JP4894417B2 - 発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、磁石発電機の整流出力で負荷を駆動する発電装置に関するものである。

発電機の整流出力で負荷を駆動する際には、負荷を過電圧から保護するため、負荷の両端の電圧が制限値を超えないように発電機の出力を制御する必要がある。発電機が界磁巻線を有している場合には、界磁巻線を流れる電流を制御することにより発電機の出力を制御することができる。ところが、磁石発電機においては、界磁が永久磁石により構成されているため、界磁巻線を有する発電機と同様な方法で界磁を制御して発電機の出力を制御することができない。

そこで、本出願人は、特許文献１及び特許文献２に示されているように、磁石発電機の電機子巻線と、負荷に対して並列に接続される電圧蓄積手段（バッテリまたはコンデンサ）との間に電圧形のインバータを設けて、電圧蓄積手段からインバータを通して電機子巻線に交流制御電圧を印加することにより、負荷の両端に印加される電圧が制限値を超えないように制御する発電装置を提案した。この発電装置においては、電機子巻線に誘起する交流電圧をインバータ内の帰還ダイオードにより構成される整流回路を通して電圧蓄積手段に印加してこの電圧蓄積手段を充電し、電圧蓄積手段側からインバータを通して電機子巻線に交流制御電圧を印加して、該交流制制御電圧の位相を制御することにより、電圧蓄積手段の両端の電圧（磁石発電機の負荷の両端の電圧）が制限値を超えないように磁石発電機の出力を制御する。

磁石発電機において、電機子巻線に鎖交する磁束の変化を示す磁束波形の位相、または発電機の機械的構成から理論的に求められる無負荷誘起電圧の位相を基準位相とし、電機子巻線の誘起電圧と周波数が等しく、基準位相よりも位相が遅れた交流制御電圧を電機子巻線に印加すると、通常は、磁石発電機の電機子巻線と鎖交する磁束を増加させて発電機の出力を増加させることができる。また上記基準位相よりも位相が進んだ交流制御電圧を電機子巻線に印加すると、通常は、電機子巻線と鎖交する磁束を減少させて発電機の出力を減少させることができる。

従って、電圧蓄積手段の両端の電圧が目標値よりも大きいか小さいかによって、交流制御電圧の位相を基準位相に対して進み側または遅れ側に変化させることにより、磁石発電機の出力を目標値に一致させる制御を行うことができる。

上記のように、磁石発電機の電機子巻線からインバータ内の帰還ダイオードにより構成される整流回路を通して電圧蓄積手段を充電するとともに、電圧蓄積手段からインバータを通して磁石発電機の電機子巻線に交流制御電圧を印加し得るように発電装置を構成しておいて、交流制御電圧の位相を制御することにより磁石発電機の出力を調整する制御を、電圧蓄積手段側から磁石発電機に印加する交流制御電圧のベクトルを制御することにより発電出力を制御するという意味で、「ベクトル制御」と呼ぶことにする。

ベクトル制御により磁石発電機の出力を制御する場合には、電圧蓄積手段からインバータを通して電機子巻線に印加する交流制制御電圧の位相角を基準位相に対して定めるため、この基準位相の情報を得ることができるようにしておく必要がある。交流制御電圧の基準位相は、発電機の機械的構成により定まるため、該基準位相の情報は、発電機のロータの回転角度位置が特定の位置に一致したことを検出することにより得ることができる。そのため、特許文献１に記載された発電装置においては、発電機のロータの回転角度位置が特定の位置に一致したことを検出する位置センサとして、ロータの磁石界磁を構成する永久磁石の磁極を検出する磁気センサをステータ側に設けて、この磁気センサの出力から上記基準位相の情報を得るようにしている。

また特許文献２に示された発電装置においては、磁石発電機の回転角度位置が所定の回転角度位置に一致したときにパルス信号を発生するパルス信号発生器を上記位置センサとして設けて、このパルス信号発生器の出力パルスから上記基準位相の情報を得るようにしている。このパルス信号発生器は、エンジンの点火時期等をマイクロプロセッサを用いて制御する場合に、エンジンの回転角度位置情報を得るために用いられているものと同様のものである。

なお発電機として、ロータ側に界磁コイルを有する同期発電機を用いた発電装置において、基準位相に対して位相が遅れた交流制御電圧を電機子巻線に印加することにより発電出力の増大を図る技術が特許文献３に示されているが、この発電装置においても、ロータの回転角度位置を検出する位置センサとして、ロータの磁極を検出する磁気センサをステータ側に設けて、該磁気センサの出力から基準位相の情報を得るようにしている。
特開平１１−４６４５６号公報 特開２００４−１７３４８２号公報 特開平８−２１４４７０号公報

上記のように、ベクトル制御を用いた従来の発電装置においては、交流制御電圧の基準位相を検出するために、磁気センサや、パルス信号発生器等の位置センサを設ける必要があったため、コストが高くなるのを避けられなかった。

また磁気センサとしては、通常ホール素子が用いられるが、ホール素子は熱に弱いため、磁石発電機の駆動源としてエンジンのように多くの発熱を伴う原動機を用いる場合には採用しにくいという問題があった。

パルス信号発生器としては、発電機のロータヨークの一部に形成された突起または凹部からなるリラクタと、このリラクタのエッジを検出したときにパルスを発生する信号発電子とを備えたものが多く用いられている。エンジンを原動機として用いる場合には、エンジンの点火時期や燃料噴射量等の制御を行う際にエンジンの回転情報を得るために用いるパルスを発生させるために同様のパルス信号発生器が用いられるため、交流制御電圧の基準位相を検出するために上記のパルス信号発生器を用いる場合には、交流制御電圧の基準位相の検出に用いるパルスを発生させるためのリラクタと、点火時期の制御に用いるパルスを発生させるためのリラクタとの双方を磁石発電機のロータヨークに設けることが必要になる。このように、発電機のロータヨークに多くのリラクタを設けると、ロータヨークの加工が面倒になるだけでなく、リラクタどうしが干渉し合って誤信号が発生するおそれもあるため好ましくない。

本発明の目的は、磁石発電機と、負荷に対して並列に接続される電圧蓄積手段との間にインバータを設けて、磁石発電機の出力をインバータ内の帰還ダイオードにより整流して電圧蓄積手段に供給することにより電圧蓄積手段を充電するとともに、電圧蓄積手段からインバータを通して電機子巻線に交流制御電圧を印加して、該交流制御電圧の位相を制御することにより電圧蓄積手段の両端の電圧を制限値以下に保つように制御する発電装置において、交流制御電圧の基準位相を検出するためのセンサを省略できるようにすることにある。

本発明は、磁石界磁を有するロータとｎ相（ｎは１以上の整数）の電機子巻線を有するステータとを備えた磁石発電機と、ｎ相ブリッジ接続されたスイッチ素子と各スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとを備えて交流側端子が電機子巻線の出力端子に接続され、直流端子間に電圧蓄積手段と負荷とが並列に接続されるｎ相の電圧形インバータと、磁石発電機の出力電圧と周波数が等しく、予め定めた基準位相に対して所定の位相角を有するｎ相の交流制御電圧を電圧蓄積手段からインバータを通して電機子巻線に印加するようにインバータを制御することにより電圧蓄積手段の両端の電圧を制限値以下に保つように制御するコントローラとを備えた発電装置を対象とする。

本発明においては、磁石発電機の相電流を検出する電流検出器が設けられ、この電流検出器により検出された相電流の波形上の定点（零クロス点やピーク点等）の位相を基準にして、交流制御電圧を発生させるタイミングを定める。そのため、コントローラは、電流検出器により検出された相電流の波形上の定点を検出する定点検出手段と、この定点検出手段により検出された相電流の波形上の定点の基準位相に対する位相角を検出する相電流位相検出手段と、相電流位相検出手段により検出された相電流の波形上の定点の位相を基準にして交流制御電圧を発生させるタイミングを演算する制御電圧発生タイミング演算手段と、制御電圧発生タイミング演算手段により演算されたタイミングで交流制御電圧を発生させるようにインバータのスイッチ素子を制御するインバータ制御手段とを備えている。

上記の磁石発電機において、回転速度を一定とし、電機子巻線に交流制御電圧を印加しない場合に流れる相電流と同じ大きさの相電流を流すように、交流制御電圧の位相角を設定したとする。このような位相角を有する交流制御電圧を電機子巻線に印加した状態は、電機子巻線から整流回路を構成する各ダイオードを通して電流が流れている期間と同じ期間の間、各ダイオードに逆並列接続されたスイッチ素子をオンにする状態と同じである。そのため、上記のように位相角が設定された交流制御電圧を電機子巻線に印加した場合に電機子巻線に流れる相電流の大きさ、相電流の位相及び電機子巻線の各相の巻線の両端に印加される電圧の位相（交流制御電圧の位相）はそれぞれ、交流制御電圧を電機子巻線に印加しないとき（磁石発電機と電圧蓄積手段との間の回路が単なる整流回路としてのみ機能するとき）に電機子巻線に流れる相電流の大きさ、相電流の位相及び電機子巻線の各相の巻線の両端に印加される電圧の位相と同じになる。

電機子巻線に交流制御電圧が印加されておらず、電機子巻線と電圧蓄積手段との間の回路が単なる整流回路としてのみ機能する時（以下、この状態を非制御時という。）に流れる相電流と同じ大きさの相電流を流すために電機子巻線に印加すべき交流制御電圧の位相角は、相電流の大きさ及び回転速度によって異なり、相電流の大きさと回転速度とが決まれば一定の値をとる。従って、非制御時に流れる相電流と同じ大きさの相電流を流すために電機子巻線に印加すべき交流制御電圧の位相角と、相電流の大きさと、回転速度との間には一定の関係があり、この関係を利用して、相電流の大きさ及び回転速度から、非制御時に流れる相電流と同じ大きさの相電流を流すために電機子巻線に印加すべき交流制御電圧（相巻線の両端の電圧）の位相角（以下非制御時相当位相角ともいう。）を求めることができる。

電機子巻線のインピーダンス及び電圧蓄積手段のインピーダンスが一定であるとすれば、交流制御電圧が印加された電機子巻線の各相巻線の両端の電圧の位相角と、相電流の位相角との間には一定の関係があるため、交流制御電圧の位相角がわかれば、そのときの相電流の位相角を推定することができる。これらのことから、電圧蓄積手段の両端の電圧（相電流の大きさと電圧蓄積手段の内部インピータンスとにより決まる。）をある一定値とし、電機子巻線のインピーダンスを一定とすれば、回転速度と相電流の大きさと相電流の位相との間の関係を与える相電流位相演算用マップを作成することができ、電機子巻線に交流制御電圧を印加しない状態で、検出された回転速度と相電流の大きさとに対してこのマップを検索することにより、相電流の波形上の定点の基準位相に対する位相角を求めることができる。

上記のようにして求めた相電流の基準位相に対する位相は、電圧蓄積手段の両端の電圧を一定とし、電機子巻線のインピーダンスを一定と仮定して作成したマップを用いて演算されたものであるため、電圧蓄積手段の両端の電圧が変わり（電圧蓄積手段のインピーダンスが変わり）、電機子巻線の温度によりその内部抵抗が変わると（電機子巻線のインピーダンスが変わると）変化してしまう。そのため、上記のマップ演算により求めた相電流の位相は、電圧蓄積手段の両端の電圧及び電機子巻線の温度に対して補正するようにしておくことが好ましい。

相電流の位相を特定するためには、相電流の波形上の定点が基準位相に対していかなる位相角を有するかを求める必要がある。相電流の波形上の定点は、相電流の波形上の各点のうち、他の点と識別し得る特定の点であればよい。この波形上の定点は、相電流波形が正の半波から負の半波に移行する際の零クロス点、相電流波形が負の半波から正の半波に移行する際の零クロス点、相電流波形の正の半波若しくは負の半波のピーク点、または相電流の正の半波若しくは負の半波が設定されたしきい値に達する点のいずれかとするのが好ましい。

また基準位相は、電機子電流により変化しない位相であればよいが、通常は、発電機の構成により決まる電機子巻線の無負荷誘起電圧波形の位相か、または各相の電機子巻線に鎖交する磁束の変化を示す磁束波形の位相を基準位相として用いる。

相電流位相演算用マップは、回転速度と、相電流の大きさとに対して、相電流の波形上の定点の基準位相に対する位相角を演算するように作成しておく。

本発明では、上記のようにして求めた相電流の波形上の定点の位相を基準にして、電圧蓄積手段の両端の電圧を制限値以下に保つために必要な交流制御電圧を発生させるタイミングを求め、求めたタイミングで交流制御電圧を電機子巻線に印加するようにインバータを制御することを基本とする。

電機子巻線の相電流の大きさ、及び相電流の波形上の定点は、相電流を検出する電流検出器の出力から零クロス検出回路などにより検出することができる。また発電機の回転速度は、相電流の波形上の定点が検出される周期から演算することができる。従って上記のように、磁石発電機の相電流の波形上の定点の基準位相に対する位相角を求めて、この相電流の波形上の定点の位相を基準にして交流制御電圧を発生させるタイミングを定めるようにすれば、ロータの回転角度位置を検出するための位置センサを用いることなく交流制御電圧を発生させて、発電機の出力の制御を行わせることができ、磁気センサやパルス信号発生器などの位置センサを省略してコストの低減を図ることができる。

前述のように、相電流の波形上の定点の位相は、電圧蓄積手段の両端の電圧及び電機子巻線の内部抵抗により変化する。そのため、本発明の好ましい態様では、電圧蓄積手段の両端の電圧を検出する電圧検出器と、磁石発電機の電機子巻線の温度を検出する温度センサとが更に設けられ、相電流位相検出手段が、定点検出手段により相電流の波形上の定点が検出される周期から磁石発電機の回転速度を演算する回転速度演算手段と、相電流の大きさと磁石発電機の回転速度と相電流の波形上の定点の基準位相に対する位相角との関係を与える相電流位相演算用マップを電流検出器により検出された相電流の大きさと回転速度演算手段により演算された回転速度とに対して検索することにより相電流の波形上の定点の基準位相に対する位相角を演算する相電流位相演算手段と、電圧検出器により検出された電圧蓄積手段の両端の電圧と温度センサにより検出された電機子巻線の温度とに対して相電流位相演算手段により演算された位相角を補正する相電流位相補正手段とを備えている。

上記相電流位相演算用マップは、電機子巻線に交流制御電圧を印加していない状態で電機子巻線に流れる相電流と同じ大きさの相電流を流すために電機子巻線に印加すべき交流制御電圧の位相角と磁石発電機の回転速度と相電流の大きさとの間の関係と、交流制御電圧が印加された電機子巻線の各相巻線の両端の電圧の位相角と相電流の位相角との間の関係とを用いて作成することができる。

本発明の他の好ましい態様では、上記コントローラを、相電流の波形の１／２周期に相当する期間が経過する毎に現れる相電流の波形上の定点を検出する定点検出手段と、この定点検出手段により定点が検出される周期から磁石発電機の回転速度を演算する回転速度演算手段と、相電流の波形の１周期に相当する期間に検出される２つの定点の内の一方を特定の定点として、回転速度演算手段により演算された回転速度と電流検出器により検出された相電流の大きさとに対して特定の定点の基準位相に対する位相角を演算する第１の相電流位相演算手段と、電圧検出器により検出された電圧蓄積手段の両端の電圧と温度センサにより検出された電機子巻線の温度とに対して第１の相電流位相演算手段により演算された位相角を補正する第１の相電流位相補正手段と、第１の相電流位相補正手段により補正された相電流の波形上の特定の定点の位相を基準にして交流制御電圧を発生させるタイミングを演算する第１の制御電圧発生タイミング演算手段と、交流制御電圧の発生タイミングを基準にして、該交流制御電圧の発生タイミングの後に現れる相電流の波形上の特定の定点の位相を検出する第２の相電流位相検出手段と、第２の相電流位相検出手段により検出された相電流の位相を回転速度演算手段により演算された回転速度と電圧検出器により検出された電圧と温度センサにより検出された温度とに対して補正する第２の相電流位相補正手段と、第２の相電流位相補正手段により補正された相電流の位相を基準にして交流制御電圧の発生タイミングを演算する第２の制御電圧発生タイミング演算手段と、電圧蓄積手段の両端の電圧が制限値を超えた後、最初に交流制御電圧を発生させる際に第１の制御電圧発生タイミング演算手段により演算されたタイミングで交流制御電圧を発生させ、電圧蓄積手段の両端の電圧が制限値を超えた後２回目以降に交流制御電圧を発生させる際には、第２の制御電圧発生タイミング演算手段により演算されたタイミングで交流制御電圧を発生させるようにインバータのスイッチ素子を制御するインバータ制御手段とを備えた構成とする。

上記のように構成すると、交流制御電圧を印加したままの状態で、出力電圧が制限値を超えた後、２回目以降に電機子巻線に印加する交流制御電圧の発生タイミングを求めて、該交流制御電圧を発生させることができる。

上記の構成では、交流制御電圧の発生タイミングを基準にして、該交流制御電圧の発生タイミングの後に現れる相電流の波形上の特定の定点の位相を検出する第２の相電流位相検出手段と、この第２の相電流位相検出手段により検出された相電流の位相を回転速度演算手段により演算された回転速度と電圧検出器により検出された電圧と温度センサにより検出された温度とに対して補正する第２の相電流位相補正手段とを設けて、第２の相電流位相補正手段により補正された相電流の位相を基準にして２番目以降に発生させる交流制御電圧の発生タイミングを演算するように第２の制御電圧発生タイミング演算手段を構成しているが、第２の相電流位相検出手段及び第２の相電流位相補正手段を省略して、交流制御電圧の発生タイミングを基準にして、次に発生させる交流制御電圧の発生タイミングを演算するように第２の制御電圧発生タイミング演算手段を構成することもできる。

相電流位相検出手段は、ｎ相の内の１相の相電流の波形上の定点の位相のみを検出するように構成してもよく、ｎ相の各相の相電流の波形上の定点の位相を検出するように構成しても良い。１相の相電流の波形上の定点の位相のみを検出するように相電流位相検出手段を構成する場合には、１相の相電流の波形上の定点の位相を基準にしてｎ相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように制御電圧発生タイミング演算手段を構成する。

またｎ相の各相の相電流の波形上の定点の位相を検出するように相電流位相検出手段を構成する場合には、位相検出手段により検出された各相の相電流の波形上の定点の位相を基準にして各相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように制御電圧発生タイミング演算手段を構成する。

上記の説明では、磁石発電機の相電流の波形上の定点の位相を回転速度と相電流の大きさとに対して演算して、相電流の波形上の定点の位相を基準にして交流制御電圧を発生させるタイミングを定めるようにしたが、磁石発電機の各相の巻線の両端の電圧を相電圧として検出して、この相電圧の波形上の定点の位相を回転速度と相電流の大きさとに対して演算して、演算した相電圧の波形上の定点の位相を基準にして交流制御電圧を発生させるタイミングを定めるようにすることもできる。

この場合、コントローラは、相電圧の波形上の定点を検出する定点検出手段と、定点検出手段により相電圧の波形上の定点が検出される周期から磁石発電機の回転速度を演算する回転速度演算手段と、相電流の大きさと磁石発電機の回転速度と相電圧の波形上の定点の基準位相に対する位相角との関係を与える相電圧位相演算用マップを電流検出器により検出された相電流の大きさと回転速度演算手段により演算された回転速度とに対して検索することにより相電圧の基準位相に対する位相角を演算する相電圧位相演算手段と、相電圧位相演算手段により演算された相電圧の定点の位相を基準にして交流制御電圧を発生させるタイミングを演算する制御電圧発生タイミング演算手段と、制御電圧発生タイミング演算手段により演算されたタイミングで交流制御電圧を発生させるようにインバータのスイッチ素子を制御するインバータ制御手段とを備えた構成とすることができる。

上記相電圧位相演算用マップは、電機子巻線に交流制御電圧を印加していない状態で電機子巻線に流れる相電流と同じ大きさの相電流を流すために電機子巻線に印加すべき交流制御電圧の位相角と磁石発電機の回転速度と相電流の大きさとの間の関係を用いることにより作成できる。

相電圧の波形上の定点は、相電圧波形が正の半波から負の半波に移行する際の零クロス点、相電圧の波形が負の半波から正の半波に移行する際の零クロス点、相電圧の波形の正の半波若しくは負の半波のピーク点、または相電圧の正の半波若しくは負の半波が設定されたしきい値に達する点のいずれかとすることができる。

相電圧位相検出手段は、１相の相電圧の波形上の定点の位相のみを検出するように構成してもよく、ｎ相の各相の相電流の位相を検出するように構成してもよい。１相の相電圧の波形上の定点の位相のみを検出するように相電圧検出手段を構成する場合には、１相の相電圧の位相を基準にしてｎ相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように制御電圧発生タイミング演算手段を構成する。またｎ相の各相の相電流の位相を検出するように相電圧検出手段を構成する場合には、相電圧位相検出手段により検出された各相の相電圧の位相を基準にして各相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように制御電圧発生タイミング演算手段を構成する。

以上のように、本発明によれば、磁石発電機の相電流の波形上の定点の基準位相に対する位相または、相電圧の波形上の定点の基準位相に対する位相を求めて、相電流の波形上の定点の位相または相電圧の波形上の定点の位相を基準にして交流制御電圧を発生させるタイミングを定めるようにしたので、ロータの回転角度位置を検出するための位置センサを用いることなく交流制御電圧を発生させて、ベクトル制御による発電機出力の制御を行わせることができる。従って、磁気センサやパルス信号発生器などの位置センサを省略して、発電装置のコストの低減を図ることができる。

以下図面を参照して本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１は本発明に係わる発電装置の好ましい実施形態の構成を示した構成図で、同図において１はエンジンにより駆動される磁石発電機、２は電圧蓄積手段としてのバッテリ、３は電圧蓄積手段２の両端に接続された負荷、４は磁石発電機１と電圧蓄積手段２との間に設けられたインバータ、５はインバータを制御するコントローラ、６は磁石発電機１の相電流を検出する電流検出器、７は電流検出器６により検出された相電流の零クロス点を検出する零クロス検出回路、８は電圧蓄積手段２の両端の電圧を検出する電圧検出器、９は磁石発電機１の電機子巻線の温度を検出する温度センサである。

更に詳細に説明すると、磁石発電機１は、エンジンのクランク軸に取り付けられたロータ１Ａと、エンジンのケースなどに固定されたステータ１Ｂとからなっている。ロータ１Ａは鉄等の強磁性材料によりカップ状に形成されたロータヨーク１０１の周壁部の内周に永久磁石ｍ１及びｍ２を取り付けて磁石界磁を構成したもので、ロータヨーク１０１の底壁部の中央に設けられた図示しないボスがエンジンのクランク軸に取り付けられている。ステータ１Ｂはロータ１Ａの磁極に対向する磁極部を有する電機子鉄心（図示せず。）と、この電機子鉄心に巻回された電機子巻線１０２とからなっている。電機子巻線１０２はスター結線された三つの相巻線Ｌｕ，Ｌｖ及びＬｗを有し、相巻線ＬｕないしＬｗのそれぞれの中性点と反対側の端部からそれぞれ三相の出力端子１ｕないし１ｗが導出されている。

インバータ４は、３相ブリッジ接続されたスイッチ素子Ｑｕ，Ｑｖ，Ｑｗ，Ｑｘ，Ｑｙ及びＱｚと、これらのスイッチ素子にそれぞれ逆並列接続された帰還ダイオードＤｕ，Ｄｖ，Ｄｗ，Ｄｘ，Ｄｙ及びＤｚとを備えた周知の３相電圧形インバータである。電圧形インバータ４のブリッジの各辺を構成するスイッチ素子は、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴのように自己ターンオフ能力（駆動信号が与えられているときにオン状態になるが駆動信号が除去されるとターンオフする能力）を有するものであればよい。

図示の例では、各スイッチ素子がＭＯＳＦＥＴからなっており、各スイッチ素子を構成する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ダイオードとして用いられている。スイッチ素子ＱｕないしＱｗ及びＱｘないしＱｚをそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴは、それぞれのゲートに駆動信号Ｕ，Ｖ，Ｗ及びＸ，Ｙ，Ｚが与えられている間オン状態を保持し、これらの駆動信号が除去されたときにターンオフする。

図示のインバータ４においては、ブリッジの上辺を構成するスイッチ素子ＱｕないしＱｗをそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴのソースと、ブリッジの下辺を構成するスイッチ素子ＱｘないしＱｚをそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴのドレインとが相互に接続されて、スイッチ素子ＱｕないしＱｗを構成するＭＯＳＦＥＴのソースとスイッチ素子ＱｘないしＱｚを構成するＭＯＳＦＥＴのドレインとの接続点がそれぞれ三相の交流側端子４ｕないし４ｗとなっている。またスイッチ素子ＱｕないしＱｗをそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴのドレインが共通接続されるとともに、スイッチ素子ＱｘないしＱｚをそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴのソースが共通接続され、スイッチ素子ＱｕないしＱｗをそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴのドレインの共通接続点及びスイッチ素子ＱｘないしＱｚをそれぞれ構成するＭＯＳＦＥＴのソースの共通接続点がそれぞれプラス側及びマイナス側の直流側端子４ａ及び４ｂとなっている。インバータ４の三相の交流側端子４ｕないし４ｗはそれぞれ磁石発電機１の電機子巻線１０２の三相の出力端子１ｕないし１ｗに接続され、プラス側及びマイナス側の直流側端子４ａ及び４ｂはそれぞれバッテリ２のプラス側端子及びマイナス側端子に接続されている。

インバータ４は、ブリッジの上辺を構成する各スイッチ素子及び下辺を構成する各スイッチ素子が所定のタイミングで、交流電圧の１周期のうちの１８０度に相当する期間の間オン状態になるように制御されることにより、バッテリ２の両端の電圧を、磁石発電機の出力と周波数が等しい階段状波形の対称三相交流電圧に変換して、この交流電圧Ｖｕを電機子巻線１０２に交流制御電圧として印加する。図３に示したＶｕは、三相交流制御電圧のうち、Ｕ相の交流制御電圧の波形を示している。

図示のインバータ４においては、帰還ダイオードＤｕないしＤｗ及びＤｘないしＤｚにより三相ダイオードブリッジ全波整流回路が構成され、磁石発電機１の交流出力がこの整流回路により整流されてバッテリ２に供給される。各帰還ダイオードはまた、バッテリ２から電機子巻線１０２に交流制御電圧を印加した際に、電機子巻線１０２の力率が１でないことにより発生する無効電力をバッテリ２側に帰還させるためにも用いられる。

電流検出器６は、磁石発電機の電機子巻線を流れる相電流に比例した電気信号を発生するセンサで、この電流検出器としては変流器やシャント抵抗器等任意の電流センサを用いることができる。図示の例では、電流検出器６が電機子巻線のＵ相の相巻線を流れる電流ｉuを検出するように設けられている。

電流検出器６の出力は零クロス検出回路７に入力されている。零クロス検出回路７は、例えば、検出された相電流の波形を矩形波に変換する波形整形回路と、この波形整形回路から得られる矩形波の立ち上がり及び立ち下がりをそれぞれ微分してパルスを発生する微分回路とにより構成することができる。

電圧検出器８は、例えば、バッテリ２の両端に接続された抵抗分圧回路からなっていて、バッテリ２の両端の電圧に比例した電気信号を出力する。

温度センサ９は、電機子巻線１０２の温度を検出するために設けられたもので、検知した温度に比例した電気信号を出力する素子、例えば両端に一定の直流電圧が印加された感温抵抗素子等からなる。温度センサ９は電機子巻線１０２に直接熱的に結合されて、電機子巻線の温度を直接検出するように設けられていてもよく、電機子鉄心や巻線巻回用ボビンなど、電機子巻線の温度が伝達される部分に熱的に結合されて、電機子巻線の温度を間接的に検出するように設けられていてもよい。

上記電流検出器６、零クロス検出回路７、電圧検出器８及び温度センサ９から得られる検出信号はコントローラ５に入力されている。コントローラ５は、マイクロプロセッサを備えていて、該マイクロプロセッサに所定のプログラムを実行させることにより、インバータ４の制御に必要な各種の手段を構成する。

本実施形態においては、相電流の波形上の定点の位相を基準にして交流制御電圧の発生タイミングを定める。本実施形態では、相電流の波形が正の半波から負の半波に移行する際の零クロス点を定点として用い、この定点を基準にして交流制御電圧の発生タイミングを演算する。そのため、図示のコントローラ５は、電流検出器６が検出した相電流の零クロス点を検出する零クロス検出回路７の出力信号を入力として、相電流の波形が正の半波から負の半波に移行する際の零クロス点を定点として検出する定点検出手段５０１を備えている。本明細書では、相電流の波形が負の半波から正の半波に移行する際の零クロス点を０位相の零クロス点と呼び、相電流の波形が正の半波から負の半波に移行する際の零クロス点をπ位相の零クロス点と呼ぶ。

本実施形態では、バッテリ２の両端の電圧が制限値以下のときには、磁石発電機の電機子巻線１０２に交流制御電圧を印加せず、電機子巻線１０２が発生する交流出力をインバータ４内の帰還ダイオードにより構成されるダイオードブリッジ全波整流回路を通して整流してバッテリ２に供給することによりバッテリ２の充電を行う。バッテリ２の両端の電圧が制限値を超えたときに、基準位相に対して所定の位相角を有する交流制御電圧をバッテリ２からインバータ４を通して電機子巻線１０２に印加し、これにより磁石発電機１の出力を低下させて、バッテリ２の両端の電圧を制限値以下に低下させる。

バッテリ２の両端の電圧が制限値を超えたときには、先ず交流制御電圧を印加する前の状態で相電流の大きさと回転速度とから相電流の波形上の定点が基準位相に対していかなる位相にあるかを求めて、この相電流の波形上の定点を基準にして磁石発電機の出力を低下させるために適した位相角を有する交流制御電圧の発生タイミングを演算し、演算されたタイミングが検出されたときに最初の交流制御電圧を発生させるようにインバータ４を制御する。その後適宜の方法により、次に発生させる交流制御電圧の発生タイミングを演算し、演算したタイミングでインバータ４を制御して交流制御電圧を発生させる処理を繰り返すことにより、交流制御電圧を電機子巻線１０２に繰り返し印加して、磁石発電機の出力を低下させる。バッテリの両端の電圧が制限値を超えたことが検出された後、２回目以降に電機子巻線に印加する交流制御電圧の発生タイミングは、例えば電機子巻線に先に印加した交流制御電圧の発生タイミングを基準にして演算することができる。

相電流の波形上の定点の位相及び交流制御電圧の位相角を定める際の基準とする基準位相としては、電機子巻線に鎖交する磁束の変化を示す波形の位相か、または磁石発電機の構成から理論的に求められる電機子巻線の無負荷誘起電圧の波形の位相を用いる。本実施形態では、電機子巻線１０２の理論的な無負荷誘起電圧の位相を基準位相として用いるものとする。

上記の制御を行わせるため、コントローラ５は、定点検出手段５０１により検出された相電流の波形上の定点の基準位相に対する位相角を検出する相電流位相検出手段５０２と、相電流位相検出手段５０２により検出された相電流の波形上の定点の位相を基準にして交流制御電圧を発生させるタイミングを演算する制御電圧発生タイミング演算手段５０３と、制御電圧発生タイミング演算手段５０３により演算されたタイミングで交流制御電圧を発生させるようにインバータ４のスイッチ素子を制御するインバータ制御手段５０４とを備えている。

ここで、図２及び図３を参照して、相電流の大きさと回転速度とから相電流の波形上の定点の基準位相に対する位相角を演算することができる理由について説明する。図２は、図１に示した磁石発電機において、バッテリ２の充電電流Ｉと発電機の回転速度Ｎ［rpm］と、バッテリ２からインバータ４を通して電機子巻線１０２に印加する交流制御電圧の位相角との関係の一例を示している。図２において、曲線ａは交流制御電圧の基準位相に対する進み角を１２°とした場合の充電電流対回転速度特性であり、曲線ｂは、交流制御電圧の基準位相に対する進み角を０°とした場合の充電電流対回転速度特性である。また曲線ｃないしｅはそれぞれ交流制御電圧の基準位相に対する遅れ角を１２°，２４°及び３６°とした場合の充電電流対回転速度特性であり、曲線ｆは交流制御電圧を印加しなかった場合、即ち、磁石発電機１の出力を単に全波整流器により整流してバッテリ２に供給するようにした場合の充電電流対回転速度特性である。

図２に示した例において、交流制御電圧の基準位相に対する位相角が遅角３６°から進角１２°までの範囲では、交流制御電圧の基準位相に対する位相角を進角側に変化させることにより、充電電流（発電機の相電流）を減少させていく制御を行うことができる。また逆に交流制御電圧の位相を遅角側に変化させることにより、充電電流を増加させる制御を行うことができる。

図２において、回転速度ＮをＮ1に固定した場合には、交流制御電圧の位相角を遅角２４°とすると、充電電流Ｉの大きさを、交流制御電圧を印加しない場合（磁石発電機とバッテリとの間の回路が、磁石発電機の出力を整流する整流器としての機能のみを有する場合）に流れる充電電流Ｉに等しくすることができる。回転速度がＮ1で、交流制御電圧の位相角が遅角２４°であるときに磁石発電機の各相の巻線の両端に印加されている電圧の位相及び相電流の位相はそれぞれ、交流制御電圧を印加しなかった場合に各相の巻線の両端に印加される電圧の位相及び相電流の位相に等しくなる。

図３は、図２に示した特性を有する発電装置において、発電機の回転速度をＮ1に固定して、交流制御電圧の基準位相を進角１２°から遅角３６°まで変化させた場合及び交流制御電圧を印加しなかった場合（磁石発電機とバッテリとの間の回路を整流器のみとした場合）のＵ相の相電流ｉuの波形及びＵ相の巻線に印加される交流制御電圧Ｖｕの波形を、Ｕ相の巻線に鎖交する磁束φuの波形及びＵ相の巻線に誘起する理論的な無負荷誘起電圧Ｖuoの波形と共に示したものである。この例では、図３（Ｂ）に示したＵ相の無負荷誘起電圧Ｖuoの波形が負の半波から正の半波に移行する際の零クロス点Ｏを基準位相として用いている。

図３（Ｆ），（Ｇ）から明らかなように、回転速度がＮ1であるときに、電機子巻線に交流制御電圧を印加しない場合に流れる相電流ｉuと同じ大きさの相電流を流すように交流制御電圧の位相角（図示の例では遅角２４°）を設定すると、電機子巻線に交流制御電圧を印加した場合に電機子巻線に流れる相電流ｉuの大きさ、相電流の位相及び電機子巻線の各相の巻線の両端に印加される電圧の位相（交流制御電圧の位相）はそれぞれ、交流制御電圧を電機子巻線に印加しない場合（磁石発電機とバッテリとの間の回路が単なる整流回路である場合）に電機子巻線に流れる相電流の大きさ、相電流の位相及び電機子巻線の各相の巻線の両端に印加される電圧の位相と同じになる。この例において、基準位相（Ｏ点）に対して遅角２４°の位相角を有する交流制御電圧を電機子巻線１０２に印加している状態は、電機子巻線１０２から整流回路を構成する各ダイオードを通して電流が流れている期間と同じ期間の間、各ダイオードに逆並列接続されたスイッチ素子をオンにする状態と同じである。

電機子巻線に交流制御電圧を印加しなかった時（非制御時）に流れる相電流と同じ大きさの相電流を流すために電機子巻線に印加すべき交流制御電圧の位相角（非制御時相当位相角）は、相電流の大きさ及び回転速度によって異なり、相電流の大きさと回転速度とが決まれば一定の値をとる。例えば、図２において、回転速度がＮoのときには交流制御電圧の位相角を遅角１２°としたときに、交流制御電圧を印加した場合も、印加しなかった場合も相電流の位相、相電流の大きさ及び各相巻線に印加される電圧の位相が同じになる。同様に、回転速度がＮ2のときには、交流制御電圧の位相角を遅角３６°としたときに、交流制御電圧を印加した場合も、印加しなかった場合も相電流の位相、相電流の大きさ及び各相巻線に印加される電圧の位相が同じになる。

このように、非制御時に流れる相電流と同じ大きさの相電流を流すために電機子巻線に印加すべき交流制御電圧の位相角と、相電流の大きさと、回転速度との間には一定の関係があるため、この関係を利用して、相電流の大きさ及び回転速度から、非制御時に流れる相電流と同じ大きさの相電流を流すために電機子巻線に印加すべき交流制御電圧の基準位相に対する位相角を、非制御時相当位相角として求めることができる。

電機子巻線のインピーダンス及びバッテリの内部インピーダンスが一定であるとすると、上記のようにして求めた各相の交流制御電圧（電機子巻線の各相巻線の両端に印加されている電圧）の基準位相に対する位相角と、相電流の波形上の定点（この例では、π位相の零クロス点）の基準位相に対する位相角との間には一定の関係があるため、交流制御電圧の位相角がわかれば、そのときの相電流の位相角を推定することができる。

例えば、図３に示した例において、非制御時相当位相角が遅角２４°であることが分かれば、電機子巻線のインピーダンス及びバッテリの内部インピーダンスから予測される相電流の位相の進角量から、相電流の波形上の定点（Ｐ1点）の基準位相（Ｏ点）に対する位相角がδであることを推定できる。

これらのことから、バッテリ２の両端の電圧（バッテリの内部インピータンスにより変わる）を一定値とし、電機子巻線１０２のインピーダンスを一定として（電機子巻線の温度を一定として）、交流制御電圧の非制御時相当位相角と磁石発電機の回転速度と相電流の大きさとの間の関係、及び交流制御電圧が印加された電機子巻線の各相巻線の両端の電圧の位相角と相電流の位相角との間の関係を用いて、回転速度Ｎと、相電流ｉuの大きさと、相電流ｉuの波形上の定点（Ｐ1点）の基準位相（Ｏ点）に対する位相角δとの間の関係を与える相電流位相演算用マップを作成することができ、電機子巻線１０２に交流制御電圧を印加しない状態で検出された回転速度と相電流の大きさとに対してこのマップを検索することにより、相電流の波形上の定点（図３のＰ1点）の基準位相（図３のＯ点）に対する位相角を求めることができる。

上記のようにして求めた相電流の波形上の定点の基準位相に対する位相角は、バッテリの両端の電圧を一定とし、電機子巻線のインピーダンスを一定と仮定して作成したマップを用いて演算されたものであるため、バッテリの両端の電圧が変わり（バッテリのインピーダンスが変わり）、電機子巻線の温度によりその内部抵抗が変わり、電機子巻線のインピーダンスが変わると変化してしまう。そのため、相電流位相演算用マップを用いて演算した相電流の波形上の定点の位相は、バッテリの両端の電圧及び電機子巻線の温度に対して補正する必要がある。

本実施形態では、相電流位相検出手段５０２が、定点検出手段５０１により相電流の波形上の定点（この例ではπ位相の零クロス点）が検出される周期から磁石発電機の回転速度を演算する回転速度演算手段５０５と、相電流の大きさと磁石発電機の回転速度と相電流の波形上の定点の基準位相に対する位相角との関係を与える相電流位相演算用マップを電流検出器により検出された相電流の大きさと回転速度演算手段５０５により演算された回転速度とに対して検索することにより相電流の波形上の定点の基準位相に対する位相角を演算する相電流位相演算手段５０６と、電圧検出器８により検出されたバッテリ２の両端の電圧と温度センサ９により検出された電機子巻線１０２の温度とに対して相電流位相演算手段５０６により演算された位相角を補正する相電流位相補正手段５０７とにより構成されている。

相電流位相補正手段５０７による相電流の波形上の定点の位相角の補正は、例えば、相電流位相演算手段により演算された相電流の位相角に、電圧検出器により検出された電圧値及び温度センサにより検出された温度に対して演算した補正係数を乗じることにより行うことができる。この補正係数の演算は、実験値に基づいて作成したマップを用いて行うことができる。電圧値及び温度の検出値に対してそれぞれ補正係数を演算するために用いるマップは実験的に作成しておく。

上記のようにして、相電流ｉuの波形上の定点の基準位相に対する位相角δを求めることができれば、この相電流の波形上の定点が検出されたタイミングを基準タイミングとして、発電機の出力を制御するために電機子巻線に印加する必要がある交流制御電圧の発生タイミングを求めることができる。例えば、基準タイミングに対する位相角がγである交流制御電圧の、定点Ｐ1に対する位相角αは、α＝δ＋γとなるため、電気角でαの区間を現在の回転速度で回転するのに要する時間を制御電圧発生タイミング検出用計時データとして演算して、この計時データをタイマに計測させることにより、交流制御電圧の発生タイミングを検出することができ、この発生タイミングで、磁石発電機の回転速度により決まる周波数を有する三相交流制御電圧をインバータ４から出力させるように、インバータ４のスイッチ素子を所定のタイミングでオンオフさせることにより、インバータ４から電機子巻線１０２に交流制御電圧を印加することができる。

コントローラ５にはまた、電圧検出器８により検出されたバッテリの両端の電圧（出力電圧）Ｅoを制限値ＥLと比較して、バッテリの両端の電圧が制限値を超えているときに、バッテリの両端の電圧を制限値以下に低下させるために電機子巻線１０２に印加する必要がある交流制御電圧の基準位相に対する位相角γを決定する制御電圧位相決定手段５０８が設けられ、この制御電圧位相角決定手段５０８により決定された位相角が制御電圧発生タイミング演算手段５０３に与えられる。

発電機の出力を低下させるためには、一般には、交流制御電圧の位相を進角側に変化させればよい。制御電圧位相決定手段５０８は、バッテリの両端の電圧が制限値を超えたときに、交流制御電圧の基準位相に対する位相角を、時間の経過に伴って予め定めた角度ずつ段階的に進角させていくように構成してもよく、バッテリの両端の電圧と制限値との偏差に応じて、マップ演算によりバッテリの両端の電圧を制限値以下に低下させるために必要な交流制御電圧の基準位相に対する位相角（時間により変化しない一定値）を演算するように構成してもよい。いずれにしても、制御電圧位相決定手段５０８は、バッテリ２の両端の電圧が制限値を超えているときに、各瞬時に電機子巻線に印加する交流制御電圧の基準位相に対する位相角γを決定して、決定した位相角を制御電圧発生タイミング演算手段５０３に与える。

磁石発電機の回転速度が図２に示したＮ1であるときには、図３に示したように、電機子巻線１０２に印加した際に、インバータ４が単なる整流器として機能する場合に流れる相電流ｉuと同じ相電流を流すことになる交流制御電圧Ｖｕの基準位相Ｏに対する位相角（非制御時相当位相角）γは２４°であり、相電流ｉuの波形上の定点Ｐ1の基準位相Ｏに対する位相角をδとした場合、上記交流制御電圧Ｖｕの定点Ｐ1に対する位相角α（図３ＦのＰ1点からＳ1点までの角度）は、α＝δ＋２４°である。

ここで、バッテリ２の両端の電圧が制限値を超えたために、制御電圧位相決定手段５０８が、基準位相（Ｏ点）に対する位相角が進角０°の交流制御電圧（無負荷誘起電圧Ｖuoと同位相の交流制御電圧）を電機子巻線１０２に印加することを決定したものとする。図３（Ｄ）に示すように、進角０°の交流制御電圧Ｖｕの定点Ｐ1に対する位相角α1は、α1＝δ＋０°＝δである。このとき制御電圧発生タイミング演算手段５０３は、電気角α1に相当する区間を現在の発電機の回転速度で回転するのに要する時間を制御電圧発生タイミング検出用の計時データとして演算するとともに、磁石発電機の回転速度により決まる電機子巻線１０２の誘起電圧と周波数が等しい交流制御電圧を電機子巻線１０２に印加する際のインバータのスイッチ素子のオンオフのタイミングを定めるためにタイマに計測させる計時データを演算し、マイクロプロセッサ内のタイマに制御電圧発生タイミング検出用計時データの計測を開始させる。相電流の波形上の定点の位相角の演算及び制御電圧発生タイミング検出用の計時データの演算は、ほぼ瞬時に行われるため、タイマが上記計時データの計測を開始するタイミングは、相電流の波形上の定点Ｐ1が検出されたタイミングとみなすことができる。

タイマが制御電圧発生タイミング検出用計時データの計測を完了すると（図３Ｄの点Ｓ1′が検出されると）、インバータ制御手段５０４が、制御電圧発生タイミング演算手段５０３により演算されたタイミングでインバータ４のスイッチ素子をオンオフ制御することにより、バッテリ２の両端の電圧を図３（Ｄ）に示された進角０°の交流制御電圧に変換して、該交流制御電圧を電機子巻線１０２に印加する。

インバータ４を制御して直流電圧を交流電圧に変換する際には、同時にオン状態にされたときにインバータの直流側端子４ａ，４ｂ間を短絡しないように配慮しつつ、ブリッジの上辺を構成する複数のスイッチ素子及びブリッジの下辺を構成する複数のスイッチ素子の中からそれぞれ１つずつ選択したスイッチ素子を同時にオン状態にする対のスイッチ素子として、同時にオン状態にする対のスイッチ素子の組み合わせを適宜のタイミングで切り換えるように各スイッチ素子をオンオフ制御する。

図１に示した発電装置において、磁石発電機の回転速度がＮ1であるときに、バッテリ２の両端の電圧が制限値を超えたとする。このときコントローラ５の相電流位相演算手段５０６は、電機子巻線に交流制御電圧を印加していない状態で、電流検出器６により検出された相電流ｉuの大きさ（平均値）と、回転速度演算手段５０５により演算された回転速度とから相電流ｉuの波形上の定点Ｐ1の基準位相Ｏに対する位相角を演算する。相電流位相補正手段５０７は、この位相角をバッテリ２の両端の電圧と電機子巻線の温度とに対して補正して、相電流の波形上の定点Ｐ1の基準位相Ｏに対する位相角がδであることを検出する。このときバッテリ２には、基準位相に対して遅角２４°の位相角を有する交流制御電圧Ｖｕを電機子巻線１０２に印加した場合に流れる相電流ｉuと同じ大きさの充電電流が流れている。従って、磁石発電機の出力を低下させて、バッテリの両端の電圧を制限値以下に低下させるためには、交流制御電圧の位相角を遅角２４°よりも進角させる必要がある。

ここで制御電圧位相決定手段５０８が、充電電流を減少させるために、交流制御電圧の位相角を進角０°とすることを決定したとする。このとき制御電圧発生タイミング演算手段５０３は、相電流の波形上の定点Ｐ1を基準にして、進角０°の交流制御電圧Ｖｕの位相角α1を演算し、電気角でα1の区間を現在の回転速度で回転するのに要する時間を制御電圧発生タイミング検出用計時データとして演算するとともに、電機子巻線１０２の誘起電圧と同じ周波数の交流電圧をインバータ４から電機子巻線１０２に印加する際のインバータの各スイッチ素子のオンオフのタイミングを求めるためにタイマに計測させる計時データを演算する。インバータ制御手段５０４は、制御電圧発生タイミング演算手段５０３が演算した計時データを直ちにタイマにセットしてその計測を開始し、該タイマが計時データの計測を完了したとき（図３Ｄに示した点Ｓ1′が検出されたとき）に、バッテリ２から電機子巻線１０２に進角０°の交流制御電圧を印加するように、インバータ４のスイッチ素子を制御する。

図１に示したコントローラ５の各手段を構成するためにマイクロプロセッサに実行させるプログラムのアルゴリズムを示すフローチャートを図４及び図５に示した。図４は制御電圧位相決定手段５０８を実現するためにマイクロプロセッサに微小時間間隔で繰り返し実行させるタスクのアルゴリズムを示したものであり、図５は出力電圧（バッテリの両端の電圧）Ｅoが制限値ＥLを超えたときに実行されるタスクのアルゴリズムを示したものである。

図４に示したタスクが開始されると、先ずステップＳ１０１において電圧検出器８が検出している出力電圧（バッテリの両端の電圧）Ｅoを読み込み、ステップＳ１０２において、読み込んだ出力電圧Ｅoが制限値ＥL以下であるか否かを判定する。その結果、出力電圧Ｅoが制限値ＥL以下であるときには何もしないでこの処理を終了する。

ステップＳ１０２において出力電圧Ｅoが制限値ＥLを超えていると判定されたときには、ステップＳ１０３に進んで出力電圧Ｅoを制限値ＥL以下に制限するために電機子巻線に印加する交流制御電圧の位相角を決定する。この交流制御電圧の位相角は、出力電圧Ｅoと制限値ＥLとの偏差に応じて演算するようにしてもよく、単位時間当たりの進角量の形で予め用意して記憶させておいてもよい。出力電圧が制限値を超えたときに交流制御電圧の位相を時間の経過に伴って段階的に進角させる場合、進角量は一定でも良く、時間の経過に伴って変化させる（例えば段階的に大きくしていく）ようにしてもよい。

ステップＳ１０３で交流制御電圧の位相角を決定した後、ステップＳ１０４に移行して、バッテリ２からインバータ４を通して電機子巻線１０２に交流制御電圧を印加することにより磁石発電機の出力を低下させるベクトル制御を行わせる。

ベクトル制御では、図５に示すタスクを行わせる。図５に示すタスクが開始されると、先ずステップＳ２０１で相電流の検出値を読み込む。次いでステップＳ２０２で、零クロス検出回路７の出力信号から、相電流の波形上の定点（π位相の零クロス点）Ｐ1を検出し、この定点Ｐ1が検出される周期（時間間隔）から磁石発電機の回転速度Ｎ［rpm］を演算する。零クロス検出回路７は、相電流の波形が負の半波から正の半波に移行する際の０位相の零クロス点と、同波形が正の半波から負の半波に移行する際のπ位相の零クロス点とで極性が異なるパルス信号を発生するため、π位相の零クロス点は容易に識別することができる。

ステップＳ２０２で回転速度を演算した後、ステップＳ２０３に進んで、ステップＳ２０１で読み込んだ相電流の大きさ（平均値）と回転速度とに対して前述の相電流位相演算用マップを検索することにより、相電流の波形上の定点Ｐ1の位相を演算する。次いでステップＳ２０４でバッテリ２の両端の電圧と電機子巻線の温度とを読み込み、ステップＳ２０５に進んで、ステップＳ２０３で演算された定点Ｐ1の位相をバッテリ電圧と電機子巻線の温度とに対して補正する。次いでステップＳ２０６で電機子巻線１０２の各相の巻線に最初に印加する交流制御電圧の定点Ｐ1の位相に対する位相角α1（各相毎に異なる値をとる）を演算し、この位相角α1と回転速度とから各相の巻線に印加する交流制御電圧を発生させるタイミング（図３Ｄの点Ｓ1′）を検出するためにタイマに計測させる制御電圧発生タイミング検出用計時データを演算するとともに、各相の交流制御電圧を発生させる際のインバータの各スイッチ素子のオンオフのタイミングを検出するためにタイマに計測させる計時データを演算する。

次いでステップＳ２０７に進んで交流制御電圧を電機子巻線１０２に印加するための処理を行わせる。この処理では、ステップＳ２０６で演算された制御電圧発生タイミング検出用計時データをタイマに計測させ、その計測が完了したときにステップＳ２０６で演算されたタイミングでインバータ４のスイッチ素子をオンオフさせて、電機子巻線１０２の出力電圧と同じ周波数を有する三相交流電圧をインバータ４から発生させ、この三相交流電圧を交流制御電圧として電機子巻線１０２に印加する。

ステップＳ２０７で、出力電圧が制限値を超えた後最初の交流制御電圧を電機子巻線１０２に印加した後、ステップＳ２０８で出力電圧Ｅoが制限値ＥL以下であるか否かを判定し、制限値以下である場合には、以後何もしないでこのタスクを終了する。

ステップＳ２０８で出力電圧Ｅoが制限値ＥLを超えていると判定されたときには、ステップＳ２０９で相電流の波形上の定点Ｐ1の検出周期から発電機の回転速度を演算する。次いでステップＳ２１０で次に電機子巻線に印加する交流制御電圧の発生タイミングとインバータのスイッチ素子のオンオフタイミングとを演算し、ステップＳ２０８に戻って交流制御電圧を発生させるための処理を行わせる。

ここで、次に発生させる交流制御電圧の基準位相に対する位相角と前回発生させた交流制御電圧の基準位相に対する位相角との差をΔγ（≧０）とすると、ステップＳ２１０における交流制御電圧の発生タイミングの演算は、前回発生させた交流制御電圧の発生タイミングから次に発生させる交流制御電圧の発生タイミングまでの時間（電気角で２π±Δγの区間を回転するのに要する時間）をステップＳ２０９で演算された回転速度を基に演算することにより行う。

出力電圧Ｅoが制限値ＥLを超えている間ステップＳ２０７ないしＳ２１０を繰り返し、ステップＳ２０７で出力電圧Ｅoが制限値ＥL以下になったと判定されたときに図５のタスクを終了させる。

図５に示したアルゴリズムによりベクトル制御を行わせる場合、ステップＳ２０２において相電流の波形上の定点を検出する過程により定点検出手段５０１が構成され、ステップ２０２において回転速度を演算する過程により回転速度演算手段５０５が構成される。またステップＳ２０５により相電流位相補正手段５０７が構成され、ステップＳ２０６，Ｓ２０８及びＳ２１０により制御電圧発生タイミング演算手段が構成される。更にステップＳ２０７によりインバータ制御手段５０４が構成される。

上記の説明では、出力電圧Ｅoが制限値ＥLを超えた後、２回目以降に電機子巻線に印加する交流制御電圧の発生タイミングを、先に発生させた交流制御電圧の発生タイミングを基準にして求めるとしたが、出力電圧Ｅoが制限値ＥLを超えた後、２回目以降に印加する交流制御電圧の発生タイミングを、相電流の波形上の定点の位相を基準にして求めることもできる。このように、出力電圧Ｅoが制限値ＥLを超えた後、２回目以降に電機子巻線に印加する交流制御電圧の発生タイミングを相電流の波形上の定点の位相を基準にして求めるようにした実施形態の構成を図６に示した。

図６に示された実施形態では、コントローラ５が、定点検出手段５０１と、第１の相電流位相検出手段５０２Ａと、第２の相電流位相検出手段５０２Ｂと、第１の制御電圧発生タイミング演算手段５０３と、第２の制御電圧発生タイミング演算手段５１１と、インバータ制御手段５０４と、制御電圧位相決定手段５０８とにより構成されている。

定点検出手段５０１は、相電流の波形の１／２周期に相当する期間が経過する毎に現れる定点を検出するように構成されており、本実施形態では、零クロス検出回路７が検出する相電流の０位相の零クロス点とπ位相の零クロス点との双方を区別して検出するように構成されている。本実施形態では、これら２つの零クロス点のうち、π位相の零クロス点を基準にして交流制御電圧の発生タイミングを求める。

第１の相電流位相検出手段５０２Ａは、回転速度演算手段５０５と、第１の相電流位相演算手段５０６と、第１の相電流位相補正手段５０７とにより構成されている。ここで、回転速度演算手段５０５は、相電流の０位相の零クロス点及びπ位相の零クロス点がそれぞれ検出された時刻を記憶していて、相電流の１／２周期に相当する時間から磁石発電機の回転速度を演算するように構成されている。

第１の相電流位相演算手段５０６及び第１の相電流位相補正手段５０７はそれぞれ図１に示された相電流位相演算手段５０６及び相電流位相補正手段５０７と同様に構成されていて、第１の相電流位相演算手段５０６は、相電流の波形の１周期の期間に検出される２つの定点の内の一方（本実施形態ではπ位相の零クロス点）を特定の定点として、回転速度演算手段５０５により演算された回転速度と電流検出器６により検出された相電流の大きさとに対してマップを検索することにより特定の定点の基準位相に対する位相角を演算する。

また第１の相電流位相補正手段５０７は、電圧検出器８により検出されたバッテリ２の両端の電圧Ｅoと温度センサにより検出された電機子巻線の温度とに対して第１の相電流位相演算手段５０６により演算された位相角を補正する。

第２の位相電流検出手段５０２Ｂは、出力電圧が制限値を超えた後、２回目以降に電機子巻線に印加する交流制御電圧の発生タイミングを求める際の基準として用いる相電流の波形上の定点の位相を検出する手段で、第２の相電流位相検出手段５０９と、第２の相電流位相補正手段５１０とにより構成されている。ここで、第２の相電流位相検出手段５０９は、先に発生させた交流制御電圧の発生タイミングを基準にして、該交流制御電圧の発生タイミングの後に現れる相電流の波形上の特定の定点の位相を検出する手段であり、第２の相電流位相補正手段５１０は、第２の相電流位相検出手段５０９により検出された相電流の波形上の定点の位相を回転速度演算手段５０５により演算された回転速度と電圧検出器８により検出されたバッテリの両端の電圧と温度センサ９により検出された温度とに対して補正する手段である。

第２の相電流位相補正手段５１０により補正された相電流の波形上の定点の基準位相に対する位相角は、第２の制御電圧発生タイミング演算手段５１１に与えられる。第２の制御電圧発生タイミング演算手段５１１は、第２の相電流位相補正手段５１０により補正された相電流の波形上の定点の位相を基準にして交流制御電圧の発生タイミングを演算する手段で、図１に示した制御電圧発生タイミング演算手段５１１と同様に構成されている。

第１の制御電圧発生タイミング演算手段５０３が演算した交流制御電圧の発生タイミングを検出するためにタイマに計測させる計時データ及びインバータのスイッチ素子のオンオフのタイミングを検出するためにタイマに計測させる計時データは、インバータ制御手段５０４に与えられる。インバータ制御手段５０４は、バッテリ２の両端の電圧Ｅoが制限値ＥLを超えた後、最初に交流制御電圧を発生させる際には、第１の制御電圧発生タイミング演算手段５０３により演算されたタイミングで交流制御電圧を発生させ、バッテリ２の両端の電圧が制限値を超えた後２回目以降に交流制御電圧を発生させる際には、第２の制御電圧発生タイミング演算手段５１１により演算されたタイミングで交流制御電圧を発生させるようにインバータのスイッチ素子を制御する。

図６に示した実施形態において、制御電圧位相決定手段５０８は、図１に示した実施形態と同様に構成されており、バッテリ２の両端の電圧が制限値を超えているときに、各瞬時における交流制御電圧の基準位相に対する位相角γを決定して、決定した位相角を第１の制御電圧発生タイミング演算手段５０３及び第２の制御電圧発生タイミング演算手段５１１に与える。

図６に示した第２の相電流位相演算手段５０９は、次のようにして相電流の波形上の定点を演算する。今、回転速度がＮ1のときに出力電圧Ｅoが制限値ＥLを超え、図３（Ｄ）に示すように、第１の相電流位相検出手段５０２Ａにより検出された相電流の波形上の特定の定点Ｐ1に対してα1の位相角を有する最初の交流制御電圧Ｖｕを発生させたとする。このとき第２の相電流位相演算手段５０９は、交流制御電圧の発生タイミング（図３ＤのＳ1′点）から、その直後に現れる相電流の０位相の零クロス点Ｐ2′が検出されるタイミングまでの時間（図３Ｄに示した角度θ0に相当する時間）Ｔ0を計測する。また最初に印加した交流制御電圧の発生タイミング（Ｓ1′点）から、相電流の次の定点Ｐ1′が検出されるまでの時間（図示の角度βに相当する時間）Ｔβを計測し、図示のβ−θ0（＝π）の区間に相当する時間Ｔβ−Ｔ0から発電機の現在の回転速度を演算する。そして、演算した回転速度とＴβとから、角度β（印加した交流制御電圧と相電流の位相差）を演算し、δ′＝２π−（β＋γ）（γは交流制御電圧の基準位相に対する位相角で、遅角位相のときに＋の符号をとる）により、交流制御電圧が印加された後に現れる相電流の波形上の定点Ｐ1′の基準位相に対する位相角δ′を演算する。

このようにして交流制御電圧が印加された後の相電流の波形上の特定の定点Ｐ1′の基準位相に対する位相角δ′を求め、この特定の定点Ｐ1′の位相を基準にして、次に印加する交流制御電圧（図示の例では進角０°の交流制御電圧）の発生タイミングまでの角度α2を求める。そして電気角でα2の区間を発電機が回転するのに要する時間を制御電圧発生タイミング検出用計時データとして演算し、この計時データをタイマに計測させて、出力電圧が制限値を超えた後２回目以降に電機子巻線に印加する交流制御電圧の発生タイミングを検出する。

図６に示した実施形態において、ベクトル制御を行うためにマイクロプロセッサに実行させるタスクのアルゴリズムを示すフローチャートを図７に示した。制御電圧位相決定手段５０８を実現するためにマイクロプロセッサに実行させるタスクのアルゴリズムは図４に示したものと同様である。

図７に示したタスクは、出力電圧が制限値ＥLを超え、図４のステップＳ１０３により交流制御電圧の位相角が決定されたときに実行される。図７に示したアルゴリズムによる場合には、先ずステップＳ３０１で相電流の検出値を読み込む。次いでステップＳ３０２で、零クロス検出回路７の出力信号から、相電流の波形上の特定の定点（π位相の零クロス点）を検出し、この特定の定点の１つ前の定点（０位相の零クロス点）が検出されてから今回特定の定点が検出されるまでの時間（相電流の半波の区間に相当する時間）から磁石発電機の回転速度Ｎ［rpm］を演算する。

ステップＳ３０２で回転速度を演算した後、ステップＳ３０３に進んで、ステップＳ３０１で読み込んだ相電流の大きさ（平均値）とステップＳ３０２で演算された回転速度とに対して前述の相電流位相演算用マップを検索することにより、相電流の波形上の特定の定点Ｐ1の位相を演算する。次いでステップＳ３０４でバッテリ２の両端の電圧と電機子巻線の温度とを読み込み、ステップＳ３０５に進んで、ステップＳ３０３で演算された定点Ｐ1の位相をバッテリ電圧と電機子巻線の温度とに対して補正する。次いでステップＳ３０６で出力電圧Ｅoと制限値ＥLとを比較し、出力電圧Ｅoが制限値ＥL以下である場合には以後何もしないでこのタスクを終了する。

ステップＳ３０６で出力電圧Ｅoが制限値を超えていると判定されたときには、ステップＳ３０７に進んで、出力電圧Ｅoを制限値ＥL以下にするために電機子巻線１０２の各相の巻線に最初に印加する交流制御電圧の位相を進み側に変化させるべく、交流制御電圧の定点Ｐ1の位相に対する位相角α1（各相毎に異なる値をとる）を演算し、この位相角α1と回転速度とから各相の巻線に印加する交流制御電圧を発生させるタイミング（図３Ｄの点Ｓ1′）を検出するためにタイマに計測させる制御電圧発生タイミング検出用計時データを演算するとともに、各相の交流制御電圧を発生させる際のインバータの各スイッチ素子のオンオフのタイミングを演算する。

次いでステップＳ３０８に進んで交流制御電圧を電機子巻線１０２に印加するための処理を行わせる。この処理では、ステップＳ３０７で演算された制御電圧発生タイミング検出用計時データをタイマに計測させ、その計測が完了したときにステップＳ３０７で演算されたタイミングでインバータ４のスイッチ素子をオンオフさせて、電機子巻線１０２の出力電圧と同じ周波数を有する三相交流電圧をインバータ４から発生させ、この三相交流電圧を交流制御電圧として電機子巻線１０２に印加する。

ステップＳ３０８で、出力電圧Ｅoが制限値ＥLを超えた後最初の交流制御電圧を電機子巻線１０２に印加した後、ステップＳ３０９で電機子巻線に印加した交流制御電圧と相電流の位相差βを検出し、ステップＳ３１０において、（β−θ0）度の区間に相当する時間から磁石発電機の回転速度を演算する。次いでステップＳ３１１で現在の相電流の波形上の特定の定点の位相角δ′を推定する。

そして、ステップＳ３１２でバッテリ電圧と電機子巻線の温度とを読み込み、ステップＳ３１３で、相電流の波形上の特定の定点の位相を補正する。この補正は、第１の相電流位相補正手段による相電流の位相の補正と同じようにして行う。次いで、ステップＳ３１４で出力電圧Ｅoと制限値ＥLとを比較し、出力電圧Ｅoが制限値ＥL以下であるときには、ステップＳ３１５に進んで、電機子巻線に印加する交流制御電圧の位相を遅らせる方向に変化させるべく、該交流制御電圧の位相角α2を相電流の波形上の特定の定点の位相を基準にして演算し、この位相角α2と回転速度とから各相の巻線に印加する交流制御電圧を発生させるタイミングを検出するためにタイマに計測させる制御電圧発生タイミング検出用計時データを演算するとともに、各相の交流制御電圧を発生させる際のインバータの各スイッチ素子のオンオフのタイミングを演算する。

次いでステップＳ３１６に進み、ステップＳ３１５で演算された位相角α2が、各回転速度において電機子巻線に交流制御電圧を印加しなかった場合に流れる相電流（電機子巻線と電圧蓄積手段との間の回路が単なる整流器として機能する状態で流れる相電流）と同じ大きさの相電流を流す交流制御電圧の位相角（非制御時相当位相角）α0よりも遅れているか否かを判定する。その結果位相角α2が非制御時相当位相角α0よりも遅れていないと判定されたときには、ステップＳ３１７に進んで制御に異常があるか否かを判定し、異常がない場合には、ステップＳ３０８に戻って交流制御電圧を印加するための処理を行わせて、出力電圧Ｅoを制限値ＥL以下に保つための制御を継続する。ステップＳ３１７で制御に異常があると判定されたときには、ステップＳ３０１に戻って制御をやり直し、交流制御電圧を印加しない状態で相電流の波形上の特定の定点の基準位相に対する位相角を改めて求める。

ステップＳ３１７により判定する制御の異常とは、例えば、交流制御電圧を電機子巻線に印加する制御を一定時間継続させても出力電圧Ｅoが制限値以下にならない状態や、交流制御電圧と相電流との位相差βが異常な値として演算された状態（相電流の位相を正しく推定できない状態）である。

ステップＳ３１６で位相角α2が非制御時相当位相角α0よりも遅れていると判定されたときには、以後何もしないでこのタスクを終了する。

図７のタスクのステップＳ３１４で出力電圧Ｅoが制限値ＥLを超えていると判定されたときには、ステップＳ３１８に移行して、交流制御電圧の位相角を進ませるべく、該交流制御電圧の位相角α2を相電流の波形上の特定の定点の位相を基準にして演算し、この位相角α2と回転速度とから各相の巻線に印加する交流制御電圧を発生させるタイミングを検出するためにタイマに計測させる制御電圧発生タイミング検出用計時データを演算するとともに、各相の交流制御電圧を発生させる際のインバータの各スイッチ素子のオンオフのタイミングを演算して、ステップＳ３１６に移行する。

図７に示したアルゴリズムによる場合には、ステップＳ３０２において相電流の波形上の定点を検出する過程により定点検出手段５０１が構成され、ステップ３０２において回転速度を演算する過程により回転速度演算手段５０５が構成される。またステップＳ３０５により第１の相電流位相補正手段５０７が構成され、ステップＳ３０７により第１の制御電圧発生タイミング演算手段５０３が構成される。更にステップＳ３０９ないしＳ３１１により第２の相電流位相演算手段５０９が構成され、ステップＳ３１２及びＳ３１３により第２の相電流位相補正手段５１０が構成される。またステップＳ３０８によりインバータ制御手段５０４が構成される。

上記の構成では、交流制御電圧の発生タイミングを基準にして、該交流制御電圧の発生タイミングの後に現れる相電流の波形上の特定の定点の位相を検出する第２の相電流位相検出手段５０９と、この第２の相電流位相検出手段により検出された相電流の位相を回転速度演算手段５０５により演算された回転速度と電圧検出器８により検出された電圧と温度センサ９により検出された電機子巻線の温度とに対して補正する第２の相電流位相補正手段５１０とを設けて、第２の相電流位相補正手段５１０により補正された相電流の位相を基準にして２番目以降に発生させる交流制御電圧の発生タイミングを演算するように第２の制御電圧発生タイミング演算手段を構成しているが、第２の相電流位相検出手段５０９及び第２の相電流位相補正手段５１０を省略して、交流制御電圧の発生タイミングを基準にして、次に発生させる交流制御電圧の発生タイミングを演算するように第２の制御電圧発生タイミング演算手段５１１を構成することもできる。

上記の各実施形態においては、１相の相電流を検出する電流検出器６を設けて、この電流検出器により検出された１相の相電流の波形上の定点の位相を基準にして三相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように制御電圧発生タイミング演算手段を構成しているが、三相の各相毎に相電流を検出する電流検出器を設けて、位相検出手段により検出された各相の相電流の波形上の定点の位相を基準にして各相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように制御電圧発生タイミング演算手段を構成してもよい。三相の各相毎に相電流を検出する電流検出器を設けて、位相検出手段により検出された各相の相電流の波形上の定点の位相を基準にして各相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるようにすると、交流制御電圧の発生タイミングの精度を高めることができる。

またＵ相の相電流の波形上の定点の位相を基準にして、Ｕ相より位相が遅れたＶ相の交流制御電圧の発生タイミングを求め、Ｖ相の相電流の波形上の定点の位相を基準にして、Ｖ相よりも位相が遅れたＷ相の交流制御電圧の発生タイミングを求め、Ｗ相の相電流の波形上の定点の位相を基準にして、Ｗ相よりも位相が遅れたＵ相の交流制御電圧の発生タイミングを求める等、位相が進んだ相の相電流の波形上の定点の位相を基準にして、位相が遅れた他の相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるようにすることもできる。

上記の説明では、磁石発電機の相電流の波形上の定点の位相を回転速度と相電流の大きさとに対して演算して、相電流の波形上の定点の位相を基準にして交流制御電圧を発生させるタイミングを定めるようにしたが、磁石発電機の各相の巻線の両端の電圧を相電圧として検出して、この相電圧の波形上の定点の位相を回転速度と相電流の大きさとに対して演算し、演算した相電圧の波形上の定点の位相を基準にして交流制御電圧を発生させるタイミングを定めるようにすることもできる。

相電圧の波形上の定点の位相を回転速度と相電流の大きさとに対して演算して、演算した相電圧の波形上の定点の位相を基準に交流制御電圧を発生させるタイミングを定める場合のコントローラ５の構成例を図８に示した。図８に示した例では、相電流を検出する電流検出器６の他に、相電圧を検出する電圧検出回路１０と、電圧検出回路１０により検出された相電圧の零クロス点を検出する零クロス検出回路７′とが設けられている。コントローラ５は、定点検出手段５０１′と、回転速度演算手段５０５′と、相電圧位相演算手段５０６′と、制御電圧発生タイミング演算手段５０３と、インバータ制御手段５０４と、制御電圧位相決定手段５０８とにより構成されている。

定点検出手段５０１′は、零クロス検出回路７′により検出される零クロス点の中から相電圧の波形上の定点を検出する手段であり、回転速度演算手段５０５′は、定点検出手段５０１′により相電圧の波形上の定点が検出される周期から磁石発電機の回転速度を演算する手段である。また相電圧位相演算手段５０６′は、相電流の大きさと磁石発電機の回転速度と相電圧の波形上の定点の基準位相に対する位相角との関係を与える相電圧位相演算用マップを電流検出器６により検出された相電流の大きさと回転速度演算手段５０５′により演算された回転速度とに対して検索することにより相電圧の基準位相に対する位相角を演算する手段である。制御電圧発生タイミング演算手段５０３は、相電圧位相演算手段５０６′により演算された相電圧の定点の位相を基準にして交流制御電圧を発生させるタイミングを演算するように構成され、インバータ制御手段５０４は、制御電圧発生タイミング演算手段５０３により演算されたタイミングで交流制御電圧を発生させるようにインバータのスイッチ素子を制御するように構成されている。

上記相電圧位相演算用マップは、電機子巻線に交流制御電圧を印加していない状態で電機子巻線に流れる相電流と同じ大きさの相電流を流すために電機子巻線に印加すべき交流制御電圧の位相角と磁石発電機の回転速度と相電流の大きさとの間の関係を用いて作成される。

相電圧の波形上の定点は、相電圧波形が正の半波から負の半波に移行する際の零クロス点（π位相の零クロス点）、相電圧の波形が負の半波から正の半波に移行する際の零クロス点（０位相の零クロス点）、相電圧の波形の正の半波若しくは負の半波のピーク点、または相電圧の正の半波若しくは負の半波が設定されたしきい値に達する点のいずれかとすることができるが、本実施形態では、相電圧波形のπ位相の零クロス点を定点として用いている。。

相電圧位相検出手段５０６′は、１相の相電圧の波形上の定点の位相のみを検出するように構成してもよく、三相の各相の相電流の位相を検出するように構成してもよい。１相の相電圧の波形上の定点の位相のみを検出するように相電圧検出手段を構成する場合には、１相の相電圧の位相を基準にして三相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように制御電圧発生タイミング演算手段を構成する。また三相の各相の相電流の位相を検出するように相電圧検出手段を構成する場合には、相電圧位相検出手段により検出された各相の相電圧の位相を基準にして各相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように制御電圧発生タイミング演算手段５０３を構成する。

相電流の大きさと回転速度と相電圧（交流制御電圧）の基準位相に対する位相との間には、図２に示す関係があるため、この関係を利用して、相電流の大きさと回転速度とに対して、交流制御電圧が印加されていない状態での相電圧の基準位相に対する位相角を演算するマップを容易に作成することができる。例えば回転速度がＮ1であるときには、交流制御電圧を印加していない状態で検出された相電流の大きさ（例えば平均値）と回転速度とに対して上記のマップを検索することにより、相電圧の波形上の定点Ｓ2の基準位相に対する位相角が遅角π−２４°であることを検出することができ、これより相電圧のπ位相の零クロス点Ｓ2は基準位相（Ｏ点）に対してπ−２４°遅れていることが分かる。このようにして、相電圧の波形上の定点の位相を求めることができれば、この相電圧の波形上の定点を基準にして電機子巻線に印加する交流制御電圧の発生タイミングを求めることができる。例えば、相電圧の波形上の定点Ｓ1が検出されたときに電気角でπ−２４°の区間を回転するのに要する時間を演算すれば、進角０°の交流制御電圧の発生タイミングを求めることができる。

この場合、制御電圧発生タイミング演算手段５０３は、出力電圧が制限値を超えた後、２回目以降に電機子巻線に印加する交流制御電圧の発生タイミングを演算する際には、先に印加された交流制御電圧の波形上の定点の位相を基準にして次に印加する交流制御電圧の発生タイミングを演算する。例えば、図３（Ｄ）においてＳ1′点で交流制御電圧を発生させた後、次のＳ1′で再度交流制御電圧を発生させる際には、Ｓ1′点よりπだけ遅れたπ位相の零クロス点Ｓ2′を定点として、Ｓ2′点から電気角でπの区間を回転するのに要する時間を演算することにより、次に印加する交流制御電圧の発生タイミングを求めることができる。一般に、電機子巻線に印加した交流制御電圧の基準位相に対する遅れ角をγとした場合、次の交流制御電圧の発生タイミングを演算する際の基準とする相電圧の波形上の定点の位相は基準位相に対してπ＋γ遅れており、電機子巻線に印加する交流制御電圧の基準位相に対する進み角をγとした場合には、次の交流制御電圧の発生タイミングを演算する際の基準とする相電圧の波形上の定点の位相は基準位相に対してπ−γだけ遅れている。このように、先に電機子巻線に印加した交流制御電圧の波形上の定点の基準位相に対する位相角は常に特定できるので、この定点の位相を基準にして次に発生させる交流制御電圧の発生タイミングを求めることができる。

図８に示したコントローラを構成する各手段を実現するためにマイクロプロセッサに実行させるタスクのアルゴリズムを示すフローチャートを図９に示した。図９に示したタスクは、零クロス検出回路７′が相電圧のπ位相の零クロス点を検出する毎に実行される。このアルゴリズムによる場合には、先ずステップＳ４０１で出力電圧Ｅoが制限値ＥL以下であるか否かを判定する。その結果、出力電圧Ｅoが制限値以下であると判定されたときには、ステップＳ４０２に移行してフラグＦを０にリセットしてこのタスクを終了する。

ステップＳ４０１で出力電圧Ｅoが制限値以下でないと判定されたときには、ステップＳ４０３に進んで、クロックパルスを計数しているマイクロプロセッサ内のタイマの計測値から前回相電圧の波形上の定点が検出されてから今回相電圧の波形上の定点が検出されるまでの時間を測定する。次いでステップＳ４０４に進み、ステップ４０３で計測した時間（電気角で２πの区間を回転するのに要した時間）から回転速度を演算する。

回転速度を演算した後、ステップＳ４０５においてフラグＦが１にセットされているか否かを判定する。その結果フラグＦが１にセットされていない場合には、ステップＳ４０６に移行して、電流検出器６が検出している相電流の平均値を読み込み、ステップＳ４０７で相電流の大きさと回転速度とに対してマップを検索することにより、相電圧の波形上の定点（π位相の零クロス点）の基準位相に対する位相角を演算する。次いでステップＳ４０８において、相電圧の波形上の定点の位相に対して、次に印加する交流制御電圧の０位相の零クロス点までの角度αを演算し、ステップＳ４０９で、電気角αの区間を回転するのに要する時間を次に印加する交流制御電圧の発生タイミングを計測するための計時データとして演算すると共に、該交流制御電圧を発生させるために必要なインバータのスイッチ素子のオンオフのタイミングを定めるためにタイマに計測させる計時データを演算する。次いでステップＳ４１０で、タイマに上記計時データの計測を開始させ、その計測が完了したときにインバータ４に駆動信号を与えて、インバータ４から交流制御電圧を出力させる。インバータ４から交流制御電圧を出力させた後、ステップＳ４１１でフラグＦを１にセットし、このタスクを終了する。

相電圧の波形上の次の定点（π位相の零クロス点）が検出されて、図９のタスクが再度実行されたときにステップＳ４０１で出力電圧Ｅoが制限値ＥL以下でないと判定されると、ステップＳ４０３及びＳ４０４が実行されて回転速度が演算され、ステップＳ４０５でフラグＦが１であるか否かが判定される。このときフラグＦは１になっているため、相電流の波形上の定点の位相を求めるステップＳ４０６及びＳ４０７が省略されて、ステップＳ４０８及びＳ４０９が実行され、次に印加する交流制御電圧の発生タイミングを計測するためにタイマに計測させる計時データとインバータのスイッチ素子のオンオフのタイミングを定めるためにタイマに計測させる計時データとが演算される。

電機子巻線に交流制御電圧を印加することにより出力電圧が制限値以下になると、図９のステップＳ４０１でＥo≦ＥLであると判定されるため、交流制御電圧の印加が停止される。これにより磁石発電機の出力が上昇して出力電圧が制限値を超えると再度電機子巻線に所定の位相角を有する交流制御電圧を印加するベクトル制御が行われて、磁石発電機の出力が抑制される。これらの動作の繰り返しにより出力電圧Ｅoが制限値ＥLを超えないように制御される。

図９に示したアルゴリズムによる場合には、ステップＳ４０３及びＳ４０４により回転速度演算手段５０５′が構成され、ステップＳ４０６及びＳ４０７により相電圧位相演算手段５０６′が構成される。またステップＳ４０８及びＳ４０９により制御電圧発生タイミング演算手段５０３が構成され、ステップＳ４１０によりインバータ制御手段５０４が構成される。

なお図８の実施形態において、制御電圧発生位相決定手段５０８を構成するタスクのアルゴリズムは図４に示したものと同様でよい。

上記の各実施形態においては、１相の相電流を検出する電流検出器６を設けて、この電流検出器により検出された１相の相電流の波形上の定点の位相を基準にして三相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように制御電圧発生タイミング演算手段を構成しているが、三相の各相毎に相電流を検出する電流検出器を設けて、位相検出手段により検出された各相の相電流の波形上の定点の位相を基準にして各相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように制御電圧発生タイミング演算手段を構成してもよい。

上記のように、相電圧の波形上の定点の位相を基準にして交流制御電圧の発生タイミングを求める場合も、１相の相電圧のみを検出して、１相の相電圧の波形上の定点の位相を基準にして三相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように制御電圧発生タイミング演算手段を構成してもよく、三相の各相の相電圧の波形上の定点の位相を検出して、各相の相電圧の波形上の定点の位相を基準にして各相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように制御電圧発生タイミング演算手段を構成してもよい。

また位相が進んだ相の相電圧の波形上の定点の位相を基準にして、位相が遅れた他の相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように、制御電圧発生タイミング演算手段を構成することもできる。

上記の説明では、磁石発電機として３相の電機子巻線を有するものを用いる場合を例にとったが、本発明はｎ相（ｎは１以上の整数）の電機子巻線を有する磁石発電機を用いる場合に適用することができる。

上記の説明では、インバータの直流側端子間にバッテリを電圧蓄積手段として接続して、磁石発電機の整流出力でこのバッテリを充電する場合を例にとったが、インバータの直流側端子間にコンデンサを電圧蓄積手段として接続して、このコンデンサの両端に負荷を接続する場合にも本発明を適用することができる。

また磁石発電機の出力端子と電圧蓄積手段としてのコンデンサとの間に第１のインバータを設けて、磁石発電機の交流出力を第１のインバータ内の帰還ダイオードにより構成される整流回路を通して整流してコンデンサに印加し、このコンデンサの両端の電圧を第２のインバータの直流側端子間に印加して、該第２のインバータによりコンデンサの両端の電圧を一定の周波数（例えば商用周波数）を有する交流電圧に変換するようにしたインバータ発電機にも本発明を適用することができる。この場合には、第１のインバータの直流側端子間に接続されたコンデンサの両端の電圧で第１のインバータを通して磁石発電機の電機子巻線に、基準位相に対して所定の位相角を有する交流制御電圧を印加するこによりベクトル制御を行わせる。

本発明の実施形態の構成を示した構成図である。 磁石発電機の整流出力によりバッテリを充電する場合の充電電流対回転速度特性を、電機子巻線に印加する交流制御電圧の位相角をパラメータとして示したグラフである。 磁石発電機の回転速度が図２に示したＮ1であるときにＵ相の巻線に流れる相電流の波形と相巻線の両端に印加される電圧の波形とを、交流制御電圧の種々の位相角に対して示した波形図である。 図１に示した実施形態で用いるコントローラに設ける制御電圧位相決定手段を構成するためにマイクロプロセッサに実行させるタスクのアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。 図１に示した実施形態で用いるコントローラを構成する各手段を実現するためにマイクロプロセッサに実行させるタスクのアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。 本発明の他の実施形態の構成を示した構成図である。 図６に示した実施形態で用いるコントローラを構成する各手段を実現するためにマイクロプロセッサに実行させるタスクのアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。 本発明の更に他の実施形態の構成を示した構成図である。 図８に示した実施形態で用いるコントローラを構成する各手段を実現するためにマイクロプロセッサに実行させるタスクのアルゴリズムの一例を示したフローチャートである。

符号の説明

１ 磁石発電機
２ バッテリ
３ 負荷
４ インバータ
５ コントローラ
５０１ 定点検出手段
５０２ 相電流位相検出手段
５０２Ａ 第１の相電流位相検出手段
５０２Ｂ 第２の相電流位相検出手段
５０３ 制御電圧発生タイミング演算手段
５０４ インバータ制御手段
５０５ 回転速度演算手段
５０６ 相電流位相演算手段または第１の相電流位相演算手段
５０７ 相電流位相補正手段または第１の相電流位相補正手段
５０８ 制御電圧位相決定手段
５０９ 第２の相電流位相演算手段
５１０ 第２の相電流位相補正手段
５１１ 第２の制御電圧発生タイミング演算手段

Claims (17)

1. 磁石界磁を有するロータとｎ相（ｎは１以上の整数）の電機子巻線を有するステータとを備えた磁石発電機と、ｎ相ブリッジ接続されたスイッチ素子と各スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとを備えて交流側端子が前記電機子巻線の出力端子に接続され、直流側端子間に電圧蓄積手段と負荷とが並列に接続されるｎ相の電圧形インバータと、前記磁石発電機の出力電圧と周波数が等しく、予め定めた基準位相に対して所定の位相角を有するｎ相の交流制御電圧を前記電圧蓄積手段から前記インバータを通して前記電機子巻線に印加するように前記インバータを制御することにより前記電圧蓄積手段の両端の電圧を制限値以下に保つように制御するコントローラとを備えた発電装置であって、
   前記磁石発電機の相電流を検出する電流検出器が設けられ、
   前記コントローラは、
   前記相電流の波形上の定点を検出する定点検出手段と、
   前記定点検出手段により検出された相電流の波形上の定点の前記基準位相に対する位相角を検出する相電流位相検出手段と、
   前記相電流位相検出手段により検出された相電流の波形上の定点の位相を基準にして前記交流制御電圧を発生させるタイミングを演算する制御電圧発生タイミング演算手段と、 前記制御電圧発生タイミング演算手段により演算されたタイミングで前記交流制御電圧を発生させるように前記インバータのスイッチ素子を制御するインバータ制御手段と、
   を具備してなる発電装置。
2. 前記電圧蓄積手段の両端の電圧を検出する電圧検出器と、前記磁石発電機の電機子巻線の温度を検出する温度センサとが更に設けられ、
   前記相電流位相検出手段は、
   前記定点検出手段により相電流の波形上の定点が検出される周期から前記磁石発電機の回転速度を演算する回転速度演算手段と、
   前記相電流の大きさと前記磁石発電機の回転速度と前記相電流の波形上の定点の前記基準位相に対する位相角との関係を与える相電流位相演算用マップを前記電流検出器により検出された相電流の大きさと前記回転速度演算手段により演算された回転速度とに対して検索することにより前記相電流の波形上の定点の前記基準位相に対する位相角を演算する相電流位相演算手段と、
   前記電圧検出器により検出された前記電圧蓄積手段の両端の電圧と前記温度センサにより検出された電機子巻線の温度とに対して前記相電流位相演算手段により演算された位相角を補正する相電流位相補正手段とを備えている請求項１に記載の発電装置。
3. 磁石界磁を有するロータとｎ相（ｎは１以上の整数）の電機子巻線を有するステータとを備えた磁石発電機と、ｎ相ブリッジ接続されたスイッチ素子と各スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとを備えて交流側端子が前記電機子巻線の出力端子に接続され、直流側端子間に電圧蓄積手段と負荷とが並列に接続されるｎ相の電圧形インバータと、前記磁石発電機の出力電圧と周波数が等しく、予め定めた基準位相に対して所定の位相角を有するｎ相の交流制御電圧を前記電圧蓄積手段から前記インバータを通して前記電機子巻線に印加するように前記インバータを制御することにより前記電圧蓄積手段の両端の電圧を制限値以下に保つように制御するコントローラとを備えた発電装置であって、
   前記磁石発電機の相電流を検出する電流検出器と、前記電圧蓄積手段の両端の電圧を検出する電圧検出器と、前記磁石発電機の電機子巻線の温度を検出する温度センサとが更に設けられ、
   前記コントローラは、
   前記相電流の波形の１／２周期に相当する期間が経過する毎に現れる前記相電流の波形上の定点を検出する定点検出手段と、
   前記定点検出手段により定点が検出される周期から前記磁石発電機の回転速度を演算する回転速度演算手段と、
   前記相電流の波形の１周期に相当する期間に検出される２つの定点の内の一方を特定の定点として、前記回転速度演算手段により演算された回転速度と前記電流検出器により検出された相電流の大きさとに対して前記特定の定点の前記基準位相に対する位相角を演算する第１の相電流位相演算手段と、
   前記電圧検出器により検出された前記電圧蓄積手段の両端の電圧と前記温度センサにより検出された電機子巻線の温度とに対して前記第１の相電流位相演算手段により演算された位相角を補正する第１の相電流位相補正手段と、
   前記第１の相電流位相補正手段により補正された相電流の波形上の特定の定点の位相を基準にして前記交流制御電圧を発生させるタイミングを演算する第１の制御電圧発生タイミング演算手段と、
   前記交流制御電圧の発生タイミングを基準にして、該交流制御電圧の発生タイミングの後に現れる前記相電流の波形上の特定の定点の位相を検出する第２の相電流位相検出手段と、
   前記第２の相電流位相検出手段により検出された相電流の波形上の定点の位相を前記回転速度演算手段により演算された回転速度と前記電圧検出器により検出された電圧と前記温度センサにより検出された温度とに対して補正する第２の相電流位相補正手段と、
   前記第２の相電流位相補正手段により補正された相電流の波形上の定点の位相を基準にして交流制御電圧の発生タイミングを演算する第２の制御電圧発生タイミング演算手段と、
   前記電圧蓄積手段の両端の電圧が制限値を超えた後、最初に交流制御電圧を発生させる際に前記第１の制御電圧発生タイミング演算手段により演算されたタイミングで交流制御電圧を発生させ、前記電圧蓄積手段の両端の電圧が制限値を超えた後２回目以降に交流制御電圧を発生させる際には、前記第２の制御電圧発生タイミング演算手段により演算されたタイミングで前記交流制御電圧を発生させるように前記インバータのスイッチ素子を制御するインバータ制御手段と、
   を具備してなる発電装置。
4. 磁石界磁を有するロータとｎ相（ｎは１以上の整数）の電機子巻線を有するステータとを備えた磁石発電機と、ｎ相ブリッジ接続されたスイッチ素子と各スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとを備えて交流側端子が前記電機子巻線の出力端子に接続され、直流側端子間に電圧蓄積手段と負荷とが並列に接続されるｎ相の電圧形インバータと、前記磁石発電機の出力電圧と周波数が等しく、予め定めた基準位相に対して所定の位相角を有するｎ相の交流制御電圧を前記電圧蓄積手段から前記インバータを通して前記電機子巻線に印加するように前記インバータを制御することにより前記電圧蓄積手段の両端の電圧を制限値以下に保つように制御するコントローラとを備えた発電装置であって、
   前記磁石発電機の相電流を検出する電流検出器と、前記電圧蓄積手段の両端の電圧を検出する電圧検出器と、前記磁石発電機の電機子巻線の温度を検出する温度センサとが更に設けられ、
   前記コントローラは、
   前記相電流の波形の１／２周期に相当する期間が経過する毎に現れる前記相電流の波形上の定点を検出する定点検出手段と、
   前記定点検出手段により定点が検出される周期から前記磁石発電機の回転速度を演算する回転速度演算手段と、
   前記相電流の波形の１周期に相当する期間に検出される２つの定点の内の一方を特定の定点として、前記回転速度演算手段により演算された回転速度と前記電流検出器により検出された相電流の大きさとに対して前記特定の定点の前記基準位相に対する位相角を演算する第１の相電流位相演算手段と、
   前記電圧検出器により検出された前記電圧蓄積手段の両端の電圧と前記温度センサにより検出された電機子巻線の温度とに対して前記第１の相電流位相演算手段により演算された位相角を補正する第１の相電流位相補正手段と、
   前記第１の相電流位相補正手段により補正された相電流の波形上の特定の定点の位相を基準にして前記交流制御電圧を発生させるタイミングを演算する第１の制御電圧発生タイミング演算手段と、
   前記交流制御電圧の発生タイミングを基準にして、次に発生させる交流制御電圧の発生タイミングを演算する第２の制御電圧発生タイミング演算手段と、
   前記電圧蓄積手段の両端の電圧が制限値を超えた後、最初に交流制御電圧を発生させる際に前記第１の制御電圧発生タイミング演算手段により演算されたタイミングで交流制御電圧を発生させ、前記電圧蓄積手段の両端の電圧が制限値を超えた後２回目以降に交流制御電圧を発生させる際には、前記第２の制御電圧発生タイミング演算手段により演算されたタイミングで前記交流制御電圧を発生させるように前記インバータのスイッチ素子を制御するインバータ制御手段と、
   を具備してなる発電装置。
5. 前記相電流の波形上の定点は、相電流波形が正の半波から負の半波に移行する際の零クロス点、相電流波形が負の半波から正の半波に移行する際の零クロス点、相電流波形の正の半波若しくは負の半波のピーク点、または相電流の正の半波若しくは負の半波が設定されたしきい値に達する点のいずれかである請求項１ないし４のいずれか１つに記載の発電装置。
6. 前記基準位相は、前記磁石発電機の無負荷誘起電圧の位相である請求項１ないし４のいずれか１つに記載の発電装置。
7. 前記基準位相は、前記磁石発電機の電機子巻線に鎖交する磁束の時間的変化を示す波形の位相である請求項１ないし４のいずれか１つに記載の発電装置。
8. 前記相電流位相検出手段は、１相の相電流の波形上の定点の位相のみを検出するように構成され、
   前記制御電圧発生タイミング演算手段は、前記相電流位相検出手段により検出された１相の相電流の波形上の定点の位相を基準にしてｎ相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように構成されている請求項１ないし７のいずれか１つに記載の発電装置。
9. 前記相電流位相検出手段は、前記ｎ相の各相の相電流の波形上の定点の位相を検出するように構成され、
   前記制御電圧発生タイミング演算手段は、前記位相検出手段により検出された各相の相電流の波形上の定点の位相を基準にして各相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように構成されている請求項１ないし７のいずれか１つに記載の発電装置。
10. 磁石界磁を有するロータとｎ相（ｎは１以上の整数）の電機子巻線を有するステータとを備えた磁石発電機と、ｎ相ブリッジ接続されたスイッチ素子と各スイッチ素子に逆並列接続された帰還ダイオードとを備えて交流側端子が前記電機子巻線の出力端子に接続され、直流側端子間に電圧蓄積手段と負荷とが並列に接続されるｎ相の電圧形インバータと、前記磁石発電機の出力電圧と周波数が等しく、予め定めた基準位相に対して所定の位相角を有するｎ相の交流制御電圧を前記電圧蓄積手段から前記インバータを通して前記電機子巻線に印加するように前記インバータを制御することにより前記電圧蓄積手段の両端の電圧を制限値以下に保つように制御するコントローラとを備えた発電装置であって、
    前記磁石発電機の相電流を検出する電流検出器と、前記磁石発電機の各相の巻線の両端の電圧を相電圧として検出する電圧検出器とが設けられ、
    前記コントローラは、
    前記相電圧の波形上の定点を検出する定点検出手段と、
    前記定点検出手段により相電圧の波形上の定点が検出される周期から前記磁石発電機の回転速度を演算する回転速度演算手段と、
    前記相電流の大きさと前記磁石発電機の回転速度と前記相電圧の波形上の定点の前記基準位相に対する位相角との関係を与える相電圧位相演算用マップを前記電流検出器により検出された相電流の大きさと前記回転速度演算手段により演算された回転速度とに対して検索することにより前記相電圧の前記基準位相に対する位相角を演算する相電圧位相演算手段と、
    前記相電圧位相演算手段により演算された相電圧の定点の位相を基準にして前記交流制御電圧を発生させるタイミングを演算する制御電圧発生タイミング演算手段と、
    前記制御電圧発生タイミング演算手段により演算されたタイミングで前記交流制御電圧を発生させるように前記インバータのスイッチ素子を制御するインバータ制御手段と、
    を具備してなる発電装置。
11. 前記相電圧の波形上の定点は、相電圧波形が正の半波から負の半波に移行する際の零クロス点、相電圧の波形が負の半波から正の半波に移行する際の零クロス点、相電圧の波形の正の半波若しくは負の半波のピーク点、または相電圧の正の半波若しくは負の半波が設定されたしきい値に達する点のいずれかである請求項１０に記載の発電装置。
12. 前記基準位相は、前記磁石発電機の無負荷誘起電圧の位相である請求項１０または１１に記載の発電装置。
13. 前記基準位相は、前記磁石発電機の電機子巻線に鎖交する磁束の時間的変化を示す波形の位相である請求項１０または１１に記載の発電装置。
14. 前記相電圧位相検出手段は、１相の相電圧の位相のみを検出するように構成され、
    前記制御電圧発生タイミング演算手段は、前記相電圧位相検出手段により検出された１相の相電圧の位相を基準にしてｎ相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように構成されている請求項１０ないし１３のいずれか１つに記載の発電装置。
15. 前記相電圧位相検出手段は、前記ｎ相の各相の相電圧の位相を検出するように構成され、
    前記制御電圧発生タイミング演算手段は、前記相電圧位相検出手段により検出された各相の相電圧の位相を基準にして各相の交流制御電圧の発生タイミングを求めるように構成されている請求項１０ないし１３のいずれか１つに記載の発電装置。
16. 前記相電流位相演算用マップは、前記電機子巻線に交流制御電圧を印加していない状態で前記電機子巻線に流れる相電流と同じ大きさの相電流を流すために電機子巻線に印加すべき交流制御電圧の位相角と前記磁石発電機の回転速度と前記相電流の大きさとの間の関係と、前記交流制御電圧が印加された電機子巻線の各相巻線の両端の電圧の位相角と相電流の位相角との間の関係とを用いて作成されている請求項２に記載の発電装置。
17. 前記相電圧位相演算用マップは、前記電機子巻線に交流制御電圧を印加していない状態で前記電機子巻線に流れる相電流と同じ大きさの相電流を流すために電機子巻線に印加すべき交流制御電圧の位相角と前記磁石発電機の回転速度と前記相電流の大きさとの間の関係を用いて作成されている請求項１０に記載の発電装置。
    

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