JP2002191196A - 車両用交流発電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】回路コスト負担、損失及び発熱の増加を抑止し
つつ、低回転時発電能力の増大や高回転時発電効率の向
上を実現する車両用交流発電装置を提供すること。 【解決手段】発電を行う界磁巻線型同期機のロータ側鉄
心部（界磁巻線型同期機の磁気回路のうちステータコア
を除く鉄心部分）１２０を、電流界磁磁界の方向の磁気
抵抗よりも電流界磁磁界の方向と直交する方向の磁気抵
抗が小さい形状（以下、逆磁気突極形ロータコア形状と
いう）とすることにより、発電時の力率を改善する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、界磁巻線型同期機
を用いた車両用交流発電装置に関する。本発明は、例え
ば車両等に搭載したバッテリ充電用発電装置や、ハイブ
リッド電気自動車用の発電機あるいは電動発電機として
使用されることができる。

【０００２】

【従来の技術】特開平８ー２１４４７０号公報は、イン
バータから界磁巻線型同期機の電機子巻線に進相電流を
流すことにより、発電を行わせることを提案している。
この界磁巻線型同期機を用いた車両用交流発電装置は、
インバータの代わりに界磁巻線型同期機の交流発電電力
をダイオード整流のみ行う通常の車両用交流発電装置に
比べて低回転数域の発電出力を向上し、高回転数域にお
いても界磁制御との協調によって発電効率を向上するこ
とができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記進
相電流給電による界磁巻線型同期機を用いた従来の車両
用交流発電装置では、パワーＭＯＳトランジスタなどの
スイッチング素子によりインバータを組む必要があり、
通常のダイオード整流器に比較して回路コストが大幅に
増大するという問題があった。

【０００４】また、上記進相電流給電による力率低下に
より電機子巻線の抵抗損失及びそれに伴う発熱が増大
し、電機子巻線の冷却負担が増大した。

【０００５】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あり、回路コスト負担、損失及び発熱の増加を抑止しつ
つ、低回転時発電能力の増大や高回転転時発電効率の向
上を実現する車両用交流発電装置を提供することをその
目的としている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の車両用交
流発電装置は、ハウジングに固定されたステータコア、
前記ステータコアに巻装された多数の相巻線からなる電
機子巻線、前記電機子巻線が巻装されたステータコア、
前記相巻線と鎖交する電流界磁磁界を形成する界磁巻
線、及び、前記ステータコアに対面する周面に前記電流
界磁磁界により界磁磁極が形成されるロータコアを含む
ロータ側鉄心部を有する多相の界磁巻線型同期機と、前
記電機子巻線にそれぞれ異なる位相の交流相電圧を印加
するとともに前記電機子巻線から出力される交流電力を
整流して出力する直交双方向変換回路と、前記交流相電
圧に対して進み位相の進相電流を前記直交双方向変換回
路から前記電機子巻線に給電して前記界磁巻線型同期機
を発電動作させる制御回路と、を備える車両用交流発電
装置において、前記ロータ側鉄心部は、前記電流界磁磁
界の方向の磁気抵抗よりも前記電流界磁磁界の方向と直
交する方向の磁気抵抗が小さい形状を有することを特徴
としている。

【０００７】すなわち、本構成では、発電を行う界磁巻
線型同期機のロータ側鉄心部（界磁巻線型同期機の磁気
回路のうちステータコアを除く鉄心部分）を、電流界磁
磁界の方向の磁気抵抗よりも電流界磁磁界の方向と直交
する方向の磁気抵抗が小さい形状（以下、逆磁気突極形
ロータコア形状という）とした点をその特徴としてい
る。

【０００８】このようにすれば、界磁巻線型同期機を用
いる車両用交流発電装置において、回路コスト負担、損
失及び発熱の増加を抑止しつつ、低回転時発電能力の増
大や高回転転時発電効率の向上を実現することができ
る。 以下、更に詳しく説明する。

【０００９】たとえば上記公報記載の界磁巻線型同期機
を用いる車両用交流発電装置では、ロータ側鉄心部は、
界磁方向の磁気抵抗が、それと直交する方向の磁気抵抗
に対して小さい磁気突極構造を有している。

【００１０】このため、界磁磁束ベクトルに対して進み
位相の電機子電流を与えて発電を行うと、電機子電流の
力率が低下し、この力率低下により、同発電出力当たり
の電機子電流が大きくなる。このため、インバータを構
成する高価なパワースイッチング素子を大型化してその
電流容量を確保しなければならず、回路コストが大幅に
増大してしまう。また、インバータや電機子巻線の電力
損失の増大による発電効率低下や、放熱能力の増大が必
須となる。

【００１１】これに対して、本発明では、ロータ側鉄心
部（ロータ側磁気回路）を逆突極構造（界磁方向の磁気
抵抗が、それと直交する方向の磁気抵抗に対して大き
い）としたので、発電力率の向上による電機子電流低減
により従来の突極構造に比べてインバータのパワースイ
ッチング素子の小型化及びインバータや電機子巻線の電
力損失低減による効率向上、冷却負担緩和を実現するこ
とができる。

【００１２】また、低回転時発電能力の増大や高回転時
発電効率の向上を、従来の突極構造の界磁巻線型同期機
と同様に確保することができる。

【００１３】請求項２記載の車両用交流発電装置によれ
ば、請求項１に記載の車両用交流発電装置において更
に、前記界磁巻線は、前記ハウジングに固定されて前記
ロータコアにギャップを介して対面して前記ロータ側鉄
心部の一部を構成する静止継鉄部に巻装され、前記ロー
タコアは、前記相巻線と鎖交する磁石界磁磁界を形成す
る永久磁石を有することを特徴としている。

【００１４】本構成によれば、逆突極構造を容易に実現
することができる。

【００１５】請求項３記載の構成によれば請求項２に記
載の車両用交流発電装置において更に、前記ロータコア
は、前記磁石が挿入される磁石収容孔を軸方向に有する
積層電磁鋼板からなることを特徴としている。

【００１６】本構成によれば、逆突極構造を容易に実現
することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の界磁巻線型同期機を用い
た車両用交流発電装置の好適な態様を以下の実施例によ
り具体的に説明する。

【００１８】

【実施例】（全体構成）この実施例の車両用交流発電装
置の全体構成を図１に示す。車両用発電装置１は、界磁
子（ロータ）２及び電機子（ステータ）３を有する界磁
巻線型同期機と、回転位置センサ４、位相制御回路５、
励磁電流制御回路６、電圧印加回路（直交双方向変換回
路）７、励磁回路９、平滑コンデンサ１０を有してい
る。

【００１９】界磁子２は、図１では模式的に図示されて
おり、界磁巻線２１と、界磁巻線２１が巻装されたロー
タヨーク２２と、ロータヨーク２２の径方向外側に位置
するロータコア２３と、ロータコア２３に固定された永
久磁石２４とを有している。永久磁石２４が固定された
ロータコア２３は後述するステータコアの径方向内側を
回転するが、ロータヨーク２２は、後述するように、ロ
ータコア２３と一体に回転する回転継鉄部と、ハウジン
グに固定されて界磁巻線２１が巻装される静止継鉄部と
を有している。

【００２０】電機子（ステータ）３は、固定子鉄心に巻
装された三相の電機子巻線３１を有している。電機子巻
線３１は、Ｙ結線された３個の相巻線３１ａ、３１ｂ、
３１ｃにより構成されている。

【００２１】回転位置センサ４は、界磁巻線２１の磁束
方向と電機子巻線３１との相対回転位置を検出するレゾ
ルバにより構成されている。

【００２２】位相制御回路５は、回転位置センサ４の出
力に基づいて電圧印加回路７の後述する６個のトランジ
スタを断続制御して電機子巻線３１に流れる電機子電流
の位相や大きさを制御する。

【００２３】励磁電流制御回路６は、バッテリ１１の電
圧に基づいて励磁回路９を制御して界磁巻線２１に給電
する界磁電流を制御する。

【００２４】制御回路６は、バッテリ１１の電圧を検出
するＳ端子、イグニッションスイッチ１３を介してバッ
テリ１１に接続されるＩＧ端子、および励磁回路９のト
ランジスタ９ａに接続されるＤ端子が設けられるいわゆ
るレギュレータであって、周知の回路構成であるので説
明は省略する。

【００２５】電圧印加回路７は直交双方向変換回路であ
って、三相全波整流回路を構成する６個のダイオ−ド７
３ａ、７４ａ、７３ｂ、７４ｂ、７３ｃ、７４ｃと、各
ダイオードと個別に並列接続されて三相インバータを構
成するパワーMOSトランジスタ７１ａ、７２ａ、７１
ｂ、７２ｂ、７１ｃ、７２ｃとにより構成されている。
電圧印加回路７の三つの交流端は各相巻線３１ａ、３１
ｂ、３１ｃの端子に接続され、電圧印加回路７の一対の
直流端はバッテリ１１の両端に接続されている。

【００２６】励磁回路９は、界磁巻線２１と直列に接続
されてバッテリ１１から給電される界磁電流の断続を行
うトランジスタ９ａと、界磁巻線２１と逆並列に接続さ
れたダイオ−ド９ｂからなる。

【００２７】平滑コンデンサ１０は、電圧印加回路（直
交双方向変換回路）７からバッテリ１１に出力される発
電出力を平滑する。バッテリ１１は車両負荷１４に給電
している。

【００２８】界磁巻線２１が励磁回路９より励磁される
ことによりロータコア２３の外周面に界磁極が形成され
る。エンジン（図示せず）により駆動されるロータコア
２３の回転（図１の反時計方向）により、相巻線３１
ａ、３１ｂ、３１ｃには、この順に電気角で１２０°の
位相差を持った相電圧が誘導される。 （上記界磁巻線型同期機の構造）次に、上記界磁巻線型
同期機１００の構造を図２〜図５を参照して説明する。

【００２９】界磁巻線型同期機１００は、ステータ（図
１のステータ３に相当）１３０と、ロータ（図１のロー
タ２に相当）１２０とを有し、ステータ１３０は、フロ
ントフレーム１９１およびエンドフレーム１９２の内周
面に固定されている。

【００３０】ロータ１２０は、軸受け１９３、１９４を
介してフロントフレーム１９１およびエンドフレーム１
９２に支持されており、その外周面はエアギャップを介
してステータ１３０の内周面に対面している。１４１は
ロータ１２０の回転位置を測定するレゾルバロータであ
り、１４２はレゾルバステータである。

【００３１】ステータ１３０は、電磁鋼板を軸方向に積
層してなる円筒状のステータコア１３２に三相電機子巻
線（図１の電機子巻線３１に相当）１３１を巻装してな
る。

【００３２】ロータ１２０は、ロータコア１２３、磁石
１２４、ピン（磁気短絡部材）１２９、ロータヨーク１
２５、１２６、静止継鉄部（界磁コア）１２２、スペー
サ１２７を有している。

【００３３】図３は、図２におけるＡーＡ線矢視断面図
を示す。

【００３４】ロータコア１２３は、多数の輪板状の電磁
鋼板を軸方向に積層することにより円筒形状に形成され
ている。ロータコア１２３は電磁鋼板を螺旋状に巻重ね
て軸方向に積層して製造されることもできる。ロータコ
ア１２３には、ｎ（偶数）個の磁石収容孔１２３ａが周
方向等間隔に軸方向にで設けられ、また隣り合う磁石挿
入穴１２３ａの周方向中央部に丸穴１２３ｂが形成され
ている。磁石挿入穴１２３ａには永久磁石１２４が、周
方向極性交互に挿入されている。

【００３５】図４はロータ１２０のＰ矢視の外観図を示
す。

【００３６】ロータヨーク１２５は、円環部１２５ａ
と、ボス部１２５ｂと、円環部１２５ａから径方向外側
に放射状に伸びたｎ／２個の径方向リブ１２５ｃとで構
成されている。リブ１２５ｃには丸穴１２５ｄが設けら
れ、周方向奇数番目のピン１２９を挿入することにより
ロータコア１２３をロータヨーク１２５と一体に固定す
る。

【００３７】図５はロータ１２０のＱ矢視の外観図を示
す。

【００３８】ロータヨーク１２６は、円環部１２６ａ
と、円環部１２６ａから径方向外側に放射状に伸びたｎ
／２個の径方向リブ１２６ｂとで構成されている。リブ
１２６ｂには丸穴１２６ｃが設けられ、周方向偶数番目
のピン１２９を挿入することによりロータコア１２３を
ロータヨーク１２６と一体に固定し、これによって、ロ
ータコア１２３、ロータヨーク１２５、ロータヨーク１
２６は一体に固定されている。

【００３９】スペーサ１２７は、ロータコア１２３の内
周面に嵌入された非磁性リングであり、ロータヨーク１
２５、ロータヨーク１２６により挟持されている。

【００４０】１２８はシャフトであって、ロータヨーク
１２５に相対回転不能に圧入されている。

【００４１】１２２は、軟磁性体よりなるフランジ状の
界磁コア（静止継鉄部）であって、その円板部はエンド
フレーム１９２の端壁部にねじ１９５に固定されてい
る。界磁コア１２２のボス部の内周面は、ロータヨーク
１２５のボス部１２５ｂの外周面に微小ギャップを隔て
て相対回転自在に固定され、ロータコア１２３の径内側
に存在する空間へ軸方向に突出している。界磁コア１２
２のリヤ側の外周面はロータヨーク１２６の内周面に微
小ギャップを隔てて対面している。界磁コア１２２のボ
ス部には、界磁巻線１２１が巻着されている。

【００４２】ステータ１３０は、三相電機子巻線１３１
および電磁鋼板を積層したステータコア１３２で構成さ
れ、ステータコア１３２は、三相電機子巻線１３１を挿
入するスロット１３３、ティース１３４およびコアバッ
ク１３５により構成されている。 （動作説明）ロータコア１２３に挿入された磁石１２４
は、周方向に着磁され、この磁石１２４によりロータコ
ア１２３の外周面に周方向所定ピッチでＮ磁極、Ｓ磁極
が極性交互に形成される。

【００４３】Ｎ磁極の磁束は、Ｎ磁極側のピン１２９、
ロータヨーク１２５、界磁コア１２２、ロータヨーク１
２６、Ｓ磁極側のピン１２９を通ってＳ磁極に達する短
絡磁路により短絡されている。これにより、永久磁石１
２４の磁石磁束のうちステータ１３０側へ流れる有効磁
束はこの短絡分だけ減少している。

【００４４】界磁巻線１２１に界磁電流を流すと、形成
される電流磁界が前述の磁石磁束を逆方向に押しのける
ため、この磁石磁束が界磁巻線１２１による電流磁束と
ともにステータ１３０側へ送り込まれ、ロータの回転に
伴って発電に必要な誘起電圧が電機子巻線１３１に誘起
される。

【００４５】発電は、ロータ位置を回転位置センサ４で
検出することで誘起電圧の位相を把握し、位相制御回路
５により、電圧印加回路７のパワーMOSトランジスタ７
１ａ、７２ａ、７１ｂ、７２ｂ、７１ｃ、７２ｃを断続
制御して、誘起電圧の位相に対して遅れ角を有する電圧
を印加する。これによって、発電出力を大幅に向上する
ことは周知である。この遅れ角を９０°程度にすること
により効果が大きくなることも知られている。 （効果）従来の界磁巻線型同期機のロータは、図６に示
されるように、界磁巻線により発生する界磁磁束の方向
においてロータコアとステータコアのギャップが小さく
なっており、これにより磁気抵抗が小さく（インダクタ
ンスＬｄは大）となっている。また、界磁磁束方向と直
交する方向では上記ギャップが大きくなっており、これ
により磁気抵抗が大きく（インダクタンスＬｑは小さ
く）なっている。

【００４６】これに対し、本発明の回転機は、図７に示
されるように、界磁巻線２１が巻装されたロータヨーク
２２とロータコア２３との間にエアギャップが存在する
ため、界磁巻線により発生する電流磁束の方向では磁気
抵抗が大きく（インダクタンスＬｄは小さく）なってい
る。また、この電流磁束方向と直交する方向では磁石に
より漏れ磁束を抑えることができるためにコア幅を広く
とれ、そのため磁気抵抗を小さく（インダクタンスＬｑ
は大きく）なっている。

【００４７】遅れ角９０°で発電させたときのベクトル
図を図８および図９に示す。

【００４８】力率角θは１８０°のとき力率１で最大と
なり、電機子相電流の全てが発電出力電流になる。従っ
て力率角は１８０°に近いほど望ましい。

【００４９】図８は従来の界磁巻線型同期機のロータの
場合であって、Ｌｑ１＜Ｌｄ１であるため流れる電流Ｉ
１の方向はＶに対して力率角θ１だけずれる。

【００５０】これに対して、図９に示したこの実施例の
場合においては、Ｌｑ２＞Ｌｄ２であるために、流れる
電流１２の方向はＶに対して力率角θ２にずれる。この
とき、各力率角の関係は１８０＜θ２＜θ１であり、こ
の実施例の方が相電流Ｉを等しいとした場合に、発電出
力（３・Ｖ・Ｉ・ｃｏｓθ）が増加することがわかる。 （変形態様）上記実施例では、本車両用交流発電装置を
発電機として使用することについて説明したが、電動機
として駆動することも当然可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の車両用交流発電装置の全体構成図であ
る。

【図２】図１の界磁巻線型同期機の軸方向断面図であ
る。

【図３】図１の界磁巻線型同期機のＡーＡ線矢視径方向
断面図である。

【図４】図１の界磁巻線型同期機のＰ矢視径方向断面図
である。

【図５】図１の界磁巻線型同期機のＱ矢視径方向断面図
である。

【図６】従来の界磁巻線型同期機の磁気抵抗の状態を示
す径方向模式図である。

【図７】実施例の界磁巻線型同期機の磁気抵抗の状態を
示す径方向模式図である。

【図８】従来の界磁巻線型同期機の特性を示すベクトル
図である。

【図９】実施例の界磁巻線型同期機の特性を示すベクト
ル図である。

【符号の説明】

５ 位相制御回路（制御回路） ６ 励磁電流制御回路 ７ 電圧印加回路（直交双方向変換回路） ９ 励磁回路 １３１ 電機子巻線 １３２ ステータコア １２１ 界磁巻線 １２０ ロータ １２２ 静止継鉄部（界磁コア、ロータ側鉄心部） １２３ ロータコア（ロータ側鉄心部） １２４ 磁石 １２５ ロータヨーク（ロータ側鉄心部） １２６ ロータヨーク（ロータ側鉄心部） １２９ ピン（磁気短絡部材）

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０２Ｐ 9/30 Ｈ０２Ｐ 9/30 Ｃ Ｆターム(参考） 5H590 AA03 AA04 CA07 CA23 CC04 CC29 CD01 CD03 DD25 EA13 FA06 FA08 FC12 5H619 AA01 BB02 BB06 PP01 PP02 PP08 PP12 5H621 AA03 BB10 GA01 HH01 PP10 5H622 AA03 CA02 CA07 CA10 CB03 PP10

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハウジングに固定されたステータコア、前
   記ステータコアに巻装された多数の相巻線からなる電機
   子巻線、前記電機子巻線が巻装されたステータコア、前
   記相巻線と鎖交する電流界磁磁界を形成する界磁巻線、
   及び、前記ステータコアに対面する周面に前記電流界磁
   磁界により界磁磁極が形成されるロータコアを含むロー
   タ側鉄心部を有する多相の界磁巻線型同期機と、 前記電機子巻線にそれぞれ異なる位相の交流相電圧を印
   加するとともに前記電機子巻線から出力される交流電力
   を整流して出力する直交双方向変換回路と、 前記交流相電圧に対して進み位相の進相電流を前記直交
   双方向変換回路から前記電機子巻線に給電して前記界磁
   巻線型同期機を発電動作させる制御回路と、 を備える車両用交流発電装置において、 前記ロータ側鉄心部は、前記電流界磁磁界の方向の磁気
   抵抗よりも前記電流界磁磁界の方向と直交する方向の磁
   気抵抗が小さい形状を有することを特徴とする車両用交
   流発電装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載の車両用交流発電装置にお
   いて、 前記界磁巻線は、前記ハウジングに固定されて前記ロー
   タコアにギャップを介して対面して前記ロータ側鉄心部
   の一部を構成する静止継鉄部に巻装され、 前記ロータコアは、前記相巻線と鎖交する磁石界磁磁界
   を形成する永久磁石を有することを特徴とする車両用交
   流発電装置。
3. 【請求項３】請求項２に記載の車両用交流発電装置にお
   いて、 前記ロータコアは、前記磁石が挿入される磁石収容孔を
   軸方向に有する積層電磁鋼板からなることを特徴とする
   車両用交流発電装置。