JP4449263B2 - 車両用交流発電機 - Google Patents
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Description
【０００１】
【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】
一般に、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンを搭載した自動車には、これらのエンジンによって回転駆動されて発電電力を発生する車両用交流発電機が備わっている。エンジン回転中において車両用交流発電機によって発電した電力は、必要に応じて各種電気負荷に供給されるとともに、余力電力によって車載バッテリを充電している。このとき、車両用交流発電機の負荷トルクは、電気負荷の接続／遮断切替やエンジン回転数の変動によって変動するが、従来は、車両用交流発電機から出力される界磁巻線に流れる電流の通電タイミングを示すデューティ信号に基づいてＥＣＵ（電子制御装置）が車両用交流発電機の負荷トルクを推定していた。ＥＣＵは、推定した負荷トルクに基づいて、エンジンのアイドリング状態の安定性を向上させる制御や、エンジンの燃費を向上させる制御等を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、車両用交流発電機から出力されるデューティ信号を用いる従来方式では、正確な車両用交流発電機のトルクの算出を行うことができないという問題があった。すなわち、車両用交流発電機の負荷トルクは、車両用交流発電機の回転子の回転状態等によって変化するが、界磁巻線に通電する際の電流の通電タイミングのデューティ比のみを用いて負荷トルクを算出しようとするとこれらが考慮されないため、実際の負荷トルクとの誤差が大きくなる。
【０００４】
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、負荷トルクを正確に算出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。
【０００５】
【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、プーリユニット、回転子、界磁巻線、固定子、変化率検出手段、信号伝達手段を備えている。プーリユニットは、エンジンからのプーリに加わる回転駆動力を一方向のみについて伝達し、反対方向について遮断する一方向クラッチを有する。回転子は、プーリユニットに連結されており、複数の界磁極を有する。界磁巻線は、界磁極を磁化させる。固定子は、回転子により発生する回転磁界を受けて交流電圧を誘起する固定子巻線を有する。変化率検出手段は、一方向クラッチによって回転駆動力が遮断されてプーリが空転したときに、回転子の速度の変化率を検出する。信号伝達手段は、変化率検出手段によって検出された変化率を示す信号を外部装置に伝達する。車両用交流発電機の負荷トルクは、回転子の速度の変化率（角加速度）に比例するため、この変化率を変化率検出手段で検出して信号伝達手段によって外部装置に伝達することにより、この変化率を受け取った外部装置では車両用交流発電機の負荷トルクを正確に算出することができる。
【０００６】
また、上述した変化率検出手段は、固定子巻線に発生する交流電圧に基づいて回転子の速度を算出することが望ましい。固定子巻線に発生する交流電圧は、回転子の回転に同期した波形となるため、交流電圧を測定することにより、回転子の速度を容易に算出することが可能になる。
【０００７】
また、上述した変化率検出手段は、回転子の速度が減少することを検出して、プーリの空転状態を判定することが望ましい。回転子の速度の減少を検出することにより、特別なセンサ等を用いることなく、プーリの空転状態を容易に判定することが可能になる。
【０００８】
また、上述した変化率検出手段は、固定子巻線に発生する交流電圧の周期が増大することにより、プーリの空転状態を検出することが望ましい。固定子巻線に発生する交流電圧の周期が増大するということは、回転子の速度が減少しているということであるため、この周期の増大を監視することにより、プーリの空転状態を検出することができる。
【０００９】
また、上述した信号伝達手段は、外部装置との間で信号の相互の伝達を行う通信手段であり、変化率検出手段によって検出された変化率を示す信号を外部装置に向けて出力することが望ましい。外部装置との間で信号の相互の入出力を行う通信手段を用いることにより、変化率を示す信号を外部装置に送ることが容易になる。
【００１０】
また、変化率検出手段によって検出された変化率と回転子の慣性との積を算出するトルク算出手段をさらに備えるとともに、上述したトルク算出手段による算出値を通信手段を介して外部装置に出力することが望ましい。これにより、外部装置において特別な演算処理を行うことなく車両用交流発電機の負荷トルクの値を取得することができ、外部装置において処理の簡略化が可能になる。
【００１１】
また、本発明の車両用交流発電機は、プーリユニット、回転子、界磁巻線、固定子、周期検出手段、信号伝達手段を備えている。周期検出手段は、固定子巻線に発生する交流電圧の周期を検出し、所定時間経過前の周期から所定時間経過後の周期を減算した算出値が負の場合に、この算出値を出力する。固定子巻線に発生する交流電圧は、回転子の回転に同期した波形となるため、この交流電圧の周期の差を求めることによっても回転子の角加速度を算出することが可能になる。しかも、周期の差が負のとき、一方向クラッチによって回転駆動力が遮断されたプーリが空転しており、このときの周期の差を求めた算出値を外部装置に伝達することにより、この算出値を受け取った外部装置では車両用交流発電機の負荷トルクを正確に算出することができる。
【００１２】
また、スイッチング素子を開閉することにより界磁巻線に励磁電流を流す場合の通電タイミングのデューティ比が所定値より大きいときに、変化率や算出値を示す信号に代えて、特定の値を示す信号を出力するデューティ判定手段をさらに備えることが望ましい。このデューティ比が大きくなると、プーリが空転しなくなって実際の負荷トルクと変化率や算出値に基づいて計算される負荷トルクとの差が大きくなる。このような場合には車両用交流発電機から特定の値を示す信号を出力することにより、負荷トルクの算出が困難である旨を外部装置に通知することが可能になる。
【００１３】
【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、一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す図である。同図に示す車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、フレーム４、ブラシ装置５、整流器６、レギュレータ７、プーリユニット８等を含んで構成されている。
【００１４】
固定子２は、固定子鉄心２１と、固定子巻線２２と、これらの間を絶縁するインシュレータ２３とを備えている。固定子鉄心２１は、所定厚さの鋼板を重ねて形成されており、内周側に形成された複数のスロットに所定の間隔で三相の固定子巻線２２が巻かれている。
【００１５】
回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線３１を、それぞれが６個の爪部を有するランデル型磁極鉄心３２によって、シャフト３３を通して両側から挟み込んだ構造を有している。これらの各爪部によって界磁極が形成される。また、フロント側の磁極鉄心３２の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すために軸流式の冷却ファン１１が溶接等によって取り付けられている。同様に、リヤ側の磁極鉄心３２の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すために遠心式の冷却ファン１２が溶接等によって取り付けられている。
【００１６】
フレーム４は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３がシャフト３３を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３の磁極鉄心３２の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム４は、固定子２の固定子巻線２２に対向した部分に冷却風の吐出窓４１が、軸方向端面に吸入窓４２がそれぞれ設けられている。
【００１７】
整流器６は、三相の固定子巻線２２の出力である交流電力を整流して直流電力を得る三相全波整流回路である。
レギュレータ７は、界磁巻線３１に流す励磁電流を制御するものであり、負荷が軽くて出力電圧が高くなる場合には、界磁巻線３１に対する電圧の印加を断続することにより界磁電流を減らして、車両用交流発電機１の出力電圧を一定に保つ。また、本実施形態のレギュレータ７は、外部装置としての電子制御装置によって車両用交流発電機１の負荷トルクを計算するために必要な状態変数を示す信号を出力する角加速度検出回路７０を有している。また、プーリユニット８は、一方向クラッチ（後述する）を内蔵しており、エンジンから与えられる回転駆動力を一方向のみに伝達する。
【００１８】
図２は、車両用交流発電機１を含む充電系統のシステム図である。上述したように、界磁巻線３１は、回転子３に装着されており、エンジン回転と同期して回転し、回転磁界を発生する。回転子３との間に所定の空隙を有して対向配置される固定子鉄心２１に巻装された固定子巻線２２は、界磁巻線３１のつくる回転磁界の大きさに応じて交流波形を有する電圧を発生する。この発生電圧は、整流器６によって三相全波整流される。この整流器６の出力は、車両用交流発電機１の出力端子Ｂを介してバッテリ９０に供給され、バッテリ９０の充電が行われる。また、整流器６の出力は、負荷スイッチ９４を介してランプ等の電気負荷９２に供給される。
【００１９】
また、図２に示すように、本実施形態のレギュレータ７は、通信用端子Ｃを介して通信手段によって外部装置である電子制御装置（ＥＣＵ）９６に接続されている。この通信用端子Ｃおよび通信手段を介してレギュレータ７と電子制御装置９６との間で信号の相互伝達が行われる。例えば、レギュレータ７から電子制御装置９６に対して車両用交流発電機１の状態変数が送られ、電子制御装置９６からレギュレータ７に対して車両用交流発電機１の制御定数が送られる。なお、本実施形態では、最も単純な場合として、レギュレータ７と電子制御装置９６との間を直結する信号線によって通信手段、信号伝達手段を構成しているが、これらの間を通信用バスで接続し、専用の通信用ＬＳＩを用いて各種信号（データ）の送受信を行うようにしてもよい。
【００２０】
図３は、プーリユニット８の拡大断面図である。また、図４、図５はプーリユニットのクラッチ動作を示す図であり、図３に示すプーリユニット８の横断面が示されている。
これらの図に示すように、プーリユニット８は、同心状に配設されたプーリ８１および軸体８２と、これらの間に設けられた一方向クラッチ８３とを備えている。一方向クラッチ８３は、プーリ８１に固定された外輪８４と、回転子３のシャフト３３に取り付けられた軸体８２に固定された内輪８５と、外輪８４および内輪８５によって挟まれたくさび型切り込み部８６に収納されたころ８７を有している。
【００２１】
回転子３が一定回転数で回転している場合、図５に示すように、プーリ８１に固着された外輪８４と、軸体８２に固着された内輪８５とが、ころ８７を介して噛み合った状態にあり、回転子３とプーリ８１が一体で回転する。これが「クラッチＯＮ」状態である。このクラッチＯＮ状態においては、エンジンからベルト（図示せず）によってプーリ８１に加えられた回転駆動力が一方向クラッチ８３を介して軸体８２および回転子３に伝達される。
【００２２】
これに対し、エンジンの回転変動等によりプーリ８１の角速度が急激に減少すると、図４に示すように、ころ８７がくさび型切り込み部８６の幅広側に移動して、外輪８４と内輪８５とがころ８７を介して噛み合った状態が解除されるため、回転子３がプーリ８１よりも速く回転する。このようにしてプーリ８１が空転した状態が「クラッチＯＦＦ」状態である。
【００２３】
図６は、プーリ８１と回転子３の角速度の関係を示す図である。図６において、「ＯＦＦ」はクラッチＯＦＦ状態を、「ＯＮ」はクラッチＯＮ状態を示している。また、「Ｒ」は回転子３の回転状態を、「Ｐ」はプーリ８１の回転状態を示している。
【００２４】
図６に示すように、クラッチＯＦＦの状態において、回転子３は、車両用交流発電機１の負荷トルクおよび内輪８５とプーリ８１側との間の摩擦力等によって次第に減速していく。ここで、車両用交流発電機１の負荷トルクは一定で、プーリ８１側との間に生じる摩擦力はプーリ８１と回転子３との間の相対角速度に比例するものとする。クラッチＯＦＦ状態になる条件は、クラッチＯＮ状態におけるプーリ８１の角加速度と、クラッチＯＦＦ状態において車両用交流発電機１の負荷トルクのみにより減速する場合の回転子３の角加速度（一定）を比較して、プーリ８１の角加速度の方が小さくなることである。クラッチＯＦＦ状態になる瞬間は、内輪８５とプーリ８１側との間の静止摩擦力の影響を受けるが、この摩擦力は車両用交流発電機１の負荷トルクと比べて無視できる程小さい。また、クラッチＯＮ状態になる条件は、クラッチＯＦＦ状態における回転子３の角速度とプーリ８１の角速度を比較して、それらが等しくなることである。
【００２５】
一方向クラッチ８３のクラッチＯＮ状態およびクラッチＯＦＦ状態における運動方程式は以下のようになる。
【００２６】
【数１】
【００２７】
ここで、一方向クラッチ８３のクラッチＯＦＦ状態について示した（１）式において、ＴfrはＴaltに比べて非常に小さいので、
【００２８】
【数２】
【００２９】
と変形することができる。したがって、回転子３の角加速度を測定することができれば、車両用交流発電機１の負荷トルクを直接算出することが可能になる。
図７は、レギュレータ７に内蔵される角加速度検出回路７０の構成を示す図である。図７に示す角加速度検出回路７０は、カウンタ７１、７２、遅延回路７３、比較器７４、逆数変換回路７５、７６、差分回路７７、除算回路７８を備えている。
【００３０】
カウンタ７１、７２のそれぞれは、クロック信号ＣＬＫと固定子巻線２２の１相電圧信号ＶP が入力されており、１相電圧の周期、すなわち車両用交流発電機１の回転子３の回転周期を検出する。但し、カウンタ７２の前段には遅延回路７３が設けられており、角加速度検出回路７０に１相電圧信号ＶP が入力されると、一方のカウンタ７１にはこの信号が直接入力され、他方のカウンタ７２にはこの信号が所定時間遅延された後に入力される。したがって、ある時点における２つのカウンタ７１、７２の出力を比べると、一方のカウンタ７１の出力はその時点における回転子３の回転周期を示し、他方のカウンタ７２の出力はその時点よりも所定時間前の回転子３の回転周期を示すことになる。このため、２つのカウンタ７１、７２の出力を比較することにより、回転子３の回転周期の変化量を求めることができる。
【００３１】
ところで、上述したように、一方向クラッチ８３がクラッチＯＦＦ状態のときに、車両用交流発電機１の負荷トルクは回転子３の角加速度に比例するので、このときの回転子３の角加速度を算出することができれば、この算出値を用いて車両用交流発電機１の負荷トルクを求めることができる。
【００３２】
また、図６に示すように、一方向クラッチ８３がクラッチＯＦＦ状態のときには、回転子３の回転数が減少する。比較器７４は、２つのカウンタ７１、７２の出力を比較し、カウンタ７２の出力値の方がカウンタ７１の出力値よりも大きい場合に、差分回路７７に向けてクラッチＯＦＦ信号を出力する。すなわち、プーリ８１が空転して回転子３の回転数が次第に減少したときに、クラッチＯＦＦ状態を示すクラッチＯＦＦ信号が比較器７４から差分回路７７に入力される。
【００３３】
また、カウンタ７１の出力は逆数変換回路７５に入力されており、カウンタ７１によって求められた回転子３の回転周期から角速度への変換が行われる。同様に、カウンタ７２の出力は逆数変換回路７６に入力されており、カウンタ７２によって求められた回転子３の回転周期から角速度への変換が行われる。これらの変換によって求められた角速度は差分回路７７に入力されて、これらの差分が算出される。除算回路７８は、このようにして算出された差分値を、２つのカウンタ７１、７２による回転周期検出の時間差である遅延回路７３の遅延時間で除算する。これにより、角速度の時間変化（変化率）、すなわち角加速度が算出される。
【００３４】
このようにして角加速度検出回路７０によってプーリユニット８がクラッチＯＦＦ状態のときの車両用交流発電機１の回転子３の角加速度が算出される。この値は、車両用交流発電機１の負荷トルクに比例した値になるため、この算出結果をレギュレータ７から電子制御装置９６に送信することにより、電子制御装置９６では車両用交流発電機１の負荷トルクを正確に算出し、車両用交流発電機１の負荷特性を考慮した制御定数を設定することが可能になる。
【００３５】
なお、上述した実施形態では、プーリユニット８のクラッチＯＦＦ状態を車両用交流発電機１の回転子３の回転速度が減少することにより検出しており、車両用交流発電機１の出力が比較的小さい領域で一方向クラッチ８３の空転が発生しやすいことから、車両用交流発電機１の出力が比較的小さい領域での負荷トルク検出に適している。
【００３６】
図８は、界磁巻線３１に励磁電流を流す通電タイミングのデューティ比（ロータ駆動デューティ比）と車両用交流発電機１の負荷トルクとの関係を示す図である。ロータ駆動デューティ比が大きくなるとプーリ８１が空転しなくなり、回転子３の角加速度から算出した負荷トルク（トルク検出値、実線）と実際の負荷トルク（点線）とが一致しなくなる。このため、ロータ駆動デューティが所定値よりも大きい場合には、他の場合と区別して、そのときの算出結果は各種制御に用いないようにすることが望ましい。
【００３７】
図９は、ロータ駆動デューティ比の値を判定する機能を追加したレギュレータの変形例を示す図である。図９に示すレギュレータ７Ａは、角加速度検出回路７０の出力側に接続されたデューティ判定回路７９を備えている。デューティ判定回路７９は、界磁巻線３１に励磁電流を流すために開閉制御されるスイッチング素子６１の動作状態を監視することにより、ロータ駆動デューティ比が所定値よりも大きいか否かを判定する。ロータ駆動デューティ比が所定値よりも小さい場合には、角加速度検出回路７０から出力される角加速度の算出値がそのまま通信用端子Ｃから送信される。反対に、ロータ駆動デューティ比が所定値よりも大きい場合には、デューティ判定回路７９は、角加速度検出回路７０から出力される角加速度の算出値に代えて、特定の値を示す信号を通信用端子Ｃから電子制御装置９６に向けて送信する。この特定の値とは、図８に示したように、ロータ駆動デューティ比が大きいために角加速度を用いた負荷トルクの算出が困難である旨を通知するためのものであり、電子制御装置９６は、この特定の値を受け取ると、角加速度に基づく負荷トルクの算出を中止する。上述したデューティ判定回路７９がデューティ判定手段に対応する。
【００３８】
なお、本発明は上述の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で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、レギュレータ７からは回転子３の角加速度に対応する信号を出力するようにしたが、レギュレータ７内でこの角加速度の値に回転子３の慣性の値を乗算して負荷トルクの値を算出し、この算出値を示す信号を車両用交流発電機１から電子制御装置９６に向けて出力するようにしてもよい。
【００３９】
図１０は、トルク算出回路を追加したレギュレータの構成図である。図１０に示すレギュレータ７Ｂは、上述した角加速度検出回路７０の出力側にトルク算出回路８０を有する。このトルク算出回路８０は、角加速度検出回路７０から出力される回転子３の角加速度の値に回転子３の慣性の値を乗算する。この乗算結果である車両用交流発電機１の負荷トルクの値を示す信号が通信号端子Ｃから電子制御装置９６に向けて出力される。
【００４０】
また、上述した実施形態では、レギュレータ７等から回転子３の角加速度やこれを用いて算出した負荷トルクそのものの値を出力するようにしたが、これらの算出が可能なその他の状態変数を出力するようにしてもよい。例えば、角速度の変化率を計算する角加速度検出回路７０の代わりに、所定時間経過の前後における回転子３の回転周期の差を求めて出力する周期検出回路を設けるようにしてもよい。
【００４１】
図１１は、周期検出回路１７０の具体的な構成を示す図である。図１１に示す周期検出回路１７０は、カウンタ７１、７２、遅延回路７３、差分回路７７Ａを含んで構成されている。図７に示した角加速度検出回路７０に含まれる構成と同じものについては同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００４２】
差分回路７７Ａは、所定時間経過前の周期であるカウンタ７２の出力値から、所定時間経過後の周期であるカウンタ７１の出力値を減算し、この算出値が負の場合に、この算出値を通信用端子Ｃから電子制御装置９６に向けて出力する。上述した周期の差を減算した算出値が負であるということは回転子３が減速状態にあるということであり、プーリ８１が空転状態にあることを示している。また、固定子巻線２２に発生する交流電圧は回転子３の回転に同期した波形となるため、電子制御装置９６は、この交流電圧の周期の差に基づいて回転子３の角加速度を算出することが可能になり、さらにこの算出値を用いて車両用交流発電機１の負荷トルクを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の車両用交流発電機の全体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を含む充電系統のシステム図である。
【図３】プーリユニットの拡大断面図である。
【図４】プーリユニットのクラッチ動作を示す図である。
【図５】プーリユニットのクラッチ動作を示す図である。
【図６】プーリと回転子の角速度の関係を示す図である。
【図７】レギュレータに内蔵される角加速度検出回路を示す図である。
【図８】界磁巻線に励磁電流を流す際のロータ駆動デューティ比と車両用交流発電機の駆動トルクとの関係を示す図である。
【図９】ロータ駆動デューティ比の値を判定する機能を追加したレギュレータの変形例を示す図である。
【図１０】トルク算出回路を追加したレギュレータの構成図である。
【図１１】周期検出回路の具体的な構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 車両用交流発電機
２ 固定子
３ 回転子
６ 整流器
７ レギュレータ
７０ 角加速度検出回路
７１、７２ カウンタ
７３ 遅延回路
７４ 比較器
７５、７６ 逆数変換回路
７７ 差分回路
７８ 除算回路
【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】
一般に、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンを搭載した自動車には、これらのエンジンによって回転駆動されて発電電力を発生する車両用交流発電機が備わっている。エンジン回転中において車両用交流発電機によって発電した電力は、必要に応じて各種電気負荷に供給されるとともに、余力電力によって車載バッテリを充電している。このとき、車両用交流発電機の負荷トルクは、電気負荷の接続／遮断切替やエンジン回転数の変動によって変動するが、従来は、車両用交流発電機から出力される界磁巻線に流れる電流の通電タイミングを示すデューティ信号に基づいてＥＣＵ（電子制御装置）が車両用交流発電機の負荷トルクを推定していた。ＥＣＵは、推定した負荷トルクに基づいて、エンジンのアイドリング状態の安定性を向上させる制御や、エンジンの燃費を向上させる制御等を行っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、車両用交流発電機から出力されるデューティ信号を用いる従来方式では、正確な車両用交流発電機のトルクの算出を行うことができないという問題があった。すなわち、車両用交流発電機の負荷トルクは、車両用交流発電機の回転子の回転状態等によって変化するが、界磁巻線に通電する際の電流の通電タイミングのデューティ比のみを用いて負荷トルクを算出しようとするとこれらが考慮されないため、実際の負荷トルクとの誤差が大きくなる。
【０００４】
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、負荷トルクを正確に算出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。
【０００５】
【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、プーリユニット、回転子、界磁巻線、固定子、変化率検出手段、信号伝達手段を備えている。プーリユニットは、エンジンからのプーリに加わる回転駆動力を一方向のみについて伝達し、反対方向について遮断する一方向クラッチを有する。回転子は、プーリユニットに連結されており、複数の界磁極を有する。界磁巻線は、界磁極を磁化させる。固定子は、回転子により発生する回転磁界を受けて交流電圧を誘起する固定子巻線を有する。変化率検出手段は、一方向クラッチによって回転駆動力が遮断されてプーリが空転したときに、回転子の速度の変化率を検出する。信号伝達手段は、変化率検出手段によって検出された変化率を示す信号を外部装置に伝達する。車両用交流発電機の負荷トルクは、回転子の速度の変化率（角加速度）に比例するため、この変化率を変化率検出手段で検出して信号伝達手段によって外部装置に伝達することにより、この変化率を受け取った外部装置では車両用交流発電機の負荷トルクを正確に算出することができる。
【０００６】
また、上述した変化率検出手段は、固定子巻線に発生する交流電圧に基づいて回転子の速度を算出することが望ましい。固定子巻線に発生する交流電圧は、回転子の回転に同期した波形となるため、交流電圧を測定することにより、回転子の速度を容易に算出することが可能になる。
【０００７】
また、上述した変化率検出手段は、回転子の速度が減少することを検出して、プーリの空転状態を判定することが望ましい。回転子の速度の減少を検出することにより、特別なセンサ等を用いることなく、プーリの空転状態を容易に判定することが可能になる。
【０００８】
また、上述した変化率検出手段は、固定子巻線に発生する交流電圧の周期が増大することにより、プーリの空転状態を検出することが望ましい。固定子巻線に発生する交流電圧の周期が増大するということは、回転子の速度が減少しているということであるため、この周期の増大を監視することにより、プーリの空転状態を検出することができる。
【０００９】
また、上述した信号伝達手段は、外部装置との間で信号の相互の伝達を行う通信手段であり、変化率検出手段によって検出された変化率を示す信号を外部装置に向けて出力することが望ましい。外部装置との間で信号の相互の入出力を行う通信手段を用いることにより、変化率を示す信号を外部装置に送ることが容易になる。
【００１０】
また、変化率検出手段によって検出された変化率と回転子の慣性との積を算出するトルク算出手段をさらに備えるとともに、上述したトルク算出手段による算出値を通信手段を介して外部装置に出力することが望ましい。これにより、外部装置において特別な演算処理を行うことなく車両用交流発電機の負荷トルクの値を取得することができ、外部装置において処理の簡略化が可能になる。
【００１１】
また、本発明の車両用交流発電機は、プーリユニット、回転子、界磁巻線、固定子、周期検出手段、信号伝達手段を備えている。周期検出手段は、固定子巻線に発生する交流電圧の周期を検出し、所定時間経過前の周期から所定時間経過後の周期を減算した算出値が負の場合に、この算出値を出力する。固定子巻線に発生する交流電圧は、回転子の回転に同期した波形となるため、この交流電圧の周期の差を求めることによっても回転子の角加速度を算出することが可能になる。しかも、周期の差が負のとき、一方向クラッチによって回転駆動力が遮断されたプーリが空転しており、このときの周期の差を求めた算出値を外部装置に伝達することにより、この算出値を受け取った外部装置では車両用交流発電機の負荷トルクを正確に算出することができる。
【００１２】
また、スイッチング素子を開閉することにより界磁巻線に励磁電流を流す場合の通電タイミングのデューティ比が所定値より大きいときに、変化率や算出値を示す信号に代えて、特定の値を示す信号を出力するデューティ判定手段をさらに備えることが望ましい。このデューティ比が大きくなると、プーリが空転しなくなって実際の負荷トルクと変化率や算出値に基づいて計算される負荷トルクとの差が大きくなる。このような場合には車両用交流発電機から特定の値を示す信号を出力することにより、負荷トルクの算出が困難である旨を外部装置に通知することが可能になる。
【００１３】
【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、一実施形態の車両用交流発電機の全体構造を示す図である。同図に示す車両用交流発電機１は、固定子２、回転子３、フレーム４、ブラシ装置５、整流器６、レギュレータ７、プーリユニット８等を含んで構成されている。
【００１４】
固定子２は、固定子鉄心２１と、固定子巻線２２と、これらの間を絶縁するインシュレータ２３とを備えている。固定子鉄心２１は、所定厚さの鋼板を重ねて形成されており、内周側に形成された複数のスロットに所定の間隔で三相の固定子巻線２２が巻かれている。
【００１５】
回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心状に巻き回した界磁巻線３１を、それぞれが６個の爪部を有するランデル型磁極鉄心３２によって、シャフト３３を通して両側から挟み込んだ構造を有している。これらの各爪部によって界磁極が形成される。また、フロント側の磁極鉄心３２の端面には、フロント側から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出すために軸流式の冷却ファン１１が溶接等によって取り付けられている。同様に、リヤ側の磁極鉄心３２の端面には、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すために遠心式の冷却ファン１２が溶接等によって取り付けられている。
【００１６】
フレーム４は、固定子２および回転子３を収容しており、回転子３がシャフト３３を中心に回転可能な状態で支持されているとともに、回転子３の磁極鉄心３２の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子２が固定されている。また、フレーム４は、固定子２の固定子巻線２２に対向した部分に冷却風の吐出窓４１が、軸方向端面に吸入窓４２がそれぞれ設けられている。
【００１７】
整流器６は、三相の固定子巻線２２の出力である交流電力を整流して直流電力を得る三相全波整流回路である。
レギュレータ７は、界磁巻線３１に流す励磁電流を制御するものであり、負荷が軽くて出力電圧が高くなる場合には、界磁巻線３１に対する電圧の印加を断続することにより界磁電流を減らして、車両用交流発電機１の出力電圧を一定に保つ。また、本実施形態のレギュレータ７は、外部装置としての電子制御装置によって車両用交流発電機１の負荷トルクを計算するために必要な状態変数を示す信号を出力する角加速度検出回路７０を有している。また、プーリユニット８は、一方向クラッチ（後述する）を内蔵しており、エンジンから与えられる回転駆動力を一方向のみに伝達する。
【００１８】
図２は、車両用交流発電機１を含む充電系統のシステム図である。上述したように、界磁巻線３１は、回転子３に装着されており、エンジン回転と同期して回転し、回転磁界を発生する。回転子３との間に所定の空隙を有して対向配置される固定子鉄心２１に巻装された固定子巻線２２は、界磁巻線３１のつくる回転磁界の大きさに応じて交流波形を有する電圧を発生する。この発生電圧は、整流器６によって三相全波整流される。この整流器６の出力は、車両用交流発電機１の出力端子Ｂを介してバッテリ９０に供給され、バッテリ９０の充電が行われる。また、整流器６の出力は、負荷スイッチ９４を介してランプ等の電気負荷９２に供給される。
【００１９】
また、図２に示すように、本実施形態のレギュレータ７は、通信用端子Ｃを介して通信手段によって外部装置である電子制御装置（ＥＣＵ）９６に接続されている。この通信用端子Ｃおよび通信手段を介してレギュレータ７と電子制御装置９６との間で信号の相互伝達が行われる。例えば、レギュレータ７から電子制御装置９６に対して車両用交流発電機１の状態変数が送られ、電子制御装置９６からレギュレータ７に対して車両用交流発電機１の制御定数が送られる。なお、本実施形態では、最も単純な場合として、レギュレータ７と電子制御装置９６との間を直結する信号線によって通信手段、信号伝達手段を構成しているが、これらの間を通信用バスで接続し、専用の通信用ＬＳＩを用いて各種信号（データ）の送受信を行うようにしてもよい。
【００２０】
図３は、プーリユニット８の拡大断面図である。また、図４、図５はプーリユニットのクラッチ動作を示す図であり、図３に示すプーリユニット８の横断面が示されている。
これらの図に示すように、プーリユニット８は、同心状に配設されたプーリ８１および軸体８２と、これらの間に設けられた一方向クラッチ８３とを備えている。一方向クラッチ８３は、プーリ８１に固定された外輪８４と、回転子３のシャフト３３に取り付けられた軸体８２に固定された内輪８５と、外輪８４および内輪８５によって挟まれたくさび型切り込み部８６に収納されたころ８７を有している。
【００２１】
回転子３が一定回転数で回転している場合、図５に示すように、プーリ８１に固着された外輪８４と、軸体８２に固着された内輪８５とが、ころ８７を介して噛み合った状態にあり、回転子３とプーリ８１が一体で回転する。これが「クラッチＯＮ」状態である。このクラッチＯＮ状態においては、エンジンからベルト（図示せず）によってプーリ８１に加えられた回転駆動力が一方向クラッチ８３を介して軸体８２および回転子３に伝達される。
【００２２】
これに対し、エンジンの回転変動等によりプーリ８１の角速度が急激に減少すると、図４に示すように、ころ８７がくさび型切り込み部８６の幅広側に移動して、外輪８４と内輪８５とがころ８７を介して噛み合った状態が解除されるため、回転子３がプーリ８１よりも速く回転する。このようにしてプーリ８１が空転した状態が「クラッチＯＦＦ」状態である。
【００２３】
図６は、プーリ８１と回転子３の角速度の関係を示す図である。図６において、「ＯＦＦ」はクラッチＯＦＦ状態を、「ＯＮ」はクラッチＯＮ状態を示している。また、「Ｒ」は回転子３の回転状態を、「Ｐ」はプーリ８１の回転状態を示している。
【００２４】
図６に示すように、クラッチＯＦＦの状態において、回転子３は、車両用交流発電機１の負荷トルクおよび内輪８５とプーリ８１側との間の摩擦力等によって次第に減速していく。ここで、車両用交流発電機１の負荷トルクは一定で、プーリ８１側との間に生じる摩擦力はプーリ８１と回転子３との間の相対角速度に比例するものとする。クラッチＯＦＦ状態になる条件は、クラッチＯＮ状態におけるプーリ８１の角加速度と、クラッチＯＦＦ状態において車両用交流発電機１の負荷トルクのみにより減速する場合の回転子３の角加速度（一定）を比較して、プーリ８１の角加速度の方が小さくなることである。クラッチＯＦＦ状態になる瞬間は、内輪８５とプーリ８１側との間の静止摩擦力の影響を受けるが、この摩擦力は車両用交流発電機１の負荷トルクと比べて無視できる程小さい。また、クラッチＯＮ状態になる条件は、クラッチＯＦＦ状態における回転子３の角速度とプーリ８１の角速度を比較して、それらが等しくなることである。
【００２５】
一方向クラッチ８３のクラッチＯＮ状態およびクラッチＯＦＦ状態における運動方程式は以下のようになる。
【００２６】
【数１】
ここで、一方向クラッチ８３のクラッチＯＦＦ状態について示した（１）式において、ＴfrはＴaltに比べて非常に小さいので、
【００２８】
【数２】
と変形することができる。したがって、回転子３の角加速度を測定することができれば、車両用交流発電機１の負荷トルクを直接算出することが可能になる。
図７は、レギュレータ７に内蔵される角加速度検出回路７０の構成を示す図である。図７に示す角加速度検出回路７０は、カウンタ７１、７２、遅延回路７３、比較器７４、逆数変換回路７５、７６、差分回路７７、除算回路７８を備えている。
【００３０】
カウンタ７１、７２のそれぞれは、クロック信号ＣＬＫと固定子巻線２２の１相電圧信号ＶP が入力されており、１相電圧の周期、すなわち車両用交流発電機１の回転子３の回転周期を検出する。但し、カウンタ７２の前段には遅延回路７３が設けられており、角加速度検出回路７０に１相電圧信号ＶP が入力されると、一方のカウンタ７１にはこの信号が直接入力され、他方のカウンタ７２にはこの信号が所定時間遅延された後に入力される。したがって、ある時点における２つのカウンタ７１、７２の出力を比べると、一方のカウンタ７１の出力はその時点における回転子３の回転周期を示し、他方のカウンタ７２の出力はその時点よりも所定時間前の回転子３の回転周期を示すことになる。このため、２つのカウンタ７１、７２の出力を比較することにより、回転子３の回転周期の変化量を求めることができる。
【００３１】
ところで、上述したように、一方向クラッチ８３がクラッチＯＦＦ状態のときに、車両用交流発電機１の負荷トルクは回転子３の角加速度に比例するので、このときの回転子３の角加速度を算出することができれば、この算出値を用いて車両用交流発電機１の負荷トルクを求めることができる。
【００３２】
また、図６に示すように、一方向クラッチ８３がクラッチＯＦＦ状態のときには、回転子３の回転数が減少する。比較器７４は、２つのカウンタ７１、７２の出力を比較し、カウンタ７２の出力値の方がカウンタ７１の出力値よりも大きい場合に、差分回路７７に向けてクラッチＯＦＦ信号を出力する。すなわち、プーリ８１が空転して回転子３の回転数が次第に減少したときに、クラッチＯＦＦ状態を示すクラッチＯＦＦ信号が比較器７４から差分回路７７に入力される。
【００３３】
また、カウンタ７１の出力は逆数変換回路７５に入力されており、カウンタ７１によって求められた回転子３の回転周期から角速度への変換が行われる。同様に、カウンタ７２の出力は逆数変換回路７６に入力されており、カウンタ７２によって求められた回転子３の回転周期から角速度への変換が行われる。これらの変換によって求められた角速度は差分回路７７に入力されて、これらの差分が算出される。除算回路７８は、このようにして算出された差分値を、２つのカウンタ７１、７２による回転周期検出の時間差である遅延回路７３の遅延時間で除算する。これにより、角速度の時間変化（変化率）、すなわち角加速度が算出される。
【００３４】
このようにして角加速度検出回路７０によってプーリユニット８がクラッチＯＦＦ状態のときの車両用交流発電機１の回転子３の角加速度が算出される。この値は、車両用交流発電機１の負荷トルクに比例した値になるため、この算出結果をレギュレータ７から電子制御装置９６に送信することにより、電子制御装置９６では車両用交流発電機１の負荷トルクを正確に算出し、車両用交流発電機１の負荷特性を考慮した制御定数を設定することが可能になる。
【００３５】
なお、上述した実施形態では、プーリユニット８のクラッチＯＦＦ状態を車両用交流発電機１の回転子３の回転速度が減少することにより検出しており、車両用交流発電機１の出力が比較的小さい領域で一方向クラッチ８３の空転が発生しやすいことから、車両用交流発電機１の出力が比較的小さい領域での負荷トルク検出に適している。
【００３６】
図８は、界磁巻線３１に励磁電流を流す通電タイミングのデューティ比（ロータ駆動デューティ比）と車両用交流発電機１の負荷トルクとの関係を示す図である。ロータ駆動デューティ比が大きくなるとプーリ８１が空転しなくなり、回転子３の角加速度から算出した負荷トルク（トルク検出値、実線）と実際の負荷トルク（点線）とが一致しなくなる。このため、ロータ駆動デューティが所定値よりも大きい場合には、他の場合と区別して、そのときの算出結果は各種制御に用いないようにすることが望ましい。
【００３７】
図９は、ロータ駆動デューティ比の値を判定する機能を追加したレギュレータの変形例を示す図である。図９に示すレギュレータ７Ａは、角加速度検出回路７０の出力側に接続されたデューティ判定回路７９を備えている。デューティ判定回路７９は、界磁巻線３１に励磁電流を流すために開閉制御されるスイッチング素子６１の動作状態を監視することにより、ロータ駆動デューティ比が所定値よりも大きいか否かを判定する。ロータ駆動デューティ比が所定値よりも小さい場合には、角加速度検出回路７０から出力される角加速度の算出値がそのまま通信用端子Ｃから送信される。反対に、ロータ駆動デューティ比が所定値よりも大きい場合には、デューティ判定回路７９は、角加速度検出回路７０から出力される角加速度の算出値に代えて、特定の値を示す信号を通信用端子Ｃから電子制御装置９６に向けて送信する。この特定の値とは、図８に示したように、ロータ駆動デューティ比が大きいために角加速度を用いた負荷トルクの算出が困難である旨を通知するためのものであり、電子制御装置９６は、この特定の値を受け取ると、角加速度に基づく負荷トルクの算出を中止する。上述したデューティ判定回路７９がデューティ判定手段に対応する。
【００３８】
なお、本発明は上述の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で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、レギュレータ７からは回転子３の角加速度に対応する信号を出力するようにしたが、レギュレータ７内でこの角加速度の値に回転子３の慣性の値を乗算して負荷トルクの値を算出し、この算出値を示す信号を車両用交流発電機１から電子制御装置９６に向けて出力するようにしてもよい。
【００３９】
図１０は、トルク算出回路を追加したレギュレータの構成図である。図１０に示すレギュレータ７Ｂは、上述した角加速度検出回路７０の出力側にトルク算出回路８０を有する。このトルク算出回路８０は、角加速度検出回路７０から出力される回転子３の角加速度の値に回転子３の慣性の値を乗算する。この乗算結果である車両用交流発電機１の負荷トルクの値を示す信号が通信号端子Ｃから電子制御装置９６に向けて出力される。
【００４０】
また、上述した実施形態では、レギュレータ７等から回転子３の角加速度やこれを用いて算出した負荷トルクそのものの値を出力するようにしたが、これらの算出が可能なその他の状態変数を出力するようにしてもよい。例えば、角速度の変化率を計算する角加速度検出回路７０の代わりに、所定時間経過の前後における回転子３の回転周期の差を求めて出力する周期検出回路を設けるようにしてもよい。
【００４１】
図１１は、周期検出回路１７０の具体的な構成を示す図である。図１１に示す周期検出回路１７０は、カウンタ７１、７２、遅延回路７３、差分回路７７Ａを含んで構成されている。図７に示した角加速度検出回路７０に含まれる構成と同じものについては同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００４２】
差分回路７７Ａは、所定時間経過前の周期であるカウンタ７２の出力値から、所定時間経過後の周期であるカウンタ７１の出力値を減算し、この算出値が負の場合に、この算出値を通信用端子Ｃから電子制御装置９６に向けて出力する。上述した周期の差を減算した算出値が負であるということは回転子３が減速状態にあるということであり、プーリ８１が空転状態にあることを示している。また、固定子巻線２２に発生する交流電圧は回転子３の回転に同期した波形となるため、電子制御装置９６は、この交流電圧の周期の差に基づいて回転子３の角加速度を算出することが可能になり、さらにこの算出値を用いて車両用交流発電機１の負荷トルクを求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の車両用交流発電機の全体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を含む充電系統のシステム図である。
【図３】プーリユニットの拡大断面図である。
【図４】プーリユニットのクラッチ動作を示す図である。
【図５】プーリユニットのクラッチ動作を示す図である。
【図６】プーリと回転子の角速度の関係を示す図である。
【図７】レギュレータに内蔵される角加速度検出回路を示す図である。
【図８】界磁巻線に励磁電流を流す際のロータ駆動デューティ比と車両用交流発電機の駆動トルクとの関係を示す図である。
【図９】ロータ駆動デューティ比の値を判定する機能を追加したレギュレータの変形例を示す図である。
【図１０】トルク算出回路を追加したレギュレータの構成図である。
【図１１】周期検出回路の具体的な構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 車両用交流発電機
２ 固定子
３ 回転子
６ 整流器
７ レギュレータ
７０ 角加速度検出回路
７１、７２ カウンタ
７３ 遅延回路
７４ 比較器
７５、７６ 逆数変換回路
７７ 差分回路
７８ 除算回路
Claims (10)
- エンジンからプーリに加わる回転駆動力を一方向のみについて伝達し、反対方向について遮断する一方向クラッチを有するプーリユニットと、
前記プーリユニットに連結されており、複数の界磁極を有する回転子と、
前記界磁極を磁化させる界磁巻線と、
前記回転子により発生する回転磁界を受けて交流電圧を誘起する固定子巻線を有する固定子と、
前記一方向クラッチによって回転駆動力が遮断されて前記プーリが空転したときに、前記回転子の速度の変化率を検出する変化率検出手段と、
前記変化率検出手段によって検出された前記変化率を示す信号を外部装置に伝達する信号伝達手段と、
を備え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、
前記変化率検出手段は、前記固定子巻線に発生する交流電圧に基づいて前記回転子の速度を算出す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、
前記変化率検出手段は、前記回転子の速度が減少することを検出して、前記プーリの空転状態を判定す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、
前記変化率検出手段は、前記固定子巻線に発生する交流電圧の周期が増大することにより、前記プーリの空転状態を検出することを特徴とする車両用交流発電機。 - 請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記信号伝達手段は、前記外部装置との間で信号の相互の伝達を行う通信手段であり、前記変化率検出手段によって検出された前記変化率を示す信号を前記外部装置に向けて出力す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、
前記変化率検出手段によって検出された前記変化率と前記回転子の慣性との積を算出するトルク算出手段をさらに備え、
前記トルク算出手段による算出値を前記通信手段を介して前記外部装置に出力することを特徴とする車両用交流発電機。 - 請求項１〜６のいずれかにおいて、
スイッチング素子を開閉することにより前記界磁巻線に励磁電流を流す場合の通電タイミングのデューティ比が所定値より大きいときに、前記変化率を示す信号に代えて、特定の値を示す信号を出力するデューティ判定手段をさらに備えることを特徴とする車両用交流発電機。 - エンジンからのプーリに加わる回転駆動力を一方向のみについて伝達し、反対方向について遮断する一方向クラッチを有するプーリユニットと、
前記プーリユニットに連結されており、複数の界磁極を有する回転子と、
前記界磁極を磁化させる界磁巻線と、
前記回転子により発生する回転磁界を受けて交流電圧を誘起する固定子巻線を有する固定子と、
前記固定子巻線に発生する交流電圧の周期を検出し、所定時間経過前の周期から所定時間経過後の周期を減算した算出値が負の場合に、この算出値を出力する周期検出手段と、
前記周期検出手段から出力される前記算出値を示す信号を外部装置に伝達する信号伝達手段と、
を備えることを特徴とする車両用交流発電機。 - 請求項８において、
前記信号伝達手段は、前記外部装置との間で信号の相互の伝達を行う通信手段であり、前記周期検出手段から出力される前記算出値を示す信号を前記外部装置に向けて出力することを特徴とする車両用交流発電機。 - 請求項８または９において、
スイッチング素子を開閉することにより前記界磁巻線に励磁電流を流す場合の通電タイミングのデューティ比が所定値より大きいときに、前記算出値を示す信号に代えて、特定の値を示す信号を出力するデューティ判定手段をさらに備えることを特徴とする車両用交流発電機。
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