流制限部１４０の内部構成図である。図７における界磁電流制限部１４０は、記憶部１４１、界磁電流制限判定部１４２及び界磁電流制限指令部１４３を備えている。

界磁電流閾値記憶部１４１ａには、第１の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｐと、第１の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｐより小さい値に設定されている第２の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｎとが予め記憶されている。即ち、第１及び第２の界磁電流閾値は、第１の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｐ＞第２の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｎの関係となっている。なお、他の構成は、先の実施の形態２と同様である。

次に、界磁電流制限判定部１４２の動作について、図８を参照しながら説明する。まず、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流Ｉが第１の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｐよりも大きい場合において、界磁電流Ｉと、第１の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｐとの差分を界磁電流積分値Ｉ_ｆ＿ｉに加算（正の方向へ積分）する。反対に、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流Ｉが第２の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｎ以下の場合おいて、第２の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｎと、界磁電流Ｉとの差分を界磁電流積分値Ｉ_ｆ＿ｉから減算（負の方向へ積分）する。また、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流Ｉが、第１の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｐ以下であり、かつ第２の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｎよりも大きい場合には、現状の界磁電流積分値Ｉ_ｆ＿ｉを維持する。

次に、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流積分値Ｉ_ｆ＿ｉが界磁電流積分閾値Ｉ_ｔｈ＿ｉを超えた場合において、界磁電流Ｉの制限が必要であると判定する。そして、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流制限指令部１４３に判定結果を送信する。なお、界磁電流制限指令部１４３の動作は、先の実施の形態１と同様であるため、説明は省略する。

ここで、第２の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｎは、界磁巻線式発電電動機が連続動作を行った際においても、回転電機４０の温度が正常動作範囲内となるような設定されている。また、このときの、界磁電流制限値Ｉ_ｌｉｍは、第２の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｎ以下に設定されている（図８参照）。これにより、回転電機４０の温度をより確実に正常動作可能な温度に低下させることができる。

以上のように、実施の形態３による界磁巻線式発電電動機は、２つの界磁電流閾値を用いて、積分値の増加、維持、減少による更新を行っている。これにより、界磁電流Ｉが連続的に第１の界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ＿ｐを超えていない場合においても、より適切なタイミングで界磁電流Ｉの制限を行うことができる。

なお、上述の実施の形態２では、界磁電流Ｉが界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ以下になると、判定用積分値を０クリアする場合について説明したが、このような構成に限定されるものではない。この実施の形態２のように１つの界磁電流閾値を用いる場合にも、実施の形態３と同様に、界磁電流Ｉが界磁電流閾値Ｉ_ｔｈ以下になった場合に積分値を減少させる構成とすることも可能である。

また、上述の実施の形態３で説明した２つの界磁電流閾値を先の実施の形態１に適用することもできる。即ち、界磁電流検出部で検出された界磁電流が、第１の界磁電流閾値よりも大きい状態が継続する第１の許容最大時間と、第２の界磁電流閾値よりも大きい状態が継続する第２の許容最大時間を用いて、界磁電流制限が必要か否かを判定することも可能である。

１０内燃機関、２０結合手段、３０蓄電池、４０回転電機、５０モータ・ジェネレータ部、５１電機子巻線、５２界磁巻線、６０電力変換部、７０制御部、８０ゲート駆動部、９０駆動制御部、１００発電制御部、１１０界磁電流制御部、１２０界磁電流検出部、１３０界磁電流指令部、１４０界磁電流制限部、１４１記憶部、１４２界磁電流制限判定部、１４２ａ界磁電流連続動作計測手段、１４２ｂ界磁電流積分手段、１４３界磁電流制限指令部。

Claims

界磁巻線を有し、発電電動機として動作する回転電機と、
前記界磁巻線に流れる界磁電流を検出する界磁電流検出部と、
前記界磁電流検出部で検出された前記界磁電流に基づいて判定値を算出し、前記判定値が所定判定閾値に到達したか否かを判定する界磁電流制限判定部と、
前記界磁電流制限判定部により前記判定値が前記所定判定閾値に到達したと判定された場合には、前記界磁巻線に流れる界磁電流を所定許容値に制限するように制御する界磁電流制御部と
を備え、
前記界磁電流制限判定部は、前記界磁電流検出部で検出された前記界磁電流が所定界磁電流閾値よりも大きい状態が継続する間、前記所定界磁電流閾値よりも大きい界磁電流値を時間積分した判定用積分値を前記判定値として算出し、前記判定用積分値の許容最大値を前記所定判定閾値として判定を行う界磁電流積分手段を有し、
前記界磁電流制御部は、前記所定界磁電流閾値よりも小さい界磁電流値を前記所定許容値として前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御する界磁巻線式発電電動機であって、
前記界磁電流積分手段は、前記所定界磁電流閾値よりも小さい第２の所定界磁電流閾値を用いて、前記界磁電流検出部で検出された前記界磁電流が前記所定界磁電流閾値以下であり、かつ前記第２の所定界磁電流閾値よりも大きい状態が継続する間、前記判定用積分値を維持し、前記界磁電流検出部で検出された前記界磁電流が前記第２の所定界磁電流閾値以下の状態が継続する間、前記第２の所定界磁電流閾値以下の界磁電流値を時間積分した減算積分値を算出し、前記判定値として算出した前記判定用積分値から前記減算積分値を減算して前記判定用積分値を更新し、
前記界磁電流制御部は、前記第２の所定界磁電流閾値よりも小さい界磁電流値を前記所定許容値として前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御する
ことを特徴とする界磁巻線式発電電動機。