JPH09219905A - ハイブリッド方式駆動装置 - Google Patents

ハイブリッド方式駆動装置

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JPH09219905A
JPH09219905A JP8027493A JP2749396A JPH09219905A JP H09219905 A JPH09219905 A JP H09219905A JP 8027493 A JP8027493 A JP 8027493A JP 2749396 A JP2749396 A JP 2749396A JP H09219905 A JPH09219905 A JP H09219905A
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JP
Japan
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hsy
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JP8027493A
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Kazutoshi Nagayama
和俊 永山
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Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Meidensha Corp
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)
  • Control Of Ac Motors In General (AREA)
  • Hybrid Electric Vehicles (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 チョッパ装置の半導体素子の電流通流期間を
長くしても、ハイブリッド励磁形同期モータの界磁巻線
へ流す直流電流を小さくできる。 【解決手段】 同期発電機(HSY−G)100及び同
期モータ(HSY−M)108は、界磁巻線100a,
108aに流す直流電流の値を、チョッパ装置102,
107により制御することにより界磁制御ができる。エ
ンジン101で回転させられるHSY−G100の交流
電流は、メイン整流器103で整流されて直流となり、
インバータ装置105は直流/交流変換して三相交流を
HSY−M108に送る。界磁電源用整流器100は、
HSY−G100の中間タップからの電圧を受けるた
め、直流側電圧Vdc2 は小さくなる。チョッパ装置10
2,107には、電圧値の小さくなった直流側電圧V
dc2 を供給するので、チョッパ装置102,107の半
導体素子の通流時間を長くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はハイブリッド方式駆
動装置に関し、チョッパ動作を行う半導体素子が、スイ
ッチング速度限界に達することなくスイッチング動作が
できるようにして、良好な界磁制御ひいては回転制御が
できるよう工夫したものである。
【0002】
【従来の技術】本願出願人は、ハイブリッド励磁形同期
機(HSY)をすでに開発している。このハイブリッド
励磁形同期機の詳細構造は、後の「発明の実施の形態」
の中で説明するが、その概略を説明すると、回転子に備
えた永久磁石による界磁と、固定子に備えた界磁巻線に
よる界磁とを併せ持った同期回転機である。そして、永
久磁石が一定の界磁アンペアターンを与え、負荷に応じ
て必要となる界磁アンペアターンを界磁巻線から供給す
る。このため、界磁巻線に流す直流電流を調整すること
により界磁制御をすることができる。しかも、このハイ
ブリッド励磁形同期機は、同期モータとしても機能し
(これをハイブリッド励磁形同期モータ「HSY−M」
と称し)、同期発電機としても機能する(これをハイブ
リッド励磁形同期発電機「HSY−G」と称する)。
【0003】ここでHSY−Mを用いて構成した、電気
自動車用の従来の駆動装置を、図8を参照して説明す
る。同図に示すように、ハイブリッド励磁形同期モータ
(HSY−M)01の固定子に備えた三相巻線には、イ
ンバータ装置02により三相電力が供給され、HSY−
M01の固定子に備えた界磁巻線01aには、チョッパ
装置03により直流電流が流される。インバータ装置0
2及びチョッパ装置03には、バッテリ04により直流
電圧が供給されており、コントローラ05からの制御指
令に応じて、インバータ装置02でのインバータ動作及
びチョッパ装置03でのチョッパ動作が行なわれる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の駆動装
置では、界磁巻線01aの抵抗は小さく、また界磁巻線
01aに流す直流電流(界磁電流)は小さいため、界磁
巻線01aでの電圧降下は小さい(0〜20V程度)。
一方、バッテリ04のバッテリ電圧は約200〜300
Vであり、界磁巻線01aでの電圧降下分と比べて非常
に高い。このため、チョッパ装置03の半導体素子の通
流期間は短くなる。しかし半導体素子のスイッチング速
度には限界があるため、通流期間を短くしようとしても
限度があり、制御が困難になることがあった。
【0005】本発明は、上記従来技術に鑑み、チョッパ
装置の半導体素子の通流期間を短くすることなく界磁巻
線に直流電流を流すことのできるハイブリッド方式駆動
装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発
明の構成は、回転子には界磁用の永久磁石を備えると共
に、固定子には電機子巻線及び直流界磁電流が流される
界磁巻線を備えたハイブリッド励磁形同期モータと、エ
ンジンにより回転駆動されて交流電力を出力する交流発
電機と、前記交流発電機により発電された交流電力を直
流電力に変換するメイン整流器と、メイン整流器による
直流電力を受けて充電されるバッテリと、前記メイン整
流器及び前記バッテリから直流電力を受けて、前記ハイ
ブリッド励磁形同期モータに交流電力を供給するインバ
ータ装置と、前記ハイブリッド励磁形同期モータに直流
界磁電流を流すチョッパ装置と、前記発電機の電機子巻
線の中間タップから交流電圧を受けて整流し、整流した
直流電圧を前記チョッパ装置に送る界磁電源用整流器
と、で構成したことを特徴とする。
【0007】また本発明の構成は、前記発電機は、回転
子には界磁用の永久磁石を備えると共に、固定子には電
機子巻線及び直流界磁電流が流される界磁巻線を備えた
ハイブリッド励磁形発電機であり、前記界磁電源用整流
器から直流電圧を受けて、前記ハイブリッド励磁形発電
機の界磁巻線に直流界磁電流を流す第2のチョッパ装置
を備えたことを特徴とする。
【0008】
【発明の実施の形態】まずはじめにハイブリッド励磁形
同期機(HSY)の構成及び動作状況について説明す
る。
【0009】<HSYの構成及び動作>図1において、
1は固定子である電機子、2はこの電機子の鉄心、3は
電機子巻線、4は円筒形のヨークである。これらのう
ち、電機子鉄心2は、軸方向に関し2分割された成層鉄
心であり、片側の部分がN極側電機子鉄心2a、他の片
側の部分がS極側電機子鉄心2bとして構成してあり、
N極側電機子鉄心2aとS極側電機子鉄心2bとの間に
は、図4にも示すリング状の直流の界磁巻線5が配設し
てある。
【0010】そして、N極側電機子鉄心2aとS極側電
機子鉄心2bとは、ヨーク4によって磁気的に結合し、
かつ機械的に支持するように構成してある。また、電機
子巻線3は、N極側電機子鉄心2aとS極側電機子鉄心
2bとに亘って配設してある。
【0011】界磁巻線5は、図4の如くリング状に巻回
された電線5aを絶縁処理したもので、電源容量や機械
寸法に合わせて必要な起磁力を生ずるように十分なター
ン数を巻回している。
【0012】他方、回転子11は、回転子鉄心12と永
久磁石13とを有し、これらのうち回転子鉄心12はシ
ャフト15に連結したヨーク14で支持固定している。
回転子鉄心12は、部分的に突き出た構造で突極状をな
し、永久磁石13を備える部分以外の個所が突極状部1
2aとなるように構成してある。この突極状部12a
は、固定子のN極側電機子鉄心2aとS極側電機子鉄心
2bとに対応して設けてあり、N極側突極状部12aN
とS極側突極状部12aSとに分けてある。
【0013】すなわち、突極状部12aは、固定子のN
極側電機子鉄心2aとS極側電機子鉄心2bとの軸方向
の長さに対応して形成してあり、しかも周方向に一定幅
を有してN極側突極状部12aN及びS極側突極状部1
2aSとして存在する。そして、N極側突極状部12a
Nには、周方向に隣り合ってN極永久磁石13が、図2
(a)に示すように配置してあり、またS極側突極状部
12aSにも周方向に隣り合ってS極永久磁石13が、
図2(b)に示すように配置してある。かくして、軸方
向には、N極側突極状部12aNとS極永久磁石13と
が並び、またN極永久磁石13とS極側突極状部12a
Sとが並ぶ構造となっている。
【0014】この結果、回転子11は、図3に示すよう
に、N極側突極状部12aNとN極永久磁石13とを周
方向に交互に配置するとともに、軸方向に界磁巻線5の
幅の分だけ隔たってS極側突極状部12aSとS極永久
磁石13とを周方向に交互に配置し、しかも軸方向には
突極状部12aと永久磁石13とが並ぶ構造となってい
る。このとき、突極状部12aは、周方向に永久磁石1
3の極数と同じ数だけ形成してある。
【0015】図2,図3に示す例は永久磁石13を6極
配置した例を示しているが、極数はこれに限らず8極等
種々の極数が考えられる。
【0016】また、図1,図2では回転子鉄心12の突
極状部12aの表面と永久磁石13の表面とが同一円周
面を形成するように構成されているが、ギャップを小さ
くして突極状部12aを通る有効磁束を多くするよう突
極状部12aの突き出し量を永久磁石13の厚さより大
きくできる。更に、図2,図3では永久磁石13と突極
状部12aの幅を同じ幅としたが、上述と同様磁束を多
くするため突極状部12aの幅を永久磁石13より広げ
るようにしてもよい。なお、回転子鉄心12は塊状鉄心
でもよい。
【0017】図1において、永久磁石13は回転子鉄心
12の突極状部12a以外の所定個所に張り付けて固定
するとともに、回転子鉄心12は円筒形のヨーク14に
挿着して支持する。
【0018】<HSYの制御動作>HSYの構造は、図
1〜図4の如くであるが、ここで、かかる構造を採用し
たことに伴なう磁束の制御動作について述べる。
【0019】図1に示す直流の界磁巻線5に直流電流を
流した場合、例えば図1中の実線のように、電機子のヨ
ーク4→S極側電機子鉄心2b→ギャップ→S極側突極
状部12aS→回転子鉄心12→回転子ヨーク14→回
転子鉄心12→N極側突極状部12aN→ギャップ→N
極側電機子鉄心2a→ヨーク4という具合に閉磁路が形
成される。この場合、磁束の方向は、直流電流の向きに
より制御でき、大きさは電流の大きさにより制御でき
る。したがって、界磁巻線5による直流磁束の発生を伴
なう磁束の調整は次のようになる。
【0020】<直流界磁電流0の場合>直流界磁電流に
よる磁束は存在せず、永久磁石13による磁束のみとな
る。つまり、N極永久磁石13からの磁束は、ギャップ
→N極側電機子鉄心2a→電機子ヨーク4→S極側電機
子鉄心2b→ギャップ→S極永久磁石13→回転子鉄心
12→回転子ヨーク14→回転子鉄心12→N極永久磁
石13からなる経路を辿る。この場合、ギャップ磁束
は、永久磁石13の残留磁束密度(磁石の特性)と表面
積で決まることになる。
【0021】かかる状態を回転子表面での磁束としてみ
ると、図5(b)に示すようになり、N極永久磁石13
から電機子ヨーク4を通りS極永久磁石13に至り、S
極永久磁石13から回転子ヨーク14を通りN極永久磁
石13に至る。
【0022】したがって、回転子の回転によって電機子
巻線3を構成する各コイルは、N極またはS極の何れか
一方の極の磁束を切ることとなり、この結果電機子巻線
3には回転数と極数とによって定まる周波数の交流電圧
が誘起される。なお、IDCは直流界磁電流を示す。
【0023】こうして、本例のIDC=0の場合には、永
久磁石13によって生ずる磁束に応じた誘起電圧が得ら
れる。
【0024】<直流界磁電流による磁束が永久磁石13
の磁束と同一方向となる場合、(I DC<0の場合)>永
久磁石13による磁束はN極永久磁石13とS極永久磁
石13とで発生することに変りはない。
【0025】一方、直流の界磁巻線5による磁束は、磁
気抵抗が小さな経路を通り、S極側電機子鉄心2b→ギ
ャップ→S極側突極状部12aS→回転子鉄心12→回
転子ヨーク14→回転子鉄心12→N極側突極状部12
aN→ギャップ→N極側電機子鉄心2a→電機子ヨーク
4を通る。この場合、永久磁石13による透磁率は空気
に近く、磁気抵抗が大きいため、直流磁束は突極状部1
2aを通る。
【0026】この結果、回転子表面での合成磁束数をみ
ると、図5(a)の如くN極側突極状部12aNから出
た磁束が軸方向に並んでいるS極永久磁石13へ至り、
N極永久磁石13から出た磁束が軸方向に並んでいるS
極側突極状部12aSへ至ることになる。
【0027】したがって、電機子巻線3を構成する軸方
向に沿って配列された各コイルでは、N極側で切る磁束
の方向とS極側で切る磁束の方向が逆となり、互いに反
対方向の誘起電圧が生じ、全体として誘起電圧が減少す
る。
【0028】つまり、直流界磁電流の大きさによって、
誘起電圧が小さくでき、その大きさによっては誘起電圧
を0とすることができる。
【0029】かくして、永久磁石13の磁束と同一方向
の磁束を作ることによって、等価的に界磁磁束を弱める
(減磁する)こととなる。
【0030】<直流界磁電流による磁束が永久磁石13
の磁束と異なる(反対)方向となる場合、(IDC>0の
場合)>この場合についても永久磁石13による磁束
は、N極永久磁石13とS極永久磁石13とで発生する
ことに変わりはない。
【0031】一方、直流の界磁巻線5による磁束は、や
はり磁気抵抗の小さな経路を通り、N極側電機子鉄心2
a→ギャップ→N極側突極状部12aN→回転子鉄心1
2→回転子ヨーク14→回転子鉄心12→S極側突極状
部12aS→ギャップ→S極側電機子鉄心2b→電機子
ヨーク4を通る。
【0032】この結果、回転子表面での合成磁束をみる
と、図6(c)の如くN極永久磁石13から出た磁束が
周方向に隣り合うN極側突極状部12aNへ至り、また
S極側突極状部12aSから出た磁束が周方向に隣り合
うS極永久磁石13へ至ることになる。
【0033】したがって、電機子巻線3を構成する軸方
向に沿ってスロット内を通る各コイルでは、N極側で切
る磁束の方向とS極側で切る磁束の方向とが同方向とな
り、同一方向の誘起電圧が生じ、全体として誘起電圧が
増加する。すなわち、直流界磁電流の大きさによって誘
起電圧の調整ができる。
【0034】上述したようにHSYでは、直流界磁電流
を変化させることにより界磁磁束を連続的に変化させる
ことができる。
【0035】<HSYを用いた電気自動車の駆動装置>
上述したHSYを用いて構成した、本発明の第1の実施
の形態に係る電気自動車の駆動装置を、図6を参照して
説明する。本実施の形態では、ハイブリッド励磁形同期
発電機(HSY−G)100は、その回転子が、エンジ
ン(ガソリンエンジン等の内燃機関式の原動機)101
により回転させられるようになっている。そして界磁巻
線100aに流す直流電流の値をチョッパ装置102に
より調整することにより、発電電圧を制御することがで
きる。
【0036】HSY−G100により発電された三相交
流電流は、メイン整流器103により整流されて直流電
流となり、この直流電流がバッテリ104及びインバー
タ装置105に供給される。このためバッテリ104が
充電される。
【0037】HSY−G100は、更に、界磁電源用整
流器106にも三相交流電力を供給するようになってい
る。しかも、界磁電源用整流器106へ送る電圧は、H
SY−G100の電機子巻線の中間タップから出力され
ている。このように界磁電源用整流器106へ送る電圧
を、HSY−G100の電機子巻線の中間タップから出
力するようにしたことが、本発明のポイントとなる技術
である。このような工夫をしているため、界磁電源用整
流器106の直流側電圧Vdc2 は、メイン整流器103
の直流側電圧Vdc1 よりも小さくすることができる。ち
なみに、メイン整流器103には、HSY−G100の
出力端子(定格電圧が得られる端子)から電圧が供給さ
れている。
【0038】界磁電源用整流器106により得た直流側
電圧Vdc2 は、前記チョッパ装置102及び、モータ側
のチョッパ装置107へ供給される。
【0039】一方、ハイブリッド励磁形同期モータ(H
SY−M)108には、インバータ装置105から三相
交流が供給され、HSY−M108の回転子が回転す
る。このとき、チョッパ装置107により、HSY−M
108の界磁巻線108aに流す直流電流の値をチョッ
パ装置107により調整することにより、HSY−M1
08の回転制御をすることができる。
【0040】また、位置(位相)・速度検出器109は
HSY−M108の位置(位相)及び回転速度を検出
し、電流検出器110はインバータ装置105からHS
Y−M108へ送っている電流値を検出する。検出され
た位置(位相)及び回転速度と電流値は、コントローラ
111へ送られる。コントローラ111は、トルク指令
τで示される出力トルクが得られるように、インバータ
105のインバータ動作及びチョッパ装置107のチョ
ッパ動作を制御する。
【0041】前述したように本形態では、HSY−G1
00の電機子巻線の中間タップから出力した電圧を界磁
電源用整流器106で整流することにより、チョッパ装
置102,107へ供給する直流側電圧Vdc2 を小さく
することができる。このため、界磁巻線100a,10
8aでの電圧降下が小さくても、チョッパ装置102,
107の半導体素子の電流通流時間を長くすることがで
きる。即ち本形態では、チョッパ装置102,107の
半導体素子の電流通流時間を最も短くしても、半導体素
子のスイッチング限界を越えることはない。よってHS
Y−G100,HSY−M108での界磁制御を確実・
容易に行うことができる。
【0042】また図6に示す実施の形態では、モータ側
のチョッパ装置107と発電機側のチョッパ装置102
を、同一の1台の界磁電源用整流器106により給電す
るようにしたので、回路構成を簡単にすることができ
る。
【0043】なお図6に示す実施の形態では、発電機と
してHSY−Gを用いたが、誘導発電機や巻線界磁形同
期発電機や永久磁石式同期発電機を用いるようにしても
よい。要は、発電機の電機子巻線の中間タップから電圧
を取り出し、この電圧を整流した直流電圧をチョッパ装
置に供給するようにすればよい。
【0044】図7は、発電機として誘導発電機120を
用いた、第2の実施の形態を示す。本形態においても、
誘導発電機120の電機子巻線の中間タップから取り出
した電圧を、界磁電源用整流器106に供給するように
している。他の部分の構成・動作は図6に示す実施の形
態と同様である。
【0045】
【発明の効果】以上、実施の形態と共に具体的に説明し
たように本発明によれば、界磁電源用整流器には交流発
電機の中間タップから取り出した電圧を送るようにした
ので、界磁電源用整流器からチョッパ装置に送る直流電
圧を小さくすることができる。よってチョッパ装置の半
導体素子の電流通流期間を長くしても、ハイブリッド励
磁形同期モータの界磁巻線に流す直流電流値を小さくす
ることができる。つまり前記半導体素子のスイッチング
時間がスイッチング限界に達することなく、界磁巻線に
流す直流電流値を最適に制御することができ、良好な速
度制御ができる。
【0046】またモータ及び発電機を共に、ハイブリッ
ド励磁形同期機で構成すれば、同一の界磁電源用整流器
により2台のチョッパ装置への給電ができ、即ち界磁電
源系が共用化でき、回路構成が簡単になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ハイブリッド励磁形同期機を示す構成図。
【図2】ハイブリッド励磁形同期機を示す側面図。
【図3】ハイブリッド励磁形同期機の回転子を示す斜視
図。
【図4】ハイブリッド励磁形同期機の界磁巻線を示す構
成図。
【図5】ハイブリッド励磁形同期機での磁束状態を示す
説明図。
【図6】本発明の第1の実施の形態に係る電気自動車の
駆動装置を示す回路図。
【図7】本発明の第2の実施の形態に係る電気自動車の
駆動装置を示す回路図。
【図8】電気自動車の従来の駆動装置を示す回路図。
【符号の説明】
100 ハイブリッド励磁形同期発電機(HSY−G) 100a 界磁巻線 101 エンジン 102 チョッパ装置 103 メイン整流器 104 バッテリ 105 インバータ装置 106 界磁電源用整流器 107 チョッパ装置 108 ハイブリッド励磁形同期モータ(HSY−M) 109 位置・速度検出器 110 電流検出器 111 コントローラ 120 誘導発電機
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成8年5月8日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0044
【補正方法】変更
【補正内容】
【0044】図7は、発電機として誘導発電機120を
用いた、第2の実施の形態を示す。本形態においても、
誘導発電機120の電機子巻線の中間タップから取り出
した電圧を、界磁電源用整流器106に供給するように
している。他の部分の構成・動作は図6に示す実施の形
態と同様である。なお、図7において、103aは、メ
イン整流器としての機能をも発揮するインバータであ
る。
【手続補正2】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図7
【補正方法】変更
【補正内容】
【図7】

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 回転子には界磁用の永久磁石を備えると
    共に、固定子には電機子巻線及び直流界磁電流が流され
    る界磁巻線を備えたハイブリッド励磁形同期モータと、 エンジンにより回転駆動されて交流電力を出力する交流
    発電機と、 前記交流発電機により発電された交流電力を直流電力に
    変換するメイン整流器と、 メイン整流器による直流電力を受けて充電されるバッテ
    リと、 前記メイン整流器及び前記バッテリから直流電力を受け
    て、前記ハイブリッド励磁形同期モータに交流電力を供
    給するインバータ装置と、 前記ハイブリッド励磁形同期モータに直流界磁電流を流
    すチョッパ装置と、 前記発電機の電機子巻線の中間タップから交流電圧を受
    けて整流し、整流した直流電圧を前記チョッパ装置に送
    る界磁電源用整流器と、で構成したことを特徴とするハ
    イブリッド方式駆動装置。
  2. 【請求項2】 前記発電機は、回転子には界磁用の永久
    磁石を備えると共に、固定子には電機子巻線及び直流界
    磁電流が流される界磁巻線を備えたハイブリッド励磁形
    発電機であり、 前記界磁電源用整流器から直流電圧を受けて、前記ハイ
    ブリッド励磁形発電機の界磁巻線に直流界磁電流を流す
    第2のチョッパ装置を備えたことを特徴とする請求項1
    のハイブリッド方式駆動装置。
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