(57)【要約】      （修正有）【課題】  ターボチャージャの回転をアシストする電動機において、いずれかの相に断線短絡等の異常が発生した場合、電動機の回転磁界の形成を維持してバックアップ運転を可能とする。【解決手段】  ６相の固定子巻線を３相ずつ互いに６０度位相のずれた２つのＹ結線１１、１２に分割して結合し、正常時には２つのＹ結線１１、１２を協調して６相駆動し、いずれかの相１１ａの短絡断線が検出されてときはその相１１ａを含むＹ結線１１の駆動を遮断し、正常な相からのみなるＹ結線１２のみで３相駆動する。【選択図】図３
2006203957.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボチャージャの回転軸若しくはコンプレッサの回転軸を駆動する電動機であって、
固定子巻線を６相有し、その６相の固定子巻線が３相ずつ互いに６０度位相のずれた２つのＹ結線に分割して結合されていることと、
固定子巻線の各相の断線、短絡等の異常を検出する相異常検出手段と、
いずれの相異常も検出されないときは２つのＹ結線を６相駆動し、いずれかの相異常が検出されたときはその相を含むＹ結線への通電駆動を遮断し正常な相からのみなるＹ結線を３相駆動する切り替え手段を有する駆動装置と、
を備えることを特徴とするターボチャージャアシスト電動機。
【請求項２】
前記電動機が、誘導電動機であることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャアシスト電動機。
【請求項３】
前記電動機が、回転子に永久磁石を配したブラシレスモータであることを特徴とする請求項１に記載のターボチャージャアシスト電動機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ターボチャージャの回転駆動を補助するターボチャージャアシスト電動機に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボチャージャの回転の立ち上がり応答性を改善するため、ターボチャージャの回転軸を電動機でアシストすることが考えられる。しかしながら、ターボチャージャは、アイドリング時の１万ないし２万回転から全負荷時の約２０万回転まで、非常に高速で回転する。このような超高速での回転駆動は電動機およびその駆動装置に大きな負担を強いる。電動機を超高速で駆動するものとして、特開平６−１２１５８５号公報には、３相Ｙ型の固定子巻線に蓄積された磁気エネルギーをコンデンサーに充電して次の固定子巻線電流の立ち上がりを急峻にしたものが提案されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１２１５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ターボチャージャではその超高速回転からくる過大な負担から、その全使用年月の間に電動機又は駆動装置に故障が発生する可能性を完全には排除できない。電動機アシストのターボチャージャにおいて、電動機や駆動回路の異常時に回転磁界が構成できなくなり電動機の駆動力が瞬時に停止すると、急激な吸入空気量の低下によりエンジンの気筒内では燃料過大になり、失火をもたらしたり排気が極度に悪化したりする。さらに、運転中の急激なエンジン出力の低下は車両の運転状態が急変し車両の安全性が損なわれるおそれがある。そこで何らかの異常時にもターボチャージャやコンプレッサの回転数を急変させないバックアップ機能が求められる。従来、このようなバックアップ機能の付いた電動機は提案されていなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで本発明では、ターボチャージャの回転軸若しくはコンプレッサの回転軸を駆動する電動機であって、固定子巻線を６相有し、その６相の固定子巻線が３相ずつ互いに６０度位相のずれた２つのＹ結線に分割して結合されていることと、固定子巻線の各相の断線、短絡等の異常を検出する相異常検出手段と、いずれの相異常も検出されないときは２つのＹ結線を６相駆動し、いずれかの相異常が検出されたときはその相を含むＹ結線への通電駆動を遮断し正常な相からのみなるＹ結線を３相駆動する切り替え手段を有する駆動装置と、を備えることを特徴とするターボチャージャアシスト電動機が提供される。電動機は誘導電動機であっても良いし、回転子に永久磁石を配したブラシレスモータであっても良い。
【発明の効果】
【０００６】
上記のように構成すると、平常時は６相のモータとして滑らかに回転駆動される。いずれかの相に異常が検出されたときは、その相を含むＹ結線が実効的に駆動装置から切り離され、もう一方のＹ結線のみで３相駆動され同じ回転数の回転磁界が構成される。このときは通常の３相モータと同じであり、応答性は低下するものの駆動しようとする回転数は同じであり、トルクリギングも生じない。従って、電動機のいずれかの相に異常が発生したとしてもターボチャージャの回転数は殆ど低下せず、ターボチャージャアシスト電動機としてのバックアップ機能を果たすことができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、アシスト電動機が付いたターボチャージャ１を示す断面図である。ハウジング９内に回転自在に支承された回転軸６の左端に、エンジンの排気ガス流によって回転駆動されるタービン４が固定されている。回転軸６の右端に吸入空気を加圧するコンプレッサ５が固定されている。これら９，６，４，５によりターボチャージャ７を構成している。ここでは、ターボの回転の立ち上がりをアシストする電動機２が組み込まれている。アシスト電動機２には誘導電動機が選択される。すなわち、回転軸６にはアルミダイカストからなるかご型の回転子８が取り付けられている。その周りのハウジング９には６つの（６相の）固定子巻線１０が６０°ごとに配置固定され固定子を構成している。
【０００８】
図２は、アシスト電動機２の固定子巻線１０と駆動装置２０を示すブロック図である。６相の固定子巻線１０は、互いに１２０°ごとに離れた３つの巻線がＹ結線され、６０°位相のずれた２つのＹ結線１１、１２が構成される。第１のＹ結線１１は３つの巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃからなり、第２のＹ結線１２は３つの巻線１２ａ、１２ｂ、１２ｃからなる。第１のＹ結線１１は第１のインバータ２１に接続され、第２のＹ結線１２は第２のインバータ２２に接続される。各インバータ２１、２２には電源バッテリー３０から電力が供給される。各インバータ２１、２２は３相インバータであり、たとえば第１のインバータ２１は、６つのスイッチング素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、２１ｅ、２１ｆを主な要素として構成される。第２のインバータ２２も同様である。そして２つのインバータ２１、２２は協調して運転され、アシスト電動機２を６相駆動するようになっている。
【０００９】
そして、たとえば第１のＹ結線１１に属する巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃのいずれかが断線若しくは短絡したときは、第１のインバータ２１を全て停止し第２のインバータ２２のみでアシスト電動機２を回転駆動する。つまり、第２のＹ結線１２のみを３相励磁することによる回転磁界でアシスト電動機２をバックアップ駆動しようとするのである。
【００１０】
図３は、上記の制御思想を実現する制御装置を示すブロック図である。アシスト電動機２の第１のＹ結線１１の巻線１１ａ、１１ｂ、１１ｃは第１のインバータ２１に接続され、第２のＹ結線１２の巻線１２ａ、１２ｂ、１２ｃは第２のインバータ２２に接続されている。第１のＹ結線１１の巻線１１ａ、１１ｂに至る線にはそれぞれ電流センサ５１、５２が取り付けられ、相電流ｉ１，ｉ２を検出する。相電流ｉ３はＹ結線であるからｉ３＝−（ｉ１＋ｉ２）により算出できる。同様に、第２のＹ結線１２の巻線１２ａ、１２ｂに至る線にはそれぞれ電流センサ５４、５５が取り付けられ、相電流ｉ４，ｉ５を検出する。相電流ｉ１，ｉ２，ｉ４，ｉ５のデータは制御装置４０に送られる。制御装置４０では、モータ回転数、モータ回転指令値等のデータに基づき第１のインバータ２１の６つのスイッチング素子のオンオフ信号と第２のインバータ２２の６つのスイッチング素子のオンオフ信号を出力する。２系列のオンオフ信号はそれぞれ禁止手段４４、４５をなすＡＮＤゲートを経由してインバータ２１、２２のゲート駆動回路２３、２４に送られる。ＡＮＤゲート４４、４５の他の入力端子には正常時は１が入力される。
【００１１】
モータの相電流値が入力される異常検出手段４３では、６つの相の平均相電流値とそれぞれのＹ結線１１、１２の各相電流を比較して、異常に大きい又は異常に小さい相電流からその相の短絡又は断線を検出する。異常を検出すると異常の発生した相が第１のＹ結線１１か第２のＹ結線１２かの信号を切り替え手段４２に送る。切り替え手段４２では、異常検出手段４３からの信号に基づき、異常の検出されたＹ結線を駆動する側の禁止手段に禁止信号を出力する。たとえば、第１のＹ結線１１に異常が検出されたなら、切り替え手段４２から第１の禁止手段４４に「０」が出力され禁止手段の機能がＡＮＤであるから第１のゲート駆動回路２３へは常に「０」を出力する。このため第１のインバータ２１は停止する。一方、切り替え手段４２から第２の禁止手段４５には「１」が出力されたままになるから駆動制御手段４１からの６つの信号がそのまま第２のゲート駆動回路２４に送られ第２のインバータ２２は運転を続ける。
【００１２】
駆動制御手段４１は、切り替え手段４２からの異常信号に対応し、異常時の運転であることを認知し、バックアップ運転に適した運転指令をゲート駆動回路２４に送る。この結果、Ｙ結線の要素に異常を検出した側のインバータ２１は停止し、正常側のＹ結線１２を駆動するインバータ２２だけでバックアップ運転が続けられる。
【００１３】
上記では制御装置４０をあたかも回路のごとく説明したが、実際には制御装置４０の各手段はマクロプロセッサによる処理として実現される。図４は、マクロプロセッサによる処理を示すフローチャートである。Ｓ１で処理が開始される。Ｓ２では相電流の検出が行われる。相電流ｉ１，ｉ２は電流センサ５１，５２により直接に検出され、相電流ｉ３はｉ３＝−（ｉ１＋ｉ２）として計算により算出される。同様に、相電流ｉ４，ｉ５は電流センサ５４，５５により直接に検出され、相電流ｉ６はｉ６＝−（ｉ４＋ｉ５）として計算により算出される。
Ｓ３では各相の実効電流（ｒｍｓ）およびその６相での平均値Ｉｍが求められる。Ｓ４では各相の実効電流Ｉｎｒｍｓの平均値Ｉｍからのずれ値δＩｎ（ｎ＝１〜６）が計算される。δＩｎ＝Ｉｍ−Ｉｎｒｍｓとして計算される。ずれ値δＩｎは正負いずれの値もとりうる数値であり、実効相電流が過大なときは負の値となる。
【００１４】
Ｓ５では各相の断線の有無が判定される。ずれ値δＩｎが正値で所定値Ｉｍｉｎより大のときは、δＩｎ>Ｉｍｉｎ、実効相電流が過小であり、その相の巻線が断線したと判定しＳ８に進む。６つの相すべてで、ずれ値δＩｎが所定値Ｉｍｉｎより小さいときは巻線の断線は無いと判定しＳ６に進む。
Ｓ６では各相の短絡の有無が判定される。ずれ値δＩｎが負値で所定値Ｉｍａｘより小のときは、δＩｎ<Ｉｍａｘ、実効相電流が過大であり、その相の巻線が短絡したと判定しＳ８に進む。６つの相すべてで、ずれ値δＩｎが負の所定値Ｉｍａｘより大きいときは巻線の短絡は無いと判定しＳ７に進む。そしてＳ１に戻り、再び各相の巻線の断線、短絡の有無を調べるルーチンを繰り返す。
【００１５】
Ｓ５又はＳ６で断線又は短絡と判定されたときはＳ８に進む。Ｓ８では異常判定フラグをセットし駆動制御手段４１に巻線に異常が発生したことを知らせる。次いでＳ９に進み、異常を検知したＹ結線を駆動するインバータに信号を送る禁止手段（ＡＮＤゲート）に「０」を出力し、該当するインバータを停止させる。そしてＳ１０に進み、処理を終了する。
【００１６】
図５は、アシスト電動機２の固定子巻線の各相に印加される電圧波形の一例を示す波形図である。Ｕ，Ｖ，Ｗは第１のＹ結線１１の相を示し、Ｘ、Ｙ、Ｚは第２のＹ結線１２の相を示す。正常時には、図に示すように、第１のＹ結線１１と第２のＹ結線１２とでは６０°電気角がずれて６相励磁される。いずれかの相たとえば第１のＹ結線１１の一つの相に短絡断線等の異常が発生すれば、禁止手段４４によりＵ、Ｖ、Ｗの相の励磁は停止され印加電圧は０になる。そして、Ｘ、Ｙ、Ｚの第２のＹ結線１２のみに１２０°電気角がずれた電圧が印加され３相励磁によりバックアップ運転が開始されターボチャージャのアシストが続行される。
【００１７】
図６は、アシスト電動機付きターボチャージャの構成例を示すブロック図である。エンジンのエグゾーストマニフォールドはターボチャージャ６１に連通し、ターボチャージャ６１の排気タービンを回転駆動して排気経路６６に至る。ターボチャージャ６１には電動機（たとえば誘導機）６２が内蔵され、コンプレッサタービンの回転をアシストする。吸気経路６５はターボチャージャ６１に連通され、コンプレッサタービンにより吸気が圧縮される。圧縮された吸気はインタークーラ６４で冷却され、インテークマニフォールドに導かれる。ここで、ターボチャージャ６１の回転は排気によるコンプレッサタービンの駆動力だけではなく、アシスト電動機６２の駆動力も加わっているので、特にターボチャージャ６１の回転の立ち上がりが優れたものとなる。
【００１８】
以上述べた実施の形態ではターボチャージャの回転軸を直接アシスト電動機により補助駆動するものとしたが、ターボチャージャの補助コンプレッサを回転駆動する電動機に本発明を適用することも勿論可能である。
【００１９】
図７は、アシスト電動機コンプレッサの付いたターボチャージャの構成例を示すブロック図である。エンジン７４のエグゾーストマニフォールドはターボチャージャ７３に連通し、ターボチャージャ７３の排気タービンを回転駆動して排気経路７８に至る。吸気経路７７はターボチャージャ７３に連通され、ターボチャージャ７３のコンプレッサタービンにより吸気が圧縮される。圧縮された吸気は補助コンプレッサ７１に送られ、さらに圧縮される。補助コンプレッサ７１はアシスト電動機７２により回転駆動される。補助コンプレッサ７１の出力管とターボチャージャ７３の出力管から分岐した管は、切り替え弁７６に導かれる。切り替え弁７６は、図示しない電子制御装置により制御され、補助コンプレッサ７１の出力又はターボチャージャ７３の出力が選択され吸気がインタークーラ７５に送られる。インタークーラ７５の出力はエンジン７４のインテークマニフォールドに連通する。
【００２０】
図８は、補助コンプレッサ７１の断面図である。ケーシング８１に固定された軸受け８２、８３に回転軸８４が回転自在に支承されている。回転軸８４の右端にはコンプレッサタービン８５が固定され、高速回転して吸気経路８６、８７の吸気を圧縮する。回転軸８４の左寄りにはかご型のアルミダイカストからなる回転子８９が固定される。回転子８９の周囲のケーシング８１には６極の固定子巻線８８、８８が固定され、固定子巻線８８と回転子８９とで誘導電動機からなるアシスト電動機９０を構成している。６相からなる固定子巻線８８は３相ずつＹ字結線され、６０°位相のずれた２組のＹ字結線が構成される。そして、図２乃至図５を参照して説明したのと同様に、正常時は６相で回転駆動し、片方のＹ字結線が故障した場合は他方のＹ字結線で同じ速度の回転磁界を維持し、バックアップ運転を可能とする。補助コンプレッサ７１はターボチャージャ７３の立ち上がり時に作動しターボチャージャ７３による過給をアシストするものである。このように、本発明に係るアシスト電動機はターボチャージャのみならずコンプレッサにも適用可能である。
【００２１】
図９は、従来の駆動装置の構成を示すブロック図である。誘導電動機１００の３つの固定子巻線１００ａ、１００ｂ、１００ｃの出力端子数は６つであり、駆動回路２００にはそれぞれの巻線を駆動するインバータ２０１、２０２、２０３が備えられている。各インバータには４つのスイッチング素子２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄが必要であるから、駆動回路２００の全スイッチング素子数は４×３＝１２である。一方、図２に示すように、本発明の駆動回路２０の全スイッチング素子数は６×２＝１２であり、従来の駆動回路２００と同じ数になり、本発明による駆動回路のコストアップは無い。
【００２２】
以上述べた実施の形態では電動機を誘導電動機として説明したが、電動機を回転子に永久磁石を配したブラシレスモータであっても同様のバックアップ制御が可能なことは明らかである。
また、図５では各相を矩形波で励磁する場合を示したが、ＰＷＭで励磁しても良いことは明らかである。
さらに前記の実施の形態では固定子巻線の各相の短絡断線を各相の電流により検出するようにしたが、各相の電圧やインピーダンスから検出するようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】アシスト電動機が付いたターボチャージャを示す断面図である。
【図２】アシスト電動機の固定子巻線と駆動装置を示すブロック図である。
【図３】本発明の制御思想を実現する制御装置を示すブロック図である。
【図４】マクロプロセッサによる処理を示すフローチャートである。
【図５】アシスト電動機の固定子巻線の各相に印加される電圧波形の一例を示す波形図である。
【図６】アシスト電動機付きターボチャージャの構成例を示すブロック図である。
【図７】アシスト電動機コンプレッサの付いたターボチャージャの構成例を示すブロック図である。
【図８】補助コンプレッサの断面図である。
【図９】従来の駆動装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００２４】
２  アシスト誘導電動機
７  ターボチャージャ
１０  固定子巻線
１１  第１のＹ結線
１２  第２のＹ結線
２０  駆動装置
２１  第１の３相インバータ
２２  第２の３相インバータ
３０  電源バッテリー
４０  制御装置
４２  切り替え手段
４３  異常検出手段
４４、４５  禁止手段
５１、５２、５４、５５  電流センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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