JP6128721B2 - 始動発電装置、及び始動発電方法 - Google Patents

Description

本発明は、始動発電装置、及び始動発電方法に関する。

従来、車両、特に小型二輪車などにおいては、エンジン始動時にスタータモータとして働くと共にエンジン始動後は発電機として働くＡＣＧ（ＡＣジェネレータ）スタータモータ（始動発電機）が多用されている（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３）。

このＡＣＧスタータモータには、永久磁石で界磁を構成するとともに、電機子の巻線仕様をエンジン始動時に必要なトルク特性を満たすように設計しているものがある（特許文献１及び特許文献２）。このような構成では、ＡＣＧスタータモータをそのまま発電機として使用すると、電装負荷に必要な電力量を超えた発電量となり、余剰電力が発生してしまう。また、このようなＡＣＧスタータモータでは、整流回路を構成する半導体素子のショート制御により発電電力を抑制する方式が用いられている。この方式では、ＡＣＧスタータモータを還流する電流がＡＣＧスタータモータの電機子巻線やＡＣＧスタータモータを駆動するパワーデバイス素子を流れることにより、発熱することで電力損失が発生して車両の燃費を悪化させるとともに、エンジンフリクションも悪化させる。そのため、特許文献１及び特許文献２に記載されている構成では、ＡＣＧスタータモータの電機子巻線を並列に複数設け、ＡＣＧスタータモータとして用いる場合と、発電機として用いる場合とで使用する電機子巻線を切り替える制御が行われている。

特開２００３−８３２０９号公報 特許第４８５１１８４号公報 特許第４３２９５２７号公報

しかしながら、特許文献１から特許文献３に記載されている構成には次の課題がある。まず、特許文献１に記載の構成では、電機子巻線が並列に接続された４個の巻線から形成されているが、全ての巻線において三相の内一相が共通に接続されている。すなわち、ＡＣＧスタータモータとして用いる巻線と、発電機として用いる巻線とが、共通の節点に接続されていて、完全には分離されていない。また、巻線の選択はリレーで行われている。そのためアイドルストップ制御のように頻繁にリレーをオン・オフする使い方では接点の寿命低下が課題となる。また、各巻線の一相が共通に接続されている構成では、リレーをＭＯＳＦＥＴへ置き換える場合、次の点が課題となる。すなわち、リレーでは接点をオフすることで電流を双方向で遮断することができるが、ＭＯＳＦＥＴではオフした場合でもドレイン・ソース間の寄生ダイオードに電流が流れるため、一方向の電流しか遮断することができない。このため、巻線を分離するためにリレーでなくＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、ＡＣＧスタータモータとして用いる巻線が分離されずに、ＡＣＧスタータモータの巻線から発電電力が供給されて電力が過剰供給され、電力損失が増大するということが課題となる。

また、特許文献２に記載の構成では、中性点を制御するものであり、電機子巻線がスター結線である場合にのみ使用することができ、電機子巻線がデルタ結線である場合に対応することができないという課題がある。デルタ結線には中性点が無いため、デルタ結線と電機子巻線との組み合わせを考えた場合、個別リレーが増加することとなり、コスト高や配線の複雑化が問題となる。

また、特許文献３に記載の構成では、ＡＣＧスタータモータが２つの電機子巻線から構成されており、ＡＣＧスタータモータとして用いる際には一方の電機子巻線のみを用い、発電機として使用する際には２個の巻線を用いる構成となっている。また、特許文献１及び特許文献２に記載の構成と異なり、特許文献３に記載の構成では、界磁が巻線を用いて構成されている。この構成では、通常、ブラシを用いて界磁巻線に電流が通電される。永久磁石を用いて界磁を構成する場合と比較して、特許文献３に記載の構成は、装置の小型化が難しく、特許文献２で図示されているようにクランクシャフトに直結する取り付けにも適していないという課題がある。

本発明は、上記の解決することができる始動発電装置、及び始動発電方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る始動発電装置は、多相コイルからなる第１巻線部及び第２巻線部が並列に配設された電機子部と、永久磁石からなる界磁部とを備えた始動発電機と、前記第１巻線部に接続された第１交流端子を有し、直流及び交流間で電力を双方向に変換する直交変換部と、前記第１交流端子と前記第２巻線部との間に介挿され、前記交流端子に対して前記第２巻線部の接続及び分離を行う複数のスイッチ素子と、前記直交変換部と前記複数のスイッチ素子との制御を行う制御部と、を備える。前記制御部は、前記始動発電機を発電機として用いる場合、あるいはエンジンの始動を行うスタータモータとして用いる場合の各々において、それぞれの場合の負荷の状況に対応して、前記第１巻線とともに、前記第２巻線を使用するか否かを選択する。前記始動発電機をスタータモータとして用いる場合の前記制御部による前記選択が、前記始動発電機が駆動するエンジンの冷却水温又はピストン位置に基づいてなされる。

本発明の他の一態様に係る始動発電方法は、多相コイルからなる第１巻線部及び第２巻線部が並列に配設された電機子部と、永久磁石からなる界磁部とを備えた始動発電機と、前記第１巻線部に接続された第１交流端子を有し、直流及び交流間で電力を双方向に変換する直交変換部と、前記第１交流端子と前記第２巻線部との間に介挿され、前記交流端子に対して前記第２巻線部の接続及び分離を行う複数のスイッチ素子と、前記直交変換部と前記複数のスイッチ素子との制御を行う制御部と、を備えた始動発電装置における始動発電方法であって、前記複数のスイッチ素子をオン又はオフに制御するステップを含む。前記制御部は、前記始動発電機を発電機として用いる場合、あるいはエンジンの始動を行うスタータモータとして用いる場合の各々において、それぞれの場合の負荷の状況に対応して、前記第１巻線とともに、前記第２巻線を使用するか否かを選択する。前記始動発電機をスタータモータとして用いる場合の前記制御部による前記選択が、前記始動発電機が駆動するエンジンの冷却水温又はピストン位置に基づいてなされる。

本発明の態様によれば、電力損失の低減等、始動発電機の制御特性を容易に向上させることができる。

本発明の一実施形態の構成例を示したブロック図である。 図１に示した始動発電機１の構成例を模式的に示した図である。 図１に示した電力変換部６と巻線部１１及び１２とを示した回路図である。 図３に示した電力変換部６の通電モードの一例を示した図である。 図３に示した回路図における電流の流れの一例を示した図である。 図３に示した電力変換部６の通電モードの一例を示した図である。 図３に示した回路図における電流の流れの一例を示した図である。 図１に示した制御部７の動作例を示したフローチャートである。 図１に示した電力変換部６（図９では電力変換部６ａ）と巻線部１１及び１２とを示した回路図である。 図９に示した電力変換部６ａの通電モードの一例を示した図である。 図９に示した回路図における電流の流れの一例を示した図である。 図９に示した電力変換部６ａの通電モードの一例を示した図である。 図９に示した回路図における電流の流れの一例を示した図である。 本発明の一実施形態の構成例を示したブロック図である。 図１４に示した始動発電機１ｂの構成例を模式的に示した図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態の始動発電制御システム（始動発電装置）１００の構成例を示したブロック図である。図１に示した始動発電制御システム１００は、始動発電機（ＡＣＧスタータモータ）１と、エンジン２と、クランクシャフト３と、回転角度センサ４と、エンジン水温計５と、電力変換部６と、制御部７と、スタータスイッチ８と、バッテリ９とを含む。

始動発電機１は、クランクシャフト３に直結されていて、エンジン２の回転に同期して回転する。始動発電機１は、電力変換部６の制御によって、スタータモータとして動作したり、ＡＣＧとして動作したりする。始動発電機１は、巻線部１１と巻線部１２と図２に示す界磁部１５とを備える。巻線部１１はスター結線された３相コイル（多相コイル）を構成するコイル１１ｕ、１１ｖ及び１１ｗを備える。巻線部１２はスター結線された３相コイルを構成するコイル１２ｕ、１２ｖ及び１２ｗを備える。中性点１１ｎは巻線部１１を構成するスター結線の中性点である。中性点１２ｎは巻線部１２を構成するスター結線の中性点である。コイル１１ｕ〜１１ｗと、コイル１２ｕ〜１２ｗとは、図示してない同一の電機子鉄心に巻かれていて、電気的に絶縁されている１組の電機子巻線である。なお、巻線部１１と巻線部１２と図示してない電機子鉄心とは電機子部を構成する。なお、巻線部１１と巻線部１２とはスター結線に限らず、デルタ結線で構成されていてもよい。

図２は、始動発電機１の巻線部１１、巻線部１２及び界磁部１５の構成例を軸方向から見て模式的に示した図である。ただし、図２では、コイル１１ｕとコイル１２ｕのみを示している。図２に示した構成例では、始動発電機１は、界磁部１５を複数組のＮ極の永久磁石１５Ｎ及びＳ極の永久磁石１５Ｓから構成したアウターロータ型のブラシレスモータである。コイル１１ｕは、図示してない電機子鉄心に対して１２０度おきに配設された３個の巻線から構成されている。コイル１１ｕの３個の巻線は各一端を中性点１１ｎに共通に接続し、各他端を端子１１ｕ２に共通に接続している。コイル１２ｕは、図示してない電機子鉄心に対して１２０度おきかつコイル１１ｕと６０度ずれて配設された３個の巻線から構成されている。コイル１２ｕの３個の巻線は各一端を中性点１２ｎに共通に接続し、各他端を端子１２ｕ２に共通に接続している。

図１において、エンジン２は例えば小型二輪車に搭載された発動機である。クランクシャフト３は、エンジン２の構成部品であり、エンジン２が備える図示していないピストンの往復運動を回転運動に変換する軸である。回転角度センサ４は、クランクシャフト３の回転角度（クランク角）を検知するセンサである。エンジン水温計５は、エンジン２の冷却水の温度を検知するセンサである。

図３に示したように、電力変換部６は、直交変換部６１と、スイッチ部６２とを備える。直交変換部６１は、６個のｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（以下、ＭＯＳＦＥＴと記す）（Ｑ１）〜（Ｑ６）を備え、３相ブリッジ直交変換回路を構成する。直交変換部６１は、直流入出力線の正側（ハイサイド）の直流端子６１４をバッテリ９の正極に、負側（ローサイド）の直流端子６１５をバッテリ９の負極に接続している。直交変換部６１は、バッテリ９と、巻線部１１又は巻線部１２の一方又は両方とにスイッチ部６２によって選択的に接続され、交流及び直流間の双方向の電力変換を行う。また、直交変換部６１の各交流端子（第１交流端子）６１１、６１２及び６１３には、巻線部１１の各コイル１１ｕ、１１ｗ及び１１ｖの各端部が接続されている。

スイッチ部６２は、３個のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）、（Ｑ８）及び（Ｑ９）を備え、巻線部１２の各コイル１２ｕ、１２ｗ及び１２ｖをそれぞれ直交変換部６１の各交流端子６１１、６１２及び６１３に接続したり、分離したりする。この場合、３個のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）、（Ｑ８）及び（Ｑ９）は、巻線部１１の各コイル１１ｕ、１１ｗ及び１１ｖの各端部が接続されている直交変換部６１の各交流端子６１１、６１２及び６１３と、巻線部１２の各コイル１２ｕ、１２ｗ及び１２ｖの各端部との間に介挿されている。そして、３個のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）、（Ｑ８）及び（Ｑ９）は、巻線部１２の各コイル１２ｕ、１２ｗ及び１２ｖの各端部を、オンすることで各交流端子６１１、６１２及び６１３に対して接続したり、オフすることで各交流端子６１１、６１２及び６１３から分離したりする。

また、各ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）、（Ｑ８）及び（Ｑ９）は、ドレイン・ソース間に寄生ダイオードＤ７、Ｄ８及びＤ９が形成されている。この場合、寄生ダイオードＤ７、Ｄ８及びＤ９の向きが各交流端子６１１、６１２及び６１３に対して同一であり、アノードが各交流端子６１１、６１２及び６１３に接続されている。また、カソードは、巻線部１２の各コイル１２ｕ、１２ｗ及び１２ｖの各端部に接続されている。このように寄生ダイオードＤ７、Ｄ８及びＤ９の向きをそろえることで、各ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）、（Ｑ８）及び（Ｑ９）をオフした場合に、モータ動作における直交変換部６１を介したバッテリ９から巻線部１２への電流の流れ込み及び発電動作における直交変換部６１を介した巻線部１２からバッテリ９への電流の流れ出しを遮断することができる。なお、寄生ダイオードＤ７、Ｄ８及びＤ９の向き（すなわちＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）、（Ｑ８）及び（Ｑ９）のドレイン及びソースの向き）は、図示したものと逆向きであってもよい。

なお、電力変換部６は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）〜（Ｑ９）をオン・オフ制御するための図示していない駆動回路を備えている。この駆動回路は、制御部７から指示された所定の通電モードに従ってＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）〜（Ｑ９）をオン・オフ制御する。また、電力変換部６は、各ＭＯＳＦＥＴに流れる電流を検出するためのセンサを備え、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）のオンからオフへの切替をＭＯＳＦＥＴに流れる電流が零（あるいはほぼ零）となったときに行うことができる。

制御部７は、エンジン２の点火制御等を行う装置であり、この場合、回転角度センサ４の出力信号と、エンジン水温計５の出力信号と、スタータスイッチ８の出力信号とを入力する。また、制御部７は、電力変換部６が備える図示していない駆動回路に対して、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）〜（Ｑ９）の通電モードを指示する。制御部７は、始動発電機１を発電機として用いる場合、あるいはエンジンの始動を行うスタータモータとして用いる場合の各々において、それぞれの場合の負荷の状況に対応して、巻線部１１とともに、巻線部１２を使用するか否かを選択する。始動発電機１をスタータモータとして用いる場合、制御部７は、エンジン水温計５の出力、回転角度センサ４の出力等に応じ、エンジン２の冷却水温又はピストン位置に基づいて、巻線部１１とともに、巻線部１２を使用するか否かを選択する。例えば冷却水温が所定の基準値以下の場合、エンジン２が冷えた状態であり、エンジンオイルの粘度が比較的大きく、エンジン２を始動する際にクランクシャフト３を駆動するトルクが比較的大きくなる。よって、このような場合には、制御部７は、巻線部１１に加え、巻線部１２を使用して始動発電機１をモータとして駆動させる。また、例えば単気筒のエンジンではエンジン２のピストンの位置やバルブの開閉状態によってエンジン２を始動する際にクランクシャフト３を駆動するトルクが変化する。ただし、この変化は、エンジンのストローク数や気筒数によっても異なる。制御部７は、例えば、ピストン位置やバルブの開閉状態を図示していないセンサの出力信号やエンジン制御の処理内容に応じて検知し、エンジン２を始動する際にクランクシャフト３を駆動するトルクが比較的大きくなると予測される場合には、巻線部１１に加え、巻線部１２を使用して始動発電機１をモータとして駆動させる。

一方、スタータスイッチ８は、ユーザがエンジン２を始動する際に操作するスイッチである。そして、バッテリ９は２次電池である。

次に、図４から図７を参照して、図３に示した電力変換部６の動作例について説明する。図４は、始動発電機１をスタータモータとして使用する場合の図３に示した電力変換部６の通電モードの一例を示した図である。以下、始動発電機１をスタータモータとして使用する場合の制御をモータ制御と呼ぶ。ここで、図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示した各通電モードは、１８０度通電制御の場合である。図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、電力変換部６内の各ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）〜（Ｑ９）のＯＮ（オン）又はＯＦＦ（オフ）の動作の組み合わせを示している。図４（Ａ）は巻線部１１と巻線部１２との両方を使用する場合である。図４（Ｂ）は巻線部１１のみを使用する場合である。図５は、図４（Ａ）に示した通電モードＭ１と、図４（Ｂ）に示した通電モードＭ７における図３に示した回路図における電流の経路を示した図である。

モータ制御の場合に巻線部１１と巻線部１２との両方を使用するとき、制御部７は、図４（Ａ）に示した通電モードＭ１〜Ｍ６の１つを選択し、選択した通電モードを電力変換部６に対して指示する。すなわち、制御部７は、回転角度センサ４の出力に基づき、界磁部１５の角度に合わせて図４（Ａ）に示した通電モードＭ１〜Ｍ６のいずれかを繰り返し選択し、選択した通電モードをその都度、電力変換部６に対して指示する。この場合、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）〜（Ｑ６）は通電モードに応じたＯＮ・ＯＦＦの組み合わせに従いＯＮ又はＯＦＦに切り替えて制御される。また、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）はすべてＯＮに制御される。

一方、モータ制御の場合に巻線部１１のみを使用するとき、制御部７は、図４（Ｂ）に示した通電モードＭ７〜Ｍ１２の１つを選択して、選択した通電モードを電力変換部６に対して指示する。すなわち、制御部７は、回転角度センサ４の出力に基づき、界磁部１５の角度に合わせて図４（Ｂ）に示した通電モードＭ７〜Ｍ１２のいずれかを繰り返し選択し、選択した通電モードをその都度、電力変換部６に対して指示する。この場合、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）〜（Ｑ６）はＯＮ又はＯＦＦに切り替えて制御される。また、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）はすべてＯＦＦに制御される。

図５は、図４（Ａ）に示した通電モードＭ１における電流の経路を破線の矢印と鎖線の矢印で示した。破線の矢印で示した経路は巻線部１１を通る電流の流れである。鎖線の矢印で示した経路は巻線部１２を通る電流の流れである。この場合、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）はＯＮ、（Ｑ２）はＯＦＦ、（Ｑ３）はＯＦＦ、（Ｑ４）はＯＦＦ、（Ｑ５）はＯＮ、そして（Ｑ６）はＯＮである。また、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）はすべてＯＮである。一方、図４（Ｂ）に示した通電モードＭ７では、巻線部１２を通る鎖線の矢印で示した経路は遮断され、巻線部１１を通る破線の矢印で示した経路でのみ電流が流れる。この場合、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）はＯＮ、（Ｑ２）はＯＦＦ、（Ｑ３）はＯＦＦ、（Ｑ４）はＯＦＦ、（Ｑ５）はＯＮ、そして（Ｑ６）はＯＮである。また、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）はすべてＯＦＦである。

次に、図６及び図７を参照して、始動発電機１を発電機として使用する場合の図３に示した電力変換部６の通電モードについて説明する。以下、始動発電機１を発電機として使用する場合の制御を発電制御と呼ぶ。図６は、発電制御の場合の図３に示した電力変換部６の通電モードの一例を示した図である。ここで、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、電力変換部６内の各ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）〜（Ｑ９）のＯＮ（オン）又はＯＦＦ（オフ）の動作の組み合わせを示している。図６（Ａ）は巻線部１１のみを使用する場合である。図６（Ｂ）は巻線部１１と巻線部１２との両方を使用する場合である。図７は、図６（Ａ）に示した通電モードＧ１における図３に示した回路図における電流の経路を示した図である。

発電制御の場合に巻線部１１のみを使用するとき、制御部７は、図６（Ａ）に示した通電モードＧ１〜Ｇ６の１つを選択して、選択した通電モードを電力変換部６に対して指示する。すなわち、制御部７は、回転角度センサ４の出力に基づき、界磁部１５の角度に合わせて図６（Ａ）に示した通電モードＧ１〜Ｇ６のいずれかを繰り返し選択し、選択した通電モードをその都度、電力変換部６に対して指示する。この場合、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）〜（Ｑ６）はＯＮ又はＯＦＦに切り替えて制御される。また、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）はすべてＯＦＦに制御される。ただし、発電制御の場合、電力変換部６は、バッテリ９の電圧に応じて、当該電圧が所定の調整電圧を上回る場合、適宜ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）〜（Ｑ６）を用いてショート制御等を行い、発電電圧の制御を行う。また、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）をＯＦＦする場合、すなわち例えばモータ制御から発電制御に切り替える場合、電力変換部６は、各ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）に流れる電流を監視し、各電流が０Ａあるいはその近傍となったときに各ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）をＯＦＦする。「ＯＦＦ」の後の「＊」は、各ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）をオフする際、一度にすべてをＯＦＦするのではなく、当該各ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）に流れる電流の大きさが所定の値になった場合に順次オフすることを表す。

一方、発電制御の場合に巻線部１１と巻線部１２との両方を使用するとき、制御部７は、図６（Ｂ）に示した通電モードＧ７〜Ｇ１２の１つを選択して、選択した通電モードを電力変換部６に対して指示する。すなわち、制御部７は、回転角度センサ４の出力に基づき、界磁部１５の角度に合わせて図６（Ｂ）に示した通電モードＧ７〜Ｇ１２のいずれかを繰り返し選択し、選択した通電モードをその都度、電力変換部６に対して指示する。この場合、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）〜（Ｑ６）はＯＮ又はＯＦＦに切り替えて制御される。また、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）はすべてＯＮに制御される。ただし、発電制御の場合、電力変換部６は、バッテリ９の電圧に応じて、当該電圧が所定の調整電圧を上回る場合、適宜ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）〜（Ｑ６）を用いてショート制御等を行い、発電電圧の制御を行う。

図７は、図６（Ａ）に示した通電モードＧ１における電流の経路を破線の矢印で示した。破線の矢印で示した経路は巻線部１１を通る電流の流れを示す。この場合、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）はＯＮ、（Ｑ２）はＯＦＦ、（Ｑ３）はＯＦＦ、（Ｑ４）はＯＦＦ、（Ｑ５）はＯＮ、そして（Ｑ６）はＯＮである。また、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）はすべてＯＦＦである。

次に、図８を参照して、制御部７の動作例について説明する。例えば、図示していないイグニッションスイッチがオンされると、制御部７は、図８に示した処理を所定の間隔で繰り返し実行する。まず、制御部７は、回転角度センサ４の検出結果等に基づきエンジン２が自力回転しているか否かを判定する（ステップＳＴ１）。エンジン２が自力回転していなかった場合（ステップＳＴ１で「ＮＯ」の場合）、制御部７は、スタータスイッチ８がオンしているか否かを判定する（ステップＳＴ２）。スタータスイッチ８がオンしていなかった場合（ステップＳＴ２で「ＮＯ」の場合）、制御部７は図８に示した処理を終了する。他方、スタータスイッチ８がオンしていた場合（ステップＳＴ２で「ＹＥＳ」の場合）、制御部７は、エンジン水温計５の検出結果に基づき水温が所定の水温基準値未満か否かを判定する（ステップＳＴ３）。

水温が所定の水温基準値未満でなかった場合（ステップＳＴ３で「ＮＯ」の場合）、制御部７は、エンジン２のピストン負荷が大きいか否かを判定する（ステップＳＴ４）。エンジン２のピストン負荷とは、ピストンの位置やバルブの状態によって変化するピストンの駆動抵抗を意味する。そして、ピストン負荷が大きいとは、ピストンの駆動抵抗が所定の範囲の大きさであることを意味する。制御部７は、例えばエンジン制御で用いている各種センサの値に基づきピストンの位置やバルブの状態を確認し、確認した結果に基づいてピストンの駆動抵抗を求める。そして、制御部７は、求めたピストンの駆動抵抗が所定の範囲の大きさであるか否かを判定する。ピストン負荷が大ではなかった場合（ステップＳＴ４で「ＮＯ」の場合）、制御部７は、巻線部１１のみを使用したモータ制御を開始する（ステップＳＴ５）。すなわち、水温が水温基準値以上（ステップＳＴ３で「ＮＯ」の場合）で、ピストン負荷が大きくない場合（ステップＳＴ４で「ＮＯ」の場合）、制御部７は、巻線部１１のみを使用したモータ制御を開始あるいはすでに開始していた場合には継続する（ステップＳＴ５）。

一方、水温が水温基準値未満（ステップＳＴ３で「ＹＥＳ」の場合）か、あるいは、ピストン負荷が大きい場合（ステップＳＴ４で「ＹＥＳ」の場合）、制御部７は、巻線部１１と巻線部１２とを使用したモータ制御を開始あるいはすでに開始していた場合には継続する（ステップＳＴ６）。

また、ステップＳＴ１において、エンジン２が自力回転していると判定した場合（ステップＳＴ１で「ＹＥＳ」の場合）、制御部７は、バッテリ９の電圧が低下傾向にあるか否かを判定する（ステップＳＴ７）。バッテリ９の電圧が低下傾向にあるとは、実際にバッテリ９の電圧が所定の調整電圧を下回っている場合あるいはショート制御等による発電電力を抑制する制御が実行されている時間割合がほとんど無い場合（所定の基準値を下回る場合）である。バッテリ９の電圧が低下傾向にある場合（ステップＳＴ７で「ＹＥＳ」の場合）、制御部７は、巻線部１１と巻線部１２とを使用した発電制御を開始あるいはすでに開始していた場合には継続する（ステップＳＴ８）。他方、バッテリ９の電圧が低下傾向にない場合（ステップＳＴ７で「ＮＯ」の場合）、制御部７は、巻線部１１のみを使用した発電制御を開始あるいはすでに開始していた場合には継続する（ステップＳＴ９）。

以上のように、本実施形態は、３相コイル（多相コイル）である巻線部１１と巻線部１２とが並列に配設された電機子部と、永久磁石からなる界磁部とを備えた始動発電機１（ＡＣＧスタータモータ）と、巻線部１１又は巻線部１１及び巻線部１２に接続され、交流及び直流間の電力変換を行う直交変換部６１と、巻線部１１の各端部に接続されている直交変換部６１の各交流端子６１１、６１２及び６１３と、巻線部１２の各端部との間に介挿され、各交流端子６１１、６１２及び６１３に対して巻線部１２の各端部の接続及び分離を行う複数のＭＯＳＦＥＴ（スイッチ素子）（Ｑ７）〜（Ｑ９）とを備えることを特徴とする。この構成によれば、電力損失の低減等、始動発電機１（ＡＣＧスタータモータ）の制御特性を容易に向上させることができる。

また、以上のように、本実施形態によれば、巻線部を例えば２分割して両方を使用する場合と片方を使用する場合とで使い分けることで、発電と電気負荷とのバランスを適正化することができる。この構成によれば、スタータモータのトルク特性を満たすように巻線仕様を設計したモータを、発電機として使用したときに電気負荷とのアンバランスによって発生す余剰電力を低減することができる。すなわち、巻線部の環流電流を減らし、巻線やパワーデバイス素子の発熱（電力損失）を小さくすることができる。よって、モータトルクを損なうことなく発電時の余剰電力を容易に削減することができる。これによってエンジン２の燃費向上やフリクションの低減が可能となる。

また、エンジン２が基準値以上の温度であり、暖まって回りやすい場合にはモータ制御時に使用する巻線を少なくすることで、バッテリ９の電力消費を低減することができる。

また、発電制御時には必要な通電角精度（出力を出す方向）を比較的低くすることができる。

また、環流電流を減らすことで電機子巻線とパワーデバイスの発熱を低減することができる。

次に、図９から図１３を参照して、図１に示した電力変換部６の他の構成例について説明する。図９は、図１に示した電力変換部６（図９では電力変換部６ａ）と巻線部１１及び１２とを示した回路図である。図１０は、図９に示した電力変換部６ａの通電モードの一例を示した図である。図１１は、図９に示した回路図における電流の流れの一例を示した図である。図１２は、図９に示した電力変換部６ａの通電モードの一例を示した図である。図１３は、図９に示した回路図における電流の流れの一例を示した図である。

なお、図９において、図３に示したものと同一の構成には同一の符号を付けて説明を省略する。図９に示した始動発電制御システム１００ａは、図１及び図３に示した始動発電制御システム１００に対応する構成であるが電力変換部６ａ内の構成が異なる。ここで、電力変換部６ａは図３に示した電力変換部６に対応する構成である。この場合、電力変換部６ａは、新たに、直交変換部６１ａ内に、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１０）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１１）及びＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１２）を備えている。直交変換部６１ａは図３に示した直交変換部６１に対応する構成である。この場合、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１０）のドレインはＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）のドレインに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１１）のドレインはＭＯＳＦＥＴ（Ｑ８）のドレインに接続されている。ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１２）のドレインはＭＯＳＦＥＴ（Ｑ９）のドレインに接続されている。そして、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１０）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１１）及びＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１２）の各ソースは、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ４）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ５）及びＭＯＳＦＥＴ（Ｑ６）の各ソースと共通に接続されている。

図１０（Ａ）は巻線部１１と巻線部１２との両方を使用したモータ制御における通電モードを示す。図１０（Ａ）に示した通電モードＭ１０１〜Ｍ１０６は、図４（Ａ）に示した通電モードＭ１〜Ｍ６と比較して次の点が異なる。すなわち、図１０（Ａ）に示した通電モードＭ１０１〜Ｍ１０６では、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）が各モードにおいてＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）〜（Ｑ３）と同一の動作である。また、図１０（Ａ）に示した通電モードＭ１０１〜Ｍ１０６では、新たに設けたＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１０）〜（Ｑ１２）が各モードにおいてＭＯＳＦＥＴ（Ｑ４）〜（Ｑ６）と同一の動作である。

一方、図１０（Ｂ）は巻線部１１のみを使用したモータ制御における通電モードを示す。図１０（Ｂ）に示した通電モードＭ１０７〜Ｍ１１２は、図４（Ｂ）に示した通電モードＭ７〜Ｍ１２と比較して次の点が異なる。すなわち、図１０（Ｂ）に示した通電モードＭ１０７〜Ｍ１１２では、新たに設けたＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１０）〜（Ｑ１２）が各モードにおいてすべてＯＦＦである。

図１１は、図１０（Ａ）に示した通電モードＭ１０１における電流の経路を破線の矢印と鎖線の矢印で示した。破線の矢印で示した経路は巻線部１１を通る電流の流れである。鎖線の矢印で示した経路は巻線部１２を通る電流の流れである。この場合、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）はＯＮ、（Ｑ２）はＯＦＦ、（Ｑ３）はＯＦＦ、（Ｑ４）はＯＦＦ、（Ｑ５）はＯＮ、そして（Ｑ６）はＯＮである。また、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）はＯＮ、（Ｑ８）はＯＦＦ、そして、（Ｑ９）はＯＦＦある。さらに、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１０）はＯＦＦ、（Ｑ１１）はＯＮ、そして（Ｑ１２）はＯＮである。図１１に示したように、破線の矢印で示した巻線部１１を通る電流はＭＯＳＥＴ（Ｑ５）又は（Ｑ６）を流れる。また、鎖線の矢印で示した巻線部１２を通る電流はＭＯＳＥＴ（Ｑ１１）又は（Ｑ１２）を流れる。このように、図１０（Ａ）に示した通電モードＭ１０１〜Ｍ１０６では、巻線部１１又は巻線部１２からグランド側（ローサイド）に流れる電流が通過するＭＯＳＦＥＴの組を分離することができる。

一方、図１０（Ｂ）に示した通電モードＭ１０７では、図１１において巻線部１２を通る鎖線の矢印で示した経路は遮断され、巻線部１１を通る破線の矢印で示した経路でのみ電流が流れる。この場合、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）はＯＮ、（Ｑ２）はＯＦＦ、（Ｑ３）はＯＦＦ、（Ｑ４）はＯＦＦ、（Ｑ５）はＯＮ、そして（Ｑ６）はＯＮである。また、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ１２）はすべてＯＦＦである。

次に、図１２（Ａ）は巻線部１１のみを使用した発電制御における通電モードを示す。図１２（Ａ）に示した通電モードＧ１０１〜Ｇ１０６は、図６（Ａ）に示した通電モードＧ１〜Ｇ６と比較して次の点が異なる。すなわち、図１２（Ａ）に示した通電モードＧ１０１〜Ｇ１０６では、新たに設けたＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１０）〜（Ｑ１２）が各モードにおいてすべて「ＯＦＦ＊」である。一方、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）〜（Ｑ９）の各モードにおける動作は同一である。

一方、図１２（Ｂ）は巻線部１１と巻線部１２とを使用した発電制御における通電モードを示す。図１２（Ｂ）に示した通電モードＧ１０７〜Ｇ１１２は、図６（Ｂ）に示した通電モードＧ７〜Ｇ１２と比較して次の点が異なる。すなわち、図１２（Ｂ）に示した通電モードＧ１０７〜Ｇ１１２では、新たに設けたＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１０）〜（Ｑ１２）が各モードにおいてＭＯＳＦＥＴ（Ｑ４）〜（Ｑ６）と同一の動作である。

図１３は、図１０（Ａ）に示した通電モードＧ１０１における電流の経路を破線の矢印で示した。破線の矢印で示した経路は巻線部１１を通る電流の流れである。この場合、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１）はＯＮ、（Ｑ２）はＯＦＦ、（Ｑ３）はＯＦＦ、（Ｑ４）はＯＦＦ、（Ｑ５）はＯＮ、そして（Ｑ６）はＯＮである。また、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）〜（Ｑ９）はすべてＯＮである。さらに、ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１０）はＯＦＦ、（Ｑ１１）はＯＮ、そして（Ｑ１２）はＯＮである。

図９に示した電力変換部６ａによれば、負側のＭＯＳＦＥＴを２組設けることで、負側のＭＯＳＦＥＴに流れる電流を制限し、各ＭＯＳＦＥＴの発熱を減らすことができる。

次に、図１４及び図１５を参照して本発明の他の実施形態について説明する。図１４は、本発明の実施形態の始動発電制御システム（始動発電装置）１００ｂの構成例を示したブロック図である。図１４に示した始動発電制御システム１００ｂは、図３に示した始動発電制御システム１００と次の点が異なる。すなわち、図１４に示した始動発電制御システム１００ｂは、新たに巻線部１３を備えるとともに、電力変換部６ｂが電力変換部６と比較して新たにＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１７）〜（Ｑ１９）（スイッチ素子）を備える。なお、図１４において、図３に示したものと同一の構成には同一の符号を用いて説明を省略する。

図１４において、始動発電機１ｂは、始動発電機１と同様に図１に示したクランクシャフト３に直結されていて、エンジン２の回転に同期して回転する。始動発電機１ｂは、電力変換部６ｂの制御によって、スタータモータとして動作したり、ＡＣＧとして動作したりする。始動発電機１ｂは、巻線部１１と巻線部１２と巻線部１３とを備える。巻線部１３はスター結線された３相コイル（多相コイル）を構成するコイル１３ｕ、１３ｖ及び１３ｗを備える。中性点１３ｎは巻線部１３のスター結線の中性点である。コイル１１ｕ〜１１ｗと、コイル１２ｕ〜１２ｗと、コイル１３ｕ〜１３ｗとは、図示してない同一の電機子鉄心に巻かれて電気的に絶縁された１組の電機子巻線である。なお、巻線部１１と巻線部１２と巻線部１３と図示してない電機子鉄心とによって電機子部が構成される。

３個のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１７）、（Ｑ１８）及び（Ｑ１９）は、巻線部１１の各コイル１１ｕ、１１ｗ及び１１ｖの各端部が接続されている直交変換部６１の各交流端子６１１、６１２及び６１３と、巻線部１３の各コイル１３ｕ、１３ｗ及び１３ｖの各端部との間に介挿されている。そして、３個のＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１７）、（Ｑ１８）及び（Ｑ１９）は、巻線部１３の各コイル１３ｕ、１３ｗ及び１３ｖの各端部をオンすることで各交流端子６１１、６１２及び６１３に対して接続したり、オフすることで各交流端子６１１、６１２及び６１３から分離したりする。なお、巻線部１３に対するＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１７）、（Ｑ１８）及び（Ｑ１９）の通電モードは、巻線部１２に対するＭＯＳＦＥＴ（Ｑ７）、（Ｑ８）及び（Ｑ９）の通電モードと同様であり、説明を省略する。

また、各ＭＯＳＦＥＴ（Ｑ１７）、（Ｑ１８）及び（Ｑ１９）は、各ドレインを各コイル１３ｕ、１３ｗ及び１３ｖの各端部に接続している。したがって、図示していないドレイン・ソース間の各寄生ダイオードは、カソードが、巻線部１３の各コイル１３ｕ、１３ｗ及び１３ｖの各端部に接続されている。

図１５は、始動発電機１ｂの巻線部１１、巻線部１２、巻線部１３及び界磁部１５の構成例を軸方向から見て模式的に示した図である。ただし、図１５では、コイル１１ｕとコイル１２ｕとコイル１３ｕとのみを示している。なお、図１５において図２に示したものと同一の構成には同一の符号を付けて説明を省略する。図１５に示した構成例では、始動発電機１ｂは、界磁部１５を複数組のＮ極の永久磁石１５Ｎ及びＳ極の永久磁石１５Ｓから構成したアウターロータ型のブラシレスモータである。コイル１１ｕは、図示してない電機子鉄心に対して１８０度おきに配設された２個の巻線から構成されている。コイル１１ｕの２個の巻線は各一端を中性点１１ｎに共通に接続し、各他端を端子１１ｕ２に共通に接続している。コイル１２ｕは、図示してない電機子鉄心に対して１８０度おきかつコイル１１ｕと６０度ずれて配設された２個の巻線から構成されている。コイル１２ｕの２個の巻線は各一端を中性点１２ｎに共通に接続し、各他端を端子１２ｕ２に共通に接続している。そして、コイル１３ｕは、図示してない電機子鉄心に対して１８０度おきかつコイル１２ｕと６０度ずれて配設された２個の巻線から構成されている。コイル１３ｕの２個の巻線は各一端を中性点１３ｎに共通に接続し、各他端を端子１３ｕ２に共通に接続している。

図１４及び図１５に示した始動発電制御システム１００ｂによれば、巻線部１１〜１３を次のように選択して、モータ制御及び発電制御を行うことができる。すなわち、巻線部１１のみを使用する場合、巻線部１１と巻線部１２とを使用する場合、巻線部１１と巻線部１３とを使用する場合、そして、巻線部１１と巻線部１２と巻線部１３を使用する場合の４つの形態から１つを選択することができる。この場合、巻線部１２と巻線部１３の仕様（ターン数、線径等）を異ならせることでモータ制御における発生トルクや発電制御における発電出力を４段階で選択することができる。

なお、本発明の実施形態は上記のものに限定されず、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１００、１００ａ、１００ｂ 始動発電制御システム
１、１ａ、１ｂ 始動発電機
６、６ａ、６ｂ 電力変換部
７ 制御部
Ｄ７〜Ｄ９ 寄生ダイオード
Ｑ１〜Ｑ１２、Ｑ１７〜Ｑ１９ ＭＯＳＦＥＴ
１１、１２、１３ 巻線部
１１ｕ、１１ｖ、１１ｗ、１２ｕ、１２ｖ、１２ｗ、１３ｕ、１３ｖ、１３ｗ コイル（巻線）
１５ 界磁部
６１、６１ａ 直交変換部
６１１、６１２、６１２ 交流端子（第１交流端子）

Claims (4)

1. 多相コイルからなる第１巻線部及び第２巻線部が並列に配設された電機子部と、永久磁石からなる界磁部とを備えた始動発電機と、
   前記第１巻線部に接続された第１交流端子を有し、直流及び交流間で電力を双方向に変換する直交変換部と、
   前記第１交流端子と前記第２巻線部との間に介挿され、前記交流端子に対して前記第２巻線部の接続及び分離を行う複数のスイッチ素子と、
   前記直交変換部と前記複数のスイッチ素子との制御を行う制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記始動発電機を発電機として用いる場合、あるいはエンジンの始動を行うスタータモータとして用いる場合の各々において、それぞれの場合の負荷の状況に対応して、前記第１巻線とともに、前記第２巻線を使用するか否かを選択し、
   前記始動発電機をスタータモータとして用いる場合の前記制御部による前記選択が、前記始動発電機が駆動するエンジンの冷却水温又はピストン位置に基づいてなされる
   ことを特徴とする始動発電装置。
2. 前記複数のスイッチ素子がそれぞれＭＯＳＦＥＴであり、当該複数のＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードの向きが前記第１交流端子に対して同一である
   ことを特徴とする請求項１に記載の始動発電装置。
3. 前記各スイッチ素子は、オフされる際、当該各スイッチ素子に流れる電流の大きさに応じて順次オフされる
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の始動発電装置。
4. 多相コイルからなる第１巻線部及び第２巻線部が並列に配設された電機子部と、永久磁石からなる界磁部とを備えた始動発電機と、
   前記第１巻線部に接続された第１交流端子を有し、直流及び交流間で電力を双方向に変換する直交変換部と、
   前記第１交流端子と前記第２巻線部との間に介挿され、前記交流端子に対して前記第２巻線部の接続及び分離を行う複数のスイッチ素子と、
   前記直交変換部と前記複数のスイッチ素子との制御を行う制御部と、
   を備えた始動発電装置における始動発電方法であって、
   前記複数のスイッチ素子をオン又はオフに制御するステップを含み、
   前記制御部は、前記始動発電機を発電機として用いる場合、あるいはエンジンの始動を行うスタータモータとして用いる場合の各々において、それぞれの場合の負荷の状況に対応して、前記第１巻線とともに、前記第２巻線を使用するか否かを選択し、
   前記始動発電機をスタータモータとして用いる場合の前記制御部による前記選択が、前記始動発電機が駆動するエンジンの冷却水温又はピストン位置に基づいてなされる
   ことを特徴とする始動発電方法。

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