(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁束発生用磁石手段を有する回転子、および発電出力発生用の固定子巻線が巻回された固定子を有する同期発電機の出力制御装置において、
前記回転子の回転数を検出する検出手段と、
前記固定子巻線に遅角通電させて前記発電機の発電量を増大させる通電手段と、
前記発電機の出力電圧を所定のレギュレート電圧に制限するレギュレータとを具備し、
前記遅角通電が、前記回転子の回転数が予定の低回転数域にあるときにのみ行われるとともに、前記出力電圧を前記レギュレート電圧よりも低い、予定の電圧制御値に制御するよう通電制御されることを特徴とする同期発電機の出力制御装置。
【請求項２】
前記遅角通電では、遅角通電量を予定値に維持したまま通電デューティを変化させることにより、前記出力電圧が前記予定の電圧制御値に制御されることを特徴とする請求項１記載の同期発電機の出力制御装置。
【請求項３】
前記電圧制御値が予定の幅を有し、前記通電デューティを、前記出力電圧が該幅の最大値に達したときに微減させ、前記出力電圧が該幅の最小値以下に下がったときに微増させることを特徴とする請求項２記載の同期発電機の出力制御装置。
【請求項４】
前記通電デューティが、前記発電機の回転数に応じて決定されることを特徴とする請求項２または３記載の同期発電機の出力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期発電機の出力制御装置に関し、特に、低回転域での発電量を増大させるのに好適な同期発電機の出力制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用発電装置として三相同期発電機が用いられ、発電された交流を、三相全波整流器で整流してバッテリの充電に使用している。特開平９−１９１９４号公報に開示された三相同期発電機では、ステータコイルに進相電流を流して、この進相電流に起因する電機子反作用の増磁作用により界磁束を増加させて出力（発電電圧および出力電流）を増大させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に発電機には発電電力が所定値を超えないように出力電圧を制限するレギュレータが設けられ、このレギュレータが機能することにより発電が停止される。発電が停止するとエンジンに負荷変動が起こるため、特に、低回転域ではエンジン回転が不安定になってしまう。また、発電力が過大であると、低回転域ではそのためのフリクションの増大によるエンジン回転への影響が大きい。
【０００４】
本発明は、低回転域においてエンジン回転を不安定にさせずに発電電力を増大させることができる同期発電機の出力制御装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、発電機の回転子の回転数を検出する検出手段と、固定子巻線に遅角通電させて前記発電機の発電量を増大させる通電手段と、前記発電機の出力電圧を所定のレギュレート電圧に制限するレギュレータとを具備し、前記遅角通電が、前記回転子の回転数が予定の低回転数域にあるときに行われるとともに、前記出力電圧を前記レギュレート電圧よりも低い予定の電圧制御値に制御するよう通電制御される点に第１の特徴がある。
【０００６】
第１の特徴によれば、固定子巻線に遅角通電することにより発電出力が増大する。そして、この遅角通電が、出力電圧をレギュレータのレギュレート電圧より低く設定される電圧制御値に制御するように行われるので、低回転域でレギュレータを作動させずに安定的に発電量の増大を図ることができる。
【０００７】
また、本発明は、前記遅角通電では、通電遅角量を予定値に維持したまま通電デューティを変化させることにより、前記出力電圧が前記予定の電圧制御値に制御される点に第２の特徴がある。
【０００８】
さらに、本発明は、前記電圧制御値が予定の幅を有し、前記通電デューティを、前記出力電圧が該幅の最大値に達したときに微減させ、前記出力電圧が該幅の最小値に以下に下がったときに微増させる点に第３の特徴があり、前記通電デュ−ティが、前記発電機の回転数に応じて決定される点に第４の特徴がある。
【０００９】
第２〜第４の特徴によれば、遅角のタイミングが固定されるので、発電量の調整が容易であり、調整の精度を上げることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図２は、本発明の一実施形態に係るスタータ兼発電機の断面図である。このスタータ兼発電機（以下、「ＡＣＧ」という）１は、例えば、スクータ型自動二輪車エンジンに搭載される。ＡＣＧ１は、三相巻線（ステータコイル）が巻回されたステータ５０と、エンジンのクランク軸２０１の端部に結合されてステータ５０の外周を回転するアウタロータ６０とを有する。アウタロータ６０はクランク軸２０１に連結されるカップ状のロータケース６３と、ロータケース６３の内周面に収容されるマグネット６２とを有する。マグネット６２はロータヨークに円周方向に沿って配置される。
【００１１】
アウタロータ６０は、ハブ部６０ａの内周をクランク軸２０１の先端テーパ部に嵌合させて取り付けられ、ハブ部６０ａの中心を貫通してクランク軸２０１の端部ネジに螺挿されるボルト２５３で固定される。アウタロータ６０の内周側に配設されるステータ５０はボルト２７９によってクランクケース２０２に固定される。アウタロータ６０にはボルト２４６によって固定されたファン２８０が設けられる。ファン２８０に隣接してラジエータ２８２が設けられ、ラジエータ２８２はファンカバー２８１によって覆われる。
【００１２】
ステータ５０の内周にはセンサケース２８が嵌め込められ、このセンサケース２８内にはアウタロータ６０のボスの外周に沿って等間隔でロータ角度センサ（磁極センサ）２９およびパルサセンサ（点火パルサ）３０が設けられる。ロータ角度センサ２９はＡＣＧ１のステータコイルに対する通電制御を行うためのものであり、ＡＣＧ１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれに対応して１つずつ設けられる。一方、点火パルサ３０はエンジンの点火制御のためのものであり、１つだけ設けられる。ロータ角度センサ２９および点火パルサ３０はいずれもホールＩＣまたは磁気抵抗（ＭＲ）素子で構成することができる。
【００１３】
ロータ角度センサ２９および点火パルサ３０のリード線は基板３１に接続され、さらに基板３１にはワイヤハーネス３２が結合される。アウタロータ６０のボス６０ａの外周には、ロータ角度センサ２９および点火パルサ３０のそれぞれに磁気作用を及ぼすよう２段着磁されたマグネットリング３３が嵌め込まれる。
【００１４】
ロータ角度センサ２９に対応するマグネットリング３３の一方の着磁帯には、ステータ５０の磁極に対応して、円周方向に３０°幅間隔で交互に配列されたＮ極とＳ極が形成され、点火パルサ３０に対応するマグネットリング３３の他方の着磁帯には、円周方向の１か所に１５°ないし４０°の範囲で着磁部が形成される。
【００１５】
上記構成のＡＣＧ１は、始動時には同期モータとして機能し、バッテリから供給される電流で駆動されてクランク軸２０１を回動させてエンジンを始動させるとともに、始動後は同期発電機として機能し、発電した電流でバッテリを充電し、かつ各電装部に電流を供給する。
【００１６】
図３は、ＡＣＧ１の出力制御装置を有する自動二輪車の要部電装系統図である。同図において、ＥＣＵ３にはＡＣＧ１で発生した三相交流を整流する全波整流器４と、全波整流器４の出力を予定のレギュレート電圧（レギュレータ作動電圧：例えば、１４．５Ｖ）に制限するためのレギュレータ５とが設けられる。さらに、ＥＣＵ３は、エンジン回転数が予定の低回転域（以下、「発電制御領域」という）であるとき、発電量を増加させる制御を行う発電制御部６を有する。なお、発電制御部６はＣＰＵの機能として実現される。前記ロータ角度センサ２９および点火パルサ３０もＥＣＵ３に接続されて、その検出信号はＥＣＵ３に入力される。
【００１７】
ＥＣＵ３には、点火コイル２１が接続され、点火コイル２１の二次側には点火プラグ２２が接続される。また、ＥＣＵ３にはスロットルセンサ２３、フューエルセンサ２４、シートスイッチ２５、アイドルスイッチ２６、冷却水温センサ２７が接続され、各部から検出信号がＥＣＵ３に入力される。
【００１８】
さらに、ＥＣＵ３には、スタータリレー３４、スタータスイッチ３５、ストップスイッチ３６，３７、スタンバイインジケータ３８、フューエルインジケータ３９、スピードセンサ４０、オートバイスタ４１、およびヘッドライト４２が接続される。ヘッドライト４２には、ディマースイッチ４３が設けられる。
【００１９】
上記の各部にはメインヒュ−ズ４４およびメインスイッチ４５を介してバッテリ２から電流が供給される。なお、バッテリ２は、スタータリレー３４によってＥＣＵ３に直接接続される一方、メインスイッチ４５を介さず、メインヒューズ４４だけを介してＥＣＵ３に接続される回路を有する。
【００２０】
上記発電制御部６は、通常に発電量（電圧）を制御する機能に加え、本発明に従って前記発電ＡＣＧ１の各相のステータコイルに対してバッテリ２から遅角通電して発電量を増加させる（以下、「ACG 通電制御」という）機能を有する。ここで、遅角通電とは、前記ロータ角度センサ２９で検出される前記着磁帯３３の磁極の変化時の検出信号から予定の電気角相当分を遅延させてステータコイルに通電することをいう。但し、低回転域で前記レギュレータ５が作動することによって生じるエンジン負荷の急変に起因するエンジン回転の不安定化を防止するため、全波整流器４の出力電圧（バッテリ電圧）が、レギュレート電圧以下の予定電圧範囲内に収まるよう制御される。
【００２１】
図４はACG 通電制御をしたときのエンジン回転数と発電電流との関係を示す図である。同図において、エンジン回転数が１０００ｒｐｍ〜３５００ｒｐｍの領域が発電制御領域として設定されており、このような低回転領域では、従来の制御手法によるＡＣＧ１の発電電流（ＡＣＧ出力）は極めて小さい。そこで、発電制御領域においてACG 通電制御により発電電流を増加させる。増加分は「遅角通電時」として点線で示す。発電量が常用負荷電流に相当するように制御することにより、低回転領域においても、消費電流量に相当する発電量を確保できる。
【００２２】
図５は、遅角発電領域におけるバッテリ電圧の変化を示す図である。同図において、レギュレート電圧（１４．５Ｖ）以下に設定された制御電圧最大値ＶMaxおよび制御電圧最小値ＶMin で規定されるACG 制御電圧範囲でバッテリ電圧Ｖbが制御される。具体的には、ステータコイルに対する通電遅角量は固定値（例えば電気角６０°）とし、全波整流器４の通電デューティを増減してバッテリ電圧Ｖb をACG 制御電圧範囲に制御する。すなわち、バッテリ電圧Ｖb が制御電圧最大値ＶMax に達したら通電デューティを予定の微小値（例えば１％）だけ低減させ、バッテリ電圧Ｖb が制御電圧最小値ＶMin に下がったら通電デューティを同微小値だけ増大させる。
【００２３】
図１は、ACG 通電制御装置の要部機能を示すブロック図である。同図において、全波整流器４はＡＣＧ１のステータコイル１Ｕ，１Ｖ，１Ｗに接続されたＦＥＴ（一般的には固体スイッチング素子）４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆを有し、エンジン始動時は、ドライバ４６によりＦＥＴ４ａ〜４ｆをスイッチングし、ＡＣＧ１を同期電動機として駆動し、前記クランク軸２０１を回転させる一方、エンジン始動後は、逆にアウタロータがエンジンによって駆動して同期発電機として機能するので、ＦＥＴ４ａ〜４ｆで発電交流を整流してバッテリ２や電装負荷４７に給電する。また、エンジン駆動による発電中においても、特に、エンジンの低回転時には本発明に従い、ステータコイルへの遅角通電が行われるようにドライバ４６でＦＥＴ４ａ〜４ｆを制御して発電量を増大させる。なお、遅角通電制御については図７を参照して後述する。
【００２４】
エンジン回転数判別部４８は、例えば、点火パルサ３０の検出信号や発電電圧の周波数信号などをもとにエンジン回転数を検出し、検出エンジン回転数が予定の発電制御領域にあれば遅角指令をドライバ４６に供給する。ドライバ４６は遅角指令に応答して遅角量設定部４９から予め設定されている通電遅角量を読み出して遅角通電させる。通電デューティはデューティ設定部５１から読み出してドライバ４６に供給される。ドライバ４６はロータ角度センサ２９による磁極検出信号、すなわちアウタロータ６０の磁極に対応して形成されているマグネットリング３３の着磁帯をセンサ２９が検出するたびにオンに立ち上がる信号を検出する。そして、その信号の立上がりから通電遅角量相当分を遅角させてＦＥＴ４ａ〜４ｆに対するＰＷＭ制御信号を出力する。
【００２５】
バッテリ電圧判別部５２ではバッテリ電圧Ｖb を、電圧制御範囲を規定する前記制御電圧最大値ＶMax および制御電圧最小値ＶMin と比較し、その比較結果に基づいて、デューティ設定部５１に設定される通電デューティを増減し、バッテリ電圧Ｖb が前記制御範囲に収まるようにする。
【００２６】
図６は、上記の出力制御装置の処理を示すフローチャートである。同図において、ステップＳ１ではエンジン回転数が発電制御領域に存在しているか否かを判断する。発電制御領域は、上述のように、例えば１０００ｒｐｍ以上３５００ｒｐｍ以下に設定される。エンジン回転数が発電制御領域に存在していれば、ステップＳ２に進み、エンジン回転数が発電制御領域に存在していることを示すフラグＦACG がセットされている（＝１）か否かを判別する。フラグＦACG がセットされていなければステップＳ３に進んでフラグＦACG をセットする（「１」にする）。フラグＦACG をセットしたならば、ステップＳ４に進んで通電遅角量acgaglに予定値ACGAGLをセットする。予定値ACGAGLは、予め適当に設定しておくことができるが、本実施形態では、例えば、電気角６０°である。続くステップＳ５では通電デューティacdutyに初期値ACDUTYをセットする。前記初期値ACDUTYも予め適当に設定しておくことができるが、本実施形態では、例えば４０％である。ステップＳ３〜Ｓ５が終わったならばステップＳ７に進む。前記ステップＳ２が肯定ならばステップＳ３〜Ｓ５はスキップしてステップＳ７に進む。また、エンジン回転数が前記発電制御領域に存在しないときは、ステップＳ６でフラグＦACG をリセット（＝０）した後、ステップＳ７に進む。
【００２７】
ステップＳ７では、フラグＦACG がセットされているか否かを判別する。フラグＦACG がセットされていた（＝１）ならば、ステップＳ８でバッテリ電圧Ｖbが制御電圧最大値ＶMax 以上か否かを判断する。制御電圧最大値ＶMax は、レギュレート電圧より低い値、例えば１３．５ボルトに設定される。バッテリ電圧Ｖb が制御電圧最大値ＶMax 以上でないときは、ステップＳ９に進んでバッテリ電圧Ｖb が制御電圧最小値ＶMin 以下か否かを判断する。制御電圧最小値ＶMin は、例えば１３．０ボルトに設定される。ステップＳ９でバッテリ電圧Ｖb が制御電圧最小値ＶMin 以下でないときは、レギュレータのレギュレート電圧よりも低い値に設定されたACG 通電電圧範囲に入っていると判断され、ステップＳ１０に進んで、上記通電遅角量acgaglと通電デューティacdutyとに従ってACG 通電制御を行う。
【００２８】
ステップＳ８でバッテリ電圧Ｖb が制御電圧最大値ＶMax 以上であると判断されたときは、ステップＳ１１に進んで通電デューティacdutyを微小値DDUTY 低減する。微小値DDUTY は例えば１％である。また、ステップＳ９でバッテリ電圧Ｖb が制御電圧最小値ＶMin 以下であると判断されたときはステップＳ１２に進んで通電デューティacdutyを微小値DDUTY 増大する。ステップＳ１１，Ｓ１２の処理後はステップＳ１０に進む。なお、通電デューティacdutyを増大させる時と低減させるときの前記微小値DDUTY は必ずしも同一でなくてもよいし、制御電圧最大値ＶMax または制御電圧最小値ＶMin と現在値との差に比例して微小値DDUTYを変化させてもよい。
【００２９】
一方、ステップＳ７でフラグＦACG がセットされていなかった（＝０）ならば、発電制御領域でないのでステップＳ１３に進んでACG 通電制御を停止する。
【００３０】
図７は、ACG 通電制御時にステータコイルの各相に流れる電流（相電流）とロータ角度センサ２９の出力とのタイミングを示す図である。図に示すように、遅角通電制御が行われない、通常の場合にはロータ角度センサ２９の検出出力の正負（ＮＳ）の変化に応答してステータコイルのＵ，Ｖ，Ｗ各相に電流が供給される。一方、遅角通電制御を行った場合には、ロータ角度センサ２９の検出出力の正負（ＮＳ）の変化時から予定の遅角量ｄ（＝６０°）だけ遅れてステータコイルのＵ，Ｖ，Ｗ各相に電流が供給される。図７において、デューティチョッピングによる通電角Ｔは１８０°であるが、デューティ設定部５１からドライバ４６へ供給される通電デューティによって１８０°以内で決定することができる。
【００３１】
図８はエンジン回転数つまり発電機の回転数をパラメータとして設定した通電デューティのテーブルである。エンジン回転数を検出し、図８を参照してエンジン回転数に応じた通電デューティを決定する。
【００３２】
上記実施形態では、アウタロータ／インナロータ方式で、アウタロータに界磁束発生用磁石手段として永久磁石を配置した。しかし、本発明は、インナロータに界磁束発生用磁石手段を設けた発電機や、界磁束発生用磁石手段として電磁石を採用した発電機にも同様に適用できる。また、通電遅角量acgaglを、固定値とするのではなく、一般的な負帰還制御手法に従い、比例、微分、積分およびこれらの複合制御をすることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなとおり、請求項１〜請求項４の発明によれば、低回転域で通常の電圧レギュレータを作動させずに安定的に発電量の増大を図ることができる。したがって、回転子がエンジンで駆動される車載の発電機に適用した場合、アイドル運転時などにエンジン負荷の変動を少なくしてエンジン回転の変動を極力小さくし、アイドル運転を安定にすることができる。また、請求項２〜４の発明によれば、遅角のタイミングが予め設定した値に固定されるので、簡易な構成で容易に発電量の調整ができるとともに、調整の精度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る出力制御装置の要部機能を示すブロック図である。
【図２】  本発明の一実施形態に係るスタータ兼発電機の断面図である。
【図３】  本発明の出力制御装置を有する自動二輪車の要部電装系統図である。
【図４】  ACG 通電制御時のエンジン回転数と発電電流との関係を示す図である。
【図５】  遅角発電領域におけるバッテリ電圧の変化を示す図である。
【図６】  出力制御装置の処理を示すフローチャートである。
【図７】  ACG 通電制御時のステータコイルの相電流とロータ角度センサの出力とのタイミングを示す図である。
【図８】  エンジン回転数をパラメータとする通電デューティのテーブルでっある。
【符号の説明】
１…スタータ兼発電機、  ２…バッテリ、  ３…ＥＣＵ、  ４…全波整流器、  ５…レギュレータ、  ２９…ロータ角度センサ、  ３０…点火パルサ、  ４６…ドライバ、  ４８…エンジン回転数判別部、４９…遅角量設定部、  ５０…ステータ、  ５１…デューティ設定部、  ６０…アウタロータ、  ６２…マグネット、  ２０１…クランク軸
【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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