(57)【要約】      （修正有）【課題】新規な巻数切換型電気機械を提供すること【解決手段】巻数切換型電気機械は複数の３相パワーコンバータ３および一つの中性点スイッチ５をもつ。中性点スイッチ５はステータコイル２の複数の相コイル２１−２３を接続する。中性点スイッチ５が閉じられる時、ステータコイル２の巻数は増加される。中性点スイッチ５が開かれる時、ステータコイル２の巻数は減少される。さらに、界磁コイル式電気機械は、界磁電流の方向反転により巻数変更が可能な界磁コイル６を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３つの相コイルからなるダブルエンドステータコイルと、
３相インバータおよび第１の３相ダイオード整流器のどちらかからなる第１のパワーコンバータと、
他端が第１のパワーコンバータに接続される３つの相コイルの各一端に接続される
第２の３相ダイオード整流器からなる第２のパワーコンバータと、
３つの相コイルの３つの一端に個別に接続される３つの固定接点に面する可動接点をもつ中性点リレーと、
を備えることを特徴とする巻数切換型電気機械。
【請求項２】
中性点リレーは低速発電期間に閉じられ、高速発電期間に開かれる請求項１記載の巻数切換型電気機械。
【請求項３】
３相インバータからなる第１のパワーコンバータは中性点リレーが閉じられるエンジン始動期間に３つの相コイルに３相電流を供給する請求項１記載の巻数切換型電気機械。
【請求項４】
この巻数切換型電気機械はさらに、中性点リレーが開かれる直前に、界磁電流を低減する界磁電流コントローラを有する請求項１記載の巻数切換型電気機械。
【請求項５】
界磁電流コントローラは、２つのレグをもつハイブリッドHブリッジを有し、２つのレグの一方は直列接続された上アームトランジスタおよび下アームダイオードをもち、２つのレグの他方は直列接続された上アームダイオードおよび下アームトランジスタをもつ請求項４記載の巻数切換型電気機械。
【請求項６】
第１コイルおよび第２コイルからなる界磁コイルに供給される界磁電流を制御する界磁電流コントローラを有し、界磁電流コントローラは、界磁コイルに供給される界磁電流の方向を切り替えるHブリッジを有し、さらに、第１コイルおよび第２コイルの直列接続および並列接続のどちらかを選択するためのロータ回路を有することを特徴とする巻数切換型電気機械。
【請求項７】
ロータ回路は、Hブリッジの第１レグに第１コイルの一端を接続する第１並列ダイオードと、Hブリッジの第２レグに第２コイルの一端を接続する第２並列ダイオードと、第１コイルの一端を第２コイルの一端に接続する直列トランジスタと、Hブリッジの第２レグに直列トランジスタのゲート電極を接続するゲート制御トランジスタとを有する請求項６記載の巻数切換型電気機械。
【請求項８】
ロータ回路は、ロータ軸に固定されたスリップリングに界磁コイルを接続する端子リングに収容されている請求項６記載の巻数切換型電気機械。
【請求項９】
複数の３相パワーコンバータに個別に接続された複数の星形接続３相巻線からなるステータコイルと、
これらの星形接続３相巻線の各一つの相コイルを接続する中性点スイッチと、
ステータコイルの巻数を倍増するために中性点スイッチを閉じるコントローラと、
を備えることを特徴とする巻数切換型電気機械。
【請求項１０】
３つの星形接続３相巻線は、３つの３相パワーコンバータに個別に接続される請求項９記載の巻数切換型電気機械。
【請求項１１】
中性点スイッチは、３つの固定接点に面する一つの可動接点をもつ中性点リレーからなる請求項１０記載の巻数切換型電気機械。
【請求項１２】
中性点スイッチは、３相ダイオード整流器と、この３相ダイオード整流器の２つの直流端子に接続された短絡トランジスタとからなる請求項１０記載の巻数切換型電気機械。
【請求項１３】
これらの３相パワーコンバータはそれぞれ、３相ダイオード整流器からなる請求項１０記載の巻数切換型電気機械。
【請求項１４】
これらの３相パワーコンバータはそれぞれ、３相インバータからなる請求項１０記載の巻数切換型電気機械。
【請求項１５】
これらの３相パワーコンバータはそれぞれ、２つのスイッチレグおよび一つのダイオードレグからなる請求項１０記載の巻数切換型電気機械。
【請求項１６】
２つの星形接続３相巻線は、２つの３相パワーコンバータに個別に接続される請求項９記載の巻数切換型電気機械。
【請求項１７】
中性点スイッチは、フルブリッジダイオード整流器、および、このダイオード整流器の２つの直流端子に接続される短絡トランジスタからなる請求項１６記載の巻数切換型電気機械。
【請求項１８】
３相パワーコンバータはそれぞれ、３相ダイオード整流器からなる請求項１６記載の巻数切換型電気機械。
【請求項１９】
３相パワーコンバータはそれぞれ、３相インバータからなる請求項１６記載の巻数切換型電気機械。
【請求項２０】
３相パワーコンバータはそれぞれ、２つのスイッチレグおよび一つのダイオードレグからなる３相ハイブリッドコンバータからなる請求項１６記載の巻数切換型電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は巻数切換型電気機械に関し、特に車両用の可変速巻数切換型電気機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、オルタネータと呼ばれる従来の車両用発電機の電力損失は約４０％であり、ステータコイルの銅損は電力損失の約半分を占める。
【０００３】
スタータジエネレータはエンジン始動トルクを増加するために従来の車両用発電機よりもステータコイルの多くの巻数を必要とする。しかし、ステータコイルの銅損は巻数増加により増える。さらに、従来の界磁コイル式スタータジエネレータは界磁コイルの高インダクタンス値のためにエンジン始動を遅延させる。
【０００４】
特許文献１、２は両端が２つの３相インバータに別々に接続される３相巻線をもつモータを開示する。これらのモータは星形接続と開放デルタ接続のどちらかを選択する。開放デルタ接続はデルタ接続と本質的に等しい。星形接続をもつコイルは星形コイルと呼ばれる。デルタ接続をもつコイルはデルタ形コイルと呼ばれる。開放デルタ接続をもつコイルは開放デルタ形コイルと呼ばれる。しかし、特許文献１、２は電力損失および製造コストを増加させる複雑な回路トポロジーを必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許４１２２４５８号公報
【特許文献２】特開２０１４−５４０９４８号公報
【発明の概要】
【０００６】
本発明の１つの目的は優れた効率をもつ低コストの巻数切換型電気機械を提供することである。本発明のもう一つの目的は界磁電流を急速に変更可能な界磁コイル型電気機械を提供することである。
【０００７】
本発明の第１の様相によれば、ステータコイルであるダブルエンド３相巻線の３つの一端は第２の３相ダイオード整流器に接続される。この３相巻線の３つの他端は第１の３相パワーコンバータに接続される。さらに、中性点リレーの３つの固定接点が３相巻線の各一端に別々に接続される。
【０００８】
中性点リレーが閉じられる時、３相巻線は星形接続をもつ。中性点リレーが開かれる時、３相巻線は本質的にデルタ接続に等しい開放デルタ接続をもつ。第２の３相ダイオード整流器は開放デルタ接続において整流器として働き、星形接続においてサージ吸収器として働く。
【０００９】
ステータコイルの等価抵抗値が星形接続と比べて半分となるため、ステータコイルの銅損は開放デルタ接続において低減される。ステータコイルの起電力は星形接続により低速域において低減されない。
【００１０】
好適態様によれば、第１のパワーコンバータは３相ダイオード整流器からなる。発電機である電気機械は星形発電モードおよび開放デルタ形発電モードをもつ。
【００１１】
もう一つの態様によれば、第１のパワーコンバータは３相インバータからなる。中性点リレーが閉じられる時、電気機械はさらに星形モータモードをもつ。
【００１２】
もう一つの態様によれば、ランデル型界磁コイル発電機の界磁電流は中性点リレーが開かれる直前に低減される。これにより、リレー寿命は十分に延長される。
【００１３】
もう一つの態様によれば、ハイブリッドHブリッジが界磁電流制御のために採用される。ハイブリッドHブリッジの２つのレグの一つは直列接続された上アームトランジスタおよび下アームダイオードをもつ。ハイブリッドHブリッジの他のレグは直列接続された上アームダイオードおよび下アームトランジスタをもつ。２つのトランジスタは電磁リレーの開放直前にオフされる。これにより、界磁電流は急速に低減される。
【００１４】
本発明の第２の様相によれば、Hブリッジおよびロータ回路からなる界磁電流コントローラがランデル型界磁コイル機のために採用される。界磁電流コントローラは界磁電流の方向反転により、界磁コイルの２つのコイルの直列接続および並列接続のどちらかを選択する。ロータ回路は界磁コイルおよびスリップリングを接続するための端子リングに内蔵される。
【００１５】
本発明の第３の様相によれば、ステータコイルは複数の３相パワーコンバータに別々に接続される複数の星形接続３相巻線からなる。さらに、中性点スイッチと呼ばれる一つの双方向スイッチが複数の３相巻線を接続する。
中性点スイッチが閉じられる時、ステータコイルの等価巻数は倍増される。
【００１６】
第１の態様によれば、３つのパワーコンバータが３つの星形接続３相巻線に個別に接続される。３つの３相巻線はそれぞれ、中性点スイッチに接続される一つの相コイルをもつ。中性点スイッチが閉じられる時、ステータコイルの巻数は倍増される。
【００１７】
第２の態様によれば、２つのパワーコンバータが２つの星形接続３相巻線に個別に接続される。２つの３相巻線はそれぞれ、中性点スイッチに接続される一つの相コイルをもつ。中性点スイッチが閉じられる時、ステータコイルの巻数は倍増される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
図１は第１実施例のスタータジエネレータを示す配線図である。図２は図１に示される中性点リレーを示す断面図である。図３は中性点リレーの固定接点の配置を示す平面図である。図４はスタータジエネレータの側面図である。
図５はシリーズモードの界磁電流増加期間を示す模式配線図である。図６はシリーズモードの界磁電流減少期間を示す模式配線図である。図７はパラレルモードの界磁電流増加期間を示す模式配線図である。図８はパラレルモードの界磁電流減少間を示す模式配線図である。図９はシリーズモードの直後の界磁電流を示す模式配線図である。図１０はシリーズモードの直後の界磁電流を示すもう一つの模式配線図である。図１１はスタータジエネレータの動作を示すフローチャートである。図１２は第２実施例の車両用発電機を示す配線図である。図１３は第３実施例の車両用発電機を示す配線図である。
図１４は図１３に示される３相巻線の配置を示す模式図である。図１５は図１３に示される第３実施例の一つの変形を示す配線図である。図１６は図１３に示される第３実施例のもう一つの変形を示す配線図である。図１７は図１３に示される第３実施例のもう一つの変形を示す配線図である。図１８は第４実施例の車両用発電機を示す配線図である。図１９は図１８に示される３相巻線の配置を示す模式図である。図２０は図１８に示される第４実施例の一つの変形を示す配線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
下記の説明において、ダイオードレグは直列接続された上アームダイオードおよび下アームダイオードからなるハーフブリッジを意味する。スイッチレグは直列接続された上アームトランジスタおよび下アームトランジスタからなるハーフブリッジを意味する。用語としての星形は星形を意味する。用語としてのデルタ形はデルタ接続を意味する。用語としての開放デルタ形は開放デルタ接続を意味する。U相、V相およびW相の任意の２つの間の位相差は電気角１２０度である。
【００２０】
第１実施例
スタータジエネレータに関する第１実施例が図１を参照して説明される。ランデル型のスタータジエネレータ１はダブルエンド型３相巻線２、３相インバータ３、３相ダイオード整流器４、中性点リレー５、界磁コイル６、界磁電流コントローラ７、およびコントローラ８をもつ。ステータコアに巻かれたステータコイルである３相巻線２は３つの相コイル２１−２３からなる。第１のパワーコンバータであるインバータ３は３つのスイッチレグ３１−３３からなる。スイッチレグ３１-３３はそれぞれ、直列接続された上アームスイッチおよび下アームスイッチからなる。各アームスイッチは逆並列ダイオードをもつNMOSトランジスタからなる。第２パワーコンバータであるダイオード整流器４は３つのダイオードレグ３４−３６からなる。ダイオードレグ３４−３６はそれぞれ、直列接続された上アームダイオードおよび下アームダイオードからなる。中性点リレー５は固定接点５１−５３に対面する可動接点５４をもつ。１４Vの定格電圧をもつ従来の車両バッテリ（図示せず）はDCリンク線１１および接地線１２を通じてレグ３１−３６の直流端子に接続されている。
【００２１】
U相コイル２１の一端はレグ３４の交流端子に接続されている。U相コイル２１の他端はレグ３１の交流端子に接続されている。V相コイル２２の一端はレグ３５の交流端子に接続されている。V相コイル２２の他端はレグ３２の交流端子に接続されている。W相コイル２３の一端はレグ３６の交流端子に接続されている。W相コイル２３の他端はレグ３３の交流端子に接続されている。固定接点５１はU相コイル２１の一端に接続されている。固定接点５２はV相コイル２２の一端に接続されている。固定接点５３はW相コイル２３の一端に接続されている。
【００２２】
図２は中性点リレー５の断面図である。図３は固定接点５１−５３の接点面５１０、５２０および５３０の配置を示す平面図である。電磁リレーである中性点リレー５は励磁コイル（図示せず）およびスプリング（図示せず）により付勢される共通のプランジャを有している。円盤形の可動接点５４は樹脂ホルダ５６を介してプランジャ５７の頂部に固定されている。固定接点５１−５３はレジンホルダにより固定されている。
【００２３】
図２に示されるように、互いに隣接する固定接点５１−５３は一列に配置されることができる。図３に示されるように、固定接点５１−５３はエアギャップLを隔てて互いに約１２０度離れている。可動接点５４は３つの固定接点５１−５３のすべてに対面している。図２に示されるように、固定接点５１−５３の頭部は円弧状の接触面５１０、５２０および５３０を個別に有している。接触面５１０、５２０および５３０は可動接点５４の接触面５４０に対面している。固定接点５１の根部５１１はU相コイル２１の一端に接続されている。固定接点５２の根部５２１はV相コイル２２の一端に接続されている。固定接点５３の根部５３１はW相コイル２３の一端に接続されている。
【００２４】
励磁コイルに供給される励磁電流が遮断される時、可動接点５４はスプリングにより固定接点５１−５３に向けて押される。これにより、中性点リレー５は閉じられる（オンされる）。励磁電流が励磁コイルに供給される時、可動接点５４は固定接点５１−５３から離れる。これにより、中性点リレー５は開かれる（オフされる）。結局、中性点リレー５が実質的に一つの電磁リレーからなるため、３つの相コイル２１−２３の３つの一端をそれぞれ接続するための中性点リレー５はコンパクトとなり、低い製造コストおよび低い抵抗損失をもつ。
【００２５】
中性点リレー５が閉じられる時、３つの相コイル２１−２３は星形接続で接続される。スタータジエネレータ１は星形発電モードまたは星形電動モードにより駆動される。中性点リレー５が開かれる時、３つの相コイル２１−２３は開放デルタ接続で接続される。スタータジエネレータ１は開放デルタ形発電モードを実行する。
【００２６】
開放デルタ形発電モードによれば、U相コイル２１により誘起されるU相電圧はスイッチレグ３１およびダイオードレグ３４からなる単相整流器により整流される。V相コイル２２により誘起されるV相電圧はスイッチレグ３２およびダイオードレグ３５からなる単相整流器により整流される。W相コイル２３により誘起されるW相電圧はスイッチレグ３３およびダイオードレグ３６からなる単相整流器により整流される。
【００２７】
図４に示されるランデル型ロータコア１３に巻かれた界磁コイル６は巻き方向が互いに同じである第１コイル６１および第２コイル６２からなる。界磁電流コントローラ７はロータ回路７０およびHブリッジ７１からなる。２つのスイッチレグ７３および７４からなるHブリッジ７１は界磁コイル６に双方向の界磁電流を供給する。スイッチレグ７３は直列接続された上アームトランジスタ７３Uおよび下アームトランジスタ７３Lからなる。スイッチレグ７４は直列接続された上アームトランジスタ７４Uおよび下アームトランジスタ７４Lからなる。アームトランジスタ７３U、７３L、７４Uおよび７４Lはそれぞれ逆並列ダイオードをもつ。
【００２８】
スイッチレグ７３および７４の正の直流端子は正の直流リンク線１１によりバッテリ（図示せず）の正極に接続されている。スイッチレグ７３および７４の負の直流端子は接地線１２によりバッテリの負極に接続されている。スイッチレグ７３の交流端子はスリップリングおよびブラシの第１ペア９５を通じて第１コイル６１の一端に接続されている。スイッチレグ７４の交流端子はスリップリングおよびブラシの第２ペア９６を通じて第２コイル６２の一端に接続されている。
【００２９】
集積回路（IC)からなるロータ回路７０は図４に示される端子リング７２に収容されている。ロータ回路７０は図１に示されるようにNMOS直列トランジスタ７５、２つの並列ダイオード７６および７７、およびNMOSゲート制御トランジスタ７８からなる。直列トランジスタ７５のドレイン電極は第１コイル６１の他端に接続されている。直列トランジスタ７５のソース電極は第２コイル６２の他端に接続されている。並列ダイオード７６のカソード電極は直列トランジスタ７５のドレイン電極に接続されている。並列ダイオード７６のアノード電極は第２コイル６２の一端に接続されている。並列ダイオード７７のアノード電極は直列トランジスタ７５のソース電極に接続されている。並列ダイオード７７のカソード電極は第１コイル６１の一端に接続されている。直列トランジスタ７５のゲート電極はゲート制御トランジスタ７８のドレイン電極に接続されている。ゲート制御トランジスタ７８のソース電極は第１コイル６１の一端に接続されている。ゲート制御トランジスタ７８のゲート電極は第２コイル６２の一端に接続されている。
【００３０】
図４はスタータジエネレータ１のロータ軸１０に固定された端子リング７２を示す側面図である。ロータ軸１０はモータハウジング１４により支持されている。ロータ軸１０に固定されたランデル型ロータコア１３は端子リング７２に隣接している。端子リング７２は耐熱樹脂材料で作られたリング状の樹脂部７２０から径方向外側へ突出する４つの接続端子を有する。コイル６１、６２の４つの端子は端子リング７２の４つの接続端子に個別に接続されている。図４は４つの接続端子のうちの３つの接続端子７２１−７２３を示す。ペア９５および９７の２つのスリップリング（図示せず）は４つの接続端子の２つに個別に接続されている。ロータ回路７０は樹脂部７２０に埋設されている。
【００３１】
好適にはヒートシンクとしてのフランジ状の銅板が樹脂部７２０に埋設されている。この銅板はラジアルフアンの翼部のように形成された突起部を有している。樹脂部７２０から突出する突起部は気流により冷却されることができる。フランジ状の銅板の筒部は銅板の熱を伝達するためにロータ軸１０に固定されている。
【００３２】
コントローラ８は界磁電流を制御するために直列モードと並列モードとをもつ。２つのモードは界磁コイル６に供給される界磁電流の方向を変更することにより変更される。直列モードが図５および図６を参照して説明される。図５は直列モードの電流増加期間を示す。図５において、上アームトランジスタ７３Uおよび下アームトランジスタ７４Lがオンされる。上アームトランジスタ７４Uおよび下アームトランジスタ７３Lはオフされる。バッテリ電圧がゲート制御トランジスタ７８の逆並列ダイオードを通じて直列トランジスタ７５のゲート電極に印加されるので、直列トランジスタ７５はオンされる。接地電圧が下アームトランジスタ７４Lを通じてゲート制御トランジスタ７８のゲート電極に印加されので、ゲート制御トランジスタ７８はオフされる。結局、第１のコイル６１および第２のコイル６２は直列トランジスタ７５により直列接続される。上アームトランジスタ７３U、第１のコイル６１、直列トランジスタ７５、第２のコイル６２、および下アームトランジスタ７４Lを順番に通じて流れる界磁電流が増加される。
【００３３】
図６はフリーホィーリング電流が流れる直列モードの電流減少期間を示す。図６において、下アームトランジスタ７３Lおよび７４Lはオンされる。上アームトランジスタ７３Uおよび７４Uはオフされる。ゲート制御トランジスタ７８の逆並列ダイオードがオフされ、ゲート制御トランジスタ７８がオフ状態を保つため、直列トランジスタ７５はオンを持続する。したがって、フリーホィーリング電流の一部は第１のコイル６１、直列トランジスタ７５、第２のコイル６２、下アームトランジスタ７４Lおよび下アームトランジスタ７３Lを通じて循環する。フリーホィーリング電流の他の部分は並列ダイオード７６および７７を通じて個別に循環する。直列モードにおける界磁電流はコントローラ８の指示またはバッテリ電圧に応じて上アームトランジスタ７３Uのデユーティ比を制御することにより制御される。このデユーティ比は（界磁電流増加期間/（界磁電流増加期間＋界磁電流減少期間））の値に等しい。直列トランジスタ７５のゲート容量をアシストするためにキャパシタを追加することは可能である。これにより、直列トランジスタ７５のゲート電圧の低下が低減される。
【００３４】
並列モードが図７および図８を参照して説明される。図７は並列モードの電流増加期間を示す。図７において、上アームトランジスタ７４Uおよび下アームトランジスタ７３Lがオンされる。上アームトランジスタ７３Uおよび下アームトランジスタ７４Lはオフされる。バッテリ電圧がゲート制御トランジスタ７８のゲート電極に印加されるため、ゲート制御トランジスタ７８がオンされる。接地電圧がゲート制御トランジスタ７８を通じて直列トランジスタ７５のゲート電極に印加されるため、直列トランジスタ７５はオフされる。上アームトランジスタ７４U、並列ダイオード７６、第１のコイル６１、下アームトランジスタ７３Lを通じて流れる界磁電流の一部が増加される。上アームトランジスタ７４U、第２のコイル６２、並列ダイオード７７、下アームトランジスタ７３Lを通じて流れる界磁電流の残部も増加される。したがって、第１のコイル６１および第２のコイル６２が並列接続されるため、界磁コイル６のインダクタンス値は１/４になる。
【００３５】
図８は並列モードの電流減少期間を示す。図８において、下アームトランジスタ７３Lおよび７４Lはオンされる。上アームトランジスタ７３Uおよび７４Uはオフされる。直列トランジスタ７５はオフを保ち、ゲート制御トランジスタ７８はオフされる。したがって、フリーホィーリング電流の一部は第１のコイル６１、下アームトランジスタ７３L、下アームトランジスタ７４Lおよび並列ダイオード７６を通じて循環する。フリーホィーリング電流の残部は第２のコイル６２、並列ダイオード７７、下アームトランジスタ７３Lおよび下アームトランジスタ７４Lを通じて循環する。並列モードにおける界磁電流はバッテリ電圧に応じて上アームトランジスタ７４Uのデユーティ比を制御することにより制御される。
【００３６】
直列モードの急速遮断が図９、図１０を参照して説明される。図５に示される直列モードが終了する場合、図６に示されるフリーホィーリング電流の低減が緩慢であるため、図６に示される電流低減方法の採用は好ましくない。中性点リレー５が開放される直前に、界磁電流は急速に低減されるべきである。再生電流がコイル６１、６２からバッテリに流れる時、界磁電流は急速に減少する。それは再生遮断と呼ばれる。中性点リレー５の開放直前にこの再生遮断が採用されるなら、ステータコイル２の接続切り替えは素早くなる。
【００３７】
図９に示されるロータ回路７０Aは並列接続された抵抗７９およびダイオード８０を有するロータ回路７０と同等である。抵抗７９およびダイオード８０のペアは直列トランジスタ７５のゲート電極をゲート制御トランジスタ７８のドレイン電極に接続する。
【００３８】
図９はトランジスタ７３Uおよび７４Lの遮断直後を示す。トランジスタ７３Lおよび７４Uは遮断されている。抵抗７９を通じた緩慢な放電のため、直列トランジスタ７５のゲート電位は緩やかに低下する。これにより、直列トランジスタ７５の完全な遮断以前に、破線で示される再生電流がトランジスタ７４Uおよび７３Lの逆並列ダイオードを通じてバッテリに流れる。ダイオード８０を通じた充電により、直列トランジスタ７５のゲート電位は急速に上昇する。したがって、直列モードの界磁電流は急速に上昇する。
【００３９】
図９において、ゲート制御トランジスタ７８は省略されることができる。ゲート制御トランジスタ７８の逆並列ダイオードは直列トランジスタ７５のゲート電位を急速に上昇させる。さらに、ゲート制御トランジスタ７８は図６に示されるフリーホィーリング期間において直列トランジスタ７５のゲート電位を維持する。
ゲート制御トランジスタ７８が省略される時、直列トランジスタ７５のゲート電位は抵抗７９により緩慢に低下する。抵抗７９の抵抗値は実験により決定されるべきである。
【００４０】
図１０に示されるロータ回路７０Bは抵抗８１をもつロータ回路７０に等しい。抵抗８１はレグ７４の交流端子をゲート制御トランジスタ７８のゲート電極に接続する。
【００４１】
図１０はトランジスタ７３Uおよび７４Lの遮断直後を示す。トランジスタ７４Uおよび７３Lはオフされている。ゲート制御トランジスタ７８のゲート電位は抵抗８１により緩慢に増加するため、直列トランジスタ７５のゲート電位は緩慢に低下する。言い換えれば、ゲート制御トランジスタ７８の遮断は抵抗８１により遅延させられる。これにより、破線で示される再生電流が、直列トランジスタ７５の遮断完了の前に、トランジスタ７４Uおよび７３Lの逆並列ダイオードを通じてバッテリに流れる。ダイオード８０を通じての充電により、直列トランジスタ７５のゲート電位は急速に上昇する。したがって、直列モードの界磁電流は急速に上昇する。抵抗８１、並びに、抵抗７９およびダイオード８０のペアは直列トランジスタ７５の遮断を遅延させるための遅延回路を構成する。
【００４２】
スタータジエネレータ１の動作モードが図１１に示されるフローチャートを参照して説明される。３つの相コイル２１−２３の３つの相電流が界磁電流の低減によりほぼゼロとなった直後に、中性点リレー５の開放が実行されることが重要である。これにより、中性点リレー５の寿命は十分に延長される。
【００４３】
最初に、エンジン始動モードが指令されたか否かが判定される（S１００)。エンジン始動が指令されたなら、エンジン始動サブルーチンが実行される（S１０２)。このエンジン始動サブルーチンによれば、界磁電流は図７に示される並列モードにより供給される。これにより、界磁電流は急速に上昇する。中性点リレー５はスプリング（図示せず）により既に閉じられている。インバータ３は星形接続の３つの相コイル２１−２３に３相電流を供給する。次に、トルクアシストが指令されたか否かが判定される（S１０４)。トルクアシストが指令されたなら、トルクアシストサブルーチンが実行される（S１０６)。このトルクアシストサブルーチンによれば、中性点リレー５が閉じられる。インバータ３が星形接続の３つの相コイル２１−２３に３相電流を供給する時、スタータジエネレータ１はエンジンをアシストするためのモータトルクを発生する。界磁電流がトルクアシスト電流を調整するために制御される。
【００４４】
次に、再生制動が指令されたか否かが判定される（S１０８）。再生制動が指令されたなら、再生制動サブルーチンが実行される（S１１０)。この再生制動サブルーチンによれば、中性点リレー５が閉じられる。インバータ３は星形接続の３相巻線２の３相電圧を整流する。これにより、スタータジエネレータ１はバッテリを充電する。界磁電流はバッテリ充電電流を調整するために制御される。
次に、バッテリを充電するための発電モードが指令されたか否かが判定される（S１１２)。発電モードが指令されたなら、さらに車両の速度値が所定値より高いか否かが判定される（S１１４)。
【００４５】
速度値が所定値より低ければ、星形接続発電が実行される（S１１６)。速度値が所定値より低くなければ、開放デルタ接続発電が実行される（S１１８)。開放デルタ接続発電によれば、中性点リレー５が開かれる。インバータ３および整流器４からなる３つの単相整流器が３つの相電圧を別々に整流する。星形接続発電によれば、中性点リレー５が閉じられる。３相整流器としてのインバータ３は３相巻線２の３相電圧を整流する。
【００４６】
第１実施例の利点が説明される。第１に、開放デルタ接続を採用するステータ巻線の銅損は低速性能が等しい従来の星形接続ステータ巻線と比べて半分となる。
【００４７】
ダイオード整流器４は中性点リレー５が開かれる時に発生されるサージ電圧を低減する。中性点リレー５が低い抵抗値をもつため、電力損失が低減される。第２に、可動接点５４が移動する直前に界磁電流を低減することにより、相電流が低減される。したがって、中性点リレー５の寿命が十分に延長される。さらに、界磁電流は並列モードの採用により急速に変更することができる。
したがって、接続切り替えのレスポンスが改善される。
【００４８】
第２実施例
第２実施例が図１２を参照して説明される。車両用発電機１Aは図１に示されるスタータジエネレータ１と本質的に同じである。しかし、３相ダイオード整流器３Aが図１に示される３相インバータ３の代わりに採用される。U相レグ３１A、V相レグ３２AおよびW相レグ３３Aからなる３相ダイオード整流器３Aはダイオード整流器４と同じである。さらに、ハイブリッドHブリッジ９がロータ回路７０およびHブリッジ７１の代わりに採用される。
【００４９】
コントローラ８は回生制動（S１１０)、星形接続発電（S１１６)および開放デルタ接続発電（S１１８)を実行する。２つの整流器３Aおよび４を使用することにより、開放デルタ接続発電は中高速域において実行される。整流器３Aの使用により、星形接続発電は低速域で実行される。開放デルタ接続発電が採用される時、中性点リレー５は開放される。星形接続発電が採用される時、中性点リレー５は閉じられる。したがって、３相巻線２の銅損は低速域での発電電流を減らすこと無しに、中高速域において半分となる。
【００５０】
ハイブリッドHブリッジ９は２つのハイブリッドレグ７３Aおよび７４Aからなる。
ハイブリッドレグ７３Aは直列接続された上アームトランジスタ９１および下アームダイオード９３からなる。ハイブリッドレグ７４Aは直列接続された下アームトランジスタ９２および上アームダイオード９４からなる。ハイブリッドレグ７３Aの交流端子はスリップリングおよびブラシの第１ペアを介して界磁コイル６の一端に接続される。ハイブリッドレグ７４Aの交流端子はスリップリングおよびブラシの第２ペアを介して界磁コイル６の他端に接続される。
【００５１】
界磁コイル６に供給される界磁電流はトランジスタ９１、９２のオンにより界磁電流増加期間に増加される。界磁電流減少期間において、トランジスタ９１はオフされる。フリーホィーリング電流は界磁コイル６、トランジスタ９２およびダイオード９３を通じて循環する。ハイブリッドHブリッジ９は中性点リレー５の可動接点が動く直前にトランジスタ９１、９２がオフされる回生モードをもつ。回生電流がダイオード９３、界磁コイル６およびダイオード９４を通じてバッテリ（図示せず）に流れる。したがって、３つの相電流は急速に減少される。車両用発電機１Aは図１に示されるスタータジエネレータ１と同じ利点をもつ。
【００５２】
第３実施例
車両用発電機１Bに関する第３実施例が図１３を参照して説明される。車両用発電機１Bは図１に示される中性点リレー５と同じ中性点リレー５を用いる。発電機１Bはそれぞれ星形接続を有する３つの３相巻線２A、２Bおよび２Cを有している。３相巻線２AはU相コイル２１A、V相コイル２２AおよびW相コイル２３Aからなる。３相巻線２BはV相コイル２１B、W相コイル２２BおよびU相コイル２３Bからなる。３相巻線２CはW相コイル２１C、U相コイル２２CおよびV相コイル２３Cからなる。U相コイル２１A、２３Bおよび２２Cはそれぞれ、U相電圧VUを誘起する。V相コイル２２A、２１Bおよび２３Cはそれぞれ、V相電圧VVを誘起する。W相コイル２３A、２２Bおよび２１Cはそれぞれ、W相電圧VWを誘起する。
【００５３】
３相巻線２Aはダイオードレグ３１A、３２Aおよび３３Aからなる３相ダイオード整流器３Aに接続されている。３相巻線２Bはダイオードレグ３１B、３２Bおよび３３Bからなる３相ダイオード整流器３Bに接続されている。３相巻線２Cはダイオードレグ３１C、３２Cおよび３３Cからなる３相ダイオード整流器３Cに接続されている。
【００５４】
レグ３１Aの交流端子は相コイル２１Aの一端に接続されている。レグ３２Aの交流端子は相コイル２２Aの一端に接続されている。レグ３３Aの交流端子は相コイル２３Aの一端に接続されている。同様に、レグ３１Bの交流端子は相コイル２１Bの一端に接続されている。レグ３２Bの交流端子は相コイル２２Bの一端に接続されている。レグ３３Bの交流端子は相コイル２３Bの一端に接続されている。レグ３１Cの交流端子は相コイル２１Cの一端に接続されている。
レグ３２Cの交流端子は相コイル２２Cの一端に接続されている。レグ３３Cの交流端子は相コイル２３Cの一端に接続されている。
【００５５】
中性点リレー５は固定接点５１−５３および可動接点５４を有している。固定接点５１はレグ３３Aに接続される相コイル２３Aの一端に接続されている。固定接点５２はレグ３３Bに接続される相コイル２３Bの一端に接続されている。固定接点５３はレグ３３Cに接続される相コイル２３Cの一端に接続されている。
【００５６】
図１４はスタータコア（図示せず）に巻かれた３相巻線２A、２Bおよび２Cの配置を示す配線図の一例を示す。ほぼ円形を形成するU相コイル２１A、２３Bおよび２２Cはそれぞれ、ステータコアの１２０度を占める。同様に、ほぼ円形を形成するV相コイル２２A、２１Bおよび２３Cはそれぞれ、ステータコアの１２０度を占める。ほぼ円形を形成するW相コイル２３A、２２Bおよび２１Cはそれぞれ、ステータコアの１２０度を占める。一つの中性点に接続されたU相コイル２１A、２３Bおよび２２Cの終端部は整流器３Bに接続されるV相コイル２２A、２１Bおよび２３Cの先端部に隣接している。もう一つの中性点に接続されたV相コイル２２A、２１Bおよび２３Cの終端部は整流器３Cに接続されるW相コイル２３A、２２Bおよび２１Cの先端部に隣接している。もう一つの中性点に接続されたW相コイル２３A、２２Bおよび２１Cの終端部は整流器３Aに接続されるU相コイル２１A、２３Bおよび２２Cの先端部に隣接している。
【００５７】
車両用発電機１Bは直列発電モードおよび並列発電モードを有している。中性点リレー５は直列発電モードにおいて閉じられ、並列発電モードにおいて開かれる。直列発電モードは並列発電モードに比べて２倍の発電電圧を発電する。
【００５８】
車両用発電機１Bが同一条件下で従来の発電機と比較される。直列発電モードは従来の３相発電機と比べてステータコイルの銅損が３/２倍となる。
並列発電モードは従来の３相発電機と比べて、ステータコイルの銅損が１/９倍となる。
【００５９】
第１変形態様
第１変形態様が図１５を参照して説明される。図１５に示されるスタータジエネレータ１Cは図１３に示される発電機１Bとほぼ等しい。しかし、スタータジエネレータ１Cは図１３に示される３相整流器３A、３Bおよび３Cの代わりに３相ハイブリッドコンバータ３A、３Bおよび３Cを採用する。図１５に示されるレグ３１A、３２A、３１B、３２B、３３Aおよび３３Bはそれぞれ、直列接続された上アームスイッチおよび下アームスイッチからなる。
【００６０】
スタータジエネレータ１Cは直列発電モード、並列発電モードおよび直列電動モードを有している。直列発電モードおよび並列発電モードは図１３に示される発電機１Bの直列発電モードおよび並列発電モードと同じである。これらの発電モードにおいて、スイッチレグ３１A、３２A、３１B、３２Bおよび３３Aはダイオードレグとして働く。ハイブリッドコンバータ３A、３Bおよび３Cはこれらの発電モードにおいて３相ダイオード整流器として働く。
【００６１】
直列電動モードが図１５を参照して説明される。中性点リレー５が閉じられる直列電動モードによれば、U相レグ３１Aおよび３２CはそれぞれU相電流IUを供給する。同様に、V相レグ３２Aおよび３１BはそれぞれV相電流IVを供給する。W相レグ３２Bおよび３１CはそれぞれW相電流IWを供給する。したがって、W相コイル２３Aは−W相電流-IW (=IU+IV)を固定接点５１に供給する。同様に、U相コイル２３Bは−U相電流-IU (=IV+IW)を固定接点５２に供給する。V相コイル２３Cは−V相電流-IV (=IW+IU)を固定接点５３に供給する。結局、スタータジエネレータ１Cはエンジン始動トルクを発生するためのスタータとして働く。直列電動モードを実行することにより、アシストトルクを発生することも可能である。
【００６２】
第２変形態様
第２変形態様が図１６を参照して説明される。図１６に示される電動発電機１Dは図１５に示されるスタータジエネレータ１Cにほぼ等しい。しかし、電動発電機１Dは図１５に示されるダイオードレグ３３A、３３Bおよび３３Cの代わりにスイッチレグ３３Aひ３３Bおよび３３Cを採用する。言い換えれば、電動発電機１Dは図１５に示されるハイブリッドコンバータ３A、３Bおよび３Cのかわりに、インバータ３A、３Bおよび３Cを採用する。
【００６３】
電動発電機１Dは直列発電モード、並列発電モード、直列電動モードおよび並列電動モードをもつ。並列電動モードによれば、中性点リレー５は開かれる。
３相インバータ３A、３Bおよび３Cはそれぞれ、３つの相電流IU、IVおよびIWを３相巻線２A、２Bおよび２Cにそれぞれ供給するために駆動される。したがって、ステータコイルの銅損は一つの３相巻線をもつ従来のステータコイルと比べて１/９となる。並列電動モードは高速域にて高い逆起電力をもつ永久磁石同期モータにとって好適である。さらに、ステータコイルのインダクタンス値が並列電動モードにおいて低減されることは好適である。
【００６４】
第３変形態様
図１７に示される電動発電機１Eは図１６に示される電動発電機１Dと同じである。しかし、電動発電機１Eは図１６に示される中性点リレー５の代わりに、中性点スイッチ５Aを採用する。この中性点スイッチ５Aは３相ダイオード整流器５５および短絡トランジスタ５６からなる。整流器５５の３つの交流端子は相コイル２３A、２３Bおよび２３Cに個別に接続されている。短絡トランジスタ５６は整流器５５の２つの直流端子を短絡する。
【００６５】
第４実施例
車両用発電機１Fに関する第４実施例が図１８を参照して説明される。車両用発電機１Fの回路図は図１３に示される車両用発電機１Bの回路図とほぼ等しい。しかし、車両用発電機１Fは図１３に示される３つの３相巻線２A、２Bおよび２Cに個別に接続される３つの整流器３A、３Bおよび３Cの代わりに、２つの３相巻線２Aおよび２Dに個別に接続される２つのダイオード整流器３Aおよび３Dを有している。これにより、図１８に示される中性点リレー５Bは図１３に示される中性点リレー５の代わりに、２つの固定接点をもつ。
【００６６】
３相整流器３Aは３つのダイオードレグ３１A、３２Aおよび３３Aからなる。３相整流器３Dは３つのダイオードレグ３１D、３２Dおよび３３Dからなる。星形接続をもつ３相巻線を意味する星形３相巻線２Aは３つの相コイル２１A、２２Aおよび２３Aからなる。同様に、星形３相巻線２Dは３つの相コイル２１D、２２Dおよび２３Dからなる。
【００６７】
ダイオードレグ３１Aの交流端子はU相コイル２１Aの一端に接続されている。ダイオードレグ３２Aの交流端子はV相コイル２２Aの一端に接続されている。ダイオードレグ３３Aの交流端子はW相コイル２３Aの一端に接続されている。ダイオードレグ３１Dの交流端子は−U相コイル２１Dの一端に接続されている。ダイオードレグ３２Dの交流端子は−V相コイル２２Dの一端に接続されている。ダイオードレグ３３Dの交流端子は−W相コイル２３Dの一端に接続されている。中性点リレー５BはW相コイル２３Aの一端を−W相コイル２３Dの一端に接続する。
【００６８】
U相コイル２１AはU相電圧VUを誘起する。V相コイル２２AはV相電圧VVを誘起する。W相コイル２３AはW相電圧VWを誘起する。同様に、−U相コイル２１Dは−U相電圧−VUを誘起する。−V相コイル２２Dは−V相電圧−VVを誘起する。−W相コイル２３Dは−W相電圧−VWを誘起する。相電圧VUおよび−VUの間の位相差は電気角１８０度である。相電圧VVおよび−VVの間の位相差は電気角１８０度である。相電圧VWおよび−VWの間の位相差は電気角１８０度である。３つの相電圧VU、VVおよびVWのうちの任意の２つの相電圧間の位相差は電気角１２０度である。３つの相電圧−VU、−VVおよび−VWのうちの任意の２つの相電圧間の位相差は電気角１２０度である。
【００６９】
図１９は３相巻線２Aおよび２Dの配置を示す配線図の一例を示す。相コイル２１Aおよび２１Dはそれぞれステータコアの１８０度を占める。同様に、相コイル２２Aおよび２２Dはそれぞれステータコアの１８０度を占める。相コイル２３Aおよび２３Dはそれぞれステータコアの１８０度を占める。相コイル２１Aおよび２１Dの先端部は互いに隣接している。相コイル２２Aおよび２２Dの先端部は互いに隣接している。相コイル２３Aおよび２３Dの先端部は互いに隣接している。相コイル２１Aおよび２１Dの終端部は互いに隣接している。相コイル２２Aおよび２２Dの終端部は互いに隣接している。相コイル２３Aおよび２３Dの終端部は互いに隣接している。図１９において、中性点リレー５Bは図示されていない。
【００７０】
車両用発電機１Fは直列発電モードおよび並列発電モードをもつ。中性点リレー５Bは直列発電モードにて閉じられ、並列発電モードにて開かれる。
【００７１】
直列発電モードが説明される。中性点リレー５Bが閉じられる時、ダイオードレグ３１Aは発電電圧（VU−VW)を出力する。ダイオードレグ３２Aは発電電圧（VV−VW)を出力する。ダイオードレグ３１Dは発電電圧（VW−VU)を出力する。ダイオードレグ３２Dは発電電圧（VW−VV)を出力する。したがって、発電機１Fは整流された電圧２(VU-VW)と整流された電圧２(VV-VW)のうち高い方を出力する。結局、発電機１Fは直列発電モードにおいて２相全波整流電圧を発生する。
【００７２】
並列発電モードが説明される。中性点リレー５Bが開かれる時、３相巻線２Aの３相発電電圧はダイオード整流器３Aにより整流される。同様に、３相巻線２Dの３相発電電圧はダイオード整流器３Dにより整流される。その結果、２つの３相巻線２Aおよび２Dは並列に接続される。
【００７３】
直列発電モードにて発電された発電電圧は並列発電モードにて発電された発電電圧と比べて２倍となる。並列発電モードの銅損は直列発電モードの銅損の１/４となる。
【００７４】
第１変形態様
第１の変形態様が図２０を参照して説明される。スタータジエネレータ１Gは図１８に示される発電機１Fとほぼ同じである。しかし、スタータジエネレータ１Gは図１８に示される発電機１Fの４つのダイオードレグ３１A、３２A、３１Dおよび３２Dの代わりに、４つのスイッチレグ３１A、３２A、３１Dおよび３２Dをもつ。さらに、スタータジエネレータ１Gは図１８に示される中性点リレー５Bの代わりに中性点スイッチ５Cをもつ。スイッチレグ３１A、３２A、３１Dおよび３２Dはそれぞれ、直列接続された上アームスイッチおよび下アームスイッチからなる。
【００７５】
言い換えれば、スタータジエネレータ１Gは図１５に示されるスタータジエネレータ１Cと似ている。スタータジエネレータ１Gは３相巻線２Bおよび２Cに個別に接続された３相ハイブリッドコンバータ３Bおよび３Cの代わりに、３相巻線２Dに接続された３相ハイブリッドコンバータ３Dを有する。
【００７６】
中性点スイッチ５Cはフルブリッジダイオード整流器５７および短絡スイッチ５８を有する。ダイオード整流器５７の一つのダイオードレグはW相コイル２３Aの一端に接続される。ダイオード整流器５７の他の一つのダイオードレグは−W相コイル２３Dの一端に接続される。短絡スイッチ５８はダイオード整流器５７の２つの直流端子を短絡する。短絡スイッチ５８は２つの相コイル２３Aおよび２３Dを接続する。したがって、中性点スイッチ５Cは図１８に示される中性点リレー５Bと本質的に等しい。
【００７７】
スタータジエネレータ１Gは図１８に示される発電機１Fの直列発電モードおよび並列発電モードに加えて、直列電動モードをもつ。中性点スイッチ５Cが閉じられる時に運転される直列電動モードによれば、４つのスイッチレグ３１A、３２A、３１Dおよび３２Dがスイッチングされる。スイッチレグ３１AはU相コイル２１AにU相電流IUを供給する。スイッチレグ３２AはV相コイル２２AにV相電流IUを供給する。スイッチレグ３１Dは−U相コイル２１Dに−U相電流IUを供給する。
スイッチレグ３２Dは−V相コイル２２Dに−V相電流IUを供給する。直列電動モードは車両エンジンを始動するために実行される。
【００７８】
U相電流IUおよび−U相電流−IUとの間の位相差は電気角１８０度である。V相電流IVおよび−V相電流−IVとの間の位相差は電気角１８０度である。したがって、W相コイル２３AはIU＋IVに等しい−W相電流−IWを中性点スイッチ５Cを通じて−W相コイル２３Dに供給する。その結果、スタータジエネレータ１Gはエンジン始動トルクを発生するためのスタータモータとして働く。モータトルクは直列電動モードにおけるステータコイルの高巻数により増加される。
【００７９】
第２変形態様
第２変形態様が図２０を参照して説明される。２つの３相インバータは図２０に示される２つのハイブリッドコンバータ３Aおよび３Dの代わりに採用されることができる。言い換えれば、図２０に示される２つのダイオードレグ３３Aおよび３３Dの代わりにスイッチレグ３３Aおよび３３Dが採用される。
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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