JP5585908B2

JP5585908B2 - 車載用発電装置

Info

Publication number: JP5585908B2
Application number: JP2010022969A
Authority: JP
Inventors: 久利土屋
Original assignee: 東洋電産株式会社
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2030-02-04
Also published as: JP2011166844A

Description

本発明は、車輌のエンジン駆動力を使ってロータを回転させることにより発電し、負荷へ供給する車載用発電装置に関する。

従来より、車輌のエンジン駆動力を使ってロータを回転させることにより発電する車載用発電装置は、オルタネータの界磁コイルに界磁電流を流して生じさせる回転磁界がステータコイルに作用して発生した交流を整流し、所望の電源に変換する車載用発電機が知られており、オルタネータの出力制御には、レギュレータの出力電圧をＯＮ−ＯＦＦすることにより界磁電流を制御する手法が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

特公開２００１−３５２７９６号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来の車載用発電装置では、界磁電流の制御で電磁石による磁界を制御するため、飛躍的な小型・軽量・高出力化に限度がある。

さりとて、発電機の小型・軽量・高出力化が可能と考えられる永久磁石式の発電装置を車載用の発電機に転用した場合、永久磁石の磁界強度が一定であるために、エンジンの回転数や負荷変動に対して発電機出力電圧を常に一定に保つことができず、発電機として不安定となる。なお、エンジンの回転数や接続負荷によって変動する永久磁石式発電機の出力を、ＤＣ／ＤＣコンバータによって所望の電圧に変換する手法も考えられるが、ＤＣ／ＤＣコンバータの発熱量が問題となるためＤＣ／ＤＣコンバータが大型となり、車載用発電機として小型・軽量化を図ることは困難である。

そこで、本発明は、永久磁石による発電出力を直接一定電圧にすることで、小型・軽量・高出力化を可能とした車載用発電装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、一定強度の固定磁界を発生させる永久磁石と、供給電流に応じた強度の磁界を発生させ得る電磁石とを、双方の磁界が干渉しないように配置し、車輌エンジンの駆動力を受けて回転するロータと、前記ロータの永久磁石の磁極面と近接対向する永久磁石用ステータコアおよび電磁石の磁極部と近接対向する電磁石用ステータコアを別体に設けて離隔配置し、前記ロータで発生する永久磁石の回転磁界および電磁石の回転磁界がそれぞれ前記永久磁石用ステータコアおよび前記電磁石用ステータコアを介して同時に作用し得るようにステータコイルを取り付けたステータと、前記ステータのステータコイルに生じた交流を直流に変換する整流手段と、前記整流手段により整流された直流の電圧を検知する発電電圧検知手段と、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が予め定めた規定値より低い場合には、永久磁石の磁束と同じ向きの磁束を電磁石に発生させる順方向電流を電磁石の界磁コイルへ供給し、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が既定値に達すると順方向電流を停止する電圧増加制御を行い、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が規定値より高い場合には、永久磁石の磁束と逆向きの磁束を電磁石に発生させる逆方向電流を電磁石の界磁コイルへ供給し、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が既定値に達すると逆方向電流を停止する電圧低減制御を行う発電制御手段と、を備えることを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、上記請求項１に記載の車載用発電装置において、前記発電制御手段は、ロータに設けた電磁石の界磁コイルの両端である第１給電部と第２給電部に対して、界磁電流供給源の高圧側と低圧側の接続を切り換えることで、電圧増加制御と電圧低減制御を切り換えるようにしたことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、上記請求項２に記載の車載用発電装置において、前記発電制御手段は、界磁電流供給源の高圧側から電磁石の第１給電部への流路開閉を行う第１スイッチング素子と、界磁電流供給源の高圧側から電磁石の第２給電部への流路開閉を行う第２スイッチング素子と、電磁石の第１給電部から界磁電流供給源の低圧部への流路開閉を行う第３スイッチング素子と、電磁石の第２給電部から界磁電流供給源の低圧部への流路開閉を行う第４スイッチング素子と、からなる極性変換回路を備え、第１スイッチング素子と第４スイッチング素子を同時にオンさせることで電磁石の界磁コイルへ順方向電流を供給し、第２スイッチング素子と第３スイッチング素子を同時にオンさせることで電磁石の界磁コイルへ逆方向電流を供給するようにしたことを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、上記請求項３に記載の車載用発電装置において、前記極性変換回路の各スイッチング素子には、各々フリーホイールダイオードを並列に設け、前記発電制御手段は、電圧増加制御もしくは電圧低減制御の終了により界磁電流供給源からの給電を停止したとき、第３スイッチング素子および第４スイッチング素子、もしくは第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を同時にオンさせることで、界磁コイルにより発生したフライホイール電流の還流路を形成するようにしたことを特徴とする。

請求項１に係る車載用発電制装置によれば、一定強度の固定磁界を発生させる永久磁石と、供給電流に応じた強度の磁界を発生させ得る電磁石とを、双方の磁界が干渉しないように配置し、車輌エンジンの駆動力を受けて回転するロータと、前記ロータの永久磁石の磁極面と近接対向する永久磁石用ステータコアおよび電磁石の磁極部と近接対向する電磁石用ステータコアを別体に設けて離隔配置し、前記ロータで発生する永久磁石の回転磁界および電磁石の回転磁界がそれぞれ前記永久磁石用ステータコアおよび前記電磁石用ステータコアを介して同時に作用し得るようにステータコイルを取り付けたステータと、前記ステータのステータコイルに生じた交流を直流に変換する整流手段と、前記整流手段により整流された直流の電圧を検知する発電電圧検知手段と、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が予め定めた規定値より低い場合には、永久磁石の磁束と同じ向きの磁束を電磁石に発生させる順方向電流を電磁石の界磁コイルへ供給し、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が既定値に達すると順方向電流を停止する電圧増加制御を行い、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が規定値より高い場合には、永久磁石の磁束と逆向きの磁束を電磁石に発生させる逆方向電流を電磁石の界磁コイルへ供給し、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が既定値に達すると逆方向電流を停止する電圧低減制御を行う発電制御手段と、を備えるので、永久磁石による発電出力を発電制御手段の制御で直接一定電圧にすることができ、小型・軽量・高出力化が可能な車載用発電装置となる。

また、請求項２に係る車載用発電装置によれば、前記発電制御手段は、ロータに設けた電磁石の界磁コイルの両端である第１給電部と第２給電部に対して、界磁電流供給源の高圧側と低圧側の接続を切り換えることで、電圧増加制御と電圧低減制御を切り換えるようにしたので、一つの界磁電流供給源を電圧増加制御と電圧低減制御で共用でき、装置構成の小型・軽量化に寄与する。

また、請求項３に係る車載用発電装置によれば、前記発電制御手段は、界磁電流供給源の高圧側から電磁石の第１給電部への流路開閉を行う第１スイッチング素子と、界磁電流供給源の高圧側から電磁石の第２給電部への流路開閉を行う第２スイッチング素子と、電磁石の第１給電部から界磁電流供給源の低圧部への流路開閉を行う第３スイッチング素子と、電磁石の第２給電部から界磁電流供給源の低圧部への流路開閉を行う第４スイッチング素子と、からなる極性変換回路を備え、第１スイッチング素子と第４スイッチング素子を同時にオンさせることで電磁石の界磁コイルへ順方向電流を供給し、第２スイッチング素子と第３スイッチング素子を同時にオンさせることで電磁石の界磁コイルへ逆方向電流を供給するようにしたので、簡易な構成で電圧増加制御と電圧低減制御を実現でき、装置構成の小型・軽量化および低廉化に寄与する。

また、請求項４に係る車載用発電装置によれば、前記極性変換回路の各スイッチング素子には、各々フリーホイールダイオードを並列に設け、前記発電制御手段は、電圧増加制御もしくは電圧低減制御の終了により界磁電流供給源からの給電を停止したとき、第３スイッチング素子および第４スイッチング素子、もしくは第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を同時にオンさせることで、界磁コイルにより発生したフライホイール電流の還流路を形成するようにしたので、保護回路等を別途設けることなく、フライホイール電流から極性変換回路を保護できる。

本発明に係る車載用発電装置の概略構成図である。オルタネータの概略縦断構造図である。発電制御手段による電圧増加制御および電圧低減制御の説明図である。電圧増加制御時における車載用発電装置の機能ブロック図である。電圧低減制御時における車載用発電装置の機能ブロック図である。界磁制御オフ時における車載用発電装置の機能ブロック図である。

次に、本発明に係る車載用発電装置の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態である車載用の発電装置１を示すもので、車輌に搭載されるエンジン２の駆動力を受けて動作するオルタネータ１０と、オルタネータ１０の出力である三相交流を整流する整流手段２０と、整流手段２０から出力される直流（例えば、１２Ｖ）の供給を受ける車輌バッテリー３０およびＤＣ／ＡＣインバータ４０と、整流手段２０の出力電圧を検知して、オルタネータ１０への界磁電流制御を行う発電制御手段５０を備えるものである。なお、ＤＣ／ＡＣインバータ４０は、整流手段２０の直流１２Ｖを商用交流１００Ｖに変換して、負荷３に供給するものである。

オルタネータ２０は、図２に示すように、一定強度の固定磁界を発生させる永久磁石１１と、供給電流に応じた強度の磁界を発生させ得る電磁石１２とを、ロータ１３へタンデム型に配置することで、双方の磁界が干渉しないようにし、その外周に配置したステータ１４に各々独立して磁界を作用させるようにしたものである。すなわち、本実施形態のオルタネータ２０は、永久磁石１１により発生する回転磁界と電磁石１２により発生する回転磁界が同時にステータ１４に作用するのである。

永久磁石１１は、例えば、ロータ１３に取り付けられたヨーク１５の外周面へ等間隔に１６個設けるものとし、隣接する永久磁石１１の磁極の向きを交互に変えることで、ステータ１４に対向する面がＮ極の永久磁石１１から湧き出る磁束が隣接する永久磁石１１のＳ極に入る向きの磁路が１６（８対）形成される。なお、永久磁石１１として、希土類サマリウムコバルト磁石やネオジウム磁石などを用いれば、保磁力が高いため、負荷増大時に発生する電機子反作用の影響が少ないので、小型高出力の発電機を構成できる。

電磁石１２は、例えば、円環状に等間隔で８個設けた爪状磁極部を対向状に噛み合わせるように配置したランデル型とし、外側がＮ極に励磁された爪状磁極部から対向側の隣接する爪状磁極部（外側がＳ極に励磁）に至る磁路が１６（８対）形成される。ここで、電磁石１２の爪状磁極部により形成される１６の磁路は、永久磁石１１により形成される１６の磁路と軸方向に整列するように、ロータ１３への取付時に位置調整しておく。

また、図面に示す実施形態においては、電磁石１２の界磁コイル１２ａの一方端である第１給電部１２ｂ１を第１スリップリング１６１に接続し、界磁コイル１２ａの他方端である第２給電部１２ｂ２を第２スリップリング１６２に接続し、第１ブラシ１７１および第２ブラシ１７２を介して各々発電制御手段５０からの第１給電線６１，第２給電線６２と導通させ、界磁電流の供給を受けるものとした。

すなわち、第１給電線６１が高圧側（＋側）で第２給電線６２が低圧側（−側）となるように界磁コイル１２ａへ給電したとき（以下、順方向電流という。）に発生する磁界の向きと、第１給電線６１が低圧側（−側）で第２給電線６２が高圧側（＋側）となるように界磁コイル１２ａへ給電したとき（以下、逆方向電流という。）に発生する磁界の向きを逆転させることができる。

そして、電磁石１２の界磁コイル１２ａに順方向電流を供給したときには、永久磁石１１によって発生する磁界と同じ向きの磁界を電磁石１２により発生させることができ、界磁コイル１２ａに逆方向電流を供給したときには、永久磁石１１によって発生する磁界と逆向きの磁界を電磁石１２により発生させることができる。

なお、発電制御手段５０から界磁コイル１２ａへの給電手法はこれに限定されるものではなく、公知既存のブラシレス構造を適宜採用して構わない。

上記の永久磁石１１および電磁石１２により発生する磁界中に配置されるステータ１４は、例えば、永久磁石１１と対向するように設けた永久磁石用ステータコア１４ａと電磁石１２と対向するように設けた電磁石用ステータコア１４ｂにステータコイル１４ｃを巻回して形成したもので、永久磁石１１により発生する磁界と電磁石１２により発生する磁界が同時にステータコイル１４ｃに作用する。

したがって、ロータ１３の回転により、永久磁石１１と電磁石１２の回転磁界がステータコイル１４ｃ（例えば、三相巻線）に作用すると、オルタネータ１０から三相交流が出力されるのである。

以上のように構成したオルタネータ１０に対して、発電制御手段５０が電磁石１２への界磁電流制御を行うことで、ステータコイル１４ｃに発生する起電圧を調整することができる。

例えば、オルタネータ１０の出力（本実施形態では、整流手段２０から出力される直流の電圧値）が規定値の１２Ｖより低いときには、電磁石１２の界磁コイル１２ａに対して順方向電流を流すことで、図３（ａ）に示すように、ヨーク１５の外周に配置した永久磁石１１の磁極と電磁石１２の爪状磁極部に生ずる磁極が整合し、電磁石１２により生ずる磁界が永久磁石１１の磁界と同じ向きでステータコイル１４ｃに作用するので、ステータコイル１４ｃに生ずる起電圧を高めることができる。そして、オルタネータ１０の出力が既定値の１２Ｖに達すると、順方向電流を停止する。このように、オルタネータ１０の出力を規定値まで上げるために発電制御手段５０が行う制御を電圧増加制御とよぶ。

逆に、オルタネータ１０の出力（本実施形態では、整流手段２０から出力される直流の電圧値）が規定値の１２Ｖよりも高いときには、電磁石１２の界磁コイル１２ａに対して逆方向電流を流すことで、図３（ｂ）に示すように、ヨーク１５の外周に配置した永久磁石１１の磁極と電磁石１２の爪状磁極部に生ずる磁極が逆になり、電磁石１２により生ずる磁界が永久磁石１１の磁界を打ち消す向きでステータコイル１４ｃに作用するので、ステータコイル１４ｃに生ずる起電圧を低減することができる。そして、オルタネータ１０の出力が規定値の１２Ｖに達すると、逆方向電流を停止する。このように、オルタネータ１０の出力を規定値まで下げるために発電制御手段５０が行う制御を電圧低減制御とよぶ。

すなわち、本実施形態に係る発電装置１によれば、発電制御手段５０が電圧増加制御または電圧低減制御を行うことで、永久磁石１１による発電出力を直接一定電圧にすることが可能となる。よって、発電装置１自体の小型・軽量・高出力化を実現できるのである。

なお、発電制御手段５０が電磁石１２の制御に用いる界磁電流の電流源は、別途設ける構成としても良いが、本実施形態の発電装置１においては、整流手段２０の出力または車輌バッテリー３０の出力を用いるものとし、簡素な構成で発電制御を実現できるようにした。しかも、発電装置１は、エンジン２を回転させてオルタネータ１０を駆動させると、ロータ１３の回転に伴う永久磁石１１の回転磁界によりオルタネータ１０から出力を得られるので、仮に車輌バッテリー３０が空でも、発電制御手段５０による発電制御が不能になることはない。よって、永久磁石１１を用いたオルタネータ１０の出力が高圧になって車輌バッテリー３０やＡＣ／ＤＣインバータ４０が損壊するような事態を回避でき、安全な制御を期せる。

次に、図４〜図６に基づいて、発電制御手段５０の詳細な構成例を説明する。

発電制御手段５０の内部機能として、整流手段２０により整流された直流の電圧を検知する発電電圧検出回路５１を設け、この発電電圧検出回路５１により検出された発電電圧が入力される電圧制御回路５２は、発電電圧が規定値よりも低かった場合には電圧増加指令を、発電電圧が規定値よりも高かった場合には電圧低減指令を、発電電圧が既定値であった場合には停止指令を、極性変換制御回路５３へ出力する。この極性変換制御回路５３は、極性変換回路５４の動作を制御するものである。

なお、本構成例では、整流手段２０により整流された直流の電圧を検知する発電電圧検知手段としての発電電圧検出回路５１を、発電制御手段５０の内部機能として設けるものとしたが、例えば、既存の電圧センサ・電流センサを発電電圧検知手段として用い、センサ出力を発電制御手段５０へ供給するようにしても構わない。

極性変換回路５４は、例えば、同一特性の半導体スイッチング素子を４つ用いて構成したＨブリッジ回路で、界磁電流供給源の高圧側（＋側）から電磁石１２の第１給電部１２ｂ１への流路開閉を行う第１スイッチング素子５４ａ１と、界磁電流供給源の高圧側から電磁石１２の第２給電部１２ｂ２への流路開閉を行う第２スイッチング素子５４ａ２と、電磁石１２の第１給電部１２ｂ１から界磁電流供給源の低圧部（−側）への流路開閉を行う第３スイッチング素子５４ａ３と、電磁石１２の第２給電部１２ｂ２から界磁電流供給源の低圧部への流路開閉を行う第４スイッチング素子５４ａ４と、からなる。

また、極性変換回路５４の第１〜第４スイッチング素子５４ａ１〜５４ａ４には、各スイッチング素子５４ａ１〜５４ａ４に流れる電流と逆方向に電流が流れるように、第１フリーホイールダイオード５４ｂ１，第２フリーホイールダイオード５４ｂ２，第３フリーホイールダイオード５４ｂ３，第４フリーホイールダイオード５３ｂ４を各々並列に設けてある。

そして、電圧制御回路５２から電圧増加指令を受けた極性変換制御回路５３は、極性変換回路５４の第１スイッチング素子５４ａ１と第４スイッチング素子５４ａ４を同時にオンさせることで、第１給電線６１を高圧側に、第２給電線６２を低圧側に接続し、電磁石１２の界磁コイル１２ａへ順方向電流を供給する（図４を参照）。斯くして、電磁石１２の界磁コイル１２ａには、永久磁石１１の磁界と同じ向きの磁界が発生することとなるので、電圧増加制御が行われる。

一方、電圧制御回路５２から電圧低減指令を受けた極性変換制御回路５３は、極性変換回路５４の第２スイッチング素子５４ａ２と第３スイッチング素子５４ａ３を同時にオンさせることで、第１給電線６１を低圧側に、第２給電線６２を高圧側に接続し、電磁石１２の界磁コイル１２ａへ逆方向電流を供給する（図５を参照）。斯くして、電磁石１２の界磁コイル１２ａには、永久磁石１１の磁界と逆向きの磁界が発生することとなるので、電圧低減制御が行われる。

上記のように、極性変換制御回路５３が強制変換回路の第１〜第４スイッチング素子５４ａ１〜５４ａ４のオン・オフ制御を行うことにより、整流手段２０の出力電圧が規定値に達すると、電圧制御回路５２から停止指令が出力され、これを受けた極性変換制御回路５３は、例えば、第３スイッチング素子５４ａ３および第４スイッチング素子５４ａ４を同時にオンさせることで、第１給電線６１と第２給電線６２を短絡させた閉ループを形成する（図６を参照）。すなわち、第３フリーホイールダイオード５４ｂ３が並列に接続された第３スイッチング素子５４ａ３および第４フリーホイールダイオード５４ｂ４が並列に接続された第４スイッチング素子５４ａ４を同時にオンさせることで、電磁石１２の界磁コイル１２ａへの給電を停止することで発生するフライホイール電流の還流路が形成されるので、高耐圧のスイッチング素子を用いたり、保護回路を別途に設けたりすることなく、フライホイール電流から極性変換回路５４を保護できる。

なお、第１フリーホイールダイオード５４ｂ１が並列に接続された第１スイッチング素子５４ａ１および第２フリーホイールダイオード５４ｂ２が並列に接続された第２スイッチング素子５４ａ２を同時にオンさせて、フライホイール電流の還流路を形成するようにしても、同様の効果がある。

以上、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない範囲で、公知既存の等価な技術手段を転用することにより実施しても構わない。

１発電装置
１０オルタネータ
１１永久磁石
１２電磁石
１２ａ界磁コイル
１３ロータ
１４ステータ
１５ヨーク
２０整流手段
３０車輌バッテリー
４０ＤＣ／ＡＣインバータ
５０発電制御手段
５１発電電圧検出回路
５２電圧制御回路
５３極性変換制御回路
５４極性変換回路
５４ａ１〜５４ａ４第１〜第４スイッチング素子
５４ｂ１〜５４ｂ４第１〜第４フリーホイールダイオード
６１第１給電線
６２第２給電線
２エンジン
３負荷

Claims

一定強度の固定磁界を発生させる永久磁石と、供給電流に応じた強度の磁界を発生させ得る電磁石とを、双方の磁界が干渉しないように配置し、車輌エンジンの駆動力を受けて回転するロータと、
前記ロータの永久磁石の磁極面と近接対向する永久磁石用ステータコアおよび電磁石の磁極部と近接対向する電磁石用ステータコアを別体に設けて離隔配置し、前記ロータで発生する永久磁石の回転磁界および電磁石の回転磁界がそれぞれ前記永久磁石用ステータコアおよび前記電磁石用ステータコアを介して同時に作用し得るようにステータコイルを取り付けたステータと、
前記ステータのステータコイルに生じた交流を直流に変換する整流手段と、
前記整流手段により整流された直流の電圧を検知する発電電圧検知手段と、
前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が予め定めた規定値より低い場合には、永久磁石の磁束と同じ向きの磁束を電磁石に発生させる順方向電流を電磁石の界磁コイルへ供給し、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が既定値に達すると順方向電流を停止する電圧増加制御を行い、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が規定値より高い場合には、永久磁石の磁束と逆向きの磁束を電磁石に発生させる逆方向電流を電磁石の界磁コイルへ供給し、前記発電電圧検知手段により検知された発電電圧が既定値に達すると逆方向電流を停止する電圧低減制御を行う発電制御手段と、
を備えることを特徴とする車載用発電装置。
前記発電制御手段は、ロータに設けた電磁石の界磁コイルの両端である第１給電部と第２給電部に対して、界磁電流供給源の高圧側と低圧側の接続を切り換えることで、電圧増加制御と電圧低減制御を切り換えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の車載用発電装置。
前記発電制御手段は、
界磁電流供給源の高圧側から電磁石の第１給電部への流路開閉を行う第１スイッチング素子と、界磁電流供給源の高圧側から電磁石の第２給電部への流路開閉を行う第２スイッチング素子と、電磁石の第１給電部から界磁電流供給源の低圧部への流路開閉を行う第３スイッチング素子と、電磁石の第２給電部から界磁電流供給源の低圧部への流路開閉を行う第４スイッチング素子と、からなる極性変換回路を備え、
第１スイッチング素子と第４スイッチング素子を同時にオンさせることで電磁石の界磁コイルへ順方向電流を供給し、第２スイッチング素子と第３スイッチング素子を同時にオンさせることで電磁石の界磁コイルへ逆方向電流を供給するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の車載用発電装置。
前記極性変換回路の各スイッチング素子には、各々フリーホイールダイオードを並列に設け、
前記発電制御手段は、電圧増加制御もしくは電圧低減制御の終了により界磁電流供給源からの給電を停止したとき、第３スイッチング素子および第４スイッチング素子、もしくは第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を同時にオンさせることで、界磁コイルにより発生したフライホイール電流の還流路を形成するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の車載用発電装置。