JP2006025488A

JP2006025488A - 車両用始動発電装置

Info

Publication number: JP2006025488A
Application number: JP2004199290A
Authority: JP
Inventors: Masaru Kuribayashi; 勝栗林; Yoshito Asao; 淑人浅尾
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2004-07-06
Filing date: 2004-07-06
Publication date: 2006-01-26
Also published as: EP1764899A1; WO2006003799A1; CN100517922C; CN1842955A; EP1764899A4; US7362002B2; EP1764899B1; KR20060061845A; KR100752906B1; US20060267344A1

Abstract

【課題】この発明は、電機子巻線の巻き数を増やすことなく、最大トルクを向上させ、エンジンの始動機能と発電機能とを両立させることができる安価な小型の車両用始動発電装置を得る。
【解決手段】車両用始動発電電機１は、電機子巻線１４が巻回された電機子鉄心１３と、電機子鉄心１３の内周側に配置されたクローポール型回転子鉄心１６およびクローポール型回転子鉄心１６の爪状磁極１７ａ，１８ａ内周側に巻装された界磁巻線１５を有する回転子８とを備え、エンジンを始動させる始動機能と、発電機能とを有している。そして、永久磁石２０が隣り合う爪状磁極１７ａ，１８ａ間に配設されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両のエンジンに連結され、エンジンの始動および発電を行う車両用始動発電装置に関するものである。

従来のクローポール型車両用交流発電機では、永久磁石を爪状磁極間に配置し、発電特性を向上させていた（例えば、特許文献１参照）。しかし、特許文献１では、車両用交流発電機をエンジンの始動と発電とを行う車両用回転電機として適用することについては、何ら記載も示唆もされていない。
また、エンジンの始動機能と発電機能とを有するクローポール型回転電機の従来技術においては、永久磁石を爪状磁極間に配置した際に、始動機能と発電機能とを両立させるための方策について述べているものはない。

特許第２５４８８８２号公報

車両用始動電動機においては、エンジン始動時の乗り越えトルクを得るとともに、エンジン回転速度を高速までクランキングさせるために、一定出力領域での出力向上が必要となる。そして、電機子巻線の巻き数を増やすことで、車両用始動電動機の体格を大きくすることなく、最大トルクを増加させることができる。しかし、電機子巻線の巻き数を増やした場合、入力電圧の制約から、一定出力領域での出力が低下してしまい、エンジン起動目標回転速度に到達できなくなる。
一方、車両用交流発電機においては、良好な効率の発電運転が要求される。そして、電機子巻線の巻き数を増やすことは、電機子巻線の抵抗が増加を意味し、電機子巻線の銅損が増加して、発電効率が低下してしまう。

このように、エンジンの始動と発電との機能を有する回転電機、いわゆる車両用始動発電電機においては、電機子巻線の巻き数を増やすと高効率発電運転ができなくなり、電機子巻線の巻き数を増やさないとエンジン始動運転時の最大トルクを増加できなくなる、という相反する課題を解決することが求められる。
また、電機子巻線の巻き数を低減させると、発電運転状態における所望の回転速度では、発電電圧が系電圧に到達しなくなる。この場合には、インバータなどによってチョッパー昇圧制御などを行って発電させることにより、発電電圧を系電圧に到達させることができる。しかし、このインバータによる昇圧発電状態において、発電量を向上させるには、制御する線電流を大きくする必要があり、インバータの大型化をもたらしてしまう。

従来の発電機能を有する車両用回転電機では、回転速度が変動するにもかかわらず、発電電圧を一定に制御する必要があるとともに、車両側の電気負荷も変動する。この問題を解決するために、界磁巻線方式を採用し、電圧調整器によって界磁電流を制御するようにしている。
しかし、従来の界磁巻線式回転電機では、回転子鉄心の磁気飽和や漏れ磁束の影響により、現状以上の磁束の増加が望められず、始動電動機として機能する際に最大トルクを上げるためには、体格が大型化してしまい、コストアップおよび搭載性の悪化をもたらしてしまう、という課題があった。

この発明は、上記課題を解決するためになされたもので、クローポール型回転子を有する車両用回転電機を備え、永久磁石を爪状磁極間に配置して磁束の増加をもたらし、電機子巻線の巻き数を増やすことなく、最大トルクを向上させ、エンジンの始動機能と発電機能とを両立させることができる安価な小型の車両用始動発電装置を得ることを目的とする。

この発明による車両用始動発電装置は、バッテリと、エンジンに連結されて、該エンジンの始動時に、上記バッテリの電力により駆動されて該エンジンを始動し、かつ、該エンジンの始動後、該エンジンに駆動されて交流電力を発生する車両用回転電機と、上記バッテリの正負端子間に直列接続された一対のスイッチング素子および該スイッチング素子に並列接続されたダイオードを複数組有し、直列接続されたスイッチング素子の接続点を上記車両用回転電機に接続されたインバータと、上記エンジンの始動時に、上記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせて上記バッテリの電力を上記車両用回転電機に供給して該車両用回転電機を駆動させ、上記エンジンの始動後、上記スイッチング素子を制御して上記ダイオード群により上記車両用回転電機で発生する交流電力に整流させて上記バッテリを充電するように上記インバータを制御する制御装置と、を備えた車両用始動発電装置において、上記車両用回転電機は、電機子巻線が巻回された電機子鉄心と、上記電機子鉄心の内周側に配置されたクローポール型回転子鉄心および該クローポール型回転子鉄心の爪状磁極内周側に巻装された界磁巻線を有する回転子と、を備え、さらに、永久磁石が隣り合う上記爪状磁極間に配設されているものである。

この発明によれば、永久磁石を爪状磁極間に配置することにより磁束が回転子に付加されるので、電機子巻線の巻き数を増やすことなく、最大トルクが向上される。また、最大トルクを向上するために電機子巻線の巻き数を増やす必要がないので、電機子巻線の巻き数を増やすことに起因する一定出力領域での特性低下が抑えられるとともに、回転電機の体格の大型化が抑えられ、小型、低コスト化が図られる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用始動発電電機を示す縦断面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用始動発電電機における回転子を示す斜視図、図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用始動発電装置を示す概念図である。

図１および図２において、車両用回転電機としての車両用始動発電電機１は、それぞれ略椀形状のアルミ製のフロントブラケット２とリヤブラケット３とからなるケース４と、このケース４に軸受５ａ、５ｂを介して回転自在に支持されたシャフト６と、ケース４のフロント側に延出するシャフト６の一端に固着されたプーリ７と、このシャフト６に固着されてケース４内に回転自在に配設された回転子８と、この回転子８を囲繞するようにケース４の内壁面に保持された電機子９と、シャフト６の他端部に固定された一対のスリップリング１０と、スリップリング１０の外周に配設されたブラシホルダ１１と、各スリップリング１０に摺接するようにブラシホルダ１１内に配設されたブラシ１２とを備えている。

電機子９は、フロントブラケット２とリヤブラケット３とに挟持されて回転子８を囲繞するように配置された電機子鉄心１３と、この電機子鉄心１３に巻装された電機子巻線１４とを備えている。

回転子８は、電流を流して磁束を発生する界磁巻線１５と、この界磁巻線１５を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成されるクローポール型（ランデル型）回転子鉄心１６とを備えている。この回転子鉄心１６は、それぞれ爪状磁極１７ａ、１８ａが円柱状のボス部１７ｂ、１８ｂの外周縁部に周方向に等角ピッチで突設された鉄製の一対のポールコア１７、１８により構成されている。なお、各爪状磁極１７ａは、ボス部１７ｂの軸方向一端の外周縁部から径方向外方に延設された後、軸方向他端側に延設されて形成されている。また、各爪状磁極１８ａは、ボス部１８ｂの軸方向他端の外周縁部から径方向外方に延設された後、軸方向異端側に延設されて形成されている。そして、一対のポールコア１７、１８は、爪状磁極１７ａ、１８ａを噛み合わせるようにボス部１７ｂの軸方向他端端面とボス部１８ｂの軸方向一端端面とを突き合わせ、シャフト６をボス部１７ｂ、１８ｂの軸心位置に圧入して一体化されている。また、ファン１９が回転子８の軸方向両端に固着されている。さらに、永久磁石２０が、周方向に隣り合う爪状磁極１７ａ、１８ａ間にそれぞれ配設されている。各永久磁石２０は、例えばフェライト磁石で作製されており、接する爪状磁極１７ａ、１８ａの極性と同じ極性となるように、即ちＮ極の磁極に接する側がＮ極に、Ｓ極の磁極に接する側がＳ極となるように着磁されている。
また、界磁巻線１５がボビン２１に巻回されて、爪状磁極１７ａ、１８ａ、永久磁石２０およびボス部１７ｂ、１８ｂに囲まれた空間内に装着されている。
また、リゾルバ２２が軸受５ｂの軸方向外方に配設されている。このリゾルバ２２は、電機子９に対する回転子８の相対位置、即ち回転子８の回転速度を検出するものである。そして、リゾルバ２２の検出信号が回転信号（ｆ）として後述する制御装置２８に出力される。

つぎに、このように構成された車両用始動発電電機１を用いた車両用始動発電装置の構成について図３を参照しつつ説明する。
車両用始動発電電機１の回転子８がエンジン３２のクランク軸とベルト（図示せず）により連結されている。ここでは、電機子巻線１４は、３相のコイルをＹ結線して構成されている。
インバータユニット２３は、複数のスイッチング素子２６と各スイッチング素子２６に並列に接続されたダイオード２７とからなるインバータモジュール２４と、インバータモジュール２４に並列に接続されたコンデンサ２５とを備えている。このコンデンサ２５は、インバータモジュール２４を流れる電流を平滑する役割を有する。

インバータモジュール２４は、並列に接続されたスイッチング素子２６およびダイオード２７の２組を直列に接続したものを、並列に３つ配置し、それらの素子２６、２７を一体にパッケージ封入して構成されている。そして、電機子巻線１４の各Ｙ結線端部が、直列に接続されたスイッチング素子２６の中間点にそれぞれ接続されている。
インバータモジュール２４は、スイッチング素子２６のスイッチング動作が制御装置２８により制御される。そして、車両用始動発電電機１は、電力が供給されて始動電動機として動作し、エンジン３２を始動させる。また、車両用始動発電電機１は、エンジン３２の始動後、エンジン３２により回転駆動されて交流発電機として動作し、三相交流電圧を発生する。

車両用始動発電電機１の駆動用電源である３６Ｖ系の第１のバッテリ２９がインバータモジュール２４に並列に接続されている。この車両用始動発電電機１は、第１のバッテリ２９により、高電圧（３６Ｖ）で運転される。また、車両に搭載される電機負荷は一般的に１２Ｖを定格としているため、１２Ｖ系の第２のバッテリ３０が搭載されている。そこで、電気負荷駆動用の第２のバッテリ３０を充電できるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１がインバータモジュール２４に並列に接続されている。
つまり、車両用始動発電電機１によるエンジン３２の始動時には、車両用始動発電電機１の発生トルクを大きくする、即ち電機子巻線１４への通電電流量を大きくする必要がある。そして、車両に搭載された電気負荷を駆動するための第２のバッテリ３０による運転では、配線でのロスが大きくなってしまい、さらに配線抵抗を小さくするために配線自体が大きくなってしまう。そこで、バッテリ電圧を高電圧化して、送電ロスを低減している。

ついで、このように構成された車両用始動発電装置の動作について説明する。
まず、制御装置２８が、各スイッチング素子２６をＯＮ／ＯＦＦ制御し、第１のバッテリ２９の直流電力から三相交流電力を発生させる。この三相交流電力が電機子巻線１４に供給され、回転子８の界磁巻線１５に回転磁界が与えられ、回転子８が回転駆動される。そして、回転子８の回転力がプーリ７およびベルト（図示せず）を介してエンジン３２に伝達され、エンジン３２が回転駆動、即ち始動される。
そして、エンジン３２が始動されると、エンジン３２の回転力がベルトおよびプーリ７を介して車両用始動発電電機１に伝達される。これにより、回転子８が回転駆動され、電機子巻線１４に三相交流電圧が誘起される。そこで、制御装置２８が、各スイッチング素子２６をＯＦＦとし、オルタネータ発電モードにより車両用始動発電電機１を発電させる。この発電状態において、インバータモジュール２４は、並列接続された２つのダイオード２７の組が並列に３組接続された三相全波整流回路となり、電機子巻線１４に誘起された三相交流電圧がインバータユニット２３により直流に整流される。そして、インバータユニット２３により整流された直流電力により、第１のバッテリ２９が充電される。また、インバータユニット２３により整流された直流電力が、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１により１２Ｖに変換されて第２のバッテリ３０に供給される。

つぎに、電機子巻線の巻き数を変えることによる車両用始動発電電機の特性変化について図４および図５を参照しつつ説明する。図４は比較例としての車両用始動発電電機における始動運転時の駆動特性を示す図であり、図中、曲線Ａ１は電機子巻線の巻き数を４ターンとした場合の駆動特性、曲線Ａ２は電機子巻線の巻き数を５ターンとした場合の駆動特性である。図５は比較例としての車両用始動発電電機における発電運転時の発電特性を示す図であり、図中、曲線Ｂ１は電機子巻線の巻き数を４ターンとした場合のオルタネータ発電モードでの発電特性、曲線Ｂ２は電機子巻線の巻き数を５ターンとした場合のオルタネータ発電モードでの発電特性である。ここで、比較例としての車両用始動発電電機は、永久磁石２０が配設されていない点を除いて、上述の車両用始動発電電機１と同様に構成されている。また、各図の横軸は、車両用始動発電電機（シャフト６）の回転速度を示している。

図４において、曲線Ａ１，Ａ２に示されるように、回転速度０ｒ／ｍｉｎから延びる水平域は、制御されるインバータの電流容量できまる一定トルク領域であり、インバータ最大電流容量を同一とすれば、電機子巻線の巻き数に比例するトルクが発生される。そして、回転速度が増加すると、車両用始動発電電機の端子電圧は入力される電圧を超えることができず、回転速度の増加と共にトルクが低下する（一定出力領域）。
図４から、電機子巻線の巻き数を増加させると、最大トルクが増加するが、一定出力領域が低下してしまうことがわかる。即ち、同一回転速度における駆動トルクは、一定トルク領域では、曲線Ａ１＜曲線Ａ２となり、一定出力領域では、曲線Ａ１＞曲線Ａ２となる。しかも、電機子巻線の巻き数を増やすことで、一定トルク領域が狭まってしまう。
このように、始動電動機としては、到達始動回転速度が高い方が望まれるが、単に電機子巻線の巻き数を増加させるだけでは、十分な機能が得られないことがわかる。

図５において、曲線Ｂ１，Ｂ２に示されるように、電機子巻線の巻き数を増やすことにより、充電開始回転速度が低回転速度側にシフトし、低回転速度域での発電量が増えることがわかる。しかし、電機子巻線の巻き数を増やすことにより、同一回転速度に対する逆起電力も増大し、さらに電機子巻線抵抗が増大することから、高回転速度域での発電量が低下してしまう。
このように、発電機としては、単に電機子巻線の巻き数を増加させるだけでは、十分な機能が得られない。

つまり、永久磁石が配設されていない比較例としての界磁巻線式始動電動発電機では、駆動特性の向上と発電特性の向上とは、相反することになり、この解決策が課題となっている。

つぎに、永久磁石２０を配置することによる車両用始動発電電機の特性変化について図６および図７を参照しつつ説明する。図６はこの発明の実施の形態１に係る車両用始動発電電機における始動運転時の駆動特性を示す図であり、図中、曲線Ａ１は比較例としての車両用始動発電電機の駆動特性、曲線Ａ３は車両用始動発電電機１の駆動特性である。図７はこの発明の実施の形態１に係る車両用始動発電電機における発電運転時の発電特性を示す図であり、図中、曲線Ｂ１は比較例としての車両用始動発電電機の発電特性、曲線Ｂ３は車両用始動発電電機１の発電特性である。なお、車両用始動発電電機１における電機子巻線の巻き数は、比較例としての車両用始動発電電機における電機子巻線の巻き数（４ターン）と同じである。

図６から分かるように、永久磁石２０が爪状磁極１７ａ、１７ｂ間に配設された車両用始動発電電機１では、比較例としての車両用始動発電電機に比べて、一定トルク領域での最大トルクが大きくなり、一定出力領域での特性の低下が抑えられている（曲線Ａ１，Ａ３参照）。この最大トルクの向上は、永久磁石２０の磁束が回転子８に付加されたことによるものと考えられる。また、電機子巻線１４の巻き数が同じであるので、電機子巻線１４の巻き数を増やすことに起因する一定出力領域での特性の低下が抑えられている。
図７から分かるように、車両用始動発電電機１では、充電開始回転速度が低回転速度側にシフトし、低回転速度域での発電量が増えている。さらに、高回転速度域での発電特性の低下が抑えられている（曲線Ｂ１，Ｂ３参照）。この充電開始回転速度の低回転速度側へのシフトは、永久磁石２０の磁束の付加により総磁束の増加によるものと考えられる。また、電機子巻線１４の巻き数が同じであるので、電機子巻線１４の巻き数を増やすことに起因する同一回転速度に対する逆起電力の増大や電機子巻線１４の抵抗の増大がなく、高回転速度域での特性の低下が抑えられている。さらに、永久磁石２０による起磁力が界磁巻線１５により発生される起磁力に付加されるため、界磁起磁力が増大され、運転回転速度全域において、出力の増加が得られる。

このように、この実施の形態１によれば、永久磁石２０を隣り合う爪状磁極１７ａ，１８ａ間に配設しているので、始動発電装置に求められる始動特性の向上と発電特性の向上を両立できる車両用始動発電装置を実現できる。
そして、永久磁石２０の磁束が回転子８に付加されるので、回転子８の体格を大きくすることなく最大トルクを向上でき、コストアップおよび搭載性の悪化を抑えることができる。

なお、上記実施の形態１では、永久磁石２０としてフェライト磁石を用いるものとしているが、永久磁石に高残留磁束タイプの磁石、例えばネオジ鉄磁石を用いてもよい。この場合、電機子巻線１４の線電流を低減でき、インバータの小型化が可能となり、コストアップを最小限に抑えることができる。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る車両用始動発電電機における発電運転時の発電特性を示す図であり、図中、曲線Ｂ１は電機子巻線の巻き数が４ターンでかつ永久磁石が配設されていない比較例としての車両用始動発電電機のオルタネータ発電モードでの発電特性、曲線Ｂ３は電機子巻線の巻き数が４ターンでかつ永久磁石が配設されている車両用始動発電電機のオルタネータ発電モードでの発電特性、曲線Ｂ４は電機子巻線の巻き数が６ターンでかつ永久磁石が配設されていない比較例としての車両用始動発電電機のオルタネータ発電モードでの発電特性、曲線Ｂ５は電機子巻線の巻き数が４ターンでかつ永久磁石が配設されていない比較例としての車両用始動発電電機のインバータ発電モードでの発電特性を示している。
なお、インバータ発電モードの場合には、制御装置２８が、各スイッチング素子２６をＯＮ／ＯＦＦ制御し、電機子巻線１４に誘起された三相交流電圧を直流に整流する。

一般的な車両用交流発電機は、発電時の低速域発電量を重視するために、電機子巻線１４の巻き数を６ターン程度に設定している。つまり、一般的な車両用交流発電機の発電特性は、曲線Ｂ４に示される車両用始動発電電機と同等の発電特性を示す。
そして、電機子巻線１４の巻き数を６ターンから４ターンとすれば、曲線Ｂ１に示されるように、充電開始回転速度が高回転速度側にシフトするが、高回転速度域での発電量が増えることがわかる。
また、電機子巻線１４の巻き数を４ターンとした車両用始動発電電機に対して永久磁石２０を配設すると、曲線Ｂ３に示されるように、充電開始回転速度が低回転速度側にシフトするとともに、低回転速度域での発電量が増えることがわかる。
さらに、電機子巻線１４の巻き数を４ターンとした車両用始動発電電機をインバータ発電モードで発電させると、曲線Ｂ５に示されるように、電機子巻線１４の巻き数が６ターンの車両用始動発電電機に比べて、充電開始回転速度が低くなり、かつ、低回転速度域での発電量が増えることがわかる。

従って、電機子巻線１４の巻き数を４ターンとした車両用始動発電電機を低回転速度域ではインバータ発電モードで発電させ、高回転速度域ではオルタネータ発電モードで発電させることにより、電機子巻線１４の巻き数が６ターンの車両用始動発電電機、即ち一般的な車両用交流発電機より良好な発電特性を得ることができる。
さらに、永久磁石２０を配設し、かつ、電機子巻線１４の巻き数を４ターンとした車両用始動発電電機を低回転速度域ではインバータ発電モードで発電させ、高回転速度域ではオルタネータ発電モードで発電させることにより、さらに良好な発電特性を得ることができる。この時、界磁磁束が永久磁石２０を配設することにより向上されることから、インバータ発電モードでの発電量は、曲線Ｂ５より大きくなる。しかし、インバータ発電モードでの発電量は、曲線Ｂ５と同等の発電量が得られればよいことから、電機子巻線１４に流される線電流を減少することができ、インバータの小型化および低コスト化が図られる。

このように、永久磁石２０を爪状磁極１７ａ，１８ａ間に配設した車両用始動発電電機において、制御装置２８が、リゾルバ２２の出力に基づいて、低回転速度域のときに、各スイッチング素子２６をＯＮ／ＯＦＦ制御してインバータ発電モードで発電させ、高回転速度域のときに、各スイッチング素子１６をＯＦＦとしてオルタネータ発電モードで発電させることにより、全回転速度域に渡って、良好な発電特性を得ることができる車両用始動発電装置を実現できる。また、永久磁石２０を配設しているので、電機子巻線１４の巻き数を低減でき、小型化が図られると共に、電機子巻線１４に流される線電流を減少でき、インバータの小型化および低コスト化が図られる。
さらに、一般的な車両用交流発電機をベースに車両用始動発電電機を製作できるので、低コストで車両用始動発電電機を製作することができる。

なお、図８では、曲線Ｂ３と曲線Ｂ５との交点は約１７５０ｒ／ｍｉｎとなっている。そして、車両用回転電機におけるトルク伝達プーリ比は２．５程度であることから、シャフト６の回転速度１７５０ｒ／ｍｉｎは、エンジン３２の回転速度に換算すると７００ｒ／ｍｉｎに相当する。また、エンジン機関常用回転速度域は７００〜３０００ｒ／ｍｉｎである。そこで、例えば、制御装置２８が、エンジン３２の始動後、常用回転数域に到達するまで（低回転速度域）はインバータ発電モードで発電させ、常用回転数域に到達した後（高回転速度域）オルタネータ発電モードで発電させるように制御すればよい。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３に係る車両用始動発電電機における界磁電流と駆動特性との関係を示す図である。なお、図中、界磁巻線１５に通電される界磁電流は曲線Ｃ１＜曲線Ｃ２＜曲線Ｃ３となっている。
図９から、出力トルクは、回転速度が３００ｒｐｍ未満では、曲線Ｃ１＜曲線Ｃ２＜曲線Ｃ３となり、回転速度が３００ｒｐｍ以上６００ｒｐｍ未満では、曲線Ｃ３＜曲線Ｃ１＜曲線Ｃ２となり、回転速度が６００ｒｐｍ以上では、曲線Ｃ３＜曲線Ｃ２＜曲線Ｃ１となることが分かる。

従って、制御装置２８が、リゾルバ２２の出力に基づいて、車両用始動発電電機１の回転速度をモニターし、回転速度が３００ｒｐｍ未満では、曲線Ｃ３となる界磁電流に制御し、回転速度が３００ｒｐｍ以上６００ｒｐｍ未満では、曲線Ｃ２となる界磁電流に制御し、回転速度が６００ｒｐｍ以上では、曲線Ｃ１となる界磁電流に制御することにより、出力一定領域の出力を向上させることができる。

永久磁石２０を付加した車両用始動発電電機において、永久磁石２０を備えてない車両用始動発電電機と同等の界磁電流を界磁巻線１５に通電すると、永久磁石２０を付加することに伴う逆起電力により、出力一定領域での出力が低下してしまう。
しかし、このように、界磁巻線１５に通電する界磁電流を車両用始動発電電機１の回転速度に応じて、つまり回転速度が速くなるほど低減するように制御することにより、永久磁石２０を付加することに伴う逆起電力に起因して出力一定領域での出力が低下するという問題を解決することができる。

実施の形態４．
図１０はこの発明の実施の形態４に係る車両用始動発電電機における始動運転時の駆動特性を示す図であり、図中、曲線Ａ１は比較例としての車両用始動発電電機の駆動特性、曲線Ａ３は車両用始動発電電機１の駆動特性、曲線Ａ４は界磁巻線１５に通電される界磁電流を大きくした場合の車両用始動発電電機１の駆動特性である。

図１０から、永久磁石２０が爪状磁極１７ａ、１７ｂ間に配設された車両用始動発電電機１では、比較例としての車両用始動発電電機に比べて、一定トルク領域での最大トルクが大きくなっている（曲線Ａ１，Ａ３参照）。さらに、界磁巻線１５に通電される界磁電流を増やすことにより、一定トルク領域での最大トルクをさらに大きくすることができる（曲線Ａ３，Ａ４参照）。

ここで、界磁巻線１５の熱設計は、車両用始動発電電機１の運転状態を考慮して行われる。そして、始動運転の運転時間は、連続運転される発電運転時に比べて、著しく短時間となることから、始動運転時に界磁巻線１５に通電される最大界磁電流は、発電運転時に界磁巻線１５に通電される最大界磁電流に対して大きく設定できる。

この実施の形態４では、上述の始動運転時と発電運転時との界磁電流の定格の違いに着目し、制御装置２８が、始動運転時に、発電運転時に界磁巻線１５に通電される界磁電流より大きな界磁電流を界磁巻線１５に通電するように制御している。これにより、始動運転時における界磁起磁力を大きくでき、大きな最大トルクを得ることができる。また、発電運転時における界磁巻線１５に通電される界磁電流が界磁巻線１５の熱設計を考慮して設定されるので、界磁巻線１５の過度の温度上昇が抑制される。

このように、この実施の形態４によれば、始動運転時の界磁電流を発電運転時の界磁電流より大きくしているので、界磁巻線１５の過度の温度上昇を抑えて、駆動特性が向上させた車両始動発電装置を実現できる。

実施の形態５．
図１１はこの発明の実施の形態５に係る車両用始動発電電機における界磁起磁力と有効磁束との関係を説明する図であり、図中、曲線Ｄ１は比較例としての車両用始動発電電機の特性、曲線Ｄ２は車両用始動発電電機１の特性である。つまり、曲線Ｄ１は永久磁石が省略された車両用始動発電電機における界磁起磁力と有効磁束との関係を示すもので、曲線Ｄ２は永久磁石が配設された車両用始動発電電機における界磁起磁力と有効磁束との関係を示すものである。なお、図中、横軸は界磁起磁力であり、１４００ＡＴ（アンペア・ターン）が界磁電流制御ＤＵＴＹ８０％で界磁電流を界磁巻線１５に通電した時に得られる界磁起磁力に相当し、１８００ＡＴが界磁電流制御ＤＵＴＹ１００％で界磁電流を界磁巻線１５に通電した時に得られる界磁起磁力に相当している。また、縦軸は電機子９の１極１ターン当たりの有効磁束である。

一般に、車両用回転電機においては、界磁起磁力は、磁気回路が飽和されるレベルにて運転される。磁気回路が飽和状態となると、界磁電流による界磁起磁力を上げても、それ以上有効磁束は増加しない場合がある。特に、界磁巻線式の車両用回転電機においては、磁気飽和が回転子鉄心１６の部分で磁気飽和した状態では、界磁電流による損失が増加する割には有効磁束が変化しないので、効率の悪い運転状態にあると言える。つまり、図１１の曲線Ｄ１に示されるように、界磁電流を制御１００％DUTYで投入した場合、１００％近傍の例えばDUTY８０％で制御した場合に比べて、特性の向上、即ち有効磁束の増加ΔΦ１が少ない。そこで、従来、損失をできるだけ抑えるために、始動運転時の最大界磁起磁力は、界磁電流制御ＤＵＴＹ８０％近傍で制御されていた。

一方、永久磁石２０が爪状磁極１７ａ，１７ｂ間に配設されている車両用始動発電電機においては、図１１中曲線Ｄ２に示されるように、界磁電流を制御１００％DUTYで投入した場合、界磁電流を例えばDUTY８０％で制御した場合に比べて、有効磁束の増加ΔΦ２が大きく、特性の変化が大きいことが分かる。これは、永久磁石２０を爪状磁極１７ａ，１７ｂ間に配設することにより、回転子鉄心１６の部分での磁気飽和が緩和されることに起因するものと考えられる。

この実施の形態５では、上記実施の形態４と同様に、界磁電流の定格に違いに着目して、短時間定格である始動運転時の界磁起磁力を、連続定格である発電運転時の界磁起磁力より大きく設定し、かつ、永久磁石２０の配設により、始動運転時の界磁起磁力は、その界磁電流制御ＤＵＴＹ１００％にて運転するものである。これにより、始動運転時の最大駆動トルクが向上される。

なお、上記各実施の形態では、隣り合う爪状磁極１７ａ，１７ｂが周方向に完全に分離しているクローポール型回転子鉄心１６を用いるものとして説明しているが、本願は、隣り合う爪状磁極が外周部で薄肉の磁性体からなる連結構造体により連結された回転子鉄心に適用しても、同様の効果がある。即ち、隣り合う爪状磁極が外周部で薄肉の連結構造体により連結された回転子鉄心は、薄肉の連結構造体が磁気飽和し、隣り合う爪状磁極間が磁気的に分離されるので、本願におけるクローポール型回転子鉄心として機能する。また、隣り合う爪状磁極が外周部で薄肉の連結構造体により連結された回転子鉄心は、爪状磁極の外周部が連結構造体により連結されているので、回転子鉄心の外周面が滑らかな円筒面を構成し、回転子鉄心の外周面の凹凸に起因する風騒音が低減される。

この発明の実施の形態１に係る車両用始動発電電機を示す縦断面図である。この発明の実施の形態１に係る車両用始動発電電機における回転子を示す斜視図である。この発明の実施の形態１に係る車両用始動発電装置を示す概念図である。比較例としての車両用始動発電電機における始動運転時の駆動特性を示す図である。比較例としての車両用始動発電電機における発電運転時の発電特性を示す図である。この発明の実施の形態１に係る車両用始動発電電機における始動運転時の駆動特性を示す図である。この発明の実施の形態１に係る車両用始動発電電機における発電運転時の発電特性を示す図である。この発明の実施の形態２に係る車両用始動発電電機における発電運転時の発電特性を示す図である。この発明の実施の形態３に係る車両用始動発電電機における界磁電流と駆動特性との関係を示す図である。この発明の実施の形態４に係る車両用始動発電電機における始動運転時の駆動特性を示す図である。この発明の実施の形態５に係る車両用始動発電電機における界磁起磁力と有効磁束との関係を説明する図である。

符号の説明

１車両用始動発電電機、８回転子、９電機子、１３電機子鉄心、１４電機子巻線、１５界磁巻線、１６回転子鉄心、１７ａ，１７ｂ爪状磁極、２０永久磁石、２３インバータユニット、２４インバータモジュール、２６スイッチング素子、２７ダイオード、２８制御装置、２９バッテリ、３２エンジン。

Claims

バッテリと、
エンジンに連結されて、該エンジンの始動時に、上記バッテリの電力により駆動されて該エンジンを始動し、かつ、該エンジンの始動後、該エンジンに駆動されて交流電力を発生する車両用回転電機と、
上記バッテリの正負端子間に直列接続された一対のスイッチング素子および該スイッチング素子に並列接続されたダイオードを複数組有し、直列接続されたスイッチング素子の接続点を上記車両用回転電機に接続されたインバータと、
上記エンジンの始動時に、上記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせて上記バッテリの電力を上記車両用回転電機に供給して該車両用回転電機を駆動させ、上記エンジンの始動後、上記スイッチング素子を制御して上記ダイオード群により上記車両用回転電機で発生する交流電力に整流させて上記バッテリを充電するように上記インバータを制御する制御装置と、を備えた車両用始動発電装置において、
上記車両用回転電機は、電機子巻線が巻回された電機子鉄心と、上記電機子鉄心の内周側に配置されたクローポール型回転子鉄心および該クローポール型回転子鉄心の爪状磁極内周側に巻装された界磁巻線を有する回転子とを備え、
さらに、永久磁石が隣り合う上記爪状磁極間に配設されていることを特徴とする車両用始動発電装置。
上記制御装置は、上記エンジンの始動後、常用回転速度域に到達するまでは上記スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦさせてインバー発電モードで発電させ、常用回転速度域に到達後、上記スイッチング素子をＯＦＦとしてオルタネータ発電モードを発電させるように上記インバータを制御することを特徴とする請求項１記載の車両用始動発電装置。
上記制御装置は、始動運転時に、回転速度が大きくなるにつれ、上記界磁巻線に通電される界磁電流を低減するように制御することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の車両用始動発電装置。
上記制御装置は、始動運転時の界磁起磁力が、発電運転時の最大界磁起磁力より大きくなるように上記界磁巻線に通電される界磁電流を制御することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の車両用始動発電装置。
上記制御装置は、始動運転時、界磁電流制御デューティ１００％で上記界磁電流を上記界磁巻線に通電するように制御することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の車両用始動発電装置。