JP2876738B2 - 直並列切換回転電機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は直並列切換回転電機に関する。本発明は例え
ば車両用オルタネータやブラシレスモータなどに適用す
ることができる。

［従来技術］ 特開平１−255460号公報は、相毎に直列接続される高
低圧、２組の電機子巻線を有する二電圧出力型の交流発
電機において、低圧側の電機子巻線をスロットの入口側
に、高圧側の電機子巻線をスロットの奥側に配置して電
気絶縁性を向上させている。

また、特開昭58−95999号公報は、星型接続の三相電
機子巻線とともに互いに独立の三相電機子巻線を設け、
切換スイッチ群によりこれら独立の三相電機子巻線を星
型接続の三相電機子巻線に相毎に直並列切換制御して、
高低二電圧の一方を選択出力する直並列切換三相交流発
電機を開示している。

［発明が解決しようとする課題］ 上記した後者の直並列切換三相交流発電機は、特に車
両用において機関回転数変動を補償して良好な出力特性
が期待できるものの、切換スイッチ群及びその間の配線
が複雑で、特に、切換スイッチを固体化すると回路が大
規模化するという難点がある。

本発明は、このような課題を考慮してなされたもので
あり、簡潔な直並列切換が可能な直並列切換回路電機を
提供することを目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明の直並列切換回転電機は、それぞれ直列接続さ
れた複数のスイッチング素子からなる３本の相経路を並
列接続してなり、前記スイッチング素子の総数より３だ
け少ない数の交流入力端を有する多重型三相全波整流器
と、前記交流入力端に個別に接続される複数の発電端を
それぞれ有する複数の三相電機子巻線と、該各三相電機
子巻線とそれぞれ対を構成するとともに一部の界磁極が
界磁コイル励磁型である複数の界磁回転子と、前記界磁
コイル励磁型の界磁極の極性を反転させて前記複数の三
相電機子巻線を直並列切換制御する界磁電流反転回路と
を備えることを特徴としている。

なお、上記スイッチング素子としては、印加電圧によ
りスイッチングがなされる電圧制御型二端子スイッチン
グ素子（例えばPN接合ダイオード）や、制御ゲート端子
を有する三端子スイッチング素子（例えばバイポーラト
ランジスタ）を採用することができる。

また、本発明でいう多重型三相全波整流器は、通常の
三相全波整流器の各相経路にそれぞれ１個以上のスイッ
チング素子を追加して直列接続した回路構成を有してい
る。

［作用］ 一部の（ある三相電機子巻線と対をなす）界磁極の極
性を反転させると、この反転界磁極と対を構成する三相
電機子巻線が出力する三相交流電圧（以下、反転可能三
相交流電圧という）の位相は180度シフトする。

その結果、多重型三相全波整流器内部において、上記
した反転可能三相交流電圧と残りの三相交流電圧とが直
並列切換可能となることがわかった。

［実施例］ 以下、本発明の直並列切換回転電機の各実施例を説明
する。

（第１実施例） この直並列切換回転電機は、車両用三相交流発電機に
適用したものであって、２つの界磁回転子１、１′、２
つの固定子巻線（本発明でいう三相電機子巻線）２、
２′、多重型三相全波整流器３、界磁電流反転回路４、
レギュレーティング回路５を有している。

２つの界磁回転子１、１′は共通の回転軸（図示せ
ず）に軸方向に隣接して固定されている。界磁回転子１
は、永久磁石を界磁源とする永久磁石励磁型であって、
所定対の界磁極（Ｎ極とＳ極とで一対とする）を有す
る。界磁回転子１′は、励磁巻線10を励磁源とする界磁
コイル励磁型であって、界磁回転子１と等しい極数を有
する。

界磁回転子１の周囲にはｕ、ｖ、ｗ相巻線をもつ固定
子巻線２が設けられており、界磁回転子１′の周囲には
ｘ、ｙ、ｚ相巻線をもつ固定子巻線２′が設けられてい
る。ここでｕ及びｘ相巻線、ｖ及びｙ相巻線、ｗ及びｚ
相巻線はそれぞれ同相電圧となるように界磁回転子１、
１′及び固定子巻線２、２′が配置されている。これら
各相巻線ｕ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚは同一巻数とされてお
り、固定子巻線２と固定子巻線２′は磁気回路として別
体の固定子鉄心（図示せず）にそれぞれ巻装されてい
る。固定子巻線２、２′の各発電端20、20′は、多重型
三相全波整流器３の各交流入力端31〜36に個別に接続さ
れている。

多重型三相全波整流器３は、両端ダイオード（本発明
でいうスイッチング素子）D1〜D6からなる通常の三相全
波整流器の各相経路Ｕ、Ｖ、Ｗにそれぞれ１個の中間ダ
イオード（本発明でいうスイッチング素子）D7〜D9を個
別に直列接続した回路構成を有している。すなわち、相
経路ＵはD1、D7、D4を直列接続してなり、相経路Ｖは、
D2、D8、D5を直列接続してなり、相互経路ＷはD3、D9、
D6を直列接続してなり、そして、各相経路Ｕ、Ｖ、Ｗは
接地端Ｅと直流出力端DCHとの間で並列接続されてい
る。

界磁電流反転回路４は、励磁電流の通電方向を回転数
（すなわち発電周波数）に応じて制御可能な回路構成と
なっており、F/V変換器41、比較器42、バイポーラトラ
ンジスタブリッジ44、インバータ43からなる。

以下、界磁電流反転回路４を細く説明しつつ、この直
並列切換回転電機の動作を説明する。

F/V変換器41は、ｗ相巻線の発電端周波数をF/V変換
し、得られた周波数比例電圧は比較器42で参照電圧Vref
1と比較される。したがって、比較器42は機関の回転数
が参照電圧Vref1で指定される所定値（この実施例では1
600rpmに設定される）を越える場合（以下、高速時とい
う）に０を、越えない場合（以下、低速時という）に１
となる回転数依存切換信号電圧S1を出力する。回転数依
存切換信号電圧S1及びインバータ43で反転された反回転
数依存切換信号電圧S2は４つのバイポーラトランジスタ
をブリッジ接続してなるブリッジ44に入力される。すな
わち、回転数依存切換信号電圧S1はトランジスタTr2、T
r3のベースに送られ、反回転数依存切換信号電圧S2はト
ランジスタTr1、Tr4のベースに送られる。

その結果、ブリッジ44は、低速時と高速時とで励磁電
流の通電方向を逆転し、界磁回転子１′の各界磁極の極
性は反転する。すなわち、第２図に示すＰ点以下の回転
数では界磁回転子１′と界磁回転子１との極性が反対と
なり、回転数がＰ点以上となると、上記極性が同相とな
る。

なお、ブリッジ44を構成する２つの相補インバータの
各負荷素子を構成するところのTr1、Tr3のコレクタは次
に説明するレギュレーティング回路５の出力端53に接続
されている。

レギュレーティング回路５は、バッテリ電圧VVに応じ
て励磁電流のデューティ比を制御する回路構成となって
おり、バッテリ電圧VVを基準バッテリ電圧値Vref2とを
比較する比較器51と、比較器51から出力される比較出力
により制御されるエミッタホロワトランジスタ52とから
なる。エミッタホロワトランジスタ52のコレクタはバッ
テリ６及び負荷７とともに多重型三相全波整流器３の直
流出力端DCHに接続されており、エミッタホロワトラン
ジスタ52のエミッタは出力端53に接続されている。

したがって、レギュレーティング回路５はバッテリ電
圧VVがVrf2以下になった場合にエミッタホロワトランジ
スタ52をターンオンし、Vref2を越える場合にエミッタ
ホロワトランジスタ52を遮断する。そして、界磁電流反
転回路４が機関回転数に応じて励磁巻線４への通電方向
を切換制御する。なお、８はスリップリングである。

上記したように通電電流が切換えられると、当然、固
定子巻線２′が発電する三相交流電圧が反転する。

以下、界磁回転子１、１′の磁束方向が同一の場合
と、反対の場合における多重三相全波整流器の直流電力
電圧の変化を説明する。

（磁束方向同一時、高速時） この場合、前記の如く界磁回転子１、１′が固定子
２、２′に作る回転磁界の大きさは、位相、移動速度、
相電圧発生順序はほぼ一致することとなる。いま同相の
相差電圧ｕ−ｖ、ｘ−ｙが他の相差電圧よりも大きいと
する場合、固定子２の電流は、接地Ｅ、D5、ｖ相巻線、
ｕ相巻線、D7、D1、DCHの順に流れて出力される。一
方、固定子２′の電流は接地Ｅ、D5、D8、ｙ相巻線、ｘ
相巻線、D1、DCHの順に流れて出力され、結局、両固定
子２は並列接続されることとなる。この並列接続状態
は、他の相差電圧が大きい場合でも設同様であり、磁束
方向同一時には並列接続となる。

この時、出力電圧一定時の出力電流特性は第２図の80
の如き特性となる。すなわち、出力開始回転数が約1600
rpm、最大出力電流が約200Aである。

（磁束方向反対時、低速時） この場合、界磁回転子１、１′固定子２、２′に作る
回転磁界の位相が反転するので、例えばｕ相に最大電圧
が現れる瞬間、ｘ相には負の最大電圧がらあわれる。こ
の時の各ダイオード動作は次の如くなる。すなわち相電
圧（相巻線の電圧）ｖ、ｗは負電圧となるのでD5、D6が
オンし、これらから流れ込んだ電流はｕ相を経てD7へ流
れる。

一方、回転子巻線２′の方についてみると、負の最大
電圧となっているｘ相に上記電流が流れ込み、ｙ、ｚ相
を通りダイオードD2、D3より出力端子へと流れとゆく。
以上はｕ相が正の最大となる瞬間（したがってｘ相は負
の最大となる瞬間）をとらえて説明したが、他の瞬間に
おいても同様に考えれば容易に理解できる。すなわちこ
の状態において固定子巻線２と固定巻線２′とが直列差
動していることとなる。この時、出力電圧一定時の出力
電流特性は第２図の90の如き特性となる。すなわち、直
列差動するため、直流出力電圧が同一回転数において並
列差動時に対して２倍となる。逆に言えば、設定される
出力電子電圧に達する回転数、すなわち出力開始回転数
が前述並列差動時に対して大体1/2となる。具体数値を
例示すると、この例では、800rpmとなっている。一方、
最大出力電流は約100Aとなっており前述並列差動時の約
半分になっている。これは個々の固定子２、２′の出力
能力が約100A相当である為、並列差動時には100×２＝2
00Aであるが、直列差動時には、100Aまでの出力に限ら
れることと理解される。

（励磁巻線非通電時） この状態においては固定子２の三相電流が外部に取り
出されるのみであり、固定子２′からの電力の発生又は
消費はない。すなわちｕ相が最大になる瞬間をとらえて
説明すると、D5、D6、D7がオン、D4、D8、D9がオフデあ
る。また、ｘ、ｙ、ｚ相は起電圧を発生しないためD2、
D3はオンせず、D1のみオンした状態になっている。以上
はｕ相が最大電圧になっている瞬間の説明であるが、他
の瞬間においても同様の差動となり、固定子２のみが動
作し、固定子２′は電力の発生も消費せず電気的に分離
された状態に保たれることが容易に理解される。すなわ
ち、この状態での出力特性は第２図の100の如き特性と
なる。すなわち出力開始回転数は並列差動時の出力開始
回転数となり、最大出力電流は直列差動時の最大出力電
流となる。これは出力端子と接地間に固定子巻線２のみ
が存在する状態と等価であることと念頭におけば容易に
理解されるであろう。

上記実施例では、機関回転数により直並列の切換制御
だけを実施したが、必要に応じて上記３状態を選択する
ことができ、その結果、第２図の斜線領域の出力特性を
得ることができる。

以下、この実施例の直列並列切換回転電機の変形態様
を説明する。

永久磁石の代りに一定方向に励磁される電磁石を用い
てよい。

この実施例では２個の発電機部分（回転子及び固定
子）と２重三相全波整流器とを用いたが、更に多数の発
電機部分（回転子及び固定子）と更に多重の三相全波整
流器を用いることも可能であり、３並列/3直列方式、４
並列/3直列方式などが可能となる。

（第２実施例） 第２実施例を第３図により説明する。

この実施例では、中間ダイオードD7、D8、D9と並列に
S7、S8、S9を個別接続したものである。

これらサイリスタS7、S8、S9を回転子２、２′の回転
に同期して接続制御すれば、負荷が軽く、必要出力電流
が小さい場合に固定子２の過剰な三相交流電流は、固定
子２′へと供給される。ここで界磁回転子１′に磁束の
方向を１とするような励磁を与えると、固定子２′と界
磁回転子１′とはモータとなって回転軸（図示せず）を
駆動し、発電トルクの大半を打消すことができる。した
がって、軽負荷時又は無負荷時のトルク消費が少なくて
すむと共に、点弧角αの制御波形図（第５図参照）に示
すように、上記動力帰還量を調整すれば、直流出力端子
DCHより外部へと供給される発電電力を連続的に調整す
ることができる。

この時の出力電流制御状態を第４図に説明する。

（第３実施例） 第３実施例の第６図により説明する。

この実施例の装置は、発電機動作と電動機動作の両方
が可能な車両用始動機兼発電機への適用例であり、第１
実施例の多重三相全波整流器３のダイオードD1〜D9にト
ランジスタTr1〜Tr9を個別に並列接続した点を第１の特
徴とする。

固定子２はＹ結線され、固定子２′は△結線されてい
るが両者から出力される発電電圧の最大値は等しくされ
ている。

界磁回転子１、１′は共に励磁巻線10、10′を有して
おり、励磁巻線10′には直接に反転可能な界磁電圧Vfが
印加され、励磁巻線10にはダイオードブリッジ９を介し
て界磁電圧Vfが印加されている。したがってこの界磁電
圧Vfの方向を反転すると、励磁巻線10′に印加される界
磁電圧の方向が反転するものの、励磁巻線10に印加され
る界磁電圧の方向は反転せず、その結果、回転子１は永
久磁石と同様に励磁方向が一定であり、回転子１′は励
磁方向反転可能となる。なお、ダイオードブリッジ９は
スリップリング８より回転子１側に設けられている。

このようにすれば、一対のスリップリング８を増設す
ることなしに、永久磁石を省略することができ、比較的
低コストに構成できる面がある。

図中に示したトランジスタTr1〜Tr9の作用を除く機能
については第１実施例と共通であるので、説明は省略す
る。

トランジスタTr1〜Tr9の作用を以下に説明する。

結論から言えば、Tr1〜９の作動パタンを回転子１′
の磁極の向きに対応して切換えると、直並列切換電動機
を構成できる点が基本的な特徴である。

（直列動作電動機運転） 直列動作電動機運転時のトランジスタ動作のタイミン
グチャートを第７図に示し、その各期間T1〜T6における
電流の流れ、固定子に生じる回転磁界ベクトル、それに
対する回転子の磁極々性を第８図〜第13図に図示する。

（並列動作電動機運転） 並列動作電動機運転時のトランジスタ動作のタイミン
グチャートを第14図に示し、その各期間T1〜T6における
電流の流れ、固定子に生じる回転磁界ベクトル、それに
対する回転子の磁極々性を第15図〜第20図に図示する。

なお上記各図において、丸を付されたトランジスタは
ターンオン状態、×を付されたトランジスタはターンオ
フ状態にある。

これらの各図から、固定子及び回転子の組を２組もつ
同軸タンデム構成の三相交流電動機をトランジスタの切
換により直並列切換することができることがわかる。

更に、第６図においてダイオードD1〜D9を省略すれば
発電機として機能しない直並列切換電動機を構成するこ
とができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の直並列切換回路電機で
は、複数の界磁極の一部を極性反転して、複数の三相電
機子巻線の一部の発電電圧位相を反転する。そして、各
三相電機子巻線の発電電圧（三相交流電圧）が入力され
る多重型三相全波整流器内部において、内部のスイッチ
ング素子のオン、オフにより各三相交流電圧の直並列切
換がなされる構成となっている。

したがって、この発明の直並列切換回転電機によれ
ば、上記多重型三相全波整流器のスイッチング素子が交
直整流機能と直並列切換機能とを兼務しており、かつ、
切換スイッチではなく単なる電流断続スイッチだけを使
用しているので、並列切換に伴う回路負担が少ないとい
う優れた利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の直並列切換回転電機の一実施例を示す
等価回路図、第２図はその回転数と出力電流との関係を
示す図、第３図は第２実施例を示す等価回路図、第４図
は第３図の装置の回転数と出力電流との関係を示す図、
第５図は使用サイリスタの点弧角の一例を示す図、第６
図は第３実施例を示す等価回路図、第７図はその直列動
作電動機運転のタイミングチャート、示す図、第８図〜
第13図は各タイミングにおける動作状態図、第14図はそ
の並列動作電動機運転のタイミングチャート、第15図〜
第20図は各タイミングにおける動作状態図である。 D1〜D9……ダイオード（スイッチング素子） Ｕ、Ｖ、Ｗ……相経路 ３……多重型三相全波整流器 ２、２′……固定子巻線（三相電機子巻線） １、１′……界磁回転子 ４……界磁電流反転回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−96699（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−79796（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−222698（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−36800（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−17899（ＪＰ，Ａ) 特開 昭56−49698（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−16414（ＪＰ，Ａ) 特開 昭49−51516（ＪＰ，Ａ) 特公 昭63−66145（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭54−44482（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭54−44481（ＪＰ，Ｂ２) 特公 昭42−7721（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02P 9/00 - 9/48 H02J 7/14 - 7/30

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】それぞれ直列接続された複数のスイッチン
   グ素子からなる３本の相経路を並列接続してなり、前記
   スイッチング素子の総数より３だけ少ない数の交流入力
   端を有する多重型三相全波整流器と、 前記交流入力端に個別に接続される複数の発電端をそれ
   ぞれ有する複数の三相電機子巻線と、 該各三相電機子巻線とそれぞれ対を構成するとともに一
   部の界磁極が界磁コイル励磁型である複数の界磁回転子
   と、 前記界磁コイル励磁型の界磁極の極性を反転させて前記
   複数の三相電機子巻線を直並列切換制御する界磁電流反
   転回路と、 を備えることを特徴とする直並列切換回転電機。