JPH1014295A - 内燃機関用の発電装置 - Google Patents

内燃機関用の発電装置

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JPH1014295A
JPH1014295A JP8181645A JP18164596A JPH1014295A JP H1014295 A JPH1014295 A JP H1014295A JP 8181645 A JP8181645 A JP 8181645A JP 18164596 A JP18164596 A JP 18164596A JP H1014295 A JPH1014295 A JP H1014295A
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rotating magnetic
internal combustion
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秀明 新井
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和之 久保
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 車両用エンジンのように可変速運転される内
燃機関に用いられた場合でも、エンジン回転数にかかわ
らず常に効率良く発電できるようにした内燃機関用の発
電装置を提供する。 【解決手段】 ACG・ECU3は、オルタネータ1の
ロータ1Rの機械的な回転速度N1 に基づいて、ロータ
1Rが発生する回転磁界のステータ1Sに対する相対速
度Nが最高効率回転速度Nx と一致するような前記回転
磁界の回転速度N2 を算出して電気的回転磁界制御部2
aへ通知する。電気的回転磁界制御部2aは、ロータ1
Rの3相コイル11へ供給する交流電力の位相を制御し
て回転速度N2 の回転磁界を発生させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の回転エ
ネルギを電気エネルギに変換する内燃機関用の発電装置
に係り、特に可変速運転される内燃機関、例えば車両用
エンジンに用いられた場合でも、エンジン回転数にかか
わらず常に効率良く発電できるようにした内燃機関用の
発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】車両用あるいは船舶用の発電装置は、回
転軸がエンジンのクランク軸にオルタネータベルトを介
して連結されオルタネータ(ACG)と、オルタネータ
がエンジン回転数に応じて発生する交流電力を直流電力
に変換する整流器と、直流電力の電圧レベルをバッテリ
電圧に応じて制御するレギュレータとによって構成され
る。
【0003】図3は、従来のオルタネータ50の構成を
示した模式図であり、回転軸と一体化されたロータ(回
転子)52には直流界磁コイル53が巻回され、ステー
タ54(固定子)には3相コイル55が巻回されてい
る。ここで、直流界磁コイル53へバッテリから直流電
流を供給した励磁状態でロータ52を回転させて交番磁
界配置を形成すると、ステータ54の3相コイル55に
は、ロータ52の回転速度に応じた周波数の交流電力が
発生する。すなわち、従来のオルタネータは同期モータ
を利用した発電機であった。なお、ロータ52には直流
界磁コイル53の代わりに永久磁石を設ける場合もあ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】近年の車両では、エン
ジンを含む車両各部の電動化や電子制御化、さらにはオ
ーディオシステムやナビゲーションシステム等の普及に
伴って車両の電力消費量が増大し、オルタネータに大き
な発電能力が要求されようになっている。オルタネータ
の発電量は回転数の降下と共に減少することから、エン
ジンの低回転時(例えば、1000回転以下)でも十分
な電力が得られるようにするためには、エンジン回転数
に対するオルタネータの回転数の比を高くする必要があ
り、そのプーリー比は2倍以上に設定されることが多
い。
【0005】一方、エンジンの高出力化や高効率化に伴
って高回転化と低アイドリング化が促進され、エンジン
回転数の最低値と最高値との比はますます広がりつつあ
る。したがって、エンジンの低回転時の所要発電量に合
わせてプーリー比を高めに設定してしまうと、高回転時
にはオルタネータの回転数が、機械的制約から定められ
た最大定格を超えてしまうという問題があった。また、
エンジンの高回転時にはファン音が増大して商品性が低
下するという問題があった。さらに、車両用の発電装置
ではエンジンのクランク軸とオルタネータの回転軸とが
オルタネータベルトによって常時連結されているので、
バッテリがフル充電状態にあって発電が不要な場合もオ
ルタネータの回転損失(ベルト駆動トルクや冷却ファン
抵抗等)が生じ、エンジン効率(燃費等)の低下を招い
てしまうという問題があった。
【0006】このように、車両用エンジンのような可変
速運転される内燃機関用の発電装置では、オルタネータ
の耐久性および商品性の観点からエンジン回転数に対す
るオルタネータの回転数の比を高く設定することができ
ず、特にエンジンの低回転領域では十分な発電量が得ら
れないという問題点があった。
【0007】なお、エンジン回転数に対するオルタネー
タの回転数を任意に設定できるようにするために、例え
ば特公昭62−33465号公報では、オルタネータ駆
動プーリのプーリ径を機械的に可変する機構が提案され
ている。しかしながら、このような機械的な変速機構を
採用すると、構成が複雑化かつ大型化してしまうという
問題があった。
【0008】本発明の目的は、上記した従来技術の問題
点を解決し、オルタネータとして誘導機を採用し、内燃
機関の回転数に対するオルタネータの回転比を高く設定
することなく、かつ簡単な構成で大型化することなく、
内燃機関の回転数にかかわらず常に効率良く電力を発生
できるようにした内燃機関用の発電装置を提供すること
にある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明では、以下のような手段を講じた点に特
徴がある。 (1) 発電機として誘導機を採用すると共に、可変速運転
される内燃機関に同期して速度N1 で機械的に回転する
ロータの多相巻線に、任意の速度N2 で電気的に回転す
る回転磁界を発生させる電気的回転磁界制御手段を設
け、回転磁界の速度N2 を制御することによって、ステ
ータに対する回転磁界の相対的な回転速度N(=N1 +
N2 )を任意に制御できるようにした。 (2) 前記電気的回転磁界制御手段は、ステータに対する
回転磁界の相対速度Nが所定値となるように、電気的回
転磁界の回転速度N2 をロータの機械的回転速度N1 に
応じて制御するようにした。 (3) 前記電気的回転磁界制御手段は、ステータに対する
回転磁界の相対速度Nが誘導機の最高効率回転速度Nx
に近付くように、電気的回転磁界の回転速度N2をロー
タの機械的回転速度N1 に応じて制御するようにした。 (4) 前記相対速度Nの目標値となる最高効率回転速度N
x を、ロータの機械的回転速度N1 に応じて変化させる
ようにした。 (5) ロータの多相巻線を選択的に励磁して磁界を発生さ
せる直流励磁制御手段と、電気的回転磁界制御手段およ
び直流励磁制御手段のいずれか一方を選択的に機能させ
る選択手段とを設けた。 (6) ステータの出力端を可変抵抗を介して、または介さ
ずに短絡させることによって誘導機を電動機として機能
させる機能切換手段をさらに設けた。
【0010】上記した構成(1) によれば、内燃機関の回
転数にかかわらず、発電機ではステータに対する回転磁
界の相対速度Nを任意に設定できるようになる。ここ
で、誘導機を発電機として用いた場合、その発電効率η
は前記相対速度Nのある一点NX で最高効率ηmax を示
す。したがって、前記構成(2),(3) のように、例えば、
相対速度Nが最高効率回転速度NX と一致するように、
ロータの機械的な回転速度N1 に応じて回転磁界の回転
速度N2 を制御すれば、内燃機関の回転数にかかわらず
常に最高効率での発電が可能になる。
【0011】また、発電機の最高効率回転速度NX は、
理想的にはロータの機械的回転速度N1 にかかわらず一
点NX に定まるが、現実にはロータの機械的回転に伴っ
て生じる発熱やファンの機械的ロス等の影響を受けるた
め、その時点での機械的回転速度N1 に応じて微妙に変
化する。しかしながら、本発明は前記構成(4) を具備
し、相対速度Nの目標値となる最高効率回転速度Nx を
ロータの機械的回転速度N1 に応じて変化させるように
したので、ロータの機械的回転速度N1 にかかわらず常
に最高効率での発電が可能になる。
【0012】上記した構成(5) によれば、誘導機を同期
機として機能させることができるようになる。また、上
記した構成(6) によれば、発電機を電動機として機能さ
せることが可能になる。
【0013】
【発明の実施の形態】初めに、本発明の基本的な考え方
について説明する。従来の同期機を採用したオルタネー
タの回転速度N1 と発電効率ηとの関係は、図4に曲線
Aで示したように、回転速度N1 のある一点Nx で最高
効率ηmax を示し、この最高効率回転速度Nx から離れ
るにしたがって発電効率ηは減少する。
【0014】一方、誘導機の実質的な回転速度はロータ
が発生する回転磁界のステータコイルに対する相対速度
Nで表すことができ、ロータの機械的な回転速度をN1
、ロータの界磁コイルに与えられる回転磁界の電気的
な回転速度をN2 とすると、前記相対速度Nは次式で表
される。 N=N1 +N2 …(1) すなわち、誘導機のロータが発生する回転磁界のステー
タコイルに対する相対速度Nは、ロータの機械的な回転
方向とロータの界磁コイルが発生する回転磁界の回転方
向とが一致していれば、ロータの機械的な回転速度N1
よりも早くなり、回転方向が逆であれば、ロータの回転
速度N1 よりも遅くなる。したがって、誘導機を車両用
のオルタネータとして採用すれば、エンジン回転数に同
期してロータの機械的回転速度N1 がどのように変化し
ても、それに応答して界磁コイルによる回転磁界の回転
速度N2 を制御すれば、前記相対速度Nを常に最高効率
回転速度Nx に一致させることができるので、図4に曲
線Bで示したように、ロータの機械的回転速度N1 にか
かわらずオルタネータを常に最高効率ηmax の近傍で運
転できるようになる。
【0015】同様の観点から、発電効率ηの代わりに発
電量Mに着目すると、従来の同期機を採用したオルタネ
ータの発電量Mは、図5に曲線Cで示したように回転数
N1の低下に伴って著しく減少する。しかしながら、オ
ルタネータとして誘導機を採用すれば、ロータの機械的
な回転速度N1 とは無関係に前記相対速度Nを任意に制
御できるようになる。したがって、同図に曲線Dで示し
たように、ロータの機械的な回転速度N1 が低回転域
(例えば、2000回転以下)にあっても十分な電力が
得られるようになる。
【0016】このように、本発明では誘導機の発電効率
ηが、回転磁界のステータに対する相対速度Nのある一
点Nx で最高効率ηmax を示すこと、および前記相対速
度Nは、ロータの界磁コイルが発生する回転磁界の回転
速度N2 を制御できればロータの機械的な回転速度N1
にかかわらず任意に制御可能であることに着目し、誘導
機の実質的な回転速度(相対速度)Nを、常に高効率な
回転速度で回転させるようにした。
【0017】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明
する。図1は本発明の一実施形態である車両用の発電装
置の主要部の構成を示したブロック図であり、図2は、
本発明の発電装置を構成するオルタネータ1の構成を示
した図である。本発明のオルタネータ1は、ロータ1R
およびステータ1Sのそれぞれに3相巻線、すなわち3
相界磁コイル11、12が形成された、いわゆる誘導機
の構造である。
【0018】図2において、オルタネータ1の回転軸1
3には、3相界磁コイル11を具備したロータ1Rが同
軸状に固定され、ロータ1Rの周囲には、3相界磁コイ
ル12を具備したステータ1Sが配置されている。回転
軸13はフロントベアリング15aおよびリアベアリン
グ15bを介してハウジング17に対して回転自在に支
持されている。回転軸13の一端にはプーリー14が固
定され、その他端には、ロータ1Rの各界磁コイル11
(11a〜11c)へ励磁電流を供給するブラシ19a
〜19cと接触するスリップリング18a〜18cが形
成されている。
【0019】また、回転軸13の他端側のオルタネータ
1内には、後述する回転子励磁装置2、ACG・ECU
3、切換制御装置5および短絡装置8が、回転軸13と
直交する同一平面上でハウジング17の内側に沿って円
周方向に並べて配設されている。これによって各装置間
での配線の取り回しが容易になり、かつデッドスペース
の有効利用が可能になってオルタネータの大型化が抑制
される。
【0020】図1において、ACG・ECU3は、エン
ジンECU4と通信してエンジン回転数Ne やエンジン
負荷等を検出すると、ロータ1Rに発生させる回転磁界
の回転速度N2 、回転磁界電圧、あるいは回転磁界位相
等を決定し、回転子励磁装置2の電気的回転磁界制御部
2aへ通知する。電気的回転磁界制御部2aは、ACG
・ECU3から通知された回転磁界速度N2 等に基づい
て、ロータ1Rの各界磁コイル11a,11b,11c
に供給する交流電力の位相、振幅および周波数を制御
し、回転速度N2 の電気的回転磁界を発生させる。
【0021】切換制御装置5は、ACG・ECU3と通
信してオルタネータ1の動作状態を検出し、発電機とし
て機能するタイミングではオルタネータ1の出力端子が
出力制御装置7の接点へ接続され、電動機として機能
するタイミングでは短絡装置8の接点へ接続されるよ
うに切換回路6の各接点を制御する。なお、オルタネー
タ1を発電機として機能させるタイミングでは、オルタ
ネータ1の出力電力の一部を電気的回転磁界制御部2a
を介してオルタネータ1に自己励磁用として供給する場
合もある。
【0022】出力制御装置7は整流回路7aおよびレギ
ュレータ7bを具備し、オルタネータ1から出力される
交流電力をバッテリ9の電圧に応じた直流電力に変換す
る。短絡装置8は、オルタネータ1の各界磁コイル12
a,12b,12cの出力端を可変抵抗を介して、また
は介さずに短絡する。直流磁界制御部2bは前記電気的
回転磁界制御部2aと選択的に付勢され、ロータ1Rの
界磁コイル11a,11bに直流電力を供給してロータ
1Rに磁界を発生させる。
【0023】このような構成において、ACG・ECU
3はエンジンECU4で検出されたエンジン回転数Ne
やエンジン負荷等の動作パラメータが通知されると、エ
ンジン回転数Ne とプーリー比等に基づいてオルタネー
タ1のロータ1Rの機械的な回転速度N1 を演算する。
さらに、ACG・ECU3は、当該オルタネータ1に関
する最高効率回転速度NX とロータ1Rの機械的回転速
度N1 とに基づいて、ロータ1Rが発生する回転磁界の
ステータ1Sに対する相対速度Nが最高効率ηmax の得
られる回転速度Nx と一致するような電気的回転磁界の
回転速度N2 を算出し、これを電気的回転磁界制御部2
aへ通知する。
【0024】電気的回転磁界制御部2aは、ロータ1R
の3相コイル11の各相の励磁タイミングを制御して速
度N2 の回転磁界を発生させる。ロータ1Rの各界磁コ
イル11a,11b,11cから出力される交流電力は
出力制御装置7で直流電力に変換され、その一部は現在
の電気負荷へ供給され、残りはバッテリ9へ充電され
る。なお、誘導機自体の制御方法は公知なので、その説
明は省略する。
【0025】上記したように、本実施形態によれば、オ
ルタネータ1のロータ1Rはステータ1Sに対して、常
に最高効率回転速度Nx で回転することになるので、オ
ルタネータ1は常に最高効率ηmax に近い状態での発電
が可能になる。
【0026】なお、発電機の最高効率回転速度NX は、
理想的にはロータ1Rの機械的回転速度N1 にかかわら
ず一点NX に定まるが、現実にはロータ1Rの機械的回
転に伴って生じる発熱やファンの機械的ロス等の影響を
受けるため、その時点でのロータ1Rの機械的回転速度
N1 に応じて微妙に変化する。したがって、相対速度N
の目標値となる前記最高効率回転速度NX を、ロータ1
Rの機械的回転速度N1 の関数としてその都度求めて、
あるいは予め求めてデータテーブルとして適宜に記憶し
ておき、ロータ1Rの機械的回転速度N1 に応じて最高
効率回転速度NX を異ならせるようにすれば、さらに最
高効率ηmax に近い状態での発電が可能になる。
【0027】一方、電気的回転磁界制御部2aが何らか
の原因で機能しなくなってロータ1Rに回転磁界が形成
されなくなると、ACG・ECU3は発電量がゼロにな
ったことを検出して電気的回転磁界制御部2aの故障を
判定し、直流磁界制御部2bに対して直流励磁指令を出
力する。直流励磁指令を受けた直流磁界制御部2bは、
ロータ1Rの界磁コイル11a,11bにバッテリ9か
ら直流電力を供給してロータ1Rに磁界を発生させる。
これにより、オルタネータ1は従来技術と同様に同期機
として機能することになるので発電が可能になる。
【0028】なお、回転磁界の代わりに直流励磁磁界を
発生させるタイミングは、上記したような電気的回転磁
界制御部2aの不具合時に限らず、例えばセルモータを
付勢してエンジンを始動した直後の発電開始時において
もバッテリ9から各界磁コイル11a,11bへ励磁電
流を直接供給するようにすれば、バッテリ電圧から交流
電圧への変換が不要となり、電圧変換に伴う損失がなく
なるので発電効率が向上する。
【0029】また、上記した実施形態では出力制御装置
7内にレギュレータ7bを設けるものとして説明した
が、出力制御装置7の出力電圧の一部をACG・ECU
3にフィードバックし、ACG・ECU3が回転磁界速
度や回転磁界電圧等を適宜に制御して出力制御装置7の
出力電圧を制御するようにすれば、図6に示したように
レギュレータを廃止することが可能になる。
【0030】ところで、バッテリ9が十分に充電されて
発電が不要な状態になっても、オルタネータ1のロータ
1Rはエンジンのクランクシャフトと機械的に連結され
ているために常時回転し、ベルト駆動トルクや冷却ファ
ン抵抗等によって回転損失が生じる。
【0031】そこで、本実施形態ではオルタネータ1で
の発電が不要な状態になると、切換制御装置5がこれを
検出して接点を短絡装置8側の接点へ切換え、ステー
タコイル12の出力端が可変抵抗を介して、または介さ
ずに短絡されるようにしている。このとき、電気的回転
磁界制御部2aはエンジンの回転力を補助する方向に、
少なくとも前記回転損失が補われる程度の駆動トルクが
生じるような回転磁界をロータ1Rに発生させるように
した。このようにすれば、オルタネータ1は電動機とし
て機能し、ロータ1Rが回転して駆動トルクを発生する
ので、実質上、回転損失がキャンセルされてエンジンの
効率が向上する。
【0032】なお、オルタネータ1を電動機として機能
させるタイミングは上記のような発電不要時に限らず、
例えばセルモータを付勢してエンジンを始動する場合に
も電動機として機能させるようにすれば、オルタネータ
1によってセルモータの駆動トルクが補助されるので、
セルモータの小型化や素早いエンジン始動が可能にな
る。さらに、車両加速時にも電動機として機能させるよ
うにすれば加速性能が向上する。
【0033】さらに、オルタネータ1を電動機として機
能させる場合の回転方向も、上記したようにエンジンの
駆動トルクを補助する方向に限定されず、例えば制動動
作を検出した場合には逆方向へ回転させるようにすれ
ば、制動装置としても機能させることができる。
【0034】なお、本実施形態では多相巻線として3相
巻線を有するロータおよびステータによって構成される
誘導機を例にして説明したが、本発明はこれのみに限定
されず、4相、5相…等の他の多相巻線を採用した場合
にも同様に適用することができる。
【0035】
【発明の効果】上記したように、本発明によれば以下の
ような効果が達成される。 (1) 請求項1の発明によれば、同期機に比べて構成が簡
単で小型軽量の誘導機を、可変速運転される内燃機関用
の発電機として使用できるようになるので、これをオル
タネータとして使用すれば車両や船舶等の小型軽量化が
達成され、当該車両等の走行性が向上する。 (2) 請求項2の発明によれば、誘導発電機のロータが発
生する電気的回転磁界の回転速度を制御することによっ
て、内燃機関の回転数にかかわらず発電機を実質的に任
意の速度で回転させることが可能になる。しかも、ロー
タが発生する電気的回転磁界の回転速度を制御すること
によって、ロータの機械的回転速度を上げることなく、
あたかも高速回転時と同様の発電が可能になるので、オ
ルタネータを高速回転対応とするための補強等が不要に
なって小型化、軽量化が達成される。また、冷却ファン
を備えている場合には冷却ファンのファン音を低減する
こともできる。 (3) 請求項3の発明によれば、ロータが発生する回転磁
界の回転速度を制御することによって、内燃機関の回転
数にかかわらず発電機を最高効率回転速度で回転させる
ことができるので、高効率での発電が可能になる。 (4) 請求項4の発明によれば、ロータの機械的回転速度
に応じて微妙に変化する最高効率回転速度変化に合せ
て、発電機の回転速度を制御させることができるので、
さらに高効率での発電が可能になる。 (5) 請求項5の発明によれば、発電機を誘導発電機およ
び同期発電機のいずれとしても利用できるようになる。
したがって、例えば電気的回転磁界制御部が何らかの原
因で機能しなくなってロータに回転磁界が形成されなく
なっても、発電機は従来技術と同様に同期発電機として
機能するので発電が可能になる。 (6) 請求項6の発明によれば、ロータが発生する回転磁
界の回転速度を制御することによって、発電機を電動機
としても機能させることが可能になるので、例えば発電
不要時にエンジンの駆動トルクを補う方向に駆動トルク
を発生させるようにすれば、発電機に関する回転損失が
実質的にキャンセルされて内燃機関の効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の車両用発電装置の一実施形態のブロ
ック図である。
【図2】 本発明のオルタネータの構成を示した図であ
る。
【図3】 従来技術のオルタネータの主要部の構成を示
した図である。
【図4】 モータの回転数と効率との関係を示した図で
ある。
【図5】 モータの回転数と発電量との関係を示した図
である。
【図6】 本発明の車両用発電装置の他の実施形態のブ
ロック図である。
【符号の説明】
1…オルタネータ,1R…ロータ,1S…ステータ,2
…回転子励磁装置,3…ACG・ECU,4…エンジン
ECU,5…切換制御装置,7…出力制御装置,8…短
絡装置,9…バッテリ,11,12…3相界磁コイル,
13…回転軸,14…プーリー,15a…フロントベア
リング,15b…リアベアリング,17…ハウジング,
18a〜18c…スリップリング,19a〜19c…ブ
ラシ

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 多相巻線を有するロータおよびステータ
    によって構成され、ロータが可変速運転される内燃機関
    の回転運動を伝達されて回転する誘導機と、 前記ロータの多相巻線に電気的回転磁界を発生させる電
    気的回転磁界制御手段とを具備したことを特徴とする内
    燃機関用の発電装置。
  2. 【請求項2】 前記電気的回転磁界制御手段は、ステー
    タに対する回転磁界の相対速度が所定値となるように、
    前記電気的回転磁界の回転速度をロータの機械的回転速
    度に応じて制御することを特徴とする請求項1に記載の
    内燃機関用の発電装置。
  3. 【請求項3】 前記電気的回転磁界制御手段は、ステー
    タに対する回転磁界の相対速度が当該誘導機に関する最
    高効率回転速度となるように、前記電気的回転磁界の回
    転速度をロータの機械的回転速度に応じて制御すること
    を特徴とする請求項1に記載の内燃機関用の発電装置。
  4. 【請求項4】 前記相対速度の目標値となる最高効率回
    転速度を、ロータの機械的回転速度に応じて異ならせる
    ことを特徴とする請求項2または3に記載の内燃機関用
    の発電装置。
  5. 【請求項5】 前記ロータの多相巻線を選択的に励磁し
    て磁界を発生させる直流励磁制御手段と、 前記電気的回転磁界制御手段および直流励磁制御手段の
    いずれか一方を選択的に機能させる選択手段とをさらに
    具備したことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか
    に記載の内燃機関用の発電装置。
  6. 【請求項6】 前記ステータの出力端を可変抵抗を介し
    て、または介さずに短絡して前記誘導機を電動機として
    機能させる機能切換手段をさらに具備したことを特徴と
    する請求項1ないし5のいずれかに記載の内燃機関用の
    発電装置。
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