(57)【要約】【課題】構造を複雑化することなく発電電力を制御することが可能であるとともに小型化および低コスト化が可能な発電装置、それを備えた移動体、および発電制御方法を提供する。【解決手段】発電装置１０の整流器３は、単相交流発電機１により発生される交流電力を直流電力に変換する。ＣＰＵ４１は、クランク角センサ５から出力されるクランクパルスＣＰに基づいて、整流器３の複数のＦＥＴ３１〜３４による通電切替タイミングを単相交流発電機１の誘起電圧Ｅの位相に対して遅角させる遅角制御および進角させる進角制御を行う。それにより、整流器３により得られる直流電力が制御される。【選択図】図３
2015035942.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
クランク角を検出するクランク角検出部を備えるエンジンにより駆動される発電装置であって、
前記エンジンのクランク軸の回転により回転するように設けられる単相交流発電機と、
複数のスイッチング素子のブリッジ接続を含み、前記単相交流発電機により発生される交流電力を直流電力に変換する整流部と、
前記複数のスイッチング素子による前記単相交流発電機の電機子巻線への通電切替タイミングを制御する通電制御部とを備え、
前記通電制御部は、前記クランク角検出部の出力信号に基づいて、前記複数のスイッチング素子による通電切替タイミングを前記単相交流発電機の誘起電圧の位相に対して遅角させる遅角制御および進角させる進角制御を行うことにより前記整流部により得られる直流電力を制御する、発電装置。
【請求項２】
前記単相交流発電機は、
前記クランク軸とともに回転する回転子と、
前記回転子に等角度間隔で配置された複数の磁極とを含み、
前記クランク角検出部は、前記出力信号として一定の検出角度ごとに検出信号を生成するように構成され、
隣り合う各２つの磁極の磁極間角度は前記クランク角検出部の検出角度と等しく、または前記磁極間角度は前記検出角度の約数であり、または前記磁極間角度は前記検出角度の倍数である、請求項１記載の発電装置。
【請求項３】
前記回転子は外周面および内周面を有し、
前記複数の磁極は前記回転子の前記内周面に等角度間隔で配置され、
前記クランク角検出部は、
前記回転子の前記外周面に前記検出角度に相当する等角度間隔で配置される複数の突起部および無突起部と、
前記複数の突起部を検出する突起部検出器とを含み、
前記突起部検出器は、各突起部の検出時に前記検出信号を出力する、請求項２記載の発電装置。
【請求項４】
前記複数の突起部は、前記回転子の回転方向における各突起部の一方のエッジの角度位置が前記複数の磁極間の境界のいずれかの角度位置と一致するように配置され、
前記突起部検出器は、各突起部の前記一方のエッジの検出時に前記検出信号を出力する、請求項３記載の発電装置。
【請求項５】
前記通電制御部は、前記整流部により得られる直流電圧が予め定められた目標電圧または目標電圧範囲内に維持されるように前記遅角制御および前記進角制御を行う、請求項１〜４のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項６】
前記通電制御部は、前記整流部により得られる直流電圧が前記目標電圧よりも低い場合に前記遅角制御を行い、前記前記整流部により得られる直流電圧が前記目標電圧よりも高い場合に前記進角制御を行う、請求項１〜５のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項７】
前記遅角制御により前記整流部により得られる直流電力が増加する場合の遅角量の上限値が遅角上限値として設定され、前記進角制御により前記整流部により得られる直流電力が減少する場合の進角量の上限値が進角上限値として設定され、
前記通電制御部は、前記単相交流発電機の誘起電圧の位相に対する遅角量が前記設定された遅角上限値を超えないように前記遅角制御を行い、前記単相交流発電機の誘起電圧の位相に対する進角量が前記設定された進角上限値を超えないように前記進角制御を行う、請求項１〜６のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項８】
前記遅角上限値および前記進角上限値は、前記単相交流発電機の回転速度に応じて予め設定され、
前記通電制御部は、前記クランク角検出部の出力信号に基づいて前記単相交流発電機の回転速度を算出し、算出された回転速度に基づいて前記遅角上限値および前記進角上限値を設定する、請求項７記載の発電装置。
【請求項９】
前記単相交流発電機は、前記エンジンの回転速度がアイドル回転速度であるときに前記遅角制御により予め定められた要求電力を発生可能なように構成される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の発電装置。
【請求項１０】
前記整流部はバッテリに接続され、前記バッテリは前記整流部により得られる直流電力により充電される、請求項１〜９のいずれかに記載の発電装置。
【請求項１１】
エンジンと、
前記エンジンにより発生されるトルクにより移動する本体部と、
前記エンジンのクランク角を検出するクランク角検出部と、
前記クランク角検出部の出力信号に基づいて前記エンジンを制御するエンジン制御装置と、
前記エンジンを始動させるために前記クランク軸を駆動する始動装置と、
前記エンジンにより駆動される請求項１〜１０のいずれかに記載の発電装置と、
前記発電装置の前記整流部に接続され、前記エンジン制御装置に直流電力を供給するバッテリとを備える、移動体。
【請求項１２】
エンジンのクランク軸により駆動される発電装置による発電電力を制御する発電制御方法であって、
前記発電装置は、前記エンジンのクランク軸の回転により回転する単相交流発電機と、複数のスイッチング素子のブリッジ接続を含む整流部とを含み、
前記方法は、
前記単相交流発電機により交流電力を発生するステップと、
前記単相交流発電機により発生される交流電力を前記整流部により直流電力に変換するステップと、
クランク角検出部によりクランク角を検出するステップと。
前記クランク角検出部の出力信号に基づいて、前記複数のスイッチング素子による前記単相交流発電機の電機子巻線への通電切替タイミングを前記単相交流発電機の誘起電圧の位相に対して遅角させる遅角制御および進角させる進角制御を行うことにより前記整流部により得られる直流電力を制御するステップとを含む、発電制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単相交流発電機を用いた発電装置、それを備えた移動体、および単相交流発電機を用いた発電制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動二輪車等の車両のエンジン（内燃機関）は、電子制御装置により制御される。電子制御装置には、車両に搭載されたバッテリから電力が供給される。また、バッテリを充電するために、エンジンのクランク軸の一端に発電機が取り付けられる。それにより、エンジンのクランク軸の回転により発電機が駆動される。発電機により発生される交流電力は、整流回路により直流電力に変換され、直流電力によりバッテリが充電される。
【０００３】
発電機は、エンジンのクランク軸に取り付けられているため、エンジンの回転速度に応じて発電電力（発電量）が増加または減少する。エンジンの回転速度が低下すると、発電電力が減少し、エンジンの回転速度が上昇すると、発電電力が増加する。一方、電子制御装置が要求するバッテリ充電量（以下、要求電力と呼ぶ）は、エンジンの回転速度に関係なく一定である。したがって、エンジンの低速回転時の発電電力が要求電力を満たすように発電機を設計すると、エンジンの高速回転時において発電機の発電能力が過剰となる。その場合、整流回路を開放または短絡することにより発電機からバッテリに過剰な電力が供給されることを抑制する。その結果、発電損失が大きくなる。逆に、エンジンの高速回転時の発電電力が要求電力に近づくように発電機を設計すると、エンジンの低速回転時において発電機の発電能力が不足する。その結果、バッテリの残容量が必要レベル以下に低下する。
【０００４】
特許文献１，２には、スタータ兼用発電機の発電電力を制御可能な出力制御装置が記載されている。特許文献１，２に記載されたスタータ兼用発電機としては三相同期発電機が用いられる。スタータ兼用発電機は、三相巻線（ステータコイル）が巻回されたステータと、エンジンのクランク軸に結合されるアウタロータとを有する。アウタロータには、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のそれぞれに対応するロータ角度センサが設けられる。各相のロータ角度センサは、例えばホールＣ（集積回路）または磁気抵抗素子により構成される。また、アウタロータの外周部には、ロータ角度センサに磁気作用を及ぼすように着磁されたマグネットリングが嵌め込まれる。マグネットリングの着磁帯には、Ｎ極およびＳ極が交互に形成されている。
【０００５】
スタータ兼用発電機のステータコイルには、６個のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）により構成される全波整流器が接続される。エンジンの始動時には、全波整流器のＦＥＴがスイッチングされることにより、スタータ兼用発電機が同期電動機として機能し、クランク軸を回転させる。エンジンの始動後は、アウタロータがクランク軸により駆動されることにより、スタータ兼用発電機が同期発電機として機能する。この場合、全波整流器のＦＥＴにより交流電力が整流され、直流電力がバッテリに供給される。
【０００６】
特許文献１，２に記載された出力制御装置では、スタータ兼用発電機の各相のステータコイルに遅角通電または進角通電することにより発電電力が制御される。遅角通電および進角通電では、ステータコイルに対して各相のロータ角度センサによる着磁帯の磁極の変化の検出から遅角または進角された通電が行われる。それにより、スタータ兼用発電機の発電電力を増加または減少させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−１９４４２７号
【特許文献２】特開２００５−１２４３２８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１，２に記載された同期発電機の出力制御装置では、スタータ兼用発電機のアウタロータにＵ相、Ｖ相およびＷ相のそれぞれに対応する３個のロータ角度センサ、および着磁帯を有するマグネットリングを設ける必要がある。そのため、スタータ兼用発電機の構造が複雑になるとともに、製造コストが高くなる。
【０００９】
本発明は、構造を複雑化することなく発電電力を制御することが可能であるとともに小型化および低コスト化が可能な発電装置、それを備えた移動体、および発電制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（１）本発明に係る発電装置は、クランク角を検出するクランク角検出部を備えるエンジンにより駆動される発電装置であって、エンジンのクランク軸の回転により回転するように設けられる単相交流発電機と、複数のスイッチング素子のブリッジ接続を含み、単相交流発電機により発生される交流電力を直流電力に変換する整流部と、複数のスイッチング素子による単相交流発電機の電機子巻線への通電切替タイミングを制御する通電制御部とを備え、通電制御部は、クランク角検出部の出力信号に基づいて、複数のスイッチング素子による通電切替タイミングを単相交流発電機の誘起電圧の位相に対して遅角させる遅角制御および進角させる進角制御を行うことにより整流部により得られる直流電力を制御する。
【００１１】
この発電装置においては、単相交流発電機により発生される交流電力が整流部により直流電力に変換される。複数のスイッチング素子による単相交流発電機の電機子巻線への通電切替タイミングは、通電制御部により制御される。この場合、通電制御部は、クランク角検出部の出力信号に基づいて、複数のスイッチング素子による通電切替タイミングを単相交流発電機の誘起電圧の位相に対して遅角させる遅角制御および進角させる進角制御を行うことにより整流部により得られる直流電力を制御する。
【００１２】
エンジンのクランク角は、クランク軸の回転により回転する単相交流発電機における誘起電圧の位相と一定の関係を有する。そのため、クランク角検出部の出力信号に基づいて、通電切替タイミングを誘起電圧の位相に対して遅角させる遅角制御および通電切替タイミングを誘起電圧の位相に対して進角させる進角制御を行うことができる。遅角制御が行われると、単相交流発電機の発電電力が増加する。一方、進角制御が行われると、単相交流発電機の発電電力が減少する。エンジンの低速回転領域では、遅角制御により要求電力を満足する発電電力を発生させることができ、エンジンの高速回転領域では、進角制御により要求電力を大きく超える発電電力の発生を抑制することができる。したがって、小型の単相交流発電機によりエンジンの低速回転領域から高速回転領域まで要求電力を満足する発電電力を効率的に得ることが可能となる。
【００１３】
この場合、エンジンに備えられるクランク角検出部の出力信号に基づいて遅角制御および進角制御を行うことができる。そのため、別途単相交流発電機に回転子の回転角度を検出するための角度センサを設ける必要がない。したがって、発電装置の構造が複雑化せず、かつ発電装置の小型化および低コスト化が可能である。
【００１４】
（２）単相交流発電機は、クランク軸とともに回転する回転子と、回転子に等角度間隔で配置された複数の磁極とを含み、クランク角検出部は、出力信号として一定の検出角度ごとに検出信号を生成するように構成され、隣り合う各２つの磁極の磁極間角度はクランク角検出部の検出角度と等しく、または磁極間角度は検出角度の約数であり、または磁極間角度は検出角度の倍数であってもよい。
【００１５】
この場合、単相交流発電機の磁極間角度がクランク角検出部による検出角度の整数倍となり、またはクランク角検出部による検出角度が単相交流発電機の磁極間角度の整数倍となる。それにより、検出信号の位相から単相交流発電機の誘起電圧の位相を容易かつ正確に特定することができる。その結果、誘起電圧の位相を基準とする遅角制御および進角制御を容易かつ正確に行うことができる。
【００１６】
（３）回転子は外周面および内周面を有し、複数の磁極は回転子の内周面に等角度間隔で配置され、クランク角検出部は、回転子の外周面に検出角度に相当する等角度間隔で配置される複数の突起部および無突起部と、複数の突起部を検出する突起部検出器とを含み、突起部検出器は、各突起部の検出時に検出信号を出力してもよい。
【００１７】
この場合、突起部検出器により各突起部の検出時に出力される検出信号に基づいて無突起部を基準とするクランク角を検出することができる。それにより、検出されたクランク角に基づいてエンジンを制御することができる。また、突起部検出器により各突起部の検出時に出力される検出信号に基づいて誘起電圧の位相を特定することができる。また、複数の突起部が回転子の外周面に配置されるので、突起部検出器を回転子の外側に配置することができる。それにより、クランク角検出部および単相交流発電機の構造が複雑化しない。
【００１８】
（４）複数の突起部は、回転子の回転方向における各突起部の一方のエッジの角度位置が複数の磁極間の境界のいずれかの角度位置と一致するように配置され、突起部検出器は、各突起部の一方のエッジの検出時に検出信号を出力してもよい。
【００１９】
この場合、クランク角検出部により出力される検出信号の位相が単相交流発電機における誘起電圧の位相と一致する。それにより、検出信号の位相から誘起電圧の位相を正確に特定することができる。その結果、誘起電圧の位相を基準とする遅角制御および進角制御を正確に行うことができる。
【００２０】
（５）通電制御部は、整流部により得られる直流電圧が予め定められた目標電圧または目標電圧範囲内に維持されるように遅角制御および進角制御を行ってもよい。
【００２１】
この場合、エンジンの回転速度に関らず、遅角制御および進角制御により整流部により得られる直流電圧が目標電圧または目標電圧範囲内に維持される。
【００２２】
（６）通電制御部は、整流部により得られる直流電圧が目標電圧よりも低い場合に遅角制御を行い、整流部により得られる直流電圧が目標電圧よりも高い場合に進角制御を行ってもよい。
【００２３】
この場合、フィードバック制御により整流部により得られる直流電圧が目標電圧またはその目標電圧を中心とする一定電圧範囲内に維持される。
【００２４】
（７）遅角制御により整流部により得られる直流電力が増加する場合の遅角量の上限値が遅角上限値として設定され、進角制御により整流部により得られる直流電力が減少する場合の進角量の上限値が進角上限値として設定され、通電制御部は、単相交流発電機の誘起電圧の位相に対する遅角量が設定された遅角上限値を超えないように遅角制御を行い、単相交流発電機の誘起電圧の位相に対する進角量が設定された進角上限値を超えないように進角制御を行ってもよい。
【００２５】
遅角制御による遅角量が遅角上限値を超えると、単相交流発電機の発電電力が減少する。また、進角制御による進角量が進角上限値を超えると、単相交流発電機の発電電力が増加する。そこで、単相交流発電機の誘起電圧の位相に対する遅角量が遅角上限値を超えないように遅角制御が行われ、単相交流発電機の誘起電圧の位相に対する進角量が進角上限値を超えないように進角制御が行われる。それにより、遅角制御により単相交流発電機の発電電力を効率的に増加させることができ、進角制御により単相交流発電機の発電電力を効率的に減少させることができる。
【００２６】
（８）遅角上限値および進角上限値は、単相交流発電機の回転速度に応じて予め設定され、通電制御部は、クランク角検出部の出力信号に基づいて単相交流発電機の回転速度を算出し、算出された回転速度に基づいて遅角上限値および進角上限値を設定してもよい。
【００２７】
遅角上限値および進角上限値は単相交流発電機の回転速度により変化する。そこで、遅角上限値および進角上限値が単相交流発電機の回転速度に応じて予め設定され、かつ算出された単相交流発電機の回転速度に基づいて遅角上限値および進角上限値が設定される。それにより、エンジンの回転速度が変化しても、遅角制御により単相交流発電機の発電電力を効率的に増加させることができ、かつ進角制御により単相交流発電機の発電電力を効率的に減少させることができる。
【００２８】
（９）単相交流発電機は、エンジンの回転速度がアイドル回転速度であるときに遅角制御により予め定められた要求電力を発生可能なように構成されてもよい。
【００２９】
このように単相交流発電機を構成することにより、単相交流発電機の小型化が可能となる。小型化された単相交流発電機では、エンジンの回転速度がアイドル回転速度であるときに発電能力が不足する。この場合、遅角制御により発電電力を要求電力まで増加させることができる。
【００３０】
（１０）整流部はバッテリに接続され、バッテリは整流部により得られる直流電力により充電されてもよい。
【００３１】
この場合、エンジンの回転速度に関らず、要求電力を満たす直流電力によりバッテリを充電することができるとともに、要求電力を大きく超える直流電力の発生を防止することができる。したがって、バッテリの残容量の不足の発生を防止することができ、かつ発電損失を低下させることができる。
【００３２】
（１１）本発明に係る移動体は、エンジンと、エンジンにより発生されるトルクにより移動する本体部と、エンジンのクランク角を検出するクランク角検出部と、クランク角検出部の出力信号に基づいてエンジンを制御するエンジン制御装置と、エンジンを始動させるためにクランク軸を駆動する始動装置と、エンジンにより駆動される上記の発電装置と、発電装置の整流部に接続され、エンジン制御装置に直流電力を供給するバッテリとを備える。
【００３３】
この移動体においては、始動装置によりクランク軸が駆動されることによりエンジンが始動される。エンジン制御装置はバッテリにより駆動される。クランク角検出部の出力信号に基づいてエンジン制御装置によりエンジンが制御される。それにより、エンジンにより発生されるトルクにより本体部が移動する。バッテリは、クランク軸により駆動される発電装置において発生される直流電力により充電される。
【００３４】
この場合、発電装置において、クランク角検出部の出力信号に基づいて遅角制御および進角制御を行うことができる。そのため、別途単相交流発電機に回転子の回転角度を検出するための角度センサを設ける必要がない。また、始動装置が発電装置とは別に設けられるので、単相交流発電機がエンジンを始動するための電動機として機能する必要がない。そのため、単相交流発電機の小型化が可能である。したがって、発電装置の構造が複雑化せず、かつ発電装置の小型化および低コスト化が可能である。
【００３５】
始動装置は、バッテリから供給される電力により作動するスタータモータを含んでもよい。この場合、エンジンはスタータモータにより始動されるので、発電装置の単相交流発電機を小型化することができる。
【００３６】
始動装置は、キックスタータレバーを含んでもよい。この場合、エンジンはキックスタータレバーにより始動されるので、発電装置の単相交流発電機を小型化することができる。
【００３７】
（１２）エンジンのクランク軸により駆動される発電装置による発電電力を制御する発電制御方法であって、発電装置は、エンジンのクランク軸の回転により回転する単相交流発電機と、複数のスイッチング素子のブリッジ接続を含む整流部とを含み、方法は、単相交流発電機により交流電力を発生するステップと、単相交流発電機により発生される交流電力を整流部により直流電力に変換するステップと、クランク角検出部によりクランク角を検出するステップと、クランク角検出部の出力信号に基づいて、複数のスイッチング素子による単相交流発電機の電機子巻線への通電切替タイミングを単相交流発電機の誘起電圧の位相に対して遅角させる遅角制御および進角させる進角制御を行うことにより整流部により得られる直流電力を制御するステップとを含む。
【００３８】
本発明に係る発電制御方法においては、遅角制御が行われると、単相交流発電機の発電電力が増加する。一方、進角制御が行われると、単相交流発電機の発電電力が減少する。エンジンの低速回転領域では、遅角制御により要求電力を満足する発電電力を発生させることができ、エンジンの高速回転領域では、進角制御により要求電力を大きく超える発電電力の発生を抑制することができる。したがって、小型の単相交流発電機によりエンジンの低速回転領域から高速回転領域まで要求電力を満足する発電電力を効率的に得ることが可能となる。
【００３９】
この場合、エンジンに備えられるクランク角検出部の出力信号に基づいて遅角制御および進角制御を行うことができる。そのため、別途単相交流発電機に回転子の回転角度を検出するための角度センサを設ける必要がない。したがって、発電装置の構造が複雑化せず、かつ発電装置の小型化および低コスト化が可能である。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、発電装置の構造を複雑化することなく発電電力を制御することが可能であるとともに発電装置の小型化および低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の一実施の形態に係る発電装置を備えた自動二輪車の一部の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の発電装置を備えた自動二輪車の模式図である。
【図３】図１の発電装置の構成を示す回路図である。
【図４】図３の単相交流発電機の構成を示す模式図である。
【図５】単相交流発電機の誘起電圧、突起部の形状、整形前のクランクパルスおよび整形後のクランクパルスを示すタイミング図である。
【図６】単相交流発電機の界磁制御を説明するための波形図である。
【図７】界磁制御による発電電流のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】界磁制御による発電電流のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】界磁制御による発電電流のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】単相交流発電機の回転子の回転速度を変化させた場合のバッテリ電流のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】図１の発電装置における発電制御方法を説明するための波形図である。
【図１２】図１の発電装置における発電制御方法を示すフローチャートである。
【図１３】図１２の発電制御処理を示すフローチャートである。
【図１４】比較例の単相交流発電機の設計方法を示す図である。
【図１５】本実施の形態に係る単相交流発電機の設計方法を示す図である。
【図１６】本実施の形態に係る発電装置の実際の運転時の発電制御方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。本実施の形態に係る発電装置は、例えば自動二輪車等の移動体においてバッテリを充電するために用いられる。ここでは、移動体が自動二輪車である場合について説明する。なお、本実施の形態に係る発電装置は、バッテリを充電するための装置として移動体に設けられる場合に限らず、種々の用途に適用することができる。
【００４３】
（１）発電装置の全体の構成
図１は本発明の一実施の形態に係る発電装置を備えた自動二輪車の一部の構成を示すブロック図である。図２は図１の発電装置を備えた自動二輪車の模式図である。
【００４４】
図２に示すように、自動二輪車１００の車両本体部１１０の前部には前輪１２０が回転可能に設けられ、後部には後輪１３０が回転可能に設けられている。また、車両本体部１１０には、エンジン１、エンジン制御装置４およびバッテリ６が設けられる。エンジン１により発生されるトルクにより後輪１３０が回転駆動される。エンジン制御装置４は、例えばＥＣＵ（電子制御ユニット；Electronic Control Unit）であり、バッテリ６から供給される電力により作動する。
【００４５】
図１に示すように、エンジン１のクランク軸１１の一端に単相交流発電機２が取り付けられる。単相交流発電機２は整流器３に接続される。整流器３は、バッテリ６およびエンジン制御装置４に接続される。バッテリ６は、ヘッドライト、テールライトおよびエンジン制御装置４等の電子機器に電力を供給する。単相交流発電機２の外側にはクランク角センサ５が配置される。クランク角センサ５は、例えば電磁ピックアップまたは光ピックアップにより構成され、クランクケースに固定される。クランク角センサ５の出力信号はエンジン制御装置４に与えられる。単相交流発電機２、整流器３、エンジン制御装置４およびクランク角センサ５が発電装置１０を構成する。発電装置１０によりバッテリ６が充電される。
【００４６】
エンジン１は、点火噴射装置１２を有する。点火噴射装置１２は、点火プラグおよび燃料噴射装置等を含む。クランク軸１１には、ギア１３，１４を含む減速器１５が設けられる。減速器１５にはスタータモータ７が取り付けられる。スタータモータ７は、スタータリレー８を通してバッテリ６に接続される。スタータリレー８はエンジン制御装置４により制御される。
【００４７】
エンジン１の始動時には、エンジン制御装置４の制御によりスタータリレー８がオンする。それにより、バッテリ６からスタータモータ７に電力が供給され、スタータモータ７が回転する。スタータモータ７の回転は、減速器１５を経由してエンジン１のクランク軸１１に伝達される。それにより、エンジン１が始動する。
【００４８】
エンジン１の始動後には、クランク軸１１により単相交流発電機２が回転駆動される。それにより、単相交流発電機２においてエンジン１の回転速度に応じた誘起電圧が発生する。
【００４９】
エンジン制御装置４は、クランク角センサ５の出力信号に基づいてエンジン１のクランク軸１１の回転位置（基準位置からの回転角度）および回転速度を検出し、その検出結果に基づいて点火噴射装置１２を制御する。
【００５０】
（２）発電装置１０の構成および動作
図３は図１の発電装置１０の構成を示す回路図である。図４は図３の単相交流発電機２の構成を示す模式図である。
【００５１】
図２において、整流器３は、ブリッジ接続された４個のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）３１〜３４を含む。ＦＥＴ３１はノードＮ１とノードＮ３との間に接続され、ＦＥＴ３２はノードＮ１とノードＮ４との間に接続される。ＦＥＴ３３はノードＮ３とノードＮ２との間に接続され、ＦＥＴ３４はノードＮ４とノードＮ２との間に接続される。ノードＮ１はバッテリ６のプラス端子に接続され、ノードＮ２はバッテリ６のマイナス端子に接続される。ノードＮ３は単相交流発電機２の電機子巻線（ステータコイル）２４の一端に接続され、ノードＮ４は単相交流発電機２の電機子巻線２４の他端に接続される。電機子巻線２４は、インダクタンス成分Ｌおよび抵抗成分Ｒを含む。
【００５２】
エンジン制御装置４は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）４１およびゲートドライバ４２を含む。ＣＰＵ４１は、クランク角センサ５の出力信号に基づいてゲートドライバ４２を制御する。ゲートドライバ４２は、整流器３のＦＥＴ３１〜３４のゲートに制御信号Ｃ１〜Ｃ４をそれぞれ与える。
【００５３】
クランク軸１１（図１参照）が回転すると、単相交流発電機２の電機子巻線２４に誘起電圧Ｅが発生する。それにより、電機子巻線２４に相電流Ｉｐｎが流れる。ゲートドライバ４２から与えられる制御信号Ｃ１〜Ｃ４によりＦＥＴ３１，３４の対とＦＥＴ３２，３３の対とが交互にオンする。それにより、整流器３は、単相交流発電機２から供給される交流電力を全波整流により直流電力に変換する。
【００５４】
ＣＰＵ４１は、ゲートドライバ４２からＦＥＴ３１〜３４に与えられる制御信号Ｃ１〜Ｃ４を制御することによりＦＥＴ３１〜３４の導通期間（オン期間）および非導通期間（オフ期間）を制御する。それにより、電機子巻線２４への通電切替タイミングが制御される。
【００５５】
図４の単相交流発電機２は単相同期発電機である。単相交流発電機２は、固定子２１および回転子２２を備える。固定子２１は、例えば、エンジン１のクランクケースに固定される。この固定子２１は、外方に突出するように周方向に並ぶ複数の歯部２３を有する。複数の歯部２３間には、オープンスロット２５が形成される。複数の歯部２３は一体的に形成される。複数の歯部２３には、図３の電機子巻線２４が巻き付けられる。
【００５６】
回転子２２は、回転子本体２６および複数の磁極２７を含む。この回転子２２は、固定子２１に対して相対的に回転可能に構成される。回転子本体２６は、底部を有する円筒状に形成される。回転子本体２６の底部は、図１のクランク軸１１に固定される。それにより、回転子２２は、クランク軸１１とともに回転する。複数の磁極２７は、回転子本体２６の内周面に周方向に沿って配置される。複数の磁極２７はＮ極およびＳ極の永久磁石により構成され、回転子本体２６の内周面に固定される。Ｎ極の磁極２７とＳ極の磁極２７とは交互に配置される。磁極２７の数は２ｍである。ｍは自然数である。本実施の形態では、２ｍ＝１２である。
【００５７】
隣り合う各２つの磁極２７間の角度間隔はθ１である。角度間隔θ１は、回転子２２の回転方向において、隣り合う２つの磁極２７のうちＮ極の磁極２７の後端エッジとＳ極の磁極２７の後端エッジとの角度間隔であり、または隣り合う２つの磁極２７のうちＮ極の磁極２７の前端エッジとＳ極の磁極２７の前端エッジとの角度間隔である。以下、角度間隔θ１を磁極間角度θ１と呼ぶ。
【００５８】
回転子２２の回転子本体２６の外周面には、複数の突起部２８が周方向に沿って配置される。各突起部２８は回転子本体２６の外周面の外方に突出するように形成される。本実施の形態では、回転子本体２６の外周面に突起部２８が欠如した箇所が無突起部２９として存在する。複数の突起部２８および１つの無突起部２９は等角度間隔で配置される。複数の突起部２８および無突起部２９の数の合計は２ｎである。ｎは自然数である。本実施の形態では、２ｎ＝１２である。すなわち、１１個の突起部２８および１個の無突起部２９が設けられる。
【００５９】
本実施の形態では、複数の磁極２７の数２ｍが複数の突起部２８および無突起部２９の合計の数２ｎと等しい。複数の突起部２８および無突起部２９の合計の数２ｎが磁極２７の数２ｍの整数倍であってもよく、複数の磁極２７の数２ｍが複数の突起部２８および無突起部２９の合計の数２ｎの整数倍であってもよい。
【００６０】
無突起部２９を挟まずに隣り合う各２つの突起部２８間の角度間隔はθ２である。無突起部２９を挟んで隣り合う２つの突起部２８間の角度間隔はθ２の２倍である。この場合、隣り合う突起部２８と無突起部２９との間の角度間隔はθ２である。角度間隔θ２は、回転子２２の回転方向において、無突起部２９を挟まずに隣り合う２つの突起部２８の後端エッジ間の角度間隔であり、または無突起部２９を挟まずに隣り合う２つの突起部２８の前端エッジ間の角度間隔である。以下、角度間隔θ２を検出角度θ２と呼ぶ。
【００６１】
本実施の形態では、隣り合う各２つの磁極２７の磁極間角度θ１は検出角度θ２と等しい。磁極間角度θ１が検出角度θ２の約数であってもよく、または磁極間角度θ１が検出角度θ２の倍数であってもよい。
【００６２】
回転子本体２６の外側に、クランク角センサ５が設けられる。クランク角センサ５は、回転子本体２６の回転に伴って複数の突起部２８に対向するように設けられる。本実施の形態では、クランク角センサ５は、検出方向が固定子２１の隣り合う２つの歯部２３間のオープンスロットの中心を向くように配置される。この場合、隣り合う２つの歯部２３のうち一方の歯部２３の中心軸とクランク角センサ５の検出方向とがなす角度をθａとし、他方の歯部２３の中心軸とクランク角センサ５の検出方向とがなす角度をθｂとすると、θａ＝θｂとなる。
【００６３】
クランク角センサ５は、回転する回転子本体２６上の突起部２８を検出すると、検出信号としてクランクパルスＣＰを出力する。本実施の形態では、クランク角センサ５は、回転子本体２６の回転方向において各突起部２８の後端エッジを検出したときにクランクパルスＣＰを出力する。なお、クランク角センサ５が回転子本体２６の回転方向において各突起部２８の前端エッジを検出したときにクランクパルスＣＰを出力してもよい。
【００６４】
図５は単相交流発電機２の誘起電圧Ｅ、突起部２８の形状、整形前のクランクパルスおよび整形後のクランクパルスＣＰを示すタイミング図である。図５の横軸は時間である。
【００６５】
本実施の形態では、誘起電圧Ｅが負から正へ変化する際および誘起電圧Ｅが正から負へ変化する際に誘起電圧Ｅが０レベルと交差するときに突起部２８の後端エッジが検出されるように回転子２２の複数の磁極２７、複数の突起部２８およびクランク角センサ５の位置関係が設定される。図５に示すように、誘起電圧Ｅが負または正から０に達した時点ｔ１，ｔ２，ｔ３でクランク角センサ５により突起部２８の後端エッジが検出され、正のクランクパルスが出力される。正のクランクパルスは矩形波に整形される。図３のＣＰＵ４１は、整形後のクランクパルスＣＰの立ち上がりエッジを突起部２８の後端エッジの検出時点と判定する。
【００６６】
ＣＰＵ４１は、整形後のクランクパルスＣＰに基づいて突起部２８の後端エッジの検出時点の時間間隔を算出することにより、エンジン１の回転速度を算出する。また、エンジン１の回転速度が一定であると、無突起部２９の両側の２つの突起部２８の検出時点の時間間隔は、直接隣り合う２つの突起部２８の検出時点の時間間隔の２倍となる。したがって、ＣＰＵ４１は、無突起部２９の次の突起部２８の後端エッジの検出時点を基準位置と判定し、クランクパルスＣＰの出力ごとにクランク軸１１の基準位置からの回転角度をクランク角として検出することができる。
【００６７】
ＣＰＵ４１は、クランク角に基づいて図１の点火噴射装置１２による燃料噴射タイミングおよび点火タイミングを制御する。本実施の形態では、クランク角センサ５により出力されるクランクパルスＣＰがエンジン１の制御および図３の整流器３の位相制御に兼用される。ＣＰＵ４１は、クランクパルスＣＰに応答して、ゲートドライバ４２を通してＦＥＴ３１〜３４のオンオフのタイミングを指令する制御信号Ｃ１〜Ｃ４をＦＥＴ３１〜３４のゲートに与える。本実施の形態に係る発電装置１０における発電制御方法には、後述する界磁制御が用いられる。この場合、クランクパルスＣＰに基づいて単相交流発電機２の界磁制御が行われる。
【００６８】
（３）単相交流発電機２の界磁制御
図６は単相交流発電機２の界磁制御を説明するための波形図である。図６の縦軸は電圧であり、横軸は電気角で表される位相である。図６には、図３の単相交流発電機２の電機子巻線２４に発生する誘起電圧Ｅおよび整流器３のノードＮ３，Ｎ４間の電圧（以下、整流器電圧Ｖｐｎと呼ぶ）が示される。
【００６９】
ここで、界磁制御とは、ＦＥＴ３１〜３４の導通期間（オン期間）の位相を誘起電圧Ｅの位相を基準として変化させることにより単相交流発電機２による発電電力を制御することである。具体的には、界磁制御では、ＦＥＴ３１〜３４の導通期間と非導通期間との切替タイミング（以下、通電切替タイミングと呼ぶ）の位相が誘起電圧Ｅのゼロクロス点（０レベルと交差する点）を基準としてシフトされる。それにより、ＦＥＴ３１〜３４による単相交流発電機２の電機子巻線２４への通電切替タイミングが制御される。界磁制御は、進角制御および遅角制御を含む。
【００７０】
図６（ａ）は進角制御および遅角制御が行われない場合の誘起電圧Ｅと整流器電圧Ｖｐｎとの関係を示す。図６（ｂ）は進角制御が行われる場合の誘起電圧Ｅと整流器電圧Ｖｐｎとの関係を示す図である。図６（ｃ）は遅角制御が行われる場合の誘起電圧Ｅと整流器電圧Ｖｐｎとの関係を示す図である。
【００７１】
図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、誘起電圧Ｅは正弦波形を有する。誘起電圧Ｅの負から正への変化時のゼロクロス点の電気角を２ｋπとし、誘起電圧Ｅの正から負への変化時のゼロクロス点の電気角を（２ｋ＋１）πとする。ここで、ｋは整数である。ここで、バッテリ６の電圧（以下、バッテリ電圧と呼ぶ）をＶｃｃとする。
【００７２】
進角制御および遅角制御が行われない場合の制御（以下、進角／遅角なし制御と呼ぶ）では、誘起電圧Ｅの電気角が２ｋπ（ｋは整数）であるときに、整流器３のＦＥＴ３１，３４がオンし、かつＦＥＴ３２，３３がオフする。また、誘起電圧Ｅの電気角が（２ｋ＋１）πであるときに、整流器３のＦＥＴ３２，３３がオンし、かつＦＥＴ３１，３４がオフする。それにより、図６（ａ）に示すように、誘起電圧Ｅの電気角２ｋπから電気角（２ｋ＋１）πまでの期間で整流器電圧Ｖｐｎが＋Ｖｃｃとなる。また、誘起電圧Ｅの電気角（２ｋ＋１）πから電気角２（ｋ＋１）πまでの期間で整流器電圧Ｖｐｎが−Ｖｃｃとなる。このように、整流器電圧Ｖｐｎは矩形波形を有する。
【００７３】
進角制御とは、ＦＥＴ３１〜３４の導通期間（オン期間）の位相を誘起電圧Ｅの位相を基準として進角させる制御である。具体的には、進角制御では、ＦＥＴ３１〜３４の導通期間と非導通期間との切替タイミングの位相が誘起電圧Ｅのゼロクロス点を基準として進角量σ１進角される。それにより、図６（ｂ）に示すように、誘起電圧Ｅの電気角２ｋπ−σ１から電気角（２ｋ＋１）π−σ１までの期間で整流器電圧Ｖｐｎが＋Ｖｃｃとなる。また、誘起電圧Ｅの電気角（２ｋ＋１）π−σ１から電気角２（ｋ＋１）π−σ１までの期間で整流器電圧Ｖｐｎが−Ｖｃｃとなる。このようにして、ＦＥＴ３１〜３４による単相交流発電機２の電機子巻線２４への通電切替タイミングが進角される。それにより、単相交流発電機２による発電電力が増加する。
【００７４】
遅角制御とは、ＦＥＴ３１〜３４の導通期間（オン期間）の位相を誘起電圧Ｅの位相を基準として遅角させる制御である。具体的には、遅角制御では、ＦＥＴ３１〜３４の導通期間と非導通期間との切替タイミングの位相が誘起電圧Ｅのゼロクロス点を基準として遅角量σ２遅角される。それにより、図６（ｃ）に示すように、誘起電圧Ｅの電気角２ｋπ＋σ２から電気角（２ｋ＋１）π＋σ２までの期間で整流器電圧Ｖｐｎが＋Ｖｃｃとなる。また、誘起電圧Ｅの電気角（２ｋ＋１）π＋σ２から電気角２（ｋ＋１）π＋σ２までの期間で整流器電圧Ｖｐｎが−Ｖｃｃとなる。このようにして、ＦＥＴ３１〜３４による単相交流発電機２の電機子巻線２４への通電切替タイミングが遅角される。それにより、単相交流発電機２による発電電力が減少する。
【００７５】
図７〜図９は界磁制御による発電電流のシミュレーション結果を示す図である。図７は進角／遅角なし制御の場合を示し、図８は進角量５ｄｅｇの進角制御の場合を示し、図９は遅角量５ｄｅｇの遅角制御の場合を示す。
【００７６】
図７〜図９において、（ａ）は単相交流発電機２の誘起電圧Ｅを実線で示し、整流器３の整流器電圧Ｖｐｎを一点鎖線で示し、（ｂ）は単相交流発電機２の相電流Ｉｐｎを示し、（ｃ）はバッテリ電流Ｉｃｃを示す。バッテリ電流Ｉｃｃは、バッテリ６から整流器３へ流れる電流である。図７〜図９の（ｃ）には、バッテリ電流Ｉｃｃの平均値（直流電流）が点線で示される。単相交流発電機２の回転子２２の回転速度は５０００ｒｐｍであり、バッテリ電圧Ｖｃｃは一定とする。
【００７７】
図７〜図９の（ｃ）において、図３のバッテリ６のプラス端子から整流器３のノードＮ１に向かって流れるバッテリ電流Ｉｃｃの値を正とする。したがって、単相交流発電機２の発電時には、バッテリ電流Ｉｃｃの平均値は負となり、単相交流発電機２の力行時には、バッテリ電流Ｉｃｃの平均値は正となる。
【００７８】
図７（ｃ）に示すように、進角／遅角なし制御の場合には、バッテリ電流Ｉｃｃの平均値は−０．９３［Ａ］である。この場合、単相交流発電機２からバッテリ６に０．９３［Ａ］の電流が供給される。図８（ｃ）に示すように、５ｄｅｇの進角制御の場合には、単相交流発電機２の発電電力が減少し、バッテリ電流Ｉｃｃの平均値が−０．２２［Ａ］となる。この場合、単相交流発電機２からバッテリ６に０．２２［Ａ］の電流が供給される。図９（ｃ）に示すように、５ｄｅｇの遅角制御の場合には、単相交流発電機２の発電電力が増加し、バッテリ電流Ｉｃｃの平均値が−２．１７［Ａ］となる。この場合、単相交流発電機２からバッテリ６に２．１７［Ａ］の電流が供給される。
【００７９】
図１０は単相交流発電機２の回転子２２の回転速度を変化させた場合のバッテリ電流Ｉｃｃのシミュレーション結果を示す図である。図１０には、回転子２２の回転速度が１５００ｒｐｍ、２０００ｒｐｍ、３０００ｒｐｍ、５０００ｒｐｍおよび８０００ｒｐｍである場合のバッテリ電流Ｉｃｃの変化が示される。図１０の縦軸はバッテリ電流Ｉｃｃである。横軸の正の値が進角量であり、負の値の絶対値が遅角量である。バッテリ電圧Ｖｃｃは一定とする。
【００８０】
進角量が増加するにつれて、正のバッテリ電流Ｉｃｃが増加する。正のバッテリ電流Ｉｃｃが最大となった後、さらに進角量が増加すると、正のバッテリ電流Ｉｃｃは減少する。正のバッテリ電流Ｉｃｃが最大となるときの進角量を進角上限値と呼ぶ。
【００８１】
遅角量が増加するにつれて、負のバッテリ電流Ｉｃｃの絶対値が増加する。負のバッテリ電流Ｉｃｃの絶対値が最大となった後、さらに遅角量が増加すると、負のバッテリ電流Ｉｃｃの絶対値は減少する。負のバッテリ電流Ｉｃｃの絶対値が最大となるときの遅角量を遅角上限値と呼ぶ。
【００８２】
図１０にから分かるように、回転子２２の回転速度が一定の場合に、進角量または遅角量を変化させることにより、単相交流発電機２からバッテリ６に供給される電力またはバッテリ６から単相交流発電機２に供給される電力を変化させることができる。また、回転子２２の回転速度が異なると、バッテリ電流Ｉｃｃの大きさが異なり、かつ進角上限値および遅角上限値が異なる。
【００８３】
回転子２２の回転速度と進角上限値との関係は回転速度−進角上限値テーブルとしてエンジン制御装置４に記憶される。また、回転子２２の回転速度と遅角上限値との関係は回転速度−遅角上限値テーブルとしてエンジン制御装置４に記憶される。
【００８４】
（４）発電装置１０における発電制御方法
図１１は図１の発電装置１０における発電制御方法を説明するための波形図である。図１１には、バッテリ電圧Ｖｃｃ、誘起電圧Ｅ、クランクパルスＣＰおよび整流器電圧Ｖｐｎが示される。図１１の横軸は時間である。
【００８５】
誘起電圧Ｅの負から正への変化時および負から正への変化時のゼロクロス点でクランクパルスＣＰが立ち上がる。図１１の例では、期間Ｔ１では、バッテリ電圧Ｖｃｃが予め定められた目標電圧に等しい。バッテリ電圧Ｖｃｃが予め定められた目標電圧に等しい場合には、進角／遅角なし制御が行われる。この場合、整流器電圧Ｖｐｎの位相はクランクパルスＣＰの立ち上がり位相と等しい。
【００８６】
期間Ｔ２において、バッテリ電圧Ｖｃｃが目標電圧よりも低い場合、遅角制御が行われる。この場合、整流器電圧Ｖｐｎの位相がクランクパルスＣＰの立ち上がりを基準として遅角される。それにより、単相交流発電機２の発電電力が増加し、バッテリ電圧Ｖｃｃが上昇する。
【００８７】
期間Ｔ３において、バッテリ電圧Ｖｃｃが目標電圧よりも高い場合、進角制御が行われる。この場合、整流器電圧Ｖｐｎの位相がクランクパルスＣＰの立ち上がりを基準として進角される。それにより、単相交流発電機２の発電電力が減少し、バッテリ電圧Ｖｃｃが低下する。
【００８８】
図１２は図１の発電装置１０における発電制御方法を示すフローチャートである。図１３は図１２の発電制御処理を示すフローチャートである。
【００８９】
図１２において、図１のスタータモータ７が作動することにより、エンジン１が始動する（ステップＳ１）。エンジン制御装置４のＣＰＵ４１は、クランク角センサ５から出力されるクランクパルスＣＰに基づいてエンジン１の回転速度が検出されたか否かを判定する（ステップＳ２）。エンジン１の回転速度が検出された場合には、ＣＰＵ４１はクランク軸１１の基準位置すなわち回転子２２の基準位置が検出されたか否かを判定する（ステップＳ３）。
【００９０】
クランク軸１１の基準位置が検出された場合には、ＣＰＵ４１は整流器３のＦＥＴ３１〜３４の制御を開始する（ステップＳ４）。さらに、ＣＰＵ４１は、エンジン１の回転速度が規定回転速度を超えたか否かを判定する（ステップＳ５）。エンジン１の回転速度が規定回転速度以下の場合には、ＣＰＵ４１は待機する。エンジン１の回転速度が規定回転速度を超えた場合には、ＣＰＵ４１は発電制御処理を行う（ステップＳ６）。
【００９１】
図１３において、ＣＰＵ４１は、クランク角センサ５から出力されるクランクパルスＣＰに基づいてエンジン１の回転速度を検出する（ステップＳ１０）。また、ＣＰＵ４１は、バッテリ電圧Ｖｃｃが目標電圧と等しいか否かを判定する（ステップＳ１１）。バッテリ電圧Ｖｃｃが目標電圧と等しい場合には、ステップＳ１０の処理に戻る。バッテリ電圧Ｖｃｃが目標電圧と等しくない場合には、ＣＰＵ４１はバッテリ電圧Ｖｃｃが目標電圧よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１２）。
【００９２】
バッテリ電圧Ｖｃｃが目標電圧よりも低い場合には、ＣＰＵ４１は現在の遅角量が遅角上限値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１３）。遅角上限値は、エンジン１の回転速度（回転子２２の回転速度）に基づいて回転速度−遅角上限値テーブルから取得される。現在の遅角量が遅角上限値以上の場合には、ステップＳ１０の処理に戻る。現在の遅角量が遅角上限値よりも小さい場合には、ＣＰＵ４１は通電切替タイミングを一定量遅角させ（ステップＳ１４）、ステップＳ１０の処理に戻る。
【００９３】
ステップＳ１２においてバッテリ電圧Ｖｃｃが目標電圧よりも高い場合には、ＣＰＵ４１は現在の進角量が進角上限値よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１５）。進角上限値は、エンジン１の回転速度（回転子２２の回転速度）に基づいて回転速度−進角上限値テーブルから取得される。現在の進角量が進角上限値以上の場合には、ステップＳ１０の処理に戻る。現在の進角量が進角上限値よりも小さい場合には、ＣＰＵ４１は通電切替タイミングを一定量進角させ（ステップＳ１６）、ステップＳ１０の処理に戻る。
【００９４】
このようにして、バッテリ電圧Ｖｃｃが目標電圧を中心とする一定範囲（目標電圧範囲）内に制御される。
【００９５】
（５）単相交流発電機２の設計方法
次に、本実施の形態に係る発電装置１０における単相交流発電機２の設計方法について説明する。
【００９６】
まず、比較例の交流発電機の設計方法について説明する。単相交流発電機は整流器を通してバッテリに接続される。図１４は比較例の単相交流発電機の設計方法を示す図である。図１４の縦軸は発電電流であり、横軸はエンジンの回転速度である。発電電流は単相交流発電機から整流器を通してバッテリおよび他の負荷（自動二輪車に搭載される電子機器）に供給される電流である。バッテリの電圧は一定に設定される。
【００９７】
バッテリおよび他の負荷に必要な電力を供給するために要求される発電電流が一定の要求電流Ｉｒｅｑとして定められる。要求電流Ｉｒｅｑは設計値である。単相交流発電機には、アイドル回転速度（例えば１７００ｒｐｍ）から最高回転速度（例えば８０００ｒｐｍ）までの範囲で要求電流Ｉｒｅｑを供給する発電能力が要求される。エンジンの回転速度が増加すると、単相交流発電機に発生する誘起電圧が増加する。それにより、エンジンの回転速度が増加するにつれて発電電流は増加する。そのため、アイドル回転速度において要求電流Ｉｒｅｑと等しい発電電流が確保されるように単相交流発電機が設計される。このようにして設計された単相交流発電機は特性Ｌ１で示される発電能力を有する。特性Ｌ１を有する単相交流発電機は、最高回転速度で一定電圧のバッテリおよび負荷に最大電流Ｉｍａｘ１を供給可能である。
【００９８】
しかしながら、比較例に係る単相交流発電機は、エンジンの回転速度がアイドル回転速度よりも高い領域Ｒ１で過剰な発電能力を有することになる。それにより、要求電流Ｉｒｅｑに相当する発電電流をバッテリ６および他の負荷に供給する場合に余剰電力が生じる。バッテリに要求電流Ｉｒｅｑを超えた過剰な発電電流が流入すると、バッテリが過充電の状態になることがある。そこで、単相交流発電機の実際の運転時には、例えば整流器において電機子巻線が短絡されることにより過剰な発電電流がバッテリに供給されることが防止される。この場合、余剰電力が単相交流発電機に戻されるため、循環電流による電力損失が増加する。
【００９９】
次に、本実施の形態に係る交流発電機の設計方法について説明する。単相交流発電機２は整流器３を通してバッテリ６に接続される。図１５は本実施の形態に係る単相交流発電機２の設計方法を示す図である。図１５の縦軸は発電電流であり、横軸はエンジンの回転速度である。
【０１００】
本実施の形態に係る設計方法では、アイドル回転速度よりも高い回転速度で要求電流Ｉｒｅｑと等しい発電電流が確保されるように単相交流発電機２が設計される。この場合、アイドル回転速度における単相交流発電機２の発電電流は要求電流Ｉｒｅｑよりも小さい。実施の形態に係る単相交流発電機２は特性Ｌ２で示される発電能力を有する。特性Ｌ２を有する単相交流発電機２は、最高回転速度で一定電圧のバッテリおよび負荷に最大電流Ｉｍａｘ２を供給可能である。
【０１０１】
実施の形態の単相交流発電機２では、発電電流が要求電流Ｉｒｅｑよりも小さい領域ＲＡと発電電流が要求電流Ｉｒｅｑよりも大きい領域ＲＢとが生じる。領域ＲＡでは、単相交流発電機２の発電能力が不足し、領域ＲＢでは単相交流発電機２の発電能力が過剰となる。それにより、要求電流Ｉｒｅｑに相当する発電電流を供給する場合に、領域ＲＡで電力不足が生じ、領域ＲＢで余剰電力が生じる。実施の形態の単相交流発電機２において余剰電力が生じる領域ＲＢは、比較例の単相交流発電機において余剰電力が生じる領域Ｒ１に比べて小さい。
【０１０２】
実施の形態に係る発電装置１０によれば、領域ＲＡでは、上向きの矢印で示すように、遅角制御により発電電力を増加させることが可能である。それにより、アイドル回転速度において要求電流Ｉｒｅｑと等しい発電電流を確保することができる。一方、領域ＲＢでは、下向きの矢印で示すように、進角制御により発電電力を減少させることが可能である。それにより、電力損失の増加を抑制することができる。
【０１０３】
実施の形態に係る単相交流発電機２の最大電流Ｉｍａｘ２は、比較例に係る単相交流発電機の最大電流Ｉｍａｘ１よりも小さい。特性Ｌ２を有する実施の形態の単相交流発電機２は、特性Ｌ１を有する比較例の単相交流発電機に比べて小型化が可能である。
【０１０４】
図１６は本実施の形態に係る発電装置１０の実際の運転時の発電制御方法を示す図である。
【０１０５】
発電装置１０の実際の運転時には、上記のように、バッテリ電圧Ｖｃｃが変動する。そのため、本実施の形態では、バッテリ電圧Ｖｃｃが目標電圧または目標電圧範囲内に維持されるように、界磁制御を用いた発電制御方法によりバッテリ電流Ｉｃｃが制御される。
【０１０６】
図１６に示すように、特性Ｌ２よりも下の領域Ｒａでは、下向きの矢印で示すように、進角制御により発電電流（発電電力）を減少させることが可能である。一方、特性Ｌ２よりも上の領域Ｒｂでは、上向きの矢印で示すように、遅角制御により発電電流（発電電力）を増加させることが可能である。したがって、バッテリ電圧Ｖｃｃの変化に応じて領域Ｒａ，Ｒｂ内で界磁制御を行うことによりバッテリ電圧Ｖｃｃを制御することができる。
【０１０７】
以上のように、本実施の形態に係る発電装置１０においては、界磁制御を行うことにより発電電力を制御することができるので、単相交流発電機２を小型に設計することが可能となる。また、図１に示したように、単相交流発電機２とは別にスタータモータ７が設けられるので、スタータ・ジェネレータ式の発電機とは異なり、始動トルクを確保するために単相交流発電機２を大型化する必要がない。したがって、発電装置１０の小型化が可能となる。
【０１０８】
（６）実施の形態の効果
本実施の形態によれば、エンジン１の低速回転領域では、遅角制御により要求電力を満足する発電電力を発生させることができ、エンジン１の高速回転領域では、進角制御により要求電力を大きく超える発電電力の発生を抑制することができる。したがって、小型の単相交流発電機２によりエンジン１の低速回転領域から高速回転領域まで要求電力を満足する発電電力を効率的に得ることが可能となる。
【０１０９】
この場合、エンジン１に備えられるクランク角センサ５から出力されるクランクパルスＣＰに基づいて遅角制御および進角制御を行うことができる。そのため、別途単相交流発電機２に回転子２２の回転角度を検出するための角度センサを設ける必要がない。したがって、発電装置１０の構造が複雑化せず、かつ発電装置１０の小型化および低コスト化が可能である。
【０１１０】
（７）他の実施の形態
（ａ）上記実施の形態では、整流器３がＦＥＴ３１〜３４により構成されるが、本発明はこれに限定されない。整流器３がＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の他の双方向性スイッチング素子により構成されてもよい。
【０１１１】
（ｂ）図１３の発電制御処理では、ステップＳ１４で通電切替タイミングが一定量遅角され、ステップＳ１６で通電切替タイミングが一定量進角されるが、本発明はこれに限定されない。例えば、エンジン１の回転速度に応じてステップＳ１４における遅角量およびステップＳ１６における進角量が設定されてもよい。
【０１１２】
（ｃ）上記実施の形態に係る自動二輪車１００では、スタータモータ７が設けられるが、スタータモータ７の代わりにまたはスタータモータ７に加えてクランク軸１１にキックスタータレバーが取り付けられてもよい。この場合にも、エンジン１の始動トルクを確保するために単相交流発電機２を大型化する必要がない。また、小型の単相交流発電機２がクランク軸１１に取り付けられるので、エンジン１の始動トルクが小さくなる。
【０１１３】
（ｄ）上記実施の形態では、発電装置１０が自動二輪車に設けられる場合について説明されているが、発電装置１０が他の移動体に設けられてもよい。他の移動体は、自動三輪車またはＡＴＶ（All Terrain Vehicle；不整地走行車両）等の他の鞍乗り型車両であってもよく、自動車等の他の車両であってもよく、エンジンを備えた船舶であってもよい。
【０１１４】
（８）請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各要素との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。
【０１１５】
上記実施の形態では、発電装置１０が発電装置の例であり、クランク角センサ５、突起部２８および無突起部２９がクランク角検出部の例であり、エンジン１がエンジンの例であり、クランク軸１１がクランク軸の例であり、単相交流発電機２が単相交流発電機の例であり、電機子巻線２４が電機子巻線の例であり、整流器３が整流部の例であり、ＦＥＴ３１〜３４がスイッチング素子の例であり、ＣＰＵ４１が通電制御部の例であり、クランクパルスＣＰがクランク角検出部の出力信号または検出信号の例である。
【０１１６】
また、回転子２２が回転子の例であり、磁極２７が磁極の例であり、突起部２８が突起部の例であり、無突起部２９が無突起部の例であり、クランク角センサ５が突起部検出器の例である。
【０１１７】
さらに、バッテリ６がバッテリの例であり、車両本体部１１０が本体部の例であり、エンジン制御装置４がエンジン制御装置の例であり、スタータモータ７またはキックスタータレバーが始動装置の例であり、自動二輪車１００が移動体の例である。
【０１１８】
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本発明は、エンジンを備えた発電装置に有効に利用することができる。
【符号の説明】
【０１２０】
１  エンジン
２  単相交流発電機
３  整流器
４  エンジン制御装置
５  クランク角センサ
７  スタータモータ
８  スタータリレー
１０  発電装置
１１  クランク軸
１２  点火噴射装置
１３，１４  ギア
１５  減速器
２１  固定子
２２  回転子
２３  歯部
２４  電機子巻線
２５  オープンスロット
２６  回転子本体
２７  磁極
２８  突起部
２９  無突起部
３１〜３４  ＦＥＴ
４１  ＣＰＵ
４２  ゲートドライバ
１００  自動二輪車
１１０  車両本体部
１２０  前輪
１３０  後輪
Ｃ１〜Ｃ４  制御信号
ＣＰ  クランクパルス
Ｅ  誘起電圧
Ｉｃｃ  バッテリ電流
Ｉｍａｘ１，Ｉｍａｘ２  最大電流
Ｉｐｎ  相電流
Ｉｒｅｑ  要求電流
Ｌ１，Ｌ２  特性
Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３，Ｎ４  ノード
Ｒ１，ＲＡ，ＲＢ，Ｒａ，Ｒｂ  領域
Ｔ１  期間
ｔ１，ｔ２，ｔ３  時点
Ｖｃｃ  バッテリ電圧
Ｖｐｎ  整流器電圧
【図１】
2015035942.tif 000003
【図２】
2015035942.tif 000004
【図３】
2015035942.tif 000005
【図４】
2015035942.tif 000006
【図５】
2015035942.tif 000007
【図６】
2015035942.tif 000008
【図７】
2015035942.tif 000009
【図８】
2015035942.tif 000010
【図９】
2015035942.tif 000011
【図１０】
2015035942.tif 000012
【図１１】
2015035942.tif 000013
【図１２】
2015035942.tif 000014
【図１３】
2015035942.tif 000015
【図１４】
2015035942.tif 000016
【図１５】
2015035942.tif 000017
【図１６】
2015035942.tif 000018