JP2007135301A - 車両用交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の低下を防止するとともに安価な車両用交流発電機を提供すること。
【解決手段】ベルトを介してエンジンによって回転駆動される車両用交流発電機１であって、ベルトから動力を直接受けるプーリ部１０と、プーリ部１０と分離された界磁部２０と、プーリ部１０と界磁部２０の間で回転数を変換する回転変換部３０とが備わっており、界磁部２０の回転数をプーリ部１０の回転数で除した速度変化率Ｓを、エンジンの回転上昇に伴って低下させている。
【選択図】図１

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用交流発電機に関する。

車両用交流発電機は、ベルトを介してエンジンにより駆動され、その駆動回転力により発電する。エンジンのクランクプーリと車両用発電機のプーリとの溝径の比率によって増速比が決定され、通常はエンジン回転数の２〜３倍の増速比で車両用発電機が駆動される。

一般に、エンジンの回転数使用域はアイドル回転数である７００ｒｐｍ程度から最高回転数である７０００ｒｐｍ程度である。車両用交流発電機の増速比が２〜３倍程度であることより、車両用交流発電機の使用される回転数はアイドル回転数の１４００ｒｐｍ程度から最高回転数の２１０００ｒｐｍ程度の幅広い回転域となる。

しかし、実際の車両走行時のエンジン回転頻度分布は、燃費算出時の代表的走行パターンである１０−１５モードを例に取ると、エンジンの回転数頻度はアイドル回転域である７００ｒｐｍ付近が全体の４０％を占め、その上の低速走行相当の１３００ｒｐｍまでが５０％を占める。すなわち、アイドル回転数から１３００ｒｐｍまでの低速回転域にて全体の９０％を占める分布となり、実際の車両走行時の９０％がエンジン回転数１３００ｒｐｍ以下の低速回転域で使われていることになる。

したがって、低速回転域で十分な発電量の確保が必要であるが、図６に示すように、車両用交流発電機は低速回転では発電能力が低いため、これを補うためには、インターナルギヤを固定して単純増速機構により増速比を大きくする（例えば、特許文献１参照。）か、車両用交流発電機の体格を大きく設定しなければならなかった。
特開平６−１０５５１３号公報（第２−３頁、図１−３）

しかし、増速比を大きくした場合には、車両用交流発電機の発電能力は向上するが、エンジン高速回転時には車両用交流発電機がより高速で回ってしまうため、ブラシやベアリング等の磨耗部品の寿命が低下するととともに遠心力で冷却ファン等の回転部品が破損に至ってしまうという問題があった。また、車両用交流発電機の発熱の大きな要因である鉄損は発電周波数（回転数）の２乗に比例することから、同じ発電出力量であっても高速時には発熱量が増し、熱ストレスと上記の高回転に伴うストレスにより故障を伴いやすくなって、さらに信頼性を低下させるという問題があった。これらを防止するために各部品の耐久性、耐熱性を向上させようとすると通常は素材費等のコスト増加につながり、車両用交流発電機が高価になってしまう。

一方、車両用交流発電機の体格を大きくした場合には、エンジンへの搭載性が悪化し、エンジン設計が困難となったり、重量が増すことにより取り付けステイ部の破損など信頼性が低下するという問題があった。このような信頼性低下を補うために各部を補強すると、各部品の耐久性、耐熱性を向上させる場合と同様にコスト増加につながり、結局、車両用交流発電機が高価になってしまう。

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、信頼性の低下を防止するとともに安価な車両用交流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、本発明の車両用交流発電機は、ベルトを介してエンジンによって回転駆動されており、ベルトから動力を直接受けるプーリ部と、プーリ部と分離された界磁部と、プーリ部と界磁部の間で回転数を変換する回転変換部とを備え、界磁部の回転数をプーリ部の回転数で除した速度変化率Ｓを、エンジンの回転上昇に伴って低下させている。回転変換部を備え、界磁部の回転数をプーリ部の回転数で除した速度変化率Ｓをエンジンの回転上昇に伴って低下させることにより、界磁部の回転上昇が抑制されるため、遠心力等の回転ストレス、鉄損等による温度上昇ストレスを軽減することができ、車両用発電機の信頼性を高めることができる。また、これに伴い、耐久性、耐熱性等を考慮した特に高価な部品を使う必要がなくなるため、安価な車両用交流発電機を実現することができる。さらに、エンジンが低速の領域では速度変化率を高く設定することができるため、エンジンの低速回転域で十分な発電量を確保することができる。

また、上述したエンジンの回転数が所定回転数以上のときに、界磁部の回転数が一定となるように速度変化率Ｓが設定されることが望ましい。これにより、車両用交流発電機の各部に加わる遠心力や熱ストレスを一定値以下とすることができるため、車両用交流発電機に過大な遠心力や熱ストレスが加わることを防止することができ、確実に信頼性を向上させることができる。

また、上述したエンジンの回転数上昇に伴って、界磁部の回転数が減少するように速度変化率Ｓが設定されることが望ましい。これにより、車両用交流発電機の各部に加わる遠心力や熱ストレスをエンジンの回転上昇とともに減少させることができる。一般に、エンジンの回転上昇に伴ってエンジンの振動等が上昇するため、このエンジン振動等と遠心力や熱ストレスとの複合ストレスをエンジン上昇とともに軽減することが可能になり、車両用交流発電機の信頼性をさらに高めることができる。

また、上述した速度変化率Ｓは、外部制御装置からの指令に応じて設定されることが望ましい。これにより、車両の状態やバッテリの状態等に応じて速度変化率Ｓを変更することが可能になり、結果として発電能力を任意に変更することができるため、想定される必要発電量を確保しつつ車両用交流発電機を極限まで小型化した設計をすることができ、ひいては高信頼、低コストの車両用交流発電機を提供することが可能となる。

また、上述した回転変換部は、太陽歯車、遊星歯車、インターナル歯車およびインターナル歯車を回転させる駆動機構を有することが望ましい。これにより、駆動機構によってインターナル歯車を固定したり所定回転数で回転させることが可能になり、速度変化率Ｓを任意に設定することができる。

また、上述した駆動機構は電動モータであることが望ましい。これにより、インターナル歯車をモータによって容易に回転制御することが可能になり、速度変化率Ｓをモータ動作に合わせて容易に変更することができる。

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。図１は一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、回転子２、固定子３、ハウジング４、５、ブラシ装置６、整流器７、電圧調整器８を含んで構成されている。

回転子２は、ベルト（図示せず）から動力を直接受けるプーリ部１０と、プーリ部１０と分離された界磁部２０と、プーリ部１０と界磁部２０の間で回転数を変換する回転変換部３０等によって構成されている。プーリ部１０は、プーリ１１と、プーリ１１に伝達された駆動力を界磁部２０に伝達するためのプーリ回転軸１２と、プーリ回転軸１２にプーリ１１を締め付け固定するナット１３とで構成されている。界磁部２０は、界磁部回転軸２１、ポールコア２２、２３、界磁コイル２４、冷却ファン２５、２６、スリップリング２７、２８等によって構成されている。界磁部２０は、円筒状の界磁コイル２４を、それぞれが複数個の爪部を有するポールコア２２、２３によって、界磁部回転軸２１を通して両側から挟み込んだ構造を有している。フロント側のポールコア２２の端面には冷却ファン２５が、リア側のポールコア２３の端面には冷却ファン２６が溶接等によって取り付け固定されている。界磁部回転軸２１のリア側には界磁コイル２４の両端に電気的に接続されたスリップリング２７、２８が形成されており、ブラシ装置６のブラシをこれらのスリップリング２７、２８に押し当てた状態で組み付けることにより、整流器７から界磁コイル２４に対して界磁電流が供給される。

回転変換部３０は、遊星歯車機構を有している。図２は、回転変換部３０の断面図である。図３は、図２に示す回転変換部３０の略図である。回転変換部３０は、プーリ回転軸１２に固定された円盤状のキャリー３１と、３つの遊星歯車３２と、キャリー３１に遊星歯車３２を回転自在に固定する接続ピン３３と、３つの遊星歯車３２の外側に設けられたインターナルギヤ（インターナル歯車）３４と、インターナルギヤ３４を駆動する電動の外付けモータ３５と、外付けモータ３５によって回転駆動される駆動歯部車３６とで構成されている。３つの遊星歯車３２の中心には、太陽歯車として働く界磁部回転軸２１の先端が配置されている。回転変換部３０の詳細については後述する。

固定子３は、電機子として働いており、固定子鉄心に形成された複数のスロットに三相の固定子巻線が巻装されている。整流器７は、固定子３の固定子巻線の出力電圧である三相交流を整流して直流電流を得る。

フロント側のハウジング４とリア側のハウジング５は、回転子２および固定子３を収容しており、回転子２がプーリ回転軸１２あるいは界磁部回転軸２１を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、界磁部２０のポールコア２２、２３の外側に所定の隙間を介して配置された固定子３が固定されている。

電圧調整器８は、界磁コイル２４に流す界磁電流を制御することにより車両用交流発電機１の出力電圧を調整するためのものであり、電気負荷と発電量とに応じて変化する出力電圧をほぼ一定に維持する。

上述した構造を有する車両用交流発電機１では、エンジンのクランクプーリに連結されたベルトを介してプーリ回転軸１２に動力が伝達され、回転変換部３０で速度変換された後に、界磁部回転軸２１がプーリ回転軸１２の回転数に対してある速度変化率Ｓで回転され、界磁部２０の回転数に対応した発電が行われた出力電流が得られる。

次に、回転変換部３０による増速機構（あるいは減速機構）について説明する。一般の増速機構では、インターナルギアが外部に固定され一定の増速率となるが、本実施形態の回転変換部３０ではインターナルギア３４を回転可能な状態で保持している点が異なっている。これにより、界磁部２０の回転数をプーリ部１０の回転数で除した速度変化率Ｓとしての増速率が任意に変更できる利点がある。具体的には、本実施形態では、この増速率がエンジンの回転上昇に伴って低下するように制御される。これにより、例えばインターナルギア３４を適当な速度で逆回転させれば界磁部回転軸２１の回転を停止させることも可能である。

遊星歯車３２の回転は、インターナルギヤ３４の回転数を可変することで制御することができる。また、インターナルギヤ３４の回転は、駆動機構としての外付けモータ３５に取り付けられた駆動歯車３６を介して外付けモータ３５で駆動力を得ることで回転数制御が行われる。すなわち、外付けモータ３５の回転数制御で、回転変換部３０全体の増速率を決定するインターナルギヤ３４の回転数を決定することができる。

プーリ部１０から界磁部２０への駆動力の伝達は、先ずプーリ回転軸１２から回転変換部３０の遊星歯車機構のキャリー３１、次に、遊星歯車３２へ行き、最後に界磁部回転軸２１に伝達される。

このように、インターナルギヤ３４を回転させることにより、エンジン回転に対して車両用交流発電機１の界磁部２０の回転数を自由に設定することができる。本実施形態では、このインターナルギヤ３４の回転を外付けモータ３５の動力を利用して行うことにより、任意に回転数制御を行うことができるため、外付けモータ３５の制御により容易に増速率の変更が可能となる。特に、外付けモータ３５の回転数、すなわち速度変化率Ｓを外部制御装置としてのエンジン制御装置によって制御することにより、車両の状態やバッテリの状態等に応じて速度変化率Ｓを変更することが可能になり、結果として発電能力を任意に変更することができるため、想定される必要発電量を確保しつつ車両用交流発電機１を極限まで小型化した設計をすることができ、ひいては高信頼、低コストの車両用交流発電機１を提供することが可能となる。次に、ギヤ比設定の具体例について説明する。

（ギヤ比の設定例１）
本実施形態におけるギヤ数の設定例を以下に示す。
・遊星歯車３２のギヤ数 ＝２０
・インターナルギヤ３４のギヤ数 ＝５０
・界磁部回転軸２１のギヤ数 ＝１０
図４は、このギヤ数の設定によって実現されるエンジン回転数と車両用交流発電機１の回転数との関係を示す図である。図４において、実線で示されるＡの特性は、エンジン回転数と車両用交流発電機１の回転数（発電機回転数）との関係を示している。また、点線で示されるＢの特性は、Ａで示される特性を実現するインターナルギヤ３４の回転数（インターナル回転数）とエンジン回転数との関係を示している。

一般の増速機構（例えば特許文献１に開示された増速機構）ではインターナルギアが固定されて単純増速となり、その増速率は例えば６倍（一定）に設定されている。この増速率は、以下の式で計算される。

（５０（インターナルギヤのギヤ数）／１０（界磁部回転軸のギヤ数））＋１＝６
これに対し、本実施形態では、インターナルギヤ３４を回転させることにより、増速率を任意に設定することができる。一例として、上記のギヤ数で、プーリ比が２（エンジンに対する車両用交流発電機１のプーリ１１の増速率が２倍）で、インターナルギア３４の回転数を９６２〜１３８００ｒｐｍの間で制御する場合には、図４に示すように、プーリ１１に対する界磁部回転軸２１、すなわち、界磁部２０の回転数は、エンジンアイドル時は４７９０ｒｐｍ、エンジン最高回転時は３０００ｒｐｍとなる。このように、エンジンの回転数上昇に反し、常に界磁部２０の回転数を減少させることができる。

表１は、図４におけるエンジン回転数と車両用交流発電機１の回転数の関係を示しており、あわせて従来構造において増速率が６に設定された場合のこれらの関係も示されている。

このように、本実施形態の車両用交流発電機１では、エンジンの回転数上昇に対して速度変化率Ｓを低下させることにより、界磁部２０の回転数が低下するように設定することができるため、エンジンが低速の場合には車両用交流発電機１の界磁部２０の回転数を高くして発電出力が増加することが可能となる。また、エンジンが高速の場合には車両用交流発電機１の界磁部２０の回転数を抑制（低下）することができ、車両用交流発電機１の回転部分を構成する部品（特に界磁部２０を構成する部品）に遠心力が加わることを防止することができ、信頼性の高い車両用交流発電機１を提供することが可能となる。また、車両用交流発電機１の鉄損による温度上昇も防止することができる。一般に、エンジン回転が高速の場合には、車両、エンジンの振動が大きいため、遠心力と熱、振動の複合ストレスが車両用交流発電機１に加わってしまうが、界磁部２０の回転数を抑制することで回転に伴う遠心力、熱のストレスが軽減されるため、信頼性が著しく向上する。この面からも高信頼の車両用交流発電機１を実現することができる。

（ギヤ比の設定例２）
本実施形態におけるギヤ数の他の設定例を以下に示す。
・遊星歯車３２のギヤ数 ＝３６
・インターナルギヤ３４のギヤ数 ＝７８
・界磁部回転軸２１のギヤ数 ＝６
図５は、このギヤ数の設定によって実現されるエンジン回転数と車両用交流発電機１の回転数との関係を示す図である。上記のギヤ数の設定を採用し、プーリ比２でインターナルギヤ３４の回転数を４０８〜８２３１ｒｐｍの間で制御すれば、プーリ１１に対する界磁部回転軸２１の回転数は、エンジンの回転数が所定回転数以上のときに、エンジン回転数に関わらずほぼ５０００ｒｐｍ一定となる。すなわち、エンジンの回転に関係なく常に界磁部２０の回転数は一定となる。

表２は、図５におけるエンジン回転数と車両用交流発電機１の回転数の関係を示している。

このように、エンジンの回転数上昇に対して速度変化率Ｓを低下させることにより、車両用交流発電機１の界磁部２０をほぼ一定の回転数で回転させることができるため、各部品に加わる遠心力の上限を決定することができ、それに合わせた耐久性設計により車両用交流発電機１の信頼性を向上させることができる。

一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す断面図である。 回転変換部の断面図である。 図２に示す回転変換部の略図である。 所定のギヤ数設定によって実現されるエンジン回転数と車両用交流発電機の回転数との関係を示す図である。 他のギヤ数設定によって実現されるエンジン回転数と車両用交流発電機の回転数との関係を示す図である。 車両用交流発電機の一般的な出力特性を示す図である。

符号の説明

１ 車両用交流発電機
２ 回転子
３ 固定子
４、５ ハウジング
６ ブラシ装置
７ 整流器
８ 電圧調整器
１０ プーリ部
１１ プーリ
１２ プーリ回転軸
２０ 界磁部
２１ 界磁部回転軸
２２、２３ ポールコア
２４ 界磁コイル
２５、２６ 冷却ファン
２７、２８ スリップリング
３０ 回転変換部
３１ キャリー
３２ 遊星歯車
３３ 接続ピン
３４ インターナルギヤ
３５ 外付けモータ
３６ 駆動歯車

Claims (6)

1. ベルトを介してエンジンによって回転駆動される車両用交流発電機において、
   ベルトから動力を直接受けるプーリ部と、
   前記プーリ部と分離された界磁部と、
   前記プーリ部と前記界磁部の間で回転数を変換する回転変換部と、
   を備え、前記界磁部の回転数を前記プーリ部の回転数で除した速度変化率Ｓを、前記エンジンの回転上昇に伴って低下させることを特徴とする車両用交流発電機。
2. 請求項１において、
   前記エンジンの回転数が所定回転数以上のときに、前記界磁部の回転数が一定となるように前記速度変化率Ｓが設定されることを特徴とする車両用交流発電機。
3. 請求項１において、
   前記エンジンの回転数上昇に伴って、前記界磁部の回転数が減少するように前記速度変化率Ｓが設定されることを特徴とする車両用交流発電機。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記速度変化率Ｓは、外部制御装置からの指令に応じて設定されることを特徴とする車両用交流発電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記回転変換部は、太陽歯車、遊星歯車、インターナル歯車および前記インターナル歯車を回転させる駆動機構を有することを特徴とする車両用交流発電機。
6. 請求項５において、
   前記駆動機構は電動モータであることを特徴とする車両用交流発電機。
   

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