JP2002021687A

JP2002021687A - スタータを兼用したオルタネータ

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Publication number: JP2002021687A
Application number: JP2000208356A
Authority: JP
Inventors: Kyoichi Okada; 恭一岡田; Masami Hirata; 雅己平田; Takeshi Shinohara; 剛篠原; Isao Kishimoto; 功岸本; Kazuo Nagatake; 和夫長竹
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-07-10
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2002-01-23
Anticipated expiration: 2020-07-10
Also published as: JP4351792B2

Abstract

(57)【要約】【課題】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しながら、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の誘起電圧
を低下させる。【解決手段】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
びステータコイル９Ｕ、９Ｖ、９Ｗからなるステータと
を備え、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、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９から構成されており、そして、
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よ
うに構成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【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、１２
Ｖ、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、前記ロータと
前記ステータとの間の界磁磁束を減少させる磁束減少手
段を備えた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。

【０００９】また、上記構成の場合、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
成すると共に、前記磁束減少手段によって、前記発電機
として所定の回転速度領域にて動作させるときに、弱め
界磁制御を実行するように構成することが好ましい。こ
の構成の場合、前記磁性体の内部に、前記永久磁石の界
磁方向の磁気抵抗を大きくする空隙部を設けることがよ
り一層好ましい。

【００１０】更に、前記磁束減少手段として、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、前記電動機として動作するときは、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り、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ように構成することが好
ましい構成である。

【００１１】この構成の場合、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が好ましい。更に、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９
ａ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１
３Ｕ，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１
５Ｕ，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２
１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Ｎ
ＰＮ形のトランジスタ２５，２６およびダイオード２
７，２８を有して構成されている。上記チョッパ回路２
４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１
０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３
４，３５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２
４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１
３Ｗ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１３
Ｗ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１
５Ｗ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ｒｐ
ｍの所定の回転速度領域である高速回転領域（例えば７
０００〜８０００ｒｐｍ）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５００〜１０００ｒ
ｐｍ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、１４
Ｕ，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３
３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，１
３Ｗ、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、ＰＷ
Ｍ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ＰＷ
Ｍ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２
９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２５，２
６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１
４Ｕ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１３
Ｕ，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４
４の底壁部に設けられた軸受４６と、軸受ブラケット４
５に設けられた軸受４７とによりロータ９ｂの回転軸９
ｅ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４
９、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９
ｂ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９
ａ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、１
８、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。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｋ 21/16 Ｈ０２Ｋ 21/16 ＧＭＨ０２Ｐ 6/08 Ｈ０２Ｐ 9/04 Ｌ 9/04 9/30 Ｃ 9/30 Ｆ 9/48 Ａ 9/48 6/02 ３７１Ｚ (72)発明者篠原剛神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術センター内 (72)発明者岸本功神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術センター内 (72)発明者長竹和夫神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地株式会社東芝生産技術センター内Ｆターム(参考） 5H560 BB04 BB07 BB17 DA10 DC13 EB01 JJ03 SS02 UA02 XA03 XA05 XA12 XA17 5H590 AA15 AB01 CA09 CA23 CC13 CC18 CC24 CD03 CE10 EB02 EB21 FB03 FC12 FC22 HA02 5H607 AA00 BB01 BB02 BB09 BB14 CC01 CC07 DD01 DD02 DD03 DD16 DD17 FF22 FF24 HH01 HH05 5H621 AA03 BB10 HH01 PP03 PP10 5H622 AA03 CA01 CA02 CA07 CA13 CB05 CB06 PP11 PP19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、前記ロータと前記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たことを特徴とするスター
タを兼用したオルタネータ。
【請求項２】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と共に、前記磁束減少手段は、前記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、弱め界磁制御を実行するよ
うに構成されている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。
【請求項３】前記磁性体の内部に、前記永久磁石の界
磁方向の磁気抵抗を大きくする空隙部を設けたことを特
徴とする請求項２記載のスタータを兼用したオルタネー
タ。
【請求項４】前記磁束減少手段として、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、前記電動機として動作するときは、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り、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ように構成されていることを特徴
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。
【請求項５】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
とを特徴とする請求項４記載のスタータを兼用したオル
タネータ。
【請求項６】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５記載のスタータを兼用したオルタネータ。