JP2006006080A

JP2006006080A - 車両用回転電機

Info

Publication number: JP2006006080A
Application number: JP2004182379A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiko Fujita; 暢彦藤田; Haruyuki Yonetani; 晴之米谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】起動トルク特性及び電圧飽和域におけるトルク特性を両立させることができる車両用回転電機を得る。
【解決手段】車両用の発電電動機５は、インバータ３を介してバッテリ１により駆動される。インバータ３から接続端子６ｄの端子間に印加可能な電圧の最大値を最大電圧Ｖｍａｘとし、この最大電圧Ｖｍａｘ印加の条件下において力率１でかつ電圧飽和時のトルクを最大とするためにインバータ３から接続端子６ｄへ供給すべき電流を最大電流Ｉａｍａｘとするとき、電機子巻線６ｂは、次の式で表される２Ｒａ０＝Ｖｍａｘ／（√３）Ｉａｍａｘに対して、接続端子６ｄ間の抵抗２Ｒａが０．８Ｒａ０≦２Ｒａ≦３．８Ｒａ０を満たすようにされているものである。この条件にて、起動トルク特性及び電圧飽和域におけるトルク特性の両立が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用回転電機に関する。

車両用のバッテリーの端子電圧は一般的に１４Ｖ以下であることが多く、このバッテリーを用いて、車両用回転電機である車両用電動機によりアイドルストップやエンジンアシスト等における力行を行うときに、電圧が低いため出力トルクを大きくできない。特に、停車時にエンジンをアイドルストップするとともに、発進時にはモーターで車両を走行させながらエンジンの再起動を行うスタータの場合、起動トルクの向上が望まれる。また、エンジンアシストを考える場合には、ある程度の高速域でのトルクが必要となる。電圧が低い駆動系においては、出力を多くとるためにはもちろん電流を大きくすることが必要であるが、電流も温度やインバータ素子の信頼性の観点からある程度の制限を受ける。

また、この電流と抵抗との積である電圧降下分は、ジュール損失となり、有効磁束×回転数で表される電圧（トルクを発生させる電圧）は、この分だけ小さくなる。すなわち、車両用電動機の電機子巻線の端子間抵抗が大きいと、その分だけ有効磁束が得られないことになり、弱め界磁が必要となる。電圧が低い系では、ある程度の低速域から上記のような電圧飽和域（弱め界磁域）に入っており、比較的回転数が高い（一般には３００ｒｐｍ以上程度）高速域でのトルク（以下、高速トルクと称する）が充分得られない。なお、電圧飽和域は、界磁磁束及び電機子磁束による誘起電圧が端子電圧を超えるため、負のｄ軸電流Ｉｄを流すことで、弱め界磁を行う領域である。また、起動トルクを得るためには、コイルの巻数を増加させることで対応が可能であるが、電機子巻線のコイルの巻数を多くするとコイル抵抗が増加し、高速トルクが小さくなる。逆に、巻数を減らしてコイル抵抗を低減すれば、起動トルクが得られない。

従来の車両用電動機は以上のように構成され、起動トルク特性及び電圧飽和域におけるトルクである高速トルク特性を両立させることが困難であった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、起動トルク特性及び電圧飽和域におけるトルクである高速トルク特性を両立させることができる車両用回転電機を得ることを目的とする。

この発明に係る車両用回転電機においては、インバータを介してバッテリにより駆動されるものであって、電機子と界磁とを有し、電機子は内周側にスロットが設けられた環状の電機子鉄心及び電機子鉄心に装着されたコイルとこのコイルをインバータに接続するための接続端子とを有する電機子巻を有し、界磁は磁極とこの磁極に磁束を発生する界磁巻線又は界磁巻線と永久磁石とを有し電機子の内側に回転自在に設けられており、かつ電機子巻線はインバータから接続端子の端子間に印加可能な電圧の最大値を最大電圧Ｖｍａｘとしこの最大電圧Ｖｍａｘ印加の条件下において力率１でかつ電圧飽和時のトルクを最大とするためにインバータから接続端子へ供給すべき電流を最大電流Ｉａｍａｘとするとき次の式で表される
２Ｒａ０＝Ｖｍａｘ／（√３）Ｉａｍａｘ
に対して、接続端子間の抵抗２Ｒａが次の関係
０．８Ｒａ０≦２Ｒａ≦３．８Ｒａ０
を満たすようにされているものである。

この発明は、インバータを介してバッテリにより駆動されるものであって、電機子と界磁とを有し、電機子は内周側にスロットが設けられた環状の電機子鉄心及び電機子鉄心に装着されたコイルとこのコイルをインバータに接続するための接続端子とを有する電機子巻を有し、界磁は磁極とこの磁極に磁束を発生する界磁巻線又は界磁巻線と永久磁石とを有し電機子の内側に回転自在に設けられており、かつ電機子巻線はインバータから接続端子の端子間に印加可能な電圧の最大値を最大電圧Ｖｍａｘとしこの最大電圧Ｖｍａｘ印加の条件下において力率１でかつ電圧飽和時のトルクを最大とするためにインバータから接続端子へ供給すべき電流を最大電流Ｉａｍａｘとするとき次の式で表される
２Ｒａ０＝Ｖｍａｘ／（√３）Ｉａｍａｘ
に対して、接続端子間の抵抗２Ｒａが次の関係
０．８Ｒａ０≦２Ｒａ≦３．８Ｒａ０
を満たすようにされているものであるので、起動トルク特性及び磁気飽和域におけるトルク特性を両立させることができる。

実施の形態１．
図１及び図２は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１は車両用の発電電動機及びその駆動回路を示す構成図、図２は発電電動機の端子間抵抗の抵抗比に対するトルク特性の評価指数の変化を示す特性図である。図１において、インバータ３は、バッテリ１に接続され、バッテリ１の直流電力を可変周波数可変電圧の三相交流に変換して車両用の発電電動機５に供給する。

発電電動機５は、電機子（固定子）６と界磁（回転子）７を有する。電機子６は、内周側にスロットが設けられた環状の電機子鉄心６ａ及びこの電機子鉄心６ａに装着されるとともにΔ結線されたコイル６ｃとこのΔ結線されたコイル６ｃを上記インバータに接続するための接続端子６ｄとを有する電機子巻線６ｂを有する。界磁７は、図示しないが磁極とこの磁極に磁束を発生する界磁巻線７ａと永久磁石（図示せず）とを有し、この両者にて必要な界磁の総磁束Φを誘起する。そして、界磁７は、電機子６の内側に回転自在に設けられ、図示しないエンジンに連結され、エンジンの起動やアシストを行う。

ここで、バッテリー電圧Ｖｂとしたとき、インバータ３から発電電動機５の接続端子６ｄに印加される電圧Ｖは次式で表されるとする。
Ｖ＝（β／√２）（Ｖｂ−α・Ｉ）（１）
ここで、Ｉ：電機子電流、Ｉ＝√（（Ｉｄ）＾２＋（Ｉｑ）＾２）であり（Ｉｄ：ｄ軸電流、Ｉｑ：ｑ軸電流）、接続端子６ｄに流れる端子電流Ｉａを用いると、Ｉ＝（√３）・Ｉａである。また、αはバッテリー内部抵抗、配線抵抗、インバータに電流開閉素子として用いられているｍｏｓＦＥＴの抵抗などを合わせたバッテリ１から発電電動機５の接続端子６ｄまでの間の抵抗を換算した等価抵抗である。

界磁電流及び電機子電流を調整することで力率１にすると、無効電力が低減され効率よく運転することができるため、可能な限り力率１運転を行う。なお、この実施の形態における発電電動機５は、界磁巻線７ａを有するため力率１にて運転が容易にできるという利点がある。
力率１制御時のトルクＴは、総磁束Φを用いて次式で表される。
Ｔ＝Φ・Ｉ（２）
また、電圧飽和時には、総磁束Φは次式で表される。
Φ＝（Ｖ−Ｒａ・Ｉ）／ω （３）
ここで、２Ｒａは発電電動機５の接続端子６ｄ間の端子間抵抗であり、ωは角周波数（ｒａｄ／ｓ）である。

（３）式を（２）式に代入し、整理すると次式を得る。
Ｔ＝（１／ω）（−Ｒａ（Ｉ−（Ｖ／２Ｒａ））＾２＋（Ｖ＾２）／４Ｒａ）
（４）
（４）式より、
Ｉ＝Ｖ／２Ｒａ（５）
のときに電圧飽和時のトルクである高速トルクＴが最大となり、
Ｔ＝（Ｖ＾２）／４ω・Ｒａ（６）
となることがわかる。

（１）式と（５）式の関係から、力率１、電圧飽和時の最大トルクを発生させる電流Ｉ０は次式で表される。
Ｉ０＝β・Ｖｂ／（２（√２）Ｒａ＋α・β）（７）
実際の装置では半導体素子の電流制限があるため、（７）式通りの電流を流すことができない場合がある。ここで、この電流制限値をＩｍａｘとおくと、トルク最大となる電流Ｉｏｐｔは次式で整理される。
Ｉｏｐｔ＝Ｉｍａｘ（Ｉ０≧Ｉｍａｘのとき）（８ａ）
Ｉｏｐｔ＝Ｉ０（Ｉ０＜Ｉｍａｘのとき）（８ｂ）

次に、Ｉ０＝Ｉｍａｘとなる端子間抵抗２Ｒａは、（７）式のＩ０にＩｍａｘを代入したときのＲａを求めることにより、次式となる。なお、電機子電流がＩｍａｘのとき、発電電動機５の接続端子６ｄを流れる電流はＩａｍａｘ＝（√３）・Ｉｍａｘである。
２Ｒａ＝２Ｒａ０＝β（Ｖｂ−α・Ｉｍａｘ）（９）
ここで、抵抗比Ｒｒ＝１（抵抗比Ｒｒ＝Ｒａ／Ｒａ０と定義する）であってつまり発電電動機５の端子間抵抗２Ｒａが２Ｒａ０であって、力率１、電圧飽和時の端子間電圧（実効値）Ｖ０は次式で表される。
Ｖ０＝（β／√２）（Ｖｂ−α・Ｉｍａｘ）（１０）
このときの高速トルクＴ０は、次式で表される。
Ｔ０＝（Ｖ０＾２）／４ω・Ｒａ０（１１）

抵抗比Ｒｒ＞１の場合、力率１、電圧飽和時の電流は（７）式となり、端子間電圧Ｖｈｉｇｈは次式となる。
Ｖｈｉｇｈ＝（β／√２）（Ｖｂ−α・Ｉ０）（１２）
また、高速トルクＴｈｉｇｈは次式となる。
Ｔｈｉｇｈ＝（Ｖｈｉｇｈ＾２）／４ω・Ｒａ（１３）

抵抗比Ｒｒ＜１の場合、力率１、電圧飽和時の電流は電流制限値Ｉｍａｘに制限され、端子間電圧Ｖｈｉｇｈは（１０）式のＶ０となる。
Ｖｈｉｇｈ＝Ｖ０＝（β／√２）（Ｖｂ−α・Ｉｍａｘ）（１４）
また、高速トルクＴｈｉｇｈは次式となる。
Ｔｈｉｇｈ＝Ｉｍａｘ（Ｖ０−Ｒａ・Ｉｍａｘ）／ω （１５）

上記は、電圧飽和域すなわち界磁磁束及び電機子磁束による誘起電圧が、端子電圧を超えるため負のｄ軸電流Ｉｄを流すことで、弱め界磁を行う領域であり、これは、比較的回転数が高い（一般には３００ｒｐｍ以上程度）の領域のトルク特性である高速トルク特性を示している。上記の算式（１３）及び（１５）によれば、高速トルクＴは電機子巻線の巻数には依存せず、単純に抵抗値Ｒａ及び電流制限値Ｉｍａｘに依存することが分かる。
また、α，βの値がわかれば、Ｒｒ＝１のときのトルクＴ０（（１１）式）に対するトルクＴｈｉｇｈ（（１３）又は（１５）式）の比である高速トルク比Ｔｈｒ、すなわち、
Ｔｈｒ＝Ｔｈｉｇｈ／Ｔ０（１６）
が計算できることがわかる。

トルク特性としては、上記のような発電電動機５が回転しているときのトルクすなわち高速トルクを大きくすることも必要であるが、同時に回転子（界磁７）が静止しているときのトルクである起動トルクを大きくすることが必要である。起動トルクは、もちろん電圧飽和がないため、電流は最大電流を流すときに最もトルクが大きくなることは明らかである。起動トルクＴｓは、電機子電流最大値及び界磁磁束（電機子巻線のコイル６ｃの巻数ｎに比例）に比例し、端子間抵抗２Ｒａが変化してもこの値は変化しない。すなわち、単純にコイルの巻数ｎに比例すると考えられる。
Ｔｓ ∝ ｎ（１７）

また、コイル６ｃの巻数が多くなるとこれに比例してコイルの長さが長くなる。コイルは、その巻数を増やしてもスロットの面積を増やさないとすると、巻数が多くなると１本のコイルの断面積を巻数に反比例して小さくしなければならない。従って、電機子巻線６の抵抗Ｒは、コイルの断面積Ｓ、コイルの長さＬ、コイルは銅線を用いるとして銅の抵抗率ρを用いて、次式で表される。なお、Ｌ０はコイルの１ターンの長さ、Ｓ０はスロット断面積に所定のコイル占積率を乗じた値で、簡単化するために巻数が変わっても占積率は変わらないものとする。
Ｒａ＝ρ・Ｌ／Ｓ＝ρ・ｎ・Ｌ０／（Ｓ０／ｎ）
＝（ｎ＾２）ρ・Ｌ０／Ｓ０（１８）
すなわち、発電電動機５の端子間抵抗２Ｒａは、コイルの巻数ｎの２乗に比例することがわかる。従って、トルクＴｓは、次式で表される。
Ｔｓ ∝ √（Ｒａ）（１９）

ここで、起動トルク特性、及び力率１で電圧飽和時のトルクである高速トルク特性が両立する車両用電動機を得るには、端子間抵抗２Ｒａが２Ｒａ０のときの起動トルクＴｓ０に対する起動トルクＴｓの比である起動トルク比Ｔｓｒ（＝Ｔｓ／Ｔｓ０）と上記高速トルク比Ｔｈｒとの積である次の式で表される評価指数Ｅが１よりも大きくなることが望ましい。
Ｅ＝Ｔｓｒ／Ｔｈｒ
＝（Ｔｓ／Ｔｓ０）×（Ｔｈ／Ｔｈ０）（２０）

図２に、Ｖｂ＝１２Ｖ、α、βを一般的な範囲でパラメータとして変化させた場合の、上記評価指数Ｅの値を示す。ただし、評価指数Ｅはβの値によって比率は変化しないため、αだけを５ｍΩ〜１１ｍΩの範囲で変化させた。図２より、抵抗比Ｒｒが
０．４≦Ｒｒ≦１．９
すなわち、端子間抵抗２Ｒａが
０．８Ｒａ０≦２Ｒａ≦３．８Ｒａ０（２１）
の範囲であるときに起動トルク特性お高速トルク特性がともに良好な特性を示すことがわかる。

また、αの値によらず、評価指数Ｅが１より大きくなり良好な特性を示す範囲として、
０．４≦Ｒｒ＜１
すなわち、端子間抵抗２Ｒａが
０．８Ｒａ０≦２Ｒａ＜２Ｒａ０（２２）
の範囲にあるときがあげられる。

力率１制御を容易に行うために、界磁巻線を有しかつこの界磁巻線に流す電流を調整できるものの中で、クローポール形の界磁（回転子）を有する車両用電動機では、極数によらず界磁巻線を軸の周りに集中的に巻きつけることができるため、界磁巻線を容易に設けることができる。また、クローポール形の車両用電動機では、界磁電流による界磁の磁気飽和が顕著となる場合があり、この場合、界磁電流による調整を行うための界磁電流範囲が限定される。しかし、磁極の外周部に永久磁石を装着し、界磁磁束が作る磁束の方向と反対方向に永久磁石の着磁を行えば、界磁の磁気飽和が緩和され、界磁電流の調整範囲が広がる。

なお、上記実施の形態では、発電電動機５が電動機として動作する場合について述べたが、発電電動機５の代わりにスタータモータやエンジンアシストモータとして運転される電動機であっても、同様の効果を奏する。

さらに具体的数値を当てはめた実施例について説明する。
実施例１．
バッテリー電圧Ｖｂ＝１２［Ｖ］、等価抵抗 α＝７．１［ｍΩ］、β＝０．９１、最大電流Ｉａｍａｘ＝２００［Ａ］（電機子電流Ｉ＝（√３）・２００）のとき、発電電動機５の端子間抵抗は、２Ｒａ０＝１７．７２［ｍΩ］、となる。このときの高速トルクＴｈ０は、Ｔｈ０＝１０６３．４／ω、と計算される。
抵抗比Ｒｒ（＝２Ｒａ／２Ｒａ０）が０．８となるように端子間抵抗２Ｒａを２Ｒａ＝０．８×２Ｒａ０＝１４．１７６［ｍΩ］に選んだとき、高速トルクＴｈは、Ｔｈ＝１２７６．１／ω、と計算される。
よって、高速トルク比Ｔｈｒは、Ｔｈ／Ｔｈ０＝１．２、となる。

一方、起動トルクＴｓは、巻線抵抗が０．８倍であるので、巻数は√（０．８）＝０．８９４４倍となり、起動トルク比Ｔｓｒは、Ｔｓ／Ｔｓ０＝０．８９４４、となる。
（２１）式により、起動トルク比Ｔｓｒ×高速トルク比Ｔｈｒで計算されるトルク特性の評価指数Ｅは、Ｔｈｒ×Ｔｓｒ＝１．２×０．８９４４＝１．０７３、となり、端子間抵抗２Ｒａが２Ｒａ０のとき、すなわち抵抗比Ｒｒが１のときの評価指数Ｅ０の１．０７３倍となり、トルク特性が向上する。

実施例２．
バッテリー電圧Ｖｂ＝１２［Ｖ］、等価抵抗 α＝１１．０［ｍΩ］、β＝０．９１、最大電流Ｉａｍａｘ＝２００［Ａ］のとき、端子間抵抗２Ｒａ０＝１５．２１［ｍΩ］となる。このときの高速トルクＴｈ０は、Ｔｈ０＝９１２．８７／ωと計算される。
抵抗比Ｒｒが１．２となるように端子間抵抗２Ｒａを２Ｒａ＝１．２×２Ｒａ０＝１８．２５５［ｍΩ］に選んだとき、高速トルクＴｈはＴｈ＝８４７．９９／ω、と計算される。よって、高速トルク比Ｔｈｒは、Ｔｈ／Ｔｈ０＝０．９２９、となる。
一方、起動トルクＴｓは、巻線抵抗が１．２倍であるので、巻数は√（１．０９５４５）＝１．０９５４５倍となり、起動トルク比Ｔｓｒは、Ｔｓ／Ｔｓ０＝１．０９５４５、となる。
（２１）式により、起動トルク比Ｔｓｒ×高速トルク比Ｔｈｒで計算されるトルク特性の評価指数Ｅは、０．９２９×１．０９５４２＝１．０１７６、となり、端子間抵抗が２Ｒａ０のときの評価指数Ｅ０の１．０１７６倍となり、トルク特性が向上する。

以上のように、この発明における車両用回転電機においては、インバータを介してバッテリにより駆動されるものであって、電機子と界磁とを有し、電機子は内周側にスロットが設けられた環状の電機子鉄心及び電機子鉄心に装着されたコイルとこのコイルをインバータに接続するための接続端子とを有する電機子巻を有し、界磁は磁極とこの磁極に磁束を発生する界磁巻線又は界磁巻線と永久磁石とを有し電機子の内側に回転自在に設けられており、かつ電機子巻線はインバータから接続端子の端子間に印加可能な電圧の最大値を最大電圧Ｖｍａｘとしこの最大電圧Ｖｍａｘ印加の条件下において力率１でかつ電圧飽和時のトルクを最大とするためにインバータから接続端子へ供給すべき電流を最大電流Ｉａｍａｘとするとき次の式で表される
２Ｒａ０＝Ｖｍａｘ／（√３）Ｉａｍａｘ
に対して、接続端子間の抵抗２Ｒａが次の関係
０．８Ｒａ０≦２Ｒａ≦３．８Ｒａ０
を満たすようにされているものであるので、起動トルク特性及び磁気飽和域におけるトルク特性を両立させることができる。

そして、電機子巻線は、接続端子間の抵抗２Ｒａが、次の関係
０．８Ｒａ０≦２Ｒａ＜２Ｒａ０
を満たすようにされているものであることを特徴とするので、バッテリと接続端子との間の抵抗値に影響されることなく起動トルク特性及び磁気飽和域におけるトルク特性を両立させることができる。

さらに、界磁はクローポール形であることを特徴とするので、界磁巻線を極数によらず界磁巻線を軸の周りに集中的に巻きつけることができるため、界磁巻線を容易に設けることができる。

また、界磁は、界磁巻線と永久磁石とを有するものであって磁極の外周部に永久磁石が装着されたものであることを特徴とするので、界磁磁束が作る磁束の方向と反対方向に永久磁石の着磁を行うことにより界磁の磁気飽和を緩和でき、界磁電流の調整範囲を広くすることができる。

この発明の実施の形態１である車両用の発電電動機及びその駆動回路を示す構成図である。発電電動機の端子間抵抗の抵抗比に対するトルク特性の評価指数の変化を示す特性図である。

符号の説明

１バッテリ、３インバータ、５発電電動機、６電機子、６ａ電機子鉄心、
６ｂ電機子巻線、６ｃコイル、６ｄ接続端子、７界磁、７ａ界磁巻線。

Claims

インバータを介してバッテリにより駆動されるものであって、電機子と界磁とを有し、上記電機子は内周側にスロットが設けられた環状の電機子鉄心及び上記電機子鉄心に装着されたコイルとこのコイルを上記インバータに接続するための接続端子とを有する電機子巻線を有し、上記界磁は磁極とこの磁極に磁束を発生する界磁巻線又は界磁巻線と永久磁石とを有し上記電機子の内側に回転自在に設けられており、かつ上記電機子巻線は上記インバータから上記接続端子の端子間に印加可能な電圧の最大値を最大電圧Ｖｍａｘとしこの最大電圧Ｖｍａｘ印加の条件下において力率１でかつ電圧飽和時のトルクを最大とするために上記インバータから上記接続端子へ供給すべき電流を最大電流Ｉａｍａｘとするとき次の式で表される
２Ｒａ０＝Ｖｍａｘ／（√３）Ｉａｍａｘ
に対して、上記接続端子間の抵抗２Ｒａが次の関係
０．８Ｒａ０≦２Ｒａ≦３．８Ｒａ０
を満たすようにされているものである車両用回転電機。
上記電機子巻線は、その接続端子間の抵抗２Ｒａが、次の関係
０．８Ｒａ０≦２Ｒａ＜２Ｒａ０
を満たすようにされているものであることを特徴とする請求項１に記載の車両用回転電機。
上記界磁はクローポール形であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用回転電機。
上記界磁は、上記界磁巻線と上記永久磁石とを有するものであって上記磁極の外周部に上記永久磁石が装着されたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用回転電機。