CN1725626A - 车辆用驱动发电*** - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种车辆用驱动发电***，可以降低驱动时的发热量、提高驱动效率，还可以提高发电效率。交流发电机(100)，由转子(4)和具有三相绕组(3)的定子(2)组成。三相绕组(3上连接着三相逆变器(101)。这里，三相绕组(3)，至少由两个独立的三相绕组(3a、3b)组成。三相逆变器(101)的各相开关元件，以独立的三相绕组(3a、3b)的数量并联连接，同时对各个并联开关元件，单独连接同相绕组。

Description

车辆用驱动发电***
技术领域
本发明，涉及使用车辆用交流发电机的车辆用驱动发电***，特别涉及适用于汽车用驱动发电装置的车辆用驱动发电***。
背景技术
作为使用现有的车辆用交流发电机的驱动发电***，已知有例如特开2004-7964号公报所述的那样，三相逆变器(three-phase inverter)、具有三相绕组。
[专利文献1]特开2004-7964号公报
然而，由于特开2004-7964号公报所述内容当中，车辆用交流发电机为三相绕组，无法用三相逆变器对具有多个独立的三相绕组的车辆用交流发电机进行驱动。例如，存在的问题有，对独立的2个三相绕组、将具有相位差的同相绕组简单地三相连接的情况下，由于同相绕组中存在相位差，在驱动时同相线圈内会在产生循环电流，因此致使发热量增大。
此外，由于在发电时构成三相发电机，不但整流电压的脉动电压会变大，而且在发电时，当同相线圈间存在电相位差的情况下，也存在因循环电流的流动导致发电电流减少的问题。因此，在这个驱动发电***中，不仅发电效率低，而且还存因噪音大、发热量增加导致的效率低下的问题。
本发明的目的在于，提供一种能够使驱动时的发热量降低、驱动效率提高，并且使发电效率提高的车辆用驱动发电***。
发明内容
(1)为了达到上述目的，本发明的车辆用驱动发电***，包括：由转子和具有三相绕组的定子组成的旋转电机，和与上述三相绕组连接的三相逆变器。上述三相绕组，至少由两个独立的三相绕组组成，上述三相逆变器的各相开关元件，以上述独立的三相绕组的数量并联连接，同时对各个并联开关元件，单独连接同相绕组。
通过这种结构，可以降低驱动时的发热量、提高驱动效率，还可以提高发电效率。
(2)在上述(1)中优选，将所述独立的三相绕组中相位差小的同类绕组分成三相的分组，使用同一个栅极信号，对在该同一个分组所含的绕组上连接的所述逆变器的开关元件进行驱动。
(3)在上述(2)中优选，所述逆变器的栅极信号，为180度电压驱动方式。
(4)在上述(2)中优选，所述三相绕组的一相线圈，被跨多个槽来配置。
(5)在上述(2)中优选，所述三相逆变器的导通·关断时刻，是被同时驱动的多个绕组的感应电压的相位中心。
(6)在上述(2)中优选，所述开关元件是MOS-FET，在所述旋转电机进行发电动作时、切换到MOS整流的时刻，根据所述三相绕组的同一相线圈的、电流相位滞后的线圈电流生成。
(7)在上述(6)中优选，所述相位滞后的线圈电流，根据与所述MOS-FET并联配置的二极管电流检出。
(8)在上述(6)中优选，所述旋转电机进行发电动作时，当所述旋转电机中的电流为低电流时为二极管整流、高电流时为MOS整流。
(9)在上述(1)中优选，所述逆变器的开关元件，被一体化地安装在所述旋转电机上。
(10)在上述(1)中优选，将所述独立的三相绕组中相位差小的同类绕组分成三相的分组，连接在所述绕组上的所述逆变器的开关元件，分别由独立的栅极信号控制，同时，所述逆变器为180度电压驱动方式。
(11)在上述(10)中优选，所述开关元件是MOS-FET，将各个二极管中的二极管电流换算成电压检测出来，作为所述旋转电机进行发电动作时、驱动所述MOS-FET的栅极信号，同时导通信号生成电压与关断信号生成电压不同。
(12)在上述(11)中优选，在所述旋转电机进行发电动作时，关断电压生成电压比导通电压生成电压高。
(13)在上述(11)中优选，所述独立的三相绕组，由至少一对Y接线和△接线构成，各个绕组的匝数被设定为相同，同时，一个三相绕组被用于驱动和发电，另一个三相绕组仅用于发电。
(14)在上述(13)中优选，上述Y接线和△接线分别与逆变器连接。
附图说明
图1是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***的***结构图。
图2表示本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的结构的框图。
图3是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的截面图。
图4是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的定子绕组的线圈配置图。
图5是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的定子绕组的接线图。
图6是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的定子绕组的另一例的线圈配置图。
图7是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的定子绕组的线圈配置图。
图8是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的定子绕组的另一接线图。
图9是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的电路图。
图10是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的动作波形图。
图11是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的另一例动作波形图。
图12是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的转矩波形图。
图13是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的电路图。
图14是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的动作波形图。
图15是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机中，第1线圈组的三相绕组上产生的感应电压、与电池电压之间关系的说明图。
图16是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的动作波形图。
图17是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的电路图。
图18是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机中使用的二极管的特性图。
图19是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的电路图。
图20是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的另一电路图。
图21是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的另一电路图。
图22是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的另一例中的时序图。
图23是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的另一动作波形图。
图24是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的另一电路图。
图25是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机中使用的二极管的特性图。
图26是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的另一电路图。
图27是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的再另一电路图。
图28是表示装载了本发明的一个实施方式下的车辆用驱动发电***的汽车的结构的框图。
图29是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***的框图。图中：
100-车辆用交流发电机，2-定子，2T-齿，2S-槽，3、3a、3b-定子绕组，4-转子，5-爪磁极，6-励磁绕组，19-功率模块，21-功率元件，22-磁极传感器，52-发动机，60-发动机控制单元，102-调节器，200-驱动部、300-微型机、301-电压变换器。
具体实施方式
下面，用图1～图29，对本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***的结构进行说明。
首先使用图1，说明本实施方式的车辆用驱动发电***的整体***结构。
图1是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***的***结构图。
在发动机52上，装有起动电动机(Starter Motor)53，用于起动发动机52。起动电动机53是通过驾驶员操作钥匙开关(key switch)54启动的。电源使用的是电池55的电力。
电池55的正端子和负端子，还与车辆用交流发电机100电连接。电池55的负侧端子与车体相连作为地线。车辆用交流发电机100相对发动机52，通过皮带50在曲轴皮带轮(crank pulley)51和滑轮(pulley)8上进行动力传递。皮带50的旋转方向为固定方向，能够进行两种动作，即，由发动机52带动车辆用交流发电机100转动，和由车辆用交流发电机100带动发动机52转动。图中粗线为电力线，细线为信号线。
在车辆用交流发电机100的内部，设有含逆变电路的驱动部200。驱动部200和ECU(发动机控制单元)60间的信号中，有发动机起动信号61、发电指令信号62和旋转数检出信号63。检测加速踏板56踏入量的加速信号57、和检测刹车踏板58踏入量的刹车信号59，与ECU60相连。
接下来，使用图2，说明本实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机100的结构。
图2表示用于本发明一个实施方式的车辆用驱动发电***的车辆用交流发电机的结构框图。其中，与图1相同的符号表示相同的部分。
交流发电机100，由两个独立的三相绕组3a、3b构成。这两个三相绕组3a、3b的中性点不相互连接，三相绕组的同相线圈的相位错开约30度电角。图中所示为三相绕组3b相对于三相绕组3a，滞后30度的情形。
内置于车辆用交流发电机100的驱动部200中，装载有：逆变器部101，能够令车辆用交流发电机的三相绕组进行电动机动作；和调节器(regulator)102，控制励磁绕组电流。
由于两个三相绕组3a、3b的输出端子数是6个，所以逆变器部101的驱动元件(IGBT或MOS-FET等半导体开关元件)数，上臂和下臂合起来为12个元件，其中心与各相的端子电连接。
发动机启动信号61和发电指令信号62，从ECU60输入调节器102，旋转数检测信号63输出到ECU60。此外，表示电池55电压的电池电压检测信号64、和作为逆变器部101中所含的二极管的两端电压的二极管电压信号66，输入到调节器102；用于对驱动元件进行驱动的栅极信号65输出到逆变器部101。此外，调节器102，对交流发电机100的励磁线圈6中的励磁电流进行控制。
下面，对图1和图2所示的车辆用驱动发电***的动作进行说明。
就图1而言，由于在发动机52冷却的情况下，发动机内的机油粘性较高，驱动发动机所需的转矩较大，所以驾驶员要通过打开钥匙开关54，驱动起动电动机53来启动发电机。
另一方面，由于在发动机52足够热的情况下，机油粘性下降，所以发动机的摩擦阻力下降，与冷却状态相比使用较小的力就能够启动发动机，因此，当空转停止(idle stop)后再启动时，可以用交流发电机100启动发动机52。例如，当驾驶员将脚从加速踏板56移开、踩住刹车踏板时，ECU60检测车速，在车速为零的情况下决定是停止发动机还是维持空转状态。例如，若ECU60判断是在等待信号或是堵车，就停止发动机。接着，在驾驶员将脚从刹车踏板58移开，踩住加速踏板56的情况下，由于加速信号57输出到ECU60，ECU60将发动机启动信号61输出到内置于车辆用交流发电机100的驱动部200中。驱动部200中装有：逆变器部101，可令车辆用交流发电机的三相绕组进行电动机动作；和，调节器102，控制励磁绕组电流。当ECU60令发动机启动信号61有效时，车辆用交流发电机100作为电动机转动。这时，由于发动机52是通过滑轮和皮带与车辆用交流发电机100连接，所以能被交流发电机100驱动，从而能够启动发动机。由于发动机启动后，旋转数检测信号63被从驱动部200返回到ECU60，ECU60在令发动机启动信号61无效的同时，令发电指令信号62有效，使车辆用交流发电机100从电动机动作模式切换到发电机动作模式。
根据以上动作，车辆用交流发电机大体可被分为两种情况，即作为电动机动作的情况、和作为发电机动作的情况。
下面，使用图3，对本实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的结构进行说明。
图3是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***中使用的车辆用交流发电机的截面图。
图3所示的交流发电机，如上所述是能够实施电动机驱动的车辆用交流发电机，与一般的车辆用交流发电机的不同之处在于，内置有作为电动机实施驱动时所必要的逆变器。
虽然作为冷却方式有两种，即在定子外周部使用发动机冷却水的水冷、和使用内扇风扇实施的空冷，但这里仅对空冷方式进行说明。此外，为了提高性能，可以在爪磁极之间配置永磁体。
滑轮8上，以构成旋转部的轴7为中心、设有由爪磁极5a、5b构成的转子4。转子4上，励磁绕组6绕装在爪磁极5的内周侧，同时在轴方向的两端面上设有冷却风扇14、15。
转子4的外周侧，是定子2、和在该定子2上缠绕的2组前文说明的三相绕组3。定子2配置成被前支架9和后支架10从前后夹挤。各支架9、10，通过轴承12、13将轴7支撑为可自由旋转。
直流电流由设于轴7上的滑环(slip ring)18和电刷17供给到转子4上配置的励磁绕组6，在轴方向上磁化。通过电池端子16由车载电池对电刷17供给电力。这样，在上述爪磁极5a为N极的情况下，爪磁极5b就为S极。该爪磁极5的励磁磁化强度与励磁电流的大小成比例。
轴7的滑轮相反侧端部配置有磁极传感器22，作为检测转子(rotor)磁极位置的装置使用。接着后支架10，在后盖11的内侧设有散热片20。在散热片20上装有电源器件21，它构成了设在图2所示的驱动部200上的逆变器部101，形成为能够令功率元件21的损耗向散热片20放热的结构。功率模块19，由散热片20和功率元件21构成。
下面，使用图4和图5，对本实施方式下的车辆用驱动发电***中使用的车辆用交流发电机的定子绕组的接线结构进行说明。
图4是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的定子绕组的线圈配置图。图5是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的定子绕组的接线图。
这里，对定子的槽数为90、转子极数为12极、每极每相槽数为2.5的例子进行说明。图4是线圈配置的一个例子，表示槽数90的1/6，即15个槽的情况。换言之，相当于2极部分的转子。为了简化图面，这里将定子2直线延伸来表示。图5(A)表示作为第1线圈组的三相绕组3a，图5(B)表示作为第2线圈组的三相绕组3b。
图4中带括号的数字是表示槽号，定子2由多个齿2T和在这些齿2T之间形成的槽2S构成，线圈配置在槽2S的内部。
由于对应转子2极槽数为15个，所以1个槽的电相位就为24度。此外，配置在1个槽内的绕组由4个导体表示。图4所示的第1线圈组的U相绕组由1U11～1U15、和电流方向相反的1U11-～1U15-的10个导体构成。此外，构成第2线圈组的U相绕组由2U11～2U15和2U11-～2U15-的10个导体构成。由于三相绕组有2组，所以图示的全部导体数为60导体。
如图5(A)所示，三相绕组的1U相、1V相和1W相，分别以120度的相位差构成。此外，如图5(B)所示，2U相、2V相和2W相分别以120度的相位差构成。如图4所示，第1线圈组的1U相线圈1U11～1U15，分布配置在槽号(1)和槽号(2)。这时，1U相线圈1U11～1U14被配置在槽号(1)，1U15被配置在槽号(2)。因此，如图5(A)所示，相对1U相线圈1U11～1U14，1U相线圈1U15相位偏离了24度。作为1U相线圈1U11～1U15整体的相位，如果将1U相线圈1U11～1U14作为基准的话，偏离θ1(＝4.8度)。
另一方面，如图4所示，第2线圈组的2U相线圈2U11～2U15分布配置在槽号(2)和槽号(3)。这时，2U相线圈2U11～2U13配置在槽号(2)，2U相线圈2U14、2U15配置在槽号(3)。因此，如图5(B)所示，相对2U相线圈2U11～2U13，2U相线圈2U14、2U15相位偏离了24度。作为2U相线圈2U11～2U15整体的相位，如果将2U相线圈2U11～2U13作为基准的话，偏离θ2(＝9.6度)。因此，1U相线圈与2U相线圈的相位差θ3就为28.8度。
下面，使用图6，对本实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的定子绕组的另一种接线结构进行说明。
图6是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的定子绕组的另一例线圈配置图。其中，与图4相同的符号表示相同部分。
在图4所示的例子中，槽号(1)～(15)的线圈配置中，配置在内周侧的U相线圈，2U相的数量为3个，而1U相的数量为2个，电感存在差异。
与此相此，若实施如图6所示的线圈配置，就能够避免电感的不平衡。图6(A)表示槽号(1)～(15)，图6(B)表示槽号(16)～(30)。
图6(A)所示的槽号(1)～(15)与图4所示相同，而图6(B)所示的槽号(16)～(30)之间，为了消除电感的不平衡，对调了线圈。例如，为了在图6(A)的1U相中补正槽号(2)，在图6(B)的槽号(17)中，对调了内径侧的线圈、和内径侧起的第3个线圈。
这样，通过在2个三相线圈中配置为使槽内配置的导体数良好平衡，能够防止电流的不平衡。同样，对于其他相的配置，也配置为取得电感的平衡。
下面，使用图7和图8，对本实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的定子绕组的再另一种接线结构进行说明。
图7是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的定子绕组的线圈配置图。图8是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的定子绕组的再另一接线图。其中，与图4、图5相同的符号表示相同部分。
在本例中，相对图4所示的配置，将配置在外径侧槽的2个导体向右偏移1个槽来配置。例如，如图7所示，第1线圈组的1U相线圈1U11～1U15分布配置在槽号(1)、槽号(2)和槽号(3)。这时，1U相线圈1U11、1U12配置在槽号(1)，1U相线圈1U13、1U14配置在槽号(2)，1U相线圈1U15配置在槽号(3)。因此，这种情况下的三相接线图，如图8所示，配置在槽号(1)的1U11线圈和1U12线圈电同相，而由于配置在槽号(2)的1U13线圈和1U14线圈偏离了1个槽，所以相对1U11线圈、1U12线圈偏离了24度。而由于1U15线圈再偏离24度，所以三相绕组的电相位为图8(A)所示的那样。
同样，由于第2线圈组，从与作为基准的1U11线圈相比偏离了1个槽的地方开始，所以形成图8(B)的三相绕组图。这种情况下，第1线圈组和第2线圈组的电相位错开24度。
下面，用图9和图10，对将本实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机作为电动机动作时的结构和动作进行说明。
图9是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的电路图。图10是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的动作波形图。其中，与图1～图8相同的符号表示相同部分。
如图9所示，本实施方式的车辆用交流发电机，由第1线圈组3a和第2线圈组3b这2个独立的三相绕组构成，各个同相线圈错开28.8度电角。对应这两个三相绕组3a、3b，使用12个开关元件(例如，MOS-FET)M1U+～M2W-。开关元件M1U+和开关元件M1U-的漏极-源极间的连接部，连接在第1线圈组3a的1U相上。开关元件M2U+和开关元件M2U-的连接点，连接在另一个三相绕组第2线圈组3b的2U相上。用这4个元件M1U+、M1U-、M2U+、M2U-构成U相。同样，V相、W相的开关元件，也分别与第1线圈组3a和第2线圈组3b连接。
开关元件上臂的M1U+和M2U+的栅极信号，连接着同一个信号。此外，其他相的M1V+和M2V+、M1W+和M2W+也同样，栅极信号为相同信号。关于构成下臂的元件，M1U-和M2U-、M1V-和M2V-、M1W-和M2W-，分别连接成用同-个信号动作。如上所述，虽然构成逆变器的开关元件为12个6相，但栅极信号为三相以简化了栅极电路。
此外，采用180度电压驱动方式，而不是PWM控制。这是由于本实施方式下的交流电动机，作为启动发动机的启动器使用，无需像电动汽车和混合动力汽车中的电动机那样正确控制转矩。这里，虽然第1线圈组3a和第2线圈组3b的同相线圈上存在相位差，但是由于中性点没有连接，因此循环电流的问题也就不会发生。
接下来，对驱动开关元件M1U+～M2W-的栅极信号进行说明。
图10(a)，表示1U相的感应电压e1U和2U相的感应电压e2U。图10(b)表示，对于1U相的感应电压而言、用于获取最大转矩的栅极信号1U+，和对于2U相的感应电压而言、用于获取最大转矩的栅极信号2U+。虽然优选对两个具有相位差的三相绕组3a、3b，分别用图10(b)所示的栅极信号1U+和栅极信号2U+来进行通电控制，但是在本实施方式中，如图9所示，必须对两个具有相位差的三相绕组3a、3b，以同一个信号生成栅极信号。虽然通常，用图3所示的磁极传感器22的信号来决定实施开关的时刻，但是在磁极传感器22的输出信号为三相的情况下，各相对应的信号为一个。
因此，在本实施方式中，磁极传感器22的信号配合磁极传感器22的位置为，得到图10(a)所示的最大转矩的1U相的感应电压与2U相的感应电压的中间时刻。根据该磁极传感器22的信号，将图10(c)所示的信号U+作为开关元件M1U+和开关元件M2U+的栅极信号。此外，将信号U+的反相信号作为M1U-和M2U-的栅极信号U-。这时，在信号U+与信号U-之间，设置停滞时间(dead time)。此外，V相栅极信号V+、V-，分别是相对栅极信号U+、U-偏离120度相位的信号。W相栅极信号W+、W-，分别是相对栅极信号U+、U-偏离240度相位的信号。
如上所述，作为电压驱动方式，通过不令栅极信号高精度地有效无效、在汽车等的电池电压存在制约时不使用PWM，可以提高电源电压的利用率并减少开关损耗。
此外，虽然独立的2个三相绕组，用12臂的开关元件进行控制，但是通过令栅极信号为三相信号，能够使电路结构简单化。还有，由于在该情况下使用的磁极传感器也能够直接使用三相信号用的传感器，所以能够与当前广泛使用的三相用车辆用交流发电机的电路良好兼容。
下面，用图11，对将本实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机、作为电动机动作时的另一例动作进行说明。将本例的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机、作为电动机动作时的结构，与图9相同。
图11是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的另一例动作波形图。其中，与图1～图10相同的符号表示相同部分。
图11(a)和(b)与图10(a)和(b)同样。图10所示的例子，是在第1线圈组3a的1U相感应电压和第2线圈组3b的2U相感应电压的中间时刻，生成2个开关元件M1U+、M2U+的栅极信号，而本例是如图11(c)所示，是将图11(a)所示的感应电压e1U、e2U的AND信号作为栅极信号的。此外，也可以使用各个感应电压信号的OR信号。这些栅极信号的时刻可以从磁极传感器直接输出，也可以用信号的后期处理生成。
下面，用图12，对将本实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机、作为电动机动作时的转矩波形进行说明。
图12是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的转矩波形图。
图12的横轴表示时间，纵轴表示转矩。图12表示图9所示的三相2Y绕组用三相180度电压来驱动时的转矩波形。
接下来，用图13和图14，对将本实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机、作为发电机动作时的结构和动作进行说明。
图13是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的电路图。图14是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的动作波形图。其中，与图1～图8相同的符号表示相同部分。
虽然图13所示的电路结构与图9同样，但连接有获得由发电机产生的电力的电负荷69。此外，开关元件M1U+～M2W-上，分别连接着二极管，利用该二极管对发电电力进行整流。
在通过发动机、车辆用交流发电机开始转动之后，图1所示的发电指令信号62有效时，车辆用交流发电机100进入发电模式。具体讲就是，从调节器102发出励磁用的励磁电流指令，同时控制励磁线圈6中的励磁电流以使电池电压固定。
图14(a)表示各相线圈中产生的感应电压。此外，图14(b)表示被逆变器部101二极管整流时的电压波形。
如图14(a)所示，即使是在开关元件(MOS-FET)关断的状态下，由于二极管与开关元件并列连接，各相线圈上会产生交流电压。而且，在产生的电压高于电池55的情况下能够发电。图14(a)所示的各相感应电压波形，经过二极管整流，就变为图14(b)所示的全波整流电压波形和电流波形。由于当前广泛使用的车辆用交流发电机，内置二极管、且对三相绕组的电压实施全波整流，所以动作完全相同。
接下来，用图15～图19，对将本实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机、作为发电机动作时的另一结构和动作进行说明。
图15是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机中的第1线圈组的三相绕组中产生的感应电压、与电池电压之间关系的说明图。
开关元件是MOS-FET的情况下，MOS的损耗可以通过导通电阻和电流的积求得。例如，假设导通电阻为3mΩ时电流为100A，那么就会形成30W的损耗。另一方面，二极管的情况下，可以通过导通电压和电流的积来决定损耗，因而当导通电压为0.8V，电流为100A时，发生的损耗就为80W。如果将两者比较，使用MOS-FET整流就可以减小损耗。因此，在本例中，使用MOS-FET进行整流。另外，由于MOS-FET是双向开关，所以若误令栅极信号有效，电流就有可能从电池逆流，因此必需避免此情况发生。
图15(a)表示第1线圈组的三相绕组中产生的感应电压、与电池电压之间的关系。图15(a)的实线，表示旋转数高时的感应电压波形，表示充分高于电池电压的情况。虚线波形表示旋转数低时、各相电压略高于电池电压的情况。在这两种情况下，如图15(b)所示，旋转数低时的相电流波形不构成正弦波。另一方面，图15(c)表示旋转数高的情况，随着旋转数上升，发电时的电流波也形接近于正弦波。
下面，用图16～图18，对MOS-FET下的整流时的动作进行说明。
图16是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的MOS-FET整流时的动作波形图。图17是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的MOS-FET整流时的电路图。图18是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机中使用的二极管的特性图。
由于相对于二极管整流，用MOS-FET整流可减小损耗，因而可以提高效率。因此，有必要尽量使用MOS-FET整流，而非二极管。但是，由于MOS-FET，电流是在两个方向上(源极-漏极间)流动，所以必须仅在线圈电压比电池电压高的情况下导通。如果弄错时刻，在线圈电压比电池电压低的情况下导通，则会由于电池的电位较高，电流流入线圈。因此，对栅极信号的时刻而言精度很重要。此外，低速时由于电流值也很低且电压振幅也很小，所以低速时与以往相同实施二极管整流。
由于在本例中，三相绕组的1U相和2U相使用一个栅极信号动作，所以用电流相位滞后的2U相的电流I2U的电流上升信号、来做成栅极的导通信号，关断信号在1W相和2W相的电流相等时实施关断。由于在MOS-FET的漏极-源极间并列配置有二极管，所以如果不导通MOS-FET，与以往同样电流流经二极管，可全波整流。
该二极管的特性为，若顺向上流有电流导通电压变大。因此，如图18所示，当电流I1在二极管中顺向流动、导通电压为V1时，检测该电压，令图17所示的U+的MOS-FET的栅极信号有效。关断的时刻与导通时刻的生成同样，可以通过检测1W-相和2W-相的MOS-FET的二极管端子间电压来生成。这样，能够通过对并列连接在控制上所必须的各相MOS-FET上的二极管的端子间电压进行检测来实现。
图16(a)表示1U相和2U相的感应电压，粗实线表示旋转数高时的感应电压，细实线表示旋转数低时的感应电压。由于处于图16(a)所示的各相电流相位时，1U相线圈和2U相线圈中的电流里I1U超前，所以利用I2U的流过二极管的电流，生成图16(d)所示的栅极信号U+的有效信号时刻。因此，对图16(b)所示的I1U电流，区间D是二极管整流区间。此外，区间MOS表示MOS的整流区间。
此外，由于栅极信号的关断时刻，由图16(a)所示的W相的电流I1W和I2W所决定，因此栅极信号会在图16(d)所示的时刻无效，像图16(b)所示的那样，从MOS整流切换到二极管整流。此外，图16(c)所示的I2U也同样从MOS整流切换到二极管整流。
下面，用图19，对用于生成图16所说明的栅极信号的电路进行说明。
图19是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的电路图。另外，与图13符号相同的表示相同部分。
在本例当中，上臂包括电压变换电路301、302、303。电压变化电路301、302、303，是将检测电压变换成微型机300的地电平(ground level)的电平变换电路。上臂二极管的两端电压通过变换电路301、302、303电平变换之后，被取入到微型机300。此外，下臂当中，通过微型机300，直接检测出与所有MOS-FET连接的二极管两端的电压。微型机300根据检出的二极管电压，生成图16说明的定时栅极信号U+、V+、W+、U-、V-、W-，并分别输出到MOS-FET的栅极。
下面，用图20，对用于生成图16所说明的栅极信号的另一电路结构进行说明。
图20是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的另一电路图。另外，与图13符号相同的表示相同部分。
在本例当中，各上下臂的二极管端子电压，全部用微型机300检测出。电压变换电路301，是将检测电压变换成微型机300的地电平的电平变换电路。
下面，用图21～图25，对用于生成图16所说明的栅极信号的另一电路结构及动作进行说明。
首先，用图21和图22，说明用于生成图16所说明的栅极信号的另一个电路结构。
图21是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的另一电路图。图22是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的另一例中的时序图。另外，与图13符号相同的表示相同部分。
本例中，能够对所有的上下12臂的MOS-FET的栅极信号U1+、U1-、U2+、U2-、V1+、V1-、V2+、V2-、W1+、W1-、W2+、W2-进行单独控制。由于通过分开栅极信号可使各相得到有效利用，因而能减小电动机驱动时的转矩脉动。
虽然如图21所示，第1线圈组和第2线圈组的同相线圈，偏离了28.8度电角，但是为了配合图22(a)所示的各个感应电压波形，准备6相份的磁极传感器22。而且，通过用各个磁极传感器的输出，就能够例如对e1U相的感应电压，生成图22(b)所示的栅极信号1U+，对e2U相的感应电压，生成图22(c)所示的栅极信号2U+，从而简单地实现6相驱动。此外，由于即便磁极传感器为三相，也能够以三相磁极传感器的信号为基础，根据旋转数和时间，用微型机运算出另一相的信号来进行生成，来较为简单地生成磁极传感器以外的三相信号，因此图21所示的6相逆变器电路和三相磁极传感器，也能够实施转矩脉动小的驱动。这种情况下，也没有采用应用于产业的PWM控制，而是采用能够最大限度地有效活用电池电压的180度电压控制方式。此外，由于在电角为180度的区间中一直令MOS导通，所以能够降低开关损耗，提高效率，还能够减少开关噪声带来的无线电噪声等的影响。
下面，用图23～图25，就MOS-FET整流时的另一动作进行说明。
图23是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的另一动作波形图。图24是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机在MOS-FET整流时的另一电路图。图25是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机中使用的二极管的特性图。
就动作而言，如上所述根据并列连接在MOS上的二极管电流检测出电压，且导通时使用电压V1(图25)，关断时使用高于导通电压V1的电压V2(图25)。这样，通过提高关断时的电压，具有如下效果，即，能够防止颤动和关断时刻滞后，以及防止电流逆流。
在图23(b)、(c)中，区间D是二极管整流区间、区间MOS是MOS整流区间，由于MOS区间取得大、所以能够实现损耗小的整流。这种情况下，因旋转数低时二极管电流低、检出信号达不到电压V1，MOS的信号不会有效，为二极管整流。发电时的MOS整流时，栅极信号为几乎180度左右的常导通信号。
这样，通过能对MOS的栅极进行单独控制来形成6相，能够延长MOS整流的区间，实现高效率运转。
下面，用图26，对将本实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机、作为电动机动作时的另一结构和动作进行说明。
图26是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的另一电路图。另外，与图13符号相同的表示相同部分。
相对上述的例子中、将所有绕组Y接线连接，本例将一侧的第2线圈组的三相绕组3b△接线。由于不论哪个三相绕组，一相匝数都相同，所以△接线的第2线圈组如果换算成Y接线，匝数就变为1/√3。因此，若令Y接线的第1线圈组的一相匝数为5匝，△接线的Y接线换算匝数相当于2.89匝。
在转子级数为12级左右、用14V电池将车辆用交流发电机作为启动用电动机使用的情况下，如果根据电动机旋转时的反电动电压的关系以及电动机电流的关系进行综合判断，优选匝数为3匝左右。但是，由于在发动机启动后，必须作为发电机进行动作，所以必须为5匝左右的绕组。例如，在令定子绕组为3匝、构成侧重于发动机启动的车辆用交流发电机的情况下，虽然作为电动机的动作良好，但是在发电时会发生不能用空转发电的问题。此外相反，在用5匝的发电优先的匝数构成的情况下，会发生反电动电压比电池电压高，电动机的旋转数提升不上去的问题。
因此，在图26所示的例子中，第1线圈组的三相绕组3a为5匝绕组，第2线圈组的三相绕组3b经过Y换算为2.89匝绕组，第1线圈组的三相绕组3a的5匝作为发电专用，与二极管的全波整流电路连接。第2线圈组的三相绕组3b为了构成发动机启动中使用的绕组，与三相逆变器相连接。换言之，电动机动作时，仅使第2线圈组的三相绕组3b动作，发电动作时，使两个三相绕组3a、3b都动作。
在作为电动机动作时，用三相逆变器使电流流过第2线圈组的三相绕组3b来启动发动机。然后，在切换到发电模式之后，由于第1线圈组的三相绕组3a的匝数多于第2线圈组的三相绕组3b的匝数，所以在旋转数低时切入。换言之，空转时该第1线圈组的三相绕组3a为发电动作。当以通常行走的车速时，由于发动机旋转数上升，第2线圈组的三相绕组3b也变为发电动作，在通常行走时第1线圈组的三相绕组3a和第2线圈组的三相绕组3b并联发电。
下面，用图27，对将本实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机、作为电动机动作时的再另一个结构和动作进行说明。
图27是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***使用的车辆用交流发电机的再另一个电路图。另外，与图13、图26符号相同的表示相同部分。
本例与图26所示的例子中为二极管整流不同，为MOS逆变器。电动机动作时及发电动作时，均使2个三相绕组3a、3b动作。通过这样令第1线圈组的三相绕组3a也能驱动，能够实现电动机动作时的辅助以及发电时的MOS整流，具有提高效率的效果。
另外，以上说明虽然是针对2组三相绕组进行说明，但在3组、4组的多个三相绕组中，也能通过配置与线圈数相同的功率元件、并令中性点不同的同相线圈的栅极信号为同一个信号来实现。此外，虽然令栅极信号为180度的电压驱动信号，但是在电池电压富余时、或MOS的开关损耗能够充分冷却时，也可以将PWM控制与180度电压驱动控制组合起来进行控制。
再有，在本实施方式中，虽然主要说明了空转停止后的发动机启动，但在电池电压高、正常运转时，也可以通过由发电模式变为电动机辅助模式，令车辆用交流发电机实施电动机动作来辅助发动机。特别是，为了使车辆用交流发电机在低速域也能够发电，将转子级数设为12～16级左右。这样，由于高速旋转的PWM控制中频率过高，不能很好地进行控制，所以可以在车辆用交流发电机低速时使用PWM控制，高速域的发动机辅助中切换成180度的电压驱动方式来进行控制。此外，还在高速域中进行削弱磁场的弱磁场控制。
下面，用图28和图29，对装载本实施方式下的车辆用驱动发电***的汽车结构进行说明。
图28是表示装载了本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***的汽车结构的框图。图29是本发明一个实施方式下的车辆用驱动发电***的框图。另外，与图1符号相同的表示相同部分。
本实施方式的交流发电机100，为图3所示的、在旋转电机主体上一体化设有逆变器装置之类的驱动部200的、所谓逆变器内置型车辆用旋转电机，构成汽车400的电力传动***。
使用本实施例的交流发电机100的汽车400，是具备将作为内燃机构的发动机52作为动力源的发动机动力传动***和将交流发电机100作为动力源的电力传动***双方的、即所谓混合动力式汽车。发动机动力传动***，主要构成汽车400的驱动源。电力传动***，主要用作发动机52的启动源和汽车400的电源。这样，具有电力传动***的汽车400，通过在点火钥匙开关接通的状态下、且在等待信号等停车时，自动停止发动机52，并在起步时自动启动发动机52来使车辆前进，从而能够降低汽车400的油耗和排气量、即能够实施所谓空转停止运转。
如图28所示，在车体410的前部，前轮车轴415被支撑为可旋转。在前轮车轴415的两端，设有前轮411、412。在车体410的后部，后轮车轴416被支撑为可旋转。在后轮车轴416的两端，设有后轮413、414。在前轮车轴415的中央部，设有作为动力分配机构的差速齿轮417。差速齿轮417，将从发动机52经过变速机430传递来的旋转驱动力分配给左右前轮车轴415。变速机430对发动机52的旋转驱动力实施变速后，传递给差速齿轮417。通过用发动机控制装置60，对作为燃料调整机构的喷射器、和作为空气量调整机构的节气门等的发动机机构的动作进行控制，来控制发动机52的驱动。
交流发电机100，与发动机52共同配置在设于车体410的前部的发动机室内，并装载在发动机52的侧部，与发动机52机械连接。通过用皮带50，将设在发动机52的曲轴上的滑轮51、和设在交流发电机100的旋转轴上的滑轮8连接起来，来实现该机械连接。从而，交流发电机100能够将旋转驱动力传递给发动机52，同时能够接受来自发动机52的旋转驱动力。
汽车400的电力传动***如图1和图2所示，与由电池55构成的14v电压体系车载电源电连接，与14v电压体系车载电源之间传受电力。在14v电压体系车载电源上，并联电连接有，作为发动机52的启动装置的启动器53，以及图示省略了的灯、收银机、方向指示器等车载机构。电池55，使用的是输出电压12v左右的铅蓄电池。
交流发电机100，如上所述，将含有逆变器装置的驱动部200一体化装载在旋转电机主体上。通过驱动部200控制的三相交流电，被提供给定子绕组3a、3b。通过驱动部200控制的励磁电流，被提供给励磁绕组6。通过将三相交流电提供给定子绕组3a、3b，将励磁电流提供给励磁绕组6，交流发电机100产生旋转磁场，使转子相对于定子旋转。由此，交流发电机100作为电动机动作，产生用于启动发动机52的旋转驱动力。
另一方面，如果交流发电机100中，励磁电流被提供给励磁绕组6，转子借助发动机52的旋转驱动力旋转，则定子绕组3a、3b上就会产生感应电压。从而，交流发电机100作为发电机动作，产生用于对电池55进行充电的三相交流电。另外，虽然在本实施例中说明的例子是使用同步交流旋转电机作为交流发电机100的情况，但也可以使用感应式交流旋转电机或永磁体式交流发电机。
驱动部200是电力变换装置，将电池55供给的直流电转换成三相交流电，或者将通过交流发电机100发电得到的三相交流电转换成直流电。具体讲，如图29所示，逆变器装置50大致分为逆变器部101和调节器102。逆变器部101包括：变换电路101A和励磁电路101B。变换电路101A，是将电池55供给的直流电转换成三相交流电，或者将定子绕组3a、3b供给的三相交流电变换成直流电的电力控制电路。励磁电路101B，是对电池55提供给励磁绕组6的励磁电流进行控制的励磁电流控制电路。调节器102包括控制电路102A和驱动电路102B。控制电路102A，是根据来自上位控制装置的各种检测信号(反馈信号)，例如来自发动机控制装置60的指令信号、来自交流发电机100的相间电压、或电池55的端子电压等，将用来控制变换电路101A和励磁电路101B的动作的指令信号，输出给驱动电路102B的控制逻辑电路。驱动电路102B，接受控制电路102A的指令信号，将用于令变换电路101A和励磁电路101B动作的驱动信号，输出给变换电路101A和励磁电路101B。另外，为了提高驱动部200往旋转电机主体上的装载性，在本实施例中与以往技术不同，将装载在车辆用交流发电机上的电压调整器一体化为驱动部200，以确保驱动部200的装载空间。
如上所述，由于根据本实施方式，在令车辆用交流发电机实施电动机动作的情况下，能够使用与现有技术同样的逆变器电路，因而可以降低成本。此外，在发电时，通过实施逆变器元件的MOS整流，可以减少整流元件的损耗，提高发电时的效率。进一步，通过采用Y接线和△接线的复合绕组，能够对电动机动作和发电动作分别选择最合适的绕组数，实现最适于电动机驱动、发电动作的车辆用发电机。

Claims (14)

1.一种车辆用驱动发电***，包括：由转子和具有三相绕组的定子组成的旋转电机，和连接在所述三相绕组上的三相逆变器，其特征在于，
所述三相绕组，至少由两个独立的三相绕组组成，
所述三相逆变器的各相开关元件，以所述独立的三相绕组数并联连接，同时对各个并联开关元件，单独连接同相绕组。
2.根据权利要求1所述的车辆用驱动发电***，其特征在于，
将所述独立的三相绕组中相位差小的同类绕组分成三相的分组，
使用同一个栅极信号，对在该同一个分组所含的绕组上连接的所述逆变器的开关元件进行驱动。
3.根据权利要求2所述的车辆用驱动发电***，其特征在于，
所述逆变器的栅极信号，为180度电压驱动方式。
4.根据权利要求2所述的车辆用驱动发电***，其特征在于，
所述三相绕组的一相线圈，被跨多个槽来配置。
5.根据权利要求2所述的车辆用驱动发电***，其特征在于，
所述三相逆变器的导通·关断时刻，是被同时驱动的多个绕组的感应电压的相位中心。
6.根据权利要求2所述的车辆用驱动发电***，其特征在于，
所述开关元件是MOS-FET，
在所述旋转电机进行发电动作时、切换到MOS整流的时刻，根据所述三相绕组的同一相线圈的、电流相位滞后的线圈电流生成。
7.根据权利要求6所述的车辆用驱动发电***，其特征在于，
所述相位滞后的线圈电流，根据与所述MOS-FET并联配置的二极管电流检出。
8.根据权利要求6所述的车辆用驱动发电***，其特征在于，
所述旋转电机进行发电动作时，当所述旋转电机中的电流为低电流时为二极管整流、高电流时为MOS整流。
9.根据权利要求1所述的车辆用驱动发电***，其特征在于，
所述逆变器的开关元件，被一体化地安装在所述旋转电机上。
10.根据权利要求1所述的车辆用驱动发电***，其特征在于，
将所述独立的三相绕组中相位差小的同类绕组分成三相的分组，
连接在所述绕组上的所述逆变器的开关元件，分别由独立的栅极信号控制，同时，所述逆变器为180度电压驱动方式。
11.根据权利要求10所述的车辆用驱动发电***，其特征在于，
所述开关元件是MOS-FET，
将各个二极管中的二极管电流换算成电压检测出来，作为所述旋转电机进行发电动作时、驱动所述MOS-FET的栅极信号，同时导通信号生成电压与关断信号生成电压不同。
12.根据权利要求11所述的车辆用驱动发电***，其特征在于，
在所述旋转电机进行发电动作时，关断电压生成电压比导通电压生成电压高。
13.根据权利要求11所述的车辆用驱动发电***，其特征在于，
所述独立的三相绕组，由至少一对Y接线和△接线构成，
各个绕组的匝数被设定为相同，同时，一个三相绕组被用于驱动和发电，另一个三相绕组仅用于发电。
14.根据权利要求13所述的车辆用驱动发电***，其特征在于，
所述Y接线和△接线，分别与逆变器连接。
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