电动发电机装置的制作方法

关联申请的相互参照

本申请基于2015年4月7日申请的日本申请号2015-078197号，在此引用其记载内容。

本公开涉及一种构成为具备旋转电机、且辅助内燃机的输出或者对电池进行充电的车辆用的电动发电机装置。

背景技术：

以往，存在使旋转电机作为电动机进行动作来对驱动对象进行驱动的电动机装置。在这种电动机装置中，公开了如下结构：为了根据驱动对象的负荷进行最优的控制，能够通过继电器开关按每相变更绕组内的通过来自电池的供电而被通电的部分的匝数(以下称为实际匝数)(例如参照专利文献1、2)。

由此，例如在需要低速下的转矩的输出时，增加每相的实际匝数来设为高转矩的输出，在需要高速下的转矩的输出时，减少每相的实际匝数来使得能够进行作为电动机的动作。

而且，在车辆用的电动发电机装置中，为了辅助内燃机的输出来有助于降低燃料消耗率，也使旋转电机作为电动机进行动作。在该情况下，可考虑引入使每相的实际匝数可变来对每相的实际匝数进行操作的结构。

另外，在车辆的运转中，内燃机的负荷、电池的电压等影响燃料消耗率的因素多。这些因素的数值是根据道路状况、驾驶员的操作等大量的干扰因素而极其流动性且变动性的。另外，在车辆用的电动发电机装置中，还需要使旋转电机的动作在电动机与发电机之间切换。

因此，在对每相的实际匝数进行操作时如上所述那样使用继电器开关的方式中，由于接通/断开的寿命次数等方面而无法使继电器开关高速地动作，对于操作指令的响应性变低。因此，存在如下问题：无法使继电器开关的动作追随流动性且变动性地变化的运转状态，无法达到充分的燃料消耗率降低效果。

此外，在专利文献3中，公开了在发动机启动装置中将作为旋转电机的起动马达的最大转矩设定为“压缩过载最大起动转矩”的60％以下的结构。但是，该结构是以降低惯性质量来改善驾驶性能为目的，认为不那么有助于降低燃料消耗率。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-058825号公报

专利文献2：日本专利第3968673号公报

专利文献3：日本专利第4039604号公报

技术实现要素：

本公开的目的在于在具备每相的实际匝数可变的旋转电机的车辆用的电动发电机装置中提高燃料消耗率降低效果。

在本公开的第一方式中，电动发电机装置通过来自电池的供电来产生输出从而辅助内燃机的输出、或者利用通过内燃机的输出感应出的电压(以下有时称为感应电压)对电池进行充电，用于车辆。另外，电动发电机装置具备以下的旋转电机、驱动电路以及控制单元。

首先，旋转电机作为辅助内燃机的输出的电动机、或对电池进行充电的发电机进行动作。旋转电机通过在各相的绕组中设置中间接头，使得能够按每相变更通过来自电池的供电被通电的部分的匝数即实际匝数。另外，驱动电路具有与各相的绕组连接的多个逆变器电路，在逆变器电路中存在与中间接头连接的逆变器电路。

并且，控制单元通过执行如下逆变器操作来控制旋转电机的动作。即，逆变器操作是指，从多个逆变器电路所具有的半导体开关中逐次选择接通或断开的开关，并且逐次变更应选择的半导体开关。而且，控制单元通过执行逆变器操作来按每相变更实际匝数。

由此，能够按每相使实际匝数高速地增减，因此能够使作为电动机或发电机的输出高速地变更、或者使旋转电机的动作在电动机与发电机之间高速地切换。因此，在车辆用的电动发电机装置中，能够追随流动性且变动性地变化的车辆的运转状态，能够提高燃料消耗率降低效果。

附图说明

关于本公开的上述目的及其它目的、特征、优点通过参照附图且下述的详细的描述，会变得更明确。在该附图中：

图1是表示第一实施例的电动发电机装置的整体结构图。

图2a是表示第一实施例的大模式的动作中的开关的接通、断开的推移的推移图，

图2b是表示在第一实施例的逆变器操作中开关中的接通或断开的开关的组合和输出的大小的一例的表。

图3的(a)是表示在使第一实施例的旋转电机作为电动机进行了动作时的转速与转矩的相关的图，图3的(b)是表示在使第一实施例的旋转电机作为发电机进行了动作时的转速与发电电流的相关的图。

图4是表示第一实施例的电动发电机装置的动作例的特性图。

图5是第二实施例的电动发电机装置的整体结构图。

图6是表示第二实施例的按内燃机的行程的电动机与发电机的切换推移的时序图。

图7是说明第一实施例中的控制部的功能的一部分的框图。

图8是说明第二实施例中的控制部的功能的一部分的框图。

具体实施方式

下面，使用实施例来说明用于实施发明的方式。此外，实施例用于公开具体的一例，本发明不限定于实施例，这是不言而喻的。

实施例

〔第一实施例〕

使用图1说明第一实施例的电动发电机装置1的结构。

电动发电机装置(以下称为系统)1设置于车辆，通过来自车载电池(以下仅称为电池)2的供电来产生输出从而启动内燃机3，或者辅助内燃机3的输出，或者利用通过内燃机3的输出感应出的电压对电池2进行充电。

而且，如图1所示，系统1具备旋转电机4、驱动电路5以及控制部6(作为控制单元发挥功能)。

首先，旋转电机4作为启动内燃机3或者辅助内燃机3的输出的电动机、或对电池2进行充电的发电机进行动作。旋转电机4例如是对于定子将u相、v相以及w相这3相的绕组7u、7v、7w星形接线、且转子中内置永磁体的电机。此外，旋转电机4的转子与内燃机3的曲轴直接结合。

另外，在旋转电机4中，通过在绕组7u、7v、7w中设置中间接头8u、8v、8w来使实际匝数按每相可变。

在此，实际匝数是指，绕组7u、7v、7w各自中在作为电动机的动作中通过来自电池2的供电被通电的部分的匝数、或在作为发电机的动作中将感应电压提供给电池2的部分的匝数。

另外，在旋转电机4的绕组7u～7w中，在作为电动机的动作中通过来自电池2的供电被通电的部分、或在作为发电机的动作中将感应电压提供给电池2的部分的电阻值按每相可变，电流值可变。

具体地说，在绕组7u中，两个绕组7u1、7u2串联连接，在绕组7u1与绕组7u2的连接部设置有中间接头8u。同样地，在绕组7v中，两个绕组7v1、7v2串联连接，在绕组7v1与绕组7v2的连接部设置有中间接头8v。在绕组7w中，两个绕组7w1、7w2串联连接，在绕组7w1与绕组7w2的连接部设置有中间接头8w。由此，在旋转电机4中，实际匝数按每相可变，如后述那样能够通过驱动电路5来变更全相的实际匝数。

另外，在绕组7u2、7v2、7w2各自中，不形成中间接头8u、8v、8w的一方的端子作为中性点被连接而进行星形接线。

此外，在以下的说明中，将在绕组7u1、7v1、7w1各自中不形成中间接头8u、8v、8w的一方的端子称为u端子9u、v端子9v、w端子9w。另外，为了使说明简单，设绕组7u1、7u2、7v1、7v2、7w1、7w2各自的匝数全部均是相同的整数n，设为相同的电阻值。

另外，在旋转电机4中附设有检测转子的磁体位置的位置传感器4a。此外，位置传感器4a包括按定子的极间隔配置的3个霍尔传感器pu、pv、pw。

接着，驱动电路5具有两个逆变器电路5a、5b。

逆变器电路5a、5b这两方均是两个半导体开关s串联连接、且将两个半导体开关s的串联连接并联连接3个而成的3相桥电路(以下将半导体开关s称为开关s)。

而且，在一方的逆变器电路5a中，串联连接的一方的端子连接于电池2的正极，并且另一方的端子连接于地。并且，串联连接的3个中点分别连接于u端子9u、v端子9v、w端子9w。另外，在另一方的逆变器电路5b中，串联连接的一方的端子连接于电池2的正极，并且另一方的端子连接于地。并且，串联连接的3个中点分别连接于中间接头8u、8v、8w。

此外，在逆变器电路5a、5b上并联连接有平滑电容器10。另外，开关s例如是n沟道型的功率mosfet。

在以下的说明中，在逆变器电路5a的3个串联连接中，关于中点连接于u端子9u的串联连接中包含的两个开关s，有时将高电位侧、低电位侧的开关s分别称为开关sup1、sun1。另外，中点连接于v端子9v的串联连接中包含的两个开关s，有时将高电位侧、低电位侧的开关s分别称为开关svp1、svn1。并且，关于中点连接于w端子9w的串联连接中包含的两个开关s，有时将高电位侧、低电位侧的开关s分别称为开关swp1、swn1。

同样地，在逆变器电路5b的3个串联连接内，关于中点连接于中间接头8u的串联连接中包含的两个开关s，有时将高电位侧、低电位侧的开关s分别称为开关sup2、sun2。另外，关于中点连接于中间接头8v的串联连接中包含的两个开关s，有时将高电位侧、低电位侧的开关s分别称为开关svp2、svn2。并且，关于中点连接于中间接头8w的串联连接中包含的两个开关s，有时将高电位侧、低电位侧的开关s分别称为开关swp2、swn2。

接着，控制部6(控制单元)是控制旋转电机4的动作的电子控制单元(ecu：electroniccontrolunit)。控制部6例如具有对输入的信号进行处理的输入电路6a、基于所输入的信号进行控制处理及运算处理的cpu(centralprocessingunit：中央处理装置)6b、存储并保持控制处理及运算处理所需的数据及程序等的各种存储器6c、基于cpu的处理结果输出所需的信号的输出电路6d等。

而且，控制部6通过根据位置传感器4a的输出执行如下的逆变器操作来控制旋转电机4的动作。即，逆变器操作是指，从逆变器电路5a、5b所具有的12个开关s中逐次决定接通(on)或断开(off)的开关，并且逐次驱动应接通或断开的开关s。

而且，控制部6通过执行逆变器操作来按每相变更实际匝数。更具体地说，控制部6在逆变器操作中，关于全相的实际匝数，从2n、3n、4n这3个数值中进行选择。

例如在作为电动机的动作中对绕组7u、7v供电的情况下，当将开关sup1、svn1选择为应接通的开关时，从电池2对绕组7u1、7u2、7v1、7v2供电，因此u相、v相各自的实际匝数为2n、2n，全相的实际匝数为4n。

另外，当将开关sup2、svn2选择为应接通的开关时，从电池2对绕组7u2、7v2供电，因此u相、v相各自的实际匝数为n、n，全相的实际匝数为2n。

另外，当将开关sup1、svn2选择为应接通的开关时，从电池2对绕组7u1、7u2、7v2供电，因此u相、v相各自的实际匝数为2n、n，全相的实际匝数为3n。

并且，当将开关svn1、sup2选择为应接通的开关时，从电池2对绕组7u2、7v1、7v2供电，因此u相、v相各自的实际匝数为n、2n，全相的实际匝数为3n。

下面，在逆变器操作中，将作为从电池2向3相的绕组7u～7w中的2相施加电压、或者从2相将感应电压提供给电池2时的全相的实际匝数而选择4n、2n、3n的模式分别称为大模式、小模式、中模式。

在此，图2a将内燃机3的转速ne作为横轴来示出作为电动机的大模式的动作中的开关s的接通、断开的推移，图2b表示在大、小、中模式的各个模式下12个开关s中接通或断开的开关的组合的一例。

即，在大模式、小模式下的作为电动机的动作中，根据位置传感器4a的信号分别依次反复第1～第3图案、第4～第6图案。另外，在中模式下，依次反复第7～第9图案、或第10～第12图案。此外，在中模式下，例如第7图案→第11图案→第9图案→第10图案→那样交替地反复第7～第9图案的组和第10～第12图案的组，由此能够使绕组7u～7w、开关s的发热分散来抑制。

另外，关于在使旋转电机4作为电动机进行了动作时的转速与转矩的相关以及在使旋转电机4作为发电机进行了动作时的转速与发电电流的相关，按大、中、小模式的各个模式例如表示在图3中。

根据图3，在作为电动机的动作中，大模式适于内燃机3的启动时、内燃机3的转速处于低速旋转域(例如到2500rpm附近为止)时的辅助。另外，中模式适于内燃机3的转速处于中速旋转域(例如从2000rpm至3500rpm附近为止)时的辅助。并且，小模式适于内燃机3的转速处于高旋转域(例如从3000rpm至5500rpm附近为止)时的辅助。此外，关于绕组7u～7w中的在中模式、小模式的作为电动机的动作中不被电池2供电的绕组中的感应电压，也可以如后述那样使用于电池2的充电或者使其短路。

另外，根据图3，在作为发电机的动作中，大模式从内燃机3的转速低的转速域(例如800rpm附近)起能够对电池2充电。另外，中模式由于实际匝数的降低而发电电流降低，因此适于从中速旋转域(例如3000rpm附近)起的电池2的充电。另外，小模式由于实际匝数进一步降低而发电电流进一步降低，因此适于从高旋转域(例如5000rpm附近)起的电池2的充电。

并且，系统1具备如下的转速检测器12(作为转速检测单元发挥功能)和电压检测器13(作为电压检测单元发挥功能)(参照图1)。

首先，转速检测器12用于检测内燃机3的转速，例如是检测内燃机3的曲柄角的周知构造的曲柄角传感器。即，转速检测器12用于利用设置于曲轴的外周的突起检测曲柄角，使用于内燃机3的点火控制、燃料喷射控制。

接着，电压检测器13用于检测电池2的电压，例如作为周知构造的a/d变换电路设置。

而且，控制部6根据转速检测器12和电压检测器13的检测值从大、小、中模式中选择一个模式来执行逆变器操作，使旋转电机4作为电动机或发电机进行动作。

首先，控制部6根据使用电压检测器13的检测值的经时变化来预测的电池2的充电收支、或基于启动内燃机3时的电压检测器13的检测值判断的电池2的充电状态，决定是否使旋转电机4作为电动机进行动作(参照图7、块s1)。图7用于说明由控制部6执行的功能的一部分，通过由cpu6b从存储器6c读出在该第一实施例中提供的控制程序并执行来在功能上实现。

具体地说，在预测的电池2的充电收支为负的情况下，或者在启动内燃机3时的电池2的电压的检测值低于基准值的情况下，控制部6视为对电池2进行充电的必要性高，以使旋转电机4在规定期间作为发电机进行动作的方式进行控制，不使旋转电机4作为电动机进行动作。也就是说，控制部6以使在绕组7u～7w中感应出的电压高于电池2的电压的方式决定实际匝数。

接着，控制部6具有针对内燃机3的转速的预先设定的两个阈值(第一阈值c1、第二阈值c2)。其中，关于第一阈值c1，在如图3的(a)所示那样使旋转电机4作为电动机进行动作的情况下，作为一例，设定为使大模式的转矩曲线的转矩＝0的转速。该第一阈值c1也可以是呈现该转矩＝0的转速以下。另外，关于第二阈值c2，也同样地，作为一例，设定为使中模式的转矩曲线的转矩＝0的转速。该第二阈值c2也可以是呈现该转矩＝0的转速以下。此外，在小模式下呈现转矩＝0的转速是能够旋转驱动的极限转速。

因此，控制部6即cpu6b通过执行从存储器6c读出的控制程序，来进行逆变器5a、5b的驱动的模式控制b1，发挥每相互的实际匝数的决定功能。因此，控制部6在使旋转电机4作为电动机进行动作的情况下，进行转速检测器12的检测值与第一、第二阈值c1、c2的比较判断(参照图7、阈值比较判断b11)，根据该判断的结果按每相决定实际匝数(参照图7、模式选择指令b12)。

具体地说，控制部6针对内燃机3的转速具有第一、第二两个阈值c1、c2(c1<c2)。而且，控制部6在转速检测器12的检测值小于第一阈值c1时，选择大模式、中模式以及小模式中的某一个模式来使旋转电机4作为电动机进行动作，利用低速高转矩的输出来辅助内燃机3的输出。

另外，控制部6在转速检测器12的检测值为第一阈值c1以上、且小于第二阈值c2时，选择中模式或小模式来使旋转电机4作为电动机进行动作，利用中速中转矩的输出来辅助内燃机3的输出。

并且，控制部6在转速检测器12的检测值为阈值c2以上、且极限频率以下时，采用小模式来使旋转电机4作为电动机进行动作。由此，利用高速低转矩的输出来辅助内燃机3。

另外，控制部6在大模式以外的逆变器操作中，控制未被选择为应接通的开关的开关s中附随的寄生二极管对电池2的充电(参照图7、充电控制b2)。例如在选择了第4图案的情况下，被选择为应接通的开关的开关s是开关sup2、swp2、svn2，从电池2对绕组7u2、7v2、7w2供电。因此，例如在绕组7u1中感应出的电压对开关sun1进行接通、断开操作，由此能够一边控制电池2的电压、一边由附随于开关sup1的寄生二极管对电池2进行充电(例如参照图2a中用圆圈包围的部分)。

在此，使用图4来说明系统1的动作特性的一例。

图4例示了内燃机3的转速在n1(>第一阈值c1)与n2(>第二阈值c2)之间推移的情况下的动作特性。在图4中，横轴表示内燃机3的转速ne，纵轴表示流过电池2与驱动电路5之间的电流i，将在作为发电机进行动作的情况下流过的方向设为正。另外，将作为发电机、电动机流过的电流分别称为发电电流、马达电流并用实线表示。并且，将流过其它电气负载的电流称为电气负载电流并用点线表示。

根据图4，在作为发电机的动作中，选择大模式使得发电电流大于电气负载电流。另外，在作为电动机的动作中，在内燃机3的转速小于第二阈值c2的范围内例如选择中模式，在大于第二阈值c2的范围内选择小模式。

而且，随着时间经过观察动作时，转速ne和电流i在发电电流的实线与马达电流的实线之间往返。

〔第一实施例的效果〕

根据第一实施例的系统1，旋转电机4通过在绕组7u～7w各自中设置中间接头8u～8w来使实际匝数按每相可变。

另外，控制部6通过执行从逆变器电路5a、5b所具有的开关s中逐次选择接通或断开的开关，并且逐次变更应选择的开关s的逆变器操作，来控制旋转电机4的动作。并且，控制部6通过执行逆变器操作，按每相变更实际匝数。

由此，能够按每相使实际匝数高速地增减，因此能够使作为电动机或发电机的输出高速地变更、或者使旋转电机4的动作在电动机与发电机之间高速地切换。因此，在系统1中，能够提高燃料消耗率降低效果。例如通过降低在高旋转时产生的感应电压中以往通过短路来释放到地的量来增加向电池2的充电量，由此能够提高燃料消耗率降低效果。

另外，系统1具备检测内燃机3的转速的转速检测器12，控制部6具有针对内燃机3的转速的阈值c1、c2(c1<c2)，根据转速检测器12的检测值与阈值c1、c2的比较的结果，按每相变更实际匝数。

由此，对于内燃机3的负荷变动等，能够高速地变更旋转电机4的输出。

另外，系统1具备检测电池2的电压的电压检测器13。而且，控制部6基于使用电压检测器13的检测值的经时变化预测的电池2的充电收支、或启动内燃机3时的电压检测器13的检测值，决定是否使旋转电机4作为电动机进行动作。

由此，能够降低因使旋转电机4作为电动机进行动作所引起的电池2的电压变动对其它电气负载产生的影响。

并且，控制部6控制在逆变器操作中未被选择为应接通的开关的开关s中附随的寄生二极管对电池2的充电。由此，能够提高充电效率。

〔第二实施例〕

说明第二实施例的系统1。在该第二实施例中，以与第一实施例的系统1不同的结构为中心进行说明，对与在第一实施例中说明的结构相同的结构使用相同的符号，省略或简化其说明。

在第二实施例的系统1的控制部6中，cpu6b读出存储器6c的第二实施方式所涉及的控制程序并执行，由此如图8所示那样提供控制部6的功能。该功能中还包括判定内燃机3的行程的行程判定部15(参照图5、图8：作为行程判定单元发挥功能)。

控制部3根据行程判定部15的判定的结果，根据行程的位置决定是否使旋转电机4作为电动机进行动作(参照图8、块b21)。行程判定部15例如根据从转速检测器12输出的信号(表示曲柄角的信号)以及表示内燃机3的吸气压力的信号等判定内燃机3的行程。

而且，例如，控制部6在由行程判定部15判定为内燃机3的行程至少是压缩行程或爆发行程时，使旋转电机4作为电动机进行动作。例如图6所示，在认为内燃机3的输出的辅助特别有效的压缩行程的后半部分、爆发行程整体以及排气行程的前半部分，使旋转电机4作为电动机进行动作，使车辆的行驶感觉最优。

此外，在使旋转电机4作为电动机进行动作的期间以外的时期，控制部6使旋转电机4作为发电机进行动作(参照图8、块b22)。另外，控制部6根据电池2的充电收支延长或缩短作为电动机进行动作的期间(参照图8、块s23)。也就是说，在预计若作为电动机进行动作则电池2的充电量过低的情况下，控制部6缩短作为电动机进行动作的期间，扩大作为发电机进行动作的期间。

根据以上，根据第二实施例的系统1，根据内燃机3的行程，更具体地使旋转电机4的动作在电动机与发电机之间切换，由此能够进一步提高燃料消耗率降低效果，并且能够提高车辆的行驶感觉。

〔变形例〕

本申请发明方式不限定于实施例，能够考虑各种变形例。

例如，根据实施例的系统1，按每相将中间接头8u、8v、8w各设置了1个，但是，例如也可以将中间接头8u～8w各设置2个以上，并且与中间接头8u～8w的个数增加相应地增加逆变器电路。

另外，根据实施例的绕组7u～7w，例如在绕组7u中绕组7u1、7u2串联连接，将绕组7u1、7u2的实际匝数设为相同的n来进行了说明，但是绕组7u～7w的方式不限定于这种方式。例如，也可以将实际匝数为n的两个绕组并联连接来设置绕组7u1。

另外，旋转电机4的转子的极数和定子的极数不限定于作为3相的电动发电机而言的一般的12极、18极，作为绕组的接线方式也可以采用三角形(δ)接线。

另外，使旋转电机4的动作在电动机与发电机之间切换的时期不限定于实施例，也可以根据车辆的行驶感觉等适当变更。

另外，也可以在减速时等为了增加发动机制动，使控制部6执行如下的短路模式。即，短路模式是指，通过逆变器操作来使绕组7u～7w的感应电压与地短路的控制模式，不同于使旋转电机4作为电动机、发电机进行动作的控制模式。

例如在短路模式下，既可以接通开关sun1、svn1、swn1来使发电电流短路，也可以除了开关sun1、svn1、swn1以外还接通开关sun2、svn2、swn2。

此时，例如在使绕组7u1、7u2、7v1、7v2中产生的发电电流短路的情况下，通过接通开关sun1、svn1来能够进行短路，而通过除了开关sun1、svn1以外还接通开关sun2、svn2，能够使短路时的发热分散，并且能够提高绕组的短路度来提供制动能力。

此外，关于发电、行驶辅助和发动机制动，也可以适当通过pwm控制等调节其程度来最优化。另外，短路模式也可以与内燃机3的行程无关地按所设定的时间或所设定的间隔执行。

依据实施例描述了本公开，但是应理解为本公开不限定于该实施例、构造。本公开还包括各种变形例、均等范围内的变形。除此以外，各种组合、方式以及在这些组合、方式中仅包含一个要素、或其以上或者其以下的其它组合、方式也包括在本公开的范畴、思想范围内。