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JP2003284378A - 車両用交流発電電動装置 - Google Patents

車両用交流発電電動装置

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Publication number
JP2003284378A
JP2003284378A JP2002077473A JP2002077473A JP2003284378A JP 2003284378 A JP2003284378 A JP 2003284378A JP 2002077473 A JP2002077473 A JP 2002077473A JP 2002077473 A JP2002077473 A JP 2002077473A JP 2003284378 A JP2003284378 A JP 2003284378A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
phase
generator
winding
armature
phase winding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2002077473A
Other languages
English (en)
Inventor
Arata Kusase
草瀬　　新
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Denso Corp
Original Assignee
Denso Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Denso Corp filed Critical Denso Corp
Priority to JP2002077473A priority Critical patent/JP2003284378A/ja
Priority to US10/384,580 priority patent/US20030178955A1/en
Publication of JP2003284378A publication Critical patent/JP2003284378A/ja
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00—Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14—Electronic commutators
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    • H02P6/18—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements
    • H02P6/182—Circuit arrangements for detecting position without separate position detecting elements using back-emf in windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
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  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 大幅なコスト高を招くことなく、電動動作に
おける起動特性と発電動作における発電特性を改善する
ことができる車両用交流発電電動装置を提供する。 【解決手段】 車両用交流発電電動装置１は、界磁磁極
を有する回転子２０と、電機子鉄心のスロットに装備さ
れた三相巻線１６を有する電機子１０と、電機子１０に
接続された交直電力変換器３０と備え、発電動作時には
三相巻線１６の誘起電圧を交直電力変換器３０で整流し
て出力するとともに、電動動作時には外部から交直電力
変換器３０に印加された直流電圧を交流電圧に変換して
三相巻線１６に印加する。ベクトル制御ゲートコントロ
ーラ４０による制御によって、電動動作における起動時
を含む低速回転域において三相巻線１６に対して二相通
電が行われ、発電動作時に三相巻線１６に対して三相通
電が行われる。

Description

【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交流
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。しかし、これらの相反する要求を満たすこと
は難しい。すなわち、起動トルクを大きくするには電機
子巻線の巻数を多くして総電流量を多くする手法が有効
であるが、このようにすると発電動作の高回転時に電機
子巻線の巻線リアクタンスが大きくなって発電出力が低
下してしまう。一方、発電特性を重視して高速回転域で
の発電出力を向上させるために電機子巻線の巻数を少な
くすると、電動動作時の起動トルクが不足する事態が生
じる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】これらの相反する要求
を満たすために、例えば電動動作時と発電動作時とで電
機子巻線の巻数を切り替えることや、電動動作における
起動時に大電流を流す大容量スイッチング素子を用いる
などのいくつかの手法が考えられるが、いずれも大幅な
コスト高となるため最良の解決策とはいえない。そこ
で、大幅なコスト高を招くことなく、電動動作における
起動特性と発電動作における発電特性とをともに改善す
る手法が望まれている。
【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、大幅なコスト高を招くこと
なく、電動動作における起動特性と発電動作における発
電特性を改善することができる車両用交流発電電動装置
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、界磁磁極
を有する回転子と、回転子と対向配置された電機子鉄心
のスロットに装備された三相巻線を有する電機子と、電
機子に接続された整流器およびスイッチング手段からな
る交直電力変換器とを有している。この車両用交流発電
電動装置は、発電動作時には三相巻線に誘起された交流
電圧を交直電力変換器で直流電圧に変換して出力してお
り、しかもこのとき三相巻線に対して三相通電が行われ
る。また、この車両用交流発電電動装置は、電動動作時
には外部から交直電力変換器に印加された直流電圧を交
流電圧に変換して三相巻線に印加しており、しかも起動
時を含む低速回転域において三相巻線に対して二相通電
が行われる。
【０００６】電動動作における起動時と発電時のそれぞ
れについて電機子電流の流し方を変えることにより、界
磁磁極からみたときの電機子の起磁力の作用を変えるこ
とができる。すなわち、三相巻線の各相をＸ、Ｙ、Ｚと
し、例えばＺ相に通電を行わずにＸ相とＹ相のみに通電
を行う場合の合成起磁力ベクトルの大きさは、各相の作
る起磁力ベクトルの大きさの√３倍になる。また、全相
に通電を行うものとすると、全相の作る合成起磁力ベク
トルの大きさは、各相の作る起磁力ベクトルの大きさの
３／２倍となる。このように、三相巻線に含まれる任意
の二相のみに通電を行うことにより、全相に通電を行う
場合に比べて１．１５（＝√３／（３／２））倍の起磁
力を得ることが可能になる。
【０００７】このような着想に基づいて具体的な通電方
法を検討した結果、電動動作における起動時に三相巻線
に二相通電を行うとともに発電動作時に三相巻線に三相
通電を行うことにより、高速回転域での発電出力が向上
するように三相巻線の巻数を設定した場合であっても電
動動作における起動時に十分な駆動トルクを得ることが
できるようになり、大幅なコスト高を招くことなく電動
動作における起動特性と発電動作における発電特性を改
善することが可能になる。
【０００８】また、上述した界磁磁極の１極に対応する
電機子の１相あたりのスロットの数を複数に設定するこ
とが望ましい。これにより、電機子鉄心の各スロット間
に形成されて回転子に対向する歯に誘導される起磁力が
小さくなり、これに伴って三相巻線の１相分のインダク
タンスも低減されるため、電動動作の起動時における導
通角が３相導通の場合の１８０°に対して１２０°と狭
いながらも三相巻線に対して駆動電流を急峻に矩形波状
に流すことができる。したがって、電流実効値が大きく
なって界磁磁極に作用する電機子の起磁力を大きくする
ことができ、起動時の駆動トルクをさらに大きくするこ
とができる。一方、発電時においても、三相巻線の巻線
インダクタンスが小さく、すなわち三相巻線の内部リア
クタンス降下が小さくなるため、出力電流を増加させる
ことができる。したがって、電機子の１相当たりのスロ
ット数を１から複数に変更することにより、電動動作時
の起動トルクの増加とともに、発電動作時の出力向上を
達成することができる。
【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
発電電動装置の主要部の断面構造の展開図である。ま
た、図２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。
【００１０】図１および図２に示すように、本実施形態
の車両用交流発電電動装置１は、電機子鉄心１２に設け
られた複数のスロット１４に巻装された多相巻線として
の三相巻線１６を有する電機子１０と、Ｎ極とＳ極が合
計で１６極の塊状のランデル型の界磁磁極２２と界磁巻
線２４を有する回転子２０とを備えており、図示しない
フレームに、回転子２０が回転可能な状態で、電機子１
０が回転子２０の外周に所定の隙間を介した状態で支持
されている。
【００１１】上述した三相巻線１６は、Ｘ1巻線および
Ｘ2巻線からなるＸ相巻線と、Ｙ1巻線およびＹ2巻線か
らなるＹ相巻線と、Ｚ1巻線およびＺ2巻線からなるＺ相
巻線とによって形成されている。図１に示すように、Ｘ
相巻線を構成するＸ1巻線とＸ2巻線は、固定子鉄心１２
の隣接する２つのスロット１４に収容されている。Ｙ相
巻線およびＺ相巻線を構成する各巻線についても同様で
ある。すなわち、本実施形態では、界磁磁極２２の１極
に対応する三相巻線１６の１相あたりのスロット１４の
数が２に設定されている。
【００１２】なお、図１に示した三相巻線１６に対応す
る上向き矢印（↑）と下向き矢印（↓）は巻線の向きを
示している。例えば、各相巻線に同位相の電流を流した
ときに、これらの矢印で示された方向に、各相巻線に電
流が流れる。また、車両用交流発電電動装置１は、６個
のダイオード３２ａ〜３２ｆと６個のスイッチング手段
としてのトランジスタ３４ａ〜３４ｆとを組み合わせて
構成される交直電力変換器３０と、交直電力変換器３０
に含まれるそれぞれのトランジスタ３４ａ〜３４ｆのオ
ンオフタイミングを制御するベクトル制御ゲートコント
ローラ４０とを備えている。交直電力変換器３０におい
て、トランジスタ３４ａ〜３４ｆは、例えばパワーＭＯ
ＳＦＥＴが用いられており、それぞれのゲートにベクト
ル制御ゲートコントローラ４０が接続されている。ま
た、交直電力変換器３０には、例えば３６Ｖの蓄電装置
としてのバッテリ９０が接続されている。
【００１３】ベクトル制御ゲートコントローラ４０は、
車両用交流発電電動装置１を電動機として動作させる場
合であってエンジン起動時を含む低速回転時には、界磁
磁極２２のｄ軸に対応する位置に配置された三相巻線１
６内の二相のみに電流を流すように、回転子２０の位置
（界磁磁極２２の回転角）を検出しながら、各トランジ
スタ３４ａ〜３４ｆのオンオフ状態を制御して二相通電
を行う。回転子２０の位置検出は、例えば、電機子鉄心
１２の内周部近傍に設けられたホール素子の出力に基づ
いて行うことが可能であるが、それ以外の方法を用いる
ようにしてもよい。
【００１４】図３は、電動動作時の各トランジスタ３４
ａ〜３４ｆの導通状態を示す図である。図３において、
Ａ〜Ｆのそれぞれは、ベクトル制御ゲートコントローラ
４０によって印加されるトランジスタ３４ａ〜３４ｆの
それぞれのゲート電圧を示している。図３に示すよう
に、任意のタイミングで６個のトランジスタ３４ａ〜３
４ｆの中の２個のみがオン状態になるように制御されて
おり、三相巻線１６内の二相のみに電流を流す二相通電
が行われる。
【００１５】本実施形態の車両用交流発電電動装置で
は、界磁磁極２２の１極に対応する電機子１０の１相あ
たりのスロット１４の数を２に設定しているため、電機
子鉄心１２の各スロット１４間に形成されて回転子２０
に対向する歯１８に誘導される起磁力が小さくなり、こ
れに伴って三相巻線１６の１相分のインダクタンスも低
減されるため、電動動作時における導通角が三相導通の
場合の１８０°に対して１２０°と狭いながらも三相巻
線１６に対して駆動電流を急峻に矩形波状に流すことが
できる。したがって、電流実効値が大きくなって界磁磁
極２２に作用する電機子１０の起磁力を大きくすること
ができ、起動時の駆動トルクをさらに大きくすることが
できる。
【００１６】また、ベクトル制御ゲートコントローラ４
０は、車両用交流発電電動装置１を発電機として動作さ
せる場合には、三相巻線１６内の三相に電流を流すよう
に、回転子２０の位置を検出しながら、各トランジスタ
３４ａ〜３４ｆのオンオフ状態を制御する。このときの
回転子２０の位置検出は、電動動作時と同様に電機子鉄
心１２の内周部近傍に設けられたホール素子の出力に基
づいて行うことが可能であるが、それ以外の方法を用い
るようにしてもよい。
【００１７】図４は、発電動作時の各トランジスタ３４
ａ〜３４ｆの導通状態を示す図である。図４に示すよう
に、任意のタイミングで常に６個のトランジスタ３４ａ
〜３４ｆの中の３個がオン状態になるように制御されて
おり、三相巻線１６内の三相に電流を流す三相通電が行
われる。
【００１８】図５は、発電動作時の各トランジスタ３４
ａ〜３４ｆに流れる電流を示す図である。図５におい
て、Ｉａ〜Ｉｆのそれぞれは、トランジスタ３４ａ〜３
４ｆのそれぞれに流れる電流を示している。なお、これ
らの電流には、トランジスタ３４ａ〜３４ｆのそれぞれ
に対応して並列接続されたダイオード３２ａ〜３２ｆに
流れる電流も含まれている。
【００１９】ダイオードのみによって構成される通常の
整流装置では、図５に示したような１８０°の範囲にわ
たって電流が流れるのではなく、図６に自然転流を行う
ダイオードに流れる電流を示すように、これよりも狭い
１８０°未満の範囲で実際の通電が行われる。ところ
が、本実施形態では、図４に示した導通制御を行うトラ
ンジスタ３４ａ〜３４ｆを用いて各トランジスタの導通
状態を制御しており、確実に１８０°の範囲で車両用交
流発電電動装置の出力電流を取り出すことができる。
【００２０】上述した回転子２０は、エンジン（図示せ
ず）に対して例えばプーリ比３でベルト連結されてい
る。したがって、車両用交流発電電動装置１を発電機と
して動作させる場合には、エンジンの回転数の３倍の回
転数に増速されて回転子２０が回転駆動される。また、
車両用交流発電電動装置１を電動機として動作させる場
合には、回転子２０の回転数の１／３の回転数でエンジ
ンが回転駆動される。
【００２１】また、電機子１０に装備された三相巻線１
６は、一相１スロット当たり４本の導体が収納され、一
相当たり全極全周での直列導体数が１２８本に設定され
ている。これにより、車両用交流発電電動装置１の発電
動作時の立ち上がり回転数が例えば約１３００ｒｐｍに
設定され、この回転数を超えると交直電力変換器３０の
出力電圧（誘導起電圧）がバッテリ電圧を超えるように
なっている。
【００２２】このように、本実施形態の車両用交流発電
電動装置では、電動動作における起動時と発電動作時の
それぞれについて電機子電流の流し方を変えることによ
り、界磁磁極２２からみたときの電機子１０の起磁力の
作用を変えることができる。すなわち、三相巻線１６内
の二相のみに通電を行う場合の合成起磁力ベクトルの大
きさは、各相の作る起磁力ベクトルの大きさの√３倍に
なる。一方、三相全部に通電を行うものとすると、全相
の作る合成起磁力ベクトルの大きさは、各相の作る起磁
力ベクトルの大きさの３／２倍となる。このように、三
相巻線１６に含まれる任意の二相のみに通電を行うこと
により、全相に通電を行う場合に比べて１．１５（＝√
３／（３／２））倍の起磁力を得ることが可能になる。
すなわち、電動動作における起動時に三相巻線１６に二
相通電を行うとともに発電動作時に三相巻線１６に三相
通電を行うことにより、高速回転域での発電出力が向上
するように三相巻線１６を設定した場合であっても電動
動作における起動時に十分な駆動トルクを得ることがで
きるようになり、大幅なコスト高を招くことなく電動動
作における起動特性と発電動作における発電特性を改善
することが可能になる。
【００２３】図７は、出力が１５０Ａクラスの車両用交
流発電電動装置を試作した結果を示す図である。図７に
示すように、実際に試作した１５０Ａクラスの車両用交
流発電電動装置を用いて、電動動作時の電動トルクＡ１
を測定したところ、従来の三相通電を行った電動動作時
の電動トルクＢ１に対して、起動時において約２０％の
改善がみられた。また、この車両用交流発電電動装置を
用いて、発電動作時の出力電流Ａ２を測定したところ、
従来のダイオードによって構成される整流装置を用いた
場合の出力電流Ｂ２に対して、５０００ｒｐｍにおいて
約２０％の改善がみられた。
【００２４】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、
界磁磁極２２の１極に対応する電機子１０の１相あたり
のスロット１４の数を２に設定しているが、電機子１０
の１相当たりのスロット１４の数を１に設定した場合で
あっても、電動動作時における二相通電と発電動作時に
おける三相通電とを組み合わせた制御を行うことによ
り、上述した実施形態の車両用交流発電電動装置と同じ
効果を得ることができる。また、電機子１０の１相当た
りのスロット１４の数を３以上に設定することにより、
三相巻線１６の１相分のインダクタンスを低減すること
が可能になる。
【００２５】また、上述した実施形態では、電動動作に
おける起動時に二相通電を行うようにしたが、起動時の
低速回転域を超える高速回転時に三相通電を行うことに
より印加電圧基本波成分を高めて等価的に内部電圧を抑
制して電動トルクを高めるようにしてもよい。
【００２６】また、上述した実施形態では、発電動作時
に各トランジスタ３４ａ〜３４ｆのゲートに１８０°通
電を行うようにしたが、発電動作時の最も簡単な制御方
法としては、全てのトランジスタ３４ａ〜３４ｆをオフ
状態にして、自然転流によって導通するダイオード３２
ａ〜３２ｆによって出力電流を取り出すようにしてもよ
い。上述したように、この場合には出力電流が流れる導
通範囲が１８０°未満になって発電効率が下がるが、電
動動作における起動時の電動トルクを増すことができる
効果に変わりはない。また、電動トルクが増した分、三
相巻線１６の巻数を若干減らして発電動作時の出力向上
を図り、これにより電動動作時の電動トルクの改善と発
電動作時の出力特定の改善を両立させることができる。
【００２７】また、上述した実施形態では、多相巻線と
しての三相巻線１６を用いているが、３相以外の相巻線
で構成される多相巻線を用いるようにしてもよい。ま
た、回転子２０の界磁磁極２２の磁極数についても、Ｎ
Ｓ合計で１６極以外の数に設定するようにしてもよい。
【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主要部
の断面構造の展開図である。
【図２】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３】電動動作時の各トランジスタの導通状態を示す
図である。
【図４】発電動作時の各トランジスタの導通状態を示す
図である。
【図５】発電動作時の各トランジスタに流れる電流を示
す図である。
【図６】自然転流を行うダイオードに流れる電流を示す
図である。
【図７】本実施形態の車両用交流発電電動装置を試作し
た結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 車両用交流発電電動装置 １０ 電機子 １２ 電機子鉄心 １４ スロット １６ 三相巻線 ２０ 回転子 ２２ 界磁磁極 ２４ 界磁巻線 ３０ 交直電力変換器 ３２ａ〜３２ｆ ダイオード ３４ａ〜３４ｆ ＦＥＴ ４０ ベクトル制御ゲートコントローラ ９０ バッテリ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H560 AA08 BB04 BB16 DA02 EB01 EC09 HA02 HB02 RR10 SS02 UA05 XA13 5H590 AA03 CA23 CC01 CC24 CD03 CE05 FA08 FB07 FC14 GA04 5H603 AA01 BB10 BB12 CA05 CB02 CC03 CD28

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 界磁磁極を有する回転子と、前記回転子
    と対向配置された電機子鉄心のスロットに装備された三
    相巻線を有する電機子と、前記電機子に接続された整流
    器およびスイッチング手段からなる交直電力変換器とを
    有し、発電動作時には前記三相巻線に誘起された交流電
    圧を前記交直電力変換器で直流電圧に変換して出力する
    とともに、電動動作時には外部から前記交直電力変換器
    に印加された直流電圧を交流電圧に変換して前記三相巻
    線に印加する車両用交流発電電動装置において、 電動動作における起動時を含む低速回転域において前記
    三相巻線に対して二相通電を行うとともに、発電動作時
    に前記三相巻線に対して三相通電を行うことを特徴とす
    る車両用交流発電電動装置。
  2. 【請求項２】 請求項１において、 前記界磁磁極の１極に対応する前記電機子の１相あたり
    の前記スロットの数を複数に設定することを特徴とする
    車両用交流発電電動装置。
JP2002077473A 2002-03-20 2002-03-20 車両用交流発電電動装置 Pending JP2003284378A (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2002077473A JP2003284378A (ja) 2002-03-20 2002-03-20 車両用交流発電電動装置
US10/384,580 US20030178955A1 (en) 2002-03-20 2003-03-11 Alternating current dynamotor for vehicle

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