(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
星型結線がなされた三相巻線を有する電機子と、
前記電機子に対応する回転子と、
前記電機子に接続された第１の整流素子および第１のスイッチング手段からなる交直電力変換器と、
前記第１のスイッチング手段のオンオフタイミングを制御する制御装置と、
前記三相巻線の中性点に電流を入出力する電流入出力手段と、
を備え、前記電流入出力手段によって前記三相巻線の各相以外から前記中性点に対して電流の入出力を行うことにより、前記三相巻線の各相にほぼ大きさが同一の電流を同時に流す車両用交流発電電動装置において、
前記電流入出力手段は、前記交直電力変換器に接続された電源の正負極と前記中性点との間で並列接続された第２の整流素子および第２のスイッチング手段からなっており、
前記制御装置によって前記第２のスイッチング手段のオンオフタイミングを制御することにより、前記中性点の平均電圧を、前記正負極の中間電圧に維持することを特徴とする車両用交流発電電動装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記第２の整流素子および前記第２のスイッチング手段と前記中性点との間にリアクタを挿入することを特徴とする車両用交流発電電動装置。
【請求項３】
星型結線がなされた三相巻線を有する電機子と、
前記電機子に対応する回転子と、
前記電機子に接続された第１の整流素子および第１のスイッチング手段からなる交直電力変換器と、
前記第１のスイッチング手段のオンオフタイミングを制御する制御装置と、
前記三相巻線の中性点に電流を入出力する電流入出力手段と、
を備え、前記電流入出力手段によって前記三相巻線の各相以外から前記中性点に対して電流の入出力を行うことにより、前記三相巻線の各相にほぼ大きさが同一の電流を同時に流す車両用交流発電電動装置において、
前記電流入出力手段は、前記交直電力変換器に接続された電源の正負極と前記中性点との間に接続されたコンデンサであり、
前記中性点の平均電圧を、前記正負極の中間電圧に維持することを特徴とする車両用交流発電電動装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記制御装置は、前記第１のスイッチング手段のオンオフタイミングを切り替えることにより、前記三相巻線に対する全波通電と半波通電を選択的に行うことを特徴とする車両用交流発電電動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車等に搭載されて発電動作および電動動作を行う車両用交流発電電動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、車両用発電機を電動機化して、発電動作のみならず始動機として用いたり、高速回転域で走行補助に用いたりする技術が提案されている。特に、このような発電動作と電動動作を行う車両用発電電動装置を用いて、エンジンや車両の起動を行う場合には、電動動作時に大きな起動トルクが得られるとともに、発電動作時に大きな発電出力が得られることが要求される。例えば、三相の電機子巻線に１２０°の導通角で二相通電を行って回転磁界を生成することにより、この電機子巻線に１８０°の導通角で三相通電を行う場合に比べて√３／１．５倍の駆動トルクを得る手法が従来から知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した二相通電を行う従来方式では、上述したように三相通電を行う場合に比べて約２０％駆動トルクを高めることができるが、最近の小型化、高出力化の要求は厳しいため、さらなる高出力化が求められている。特に、二相通電による高出力化を行った場合には、常時残りの一相が非通電状態にあるため、この相にも有効に通電を行うことによって高出力化を行う方法が望まれる。
【０００４】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、電動動作時の電動トルクを増すことができる車両用発電電動装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電電動装置は、星型結線がなされた三相巻線を有する電機子と、電機子に対応する回転子と、電機子に接続された第１の整流素子および第１のスイッチング手段からなる交直電力変換器と、スイッチング手段のオンオフタイミングを制御する制御装置と、三相巻線の中性点に電流を入出力する電流入出力手段とを備えており、電流入出力手段によって三相巻線の各相以外から中性点に対して電流の入出力を行うことにより、三相巻線の各相にほぼ大きさが同一の電流を同時に流している。従来の三相通電のように、一の相電流を他の２相に分岐して流すのではなく、中性点に電流を入出力することにより各相にほぼ大きさが同一の電流を同時に流しているため、これらの電流によって生じる起磁力を合成して得られる合成起磁力、すなわち電動動作時の電動トルクを増すことが可能になる。
【０００６】
また、上述した電流入出力手段は、交直電力変換器に接続された電源の正負極と中性点との間で並列接続された第２の整流素子および第２のスイッチング手段からなっており、制御装置によって第２のスイッチング手段のオンオフタイミングを制御することにより、中性点の平均電圧を、正負極の中間電圧に維持することが望ましい。このように、第２の整流素子と第２のスイッチング手段を用いて中性点の平均電圧を電源の正負極の中間電圧に維持することにより、電流入出力手段と中性点との間で一の相電流と同じ大きさの電流を入出力することが可能になり、これにより、三相巻線の各相にほぼ大きさが同一の電流を同時に流すことが可能になる。
【０００７】
また、上述した第２の整流素子および第２のスイッチング手段と中性点との間にリアクタを挿入することが望ましい。これにより、中性点の電圧を滑らかに平均電圧に保つことができるため、高調波の乱れトルクを低減することができる。また、上述した電流入出力手段は、交直電力変換器に接続された電源の正負極と中性点との間に接続されたコンデンサであり、中性点の平均電圧を、正負極の中間電圧に維持することが望ましい。コンデンサに対する充放電動作によって中性点の平均電圧を正負極の中間電圧に維持することにより、スイッチング手段を用いることなく三相巻線の各相にほぼ大きさが同一の電流を同時に流すことができるとともに、構成および制御の簡略化が可能になる。
【０００８】
また、上述した制御装置は、第１のスイッチング手段のオンオフタイミングを切り替えることにより、三相巻線に対する全波通電と半波通電を選択的に行うことが望ましい。これにより、例えば内部誘導起電力が小さい低速回転時に三相巻線に全波通電を行って大きな駆動トルクを確保し、内部誘導起電力が大きい高速回転時に三相巻線に半波通電を行って外部から見た誘導起電力を下げて大きな駆動トルクを確保することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電電動装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態の車両用交流発電電動装置の結線図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電電動装置１００は、電機子（図示せず）に含まれる多相巻線としての三相巻線１、回転子（図示せず）に含まれる界磁巻線２、交直電力変換器３、制御装置４を含んで構成されている。
【００１０】
三相巻線１は、界磁巻線２が設けられた回転子の１磁極分に相当する電気角１８０°ピッチで電機子鉄心（図示せず）に巻回されて各相巻線が星型結線されている。この三相巻線１の各相の３つの出力端と中性点Ｎとが交直電力変換器３に接続されている。
【００１１】
交直電力変換器３は、ソース・ドレイン間に整流素子としてのダイオード３１〜３８のそれぞれが並列接続された８個のスイッチング手段としてのトランジスタ４１〜４８からなっている。トランジスタ４１〜４８は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴが用いられており、それぞれのオンオフタイミングがゲートに入力される駆動信号によって制御される。この交直電力変換器３は、外部のバッテリ１０に接続されており、車両用交流発電電動装置１００が発電動作を行う場合には交直電力変換器３からバッテリ１０に向けて充電電流が供給され、反対に電動動作を行う場合にはバッテリ１０から交直電力変換器３に向けて電動動作に必要な駆動電流が供給される。
【００１２】
なお、交直電力変換器３を構成する８個のダイオード３１〜３８と８個のトランジスタ４１〜４８の中でダイオード３４、３８およびトランジスタ４４、４８が三相巻線１の中性点Ｎに対して電流を入出力する電流入出力手段として動作する。本実施形態では、この電流入出力手段を交直電力変換器３の一部に含ませたが、交直電力変換器３とは別に電流入出力手段を設けるようにしてもよい。
【００１３】
制御装置４は、界磁巻線２に対する界磁電流の供給を行うとともに、交直電力変換器３に含まれる８個のトランジスタ４１〜４８のそれぞれのオンオフタイミングを制御する。具体的には、制御装置４は、回転子の回転位置あるいは回転速度に基づいて、回転子のｑ軸に対して電機子電流が流れるように、中性点Ｎ以外に対応する６個のトランジスタ４１〜４３、４５〜４７のオンオフタイミングを制御する。また、制御装置４は、中性点Ｎに対応する２個のトランジスタ４４、４８のそれぞれが交互に同一の割合でオン状態になるように高速ＰＷＭ（パルス幅変調）制御を行っており、これにより中性点Ｎの電圧が、交直電力変換器３に接続された電源としてのバッテリ１０の正負極の中間電圧を維持するように、すなわちバッテリ電圧のほぼ１／２となるように制御される。
【００１４】
本実施形態の車両用交流発電電動装置１００はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。
上述したように、三相巻線１の各相巻線の出力端のみならず中性点Ｎも交直電力変換器３内のトランジスタ４４、４８に接続されており、本実施形態の車両用交流発電電動装置１００では、制御装置４によってこれらのトランジスタ４４、４８を制御して三相巻線１の各相に流す駆動電流を増加させている。
【００１５】
図２は、駆動電流制御の具体例を示す図である。例えば、制御装置４は、図２に示すように、三相巻線１のＸ相とバッテリ１０の正極端子との間に接続されたトランジスタ４１と、中性点Ｎとバッテリ１０の正極端子との間に接続されたトランジスタ４４と、三相巻線１のＹ相、Ｚ相とバッテリ１０の負極端子との間に接続されたトランジスタ４６、４７をオン状態に制御する。なお、図２では、各トランジスタをオン状態にして流れる電流を正規化して１で示している。
【００１６】
中性点Ｎに着目すると、三相巻線１の各相Ｘ、Ｙ、Ｚと中性点Ｎの電流の総和がゼロであればよいため、本実施形態では、トランジスタ４４、４８をオン状態に制御して中性点Ｎに各相Ｘ、Ｙ、Ｚ以外の経路で電流を入出力することで、各相に同一の大きさの電流を流している。
【００１７】
図３は、三相巻線１の各相Ｘ、Ｙ、Ｚと中性点Ｎのそれぞれに流れる電流の状態を示す図である。図３に示すように、三相巻線１の各相には電気角で１８０°の導通角で、互いに１２０°異なる電流ＩX、ＩY、ＩZが流れるとともに、中性点Ｎには１２０°の電気角を１周期とする電流ＩNが流れている。任意の時刻ｔ１において中性点Ｎに入出力される電流を見ると総和がゼロになっている。
【００１８】
このように、本実施形態の車両用交流発電電動装置１００では、三相巻線１の各相に同じ大きさの電流が流れるため、各相に同じ大きさの起磁力が発生し、これら全体を合成した合成起磁力を大きくすることができる。したがって、車両用交流発電電動装置１００の電動動作時の電動トルクを増すことが可能になる。
【００１９】
図４は、本実施形態の車両用交流発電電動装置１００を電動動作させたときの合成起磁力の説明図である。図２に示すように、三相巻線１の各相に同じ大きさの電流が流れて同じ大きさの起磁力ＦX、ＦY、ＦZが発生するため、これらの合成起磁力Ｆは、ＦXと同じ方向であって大きさがその２倍となる。これに対し、従来の三相通電を行った場合の合成起磁力は、図５に示すように、Ｘ相の起磁力ＦXの３／２倍であり、本実施形態の車両用交流発電電動装置１００の方が約３０％大きな起磁力が得られたことになる。また、従来の二相通電を行った場合の合成起磁力は、図６に示すように、Ｘ相の起磁力ＦXの√３倍であり、本実施形態の車両用交流発電電動装置１００の方が約１５％大きな起磁力が得られたことになる。
【００２０】
実際に、３ＫＷクラスの発電電動機を用いて試験した結果、二相通電した場合に約５０Ｎｍの起動トルクであったものが、本実施形態の通電制御を行うことにより約５８Ｎｍの起動トルクとなり、約１５％の増加が確認された。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、三相巻線１の中性点Ｎと交直電力変換器３との間を直接接続したが、これらの間にリアクタ（コイル）を挿入するようにしてもよい。
【００２１】
図７は、三相巻線の中性点Ｎと交直電力変換器との間にリアクタを挿入した車両用交流発電電動装置の変形例を示す図である。図７に示す車両用交流発電電動装置１００Ａでは、三相巻線１の中性点Ｎと交直電力変換器３との間にリアクタ５が接続されている。このようなリアクタ５を用いる場合には、リアクタ５が交流抵抗となって高速回転域での中性点電流が減少し、三相巻線１の各相の最大値維持の制御が難しくなるため若干出力が低下するが、中性点Ｎの電圧を滑らかに平均的電圧に保つことができ、高調波の乱れトルクの低減が可能になる。
【００２２】
また、上述した実施形態では、交直電力変換器３内に８個のダイオード３１〜３８と８個のトランジスタ４１〜４８を備えたが、中性点Ｎに対応するダイオードとトランジスタを省略して構成の簡略化を図るようにしてもよい。
図８は、交直電力変換器の構成を簡略化した車両用交流発電電動装置の変形例を示す図である。図８に示す車両用交流発電電動装置１００Ｂに含まれる交直電力変換器３Ａでは三相巻線１の中性点Ｎに対応するダイオードやトランジスタが省略されており、代わりに中性点Ｎとバッテリ１０の正極端子および負極端子との間に電流入出力手段としてのコンデンサ６１、６２が接続されている。なお、図８では、これらのコンデンサ６１、６２を交直電力変換器３Ａとは別に備えるように図示したが、交直電力変換器３Ａに含ませるようにしてもよい。
【００２３】
これにより、コンデンサ６１、６２による充放電動作によって中性点Ｎの平均電圧がバッテリ電圧のほぼ１／２になるようにすることで中性点Ｎに電流を流すことが可能になり、三相巻線１の各相に同じ大きさの電流を流すことができるため、車両用交流発電電動装置１００Ｂを電動動作させたときの電動トルクを増すことが可能になる。また、中性点Ｎに対応するトランジスタのオンオフ制御が不要になるため、従来構成の車両用交流発電電動装置で用いられている交直電力変換器と同じ制御によって図８に示す交直電力変換器の制御を行うことが可能になり、制御装置４の設計が容易になる。
【００２４】
また、上述した実施形態では、制御装置４によって交直電力変換器３内の各トランジスタ４１〜４８のオンオフタイミングを制御して三相巻線１に全波通電を行うようにしたが、このオンオフタイミングの制御内容を適宜変更して、三相巻線１に対する全波通電と半波通電を選択的に行うようにしてもよい。これにより、例えば、内部誘導起電力が小さい低速回転時に三相巻線１に全波通電を行って大きな駆動トルクを確保するとともに、内部誘導起電力が大きい高速回転時に三相巻線１に半波通電を行って外部から見た誘導起電力を下げて大きな駆動トルクを確保することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の車両用交流発電電動装置の結線図である。
【図２】駆動電流制御の具体例を示す図である。
【図３】三相巻線の各相Ｘ、Ｙ、Ｚと中性点Ｎのそれぞれに流れる電流の状態を示す図である。
【図４】本実施形態の車両用交流発電電動装置を電動動作させたときの合成起磁力の説明図である。
【図５】従来の三相通電を行った場合の合成起磁力の説明図である。
【図６】従来の二相通電を行った場合の合成起磁力の説明図である。
【図７】三相巻線の中性点と交直電力変換器との間にリアクタを挿入した車両用交流発電電動装置の変形例を示す図である。
【図８】交直電力変換器の構成を簡略化した車両用交流発電電動装置の変形例を示す図である。
【符号の説明】
１  三相巻線
２  界磁巻線
３、３Ａ  交直電力変換器
４  制御装置
５  リアクタ
１０  バッテリ
３１〜３８  ダイオード
４１〜４８  トランジスタ
６１、６２  コンデンサ
１００、１００Ａ、１００Ｂ  車両用交流発電電動装置
【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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