JP7077886B2 - 車両用回転電機 - Google Patents

Description

本開示は、界磁巻線式の車両用回転電機に関する。

界磁巻線式の車両用回転電機として、モータ機能付き発電機が広く知られている。例えば、下記特許文献１には、電機子巻線と負荷との間に整流ダイオードと並列に配置されたスイッチング素子を備え、電機子巻線の誘起電圧が所定の値を超えたタイミングでスイッチング素子をオンさせ、整流ダイオードをバイパスさせて電流が流れように制御することによって、発電効率を向上させる技術が提案されている。

特許第５５６９２９５号公報

上記特許文献１の技術において、発電量を増減させる際には、界磁巻線に流される界磁電流を増減させる制御をすることが考えられる。しかしながら、発明者の詳細な検討の結果、界磁電流は急速に変動させることができないため、発電量の応答性が悪く、発電量の調整が難しくなる場合があるという課題が見出された。

本開示の１つの局面は、発電量の調整がしやすく構成された界磁巻線式の車両用回転電機を提供することにある。

本開示の一態様は、車両用回転電機（１）であって、電機子巻線（２，３）と、界磁巻線（４）と、スイッチング部（５，６）と、オン時期設定部（７）と、を備える。電機子巻線は、複数の相巻線を有する。

界磁巻線は、界磁電流により磁化され、電機子巻線に対して移動可能な巻線である。スイッチング部は、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子をそれぞれ備える複数の上アームおよび下アームを有するブリッジ回路を構成し、電機子巻線の誘起電圧を整流する。

オン時期設定部は、界磁電流を予め設定された規定範囲内にしつつ、外部信号である発電量指令に応じてスイッチング素子をオンさせているタイミング、すなわちオン時期を設定するように構成される。ここで、界磁巻線に流される界磁電流を変更する際の応答性、すなわち界磁電流の変化に対する発電量の応答性は、スイッチング素子がオンオフする際の応答性に対して低いことが分かった。そこで、本開示では、界磁電流を予め設定された規定範囲内にしつつ、発電量指令に応じてスイッチング素子のオン時期を設定する。

このような構成によれば、界磁電流の変動幅を抑制しつつ、主として、スイッチング素子のオン時期によって発電量を制御する。したがって、発電量指令に対する当該車両用回転電機によって生じる発電量の応答性を向上させることができ、この際のトルク変動を小さくすることができる。よって、発電量の調整をしやすくすることができる。

なお、この欄及び特許請求の範囲に記載した括弧内の符号は、一つの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、本開示の技術的範囲を限定するものではない。

車両用回転電機の構成を示すブロック図である。 第１実施形態の発電モードの一例を示すグラフである。 整流器モジュールの構成を示すブロック図である。 切替発電のうちの発電量を増加させる際の作動例を示すグラフである。 切替発電のうちの発電量を減少させる際の作動例を示すグラフである。 ＰＷＭ発電から同期発電への切り替え時の発電量変化を示すグラフである。 ＰＷＭ発電から切替発電への切り替え時の発電量変化を示すグラフである。 第２実施形態の発電モードの一例を示すグラフである。 ＭＯＳ制御発電での発電量の制御例を示すグラフである。 第３実施形態の発電モードの一例を示すグラフである。 発電量を抑制する際の発電電流および界磁電流の制御例を示すグラフである。 その他の実施形態の発電モードの一例を示すグラフである。 電気角１周期分の間で片側のスイッチング素子を１回オンさせる例を示すグラフである。 電気角１周期分の間で片側のスイッチング素子を複数回オンさせる例を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本開示の実施形態を説明する。
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１に示す車両用回転電機１は、２組の固定子巻線２、３と、界磁巻線４と、２組の整流器モジュール群５、６と、制御装置７と、を備える。また、車両用回転電機１は、ＥＣＵ８と、バッテリ９と、１または複数の負荷１０とに接続されている。

ＥＣＵ８は電子制御装置を示す。また、負荷１０はバッテリ９または発電中の車両用回転電機１から電力の供給を受けて電力を消費する電気機器である。
一方の固定子巻線２は、例えばＸ相巻線、Ｙ相巻線、Ｚ相巻線からなる三相巻線として構成される多相巻線であって、図示しない固定子鉄心に巻装されている。同様に、他方の固定子巻線３は、例えばＵ相巻線、Ｖ相巻線、Ｗ相巻線からなる三相巻線として構成される多相巻線であって、上述した固定子鉄心に、固定子巻線２に対して電気角で３０度ずらした位置に巻装されている。本実施形態では、これら２つの固定子巻線２、３と固定子鉄心によって固定子が構成されている。

界磁巻線４は、固定子鉄心の内周側に対向配置された図示しない界磁極に巻装されて回転子を構成している界磁巻線４に界磁電流を流すことにより、界磁極が磁化される。車両用回転電機１が発電器として機能する際には、界磁極が磁化された状態で回転子が回転し、界磁巻線４と固定子巻線２、３とが相対移動させられることで発生する回転磁界によって固定子巻線２、３が交流電圧を発生する。

また、車両用回転電機１がモータとして機能する際には、界磁極が磁化された状態で固定子巻線２、３に交流電圧が印加されることによって界磁巻線４と固定子巻線２、３との間で回転子を回転させる回転駆動力を発生させる。

次に、一方の整流器モジュール群５は、一方の固定子巻線２に接続されており、全体で三相全波整流回路、いわゆるブリッジ回路が構成され、固定子巻線２に誘起される交流電流を直流電流に変換する。この整流器モジュール群５は、固定子巻線２の相数に対応する数の整流器モジュール５Ｘ、５Ｙ、５Ｚを備えている。本実施形態では、三相巻線であるため３個の整流器モジュールを備える。

整流器モジュール５Ｘは、固定子巻線２に含まれるＸ相巻線に接続されている。整流器モジュール５Ｙは、固定子巻線２に含まれるＹ相巻線に接続されている。整流器モジュール５Ｚは、固定子巻線２に含まれるＺ相巻線に接続されている。

他方の整流器モジュール群６は、一方の固定子巻線３に接続されており、全体で三相全波整流回路が構成され、固定子巻線３に誘起される交流電流を直流電流に変換する。この整流器モジュール群６は、固定子巻線３の相数に対応する数の整流器モジュール６Ｕ、６Ｖ、６Ｗを備えている。

整流器モジュール６Ｕは、固定子巻線３に含まれるＵ相巻線に接続されている。整流器モジュール６Ｖは、固定子巻線３に含まれるＶ相巻線に接続されている。整流器モジュール６Ｗは、固定子巻線３に含まれるＷ相巻線に接続されている。

制御装置７は、界磁巻線４に流す界磁電流、および整流器モジュール群５，６を制御する制御回路である。制御装置７は、通信端子Ｌおよび通信端子Ｌに接続される通信線を介してＥＣＵ８と接続されており、ＥＣＵ８との間で双方向の通信を行い、通信メッセージを送信あるいは受信する。

ＥＣＵ８は、通信メッセージに、トルク目標値および回転角の情報を含めて制御装置７に対して送信する。トルク目標値は、発電トルクまたは駆動トルクの目標値を示す値である。例えば、トルク目標値がプラスの場合は車両用回転電機１をモータとして機能させ、トルク目標値がマイナスの場合は車両用回転電機１を発電器として機能させることを意味する。トルク目標値がマイナスの場合、トルク目標値は、目標とする発電量の指令値である発電量指令ともいうことができる。そして、トルク目標値と回転角の情報とに基づいて、目標とする発電時の電流の大きさを表す発電電流を求めることができる。

回転角の情報は、車両用回転電機１の回転角を検知する回転角センサ１１によって得られる界磁巻線４と固定子巻線２、３との相対的な位置関係、すなわち電気角を推定するための情報である。回転角センサ１１は、例えば、エンコーダディスクおよびパルスカウンタを備える構成とされ、ＥＣＵ８は、パルスカウンタにて得られるパルスに基づいて回転角の情報を生成する。

制御装置７は、Ｆ端子を介して接続された界磁巻線４に流す界磁電流を制御する機能で界磁電流を調整することにより、車両用回転電機１の出力電圧ＶＢが調整電圧Ｖregに近づくように制御する。車両用回転電機１の出力電圧ＶＢは、各整流器モジュールの出力電圧ともいうことができる。

制御装置７は、例えば、出力電圧ＶＢが調整電圧Ｖregよりも高くなったときに界磁巻線４への界磁電流の供給を停止し、出力電圧ＶＢが調整電圧Ｖregよりも低くなったときに界磁巻線４に界磁電流の供給を行うことにより、出力電圧ＶＢが調整電圧Ｖregに近づくように制御する。

ただし、制御装置７が界磁巻線４に界磁電流の供給を行う際には、図２に示すように、車両用回転電機１の回転数と、発電電流との関係に従って、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）発電と同期発電と切替発電とを切り替える。なお、車両用回転電機１の回転数は、回転角の情報を複数回取得することで求めることができる。

また、車両用回転電機１の回転軸は、車両に搭載されたエンジンの回転軸と連動するように、例えば、エンジンの回転軸に対してプーリを介して接続されている。このため、車両用回転電機１の回転数は、エンジンの回転数に比例し、車両に搭載されたエンジンの回転数にプーリ比等の所定の係数を乗じた回転数となる。なお、図２中に示すアイドル回転とは、車両のエンジンがアイドリングしているときの車両用回転電機１の回転数の範囲を示す。

ＰＷＭ発電とは、主として車両用回転電機１の回転数が低いときに実施される発電モードであり、整流器モジュール５，６が有するスイッチング素子をＰＷＭ波形によって制御することで、固定子巻線２、３からの電流を制御する発電手法を示す。ＰＷＭ発電で用いられるＰＷＭ波形のパルス幅は、トルク目標値や回転数に応じて変更され、ＰＷＭ波形のパルスの周期は、ＥＣＵ８で用いられるクロックの周期を基準に設定される。

同期発電とは、主として車両用回転電機１の回転数が高いときに実施される発電モードであり、固定子巻線２、３にかかる誘起電圧が、整流器モジュール５，６に備えられたダイオードが導通する程度の電圧を超える場合に、スイッチング素子をオンさせ、誘起電圧が、ダイオードが導通する程度の電圧を超えない場合に、スイッチング素子をオフさせるように制御する発電手法を示す。

換言すれば、同期発電は、固定子巻線２、３の各巻線の電圧である「Ｐ端子電圧」が、バッテリ９側の電圧である「Ｂ端子電圧」と、スイッチング素子をオンさせたときの抵抗によりスイッチング素子によって低下する電圧である「ドロップ電圧分」と、の和を上回ったときに、にスイッチング素子を可能な限り長時間オンし、発電効率を高める発電方法である。

なお、Ｐ端子、Ｂ端子については図３に図示している。また、スイッチング素子をオンさせるタイミングは、車両用回転電機１の回転角度周期、すなわち回転角の情報に依存する。

切替発電とは、発電モードをＰＷＭ発電と同期発電との間で遷移させる際に用いられる発電モードであり、界磁巻線４への界磁電流を予め設定された規定範囲内にしつつ、発電量指令に応じてスイッチング素子をオンさせている時期、を可変とする制御をすることで発電量を制御する発電手法を示す。スイッチング素子をオンさせている時期は、スイッチング素子をオンさせるタイミングと、オフさせるタイミングとによって決定され、以下、オン時期とも記載する。切替発電は、発電モードを切り替える際における車両用回転電機１によるトルクの変動を抑制する目的で実施される。

また、切替発電は、例えば、アイドル回転となる範囲内で実施される。なお、上記にはトルク目標値を発電量指令の一例として説明しているが、発電量指令は、外部信号、或いは、内部演算値のうちの少なくとも一方であってもよい。外部信号には、例えば、目標電圧、目標トルク、発電モードを変更する指令等のうちの少なくとも１つのパラメータを含む。内部演算値には、回転角センサによる回転角、エンジンまたは車両用回転電機１の回転数、Ｂ端子電圧、温度、相電圧(Ｐ端子電圧)、相電流、トルク等のうちの少なくとも１つのパラメータを含む。

また、発電量指令に応じて発電モードを変更してもよい。発電量指令に応じて、スイッチング素子のオン時期および発電モードを設定するには、予め発電量指令に含まれる各種パラメータの値と、オン時期および発電モードとを対応付けたマップを準備しておき、このマップを参照してオン時期および発電モードを設定するとよい。

切替発電での界磁電流は、界磁電流を平滑化したときに、予め設定された値以上になるように、そのデューディ比が設定される。なお、界磁巻線４への界磁電流は、ＰＷＭ発電、同期発電の際にも、切替発電時と同様に、予め設定された規定範囲内にて制御される。

また、発電モード毎に、異なる範囲内に制御されてもよい。ただし、界磁電流を変更する際には、発電量の応答性を向上させるため、発電量の変化率に対して、界磁電流の変化率が小さくなるように設定されるとよい。

なお、同期発電は、ＰＷＭ発電、切替発電等と比較して発電効率がよく、好ましい発電モードであるが、同期発電には発電可能な車両用回転電機１の回転数の下限値、すなわちカットイン回転数が存在する。本実施形態では、このカットイン回転数がエンジンのアイドル回転数に対応する回転数以上に設定される。このような構成では、エンジンのアイドル中に、同期発電では良好に発電できない場合がある。

このため、本実施形態では、同期発電のカットイン回転数以下では、同期発電のカットイン回転数以下であっても発電が可能となるＰＷＭ発電を行い、さらに、同期発電と、ＰＷＭ発電とを良好に移行できるように、切替発電を実施する。なお、同期発電のカットイン回転数以下では、ＰＷＭ発電以外に、発電が可能となる発電モードを採用してもよい。

制御装置７は、トルク目標値に従って、整流器モジュール５，６に対して、整流器モジュール５，６が有するスイッチング素子のオン時期を指示する。
次に、整流器モジュール５Ｘ等の詳細について説明する。図３は、整流器モジュール５Ｘの構成を示す図である。なお、他の整流器モジュール５Ｙ、５Ｚ、６Ｕ、６Ｖ、６Ｗも同じ構成を有している。

図３に示すように、整流器モジュール５Ｘは、２つのＭＯＳトランジスタ５０、５１、制御回路５４を備えている。ＭＯＳトランジスタ５０は、ソースが固定子巻線２のＸ相巻線に接続され、ドレインが充電線１２を介して電気負荷１０やバッテリ９の正極端子に接続された上アーム、すなわちハイサイド側のスイッチング素子である。

ＭＯＳトランジスタ５１は、ドレインがＸ相巻線に接続され、ソースがバッテリ９の負極端子に接続された下アーム、すなわちローサイド側のスイッチング素子である。これら２つのＭＯＳトランジスタ５０、５１からなる直列回路がバッテリ９の正極端子と負極端子の間に配置され、これら２つのＭＯＳトランジスタ５０、５１の接続点にＸ相巻線が接続されている。

また、ＭＯＳトランジスタ５０、５１のそれぞれのソース・ドレイン間にはダイオードが並列接続されている。このダイオードはＭＯＳトランジスタ５０、５１の寄生ダイオード、言い換えればボディダイオードによって実現されるが、別部品としてのダイオードをさらに並列接続するようにしてもよい。

なお、上アームおよび下アームの少なくとも一方を、ＭＯＳトランジスタ以外のスイッチング素子を用いて構成するようにしてもよい。
制御回路５４は、制御装置７から指示されるスイッチング素子のオン時期に従って、ＭＯＳトランジスタ５０、５１を駆動する。すなわち、車両用回転電機１がモータとして機能する際には、制御装置７は、制御回路５４を介して、ＭＯＳトランジスタ５０、５１をスイッチングすることによって、バッテリ９の直流電圧から固定子巻線２，３に対する三相交流電圧を生成することで車両用回転電機１を駆動する。

また、車両用回転電機１が発電器として機能する際には、制御装置７は、制御回路５４を介して、ＭＯＳトランジスタ５０、５１をスイッチングすることによって、バッテリ９へ供給される電力を最適化する。特に、本実施形態では、ＭＯＳトランジスタ５０、５１をオンさせるタイミングを、固定子巻線２，３での誘起電圧の監視を必要とすることなく、回転角センサ１１にて検知される回転角に基づいて設定する。

切替発電の際において、制御装置７は、回転角センサ１１による信号に基づく回転角の情報を用いて、固定子巻線２，３の電圧がピークとなるタイミングを表すピークタイミングを推定する。ピークタイミングは、図４、図５に示すように、固定子巻線２，３の電圧が極大値となるタイミングＴ１と、固定子巻線２，３の電圧が極小値となるタイミングＴ２を示し、これらのピークタイミングを基準としてスイッチング素子をオンさせるタイミングを設定する。また、制御装置７は、スイッチング素子をオンさせるタイミングを設定する。

詳細には、制御装置７は、スイッチング素子をオンさせる時間ΔＴの中央がピークタイミングＴ１，Ｔ２となるように、ピークタイミングＴ１を基準として、（Ｔ１－ΔＴ／２）のタイミングで上アームのＭＯＳトランジスタ５０をオンさせ、ΔＴだけＭＯＳトランジスタ５０をオンさせた後、ＭＯＳトランジスタ５０をオフさせる。その後、時間ＤＴの経過後に、ΔＴだけ下アームのＭＯＳトランジスタ５１をオンさせる。なお、ＭＯＳトランジスタ５１は、ピークタイミングＴ２を基準として、（Ｔ２－ΔＴ／２）のタイミングでオンされる。

なお、スイッチング素子をオンさせない場合でも、ダイオードを介してバッテリ９に対する充電が行われるが、その際にはスイッチング素子を最も発電効率が高いタイミングでオンさせる構成と比較して発電量が小さくなる。この特性を利用して、本実施形態では発電量を調整する。

ここで、一般的に、ＰＷＭ発電では発電量が少なくなるように制御し、同期発電では発電量が多くなるように制御する傾向がある。そこで、制御装置７は、ＰＷＭ発電と同期発電とを切り替える際に、切替発電において、切り替え前後で発電量が急激に変化しにくいようにスイッチング素子をオンさせるタイミングを設定する。

例えば、ＰＷＭ発電から同期発電に切り替える場合での同期発電への移行直前、或いは、同期発電からＰＷＭ発電に切り替える場合での同期発電からの移行直後では、比較的発電量が多い状態にする。すなわち、図４に示すように、電気角１周期分のうちのΔＴの比率を大きくし、ＤＴの比率を小さくすることで、固定子巻線２，３からバッテリ９に流れる相電流であるＤＣ電流が大きくなるようにする。

一方、ＰＷＭ発電から同期発電に切り替える場合でのＰＷＭ発電からの移行直後、或いは、同期発電からＰＷＭ発電に切り替える場合でのＰＷＭ発電への移行直前では、比較的発電量が少ない状態にする。すなわち、図５に示すように、電気角１周期分のうちのΔＴの比率を小さくし、ＤＴの比率を大きくすることで、固定子巻線２，３からバッテリ９に流れるＤＣ電流が小さくなるようにする。

また、制御装置７は、ＰＷＭ発電から同期発電に切り替える場合には、徐々に電気角１周期分のうちのΔＴの比率を大きくし、同期発電からＰＷＭ発電に切り替える場合には、徐々にΔＴの比率を小さくする。なお、電気角１周期分とは、例えば、ピークタイミングＴ１から次のピークタイミングＴ１までの期間をいう。

［１－２．効果］
以上詳述した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１ａ）車両用回転電機１は、固定子巻線２，３と、界磁巻線４と、整流器モジュール群５，６と、制御装置７と、を備える。固定子巻線２，３は、複数の相巻線を有する。界磁巻線４は、界磁電流により磁化され、固定子巻線２，３に対して移動可能な巻線である。

整流器モジュール群５，６は、ダイオードが並列接続されたスイッチング素子をそれぞれ備える複数の上アームおよび下アームを有するブリッジ回路を構成し、固定子巻線２，３の誘起電圧を整流する。制御装置７は、界磁電流を予め設定された範囲内にしつつ、外部信号である発電量指令に応じてスイッチング素子をオンさせるタイミングを設定するように構成される。

ここで、界磁巻線４に流される界磁電流を変更する際の応答性は、スイッチング素子がオンオフする際の応答性に対して低い。例えば、発電量を増加させる際に、界磁電流を変化させて、図６に示すように、比較的大きな変動幅ΔＰ１だけ発電量を増加させようとすると、発電量の応答性が悪く、トルク変動も大きくなる。

しかし、本開示では、界磁電流を予め設定された規定範囲内にしつつ、発電量指令に応じてスイッチング素子をオンさせる時間を設定することで、図７に示すように、比較的小さな変動幅ΔＰ２だけ発電量を増加させる。その後、電気角１周期分のうちのΔＴの比率を大きくすることで、徐々に発電量を増加させ、さらにその後、ΔＰ３だけ発電量を増加させる。

このような構成によれば、スイッチング素子をオンさせる時間によって発電量を制御するので、発電量指令に対する当該車両用回転電機１によって生じる発電量の応答性を向上させることができ、この際のトルク変動を小さくすることができる。よって、発電量の調整をしやすくすることができる。

（１ｂ）車両用回転電機１において、制御装置７は、回転角センサ１１による信号に基づいて、固定子巻線２，３の電圧がピークとなるタイミングを表すピークタイミングを推定するように構成され、ピークタイミングを基準としてタイミングを設定するように構成される。

このような構成によれば、ピークタイミングを基準としてスイッチング素子をオンさせるタイミングを設定するので、推定したピークタイミングが実際のピークタイミングと僅かにずれた場合であっても、固定子巻線２，３から出力される電圧とバッテリの端子電圧との差を確保しやすくすることができる。よって、発電時にバッテリ側から車両用回転電機１側に電流が逆流する力行を抑制することができる。

（１ｃ）車両用回転電機１において、制御装置７は、スイッチング素子をオンさせる時間の中央がピークタイミングとなるようにタイミングを設定するように構成される。
このような構成によれば、より確実に力行を抑制することができる。

（１ｄ）車両用回転電機１において、制御装置７は、電気角１周期分の間で、スイッチング素子を複数回オンさせるためのタイミングを設定するように構成される。
このような構成によれば、電気角１周期分の間に、実際には複数回の電圧のピークが生じる場合等、電圧の波形に歪みが生じる場合であっても、良好に発電を行うことができる。

（１ｅ）車両用回転電機１において、制御装置７は、予め準備された複数の発電モードのうちのあるモードから他のモードに発電モードを切り替える際に、切り替え後の発電量に近づくようにオン時期を設定する。本実施形態では、ＰＷＭ発電と同期発電とを切り替える際に、切り替え後の発電量に近づくようにタイミングを設定するように構成される。

このような構成によれば、あるモードから他のモードに発電モードを切り替える際の発電量、本実施形態ではＰＷＭ発電と同期発電とを切り替える際の発電量、およびトルクの変動を小さくすることができる。

［２．第２実施形態］
［２－１．第１実施形態との相違点］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、相違点について以下に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、ＰＷＭ発電と同期発電とを切り替える際のみに切替発電を実施した。これに対し、第２実施形態では、ＰＷＭ発電と同期発電とを切り替えるときに限らず、切替発電と同様のＭＯＳ制御発電を実施する点で、第１実施形態と相違する。

［２－２．構成］
第２実施形態の車両用回転電機２においては、図８に示すように、車両用回転電機２の回転数と発電電流との関係に従って発電モードが設定される。すなわち、第２実施形態では、切替発電は、前述のＰＷＭ発電を実施する領域と同期発電を実施する領域との間にて実施されるように設定され、同期発電を実施する回転数のうちの発電電流が比較的少ない領域にＭＯＳ制御発電が新たに設定される。
なお、第１実施形態の車両用回転電機１では、同期発電のカットイン回転数以下で、発電が可能なＰＷＭ発電を実施したが、この構成に限られない。図８に示すように、ＰＷＭ発電は、同期発電のカットイン回転数を含む予め設定された回転数の範囲内で実施されてもよい。つまりＰＷＭ発電は、同期発電のカットイン回転数以上の回転数で実施されてもよい。また、切替発電、或いはＭＯＳ制御発電が、同期発電のカットイン回転数を含む予め設定された回転数の範囲内で実施されてもよい。ただし、同期発電での発電効率が同期発電以外の他の発電モードでの発電効率を超える回転数では、同期発電を実施することが好ましい。言い換えると、上記の「同期発電のカットイン回転数を含む予め設定された回転数の範囲内」とは、同期発電のカットイン回転数を含む任意の範囲内であってもよいが、他の発電モードでの発電効率が同期発電での発電効率を超える回転数の範囲内、であると好ましい。なお、回転数の範囲は、発電電流等に応じて変動するよう設定されてもよい。

本実施形態の切替発電は、第１実施形態と同様に、発電モードをＰＷＭ発電と同期発電との間で遷移させる際に用いられる発電モードであるが、本実施形態では、車両用回転電機１の回転数と発電電流との関係に従って発電モードが設定されることから、車両用回転電機１の回転数および発電電流が切替発電を行う条件と合致すれば、発電モードを遷移させる際以外でも実施される。

また、ＭＯＳ制御発電とは、同期発電を実施すると発電量が過大になる場合に発電量を抑制するために実施される発電モードであり、前述の切替発電と同様の発電制御が実施される。すなわち、ＭＯＳ制御発電では、界磁巻線４への界磁電流を予め設定された規定範囲内にしつつ、発電量指令に応じてスイッチング素子をオンさせている時期を可変とする制御をすることで発電量を制御する発電手法を示す。

ただし、ＭＯＳ制御発電での界磁巻線４への界磁電流は、切替発電での界磁電流の範囲よりも上限値が高く設定された範囲内にしてもよい。このように界磁電流を設定し、スイッチング素子のオンオフを制御すれば、発電量をより大きく変動させることができる。

このようなＭＯＳ制御発電により、発電量が比較的少ない状態で、図９に示すように、時間とともに発電量を増加、或いは減少させる制御が容易になり、発電量指令値と発電量との関係を線形に制御することができる。つまり、アイドル回転数等の比較的発電量が少なくなる領域での車両用回転電機２によるトルク変動を抑制することができる。

［２－３．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）を奏し、さらに、以下の効果を奏する。

（２ａ）車両用回転電機２は、車両に搭載されたエンジンの回転数と比例する回転数で駆動され、複数の発電モードとして、少なくとも、電機子巻線２，３での誘起電圧がダイオードを導通する程度の電圧を超える場合にスイッチング素子をオンさせる発電手法であって、発電が困難となる車両用回転電機の回転数を表すカットイン回転数がエンジンのアイドル回転数に比例する回転数以上に設定された同期発電、および前記カットイン回転数未満の回転数で発電が可能な他の発電モードの１つであるＰＷＭ発電、が準備され、制御装置７は、カットイン回転数未満の領域で同期発電以外の他の発電モードになるように、同期発電と他の発電モードとの切替えを行うように構成される。

このような構成によれば、同期発電でのカットイン回転数未満になったとしても、ＰＷＭ発電等の他の発電モードによって発電を継続することができる。
（２ｂ）車両用回転電機２において、制御装置７は、発電量指令が予め設定された閾値未満の発電量を要求する指令である場合に、界磁電流を規定範囲よりも上限値が高く設定された範囲内にしつつ、オン時期を設定するように構成されてもよい。

このような構成によれば、界磁電流をより高くしつつオン時期を設定するので、発電量をより大きく変動させることができる。よって、発電量をより広い範囲で線形に制御することができる。

［３．第３実施形態］
［３－１．第１実施形態等との相違点］
上記の第１、第２実施形態では、ＰＷＭ発電を実施したが、ＰＷＭ発電を実施しない構成としてもよい。第３実施形態では、ＰＷＭ発電に換えて、Ｄｉ発電を実施する点で上記の第１、第２実施形態と相違する。

［３－２．構成］
第３実施形態の車両用回転電機３においては、図１０に示すように、車両用回転電機３の回転数と発電電流との関係に従って発電モードが設定される。ここで、第３実施形態の車両用回転電機３は、アイドル回転での車両用回転電機３の回転数が、同期発電のカットイン回転数未満にならないよう設定される。つまり、第３実施形態の車両用回転電機３は、アイドル回転で同期発電を実施可能である。

そして、同期発電を実施する領域で、比較的発電電流が少なくなる領域では、新たにＤｉ発電を実施し、同期発電とＤｉ発電との間の領域にて、前述の切替発電を実施する。Ｄｉ発電とは、固定子巻線２、３にかかる誘起電圧が、整流器モジュール５，６に備えられたダイオードが導通する程度の電圧を超える場合であっても、スイッチング素子をオンさせることなく、ダイオードを導通した電流のみで発電を行う発電手法を示す。

ここで、同期発電を実施中に、界磁電流値を変更することにより、同期発電からとＤｉ発電に切替えて発電量を抑制しようとする場合、同期発電とＤｉ発電とで発電効率が異なるため、切替時に発電電流、トルクの変動が大きくなる。特に、車両のエンジンがアイドル中の場合、ユーザがトルク変動を感知しやすく、乗り心地を低下させる虞があった。

そこで、従来構成にて、切替発電を利用することなく車両用回転電機３のトルク変動を抑制できるようにするには、例えば、以下のような手順を実施する必要があった。すなわち、図１１の［Ａ］に示すように、まず、同期発電を実施しつつ界磁電流を低減させ、その後、図１１の［Ｂ］に示すように、スイッチング素子をオンさせることなく界磁電流を一旦増加させ、さらに、図１１の［Ｃ］に示すように、Ｄｉ発電を実施しつつ界磁電流を低減させる。

このように主として界磁電流を変動させることで発電量の制御を行うと、同期発電とＤｉ発電の切替えが必要となり、かつ界磁電流を大きく変動させる必要があるため発電量の応答性が良くなかった。
一方、本実施形態の車両用回転電機３では、同期発電を実施中に発電量を抑制する場合に、切替発電を利用するので、以下のような手順で実施できる。すなわち、図１１の［Ａ］に示すように、まず、同期発電で界磁電流を低減させ、その後、図１１の［Ｃ］に示すように、切替発電で、スイッチング素子をオンさせる時間を減少させることで、界磁電流を増加させることなく発電量を低減させる。本実施形態の車両用回転電機３では、発電量を抑制する際の手順が少ない分だけ発電量の応答性を向上させることができる。

［４．他の実施形態］
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（４ａ）上記第３実施形態では、同期発電とＤｉ発電との切替時に相当する領域にてＭＯＳ制御発電を実施したが、任意の領域でＭＯＳ制御発電を実施してもよい。例えば、図１２に示すように、エンジンのアイドル回転の範囲内で、第１実施形態のＰＷＭ発電に換えて、ＭＯＳ制御発電を実施してもよい。

（４ｂ）上記実施形態では、制御装置７は、図１３に示すように、電気角１周期分の間で、複数のスイッチング素子をそれぞれ１回だけオンさせるためのタイミングを設定するように構成したが、これに限定されるものではない。例えば、制御装置７は、図１４に示すように、電気角１周期分の間で片側のスイッチング素子を複数回オンさせるためのタイミングを設定するように構成されてもよい。

図１４に示す例では、ピークタイミングの前に時間βだけスイッチング素子がオンされ、ピークタイミングＴ１の後に時間γだけスイッチング素子がオンされる。この際、時間βと時間γとが等しく、ピークタイミングがスイッチング素子を複数回オンさせる時期の中心となるように設定してもよい。また、時間βと時間γとが異なる時間に設定されていてもよい。

（４ｃ）上記実施形態における１つの構成要素が有する複数の機能を、複数の構成要素によって実現したり、１つの構成要素が有する１つの機能を、複数の構成要素によって実現したりしてもよい。また、複数の構成要素が有する複数の機能を、１つの構成要素によって実現したり、複数の構成要素によって実現される１つの機能を、１つの構成要素によって実現したりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言から特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本開示の実施形態である。

（４ｄ）上述した車両用回転電機１の他、当該車両用回転電機１を構成要素とするシステム、当該車両用回転電機１としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、車両用回転電機１の制御方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。

［５．実施形態の構成と本開示の構成との対応関係］
上記実施形態における固定子巻線２、３は、本開示での電機子巻線に相当し、上記実施形態における整流器モジュール群５，６は、本開示でのスイッチング部に相当する。また、上記実施形態における制御装置７は、本開示でのオン時期設定部、およびピーク推定部に相当する。

１…車両用回転電機、２，３…固定子巻線、４…界磁巻線、５，６…整流器モジュール群、７…制御装置、８…ＥＣＵ、９…バッテリ、１０…負荷、１１…回転角センサ、１２…充電線、５０，５１…ＭＯＳトランジスタ、５４…制御回路。

Claims (10)

1. 複数の相巻線を有する電機子巻線（２、３）と、
   界磁電流により磁化され、前記電機子巻線に対して移動可能な巻線である界磁巻線（４）と、
   ダイオードが並列接続されたスイッチング素子をそれぞれ備える複数の上アームおよび下アームを有するブリッジ回路を構成し、前記電機子巻線の誘起電圧を整流するスイッチング部（５，６）と、
   前記界磁電流を予め設定された規定範囲内にしつつ、発電量指令に応じて前記スイッチング素子をオンさせている時期を表すオン時期を設定するように構成されたオン時期設定部（７）と、
   を備える車両用回転電機。
2. 請求項１に記載の車両用回転電機であって、
   電機子巻線の電圧がピークとなるタイミングを表すピークタイミングを推定するように構成されたピーク推定部（７）、をさらに備え、
   前記オン時期設定部は、前記ピークタイミングを基準として前記オン時期を設定する
   ように構成された車両用回転電機。
3. 請求項２に記載の車両用回転電機であって、
   前記オン時期設定部は、前記スイッチング素子をオンさせる時間の中央が前記ピークタイミングとなるように前記オン時期を設定する
   ように構成された車両用回転電機。
4. 請求項２に記載の車両用回転電機であって、
   前記オン時期設定部は、当該車両用回転電機における電気角１周期分の間で、前記スイッチング素子を複数回オンさせるための前記オン時期を設定する
   ように構成された車両用回転電機。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の車両用回転電機であって、
   前記オン時期設定部は、予め準備された複数の発電モードのうちのあるモードから他のモードに発電モードを切り替える際に、切り替え後の発電量に近づくように前記オン時期を設定する
   ように構成された車両用回転電機。
6. 請求項５に記載の車両用回転電機であって、
   当該車両用回転電機は、車両に搭載されたエンジンの回転数と比例する回転数で駆動され、
   前記複数の発電モードとして、少なくとも、前記電機子巻線での誘起電圧が前記ダイオードを導通する程度の電圧を超える場合に前記スイッチング素子をオンさせる発電手法であって、発電が困難となる車両用回転電機の回転数を表すカットイン回転数が前記エンジンのアイドル回転数に比例する回転数以上に設定された同期発電、および前記カットイン回転数未満の回転数で発電が可能な他の発電モード、が準備され、
   前記同期発電は
   前記オン時期設定部は、前記カットイン回転数を含む予め設定された回転数の範囲内で前記同期発電以外の他の発電モードになるように、前記同期発電と前記他の発電モードとの切替えを行う
   ように構成された車両用回転電機。
7. 請求項５または請求項６に記載の車両用回転電機であって、
   前記複数の発電モードとして、少なくとも、前記スイッチング素子をＰＷＭ波形によって制御するＰＷＭ発電と、前記電機子巻線での誘起電圧が前記ダイオードを導通する程度の電圧を超える場合に前記スイッチング素子をオンさせる同期発電と、が準備され、
   前記オン時期設定部は、前記ＰＷＭ発電と前記同期発電とを切り替える際に、切り替え後の発電量に近づくように前記オン時期を設定する
   ように構成された車両用回転電機。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の車両用回転電機であって、
   前記オン時期設定部は、前記発電量指令として、目標電圧、目標トルク、制御モード指令のうちの少なくとも１つを含む外部信号に応じて、前記オン時期を設定する
   ように構成された車両用回転電機。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の車両用回転電機であって、
   前記オン時期設定部は、前記発電量指令として、回転角センサによる回転角、エンジンまたは当該車両用回転電機の回転数、端子電圧、温度、相電圧、相電流、トルクのうちの少なくとも１つを含む内部演算値に応じて、前記オン時期を設定する
   ように構成された車両用回転電機。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の車両用回転電機であって、
    前記オン時期設定部は、前記発電量指令が予め設定された閾値未満の発電量を要求する指令である場合に、前記界磁電流を前記規定範囲よりも上限値が高く設定された範囲内にしつつ、前記オン時期を設定する
    ように構成された車両用回転電機。

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