JP2005117843A

JP2005117843A - ブラシレス発電装置

Info

Publication number: JP2005117843A
Application number: JP2003351485A
Authority: JP
Inventors: Hisatoshi Tsuchiya; 久利土屋
Original assignee: Toyo Densan Co Ltd
Current assignee: Toyo Densan Co Ltd
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】既存の発電装置に対して著しい構造の変更を加えることなく、ブラシレス化を実現し、組立時の作業効率も低下させないブラシレス発電装置を提供する。
【解決手段】発電機本体１に発電制御部２から供給された交流を、発電機本体の非接触送電手段を構成する一次側トランス１１へ供給し、この一次側トランス１１に供給された交流により生ずる交番磁界中に置かれた二次側トランス１２に誘起電力を生ぜしめることで、ブラケット側に固設される一次側トランス１１からロータ側に固定される二次側トランス１２へ送電し、二次側トランス１２に生じた交流を整流回路１３により整流してなる界磁電流を界磁コイルに流すことで、ロータの回転に伴ってステータコイル１５に誘起電力を生ぜしめる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ブラシ接触によりロータへの通電を行わないブラシレス発電装置、特に、車両へ搭載する車載用発電装置に好適な小型軽量かつ廉価に製造可能なブラシレス発電装置に関する。

従来、車載用発電装置なとでは、発電用コイルが巻回されたステータの内側で界磁電流が供給されるロータを車のエンジンを使って回転させ、発電を行うようになっている。しかし、このような一般的な発電装置では、回転するロータへ界磁電流を供給するため、固定側のブラシをロータのスリップリングに接触させる構成を採っているため、ブラシとスリップリングが摩耗してゆくことで、寿命に限界があった。

このため、発電装置の構成として、摩耗するブラシを用いないブラシレス発電装置が種々提案されており、例えば、ステータ内で回転自在に軸承されたロータ内に円筒状の界磁鉄心を固設し、ロータの回転に伴う磁界変動でステータに生ずる起電力を整流して取り出す構造のものがある（例えば、特許文献１，特許文献２を参照）。

特開平７−３３６９７３号公報特開平７−３３６９７４号公報

上記の特許文献１や特許文献２に記載されたブラシレス発電装置では、ロータの内側に界磁コイルを配設する必要があり、咬合が複雑化し、発電装置として小型軽量化が難しい。また、Ｎ極とＳ極の磁極片をリング等で溶接しなければならないため、溶接位置のズレ等に起因して信頼性が低いと共に、コスト高になる。加えて、その構造上、界磁コイルのリード線を前と後から別々に取り出さなければ成らず、特に前側の配線処理が困難なため、組立作業が非効率的である。

なお、ロータに永久磁石を用いることで、界磁電流供給を不要としたブラシレス発電装置も提案されているが、所望の出力電圧を得るに十分な磁界強度を持った永久磁石を小型化するためには、サマリウム系の高価な希土類磁石を使用しなければならず、大幅なコストアップとなってしまう。また、永久磁石による磁界強度を調整できないために、出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで所望電圧に制御しなければならず、大電流のスイッチング動作が可能なコンバータは高価で大型化すると共に、発熱による装置の信頼性低下も問題となる。

本発明は、小型軽量化された既存の発電装置に対し、著しい構造の変更を加えることなくブラシレス化を実現し、組立時の作業効率も低下させないブラシレス発電装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、界磁電流が流れる界磁コイルを巻装したロータを回転させることで、発電用コイルを巻装したステータコイルに誘起電力を発生させる発電機本体と、この発電機本体の界磁コイルへ流す界磁電流を制御することで発電電圧を調整制御する発電制御部とからなり、上記発電機本体は、上記ロータの回転軸を支承する軸受の固定側を保持するブラケット側に固設された一次側トランスと、上記一次側トランスとギャップを介してロータの回転軸側に固設され、上記一次側トランスへ交流を流すことにより生じた交番磁界により交流が誘起される二次側トランスと、上記二次側トランスに生じた交流を整流することで、上記界磁コイルへ流す界磁電流を生成する整流手段と、を備え、上記発電制御部は、上記発電機本体による発電電圧を検出し、発電電圧を制御値へ近づけるように、一次側トランスへ供給する交流波形を調整するようにしたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、上記請求項１に記載のブラシレス発電装置において、上記発電機本体は、ステータコイルに誘起された交流を整流した直流電流を出力するものとし、上記発電制御部は、上記発電機本体からの直流電圧を検出し、検出電圧値に応じて予め定めた周波数のパルスを発振し、この発振パルスに応じて送電用直流をＯＮ／ＯＦＦさせて生成した交流を一次側トランスへ供給するようにしたことを特徴とする。

請求項１に係るブラシレス発電装置によれば、ブラケット側に固定された一次側トランスから、ロータ側に固定された二次側トランスへ誘起電力を生ぜしめることで、回転するロータへ非接触で界磁制御用電源を供給することが可能となる。しかも、界磁コイルやステータコイルの構造は既存の発電装置の構造をそのまま使うことが出来、従来のブラシレス発電装置のように大型化してしまうこともない。さらに、一次側トランスと二次側トランスによる非接触送電構造の組み付け作業も簡単である。

また、請求項２に係るブラシレス発電装置によれば、送電制御機能をハードロジックで組むことができるので、一次側トランスに供給する高周波交流の生成が容易であると共に、発電機本体の出力電圧の変動に対する追随性能も高めることができる。

次に、添付図面に基づいて、本発明に係るブラシレス発電装置の好ましい実施形態につき説明する。

図１は、発電機本体１と、これを制御する発電制御部２と、からなるブラシレス発電装置の概略構成を示すもので、例えば、車載用発電装置として用いた例である。従って、本実施形態では、車載のバッテリー３から直流１４Ｖの供給を受けて発電制御部２が動作するものとしてある。

上記発電機本体１には、非接触送電手段として機能する一次側トランス１１と二次側トランス１２を設け、二次側トランス１２に誘起された交流を整流回路１３にて整流することで界磁電流として界磁コイル１４へ供給する。これら二次側トランス１２と整流回路１３と界磁コイル１４は、発電機本体１のロータ側に設けられる。

界磁電流が界磁コイル１４へ供給されると、ロータの回転に伴って、例えば、三相星形結線としたステータコイル１５に三相交流が起生され、これを整流回路１６により整流することで、所望の電圧（例えば、バッテリー３の電圧に等しい１４Ｖ）を得る。上記一次側トランス１１とステータコイル１５と整流回路１６は、ブラケット側に設けられ、ロータの回転に追随しない。なお、本実施形態の発電機本体１では、車内機器への直流給電用に直流１４Ｖを生成するものとしたが、これに限らず、商用交流１００Ｖを生成するようにしても良い。

上記のようにして発電機本体１からの出力電圧で充電されるバッテリー３は、外部負荷および発電制御部２へ給電可能とする。そして、発電制御部２では、発電機１からの直流電圧を一平滑手段２１により平滑化してＤＣ／ＡＣ変換器２２へ供給し、このＤＣ／ＡＣコンバータ２２で高周波交流に変換する。

また、上記ＤＣ／ＡＣコンバータ２２には、発電機本体１の発電電圧を検出する電圧検出器２３の検出出力を受けて、その検出電圧値に応じて予め定めた周波数のパルスを発振する発振器２４からのパルスが入力され、この発振パルスに応じてＤＣ／ＡＣ変換器２２が送電用直流をＯＮ／ＯＦＦさせることで、高周波交流を生成し、上記一次側トランス１１へ供給するのである。

このように、発電機制御部２２は、一次側トランス１１へ供給する交流波形を制御することで、一次側トランス１１に生ずる交番磁界を変化させ、以て、二次側トランス１２に誘起される交流起電力を制御し、延いては、整流回路１３により整流して得られる界磁電流を所望の値に制御できるのである。

なお、図１に示す実施形態では、一次側トランス１１へ送電する交流波形の制御を行う送電制御手段として、ハード的に構成できるＤＣ／ＡＣコンバータ２２，電圧検出器２３，発振器２４により構成するものとしたが、この構成に限らず、公知既存の交流波形生成技術を等価手段として適用可能である。

次に、非接触送電手段の具体的構造を、図２に示す発電機本体１の概略縦断面図に基づいて説明する。

発電機本体１は、ブラケット４の外周に適宜設けたステータ４１にステータコイル１５を巻装し、その内側に第１コア４２ａと第２コア４２ｂに夫々界磁コイル１４を巻装して回転軸４３に装着することで、タンデム式（連結式）ロータ構造としてある。ロータの回転軸４３は、第１軸受４４ａと第２軸受４４ｂとで回動自在に支承され、エンジンの回転が伝達される伝導ベルト（図示省略）が装着されるプーリ４５の回転により、ロータが回転する。なお、ロータの回転に伴って、空冷用のファン４６も回転する。

上記第２軸受４４ｂは、例えば、ブラケット４の開閉蓋となる蓋体４７の内部に設けておき、蓋体４７をブラケット４へ装着（例えば、ボルト４８等により締結）した状態においては、蓋体４７内に挿入された回転軸４３の端部が第２軸受４４ｂの内側リングに嵌挿される構造とした。そして、一次コイル１１ａを環状コア部材５に巻装した一次側トランス１１を蓋体４７の内側に、二次コイル１２ａを環状コア部材５に巻装した二次側トランス１２を回転軸４３に各々固設する。なお、二次側トランス１２からの出力は、ロータ側に設けた整流回路１３（図２では図示省略）により整流された後、第１コア４２ａの界磁コイル１４および第２コア４２ｂの界磁コイル１４に供給される。

上記一次側トランス１１および二次側トランス１２に用いる環状コア部材５は、透磁率の高いフェライト等により形成し、その外観は図３に示すようなものである。すなわち、短筒状の内輪壁５１と外輪壁５２を同心状に配して、これらの一側方を円環状の連接壁５３で連接することにより、断面コ字状のコイル配設溝を形成し、コイル配設溝へ一次コイル１１ａもしくは二次コイル１２ａを円環状に巻回可能とする。なお、環状コア部材５における連接壁５３の適所には、一次コイル１１ａもしくは二次コイル１２ａをコイル配設溝へ導くための挿通孔（図示省略）を設けてある。

上記のような環状コア部材５に巻回した一次コイル１１ａもしくは二次コイル１２ａに電流を流すと、生じる磁束は環状コア部材５に集中し、内輪壁５１の円環状端面である内側磁束集中面５１ａから湧き出して、外輪壁５２の円環状端面である外側磁束集中面５２ａに戻る磁路か、逆に、外側磁束集中面５２ａから湧き出して内側磁束集中面５１ａに戻る磁路が形成されることとなる。

そこで、一次側トランス１１の環状コア部材５における内側磁束集中面５１ａと二次側トランス１２の環状コア部材５における内側磁束集中面５１ａと、一次側トランス１１の環状コア部材５における外側磁束集中面５２ａと二次側トランス１２の環状コア部材５における外側磁束集中面５２ａとが、互いに適宜なギャップを介して相対するように配置しておけば、一次側トランス１１の環状コア部材５と二次側トランス１２の環状コア部材５とで、漏れ磁束の少ない磁路を形成することが出来る（図２の右上部を参照）。しかも、このように形成された磁路は、ロータと一体に回転する二次側トランス１２が回転しても影響を受けない。

従って、従来の発電装置におけるブラシやスリップリングの配設部位へ、そのまま一次側トランス１１と二次側トランス１２を配設することが出来るので、ブラシレス発電装置として大型化してしまうことがないし、タンデム式ロータ構造の発電装置をブラシレス化することも出来る。さらに、一次側トランス１１は蓋体４７に、二次側トランスは回転軸４３に、夫々設ければよいので、組み付け作業も簡単である。

なお、上記のように構成した非接触送電手段において、二次側トランス１２の誘起電力を制御するべく一次側トランス１１へ供給する交流波形の制御手法は、特に限定されるものではないが、上述した発振器２４による発振パルスに基づいてＤＣ／ＡＣ変換器２２を動作させる場合の発振パルスを図４に例示する。

図４（ａ）に示すのは、一次側トランス１１へ供給する交流の周波数を変化させることで、界磁電流を制御する例である。発電機本体１の出力が設定電圧に保たれている期間Ａにおけるパルス周期を基準とした場合、発電機本体１の出力電圧が低下した期間（界磁電流を上げる必要がある期間Ｂ）には発振パルスの周波数を高くして界磁電流を上昇させ、逆に発電機本体１の出力電圧が上昇した期間（界磁電流を下げる必要がある期間Ｃ）には発振パルスの周波数を低くして界磁電流を低下させる。

図４（ｂ）に示すのは、一次側トランス１１へ供給する交流の実行値を変化させることで、界磁電流を制御する例である。発電機本体１の出力が設定電圧に保たれている期間Ａにおける発振パルスのデューティー比を基準とした場合、発電機本体１の出力電圧が低下した期間（界磁電流を上げる必要がある期間Ｂ）には発振パルスのデューティー比を高くして界磁電流を上昇させ、逆に発電機本体１の出力電圧が上昇した期間（界磁電流を下げる必要がある期間Ｃ）には発振パルスのデューティー比を低くして界磁電流を低下させる。

図４（ｃ）に示すのは、一次側トランスへ一定周波数の交流を供給する時間を変化させることで、界磁電流を制御する例である。発電機本体１の出力が設定電圧に保たれている期間Ａにおける一定周期のパルス出力時間を基準とした場合、発電機本体１の出力電圧が低下した期間（界磁電流を上げる必要がある期間Ｂ）にはパルス出力時間を長くして界磁電流を上昇させ、逆に発電機本体１の出力電圧が上昇した期間（界磁電流を下げる必要がある期間Ｃ）にはパルス出力時間を短くして界磁電流を低下させる。

以上、本発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本明細書で開示された実施の形態は例示であって、開示された技術に限定されるものではないと考えるべきである。すなわち、本発明の技術的な範囲は、上記の実施形態における説明に基づいて制限的に解釈されるものではなく、あくまでも特許請求の範囲の記載に従って解釈すべきであり、特許請求の範囲の記載技術と均等な技術および特許請求の範囲内での全ての変更が含まれる。

例えば、本発明は、車載用発電装置への適用に限定されるものではなく、ブラシレス化が望まれている全ての発電装置への適用が可能である。また、非接触送電手段における一次側トランスと二次側トランスに用いる環状コア部材の形状も、上記実施形態に限定されるものではなく、磁束の集中をより高めるための既存技術を適宜適用して、一次側トランスと二次側トランスの磁気結合を上げるようにしても良い。

本発明に係るブラシレス発電装置の概略構成図である。発電機本体の概略縦断面図である。一次側トランスもしくは二次側トランスに用いる環状コア部材の外観斜視図である。界磁制御に際して発振器が出力するパルスの波形図である。

符号の説明

１発電機本体
１１一次側トランス
１２二次側トランス
１３整流回路
１４界磁コイル
１５ステータコイル
１６整流回路
２発電制御部
２１平滑回路
２２ＤＣ／ＡＣ変換器
２３電圧検出器
２４発振器
３バッテリー
４ブラケット
５環状コア部材

Claims

界磁電流が流れる界磁コイルを巻装したロータを回転させることで、発電用コイルを巻装したステータコイルに誘起電力を発生させる発電機本体と、この発電機本体の界磁コイルへ流す界磁電流を制御することで発電電圧を調整制御する発電制御部とからなり、
上記発電機本体は、
上記ロータの回転軸を支承する軸受の固定側を保持するブラケット側に固設された一次側トランスと、
上記一次側トランスとギャップを介してロータの回転軸側に固設され、上記一次側トランスへ交流を流すことにより生じた交番磁界により交流が誘起される二次側トランスと、
上記二次側トランスに生じた交流を整流することで、上記界磁コイルへ流す界磁電流を生成する整流手段と、
を備え、
上記発電制御部は、上記発電機本体による発電電圧を検出し、発電電圧を制御値へ近づけるように、一次側トランスへ供給する交流波形を調整するようにしたことを特徴とするブラシレス発電装置。
上記発電機本体は、ステータコイルに誘起された交流を整流した直流電流を出力するものとし、
上記発電制御部は、上記発電機本体からの直流電圧を検出し、検出電圧値に応じて予め定めた周波数のパルスを発振し、この発振パルスに応じて送電用直流をＯＮ／ＯＦＦさせて生成した交流を一次側トランスへ供給するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のブラシレス発電装置。