JP6254940B2

JP6254940B2 - 共振型モータシステム

Info

Publication number: JP6254940B2
Application number: JP2014519323A
Authority: JP
Inventors: 幸祐加藤; 章洋三好; 光義大場
Original assignee: TBK Co Ltd
Current assignee: TBK Co Ltd
Priority date: 2014-04-16
Filing date: 2014-04-16
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2034-04-16
Also published as: JPWO2015159385A1; KR20150134311A; US20160137071A1; US9579982B2; EP3139494A1; CN104604107A; EP3139494A4; WO2015159385A1; KR101671975B1

Description

本発明は共振型モータシステム、特に、商用車の発進時にエンジンの回転トルクをアシストするためエンジンに付加する共振型モータシステムに関するものである。

近年の商用車エンジンは、低排気量＋ターボ化による燃料改善アプローチで低速時での回転トルクが低下している。そこでエンジンにアシストモータを付加し、発信時にエンジントルクをアシストすることが考えられている。図８はこのようなアシストモータを示し、１は車輌のタイヤ、２はエンジン、３はアシストモータである。

上記のようなアシストモータは、図８に示すようにエンジンの限られたスペースに配置するため小型化する必要があるが小型で高出力のモータを作るには、回転数を２５０００ｒｐｍに高めることが有効であるが、従来のインバータの出力周波数は、スイッチング時間から２５０Ｈｚ程度で、回転数は２５００ｒｐｍが限度であった。本発明はこのような欠点を除くようにしたものである。

本発明の共振型モータシステムは、電磁コイルとコンデンサとより成る共振回路を有し、エンジンにより回転されて発電する共振型モータと、この共振型モータの回生部と、モータ駆動部と、モータ制御部と、上記共振型モータの回生時、上記共振型モータによって作られた電力を蓄電する充電蓄電部とより成り、上記共振型モータによるアシスト時、上記充電蓄電部の蓄電電力によって上記共振モータを駆動するようにしたことを特徴とする。

また、本発明の共振型モータシステムは、電磁コイルとコンデンサとより成る共振回路を有し、エンジンにより回転されて発電する発電共振型モータと、この共振型モータの回生部と、モータ駆動部と、モータ制御部と、上記共振型モータの回生時、上記共振型モータによって作られた電力を蓄電する充電蓄電部と、この充電蓄電部と上記モータ駆動部との間に介挿した、２個の直列接続したトランジスタを有する双方向コンバータと、この双方向コンバータの制御部とより成り、上記双方向コンバータの制御部が蓄電電圧入力と、上記モータ駆動部に加わる直流リンク電圧入力とを受けて上記２個のトランジスタを互に相反する方向に導通するよう制御することによって上記充電蓄電部から上記モータ駆動部に加えられる直流リンク電圧を高め、上記共振型モータによるアシスト時、上記充電蓄電部の蓄電電力によって上記共振型モータを駆動するようにしたことを特徴とする。

上記共振型モータは、固定子ヨークと、この固定子ヨークの円周方向に互に離間して配置した、鉄心を有する複数個の電磁コイルと、上記固定子ヨークを中心としてエンジンの回転に応じて回転されるスチール回転体とより成り、上記電磁コイルにより多相結線が形成され、各相の電磁コイルが夫々コンデンサと共に共振回路を形成することを特徴とする。

上記モータ制御部が、アクセル信号とエンジン回転信号を受けて各相パルス出力と、回生パルス出力を出力し、上記回生部が、上記回生パルス出力により夫々開閉制御される２個のトランジスタを有することを特徴とする。

上記双方向コンバータ制御部が、上記充電蓄電部の蓄電電圧入力と、上記モータ駆動部に加わる直流リンク電圧入力とを受けて上記双方向コンバータの２個の直列接続したトランジスタを互に相反するように開閉制御する開閉パルスを出力することを特徴とする。以下図面によって本発明の実施例を説明する。

本発明の共振型モータシステムは、図１及び図２に示すように共振型モータ４と、この共振型モータ４のための、トランジスタＴ１とＴ２を有する回生部５と、モータ駆動部６と、エンジン回転信号とアクセル信号を受けてＡ相パルス出力と、Ｂ相パルス出力と、Ｃ相パルス出力と、回生パルス出力を出力するモータ制御部７と、電気二重層コンデンサからなる充電蓄電部８と、この充電蓄電部８の蓄電電圧検出手段９とにより構成する。

上記モータ駆動部６は、上記モータ制御部７からの回生パルス１０によって回生部５から発生する回生電流を整流するためのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３と、共振型モータ４の電磁コイルＬ１〜Ｌ１２により形成されるＡ相〜Ｃ相結線用のトランジスタＴ３〜Ｔ５と、電磁コイルＬ１３〜Ｌ１５とにより構成し、トランジスタＴ３は電磁コイルＬ１、Ｌ４、Ｌ７、Ｌ１０より成るＡ相結線に電磁コイルＬ１３と充電蓄電部８を介して直列に介挿し、トランジスタＴ４は電磁コイルＬ２、Ｌ５、Ｌ８、Ｌ１１より成るＢ相結線に電磁コイルＬ１４と、充電蓄電部８を介して直列に介挿し、トランジスタＴ５は電磁コイルＬ３、Ｌ６、Ｌ９、Ｌ１２より成るＣ相結線に電磁コイルＬ１５と充電蓄電部８を介して直列に介挿せしめ、各トランジスタＴ３〜Ｔ５には夫々ダイオードＤ１〜Ｄ３を並列に接続せしめる。

本発明の共振型モータ４は、図３及び図４に示すように積層スチール鋼板（ケイ素鋼板）の固定子１１と、この固定子１１を囲む積層スチール鋼板（ケイ素鋼板）の固定子ヨーク１２と、この固定子ヨーク１２の外周に円周方向に互いに離間して配置した、夫々鉄心を有する１２個の電磁コイルＬ１〜Ｌ１２より成る電磁コイルＬと、上記固定子ヨーク１２を囲む、導電バー１３と導電リング１４を内相する、上記エンジン２の回転に応じて回転するスチール回転体１５とにより構成する。また、上記３相結線の夫々にはコンデンサＣ１〜Ｃ１２を並列に接続し、共振動回路を形成せしめる。

なお、電磁コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９に対し電磁コイルＬ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ１０、Ｌ１１及びＬ１２の極性は互に逆極性とする。また、共振型モータ４の回生部５におけるトランジスタＴ１は、電磁コイルＬ１、Ｌ４、Ｌ７、Ｌ１０より成るＡ相結線に直列に介挿し、トランジスタＴ２は、電磁コイルＬ２、Ｌ５、Ｌ８、Ｌ１１より成るＢ相結線に直列に介挿する。

本発明の共振型モータシステムにおいては図２及び図５に示すようにアシスト作動時アクセルを踏んだとき上記モータ制御部７から回生パルス１０が出力され、回生部５のトランジスタＴ１、Ｔ２がＯＮし、コンデンサとコイルの共振回路が形成され、一方、モータ制御部７からＡ相、Ｂ相、Ｃ相の３相パルスが出力され、モータ駆動部６のトランジスタＴ３、Ｔ４、Ｔ５を介して三相のパルス電流がコイルへＬ１３、Ｌ１４、Ｌ１５へ通電され、共振型モータ４のコイルとコンデンサの共振周波数で計算された回転磁界を発生し、フレミングの左手の法則により、共振型モータ４に回転力が発生し、エンジン回転の立上り時間を速くすると共に、エンジン回転数がターボ立上り回転数以上になったとき回生パルス１０の発生を停止し、トランジスタＴ１、Ｔ２をＯＦＦにし、同時に、モータ制御部７のＡ相、Ｂ相、Ｃ相の３相パルスが停止され、トランジスタＴ３、Ｔ４、Ｔ５からの三相パルス電流が遮断され、共振型モータ４の回転力が無くなるようにする。

また、回生作動時では図６に示すようにモータ制御部７がアクセル開放、回生回転数Ｈ〜Ｌを判定したときと、回生パルス１０を出力し、回生部５のトランジスタＴ１、Ｔ２をＯＮし、コンデンサとコイルの共振回路を形成し、エンジン回転数がコンデンサとコイルの共振周波数で計算された回転磁界より高くなるとき共振型モータ４のスチール回転体１５の残留磁気により発生した電磁コイルの電圧を、コンデンサとコイルの共振回路の作用で特定周波数の三相交流電圧となし、さらに、フレミング右手の法則により、三相交流電圧による回転磁界Ｎｓとスチール回転体１５回転数Ｎｒの差により、導電バー１３に電流を流し、導電バー１３に流れた電流により電磁コイルの電圧を高め、導電バー１３に更に大きな電流を流し、この作用の繰り返しにより、最終的にコイル電圧が上がっても磁界が増えない点で安定せしめる。コイル電圧は、コイルＬ１３、Ｌ１４、Ｌ１５にそれぞれ接続したダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３で半波整流し電気二重層コンデンサの充電蓄電部８を充電せしめる。

本発明の他の実施例においては図７に示すように電気二重層コンデンサからなる充電蓄電部８とモータ駆動部６のトランジスタＴ３、Ｔ４、Ｔ５との間にコイルＬ１６と、２個の直列接続したトランジスタＴ６とＴ７からなる双方向コンバータ１６と、トランジスタＴ６とＴ７に並列に接続したコンデンサＣ１３と、モータ駆動部６に加わる直流リンク電圧を検出する直流リンク電圧検出手段１７を介挿し、また、上記充電蓄電部８の蓄電電圧入力と、上記直流リンク電圧入力を受けて上記双方向コンバータ１６のトランジスタＴ６とＴ７の開閉パルスを出力する上記双方向コンバータ１６の制御部１８を設け、上記直流リンク電圧が３００ＶになるようにトランジスタＴ６、Ｔ７が相反するように制御せしめる。上記直流リンク電圧は、蓄電電圧／コイル側トランジスタのデューティ比となる。

この実施例においては、アシスト作動時では直流リンク電圧が３００ＶになるようにトランジスタＴ６、Ｔ７を相反するように制御し、回生作動時では充電蓄電部８の充電電圧が３０ＶになるようにトランジスタＴ６、Ｔ７を相反するように制御せしめる。

なお、蓄電電圧は＝直流リンク電圧×コイル側トランジスタのデューティ比となる。

本発明の共振型モータシステムによれば下記のような効果がある。

（１）本発明では、コイルＬ１〜Ｌ１２にコンデンサＣ１〜Ｃ１２が並列に接続されていることから、モータ駆動部６を３個のトランジスタで駆動可能であり、従来型インバータの６個に対しトランジスタの数を１／２に減らせる。また、出力周波数当たりパルスのスイッチングが１回なので、共振型モータを１０倍以上高速回転できる。

（２）コイルとコンデンサの共振現象で高調波電流を低減でき、モータ効率が良い。

（３）無効電流は、並列に接続されたコンデンサから供給されることから、無効電流の供給が不要でモータ駆動部の電流を３０％低減できる。従って、モータ駆動部とコイル間の配線を細くでき、トランジスタを小型化できる。

（４）双方向コンバータで直流リンク電圧を高くすることで、充電蓄電部の電気二重層コンデンサの直列個数を１／１０に減らすことができる。

双方向コンバータで直流リンク電圧を高くすることで、電気二重層コンデンサからなる充電蓄電部とモータ駆動部間の距離が離れていてもその間を接続する電線を細くでき、軽量で、効率の良いシステムとなる。

本発明の共振型モータシステムの説明図である。本発明の共振型モータシステムの構成図である。本発明の共振型モータの本体部分の縦断正面図である。本発明の共振型モータの本体部分の縦断側面図である。アシスト作動時の本発明の共振型モータシステムのアクセル踏込と、エンジン回転数と、回生パルスと、Ａ相〜Ｃ相パルスと、回転トルクと、時間の関係を示す線図である。本発明の共振型モータシステムの回生作動時のアクセル踏込と、エンジン回転数と、回生パルスと、蓄電電圧と、時間の関係を示す線図である。本発明の共振型モータシステムの他の実施例の構成図である。従来のアシストモータの説明図である。

１タイヤ
２エンジン
３アシストモータ
４共振型モータ
５回生部
６モータ駆動部
７モータ制御部
８充電蓄電部
９蓄電電圧検出手段
１０回生パルス
１１固定子
１２固定子ヨーク
１３導電バー
１４導電リング
１５スチール回転体
１６双方向コンバータ
１７直流リンク電圧検出手段
１８双方向コンバータ制御部

Claims

電磁コイルとコンデンサとより成る共振回路を有し、エンジンにより回転されて発電する共振型モータと、この共振型モータの回生部と、モータ駆動部と、モータ制御部と、上記共振型モータの回生時、上記共振型モータによって作られた電力を蓄電する充電蓄電部とより成り、上記モータ制御部がアクセル信号とエンジン回転信号を受けて各相パルス出力と、回生パルス出力を出力し、上記回生部が、上記回生パルス出力により夫々開閉制御される２個のトランジスタを有し、上記共振型モータによるアシスト時、上記充電蓄電部の蓄電電力によって上記共振型モータを駆動するようにしたことを特徴とする共振型モータシステム。
上記充電蓄電部と上記モータ駆動部との間に介挿した、２個の直列接続したトランジスタを有する双方向コンバータと、この双方向コンバータの制御部とを有し、上記双方向コンバータ制御部が、上記充電蓄電部の蓄電電圧入力と、上記モータ駆動部に加わる直流リンク電圧入力とを受けて上記双方向コンバータの２個の直列接続したトランジスタを互に相反するように開閉制御する開閉パルスを出力することを特徴とする請求項４記載の共振型モータシステム。