JP5008749B2

JP5008749B2 - 電源装置

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Publication number: JP5008749B2
Application number: JP2010113987A
Authority: JP
Inventors: 直樹糸井; 昌良前田; 伸浩木原; 浩司奥田; 文人上村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-05-18
Filing date: 2010-05-18
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2030-05-18
Also published as: JP2011244582A; US8525490B2; US20110286251A1

Description

この発明は、磁石式交流発電機を用いた電源装置に関するものである。

従来、例えば下記特許文献１，２，３等に開示された磁石式交流発電機を用いた電源装置がある。これらの電源装置は概して、磁石式交流発電機、整流回路、電源電圧制御回路で構成されている。磁石式交流発電機で発電された電力は、整流回路により直流に変換され、発電電圧制御回路に入力される。発電電圧制御回路では、例えば蓄電装置からなる電気負荷の電圧に合わせた電圧になるように短絡制御が行われ、負荷電気装置へ電力が供給される。

特許第３４０９６５９号特許第３４８９５２３号特許第２８５８００８号

従来の磁石式交流発電機を用いた電源装置では、磁石式交流発電機への入力トルクに関係なく、電圧制御を行っていた。磁石式交流発電機の回転子に回転を供給する回転力供給装置(自動車の場合であればエンジン)からの回転子への入力トルクは、回転子側の回転速度に従って異なる。従って従来の電源装置における発電機では、必ずしも回転子や回転力供給装置の運転状態に応じた適切な入力トルクでの発電が行われていなかった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、磁石式交流発電機を用いた電源装置において、回転子や回転力供給装置の運転状態に応じて磁石式交流発電機の出力端の整流回路と短絡回路を切替えることで、磁石式交流発電機への入力トルクを低減して、回転力供給装置の運転負荷の低減を行い、ひいては発電機のために必要となる回転子の回転させるエネルギーを低減できることから、従来より発電効率を向上させた電源装置を提供することを目的とする。

この発明に係る電源装置は、界磁を構成する磁石を有する回転子と、この回転子の回転により固定子巻線に交流電流を発生させる固定子とからなる磁石式発電機と、前記磁石式発電機の回転子に回転力を供給する回転力供給装置と、前記磁石式発電機で発生させた交流電流を直流電流に整流して負荷電気装置に電力供給を行う整流回路と、オンオフ制御が可能なスイッチング素子を有して該スイッチング素子がオン状態になったときに前記磁石式発電機の出力端を電気的に短絡する短絡回路と、前記負荷電気装置の端子電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路により検出された電圧に従って前記短絡回路のスイッチング素子のオンオフ制御により前記負荷電気装置の電圧を第１の設定値に制御する制御回路と、を備えた電源装置であって、前記制御回路は、前記負荷電気装置が動作するために必要な最低電圧を第２の設定値とし、前記電圧検出回路より検出された電圧が前記第１の設定値未満、および第２の設定値以上の場合に、前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態に従って前記整流回路と前記短絡回路とを切替えて制御し、前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態として前記回転子側の回転速度を示す信号が入力されると共に、前記回転子側の回転速度と、前記短絡回路オン時の短絡動作モードと前記短絡回路オフ時の整流動作モードにおける前記回転力供給装置から前記磁石式発電機への入力トルクの大小関係との関係を示す切替情報を含む切替制御情報に基づき、前記回転子側の回転速度に従って、前記磁石式発電機への入力トルクの小さい動作モードに切替えるように構成したものである。

この発明の電源装置によれば、回転子や回転力供給装置の運転状態に従って、短絡回路の短絡動作モードと整流動作モードとを切替えることにより、磁石式発電機への入力トルクを低減して、回転力供給装置の運転負荷の低減を行うことができ、ひいては発電のために必要となる回転子を回転させるエネルギーを低減できることから、従来より発電効率の向上が可能な電源装置を得ることができる。

上述した、またその他の、この発明の目的、特徴、効果は、以下の実施の形態における詳細な説明および図面の記載からより明らかとなるであろう。

この発明の実施の形態１における電源装置の全体構成を示す図である。この発明の実施の形態１における回転速度と磁石式発電機への入力トルクの関係を示す図である。この発明の実施の形態１における動作モード切替タイミングと磁石式発電機への入力トルクの関係を示す図である。この発明の実施の形態２における電源装置の全体構成を示す図である。この発明の実施の形態２における回転速度と磁石式発電機への入力トルクの関係を示す図である。この発明の実施の形態３における電源装置の全体構成を示す図である。この発明の実施の形態３における動作モード切替タイミングと磁石式発電機への入力トルクの関係を示す図である。実施の形態１の変形例であって、異なる構成の整流回路を用いた電源装置の全体構成を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。尚、各図中、同一符号は、同一あるいは相当部分を示すものとする。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電源装置の全体構成を示す図である。
図１において、実施の形態１における電源装置は、磁石式(交流)発電機１と、磁石式発電機１で発生した交流電流を直流電流に整流する整流回路３と、整流回路３で整流された直流電流による電力が供給される負荷電気装置２と、負荷電気装置２の電圧を求めるための電圧計からなる電圧検出回路ＶＤと、整流回路３に設けられ磁石式発電機１の出力端を電気的に短絡する短絡回路を構成するサイリスタＳＷ４〜ＳＷ６と、電圧検出回路ＶＤにより検出された電圧に従って、負荷電気装置２の電圧を第１の設定値に制御する制御回路４とから構成されている。

磁石式発電機１は、円筒形の支持体内側に回転方向（円周方向）に沿って複数に分割された磁石を有する回転子１ａと、Δ結線された固定子巻線を有する固定子１ｂから構成される。回転子１ａは回転力供給装置ＲＳの回転を伝達する回転軸ＲＡに接続されている。例えば、車載用の電源装置の場合、回転力供給装置ＲＳは内燃機関(エンジン)であり、回転子１ａは内燃機関のクランクシャフトに直結もしくはクランクシャフトにベルトやギア等を介して接続された回転軸ＲＡに接続されている。
回転軸ＲＡの回転と共に回転子１ａが回転することで、固定子１ｂの固定子巻線に交流電流が発生する。固定子１ｂ側に発生した交流電流は、整流回路３に設けられた６つのダイ
オードＤ１〜Ｄ６で構成される３相ダイオードブリッジにより直流に整流される。

負荷電気装置２は、整流回路３で整流された直流電流による電力が供給される例えばセンサや電子機器(ＥＣＵ)等からなる電気的負荷(消費電力)可変の負荷電気装置や蓄電装置等からなる。

整流回路３の３相ダイオードブリッジには、磁石式発電機１から入力される３相の各入力端子と負波側ダイオードＤ４〜Ｄ６の各アノード端子の間に、３相の各入力端子から負波側ダイオードＤ４〜Ｄ６の各アノード端子への方向を順方向として、それぞれサイリスタＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６（短絡回路）が配設されている。

制御回路４は、負荷電気装置２の電圧が第１の設定値以上の場合、サイリスタＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６のゲート信号をオン（以下、短絡動作モードともいう。）することで、磁石式発電機１の出力端を電気的に短絡(還流)する。
負荷電気装置２の電圧が第１の設定値未満の場合、サイリスタＳＷ４，ＳＷ５，ＳＷ６のゲート信号をオフ（以下、整流動作モードともいう。）することで、整流回路３の３相ダイオードブリッジを介して負荷電気装置２に直流電流を供給する。
このようにして、負荷電気装置２の電圧を第１の設定値に調整する。

さらに、制御回路４は、負荷電気装置２が動作するために必要な最低電圧を第２の設定値とし、負荷電気装置２の電圧が第１の設定値未満、および第２の設定値以上の場合、回転子１ａの回転速度等からなる磁石式発電機１や回転力供給装置ＲＳの運転状態を示す信号に従って、短絡動作モードと整流動作モードとの切替を優先して行う。
なお、運転状態を示す信号として、回転子１ａのための回転速度センサ(図示省略)からの回転速度信号がある。また、電源装置が車両に搭載されているものである場合、例えば回転子１ａが直結されている内燃機関のクランクシャフトの回転速度を示す回転速度センサや、内燃機関の電子制御装置(共に図示省略)等から得られる回転速度信号がある。

図２には各動作モードにおける回転子１ａの回転速度に対する磁石式発電機１への入力トルクの特性を示した。図２中の短絡動作モード時の入力トルクと、整流動作モード時の入力トルクの交点の回転速度をαとすると、回転速度がα未満の領域ｎ１では、整流動作モード時の入力トルク(入力エネルギー)が短絡動作モード時の入力トルク(入力エネルギー)より小さくなる。また、回転速度がα以上の領域ｎ２では、短絡動作モード時の入力トルク(入力エネルギー)が整流動作モード時の入力トルク(入力エネルギー)より小さくなる。このため、負荷電気装置２の電圧が第１の設定値未満、および第２の設定値以上の場合、入力トルクが小さくなるように制御回路４によって短絡動作モードと整流動作モードを切替えて動作させることで、磁石式発電機１への入力トルクを低減することができる。これにより回転力供給装置ＲＳの負荷が低減され、回転力供給装置ＲＳが内燃機関の場合は燃費の向上等が可能になる。

具体的には制御回路４は、メモリＭに、例えば図２に示したような、回転子１ａの回転速度と、短絡動作モードと整流動作モードにおける回転力供給装置ＲＳから磁石式発電機１への入力トルクの大小関係との関係を示す切替情報を含む切替制御情報を予め格納しておく(回転速度αを記憶)。そして、負荷電気装置２の電圧が第１の設定値未満、および第２の設定値以上の場合、上記切替制御情報に応じて、例えば回転速度α未満では整流動作モード、回転速度α以上では短絡動作モードに切替えを行う。また、負荷電気装置２の電圧が第１の設定値以上では、短絡動作モード、および第２の設定値未満では、整流動作モードに切替えを行い、負荷電気装置２の電圧を制御目標値である第１の設定値に制御する。なお、負荷電気装置２の電圧が第１の設定値未満、および第２の設定値以上の場合、短絡動作モードと整流動作モードとで磁石式発電機１への入力トルクが同じになる回転子１ａの回転速度では、例えば制御の切替を行わずに現在の制御を維持するようにしてもよい。

また、制御回路４が磁石式発電機１の回転子１ａの回転に係る運転状態として、回転力供給装置ＲＳの運転負荷状態を示す信号を入力し、回転力供給装置ＲＳの運転負荷状態が高負荷状態(例えば、加速時、登坂時等)と判定された場合、上記、それぞれの回転速度領域ｎ１，ｎ２によって、動作モードを制御回路４でそれぞれ整流動作モード(ｎ１領域)、短絡動作モード(ｎ２領域)に切替えて動作させることで、磁石式発電機１への入力トルクを低減し、ひいては回転力供給装置ＲＳの負荷低減が可能となり、回転力供給装置ＲＳが内燃機関を用いた車輌である場合は加速性の向上、登坂性の向上が可能となる。

また、回転力供給装置ＲＳの運転負荷状態が低負荷状態(例えば、減速・空走時、降坂
時等)と判定された場合、上記、それぞれの回転速度領域ｎ１，ｎ２によって、動作モー
ドを制御回路４でそれぞれ短絡動作モード(ｎ１領域)、整流動作モード(ｎ２領域)に切替えて動作させることで、磁石式発電機１への入力トルクを増加し、ひいては回転力供給装置ＲＳの負荷の増加が可能となり、回転力供給装置ＲＳが内燃機関を用いた車輌である場合は減速時の制動力向上等が可能となる。

なお、上記の回転力供給装置ＲＳが内燃機関の場合、運転負荷状態の判定として、例えば内燃機関の電子制御装置等から得られる、内燃機関の吸気管内圧力、内燃機関のスロットル開度、内燃機関を冷却する冷却水の温度を示す信号の少なくとも１つを制御回路４が入力し、これらの信号のうちの１つ又はこれらのうちの複数の信号の組み合わせに基づいて運転負荷状態の判定を行う。

さらに図３に示すように、短絡動作モードと整流動作モードを切替えるタイミングに切替パターンとパターン動作時間ｔ１を設けることで、磁石式発電機１への入力トルクの急激な変化を防止することが可能となる。
図３において、横軸は時間、縦軸は磁石式発電機１への入力トルクと動作モードを示す。図３に示すように、例えば動作モードを短絡動作モードから整流動作モードに切替える場合、パターン動作時間ｔ１の間、短絡動作モードと整流動作モードを交互に切替える切替パターンを設けることで、磁石式発電機１への入力トルクの急激な変化を防止することが可能となる。また、上記切替パターンおよびパターン動作時間ｔ１は、回転子１ａの回転速度に従って、変化させてもよい。なおこの動作モードを切替えるタイミングに切替パターンとパターン動作時間ｔ１を設ける場合には、制御回路４のメモリＭに、上記切替制御情報(切替パターン，パターン動作時間ｔ１)を予め格納しておく(以下同様)。

また、上記切替制御情報は、短絡動作モード時と整流動作モード時における回転力供給装置ＲＳから磁石式発電機１への入力トルクの大小関係とその領域を、回転速度の範囲で示すテーブルとしてもよい。これらは、例えば図２に示した回転子１ａの回転速度と磁石式発電機１への入力トルク(Ｎｍ)との関係を予め測定等により求め、これらに基づいてテーブルを作成して制御回路４のメモリＭに切替制御情報として格納しておく。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２における電源装置の全体構成を示す図である。この実施の形態２の電源装置は、実施の形態１の構成に対して、整流回路３の出力電圧Ｖｒｏｕｔを負荷電気装置２の入力端子間電圧Ｖｂｉｎに変圧する変圧比可変の直流電圧変圧装置５を設けて構成したものである。

図５には実施の形態２の各動作モードにおける回転子１ａの回転速度に対する磁石式発電機１への入力トルクの特性を示している。
直流電圧変圧装置５の変圧比(Ｖｂｉｎ／Ｖｒｏｕｔ)に応じて整流動作モード時における磁石式発電機１への入力トルクは変化する。図５中の短絡動作モード時の入力トルクと整流動作モード時(変圧比：小)の入力トルクの交点の回転速度をα１、短絡動作モード時の入力トルクと整流動作モード時(変圧比：大)の入力トルクの交点の回転速度をα２とすると、直流電圧変圧装置５の変圧比が小さい場合、回転速度がα１未満の領域ｎ１では、整流動作モード時の入力トルク(入力エネルギー)が短絡動作モード時の入力トルク(入力エ
ネルギー)より小さくなる。また、回転速度がα１以上の領域ｎ２では、短絡動作モード
時の入力トルク(入力エネルギー)が整流動作モード時の入力トルクより小さくなる。
従って、領域ｎ１、ｎ２に応じ、制御回路４によって整流動作モードと短絡動作モードを切替えて動作させることで、磁石式発電機１への入力トルクを低減することができる。

また、直流電圧変圧装置５の変圧比が大きい場合、回転速度α２未満の領域ｎ３では、整流動作モード時の入力トルク(入力エネルギー)が短絡動作モード時の入力トルク(入力
エネルギー)より小さくなる。また、回転速度がα２以上の領域ｎ４では、短絡動作モー
ド時の入力トルク(入力エネルギー)が整流動作モード時の入力トルク(入力エネルギー)より小さくなる。
従って、領域ｎ３、ｎ４に応じ、制御回路４によって短絡動作モードと整流動作モードを切替えて動作させることで、磁石式発電機１への入力トルクを低減することができる。
これにより回転力供給装置ＲＳの負荷が低減され、回転力供給装置ＲＳが内燃機関の場合は燃費の向上等が可能となる。

また、上記切替制御情報は、短絡動作モードと各変圧比の整流動作モードにおける回転力供給装置ＲＳから磁石式発電機１への入力トルクの大小関係とその領域を回転速度の範囲で示すテーブルとしてもよい。これらは、例えば図５に示した回転子１ａの回転速度と磁石式発電機１への入力トルク(Ｎｍ)との関係を予め測定等により求め、これらに基づいてテーブルを作成して制御回路４のメモリＭに切替制御情報として格納しておく。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３における電源装置の全体構成を示す図である。この実施の形態３による電源装置は、実施の形態１の構成に対して、短絡回路を構成するサイリスタＳＷ４ａ〜ＳＷ６ａの各ゲート信号を、独立してオンオフ制御する制御回路４ａを設けて構成したものである。

図７には、実施の形態３の各サイリスタ（短絡回路）ＳＷ４ａ，ＳＷ５ａ，ＳＷ６ａにおける短絡動作モードと整流動作モードを切替えるタイミングに対する磁石式発電機１への入力トルクの特性を示している。
図７に示すように、例えば各短絡回路ＳＷ４ａ〜ＳＷ６ａを短絡動作モードから整流動作モードに切替えるタイミングに切替時間を設け、短絡回路ＳＷ４ａと短絡回路ＳＷ５ａの切替時間をｔ１、短絡回路ＳＷ４ａと短絡回路ＳＷ６ａの切替時間をｔ２とすることで、磁石式発電機１への入力トルクの急激な変化を防止することが可能となる。
また、上記切替時間ｔ１、ｔ２は、回転子１ａの回転速度に従って、変化させてもよい。なお、この動作モードを切替えるタイミングに切替時間ｔ１、ｔ２を設ける場合には、制御回路４のメモリＭに、上記切替制御情報(切替時間ｔ１、ｔ２)を予め格納しておく。

また、制御回路４ａは、上記切替制御情報に基づき、例えば短絡回路ＳＷ４ａ〜ＳＷ６ａのうち短絡回路ＳＷ４ａのみ、短絡動作モードと整流動作モードの切替を行い、残りの短絡回路ＳＷ５ａ、ＳＷ６ａは、短絡動作モードと整流動作モードの切替を行わないことで、磁石式発電機１への入力トルクの急激な変化を防止することが可能となる。

なお、以上説明した各実施の形態においては、各切替制御情報はそれぞれ制御回路４の
メモリＭに格納しているが、これに限定されるものではなく、例えばＦＶ変換器やコンパレータを用いて構成された比較回路を設け(図示省略)、外部からの回転速度信号を周波数／電圧変換して所定の回転速度α、α１、α２等を示す基準電圧との比較により、制御回路４の各切替制御情報としてもよい。

また、上記各実施の形態では、磁石式発電機１から入力される３相の各入力端子と負波側ダイオードＤ４〜Ｄ６の各アノード端子の間に、３相の各入力端子から負波側ダイオードＤ４〜Ｄ６の各アノード端子への方向を順方向として、それぞれサイリスタＳＷ４〜ＳＷ６(ＳＷ４ａ〜ＳＷ６ａ)が配設されているが、これに限定されるものではなく、例えば図８の整流回路３ａに示すとおり、３相ダイオードブリッジの負波側ダイオードＤ４〜Ｄ６の代わりに、整流機能と短絡機能を構成するＭＯＳＦＥＴからなるトランジスタＳＷ４ｍｏｓ〜ＳＷ６ｍｏｓにより構成してもよい。

またこの発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの実施の形態の可能な組合せを全て含むことは云うまでもない。

１磁石式(交流)発電機、１ａ回転子、１ｂ固定子、２負荷電気装置、
３、３ａ整流回路、４、４ａ制御回路、５直流電圧変圧装置、ＲＡ回転軸、
ＲＳ回転力供給装置、ＶＤ電圧検出回路、ＳＷ４〜ＳＷ６、ＳＷ４ａ〜ＳＷ６ａ、ＳＷ４ｍｏｓ〜ＳＷ６ｍｏｓ短絡回路

Claims

界磁を構成する磁石を有する回転子と、この回転子の回転により固定子巻線に交流電流を発生させる固定子とからなる磁石式発電機と、前記磁石式発電機の回転子に回転力を供給する回転力供給装置と、前記磁石式発電機で発生させた交流電流を直流電流に整流して負荷電気装置に電力供給を行う整流回路と、オンオフ制御が可能なスイッチング素子を有して該スイッチング素子がオン状態になったときに前記磁石式発電機の出力端を電気的に短絡する短絡回路と、前記負荷電気装置の端子電圧を検出する電圧検出回路と、前記電圧検出回路により検出された電圧に従って前記短絡回路のスイッチング素子のオンオフ制御により前記負荷電気装置の電圧を第１の設定値に制御する制御回路と、を備えた電源装置であって、前記制御回路は、前記負荷電気装置が動作するために必要な最低電圧を第２の設定値とし、前記電圧検出回路より検出された電圧が前記第１の設定値未満、および第２の設定値以上の場合に、前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態に従って前記整流回路と前記短絡回路とを切替えて制御し、前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態として前記回転子側の回転速度を示す信号が入力されると共に、前記回転子側の回転速度と、前記短絡回路オン時の短絡動作モードと前記短絡回路オフ時の整流動作モードにおける前記回転力供給装置から前記磁石式発電機への入力トルクの大小関係との関係を示す切替情報を含む切替制御情報に基づき、前記回転子側の回転速度に従って、前記磁石式発電機への入力トルクの小さい動作モードに切替えることを特徴とする電源装置。
前記制御回路は、前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態として、前記回転力供給装置の運転負荷状態を示す信号が入力され、前記回転力供給装置が高負荷状態の時に
、前記回転子側の回転速度に従って、前記磁石式発電機への入力トルクの小さい動作モードに切替えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記制御回路は、前記磁石式発電機の回転子の回転に係る運転状態として、前記回転力供給装置の運転負荷状態を示す信号が入力され、前記回転力供給装置が低負荷状態の時に
、前記回転子側の回転速度に従って、磁石式発電機への入力トルクの大きい動作モードに切替えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記回転力供給装置が内燃機関であり、前記回転力供給装置の運転負荷状態を示す信号が、それぞれ内燃機関の吸気管内圧力、スロットル開度、冷却水の温度を示す信号の少なくとも１つからなり、これらの信号のうちの１つ又は複数の信号の組み合わせに基づいて運転負荷状態の判定を行うことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電源装置。
前記制御回路は、前記短絡動作モードと前記整流動作モードを切替えるタイミングに切替パターンとパターン動作時間を持たせた切替制御情報に基づき、前記短絡動作モードと前記整流動作モードと切替えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電源装置。
前記制御回路は、前記短絡動作モードと前記整流動作モードを切替えるタイミングの切替パターンとパターン動作時間が、前記回転子側の回転速度に応じて変化する切替制御情報に基づき、前記短絡動作モードと前記整流動作モードとを切替えることを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
前記整流回路の直流出力電圧を前記負荷電気装置の入力端子間電圧に変圧する変圧比可変の直流電圧変圧装置を備え、前記制御回路は、前記回転子側の回転速度と、前記直流電圧変圧装置の変圧比と、前記短絡動作モード時と前記整流動作モード時における前記回転力供給装置から前記磁石式発電機への入力トルクの大小関係との関係を示す切替情報を含む切替制御情報に基づき、前記回転子側の回転速度に従って、前記磁石式発電機への入力トルクの小さい動作モードに切替えることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電源装置。
前記整流回路が、３相ダイオードブリッジからなり、前記短絡回路を各相別々に備え、前記制御回路が前記短絡回路の各相を別々に制御することを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の電源装置。