JP3783639B2 - 車両用交流発電電動装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車等に搭載されて発電動作および電動動作を行う車両用交流発電電動装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
最近では、車両用発電機を電動機化して、発電動作のみならず始動機として用いたり、高速回転域で走行補助に用いたりする技術が提案されている。特に、このような発電動作と電動動作を行う車両用発電電動装置を用いて、エンジンや車両の起動を行う場合には、電動動作時に大きな起動トルクが得られるとともに、発電動作時に大きな発電出力が得られることが要求される。例えば、三相の電機子巻線に120°の導通角で二相通電を行って回転磁界を生成することにより、この電機子巻線に180°の導通角で三相通電を行う場合に比べて√3/1.5倍の駆動トルクを得る手法が従来から知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した二相通電を行う従来方式では、上述したように三相通電を行う場合に比べて約20%駆動トルクを高めることができるが、最近の小型化、高出力化の要求は厳しいため、さらなる高出力化が求められている。特に、二相通電による高出力化を行った場合には、常時残りの一相が非通電状態にあるため、この相にも有効に通電を行うことによって高出力化を行う方法が望まれる。
【0004】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、電動動作時の電動トルクを増すことができる車両用発電電動装置を提供することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電電動装置は、星型結線がなされた三相巻線を有する電機子と、電機子に対応する回転子と、電機子に接続された第1の整流素子および第1のスイッチング手段からなる交直電力変換器と、スイッチング手段のオンオフタイミングを制御する制御装置と、三相巻線の中性点に電流を入出力する電流入出力手段とを備えており、電流入出力手段によって三相巻線の各相以外から中性点に対して電流の入出力を行うことにより、三相巻線の各相にほぼ大きさが同一の電流を同時に流している。従来の三相通電のように、一の相電流を他の2相に分岐して流すのではなく、中性点に電流を入出力することにより各相にほぼ大きさが同一の電流を同時に流しているため、これらの電流によって生じる起磁力を合成して得られる合成起磁力、すなわち電動動作時の電動トルクを増すことが可能になる。
【0006】
また、上述した電流入出力手段は、交直電力変換器に接続された電源の正負極と中性点との間で並列接続された第2の整流素子および第2のスイッチング手段からなっており、制御装置によって第2のスイッチング手段のオンオフタイミングを制御することにより、中性点の平均電圧を、正負極の中間電圧に維持することが望ましい。このように、第2の整流素子と第2のスイッチング手段を用いて中性点の平均電圧を電源の正負極の中間電圧に維持することにより、電流入出力手段と中性点との間で一の相電流と同じ大きさの電流を入出力することが可能になり、これにより、三相巻線の各相にほぼ大きさが同一の電流を同時に流すことが可能になる。
【0007】
また、上述した第2の整流素子および第2のスイッチング手段と中性点との間にリアクタを挿入することが望ましい。これにより、中性点の電圧を滑らかに平均電圧に保つことができるため、高調波の乱れトルクを低減することができる。また、上述した電流入出力手段は、交直電力変換器に接続された電源の正負極と中性点との間に接続されたコンデンサであり、中性点の平均電圧を、正負極の中間電圧に維持することが望ましい。コンデンサに対する充放電動作によって中性点の平均電圧を正負極の中間電圧に維持することにより、スイッチング手段を用いることなく三相巻線の各相にほぼ大きさが同一の電流を同時に流すことができるとともに、構成および制御の簡略化が可能になる。
【0008】
また、上述した制御装置は、第1のスイッチング手段のオンオフタイミングを切り替えることにより、三相巻線に対する全波通電と半波通電を選択的に行うことが望ましい。これにより、例えば内部誘導起電力が小さい低速回転時に三相巻線に全波通電を行って大きな駆動トルクを確保し、内部誘導起電力が大きい高速回転時に三相巻線に半波通電を行って外部から見た誘導起電力を下げて大きな駆動トルクを確保することができる。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電電動装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本実施形態の車両用交流発電電動装置の結線図である。図1に示すように、本実施形態の車両用交流発電電動装置100は、電機子(図示せず)に含まれる多相巻線としての三相巻線1、回転子(図示せず)に含まれる界磁巻線2、交直電力変換器3、制御装置4を含んで構成されている。
【0010】
三相巻線1は、界磁巻線2が設けられた回転子の1磁極分に相当する電気角180°ピッチで電機子鉄心(図示せず)に巻回されて各相巻線が星型結線されている。この三相巻線1の各相の3つの出力端と中性点Nとが交直電力変換器3に接続されている。
【0011】
交直電力変換器3は、ソース・ドレイン間に整流素子としてのダイオード31〜38のそれぞれが並列接続された8個のスイッチング手段としてのトランジスタ41〜48からなっている。トランジスタ41〜48は、例えばパワーMOSFETが用いられており、それぞれのオンオフタイミングがゲートに入力される駆動信号によって制御される。この交直電力変換器3は、外部のバッテリ10に接続されており、車両用交流発電電動装置100が発電動作を行う場合には交直電力変換器3からバッテリ10に向けて充電電流が供給され、反対に電動動作を行う場合にはバッテリ10から交直電力変換器3に向けて電動動作に必要な駆動電流が供給される。
【0012】
なお、交直電力変換器3を構成する8個のダイオード31〜38と8個のトランジスタ41〜48の中でダイオード34、38およびトランジスタ44、48が三相巻線1の中性点Nに対して電流を入出力する電流入出力手段として動作する。本実施形態では、この電流入出力手段を交直電力変換器3の一部に含ませたが、交直電力変換器3とは別に電流入出力手段を設けるようにしてもよい。
【0013】
制御装置4は、界磁巻線2に対する界磁電流の供給を行うとともに、交直電力変換器3に含まれる8個のトランジスタ41〜48のそれぞれのオンオフタイミングを制御する。具体的には、制御装置4は、回転子の回転位置あるいは回転速度に基づいて、回転子のq軸に対して電機子電流が流れるように、中性点N以外に対応する6個のトランジスタ41〜43、45〜47のオンオフタイミングを制御する。また、制御装置4は、中性点Nに対応する2個のトランジスタ44、48のそれぞれが交互に同一の割合でオン状態になるように高速PWM(パルス幅変調)制御を行っており、これにより中性点Nの電圧が、交直電力変換器3に接続された電源としてのバッテリ10の正負極の中間電圧を維持するように、すなわちバッテリ電圧のほぼ1/2となるように制御される。
【0014】
本実施形態の車両用交流発電電動装置100はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。
上述したように、三相巻線1の各相巻線の出力端のみならず中性点Nも交直電力変換器3内のトランジスタ44、48に接続されており、本実施形態の車両用交流発電電動装置100では、制御装置4によってこれらのトランジスタ44、48を制御して三相巻線1の各相に流す駆動電流を増加させている。
【0015】
図2は、駆動電流制御の具体例を示す図である。例えば、制御装置4は、図2に示すように、三相巻線1のX相とバッテリ10の正極端子との間に接続されたトランジスタ41と、中性点Nとバッテリ10の正極端子との間に接続されたトランジスタ44と、三相巻線1のY相、Z相とバッテリ10の負極端子との間に接続されたトランジスタ46、47をオン状態に制御する。なお、図2では、各トランジスタをオン状態にして流れる電流を正規化して1で示している。
【0016】
中性点Nに着目すると、三相巻線1の各相X、Y、Zと中性点Nの電流の総和がゼロであればよいため、本実施形態では、トランジスタ44、48をオン状態に制御して中性点Nに各相X、Y、Z以外の経路で電流を入出力することで、各相に同一の大きさの電流を流している。
【0017】
図3は、三相巻線1の各相X、Y、Zと中性点Nのそれぞれに流れる電流の状態を示す図である。図3に示すように、三相巻線1の各相には電気角で180°の導通角で、互いに120°異なる電流IX、IY、IZが流れるとともに、中性点Nには120°の電気角を1周期とする電流INが流れている。任意の時刻t1において中性点Nに入出力される電流を見ると総和がゼロになっている。
【0018】
このように、本実施形態の車両用交流発電電動装置100では、三相巻線1の各相に同じ大きさの電流が流れるため、各相に同じ大きさの起磁力が発生し、これら全体を合成した合成起磁力を大きくすることができる。したがって、車両用交流発電電動装置100の電動動作時の電動トルクを増すことが可能になる。
【0019】
図4は、本実施形態の車両用交流発電電動装置100を電動動作させたときの合成起磁力の説明図である。図2に示すように、三相巻線1の各相に同じ大きさの電流が流れて同じ大きさの起磁力FX、FY、FZが発生するため、これらの合成起磁力Fは、FXと同じ方向であって大きさがその2倍となる。これに対し、従来の三相通電を行った場合の合成起磁力は、図5に示すように、X相の起磁力FXの3/2倍であり、本実施形態の車両用交流発電電動装置100の方が約30%大きな起磁力が得られたことになる。また、従来の二相通電を行った場合の合成起磁力は、図6に示すように、X相の起磁力FXの√3倍であり、本実施形態の車両用交流発電電動装置100の方が約15%大きな起磁力が得られたことになる。
【0020】
実際に、3KWクラスの発電電動機を用いて試験した結果、二相通電した場合に約50Nmの起動トルクであったものが、本実施形態の通電制御を行うことにより約58Nmの起動トルクとなり、約15%の増加が確認された。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、三相巻線1の中性点Nと交直電力変換器3との間を直接接続したが、これらの間にリアクタ(コイル)を挿入するようにしてもよい。
【0021】
図7は、三相巻線の中性点Nと交直電力変換器との間にリアクタを挿入した車両用交流発電電動装置の変形例を示す図である。図7に示す車両用交流発電電動装置100Aでは、三相巻線1の中性点Nと交直電力変換器3との間にリアクタ5が接続されている。このようなリアクタ5を用いる場合には、リアクタ5が交流抵抗となって高速回転域での中性点電流が減少し、三相巻線1の各相の最大値維持の制御が難しくなるため若干出力が低下するが、中性点Nの電圧を滑らかに平均的電圧に保つことができ、高調波の乱れトルクの低減が可能になる。
【0022】
また、上述した実施形態では、交直電力変換器3内に8個のダイオード31〜38と8個のトランジスタ41〜48を備えたが、中性点Nに対応するダイオードとトランジスタを省略して構成の簡略化を図るようにしてもよい。
図8は、交直電力変換器の構成を簡略化した車両用交流発電電動装置の変形例を示す図である。図8に示す車両用交流発電電動装置100Bに含まれる交直電力変換器3Aでは三相巻線1の中性点Nに対応するダイオードやトランジスタが省略されており、代わりに中性点Nとバッテリ10の正極端子および負極端子との間に電流入出力手段としてのコンデンサ61、62が接続されている。なお、図8では、これらのコンデンサ61、62を交直電力変換器3Aとは別に備えるように図示したが、交直電力変換器3Aに含ませるようにしてもよい。
【0023】
これにより、コンデンサ61、62による充放電動作によって中性点Nの平均電圧がバッテリ電圧のほぼ1/2になるようにすることで中性点Nに電流を流すことが可能になり、三相巻線1の各相に同じ大きさの電流を流すことができるため、車両用交流発電電動装置100Bを電動動作させたときの電動トルクを増すことが可能になる。また、中性点Nに対応するトランジスタのオンオフ制御が不要になるため、従来構成の車両用交流発電電動装置で用いられている交直電力変換器と同じ制御によって図8に示す交直電力変換器の制御を行うことが可能になり、制御装置4の設計が容易になる。
【0024】
また、上述した実施形態では、制御装置4によって交直電力変換器3内の各トランジスタ41〜48のオンオフタイミングを制御して三相巻線1に全波通電を行うようにしたが、このオンオフタイミングの制御内容を適宜変更して、三相巻線1に対する全波通電と半波通電を選択的に行うようにしてもよい。これにより、例えば、内部誘導起電力が小さい低速回転時に三相巻線1に全波通電を行って大きな駆動トルクを確保するとともに、内部誘導起電力が大きい高速回転時に三相巻線1に半波通電を行って外部から見た誘導起電力を下げて大きな駆動トルクを確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施形態の車両用交流発電電動装置の結線図である。
【図2】駆動電流制御の具体例を示す図である。
【図3】三相巻線の各相X、Y、Zと中性点Nのそれぞれに流れる電流の状態を示す図である。
【図4】本実施形態の車両用交流発電電動装置を電動動作させたときの合成起磁力の説明図である。
【図5】従来の三相通電を行った場合の合成起磁力の説明図である。
【図6】従来の二相通電を行った場合の合成起磁力の説明図である。
【図7】三相巻線の中性点と交直電力変換器との間にリアクタを挿入した車両用交流発電電動装置の変形例を示す図である。
【図8】交直電力変換器の構成を簡略化した車両用交流発電電動装置の変形例を示す図である。
【符号の説明】
1 三相巻線
2 界磁巻線
3、3A 交直電力変換器
4 制御装置
5 リアクタ
10 バッテリ
31〜38 ダイオード
41〜48 トランジスタ
61、62 コンデンサ
100、100A、100B 車両用交流発電電動装置
Claims (4)
- 星型結線がなされた三相巻線を有する電機子と、
前記電機子に対応する回転子と、
前記電機子に接続された第1の整流素子および第1のスイッチング手段からなる交直電力変換器と、
前記第1のスイッチング手段のオンオフタイミングを制御する制御装置と、
前記三相巻線の中性点に電流を入出力する電流入出力手段と、
を備え、前記電流入出力手段によって前記三相巻線の各相以外から前記中性点に対して電流の入出力を行うことにより、前記三相巻線の各相にほぼ大きさが同一の電流を同時に流す車両用交流発電電動装置において、
前記電流入出力手段は、前記交直電力変換器に接続された電源の正負極と前記中性点との間で並列接続された第2の整流素子および第2のスイッチング手段からなっており、
前記制御装置によって前記第2のスイッチング手段のオンオフタイミングを制御することにより、前記中性点の平均電圧を、前記正負極の中間電圧に維持することを特徴とする車両用交流発電電動装置。 - 請求項1において、
前記第2の整流素子および前記第2のスイッチング手段と前記中性点との間にリアクタを挿入することを特徴とする車両用交流発電電動装置。 - 星型結線がなされた三相巻線を有する電機子と、
前記電機子に対応する回転子と、
前記電機子に接続された第1の整流素子および第1のスイッチング手段からなる交直電力変換器と、
前記第1のスイッチング手段のオンオフタイミングを制御する制御装置と、
前記三相巻線の中性点に電流を入出力する電流入出力手段と、
を備え、前記電流入出力手段によって前記三相巻線の各相以外から前記中性点に対して電流の入出力を行うことにより、前記三相巻線の各相にほぼ大きさが同一の電流を同時に流す車両用交流発電電動装置において、
前記電流入出力手段は、前記交直電力変換器に接続された電源の正負極と前記中性点との間に接続されたコンデンサであり、
前記中性点の平均電圧を、前記正負極の中間電圧に維持することを特徴とする車両用交流発電電動装置。 - 請求項1〜3のいずれかにおいて、
前記制御装置は、前記第1のスイッチング手段のオンオフタイミングを切り替えることにより、前記三相巻線に対する全波通電と半波通電を選択的に行うことを特徴とする車両用交流発電電動装置。
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