JP3681050B2

JP3681050B2 - 磁石発電機を用いた電源装置

Info

Publication number: JP3681050B2
Application number: JP32438999A
Authority: JP
Inventors: 昌紀中川
Original assignee: Kokusan Denki Co Ltd
Current assignee: Kokusan Denki Co Ltd
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 1999-11-15
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2019-11-15
Also published as: JP2001145395A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関により駆動される磁石発電機の交流出力電圧を整流して負荷に直流電力を供給する電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関により駆動される磁石発電機の交流出力電圧を整流して負荷に直流電力を供給する電源装置として、例えば二輪車の内燃機関に装着されて該機関により駆動される磁石発電機に発電コイルを設け、該発電コイルの交流出力電圧をダイオードブリッジ全波整流回路で整流して、該全波整流回路の直流出力電圧で二輪車に搭載されているバッテリの充電等を行うようにした電源装置が一般に使用されている。この種の電源装置では、磁石発電機の回転数が高くなると直流出力電圧も高くなってくるので、従来の装置では図５に例を示すように、磁石発電機１の交流出力を整流して直流出力を得るように設けられたダイオードブリッジ全波整流回路２を構成するダイオードＤ1 ないしＤ6 の内の一部のダイオードＤ1 ないしＤ3 にそれぞれサイリスタＳ1 ないしＳ3 を逆並列接続して、サイリスタ制御回路７に設けた電圧検出回路で検出した直流出力電圧が設定値を超えると、サイリスタ制御回路７から前記サイリスタＳ1 ないしＳ3 にトリガ信号を与え、これにより導通したサイリスタを通して磁石発電機の発電コイルを短絡することにより、負荷６に加わる電圧を設定値に抑制するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の電源装置では、整流回路のダイオードに逆並列接続されたサイリスタを導通させて磁石発電機の発電コイルを短絡させることにより出力電圧を設定値に抑制するようにしているので、その状態では内燃機関の負荷が増大するという問題があった。
【０００４】
更に、磁石発電機の回転数が低いときには、該磁石発電機の出力電圧が低く、バッテリ等の負荷に十分な電力を供給できないという問題があった。
【０００５】
また、内燃機関を加速する際には、加速性を良好にするために、磁石発電機の出力を小さくして、機関の負荷を軽くすることが望ましい。
【０００６】
本発明の目的は、磁石発電機を用いた電源装置において簡単な回路を用いて、必要に応じて低速時の直流出力を大きく、高速時の直流出力を小さくしたり、また機関を加速する際に直流出力を小さくして機関の加速を良くしたりすることができる電源装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、星型結線されたｎ相（ｎは２以上の整数）の発電コイルを有して内燃機関により駆動される磁石発電機と、ｎ相の発電コイルの出力を全波整流するダイオードブリッジ全波整流回路とを備えて、ダイオードブリッジ全波整流回路の正極性側の直流出力端子と負極性側の直流出力端子との間に負荷が接続される電源装置に係わるものである。
【０００８】
本発明では、前記全波整流回路の正極性側の直流出力端子に一端が接続された第１のコンデンサと、該第１のコンデンサの他端と前記全波整流回路の負極性側の直流出力端子との間に接続された第２のコンテンサと、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの接続点と前記ｎ相の発電コイルの中性点との間に接続されたスイッチ手段とを設けた。
【０００９】
上記のように構成すると、スイッチ手段がオフの状態のときには、従来のｎ相全波整流回路と同様な回路の直流出力端子間に第１及び第２のコンデンサの直列回路が接続された回路となる。スイッチ手段がオンの状態のときには、ｎ相の発電コイルの一方の極性の電圧を半波整流してその半波整流出力を第１のコンデンサの両端に印加する回路と、ｎ相の発電コイルの他方の極性の電圧を半波整流してその半波整流出力を第２のコンデンサの両端に印加する回路とが構成され、電源装置の直流出力端子間には、第１のコンデンサの両端間の直流電圧と第２のコンデンサの両端間の直流電圧とが加算された電圧が現れる。
【００１０】
そのため、磁石発電機の回転数が一定であるとすると、短絡電流は、スイッチ手段がオンの状態のときもオフの状態のときも同じになり、負荷が切り離されたときに現れる無負荷電圧は、スイッチ手段がオンの状態のときの方がスイッチ手段がオフの状態のときよりも高くなる。また、負荷電流が増大してある値以上になると、負荷電圧の大きさは、スイッチ手段がオンの状態のときの方がオフの状態のときよりも低くなる。但し、発電コイルが対称偶数相（ｎが２以上の偶数で、且つ各相間の位相差が等しいもの）の場合には、スイッチ手段がオンの状態のときの直流出力特性及びオフの状態のときの直流出力特性が等しくなる。
【００１１】
従って、例えば二輪車等においてバッテリを充電するために本発明の電源装置を用いる場合には、スイッチ手段をオンの状態にすると、内燃機関の回転数が低い状態からバッテリの充電を開始することができる。また機関の回転数が高くなって充電電流が増大する状態でスイッチ手段をオンの状態にすると、スイッチ手段がオフの状態のときよりも充電電流を小さくすることができる。また、機関を低回転数状態から加速する場合には、スイッチ手段をオフ状態にすれば、電源装置の出力電流を小さくして機関の負荷を軽くすることができるので、機関の加速性を良好にすることができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は、星型結線された３相（ｎ＝３）の発電コイルを有する磁石発電機を用いた電源装置に本発明を適用した実施例の回路を示したものである。同図において、１は３相のコイルＵ，Ｖ及びＷが星型結線されてなる発電コイルを有する磁石発電機、２はダイオードブリッジ３相全波整流回路、３は全波整流回路２の正極性側の直流出力端子Ｔ1 に一端が接続された第１のコンデンサ、４は第１のコンデンサ３の他端と全波整流回路２の負極性側の直流出力端子Ｔ2 との間に接続された第２のコンデンサ、５は第１のコンデンサ３と第２のコンデンサ４との接続点と３相の発電コイルの中性点との間に接続されたスイッチ手段、６は直流出力端子Ｔ1 ，Ｔ2 間に接続された負荷である。
【００１４】
磁石発電機１は、この例では、２ｍ極（ｍは整数）の磁極を有していて内燃機関により駆動される図示しない磁石回転子（例えばフライホイール磁石回転子）と、該磁石回転子の磁極と小ギャップを介して対向する３ｍ個の磁極（例えば放射状の突極）を有する固定子鉄心と、該固定子鉄心に巻回されていて同相の巻線が直列接続された３相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）のコイルが星型に結線された発電コイルとを備えて構成されている。
【００１５】
ダイオードブリッジ３相全波整流回路２は、６個のダイオードＤ1 ないしＤ6 を３相ブリッジ結線して全波整流回路を構成したものからなり、該整流回路の３個の交流入力端子には発電コイルのＵ相、Ｖ相及びＷ相の各出力端子がそれぞれ接続されている。３相全波整流回路２の正極性出力側は正極性直流出力端子Ｔ1 に接続され、該３相全波整流回路２の負極性出力側は負極性直流出力端子Ｔ2 に接続されている。
【００１６】
第１のコンデンサ３及び第２のコンデンサ４としては、静電容量が大きい電解コンデンサ等を用いる。
【００１７】
スイッチ手段５としては、手動操作のオンオフスイッチや、双方向の電流をオンオフ制御できる半導体スイッチ素子や、あるいは必要に応じて双方向の電流のオンオフのデューティを制御できるスイッチ素子を使用することができる。
【００１８】
図２は、図１に示した電源装置において、磁石発電機１の回転数Ｎが一定の場合について、出力電流Ｉ_Ｌと出力電圧ＶL の関係の特性の例を示したものである。同図において、破線で示す曲線ａ1 ，ａ2 及びａ3 はスイッチ手段５がオフ状態であって、回転数ＮがそれぞれＮ1 ，Ｎ2 及びＮ3 （Ｎ1 ＜Ｎ2 ＜Ｎ3 ）の場合であり、実線で示す曲線ｂ1 ，ｂ2 及びｂ3 はスイッチ手段５がオン状態であって、回転数ＮがそれぞれＮ1 ，Ｎ2 及びＮ3 の場合である。
【００１９】
スイッチ手段５がオフ状態の場合の特性は、図２に破線で示した曲線のように通常の３相ブリッジ全波整流回路の出力特性と同じになり、出力電流ＩL の増大とともに出力電圧ＶL が低下する垂下特性となる。
【００２０】
スイッチ手段５がオン状態の場合には、図１の回路は図３に示す等価回路で表すことができる。すなわち、発電コイルのＵ，Ｖ及びＷの各相のコイルに発生する電圧のうちの実線矢印で示す一方の極性の電圧をダイオードＤ1 ないしＤ3 で半波整流してその直流出力電圧を第１のコンデンサ３に印加する第１の３相半波整流回路と、発電コイルのＵ，Ｖ及びＷの各相のコイルに発生する電圧のうちの破線矢印で示す他方の極性の電圧をダイオードＤ4 ないしＤ6 で半波整流してその直流出力電圧を第２のコンデンサ４に印加する第２の３相半波整流回路とからなり、第１及び第２のコンデンサ３及び４のそれぞれの両端の直流電圧が加算されて電源装置の直流出力端子Ｔ1 ，Ｔ2 間に出力されると考えることができる。したがって、スイッチ手段５がオン状態の場合に直流出力端子Ｔ1 ，Ｔ2 間に現れる無負荷電圧の値は、図２に示されているように、スイッチ手段５がオフ状態の場合の無負荷電圧の値よりは高い値となる。
【００２１】
負荷６が短絡された状態の時には、スイッチ手段５がオン状態の時でも該スイッチ手段を通しては電流が流れないので、電源装置から出力される短絡電流の値は、図２に示されているように、スイッチ手段５がオフ状態の時とオンの状態の時とで等しくなる。
【００２２】
スイッチ手段５がオン状態の場合の出力電流ＩL と出力電圧ＶL との間の関係を示す直流出力特性は、図２に実線の曲線で示したようになる。即ち、スイッチ手段５がオフ状態の時の無負荷電圧よりは高い値の無負荷電圧から始まって、出力電流ＩL が増大するにつれて出力電圧ＶL の値が急速に低下し、出力電流ＩL がさらに増大すると出力電圧ＶL の値はスイッチ手段５がオン状態の場合の出力電圧の値よりは低くなる。出力電圧ＶL 値が零となった時の短絡電流は前述のように、スイッチ手段がオン状態のときも、オフ状態の時も等しくなる。
【００２３】
図４は、負荷６を調節して直流出力端子Ｔ1 ，Ｔ2 間の出力電圧Ｖ_Ｌの値を一定値Ｖ_Ｂに保ちながら磁石発電機１の回転数Ｎを変化させたときの、回転数Ｎと出力電流Ｉ_Ｌとの関係を表した出力電流対回転数特性の例を示したものである。同図において、破線で示した曲線ａはスイッチ手段５がオフ状態の時の特性であり、実線で示した曲線ｂはスイッチ手段５がオン状態の時の特性である。図４において、回転数ＮがＮ1 ，Ｎ2 及びＮ3 のときのそれぞれの出力電流Ｉ1 ；Ｉ2,Ｉ2 ’及びＩ3,Ｉ3 ’の値は、図２に示されているそれぞれの値に対応するものである。
【００２４】
図４から分かるように、負荷６が例えばバッテリのようにその端子電圧がほぼ一定値に近いような場合には、低速領域でスイッチ手段５をオン状態にすると、スイッチ手段５がオフ状態の場合（従来の電源装置に相当する場合）に比較して出力電流ＩL （負荷がバッテリの場合には充電電流）を増大させることができる。また高速領域では、スイッチ手段５をオン状態にすると、出力電流を抑制することができ、負荷がバッテリである場合には該バッテリの過充電を防止することができる。
【００２５】
更に、高速領域では、スイッチ手段５をオン状態にしても、図５に示した従来の電源装置の場合のように、磁石発電機の発電コイルが短絡されて内燃機関の負荷が増大するようなことはない。
【００２６】
また、低速領域でスイッチ手段５をオンにしている状態から内燃機関を加速する場合には、スイッチ手段５をオフ状態にして出力電流を低下させて、機関の負荷を低減させることにより機関の加速性を良くすることができる。
【００２７】
スイッチ手段５としては、手動のオンオフスイッチを用いて、必要に応じてそのオンオフ操作をしたり、あるいは、内燃機関または磁石発電機の回転数に応じてオンオフ制御されるスイッチと手動操作スイッチとを組み合わせて、機関や負荷の状態に応じて発電コイルの中性点と第１及び第２のコンデンサの接続点との間の回路の断続を行うようにすることもできる。
【００２８】
上記の実施例では、磁石発電機の発電コイルは３相星型結線された場合であったが、発電コイルとして、一般に星型結線されたｎ相（ｎは２以上の整数）の発電コイルが用いられる場合にも本発明を通用することができる。但し、発電コイルが偶数相（ｎが偶数）の星型結線の場合には、各相間の位相差が不等のものでは本発明を適用することによって前記の作用が生ずるが、各相間の位相差が等しい対称偶数相の場合には、スイッチ手段５がオン状態であっても、該スイッチ手段を通して流れる第１の半波整流回路の電流と第２の半波整流回路の電流とが相殺されることになって、該スイッチ手段を通して流れる電流は零になるので、スイッチ手段がオンの状
態の時とオフの状態の時とで直流出力特性は同じになる。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、磁石発電機に設けられて星型結線されたｎ相の発電コイルの出力を整流するダイオードブリッジ全波整流回路の正極性側の直流出力端子に一端が接続された第１のコンデンサと、該第１のコンデンサの他端と全波整流回路の負極性側の直流出力端子との間に接続された第２のコンデンサとを設けて、第１のコンデンサと第２のコンデンサとの接続点とｎ相の発電コイルの中性点との間にスイッチ手段を接続したので、前記スイッチ手段のオン、オフにより直流出力特性を選択的に変えることができる。
【００３０】
すなわち、スイッチ手段のオン、オフの状態を選択することにより、磁石発電機の低速領域における直流出力電流を大きくしたり、従来の装置におけるように磁石発電機を駆動する内燃機関の負荷を増大させることなく磁石発電機の高速領域における直流出力電流を抑制したり、あるいは磁石発電機を駆動する内燃機関を加速する場合に、直流出力を低下させて機関の負荷を軽減させて該機関の加速性を良くしたりすることができる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示した回路図である。
【図２】図１の電源装置で得られる直流出力の電流電圧特性の一例を示した特性曲線図である。
【図３】図１の回路においてスイッチ手段５がオン状態のときの等価回路を示した回路図である。
【図４】図１の実施例において直流出力電圧が一定の場合の出力電流対回転数特性の一例を示した特性曲線図である。
【図５】従来装置の例を示した回路図である。
【符号の説明】
１…磁石発電機、２…ダイオードブリッジ全波整流回路、３…第１のコンデンサ、４…第２のコンデンサ、５…スイッチ手段、６…負荷、７…サイリスタ制御回路、Ｕ，Ｖ，Ｗ…３相のコイル、Ｄ1 〜Ｄ6 …ダイオード、Ｓ1 〜Ｓ3 …サイリスタ。

Claims

星形結線されたｎ相（ｎは２以上の整数）の発電コイルを有して内燃機関により駆動される磁石発電機と、前記ｎ相の発電コイルの出力を全波整流するダイオードブリッジ全波整流回路とを備え、前記ダイオードブリッジ全波整流回路の正極性側の直流出力端子と負極性側の直流出力端子との間に負荷が接続される電源装置において、
前記全波整流回路の正極性側の直流出力端子に一端が接続された第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサの他端と前記全波整流回路の負極性側の直流出力端子との間に接続された第２のコンデンサと、
前記第１のコンデンサと第２のコンデンサとの接続点と前記ｎ相の発電コイルの中性点との間に接続されたスイッチ手段と、
を具備したことを特徴とする磁石発電機を用いた電源装置。