JP5380175B2 - 車両用充電発電機 - Google Patents

Description

本発明は車両用充電発電機に関する。

界磁巻線が巻装される回転子のスリップリングと、スリップリングと接触して界磁巻線に界磁電流を供給するブラシとの間に発生するサージを吸収するために、回転子にサージ吸収用素子を実装した車両用充電発電機が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−０６７５４７号公報

しかしながら、上述した従来の車両用充電発電機では、エンジンの駆動力により回転する回転子にサージ吸収用素子を取り付けているので、サージ吸収用素子に回転子の回転による遠心力が加わる上に、界磁巻線周囲の高温な環境下（約１５０℃から１８０℃程度まで上昇する可能性がある）にサージ吸収用素子を実装しなければならず、自動車用、特にエンジンルーム内に設置される車両用充電発電機では信頼性が低下する。

本発明に係る車両用充電発電機は、界磁巻線が巻装された回転子と、電機子巻線が巻装された固定子と、前記回転子のスリップリングと摺動するブラシを介して前記回転子の前記界磁巻線に界磁電流を供給し、前記界磁電流を調節して前記電機子巻線に誘起される電圧を制御する電圧制御部と、前記電圧制御部と前記ブラシとの間に接続したサージ吸収素子とを備えた車両用充電発電機であって、前記サージ吸収素子と前記電圧制御部を、前記ブラシを保持するブラシホルダーと一体に成形し、前記電圧制御部は１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーターであり、前記１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーターの端子の近傍に前記サージ吸収素子を接続したことを特徴とする。

本発明によれば、サージ吸収素子に機械的な力が加わらず、また高温環境下に設置されないため、サージ吸収素子自体の破損を防止できる上に、サージ吸収素子が電圧制御部に近い側に設置され、スリップリングとブラシとの間に発生するサージが電圧制御部へ移行するのを確実に防止できる。

一実施の形態の車両用充電発電機１０の電気回路を含む車両の電気系統を示す電気回路図 一実施の形態の１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４の電気回路図 一実施の形態の車両用充電発電機１０の縦断面図 界磁巻線１３に流れている界磁電流が瞬断されたときに界磁巻線１３側に発生するマイナスサ−ジの測定例 サージ吸収素子にコンデンサー２１２を用いた車両用充電発電機１０Ａの回路図 サージ吸収素子にツエナーダイオード２１３を用いた車両用充電発電機１０Ｂの回路図 一実施の形態の変形例の車両用充電発電機１０Ｃの電気回路を含む車両の電気系統を示す電気回路図 図７に示す車両用充電発電機１０Ｃに用いる１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４ｂの電気回路図 図５に示す車両用充電発電機１０Ａにサージ吸収素子として用いるコンデンサー２１２をブラシホルダー３０に実装した例を示す図 ベルトに帯電した静電気がどのように伝わっていくかを示す充電発電機の断面図

図１は、一実施の形態の車両用充電発電機１０の電気回路を含む車両の電気系統を示す電気回路図である。また、図２は、一実施の形態の１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４の電気回路図である。さらに、図３は、一実施の形態の車両用充電発電機１０の縦断面図である。一実施の形態の車両用充電発電機１０は、エンジンの冷却水を利用して充電発電機自身が発生する熱を冷却する構造を備えている。つまり、充電発電機外周部のブラケット内部に設けた空間にエンジンの冷却水を流し、充電発電機の冷却を行う水冷式充電発電機である。

１１は電気子巻線、１２は三相全波整流器であり、１２１、１２２，１２３，１２４，１２５，１２６のパワーツエナーダイオードで構成される。１３は界磁巻線、１４は１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーターであり、制御部とパワー駆動部を１つのＩＣチップに収納している。この１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４は、図２に示すようにパワーＭＯＳトランジスター１４１、フライホイールダイオード１４２、電圧制御部１５７０を備えている。なお、この１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４は誘電体分離型半導体で形成しており、制御部とパワー駆動部とを１つの半導体基板上に実装している。

１９は雑音防止用フィルムコンデンサー、２０はＥＭＩなどの高周波ノイズ除去用コンデンサーであり、これらは１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４の外部信号を授受するＣＯＭ端子に実装されている。１３１、１３２はブラシであり、回転子１３ａに巻装されている界磁巻線１３へスリップリング２２ａ、２２ｂを経由して界磁電流を供給する。３０はインサートモールド部品で構成されたブラシホルダーであり、このブラシホルダー３０には１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４、ＥＭＩなどの高周波ノイズ除去用コンデンサー２０、雑音防止用フィルムコンデンサー１９およびブラシ１３１，１３２が実装されている。６０は車両側の制御装置であり、１６はバッテリ、１８は車両側の電気負荷、１７は電気負荷１８の負荷スイッチである。なお、電気負荷１８と負荷スイッチ１７は種々の電気負荷および負荷スイッチを代表的に示したものである。

次に、一実施の形態の車両用充電発電機１の動作を説明する。界磁巻線１３は、図３に示す回転子１３ａに巻装され、エンジンの回転と同期して回転し回転磁界を発生する。界磁巻線１３と並列に接続されたフライホイールダイオード１４２は、１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４のパワーＭＯＳトランジスター１４１がオンからオフに移行したときに、界磁電流を途切れなく循環させるために接続されている。回転子１３ａと空隙を持って対向する固定子鉄心１１ａに巻装された電機子巻線１１は、界磁巻線１３により生成される回転磁界の大きさに応じた交流電圧を発生する。この交流出力は三相全波整流器１２を構成する整流用パワーツエナーダイオード１２１、１２２、１２３、１２４、１２５，１２６で全波整流される。

１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４により界磁巻線１３に流れる界磁電流を制御することによって、車両用充電発電機１０の出力電圧を一定電圧に制御することができる。１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４は電圧制御部１５７０を備え、電流制御部１５７０によりパワーＭＯＳトランジスター１４１を制御して界磁巻線１３の界磁電流を制御する。三相全波整流器１２の出力電圧は端子Ｂを介してバッテリー１６へ印加され、バッテリー１６が充電される。同時に、三相全波整流器１２の出力電圧は、端子Ｂから負荷スイッチ１７を介してランプなどの電気負荷１８に供給される。

車両側の制御部であるＥＣＵ部６０は、車両の状態を検出して最適な出力電圧指令値を端子ＣＯＭを介して１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４へ出力する。１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４は、出力電圧指令値にしたがってパワーＭＯＳトランジスター１４１を制御し、界磁巻線１３の界磁電流を調節する。その結果、車両用充電発電機１０の出力電圧が車両側のＥＣＵ部６０の出力電圧指令値に制御される。

図１において、２１１はサージ吸収用抵抗器である。上述したように、界磁巻線１３に流れる界磁電流の循環を中断しないように、界磁巻線１３と並列にフライホイールダイオード１４２が接続されているが、界磁巻線１３は回転子１３ａに巻装されているため、スリップリング２２ａ，２２ｂにばね圧によって押し付けられたブラシ１３１，１３２を経由して界磁電流が循環することになる。そのため、例えばエンジンが高回転時に発生する大きな振動によって、スリップリング２２ａ，２２ｂに接触して擦動しているブラシ１３１，１３２がスリップリング２２ａ、２２ｂから離れる現象（ブラシ飛び）が発生することがある。このとき、フライホイールダイオード１４２による界磁電流の循環が遮断されるため、界磁巻線１３が有するインダクタンスの影響で、スリップリング２２ａ，２２ｂとブラシ１３１，１３２の間にサ−ジ電圧が発生する。

図４は、界磁巻線１３に流れている界磁電流が瞬断されたときに界磁巻線１３側に発生するマイナスサ−ジの測定例である。この実験では、界磁電流を強制的に遮断するために市販の切り替えスイッチを用いて行ったため、速い瞬断速度を実現できなかったが、この程度の速さの瞬断においても、界磁電流を強制的に遮断してから約２５ｍＳ後に−８０Ｖ程度の大きなマイナスサージが発生した。この実験結果から、上述したブラシ飛びが発生した場合、あるいはブラシ１３１，１３２がスリップリング２２ａ，２２ｂに擦動しているときに電気的接続が遮断された場合には、その遮断速度と遮断時間に応じたサ−ジ電圧が発生すると考えられる。

このようなサ−ジを吸収するために、抵抗器２１１を界磁巻線１３と並列に接続することによって、抵抗器２１１がサ−ジのエネルギーを消費し、サ−ジ発生時のサージのピ−ク電圧および発生時間を著しく低下させることができる。その結果、１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４の端子Ｆおよび端子Ｅ（ＧＮＤ）に高いサ−ジ電圧が印加されるのを防止することができる。

ここで、実装する抵抗器２１１は、抵抗値が１ｋΩから１ＭΩまでの範囲内のものが好ましく、容量は１／４Ｗから１Ｗ程度で十分である。抵抗器２１１の抵抗値が低いとサージ電圧吸収能力は向上するが、反面、この抵抗器２１１に大きな電流が流れ続け、抵抗器２１１が発熱し、車両用充電発電機１０の出力電力が抵抗器２１１で無駄に消費されることになる。

なお、サージを吸収する素子としては、図１に示す抵抗器２１１に限定されず、コンデンサーもしくはツエナーダイオードを用いてもよく、あるいはこれらの素子の組合せでもよい。図５はサージ吸収素子にコンデンサー２１２を用いた車両用充電発電機１０Ａの回路図を示す。サージ吸収素子にコンデンサー２１２を用いる場合には、無極性のコンデンサーが好ましく、この一実施の形態では例えば数ｎFの容量の積層セラミックコンデンサーを用いる。

また、図６はサージ吸収素子にツエナーダイオード２１３を用いた車両用充電発電機１０Ｂの回路図を示す。サージ吸収素子にツエナーダイオード２１３を用いる場合には、１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４の素子耐圧以下に電圧を制限するツエナーダイオードが好ましく、例えば２６Ｖ程度のツエナー電圧を有するツエナーダイオードとする。

上述した図１、図５、図６に示す車両用充電発電機１０、１０Ａ、１０Ｂでは、界磁巻線１３をＧＮＤ側の端子Ｅに接続する例を示したが、界磁巻線１３を端子Ｂ側に接続してもよい。図７は、一実施の形態の変形例の車両用充電発電機１０Ｃの電気回路を含む車両の電気系統を示す電気回路図である。また、図８は、図７に示す車両用充電発電機１０Ｃに用いる１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４ｂの電気回路図である。

この変形例では、界磁巻線１３を端子Ｂと端子Ｆとの間に接続し、界磁電流を端子Ｆ−Ｅ間に接続したパワーＭＯＳトランジスター１４１ｂにより制御する。この場合には、フライホイールダイオード１４２ｂが端子Ｂと端子Ｆの間に接続され、サ−ジ吸収用コンデンサー２１２ｂも同様に界磁巻線１３と並列に接続される位置に配置される。なお、この変形例の動作は、基本的に図１、図５、図６に示す車両用充電発電機１０、１０Ａ、１０Ｂと同様であり、説明を省略する。

図９は、図５に示す車両用充電発電機１０Ａにサージ吸収素子として用いるコンデンサー２１２をブラシホルダー３０に実装した例を示し、(ａ)が表面から見た図、(ｂ)が裏面から見た図である。図３に示すスリップリング２２ａ，２２ｂとブラシ１３１，１３２との間に発生したサ−ジ電圧はサージ吸収用コンデンサー２１２で吸収され、サージ電圧が１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４に印加されのを防止できる。ここで、ブラシホルダー３０は金属ケース製のキャンパッケージ品に実装された１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４、雑音防止コンデンサー１９、外部との信号の授受を行う端子部を有するカプラー部およびブラシ１３１，１３２を固定する機能を持った一体形モ−ルド成形部品で構成されている。なお、このモ−ルド成形部品の内部にインサートターミナルを配置することによって、電気的接続を行っている。

ここで、コンデンサー２１２の端子部は溶接により１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４の端子の近傍に接続され、溶接部には吸湿防止のためのシリコーンラバーを充填して保護する。なお、サージ吸収素子に抵抗器２１１（図１参照）あるいはツェナーダイオード２１３（図６参照）を用いる場合にも、図７に示すコンデンサー２１２と同様な方法で取り付けられる。また、サージ吸収素子とブラシホルダーとの接続は溶接接続に限らず、ハンダ接続や銀ペースト材を用いた接続としてもよい。

この一実施の形態では、スリップリングとブラシとの間に発生するサージとして、車両用充電発電機の外から進入するサ−ジに関しても考慮されている。通常、エンジンから車両用充電発電機へはベルトを介して動力が伝達される。近年、軽量化とエンジンの振動低減を目的としてアイドラープーリなどを金属でなく樹脂材で成形したり、クランクプーリの同心円状の中間にゴムダンパーを埋め込んで振動を吸収するなど、絶縁材を多用する傾向がある。このような場合、ベルトの回転により生じる擦動によってベルト自体が帯電しやすくなり、その帯電された電圧がサ−ジ（静電気）として、車両用充電発電機のプーリから回転子の回転軸を経由してスリップリングからブラシに放電したり、回転子を保持するベアリングに放電することがある。

この結果、ベアリングの電食（充電発電機が回転中にベアリング内部の軸受けである金属ボール部に電流が流れ、金属ボールの接触面が荒れる（損傷）現象であり、一度電食したベアリングは異常な音を発して最悪破損に至る）を生じる可能性がある。

図１０は、ベルトに帯電した静電気がどのように伝わっていくかを示す充電発電機の断面図である。エンジンが停止した状態、もしくは一定回転で運転されている状態では、ベルトに生じたサ−ジ電圧は車両用充電発電機のプーリから回転軸を経由し、フロント側ベアリングの内輪からボ−ルを経て外輪に向かいエンジンボディに流れるため、サ−ジ電圧はア−ク放電のような高い電圧を発生せずに放電してしまう。

しかし、エンジンが加速、減速期間中の場合、ベアリング内部のボールの潤滑用グリースが絶縁油膜となり、サージ電圧はフロント側ベアリングから放電せずに、充電発電機のプーリから回転子の回転軸（シャフト）を経由してリア側ベアリングへ伝わり、フロント側ベアリングに比べ加重が少ない外形の小さなリア側ベアリングで火花放電して高いサージ電圧を発生させる。あるいは、スリップリングとブラシとの間で火花放電を発生させる可能性があり、このサ−ジによって１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーターが誤動作したり、ベアリング部の電食による異音の発生を起こす可能性がある。

このように、ブラシのジャンプによる界磁電流の急遮断によって生じるサ−ジ以外に、静電気による火花放電を一実施の形態のサージ吸収素子で防止し、１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４の保護のみならず、ベアリングの電食防止にも役立つ。

この一実施の形態によれば、ブラシボルダー部にサージ吸収素子を実装するという簡単な構成で、接触子（スリップリング部）とブラシ間に発生するサージ、あるいは駆動用ベルトが帯電した際に発生するサ−ジ（静電気）をも吸収することができ、サージ耐量を十分に確保することが難しい１チップ形のＩＣレギュレーターを使用することが可能になり、信頼性が高く車両用充電発電機の制御装置としてより安価な制御装置を実現できる。

なお、上述した実施の形態とそれらの変形例において、実施の形態どうし、または実施の形態と変形例とのあらゆる組み合わせが可能である。

上述した実施の形態とその変形例によれば以下のような作用効果を奏することができる。まず、回転子１３ａのスリップリング２２ａ、２２ｂと摺動するブラシ１３１、１３２を介して回転子１３ａの界磁巻線１３に界磁電流を供給し、界磁電流を調節して電機子巻線１１に誘起される電圧を制御する１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４を備えた車両用交流発電機１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃにおいて、１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４とブラシ１３１、１３２との間にサージを吸収するサージ吸収素子２１１、２１２、２１３を接続するようにしたので、サージ吸収素子に機械的な力が加わらず、また高温環境下に設置されないため、サージ吸収素子自体の破損を防止できる上に、サージ吸収素子が１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４に近い側に設置され、スリップリング２２ａ、２２ｂとブラシ１３１、１３２との間に発生するサージのみならず、駆動用ベルトが帯電したときに発生するサージ（静電気）が回転子１３ａのシャフトを経由してスリップリング２２ａ、２２ｂで発生するサージが、１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４へ移行するのを確実に防止できる。その結果、サージ耐量を十分に確保することが困難な１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター１４を車両用充電発電機に用いることができ、信頼性が高くより安価な車両用充電発電機を提供することができる。

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ；車両用充電発電機、１１；電機子巻線、１１ａ；固定子鉄心、１３；界磁巻線、１３ａ；回転子、１４、１４ｂ；１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーター、２２ａ、２２ｂ；スリップリング、３０；ブラシホルダー、１３１、１３２；ブラシ、２１１；抵抗器（サージ吸収素子）、２１２；コンデンサー（サージ吸収素子）、２１３；ツェナーダイオード（サージ吸収素子）

Claims (5)

1. 界磁巻線が巻装された回転子と、
   電機子巻線が巻装された固定子と、
   前記回転子のスリップリングと摺動するブラシを介して前記回転子の前記界磁巻線に界磁電流を供給し、前記界磁電流を調節して前記電機子巻線に誘起される電圧を制御する電圧制御部と、
   前記電圧制御部と前記ブラシとの間に接続したサージ吸収素子とを備えた車両用充電発電機であって、
   前記サージ吸収素子と前記電圧制御部を、前記ブラシを保持するブラシホルダーと一体に成形し、
   前記電圧制御部は１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーターであり、前記１チップ電圧制御用ＩＣレギュレーターの端子の近傍に前記サージ吸収素子を接続したことを特徴とする車両用充電発電機。
2. 請求項１に記載の車両用充電発電機において、
   前記サージ吸収素子は、抵抗器、コンデンサーおよびツェナーダイオードのいずれか、またはそれらを組み合わせて構成することを特徴とする車両用充電発電機。
3. 請求項２に記載の車両用充電発電機において、
   前記サージ吸収素子として用いる前記抵抗器の抵抗値は、１ｋΩから１ＭΩまでの範囲とすることを特徴とする車両用充電発電機。
4. 請求項２に記載の車両用充電発電機において、
   前記サージ吸収素子として用いる前記コンデンサーは、無極性のコンデンサーとすることを特徴とする車両用充電発電機。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用充電発電機において、
   前記サージ吸収素子と前記ブラシホルダーとを、溶接、ハンダおよび銀ペースト材のいずれかにより接続することを特徴とする車両用充電発電機。
   

Images