JP6492450B2 - 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。

従来、界磁回路からブラシを介して界磁巻線へ電力の供給を行う回転電機として、特許文献１に記載の回転電機がある。

一方、回転電機を、エンジンの始動時にはスタータモータとして使用し、エンジンの始動後にはオルタネータとして使用する、インテグレーテッド・スタータ・ジェネレータ（以下、「ＩＳＧ」という。）として用いることも行われている。

特開２０１３−１２１２８６号公報

特許文献１に記載されているような回転電機をＩＳＧに用いた場合、回転電機をスタータモータとして用いる際に、界磁巻線へ大電流を流す必要が生じる。そのため、界磁巻線と界磁回路とを電気的に接続するブラシの寿命の低下が懸念される。また、回転電機がブラシレスモータである場合においても、ブラシの代わりに用いられるスイッチング素子の寿命の低下が懸念される。

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減少させることができ、且つ、所望の出力を発生すことが可能な回転電機を提供することにある。

本発明は、界磁巻線が巻かれた回転子を備える回転電機であって、電源と界磁巻線との間に接続され、電源から界磁巻線へ印加される電圧を昇圧する昇圧回路を備えることを特徴とする。

界磁巻線に流れる電流を抑制するためには、界磁巻線をより断面積の小さいものとすればよい。一方、電源として、定電圧電源が設けられている場合、界磁巻線の断面積を小さくすれば電流を抑制することはできるものの、電流の抑制に伴い回転電機が発生する出力も減少する。その点、上記構成の回転電機は昇圧回路を備えているため、界磁巻線に流れる電流を抑制しつつ、その電流値を、所望の出力を発生するものとすることができる。

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。

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、昇圧回路３０と、界磁回路４０と、回転子５０とを備えている。このとき、インバータ１０、昇圧回路３０及び界磁回路４０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５０と、電子要素であるインバータ１０、昇圧回路３０及び界磁回路４０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。

昇圧回路３０は、たとえば、少なくともひとつのスイッチング素子と、チョークコイルとを含んで構成される公知の昇圧回路である。

界磁回路４０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。

回転子５０は、界磁巻線５２を含んでいる。界磁回路４０と界磁巻線５２とは一対のブラシ６０ａ，６０ｂを介して電気的に接続されている。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、その接続点は、ブラシ６０ａを介して界磁巻線５２の第一端に接続されている。また、界磁下アームスイッチング素子Ｓｆｎのソースが、ブラシ６０ｂを介して界磁巻線５２の第二端に接続されている。加えて、界磁上アームスイッチング素子Ｓｆｐのドレインは、昇圧回路３０の正極側出力端に接続されており、界磁下アームスイッチング素子Ｓｆｎのソースは、昇圧回路３０の負極側出力端に接続されている。

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４０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。すなわち、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は、Ｕ相巻線２２ｕ、Ｖ相巻線２２ｖ、Ｗ相巻線２２ｗに印加される電圧が、位相が互いに１２０°ずれた正弦波となるようにオン／オフ制御される。また、界磁回路４０に含まれる各スイッチング素子Ｓｆｐ，Ｓｆｎは、界磁巻線５２に印加される電圧が所定の電圧となるように、所定のＤｕｔｙ比で制御される。

制御装置は、加えて、昇圧回路３０へ制御信号を送信し、バッテリ２００から供給される電圧を昇圧し、界磁回路４０を介して界磁巻線５２へ供給する。

例えば、内燃機関を始動するトルクを発生するために、界磁巻線５２に２４００ＡＴ（アンペアターン：コイルに流れる電流値と巻数との積）の起磁力が必要であるとする。このとき、界磁巻線５２の巻数が２４０Ｔ（ターン）、界磁巻線５２の抵抗値が１．２Ωであれば、１２Ｖの電圧を界磁巻線５２に印加することで、界磁巻線５２に流れる電流は１０Ａとなり、起磁力は２４００ＡＴとなる。この、昇圧回路３０による昇圧を行うことなく要求されるトルクを発生する回転電機１００を想定回転電機とし、想定回転電機の界磁巻線を想定界磁巻線とし、想定界磁巻線の断面積をＳ１とする。

ここで、界磁巻線５２として、界磁巻線５２に流れる電流を抑制するために、断面積Ｓが想定界磁巻線の断面積Ｓ１よりも小さいもの（Ｓ＜Ｓ１）を採用したとする。例えば、断面積Ｓが想定界磁巻線の断面積Ｓ１の半分のものを用いるものとし、回転電機１００のケーシングとして同様の大きさのものを用いる場合、巻数は４８０Ｔとなる。このとき、界磁巻線５２の抵抗値は４．８Ωとなり、バッテリ２００の端子間電圧である１２Ｖが印加された場合、界磁巻線５２に流れる電流値は２．５Ａである。よって、起磁力は１２００ＡＴとなり、必要なトルクが得られなくなる。そこで、昇圧回路３０により、バッテリ２００から界磁巻線５２へ印加される電圧を２４Ｖに昇圧する。こうすることで、界磁巻線５２に流れる電流値は５Ａとなり、起磁力は２４００ＡＴとなる。

同様に、界磁巻線５２として、断面積Ｓが想定界磁巻線の断面積Ｓ１の１／４のものを用いる場合には、起磁力を２４００ＡＴとするのに必要な電圧は、４８Ｖとなる。

すなわち、昇圧回路３０により、界磁巻線５２の断面積に反比例する電圧を、界磁巻線５２に印加する。

上述した昇圧回路３０から界磁巻線５２へ印加する電圧について、一般化して説明する。界磁巻線５２の抵抗は、巻数に比例し、断面積に反比例するため、界磁巻線５２の抵抗Ｒは、巻数Ｔ、断面積Ｓ及び定数ρを用いて下記数式１で表される。

一方、起磁力は、上述した通り巻数Ｔと電流Ｉとの積であるため、界磁巻線５２に印加される電圧Ｖを用いて、下記数式２により求められる。

数式２における左辺は、要求されるトルク（出力）により定まる値であるため、定数とすることができる。そのため、界磁巻線５２へ印加される電圧は、界磁巻線５２の断面積Ｓに反比例する値に設定され、昇圧回路３０が制御される。

なお、昇圧回路３０から出力される電圧の上限は６０Ｖに制限されている。これは、回転電機１００が搭載される車両の安全基準を満たすためである。

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。

界磁巻線５２の断面積を小さくし、且つ、巻数を増加させれば、界磁巻線５２に流れる電流を減少させることはできる。一方、断面積を小さくすることにより起磁力が減少するため、回転電機１００に要求されるトルク（出力）が得られなくなる。本実施形態では、バッテリ２００から供給される電圧を昇圧回路３０により昇圧し、界磁巻線５２へ供給している。こうすることにより、起磁力を維持しつつ、界磁巻線５２に流れる電流を減少させることができる。そして、界磁回路４０と界磁巻線５２とを電気的に接続するブラシ６０ａ，６０ｂの損耗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、昇圧回路３０及び界磁回路４０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、昇圧回路３０及び界磁回路４０を含んで回転電機１００が構成されるということができる。

・上記実施形態では、回転電機１００をＩＳＧとして用いるものとしたが、回転電機１００はＩＳＧでなくてもよく、少なくとも電動機として機能するものであればよい。加えて、その用途も、スタータモータに限られない。また、車載用のモータに限られることもない。

・上記実施形態では、一対のブラシ６０ａ，６０ｂを介して、界磁回路４０から界磁巻線５２へと電力を供給するものとしたが、ブラシ６０ａ，６０ｂ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５２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、バッテリ２００として端子間電圧が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。

・上記実施形態では、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを採用した例を示したが、スイッチング素子としては、ＭＯＳＦＥＴ以外のものも採用することができる。

・上記実施形態では、昇圧回路３０から出力される電圧の上限を６０Ｖに設定するものとしたが、これに限られることはなく、電圧の上限は、回転電機１００を搭載する対象に応じて設定することができる。また、上限電圧は、法令や安全基準等に応じて変更することもできる。

・上記実施形態では、要求されるトルクに応じて昇圧を行うものとしたが、トルク以外の要求される出力に応じて昇圧するものとしてもよい。

３０…昇圧回路、５０…回転子、５２…界磁巻線、６０ａ…ブラシ、６０ｂ…ブラシ、１００…回転電機、２００…バッテリ。

Claims (3)

1. 界磁巻線（５２）が巻かれた回転子（５０）と、各相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）の巻線（２２ｕ，２２ｖ，２２ｗ）を含んで構成された固定子（２０）と、前記固定子の各相の巻線に電力を供給するインバータ（１０）とを備える回転電機（１００）であって、
   電源（２００）と前記界磁巻線との間に接続され、前記電源から前記界磁巻線へ印加される電圧を昇圧する昇圧回路（３０）を備え、
   前記電源の各端子に、前記昇圧回路と前記インバータとが接続されるとともに、前記昇圧回路と前記電源との間に前記インバータが接続されており、
   前記昇圧回路は、前記電源から供給される電圧であって、前記インバータにより変換されない電圧を昇圧し、
   前記インバータは、前記電源から供給される電圧であって、前記昇圧回路により昇圧されない電圧を前記固定子の各相の巻線に供給することを特徴とする回転電機。
2. 前記界磁巻線の断面積（Ｓ）は、前記昇圧回路による昇圧が行われない前記電源の電圧が印加され、同じ出力を得ることを想定した想定回転電機の想定界磁巻線の断面積（Ｓ１）よりも小さく（Ｓ＜Ｓ１）、
   前記昇圧回路を介して前記界磁巻線に印加される電圧は、前記界磁巻線の断面積に反比例する値として設定されることを特徴とする請求項１に記載の回転電機。
3. 前記昇圧回路から前記界磁巻線へは、ブラシ（６０ａ，６０ｂ）を介して電力が供給されることを特徴とする請求項１又は２に記載の回転電機。

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