JP6058085B1 - 回転電機および回転電機の制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このことに対し、車載電源装置からの電流を抑制するために、回転電機と車載電源装置との間に、電流低減抵抗とオン/オフ制御が可能な切替接点を並列接続して、電動機として動作する時に、切替接点を制御する方法が知られている(例えば特許文献2参照)。
矩形波通電制御することで電動機として動作するときの車載電源装置からの駆動電流を制御できないため、最大駆動電流を考慮して電力変換部の電力変換素子を選ぶことになり、定格仕様に対して電力変換素子が大きなものとなり、電力変換部が大きくなる課題があった。
また、最大駆動電流時の電力変換素子の発熱を考慮した熱設計が必要となり、空冷の場合ではヒートシンクなどの冷却部を大きくする必要があり、電力変換部が大きくなる。また、駆動電流制御のために、電流低減抵抗を接続して電流低減させる場合は、電流低減抵抗で電力を損失させているため、効率が低減する課題があった。
できる。
この発明では、基本的には矩形波180度通電を行う回路構成を用いることができ、駆動電流抑制を行いたい場合は、通常の180度通電のオン/オフ指令信号と、デューティ信号のオン/オフ指令信号を掛け合わせた信号、すなわち180度の矩形波信号とデューティ信号の論理演算に基づく信号、で電力変換素子をオン/オフ動作させることができる。このため、電力変換部、制御部を大きく複雑化させることなく実現が可能であり、また、冷却部を大きくする必要もなく、また、抵抗で電力を損失させること無く電流を低減させることで、高効率化を図ることができる。
この発明に係る回転電機では、矩形波通電制御の電力変換部、制御部を用いることができ、電流低減抵抗を用いること無く、効率よく、駆動電流を低減させながら、小型、高効率な回転電機が得られる。
なお、この発明は車両に搭載された回転電機に限定されものではない。
図1は、この発明による回転電機を搭載した車両の電源系の一例を示す図である。図1において、回転電機1の回転子部および固定子部を含む回転機部2の回転軸と、エンジン5のクランクシャフト6とは、ベルト7等からなる動力伝達部により接続されている。回転電機1は電気的には車載負荷101、車載電源102に接続されている。回転電機1は、回転機部2と電力変換部3と、例えばエンジン制御ユニット(ECU:Engine Control Unit)からなる上位制御装置103からの指令Cを受けて電力変換部3を制御する制御部4から構成されている。
回転電機1を電動機として動作させるときは、車載電源102からの電力を電力変換部3で変換し、回転機部2を電動機として駆動させる。回転機部2を駆動させることで、ベルト7を介して、エンジン5の始動、トルクアシストを行う。
回転電機1を発電機として動作させるときは、ベルト7を介して伝達されるエンジン5からの動力により回転機部2の回転子部が回されることで発電し、電力変換部3で直流電力に変換されて車載電源102、車載負荷101に電力供給がおこなわれる。
回転電機1の回転機部2は、回転子部22内に界磁巻線24を備えており、電機子部である固定子部21には電機子巻線23を備えている。回転子部22にはさらに、回転センサ25が組み込まれており、回転子部22の回転速度等を検出する。
電力変換部3には、界磁巻線24の通電を行う界磁電力変換部32と電機子巻線23の通電を行う電機子電力変換部31を含み、車載電源102と回転機部2との間の電力変換を行う。
制御部4は、演算部41、界磁電流デューティ信号発生回路42、矩形波通電信号発生回路43、電機子デューティ信号発生回路44、信号処理部45を含む。
界磁巻線24では、界磁電力変換部32での電力変換素子をオン/オフ制御させて、そのときのデューティを調整することで、目標となる界磁電流値に制御する。界磁巻線24側の回路には電流センサCSがあり、界磁電流のフィードバック制御を行う。
電機子巻線23側は、電機子電力変換部31の各相に接続されたそれぞれの電力変換素子をオン/オフさせ、オン/オフ区間が、例えば電気角で180度となる180度矩形波通電制御を行うものとする。180度矩形波通電制御では、回転センサ25からの回転速度と回転子磁極位置情報に従って、電圧通電位相を調整することで上位制御装置103からの指令Cのトルクとなるように電圧位相と界磁電流を調整する。
回転電機1は上位制御装置103などから指令Cとして駆動指令があった場合、制御部4は例えば電圧センサVSからの回転電機1の端子の電圧を検知し、この電圧に従って電力変換部3に変換制御信号を出力して、界磁電力変換部32と電機子電力変換部31を動作させる。
図3の演算部41から、界磁電力変換部32では、界磁電力変換部32の界磁電力変換素子のオン/オフ制御を行い、界磁巻線24に通電を行う。
また、図3の演算部41から、電機子電力変換部31では、電圧センサVSからの回転電機1の端子電圧と回転センサ25からの回転速度に基づき、電機子電力変換部31の各相の電力変換素子のオン/オフ制御を行う。この際に、各相の電力変換素子への変換制御信号であるオン/オフ信号は、180度矩形波通電での信号に、180度矩形波通電での信号より周波数の高いデューティ信号を信号処理部45で演算(掛け算)した信号、すなわち180度矩形波信号とデューティ信号との論理演算(例えば論理積)に基づく信号として送られる。
図5の(B)の下側電力変換素子では、矩形波通電信号発生回路43の出力する矩形波信号(U_L)(図5の(B)の(a))と電機子デューティ信号発生回路44のデューティ信号(図5の(B)の(b))でデューティ信号のみがNOT回路45cに入力されて反転された後に、OR回路45bに入力され、電機子電力変換部31の下側への変換制御信号(U_L’)(図5の(B)の(c))を得る。
演算部41は、上述の回転電機1の各部の状態、予め準備されたデューティマップに基づいて、矩形波通電信号発生回路43、電機子デューティ信号発生回路44、さらには界磁電流デューティ信号発生回路42からの出力を求めて制御信号をそれぞれに出力する。
この発明の実施の形態2による回転電機においては図10に示すように、電力変換部3の電機子電力変換部31、界磁電力変換部32の各電力変換素子(詳細は図示省略)に電流制約値がある場合は、電流制約を満たす回転速度までの範囲内で矩形波通電にデューティ信号を加えた制御を行う。
図10では、矩形波通電だけによる制御では電力変換素子への駆動電流が電流制約値以上となってしまう場合に、破線で示す矩形波通電だけによる制御と実線で示す矩形波通電とデューティ信号を組み合わせた制御とで、電流制約値以下で駆動電流が同じとなるまで、矩形波通電とデューティ信号制御を組み合わせた制御を行うようにしている。
上記実施の形態と同様に、デューティ比の値は、回転センサ25の検出した回転機部2の回転子部22の回転速度または回転数から、または回転速度または回転数と電圧センサVSからの回転電機1の端子電圧から決定する。予めデューティマップを制御部4の演算部41のメモリMに格納しておき、状態に応じてデューティ比を変更する構成としてもよい。
また、デューティ信号を加えた制御を行うことで車載電源102が高電圧となった場合でも、電流を抑制して駆動動作をさせることが可能となる。
なお、回転電機1の構成は上記実施の形態と同様である。
この発明の実施の形態3による回転電機においては、デューティ信号を加えた制御をするか否かを、回転子部22の回転速度または回転数で決める。回転子部22の回転速度または回転数に応じて、回転機部2の固定子部21の電機子巻線23のインピーダンスが大きくなるので、車載電源102から供給される電流が小さくなる。デューティ信号を加えた制御をしなくても電流が小さい場合では、電力変換素子の許容電流すなわち上述の電流制約値を満足するためにデューティ信号を加えた制御することが不要となる。
なお、回転電機1の構成は上記実施の形態と同様である。
この発明の実施の形態4による回転電機においては、発電時にはデューティ信号を加えた制御を行わず、発電する。デューティ信号を加えた制御をしないため、制御を簡素化することができる。
なお、回転電機1の構成は上記実施の形態と同様である。
また、上記各本実施の形態では、固定子部22の固定子巻線である電機子巻線23が3相巻線の場合について説明したが、3相に限定されるものではなく、多相巻線の場合であっても、多相多群巻線の場合であってもこの発明は適用可能であり、同様の効果が得られる。
上位制御装置103からの指令C、
回転センサ25からの回転機部2の回転子部22の回転速度または回転数、
電流センサCSからの回転機部2の回転子部22の界磁巻線24の界磁電流、
電圧センサVSからの回転電機1の端子電圧、および
演算部41のメモリMに格納されたデューティマップ、
に基づいて、
発電機としての制御か、電動機としての制御か、デューティ信号を加えた制御を行うのか否かを判定し、
界磁電流デューティ信号発生回路42、矩形波通電信号発生回路43、電機子デューティ信号発生回路44の出力信号を上述のようにして求め、界磁電流デューティ信号発生回路42、矩形波通電信号発生回路43、電機子デューティ信号発生回路44は演算部41からの制御に従って出力信号を出力する。
信号処理部45は、矩形波通電信号発生回路43からの矩形波信号と電機子デューティ信号発生回路44からのデューティ信号の論理演算をとって変換制御信号として出力する。
少なくとも演算部41はプロセッサで構成され得るが、界磁電流デューティ信号発生回路42、矩形波通電信号発生回路43、電機子デューティ信号発生回路44、信号処理部45もプロセッサで構成され得る。
回転センサ25は回転速度を出力するものであってもよいし、回転センサ25からの信号を演算部41で演算して回転速度を求めてもよい。
電力変換素子への信号例を図5にて示したが、信号はこの1例に限らない。
6 クランクシャフト、7 ベルト、21 固定子部、22 回転子部、
23 電機子巻線、24 界磁巻線、25 回転センサ、31 電機子電力変換部、
32 界磁電力変換部、41 演算部、42 界磁電流デューティ信号発生回路、
43 矩形波通電信号発生回路、44 電機子デューティ信号発生回路、
45 信号処理部、101 車載負荷、102 車載電源、103 上位制御装置、
C 指令、CS 電流センサ、M メモリ、VS 電圧センサ。
Claims (8)
- 電動機としておよび外力により回転させられた時に発電機として動作する、電機子巻線を有する固定子部と、界磁巻線および自らの回転を検出する回転センサを有する回転子部と、を含む回転機部と、
前記回転機部と電源との間の両方向の給電のための電力変換を行う、前記電源側の入力端子に電圧センサを有する、電力変換部と、
前記電力変換部での電力変換制御を行い、前記回転機部を電動機と発電機とで切り替えて動作させる制御部と、
を備え、
前記制御部が、前記回転機部を電動機として動作させる時に、前記電力変換部に、上位制御装置からの指令と前記回転センサと前記電圧センサの情報に従って矩形波信号による変換制御信号を出力して制御し、さらに前記矩形波信号と前記矩形波信号より周波数の高いデューティ信号との論理演算に基づく前記変換制御信号を出力する、
回転電機。 - 前記制御部が、前記デューティ信号のデューティ比を100%とし前記矩形波信号による前記変換制御信号を出力する、請求項1に記載の回転電機。
- 前記制御部が、前記デューティ信号のデューティ比を、前記回転子部の前記回転センサで検出された回転速度と、前記電圧センサで検出された回転電機の前記入力端子にかかる電圧に従って求める、請求項1または2に記載の回転電機。
- 前記制御部の少なくとも一部が、メモリを有するプロセッサで構成され、前記デューティ信号のデューティ比が、前記メモリに予め格納されたデューティマップに従って求められる、請求項1または3に記載の回転電機。
- 前記制御部が、前記論理演算による制御を行う前記回転機部の回転速度範囲を低速回転時に限定した、請求項1から4までのいずれか1項に記載の回転電機。
- 前記制御部が、前記回転機部が発電機として動作している時には、前記論理演算による制御を行わずに発電させる、請求項1から5までのいずれか1項に記載の回転電機。
- 前記回転電機が車載用の回転電機であり、前記制御部が、前記回転機部をエンジンの始動時またはトルクアシスト時に電動機として動作させ、車両負荷の状態により前記エンジンからの前記外力により発電機として動作させる、請求項1から6までのいずれか1項に記載の回転電機。
- 電動機としておよび外力により回転させられた時に発電機として動作する回転機部と、前記回転機部と電源との間の両方向の給電のための電力変換を行う電力変換部と、前記電力変換部での電力変換制御を行い、前記回転機部を電動機と発電機とで切り替えて動作させる制御部と、を備えた回転電機において、
前記回転機部を電動機として動作させる時に、前記電力変換部に、上位制御装置からの指令と、電機子巻線を有する固定子部および界磁巻線を有する回転子部からなる前記回転機部の前記回転子部の回転を検出する回転センサと、前記電力変換部の前記電源側の入力端子に設けられた電圧センサとの情報に従って矩形波信号による変換制御信号を出力して制御し、さらに前記矩形波信号と前記矩形波信号より周波数の高いデューティ信号との論理演算に基づく前記変換制御信号を出力する、回転電機の制御方法。
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