JPH0488900A - 直並列切換回転電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は直並列切換回転電機に関する。本発明は例えば
車両用オルタネータやブラシレスモータなどに適用する
ことができる。

［従来技術］ 特開平’ｌ−２５５４６０号公報は、相毎に直列接続さ
れる高低圧、２組の電機子巻線を有する二重圧出力型の
交流発電機において、低圧側の電機子巻線をスロットの
入口側に、高圧側の電機子巻線をスロットの奥側に配置
して電気絶縁性を向上させている。

また、特開昭５８−９５９９９号公報は、星型接続の三
相電機子巻線とともに互いに独立の三相電機子巻線を設
け、切換スイッチ群によりこれら独立の三相電機子巻線
を星型接続の三相電機子巻線に相毎に直並列切換制御し
て、高低二電圧の一方を選択出力する直並列切換三相交
流発電機を開示している。

［発明が解決しようとする課題］ 上記した後者の直並列切換三相交流発電機は、特に車両
用において機関回転数変動を補償して良好な高力特性が
期待できるものの、切換スイッチ群及びその間の配線が
複雑で、特に、切換スイッチを固体化すると回路が大規
模化するという難点がある。

本発明は、このような課題を考慮してなされたものでめ
り、簡潔な直並列切換が可能な直並列切換回転電機を提
供することをその目的としている。

［課題を解決するための手段］ 本発明の直並列切換回転電機は、それぞれ直列接続され
た複数のスイッチング素子からなる３本の相経路を並列
接続してなり、前記スイッチング素子の総数より３だけ
少ない数の交流入力端を有する多重型三相全波整流器と
、前記交流入力端に個別に接続される複数の発電端をそ
れぞれ有する複数の三相電機子巻線と、該各三相電機子
巻線とそれぞれ対を構成するとともに一部の界磁極が界
磁コイル励磁型である複数の界磁回転子と、前記界磁コ
イル励磁型の界磁極の極性を反転させて前記複数の三相
電機子巻線を直並列切換制御する界磁電流反転回路とを
備えることを特徴としている。

なお、上記スイッチング素子としては、印加電圧により
スイッチングがなされる電圧制御型二端子スイッチング
素子（例えばＰＮ接合ダイオード）や、制御ゲート端子
を有する三端子スイッチング素子（例えばバイポーラト
ランジスタ）を採用することができる。

また、本発明でいう多重型三相仝波整流器は、通常の三
相仝波整流器の各相経路にそれぞれ１個以上のスイッチ
ング素子を追加して直列接続した回路構成を有している
。

［作用］ 一部の（必る三相電機子巻線と対をなす）界磁極の極性
を反転させると、この反転界磁極と対を構成する三相電
機子巻線が出力する三相交流電圧（以下、反転可能三相
交流電圧という）の位相は１８０度シフトする。

その結果、多重型三相全波整流器内部において、上記し
た反転可能三相交流電圧と残りの三相交流電圧とが直並
列切換可能となることがわかった。

［実施例コ 以下、本発明の直並列切換回転電機の各実施例を説明す
る。

（第１実施例） この直並列切換回転電機は、車両用三相交流発電機に適
用したものであって、２つの界磁回転子１．１′、２つ
の固定子巻線（本発明でいう三相電機子巻線）２．２′
、多重型三相全波整流器３、界磁電流反転回路４、レギ
ュレーティング回路５を有している。

２つの界磁回転子１．１−は共通の回転軸（図示せず）
に軸方向に隣接して固定されている。界磁回転子１は、
永久磁石を界磁源とする永久磁石励磁型でおって、所定
対の界磁極（Ｎ極とＳ極とで一対とする）を有する。界
磁回転子１−は、励磁巻線１０を助磁源とする界磁コイ
ル励磁型でおって、界磁回転子１と等しい極数を有する
。

界磁回転子１の周囲にはＵ、■、Ｗ相巻線をもつ固定子
巻線２が設けられており、界磁回転子１′の周囲にはｘ
、ｙ、ｚ相巻線をもつ固定子巻線２′が設けられている
。ここで、Ｕ及びＸ相巻線、■及びｙ相巻線、Ｗ及びＺ
相巻線はそれぞれ同相電圧となるように界磁回転子１．
１−及び固定子巻線２．２′が配置されている。これら
各相巻線ｕ、ｖ、ｗ、ｘ、ｙ、ｚは同一巻数とされてお
り、固定子巻線２と固定子巻線２′は磁気回路として別
体の固定子鉄心（図示せず）にそれぞれ巻装されている
。固定子巻線２．２′の各発電＠２０．２０”は、多重
型三相全波整流器３の各交流入力端３１〜３６に個別に
接続されている。

多重型三相全波整流器３は、両端ダイオード（本発明で
いうスイッチング素子＞Ｄ１〜Ｄ６からなる通常の三相
全波整流器の各相経路Ｕ、Ｖ、Ｗにそれぞれ１個の中間
ダイオード（本発明でいうスイッチング素子＞Ｄ７〜Ｄ
９を個別に直列接続した回路構成を有している。すなわ
ち、相経路ＵはＤｌ、Ｄｌ、Ｄ４を直列接続してなり、
相経路ＶはＤ２、Ｄ８、Ｄ５を直列接続してなり、相経
路ＷはＤ３、Ｄ９、Ｄ６を直列接続してなり、そして、
各相経路Ｕ、Ｖ、Ｗは接地端Ｅと直流出力端ＤＣＨとの
間で並列接続されている。

界磁電流反転回路４は、励磁電流の通電方向を回転数（
すなわち発電周波数）に応じて制御可能な回路構成とな
っており、Ｆ／Ｖ変換器４１、比較器４２、バイポーラ
トランジスタブリッジ４４、インバータ４３、エミッタ
ホロワトランジスタ１６からなる。

以下、界磁電流反転回路４を細く説明しつつ、この直並
列切換回転電機の動作を説明する。

Ｆ／Ｖ変換器４１は、Ｗ相巻線の発電端周波数をＦ／Ｖ
変換し、得られた周波数比例電圧は比較器４２で参照電
圧Ｖｒｅｆ１と比較される。したがって、比較器４２は
機関の回転数が参照電圧Ｖｒｅｆ１で指定される所定値
（この実施例では１６００ｒｐｍに設定される）を越え
る場合（以下、高速時という）にＯを、越えない場合く
以下、低速時という）に１となる回転数依存切換信号電
圧Ｓ１を出力する。回転数依存切換信号電圧Ｓ１及びイ
ンバータ４３で反転された反回転数依存切換信号電圧Ｓ
２は４つのバイポーラトランジスタをブリッジ接続して
なるブリッジ４４に入力される。

すなわち、回転数依存切換信号電圧Ｓ１はトランジスタ
Ｔｒ２、Ｔｒ３のベースに送られ、反回転数依存切換信
号電圧Ｓ２はトランジスタＴｒｌ、Ｔｒ４のベースに送
られる。

その結果、ブリッジ４４は、低速時と高速時とで励磁電
流の通電方向を逆転し、界磁回転子１′の各界磁極の極
性は反転する。すなわち、第２図に示すＰ点以下の回転
数では界磁回転子１−と界磁回転子１との極性が反対と
なり、回転数がＰ点以上となると、上記極性が同相とな
る。

なお、ブリッジ４４を構成する２つの相補インバータの
各負荷素子を構成するところのＴｒｌ、Ｔｒ３のコレク
タは次に説明するレギュレーティング回路５の出力端５
３に接続されている。

レギュレーティング回路５は、バッテリ電圧ＶＶに応じ
て励磁電流のデユーティ比を制御する回路構成となって
おり、バッテリ電圧■ｖを基準バッテリ電圧値Ｖｒｅｆ
２とを比較する比較器５１と、比較器５１から出力され
る比較出力により制御されるエミッタホロワトランジス
タ５２とからなる。エミッタホロワトランジスタ５２の
コレクタはバッテリ６及び負荷７とともに多重型三相全
波整流器３の直流出力端ＤＣＨに接続されており、エミ
ッタホロワトランジスタ５２のエミッタは出力端５３に
接続されている。

したがって、レギュレーティング回路５はバッテリ電圧
ＶＶがＶｒｅｆ２以下になった場合にエミッタホロワト
ランジスタ５２をターンオンし、Ｖｒｅｆ２を越える場
合にエミッタホロワトランジスタ５２を遮断する。そし
て、界磁電流反転回路４が機関回転数に応じて励磁巻線
４への通電方向を切換制御する。なお、８はスリップリ
ングである。

上記したように通電電流が切換えられると、当然、固定
子巻線２′が発電する三相交流電圧が反転する。

以下、界磁回転子１．１′の磁束方向が同一の場合と、
反対の場合における多重三相全波整流器の直流出力電圧
の変化を説明する。

（磁束方向同一時、高速時） この場合、前記の如く界磁回転子１．１−が固定子２．
２−に作る回転磁界の大きさ、位相、移動速度、相電圧
発生順序はほぼ一致することとなる。いま同相の相差電
圧Ｕ−Ｖ、ｘ−ｙが他の相差電圧よりも大きいとする場
合、固定子２の電流は、接地Ｅ、Ｄ５、Ｖ相巻線、Ｕ相
巻線、Ｄ（、Ｄｌ、ＤＣＩ−１の順に流れて出力される
。一方、固定子２−の電流は接地Ｅ、Ｄ５、Ｄ８、ｙ相
巻線、Ｘ相巻線、Ｄｌ、ＤＣＨの順に流れて出力され、
結局、両固定子２は並列接続されることとなる。

この並列接続状態は、他の相差電圧が大きい場合でも同
様であり、磁束方向同一時には並列接続となる。

この時、出力電圧一定時の出力電流特性は第２図の８０
の如き特性となる。すなわち、出力開始回転数が約ｉｅ
ｏｏｒｐｍ、最大出力電流が約２００Ａである。

（磁束方向反対時、低速時） この場合、界磁回転子１．１′が固定子２．２′に作る
回転磁界の位相が反転するので、例えばＵ相に最大電圧
が現れる瞬間、Ｘ相には負の最大電圧があられれる。こ
の時の各ダイオードの動作は次の如くなる。すなわち相
電圧（相巻線の電圧）Ｖ、Ｗは負電圧となるのでＤ５、
Ｄ６がオンし、これらから流れ込んだ電流はＵ相を経て
Ｄ７ＨＥへ流れる。

一方、回転子巻線２−の方についてみると、負の最大電
圧となっているＸ相に上記電流が流れ込み、ｙ、ｚ相を
通りダイオードＤ２、Ｄ３より出力端子へと流れとゆく
。以上はＵ相が正の最大となる瞬間（したがってＸ相は
負の最大となる瞬間）をとらえて説明したが、他の瞬間
においても同様に考えれば容易に理解できる。すなわち
この状態においては固定子巻線２と固定巻線２′とが直
列作動していることとなる。この時、出力電圧一定時の
出力電流特性は第２図の９０の如き特性となる。すなわ
ち、直列作動するため、直流出力電圧が同一回転数にお
いて並列作動時に対して２倍となる。逆に言えば、設定
される出力電子電圧に達する回転数、すなわち出力開始
回転数が前）ホ並列作内時に対して大体１／２となる。

具体数値を例示すると、この例では、ｓｏｏｒｐｍとな
っている。一方、最大出力電流は約”Ｉ　ＯＯＡとなっ
ており前述並列作動時の約半分になっている。これは個
々の固定子２．２′の出力能力が約１００Ａ相当である
為、並列作動時には１００Ｘ２＝２０ＯＡであるが、直
列作動時には、１００Ａまでの出力に限られることと理
解される。

（励磁巻線非通電時） この状態においては固定子２の三相電流が外部に取り出
されるのみであり、固定子２′からの電力の発生又は消
費はない。すなわちＵ相が最大になる瞬間をとらえて説
明すると、Ｄ５、Ｄ６、Ｄｌがオン、Ｄ４、Ｄ８、Ｄ９
がオフである。またｘ、ｙ、ｚ相は起電圧を発生しない
ためＤ２、Ｄ３はオンせず、Ｄｌのみオンした状態にな
っている。以上はＵ相が最大電圧になっている瞬間の説
明であるが、他の瞬間においても同様の作動となり、固
定子２のみが動作し、固定子２′は電力の発生も消費せ
ず電気的に分離された状態に保たれることが容易に理解
される。すなわち、このわ態での出力特性は第２図の１
００の如き特性となる。

すなわち出力開始回転数は並列作動時の出力開始回転数
となり、最大出力電流は直列作動時の最大出力電流とな
る。これは出力端子と接地間に固定子巻線２のみが存在
する状態と等価であることと念頭におけば容易に理解さ
れるでおろう。

上記実施例では、機関回転数により直並列の切換制御だ
けを実施したが、必要に応じて上記３状態を選択するこ
とができ、その結果、第２図の斜線領域の出力特性を得
ることができる。

以下、この実施例の直並列切換回転電機の変形態様を説
明する。

永久磁石の代りに一定方向に励磁される電磁石を用いて
よい。

この実施例では２個の発電機部分（回転子及び固定子）
と２重三相全波整流器とを用いたが、更に多数の発電機
部分（回転子及び固定子）と更に多重の三相全波整流器
を用いることも可能であり、３並列／３直列方式、４並
列／３直ダ１方式などが可能となる。

（第２実施例） 第２実施例を第３図により説明する。

この実施例では、中間ダイオードＤ７、Ｄ８、Ｄ９と並
列に８７、Ｓ８、Ｓ９を個別接続したものである。

これらサイリスタＳ７、Ｓ８、Ｓ９を回転子２．２−の
回転に同期して断続制卸すれば、負荷が軽く、必要出力
電流が小さい場合に固定子２の過剰な三相交流電流は、
固定子２′へと供給される。

ここで界磁回転子１−に磁束の方向を１とするような励
磁を与えると、固定子２′と界磁回転子１′とはモータ
となって回転軸（図示せず〉を駆動し、発電トルクの大
半を打消すことができる。したがって、軽負荷時又は無
負荷時のトルク消費が少なくてすむと共に、点弧角αの
制御波形図（第５図参照）に示すように、上記動力帰還
量を調整すれば、直流出力端子ＤＣＨより外部へと供給
される発電電力を連続的に調整することができる。

この時の出力電流制御状態を第４図に説明する。

（第３実施例） 第３実施例を第６図により説明する。

この実施例の装置は、発電機動作と電動機動作の両方が
可能な車両用始動機兼発電機への適用例でおり、第１実
施例の多重三相仝波整流器３のダイオードＤ１〜Ｄ９に
トランジスタＴｒ’ｌ〜Ｔｒ９を個別に並列接続した点
を第１の特徴とする。

固定子２はＹ結線され、固定子２−はΔ結線されている
が両者から出力される発電電圧の最大値は等しくされて
いる。

界磁回転子１．１−は共に励磁巻線１０．１０′を有し
ており、励磁巻線１０′には直接に反転可能な界磁電圧
Ｖｆが印加され、励磁巻線１０にはダイオードブリッジ
９を介して界磁電圧Ｖｆが印加されている。したがって
この界磁電圧Ｖｆの方向を反転すると、励磁巻線１０−
に印加される界磁電圧の方向が反転するものの、励磁巻
線１０に印加される界Ｗｉ電圧の方向は反転せず、その
結果、回転子１は永久磁石と同様に励磁方向が一定でお
り、回転子１′は励磁方向反転可能となる。

なお、ダイオードブリッジ９はスリップリング８より回
転子１側に設けられている。

このようにすれば、一対のスリップリング８を増設する
ことなしに、永久磁石を省略することができ、比較的低
コストに構成できる面がある。

図中に示したトランジスタＴｒｌ〜Ｔｒ９の作用を除く
機能については第１実施例と共通であるので、説明は省
略する。

トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ９の作用を以下に説明する。

結論から言えば、Ｔｒ１〜９の作動パタンを回転子１−
の磁極の向きに対応して切換えると、直並列切換電ａｍ
を構成できる点が基本的な特徴である。

（直列動作電動機運転） 直列動作電動機運転時のトランジスタ動作のタイミング
チャートを第７図に示し、その各期間Ｔ１〜Ｔ６におけ
る電流の流れ、固定子に生じる回転磁界ベクトル、それ
に対する回転子の磁極々性を第８図〜第１３図に図示す
る。

（並列動作電動機運転） 並列動作電動機運転時のトランジスタ動作のタイミング
チャートを第１４図に示し、その各期間下１〜Ｔ６にお
ける電流の流れ、固定子に生じる回転磁界ベクトル、そ
れに対する回転子の磁極々性を第１５図〜第２０図に図
示する。

なお上記各図において、丸を付されたトラン、ジスタは
ターンオン状態、×を付されたトランジスタはターンオ
フ状態にある。

これらの各図から、固定子及び回転子の組を２組もつ同
軸タンデム構成の三相交流電動機をトランジスタの切換
により直並列切換することができることがわかる。

更に、第６図においてダイオードＤ１〜Ｄ９を省略すれ
ば発電機としては機能しない直並列切換電動機を構成す
ることができる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の直並列切換回転電機では、
複数の界磁極の一部を極性反転して、複数の三相電機子
巻線の一部の発電電圧位相を反転する。そして、各三相
電機子巻線の発電電圧（三相交流電圧）が入力される多
重型三相全波整流器内部において、内部のスイッチング
素子のオン、オフにより各三相交流電圧の直並列切換が
なされる構成となっている。

したがって、この発明の直並列切換回転電機によれば、
上記多重型三相全波整流器がスイッチング素子が交直整
流機能と直並列切換機能とを兼務しており、かつ、切換
スイッチではなく単なる電流断続スイッチだけを使用し
ているので、並列切換に伴う回路負担が少ないという優
れた利点を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の直並列切換回転電機の一実施例を示す
等価回路図、第２図はその回転数と出力電流との関係を
示す図、第３図は第２実施例を示す等価回路図、第４図
は第３図の装置の回転数と出力電流との関係を示す図、
第５図は使用サイリスタの点弧角の一例を示す図、第６
図は第３実施例を示す等価回路図、第７図はその直列動
作電動機運転のタイミングチャート、示す図、第８図〜
第１３図は各タイミングにおける動作状態図、第１４図
はその並列動作電動機運転のタイミングチャート、第１
５図〜第２０図は各タイミングにおける動作状態図であ
る。 Ｄ１〜Ｄ９・・・ダイオード （ス、イツチング素子） Ｕ、■、Ｗ・・・相経路 ３・・・多重型三相全波整流器 ２．２−・・・固定子巻線 く三相ＩＩ機壬子巻線 １．１′・・・界磁回転子 ４・・・界磁電流反転回路

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 それぞれ直列接続された複数のスイッチング素子からな
   る３本の相経路を並列接続してなり、前記スイッチング
   素子の総数より３だけ少ない数の交流入力端を有する多
   重型三相全波整流器と、前記交流入力端に個別に接続さ
   れる複数の発電端をそれぞれ有する複数の三相電機子巻
   線と、該各三相電機子巻線とそれぞれ対を構成するとと
   もに一部の界磁極が界磁コイル励磁型である複数の界磁
   回転子と、 前記界磁コイル励磁型の界磁極の極性を反転させて前記
   複数の三相電機子巻線を直並列切換制御する界磁電流反
   転回路と、 を備えることを特徴とする直並列切換回転電機。