(57)【要約】【課題】  従来と同等の体格でインバータ装置の回転電機本体への搭載を実現することができる車両用回転電機を提供する。【解決手段】  上記課題は、回転電機本体１と、回転電機本体１に搭載されたインバータ装置５０とを有し、インバータ装置５０が、変換回路５５を有するモジュール部５２と、変換回路５５の動作を制御する制御部５１とを備えており、変換回路５５が、高電位側に配置されたＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４と、低電位側に配置されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５とを電気的に直列接続したものが電気的に複数並列接続されて構成されたものであって、バッテリ１５０から供給された電力或いはバッテリ１５０に供給する電力を制御するものによって解決することができる。【選択図】図１
2005328690.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載されかつ車載電源に電気的に接続された車両用回転電機であって、
回転電機本体と、
該回転電機本体に搭載された電力変換装置と
を有し、
前記電力変換装置は、
電力制御用回路を有するモジュール部と、
前記電力制御用回路の動作を制御する制御部と
を備えており、
前記電力制御用回路は、高電位側に配置されたＰチャネルＭＯＳ形半導体素子と、低電位側に配置されたＮチャネルＭＯＳ形半導体素子とを電気的に直列接続したものが電気的に複数並列接続されて構成されたものであって、
車載電源から供給された電力或いは車載電源に供給する電力を制御するものであり、
前記制御部は、
前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれを駆動するための指令信号を出力する制御回路と、
前記制御回路から出力された前記指令信号を受けて、前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれを駆動させるための駆動信号を、前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれに出力する駆動回路と
を備えている
ことを特徴とする車両用回転電機。
【請求項２】
車両に搭載されかつ車載電源に電気的に接続された車両用回転電機であって、
回転電機本体と、
該回転電機本体に搭載された電力変換装置と
を有し、
前記電力変換装置は、
電力制御用回路を有するモジュール部と、
前記電力制御用回路の動作を制御する制御部と
を備えており、
前記電力制御用回路は、高電位側に配置されたＰチャネルＭＯＳ形半導体素子と、低電位側に配置されたＮチャネルＭＯＳ形半導体素子とを電気的に直列接続したものが電気的に複数並列接続されて構成されたものであって、
車載電源から供給された電力或いは車載電源に供給する電力を制御するものであり、
前記制御部は、
前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれを駆動するための指令信号を出力する制御回路と、
前記制御回路から出力された前記指令信号を受けて、前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれを駆動させるための駆動信号を、前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれに出力する駆動回路と
を備えており、
前記制御回路及び前記駆動回路は複数の電子回路素子によって構成されており、
前記複数の電子回路素子は集積化されて基板に搭載され、前記回転電機本体に搭載されている
ことを特徴とする車両用回転電機。
【請求項３】
車両に搭載されかつ車載電源に電気的に接続された車両用回転電機であって、
回転電機本体と、
該回転電機本体に搭載された電力変換装置と
を有し、
前記電力変換装置は、
電力制御用回路を有するモジュール部と、
前記電力制御用回路の動作を制御する制御部と
を備えており、
前記電力制御用回路は、
高電位側に配置されたＰチャネルＭＯＳ形半導体素子と、低電位側に配置されたＮチャネルＭＯＳ形半導体素子とを電気的に直列接続したものが電気的に複数並列接続されて構成されたものであって、
車載電源から供給された電力或いは車載電源に供給する電力を制御するものであり、
前記制御部は、
前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれを駆動するための指令信号を出力する制御回路と、
前記制御回路から出力された前記指令信号を受けて、前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれを駆動させるための駆動信号を、前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれに出力する駆動回路と
を備えており、
前記駆動回路は、車載電源から供給された電力を電源として、前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれを駆動させるための駆動信号を、前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれに出力するように動作する
ことを特徴とする車両用回転電機。
【請求項４】
駆動源を内燃機関とし、車両の停止時に内燃機関を停止し、車両の発進時に内燃機関を再始動する自動車に搭載され、かつ車載電源を電源として内燃機関の再始動時の駆動力を発生する車両用回転電機であって、
内燃機関に機械的に接続された回転電機本体と、
該回転電機本体に搭載された電力変換装置と
を有し、
前記電力変換装置は、
電力制御用回路を有するモジュール部と、
前記電力制御用回路の動作を制御する制御部と
を備えており、
前記電力制御用回路は、高電位側に配置されたＰチャネルＭＯＳ形半導体素子と、低電位側に配置されたＮチャネルＭＯＳ形半導体素子とを電気的に直列接続したものが電気的に複数並列接続されて構成されたものであって、
車載電源から供給された電力或いは車載電源に供給する電力を制御するものであり、
前記制御部は、
前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれを駆動するための指令信号を出力する制御回路と、
前記制御回路から出力された前記指令信号を受けて、前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれを駆動させるための駆動信号を、前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれに出力する駆動回路と
を備えており、
前記制御回路は、
複数の電子回路素子によって構成されたものであって、
車載電源から供給された電力を受けてそれを降圧し出力する電源を動力源として、前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれを駆動するための指令信号を出力するように動作するものであり、
前記駆動回路は、
複数の電子回路素子によって構成されたものであって、
車載電源から供給された電力を電源として、前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれを駆動させるための駆動信号を、前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子のそれぞれに出力するように動作するものであり、
前記複数の電子回路素子は集積化されて基板に搭載され、前記回転電機本体に搭載されている
ことを特徴とする車両用回転電機。
【請求項５】
請求項１乃至４に記載の車両用回転電機において、
前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子は電界効果トランジスタであり、
前記ＰチャネルＭＯＳ形電界効果トランジスタと前記ＮチャネルＭＯＳ形電界効果トランジスタの対はそれぞれのドレイン電極が同電位の導体に接合されて、前記導体上に実装されており、
前記導体は、電気的に絶縁された状態で前記回転電機本体に搭載されている
ことを特徴とする車両用回転電機。
【請求項６】
請求項１乃至４に記載の車両用回転電機において、
前記制御部は、前記回転電機本体を電動機として起動させ、前記回転電機本体の回転数が所定回転数以上になった時、前記回転電機本体の界磁巻線に供給される界磁電流を減少させるための手段を備えている
ことを特徴とする車両用回転電機。
【請求項７】
請求項６に記載の車両用回転電機において、
前記制御部は、記憶情報の書き換えが可能な記憶手段を備えており、
前記記憶手段は前記所定回転数及び前記界磁電流の減少率を記憶しており、
前記所定回転数及び前記界磁電流の減少率は前記記憶手段の記憶情報を書き換えることによって変更できる
ことを特徴とする車両用回転電機。
【請求項８】
請求項１乃至４に記載の車両用回転電機において、
前記制御部は、
前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子の動作速度を調節するための手段と、
前記動作速度を設定するための情報が記憶された記憶装置と、
を備えており、
前記動作速度調節手段は、前記記憶装置から出力された前記動作速度情報に応じて前記ＰチャネルＭＯＳ形半導体素子及び前記ＮチャネルＭＯＳ形半導体素子の動作速度を調節する
ことを特徴とする車両用回転電機。
【請求項９】
請求項５に記載の車両用回転電機において、
前記導体には、前記ＰチャネルＭＯＳ形電界効果トランジスタと前記ＮチャネルＭＯＳ形電界効果トランジスタの温度を検出するための温度検知素子が１つ実装されている
ことを特徴とする車両用回転電機。
【請求項１０】
請求項１乃至４に記載の車両用回転電機において、
前記制御部は、前記制御回路及び前記駆動回路を構成する複数の電子回路素子が集積化されて少なくとも１つのチップで構成されており、
前記チップは導体と電気的に接続されて前記導体上に実装されており、
前記導体は、前記回転電機本体に設けられた導電性放熱部材上に電気的に絶縁された状態で搭載されている
ことを特徴とする車両用回転電機。
【請求項１１】
請求項１乃至１０に記載の車両用回転電機において、
車載電源に捲回型鉛電池を使用したことを特徴とする車両用回転電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両に搭載された車両用回転電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃費向上や二酸化炭素を含む排気ガス削減を目的として、信号待ちなどの停車時にエンジンを止めるアイドリングストップシステムが提案されている。アイドリングストップシステムは、例えばモータとインバータ装置からなるエンジンの始動システムを、スタータとは別個に設けている。この場合、モータはエンジンの近傍に設けられ、クラッチやベルトなどを介してエンジンに駆動力を伝達する。一方、インバータ装置は、高温耐久性の低い電子部品を多く実装しているので、エンジン近傍の高温環境を避けた位置に分離して配置される必要がある。このため、インバータ装置及びインバータ装置とモータとを結ぶ電線ケーブルなどの追加部品はスペースの限られたエンジンルーム内に配置されることになり、エンジンルーム内のレイアウト変更無しにアイドリングストップシステムを搭載することはできなかった。
【０００３】
このようなことから、アイドリングストップシムテムの普及には搭載がより簡便でかつ低コストなモータとインバータ装置が求められている。そのような要求に対する一つの解として、ＭＯＳ(Metal−Oxide−Semiconductor) 型素子を用いた３相ブリッジ変換回路と３相ブリッジ変換回路の制御回路を内蔵することでモータ駆動を可能にした交流発電機
（以下、「インバータ内蔵交流発電機」と呼称する）が提案されている。インバータ内蔵交流発電機は、一般的な車両交流発電機（オルタネータ）の整流ダイオードをＭＯＳ型素子に置き換えたインバータ回路を搭載するものであり、一般的な車両交流発電機とほぼ同等のサイズで実現することができるので、搭載スペースの限られた小型車両においても、エンジンルーム内のレイアウトを大幅に変更することなくアイドリングストップシステムを実現できる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−８９４１７号公報
【特許文献２】特開平６−２２５４７６号公報
【特許文献３】特開平７−７５２６２号公報
【特許文献４】特開２００３−７０２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
インバータ内蔵交流発電機に内蔵されるインバータ回路には、小型化とエンジン近傍の高温環境へ配置可能にする高温耐久性の高い回路が要求される。しかし、従来の大電流出力インバータは３相ブリッジ変換回路をオン抵抗の低いＮチャネルＭＯＳＦＥＴ（Metal−Oxide−Semiconductor−Field−Effect−Transistor ）で構成しているため、ハイサイド側のＭＯＳＦＥＴとローサイド側のＭＯＳＦＥＴが電位の異なる導体板に接合した配線レイアイトになり、絶縁された２枚の導体板が必要な分、小型化が阻害されていた。また、ブリッジ回路の出力端子の電位はハイサイドとローサイドの半導体スイッチのオンオフ状態によって凡そ電源電位からグランド電位まで変動するため、ハイサイドＭＯＳＦＥＴの駆動回路には出力端子電位を基準電位とする電源が各相毎に必要であった(図１５参照)。ハイサイドＭＯＳＦＥＴの駆動回路の電源には、電圧を保持するために大容量の電解コンデンサが必要不可欠であるが、電解コンデンサは他の電子部品に比べ容積が大きく、高温環境では静電容量減少と内部抵抗増大等の劣化が進みやすいと言う特徴を持っている。それ故、電解コンデンサが必要となる構成のインバータ回路では、小型化と高温耐久性を要求する前記インバータ内蔵交流発電機の実現は難しいという課題があった。
【０００６】
また、インバータ内蔵交流発電機では、発電機能のみを持つ従来型の交流発電機に内蔵されていた界磁電流制御回路に加え、駆動回路と必要最低限の制御回路と保護回路及びこれらの回路の電源が必要である。しかし、各回路を個別部品で構成した場合、インバータ内蔵交流発電機に内蔵可能な大きさで実現することは非常に困難であるという課題があった。さらに、各回路においても、耐高温耐久性の点から電解コンデンサを不要とした回路或いは電源で構成する必要があった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、従来と同等の体格で電力変換装置の回転電機本体への搭載を実現することができる車両用回転電機を提供する。
【０００８】
上記車両用回転電機を提供するために本発明は、電力変換装置の回転電機本体への搭載性を向上させた。具体的な解決手段の一つとしては、電力変換装置を構成する電力制御用回路を、高電位側に配置されたＰチャネルＭＯＳ形半導体素子と、低電位側に配置されたＮチャネルＭＯＳ形半導体素子とが電気的に直列接続されたものを電気的に複数並列接続して構成した。
【０００９】
また、本発明は、電力制御用回路の動作を制御する制御部の制御回路と駆動回路を構成している複数の電子回路素子を集積化した。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、インバータ装置を小型化することができるので、一般的な車両交流発電機とほぼ同等のサイズでインバータ装置を回転電機本体に搭載した車両回転電機を実現することができる。これにより、搭載スペースの限られた小型車両においても、エンジンルーム内のレイアウトを大幅に変更することなく、アイドリングストップ機能を持つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図１乃至図１１に基づいて説明する。本発明の実施例である電動発電機１００は、回転電機本体１にインバータ装置５０が一体に設けられた、いわゆるインバータ内蔵型車両用回転電機であり、自動車２００のエレクトリックパワートレインを構成している。
【００１２】
本実施例の電動発電機１００が適用される自動車２００は、図１０に示すように、内燃機関であるエンジン１２０を動力源としたエンジンパワートレインと、電動発電機１００を動力源としたエレクトリックパワートレインの両方を備えた、いわゆるハイブリッド式の自動車である。エンジンパワートレインは主として自動車２００の駆動源を構成している。エレクトリックパワートレインは主としてエンジン１２０の始動源及び自動車２００の電力源として用いられている。このように、エレクトリックパワートレインを備えた自動車２００では、イグニションキースイッチがオン状態で信号待ちなどの停車時にエンジン１２０を自動的に停止させ、発車時にエンジン１２０を自動的に始動して車両を発進させることにより、自動車２００の燃費向上や排ガスを低減できるいわゆるアイドリングストップ運転を行うことができる。
【００１３】
図１０に示すように、車体１１０のフロント部には前輪車軸１１５が回転可能に軸支されている。前輪車軸１１５の両端には前輪１１１，１１２が設けられている。車体１１０のリア部には後輪車軸１１６が回転可能に軸支されている。後輪車軸１１６の両端には後輪１１３，１１４が設けられている。前輪車軸１１５の中央部には、動力分配機構であるデファレンシャルギア１１７が設けられている。デファレンシャルギア１１７は、エンジン１２０から変速機１３０を介して伝達された回転駆動力を左右の前輪車軸１１５に分配している。変速機１３０はエンジン１２０の回転駆動力を変速してデファレンシャルギア１１７に伝達している。エンジン１２０の駆動は、燃料調整機構であるインジェクタや空気量調整機構であるスロットルなどのエンジン補機の動作がエンジン制御装置１４０によって制御されることにより制御される。
【００１４】
電動発電機１００は、車体１１０のフロント部分に設けられたエンジンルーム内にエンジン１２０と共に配置され、エンジン１２０の側部に搭載されてエンジン１２０に機械的に連結されている。この機械的な連結は、エンジン１２０のクランクシャフトに設けられたプーリー１２０ａと電動発電機１００の回転軸に設けられたプーリー１００ａとをベルト１７０によって接続することにより実現できる。これにより、電動発電機１００はエンジン１２０に回転駆動力を伝達することができると共に、エンジン１２０からの回転駆動力を受けることができる。
【００１５】
自動車２００のエレクトリックパワートレインは、図４，図１０に示すように、バッテリ１５０によって構成された１４ｖ系車載電源に電気的に接続されており、１４ｖ系車載電源との間で電力の授受している。１４ｖ系車載電源には、エンジン１２０の始動装置であるスタータ１６０や、図示省略したライト，ラジオ，方向指示器などの車載補機が電気的に並列接続されている。バッテリ１５０には、出力電圧１２ｖ程度の鉛蓄電池が用いられている。
【００１６】
電動発電機１００は、前述したように、回転電機本体１にインバータ装置５０が一体に搭載されたものである。このうち、回転電機本体１は、図３に示すように、従来より自動車に搭載されている車両用交流発電機と同様の構成のものである。具体的に説明すると回転電機本体１は、図４に示すように、固定子巻線５を有する固定子２と、界磁巻線８を有する回転子３に大別されている。尚、回転電機本体１の具体的な構成については図３を用いて後述する。固定子巻線５にはインバータ装置５０によって制御された三相交流電力が供給されている。界磁巻線８にはインバータ装置５０によって制御された界磁電流が供給されている。電動発電機１００は、固定子巻線５に三相交流電力が供給され、界磁巻線８に界磁電流が供給されることによって回転磁場が生じ、固定子２に対して回転子３が回転する。これにより、電動発電機１００は電動機として動作し、エンジン１２０を始動するための回転駆動力を発生する。一方、電動発電機１００は、界磁巻線８に界磁電流が供給され、回転子３がエンジン１２０の回転駆動力によって回転すると、固定子巻線５に電圧が誘起する。これにより、電動発電機１００は発電機として動作し、バッテリ１５０を充電するための三相交流電力を発生する。尚、本実施例では、電動発電機１００として同期式交流回転電機を用いる場合を例にとり説明するが、電動発電機１００として誘導式交流回転電機を用いてもよい。
【００１７】
インバータ装置５０は電力変換装置であり、バッテリ１５０から供給された直流電力を三相交流電力に変換する或いは電動発電機１００の発電によって得られた三相交流電力を直流電力に変換するものである。具体的に説明するとインバータ装置５０は、図４に示すように、モジュール部５２と制御部５１に大別されている。尚、インバータ装置５０の実装構造については図１を用いて後述する。モジュール部５２は変換回路５５と界磁回路
５６とを備えている。変換回路５５は、バッテリ１５０から供給された直流電力を三相交流電力に変換或いは固定子巻線５から供給された三相交流電力を直流電力に変換する電力制御回路である。界磁回路５６は、バッテリ１５０から界磁巻線８に供給される界磁電流を制御する界磁電流制御回路である。制御部５１は制御回路５３と駆動回路５４とを備えている。制御回路５３は、上位制御装置、例えばエンジン制御装置１４０からの指令信号、電動発電機１００の相間電圧やバッテリ１５０の端子電圧などに関する各種検知信号
（フィードバック信号）に応じて、変換回路５５及び界磁回路５６の動作を制御するための指令信号を駆動回路５４に出力する制御ロジック回路である。駆動回路５４は、制御回路５３の指令信号を受けて、変換回路５５及び界磁回路５６を動作させるための駆動信号を変換回路５５及び界磁回路５６に出力するものである。尚、インバータ装置５０の回転電機本体１への搭載性を向上さるために、本実施例では、従来より車両用交流発電機に搭載されていた電圧調整器をインバータ装置５０に一体化し、インバータ装置５０の搭載スペースを確保している。
【００１８】
インバータ装置５０の制御回路５３，駆動回路５４，変換回路５５及び界磁回路５６の各構成をさらに詳細に説明する。
【００１９】
変換回路５５は、スイッチング半導体素子のスイッチング（オン・オフ）動作によって直流電力を三相交流電力に或いは三相交流電力を直流電力に変換するものである。スイッチング半導体素子としては、ＭＯＳ（Metal−Oxide−semiconductor ）型素子である
ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などがある。本実施例ではスイッチング半導体素子として、ダイオードが内蔵されたＭＯＳＦＥＴを用いている。変換回路５５は、図７に示すように、バッテリ150の両極のうちの高電位極（正極）側に配置されたＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のドレイン電極と、低電位極（負極）側に配置されたＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５のドレイン電極とを電気的に直列接続した回路（アーム）を６相分（３相×固定子巻線の数：２）、電気的に並列接続したブリッジ回路から構成されている。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のソース電極はバッテリ１５０の両極のうち高電位極（正極）側に電気的に接続されている。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５のソース電極はバッテリ１５０の両極のうち低電位極（負極）側に電気的に接続されている。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５とのドレイン電極間には、固定子巻線５の対応する相巻線が電気的に接続されている。すなわちＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４Ｕ1 とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５Ｕ1 とのドレイン電極間には固定子巻線５の一方側のＵ相巻線が電気的に接続されており、Ｐチャネル
ＭＯＳＦＥＴ６４Ｕ2 とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５Ｕ2 とのドレイン電極間には固定子巻線５の他方側のＵ相巻線が電気的に接続されている。Ｖ相，Ｗ相についてもＵ相と同様である。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５のゲート電極には、対応する駆動信号Ａ〜Ｌが制御部５１から入力されている。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５とのドレイン電極間の電圧が相電圧信号として制御部５１に入力されている。バッテリ１５０の両極のうち高電位極（正極）側の電圧がバッテリ正極電圧信号として制御部５１に入力されている。
【００２０】
界磁回路５６は、スイッチング半導体素子のスイッチング(オン・オフ)動作によってバッテリ１５０から界磁巻線８に流れる界磁電流を制御するものである。スイッチング素子としてはＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６９を用いている。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６９のドレイン電極は界磁巻線８の負極端（バッテリ１５０の高電位(正極)側と接続された正極端とは反対側）と電気的に接続されている。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６９のソース電極はバッテリ１５０の低電位(負極)側に電気的に接続されている。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６９のゲート電極には、駆動信号Ｔが制御部５１から入力されている。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６９のドレイン電極とバッテリ１５０の高電位（正極）側との間にはダイオード６８が電気的に接続されている。ダイオード６８はＰチャネルＭＯＳＦＥＴを用いたものであり、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６９のドレイン電極側からバッテリ１５０の高電位（正極）側に向かって順方向になっている。
【００２１】
制御回路５３は約５ｖの駆動電圧で動作する回路であり、図５に示すように、複数の制御部を備えている。駆動電圧は、後述する駆動回路５４から供給されるものであって、バッテリ１５０の電圧（約１２ｖ）が降圧されたものである。制御回路５３には、上位制御装置であるエンジン制御装置１４０から出力された指令信号が入力されている。エンジン制御装置１４０から出力される指令信号は、電動発電機１００を電動機として動作させるための信号や、電動発電機１００を発電機として動作させるための信号であり、車両の運転状態に応じて出力される。例えばアイドリングストップを解除してエンジン１２０を始動させるモードの場合であって、車両が停止してエンジン１２０が停止している状態からエンジン１２０を始動して車両を発進させる場合、エンジン制御装置１４０は、ブレーキのオフを検知した時に、電動発電機１００を電動機として動作させるための起動信号を制御回路５３に出力する。
【００２２】
エンジン制御装置１４０から制御回路５３への指令信号の伝達は、シリアル通信方式の１つであるＬＩＮ（Local Interconnect Network）方式を用いて行われている。ＬＩＮを介してエンジン制御装置１４０から制御回路５３に伝達された指令信号はインターフェイス回路５３ｆを介してマイクロプロセッサ（以下、「ＭＰ」という）５３ｄに入力されている。ＭＰ５３ｄは、入力された指令信号に基づいて電動発電機１００の動作モードを判断し、各制御部が動作モードに応じた所定の処理を実行するように、動作モードに応じて各制御部に動作指令を出力する。また、ＭＰ５３ｄは、記憶情報の書き換えが可能な記憶装置であるＲＡＭ５３ｍや、記憶情報の読み出しだけ可能な記憶装置であるＲＯＭ５３ｎから、動作モードに応じたプログラムやデータを読み込んだり、ＲＡＭ５３ｍにデータを書き込んだりする。さらに、ＭＰ５３ｄはＡＤ変換器５３ｋ及びタイマ・カウンタ５３ｅを備えている。ＡＤ変換器５３ｋは、ＭＰ５３ｄに入力される電圧，温度などのアナログ量をデジタル量に変換するためのものである。タイマ・カウンタ５３ｌは、例えば制御プログラムで指令値を順次変更する時間幅やＬＩＮ通信をする時間間隔を測るために使用される。これにより、ＭＰ５３ｄは電動発電機１００の回転数を検知することができ、予め設定されている所定の回転数との比較によって、所定の動作指令を各制御部に出力することができる。エンジン制御装置１４０と制御回路５３との間の信号伝送にＬＩＮを用いることにより、エンジン制御装置１４０と制御回路５３との間の通信線の本数を削減することができる。
【００２３】
制御部としては、モータ制御部５３ａ，発電（同期整流）制御部５３ｂ及び界磁制御部５３ｈを備えている。
【００２４】
モータ制御部５３ａは、電動発電機１００が電動機として動作する場合、変換回路５５を構成するＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５の動作を制御するための電圧指令信号を出力するものである。モータ制御部５３ａには、ＭＰ５３ｄから出力された動作指令信号、回転数検知回路５３ｅから出力された回転数信号、駆動回路５４を介して変換回路５５から出力された相電圧信号ｃ〜ｈが入力されている。回転数信号は回転センサ７３から出力された検知信号ｂに基づいて求められたものである。モータ制御部５３ａは、ＭＰ５３ｄの動作指令に基づいて電動発電機１００が目標回転数になるまで
回転センサ７３から出力された検知信号ｂに基づいてＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４及びＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５の動作を制御する電圧指令信号として出力している。モータ制御部５３ａから出力された電圧指令信号のうち高電位側のＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４に関する電圧指令信号は切替回路５３ｊに入力されている。低電位側のＮチャネルMOSFET65に関する電圧指令信号は切替回路５３ｉにそれぞれ入力されている。
【００２５】
発電（同期整流）制御部５３ｂは、電動発電機１００が発電機として動作する場合、変換回路５５を構成するＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５の動作を制御するための電圧指令信号を出力するものである。発電（同期整流）制御部５３ｂには、ＭＰ５３ｄから出力された動作指令信号、駆動回路５４を介して変換回路５５から出力された相電圧信号ｃ〜ｈ、駆動回路５４を介して変換回路５５から入力されたバッテリ高電位側電圧信号ｉ、駆動回路５４から入力されたバッテリ低電位側電圧信号ｊが入力されている。発電（同期整流）制御部５３ｂは、ＭＰ５３ｄの動作指令に基づいて電動発電機１００から出力された三相交流電力を同期整流して直流電力に変換するために、バッテリ１５０の両端の電圧と入力された各相の相電圧値とを比較（相電圧が正の場合はバッテリ高電位側電圧と比較し、相電圧が負の場合はバッテリ低電位電圧と比較）し、所定の電圧（ダイオードの順電圧降下：約０.７ｖ ）以上にあるか或いはそれよりも低いかに応じて、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４及びＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５の動作を制御する電圧指令信号を出力している。発電（同期整流）制御部５３ｂから出力された電圧指令信号のうち高電位側のＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４に関する電圧指令信号は切替回路５３ｊに入力されている。低電位側のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５に関する電圧指令信号は切替回路５３ｉにそれぞれ入力されている。
【００２６】
界磁制御部５３ｈは、電動発電機１００が電動機或いは発電機として動作する場合、界磁回路５６を構成する巻線８に流れるＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６９の動作を制御するための電圧指令信号を出力するものである。界磁制御部５３ｈには、ＭＰ５３ｄから出力された動作指令信号、後述する検知・保護回路部５３ｃから出力された異常信号が入力されている。電動発電機１００が電動機として動作する場合、界磁制御部５３ｈは、電動発電機１００から所定のトルクが出力されるように、ＭＰ５３ｄの動作指令に基づいて界磁電流値を演算し、演算された界磁電流値に基づいて電圧指令値を演算し、この電圧指令値をＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６９の動作を制御するための電圧指令信号として出力している。電動発電機１００が発電機として動作する場合、界磁制御部５３ｈは、電動発電機１００から所定の発電量が出力されるように、ＭＰ５３ｄの動作指令に基づいて界磁電流値を演算し、演算された界磁電流値に基づいて電圧指令値を演算し、この電圧指令値をＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６９の動作を制御するための電圧指令信号として出力している。また、界磁制御部５３ｈは、検知・保護回路部５３ｃでダンプサージ電圧などが検出された場合、界磁巻線８に流れる界磁電流の通電量を減少させるように、検知・保護回路部５３ｃから出力された異常信号に基づいてＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６９の動作を制御するための電圧指令信号を出力している。界磁制御部５３ｈから出力された電圧指令信号ｘは駆動回路５４に入力されている。
【００２７】
検知・保護回路部５３ｃは、ダンプサージ電圧などの過電圧，過電流，過温度などの発生を検知して変換回路５５や界磁回路５６を構成するスイッチング素子を、ダンプサージ電圧などの過電圧，過電流，過温度などから保護するためのものである。検知・保護回路部５３ｃには、ＭＰ５３ｄから出力された動作指令信号、駆動回路５４を介して変換回路５５から出力された相電圧信号ｃ〜ｈ、駆動回路５４を介して変換回路５５から入力されたバッテリ高電位側電圧信号ｉ、駆動回路５４から入力されたバッテリ低電位側電圧信号ｊが入力されている。検知・保護回路部５３ｃは、ＭＰ５３ｄから出力された動作指令信号に基づいて各種異常検知を実行し、その結果、異常が有った場合には、ＭＰ５３ｄや界磁制御部５３ｈに異常信号を出力する。例えば検知・保護回路部５３ｃでダンプサージ電圧が検出された場合には、変換回路５５の低電位側のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５をオフさせるべく動作指令を切替回路５３ｉに出力する。
【００２８】
切替回路５３ｊは、モータ制御部５３ａ及び発電（同期整流）制御部５３ｂから出力された、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４の動作を制御するための電圧指令信号を、電動発電機１００の動作モードに応じて切り替えて出力するものである。切替回路５３ｊには、
ＭＰ５３ｄから出力された動作指令信号、モータ制御部５３ａ及び発電（同期整流）制御部５３ｂから出力された、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４の動作を制御するための電圧指令信号が入力されている。切替回路５３ｊは、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４の動作を制御するための電圧指令信号を、ＭＰ５３ｄから出力された動作指令信号に基づいて切り替え、電圧指令信号ｌ〜ｑとして駆動回路５４に出力している。
【００２９】
切替回路５３ｉは、モータ制御部５３ａ及び発電（同期整流）制御部５３ｂから出力された、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５の動作を制御するための電圧指令信号を、電動発電機１００の動作モードに応じて切り替えて出力するものである。切替回路５３ｉには、
ＭＰ５３ｄから出力された動作指令信号、モータ制御部５３ａ及び発電（同期整流）制御部５３ｂから出力された、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５の動作を制御するための電圧指令信号が入力されている。切替回路５３ｉは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５の動作を制御するための電圧指令信号を、ＭＰ５３ｄから出力された動作指令信号に基づいて切り替え、電圧指令信号ｒ〜ｗとして駆動回路５４に出力している。
【００３０】
尚、本実施例では、モータ制御部５３ａ、発電（同期整流）制御部５３ｂ及び検知・保護回路部５３ｃを、図５に示すように、点線の枠で囲っている。これは、制御回路５３に入力された相電圧信号ｃ〜ｈ，バッテリ高電位側電圧信号ｉ，バッテリ低電位側電圧信号ｊが、モータ制御部５３ａ，発電（同期整流）制御部５３ｂ及び検知・保護回路部５３ｃに共通に入力されていることを示すためである。従って、モータ制御部５３ａ，発電（同期整流）制御部５３ｂ及び検知・保護回路部５３ｃに共通に入力される信号を示す矢印は点線の枠に対して入力されている。また、モータ制御部５３ａ及び発電（同期整流）制御部５３ｂのそれぞれから出力される電圧指令信号の矢印の本数はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５の個数に等しく１２本であるが、本実施例では、図示を簡略化するために、１本の矢印で示している。さらに、本実施例では、電力の流れと信号の流れとを区別するために、電力の流れは実線で、信号の流れは点線でそれぞれ示している。
【００３１】
制御回路５３には温度センサ５３ｇが設けられている。また、制御回路５３には、変換回路５５に設けられたサーミスタ５７からの検知信号ａが入力されている。制御回路５３では、温度センサ５３ｇの検知信号とサーミスタ５７からの検知信号ａのいずれかの信号が選択されてＡＤ変換器５３ｋに入力され、デジタル信号に変換されてＭＰ５３ｄに入力されている。
【００３２】
駆動回路５４は、バッテリ１５０の出力電圧（約１２ｖ）で動作する回路であり、図６に示すように、駆動部５４ｄ1 〜５４ｄ12，５４ｅ、レベル変換回路５４ｂ，５４ｃ及び制御電源５４ａを備えている。制御電源５４ａはバッテリ１５０の両極間に電気的に接続されたものであって、制御回路５３の駆動電力を出力するものであり、バッテリ１５０の出力電圧（約１２ｖ）を約５ｖに降圧した制御電力ｋを制御回路５３に供給するものである。駆動を駆動部５４ｄ1〜５４ｄ6は、変換回路５５の対応するＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４を駆動する駆動信号を出力するためのものである。駆動部５４ｄ7 〜５４ｄ12は、変換回路５５の対応するＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５をオンオフする駆動信号を出力するためのものである。駆動部５４ｅは、界磁回路５６のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５を駆動する駆動信号を出力するためのものである。制御回路５３から出力された電圧指令信号ｌ〜ｗのうち電圧指令信号ｌ〜ｑはレベル変換回路５４ｄによって電位レベルが上げられ、対応する駆動部５４ｄ1〜５４ｄ6に入力されている。同様に、電圧指令信号ｒ〜ｗはレベル変換回路５４ｄによって電位レベルが上げられ、対応する駆動部５４ｄ7 〜５４ｄ12に入力されている。制御回路５３から出力された電圧指令信号ｘはレベル変換回路５４ｃによって電位レベルが上げられ、駆動部５４ｅに入力されている。駆動部５４ｄ1〜５４ｄ6は、入力された電圧指令信号ｌ〜ｑに基づいて、対応するＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４の駆動信号Ａ〜Ｆを、対応するＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のゲート電極に出力している。駆動部５４ｄ7 〜５４ｄ12は、入力された電圧指令信号ｒ〜ｗに基づいて、対応するＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５の駆動信号Ｇ〜Ｌを、対応するＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５のゲート電極に出力している。駆動部５４ｅは、入力された電圧指令信号ｘに基づいて、対応するＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５の駆動信号Ｔを、対応するＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５のゲート電極に出力している。レベル変換回路５４ｂは、変換回路５５から出力された相電圧信号Ｍ〜Ｒ及びバッテリ高電位側電圧信号Ｓの電位レベルを下げて、相電圧信号ｃ〜ｈ及びバッテリ高電位側電圧信号ｉとして制御回路５３に出力している。さらに、レベル変換回路５４ｂは、バッテリ１５０の低電位側の電圧をバッテリ低電位側電圧信号として入力してその電位レベルを下げ、バッテリ低電位側電圧信号ｊとして制御回路５３に出力している。
【００３３】
駆動部５４ｄ1 〜５４ｄ12は、図９に示すように、トランジスタと抵抗からなる回路で構成されている。ここでは、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５からなる１アーム分の駆動部の構成について示している。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４を駆動する駆動部は、トランジスタ４０１と抵抗４０７の直列回路と、トランジスタ４０２と抵抗４０８の直列回路と、トランジスタ４０３と抵抗４０９の直列回路が電気的に並列接続されたオフ回路と、トランジスタ４１３と抵抗４１４の直列回路から構成されたオン回路から構成されている。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５を駆動する駆動部は、トランジスタ４０４と抵抗４１０の直列回路と、トランジスタ４０５と抵抗４１１の直列回路と、トランジスタ４０６と抵抗４１２の直列回路が電気的に並列接続されたオフ回路と、トランジスタ４１５と抵抗４１６の直列回路から構成されたオン回路から構成されている。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のオフ回路は、トランジスタのエミッタ電極側がＰチャネル
ＭＯＳＦＥＴ６４のソース電極側に、抵抗のトランジスタのコレクタ電極側とは反対側がＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のゲート電極側にそれぞれ電気的に接続されている。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のオン回路は、トランジスタのエミッタ電極側がＮチャネルMOSFET６５のソース電極側に、抵抗のトランジスタのコレクタ電極側とは反対側がＰチャネル
ＭＯＳＦＥＴ６４のゲート電極側にそれぞれ接続されている。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ65のオフ回路は、トランジスタのエミッタ電極側がＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５のソース電極側に、抵抗のトランジスタのコレクタ電極側とは反対側がＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５のゲート電極側にそれぞれ電気的に接続されている。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５のオン回路は、トランジスタのエミッタ電極側がＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のソース電極側に、抵抗のトランジスタのコレクタ電極側とは反対側がＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５のゲート電極側にそれぞれ電気的に接続されている。
【００３４】
このように構成された本実施例の駆動部では、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のオフ回路を構成するトランジスタ４０１〜４０３のベース電極に印加されるオフ信号を切り替えることにより、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のゲート電極の電荷を引き抜くスピードを抵抗４０７〜４０９の抵抗値によって制御することができる。例えば抵抗４０７〜４０９の抵抗値をそれぞれ１０Ω，２０Ω，４０Ωとすると、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のオフ回路における抵抗値を約６Ω〜４０Ωという広い幅で調整することができる。本実施例によれば、変換回路５５を構成するＭＯＳ型素子の変更した時、その素子のスイッチングスピードを容易に変更することができる。また、本実施例によれば、制御回路５３にＭＰ53ｄ，ＲＡＭ５３ｍ，ＲＯＭ５３ｎを備えているので、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のオフ回路を構成するトランジスタ４０１〜４０３のベース電極に印加されるオフ信号を切り替えをメモリの変数の変更で容易に行うことができる。さらに、本実施例によれば、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のオフ回路を構成するトランジスタ４０１〜４０３のベース電極に印加されるオフ信号を切り替えタイミングのプログラムを変更することにより、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のオフ回路を構成するトランジスタ４０１〜４０３のゲート電荷を引き抜くスピードを時間的に変化させるソフトスイッチングも可能とすることができる。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５側も同様に行うことができる。
【００３５】
次に、本実施例の電動発電機１００の実際の構成について図１乃至図３に基づいて説明する。まず、回転電機本体１の構成について説明する。
【００３６】
図３において２は固定子である。固定子２は、固定子鉄心６と、これに装着された固定子巻線５とを有する。固定子鉄心６は、薄い珪素鋼板を打ち抜いて得られた円環状の鉄心板が複数積層されて形成された円筒状の積層鉄心である。積層鉄心の軸方向両端部に積層された鉄心板の厚みは、軸方向中央部分に積層された鉄心板の厚みよりも厚い。固定子鉄心６の外周部にはコアバック（図示省略）が形成されている。コアバックは、周方向に連続して形成された円筒状の鉄心部分であり、外周表面が外部に露出するように、軸方向両側からフロントブラケット１２とリアブラケット１３によって挟持されている。これにより、固定子２はブラケットの内側に支持される。固定子鉄心６の内周部であるコアバックの内周側には複数のティース（図示省略）が形成されている。ティースは、コアバックの内周面から径方向向心側に突出するように形成された歯状の鉄心部分であって、コアバックの内周面に沿って軸方向に連続して形成されたものであり、コアバックの内周面に沿って周方向に所定の間隔をもって複数配置されたものである。隣接するティース間にはティースと同じ数だけスロット（図示省略）が形成される。スロットは、固定子巻線５を構成する巻線導体が収納される空間部分であり、ティース部と同様に軸方向に連続して形成され、周方向に所定の間隔をもって複数配置されたものである。また、スロットはコアバック側とは反対側が開口し、軸方向両端も開口している。スロットのそれぞれには、固定子巻線５を構成する巻線導体が収納されている。巻線導体のそれぞれは平角線或いは丸線から形成されたものであり、固定子鉄心６の軸方向両端から外方に突出し、スター結線が得られるように結線されている。本実施例では、固定子巻線５を２つの電気的に独立した三相巻線により構成している。
【００３７】
固定子２の内周側には、空隙を介して回転子３が対向するように設けられている。回転子３の中心軸上には回転軸９が配置されている。回転軸９は、フロントブラケット１２の中心部分に設けられた軸受１４によって軸方向一端側が、リアブラッケット１３の中心部分に設けられた軸受１５によって軸方向他端側がそれぞれ回転可能に支持されている。固定子２の内周側と対向する回転軸９の部位には回転子鉄心７が嵌合されている。回転子鉄心７は、対をなす爪状磁極鉄心が軸方向に対向するように設けられたものである。爪状磁極鉄心は、円筒状の鉄心部分から径方向遠心側に延び、三角形状或いは台形状の先端部がそれらの対向方向に直角に折れ曲がった複数の爪状磁極を有する。爪状磁極は回転方向に所定の間隔をもって配置されていると共に、爪状磁極鉄心が軸方向に対向するように設けられた場合、対向する爪状磁極鉄心の爪状磁極間に配置される。爪状磁極鉄心の一方はＮ極とＳ極のいずれか一方の磁極を形成している。爪状磁極鉄心の他方はＮ極とＳ極のいずれか他方の磁極を形成している。これにより、回転子３には、回転方向に極性が交互に異なるように、すなわちＮ極とＳ極とが交互になるように複数の磁極が形成される。爪状磁極の先端部の内周側と対向する鉄心部分の外周には界磁巻線８が装着されている。回転軸９の軸方向一端部（フロントブラケット１２側端部）は軸受１４よりもさらに軸方向外側に延びている。回転軸９の軸方向一端部の軸受１４よりもさらに軸方向外側に延びた部分にはプーリー１００ａが設けられている。プーリー１００ａはベルト（図示省略）を介してエンジン１２０のプーリー１２０ａに接続されている。回転軸９の軸方向他端部（リアブラケット１３側端部）は軸受１５よりもさらに軸方向外側に延びている。回転軸９の軸方向他端部の軸受１５よりもさらに軸方向外側に延びた部分の外周表面にはスリップリング１７が設けられている。スリップリング１７は界磁巻線８と電気的に接続されている。スリップリング１７にはブラシ１６が摺動可能に接触している。ブラシ１６は、界磁巻線８に供給される界磁電流をスリップリング１７に供給している。爪状磁極鉄心の軸方向一端部（フロントブラケット１２側端部）にはフロントファン１１が取り付けられている。爪状磁極鉄心の軸方向他端部（リアブラケット１３側端部）にはリアファン１０が取り付けられている。フロントファン１１及びリアファン１０は回転子３の回転と共に回転し、冷却媒体である外気を機外から機内に導入して機内を循環させると共に、冷却し終えた外気を機内から機外へ排出する。このため、フロントブラケット１２及びリアブラケット
１３には、外気を機外から機内に導入したり、外気を機内から機外に排出したりするための貫通孔が複数設けられている。
【００３８】
リアブラケット１３の側面の一方側（フロントブラケット１２側とは反対側）にはモジュールケース６２，６３によって形成された空間が形成されている。この空間には、インバータ装置５０が搭載されている。モジュールケース６３は、ブラシ１６を保持するブラシホルダを兼ねている。モジュールケース６２からは通信端子６０，バッテリ端子１８が外部に露出している。リアブラケット１３は自動車２００のシャーシと電気的に接続されている。インバータ装置５０の正極側はバッテリ端子１８に電気的に接続され、負極（グランド）側はリアブラケット１３に電気的に接続されている。このような構成は、一般的な車両用交流発電機と互換性のある構成になっている。
【００３９】
次に、インバータ装置５０の具体的な配置構成について説明するが、変換回路５５と制御電源５４ａを含む制御回路５３の構成を、変換回路５５をＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５を用いて構成した場合と、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５のみを用いて構成した場合について比較して説明する。大電流を出力するインバータ装置ではオン時の半導体素子の損失を低減するためにＮチャネル型半導体素子を用いるのが主流である。しかし、本実施例では、インバータ装置５０を回転電機本体１に一体に搭載するために、小型化と高温耐久性の課題に対し、変換回路５５と制御電源５４を含む制御回路５３を、図１に示すように構成した。尚、後者のように変換回路５５と制御電源５４を含む制御回路５３を構成したものは図１２に示す。
【００４０】
図１と図１２の回路を比較すると、図１２に示す回路では、高電位側のＮチャネル
ＭＯＳＦＥＴ６５ａを駆動するために、電動発電機１００の回転によって変動する出力端子７６の電位を基準としたハイサイド電源３００が必要である。しかし、図１に示す本実施例の回路では、高電位側はバッテリ１５０の高電位側を基準に、低電位側はバッテリ
１５０の低電位側（グランド電位）を基準に、それらの間の電位を各ＭＯＳＦＥＴのゲート電極に印加にすることで各ＭＯＳＦＥＴを駆動することができる。これは、三相交流モータを駆動するためには、図１に示す回路では高電位側のＭＯＳＦＥＴを駆動するハイサイド電源を必要としないが、図１２に示す回路ではハイサイド電源３００が少なくとも３個必要であることを意味する。しかも、ハイサイド電源３００には電圧を保持するために比較的静電容量の大きな電解コンデンサを必要とする。電解コンデンサは高温環境下での信頼性において課題がある。電解コンデンサの寿命と温度の関係はアレニウス則を当てはめた次の関係式がよく用いられる。
【００４１】
Ｌ＝Ｌc・Ａ((Tc-T)/10)
ここで、Ｌ：使用温度Ｔでの寿命、Ｌc：基準温度Ｔcでの寿命、Ｔ：使用温度、Ｔc ：基準温度、Ａ：温度加速係数である。尚、電界コンデンサの寿命とは内部抵抗の増大と容量の減少を意味する。例えば、Ａ＝２とすると使用温度Ｔが基準温度Ｔｃより１０℃高いだけで寿命は１／２になる。このように、電解コンデンサは高温環境において指数的に性能が劣化する。また、電解コンデンサはＩＣ化が不可であり、回路の小型化に不向きである。この点から、回転電機本体１にインバータ装置５０を一体に搭載する回転電機においては電解コンデンサを用いることない構成が必要である。一方、図１に示す本実施例の回路において唯一必要な制御回路５３用の制御電源５４ａはバッテリ１５０の出力電圧を降圧して基準電圧を生成するため、電解コンデンサを不要とした電源回路とすることができる。このようなことから、電解コンデンサを使用しないで耐熱性を向上させたインバータ装置を構成するためには、図１に示す本実施例の回路が有効であることが判る。また、
ＭＯＳＦＥＴは１０ｖから１４ｖ程度の電源で駆動されるものが多く、その点でも図１に示す本実施例の回路構成は、多くの車両に搭載されている１４ｖ電源をそのまま使用することができることから、１４ｖ電源車両に適用されるインバータ内蔵の回転電機には好適である。
【００４２】
次に、図１と図１２の構成を変換回路の実装面積の点から比較する。図１及び図１２において、絶縁基板６６は導体板６６ｂ〜６６ｄと絶縁板６６ａを張りあせた回路基板である。尚、絶縁板６６ａには熱伝導性の良い絶縁素材である窒化アルミや窒化珪素やアルミナなどが用いられている。図１２に示す回路構成では、変換回路の配線の役割も持つ絶縁基板６６の導体板６６ｂ，６６ｄは高電位側と低電位側のＭＯＳＦＥＴを固定するために２枚に分けて絶縁する必要がある。これにより、絶縁のために、導体板６６ｂ，６６ｄ間に所定の距離を設ける必要がある。また、高電位側のＭＯＳＦＥＴ６５ａのソース電極と低電位側のＭＯＳＦＥＴ６５ｂを固定する導体板６６ｄを繋げる配線の実装面積が必要である。これに対して、図１に示す本実施例の回路構成では、高電位側のＭＯＳＦＥＴ６４と低電位側のＭＯＳＦＥＴ６５を一枚の導体板６６ｂに固定することができるため、前述した制約がなく、図１２に示す回路構成に比べて実装面積を小さくすることができる。また、本実施例の電動発電機１００では、高温環境で使用されるために、主要発熱部品であるＭＯＳ型半導体の温度管理の重要性が高い。温度管理をより精度良くするためには温度検知用のサーミスタ５７をＭＯＳ型半導体が固定されている導体板６６ｂに設置することが不可欠である。サーミスタ５７は、図５に示す回路では、高電位側と低電位側のＭＯＳ型半導体が固定されている導体板が分かれているため、２個必要である。一方、図１に示す本実施例の回路構成ではサーミスタ５７は１個でよい。サーミスタ５７の設置に必要な面積を考えても、図１に示す本実施例の回路構成が図１２に示す回路構成よりも実装面積を小さくすることができる。
【００４３】
従って、本実施例では、図１に示す回路構成を採用し、インバータ装置５０を回転電機本体１に一体に搭載する際の課題、すなわち小型化と高温耐久性という課題を解決している。
【００４４】
以下、インバータ装置５０の具体的な配置構成を図２に基づいて説明する。図２において符号、６４はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ、６５はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ、６６は絶縁基板、６１は放熱導体板、６７は出力端子、７０Ｐ，７０Ｎは電源配線、７１は正極側電源端子、７２は制御回路基板、５１は制御ＩＣ（制御部）、６０は通信端子、７４はＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のソース電極と電源配線７０Ｐを接続する配線、７５はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５のソース電極と放熱導体板６１を接続する配線、７６は絶縁基板６６の導体板と出力端子６７を接続する配線、７３は回転センサ、７７はダイオード６８を構成するＰチャネルＭＯＳＦＥＴと電源配線７０Ｐを接続する配線、７８は絶縁基板と電源配線７０Ｎを接続する配線、６９はＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６９のソース電極と放熱導体板６１を接続する配線、８０は制御回路基板７２とＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４，ＮチャネルＭＳＦＥＴ６５，６９とをそれぞれ接続するアルミワイヤである。
【００４５】
図２に示すように、モジュールケース６２，６３内の空間の上側半分には制御部５１及び回転センサ７３が配置され、下側半分にはモジュール部５２が配置されている。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５のドレイン電極は、絶縁板に導体板を張り合わせた絶縁基板６６の導体板に接続されている。ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４のソース電極と電源配線７０Ｐは配線７４によって接続されている。ＮチャネルMOSFET65のソース電極とグランド配線を兼ねた放熱導体板６１は配線７５によって接続されている。
絶縁基板６６の導体板と出力端子６７は配線７６によって接続されている。これにより、図１に示す実装構造体（ブリッジ回路を構成する各相のアーム）が、モジュールケース
６２，６３内の空間の下半分において、半径方向に延びるように、放射状に配置されている。尚、符号に付したＵ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２は２本の固定子巻線５の各相に対応していることを示す。本実施例では、図１に示す実装構造体を同相のもの同士隣接させて配置している。出力端子６７は、固定子巻線５の対応する相巻線に接続されている。尚、本実施例では、絶縁基板６６が６枚実装され、固定子巻線５が２系統ある構成のものについて説明したが、固定子巻線５が１系統である場合には、ブリッジ回路を構成する各相のアームを同相もの同士並列にして、固定子巻線５の対応する相巻線に接続すればよい。
【００４６】
出力端子６７，電源端子７１及び電源配線７０Ｐ，７０Ｎはモジュールケース６３の表面に露呈するように、モジュールケース６３に埋め込まれている。モジュールケース６３の一部分は、放熱導体板６１に接着されている。
【００４７】
制御部５１の制御回路５３及び駆動回路５４を構成する複数の電子回路素子は集積化されて１つのＩＣチップによって構成されている。制御ＩＣ５１は制御回路基板７２上に配置されて、制御回路基板７２と電気的に接続されている。モジュール部５２のＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６４とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６５，６９と制御回路基板７２はアルミワイヤ８０によって電気的に接続されている。制御回路基板７２には、通信端子６０，回転センサ７３も電気的に接続されている。通信端子６０は、エンジン制御装置１４０との通信に用いられるものであり、ＬＩＮが接続されるものである。回転センサ７３は、回転軸９の端部に設けられた磁極円盤４の磁気を検出して電動発電機１００の回転数を検知するものである。
【００４８】
ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６８はそのゲート電極をソース電極と同電位にすることでダイオードとして使用している。これにより、ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ６８のドレイン電極とＮチャネルＭＯＳＦＥＴ６９のドレイン電極は変換回路５５のＭＯＳＦＥＴと同様に、絶縁基板６６ｆの導体板に接合されている。
【００４９】
制御ＩＣ５１には、従来の車両用交流発電機のレギュレータＩＣの機能に加えられている。これにより、制御ＩＣ５１がレギュレータＩＣを兼ねている。前述したように、インバータ装置を一体に搭載した回転電機では高温耐久性を向上させる必要があるが、変換回路５５を構成する半導体素子の発熱も低減し、インバータ装置自身の温度上昇を抑えることも必要である。特にアイドルストップに用いられる場合、エンジン１２０を再始動する際のモータ駆動に要する時間は１秒足らずであり、電動発電機１００の稼動時間の大部分は発電機として機能する。このようなことから、発電時の損失低減がインバータ装置自身の温度上昇の抑制に効果的である。
【００５０】
さて、同期整流機能を使用しない場合には、変換回路５５を構成するＭＯＳ型半導体素子に内蔵されたダイオードによって整流することになる。例えば、電流５０Ａがダイオードに流れる場合、約１Ｖのビルトインポテンシャルが必要であることから、５０Ａ×約１Ｖ＝約５０Ｗの発熱が生じる。これに対してＭＯＳＦＥＴのオン抵抗は３ｍΩ程度にすることができるため、ＭＯＳＦＥＴに電流５０Ａを流した場合の発熱は約３ｍΩ×（５０Ａの２乗）＝約７.５Ｗ となる。ダイオードの発熱量はＭＯＳＦＥＴの発熱量の約７倍と大きい。この点から判るように、インバータ装置自身の温度上昇の抑制には、発電時に同期整流をすることが非常に有効である。この他、発熱が大きい場合の対処としては、変換回路５５の半導体素子の実装面積を大きくする方法があるが、ダイオードの発熱量を考えると約７倍の発熱を相殺するためには約７倍の面積が必要になり、小型化と低コスト化の点から不向きである。以上のことから、本実施例では同期整流機能を制御ＩＣ５１に搭載している。
【００５１】
制御回路５３を回転電機本体１に搭載するためには、制御ＩＣ５１のように、それを構成する電子回路素子の集積化が不可欠である。しかし、ＩＣの開発には長い開発期間と高額の開発費用が掛かる。このため、開発コストを抑えて様々な車両に柔軟に対応していく工夫が必要である。また、制御ＩＣ５１は変換回路５５に使われる半導体素子の変更や電動発電機１００の固定子巻線５の仕様の変更などにも柔軟に対応できることが望まれている。本実施例では、柔軟性を高めるために制御ＩＣ５１にＭＰ５３ｄ，ＲＡＭ５３ｍ及びＲＯＭ５３ｎを搭載している。ＲＯＭ５３ｎのメモリ内容を書き換えることで、バッテリ電圧，温度，エンジン回転数等から発電量を制御するパラメータやモータ始動時に駆動電流を制御するパラメータなどの変更が可能になる。
【００５２】
次に、本実施例の電動発電機１００の動作を図１１に基づいて説明する。ステップＳ１で初期設定を実行し、ステップＳ２で発電制御ルーチンを実行する。発電制御では同期整流制御やバッテリ電圧や指令バッテリ電圧及び温度センス回路で検知した温度等を用いた界磁制御を行っている。ステップＳ３でアイドリングストップ、すなわちエンジン１２０停止か否を判定し、アイドリングストップでなければステップＳ２に進み、発電制御を継続する。アイドルストップであれば、ステップＳ４でエンジン１２０を再始動に備えた待機状態設定を実行する。待機状態設定の一動作として、再始動時にすぐにトルクが発生するように所定の界磁電流を界磁巻線８に流しておく動作がある。所定の界磁電流は界磁巻線８の電気定数やエンジン１２０の再始動に必要なトルク量によって変わるが、ＭＰ53ｄ，ＲＡＭ５３ｍ及びＲＯＭ５３ｎを搭載した制御ＩＣ５１ではメモリの変数を変えることにより対応可能である。
【００５３】
ステップＳ５でエンジン１２０の再始動指令の有無を判定する。エンジン１２０の再始動指令が無い場合は待機状態を継続し、有った場合にはステップＳ６に進む。ステップ
Ｓ６ではモータ駆動ルーチンが実行される。ステップＳ７では電動発電機１００の回転数を検出し、ステップＳ８で、検出された回転数を目標回転数Ｎref とを比較する。検出された回転数が目標回転数Ｎref 以下の場合、ステップＳ９で界磁電流の設定値を維持し、検出された回転数が目標回転数Ｎref を超えた場合、ステップＳ１０で界磁電流低減ルーチンを実行し、界磁電流を所定値まで低減する。そして、ステップＳ１１でエンジン120の再起動を判定する。ステップＳ１１の再起動判定は、例えばエンジン制御装置１４０からの指令信号で判定する。エンジン１２０が起動している場合はステップＳ２の発電制御へ進み、起動していない場合はステップＳ６に戻り、モータ駆動ルーチンを継続する。ステップＳ１０は、界磁電流が大きいまま高回転数でエンジン１２０が掛かり発電状態になると、急に大きな電力を発電し、エンジン１２０の急な負荷変動が起こるため、界磁電流を低減させて、それを防止するために実行されるルーチンである。
【００５４】
また、本実施例では、モータ駆動方式としてＰＷＭ制御方式のような数ｋＨｚのキャリア周波数でスイッチング半導体素子をスイッチングさせる方式ではなく、１周期にオン／オフ１回でモータを駆動させる方式を採用することがより望ましい。
【００５５】
インバータでは、電流をオフさせる速度と電流値が変化する配線のインダクタンスに応じたサージ電圧がスイッチング半導体素子に印加される。このサージ電圧を低減させる手段として、配線のインダクタンスを低減するために、０.５ｍＦ 〜１０ｍＦ程度の大容量の電解コンデンサをバッテリとグランドの間に配置する方法がある。しかし、本実施例では、動作環境と小型化の観点より、大容量の電解コンデンサを用いることは難しい。
【００５６】
サージ電圧を低減するには、電流をオフさせる速度を緩やかにすることも考えられる。この点、ＰＷＭ制御方式を用いた場合には、電流をオフさせる速度を緩やかにすると、スイッチング毎に生じるスイッチング半導体素子における損失が無視できない。しかし、１周期にオン／オフ１回でモータを駆動させる方式を採用すれば、単位時間当たりのスイッチングで生じる損失量を低減させることができる。
【００５７】
スイッチング半導体素子を１周期にオン／オフ１回させてモータを駆動させる方式は、図１３に示すように、ロータ巻線と各相のステータ巻線の角度により１８０°毎にハイ／ローに切り替わるホールセンサ出力に同期して、スイッチング半導体素子のゲート電圧出力を制御することにより可能となる。ここで、ホールセンサは回転センサ７３を兼ねることができる。図１３のホールセンサ出力Ｈ＿Ｕ１，Ｈ＿Ｖ１，Ｈ＿Ｗ１は、それぞれ
１２０°ずつ位相が異なる関係になっている。また、ホールセンサ出力Ｈ＿Ｕ１の立上りによりゲート信号Ｕ１ｇｌはゲートオフ電圧となり、ディレイタイムの後、同相の上アームのスイッチング半導体素子のゲートオン電圧を発生させるようにゲート電圧を制御する。ここで、ディレイタイムを設けるのは、上下アームのスイッチング半導体素子が同時にオン状態にならないようにするためである。
【００５８】
以上のようなモータ駆動方式を採用することにより、図１４に示すように、バッテリとグランド間に大容量のコンデンサを配置する必要はなくなり、直流ケーブルから伝導するノイズをフィルタリングする１μＦ程度の小容量のコンデンサを設けるだけでインバータ回路を構成することが可能になる。
【００５９】
以上説明した本実施例の電動発電機１００は次の効果を奏する。
１）高電位側のＭＯＳＦＥＴの駆動用電源及び電解コンデンサを不要とし、実装面積の削減と耐高温性を向上させることができる（図１５参照。）。
２）変換回路５５の回路実装面積を低減することができる。
３）同期整流の発熱低減効果によって変換回路５５の半導体素子のサイズ縮小と低コスト化ができる。
４）制御回路５３及び駆動回路５４を構成する電子回路素子を集積化し、制御ＩＣ５１に纏めることで、サイズを縮小化を図ることができる。
５）制御ＩＣ５１にＭＰ５３ｄ，ＲＡＭ５３ｍ及びＲＯＭ６３ｎを搭載することによって、コストを抑え、異なるエンジンや発電システムを持つ車両に柔軟に対応することができる。
６）バッテリとグランド間に配置されるべき大容量の電解コンデンサが不要になり、直流ケーブルから伝導するノイズをフィルタリングする小容量のコンデンサだけでインバータを構成できるため、装置の小型化を図ることができる。
【００６０】
従って、本実施例の電動発電機１００によれば、回転電機本体１とインバータ装置５０との一体化を、コストを抑えて、一般的な車両交流発電機とほぼ同等のサイズで実現することができる。
【００６１】
本発明の背景技術でアイドリングストップシステムの普及には搭載が簡便な部品が必要であると述べた。本発明は既存のオルタネータとの置き換え可能なインバータを搭載した電動発電機１００を上記アイドリングストップシステムの実現に必要な部品として提供している。本発明は、既存の車載レイアウトとほぼ同じアイドリングストップシステムの実現を目指したものだが、システムとして考えた場合、短時間大電流出力可能な鉛電池と組み合わせることが必要である。例えば、エンジン再始動時にバッテリ１５０からの電流出力は、コンマ数秒程度であるが、スタータでエンジンを起動させる場合と同程度の２００〜４００アンペアになる。大電流出力時のバッテリ電圧低下において、その電圧が凡そ
１０Ｖ以下となると、その期間オーディオやカーナビゲーション等の機器の安定した動作が阻害される恐れがある。電圧低下の防止には鉛電池を並列化する方法があるが、搭載スペースの確保が新たな課題になる。この課題は、例えば特願２００４−１３３６９３号で示された捲回形鉛電池によって解決することができる。前記の特願２００４−133693号で示された捲回形鉛電池は従来鉛電池と同等以下の容積で短時間大電流出力時にバッテリ電圧を１０Ｖ以上に保持できる性能を持っている。前記捲回形鉛電池と本発明の電動発電機１００と組み合わせによって、既存の車載レイアウトとほぼ同じアイドリングストップシステムを提供することができる。
【００６２】
以上、本発明により、車両搭載スペースの限られた小型車両においても、エンジンルーム内のレイアウトを大幅に変更することなくアイドリングストップシステムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施例である電動発電機に一体に搭載されたインバータ装置の変換回路の半導体素子実装構造を示す平面図。
【図２】本発明の実施例である電動発電機に一体に搭載されたインバータ装置の実装構造を示す平面図。
【図３】本発明の実施例である電動発電機の全体構成を示す断面図。
【図４】本発明の実施例である電動発電機のシステム構成を示すブロック図。
【図５】図４の制御回路の機能構成を示すブロック図。
【図６】図４の駆動回路の機能構成を示すブロック図。
【図７】図４の変換回路の回路構成を示す回路図。
【図８】図４の界磁回路の回路構成を示す回路図。
【図９】図６の駆動回路の駆動部の回路構成を示す回路構成図。
【図１０】本発明の実施例である電動発電機が搭載される自動車のパワートレインの構成を示すブロック図。
【図１１】本発明の実施例である電動発電機の動作を示すフローチャート。
【図１２】比較例であるインバータ装置の変換回路の半導体素子実装構造を示す平面図。
【図１３】スイッチング半導体素子を１周期にオン／オフ１回させてモータを駆動させる方式の説明図。
【図１４】本発明の実施例であるインバータ装置の回路図。
【図１５】（１）Ｎ−ＭＯＳとＮ−ＭＯＳを組み合わせた場合の回路図、（２）Ｐ−ＭＯＳとＮ−ＭＯＳを組み合わせた場合の回路図。
【符号の説明】
【００６４】
１…回転電機本体、５０…インバータ装置、５１…制御部、５２…モジュール部、５３…制御回路、５４…駆動回路、５５…変換回路、６４…ＰチャネルＭＯＳＦＥＴ、６５…ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ、１００…電動発電機、１５０…バッテリ。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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