JPH0993828A - 発電機の出力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発電機の発電能力を最大限に取り出す。 【解決手段】 レギュレータ１９の指示電圧Ｖｃに応じ
てロータ４の励磁電流を制御して、発電機１の出力電圧
Ｖｏを制御するものにおいて、各出力電圧Ｖｏにおける
発電機１の出力電力が最大電力になるような各出力電圧
Ｖｏにおけるロータ４の許容最大励磁電力を、各出力電
圧Ｖｏに応じてあらかじめ最大励磁電流算出器１５４内
に記憶しておき、励磁電流制御回路１５７によってロー
タ４の励磁電流を各出力電圧に応じた許容最大励磁電力
になるように制御する。発電機１の出力電圧Ｖｏが変化
したとき、その出力電圧Ｖｏにおける最大出力以上の出
力電力になるような励磁電流が流れることがないため、
ロータ４、ステータ３等が過熱することがなく、出力電
圧Ｖｏが変化しても、各出力電圧Ｖｏに応じた発電機１
の最大電力が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発電機の出力電力
を制御する発電機の出力制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発電機の出力電力は、例えば、界磁巻線
に供給する電力（励磁電力）に比例して増減する。この
ため、出力電力を上げる必要がある場合には、特開平２
−２５５０００号のように、励磁電力を増やす方法が広
く用いられている。ところが、発電機のステータ及びロ
ータや出力系統等の最大電流容量には限界があり、ま
た、一般に、ステータやロータの温度は、出力電力や励
磁電力の増加に伴う自己発熱と相互の伝熱に依存し、ス
テータやロータの温度を最大許容温度以下に制限する必
要があるため、同一構成のステータやロータからなる発
電機においては、単純に励磁電力を増やして出力増加を
図ることは、温度上昇の観点から容易ではない、このた
め、従来では、例えば、特開平４−１７２９２９号のよ
うに、発電開始時点から所定の待機時間が経過するまで
の間には、出力電圧を低く抑えるようにして、出力系統
の保護をすることによって、通常発電時における大きな
最大出力を確保している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】今まで、発電機の設計
では、ステータやロータが最大許容温度を呈する値以下
に最大励磁電力を制限するように設計するのが一般的
で、諸条件に応じて最大励磁電力を変化させることはな
かった。また、最大励磁電力を変化させる場合にも、ス
テータやロータ等の部品にサーミスタ等の温度センサを
取り付け、その信号をフィードバックする方法を用いて
おり、センサ自体の信頼性やコストアップが問題であっ
た。

【０００４】本発明は、ステータやロータの温度が最大
許容温度を呈するような発電機の出力電力を得ることの
できる励磁電力の値を、発電機の各出力電圧に対応して
前もってコントローラ内に記憶しておき、発電機の出力
電力の必要時に、記憶した電力まで励磁電力を増加させ
て、発電機自体の持つ発電能力を最大限取り出すことを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、概略円筒状の
ハウジングと、該ハウジング内で該ハウジングと同軸上
に嵌着保持されたステータと、該ステータ内を回転する
巻線界磁式のロータとを有し、指示される目標電圧に応
じて前記ロータの励磁電流を制御して出力電圧を制御す
る発電機において、各出力電圧における前記発電機の出
力電力が最大電力となるような各出力電圧における前記
励磁電流の許容最大励磁電力の値をあらかじめ記憶した
許容最大励磁電力記憶手段と、前記ロータの前記励磁電
流が前記許容最大励磁電力記憶手段に記憶された前記許
容最大励磁電力の値になるように、前記励磁電流を前記
出力電圧に応じて制御する最大励磁電力制御手段とを具
備することを技術的手段とする。

【０００６】

【発明の効果】発電機では、ステータやロータの温度
は、出力電力や励磁電力の増加に伴う自己発熱と相互の
伝熱に依存し、ステータやロータの温度を最大許容温度
以下に制限する必要がある。また、発電機のステータ及
びロータや出力系統等の最大電流容量には限界がある。
本発明では、発電機の各出力電圧に対応する励磁電流の
許容最大励磁電力の値があらかじめ許容最大励磁電力記
憶手段に記憶されており、励磁電流は、それぞれの出力
電圧における許容最大励磁電力になるように制御され、
発電機の出力電圧がどのように変化しても、発電機の出
力系統等の最大電流容量や発電機の最大許容温度を越え
るような励磁電流が流れることがない。従って、各出力
電圧における発電機の最大の出力能力が確保される。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に本発明を、以下に示す実施例
に基づいて説明する。図１は、本発明に係わる自動車用
の液冷型の発電機１の実施例を示す。図１において、２
は概略アルミ製で円筒状のフロントハウジング、３はフ
ロントハウジング２と同軸上に嵌着され保持されたステ
ータで、シート状の鉄板を積み重ねたコアに巻線を巻装
して構成され、フロントハウジング２に同軸上に圧入さ
れ保持される。

【０００８】４はシート状の鉄板を積み重ねたコアに巻
線を巻装したロータで、その中心部を貫通するシャフト
５の両端に圧入された軸受け６により、フロントハウジ
ング２とリアハウジング７に保持されて、ステータ３内
で回転自在に組み付けられている。

【０００９】シャフト５の一方の端には、導電体からな
る円環状の２個のスリップリングが圧入またはインサー
ト成形により保持されており、リアハウジング７に組み
付けられたブラシ１０がその表面上を摺動して、ロータ
４の巻線に電力を供給する。シャフト５の他方の端に
は、スプライン加工が施してあり、エンジン等から動力
を受けてロータ４を回転させる。

【００１０】フロントハウジング２の外周部には、液状
冷媒（例えば、エンジン冷却水）１３の通る流路１４が
設けられており、例えば、ウォータポンプ等により冷却
水を流して発電機１を冷却する。１５はコントローラ
で、発電機１の出力電圧、出力電流を検出して、ロータ
４に巻装された界磁巻線に流す励磁電力を制御する。

【００１１】なお、フロントハウジング２とリアハウジ
ング７は、ボルト８により一体化されており、９はブラ
シ１０、スリップリング１１、端子１２等を外部環境か
ら保護するためにボルト１６によりリアハウジング７に
固定されたカバーである。

【００１２】次に、発電機１の作動について説明する。
ロータ４は、いわゆる電磁石で、その巻線に外部から励
磁電流の供給を受け、ステータ３内を回転することによ
り、ステータ３の巻線に電圧を誘起し、外部に電力を出
力する。このとき、ロータ４、ステータ３には、各巻線
を流れる電流によるジュール熱や、交番磁束による鉄損
が発生して発電機１を加熱するため、発電機１の冷却が
必要となる。本実施例では、前述のように、フロントハ
ウジング２の外周部に液状冷媒１３の通る流路１４が設
けられており、ここに低温の液状冷媒を通してフロント
ハウジング２を冷却し、フロントハウジング２に嵌着さ
れているステータ３を冷却する。

【００１３】一方、ロータ４は、発電機１内部で回転し
ており、両ハウジング２，７とはシャフト５、軸受け６
を介して組み付けされているのみであり、その発熱は、
発電機１内の空気を介してステータ３、両ハウジング
２，７に伝熱、あるいは輻射して放熱するしかなく、ス
テータ３より高温になりやすい。冷却ファン等を設けて
強制的に外部から空気を導入することも考えられるが、
耐環境性の面から好ましくない。従って、このような発
電機１のロータ４の冷却は、両ハウジング２，７やステ
ータ３の温度に依存しており、これらをいかに効率よく
冷却するかにかかっている。

【００１４】以上の構成を有する発電機１において、一
般に、励磁電力、入力回転数一定のときの出力電圧と、
出力電力との関係は、図２の実線Ａに示すように、概略
放物線となる。ここで、出力電力は、ロータ４に流す励
磁電流の大きさに比例するため、小型で高出力を得るた
めには、励磁電流を多く流す、すなわち、実線Ｂに示す
ように、励磁電力を増すとよいが、その場合には、ステ
ータ３、ロータ４の発熱量が増すため、十分に冷却する
必要がある。

【００１５】しかし、ある出力電圧範囲で、実線Ａに示
す特性で出力電力を発生させたとき、各部の温度、例え
ばステータ３の温度は、図２の実線Ｃのように、発電機
１の出力電圧が低い側で温度が高く、発電機１の出力電
圧が高い側で温度が低い傾向があることが分かってい
る。これは、主として高電圧側では出力電流が小さくな
り、ステータ３の巻線のジュール熱が抑えられるからで
ある。

【００１６】通常、発電機１の出力電力は、各部品の最
高許容温度にて制限されるため、もし実線Ｃ上のＰ点が
ステータ３の最高許容温度であれば、この電圧におい
て、これ以上発電機１の出力電力を上げることが不可
能、すなわち、これ以上、励磁電力を増すことはできな
い。ところが、Ｐ点より高電圧側のＱ点では、Ｐ点より
温度が低く、ここでは、励磁電力を増やして出力電力を
上げることが可能である。このようにして、ステータ３
が最高許容温度を示すように励磁電力を増やしていく
と、結局、発電機１の出力電力は、図２の一点鎖線Ｄの
ようになり、大幅に増やすことができる。

【００１７】ここで、コントローラ１５は、発電機１の
出力電圧から、ロータ４に加えるべき励磁電力を算出
し、印加指令を出す役割を果たす。図３に、コントロー
ラ１５の具体的な構成の一例を示す。図３において、１
７はバッテリ、１８は負荷、１９は発電機１の出力電圧
の指示電圧Ｖｃを決定するレギュレータである。

【００１８】コントローラ１５において、整流器１５１
はステータ３の発生電圧を整流して、出力をバッテリ１
７、負荷１８に供給する。比較器１５２は、バッテリ１
７の端子電圧である整流器１５１の出力電圧Ｖｏとレギ
ュレータ１９の指示電圧Ｖｃとを比較し、 Ｖｏ≦Ｖｃ のとき、励磁用信号を出力する。励磁電流検出器１５３
は、ロータ４に流れる励磁電流Ｉｆを検出し、信号処理
して比較器１５５に出力する。

【００１９】最大励磁電流算出器１５４は、出力電圧Ｖ
ｏに対応する最大励磁電流Ｉｆmaxを演算する部分で、
発電機１のステータ３、ロータ４の最大許容温度に基づ
いて各出力電圧Ｖｏに対応した最大励磁電流Ｉｆmax を
あらかじめ記憶しておき、出力電圧Ｖｏを入力すると、
その出力電圧Ｖｏに対応した最大励磁電流Ｉｆmax を読
み出して、出力する。

【００２０】比較器１５５は、励磁電流検出器１５３で
検出された励磁電流Ｉｆと最大励磁電流算出器１５４か
ら出力される最大励磁電流Ｉｆmax とを比較して、 Ｉｆ≦Ｉｆmax のとき、励磁用信号を出力する。

【００２１】ＡＮＤ回路１５６は、各比較器１５２，１
５５がともに励磁用信号を出力する場合、すなわち、 Ｖｏ≦Ｖｃ、且つ、Ｉｆ≦Ｉｆmax の場合に、励磁用信号を出力する。

【００２２】励磁制御回路１５７は、ＡＮＤ回路１５６
から励磁用信号が出力されるときに励磁電流Ｉｆを流
し、励磁用信号が出力されないときには励磁電流Ｉｆを
流さない。これにより、励磁電流Ｉｆが増加すると、出
力電圧Ｖｏが上昇し、発電機１の出力電力が増えるが、
Ｖｏ＞Ｖｃとなると、比較器１５２の出力がＬｏとな
り、ＡＮＤ回路１５６の出力もＬｏとなって、励磁電流
Ｉｆを絞る。また、励磁電流Ｉｆが増加しても、出力電
圧Ｖｏが所定の電圧に達しない場合．（例えば、大負荷
の場合）でも、Ｉｆ＞Ｉｆmax になれば、励磁電流Ｉｆ
を絞るため、発電機１が出力増加により過熱するのを防
止できる。

【００２３】以上のように、本発明では、励磁電流Ｉｆ
は、あらかじめコントローラ１５内に記憶された値まで
増加させることができるため、発電機１の最大許容温度
以内で発電機１の出力電力を増やすことができる。上記
実施例では、コントローラを発電機に搭載した例を示し
たが、別置でもよい。上記実施例では、液冷方式の発電
機１の例を示したが、空冷でもよい。

【００２４】以下に、本発明の発電機の出力制御装置を
用いるのに適したハイブリッドビーグル１００につい
て、図４を参考に説明する。ハイブリッドビーグル（Ｈ
Ｖ）１００では、エンジン２００で発電機１を回転駆動
し、得られた発電機１の出力で、走行用モータ３００を
駆動して、車両を動かす。また、発電機１とは別にバッ
テリ１７を搭載しており、車両の加速時、あるいは高速
走行時に必要なパワーを補助するとともに、一次停車時
や定速走行時に、余剰電力を充電する蓄電装置の役割を
有する。ハイブリッドビーグル１００において、バッテ
リ１７は、通常の低電圧バッテリを複数個、直列接続し
たもので、その出力電圧は、２５０〜３００Ｖの間に施
されることが多い。従って、発電機１は、このバッテリ
１７を充電するために、その出力電圧が、バッテリ電圧
と同等以上であることが必要である。しかも、車両の加
速時、あるいは高速走行時等の走行条件下では、バッテ
リ電圧が大きく変化するため（例えば２００〜３５０
Ｖ）、発電機１の出力電圧は、その変化に対応する必要
があり、必要な電圧が得られるように設計され、また、
出力電圧を広く変化させて使用される。上記実施例にお
けるレギュレータ１９は、車両の走行条件に応じて必要
な出力電圧を指示電圧Ｖｃとして決定して出力するもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における発電機の構造を示す断
面図である。

【図２】本発明の実施例における発電機の出力電圧と出
力電力及び温度との関係を示す特性図である。

【図３】本発明の実施例の発電システムを示す構成図で
ある。

【図４】本発明を適用するハイブリッドビーグルを説明
するための概略図である。

【符号の説明】

１ 発電機 ２ フロントハウジング ３ ステータ ４ ロータ ７ リアハウジング １５ コントローラ（発電機の出力制御装置） １７ バッテリ １５４ 最大励磁電流算出器（許容最大励磁電力記憶手
段） １５７ 励磁制御回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 概略円筒状のハウジングと、該ハウジン
   グ内で該ハウジングと同軸上に嵌着保持されたステータ
   と、該ステータ内を回転する巻線界磁式のロータとを有
   し、指示される目標電圧に応じて前記ロータの励磁電流
   を制御して出力電圧を制御する発電機において、 各出力電圧における前記発電機の出力電力が最大電力と
   なるような各出力電圧における前記励磁電流の許容最大
   励磁電力の値をあらかじめ記憶した許容最大励磁電力記
   憶手段と、 前記ロータの前記励磁電流が前記許容最大励磁電力記憶
   手段に記憶された前記許容最大励磁電力の値になるよう
   に、前記励磁電流を前記出力電圧に応じて制御する最大
   励磁電力制御手段とを具備することを特徴とする発電機
   の出力制御装置。