JP2002095175A - 車両用交流発電機 - Google Patents

車両用交流発電機

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 発電効率を向上させることができる車両用交
流発電機を提供すること。 【解決手段】 車両用交流発電機は、永久磁石２１を有
する回転子２と、超低抵抗の電機子巻線３１を有する固
定子３と、整流器４と、電機子巻線３１を断続的に短絡
する断続開閉器５と、断続開閉器５の断続タイミングを
制御する電圧制御器６とを備えている。無負荷時には、
断続開閉器５を開放状態にして、バッテリ９の端子電圧
よりも低い電圧を発生させる。バッテリ９への充電時あ
るいは他の負荷が接続された状態では、断続開閉器５を
断続制御してフライバック電圧を発生させ、バッテリ９
の端子電圧以上の出力電圧を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、乗用車やトラック
等に搭載されてバッテリの充電用に用いられる車両用交
流発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近では、車両の燃費向上のために、車
両用交流発電機にも低損失化が望まれている。例えば、
車両用交流発電機の低損失化を実現する手法としては、
励磁損失がない永久磁石を用いて回転子を形成すること
が考えられるが、永久磁石を用いた場合には励磁力を制
御することができないため、接続される電気負荷が小さ
い場合に出力電圧が上昇して、バッテリの端子電圧より
も高くなってしまい、そのままではバッテリの過充電を
招くことになる。
【０００３】このような過充電を防止するために、サイ
リスタなどを用いた出力接地短絡手段を設ける手法が従
来から知られている。この手法では、車両用交流発電機
の出力電圧、すなわちバッテリの発電電圧が上昇した場
合には出力端を短絡することにより出力電圧を適正な電
圧に調整しており、これによりバッテリの過充電を防止
することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、永久磁石を
用いた発電機の出力電圧を調整する従来の手法では、短
絡によって出力電圧を調整しているため内部損失が大き
く、特に、軽負荷で出力電流が小さいときに短絡損失を
大きくする必要があり、発電効率が極めて悪化するとい
う問題があった。
【０００５】本発明は、このような点に鑑みて創作され
たものであり、その目的は、発電効率を向上させること
ができる車両用交流発電機を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、本発明の車両用交流発電機は、永久磁石を用い
た回転子と、電機子巻線を有する固定子と、直流出力を
取り出す整流器と、電機子巻線を断続的に短絡する短絡
手段とを備えている。そして、短絡手段による非短絡時
における無負荷出力電圧をバッテリ電圧よりも低く設定
するとともに、出力端子にバッテリを含む負荷が接続さ
れた状態において短絡手段によって断続的に短絡するこ
とによってバッテリ電圧よりも高い電圧を発生させてい
る。短絡手段を非短絡状態にしたときの出力電圧がバッ
テリ電圧よりも低いため、軽負荷になったときの過剰に
高い出力電圧を、出力端子を短絡して調整する必要がな
い。これにより、内部損失を低減することができ、発電
効率を向上させることができる。また、短絡手段を断続
してフライバック電圧を発生させることができるため、
バッテリに充電したり、バッテリ以外の電気負荷に電力
を供給する必要がある場合には、必要に応じてバッテリ
電圧以上の出力電圧を発生させることができる。
【０００７】また、上述した短絡手段による非短絡時に
おける無負荷出力電圧を前記バッテリ電圧よりも低く設
定するために、電機子巻線の抵抗値を調整することが望
ましい。巻数を少なくするとともに巻線の断面積を大き
くする等の手法により電機子巻線の抵抗値を少なくする
必要があり、これにより電機子巻線により発生する銅損
を低減することができるため、発電効率をさらに向上さ
せることができる。
【０００８】また、上述した電機子巻線は、断面がほぼ
矩形形状の短冊形導体を連続的に接合することにより形
成することが望ましい。断面積の形状を矩形とすること
により占積率を上げて、電機子巻線の抵抗値を下げるこ
とが容易となる。また、短冊形導体を連続的に接合する
ことにより電機子巻線を形成することにより、固定子鉄
心の複数のスロットに導線を巻き回して電機子巻線を形
成する場合に比べて、電機子巻線の製造が容易となる。
【０００９】また、上述した電機子巻線をＹ結線により
実現した場合に、短絡手段によって、電機子巻線の中性
点を回転子の回転数に同期した周期で周期的に接地する
ことが望ましい。各相巻線を回転数に同期した周期で接
地して短絡することにより、電機子巻線に発生した誘導
起電力の短絡と開放を交互に繰り返して高い出力電圧を
発生させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した一実施形
態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳
細に説明する。
【００１１】図１は、一実施形態の車両用交流発電機の
構成を示す図である。図１に示す車両用交流発電機１
は、永久磁石２１を有する回転子２と、電機子巻線３１
を有する固定子３と、電機子巻線３１に誘起される交流
電圧を直流電圧に変換する整流器４と、電機子巻線３１
を断続的に短絡する短絡手段としての断続開閉器５と、
断続開閉器５の断続タイミングを制御する電圧制御器６
とを含んで構成されている。
【００１２】回転子２は、フェライト磁石を積層鋼板よ
りなる回転子鉄心に収容することにより、磁石磁束を磁
極に集中させる構造を有しており、これにより、磁極表
面損が発生しにくい磁気回路構成を実現している。
【００１３】固定子３は、超低抵抗であって１ターン未
満相当のターン数を有する電機子巻線３１を備えて構成
されている。例えば、この電機子巻線３１は、断面がほ
ぼ矩形形状の短冊形導体同士を連続的に接合することに
より形成されており、このようにして連続した導体をさ
らに並列接続することにより１ターン未満相当のターン
数を実現している。また、この電機子巻線３１は、Ｘ
相、Ｙ相、Ｚ相巻線のそれぞれの一方端を共通に接続す
ることによりＹ結線がなされており、この共通の接続点
が中性点Ｎとなる。
【００１４】図２は、電機子巻線３１を形成するために
用いられる短冊形導体の概略形状を示す斜視図である。
また、図３は図２に示した短冊形導体を固定子鉄心に装
備した後に接合した状態を示す部分的な斜視図である。
図４は、固定子３の断面図である。
【００１５】図２に示すように、短冊形導体３４は、固
定子鉄心３２のスロット３３内に挿入される直線部３４
ａと、その軸方向両側に延びる斜行部３４ｂと、斜行部
３４ｂの端部であって接合に使用される先端部３４ｃと
によって構成されている。このように、断面がほぼ矩形
形状の短冊形導体３４を用いることにより、図４に示す
ように、短冊形導体３４の径方向側面をスロット３３の
対向内面にほぼ平行に配置することが可能になり、占積
率を高くすることができる。短冊形導体３４を用いて高
占積率化を図るとともに、１ターン未満相当の少ないタ
ーン数を採用することにより、本実施形態の電機子巻線
３１は、約１ｍΩという超低抵抗を実現している。
【００１６】整流器４は、３相の電機子巻線３１に誘起
される交流電圧を直流電圧に変換する三相全波整流回路
であり、アノードが共通に接続された負極側の３つのダ
イオードと、カソードが共通に接続された正極側の３つ
のダイオードとを含んで構成されている。上述した正極
側の３つのカソードが出力端子４１に接続されている。
【００１７】断続開閉器５は、スイッチング素子として
のＭＯＳＦＥＴ５１と、このＭＯＳＦＥＴ５１に並列接
続されたダイオード５２とを含んで構成されている。ま
た、電圧制御器６は、断続開閉器５に含まれるＭＯＳＦ
ＥＴ５１の断続タイミングを回転子２の回転数に同期し
た周期で制御する。具体的には、断続開閉器５は、電機
子巻線３１の中性点Ｎの電圧が高くなってダイオード５
２に逆バイアス電圧が印加されるタイミングで中性点Ｎ
を接地することにより、整流器４の負極側の３つのダイ
オードとＭＯＳＦＥＴ５１を介して電機子巻線３１の各
相巻線を周期的に短絡しており、これにより、電機子巻
線３１の各相巻線に発生した誘導起電力の短絡と開放を
交互に繰り返してフライバック電圧を発生させ、出力端
子４１から高い電圧を取り出している。
【００１８】本実施形態の車両用交流発電機１はこのよ
うな構成を有しており、次にその動作を説明する。
【００１９】電気負荷が接続されていない無負荷状態に
おいては、電圧制御器６は、開閉制御は行わずに断続開
閉器５内のＭＯＳＦＥＴ５１を開放状態に制御する。こ
の状態では、フライバック電圧が発生しないため、出力
端子４１に現れる出力電圧は低くなる。また、本実施形
態では、この出力電圧がバッテリ９の端子電圧よりも低
くなるように、回転子２の外周と固定子３の内周とのエ
アギャップや電機子巻線３１の抵抗値が設定されてい
る。
【００２０】また、バッテリ９やその他の電気負荷に電
力を供給する必要がある場合には、電圧制御器６は、断
続開閉器５内のＭＯＳＦＥＴ５１の断続制御を行ってフ
ライバック電圧を発生させ、出力電圧を高くする昇圧動
作を行う。このときの出力電圧をバッテリ９の端子電圧
を高く設定することにより、バッテリ９への充電、ある
いはその他の電気負荷に対する電力供給が可能になる。
【００２１】図５は、車両用発電機の回転数と出力電圧
との関係を示す図である。横軸が車両用交流発電機１の
回転数を示しており、縦軸が出力端子４１に現れる車両
用交流発電機１の出力電圧を示している。図５に示すよ
うに、断続開閉器５が断続非作動時（ＭＯＳＦＥＴ５１
を開放された状態）には、回転数の全域において出力電
圧が１２Ｖ以下になるように設定されている。また、断
続開閉器５が断続作動時には、回転数の全域において出
力電圧が昇圧されて１２Ｖ以上になる。
【００２２】ところで、本実施形態では、断続開閉器５
による断続作動によって一時的に電機子巻線３１が短絡
されて短絡電流が電機子巻線３１内に流れるが、次の瞬
間にこの短絡電流が開放されて整流器４を介して取り出
されるため、この短絡電流が内部損失になることなく効
率よく発電を行うことができる。また、断続開閉器５の
断続非作動時に出力電圧を１２Ｖ以下にするために、電
機子巻線３１が超低抵抗に設定されているため、電機子
巻線３１の銅損を大幅に低減することができ、発電効率
をさらに高めることが可能になる。また、断続開閉器５
の断続非作動時には、バッテリ９の端子電圧よりも車両
用交流発電機１の出力電圧の方が低くなるように設定さ
れているため、無負荷状態あるいは電気負荷が小さい状
態でバッテリ９が過充電になることを防止することがで
きる。
【００２３】実際に、固定子３の外径が１００ｍｍで出
力が６０Ａクラスの小型大衆車向けの車両用交流発電機
でテストしたところ、発電効率が約９０％になった。こ
れは、同クラスの従来品の発電効率が約４０％であるの
に対し、約５０％も効率が改善されたことを示してお
り、著しい改善効果が得られた。
【００２４】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施
が可能である。例えば、上述した実施形態では、断面が
矩形形状の短冊形導体３４を用いて電機子巻線３１を形
成したが、同じく断面が矩形形状のＵ字型導体を用いた
り、断面が矩形形状あるいは円形形状の連続線を用いて
超低抵抗の電機子巻線を実現するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図
である。
【図２】電機子巻線を形成するために用いられる短冊形
導体の概略形状を示す斜視図である。
【図３】図２に示した短冊形導体を固定子鉄心に装備し
た後に接合した状態を示す部分的な斜視図である。
【図４】固定子の断面図である。
【図５】図１に示した車両用発電機の回転数と出力電圧
との関係を示す図である。
【符号の説明】
１ 車両用交流発電機 ２ 回転子 ３ 固定子 ４ 整流器 ５ 断続開閉器 ６ 電圧制御器 ２１ 永久磁石 ３２ 電機子巻線 ３４ 短冊形導体 ５１ ＭＯＳＦＥＴ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 永久磁石を用いた回転子と、 電機子巻線を有する固定子と、 前記電機子巻線の交流出力を直流出力に変換する整流器
    と、 前記電機子巻線を断続的に短絡する短絡手段と、 を備え、前記短絡手段による非短絡時における無負荷出
    力電圧をバッテリ電圧よりも低く設定するとともに、出
    力端子にバッテリを含む負荷が接続された状態において
    前記短絡手段によって断続的に短絡することによって前
    記バッテリ電圧よりも高い電圧を発生することを特徴と
    する車両用交流発電機。
  2. 【請求項２】 請求項１において、 前記電機子巻線の抵抗値を調整することにより、前記短
    絡手段による非短絡時における無負荷出力電圧を前記バ
    ッテリ電圧よりも低く設定することを特徴とする車両用
    交流発電機。
  3. 【請求項３】 請求項２において、 前記電機子巻線は、断面がほぼ矩形形状の短冊形導体を
    連続的に接合することにより形成することを特徴とする
    車両用交流発電機。
  4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかにおいて、 前記電機子巻線はＹ結線されており、 前記短絡手段は、前記電機子巻線の中性点を前記回転子
    の回転数に同期した周期で周期的に接地することを特徴
    とする車両用交流発電機。
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