(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のＮＳ磁極を有する回転子と、前記回転子と対向配置された固定子鉄心と、前記固定子鉄心の複数のスロットに装備された多相の固定子巻線を備える固定子とを持つ車両用回転電機において、
前記複数のスロットは、前記回転子の磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットを１相分のスロット群として、多相分のスロット群よりなる第１スロット組と、さらに前記第１スロット組から所定の電気角度ずれた第２スロット組とを含んでおり、
前記多相の固定子巻線は、前記第１スロット組に含まれる前記スロット群に収容された複数の導体とスロット外のコイルエンドによって第１巻線が形成され、前記第２スロット組に含まれる前記スロット群に収容された複数の導体とスロット外のコイルエンドによって第２巻線が形成され、
前記第１巻線の端末とつながる第１ブリッジ回路と、前記第１ブリッジ回路と独立して前記第２巻線の端末とつながる第２ブリッジ回路とを有し、
前記第１ブリッジ回路は第１巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを切り換え可能なスイッチング手段を有し、前記第２ブリッジ回路は第２巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを切り換え可能なスイッチング手段を有し、
前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の出力端どうしが、接続されており、
前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路のスイッチング手段は、前記第１巻線と前記第２巻線の各相の一方が短絡し他方がブリッジ形成を為すスイッチングのタイミングを有する制御機構を備え、
前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の端末は接地されており、前記スイッチング手段は、前記ブリッジ回路の接地側に配置されていることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用回転電機において、
前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路のスイッチングの周波数は同一であり、スイッチングのオフ時間がオン時間以上であることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項３】
請求項１もしくは２に記載の車両用回転電機において、
前記回転子の回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手段により検出された回転数が所定の回転数以下になると前記スイッチング手段を作動させる制御機構を持って、発電機として作動することを特徴とする車両用回転電機。
【請求項４】
請求項１もしくは２に記載の車両用回転電機において、
前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路のすべての素子がスイッチング機能を有し、前記第１ブリッジ回路のスイッチング手段と前記第２ブリッジ回路のスイッチング手段とは、互いに同時にオンしないよう制御され、電動機として作動することを特徴とする車両用回転電機。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の車両用回転電機において、
前記スイッチング手段はＭＯＳトランジスタにより形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の車両用回転電機において、
前記固定子巻線は前記スロット形状に沿った略矩形の断面を有していることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載の車両用回転電機において、
前記固定子巻線は前記スロット内において、スロットの深さ方向に実質的に２本配置され、一つのスロット内の外径側の導体と他のスロットの内径側の導体が接続されていることを特徴とする車両用回転電機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載される電動機や発電機などの回転電機に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題対策として、市街地走行などの低速走行の時はモーター駆動で走行し、郊外の高速走行の時はエンジン駆動とするハイブリッド電気自動車が生産されるようになった。また、信号での車両の一時停止の時に、エンジンをストップさせる活動も市街地の路線バスなどで実施されており、自動的にこれを行うアイドル・ストップのシステムについても幅広く研究が行われている。これに伴い、車両が一時停止した時にコンプレッサやパワステポンプ等の駆動を行うための電動機機能と、車両が走行している時の発電機機能とを併せ持つ回転電機が必要となってきた。一方、感性品質の向上の一環として車室内の静粛性の要求が高まり、上記の回転電機から生ずる騒音、特に電磁機械であるがゆえに低速回転から生ずる磁気音の低減が必要であった。
【０００３】
一般に、電動機として回転駆動トルクを高めるためには、効率を向上するとともに、固定子のスロットあたりの導体本数を少なくして駆動電流を高くする必要がある。しかし、固定子のスロットあたりの導体本数を少なくすると、発電機として作動する時に、バッテリーや各種電気負荷に電力を供給できる回転数が高くなり、言い換えると市街地走行などで頻度の高い低速回転領域において出力が不足し、バッテリーあがりなどの問題を生ずる。
【０００４】
これに対し、特開昭６３−８７１３７号公報には、発電機として用いる場合は、整流器のブリッジ素子にスイッチとダイオードの役割を同時に果たすＭＯＳトランジスタを用い、各スイッチのオン、オフを高速で制御して固定子巻線の各相の短絡とブリッジ回路形成を繰り返すことにより、低速回転でも充電電流を取り出す構成が示されている。また、電動機として用いる場合は、各スイッチの制御により固定子巻線に回転磁界を形成するよう外部から電流を流している。
【０００５】
また、上記公報には、４相巻線を用い、電気角が１８０度ずれた２相の巻線群を交互に短絡する構成が示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭６３−８７１３７号に記載の回転電機では、低速回転で出力するために固定子巻線を高速、すなわち高周波で短絡・遮断する場合には、固定子からの磁束もこの高周波で変動するので、これに対応した高周波数の磁気音が発生するという問題がある。さらに、このような高周波数の音は、他の低速回転領域の回転機器やエンジンからの騒音に対して、非常に耳障りな音である。電動機として作動する時も、各スイッチのオン・オフにより、固定子の回転磁界も脈動を持つので、同様に磁気音の発生する問題があった。しかし、特開昭６３−８７１３７号では、磁気音低減については何ら考慮されていない。
【０００７】
なお、上記公報の構造では、通常のブリッジ回路が形成される回転数領域における磁気音の低減はできない。
【０００８】
本発明は、上記の問題に鑑み、磁気音の低減を図りつつ、低速回転から充電電流を供給できる発電機、あるいは所定の駆動トルクを確保できる電動機、さらにはこれらの発電機と電動機の機能を併せ持つ、車両用回転電機を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明によれば、複数のＮＳ磁極を有する回転子と、前記回転子と対向配置された固定子鉄心と、前記固定子鉄心の複数のスロットに装備された多相の固定子巻線を備える固定子とを持つ車両用回転電機において、前記複数のスロットは、前記回転子の磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットを１相分のスロット群として、多相分のスロット群よりなる第１スロット組と、さらに前記第１スロット組から所定の電気角度ずれた第２スロット組とを含んでおり、前記多相の固定子巻線は、前記第１スロット組に含まれる前記スロット群に収容された複数の導体とスロット外のコイルエンドによって第１巻線が形成され、前記第２スロット組に含まれる前記スロット群に収容された複数の導体とスロット外のコイルエンドによって第２巻線が形成され、前記第１巻線の端末とつながる第１ブリッジ回路と、前記第１ブリッジ回路と独立して前記第２巻線の端末とつながる第２ブリッジ回路とを有し、前記第１ブリッジ回路は第１巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを切り換え可能なスイッチング手段を有し、前記第２ブリッジ回路は第２巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを切り換え可能なスイッチング手段を有し、前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の出力端どうしが、接続されていることを特徴としている。
【００１０】
これにより、発電機として低速回転から充電電流を供給できるとともに、２つの位相の異なる多相巻線を１つの固定子に配置することにより、各相の交流電流による起磁力をキャンセルするように合成できるので、電磁機械としての回転電機の磁気音を大幅に低減できる。
【００１１】
また、前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路のスイッチング手段は、前記第１巻線と前記第２巻線の各相の一方が短絡し他方がブリッジ形成を為すスイッチングのタイミングを有する制御機構を持つことを特徴としている。これにより、スイッチのオン、オフによる磁束の脈動が、第１巻線と第２巻線とで付勢しあうことがない。よって、スイッチのオン、オフによる磁気音の発生を防止できる。
【００１２】
さらに、前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の端末は接地されており、前記スイッチング手段は、前記ブリッジ回路の接地側に配置されていることを特徴としている。これにより、発電機として低速回転から充電電流を供給できる。
【００１３】
請求項２によれば、請求項１に記載の車両用回転電機において、前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路のスイッチングの周波数は同一であり、スイッチングのオフ時間がオン時間以上であることを特徴としている。これにより、スイッチのオン、オフによる磁気音の発生を低減できる。
【００１４】
請求項３によれば、請求項１もしくは２に記載の車両用回転電機において、回転数を検出する手段と、検出結果を受けて所定の回転数以下になると前記スイッチング手段を作動させる制御機構を持って、発電機として作動することを特徴としている。これにより、発電機として低速回転から充電電流を供給できる。
【００１５】
請求項４によれば、請求項１もしくは２に記載の車両用回転電機において、前記回転子の回転数を検出する回転数検出手段と、前記回転数検出手段により検出された回転数が所定の回転数以下になると前記スイッチング手段を作動させる制御機構を持って、発電機として作動することを特徴とするとしている。これにより、スイッチのオン、オフによる磁気音を抑制した電動機を実現できる。
【００１６】
請求項５によれば、請求項１から４のいずれかに記載の車両用回転電機において、前記スイッチング手段はＭＯＳトランジスタにより形成されていることを特徴としている。これにより、コンパクトに、低速回転からの出力が可能で磁気音の小さい車両用回転電機を実現できる。
【００１７】
請求項６によれば、請求項１から５のいずれかに記載の車両用回転電機において、前記固定子巻線は前記スロット形状に沿った略矩形の断面を有していることを特徴としている。これにより、固定子の磁極歯が磁気変動によって振動することを抑え、磁気音をさらに低減できる。
【００１８】
請求項７によれば、請求項１から６のいずれかに記載の車両用回転電機において、前記固定子巻線は前記スロット内において、スロットの深さ方向に実質的に２本配置され、一つのスロット内の外側の導体と他のスロットの内側の導体が接続されていることを特徴としている。これにより、車両用の発電機としても電動機としても、磁気音を低減しつつ、最大出力を得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の車両用回転電機を、特に交流発電機での実施例を説明する。
【００２０】
〔第一実施形態〕
図１から図３はこの発明の第一実施形態を示したもので、図１は本発明の回路のブロック図、図２は本発明の各固定子巻線に流れる電流の変化図、図３は図２の電流の変化による起磁力の変化図である。
【００２１】
車両用交流発電機は、回転子の界磁コイル４に電流を流してＮＳ磁極を形成し、これを固定子の内周側で回転させることによって、電磁誘導作用により固定子巻線に交流電圧を発生させ、整流器により直流に変換し、外部へ出力を供給する。
【００２２】
第一実施形態では、図１に示すように、固定子には３相の第１巻線１１と第２巻線１２とが電気角が３０度ずれた状態で配置されている。各々の巻線の出力線は、第１ブリッジ回路２１と第２ブリッジ回路２２に接続されている。第１ブリッジ回路２１の接地側には、第１巻線１１の各相を短絡できるスイッチ２１１と、このスイッチ２１１と並列にダイオード２１２が、３相ぶん配置されている。具体的には、スイッチ２１１とダイオード２１２の並列回路と同様の作動を行うＭＯＳトランジスタ２１０が用いられる。ブリッジ回路の反接地側には、整流ダイオード２１３が３相ぶん配置されている。第２ブリッジ回路２２も、第１ブリッジ回路２１と同様に、接地側にＭＯＳトランジスタ２２０、反接地側に整流ダイオード２２３が配置されている。
【００２３】
第１ブリッジ回路２１と第２ブリッジ回路２２の出力は、出力端３において合成され、バッテリー８や各種の電気負荷９に電力を供給する。発電量は、制御装置５によって界磁コイル４に流す界磁電流を調整して、コントロールされている。
【００２４】
一方、第１ブリッジ回路２１と第２ブリッジ回路２２のスイッチ２１１、２２１は、スイッチング制御装置６につながっており、この制御装置６には回転子の回転数を検出する装置７からの入力部を持ち、界磁電流の制御装置５にもつながっている。
【００２５】
回転子の回転数が所定値以下の低速になったことを装置７が検出すると、スイッチング制御装置６が作動する。スイッチング制御装置６は、第１ブリッジ回路２１のスイッチ２１１と第２ブリッジ回路２２のスイッチ２２１を一定速度でオン、オフを繰り返すことによって、固定子巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを繰り返す。これにより、低速回転での充電電流を取り出す。なお、図２に示すように、第１ブリッジ回路２１のスイッチ２１１と第２ブリッジ回路２２のスイッチ２２１がいずれもオンとならぬように、スイッチングが制御されている。
【００２６】
図２の固定子巻線に流れる電流の変化図に示すように、第１巻線１１の電流波形は、時間経過とともに理想的な正弦波形１１０に対し、第１ブリッジ回路２１のスイッチ２１１がオンになると増加しオフになると減少し、結果として山部１１０ａと谷部１１０ｂを持つ波形となる。一方、第２巻線１２の電流波形は、第１巻線１１の電流波形に対し電気角が３０度ずれた正弦波形１２０を基本とし、これに第２ブリッジ回路２２のスイッチ２２１のオン、オフによって生ずる山部１２０ａと谷部１２０ｂを持つ波形となる。この時、スイッチ２１１とスイッチ２２１のオンとオフが反転するように制御されているので、第１巻線１１の電流波形の山部１１０ａと同じタイミングで第２巻線１２の電流波形の谷部１２０ｂが発生し、逆に第１巻線１１の電流波形の谷部１１０ｂと同じタイミングで第２巻線１２の電流波形の山部１２０ａが発生する。
【００２７】
上記の電流波形に対応し、第１巻線１１による起磁力１１０ｃと第２巻線１２による起磁力１２０ｃは、図３に示すように、基本正弦波形１１０ｄ、１２０ｄに対して、電流波形の山部や谷部に対応した位置にひずみを持つ。よって、これらを組み合わせた合成起磁力１３０は、基本正弦波１１０ｄ、１２０ｄどうしが打ち消されるとともに、一方の山部と他方の谷部がそれぞれ合わさってほとんど変動が無くなり、磁気音の大幅な低減が可能となった。
【００２８】
〔その他の実施形態〕
第一実施形態では、スイッチ２１１とスイッチ２２２のオンとオフを反転させたが、スイッチ２１１とスイッチ２２２のオンとオフを同期させた場合、図４に示すように、第１巻線１１による起磁力１１０ｃと第２巻線１２による起磁力１２０ｃ’との合成起磁力１３０’は、スイッチングによる起磁力変動はうち消されないものの、基本正弦波１１０ｄ、１２０ｄどうしが打ち消されるので、低速からの出力を取り出しつつ、ある程度の磁気音低減を達成できる。
【００２９】
第一実施形態では、ブリッジ回路の接地側のみにＭＯＳトランジスタを配置したが、図５に示すように、すべてのブリッジ回路の素子をＭＯＳトランジスタで構成しても良い。この場合、固定子に外部から駆動電流を流し、第１ブリッジ回路２１０１のスイッチング制御装置６１と、第２ブリッジ回路２１０２のスイッチング制御装置６２とによって、回転磁界を形成することによって電動機として作動させることができるが、この時、スイッチング制御装置６１、６２を同時にオンしないようにすることによって、スイッチングによる起磁力変化を同様に打ち消すことができる。よって、電動機としても、磁気音を大幅に低減できる。
【００３０】
また、図６（一方の固定子巻線のみ示す）のように、一般的なダイオードだけの整流器の接地側のブリッジ回路に、ＭＯＳダイオードに並列回路を追加しても良い。これにより、従来の発電機に後付けで、低速出力の向上が必要になった車両にも対応できる。
【００３１】
また、図７、８に示すように、固定子巻線の断面をインシュレータ９４を介して固定子鉄心９０のスロット形状に沿った略矩形とし、スロットの深さ方向に内側導体９２と外側導体９３の、実質２本としてもよい。この時、固定子鉄心９０の磁極歯９０１を流れる磁気変動による振動を抑える効果により、磁気音をさらに低減できる。図８に示すように、セグメント導体を用いて先端部９６で接合することにより、コイルエンドでの巻線の干渉を無くして高占積率化が可能となり、巻線断面の増大に伴い巻線抵抗を低減できるので、発電機として最大出力電流を高め、電動機として最大駆動力を高めることができる。
【００３２】
なお、スイッチング素子とダイオードを並列に有するものであれば、ＭＯＳトランジスタ以外でもよいし、個別の素子を設けてもよい。
【００３３】
また、第１ブリッジ回路２１のスイッチ２１１と第２ブリッジ回路２２のスイッチ２２２のオンとオフは、同一時間幅で反転しなくてもよい。たとえば、一方のブリッジ回路のオフ時間に対するオン時間の比率を大きくしても、他方のブリッジ回路が同時にオンになることを回避するよう制御することにより、スイッチングによる各巻線の起磁力変化を相殺させ、磁気音を低減できる。さらに、オンとオフのスイッチング周波数が第１ブリッジ回路２１と第２ブリッジ回路２２で等しい場合は、オフ時間をオン時間よりも長くなるように制御することによって、同時にオンになることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回路の全体構成を示すブロック図である。
【図２】第一実施形態の各固定子巻線に流れる電流の変化図である。
【図３】第一実施形態の電流の変化による起磁力の変化図である。
【図４】他の実施形態の電流の変化による起磁力の変化図である。
【図５】他の実施形態の回路の全体構成を示すブロック図である。
【図６】他の実施形態の回路の部分的ブロック図である。
【図７】他の実施形態の固定子の部分的断面図である。
【図８】他の実施形態の固定子の部分的斜視図である。
【符号の説明】
１１…第１巻線、１２…第２巻線、２１…第１ブリッジ回路、
２２…第２ブリッジ回路、２１０、２２０…ＭＯＳトランジスタ３…出力端、
４…界磁コイル、   ５…界磁電流制御装置、６…スイッチング制御装置。
【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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【図８】
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