(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁巻線がロータコアに巻装された回転子を有する同期発電電動機と、
前記同期発電電動機の電機子巻線と電力授受する交直双方向電力変換器と、
前記界磁巻線に流れる界磁電流を断続制御する界磁回路と、
前記交直双方向電力変換器及び前記界磁回路を制御する制御回路と、
を有してエンジン始動及び車両走行中の発電を行う車両用電動発電装置において、
前記回転子の最高許容温度をTmax、前記回転子が前記発電中に到達可能な発電時最高到達温度をTgmax、前記回転子の熱容量をＱ、前記エンジン始動のための界磁電流通電時間をＴ、前記界磁巻線の電気抵抗をr、前記界磁電流をiとした場合に、
前記制御回路は、（Tgmax＋（i2・r・Ｔ）／Ｑ）がTmax未満となるように、発電中の前記界磁電流を制限することを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の車両用電動発電装置において、
前記制御回路は、最大界磁電流をimaxとした場合にエンジン始動時に（Tgmax＋（i2・r・Ｔ）／Ｑ）がTmaxより１０〜４０℃低くなるように発電中の界磁電流iを制限して発電時最高到達温度Tgmaxを制限することを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項３】
請求項１記載の車両用電動発電装置において、
前記制御回路は、直前の所定時間内の平均の界磁電流値及び平均の電機子電流値に関連する電気量を求め、前記電気量に基づいて前記発電中の界磁電流又はエンジン始動中の界磁電流を制限することを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項４】
請求項１記載の車両用電動発電装置において、
前記制御回路は、周囲温度に関連する電気量を求め、前記電気量に基づいて前記発電中の界磁電流又はエンジン始動中の界磁電流を制限することを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項５】
界磁巻線がロータコアに巻装された回転子を有する同期発電電動機と、
前記同期発電電動機の電機子巻線と電力授受する交直双方向電力変換器と、
前記界磁巻線に流れる界磁電流を断続制御する界磁回路と、
前記交直双方向電力変換器及び前記界磁回路を制御する制御回路と、
を有してエンジン始動及び車両走行中の発電を行う車両用電動発電装置において、
前記制御回路は、
エンジン始動中に界磁電流及び電機子電流により前記ロータコアを含む前記磁気回路を磁気飽和させ、かつ、前記界磁電流×界磁巻線のターン数により決定される界磁起磁力Ｆｆを、電機子電流×電機子巻線のターン数により決定されて前記界磁起磁力Ｆｆと直交する電機子起磁力Ｆａより大きく設定することを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項６】
界磁巻線がロータコアに巻装された回転子を有する同期発電電動機と、
前記同期発電電動機の電機子巻線と電力授受する交直双方向電力変換器と、
前記界磁巻線に流れる界磁電流を断続制御する界磁回路と、
前記交直双方向電力変換器及び前記界磁回路を制御する制御回路と、
を有してエンジン始動及び車両走行中の発電を行う車両用電動発電装置において、
前記界磁巻線の層間に介設されて軸方向端部が前記界磁巻線の巻装方向と直角方向に延在して前記ロータコアに接する良熱伝導性フィルムを有することを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項７】
界磁巻線がロータコアに巻装された回転子を有する同期発電電動機と、
前記同期発電電動機の電機子巻線と電力授受する交直双方向電力変換器と、
前記界磁巻線に流れる界磁電流を断続制御する界磁回路と、
前記交直双方向電力変換器及び前記界磁回路を制御する制御回路と、
を有してエンジン始動及び車両走行中の発電を行う車両用電動発電装置において、
前記制御回路は、エンジン始動期間中における最初の所定期間に大きなデューテイ比で前記界磁電流を前記界磁巻線に給電し、その後、より小さいデューテイ比で前記界磁電流を前記界磁巻線に給電することを特徴とする車両用電動発電装置。
【請求項８】
請求項７記載の車両用電動発電装置において、
前記制御回路は、前記１００％デューテイ比の給電は、前記エンジンが最初の圧縮行程の終了まで持続されることを特徴とする車両用電動発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用電動発電装置に関する。本発明は、車両用エンジン始動兼バッテリ充電装置やハイブリッド電気自動車用の発電電動機として使用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
界磁巻線を有する界磁ロータを装備した同期機を車両用発電電動機に用いることにより、エンジン始動と走行中の発電とを単一の回転電機で行うことが従来より提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、車両用発電電動機では、大電力発電直後にエンジンをたとえばアイドルストップなどで停止し、その短時間後に再度エンジン始動を行うと、エンジン始動のために界磁巻線に大界磁電流を悪冷却条件（低速回転条件）下で流す必要があるため、界磁巻線が絶縁皮膜の最高許容温度Tmaxを超え、絶縁皮膜の絶縁劣化や損傷を招く可能性が生じる。
【０００４】
したがって、車両用発電電動機では、最高の周囲温度における最大発電直後にエンジン始動を行うという上記最悪条件下で、界磁巻線温度がその絶縁皮膜の最高許容温度Tmaxを超えないように設計する必要があった。このため、エンジン始動機能兼発電機能をもつ車両用発電電動機の体格は、発電機能のみをもつ車両用発電電動機に比較して特に内燃機関車（内燃機関の発生トルクを機械的に車輪駆動機構に伝達する通常の車両）では、格段に大きくする必要がある。
【０００５】
しかしながら、このようなエンジン始動という短時間の熱的過酷条件に合わせて車両用発電電動機を設計することは、車両用発電電動機の運転時間のほとんどにおいて、車両用発電電動機に冗長な熱的余裕を持たせることになり、その体格、重量の増大が採用を困難としていた。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、界磁巻線型同期機の界磁巻線絶縁皮膜の劣化を抑止しつつ小型軽量化が可能な車両用電動発電装置を提供することをその目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の車両用電動発電装置は、界磁巻線がロータコアに巻装された回転子を有する同期発電電動機と、前記同期発電電動機の電機子巻線と電力授受する交直双方向電力変換器と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を断続制御する界磁回路と、前記交直双方向電力変換器及び前記界磁回路を制御する制御回路とを有してエンジン始動及び車両走行中の発電を行う車両用電動発電装置において、
前記回転子の最高許容温度をTmax、前記回転子が前記発電中に到達可能な発電時最高到達温度をTgmax、前記回転子の熱容量をＱ、前記エンジン始動のための界磁電流通電時間をＴ、前記界磁巻線の電気抵抗をr、前記界磁電流をiとした場合に、前記制御回路は、（Tgmax＋（i2・r・Ｔ）／Ｑ）がTmax未満となるように、発電中の前記界磁電流を制限することを特徴としている。
【０００８】
このようにすれば、界磁巻線型同期機からなる界磁巻線絶縁皮膜の劣化を抑止しつつ小型軽量化が可能な車両用電動発電装置を実現することができる。
【０００９】
以下、更に詳しく説明する。
【００１０】
本発明者らは種々実験により、従来のエンジン始動用のスタータモータに比較して格段に低い回転数でエンジン始動トルクを発生する車両用発電電動機では、回転子の質量及びその熱容量が大きく、かつ、エンジン始動期間がサブミリ秒（通常０．２秒）未満と極めて短いため、このエンジン始動期間中に界磁巻線に発生した熱のほとんどは、回転子中に留まり、その結果、回転子の温度上昇に費やされることを見いだした。
【００１１】
したがって、ほぼ界磁巻線及びロータコアの質量により決定される回転子の熱容量Ｑ、エンジン始動期間の長さをＴ、界磁巻線の電気抵抗をr、界磁電流をiとすれば、エンジン始動時の界磁巻線の温度上昇ΔＴは（i2・r・Ｔ）／Ｑ）とみなすことができることがわかった。
【００１２】
すなわち、（Tgmax＋（i2・r・Ｔ）／Ｑ）がTmax未満でかつ略一致するように（好適には１０〜４０℃低くなるように）、発電中の界磁電流又はエンジン始動中の界磁電流を制限することにより、界磁巻線の絶縁皮膜を熱劣化させることなく、小型の車両用発電電動機でエンジンを最大限短時間で始動することができる。
【００１３】
すなわち、上記発電中の界磁電流を制限すれば、それにより、界磁巻線型同期機の特に界磁巻線の発電時最高到達温度Tgmaxを低減でき、その直後にエンジン始動がなされても、回転子の熱容量により温度上昇可能量（最高許容温度Tmaxー発電時最高到達温度Tgmax）が増大し、小型の回転子でエンジン始動が可能となる。
【００１４】
なお、上記エンジン始動中の界磁電流を制限することはエンジン始動トルクの減少を招くので好ましくない。
【００１５】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の車両用電動発電装置において更に、前記制御回路は、最大界磁電流をimaxとした場合にエンジン始動時にTgmax＋Ｑ／（imax2・r・Ｔ)がTmaxより１０〜４０℃低くなるように発電中の界磁電流iを制限して発電時最高到達温度Tgmaxを制限することを特徴としている。
【００１６】
このようにすれば、上記効果を良好に奏することができる。また、エンジン始動時に界磁巻線に最大の（１００％デューテイ比）の界磁電流を通電できるので、回転子を小型化することができる。
【００１７】
請求項３記載の構成によれば請求項１記載の車両用電動発電装置において更に、前記制御回路は、直前の所定時間内の平均の界磁電流値及び平均の電機子電流値に関連する電気量を求め、前記電気量に基づいて前記界磁電流の制限値を変更することを特徴としている。
【００１８】
すなわち、エンジン始動直前の界磁巻線温度は、直前の所定時間内の平均の界磁電流値及び平均の電機子電流値に連動し、これらの値は、たとえば界磁回路や交直双方向電力変換器のデューテイ比などで容易に略推定できるので、これらの値に基づいて界磁電流を変更する。たとえば、界磁電流及び電機子電流の平均デューテイが大きければ界磁電流のデューテイ比を削減し、小さければ界磁電流のデューテイ比を増大する。
【００１９】
このようにすれば、車両用発電電動機の体格を増大することなく、かつ、エンジン始動時間を増大することなく、エンジン始動を実施することができる。
【００２０】
請求項４記載の構成によれば請求項１記載の車両用電動発電装置において更に、前記制御回路は、周囲温度に関連する電気量を求め、前記電気量に基づいて前記界磁電流の制限値を変更することを特徴としている。
【００２１】
すなわち、エンジン始動直前の界磁巻線温度は、周囲温度に連動し、周囲温度（外気温度でもよく、制御回路温度でもよい）の概略値は、たとえばサーミスタや回路素子の抵抗値変化として容易に推定できるので
、検出した周囲温度て界磁電流を変更する。たとえば、周囲温度が高ければ界磁電流のデューテイ比を削減し、低ければ界磁電流のデューテイ比を増大する。
【００２２】
このようにすれば、車両用発電電動機の体格を増大することなく、かつ、エンジン始動時間を増大することなく、エンジン始動を実施することができる。
【００２３】
請求項５記載の車両用電動発電装置は、界磁巻線がロータコアに巻装された回転子を有する同期発電電動機と、前記同期発電電動機の電機子巻線と電力授受する交直双方向電力変換器と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を断続制御する界磁回路と、前記交直双方向電力変換器及び前記界磁回路を制御する制御回路とを有してエンジン始動及び車両走行中の発電を行う車両用電動発電装置において、
前記制御回路は、エンジン始動中に界磁電流及び電機子電流により前記ロータコアを含む前記磁気回路を磁気飽和させ、かつ、前記界磁電流×界磁巻線のターン数により決定される界磁起磁力Ｆｆを、電機子電流×電機子巻線のターン数により決定されて前記界磁起磁力Ｆｆと直交する電機子起磁力Ｆａより大きく設定することを特徴としている。このようにすれば、界磁巻線型同期機の体格増大なしにエンジン始動トルクを増大することができ、かつ、発電中は界磁電流を低減して磁気回路の磁気飽和を防止するので、損失を低減して高効率の発電を行うことができる。
【００２４】
請求項６記載の車両用電動発電装置は、界磁巻線がロータコアに巻装された回転子を有する同期発電電動機と、前記同期発電電動機の電機子巻線と電力授受する交直双方向電力変換器と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を断続制御する界磁回路と、前記交直双方向電力変換器及び前記界磁回路を制御する制御回路とを有してエンジン始動及び車両走行中の発電を行う車両用電動発電装置において、
前記界磁巻線の層間に介設されて軸方向端部が前記界磁巻線の巻装方向と直角方向に延在して前記ロータコアに接する良熱伝導性フィルムを有することを特徴としている。
【００２５】
いままでの説明からわかるように、界磁巻線型同期機を用いた車両用発電電動機では、その後の走行時の発電に比べて格段に低速運転で大トルクを発生する必要があるため、エンジン始動時の界磁巻線の温度が、回転子質量（熱容量）決定し、ひいては車両体格をほとんど決定する。
【００２６】
ただ、回転子のロータコアと界磁巻線との間には伝熱抵抗があるため、回転子のロータコアと界磁巻線との間には温度差が生じる。この温度差が小さければ、回転子の質量（熱容量）が一定でも、ロータコアの温度を高めることができ、その分だけ界磁電流を増大してトルクを増大することができる。
【００２７】
更に深く検討すると、界磁巻線のうち軸方向及び径方向の中央部の温度上昇が最も大きい。これは、界磁巻線は絶縁皮膜で被覆されて互いに隣接しており、上記中央部の熱は、熱伝導率が悪いこれら絶縁皮膜を多重に貫流してロータコアに達するためである。
【００２８】
そこで、本構成では、界磁巻線の内部に薄い良熱伝導性の金属フィルムを巻き込むことを特徴とする。この金属フィルムは薄いので界磁巻線収容スペースをほとんど減らすことはない。金属フィルムは軸方向及び周方向に延在し、その軸方向端部はロータコアの端面部分（界磁巻線に対面する）に密着する。
【００２９】
このようにすれば、界磁巻線の軸方向及び径方向中央部の熱を良好にロータコアに放散することができ、上述したように実質的な回転子の熱容量Ｑを増大してエンジン始動トルクを向上することができる。
【００３０】
請求項７記載の車両用電動発電装置は、界磁巻線がロータコアに巻装された回転子を有する同期発電電動機と、前記同期発電電動機の電機子巻線と電力授受する交直双方向電力変換器と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を断続制御する界磁回路と、前記交直双方向電力変換器及び前記界磁回路を制御する制御回路とを有してエンジン始動及び車両走行中の発電を行う車両用電動発電装置において、
前記制御回路は、エンジン始動期間中における最初の所定期間に大きな（好適には１００％の）デューテイ比で前記界磁電流を前記界磁巻線に給電し、その後、より小さいデューテイ比で前記界磁電流を前記界磁巻線に給電することを特徴としている。
【００３１】
いままでの説明からわかるように、界磁巻線型同期機を用いた車両用発電電動機では、その後の走行時の発電に比べて格段に低速運転で大トルクを発生する必要があるため、エンジン始動時の界磁巻線の温度に依存する回転子の熱吸収量（熱吸収量＝熱容量（平均比熱×平均質量）×温度上昇量）が界磁巻線のエンジン始動時の発熱総量とが略一致する。この界磁巻線の発熱総量は、界磁電流の二乗×通電時間（エンジン始動時間）であり、エンジンを始動（所定回転数値まで駆動する）ための回転エネルギーすなわち車両用発電電動機の発生エネルギーは界磁束量×電機子電流量×通電時間に略比例すると見なすことができる。すなわち、エンジン始動のために車両用発電電動機がエンジンに与えるエネルギーを一定と仮定すれば、通電時間（エンジン始動時間）が長くなるほど、界磁電流を小さくでき、その分、界磁巻線の発熱総量は減ることがわかる。たとえば、界磁電流が３０％減れば、界磁巻線の発熱総量も３０％減ることになる。
【００３２】
ところが、静止状態のエンジンを回転させるには、そのには静止摩擦係数に依存する大きな静止フリクショントルク（及びエンジンの圧縮仕事により生じるトルク）を超える電動トルクをエンジンに与える必要がある。この電動トルクはたとえばフレミングの法則からわかるように界磁束量すなわち界磁電流の大きさに依存する。すなわち、界磁電流量はある限度以上減らすことはできない。また、エンジン始動のために車両用発電電動機がエンジンに与えるエネルギーは一定ではなく、エンジンの回転慣性エネルギーは一定であるが、フリクションロスなどで失われるエネルギーは時間に比例する。バッテリーの負担を考えると、ある限度以上、エンジン始動時間を延長することはできない。
このため、従来では、バッテリ電力がエンジン加速エネルギー以外の摩擦ロスで無駄に消耗するのを防止するためできるだけ短時間でエンジン始動を行う。
【００３３】
これに対して、本発明の車両用電動発電装置に用いる界磁巻線型同期機では、界磁巻線が回転子に巻装されているために、軸方向及び径方向の中央部の放熱性が、従来のスタータモータとして使われる直流モータに比較して格段に悪く、エンジン始動時は比較的低回転であるため空気への放熱も小さい。これは界磁巻線型同期機では、界磁巻線が巻装されるロータコアが一対の軸受けを介してハウジングから熱的に浮いているために、エンジン始動時における界磁巻線の過渡的な一時大発熱に対しては回転子の温度上昇（熱容量）で吸収せざるを得ないためである。従来の直流モータでは、界磁巻線はハウジングと一体化した大質量のステータコアに巻装され、これとは全く状況が異なる。
【００３４】
界磁巻線型同期機を用いた車両用発電電動機におけるこの問題に対処するために、本構成では、エンジン始動期間中における最初の所定期間に１００％デューテイ比（又は、所定値以上のデューテイ比）の界磁電流を給電し、その後、より小さいデューテイ比で前記界磁電流を給電する。
【００３５】
このようにすれば、静止フリクションが大きいエンジン始動期間の初期に強力にエンジンを回転させて大きな静止摩擦力や圧縮行程におけるエンジン駆動トルクのピークを確実に乗り越え、その後、界磁巻線の発熱総量を低減して回転子の温度上昇を抑止するために界磁電流を低減するので、界磁巻線の絶縁皮膜の熱的劣化を抑止しつつ回転子の熱容量すなわち質量の低減を図り、車両用発電電動機の小型化を実現することができる。
【００３６】
なお、このエンジン始動期間の後期における界磁電流の低減は、外気温度又はエンジン始動期間直前の車両用発電電動機の温度が高いとみなされる場合に限って実施してもよい。このようにすると、それ以外の期間における摩擦ロスや風損などによるバッテリ消耗を減らし及び運転フィーリングを向上することができる。更に、外気温度又はエンジン始動期間直前の車両用発電電動機の温度が高いとみなされる場合は前述のように種々の電気量で推定することができる。
【００３７】
請求項８記載の構成は請求項７記載の車両用電動発電装置において更に、前記制御回路は、前記１００％デューテイ比（又は所定デューテイ比以上）での給電は、前記エンジンが最初の圧縮行程の終了まで持続されることを特徴としている。
【００３８】
このようにすれば、圧縮行程終期に発生するエンジン駆動トルクの最初の山を確実に超えることができる。
【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以下に説明する。
【００３９】
【実施例１】
（全体構成）
この実施例の車両用電動発電装置の全体構成を図１に示す。
【００４０】
回転機１００は、ロータコア１１２に巻装された界磁巻線１１１より構成されるロータ１１０と、ステータコア１２２に巻装された電機子巻線１２１より構成されるステータ１２０と、ロータ１１０の回転位置を検出する回転センサ１３０、界磁巻線１１１に直流電力を供給するブラシ１４１、スリップリング１４２から構成される給電器１４０を有している。回転機１００の電機子巻線１２１は、インバータ２００から三相電力が給電されている。
【００４１】
インバータ２００は、トランジスタ２０１ａ〜２０１ｃ、２０２ａ〜２０２ｃとダイオ−ド２０３ａ〜２０３ｃ、２０４ａ〜２０４ｃにより構成されている。
【００４２】
界磁回路３００は、トランジスタ３０１とダイオ−ド３０２で構成され、給電器１４０を介して界磁巻線１１１に直流電力を供給している。コントローラ４００は、要求信号及び回転センサ１３０の信号に基づいて、インバータ２００、界磁回路３００を制御している。インバータ２００および界磁回路３００は、コンデンサ５００、バッテリ６００と電力授受し、バッテリ６００は電気負荷７００に給電している。回転機１００のロータ１１０はエンジン（図示しない）のクランク軸にベルト等の伝達機構を介して機械的に連結されている。
【００４３】
上述した構成の詳細は既に周知であるので、これ以上の説明は省略する。
（エンジン始動動作）
この実施例の特徴をなすエンジン始動動作を図７に示す制御回路４００のフローチャートを参照して以下に説明する。
【００４４】
まず、回転機１００によりエンジンを始動させる場合、界磁回路３００が界磁巻線１１１に電力を供給し、界磁起磁力Ｆｆを発生させることによってロータコア１１０を磁化し、ステータ１２０に対して界磁磁束φｆを発生させる。界磁巻線１１１が大きなインダクタンスをもつので、界磁電流が増大するまで所定時間待機する。なお、ステップＳ１０２を省略してエンジン始動時間を短縮してもよい。
【００４５】
次に、インバータ２００のトランジスタ２０１〜２０３を順次スイッチングして、電機子巻線１２１に三相交流電流を通電する。これにより、電機子巻線１２１は、電機子起磁力Ｆａが発生し、回転機１００には、界磁起磁力Ｆｆと電機子起磁力Ｆａとのベクトル和Ｆｆ・Ｆａからなる合成起磁力Ｆｇが作用し、合成磁束φｇが発生し、トルクが生じ、エンジンが始動される。
回転数が所定値に達したことを検出したら電機子電流を停止してエンジン始動動作を停止し、その後、回転数が更に高い所定値に達したことを検出したら発電動作を開始する。
【００４６】
（エンジン始動トルクの増強）
次に、この実施例におけるエンジン始動トルクの増強法について以下に説明する。
【００４７】
磁気回路が非飽和の状態におけるＦｆに対してＦａを９０°位相差をもたせて加えたときのベクトル図を図２に示す。磁気回路が飽和していない状態では、合成磁束φｇは界磁磁束φｆの増加により増加し、界磁磁束φｆが、合成磁束φｇの界磁起磁力方向成分φｇｄとなる。
【００４８】
トルクは、合成磁束φｇの界磁起磁力方向成分φｇｄ（＝界磁磁束φｆ）と電機子起磁力Ｆａとのベクトル積で決定される。
【００４９】
以上は、磁気回路が飽和していないときの現象であるが、この実施例では、発電時は磁気回路を非飽和状態で使用し、エンジン始動時には磁気回路を十分に飽和した領域で使用する。ロータコア等に利用される鉄心のＢーＨカーブを図４に示す。ＢーＨカーブは、磁化力Ｈ（起磁力）を増加していってもそれに伴って磁束密度すなわち磁束量が増加しないという非線形の磁気飽和特性を示すから、磁束密度Ｂが１．４Ｔ程度で使用する。
【００５０】
磁気回路が飽和した状態でのベクトル図を図３に示す。このとき、合成磁束φｇ１は増加せず、その合成磁束φｇ１の界磁起磁力方向成分φｇ１ｄはφｆより小さくなる。これは界磁磁束φｆが増加しても磁気回路の飽和により合成磁束φｇ１の界磁起磁力方向成分φｇ１ｄの増加が抑止されるためである。なお、磁気回路の飽和にもかかわらず、界磁磁束φｆが増加可能なのは、トルクは、合成磁束φｇの界磁起磁力方向成分φｇｄ（＝界磁磁束φｆ）と電機子起磁力Ｆａとのベクトル積で決定されるため、合成起磁力Ｆｇと界磁起磁力Ｆｆとの間の位相角度θが小さい方（換言すれば、電機子起磁力Ｆａに対して界磁起磁力Ｆｆを相対的に大きくした方）が、合成磁束φｇ１の界磁起磁力方向成分φｇ１ｄが大きくなるために、高トルクが得られることである。
【００５１】
つまり、界磁磁束φｆの大きさが増加しなくても、電機子起磁力Ｆａに対して界磁起磁力Ｆｆが大きくすることにより、電機子起磁力Ｆａに対してベクトル的に直交する合成磁束φｇ１の界磁起磁力方向成分φｇ１ｄが増加するため、トルクが増大するわけである。界磁起磁力Ｆｆの変化による電機子起磁力とトルクの特性変化を図５に示す。
【００５２】
磁気飽和し、かつ、起磁力のスカラー和（Ｆａ＋Ｆｆ）を一定としたモデルにおいて、界磁起磁力Ｆｆと電機子起磁力Ｆａを変化させた場合の発生トルクの変化を図６に示す。図６中、Ｔｍは磁気飽和していないときの発生トルクを表す。図６から、界磁起磁力Ｆｆと電機子起磁力Ｆａとが等しいときに起磁力がトルクに最も有効に利用されていることがわかる。
【００５３】
すなわち、鉄心飽和型の界磁巻線型同期機では、界磁起磁力Ｆｆを電機子起磁力Ｆａより大きくするにつれて磁気回路の飽和にもかかわらず電動トルクを増大できることが理解される。
【００５４】
実際に使用するときは、エンジン始動においては界磁回路３００のトランジスタ３０１はフルＯＮとしバッテリ６００の端子電圧、界磁巻線１１１の抵抗、トランジスタ３０１のドロップ電圧で略決定される界磁電流の最大値を界磁巻線１１１に流す。当然、トランジスタ３０１の容量は、界磁巻線１１１の抵抗が最も小さい低温時に流れる電流を考慮して選定される。エンジン始動後、回転機１００の発電機として使用する場合は、バッテリ電圧が規定の電圧となるように界磁回路線３００のトランジスタ３０１をＯＮ、ＯＦＦ制御する。
【００５５】
この実施例では特に、界磁巻線１１１の絶縁皮膜の耐熱温度である最高許容温度Tmaxから、界磁巻線１１１と絶縁材およびロータコア１１２の熱容量（すなわち回転子の熱容量）とエンジン始動時の界磁巻線１１１の発熱量Ｑとでほぼ決定される温度上昇分ΔＴを差し引いた温度以下になるように、発電時における界磁電流（更に具体的に言えばトランジスタ３０１のオンデューテイ比）を制限する。
【００５６】
これにより、発電停止直後にエンジンを停止し、その直後にエンジンを再始動するという熱的に最悪の条件下でも、界磁巻線１１１の絶縁皮膜の熱容量熱的損傷を防止し確実なエンジン始動を確保しつつ及び最大の発電電力を得ることができる。また、この実施例によれば、発電出力の制限を界磁電流の削減により行っているので、界磁巻線の温度低下に直結し、好適である。
【００５７】
（回転子の仕様）
この実施例に用いる回転子の熱的仕様について以下に説明する。
【００５８】
この実施例では、回転子の最高許容温度をTmax、回転子が発電中に到達可能な発電時最高到達温度をTgmax、回転子の熱容量（この実施例ではほぼ鉄心の比熱×質量＋界磁巻線の比熱×質量となる。永久磁石を併用する場合にはその熱容量も加算される）をＱ、エンジン始動のための界磁電流通電時間をＴ、界磁巻線の電気抵抗をr、エンジン始動時の界磁電流を最大界磁電流imaxとし、エンジン始動時の界磁電流を１００％デューテイ比すなわちトランジスタ３０１の常時オン状態とした場合に、（Tgmax＋（imax2・r・Ｔ）／Ｑ）がTmaxより２０〜４０℃低くなるように、Tmax、Ｑ、imax（エンジン始動時の１００％デューテイ比の時の界磁電流値）、r、Ｔ、Tgmaxを設定している。
【００５９】
これにより、界磁巻線型同期機からなる界磁巻線絶縁皮膜の劣化を抑止しつつ小型軽量化が可能な車両用電動発電装置を実現することができる。
【００６０】
（変形態様）
上記実施例では、発電時の界磁電流制限の界磁電流制限により、界磁巻線１１１の絶縁皮膜の熱的劣化を回避しつつ、エンジン始動と発電との両立を図ったが、エンジン始動直前における回転子の温度は、エンジン始動直前における所定期間の界磁電流量、電機子電流量及び周囲温度に依存する。
【００６１】
そこで、この態様では、エンジン始動直前に、直近の所定期間の平均界磁電流量、平均電機子電流量及び周囲温度から回転子温度Trを推定し、回転子温度Trに基づいて電機子電流のオンデューテイ比の最大値ＤＵＴＹmaxを内蔵のマップに基づいて決定する。たとえば、回転子温度Trが高ければＤＵＴＹmaxを減少し、回転子温度Trが高ければＤＵＴＹmaxを増加する。これにより、回転子温度Trが許す範囲において最大の発電電力を出力することができる。この動作を図８にフローチャートとして示す。
【００６２】
【実施例２】
他の実施例を図９を参照して以下に説明する。
【００６３】
いままでの説明により、界磁巻線型同期機を用いた車両用発電電動機では、回転子の熱容量Ｑを増大することの重要性が理解されるが、それは回転子の体格増大を招いてしまう。
【００６４】
そこで、この実施例では、界磁巻線１１１とロータコア１２１との間の熱伝導性すなわち、両者間の温度差を低減することにより、ロータコア１２１の実質的な熱容量を増大する。回転子の模式径方向部分断面図である図９を参照して更に説明する。
【００６５】
この実施例では、界磁巻線１１１は、ロータコア１１２の外周面に凹設されたコイル収容溝１１３に収容されている。コイル収容溝１１３の略径方向に伸びるロータコア１１２の一対の溝端面により区画されている。
【００６６】
界磁巻線１１１中には、略接線方向に延在する銅フィルム１１４，１１５が延在している。銅フィルム１１４，１１５の周方向両端部は、ロータコア１１２の上記一対の溝端面に密着しつつ径方向外側へ延在している。
【００６７】
このようにすれば、界磁巻線１１１の中央部の熱はこの銅フィルム１１４，１１５を通じて良好にロータコア１１２に放散されるので、ロータコア１１２の温度を発電時最高到達温度Tgmaxに接近させることができ、その熱容量を増大することができ、その分、界磁電流の増大を図ることができる。
【００６８】
【実施例３】
他の実施例を以下に説明する。
【００６９】
既に説明したように、バッテリ蓄電量が許せば、エンジン始動期間中における最初の所定期間を除いて、界磁電流を低減し、その分だけ界磁電流通電時間を延長するという手法により、界磁巻線１１１の温度上昇を抑止しつつエンジンを必要回転数まで駆動することができ、その分だけ、回転子を小型化することができる。図１０にこの制御動作を示すフローチャートを示す。
【００７０】
すなわち、エンジン始動のために界磁電流を１００％デューテイ比で通電し、同時に電機子電流Ｉaを通電してから回転子温度Trを上述の方法で推定し、回転子温度Trが所定しきい値Trth未満なら、回転数が所定値に達したことを検出してエンジン始動動作を終了する（図７のＳ１０６）。
【００７１】
回転子温度Trが所定しきい値Trth以上なら、界磁電流の１００％デューテイ比通電が所定値（ここでは０．１５秒）経過するまで待機し、その後、界磁電流のオンデューテイ比を７０％とする。これにより以後の界磁電流１１の発熱は約半分となり、電動トルクは３０％減となるはずであるが、実際には磁気回路が飽和状態から解放されて界磁電流の有効利用が可能となるために界磁束の減少はたとえば１５％減に留まる。この界磁束減少によるエンジン加速量の減少は通電時間の増大で補うが、通電時間の増大は界磁巻線１１１の総発熱量の増大及びバッテリの消耗（エンジン回転の加速以外の摩擦や風損などで失われるエネルギーロスが存在するため）を招く。しかし、通電時間は２倍にはならず、結局、回転子の高温時にはエンジン始動時間は幾分増大するものの界磁巻線１１１の総発熱量を低減して絶縁皮膜の過熱を防止することができる。
【００７２】
なお、界磁巻線１１１の１００％デューテイ比（又は所定デューテイ比以上）給電は、エンジンが最初の圧縮行程の終了まで持続される。これより、圧縮行程終期に発生するエンジン駆動トルクの最初の山を確実に超えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この実施例の装置の全体構成図である。
【図２】図１の界磁巻線型同期機の磁気回路が非飽和の状態における起磁力状態を示すベクトル図である。
【図３】図１の界磁巻線型同期機の磁気回路が飽和の状態における起磁力状態を示すベクトル図である。
【図４】図１の界磁巻線型同期機の磁気回路を構成する磁性材料の磁気特性を示すＢーＨカーブである。
【図５】図１の界磁巻線型同期機の界磁起磁力の変化による電機子起磁力とトルクの特性変化を示す特性図である。
【図６】図１の界磁巻線型同期機の界磁起磁力と電機子起磁力との変化による発生トルクの変化を示す特性図である。
【図７】図１の界磁巻線型同期機の制御動作を示すフローチャートである。
【図８】図１の界磁巻線型同期機の制御動作を示すフローチャートである。
【図９】図１の界磁巻線型同期機の他の実施例を示す部分径方向断面図である。
【図１０】図１の界磁巻線型同期機の他の実施例の制御動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１００  同期発電電動機
１１０  回転子
１１１  界磁巻線
１１２  ロータコア
１２１  電機子巻線
２００  交直双方向電力変換器
３００  界磁回路
４００  制御回路
【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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