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JP4351792B2 - Alternator that also serves as a starter - Google Patents

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JP4351792B2
JP4351792B2 JP2000208356A JP2000208356A JP4351792B2 JP 4351792 B2 JP4351792 B2 JP 4351792B2 JP 2000208356 A JP2000208356 A JP 2000208356A JP 2000208356 A JP2000208356 A JP 2000208356A JP 4351792 B2 JP4351792 B2 JP 4351792B2
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恭一 岡田
雅己 平田
剛 篠原
功 岸本
和夫 長竹
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンを始動させる電動機としての機能と、エンジンが始動した後は発電機として動作する機能とを備えたスタータを兼用したオルタネータに関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車には、エンジンを始動させるスタータと、エンジンにより回転駆動されて発電するオルタネータとが設けられており、これらスタータとオルタネータは別部品であった。そして、従来より、スタータ及びオルタネータとしては、それぞれブラシ付き直流電動機が使用されていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来構成の場合、スタータとオルタネータが別部品であるので、部品点数が多くなり、組立てに手間がかかり、構成が複雑になるという問題点があった。
【0004】
この問題点を解消する構成として、エンジンのスタータとして用いる電動機を、エンジンのオルタネータとして兼用させる構成が考えられる。この構成の場合、スタータ用の電動機は、エンジンを始動させるために必要な大きなトルクを発生させる特性を有する必要がある。このような特性の電動機を、エンジンのオルタネータ(発電機)として高速回転領域で動作させると、該電動機の発電(誘起)電圧がかなり高くなってしまう。
【0005】
そして、オルタネータ、即ち、電動機の誘起電圧が高くなると、電動機の駆動回路に使用するスイッチング素子として、耐圧の高い高価なものを使用しなければならず、製造コストが高くなるおそれがあった。また、自動車に搭載されているバッテリの電圧は、12V、24Vまたは36V程度の低い電圧であるため、上記誘起電圧が高いオルタネータによって上記バッテリを充電しようとすると、降圧回路が必要になる。
【0006】
そこで、本発明の目的は、エンジンのスタータとして用いる電動機をエンジンのオルタネータとして兼用させる構成としながら、電動機をオルタネータとして高速回転領域にて動作させるときに誘起電圧が高くなることを防止できるスタータを兼用したオルタネータを提供するにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明のスタータを兼用したオルタネータは、エンジンの駆動軸に直結または連結された回転軸を有し且つ永久磁石を有するロータと、ステータコア及びこのステータコアに巻回されたステータコイルからなるステータとを備え、前記エンジンを始動させるときは電動機として動作すると共に、前記エンジンが始動した後は発電機として動作する永久磁石型電動機から構成されたものにおいて、前記ロータと前記ステータとの軸方向の位置関係が変化する機構を備え、前記機構は、無通電時及び前記発電機として動作されるときは、前記ロータと前記ステータの対向する面積が減少する位置に前記ロータ及び前記ステータが位置するように付勢する手段を有し、前記電動機として動作させるために通電したときは、前記ロータと前記ステータの間の磁気吸引力により前記ロータと前記ステータの対向する面積がほぼ最大となる位置に前記ロータ及び前記ステータが位置するように構成されているところに特徴を有する。
【0008】
上記構成によれば、永久磁石型電動機をエンジンのスタータ及びオルタネータとして兼用する構成となる。そして、永久磁石型電動機をオルタネータ(発電機)として所定の回転速度領域にて動作させるときには、ロータとステータとの間の界磁磁束が減少されるので、永久磁石型電動機の誘起電圧が高くならない。
【0011】
この構成の場合、前記ロータを、磁性体及びこの磁性体の内部に埋め込んだ永久磁石から構成することがより一層好ましい。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を自動車に適用した第1の実施例について、図1ないし図3を参照しながら説明する。まず、自動車の全体構成を概略的に示す図3において、車両である自動車1には、エンジン2が搭載されている。このエンジン2は、変速機3及び差動ギヤ4を介して後側ホイール5,5の車軸6,6を駆動するように構成されている。尚、自動車1の前側ホイール7,7の車軸8,8は非駆動である。
【0013】
また、自動車1には、エンジン2のスタータを兼用したオルタネータを構成する永久磁石型同期電動機9が搭載されている。この永久磁石型同期電動機9は、図1及び図2に示すように、複数相例えば3相のステータコイル9U,9Vおよび9Wを有するステータ9aと、永久磁石形のロータ9bとを備えている。このロータ9bは、磁性体からなるロータヨーク9cの内部に永久磁石9dを埋め込んで構成されている。
【0014】
そして、上記永久磁石型同期電動機9のロータ9bの回転軸9eは、エンジン2の駆動軸(即ち、出力軸)に直結または連結されている。これにより、永久磁石型同期電動機9は、エンジン2を始動させるスタータ(電動機)を構成していると共に、エンジン2が始動した後はオルタネータ(発電機)として動作するように構成されている。即ち、上記永久磁石型同期電動機9がエンジン2のスタータを兼用したオルタネータを構成している。
【0015】
更に、自動車1には、図3に示すように、鉛蓄電池等からなる充電可能なバッテリ10が搭載されている。このバッテリ10と永久磁石型同期電動機9との間で、後述する制御装置11を介して電力の授受が行なわれるように構成されている。
【0016】
さて、上記制御装置11の具体的構成について、図1を参照しながら説明する。上記永久磁石型同期電動機9の駆動回路としてのインバータ回路12は、6個のスイッチング素子たるNPN形のトランジスタ13U,13V,13Wおよび14U,14V,14Wを3相ブリッジ接続して構成されたものであり、夫々のコレクタ,エミッタ間には、フライホイールダイオード15U,15V,15Wおよび16U,16V,16Wが接続されており、以て、3つのアーム17U,17Vおよび17Wを有している。尚、スイッチング素子は、トランジスタに限られるものではなく、MOS−FETやIGBTなど状況に応じて適宜な素子が用いられる。
【0017】
そして、このインバータ回路12の入力端子18,19は直流母線20,21に接続され、出力端子22U,22V,22Wは永久磁石型同期電動機9のステータコイル9U,9Vおよび9Wの各一端子に接続されている。尚、ステータコイル9U,9Vおよび9Wの各他端子は共通に接続されている。また、直流母線21はバッテリ10の負端子に接続されているとともに、直流母線20,21間にはコンデンサ23が接続されている。
【0018】
また、チョッパ回路24は、例えば2つのスイッチング素子(3つ以上の複数でも可)としてのNPN形のトランジスタ25,26およびダイオード27,28を有して構成されている。上記チョッパ回路24のトランジスタ25のコレクタは直流母線20に接続され、エミッタはトランジスタ26のコレクタに接続されている。チョッパ回路24のトランジスタ26のエミッタは、直流母線21に接続されている。トランジスタ25,26の夫々のコレクタ,エミッタ間には、ダイオード27,28が接続されている。そして、チョッパ回路24の中性点は、リアクトル29を介してバッテリ10の正端子に接続されている。この場合、上記リアクトル29は、コアにコイルを巻装して構成されている。
【0019】
更に、バッテリ電圧検出器30は、バッテリ10に並列に接続されていて、バッテリ10の端子間電圧を検出するように構成されている。主回路電圧検出器31は、コンデンサ23に並列に接続されていて、コンデンサ23の端子間電圧 (主回路電圧)を検出するようになっている。そして、位置検出器32は、永久磁石型同期電動機9に配設されていて、永久磁石型同期電動機9のロータの位置を検出するレゾルバから構成されている。
【0020】
さて、マイクロコンピュータ等から構成された制御回路33の各入力ポートには、バッテリ電圧検出器30,主回路電圧検出器31および位置検出器32の各出力端子が接続されている。上記制御回路33の各出力ポートは、フォトカプラ式のベースドライブ回路34,35の各入力端子に接続されている。尚、上記制御回路33の制御動作については、後述する。そして、ベースドライブ回路34の各出力端子は、インバータ回路12のトランジスタ13Uないし13Wおよび14Uないし14Wのベースに夫々接続され、ベースドライブ回路35の各出力端子は、チョッパ回路24のトランジスタ25,26のベースに夫々接続されている。
【0021】
次に、本実施例の作用について説明する。まず、永久磁石型同期電動機9をスタータ(電動機)として動作させる場合について述べる。
【0022】
制御回路33は、バッテリ電圧検出器30が検出するバッテリ10の端子間電圧が定格電圧であるときには、チョッパ回路24を非動作状態とする。これにより、バッテリ10の直流電圧はリアクトル29およびダイオード27を介してコンデンサ23に印加され、コンデンサ23はインバータ回路12の入力電圧に適した電圧に充電される。また、制御回路33は、バッテリ電圧検出器30が検出するバッテリ10の端子間電圧が定格電圧より低いときには、ベースドライブ回路35のベースにPWM信号を与えることによりチョッパ回路24の負側のトランジスタ26にベース信号を与えるようになり、トランジスタ26はPWM信号のデューティに応じてオンオフされる。
【0023】
チョッパ回路24において、トランジスタ26がオンされると、リアクトル29およびランジスタ26の経路でバッテリ10からリアクトル29に電流が流れ、次に、トランジスタ26がオフされると、リアクトル29に蓄積されたエネルギーがダイオード27を介して放出され、以て、昇圧された電圧がコンデンサ23に印加される。
【0024】
この場合、電圧の昇圧率は、PWM信号のデューティで決定されるものであり、PWM信号のデューティが大になるほど昇圧率も大になる。制御回路33は、バッテリ10の端子間電圧に応じてPWM信号のデューティを決定するようになっており、これによりコンデンサ23はインバータ回路12の入力電圧に適した電圧に充電される。このように、チョッパ回路24とリアクトル29とは、このときには昇圧チョッパとして動作するのである。
【0025】
さて、制御回路33にスタータ信号が与えられると、制御回路33は、位置検出器32からの位置検出信号に基づいて通電タイミング信号を生成してベース駆動回路34に与え、ベース駆動回路34はこれに応じてインバータ回路12のトランジスタ13Uないし13Wおよび14Uないし14Wのベースに順次ベース信号を与えるようになり、トランジスタ13Uないし13Wおよび14Uないし14Wが順次オンオフされる。
【0026】
これにより、永久磁石型同期電動機9のステータコイル9Uないし9Wにロータ9bの位置に応じた交流電流が流れ、ロータ9bが回転を始める。永久磁石型同期電動機9が始動すると、そのシャフトに連結されたエンジン2の出力軸が回転駆動され、エンジン2が始動するようになる。即ち、このときには、永久磁石型同期電動機9は、エンジン2のスタータとして機能するのである。
【0027】
本実施例の永久磁石型同期電動機9においては、図2に示すように、ロータ9bの永久磁石9dがd軸方向にあり、永久磁石9dの透磁率が空気とほぼ同じために(ギャップがあるのと同じために)、q軸方向に比べてd軸方向には磁束が通り難い構造となっている(尚、d軸は永久磁石の界磁方向であり、q軸はd軸に直交する方向である)。このため、ロータ9bとしては、凸極機構造と同じ構造となり、リラクタンスモータと同様にリラクタンストルクを発生する。この永久磁石型同期電動機9のトルクTは、次の式で表わされる。
【0028】
T=P(φiq+(Ld−Lq)idiq) (1)
ただし、Pは極数、φは永久磁石磁束、Ldはd軸インダクタンス、Lqはq軸インダクタンス、idはd軸電流、iqはq軸電流である。
【0029】
上記式(1)において、かっこ内の第1項は、永久磁石磁束とq軸電流によるトルクであり、第2項はリラクタンストルクを表わしている。第1項のトルクと、第2項のリラクタンストルクを加え合わせれば、電動機の発生するトルクを大きくすることができる。即ち、同じトルクの電動機であれば、小形化したり、使用する永久磁石の量を減らすことができる。そして、リラクタンストルクを発生させるためには、通常のq軸電流の他に、界磁方向の電流、即ち、d軸電流を流すように制御する。
【0030】
このように、永久磁石9dをロータ9bのロータヨーク9c内に埋め込んだ永久磁石型同期電動機9は、リラクタンストルクを発生できるため、エンジン2のスタータとして大トルクを発生させることができ、自動車に搭載する電動機として非常に好ましい。また、高速回転中に永久磁石9dが飛散することがないため、この点でも、自動車に搭載する電動機として非常に好ましい。
【0031】
次に、上記永久磁石型同期電動機9を発電機(オルタネータ)として動作させる場合について説明する。
【0032】
制御回路33は、エンジンが始動したときには、インバータ回路12のトランジスタ13Uないし13Wおよび14Uないし14Wのベースに対するベース信号の供給を停止して、これらを全てオフさせ、以て、インバータ回路12を非動作状態にする。そして、エンジン2が始動されると、今度は、永久磁石型同期電動機9のシャフト即ちロータがエンジン2の出力軸によって回転駆動されて、ステータコイル9Uないし9Wに電圧が誘起され、この誘起された交流電圧は、インバータ回路12のフライホイールダイオード15Uないし15Wおよび16Uないし16Wが全波整流回路として機能することにより直流電圧に変換されてコンデンサ23に印加される。即ち、このときには、永久磁石型同期電動機9は、発電機として機能するのである。
【0033】
ところで、エンジン2の出力軸の回転速度は、自動車のアクセルの踏込み度合に応じて高低変化するものである。従って、エンジン2の出力軸の回転速度に応じて永久磁石型同期電動機9のステータコイル9Uないし9Wに誘起される電圧(発電電圧)も高低変化するものであり、コンデンサ23に印加される直流電圧も高低変化する。
【0034】
この場合、エンジン2が始動された後は、その出力軸の回転速度は、アイドル回転数から数千rpmの所定の回転速度領域である高速回転領域(例えば7000〜8000rpm)まで変化する。これに対して、エンジン2を始動させる場合、スタータである永久磁石型同期電動機9を低速、例えば500〜1000rpm程度で回転させる。従って、発電機としての永久磁石型同期電動機9に誘起される電圧の大きさは、スタータとして永久磁石型同期電動機9に印加する電圧の大きさの約10倍程度となり、かなりの高電圧となる。そして、このような高電圧が発生するままにすると、永久磁石型同期電動機9の駆動回路であるインバータ回路12を構成するトランジスタ13U,13V,13W、14U,14V,14Wとして、耐圧の高いものを使用しなければならなくなり、製造コストが高くなる。
【0035】
そこで、本実施例においては、制御回路33によって、永久磁石型同期電動機9を発電機として高速回転領域にて動作させるときには、永久磁石型同期電動機9に対して弱め界磁制御を実行するように構成されている。これにより、ロータ9bとステータ9aとの間の界磁磁束が減少し、永久磁石型同期電動機9に誘起される電圧の大きさが小さくなるようになっている。この場合、制御回路33が本発明の磁束減少手段を構成している。上記弱め界磁制御としては、周知の制御を適宜用いるように構成すれば良い。
【0036】
本実施例の永久磁石型同期電動機9は、前述したように、リラクタンストルクを発生する電動機であるから、このリラクタンストルクを利用することにより、永久磁石の磁束量を減らすことができ、電動機の誘起電圧を下げることができる。即ち、リラクタンストルクを発生させるために、通常のq軸電流の他に、界磁方向の電流であるd軸電流を、界磁磁束を減らす方向に流すように制御(弱め界磁制御)すれば良い。本実施例の場合、永久磁石型同期電動機9を発電機として動作させているときにおいて、高速回転領域にて動作させているときに、制御回路33によって上記弱め界磁制御を実行するように構成されている。
【0037】
これにより、本実施例では、発電機である永久磁石型同期電動機9が発生する電圧が低くなるから、永久磁石型同期電動機9の駆動回路であるインバータ回路12を構成するトランジスタ13U,13V,13W、14U,14V,14Wとして、耐圧の高いものを使用しなくても済み、製造コストを低減できる。
【0038】
また、本実施例においては、永久磁石型同期電動機9を発電機として動作させる場合、次に述べる電圧制御動作、即ち、チョッパ回路24により、コンデンサ23の端子間電圧を降圧したり、昇圧したりしてバッテリ10に印加する電圧制御動作も適宜実行されている。
【0039】
具体的には、制御回路33は、主回路電圧検出器31が検出するコンデンサ23の端子間電圧(主回路電圧)がバッテリ10の定格電圧より高いときには(永久磁石型同期電動機9の発電電圧が高いときには)、ベースドライブ回路35にPWM信号を与えることによりチョッパ回路24の正側のトランジスタ25のベースにベース信号を与えるようになり、トランジスタ25はPWM信号のデューティに応じてオンオフされる。
【0040】
チョッパ回路24において、トランジスタ25がオンされると、コンデンサ23の端子間電圧は、トランジスタ25のオン期間だけリアクトル29を介してバッテリ10に印加されるので、結果として、バッテリ10にはコンデンサ23の端子間電圧が降圧されて印加されるようになる。この場合、電圧の降圧率は、PWM信号のデューティで決定されるものであり、PWM信号のデューティが小になるほど降圧率が大になる。制御回路33は、コンデンサ23の端子間電圧に応じてPWM信号のデューティを決定するように構成されており、これによりバッテリ10は適正な電圧で充電されるようになる。このように、チョッパ回路24とリアクトル29とは、このときには降圧チョッパとして動作するように構成されている。
【0041】
一方、制御回路33は、主回路電圧検出器31が検出するコンデンサ23の端子間電圧(主回路電圧)がバッテリ10の定格電圧より低いときには(永久磁石型同期電動機9の発電電圧が低いときには)、チョッパ回路24を非動作状態とする。ここで、チョッパ回路24を非動作状態にするとは、トランジスタ25,26にオンオフの繰返し動作を行わせないということで、ここでは、トランジスタ25をオン状態にする。
【0042】
更に、制御回路33は、ベースドライブ回路34にPWM信号を与えることによりインバータ回路12の負側のトランジスタ14Uないし14Wのベースにベース信号を与えるようになり、トランジスタ14Uないし14WはPWM信号のデューティに応じてオンオフされる。この場合、インバータ回路12においては、永久磁石型同期電動機9のステータコイル9Uから電流が流出するパターンのときには、トランジスタ14Uがオンオフされ、ステータコイル9Vから電流が流出するパターンのときには、トランジスタ14Vがオンオフされ、ステータコイル9Wから電流が流出するパターンのときには、トランジスタ14Wがオンオフされる。
【0043】
インバータ回路12において、例えばトランジスタ14Uがオンされると、ステータコイル9Uとステータコイル9V若しくは9Wとに誘起される電圧によって、ステータコイル9Uとトランジスタ14Uとフリーホイールダイオード16V若しくは16Wとステータコイル9V若しくは9Wとの経路で循環電流が流れて、ステータコイル9Uとステータコイル9V若しくは9Wとにエネルギーが蓄積され、次に、トランジスタ14Uがオフされると、ステータコイル9Uとステータコイル9V若しくは9Wとに蓄積されたエネルギーがフリーホイールダイオード15Uを介して放出され、以て、昇圧された電圧がコンデンサ23に印加される。この場合、電圧の昇圧率は、PWM信号のデューティで決定されるものであり、PWM信号のデューティが大になるほど昇圧率も大になる。制御回路33は、バッテリ10の端子間電圧に応じてPWM信号のデューティを決定するように構成されている。これにより、コンデンサ23はバッテリ10の充電に適した電圧になるように充電される。
【0044】
また、インバータ回路12のトランジスタ14Vおよび14Wがオンオフされることによる昇圧の原理は、上述したトランジスタ14Uのオンオフのときと同様であり、従って、このときには、インバータ回路12は、ステータコイル9Uないし9Wをリアクトルとする昇圧チョッパとして機能するようになる。尚、このように昇圧チョッパとして機能する場合は、エンジン2の回転速度が低く、永久磁石型同期電動機9の発電電圧が低い場合である。
【0045】
このような構成の本実施例によれば、永久磁石型同期電動機9の回転軸9eをエンジン2の出力軸に直結して、この永久磁石型同期電動機9を、エンジン2の始動時にはエンジン2を駆動するスタータとして動作させ、エンジン2の始動後はエンジン2により駆動されてバッテリ10を充電するための発電機(オルタネータ)として動作させるように構成した。これによって、1つの永久磁石型同期電動機9を、エンジン2のスタータとバッテリ10の充電用の発電機として兼用させる構成、即ち、スタータを兼用したオルタネータとしたので、スタータと発電機の2つを搭載する従来構成に比べて、自動車1の搭載スペースを小さくすることができる。そして、エンジン2の出力軸と永久磁石型同期電動機9のシャフトとの間に、従来のようなクラッチを設ける必要もなくなるので、自動車1の搭載スペースをより一層小さくすることができる。
【0046】
更に、上記実施例では、制御回路33によって、永久磁石型電動機9をオルタネータ(発電機)として高速回転領域にて動作させるときには、弱め界磁制御を実行することにより、ロータ9bとステータ9aとの間の界磁磁束を減少させるように制御した。これにより、発電機として高速回転領域にて動作させるときに、永久磁石型電動機9の誘起電圧が高くなることを防止できる。この結果、永久磁石型同期電動機9の駆動回路であるインバータ回路12を構成するトランジスタ13U,13V,13W、14U,14V,14Wとして、耐圧の高いものを使用しなくても済むことから、製造コストを低減することができる。
【0047】
また、上記実施例の場合、永久磁石型電動機9のロータ9bを、磁性体からなるロータヨーク9cと、このロータヨーク9cの内部に埋め込んだ永久磁石9dとから構成したので、永久磁石型同期電動機9はリラクタンストルクを発生できる構成となり、エンジン2のスタータとして大トルクを発生させることができる。また、永久磁石型同期電動機9を高速回転させたときに、ロータ9bから永久磁石9dが飛散することがなくなるため、この点でも、自動車に搭載する電動機として非常に好ましい構成となる。
【0048】
図4は、本発明の第2の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第2の実施例では、図4に示すように、永久磁石型同期電動機9のロータ36を、磁性体からなるロータヨーク37と、このロータヨーク37の内部に埋め込まれた永久磁石38とから構成すると共に、ロータヨーク37の内部に永久磁石38の界磁方向磁気抵抗を大きくする空隙部37aを設けたものである。これ以外の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。
【0049】
従って、上記第2の実施例においても、第1の実施例とほぼ同様な作用効果を得ることができる。特に、第2の実施例によれば、ロータヨーク37の内部に永久磁石38の界磁方向磁気抵抗を大きくする空隙部37aを設けたので、リラクタンストルクをより一層利用することができ、エンジン2の始動するときのトルクを大きくすることができる。また、永久磁石の磁束量を減らすことができるから、誘起電圧を低下させることができる。
【0050】
図5は、本発明の第3の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第3の実施例では、図5に示すように、永久磁石型同期電動機9のロータ39を、磁性体からなるロータヨーク40と、このロータヨーク40の外周部に配設された永久磁石41とから構成したものである。即ち、第3の実施例の永久磁石型同期電動機9は、リラクタンストルクを発生しない通常の永久磁石型同期電動機である。これ以外の構成は、第1の実施例と同じ構成となっている。
【0051】
従って、上記第3の実施例においても、第1の実施例とほぼ同様な作用効果を得ることができる。尚、第3の実施例の場合、リラクタンストルクを発生しない通常の永久磁石型同期電動機9を、発電機として高速回転領域にて動作させるときに、周知の弱め界磁制御を実行することにより、ロータ39とステータ9aとの間の界磁磁束を減少させるように構成されている。
【0052】
図6及び図7は、本発明の第4の実施例を示すものである。尚、第1の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第4の実施例では、図6及び図7に示すように、永久磁石型同期電動機42のステータ9aを、ロータ9bに対して回転軸方向に移動可能に設けたものである。
【0053】
具体的には、永久磁石型同期電動機42のハウジング43は、ほぼカップ状のモータフレーム44と、このモータフレーム44の開口部を閉塞する軸受ブラケット45とから構成されている。モータフレーム44の底壁部に設けられた軸受46と、軸受ブラケット45に設けられた軸受47とによりロータ9bの回転軸9eが回転可能に支持されている。モータフレーム44の内部における周壁部に沿う部位には、ピン48が配設されており、このピン48によりステータ9aが軸受49、49を介して軸方向に移動可能に支持されている。この軸受49、49は、リニアボールベアリングまたは滑り軸受等からなる軸受であり、ステータ9aに取り付けられている。
【0054】
そして、ステータ9aは、ピン48に設けられたコイルばね50により、図6中の右方(ロータ9bと離れる方向)へ移動するように付勢されている。この図6に示す状態では、永久磁石型電動機42のロータ9bとステータ9aとの間の界磁磁束が減少するように構成されている。そして、永久磁石型電動機42を、通電しないとき、並びに、発電機として動作させるときは、ステータコイル9U、9V、9Wに流れる電流が小さいことから、上記図6に示す状態となるように構成されている。これにより、永久磁石型電動機42を、発電機として動作させるときは、ロータ9bとステータ9aとの間の界磁磁束が減少し、誘起電圧が低下する構成となっている。
【0055】
これに対して、永久磁石型電動機42を、エンジン2のスタータとして用いるときは、ステータコイル9U、9V、9Wに大電流を流すため、ステータ9aとロータ9bとの間に磁気吸引力が作用する。これにより、ステータ9aが、コイルばね50のばね力に抗して、図6及び図7中の左方(ロータ9bと対向する方向)へ移動する。この結果、永久磁石型電動機42は図7に示す状態となり、そのロータ9bとステータ9aとの間の界磁磁束が増大するようになり、トルクが大きくなる構成となっている。
【0056】
上記第4の実施例の場合、永久磁石型電動機42を発電機として動作させるときに、ステータコイル9U、9V、9Wに流れる電流は、誘起電圧とバッテリ10の端子間電圧との差の電圧を、永久磁石型電動機42とバッテリ10の内部抵抗値で割った値まで流れる。従って、例えば、この電流値が、永久磁石型電動機42をスタータとして始動させたときにはステータコイル9U、9V、9Wに流れる始動電流よりも小さくなるように、永久磁石型電動機42を構成すれば良い。
【0057】
また、永久磁石型電動機42の駆動回路の電流設定値として、例えば発電機として動作するときの電流設定値を、スタータとして動作するときの電流設定値よりも小さくするように制御する構成としても良い。
【0058】
更に、例えばスタータ特性として、エンジン2を瞬時に始動させるために、永久磁石型電動機42に大きなトルクを発生させる必要があることから、短時間定格ではあるが、永久磁石型電動機42に大電流を流して大トルクを発生させるように制御する構成としても良い。
【0059】
尚、上述した以外の第4の実施例の構成は、第1の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第4の実施例においても、第1の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。更に、この第4の実施例において、発電機として動作させるときのステータコイル電流を電動機として動作させるときのステータコイル電流よりも小さく設定することにより、確実に発電機として動作させるときは界磁磁束を小さくし、電動機として動作させるときは界磁磁束を大きくなるように切り替えを行うことができる。
【0060】
また、上記第4の実施例では、永久磁石型電動機42のロータ9bとして、ロータヨーク9cの内部に永久磁石9dを埋め込む構成を用いたが、これに限られるものではなく、例えば図4に示すようなロータヨークの内部に永久磁石を埋め込むと共に空隙部を設ける構成を用いても良いし、また、図5に示すようなロータヨークの外周部に永久磁石を設ける構成を用いても良い。
【0061】
更に、上記第4の実施例においては、ステータ9aを移動させるに当たって、コイルバネ50と磁気吸引力を用いるように構成したが、これに代えて、オイルシリンダやエアシリンダ等のアクチュエータによりステータを移動させるように構成しても良い。また、ステータ9bを移動可能なように構成する代わりに、ロータを移動可能なように構成しても良いし、また、ステータとステータを両方とも移動可能なように構成しても良い。
【0062】
【発明の効果】
本発明は、以上の説明から明らかなように、永久磁石型電動機を、発電機として所定の回転速度領域にて動作させるときに、ロータとステータとの間の界磁磁束を減少させる磁束減少手段を備えるように構成したので、エンジンのスタータとして用いる電動機をエンジンの発電機として兼用させる構成としながら、電動機を発電機として高速回転領域にて動作させるときに誘起電圧が高くなることを防止できるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す電気的構成図
【図2】永久磁石型同期電動機の断面図
【図3】自動車の全体構成を概略的に示す図
【図4】本発明の第2の実施例を示す図2相当図
【図5】本発明の第3の実施例を示す図2相当図
【図6】本発明の第4の実施例を示す永久磁石型同期電動機の縦断側面図
【図7】異なる状態を示す永久磁石型同期電動機の縦断側面図
【符号の説明】
1は自動車、2はエンジン、9は永久磁石型同期電動機(スタータを兼用したオルタネータ)、9aはステータ、9bはロータ、9cはロータヨーク、9dは永久磁石、9eは回転軸、10はバッテリ、11は制御装置、12はインバータ回路、13U,13V,13Wはトランジスタ、14U,14V,14Wはトランジスタ、18、19は入力端子、20、21は直流母線、22U,22V,22Wは出力端子、23はコンデンサ、24はチョッパ回路、25、26はトランジスタ、27、28はダイオード、29はリアクトル、30はバッテリ電圧検出器、31は主回路電圧検出器、32は位置検出器、33は制御回路(磁束減少手段)、36はロータ、37はロータヨーク、38は永久磁石、39はロータ、40はロータヨーク、41は永久磁石、42は永久磁石型同期電動機、43はハウジング、44はモータフレーム、45は軸受ブラケット、46、47は軸受、48はピン、49は軸受、50はコイルばねを示す。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an alternator that also serves as a starter having a function as an electric motor for starting an engine and a function of operating as a generator after the engine is started.
[0002]
[Prior art]
The automobile is provided with a starter for starting the engine and an alternator that is driven by the engine to generate electric power. These starter and alternator are separate parts. Conventionally, brushed DC motors have been used as starters and alternators.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the case of the conventional configuration, since the starter and the alternator are separate components, the number of components is increased, and it takes time and effort to assemble, resulting in a complicated configuration.
[0004]
As a configuration for solving this problem, a configuration in which an electric motor used as an engine starter is also used as an engine alternator can be considered. In the case of this configuration, the starter motor needs to have a characteristic of generating a large torque necessary to start the engine. When an electric motor having such characteristics is operated as an engine alternator (generator) in a high-speed rotation region, the electric power generation (induced) voltage of the electric motor becomes considerably high.
[0005]
When the induced voltage of the alternator, that is, the electric motor is increased, an expensive element having a high withstand voltage must be used as a switching element used in the drive circuit of the electric motor, which may increase the manufacturing cost. Further, since the voltage of the battery mounted on the automobile is a low voltage of about 12V, 24V or 36V, a step-down circuit is required when charging the battery with an alternator having a high induced voltage.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to use a starter that can prevent an induced voltage from increasing when the motor is used as an alternator and operates in a high-speed rotation region while the motor used as the engine starter is also used as an alternator of the engine. To provide an alternator.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
An alternator also serving as a starter of the present invention includes a rotor having a rotating shaft directly connected to or coupled to an engine driving shaft and having a permanent magnet, and a stator comprising a stator core and a stator coil wound around the stator core. When the engine is started, the motor is operated as a motor, and after the engine is started, the permanent magnet type motor is operated as a generator. In the axial relationship between the rotor and the stator, With a changing mechanism, The mechanism has means for urging the rotor and the stator to be positioned at a position where the facing area of the rotor and the stator is reduced when not energized and when operated as the generator, When energized to operate as the electric motor, the rotor and the stator are positioned at a position where the opposing area of the rotor and the stator is substantially maximized by the magnetic attractive force between the rotor and the stator. It is configured However, it has characteristics.
[0008]
According to the above configuration, the permanent magnet type electric motor is used as an engine starter and alternator. When the permanent magnet type motor is operated in a predetermined rotational speed region as an alternator (generator), the field magnetic flux between the rotor and the stator is reduced, so that the induced voltage of the permanent magnet type motor does not increase. .
[0011]
In this configuration Before More preferably, the rotor is composed of a magnetic material and a permanent magnet embedded in the magnetic material.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
A first embodiment in which the present invention is applied to an automobile will be described below with reference to FIGS. First, in FIG. 3 schematically showing the overall configuration of an automobile, an engine 2 is mounted on an automobile 1 that is a vehicle. The engine 2 is configured to drive the axles 6 and 6 of the rear wheels 5 and 5 via the transmission 3 and the differential gear 4. The axles 8 and 8 of the front wheels 7 and 7 of the automobile 1 are not driven.
[0013]
Further, the automobile 1 is equipped with a permanent magnet type synchronous motor 9 that constitutes an alternator that also serves as a starter of the engine 2. As shown in FIGS. 1 and 2, the permanent magnet type synchronous motor 9 includes a stator 9a having a plurality of phases, for example, three-phase stator coils 9U, 9V and 9W, and a permanent magnet rotor 9b. The rotor 9b is configured by embedding a permanent magnet 9d in a rotor yoke 9c made of a magnetic material.
[0014]
The rotating shaft 9e of the rotor 9b of the permanent magnet type synchronous motor 9 is directly connected to or connected to the drive shaft (that is, the output shaft) of the engine 2. Thereby, the permanent magnet type synchronous motor 9 constitutes a starter (electric motor) for starting the engine 2 and is configured to operate as an alternator (generator) after the engine 2 is started. That is, the permanent magnet type synchronous motor 9 constitutes an alternator that also serves as a starter for the engine 2.
[0015]
Furthermore, as shown in FIG. 3, the car 1 is equipped with a rechargeable battery 10 made of a lead storage battery or the like. Electric power is exchanged between the battery 10 and the permanent magnet type synchronous motor 9 via a control device 11 described later.
[0016]
Now, a specific configuration of the control device 11 will be described with reference to FIG. The inverter circuit 12 as a drive circuit of the permanent magnet type synchronous motor 9 is configured by connecting NPN transistors 13U, 13V, 13W and 14U, 14V, 14W as six switching elements in a three-phase bridge connection. The flywheel diodes 15U, 15V, 15W and 16U, 16V, 16W are connected between the respective collectors and emitters, and thus have three arms 17U, 17V and 17W. Note that the switching element is not limited to a transistor, and an appropriate element such as a MOS-FET or IGBT is used depending on the situation.
[0017]
The input terminals 18 and 19 of the inverter circuit 12 are connected to the DC buses 20 and 21, and the output terminals 22U, 22V and 22W are connected to one terminal of each of the stator coils 9U, 9V and 9W of the permanent magnet type synchronous motor 9. Has been. The other terminals of the stator coils 9U, 9V and 9W are connected in common. The DC bus 21 is connected to the negative terminal of the battery 10, and a capacitor 23 is connected between the DC buses 20 and 21.
[0018]
The chopper circuit 24 includes, for example, NPN transistors 25 and 26 and diodes 27 and 28 as two switching elements (a plurality of switching elements may be used). The collector of the transistor 25 of the chopper circuit 24 is connected to the DC bus 20, and the emitter is connected to the collector of the transistor 26. The emitter of the transistor 26 of the chopper circuit 24 is connected to the DC bus 21. Diodes 27 and 28 are connected between the collectors and emitters of the transistors 25 and 26, respectively. The neutral point of the chopper circuit 24 is connected to the positive terminal of the battery 10 via the reactor 29. In this case, the reactor 29 is configured by winding a coil around a core.
[0019]
Further, the battery voltage detector 30 is connected in parallel to the battery 10 and is configured to detect a voltage between terminals of the battery 10. The main circuit voltage detector 31 is connected in parallel to the capacitor 23 and detects the voltage across the terminals of the capacitor 23 (main circuit voltage). The position detector 32 is disposed in the permanent magnet type synchronous motor 9 and includes a resolver that detects the position of the rotor of the permanent magnet type synchronous motor 9.
[0020]
The output terminals of the battery voltage detector 30, the main circuit voltage detector 31, and the position detector 32 are connected to the input ports of the control circuit 33 constituted by a microcomputer or the like. The output ports of the control circuit 33 are connected to the input terminals of photocoupler base drive circuits 34 and 35, respectively. The control operation of the control circuit 33 will be described later. The output terminals of the base drive circuit 34 are connected to the bases of the transistors 13U to 13W and 14U to 14W of the inverter circuit 12, respectively. The output terminals of the base drive circuit 35 are connected to the transistors 25 and 26 of the chopper circuit 24, respectively. Each is connected to the base.
[0021]
Next, the operation of this embodiment will be described. First, a case where the permanent magnet type synchronous motor 9 is operated as a starter (motor) will be described.
[0022]
The control circuit 33 puts the chopper circuit 24 into a non-operating state when the voltage between the terminals of the battery 10 detected by the battery voltage detector 30 is the rated voltage. As a result, the DC voltage of the battery 10 is applied to the capacitor 23 via the reactor 29 and the diode 27, and the capacitor 23 is charged to a voltage suitable for the input voltage of the inverter circuit 12. Further, the control circuit 33 gives a PWM signal to the base of the base drive circuit 35 when the voltage across the terminals of the battery 10 detected by the battery voltage detector 30 is lower than the rated voltage, thereby providing the negative transistor 26 of the chopper circuit 24. A base signal is applied to the transistor 26, and the transistor 26 is turned on / off according to the duty of the PWM signal.
[0023]
In the chopper circuit 24, when the transistor 26 is turned on, a current flows from the battery 10 to the reactor 29 through the path of the reactor 29 and the transistor 26. Next, when the transistor 26 is turned off, the energy accumulated in the reactor 29 is reduced. The voltage is discharged through the diode 27, and thus the boosted voltage is applied to the capacitor 23.
[0024]
In this case, the voltage step-up rate is determined by the duty of the PWM signal, and the step-up rate increases as the duty of the PWM signal increases. The control circuit 33 determines the duty of the PWM signal according to the voltage between the terminals of the battery 10, whereby the capacitor 23 is charged to a voltage suitable for the input voltage of the inverter circuit 12. Thus, the chopper circuit 24 and the reactor 29 operate as a step-up chopper at this time.
[0025]
When the starter signal is given to the control circuit 33, the control circuit 33 generates an energization timing signal based on the position detection signal from the position detector 32 and gives it to the base drive circuit 34. The base drive circuit 34 Accordingly, base signals are sequentially applied to the bases of the transistors 13U to 13W and 14U to 14W of the inverter circuit 12, and the transistors 13U to 13W and 14U to 14W are sequentially turned on and off.
[0026]
Thereby, an alternating current according to the position of the rotor 9b flows through the stator coils 9U to 9W of the permanent magnet type synchronous motor 9, and the rotor 9b starts to rotate. When the permanent magnet type synchronous motor 9 is started, the output shaft of the engine 2 connected to the shaft is rotationally driven, and the engine 2 is started. That is, at this time, the permanent magnet type synchronous motor 9 functions as a starter of the engine 2.
[0027]
In the permanent magnet type synchronous motor 9 of this embodiment, as shown in FIG. 2, the permanent magnet 9d of the rotor 9b is in the d-axis direction, and the permeability of the permanent magnet 9d is almost the same as that of air (there is a gap). Therefore, the magnetic flux hardly passes in the d-axis direction compared to the q-axis direction (note that the d-axis is the permanent magnet field direction and the q-axis is orthogonal to the d-axis). Direction). For this reason, the rotor 9b has the same structure as the convex pole machine structure, and generates reluctance torque in the same manner as the reluctance motor. The torque T of the permanent magnet type synchronous motor 9 is expressed by the following equation.
[0028]
T = P (φiq + (Ld−Lq) idiq) (1)
However, P is the number of poles, φ is a permanent magnet magnetic flux, Ld is a d-axis inductance, Lq is a q-axis inductance, id is a d-axis current, and iq is a q-axis current.
[0029]
In the above formula (1), the first term in parentheses is the torque due to the permanent magnet magnetic flux and the q-axis current, and the second term represents the reluctance torque. If the torque of the first term and the reluctance torque of the second term are added together, the torque generated by the electric motor can be increased. That is, if the motors have the same torque, the size can be reduced and the amount of permanent magnets used can be reduced. In order to generate the reluctance torque, the current in the field direction, that is, the d-axis current is controlled in addition to the normal q-axis current.
[0030]
Thus, since the permanent magnet type synchronous motor 9 in which the permanent magnet 9d is embedded in the rotor yoke 9c of the rotor 9b can generate reluctance torque, it can generate a large torque as a starter of the engine 2 and is mounted on an automobile. Very preferable as an electric motor. Further, since the permanent magnet 9d does not scatter during high-speed rotation, this is also very preferable as an electric motor mounted on an automobile.
[0031]
Next, the case where the permanent magnet type synchronous motor 9 is operated as a generator (alternator) will be described.
[0032]
When the engine is started, the control circuit 33 stops supplying base signals to the bases of the transistors 13U to 13W and 14U to 14W of the inverter circuit 12 and turns them all off, so that the inverter circuit 12 is deactivated. Put it in a state. When the engine 2 is started, this time, the shaft of the permanent magnet type synchronous motor 9, that is, the rotor is rotationally driven by the output shaft of the engine 2, and a voltage is induced in the stator coils 9 U to 9 W. The AC voltage is converted into a DC voltage by the flywheel diodes 15U to 15W and 16U to 16W of the inverter circuit 12 functioning as a full-wave rectifier circuit and applied to the capacitor 23. That is, at this time, the permanent magnet type synchronous motor 9 functions as a generator.
[0033]
By the way, the rotational speed of the output shaft of the engine 2 changes depending on the degree of depression of the accelerator of the automobile. Accordingly, the voltage (power generation voltage) induced in the stator coils 9U to 9W of the permanent magnet type synchronous motor 9 also varies depending on the rotational speed of the output shaft of the engine 2, and the DC voltage applied to the capacitor 23 is also changed. Also changes high and low.
[0034]
In this case, after the engine 2 is started, the rotation speed of the output shaft changes from an idle rotation speed to a high-speed rotation area (for example, 7000 to 8000 rpm) that is a predetermined rotation speed area of several thousand rpm. On the other hand, when starting the engine 2, the permanent magnet type synchronous motor 9 as a starter is rotated at a low speed, for example, about 500 to 1000 rpm. Therefore, the magnitude of the voltage induced in the permanent magnet type synchronous motor 9 as a generator is about 10 times the magnitude of the voltage applied to the permanent magnet type synchronous motor 9 as a starter, which is a considerably high voltage. . If such a high voltage is generated, the transistors 13U, 13V, 13W, 14U, 14V, and 14W constituting the inverter circuit 12 that is the drive circuit of the permanent magnet type synchronous motor 9 have high breakdown voltage. It must be used and the manufacturing cost is high.
[0035]
Therefore, in the present embodiment, the control circuit 33 is configured to execute field-weakening control on the permanent magnet type synchronous motor 9 when operating the permanent magnet type synchronous motor 9 as a generator in the high speed rotation region. ing. As a result, the field magnetic flux between the rotor 9b and the stator 9a is reduced, and the magnitude of the voltage induced in the permanent magnet type synchronous motor 9 is reduced. In this case, the control circuit 33 constitutes the magnetic flux reducing means of the present invention. What is necessary is just to comprise so that well-known control may be used suitably as said field-weakening control.
[0036]
Since the permanent magnet type synchronous motor 9 of the present embodiment is a motor that generates reluctance torque as described above, the amount of magnetic flux of the permanent magnet can be reduced by using this reluctance torque, and induction of the motor The voltage can be lowered. That is, in order to generate the reluctance torque, in addition to the normal q-axis current, the d-axis current, which is the current in the field direction, may be controlled (field weakening control) so as to flow in the direction of decreasing the field magnetic flux. In the case of the present embodiment, when the permanent magnet type synchronous motor 9 is operated as a generator, the field weakening control is executed by the control circuit 33 when operating in the high speed rotation region. Yes.
[0037]
As a result, in this embodiment, the voltage generated by the permanent magnet type synchronous motor 9 that is a generator is reduced, so that the transistors 13U, 13V, and 13W that constitute the inverter circuit 12 that is a drive circuit of the permanent magnet type synchronous motor 9 are used. , 14U, 14V, and 14W do not need to use a high withstand voltage, and the manufacturing cost can be reduced.
[0038]
In this embodiment, when the permanent magnet type synchronous motor 9 is operated as a generator, the voltage control operation described below, that is, the voltage between terminals of the capacitor 23 is lowered or raised by the chopper circuit 24. Thus, a voltage control operation to be applied to the battery 10 is also appropriately executed.
[0039]
Specifically, when the voltage across the terminals of the capacitor 23 (main circuit voltage) detected by the main circuit voltage detector 31 is higher than the rated voltage of the battery 10 (the generated voltage of the permanent magnet type synchronous motor 9 is When it is high), the base signal is supplied to the base of the transistor 25 on the positive side of the chopper circuit 24 by supplying the PWM signal to the base drive circuit 35, and the transistor 25 is turned on / off according to the duty of the PWM signal.
[0040]
In the chopper circuit 24, when the transistor 25 is turned on, the voltage between the terminals of the capacitor 23 is applied to the battery 10 through the reactor 29 only during the on-time of the transistor 25. The voltage between terminals is stepped down and applied. In this case, the voltage step-down rate is determined by the duty of the PWM signal, and the step-down rate increases as the duty of the PWM signal decreases. The control circuit 33 is configured to determine the duty of the PWM signal in accordance with the voltage across the terminals of the capacitor 23, whereby the battery 10 is charged with an appropriate voltage. Thus, the chopper circuit 24 and the reactor 29 are configured to operate as a step-down chopper at this time.
[0041]
On the other hand, the control circuit 33 detects when the voltage across the terminals of the capacitor 23 (main circuit voltage) detected by the main circuit voltage detector 31 is lower than the rated voltage of the battery 10 (when the generated voltage of the permanent magnet type synchronous motor 9 is low). Then, the chopper circuit 24 is brought into a non-operating state. Here, making the chopper circuit 24 non-operating means that the transistors 25 and 26 are not repeatedly turned on and off, and here, the transistor 25 is turned on.
[0042]
Further, the control circuit 33 gives a base signal to the bases of the negative side transistors 14U to 14W of the inverter circuit 12 by giving a PWM signal to the base drive circuit 34, and the transistors 14U to 14W are set to the duty of the PWM signal. It is turned on and off accordingly. In this case, in the inverter circuit 12, the transistor 14U is turned on / off when the current flows from the stator coil 9U of the permanent magnet type synchronous motor 9, and the transistor 14V is turned on / off when the current flows from the stator coil 9V. When the current flows from the stator coil 9W, the transistor 14W is turned on / off.
[0043]
In the inverter circuit 12, for example, when the transistor 14U is turned on, a voltage induced in the stator coil 9U and the stator coil 9V or 9W causes the stator coil 9U, the transistor 14U, the freewheel diode 16V or 16W, and the stator coil 9V or 9W. Circulated current flows through the path of, and energy is accumulated in the stator coil 9U and the stator coil 9V or 9W. Next, when the transistor 14U is turned off, it is accumulated in the stator coil 9U and the stator coil 9V or 9W. The released energy is released through the free wheel diode 15U, and the boosted voltage is applied to the capacitor 23. In this case, the voltage step-up rate is determined by the duty of the PWM signal, and the step-up rate increases as the duty of the PWM signal increases. The control circuit 33 is configured to determine the duty of the PWM signal according to the voltage between the terminals of the battery 10. As a result, the capacitor 23 is charged to a voltage suitable for charging the battery 10.
[0044]
Further, the principle of boosting by turning on and off the transistors 14V and 14W of the inverter circuit 12 is the same as that when the transistor 14U is turned on and off. Therefore, at this time, the inverter circuit 12 causes the stator coils 9U to 9W to be connected. It functions as a step-up chopper as a reactor. In addition, when functioning as a step-up chopper in this way, the rotational speed of the engine 2 is low and the generated voltage of the permanent magnet type synchronous motor 9 is low.
[0045]
According to this embodiment having such a configuration, the rotary shaft 9e of the permanent magnet type synchronous motor 9 is directly connected to the output shaft of the engine 2, and the permanent magnet type synchronous motor 9 is connected to the engine 2 when the engine 2 is started. It was configured to operate as a drive starter, and to operate as a generator (alternator) for charging the battery 10 driven by the engine 2 after the engine 2 was started. As a result, a single permanent magnet type synchronous motor 9 is used as a generator for charging the starter of the engine 2 and the battery 10, that is, an alternator that also functions as a starter. Compared to the conventional configuration for mounting, the mounting space of the automobile 1 can be reduced. Since there is no need to provide a conventional clutch between the output shaft of the engine 2 and the shaft of the permanent magnet type synchronous motor 9, the mounting space of the automobile 1 can be further reduced.
[0046]
Further, in the above embodiment, when the permanent magnet type electric motor 9 is operated as an alternator (generator) in the high-speed rotation region by the control circuit 33, the field weakening control is executed, so that the space between the rotor 9b and the stator 9a is controlled. Control was made to reduce the field flux. Thereby, when making it operate | move as a generator in a high speed rotation area | region, it can prevent that the induced voltage of the permanent magnet type motor 9 becomes high. As a result, it is not necessary to use transistors 13U, 13V, 13W, 14U, 14V, and 14W that constitute the inverter circuit 12 that is a drive circuit for the permanent magnet type synchronous motor 9, so that it is not necessary to use a high breakdown voltage. Can be reduced.
[0047]
In the case of the above embodiment, the rotor 9b of the permanent magnet type motor 9 is composed of the rotor yoke 9c made of a magnetic material and the permanent magnet 9d embedded in the rotor yoke 9c. The reluctance torque can be generated, and a large torque can be generated as a starter of the engine 2. Further, since the permanent magnet 9d is not scattered from the rotor 9b when the permanent magnet type synchronous motor 9 is rotated at a high speed, this is also a very preferable configuration as an electric motor mounted on an automobile.
[0048]
FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. In the second embodiment, as shown in FIG. 4, the rotor 36 of the permanent magnet type synchronous motor 9 includes a rotor yoke 37 made of a magnetic material and a permanent magnet 38 embedded in the rotor yoke 37. At the same time, a gap portion 37 a for increasing the magnetic field direction magnetic resistance of the permanent magnet 38 is provided inside the rotor yoke 37. The other configuration is the same as that of the first embodiment.
[0049]
Therefore, in the second embodiment as well, it is possible to obtain substantially the same operational effects as in the first embodiment. In particular, according to the second embodiment, since the gap portion 37a for increasing the magnetic field direction magnetic resistance of the permanent magnet 38 is provided inside the rotor yoke 37, the reluctance torque can be further utilized, and the engine 2 The torque when starting can be increased. Further, since the amount of magnetic flux of the permanent magnet can be reduced, the induced voltage can be reduced.
[0050]
FIG. 5 shows a third embodiment of the present invention. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. In the third embodiment, as shown in FIG. 5, the rotor 39 of the permanent magnet type synchronous motor 9 is composed of a rotor yoke 40 made of a magnetic material and a permanent magnet 41 disposed on the outer periphery of the rotor yoke 40. It is composed. That is, the permanent magnet type synchronous motor 9 of the third embodiment is a normal permanent magnet type synchronous motor that does not generate reluctance torque. The other configuration is the same as that of the first embodiment.
[0051]
Therefore, in the third embodiment as well, it is possible to obtain substantially the same operational effects as in the first embodiment. In the case of the third embodiment, when a normal permanent magnet type synchronous motor 9 that does not generate a reluctance torque is operated as a generator in a high-speed rotation region, a well-known field weakening control is executed, so that the rotor 39 And the magnetic field flux between the stator 9a is reduced.
[0052]
6 and 7 show a fourth embodiment of the present invention. The same parts as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. In this 4th Example, as shown in FIG.6 and FIG.7, the stator 9a of the permanent magnet type | mold synchronous motor 42 was provided so that a movement to a rotating shaft direction was possible with respect to the rotor 9b.
[0053]
Specifically, the housing 43 of the permanent magnet type synchronous motor 42 includes a substantially cup-shaped motor frame 44 and a bearing bracket 45 that closes the opening of the motor frame 44. The rotating shaft 9e of the rotor 9b is rotatably supported by a bearing 46 provided on the bottom wall portion of the motor frame 44 and a bearing 47 provided on the bearing bracket 45. A pin 48 is disposed at a portion along the peripheral wall portion in the motor frame 44, and the stator 9 a is supported by the pin 48 so as to be movable in the axial direction via bearings 49 and 49. The bearings 49 and 49 are bearings such as linear ball bearings or sliding bearings, and are attached to the stator 9a.
[0054]
And the stator 9a is urged | biased by the coiled spring 50 provided in the pin 48 so that it may move to the right side (direction away from the rotor 9b) in FIG. In the state shown in FIG. 6, the field magnetic flux between the rotor 9b and the stator 9a of the permanent magnet type motor 42 is configured to decrease. When the permanent magnet motor 42 is not energized and is operated as a generator, the current flowing through the stator coils 9U, 9V, and 9W is small, so that the state shown in FIG. 6 is obtained. ing. Thereby, when the permanent magnet type motor 42 is operated as a generator, the field magnetic flux between the rotor 9b and the stator 9a is reduced, and the induced voltage is reduced.
[0055]
On the other hand, when the permanent magnet type electric motor 42 is used as a starter of the engine 2, a large current flows through the stator coils 9U, 9V, 9W, so that a magnetic attractive force acts between the stator 9a and the rotor 9b. . As a result, the stator 9a moves against the spring force of the coil spring 50 to the left in FIG. 6 and FIG. 7 (the direction facing the rotor 9b). As a result, the permanent magnet type motor 42 is in the state shown in FIG. 7, and the field magnetic flux between the rotor 9b and the stator 9a is increased, and the torque is increased.
[0056]
In the case of the fourth embodiment, when the permanent magnet type motor 42 is operated as a generator, the current flowing through the stator coils 9U, 9V, and 9W is the difference voltage between the induced voltage and the terminal voltage of the battery 10. The current flows up to a value divided by the internal resistance value of the permanent magnet type motor 42 and the battery 10. Therefore, for example, the permanent magnet type motor 42 may be configured so that this current value is smaller than the starting current flowing in the stator coils 9U, 9V, 9W when the permanent magnet type motor 42 is started using the starter.
[0057]
Further, as the current setting value of the drive circuit of the permanent magnet type electric motor 42, for example, the current setting value when operating as a generator may be controlled to be smaller than the current setting value when operating as a starter. .
[0058]
Further, for example, as a starter characteristic, in order to instantly start the engine 2, it is necessary to generate a large torque in the permanent magnet type motor 42. It is good also as a structure controlled to flow and generate | occur | produce a large torque.
[0059]
The configuration of the fourth embodiment other than that described above is the same as that of the first embodiment. Accordingly, in the fourth embodiment, substantially the same operational effects as in the first embodiment can be obtained. Further, in this fourth embodiment, when the stator coil current when operating as a generator is set smaller than the stator coil current when operating as an electric motor, the field magnetic flux is reliably set when operating as a generator. When the motor is operated as an electric motor, switching can be performed so as to increase the field magnetic flux.
[0060]
Further, in the fourth embodiment, as the rotor 9b of the permanent magnet type motor 42, the configuration in which the permanent magnet 9d is embedded in the rotor yoke 9c is used. However, the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. A configuration in which a permanent magnet is embedded in a rotor yoke and a gap is provided may be used, or a configuration in which a permanent magnet is provided on the outer periphery of the rotor yoke as shown in FIG. 5 may be used.
[0061]
Furthermore, in the fourth embodiment, the stator 9a is moved by using the coil spring 50 and the magnetic attractive force. Instead, the stator is moved by an actuator such as an oil cylinder or an air cylinder. You may comprise as follows. Further, instead of configuring the stator 9b to be movable, the rotor may be configured to be movable, or both the stator and the stator may be configured to be movable.
[0062]
【The invention's effect】
As is apparent from the above description, the present invention provides a magnetic flux reduction means for reducing the field magnetic flux between the rotor and the stator when the permanent magnet type motor is operated as a generator in a predetermined rotational speed region. Therefore, it is possible to prevent the induced voltage from increasing when the motor is operated as a generator in a high-speed rotation region while the electric motor used as the engine starter is also used as the engine generator. Excellent effect.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electrical configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of a permanent magnet type synchronous motor.
FIG. 3 is a diagram schematically showing the overall configuration of an automobile.
FIG. 4 is a view corresponding to FIG. 2 showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a view corresponding to FIG. 2 showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a longitudinal side view of a permanent magnet type synchronous motor showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a longitudinal side view of a permanent magnet type synchronous motor showing different states.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 is a motor vehicle, 2 is an engine, 9 is a permanent magnet type synchronous motor (alternator that also serves as a starter), 9a is a stator, 9b is a rotor, 9c is a rotor yoke, 9d is a permanent magnet, 9e is a rotating shaft, 10 is a battery, 11 Is a control device, 12 is an inverter circuit, 13U, 13V and 13W are transistors, 14U, 14V and 14W are transistors, 18 and 19 are input terminals, 20 and 21 are DC buses, 22U, 22V and 22W are output terminals, and 23 is Capacitor, 24 chopper circuit, 25 and 26 transistors, 27 and 28 diodes, 29 reactor, 30 battery voltage detector, 31 main circuit voltage detector, 32 position detector, 33 control circuit (magnetic flux) , 36 is a rotor, 37 is a rotor yoke, 38 is a permanent magnet, 39 is a rotor, 40 is a rotor yoke, 4 A permanent magnet, 42 is a permanent magnet type synchronous motor, 43 denotes a housing, the motor frame 44, the bearing bracket 45, 46, 47 bearing, 48 pin, 49 a bearing, 50 a coil spring.

Claims (2)

エンジンの駆動軸に直結または連結された回転軸を有し且つ永久磁石を有するロータと、ステータコア及びこのステータコアに巻回されたステータコイルからなるステータとを備え、前記エンジンを始動させるときは電動機として動作すると共に、前記エンジンが始動した後は発電機として動作する永久磁石型電動機から構成されたスタータを兼用したオルタネータにおいて、
前記ロータと前記ステータとの軸方向の位置関係が変化する機構を備え、
前記機構は、無通電時及び前記発電機として動作されるときは、前記ロータと前記ステータの対向する面積が減少する位置に前記ロータ及び前記ステータが位置するように付勢する手段を有し、前記電動機として動作させるために通電したときは、前記ロータと前記ステータの間の磁気吸引力により前記ロータと前記ステータの対向する面積がほぼ最大となる位置に前記ロータ及び前記ステータが位置するように構成されていることを特徴とするスタータを兼用したオルタネータ。
A rotor having a rotating shaft directly connected to or coupled to a drive shaft of an engine and having a permanent magnet, and a stator comprising a stator core and a stator coil wound around the stator core, and when starting the engine as an electric motor In an alternator that also functions as a starter composed of a permanent magnet type electric motor that operates as a generator after the engine has started,
A mechanism for changing the axial positional relationship between the rotor and the stator;
The mechanism has means for urging the rotor and the stator to be positioned at a position where the facing area of the rotor and the stator is reduced when not energized and when operated as the generator, When energized to operate as the electric motor, the rotor and the stator are positioned at a position where the opposing area of the rotor and the stator is substantially maximized by the magnetic attractive force between the rotor and the stator. alternator also serves as a starter, characterized in that it is configured.
前記ロータを、磁性体及びこの磁性体の内部に埋め込んだ永久磁石から構成したことを特徴とする請求項1記載のスタータを兼用したオルタネータ。 2. The alternator also serving as a starter according to claim 1 , wherein the rotor is composed of a magnetic material and a permanent magnet embedded in the magnetic material .
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