JP4926227B2

JP4926227B2 - 電源装置

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Publication number: JP4926227B2
Application number: JP2009249069A
Authority: JP
Inventors: 直樹糸井; 昌良前田; 伸浩木原; 健治石; 浩司奥田; 文人上村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2029-10-29
Also published as: JP2011097739A; US8421422B2; US20110101930A1

Description

この発明は、磁石式交流発電機を用いた電源装置に関するものである。

従来、例えば下記特許文献１，２，３等に開示された磁石式交流発電機を用いた電源装置がある。これらの電源装置は概して、磁石式交流発電機、整流回路、発電電圧制御回路で構成されている。磁石式交流発電機で発電された電力は、整流回路により直流に変換され、発電電圧制御回路に入力される。発電電圧制御回路では、例えば蓄電装置からなる電気的負荷の電圧に合わせた電圧になるように短絡制御、あるいは開放制御が行われ、電気的負荷へ電力が供給される。

特許第４１００７９３号公報実用新案登録第２０７６３９７号公報実用新案登録第２５３０２１９号公報

従来の磁石式交流発電機を用いた電源装置では、電圧制御として開放制御と短絡制御とをそれぞれ独立して制御していた。磁石式交流発電機の回転子に回転を供給する回転力供給装置(自動車の場合であればエンジン)からの回転子への入力トルクは、回転子の回転速度に従って異なる。従って従来の電源装置における発電機では、必ずしも回転子や回転力供給装置の運転状態に応じた最適な入力トルクでの発電が行われていなかった。

また、開放動作時は、磁石式交流発電機の出力端には無負荷誘起電圧が発生する。無負荷誘起電圧は回転子の回転速度に比例し、使用最高回転速度の場合に最も高くなるため、磁石式交流発電機を含む電源装置は使用最高回転速度の場合に発生する無負荷誘起電圧を想定した耐圧設計を行う必要があった。このため、高耐圧な素子の選定をしいられ、電源装置の大型化、コスト増大を招いていた。近年、磁石式交流発電機は高出力化の傾向にあり、磁石式交流発電機に発生する無負荷誘起電圧はますます増大しているため、より高耐圧な設計を行う必要があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、磁石式交流発電機を用いた電源装置において、回転子や回転力供給装置の運転状態に応じて電圧制御における磁石式交流発電機の出力端の開放制御と短絡制御を切り替えることで、磁石式交流発電機への入力トルクを低減して、回転力供給装置の運転負荷の低減を行い、ひいては発電のために必要となる回転子を回転させるエネルギーを低減できることから、従来より発電効率を向上させた電源装置を提供することを目的とする。

この発明は、界磁を構成する磁石を有する回転子、前記回転子の回転により固定子巻線に交流電流を発生させる固定子からなる磁石式発電機と、前記磁石式発電機で発生させた交流電流を直流電流に整流して電気的負荷に電力供給を行う整流部と、前記電気的負荷の電圧を検出する電圧検出部と、前記磁石式発電機の出力端の導通を遮断する開放手段と、前記磁石式発電機の出力端を電気的に短絡する短絡手段と、前記磁石式発電機の回転子に回転力を供給する回転力供給装置と、前記開放手段のオンオフ切り替え制御を行う開放制御、前記短絡手段のオンオフ切り替え制御を行う短絡制御の一方を選択しながらそれぞれに前記電圧検出部より検出された電圧に従って電気的負荷の電圧を所定値に制御する電圧制御部と、前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態に従って、前記開放制御と、前記短絡制御と、を切替えて制御する切替制御部と、を備え、前記切替制御部が、前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態として回転子側の回転速度を示す信号を入力すると共に、前記回転子側の回転速度と前記開放制御と短絡制御における前記回転力供給装置から磁石式発電機への入力トルクの大小関係との関係を示す切替情報を含む切替制御情報に基づき、前記回転子側の回転速度に従って磁石式発電機への入力トルクの小さい制御に切り替えることを特徴とする電源装置等にある。

この発明の電源装置は、回転子や回転力供給装置の運転状態に従って開放制御と短絡制御を切替えることにより、磁石式発電機への入力トルクを低減して、回転力供給装置の運転負荷の低減を行い、ひいては発電のために必要となる回転子を回転させるエネルギーを低減できることから、従来より発電効率の向上が可能になる。

この発明の実施の形態１における電源装置の全体構成を示す図である。この発明の実施の形態１における回転速度と磁石式発電機への入力トルクの関係を示す図である。この発明の実施の形態１における回転速度と電圧制御の関係を示す図である。この発明の実施の形態２における回転速度と発電機出力端電圧の関係を示す図である。この発明の実施の形態３における電源装置の全体構成を示す図である。

以下、この発明による電源装置を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電源装置の全体構成を示す図である。この実施の形態１における電源装置は、磁石式(交流)発電機１と、磁石式発電機１で発生した交流電流を直流電流に整流する整流部３と、整流部３で整流された直流電流による電力を供給する電気的負荷２と、電気的負荷２の電圧を求めるための電圧計からなる電圧検出部ＶＤと、整流部３に設けられ磁石式発電機１の出力端(この実施の形態では整流部３の正波側出力)と電気的負荷２の電気的な導通を遮断する開放手段ＳＷｏｐと、整流部３に設けられ磁石式発電機１の出力端を電気的に短絡する短絡手段ＳＷ４ｓｈ〜ＳＷ６ｓｈと、整流部３と開放手段ＳＷｏｐとを切替えて制御(開放手段ＳＷｏｐのオンオフ制御)する開放制御、整流部３と短絡手段ＳＷ４ｓｈ〜ＳＷ６ｓｈとを切替えて制御(短絡手段ＳＷ４ｓｈ〜ＳＷ６ｓｈのオンオフ制御)する短絡制御の一方を選択しながらそれぞれに、検出された電気的負荷２の電圧に従って電気的負荷の電圧を所定値に制御する電圧制御部５と、回転子１ａの回転速度や回転力供給装置の運転負荷状態などの運転状態、および記憶手段を構成するメモリＭに予め格納された所定の切替制御情報等に従って、電圧制御部５に開放制御と短絡制御との制御切換えを行わせる切替制御部４から構成される。

磁石式発電機１は、円筒形の支持体内側に回転方向(円周方向)に沿って複数に分割された界磁磁石を有する回転子１ａと、Δ結線された固定子巻線を有する固定子１ｂから構成される。回転子１ａは回転力供給装置ＲＳの回転を伝達する回転軸ＲＡに接続されている。例えば車載用の電源装置の場合、回転力供給装置ＲＳは内燃機関(エンジン)であり、回転子１ａは内燃機関のクランクシャフトに直結もしくはクランクシャフトにベルトやギア等を介して接続された回転軸ＲＡに接続されている。回転軸ＲＡの回転とともに回転子１ａが回転することで、固定子１ｂの固定子巻線に交流電流が発生する。固定子１ｂ側に発生した交流電流は、整流部３に設けられた６つのダイオードＤ１〜Ｄ６で構成される３相ダイオードブリッジにより直流電流に整流される。

電気的負荷２は、整流部３で整流された直流電流による電力が供給される例えばセンサーや電子機器(ＥＣＵ)等からなる電気的負荷(消費電力)可変の電気的負荷装置や蓄電装置等からなる。

整流部３の３相ダイオードブリッジには、整流部３の正波側ダイオードＤ１〜Ｄ３の各カソード端子と電気的負荷２の入力端子の間に直列に共通の１つのスイッチング素子ＳＷｏｐ(開放手段)が配設されている。そして電圧制御部５の制御により、電気的負荷２の電圧が所定値以上の場合、スイッチング素子ＳＷｏｐをオフすることで、磁石式発電機１の出力端と電気的負荷２の電気的な導通を遮断する。また、電気的負荷２の電圧が所定値未満の場合、スイッチング素子ＳＷｏｐをオンすることで、整流部３の３相ダイオードブリッジを介して電気的負荷２に直流電流を供給する。このようにして、電気的負荷２の電圧を所定値に調整する。これを開放制御とする。

さらに、整流部３の３相ダイオードブリッジには、磁石式発電機１から入力される３相の各入力端子と負波側ダイオードＤ４〜Ｄ６の各アノード端子の間に、３相の各入力端子から負波側ダイオードＤ４〜Ｄ６の各アノード端子への方向を順方向として、それぞれサイリスタＳＷ４ｓｈ、ＳＷ５ｓｈ、ＳＷ６ｓｈ(短絡手段)が配設されている。そして電圧制御部５の制御により、電気的負荷２の電圧が所定値以上の場合、サイリスタＳＷ４ｓｈ、ＳＷ５ｓｈ、ＳＷ６ｓｈのゲート信号をオンすることで、磁石式発電機１の出力端を電気的に短絡(還流)する。電気的負荷２の電圧が所定値未満の場合、サイリスタＳＷ４ｓｈ、ＳＷ５ｓｈ、ＳＷ６ｓｈのゲート信号をオフすることで、整流部３の３相ダイオードブリッジを介して電気的負荷２に直流電流を供給する。このようにして、電気的負荷２の電圧を所定値に調整する。これを短絡制御とする。

切替制御部４は、回転子１ａの回転速度等からなる磁石式発電機１や回転力供給装置ＲＳの運転状態を示す信号に従って、電圧制御部５に電圧制御を開放制御と短絡制御との間で切替えさせる。なお、運転状態を示す信号として、回転子１ａのための回転速度センサ(図示省略)からの回転速度信号がある。また、電源装置が車両に搭載されているものである場合、例えば回転子１ａが結合されている内燃機関のクランクシャフトの回転速度を示す回転速度センサや内燃機関の電子制御装置(共に図示省略)等から得られる回転速度信号がある。

図２には電気的負荷２の電圧を制御する各種方法における回転子１ａの回転速度に対する磁石式発電機１への入力トルクの特性を示した。図２中の開放動作時の入力トルクと、短絡動作時の入力トルクの交点の回転速度をαとすると、回転速度がα未満の領域ｎ１では、開放動作時の入力トルク(入力エネルギー)が最も小さくなる。また、回転速度がα以上の領域ｎ２では、短絡動作時の入力トルク(入力エネルギー)が最も小さくなる。このため、入力トルクが最も小さくなるように切替制御部４によって開放制御と短絡制御を切替えて制御することで、磁石式発電機１への入力トルクを低減することができる。これにより回転力供給装置ＲＳの負荷が軽減され、回転力供給装置ＲＳが内燃機関の場合は燃費の向上等が可能となる。

具体的には切替制御部４は、メモリＭに、例えば図２に示したような、回転子１ａの回転速度と開放制御と短絡制御における回転力供給装置ＲＳから磁石式発電機１への入力トルクの大小関係との関係を示す切替情報を含む切替制御情報を予め格納しておく(回転速度αを記憶)。そして、例えば回転速度α未満では開放手段による開放制御、回転速度α以上では短絡手段による短絡制御を行いながら上記２つの制御を切り替え、さらに電圧制御部５は電圧検出部ＶＤの検出電圧をモニタしながら上記２つの制御のいずれかにより電気的負荷２の電圧を制御目標値である所定値に制御する。なお開放制御と短絡制御とで磁石式発電機１への入力トルクが同じになる回転子１ａの回転速度では、例えば制御の切り替えを行わずに現在の制御を維持するようにしてもよい。

また、切替制御部４が磁石式発電機１の回転子１ａの回転に係る運転状態として、回転力供給装置ＲＳの運転負荷状態を示す信号を入力し、回転力供給装置ＲＳの運転負荷状態が高負荷状態(例えば、加速時、登坂時等)と判定された場合、上記、それぞれの回転速度領域ｎ１，ｎ２によって、整流部３での電圧制御を切替制御部４でそれぞれ開放制御(ｎ１領域)、短絡制御(ｎ２領域)に切替えて制御することで、磁石式発電機１への入力トルクを低減することができ、ひいては回転力供給装置ＲＳの負荷軽減が可能となり、回転力供給装置ＲＳが内燃機関を用いた車輌である場合は加速性の向上、登坂性の向上が可能となる。

また、回転力供給装置ＲＳの運転負荷状態が低負荷状態(例えば、減速・空走時、降坂時等)と判断された場合、上記、それぞれの回転速度領域ｎ１，ｎ２によって、整流部３での電圧制御を切替制御部４でそれぞれ短絡制御(ｎ１領域)、開放制御(ｎ２領域)に切替えて制御することで、磁石式発電機１への入力トルクを増加することができ、ひいては回転力供給装置ＲＳの負荷の増加が可能となり、回転力供給装置ＲＳが内燃機関を用いた車輌である場合は減速時の制動力向上等が可能となる。

なお、上記の回転力供給装置ＲＳが内燃機関の場合、運転負荷状態の判定として、例えば内燃機関の電子制御装置等から得られる、内燃機関の吸気管内圧力、内燃機関のスロットル開度、内燃機関を冷却する冷却水の温度を示す信号の少なくとも１つを切替制御部４が入力し、これらの信号のうちの１つ又はこれらのうちの複数の信号の組み合わせに基づいて運転負荷状態の判定を行う。

さらに図３に示すように、回転速度上昇時と下降時の電圧制御を切替えるタイミングにヒステリシスを設けることで、微小な回転変動によるチャタリングを防止することができる。図３において、横軸は回転子１ａの回転速度、縦軸は電圧制御を示す。図３に示すように電圧制御を開放制御から短絡制御に切替える回転速度をαａ、短絡制御から開放制御に切替える回転速度をαｂとした場合、αａ＞αｂとし、回転速度上昇時と下降時の電圧制御を切替えるタイミングにヒステリシスを設けることで、微小な回転変動によるチャタリングを防止することができる。なおこの電圧制御を切替えるタイミングにヒステリシスを設ける場合には、切替制御部４はメモリＭに、回転速度上昇時と下降時のそれぞれのための上記切替情報(回転速度αａ，αｂ)を予め格納しておく(以下同様)。

また、上記切替情報は、短絡制御と開放制御の大小関係とその領域を回転速度の範囲で示すテーブルとしてもよい。これらは、例えば図２に示した回転子１ａの回転速度と磁石式発電機１への入力トルク(Ｎｍ)との関係を予め測定等により求め、これらに基づいてテーブルを作成して切替制御部４のメモリＭに切替制御情報として格納しておく。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２における電源装置の全体構成は基本的には図１に示した実施の形態１のものと同様である。

図４には電気的負荷２の電圧を制御する各種方法における回転子１ａの回転速度に対する発電機出力端電圧の特性を示した。開放動作時、磁石式発電機１の出力端には無負荷誘起電圧が発生する。無負荷誘起電圧は図４に示すように、回転子１ａの回転速度に比例し、そして使用最高回転速度の場合に最も高くなる。そこで、図４中の開放動作時の発電機出力端電圧が所定値Ｖｕｐ未満の領域においては、開放制御によって電気的負荷２の電圧を制御する。そして発電機出力端電圧が所定値Ｖｕｐ以上の領域においては、電圧制御を開放制御から短絡制御に切替えて制御する。これにより、使用最高回転速度まで開放制御による電圧制御をおこなう場合に比べて、磁石式発電機１を含む電源装置は低耐圧な素子で構成でき、電源装置の小型・軽量化、コスト低減を図ることができる。所定値Ｖｕｐは、通常の使用回転速度および素子の耐圧、サイズ、コスト、図２に示す磁石式発電機１への入力トルク等から総合的に判断して設定する。

以上の動作を実現するために、磁石式発電機１に関して図４に示した回転子１ａの回転速度と磁石式発電機１の発電機出力端電圧(Ｖ)との関係を予め測定等により求め、これらに基づく回転子１ａの回転速度と発電機出力端電圧の関係を示すテーブルを切替制御部４のメモリＭに切替制御情報(回転速度α１)として予め格納しておく。そして切替制御部４は、回転子１ａの回転速度が入力されると、このテーブルに従って開放制御と短絡制御とを切り替えて行う電圧制御の切替えを行う。また、上述の電圧制御を切替えるタイミングにヒステリシスを設ける場合には、回転速度上昇時と下降時のそれぞれのための回転子１ａの回転速度と電圧制御のテーブルを予め格納しておけばよい。

なおこの情報は、例えば図４に従った、発電機出力端電圧が所定値Ｖｕｐ時の開放制御と短絡制御の切替時の回転子１ａの回転速度α１(ヒステリシスを設ける場合は回転速度上昇時用と下降時用を含む)を、切替情報として切替制御部４のメモリＭに格納しておくだけでもよい。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３における電源装置の全体構成を示す図である。この実施の形態による電源装置では図５の整流部３ａに示すとおり、３相ダイオードブリッジの正波側ダイオードＤ１〜Ｄ３の代わりに、整流機能と開放手段を構成するサイリスタＳＷ１ｓｃｒ、ＳＷ２ｓｃｒ、ＳＷ３ｓｃｒをそれぞれ設けた。また負波側ダイオードＤ４〜Ｄ６の代わりに、整流機能と短絡手段を構成するＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＳＷ４ｍｏｓ、ＳＷ５ｍｏｓ、ＳＷ６ｍｏｓを設けて構成した。これにより、整流部と短絡手段を一体に構成することが可能である。なお電源装置の動作、制御等については上記各実施の形態で説明したものと同じである。

なお上記各実施の形態では、各切替制御情報はそれぞれ切替制御部４のメモリＭに格納しているが、これに限定されるものではなく、例えばＦＶ変換器やコンパレータを用いて構成された比較回路を設け(図示省略)、外部からの回転速度信号を周波数／電圧変換して所定の回転速度α，αａ，αｂ，α１等を示す基準電圧との比較により、電圧制御部５への制御切替用の制御信号を出力させるようにしてもよい。

またこの発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態の可能な組み合わせを全て含むことは云うまでもない。

この発明の電源装置は、磁石式発電機の出力端と電気的負荷の電気的な導通を遮断する開放動作と、磁石式発電機の出力端を電気的に短絡する短絡動作と、を運転状態に応じて切替えることにより、運転状態に応じた磁石式発電機への入力トルクを低減して、磁石式発電機へトルクを供給する回転力供給装置の運転負荷を低減し、ひいては発電のために必要となる回転子を回転させるエネルギーを低減できることから、従来より発電効率の向上が可能となる。

１磁石式(交流)発電機、１ａ回転子、１ｂ固定子、２電気的負荷、３，３ａ整流部、４切替制御部、５電圧制御部、ＲＡ回転軸、ＲＳ回転力供給装置、ＶＤ電圧検出部、ＳＷｏｐ，ＳＷ１〜３ｓｃｒ開放手段、ＳＷ４〜６ｓｈ，ＳＷ４〜６ｍｏｓ短絡手段。

Claims

界磁を構成する磁石を有する回転子、前記回転子の回転により固定子巻線に交流電流を発生させる固定子からなる磁石式発電機と、
前記磁石式発電機で発生させた交流電流を直流電流に整流して電気的負荷に電力供給を行う整流部と、
前記電気的負荷の電圧を検出する電圧検出部と、
前記磁石式発電機の出力端の導通を遮断する開放手段と、
前記磁石式発電機の出力端を電気的に短絡する短絡手段と、
前記磁石式発電機の回転子に回転力を供給する回転力供給装置と、
前記開放手段のオンオフ切り替え制御を行う開放制御、前記短絡手段のオンオフ切り替え制御を行う短絡制御の一方を選択しながらそれぞれに前記電圧検出部より検出された電圧に従って電気的負荷の電圧を所定値に制御する電圧制御部と、
前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態に従って、前記開放制御と、前記短絡制御と、を切替えて制御する切替制御部と、
を備え、
前記切替制御部が、前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態として回転子側の回転速度を示す信号を入力すると共に、前記回転子側の回転速度と前記開放制御と短絡制御における前記回転力供給装置から磁石式発電機への入力トルクの大小関係との関係を示す切替情報を含む切替制御情報に基づき、前記回転子側の回転速度に従って磁石式発電機への入力トルクの小さい制御に切り替えることを特徴とする電源装置。
前記切替制御部が、前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態として前記回転力供給装置の運転負荷状態を示す信号を入力し、前記回転力供給装置が高負荷状態の時に、回転子側の回転速度に従って磁石式発電機への入力トルクの小さい制御に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記切替制御部が、前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態として前記回転力供給装置の運転負荷状態を示す信号を入力し、前記回転力供給装置が低負荷状態の時に、回転子側の回転速度に従って磁石式発電機への入力トルクの大きい制御に切り替えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記回転力供給装置が内燃機関であり、前記回転力供給装置の運転負荷状態を示す信号が、それぞれ内燃機関の吸気管内圧力、スロットル開度、冷却水の温度を示す信号の少なくとも１つからなり、これらの信号のうちの１つ又はこれらのうちの複数の信号の組み合わせに基づいて運転負荷状態の判定を行うことを特徴とする請求項２または３に記載の電源装置。
界磁を構成する磁石を有する回転子、前記回転子の回転により固定子巻線に交流電流を発生させる固定子からなる磁石式発電機と、
前記磁石式発電機で発生させた交流電流を直流電流に整流して電気的負荷に電力供給を行う整流部と、
前記電気的負荷の電圧を検出する電圧検出部と、
前記磁石式発電機の出力端の導通を遮断する開放手段と、
前記磁石式発電機の出力端を電気的に短絡する短絡手段と、
前記磁石式発電機の回転子に回転力を供給する回転力供給装置と、
前記開放手段のオンオフ切り替え制御を行う開放制御、前記短絡手段のオンオフ切り替え制御を行う短絡制御の一方を選択しながらそれぞれに前記電圧検出部より検出された電圧に従って電気的負荷の電圧を所定値に制御する電圧制御部と、
前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態に従って、前記開放制御と、前記短絡制御と、を切替えて制御する切替制御部と、
を備え、
前記切替制御部が、前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態として回転子側の回転速度を示す信号を入力すると共に、前記開放制御の開放時の前記磁石式発電機に発生する無負荷誘起電圧が所定値以上になる前記回転子側の回転速度を示す切替情報を含む切替制御情報に基づき、前記切替情報の回転子側の回転速度未満では開放制御を選択し、前記回転子側の回転速度以上では短絡制御を選択することを特徴とする電源装置。
前記回転子側の回転速度が前記回転子の回転速度であることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の電源装置。
前記開放制御と短絡制御の切り替えタイミングに、回転速度の上昇時と下降時でヒステリシスを設けたことを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の電源装置。
前記整流部が、３相ダイオードブリッジからなり、前記開放手段が、前記３相ダイオードブリッジの正波側ダイオードの各カソード端子と電気的負荷の間に共通に直列に挿入された１つのスイッチング素子からなり、前記短絡手段が、各負波側ダイオードにそれぞれ逆並列接続された３つのサイリスタからなることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の電源装置。
前記整流部が前記開放手段および短絡手段を含み、正波側がそれぞれサイリスタ、負波側がそれぞれＭＯＳＦＥＴで構成された３相ブリッジからなることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の電源装置。