JP6492901B2 - 電動機装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の出力をアシストする車両用の電動機装置に関する。

従来から、回転電機を電動機として動作させる電動機装置では、コストダウンおよび小型化を進めるべく、様々な取り組みがなされている。
例えば、特許文献１では、回転電機の各相の巻線への通電をオンオフするスイッチング手段として、複数の３相ブリッジ回路を備える電動機装置が開示されている。

また、特許文献１の電動機装置では、複数の３相ブリッジ回路が有する半導体スイッチを１チップのＭＯＳＦＥＴで構成し、それぞれの３相ブリッジ回路はスイッチングタイミングが互いにずれるように制御される。
これにより、特許文献１では、半導体スイッチのターンオフによる電流遮断時の過渡的なチップ温度の上昇を抑制することができるので、電動機装置のコストダウンおよび小型化を達成することができるとしている。

しかし、電動機装置のコストダウンおよび小型化の要請は高く、特に、内燃機関の出力をアシストする車両用の電動機装置では、更なるコストダウンおよび小型化に対する要請が極めて高い。このため、電動機装置のコストダウンおよび小型化に関し、更なる改善策が求められている。
なお、以下の特許文献２〜５は、電動機装置のコストダウンおよび小型化の達成を直接的に述べていないが、概要を略記する。

まず、特許文献２、３は、電動機装置の駆動対象の負荷に応じて最適な制御を可能とするため、バッテリからの給電により通電されるターン数（以下、実ターン数と呼ぶ。）を、リレースイッチにより相毎で変更可能とする。
これにより、例えば、低速高トルクの出力が必要なときには、相毎の実ターン数を増やし、高速低トルクの出力が必要なときには、相毎の実ターン数を減らすことで、低回転から高回転までトルクの発生を可能にして作業性を改善することができるとしている。

次に、特許文献４は、エンジン始動装置において、回転電機であるスタータモータの最大トルクを「圧縮乗り越し最大クランキングトルク」の６０％以下に設定する構成を開示する。そして、この構成により、慣性マスを低減してドライバビリティを改善することができるとしている。
さらに、特許文献５は、巻線界磁型の回転電機を備える電動機装置において、界磁電流の制限値を回転速度に応じて可変にすることで、安全性を高めることができるとしている。

国際公開第２０１２／０８０２６６号パンフレット 特開２０１４−０５８８２５号公報 特許第３９６８６７３号公報 特許第４０３９６０４号公報 国際公開第２０１４／０８０４８６号パンフレット

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、車両用の電動機装置において、コストダウンおよび小型化を促進することにある。

本願の第１発明によれば、電動機装置は、３相の巻線を有する回転電機と、巻線への電圧の印加をオンオフするスイッチと、スイッチに指令を与えて回転電機の動作を制御する制御手段とを備える。また、電動機装置は、車両用であり、制御手段による制御に基づき、バッテリから給電して回転電機を電動機として動作させるとともに、電動機としての動作により発生する出力によって内燃機関の出力をアシストする。

また、電動機装置は、内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段を備え、制御手段は、次の２相モードおよび３相モードを有する。
すなわち、３相モードは、３相の巻線（Ｕ〜Ｗ）にバッテリの電圧を印加するときに高電位側になる巻線の組合せとして、第１組合せ（Ｗ、Ｕ）、第２組合せ（Ｕ、Ｖ）および第３組合せ（Ｖ、Ｗ）を順次繰り返すモードである。また、２相モードは、第１組合せ（Ｗ、Ｕ）、第２組合せ（Ｕ、Ｖ）および第３組合せ（Ｖ、Ｗ）の内、少なくとも１つの組合せを実行しないモードである。さらに、制御手段は、内燃機関の回転数に対する第１の閾値を有し、回転数検出手段による検出値が第１の閾値よりも大きいときに、２相モードを使用する。
さらに、電動機装置は、内燃機関の行程を判定する行程判定手段を備える。そして、制御手段は、行程判定手段による判定の結果に応じて、回転電機を電動機として動作させるか否かを決める。

これにより、２相モードを使用することで、回転電機を電動機として動作させるのに必要な消費電力を低減することができるとともに、スイッチや巻線への通電を分散させて発熱を抑えることができる。また、２相モードの使用により回転電機の回転駆動力が低下しても、内燃機関による回転電機の連れ回しを利用することで、逆転や停止を防止することができる。このため、車両用の電動機装置において、コストダウンおよび小型化を促進することができる。
また、内燃機関の行程に応じて、より細かく、回転電機の動作を電動機と発電機との間で切り替えることで、さらに、燃費低減効果を高めることができる。

電動機装置の全体構成図である（参考例１）。 大モードの動作におけるスイッチのオンオフの推移を示す推移図である（参考例１）。 インバータに対する操作においてスイッチの内、オンオフするものの組合せの一例を示す表である（参考例１）。 回転電機を電動機として動作させたときの回転数とトルクとの相関である（参考例１）。 電動機装置の動作例を示す特性図である（参考例１）。 電動機装置の全体構成図である（参考例２）。 インバータに対する操作においてスイッチの内、オンオフするものの組合せを示す表である（参考例２）。 （ａ）は回転電機を電動機として動作させたときの回転数とトルクとの相関であり、（ｂ）は回転電機を発電機として動作させたときの回転数と発電電流との相関である（参考例２）。 電動機装置の全体構成図である（実施例１）。 内燃機関の行程別の電動機と発電機との切替推移を示すタイムチャートである（実施例１）。

以下、発明を実施するための形態を、実施例を用いて説明する。なお、実施例は具体的な一例を開示するものであり、本発明が実施例に限定されないことは言うまでもない。

〔参考例１の構成〕
参考例１の電動機装置１の構成を、図１を用いて説明する。
電動機装置１は、車両に設けられるものであり、車載バッテリ（以下、単にバッテリ２と呼ぶ。）からの給電により出力を発生させて内燃機関３を始動したり、内燃機関３の出力をアシストしたり、内燃機関３の駆動力により誘起される電圧によってバッテリ２を充電したりするものであり、電動機と発電機の機能を両方併せ持つ（以下、電動機装置１をシステム１と呼ぶ。）。
そして、システム１は、以下の回転電機４、インバータ回路５、および、制御手段６を備える。

まず、回転電機４は、内燃機関３を始動したり、内燃機関３の出力をアシストしたりする電動機、または、バッテリ２を充電する発電機として動作するものであり、例えば、固定子にＵ相、Ｖ相およびＷ相の３相の巻線７Ｕ、７Ｖ、７Ｗがスター結線され、回転子に永久磁石が内蔵されたものである。
なお、回転電機４の回転子は、内燃機関３のクランクシャフトに直結されている。また、回転電機４には、回転子の磁石位置を検出する位置センサ４ａが付設されており、位置センサ４ａは、固定子の極間隔で配置された３個のホールセンサＰＵ、ＰＶ、ＰＷからなる。

次に、インバータ回路５は、２つの半導体スイッチが直列に接続し、かつ、２つの半導体スイッチの直列接続が３つ並列に接続した３相ブリッジ回路である（以下、半導体スイッチをスイッチＳと呼ぶ。）。
そして、インバータ回路５では、直列接続の一方の端子がバッテリ２のプラス極に接続するとともに、他方の端子がアースに接続し、さらに、直列接続の３つの中点がそれぞれＵ端子９Ｕ、Ｖ端子９Ｖ、Ｗ端子９Ｗに接続している。
また、インバータ回路５には平滑コンデンサ１０が並列に接続している。さらに、スイッチＳは、例えば、Ｎチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴである。

以下の説明では、インバータ回路５の３つの直列接続の内、中点がＵ端子９Ｕに接続するものに含まれる２つのスイッチＳに関し、高電位側、低電位側のスイッチＳをそれぞれスイッチＳｕｐ、Ｓｕｎと呼ぶことがある。また、中点がＶ端子９Ｖに接続するものに含まれる２つのスイッチＳに関し、高電位側、低電位側のスイッチＳをそれぞれスイッチＳｖｐ、Ｓｖｎと呼ぶことがある。さらに、中点がＷ端子９Ｗに接続するものに含まれる２つのスイッチＳに関し、高電位側、低電位側のスイッチＳをそれぞれスイッチＳｗｐ、Ｓｗｎと呼ぶことがある。

次に、制御手段６は、回転電機４の動作を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ）であり、例えば、入力された信号を処理する入力回路、入力された信号に基づき制御処理や演算処理を行うＣＰＵ、制御処理や演算処理に必要なデータやプログラム等を記憶して保持する各種のメモリ、ＣＰＵの処理結果に基づき必要な信号を出力する出力回路等を有する。

また、制御手段６は、回転電機４の動作を制御するため、インバータ回路５が有する６個のスイッチＳの中から、逐次、オンオフするものを選択するとともに、逐次、オンオフすべきスイッチＳを変更する。

そして、制御手段６は、回転電機４を電動機として動作させる制御に関して、次の３相モード、および、２相モードを有する（図２Ｂ参照。）。
ここで、図２Ａは、電動機としての動作におけるスイッチＳのオンオフの推移を、内燃機関３の回転数Ｎｅを横軸として示すものであり、図２Ｂは、３相、２相モードのそれぞれにおいて、６個のスイッチＳの内、オンオフするものの組合せの一例を示すものである。

まず、３相モードは、巻線７Ｕ〜７Ｗへ電圧を印加する周知の３相電動機の駆動モードであり、巻線７Ｕ〜７Ｗにバッテリ２の電圧を印加するときに高電位側になる巻線７Ｕ〜７Ｗの組合せとして、次の第１〜第３組合せを繰り返すモードである。
ここで、第１組合せは巻線７Ｗ、７Ｕが高電位側になる組合せであり、図２Ｂの第１パターンにより実現する。また、第２組合せは巻線７Ｕ、７Ｖが高電位なる組合せであり、図２Ｂの第２パターンにより実現する。さらに、第３組合せは巻線７Ｖ、７Ｗが高電位なる組合せであり、図２Ｂの第３パターンにより実現する。

次に、２相モードは、第１〜第３組合せの内、少なくとも１つの組合せを実行しないモードである。ここで、図２Ｂには、２相モードとして、第１〜第３組合せをいずれも実行しない４つのモード（２相モード１〜４として図示している。）を例示している。
まず、２相モード１は、第４、第５、第２０パターンを繰り返し実施することにより、巻線７Ｕのみ高電位側にあって巻線７Ｕ、７Ｖへ電圧が印加される状態、巻線７Ｖのみ高電位側にあって巻線７Ｖ、７Ｗへ電圧が印加される状態、および、巻線７Ｕ〜７Ｗのいずれにも電圧が印加されない状態を繰り返す。

また、２相モード２は、第２０、第５、第６パターンを繰り返し実施することにより、巻線７Ｕ〜７Ｗのいずれにも電圧が印加されない状態、巻線７Ｖのみ高電位側にあって巻線７Ｖ、７Ｗへ電圧が印加される状態と、巻線７Ｗのみ高電位側にあって巻線７Ｗ、７Ｕへ電圧が印加される状態とを繰り返す。
また、２相モード３は、第４、第２０、第６パターンを繰り返し実施することにより、巻線７Ｕのみ高電位側にあって巻線７Ｕ、７Ｖへ電圧が印加される状態、巻線７Ｕ〜７Ｗのいずれにも電圧が印加されない状態、および、巻線７Ｗのみ高電位側にあって巻線７Ｗ、７Ｕへ電圧が印加される状態を繰り返す。

さらに、２相モード４は、第４〜第６パターンを繰り返し実施することにより、巻線７Ｕのみ高電位側にあって巻線７Ｕ、７Ｖへ電圧が印加される状態、巻線７Ｖのみ高電位側にあって巻線７Ｖ、７Ｗへ電圧が印加される状態、および、巻線７Ｗのみ高電位側にあって巻線７Ｗ、７Ｕへ電圧が印加される状態を繰り返す。
そして、２相モード１〜４では、巻線７Ｕ〜７Ｗ何れにも電圧を印加しない期間が繰り返し現れる。このため、２相モード１〜４では、巻線７Ｕ〜７Ｗ何れにも電圧を印加しない状態において、内燃機関３による連れ回しを利用して電動機としての回転を維持する。

さらに、システム１は、内燃機関３の回転数を検出する回転数検出手段１２を備え、制御手段６は、内燃機関３の回転数に対する第１の閾値Ｃ０を有し、回転数検出手段１２による検出値が第１の閾値Ｃ０よりも大きいときに、内燃機関３による連れ回しが可能であると判断し、２相モードを使用する。
なお、回転数検出手段１２は、例えば、内燃機関３のクランク角を検出する周知構造のクランク角センサである。すなわち、回転数検出手段１２は、クランクシャフトの外周に設けた突起でクランク角を検出するものであり、内燃機関３の点火制御や燃料噴射制御に使用されている。

ここで、図３に示すように、２相モード使用時の回転数とトルクとの相関は、３相モード使用時よりも低トルク、かつ、わずかに高速である。また、２相モード使用時には、内燃機関３による連れ回し可能な回転数に下限値が存在する。そして、回転数が下限値以下になると、電動機単体ではトルクが発生しない（回転電機４が回転しない）ので、３相モード固定で回転電機４を制御する必要がある。
このため、第１の閾値Ｃ０は、下限値よりも大きい数値に設定されている。

なお、２相モード使用時には、２相モード１、２相モード２、２相モード３を順次切り替えてもよい。すなわち、２相モード１→２相モード２→２相モード３を順次繰り返すようにしてもよい。この場合、巻線７Ｕ〜７ＷやスイッチＳへの通電を分散させることができ、発熱を抑制することができる。このため、内燃機関３の回転数が高いときに懸念される発熱量を低減することができるので、装置の小型化やコストダウンを達成することができる。

また、制御手段６は、インバータ５に対する操作でオンすべきものとして選択されていない半導体スイッチＳに付随する寄生ダイオードによるバッテリ２の充電を制御する。例えば、第１パターンを選択している場合、オンすべきものとして選択されているスイッチＳは、スイッチＳｕｐ、Ｓｖｎであり、巻線７Ｕ、７Ｖにバッテリ２から給電される。このため、例えば、巻線７Ｗに誘起される電圧は、スイッチＳｗｎをオンオフ操作することでスイッチＳｗｐに付随する寄生ダイオードによりレギュレートしながらバッテリ２に充電することができる（例えば、図２Ａ中の丸で囲った部分を参照。）。

ここで、システム１の動作特性の一例を、図４を用いて説明する。
図４は、内燃機関３の回転数がＮ１とＮ２との間で推移する場合の、動作特性を例示したものである。図４において横軸は内燃機関３の回転数Ｎｅを示し、縦軸はバッテリ２とインバータ回路５との間に流れる電流Ｉを示し、発電機として動作する場合に流れる方向をプラスとしている。また、発電機、電動機として流れる電流をそれぞれ発電電流、モータ電流と呼んで実線で示している。さらに、他の電気負荷に流れる電流を電気負荷電流と呼んで点線で示している。

これによれば、発電機としての動作では、発電電流が電気負荷電流よりも大きくなるように制御される。また、電動機としての動作では、内燃機関３の回転数が第１の閾値Ｃ０よりも小さい範囲では３相モードが選択され、第１の閾値Ｃ０よりも大きい範囲では２相モードが選択される。
そして、経時的に動作を見ると、回転数Ｎｅおよび電流Ｉは、内燃機関３の回転数やバッテリ２の充電収支に応じて、発電電流の実線と、モータ電流の実線との間を往来する。

〔参考例１の効果〕
参考例１のシステム１によれば、制御手段６は、３相モードおよび２相モードを有し、回転数検出手段１２による検出値が第１の閾値Ｃ０よりも大きいときに、２相モードを使用する。
これにより、２相モードを使用することで、回転電機４を電動機として動作させるのに必要な消費電力を低減することができるとともに、スイッチＳや巻線７Ｕ〜７Ｗへの通電を部分的に省略することで発熱を抑えることができる。また、２相モードの使用により回転電機４の回転駆動力が低下しても、内燃機関３による回転電機４の連れ回しを利用することで、逆転や停止を防止することができる。このため、システム１において、コストダウンおよび小型化を促進することができる。

また、回転電機４の回転子は、内燃機関３のクランクシャフトに直結されているので、内燃機関３による回転電機４の連れ回しを効果的に利用することができる。
さらに、制御手段６は、インバータ操作でオンすべきものとして選択されていない半導体スイッチＳに付随する寄生ダイオードによるバッテリ２の充電を制御する。
これにより、充電効率を高めることができる。

〔参考例２の構成〕
参考例２のシステム１を、参考例１のシステム１と異なる点を中心に説明する。
参考例２のシステム１によれば、図５に示すように、巻線７Ｕ〜７Ｗに中間タップ８Ｕ、８Ｖ、８Ｗを設けることで、実ターン数を相毎で可変にしている。
なお、実ターン数とは、巻線７Ｕ〜７Ｗのそれぞれの内、電動機としての動作においてバッテリ２からの給電により通電される部分のターン数、または、発電機としての動作において誘起電圧をバッテリ２に供給する部分のターン数である。
このため、回転電機４の巻線７Ｕ〜７Ｗでは、電動機としての動作においてバッテリ２からの給電により通電される部分、または、発電機としての動作において誘起電圧をバッテリ２に供給する部分の抵抗値が可変である。

具体的には、巻線７Ｕでは、２つの巻線７Ｕ１、７Ｕ２が直列接続しており、巻線７Ｕ１、７Ｕ２の接続部に中間タップ８Ｕが設けられている。同様に、巻線７Ｖでは、２つの巻線７Ｖ１、７Ｖ２が直列接続しており、巻線７Ｖ１、７Ｖ２の接続部に中間タップ８Ｖが設けられており、巻線７Ｗでは、２つの巻線７Ｗ１、７Ｗ２が直列接続しており、巻線７Ｗ１、７Ｗ２の接続部に中間タップ８Ｗが設けられている。これにより、回転電機４では、実ターン数を相毎に可変となっている。

また、巻線７Ｕ１、７Ｕ２、７Ｖ１、７Ｖ２、７Ｗ１、７Ｗ２は全て互に同一ターン数であり、巻線７Ｕ２、７Ｖ２、７Ｗ２のそれぞれにおいて中間タップ８Ｕ、８Ｖ、８Ｗを形成しない方の端子がスター結線されている。
なお、以下の説明では、巻線７Ｕ１、７Ｖ１、７Ｗ１のそれぞれにおいて中間タップ８Ｕ、８Ｖ、８Ｗを形成しない方の端子を、Ｕ端子９Ｕ、Ｖ端子９Ｖ、Ｗ端子９Ｗとする。また、巻線７Ｕ１、７Ｕ２、７Ｖ１、７Ｖ２、７Ｗ１、７Ｗ２それぞれのターン数を、説明を簡単にするため、全て同一の整数ｎとする。

次に、参考例２のシステム１は、インバータ回路５を２つ備える。
また、インバータ回路５は、両方とも、２つのスイッチＳが直列に接続し、かつ、２つの半導体スイッチＳの直列接続が３つ並列に接続した３相ブリッジ回路である。

そして、一方のインバータ回路５では、直列接続の一方の端子がバッテリ２のプラス極に接続するとともに、他方の端子がアースに接続し、さらに、直列接続の３つの中点がそれぞれＵ端子９Ｕ、Ｖ端子９Ｖ、Ｗ端子９Ｗに接続している。また、他方のインバータ回路５では、直列接続の一方の端子がバッテリ２のプラス極に接続するとともに、他方の端子がアースに接続し、さらに、直列接続の３つの中点がそれぞれ中間タップ８Ｕ、８Ｖ、８Ｗに接続している（以下、Ｕ端子９Ｕ、Ｖ端子９Ｖ、Ｗ端子９Ｗに接続するインバータ回路５をインバータ回路５ａと呼び、中間タップ８Ｕ、８Ｖ、８Ｗに接続するインバータ回路５をインバータ回路５ｂと呼ぶことがある。）。

なお、インバータ回路５には平滑コンデンサが並列に接続している。また、半導体スイッチＳは、例えば、Ｎチャネル型のパワーＭＯＳＦＥＴである。
以下の説明では、インバータ回路５ａの３つの直列接続の内、中点がＵ端子９Ｕに接続するものに含まれる２つのスイッチＳに関し、高電位側、低電位側のスイッチＳをそれぞれスイッチＳｕｐ１、Ｓｕｎ１と呼ぶことがある。また、中点がＶ端子９Ｖに接続するものに含まれる２つのスイッチＳに関し、高電位側、低電位側のスイッチＳをそれぞれスイッチＳｖｐ１、Ｓｖｎ１と呼ぶことがある。さらに、中点がＷ端子９Ｗに接続するものに含まれる２つのスイッチＳに関し、高電位側、低電位側のスイッチＳをそれぞれスイッチＳｗｐ１、Ｓｗｎ１と呼ぶことがある。

同様に、インバータ回路５ｂの３つの直列接続の内、中点が中間タップ８Ｕに接続するものに含まれる２つのスイッチＳに関し、高電位側、低電位側のスイッチＳをそれぞれスイッチＳｕｐ２、Ｓｕｎ２と呼ぶことがある。また、中点が中間タップ８Ｖに接続するものに含まれる２つのスイッチＳに関し、高電位側、低電位側のスイッチＳをそれぞれスイッチＳｖｐ２、Ｓｖｎ２と呼ぶことがある。さらに、中点が中間タップ８Ｗに接続するものに含まれる２つのスイッチＳに関し、高電位側、低電位側のスイッチＳをそれぞれスイッチＳｗｐ２、Ｓｗｎ２と呼ぶことがある。

そして、参考例２のシステム１によれば、制御手段６は、インバータ回路５ａ、５ｂが有する１２個のスイッチＳの中から、逐次、オンオフするものを選択するとともに、逐次、選択すべきスイッチＳを変更する（以下、１２個のスイッチＳの中から、逐次、オンオフするものを選択するとともに、逐次、選択すべきスイッチＳを変更する操作をインバータ操作と呼ぶことがある。）。

そして、制御手段６は、インバータ操作を実行することで、相毎に実ターン数を変更する。より具体的には、制御手段６は、インバータ操作において、全相の実ターン数に関し、２ｎ、３ｎ、４ｎの３つの数値の中から選択する。
例えば、電動機としての動作において巻線７Ｕ、７Ｖに給電する場合、スイッチＳｕｐ１、Ｓｖｎ１をオンすべきものとして選択すると、巻線７Ｕ１、７Ｕ２、７Ｖ１、７Ｖ２にバッテリ２から給電されるので、Ｕ相、Ｖ相それぞれの実ターン数は２ｎ、２ｎであり、全相の実ターン数は４ｎとなる。

また、スイッチＳｕｐ２、Ｓｖｎ２をオンすべきものとして選択すると、巻線７Ｕ２、７Ｖ２にバッテリ２から給電されるので、Ｕ相、Ｖ相それぞれの実ターン数はｎ、ｎであり、全相の実ターン数は２ｎとなる。
また、スイッチＳｕｐ１、Ｓｖｎ２をオンすべきものとして選択すると、巻線７Ｕ１、７Ｕ２、７Ｖ２にバッテリ２から給電されるので、Ｕ相、Ｖ相それぞれの実ターン数は２ｎ、ｎであり、全相の実ターン数は３ｎとなる。

さらに、スイッチＳｖｎ１、Ｓｕｐ２をオンすべきものとして選択すると、巻線７Ｕ２、７Ｖ１、７Ｖ２にバッテリ２から給電されるので、Ｕ相、Ｖ相それぞれの実ターン数はｎ、２ｎであり、全相の実ターン数は３ｎとなる。
以下、インバータ操作において、３相の巻線７Ｕ〜７Ｗの内、２相にバッテリ２から電圧を印加したり、２相から誘起電圧をバッテリ２に供給したりするときの全相の実ターン数として４ｎ、２ｎ、３ｎを選択するモードを、それぞれ、大モード、小モード、中モードと呼ぶ。

以上により、システム１では、３相、２相モードのモード区分、および、大、小、中モードのモード区分が存在することになる。つまり、システム１では、インバータ操作の選択肢として、３相モードかつ大モード、３相モードかつ小モード、３相モードかつ中モード、２相モードかつ大モード、２相モードかつ小モード、２相モードかつ中モードの６通りが存在する。

ここで、図６は、３相モードかつ大モード、３相モードかつ小モード、３相モードかつ中モードのそれぞれにおいて、１２個のスイッチＳの内、オンオフするものの組合せを示すものである。
すなわち、３相モードかつ大モード、および、３相モードかつ小モードでは、それぞれ、第７〜第９パターン、第１０〜第１２パターンが順次繰り返される。また、３相モードかつ中モードでは、第１３〜第１５パターン、または、第１６〜第１８パターンが順次繰り返される。なお、３相モードかつ中モードでは、例えば、第１３パターン→第１７パターン→第１５パターン→第１８パターン→のように、第１３〜第１５パターンのグループと、第１６〜第１８パターンのグループとを交互に繰り返すことで、巻線７Ｕ〜７ＷやスイッチＳの駆動電流による発熱を分散して抑制することができる。
なお、２相モードかつ大モード、２相モードかつ小モード、および、２相モードかつ中モードに関しては、参考例１の２相モード１〜４に準じるものであり、説明を省略する。

また、回転電機４を電動機として動作させたときの回転数とトルクとの相関、および、回転電機４を発電機として動作させたときの回転数と発電電流との相関は、３相モードかつ大モード、３相モードかつ中モード、３相モードかつ小モードのそれぞれで、例えば、図７に示すようになる。なお、回転数とトルクとの相関では、２相モードかつ大モード、２相モードかつ中モード、２相モードかつ小モードのそれぞれの相関を併せて示した。

図７によれば、電動機として動作では、大モードは、内燃機関３の回転数が低回転時から中速回転域であるときのアシストに適しており、中モードは、内燃機関３の回転数が、例えば、３０００ｒｐｍ付近の中速域であるときのアシストに適しており、小モードは、内燃機関３の回転数が５０００ｒｐｍ付近以上の高回転域であるときのアシストに適している。
また、発電機として動作では、大モードは、実ターン数が多いことから内燃機関３の回転数が低回転域でも誘起電圧が高くなって充電可能であり、中モードは、内燃機関３の回転数が中速以上で充電可能であり、小モードは、内燃機関３の回転数が高速以上で充電可能である。

さらに、参考例２のシステム１は、バッテリ２の電圧を検出する電圧検出手段１５を備える（なお、電圧検出手段１５は、例えば、周知構造のＡ／Ｄ変換回路として設けられている。）
そして、制御手段６は、回転数検出手段１２および電圧検出手段１５の検出値に応じて、大、小、中モードの中から１つを選択してインバータ操作を実行し、回転電機４を電動機または発電機として動作させる。
まず、制御手段６は、電圧検出手段１５による検出値の経時変化を用いて予測されるバッテリ２の充電収支、または、内燃機関３を始動するときの電圧検出手段１５による検出値に基づき、回転電機４を電動機として動作させるか否かを決める。

具体的には、予測されるバッテリ２の充電収支がマイナスである場合、または、内燃機関３を始動するときのバッテリ２の電圧の検出値が基準値よりも低い場合、制御手段６は、バッテリ２を充電する必要性が高いものとみなし、回転電機４が発電機として動作するように制御し、回転電機４を電動機として動作させない。つまり、制御手段６は、巻線７Ｕ〜７Ｗで誘起される電圧がバッテリ２の電圧よりも高くなるように、実ターン数を選択して発電機として動作させる。

次に、制御手段６は、内燃機関３の回転数に対する第２の閾値Ｃ１、Ｃ２（Ｃ１＜Ｃ２）を有し、回転電機４を電動機として動作させる場合、回転数検出手段１２による検出値と閾値Ｃ１、Ｃ２との比較の結果に応じて、相毎に実ターン数を変更する。
そして、制御手段６は、回転数検出手段１２による検出値が閾値Ｃ１よりも小さいときに大モードを採用して回転電機４を電動機として動作させ、低速高トルクの出力で内燃機関３をアシストする。

また、制御手段６は、回転数検出手段１２による検出値が閾値Ｃ１よりも大きく、かつ、閾値Ｃ２よりも小さいときに中モードを採用して回転電機４を電動機として動作させ、中速中トルクの出力で内燃機関３をアシストする。
さらに、制御手段６は、回転数検出手段１２による検出値が閾値Ｃ２よりも大きいときに小モードを採用して回転電機４を電動機として動作させ、高速低トルクの出力で内燃機関３をアシストする。

〔参考例２の効果〕
参考例２のシステム１によれば、回転電機４は、各相の巻線７Ｕ〜７Ｗに中間タップ８を設けることで、実ターン数を相毎で可変にしている。
また、制御手段６は、２つのインバータ回路５ａ、５ｂが有するスイッチＳの中から、逐次、オンオフするものを選択するとともに、逐次、選択すべきスイッチＳを変更するインバータ操作を実行することで、回転電機４の動作を制御する。さらに、制御手段６は、インバータ操作を実行することで、相毎に実ターン数を変更する。

これにより、相毎に実ターン数を高速で増減することができるので、電動機または発電機としての出力を高速で変更したり、回転電機４の動作を電動機と発電機との間で高速で切り替えたりすることができる。このため、システム１において、燃費低減効果を高めることができる。

また、制御手段６は、内燃機関３の回転数に対する第２の閾値Ｃ１、Ｃ２を有し、回転数検出手段１２による検出値と第２の閾値Ｃ１、Ｃ２との比較の結果に応じて、相毎に実ターン数を変更する。
これにより、内燃機関３の負荷変動に対し、回転電機４の出力を高速で変更することができる。

また、制御手段６は、電圧検出手段１５による検出値の経時変化を用いて予測されるバッテリ２の充電収支、または、内燃機関３を始動するときの電圧検出手段１５による検出値に基づき、回転電機４を電動機として動作させるか否かを決める。
これにより、回転電機４を電動機として動作させることによるバッテリ２の電圧変動が他の電気負荷に及ぼす影響を低減することができる。

〔実施例１の構成〕
実施例１のシステム１を実施例２のシステム１と異なる点を中心に説明する。
実施例１のシステム１は、内燃機関３の行程を判定する行程判定手段１７を備える。そして、制御手段６は、行程判定手段１７による判定の結果に応じて、回転電機４を電動機として動作させるか否かを決める。
ここで、行程判定手段１７の機能は、制御手段６として機能するＥＣＵにより実現する。また、行程判定手段１７は、例えば、回転数検出手段１２から出力される信号（クランク角を示す信号）、および、内燃機関３の吸気圧を示す信号等により、内燃機関３の行程を判定する。

そして、制御手段６は、行程判定手段１７により内燃機関３の行程が少なくとも圧縮行程または爆発工程であると判定されたときに、回転電機４を電動機として動作させる。例えば、図９に示すように、内燃機関３のアシストが特に有効であると考えられる圧縮行程の後半、爆発行程全般、および排気行程の前半に、回転電機４を電動機として動作させる。

なお、回転電機４を電動機として動作させる期間以外の時期では、制御手段６は、回転電機４を発電機として動作させる。また、制御手段６は、電動機として動作させる期間を、バッテリ２の充電収支に応じて延長したり、短縮したりする。つまり、バッテリ２の充電量が低下すると見込まれる場合、制御手段６は、電動機として動作させる期間を短縮する。
以上により、実施例１のシステム１によれば、内燃機関３の行程に応じて、より細かく、回転電機４の動作を電動機と発電機との間で切り替えることで、さらに、燃費低減効果を高めることができる。

また、実施例１のシステム１によれば、電動機として動作させる期間の中で、さらに内燃機関３による連れ回しが期待できる爆発行程や排気行程で２相モードを実施し、他の時期に３相モードを実施する。
これにより、２相モードの使用によるシステム１のコストダウンおよび小型化を促進することができる。

〔変形例〕
本願発明の態様は実施例に限定されず、種々の変形例を考えることができる。
例えば、実施例のシステム１によれば、相毎に中間タップ８Ｕ、８Ｖ、８Ｗが１個ずつ設けられていたが、たとえば、中間タップ８Ｕ〜８Ｗを各々２個以上設けるとともに、中間タップ８Ｕ〜８Ｗの個数増加に応じてインバータ回路５を増やしてもよい。

また、実施例１のシステム１によれば、回転電機４の巻線７Ｕ〜７Ｗに中間タップ８Ｕ〜８Ｗを設けるとともに、巻線７Ｕ〜７Ｗに複数のインバータ回路５を接続することで、制御手段６による実ターン数の変更を可能にしていたが、例えば、相毎の実ターン数を可変にするため、各相の巻線７Ｕ〜７Ｗにおいてリレースイッチのオンオフにより相毎の実ターン数を増減するようにしてもよい。

また、実施例の巻線７Ｕ〜７Ｗによれば、例えば、巻線７Ｕにおいて巻線７Ｕ１、７Ｕ２が直列に接続しており、巻線７Ｕ１、７Ｕ２の実ターン数を同一のｎとして説明したが、巻線７Ｕ〜７Ｗの態様はこのようなものに限定されない。例えば、巻線７Ｕ１を、実ターン数がｎである２つの巻線を並列接続することで設けてもよい。
また、回転電機４の回転子の極数および固定子の極数は、３相の電動発電機として一般的な１２極、１８極に限定されず、巻線の結線方式としてΔ結線を採用してもよい。
また、回転電機４の動作を電動機と発電機との間で切り替える時期は、実施例に限定されず、一定の時間間隔で切り替えてもよく、温度条件等に応じて切り替えてもよい。

また、減速時等にエンジンブレーキを増加させるため、制御手段６に、次の短絡モードを実行させてもよい。すなわち、短絡モードとは、インバータ操作により、巻線７Ｕ〜７Ｗの誘起電圧をアースに短絡させる制御モードであり、回転電機４を電動機や発電機として動作させる制御モードとは異なる。

ここで、実施例１のシステム１によれば、例えば、短絡モードにおいて、スイッチＳｕｎ１、Ｓｖｎ１、Ｓｗｎ１をオンして発電電流を短絡させてもよく、スイッチＳｕｎ１、Ｓｖｎ１、Ｓｗｎ１に加えてスイッチＳｕｎ２、Ｓｖｎ２、Ｓｗｎ２をオンしてもよい。

このとき、例えば、巻線７Ｕ１、７Ｕ２、７Ｖ１、７Ｖ２で発生した発電電流を短絡する場合、スイッチＳｕｎ１、Ｓｖｎ１をオンすることで短絡が可能であるが、スイッチＳｕｎ１、Ｓｖｎ１に加えてスイッチＳｕｎ２、Ｓｖｎ２をオンすることで、短絡時の発熱を分散することができるとともに、ブレーキ能力を高めることができる。
なお、発電、走行アシストおよびエンジンブレーキは、適宜、ＰＷＭ制御等により、その度合いを調節して最適化してもよい。また、短絡モードは、内燃機関３の行程に係わらず、定期間隔で実行してもよい。

さらに、実施例のシステム１によれば、２相モードとして、第１〜第３パターンをいずれも実行しないモードを例示したが、例えば、３相モードの第１〜第３パターンの少なくとも１つだけ実行しないようにしてもよい。例えば、参考例１のシステム１において、第１パターン（巻線７Ｗ、７Ｕが高電位側になる組合せ）を実行せずに第２、第３パターンを実行する場合、第１パターンに代えて第４パターンを採用し、第４、第２、第３パターンの３パターンを繰り返すことで、部分的に２相モードを実現してもよい。

１ システム（電動機装置） ２ バッテリ ３ 内燃機関 ４ 回転電機 ６ 制御手段 ７Ｕ〜７Ｗ ３相の巻線 １２ 回転数検出手段 Ｃ０ 第１の閾値 Ｓ スイッチ １７ 工程判定手段

Claims (8)

1. ３相の巻線（７Ｕ〜７Ｗ）を有する回転電機（４）と、前記巻線（７Ｕ〜７Ｗ）への電圧の印加をオンオフするスイッチ（Ｓ）と、このスイッチ（Ｓ）に指令を与えて前記回転電機（４）の動作を制御する制御手段（６）とを備え、
   この制御手段（６）による制御に基づき、バッテリ（２）から給電して前記回転電機（４）を電動機として動作させるとともに、この電動機としての動作により発生する出力によって内燃機関（３）の出力をアシストする車両用の電動機装置（１）において、
   前記内燃機関（３）の回転数を検出する回転数検出手段（１２）を備え、
   前記制御手段（６）は、
   前記３相の巻線（７Ｕ〜７Ｗ）に前記バッテリ（２）の電圧を印加するときに高電位側になる前記巻線（７Ｕ〜７Ｗ）の組合せとして、第１組合せ（７Ｗ、７Ｕ）、第２組合せ（７Ｕ、７Ｖ）および第３組合せ（７Ｖ、７Ｗ）を順次繰り返す３相モードと、
   前記第１組合せ（７Ｗ、７Ｕ）、前記第２組合せ（７Ｕ、７Ｖ）および前記第３組合せ（７Ｖ、７Ｗ）の内、少なくとも１つの組合せを実行しない２相モードとを有し、
   さらに、前記制御手段（６）は、前記内燃機関（３）の回転数に対する第１の閾値（Ｃ０）を有し、前記回転数検出手段（１２）による検出値が前記第１の閾値（Ｃ０）よりも大きいときに、前記２相モードを使用し、
   前記電動機装置（１）は、さらに、前記内燃機関（３）の行程を判定する行程判定手段（１７）を備え、
   前記制御手段（６）は、前記行程判定手段（１７）による判定の結果に応じて、前記回転電機（４）を前記電動機として動作させるか否かを決めることを特徴とする電動機装置（１）。
2. 請求項１に記載の電動機装置（１）において、
   前記制御手段（６）は、前記２相モードとして３つ以上の選択肢を有し、前記２相モードを使用するときに、前記３つ以上の選択肢の内、少なくとも２つを順次切り替えることを特徴とする電動機装置（１）。
3. 請求項１または請求項２に記載の電動機装置（１）において、
   前記回転電機（４）は、前記巻線（７Ｕ〜７Ｗ）の内、前記バッテリ（２）からの給電により通電される部分のターン数である実ターン数を相毎で可変にしたものであり、
   前記制御手段（６）は、相毎に前記実ターン数を変更することを特徴とする電動機装置（１）。
4. 請求項３に記載の電動機装置（１）において、
   前記制御手段（６）は、前記内燃機関（３）の回転数に対する第２の閾値を有し、前記回転数検出手段（１２）による検出値と前記第２の閾値との比較の結果に応じて、相毎に前記実ターン数を変更することを特徴とする電動機装置（１）。
5. 請求項１ないし請求項４の内のいずれか１つに記載の電動機装置（１）において、
   前記回転電機（４）を前記電動機として動作させる期間には、前記行程判定手段（１７）により圧縮行程であると判定された時期が含まれることを特徴とする電動機装置（１）。
6. 請求項１ないし請求項５の内のいずれか１つに記載の電動機装置（１）において、
   前記バッテリ（２）の電圧を検出する電圧検出手段（１５）を備え、
   前記制御手段（６）は、前記電圧検出手段（１５）による検出値の経時変化を用いて予測される前記バッテリ（２）の充電収支、または、前記内燃機関（３）を始動するときの前記電圧検出手段（１５）による検出値に基づき、前記回転電機（４）を前記電動機として動作させるか否かを決めることを特徴とする電動機装置（１）。
7. 請求項１ないし請求項６の内のいずれか１つに記載の電動機装置（１）において、
   前記回転電機（４）の回転子は、前記内燃機関（３）のクランクシャフトに直結されていることを特徴とする電動機装置（１）。
8. 請求項１ないし請求項７の内のいずれか１つに記載の電動機装置（１）において、
   前記３相の巻線（７Ｕ〜７Ｗ）に接続するインバータ回路（５）を有し、
   前記回転電機（４）は、前記インバータ回路（５）が有する半導体スイッチ（Ｓ）のオンオフを操作することで、前記回転電機（４）の動作を制御し、
   前記制御手段（６）は、前記インバータ回路（５）の操作でオンされていない前記半導体スイッチ（Ｓ）に付随する寄生ダイオードによる前記バッテリ（２）の充電を制御することを特徴とする電動機装置（１）。
   
   

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