JP7206721B2 - 電動発電機の制御装置 - Google Patents

Description

開示する技術は、ハイブリッド車や電気自動車などに好適で、電動機および発電機のいずれにも利用できる電動発電機の制御装置に関する。

自動車の駆動源に電動機を用いる場合、トルクおよび回転数の双方において、幅広い駆動力が要求される。例えば、始動時などの低速時には、エンジンの始動や発進に用いるため、高トルクが必要になる。一方、平地や下りでの高速走行時などには、高トルクは必要ないが、高回転が必要になる。また、上述したハイブリッド車等では、一般的に、電動機は、駆動源としてだけでなく、制動時に、運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する発電機としても利用される場合が多い。

このような電動発電機のモータ（通常は永久磁石同期モータ）では、巻線（ステータコイル）の巻き数が多いと、強い磁力を発生できるので、高トルクには有利である。ところが、逆起電力が大きくなるので、高回転には不利となる。一方、巻き数が少ないと、逆起電力が小さくなるので、高回転には有利であるが、出力できるトルクが小さくなる。従って、高トルクには不利となる。すなわち、自動車が要求するような幅広い駆動力は、モータそれ自体で実現するのは難しい。

そこで、モータの巻線の接続状態を切り替えることにより、幅広い駆動力を実現する技術が提案されている（例えば、特許文献１、２）。

特許文献１には、３相交流モータの巻線の接続状態を、電気的に切り替える巻線切替装置が開示されている。その巻線切替装置には、半導体スイッチ、ダイオード、コンデンサなどで構成された電気回路を有する巻線切替部が備えられている。巻線切替部は、一端がインバータに接続されている各相の巻線の他端と、各相の巻線の中間点と、に接続されている。

そして、巻線切替部は、半導体スイッチのオンオフにより、前者が電気的に接続された状態（第１の接続状態）と、後者が電気的に接続された状態（第２の接続状態）とに切り替える。第１の接続状態では、各相の全ての巻線に通電されるので、低速高トルクでの運転に有利となる。第２の接続状態では、各相の半分の巻線に通電されるので、高速低トルクでの運転に有利となる。

特許文献２には、３相交流モータの巻線の接続状態を、機械的に切り替える巻線切替装置が開示されている。その巻線切替装置は、インバータおよび３相交流モータと電気的に接続された装置本体と、装置本体にスライド可能な状態で収容された可動体と、可動体をスライドさせる駆動装置とで、大略構成されている。

可動体の内部には、各相に対応した配線が設けられている。可動体が、駆動装置によってスライドされることにより、各相の巻線の接続状態が、直列状態と並列状態との間で切り替わる。

特開２００９－２２５６１７号公報 特開２０１７－７０１１２号公報

特許文献１の巻線切替装置のように、高速に有利な接続状態にするために、各相の巻線の中間点で短絡させると、残りの巻線が使用されない。従って、巻線が無駄になるし、効率が低下する。そこで、このような効率の低下や巻線の無駄を無くすために、特許文献１の巻線切替装置も、特許文献２の巻線切替装置のように、残りの巻線も使用し、巻線を並列に接続することが考えられる。

ところが、巻線切替部でそのような接続状態に切り替えるためには、電気回路が複雑化して、多数の電子部品が必要になる。その結果、巻線切替部が大型化し、部材コストも高額になる。

その点、機械的に切り替える特許文献２の巻線切替装置であれば、比較的安価に、各相の巻線を直列状態と並列状態との間で切り替えることができる。

しかし、特許文献２の巻線切替装置は、構造が複雑なうえ、スライド方向に各相の切替配線を、間隔を隔てて積層する必要があるため、ある程度の大きさが必要になる。従って、設置場所が制限される。また、特許文献２の巻線切替装置は、巻線の切り替え時に、駆動装置で可動体を精度高くスライドさせ、接点の電気的な接続を安定して確保する必要がある。そのため、応答性や安定性の面でも改良の余地がある。

また、特許文献２の巻線切替装置のように、巻線を機械的に切り替える場合には、構造的な違いから、特許文献１の巻線切替装置のように、電気的に切り替える場合よりも切り替えに時間がかかる。そのため、切り替え時に、モータが出力するトルク（出力トルク）が不連続になり、トルクショックが発生し易い。更に、直列状態と並列状態との間で切り替わると、各状態での出力トルクの差によってもトルクショックが発生する。

そこで、開示する技術では、自動車が要求するような幅広い駆動力に対しても、電動発電機が安定して対応できるように、安価かつ簡素な構造で、円滑な巻線の切り替えを実現することを、主たる目的とする。

開示する技術は、複数の異なる巻線群が設けられたモータと、前記巻線群の各々に、位相の異なる交流を供給することによって前記モータを駆動制御するインバータと、前記モータと前記インバータとの間に接続された切替機構部とを含み、電動走行が可能な車両に搭載される電動発電機の制御装置に関する。

前記制御装置は、前記モータの運転状態を検知する計測部と、前記計測部から入力される信号に基づいて、前記インバータおよび前記切替機構部を制御する制御部と、を備える。

前記巻線群の各々は、複数の巻線要素で構成されている。前記切替機構部は、前記モータの運転状態に応じて、前記巻線要素を直列に接続した直列巻線状態と、前記巻線要素を並列に接続した並列巻線状態との間で、開閉することによって前記巻線群の各々の接続状態を切り替える、複数の接点を有している。そして、前記切替機構部がリレーを含み、前記複数の接点の少なくとも１つが前記リレーの機械式接点によって構成されている。

この制御装置によれば、モータの巻線群の各々が複数の巻線要素で構成されていて、切替機構部が、モータの運転状態に応じて、巻線要素を直列に接続した直列巻線状態と、巻線要素を並列に接続した並列巻線状態との間で接続状態を切り替える。従って、モータに設けられている巻線を効率的に利用しながら、巻線状態を切り替えることにより、トルクおよび回転数の広い範囲にわたってモータ性能を拡大できる。その結果、自動車が要求するような幅広い駆動力に対しても、電動発電機が安定して対応できる。

そして、切替機構部がリレーを含み、開閉することによって巻線状態を切り替える複数の接点の少なくとも１つが、そのリレーの機械式接点によって構成されている。従って、多数の電子部品を用いた複雑な電子回路や、複雑な機械的構造を回避でき、安価かつ簡素な構造で、円滑な巻線の切り替えを実現できる。

前記制御装置はまた、前記複数の接点は、前記直列巻線状態および前記並列巻線状態のいずれか一方に、前記巻線群の各々を切り替える３つの前記機械式接点からなり、前記リレーが、前記３つの機械式接点を構成する、固定端子および可動端子からなる複数の端子と、前記可動端子を支持する可動部と、前記制御部の制御に従って前記可動部を作動させる１つの作用部と、を有し、前記作用部が前記可動部を作動させることにより、前記３つの機械式接点の開閉状態が同時に切り替わる、としてもよい。

そうすれば、作動部を作動させるだけで、３つの機械式接点の開閉状態が同時に切り替わるので、半導体スイッチ等を用いた電気式接点よりも、よりいっそう安価かつ簡素な構造で切替機構部を実現できる。

しかも、一つの動作で、各巻線群が直列巻線状態および並列巻線状態のいずれかに切り替わるように構成されているので、直列巻線状態か並列巻線状態のいずれか一方に、確実に切り替えることができる。従って、制御の安定性の面でも優れる。

前記制御装置はまた、前記制御部が、前記機械式接点が開閉されるタイミングで、当該機械式接点を流れる交流が略ゼロとなるように、前記インバータを制御する、としてもよい。

機械式接点を切り替える場合、接点に電流が流れている状態で機械式接点を開閉すると、過電流などにより、機械式接点が損傷するおそれがある。また、機械式接点の場合、瞬時に切り替えることができる電気式接点と異なり、切り替えに時間を要する。

それにより、その間、モータに電力供給は行われないため、モータが出力するトルクはゼロになる（ゼロトルク期間が発生）。その結果、出力トルクが不連続になり、トルクショックが発現するおそれがある。

それに対し、機械式接点が開閉されるタイミングで、機械式接点を流れる交流が略ゼロとなるように、インバータを制御するようにすれば、電流が略ゼロであるので、機械式接点を開閉しても、その損傷を回避できる。そして、機械式接点を切り替える時間を確保して、出力トルクが不連続になっても、その影響を抑制できるので、トルクショックも抑制できる。

前記制御装置はまた、前記複数の接点は、前記直列巻線状態および前記並列巻線状態のいずれか一方に、前記巻線群の各々を切り替える３つの接点からなり、前記切替機構部が、電気回路で構成された電子切替スイッチを更に含み、前記３つの接点が、前記リレーの機械式接点と、前記電子切替スイッチの電気式接点とによって構成されている、としてもよい。

この場合も、切替機構部の接点の一部が、リレーの機械式接点によって構成されているので、多数の電子部品を用いた複雑な電子回路や、複雑な機械的構造を回避でき、安価かつ簡素な構造で、円滑な巻線の切り替えを実現できる。

しかも、この場合、詳細は後述するが、機械式接点と電気式接点とを所定の配置とすることで、モータの通電中でも、ゼロトルク期間を発生させることなく連続的に、巻線状態を切り替えることが可能になる。また、リレーが損傷した場合でも、モータの駆動を安定して維持できる利点もある。

前記制御装置はまた、前記制御部が、前記機械式接点が開閉されるタイミングで、前記電子切替スイッチを通じて補正電流を供給することにより、前記機械式接点および前記電子切替スイッチと対応している前記巻線群に流れる交流が補正されるよう、前記切替機構部および前記インバータを制御する、としてもよい。

巻線状態の切り替えに伴ってモータのトルク定数が変化する。従って、連続的に切り替えることができても、トルク定数の変化に起因して、トルクショックが発生する。それに対し、この場合、切り替えの過渡時に、電子切替スイッチを通じて巻線群に補正電流を供給することができるので、補正電流によって出力トルクの変動を抑制できる。

開示する技術によれば、安価かつ簡素な構造で円滑な巻線の切り替えが実現できるので、電動発電機で、自動車が要求するような幅広い駆動力に対しても安定して対応できるようになる。

開示する技術を適用した車両の要部を示す概略図である。 制御装置の主な構成を示すブロック図である。 モータおよび切替機構部の構成を示す模式図である。 ステータの巻線構造を示す概略図である。 直列巻線状態を示す概略図である。 並列巻線状態を示す概略図である。 直列巻線状態および並列巻線状態の各々の場合でのモータ特性を示す図である。 切替機構部の構造を示す概略図である。 巻線状態の切替制御の一例である。 モータ通電中の巻線状態の切り替え時（直列巻線状態から並列巻線状態への切り替え）における相電流の一例を示す図である。 図８に対応した切替制御の一例である。 応用例の制御装置における切替機構部の構造を示す概略図である。 応用例の制御装置における、モータ通電中の巻線状態の切替制御（直列巻線状態から並列巻線状態への切り替え）における相電流の一例を示す図である。 図１１に対応した切替制御の一例である。 応用例の制御装置における、モータ通電中の巻線状態の切替制御（並列巻線状態から直列巻線状態への切り替え）における相電流の一例を示す図である。 図１３に対応した切替制御の一例である。

以下、開示する技術の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。

＜車載例＞
図１に、開示する技術を適用した車両１を示す。例示の車両１は、いわゆるハイブリッド車である。車両１には、エンジン２、電動発電機３、低電圧電源４、ＰＣＭ５（制御部の一例）などが搭載されている。電動発電機３は、モータ３０、切替機構部３１、インバータ３２などで構成されている。そして、電動発電機３を制御する制御装置は、これら装置３０，３１，３２とともに、ＰＣＭ５や、後述するセンサ９ａ～９ｄなどを含んで構成されている。

エンジン２は、燃料を燃焼することによって車両１の動力を発生させる周知の内燃機関である。エンジン２には、燃料タンクや吸排気システムなどが付設されている（これらは公知であるため、図示は省略）。エンジン２のクランクシャフト２ａは、クラッチ６を介してモータ３０の回転軸３０ａに直列した状態で連結されている。モータ３０の回転軸３０ａは、トランスミッション７、デファレンシャルギア８等を介して、車両１の駆動輪１ａに接続されている。トランスミッション７は、クラッチとしても機能する。

クラッチ６を連結した状態で、エンジン２を駆動することにより、車両１は、通常の車両と同様に、燃料の燃焼によって走行することができる。また、クラッチ６を切り離した状態で、モータ３０を駆動することにより、電動で走行することもできる。更に、クラッチ６を連結した状態で、エンジン２およびモータ３０を駆動することにより、車両１は、燃料の燃焼と電動の双方で走行することができる。

また、車両１の制動時に、例えばクラッチ６を切り離した状態にすることで、駆動輪１ａの回転力でモータ３０を回転させることができる。それにより、モータ３０を発電機として機能させ、運動エネルギーを電気エネルギーとして低電圧電源４に回収することもできる。この車両１は、いわゆるパラレル式のハイブリッド車である。

低電圧電源４は、直流電源である。低電圧電源４の具体例は、例えば、充放電が可能な二次電池であり、４８Ｖの、比較的低い電圧（定格電圧）が用いられている。なお、車両１には、装備されている電装品に電力を供給するため、低電圧電源４とは別に、定格電圧が１２Ｖのバッテリも搭載されている（図示は省略）。

低電圧電源４は、インバータ３２および切替機構部３１を介して、モータ３０と電気的に接続（以下、単に接続ともいう）されている。インバータ３２は、直流電力を交流電力に変換して出力する装置（公知の装置であるため、その詳細は省略）である。インバータ３２は、ＰＣＭ５から入力される制御信号に基づいて、低電圧電源４から入力される直流電力を、位相が異なる３相の交流電力（いわゆるＵ相、Ｖ相、およびＷ相の３相）に変換し、モータ３０に出力する。インバータ３２は、これら３相の交流電力をモータ３０に供給することで、モータ３０を駆動制御する。

切替機構部３１は、モータ３０とインバータ３２との間に介在するように接続されている。切替機構部３１は、機能的には、モータ３０とインバータ３２との間に介在していればよいが、この実施形態の切替機構部３１は、モータ３０と一体的に設けられている。モータ３０と切替機構部３１を一体的に設けることで、後述するように配線が簡略化され、制御装置の構造を簡素にできる利点がある。他方、切替機構部３１をモータ３０から分離して配置することで、モータ３０の発熱の影響を抑制できるので、切替機構部３１に要求される耐熱性を軽減できる利点がある。

ＰＣＭ５（パワートレイン制御モジュール）は、例えば、エンジン２やモータ３０の駆動を制御するなど、車両１の運転を総合的に制御する装置である。ＰＣＭ５は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーであって、図２に示すように、プログラムを実行するＣＰＵ５ａと、ＲＡＭやＲＯＭなどによって構成されていてプログラムおよびデータを格納するメモリ５ｂと、電気信号の入出力をする入出力バス５ｃ（Ｉ／Ｏバス）と、を備えている。

ＰＣＭ５には、エンジン２やモータ３０の運転状態を検知する各種のセンサ（計測部の一例）が接続されている。例えば、水温センサ９ａ（エンジン２に取り付けられかつ、その冷却水の温度を計測するセンサ）、クランク角センサ９ｂ（エンジン２に取り付けられかつ、クランクシャフト２ａの回転角を計測するセンサ）、アクセル開度センサ９ｃ（車両１のアクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測するセンサ）、モータセンサ９ｄ（モータ３０に取り付けられかつ、回転軸３０ａの回転角を計測するセンサ）などが接続されている。車両１の運転中は、これらセンサから出力される検出信号が、常時、ＰＣＭ５に入力されるように構成されている。また、インバータ３２には、インバータ３２を流れる電流値を計測する電流計が設けられている。電流計から出力される信号も、常時、ＰＣＭ５に入力される（電流計も計測部の一例）。

ＰＣＭ５は、また、エンジン２とともに、インバータ３２および切替機構部３１と接続されている。ＰＣＭ５は、上述したセンサ９ａ～９ｄなどから入力される検出信号に基づいて、インバータ３２および切替機構部３１に制御信号を出力し、これらを制御する。それにより、モータ３０は、車両１の運転状態に応じて駆動制御される。

（モータ３０）
図３Ａに、モータ３０および切替機構部３１を模式的に示す。本実施形態のモータ３０は、いわゆる永久磁石同期モータである。モータ３０は、ステータ３０ｂおよびロータ３０ｃを有している。ロータ３０ｃは、回転軸３０ａと一体に設けられている。ロータ３０ｃには、その全周にわたって複数の永久磁石３０ｄが等間隔に配置されている。これら永久磁石３０ｄは、Ｎ極とＳ極とが周方向および径方向の各々に交互に並ぶように配置されており、ロータ３０ｃの磁極を構成している。

ステータ３０ｂは、略円筒状に構成されており、その内周面が、ロータ３０ｃの外周面と僅かな隙間を隔てて対向するように、ロータ３０ｃの周囲に配置されている。ステータ３０ｂは、磁性体からなるステータコア３０ｅと、複数のコイル３０ｆと、を有している。ステータコア３０ｅは、その全周にわたって複数のスロットが等間隔に配置されている。コイル３０ｆは、これらスロットを通じ、所定の順序で被覆電線を巻回することによって構成されている。

それにより、ステータ３０ｂには、図３Ｂに示すように、Ｕ相群、Ｖ相群、およびＷ相群からなる、３つの異なる巻線群５０が設けられている。これら巻線群５０は、互いに中性点５１で接続されている（いわゆるＹ結線またはスター結線）。巻線群５０の各々は、略同じ巻き数からなる２つの巻線要素（第１巻線要素５０ａおよび第２巻線要素５０ｂ）を有し、これら巻線要素５０ａ，５０ｂを直列に接続して構成されている。各相の巻線群５０には、各々の入力端子を通じて、インバータ３２から異なる位相で交流が供給される。

（切替機構部３１）
切替機構部３１は、モータ３０からの出力で、車両１の運転に適した幅広い駆動力が得られるように、これら巻線群５０の接続状態を切り替える機能を有している。

具体的には、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、切替機構部３１は、Ｕ相群、Ｖ相群、およびＷ相群の各相の巻線群５０別に、３つの接点を構成する第１のスイッチ６１および第２のスイッチ６２を有している。第１のスイッチ６１は、第１巻線要素５０ａと第２巻線要素５０ｂとの間に配置されている。各相の巻線群５０は、第１巻線要素５０ａを迂回する第１バイパス配線６３を有し、第１のスイッチ６１は、第１バイパス配線６３とも接続可能に構成されている。

各相の巻線群５０はまた、第１のスイッチ６１および第２巻線要素５０ｂを迂回するように、第１巻線要素５０ａと第２のスイッチ６２との間の部位と、中性点５１との間を接続する第２バイパス配線６４を有している。第２のスイッチ６２は、この第２バイパス配線６４に配置されている。なお、各相の巻線群５０の構造は同じである。そのため、これら図では、Ｕ相群のみ、具体的な構造を表示し、Ｖ相群およびＷ相群の構造は省略している（以降もＵ相群を例に説明する）。

切替機構部３１は、各相の巻線群５０にある２つのスイッチ６１，６２を所定の状態とすることにより、モータ３０の運転状態に応じて、図４Ａに示すような、２つの巻線要素５０ａ，５０ｂを直列に接続した状態（直列巻線状態）か、図４Ｂに示すような、２つの巻線要素５０ａ，５０ｂを並列に接続した状態（並列巻線状態）か、のいずれか一方に、Ｕ相、Ｖ相、およびＷ相の各巻線群５０の接続状態を切り替える。

図４Ａに示すように、各相の巻線群５０の接続状態が直列巻線状態になると、供給される交流電力に対して、コイル３０ｆの巻数を実質的に増やしたのと同じ状態になる（インダクタンスが増加）。その結果、これら巻線群５０への通電時に発生する磁石との鎖交磁束が増大するので、高トルクが得られる。

一方、巻数の増大に伴って、電磁誘導により、回転するロータ３０ｃの永久磁石３０ｄとの間で、強い逆起電力が発生する。その結果、回転数の増加に伴って、実質的に供給電圧が低下していくのと同じ状態になるので、駆動可能な回転数が低下する。また、強い逆起電力の発生により、磁束を弱めるための電流が増加するため、エンジン２を駆動した場合でも、回転数が高くなると、高い効率が得られない。

一方、図４Ｂに示すように、各相の巻線群５０の接続状態が並列巻線状態になると、供給される交流電力に対して、コイル３０ｆの巻数を実質的に減らしたのと同じ状態になる（インダクタンスが減少）。その結果、これら巻線群５０への通電時に発生する磁石との鎖交磁束が減少し、それに伴って逆起電力が抑制されるので、駆動可能な回転数を高めることができ、高回転が可能になる。しかし、磁石との鎖交磁束は減少するので、高トルクが得られない。

図５に、これら直列巻線状態および並列巻線状態の各々の場合でのモータ特性に対応した、モータ３０の運転領域を例示する。実線が、直列巻線状態のモータ特性に対応した運転領域を示している。破線が、並列巻線状態のモータ特性に対応した運転領域を示している。

図５において、縦軸は、モータ出力によるトルクの高低を表し、横軸は、モータ出力による回転数の高低を表している。横軸の上側は、電動機としてのモータ３０の運転領域、すなわち力行時の領域であり、横軸の下側は、発電機としてのモータ３０の運転領域、すなわち回生時の領域である。

直列巻線状態では、低回転で相対的に高いトルクＴ１（Ｔ１’）が出力可能であるが、相対的に低い回転数Ｒ１までしか出力できない。対して、並列巻線状態では、相対的に高い回転数Ｒ２まで出力可能であるが、低回転でも相対的に低いトルクＴ２（Ｔ２’）までしか出力できない。

それに対し、この電動発電機３では、直列巻線状態および並列巻線状態のいずれか一方を選択して利用できるように構成されている。従って、これら双方のモータ特性を発揮させることが可能になり、モータ３０の出力により、低回転高トルクから高回転低トルクまで、車両１の運転に適した幅広い駆動力が得られるようになっている。

（切替機構部３１の具体的構造）
本実施形態の制御装置では、切替機構部３１がリレー７０（いわゆる継電器）を含み、図４Ａ等に示す、第１のスイッチ６１および第２のスイッチ６２が、１つのリレー７０によって構成されている。リレー７０は、互いに分離された第１巻線要素５０ａと第２巻線要素５０ｂとの間に介在して、これらを接続するように構成されている。なお、巻線群５０の構成では、便宜上、入力端子が有る方を上流側、中性点５１が有る方を下流側として説明する。

図６に、そのリレー７０の具体例を示す。リレー７０は、電磁石７１、揺動板７２、フレーム７３、コイルバネ７４（弾性部材）、第１固定端子７５、第２固定端子７６、第３固定端子７７、第１可動端子７８、第２可動端子７９などで構成されている。電磁石７１は作用部の一例であり、揺動板７２、フレーム７３、およびコイルバネ７４は、可動部の一例である。

第１可動端子７８、第１固定端子７５、および第３固定端子７７は、第１のスイッチ６１を構成し、第２可動端子７９および第２固定端子７６は、第２のスイッチ６２を構成している。第１可動端子７８は、第２巻線要素５０ｂの上流側に接続されている。第１固定端子７５は、第１バイパス配線６３を介して第１巻線要素５０ａの上流側に接続されている。

第３固定端子７７は、第１巻線要素５０ａの下流側に接続されている。第２可動端子７９は、第２バイパス配線６４の一部を介して中性点５１に接続されている。第２固定端子７６は、第２バイパス配線６４の一部を介して第１巻線要素５０ａの下流側に接続されている。

揺動板７２の主体は、絶縁性の部材からなる。揺動板７２の下面（電磁石７１の側）には、図示しないが磁性体が取り付けられている。揺動板７２の一方の端部（基端部）は、フレーム７３に回動可能に支持されている。揺動板７２の基端部は、コイルバネ７４により、その他方の端部（先端部）が、図６において上向きに回動するように付勢されている。

その揺動板７２の先端部の離れた位置に、第１可動端子７８および第２可動端子７９が取り付けられている。これら第１可動端子７８および第２可動端子７９と接触して、揺動板７２の上向きの回動を阻止するように、第１固定端子７５および第２固定端子７６が、フレーム７３に配置されている。第１固定端子７５と第１可動端子７８とが互いに接触する接触部位には、第１接点８１が設けられている。

第２固定端子７６と第２可動端子７９とが互いに接触する接触部位には、第２接点８２が設けられている。そして、第１固定端子７５の下方には、第１固定端子７５と対向するように、第３固定端子７７が配置されている。

電磁石７１は、磁性体と対向するように、揺動板７２の下方に配置されている。電磁石７１は、ＰＣＭ５と接続されている。ＰＣＭ５の制御に基づいて電磁石７１が通電されると、電磁石７１に磁力が発生する。それにより、コイルバネ７４の付勢力に抗して揺動板７２は下方に揺動する。その結果、第１可動端子７８および第２可動端子７９は、第１固定端子７５および第２固定端子７６から離れ、第１可動端子７８は第３固定端子７７に接触する。第１可動端子７８と第３固定端子７７とが互いに接触する接触部位には、第３接点８３が設けられている。

すなわち、電磁石７１が通電されることにより、第１～第３の、３つの機械式接点８１，８２，８３の開閉状態が同時に切り替わる。その結果、図４Ｂに示す並列巻線状態から、図４Ａに示す直列巻線状態に切り替わる。切替機構部３１は、無通電状態（いわゆるノーマル状態）では、並列巻線状態となるように設計されている。電磁石７１の通電が停止されると、直列巻線状態から並列巻線状態に切り替わる。

このように、１つの電磁石７１への通電の有無により、３つの機械式接点８１，８２，８３の開閉状態が同時に切り替わる、切替専用のリレー７０を用いることで、半導体スイッチ等を用いた電気式接点よりも、安価かつ簡素な構造で切替機構部３１を実現できる。

しかも、各巻線群５０が直列巻線状態および並列巻線状態のいずれかに切り替わるように構成されているので、直列巻線状態か並列巻線状態のいずれか一方に、確実に切り替えることができ、制御の安定性の面でも優れる。

更に、図３Ａに示すように、切替機構部３１とモータ３０との間には、巻線群５０ごとに、インバータ３２から交流を供給する１つの配線と、第１および第２のスイッチ６２を制御する２つの配線とからなる、総計６つの配線が設けられる。それに対し、この制御装置では、上述したように、切替機構部３１がモータ３０と一体的に設けられている。従って、配線が簡略化され、制御装置の構造が簡素化されている。

（巻線状態の切替制御例）
図７に、ＰＣＭ５によるモータ３０の巻線状態の切替制御の一例を示す。例示の切替制御は、エンジン２の始動時等、車両１が停止した状態から走行を開始する場合を示している。

本実施形態の車両１では、モータ３０は、主に、エンジン２の始動時、車両１の発進時、および車両１の後退時に駆動される。車両１の発進時や後退時には、エンジン２による駆動をアシストする状態でモータ３０が駆動される。エンジン２を使用せず、モータ３０単独で車両１の発進や後退を行ってもよい。

車両１が走行している状態では、通常、エンジン２が駆動される。すなわち、主にエンジン２を駆動源として、車両１は走行する。車両１が走行している状態では、モータ３０は、必要に応じてエンジン２の駆動をアシストするか、制動時に発電機として用いられる。

上述したように、切替機構部３１の機械式接点８１，８２，８３は、無通電状態では、並列巻線状態となるように設計されている。並列巻線状態では、高速に有利なモータ３０特性を発揮できる。従って、何らかのトラブルによってモータ３０への電力供給が遮断されても、エンジン２の駆動によって車両１を円滑に運転することができる。

車両１の操作が開始されて電源が投入されると、ＰＣＭ５には、常時、センサ９ａ～９ｄなどから検出信号が入力される。そして、車両１が停止した状態から走行を開始する際、ＰＣＭ５は、モータ３０の巻線状態の切り替えを制御するために、クランク角センサ９ｂやアクセル開度センサ９ｃ等の、所定のセンサの情報を読み込む（ステップＳ１）。

ＰＣＭ５は、水温センサ９ａから入力される検出信号に基づいて、エンジン冷却水の水温が所定の基準温度Ｔ未満か否かを判定する（ステップＳ２）。すなわち、エンジン２が十分に暖まった状態（暖気状態）であるか否かを判定する。基準温度Ｔは、任意の設定値であり、予めメモリ５ｂに設定されている。

エンジン冷却水の水温が所定の基準温度Ｔ以上である場合（ステップＳ２でＮｏ）、ＰＣＭ５は、並列巻線状態を維持し、リターンする。すなわち、ＰＣＭ５は、各巻線群５０を並列巻線状態のままにして、モータ３０を駆動し、エンジン２を始動したり、車両１を発進させたり、車両１を後退させたりする。エンジン２が暖気状態であるので、高トルクが得られない並列巻線状態であっても、モータ３０でエンジン２を円滑に始動させることができる。

エンジン冷却水の水温が所定の基準温度Ｔ未満にならない限り、並列巻線状態が維持されるので、切替制御の頻度を抑制することができ、効率的な制御が行える。

一方、エンジン冷却水の水温が所定の基準温度Ｔ未満である場合（ステップＳ２でＹｅｓ）、ＰＣＭ５は、クランク角センサ９ｂの検出信号に基づいて、エンジン２が駆動しているか否かを判定する（ステップＳ３）。エンジン２が駆動している場合には（ステップＳ３でＮｏ）、並列巻線状態を維持し、リターンする。高トルクが得られなくても、エンジン２と協働して円滑に車両１を発進させたり後退させたりできる。

エンジン２が駆動していない場合には（ステップＳ３でＹｅｓ）、各巻線群５０を直列巻線状態に切り替える（ステップＳ４）。モータ３０は回転していないので、支障なく切り替えることができる。

そうして、ＰＣＭ５は、クラッチ６を連結し、エンジン２をモータ３０で始動させる（ステップＳ５）。モータ３０は、高トルクが発生できる直列巻線状態であるので、冷間時のエンジン２であっても、安定してエンジン２を始動させることができる。

そして、ＰＣＭ５は、モータセンサ９ｄの検出信号に基づいて、モータ３０の回転数が所定の低回転領域か否かを判定する（ステップＳ６）。この低回転領域は、モータ３０の運転可能な回転領域を二等分した場合の、低回転側の領域としてもよい。また、低回転領域は、モータ３０の運転可能な回転領域を三等分した場合の、最も低回転側の領域としてもよい。

そして、モータ３０の回転数が所定の低回転領域に達した場合に（ステップＳ６でＹｅｓ）、ＰＣＭ５は、各巻線群５０を並列巻線状態に切り替える（ステップＳ７）。すなわち、エンジン２が始動して、ある程度の回転数に達すれば、直ちに並列巻線状態に切り替える。

モータ３０の巻線状態は、主に、並列巻線状態が用いられ、直列巻線状態は、主にエンジン２の始動などの限られた状態で用いられる。また、モータ３０が発電機として使用される場合には、回転数の高低に関係無く、並列巻線状態が用いられる。それにより、巻線状態を切り替える頻度を抑制している。

そして、そのような頻度の少ない巻線状態の切り替えを、低回転領域で行うことにより、次に説明するように、モータ３０に電流が流れているときに巻線状態を切り替える場合に発生する、ゼロトルク期間の影響を抑制することができる。

（モータ通電中の巻線状態の切り替え）
機械式接点を切り替える場合、接点に電流が流れている状態で機械式接点を開閉すると、過電流などにより、機械式接点が損傷するおそれがある。また、機械式接点の場合、瞬時に切り替えることができる電気式接点と異なり、切り替えに時間を要する。

それにより、その間、モータ３０に電力供給は行われないため、モータ３０が出力するトルクはゼロになる。すなわち、ゼロトルク期間が発生する。その結果、出力トルクが不連続になり、車両１の走行に違和感を与えるトルクショックが発現するおそれがある。

そこで、この制御装置では、そのような不具合が抑制できるように、モータ３０への通電中に巻線状態を切り替える場合の制御が工夫されている。具体的には、機械式接点８１，８２，８３が開閉されるタイミングで、機械式接点８１，８２，８３を流れる交流が略ゼロとなるように、ＰＣＭ５がインバータ３２を制御する。すなわち、各相の巻線群５０を流れる相電流がゼロクロスとなるタイミングで、その巻線群５０の機械式接点８１，８２，８３を切り替える。

図８に、モータ通電中の巻線状態の切り替え時（直列巻線状態から並列巻線状態への切り替え）における相電流の一例を示す。また、図９に、その切替制御の一例を示す。相電流は交流であるため、巻線群５０を流れる電流がゼロになる、ゼロクロスとなるタイミングが周期的に発生する。なお、ここでは直列巻線状態から並列巻線状態への切り替えを例示しているが、その逆である並列巻線状態から直列巻線状態への切り替えも、これと同様の方法で切り替えることができる。

ＰＣＭ５は、モータ３０の回転数が所定の低回転領域に達して、巻線状態の切替要求があった場合（ステップＳ１０でＹｅｓ）には、インバータ３２の電流計から入力される検出信号に基づいて、切替対象となる巻線群５０を流れる相電流がゼロクロスとなるタイミングを判定する（ステップＳ１１）。

そうして、ＰＣＭ５は、切替対象となる巻線群５０を流れる相電流が略ゼロとなる、ゼロクロスまたはその近傍のタイミングで、インバータ３２を制御し、電流を所定期間（例えば、数ｍｓ）、ゼロに維持する（ステップＳ１２）。そうすることで、図８に示すｔ０の期間（無通電期間）を確保する。

ＰＣＭ５は、無通電期間中に、切替機構部３１を制御して機械式接点８１，８２，８３を開閉し、巻線状態を切り替える（ステップＳ１３）。ゼロクロス又はその近傍のタイミングであれば、巻線群５０を流れる電流は略ゼロであるので、電流を円滑にゼロにできる。電流が略ゼロであるので、機械式接点８１，８２，８３を切り替える時間を確保して、出力トルクが不連続になっても、その影響を抑制できる。

更に、直列巻線状態と並列巻線状態とでは、トルク定数が異なる。そのため、図８に仮想線で示すように、直列巻線状態と同じ電流値で並列巻線状態に切り替えると、出力トルクに差が生じる。すなわち、トルクショックが発生するおそれがある。

そこで、ＰＣＭ５は、無通電期間中に、トルク定数の差に合わせて、インバータ３２を制御し、図８に実線で示すように、相電流の大きさを調整する（ステップＳ１４）。その結果、出力トルクは、切り替えの前後で略一定となり、トルク定数の差に起因するトルクショックを抑制できる。

回転数が高いと、相対的にゼロトルク期間が大きくなるため、トルクショックの影響を受け易い。それに対し、この制御装置では、上述したように、回転数が低い状態で切り替えられるので、トルクショックの影響を抑制できる。

（応用例）
上述した実施形態では、切替専用のリレー７０を用いることにより、切替機構部３１の接点８１，８２，８３を全て機械式接点で構成した制御装置を例示した。この応用例では、リレー７０と共に、電気回路で構成された電子切替スイッチ１００を用い、切替機構部３１の接点を機械式接点と電気式接点とで併用した制御装置を例示する。なお、この応用例でも、上述した実施形態と同じ車両１などに適用するものとして説明する。従って、同じ構成や部材の説明は省略し、異なる内容について具体的に説明する。

図１０に、図６に対応した、この制御装置の切替機構部３１の具体例を示す。上述したように、切替機構部３１は、Ｕ相群、Ｖ相群、およびＷ相群の各相の巻線群５０別に、第１のスイッチ６１および第２のスイッチ６２を有している。この切替機構部３１では、第１のスイッチ６１がリレー７０’で構成され、第２のスイッチ６２が、電子切替スイッチ１００で構成されている。

電子切替スイッチ１００は、ダイオードブリッジ、半導体スイッチ、ダイオードなどが配置された電気回路で構成されている。電子切替スイッチ１００は、公知の構造であるため、その具体的な説明は省略する。

このリレー７０’は、上述した実施形態のリレー７０とは基本的構造は同じであるが、第２可動端子７９および第２固定端子７６が無い点で、上述した実施形態のリレー７０と異なる。すなわち、この制御装置では、第１接点８１および第３接点８３が機械式接点で構成され、第２接点８２が電気式接点で構成されている。

この切替機構部３１によれば、簡素な構造の機械式リレー７０’と、従来の電子切替スイッチ１００とで構成できるので、電子切替スイッチ１００を用いても、構造の複雑化を回避できる。そして、安価かつコンパクトに実現できる。

更に、このような構造の切替機構部３１によれば、モータ３０の通電中でも、ゼロトルク期間を発生させることなく連続的に、巻線状態の切り替えが可能になる。そして、この制御装置では、その巻線状態の切り替え時のトルクショックが抑制できるように工夫されている。

具体的には、ＰＣＭ５は、機械式接点が開閉されるタイミングで、電子切替スイッチ１００を通じて補正電流を供給する。そうすることにより、切替対象の巻線群５０に流れる交流が補正されるよう、切替機構部３１およびインバータ３２を制御する。

ＰＣＭ５は、直列巻線状態から並列巻線状態へ切り替える時には、ゼロクロスとなるタイミングに限らず、任意のタイミングで、トルクを連続して出力しながら巻線状態を切り替える。ＰＣＭ５は、並列巻線状態から直列巻線状態への切り替え時は、ゼロクロスとなるタイミングで、トルクを連続して出力しながら巻線状態を切り替える。

（直列巻線状態から並列巻線状態への切り替え）
図１１に、モータ通電中の巻線状態の切替制御（直列巻線状態から並列巻線状態への切り替え）における相電流の一例を示す。また、図１２に、その切替制御の一例を示す。

ＰＣＭ５は、モータ３０の回転数が所定の低回転領域に達して、巻線状態の切替要求があった場合には（ステップＳ２０でＹｅｓ）、切替機構部３１を制御し、電子切替スイッチ１００のスイッチをオンにする（ステップＳ２１）。このタイミングは、ゼロクロスとなるタイミングに限らない任意のタイミングである。図１１では、ポイントＰ１で電子切替スイッチ１００のスイッチがオンになる。

それにより、図１１に破線で示す左側の模式図のように、第２のスイッチ６２が開状態から閉状態になり、第２巻線要素５０ｂが第２バイパス配線６４と並列に接続された状態となる。それに伴い、トルク定数が変化するので、ＰＣＭ５は、その分を補正する補正電流を加えた状態で、相電流が並列巻線状態の電流値に切り替わるように、インバータ３２を制御する。

このとき、切替対象の巻線群５０は、電子切替スイッチ１００を介して中性点５１と接続されているので、切替対象の巻線群５０に相電流および補正電流を供給することができる。トルクを出力しながら切り替えても、相電流および補正電流により、出力トルクの変動を抑制できる。

ＰＣＭ５は、電子切替スイッチ１００のスイッチをオンにするのと同時か僅かに遅れて、切替機構部３１を制御し、リレー７０’の機械式接点８１，８３の切り替えを開始する（ステップＳ２３）。第２巻線要素５０ｂを流れる電流量は小さくなっているので、過電流の発生を回避でき、機械式接点８１，８３の損傷を抑制しながら切り替えることができる。

そうして、機械式接点８１，８３が切り替わる所定の切替期間ｔ１を過ぎると、図１１に破線で示す右側の模式図のように、第１接点８１から第３接点８３に切り替わり、機械式接点８１，８３の切り替えが終了する。図１１ではポイントＰ２で第３接点８３が閉になる。

ＰＣＭ５は、機械式接点８１，８３の切り替えが終了すると（ステップＳ２４でＹｅｓ）、それと同時のタイミングでインバータ３２を制御し、補正電流の供給を停止する（ステップＳ２５）。それにより、モータ３０は、トルクを連続的に出力しながら、機械式接点のみの場合よりも高速で、直列巻線状態から並列巻線状態へと移行する。

（並列巻線状態から直列巻線状態への切り替え）
図１３に、モータ通電中の巻線状態の切替制御（並列巻線状態から直列巻線状態への切り替え）における相電流の一例を示す。また、図１４に、その切替制御の一例を示す。

ＰＣＭ５は、モータ３０の回転数が所定の低回転領域に達して、巻線状態の切替要求があった場合には（ステップＳ３０でＹｅｓ）、インバータ３２の電流計から入力される信号に基づいて、切替対象となる巻線群５０を流れる相電流がゼロクロスとなるタイミングを判定する（ステップＳ３１）。

そうして、ＰＣＭ５は、切替対象となる巻線群５０を流れる相電流が略ゼロとなる、ゼロクロスまたはその近傍のタイミングで、切替機構部３１を制御し、機械式接点８１，８３の切り替えを開始する（ステップＳ３２）。図１３では、ポイントＰ３で機械式接点８１，８３の切り替えが開始される。

それにより、図１３に破線で示す左側の模式図のように、第１接点８１が開状態になり、第１巻線要素５０ａが第２バイパス配線６４と直列に接続された状態となる。それに伴い、トルク定数が変化するので、ＰＣＭ５は、その分を補正する補正電流を加え、出力トルクの変動が抑制されるように、インバータ３２を制御する（ステップＳ３３）。

そうして、機械式接点８１，８３が切り替わる所定の切替期間ｔ２を過ぎると、図１３に破線で示す右側の模式図のように、機械式接点８１，８３の切り替えが終了し、第３接点８３が閉になる（図１３ではポイントＰ４のタイミング）。すなわち、第２巻線要素５０ｂが第２バイパス配線６４と並列に接続された状態となる。

ＰＣＭ５は、機械式接点８１，８３の切り替えが終了すると（ステップＳ３４でＹｅｓ）、それと同時のタイミングで、切替機構部３１を制御し、図１３に破線で示す右側の模式図の状態から、第２のスイッチ６２をオフにする（ステップＳ３５）。第２のスイッチ６２は電子切替スイッチ１００なので、瞬時にオフできる。

それと同時に、インバータ３２を制御し、相電流の値を直列巻線状態に変更する（ステップＳ３６）。それにより、モータ３０は、トルクを連続的に出力しながら、機械式接点のみの場合よりも高速で、並列巻線状態から直列巻線状態巻線状態へと移行する。

この応用例の制御装置の場合、リレー７０’が損傷した場合でも、車両１の安定した走行が維持できる利点もある。例えば、第３接点８３が固着した場合には、電子切替スイッチ１００をオンオフすることで、直列巻線状態と、高回転に有利な巻線状態（減数巻線状態）とに簡易的に切り替えることができる。ただし、減数巻線状態では、第２巻線要素５０ｂは第２バイパス配線６４で短絡されるため、第１巻線要素５０ａのみが使用される。

また、第１接点８１が固着した場合、あるいは、第１接点８１および第３接点８３のいずれにも接触しない状態になった場合には、電子切替スイッチ１００をオンの状態に保持することで、並列巻線状態に維持できる。並列巻線状態は、高速に有利なモータ特性を発揮できる。従って、エンジン２の駆動により、車両１を円滑に運転することができる。

なお、開示する技術は、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。例えば、開示する技術が適用できるのは、ＨＥＶに限らない。開示する技術は、駆動源としてモータのみを搭載する電気自動車にも好適である。モータの構造も一例である。

１ 車両
２ エンジン
３ 電動発電機
４ 低電圧電源
５ ＰＣＭ（制御部の一例）
３０ モータ
３１ 切替機構部
３２ インバータ
５０ 巻線群
７０ リレー
８１ 第１接点
８２ 第２接点
８３ 第３接点

Claims (5)

1. 複数の異なる巻線群が設けられたモータと、前記巻線群の各々に、位相の異なる交流を供給することによって前記モータを駆動制御するインバータと、前記モータと前記インバータとの間に接続された切替機構部とを含み、電動走行が可能な車両に搭載される電動発電機の制御装置であって、
   前記モータの運転状態を検知する計測部と、
   前記計測部から入力される信号に基づいて、前記インバータおよび前記切替機構部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記巻線群の各々は、複数の巻線要素で構成され、
   前記切替機構部は、前記モータの運転状態に応じて、前記巻線要素を直列に接続した直列巻線状態と、前記巻線要素を並列に接続した並列巻線状態との間で、開閉することによって前記巻線群の各々の接続状態を切り替える、複数の接点を有し、
   前記切替機構部がリレーを含み、前記複数の接点の少なくとも１つが前記リレーの機械式接点によって構成されていて、
   前記モータの通電中に前記巻線状態を切り替える時には、前記制御部が、前記機械式接点が開閉されるタイミングで、当該機械式接点を流れる相電流が略ゼロとなる所定の無通電期間が確保されるように、前記インバータを制御するとともに、当該無通電期間中に前記巻線状態のトルク定数の差に合わせて前記相電流の大きさを調整する、電動発電機の制御装置。
2. 請求項１に記載の電動発電機の制御装置において、
   前記複数の接点は、前記直列巻線状態および前記並列巻線状態のいずれか一方に、前記巻線群の各々を切り替える３つの前記機械式接点からなり、
   前記リレーが、
   前記３つの機械式接点を構成する、固定端子および可動端子からなる複数の端子と、
   前記可動端子を支持する可動部と、
   前記制御部の制御に従って前記可動部を作動させる１つの作用部と、
   を有し、
   前記作用部が前記可動部を作動させることにより、前記３つの機械式接点の開閉状態が同時に切り替わる、電動発電機の制御装置。
3. 請求項１または２に記載の電動発電機の制御装置において、
   前記巻線群の各々は、
   第１巻線要素および第２巻線要素と、
   第１バイパス配線および第２バイパス配線と、
   を有し、
   互いに中性点で接続されていて、
   前記切替機構部は、前記モータの運転状態に応じて、前記第１巻線要素および前記第２巻線要素を直列に接続した直列巻線状態と、前記第１巻線要素および前記第２巻線要素を並列に接続した並列巻線状態との間で、開閉することによって前記巻線群の各々の巻線状態を切り替える複数の接点を構成する第１および第２のスイッチを有し、
   前記第１のスイッチは、前記第１巻線要素と前記第２巻線要素との間に配置されるとともに前記第１巻線要素を迂回する前記第１バイパス配線と接続可能に構成され、
   前記第２のスイッチは、前記第１のスイッチおよび前記第２巻線要素を迂回して前記中性点に接続されている前記第２バイパス配線に配置されている、電動発電機の制御装置。
4. 複数の異なる巻線群が設けられたモータと、前記巻線群の各々に、位相の異なる交流を供給することによって前記モータを駆動制御するインバータと、前記モータと前記インバータとの間に接続された切替機構部とを含み、電動走行が可能な車両に搭載される電動発電機の制御装置であって、
   前記モータの運転状態を検知する計測部と、
   前記計測部から入力される信号に基づいて、前記インバータおよび前記切替機構部を制御する制御部と、
   を備え、
   前記巻線群の各々は、互いに中性点で接続されている複数の巻線要素で構成され、
   前記切替機構部は、前記モータの運転状態に応じて、前記巻線要素を直列に接続した直列巻線状態と、前記巻線要素を並列に接続した並列巻線状態との間で、開閉することによって前記巻線群の各々の接続状態を切り替える、複数の接点を有し、
   前記複数の接点は、前記直列巻線状態および前記並列巻線状態のいずれか一方に、前記巻線群の各々を切り替える３つの接点からなり、
   前記切替機構部が、半導体スイッチを含む電気回路で構成された電子切替スイッチを更に含み、
   前記３つの接点が、前記リレーの機械式接点と、前記半導体スイッチの電気式接点とによって構成されていて、
   前記モータの通電中に前記巻線状態を切り替える時には、前記制御部が、前記機械式接点が開閉されるタイミングで、前記電子切替スイッチおよび前記中性点を通じて補正電流を供給することにより、前記機械式接点および前記電子切替スイッチと対応している前記巻線群に流れる相電流が前記巻線状態のトルク定数の変化に応じて補正されるよう、前記切替機構部および前記インバータを制御する、電動発電機の制御装置。
5. 請求項４に記載の電動発電機の制御装置において、
   前記巻線群の各々は、
   第１巻線要素および第２巻線要素と、
   第１バイパス配線および第２バイパス配線と、
   を有し、
   前記切替機構部は、前記モータの運転状態に応じて、前記第１巻線要素および前記第２巻線要素を直列に接続した直列巻線状態と、前記第１巻線要素および前記第２巻線要素を並列に接続した並列巻線状態との間で、開閉することによって前記巻線群の各々の巻線状態を切り替える複数の接点を構成する第１および第２のスイッチを有し、
   前記第１のスイッチは、前記第１巻線要素と前記第２巻線要素との間に配置されるとともに前記第１巻線要素を迂回する前記第１バイパス配線と接続可能に構成され、
   前記第２のスイッチは、前記第１のスイッチおよび前記第２巻線要素を迂回して前記中性点に接続されている前記第２バイパス配線に配置されるとともに、前記電子切替スイッチは、前記第２バイパス配線に配置され、
   前記制御部が、前記機械式接点が開閉されるタイミングで、前記第２バイパス配線を通じて補正電流を供給することにより、前記機械式接点および前記電子切替スイッチと対応している前記巻線群に流れる相電流が前記巻線状態のトルク定数の変化に応じて補正されるよう、前記切替機構部および前記インバータを制御する、電動発電機の制御装置。
   

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