(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スロットを含んでおり、前記多相の固定子巻線は、前記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巻線が形成され、電気的に絶縁された第１巻線と第２巻線の２組の多相巻線を有し、
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ブリッジ回路を有し、
前記第１ブリッジ回路には第１巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを繰り返すスイッチング手段を有し、前記第２ブリッジ回路には第２巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを繰り返す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が、電気的に独立しており、
前記第１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の出力端はバッテリもしくは電気負荷に接続され、前記１ブリッジ回路と前記第２ブリッジ回路の出力端は異なる電圧に制御され、
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巻線が形成されていることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項３】
請求項１または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ブリッジ回路の出力端間を選択的に短絡、解放せしめるスイッチ手段を設けることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか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ブリッジ回路の端末は車両本体に接地されており、前記ブリッジのスイッチング手段は、少なくとも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５】
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導通率は、各々独立して設定す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、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８】
請求項１から７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。
【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。
【０００３】
一方、近年、電気負荷の大容量化に伴い、高電圧負荷の使用ニーズが高まってきている。しかし、従来から使用される電気負荷の中には、高電圧設定では寿命が低下するなど不具合を発生する負荷もあり、車両電源としては高電圧と従来電圧の二電圧への電力供給が望まれている。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭６３−８７１３７号公報に記載の回転電機では、発電動作する場合は発生電圧は一種類であり、異種の電圧を同時に電力供給することはできない。このため２電圧を供給するためには発電機が２台必要となり大型となるため、エンジン搭載が難しい点やエンジンへの組み付け工数も多大となる問題があった。
【０００７】
本発明は、上記の問題に鑑み、一台の発電機で２電圧の電気負荷、バッテリに同時に電力供給する機能を有し、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、小型軽量でエンジン搭載の容易な車両用回転電機を提供することを目的とする。
【０００８】
【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スロットを含んでおり、前記多相の固定子巻線は、前記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巻線が形成され、電気的に絶縁された第１巻線と第２巻線の２組の多相巻線を有し、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ブリッジ回路を有し、前記第１ブリッジ回路には第１巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを繰り返すスイッチング手段を有し、前記第２ブリッジ回路には第２巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを繰り返す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が、電気的に独立していることを特徴としている。
【０００９】
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、出力端が分離されることで、各巻線及びブリッジ回路が独立するため１台で異種電圧への電力供給が可能になる。また、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車両本体に接地されており、前記スイッチング手段は、少なくとも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。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発電機として低速回転から充電電流を供給できる。
【００１０】
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巻線が形成されていることを特徴としている。
【００１１】
所定の電気角ずれたスロット組に各巻線を配置することで、各コイルエンドが整列することにより、コンパクトに巻線を収納することができ回転電機が小型化できる。
【００１２】
請求項３によれば、請求項１または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ブリッジ回路の出力端間を選択的に短絡、解放せしめるスイッチ手段を設けることを特徴としている。この構成により、出力端間のスイッチが短絡時には同一電圧の出力を２つの巻線の合成で出力が取り出すことができるため、１巻線での取り出しよりも多くの出力が得られる。また、開放時には２つの巻線、ブリッジは独立であるため２電圧の取り出しができることは前記同様である。したがって負荷状態に応じて、発電機性能を最大化できる。
【００１３】
請求項４によれば、請求項１から３のいずれか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ブリッジ回路の端末は車両本体に接地されており、前記スイッチング手段は、少なくとも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。
【００１５】
請求項５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導通率は、各々独立して設定することを特徴としている。導通率を独立して設定することで、それぞれの電圧設定に対し最適な導通率とすることができ出力を最大化させることができ、発電機を小型化できる。
【００１８】
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は、電動機として作動することを特徴としている。これにより、１台で発電時には低速回転から二電圧の電力を供給しつつ、電動機として動作させることも可能となる。
【００１９】
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、スイッチング手段の発熱が抑制できるため冷却が簡素となり、コンパクトに、低速回転からの出力が可能で二電圧の電力供給が可能な小型車両用回転電機を実現できる。
【００２０】
請求項８によれば、請求項１から７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、スロット内の導体占積率を高めることができ、小型でコンパクトな回転電機を提供できる。
【００２１】
【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。
【００２２】
〔第一実施形態〕
図１及び図２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は制御信号を示した図である。
【００２３】
車両用交流発電機は、回転子の界磁コイル４に電流を流して複数の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。
【００２４】
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。製造工程簡素化のため各巻線の巻数は同一に設定してある。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相分配置されている。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。
【００２５】
第１ブリッジ回路２１の出力端３１と第２ブリッジ回路２２の出力端３２は分離し、それぞれ高電圧バッテリー８１や各種の高電圧電気負荷９１、もしくは低電圧バッテリー８２や各種の低電圧電気負荷９２に電力を供給する。
【００２６】
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、個別のスイッチング制御装置６１，６２につながっている。制御装置５には高電圧バッテリ８１，低電圧バッテリ８２の電圧値が入力され、その情報から第１ブリッジ回路２１及び第２ブリッジ回路２２のそれぞれのスイッチ導通率を決定し、スイッチング制御回路６１，６２に出力する。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。
【００２７】
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ブリッジ回路のスイッチ２２２を一定周波数で各ブリッジのスイッチを同時にオン、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のオン周期がほぼ反転するように、スイッチングが制御されている。
【００２８】
スイッチング制御装置６１，６２は独立しており個別に導通率の変更が可能なため、ブリッジ回路の各の出力端３１，３２の発生電圧はそれぞれ任意に設定可能となる。したがって一つの回転機で二電圧の発生が可能のため、エンジンへの搭載性は飛躍的に向上する。
【００２９】
また、スイッチング制御装置６１，６２は独立しており、オン周期がほぼ反転するようにスイッチングできるので、スイッチングによる磁気脈動が相殺され磁気音が低減する効果もある。
【００３０】
また電気角を３０度ずらしたスロット群に各巻線を収納しているので、各巻線のコイルエンドが整列するためコンパクトに巻線を収納できる。また電気周波数６次の磁気音成分が２組の巻線で相殺されるため、より磁気音が低減できる効果もある。
【００３１】
〔その他の実施形態〕
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２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２１′のスイッチング制御装置６１と、第２ブリッジ回路２２′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。また、それぞれのバッテリを電源とでき、駆動電流は個別に制御できるため、バッテリの充電状態に応じて使用する電力配分を任意に設定可能であり片方のみのバッテリ上がりを防止できる効果もある。
【００３２】
また、図４、５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５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。また第一実施形態では、製造工程簡素化のため第１巻線と第２巻線とで巻数同一としたが、任意で導通率の設定が可能なため異なる巻数であってもよい。
【００３３】
また、第一実施形態では、第１ブリッジと第２ブリッジの出力端３１，３２は分離されているが、図６に示すようにスイッチ３１１を介して接続されていてもよい。この構成により、出力端間のスイッチが短絡時には同一電圧の出力を２つの巻線の合成で取り出すことができるため、１巻線での取り出しよりも多くの出力が得られる。また、開放時には２つの巻線、ブリッジは独立であるため２電圧の取り出しができることは前記同様である。したがって負荷状態に応じて、発電機性能を最大化できる効果がある。このスイッチは機械式スイッチでも半導体スイッチでもどちらでもよい。
【００３４】
また、第１実施形態では、電気角が所定角度ずれた巻線としたが、２組が電気的に独立していれば電気角のずれていない同一のスロット内に収納される巻線であってもよい。
【００３５】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に係る回路の全体構成を示すブロック図である。
【図２】第一実施形態の制御信号を示す図である。
【図３】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４】他の実施形態の固定子の部分的断面図である。
【図５】他の実施形態の固定子の部分的斜視図である。
【図６】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。
【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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