JP3598190B2 - 内燃機関用の発電装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関（以下、エンジンと表現する場合もある）の回転エネルギを電気エネルギに変換する内燃機関用の発電装置に係り、特に、ロータの多相巻線に回転磁界を発生させることで自身の駆動トルクを最適化できるようにした内燃機関用の発電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用あるいは船舶用の発電装置は、回転軸がエンジンのクランク軸にオルタネータベルトを介して連結されオルタネータ（ＡＣＧ）と、オルタネータがエンジン回転数に応じて発生する交流電力を直流電力に変換する整流器と、直流電力の電圧をバッテリ電圧に応じて制御するレギュレータとによって構成される。
【０００３】
図９は、従来のオルタネータ５０の構成を示した模式図であり、回転軸と一体化されたロータ（回転子）５２には直流界磁コイル５３が巻回され、ステータ５４（固定子）には３相コイル５５が巻回されている。ここで、直流界磁コイル５３へバッテリから直流電流を供給した励磁状態でロータ５２を回転させて交番磁界配置を形成すると、ステータ５４の３相コイル５５には、ロータ５２の回転速度に応じた周波数の交流電力が発生する。すなわち、従来のオルタネータは同期モータを利用した発電機であった。なお、ロータ５２には直流界磁コイル５３の代わりに永久磁石を設ける場合もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記した車両等用の内燃機関では、ヘッドライトやエアコンディショナといった電力消費量の大きな電気負荷がオン／オフされると、これに応答して発電量を増減させるために直流界磁コイル５３の励磁強度も制御される。この結果、エンジンがオルタネータを駆動するのに要するトルク（以下、単に駆動トルクと表現する）が変動し、エンジン回転数が変化することになる。特に、大きな電気負荷がオフ状態からオン状態になって駆動トルクが急激に増えると、これに伴ってエンジン回転数が低下するので、アイドリング時であればエンジンストールを招いたり、また走行中であれば一種の制動状態となってドライバビリティが悪化してしまうという問題が発生する。
【０００５】
このような問題点を解決するために、例えば特開平１−２７７６５０号公報では、電気負荷が印加されたか否かを判別し、印加されたと判別されるとスロットル弁を開いてエンジン回転数の設定値を高くする制御装置が提案されている。また、特開平５−１８００４７号公報では、電気負荷の増減に応じて、ステータの界磁コイルへ供給する界磁電流のデューティー比を制御する制御装置が提案されている。しかしながら、上記した従来技術ではいずれも、電気負荷の増減に応じてオルタネータの駆動トルクが変動してしまうことから、オルタネータベルトに大きな負荷がかかったり、あるいは素早い制御ができないために依然として安定性に欠けるという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、オルタネータとして誘導機を採用し、電気負荷やエンジン回転数の変動といった、オルタネータの駆動トルクを変動させる要因が発生しても、その駆動トルクを任意に制御できるようにした内燃機関用の発電装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、多相巻線を有するロータおよびステータを備え、ロータが内燃機関の回転運動を伝達されて回転する誘導機と、前記誘導機により充電されるバッテリと、前記バッテリから給電され、ロータの多相巻線に回転磁界を発生させる回転磁界発生手段とを具備した内燃機関用の発電装置において、電気負荷の増減といった誘導機の駆動トルクを変動させる事象が発生すると、回転磁界発生手段が、増減後の電気負荷を駆動トルク変動を伴うこと無く賄えるように回転磁界速度を制御した後、今度は前記増減後の電気負荷を、ステータに対する回転磁界の相対速度が予定回転速度でも賄えるように、駆動トルク変動を伴う回転磁界制御を漸次実行するようにしたことを特徴とする。
【００１３】
上記した特徴によれば、電気負荷が増減しても駆動トルク変動が体感されることなく理想的な発電量制御が可能になる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
初めに、本発明の基本的な考え方について説明する。誘導機の実質的な回転速度はロータが発生する回転磁界のステータコイルに対する相対速度Ｎで表すことができ、ロータの界磁巻線（多相巻線）が回転磁界ではなく直流磁界を発生していれば、前記相対速度Ｎはロータの機械的な回転速度と一致する。ここで、ロータの多相巻線に回転磁界を発生させた場合を考えると、ロータの機械的な回転速度をＮ１ 、ロータの多相巻線に発生する回転磁界の速度をＮ２ とすれば前記相対速度Ｎは次式で表される。
Ｎ＝Ｎ１ ＋Ｎ２ …（１）
すなわち、誘導機のロータが発生する回転磁界のステータコイルに対する相対速度Ｎは、ロータの機械的な回転方向とロータの多相巻線が発生する回転磁界の回転方向とが一致していれば、ロータの機械的な回転速度Ｎ１ よりも早くなり、回転方向が逆であれば、ロータの回転速度Ｎ１ よりも遅くなる。したがって、誘導機を車両用のオルタネータとして採用すれば、エンジン回転数に同期してロータの機械的回転速度Ｎ１ がどのように変化しても、それに応答してロータの多相巻線に発生させる回転磁界速度Ｎ２ を適宜に制御すれば、前記相対速度Ｎを任意に制御することができる。
【００１７】
一方、図１０に示したように、オルタネータの駆動トルクＴは前記相対速度Ｎの関数として表すことができるので、前記のようにして回転磁界の相対速度Ｎを任意に制御することができれば、オルタネータの駆動トルクＴもロータの機械的な回転速度Ｎ１ にかかわらず任意に制御できることになる。
【００１８】
このように、本発明では誘導機の駆動トルクＴが回転磁界のステータに対する相対速度Ｎの関数であること、および前記相対速度Ｎはロータの多相巻線に発生する回転磁界速度Ｎ２ を制御できればロータの機械的な回転速度Ｎ１ にかかわらず任意に制御可能であることに着目し、誘導機の駆動トルクを車両の状態等に応じて任意に制御できるようにした。
【００１９】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態である車両用の発電装置の主要部の構成を示したブロック図であり、図２は本発明の発電装置を構成するオルタネータ１の構成を示した図であり、同図（ａ） は回転軸に垂直な平面での断面図、同図（ｂ） は回転軸に平行な平面での断面図である。本発明のオルタネータ１は、ロータ１Ｒおよびステータ１Ｓのそれぞれに３相巻線すなわち３相界磁コイル１１、１２が形成された、いわゆる誘導機である。
【００２０】
図２において、オルタネータ１の回転軸１３には、３相界磁コイル１１を具備したロータ１Ｒが同軸状に固定され、ロータ１Ｒの周囲には、３相界磁コイル１２を具備したステータ１Ｓが配置されている。回転軸１３はフロントベアリング１５ａおよびリアベアリング１５ｂを介してハウジング１７に対して回転自在に支持されている。回転軸１３の一端にはプーリー１４が固定され、その他端には、ロータ１Ｒの各界磁コイル１１（１１ａ〜１１ｃ）へ励磁電流を供給するブラシ１９ａ〜１９ｃと接触するスリップリング１８ａ〜１８ｃが形成されている。
【００２１】
また、回転軸１３の他端側のオルタネータ１内には、後述する回転子励磁装置２、ＡＣＧ・ＥＣＵ３、切換制御装置５および短絡装置８が、回転軸１３と直交する同一平面上でハウジング１７の内側に沿って円周方向に並べて配設されている。これによって各装置間での配線の取り回しが容易になり、かつデッドスペースの有効利用が可能になってオルタネータの大型化が抑制される。
【００２２】
図１において、ＡＣＧ・ＥＣＵ３は、エンジンＥＣＵ４と通信してエンジン回転数Ｎｅ や電気負荷等を検出すると、ロータ１Ｒに電気的に発生させる回転磁界の速度Ｎ２ 、回転磁界電圧、あるいは回転磁界位相等を決定し、回転子励磁装置２の電気的回転磁界制御部２ａへ通知する。電気的回転磁界制御部２ａは、ＡＣＧ・ＥＣＵ３から通知された回転磁界速度Ｎ２ 等に基づいて、ロータ１Ｒの各界磁コイル１１ａ，１１ｂ，１１ｃに供給する交流電力の位相、振幅および周波数を制御し、回転速度Ｎ２ の回転磁界を電気的に発生させる。
【００２３】
切換制御装置５は、ＡＣＧ・ＥＣＵ３と通信してオルタネータ１の動作状態を検出し、発電機として機能するタイミングではオルタネータ１の出力端子が出力制御装置７の接点▲１▼へ接続され、電動機として機能するタイミングでは短絡装置８の接点▲２▼へ接続されるように切換回路６の各接点を制御する。なお、オルタネータ１を発電機として機能させるタイミングでは、オルタネータ１の出力電力の一部を電気的回転磁界制御部２ａを介してオルタネータ１に自己励磁用として供給する場合もある。
【００２４】
出力制御装置７は整流回路７ａおよびレギュレータ７ｂを具備し、オルタネータ１から出力される交流電力をバッテリ９の電圧に応じた直流電力に変換する。短絡装置８は、オルタネータ１の各界磁コイル１２ａ，１２ｂ，１２ｃの出力端を可変抵抗を介して、または介さずに短絡する。直流励磁制御部２ｂは前記電気的回転磁界制御部２ａと選択的に付勢され、ロータ１Ｒの界磁コイル１１ａ，１１ｂに直流電力を供給してロータ１Ｒに磁界を発生させる。
【００２５】
このような構成において、ＡＣＧ・ＥＣＵ３はエンジンＥＣＵ４で検出されたエンジン回転数Ｎｅ や電気負荷等の動作パラメータが通知されると、エンジン回転数Ｎｅ とプーリー比等に基づいてオルタネータ１のロータ１Ｒの機械的な回転速度Ｎ１ を演算する。さらに、ＡＣＧ・ＥＣＵ３は、エンジンＥＣＵ４から指示される目標駆動トルク範囲にオルタネータ１の実際の駆動トルクが収まるように、ロータ１Ｒが発生する回転磁界のステータ１Ｓに対する相対速度Ｎを制御すべく、ロータ１Ｒの３相巻線に電気的に発生させる回転磁界の速度Ｎ２ を算出し、これを電気的回転磁界制御部２ａへ通知する。
【００２６】
電気的回転磁界制御部２ａは、ロータ１Ｒの３相コイル１１の各相の励磁タイミングを制御して速度Ｎ２ の回転磁界を電気的に発生させる。ロータ１Ｒの各界磁コイル１１ａ，１１ｂ，１１ｃから出力される交流電力は出力制御装置７で直流電力に変換され、その一部は現在の電気負荷へ供給され、残りはバッテリ９へ充電される。なお、誘導機自体の制御方法は公知なのでその説明は省略する。
【００２７】
次いで、本発明による駆動トルク制御の具体例について図３を参照して説明する。図３（ａ） は、上記した構成の発電装置における駆動トルクの制御方法の一例を示した図であり、本実施形態では、ロータ１Ｒの機械的回転速度にかかわらずオルタネータ１の駆動トルクが上限トルクＴｍａｘ 以下に制限されるようにしている。このようなトルク制御は、上限トルクＴｍａｘ によって定まる低速側上限値Ｎａ 以下または高速側下限値Ｎｂ 以上に相対速度Ｎが保たれるように、前記ロータ１Ｒの機械的回転速度Ｎ１ に応じて、ロータ１Ｒの３相巻線に電気的に発生させる回転磁界の速度Ｎ２ を制御することで達成される。
【００２８】
図８は、上記した実施形態の動作を示したフローチャートである。ステップＳ１では、オルタネータ１の機械的な回転数すなわちロータ回転数Ｎ１ が計測される。この回転数Ｎ１ は、例えばエンジン回転数Ｎｅ とプーリー比とに基づいて演算することができる。ステップＳ２では、オルタネータの現在の駆動トルクＴが計測される。この駆動トルクＴは、トルク計を用いて計測しても良いが、オルタネータ１の出力電流や励磁電流を測定することによっても計測できる。
【００２９】
ステップＳ３では、検出された駆動トルクＴが上限トルクＴｍａｘ を超えているか否かが判断され、超えていると判断されると、ステップＳ４では、バッテリ電圧に基づいてバッテリ残容量が検出される。ここで、オルタネータの発電量Ｍは相対速度Ｎの上昇に伴って増加することから、本実施形態ではステップＳ４においてバッテリ残容量が不十分（例えば、バッテリ電圧が１２Ｖ以下）と判断されると、ステップＳ５ａでは相対速度Ｎを増して駆動トルクＴを減じるための回転磁界速度、すなわち相対速度Ｎを前記高速側下限値Ｎｂ 以上にするための回転磁界速度＋Ｎ２ が算出される。一方、バッテリ残容量が十分（例えば、バッテリ電圧が１２．５Ｖ以上）と判断されると、ステップＳ５ｂでは相対速度Ｎを減じて駆動トルクＴを減じるための回転磁界速度、すなわち相対速度Ｎを前記低速側上限値Ｎａ 以下にするための回転磁界速度−Ｎ２ が算出される。ステップＳ６では、ロータの多相巻線に速度Ｎ２ の回転磁界が誘起される。
【００３０】
また、図３（ｂ） はオルタネータ１の駆動トルクの他の制御方法の一例を示した図であり、本実施形態では、ロータの機械的回転速度にかかわらずオルタネータ１の駆動トルクが下限トルクＴｍｉｎ 以上に保たれるようにしている。このようなトルク制御も、相対速度Ｎが下限値Ｎ３ を下回らないように前記ロータ１Ｒの機械的な回転速度Ｎ１ に応じて回転磁界速度Ｎ２ を制御することで達成される。
【００３１】
さらに、同図（ｃ） は駆動トルクのさらに他の制御方法の一例を示した図であり、本実施形態では、ロータの機械的回転速度にかかわらずオルタネータの駆動トルクが一定トルクＴｃ に保たれるようにしている。このようなトルク制御も、相対速度Ｎが目標速度Ｎ４ に常に一致するように、ロータ１Ｒの機械的な回転速度Ｎ１ に応じて回転磁界速度Ｎ２ を制御することで達成される。
【００３２】
本実施形態によれば、ロータ１Ｒの回転速度Ｎ１ にかかわらずオルタネータの駆動トルクＴを所望の予定値または予定範囲内に収めることができるので、オルタネータベルトへの過度の負担増または負担減、あるいは大きな負担変動を防止できるようになると共に、エンジンの回転数変動も防止できる。
【００３３】
ところで、オルタネータでは温度が低下すると多相巻線の電気抵抗が低下して励磁電流が多く流れるため、図４に示したように、同一相対速度での駆動トルクは高温時よりも低温時の方が高くなる。したがって、例えばオルタネータの駆動トルクを上限トルクＴｍａｘ 以下に制限したい場合の相対速度Ｎの低速側上限値および高速側下限値も、高温時にはＮａＨ，ＮｂＨであったものが低温時にはそれぞれＮａＬ，ＮｂＬとなる。したがって、上記のようにして相対速度Ｎに基づいてオルタネータの駆動トルクＴを目標値または目標範囲内に収めるよう制御するのであれば、オルタネータ１の温度をパラメータとして相対速度Ｎと駆動トルクＴとの関係を予め定義しておくことが望ましい。
【００３４】
なお、上記した各制御方法では、オルタネータの駆動トルクが任意の絶対的な範囲内または値に制御されるものとして説明したが、現在の駆動トルクよりも高くする、または低くするといったように、現在の駆動トルクとの関係において相対的に制御されるようにしても良く、例えば車両状態に応じて、誘導機の駆動トルクが現在よりも増減されるように回転磁界速度を制御すれば良い。
【００３５】
すなわち、図５に示した本発明の第２実施形態のように、例えば電気負荷が４０Ａである動作点Ａの状態でアクセル開度やエンジン回転数等に基づいて車両の加速状態が検出されたときには、回転磁界速度Ｎ２ をΔＮ２１だけ増して相対速度Ｎを速め、これによって動作点をＣへ遷移させることで駆動トルクを低くする。また、車両のエンジンブレーキ状態が検出されたときには、回転磁界速度Ｎ２ をΔＮ２２だけ減じて相対速度Ｎを遅くし、これによって動作点をＢへ遷移させて駆動トルクを高くすれば、加速性能やエンジンブレーキ性能が向上する。
【００３６】
次いで、本発明の第３実施形態について説明する。上記した第１および第２実施形態では、オルタネータ１の電気負荷が考慮されていなかったが、実使用ではエアコンやヘッドランプ等のオン／オフによって電気負荷が大きく変動し、電気負荷が異なればオルタネータ１の相対速度Ｎと駆動トルクＴとの関係も大きく変化する。図６は、オルタネータ１の相対速度Ｎと駆動トルクＴとの関係を電気負荷をパラメータとして表した図であり、相対速度Ｎが同一であっても電気負荷が増えれば駆動トルクＴも増加することが分かる。
【００３７】
ここで、相対速度Ｎ１０で３０Ａの電力を発生しているときに電気負荷が４０Ａに増えると、本来であれば駆動トルクもＴ１ からＴ２ へ増大する。このため、車両には当該トルク変動に応じたショックが発生すると共に、駆動トルクの増大によるエンジン回転数の一時的な低下を引き起こしかねない。そこで、本実施形態では電気負荷の増減によって駆動トルクが変動しそうになると、この電気負荷の増減分を相対速度Ｎの増減で補い、これによってトルク変動を防止するようにしている。すなわち、本実施形態では上記のようにして相対速度Ｎ１０で３０Ａの電力を発生しているときに電気負荷が４０Ａに増えると、回転磁界速度Ｎ２ を増して相対速度をＮ１０からＮ２０へ増加させる。この結果、駆動トルクを一定に保ったままで発電量を３０Ａから４０Ａへ増やすことが可能になる。
【００３８】
また、オルタネータの相対速度Ｎと発電効率ηとの関係は、図７に示したように相対速度Ｎのある一点Ｎｘ で最高効率ηｍａｘ を示し、この最高効率回転速度Ｎｘ から離れるにしたがって発電効率ηは減少する。したがって、相対速度Ｎは最高効率ηｍａｘ の得られる回転数に維持することが望ましい。
【００３９】
そこで、本実施形態では電気負荷の増減といった、オルタネータの駆動トルクを変動させる事象が発生すると、初めは前記のようにして駆動トルクを変動させることなく当該変動を補うために、ロータの多相巻線に電気的に発生させる回転磁界の速度Ｎ２ を変化させて相対速度Ｎを制御するが、その後は、発電量を一定に保ったまま、駆動トルク変動を伴って相対速度Ｎが最高効率回転速度Ｎｘ に一致するように回転磁界速度Ｎ２ を徐々に変化させるようにしている。このとき、回転磁界速度Ｎ２ の制御すなわち相対速度Ｎの制御は、駆動トルク変動がドライバーに体感されず、あるいはオルタネータベルトに急激なショックとして表れない程度の速度で漸次行うことが望ましい。
【００４０】
本実施形態によれば、オルタネータの駆動トルクを変動させるような事象、すなわちエンジン回転数や電気負荷の増減が発生しても、オルタネータの駆動トルクを急激に変化させることなく当該事象に対処できるようになる。
【００４１】
なお、本実施形態では多相巻線として３相巻線を有するロータおよびステータによって構成される誘導機を例にして説明したが、本発明はこれのみに限定されず、４相、５相…等の他の多相巻線を採用した場合にも同様に適用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば、電気負荷が増減しても、初めは駆動トルク変動を伴わない発電量制御が行われ、その後は、駆動トルク変動を伴う発電量制御が漸次行なわれるので、電気負荷が増減しても駆動トルク変動が体感されることなく理想的な発電量制御が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両用発電装置の一実施形態のブロック図である。
【図２】本発明のオルタネータの構成を示した図である。
【図３】本発明の第１実施形態の制御方法を説明するための図である。
【図４】相対速度Ｎと駆動トルクＴとの関係をオルタネータの温度をパラメータとして示した図である。
【図５】本発明の第２実施形態の制御方法を説明するための図である。
【図６】本発明の第３実施形態の制御方法を説明するための図である。
【図７】回転磁界の相対速度Ｎと効率ηとの関係を示した図である。
【図８】第１実施形態の制御方法を示したフローチャートである。
【図９】従来技術のオルタネータの主要部の構成を示した図である。
【図１０】相対速度Ｎと駆動トルクＴとの関係を示した図である。
【符号の説明】
１…オルタネータ，１Ｒ…ロータ，１Ｓ…ステータ，２…回転子励磁装置，３…ＡＣＧ・ＥＣＵ，４…エンジンＥＣＵ，５…切換制御装置，７…出力制御装置，８…短絡装置，９…バッテリ，１１，１２…３相界磁コイル，１３…回転軸，１４…プーリー，１５ａ…フロントベアリング，１５ｂ…リアベアリング，１７…ハウジング，１８ａ〜１８ｃ…スリップリング，１９ａ〜１９ｃ…ブラシ

Claims (2)

1. 多相巻線を有するロータおよびステータを備え、ロータが内燃機関の回転運動を伝達されて回転する誘導機と、
   前記誘導機により充電されるバッテリと、
   前記バッテリから給電され、ロータの多相巻線に回転磁界を発生させる回転磁界発生手段とを具備し、
   前記回転磁界発生手段は、電気負荷が増減すると、増減後の電気負荷を駆動トルク変動を伴うこと無く賄えるように回転磁界速度を発生させた後、今度は前記増減後の電気負荷を、ステータに対する回転磁界の相対速度が予定回転速度でも賄えるように、駆動トルク変動を伴う回転磁界制御を漸次実行することを特徴とする内燃機関用の発電装置。
2. 前記電気負荷の増減は、ヘッドライトまたはエアコンディショナのオン／オフであることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関用の発電装置。

Images