JP2006087248A - 車両用発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造を簡素にするとともに電圧が異なる２系統に対して過不足なく電力供給を行うことができる車両用発電機を提供すること。
【解決手段】 車両用発電機１００には、界磁巻線１０が巻装された回転子と、単一の電機子鉄心に第１および第２の三相巻線２０、２２が巻装された固定子と、第１および第２の三相巻線２０、２２のそれぞれの出力電圧を整流する整流器３０と、界磁巻線１０に流れる励磁電流を制御する発電制御装置５０とが備わっている。整流器３０は、３つのダイオードが直列に接続された三階層構造を有しており、異なる層に第１および第２の三相巻線２０、２２のそれぞれが接続される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、２種類の出力電圧を発生する車両用発電機に関する。

近年の自動車では電動パワーステアリングや電動コンプレッサなど大電力を必要とする電気負荷の装着がすすんでおり、電力の発電や供給用機器の小型化やその効率にメリットの大きい高電圧（４２Ｖ）の電源システムの採用が見られるようになってきた。一方、自動車のヘッドランプなどのフィラメント負荷や、ワイパーやスタータなどコンミテータを用いる直流機器では、寿命や火花の増加により高電圧の電源システム４２Ｖは不向きであり、今後とも低電圧（１４Ｖ）の電源システムの継続的な採用が望まれている。これらの異なる要求に応えようとすると、高電圧を用いる車両では降圧ＤＣ−ＤＣコンバータで１４Ｖの低電圧を作り出すことや、４２Ｖの高電圧を発生する発電機と１４Ｖの低電圧を発生する発電機とを備えることが必要になる。しかし、発電機とは別に降圧ＤＣ−ＤＣコンバータを備えたり、２つの発電機を備えたりすると、コストの上昇や搭載スペースが必要になる不都合があるため、単一の発電機に複数の巻線を施して高低２種類の電圧を発生する方法も考えられている（例えば、特許文献１、２参照。）。
特開平６−１０５５１２号公報（第３−４頁、図１−３） 特許第２９４６５９２号公報（第３−４頁、図１−２）

ところで、特許文献１や特許文献２に開示されているように、単一の発電機によって異なる電圧の負荷系統に電力を供給するために２つの電圧を発生させる２つの巻線構造や整流器の構成を持つと、いずれかの負荷系統が軽負荷のときにはその系統のための巻線や整流器の機能に無駄が生じることになり、設計的に効率がよくない。すなわち、コストあたりの供給能力が劣るということになる。また、これを解決するためには、低電圧側の回路を高電圧側の回路とシリーズ構成として、高電圧系の発電電圧を低電圧系の発電電圧に加算して出力するという方法が考えられる。この場合には構成が簡素となるが、その反面、整流器の個数が多いため順方向電圧降下が増加し、内部インピーダンスが増加して、高電力の実現が困難となるという問題がある。また、高電圧系は低電圧系と巻線や整流器を一部共用する構成であるため、高低両系統への給電が独立に制御できず、どちらかの供給に過不足を生じるおそれがあるという問題がある。

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、構造を簡素にするとともに電圧が異なる２系統に対して過不足なく電力供給を行うことができる車両用発電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用発電機は、界磁巻線が巻装された回転子と、単一の電機子鉄心に第１および第２の三相巻線が巻装された固定子と、第１および第２の三相巻線のそれぞれの出力電圧を整流する整流器と、界磁巻線に流れる励磁電流を制御する発電制御装置とを備えており、整流器は、第１、第２および第３の整流素子が極性を揃えて直列接続されるとともに一方端同士および他方端同士が共通に接続された３つの直列回路と、３つの直列回路のそれぞれにおいて中央に配置された第２の整流素子の低電位側の端部に一方端が接続されて他方端が共通に接続された３つの第４の整流素子とを有し、３つの直列回路のそれぞれに含まれる第１および第２の整流素子の接続点に第１の三相巻線の各相出力端子が、一の相巻線と一の直列回路とが１対１になるように接続され、３つの直列回路のそれぞれに含まれる第２および第３の整流素子の接続点に第２の三相巻線の各相出力端子が、一の相巻線と一の直列回路とが１対１になるように接続され、３つの直列回路の共通に接続された一方の端部を高電圧出力端子として用いるとともに、３つの第４の整流素子の共通に接続された端部を低電圧出力端子として用いている。３つの整流素子が直列接続された３階層構造の整流器の各階層に２つの三相巻線を接続して異なる層から出力を取り出すことにより、２種類の電圧を同時に取り出すことができる。また、２つの三相巻線のそれぞれに対応して別々に整流器を備えてこれらを直列に接続する場合に比べて構成を簡素にすることができ、その分だけ整流素子による順方向電圧降下を少なく、かつ、内部インピーダンスを低くすることができる。

また、上述した発電制御装置は、高電圧出力端子の電圧あるいはこれに連動する電圧と、低電圧出力端子の電圧あるいはこれに連動する電圧の少なくとも一方が、それぞれに対応する適正範囲の下限値を下回ったときに、界磁巻線に対して励磁電流の供給を行うことが望ましい。高電圧出力端子と低電圧出力端子とが整流器内部でリンクしており、２つの三相巻線の巻数比に応じて２つの出力端子の電圧が連動するため、各出力電圧に基づいて励磁電流の供給を制御することにより、２系統の負荷に対して過不足なく電力供給を行うことができる。

また、上述した電機子鉄心には、複数のスロットが形成されており、第１の三相巻線と第２の三相巻線は、異なるスロットに導体を巻装することにより形成されており、第１の三相巻線と第２の三相巻線のそれぞれに対応するスロットの数を、第１の三相巻線と第２の三相巻線の巻数比に対応させることが望ましい。これにより、巻数比が異なる２つの三相巻線を同一スロットに収納することなく分散して電機子鉄心の各スロットに巻装することにより、少ない巻数本数であることが必要な低インピーダンスの平角導線を活用でき、高電圧高電力を供給するための低インピーダンスの電機子巻線を実現することができる。また、２つの三相巻線が巻装されるスロットが分かれることから、高電圧巻線部分と低電圧巻線部分とをスロットを分けて収納することができ、巻線占積率を高めることによる絶縁劣化にいたずらに気を使う必要がなく、高占積率低インピーダンスの電機子巻線を容易に構成することができる。

また、上述した界磁巻線は、低電圧出力端子に接続されていることが望ましい。これにより、界磁巻線に印加される電圧を低くすることができるため、界磁巻線やこれに接続される各部（スリップリング等）の耐食性を向上させることができる。

また、上述した第２の整流素子の高電位側の端部に一方端が接続されて他方端が共通に接続された３つの第５の整流素子をさらに備え、界磁巻線は、第５の整流素子の共通に接続された端部に接続されていることが望ましい。励磁電流を高電圧系統から取り出すことにより、高電圧の出力電流に示す界磁電流の比率を小さくすることができるため、車両用発電機全体の発電効率を向上させることができる。

また、上述した第１および第２の三相巻線の少なくとも一方の相巻線に直列に接続されたスイッチ手段をさらに備え、発電制御装置は、低速回転域においてスイッチ手段をオンし、高速回転域においてスイッチ手段をオフすることが望ましい。これにより、高速回転域では一方の三相巻線を用いた少ない巻数の固定子を実現することができるため大きな出力を取り出すことが可能になる。特に、発電機内部インピーダンスを低くすることができるため、直流モータ等の高負荷が高電圧出力端子に接続された場合の出力端子の電圧降下を少なくすることができる。また、これに伴って低電圧出力端子における電圧降下も少なくなり、高出力化とともに二電圧系の電圧安定化を図ることができる。

また、上述した高電圧出力端子および低電圧出力端子のそれぞれに接続される負荷の定格動作電圧の比率に対して、低電位側に接続された第１あるいは第２の三相巻線の巻数比を高く設定することが望ましい。低電位側（低電圧系統）の三相巻線には、高電圧系統の三相巻線に流れる電流も重畳されるため、低電圧出力端子に負荷が接続された場合の低電圧側の出力電圧が低下するが、低電位側の三相巻線の巻数を多くすることにより、この電気負荷接続時における電圧を適正値に保つことが可能になり、２つの電圧系等における電力供給を過不足なく安定させることができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の二電源発電システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態の二電源発電システムの構成を示す図である。図１において、車両用発電機１００は、回転子に備わった界磁巻線１０と、固定子に備わった２組の三相巻線２０、２２と、巻数比が２：１の２組の三相巻線２０、２２の各三相出力を全波整流する９個以上の整流素子としてのダイオードを含む整流器３０と、車両用発電機１００の出力電圧に基づいて界磁巻線１０に供給する励磁電流を制御することにより車両用発電機１００の発電状態を制御する発電制御装置５０とを含んで構成されている。この車両用発電機１００は、出力電圧４２Ｖの高電圧出力端子３２と出力電圧１４Ｖの低電圧出力端子３３とを有する。高電圧出力端子３２には定格電圧４２Ｖの高電圧電池９０が接続されており、低電圧出力端子３３には定格電圧１４Ｖの低電圧電池９２が接続されている。

図２は、回転子と固定子の一部を周方向に展開した図である。回転子１は、ランデル爪状型１２極の多極磁極を有するロータ磁極１２を備えており、その内周側に界磁巻線１０が所定回（例えば５００回）巻装されている。

固定子２は、ロータ磁極１２の外周側に対向配置される所定板厚（例えば０．３５ｍｍ）の薄厚電磁鋼板を積層して形成されて１０８個のスロット２４を有する電機子鉄心２６を備えている。各スロット２４には２本の導体２８が９スロットピッチで巻装されている。

また、図２に示すように、一つの極に対応する９個のスロット２４のそれぞれには直列接続された２本の導体２８が巻装されており、それぞれのスロット２４内の導体２８によってＸ１、Ｘ２、−Ｖ、−Ｚ１、−Ｚ２、Ｕ、Ｙ１、Ｙ２、−Ｗの順番で相巻線が形成されている。この中で、「Ｘ１、Ｘ２」は、直列接続されて一方の三相巻線２０のＸ相を構成している。「−Ｚ１、−Ｚ２」は、直列接続されて三相巻線２０のＺ相を構成している。「Ｙ１、Ｙ２」は、直列接続されて三相巻線２０のＺ相を構成している。また、「−Ｗ、−Ｖ、Ｕ」は、それぞれ単独で他方の三相巻線２２のＷ相、Ｖ相、Ｕ相を構成している。なお、マイナスの符号は巻回方法が反対であって誘起される電圧ベクトルが逆相関係となることを示している。したがって、Ｘ相（Ｘ１、Ｘ２）はＶ相と、Ｙ相（Ｙ１、Ｙ２）はＷ相と、Ｚ相（Ｚ１、Ｚ２）はＵ相と、それぞれの電圧ベクトルがほぼ逆相の関系となる向きに導体２８が巻回されている。

一方の三相巻線２０のＸ相出力端子１４、Ｙ相出力端子１５、Ｚ相出力端子１６と、他方の三相巻線２２のＵ相出力端子１７、Ｖ相出力端子１８、Ｗ相出力端子１９が別々に整流器３０に接続されている。

整流器３０は、３つのダイオードが直列接続された組（直列回路）が３組備わった三階層構成を有しており、その両端が正極端子（高電圧出力端子）３２と負極端子３４にそれぞれ接続されている。具体的には、整流器３０は、それぞれのアノードが正極端子３２に接続された３つのダイオード３６ａ、３６ｂ、３６ｃからなる正極ダイオード群３６と、それぞれのカソードが負極端子３４に接続された３つのダイオード３８ａ、３８ｂ、３８ｃからなる負極ダイオード群３８と、正極ダイオード群３６と負極ダイオード群３８の間に接続されてそれぞれに含まれる３つのダイオードに直列接続される３つのダイオード４０ａ、４０ｂ、４０ｃからなるバッファダイオード群４０とを有している。

一方の三相巻線２０の３つの出力端子が正極ダイオード群３６とバッファダイオード群４０の間に接続される。図１に示した例では、ダイオード３６ａと４０ａの接続点にさらに三相巻線２０のＸ相出力端子１４が接続される。ダイオード３６ｂと４０ｂの接続点にさらに三相巻線２０のＹ相出力端子１５が接続される。ダイオード３６ｃと４０ｃの接続点にさらに三相巻線２０のＺ相出力端子１６が接続される。

他方の三相巻線２２の３つの出力端子が負極ダイオード群３８とバッファダイオード群４０の間に接続される。図１に示した例では、ダイオード３８ａと４０ａの接続点にさらに三相巻線２２のＶ相出力端子１８が接続される。ダイオード３８ｂと４０ｂの接続点にさらに三相巻線２２のＷ相出力端子１９が接続される。ダイオード３８ｃと４０ｃの接続点にさらに三相巻線２２のＵ相出力端子１７が接続される。

また、整流器３０には、負極ダイオード群３８を構成する３つのダイオードの各アノードにカソードが接続され、アノードが共通に接続された３つのダイオード４２ａ、４２ｂ、４２ｃからなるトリオダイオード４２が、バッファダイオード群４０と並列に備わっている。このトリオダイオード４２のアノードは、低電圧出力端子３３を介して外部の低電圧電池９２の正極端子に接続されている。

さらに、整流器３０には、正極ダイオード群３６を構成する３つのダイオードの各カソードにカソードが接続され、アノードが共通に接続された３つのダイオード４４ａ、４４ｂ、４４ｃからなるトリオダイオード４４が、正極ダイオード群３６と並列に備わっている。このトリオダイオード４４のアノードは、発電制御装置５０に接続されている。

発電制御装置５０は、スイッチング素子５２、環流ダイオード５４、３つの電圧比較器５６、５８、６０、オア回路６２、アンド回路６４を備えている。スイッチング素子５２は、界磁巻線１０に直列に接続されており、界磁巻線１０の一方端が接続された整流器３０の正極端子３２から流れる励磁電流の断続を行う。環流ダイオード５４は、励磁巻線１０に並列に接続されており、スイッチング素子５２がオフされたときに励磁巻線１０の励磁電流を環流させる。

電圧比較器５６は、プラス入力端子にイグニッションスイッチ９４を介して低電圧電池９２の端子電圧が印加され、マイナス入力端子に基準電圧Ｖ１が印加されている。基準電圧Ｖ１は、低電圧電池９２の端子電圧よりも低い値が設定されており、イグニッションスイッチ９４がオンされると、電圧比較器５６からハイレベルの信号が出力され、アンド回路６４の一方の入力端に入力される。

電圧比較器５８は、マイナス入力端子に高電圧電池９０の端子電圧（高電圧出力端子電圧やこれに連動する電圧でもよい）が印加され、プラス入力端子に基準電圧Ｖ２が印加されている。電圧比較器５８は、高電圧電池９０の端子電圧が基準電圧Ｖ２より低くなったときにハイレベルの信号を出力する。また、電圧比較器６０は、マイナス入力端子に低電圧電池９２の端子電圧（低電圧出力端子電圧やこれに連動する電圧でもよい）が印加され、プラス入力端子に基準電圧Ｖ３が印加されている。電圧比較器６０は、低電圧電池９２の端子電圧が基準電圧Ｖ３より低くなったときにハイレベルの信号を出力する。オア回路６２は、２つの電圧比較器５８、６０の各出力信号が入力されており、これら２つの信号の論理和信号を出力する。したがって、高電圧電池９０の端子電圧が基準電圧Ｖ２より低くなったり、低電圧電池９２の端子電圧が基準電圧Ｖ３より低くなって、電圧比較器５８、６０の少なくとも一方からハイレベルの信号が出力されると、オア回路６２からハイレベルの信号が出力される。この信号はアンド回路６４の他方の入力端に入力される。イグニッションスイッチ９４がオンされた後はアンド回路６４の一方の入力端には常時ハイレベルの信号が入力されているため、結局、高電圧電池９０の端子電圧が基準電圧Ｖ２より低くなったり、低電圧電池９２の端子電圧が基準電圧Ｖ３より低くなると、スイッチング素子５２がオンされて、界磁巻線１０に励磁電流を供給する制御が行われる。

本実施形態の二電源発電システム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。イグニッションスイッチ９４がオンされて車両用発電機１００がエンジン（図示せず）によって回転駆動される。また、イグニッションスイッチ９４がオンされることで発電制御装置５０内の各部に電源回路（図示せず）から動作電力が供給され、動作可能な状態になる。

以後、高電圧電池９０の端子電圧が基準電圧Ｖ２より低くなるか、あるいは、低電圧電池９２の端子電圧が基準電圧Ｖ３より低くなると、スイッチング素子５２がオンされて、界磁巻線１０に励磁電流が供給される。これにより、ロータ磁極１２に対向した電機子鉄心２６に回転磁界が生成される。

図２に示すように、電機子鉄心２６には１極あたり９個のスロット２４が形成されており、各スロット２４にはπ／９の位相差を有する電圧が誘起されるため、隣り合った２つのスロット２４に装着された導体を接続することにより構成された一方の三相巻線２０の誘起電圧と、さらに隣り合った残りの１スロット２４に装着された導体により構成された他方の三相巻線２２の誘起電圧との間には、３／２×π／９、すなわちπ／６の位相差が現れる。また、一方の三相巻線２０と他方の三相巻線２２の巻数比は２：１であるため、この巻数比と同じ２：１の電圧が三相巻線２０、２２のそれぞれに誘起される。また、図１に示したように、整流装置３０内においてバッファダイオード群４０を介して一方向に電圧が加算されるように、すなわち、一方向のみに電流が流れ、逆方向には電流が流れないように、２つの三相巻線２０、２２が結線されているため、ある瞬間には、図１に点線の矢印で示すような電流の経路が形成され、高電圧出力端子３２と低電圧出力端子３３のそれぞれから高低２種類の電圧が出力される。

次に、高電圧電池９０の負荷需要変化や低電圧電池９２の負荷需要変化に対応する動作について説明する。上述したように高電圧出力端子３２および低電圧出力端子３３から高低２種類の電圧が出力されて、高電圧電池９０と低電圧電池９２が適正電圧に充電されている状態から、例えば、高電圧電池９０に接続されている電気負荷（図示せず）が投入されるものとする。このようにして電気負荷が増加すると、車両用発電機１００に比べて内部インピーダンスが低い高電圧電池９０によってこの電気負荷に対する電力供給が行われ、高電圧電池９０の端子電圧が低下する。

高電圧電池９０の端子電圧が低下すると、高電圧電池９０が接続された高電圧出力端子３２の電圧も低下する。高電圧出力端子３２の低下は、高電圧出力端子３２と整流装置３０内でつながっている低電圧出力端子３３の電圧低下をもたらすが、高電圧出力端子３２と低電圧出力端子３３とは電圧比３：１でリンクされているため、高電圧電池９０の端子電圧が適正範囲内にある場合には低電圧電池９２の端子電圧もほぼ適正範囲内にあるといえる。いずれかの端子電圧が適正範囲を下回ると、電圧比較器５８あるいは電圧比較器６０の少なくとも一方の出力信号がハイレベルになるため、スイッチング素子５２がオンされて界磁巻線１０に励磁電流が流れて発電が開始され、高電圧電池９０および低電圧電池９２のそれぞれに対する充電が行われる。

高電圧電池９０および低電圧電池９２のいずれか一方のみに大きい電気負荷が接続されている場合には、この電気負荷やこの電気負荷が接続された電池への電力供給の配分が増して他方の電池に対する充電量が少なくなるため、他方の電池が過充電になることはない。例えば、高電圧電池９０に接続された電気負荷が多いため、高電圧電池９０の端子電圧および高電圧出力端子３２の電圧が大きく低下した場合には、これに伴って、トリオダイオード４２のカソード側の電位も大きく低下するが、低電圧電池９２には大きな電気負荷が接続されていないため低電圧電池９２の端子電圧は低下しない。したがって、低電圧電池３３から低電圧電池９２に対する充電電流はわずかしか流れず、低電圧電池９２が過充電になることはない。このようにして大きな電気負荷に接続された電池に対する充電が行われて、高電圧電池９０および低電圧電池９２の各端子電圧が適正範囲に入ると、電圧比較器５８、６０の両方の出力信号がローレベルになってスイッチング素子５２がオフされ、発電が停止される。

このように、本実施形態の車両用発電機１００では、３つのダイオードが直列接続された３階層構造の整流器３０の各階層に２つの三相巻線２０、２２を接続して異なる層から出力を取り出すことにより、２種類の電圧を同時に取り出すことができる。また、２つの三相巻線２０、２２のそれぞれに対応して別々に整流器を備えてこれらを直列に接続する場合に比べて構成を簡素にすることができ、その分だけダイオードによる順方向電圧降下を少なく、かつ、内部インピーダンスを低くすることができる。

また、高電圧出力端子３２と低電圧出力端子３３とが整流器３０内部でリンクしており、２つの三相巻線２０、２２の巻数比に応じて２つの出力端子の電圧が連動するため、各出力電圧に基づいて励磁電流の供給を制御することにより、２系統の負荷に対して過不足なく電力供給を行うことができる。また、２つの出力端子の電圧が連動するため、各出力電圧に基づいて発電制御装置５０によって励磁電流の供給を制御することにより、２系統の負荷に対して過不足なく電力供給を行うことができる。

また、図２に示したように、巻数比が異なる２つの三相巻線２０、２２を同一スロットに収納することなく分散して電機子鉄心２６の各スロット２４に巻装することにより、少ない巻数本数であることが必要な低インピーダンスの平角導線を活用でき、高電圧高電力を供給するための低インピーダンスの電機子巻線を実現することができる。また、２つの三相巻線２０、２２が巻装されるスロット２４が分かれることから、高電圧巻線部分と低電圧巻線部分とをスロット２４を分けて収納することができ、巻線占積率を高めることによる絶縁劣化にいたずらに気を使う必要がなく、高占積率低インピーダンスの電機子巻線を容易に構成することができる。

また、界磁巻線１０に供給する励磁電流を高電圧系統（高電圧出力端子３２）から取り出すことにより、低電圧出力端子３３から取り出す場合に比べて、高電圧の出力電流に示す界磁電流の比率を小さくすることができるため、車両用発電機１００全体の発電効率を向上させることができる。

〔第２の実施形態〕
上述した第１の実施形態では、２つの三相巻線２０、２２を異なるスロット２４に分散巻装したが、同一のスロットに複数回巻装した導線を分割して２つの三相巻線を構成するようにしてもよい。

図３は、第２の実施形態の二電源発電システムの構成を示す図である。図３に示す二電源発電システムに含まれる車両用発電機１００Ａは、回転子に備わった界磁巻線１０Ａと、固定子に備わった２組の三相巻線２０Ａ、２２Ａと、２組の三相巻線２０Ａ、２２Ａの各三相出力を全波整流する９個以上のダイオードを含む整流器３０Ａと、車両用発電機１００Ａの出力電圧に基づいて界磁巻線１０Ａに供給する励磁電流を制御することにより車両用発電機１００Ａの発電状態を制御する発電制御装置５０とを含んで構成されている。

一方の三相巻線２０ＡのＸ相巻線と他方の三相巻線２２ＡのＶ相巻線は、同一のスロットに巻装された導線を巻数比２：１で分割することにより形成される。同様に、一方の三相巻線２０ＡのＹ相巻線と他方の三相巻線２２ＡのＷ相巻線は、同一のスロットに巻装された導線を巻数比２：１で分割することにより形成される。一方の三相巻線２０ＡのＺ相巻線と他方の三相巻線２２ＡのＵ相巻線は、同一のスロットに巻装された導線を巻数比２：１で分割することにより形成される。

このような２組の三相巻線２０Ａ、２２Ａを用いる場合には、スロット当たりの導体数が多くなって平角線の採用が難しくなり、電機子巻線のインピーダンス抵抗成分が大きくなる欠点はあるが、電機子鉄心の製作が容易になるとともに巻線ユニットの数が少なくなってその収納を簡略的に行うことが可能になるなどの利点があり、製造上の制約によって有利な方法といえる。

また、界磁巻線１０Ａに供給する励磁電流を低電圧出力端子３３から取り出すことにより、界磁巻線１０Ａに印加される電圧を低くすることができるため、界磁巻線１０Ａやこれに接続される各部（スリップリング等）の耐食性を向上させることができる。

なお、図３に示した車両用発電機１００Ａでは、界磁巻線１０Ａの一方端を低電圧出力端子３３に接続したため、図１に示すトリオダイオード４４が含まれない整流器３０Ａを用いたが、三相巻線２０Ａ、２２Ａ以外の構成および接続については図１に示す車両用発電機１００Ａと同じ構成および接続を採用してもよい。

〔第３の実施形態〕
図４は、第３の実施形態の二電源発電システムの構成を示す図である。図４に示す二電源発電システムは、車両用発電機１００Ｂと、車両用発電機１００Ｂの高電圧出力端子から大電力が供給される直流モータ（ＤＣＭ）９６とを備えている。

図４に示すように、車両用発電機１００Ｂは、２つの三相巻線２０Ｂ、２２Ｂと、２つのスイッチ手段としてのスイッチ群Ｓ１、Ｓ２と、整流器３０Ａと、低電圧出力端子３３と整流器３０Ａ内のトリオダイオード４２のアノードとの間に挿入されたスイッチＳ３とを含んで構成されている。一方のスイッチ群Ｓ１は、Ｙ結線された三相巻線２０Ｂの中性点に相当する位置に挿入されており、オンすることにより各相巻線を中性点において相互に接続し、オフすることにより各相巻線の一方端を開放する。他方のスイッチ群Ｓ２は、Ｙ結線された三相巻線２２Ｂの中性点に相当する位置に挿入されており、オンすることにより各相巻線を中性点において相互に接続し、オフすることにより各相巻線の一方端を開放する。

なお、本実施形態の車両用発電機１００Ｂでは、図３に示した車両用発電機１００Ａと同じ発電制御装置５０および界磁巻線１０Ａ（図４では図示が省略されている）と整流器３０Ａが同じ結線状態で用いられている。但し、図１に示した車両用発電機１００に含まれる整流器３０、発電制御装置５０、界磁巻線１０を用いるようにしてもよい。

図５は、２つのスイッチ群のオンオフ状態を切り替えたときの発電機回転数と出力電流の関係を示す図である。上述した構成を有する本実施形態の車両用発電機１００Ｂは、低速回転時にはスイッチ群Ｓ１、Ｓ２がともにオンされる。このときの発電動作は図１に示した車両用発電機１００と同じであり、２つの三相巻線２０Ｂ、２２Ｂに誘起される電圧が合成されて高電圧の出力電圧が高電圧出力端子３２から出力されるとともに、一方の三相巻線２２Ｂに誘起される電圧が低電圧出力端子３３から出力される。

また、中速回転時にはスイッチ群Ｓ１のみがオンされ、スイッチ群Ｓ２はオフされる。このときの発電動作は巻数が多い一方の三相巻線２０Ｂのみが有効になる。したがって、２つの三相巻線２０Ｂ、２２Ｂの両方を用いて発電を行った場合に比べて、巻数がほぼ２／３に低減されたことになり、低速回転域よりも高い回転域において出力を増加させることが可能となる。また、２つの三相巻線２０Ｂ、２２Ｂの両方を用いる場合に比べて内部インピーダンスが小さくなるため、大電流が流れる直流モータ９６等の高負荷が接続された際の電圧降下が少なくなり、高電圧出力端子３２の電圧低下が抑制される。なお、他方の三相巻線２２Ｂは発電に寄与しないためトリオダイオード４２のカソード側の電圧は負極端子３４とほぼ同じレベルまで低下するが、トリオダイオード４２があるため低電圧電池９２の端子電圧は低下せずにその時点の電圧レベルが維持される。

さらに、高速回転時にはスイッチ群Ｓ２のみがオンされ、スイッチ群Ｓ１はオフされる。このときの発電動作は巻数が少ない他方の三相巻線２２Ｂのみが有効になる。したがって、２つの三相巻線２０Ｂ、２２Ｂの両方を用いて発電を行った場合に比べて、巻数がほぼ１／３に低減されたことになり、中速回転域よりも高い回転域においてさらに出力を増加させることが可能となる。また、２つの三相巻線２０Ｂ、２２Ｂの両方を用いる場合に比べてさらに内部インピーダンスが小さくなるため、大電流が流れる直流モータ９６等の高負荷が接続された際の電圧降下がさらに少なくなり、高電圧出力端子３２の電圧低下がさらに抑制される。なお、この場合には他方の三相巻線２２Ｂによって高電圧を発生させることになるため、トリオダイオード４２のカソード側の電圧が上昇するため、トリオダイオード４２のアノード側の電圧が低電圧電池９２に印加されないようにスイッチＳ３をオフする制御が行われる。例えば、スイッチ群Ｓ１をオフするタイミングで同時にスイッチＳ３もオフすればよい。

このように、中速回転域、高速回転域では一方の三相巻線２０あるいは２２を用いた少ない巻数の固定子を実現することができるため大きな出力を取り出すことが可能になる。特に、発電機内部インピーダンスを低くすることができるため、直流モータ９６等の高負荷が高電圧出力端子３２に接続された場合の出力端子の電圧降下を少なくすることができる。また、これに伴って低電圧出力端子３３における電圧降下も少なくなり、高出力化とともに二電圧系の電圧安定化を図ることができる。

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において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した各実施形態では、２つの出力端子から４２Ｖと１４Ｖの２種類の電圧を出力したが、２種類の電圧の組み合わせは適宜変更することができる。例えば、２８Ｖと１４Ｖの出力を得るには、巻数比が１：１の同じ巻線仕様を有する２つの三相巻線を用いればよい。

また、上述した第１および第２の実施形態では、２つの出力端子のそれぞれに電池を接続したが、少なくとも一方の電池をコンデンサに置き換えたり、電池を省略して電気負荷のみを接続するようにしてもよい。また、２つの出力端子のそれぞれに接続された２つの電池は、同じ方式（例えば鉛式）の電池を用いる場合の他、鉛式の電池とニッケル水素充電池（ＮｉＭＨ）などの方式や特性が異なる２つの電池を組み合わせるようにしてもよい。この場合は、巻線の巻数比率と、上下限の界磁制限値ならびに界磁許可値とを調整することで上述した各実施形態と同様に二電源発電システムが構成できることはいうまでもない。

また、上述した各実施形態では、三相巻線２０と三相巻線２２との巻線比を２：１にすることで、高電圧出力端子３２の出力電圧と低電圧出力端子３３の出力電圧の比を３：１にしたが、低電位側（低電圧系統）の三相巻線２２には、高電圧系統の三相巻線２０に流れる電流も重畳されるため、低電圧出力端子３３に大きな電気負荷が接続されると三相巻線２２による電圧降下が大きくなる。したがって、この電圧降下分を考慮して、２つの三相巻線２０、２２の巻数比を２：１から５：３程度に変更して、三相巻線２２の巻数を相対的に増加させることが望ましい。これにより、実際に電気負荷が接続されたときの高電圧出力端子３２と低電圧出力端子３３の各出力電圧の比を３：１に近づけることができる。

第１の実施形態の二電源発電システムの構成を示す図である。 回転子と固定子の一部を周方向に展開した図である。 第２の実施形態の二電源発電システムの構成を示す図である。 第３の実施形態の二電源発電システムの構成を示す図である。 ２つのスイッチ群のオンオフ状態を切り替えたときの発電機回転数と出力電流の関係を示す図である。

符号の説明

１ 回転子
２ 固定子
１０ 界磁巻線
１２ ロータ磁極
２０、２２ 三相巻線
２４ スロット
２６ 電機子鉄心
２８ 導体
３０ 整流器
３２ 正極端子（高電圧出力端子）
３３ 低電圧出力端子
３４ 負極端子
３６ 正極ダイオード群
３８ 負極ダイオード群
４０ バッファダイオード群
４２、４４ トリオダイオード
５０ 発電制御装置
９０ 高電圧電池
９２ 低電圧電池
９４ イグニッションスイッチ
１００ 車両用発電機

Claims (7)

1. 界磁巻線が巻装された回転子と、単一の電機子鉄心に第１および第２の三相巻線が巻装された固定子と、前記第１および第２の三相巻線のそれぞれの出力電圧を整流する整流器と、前記界磁巻線に流れる励磁電流を制御する発電制御装置とを備える車両用発電機において、
   前記整流器は、第１、第２および第３の整流素子が極性を揃えて直列接続されるとともに一方端同士および他方端同士が共通に接続された３つの直列回路と、前記３つの直列回路のそれぞれにおいて中央に配置された前記第２の整流素子の低電位側の端部に一方端が接続されて他方端が共通に接続された３つの第４の整流素子とを有し、
   前記３つの直列回路のそれぞれに含まれる前記第１および第２の整流素子の接続点に第１の三相巻線の各相出力端子が、一の相巻線と一の前記直列回路とが１対１になるように接続され、
   前記３つの直列回路のそれぞれに含まれる前記第２および第３の整流素子の接続点に第２の三相巻線の各相出力端子が、一の相巻線と一の前記直列回路とが１対１になるように接続され、
   前記３つの直列回路の共通に接続された一方の端部を高電圧出力端子として用いるとともに、前記３つの第４の整流素子の共通に接続された端部を低電圧出力端子として用いることを特徴とする車両用発電機。
2. 請求項１において、
   前記発電制御装置は、前記高電圧出力端子の電圧あるいはこれに連動する電圧と、前記低電圧出力端子の電圧あるいはこれに連動する電圧の少なくとも一方が、それぞれに対応する適正範囲の下限値を下回ったときに、前記界磁巻線に対して励磁電流の供給を行うことを特徴とする車両用発電機。
3. 請求項１または２において、
   前記電機子鉄心には、複数のスロットが形成されており、
   前記第１の三相巻線と前記第２の三相巻線は、異なる前記スロットに導体を巻装することにより形成されており、
   前記第１の三相巻線と前記第２の三相巻線のそれぞれに対応する前記スロットの数を、前記第１の三相巻線と前記第２の三相巻線の巻数比に対応させることを特徴とする車両用発電機。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記界磁巻線は、前記低電圧出力端子に接続されていることを特徴とする車両用発電機。
5. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記第２の整流素子の高電位側の端部に一方端が接続されて他方端が共通に接続された３つの第５の整流素子をさらに備え、
   前記界磁巻線は、前記第５の整流素子の共通に接続された端部に接続されていることを特徴とする車両用発電機。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記第１および第２の三相巻線の少なくとも一方の相巻線に直列に接続されたスイッチ手段をさらに備え、
   前記発電制御装置は、低速回転域において前記スイッチ手段をオンし、高速回転域において前記スイッチ手段をオフすることを特徴とする車両用発電機。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記高電圧出力端子および前記低電圧出力端子のそれぞれに接続される負荷の定格動作電圧の比率に対して、低電位側に接続された前記第１あるいは第２の三相巻線の巻数比を高く設定することを特徴とする車両用発電機。
   

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