(57)【要約】【課題】電流遮断時のサージ電圧を低減する回転電機装置を得る。【解決手段】電機子巻線の各相毎に電源のプラス側端子から第１アームのスイッチング素子を経て電機子巻線に接続され、電機子巻線の各相毎に電機子巻線から第２アームのスイッチング素子を経て電源のマイナス側端子に接続された電力変換部と、回転電機の力行動作時に電力変換部の各スイッチング素子のゲートを制御し回転電機の電機子巻線へ矩形波状の電圧を印加するゲート制御部とを備え、ゲート制御部は、力行動作を停止するように停止指令が入力され、電機子巻線の電流遮断を行う場合には、第１,第２アームのスイッチング素子のいずれかにおいて複数相がオン状態となっているアーム側のスイッチング素子を同時にオフして電流経路を遮断した後に、反対側アームのスイッチング素子をオフするように構成された。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多相の電機子巻線を有する回転電機と、
電機子巻線の各相毎に電源のプラス側端子から第１アームのスイッチング素子を経て電機子巻線に接続され、電機子巻線の各相毎に電機子巻線から第２アームのスイッチング素子を経て前記電源のマイナス側端子に接続された電力変換部と、
前記回転電機の力行動作時に前記電力変換部の各スイッチング素子のゲートを制御し前記回転電機の電機子巻線へ矩形波状の電圧を印加するゲート制御部とを備え、
前記ゲート制御部は、力行動作を停止するように停止指令が入力され、電機子巻線の電流遮断を行う場合には、前記第１,第２アームのスイッチング素子のいずれかにおいて複数相がオン状態となっているアーム側のスイッチング素子を同時にオフして電流経路を遮断した後に、反対側アームのスイッチング素子をオフするように構成されたことを特徴とする回転電機装置。
【請求項２】
前記第１,第２アーム側のいずれのスイッチング素子も複数相オンとなってない場合に、各スイッチング素子の通電角度範囲を拡大し、前記第１,第２アーム側のいずれかのスイッチング素子を複数相オン状態にして電流を分流させ、
これら複数相がオン状態となっているアーム側の前記スイッチング素子を同時にオフして電流経路を遮断した後に、反対側アームの前記スイッチング素子をオフするように構成されたことを特徴とする請求項１記載の回転電機装置。
【請求項３】
複数相がオン状態となっているアーム側の前記スイッチング素子に流れている電流が略均等時に、複数相がオン状態となっているアーム側の前記スイッチング素子を同時にオフして電流経路を遮断した後に、反対側アームの前記スイッチング素子をオフするように構成されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の回転電機装置。
【請求項４】
力行動作中の前記回転電機が所定回転数以下の場合は、
複数相がオン状態となっているアーム側の前記スイッチング素子を同時にオフして電流経路を遮断した後に、反対側アームの前記スイッチング素子をオフするように構成されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の回転電機装置。
【請求項５】
力行動作中の前記回転電機が所定回転数以上の場合は、
オン状態となっている前記スイッチング素子を同時に全てオフして電流経路を遮断するように構成されたことを特徴とする請求項４記載の回転電機装置。
【請求項６】
力行動作中の前記回転電機が所定回転数以上の場合は、
オフ状態となっている前記スイッチング素子のオフ状態を持続し、
オン状態となっている前記スイッチング素子の通電電流が零となるタイミングでオフして電流経路を遮断するように構成されたことを特徴とする請求項４記載の回転電機装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、主に車両に搭載される回転電機装置に関し、特にその電力変換部のスイッチング素子の停止制御に係わるものである。
【背景技術】
【０００２】
回転電機装置では、力行動作中は電機子巻線に大電流が流れており、力行動作を停止する場合には、大電流を遮断する必要があるため、大きなサージ電圧が発生する。このため、例えば特許文献１では、停止指令によって全てのスイッチング素子を同時にオフするのでなく、本来オフになるタイミング（回転位置）まで引き伸ばしてから、各々スイッチング素子をオフすることにより、サージ電圧の発生を低減できるとしている。しかし、特許文献１の方法は、回転電機が低回転であったりロックしていたりすると、電機子巻線に流れる電流が電機子直流抵抗成分にのみによって制限されている状態であったり、回転電機の誘起電流の発生が少ない状態であったりして、大電流を遮断するとサージ電圧が大きくなることがある。
【０００３】
【特許文献１】特願２００５−３６６６７３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に大電流が流れている回路の電流を急峻に遮断すると、大きなサージ電圧が発生しスイッチング素子が耐電圧破壊してしまう。このため、通常サージ電圧を低減できるようにスイッチング速度を調整するが、スイッチング速度を遅くすると、スイッチング素子でのスイッチング損失が大きくなり、スイッチング素子が過熱破壊することになる。
この発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、電流遮断時のサージ電圧を低減する回転電機装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明に係わる回転電機装置は、多相の電機子巻線を有する回転電機と、電機子巻線の各相毎に電源のプラス側端子から第１アームのスイッチング素子を経て電機子巻線に接続され、電機子巻線の各相毎に電機子巻線から第２アームのスイッチング素子を経て前記電源のマイナス側端子に接続された電力変換部と、前記回転電機の力行動作時に前記電力変換部の各スイッチング素子のゲートを制御し前記回転電機の電機子巻線へ矩形波状の電圧を印加するゲート制御部とを備え、前記ゲート制御部は、力行動作を停止するように停止指令が入力され、電機子巻線の電流遮断を行う場合には、前記第１,第２アームのスイッチング素子のいずれかにおいて複数相がオン状態となっているアーム側のスイッチング素子を同時にオフして電流経路を遮断した後に、反対側アームのスイッチング素子をオフするように構成されたものである。
【発明の効果】
【０００６】
この発明の回転電機装置によれば、ゲート制御部は、力行動作を停止するように停止指令が入力され、電機子巻線の電流遮断を行う場合には、第１,第２アームのスイッチング素子のいずれかにおいて複数相がオン状態となっているアーム側のスイッチング素子を同時にオフして電流経路を遮断した後に、反対側アームのスイッチング素子をオフするようにしたので、電流遮断時のサージ電圧を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
実施の形態１．
図１（ａ）は、この発明の実施の形態における回転電機装置を示す構成図であり、図１（ｂ）はその力行制御信号を示す波形図である。一例として矩形波通電される３相電動機を示している。なお、車両に搭載される回転電機は、発電電動機、発電機、又は電動機として動作する。回転電機４００は３相のＹ型結線された電機子巻線を有する。電機子巻線は、等価的に電機子巻線インダクタンス成分４０１,４０２,４０３と電機子直流抵抗成分４１１,４１２,４１３として考えることができる。回転電機４００の電機子巻線側が固定子（又は回転子）となり、図示されていないが、回転電機４００の電機子巻線側に対向して界磁巻線型又は永久磁石型の回転子（又は固定子）を有している。
【０００８】
電力変換部３００とゲート制御部２５０で、いわゆる３相インバータを構成している。なお、ゲート制御部２５０はＣＰＵでスイッチング素子（後述）のゲートを制御している。蓄電池である電源１００はその端子間電圧を電力変換部３００の直流端子に印加している。電機子巻線の各相は電力変換部３００の交流端子に接続されると共に２個のスイッチング素子に接続されている。電機子巻線の各相毎に電源１００のプラス側端子（電圧Ｖｐ）から第１アームのスイッチング素子３０１ａ,３０２ａ,３０３ａを経て電機子巻線に接続され、電機子巻線の各相毎に電機子巻線から第２アームのスイッチング素子３０１ｂ,３０２ｂ,３０３ｂを経て電源のマイナス側端子に接続されている。スイッチング素子には導通方向と逆向きに環流ダイオードが接続されている。なお、スイッチング素子が、ＭＯＳＦＥＴであれば、寄生ダイオードが存在し、これが通常環流ダイオードの役割を果たす。
【０００９】
回転電機４００の回転子位置を検出する回転センサー２００の情報に基づくゲート制御部２５０からの制御信号により、電力変換部３００の各スイッチング素子が制御される。Ｕ相第１アームのスイッチング素子３０１ａに対する通電指令（ＵＨ）、Ｕ相第２アームのスイッチング素子３０１ｂに対する通電指令（ＵＬ）、Ｖ相第１アームのスイッチング素子３０２ａに対する通電指令（ＶＨ）、Ｖ相第２アームのスイッチング素子３０２ｂに対する通電指令（ＶＬ）、Ｗ相第１アームのスイッチング素子３０３ａに対する通電指令（ＷＨ）、Ｗ相第２アームのスイッチング素子３０３ｂに対する通電指令（ＷＬ）により、直流交流変換して電機子巻線に通電されることにより回転電機４００の力行運転を行う。
【００１０】
図１（ｂ）は各相のスイッチング素子３０１ａ,３０２ａ,３０３ａ,３０１ｂ,３０２ｂ,３０３ｂがオン・オフ制御され、回転電機４００が力行制御される場合に、ゲート制御部２５０から各相のスイッチング素子のゲートに出力される信号（通電指令）を示している。各信号ＵＨ,ＵＬ,ＶＨ,ＶＬ,ＷＨ,ＷＬが＋のとき、該当のスイッチング素子３０１ａ,３０２ａ,３０３ａ,３０１ｂ,３０２ｂ,３０３ｂをオンさせる。
【００１１】
次に回転電機が力行動作中に停止制御を行う場合について説明する。回転電機が低回転の場合、電機子巻線に定常的に流れる電流は電機子直流抵抗成分のみにより制限される。例えば、図２のようなタイミングで停止指令が入力され、全てのスイッチング素子を同時にオフすると、図３のように流れている電流を遮断するため、Ｉ１１、Ｉ１２、Ｉ１３は夫々以下のようになる。
Ｉ１１＝（２／３）（Ｖｐ／Ｒ）                （１）
Ｉ１２＝Ｉ１３＝（１／３）（Ｖｐ／Ｒ）          （２）
このときに全てのスイッチング素子を同時にオフ（ＵＨ，ＶＬ，ＷＬにより同時にオフ）すると、各スイッチング素子のバラツキなどで最悪Ｕ相第１アームのスイッチング素子３０１ａがＩ１１の電流量を遮断することになる。
【００１２】
次に回転電機が低回転の場合に、図４のように停止指令により、オン状態となっているスイッチング素子を本来オフするタイミングまで引き伸ばして通電電流が零でオフするようにしたとき、図５のように定常的な電流Ｉ２１、Ｉ２３は夫々以下のようになる。
Ｉ２１＝Ｉ２３＝（１／２）（Ｖｐ／Ｒ）          （３）
このときに電流遮断タイミングでＵ相第１アームのスイッチング素子がオフとなると、Ｉ２１の電流量を遮断することになる。
【００１３】
図２と図３,並びに図４と図５で説明したときより、遮断する電流量を減少させるために、この発明では、回転電機が低回転の場合に、図６のように停止指令が有意となった場合（停止指令が入力された場合）に、２相がオン状態となっているアーム側のスイッチング素子{図６の場合は、Ｖ相第２アームのスイッチング素子（ＶＬ制御）とＷ相第２アームのスイッチング素子（ＷＬ制御）の２相がオンになっている}を同時にオフし、その後に反対側のアームの１相をオフすることで、スイッチング素子が遮断する電流は、Ｉ１２,Ｉ１３となり、Ｉ１１やＩ２１，Ｉ２３を遮断しなければならない場合に比較して、電流遮断時のスイッチング素子の負担を少なくすることができる。
【００１４】
つまり、図３において、２相がオン状態となっている第２アーム側のスイッチング素子３０２ｂ,３０３ｂを同時にオフすると、遮断する電流は、Ｉ１２＝Ｉ１３＝（１／３）（Ｖｐ／Ｒ）となる。電流を遮断すると、電機子巻線を流れていた電流（図３で電機子直流抵抗４１１を流れていた電流）は、電機子直流抵抗４１２,４１３からスイッチング素子３０２ａ,３０３ａの寄生ダイオードとオン状態となっているスイッチング素子３０１ａを介して還流電流として流れ、時間と共に減衰する。その後に減衰した状態にある反対側のアームのスイッチング素子３０１ａをオフする。
【００１５】
このように、力行動作を停止するように停止指令が入力され、電機子巻線の電流遮断を行う場合に、第１,第２アームのスイッチング素子のいずれかにおいて複数相がオン状態となっているアーム側のスイッチング素子を同時にオフして電流経路を遮断した後に、反対側アームのスイッチング素子をオフするようにしたので、大電流が流れているときの電流遮断を複数相のスイッチング素子に分担させることによって、各々のスイッチング素子での負担を軽減でき、スイッチング速度をより遅くすることが可能となり、大電流遮断時のサージ電圧を低減することができる。また、サージ電圧を低減し、必然的に通常の力行時のスイッチング動作のサージ電圧も低減できるため、ノイズ対策としても有効となる。
【００１６】
次に、式（１）〜（３）の値の電流が実際に流れる状態になるには、スイッチングオン後、電機子巻線インダクタンス成分Ｌと電機子直流抵抗成分Ｒによりスイッチング状態が変化してから一定期間遅れる。つまり、２相がオン状態となっているアーム側のスイッチング素子に流れている電流が均等になるには、スイッチングオン後、一定期間遅れるが、均等になったときに電機子巻線の電流遮断を行うことが望ましい。
【００１７】
電機子巻線に流れる電流Ｉは、スイッチングオン時に電機子巻線にかかる電圧をＥ、スイッチングオンしてからの経過時間をｔとすれば以下のような関係式が成立する。
【数１】
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【００１８】
そのため、力行動作を停止するように停止指令が入力されたときに、実際に電機子巻線の電流遮断を行うタイミングは、電機子巻線インダクタンス成分Ｌと電機子直流抵抗成分Ｒが既知の値の場合は、２相がオン状態となっているアーム側のスイッチング素子のそれぞれのスイッチングオンしてからの経過時間ｔによって、それぞれ求めたＩが略均等する経過時間ｔによって予測することができる。
【００１９】
また、実際に電機子巻線の電流遮断を行うタイミングは、２相がオン状態となっているアーム側のスイッチング素子に流れている電流が均等になるタイミングを、実際に各相の電機子巻線を流れている電流を検出する方法によっても知ることができる。
【００２０】
このように、力行動作を停止するように停止指令が入力されたときに、電機子巻線の電流遮断を行うタイミングは、複数相がオン状態となっているアーム側のスイッチング素子に流れている電流が略均等になっている時に同時にオフして電流経路を遮断した後に、反対側アームのスイッチング素子をオフすることにより、電流遮断時における双方のスイッチング素子の負担を少なくする（最小にする）ことができる。
以上は回転電機の電機子巻線が３相Ｙ結線の場合を例にあげているが、３相Δ結線であっても、又６相結線であっても、この発明を適用すれば、同様に遮断する電流を小さくできる。
【００２１】
実施の形態２．
図７は、実施の形態２における通電パターンの切替えをしたときの制御信号波形並びに各スイッチング素子のオン・オフ状態と電流の流れを示す図である。ここでは、図７（ａ）のように１２０度通電パターンで力行している場合に、回転子（電機子）がロックした状態を示している。このときのスイッチング素子の状態は、Ｕ相第１アームのスイッチング素子（ＵＨ制御）がオン、Ｗ相第２アームのスイッチング素子（ＷＬ制御）がオンのように、第１,第２アームのそれぞれ１相しかオンとならないため、この状態からスイッチング素子をオフとして電流遮断すると、
Ｉ３１＝Ｉ３３＝（１／２）（Ｖｐ／Ｒ）          （５）
となる。
【００２２】
そこでこの発明では、図７（ｂ）のように、一度１８０度通電パターンに切替えることにより、つまり、各スイッチング素子の通電角度範囲を拡大（１２０度から１８０度に拡大）し、第１アーム側又は第２アーム側のどちらかが２相オンとなることで、電流が分流され、２相がオン状態となっているアーム側のスイッチング素子{図７（ｂ）の場合は、Ｖ相第２アームのスイッチング素子（ＶＬ制御）とＷ相第２アームのスイッチンブ素子（ＷＬ制御）の２相がオンになっている}を同時にオフし、その後に反対側のアームの１相（図７（ｂ）の場合はＵ相第１アームのスイッチング素子（ＵＨ制御）をオフすることで、スイッチング素子が実際に遮断する電流は
Ｉ４２＝Ｉ４３＝（１／３）（Ｖｐ／Ｒ）          （６）
となり、Ｉ３１,Ｉ３３を遮断するときよりも小さくなる。
【００２３】
実施の形態３．
図８は実施の形態３における回転数による停止処理切換え動作を示すフローチャートである。力行動作を停止するように停止指令が入力され、電機子巻線の電流遮断を行う場合、つまり、力行停止指令が有意となった場合に、まずステップＳ１で、回転子（電機子）に流れる電流が電機子直流抵抗成分のみで制限されている状態であるか、回転電機の誘起電流の発生が少ない状態であるかの判定を、回転子の回転位置検出器から得られる単位時間あたりの変位量（回転数）より判断する。ここでは、ステップＳ１での判定値を５００r/minとしているが、これは回転電機の特性やスイッチング素子の電流遮断能力等によって適正な値は変化する。なお、ここでは、十分な誘起電流が発生しているかの判定を、回転子の回転数によって判定しているが、他にスイッチング素子に流れる電流の大きさや回転電機に供給される電流の大きさ、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の電圧など、他の手段を用いても判定可能である。
【００２４】
ステップＳ１で、条件非成立であれば、ゲート制御部２５０は通常の停止処理であるステップＳ５を実行し、条件が成立した場合に、実施の形態１又は実施の形態２の停止処理を行う。ステップＳ１で、条件非成立であれば、すなわち、回転子の回転数が５００r/min以上であれば、回転電機の誘起電流の発生が多いので、ステップ５でゲート制御部２５０は、図２に示すように、通常の停止処理であるオン状態となっているスイッチング素子を直ちに同時に全てオフして電流経路を遮断する。
【００２５】
なお、このとき、ステップ５でゲート制御部２５０は、図４に示すように、停止指令により、オン状態となっているスイッチング素子を本来のオフするタイミングまで引き伸ばして通電電流が零となるタイミングでオフするようにしても良い。つまり、本来のオフするタイミングまで引き伸ばした図４のＵＨ制御のスイッチング素子をオフし、その後、反対側のアームのＷＬ制御のスイッチング素子をオフするようにしても良い。換言すれば、オフ状態となっているスイッチング素子のオフ状態を持続し、オン状態となっているスイッチング素子の通電電流が零となるタイミングでオフするようにして電流経路を遮断するようにすればよい。
【００２６】
ステップＳ１で、条件成立であれば、ゲート制御部２５０は、先ず、ステップＳ２で、第１,第２アーム側のいずれのスイッチング素子も２相オンとなってない場合、例えば、１２０度通電の場合は、各スイッチング素子の通電角度範囲を拡大、例えは１８０度通電に拡大し、第１,第２アーム側のいずれかのスイッチング素子を２相オン状態にして電流を分流させる。ステップ３で、これら２相がオン状態となっているアーム側のスイッチング素子を同時にオフして電流経路を遮断した後に、ステップ４で、反対側アームの１相のスイッチング素子をオフすることで、出力停止状態とする。
このようにして、回転電機における低回転時やロック時における大電流を遮断する場合のスイッチング素子の負担を減らすことができる。
【００２７】
前記のように、力行動作を停止するように停止指令が入力され、電機子巻線の電流遮断を行う場合に、力行動作中の回転電機の回転速度が中高速回転（例えば５００r/min以上）であるとき、電機子巻線に流れる電流が巻線インダクタンス成分により制限されている状態であったり、回転電機の誘起電流の発生が多い状態では、通常の力行動作を停止する手法を行うことでサージ電圧を低減できる。
【００２８】
しかし、力行動作を停止するように停止指令が入力され、電機子巻線の電流遮断を行う場合に、力行動作中の回転電機が低回転であったりロックしていたり（例えば５００r/min以下であると）すると、電機子に流れる電流が電機子直流抵抗成分のみで制限されている状態であったり、回転電機の誘起電流の発生が少ない状態であったりするので、複数相がオン状態となっているアーム側のスイッチング素子を同時にオフして電流経路を遮断した後に、反対側アームのスイッチング素子をオフすることで、回転電機の回転数全域にてサージ電圧を低減できる。
【００２９】
この発明では、力行停止時の電流遮断が最大となる回転電機が低回転であったりロック状態において、従来方法よりも、遮断する電流が小さいために、よりソフトスイッチングとすることができるため、サージ電圧も低減でき、ノイズ対策としても有効となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】この発明の実施の形態に係わり、その（ａ）は、回転電機装置を示す構成図であり、その（ｂ）はその力行制御信号を示す波形図である。
【図２】力行動作中に停止制御して全スイッチング素子を一斉にオフするときの制御タイミングを示す波形図である。
【図３】図２におけるスイッチングオフ直前の各スイッチング素子のオン・オフ状態と電流の流れを示す図である。
【図４】停止制御時に本来オフするタイミングまで引き伸ばしてスイッチング素子をオフするときの制御タイミングを示す波形図である。
【図５】図４におけるスイッチングオフ直前の各スイッチング素子のオン・オフ状態と電流の流れを示す図である。
【図６】実施の形態１において、２相がオンしているアーム側のスイッチング素子を同時にオフした後に、反対側アームのスイッチング素子をオフするときの制御タイミングを示す波形図である。
【図７】実施の形態２における通電パターンの切替えをしたときの制御信号波形並びに各スイッチング素子のオン・オフ状態と電流の流れを示す図である。
【図８】実施の形態３における回転電機装置の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３１】
１００  電源
２００  回転センサー
２５０  ゲート制御部
３００  電力変換部
３０１ａ  Ｕ相第１アームのスイッチング素子
３０２ａ  Ｖ相第１アームのスイッチング素子
３０３ａ  Ｗ相第１アームのスイッチング素子
３０１ｂ  Ｕ相第２アームのスイッチング素子
３０２ｂ  Ｖ相第２アームのスイッチング素子
３０３ｂ  Ｗ相第２アームのスイッチング素子
４００  回転電機
４０１  Ｕ相電機子巻線インダクタンス成分
４０２  Ｖ相電機子巻線インダクタンス成分
４０３  Ｗ相電機子巻線インダクタンス成分
４１１  Ｕ相電機子直流抵抗成分
４１２  Ｖ相電機子直流抵抗成分
４１３  Ｗ相電機子直流抵抗成分
【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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