JP2008092785A - 車両用交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】別電源を用いることなく安価な構成でしかも軽量化が可能であり、発電電力を増大することができる車両用交流発電機を提供すること。
【解決手段】出力用電機子巻線１４に発生する交流電圧を直流に変換してバッテリ３および車載電気負荷５に直流電力を供給する出力用整流器１５と、出力用整流器１５と電気的に分離されて励磁用電機子巻線１２に発生する交流電圧を直流に変換する励磁用整流器１３と、出力用整流器１５の出力電圧またはバッテリ３の端子電圧を所定の基準電圧と比較し、比較結果に基づいて、励磁用整流器１３から出力される直流電圧が印加される励磁巻線１１に流れる電流を制御する発電制御装置２とがを備わっている。
【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、エンジンに搭載され、バッテリの充電や車載電気負荷への電力供給を行う。一般に、車両用交流発電機は、界磁極を有する回転子と、界磁極を磁化させる励磁巻線と、界磁極の磁束を受けて発電する固定子巻線を有する固定子と、固定子巻線の交流出力を全波整流して直流に変換する整流器と、出力電圧を調整する電圧調整器等とで一体構成されている（例えば、特許文献１参照。）。このような車両用交流発電機における電力制御は、バッテリ電圧を検出し、ブラシを介して励磁巻線に流す電流を増減して界磁の磁束量を調整することで行われる。

近年、環境保護や省資源がより重要となる中で、自動車は、より燃費向上が必要となってきている。燃費向上のために、更なるエンジンの低アイドル化がすすめられ、また、運転の安全性、快適性の向上や搭載装置の小型、軽量化に対応した電子機器が搭載されるようになっており、電力使用量は増加傾向にある。このため、車両用交流発電機は、発電能力の低い低回転域で従来よりも増した発電電力を供給しなければならなくなっている。

ところが、一般の車両用交流発電機では、バッテリ充電電圧で決まる電流値以上の電流を励磁巻線に供給することができないため、最大出力電流を増やすことは容易ではない。車両用交流発電機の体格を大きくして電力供給を行うことも考えられるが、車両の軽量化、搭載性が悪化するため採用は難しい。

車両用交流発電機の搭載性を悪化させずに発電電力を増大する技術としては、励磁巻線に流す電流を車両用交流発電機の外部の別電源から供給する手法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。別電源を用いることにより、励磁巻線に印加する電圧を高くすることができるため、その分だけ発電電力を増加させることが可能になる。
特開平３−６０３３８号公報（第２−６頁、図１−６） 特開平６−２２５４７３号公報（第３−７頁、図１−４）

ところで、特許文献２に開示された従来技術では、車両用交流発電機の外部に設けられる別電源として、車両用交流発電機の固定子巻線から配線を引き出して三相交流電圧を取り出し、三相トランスで昇圧して整流した後に、再び配線を介してこの整流した電圧を励磁巻線に印加している。また、自励時と他励時とを切り替えるためのスイッチが設けられている。このように、配線、トランス、整流器、スイッチなど多くの追加部品が必要になり、価格が高くなってしまうという問題があった。また、車両用発電機の励磁用のみに用いられる別電源としては装置規模が大きく、車両の軽量化を阻害することになる。

また、車両用交流発電機の固定子巻線に誘起される電圧は、磁化された回転子の回転数に比例した大きさとなるため、この構成を利用して高回転域で発電させると、励磁巻線に印加される電圧（三相トランスで昇圧し、整流した電圧）が大きくなりすぎてしまう。この場合には、励磁巻線に流れる電流は多くなるが励磁巻線自身の発熱も多くなるという問題があった。このため、励磁巻線を構成する銅線の絶縁被膜の劣化が促進され、長期間にわたって安定して動作させることが難しくなる。

また、車両用交流発電機の励磁巻線の一端を外部に設けられた別電源に接続して励磁電流を供給する他励式の構成として、バッテリから供給する場合とバッテリからＤＣ−ＤＣコンバータを介して供給する場合が考えられる。ＤＣ−ＤＣコンバータから供給する場合には、車両用交流発電機の他励用の電源として、ＤＣ−ＤＣコンバータ、配線、スイッチなどの追加部品が必要になることから、価格が高くなってしまう。しかも、ＤＣ−ＤＣコンバータは装置規模が大きいため、車両の装置規模を阻害することにもなる。また、バッテリから直接供給する場合には、バッテリから車両用交流発電機の励磁巻線までスイッチや配線を介して接続することになるため、配線抵抗等による電圧降下を生じ、車両用交流発電機の出力の一部から励磁電流を供給する自励式に比べて、励磁巻線に流すことができる電流が減るため、車両用交流発電機の出力電流が減少してしまう。

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、別電源を用いることなく安価な構成でしかも軽量化が可能であり、発電電力を増大することができる車両用交流発電機を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、励磁巻線の発熱を抑制することができ、長期にわたって安定した動作を確保することができる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、複数の界磁極を有する回転子と、界磁極を磁化させる励磁巻線と、回転子により発生する回転磁界を受けて交流電圧が誘起される固定子巻線を有する固定子とを備えており、固定子巻線は、第１の固定子巻線と第２の固定子巻線とを有しており、第１の固定子巻線に発生する交流電圧を直流に変換して、バッテリおよび車載電気負荷に直流電力を供給する第１の整流器と、第１の整流器と電気的に分離され、第２の固定子巻線に発生する交流電圧を直流に変換する第２の整流器と、第１の整流器の出力電圧またはバッテリの端子電圧を所定の基準電圧と比較し、比較結果に基づいて、第２の整流器から出力される直流電圧が印加される励磁巻線に流れる電流を制御する発電制御手段とを備えている。励磁巻線に印加する第２の整流器の出力を、バッテリおよび車載電気負荷に電力供給する第１の整流器の出力に対して電気的に分離する構成としたので、バッテリおよび車載電気負荷に電力供給している第１の整流器の出力電圧（車両用交流発電機の出力電圧）が調整電圧よりも低くなった場合にも、その出力電圧に制限されることなく第２の固定子巻線で発生可能な高い電圧を第２の整流器から励磁巻線に印加することが可能となる。これにより、車両用交流発電機の発電電力を増大することが可能となる。また、励磁巻線に印加する昇圧電圧を、内蔵させた簡素な構成で発生することができるため、車両用交流発電機の搭載性を悪化させることもない。さらに、励磁用の外部の別電源を削減することができるため、価格を下げることができるとともに、軽量化が可能となる。

また、本発明の車両用交流発電機は、複数の界磁極を有する回転子と、界磁極を磁化させる励磁巻線と、回転子により発生する回転磁界を受けて交流電圧が誘起される固定子巻線を有する固定子とを備えており、固定子巻線は、第１の固定子巻線と第２の固定子巻線とを有しており、第１の固定子巻線に発生する交流電圧を直流に変換して、バッテリおよび車載電気負荷に直流電力を供給する第１の整流器と、第１の整流器と電気的に分離され、第２の固定子巻線に発生する交流電圧を直流に変換して、励磁巻線に直流電力を供給する第２の整流器と、第２の整流器から励磁巻線へ流れる電流を所定の電流に制限する励磁電流制限手段と、第１の整流器の出力電圧またはバッテリの端子電圧を所定の調整電圧と比較し、比較結果に基づいて、第２の整流器からの直流電圧が印加される励磁巻線に流れる電流を制御して、バッテリおよび車載電気負荷に供給する電圧を調整する電圧制御手段とを備えている。励磁電流Ｉｆを所定の電流Ｉ１に制限し、励磁電圧Ｖabを制限しているため、励磁電圧Ｖabと調整電圧Ｖcdの両方に対応した出力電圧の制御が可能になり、車両用交流発電機の出力電力に影響を与えることなく励磁電圧を抑えて、回転子（励磁巻線）の発熱を抑制することができる。

また、上述した励磁電流制限手段によって制限される所定の電流は、バッテリを用いて流すことができる第１の励磁電流よりも高い第２の励磁電流であることが望ましい。このような第２の励磁電流で制限することにより、低回転域での出力電流増加と高回転域での励磁電圧Ｖabの制限を行うことができ、長期間にわたって安定した動作が可能となる。

また、上述した励磁電流制限手段は、第２の励磁電流を検出した後に、励磁巻線の時定数よりも小さい所定時間の間励磁巻線に流れる電流を減少させることが望ましい。これにより、第２の励磁電流で制限する際に、励磁巻線に流れる電流の変化を小さくして、車両用交流発電機からバッテリおよび電気負荷に供給する出力電流を安定化させることができる。

また、上述した第２の整流器は、整流素子を介して第１の整流器に接続されており、整流素子は、第２の整流器の出力電圧が第１の整流器の出力電圧よりも低いときに順方向にバイアスされ、第２の整流器の出力電圧が第１の整流器の出力電圧よりも高いときに逆方向にバイアスされることが望ましい。整流素子が順方向にバイアスされているときにはバッテリから初期励磁電流を流すことができる。反対に、整流素子が逆方向にバイアスされているときには、バッテリから供給されていた初期励磁電流はなくなるが、励磁電流は、バッテリからの供給に代わって自ら発生する第２の整流器によって供給される。このように、初期励磁電流を供給することと、第１の整流器の出力と第２の整流器の出力を電気的に分離することの２つの作用を、整流素子を用いるという簡素な構成で実現することが可能となる。

また、本発明の車両用交流発電機は、界磁極とこの界磁極を磁化するための励磁巻線とを備えた回転子と、回転子によって発生する回転磁界に応じて交流電流を誘起する第１の固定子巻線と第２の固定子巻線を備えた固定子と、第１の固定子巻線に発生する第１の交流電流を整流する第１の整流器と、第２の固定子巻線に発生する第２の交流電流を整流する第２の整流器と、第２の整流器の出力電圧を印加して、第１の整流器から供給する電力の量を制御する発電制御装置とを備えている。具体的には、上述した第２の固定子巻線は、第２電力を発電して、励磁巻線に第２電力を供給し、第１の固定子巻線は、第１電力を発電して、バッテリおよび車載電気負荷に電力を供給している。このように、車両用交流発電機にビルトインされた２系統の出力発生源（第１および第２の固定子巻線と第１および第２の整流器）とを設けて、一方を励磁用（自励方式）に、他方を発電機出力用に用いることにより、外部の電源を用いる必要がないため、従来よりも車両用交流発電機を用いた発電システムの小型・軽量化および長寿命化が可能となる。

また、上述した発電制御装置は、第１の整流器の出力電圧またはバッテリに印加される電圧と所定の基準電圧とを比較する比較器を備え、比較器の比較結果に基づいて、第２の整流器から励磁巻線に向かう電力の供給を制御することが望ましい。励磁巻線に電力を供給する第２の固定子巻線を、バッテリおよび車載電気負荷に電力を供給する第１の固定子巻線に対して分離する構成としたので、バッテリおよび車載電気負荷に電力供給している第１の整流器の出力電圧（車両用交流発電機の出力電圧）等が調整電圧よりも低くなった場合にも、その出力電圧に制限されることなく第２の固定子巻線で発生可能な高い電圧を第２の整流器から励磁巻線に印加することが可能となる。これにより、車両用交流発電機の発電電力を増大することが可能となる。また、励磁巻線に印加する昇圧電圧を、内蔵させた簡素な構成で発生することができるため、車両用交流発電機の搭載性を悪化させることもない。さらに、励磁用の外部の別電源を削減することができるため、価格を下げることができるとともに、軽量化が可能となる。

また、上述した発電制御装置は、第１および第２の制御手段を備え、第１の制御手段は、第１の整流器の出力電圧またはバッテリに印加される電圧を所定の基準電圧と比較する第１の比較器を備え、第１の比較器の比較結果に基づいて、第２の整流器から励磁巻線に向かう電力の供給を制御し、第２の制御手段は、第２の整流器から励磁巻線に流れる電流を所定の電流に制限することが望ましい。励磁電流Ｉｆを所定の電流Ｉ１に制限し、励磁電圧Ｖabを制限しているため、励磁電圧Ｖabと調整電圧Ｖcdの両方に対応した出力電圧の制御が可能になり、車両用交流発電機の出力電力に影響を与えることなく励磁電圧を抑えて、回転子（励磁巻線）の発熱を抑制することができる。

また、本発明の車両用交流発電機は、電力を発電する複数の発電部と、一部の発電部によって発電するために残りの発電部から一部の発電部に供給される電力量と、一部の発電部によって出力端子から外部に供給される電力量とを制御する発電制御装置とを備えている。具体的には、上述した複数の発電部は、内部に配置されている。また、上述した一部の発電部によって出力端子から外部に供給される電力量は、一部の発電部に供給される電力量よりも大きい。このように、複数の発電部を設けて、一方を発電用（励磁巻線に供給する電力）に、他方を出力用（出力端子から外部へ供給する電力）に用いることにより、外部の電源を用いる必要がないため、従来よりも車両用交流発電機を用いた発電システムの小型・軽量化および長寿命化が可能となる。

また、上述した発電制御装置は、一部の発電部に供給される電力量が所定値を越えるときに、一部の発電部に電力を供給する少なくとも一つの残りの発電部の電力供給動作を停止させることが望ましい。これにより、車両用交流発電機の出力電力に影響を与えることなく発電用電力を抑えて、回転子（励磁巻線）の発熱を抑制することができる。

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説明する。

〔第１の実施形態〕
図１は、第１の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図であり、あわせてこの車両用交流発電機とバッテリ等との接続状態が示されている。図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、励磁巻線１１、励磁用電機子巻線（第２の固定子巻線）１２、励磁用整流器１３、出力用電機子巻線（第１の固定子巻線）１４、出力用整流器１５、整流素子１６、発電制御装置２を含んで構成されている。

励磁用電機子巻線１２が三相にＹ結線され、励磁用整流器１３に接続されている。励磁用整流器１３の正側は、励磁巻線１１の一方端に接続され、励磁用整流器１３の負側は、スイッチ素子２４を介して励磁巻線１１の他方端に接続されている。この励磁用整流器１３は、整流素子１６を介して出力用整流器１５と電気的に分離されている。

出力用電機子巻線１４が三相にＹ結線され、出力用整流器１５に接続されている。出力用整流器１５の正側は、車両用交流発電機１の出力端子であるＢ端子に接続され、車両側に搭載されたバッテリ３や車載の電気負荷５に接続される。出力用整流器１５の負側は、接地端子としてのＥ端子に接続され、接地されている。

整流素子１６のアノード側は、励磁用整流器１３の負側に接続され、整流素子１６のカソード側は、出力用整流器１５の負側に接続されている。また、励磁巻線１１の一方端はＢ端子に接続されており、他方端はスイッチ素子２４、整流素子１６を介してＥ端子に接続されて接地されている。

車両用交流発電機１の出力（発電電力）は、複数の界磁極を有する回転子の回転数と励磁巻線１１に流れる励磁電流の通電量とによって変化する。この励磁電流は、発電制御装置２によって制御される。

次に、発電制御装置２について説明する。発電制御装置２は、抵抗２１、２２、電圧比較器２３、スイッチ素子２４、還流ダイオード２５を備えている。この発電制御装置２が発電制御手段に対応する。電圧比較器２３は、プラス入力端子に基準電圧Ｖ１が、マイナス入力端子に車両用交流発電機１の出力電圧を検出するために抵抗２１、２２で分圧された入力電圧Ｖ２がそれぞれ入力されている。そして、電圧比較器２３の出力は、スイッチ素子２４を駆動する。

スイッチ素子２４は、例えばＭＯＳトランジスタによって構成されており、ゲートが電圧比較器２３の出力に、ドレインが還流ダイオード２５を介して励磁用整流器１３の正側にそれぞれ接続されており、ソースが励磁用整流器１３の負側に接続されている。また、ドレインは、励磁巻線１１に接続され、スイッチ素子２４がオンされると、励磁巻線１１に励磁電流が流れ、オフされるとこの通電が停止される。還流ダイオード２５は、励磁巻線１１と並列に接続されており、スイッチ素子２４がオフされたときに励磁巻線１１に流れる励磁電流を還流させる。上述した励磁巻線１１、固定子巻線１２、１４、整流器１３、１５が複数の発電部に対応する。

本実施形態の車両用交流発電機１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。

＜エンジン始動前の動作＞
運転者がキースイッチをオンすると、発電制御装置２のＩＧ端子（イグニッション端子）にバッテリ電圧が印加され、発電制御装置２内の図示しない電源回路が動作し、各回路がアクティブ状態（動作可能な状態）に移行する。

電圧比較器２３の２つの入力端子に着目すると、入力電圧Ｖ２は、基準電圧Ｖ１よりも低くなっている（Ｖ２＜Ｖ１）。このため、電圧比較器２３の出力信号はハイレベルとなり、スイッチ素子２４がオンされる。そして、励磁電流は、バッテリ３から供給され、励磁巻線１１、スイッチ素子２４、整流素子１６（順方向バイアス）を通して初期励磁電流が流れ、回転子を磁化する。

＜エンジン始動後の動作＞
エンジンが始動され、回転子が回転すると、回転磁界が発生し、励磁用電機子巻線１２に三相交流の起電力が発生する。そして、励磁用整流器１３によって、この発生した三相交流電圧を全波整流し、直流電圧（以下、「励磁電圧Ｖab」と称する）に変換する。

バッテリ電圧よりも大きな電位差のある励磁電圧Ｖabが発生すると、励磁用整流器１３の負側の電位は、Ｅ端子の接地電位よりも低くなる。つまり、整流素子１６は、逆バイアスとなって、バッテリ３から供給されていた初期励磁電流はなくなり、励磁電流は、バッテリ３からの供給に代わって、自ら発生する励磁電圧Ｖabによって供給される。

このようにして励磁電圧Ｖabから供給される励磁電流で回転子が磁化され、出力用電機子巻線１４には三相交流の起電力が発生する。そして、出力用整流器１５によってこの発生した三相交流電圧を全波整流し、直流電圧（以下、「出力電圧Ｖcd」と称する）に変換して、バッテリ３および電気負荷５に電力を供給する。

その後、出力電圧Ｖcdが調整電圧（例えば、１４．５Ｖ）に到達して電圧比較器２３の入力電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１（調整電圧１４．５Ｖ相当の電圧）よりも高くなる（Ｖ２＞Ｖ１）と、電圧比較器２３の出力信号は、ハイレベルからローレベルに変化し、スイッチ素子２４はオフされて励磁電流は、環流ダイオード２５を通して環流され減少するので車両用交流発電機１の出力電圧Ｖcdは低下する。そして、電圧比較器２３の入力電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１よりも低くなる（Ｖ２＜Ｖ１）と、スイッチ素子２４が再びオンされ、励磁電流が増加する。

このように、スイッチ素子２４のオンオフ制御を行って、励磁巻線１１に流す励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Ｖcdが所定の調整電圧に調整される。

次に、車両を運転中に電気負荷５を使用している場合（スイッチ４がオンされた場合）について説明する。車両用交流発電機１の発電能力に余裕がある場合には、車両用交流発電機１は、所定の調整電圧（１４．５Ｖ）に制御された出力電圧Ｖcdでバッテリ３を充電し、車載の電気負荷５に電力を供給している。

電気負荷５が車両用交流発電機１の発電能力よりも多くの電力を消費している場合には、バッテリ３から電力の供給を補うため、バッテリ電圧は低下し、車両用交流発電機１の出力電圧Ｖcdは所定の調整電圧（１４．５Ｖ）よりも低くなる。これにより、電圧比較器２３の入力電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１よりも低くなる（Ｖ２＜Ｖ１）ので、スイッチ素子２４はオンされ、励磁巻線１１にはフル励磁電流が流れる。

励磁用電機子巻線１２には、このフル励磁電流によって出力電圧Ｖcdよりも大きな起電力が発生し、励磁巻線１１には、車両用交流発電機１からバッテリ３や電気負荷５に供給されている出力電圧Ｖcdに制限されることなく、車両用交流発電機１の励磁用電機子巻線１２で発生可能な励磁電圧Ｖab（例えば、エンジンのアイドル回転付近に相当する車両用交流発電機１の回転数１８００ｒｐｍで約１７Ｖ＞Ｖcd）が印加されることになる。

したがって、バッテリ電圧よりも高い励磁電圧Ｖabを励磁巻線１１に印加することができるので、磁化力の強い回転子を構成することができ、励磁巻線に印加される電圧がバッテリ電圧で制限されて発電する従来構成の車両用交流発電機に比べて、出力用電機子巻線１４からバッテリ３および電気負荷５に供給する出力電流を増大することができる。

また、他励用として装置規模が大きい別電源を設けて出力増大を図っていた従来の車両用交流発電機に対して、本実施形態の車両用交流発電機１では、励磁電圧の印加方法を工夫することにより、発電電力を増大することが可能となった。しかも、励磁巻線１１に印加する昇圧電圧を得る簡素な構造を内蔵することができ、車両用交流発電機１の車両への搭載性を悪化させることなく、別電源を削減して価格を下げることが可能となる。さらに、別電源の削減に伴って、軽量化も実現することができる。

〔第２の実施形態〕
図２は、第２の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図であり、あわせてこの車両用交流発電機とバッテリ等との接続状態が示されている。図２に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１Ａは、励磁巻線１１、励磁用電機子巻線１２、励磁用整流器１３、出力用電機子巻線１４、出力用整流器１５、整流素子１６、発電制御装置２Ａを含んで構成されている。

図２に示す本実施形態の車両用交流発電機１Ａは、図１に示した第１の実施形態の車両用交流発電機１に対して、励磁巻線１１、励磁用電機子巻線１２、励磁用整流器１３、スイッチ素子２４、還流ダイオード２５、整流素子１６の結線を変更したものである。具体的には、図２に示す車両用交流発電機１Ａでは、励磁巻線１１、還流ダイオード２５および励磁用整流器１３の正側の接続点ａが整流素子１６を介してバッテリ３のプラス側に接続され、スイッチ素子２４と励磁用整流器１３の負側の接続点ｂがＥ端子に接続され接地されている。整流素子１６の作用については第１の実施形態の車両用交流発電機１に備わった整流素子１６と同じであり、整流素子１６を用いることにより励磁用整流器１３と出力用整流器１５とが電気的に分離されている。

〔第３の実施形態〕
図３は、第３の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図であり、あわせてこの車両用交流発電機とバッテリ等との接続状態が示されている。図３に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１Ｂは、励磁巻線１１、励磁用電機子巻線１２、励磁用整流器１３、出力用電機子巻線１４、出力用整流器１５、発電制御装置２Ｂを含んで構成されている。

上述した第１および第２の実施形態の車両用交流発電機１、１Ａでは、整流素子１６を用いることで励磁用整流器１３と出力用整流器１５を電気的に分離するとともに、この整流素子１６を通してバッテリ３から励磁巻線１１に初期励磁電流を供給していたが、初期励磁電流を流さなくても回転子が回り出すと発電する方式を採用している場合（例えば、永久磁石と電磁石とを併用する回転子を用いている場合）には整流素子を省略することができる。図３に示した車両用交流発電機１Ｂでは、整流素子１６が省略されており、励磁用整流器１３と出力用整流器１５とが完全に分離されている。

〔第４の実施形態〕
図４は、第４の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図であり、あわせてこの車両用交流発電機とバッテリ等との接続状態が示されている。図４に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１Ｃは、励磁巻線１１、励磁用電機子巻線１２、励磁用整流器１３、出力用電機子巻線１４、出力用整流器１５、整流素子１６、発電制御装置２Ｃを含んで構成されている。

図４に示す本実施形態の車両用交流発電機１Ｃは、図１に示した第１の実施形態の車両用交流発電機１に対して、発電制御装置２を発電制御装置２Ｃに変更したのものである。また、この発電制御装置２Ｃは、発電制御装置２に対して、励磁電流検出用抵抗２６および励磁電流制限回路２７を追加し、電圧比較器２３をスイッチ素子２４のゲートを制御するトランジスタ２９と電圧比較器２８に変更したものである。

励磁電流検出用抵抗２６は、一方端がスイッチ素子２４のソースに、他方端が接続点ｂ（励磁用整流器１３の負側）に接続されている。スイッチ素子２４がオンしたときに、励磁巻線１１→スイッチ素子２４→励磁電流検出用抵抗２６の経路に流れる電流によって励磁電流検出用抵抗２６（抵抗値Ｒｓ）の両端に電位差Ｖ４が現れ、この電位差Ｖ４が励磁電流に対応する電圧として検出される。

励磁電流制限回路２７は、電圧比較器２７１とオフ回路２７２を備える。電圧比較器２７１は、マイナス入力端子には基準電圧Ｖ３が入力され、プラス入力端子には励磁電流検出用抵抗２６の両端に生じる電位差Ｖ４が入力される。また、この電圧比較器２７１の出力は、オフ回路２７２に入力される。

オフ回路２７２は、電位差Ｖ４が基準電圧Ｖ３よりも低くなっているときには（Ｖ４＜Ｖ３）ハイレベルの信号を出力し、スイッチ素子２４をオンにする。また、電位差Ｖ４が基準電圧Ｖ３よりも高くなり（Ｖ４＞Ｖ３）、電圧比較器２７１からハイレベルの信号が入力されるときに、所定時間Ｔ_OFF ローレベルの信号を出力し、スイッチ素子２４をオフする。この所定時間Ｔ_OFF は、電流制限時の励磁電流の変化を小さくしておくために、励磁巻線１１の時定数τよりも充分小さく設定されている（Ｔ_OFF ＜＜τ）。例えば、Ｔ_OFF は数ｍｓ程度に設定されている。

電圧比較器２８は、マイナス入力端子には基準電圧Ｖ１が入力され、プラス入力端子には車両用交流発電機１Ｃの出力電圧を検出するために抵抗２１、２２で分圧された入力電圧Ｖ２が入力されている。また、この電圧比較器２８の出力は、トランジスタ２９に入力される。

トランジスタ２９は、スイッチ素子２４を制御するためのものであり、ゲートが電圧比較器２８の出力端子に、ドレインがスイッチ素子２４のゲートにそれぞれ接続されており、ソースが接続点Ｂに接続されている。

上述した励磁電流検出用抵抗２６、励磁電流制限回路２７が励磁電流制限手段に対応する。また、抵抗２１、２２、スイッチ素子２４、電圧比較器２８、トランジスタ２９が電圧制御手段に対応する。また、抵抗２１、２２、スイッチ素子２４、電圧比較器２８、トランジスタ２９が第１制御手段に、励磁電流検出用抵抗２６、励磁電流制限回路２７が第２制御手段にそれぞれ対応する。

本実施形態の車両用交流発電機１Ｃ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。

＜エンジン始動前の動作＞
電圧比較器２８の２つの入力端子に着目すると、プラス入力端子の入力電圧Ｖ２はマイナス入力端子の入力電圧Ｖ１よりも小さくなっている（Ｖ２＜Ｖ１）。このため、電圧比較器２８の出力信号はローレベルとなり、トランジスタ２９がオフされる。

次に、電圧比較器２７１の２つの入力端子に着目する。例えば、バッテリ３から供給される励磁電流よりも大きな所定の励磁電流Ｉ１に対応する基準電圧Ｖ３が設定されているものとする（励磁電流検出用抵抗２６の抵抗値をＲｓとしたときに、所定の励磁電流Ｉ１は、Ｉ１＝Ｖ３／Ｒｓの関係となっている）。

励磁電流検出用抵抗２６の両端の電位差Ｖ４は、基準電圧Ｖ３より低くなっているので、電圧比較器２７１からはローレベルの信号が出力され、オフ回路２７２の出力信号はハイレベルとなってスイッチ素子２４がオンされる。そして、励磁電流はバッテリ３から供給され、励磁巻線１１、スイッチ素子２４、励磁電流検出用抵抗２６、整流素子１６を通して初期励磁電流が流れ、回転子を磁化する。

＜エンジン始動後の動作＞
エンジンが始動され、回転子が回転すると、回転磁界が発生し、励磁用電機子巻線１２に三相交流の起電力が発生する。そして、励磁用整流器１３によって、この発生した三相交流電圧を全波整流し、直流電圧（励磁電圧Ｖab）に変換する。

バッテリ電圧よりも大きな電位差のある励磁電圧Ｖabが発生すると、励磁用整流器１３の負側の電位は、Ｅ端子の接地電位よりも低くなる。つまり、整流素子１６は、逆バイアスとなって、バッテリ３から供給されていた初期励磁電流はなくなり、励磁電流は、バッテリ３からの供給に代わって、自ら発生する励磁電圧Ｖabによって供給される。

このようにして励磁電圧Ｖabから供給される励磁電流で回転子が磁化され、出力用電機子巻線１４には三相交流の起電力が発生する。そして、出力用整流器１５によってこの発生した三相交流電圧を全波整流し、直流電圧（出力電圧Ｖcd）に変換して、バッテリ３および電気負荷５に電力を供給する。

その後、出力電圧Ｖcdが調整電圧（例えば、１４．５Ｖ）に到達して電圧比較器２８の入力電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１（調整電圧１４．５Ｖ相当の電圧）よりも高くなる（Ｖ２＞Ｖ１）と、電圧比較器２８の出力信号は、ローレベルからハイレベルに変化し、トランジスタ２９をオンする。スイッチ素子２４のゲート電圧はローレベルになり、スイッチ素子２４はオフされて励磁電流は、環流ダイオード２５を通して環流され減少するので車両用交流発電機１Ｃの出力電圧Ｖcdは低下する。

そして、電圧比較器２８の入力電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１よりも低くなる（Ｖ２＜Ｖ１）と、電圧比較器２８の出力信号はローレベルになり、トランジスタ２９をオフする。スイッチ素子２４のゲート電圧はハイレベルになり、スイッチ素子２４は再びオンされて励磁電流が増加する。

このように、スイッチ素子２４のオンオフ制御を行って、励磁巻線１１に流す励磁電流を制御することにより、車両用交流発電機１Ｃの出力電圧Ｖcdが所定の調整電圧に調整される。

次に、車両を運転中に電気負荷５を使用している場合（スイッチ４がオンされた場合）について説明する。

＜低速域での動作＞
車両用交流発電機１Ｃの発電能力に余裕がある場合には、車両用交流発電機１Ｃは、所定の調整電圧（１４．５Ｖ）に制御された出力電圧Ｖcdでバッテリ３を充電し、車載の電気負荷５に電力を供給している。

電気負荷５が車両用交流発電機１Ｃの発電能力よりも多くの電力を消費している場合には、バッテリ３から電力の供給を補うため、バッテリ電圧は低下し、車両用交流発電機１Ｃの出力電圧Ｖcdは所定の調整電圧（１４．５Ｖ）よりも低くなる。これにより、電圧比較器２８の入力電圧Ｖ２が基準電圧Ｖ１よりも低くなる（Ｖ２＜Ｖ１）ので、トランジスタ２９はオフされ、スイッチ素子２４はオンされ、励磁巻線１１にはフル励磁電流が流れる。

励磁用電機子巻線１２には、このフル励磁電流によって出力電圧Ｖcdよりも大きな起電力が発生し、励磁巻線１１には、車両用交流発電機１Ｃからバッテリ３や電気負荷５に供給されている出力電圧Ｖcdに制限されることなく、車両用交流発電機１Ｃの励磁用電機子巻線１２で発生可能な励磁電圧Ｖab（例えば、エンジンのアイドル回転付近に相当する車両用交流発電機１Ｃの回転数１８００ｒｐｍで約１７Ｖ＞Ｖcd）が印加される。

＜高速域での動作＞
最大の発電能力で発電し、車両用交流発電機１Ｃの回転子回転数が高速回転すると、励磁用電機子巻線１２では、その回転数に応じて起電力が発生し、さらに高い励磁電圧Ｖabを発生する。このような高速回転域で過大な電圧となってしまう励磁電圧Ｖabを抑えるために、励磁電流Ｉｆを所定の電流Ｉ１に制限する。

ここで、励磁電圧Ｖabを抑えるために励磁電流Ｉｆを制限するのは、車両用交流発電機１Ｃの出力電圧を調整する電圧制御に加えて、別系統の励磁電圧も一定になるように励磁巻線１１に流れる電流を制御しようとすると、車両用交流発電機１Ｃからバッテリ３および電気負荷５に供給する電力が、その励磁電圧を一定電圧にするための励磁電流に影響されてしまい、励磁電流が減少したり増加したりして車両用交流発電機１Ｃの出力電圧が不安定な動作をしてしまうからである。

図５は、高速域での発電制御装置２Ｃの動作タイミング図である。図４および図５を参照しながら、励磁用整流器１３から供給される励磁電流Ｉｆを所定電流Ｉ１に制限するときの動作について説明する。

スイッチ素子２４がオンし、励磁電流Ｉｆが流れると、励磁電流検出用抵抗２６の両端に電位差Ｖ４が生じる。電圧比較器２７１に入力される電位差Ｖ４が基準電圧Ｖ３を超える（Ｖ４＞Ｖ３）と（図５（Ａ））、電圧比較器２７１からはハイレベルの信号が出力される（図５（Ｂ））。すると、オフ回路２７２が作動し、オフ回路２７２からは所定時間Ｔ_OFF ローレベルの信号が出力される。これにより、スイッチ素子２４のゲート電圧がローレベルになり、スイッチ素子２４はオフされ、励磁電流は環流ダイオード２５を通って環流され、減少する（図５（Ｄ））。オフ回路２７２からは、所定時間Ｔ_OFF が経過すると、再びハイレベルの信号が出力される（図５（Ｃ））。これにより、スイッチ素子２４のゲート電圧がハイレベルになり、スイッチ素子２４は再びオンされ、励磁電流が増加する（図５（Ｄ））。

このように、制限値を検出した後に、所定時間励磁電流を減少させる動作を繰り返すことで、励磁巻線１１に流す励磁電流Ｉｆを、ほぼ所定の励磁電流Ｉ１に制限している。したがって、励磁電圧Ｖabは、励磁電流の制限値Ｉ１と励磁巻線１１のインピーダンスＺｆで決まる電圧値（Ｖab＝Ｉ１×Ｚｆ）に制限される。

また、車両用交流発電機１Ｃの低速回転域では、バッテリ電圧よりも高い励磁電圧Ｖabを励磁巻線１１に印加することができるので、磁化力の強い回転子を構成することができ、励磁巻線１１に印加される電圧がバッテリ電圧で制限されて発電する従来構成の車両用交流発電機に比べて、出力用電機子巻線１４からバッテリ３および電気負荷５に供給する出力電流を増大することができる。

また、車両用交流発電機１Ｃの高速回転域では、低速回転域の出力電流に影響を与えないように励磁電流を所定の値に制限して、励磁巻線１１に印加される励磁電圧Ｖabを制限することができるので、励磁巻線１１の発熱を抑えて、励磁巻線１１を構成する銅線の絶縁皮膜の劣化を防止することができる。

ところで、励磁電流を検出する機構は、図４に示したようなスイッチ素子２４のソース側に励磁電流検出用抵抗２６を直列に接続するものに限られたものではなく、図６に示すような励磁電流の一部を分流して検出するスイッチ素子２４Ａ（例えば、ＳＥＮＳＥ−ＦＥＴ）、２４Ｂを用いるようにしてもよい。

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。上述した実施形態では、車両用交流発電機１、１Ａ、１Ｂ、１ＣのＢ端子に現れる電圧を抵抗２１、２２によって分圧して入力電圧Ｖ２を生成したが、バッテリ３のプラス端子に現れる端子電圧を取り込んで抵抗２１、２２で分圧して入力電圧Ｖ２を生成するようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、励磁巻線１１のローサイド側（Ｂ端子と反対側、Ｅ端子側）にスイッチ素子２４を設けたが、反対のハイサイド側に設けるようにしてもよい。また、図１、図２、図４、図６では、整流素子１６を発電制御装置２、２Ａ、２Ｃの外部に設けたが内蔵させるようにしてもよい。

また、上述した実施形態では、励磁用電機子巻線１２および出力用電機子巻線１４をともにＹ結線で説明したが、これらの両方をΔ結線したり、一方をＹ結線で他方をΔ結線としてもよい。例えば、励磁用電機子巻線１２をＹ結線として、出力用電機子巻線１４をΔ結線としてもよい。

また、上述した第４の実施形態では、第１の実施形態の構成に対して、励磁電流検出用抵抗２６および励磁電流制限回路２７を追加するとともに電圧比較器２３をスイッチ素子２４のゲートを制御するトランジスタ２９と電圧比較器２８に変更した場合について説明したが、同様に、第２の実施形態の構成あるいは第３の実施形態の構成に対して、励磁電流検出用抵抗２６および励磁電流制限回路２７を追加するとともに電圧比較器２３をスイッチ素子２４のゲートを制御するトランジスタ２９と電圧比較器２８に変更するようにしてもよい。

また、上述した各実施形態では、発電部（固定子巻線と整流器の組み合わせ）の数を２としたが、励磁用および出力用の発電部のそれぞれの数を２以上としてもよい。

第１の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。 第２の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。 第３の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。 第４の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。 高速域での発電制御装置の動作タイミング図である。 励磁電流を検出する構成の変形例を示す図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 車両用交流発電機
２、２Ａ、２Ｂ、２Ｃ 発電制御装置
３ バッテリ
５ 電気負荷
１１ 励磁巻線
１２ 励磁用電機子巻線
１３ 励磁用整流器
１４ 出力用電機子巻線
１５ 出力用整流器
１６ 整流素子
２１、２２ 抵抗
２３、２８、２７１ 電圧比較器
２４ スイッチ素子
２５ 還流ダイオード
２６ 励磁電流検出用抵抗
２７ 励磁電流制限回路
２９ トランジスタ
２７２ オフ回路

Claims (13)

1. 複数の界磁極を有する回転子と、前記界磁極を磁化させる励磁巻線と、前記回転子により発生する回転磁界を受けて交流電圧が誘起される固定子巻線を有する固定子とを備える車両用交流発電機において、
   前記固定子巻線は、第１の固定子巻線と第２の固定子巻線とを有しており、
   前記第１の固定子巻線に発生する交流電圧を直流に変換して、バッテリおよび車載電気負荷に直流電力を供給する第１の整流器と、
   前記第１の整流器と電気的に分離され、前記第２の固定子巻線に発生する交流電圧を直流に変換する第２の整流器と、
   前記第１の整流器の出力電圧または前記バッテリの端子電圧を所定の基準電圧と比較し、比較結果に基づいて、前記第２の整流器から出力される直流電圧が印加される前記励磁巻線に流れる電流を制御する発電制御手段と、
   を備えることを特徴とする車両用交流発電機。
2. 複数の界磁極を有する回転子と、前記界磁極を磁化させる励磁巻線と、前記回転子により発生する回転磁界を受けて交流電圧が誘起される固定子巻線を有する固定子とを備える車両用交流発電機において、
   前記固定子巻線は、第１の固定子巻線と第２の固定子巻線とを有しており、
   前記第１の固定子巻線に発生する交流電圧を直流に変換して、バッテリおよび車載電気負荷に直流電力を供給する第１の整流器と、
   前記第１の整流器と電気的に分離され、前記第２の固定子巻線に発生する交流電圧を直流に変換して、前記励磁巻線に直流電力を供給する第２の整流器と、
   前記第２の整流器から前記励磁巻線へ流れる電流を所定の電流に制限する励磁電流制限手段と、
   前記第１の整流器の出力電圧または前記バッテリの端子電圧を所定の調整電圧と比較し、比較結果に基づいて、前記第２の整流器からの直流電圧が印加される前記励磁巻線に流れる電流を制御して、前記バッテリおよび前記車載電気負荷に供給する電圧を調整する電圧制御手段と、
   を備えることを特徴とする車両用交流発電機。
3. 請求項２において、
   前記励磁電流制限手段によって制限される前記所定の電流は、前記バッテリを用いて流すことができる第１の励磁電流よりも高い第２の励磁電流であることを特徴とする車両用交流発電機。
4. 請求項３において、
   前記励磁電流制限手段は、前記第２の励磁電流を検出した後に、前記励磁巻線の時定数よりも小さい所定時間の間前記励磁巻線に流れる電流を減少させることを特徴とする車両用交流発電機。
5. 請求項１または４において、
   前記第２の整流器は、整流素子を介して前記第１の整流器に接続されており、
   前記整流素子は、前記第２の整流器の出力電圧が前記第１の整流器の出力電圧よりも低いときに順方向にバイアスされ、前記第２の整流器の出力電圧が前記第１の整流器の出力電圧よりも高いときに逆方向にバイアスされることを特徴とする車両用交流発電機。
6. 界磁極とこの界磁極を磁化するための励磁巻線とを備えた回転子と、
   前記回転子によって発生する回転磁界に応じて交流電流を誘起する第１の固定子巻線と第２の固定子巻線を備えた固定子と、
   前記第１の固定子巻線に発生する第１の交流電流を整流する第１の整流器と、
   前記第２の固定子巻線に発生する第２の交流電流を整流する第２の整流器と、
   前記第２の整流器の出力電圧を印加して、前記第１の整流器から供給する電力の量を制御する発電制御装置と、
   を備えることを特徴とする車両用交流発電機。
7. 請求項６において、
   前記第２の固定子巻線は、第２電力を発電して、前記励磁巻線に前記第２電力を供給し、
   前記第１の固定子巻線は、第１電力を発電して、バッテリおよび車載電気負荷に電力を供給することを特徴とする車両用交流発電機。
8. 請求項７において、
   前記発電制御装置は、前記第１の整流器の出力電圧または前記バッテリに印加される電圧と所定の基準電圧とを比較する比較器を備え、前記比較器の比較結果に基づいて、前記第２の整流器から前記励磁巻線に向かう電力の供給を制御することを特徴とする車両用交流発電機。
9. 請求項７において、
   前記発電制御装置は、第１および第２の制御手段を備え、
   前記第１の制御手段は、前記第１の整流器の出力電圧または前記バッテリに印加される電圧を所定の基準電圧と比較する第１の比較器を備え、前記第１の比較器の比較結果に基づいて、前記第２の整流器から前記励磁巻線に向かう電力の供給を制御し、
   前記第２の制御手段は、前記第２の整流器から前記励磁巻線に流れる電流を所定の電流に制限することを特徴とする車両用交流発電機。
10. 電力を発電する複数の発電部と、
    一部の前記発電部によって発電するために残りの前記発電部から前記一部の発電部に供給される電力量と、前記一部の発電部によって出力端子から外部に供給される電力量とを制御する発電制御装置と、
    を備えることを特徴とする車両用交流発電機。
11. 請求項１０において、
    前記複数の発電部は、内部に配置されていることを特徴とする車両用交流発電機。
12. 請求項１０において、
    前記一部の発電部によって前記出力端子から外部に供給される電力量は、前記一部の発電部に供給される電力量よりも大きいことを特徴とする車両用交流発電機。
13. 請求項１０において、
    前記発電制御装置は、前記一部の発電部に供給される電力量が所定値を越えるときに、前記一部の発電部に電力を供給する少なくとも一つの前記残りの発電部の電力供給動作を停止させることを特徴とする車両用交流発電機。

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