WO2015159385A1 - 共振型モータシステム - Google Patents

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幸祐 加藤
章洋 三好
光義 大場
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Definitions

  • the present invention relates to a resonant motor system, and more particularly, to a resonant motor system which is added to an engine to assist the rotational torque of the engine at the start of a commercial vehicle.
  • FIG. 8 shows such an assist motor, in which 1 is a tire of a vehicle, 2 is an engine, and 3 is an assist motor.
  • the assist motor as described above needs to be downsized because it is disposed in a limited space of the engine as shown in FIG. 8, but in order to make a small, high output motor, the number of rotations can be increased to 25000 rpm Although effective, the output frequency of the conventional inverter was about 250 Hz from the switching time, and the rotation speed was limited to 2500 rpm.
  • the present invention is intended to eliminate such drawbacks.
  • the resonance type motor system of the present invention has a resonance circuit comprising an electromagnetic coil and a capacitor, and generates a resonance type motor which is rotated by the engine to generate electric power, a regeneration unit of the resonance type motor, a motor drive unit, and motor control.
  • Unit and a charge storage unit for storing electric power generated by the resonance motor during regeneration of the resonance motor, and when assisted by the resonance motor, the resonance motor is driven by the storage power of the charge storage unit. It is characterized in that it is driven.
  • the resonant motor system has a resonant circuit including an electromagnetic coil and a capacitor, and is a generator resonant motor that generates power by being rotated by the engine, a regeneration unit of the resonant motor, and a motor drive unit.
  • a motor control unit a charge storage unit for storing electric power generated by the resonance type motor at the time of regeneration of the resonance type motor, and two units interposed between the charge storage unit and the motor drive unit
  • a control unit of the bi-directional converter the control unit of the bi-directional converter receiving the storage voltage input and the DC link voltage input applied to the motor drive unit.
  • the DC link voltage applied from the charge storage unit to the motor drive unit is controlled by controlling the two transistors to conduct in opposite directions. Because, during assist by the resonance type motor, characterized in that so as to drive the resonance type motor by the power stored in the charge storage unit.
  • the resonance type motor includes a stator yoke, a plurality of electromagnetic coils having an iron core, which are spaced apart from each other in the circumferential direction of the stator yoke, and the rotation of the engine around the stator yoke.
  • a multi-phase wire connection is formed by the electromagnetic coils, and the electromagnetic coils of each phase form a resonant circuit together with the capacitors.
  • the motor control unit receives an accelerator signal and an engine rotation signal and outputs phase pulse output and regenerative pulse output, and the regenerative unit has two transistors controlled to open and close by the regenerative pulse output. It is characterized by
  • the bidirectional converter control unit receives the storage voltage input of the charge storage unit and the DC link voltage input applied to the motor drive unit, and the two serially connected transistors of the bidirectional converter are mutually contradictory. To output an open / close pulse for open / close control.
  • the resonant motor system of the present invention comprises a resonant motor 4 as shown in FIGS. 1 and 2, a regeneration unit 5 having transistors T1 and T2 for the resonant motor 4, and a motor drive unit 6.
  • a motor control unit 7 for receiving an A-phase pulse output, a B-phase pulse output, a C-phase pulse output, and a regenerative pulse output upon receipt of an engine rotation signal and an accelerator signal, and a charge storage unit 8 consisting of an electric double layer capacitor
  • the storage voltage detection means 9 of the charge storage unit 8 is configured.
  • the motor drive unit 6 includes diodes D1, D2 and D3 for rectifying a regenerative current generated from the regeneration unit 5 by the regenerative pulse 10 from the motor control unit 7, and electromagnetic coils L1 to L12 of the resonant motor 4. It consists of transistors T3 to T5 for A phase to C phase connection to be formed and electromagnetic coil L13 to L15, and transistor T3 charges A phase connection consisting of electromagnetic coils L1, L4, L7 and L10 to electromagnetic coil L13 and charge.
  • the transistor T4 is interposed in series via the storage unit 8, the transistor T4 is interposed in series in the B-phase connection consisting of the electromagnetic coils L2, L5, L8, L11 via the electromagnetic coil L14 and the charge storage unit 8, and the transistor T5 is Each transistor is inserted in series in a C-phase connection formed of coils L3, L6, L9, L12 via the electromagnetic coil L15 and the charge storage unit 8.
  • the 3 ⁇ T5 allowed to connect the respective diodes D1 ⁇ D3 in parallel.
  • the resonance type motor 4 of the present invention comprises a stator 11 of a laminated steel plate (silicon steel plate) and a stator yoke 12 of a laminated steel plate (silicon steel plate) surrounding the stator 11 as shown in FIGS.
  • An electromagnetic coil L formed of twelve electromagnetic coils L1 to L12 each having an iron core, which is disposed on the outer periphery of the stator yoke 12 so as to be separated from each other in the circumferential direction; And the steel ring 15 that rotates in response to the rotation of the engine 2 that internally phase the conductive ring 14. Further, capacitors C1 to C12 are connected in parallel to each of the three-phase connections to form a co-vibration circuit.
  • the polarities of the electromagnetic coils L4, L5, L6, L10, L11, and L12 are opposite to each other with respect to the electromagnetic coils L1, L2, L3, L7, L8, and L9.
  • the transistor T1 in the regeneration unit 5 of the resonance type motor 4 is inserted in series in the A-phase connection formed of the electromagnetic coils L1, L4, L7, L10, and the transistor T2 is formed of the electromagnetic coils L2, L5, L8, L11. Interleave in series with the B-phase connection.
  • the motor control unit 7 when the accelerator is depressed during the assist operation, the motor control unit 7 outputs the regenerative pulse 10 and the transistors T1 and T2 of the regeneration unit 5 are turned on. , And a three-phase pulse of A phase, B phase and C phase is outputted from the motor control unit 7, and the three phase operation is performed through the transistors T3, T4 and T5 of the motor drive unit 6. Pulse current is applied to the coil to L13, L14, L15 to generate a rotating magnetic field calculated at the resonant frequency of the coil and capacitor of the resonant motor 4, and the rotational force of the resonant motor 4 is generated according to Fleming's left hand law.
  • the barbs Ri eventually even up the coil voltage allowed to stability in that it does not increase the magnetic field.
  • the coil voltage is half-wave rectified by diodes D1, D2 and D3 connected to coils L13, L14 and L15, respectively, to charge the charge storage unit 8 of the electric double layer capacitor.
  • a coil L16 is connected in series between the charge storage unit 8 consisting of an electric double layer capacitor and the transistors T3, T4 and T5 of the motor drive unit 6 in series.
  • a bi-directional converter 16 comprising transistors T6 and T7, a capacitor C13 connected in parallel to the transistors T6 and T7, and a DC link voltage detection means 17 for detecting a DC link voltage applied to the motor drive unit 6,
  • a control unit 18 of the bidirectional converter 16 is provided which receives the storage voltage input of the charge storage unit 8 and the DC link voltage input and outputs open / close pulses of the transistors T6 and T7 of the bidirectional converter 16;
  • the transistors T6 and T7 are controlled to be opposite to each other so that the voltage becomes 300V.
  • the DC link voltage is the stored voltage / duty ratio of the coil side transistor.
  • the transistors T6 and T7 are controlled to be opposite to each other so that the DC link voltage is 300 V in the assist operation, and the transistor T6 is such that the charging voltage of the charge storage unit 8 is 30 V in the regenerative operation. , T7 are controlled in contradiction.
  • the stored voltage is equal to: DC link voltage ⁇ duty ratio of coil side transistor.
  • the motor drive unit 6 can be driven by three transistors. You can reduce the number of In addition, since the switching of pulses per output frequency is performed once, the resonance type motor can be rotated at a speed 10 times or more.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship among time for accelerator depression, engine speed, regenerative pulse, A-phase to C-phase pulses, rotational torque and rotational torque of the resonance type motor system of the present invention at the time of assist operation.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between time for accelerator depression during regeneration operation of the resonant motor system of the present invention, engine speed, regenerative pulse, storage voltage, and the like. It is a block diagram of the other Example of the resonance type motor system of this invention. It is explanatory drawing of the conventional assist motor.

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Abstract

本発明の共振型モータシステムは、電磁コイルとコンデンサとより成る共振回路を有し、エンジンにより回転されて発電する共振型モータと、この共振型モータの回生部と、モータ駆動部と、モータ制御部と、上記共振型モータの回生時、上記共振型モータによって作られた電力を蓄電する充電蓄電部とより成り、上記共振型モータによるアシスト時、上記充電蓄電部の蓄電電力によって上記共振モータを駆動するようにしたことを特徴とする。

Description

共振型モータシステム
　本発明は共振型モータシステム、特に、商用車の発進時にエンジンの回転トルクをアシストするためエンジンに付加する共振型モータシステムに関するものである。
　近年の商用車エンジンは、低排気量＋ターボ化による燃料改善アプローチで低速時での回転トルクが低下している。そこでエンジンにアシストモータを付加し、発信時にエンジントルクをアシストすることが考えられている。図８はこのようなアシストモータを示し、１は車輌のタイヤ、２はエンジン、３はアシストモータである。
　上記のようなアシストモータは、図８に示すようにエンジンの限られたスペースに配置するため小型化する必要があるが小型で高出力のモータを作るには、回転数を２５０００ｒｐｍに高めることが有効であるが、従来のインバータの出力周波数は、スイッチング時間から２５０Ｈｚ程度で、回転数は２５００ｒｐｍが限度であった。本発明はこのような欠点を除くようにしたものである。
　本発明の共振型モータシステムは、電磁コイルとコンデンサとより成る共振回路を有し、エンジンにより回転されて発電する共振型モータと、この共振型モータの回生部と、モータ駆動部と、モータ制御部と、上記共振型モータの回生時、上記共振型モータによって作られた電力を蓄電する充電蓄電部とより成り、上記共振型モータによるアシスト時、上記充電蓄電部の蓄電電力によって上記共振モータを駆動するようにしたことを特徴とする。
また、本発明の共振型モータシステムは、電磁コイルとコンデンサとより成る共振回路を有し、エンジンにより回転されて発電する発電共振型モータと、この共振型モータの回生部と、モータ駆動部と、モータ制御部と、上記共振型モータの回生時、上記共振型モータによって作られた電力を蓄電する充電蓄電部と、この充電蓄電部と上記モータ駆動部との間に介挿した、２個の直列接続したトランジスタを有する双方向コンバータと、この双方向コンバータの制御部とより成り、上記双方向コンバータの制御部が蓄電電圧入力と、上記モータ駆動部に加わる直流リンク電圧入力とを受けて上記２個のトランジスタを互に相反する方向に導通するよう制御することによって上記充電蓄電部から上記モータ駆動部に加えられる直流リンク電圧を高め、上記共振型モータによるアシスト時、上記充電蓄電部の蓄電電力によって上記共振型モータを駆動するようにしたことを特徴とする。
　上記共振型モータは、固定子ヨークと、この固定子ヨークの円周方向に互に離間して配置した、鉄心を有する複数個の電磁コイルと、上記固定子ヨークを中心としてエンジンの回転に応じて回転されるスチール回転体とより成り、上記電磁コイルにより多相結線が形成され、各相の電磁コイルが夫々コンデンサと共に共振回路を形成することを特徴とする。
上記モータ制御部が、アクセル信号とエンジン回転信号を受けて各相パルス出力と、回生パルス出力を出力し、上記回生部が、上記回生パルス出力により夫々開閉制御される２個のトランジスタを有することを特徴とする。
上記双方向コンバータ制御部が、上記充電蓄電部の蓄電電圧入力と、上記モータ駆動部に加わる直流リンク電圧入力とを受けて上記双方向コンバータの２個の直列接続したトランジスタを互に相反するように開閉制御する開閉パルスを出力することを特徴とする。以下図面によって本発明の実施例を説明する。
　本発明の共振型モータシステムは、図１及び図２に示すように共振型モータ４と、この共振型モータ４のための、トランジスタＴ１とＴ２を有する回生部５と、モータ駆動部６と、エンジン回転信号とアクセル信号を受けてＡ相パルス出力と、Ｂ相パルス出力と、Ｃ相パルス出力と、回生パルス出力を出力するモータ制御部７と、電気二重層コンデンサからなる充電蓄電部８と、この充電蓄電部８の蓄電電圧検出手段９とにより構成する。
上記モータ駆動部６は、上記モータ制御部７からの回生パルス１０によって回生部５から発生する回生電流を整流するためのダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３と、共振型モータ４の電磁コイルＬ１～Ｌ１２により形成されるＡ相～Ｃ相結線用のトランジスタＴ３～Ｔ５と、電磁コイルＬ１３～Ｌ１５とにより構成し、トランジスタＴ３は電磁コイルＬ１、Ｌ４、Ｌ７、Ｌ１０より成るＡ相結線に電磁コイルＬ１３と充電蓄電部８を介して直列に介挿し、トランジスタＴ４は電磁コイルＬ２、Ｌ５、Ｌ８、Ｌ１１より成るＢ相結線に電磁コイルＬ１４と、充電蓄電部８を介して直列に介挿し、トランジスタＴ５は電磁コイルＬ３、Ｌ６、Ｌ９、Ｌ１２より成るＣ相結線に電磁コイルＬ１５と充電蓄電部８を介して直列に介挿せしめ、各トランジスタＴ３～Ｔ５には夫々ダイオードＤ１～Ｄ３を並列に接続せしめる。
　本発明の共振型モータ４は、図３及び図４に示すように積層スチール鋼板（ケイ素鋼板）の固定子１１と、この固定子１１を囲む積層スチール鋼板（ケイ素鋼板）の固定子ヨーク１２と、この固定子ヨーク１２の外周に円周方向に互いに離間して配置した、夫々鉄心を有する１２個の電磁コイルＬ１～Ｌ１２より成る電磁コイルＬと、上記固定子ヨーク１２を囲む、導電バー１３と導電リング１４を内相する、上記エンジン２の回転に応じて回転するスチール回転体１５とにより構成する。また、上記３相結線の夫々にはコンデンサＣ１～Ｃ１２を並列に接続し、共振動回路を形成せしめる。
なお、電磁コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ７、Ｌ８、Ｌ９に対し電磁コイルＬ４、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ１０、Ｌ１１及びＬ１２の極性は互に逆極性とする。また、共振型モータ４の回生部５におけるトランジスタＴ１は、電磁コイルＬ１、Ｌ４、Ｌ７、Ｌ１０より成るＡ相結線に直列に介挿し、トランジスタＴ２は、電磁コイルＬ２、Ｌ５、Ｌ８、Ｌ１１より成るＢ相結線に直列に介挿する。
本発明の共振型モータシステムにおいては図２及び図５に示すようにアシスト作動時アクセルを踏んだとき上記モータ制御部７から回生パルス１０が出力され、回生部５のトランジスタＴ１、Ｔ２がＯＮし、コンデンサとコイルの共振回路が形成され、一方、モータ制御部７からＡ相、Ｂ相、Ｃ相の３相パルスが出力され、モータ駆動部６のトランジスタＴ３、Ｔ４、Ｔ５を介して三相のパルス電流がコイルへＬ１３、Ｌ１４、Ｌ１５へ通電され、共振型モータ４のコイルとコンデンサの共振周波数で計算された回転磁界を発生し、フレミングの左手の法則により、共振型モータ４に回転力が発生し、エンジン回転の立上り時間を速くすると共に、エンジン回転数がターボ立上り回転数以上になったとき回生パルス１０の発生を停止し、トランジスタＴ１、Ｔ２をＯＦＦにし、同時に、モータ制御部７のＡ相、Ｂ相、Ｃ相の３相パルスが停止され、トランジスタＴ３、Ｔ４、Ｔ５からの三相パルス電流が遮断され、共振型モータ４の回転力が無くなるようにする。
また、回生作動時では図６に示すようにモータ制御部７がアクセル開放、回生回転数Ｈ～Ｌを判定したときと、回生パルス１０を出力し、回生部５のトランジスタＴ１、Ｔ２をＯＮし、コンデンサとコイルの共振回路を形成し、エンジン回転数がコンデンサとコイルの共振周波数で計算された回転磁界より高くなるとき共振型モータ４のスチール回転体１５の残留磁気により発生した電磁コイルの電圧を、コンデンサとコイルの共振回路の作用で特定周波数の三相交流電圧となし、さらに、フレミング右手の法則により、三相交流電圧による回転磁界Ｎｓとスチール回転体１５回転数Ｎｒの差により、導電バー１３に電流を流し、導電バー１３に流れた電流により電磁コイルの電圧を高め、導電バー１３に更に大きな電流を流し、この作用の繰り返しにより、最終的にコイル電圧が上がっても磁界が増えない点で安定せしめる。コイル電圧は、コイルＬ１３、Ｌ１４、Ｌ１５にそれぞれ接続したダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３で半波整流し電気二重層コンデンサの充電蓄電部８を充電せしめる。
　　本発明の他の実施例においては図７に示すように電気二重層コンデンサからなる充電蓄電部８とモータ駆動部６のトランジスタＴ３、Ｔ４、Ｔ５との間にコイルＬ１６と、２個の直列接続したトランジスタＴ６とＴ７からなる双方向コンバータ１６と、トランジスタＴ６とＴ７に並列に接続したコンデンサＣ１３と、モータ駆動部６に加わる直流リンク電圧を検出する直流リンク電圧検出手段１７を介挿し、また、上記充電蓄電部８の蓄電電圧入力と、上記直流リンク電圧入力を受けて上記双方向コンバータ１６のトランジスタＴ６とＴ７の開閉パルスを出力する上記双方向コンバータ１６の制御部１８を設け、上記直流リンク電圧が３００ＶになるようにトランジスタＴ６、Ｔ７が相反するように制御せしめる。上記直流リンク電圧は、蓄電電圧／コイル側トランジスタのデューティ比となる。
　この実施例においては、アシスト作動時では直流リンク電圧が３００ＶになるようにトランジスタＴ６、Ｔ７を相反するように制御し、回生作動時では充電蓄電部８の充電電圧が３０ＶになるようにトランジスタＴ６、Ｔ７を相反するように制御せしめる。
なお、蓄電電圧は＝直流リンク電圧×コイル側トランジスタのデューティ比となる。
本発明の共振型モータシステムによれば下記のような効果がある。
（１）本発明では、コイルＬ１～Ｌ１２にコンデンサＣ１～Ｃ１２が並列に接続されていることから、モータ駆動部６を３個のトランジスタで駆動可能であり、従来型インバータの６個に対しトランジスタの数を１／２に減らせる。また、出力周波数当たりパルスのスイッチングが１回なので、共振型モータを１０倍以上高速回転できる。
（２）コイルとコンデンサの共振現象で高調波電流を低減でき、モータ効率が良い。
（３）無効電流は、並列に接続されたコンデンサから供給されることから、無効電流の供給が不要でモータ駆動部の電流を３０％低減できる。従って、モータ駆動部とコイル間の配線を細くでき、トランジスタを小型化できる。
（４）双方向コンバータで直流リンク電圧を高くすることで、充電蓄電部の電気二重層コンデンサの直列個数を１／１０に減らすことができる。
双方向コンバータで直流リンク電圧を高くすることで、電気二重層コンデンサからなる充電蓄電部とモータ駆動部間の距離が離れていてもその間を接続する電線を細くでき、軽量で、効率の良いシステムとなる。
本発明の共振型モータシステムの説明図である。 本発明の共振型モータシステムの構成図である。 本発明の共振型モータの本体部分の縦断正面図である。 本発明の共振型モータの本体部分の縦断側面図である。 アシスト作動時の本発明の共振型モータシステムのアクセル踏込と、エンジン回転数と、回生パルスと、Ａ相～Ｃ相パルスと、回転トルクと、時間の関係を示す線図である。 本発明の共振型モータシステムの回生作動時のアクセル踏込と、エンジン回転数と、回生パルスと、蓄電電圧と、時間の関係を示す線図である。 本発明の共振型モータシステムの他の実施例の構成図である。 従来のアシストモータの説明図である。
１ タイヤ
２ エンジン
３ アシストモータ
４ 共振型モータ
５ 回生部
６ モータ駆動部
７ モータ制御部 
８ 充電蓄電部
９ 蓄電電圧検出手段
１０ 回生パルス　
１１ 固定子
１２ 固定子ヨーク
１３ 導電バー
１４ 導電リング
１５ スチール回転体
１６ 双方向コンバータ
１７ 直流リンク電圧検出手段
１８ 双方向コンバータ制御部

Claims (5)

  1. 電磁コイルとコンデンサとより成る共振回路を有し、エンジンにより回転されて発電する共振型モータと、この共振型モータの回生部と、モータ駆動部と、モータ制御部と、上記共振型モータの回生時、上記共振型モータによって作られた電力を蓄電する充電蓄電部とより成り、上記共振型モータによるアシスト時、上記充電蓄電部の蓄電電力によって上記共振モータを駆動するようにしたことを特徴とする共振型モータシステム。
  2. 電磁コイルとコンデンサとより成る共振回路を有し、エンジンにより回転されて発電する共振型モータと、この共振型モータの回生部と、モータ駆動部と、モータ制御部と、上記共振型モータの回生時、上記共振型モータによって作られた電力を蓄電する充電蓄電部と、この充電蓄電部と上記モータ駆動部との間に介挿した、２個の直列接続したトランジスタを有する双方向コンバータと、この双方向コンバータの制御部とより成り、上記双方向コンバータの制御部が蓄電電圧入力と、上記モータ駆動部に加わる直流リンク電圧入力とを受けて上記２個のトランジスタを互に相反する方向に導通するよう制御することによって上記充電蓄電部から上記モータ駆動部に加えられる直流リンク電圧を高め、上記共振型モータによるアシスト時、上記充電蓄電部の蓄電電力によって上記共振型モータを駆動するようにしたことを特徴とする共振型モータシステム。
  3. 上記共振型モータが、固定子ヨークと、この固定子ヨークの円周方向に互に離間して配置した、鉄心を有する複数個の電磁コイルと、上記固定子ヨークを中心としてエンジンの回転に応じて回転されるスチール回転体とより成り、上記電磁コイルにより多相結線が形成され、各相の電磁コイルが夫々コンデンサと共に共振回路を形成することを特徴とする請求項１または２記載の共振型モータシステム。
  4. 上記モータ制御部がアクセル信号とエンジン回転信号を受けて各相パルス出力と、回生パルス出力を出力し、上記回生部が、上記回生パルス出力により夫々開閉制御される２個のトランジスタを有することを特徴とする請求項１、２または３記載の共振型モータシステム。
  5. 上記双方向コンバータ制御部が、上記充電蓄電部の蓄電電圧入力と、上記モータ駆動部に加わる直流リンク電圧入力とを受けて上記双方向コンバータの２個の直列接続したトランジスタを互に相反するように開閉制御する開閉パルスを出力することを特徴とする請求項２、３または４記載の共振型モータシステム。
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