JP2010226926A - Rotating electrical machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転電機に関し、特に、磁力によるフリクションを、任意に小さくしたり、大きくしたりすることができる交流発電機に関する。 The present invention relates to a rotating electrical machine, and more particularly to an AC generator capable of arbitrarily reducing or increasing the friction caused by magnetic force.
エンジン等の駆動装置によって駆動される交流発電機として、複数個の永久磁石を環状に配置したロータと、前記永久磁石に対向する複数の突極に巻線を設けたステータと、ロータの回転角度を検出する磁極センサとからなる発電部と、磁極センサで検出されたロータの回転角度に応じて通電相を切り替えるドライバ部とを備えた永久磁石型の発電機が知られている(特許文献1、2)。この型の発電機では、ロータを駆動するエンジンの回転数や負荷の状態によって発電量が過多となった場合、レギュレータを用いて出力電圧を一定の値に制御して電圧の上昇を抑えて安定化させることが必要である。ドライバ部としては、各相巻線毎に上下2段のスイッチング素子(FET)を配置したブリッジ回路を含んでおり、出力電圧の安定化制御はFETのオン・オフタイミングと通電電流の位相を変化させて行う位相制御方式が知られている(特許文献3、4)。位相制御方式によれば、通電位相を調整して発電フリクションをゼロにすることも可能である。
As an AC generator driven by a driving device such as an engine, a rotor in which a plurality of permanent magnets are arranged in an annular shape, a stator having a plurality of salient poles facing the permanent magnets, and a rotation angle of the rotor There is known a permanent magnet type generator including a power generation unit including a magnetic pole sensor that detects a current and a driver unit that switches an energized phase according to the rotation angle of the rotor detected by the magnetic pole sensor (Patent Document 1). 2). In this type of generator, when the amount of power generation is excessive due to the number of rotations of the engine that drives the rotor and the state of the load, the output voltage is controlled to a constant value using a regulator to suppress the voltage rise and stabilize It is necessary to make it. The driver section includes a bridge circuit in which two-stage switching elements (FETs) are arranged for each phase winding, and the output voltage stabilization control changes the on / off timing of the FET and the phase of the energization current. There is known a phase control method that is performed (
永久磁石型の交流発電機は、温度によって永久磁石の磁力が変化することから、安定して発電フリクションをゼロ近くにするためには電流センサ等の検知手段を新たに追加する必要がある。 In the permanent magnet type AC generator, since the magnetic force of the permanent magnet changes depending on the temperature, it is necessary to add a detection means such as a current sensor in order to stably generate power generation near zero.
また、磁極センサのエッジ検知信号に基づいて前記FETのオン・オフタイミングが決定される。磁極センサで検知される回転角度の分解能が例えば10度である場合、ロータが直前の回転角度10度をどれだけの時間で通過したかをCPUで演算し、この時間に基づき直近のN・S磁極の切り替えから所望の時間が経過した時点でFETをオン・オフさせる。 The on / off timing of the FET is determined based on the edge detection signal of the magnetic pole sensor. When the resolution of the rotation angle detected by the magnetic pole sensor is, for example, 10 degrees, the CPU calculates how long the rotor has passed the previous rotation angle of 10 degrees, and based on this time, the most recent NS The FET is turned on / off when a desired time has elapsed since the switching of the magnetic poles.
しかし、エンジンの膨張行程や圧縮行程のように、ロータの回転速度が短時間で変動する区間では、直前の通過時間の演算時と、実際にFETのオン・オフが行われる時とでは同時間での回転角度が異なり、所望のタイミングでFETがオン・オフできないことがある。 However, in a section where the rotational speed of the rotor fluctuates in a short time, such as the expansion stroke or compression stroke of the engine, the same time is taken when the previous transit time is calculated and when the FET is actually turned on / off. In some cases, the rotation angle is different, and the FET cannot be turned on / off at a desired timing.
本発明の目的は、上記課題に対して、電流センサを必要とせずに永久磁石の温度変化による磁束変化の影響を抑えることができ、かつ所望の時期にFETをオン・オフすることで、最適の時期に発電フリクションを低減したり、電磁吸引力によるブレーキ作用を生じさせたりすることができる回転電機を提供することにある。 The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems by suppressing the influence of the magnetic flux change due to the temperature change of the permanent magnet without requiring a current sensor, and by turning the FET on and off at a desired time. It is an object of the present invention to provide a rotating electrical machine that can reduce power generation friction and generate a braking action by an electromagnetic attractive force at the time.
前記目的を達成するための本発明は、環状周壁部と円板状底部とでカップ形状に形成されたロータケースと、前記環状周壁部の内周に固定され、周方向で周期的に直径方向の寸法が変化した波形に形成されているロータコアとからなり、例えば、エンジンで駆動されるロータと、該ロータの回転軸方向に整列され、ロータコアの内周面に一端を対向させた2本のティースコアと、該ティースコアにそれぞれ巻かれた巻線(例えば単相巻線)と、前記2本のティースコアの、ロータ軸側他端に配置された永久磁石とからなるステータとを備え、前記ティースコアおよび巻線からなる磁極が、前記ロータコアの波形のピッチと同一間隔で環状に複数配置されている点に第1の特徴がある。 In order to achieve the above object, the present invention provides a rotor case formed in a cup shape with an annular peripheral wall portion and a disc-shaped bottom portion, and is fixed to the inner periphery of the annular peripheral wall portion, and is periodically diametrically in the circumferential direction. For example, a rotor driven by an engine and two rotor cores aligned in the direction of the rotation axis of the rotor and having one end opposed to the inner peripheral surface of the rotor core. A stator comprising a tee score, a winding wound around the tee score (for example, a single-phase winding), and a permanent magnet disposed on the other end of the two tee scores on the rotor shaft side; A first feature is that a plurality of magnetic poles including the teascore and the windings are arranged in a ring shape at the same interval as the waveform pitch of the rotor core.
また、本発明は、前記2本1組のティースコアに巻かれた巻線の出力側にそれぞれ接続された整流回路を含むレギュレータを備えた点に第2の特徴がある。 Further, the present invention has a second feature in that a regulator including a rectifier circuit connected to the output side of the winding wound around the set of two tees is provided.
また、本発明は、前記各整流回路の出力経路をそれぞれ開閉する切り替えスイッチと、前記各整流回路の出力を合流したライン上に設けられた最終出力段切り替えスイッチと、前記整流回路を形成する半導体スイッチ、前記切り替えスイッチ、および最終段切り替えスイッチを制御して発電機出力を制御するコントローラとを備えた点に第3の特徴がある。 The present invention also provides a changeover switch that opens and closes an output path of each rectifier circuit, a final output stage changeover switch provided on a line that joins the outputs of the rectifier circuits, and a semiconductor that forms the rectifier circuit. A third feature is that a switch, a changeover switch, and a controller for controlling the generator output by controlling the final stage changeover switch are provided.
また、本発明は、前記コントローラが、前記2本の巻線のうち、一方からの出力電圧を検知する手段と、該検知電圧に基づいて、他方の出力を検出するように構成されている点に第4の特徴がある。 Further, the present invention is configured such that the controller detects the output voltage from one of the two windings, and detects the other output based on the detection voltage. There is a fourth feature.
また、本発明は、環状周壁部と円板状底部とでカップ形状に形成されたロータケースと、前記環状周壁部の内周に固定され、周方向で周期的に直径方向の寸法が変化した波形に形成されているロータコアとからなるロータと、前記ロータコアの内周面に一端を対向させた複数のティースコアと、該ティースコアのそれぞれに交互に巻かれた2本の巻線と、前記ティースコアの、ロータ軸側他端に配置された永久磁石とからなるステータとを備え、前記ティースコアおよび巻線からなる磁極が、前記ロータコアの波形のピッチと同一間隔で環状に複数配置されている点に第5の特徴がある。 Further, the present invention is a rotor case formed in a cup shape with an annular peripheral wall portion and a disc-shaped bottom portion, and is fixed to the inner periphery of the annular peripheral wall portion, and the dimension in the diameter direction is periodically changed in the circumferential direction. A rotor composed of a rotor core formed in a corrugated shape, a plurality of teascores having one end opposed to the inner peripheral surface of the rotor core, two windings wound alternately around each of the teascores, A stator composed of a tee core and a permanent magnet disposed at the other end on the rotor shaft side, and a plurality of magnetic poles composed of the tee core and windings are arranged in a ring at the same interval as the waveform pitch of the rotor core. There is a fifth feature.
また、本発明は、2本の巻線毎に、個別に通電位相を制御して発電機出力を制御するコントローラを有している点に第6の特徴がある。 Further, the present invention has a sixth feature in that each of the two windings has a controller that individually controls the energization phase to control the generator output.
さらに、本発明は、互いに巻数および線径の少なくとも一方が異なる巻線を有する点に第7の特徴がある。 Furthermore, the present invention has a seventh feature in that it has windings different in at least one of the number of turns and the wire diameter.
第1〜第7の特徴を有する本発明によれば、単一の交流発電機から2系統で出力電力を得ることができる。また、電流センサを用いずに、永久磁石の温度変化による磁束量変化に影響されない発電機出力を得ることができるし、機械的フリクション以外のフリクションを低減することが可能である。 According to the present invention having the first to seventh characteristics, output power can be obtained in two systems from a single AC generator. Further, without using a current sensor, it is possible to obtain a generator output that is not affected by changes in the amount of magnetic flux due to changes in the temperature of the permanent magnet, and to reduce friction other than mechanical friction.
また、第1〜第5の特徴を有する本発明によれば、ロータ側に永久磁石を設けないので、ロータの構造を簡単にすることができ、かつ部品点数を削減することができる。例えば、ロータコアは一般に永久磁石を収容するスペースを設けるため複雑な形状になる従来品と比べて形状を単純化することができる。 Further, according to the present invention having the first to fifth features, since the permanent magnet is not provided on the rotor side, the structure of the rotor can be simplified and the number of parts can be reduced. For example, the rotor core can be simplified in shape as compared with a conventional product having a complicated shape because a space for accommodating a permanent magnet is generally provided.
第2の特徴を有する本発明によれば、2系統の出力電力を個別に整流およびレギュレートすることができる。 According to the present invention having the second feature, two systems of output power can be individually rectified and regulated.
第3の特徴を有する本発明によれば、2系統の出力を選択的に、または合成して出力させることができるし、例えば、各系統の出力端を短絡または開放して発電機の駆動源にブレーキ作用を及ぼすことができる。 According to the present invention having the third feature, the outputs of the two systems can be selectively or combined and output. For example, the output terminal of each system can be short-circuited or opened to drive the generator Can exert a braking action.
また、2系統の出力位相が互いに逆方向になるように整流回路および切り替えスイッチを制御することで互いの出力が相殺し、出力をゼロにすることができる。したがって、発電機の駆動源に対する発電フリクションを容易にゼロにすることができる。例えば、車両のエンジンが駆動源である場合、加速時に発電フリクションをゼロにして加速性能を向上させることもできる。 Further, by controlling the rectifier circuit and the changeover switch so that the output phases of the two systems are opposite to each other, the outputs of each other cancel each other, and the output can be made zero. Therefore, the power generation friction with respect to the drive source of the generator can be easily reduced to zero. For example, when the engine of the vehicle is the drive source, the acceleration performance can be improved by making the power generation friction zero during acceleration.
第4の特徴を有する本発明によれば、一方の巻線に発生する起電圧に基づいて同一の磁路上にある他方の巻線の磁束変化や起電力を検出し、センサとして使用することができる。 According to the present invention having the fourth feature, it is possible to detect a change in magnetic flux and an electromotive force of the other winding on the same magnetic path based on the electromotive voltage generated in one winding and use it as a sensor. it can.
第6の特徴を有する本発明によれば、フリクション、発電出力、および電磁ブレーキ作用を、巻線毎に自在に制御可能にできる。第7の特徴を有する本発明によれば、多様な巻線仕様に対応することができる。 According to the present invention having the sixth feature, the friction, power generation output, and electromagnetic brake action can be freely controlled for each winding. According to the present invention having the seventh feature, it is possible to cope with various winding specifications.
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図1は、本発明の一実施形態に係る交流発電機を示す正面図、図2は、図1のA−A矢視位置での断面図、図3は交流発電機の要部(ステータ)の斜視図である。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 is a front view showing an alternator according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a main part (stator) of the alternator. FIG.
交流発電機1は、例えば、車両駆動用エンジンのスタータ兼用発電機である。交流発電機1は、エンジンのクランク軸50に連結されて回転するアウタロータ(以下、単に「ロータ」と呼ぶ)2と、ロータ2と同心で配置され、例えばエンジンのクランク室の壁部に固定されるステータ3とからなる。
The AC generator 1 is, for example, a starter / generator for a vehicle driving engine. The AC generator 1 is disposed concentrically with an outer rotor (hereinafter simply referred to as “rotor”) 2 that is connected to an
ロータ2は、環状周壁部41と円板状底部42とでカップ形状に形成されたロータケース4と、ロータケース4の円板状底部42の中心部に形成された開口に嵌め込まれ、リベット5でフランジ部分61が円板状底部42に接合されたボス6とからなる。ボス6の中心孔62にはクランク軸50が挿通固定される。環状周壁部41の内周には、珪素鋼板の薄板を積層してなるものや、圧粉コアなどからなるロータコア7が嵌め込まれて固定されている。
The
ロータコア7は、図1に示したように、周方向で周期的に厚み(ロータ2の直径方向の寸法)tが変化した波形に形成されている。つまり、ステータ3に対して近接している山部(凸部)71とステータ3から離隔している谷部(凹部)72とを有している。山部71および谷部72の数はステータ3の磁極23(図3参照)と同数であり、ステータ3の磁極23の配置間隔と同じ間隔で配置されている。すなわち、各磁極は常に同じ関係でロータコア7の凹凸と対向している。
As shown in FIG. 1, the
ステータ3は、軸方向(クランク軸50の長手方向)に並んで配置された二つの部分ステータ8、9を有する。つまり部分ステータ8、9が1組となってステータ3を構成している。部分ステータ8、9はそれぞれ12個のティースコア10、11と、ティースコア10、11に絶縁体12、13を介して巻回された巻線14、15と、部分ステータ8、9のティースコア10、11で挟み込まれてステータ3の中心寄りに位置している永久磁石16とからなる。巻線14、15はそれぞれ単相である。巻線14、15は、必要な仕様に応じて、それらの巻数や線径を同一にしても良いし、互いに巻数および線径のうち、少なくとも一方を異ならせても良い。
The
ティースコア10、11は、ステータ3の中心寄りで部分ステータ8、9の接合面側に屈曲した先端部10a、11aを有し、その先端部10a、11aの端面間に永久磁石16が配置されている。ティースコア10、11の先端部10a、11aは、これら先端部10a、11aの屈曲外周側に当接する端部ホルダ17、18と、屈曲内周側に当接する中間ホルダ19とで保持されている。ティースコア10、11の外周端部10b、11bはロータコア7の内周面に対向する。
The tee scores 10 and 11 have
永久磁石16はクランク軸50の長手方向にN極およびS極が並ぶように配置され、永久磁石16(N極)、ティースコア10、ロータコア7、ティースコア11、および永久磁石16(S極)を通じて磁束(図4、5参照)が形成される。
The
上記構成において、エンジンが駆動されてクランク軸50が回転すると、ロータ2が共に回転する。ロータコア7は上述のように波形に形成されているので、山部71および谷部72に対するティースコア10、11の対向位置が時間毎に移動して、ティースコア10、11とロータコア7との間隔(ギャップ)Gが変動する。このギャップGの変動に伴い、前記磁束に変化が生じて、巻線14、15に起電力が発生する。磁束量はギャップGの二乗に反比例するので、ロータコア7の内周形状(クランク軸50の長手方向から見た形状)を正弦波の逆数の平方根(√(1/sinθ))とすることで、正弦波状の磁束変化とそれに伴う起電力つまり巻線14、15の出力電力が得られる。
In the above configuration, when the engine is driven and the
図4は、ギャップGが小さいとき、つまりティースコア10、11がロータコア7の山部71に対向しているときの交流発電機1の断面図である。図5は、ギャップGが大きいとき、つまりティースコア10、11がロータコア7の谷部72に対向しているときの交流発電機1の断面図である。図4、図5では、磁束を表す矢印20の太さを変えて磁束量の大小を表している。つまり、ギャップGが小さい図4に示した位置の方が、ギャップGが大きい図5に示した位置より磁束量が多い。
FIG. 4 is a cross-sectional view of the AC generator 1 when the gap G is small, that is, when the tee scores 10 and 11 are opposed to the
図6は、ギャップGと、磁束量と、起電力との関連を示す波形図であり、横軸はロータ回転角度、縦軸はギャップ(エアギャップ)G、磁束量および起電力の大きさを示す。図6に示すように、ギャップGが大きいときは磁束量が少なくなり、ギャップGが小さいときは磁束量が多くなる。磁束量の大小に応じて、磁束量の変化が大きいときに起電力のピークが現れ、磁束量の変化が小さいときには起電力が小さくなり、磁束量が増大から減少に変化するとき、および減少から増大に変化するときに起電力はゼロになる。 FIG. 6 is a waveform diagram showing the relationship between the gap G, the magnetic flux amount, and the electromotive force. The horizontal axis represents the rotor rotation angle, and the vertical axis represents the gap (air gap) G, the magnetic flux amount, and the electromotive force. Show. As shown in FIG. 6, when the gap G is large, the amount of magnetic flux decreases, and when the gap G is small, the amount of magnetic flux increases. Depending on the magnitude of the amount of magnetic flux, an electromotive force peak appears when the change in the amount of magnetic flux is large, the electromotive force decreases when the change in the amount of magnetic flux is small, and when the amount of magnetic flux changes from increase to decrease, and from the decrease When changing to increase, the electromotive force becomes zero.
図7は、磁極の斜視図であり、図8は、磁極の分解図である。図7、図8において、絶縁体12は、同形状の部分絶縁体12a、12bとからなり、これら部分絶縁体12a、12bには、ティースコア10の側部が嵌合されるコア通し溝21、22が形成されている。これら部分絶縁体12a、12bを、ティースコア10の側部にコア通し溝21、22が沿うようにしてあてがい、ティースコア10を両側から覆う。こうして組み立てられたティースコア10と絶縁体12との組立体に巻線14を巻き付ける。完成した部分ステータ8の一つの磁極23を図7に示した。本実施形態では、一つの部分ステータ8に磁極23が12個使用される。部分ステータ9の各磁極も同様に製作される。
FIG. 7 is a perspective view of the magnetic pole, and FIG. 8 is an exploded view of the magnetic pole. 7 and 8, the
図9は、磁極23を保持する端部ホルダの斜視図、図10は、磁極を保持する中間ホルダの要部斜視図である。これら端部ホルダと中間ホルダとによって、全体として環状をなすように磁極が配列保持される。
FIG. 9 is a perspective view of the end holder that holds the
図9において、端部ホルダ17は環状の絶縁体であり、ティースコア10の先端部10aが嵌め込まれるティース保持溝24を外周面に所定角度間隔(30度間隔)で備えている。端部ホルダ17の中心には、前記ボス6とクランク軸50が貫通可能な軸通し孔25が形成されている。端部ホルダ18も端部ホルダ19と同形状に形成される。
In FIG. 9, the
図10において、中間ホルダ19は12個の部分中間ホルダ26(4個だけ図示してある)を環状に配置して構成される。12個の部分中間ホルダ26は、それぞれティースコア10が通るための凹部26aを有し、全体としてアルファベットの「H」形状に形成されている。部分中間ホルダ26のそれぞれの中央部内周側(図10では裏面側)には直方体の永久磁石16が位置し、永久磁石16の6面のうち、部分中間ホルダ26側の面以外の面は端部ホルダ17、18のティース保持溝24とティースコア10、11の端面とで保持される。
In FIG. 10, the
図11は、上記交流発電機1の出力を制御するレギュレータを示す回路図である。図11において、レギュレータ27は、2組の整流回路28、29を有している。整流回路28は、巻線14の出力制御用であり、整流回路29は、巻線15の出力制御用である。整流回路28は、FETとFETに並列接続されたダイオードとからなるスイッチ281、282、283、および284で形成されたブリッジ回路である。同様に、整流回路29は、スイッチ291、292、293、294からなるブリッジ回路である。整流回路28の出力側には、巻線14の出力を選択する第1切替スイッチ(MOSFETとダイオードからなる)30が接続され、整流回路29の出力側には、巻線15の出力を選択する第2切替スイッチ(MOSFETとダイオードからなる)31が接続される。
FIG. 11 is a circuit diagram showing a regulator for controlling the output of the AC generator 1. In FIG. 11, the
さらに、第1切替スイッチ30と第2切替スイッチ31の出力側(ソース)は合流して第3切替スイッチ(MOSFETとダイオードからなる)32の入力側(ソース)に接続される。レギュレータ27の出力側には平滑用の電解コンデンサ33とバッテリ34と負荷35とが並列に接続されている。なお、各スイッチのダイオードはMOSFETのドレインソース間に形成される寄生ダイオードを利用できる。
Further, the output sides (sources) of the
レギュレータ27の各スイッチ281〜284、291〜294と各切替スイッチ30、31、32をオン・オフ制御するコントローラ36が設けられる。コントローラ36は、レギュレータ27の出力電圧Voutの入力ラインを有しており、出力電圧Voutが所定値になるように、制御信号36aによってスイッチ281〜284と291〜294の切り替えおよび導通角(通電デューティ)を制御する。
A controller 36 is provided for on / off control of the
巻線14、15の出力交流は整流回路28、29で整流されるとともに、スイッチ281〜284、291〜294の位相制御と切替スイッチ30〜32の切替制御により、出力電圧を制御したり、制限したりすることができる。
The output AC of the
コントローラ36は、整流回路28と整流回路29との導通角をそれぞれ個別に制御できるように二つの制御部を有することができる。巻線14、15毎に制御部を有することにより、巻線14、15毎に発電出力、フリクションおよび電磁ブレーキ作用を自在に制御できる。
The controller 36 can have two controllers so that the conduction angles between the
以下に、コントローラ36の制御例を説明する。 なお、図12、図14、図15、図16、図18においては、MOSFETは簡略化した記号で示す。 Below, the control example of the controller 36 is demonstrated. In FIGS. 12, 14, 15, 16, and 18, MOSFETs are indicated by simplified symbols.
まず、図12、図13を参照して巻線14、15の出力を並列で出力する例を説明する。ロータ2が回転すると、巻線14、15の両端の電圧は正負に変化する。そこで、ロータ2の角度に応じてレギュレータ27を制御する。例えば、巻線14に矢印14Aの方向(正方向)に電流が流れる電圧がかかるロータ角度では、整流回路28の上段のスイッチ282と下段のスイッチ283をオンにし、かつ第1切替スイッチ30および第3切替スイッチ32をオンにする。この結果、巻線14には、矢印A1に示した電流が流れ、レギュレータ27の出力端には図13の符号aで示した波形の電圧が生じる。
First, an example in which the outputs of the
一方、巻線14に矢印14Bの方向(負方向)に電流が流れ、電圧がかかるロータ角度では、整流回路28の上段のスイッチ281と下段のスイッチ284をオンにし、かつ第1切替スイッチ30および第3切替スイッチ32をオンにする。この結果、巻線14には、矢印A2に示した電流が流れ、レギュレータ27の出力端には図13の符号bで示す電圧が生じる。このように、巻線14に誘起された電圧は整流されてレギュレータ27の出力端に現れる。
On the other hand, at the rotor angle at which a current flows through the winding 14 in the direction of the
同様に、巻線15に矢印15Aの方向(正方向)に電流が流れる電圧がかかるロータ角度では、整流回路29の上段のスイッチ292と下段のスイッチ293をオンにし、かつ第2切替スイッチ31および第3切替スイッチ32をオンにする。この結果、巻線15には、矢印A3に示した電流が流れ、レギュレータ27の出力端には図13の符号cで示した波形の電圧が生じる。
Similarly, at a rotor angle at which a voltage that causes current to flow in the direction of the
一方、巻線15に矢印15Bの方向(負方向)に電流が流れ、電圧がかかるロータ角度では、整流回路29の上段のスイッチ291と下段のスイッチ294をオンにし、かつ第2切替スイッチ31および第3切替スイッチ32をオンにする。この結果、巻線15には、矢印A4に示した電流が流れ、レギュレータ27の出力端には図13の符号dで示した電圧が生じる。このように、巻線15に誘起された電圧は整流されてレギュレータ27の出力端に現れる。
On the other hand, at the rotor angle at which a current flows through the winding 15 in the direction of the
次に、レギュレータ27の出力を制限する制御例を図14、図15、図16および図17を参照して説明する。図14の短絡制限制御の例では、整流回路28の上段のスイッチ281、282をオフにし、下段のスイッチ283、284をオンにする。これにより、巻線14に矢印14A、14Bのいずれの方向に流れる電流も矢印A4、A5のように巻線15の両端を短絡した回路を流れ、レギュレータ27の出力端には電圧が生じない。つまり出力が制限される。
Next, a control example for limiting the output of the
同様に、巻線15に関しても、スイッチ293、294のみをオンとすることで電流が短絡回路を流れるように制御し、出力を制限できる。
Similarly, the output of the winding 15 can be limited by turning on only the
ここで、巻線14、巻線15について一方のみを短絡して出力制限、他方は短絡しないで、図12、図13に示したように出力可能にすることによって、2段階の出力制限をすることができる。
Here, only one of the
図15の開放制限制御の例では、図12に示した例のように、整流回路28、29のスイッチ281〜284、291〜294の切り替えを行うが、第1切替スイッチ30および第2切替スイッチ31はオフに維持する。これによっても、結果的に、レギュレータ27の出力は制限できる。巻線14、15の一方のみの出力を制限する場合は、第1切替スイッチ30、第2切替スイッチ31のうち、制限をしない巻線側をオンにし、併せて第3切替スイッチ32をオンにする。
In the example of the open limit control in FIG. 15, the
図16および図17では相殺制限制御を説明する。相殺制限制御では、整流回路28と整流回路29の出力電圧の正負を互いに逆にすることで、互いに出力を相殺する。図16では、第3切替スイッチ32をオフにして、巻線14、15の一方を他方と相反する極につながるようにスイッチ281〜284、291〜294を切り替える。図17には、相殺制限制御を行った場合のレギュレータ27の出力電圧波形を示す。このように、巻線14の誘起電圧は整流回路28から正電圧に整流して出力されるし、巻線15の誘起電圧は整流回路29から負電圧に整流されて出力される。
16 and 17 will explain the canceling restriction control. In the cancellation limit control, the outputs of the
図18は、巻線14、15の一方の出力を検知することにより、同一磁路上にある他方の磁束変化や起電力を検出して位相制御に利用する例を示す図である。図18において、第1切替スイッチ30と第3切替スイッチ32をオンにし、第2切替スイッチ31はオフにする。この状態で、整流回路28のスイッチ281〜284と、整流回路29のスイッチ291〜294を、ロータ角度に応じてオン・オフ制御する。第2切替スイッチ31はオフになっているので、整流回路29に電圧は印加されているが電流は流れない。ここで、整流回路29の両端の電圧(巻線15の起電圧)をコントローラ36で検出できるようにする。
FIG. 18 is a diagram illustrating an example of detecting the output of one of the
巻線14から出力される電流と電圧とは位相差を持っている。そこで、バッテリ34から巻線14に電圧を印加することによって位相差を解消することができる。また、バッテリ電圧と誘起電力(電圧)との合成波を生成することで、電圧と電流の位相差を任意に変化させることにより、出力や負荷トルクを制御することも可能である。
The current and voltage output from the winding 14 have a phase difference. Therefore, the phase difference can be eliminated by applying a voltage from the
図19は、起電圧の位相を変化させるようにバッテリから巻線14、15に電圧を印加した場合の波形図である。図19に示した例では、整流回路28のスイッチ281〜284の切り替えとオン・オフタイミングを制御してバッテリ34からの電圧を交流に変換し、かつ起電圧の位相からずらして巻線14に印加している。この結果、起電圧と印加電圧との合成電圧の位相を起電圧の位相からずらすことができる。
FIG. 19 is a waveform diagram when voltage is applied from the battery to the
また、この位相制御により、発電フリクションをゼロにすることに利用することができる。つまり、センサ巻線としての巻線15の起電圧を検出し、この起電圧がゼロとなるように、巻線14にバッテリ34から電圧を印加する。つまり、永久磁石16の磁束変化に反発して流れる電流と反対方向に、つまりバッテリ34から巻線14への印加電圧による電流が逆位相で流れるように整流回路28を制御する。こうして、交流発電機1のフリクションのうち発電フリクションをゼロにして機械的フリクションのみとすることができる。
Further, this phase control can be used to reduce the power generation friction to zero. That is, an electromotive voltage of the winding 15 as the sensor winding is detected, and a voltage is applied from the
逆に、巻線14に対するバッテリ34の印加電圧による電流が、永久磁石16の磁束変化に反発して流れる電流と同位相となるように整流回路28を制御することによって、発電フリクションを大きくして外力に対する抗力(ブレーキ力)を生じさせることができる。
Conversely, the power generation friction is increased by controlling the
上述のように、本実施形態によれば、二つの巻線14、15の誘起電圧を並列で出力してバッテリ34を充電し、負荷35に電力を供給することができるし、巻線14、15の双方または一方を短絡して出力制限をすることができる。また、位相制御により、発電フリクションを制御することができる。
As described above, according to the present embodiment, the induced voltage of the two
このような制御により、例えば交流発電機1を搭載した車両の加速時には、例えば、エンジン回転数が、低回転域では同位相、高回転では逆位相となるように巻線への通電を制御し、発電フリクションゼロ化によって加速性能を向上できる。あた、バッテリ34や車両の状況により通常充電方式や、位相制御方式によりバッテリ34を充電することができるし、巻線14、15の両方または一方の出力制限をすることができる。さらに、ロータ2と同様、クランク軸50に連結される変速用Vベルトやチェーン等、動力伝達系の回転変動を抑制するためのブレーキ手段として発電フリクションを利用することが容易にできる。
By such control, for example, when a vehicle equipped with the AC generator 1 is accelerated, for example, the energization of the windings is controlled so that the engine speed is the same phase in the low rotation range and the opposite phase in the high rotation range. Acceleration performance can be improved by zero generation friction. The
図20は本発明の第2実施形態に係る交流発電機の正面図、図21は図20のB−B矢視位置での断面図であり、図1、図2と同符号は同一または同等部分を示す。この第2実施形態では、交流発電機100のステータ38はクランク軸50の長手方向に1個のみであり、第1実施形態のようにクランク軸50の長手方向に部分ステータが整列されたものではない。2列の部分ステータを設ける代わりに、12個の磁極に交互に巻線14、巻線15を配置する。そして、ティースコア39の基部(クランク軸50寄りには、各ティースコア39の間に位置させて永久磁石40を設けている。永久磁石40によって形成される磁束は符号43で示している。この磁束43の量は、磁極の端部つまりティースコア39の先端と、ロータコア7とのギャップGによって変化するのは、第1実施形態と同様である。
20 is a front view of an AC generator according to the second embodiment of the present invention, FIG. 21 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG. 20, and the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 2 are the same or equivalent. Indicates the part. In the second embodiment, there is only one stator 38 of the
図22は、図20に示した交流発電機100の巻線14、巻線15によって誘起された電圧を制御するレギュレータ44の例を示す回路図である。この回路では、ツェナーダイオード45によって電流を制御することで、レギュレータ44の出力端子電圧を調整する従来から知られているオープン式である。第1実施形態に示したレギュレータ27のように、多くの制御形態をとることはできないが、この第2実施形態は、ステータ3側に永久磁石40を備えた発電機を、従来のオープン式レギュレータを使用する交流発電機としても多様に使用できる。
FIG. 22 is a circuit diagram showing an example of a
なお、上記2つの実施形態は単相交流発電機の例であるが、本発明はこれに限らず、3相交流発電機に対しても適用可能である。また、本発明は、発電機に限らず電動機(モータ)としても使用できることはもちろんである。 In addition, although said two embodiment is an example of a single phase alternating current generator, this invention is not limited to this, It is applicable also to a three phase alternating current generator. In addition, the present invention can be used not only as a generator but also as an electric motor.
以下に、本発明の回転電機を車両の駆動源として使用した例を説明する。図23は、本発明を適用した電動車両の右前方からの斜視図、図24は、電動車両の駆動部を示す断面図である。図23において、電動車両101は前輪WFおよび後輪WRを有する二輪車である。
Below, the example which used the rotary electric machine of this invention as a drive source of a vehicle is demonstrated. FIG. 23 is a perspective view from the front right of an electric vehicle to which the present invention is applied, and FIG. 24 is a cross-sectional view showing a drive unit of the electric vehicle. In FIG. 23, the
丸パイプ材で形成されたメインフレーム80および左右一対のロアフレーム81は、メインフレーム80の下端部で車幅方向に延出する補強パイプ82によって互いに連結されている。左右のロアフレーム81には、ガセット83が溶着される。ガセット83には、ネジ等の締結部材によって固定されている保持部材84で、高電圧バッテリ85が保持される。
The
上部に、図示しないシートが配置される荷室86が、左右のリヤフレーム87に挟まれるように配設されており、荷室86の前方下部に形成された斜面部に近接してDC−DCコンバータ88およびコンタクタ89が配置される。DC−DCコンバータ88は高電圧バッテリ31の高電圧(72V)を低電圧(12V)に変換する。また、車幅方向右側のリヤフレーム87に対して制御ユニット(MGU)90が取り付けられる。
A
DC−DCコンバータ88およびコンタクタ89の車体後方側には、左右のリヤフレーム6を連結するクロスメンバ91が配設される。クロスメンバ91には、DC−DCコンバータ88を支持する上下対称形状の取付ステー92と、コンタクタ89を支持するための取付ステー94とが取り付けられる。
A
リヤフレーム87には、車幅方向に延びた枢軸93が設けられ、この枢軸93によって上下方向に揺動自在にスイングアーム(後輪WRの左側に位置するので図示されていない)が支持される。後輪WRと高電圧バッテリ85の間には、スイングアームで支持されるモータドライバ95が配置される。
The
後輪WRの左側には、後輪駆動用のパワーユニット200が配置される。パワーユニット200は、上述した交流発電機1、100と同様の構造を有するモータと減速機(詳細は図24に関して後述)とを備える。
A rear wheel
ヘッドパイプ96の車幅方向右側には、前照灯や制御装置等の電動補機類に電力を供給する低電圧バッテリ97(例えば、12V)が配設されている。前輪WFはヘッドパイプ96で支持されたフロントフォーク98に軸支される。
On the right side of the
図24において、パワーユニット200は、図示しないスイングアームの車体後方側に集中配置されるモータ102、回転駆動力の断接機構としての遠心クラッチ103、および減速機104を有する。図中のラインCは車体の車幅方向中心線である。
In FIG. 24, the
モータ102は、スイングアームの壁部105にボルト58で固定されたステータ3と、ステータ3の外周で回転するアウタ式ロータ2とを有する。ロータ2は、その中心部に設けられた円筒状のハブ6aの外周に接合され、ハブ6aは、軸受を介してモータ出力軸53に回転自在に設けられる。ロータ2の内周面には永久磁石7が取り付けられる。
The
モータ出力軸53は、スイングアームの壁部105に嵌め込まれた軸受60とスイングアームケース65に嵌め込まれた軸受59とで支持される。なお、出力軸53の一端(図中左側には、遠心クラッチ103のクラッチアウタ106が袋ナット66で締め付けられて結合される。袋ナット66の頭部は軸受59の内輪に適合するように小径に形成される。
The
ハブ6aの端部(図中左端部)には、クラッチシュー106を有するドライブプレート107が接合される。
A
ステータ3は、図2に示したように二つのステータ部分からなり、それぞれに巻線14、15が巻回される。壁部105には、巻線14、15にモータドライバ95から電流を供給する電線108が固定されている。壁部105には、モータ回転数センサ109が設けられ、ハブ6aの端部(図中右端部)に取り付けられた磁性体55に対向して配置される。
The
減速機104は、モータ102と後輪WFとの間に設けられ、モータ出力軸53の端部(図中右端部)に形成されたモータ出力ギヤ43aと、第1減速ギヤ46および第2減速ギヤ45aと、第3減速ギヤ47とからなる。第1および第2減速ギヤ46、45aは、伝動ケース68に嵌め込まれた軸受78と減速機ケース67に嵌め込まれた軸受79で支持された中間軸48に固定される。第3減速ギヤ47は、伝動ケース68に嵌め込まれた軸受110と減速機ケース67に嵌め込まれた軸受111とで支持された最終出力軸48aに固定される。最終出力軸48aには、軸受82より内側にオイルシール112を有している。
The
最終出力軸48aの図示右側端部には、後輪WRのホイール56が、カラー69を介してナット113により固定される。ホイール56の内径側には、ライナー114を有するブレーキドラムが形成され、その内側には、アンカピン115を軸にしてブレーキカム49によって駆動される上下一対のブレーキシュー116が収納される。
A
上記構成のパワーユニット200は、電線108を通じてステータ3のコイル14、15に電流を供給されると、ロータ2の永久磁石7の磁束を切る磁界が発生して、ロータ2は回転する。ロータ2の回転数が所定回転数以上になると、遠心クラッチ103が連結されて、モータ出力軸53にロータ3の回転が伝達され、減速機104で減速された回転数で最終出力軸48aが回転し、後輪WRが駆動される。
When power is supplied to the
続いて、本発明の回転電機をハイブリッド車両の駆動源として使用した例を説明する。図25は、ハイブリッド型自動二輪車の右側面図である。ハイブリッド型自動二輪車300は、駆動源としてエンジンとモータとを搭載している。自動二輪車300は、ヘッドパイプ302から後方に張り出し、さらに下方に延びたメインフレーム303と、ヘッドパイプ302から下後方に延びたロアフレーム304とを備える。メインフレーム303の下部から上後方にはサブフレーム305が延びる。また、メインフレーム303の上部とサブフレーム305の上部とをつなぐリヤフレーム(図示せず)を備える。メインフレーム303の上部には、燃料タンク306が設けられ、燃料タンク306の後方で、図示しないリヤフレームの上部にはシート307が設けられる。
Then, the example which used the rotary electric machine of this invention as a drive source of a hybrid vehicle is demonstrated. FIG. 25 is a right side view of the hybrid motorcycle. The
メインフレーム303とロアフレーム304とで囲まれたスペースには単気筒エンジン301が設けられる。エンジンの下方にはクランク室308が設けられる。
A single cylinder engine 301 is provided in a space surrounded by the
メインフレーム303の後部には、ブラケット309が接合されており、このブラケット309に支持され、車幅方向に延びた枢軸310が設けられる。枢軸310は、スイングアーム311を上下に揺動自在に支持する軸である。スイングアーム311の後端近傍には、車軸312によって後輪WRが回転自在に支持される。
A
エンジン301の回転は減速機(図示せず)を介して出力され、スプロケット(図示せず)に掛けられるチェーン312で後輪WRに伝達される。
The rotation of the engine 301 is output via a speed reducer (not shown) and transmitted to the rear wheel WR by a
ヘッドパイプ302には、フロントフォーク313が回動自在に支持される。フロントフォーク313の上部には、トップブリッジ314が設けられ、トップブリッジ314には、ステアリングハンドル315が取り付けられる。
A
フロントフォーク313の下部には、車軸316が固定され、車軸316には前輪WFが支持される。前輪WFのホイール317内にはモータ318が組み込まれる。モータ318のカバー319には、モータ電力線の中継部材320が取り付けられ、中継部材320から電力線321が引き出される。
An
図26は、自動二輪車300の前輪断面図である。前輪WFは、タイヤ322とホイール317とからなり、モータ318は、車軸316に軸受323、323で支持されたロータハブ325を備える。ロータハブ325は複数のボルト334でロータケース4に連結される。
FIG. 26 is a front wheel cross-sectional view of the
ホイール317のハブ326は、車軸316に設けられた軸受327とロータハブ325の外周に設けられた軸受328とによって、車軸316の周りで回転自在に支持される。軸受328はワンウェイクラッチを内蔵する。
The
モータ318のステータ3は、図2に示した発電機と同様の構成であり、2つで1組のコアを有し、各コアに巻線が巻回されている。ロータケース4の内周には永久磁石7が設けられる。ステータ3はボルト58で、モータカバー319に固定される。モータカバー319は車軸316に固定される。モータカバー319の外側には、電力線321の中継部材320が取り付けられる。電力線321はブッシュ329で中継部材320に保持される。
The
ハブ326の端面には、複数のボルト330でブレーキディスク331が取り付けられる。フロントフォーク313の一方側には、ブレーキディスク331を両面から挟み付けることができるブレーキシュー332を有するブレーキキャリパ333が設けられる。
A
この構成により、電力線321からステータ3の巻線に電流が供給されると、ロータ2の永久磁石7の磁束を切る磁界が発生して、ロータケース4が回転する。ロータケース4の回転は、ロータハブ325から軸受328のワンウェイクラッチを介してホイール317のハブ326に伝達され、前輪WFが車軸316を軸として回転駆動される。
With this configuration, when a current is supplied from the
このように、ハイブリッド型自動二輪車300は、後輪WRがエンジン301の動力で駆動され、前輪WFがモータ318の動力で駆動されて、両輪駆動で走行できる。
As described above, the
1…交流発電機、 2…ロータ、 3…ステータ、 4…ロータケース、 6…ボス、 7…ロータコア、 10、11…ティースコア、 14、15…巻線、 16…永久磁石、 20…磁束、 23…磁極、 27…レギュレータ、 28、29…整流回路、 30…第1切替スイッチ、 31…第2切替スイッチ、 32…第3(最終段)切り替えスイッチ、 281〜284、291〜294…MOSFET(半導体スイッチ)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Alternator, 2 ... Rotor, 3 ... Stator, 4 ... Rotor case, 6 ... Boss, 7 ... Rotor core, 10, 11 ... Teascore, 14, 15 ... Winding, 16 ... Permanent magnet, 20 ... Magnetic flux, 23 ...
Claims (9)
前記ロータ(2)の回転軸方向に整列され、前記ロータコア(7)の内周面に一端を対向させた2本1組のティースコア(10、11)と、該ティースコア(10、11)にそれぞれ巻かれた巻線(14、15)と、前記2本のティースコア(10、11)の、ロータ軸側他端に配置された永久磁石(16)とからなるステータ(3)とを備え、
前記ティースコア(10、11)および巻線(14、15)からなる磁極(23)が、前記ロータコア(7)の波形のピッチと同一間隔で環状に複数配置されていることを特徴とする回転電機。 A rotor case (4) formed in a cup shape by an annular peripheral wall portion (41) and a disc-shaped bottom portion (42), and fixed to the inner periphery of the annular peripheral wall portion (41), and periodically diameter in the circumferential direction A rotor (2) comprising a rotor core (7) formed in a waveform having a directional dimension (t) changed;
A pair of tee scores (10, 11) aligned in the direction of the rotation axis of the rotor (2) and having one end opposed to the inner peripheral surface of the rotor core (7), and the tee score (10, 11) A stator (3) comprising windings (14, 15) wound respectively on the two and a permanent magnet (16) disposed on the other end of the two tea scores (10, 11) on the rotor shaft side. Prepared,
A rotation characterized in that a plurality of magnetic poles (23) composed of the teascores (10, 11) and windings (14, 15) are arranged annularly at the same interval as the waveform pitch of the rotor core (7). Electric.
前記各整流回路(28、29)の出力を合流したライン上に設けられた最終出力段切り替えスイッチ(32)と、
前記整流回路(28、29)を形成する半導体スイッチ(281〜284、291〜294)、前記切り替えスイッチ(30、31)、および最終段切り替えスイッチ(32)を制御して発電機出力を制御するコントローラ(36)とを備えたことを特徴とする請求項2記載の回転電機。 Changeover switches (30, 31) for opening / closing the output paths of the rectifier circuits (28, 29), respectively;
A final output stage changeover switch (32) provided on a line where the outputs of the respective rectifier circuits (28, 29) are merged;
The generator switch is controlled by controlling the semiconductor switches (281 to 284, 291 to 294), the changeover switches (30, 31), and the final stage changeover switch (32) forming the rectifier circuit (28, 29). The rotating electrical machine according to claim 2, further comprising a controller (36).
前記ロータコア(7)の内周面に一端を対向させた複数のティースコア(39)と、該ティースコア(39)のそれぞれに交互に巻かれた2本の巻線(14、15)と、前記ティースコア(39)の、ロータ軸側他端に配置された永久磁石(40)とからなるステータ(3)とを備え、
前記ティースコア(39)および巻線(14、15)からなる磁極が、前記ロータコア(7)の波形のピッチと同一間隔で環状に複数配置されていることを特徴とする回転電機。 A rotor case (4) formed in a cup shape by an annular peripheral wall portion (41) and a disc-shaped bottom portion (42), and fixed to the inner periphery of the annular peripheral wall portion (41), and periodically diameter in the circumferential direction A rotor (2) comprising a rotor core (7) formed in a waveform having a directional dimension (t) changed;
A plurality of teascores (39) having one end opposed to the inner peripheral surface of the rotor core (7), and two windings (14, 15) alternately wound around each of the teascores (39), A stator (3) comprising a permanent magnet (40) disposed on the other end of the rotor shaft side of the tee score (39),
A rotating electrical machine characterized in that a plurality of magnetic poles composed of the teascore (39) and the windings (14, 15) are annularly arranged at the same interval as the waveform pitch of the rotor core (7).
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