JP4207339B2

JP4207339B2 - Rotating electrical machine for vehicle

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Publication number: JP4207339B2
Application number: JP34773199A
Authority: JP
Inventors: 裕章梶浦
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-12-07
Filing date: 1999-12-07
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2019-12-07
Also published as: JP2001169569A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用回転電機装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、車両用電気負荷給電用のための車両用交流発電機を電動動作させてエンジン始動、トルクアシストさせたり、車両制動時に発電制動を行って走行慣性動力を電力として有効利用したりする車両用発電電動機技術が知られている。
【０００３】
また、エンジン動力の一部又は全部を発電機により電力に変換し、この電力により車両を駆動することにより燃費改善やエミッション低減を図るハイブリッド車技術も知られている。
【０００４】
上述した車両用発電電動機技術やハイブリッド車技術では、車載の直流電源と回転電機の多相の電機子相巻線との間で送電をなすために、双方向直交変換を行うために半導体スイッチング素子及びダイオ−ドを用いて構成した半導体コンバ−タが用いられている。
【０００５】
特開昭５３ー８９９３８号公報は、ロ−タリ−コンバ−タを開示している。このロ−タリ−コンバ−タは、回転電機の回転軸に、同一の回転軸に固定される一対のスリップリングと、直流電源の正、負端子から個別に給電されて上記スリップリングに個別に接する一対の直流側ブラシと、互いに周方向所定角度離れてこの回転軸に固定される所定数の整流子片と、各電機子相巻線に個別に接続されて上記整流子片に所定角度範囲ずつ接する交流側ブラシとを備え、直流電源から給電される直流電力を所定相数の交流電力に変換する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した車両用発電電動機技術やハイブリッド車技術では、上述したエンジン始動又は大トルクアシスト又は大発電制動（回生制動ともいう）時において、一時的ではあるが、通常時よりも格段に大きい電流がコンバ−タに流れるため、コンバ−タの半導体スイッチング素子やダイオードの定格をこの大電流通電に耐えることができるように設計する必要があり、その結果、コンバ−タのコスト増大や半導体素子の冷却強化といった問題が重大となっていた。
【０００７】
そこで、上記した公報のロ−タリ−コンバ−タを用いれば、半導体素子の省略により上記問題を改善できる可能性がある。
【０００８】
しかし、このロ−タリ−コンバ−タは、ブラシが整流子片やスリップリング上を常時摺接して摩耗するために短寿命であり、交換作業が必要となる点、ブラシなどから飛散する導電性粉末による汚損や短絡が発生する点が、実用化のためにいまだ未解決の問題として残っていた。
【０００９】
また、従来のロ−タリ−コンバ−タでは、ロ−タリ−コンバ−タの整流子片がブラシから離れる際のア−ク抑止のためにこれら両者間に介設されるコンデンサを大容量化する必要があり、高耐圧の大型コンデンサを相数分準備せねばならず、これがロ−タリ−コンバ−タの全体体格の大型化及び高コスト化を招いていた。
【００１０】
更に、上記したロ−タリ−コンバ−タは、電機子相巻線の回転角度に対してその通電タイミングが常に一定となるため、電機子巻線を一定位相で運転せざるを得ず、電機子電圧又は電機子電流の位相制御によるトルク制御ができず、上述した車両用回転電機にごとく、車両用回転電機の発生トルク又は負荷トルクの頻繁な変更が必要な用途では、採用は困難であった。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、トルク制御が可能で大電流通電が可能な車両用回転電機装置を提供することを、その目的としている。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の本発明の車両用回転電機装置によれば、ロ−タリ−コンバ−タは、車両用回転電機と独立に、かつ、位相制御可能に車両用回転電機と同期回転して直流電源と車両用回転電機の電機子巻線との間で直交変換を行うので、大型の半導体スイッチング素子を用いることなく大電流通電が可能な上、トルク制御も容易な車両用回転電機装置を実現することができる。
【００１３】
以下、更に詳しく説明する。
【００１４】
すなわち、本構成によれば、直交変換用のロ−タリ−コンバ−タは、車両用回転電機とは別に設けられて同期回転するロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タにより駆動される。したがって、このロ−タリ−コンバ−タから車両用回転電機の電機子巻線への通電開始、通電遮断タイミングすなわち電機子巻線の通電位相は、車両用回転電機の界磁子に対して自由に制御できるので、この位相制御により車両用回転電機として必要な電動トルク又は発電トルクの自在な調整が可能となる。
【００１５】
また、許容電流範囲及び許容温度範囲が狭く、大電流断続のためには半導体素子のコスト及び冷却が解決が容易でない問題として顕在化する半導体コンバ−タに比較して電機子巻線への通電電流増大に必要なコスト追加がほとんどなく、車両用回転電機の大出力化が可能となる。
【００１６】
請求項１記載の発明によれば更に、このロ−タリ−コンバ−タと並列に半導体コンバ−タが接続される。更に具体的に説明すれば、この半導体コンバ−タは、直流電源の正、負端子と各電機子相巻線の端子とをそれぞれ接続する半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子と個別に並列接続されるフライホイルダイオ−ドとを有する。
【００１７】
このようにすれば、大型半導体スイッチング素子を用いることなく大電流通電及び位相制御が可能な上、自由に位相制御できるこの半導体コンバ−タにより、両者を同時運転して電機子相巻線の通電電流を増大したり、あるいは半導体コンバ−タを停止してその温度低下を図ったり、あるいはロ−タリ−コンバ−タを止めてその寿命延長を図ったりすることができる。
【００１８】
また、半導体コンバ−タはそのＰＷＭ制御により容易に電機子印加電圧波形あるいは電機子電流波形を正弦波形状とすることができるので、車両用回転電機の騒音を減らすことができる。また、原理的に略矩形波波形となるロ−タリ−コンバ−タの電圧又は電流に加えて、ロ−タリ−コンバ−タの通電期間の前後にそれぞれ前記ロ−タリ−コンバ−タの電圧又は電流より小さい電圧又は電流を半導体コンバ−タで付加することができ、全体として電機子巻線の電圧又は電流を階段変化形状の擬似正弦波波形とすることができ、一層、有効である。また、ロ−タリ−コンバ−タの通電位相角により制限はあるものの所定範囲で位相角制御も実現することができる。
【００１９】
請求項２記載の構成によれば請求項１記載の車両用回転電機装置において更に、半導体スイッチング素子は、電流制限用の抵抗素子を通じて電機子相巻線に接続される。
【００２０】
このようにすれば、ロ−タリ−コンバ−タの通電期間には、ロ−タリ−コンバ−タの整流子片とブラシとの間の低抵抗経路を通じてほとんどの電機子電流を流して半導体コンバ−タの発熱を抑止し、ロ−タリ−コンバ−タの非通電期間やロ−タリ−コンバ−タの通電から非通電への切り替わる瞬間などには半導体コンバ−タで半導体コンバ−タの可能な範囲で半導体コンバ−タの電流許容範囲で電機子電流を吸収するので、ロ−タリ−コンバ−タの大電流遮断時に電機子相巻線の大きなインダクタンスにより生じる大きなフライホイル電流を許容範囲に制限しつつ吸収し、半導体スイッチング素子の電流許容範囲内でロ−タリ−コンバ−タの整流子片と交流側ブラシとの間の火花を減らすことができる。
【００２１】
請求項３記載の構成によれば請求項１記載の車両用回転電機装置において更に、半導体コンバ−タをＰＷＭ制御して半導体スイッチング素子の許容平均最大電流値未満に半導体スイッチング素子に通電される平均電流を制限するので、上記した電流制限抵抗の追設及びそれによる電力損失を回避しつつ、請求項３と同様の作用効果を奏することができる。
【００２２】
請求項４記載の構成によれば請求項１記載の車両用回転電機装置において更に、半導体コンバ−タの半導体スイッチング素子は、自己と並列接続される整流子片と交流側ブラシとの間の接触部が離れる瞬間を含む所定の角度範囲にて通電される。
【００２３】
このようにすれば、上述した上記接触部の分離時におけるア−ク（火花）や、それによる摩耗、汚損を防止することができ、装置の体格、コストを大幅に低減することができる。また、上記消弧を半導体コンバ−タが行うので高耐圧かつ大容量のコンデンサのごとき消弧専用装置を省略することができる。
【００２４】
なお、この用途において、半導体コンバ−タの半導体スイッチング素子はコンバ−タを純半導体構成とする場合に比較して格段に小型化することができる。
【００２５】
たとえば、半導体スイッチング素子の通電期間を交流側ブラシと整流子片とが離れる瞬間を含んで、一つの交流側ブラシと一つの整流子片との間の通電期間の１／１０程度とすれば、半導体のみでコンバ−タを構成する場合に比較して半導体スイッチング素子の平均電流は１／１０程度となり、半導体スイッチング素子の抵抗損失による発熱により規定される半導体スイッチング素子の最大許容電流を、半導体のみでコンバ−タを構成する場合に比較して１０倍程度に拡大できる。
【００２６】
請求項５記載の構成によれば請求項４記載の車両用回転電機装置において更に、半導体スイッチング素子は、自己と並列接続される整流子片と交流側ブラシとの間の接触部が形成される接触開始角度位置を含む所定の角度範囲にて通電されるので、上記両者が接触する瞬間における不連続な接触などによるマイクロ火花やそれによる摩耗、汚損を防止することができる。
【００２７】
請求項６記載の構成によれば請求項１記載の車両用回転電機装置において更に、ロ−タリ−コンバ−タを直流電源から分離可能な回路構成とするので、車両用回転電機の電機子巻線に大電流通電が必要な期間のみロ−タリ−コンバ−タを運転し、それ以外の期間はロ−タリ−コンバ−タを休止することができ、ブラシ交換周期の延長や導電性粉末による汚損や短絡を防止するというロ−タリ−コンバ−タの本質的な課題を解決しつつ必要性能を得ることができる。
【００２８】
請求項７記載の構成によれば請求項６記載の車両用回転電機装置において更に、エンジン始動を請求項７記載の作用効果を確保しつつ実現することができる。
【００２９】
請求項８記載の構成によれば請求項６又は７記載の車両用回転電機装置において更に、トルクアシストを請求項６又は７記載の作用効果を確保しつつ実現することができる。
【００３０】
請求項９記載の構成によれば請求項６又は７又は８記載の車両用回転電機装置において更に、回生制動を請求項６又は７又は８記載の作用効果を確保しつつ実現することができる。
【００３１】
請求項１０記載の構成によれば請求項１乃至９のいずれか記載の車両用回転電機装置において更に、ロ−タリ−コンバ−タは整流子片を２対以上周方向交互に備えるので、整流子片の対数に逆比例してロ−タリ−コンバ−タ駆動用モ−タの回転数を低減し、周速低減による摩耗低減を図ることができる。
【００３２】
請求項１１記載の構成によれば請求項１乃至１０のいずれか記載の車両用回転電機装置において更に、ロ−タリ−コンバ−タは、互いに異なる電圧が印加されて回転軸の外周面に固定され、かつ、周方向両側に接する一対の整流子片に対して所定の間隙を隔てて電気絶縁され、かつ、浮遊電位を有し、かつ、整流子片と同材質のアイドル整流子片を有するので、交流側ブラシの平均摺動抵抗を低減し、かつ、長期使用後でも、整流子片と他の部分との段差を減らすことができ、交流側ブラシの摩耗も低減することができる。
【００３３】
請求項１２記載の構成によれば請求項１記載の車両用回転電機装置において更に、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タは複数の前記交流側ブラシが同一整流子片に接触しない停止位置に停止されるので、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タを停止した状態で車両用回転電機を発電動作させる場合に、車両用回転電機の電機子巻線がロ−タリ−コンバ−タの上記同一の整流子片とその上の一対の交流側ブラシにより短絡されることがなく、発電が阻害されることがない。
【００３４】
【発明を実施するための態様】
本発明の車両用回転電機装置の好適な態様を以下の実施例により具体的に説明する。
【００３５】
【実施例１】
実施例１の車両用回転電機装置を示す模式斜視図を図１に示す。
【００３６】
この装置は、本発明で言う車両用回転電機をなす同期機１００と、ロ−タリ−コンバ−タ２００と、三相全波整流回路構造を有し三相全波整流機能及びフライホイルダイオ−ド機能をもつダイオードブリッジ３００と、半導体コンバ−タ４００と、平滑コンデンサ５０４と、本発明で言う直流電源をなすバッテリ５０５とからなる。
【００３７】
同期電動発電機１００は、電機子相巻線１０１、１０２、１０３からなる三相電機子巻線をもつ固定子と、回転子１１０とを有し、回転子１１０は、界磁鉄心１１１と、それに巻装された界磁巻線１１２とを有している。界磁巻線１１２の両端は、回転子１１０の軸に設けられたスリップリング１１４、１１５に電気的に個別に接続され、界磁回路５０３はバッテリ５０５から給電されて、ブラシ１１６と１１７、スリップリング１１４、１１５を通じて界磁巻線１１２に界磁電流を給電する。
【００３８】
回転子１１０の回転軸１１３上には回転位置センサ１２０が設けられ、固定子１００に対する回転子１１０の角度位置を検出している。
【００３９】
電機子相巻線１０１、１０２、１０３の各一端は、それぞれロ−タリ−コンバ−タ２００、ダイオ−ドブリッジ３００および半導体コンバ−タ４００の三つの交流端子に個別に接続され、ロ−タリ−コンバ−タ２００、ダイオ−ドブリッジ３００および半導体コンバ−タ４００の一対の直流端子はバッテリ５０５およびそれと並列接続された平滑コンデンサ５０４の両端に個別に接続されている。
【００４０】
但し、ロ−タリ−コンバ−タ２００の高圧側の直流端子はリレー（マグネットスイッチ）５０６を介してバッテリ５０５の正端子に接続されている。
【００４１】
電機子巻線１０１は、ロ−タリ−コンバ−タ２００が形成するロ−タリ−スイッチ２０１によってリレ−５０６を通じてバッテリ５０５の正端子に、ロ−タリ−スイッチ２０２によってバッテリの負端子に接続される。なお、スイッチ２０１と２０２は同時にオンとならないように空間配置されている（後述）。また、電機子巻線１０１は、ダイオ−ド３０１とダイオ−ド３０２およびトランジスタ４０１と４０２を通して、それぞれバッテリ５０５の正端子および負端子に個別に接続される。
【００４２】
電機子巻線１０２は、ロ−タリ−コンバ−タ２００が形成するロ−タリ−スイッチ２０３によってリレ−５０６を通じてバッテリ５０５の正端子に、ロ−タリ−スイッチ２０４によってバッテリの負端子に接続される。なお、スイッチ２０３と２０４は同時にオンとならないように空間配置されている（後述）。また、電機子巻線１０２は、ダイオ−ド３０３とダイオ−ド３０４およびトランジスタ４０３と４０４を通して、それぞれバッテリ５０５の正端子および負端子に個別に接続される。
【００４３】
電機子巻線１０３は、ロ−タリ−コンバ−タ２００が形成するロ−タリ−スイッチ２０５によってリレ−５０６を通じてバッテリ５０５の正端子に、ロ−タリ−スイッチ２０６によってバッテリの負端子に接続される。なお、スイッチ２０５と２０６は同時にオンとならないように空間配置されている（後述）。また、電機子巻線１０３は、ダイオ−ド３０５とダイオ−ド３０６およびトランジスタ４０５と４０６を通して、それぞれバッテリ５０５の正端子および負端子に個別に接続される。
【００４４】
回転位置センサ１２０の信号は、駆動回路５０１に入力され、駆動回路５０１は上記信号に基づいてロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１を同期機１と所定位相差で同期回転させる。
【００４５】
回転位置センサ２１０はロ−タリ−コンバ−タ２００の後述する整流子２０７の回転位置をセンシングするためのセンサであり、駆動回路５０２はこの信号に基づいて半導体コンバ−タ４００の各半導体スイッチング素子４０１〜４０６の通電位相を決定する制御信号を作成し、この制御信号に基づいて半導体スイッチング素子４０１〜４０６を断続制御する。
【００４６】
駆動回路５０１、駆動回路５０２、界磁電流制御回路５０３、リレー５０４は制御回路５０７により統合制御されている。ロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１としてはサ−ボモ−タを採用している。駆動回路５０１、駆動回路５０２、界磁電流制御回路５０３の具体的な回路構成及びその動作については、界磁コイル型同期機やサ−ボモ−タの制御回路として周知であるので、詳細な説明は省略する。
【００４７】
ロ−タリ−コンバ−タ２００の構造を図２に模式的に示すロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１の回転軸２１２には、スリップリング２０８ａ、整流子片２０８ｂ、２０９ｂ、スリップリング２０９ａからなる整流子２０７が設けられている。整流子２０７の斜視図を図３に示す。
【００４８】
スリップリング２０８ａと整流子片２０８ｂとは実際は一体に形成されており、整流子片２０８ｂは、回転軸２１２の外周面を略１２０度占有する部分円筒形状を有している。同じく、スリップリング２０９ａと整流子片２０９ｂも一体に形成されており、整流子片２０９ｂは、回転軸２１２の外周面を略１２０度占有する部分円筒形状を有し、整流子片２０８ｂと回転対称かつ軸方向同位置にて配設されている。
【００４９】
スリップリング２０８ａにはリレ−５０６を通じてバッテリ５０５の正端子に接続される直流側ブラシ２１３が接し、スリップリング２０９ａはバッテリ５０５の負端子に接続される直流側ブラシ２１４が接している。
【００５０】
一対の整流子片２０９ｂ、２０８ｂの外周側の部分円筒面は、互いに１２０度離れて配置された交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃに摺接可能となっており、交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃは電機子相巻線１０１、１０２、１０３の各端子に接続されている。
【００５１】
なお、整流子片２０８ｂ、２０９ｂの間には、両者が交流側ブラシ２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃにより決して短絡されないだけの周方向ギャップが確保されている。
【００５２】
この同期機１の電動動作を以下に説明する。
【００５３】
制御回路５０７は、外部よりの指令に基づいて界磁回路５０３に指令し、界磁回路５０３はこの指令に基づいてブラシ１１６、１１７およびスリップリング１１４、１１５を通じて界磁コイル１１２に必要な界磁電流を通電し、これにより界磁鉄心１１１が磁化され、回転子１１０上に界磁磁極が構成される。
【００５４】
回転位置センサ１２０が検出した回転子１１０の位置は、駆動回路５０１に送信され、駆動回路５０１は回転位置センサ１２０から入力される回転子１１０の位置と制御回路５０７からの位相指令値に基づいてロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１の回転位置を制御し、整流子２０７を目標とする目標角度位置（位相）に固定する。なお、この目標角度位置とは、交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃを通じて電機子相巻線１０１、１０２、１０３に流れる電流が作る磁界の方向が、回転子１１０が作る界磁束の方向に対して前記位相指令値で示された位相分だけ進相させる角度を言う。たとえば、整流子片２０８ｂ、２０９ｂと交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃとの関係をスイッチ２０１〜２０６で等価的に表わすと、図４に模式的に示す角度位置ではスイッチ２０１、２０４、２０５がＯＮ、スイッチ２０２、２０３、２０６がＯＦＦとなる。
【００５５】
この状態で、制御回路５０７が駆動回路５０２にスタ−ト信号を送ると、駆動回路５０２は整流子２０７の角度位置を回転位置センサ２１０で検出し、半導体コンバ−タ４００内のトランジスタ４０１、４０４、４０５を制御回路５０７の指令に基づくデュ−ティ比でＰＷＭ制御し、電機子相巻線１０１〜１０３に電流を流す。
【００５６】
その後、制御回路５０７はリレー５０６をＯＮし、スイッチ２０１、２０４、２０５を介して電機子相巻線１０１〜１０３に大電流を供給し、回転子１１０を時計回りに回転させる。回転子１１０の回転位置によって最大トルクを発生する回転子１１０の回転角度位置すなわち界磁方向が異なるが、回転位置センサ１２０の検出信号で整流子片２０８ｂ、２０９ｂと交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃとの相対位置を調整することにより回転子１１０の回転角度位置を常に最適な位相（回転角度位置）の界磁磁界を発生することができる。これは、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１と回転子１１０との回転数を一致させ、回転子１１０を基準とするロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１の回転する整流子２０７の位相を調整することに他ならない。
【００５７】
整流子片２０８ｂ、２０９ｂと交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃとの位置関係と磁界（界磁磁界）の方向との関係を図５に示す。これにより電機子相巻線１０１、１０２、１０３は回転磁界を発生し、この回転磁界の位相と周波数を回転子１１０に合わせて制御することで、位相角制御がなされる。
【００５８】
この実施例では、半導体コンバ−タ４００は、交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃと整流子片２０８ｂ、２０９ｂとが接触する瞬間を含む短期間、及び両者が離れる瞬間を含む短期間だけ、これら接触又は離れる交流側ブラシと整流子片とのペアからなる等価スイッチと並列の半導体スイッチング素子に必要なデュ−ティ比でＰＷＭ通電する。このＰＷＭ通電期間を図５において黒く示す。ハッチング部分は整流子２０７が形成する等価スイッチ２０１〜２０６のみが通電する期間である。これにより、等価スイッチ２０１〜２０６のオン、オフ時のサ−ジによる火花を防止することができ、更に、僅かではあるが電機子相巻線１０１、１０２、１０３に通電する電機子電流の位相角の微調整も行うことができ、更に半導体スイッチング素子４００のＰＷＭ制御による電流がロ−タリ−コンバ−タ２００の電流より小さいことから、上記電機子電流波形をより正弦波に近づけることもできる。これにより、ブラシの損傷を減らしてその寿命を延長できる。なお、半導体スイッチング素子４０１〜４０６は、電流量が多くても短時間しか通電しないため小型化することができる。
【００５９】
この実施例では、上記電動動作は、制御回路５０７が外部入力により認識するエンジン始動期間、エンジンへのトルクアシスト期間に行われる。
【００６０】
この同期機１の発電機動作を以下に説明する。
【００６１】
車両電気負荷に給電するための通常発電動作時は、制御回路５０７からの信号でリレー５０６をＯＦＦすると共に、駆動回路５０１にロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１の停止指令を送り、整流子２０７を停止させる。同様に、半導体コンバ−タ４００の半導体スイッチング素子４０１〜４０６を全オフする。制御回路５０７からの信号で界磁回路５０３が出力する界磁電流を調整することにより回転子１１０に必要な大きさの界磁束を発生し、電機子巻線１０１〜１０３に誘起される電機子電圧をダイオ−ドブリッジ３００で三相全波整流してバッテリ５０５（及び電気負荷）に給電する。
【００６２】
上記実施例では、発電時において半導体コンバ−タ４００の各半導体スイッチング素子４０１〜４０６をそれと並列接続されるダイオ−ド３０１〜３０６の通電期間中に停止したが、車両の回生制動などにおける大発電時には、電動動作と同様にリレー５０６をＯＮし、整流子２０７を回転駆動する。但し、電機子電流がつくる回転磁界の方向が回転子１１０の作る磁束の方向に対して遅相となることが、電動動作と異なる。このとき、半導体コンバ−タ４００を電動動作時と同様に駆動制御して火花防止を行うこともできる。
【００６３】
【実施例２】
実施例２の車両用回転電機装置の回路図を図６に示す。
【００６４】
この実施例では、電機子相巻線１０１〜１０３と半導体スイッチング素子４０１〜４０６との間に電流制限用の電気抵抗６０１〜６０３が個別に介設されている。このようにすれば、半導体スイッチング素子４０１〜４０６のＰＷＭ制御なしに半導体スイッチング素子４０１〜４０６への通電電流を制限することができる。
【００６５】
【実施例３】
実施例３の車両用回転電機装置の回路図を図７に示す。
【００６６】
この実施例では、実施例１のリレー５０６はトランジスタ６０４で置換されている。このようにすれば、トランジスタ６０４のＰＷＭ制御によりロ−タリ−コンバ−タ２００を通じて電機子相巻線１０１〜１０３に印加する電圧を調整することが可能となる。
【００６７】
【実施例４】
実施例４の車両用回転電機装置の要部斜視図を拡大断面図を図８に示す。
【００６８】
図３に示す実施例１の整流子２０７は、一対の整流子片２０８ｂ、２０９ｂを有していたが、この実施例の整流子２０７’は、２対の整流子片２０８ｂ、２０９ｂを用いている。整流子片２０８ｂと整流子片２０９ｂとは周方向互い違いに必要な周方向ギャップを挟んで配置される。このようにすれば、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１の回転数を半分にすることができる。
【００６９】
すなわち、整流子片２０８ｂ、２０９ｂの対数を２以上の整数とすることが可能であり、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モータ２１１の回転数をその分だけ低減することができる。
【００７０】
上記した各実施例の車両用回転電機装置は、いわゆるオルタネ−タと呼ばれる車両用交流発電機をエンジン始動やトルクアシストなどの大電流電動動作や回生制動による大電流発電する場合に好適であるが、ハイブリッド車の発電電動機としても当然採用することができる。
【００７１】
【実施例５】
実施例５の車両用回転電機装置の要部模式断面図を図９に示す。
【００７２】
交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃの位置で、整流子片２０８ｂ、２０９ｂは、回転軸２１２に嵌着、固定された樹脂筒２１２’の外周部に固定されている。
【００７３】
。
【００７４】
樹脂筒２１２’の外周部には更に、整流子片２０８ｂ、２０９ｂの間に位置して一対のアイドル整流子片２１３が固定され、アイドル整流子片２１３と整流子片２０８ｂ、２０９ｂとの間には十分な電気絶縁ギャップが確保されている。
【００７５】
アイドル整流子片２１３は、整流子片２０８ｂ、２０９ｂと同一材質、同一高さに形成され、浮遊電位を有している。
【００７６】
このようにすれば、先端面が交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃに弾性付勢されている交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃは、整流子片２０８ｂ、２０９ｂから短距離で整流子片２０８ｂ、２０９ｂと同じく金属製で摩擦が小さいアイドル整流子片２１３上に乗り移ることができるため、交流側ブラシの平均摺動抵抗を低減し、かつ、長期使用後でも、整流子片と他の部分との段差を減らすことができ、交流側ブラシの摩耗も低減することができる。
【００７７】
【実施例６】
実施例６の車両用回転電機装置のロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ停止制御動作を図１０のフロ−チャ−トを参照して以下に説明する。この制御動作は、制御回路５０７により実施される。
【００７８】
この制御は、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ２１１の停止が指令された場合に開始される。
【００７９】
まず、回転位置センサ２１０からロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ２１１の絶対回転角度位置ａを読み込み（Ｓ１００）、この絶対回転角度位置ａが下記に説明する停止角度範囲かどうかを調べ（Ｓ１０２）、停止角度範囲であればロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ２１１を停止し（Ｓ１０６）、そうでなければ回転軸２１２を更に所定小角度Δａだけ回動させて（Ｓ１０４）、Ｓ１０２にリタ−ンさせる（図１０参照）。
【００８０】
上記停止角度位置は、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ２１１は交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃのうち、任意の２つが整流子片２０８ｂ、２０９ｂのうち任意の同一整流子片に接触しない停止位置とされる（図９参照）。
【００８１】
このようにすれば、ロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タを停止した後、車両用回転電機１を発電動作させる場合に、車両用回転電機１の電機子巻線１０１〜１０３が交流側ブラシ２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ及び整流子片２０８ｂ、２０９により短絡されることがなく、正常な発電出力をダイオードブリッジ３００からバッテリ５０５に給電することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の車両用回転電機装置の回路図である。
【図２】図１に示す車両用回転電機装置のロ−タリ−コンバ−タの模式説明図である。
【図３】図１に示す車両用回転電機装置の整流子を示す模式斜視図である。
【図４】図３に示す整流子を径方向にみた模式図である。
【図５】図１に示すロ−タリ−コンバ−タ及び半導体コンバ−タの電圧スイッチング波形を示すタイミングチャ−トである。
【図６】実施例２の車両用回転電機装置の回路図である。
【図７】実施例３の車両用回転電機装置の回路図である。
【図８】実施例４の整流子を示す模式斜視図である。
【図９】実施例５の整流子を示す模式断面図である。
【図１０】実施例６の車両用回転電機のロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ停止制御を示すフロ−チャ−トである。
【符号の説明】
１：同期機（車両用回転電機）
２００：ロ−タリ−コンバ−タ
２１１：ロ−タリ−コンバ−タ駆動モ−タ
２０８ａ、２０９ａ：スリップリング
２０８ｂ、２０９ｂ：整流子片
２１３、２１４：直流側ブラシ
２１５ａ，２１５ｂ，２１５ｃ：交流側ブラシ
３００：ダイオ−ドブリッジ
４００：半導体コンバ−タ
５０５：バッテリ（直流電源）
４０１〜４０６：半導体スイッチング素子
３０１〜３０６：フライホイルダイオ−ド
６０１〜６０３：電流制限用の抵抗（抵抗素子）
５０６：リレ−（ロ−タリ−コンバ−タ分離スイッチ）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a rotating electrical machine apparatus for a vehicle.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a vehicle alternator for electric power feeding for vehicles is electrically operated to start the engine and assist the torque, or to generate power during braking of the vehicle and effectively use the traveling inertia power as electric power. Generator motor technology is known.
[0003]
There is also known a hybrid vehicle technology in which part or all of engine power is converted into electric power by a generator and the vehicle is driven by this electric power to improve fuel consumption and reduce emissions.
[0004]
In the above-described vehicle generator motor technology and hybrid vehicle technology, a semiconductor switching element is used to perform bidirectional orthogonal transformation in order to transmit power between an in-vehicle DC power supply and a multiphase armature phase winding of a rotating electrical machine. In addition, a semiconductor converter configured using a diode is used.
[0005]
Japanese Patent Laid-Open No. 53-89938 discloses a rotary converter. This rotary converter is composed of a pair of slip rings fixed to the same rotating shaft on the rotating shaft of the rotating electrical machine, and power supplied individually from the positive and negative terminals of the DC power source, and individually to the slip rings. A pair of DC brushes in contact with each other, a predetermined number of commutator pieces fixed to the rotating shaft at a predetermined angle in the circumferential direction, and individually connected to each of the armature phase windings to the commutator pieces at a predetermined angle range AC brushes that are in contact with each other and convert DC power fed from a DC power source into AC power of a predetermined number of phases.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above-described vehicular generator motor technology and hybrid vehicle technology, at the time of engine start, large torque assist, or large power generation braking (also referred to as regenerative braking) described above, although temporarily, the current is significantly larger than normal. Therefore, it is necessary to design the converter's semiconductor switching elements and diodes so that they can withstand this large current flow. As a result, the converter's cost increases and the semiconductor elements' Problems such as enhanced cooling were significant.
[0007]
Therefore, if the rotary converter disclosed in the above publication is used, there is a possibility that the above problem can be improved by omitting the semiconductor element.
[0008]
However, this rotary converter is short-lived because the brush wears in contact with the commutator piece and the slip ring at all times, and needs to be replaced. The point of fouling and short-circuiting due to powder remained as an unsolved problem for practical use.
[0009]
In addition, in the conventional rotary converter, the capacity of the capacitor interposed between the two is increased in order to suppress the arc when the commutator piece of the rotary converter is separated from the brush. It is necessary to prepare a large capacitor with a high withstand voltage corresponding to the number of phases, which leads to an increase in the overall size and cost of the rotary converter.
[0010]
Further, since the energization timing of the rotary converter described above is always constant with respect to the rotation angle of the armature phase winding, the armature winding must be operated at a constant phase. In applications where the torque control by phase control of the child voltage or armature current cannot be performed and the generated torque or load torque of the vehicle rotating electrical machine needs to be changed frequently, such as the above-described vehicle rotating electrical machine, the adoption is difficult. It was.
[0011]
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a vehicular rotating electrical machine apparatus capable of torque control and energizing a large current.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
  According to the rotating electrical machine apparatus for a vehicle of the present invention according to claim 1B-The tally converter is rotated independently of the rotating electrical machine for the vehicle and in synchronization with the rotating electrical machine for the vehicle so as to be phase-controllable so as to perform orthogonal transformation between the DC power source and the armature winding of the rotating electrical machine for the vehicle. Therefore, it is possible to realize a vehicular rotating electrical machine apparatus that can be energized with a large current without using a large-sized semiconductor switching element and that can easily perform torque control.
[0013]
This will be described in more detail below.
[0014]
That is, according to this configuration, the orthogonal converter rotary converter is driven by the rotary converter drive motor that is provided separately from the vehicular rotating electrical machine and rotates synchronously. Therefore, the start of energization from the rotary converter to the armature winding of the vehicular rotating electric machine, the energization cut-off timing, that is, the energization phase of the armature winding, is free with respect to the field element of the vehicular rotating electric machine. Therefore, this phase control makes it possible to freely adjust the electric torque or power generation torque necessary for the vehicular rotating electric machine.
[0015]
In addition, since the allowable current range and the allowable temperature range are narrow and the large current is interrupted, energization of the armature winding is more significant than the semiconductor converter, which is manifested as a problem that the cost and cooling of the semiconductor element are not easy to solve. There is almost no additional cost required to increase the current, and the output of the rotating electrical machine for the vehicle can be increased.
[0016]
  Claim1DescribedinventionAccordingBabaIn addition, a semiconductor converter is connected in parallel with the rotary converter. More specifically, this semiconductor converter is composed of a semiconductor switching element for connecting positive and negative terminals of a DC power source and terminals of each armature phase winding, and an individual parallel connection with the semiconductor switching element. A flywheel diode.
[0017]
In this way, large current switching and phase control can be performed without using a large semiconductor switching element, and in addition to this semiconductor converter capable of phase control freely, both of them can be operated simultaneously to power the armature phase winding. The current can be increased, the semiconductor converter can be stopped to reduce its temperature, or the rotary converter can be stopped to extend its life.
[0018]
Further, the semiconductor converter can easily make the armature applied voltage waveform or the armature current waveform into a sine wave shape by the PWM control, so that the noise of the rotating electrical machine for the vehicle can be reduced. In addition to the voltage or current of the rotary converter having a substantially rectangular waveform in principle, the voltage of the rotary converter before and after the energization period of the rotary converter, respectively. Alternatively, a voltage or current smaller than the current can be applied by the semiconductor converter, and the voltage or current of the armature winding as a whole can be made into a pseudo sine wave waveform having a step change shape, which is more effective. In addition, although there is a limit depending on the energization phase angle of the rotary converter, phase angle control can also be realized within a predetermined range.
[0019]
  Claim2Claims according to the arrangement described1Further, in the vehicle rotating electrical machine apparatus described above, the semiconductor switching element is connected to the armature phase winding through a resistance element for current limitation.
[0020]
In this way, during the energization period of the rotary converter, most of the armature current flows through the low resistance path between the commutator piece of the rotary converter and the brush, and the semiconductor converter. -Suppresses heat generation of the converter, and the semiconductor converter can be used with a semiconductor converter in the non-energization period of the rotary converter or at the moment when the rotary converter is switched from energization to de-energization. Since the armature current is absorbed within the allowable range of the current of the semiconductor converter, the large flywheel current generated by the large inductance of the armature phase winding when the large current of the rotary converter is cut off is within the allowable range. Absorbing while limiting, the spark between the commutator piece of the rotary converter and the AC side brush can be reduced within the current allowable range of the semiconductor switching element.
[0021]
  Claim3Claims according to the arrangement described1Further, in the above-described vehicular rotating electrical machine apparatus, the semiconductor converter is PWM-controlled to limit the average current supplied to the semiconductor switching element below the allowable average maximum current value of the semiconductor switching element. The effects similar to those of the third aspect can be achieved while avoiding the additional installation and the power loss caused thereby.
[0022]
  Claim4Claims according to the arrangement described1Further, in the above described rotating electrical machine apparatus for a vehicle, the semiconductor switching element of the semiconductor converter has a predetermined angle range including a moment when a contact portion between the commutator piece and the AC side brush connected in parallel with each other is separated. Energized.
[0023]
If it does in this way, the arc (spark) at the time of isolation | separation of the above-mentioned contact part, abrasion by it, and contamination can be prevented, and the physique and cost of an apparatus can be reduced significantly. Further, since the above-described arc extinguishing is performed by a semiconductor converter, a dedicated arc extinguishing device such as a high voltage and large capacity capacitor can be omitted.
[0024]
In this application, the semiconductor switching element of the semiconductor converter can be remarkably reduced in size as compared with the case where the converter has a pure semiconductor configuration.
[0025]
For example, if the energization period of the semiconductor switching element is about 1/10 of the energization period between one AC side brush and one commutator piece, including the moment when the AC side brush and the commutator piece leave, The average current of the semiconductor switching element is about 1/10 as compared with the case where the converter is composed only of the semiconductor, and the maximum allowable current of the semiconductor switching element defined by the heat generated by the resistance loss of the semiconductor switching element Thus, it can be enlarged about 10 times as compared with the case where the converter is configured.
[0026]
  Claim5Claims according to the arrangement described4Further, in the above-described vehicular rotating electrical machine apparatus, the semiconductor switching element has a predetermined angle range including a contact start angle position where a contact portion between the commutator piece connected in parallel with itself and the AC side brush is formed. Since power is supplied, it is possible to prevent micro-sparks due to discontinuous contact at the moment when the two come into contact with each other, and wear and contamination caused thereby.
[0027]
  Claim6Claims according to the arrangement described1Further, since the rotary converter has a circuit configuration that can be separated from the DC power supply, the rotary electric machine device for the vehicle described above is used only during a period when a large current is required to be applied to the armature winding of the rotary electric machine for the vehicle. The rotary converter can be operated by operating the rotary converter and resting the rotary converter during other periods, preventing the brush replacement period from being extended, and fouling and short-circuiting caused by conductive powder. -Necessary performance can be obtained while solving essential problems.
[0028]
  Claim7Claims according to the arrangement described6In the vehicular rotating electrical machine apparatus described above, the engine can be started while securing the function and effect of the seventh aspect.
[0029]
  Claim8Claims according to the arrangement described6Or7The rotating electrical machine apparatus for a vehicle described in claim 1 further includes torque assist.6Or7This can be realized while ensuring the effects.
[0030]
  Claim9Claims according to the arrangement described6 or 7 or 8The regenerative braking is further claimed in the vehicular rotating electrical machine device described above6 or 7 or 8This can be achieved while ensuring the described effects.
[0031]
  Claim10According to the described configuration, claims 1 to9Further, in the rotary electric machine apparatus for a vehicle according to any one of the above, since the rotary converter is provided with two or more pairs of commutator pieces alternately in the circumferential direction, the rotary converter is inversely proportional to the logarithm of the commutator pieces. -The rotational speed of the motor for driving the motor can be reduced, and the wear can be reduced by reducing the peripheral speed.
[0032]
  Claim11According to the described configuration, claims 1 to10Further, in the rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to any one of the above, the rotary converter includes a pair of commutator pieces that are fixed to the outer peripheral surface of the rotating shaft by applying different voltages and are in contact with both sides in the circumferential direction. Since it has an idle commutator piece made of the same material as the commutator piece and is electrically insulated with a predetermined gap therebetween, and has a floating potential, the average sliding resistance of the AC side brush is reduced, Moreover, even after long-term use, the step between the commutator piece and other parts can be reduced, and the wear of the AC side brush can also be reduced.
[0033]
  Claim12Claims according to the arrangement described1Further, in the rotating electrical machine apparatus for a vehicle described above, the rotary converter drive motor is stopped at a stop position where the plurality of AC side brushes do not contact the same commutator piece.AndThe same commutator piece of the rotary converter is used for the armature winding of the rotary electric machine when the rotary electric machine for the vehicle is caused to generate electric power while the rotary converter drive motor is stopped. And the pair of AC brushes on the upper side are not short-circuited, and power generation is not hindered.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The preferred embodiment of the vehicular rotating electrical machine apparatus of the present invention will be specifically described by the following examples.
[0035]
[Example 1]
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a vehicular rotating electrical machine apparatus according to a first embodiment.
[0036]
This apparatus includes a synchronous machine 100 that constitutes a rotating electrical machine for a vehicle according to the present invention, a rotary converter 200, a three-phase full-wave rectifier circuit structure, a three-phase full-wave rectifier function, and a flywheel diode. It comprises a diode bridge 300 having a switching function, a semiconductor converter 400, a smoothing capacitor 504, and a battery 505 serving as a DC power source as referred to in the present invention.
[0037]
The synchronous motor generator 100 includes a stator having a three-phase armature winding composed of armature phase windings 101, 102, and 103, and a rotor 110. The rotor 110 includes a field core 111, It has a field winding 112 wound around it. Both ends of the field winding 112 are electrically connected individually to slip rings 114 and 115 provided on the shaft of the rotor 110, and the field circuit 503 is supplied with power from the battery 505, brushes 116 and 117, slips A field current is supplied to the field winding 112 through the rings 114 and 115.
[0038]
A rotation position sensor 120 is provided on the rotation shaft 113 of the rotor 110 to detect the angular position of the rotor 110 with respect to the stator 100.
[0039]
One end of each of the armature phase windings 101, 102, and 103 is individually connected to three AC terminals of a rotary converter 200, a diode bridge 300, and a semiconductor converter 400, respectively. A pair of DC terminals of the converter 200, the diode bridge 300, and the semiconductor converter 400 are individually connected to both ends of a battery 505 and a smoothing capacitor 504 connected in parallel thereto.
[0040]
However, the DC terminal on the high voltage side of the rotary converter 200 is connected to the positive terminal of the battery 505 via a relay (magnet switch) 506.
[0041]
The armature winding 101 is connected to the positive terminal of the battery 505 through the relay 506 by the rotary switch 201 formed by the rotary converter 200 and to the negative terminal of the battery by the rotary switch 202. The The switches 201 and 202 are arranged in a space so as not to be turned on at the same time (described later). Armature winding 101 is individually connected to a positive terminal and a negative terminal of battery 505 through diode 301 and diode 302 and transistors 401 and 402, respectively.
[0042]
The armature winding 102 is connected to the positive terminal of the battery 505 through the relay 506 by the rotary switch 203 formed by the rotary converter 200 and to the negative terminal of the battery by the rotary switch 204. The The switches 203 and 204 are arranged in a space so as not to be turned on at the same time (described later). Armature winding 102 is individually connected to the positive terminal and negative terminal of battery 505 through diode 303 and diode 304 and transistors 403 and 404, respectively.
[0043]
The armature winding 103 is connected to the positive terminal of the battery 505 through the relay 506 by the rotary switch 205 formed by the rotary converter 200 and to the negative terminal of the battery by the rotary switch 206. The The switches 205 and 206 are arranged in a space so as not to be turned on at the same time (described later). Armature winding 103 is individually connected to the positive terminal and the negative terminal of battery 505 through diode 305 and diode 306 and transistors 405 and 406, respectively.
[0044]
A signal from the rotational position sensor 120 is input to the drive circuit 501, and the drive circuit 501 rotates the rotary converter drive motor 211 synchronously with the synchronous machine 1 with a predetermined phase difference based on the signal.
[0045]
The rotational position sensor 210 is a sensor for sensing the rotational position of a commutator 207, which will be described later, of the rotary converter 200, and the drive circuit 502 is based on this signal for each semiconductor switching element of the semiconductor converter 400. A control signal for determining the energization phases 401 to 406 is created, and the semiconductor switching elements 401 to 406 are intermittently controlled based on the control signal.
[0046]
The drive circuit 501, the drive circuit 502, the field current control circuit 503, and the relay 504 are integrated and controlled by the control circuit 507. A servo motor is employed as the rotary converter drive motor 211. The specific circuit configurations and operations of the drive circuit 501, the drive circuit 502, and the field current control circuit 503 are well known as control circuits for field coil synchronous machines and servo motors, and therefore will not be described in detail. Is omitted.
[0047]
  The structure of the rotary converter 200FIG.The rotary shaft 212 of the rotary converter drive motor 211 schematically shown in Fig. 2 is provided with a commutator 207 including a slip ring 208a, commutator pieces 208b and 209b, and a slip ring 209a. A perspective view of the commutator 207FIG.Shown in
[0048]
The slip ring 208a and the commutator piece 208b are actually formed integrally, and the commutator piece 208b has a partial cylindrical shape that occupies the outer peripheral surface of the rotating shaft 212 at approximately 120 degrees. Similarly, the slip ring 209a and the commutator piece 209b are also integrally formed. The commutator piece 209b has a partial cylindrical shape that occupies the outer peripheral surface of the rotating shaft 212 at approximately 120 degrees and is rotationally symmetric with the commutator piece 208b. And it is arrange | positioned in the axial direction same position.
[0049]
The DC ring brush 213 connected to the positive terminal of the battery 505 is in contact with the slip ring 208a through the relay 506, and the DC brush 214 connected to the negative terminal of the battery 505 is in contact with the slip ring 209a.
[0050]
  A pair of commutator pieces209b, 208b can be slidably contacted with AC side brushes 215a, 215b, and 215c arranged 120 degrees apart from each other, and the AC side brushes 215a, 215b, and 215c are armature phase windings. 101, 102, and 103 are connected to each terminal.
[0051]
Note that a circumferential gap is secured between the commutator pieces 208b and 209b so that they are never short-circuited by the AC brushes 215a, 215b, and 215c.
[0052]
The electric operation of the synchronous machine 1 will be described below.
[0053]
The control circuit 507 instructs the field circuit 503 based on a command from the outside, and the field circuit 503 uses the brushes 116 and 117 and the slip rings 114 and 115 based on this command to generate a field magnet necessary for the field coil 112. An electric current is applied to magnetize the field core 111, and a field magnetic pole is formed on the rotor 110.
[0054]
The position of the rotor 110 detected by the rotational position sensor 120 is transmitted to the drive circuit 501, and the drive circuit 501 is based on the position of the rotor 110 input from the rotational position sensor 120 and the phase command value from the control circuit 507. The rotational position of the rotary converter drive motor 211 is controlled, and the commutator 207 is fixed at a target angular position (phase). This target angular position is the direction of the magnetic field generated by the current flowing through the armature phase windings 101, 102, 103 through the AC side brushes 215a, 215b, 215c with respect to the direction of the field flux generated by the rotor 110. The angle is advanced by the phase indicated by the phase command value. For example, when the relationship between the commutator pieces 208b and 209b and the AC side brushes 215a, 215b and 215c is equivalently expressed by the switches 201 to 206, the switches 201, 204 and 205 are turned on at the angular positions schematically shown in FIG. The switches 202, 203, and 206 are turned off.
[0055]
In this state, when the control circuit 507 sends a start signal to the drive circuit 502, the drive circuit 502 detects the angular position of the commutator 207 with the rotational position sensor 210, and the transistors 401 and 404 in the semiconductor converter 400. , 405 are PWM controlled with a duty ratio based on the command of the control circuit 507, and current is passed through the armature phase windings 101-103.
[0056]
Thereafter, the control circuit 507 turns on the relay 506, supplies a large current to the armature phase windings 101 to 103 via the switches 201, 204, and 205, and rotates the rotor 110 clockwise. Although the rotational angle position of the rotor 110 that generates the maximum torque, that is, the field direction, varies depending on the rotational position of the rotor 110, the commutator pieces 208b and 209b and the AC side brushes 215a, 215b, and 215c are detected by the detection signal of the rotational position sensor 120. By adjusting the relative position, the field angle of the rotation angle position of the rotor 110 can always be generated in the optimum phase (rotation angle position). This is because the rotational speeds of the rotary converter drive motor 211 and the rotor 110 coincide with each other, and the phase of the rotating commutator 207 of the rotary converter drive motor 211 with respect to the rotor 110 is used. It is none other than to adjust.
[0057]
FIG. 5 shows the relationship between the positional relationship between the commutator pieces 208b and 209b and the AC side brushes 215a, 215b, and 215c and the direction of the magnetic field (field magnetic field). As a result, the armature phase windings 101, 102, and 103 generate a rotating magnetic field, and the phase angle is controlled by controlling the phase and frequency of the rotating magnetic field in accordance with the rotor 110.
[0058]
In this embodiment, the semiconductor converter 400 is in contact with the AC brushes 215a, 215b, 215c for a short period including the moment when the commutator pieces 208b, 209b are in contact with each other and for a short period including the moment when both are separated. Alternatively, PWM energization is performed at a duty ratio required for a semiconductor switching element in parallel with an equivalent switch composed of a pair of a separated AC brush and commutator piece. This PWM energization period is shown in black in FIG. A hatched portion is a period in which only the equivalent switches 201 to 206 formed by the commutator 207 are energized. As a result, sparks due to surges when the equivalent switches 201 to 206 are turned on and off can be prevented, and the phase of the armature current that is applied to the armature phase windings 101, 102, and 103 is small. The angle can be finely adjusted, and the current by PWM control of the semiconductor switching element 400 is smaller than the current of the rotary converter 200, so that the armature current waveform can be made closer to a sine wave. . Thereby, the damage of a brush can be reduced and the lifetime can be extended. The semiconductor switching elements 401 to 406 can be reduced in size because they are energized only for a short time even if the amount of current is large.
[0059]
In this embodiment, the electric operation is performed during an engine start period and a torque assist period for the engine that are recognized by the control circuit 507 by an external input.
[0060]
The generator operation of the synchronous machine 1 will be described below.
[0061]
During a normal power generation operation for supplying power to the vehicle electrical load, the relay 506 is turned off by a signal from the control circuit 507, and a stop command for the rotary converter drive motor 211 is sent to the drive circuit 501, thereby commutating the commutator. 207 is stopped. Similarly, all the semiconductor switching elements 401 to 406 of the semiconductor converter 400 are turned off. By adjusting the field current output from the field circuit 503 by a signal from the control circuit 507, a field magnetic flux having a necessary magnitude is generated in the rotor 110, and the armature is induced in the armature windings 101 to 103. Three-phase full-wave rectification of the voltage is performed by the diode bridge 300 to supply power to the battery 505 (and electric load).
[0062]
In the above embodiment, during power generation, the semiconductor switching elements 401 to 406 of the semiconductor converter 400 are stopped during the energization period of the diodes 301 to 306 connected in parallel therewith. Sometimes, the relay 506 is turned on as in the electric operation, and the commutator 207 is driven to rotate. However, it differs from the electric operation in that the direction of the rotating magnetic field generated by the armature current is delayed with respect to the direction of the magnetic flux generated by the rotor 110. At this time, the semiconductor converter 400 can be driven and controlled in the same manner as in the electric operation to prevent sparks.
[0063]
[Example 2]
FIG. 6 shows a circuit diagram of the rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to the second embodiment.
[0064]
  In this embodiment, the armature phase windings 101 to 103 and the semiconductor switching elements 401 to 406 are used.WithBetween the electric resistance 601 for current limiting603Are provided individually. In this way, the energization current to the semiconductor switching elements 401 to 406 can be limited without PWM control of the semiconductor switching elements 401 to 406.
[0065]
[Example 3]
FIG. 7 shows a circuit diagram of the vehicular rotating electrical machine apparatus according to the third embodiment.
[0066]
In this embodiment, the relay 506 of the first embodiment is replaced with a transistor 604. In this way, the voltage applied to the armature phase windings 101 to 103 through the rotary converter 200 can be adjusted by PWM control of the transistor 604.
[0067]
[Example 4]
The principal part perspective view of the rotary electric machine apparatus for vehicles of Example 4 is shown, and an expanded sectional view is shown in FIG.
[0068]
  The commutator 207 of Example 1 shown in FIG. 3 includes a pair of commutator pieces 208b,209bHowever, the commutator 207 'of this embodiment uses two pairs of commutator pieces 208b and 209b. The commutator pieces 208b and the commutator pieces 209b are arranged with a circumferential gap necessary in the circumferential direction alternately. In this way, the rotational speed of the rotary converter drive motor 211 can be halved.
[0069]
That is, the logarithm of the commutator pieces 208b and 209b can be an integer of 2 or more, and the rotational speed of the rotary converter drive motor 211 can be reduced by that amount.
[0070]
The above-described rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to each embodiment is suitable for a case where a vehicular AC generator called a so-called alternator generates a large current by a large current electric operation such as engine start or torque assist or regenerative braking. Of course, it can also be adopted as a generator motor of a hybrid vehicle.
[0071]
[Example 5]
FIG. 9 shows a schematic cross-sectional view of a main part of the rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to the fifth embodiment.
[0072]
  At the position of the AC side brushes 215a, 215b, 215c, the commutator piece 208b,209bIs fixed to the outer periphery of a resin tube 212 ′ fitted and fixed to the rotary shaft 212.
[0073]
.
[0074]
A pair of idle commutator pieces 213 are further fixed to the outer peripheral portion of the resin tube 212 ′ between the commutator pieces 208b and 209b, and between the idle commutator pieces 213 and the commutator pieces 208b and 209b. A sufficient electrical insulation gap is secured.
[0075]
The idle commutator piece 213 is formed of the same material and the same height as the commutator pieces 208b and 209b, and has a floating potential.
[0076]
  In this way, the AC side brushes 215a, 215b, and 215c whose tip surfaces are elastically urged by the AC side brushes 215a, 215b, and 215c include the commutator piece 208b,209bA short distance from the commutator piece 208b,209bSince it can be transferred onto the idle commutator piece 213 made of metal and with low friction, the average sliding resistance of the AC side brush is reduced, and the step between the commutator piece and other parts even after long-term use. Can reduce the wear on the AC brush..
[0077]
[Example 6]
A rotary converter drive motor stop control operation of the rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to the sixth embodiment will be described below with reference to the flowchart of FIG. This control operation is performed by the control circuit 507.
[0078]
This control is started when a command to stop the rotary converter drive motor 211 is issued.
[0079]
First, the absolute rotation angle position a of the rotary converter drive motor 211 is read from the rotation position sensor 210 (S100), and it is checked whether or not the absolute rotation angle position a is within the stop angle range described below ( S102), if it is within the stop angle range, the rotary converter drive motor 211 is stopped (S106). Otherwise, the rotary shaft 212 is further rotated by a predetermined small angle Δa (S104). Return to S102 (see FIG. 10).
[0080]
  The stop angle position is determined by the rotor-converter drive motor 211 having any two of the AC brushes 215a, 215b, and 215c, the commutator piece 208b,209bIs a stop position that does not contact any of the same commutator pieces (see FIG. 9).
[0081]
In this way, when the rotary electric machine 1 is operated for power generation after the rotary converter drive motor is stopped, the armature windings 101 to 103 of the rotary electric machine 1 for the vehicle are on the AC side. A normal power generation output can be supplied from the diode bridge 300 to the battery 505 without being short-circuited by the brushes 215a, 215b, 215c and the commutator pieces 208b, 209.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of a rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to a first embodiment.
FIG. 2 is a schematic explanatory diagram of a rotary converter of the rotating electrical machine apparatus for a vehicle shown in FIG.
3 is a schematic perspective view showing a commutator of the vehicular rotating electrical machine apparatus shown in FIG. 1; FIG.
4 is a schematic view of the commutator shown in FIG. 3 as viewed in the radial direction. FIG.
FIG. 5 is a timing chart showing voltage switching waveforms of the rotary converter and the semiconductor converter shown in FIG. 1;
6 is a circuit diagram of a rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to Embodiment 2. FIG.
7 is a circuit diagram of a rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to Embodiment 3. FIG.
FIG. 8 is a schematic perspective view illustrating a commutator according to a fourth embodiment.
9 is a schematic cross-sectional view showing a commutator of Example 5. FIG.
10 is a flowchart showing rotary converter drive motor stop control of a rotating electrical machine for a vehicle according to Embodiment 6. FIG.
[Explanation of symbols]
1: Synchronous machine (vehicle rotating electric machine)
200: Rotary converter
211: Rotary converter drive motor
208a, 209a: slip ring
208b, 209b: Commutator piece
213, 214: DC side brush
215a, 215b, 215c: AC side brush
300: Diode Bridge
400: Semiconductor converter
505: Battery (DC power supply)
401-406: Semiconductor switching element
301 to 306: Flywheel diode
601 to 603: current limiting resistors (resistance elements)
506: Relay (rotary converter separation switch)

Claims

A multi-phase rotating electrical machine for a vehicle mounted on a vehicle;
A rotary converter that performs power orthogonal transform;
A rotary converter drive motor that is arranged independently of the rotary electric machine and rotates the rotary converter in a phase-controllable manner in synchronization with the vehicular rotary electric machine;
With
The rotary converter is
A pair of slip rings fixed to the same rotating shaft;
A pair of DC-side brushes that are individually fed from the positive and negative terminals of the DC power supply and individually contact the slip ring;
A predetermined pair of commutator pieces that are fixed to the rotating shaft at a predetermined angle apart from each other in the circumferential direction and are individually and alternately connected in the circumferential direction with the slip ring;
A number of AC side brushes individually connected to each armature phase winding of the vehicular rotating electrical machine and sequentially contacting each commutator piece by a predetermined angle range;
Bei to give a,
There are twice as many semiconductor switching elements as the AC side brushes that individually short-circuit both the DC side brushes and the AC side brushes, and flywheel diodes connected in parallel to the semiconductor switching elements. And a vehicular rotating electrical machine apparatus comprising a semiconductor converter that performs orthogonal power transformation.

The rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to claim 1 ,
The vehicular rotating electrical machine apparatus, wherein the semiconductor switching element is connected to the armature phase winding through a resistance element for current limiting.

The rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to claim 1 ,
A control unit for controlling the semiconductor converter;
The controller controls the semiconductor converter by PWM to limit an average current supplied to the semiconductor switching element below an allowable average maximum current value of the semiconductor switching element. .

The rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to claim 1 ,
The semiconductor switching element is energized in a predetermined angle range including a separation start angle position where a contact portion between the commutator piece and the AC side brush connected in parallel with the semiconductor switching element is separated. Rotating electrical machine equipment.

The rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to claim 4 ,
The semiconductor switching element is energized in a predetermined angle range including a contact start angle position where a contact portion between the commutator piece connected in parallel with itself and the AC side brush is formed. A rotating electrical machine for a vehicle.

The rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to claim 1 ,
A rotary electric machine apparatus for a vehicle, comprising: a rotary converter separation switch that shuts off the rotary converter from the DC power supply without shutting off the semiconductor converter from the DC power supply. .

The rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to claim 6 ,
A control unit for controlling the rotary converter separation switch;
The control unit closes the rotary converter separation switch during an engine start period and starts the engine by the rotating electrical machine for the vehicle, and after the engine start period ends, the rotary converter separation A rotating electrical machine for a vehicle, wherein the switch is opened.

The rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to claim 6 or 7 ,
A control unit for controlling the rotary converter separation switch;
The control unit closes the rotary converter separation switch during a torque assist period and performs torque assist of the engine by the vehicular rotating electric machine. After the torque assist period ends, the rotary converter A rotary electric machine device for a vehicle characterized by opening a data separation switch.

The rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to any one of claims 6 to 8 ,
A control unit for controlling the rotary converter separation switch;
The control unit closes the rotary converter separation switch during regenerative braking and performs regenerative braking by the rotating electrical machine for the vehicle. After the regenerative braking period, the control unit turns off the rotary converter separation switch. A rotating electrical machine for a vehicle characterized by opening.

In the rotating electrical machine apparatus for vehicles according to any one of claims 1 to 9 ,
The rotary electric machine apparatus for a vehicle, wherein the rotary converter includes two or more pairs of the commutator pieces alternately in a circumferential direction.

The rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to any one of claims 1 to 10 ,
The rotary converter is electrically insulated with a predetermined gap from a pair of commutator pieces that are fixed to the outer peripheral surface of the rotating shaft by being applied with different voltages and are in contact with both sides in the circumferential direction. A rotating electrical machine apparatus for a vehicle having a floating potential and an idle commutator piece made of the same material as the commutator piece.

The rotating electrical machine apparatus for a vehicle according to claim 1 ,
A control unit for controlling the rotary converter drive motor;
The control unit stops the rotary converter drive motor at a stop position where the plurality of AC side brushes do not contact the same commutator piece,
The vehicular rotating electrical machine apparatus, wherein the flywheel diode performs full-wave rectification when the vehicular rotating electrical machine generates electric power.