JP3873290B2 - 車両用交流発電システム - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、交流発電機を備える車両用の交流発電システムに関する。
背景技術
一般に車両用の交流発電システムを構成する車両用交流発電機（以下オルタネータ）はエンジン本体にブラケットなどを介して搭載されるためエンジンからの振動や走行時の振動など、常に様々な振動を受けている。このためボルト、ナット類は緩みやすくなる。とりわけ自重の大きいＢハーネスを支持固定するＢ端子ナットはその影響が著しい。
Ｂ端子ナットが緩むとＢ端子部で接触不良が発生しスパークが断続するようになり瞬間的に高電圧なパルス（サージ）が発生する。更に振動が激しくなるとＢハーネスは完全に外れてしまい、オルタネータは無負荷状態になりその出力電圧はいわゆる無負荷飽和電圧と呼ばれる定格電圧の数１０倍もある高電圧に達する。
この場合内蔵もしくは別置の電圧調整器（以下レギュレータ）が出力電圧の異常上昇を瞬時に検知して、界磁巻線に直列に接続されたパワートランジスタを即遮断する。
この時、出力端子に現れる異常な高電圧は界磁巻線を介してパワートランジスタに印加されるが、オルタネータに使われるパワートランジスタの耐圧はそれほど高くなく、このような高電圧が印加されると破壊してしまう恐れがある。従って一般的には界磁巻線にカソードがＢ電位側になるようにダイオードを並列に接続して界磁電流を還流されてパワートランジスタを保護している。
界磁巻線に流れている電流は界磁巻線の抵抗値をＲ，インダクタンスをＬとすると時定数Ｌ／Ｒで減衰してゆく。この間回転子は界磁電流が流れ続ける限り回転磁界を発生し続け、出力端子に無負荷飽和電圧を誘起させけ続ける。このような界磁電流の時定数Ｌ／Ｒでの減衰に伴って、無負荷飽和電圧も時定数Ｌ／Ｒで減衰する。これが尖塔電圧として観測されるいわゆるＧサージである。
このＧサージが発生した際に各部品を保護すべく様々な工夫がなされている。
例えばＢ−Ｅ間にコンデンサやパワーツェナーダイオードを併設してＧサージのエネルギーを吸収してしまうことが行われている。しかしＧサージのエネルギーは相当なものでありそれを吸収するには相当容量のコンデンサやパワーツェナーダイオードにしなければならず、その発生頻度の割に規模が大きくなりすぎてしまう欠点がある。
また、特開平５−２３０６７８のように整流器を構成するダイオードをパワーツェナーダイオードで構成することも知られている。しかしこの場合にもＧサージのエネルギーを該ツェナーダイオードで短絡させて消費しているためサージ期間が長いと整流器自体を破壊しかねない。
さらにはＵＳＰ５１８７４２６のようにＧサージ発生と同時に界磁電流の極性を反転させて界磁中の残留磁気を急速に生じさせることも考えられるが、逆方向通電させるための励磁回路が複雑になるという欠点がある。
発明の開示
本発明は、上記問題点に鑑み、Ｂハーネス外れ時などに発生するサージ電圧の継続時間を簡便に且つ効果的に短縮することを目的とする。
本発明は、専用の回路や制御などを一切設けることなく簡便にＧサージの継続時間を短くすることを目的とする。
本発明は、上記目的を達成しうる車両用交流発電機または車両用交流発電システムを提供することを目的とする。
請求項１記載の車両用交流発電システムではＧサージの原因である界磁電流による磁束とは界磁極路中で逆方向に流れる磁束を発生させる第２界磁源を備え、さらに界磁側の磁路断面積が電機子側の磁路断面積と同等以下であることで従来の界磁巻線と同じ仕様の巻線であっても回転子側のインダクタンスを小さくすることが可能である。従ってＧサージ発生後直ちに界磁電流調整用の半導体スイッチ遮断し、同時に該第２の界磁源を作用させて界磁巻線による磁束を急速に減少させることができる。しかも、Ｇサージの時定数が小さくなるため容易にＧサージの継続時間を短縮できる。
前記半導体スイッチの遮断期間中に前記第２の界磁源により前記回転子に供給される磁束量は、前記半導体スイッチの導通期間中に前記第１の界磁源としての前記界磁巻線により供給される磁束量とほぼ同一であるので、発電性能を最大に引き出しながら、Ｇサージの継続時間を短縮することができる。
請求項２記載の車両用交流発電システムでは、前記第２の界磁源として永久磁石を採用するので、第２の界磁源を耐久性、信頼性に優れた構成で提供できる。
【図面の簡単な説明】
図１は本発明を適用した一実施例の車両用交流発電機の要部を示す部分断面図である。図２は一実施例の電気回路を示す回路図である。図３は磁束を説明するための磁気回路の模式断面図である。図４は磁束を説明するための磁気回路の模式断面図である。図５は磁束を説明するための磁気回路の模式断面図である。図６は磁束を説明するための磁気回路の模式断面図である。図７はＧサージの減衰特性を示す波形図である。図８は電機子の断面を示す斜視図である。図９は界磁としての回転子の断面を示す断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態として、本発明を適用した車両用交流発電システムの実施例を図面に基づいて説明する。
図１は車両用交流発電システムの第１実施例の主要部である車両用交流発電機の回転子と電機子の断面図である。
車両用交流発電機１０は、図示されないフレームを有し、このフレームに回転子２０が回転可能に軸支され、エンジンにより回転駆動される。さらにフレームには回転子２０の外周側に対向するようにして電機子３０が固定されている。
回転子２０は、一対のポールコア２１、２２で構成されたランデル型コア２３と、このコアに装着された第１の界磁源としての界磁巻線２４と、第２の界磁源としての磁石部材２５とを備える。
一対のポールコア２１、２２は、シャフト２６に嵌合固定されている。一対のポールコア２１、２２は、それぞれが軸方向に延びる爪状の磁極としての爪部２１ａ、２２ａと、磁路としてのボス部２１ｂ、２２ｂと、ボス部と爪部とをつなぐ磁路としてのディスク部２１ｃ、２２ｃとを備える。
界磁巻線２４は、ボビン部材２７に巻装保持されてボス部２１ｂ、２２ｂに装着されている。また、磁石部材２５は、爪部２１ａ、２２ａの間の隙間毎に設けられた複数の永久磁石２８と、これら複数の永久磁石２８を連結してポールコア２１、２２への組み付け前に組立体として扱うことを可能にする磁石保持部材２９とを有している。
永久磁石２８は、界磁巻線２４により磁化される界磁磁路としてのボス部に対しては、界磁巻線による磁位を逆バイアスする向きの極性をもっている。このため、永久磁石２８の磁束は界磁巻線と鎖交するように供給される。しかも、この永久磁石２８は、後述するパワートランジスタ４５の導通期間中に界磁巻線２４により発生する磁束量に相当する量の磁束を供給する。従って、第２の界磁源としての永久磁石２８は、パワートランジスタ４５の遮断時を含む過渡的な変化を生じる過渡期間にも、パワートランジスタ４５の遮断期間中にも、さらには導通期間中にも逆方向の磁束を供給している。
電機子３０は、電機子コア３１と、この電機子コア３１に装着された多相結線された３相の電機子巻線３２とを備える。
図２は本実施例の電気回路を示す。星型結線された電機子巻線３２の各出力端は半導体スイッチとしてのダイオードで組まれた整流ブリッジ回路４１に接続されており、電機子巻線３２で発生した多相交流電力を直流電力に交換する。整流回路４１の正極側はＢ端子４２に接続され、車両側の電源線４３を介して車載バッテリを含む車載電気負荷４４に接続されている。一方、負極側は接地されている。
界磁巻線２４と接地間には半導体スイッチとしてのパワートランジスタ４５が接続され界磁電流の通電量を調整する。該パワートランジスタ４５は制御手段としての制御回路４６によって断続制御されており、制御回路４６に出力電圧ＶＢに応じて断続指令する。界磁巻線２４と並列に、カソードが正極側になるように還流ダイオード４７が設けられている。
図８、図９は、電機子３１および回転子２０における磁路断面積の関係を説明する図である。
図８において、電機子の磁路断面積について説明する。電機子の磁路断面積は、１磁極対の磁路閉ループを形成する鉄心部分のうち、主磁束が通る部分の断面積を指している。従って、一般的に２Ｐ極の発電機においては、発電機鉄心の３６０°／２Ｐの範囲内に存在するティースの合計の断面積Ｓａ１が対象とされる。また、実施例の構成においては、コアバック部の断面積Ｓａ２の２倍を対象とすることもできる。一般に過不足のない磁路の断面積を設定するために、電機子の各部断面積Ｓａ１、Ｓａ２は関連をもって設計されるからである。この実施例の構成においては、電機子の各部断面積は、Ｓａ１≒２×Ｓａ２となるように設計される。この実施例においては、電機子３１の積層厚さ寸法をＬ、ティースの幅をＷ１、コアバック厚さをＷ２として、３６０°／２Ｐの範囲内に３個のティースが存在する。従って、Ｓａ１＝３×Ｗ１×Ｌ、Ｓａ２＝Ｗ２×Ｌとして表される。
次に、図９により回転子２０の磁路断面積について説明する。回転子の断面積は、界磁巻線２４による磁束と永久磁石２８による磁束との両方が通るボス部のうち、１磁極対に相当する断面積を指している。この回転子の断面積Ｓｂは、ボス部の直径をＤとして、Ｓｂ＝１／Ｐ×π／４×Ｄ²として表される。
そしてこの実施例では、断面積Ｓｂは、断面積Ｓａ（Ｓａ１、２×Ｓａ２）に対して、それ以下（ほぼ同等を含む）に設定されている。特にこの実施例では、Ｓａ１＞Ｓｂかつ２×Ｓａ２＞Ｓｂとなるように設定されている。
次にこの実施例の作用、効果を図３から図７を用いて説明する。
尚、図３から図６は磁束の消磁の様子を簡単に説明するための模式図であるため磁極の形状などは簡略化して図示している。
この実施例では、爪状磁極２１ａ、２２ａ間に界磁路中を界磁巻線２４による磁位を逆バイアスする向きに永久磁石２８を備える。このため、通常発電時には図３に示す如く永久磁石２８の磁束のうちほとんどの磁束Φｍ１はボス部２１ｂ、２２ｂを通る磁路の内側回路を周回し、界磁巻線２４に鎖交する。また一部の磁束Φｍ２は電機子３０へ鎖交する。但しこの磁束Φｍ２だけではたとえ回転子２０の回転数が最高回転数に達してもバッテリ電圧を超える電圧を発生できないように磁気回路が設計されている。
一方界磁巻線２４の発生する磁束Φｃｏは図３に示す如くポールコア２１、２２と電機子コア３１とで形成される磁路を周回し電機子巻線３２に鎖交する。
このように界磁電流が流れている状態ではランデル型コアのディスク部２１ｃ、２２ｃ及びボス部２１ｂ、２２ｂでは磁束Φｍ１と磁束Φｃｏが互いに逆向きに流れるので重ね合わせの理によりこの部分の正味の磁束量はΦｃｏ−Φｍ１となり、永久磁石２８がない場合に比べて小さくなっている。
従って回転子２０のポールコア２１、２２を同一材料で製作するならば磁石なしの場合に比べてディスク部およびボス部における磁路断面積を小さくできる。つまり界磁巻線２４の巻線仕様を変更することなく界磁巻線２４のインダクタンスを低減することができるのである。
一方電機子巻線３２に鎖交する磁束は界磁巻線２４による磁束Φｃｏと磁石の磁束Φｍ２の和であり磁石なしの場合に比べてその磁路断面積は（Φｃｏ＋Φｍ２）／Φｃｏに相当する断面積まで拡大しておく必要がある。
次にＧサージが発生した直後の現象について述べる。
界磁巻線２４には先に述べたようにパワートランジスタ４５を保護するように還流ダイオード４７が並列接続されている。一般にＧサージが発生した直後の発電機の出力電圧は定格電圧の数十倍もの無負荷飽和電圧に達する。このとき制御回路４６は出力電圧の異常上昇を検出して直ちにパワートランジスタ４５を遮断する。すると今まで流れていた界磁電流は還流ダイオード４５を介して図２に電流ｉｆとして示すように流れ続ける。但しその大きさは界磁巻線２４の抵抗値をＲ、インダクタンスをＬとすると時定数Ｌ／Ｒで経時的に減衰してゆく。
従ってコア２１、２２内に発生する磁束Φｃｏも時定数Ｌ／Ｒで減衰してゆき、結果出力端子４２に発生する無負荷飽和電圧の大きさも時定数Ｌ／Ｒで減衰してゆく。つまり良く知られたように、界磁電流Ｉｆ、界磁電流による磁束Φｃｏ、出力電圧ＶＢはそれぞれＬ／Ｒを時定数として指数関数的に減衰してゆく。
この実施例のように磁極間に永久磁石２８が設置されている場合には、パワートランジスタ４５が遮断された直後（ｔ＝ｔ０）は図４に示す如くほぼ磁石なしの場合と同じ磁束Φｃｏ（ｔ０）（Φｃｏ（ｔ０）＞Φｍ１）が流れているが同時に磁束Φｃｏ（ｔ０）とは逆向きに磁束Φｍ１が存在するためΦｃｏ（ｔ０）はΦｍ１により急速に弱められてゆく。尚Φｍ１は時不変である。
こうして磁束Φｃｏは急速に弱められる。図５には、磁束Φｃｏがほぼ磁束Φｍ１に等しいくらいにまで減衰した時刻ｔ＝ｔ１の様子を示す。
さらに磁束Φｍ１により磁束Φｃｏは急速に弱められ、時刻ｔ＝ｔ２ではほぼΦｃｏ（ｔ２）≒０になっている。この様子を図６に示す。
このような磁束変化に伴うＧサージ電圧の変化を図７に示す。なお、図７の縦軸は正極側の出力電圧（Ｖ）を示し、横軸はＢ端子開放からの時間（ｓｅｃ）を示す。従来の磁石なしの場合のＧサージの減衰特性が一点鎖線で示され、この実施例の減衰特性が実線で示されている。このように本実施例によると、減衰時間が大きく改善される。
このように、逆バイアス磁束Φｍ１と界磁側の磁極断面の縮小による界磁巻線２４のインダクタンスの低減とにより、Ｇサージの減衰時間が大きく改善される。
尚以上に述べた実施例では第２の界磁源は爪状磁極間に配置された永久磁石２８であったが、かかる永久磁石としてはフェライト磁石や希土類磁石などを用いることができ、さらには第２の界磁源として電磁石などを用いてもよい。
産業上の利用可能性
本発明の車両用交流発電システムでは、Ｇサージの原因である界磁電流による磁束に対して、回転子のボス部において逆方向に流れる磁束を発生させる第２の界磁源としての永久磁石を備え、さらに界磁側の磁路断面積Ｓｂが、電機子側の磁路断面積Ｓａ１、および２×Ｓａ２に対して、それら以下に設定されているから、Ｇサージの継続時間を短縮できる。従って車両用交流発電システムの耐久性、信頼性を高めることができる。

Claims (2)

1. 電機子巻線が装備された電機子と、
   この電機子と対向して配置され回転駆動される複数の磁極を有する界磁と、
   前記界磁の前記磁極に磁束を供給する第１の界磁源としての界磁巻線と、
   前記界磁巻線に並列接続されたダイオードと、
   前記界磁巻線に直列に接続され前記界磁巻線への電流供給を制御する半導体スイッチと、
   この半導体スイッチを制御する制御回路とを備える車両用交流発電システムにおいて、
   前記界磁巻線による磁束とは逆向きの磁束を、前記半導体スイッチの遮断期間中に前記界磁巻線と鎖交するように前記界磁の磁路に供給する第２の界磁源を備え、
   １磁極対分の前記界磁の磁路の断面積Ｓｂが、１磁極対分の前記電機子の磁路の断面積Ｓａ以下とされていると共に、
   前記半導体スイッチの遮断期間中に前記第２の界磁源により前記界磁に供給される磁束量は、前記半導体スイッチの導通期間中に前記第１の界磁源としての前記界磁巻線により供給される磁束量とほぼ同一であることを特徴とする車両用交流発電システム。
2. 請求項１に記載の車両用交流発電システムにおいて、
   前記第２の界磁源は前記ポールコアの爪状磁極間に前記界磁巻線による磁束とは逆向きの磁束を発生するように配置された永久磁石であることを特徴とする。

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