JP4557165B2 - 同期発電機の発電トルクの計算方法 - Google Patents

Description

本発明は同期発電機、特に車両用ランデル型発電機の発電トルクの計算方法に関する。

近年、燃費の改善を目的として、ガソリンの噴射量は低減されており、エンジン回転は決め細やかな制御で安定を保っている。その一方で安全や快適のための電力は年々増加してきており、エンジンに連結される発電機は大型化してきている。このため、発電機のトルクによってエンジン回転が不安定となる不具合が発生してきている。例えば大きな電気負荷がＯＮされて、急に発電をした場合などにエンジンの回転数が低下してしまい、エンジンストップを発生させてしまう例などである。

これに対し、車両内の通信を活用して電気負荷を統合的に管理し、発電トルクも予見しておくことでエンジンのガソリン噴射量を制御してエンジン回転を安定化させようという開発が進められている。

しかし、従来は発電量（＝発電電流）が予見できても、その際の発電トルクは正確に計算することが出来なかった。発電トルクは、消費するエネルギーに相当する回転力となるが、この場合、消費するエネルギーは発電電力と熱で放散される損失量との和となる。例えば、同じ出力電流であっても、周囲温度によってコイル抵抗値が異なれば、発熱量は変わってしまう。このように発電機の状態、仕様環境によって異なる損失量の和を正確に求めなければ、発電トルクとして計算することはできない。

また、損失量は銅損、整流損、励磁損、鉄損、機械損として分離されるが、特に鉄心内で消費される鉄損は、ヒステリシス損と渦電流損が混合して発生するため、計算式が複雑で同定することが難しく、計算の精度は悪かった。また計算時間も多大となってしまい、車両のコンピュータではそのような演算は不可能であると考えられていた。

このため、予め発電機が使用される環境を想定し、考えられる全ての組み合わせを網羅したマップを用意し、温度等のパラメータを実測し、マップからトルクを探し出す方式が取られている。しかし、この方式では、その状態に合わせて多次元のトルクデータを準備しなければならず、多大な測定が必要であること、またデータ量も多大となり、検索に多大な時間がかかりＥＣＵで処理しきれなくなってしまう問題があった。また、パラメータの入力値を測定するためのセンサも多大となり、コストアップもしてしまう。しかし、データ量、入力量を抑えると十分な精度が得られないなどの問題があった。

本案は上記問題点に鑑み、各損失を簡略化して式を導出し、それによる計算を行うことで、多次元のマップ等を作成するための手間を省き、最小限の入力値で低コストの構成で済みまた小規模のＥＣＵレベルで計算可能で、かつエンジン制御に必要な精度を得るトルクの計算の仕方を提供するものである。

上記課題を解決するために、請求項１では、ランデル型同期発電機において、発電出力電流と回転数のみを入力として、この２つから電力量、損失量を計算し、電力量と損失量の総和より発電トルクを計算し、結果として出力することを特徴としている。

本方式では、計算入力を出力電流と回転数のみとするように立式し、最小の入力として計算時間を短縮している。したがって、従来多くの入力を要し、かつ計算が複雑であったためエンジンの制御に不適であったが、エンジン制御に採用できるようになった。また、入力を得るセンサ等も最小で済み低コストとなる効果もある。

請求項２では、前記トルクの計算方法は、整流素子ドロップ電圧Ｖｄｉ、バッテリ充電電圧Ｖ_DC直流・交流変換率ｋを規定値として予め定めておくことを特徴としている。

上記の各変数を規定値として定めているため、新たに取り込む必要がなく正確に損失を計算することが出来る。また、製品が変わってもこれらは変更する必要がないため、計算手段のプログラム修正の労力がかからず簡素化できる。

請求項３では、前記トルクの計算方法は、

ことを特徴としている。上記の各変数を予め製品に対応して定めているため、新たに取り込む必要がなく短時間で正確に損失を計算することが出来る。

請求項４では、前記損失量は、銅損、整流損、励磁損、鉄損、機械損の総和として計算し、銅損、励磁損は出力電流の２乗値を使用した演算、整流損、鉄損は１乗値を使用した演算とすることを特徴としている。上記により各損失の計算が出力電流の簡易な関数として演算できるので、計算が簡素化でき、小規模なＥＣＵの塔載でエンジンの制御が可能となる。また、各部損失を個別に計算しているため、トルクの計算精度が向上できる。また製品仕様が変更されても容易に計算変更が可能である効果もある。

請求項５では、前記損失量は、銅損、整流損、励磁損、鉄損、機械損の総和として計算し、鉄損は回転数Ｎの１乗比例と２乗比例の和として計算することを特徴としている。
回転数の値を使用し、簡易な計算式としているので計算が簡素化でき、小規模なＥＣＵの塔載でエンジンの制御が可能となる。

請求項６では、前記損失量は、銅損、整流損、励磁損、鉄損、機械損の総和として計算し、鉄損は回転数Ｎの１乗比例として計算することを特徴としている。回転数の値を使用し、更に簡易な計算式としているので計算が簡素化でき、小規模なＥＣＵの塔載でエンジンの制御が可能となる。

請求項７では、前記銅損は、出力電流、回転数の情報よりステータ温度を推測し、該ステータ温度により抵抗値を変更して計算することを特徴としている。出力電流及び回転数の情報のみよりステータ温度を推測しているため、温度センサ等が不要であり、安価であるとともにデータの入出力処理も不要であるため、小規模なＥＣＵの塔載でエンジンの制御が可能となる。また、温度を考慮した銅損の計算をしているため、正確な損失量ひいてはトルク値を計算できる。

請求項８では、前記整流損は、出力電流に２倍の素子ドロップを乗じた値であることを特徴としている。出力電流値のみで計算できるため計算が簡素化できる。

請求項９では、前記励磁損は出力電流の２乗に比例し、

ことを特徴としている。入力された出力電流の２乗値と予め設定された最大励磁電流の情報のみで計算されるため、計算が簡素化できる。

請求項１０では、前記損失量は、銅損、整流損、励磁損、鉄損、機械損の総和として計算し、機械損は回転数Ｎの１乗比例と２乗比例の和として計算することを特徴としている。
回転数の値を使用し、簡易な計算式としているので計算が簡素化でき、小規模なＥＣＵの塔載でエンジンの制御が可能となる。

請求項１１では、前記損失量は、銅損、整流損、励磁損、鉄損、機械損の総和として計算し、機械損は回転数Ｎの１乗比例で計算することを特徴としている。
回転数の値を使用し、簡易な計算式としているので計算がより簡素化でき、小規模なＥＣＵの塔載でエンジンの制御が可能となる。

本案は発電機の回転数Ｎ及び発電電流Ｉ_Bの入力のみで、発電トルクを計算する方法を見出した。
いかにその手順を示す。

まず第一に、ロータの励磁電流を演算する。ロータの励磁電流は、概略出力電流Ｉ_Bに比例する。

比例関係から下式で演算できる。

続いて交流変換する。

なる関係式で示され、波形の歪等により若干ずれる場合もあるが、ｋ＝１．３５が理論値となる。

以下に順次各損失を計算していく。損失としては最終的に総和を求めるため、損失の計算順序は影響しない。
ａ．銅損
上記のステータ交流電流実効値を使用した場合、各相での発熱の総和となり下記式で示される。

ステータ抵抗は温度により変化するため、出力電流の大きさに応じて温度を予測する必要がある。今回の計算では各回転数毎に下記式で予測値とした。

上式は一般的な車両用発電機の実績から最大出力時に温度上昇１４０ｄｅｇと仮定し、出力電流の２乗比を温度上昇比と仮定したものである。即ち出力二乗比が発熱比と仮定し、またそれが単純に温度上昇比となると仮定したものである。

この温度推定により抵抗値は、下式として推定が可能である。

ρは各金属の温度による個別の値であり、本実施例では銅としての係数 ρ＝２３４．５を使用した。
（６）式を（７）式に代入し、係数を新たにまとめると

これを（５）式に代入し、（１）〜（７）式をまとめることにより

更に再度変数でまとめることにより

ｂ．整流損
直流化される出力電流はアース側とＢ側で必ず２度ダイオードを通り、その電流の

下式のように演算することができる。

ｃ．励磁損失
励磁電流が求められているため、これと電圧の積が励磁損となる。励磁電流が小の時は励磁電圧も小であるので結局、下記式で仮定した。

ｄ．機械損失
機械損失は発電周波数Ｎのみで近似できるため、２次までの多項式として
下記で求めた。ここで２次項はトルク計算値の精度必要度にあわせ、＝０とすることも可能である。

ｅ．鉄損
過去の実験データより、ランデル型の同期発電機では鉄損が出力電流値に比例することが予測されていた。これは出力電流による反作用磁束によって合成磁束が歪むためと予測され、ランデル型の回転子鉄心が一般に非積層で作ら渦電流が発生しやすいためと予想される。

周波数の１乗、２乗の関数になると予想された。
以上より下式を選択した。

実験値からの回帰曲線よりα、βを決定した。

本実施例ではα＝６３ 、β＝３ として設定した。
これに基づき演算を実施している。ここで鉄損に関しては従来と比較しておく。

従来は、一般に鉄損の計算式は下記で示されていた。

さらに同式でステータコア背厚の部分とティース部分とで係数を変更して計算するのが 一般的である。

磁束密度Ｂは回転数、電圧、出力電流値によって異なる。
具体的には、ドロップ分を含めた内部電圧式が下記で示される。

この内部電圧を磁束量に変換することにより

上記磁束量を磁路断面Ｓで割ったものが磁束密度となる。

上記磁束密度Ｂを（１５）式に代入することで鉄損として求めていた。

以上の計算のように数多くのステップを踏んでの計算が必要で、かつ、複雑な式であった。また、その計算精度も悪く、結果として求められる発電トルクは大きく異なっていた。

（発明の実施の形態）
図１に示される車両用交流発電機は、ベルト等によりエンジンに駆動されている。該発電機の出力は直流に変換された後、バッテリ及び車両の電気負荷に電力供給する。発電機は通常電気負荷が接続されるバッテリ電圧を検出して、その電圧が適正な値となるように電力制御されている。エンジンは必要に応じ、オルタネータの発電トルク情報をトルク演算手段から得て、発電トルク情報を加味してガソリン噴射量を決定し、エンジンの回転安定化を図っている。

続いて、トルク演算の仕方について説明する。車両のキースイッチが入ったことをレギュレータのＩＧ端子が検出する。これからトルクの演算プログラムが進行する。
第１図に示すように、計算手段は発電機より、出力電流値Ｉ_Bと、回転数Ｎを発電機より得る。回転数は直接回転センサで取り込んでいる。

演算手段はこの情報のみよりトルクを演算しアウトプットとして出力する。

第２図に示すフローチャートはトルク演算の流れを示すものである。出力電流と回転数を取り込み、この情報より出力（Ｗ）と損失（Ｗ）を計算し、その計である必要駆動パワー（Ｗ）を演算する。回転数が入力されているのでこの値と駆動パワーより、トルクを計算することが出来、その結果を出力する。

以下、第２図を使用して損失量を計算する詳細を説明する。

まず、計算指令信号を受けて発電とともに本計算のフローがスタートする。電流センサよりＩｂが、回転センサより回転数Ｎが得られる。尚、回転数は例えば発電機の交流電圧を検出してその周期から演算しても良い。

ステップ１０２では回転数Ｎ値より、それに対応する製品情報の

近似式より得られる。これはマップより得られるものであっても良い。また

製品情報として予め設定されている。

まずステップ１０３で、ロータの励磁電流が演算される。

（１２）式より

で、得られる。

次のステップ１０４で

を演算する。

続いてステップ１０５で交流変換する。

ステップ１０６でさきに示した（１９）式で銅損を計算する。

続いてステップ１０７で（１７）式に基づき整流損を計算する。

ステップ１０８で．励磁損失を計算する。

ステップ１０９で．機械損を計算する。

ステップ１１０で（１９）式に基づき鉄損を計算する。

ステップ１１１で出力電力を求める。

ステップ１１２で必要インプット分（Ｗ）を

総和として求める。

ステップ１１３で、発電トルクに変換する。

ステップ１１４で計算結果を出力する。

その後１１５で計算指令が来るまで待機し、指令がくれば再度上記を繰り返す。

（発明の効果）
表１は本方式の発電の実測値と計算による誤差を示したものである。

従来のランデル型同期機に対する計算の仕方では、トルクの計算値が１０〜２０％の計算誤差が発生していたため、エンジンの制御性を改善するトルクの予測値としては不十分であった。しかし、ランデル型同期機に対してあらたな計算式を導入した本方式の計算の仕方をすることにより、より高い計算精度が得られ、制御性を大幅に改善することが可能となる。また、計算式が簡素化されているため、計算時間も大幅に短縮されている。

特に、回転数と発電電流のみで演算が可能であることから、センサ類が大幅に削減でき低コスト化が図れる。当然、データのＥＣＵ取り込みに対する処理時間も削減されるため、ソフトウエアが簡素化されるとともに、それに伴うメモリ等の回路規模も削減できる。

また、マップ方式と比較すれば、蓄積するデータ量、検索するデータ量は格段に低減させることが出来、計算手段を大幅に簡素化できる効果もある。

（その他の実施例）
第一実施例に対し、鉄損を

として計算した。第一実施例に対し、周波数の一次成分が支配的であるため２乗成分を無視した。同様に機械損も２乗成分を無視している。計算精度は若干低下するが、エンジンによっては許容できる。この場合、計算は更に簡素化されるため、計算手段の低コスト化が図れる。

車両用交流発電機の構成図である。 トルク演算の流れを示すフローチャートである。 第一実施例のトルク実験値と計算結果との比較である。 第二実施例のトルク実験値と計算結果との比較である。

Claims (11)

1. 交流を直流に変換してバッテリに充電および電気負荷に電力供給するランデル型 同期発電機において、発電出力電流Ｉ_Bと回転数Ｎのみを入力として、この２つから電力量、損失量を計算し、電力量と損失量の総和より発電トルクを計算結果として出力することを特徴とする発電トルク計算方法。
2. 前記トルクの計算方法は、整流素子ドロップ電圧Ｖｄｉ、バッテリ充電電圧Ｖ_DC
   直流・交流変換率ｋを規定値として予め定めておくことを特徴とする第１項に記載の発電トルクの計算方法。
3. 前記トルクの計算方法は、
   

   

   ことを特徴とする第１もしくは２項に記載の発電トルクの計算方法。
4. 前記損失量は、銅損、整流損、励磁損、鉄損、機械損の総和として計算し、
   銅損、励磁損は出力電流の２乗値を使用した演算、整流損、鉄損は１乗値を使用した演算をすることを特徴とする第１ないし３項のいずれかに記載の発電トルクの計算方法。
5. 前記損失量は、銅損、整流損、励磁損、鉄損、機械損の総和として計算し、
   鉄損は回転数Ｎの１乗比例と２乗比例の和として計算することを特徴とする第１ないし４項のいずれかに記載の発電トルクの計算方法。
6. 前記損失量は、銅損、整流損、励磁損、鉄損、機械損の総和として計算し、
   鉄損は回転数Ｎの１乗比例として計算することを特徴とする第１ないし５項のいずれかに記載の発電トルクの計算方法。
7. 前記銅損は、出力電流、回転数の情報よりステータ温度を推測し、該ステータ温度により抵抗値を変更して計算することを特徴とする第１ないし６項のいずれかに記載の発電トルクの計算方法。
8. 前記整流損は、出力電流に２倍の素子ドロップを乗じた値であることを特徴とする第１ないし７項のいずれかに記載の発電トルクの計算方法。
9. 前記励磁損は出力電流の２乗に比例し、
   

   

   ことを特徴とする第１ないし８項のいずれかに記載の発電トルクの計算方法。
10. 前記損失量は、銅損、整流損、励磁損、鉄損、機械損の総和として計算し、機械損は回転数Ｎの１乗比例と２乗比例の和として計算することを特徴とする第１ないし９項のいずれかに記載の発電トルクの計算方法。
11. 前記損失量は、銅損、整流損、励磁損、鉄損、機械損の総和として計算し、機械損は回転数Ｎの１乗比例として計算することを特徴とする第１ないし９項のいずれかに記載の発電トルクの計算方法。

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