(57)【要約】【課題】降伏電圧の低減とチップサイズの増大を抑止しつつロードダンプ吸収性に優れた車両用交流発電機を提供すること。【解決手段】二つの三相巻線を互いに独立に電機子鉄心に巻装し、これら二つの三相巻線の発電電圧を二つの三相全波整流器で整流する。ただし、一方の三相全波整流器の下アーム側のバッファダイオード１３，１４，１５は、他方の三相全波整流器の上アーム側のバッファダイオード１３，１４，１５を兼ねている。一方の三相巻線の各相出力端は、励磁用ダイオード組をなすツェナーダイオード３１，３２，３３により整流されて界磁巻線２８に印加される。【選択図】図１
2006006055.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転する多極磁極と、
前記多極磁極を励磁する界磁巻線と、
前記多極磁極に対向配置される電機子鉄心と、
複数の相巻線によりそれぞれ構成される第１相巻線組及び第２相巻線組を有して前記電機子鉄心に巻装される電機子巻線と、
前記界磁巻線と直列接続されて前記界磁電流をスイッチングする界磁電流制御用のスイッチング素子と、
前記電機子巻線の発電電圧を整流して車載電池を所定の充電電圧に充電する整流器と、
を備える車両用交流発電機において、
前記整流器は、
カソードが前記車載電池の正極に接続され、アノードが前記第１相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続される複数のダイオードからなる正極ダイオード組と、
アノードが前記車載電池の負極に接続され、カソードが前記第２相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続される複数のダイオードからなる負極ダイオード組と、
カソードが前記第１相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続され、アノードが前記第２相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続される複数のダイオードからなるバッファダイオード組と、
を有し、
前記正極ダイオード組及び／又は負極ダイオード組の各ダイオードは、
前記車載電池の電圧よりも小さい降伏電圧を有する定電圧ダイオードにより構成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項２】
請求項１の車両用交流発電機において、
前記第１相巻線組の相巻線と前記第２相巻線組の相巻線とは異なるスロットに収容されて互いに異なる位相の電圧を発電し、
前記整流器は、前記両相巻線組の発電電圧を整流し、かつ、ベクトル加算して出力することを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項３】
請求項１又は２記載の車両用交流発電機において、
前記正極ダイオード組及び負極ダイオード組のどちらかのみの各ダイオードは、
前記車載電池の電圧よりも小さい降伏電圧を有する定電圧ダイオードにより構成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項４】
回転する多極磁極と、
前記多極磁極を励磁する界磁巻線と、
前記多極磁極に対向配置される電機子鉄心と、
複数の相巻線によりそれぞれ構成される第１相巻線組及び第２相巻線組を有して前記電機子鉄心に巻装される電機子巻線と、
前記界磁巻線と直列接続されて前記界磁電流をスイッチングする界磁電流制御用のスイッチング素子と、
前記電機子巻線の発電電圧を整流して車載電池を所定の充電電圧に充電する整流器と、
を備える車両用交流発電機において、
前記整流器は、
カソードが前記車載電池の正極に接続され、アノードが前記第１相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続される複数のダイオードからなる正極ダイオード組と、
アノードが前記車載電池の負極に接続され、カソードが前記第２相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続される複数のダイオードからなる負極ダイオード組と、
カソードが前記第１相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続され、アノードが前記第２相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続される複数のダイオードからなるバッファダイオード組と、
アノードが前記第１相巻線組又は前記第２相巻線組の各相巻線の出力端に個別に接続されて、前記界磁巻線に界磁電流通電用の整流電圧を印加する複数のダイオードからなる励磁用ダイオード組を有し、
前記励磁用ダイオード組のダイオードは、
前記車載電池の電圧よりも小さく、かつ、前記正極ダイオード組及び負極ダイオード組のダイオードの耐圧以下の降伏電圧を有する定電圧ダイオードにより構成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項５】
請求項１乃至４記載の車両用交流発電機において、
前記整流器は、
アノードが前記第１相巻線組の各相巻線の出力端に個別に接続されて、前記界磁巻線に界磁電流通電用の整流電圧を印加する複数のダイオードからなる励磁用ダイオード組を有し、
前記界磁巻線の両端は、
アノード同士又はカソード同士が接続される状態にて接合ダイオードと定電圧ダイオードとを直列してなるフライホイル回路に接続されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項６】
請求項４または５記載の車両用交流発電機において、
前記正極ダイオード及び負極ダイオードは、
前記励磁用ダイオード組の定電圧ダイオードよりも高くかつ３０Ｖ以下の降伏電圧を有する定電圧ダイオードにより構成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は車両用交流発電機に関し、特にロードダンプサージ吸収特性に優れた車両用交流発電機に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両充電システムの発電機ではエンジン振動などで電池端子が外れた時や大電力の負荷が急に遮断されたとき、電機子巻線のインダクタンスと電流変化との作用による数十マイクロ秒程度の急峻なパルス電圧と、発電機の界磁電流の停止が数百ミリ秒もの比較的長い時定数で減少していく期間に電機子巻線が無負荷状態（実質的に開放状態）とになったことにより生じる負荷急減過電圧とが発生する。この明細書では、上記二つの現象をロードダンプまたはロードダンプサージと称し、この時の電機子電圧をロードダンプサージ電圧またはロードダンプ電圧と称するものとする。なお、前者の電機子巻線鎖交磁気回路の蓄積磁気エネルギーの放出に関連するロ−ドダンプ電圧成分の時定数は、後者の無負荷電圧増大が解消されるまでの時定数に比べて格段に小さい。
【０００３】
電機子巻線が発生するこのロードダンプ電圧から回路素子などを保護することが要望されている。特に、近年、車両用電気負荷がますます増加しつつあり、これに対応する車両用交流発電機の出力電圧、出力電流の増大によるロードダンプ対策が重要となりつつある。
【０００４】
これに鑑み、特許文献１は、発電機の全波整流器の一方のアームの３つのダイオードを、ツェナダイオードと通称されている定電圧ダイオードにより構成したり、定電圧ダイオードを全波整流器と並列に設けることによりロードダンプ電圧を吸収することを提案している。以下、この方式をツェナー式全波整流器と略称するものとする。以下の記載において、ツェナーダイオードは定電圧降伏特性をもつダイオードすなわち定電圧ダイオードと同義とする。
【特許文献１】特許第２７５１１５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したツェナー式全波整流器を装備する車両用交流発電機にロードダンプ電圧が発生すると、ツェナーダイオードにその降伏電圧×電流に相当する発熱が生じる。このため、車両用交流発電機がこのまま大電力、高電圧の方向へ進展していくと、ツェナーダイオードの発熱がその発熱許容値を超えてしまうという問題があった。具体的に説明すると、半導体チップの単位時間当たりの許容最大発熱量には一定の限界があり、その許容電力損失を増大するには、チップ面積の拡大などの熱放散性能の増大を図る必要がある。
【０００６】
しかし、チップ面積の増大は、半導体チップ、半田、両面の電極プレートの間の熱膨張係数差による歪力の増大をまねき、それが半田の疲労限界を超えてしまうという問題を生じさせる。つまり、半田の疲労寿命限界を確保した状態では、１チップのツェナダイオードによるロードダンプサージ吸収能力には一定の限界があり、この限界を超えたロードダンプサージ吸収性能が要求される車両用交流発電機の大容量化が不可能となる。この問題を回避するには、複数のツェナダイオードを並列接続せざるを得ないが、各ツェナダイオード間の特性ばらつきを合わせる必要性を含めて、ツェナー式全波整流器の配線、組み立て、構造が複雑、大型となるという問題が派生する。
【０００７】
また、上記したツェナー式全波整流器では、ツェナダイオードに普段の大電流整流しているときの順方向電圧降下（約１Ｖ）にもとづく発熱昇温と、前述のロードダンプ時のツェナー降伏による過渡的発熱の急増によるロードダンプ時昇温とにより、ツェナー降伏電圧（温度に対し正特性を有する）が所期の設定電圧値（例えば一般に安全電圧として知られている６０Ｖ未満）よりも高くなってしまい、ロードダンプ抑制効果が低下してしまうという問題も生じた。
【０００８】
このツェナダイオードの降伏電圧増大現象によるロードダンプ抑制効果の低下の悪影響を回避するには、普段（発熱が厳しくないとき）の降伏電圧値を小さく設定しておくことが考えられる。けれども、この場合には通常発電時に発電機リップル電圧（三相整流の際の波の重ね合わせで生じる電流脈流が、配線インダクタンスや電池のインピーダンスにより電圧変動として電源電圧に加算される）に抵触するようになり、その結果として高周波リップル電圧の各ピークレベルにてツェナダイオードがいちいち降伏してその大発熱が生じるという可能性が生じた。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、経済性に優れかつ優れたロードダンプサージ吸収性能をもつ大電力高電圧車両用交流発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】
【００１０】
前記の課題解決のための第１発明の車両用交流発電機は、回転する多極磁極と、前記多極磁極を励磁する界磁巻線と、前記多極磁極に対向配置される電機子鉄心と、複数の相巻線によりそれぞれ構成される第１相巻線組及び第２相巻線組を有して前記電機子鉄心に巻装される電機子巻線と、前記界磁巻線と直列接続されて前記界磁電流をスイッチングする界磁電流制御用のスイッチング素子と、前記電機子巻線の発電電圧を整流して車載電池を所定の充電電圧に充電する整流器とを備える車両用交流発電機において、前記整流器が、カソードが前記車載電池の正極に接続され、アノードが前記第１相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続される複数のダイオードからなる正極ダイオード組と、アノードが前記車載電池の負極に接続され、カソードが前記第２相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続される複数のダイオードからなる負極ダイオード組と、カソードが前記第１相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続され、アノードが前記第２相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続される複数のダイオードからなるバッファダイオード組とを有し、前記正極ダイオード組及び／又は負極ダイオード組の各ダイオードが、前記車載電池の電圧よりも小さい降伏電圧を有する定電圧ダイオードにより構成されていることを特徴としている。
【００１１】
なお、電機子巻線は、第１相巻線組及び第２相巻線組以外に更に相巻線組を有することもできる。定電圧ダイオードでないダイオードを、ダイオードの整流動作と実質的に等しい同期整流動作ＭＯＳトランジスタに置換してもよい。
【００１２】
この発明によれば、大電力の負荷が急に遮断されたときに第１相巻線組と第２相巻線組とにそれぞれ生じる相間サージ電圧は、バッファダイオードによりこれら両組の出力端子が分離されるために、相間サージ電圧は複数の組に分けられているため、単一組の相巻線により電機子巻線を構成する場合よりも半減される。したがって、正極ダイオード組又は負極ダイオード組を構成する定電圧ダイオード（以下、ツェナーダイオードとも言う）の降伏電圧も、単一組の相巻線により電機子巻線を構成する従来例よりも略半減することができ、その結果、正極ダイオード組又は負極ダイオード組のツェナーダイオードの通常整流時の順方向通電時の電気抵抗を大幅に低減して整流損失を低減することができ、更に電流の局部集中を防止した耐圧層の厚さ低減によりツェナーダイオードの製造が格段に容易となる。そのうえ、ロードダンプ時の短絡電流を一定とすれば、降伏電圧の低減分だけロードダンプ時の単位時間当たりのチップ発熱量を半減することができるため、従来より小さいチップ面積をもつツェナーダイオードにより大きなロードダンプを吸収することができる。
【００１３】
好適な態様において、前記第１相巻線組の相巻線と前記第２相巻線組の相巻線とは異なるスロットに収容されて互いに異なる位相の電圧を発電し、前記整流器は、前記両相巻線組の発電電圧を整流し、かつ、ベクトル加算して出力する。第１相巻線組と第２相巻線組として三相巻線を採用する場合には、両組の相電圧は電気角π／６の位相差をもつことが好適である。
【００１４】
この構成によれば、各相巻線組が出力する相電圧の位相がずれているために、整流されて出力される電圧のリップルを従来の単一の三相巻線組を用いる場合に比べて大幅に低減することができる。このリップル低減により、車載電池などの車両電源系に好影響を与えるとともに、ロードダンプ吸収用のツェナーダイオードの降伏電圧の更なる低減も実現することができる。
【００１５】
好適な態様において、前記正極ダイオード組及び負極ダイオード組のどちらかのみの各ダイオードは、前記車載電池の電圧よりも小さい降伏電圧を有する定電圧ダイオードにより構成されていることを特徴としている。このようにすれば比較的高価な定電圧ダイオードの数を減らすことができる。この場合、正極ダイオード組及び負極ダイオード組のうち、定電圧ダイオードにより構成されない側すなわち接合ダイオードにより構成される側のロードダンプ電圧を低減できないように思われるが、二組の相巻線組と鎖交する磁束の多くは共通となっており、一方の相巻線組の定電圧ダイオードの降伏による磁気エネルギー消費により、他方の相巻線組のロードダンプ電圧も低減することができるため、整流器の出力端において優れた合成ベクトル和電圧抑制効果を得ることができるとともに、製造コストの低減を実現することができる。
【００１６】
上記課題を解決する第２発明の車両用交流発電機は、回転する多極磁極と、前記多極磁極を励磁する界磁巻線と、前記多極磁極に対向配置される電機子鉄心と、複数の相巻線によりそれぞれ構成される第１相巻線組及び第２相巻線組を有して前記電機子鉄心に巻装される電機子巻線と、前記界磁巻線と直列接続されて前記界磁電流をスイッチングする界磁電流制御用のスイッチング素子と、前記電機子巻線の発電電圧を整流して車載電池を所定の充電電圧に充電する整流器とを備える車両用交流発電機において、前記整流器が、カソードが前記車載電池の正極に接続され、アノードが前記第１相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続される複数のダイオードからなる正極ダイオード組と、アノードが前記車載電池の負極に接続され、カソードが前記第２相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続される複数のダイオードからなる負極ダイオード組と、カソードが前記第１相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続され、アノードが前記第２相巻線組に属する前記各相巻線の出力端に個別に接続される複数のダイオードからなるバッファダイオード組と、アノードが前記第１相巻線組又は前記第２相巻線組の各相巻線の出力端に個別に接続されて、前記界磁巻線に界磁電流通電用の整流電圧を印加する複数のダイオードからなる励磁用ダイオード組を有し、前記励磁用ダイオード組のダイオードが、前記車載電池の電圧よりも小さく、かつ、前記正極ダイオード組及び負極ダイオード組のダイオードの耐圧以下の降伏電圧を有する定電圧ダイオードにより構成されていることを特徴としている。
【００１７】
なお、電機子巻線は、第１相巻線組及び第２相巻線組以外に更に相巻線組を有することもできる。定電圧ダイオードでないダイオードを、ダイオードの整流動作と実質的に等しい同期整流動作ＭＯＳトランジスタに置換してもよい。
【００１８】
この発明によれば、ロードダンプ吸収用の定電圧ダイオードの降伏電圧及び温度上昇を大幅に低減することができるという優れた効果を奏することができる。すなわち、励磁用ダイオード組には通常発電時に主発電電流に比べると１／１０にも満たない小さな界磁電流が流れるのみであるため、励磁用ダイオー組を構成する定電圧ダイオードを同一チップ面積の正極ダイオード組又は負極ダイオード組の定電圧ダイオード（従来例）と比較した場合、通常発電時の温度上昇が格段に小さいため、ロードダンプエネルギー吸収時における励磁用ダイオード組の定電圧ダイオードの温度上昇余地すなわち瞬時的なロードダンプ電流通電能力及び発熱容量が格段に大きい。したがって、小さい定電圧ダイオードのロードダンプ吸収時の温度上昇による劣化、破損を良好に防止することができる。
【００１９】
更に、この発明においても、励磁用ダイオード組の降伏時には、この励磁用ダイオード組が接続された組の相巻線組が短絡されるだけであり、励磁用ダイオード組の定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）に二つ相巻線組のベクトル加算ロードダンプ電圧が印加されることはない。したがって、低降伏電圧で順方向電力損失が小さく許容ロードダンプ電流値が大きいツェナーダイオードを低価格で製造することができる。さらに、温度上昇が少ないから温度上昇による降伏電圧変動を抑制して、確実に所望の安全電圧以下にサージ電圧を抑制することができる。
【００２０】
好適な態様において、前記整流器は、アノードが前記第１相巻線組の各相巻線の出力端に個別に接続されて、前記界磁巻線に界磁電流通電用の整流電圧を印加する複数のダイオードからなる励磁用ダイオード組を有し、前記界磁巻線の両端は、アノード同士又はカソード同士が接続される状態にて接合ダイオードと定電圧ダイオードとを直列してなるフライホイル回路に接続されている。
【００２１】
このようにすれば、界磁回路の磁気エネルギー消散をフライホイル回路の定電圧ダイオード（フライホィールツェナーダイオードとも呼ぶ）の降伏により行うことができ、ロードダンプサージ電圧の時定数を短縮して、ロードダンプによる各ダイオードの発熱を低減することができる。
【００２２】
好適な態様において、前記正極ダイオード及び負極ダイオードは、前記励磁用ダイオード組の定電圧ダイオードよりも高くかつ３０Ｖ以下の降伏電圧を有する定電圧ダイオードにより構成されていることを特徴としている。
【００２３】
このように構成すると、熱的耐量が大きく、ロードダンプのエネルギー吸収性に優れた励磁用ダイオード組が、もっとも過酷なロードダンプ初期における尖頭波上のサージ電力を良好に吸収するため、正極ダイオード組や負極ダイオード組として、通常の接合ダイオードを用いてもロードダンプ電圧を許容範囲に収めることができ、全体として整流器の合計製造コストの低減が実現する。そのうえ、正極ダイオード組及び負極ダイオード組のダイオードをロードダンプ吸収性能を無視して設計することができるために、その疲労寿命を改善することができる。
【００２４】
好適な態様において、前記第１相巻線組及び第２相巻線組は、互いにπ／２だけ位相が異なる２相の相巻線をそれぞれ有し、前記第１相巻線組の相巻線と前記第２相巻線組の相巻線とは、π／４だけ位相が異なることを特徴としている。このようにすれば、従来の単段の三相全波整流器と同一の整流ダイオード個数により、上記した効果を実現することができ、しかも、電機子巻線は、たとえば分布巻きにおいて隣接する異スロット間の電気角をπ／２とすることができるため、電機子電流による回転磁界を滑らかに回転することができるためトルクリップルや磁気騒音の変動を低減することができる。
（変形態様）
上記した正極ダイオード組又は負極ダイオード組のダイオードは、ロードダンプ発生時にオンするＭＯＳトランジスタにより構成されることができる。このようにすれば、ロードダンプ発生時に正極ダイオード組又は負極ダイオード組のすべてのＭＯＳトランジスタをオンすることにより、ロードダンプエネルギーを消滅させることができる。
【００２５】
この場合、ＭＯＳトランジスタのオン抵抗は電機子巻線の電気抵抗を基準として、ツェナーダイオードの降伏抵抗より格段に小さいため、ロードダンプエネルギーは主として電機子巻線により消費され、したがってＭＯＳトランジスタとしてはロードダンプ吸収を考慮してそれほど大型化する必要はない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明の車両用交流発電機の好適な実施例を以下に説明する。ただし、本発明は下記の実施例にの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想を他の公知技術またはそれに相当する技術を組み合わせて実施してもよいことは明白である。
【００２７】
（第１実施例）
第１実施例の車両用交流発電機の要部を図１に示す回路図を参照して説明する。
【００２８】
（電機子巻線の構成）
１は、図略の１６極の多極磁極（回転する多極磁極）をもつランデル爪状型軟磁性鉄心である界磁用ロータコア（ロータ界磁とも言う）である。２はロータ界磁１の多極磁極に対向配置される電機子鉄心であり、約０．３５ｍｍの薄厚電磁鋼板を積層してなる。電機子鉄心２には、電機子巻線３が巻装されている。
【００２９】
詳しく説明すると、電機子鉄心２は１磁極当たり６スロット、合計９６個のスロットをもち、奇数番目のスロットにはそれぞれ同相の４本の導体が挿通され、これら同相の４本の導体は６スロットピッチごとに方向を反転して巻装されている。これら奇数番目のスロットに挿通された同相の４本の導体は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６からなる第１のＹ結線三相巻線組を構成している。
【００３０】
同様に、偶数番目の各スロットには同相の４本の導体が挿通され、これら同相の４本の導体は６スロットピッチごとに方向を反転して巻装されている。これら奇数番目のスロットに挿通された同相の４本の導体は、Ｘ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９からなる第２のＹ結線三相巻線を構成している。したがって、電機子巻線３は、これら二つのＹ結線三相巻線により構成され、Ｘ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９とＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６とは周方向に１スロットピッチすなわち電気角π／６だけ異なる位相を有している。
【００３１】
（整流器の構成）
Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６は、降伏電圧２９Ｖのツェナーダイオードからなる正極ツェナーダイオードＡ，Ｂ，Ｃ（すなわち正極ツェナーダイオード１０，１１，１２とも言う）のアノードと、通常のＰＮ接合ダイオードからなるバッファダイオード１３，１４，１５のカソードとに図１に示すように個別に接続されている。Ｘ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９も、降伏電圧２９Ｖのツェナーダイオードからなる負極ツェナーダイオードＡ，Ｂ，Ｃ（負極ツェナーダイオード１６，１７，１８とも言う）のカソードと、バッファダイオード１３，１４，１５のアノードとに図１に示すように個別に接続されている。
【００３２】
Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６およびＸ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９の発電電圧は、この明細書にて三階層整流器１９と呼ぶ整流回路により整流される。正極ツェナーダイオードのカソードは、出力端子２０を通じて電気負荷２１の高電位端および車載電池２２の正極に接続され、負極ツェナーダイオード１６，１７，１８のアノード、電気負荷２１の低電位端および車載電池２２の負極は設置されている。
【００３３】
（レギュレータの構成）
レギュレータ２３は、界磁巻線２８の低電位端と接地体との間を接続して界磁巻線２８の電流を断続制御するスイッチンングトランジスタ２４と、発電機の出力端子２０の電圧を所定のしきい値電圧に比較する反転出力型コンパレータである過大電圧検出回路部２５と、車載電池２２の正極電位と所定のしきい電圧とを比較する反転出力型コンパレータである電池充電電圧検出回路部２６と、界磁電圧遮断割り込みを行うアンド回路である界磁遮断割り込み回路部２７とを有している。スイッチンングトランジスタ２４は、発電機の出力端子２０の電圧および車載電池２２の正極電位の両方がそれぞれのしきい電圧より低い場合にハイレベルとなって、スイッチンングトランジスタ２４をオンし、界磁巻線２８に界磁電流を通電する。
【００３４】
（界磁回路の構成）
約５００ターンの界磁巻線２８がロータ界磁１に巻装されている。界磁巻線２８の高電位端にはｐｎ接合ダイオードであるフライホィールダイオード２９のカソードが接続されている。フライホィールダイオード２９のアノードはツェナーダイオードであるフライホィールツェナーダイオード３０のアノードに接続され、フライホィールツェナーダイオード３０のカソードは界磁巻線２８の低電位端に接続されている。界磁巻線２８の低電位端はエミッタ接地のスイッチンングトランジスタ２４のコレクタ電極に接続されている。フライホィールツェナーダイオード３０の降伏電圧は、発電機定常出力電圧よりも小さくかつフライホィールダイオード２９の順方向電圧降下よりも大きく設定されている。フライホィールダイオード２９およびフライホィールツェナーダイオード３０はいわゆるフライホィール回路を構成している。
【００３５】
Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６は、励磁用ツェナーダイオードトリオを構成するツェナーダイオード３１，３２，３３のアノードに接続され、ツェナーダイオード３１，３２，３３のカソードは界磁巻線２８の上記高電位端に接続されている。ツェナーダイオード３１，３２，３３の降伏電圧は、正極ツェナーダイオード１０，１１，１２や負極ツェナーダイオード１６，１７，１８の降伏電圧よりも小さくかつ車載電池２２の電圧よりも小さく設定されている。通常の発電整流使用におけるツェナーダイオード３１，３２，３３のチップ電流密度は、自己の許容定格チップ電流密度又は正極ツェナーダイオード１０，１１，１２や負極ツェナーダイオード１６，１７，１８の整流時定格チップ電流密度の１／５以下、更に好ましくは１／１０以下に設定されている。
【００３６】
（正常発電時の作動説明）
上記した車両用交流発電機の正常発電時の作動を以下に説明する。
【００３７】
ロータ界磁１は、残留磁束または図示なきレギュレータ内の初期励磁回路から通電されていた界磁巻線２８により初期界磁束を発生している。ロータ界磁１が図示なき発電機駆動軸により駆動されると、電機子鉄心２に回転磁界が生じ、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６からなる第１三相巻線と、Ｘ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９からなる第２三相巻線には、位相が異なる三相電圧が発生する。この実施例では、図１に示すように、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６とＸ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９とは巻き方向が逆となっているため、Ｕ相巻線４とＸ相巻線７とは電気角５π／６又は７π／６だけ位相角が異なっている。すなわち、Ｘ相巻線７から出力されるＸ相電圧が正の最大電圧となってからπ／６後にＵ相巻線４から出力されるＵ相電圧は負の最大電圧となる。
【００３８】
電機子電流の電流を流れを説明する。
【００３９】
Ｕ相巻線４が出力するＵ相電圧がＶ，Ｗ相巻線５，６が出力するＶ，Ｗ相電圧よりも負方向に大きく、かつ、Ｘ相巻線７が出力するＸ相電圧がＹ，Ｚ相巻線８，９が出力するＹ，Ｚ相電圧よりも正方向に大きい期間において、Ｘ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９の中性点から相巻線７を通じて出力された電流は、ダイオード１３、Ｕ相巻線４、Ｖ，Ｗ相巻線５，６、正極ツェナーダイオード１１，１２、車載電池２２、接地体、負極ツェナーダイオード１７，１８、Ｖ，Ｗ相巻線５，６、Ｘ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９の中性点の順に流れる。他の位相期間においても、電流は同様に流れる。
【００４０】
つまり、三階層整流器１９は、二つの三相巻線の電圧をベクトル加算した合成電圧を整流して出力する。したがって、三階層整流器１９の出力端子２０は、三相全波整流器を一個用いる通常の車両用交流発電機よりもリップルが少ない整流出力電圧を出力することができる。
【００４１】
車載電池２２が充電されて電池電圧が上昇すると、電池充電電圧検出回路部２６は、スイッチンングトランジスタ２４にローレベル電位を与えて界磁電流を遮断し、電池電圧が低下すると、逆にスイッチンングトランジスタ２４にハイレベル電位を与えて界磁電流の通電を開始させる。
【００４２】
（ロードダンプ発生時の説明）
発電機が出力を負荷に供給している際に何らかの要因で車載電池２２の端子外れなどの不具合が生じると、界磁巻線２８が励磁されているのに負荷(ロード)が急に抜ける(ダンプ)ため、発電機は無負荷開放発電状態またはそれに近い状態となり、発電機出力端子電圧が急上昇する。
【００４３】
この急上昇が生じると、過大電圧検出回路２５が界磁遮断割り込み回路部２７にローレベル電位を出力するため、界磁遮断割り込み回路部２７はスイッチングトランジスタのベース電極にローレベル電位を出力して界磁電流を遮断する。ただし、界磁巻線２８は数百ミリ秒にも及ぶ大きな時定数をもっているため、界磁磁束は急に減少することができず、上記フライホイル回路にフライホイル電流を流す。このフライホイル電流は、フライホィールツェナーダイオード３０を流れる際に大きな損失を発生させるため界磁エネルギーを速く消散させることができ、これにより界磁磁束減少曲線の時定数である界磁時定数が短縮される。しかし、以上のように界磁時定数を短縮しても、ロードダンプが発生して界磁時定数により規定される所定時点まで、上記フライホィール電流による界磁束により、発電機電機子巻線端子にはほぼ無負荷開放電圧に近いロードダンプサージ電圧が発生する。
【００４４】
この問題に対処するために、この実施例では、ツェナーダイオード３１，３２，３３の降伏電圧を既述したように車載電池２２の電圧よりも低くかつ正極ツェナーダイオード１０，１１，１２および負極ツェナーダイオード１６，１７，１８の降伏電圧よりも低く設定している。したがって、電機子巻線３に発生したロードダンプ電圧は、ツェナーダイオード３１，３２，３３により優先して吸収されることになる。
【００４５】
ツェナーダイオード３１，３２，３３によるロードダンプエネルギー吸収動作を図２に示す説明図を参照して更に詳しく説明する。
【００４６】
Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６の相間電圧がツェナーダイオード３１，３２，３３の降伏電圧を超えると、降伏したツェナーダイオード３１，３２，３３のうちの降伏したツェナーダイオード、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６のうちの少なくとも互いに直列接続された二つの相巻線、順方向に導通するツェナーダイオードからなる短絡回路が形成され、電機子インダクタンスに蓄積された磁気エネルギーは、相巻線の電気抵抗や降伏したツェナーダイオードの電圧降下により消費されて急速に減衰し、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６の各相電圧は急速に減衰する。Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６とＸ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９とはほぼ共通の磁気回路と鎖交しているため、Ｘ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９のインダクタンスに蓄積された磁気エネルギーはＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６に電磁的に放出され、Ｘ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９の各相電圧も急速に減少する。
【００４７】
したがって、この実施例では、ロードダンプエネルギーはツェナーダイオード３１，３２，３３により吸収されるために、正極ツェナーダイオード１０，１１，１２と負極ツェナーダイオード１６，１７，１８のどちらか又は両方を接合ダイオード、もしくは同期整流制御されるＭＯＳトランジスタにより構成することもできる。
【００４８】
次に、更にロードダンプエネルギーが大きく、正極ツェナーダイオード１０，１１，１２又は負極ツェナーダイオード１６，１７，１８が降伏する場合を考える。正極ツェナーダイオード１０，１１，１２のうちの二つのツェナーダイオードの間には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６の相間電圧が印加されているため、この相間電圧が正極ツェナーダイオード１０，１１，１２の降伏電圧を超えると、正極ツェナーダイオード１０，１１，１２の一つが降伏し、短絡回路が形成される。同じく、負極ツェナーダイオード１６，１７，１８のうちの二つのツェナーダイオードの間には、Ｘ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９の相間電圧が印加されているため、この相間電圧が負極ツェナーダイオード１６，１７，１８の降伏電圧を超えると、負極ツェナーダイオード１６，１７，１８の一つが降伏し、短絡回路が形成される。
【００４９】
この場合においても、正極ツェナーダイオード１０，１１，１２及び負極ツェナーダイオード１６，１７，１８にはＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６の電圧とＸ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９の電圧との合成ベクトル和電圧が印加されるのではなく、ここの三相巻線の相間電圧が印加されるため、ツェナーダイオードの降伏電圧を大幅に低減することができる。また、正極ツェナーダイオード１０，１１，１２だけをツェナーダイオードとしてロードダンプを吸収する場合でも、この吸収によりＸ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９のロードダンプ電圧が減衰されるため、正極ツェナーダイオード１０，１１，１２と負極ツェナーダイオード１６，１７，１８とのどちらかをツェナーダイオードとするだけでよい。つまり、電機子巻線が二つの三相巻線に分割されているために、図２に示すように、励磁用ツェナーダイオードトリオと同様正極ツェナーダイオード１０，１１，１２および負極ツェナーダイオード１６，１７，１８に印加される電圧は図６に示す従来のツェナー式全波整流器の半分であるため、ツェナーダイオードで消散すべきエネルギーを小さくすることができる。
【００５０】
ただし、いずれにせよ、励磁用ダイオード組のツェナーダイオード３１，３２，３３を優先して降伏させることが好ましい。これは、ツェナーダイオード３１，３２，３３には、通常発電時に単に界磁電流のみが流れているため、正極ツェナーダイオード１０，１１，１２や負極ツェナーダイオード１６，１７，１８と同一のチップサイズを持つ場合、そのチップ電流密度は1/10程度となる。したがって、ツェナーダイオード３１，３２，３３は、正極ツェナーダイオード１０，１１，１２や負極ツェナーダイオード１６，１７，１８に比べて格段に大きいロードダンプサージ電流吸収能力をもつ。
【００５１】
（実験結果）
従来の最大定格出力３．５kＷ，４２Ｖの大電力高電圧の発電機では、図６に示すように、ツェナーダイオードのチップ直径が１２ｍｍ、降伏電圧７０Ｖのツェナーダイオード６個で、ぎりぎり７０Ｖのロードダンプ電圧抑制を行っていた。これに対して、図１に示すこの実施例では、最大定格出力５kＷ，４２Ｖの大電力高電圧の発電機において、ツェナーダイオード３１，３２，３３のチップ直径が１２ｍｍ、降伏電圧２７Ｖのツェナーダイオード３個を用い、正極ツェナーダイオード１０，１１，１２および負極ツェナーダイオード１６，１７，１８をバッファダイオード１３，１４，１５と同じく接合ダイオードとした。これにより、５８Ｖのサージ電圧の吸収が達成できた。
【００５２】
（変形態様）
励磁用ツェナーダイオードトリオをＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６側ではなくＸ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９側に設けてもかまわない。
【００５３】
（実施例効果）
結局、この実施例では、三階層整流器１９のＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６すなわち第１三相巻線の各出力端子から界磁巻線２８に整流出力する励磁用ダイオードトリオをツェナーダイオード３１，３２，３３により構成し、このツェナーダイオード３１，３２，３３の降伏によるＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６の短絡によりロードダンプエネルギーを減衰させるため、以下の種々の効果を奏することができる。
【００５４】
すなわち、この実施例によれば、ツェナーダイオード３１，３２，３３が降伏により電機子巻線全体を短絡するのではなく、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６を短絡するため、ツェナーダイオード３１，３２，３３にはＵ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６の相間電圧が印加されることになり、ツェナーダイオード３１，３２，３３の降伏電圧及び単位時間当たりの発生熱量を半減できるという効果を奏することができる。したがって、ツェナーダイオード３１，３２，３３の降伏によりロードダンプ電圧が危険レベルを超えるのを防止しつつ、ツェナーダイオード３１，３２，３３自体の温度上昇を低減できるわけである。もちろん、ツェナーダイオード３１，３２，３３の単位時間当たりの発熱量の減少は、ロードダンプエネルギーの減衰を遅延させ、ツェナーダイオード３１，３２，３３へのロードダンプ電流通電時間の増大によるツェナーダイオード３１，３２，３３の温度上昇増大を招く傾向を生むが、この傾向よりもツェナーダイオード３１，３２，３３の降伏時の抵抗低減効果の方がツェナーダイオード３１，３２，３３の温度上昇抑制により有効である。
【００５５】
また、三階層整流器１９を採用するため、整流出力電圧のリップルをほぼ１／４程度と小さくできる利点、ツェナーダイオード３１，３２，３３の温度上昇低減のため半田疲労寿命を延長することもできる。
【００５６】
（変形態様）
図１において、励磁用ダイオード組をなすツェナーダイオード３１，３２，３３を接合ダイオードとし、ロードダンプを正極ツェナーダイオード１０，１１，１２と負極ツェナーダイオード１６，１７，１８とのいずれか又は両方により吸収することもできる。
【００５７】
（第２実施例）
第２実施例の車両用交流発電機を図３、図４を参照して以下に説明する。
【００５８】
上記した第１実施例では、励磁用ツェナーダイオードトリオにツェナーダイオード３１，３２，３３を用い、更に、正極ツェナーダイオード１０，１１，１２と負極ツェナーダイオード１６，１７，１８とにツェナーダイオードを採用していた。これに対して、この第２実施例では、正極ツェナーダイオード１０，１１，１２および負極ツェナーダイオード１６，１７，１８を接合ダイオードとしたものである。なお、励磁用ツェナーダイオードトリオの降伏電圧は２７Ｖに設定している。
【００５９】
更に、この実施例では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６とＸ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９とを同相（ただし、図３に示すように巻き方向は逆）としている。この実施例の電圧波形を図４に示す。
【００６０】
これにより、第１実施例と同様の効果を得ることができる。すなわち、ツェナーダイオード３１，３２，３３の通常発電時における電流密度が小さいため、温度特性の考慮が少なくてすみ、かつ、その降伏初期の積算電流合計値を大きく競ってできること、降伏電圧を低く設定できるため製造が簡単でかつ大電流に良好に耐えることの利点を得ることができる。
【００６１】
また、Ｕ，Ｖ，Ｗ相巻線４，５，６とＸ，Ｙ，Ｚ相巻線７，８，９とを同相としているため、リップル低減効果を期待することができない代わりに、電機子巻線を収納すべきスロット数を減らすことができ、同じ巻数でも電圧を大きく発生できるという効果を奏することができる。
【００６２】
（変形例）
上記第２実施例では、三階層整流器１９の正極ツェナーダイオード１０，１１，１２と、負極ツェナーダイオード１６，１７，１８の両方を接合ダイオードとしたが、正極ツェナーダイオード１０，１１，１２および負極ツェナーダイオード１６，１７，１８のどちらか一方だけを接合ダイオードを用いて構成してもよい。
【００６３】
（第３実施例）
第３実施例の車両用交流発電機を図５を参照して以下に説明する。
【００６４】
この実施例は、電機子巻線を第１相巻線組３１と、第２相巻線組３２とにより構成している。第１相巻線組３１は、Ａ相巻線のみにより構成され、第２相巻線組３２は、Ｂ相巻線のみにより構成されている。Ａ，Ｂ相巻線は互いに電気角でπ／２だけ位相が異なっている。この種の電機子巻線はいわゆる２相巻線として周知であり、巻装が容易でコイルエンドも小さくすることができる。
【００６５】
電機子鉄心２の各スロットには、各巻線を構成する導体は周方向に、Ａ，Ｂ、ーＡ、ーＢ、Ａの順にπ／２ずつ離れて配置されている。
【００６６】
図５の回路と図１の回路との本質的な違いは、バッファダイオード１３、１４に加えて、バッファダイオード１３‘と、バッファダイオード１４‘とをたすきがけに配置した点と、負極ダイオード組のダイオード１６、１７を接合ダイオードとした点に有る。
【００６７】
ロードダンプが生じた場合には、ロードダンプエネルギーはツェナダイオード３１、３２のどちらか又は１０、１１のどちらかの降伏による短絡により、ＡＹ相巻線３１により熱に転換される。
【００６８】
ツェナダイオード３１、３２の組又はツェナダイオード１０、１１の組のどちらかの組を接合ダイオードとしてもよい。ツェナダイオード１０、１１を接合ダイオードとし、接合ダイオード１６、１７をツェナダイオードとしてもよい。
【００６９】
この実施例によれば、回転電流磁界の円滑な回転を確保しつつ、巻線及び整流器の回路構成を簡素化することができ、実用性に優れる。なお、バッファダイオードは４個必要となるが、その分だけひとつのバッファダイオードを流れる平均電流量が小さくなり、チップサイズを縮小できるため、コスト増大の抑制が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】第１実施例の車両用交流発電機の回路図である。
【図２】図１の車両用交流発電機の作動説明図である。
【図３】第２実施例の車両用交流発電機の回路図である。
【図４】第２実施例の車両用交流発電機の作動説明図である。
【図５】第３実施例の車両用交流発電機の作動説明図である。
【図６】従来技術の車両用交流発電機の作動説明図である。
【符号の説明】
【００７１】
１・・・・ロータ界磁（多極磁極）
２・・・・電機子鉄心
３・・・・電機子巻線
４・・・・Ｕ相巻線（第１相巻線組の相巻線）
５・・・・Ｖ相巻線（第１相巻線組の相巻線）
６・・・・Ｗ相巻線（第１相巻線組の相巻線）
７・・・・Ｘ相巻線（第２相巻線組の相巻線）
８・・・・Ｙ相巻線（第２相巻線組の相巻線）
９・・・・Ｚ相巻線（第２相巻線組の相巻線）
１０・・・正極ツェナーダイオードＡ（正極ダイオード組のダイオード）
１１・・・正極ツェナーダイオードＢ（正極ダイオード組のダイオード）
１２・・・正極ツェナーダイオードＣ（正極ダイオード組のダイオード）
１３・・・バッファダイオードＡ（バッファダイオード組のダイオード）
１４・・・バッファダイオードＢ（バッファダイオード組のダイオード）
１５・・・バッファダイオードＣ（バッファダイオード組のダイオード）
１６・・・負極ツェナーダイオードＡ（負極ダイオード組のダイオード）
１７・・・負極ツェナーダイオードＢ（負極ダイオード組のダイオード）
１８・・・負極ツェナーダイオードＣ（負極ダイオード組のダイオード）
１９・・・三階層整流器
２０・・・出力端子
２１・・・電気負荷
２２・・・車載電池
２３・・・レギュレータ（界磁電流調整器）
２４・・・スイッチングトランジスタ
２５・・・過大電圧検出回路部
２６・・・電池充電電圧検出回路部
２７・・・界磁遮断割り込み回路部
２８・・・界磁巻線
２９・・・フライホイールダイオード
３０・・・フライホイルツェナーダイオード
３１・・・励磁ツェナーダイオードＡ
３２・・・励磁ツェナーダイオードＢ
３３・・・励磁ツェナーダイオードＣ
【図１】
2006006055.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006006055.tif 000005
【図４】
2006006055.tif 000006
【図５】
2006006055.tif 000007
【図６】
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