JP6458517B2 - 回転電機 - Google Patents

Description

本発明は、回転子に巻かれた界磁巻線を備え、界磁巻線への通電により回転子を回転させる回転電機に関する。

界磁巻線の電流を制御する機能を備える回転電機として、特許文献１に記載の回転電機がある。特許文献１に記載の回転電機は温度を検出する手段を備えており、回生発電時に回転電機の温度の上昇を検出した場合には、界磁回路が備えるスイッチング素子のＤＵＴＹ比を変更する制御を行い、電流値を抑制している。

特開２０１２−２２３０７３号公報

特許文献１に記載されている回転電機では、界磁回路が備えるスイッチング素子のＤＵＴＹ比を変更する制御を行うため、電流値を抑制することはできるものの、回転電機に要求される機能に応じて電流値を変化させることは困難である。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主たる目的は、界磁巻線に流れる電流を簡易な構成で変更することができる回転電機を提供することにある。

本発明は、複数の界磁巻線が巻かれた回転子を備える回転電機であって、前記複数の界磁巻線について、巻方向及び通電方向が同じ直列接続状態と、巻方向及び通電方向が同じ並列接続状態とを切り替える切替手段を備えることを特徴とする。

上記構成では、切替手段により、複数の界磁巻線の接続状態を直列接続状態と並列接続状態とに切り替えている。このとき、印加される電圧が一定であるとすると、複数の界磁巻線を並列接続した場合には、複数の界磁巻線を直列接続した場合と比較して、より多くの電流が流れる。すなわち、複数の界磁巻線の接続状態を切り替える制御を行うことにより、界磁巻線の電流値を変更することができる。ゆえに、簡易な構成で、界磁巻線に流れる電流を変更することが可能となる。

実施形態に係る回転電機の全体構成を示す概略図である。 界磁巻線と切替回路とにより構成される回路の等価回路である。 実施形態に係る回転電機を制御する際のタイムチャートである。

以下、本実施形態に係る回転電機を、図面を参照しながら説明する。

図１は本実施形態に係る回転電機１００の全体構成を示す概略図である。本実施形態に係る回転電機１００は、ＩＳＧ（インテグレーテッド・スタータ・ジェネレータ）として車両に搭載されることが想定されている。すなわち、車両に搭載されたエンジンの始動を行う際に、回転電機１００は、車両に搭載された、電源であるバッテリ２００から供給される電力により、スタータモータとして機能する。一方、エンジンの始動後は、回転電機１００はオルタネータとして機能し、バッテリ２００へ電力の供給を行う。バッテリ２００は、例えば、端子間電圧が約１２Ｖである鉛バッテリである。

回転電機１００は、インバータ１０と、固定子２０と、界磁回路３０と、回転子４０と、切替回路５０とを備えている。このとき、インバータ１０、界磁回路３０及び切替回路５０は、回転電機１００のケーシングに設けられたスペースに格納されている。すなわち、回転電機１００は、機械要素である固定子２０及び回転子４０と、電子要素であるインバータ１０、界磁回路３０及び切替回路５０とが、共通のケーシングに格納された機電一体型となっている。

インバータ１０は、Ｕ相上アームスイッチング素子ＳｕｐとＵ相下アームスイッチング素子Ｓｕｎとの直列接続体、Ｖ相上アームスイッチング素子ＳｖｐとＶ相下アームスイッチング素子Ｓｖｎとの直列接続体、及び、Ｗ相上アームスイッチング素子ＳｗｐとＷ相下アームスイッチング素子Ｓｗｎとの直列接続体を含んで構成されている。各スイッチング素子としては、例えばＭＯＳＦＥＴが用いられる。

固定子２０は、Ｕ相巻線２２ｕ、Ｖ相巻線２２ｖ、Ｗ相巻線２２ｗを含んで構成されており、Ｕ相巻線２２ｕ、Ｖ相巻線２２ｖ、Ｗ相巻線２２ｗは、それぞれ、機械角で互いに１２０°ずれて設けられている。

ここで、Ｕ相の接続態様について詳述する。Ｕ相上アームスイッチング素子ＳｕｐのソースとＵ相下アームスイッチング素子Ｓｕｎのドレインとが接続されており、その接続点にはＵ相巻線２２ｕの第１端が接続されている。一方、Ｕ相巻線２２ｕの第２端は中性点２４に接続されている。加えて、Ｕ相上アームスイッチング素子Ｓｕｐのドレインはバッテリ２００の正極に接続されており、Ｕ相下アームスイッチング素子Ｓｕｎのソースはバッテリ２００の負極に接続されている。なお、Ｖ相及びＷ相の接続態様は、Ｕ相と同様である。このため、本実施形態では、Ｖ相及びＷ相についての接続態様の詳細な説明を省略する。

また、Ｕ相上アームスイッチング素子Ｓｕｐ、Ｕ相下アームスイッチング素子Ｓｕｎ、Ｖ相上アームスイッチング素子Ｓｖｐ、Ｖ相下アームスイッチング素子Ｓｖｎ、Ｗ相上アームスイッチング素子Ｓｗｐ、Ｗ相下アームスイッチング素子Ｓｗｎ、には、それぞれ、Ｕ相上アームダイオードＤｕｐ、Ｕ相下アームダイオードＤｕｎ、Ｖ相上アームダイオードＤｖｐ、Ｖ相下アームダイオードＤｖｎ、Ｗ相上アームダイオードＤｗｐ、Ｗ相下アームダイオードＤｗｎが逆方向に並列接続されている。

界磁回路３０は、界磁上アームスイッチング素子Ｓｆｐと、界磁下アームスイッチング素子Ｓｆｎとの直列接続体を含んで構成されている。具体的には、界磁上アームスイッチング素子Ｓｆｐのソースと界磁下アームスイッチング素子Ｓｆｎのドレインとが接続され、界磁上アームスイッチング素子Ｓｆｐのドレインは、バッテリ２００の正極に接続されており、界磁下アームスイッチング素子Ｓｆｎのソースは、バッテリ２００の負極に接続されている。なお、回転子４０へは界磁回路３０を介して電力が供給されるため、界磁回路３０を電源部ということができる。

インバータ１０に含まれる各スイッチング素子Ｓｕｐ，Ｓｕｎ，Ｓｖｐ，Ｓｖｎ，Ｓｗｐ，Ｓｗｎ、及び、界磁回路３０に含まれる各スイッチング素子Ｓｆｐ，Ｓｆｎは、図示しない制御装置から送信される制御信号により開閉制御される。

回転子４０は、第１界磁巻線４１と、第２界磁巻線４２とを含んでいる。回転子４０は、第１界磁巻線４１及び第２界磁巻線４２に通電が行われることにより、界磁部として機能する。第１界磁巻線４１の第１端は、切替回路５０の第１接続部５１に第１ブラシ６１を介して接続されており、第１界磁巻線４１の第２端は、切替回路５０の第２接続部５２に第２ブラシ６２を介して接続されている。一方、第２界磁巻線４２の第１端は、切替回路５０の第３接続部５３に第３ブラシ６３を介して接続されており、第２界磁巻線４２の第２端は、切替回路５０の第４接続部５４に第４ブラシ６４を介して接続されている。また、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とは、巻方向が共通している。

切替回路５０において、第１接続部５１と第３接続部５３とは、ＭＯＳＦＥＴである第１スイッチ５５を介して接続されており、第２接続部５２と第４接続部５４とは、ＭＯＳＦＥＴである第２スイッチ５６を介して接続されている。加えて、第２接続部５２と第３接続部５３とは、ＭＯＳＦＥＴである第３スイッチ５７を介して接続されている。

また、切替回路５０の第１接続部５１が、界磁回路３０の界磁上アームスイッチング素子Ｓｆｐのソースと界磁下アームスイッチング素子Ｓｆｎのドレインとの接続部に接続され、切替回路５０の第４接続部５４は、バッテリ２００の負極に接続されている。

図１における回転子４０と切替回路５０とからなる回路の等価回路を、図２に示す。なお、図２では、回転子４０と切替回路５０とを接続する第１〜第４ブラシ６１〜６４を省略している。

第１界磁巻線４１の第１端は第１接続部５１に接続されており、第１界磁巻線４１の第２端は第２接続部５２に接続されている。一方、第２界磁巻線４２の第１端は第３接続部５３に接続されており、第２界磁巻線４２の第２端は第４接続部５４に接続されている。そして、上述したように、第１接続部５１と第３接続部５３とは、第１スイッチ５５を介して接続されており、第２接続部５２と第４接続部５４とは、第２スイッチ５６を介して接続されている。加えて、第２接続部５２と第３接続部５３とは、第３スイッチ５７を介して接続されている。

上述したように、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とは、巻方向が同じである。そのため、第１スイッチ５５と第２スイッチ５６とを導通させ、第３スイッチ５７を遮断させれば、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とについて、巻方向及び通電方向が共通する並列接続状態とすることができる。一方、第３スイッチ５７を導通させ、第１スイッチ５５と第２スイッチ５６とを遮断させれば、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とについて、巻方向及び通電方向が共通する直列接続状態とすることができる。すなわち、切替回路５０が切替手段として機能することにより、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とについて、巻方向及び通電方向が共通する直列接続状態と、巻方向及び通電方向が共通する並列接続状態とを切り替える制御を行う。

ところで、第１界磁巻線４１の断面積及び第２界磁巻線４２の断面積を同じものとし、且つ、それらの巻数を共にＮとすると、第１界磁巻線４１の巻線長と第２界磁巻線４２の巻線長は同じであり、第１界磁巻線４１の抵抗値及び第２界磁巻線４２の抵抗値は共にＲである。そのため、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とを直列接続した場合、その合成抵抗は２Ｒとなり、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とを並列接続した場合では、その合成抵抗はＲ／２となる。

したがって、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２との直列接続体及び並列接続体について、印加される電圧又は発生する電圧をＶとすると、第１界磁巻線４１及び第２界磁巻線４２に流れる電流値は、直列接続した場合では共にＶ／２Ｒであり、並列接続した場合では共にＶ／Ｒである。

したがって、電流値と巻数の積は、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とを並列接続した場合は、それらを直列接続した場合の２倍となり、回転電機１００を電動機として用いる場合にはより大きな起磁力を発生させることができる。

一方、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とを直列接続した場合の電流値は、それらを並列接続した場合の半分であるため、起磁力及び起電力は小さくなるものの、第１〜第４ブラシ６１〜６４等の劣化を抑制することができる。

切替回路５０による、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２との、直列接続状態と並列接続状態との切り替えは、車両の制御状態に応じて変更される。すなわち、より大きなトルクが必要な場合には、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とを並列接続し、それらの電流値をより大きいものとする。この、より大きなトルクが必要である場合とは、例えば、スタータモータやアシストとして用いる場合等、回転電機１００を電動機として機能させる場合である。一方、車両の回生発電時に回転電機１００を発電機として機能させる場合には、より多くの電流を流す必要性は生じない。そのため、回転電機１００を発電機として機能させる場合には、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とを直列接続する。

図３は、本実施形態に係る回転電機１００における、車両の制御状態と第１〜第３スイッチ５５〜５７の状態とを示すタイムチャートである。なお、図３において、第１〜第３スイッチ５５〜５７の導通状態をＯＮとしており、遮断状態をＯＦＦとしている。

まず、時刻ｔ１において、運転者によりイグニッションスイッチがＯＮとされると、第１スイッチ５５及び第２スイッチ５６を導通状態とし、第３スイッチ５７の遮断状態を維持する。これにより、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２が直列接続される。続く時刻ｔ２では、運転者によりエンジンを始動させる意思を示す操作が行われることにより、エンジンが始動される。なお、本実施系形態に係る回転電機１００を備える車両は、回転電機１００よりも発生トルクが大きいスタータモータをさらに備え、時刻ｔ２では、そのスタータモータによりエンジンの始動が行われる。これは、冷間時始動に必要なトルクは、暖機時始動に必要なトルクに対して相対的に大きく、回転電機１００において、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とを並列接続して通電を行ったとしても、トルクが不足する可能性があるためである。

エンジンの始動後の時刻ｔ３において運転者によるアクセルの操作がなされれば、車両は加速し、時刻ｔ４では定速走行に移行する。続く時刻ｔ５において、車両の走行状態が減速に転ずれば、回転電機１００は発電機として機能し、直列接続された第１界磁巻線４１及び第２界磁巻線４２には電磁誘導により起電力が生じ、バッテリ２００への充電が行われる。

時刻ｔ６において、車両の速度が概ねゼロとなり、停車したと判断されると、アイドリングストップ機能により、エンジンは停止する。そして、切替回路５０では、エンジンの再始動に備えるべく、第１スイッチ５５及び第２スイッチ５６を導通状態とし、第３スイッチ５７を遮断状態として、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とを並列接続させる。

アイドリングストップ機能によりエンジンが停止した状態である時刻ｔ７で、運転者のアクセル操作等によるエンジンの再始動要求がなされれば、エンジンは再始動する。このエンジンの再始動は、回転電機１００を電動機として用いて行われる。

時刻ｔ７においてエンジンが再始動し、時刻ｔ８においてエンジンの再始動が確認されれば、車両が走行することにより、回生発電を行うことができる機会が生ずる。そのため、切替回路５０では、回生発電に備えるべく、第１スイッチ５５及び第２スイッチ５６を遮断状態とし、第３スイッチ５７を導通状態として、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とを直列接続させる。

なお、図３で示したタイムチャートでは、エンジンの再始動時に回転電機１００を電動機として機能させるものとしているが、車両の加速時に回転電機１００を電動機として機能させるものとしてもよい。この場合には、エンジンの始動を確認した場合において第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２との並列接続状態を維持し、加速の終了を検出した場合や、減速の開始を検出した場合において、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とを直列接続状態とすればよい。

また、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２との並列接続状態から直列接続状態への切り替えを、エンジンの再始動が確認されたことを契機とするものとしたが、車両が加速を開始した時刻ｔ９に切り替えを行うものとしてもよい。

上記構成により、本実施形態に係る回転電機１００は以下の効果を奏する。

・第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２との接続状態を、切替回路５０により、直列接続状態と並列接続状態とに切り替えている。そのため、簡易な構成で第１界磁巻線４１及び第２界磁巻線４２の電流値を変化させることができる。

・回転電機１００に要求されるトルクが大きい場合にのみ並列接続状態とし、第１界磁巻線４１及び第２界磁巻線４２の電流値を大きくし、回転電機１００に要求されるトルクが小さい場合には、直列接続状態を維持して、第１界磁巻線４１及び第２界磁巻線４２の電流値を抑制している。そのため、大電流が流れることに起因する第１〜第４ブラシ６１〜６４の劣化等を抑制することができる。

＜変形例＞
・上記実施形態では、機電一体型の回転電機１００としたが、機電一体型でなくてもよい。この場合において、電子要素であるインバータ１０、界磁回路３０及び切替回路５０は、回転電機１００のケーシング内に搭載されないものとなるものの、この場合においても、インバータ１０、界磁回路３０及び切替回路５０を含んで回転電機１００が構成されるということができる。

・上記実施形態において、冷間時始動をスタータモータにより行うものとしたが、実施形態に係る回転電機１００により冷間時始動に必要なトルクを発生させることができるのであれば、スタータモータを設けず、実施形態に係る回転電機１００により冷間時始動を行うものとしてもよい。この場合には、運転者にイグニッションスイッチがオンとされることを条件に、まず第１スイッチ５５と第２スイッチ５６とを導通状態とし、第３スイッチ５７を遮断状態として、第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とを並列接続させればよい。

・上記実施形態では、第１界磁巻線４１の径及び長さと、第２界磁巻線４２の径及び長さとを同じものとしたが、異なるものとしてもよい。この場合においても、上記実施形態に準ずる効果を奏することができる。

・上記実施形態では、回転子４０が第１界磁巻線４１と第２界磁巻線４２とを備えるものとしたが、３つ以上の界磁巻線を備えるものとしてもよい。この場合には、各界磁巻線ンの第１端どうしをそれぞれ第１スイッチで接続すると共に、第２端どうしをそれぞれ第２スイッチで接続し、且つ、複数の界磁巻線を界磁回路３０に対して互いに直列に接続する経路のそれぞれに、第３スイッチを設けるものとすればよい。

・上記実施形態において、回転電機１００を車両に搭載するものとしたが、回転電機１００の搭載対象は車両に限られない。回転電機１００を車両以外のものに搭載する場合には、その搭載対象が必要とするトルクや制御状態等に応じて、直列接続状態と並列接続状態とを切り替えるものとすればよい。

・上記実施形態では、回転子４０と切替回路５０とを第１〜第４ブラシ６１〜６４を介して接続するものとしたが、第１〜第４ブラシ６１〜６４の代わりにスイッチング素子を用いるブラシレスの回転電機１００とすることもできる。この場合においても、スイッチング素子に流れる電流を抑制することができるため、上記実施形態に準ずる効果を奏する。

・上記実施形態では、回転電機１００を３相の交流モータとしたが、３相以外の多相交流モータであってもよい。また、直流モータであってもよい。すなわち、界磁巻線へ電力を供給するものであれば、本発明は適用可能であり、上記実施形態に準ずる効果を奏する。

・上記実施形態では、回転子４０に第１界磁巻線４１及び第２界磁巻線４２を巻き、回転子４０を界磁部として用いるものとしているが、固定子に界磁巻線を巻いてその固定子を界磁部として用いるものについても、上記実施形態に準ずる構成を採用することができる。

・上記実施形態では、スイッチングとしてＭＯＳＦＥＴを採用した例を示したが、スイッチングとしては、ＭＯＳＦＥＴ以外のものを採用することもできる。

・上記実施形態では、バッテリ２００として端子間電圧が約１２Ｖである鉛バッテリを例示したが、これに限られることはない。例えば、エネルギー密度の高いリチウムイオンバッテリ等を用いてもよい。

４０…回転子、４１…第１界磁巻線、４２…第２界磁巻線、５０…切替回路、１００…回転電機。

Claims (2)

1. 複数の界磁巻線（４１，４２）が巻かれた界磁部（４０）を備える回転電機（１００）であって、
   前記複数の界磁巻線について、巻方向及び通電方向が同じ直列接続状態と、巻方向及び通電方向が同じ並列接続状態とを切り替える切替手段（５０）を備え、
   前記回転電機は、車両に搭載され、前記車両が備えるエンジンの始動時に電動機として機能し、回生時に発電機として機能する回転電機であって、
   前記始動時に前記並列接続状態とし、前記回生時に前記直列接続状態とすることを特徴とする、回転電機。
2. 前記複数の界磁巻線のそれぞれにおいて、同じ巻方向における一方の端部が第１端であり、他方の端部が第２端であり、
   前記切替手段は、
   各界磁巻線の前記第１端どうしを接続する第１スイッチ（５５）と、
   各界磁巻線の前記第２端どうしを接続する第２スイッチ（５６）と、
   前記複数の界磁巻線を、前記複数の界磁巻線に電力を供給する電源部（３０）に対して互いに直列に接続する経路に設けられる第３スイッチ（５７）と、を備え、
   前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを遮断状態とし、且つ、前記第３スイッチを導通状態とすることで、前記直列接続状態とし、
   前記第１スイッチ及び前記第２スイッチを導通状態とし、且つ、前記第３スイッチを遮断状態とすることで、前記並列接続状態とすることを特徴とする、請求項１に記載の回転電機。

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