JP4248400B2 - 回転電機の巻線構造 - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、モータおよび発電機として機能する回転電機の巻線構造に関し、特に、小型二輪車用エンジンや汎用エンジン等に使用される始動発電機に適用して有効な技術に関する。
背景技術
モータとジェネレータは、回転電機としての基本構成が共通しているため、両機能の兼用機も多く存在する。例えば、小型二輪車やエンジン発電機等においては、エンジン起動用のスタータモータと、エンジンによって駆動される発電用のジェネレータとを兼用した始動・発電兼用機である始動発電機が多く用いられている。
ところが、このような始動発電機では、モータとして求められる性能と発電機として求められる性能との間に差があり、エンジン始動を優先してモータ出力を上げると発電能力が過剰となる弊害がある。このため、複数組のコイルをモータ用と発電用とに分けて設定し、それらを適宜切り換えてモータ・発電両特性のバランスを図るものも提案されている。
例えば、特開平２−１５９９５１号公報には、モータ用コイルと発電用コイルを別個に設け、各々のコイルを始動専用、発電専用に使用する始動発電装置が記載されている。当該公報の装置では、ステータコアに突設されたティースの内側部分に始動コイル（モータ用コイル）、外側部分に発電コイルがそれぞれ巻装される。始動コイルと発電コイルは個別に使用され、始動コイルを用いてエンジンを始動させた後、発電コイルにより発電が行われる。発電コイルは各ティース１個おきに配置されており、全てのティースの巻線を行う場合に比して、発電時における電流量、発熱量が抑制されるようになっている。
また、一部のコイルをモータ・発電兼用とし、複数組のコイルをモータ用と発電用に使い分ける始動発電機も多く見受けられる。例えば３相４組のコイルを用いた場合、そのような始動発電機では通常、図２（ａ）のように結線されることが多い。この場合、モータ機能時にはコイル１ａ〜１ｄを全て用いて出力を確保し、発電時にはコイル１ｄのみを用いて発電を行う。すなわち、発電時には黒く塗りつぶされたコイル１ｄのみが機能し、他のコイル１ａ〜１ｃはオープン状態となる。このためかかる配置の場合、磁界中にて回転するコイルのうちコイル１ｄのみがブレーキ力を受け、磁気バランスが悪くなり磁気音や回転子の偏心といった騒音・振動問題が発生するという弊害があった。
一方、特開平２−１５９９５１号公報のような装置では、発電コイルを等分に配置することにより磁気バランスが不均衡となる弊害は生じず、当該公報においても磁気バランスに関する言及はない。しかしながら、このような構成の始動発電機では、始動コイルと発電コイルを径方向に並べて配置するため、ステータコア外径が大きくなり、装置全体が大きくなってしまうという問題がある。
本発明の目的は、モータおよび発電機として機能する回転電機の発電時における磁気バランスを改善し磁気音や振動の低減を図ることにある。また、本発明の他の目的は、磁気バランスを改善しつつ装置の小型化を図ることにある。
発明の開示
本発明の回転電機の巻線構造は、複数組の多相コイルを備え、モータおよび発電機として機能する回転電機の巻線構造であって、前記回転電機がモータとして機能する場合に使用されるモータコイルと、前記モータコイルの間に各相の巻線が等分に配設され、前記回転電機が発電機として機能する場合に使用される発電コイルとを有することを特徴とする。
本発明にあっては、発電コイルの巻線がモータコイルの間に等分に配設されているため、発電時に発電コイルの各巻線によって発生する力が互いに相殺される形となる。このため、発電時における磁気バランスの均等化が図られ、バランス悪化に起因する磁気音や回転子の偏心を抑えることができ、始動発電機の騒音や振動を低減させることが可能となる。
前記回転電機の巻線構造において、前記モータコイルの各相の巻線を隣接配置して１組の巻線群を形成し、前記巻線群の間に前記発電コイルの各相の巻線をそれぞれ配置するようにしても良く、これにより、スペース効率良くモータコイルと発電コイルを配置できる。また、前記発電コイルを前記回転電機がモータとして機能する場合においても使用されるモータ発電兼用コイルとしても良く、これにより、コイルの使用効率を向上させコイル数を削減することができる。そして、スペース効率向上やコイル使用効率の向上、あるいはそれらの相乗効果により、回転電機の小型化を図ることが可能となる。なお、前記モータコイルが、前記回転電機がモータとして機能する場合にのみ使用されるモータ専用コイルであっても良い。
また、前記回転電機の巻線構造において、前記回転電機は、３組の前記モータコイルと１組の前記発電コイルとからなる３相４組のコイルを備えるものであっても良い。加えて、前記回転電機の巻線構造において、前記回転電機は、エンジンのクランクシャフトに接続され、前記エンジンの始動時にはスタータモータとして機能し、前記エンジンの始動後は発電機として機能する始動発電機であっても良い。
発明を実施するための最良の形態
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態における回転電機は、エンジン始動装置（スタータ）と発電装置（ＡＣＧ）とを兼ねた始動発電機であり、エンジンと一体的に組み合わされ、二輪車やエンジン発電機などに使用される。当該始動発電機は、コイルが巻装された固定子の周囲に永久磁石を有する回転子が配設された構成となっており、回転子はエンジンのクランクシャフトに直結されている。そして、エンジン始動時には固定子側のコイルに通電することによりスタータモータとして機能し、エンジン始動後は永久磁石の回転によりコイルに起電力が生じ発電機として機能するようになっている。なお、始動発電機は、回転子と固定子の何れを外側に配するかによって、装置形式がインナロータ形とアウタロータ形に分類されるが、本発明の始動発電機は何れの形式にも適用可能である。
図１は、本発明の実施の形態１である巻線構造を用いた始動発電機の回路構成を示す説明図である。ここでは、固定子側に、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相巻線が星形に結線されたコイル（多相コイル）１ａ〜１ｄを備えた巻線部１が設けられている。この巻線部１では、各コイル１ａ〜１ｄは互いに並列に接続されている。当該実施の形態では、巻線部１のコイルのうち、コイル１ｄは、始動時と発電時の両方において使用される始動発電コイル（発電コイル）となっている。これに対し、残りのコイル１ａ〜１ｃは、始動時のみ使用される始動専用コイル（モータコイル）となっている。
巻線部１は、図１に示すように、ＦＥＴ（半導体素子）２ａ〜２ｆを用いて形成したブリッジ回路からなるインバータ（インバータ回路）３を備えた制御システム（制御手段）５に接続されている。インバータ３は、図示しないロータ位置センサの検出結果に基づいて回転磁界を形成するような電流をコイル１ａ〜１ｄに通電する通電制御機能と、コイル１ａ〜１ｄによる発電電流を整流する整流機能とを兼ね備えており、６個の電界効果トランジスタＦＥＴ２ａ〜２ｆと、それらに並列に接続された６個の寄生ダイオード６ａ〜６ｆを備えた構成となっている。
このインバータ３では、３列の各ブリッジ列はＨｉｇｈサイドの各ＦＥＴ２ａ，２ｃ，２ｅと、Ｌｏｗサイドの各ＦＥＴ２ｂ，２ｄ，２ｆとがそれぞれ直列に接続されている。この場合、ＦＥＴ２ａ，２ｃ，２ｅは共通に、バッテリ７に接続された電源電位に接続されている。また、ＦＥＴ２ｂ，２ｄ，２ｆは共通に接地電位に接続されている。各ブリッジ列の各ＦＥＴ２ａ，２ｃ，２ｅと各ＦＥＴ２ｂ，２ｄ，２ｆとの各接続ノードには、コイル１ａ〜１ｄの各相がそれぞれ接続されている。すなわち、ＦＥＴ２ａ，２ｂの間にはＵ相、ＦＥＴ２ｃ，２ｄの間にはＶ相、ＦＥＴ２ｅ，２ｆの間にはＷ相のコイルが接続されている。また、ＦＥＴ２ａ〜２ｆの各ゲートは、３相ブリッジドライバ８に接続されている。
制御システム５においては、インバータ３のＨｉｇｈサイド側に、整流された出力電圧を監視する出力監視回路９が設けられている。また、この出力監視回路９の後段には、その監視結果に基づいて３相ブリッジドライバ８等の制御を行うＣＰＵ１０が設けられている。そして、ＦＥＴ２ａ〜２ｆは、ＣＰＵ１０の指令に基づき、３相ブリッジドライバ８によってゲート制御される。
一方、巻線部１とインバータ３との間には、リレー（スイッチ手段）４ａ〜４ｃが介設されている。図１に示すように、リレー４ａ，４ｂはＦＥＴ２ｃ，２ｄの間とコイル１ａ〜１ｄのＶ相コイルとの間に配設され、リレー４ｃは、ＦＥＴ２ｅ，２ｆの間とコイル１ａ〜１ｄのＷ相コイルとの間に配設される。この場合、リレー４ａはコイル１ｄのＶ相コイルとＦＥＴ２ｃ，２ｄの間に、リレー４ｂはコイル１ｄのＶ相コイルの後段側にてコイル１ａ〜１ｃのＶ相コイルと接続されている。なお、リレー４ａ〜４ｃは、ノーマルオープンの状態で配設されている。
ここで、前述のようにコイル１ａ〜１ｄは、通常、図２（ａ）のように結線されることが多く、かかる配置の場合、発電時の磁気バランスが悪く、磁気音や回転子の偏心といった騒音・振動問題が発生する。そこで、当該始動発電機では、磁気バランス均等化のため、図２（ｂ）のようにコイル１ｄの結線をコイル１ａ〜１ｃの間に３等分して配置している。この場合、コイル１ａ〜１ｄは、図２（ｂ）に示すように、各相の巻線が隣接するスロットに巻回されてそれぞれ１組の巻線群を形成しており、コイル１ｄにおけるＵ，Ｖ，Ｗの各相の巻線はこれらの巻線群の間に各々個別に配置される。なお、コイル１ａ〜１ｄの巻線は全て等間隔（３０度ピッチ）に配設される
この場合、回転子が回転すると、回転磁界中にあるコイル１ａ〜１ｄはその影響を受けるが、発電時においてはコイル１ａ〜１ｃはオープン状態のため、それらによってブレーキ力は生じない。これに対しコイル１ｄは発電に使用されるため、起電力発生に伴い、コイル１ｄによって回転子の回転を妨げる方向にブレーキ力が発生する。しかしながら、コイル１ｄは、各相の巻線が巻線群の間に等分に配設されているため、各巻線によって発生する力が互いに相殺される形となる。このため、当該巻線構造では、発電時における磁気バランスの均等化が図られ、磁気音や振動の低減が図られる。
また、コイル１ｄをコイル１ａ〜１ｃの間に分散配置したことにより、発電コイルがモータコイルの巻線群の間に配置され、スペース効率良くモータコイルと発電コイルを配置できる。さらに、コイル１ｄがモータ発電兼用コイルとなっているため、コイルを無駄なく使用することができ、コイル数を削減することが可能となり、スペース効率向上と相俟って装置が小型化が図られる。
次に、このような始動発電機の動作について説明する。まず、エンジンを始動させる場合には、初めにリレー４ａ〜４ｃを全てＯＮとし、巻線部１とインバータ３とを接続させる。その後、図示しない始動スイッチをＯＮさせる。このとき始動発電機はブラシレスモータとして構成され、３相ブリッジドライバ８によって、コイル１ａ〜１ｄのＵ，Ｖ，Ｗの各相にバッテリ７から電力が供給され、これらが順に励磁される。これにより、回転子が駆動され、クランクシャフトが回転しエンジンが始動する。すなわち、エンジン始動時には、全てのコイル１ａ〜１ｄを使用してスタータモータを構成し、モータ性能を満足させる。
エンジン始動後は、リレー４ｂ，４ｃをＯＦＦさせ、リレー４ａのみをＯＮさせる。これにより、コイル１ａ〜１ｃはインバータ３から切り離され、始動発電機はコイル１ｄによる発電装置として構成される。この場合、当該始動発電機では、コイル１ａ〜１ｃをＯＦＦさせるスイッチ手段としてリレーを用いているため、コイル１ａ〜１ｃはインバータ３から物理的に完全に切り離される。これにより、全てのコイル１ａ〜１ｄを用いて発電を行うと発電過剰となる場合であっても、発電時にはコイル１ｄのみが使用され発電量が抑制される。
一方、発電時のコイル１ｄは前述のようにブレーキ力を発生させるが、図２（ｂ）のように、各相の巻線が巻線群の間に等分に配設されていることから、当該始動発電機では発電時の磁気バランスも良好に保たれる。このため、バランス悪化に起因する磁気音や回転子の偏心を抑えることができ、始動発電機の騒音や振動を低減させることが可能となる。
（実施の形態２）
さらに、実施の形態２として、実施の形態１と同様の３相の回転電機においてコイルの組数を異にする例を示す。図３は３相２組（６スロット）、図４は３相５組（１５スロット）、図５は３相６組（１８スロット）のコイルを本発明による巻線構造に配置した例を示す説明図である。
図３の巻線構造では、３相２組のコイルが並列に接続され、始動専用コイル１１の各相の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗは１２０度間隔にて等分に配設される。そして、それらの間に始動発電コイル１２の各相の巻線が等分に配設される。また、図４の場合は、３相５組のコイルが並列に接続され、等分に配置された３組の始動専用コイル１３ａ〜１３ｃの巻線群の間に、２組の始動発電コイル１４ａ，１４ｂが等分に配設される。さらに、図５の場合は、３相６組のコイルが並列に接続され、２組ずつが等分に配置された始動専用コイル１５ａ〜１５ｄの巻線群の間に、２組の始動発電コイル１６ａ，１６ｂが等分に配設される。なお、この場合、破線にて示したように、始動専用コイル１５ａ，１５ｂと始動専用コイル１５ｃ，１５ｄをそれぞれ１組として３並列の配線としても良い。
（実施の形態３）
さらに、実施の形態３として、実施の形態１と異なり５相の回転電機に本発明を適用した例を示す。図６は５相２組（１０スロット）、図７は５相３組（１５スロット）、図８（ａ）（ｂ）は５相４組（２０スロット）のコイルを本発明による巻線構造に配置した例を示す説明図である。
図６の巻線構造では、５相２組のコイルが並列に接続され、始動専用コイル１７の各相の巻線Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ，Ｙは７２度間隔にて等分に配設される。そして、それらの間に始動発電コイル１８の各相の巻線が等分に配設される。また、図７の場合は、５相３組のコイルが並列に接続され、２組の始動専用コイル１９ａ，１９ｂの各相の巻線と、１組の始動発電コイル２０の各相の巻線とが等分に配設される。さらに、図８（ａ）の場合は、５相４組のコイルが並列に接続され、３組の始動専用コイル２１ａ〜２１ｃの各相の巻線と、１組の始動発電コイル２２の各相の巻線とが等分に配設される。一方、図８（ｂ）の場合は、５相４組のコイルが２組ずつ並列に接続され、始動専用コイル２３ａ，２３ｂの巻線群と、始動発電コイル２４ａ，２４ｂの巻線群とが等分に配設される。
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、前述の実施の形態では、コイル１ｄのみを始動発電コイルとした例を示したが、発電必要量に応じて他のコイルを適宜始動発電コイルとしても良い。また、コイル１ｄを始動発電兼用コイルとしたが、これを発電専用コイルとしても良い。さらに、実施の形態２，３として、３相および５相の巻線に本発明を適用した例を示したが、本発明の適用対象はこれらには限定されず、さらに多相のものや組数の多い（多スロット）のものにも適用可能である。
本発明の回転電機の巻線構造によれば、複数組の多相コイルを備え、モータおよび発電機として機能する回転電機において、回転電機が発電機として機能する場合に使用される発電コイルの巻線を、回転電機がモータとして機能する場合に使用されるモータコイルの間に等分に配設したので、発電時に発電コイルの各巻線によって発生する力が互いに相殺される形となり、発電時における磁気バランスの均等化を図ることが可能となる。従って、バランス悪化に起因する磁気音や回転子の偏心を抑えることができ、始動発電機の騒音や振動を低減させることが可能となる。
また、本発明の回転電機の巻線構造によれば、モータコイルの巻線群間に発電コイルの各相の巻線をそれぞれ配置することにより、スペース効率良くモータコイルと発電コイルを配置でき、回転電機を小型化することが可能となる。さらに、発電コイルをモータ発電兼用コイルとすることにより、コイルの使用効率を向上させることができ、コイル数を削減し回転電機を小型化することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態１である巻線構造を用いた始動発電機の回路構成を示す説明図である。
図２は、図１の始動発電機におけるコイルの巻線構造を示す説明図であり、（ａ）は従来の通常の巻線構造、（ｂ）は当該始動発電機における巻線構造を示している。
図３は、３相２組のコイルを本発明による巻線構造に配置した例を示す説明図である。
図４は、３相５組のコイルを本発明による巻線構造に配置した例を示す説明図である。
図５は、３相６組のコイルを本発明による巻線構造に配置した例を示す説明図である。
図６は、５相２組のコイルを本発明による巻線構造に配置した例を示す説明図である。
図７は、５相３組のコイルを本発明による巻線構造に配置した例を示す説明図である。
図８は、５相４組のコイルを本発明による巻線構造に配置した例を示す説明図であり、（ａ）は５相４組のコイルがそれぞれ並列に接続された場合、（ｂ）は５相４組のコイルが２組ずつ並列に接続された場合を示している。

Claims (3)

1. 複数組の多相コイルを備え、モータおよび発電機として機能する回転電機の巻線構造であって、
   前記回転電機がモータとして機能する場合にのみ使用されるモータ専用コイルと、
   前記モータ専用コイルにて構成され、前記モータ専用コイルの各相の巻線が隣接配置されて形成された複数個の巻線群と、
   前記回転電機がモータとして機能する場合と、前記回転電機が発電機として機能する場合の両方で使用されるモータ発電兼用コイルとを備え、
   前記モータ専用コイルの前記巻線群を、前記回転電機の周方向に沿って等分に配置すると共に、
   前記モータ発電兼用コイルの各相の巻線を、発電時に前記各相の巻線によって発生する力が相殺されるように、前記巻線群の間に１相ずつ等分に配置し、
   前記モータ専用コイル及び前記モータ発電兼用コイルの巻線を全て等間隔にて配置したことを特徴とする回転電機の巻線構造。
2. 請求項１記載の回転電機の巻線構造において、前記回転電機はＵ , Ｖ , Ｗの各相を備えた３相４組のコイルを備え、前記コイルは３組の前記モータ専用コイルと１組の前記モータ発電兼用コイルとからなることを特徴とする回転電機の巻線構造。
3. 請求項１又は２記載の回転電機の巻線構造において、前記回転電機は、エンジンのクランクシャフトに接続され、前記エンジンの始動時にはスタータモータとして機能し、前記エンジンの始動後は発電機として機能する始動発電機であることを特徴とする回転電機の巻線構造。

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