JP3797225B2 - 車両用交流発電機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
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。
【0002】
【従来の技術】
車両用エンジンに装備される各種の補機は、エンジンのクランクシャフトによりベルトを介して駆動される。補機として車両用交流発電機を考えると、エンジンのクランクシャフトと同期回転するように連結した場合には、クランクシャフトの回転数が周期的に変動し、駆動用に用いられるベルトの張力も周期的に変動する。このため、ベルトはたき振動やこれに伴う騒音が発生する。
【0003】
このような不都合を回避するための技術として、車両用交流発電機の出力電流を適当なタイミングでオン/オフ制御する方法が考えられる。クランクシャフトの回転数が低下したときに、車両用交流発電機の出力電流の供給を停止することにより、車両用交流発電機の駆動トルクを急激に減少させることができるため、クランクシャフトの回転数低下に連動するように車両用交流発電機の回転数を下げることが可能になる。このため、クランクシャフトや車両用交流発電機によって生じるベルトの張力が変動し、ベルトはたき振動等を低減することができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、車両用交流発電機の出力電流をオン/オフする従来方式は、理論的には実施が可能であっても、オン/オフ制御する半導体素子の信頼性や部品コスト等の面からは実用的な方法とはいえない。
【0005】
また、出力電流をオン/オフ制御する代わりに、界磁側の時定数を小さくすることができれば、界磁電流の供給停止とともに界磁電流を急激に減少させることができる。これにより、出力電流を急激に減少させることができるため、出力電流をオン/オフ制御する場合と同等の効果が得られると考えられる。しかし、界磁巻線は巻回数が多いためインダクタンスが大きく、しかも界磁巻線が回転子鉄心を周回するように巻装されているため磁束変化が急速に追随できず、磁束応答の時定数を小さくすることが難しいという問題があった。
【0006】
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、磁束応答の時定数を小さく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。
【0007】
【課題を解決するための手段】
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、電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心に巻装された界磁巻線を有する回転子と、界磁巻線に流れる界磁電流を制御する界磁電流制御装置とを備えている。また、回転子鉄心は、円筒状のボス部と、このボス部の軸方向端部から径方向外側に延伸したディスク部と、このディスク部の径方向外側端部からさらに軸方向に沿って屈曲して表面がほぼ台形形状を有する爪状磁極部とを有する。界磁巻線は、ボス部の外周に巻装されたメインコイルと、このメインコイルに直列に接続されこのメインコイルと爪状磁極部との間に巻装されたサブコイルとを有する。これら両コイルのうち片方、例えばメインコイルには、並列にダイオードが接続されている。このように、界磁巻線の一部を構成するメインコイルに並列にダイオードが接続されるため、還流電流が流れるメインコイルのインダクタンスが界磁巻線全体に比べて小さくなる。このため、電流遮断時直後(エネルギーは時間に対して不連続的に変化することはできないので)、このメインコイルを流れる環流初期電流は、直前に流れていた界磁電流より大きくなり、その結果一定の順方向電圧降下を有するダイオードの損失をより大きくすることができる。したがって、還流電流を速やかに減衰させることが可能になり、回転子の磁束応答の時定数を小さくすることができる。
【0008】
また、上述したダイオードは、回転子に設けられていることが望ましい。これにより、メインコイルとサブコイルとの接続点を回転子の外部に引き出す必要がなくなるため、配線の簡略化が可能となる。
また、上述したダイオードには抵抗が直列に接続されていることが望ましい。これにより還流電流が流れる際の損失を大きくすることができるため、還流電流をさらに速やかに減少させることができる。
【0009】
また、上述したダイオードは、順方向が互いに反対向きに設定された2つのツェナーダイオードを直列接続して構成されていることが望ましい。通常のダイオードに比べてツェナーダイオードは損失が大きいため、還流電流をさらに速やかに減少させることができる。
【0010】
また、本発明の車両用交流発電機は、電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心に巻装された界磁巻線を有する回転子と、界磁巻線に流れる界磁電流を制御する界磁電流制御装置とを備えている。また、回転子鉄心は、円筒状のボス部と、このボス部の軸方向端部から径方向外側に延伸したディスク部と、このディスク部の径方向外側端部からさらに軸方向に沿って屈曲して表面がほぼ台形形状を有する爪状磁極部とを有する。界磁巻線は、ボス部の外周に巻装されたメインコイルと、このメインコイルと爪状磁極部との間に巻装されたサブコイルとを有する。これらメインコイルとサブコイルの間であって、爪状磁極部およびディスク部の少なくとも一部に密着して配置された導磁材が備わっている。各爪状磁極部間を導磁材を用いて橋絡することにより、メインコイルに流れる還流電流によって発生する磁束を爪状磁極部間の導磁材を通して導くことが可能になり、固定子側に供給される磁束を急速に減衰させることができる。
【0011】
また、上述した導磁材は、鋼板の積層体によって形成されていることが望ましい。鋼板の積層体を用いることにより磁束応答性が良好になるため、各爪状磁極部を低い磁気抵抗で橋絡することが可能になる。
【0012】
【発明の実施の形態】
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詳細に説明する。
図1は、本実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子の構造を示す図である。図1に示す回転子10は、一組の回転子鉄心20、界磁巻線30、導磁材36、回転軸38を含んで構成されている。
【0013】
回転子鉄心20は、円筒状のボス部22と、このボス部22の軸方向の一方端から径方向外側に延伸したディスク部24と、このディスク部24の径方向外側端部からさらに軸方向に沿って屈曲して表面がほぼ台形形状を有する爪状磁極部26とを有する。本実施形態では、これらボス部22、ディスク部24、爪状磁極部26を含む回転子鉄心20は、低炭素綱を用いて形成されている。
【0014】
また、界磁巻線30は、メインコイル32とサブコイル34とを直列接続することにより構成されている。メインコイル32は、回転子鉄心20のボス部22の外周に巻装されている。また、サブコイル34は、2つの回転子鉄心20のそれぞれの爪状磁極部26の先端部近傍をつなぐように蛇行形状に巻装されている。このようにして、サブコイル34は、各爪状磁極部26の先端部内側表面とメインコイル32との間に配置されている。例えば本実施形態では、メインコイル32は、直径0.8mmの銅線を約330回巻装しており、全体の抵抗が約2.3Ωとなった。また、サブコイル34は、直径0.6mmの銅線を約50回巻装している。
【0015】
また、導磁材36は、回転子鉄心20のディスク部24および爪状磁極部26の少なくとも一部に対して、磁気的に密着した状態で配置されている。この導磁材36は、冷間圧延鋼板の積層体であり、円環形状に形成されている。図1に示した例では、導磁材36は、回転子鉄心20の各爪状磁極部26の内周側であって、軸方向に沿って回転子鉄心20のほぼ中央に配置されている。これにより、N極とS極が交互に配置された各爪状磁極部26間を磁気的に橋絡している。
【0016】
図2は、本実施形態の車両用交流発電機の回路図である。図2に示すように、本実施形態の車両用交流発電機は、上述したメインコイル32およびサブコイル34を含む回転子10の他に、電機子巻線2を含んで構成される固定子1と、6つのダイオードを含んで電機子巻線2に誘導した交流電圧に対して三相全波整流を行う整流器3と、スイッチングトランジスタ4をオン/オフ制御してメインコイル32およびサブコイル34に流す界磁電流を制御することにより出力電圧を調整する界磁電流制御装置5とを含んで構成されている。
【0017】
また、界磁電流制御装置5は、フライホイールダイオード6を有しており、このフライホイールダイオード6がメインコイル32に並列に接続される。なお、本実施形態では、サブコイル34に対応するフライホイールダイオードは設けられていない。
【0018】
本実施形態の車両用交流発電機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。なお、以下では、界磁電流制御装置5による界磁電流の供給を停止した場合の動作に着目して説明を行うものとする。
界磁電流制御装置5内のスイッチングトランジスタ4がオン状態になると、メインコイル32およびサブコイル34の直列回路に界磁電流が流れるため、回転子10の爪状磁極部26が周方向に沿って交互にN極とS極に磁化される。したがって、この回転子10を回転させることにより、固定子1の電機子巻線2に電圧が誘導され、この誘導電圧を整流器3で整流することにより、出力端子7から直流の出力電流が取り出される。
【0019】
このような状態において、界磁電流制御装置5内のスイッチングトランジスタ4がオフ状態になると、回転子鉄心20における磁束鎖交数の保存は、メインコイル32に並列に接続されたフライホイールダイオード6に還流電流を流すことによって保証される。このようにしてメインコイル32には徐々に減衰する還流電流が流れるが、元々メインコイル32は界磁巻線30の一部を構成するに過ぎないため、磁束や電流の減衰を左右するインダクタンスは、界磁巻線30全体に比べると小さい。その上、インダクタンス低下により初期還流電流が増し、したがってダイオードロスが増す。このため、メインコイル32を流れる還流電流の減衰の速度は、比較的速い。また、サブコイル34にはフライホイールダイオードが並列に接続されていないため、このサブコイル34に流れる電流は瞬時に消滅する。しかも、磁束鎖交数保存原理から考えられる有害なサージは、メインコイル32に徐々に減衰する還流電流を流すことによってその発生を防止することができる。
【0020】
また、本実施形態では、回転子10の各爪状磁極部26間を橋絡するように導磁材36が設けられている。サブコイル34に界磁電流が流れている間は、サブコイル34によって発生した磁束がこの導磁材を通して各爪状磁極部26に供給されているが、サブコイル34に対する界磁電流の供給停止とともにこの磁束も瞬間的に消滅する。上述したように、導磁材36は積層体によって形成されているため、磁束応答性が良好であり、サブコイル34による磁束の供給がない状態では、各爪状磁極部26を低い磁気抵抗で橋絡した状態となる。したがって、メインコイル32によって発生してしばらくの間維持されている磁束は、それまで固定子1に向かっていたものが、急速に導磁材36の方へ方向転換してしまい、電機子巻線2に鎖交しなくなる。すなわち、固定子1からみた回転子10の磁束応答の時定数が大幅に減少することになる。
【0021】
図3は、本実施形態の車両用交流発電機の出力特性を示す図である。横軸は車両用交流発電機の回転数に、縦軸は電流値で示した出力にそれぞれ対応している。一例として固定子1の直径が130mmで定格出力が130Aクラスの車両用交流発電機に本実施形態の手法を用いた場合の出力特性が実線で示されている。なお、比較のために同体格の従来構造の車両用交流発電機の出力特性が点線で示されている。
【0022】
本実施形態の車両用交流発電機は、メインコイル32の他にサブコイル34を備えているため、その分だけ界磁巻線30全体による起磁力が増加し、従来構造の車両用交流発電機に比べて出力電流が増加したことがわかる。
図4は、本実施形態の車両用交流発電機の磁束応答の時定数を示す図である。横軸は経過時間tに、縦軸は無負荷誘導電圧にそれぞれ対応している。実線で示した本実施形態の車両用交流発電機は、界磁電流制御装置5による界磁電流の供給を停止すると、点線で示した従来構造品に比べて、無負荷誘導電圧が速やかに低下する。これにより、本実施形態の車両用交流発電機では、回転子10の磁束応答の時定数が大幅に減少していることがわかる。
【0023】
このように、本実施形態の車両用交流発電機は、界磁電流の供給を停止した際に発生している磁束を急速に減衰させることができる。これにより、例えばエンジンのクランクシャフトと車両用交流発電機等の補機とをベルトで連結する場合であって、クランクシャフトの回転が周期的に変動(振動)するような場合には、この回転の低下と連動して界磁電流の供給を停止して速やかに駆動トルクの減少を図ることにより、車両用交流発電機の回転変動の程度を抑制することが可能になる。このため、ベルトはたき振動やこれに伴う騒音を低減することができる。特に、このような界磁電流のオン/オフ制御は数A程度の電流値の制御であり、出力電流をオン/オフ制御する場合に比べて、実用上の課題もなく、容易に実現することができる。
【0024】
図5は、本実施形態の車両用交流発電機の回転変動を示す図である。横軸は経過時間Tに、縦軸は車両用交流発電機の回転数にそれぞれ対応している。実線で示した本実施形態の車両用交流発電機は、点線で示した従来構造品に比べて、界磁電流の供給停止時の駆動トルクが少ないため、回転変動が抑制されていることがわかる。例えば、図5において、本実施形態の車両用交流発電機の回転変動aは40rpmであり、従来構造品の回転変動bは200rpmであった。
【0025】
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。例えば、本実施形態では、メインコイル32に並列にフライホイールダイオード6を接続したが、図6に示すように、代わりに順方向が互いに反対向きに設定された2つのツェナーダイオード6A、6Bの直列回路を用いるようにしてもよい。この場合には、フライホールダイオード6を用いた場合に比べて、還流電流が流れる際に損失を大きくすることができるため、この還流電流をさらに速やかに減少させることができ、回転子10の磁束応答の時定数をさらに小さくすることが可能になる。
【0026】
また、図7に示すように、フライホイールダイオード6に直列接続された抵抗6Cを追加してもよい。この場合にも、フライホールダイオード6を単独で用いた場合に比べて、還流電流が流れる際に損失を大きくすることができるため、この還流電流をさらに速やかに減少させることができ、回転子10の磁束応答の時定数をさらに小さくすることが可能になる。
【0027】
また、上述した実施形態では、メインコイル32とサブコイル34とを直列に接続するようにしたが、これらを並列接続するようにしてもよい。界磁巻線30全体の巻数が一定の場合には、巻数/抵抗比を大きくすることができるため、還流電流が流れる際の回転子10の磁束応答の時定数を小さくすることができる。また、並列接続されたメインコイルとサブコイルの各巻数に差を持たせ、しかも巻数の少ない方を抵抗値も含めて低インピーダンスに設定することにより、界磁電流の供給停止時に電流が循環する際に、インピーダンスが少ない方に循環電流を集中させることができるため、回転子10の磁束応答の時定数をさらに小さくすることができる。
【0028】
また、上述した実施形態では、フライホイールダイオード6を界磁電流制御装置5内に設置したが、このフライホイールダイオード6を回転子10の内部に設置するようにしてもよい。これにより、メインコイル32とサブコイル34との接続点を回転子10の外部に引き出す必要がなくなるため、配線の簡略化が可能となる。
【0029】
また、上述した実施形態では、界磁巻線30に含まれるメインコイル32と並列にフライホイールダイオード6等を接続するようにしたが、このフライホイールダイオード6等をサブコイル34に並列に接続するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】一実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子の構造を示す図である。
【図2】本実施形態の車両用交流発電機の回路図である。
【図3】本実施形態の車両用交流発電機の出力特性を示す図である。
【図4】本実施形態の車両用交流発電機の磁束応答の時定数を示す図である。
【図5】本実施形態の車両用交流発電機の回転変動を示す図である。
【図6】変形例の車両用交流発電機の回路図である。
【図7】他の変形例の車両用交流発電機の回路図である。
【符号の説明】
1 固定子
2 電機子巻線
3 整流器
4 スイッチングトランジスタ
5 界磁電流制御装置
6 フライホイールダイオード
10 回転子
20 回転子鉄心
22 ボス部
24 ディスク部
26 爪状磁極部
30 界磁巻線
32 メインコイル
34 サブコイル
36 導磁材
Claims (6)
- 電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心に巻装された界磁巻線を有する回転子と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御する界磁電流制御装置とを備える車両用交流発電機において、
前記回転子鉄心は、円筒状のボス部と、このボス部の軸方向端部から径方向外側に延伸したディスク部と、このディスク部の径方向外側端部からさらに軸方向に沿って屈曲して表面がほぼ台形形状を有する爪状磁極部とを有し、
前記界磁巻線は、前記ボス部の外周に巻装されたメインコイルと、このメインコイルに直列に接続されこのメインコイルと前記爪状磁極部との間に巻装されたサブコイルとを有し、
前記メインコイルおよび前記サブコイルのいずれか一方に並列にダイオードを接続することを特徴とする車両用交流発電機。 - 請求項1において、
前記ダイオードは、前記回転子に設けられていることを特徴とする車両用交流発電機。 - 請求項1または2において、
前記ダイオードには直列に抵抗が接続されていることを特徴とする車両用交流発電機。 - 請求項1〜3のいずれかにおいて、
前記ダイオードは、順方向が互いに反対向きに設定された2つのツェナーダイオードを直列接続して構成されていることを特徴とする車両用交流発電機。 - 電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心に巻装された界磁巻線を有する回転子と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御する界磁電流制御装置とを備える車両用交流発電機において、
前記回転子鉄心は、円筒状のボス部と、このボス部の軸方向端部から径方向外側に延伸したディスク部と、このディスク部の径方向外側端部からさらに軸方向に沿って屈曲して表面がほぼ台形形状を有する爪状磁極部とを有し、
前記界磁巻線は、前記ボス部の外周に巻装されたメインコイルと、このメインコイルと前記爪状磁極部との間に巻装されたサブコイルとを有し、
前記メインコイルと前記サブコイルの間であって、前記爪状磁極部および前記ディスク部の少なくとも一部に密着して配置された導磁材を備えることを特徴とする車両用交流発電機。 - 請求項5において、
前記導磁材は、鋼板の積層体によって形成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
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