JP3063106B2

JP3063106B2 - 発電装置

Info

Publication number: JP3063106B2
Application number: JP2063482A
Authority: JP
Inventors: 草瀬　　新
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1990-03-14
Filing date: 1990-03-14
Publication date: 2000-07-12
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JPH03265451A; DE4107867C2; DE4107867A1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、特に車両用交流発電機に用いられ、好適な
発電装置に関する。

〔従来の技術〕

小型軽量高出力化を達成するには、小型回転子にて高
磁束を発生することが必要である。そのために、界磁巻
線に併用し、永久磁石を用いて、高磁束を稼ぐ方法が知
られているが、この場合界磁力制御が行えないという難
点がある。そこで、界磁力制御の方法として、特開昭63
−77362号公報に示す如く、例えば遠心力を利用して磁
路の一部を変位させて磁束量を調整するものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、上述した従来のものでは、回転数に対して
は、永久磁石の出力を一定界磁力に調整して過電圧に保
つことができるものの、負荷需要が変動するとき発電機
の出力電圧が変動するという問題点がある。

そこで、本発明は発電電圧の調整可能な発電機を提供
するものである。

〔課題を解決するための手段〕

そこで本発明は、バッテリに接続される直流端子を備
える車両用交流発電機において、界磁巻線および永久磁
石を備える回転子と、この回転子に対向して配置され前
記界磁巻線の磁束と前記永久磁石の磁束とが流れる単一
の固定子コアおよびこの固定子コアに装備された固定子
巻線を有する固定子と、前記固定子巻線の出力を直流に
整流し前記直流端子に出力する整流器と、前記界磁巻線
の一端を前記直流端子に接続し他端を接地する一組のト
ランジスタと、前記界磁巻線の一端を接地し他端を前記
直流端子に接続する一組のトランジスタとを備えるスイ
ッチング手段であって、発電機に求められる出力に応じ
て各組のトランジスタが選択的に導通して前記界磁巻線
に流れる電流の向きを変え、前記永久磁石の磁束と前記
界磁巻線の磁束との作用する方向が同方向になる状態
と、前記永久磁石の磁束と前記界磁巻線の磁束との作用
する方向が逆方向になる状態とを切り替えて、前記永久
磁石から前記単一の固定子コアに通る磁束を増減させる
とともに、これら両状態において発電機に求められる出
力に応じて前記界磁巻線に流れる電流を制御して前記直
流端子の出力を調節するスイッチング手段とを備えるこ
とを特徴とする車両用交流発電機という技術的手段を採
用する。

〔作用〕

永久磁石の磁束は、固定子コアを通り、固定子巻線に
鎖交する。このため固定子巻線には永久磁石の磁束に対
応した発電出力を生じる。この発電出力は整流器で直流
に整流され、直流出力端子に出力される。一方、界磁巻
線に通電されて発生する磁束もまた、永久磁石の磁束が
通る固定子コアと同じ単一の固定子コアを通り固定子巻
線に鎖交する。スイッチング手段は、界磁巻線の通電方
向を切り換えるとともに、界磁巻線への直流を制御す
る。このため、界磁巻線の磁束が永久磁石の磁束と同方
向に作用する状態においては固定子巻線の発電出力が永
久磁石の磁束による発電出力より大きい領域において調
節され、界磁巻線の磁束が永久磁石の磁束と逆方向に作
用して打ち消す状態においては固定子巻線の発電出力が
永久磁石の磁束による発電出力より小さい領域において
調節され、結局永久磁石の磁束による発電出力以下の領
域からそれ以上の領域にわたって、要求される出力に応
じて発電出力が調節される。しかも、単一の固定子コア
に永久磁石の磁束と界磁巻線の磁束とが通るため、界磁
巻線の磁束によって永久磁石から出て固定子コアに通る
磁束を打ち消して、鉄損を抑えることができる。

〔発明の効果〕

以上に述べた如く、トランジスタを含むスイッチング
手段を設け、界磁巻線への通電方向と電流との両方を制
御する構成としたため、界磁巻線の磁束が永久磁石の磁
束と同方向に作用する状態から、界磁巻線の磁束が永久
磁石の磁束と逆方向に作用して打ち消す状態にわたっ
て、要求される出力に応じて発電出力を調節することが
できる。しかもトランジスタを含むスイッチング手段を
車両用交流発電機に搭載し、その直流出力端子に接続し
て界磁巻線への通電方向を変えるように構成したため、
バッテリから界磁巻線への通電を可能として発電開始初
期から界磁巻線に所望の方向の電流を流すことができ、
車両用交流発電機として必要とされる発電機特性を実現
することができる。更に、単一の固定子コアを採用する
ので、鉄損を抑えることができる。

〔実施例〕

第１図は本発明発電機の第１実施例の要部を示す断面
図であり、第１ないし第３のランデル型回転子１、２、
３、これら回転子１、２、３を支持するシャフト４およ
びこれら回転子１、２、３の外周に配置された固定子５
からなる。

第１の回転子１はシャフト４の外周に固定された筒状
のボス部11と、この筒部11の両側に配置された、第１、
第２の爪状磁極12、13および上記円筒部11の外周に配置
された界磁巻線14とから構成される。そして、第１、第
２の爪状磁極12、13には、第２図に示す如く、それぞれ
ボス部11側にのび、交互に配置される第１、第２の爪部
12a、13aが一体に形成されている。また、第１、第２の
爪部12a、13aは台形形状である。

第２および第３の回転子２、３は、第１の回転子１と
同様に、第３、第４の爪状磁極21、22、第５、第６の爪
状磁極31、32からなる。また、これら第３ないし第６の
爪状磁極21、22、31、32には、第２図に示す如く、交互
に配置される第３ないし第６の爪部21a、22a、31a、32a
が形成されている。そして、第１の円盤状の磁石23が、
第３、第４の爪状磁極21、22間に挿入され、また、第２
の円盤状の磁石33が第５、第６の爪状磁極31、32間に挿
入されている。さらに、第１、第２の磁石23、33は、対
向する面がＮ極となるように、軸方向に着磁され、配置
されている。

そして、第１ないし第３の回転子１、２、３の外周
は、ほぼ同一径としている。

シャフト４は、図示せぬエンジンにより、ベルトを介
して、回転させられるもので、一端に界磁巻線14が接続
される図示せぬ整流子が設けられている。

固定子５は、固定子コア51と、このコア51内に巻装さ
れた３相集中固定子巻線52とから構成される。そして、
コア51には、第１の回転子１の第１および第２の爪部12
a、13aの極数に対して、３倍となる数のスロットを有し
ている。

６は非磁性体からなるスリーブで、第１図に示す如
く、シャフト４の外周に固定され、このスリーブ６の外
周に、第２の回転子２の第１の磁石23、第４の爪状磁極
22、第３の回転子３の第５、第６の爪状磁極31、32およ
び第２の磁石33が配置されている。

そして、第１ないし第３の回転子１、２、３の第１な
いし第６の爪部12a、13a、21a、22a、31a、32aは、それ
ぞれ同一の磁極数であって、各々の磁極位置（つまり、
爪部の位置）は、第２図に示すように、略同一角度位置
ではあるがわずかに互いにずれている。すなわち、第１
の回転子１の爪部12aは、隣接する第２の回転子２の第
４の爪部22aに対しλ/4だけずれており、第３の回転子
３の第５の爪部31aは、第４の爪部22aに対し、λ/2だけ
ずれている。ここで、λとはいわゆるスロットリップル
波長である。

このスロットリップルとは、第３図に示す如く、固定
子５のコア51のスロットと、第１ないし第３の回転子
１、２、３の第１ないし第６の爪部との間に生じる磁気
抵抗むらであり、スロットリップル波長とはコア51のス
ロットのピッチに等しい。

次に、第４図の回路図に基づいてスイッチング手段７
について説明する。第４図は、固定子巻線52と、整流器
120と、車両用交流発電機の出力端子である直流端子Ｔ
と、界磁巻線14と、スイッチング手段７と、車両の負荷
140と、バッテリ150との接続を示している。このスイッ
チング手段７は、トランジスタ71、72、73、74からな
り、トランジスタ71、72とトランジスタ73、74が互いに
並列接続されている。また、トランジスタ71、72間と、
トランジスタ73、74間との間に、界磁巻線14が接続され
ている。

そして、これらトランジスタ71〜74のベースに、第５
図に示す如く、信号を送ることで、界磁巻線14に流れる
電流の向きを変えると共に、界磁巻線14に流れる電流を
制御するものである。

以上の基本構成において、第１の回転子１の磁束発生
（固定子コア51に対する）能力は、第２の回転子２と第
３の回転子３とを加えた磁束発生能力に対して、ほぼ同
等に設定している。つまり、固定子５側の１磁極ピッチ
分磁路断面に対応する、第２図に示すところの第１ない
し第６の爪部12a、13a、21a、22a、31a、32aの外周面積
に関して、（第１、第２の爪部12a、13aの外周面積）≒
（第３、第４の爪部21a、22aの外周面積）＋（第５、第
６の爪部31a、32aの外周面積）の関係になっている。

次に、上記構成においてその作動を説明する。負荷が
多く、発電機自体の出力が要求される場合には、第２、
第３の回転子２、３の永久磁石23、33が発生する磁束
が、固定子コア51に流れると共に、永久磁石23、33の磁
束がコア51に対して流れる方向と、同一の方向となるよ
うに、スイッチング手段７を介して、界磁巻線14に電流
を流す。つまり、スイッチング手段７のトランジスタ7
2、73をオフさせ、トランジスタ71、74をオンさせる。

そして、固定子巻線52には、第２、第３の回転子２、
３の永久磁石23、33による磁束と、第１の回転子１の界
磁巻線14による磁束とが加えられることで、大きな磁束
が影響することになる。

また、スイッチング手段７は、バッテリが所定電圧に
なるように、界磁巻線14に流れる電流を制御する。

つまり、界磁巻線14には、第２、第３の回転子２、３
の永久磁石23、33の磁束以上に磁束を必要とする際に、
上記永久磁石23、33の磁束と同方向の磁束が流れるよう
に、界磁巻線14に電流を流すものである。

次に、負荷が少なく、第２、第３の回転子２、３の永
久磁石23、33の磁束で、発電機の出力が十分足りる場合
には、バッテリが過充電もしくは、発電機がエンジンの
負荷とならないためにも、第１の回転子１の界磁巻線14
には、永久磁石23、33のコア51への磁束方向と反対方向
の磁束を流すべく、界磁電流を、上述に対して反転させ
る。つまり、スイッチング手段７のトランジスタ71、74
をオフさせて、トランジスタ72、73をオンさせる。

従って、永久磁石23、33から発生する所定の磁束を、
第１の回転子１の界磁巻線14にて発生する磁束で打ち消
すものである。また、バッテリ電圧を所定値に制御する
ように、スイッチング手段７にて、界磁巻線14に流す電
流を制御することで、負荷が小さい程、バッテリへの充
電量は少なくてよいため、界磁巻線14に流す電流を大き
くして、永久磁石23、33の磁束を大きく打ち消すように
している。

上述の如く、永久磁石23、33の発生磁束総量を打ち消
しうる逆磁束発生能力を有する第１の回転子１でなけれ
ばならないから、設計の理としてこれら両種の界磁子の
磁束発生能力はほぼ等しく選ぶ必要があり、かつ空隙磁
束密度の値が一般に8KGauss程度の一定普遍上限値とな
る電機設計原理とから、（第１、第２の爪部12a、13aの
面積）≒（第３、第４の爪部21a、22aの面積）＋（第
５、第６の爪部31a、32aの面積）と設定しているのであ
る。

次に、第２図で説明した爪部のわずかなずれについ
て、作用説明する。発電機に限らず、回転電機を運転す
ると電磁騒音が発生することは周知の通りであり、その
起振源の１つに固定子鉄心と回転子の磁極の互いに対向
せる位置に関する磁気抵抗むらによるものが存在するこ
とも周知の通りである。この磁気抵抗むらによって、イ
ンダクタンスエネルギーの脈動が生じひいては固定子と
回転子間の平均トルクに重畳してこれを脈動させるトル
クを生ずる。これを、第３図に示すスロットリップルト
ルク（又はディテントトルク等称する）と称し、電磁騒
音の起振源として支配的な成分であることも周知の通り
である。本案は、かかるトルクむらをなくすために、電
機子鉄心の前記（図示はないが）歯、又はスロットに対
し回転子の磁極を相互にずらして上記磁気抵抗むら（ス
ロットリップルトルク）が、回転子を回転するときに最
小であるようにするものである。一般にそのずらす巾と
しては、スロットリップル波長λに対してλ/2に選べば
互いに山、谷が相殺してスロットリップルは最小とな
る。

通常、発電機の実車両使用時の発電が全負荷状態は少
なく、半負荷程度の状態が多いことに鑑みて、この時、
磁化されているべき永久磁石磁極23、33とを互いにλ/2
ずらしている。負荷がさらに要求されると、或はほとん
ど要求されない場合には、いずれにしても、第１の回転
子１の爪部12a、13aが磁化されるわけであるが、この時
いずれにしても、第２、第３の回転子の爪部21a、22a、
31a、32aとのスロットリップルの重畳が少なくなるよう
にするためには、第１の爪部12aは、第４の爪部22aと第
５の爪部31aとの間に位置されるべきである。

以上の構成によって励磁電流調整により発電電力が調
整可能となる。２箇所の界磁に各々長い磁路をもった重
量大なる鉄心に重量的に大なる銅巻線を施しそれぞれに
励磁電流を与えねばならないものが永久磁石化により磁
路と励磁部ともに簡素化して軽量となり、また回転子で
の発熱量、電力消費もおさえられ冷却手段も簡素でよく
なり、ひいては小型軽量低コストなる発電機の回転子を
提供可能となることはいうまでもない。

第６図および第７図は発電機の第２実施例であり、第
２、第３の回転子２、３の代わりに、第４の回転子８を
示している。

この第４の回転子８は、第１の回転子１の第２の爪状
磁極13の端面に固定された継鉄円筒部81と、第７図に示
す如く、この円筒部81の外周に一体形成され、等間隔に
配置された６個の台形形状の突出部82と、これら突出部
82間に固定された６個の台形形状の永久磁石83とから構
成される。そして、突出部82と永久磁石83とは、第１の
回転子１の第１、第２の爪部12a、13aの配置と同様に、
交互に配置されている。

また、リング状の非磁性材のバンド84は、永久磁石83
の外周に設けられ、永久磁石83の径方向外周側への飛散
を防止するものである。

そして、第４の回転子８の突出部82は、第１実施例と
同様に、第１の回転子１の第１の爪部12aとλ/2ずれて
いる。

また、円筒部81の内周側には、空間が形成されること
で、この空間内で、かつシャフト４上に固定された樹脂
成形の鉄心、軸流混合ファン85を設けることができる。
シャフト４に固定されたファン85は、第４の回転子８の
端面に突出しており、界磁巻線14、固定子巻線52を冷却
することができる。

第８図および第９図は発電機の第３実施例であり、第
５の回転子９は、複数個の長方体の永久磁石91と、これ
ら永久磁石91間に配置され、シャフト４側に先細りとな
る冷鍛成形軟鋼製磁極片92とからなる。そして、磁石91
と磁極片92とを組み合わせることで、円筒形状に構成さ
れる。

93はプレス絞り成形された非磁性体の金属板であり、
シャフト４上に固定される筒部93aと、永久磁石91と磁
極片92との端面に配置された１対の円盤部93bとからな
る。また、この円盤部93bには、第４図に示す如く、永
久磁石91の軸方向端面に形成された突部91aが係合する
孔部93cが設けられている。

そして、永久磁石91の突部91aが金属板93の円盤部93b
の孔部93cに係合することで、永久磁石91の径方向外周
側への飛散を防止することができる。

また、金属板93の円盤部93bと、磁極片92の端面とを
プレス溶接して、磁極片92を金属板93に固定している。

さらに、所定間隔δ（δは必要磁気力、工作精度等よ
り適宜決定される）をおいて、シャフト４に対して回転
自在に固定された磁性体部10aを有する冷却ファン10が
配設されている。該ファン10は第５の回転子９の磁石91
の漏洩磁束を受けて、磁気力で追随回転するが、回転速
度が高まると、ファン羽根の風圧力とつり合って所定回
転以上は追随しない構成となっている。すなわち、羽根
にむやみに大きな遠心力がかからぬため、ファンは思い
きって大きく設計でき、冷却効果を格段に高めることが
でき、もっと発電機の小型化が容易に実現できる礎とな
る効果を奏することとなる。

以上の構成においては、永久磁石を有する回転子と界
磁巻線を有する回転子とをシャフトに対して前、後どち
らに配するべきかについて言及していないが、双方の昇
温が極力おさえられるような配置におくべきことは言う
までもない。例えばレクチファイヤ配置側又はエンジン
被熱大側は一般に温度が高いため、永久磁石を有する回
転子はこれと反対側に設けるのが好適である。

なお、第１実施例ないし第３実施例に永久磁石を用い
た種々の第２、第３および第４の回転子２、３、８を示
したが、これらの永久磁石および磁極の配置に限定され
ることはない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明発電装置の第１実施例の要部を示す断面
図、第２図は第１実施例の回転子の要部を示す平面図、
第３図は回転角に対するトルクむらを示す特性図、第４
図は第１実施例における電気回路図、第５図は制御装置
への入力波形を示す入力信号、第６図は本発明発電装置
の第２実施例の要部を示す断面図、第７図は第２実施例
の回転子の要部を示す正面図、第８図は本発明発電装置
の第３実施例の要部を示す断面図、第９図は第３実施例
の回転子の要部を示す正面図である。１、２、３……第１ないし第３の回転子,11……ボス部,
12、13……第１、第２の爪状磁極,14……界磁巻線,21、
22……第３、第４の爪状磁極,31、32……第５、第６の
爪状磁極,23……第１の磁石,33……第２の磁石,5……固
定子,52……固定子巻線,7……スイッチング手段。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】バッテリに接続される直流端子を備える車
両用交流発電機において、界磁巻線および永久磁石を備える回転子と、この回転子に対向して配置され前記界磁巻線の磁束と前
記永久磁石の磁束とが流れる単一の固定子コアおよびこ
の固定子コアに装備された固定子巻線を有する固定子
と、前記固定子巻線の出力を直流に整流し前記直流端子に出
力する整流器と、前記界磁巻線の一端を前記直流端子に接続し他端を接地
する一組のトランジスタと、前記界磁巻線の一端を接地
し他端を前記直流端子に接続する一組のトランジスタと
を備えるスイッチング手段であって、発電機に求められ
る出力に応じて各組のトランジスタが選択的に導通して
前記界磁巻線に流れる電流の向きを変え、前記永久磁石
の磁束と前記界磁巻線の磁束との作用する方向が同方向
になる状態と、前記永久磁石の磁束と前記界磁巻線の磁
束との作用する方向が逆方向になる状態とを切り替え
て、前記永久磁石から前記単一の固定子コアに通る磁束
を増減させるとともに、これら両状態において発電機に
求められる出力に応じて前記界磁巻線に流れる電流を制
御して前記直流端子の出力を調節するスイッチング手段
とを備えることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項２】前記界磁巻線は、前記永久磁石の発生する
磁束の総量を打ち消しうる逆方向の磁束を前記スイッチ
ング手段からの通電により発生しうる巻線であることを
特徴とする請求項１記載の車両用交流発電機。
【請求項３】前記回転子は、前記界磁巻線の磁束を通す
磁極と、前記永久磁石の磁束を通す磁極とを備え、これ
ら両磁極の磁束がともに前記固定子コアを流れることを
特徴とする請求項１又は２記載の車両用交流発電機。
【請求項４】前記界磁巻線の磁束を通す磁極と、前記永
久磁石の磁束を通す磁極とは、スロットリップル波長を
λとして、回転方向に関してλ/2ずれていることを特徴
とする請求項３記載の車両用交流発電機。
【請求項５】前記回転子は、前記界磁巻線の磁束を通す
磁極と、前記永久磁石の磁束を流す磁極とを別々に設け
たことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の
車両用交流発電機。