JP4122458B2 - 発電機／モータシステム及び前記システムを操作する方法 - Google Patents

Description

本発明は、特許請求項１の前文に記載される発電機／モータシステム、及びこの発電機／モータシステムを操作するための方法に関する。

現在、内燃機関を有する自動車において、スタータと発電機を組合せて、単一の電気機械を形成する試みがなされている。

しかし、これらの試み中において、一般的な設計段階においても、２つの完全に矛盾する必要条件を満足させねばならないという問題がある。

一方では、内燃機関を始動させ、加速させるために、極めて高い回転トルクを与える必要がある。このトルクは、エンジンの大きさ、あるいは、内燃機関のシリンダの数に依存し、２４０Ｎｍよりも大きいこともある。さらに、電気モータは、内燃機関を始動速度まで加速するために、必要なトルクを有さねばならない。

他方では、内燃機関がうまく始動した後、スタータ／発電機として設計されている電気モータは、自動車の車載電力システム内に給電するために、主に発電機として、操作されるべきである。これに関連して、内燃機関によって予め定められた極めて広い回転速度の範囲、すなわち、６００から６０００回転／分（モータ）の範囲にわたって、できるだけ高い効率で、一定の電力の出力が維持される必要がある。

図３ａに示されるような、三相回転磁場機械３０と、フィルターコンデンサＣを有する回転磁場ブリッジ回路内の電圧印加パルス制御インバータ（ＰＲＷ）３１とからなる標準的な駆動装置によって、両方の必要条件を経済的に満足させることは、実質的に不可能である。

これに関連して、克服する必要がある問題は、欠くことのできない電力用電子機器の小型化及び完全な一体化である。必要なフィルターコンデンサは、一体化に対する障害である。特に、比較的低い車載電力システムの電圧、すなわち、４２Ｖの場合、必要とされる始動トルクを生成するために、非同期式の機械内における略１２００Ａの位相電流が、現在、検討されている。これに関連して、例えば、回転磁場機械３０と、パルス制御インバータ３１と、中間回路コンデンサＣとを有する従来の駆動システムの設計を示す、図３ａに示されるような中間回路コンデンサＣは、かなりの寸法が見込まれ、これらの寸法は、一体化を妨げる。

また、吸収空間における測定をすると、すぐに、ここではいかなる妥協もできないことがわかる。自動車内での厳しいＥＭＣ要求を満足するために、フィルタリングは必要である。駆動装置の他の特性を同じように維持しながら、機械の電流、従って、フィルター電流を低減させることが必要である。

回転磁場機械とパルス制御インバータとを有する駆動システムの構成は、従来の通り、以下、図３Ｂを参照して、説明する通りである。

図３ｂは、従来の回転速度／トルク特性を示している。図３ｂの実線は、回転磁場機械の具体的な構成によって何が達成可能であるか、及び関連するパルス制御インバータの電力を示している。

例えば、標準的なパルス制御インバータの形態、すなわち、６パルスブリッジ回路内における１つのパルス制御インバータをそのままにし、パルス制御インバータの（皮相）電力を維持しながら、始動トルクを増大させる場合、回転磁場機械の巻線をそれに応じて変化させねばならない。最も簡単な場合、ワイヤを細くし、巻数を多くする。その結果、図３ｂで破線によって示される特性曲線が得られる。この対策は、パルス制御インバータの電力を変化させずに、始動トルクを増大させることができるが、これは、比較的高い回転速度における発電機電力を犠牲にしてのみ達成され得ることが明らかである。形状構成点は、それに応じて降下する。比較的高い巻数によって、回転磁場機械が、速い段階で、その磁場の減退モード、すなわち、パルス制御インバータの変調限界に達し、その後、発電機モード中に、より少ない電力しか出力することができない。

特に、自動車用途、具体的には、スタータ／発電機装置において、パルス制御インバータのコストも決定的な役割を演じる。パルス制御インバータのコストは、今日では、そのパルス制御インバータが負担しなければならない電流強度によって主として判断されるよりも、むしろ、そのパルス制御インバータの形態において整流されねばならない電流強度によって判断される。この特性変数によって、車業界の特にＥＭＣに敏感に反応する分野において特に用意しなければならないフィルターの費用が決定される。さらに、フィルターは、小型化を妨げると共に、特に高温における信頼性の問題もある。この理由から、特に、整流されるべき電流を低減させるために、駆動回路内の電力用電子機器を可能な限り効率的に構成する試みが必要である。

非特許文献１は、切換可能な極と、２つの巻線システムと、２つの個別パルス制御インバータを有する回転磁場機械を記載している。しかし、これらの巻線システムの特定の組合せによって、最適の巻線因子は得られず、その結果、回転磁場機械は、所定の外形寸法のパルス制御インバータに対して可能な最大パルス制御インバータ電流を最適な形態でトルクに変換することができない。回転磁場機械が切り換えられたときの動的挙動は、対応するトルクの過渡的効果の発生なしでは起こり得ない。これは、駆動相において際立った問題を生じ、ユーザの快適さに悪影響を及ぼすことがある。長い間知られているダーランダ（Ｄａｈｌａｎｄｅｒ）回路も、同様の問題を有している。

特許文献１において、それ自体が周知である、いわゆるダイオードクランプ二重／三レベルコンバータは、新規なパルス方法によって、２つの巻線システムの並列／直列切換が生じるように、作動される。同時に、回転磁場機械の極数は、切換中に保持され得る。切換は、電圧ベクトルの異なる予設定によってなされるので、この切換は、殆ど騒音もなく、トルクの過渡的効果もなく、行なわれる。さらに、巻線システムは、それらの相内において「向きを変える（ｐｉｖｏｔ）」ことができるので、フィルタリングされる中間回路電流をさらに著しく減少させることができる。このシステムは、最も技術的に進展しているが、極めて複雑で、かつコストが高い。

この理由から、純正コンバータともいうべき、給電用電力コンバータと機械用電力コンバータを有するシステムが、高度の融通性を達成することができるので、最も好適であり得る。このような純正コンバータは、例えば、非特許文献２に記載されている。前記文献において、パルスパターンを同期化することによって、脈動電流の著しい減少を達成することができる。もし脈動電流を減少させることができれば、システムの効率も同時に増大させることができる。何故なら、給電用電力コンバータにおけるコンデンサの比較的大きな量のエネルギーは、従来、散逸エネルギーにも変換されているからである。

独国特許出願公開第１９９ ３１ ０１０Ａ１号明細書 Ｍ．オサマ（Ｍ．Ｏｓａｍａ）、Ｔ．Ａ．リポ（Ｔ．Ａ．Ｌｉｐｏ）：「電子極の変化に基づく広速度範囲の誘導モータ駆動装置のモデリング及び分析（Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ａ ｗｉｄｅ−ｓｐｅｅｄ−ｒａｎｇｅ ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｏｌｅ ｃｈａｎｇｉｎｇ）」、ＩＥＥＥ トランザクションズ オン インダストリ アプリケーション（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ）、１９９７年９月／１０月、第３３巻、５号 Ｌ．サック（Ｌ．Ｓａｃｋ）：「２段階自己整流コンバータの直流連結コンデンサにおける損失の低減（Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏｓｓｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ＤＣ−ｌｉｎｋ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｏｆ ｔｗｏ−ｓｔａｇｅ ｓｅｌｆ−ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）」、ＥＰＥ１９９９年の予稿集、ローザンヌ、スイス

この理由から、本発明の目的は、パルス制御インバータ内で整流されるべき電流を、簡単に、かつ高い費用効率で、著しく低減させることができる、発電機／モータシステム、及びこのモータ／発電機システムを操作するための方法を構成することにある。

この目的は、本発明によれば、特許請求項１の特徴を有する発電機／モータシステム、及び特許請求項８の特徴を有するこの発電機／モータシステムを操作するための方法によって、達成される。

パルス制御インバータを、定格電力の半分を各々が有する２つの同一のパルス制御インバータに分割することによって、発電機／モータシステムを星形回路と単相回路の両方で操作し、その結果として、フィルターの均一な電流負荷を広範囲にわたって得ることができるようにすると、特に有利である。その結果、星形回路において、従来の位相電流のほぼ半分しか整流する必要がないので、始動中のピーク電流、及びこのピーク負荷に合わせたフィルターの設定の両方が、回避される。

本発明のこの目的、及び他の目的、利点、及び特徴は、図面と併せて、好ましい例示的実施形態の以下の説明から、明らかになるであろう。

図１は、本発明による発電機／モータシステムの回路図を示している。本発明による発電機／モータシステムは、三相回転磁場機械ＤＭを有し、この回転磁場機械ＤＭの個々の発電機位相巻線又は機械位相ａ、ｂ、及びｃは、第１及び第２パルス制御インバータＰＷＲ１及びＰＷＲ２に接続されている。第１及び第２パルス制御インバータＰＷＲ１及びＰＷＲ２は、同一の設計で、同一の定格電力を有している。パルス制御インバータＰＷＲ１及びＰＷＲ２は、各々、６つの電子分岐スイッチＳ１〜Ｓ６であって、例えば、ＭＯＳトランジスタ又はＩＧＢＴ（集積ゲートバイポーラトランジスタ）から形成され、対称的かつ直列に配置されて３つの分岐対になる電子分岐スイッチＳ１〜Ｓ６と、該パルス制御インバータと並列に接続されるフィルターコンデンサＣ１及びＣ２とからなる。第１及び第２パルス制御インバータＰＷＲ１及びＰＷＲ２に分割した結果、これらのフィルターコンデンサＣ１及びＣ２に著しく小さいコンデンサを選択することができ、これは、寸法の全体及び電力損に有利な影響を及ぼす。

２つのパルス制御インバータＰＷＲ１及びＰＷＲ２との間に、電子スイッチＳ７が機械位相ａ、ｂ、及びｃと並列に形成され、該電子スイッチＳ７を介して、第１パルス制御インバータＰＷＲ１の正バスバーが、第２パルス制御インバータＰＷＲ２の正バスバーに接続可能であり、及びそれから切断可能である。この電子スイッチＳ７は、必要ではないが、双方向性とすることができる。寄生逆バイアスダイオードを有するパワーＭＯＳトランジスタが、非双方向スイッチとして、スイッチＳ７に用いられ得る。

以下、図１を参照して、本発明による発電機／モータシステムを操作する方法を説明する。

本発明による発電機／モータシステムは、２つの異なる操作モードが可能である。

１．星形回路での操作
星形回路では、分岐スイッチＳ１、Ｓ２、及びＳ３が閉成され、分岐スイッチＳ４、Ｓ５、及びＳ６、並びに電子スイッチＳ７が開成される。従って、パルス制御インバータＰＷＲ１は、図示される３つの機械位相ａ、ｂ、及びｃに対して、星形点を形成する。６パルスブリッジ回路内の電圧印加パルス制御インバータＰＷＲ１及びＰＷＲ２において、星形点の電位は、スイッチオンされた電圧ベクトルの関数として、中間回路の電圧の１／３から２／３の間に急激に下がる。これらのスイッチがＭＯＳからなる場合、逆バイアスダイオードは、作動される必要がない。

先行技術と比較して、電流を導通させるのに、半分のパルス制御インバータ、具体的には、パルス制御インバータＰＷＲ１しか利用しないので、これの補償として、回転磁場機械ＤＭは、巻数の多い固定子を備える。トルクを決定する磁束鎖交は、このようにして保持される。その結果、図２における特性曲線分岐１が得られる。同等の大きいトルクが導入されるが、エネルギーを変換するのに、半分の回路、具体的には、パルス制御インバータＰＷＲ１しか関与しないので、元の位相電流の略半分しか整流されないことにもなる。もし中間回路の電圧に関して、同一の脈動（ｒｉｐｐｌｅ）が許容されるなら、フィルターの消費も略半分になる。

２．単相回路（「Ｖ結線」）での操作
勿論、回転磁場機械ＤＭの固定子の巻数が略２倍になっているので、パルス制御インバータＰＷＲ１の変調限界は、標準的な解決策と比較して、すでに回転速度の半分になっている。ここで、パルス制御インバータＰＷＲ１によって形成される星形点を排除し、発電機／モータシステムを単相回路で操作する。この目的のために、電子スイッチ７を閉成し、パルス制御インバータＰＷＲ１を、各位相がそれ自身のハーフブリッジを受けるように、すなわち、第１及び第２パルス制御インバータＰＷＲ１及びＰＷＲ２の分岐スイッチがすべて閉成される、ように作動させる。端末電圧を略半分に減少させることによって、本発明による発電機／モータシステムの変調限界は、高回転速度側にさらに移行される。同一の設計点が得られる。従って、本発明による発電機／モータの特性曲線の特性曲線分岐２は、１つの標準的な回路の特性曲線とほぼ重なる。

その結果、本発明による切換可能な発電機／モータシステムを用いることによって、目的が達成される。モータ／発電機システムを切り換えることによって、フィルターの電流負荷は、広範囲にわたって、均一化される。従って、始動中のピーク電流及びこのピーク負荷に合わせたフィルターの設定が、回避される。

１つの操作モードから他の操作モードへの切換は、本発明によれば、効率に関して最適化されるように、行われる。最大の特性のみが、図２に示されている。部分負荷の場合、ソフトウエア・モジュールとして導入可能な制御ユニットによって、効率に関して最適化されるように、正確な特性図に依存する切換点が決められる。切換は、衝撃を生じることなく行なわれるので、可能な限り頻繁に切換を行なうことが、理論的に可能である。

さらに、本発明による回路を用いる利点は、コンデンサの零入力電流の一部が、スイッチＳ７を用いて、遮断され得ることにある。

さらに、発電機／モータシステム内の電子スイッチに、故障（例えば、短絡又は断線）が生じていても、単相回路は、非同期式の機械と共に、操作、この場合、いくらか制限された操作を行なうことができるので、信頼性が増大する。その結果、回転磁場を形成することも常に可能である。これは、標準的な三相のブリッジ回路では、行なうことができない。

さらに、脈動電流が低下することによって、フィルターの全体が小さくなるだけではなく、フィルターの費消も低減されるので、効率が増大される。

本発明による発電機／モータシステムの回路図である。 従来の発電機／モータシステムのトルク／回転速度特性と、本発明による発電機／モータシステムの相当するトルク／回転速度特性である。 従来の駆動システムの構成を示す図。 従来の回転速度／トルク特性を示す図。

Claims (9)

1. 移動ユニット、自動車、船舶などに適用される、車載電力システム発電機及びスタータとしての電気的発電機／モータシステムにおいて、
   発電機三相巻線（ａ、ｂ、ｃ）を有する回転磁場機械（ＤＭ）と、所定の最大電力を有し、前記回転磁場機械（ＤＭ）の前記発電三相巻線（ａ、ｂ、ｃ）に接続されるパルス制御インバータとを有する電気的発電機／モータシステムであって、
   前記パルス制御インバータは、互いに同一で最大電力の半分を有する第１及び第２パルス制御インバータ（ＰＷＲ１、ＰＷＲ２）に分割され、前記第１及び第２パルス制御インバータ（ＰＷＲ１、ＰＷＲ２）は、各々、３つの分岐対（Ｓ１、Ｓ４；Ｓ２、Ｓ５；Ｓ３、Ｓ６）を有し、前記３つの分岐対（Ｓ１、Ｓ４；Ｓ２、Ｓ５；Ｓ３、Ｓ６）の各々は、前記３つの発電機位相巻線（ａ、ｂ、ｃ）の関連する巻線に接続され、同一方向において互いに直列に配置される少なくとも２つの対称的に配列される電子分岐スイッチ（Ｓ１〜Ｓ６）からなり、前記分岐対（Ｓ１、Ｓ４；Ｓ２、Ｓ５；Ｓ３、Ｓ６）は、前記分岐スイッチ（Ｓ１〜Ｓ６）を介して直流電圧源に接続され、前記発電機位相巻線（ａ、ｂ、ｃ）は、前記直流電圧源の極と前記関連する分岐対（Ｓ１、Ｓ４；Ｓ２、Ｓ５；Ｓ３、Ｓ６）の中心点との間に接続され、いずれの場合も、フィルターコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）が、前記第１及び第２パルス制御インバータ（ＰＷＲ１、ＰＷＲ２）の前記分岐対（Ｓ１、Ｓ４；Ｓ２、Ｓ５；Ｓ３、Ｓ６）に並列に接続され、電子スイッチ（Ｓ７）が、前記第１パルス制御インバータ（ＰＷＲ１）と前記第２パルス制御インバータ（ＰＷＲ２）とを前記直流電圧源の正極に接続する正バスバーによって形成され、該電子スイッチ（７）を介して、前記パルス制御インバータ（ＰＷＲ１、ＰＷＲ２）の前記正バスバーが互いに接続又は切断され得ることを特徴とする電気的発電機／モータシステム。
2. 前記電子スイッチ（Ｓ７）は、一方向性であることを特徴とする請求項１に記載の電気的発電機／モータシステム。
3. 前記電子スイッチ（Ｓ７）は、寄生逆バイアスダイオードを有するパワーＭＯＳトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の電気的発電機／モータシステム。
4. 前記電子スイッチ（Ｓ７）は、双方向スイッチであることを特徴とする請求項１に記載の電気的発電機／モータシステム。
5. 前記分岐スイッチ（Ｓ１〜Ｓ６）は、寄生逆バイアスダイオードを有するパワーＭＯＳトランジスタであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気的発電機／モータシステム。
6. 前記回転磁場機械（ＤＭ）は、１つのパルス制御インバータのみが回路内に接続されるとき、前記第１及び第２パルス制御インバータ（ＰＷＲ１、ＰＷＲ２）が前記回路内に接続されたときの磁束鎖交に、対応する磁束鎖交を生じさせることが可能であるように、固定子の巻数が増大されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気的発電機／モータシステム。
7. 制御ユニットがさらに設けられ、該制御ユニットは、部分的な負荷において、効率に関して最適化されるように、特性図に依存する切換点を星形回路操作モードから単相回路に移すことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電気的発電機／モータシステム。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の発電機／モータシステムを操作するための方法において、
   前記第１パルス制御インバータ（ＰＷＲ１）の、前記直流電圧源の正極の側に配置される前記分岐スイッチ（Ｓ１〜Ｓ３）を閉成して維持し、前記直流電圧源の負極の側に配置される前記分岐スイッチ（Ｓ４〜Ｓ６）と前記電子スイッチ（Ｓ７）の両方、並びに前記第２パルス制御インバータ（ＰＷＲ２）の前記分岐スイッチのすべてを開成して維持することによって、前記発電機／モータシステムを星形回路で操作するステップと、
   前記回転磁場機械（ＤＭ）の回転速度を検知し、特性図に依存する切換点を決定するステップと、
   前記決定された切換点において、前記制御ユニットを用いて、前記電子スイッチＳ７を閉成し、前記第１パルス制御インバータを、各発電機位相巻線（ａ、ｂ、ｃ）がそれ自身のＨブリッジを受けるように、すなわち、前記第１及び第２パルス制御インバータ（ＰＷＲ１、ＰＷＲ２）の前記分岐スイッチのすべてが閉成されるように、作動させることによって、前記発電機／モータシステムを前記単相回路における操作に切り換えるステップとを含むことを特徴とする方法。
9. 前記切換点は、効率に関して最適になるように決定されることを特徴とする請求項８に記載の方法。

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