(57)【要約】【課題】外部から供給する励磁電流を少なくし、制御応答性が速く、制御が不安定になることを防止することができる車両用交流発電機を提供すること。【解決手段】第１の界磁巻線式発電機としての主発電機２０と、第２の界磁巻線式発電機としての励磁機３０と、主発電機２０の出力電圧を整流する整流器４０を含んで車両用交流発電機が構成される。整流器４０は、少なくとも一部に、断続状態が制御可能なＭＯＳＦＥＴ４８を有している。バッテリ２００の出力端子の電圧が適正範囲を超えたときに、ＭＯＳＦＥＴ４８がオン状態に制御される。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の界磁巻線式発電機と、前記第１の界磁巻線式発電機と同じ駆動軸によって回転駆動される第２の界磁巻線式発電機と、前記第１の界磁巻線式発電機の交流出力に対して整流する整流器とを有する車両用交流発電機において、
前記第１の界磁巻線式発電機は、電機子としての第１の固定子と、界磁子としての第１の回転子とを有し、
前記第２の界磁巻線式発電機は、電機子としての第２の回転子と、界磁子としての第２の固定子とを有し、前記第２の回転子によって発生した電流が前記第１の回転子に励磁電流として供給され、
前記整流器は、少なくとも一部に、断続状態が制御可能なスイッチ素子を有す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において、
前記第１の固定子は、多相巻線を有しており、
前記整流器に含まれる前記スイッチ素子は、ＦＥＴスイッチであり、
前記多相巻線の各端子と前記整流器の負極端子との間に前記ＦＥＴスイッチを接続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において、
前記第１の固定子は、多相巻線を有しており、
前記整流器に含まれる前記スイッチ素子は、ＦＥＴスイッチであり、
前記多相巻線の各端子と前記整流器の負極端子および正極端子のそれぞれの間に前記ＦＥＴスイッチを接続することを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記第２の固定子は、界磁巻線を有しており、
前記第１および第２の回転子の回転数が所定値以下のときに、前記第２の固定子に備わった前記界磁巻線に対して連続通電が行われ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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車やトラック等に搭載されてバッテリ充電用あるいはアイドルストップスタート用に用いられる車両用交流発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、車両の燃費向上が叫ばれる一方で増大した電気負荷に電力を供給するために車両用交流発電機の高出力化が進んでいる。限られた搭載スペースの中で高性能化するために各種の技術が提案されているが、歴史的に見ると、最も基本的な技術進化の流れとしては、界磁巻線の低抵抗化と高占積率化があげられる。すなわち、界磁巻線の抵抗値を下げ、所定の端子電圧を有するバッテリから界磁巻線に対して大きな励磁電流を流すことにより、励磁アンペアターンを増加させて界磁力の増大を図って高出力化を実現する。
【０００３】
しかしながら、一般的な従来の車両用交流発電機は、回転子の回転軸に設けられたスリップリングにブラシを摺接することにより、界磁巻線に励磁電流を供給する構造を有している。このため、励磁電流を大きくすると、スリップリングとブラシの接触抵抗によって生じる発熱が多くなって、スリップリングやブラシの異常摩耗の原因となるため、無制限に励磁電流を大きくできるわけではない。しかも、高出力化とともに小型化の要求もあるため、励磁電流を制御するために小型レギュレータが用いられているが、励磁電流を増大させると、この小型レギュレータに内蔵されたスイッチング素子の発熱が過大になって、寿命の低下や故障の原因になる。したがって、従来からの高出力化の要求に応えるために既に励磁電流は許容電流上限値に達しているといえる。
【０００４】
また一方で、建設機械用などで重用されている多極爪型回転子ブラシレス方式を採用する構造も提案されているが、界磁制御を行う小型レギュレータの許容電流の限界の問題を解決するものでないばかりでなく、ブラシレス構造とすることにより磁気回路が分断されて損失が増大し、出力の大幅な低下につながるため、元々の目的である高出力化が達成できない。
【０００５】
このように励磁電流を単に増加させようとすると様々な問題が生じるため、これ以外の方法で高出力化を実現する必要がある。例えば、従来から水力発電所などの大型発電機で用いられてきた主発電機の界磁を副発電機で得る技術、すなわち副発電機としてのエキサイタ（励磁機）に小さな励磁電流を流すことにより、主発電機に供給される大きな励磁電流を発生させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許第４，７９７，５９０号明細書（第３−５頁、図１−２）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特許文献１に開示された発電機のように、主発電機と副発電機を組み合わせた縦続システムに加えバッテリの電圧応答も考慮すると、制御応答性が悪く、制御が不安定になるなどの問題があった。このため、この構成をそのまま車両用交流発電機に適用することはできない。
【０００８】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、外部から供給する励磁電流を少なくすることができる車両用交流発電機を提供することにある。また、本発明の他の目的は、制御応答性が速く、制御が不安定になることを防止することができる車両用交流発電機を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電機は、第１の界磁巻線式発電機と、第１の界磁巻線式発電機と同じ駆動軸によって回転駆動される第２の界磁巻線式発電機と、第１の界磁巻線式発電機の交流出力に対して整流する整流器とを有しており、第１の界磁巻線式発電機は、電機子としての第１の固定子と、界磁子としての第１の回転子とを有し、第２の界磁巻線式発電機は、電機子としての第２の回転子と、界磁子としての第２の固定子とを有し、第２の回転子によって発生した電流が第１の回転子に励磁電流として供給され、整流器は、少なくとも一部に、断続状態が制御可能なスイッチ素子を有している。第２の界磁巻線式発電機によって発生した励磁電流を第１の界磁巻線式発電機に供給しているため、第２の界磁巻線式発電機に外部から供給する励磁電流を少なくすることができる。また、第１の界磁巻線式発電機が発電を開始すると、整流器に接続されたバッテリの端子電圧が上昇してくるが、第２の界磁巻線式発電機に対する励磁電流の供給を停止させ、これに伴って第１の界磁巻線式発電機の発電を停止させることにより、バッテリの端子電圧の上昇を抑えることができる。また、第２の界磁巻線式発電機の発電を停止して第１の界磁巻線式発電機の発電を停止させるまでの間に生じるバッテリ電圧の上昇に対しては、整流器に備わったスイッチング素子を短絡あるいは開放することによりこの上昇を抑えることができる。整流器が接続された電機子側の応答は速いため、このようなスイッチング素子の制御を行うことにより、バッテリの端子電圧の上昇を速やかに抑えることが可能になり、制御が不安定になることを防止することができる。
【００１０】
また、上述した第１の固定子は、多相巻線を有しており、整流器に含まれるスイッチ素子は、ＦＥＴスイッチであり、多相巻線の各端子と整流器の負極端子との間にＦＥＴスイッチを接続することが望ましい。ＦＥＴスイッチを用いることにより、ＳＣＲ（シリコン制御整流器）のように次の半周期まで待つことなく瞬時に断続制御を行うことが可能であるため制御の応答性をさらに速くすることができる。また、整流器の負極端子側にＦＥＴスイッチを接続する場合には、ＦＥＴスイッチへのゲート制御電圧の印加をバッテリ電圧を用いて行うことが可能になるため、制御用電圧を別に生成する必要がなくなり、制御が簡単になる。
【００１１】
また、上述した第１の固定子は、多相巻線を有しており、整流器に含まれるスイッチ素子は、ＦＥＴスイッチであり、多相巻線の各端子と整流器の負極端子および正極端子のそれぞれの間にＦＥＴスイッチを接続することが望ましい。このように整流器に含まれる各整流素子をＦＥＴスイッチとしたインバータ構成を採用することにより、整流器から第１の界磁巻線式発電機の電機子に対して電力を供給して第１の界磁巻線式発電機を電動機として動作させたり、第１の界磁巻線式発電機の発電位相を制御して電機子反作用による減磁を抑えて増磁作用を強めることによって高出力化を図ることができる。また、整流器の負極端子および正極端子のそれぞれに接続された各ＦＥＴスイッチを短絡あるいは開放する制御を行うことにより、制御の応答性をさらに速くすることができる。
【００１２】
また、上述した第２の固定子は、界磁巻線を有しており、第１および第２の回転子の回転数が所定値以下のときに、第２の固定子に備わった界磁巻線に対して連続通電が行われることが望ましい。これにより、低回転時における励磁力の増大による高出力化が可能であり、広い回転域での高出力化と発電制御の安定化を両立することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。また、図２は本実施形態の車両用交流発電機の結線図である。
【００１４】
図１に示す車両用交流発電機１００は、フロント側ハウジング１０、リア側ハウジング１２、主発電機２０、励磁機（エキサイタ）３０、整流器４０を含んで構成されている。
主発電機２０は、車両用交流発電機１００の外部に供給する電力を発生する第１の界磁巻線式発電機であり、駆動軸としてのシャフト２２の周囲に固定されて一体となって回転駆動される界磁子として機能する第１の回転子２４と、フロント側ハウジング１０に固定されて電機子として機能する第１の固定子２６とを有している。第１の回転子２４は、２つの界磁鉄心２４０、２４２によって主界磁巻線２４４を軸方向両側から挟み込んだ構造を有している。一方の界磁鉄心２４２の端面には、励磁機３０による発電によって生成された交流電圧を整流する界磁整流器２４６が備わっており、この界磁整流器２４６の整流動作によって得られる直流電圧が主界磁巻線２４４の両端に印加されて励磁電流が流れるようになっている。また、第１の固定子２６は、電機子鉄心２６０に形成された複数のスロットに、多相巻線（例えば三相巻線）としての電機子巻線２６２を巻装した構造を有している。この電機子巻線２６２の端子が整流器４０に接続されている。
【００１５】
励磁機３０は、主発電機２０の主界磁巻線２４４に流す励磁電流を発生する第２の界磁巻線式発電機であり、主発電機２０に含まれる第１の回転子２４が固定されたシャフト２２の周囲に固定されて一体となって回転駆動される電機子として機能する第２の回転子３４と、リア側ハウジング１２に固定されて界磁子として機能する第２の固定子３６とを有している。第２の回転子３４は、電機子鉄心３４０に電機子巻線３４２が巻装された構造を有しており、電機子巻線３４２に誘起した交流電圧が主発電機２０の第１の回転子２４に含まれる界磁整流器２４６に印加される。また、第２の固定子３６は、界磁鉄心３６０に界磁巻線３６２が巻装された構造を有している。
【００１６】
整流器４０は、負極側放熱板４２と、出力端子４４が接続された正極側放熱板４６とを含んで構成されている。図２に示すように、負極側放熱板４２は負極側端子として機能しており、この負極側端子と主発電機２０に含まれる電機子巻線２６２の３つの端子のそれぞれとの間（負アーム側）に、ダイオード４７とＭＯＳＦＥＴ４８とを並列接続したスイッチ素子（ＦＥＴスイッチ）が接続されている。また、正極側放熱板４６は正極側端子として機能しており、この正極側端子と電機子巻線２６２の３つの端子のそれぞれとの間（正アーム側）にダイオード４９が接続されている。また、出力端子４４は、励磁機３０の界磁巻線３６２の一方端に接続されている。
【００１７】
３つのＭＯＳＦＥＴ４８のそれぞれのソース・ドレイン間は、バッテリ２００の端子電圧が所定の適正範囲を超えると、制御回路５０によって正電位の制御ゲート電圧が出力されて直ちに短絡される。
制御回路５０は、バッテリ２００の端子電圧に基づいて、整流器４０に含まれるＭＯＳＦＥＴ４８の断続状態を制御する。バッテリ２００の端子電圧が所定の適正範囲内にある場合には各ＭＯＳＦＥＴ４８のソース・ドレイン間が開放され（オフ状態）、適正範囲を超えると短絡される（オン状態）。また、制御回路５０は、励磁機３０の界磁巻線３６２の他方端に接続されたスイッチング素子５２を有しており、界磁巻線３６２に対する励磁電流の断続制御を行っている。制御回路５０は、シャフト２２に固定された第１および第２の回転子２４、３４の回転数が所定値以下の低速回転時には、スイッチング素子５２のオン状態を維持し、これにより、界磁巻線３６２に対する連続通電が行われる。
【００１８】
本実施形態の車両用交流発電機１００はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。
例えば、本実施形態の車両用交流発電機１００では、整流器４０から励磁機３０の界磁巻線３６２に対して５Ａ程度の励磁電流が流れたときに、励磁機３０の電機子巻線３４２に接続された界磁整流器２４６から定格でその１０倍、すなわち５０Ａ程度の励磁電流が主発電機２０の主界磁巻線２４４に供給可能な仕様に設定されている。
【００１９】
シャフト２２に固定されたプーリ２３がエンジン（図示せず）によって回転駆動されると、励磁機３０が発電を開始するため、励磁機３０の電機子巻線３４２に交流電圧が誘起する。この交流電圧は主発電機２０の界磁整流器２４６に印加されて直流電圧に変換され、界磁整流器２４６から主発電機２０の主界磁巻線２４４に対して励磁電流が供給され、主発電機２０による発電が開始される。この結果、整流器４０の出力端子４４からバッテリ２００に対して充電電流が流れ、バッテリ２００の端子電圧が次第に上昇する。
【００２０】
制御回路５０は、バッテリ２００の端子電圧を監視しており、端子電圧が第１の基準値を超えるとスイッチング素子５２をオフ状態にして励磁機３０の界磁巻線３６２に対する励磁電流の供給を停止する制御を行う。この結果、励磁機３０の発電が停止し、あるいは発電量が減少し、その後、主発電機２０の発電が停止し、あるいは発電量が減少し、出力端子４４からバッテリ２００に供給される充電電流が減少してバッテリ２００の端子電圧の上昇が抑えられる。
【００２１】
また、制御回路５０は、このようにして励磁機３０の界磁巻線３６２に対する励磁電流の供給を停止してからバッテリ２００に対して供給する充電電流を減少させるまでの間にバッテリ２００の端子電圧が第２の基準値（第１の基準値よりも高い値に設定されている）を超えると、整流器４０に含まれるＭＯＳＦＥＴ４８をオン状態に制御し、出力端子４４からバッテリ２００に対する充電電流の供給を速やかに停止あるいは減少させる。
【００２２】
図３は、励磁機３０が備わっていない従来構成の車両用交流発電機の応答性を説明する図である。また、図４は励磁機３０が備わった従来構成（例えば特許文献１を参照）の車両用交流発電機の応答性を説明する図である。
これらの図において、Ｔｆは車両用交流発電機の界磁時定数、Ｔｆ１は励磁機の界磁時定数、Ｔｆ２は主発電機の界磁時定数、ｓは伝達関数の変数（複素数）、Ｋはバッテリの端子電圧Ｖｂを用いて帰還制御する場合の帰還ゲインである。
【００２３】
図３に示した従来構成の制御系は、車両用発電機とバッテリの一次遅れ要素を経て負帰還電圧制御をかける構成であり、周知のように安定制御解があるため常用されている。これに対し、図４に示した励磁機付きの従来構成の制御系は、励磁機自体が一次遅れ要素であることから、一巡伝達関数が図３に示した制御系よりも高次になり、通常は安定制御が困難となる。
【００２４】
図５は、本実施形態の車両用交流発電機の応答性を説明する図である。図５において、Ｔｆ１は励磁機３０の界磁時定数、Ｔｆ２は主発電機２０の界磁時定数、ｓは伝達関数の変数（複素数）、Ｋ１はバッテリ２００の端子電圧Ｖｂに基づく励磁機３０の励磁電流制御によって主発電機２０の発電状態を帰還制御する場合の帰還ゲイン、Ｋ２はバッテリ２００の端子電圧Ｖｂに基づくＭＯＳＦＥＴ４８の断続制御によって主発電機２０の発電状態を帰還制御する場合の帰還ゲインである。
【００２５】
本実施形態の車両用交流発電機１００では、ＭＯＳＦＥＴ４８を断続することにより主発電機２０の発電状態を直接制御することが可能になり、その厳密な制御系が図５（Ａ）に示されている。ここで、帰還ゲインＫ２が含まれる主発電機２０全体の伝達関数Ｇ’は、図５（Ｂ）の上段に示すように変形した後、Ｔｆ２＜＜１＋Ｋ２という条件を満たすように帰還ゲインＫ２を設定することにより、図５（Ｂ）の下段に示すようにさらに１／（１＋Ｋ２）と変形することができる。図５（Ｃ）にはこの変形後の主発電機２０の伝達関数を用いた車両用交流発電機１００全体の制御系が示されている。図５（Ｃ）に示した制御系をさらに変形すると図５（Ｄ）に示す形になる。
【００２６】
このように、帰還ゲインＫ２を所定の条件を満たすように設定することにより、励磁機３０を有しない制御系（図３）と同じ次数の制御系（図５（Ｄ））とすることができ、出力電圧の制御の応答を高速化しつつ安定させることが可能になる。
【００２７】
図６は、本実施形態の車両用交流発電機１００によるバッテリ２００の端子電圧の制御状態を示す図である。図６（Ａ）にはバッテリ２００の端子電圧の時間変化（横軸は時間ｔ）が、図６（Ｂ）には制御回路５０内のスイッチング素子５２の断続状態に対応した励磁機３０の界磁制御タイミングがそれぞれ示されている。
【００２８】
図６（Ａ）の特性ａで示したように、励磁機付きの従来構造では、励磁機の界磁タイミングを制御してもその応答が遅いためバッテリ端子電圧を所定値に維持することはできなかった。これに対し、図６（Ａ）の特性ｂで示したように、本実施形態の車両用交流発電機１００では、整流器４０に含まれるＭＯＳＦＥＴ４８を断続制御することにより、バッテリ端子電圧を所定値に維持することができるようになった。
【００２９】
このように、本実施形態の車両用交流発電機１００では、励磁機３０によって発生した励磁電流を主発電機２０に供給しているため、励磁機３０に外部から供給する励磁電流を少なくすることができる。また、主発電機２０が発電を開始すると、整流器４０に接続されたバッテリ２００の端子電圧が上昇してくるが、励磁機３０に対する励磁電流の供給を停止させ、これに伴って主発電機２０の発電を停止させることにより、バッテリ２００の端子電圧の上昇を抑えることができる。また、励磁機３０の発電を停止して主発電機２０の発電を停止させるまでの間に生じるバッテリ端子電圧の上昇に対しては、整流器４０に備わったＭＯＳＦＥＴ４８を短絡あるいは開放する断続制御を行うことによりこの上昇を抑えることができる。特に、整流器４０が接続された主発電機２０の電機子側の応答は速いため、このようなＭＯＳＦＥＴ４８の断続制御を行うことにより、バッテリ２００の端子電圧の上昇を速やかに抑えることが可能になり、制御が不安定になることを防止することができる。
【００３０】
また、ＭＯＳＦＥＴ４８を用いることにより、ＳＣＲのように次の半周期まで待つことなく瞬時に断続制御を行うことが可能であるため制御の応答性をさらに速くすることができる。また、整流器４０の負極端子側（負アーム側）にＭＯＳＦＥＴ４８を接続することにより、ＭＯＳＦＥＴ４８へのゲート制御電圧の印加をバッテリ２００の端子電圧を用いて行うことが可能になるため、制御用電圧を別に生成する必要がなくなり、制御が簡単になる。
【００３１】
さらに、回転数が所定値以下の低回転時に、励磁機３０の第２の固定子３６に備わった界磁巻線３６２に対して連続通電が行われるため、低回転時における励磁力の増大による高出力化が可能であり、広い回転域での高出力化と発電制御の安定化を両立することができる。
【００３２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、整流器４０の負アーム側のみにＭＯＳＦＥＴ４８を接続したが、正アーム側のみ、あるいは負アーム側と正アーム側の両方にＭＯＳＦＥＴを接続するようにしてもよい。
【００３３】
図７は、整流器の負アーム側と正アーム側の両方にＭＯＳＦＥＴを用いた変形例の車両用交流発電機の結線図である。図７に示す車両用交流発電機は、図２に示した車両用交流発電機に含まれる整流器４０を整流器４０Ａに置き換えた点が異なっている。この整流器４０Ａは、整流器４０に対して、正アーム側に接続された３つのダイオード４９のそれぞれに並列にＭＯＳＦＥＴ６０が接続された点が異なっている。
【００３４】
図７に示すように、負アーム側と正アーム側の両方にＭＯＳＦＥＴを接続したインバータ構成を採用することにより、各ＭＯＳＦＥＴを所定のタイミングで断続制御してバッテリ２００から主発電機２０の電機子巻線２６２に対して電力を供給して主発電機２０を電動機として動作させるを採用することが可能になる。あるいは、主発電機２０の発電位相を制御して電機子反作用による減磁を抑えることができ、増磁作用を強めることによる高出力化を図ることができる。また、整流器４０の負アーム側と正アーム側の両方に接続された各ＭＯＳＦＥＴ４８、６０を断続制御を行うことにより、制御の応答性をさらに速くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の車両用交流発電機の全体構成を示す図である。
【図２】本実施形態の車両用交流発電機の結線図である。
【図３】励磁機が備わっていない従来構成の車両用交流発電機の応答性を説明する図である。
【図４】励磁機が備わった従来構成の車両用交流発電機の応答性を説明する図である。
【図５】本実施形態の車両用交流発電機の応答性を説明する図である。
【図６】本実施形態の車両用交流発電機によるバッテリの端子電圧の制御状態を示す図である。
【図７】整流器の負アーム側と正アーム側の両方にＭＯＳＦＥＴを用いた変形例の車両用交流発電機の結線図である。
【符号の説明】
１０  フロント側ハウジング
１２  リア側ハウジング
２０  主発電機
２２  シャフト
２３  プーリ
２４  第１の回転子
２６  第１の固定子
３０  励磁機
３４  第２の回転子
３６  第２の固定子
４０、４０Ａ  整流器
４２  負極側放熱板
４４  出力端子
４６  正極側放熱板
４７、４９  ダイオード
４８、６０  ＭＯＳＦＥＴ
５０  制御回路
５２  スイッチング素子
１００  車両用交流発電機
２００  バッテリ
２４０、２４２、３６０  界磁鉄心
２４４  主界磁巻線
２４６  界磁整流器
２６０、３４０  電機子鉄心
２６２、３４２  電機子巻線
３６２  界磁巻線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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