車両用回転電機システム
【課題】
高速時の発電特性の向上した車両用回転電機システムを提供することにある。
【解決手段】
固定子巻線は、２個の独立した３相巻線３ａ，３ｂからなる。３相巻線３ａ，３ｂには、インバータ１０１が接続される。インバータ１０１は、３相巻線のそれぞれに接続された半導体スイッチング素子群１０１ａと、３相巻線の中性点に接続された整流素子群１０１ｂとからなる。回転電機をモータとして駆動するときは、インバータ１０１は、直流電圧を交流電圧に変換して３相巻線のそれぞれに供給し、回転電機を発電機として駆動するときは、発電機の交流出力電圧を、インバータ１０１の半導体スイッチ群１０１ａによる同期整流若しくはフライホイルダイオードによる全波整流と、整流素子群１０１ｂによる中性点電圧整流とにより、直流電圧に変換する。
高速時の発電特性の向上した車両用回転電機システムを提供することにある。
【解決手段】
固定子巻線は、２個の独立した３相巻線３ａ，３ｂからなる。３相巻線３ａ，３ｂには、インバータ１０１が接続される。インバータ１０１は、３相巻線のそれぞれに接続された半導体スイッチング素子群１０１ａと、３相巻線の中性点に接続された整流素子群１０１ｂとからなる。回転電機をモータとして駆動するときは、インバータ１０１は、直流電圧を交流電圧に変換して３相巻線のそれぞれに供給し、回転電機を発電機として駆動するときは、発電機の交流出力電圧を、インバータ１０１の半導体スイッチ群１０１ａによる同期整流若しくはフライホイルダイオードによる全波整流と、整流素子群１０１ｂによる中性点電圧整流とにより、直流電圧に変換する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用回転電機システムに係り、特に、車両用交流発電機に用いるに好適な車両用回転電機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の車両用交流発電機を用いた車両用回転電機システムにおいては、例えば、特開２００４−７９６４号公報に記載のように、３相インバータで３相巻線を持つ車両用交流発電機を駆動するシステムが知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−７９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特開２００４−７９６４号公報記載の車両用回転電機システムでは、インバータは３相であるため発電時には３相の全波整流となり、高速域で第３高調波による発電エネルギーを利用することができないため、高速時の発電特性が悪化するという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、高速時の発電特性の向上した車両用回転電機システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、永久磁石を補助励磁として爪磁極間に配置した回転子と、少なくても２個以上の独立した３相巻線を有する固定子とからなる回転電機と、それぞれの前記３相巻線に接続されるインバータとを有する回転電機システムであって、前記インバータは、前記３相巻線のそれぞれに接続された半導体スイッチング素子群と、前記３相巻線の中性点に接続された整流素子群とからなり、前記回転電機をモータとして駆動するときは、前記インバータは、直流電圧を交流電圧に変換して前記３相巻線のそれぞれに供給し、前記回転電機を発電機として駆動するときは、発電機の交流出力電圧を、前記インバータの半導体スイッチ群による同期整流若しくはフライホイルダイオードによる全波整流とし、前記整流素子群による中性点電圧整流とにより、直流電圧に変換するようにしたものである。
かかる構成により、高速時の発電特性を向上し得るものとなる。
【０００７】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記回転子に設けた補助励磁用の永久磁石は、両端の厚みが中心部分よりも薄くしたものである。
【０００８】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記独立した２個の３相巻線は、分数、分布巻きで構成したものである。
【０００９】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記独立した２個の３相巻線は、回転子の極数が１２極で、スロット数が９０で構成したものである。
【００１０】
（５）上記（１）において、好ましくは、前記回転子の爪磁極に施されたスキューピッチは回転子の回転前側に対して回転後ろ側のスキューピッチを小さくしたものである。
【００１１】
（６）上記（５）において、好ましくは、前記回転子のスキューピッチは回転前側が３．０であり、回転後ろ側を２．０としたものである。
【００１２】
（７）上記（１）において、好ましくは、前記整流素子群は、ツェナーダイオードからなる。
【００１３】
（８）また、上記目的を達成するために、本発明は、永久磁石を補助励磁として爪磁極間に配置した回転子と、少なくても２個以上の独立した３相巻線を有する回転子とからなる回転電機と、それぞれの前記３相巻線に接続されるインバータとを有する回転電機システムであって、前記インバータは、前記３相巻線のそれぞれに接続された半導体スイッチング素子群と、前記３相巻線の中性点に接続された整流素子群とからなり、前記回転子の極数が１２極、固定子のスロット数が９０、ステータ巻線が分数分布巻きで構成され、前記回転電機をモータとして駆動するときは、前記インバータは、直流電圧を交流電圧に変換して前記３相巻線のそれぞれに供給し、前記回転電機を発電機として駆動するときは、発電機の交流出力電圧を、前記インバータの半導体スイッチ群による同期整流若しくはフライホイルダイオードによる全波整流と、前記整流素子群による中性点電圧整流とにより、直流電圧に変換するようにしたものである。
かかる構成により、高速時の発電特性を向上し得るものとなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高速時の発電特性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図１〜図１０を用いて、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムの構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による車両用回転電機システムの全体システム構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムのシステム構成図である。
【００１６】
エンジン５２には、スタータモータ５３が取り付けられており、エンジン５２を始動する場合に使用される。スタータモータ５３の起動は、キースイッチ５４を運転者が操作することで動作する。電源としては、バッテリー５５の電力を使用する。
【００１７】
バッテリー５５のプラス端子およびマイナス端子は、車両用交流発電機１００にも電気的に接続されている。バッテリー５５のマイナス側端子はアースとして車体に接続される。車両用交流発電機１００は、エンジン５２に対してクランクプーリ５１とプーリ８をベルト５０を介して動力の伝達を行うものである。ベルト５０の回転方向は一定方向であり、エンジン５２によって車両用交流発電機１００を回す場合と、車両用交流発電機１００がエンジン５２を回す２通りの動作ができるようになっている。図中太線は電力線、細線は信号線を示している。
【００１８】
車両用交流発電機１００の内部には、インバータ回路を含んだ駆動部２００が設けられている。駆動部２００とＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）６０間の信号には、エンジン始動信号６１と、発電指令信号６２と、回転数検出信号６３とがある。ＥＣＵ６０にはアクセルペダル５６の踏み込み量を検出するアクセル信号５７とブレーキペダル５８の踏み込み量を検出するブレーキ信号５９が接続されている。
【００１９】
次に、図２を用いて、本実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機１００の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。
【００２０】
交流発電機１００は、２つの独立した３相巻線３ａ，３ｂから構成されている。この２つの３相巻線３ａ，３ｂは、中性点がお互い接続されておらず、３相巻線の同相コイルの位相が電気角で３０度程度ずれているものである。図示したものは、３相巻線３ａに対して３相巻線３ｂが３０度遅れている様子を示している。
【００２１】
車両用交流発電機１００に内蔵した駆動部２００には、車両用交流発電機の３相巻線にモータ動作が可能なインバータ部１０１と、界磁巻線電流を制御するレギュレータ１０２が搭載されている。
【００２２】
インバータ部１０１は、１２個のインバータ素子群（半導体スイッチング素子；図示の例では、ＭＯＳ−ＦＥＴ；ＩＧＢＴも使用可）１０１ａと、４個の整流素子群（図示の例では、ダイオード）１０１ｂとから構成される。２つの３相巻線３ａ，３ｂの出力端子の数は６個となるため、インバータ部１０１のインバータ素子１０１ａの数は、上アームと下アームで１２素子となり、その中心に各相の端子が電気的に接続されている。また、２つの３相巻線３ａ，３ｂの中性点は、それぞれ２個の直列接続されたダイオードの接続点に接続されており、独立した３相巻線３ａ，３ｂの中性点電位を全波整流できるように構成している。整流素子１０１ｂとして、ダイオードの代わりにツェナーダイオードを用いた場合には、バッテリー電圧がツェナー電圧より高くならないように動作するため、バッテリーの端子外れによるダンプサージを吸収することが可能となり、電気負荷を保護することができる。
【００２３】
レギュレータ１０２には、ＥＣＵ６０からエンジン始動信号６１と、発電指令信号６２とが入力し、ＥＣＵ６０には、回転数検出信号６３が出力する。また、レギュレータ１０２には、バッテリ５５の電圧を示すバッテリ電圧検出信号６４と、インバータ部１０１に含まれるダイオードの両端電圧であるダイオード電圧信号６６と、磁極位置センサ２２によって検出された磁極位置信号とが入力し、インバータ部１０１には、インバータ素子を駆動するためのゲート信号６５が出力する。また、レギュレータ１０２は、交流発電機１００の界磁コイル６に流す界磁電流を制御する。
【００２４】
次に、図１及び図２に示した車両用回転電機システムの動作について説明する。
【００２５】
図１は、エンジン５２が冷えている場合には、エンジン内のエンジンオイルの粘性が高いためエンジンを駆動するために必要なトルクが大きいので、運転者がキースイッチ５４を操作することで、スタータモータ５３を駆動してエンジンを始動する。
【００２６】
一方、エンジンが十分暖まった場合には、エンジンオイルの粘性が下がるため、エンジンの摩擦抵抗が低減し、冷えた状態に比較して小さい力でエンジンを始動することができるので、アイドルストップ後の再始動時には交流発電機１００よりエンジン５２を始動する。例えば、運転者がアクセルペダル５６から足を離してブレーキペダルを踏んだ場合、車速を検出して車速が零速度の場合にエンジンを停止するかアイドル状態を維持するかを、ＥＣＵ６０が決定する。例えば、ＥＣＵ６０が信号待ちや渋滞と判断した場合、エンジンを停止する。次に、運転者がブレーキペダル５８から足を離して、アクセルペダル５６を踏んだ場合、アクセル信号５７がＥＣＵ６０に対して出力されるために、ＥＣＵ６０はエンジン始動信号６１を車両用交流発電機１００に内蔵した駆動部２００に対して出力する。駆動部２００は車両用交流発電機の３相巻線にモータ動作が可能なインバータ部１０１と界磁巻線電流を制御するレギュレータ１０２が搭載されており、ＥＣＵ６０からエンジン始動信号６１がオンになった場合には、車両用交流発電機１００をモータとして回転させる。このとき、エンジン５２は車両用交流発電機１００にプーリとベルトで接続されているため、交流発電機１００によって回転させることができ、エンジンを始動させることができる。エンジンが始動した場合、駆動部２００からは回転数検出信号６３がＥＣＵ６０に戻されるため、ＥＣＵ６０ではエンジン始動信号６１をオフすると共に、発電指令信号６２をオンして車両用交流発電機１００をモータ動作から発電機動作モードに切り替える。
【００２７】
以上の動作により、車両用交流発電機は、モータとして動作する場合と、発電機として動作する場合の２通りに大別される。
【００２８】
次に、図３を用いて、本実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の断面図である。
【００２９】
図３に示した交流発電機は、前述したようにモータ駆動可能な車両用交流発電機であり、一般的な車両用交流発電機と違うのは、モータとして駆動する際に必要なインバータを内蔵したことである。
【００３０】
冷却方式としては、ステータ外周部をエンジン冷却水を用いた水冷方式と、内扇ファンによる空冷の２通りが有るが、ここでは空冷式のものについて説明する。また、性能を向上させるために、爪磁極間に永久磁石を配置してもよいものである。
【００３１】
プーリ８には、回転部となるシャフト７を中心に爪磁極５ａ，５ｂから構成される回転子４が設けられている。回転子４には、爪磁極５の内周側に界磁巻線６が巻装されるとともに、軸方向の両端面に冷却ファン１４，１５が設けられている。
【００３２】
回転子４の外周側には、固定子２とその固定子２に先に説明した３相巻線３が２組巻かれている。固定子２はフロントブラケット９とリアブラケット１０により前後から挟み込まれるように配置されている。各ブラケット９，１０は、ベアリング１２，１３によりシャフト７を回転自由に支持している。
【００３３】
回転子４に配置された界磁巻線６には、シャフト７に設けられたスリップリング１８とブラシ１７から直流電流が供給され、軸方向に磁化を作る。ブラシ１７にはバッテリ端子１６を介して車載のバッテリから電力が供給される。よって、先に述べた爪磁極５ａがＮ極の場合には、爪磁極５ｂがＳ極となる。この爪磁極５の励磁磁化の強さは、界磁電流の大きさに比例する。
【００３４】
シャフト７の反プーリ側端部には磁極センサ２２が配置されており、ロータの磁極位置を検出する手段として用いられる。リアブラケット１０に接して、リアカバー１１の内側には、ヒートシンク２０が設けられている。ヒートシンク２０には、図２に示した駆動部２００に設けられたインバータ部１０１を構成するパワー素子２１が実装されており、パワー素子２１の損失をヒートシンク２０に放熱できるような構成となっている。パワーモジュール１９は、ヒートシンク２０とパワー素子２１で構成されている。
【００３５】
次に、図４及び図５を用いて、本実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の爪磁極の構成について説明する。図４は回転子４の爪磁極の２極分について示している。
図４は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の爪磁極の構成を示す斜視図である。図５は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機に用いる永久磁石の形状を示す斜視図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。
【００３６】
図４に示すように、爪磁極５ａと爪磁極５ｂの極間には、永久磁石２５が配置されている。永久磁石２５の形状は、直方体としている。
【００３７】
なお、永久磁石２５は、図５に示すように、永久磁石２５ａ，２５ｂのように、磁石中心部と磁石端部の厚みが異なっており、磁石端部の厚みが中心部よりも薄くすることができる。
【００３８】
アイドルストッブ機能を持たせた１２Ｖ系のシステムでは、電源電圧が低いためにモータ動作時の誘起電圧が電源電圧よりも低く設計しなければならないために、固定子巻線の巻数を少なく設計する必要がある。そのため、低速時のトルクが減少する。その対策として、爪磁極間に永久磁石を配置し、低速時のトルクを増加させている。しかし、爪磁極間に永久磁石を配置した場合、内周側に巻かれた界磁巻線の冷却が悪化するため、高速側で磁石を入れた場合発電特性が磁石の無い場合と比較して悪化することになる。
【００３９】
それに対して、上述のように、磁石端部の厚さを薄くすることで、磁石の爪先端部における加重を低減でき、遠心力による爪磁極の耐久性を向上できる。また、図３に示した回転電機は空冷方式により固定子巻線３や界磁巻線６を冷却する方式であるため、磁石端部の厚さを薄くすることで、永久磁石の内周側に配置される界磁巻線の冷却を促進することができる。したがって、高速時の発電特性の悪化を防止することができる。なお、この磁石の磁化方向としては、界磁巻線の作る磁化方向と同方向の極性となるように着磁したものを組み込むか、または着磁ヨークにより組み立てた後で着磁する。
【００４０】
図５（Ａ）に示す永久磁石２５ａにおいては、例えば、中心部の厚みＨ１を８ｍｍとするとき、端部の厚みＨ２を４ｍｍとして、端部付近にＲを付けた形状とする。この形状では、両側に接する爪磁極５ａ，５ｂとの接触面積を大きくすることができ、永久磁石の磁束を有効に利用できる。
【００４１】
一方、図５（Ｂ）に示し永久磁石２５ｂにおいては、例えば、中心部の厚みＨ１を８ｍｍとするとき、端部の厚みＨ２を３ｍｍとして、中心部から端部にかけて直線的に厚さを薄くする形状とする。この形状では、爪磁極５ａ，５ｂの自由端部側の厚さが、図５（Ａ）に比べて薄くできるので、永久磁石２５ａに比べて冷却効率が高く、また、爪磁極５ａ，５ｂの耐久性を大きくできる。
【００４２】
次に、図６及び図７を用いて、本実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の固定子巻線のコイルの結線について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の固定子巻線のコイル配置図である。図７は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の固定子巻線の結線図である。
【００４３】
ここでは、固定子のスロット数が９０のものとし、回転子の極数は１２極であり、毎極毎相スロット数は２．５（＝２＋（１／２））の分数巻で、固定子巻線が分布巻の例について説明する。図６は、コイル配置の一例で、スロット数９０の内１／６の１５スロットについて示している。すなわち、回転子の２極分に相当する。ここでは、図面簡略化のために固定子２を直線的に延ばして図示している。図７（Ａ）は、第１のコイル群である３相巻線３ａを示し、図７（Ｂ）は、第２のコイル群である３相巻線３ｂを示している。
【００４４】
図６において、括弧付きの数字は、スロット番号を示している。固定子２は、複数のティース２Ｔと、これらのティース２Ｔの間に形成されるスロット２Ｓからなり、コイルは、スロット２Ｓの内部に配置される。
【００４５】
ロータ２極に対してスロット数が１５個になるため、１スロットの電気的位相は２４度となる。また、１スロット内に配置される巻線は４導体で示している。図４に示す第１コイル群のＵ相巻線は１Ｕ１１〜１Ｕ１５と、電流方向が逆になる１Ｕ１１−〜１Ｕ１５−の１０導体で構成される。また、第２コイル群を構成するＵ相巻線は２Ｕ１１〜２Ｕ１５と２Ｕ１１−〜２Ｕ１５−の１０導体で構成される。３相巻線が２組あることから、図示した全導体数は６０導体となる。
【００４６】
図７（Ａ）に示すように、３相巻線の１Ｕ相と１Ｖ相および１Ｗ相は、それぞれそれぞれ電気角で１２０度の位相差で構成されている。また、図６（Ｂ）に示すように、２Ｕ相と２Ｖ相と２Ｗ相も、それぞれ１２０度の位相差で構成されている。図４に示したように、第１コイル群の１Ｕ相コイル１Ｕ１１〜１Ｕ１５はスロット番号（１）とスロット番号（２）に分かれて配置される。このとき、１Ｕ相コイル１Ｕ１１〜１Ｕ１４はスロット番号（１）に配置され、１Ｕ相コイル１Ｕ１５はスロット番号（２）に配置される。従って、図７（Ａ）に示すように、１Ｕ相コイル１Ｕ１１〜１Ｕ１４に対して、１Ｕ相コイル１Ｕ１５は、２４度位相がずれている。１Ｕ相コイル１Ｕ１１〜１Ｕ１５全体として位相は、１Ｕ相コイル１Ｕ１１〜１Ｕ１４を基準にすると、θ１（＝４．８度）ずれている。
【００４７】
一方、図６に示したように、第２コイル群の２Ｕ相コイル２Ｕ１１〜２Ｕ１５はスロット番号（２）とスロット番号（３）に分かれて配置される。このとき、２Ｕ相コイル２Ｕ１１〜２Ｕ１３はスロット番号（２）に配置され、２Ｕ相コイル２Ｕ１４，２Ｕ１５はスロット番号（３）に配置される。従って、図７（Ｂ）に示すように、２Ｕ相コイル２Ｕ１１〜２Ｕ１３に対して、２Ｕ相コイル２Ｕ１４，２Ｕ１５は、２４度位相がずれている。２Ｕ相コイル２Ｕ１１〜２Ｕ１５全体として位相は、２Ｕ相コイル１Ｕ１１〜１Ｕ１４を基準にすると、θ２（＝９．６度）ずれている。したがって、１Ｕ相コイルと２Ｕ相コイルの位相差θ３は２８．８度となる。
【００４８】
次に、図８を用いて、本実施形態による車両用駆動発電システムに用いる車両用交流発電機の固定子巻線３とインバータ部１０１の詳細構成について説明する。
図８は、本発明の一実施形態による車両用駆動発電システムに用いる車両用交流発電機のの固定子巻線とインバータ部の詳細構成を示す回路図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。
【００４９】
２個の独立した３相の固定子巻線は第一コイル群３ａと、第一のコイル群３ａに対して電気的に２８．８度ずれた第ニコイル群３ｂから構成されている。独立した３相巻線の６相コイルは、１２個のインバータ素子Ｕ１＋，Ｕ１−，Ｖ１＋，Ｖ１−，Ｗ１＋，Ｗ１−，Ｕ２＋，Ｕ２−，Ｖ２＋，Ｖ２−，Ｗ２＋，Ｗ２−に接続されている。図ではＭＯＳ−ＦＥＴで示したが、他のスイッチング素子，例えば、ＩＧＢＴでも良い。また、２つの独立した３相巻線３ａ，３ｂの中性点は、４個のダイオードＹ１＋，Ｙ１−，Ｙ２＋，Ｙ２−に接続されている。ＭＯＳーＦＥＴのドレインＤ−ソースＳ間には、フライホイルダイオードが配置されている。
【００５０】
車両用交流発電機をモータとして回す場合には、インバータ素子群１０１ａからなるＭＯＳインバータで磁極センサ２２の信号を基にＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチングのタイミングを切り替えることで、バッテリー５５の直流電圧を２組の３相交流電圧に変換して、コイル群３ａ，３ｂに供給する。このとき、４個のダイオードＹ１＋，Ｙ１−，Ｙ２＋，Ｙ２−（整流素子群１０１ｂ）は動作していない。
【００５１】
次に、発電機として動作させる場合には、インバータ素子Ｕ１＋，Ｕ１−，Ｖ１＋，Ｖ１−，Ｗ１＋，Ｗ１−，Ｕ２＋，Ｕ２−，Ｖ２＋，Ｖ２−，Ｗ２＋，Ｗ２−のゲート信号をオフとして、インバータ素子群１０１ａを構成するＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン−ソース間のフライホイルダイオードにより、コイル群３ａ，３ｂに発生した誘起電圧を全波整流することで直流電圧を得て、発電させることができる。発電電圧は、図２に示した界磁巻線２２に流す電流を増減することで制御される。新たに設けたダイオードＹ１＋，Ｙ１−，Ｙ２＋，Ｙ２−は回転数が高い場合に、中性点電位が電源電圧よりも高くなった場合にその電位で整流するものである。よって、回転数が、例えば、３０００ｒ／min以上になるとその効果が現れてくる。また、ＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン−ソース間に配置されたダイオードによる整流の代わりに、ＭＯＳ−ＦＥＴのゲート信号を誘起電圧に合わせてオン−オフして、整流損失の少ないＭＯＳ−ＦＥＴによる同期整流とすることもできる。同期整流をすることで、損失を低減でき、整流効率を向上できる。
【００５２】
次に、図９を用いて、本実施形態による車両用駆動発電システムにおける発電電特性について説明する。
図９は、本発明の一実施形態による車両用駆動発電システムにおける発電特性についての説明図である。図９（Ａ），（Ｂ）の縦軸は発電電流（Ａ）を示し、横軸は時間（ｓ）を示している。
【００５３】
図９（Ａ）は、回転数が５０００ｒ／min時における中性点ダイオードが無い場合，すなわち、図８のインバータ素子群１０１ａのみによるＭＯＳ整流時の発電特性の計算結果を示している。
【００５４】
図９（Ｂ）は、回転数が５０００ｒ／min時における中性点ダイオードが有る場合，すなわち、図８のインバータ素子群１０１ａによるＭＯＳ整流と整流素子群１０１ｂによる中性点電圧整流とによる整流時の発電特性の計算結果を示している。
【００５５】
図９（Ａ），（Ｂ）において、図の下側に図示されている３つの線は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相毎の発電電流を示している。上側に図示された線は、３相を合計した発電電流を示している。
【００５６】
図９（Ａ）において、時間５ｓ以降の３相合計の発電電流は、約２８０Ａである。一方、図９（Ｂ）において、時間５ｓ以降の３相合計の発電電流は、約３１０Ａである。したがって、高回転時においては、約１割程度の出力が向上する。また、中性点整流は３相巻線が１つの場合では電圧リプルが大きく騒音の問題が生じるが、３相巻線を２個用い位相をずらして加え合わせることで、電圧リプル増大による騒音の問題は解消できる。そのために、中性点整流を行う場合には２つの独立したＹ結線が必須となる。
【００５７】
次に、図１０を用いて、本実施形態による車両用駆動発電システムに用いる他の爪形磁極の形状について説明する。
図１０は、本発明の一実施形態による車両用駆動発電システムにおける爪形磁極の形状を示す展開平面図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。
【００５８】
図１０は、固定子及び回転子を周方向に展開して示している。細い線が固定子２を示し、幅の広いティース２ｔと幅の狭いスロット２ｓが交互に位置している。太い線が回転子の爪形磁極５ａ，５ｂを示している。
【００５９】
図１０（Ａ）では、爪磁極５の回転方向（図中矢印方向）の前側と後ろ側のスキューピッチを等しくし、回転前側と回転後ろ側では同じ２．５のスキューピッチとしたものである。
【００６０】
それに対して、図１０（Ｂ）では、回転後ろ側に相当するスキューピッチを２スロット、回転前側のスキューピッチを３スロットとしており、回転後ろ側のスキューピッチを回転前側のスキューピッチよりも大きくするような不等スキューとすることで、約５％発電電流を増加することができる。ただし、このような不等スキューとした場合には回転方向を逆にすると発電出力は低下するが、本システムの車両用交流発電機は一方向にしか回転しないため問題はない。
【００６１】
上記内容は、車両用交流発電機をモータ駆動させる機能を備えたものについて説明したが、ＭＯＳ−ＦＥＴを省略し全てをダイオード素子とした場合にも同様の効果が有る。この場合にも、使用するダイオードをツェナーダイオードとすることで、ツェナー電圧以上に電源電圧が上昇しないため電気負荷の保護を実現できる。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態では、車両用交流発電機を用いたアイドルストッブ機能を備えた回転電機システムにおいて、従来の駆動用ＭＯＳインバータに加え、独立した２個のＹ結線で構成される巻線の中性点に新たに設けたダイオードに接続することで、高速時に発電時の出力を向上することができる。また、爪磁極間には補助励磁用の永久磁石を配置することで、低速時の出力を増大することができる。よって、爪磁極間に補助励磁用の永久磁石を配置し、３相の中性点を整流できるようにダイオードを設けることで、低速域から高速域まで全速域で発電出力を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムのシステム構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の爪磁極の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機に用いる永久磁石の形状を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の固定子巻線のコイル配置図である。
【図７】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の固定子巻線の結線図である。
【図８】本発明の一実施形態による車両用駆動発電システムに用いる車両用交流発電機のの固定子巻線とインバータ部の詳細構成を示す回路図である。
【図９】本発明の一実施形態による車両用駆動発電システムにおける発電特性についての説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態による車両用駆動発電システムにおける爪形磁極の形状を示す展開平面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１００…車両用交流発電機
２…固定子
２ｔ…ティース
２ｓ…スロット
３…固定子巻線
３ａ…第一コイル群
３ｂ…第ニコイル群
４…回転子
５…爪磁極
６…界磁巻線
７…シャフト
８…プーリ
９…フロントブラケット
１０…リアブラケット
１１…リアカバー
１２，１３…ベアリング
１４，１５…冷却ファン
１６…バッテリ端子
１７…ブラシ
１８…スリップリング
１９…パワーモジュール
２０…ヒートシンク
２１…パワー素子
２２…磁極センサ
５０…ベルト
５１…クランクプーリ
５２…エンジン
５３…スタータモータ
５４…キースイッチ
５５…バッテリ
５６…アクセルペダル
５７…アクセル信号
５８…ブレーキペダル
５９…ブレーキ信号
６０…エンジンコントロールユニット
６１…エンジン始動信号
６２…発電指令信号
６３…回転数検出信号
６４…電圧検出信号
６５…ゲート信号
６６…相電圧信号
１０２…レギュレータ
２００…駆動部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用回転電機システムに係り、特に、車両用交流発電機に用いるに好適な車両用回転電機システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の車両用交流発電機を用いた車両用回転電機システムにおいては、例えば、特開２００４−７９６４号公報に記載のように、３相インバータで３相巻線を持つ車両用交流発電機を駆動するシステムが知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−７９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特開２００４−７９６４号公報記載の車両用回転電機システムでは、インバータは３相であるため発電時には３相の全波整流となり、高速域で第３高調波による発電エネルギーを利用することができないため、高速時の発電特性が悪化するという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、高速時の発電特性の向上した車両用回転電機システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、永久磁石を補助励磁として爪磁極間に配置した回転子と、少なくても２個以上の独立した３相巻線を有する固定子とからなる回転電機と、それぞれの前記３相巻線に接続されるインバータとを有する回転電機システムであって、前記インバータは、前記３相巻線のそれぞれに接続された半導体スイッチング素子群と、前記３相巻線の中性点に接続された整流素子群とからなり、前記回転電機をモータとして駆動するときは、前記インバータは、直流電圧を交流電圧に変換して前記３相巻線のそれぞれに供給し、前記回転電機を発電機として駆動するときは、発電機の交流出力電圧を、前記インバータの半導体スイッチ群による同期整流若しくはフライホイルダイオードによる全波整流とし、前記整流素子群による中性点電圧整流とにより、直流電圧に変換するようにしたものである。
かかる構成により、高速時の発電特性を向上し得るものとなる。
【０００７】
（２）上記（１）において、好ましくは、前記回転子に設けた補助励磁用の永久磁石は、両端の厚みが中心部分よりも薄くしたものである。
【０００８】
（３）上記（１）において、好ましくは、前記独立した２個の３相巻線は、分数、分布巻きで構成したものである。
【０００９】
（４）上記（３）において、好ましくは、前記独立した２個の３相巻線は、回転子の極数が１２極で、スロット数が９０で構成したものである。
【００１０】
（５）上記（１）において、好ましくは、前記回転子の爪磁極に施されたスキューピッチは回転子の回転前側に対して回転後ろ側のスキューピッチを小さくしたものである。
【００１１】
（６）上記（５）において、好ましくは、前記回転子のスキューピッチは回転前側が３．０であり、回転後ろ側を２．０としたものである。
【００１２】
（７）上記（１）において、好ましくは、前記整流素子群は、ツェナーダイオードからなる。
【００１３】
（８）また、上記目的を達成するために、本発明は、永久磁石を補助励磁として爪磁極間に配置した回転子と、少なくても２個以上の独立した３相巻線を有する回転子とからなる回転電機と、それぞれの前記３相巻線に接続されるインバータとを有する回転電機システムであって、前記インバータは、前記３相巻線のそれぞれに接続された半導体スイッチング素子群と、前記３相巻線の中性点に接続された整流素子群とからなり、前記回転子の極数が１２極、固定子のスロット数が９０、ステータ巻線が分数分布巻きで構成され、前記回転電機をモータとして駆動するときは、前記インバータは、直流電圧を交流電圧に変換して前記３相巻線のそれぞれに供給し、前記回転電機を発電機として駆動するときは、発電機の交流出力電圧を、前記インバータの半導体スイッチ群による同期整流若しくはフライホイルダイオードによる全波整流と、前記整流素子群による中性点電圧整流とにより、直流電圧に変換するようにしたものである。
かかる構成により、高速時の発電特性を向上し得るものとなる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、高速時の発電特性を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図１〜図１０を用いて、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムの構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による車両用回転電機システムの全体システム構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムのシステム構成図である。
【００１６】
エンジン５２には、スタータモータ５３が取り付けられており、エンジン５２を始動する場合に使用される。スタータモータ５３の起動は、キースイッチ５４を運転者が操作することで動作する。電源としては、バッテリー５５の電力を使用する。
【００１７】
バッテリー５５のプラス端子およびマイナス端子は、車両用交流発電機１００にも電気的に接続されている。バッテリー５５のマイナス側端子はアースとして車体に接続される。車両用交流発電機１００は、エンジン５２に対してクランクプーリ５１とプーリ８をベルト５０を介して動力の伝達を行うものである。ベルト５０の回転方向は一定方向であり、エンジン５２によって車両用交流発電機１００を回す場合と、車両用交流発電機１００がエンジン５２を回す２通りの動作ができるようになっている。図中太線は電力線、細線は信号線を示している。
【００１８】
車両用交流発電機１００の内部には、インバータ回路を含んだ駆動部２００が設けられている。駆動部２００とＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）６０間の信号には、エンジン始動信号６１と、発電指令信号６２と、回転数検出信号６３とがある。ＥＣＵ６０にはアクセルペダル５６の踏み込み量を検出するアクセル信号５７とブレーキペダル５８の踏み込み量を検出するブレーキ信号５９が接続されている。
【００１９】
次に、図２を用いて、本実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機１００の構成について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は同一部分を示している。
【００２０】
交流発電機１００は、２つの独立した３相巻線３ａ，３ｂから構成されている。この２つの３相巻線３ａ，３ｂは、中性点がお互い接続されておらず、３相巻線の同相コイルの位相が電気角で３０度程度ずれているものである。図示したものは、３相巻線３ａに対して３相巻線３ｂが３０度遅れている様子を示している。
【００２１】
車両用交流発電機１００に内蔵した駆動部２００には、車両用交流発電機の３相巻線にモータ動作が可能なインバータ部１０１と、界磁巻線電流を制御するレギュレータ１０２が搭載されている。
【００２２】
インバータ部１０１は、１２個のインバータ素子群（半導体スイッチング素子；図示の例では、ＭＯＳ−ＦＥＴ；ＩＧＢＴも使用可）１０１ａと、４個の整流素子群（図示の例では、ダイオード）１０１ｂとから構成される。２つの３相巻線３ａ，３ｂの出力端子の数は６個となるため、インバータ部１０１のインバータ素子１０１ａの数は、上アームと下アームで１２素子となり、その中心に各相の端子が電気的に接続されている。また、２つの３相巻線３ａ，３ｂの中性点は、それぞれ２個の直列接続されたダイオードの接続点に接続されており、独立した３相巻線３ａ，３ｂの中性点電位を全波整流できるように構成している。整流素子１０１ｂとして、ダイオードの代わりにツェナーダイオードを用いた場合には、バッテリー電圧がツェナー電圧より高くならないように動作するため、バッテリーの端子外れによるダンプサージを吸収することが可能となり、電気負荷を保護することができる。
【００２３】
レギュレータ１０２には、ＥＣＵ６０からエンジン始動信号６１と、発電指令信号６２とが入力し、ＥＣＵ６０には、回転数検出信号６３が出力する。また、レギュレータ１０２には、バッテリ５５の電圧を示すバッテリ電圧検出信号６４と、インバータ部１０１に含まれるダイオードの両端電圧であるダイオード電圧信号６６と、磁極位置センサ２２によって検出された磁極位置信号とが入力し、インバータ部１０１には、インバータ素子を駆動するためのゲート信号６５が出力する。また、レギュレータ１０２は、交流発電機１００の界磁コイル６に流す界磁電流を制御する。
【００２４】
次に、図１及び図２に示した車両用回転電機システムの動作について説明する。
【００２５】
図１は、エンジン５２が冷えている場合には、エンジン内のエンジンオイルの粘性が高いためエンジンを駆動するために必要なトルクが大きいので、運転者がキースイッチ５４を操作することで、スタータモータ５３を駆動してエンジンを始動する。
【００２６】
一方、エンジンが十分暖まった場合には、エンジンオイルの粘性が下がるため、エンジンの摩擦抵抗が低減し、冷えた状態に比較して小さい力でエンジンを始動することができるので、アイドルストップ後の再始動時には交流発電機１００よりエンジン５２を始動する。例えば、運転者がアクセルペダル５６から足を離してブレーキペダルを踏んだ場合、車速を検出して車速が零速度の場合にエンジンを停止するかアイドル状態を維持するかを、ＥＣＵ６０が決定する。例えば、ＥＣＵ６０が信号待ちや渋滞と判断した場合、エンジンを停止する。次に、運転者がブレーキペダル５８から足を離して、アクセルペダル５６を踏んだ場合、アクセル信号５７がＥＣＵ６０に対して出力されるために、ＥＣＵ６０はエンジン始動信号６１を車両用交流発電機１００に内蔵した駆動部２００に対して出力する。駆動部２００は車両用交流発電機の３相巻線にモータ動作が可能なインバータ部１０１と界磁巻線電流を制御するレギュレータ１０２が搭載されており、ＥＣＵ６０からエンジン始動信号６１がオンになった場合には、車両用交流発電機１００をモータとして回転させる。このとき、エンジン５２は車両用交流発電機１００にプーリとベルトで接続されているため、交流発電機１００によって回転させることができ、エンジンを始動させることができる。エンジンが始動した場合、駆動部２００からは回転数検出信号６３がＥＣＵ６０に戻されるため、ＥＣＵ６０ではエンジン始動信号６１をオフすると共に、発電指令信号６２をオンして車両用交流発電機１００をモータ動作から発電機動作モードに切り替える。
【００２７】
以上の動作により、車両用交流発電機は、モータとして動作する場合と、発電機として動作する場合の２通りに大別される。
【００２８】
次に、図３を用いて、本実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の構成について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の断面図である。
【００２９】
図３に示した交流発電機は、前述したようにモータ駆動可能な車両用交流発電機であり、一般的な車両用交流発電機と違うのは、モータとして駆動する際に必要なインバータを内蔵したことである。
【００３０】
冷却方式としては、ステータ外周部をエンジン冷却水を用いた水冷方式と、内扇ファンによる空冷の２通りが有るが、ここでは空冷式のものについて説明する。また、性能を向上させるために、爪磁極間に永久磁石を配置してもよいものである。
【００３１】
プーリ８には、回転部となるシャフト７を中心に爪磁極５ａ，５ｂから構成される回転子４が設けられている。回転子４には、爪磁極５の内周側に界磁巻線６が巻装されるとともに、軸方向の両端面に冷却ファン１４，１５が設けられている。
【００３２】
回転子４の外周側には、固定子２とその固定子２に先に説明した３相巻線３が２組巻かれている。固定子２はフロントブラケット９とリアブラケット１０により前後から挟み込まれるように配置されている。各ブラケット９，１０は、ベアリング１２，１３によりシャフト７を回転自由に支持している。
【００３３】
回転子４に配置された界磁巻線６には、シャフト７に設けられたスリップリング１８とブラシ１７から直流電流が供給され、軸方向に磁化を作る。ブラシ１７にはバッテリ端子１６を介して車載のバッテリから電力が供給される。よって、先に述べた爪磁極５ａがＮ極の場合には、爪磁極５ｂがＳ極となる。この爪磁極５の励磁磁化の強さは、界磁電流の大きさに比例する。
【００３４】
シャフト７の反プーリ側端部には磁極センサ２２が配置されており、ロータの磁極位置を検出する手段として用いられる。リアブラケット１０に接して、リアカバー１１の内側には、ヒートシンク２０が設けられている。ヒートシンク２０には、図２に示した駆動部２００に設けられたインバータ部１０１を構成するパワー素子２１が実装されており、パワー素子２１の損失をヒートシンク２０に放熱できるような構成となっている。パワーモジュール１９は、ヒートシンク２０とパワー素子２１で構成されている。
【００３５】
次に、図４及び図５を用いて、本実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の爪磁極の構成について説明する。図４は回転子４の爪磁極の２極分について示している。
図４は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の爪磁極の構成を示す斜視図である。図５は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機に用いる永久磁石の形状を示す斜視図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。
【００３６】
図４に示すように、爪磁極５ａと爪磁極５ｂの極間には、永久磁石２５が配置されている。永久磁石２５の形状は、直方体としている。
【００３７】
なお、永久磁石２５は、図５に示すように、永久磁石２５ａ，２５ｂのように、磁石中心部と磁石端部の厚みが異なっており、磁石端部の厚みが中心部よりも薄くすることができる。
【００３８】
アイドルストッブ機能を持たせた１２Ｖ系のシステムでは、電源電圧が低いためにモータ動作時の誘起電圧が電源電圧よりも低く設計しなければならないために、固定子巻線の巻数を少なく設計する必要がある。そのため、低速時のトルクが減少する。その対策として、爪磁極間に永久磁石を配置し、低速時のトルクを増加させている。しかし、爪磁極間に永久磁石を配置した場合、内周側に巻かれた界磁巻線の冷却が悪化するため、高速側で磁石を入れた場合発電特性が磁石の無い場合と比較して悪化することになる。
【００３９】
それに対して、上述のように、磁石端部の厚さを薄くすることで、磁石の爪先端部における加重を低減でき、遠心力による爪磁極の耐久性を向上できる。また、図３に示した回転電機は空冷方式により固定子巻線３や界磁巻線６を冷却する方式であるため、磁石端部の厚さを薄くすることで、永久磁石の内周側に配置される界磁巻線の冷却を促進することができる。したがって、高速時の発電特性の悪化を防止することができる。なお、この磁石の磁化方向としては、界磁巻線の作る磁化方向と同方向の極性となるように着磁したものを組み込むか、または着磁ヨークにより組み立てた後で着磁する。
【００４０】
図５（Ａ）に示す永久磁石２５ａにおいては、例えば、中心部の厚みＨ１を８ｍｍとするとき、端部の厚みＨ２を４ｍｍとして、端部付近にＲを付けた形状とする。この形状では、両側に接する爪磁極５ａ，５ｂとの接触面積を大きくすることができ、永久磁石の磁束を有効に利用できる。
【００４１】
一方、図５（Ｂ）に示し永久磁石２５ｂにおいては、例えば、中心部の厚みＨ１を８ｍｍとするとき、端部の厚みＨ２を３ｍｍとして、中心部から端部にかけて直線的に厚さを薄くする形状とする。この形状では、爪磁極５ａ，５ｂの自由端部側の厚さが、図５（Ａ）に比べて薄くできるので、永久磁石２５ａに比べて冷却効率が高く、また、爪磁極５ａ，５ｂの耐久性を大きくできる。
【００４２】
次に、図６及び図７を用いて、本実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の固定子巻線のコイルの結線について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の固定子巻線のコイル配置図である。図７は、本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の固定子巻線の結線図である。
【００４３】
ここでは、固定子のスロット数が９０のものとし、回転子の極数は１２極であり、毎極毎相スロット数は２．５（＝２＋（１／２））の分数巻で、固定子巻線が分布巻の例について説明する。図６は、コイル配置の一例で、スロット数９０の内１／６の１５スロットについて示している。すなわち、回転子の２極分に相当する。ここでは、図面簡略化のために固定子２を直線的に延ばして図示している。図７（Ａ）は、第１のコイル群である３相巻線３ａを示し、図７（Ｂ）は、第２のコイル群である３相巻線３ｂを示している。
【００４４】
図６において、括弧付きの数字は、スロット番号を示している。固定子２は、複数のティース２Ｔと、これらのティース２Ｔの間に形成されるスロット２Ｓからなり、コイルは、スロット２Ｓの内部に配置される。
【００４５】
ロータ２極に対してスロット数が１５個になるため、１スロットの電気的位相は２４度となる。また、１スロット内に配置される巻線は４導体で示している。図４に示す第１コイル群のＵ相巻線は１Ｕ１１〜１Ｕ１５と、電流方向が逆になる１Ｕ１１−〜１Ｕ１５−の１０導体で構成される。また、第２コイル群を構成するＵ相巻線は２Ｕ１１〜２Ｕ１５と２Ｕ１１−〜２Ｕ１５−の１０導体で構成される。３相巻線が２組あることから、図示した全導体数は６０導体となる。
【００４６】
図７（Ａ）に示すように、３相巻線の１Ｕ相と１Ｖ相および１Ｗ相は、それぞれそれぞれ電気角で１２０度の位相差で構成されている。また、図６（Ｂ）に示すように、２Ｕ相と２Ｖ相と２Ｗ相も、それぞれ１２０度の位相差で構成されている。図４に示したように、第１コイル群の１Ｕ相コイル１Ｕ１１〜１Ｕ１５はスロット番号（１）とスロット番号（２）に分かれて配置される。このとき、１Ｕ相コイル１Ｕ１１〜１Ｕ１４はスロット番号（１）に配置され、１Ｕ相コイル１Ｕ１５はスロット番号（２）に配置される。従って、図７（Ａ）に示すように、１Ｕ相コイル１Ｕ１１〜１Ｕ１４に対して、１Ｕ相コイル１Ｕ１５は、２４度位相がずれている。１Ｕ相コイル１Ｕ１１〜１Ｕ１５全体として位相は、１Ｕ相コイル１Ｕ１１〜１Ｕ１４を基準にすると、θ１（＝４．８度）ずれている。
【００４７】
一方、図６に示したように、第２コイル群の２Ｕ相コイル２Ｕ１１〜２Ｕ１５はスロット番号（２）とスロット番号（３）に分かれて配置される。このとき、２Ｕ相コイル２Ｕ１１〜２Ｕ１３はスロット番号（２）に配置され、２Ｕ相コイル２Ｕ１４，２Ｕ１５はスロット番号（３）に配置される。従って、図７（Ｂ）に示すように、２Ｕ相コイル２Ｕ１１〜２Ｕ１３に対して、２Ｕ相コイル２Ｕ１４，２Ｕ１５は、２４度位相がずれている。２Ｕ相コイル２Ｕ１１〜２Ｕ１５全体として位相は、２Ｕ相コイル１Ｕ１１〜１Ｕ１４を基準にすると、θ２（＝９．６度）ずれている。したがって、１Ｕ相コイルと２Ｕ相コイルの位相差θ３は２８．８度となる。
【００４８】
次に、図８を用いて、本実施形態による車両用駆動発電システムに用いる車両用交流発電機の固定子巻線３とインバータ部１０１の詳細構成について説明する。
図８は、本発明の一実施形態による車両用駆動発電システムに用いる車両用交流発電機のの固定子巻線とインバータ部の詳細構成を示す回路図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。
【００４９】
２個の独立した３相の固定子巻線は第一コイル群３ａと、第一のコイル群３ａに対して電気的に２８．８度ずれた第ニコイル群３ｂから構成されている。独立した３相巻線の６相コイルは、１２個のインバータ素子Ｕ１＋，Ｕ１−，Ｖ１＋，Ｖ１−，Ｗ１＋，Ｗ１−，Ｕ２＋，Ｕ２−，Ｖ２＋，Ｖ２−，Ｗ２＋，Ｗ２−に接続されている。図ではＭＯＳ−ＦＥＴで示したが、他のスイッチング素子，例えば、ＩＧＢＴでも良い。また、２つの独立した３相巻線３ａ，３ｂの中性点は、４個のダイオードＹ１＋，Ｙ１−，Ｙ２＋，Ｙ２−に接続されている。ＭＯＳーＦＥＴのドレインＤ−ソースＳ間には、フライホイルダイオードが配置されている。
【００５０】
車両用交流発電機をモータとして回す場合には、インバータ素子群１０１ａからなるＭＯＳインバータで磁極センサ２２の信号を基にＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチングのタイミングを切り替えることで、バッテリー５５の直流電圧を２組の３相交流電圧に変換して、コイル群３ａ，３ｂに供給する。このとき、４個のダイオードＹ１＋，Ｙ１−，Ｙ２＋，Ｙ２−（整流素子群１０１ｂ）は動作していない。
【００５１】
次に、発電機として動作させる場合には、インバータ素子Ｕ１＋，Ｕ１−，Ｖ１＋，Ｖ１−，Ｗ１＋，Ｗ１−，Ｕ２＋，Ｕ２−，Ｖ２＋，Ｖ２−，Ｗ２＋，Ｗ２−のゲート信号をオフとして、インバータ素子群１０１ａを構成するＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン−ソース間のフライホイルダイオードにより、コイル群３ａ，３ｂに発生した誘起電圧を全波整流することで直流電圧を得て、発電させることができる。発電電圧は、図２に示した界磁巻線２２に流す電流を増減することで制御される。新たに設けたダイオードＹ１＋，Ｙ１−，Ｙ２＋，Ｙ２−は回転数が高い場合に、中性点電位が電源電圧よりも高くなった場合にその電位で整流するものである。よって、回転数が、例えば、３０００ｒ／min以上になるとその効果が現れてくる。また、ＭＯＳ−ＦＥＴのドレイン−ソース間に配置されたダイオードによる整流の代わりに、ＭＯＳ−ＦＥＴのゲート信号を誘起電圧に合わせてオン−オフして、整流損失の少ないＭＯＳ−ＦＥＴによる同期整流とすることもできる。同期整流をすることで、損失を低減でき、整流効率を向上できる。
【００５２】
次に、図９を用いて、本実施形態による車両用駆動発電システムにおける発電電特性について説明する。
図９は、本発明の一実施形態による車両用駆動発電システムにおける発電特性についての説明図である。図９（Ａ），（Ｂ）の縦軸は発電電流（Ａ）を示し、横軸は時間（ｓ）を示している。
【００５３】
図９（Ａ）は、回転数が５０００ｒ／min時における中性点ダイオードが無い場合，すなわち、図８のインバータ素子群１０１ａのみによるＭＯＳ整流時の発電特性の計算結果を示している。
【００５４】
図９（Ｂ）は、回転数が５０００ｒ／min時における中性点ダイオードが有る場合，すなわち、図８のインバータ素子群１０１ａによるＭＯＳ整流と整流素子群１０１ｂによる中性点電圧整流とによる整流時の発電特性の計算結果を示している。
【００５５】
図９（Ａ），（Ｂ）において、図の下側に図示されている３つの線は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相毎の発電電流を示している。上側に図示された線は、３相を合計した発電電流を示している。
【００５６】
図９（Ａ）において、時間５ｓ以降の３相合計の発電電流は、約２８０Ａである。一方、図９（Ｂ）において、時間５ｓ以降の３相合計の発電電流は、約３１０Ａである。したがって、高回転時においては、約１割程度の出力が向上する。また、中性点整流は３相巻線が１つの場合では電圧リプルが大きく騒音の問題が生じるが、３相巻線を２個用い位相をずらして加え合わせることで、電圧リプル増大による騒音の問題は解消できる。そのために、中性点整流を行う場合には２つの独立したＹ結線が必須となる。
【００５７】
次に、図１０を用いて、本実施形態による車両用駆動発電システムに用いる他の爪形磁極の形状について説明する。
図１０は、本発明の一実施形態による車両用駆動発電システムにおける爪形磁極の形状を示す展開平面図である。なお、図３と同一符号は、同一部分を示している。
【００５８】
図１０は、固定子及び回転子を周方向に展開して示している。細い線が固定子２を示し、幅の広いティース２ｔと幅の狭いスロット２ｓが交互に位置している。太い線が回転子の爪形磁極５ａ，５ｂを示している。
【００５９】
図１０（Ａ）では、爪磁極５の回転方向（図中矢印方向）の前側と後ろ側のスキューピッチを等しくし、回転前側と回転後ろ側では同じ２．５のスキューピッチとしたものである。
【００６０】
それに対して、図１０（Ｂ）では、回転後ろ側に相当するスキューピッチを２スロット、回転前側のスキューピッチを３スロットとしており、回転後ろ側のスキューピッチを回転前側のスキューピッチよりも大きくするような不等スキューとすることで、約５％発電電流を増加することができる。ただし、このような不等スキューとした場合には回転方向を逆にすると発電出力は低下するが、本システムの車両用交流発電機は一方向にしか回転しないため問題はない。
【００６１】
上記内容は、車両用交流発電機をモータ駆動させる機能を備えたものについて説明したが、ＭＯＳ−ＦＥＴを省略し全てをダイオード素子とした場合にも同様の効果が有る。この場合にも、使用するダイオードをツェナーダイオードとすることで、ツェナー電圧以上に電源電圧が上昇しないため電気負荷の保護を実現できる。
【００６２】
以上説明したように、本実施形態では、車両用交流発電機を用いたアイドルストッブ機能を備えた回転電機システムにおいて、従来の駆動用ＭＯＳインバータに加え、独立した２個のＹ結線で構成される巻線の中性点に新たに設けたダイオードに接続することで、高速時に発電時の出力を向上することができる。また、爪磁極間には補助励磁用の永久磁石を配置することで、低速時の出力を増大することができる。よって、爪磁極間に補助励磁用の永久磁石を配置し、３相の中性点を整流できるようにダイオードを設けることで、低速域から高速域まで全速域で発電出力を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムのシステム構成図である。
【図２】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の爪磁極の構成を示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機に用いる永久磁石の形状を示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の固定子巻線のコイル配置図である。
【図７】本発明の一実施形態による車両用回転電機システムに用いる車両用交流発電機の固定子巻線の結線図である。
【図８】本発明の一実施形態による車両用駆動発電システムに用いる車両用交流発電機のの固定子巻線とインバータ部の詳細構成を示す回路図である。
【図９】本発明の一実施形態による車両用駆動発電システムにおける発電特性についての説明図である。
【図１０】本発明の一実施形態による車両用駆動発電システムにおける爪形磁極の形状を示す展開平面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１００…車両用交流発電機
２…固定子
２ｔ…ティース
２ｓ…スロット
３…固定子巻線
３ａ…第一コイル群
３ｂ…第ニコイル群
４…回転子
５…爪磁極
６…界磁巻線
７…シャフト
８…プーリ
９…フロントブラケット
１０…リアブラケット
１１…リアカバー
１２，１３…ベアリング
１４，１５…冷却ファン
１６…バッテリ端子
１７…ブラシ
１８…スリップリング
１９…パワーモジュール
２０…ヒートシンク
２１…パワー素子
２２…磁極センサ
５０…ベルト
５１…クランクプーリ
５２…エンジン
５３…スタータモータ
５４…キースイッチ
５５…バッテリ
５６…アクセルペダル
５７…アクセル信号
５８…ブレーキペダル
５９…ブレーキ信号
６０…エンジンコントロールユニット
６１…エンジン始動信号
６２…発電指令信号
６３…回転数検出信号
６４…電圧検出信号
６５…ゲート信号
６６…相電圧信号
１０２…レギュレータ
２００…駆動部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を補助励磁として爪磁極間に配置した回転子と、少なくても２個以上の独立した３相巻線を有する固定子とからなる回転電機と、それぞれの前記３相巻線に接続されるインバータとを有する回転電機システムであって、
前記インバータは、前記３相巻線のそれぞれに接続された半導体スイッチング素子群と、前記３相巻線の中性点に接続された整流素子群とからなり、
前記回転電機をモータとして駆動するときは、前記インバータは、直流電圧を交流電圧に変換して前記３相巻線のそれぞれに供給し、
前記回転電機を発電機として駆動するときは、発電機の交流出力電圧を、前記インバータの半導体スイッチ群による同期整流若しくはフライホイルダイオードによる全波整流とし、前記整流素子群による中性点電圧整流とにより、直流電圧に変換することを特徴とする回転電機システム。
【請求項２】
請求項１記載の回転電機システムにおいて、
前記回転子に設けた補助励磁用の永久磁石は、両端の厚みが中心部分よりも薄いことを特徴とする車両用回転電機システム。
【請求項３】
請求項１記載の回転電機システムにおいて、
前記独立した２個の３相巻線は、分数、分布巻きで構成されていることを特徴とする車両用回転電機システム。
【請求項４】
請求項３記載の回転電機システムにおいて、
前記独立した２個の３相巻線は、回転子の極数が１２極で、スロット数が９０で構成されることを特徴とする車両用回転電機システム。
【請求項５】
請求項１記載の回転電機システムにおいて、
前記回転子の爪磁極に施されたスキューピッチは回転子の回転前側に対して回転後ろ側のスキューピッチが小さいことを特徴とする車両用回転電機システム。
【請求項６】
請求項５記載の回転電機システムにおいて、
前記回転子のスキューピッチは回転前側が３．０であり、回転後ろ側が２．０であることを特徴とする車両用回転電機システム。
【請求項７】
請求項１記載の回転電機システムにおいて、
前記整流素子群は、ツェナーダイオードからなることを特徴とする車両用回転電機システム。
【請求項８】
永久磁石を補助励磁として爪磁極間に配置した回転子と、少なくても２個以上の独立した３相巻線を有する回転子とからなる回転電機と、それぞれの前記３相巻線に接続されるインバータとを有する回転電機システムであって、
前記インバータは、前記３相巻線のそれぞれに接続された半導体スイッチング素子群と、前記３相巻線の中性点に接続された整流素子群とからなり、
前記回転子の極数が１２極、固定子のスロット数が９０、ステータ巻線が分数分布巻きで構成され、
前記回転電機をモータとして駆動するときは、前記インバータは、直流電圧を交流電圧に変換して前記３相巻線のそれぞれに供給し、
前記回転電機を発電機として駆動するときは、発電機の交流出力電圧を、前記インバータの半導体スイッチ群による同期整流若しくはフライホイルダイオードによる全波整流と、前記整流素子群による中性点電圧整流とにより、直流電圧に変換することを特徴とする回転電機システム。
【請求項１】
永久磁石を補助励磁として爪磁極間に配置した回転子と、少なくても２個以上の独立した３相巻線を有する固定子とからなる回転電機と、それぞれの前記３相巻線に接続されるインバータとを有する回転電機システムであって、
前記インバータは、前記３相巻線のそれぞれに接続された半導体スイッチング素子群と、前記３相巻線の中性点に接続された整流素子群とからなり、
前記回転電機をモータとして駆動するときは、前記インバータは、直流電圧を交流電圧に変換して前記３相巻線のそれぞれに供給し、
前記回転電機を発電機として駆動するときは、発電機の交流出力電圧を、前記インバータの半導体スイッチ群による同期整流若しくはフライホイルダイオードによる全波整流とし、前記整流素子群による中性点電圧整流とにより、直流電圧に変換することを特徴とする回転電機システム。
【請求項２】
請求項１記載の回転電機システムにおいて、
前記回転子に設けた補助励磁用の永久磁石は、両端の厚みが中心部分よりも薄いことを特徴とする車両用回転電機システム。
【請求項３】
請求項１記載の回転電機システムにおいて、
前記独立した２個の３相巻線は、分数、分布巻きで構成されていることを特徴とする車両用回転電機システム。
【請求項４】
請求項３記載の回転電機システムにおいて、
前記独立した２個の３相巻線は、回転子の極数が１２極で、スロット数が９０で構成されることを特徴とする車両用回転電機システム。
【請求項５】
請求項１記載の回転電機システムにおいて、
前記回転子の爪磁極に施されたスキューピッチは回転子の回転前側に対して回転後ろ側のスキューピッチが小さいことを特徴とする車両用回転電機システム。
【請求項６】
請求項５記載の回転電機システムにおいて、
前記回転子のスキューピッチは回転前側が３．０であり、回転後ろ側が２．０であることを特徴とする車両用回転電機システム。
【請求項７】
請求項１記載の回転電機システムにおいて、
前記整流素子群は、ツェナーダイオードからなることを特徴とする車両用回転電機システム。
【請求項８】
永久磁石を補助励磁として爪磁極間に配置した回転子と、少なくても２個以上の独立した３相巻線を有する回転子とからなる回転電機と、それぞれの前記３相巻線に接続されるインバータとを有する回転電機システムであって、
前記インバータは、前記３相巻線のそれぞれに接続された半導体スイッチング素子群と、前記３相巻線の中性点に接続された整流素子群とからなり、
前記回転子の極数が１２極、固定子のスロット数が９０、ステータ巻線が分数分布巻きで構成され、
前記回転電機をモータとして駆動するときは、前記インバータは、直流電圧を交流電圧に変換して前記３相巻線のそれぞれに供給し、
前記回転電機を発電機として駆動するときは、発電機の交流出力電圧を、前記インバータの半導体スイッチ群による同期整流若しくはフライホイルダイオードによる全波整流と、前記整流素子群による中性点電圧整流とにより、直流電圧に変換することを特徴とする回転電機システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−１７４６０６（Ｐ２００６−１７４６０６Ａ）
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３６４１６９（Ｐ２００４−３６４１６９）
【出願日】平成１６年１２月１６日（２００４．１２．１６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２９日（２００６．６．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月１６日（２００４．１２．１６）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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