JP4876661B2 - 車両用発電電動装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電電動装置に関し、詳しくは車両用発電電動装置に関する。

本出願人の出願になる下記の特許文献１、２は、互いに独立する複数（好適には２つ）の三相巻線を互いに独立する複数の三相インバータで個別に駆動するモータ（以下、複数三相巻線型モータ装置と称する）を提案している。なお、上記で言う三相巻線とは三相電機子巻線を言う。２つの三相巻線間の位相差はπ／６ないしはπ／３とされる。上記特許文献１、２の車両用同期モータは、一つの三相巻線の一つの相巻線が故障しても、他方の三相巻線側の三相インバータだけを正常駆動することにより、トルクリップルおよび騒音を低減し、効率低下を抑止する。また、下記の特許文献３も上記と同様の複数三相巻線型モータ装置を提案している。
特開２０００−４１３９２号公報 特開２００３−１７４７９０号公報 特開２００６−３３８９７号公報

しかしながら、上記した互いに独立の２つの三相巻線を互いに独立の２つの三相インバータで個別に駆動するモータ装置は、同体格のモータ装置に比べて、回路構成と制御、特にインバータ装置の構成と制御が複雑化するという問題点があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、回路構成又は制御が簡素化可能な複数三相巻線型モータ装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する各発明は、互いに所定の空間位相差だけ離れて配置された少なくとも２つの三相巻線をもつ発電電動機と、前記各三相巻線と個別に三相交流電流を授受する少なくとも２つの直交変換装置と、前記直交変換装置を制御するコントローラとを備える車両用発電電動装置に適用される。なお、発電電動機としては同期機が好適であるがこれに限定されるものではない。ロータは、磁石を装備してもよく、界磁コイルを装備してもよい。好適にはロータは磁気突極構造のリラクタンスロータとし、発電電動機をリラクタンスモータとすることができる。本発明で言う直交変換装置は、双方向に直交変換するインバータの他、単方向に直交変換する整流装置を含む。

第１の発明は、前記コントローラが、トルクまたは回転数の要求に応じて第１の前記三相インバータ（第１の直交変換装置）のスイッチング素子を断続制御して第１の三相交流電流を第１の前記三相巻線へ通電し、更に、第２の前記三相巻線に通電する第２の三相交流電流が前記第１の三相交流電流に対して所定の電流位相差を確保するように第２の前記三相インバータ（第２の直交変換装置）のスイッチング素子を断続制御し、前記コントローラは、第１の前記直交変換装置及び第２の前記直交変換装置の許容電流範囲で、前記発電電動機の合成トルクが最大となるように前記電流位相差を選択することを特徴としている。二つの三相交流電流の間の位相差を制御すると、要求される負荷に応じて簡単に電動動作のトルクや発電状態を調整することができる。更に、第１の三相交流電流のロータに対する位相角を調整してもよい。また、コントローラは、第１の直交変換装置及び第２の直交変換装置の許容電流範囲で、発電電動機の合成トルクが最大となるように電流位相差を選択することで、例えば車両の発進や登坂時などの低速且つ高トルクが必要とされる際に、コントローラが合成トルクが最大となるように電流位相差を選択することで、それに適したモータ特性を得ることができる。

たとえば、第１の三相交流電流を最高効率を発生する位相差で第１の三相巻線に給電し、第２の三相交流電流を最大トルクを発生する位相差で第２の三相巻線に給電することができる。その他、第１の三相巻線を電動動作させ、第２の三相巻線を発電動作させることもできる。つまり、この発明は、同一のモータに巻装された二つの三相巻線をロータに対してそれぞれの必要性に応じて独立に制御することと等価である。これにより、この発電電動機を多様な使い方をできることができる。なお、二つの三相交流電流の回転制御のための二つのインバータのスイッチング制御をロータ位置を検出する一つのロータ位置検出センサで行えることはもちろんである。たとえば、低速で要求トルクが大きい場合には位相差は合成トルクが最大となるように制御され、高速で逆起電力が大きいが要求トルクが小さい場合には逆起電力が小さくなるように位相差が制御される。また、低騒音が重要な場合には、第１の三相交流電流と第２の三相交流電流との位相差は、第１の三相巻線と第２の三相巻線との電磁空間位相差（機械的位相差）と一致させればよい。この時、第１の三相交流電流のロータに対する位相角は必要トルクに応じて適宜設定すればよい。

他の方法で説明すると、本発明では発電電動機への要求トルクが、用途に応じた所望の割合で二つの三相巻線に分配される。場合によっては、一方が正トルク（電動トルク）を発生し、他方は負トルク（発電トルク）を発生する。それらのトルク和は要求トルクに等しい。二つの三相巻線は異なる直流電源から給電されてもよい。このようにすれば、従来のように要求トルクを発生するべく二つの三相巻線で均等にトルク発生するのに比較して、多様な利用形態を実現することができる。

好適な態様において、前記コントローラは、要求されるトルクと検出した回転数に基づいて前記位相差を制御する。すなわち、要求トルクは、三相交流電流間の位相差δと、第１の三相交流電流とロータ回転角との間の位相差θにより規定されるので、たとえばあらかじめ記憶するマップに要求トルクと回転数とを代入してδ、θを決定し、これらδ、θに基づいて第１の三相インバータと第２の三相インバータとを制御すればよい。

好適な態様において、前記２つの三相巻線は、互いに独立の中性点を有する二つの三相星形巻線からなる。

本発明の好適な実施形態を以下に説明する。ただし、本発明は下記の実施形態に限定解釈されるべきものであり、本発明の技術思想を他の技術の組み合わせにより実現してもよい。

（実施形態１）
実施形態１の車両用発電電動装置を図１を参照して説明する。

１は、同期モータであって、そのステータは、電気角で空間位相差がπ／６離れて巻装された二つの三相巻線１１１、１１２を有し、各三相巻線１１１、１１２はそれぞれ互いに電気角で空間位相差が２π／３離れて巻装された三相分の相巻線を星形接続して構成されている。たとえば、この実施例では、互いに隣接する合計１２個のスロットがステータの電気角２πを占有しており、１スロットピッチはθ（＝π÷６）に設定されている。図示しない三相同期電動機３０の回転子の界磁極の一ピッチはπとされている。１１３はレゾルバであり、磁気突極型鉄心又は磁石鉄心により構成されたロータの回転角を検出する。

２は、三相巻線１１１、１１２と三相交流電流を授受する制御装置であり、ＩＧＢＴ等のパワースイッチング素子を用いた三相インバータ回路２１、２２と、たとえば電気自動車のアクセル信号により指定される必要トルクに相当する電流値を決定して三相インバータ回路２１、２２を制御するモータコントローラ２３からなる。三相インバータ回路２１、２２は本発明で言う直交変換装置をなす。

３は、バッテリであり、三相インバータ回路２１を通じて三相巻線１１１と電力を授受し、三相インバータ回路２２を通じて三相巻線１１２と電力を授受する。

４１、４２は、三相巻線１１２の二つ相電流を検出する電流センサである。レゾルバ１３および電流センサ４１、４２が検出した電流はモータ状態量としてモータコントローラ２３に送られ、モータコントローラ２３は受け取ったモータ状態量および外部からのトルク指令に基づいて三相インバータ回路２１、２２の各スイッチング素子を断続制御する。

三相インバータ回路２１、２２やモータコントローラ２３の構成や基本的な制御動作は、本質的に従来のブラシレスＤＣモータと同じであるためその詳細説明を省略し、この実施例の特徴点だけを以下に説明する。

三相巻線１１１のＵ相電流及びＷ相電流は電流センサ４１、４２で検出され、モータ１のロータ回転角度は三相巻線１１１を基準にレゾルバ１３で検出される。この電流測定値は回転位置に基づいて３相２相変換回路によりｄ，ｑ軸電流に変換され、この電流と電流指令に基づきｄ，ｑそれぞれの電流制御を行う。これら電流制御は、指令値と実測値に基づき、フィードバック制御やフィードバック＋フィードフォワード制御によりなされるが、この実施例の要旨ではないので説明は省略する。得たｄ，ｑ軸電圧指令値を２相３相変換回路で２相３相変換してＵ，Ｖ，Ｗ相の電圧指令値に変換し、三相インバータ回路２１を通じて三相巻線１１１を駆動する。

三相巻線１１２は、レゾルバ１３で検出した回転角度に所定の電流位相差Δθを加算し、この加算値に基づいて２相３相変換回路で２相３相変換を行い、得たＵ，Ｖ，Ｗ相の電圧指令値を三相インバータ回路２２を通じて三相巻線１１２を駆動する。本方法によれば、三相巻線１１２に対する電流センサを省略することができる。

なお、通常状態においては、電流位相差Δθは三相巻線１１１、１１２の間の空間位相差に等しくされるが、必要に応じて変更される。

すなわち、この実施例では、モータコントローラ２３は、検出したロータ回転角と検出した各相電流と、入力されるトルク指令値と検出した回転数とに基づいて三相巻線１１１に流すべき三相交流電流の各相指令値を決定し、この三相交流電流の各相指令値をＰＷＭ信号に変換して三相インバータ回路２１に出力する。更に、モータコントローラ２３は、三相巻線１１２に流すべき各相電流指令値を、上記三相巻線１１１に流すべき三相交流電流の各相指令値を所定の位相差（電流位相差という）だけ変化させて三相インバータ回路２２に指令する。

たとえば発進、登坂のように低速、高トルク負荷時には、三相インバータ回路２１、２２の許容電流範囲内で合成トルクが最大となるように、モータコントローラ２３は、三相巻線１１１、１１２に流れる二つの三相交流電流間の電流位相差を上記三相巻線１１１、１１２間の空間位相差π／６に一致させる。なお、三相巻線１１１、１１２間の空間位相差はπ／６に限定されるものではなく、種々選択可能である。これに対して、たとえば高速回転時には、モータコントローラ２３は、現在の回転数値における印加電圧の許容範囲内にて出力が最大となるように、三相巻線１１１、１１２の空間位相差と反転位相差となるように二つの三相交流電流間の電流位相差を制御する。

もちろん、上記した電流位相差は、用途や目的に応じて種々変更可能である。合成トルク値がＴ０である場合に電流位相差を変化させた場合の合成電流値を図６に示し、回転数がＮ０である場合に電流位相差を変化させた場合の三相巻線１１１、１１２の逆起電力を図７に示し、電流位相差とトルクリップルとの関係を図８に示す。上記した電流位相差の調整は、これらの特性を利用して行うことができる。

（実施形態２）
実施形態２の車両用発電電動装置を図２を参照して説明する。

この実施形態は、図１に示す実施形態において三相インバータ回路２２を三相全波整流器２４に変更した点にその特徴がある。すなわち、三相インバータ回路２１は、三相巻線１１１に三相交流電流を給電してそれを電動駆動したり、あるいは、三相巻線１１１が発電した三相交流電流を整流して発電制御したりするが、三相全波整流器２４は三相巻線１１２の発電電流を整流する動作だけを行う。

（実施形態３）
実施形態３の車両用発電電動装置を図３を参照して説明する。

この実施形態は、図２に示す実施形態において三相インバータ回路２１をチョッパ回路２５に変更した点にその特徴がある。チョッパ回路２５は、３つのトランスファスイッチからなり、各トランスファスイッチはｎチャンネルＭＯＳトランジスタにより構成されている。各ＭＯＳトランジスタのソース電極は三相巻線１１１の各相出力端に接続され、各ＭＯＳトランジスタのドレイン電極は三相全波整流器２４の各交流入力端に個別に接続されている。この実施形態では、チョッパ回路２５は、三相巻線１１１に流す三相交流電流の制御を行う。三相巻線１１１に流した三相交流電流は、磁気突極型鉄心からなるロータを励磁し、三相巻線１１２に三相交流電流を発生させる。したがって、チョッパ回路２５により三相巻線１１１に流す三相交流電流を制御することにより、三相巻線１１２が発電する三相交流電流を調整することができる。なお、この実施形態では、三相巻線１１２の相電流を検出しているが、電流検出方式は適宜変更可能である。

（実施形態４）
実施形態４の車両用発電電動装置を図４を参照して説明する。

この実施形態は、図１に示す実施形態において三相インバータ回路２１と三相巻線１１１との間に三相切り替えスイッチ回路５を設け、三相インバータ回路２１が出力する三相交流電流を三相巻線１１１に出力する代わりに、この三相切り替えスイッチ回路５を切り替えることにより、外部の三相電気負荷６に給電可能とした点にその特徴がある。三相切り替えスイッチ回路５は、３つの切り替えスイッチを有する一つのリレーにより構成されている。各切り替えスイッチの共通電極端子は三相インバータ回路２１の交流端子に接続され、一対の切り替え電極端子の一方は三相巻線１１１の各端子に、他方は外部の三相電気負荷６に接続されている。三相電気負荷６としては回転電機に限定されない。

この実施形態によれば、２コイル型モータである同期モータ１の三相巻線１１１の休止時に、フリーとなった三相インバータ回路２１を外部に三相交流電流を給電するのに用いることができ、三相インバータ回路の必要個数を減らすことができる。

（実施形態５）
実施形態５の車両用発電電動装置を図５を参照して説明する。

この実施形態は、図４に示す実施形態の三相切り替えスイッチ回路５の接続向きを変更した点をその特徴としている。すなわち、この実施形態は、三相巻線１１１が出力する三相交流電流は、三相インバータ回路２１と外部の三相電気負荷６とのどちらかに給電される。つまり、三相巻線１１１は三相インバータ回路２１と外部の三相電気負荷６とのどちらかと電力授受する。各切り替えスイッチの共通電極端子は三相巻線１１１側に配置され、一対の切り替え電極端子の一方は三相インバータ回路２１の交流端子に、他方は外部の三相電気負荷６に接続されている。三相電気負荷６としては回転電機に限定されない。

この実施形態によれば、２コイル型モータである同期モータ１の三相巻線１１１の発電電力を特別に外部の三相電気負荷６に給電することができる。

（変形態様）
ロータとして、磁気突極型鉄心すなわちリラクタンスモータ構造を採用する場合、図９に示すように、第１の三相巻線１１１に通電する三相交流電流i１が、磁気突極型鉄心１００の磁気突極部１０１に最大量の磁束φを発生させる対ロータ位相角で通電し、第２の三相巻線１１２に通電する三相交流電流i２をこの磁束φとの鎖交により最大トルク（負でもよく、正でもよい）を発生する対ロータ位相角で通電又は発電させてもよい。この場合、第１の三相交流電流i１と第２の三相交流電流i２との間の位相差はπ／２となる。このようにすれば、第２の三相交流電流i２の大きさを制御により良好な発電制御又は電動トルク制御を行うことができる。

図９において、第１の三相交流電流i１はロータに対してｑ軸位置に配置され、第２の三相交流電流i２はｄ軸位置に配置されるとする。

（変形態様）
トルク指令値と回転数に基づいて三相交流電流間の位相差（電流位相差）δと、第１の三相交流電流とロータ回転角との間の位相差θにより規定される。そこで、あらかじめ記憶するマップに要求トルクと回転数とを代入してδ、θを決定し、これらδ、θに基づいて第１の三相インバータと第２の三相インバータとを制御することができる。

（変形態様）
第１の三相インバータ２１は第１の三相巻線１１１を電動動作させ（正トルクを発生させ）、第２の三相インバータ回路２２は第２の三相巻線１１２を発電動作させてもよい。

（変形態様）
三相インバータ回路２１、２２は、公知の１２０度通電方式と１８０度通電方式の一つを別々に選択することができる。たとえば、第１の三相インバータ２１を１２０度通電モードで駆動し、第２の三相インバータ２２を１８０度通電モードで駆動することができる。好適には、トルク発生用の三相交流電流は１２０度通電モードで給電し、この三相交流電流と鎖交する磁界発生用の三相交流電流は１８０度通電モードで給電する。これにより、無駄な通電を減らすことができる。

（変形態様）
三相インバータ回路２１、２２は、第１の三相インバータ２１を方形波通電モードで駆動し、第２の三相インバータ２２を正弦波通電モードで駆動することができる。好適には、トルク発生用の三相交流電流は正弦波通電モードで給電し、この三相交流電流と鎖交する磁界発生用の三相交流電流は方形波通電モードで給電する。これにより、無駄な通電を減らすことができる。

（変形態様）
好適な態様において、大負荷運転が要求される場合に第１の三相インバータ２１および第２の三相インバータ２２をそれぞれ大トルク発生可能な対ロータ位相角で運転し、部分負荷運転において第１の三相インバータ２１を休止し、第２の三相インバータ２２だけを駆動してもよい。

実施形態１の車両用発電電動装置を示す回路図である。 実施形態１の車両用発電電動装置を示す回路図である。 実施形態１の車両用発電電動装置を示す回路図である。 実施形態１の車両用発電電動装置を示す回路図である。 実施形態１の車両用発電電動装置を示す回路図である。 実施形態の車両用発電電動装置の特性を示す特性図である。 実施形態の車両用発電電動装置の特性を示す特性図である。 実施形態の車両用発電電動装置の特性を示す特性図である。 リラクタンスロータを駆動する場合の二つの三相交流電流の間の好適な電流位相差を示す説明図である。

符号の説明

１ モータ（同期モータ）
２ 制御装置
３ バッテリ
５ 切り替えスイッチ回路
６ 三相電気負荷
１３ レゾルバ
２１ 三相インバータ（三相インバータ回路）
２２ 三相インバータ（三相インバータ回路）
２３ モータコントローラ
２４ 三相全波整流器
２５ チョッパ回路
３０ 三相同期電動機
４１ 電流センサ
４２ 電流センサ
１００ 磁気突極型鉄心
１０１ 磁気突極部
１１１ 三相巻線
１１２ 三相巻線

Claims (3)

1. 互いに所定の空間位相差だけ離れて配置された少なくとも２つの三相巻線をもつ発電電動機と、
   前記各三相巻線と個別に三相交流電流を授受する少なくとも２つの直交変換装置と、
   前記直交変換装置を制御するコントローラと、
   を備える車両用発電電動装置において、
   前記コントローラは、
   トルクまたは回転数の要求に応じて第１の前記直交変換装置のスイッチング素子を断続制御して第１の三相交流電流を第１の前記三相巻線へ通電し、更に、
   第２の前記三相巻線に通電する第２の三相交流電流が前記第１の三相交流電流に対して所定の電流位相差を確保するように第２の前記直交変換装置のスイッチング素子を断続制御し、
   前記コントローラは、第１の前記直交変換装置及び第２の前記直交変換装置の許容電流範囲で、前記発電電動機の合成トルクが最大となるように前記電流位相差を選択することを特徴とする車両用発電電動装置。
2. 請求項１記載の車両用発電電動装置において、
   前記コントローラは、
   要求されるトルクと検出した回転数に基づいて前記位相差を制御する車両用発電電動装置。
3. 請求項１又は２に記載の車両用発電電動装置において、
   前記２つの三相巻線は、互いに独立の中性点を有する二つの三相星形巻線からなる車両用発電電動装置。

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