JPH0633746B2 - 機関始動充電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ≪産業上の利用分野≫ この発明は、始動電動機と充電発電機とを一体化した機
関始動充電装置に関する。

≪従来技術とその問題点≫ 従来の機関始動充電装置としては、例えば特開昭５８−
７９６６８号公報に記載されたものが知られている。

この装置は、機動トルクの大きい無整流子同期電動機を
機関のクランク軸に直結して始動電動機として用い、機
関始動後はこの無整流子電動機を交流同期発電機として
作動させるようにしたものである。

しかしながら、このような従来の機関始動充電装置にあ
っては、始動時における回転磁界の進み角を一定値に固
定しているため、励磁電流の変化，回転数の変化等に伴
って発生トルクが変動し、必ずしも充分な始動トルクを
発生させることができないという問題点があった。

≪発明の目的≫ この発明の目的は、エンジン始動中にあってはエンジン
回転数に応じた最適な始動トルクを発生させることがで
き、またバッテリ充電中にあってはエンジン回転数にか
かわらずバッテリの端子電圧を最適な値に制御すること
ができるようにした機関始動充電装置を提供することに
ある。

≪発明の構成≫ この発明は、上記目的を達成するために第１図のクレー
ム対応図の如く構成され、 エンジンｂのクランクシャフトｃに直結された発電・電
動両用同期機ａと； 前記同期機ａが発電機として機能するときには充電用蓄
電器となり、かつ電動機として機能するときには駆動用
電源となるバッテリｄと； 前記クランクシャフトｃの回転数を検出する回転数検出
手段ｅと； 前記バッテリｄから得られる直流電力を、前記クランク
シャフトｃの回転に同期し、かつ該回転より所定の進み
角を有する多相交流に変換して、前記同期機ａの電気子
巻線に供給する直交変換手段ｆと； 前記同期機ａの電気子巻線で発生した交流電力を直流電
力に変換して前記バッテリｄを充電する交直変換手段ｇ
と； 前記同期機ａの界時巻線に流れる界磁電流を調整可能な
界磁電流調整手段ｈと； 前記クランクシャフトｃの回転数がストール回転数より
も低いときには、前記電機子巻線へ供給される多相交流
の位相を、該ストール回転数との偏差に応じて大きくに
なるように進ませ、かつ界磁電流調整手段により界磁電
流をクランクシャフトｃの回転数に応じて補正する始動
時制御手段ｉと； 前記クランクシャフトｃの回転数がストール回転数より
も高いときには、前記電気子巻線へ供給される多相交流
を遮断し、かつ界磁電流調整手段ｈにより界磁電流をク
ランクシャフトｃの回転数に応じて補正する充電時制御
手段ｊとを具備することを特徴とする。

≪実施例の説明≫ 第２図は本発明に係わる同期機の構造を示すその軸断面
図、第３図はロータの構造を示す斜視図、第４図は電機
子鉄心の構造を示す斜視図である。

第２図および第３図に示す如く、ロータ１はその外周に
爪状の磁極片２を有するとともに、ボルト３を介してエ
ンジンのクランクシャフト４に固定され、クランクシャ
フト４と一体に回転するものである。

第２図および第４図に示す如く、ロータ１の外周には前
記磁極片２に対向して電機子コイル５が配置されるとと
もに、この電機子コイル５を保持する電機子鉄心６は、
ブラケット７を介してシリンダブロック８に固定されて
いる。

シリンダブロック８のリアプレート９には、界磁鉄心１
０が固定されるとともに、そのスロットには界磁巻線１
１が巻回保持されており、この界磁巻線１１に通電を行
なうことによって、ロータ１の磁極片２を磁化できるよ
うになっている。

そして、界磁巻線１１に通電を行なっている状態におい
て、ロータ１が回転すると、ロータ１の磁極片２から発
する磁束が電機子巻線５を切ることにより、電機子巻線
５に起電力を誘起して発電作用をなすことができるとと
もに、この発電機に電気的な負荷を接続することによっ
て、クランクシャフト４に対して正の負荷トルクを与え
ることができるようになっている。

また、界磁巻線１１に通電を行なっている状態におい
て、電機子巻線５（全周に亘って三相に分布巻されてい
る）に三相交流を通じて回転磁界を発生させると、これ
につれてロータ１も回転して電動機作用がなされ、エン
ジンのクランクシャフト４に対して負の負荷トルクを与
え得るようになっている。

なお、第２図において１２はクラッチカバー、１３はプ
レッシャープレート、１４，１５はワイヤリング、１６
はダイヤフラムスプリング、１７はクラッチディスクで
あり、その他の構造については既に特開昭５８−７９６
６８号公報において詳細に開示されているため説明は省
略する。

次に、本発明装置の電気的な全体構成を、第５図を参照
しながら説明する。

電機子巻線５と車載バッテリ１８との間には、ダイオー
ドＤ_１〜Ｄ_６からなる三相ダイオードブリッジ回路が、
バッテリ１８を充電する向きに接続されている。

従って、この同期機が発電機として機能した場合、電機
子巻線５に発生する三相交流起電力は、このダイオード
ブリッジ回路により整流され、バッテリ１８を充電する
こととなる。

また、電機子巻線５と車載バッテリ１８との間には、前
記ダイオードブリッジ回路と逆並列となるように、トラ
ンジスタＴｒ_１〜Ｔｒ_６からなる三相トランジスタブリ
ッジ回路が接続されており、これらのトランジスタＴｒ
_１〜Ｔｒ_６を適宜相補的に動作させることによって、バ
ッテリ１８から得られる直流電力を三相交流電力に変換
し、電機子巻線５に供給できるようになっている。

クランク角センサ１９，２０，２１は、クランクシャフ
トの回転に同期した三相交流矩形波信号を出力するもの
で（第８図参照）、具体的には例えば特開昭５９−７９
６６８号公報に記載されるように、ロータ側に設けられ
た円弧状突条とこれを検出する固定側３個の近接スイッ
チとで構成することができる。

進相器２３，２４，２５はそれぞれ、クランク角センサ
１９，２０，２１から出力される交流矩形波信号Ｕ，
Ｖ，Ｗの位相を、ＣＰＵ２６から指令された量だけ進ま
せ、これにより位相の進んだ交流Ｕ′，Ｖ′，Ｗ′を形
成するもので（第８図，第９図参照）、その一相分の詳
細を第６図に示す。

同図に示す如く、このＵ相進相器２３は、クランク角セ
ンサ１９から得られる交流矩形波信号Ｕを、２系統に分
岐して一方をインバータ２３１で反転し、両信号をそれ
ぞれ立ち下がりトリガタイプの可変パルス幅ワンショッ
ト回路２３２，２３３に並列に供給し、得られるワンシ
ョットパルスの論理和をオアゲート２３４でとり、さら
にオアゲート２３４の出力パルスと原交流信号Ｕとの不
一致論理をＥ−ＯＲゲート２３５でとるようにしたもの
である。

これにより、クランク角センサ１９から得られる信号Ｕ
の位相を、可変パルス幅ワンショット回路２３２，２３
３で設定されたパルス幅分だけ進ませることができるよ
うになっている。

ここで、可変パルス幅ワンショット回路２３２，２３３
は、入力の立ち上がりに応答してカウントアップ出力が
“Ｈ”にリセットされ、かつ内蔵高速ロックの計数動作
を開始して、これがＣＰＵ２６から与えられたプリセッ
トカウント値に達すると、カウントアップ出力が“Ｌ”
に立ち下がるようにしたプリセッタブルカウンタで構成
されている。

従って、ＣＰＵ２６から可変パルス幅ワンショット回路
２３２，２３３に与えるべきプリセットカウント値を増
減することによって、入力信号Ｕの位相に対して任意の
進み角をとることができるようになっている。

電機子ドライバ２７は、進相器２３，２４，２５から出
力される三相交流矩形波信号Ｕ′，Ｖ′，Ｗ′を受け
て、その周波数に同期した回転磁界を電機子巻線５に発
生させるに必要なベース信号をトランジスタＴｒ_１〜Ｔ
ｒ_６に供給する。

これにより、バッテリ１８から得られる直流電力は、三
相トランジスタブリッジ回路によって、信号Ｕ′，
Ｖ′，Ｗ′の周波数に同期した三相交流に変換されて、
電機子巻線５に供給されることとなる。

一方、界磁巻線１１を流れる界磁電流は、次のようにチ
ョッパ制御可能となっている。

すなわち、界磁ドライバ２９は、可変デューティ発信器
２８から出力されるパルス列に応答して、バッテリ１８
から得られる直流電力をチョッパ制御し、これを界磁巻
線１１に印加するようになっている。

また、可変デューティ発振器２８から出力されるパルス
列のデューティは、ＣＰＵ２６から与えられたデューテ
ィデータによって調整可能となっており、可変デューテ
ィ発振器２８に与えるべきデューティデータを制御する
ことによって、界磁巻線１１の界磁電流を増減制御可能
となっている。

回転数センサ３０は、クランクシャフトの回転数を検出
するもので、例えばインクメンタル式のロータリエンコ
ーダなどで構成される。

この回転数センサ３０の出力パルス列は、Ｆ／Ｖ変換器
３１，Ａ／Ｄ変換器３２を介してＣＰＵ２６に読込み可
能となっている。

スタートスイッチ３３は、エンジン始動時に投入された
もので、その出力はＣＰＵ２６に読み込み可能となって
いる。

次に、第７図のフローチャートに示されるＣＰＵ２６の
制御プログラムを参照しながら、本発明装置の動作を系
統的に説明する。

まずプログラムがスタートすると、Ａ／Ｄ変換器３２を
介してクランクシャフトの回転数が検出され（ステップ
１００）、スタートスイッチ３３がオンするまでの間
（ステップ１０１肯定）、電機子電流および界磁電流は
いずれもオフ状態に設定され（ステップ１０２，１０
３）、回転数の検出だけ繰り返し実行される。

この状態において、スタートスイッチ３３がオンされる
と（ステップ１０１否定）、クランクシャフトの回転数
がストール回転数に達するまでの間（ステップ１０４肯
定）、この同期機は電動機として機能することとなる。

すなわち、まず当該時点のクランクシャフト回転数に基
づいて電動用Ｉｆマップの検索が行なわれる（ステップ
１０５）。

ここで、電動用Ｉｆマップには第１１図に示されるよう
に、クランクシャフト回転数が低下するにつれて、界磁
電流が増大するような特性が設定されている。

次いで、同様に当該時点のクランクシャフト回転数に基
づいて、進み角マップの検索が行なわれる（ステップ１
０６）。

ここで、進み角マップには、第１０図のグラフに示され
るように、クランクシャフト回転数が低下するにつれ
て、進み角が増大するような特性が設定されている。な
お、この種の同期電動機にあっては、進み角が増大する
ことは発生トルクの増大を意味する。

次いで、求められた進み角情報，すなわちプリセットカ
ウンタのプリセットカウンタ値は、進相器２３，２４，
２５内の可変パルス幅ワンショット回路２３２，２３３
にそれぞれ送られ、これによりクランク角センサ１９，
２０，２１から得られる三相交流信号Ｕ，Ｖ，Ｗ（第８
図参照）の位相は、進み角マップで得られた値だけ進ま
せられ、Ｕ′，Ｖ′，Ｗ′となる（第９図参照）。

次いで、ＣＰＵ２６からの信号によって、電機子ドライ
バ２７はオン状態に制御され（ステップ１０８）、また
可変デューティ発振器２８には電動用Ｉｆマップで得ら
れた界磁電流に相当するデューティ比情報が与えられる
（ステップ１０９）。

すると、電機子ドライバ２７の出力によって、トランジ
スタＴｒ_１〜Ｔｒ_６は適宜オンオフ制御され、界磁巻線
５にはその時点のクランクシャフト回転数よりも適宜進
んだ位相を有する回転磁界が発生し、また界磁巻線１１
には定められた値の界磁電流が供給され、これによりこ
の同期機は電動機として機能して、エンジン始動動作が
行なわれる。

この際、エンジン始動直後にあっては、第１０図，第１
１図のグラフからも明らかなように、電機子電流の進み
角および界磁電流の値はいずれも大きく設定されている
ため、始動初期においては極めて大なるトルクが発生し
て、エンジンを確実に始動させることができる。

これに対して、エンジン始動後クランクシャフト回転数
が増大すると、これと反比例して電機子電流進み角およ
び界磁電流は低下していくため、常に一定の進み角をも
って電機子電流を通じていた従来例に比べ、無駄な電力
消費がなく、各回転数において最適な始動トルクを発生
させることができる。

次いで、クランクシャフト回転数がストール回転数（例
えば、５００rmp ）に達すると（ステップ１０４否
定）、電動用マップに代わり発電用Ｉｆマップの検索
（ステップ１１０）、および電機子ドライバ２７のオフ
（ステップ１１１）が行なわれる。

従って、クランクシャフト回転数がストール回転数を越
えると、この同期機は直ちに発電機として動作するとと
もに、発電機として機能している間にあっては、第１１
図に示す如く、界磁電流の値はクランクシャフト回転数
に反比例して低下することとなるため、クランクシャフ
ト回転数にかかわらず、バッテリ端子電圧を略一定値に
維持することができる。

このように、在来のスタータモータとは異なり、一旦ス
タートスイッチを投入しさえすれば、クランクシャフト
回転数がストール回転数に達すると同時に電動機モード
から発電機モードへの切替が自動的に行なわれ、スター
タモータにおけるようなマニュアルオンオフ操作が不要
であるとともに、一旦始動した後にあっても、クランク
シャフト回転数がストール回転数以下に低下した場合に
は、それまで発電機モードであった同期機は直ちに電動
機モードに復帰し、エンストが自動的に防止されること
となる。

次に、第１２図は本発明の他の実施例を示すもので、こ
の実施例の特徴は、界磁巻線１１を流れる界磁電流の値
を、電流センサ３４およびＡ／Ｄ変換器３５を介してＣ
ＰＵ２６側で検出可能とするとともに、バッテリ１８の
電圧低下等で界磁電流が減少したような場合、実際の界
磁電流の値に応じて電機子電流の進み角を補正するよう
にしたものである。

すなわち、第１３図のフローチャートに示す如く、電動
用Ｉｆマップ検索（ステップ１０５）及びＩｆパルスデ
ューティ設定（ステップ１０９）が終了したならば、続
いて電流センサ３４およびＡ／Ｄ変換器３５を介して実
際の界磁電流Ｉｆの値が検出される。

この時、進み角マップの検索に当っては（ステップ２０
１）、第１４図のグラフに示されるように、クランクシ
ャフト回転数と界磁電流との２つのパラメータに基づい
て、進み角マップを検索する。

この進み角マップでは、クランクシャフト回転数が低下
するほど、進み角は増加するようになっており、また界
磁電流が減少するほど進み角は増大するような特性が設
定される。

従って、バッテリの電圧低下等により界磁電流が低下し
た場合には、電機子電流の進み角が増大することにより
トルクの不足は補われ、常に最適な始動トルクを得るこ
とが可能となる。

なお、第１２図および第１３図において、前記第５図お
よび第７図と同一構成部分については同符号を付して説
明は省略する。

このように本発明に係る同期機にあっては、一旦スター
トスイッチを投入するだけで、運転中必要に応じて電動
機または発電機として機能するため、操作が簡単でしか
も無駄な電力消費がなく、車両の燃費向上にも資するも
のである。

次に、第１５図および第１６図は、運転中電機子巻線に
常時通電がなされることによる加熱を防止するための冷
却構造を示すもので、同図に示す如くこの実施例では、
電機子鉄心６を支持する枠体３６内に環状の通路３７を
形成し、これに冷却水を通ずるようにしたもので、この
構造によれば、電機子鉄心６を介して電機子コイル６か
ら発生する熱を外部へ効率よく逃し、同期機の加熱を防
止することができる。

またこの構造によれば、エンジンの温間時にあっては、
エンジン冷却水によって界磁鉄心１０，界磁コイル１１
が冷却される一方、エンジン冷間時にあっては界磁コイ
ル１１よりの発熱によってエンジン冷却水が加熱され、
エンジンの暖気が促進されるという効果もある。

≪発明の効果≫ 以上の実施例の説明でも明らかなように、この発明によ
ればエンジン始動中にあってはエンジン回転数に応じた
最適な始動トルクを発生させることができ、またバッテ
リ充電中にあってはエンジン回転数にかかわらずバッテ
リの端子電圧を最適な値に制御することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明のクレーム対応図、第２図は本発明に係
わる同期機の軸断面図、第３図はロータの構造を示す斜
視図、第４図は電機子鉄心の構造を示す斜視図、第５図
は本発明実施例の電気的な全体構成を示すブロック図、
第６図は進相器の詳細を示すブロック図、第７図は本発
明実施例のＣＰＵで実行される制御プログラムを示すフ
ローチャート、第８図はクランク角センサの出力信号を
示す波形図、第９図は進相器の出力を示す波形図、第１
０図は進み角マップの内容を示すグラフ、第１１図は界
磁電流Ｉｆマップの内容を示すグラフ、第１２図は本発
明他の実施例を示す第５図と同様な図、第１３図は本発
明の他の実施例を示す第７図と同様な図、第１４図は進
み角マップの他の例を示すグラフ、第１５図は同期機の
冷却構造を示す軸断面図、第１６図は同冷却構造を示す
軸と垂直な面で切った断面図である。 ａ……同期機 ｂ……エンジン ｃ……クランクシャフト ｄ……バッテリ ｅ……回転数検出手段 ｆ……直交変換手段 ｇ……交直変換手段 ｈ……界磁電流調整手段 ｉ……始動時制御手段 ｇ……充電時制御手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エンジンのクランクシャフトに直結された
   発電・電動両用同期機と； 前記同期機が発電機として機能するときには充電用蓄電
   器となり、かつ電動機として機能するときには駆動用電
   源となるバッテリと； 前記クランクシャフトの回転数を検出する回転数検出手
   段と； 前記バッテリから得られる直流電力を、前記クランクシ
   ャフトの回転に同期し、かつ該回転より所定の進み角を
   有する多相交流に変換して、前記同期機の電機子巻線に
   供給する直交変換手段と； 前記同期機の電機子巻線で発生した交流電力を直流電力
   に変換して前記バッテリを充電する交直変換手段と； 前記同期機の界磁巻線に流れる界磁電流を調整可能な界
   磁電流調整手段と； 前記クランクシャフトの回転数がストール回転数よりも
   低いときには、前記電機子巻線へ供給される多相交流の
   位相を、該ストール回転数との偏差に応じて大きくなる
   ように進ませ、かつ界磁電流調整手段により界磁電流を
   クランクシャフトの回転数に応じて補正する始動時制御
   手段と； 前記クランクシャフトの回転数がストール回転数よりも
   高いときには、前記電機子巻線へ供給される多相交流を
   遮断し、かつ界磁電流調整手段により界磁電流をクラン
   クシャフトの回転数に応じて補正する充電時制御手段と
   を具備することを特徴とする機関始動充電装置。