JP4237075B2

JP4237075B2 - 回転電機

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Publication number: JP4237075B2
Application number: JP2004040236A
Authority: JP
Inventors: 仁志磯田; 淑人浅尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2004-02-17
Publication date: 2009-03-11
Anticipated expiration: 2024-02-17
Also published as: US20080150376A1; EP1717932A4; EP1717932A1; EP1717932B1; JP2005237056A; US7633197B2; WO2005078906A1

Description

この発明は、固定子巻線の温度を推定して検出する回転電機に関するものである。

従来の回転電機には、固定子の巻線温度を検出する温度検出素子を収納するガイドを備え、このガイドを巻線のコイルエンド部に直接接触保持させているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−９２８５８号公報（第２頁−第５頁、第３図）

しかし、上記回転電機によれば、温度検出素子をコイルエンド部に保持させるために、温度検出素子を収納するガイドが別途必要となるとともに、固定子に固定するため、ガイドは切り欠き部や引っ掛かり部等の複雑な形状を有することとなり、回転電機の組立工程が複雑になるという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、回転電機の組立性を向上させつつ、温度測定手段の固定子巻線温度の検出精度を向上させることが可能な回転電機を得ることを目的とするものである。

この発明に係る回転電機は、固定子巻線と、固定子巻線温度を推定するために前記固定子巻線の近傍に設けられた温度測定手段と、前記温度測定手段を支持し、熱伝導性を有する支持部と、前記固定子巻線と前記支持部との間に介在し、固定子巻線から前記支持部に熱伝導する熱伝導体とを備え、前記固定子巻線の温度の推定値は、前記温度測定手段により測定された測定温度と補正値との和により算出され、前記推定値は、時間平均することにより補正されることを特徴とする。

この発明に係る回転電機によれば、温度測定手段を固定子巻線に保持する必要がないので、回転電機の組立性を向上させるとともに、固定子巻線の温度は、温度測定手段により測定された測定温度とこの測定温度を補正する補正値との和により算出して推定するので、固定子巻線温度の検出精度を向上させることができる効果がある。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において、同一または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１について、図に基づいて説明する。図１は、この発明の実施の形態１による車両用回転電機の構成を示す断面図であり、図２は、図１の温度センサ取付け部および固定子近辺要部を示す断面図である。
図１に示すように、車両用回転電機は、ボルト１により一体化され、非発熱部材より成るブラケット２、３から構成されたケース４と、このケース４内に軸受５および６を介して支承され、一端部にプーリ７がナット８により固定された回転軸９と、この回転軸９に固定された回転子１０と、回転軸９の他端部に固定され回転子１０に電線１１を介して電流を供給するスリップリング１２と、回転子１０の両側面に固定された冷却ファン１３、１４と、ケース４に固定された固定子１５と、スリップリング１２に摺動する一対のブラシ１６と、配線基板１７および図示しない電線を介して固定子１５に電気的に接続された端子台１８と、ブラケット２の支持部１９に形成された穴部１９ａに挿入され、温度センサ出力リード線２０を介して外部接続用コネクタ（図示せず）に接続された温度検出手段である温度センサ２１とを備えている。

ブラケット２、３には、車体への取付穴２ａ、３ａや内部冷却用の通気孔２ｂ、２ｃ、２ｄ、３ｂ、３ｃが形成されている。また、ブラケット２の反回転子１０側には筒状のフード部２ｆが突設されているとともに、このフード部２ｆの内方に、回転子１０の回転位置を検出するセンサ６０のセンサ取付部２ｅが形成されている。

回転子１０は、電流を流して磁束を発生する界磁巻線２２と、界磁巻線２２を覆って設けられその磁束によって磁極が形成される一対のポールコア体２３、２４からなる回転子鉄心とを備えている。
この回転子鉄心は、ボビン２２ａを介して界磁巻線２２が設けられた円筒部２３ａ、２４ａと、爪状の磁極部２３ｂ、２４ｂとを有する。
この磁極部２３ｂ、２４ｂは、それぞれ所定の極数形成されるとともに、界磁巻線２２の外径側を覆うように交互に交差している。隣接する磁極部２３ｂと磁極部２４ｂとは周方向に所定の間隔を介して一定のピッチで配列され、界磁巻線２２により交互に異極となるように磁化されている。この間隔には永久磁石２５が介挿され、磁極部２３ｂと磁極部２４ｂと間の漏洩磁束を低減するようになっている。

固定子１５は、回転子１０による回転磁界が通る固定子鉄心２６と、この固定子鉄心２６に導線が巻回されて構成され出力電流が流れる固定子巻線２７とから構成されている。

図２に示すように、温度センサ２１は、ブラケット２に設けられた温度センサ２１の支持部１９の穴部１９ａに挿入されて、樹脂などの部材２８により埋め込まれている。これにより、温度センサ２１は、固定子１５近傍に設置される。なお、樹脂としては、比較的熱伝導性の高いもの（例えば、金属等を混入させたものなど）が用いられる。
固定子巻線２７からの発熱は、固定子巻線２７から熱伝導体である固定子鉄心２６を介してブラケット２に熱伝達が行われる熱伝導構造になっている。

また、車両用回転電機が回転すると回転子１０に取付けられた冷却ファン１３によって、外気が通気孔２ｂ、２ｃ、３ｂ、３ｃ等から吸気され冷却風２９が生じ、この冷却風は固定子巻線２７のコイルエンド部および固定子巻線２７の周辺を通り、ブラケット２に設けられた排気口（図示せず）を通っていく方向に流れる。この冷却風２９により固定子巻線２７、固定子鉄心２６を冷却すると同時に、ブラケット２の温度センサ２１が取付けられている近辺も冷却されるようになっている。このように、この実施の形態では、空気が冷却媒体となっている。

次に、上記構成の車両用回転電機を発電機として使用した場合の動作について説明する。
バッテリ（図示せず）からブラシ１６、スリップリング１２を通じて界磁巻線２２に電流が供給されて磁束が発生し、回転子鉄心部の磁極部２３ｂはＮ極が磁化され、磁極部２４ｂはＳ極が磁化される。
一方、エンジンによってプーリ７は駆動され、回転軸９によって回転子１０が回転するため、固定子巻線２７には回転磁界が与えられ、固定子巻線２７には起電力が生じる。この交流の起電力は、インバータ（図示せず）の整流器を通って直流に整流されるとともに、このインバータ（図示せず）によりその大きさが調整されて、バッテリに充電される。

次に、上記構成の車両用回転電機を電動機として使用した場合の動作について説明する。
エンジンの始動時には、前記インバータにより交流電流が固定子巻線２７に供給される。また、界磁電流がブラシ１６、スリップリング１２を介して界磁巻線２２に供給されて磁束が発生し、回転子鉄心部の磁極部２３ｂはＮ極に磁化され、磁極部２４ｂはＳ極に磁化される。そして、固定子１５及び回転子１０が電磁石として作用し、回転子１０が回転軸９とともに固定子１５内で回転する。この回転軸９の回転力がプーリ７を介してエンジンの出力軸に伝達され、エンジンが始動される。

上述のように車両用回転電機は発電電動機能を有し、発電・電動状態では固定子巻線２７は温度が上昇するが、温度センサ２１が固定子巻線２７に当接していないため、固定子巻線２７の温度と温度センサ２１の温度は差が生じることとなる。

次に、図１に示した車両用回転電機の固定子巻線温度の推定値の算出方法について説明する。
図３は、図１に示した車両用回転電機の固定子巻線温度Tsおよび温度センサ２１の温度Thと回転電機回転速度との関係を示す図である。図４は、固定子巻線温度Tsと温度センサ２１の温度Thとの温度差ΔTと、回転電機回転速度との関係を示す図である。
なお、図３、４は、本願発明者が実験により求めたデータに基づいて作成されたものであり、固定子巻線温度Tsと温度センサ２１の温度Thとは、線電流を一定で固定子巻線温度が飽和状態となった状態で測定されている。

図３、４に示すように、線電流が一定の場合は回転速度が変化しても、温度飽和時の固定子巻線温度Tsおよび温度センサ２１の温度Thは変化するが、温度差ΔTはほぼ変化せず推移していることが確認される。

これは、ブラケット２自体が発熱源とはなっておらず、固定子巻線２７から温度センサを取付ける支持部１９までは熱伝導が行われる熱伝導構造となっていること、および、同一の冷却風で固定子１０を構成する部材および温度センサ２１近辺のブラケット２が冷却されることにより、固定子巻線２７の温度変化と温度センサ２１の温度変化とが同様に推移し、任意の状態で固定子巻線温度Tsよりも温度センサ２１の温度Thの方が低いことによるものと考察される。

そこで、Tsa=Th＋ΔT、ΔT＝α、α：定数とし、固定子巻線温度Tsと温度センサ２１の温度Thの温度差ΔTを特定の定数値αを補正値として温度センサ２１の温度Thから固定子巻線温度推定値Tsaを算出する。

ここで、連続定格での線電流の最大値は、車両用回転電機の電磁気仕様や、直流交流双方向電力変換機の線電流容量で制限される。
したがって、連続定格での線電流の最大値Iac(max)の状態で固定子巻線温度が飽和したときの固定子巻線温度Ts(max)と温度センサ２１の温度Th(max)との温度差ΔT(max)を測定し、Tsa＝Th＋ΔT(max)として、温度センサ２１の温度Thから固定子巻線２７の温度Tsaを推定する。

次に、推定された固定子巻線温度推定値Tsaを用いた上記構成の車両用回転電機の動作例について説明する。

一例として、推定された固定子巻線温度推定値Tsaを固定子巻線２７の過熱保護の判断基準に用いる。
車両用回転電機は、推定された固定子巻線温度推定値Tsaが所定の温度（例えば、固定子巻線２７を過加熱から保護するために設定された温度）以上の場合に、過加熱から保護するために固定子巻線２７に流れる電流を抑制し、固定子巻線２７での発熱を低減する。

また、他の例としては、固定子巻線温度推定値Tsaをエンジンを停止するための判断基準に用いている。
車両用回転電機が回転子１０に接続されたエンジン（図示せず）を駆動させる電動機として使用される場合に、車両停止時に、固定子巻線温度推定値Tsaが所定の値以下であれば、エンジンを停止させる。
ここで、固定子巻線温度推定値Tsaが所定の値以下では、固定子巻線２７の抵抗値が所定の値以下となり、車両用回転電機の３相端子間に生じる電圧が低く設定され、エンジンを再始動させる場合に車両用回転電機の制御が容易になるようになっている。

以上のように、この実施の形態１の車両用回転電機によれば、固定子巻線温度Tsを温度センサ２１の温度から精度よく推定することができる効果がある。

また、温度測定手段の近辺に発熱源がないため、固定子巻線温度Tsを温度センサ２１の温度からより精度よく推定することができる。

また、同一の冷却媒体により冷却されるため、固定子巻線２７と温度センサ２１の温度変化は同様に推移することとなり、固定子巻線温度Tsを温度センサ２１の温度からより精度よく推定することができる。

また、支持部１９と固定子１０とが別部材であるため、組立工程がそれぞれ独立し、最終工程で、温度センサ２１を取り付けることができるので、組立性がよい。

また、推定された固定子巻線温度推定値Tsaを加熱保護の判断基準として用いることにより精度よく車両用回転電機の過熱保護を行うことができる。

また、推定された固定子巻線温度推定値Tsaをエンジンを停止するための判断基準として用いることにより、車両停止時に精度よくエンジンを停止することができる。

また、温度センサ２１はブラケット２の穴部１９ａに挿入し樹脂で埋め込むだけであるので、温度センサ２１を固定子巻線２７に当接するように取付けて固定するための部材等が必要なく、工作性を向上することができる。

なお、固定子巻線２７の温度が所定の値の時の温度検出精度が必要な場合は、そのときの固定子巻線温度と温度センサ２１の温度との温度差ΔTxを測定しておき、上式の定数項を設定しておけば、該所定の値での温度が精度よく測定できる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２による車両用回転電機の構成、動作については実施の形態１と同様であるが、固定子巻線温度Tsと温度センサ２１の温度Thとの温度差ΔTの算出方法が異なるものである。

ここでは、固定子巻線1相分の発熱量Qaは固定子巻線1相分の抵抗をRとすると、Qa=R×Iac²であるため、温度差ΔTを固定子巻線２７の温度上昇の主原因である固定子巻線２７に流れ込む線電流の2次関数として決定している。

すなわち、Tsa=Th＋ΔT、ΔT＝α×Iac²（α：係数）とし、温度差ΔTを線電流実効値Iacの2次関数として温度センサ２１の温度Thから固定子巻線温度推定値Tsaを算出するものである。

図５は、この発明の実施の形態２による車両用回転電機の線電流実効値に対する固定子巻線温度と温度センサ検出温度の差を示す図である。
図５に示すように、固定子巻線２７に流れる線電流が大きくなるにつれ、固定子巻線温度と温度センサ２１の温度との温度差は大きくなる。

ここで、図５にα＝0.0014と設定し、ΔT=α×Iac² とした2次曲線も示しており、この2次曲線は実験から得られた固定子巻線温度Tsと温度センサ２１の温度Thの温度差ととほぼ同等の値を示していることが確認される。
すなわち、Tsa＝Th＋ΔT、ΔT=α×Iac²と設定することにより固定子巻線２７の温度を精度よく推定されることが確認される。

以上のように、この発明の実施の形態２による車両用回転電機によれば、固定子巻線２７と温度検出部の温度差を、固定子巻線２７の温度上昇の原因となる固定子巻線２７の発熱に対応する関数とすることで、線電流の値が変化しても温度センサ２１の温度から固定子巻線温度Tsを精度よく推定することができる。

なお、Iacは線電流と表現しているが、線電流として使用する値としては、車両用回転電機の三相線の線電流を表すことができる物理量等（図示しない電流センサから読み取られる線電流実効値、図示しないフィルタ回路を通った後の線電流実効値、３相から２相変換された後の２相電流値の二乗和等）を用いても係数αの設定値を変更することにより適用可能である。

また、固定子巻線２７の温度と温度センサ２１による推定値にまだ差がある場合は、ΔT＝α×Iac²＋β×Iac＋γ （β、γは定数）としてもよい。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３による車両用回転電機の構成、動作については実施の形態１、２と同様であるが、固定子巻線温度推定値Tsaを時間平均することにより補正するものである。

すなわち、Tsb＝((Tsa)＋K)/(N＋1) 、Tsa＝Th＋ΔT、ΔT＝α×Iac²（α：係数）として、温度センサ２１の温度Thから固定子巻線温度推定値Tsaを算出して補正し、固定子巻線温度推定値Tsbを算出するものである。

ここで、温度差ΔTは線電流Iacの2次関数、Kは現時点から前のX秒間のTsaの加算、Nは現時点から前のX秒間の温度センサ２１による固定子巻線温度推定値の個数（＝現時点から前のX秒間の温度センサ２１の温度測定値の個数）としている。

図６は、この発明の実施の形態３による車両用回転電機の線電流の変化に対する固定子巻線温度、温度センサ検出温度、および、温度センサによる固定子巻線温度推定値を示す図である。
図６では、車両用回転電機の線電流Iacを０Arms、50Arms、100Armsと一定の時間間隔を空けて交互に変化させたときの固定子巻線温度Ts、温度センサ２１の温度Th、および上記式でα＝0.0014 、X=６０秒間の場合の固定子巻線温度推定値Tsbを示している。

図６に示すように、線電流が増加するように変化すると固定子巻線温度Tsと温度センサ２１の温度Thの温度差は固定子巻線温度が飽和状態になるまで増加し、線電流が減少するように変化すると固定子巻線温度Tsと温度センサ２１の温度Thの差は固定子巻線温度が飽和状態になるまで減少する。

これに対して、上記のようにα、X（K、N）の値を設定し、温度センサ２１の温度Thから推定し、時間平均により補正した固定子巻線温度推定値Tsbは、固定子巻線温度Tsの測定値にほぼ追従している。

以上のように、この発明の実施の形態３による車両用回転電機によれば、固定子巻線２７に流れる線電流が任意に変化する過渡状態においても温度センサ２１の温度から固定子巻線温度Tsを精度よく推定することができる。

なお、以上の各実施の形態では、特定の車両用回転電機のデータに基づいて考察しているが、体格や巻線仕様が異なる車両用回転電機にも各係数の設定値を変更することにより、同様に適用することができる。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４による車両用回転電機の要部の構成を示す断面図である。図７において、回転電機は、実施の形態１の回転電機と比べて、固定子鉄心２６に接合され、非発熱部材で構成された支持部３０を備えていえる点にある。温度センサ２１は、この支持部３０に形成された穴部３１に挿入されて樹脂などの部材２８で埋め込まれている。
この支持部３０は、鉄などの比較的熱伝導率の良い部材で構成されている。固定子鉄心２６の外周面と支持部３０との隙間には、樹脂・接着剤・ワニス等の部材が塗布されており、空気層が構成されないようにして溶接などにより接合され、この接合部分の熱伝導性を向上させている。

以上のように、この発明の実施の形態４による車両用回転電機によれば、固定子１５と支持部３０が別部材で構成されることにより、固定子１５の製造に特別な加工・工程を施す必要がなく、工作性がよい。

また、既述の実施の形態１ないし３と同様な温度推定方法で係数や設定値を変更することにより、固定子巻線２７の温度を精度よく推定することができ、車両用回転電機の温度保護、車両停止時のエンジン停止の判断基準とすることができる。

なお、以上の各実施の形態では、車両に用いられる回転電機について説明したが、回転電機を船外機等に用いてもよい。

この発明の実施の形態１による車両用回転電機の構成を示す断面図である。図１の車両用回転電機の温度センサ取り付け部分近傍を示す断面図である。図１の車両用回転電機の回転速度と固定子巻線温度および温度センサ検出温度の関係を示す図である。図１の車両用回転電機の回転速度と、固定子巻線と温度センサの温度差との関係を示す図である。この発明の実施の形態２による車両用回転電機の線電流実効値に対する固定子巻線温度と温度センサ検出温度の差を示す図である。この発明の実施の形態３による車両用回転電機の線電流の変化に対する固定子巻線温度、温度センサ検出温度、および温度センサによる固定子巻線温度推定値を示す図である。この発明の実施の形態４による車両用回転電機の温度センサ取り付け部分近傍を示す断面図である。

符号の説明

２、３ブラケット、１０回転子、１５固定子、１９支持部、２１温度センサ、２２界磁巻線、２４回転子鉄心、２６固定子鉄心、２７固定子巻線、３０支持部。

Claims

固定子巻線と、
固定子巻線温度を推定するために前記固定子巻線の近傍に設けられた温度測定手段と、
前記温度測定手段を支持し、熱伝導性を有する支持部と、
前記固定子巻線と前記支持部との間に介在し、固定子巻線から前記支持部に熱伝導する熱伝導体とを備え、
前記固定子巻線の温度の推定値は、前記温度測定手段により測定された測定温度と補正値との和により算出され、
前記推定値は、時間平均することにより補正されることを特徴とする回転電機。
固定子巻線と、
固定子巻線温度を推定するために前記固定子巻線の近傍に設けられた温度測定手段と、
前記温度測定手段を支持し、熱伝導性を有する支持部と、
前記固定子巻線と前記支持部との間に介在し、固定子巻線から前記支持部に熱伝導する熱伝導体とを備え、
前記固定子巻線の温度の推定値は、前記温度測定手段により測定された測定温度と補正値との和により算出され、
前記推定値が所定の値以下の場合に、車両停止時に、前記回転電機により回転駆動されるエンジンを停止させることを特徴とする回転電機。
前記支持部は、非発熱部材から構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の回転電機。
前記固定子巻線と前記支持部とは、同一の冷却媒体により同時に冷却されることを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の回転電機。
前記支持部は、前記固定子巻線を有する固定子と別部材であることを特徴とする請求項１ないし４の何れか１項に記載の回転電機。
前記補正値は、前記固定子巻線に流れる線電流の値に基づいた物理量の関数によって決定されることを特徴とする請求項１ないし５の何れか１項に記載の回転電機。
前記補正値は、前記線電流の値の２次関数で決定されることを特徴とする請求項６に記載の回転電機。
前記温度測定手段は、温度センサであることを特徴とする請求項１ないし７の何れか１項に記載の回転電機。
前記推定値が所定の値以上の場合に、前記固定子巻線に流れる電流を抑制することを特徴とする請求項１ないし８の何れか１項に記載の回転電機。
前記支持部は、前記固定子巻線を有する固定子を支持する前記ブラケットに設けられていることを特徴とする請求項１ないし９の何れか１項に記載の回転電機。
前記支持部は、前記固定子巻線が装着された固定子鉄心の外周面に設けられていることを特徴とする請求項１ないし９の何れか１項に記載の回転電機。
前記熱伝導体は、前記固定子巻線が設けられた固定子鉄心であることを特徴とする請求項１ないし１１の何れか１項に記載の回転電機。