(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載される多相の車両用回転電機と、
電力直交変換を行うロ−タリ−コンバ−タと、
前記回転電機と独立に配設されて前記車両用回転電機と同期して前記ロ−タリ−コンバ−タを位相制御可能に回転させるロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タと、
を備え、
前記ロ−タリ−コンバ−タは、
同一の回転軸に固定される一対のスリップリングと、
直流電源の正、負端子から個別に給電されて前記スリップリングに個別に接する一対の直流側ブラシと、
互いに周方向所定角度離れて前記回転軸に固定されるとともに前記スリップリングと個別かつ周方向交互に接続される所定対の整流子片と、
前記車両用回転電機の各電機子相巻線に個別に接続されて各前記整流子片に所定角度範囲ずつ順次接する相数個の交流側ブラシと、
を備え、
両前記直流側ブラシと各前記交流側ブラシとを個別にそれぞれ短絡する前記交流側ブラシの２倍の個数の半導体スイッチング素子と各前記半導体スイッチング素子と並列接続されるフライホイルダイオ−ドとを有して電力直交変換を行う半導体コンバ−タを備えることを特徴とする車両用回転電機装置。
【請求項２】
請求項１記載の車両用回転電機装置において、
前記半導体スイッチング素子は、電流制限用の抵抗素子を通じて前記電機子相巻線に接続されることを特徴とする車両用回転電機装置。
【請求項３】
請求項１記載の車両用回転電機装置において、
前記半導体コンバ−タを制御する制御部を有し、
前記制御部は、前記半導体コンバ−タをＰＷＭ制御して前記半導体スイッチング素子の許容平均最大電流値未満に前記半導体スイッチング素子に通電される平均電流を制限することを特徴とする車両用回転電機装置。
【請求項４】
請求項１記載の車両用回転電機装置において、
前記半導体スイッチング素子は、自己と並列接続される前記整流子片と前記交流側ブラシとの間の接触部が離れる分離開始角度位置を含む所定の角度範囲にて通電されることを特徴とする車両用回転電機装置。
【請求項５】
請求項４記載の車両用回転電機装置において、
前記半導体スイッチング素子は、自己と並列接続される前記整流子片と前記交流側ブラシとの間の接触部が形成される接触開始角度位置を含む所定の角度範囲にて通電されることを特徴とする車両用回転電機装置。
【請求項６】
請求項１記載の車両用回転電機装置において、
前記半導体コンバ−タを前記直流電源から遮断することなく前記ロ−タリ−コンバ−タを前記直流電源から遮断するロ−タリ−コンバ−タ分離スイッチを有することを特徴とする車両用回転電機装置。
【請求項７】
請求項６記載の車両用回転電機装置において、
前記ロ−タリ−コンバ−タ分離スイッチを制御する制御部を備え、
前記制御部は、エンジン始動期間に前記ロ−タリ−コンバ−タ分離スイッチを閉じて前記車両用回転電機により前記エンジンを始動させ、前記エンジン始動期間終了後、前記ロ−タリ−コンバ−タ分離スイッチを開くことを特徴とする車両用回転電機装置。
【請求項８】
請求項６又は７記載の車両用回転電機装置において、
前記ロ−タリ−コンバ−タ分離スイッチを制御する制御部を備え、
前記制御部は、トルクアシスト期間に前記ロ−タリ−コンバ−タ分離スイッチを閉じて前記車両用回転電機により前記エンジンのトルクアシストを行い、前記トルクアシスト期間終了後、前記ロ−タリ−コンバ−タ分離スイッチを開くことを特徴とする車両用回転電機装置。
【請求項９】
請求項６乃至８のいずれか記載の車両用回転電機装置において、
前記ロ−タリ−コンバ−タ分離スイッチを制御する制御部を備え、
前記制御部は、回生制動時に前記ロ−タリ−コンバ−タ分離スイッチを閉じて前記車両用回転電機により回生制動を行い、前記回生制動期間終了後、前記ロ−タリ−コンバ−タ分離スイッチを開くことを特徴とする車両用回転電機装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか記載の車両用回転電機装置において、
前記ロ−タリ−コンバ−タは、前記整流子片を２対以上周方向交互に備えることを特徴とする車両用回転電機装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか記載の車両用回転電機装置において、
前記ロ−タリ−コンバ−タは、互いに異なる電圧が印加されて前記回転軸の外周面に固定され、かつ、周方向両側に接する一対の整流子片に対して所定の間隙を隔てて電気絶縁され、かつ、浮遊電位を有し、かつ、前記整流子片と同材質のアイドル整流子片を有することを特徴とする車両用回転電機装置。
【請求項１２】
請求項１記載の車両用回転電機装置において、
前記ロ−タリ−コンバ−タ駆動モータを制御する制御部を有し、
前記制御部は、複数の前記交流側ブラシが同一整流子片に接触しない停止位置にて前記ロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タを停止させ、
前記フライホイルダイオ−ドは、前記車両用回転電機の発電時に全波整流を行うことを特徴とする車両用回転電機装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用回転電機装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両用電気負荷給電用のための車両用交流発電機を電動動作させてエンジン始動、トルクアシストさせたり、車両制動時に発電制動を行って走行慣性動力を電力として有効利用したりする車両用発電電動機技術が知られている。
【０００３】
また、エンジン動力の一部又は全部を発電機により電力に変換し、この電力により車両を駆動することにより燃費改善やエミッション低減を図るハイブリッド車技術も知られている。
【０００４】
上述した車両用発電電動機技術やハイブリッド車技術では、車載の直流電源と回転電機の多相の電機子相巻線との間で送電をなすために、双方向直交変換を行うために半導体スイッチング素子及びダイオ−ドを用いて構成した半導体コンバ−タが用いられている。
【０００５】
特開昭５３ー８９９３８号公報は、ロ−タリ−コンバ−タを開示している。このロ−タリ−コンバ−タは、回転電機の回転軸に、同一の回転軸に固定される一対のスリップリングと、直流電源の正、負端子から個別に給電されて上記スリップリングに個別に接する一対の直流側ブラシと、互いに周方向所定角度離れてこの回転軸に固定される所定数の整流子片と、各電機子相巻線に個別に接続されて上記整流子片に所定角度範囲ずつ接する交流側ブラシとを備え、直流電源から給電される直流電力を所定相数の交流電力に変換する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した車両用発電電動機技術やハイブリッド車技術では、上述したエンジン始動又は大トルクアシスト又は大発電制動（回生制動ともいう）時において、一時的ではあるが、通常時よりも格段に大きい電流がコンバ−タに流れるため、コンバ−タの半導体スイッチング素子やダイオードの定格をこの大電流通電に耐えることができるように設計する必要があり、その結果、コンバ−タのコスト増大や半導体素子の冷却強化といった問題が重大となっていた。
【０００７】
そこで、上記した公報のロ−タリ−コンバ−タを用いれば、半導体素子の省略により上記問題を改善できる可能性がある。
【０００８】
しかし、このロ−タリ−コンバ−タは、ブラシが整流子片やスリップリング上を常時摺接して摩耗するために短寿命であり、交換作業が必要となる点、ブラシなどから飛散する導電性粉末による汚損や短絡が発生する点が、実用化のためにいまだ未解決の問題として残っていた。
【０００９】
また、従来のロ−タリ−コンバ−タでは、ロ−タリ−コンバ−タの整流子片がブラシから離れる際のア−ク抑止のためにこれら両者間に介設されるコンデンサを大容量化する必要があり、高耐圧の大型コンデンサを相数分準備せねばならず、これがロ−タリ−コンバ−タの全体体格の大型化及び高コスト化を招いていた。
【００１０】
更に、上記したロ−タリ−コンバ−タは、電機子相巻線の回転角度に対してその通電タイミングが常に一定となるため、電機子巻線を一定位相で運転せざるを得ず、電機子電圧又は電機子電流の位相制御によるトルク制御ができず、上述した車両用回転電機にごとく、車両用回転電機の発生トルク又は負荷トルクの頻繁な変更が必要な用途では、採用は困難であった。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、トルク制御が可能で大電流通電が可能な車両用回転電機装置を提供することを、その目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の車両用回転電機装置によれば、ロ−タリ−コンバ−タは、車両用回転電機と独立に、かつ、位相制御可能に車両用回転電機と同期回転して直流電源と車両用回転電機の電機子巻線との間で直交変換を行うので、大型の半導体スイッチング素子を用いることなく大電流通電が可能な上、トルク制御も容易な車両用回転電機装置を実現することができる。
【００１３】
以下、更に詳しく説明する。
【００１４】
すなわち、本構成によれば、直交変換用のロ−タリ−コンバ−タは、車両用回転電機とは別に設けられて同期回転するロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タにより駆動される。したがって、このロ−タリ−コンバ−タから車両用回転電機の電機子巻線への通電開始、通電遮断タイミングすなわち電機子巻線の通電位相は、車両用回転電機の界磁子に対して自由に制御できるので、この位相制御により車両用回転電機として必要な電動トルク又は発電トルクの自在な調整が可能となる。
【００１５】
また、許容電流範囲及び許容温度範囲が狭く、大電流断続のためには半導体素子のコスト及び冷却が解決が容易でない問題として顕在化する半導体コンバ−タに比較して電機子巻線への通電電流増大に必要なコスト追加がほとんどなく、車両用回転電機の大出力化が可能となる。
【００１６】
請求項１記載の発明によれば更に、このロ−タリ−コンバ−タと並列に半導体コンバ−タが接続される。更に具体的に説明すれば、この半導体コンバ−タは、直流電源の正、負端子と各電機子相巻線の端子とをそれぞれ接続する半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子と個別に並列接続されるフライホイルダイオ−ドとを有する。
【００１７】
このようにすれば、大型半導体スイッチング素子を用いることなく大電流通電及び位相制御が可能な上、自由に位相制御できるこの半導体コンバ−タにより、両者を同時運転して電機子相巻線の通電電流を増大したり、あるいは半導体コンバ−タを停止してその温度低下を図ったり、あるいはロ−タリ−コンバ−タを止めてその寿命延長を図ったりすることができる。
【００１８】
また、半導体コンバ−タはそのＰＷＭ制御により容易に電機子印加電圧波形あるいは電機子電流波形を正弦波形状とすることができるので、車両用回転電機の騒音を減らすことができる。また、原理的に略矩形波波形となるロ−タリ−コンバ−タの電圧又は電流に加えて、ロ−タリ−コンバ−タの通電期間の前後にそれぞれ前記ロ−タリ−コンバ−タの電圧又は電流より小さい電圧又は電流を半導体コンバ−タで付加することができ、全体として電機子巻線の電圧又は電流を階段変化形状の擬似正弦波波形とすることができ、一層、有効である。また、ロ−タリ−コンバ−タの通電位相角により制限はあるものの所定範囲で位相角制御も実現することができる。
【００１９】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の車両用回転電機装置において更に、半導体スイッチング素子は、電流制限用の抵抗素子を通じて電機子相巻線に接続される。
【００２０】
このようにすれば、ロ−タリ−コンバ−タの通電期間には、ロ−タリ−コンバ−タの整流子片とブラシとの間の低抵抗経路を通じてほとんどの電機子電流を流して半導体コンバ−タの発熱を抑止し、ロ−タリ−コンバ−タの非通電期間やロ−タリ−コンバ−タの通電から非通電への切り替わる瞬間などには半導体コンバ−タで半導体コンバ−タの可能な範囲で半導体コンバ−タの電流許容範囲で電機子電流を吸収するので、ロ−タリ−コンバ−タの大電流遮断時に電機子相巻線の大きなインダクタンスにより生じる大きなフライホイル電流を許容範囲に制限しつつ吸収し、半導体スイッチング素子の電流許容範囲内でロ−タリ−コンバ−タの整流子片と交流側ブラシとの間の火花を減らすことができる。
【００２１】
請求項３記載の構成によれば請求項１記載の車両用回転電機装置において更に、半導体コンバ−タをＰＷＭ制御して半導体スイッチング素子の許容平均最大電流値未満に半導体スイッチング素子に通電される平均電流を制限するので、上記した電流制限抵抗の追設及びそれによる電力損失を回避しつつ、請求項３と同様の作用効果を奏することができる。
【００２２】
請求項４記載の構成によれば請求項１記載の車両用回転電機装置において更に、半導体コンバ−タの半導体スイッチング素子は、自己と並列接続される整流子片と交流側ブラシとの間の接触部が離れる瞬間を含む所定の角度範囲にて通電される。
【００２３】
このようにすれば、上述した上記接触部の分離時におけるア−ク（火花）や、それによる摩耗、汚損を防止することができ、装置の体格、コストを大幅に低減することができる。  また、上記消弧を半導体コンバ−タが行うので高耐圧かつ大容量のコンデンサのごとき消弧専用装置を省略することができる。
【００２４】
なお、この用途において、半導体コンバ−タの半導体スイッチング素子はコンバ−タを純半導体構成とする場合に比較して格段に小型化することができる。
【００２５】
たとえば、半導体スイッチング素子の通電期間を交流側ブラシと整流子片とが離れる瞬間を含んで、一つの交流側ブラシと一つの整流子片との間の通電期間の１／１０程度とすれば、半導体のみでコンバ−タを構成する場合に比較して半導体スイッチング素子の平均電流は１／１０程度となり、半導体スイッチング素子の抵抗損失による発熱により規定される半導体スイッチング素子の最大許容電流を、半導体のみでコンバ−タを構成する場合に比較して１０倍程度に拡大できる。
【００２６】
請求項５記載の構成によれば請求項４記載の車両用回転電機装置において更に、半導体スイッチング素子は、自己と並列接続される整流子片と交流側ブラシとの間の接触部が形成される接触開始角度位置を含む所定の角度範囲にて通電されるので、上記両者が接触する瞬間における不連続な接触などによるマイクロ火花やそれによる摩耗、汚損を防止することができる。
【００２７】
請求項６記載の構成によれば請求項１記載の車両用回転電機装置において更に、ロ−タリ−コンバ−タを直流電源から分離可能な回路構成とするので、車両用回転電機の電機子巻線に大電流通電が必要な期間のみロ−タリ−コンバ−タを運転し、それ以外の期間はロ−タリ−コンバ−タを休止することができ、ブラシ交換周期の延長や導電性粉末による汚損や短絡を防止するというロ−タリ−コンバ−タの本質的な課題を解決しつつ必要性能を得ることができる。
【００２８】
請求項７記載の構成によれば請求項６記載の車両用回転電機装置において更に、エンジン始動を請求項７記載の作用効果を確保しつつ実現することができる。
【００２９】
請求項８記載の構成によれば請求項６又は７記載の車両用回転電機装置において更に、トルクアシストを請求項６又は７記載の作用効果を確保しつつ実現することができる。
【００３０】
請求項９記載の構成によれば請求項６又は７又は８記載の車両用回転電機装置において更に、回生制動を請求項６又は７又は８記載の作用効果を確保しつつ実現することができる。
【００３１】
請求項１０記載の構成によれば請求項１乃至９のいずれか記載の車両用回転電機装置において更に、ロ−タリ−コンバ−タは整流子片を２対以上周方向交互に備えるので、整流子片の対数に逆比例してロ−タリ−コンバ−タ駆動用モ−タの回転数を低減し、周速低減による摩耗低減を図ることができる。
【００３２】
請求項１１記載の構成によれば請求項１乃至１０のいずれか記載の車両用回転電機装置において更に、ロ−タリ−コンバ−タは、互いに異なる電圧が印加されて回転軸の外周面に固定され、かつ、周方向両側に接する一対の整流子片に対して所定の間隙を隔てて電気絶縁され、かつ、浮遊電位を有し、かつ、整流子片と同材質のアイドル整流子片を有するので、交流側ブラシの平均摺動抵抗を低減し、かつ、長期使用後でも、整流子片と他の部分との段差を減らすことができ、交流側ブラシの摩耗も低減することができる。
【００３３】
請求項１２記載の構成によれば請求項１記載の車両用回転電機装置において更に、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タは複数の前記交流側ブラシが同一整流子片に接触しない停止位置に停止されるので、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タを停止した状態で車両用回転電機を発電動作させる場合に、車両用回転電機の電機子巻線がロ−タリ−コンバ−タの上記同一の整流子片とその上の一対の交流側ブラシにより短絡されることがなく、発電が阻害されることがない。
【００３４】
【発明を実施するための態様】
本発明の車両用回転電機装置の好適な態様を以下の実施例により具体的に説明する。
【００３５】
【実施例１】
実施例１の車両用回転電機装置を示す模式斜視図を図１に示す。
【００３６】
この装置は、本発明で言う車両用回転電機をなす同期機１００と、ロ−タリ−コンバ−タ２００と、三相全波整流回路構造を有し三相全波整流機能及びフライホイルダイオ−ド機能をもつダイオードブリッジ３００と、半導体コンバ−タ４００と、平滑コンデンサ５０４と、本発明で言う直流電源をなすバッテリ５０５とからなる。
【００３７】
同期電動発電機１００は、電機子相巻線１０１、１０２、１０３からなる三相電機子巻線をもつ固定子と、回転子１１０とを有し、回転子１１０は、界磁鉄心１１１と、それに巻装された界磁巻線１１２とを有している。界磁巻線１１２の両端は、回転子１１０の軸に設けられたスリップリング１１４、１１５に電気的に個別に接続され、界磁回路５０３はバッテリ５０５から給電されて、ブラシ１１６と１１７、スリップリング１１４、１１５を通じて界磁巻線１１２に界磁電流を給電する。
【００３８】
回転子１１０の回転軸１１３上には回転位置センサ１２０が設けられ、固定子１００に対する回転子１１０の角度位置を検出している。
【００３９】
電機子相巻線１０１、１０２、１０３の各一端は、それぞれロ−タリ−コンバ−タ２００、ダイオ−ドブリッジ３００および半導体コンバ−タ４００の三つの交流端子に個別に接続され、ロ−タリ−コンバ−タ２００、ダイオ−ドブリッジ３００および半導体コンバ−タ４００の一対の直流端子はバッテリ５０５およびそれと並列接続された平滑コンデンサ５０４の両端に個別に接続されている。
【００４０】
但し、ロ−タリ−コンバ−タ２００の高圧側の直流端子はリレー（マグネットスイッチ）５０６を介してバッテリ５０５の正端子に接続されている。
【００４１】
電機子巻線１０１は、ロ−タリ−コンバ−タ２００が形成するロ−タリ−スイッチ２０１によってリレ−５０６を通じてバッテリ５０５の正端子に、ロ−タリ−スイッチ２０２によってバッテリの負端子に接続される。なお、スイッチ２０１と２０２は同時にオンとならないように空間配置されている（後述）。また、電機子巻線１０１は、ダイオ−ド３０１とダイオ−ド３０２およびトランジスタ４０１と４０２を通して、それぞれバッテリ５０５の正端子および負端子に個別に接続される。
【００４２】
電機子巻線１０２は、ロ−タリ−コンバ−タ２００が形成するロ−タリ−スイッチ２０３によってリレ−５０６を通じてバッテリ５０５の正端子に、ロ−タリ−スイッチ２０４によってバッテリの負端子に接続される。なお、スイッチ２０３と２０４は同時にオンとならないように空間配置されている（後述）。また、電機子巻線１０２は、ダイオ−ド３０３とダイオ−ド３０４およびトランジスタ４０３と４０４を通して、それぞれバッテリ５０５の正端子および負端子に個別に接続される。
【００４３】
電機子巻線１０３は、ロ−タリ−コンバ−タ２００が形成するロ−タリ−スイッチ２０５によってリレ−５０６を通じてバッテリ５０５の正端子に、ロ−タリ−スイッチ２０６によってバッテリの負端子に接続される。なお、スイッチ２０５と２０６は同時にオンとならないように空間配置されている（後述）。また、電機子巻線１０３は、ダイオ−ド３０５とダイオ−ド３０６およびトランジスタ４０５と４０６を通して、それぞれバッテリ５０５の正端子および負端子に個別に接続される。
【００４４】
回転位置センサ１２０の信号は、駆動回路５０１に入力され、駆動回路５０１は上記信号に基づいてロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１を同期機１と所定位相差で同期回転させる。
【００４５】
回転位置センサ２１０はロ−タリ−コンバ−タ２００の後述する整流子２０７の回転位置をセンシングするためのセンサであり、駆動回路５０２はこの信号に基づいて半導体コンバ−タ４００の各半導体スイッチング素子４０１〜４０６の通電位相を決定する制御信号を作成し、この制御信号に基づいて半導体スイッチング素子４０１〜４０６を断続制御する。
【００４６】
駆動回路５０１、駆動回路５０２、界磁電流制御回路５０３、リレー５０４は制御回路５０７により統合制御されている。ロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１としてはサ−ボモ−タを採用している。駆動回路５０１、駆動回路５０２、界磁電流制御回路５０３の具体的な回路構成及びその動作については、界磁コイル型同期機やサ−ボモ−タの制御回路として周知であるので、詳細な説明は省略する。
【００４７】
ロ−タリ−コンバ−タ２００の構造を図２に模式的に示すロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１の回転軸２１２には、スリップリング２０８ａ、整流子片２０８ｂ、２０９ｂ、スリップリング２０９ａからなる整流子２０７が設けられている。整流子２０７の斜視図を図３に示す。
【００４８】
スリップリング２０８ａと整流子片２０８ｂとは実際は一体に形成されており、整流子片２０８ｂは、回転軸２１２の外周面を略１２０度占有する部分円筒形状を有している。同じく、スリップリング２０９ａと整流子片２０９ｂも一体に形成されており、整流子片２０９ｂは、回転軸２１２の外周面を略１２０度占有する部分円筒形状を有し、整流子片２０８ｂと回転対称かつ軸方向同位置にて配設されている。
【００４９】
スリップリング２０８ａにはリレ−５０６を通じてバッテリ５０５の正端子に接続される直流側ブラシ２１３が接し、スリップリング２０９ａはバッテリ５０５の負端子に接続される直流側ブラシ２１４が接している。
【００５０】
一対の整流子片２０９ｂ、２０８ｂの外周側の部分円筒面は、互いに１２０度離れて配置された交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃに摺接可能となっており、交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃは電機子相巻線１０１、１０２、１０３の各端子に接続されている。
【００５１】
なお、整流子片２０８ｂ、２０９ｂの間には、両者が交流側ブラシ２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃにより決して短絡されないだけの周方向ギャップが確保されている。
【００５２】
この同期機１の電動動作を以下に説明する。
【００５３】
制御回路５０７は、外部よりの指令に基づいて界磁回路５０３に指令し、界磁回路５０３はこの指令に基づいてブラシ１１６、１１７およびスリップリング１１４、１１５を通じて界磁コイル１１２に必要な界磁電流を通電し、これにより界磁鉄心１１１が磁化され、回転子１１０上に界磁磁極が構成される。
【００５４】
回転位置センサ１２０が検出した回転子１１０の位置は、駆動回路５０１に送信され、駆動回路５０１は回転位置センサ１２０から入力される回転子１１０の位置と制御回路５０７からの位相指令値に基づいてロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１の回転位置を制御し、整流子２０７を目標とする目標角度位置（位相）に固定する。なお、この目標角度位置とは、交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃを通じて電機子相巻線１０１、１０２、１０３に流れる電流が作る磁界の方向が、回転子１１０が作る界磁束の方向に対して前記位相指令値で示された位相分だけ進相させる角度を言う。たとえば、整流子片２０８ｂ、２０９ｂと交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃとの関係をスイッチ２０１〜２０６で等価的に表わすと、図４に模式的に示す角度位置ではスイッチ２０１、２０４、２０５がＯＮ、スイッチ２０２、２０３、２０６がＯＦＦとなる。
【００５５】
この状態で、制御回路５０７が駆動回路５０２にスタ−ト信号を送ると、駆動回路５０２は整流子２０７の角度位置を回転位置センサ２１０で検出し、半導体コンバ−タ４００内のトランジスタ４０１、４０４、４０５を制御回路５０７の指令に基づくデュ−ティ比でＰＷＭ制御し、電機子相巻線１０１〜１０３に電流を流す。
【００５６】
その後、制御回路５０７はリレー５０６をＯＮし、スイッチ２０１、２０４、２０５を介して電機子相巻線１０１〜１０３に大電流を供給し、回転子１１０を時計回りに回転させる。回転子１１０の回転位置によって最大トルクを発生する回転子１１０の回転角度位置すなわち界磁方向が異なるが、回転位置センサ１２０の検出信号で整流子片２０８ｂ、２０９ｂと交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃとの相対位置を調整することにより回転子１１０の回転角度位置を常に最適な位相（回転角度位置）の界磁磁界を発生することができる。これは、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１と回転子１１０との回転数を一致させ、回転子１１０を基準とするロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１の回転する整流子２０７の位相を調整することに他ならない。
【００５７】
整流子片２０８ｂ、２０９ｂと交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃとの位置関係と磁界（界磁磁界）の方向との関係を図５に示す。これにより電機子相巻線１０１、１０２、１０３は回転磁界を発生し、この回転磁界の位相と周波数を回転子１１０に合わせて制御することで、位相角制御がなされる。
【００５８】
この実施例では、半導体コンバ−タ４００は、交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃと整流子片２０８ｂ、２０９ｂとが接触する瞬間を含む短期間、及び両者が離れる瞬間を含む短期間だけ、これら接触又は離れる交流側ブラシと整流子片とのペアからなる等価スイッチと並列の半導体スイッチング素子に必要なデュ−ティ比でＰＷＭ通電する。このＰＷＭ通電期間を図５において黒く示す。ハッチング部分は整流子２０７が形成する等価スイッチ２０１〜２０６のみが通電する期間である。これにより、等価スイッチ２０１〜２０６のオン、オフ時のサ−ジによる火花を防止することができ、更に、僅かではあるが電機子相巻線１０１、１０２、１０３に通電する電機子電流の位相角の微調整も行うことができ、更に半導体スイッチング素子４００のＰＷＭ制御による電流がロ−タリ−コンバ−タ２００の電流より小さいことから、上記電機子電流波形をより正弦波に近づけることもできる。これにより、ブラシの損傷を減らしてその寿命を延長できる。なお、半導体スイッチング素子４０１〜４０６は、電流量が多くても短時間しか通電しないため小型化することができる。
【００５９】
この実施例では、上記電動動作は、制御回路５０７が外部入力により認識するエンジン始動期間、エンジンへのトルクアシスト期間に行われる。
【００６０】
この同期機１の発電機動作を以下に説明する。
【００６１】
車両電気負荷に給電するための通常発電動作時は、制御回路５０７からの信号でリレー５０６をＯＦＦすると共に、駆動回路５０１にロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１の停止指令を送り、整流子２０７を停止させる。同様に、半導体コンバ−タ４００の半導体スイッチング素子４０１〜４０６を全オフする。制御回路５０７からの信号で界磁回路５０３が出力する界磁電流を調整することにより回転子１１０に必要な大きさの界磁束を発生し、電機子巻線１０１〜１０３に誘起される電機子電圧をダイオ−ドブリッジ３００で三相全波整流してバッテリ５０５（及び電気負荷）に給電する。
【００６２】
上記実施例では、発電時において半導体コンバ−タ４００の各半導体スイッチング素子４０１〜４０６をそれと並列接続されるダイオ−ド３０１〜３０６の通電期間中に停止したが、車両の回生制動などにおける大発電時には、電動動作と同様にリレー５０６をＯＮし、整流子２０７を回転駆動する。但し、電機子電流がつくる回転磁界の方向が回転子１１０の作る磁束の方向に対して遅相となることが、電動動作と異なる。このとき、半導体コンバ−タ４００を電動動作時と同様に駆動制御して火花防止を行うこともできる。
【００６３】
【実施例２】
実施例２の車両用回転電機装置の回路図を図６に示す。
【００６４】
この実施例では、電機子相巻線１０１〜１０３と半導体スイッチング素子４０１〜４０６との間に電流制限用の電気抵抗６０１〜６０３が個別に介設されている。このようにすれば、半導体スイッチング素子４０１〜４０６のＰＷＭ制御なしに半導体スイッチング素子４０１〜４０６への通電電流を制限することができる。
【００６５】
【実施例３】
実施例３の車両用回転電機装置の回路図を図７に示す。
【００６６】
この実施例では、実施例１のリレー５０６はトランジスタ６０４で置換されている。このようにすれば、トランジスタ６０４のＰＷＭ制御によりロ−タリ−コンバ−タ２００を通じて電機子相巻線１０１〜１０３に印加する電圧を調整することが可能となる。
【００６７】
【実施例４】
実施例４の車両用回転電機装置の要部斜視図を拡大断面図を図８に示す。
【００６８】
図３に示す実施例１の整流子２０７は、一対の整流子片２０８ｂ、２０９ｂを有していたが、この実施例の整流子２０７’は、２対の整流子片２０８ｂ、２０９ｂを用いている。整流子片２０８ｂと整流子片２０９ｂとは周方向互い違いに必要な周方向ギャップを挟んで配置される。このようにすれば、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１の回転数を半分にすることができる。
【００６９】
すなわち、整流子片２０８ｂ、２０９ｂの対数を２以上の整数とすることが可能であり、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１の回転数をその分だけ低減することができる。
【００７０】
上記した各実施例の車両用回転電機装置は、いわゆるオルタネ−タと呼ばれる車両用交流発電機をエンジン始動やトルクアシストなどの大電流電動動作や回生制動による大電流発電する場合に好適であるが、ハイブリッド車の発電電動機としても当然採用することができる。
【００７１】
【実施例５】
実施例５の車両用回転電機装置の要部模式断面図を図９に示す。
【００７２】
交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃの位置で、整流子片２０８ｂ、２０９ｂは、回転軸２１２に嵌着、固定された樹脂筒２１２’の外周部に固定されている。
【００７３】
。
【００７４】
樹脂筒２１２’の外周部には更に、整流子片２０８ｂ、２０９ｂの間に位置して一対のアイドル整流子片２１３が固定され、アイドル整流子片２１３と整流子片２０８ｂ、２０９ｂとの間には十分な電気絶縁ギャップが確保されている。
【００７５】
アイドル整流子片２１３は、整流子片２０８ｂ、２０９ｂと同一材質、同一高さに形成され、浮遊電位を有している。
【００７６】
このようにすれば、先端面が交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃに弾性付勢されている交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃは、整流子片２０８ｂ、２０９ｂから短距離で整流子片２０８ｂ、２０９ｂと同じく金属製で摩擦が小さいアイドル整流子片２１３上に乗り移ることができるため、交流側ブラシの平均摺動抵抗を低減し、かつ、長期使用後でも、整流子片と他の部分との段差を減らすことができ、交流側ブラシの摩耗も低減することができる。
【００７７】
【実施例６】
実施例６の車両用回転電機装置のロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ停止制御動作を図１０のフロ−チャ−トを参照して以下に説明する。この制御動作は、制御回路５０７により実施される。
【００７８】
この制御は、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ２１１の停止が指令された場合に開始される。
【００７９】
まず、回転位置センサ２１０からロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ２１１の絶対回転角度位置ａを読み込み（Ｓ１００）、この絶対回転角度位置ａが下記に説明する停止角度範囲かどうかを調べ（Ｓ１０２）、停止角度範囲であればロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ２１１を停止し（Ｓ１０６）、そうでなければ回転軸２１２を更に所定小角度Δａだけ回動させて（Ｓ１０４）、Ｓ１０２にリタ−ンさせる（図１０参照）。
【００８０】
上記停止角度位置は、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ２１１は交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃのうち、任意の２つが整流子片２０８ｂ、２０９ｂのうち任意の同一整流子片に接触しない停止位置とされる（図９参照）。
【００８１】
このようにすれば、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タを停止した後、車両用回転電機１を発電動作させる場合に、車両用回転電機１の電機子巻線１０１〜１０３が交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ及び整流子片２０８ｂ、２０９により短絡されることがなく、正常な発電出力をダイオードブリッジ３００からバッテリ５０５に給電することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の車両用回転電機装置の回路図である。
【図２】図１に示す車両用回転電機装置のロ−タリ−コンバ−タの模式説明図である。
【図３】図１に示す車両用回転電機装置の整流子を示す模式斜視図である。
【図４】図３に示す整流子を径方向にみた模式図である。
【図５】図１に示すロ−タリ−コンバ−タ及び半導体コンバ−タの電圧スイッチング波形を示すタイミングチャ−トである。
【図６】実施例２の車両用回転電機装置の回路図である。
【図７】実施例３の車両用回転電機装置の回路図である。
【図８】実施例４の整流子を示す模式斜視図である。
【図９】実施例５の整流子を示す模式断面図である。
【図１０】実施例６の車両用回転電機のロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ停止制御を示すフロ−チャ−トである。
【符号の説明】
１：同期機（車両用回転電機）
２００：ロ−タリ−コンバ−タ
２１１：ロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ
２０８ａ、２０９ａ：スリップリング
２０８ｂ、２０９ｂ：整流子片
２１３、２１４：直流側ブラシ
２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃ：交流側ブラシ
３００：ダイオ−ドブリッジ
４００：半導体コンバ−タ
５０５：バッテリ（直流電源）
４０１〜４０６：半導体スイッチング素子
３０１〜３０６：フライホイルダイオ−ド
６０１〜６０３：電流制限用の抵抗（抵抗素子）
５０６：リレ−（ロ−タリ−コンバ−タ分離スイッチ）
【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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