JP5972385B2

JP5972385B2 - 界磁巻線式回転電機

Info

Publication number: JP5972385B2
Application number: JP2014536440A
Authority: JP
Inventors: 健一秋田; 森　真人; 真人森; 充規田畑
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2032-09-19
Also published as: CN104428989A; EP2899875B1; JPWO2014045348A1; EP2899875A1; US20150091534A1; CN104428989B; US9755557B2; WO2014045348A1; EP2899875A4

Description

本発明は、主に車両に搭載され、制御装置を持つ界磁巻線式回転電機に関するものである。

一般に、車両用回転電機は、エンジンルームに搭載される。そのため、車両用回転電機の使用温度は、極めて高温となる。また、車両用回転電機の内部温度は、車両用回転電機が発電及び駆動などの動作を行う際に発生する熱によって、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回転電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回転電機に故障が発生してしまう可能性がある。

そこで、従来の車両用交流発電機の出力制御方法及び出力制御装置では、温度上昇による車両用交流発電機の故障を防止する手段として、交流発電機或いはその周囲温度を計測し、その温度が予め設定された異常温度値を超えたことが検出された場合には、交流発電機出力電流を制限して制御装置の熱的負担を軽減する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１に記載の車両用交流発電機の出力制御方法及び出力制御装置では、温度センサにより車両用交流発電機の温度を検出し、界磁電流を制限することによって、車両用交流発電機を温度上昇から保護している。このため、温度センサを搭載する必要があり、車両用交流発電機のコストアップや構造変更が必要となる問題があった。
そこで、特許文献２では界磁巻線に流れる界磁電流が所定の閾値以上の状態が所定時間継続された場合に、通電する界磁電流を発熱による破損がない範囲に制限することによって、過剰な温度上昇を防止するようにしている。

特開平８−９５６７号公報特開２０１０−２７９０８５号公報

しかしながら、界磁電流を通常よりも制限している状態では、通常時の出力を得ることはできなくなる。そのため、例えばエンジン始動用に搭載された回転電機において、アイドルストップ時のエンジン再始動時に界磁電流が制限されていると、エンジン始動に必要な所望の出力を出すことができないため、エンジンの再始動に失敗し、車両の挙動に対して大きな影響を与える可能性がある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、温度センサを必要とせず、界磁巻線に流れる界磁電流に制限を加えることにより温度上昇を抑制すると共に、エンジン再始動時など、車両の挙動に対する影響が大きく通常時の出力を必要とする状況の場合には、可能な限り通常時の出力を出すことができる界磁巻線式回転電機を提供することを目的としている。

この発明は、界磁巻線を有するモータ・ジェネレータと、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、前記界磁電流を制御する界磁電流制御部と、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演算し、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、前記界磁電流制御部に対して所定の界磁電流制限時間の間、前記界磁電流を所定許容値以下に制限するように界磁電流制限指令を発生する界磁電流制限指令部とを含む界磁電流制限部と、前記界磁電流制限部に対して、所定の界磁電流制限解除時間の間、前記界磁電流の制限を解除するように界磁電流制限解除指令を出力する界磁電流制限解除部とを備え、前記界磁電流制限部は、前記界磁電流制限解除部から前記界磁電流制限解除指令を受けた場合は、前記所定の界磁電流制限解除時間の間、前記界磁電流の制限を解除すると共に、前記界磁電流制限解除部は、前記界磁電流制限部が前記界磁電流の制限を開始してからの経過時間に応じて、前記所定の界磁電流制限解除時間を変化させるものである。

本発明によれば、界磁巻線に流れる界磁電流を監視し、界磁巻線式回転電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ができるとともに、界磁電流の制限を行っている状態であっても、車両が通常時の出力を必要とする状況においては、所定時間内で界磁電流の制限を解除することが可能な界磁巻線式回転電機を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る界磁巻線式回転電機を車両に搭載した場合の概略構成図である。本発明の実施の形態１の界磁巻線式回転電機の構成図である。本発明の実施の形態１の図２における界磁電流制限部及び界磁電流制限解除部の構成図である。本発明の実施の形態１に係る界磁電流制限部の動作を説明するためのタイムチャートである。本発明の実施の形態１に係る界磁電流制限部における界磁電流を制限している場合の動作を説明するためのタイムチャートである。本発明の実施の形態１に係る界磁電流制限部における界磁電流制限中の動作を説明するためのタイムチャートである。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１に係る界磁巻線式回転電機について図１〜図６を参照して説明する。

図１は、実施の形態１に係る界磁巻線式回転電機を車両に搭載する場合を示す概略構成図であり、図に示すように、界磁巻線式回転電機４０は、内燃機関１０とベルト及びプーリなどの結合手段２０を介して互いに接続されている。また、蓄電池３０が界磁巻線式回転電機４０に電気的に接続されている。
なお、界磁巻線式回転電機４０は、内燃機関１０と結合手段２０を介さず直接結合される場合もある。さらに、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。また、蓄電池３０は、界磁巻線式回転電機４０専用であってもよく、界磁巻線式回転電機４０以外の他の車両用負荷と共有するものであってもよい。

図２は、界磁巻線式回転電機の構成図である。
図２に示すように、界磁巻線式回転電機は、大きく分けて３つの部分で構成されている。モータ・ジェネレータ５０、電力変換部６０及び制御部７０である。電力変換部６０には、蓄電池３０が接続されており、外部から電力の供給を受けている。

モータ・ジェネレータ５０は、３相のＹ型結線、もしくはΔ型結線された電機子巻線５１、界磁巻線５２及び電流検出器５３を備えている。なお、モータ・ジェネレータ５０は、３相以外の電機子巻線を用いるものであってもよい。
そして、外部からの動作指令である外部指令１６０に従って遷移する動作モードとして、停止、発電、駆動の動作モードを有している。

電力変換部６０は、３相インバータで界磁巻線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、界磁電流制限部１４０、及び界磁電流制限解除部１５０から構成されている。

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５０を駆動又は発電制御する。
また、駆動制御部９０は、モータ・ジェネレータ５０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。
さらに、発電制御部１００は、モータ・ジェネレータ５０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、電流検出器５３により界磁巻線５２に流れる界磁電流Ｉを検出する。界磁電流指令部１３０は、界磁電流Ｉを制御目標とする界磁電流指令値Ｉ_f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、界磁電流検出部１２０により検出された界磁電流Ｉに基づいて、界磁電流Ｉを制限するか否かを判定する。その結果、界磁電流Ｉの制限が必要と判定された場合には、界磁電流制限部１４０は、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。

界磁電流制限解除部１５０は、外部指令１６０からの停止、発電、駆動の動作指令に基づいて、界磁電流制限部１４０に対して界磁電流Ｉの制限を解除するように指令する。

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を制御目標値として、界磁巻線５２に流す界磁電流Ｉを制御する信号をゲート駆動部８０に送出する。
ただし、界磁電流指令値Ｉ_fが界磁電流制限値Ｉ_limよりも小さい場合、つまり界磁電流指令値Ｉ_f＜界磁電流制限値Ｉ_limの関係にある場合には、界磁電流Ｉを界磁電流指令値Ｉ_fに制御する信号を送出する。
なお、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は、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を制御する信号を送出する。

図３は、界磁巻線式回転電機の界磁電流制限部１４０及び界磁電流制限解除部１５０の構成図である。
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から構成されている。記憶部１４１は、界磁電流閾値記憶部１４１ａ、界磁電流積分閾値記憶部１４１ｂ、界磁電流制限値記憶部１４１ｃ、界磁電流制限時間記憶部１４１ｄからなる。
また、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流積分手段１４２ａを、界磁電流制限指令部１４３は、界磁電流制限時間計測手段１４３ａを有している。

ここで、界磁電流閾値記憶部１４１ａには、第１の界磁電流閾値Ｉ_th1と、第１の界磁電流閾値Ｉ_th1より小さい値に設定されている第２の界磁電流閾値Ｉ_th2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Ｉ_th1，Ｉ_th2は、第１の界磁電流閾値Ｉ_th1＞第２の界磁電流閾値Ｉ_th2の関係となっている。

また、界磁電流積分閾値記憶部１４１ｂ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Ｓ_thが記憶されている。

また、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、界磁電流Ｉの界磁電流制限時間Ｔ_limが予め記憶されている。

更に、界磁電流制限解除部１５０は、界磁電流制限解除時間記憶部１５１と界磁電流制限解除指令部１５２から構成されている。また、界磁電流制限解除指令部１５２は、界磁電流制限解除時間計測手段１５２ａを有している。

そして、界磁電流制限解除時間記憶部１５１には、界磁電流制限部１４０が界磁電流Ｉの制限を開始してからの経過時間に応じて設定されている界磁電流制限解除時間Ｔ_Cが予め記憶されている。
この界磁電流制限解除時間Ｔ_Cは、界磁電流Ｉを制限経過時間だけ制限した場合に、その状態から制限なしで動作可能、つまり過熱による故障が起きない時間以下に設定されている。界磁電流Ｉの制限を開始してからの経過時間に応じて設定することで、制限開始からの経過時間が長いほど解除時間を長くすることができる。

次に、界磁巻線式回転電機の動作の詳細について、図４〜６を用いて説明する。
まず、界磁電流制限判定部１４２の動作について、図４を参照しながら説明する。
図４は、界磁電流制限部１４０における界磁電流、界磁電流積分値の時間変化を示すタイムチャートである。

界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流Ｉ＞第１の界磁電流閾値Ｉ_th1の場合において、界磁電流Ｉと第１の界磁電流閾値Ｉ_th1との差分ΔＩ₁を界磁電流積分値Ｓ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＜第２の界磁電流閾値Ｉ_th2の場合おいて、第２の界磁電流閾値Ｉ_th2と界磁電流Ｉとの差分ΔＩ₂を界磁電流積分値Ｓ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≦第１の界磁電流閾値Ｉ_th1であり、かつ界磁電流Ｉ≧第２の界磁電流閾値Ｉ_th2である場合には、現状の界磁電流積分値Ｓを維持する。

界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流積分値Ｓ＞界磁電流積分閾値Ｓ_thとなった場合において、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。

次に、界磁電流制限判定部１４２の動作について、図５を参照しながら説明する。
図５は、界磁電流制限部１４０における界磁電流を制限している場合の界磁電流、界磁電流積分値及び界磁電流制限時間カウンタの時間変化を示すタイムチャートである。
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には、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を取得し、界磁電流制限時間カウンタＣ_limに界磁電流制限時間Ｔ_limを設定する（下式参照）。

Ｃ_lim＝Ｔ_lim

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の値（ただし、界磁電流指令値Ｉ_f＜界磁電流制限値Ｉ_limの関係を満たす間は界磁電流指令値Ｉ_fの値）に制御する。

第２の界磁電流閾値Ｉ_th2は、界磁巻線式回転電機が連続動作を行っている場合には、界磁巻線式回転電機４０の温度が正常範囲内となるように設定されている。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_th2以下に設定されている。これにより、界磁巻線式回転電機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。

なお、界磁電流制限判定部１４２は、界磁電流積分値Ｓが界磁電流積分閾値Ｓ_thを超えた場合において、界磁電流積分値Ｓをクリアして０（ゼロ）に設定する。

また、界磁電流制限指令部１４３は、界磁電流Ｉの制限を開始してから、界磁電流制限時間Ｔ_limが経過した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。

更に、界磁電流制限解除部１５０の動作について、図６を参照しながら説明する。
図６は、界磁電流制限部１４０における界磁電流制限中に、界磁電流制限解除部１５０から界磁電流制限解除指令を受信した場合の界磁電流、界磁電流積分値、界磁電流制限時間カウンタ及び界磁電流制限解除時間カウンタの時間変化を示すタイムチャートである。

界磁電流制限部１４０の動作により界磁電流Ｉを制限している状態では、制限をしていない場合と比べて、発電・駆動ともに出力は低下してしまう。そのため、例えばアイドルストップ時のようにエンジンが停止しているときに界磁電流Ｉを制限している場合を考えると、本来エンジン始動に必要な所望のトルクを発生させることができないため、エンジンの再始動ができない可能性があり、車両の挙動に大きな影響を与える恐れがある。

そこで、界磁電流制限解除部１５０では、界磁電流Iの制限を行っている状態において、外部指令１６０が駆動指令である場合は、界磁電流制限指令部１４３より界磁電流制限時間カウンタＣ_limの値を受け取り、その値に応じた界磁電流制限解除時間Ｔ_C読み出し、制限解除時間計測手段１５２aにより界磁電流制限解除時間Ｔ_Cの間、界磁電流制限解除指令を界磁電流制限指令部１４３に対して送信する。
そして、界磁電流制限部１４０では、界磁電流制限解除部１５０から界磁電流制限解除指令を受信すると、界磁電流Ｉの制限を解除し、通常時の界磁電流値にて制御を実施する。これにより、モータ・ジェネレータ５０を制限を行わない通常時と同じ状態で、駆動又は発電制御することが可能となる。

ただし、界磁電流Ｉの制限を開始した直後では、制限なしで動作可能な時間が、例えばエンジン始動するために必要な時間より短く、不要に駆動動作を繰り返す場合が想定される。そこで、界磁電流Ｉの制限経過時間が所定の時間以下の場合、つまりは界磁電流の制限を解除可能な時間が例えばエンジン始動に必要な時間以下となるような領域では、界磁電流制限の解除は行わないようにしてもよい（界磁電流制限解除時間Ｔ_Cを０（ゼロ）に設定する）。

なお、ここでは界磁電流制限部１４０が界磁電流Ｉの制限を開始してからの経過時間に応じて界磁電流制限解除時間Ｔ_Cを変化させているが、例えば界磁電流制限部１４０での界磁電流制限時間Ｔ_limを制限中の界磁電流Ｉの値などによって可変とする場合などでは、界磁電流Ｉの制限の残り時間に応じて設定するようにしてもよい。

また、外部指令１６０が発電の場合においては、車両の挙動に対する影響が小さいことから界磁電流の制限を優先し、制限する時間が不要に長くなることを防ぐために、界磁電流制限解除指令を送信しないようにしてもよいし、駆動の場合と同様に界磁電流制限解除時間Ｔ_Cの間、界磁電流制限解除指令を送信するようにしてもよい。

以上のように、本発明による界磁巻線式回転電機は、界磁巻線５２を有するモータ・ジェネレータ５０と、界磁巻線５２に流れる界磁電流Ｉを検出する界磁電流検出部１２０と、界磁電流を制御する界磁電流制御部１１０と、界磁電流検出部１２０で検出された界磁電流Ｉに基づいて判定値を演算し、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１４２と、界磁電流制限判定部１４２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、界磁電流制御部１１０に対して所定の界磁電流制限時間Ｔ_limの間、界磁電流Ｉを所定許容値以下に制限するように界磁電流制限指令を発生する界磁電流制限指令部１４３とを含む界磁電流制限部１４０と、界磁電流制限部１４０に対して、所定の界磁電流制限解除時間Ｔ_Cの間、界磁電流Ｉの制限を解除するように界磁電流制限解除指令を出力する界磁電流制限解除部１５０とを備え、界磁電流制限部１４０は、界磁電流制限解除部１５０から界磁電流制限解除指令を受けた場合は、所定の界磁電流制限解除時間Ｔ_Cの間、界磁電流Ｉの制限を解除することを特徴とするもので、このような構成により、界磁巻線に流れる界磁電流の検出結果に基づいて、界磁巻線式回転電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場合において、外部からの指令に基づき界磁電流の制限を解除する必要があると判定した場合には、所定の時間制限を解除することにより、車両に対する影響を最小限に抑えることができる界磁巻線式回転電機を得ることができるという顕著な効果がある。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

３０蓄電池
４０界磁巻線式回転電機
５０モータ・ジェネレータ
５２界磁巻線
５３電流検出器
６０電力変換部
７０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
１４３界磁電流制限指令部
１５０界磁電流制限解除部
１５１界磁電流制限解除時間記憶部
１５２界磁電流制限解除指令部
１６０外部指令

Claims

界磁巻線を有するモータ・ジェネレータと、
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、
前記界磁電流を制御する界磁電流制御部と、
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演算し、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、前記界磁電流制御部に対して所定の界磁電流制限時間の間、前記界磁電流を所定許容値以下に制限するように界磁電流制限指令を発生する界磁電流制限指令部とを含む界磁電流制限部と、
前記界磁電流制限部に対して、所定の界磁電流制限解除時間の間、前記界磁電流の制限を解除するように界磁電流制限解除指令を出力する界磁電流制限解除部とを備え、
前記界磁電流制限部は、前記界磁電流制限解除部から前記界磁電流制限解除指令を受けた場合は、前記所定の界磁電流制限解除時間の間、前記界磁電流の制限を解除すると共に、前記界磁電流制限解除部は、前記界磁電流制限部が前記界磁電流の制限を開始してからの経過時間に応じて、前記所定の界磁電流制限解除時間を変化させることを特徴とする界磁巻線式回転電機。
前記モータ・ジェネレータは外部からの動作指令に従って遷移する少なくとも一つ以上の動作モードを有しており、
前記界磁電流制限解除部は、前記動作指令が所定の動作モードである場合にのみ、前記界磁電流制限部に対して、前記所定の界磁電流制限解除時間の間、前記界磁電流の制限を解除するように指令することを特徴とする請求項１に記載の界磁巻線式回転電機。
前記所定の動作モードは、前記モータ・ジェネレータの駆動動作モードであることを特徴とする請求項２に記載の界磁巻線式回転電機。
前記界磁電流制限解除部は、前記界磁電流の制限経過時間が所定時間以下の場合、前記所定の界磁電流制限解除時間をゼロに設定することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の界磁巻線式回転電機。
前記界磁電流制限部は、前記所定の界磁電流制限時間を制限中の前記界磁電流の値によって可変とすることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の界磁巻線式回転電機。