(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の永久磁石が円周方向に沿って配置され、互いに隣接する各永久磁石間に補極部を有する略円筒形状のロータを具備し、
前記ロータの１回転が複数のステージに分割され、各相へ供給される相電流が、ロータの回転位置を検知する複数の磁極センサの検知信号に基づいてステージ単位で制御され、誘起電圧に対して進角されるブラシレス多相交流電機の通電制御装置において、
各相を、ロータの回転速度が所定の基準速度以下の場合には１２０°（電気角）の通電角で１ステージ相当角の半分だけ進角通電し、ロータの回転速度が前記基準速度を越えると１８０°（電気角）の通電角で１ステージ相当角だけ進角通電する手段を具備し、
前記各磁極センサが、前記１２０°（電気角）の通電角での進角通電および前記１８０°（電気角）の通電角での進角通電のいずれでも、前記進角通電される相電流の通電タイミングが前記磁極センサにより検知される磁界の変化タイミングと一致するように配置されたことを特徴とするブラシレス多相交流電機の通電制御装置。
【請求項２】
前記ブラシレス多相交流電機は、内燃機関のクランク軸に連結されて当該内燃機関をクランキングするスタータモータであることを特徴とする請求項１に記載のブラシレス多相交流電機の通電制御装置。
【請求項３】
正転時と逆転時とで進角量が同一であることを特徴とする請求項１に記載のブラシレス多相交流電機の通電制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ブラシレスの多相交流電機およびその通電制御装置に係り、特に、進角通電に適したブラシレス多相交流電機およびその通電制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関用のスタータモータとジェネレータとは個別に装備されていたが、それぞれの機能を一体化させたスタータ兼ジェネレータ装置が、例えば特開平１０−１４８１４２号公報に開示されている。
【０００３】
一方、内燃機関用のスタータモータとして、ステータの外周を円筒状のロータが回転する外転型の永久磁石式回転電動機が知られている。また、このような永久磁石式回転電機において、ロータおよびステータ間での磁束分布の歪みを緩和させてトルク振動の発生を防止するために、隣接する永久磁石の間に補極部を形成した永久磁石式回転電機が、例えば特開平８−２７５４７６号公報に開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
補極部を備えた従来の永久磁石式回転電機では、補極部が永久磁石の一部としても機能することから、当該回転電機への通電タイミングは、前記補極部の回転方向に関する幅に相当する角度だけ進角させることが望ましい。
【０００５】
ここで、上記した従来技術では、標準通電タイミング（０°進角）を磁極センサの検知信号の変化として検知し、当該標準通電タイミングに基づいて進角位置を演算により求めていたため、特にロータ回転数が不安定となる低回転域では、進角位置を正確に検知することができなかった。
【０００６】
本発明の目的は、上記した従来技術の課題を解決し、各相に供給する相電流を所望の角度だけ正確に進角できるようにしたブラシレス多相交流電機およびその通電制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
【０００８】
(1)ロータの回転位置を検知する磁極センサを備え、各相へ供給される相電流が、前記磁極センサの検知信号に基づいて所定量だけ進角されるブラシレス多相交流電機において、前記磁極センサを、前記進角通電される相電流の通電タイミングが当該磁極センサにより検知される磁界の変化タイミングと一致するように配置したことを特徴とする。
【０００９】
(2) ブラシレス多相交流電機の各磁極センサの検知信号に基づいてロータの１回転を複数のステージに分割し、各相電流をステージ単位で制御するブラシレス多相交流電機の通電制御装置において、各相へ供給する相電流の位相を１ステージ相当角の半分の角度だけ進角させたことを特徴とする。
【００１０】
上記した特徴(1) によれば、ロータの回転位置が進角通電の切り替えタイミングに達すると、これに応答して磁極センサの検知信号が変化するので、進角通電の切り替えタイミングを磁極センサの検知信号に基づいて正確に検知することができる。
【００１１】
上記した特徴(2) によれば、ロータの正転時のみならず逆転時にも、回転位置が進角通電の切り替えタイミングに達すると、これに応答して磁極センサの検知信号が変位するので、進角通電の切り替えタイミングを正確に検知することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１は、本発明の車両用発電制御装置を適用したスクータ型自動二輪車の全体側面図である。
【００１３】
車体前部と車体後部とは低いフロア部４を介して連結されており、車体の骨格をなす車体フレームは、概ねダウンチューブ６とメインパイプ７とから構成される。燃料タンクおよび収納ボックス（共に図示せず）はメインパイプ７により支持され、その上方にシート８が配置されている。
【００１４】
車体前部では、ステアリングヘッド５に軸支されて上方にハンドル１１が設けられ、下方にフロントフォーク１２が延び、その下端に前輪ＦＷが軸支されている。ハンドル１１の上部は計器板を兼ねたハンドルカバー１３で覆われている。メインパイプ７の立ち上がり部下端にはブラケット１５が突設され、このブラケット１５には、スイングユニット２のハンガーブラケット１８がリンク部材１６を介して揺動自在に連結支持されている。
【００１５】
スイングユニット２には、その前部に単気筒の２ストローク内燃機関Ｅが搭載されている。この内燃機関Ｅから後方にかけてベルト式無段変速機１０が構成され、その後部に遠心クラッチを介して設けられた減速機構９に後輪ＲＷが軸支されている。この減速機構９の上端とメインパイプ７の上部屈曲部との間にはリヤクッション３が介装されている。スイングユニット２の前部には内燃機関Ｅから延出した吸気管１９に接続された気化器１７および同気化器１７に連結されるエアクリーナ１４が配設されている。
【００１６】
図２は、前記スイングユニット２をクランク軸２０１に沿って切断した断面図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００１７】
スイングユニット２は、左右のクランクケース２０２Ｌ、２０２Ｒを合体して構成されるクランクケース２０２に覆われ、クランク軸２０１は、クランクケース２０２Ｒに固定された軸受け２０８、２０９により回転自在に支持されている。クランク軸２０１には、クランクピン２１３を介してコンロッド（図示せず）が連結されている。
【００１８】
左クランクケース２０２Ｌは、ベルト式無段変速室ケースを兼ねており、左クランクケース２０２Ｌまで延びたクランク軸２０１にはベルト駆動プーリ２１０が回転可能に設けられている。ベルト駆動プーリ２１０は、固定側プーリ半体２１０Ｌと可動側プーリ半体２１０Ｒとからなり、固定側プーリ半体２１０Ｌはクランク軸２０１の左端部にボス２１１を介して固着され、その右側に可動側プーリ半体２１０Ｒがクランク軸２０１にスプライン嵌合され、固定側プーリ半体２１０Ｌに接近・離反することができる。両プーリ半体２１０Ｌ、２１０Ｒ間にはＶベルト２１２が巻き掛けられている。
【００１９】
可動側プーリ半体２１０Ｒの右側ではカムプレート２１５がクランク軸２０１に固着されており、その外周端に設けたスライドピース２１５ａが、可動側プーリ半体２１０Ｒの外周端で軸方向に形成したカムプレート摺動ボス部２１０Ｒａに摺動自在に係合している。可動側プーリ半体２１０Ｒのカムプレート２１５は、外周寄りがカムプレート２１５側に傾斜したテーパ面を有しており、該テーパ面と可動プーリ半体２１０Ｒとの間の空所にドライウェイトポール２１６が収容されている。
【００２０】
クランク軸２０１の回転速度が増加すると、可動側プーリ半体２１０Ｒとカムプレート２１５との間にあって共に回転する前記ドライウェイトボール２１６が、遠心力により遠心方向に移動し、可動側プーリ半体２１０Ｒはドライウェイトボール２１６に押圧されて左方に移動して固定側プーリ半体２１０Ｌに接近する。その結果、両プーリ半体２１０Ｌ、２１０Ｒ間に挟まれたＶベルト２１２は遠心方向に移動し、その巻き掛け径が大きくなる。
【００２１】
車両の後部には前記ベルト駆動プーリ２１０に対応する被動プーリ（図示せず）が設けられ、Ｖベルト２１２はこの被動プーリに巻き掛けられている。このベルト伝達機構により、内燃機関Ｅの動力は自動調整されて遠心クラッチに伝えられ、前記減速機構９等を介して後輪ＲＷを駆動する。
【００２２】
右クランクケース２０２Ｒ内には、スタータモータとＡＣジェネレータとを組み合わせたスタータ兼ジェネレータ１が配設されている。スタータ兼ジェネレータ１では、クランク軸２０１の先端テーパ部にアウターロータ６０がネジ２５３により固定されている。前記アウターロータ６０の内側に配設されるインナステータ５０は、クランクケース２０２にボルト２７９により螺着されて支持される。なお、前記スタータ兼ジェネレータ１の構成については、後に図３ないし図７を参照して詳細に説明する。
【００２３】
ファン２８０は、その中央円錐部２８０ａの裾部分をボルト２４６によりアウターロータ６０に固着されており、ファン２８０はラジエタ２８２を介してファンカバー２８１により覆われている。
【００２４】
クランク軸２０１上には、前記スタータ兼ジェネレータ１と軸受け２０９との間にスプロケット２３１が固定されており、このスプロケット２３１にはクランク軸２０１からカムシャフト（図示せず）を駆動するためのチェーンが巻き掛けられている。なお、前記スプロケット２３１は、潤滑オイルを循環させるポンプに動力を伝達するためのギヤ２３２と一体的に形成されている。
【００２５】
図３、４は、前記スタータ兼ジェネレータ１（永久磁石式回転電動機）の回転軸（クランク軸２０１）に垂直な面での一部破断平面図およびその側面断面図、図５、６は、ロータヨークの平面図およびその部分拡大図であり、いずれも前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００２６】
本実施形態のスタータ兼ジェネレータ１は、図３、４に示したように、ステータ５０と、当該ステータ５０の外周を回転するアウターロータ６０とから構成され、前記アウターロータ６０は、図４、５に示したように、リング状のケイ素鋼板（薄板）を略円筒状に積層して構成されたロータヨーク６１と、図３、７に示したように、ロータヨーク６１の円周方向に設けられた複数の開口部６１１内に交互に挿貫されたＮ極永久磁石６２ＮおよびＳ極永久磁石６２Ｓと、図３、４に示したように、前記ロータヨーク６１を前記クランク軸２０１に連結するカップ状のロータケース６３とによって構成されている。
【００２７】
前記ロータケース６３は、その円周端部に爪部６３ａを具備し、当該爪部６３ａを内側へ折り曲げることによって前記積層構造のロータヨーク６１が軸方向に挟持され、かつ前記ロータヨーク６１の開口部６１１内に挿貫された各永久磁石６２（６２Ｎ，６２Ｓ）がロータヨーク６１内の所定位置に保持される。
【００２８】
前記ステータ５０は、ケイ素鋼板（薄板）を積層して構成され、図３に示したように、ステータコア５１およびステータ突極５２を含む。各ステータ突極５２にはステータ巻線５３が単極集中方式で巻回され、ステータ５０の主面は保護カバー７１で覆われている。
【００２９】
前記ロータヨーク６１には、図５、６に示したように、前記永久磁石６２が軸方向に挿入される開口部６１１が円周方向に３０度間隔で１２個形成されている。隣接する各開口部６１１の間は補極部６１３として機能する。
【００３０】
前記各開口部６１１内には、図７に示したように、断面が略太鼓状の永久磁石６２が挿入されている。ここで、本実施形態では前記開口部６１１の形状と永久磁石６２の断面形状とが同一ではなく、前記開口部６１１に前記永久磁石６２が挿入された状態では、各永久磁石６２の円周方向に沿った両側部に第１空隙６１２が形成され、かつ各永久磁石６２の両端部におけるステータ側には第２空隙６１４が形成される。
【００３１】
次いで、前記ロータヨーク６１に設けたスリット６１４およびロータヨーク６１と永久磁石６２との間に形成される空隙部６１２の作用について、図８、９を参照して説明する。
【００３２】
図８は、当該スタータ兼ジェネレータ装置１をスタータモータとして機能させた際の磁束密度分布を示した図であり、図９は、当該装置１をジェネレータとして機能させた際の磁束密度分布を示した図である。
【００３３】
前記スタータ兼ジェネレータ装置１をスタータモータとして機能させる際、前記制御ユニット４０を介してバッテリ４２から各ステータ巻線５３へ励磁電流を供給すると、図８に示したように、Ｎ極に励磁されたステータ突極５２Ｎから放射方向に発生した磁力線がＳ極永久磁石６２Ｓのステータ側表面から裏面へ抜け、その多くはロータヨーク６１のコア部６１５および補極部６１３を経由し、隣接するＳ極に励磁されたステータ突極５２Ｓ、ステータコア５１を経由して前記Ｎ極に励磁されたステータ突極５２Ｎへ戻る。
【００３４】
このとき、本実施形態では各永久磁石６２の円周方向に沿った両側部に空隙６１２が形成され、各永久磁石６２の側部から補極部６１３への漏れ磁束が減ぜられるので、磁力線の大部分は各永久磁石６２からロータヨーク６１のコア部６１５へ抜け、さらに前記補極部６１３を経由してステータ５０側へ達する。この結果、アウターロータ６０とステータ５０との間のエアギャップを通過する磁束の垂直成分が増えるので、前記空隙６１２を設けない場合に比べて駆動トルクを増加させることが可能になる。
【００３５】
さらに、本実施形態では永久磁石６２の両端部におけるステータ側にも、円周方向の磁路を制限するためのスリット６１４が形成されているので、ロータヨーク６１の内側を通過する漏れ磁束も減少する。
【００３６】
すなわち、図１０に図８の破線円内を拡大して示したように、スリット６１４の一方（６１４Ａ）は、ロータヨーク６１の補極部６１３を通過する磁束Ｂ１がロータヨーク６１の内側円周部６１６へ導かれるのを妨げ、磁束Ｂ１の多くをステータ突極５２Ｓへ効率良く導くように作用する。また、スリット６１４の他方（６１４Ｂ）は、永久磁石６２Ｎからロータヨーク６１の内側円周部６１６を通過する磁束Ｂ２が補極部６１３へ導かれるのを妨げ、磁束Ｂ２の多くをステータ突極５２Ｓへ効率良く導くように作用する。この結果、アウターロータ６０とステータ５０との間のエアギャップを通過する磁束の垂直成分が更に増え、スタータモータとしての駆動トルクを更に増加させることが可能になる。
【００３７】
一方、当該スタータ兼ジェネレータ装置１をジェネレータとして機能させる際は、図９に示したように、各永久磁石６２から発生する磁束がステータ突極およびステータコアと共に閉磁路を形成するので、ロータの回転数に応じた発電電流をステータ巻線に発生させることができる。
【００３８】
なお、本実施形態では後述するレギュレータ１００によるレギュレート電圧を１４．５Ｖに設定し、当該スタータ兼ジェネレータ装置１をジェネレータとして機能させた際の出力電圧が前記レギュレート電圧に達すると、相電流を短絡させるようにしている。これにより、各ステータ巻線５３にショート電流が遅れ位相で流れ、ステータ５０内を通過する磁力線が減少し、隣接する永久磁石６２間を結ぶ漏れ磁束が増加するので、当該スタータ兼ジェネレータ装置１の被動トルクが減少して内燃機関Ｅの負荷が減少する。
【００３９】
すなわち、図１１に図９の破線円内を拡大して示したように、隣接する永久磁石６２Ｓ，６２Ｎ間には、ロータヨーク６１の外側円周部６１７を経由する磁束Ｂ３と、ロータヨーク６１の補極部６１３を経由する磁束Ｂ４と、ロータヨーク６１の内側円周部６１６を通過する磁束Ｂ５と、ロータヨーク６１の内側円周部６１６、エアギャップおよびステータ突極５２Ｎを経由する磁束Ｂ６とが発生する。
【００４０】
上記したように、本実施形態によれば、アウターロータ６０のロータヨーク６１が各永久磁石６２間に補極部６１３を有する永久磁石式回転電動機において、各永久磁石６２とロータヨーク６１との間に空隙６１２およびスリット６１４を設けたので、隣接する永久磁石間での漏れ磁束が減少し、アウターロータ６０とステータ５０との間のエアギャップ部を垂直に交差する磁束が増える。したがって、当該永久磁石式回転電動機をジェネレータとして機能させる際の被動トルクを増加させることなく、スタータモータとして機能させる際の駆動トルクを増大させることができる。
【００４１】
図１２は、前記スタータ兼ジェネレータ１の制御系のブロック図であり、前記と同一の符号は同一または同等部分を表している。
【００４２】
ＥＣＵには、スタータ兼ジェネレータ１のジェネレータ機能が発生する三相交流を全波整流する３相全波整流器３００と、全波整流器３００の出力を予定のレギュレート電圧（レギュレータ作動電圧：例えば、１４．５Ｖ）に制限するレギュレータ１００とが設けられる。
【００４３】
ＥＣＵには、ロータ角度を検知する磁極センサ２９（２９U、２９V、２９W）、点火コイル２１、スロットルセンサ２３、フューエルセンサ２４、シートスイッチ２５、アイドルスイッチ２６、冷却水温センサ２７および点火パルサ３０が接続され、各部から検出信号がＥＣＵに入力される。点火コイル２１の二次側には点火プラグ２２が接続されている。
【００４４】
さらに、ＥＣＵには、スタータリレー３４、スタータスイッチ３５、ストップスイッチ３６，３７、スタンバイインジケータ３８、フューエルインジケータ３９、スピードセンサ４０、オートバイスタ４１、およびヘッドライト４２が接続される。ヘッドライト４２には、ディマースイッチ４３が設けられる。
【００４５】
上記の各部には、メインヒュ−ズ４４およびメインスイッチ４５を介してバッテリ４６から電流が供給される。なお、バッテリ４６は、スタータリレー３４によってＥＣＵに直接接続される一方、メインスイッチ４５を介さず、メインヒューズ４４だけを介してＥＣＵ３に接続される回路を有する。
【００４６】
次いで、本実施形態における進角通電の制御方法を、図１３〜図１６の波形図を参照して説明する。
【００４７】
本実施形態では、前記各磁極センサ２９U、２９V、２９Wの検知信号に基づいてロータの１回転を複数のステージ（＃０，＃１，＃２・・・）に分割し、各相電流を前記ステージ単位で制御する。
【００４８】
図１３に示したように、本実施形態ではロータの６０°（機械角）を電気角の３６０°とし、これを６つのステージ（＃０〜＃５）に分割している。したがって、１ステージは機械角の１０°に相当する。そして、ロータの低回転域および逆転時には電気角で１２０°の正転（逆転）通電を５°（機械角）進角で実行し、ロータの高回転域では電気角で１８０°の正転通電を１０°（機械角）進角で実行する。
【００４９】
図１４は、前記１２０°正転通電、５°進角における信号波形図、図１５は、１８０°正転通電、１０°進角における信号波形図、図１６は、逆転１２０°通電、５°進角における信号波形図である。
【００５０】
本実施形態では、各磁極センサ２９U、２９V、２９Wが磁界の変化を検知し、その検知信号が変位するタイミングで各相への通電タイミングを切り替えるようにしている。
【００５１】
さらに具体的に言えば、図１４に示した正転１２０°通電における５°進角では、V相センサ（磁極センサ２９V）の検知信号が立ち下がるタイミング、すなわちステージ＃０からステージ＃１への切り替わりタイミングにおいてＶ相への正方向通電を開始し、かつＵ相への正方向通電を停止している。同様に、U相センサ（磁極センサ２９U）の検知信号が立ち上がるタイミング、すなわちステージ＃１からステージ＃２への切り替わりタイミングにおいてＵ相への逆方向通電を開始し、かつＷ相への逆方向通電を停止している。同様に、W相センサ（磁極センサ２９W）の検知信号が立ち下がるタイミング、すなわちステージ＃２からステージ＃３への切り替わりタイミングにおいてＷ相への正方向通電を開始し、かつＶ相への正方向通電を停止している。
【００５２】
同様に、図１５に示した正転１８０°通電における１０°進角でも、ステージ＃０からステージ＃１への切り替わりタイミングにおいて、U相への正方向通電を逆方向通電へ切り替えている。同様に、ステージ＃１からステージ＃２への切り替わりタイミングにおいて、W相への逆方向通電を正方向通電へ切り替えている。同様にステージ＃２からステージ＃３への切り替わりタイミングにおいて、V相への正方向通電を逆方向通電へ切り替えている。
【００５３】
換言すれば、本実施形態では各磁極センサ２９U、２９V、２９Wが、各相電流の進角通電を切り替えるタイミングで磁界の変化を検知し、その検知信号の出力を変位させられるように、所定の位置に配置されている。
【００５４】
このように、本実施形態では相電流を進角させる通電の切り替えタイミングが、磁極センサ２９の検知信号の変位タイミングと一致するように、前記各磁極センサを所定の位置に配置したので、相電流を進角させる際の通電制御を正確に行えるようになる。
【００５５】
さらに、本実施形態では、進角度を１ステージ相当角である１０°の半分である５°に設定したので、図１６に示した逆転１２０°通電における５°進角でも、正転時と同一の磁極センサ２９を用いて、進角通電の切り替えタイミングを磁極センサの検知信号の変位タイミングと一致させることができる。したがって、本実施形態によれば、正転時のみならず逆転時にも、相電流を進角させる際の通電制御を正確に行えるようになる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1)進角制御時における通電の切り替えタイミングが、磁極センサによる磁界変化の検知タイミングと一致するので、進角制御時における通電制御を正確に行えるようになる。
(2)進角度を１ステージ相当角の半分に設定したので、逆転１２０°通電における５°進角でも、進角制御時における通電制御の切り替えタイミングを、磁極センサによる磁界変化の検知タイミングと一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明を適用したスクータ型自動二輪車の全体側面図である。
【図２】  図１のスイングユニットのクランク軸に沿った断面図である。
【図３】  スタータ兼ジェネレータ（永久磁石式回転電動機）の回転軸（クランク軸）に垂直な面での一部破断平面図である。
【図４】  図３の側面断面図である。
【図５】  ロータヨークの平面図である。
【図６】  ロータヨークの側面図である。
【図７】  ロータヨークの部分拡大図である。
【図８】  ロータヨークに設けた空隙部の機能（電動時）を説明するための図である。
【図９】  ロータヨークに設けた空隙部の機能（発電時）を説明するための図である。
【図１０】  図９の部分拡大図である。
【図１１】  図１０の部分拡大図である。
【図１２】  スタータ兼ジェネレータの制御系のブロック図である。
【図１３】  本実施形態における通電制御の動作タイミングを模式的に表現した図である。
【図１４】  １２０°正転通電を５°進角で実行した場合の信号波形図である。
【図１５】  １８０°正転通電を１０°進角で実行した場合の信号波形図である。
【図１６】  １２０°逆転通電を５°進角で実行した場合の信号波形図である。
【符号の説明】
１…スタータ兼ジェネレータ，５０…ステータ，５１…ステータコア，５２…ステータ突極，５３…ステータ巻線，６０…アウターロータ，６１…ロータヨーク，６２（６２Ｎ，６２Ｓ）永久磁石…，６３…ロータケース，７１…保護カバー，２０１…クランク軸，６１１…開口部，６１２…第１空隙，６１３…補極部，６１４…第２空隙
【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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【図１６】
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