JP4135052B2

JP4135052B2 - 車両用交流発電機

Info

Publication number: JP4135052B2
Application number: JP2000191739A
Authority: JP
Inventors: 敬司高橋; 敏典丸山; 真谷口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-26
Filing date: 2000-06-26
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2020-06-26
Also published as: JP2002010695A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用交流発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人の出願になる特開平６ー２７６７９６号公報は、車両用交流発電機の１相発電電圧または中性点電圧が所定のレベルを超えたことを判定して発電可能なことを判定し、励磁コイルに励磁電流を通電する自励式の車両用交流発電機を提案している。
【０００３】
また、この車両用交流発電機では、低回転域での発電性能を確保するために電機子巻線から出力される交流電圧である１相発電電圧を整流することなく第１のコンパレータに入力して小さい第１のしきい値と比較して間欠発電を開始させ、その後、回転が上昇して発電電圧が増大すれば、１相発電電圧を整流して第２のコンパレータに入力して大きい第２のしきい値と比較して常時発電を開始させ、これにより低回転域での発電性能の向上を図ることも開示している。
【０００４】
また、特開平３ー２１５２００や特平８ー５０３３０８では電機子巻線の２相の電圧の差動増幅を利用することで、リーク発生時でも信号検出可能な技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した自励式の車両用交流発電機では、回転停止時において電機子巻線に漏洩電流が流入する場合に電機子巻線に発生する電圧を発電電圧と誤検出して励磁電流が通電し、バッテリ上がりが生じやすいという問題があった。
【０００６】
上記公報は更に、電機子巻線への漏洩電流流入を抑止するために１相発電電圧の検出端と接地端とをバイパス抵抗で接続して、電機子巻線に流入する漏洩電流を低減することも開示している。しかしながら、このようなバイパス抵抗の追設は、発電開始後の電力損失の増大やバイパス抵抗の発熱に伴う問題が派生した。
【０００７】
また、電機子巻線の２相の電圧の差動増幅を利用する技術では、電機子の２相の出力電圧信号を電圧制御装置に組み込むめに、発電機構造が複雑となり、組付け工数の増加、接続点数の増加に伴う信頼性の低下といった問題が懸念される。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、簡素な回路構成で低回転域から発電開始を精度良く実施可能で、上記したバイパス抵抗の電力消費も低減可能な車両用交流発電機を提供することをその目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１によれば、複数の磁極を備える回転子と、前記磁極を磁化させる界磁巻線と、前記回転子と同軸配置され電機子巻線が巻装された鉄心を備える電機子と、前記電機子巻線の出力電圧を整流して車載蓄電手段に蓄電する整流手段と、前記整流して得られた出力電圧を制御する電圧制御装置とを備える車両用交流発電機において、前記電圧制御装置は、前記界磁巻線へ通電する励磁電流を断続させるスイッチング手段と、該スイッチング手段を制御する手段と、前記界磁巻線の両端電圧を検出する手段とを備え、該スイッチング手段の断状態時における前記回転子の回転により前記界磁巻線の両端間に発生する電圧に応じて前記スイッチング手段を制御するので、従来の電機子巻線に生じる同様の交流電圧を利用してスイッチング手段を制御する場合に比べ、漏洩電流発生時でも確実に回転開始の信号を検出できる。
【００１０】
更に言及すれば、一般の車両用交流発電機の界磁巻線のインピーダンスとりわけリアクタンスは、電機子巻線のインピーダンスに比較して大きく設計されるため、過大な電圧が印加されない限り、漏洩電流は極めて流れにくく、従って界磁巻線両端に発生する信号電圧とノイズ電圧を確実に分離して検出できるという効果をもつ。
【００１１】
請求項１によれば、前記スイッチング手段の断状態時における前記回転子の回転により前記界磁巻線の両端間に発生する前記電圧は、前記電機子鉄心に残留した磁化による磁束が前記回転子が回転することにより前記界磁巻線に交番鎖交して誘起される交流電圧であるので、特別な構造や回路を必要とせず、容易に界磁巻線に発生する電圧を検出する事ができる。
【００１２】
請求項２によれば、前記制御装置は、前記界磁巻線の両端間に発生する前記電圧の電圧値もしくは周波数を検出する手段を備え、該電圧値もしくは周波数が所定の第１のしきい値を超える場合に前記界磁巻線に励磁電流の通電を開始させるので、簡単な回路素子例えば周知のコンパレータで実現でき、回路構成が簡素にできる。
【００１３】
好適な態様において、この段階では、励磁電流の通電は間欠的に行われる。このようにすれば、たとえ、検出した界磁巻線両端電圧の電圧値もしくは周波数がノイズ電圧または偽電圧であっても励磁電流通電は断続せずに、これらノイズ電圧あるいは偽電圧の消滅とともに消滅するので、多大な励磁電流を長期間流し続けるということはない。
【００１４】
好適な態様において、このような励磁電流の間欠通電は、前記界磁巻線に誘起する交流電圧を利用して実行される。このようにすれば間欠通電を実現する回路を簡素化する事ができる。
【００１５】
請求項３によれば、前記制御装置は、前記発電機の出力電圧を検出する手段を備え、前記界磁巻線の前記電圧の電圧値もしくは周波数が所定の第１のしきい値を超える場合に前記発電機の出力電圧を所定の値に制御する動作を開始するので、前記励磁電流の間欠通電により前記電機子巻線に鎖交する有効磁束が可及的に増大し、発電電圧の確立を早期に実現することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
上記説明した本発明の車両用交流発電機の好適な態様を以下の実施例により具体的に説明する。
【００１７】
【実施例１】
本発明の自励式交流発電機の励磁電流制御装置の一実施例を図１を参照して説明する。
【００１８】
この車両用式交流発電機１は、車両用エンジンにより駆動されるランデル型のオルタネータであって、電機子巻線１１、整流器１２、励磁コイル１３を有し、周知のように、電機子巻線１１は図示しないステータコアに、励磁コイル１３は図示しないロータコアに巻装されている。
【００１９】
スター接続された三相のアーマチャコイル１１の各相発電電圧は三相全波整流器１２で整流された後、電源ラインＬ１を通じてバッテリ３に供給される。１３は一端が接地された励磁コイルであって、励磁コイル１３はスイッチングトランジスタ７を通じて電源ラインＬ１から給電されている。
【００２０】
励磁電流制御装置２について以下に説明する。
（コンパレータ４の機能）
ハイサイドスイッチであるトランジスタ７と励磁コイル１３との接続点の電圧（以下、励磁コイル電圧という）は、抵抗ｒ０を通じてコンパレータ４の−入力端に入力され、コンパレータ４の＋入力端に入力される基準電圧Ｖ１と比較される。この実施例では基準電圧Ｖ１は０．７Ｖ以下、ここでは０．４Ｖとされている。
【００２１】
図３、４を用いて本実施例の界磁巻線の両端間電圧の発生原理を示す。
【００２２】
図３は本発明の電機子と回転磁極の静止時の展開図を模式的に示す。
【００２３】
電機子鉄心１１１に対称３相巻線ＵーＵ’相、ＶーＶ’相、ＷーＷ’相が電気角で１２０度ピッチで巻装されている。
【００２４】
前回の車両運行が終了し、今、図示の状態で回転子が停止しているとする。界磁巻線（図示せず）に励磁電流を流しているときには図示の如く界磁極１２１が磁化している。この状態で励磁電流を消滅させても界磁極１２１、電機子鉄心１１１は図示の如く磁化したまま磁化が残留することは軟鉄の磁化曲線からもあきらかである。
【００２５】
この状態で再び前記エンジンが始動され回転子が回転すると、界磁極１２１が回転開始し、前記電機子鉄心の残留磁化と相対運動することになる。その際に前記界磁巻線に鎖交する磁束の変化と、該磁束の変化により前記界磁巻線に誘起する電圧の関係を図４に示す。
【００２６】
界磁巻線には界磁極の残留磁化による直流磁束φｄｃと、前記電機子鉄心の残留磁化との相対運動による交流磁束φａｃとの合成磁束φｆが鎖交する。この鎖交磁束の時間変化率つまりｄφｆ／ｄｔのみに比例した交流電圧が誘起する事は電磁気学の教えるとことである。つまり回転子が回転するだけで、界磁巻線にはかくの如き交流電圧が発生する。周知の通りその周波数は前記電機子巻線に通常時誘起される交流電圧の基本周波数に等しい。以下において、この電圧のことを励磁コイル電圧と称する。
【００２７】
この励磁コイル電圧の瞬時値が＋０．４Ｖを超えると、コンパレータ４が反転し、ダイオードＤ４、抵抗ｒ１を通じてトランジスタ６にローレベルを出力してそれをオンする。なお、コンパレータ４の待機時消費電流は充分に小さく設定されており、また、０．４Ｖといった低電圧で作動可能なようにその入力段はｐｎｐトランジスタのペアからなる差動入力段が採用されている。
【００２８】
オンしたトランジスタ６は、電源ラインＬ１から内部電源ラインＬ２に給電し、電位アップする。内部電源ラインＬ２はベース電流制限抵抗ｒ２を通じて前置トランジスタ７０をオンさせ、前置トランジスタ７０はスイッチングトランジスタ７をオンさせる。この時点において、トランジスタ９はオフしている。ｒ４は、トランジスタ７のベース・エミッタ間抵抗であり、トランジスタ７の動作を安定にする抵抗である。
【００２９】
スイッチングトランジスタ７がオンすると、励磁電流が電源ラインＬ１から励磁コイル１３に通電され、これにより、磁界が強化され、ロータコアの回転によって発電電圧が増大する。
（コンパレータ８の機能）
ロータコアの回転が低い場合、内部電源ラインＬ２はコンパレータ８に電源電圧を給電しており、コンパレータ８の＋入力端には基準電圧Ｖ２（ここでは６Ｖ）が給電されている。コンパレータ８の出力端は、コンデンサＣ２を介して接地されるとともに、ｒ５、ダイオ−ドＤ１を通じてトランジスタ９のベース電極に接続されている。したがって、上記したコンパレータ８への電源電圧供給によりコンパレータ８が動作状態になると、電機子巻線１１の１相発電電圧Ｖａｃが小さいために、コンパレータ８は、コンデンサＣ２で定まる所定の遅れ時間の後、エミッタ接地のトランジスタ９をオンさせる。
【００３０】
トランジスタ９のコレクタ電極は前置トランジスタ７０のベース電極に接続されており、トランジスタ９がオンすると前置トランジスタ７０、スイッチングトランジスタ７がオフする。スイッチングトランジスタ７のオフにより励磁電流が遮断されると、励磁コイル１３に蓄積された磁気エネルギーを放出するために、フライホイルＦＤを通じて今までと同方向に電流が流れ、その結果、コンパレータ４の−入力端の電圧は基準電圧Ｖ１未満となり、コンパレータ４がハイレベルを出力して、トランジスタ６がオフする。
【００３１】
トランジスタ６がオフすると、トランジスタ６からコンパレータ８への電源電圧供給が遮断され、これによりトランジスタ９がオフする。
【００３２】
その後、励磁コイル１３に蓄積された上記磁気エネルギーが完全に消滅すると、上述した電機子鉄心に残留した磁化が界磁鉄心を交番貫通することで界磁巻線に鎖交して発生する励磁コイルの上記交流電圧がコンパレータ４の−入力端に印加され、この交流電圧の瞬時値が基準電圧Ｖ１より大きくなるといままで説明したサイクルが再び繰り返されることになる。なお、適宜、必要な箇所にコンデンサと抵抗とを用いたアナログ遅延回路を設けてこのサイクルの周波数や導通率を調整することができる。
【００３３】
結局、図１の回路によれば、ロータコアの回転が停止し、励磁コイルの上記交流電圧の発生がなくなれば、スイッチングトランジスタ７がオンすることはなく、バッテリの放電を抑制することができる。
【００３４】
次に、ロータの回転増大により電機子巻線１１の１相発電電圧Ｖａｃが増大すると、この１相発電電圧ＶａｃはダイオードＤ２で半波整流された後、互いに並列接続されたコンデンサＣ１及び放電抵抗ｒ７に印加され、これにより、コンデンサＣ１に１相発電電圧Ｖａｃの整流電圧Ｖｃが蓄積される。
【００３５】
上記回転増大が進行して、この整流電圧Ｖｃが基準電圧Ｖ２（６Ｖ）より大きくなると、コンパレータ８は常時ローレベルを出力し、ダイオードＤ５を介してトランジスタ６をオンさせるとともにトランジスタ９のオフを行わないようになる。
【００３６】
その結果、整流電圧Ｖｃが基準電圧Ｖ２を超えた後は、トランジスタ９がオフしてスイッチングトランジスタ７、７０をオフすることがなく、導通率１００％で励磁コイル１３に励磁電流が通電される。
【００３７】
なお、ロータ回転数の過大化により外部電源ラインＬ１の電位が過大となると、抵抗ｒ３を通じてツェナーダイオードＤ３がターンオンしてトランジスタ９がオンし、トランジスタ７、７０をオフして励磁電流が遮断され、発電電圧の過大化が防止される。
【００３８】
発電機１の回転が低下して、１相発電電圧Ｖａｃの整流電圧が基準電圧Ｖ２未満に落ち込むと、コンデンサＣ１と放電用の抵抗ｒ７とにより設定される所定時間後、コンパレータ８はハイレベルを出力して上記所定の導通率での断続制御を行う。
【００３９】
その後、コンデンサＣ１の蓄電エネルギーが、放電抵抗ｒ７を通じて放電し、整流電圧Ｖｃが基準電圧Ｖ２未満となると、コンパレータ８がトランジスタ９をオンし、トランジスタ９がトランジスタ７、７０をオフして励磁電流が遮断され、初期状態に復帰する。
【００４０】
このように、車両用交流発電機の静止後に励磁電流の通電を行うことにより、車両用交流発電機の励磁コイル１３と鎖交する磁気回路の残留磁束が増大し、その結果、次の回転検出時において励磁コイル１３が発生する交流電圧が増大し、検出感度を向上することができる。
【００４１】
また、この実施例では、上記励磁電流の遮断遅延作用と、１相発電電圧Ｖａｃの整流作用とを共通の平滑回路であるコンデンサＣ１、抵抗ｒ７、ダイオードＤ２で構成しているので、回路構成が簡素とすることができる。
【００４２】
【実施例２】
本発明の車両用交流発電機の他の実施例を図２を参照して以下に説明する。
【００４３】
この実施例は、実施例１において、スイッチングトランジスタ７、抵抗ｒ４を省略し、トランジスタ７０のコレクタと外部電源ラインＬ１との間に励磁コイル１３とフライホイルダイオードＦＤを配したものである。
【００４４】
ただし、この場合は、発電機１の停止時において、励磁コイル１３を通じてコンパレータ４のー入力端にハイレベル電位が常時印加されるので、直列コンデンサＣ１を介在させてそれを遮断し、更にコンパレータ４のー入力端電位がフローティングするのを防止するために、コンパレータ４のー入力端を抵抗ｒ８を通じて接地したものである。
【００４５】
この実施例によれば、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【００４６】
なお、上記両実施例においてＰ点を接地する抵抗ｒ１０は、ラインＬ３に漏洩電流が流入した場合それをバイパスさせてこの漏洩電流が電機子巻線１１に流入するのを防ぐためのものである。
【００４７】
また、上記実施例では、残留磁束が流れるロータの回転により励磁コイル１３に誘導される交流電圧の電圧値に基づいて励磁電流の通電開始を行う例を説明したが、上記交流電圧の周波数を処理して同様の励磁電流の通電開始を行うことができることは明白であり、説明を省略する。たとえば、この交流電圧をｆーＶ変換し、得た周波数比例電圧値を所定の基準値と比較して発電開始タイミングを決定すればよい。
（変形態様）
変形態様を図２に示す。
【００４８】
図２において、コンデンサＣ１の代わりに、コンパレータ４に前記基準電圧Ｖ１相当のオフセットをもたせ、励磁コイル１３の両端電圧を検出することで、励磁コイルに発生する電圧を検出してもよい。
【００４９】
（追加効果）
上記両実施例では、コンパレータ４による励磁電流の初期通電指令により発電機１の発電電圧を素早く増大させ、この増大した１相発電電圧Ｖａｃに基づいて常時通電のためのコンパレータによる判定を行っているので、コンパレータによる常時通電の判定を早期化して発電立ち上がりを促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の車両用交流発電機の実施例１を示す回路図である。
【図２】本発明の車両用交流発電機の実施例２を示す回路図である。
【図３】車両用交流発電機の回転停止時の磁化の様子を示す模式図である。
【図４】界磁巻線に誘起される電圧発生の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１発電機
２励磁電流制御装置（制御部）
４コンパレータ（初期発電開始指令手段）
７スイッチングトランジスタ
８コンパレータ（本格発電開始指令手段）
１１電機子巻線
１２整流器
１３励磁コイル

Claims

複数の磁極を備える回転子と、前記磁極を磁化させる界磁巻線と、前記回転子と同軸配置され電機子巻線が巻装された鉄心を備える電機子と、前記電機子巻線の出力電圧を整流して車載蓄電手段に蓄電する整流手段と、前記整流して得られた出力電圧を制御する電圧制御装置とを備える車両用交流発電機において、
前記電圧制御装置は、前記界磁巻線へ通電する励磁電流を断続させるスイッチング手段と、該スイッチング手段を制御する手段と、前記界磁巻線の両端電圧を検出する手段とを備え、該スイッチング手段の断状態時における前記回転子の回転により前記界磁巻線の両端間に発生する電圧に応じて前記スイッチング手段を制御し、
前記スイッチング手段の断状態時における前記回転子の回転により前記界磁巻線の両端間に発生する前記電圧は、前記電機子鉄心に残留した磁化による磁束が前記回転子が回転することにより前記界磁巻線に交番鎖交しに誘起される交流電圧であることを特徴とする車両用交流発電機。
前記制御装置は、前記界磁巻線の両端間に発生する前記電圧の電圧値もしくは周波数を検出する手段を備え、該電圧値もしくは周波数が所定の第１のしきい値を超える場合に前記界磁巻線に励磁電流の通電を開始させることを特徴とする請求項１記載の車両用交流発電機。
前記制御装置は、前記発電機の出力電圧を検出する手段を備え、前記界磁巻線の前記電圧の電圧値もしくは周波数が所定の第１のしきい値を超える場合に前記発電機の出力電圧を所定の値に制御する動作を開始す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。