(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁巻線を有する界磁巻線型回転電機と、
それぞれ複数のスイッチング素子により構成される上アーム及び下アームを有して前記界磁巻線型回転電機の電機子巻線と交流電力を授受するインバータ回路と、
前記界磁巻線と直列接続された界磁電流制御用のスイッチング素子と、
前記界磁巻線及び前記スイッチング素子に給電する界磁電流給電部と、
前記スイッチング素子を断続制御する界磁電流制御部と、
を備える界磁巻線型回転電機装置において、
前記インバータ回路の一対の直流端間の電圧が所定値を超える場合に前記インバータ回路の下アーム側の複数のスイッチング素子を短絡する下アーム短絡指令手段を有し、
前記界磁電流給電部は、前記インバータ回路と前記電機子巻線との接続点から給電される交流電力を整流する整流回路からなることを特徴とする界磁巻線型回転電機装置。
【請求項２】
請求項１記載の界磁巻線型回転電機装置において、
前記界磁電流給電用電源回路は、アノード電極が各相の前記接続点に接続されるダイオードハーフブリッジからなることを特徴とする界磁巻線型回転電機装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、界磁巻線型回転電機装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の界磁巻線型回転電機装置を図２に示す。
【０００３】
１は高圧のメインバッテリ、２はたとえばランデルポール形式を採用する界磁巻線型の三相同期機、３は三相インバータ、５は界磁電流断続用のスイッチング素子、６は界磁電流制御部、７は低圧の補機バッテリ、８は三相インバータ３の各スイッチング素子を断続制御するコントローラ、９は三相同期機２の界磁巻線、１０はフライホイルダイオード、１１は平滑コンデンサ、１２は低圧電気負荷である。スイッチング素子５は、界磁巻線９を通じて補機バッテリ７から給電される界磁電流を界磁電流制御部６の制御電圧に基づいて断続制御している。
【０００４】
この界磁巻線型回転電機装置は、三相同期機を発電動作のみならず、インバータ３のスイッチング制御により電動動作できるため、発電電動機として動作させることができるため、車両用に用いた場合に発電の他にエンジン始動やトルクアシストを行うことができる。
【０００５】
なお、図２では界磁電流制御部６へは補機バッテリ７から給電しているが、メインバッテリ１を省略し、インバータ３と補機バッテリ７とで電力授受してもよいことはもちろんである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記説明した従来の界磁巻線型回転電機では、界磁巻線９の地絡や界磁電流制御の不調時でかつ高速回転時に、三相同期機２が過大な発電電圧を発生する問題があった。
【０００７】
また、界磁電流制御用のスイッチング素子５の遮断が可能であっても、界磁巻線に蓄積された大きな磁気エネルギーが界磁電流として界磁巻線と逆並列に接続されたフライホイルダイオードを通じて界磁巻線に流れ続けるために早急な界磁電流の遮断乃至低減が困難であるという問題もあった。
【０００８】
なお、回転電機と直流電源との間に介設されるインバータ部を構成する各スイッチング素子を遮断することにより上記インバータ部から出力される過電圧を規制することも考えられるが、インバータ部はこれらスイッチング素子と逆並列にフライホイルダイオードをもつため、回転電機の電機子巻線に生じたこの過電圧は、これらフライホイルダイオードを通じて直流電源に印加され、インバータ部で阻止することができない。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、過電圧を良好に阻止可能な界磁巻線型回転電機装置を提供することをその目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の界磁巻線型回転電機装置は、界磁巻線を有する界磁巻線型回転電機と、それぞれ複数のスイッチング素子により構成される上アーム及び下アームを有して前記界磁巻線型回転電機の電機子巻線と交流電力を授受するインバータ回路と、前記界磁巻線と直列接続された界磁電流制御用のスイッチング素子と、前記界磁巻線及び前記スイッチング素子に給電する界磁電流給電部と、前記スイッチング素子を断続制御する界磁電流制御部とを備える界磁巻線型回転電機装置において、
前記インバータ回路の一対の直流端間の電圧が所定値を超える場合に前記インバータ回路の下アーム側の複数のスイッチング素子を短絡する下アーム短絡指令手段を有し、前記界磁電流給電部が、前記インバータ回路と前記電機子巻線との接続点から給電される交流電力を整流する整流回路からなることを特徴としている。
【００１１】
すなわち、本構成では、インバータ回路が出力する交流電圧を整流して界磁巻線に給電し、界磁巻線型回転電機の発電電圧が過大となった場合にインバータ回路の下アーム部分を短絡して界磁巻線型回転電機の発電電力がインバータ回路の上アーム部分を通じて出力するのを防止すると同時に、この下アーム部分の短絡により、界磁巻線への界磁電流給電を抑止するので、三相同期機の発電電圧の低減を実現することができる。
【００１２】
つまり、本発明では、インバータ回路の下アーム部分短絡により、発電電力の熱への転換と同時に界磁電流の低減による発電電圧の減少とを同時に奏することができるので、回路故障などによる過大発電電圧が外部のバッテリなどに損傷を与えるのを良好に防止することができる。特に、本発明は、界磁電流断続制御用のスイッチング素子の遮断障害故障に有効である。
【００１３】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の界磁巻線型回転電機装置において更に、前記界磁電流給電用電源回路は、アノード電極が各相の前記接続点に接続されるダイオードハーフブリッジからなる。これにより、整流回路を簡素化することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な態様を以下の実施例を参照して説明する。
【００１５】
【実施例】
車両用発電電動機に用いられるこの実施例の界磁巻線型回転電機装置の一実施例を図１を参照して説明する。
【００１６】
（回路構成）
１は高圧のメインバッテリ、２はランデルポール形式を採用する界磁巻線型の三相同期機、３は三相インバータ、４はダイオードハーフブリッジ、５は界磁電流断続用のスイッチング素子、６は界磁電流制御部、７は低圧の補機バッテリ、８は三相インバータ３の各スイッチング素子を断続制御するコントローラ、９は三相同期機２の界磁巻線、１０はフライホイルダイオード、１１は平滑コンデンサ、１２は低圧電気負荷、１３は平滑コンデンサである。平滑コンデンサ１３は省略してもよい。
【００１７】
インバータ回路３は、ＮＭＯＳトランジスタとダイオードとを並列接続したペアを６対用いた三相インバータ回路であって、上アーム３１と下アーム３２とからなる。３３，３４はインバータ回路３の直流端、３５〜３７はこの三相インバータ回路の交流端である。インバータ回路３は良く知られているので、これ以上の説明は省略する。
【００１８】
ダイオードハーフブリッジ４は、アノード電極がインバータ回路３の交流端３５〜３７に接続され、カソード電極が界磁巻線９の高位端に接続された３つのダイオードからなる。
【００１９】
スイッチング素子５は界磁巻線９と直列接続され、フライホイルダイオード１０は界磁巻線９と並列接続され、界磁電流制御部６は補機バッテリ７から給電されてスイッチング素子５を制御している。
【００２０】
界磁電流制御部６は、トランジスタ６０〜６２と、定電圧ダイオード６３と、抵抗６４〜６７を有している。抵抗６４、６５は直列接続されて抵抗分圧回路を構成し、トランジスタ６０を通じて給電されたメインバッテリ１の電圧を分圧する。この分圧は定電圧ダイオード６３及び抵抗６６の接続点を通じてトランジスタ６２のベース電極に印加され、トランジスタ６２はスイッチング素子５のベース電極電位を制御する。スイッチング素子５のベース電極は、トランジスタ６１及び抵抗６７を通じて補機バッテリ７から給電されている。界磁電流制御部６及びスイッチング素子５による界磁電流の断続制御については、従来の車両用交流発電機（オルタネータ）と本質的に同じである。
【００２１】
（エンジン始動動作）
三相同期機２のエンジン始動動作をまず説明する。
【００２２】
まず、図示しないイグニッションスイッチをオンすると、コントローラ８が、トランジスタ６１をオンさせるとともに、インバータ回路３を最大デューティ比で動作させ、コントローラ８はトランジスタ６０をオフのまま保持する。
【００２３】
これにより、インバータ回路３は最大振幅の三相交流電圧を三相同期機２の電機子巻線に印加し、ダイオードハーフブリッジ４は、インバータ回路３の交流端３５〜３７から出力される上記三相交流電圧を整流して界磁巻線９の高位端に印加する。
【００２４】
また、トランジスタ６０がオフ、トランジスタ６１がオンであるので、トランジスタ６２はメインバッテリ１の電位状態にかかわらずオフし、スイッチング素子５は常時オン状態となる。
【００２５】
これにより、三相同期機２は最大トルクで図示しないエンジンを始動させる。三相同期機２は、通常の三相同期機と同じく回転子の回転角度位置を検出する図示しない回転位置センサを有し、コントローラ８はこの回転位置センサが検出した回転し子の回転角度位置に基づいてインバータ回路３の６つのトランジスタの断続を制御する。
【００２６】
なお、トランジスタ６０はトランジスタ６１と同時にオンしてもよい。エンジン始動時には、メインバッテリ１の端子電圧が十分に低く、トランジスタ６２がオンしてスイッチング素子５をオンすることはほとんどないので、実質的にトランジスタ６０をオフしたと同様の最大トルクエンジン始動動作を行うことができる。
【００２７】
（発電動作）
エンジンが始動し、三相同期機２の発電電圧が増大すると、コントローラ２はインバータ回路３が出力する三相交流電圧を電動位相範囲（最大トルク）から発電位相範囲に変更し、コントローラ６０はトランジスタ６０をオンする。これにより、メインバッテリ１の端子電圧の分圧が定電圧ダイオード６３のしきい値電圧を超える場合にのみ、トランジスタ６２がオンしてスイッチング素子５をオフし、メインバッテリ１の端子電圧の分圧を定電圧ダイオード６３のしきい値電圧に収束させる発電電圧制御が実行される。
【００２８】
なお、インバータ回路３の位相制御による発電電圧制御を行うことも当然可能である。たとえば、回生制動時には、トランジスタ６０をオフしてスイッチング素子５を常時オンし、インバータ回路３が出力する三相交流電圧の位相制御により必要な大きさの発電（回生制動）トルクを発生させることができる。しかしながら、エンジン過充電を回避するため、コントローラ８はメインバッテリ１の端子電圧が所定値に達したらトランジスタ６０をオンしたり、位相制御したりして上記発電を停止する必要がある。
【００２９】
（トルクアシスト動作）
大加速時や坂道登坂時には、コントローラ２はインバータ回路３が出力する三相交流電圧を発電位相範囲から電動位相範囲に変更し、トランジスタ６０をオフし、この電動位相範囲内で位相制御を行って必要な電動トルクを発生する。
【００３０】
（下アーム短絡動作）
上記発電動作において、発電電圧が過大となった場合の保護動作を以下に説明する。
【００３１】
１４はコンパレータであり、抵抗６４、６５の接続点から出力されるメインバッテリ１の分圧と所定の基準電圧Vrefとを比較し、比較結果をコントローラ８に出力する。コントローラ８は、メインバッテリ１の分圧が所定の基準電圧Vrefを超えたら、インバータ回路３の下アーム３２を構成する３つのＮＭＯＳトランジスタをただちにインバータ回路３の交流端３５〜３７の電位は大幅に低下し、すべてオンする。
【００３２】
これにより、インバータ回路３はメインバッテリ１に過大な発電電圧を出力することがなく、更にダイオードハーフブリッジ４を通じて界磁巻線９に給電される界磁電流が阻止されるので、過大発電電圧を良好に抑止することができる。
【００３３】
（変形態様１）
上記実施例では、エンジン始動時に、界磁巻線９への給電を可能とするためにインバータ回路３を界磁電流通電より先に正常運転したが、界磁巻線９のインダクタンスが大きく、界磁電流が所定値に達するのに時間がかかるので、エンジン始動に際してまず、インバータ回路３の上アームの３つのＮＭＯＳトランジスタをすべてオンし、下アームの３つのトランジスタをすべてオフして、トランジスタ６０をオフして（トランジスタ６０を省略することも可能である）、ダイオードハーフブリッジ４の各ダイオードを通じて大きな界磁電流を界磁巻線９に通電し、界磁電流の速やかな立ち上がりを図り、その後、インバータ回路３の各ＮＭＯＳトランジスタを正常に断続制御して三相交流電圧を発生させてもよい。
【００３４】
（変形態様２）
コンパレータ１４は、定電圧ダイオード６３及び抵抗６６と同一構成の回路に置換することができる。ただし、この定電圧ダイオードのしきい値電圧Vrefは定電圧ダイオード６３より高く設定される必要がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の界磁巻線型回転電機装置の回路図である。
【図２】従来の界磁巻線型回転電機装置の回路図である。
【符号の説明】
１  メインバッテリ
２  三相同期機（界磁巻線型回転電機）
３  三相インバータ回路（インバータ回路）
４  ダイオードハーフブリッジ（整流回路、界磁電流給電部）
５  スイッチング素子
６  界磁電流制御部
７  補機バッテリ
８  コントローラ
９  界磁巻線
１４  コンパレータ（下アーム短絡指令手段）
【図１】
0004172144.tif 000002
【図２】
0004172144.tif 000003