WO2007032074A1 - 車両用交流発電機の制御装置 - Google Patents

Abstract

　高い耐電圧を有するトランジスタやダイオードを使用することなく、信頼性の高い交流発電機の制御装置を提供する。 ステータコイルに接続された整流回路の出力電圧をほぼ一定に制御する電圧制御回路を備えた車両用交流発電機の制御装置において、一端が界磁コイルの一端に接続され、他端が整流回路の負出力端に接続された第１の能動的スイッチと、一端が整流回路の正出力端に接続され、他端が界磁コイルの他端に接続された第２の能動的スイッチと、整流回路の負出力端と、第２の能動的スイッチと界磁コイルとの接続点の間に接続された第１の受動的スイッチと、整流回路の正出力端と、第1の能動的スイッチと界磁コイルとの接続点の間に接続された第２の受動的スイッチとを有し、第1及び第２の能動的スイッチを互いに独立してオン、オフ制御するようにしたものである。

Description

明 細 書

車両用交流発電機の制御装置

技術分野

[0001] この発明は、車両用交流発電機の制御装置に関するものである。

背景技術

[0002] 従来の車両用交流発電機の電圧制御装置は、発電機の出力電圧を検出し、この 検出した出力電圧が基準値を超えると界磁電流の供給を停止して、界磁磁束を弱め 、反対に検出した出力電圧が基準値を下回ると、界磁磁束を増強することにより、出 力電圧をほぼ一定に制して 、る。

ところが、界磁電流の供給を停止しても、界磁コイルにはインダクタンス成分が存在 し、界磁電流の遮断時にこのインダクタンス成分によって過大な高電圧が発生するた め、電圧制御装置が破損するおそれがある。

特に、最近の小型高出力化された車両用交流発電機においては、界磁コイルの抵 抗が小さくインダクタンスが大きくなる傾向にあるため、過電圧継続時間がその分だ け長くなる。

このため、例えば特許文献 1に示されるように、界磁電流を速やかに低減させるた めに、抵抗やダイオードを用 Vヽて界磁電流によるエネルギを消費する回路に切り替 免ることが提案されている。

[0003] 特許文献 1 :特開 2003— 174799号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0004] しかるに、このような従来の装置においては、界磁電流を減衰させる抵抗や、ダイォ ードの電圧降下を利用しているので、速やかに電流を低下させるには、損失が大きく 、電圧が大きく跳ね上がる (あるいは低下する)ため、制御用のトランジスタとして耐電 圧が高いものが必要となる上、抵抗やダイオードでの発熱が大きぐ効率が悪ぐ温 度上昇を招き、冷却が必要となるという問題点があった。

[0005] この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、高い耐電圧を 有するトランジスタやダイオードを使用することなぐ信頼性の高い交流発電機の制 御装置を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

[0006] この発明による車両用交流発電機の制御装置は、ステータコイルと、界磁コイルと、 上記ステータコイルに接続された整流回路と、この整流回路の出力電圧に応じて上 記界磁コイルに流れる界磁電流の遮断、通電を行い、上記整流回路の出力電圧を ほぼ一定に制御する電圧制御回路を備えた車両用交流発電機の制御装置におい て、上記電圧制御回路は、一端が上記界磁コイルの一端に接続され、他端が上記整 流回路の負出力端に接続された第 1の能動的スィッチと、一端が上記整流回路の正 出力端に接続され、他端が上記界磁コイルの他端に接続された第 2の能動的スイツ チと、上記整流回路の負出力端と、上記第 2の能動的スィッチと上記界磁コイルとの 接続点の間に接続された第 1の受動的スィッチと、上記整流回路の正出力端と、上 記第 1の能動的スィッチと上記界磁コイルとの接続点の間に接続された第 2の受動的 スィッチとを有し、上記第 1及び第 2の能動的スィッチを互いに独立してオン、オフ制 御するようにしたものである。

発明の効果

[0007] この発明によれば、高価な高!ヽ耐電圧を有するトランジスタやダイオードを使用する ことなぐ一部の制御用トランジスタが短絡故障等を起こしても、発電電圧の制御を継 続できると共に、スイッチング時の発熱が発生せず、効率がよぐ信頼性の高い交流 発電機の制御装置を得ることができる。

発明を実施するための最良の形態

[0008] 実施の形態 1.

図 1は、この発明の実施の形態 1の車両用交流発電機の制御装置を示す回路構成 図である。図 1に示すように、車両用交流発電機 10は、ステータコイル 11、整流回路 12、界磁コイル 13及び電圧制御回路 20を備えている。

ステータコイル 11は、三相卷線であって、ステータコアに卷装されて電機子を構成し て 、る。ステータコイル 11に誘起される交流出力が整流回路 12に供給される。

整流回路 12は、ステータコイル 11の交流出力を直流出力に整流する全波整流回路 であり、ステータコイル 11の各相に対応する整流素子としてダイオードが用いられて いる。

界磁コイル 13は、ステータコイル 11の電圧を誘起させるために必要な鎖交磁束を発 生する。この界磁コイル 13は、界磁極に卷装されて回転子を構成すると共に、その 両端をブラシ 14, 14及びスリップリング 15, 15を介して電圧制御回路 20に接続され ている。

[0009] 電圧制御回路 20は、界磁コイル 13に通電する界磁電流を調整することにより、車 両用交流発電機 1の出力電圧を所定範囲内に調整する。このために、 MOSFETな どの第 1及び第 2のトランジスタ 21, 22、第 1及び第 2のダイオード 23, 24、ローパス フィルタ（LPF) 25、電圧比較器 26, 27を含んで構成されている。

第 1のトランジスタ 21は、界磁コイル 13の一端とバッテリ— 30の負極端との間に接 続されており、界磁電流を断続する。第 2のトランジスタ 22は、界磁コイル 13の他端と バッテリ 30の正極端との間に接続されており、界磁電流を断続する。

第 1のダイオード 23は、第 2のトランジスタ 22に直列接続され、アノード力バッテリ 3 0の負極端に接続されている。第 2のダイオード 24は、第 1のトランジスタ 21に直列接 続され、力ソードがバッテリ 30の正極端に接続されている。すなわち、第 1及び第 2の トランジスタ 21, 22、第 1及び第 2のダイオード 23, 24は、界磁コイル 13と共にブリツ ジ回路を形成している。

ローパスフィルタ 25は、例えば抵抗とキャパシタによって構成されており、車両用発 電機の出力電圧 Vgを平滑して、第 1及び第 2の電圧比較器 26, 27に供給する。

[0010] 第 1の電圧比較器 26は、マイナス端子にローノ スフィルタ 25から出力される平滑後 の電圧 Vsが、プラス端子に第 1の基準電圧 Vreflがそれぞれ印加されており、電圧 Vs が第 1の基準電圧 Vreflより低くなると比較出力 Vconlがハイレベルに、反対に電圧 V が第 1の基準電圧 Vrefl以上になると比較出力 Vconlがローレベルになる。

S

一方、第 2の電圧比較器 27は、マイナス端子にローパスフィルタ 25から出力される 平滑後の電圧 Vs力 プラス端子に第 2の基準電圧 Vref2がそれぞれ印加されており、 電圧 Vsが第 2の基準電圧 Vre!2より低くなると比較出力 Vcon2がハイレベルに、反対 に電圧 Vsが第 2の基準電圧 Vref2以上になると比較出力 Vcon2がローレベルになる。 [0011] これらの電圧比較器 26, 27の比較出力 Vconl, Vcon2は、それぞれ第 1及び第 2の トランジスタ 21, 22のゲート〖こ供給され、第 1の電圧比較器 26の出力 Vconlがハイレ ベルのときに第 1のトランジスタ 21がオンされ、電圧比較器 27の比較出力 Vcon2がハ ィレベルのときに第 2のトランジスタ 22がオンされる。

この構成において、第 1もしくは第 2のトランジスタのいずれかを常時オンさせ、他方 のトランジスタをオン、オフして界磁コイル 13に流れる界磁電流を調整するように制 御する。

[0012] 以下、この実施の形態 1について第 1のトランジスタ 21をオン、オフし、第 2のトラン ジスタ 22を常時オンする場合の動作を説明する。

図示しないキースィッチが投入されると、電圧制御回路 20に電源が入り、交流発電 機 10の発電電圧 (整流回路の直流出力電圧) Vgはゼロ (バッテリ電圧が検出される） で、いずれも基準電圧 Vrefl, Vre!2よりも低いため、第 1,第 2の電圧比較器 26, 27は 、 ノ、ィレベルを出力し、第 1,第 2のトランジスタ 21, 22はいずれもオンする。

なお、ここでは、回転速度を検出して、回転速度がエンジンのアイドル回転速度以 下の場合に、界磁電流をわず力しか流さない、いわゆる初期励磁状態や、その後、 回転速度が上昇して通常の励磁状態にするなど、通常の電圧制御回路の付加的な 機能にっ 、ては詳細には述べな 、。

[0013] エンジンが始動し、交流発電機 10がエンジンにより駆動されている通常の発電状 態では高周波成分を除去するローノ スフィルタ 25を通して、発電電圧 Vgを基準電圧 Vreflと比較して、発電電圧 Vgが基準電圧 Vreflを超えていたならば、第 1のトランジ スタ 21をオフして界磁電流 I 遮断し、基準電圧 Vreflを下回っていたならば第 1のト ランジスタ 21をオンして界磁電流 I 流す。

このとき、第 1のトランジスタ 21をオフすると、界磁コイル 13に蓄えられた磁気エネ ルギにより、界磁電流 Ifは直ちにゼロにはならないので、第 2のダイオード 24を通る閉 回路が形成され、電流は閉回路を循環するうちに回路内の抵抗により減衰する。 し力 大出力発電をしているときに、接続されている負荷 40が急に遮断されると、 図 2に示すように比較出力 Vconlがローレベルになり、第 1のトランジスタ 21はオフし 、界磁電流 Ifは遮断されるが、上述したように閉回路で短絡された界磁電流 1 減衰 するのに時間がかかり、発電電圧 Vgはしばらく所定電圧よりも高い電圧を発生するこ とになる。

[0014] そこで、この実施の形態 1では、発電電圧 Vgを上記第 1の基準電圧 Vreflより高い 第 2の基準電圧 Vref2と比較し、発電電圧 Vgがこの第 2の基準電圧 Vref2を超えた場 合、常時オンして 、る側の第 2のトランジスタ 22をオフする。

このとき発電電圧 Vgが第 1の基準電圧 Vreflを超えているので、通常オン、オフする 第 1のトランジスタ 21はすでにオフしており、さらに第 2の基準電圧 Vref2も超えている ため、図 3に示すように比較出力 Vcon2がローレベルになり、通常オンしている第 2の トランジスタ 22もオフする。

これにより、グランドから、第 1のダイオード 23、ブラシ 15、スリップリング 14、界磁コ ィル 13、スリップリング 14、ブラシ 15、第 2のダイオード 24、バッテリ 30へと電流が流 れる閉回路が形成され、その結果、界磁コイル 13には電流が流れるのと反対方向に 電圧が印加されて、界磁電流 II ^早く減衰する。よって、発電電圧 Vgは速やかに低 下する。（図 3)

[0015] 発電電圧 Vgが第 2の基準電圧 Vre!2を下回れば、通常オンしている側の第 2のトラ ンジスタ 22は再びオン状態になるので、界磁電流 Ifの減衰の仕方が緩やかになり、 必要以上に発電電圧 Vgを下げることがない。

さらに界磁電流 低下して、第 1の基準電圧 Vrefl以下になると通常オン、オフす る第 1のトランジスタ 21がオンして、再び界磁電流 11¾流し始める。

界磁電流 1 ゼロになると、界磁電源電圧は第 1のダイオード 23、第 2のダイオード 24によりクランプされるので、界磁コイル 13に逆方向に電流が流れることは無い。

[0016] 以上のようにこの実施の形態 1においては、一方の第 2のトランジスタ 22を常時オン しているので、通常の使用時においては、界磁電流 Ifは急変せずに所定の発電電圧 を発生するように制御されている。従って、第 1のトランジスタ 21と第 2のトランジスタ 2 2を常時同時にオン、オフするような構成の場合に生じる界磁電流 Ifの大きな変動に よる損失を低減することができる。

すなわち、界磁コイル 13に発生する損失は、平均電流による損失 +電流変動によ る損失となり、第 1のトランジスタ 21と第 2のトランジスタ 22を常時同時にオン、オフす るような構成の場合、電流変動が大きい分、損失が大きいが、この実施の形態 1では 通常は、片方のトランジスタのみオン、オフするため、常時同時にオン、オフする構成 に比べて電流の変動による損失が低減できる。

[0017] また、実施の形態 1においては、界磁電流 11¾制御するトランジスタが直列に 2個接 続されている構成であるため、万一、一方のトランジスタが短絡故障を起こしたとして も、他方のトランジスタがオン、オフして発電電圧 Vgを制御するようにできるため、信 頼性の高 、交流発電機を得ることができる。

[0018] し力も、上記の構成では、界磁コイル端の電圧は、電源電圧 (バッテリ電圧） +ダイ オード順方向電圧以上や、グランド電圧 ダイオード順方向電圧以下にはならない ので、電流を断続するトランジスタや、ダイオードの耐電圧は、電源電圧 + 2 Xダイォ ード順方向電圧だけあればよぐ高価な高い耐電圧を有するトランジスタやダイォー ドが不要になる。

また、常時オンしている第 2のトランジスタ 22は、常時オンしているため、スィッチン グ時の発熱が発生せず、効率がよい。また、第 2のダイオード 24には通常電流が流 れないので、損失は発生せず、効率がよい。このため、第 2のトランジスタ 22や、第 2 のダイオード 24は、第 1のトランジスタ 21や第 1のダイオード 23と同じ基板上に実装 してもよい。また、使用しないときは、両方のトランジスタ 21, 22をオフにしておけば、 界磁コイル 13に電圧がカゝからず、被水などの環境で放置されても、電蝕などにより導 電露出部が侵されることがな!、。

[0019] なお、上記実施の形態 1では、ブラシやスリップリングを有する交流発電機に適用し た場合を示したが、ブラシレス発電機に適用しても同様の効果が得られる。

また、ステータコイル 11は 3相 Y結線の例を示した力 デルタ結線や、千鳥結線、そ れらの組み合わせでもよ!/、。

更に、上記実施の形態 1では 3相 1回路の例を示したが、位相がずれた 3相 2回路 などに構成してもよい。

また、電圧比較器 26, 27には、動作を安定させるために正帰還回路 (ヒステリシス 回路)や、負帰還回路 (発振防止用)などを設けておくことが望まし 、。

図面の簡単な説明 圆 1]この発明の実施の形態 1を示す回路構成図である。

圆 〇 2]実施の形態 1の動作を説明するための信号波形図である。 圆 3]実施の形態 1の動作を説明するための信号波形図である。 符号の説明

交流発電機

11 ステータコイル

12 整流回路

13 界磁コイル

14 ブラシ

15 スリップリング

20 電圧制御回路

21 第 1のトランジスタ

22 第 2のトランジスタ

23 第 1のダイオード

24 第 2のダイオード

25 ローパスフィルタ（LPF)

26 第 1の電圧比較器

27 第 2の電圧比較器

30 ノ ッテリ

40 負荷

Claims

請求の範囲

[1] ステータコイルと、界磁コイルと、上記ステータコイルに接続された整流回路と、この 整流回路の出力電圧に応じて上記界磁コイルに流れる界磁電流の遮断、通電を行 い、上記整流回路の出力電圧をほぼ一定に制御する電圧制御回路を備えた車両用 交流発電機の制御装置において、

上記電圧制御回路は、

一端が上記界磁コイルの一端に接続され、他端が上記整流回路の負出力端に接続 された第 1の能動的スィッチと、

一端が上記整流回路の正出力端に接続され、他端が上記界磁コイルの他端に接続 された第 2の能動的スィッチと、

上記整流回路の負出力端と、上記第 2の能動的スィッチと上記界磁コイルとの接続 点の間に接続された第 1の受動的スィッチと、

上記整流回路の正出力端と、上記第 1の能動的スィッチと上記界磁コイルとの接続 点の間に接続された第 2の受動的スィッチとを有し、

上記第 1及び第 2の能動的スィッチを互いに独立してオン、オフ制御するようにした ことを特徴とする車両用交流発電機の制御装置。

[2] 上記第 1または第 2の能動的スィッチのいずれか一方を常時オンしておき、上記整 流回路の出力電圧に応じて他方の能動的スィッチをオン、オフするようにしたことを 特徴とする請求項 1記載の車両用交流発電機の制御装置。

[3] 上記他方の能動的スィッチは、上記整流回路の出力電圧が第 1の所定電圧を超え たときに上記界磁電流を遮断し、上記整流回路の出力電圧が上記第 1の所定電圧を 下回ったときに上記界磁電流を通電して上記整流回路の出力電圧をほぼ一定に制 御すると共に、

上記整流回路の出力電圧が上記第 1の所定電圧よりも高い第 2の所定電圧を超えた ときにもう一方の能動的スィッチをオフするようにしたことを特徴とする請求項 2記載の 車両用交流発電機の制御装置。

[4] 上記第 1及び第 2の能動的スィッチは、ブラシ、スリップリングを介して上記界磁コィ ルに接続されていることを特徴とする請求項 1乃至 3のいずれか一つに記載の車両 用交流発電機の制御装置。

上記第 1及び第 2の能動的スィッチはトランジスタであり、上記第 1及び第 2の受動的 スィッチはダイオードであることを特徴とする請求項 1乃至 4のいずれか一つに記載 の車両用交流発電機の制御装置。