(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心に巻装された界磁巻線を有する回転子と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御する界磁電流制御装置とを備える車両用交流発電機において、
前記回転子鉄心は、円筒状のボス部と、このボス部の軸方向端部から径方向外側に延伸したディスク部と、このディスク部の径方向外側端部からさらに軸方向に沿って屈曲して表面がほぼ台形形状を有する爪状磁極部とを有し、
前記界磁巻線は、前記ボス部の外周に巻装されたメインコイルと、このメインコイルに直列に接続されこのメインコイルと前記爪状磁極部との間に巻装されたサブコイルとを有し、
前記メインコイルおよび前記サブコイルのいずれか一方に並列にダイオードを接続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、
前記ダイオードは、前記回転子に設けられてい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または２において、
前記ダイオードには直列に抵抗が接続されてい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、
前記ダイオードは、順方向が互いに反対向きに設定された２つのツェナーダイオードを直列接続して構成されていることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項５】
電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心に巻装された界磁巻線を有する回転子と、前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御する界磁電流制御装置とを備える車両用交流発電機において、
前記回転子鉄心は、円筒状のボス部と、このボス部の軸方向端部から径方向外側に延伸したディスク部と、このディスク部の径方向外側端部からさらに軸方向に沿って屈曲して表面がほぼ台形形状を有する爪状磁極部とを有し、
前記界磁巻線は、前記ボス部の外周に巻装されたメインコイルと、このメインコイルと前記爪状磁極部との間に巻装されたサブコイルとを有し、
前記メインコイルと前記サブコイルの間であって、前記爪状磁極部および前記ディスク部の少なくとも一部に密着して配置された導磁材を備えることを特徴とする車両用交流発電機。
【請求項６】
請求項５において、
前記導磁材は、鋼板の積層体によって形成されてい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る車両用交流発電機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用エンジンに装備される各種の補機は、エンジンのクランクシャフトによりベルトを介して駆動される。補機として車両用交流発電機を考えると、エンジンのクランクシャフトと同期回転するように連結した場合には、クランクシャフトの回転数が周期的に変動し、駆動用に用いられるベルトの張力も周期的に変動する。このため、ベルトはたき振動やこれに伴う騒音が発生する。
【０００３】
このような不都合を回避するための技術として、車両用交流発電機の出力電流を適当なタイミングでオン／オフ制御する方法が考えられる。クランクシャフトの回転数が低下したときに、車両用交流発電機の出力電流の供給を停止することにより、車両用交流発電機の駆動トルクを急激に減少させることができるため、クランクシャフトの回転数低下に連動するように車両用交流発電機の回転数を下げることが可能になる。このため、クランクシャフトや車両用交流発電機によって生じるベルトの張力が変動し、ベルトはたき振動等を低減することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、車両用交流発電機の出力電流をオン／オフする従来方式は、理論的には実施が可能であっても、オン／オフ制御する半導体素子の信頼性や部品コスト等の面からは実用的な方法とはいえない。
【０００５】
また、出力電流をオン／オフ制御する代わりに、界磁側の時定数を小さくすることができれば、界磁電流の供給停止とともに界磁電流を急激に減少させることができる。これにより、出力電流を急激に減少させることができるため、出力電流をオン／オフ制御する場合と同等の効果が得られると考えられる。しかし、界磁巻線は巻回数が多いためインダクタンスが大きく、しかも界磁巻線が回転子鉄心を周回するように巻装されているため磁束変化が急速に追随できず、磁束応答の時定数を小さくすることが難しいという問題があった。
【０００６】
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、磁束応答の時定数を小さ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。
【０００７】
【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、電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心に巻装された界磁巻線を有する回転子と、界磁巻線に流れる界磁電流を制御する界磁電流制御装置とを備えている。また、回転子鉄心は、円筒状のボス部と、このボス部の軸方向端部から径方向外側に延伸したディスク部と、このディスク部の径方向外側端部からさらに軸方向に沿って屈曲して表面がほぼ台形形状を有する爪状磁極部とを有する。界磁巻線は、ボス部の外周に巻装されたメインコイルと、このメインコイルに直列に接続されこのメインコイルと爪状磁極部との間に巻装されたサブコイルとを有する。これら両コイルのうち片方、例えばメインコイルには、並列にダイオードが接続されている。このように、界磁巻線の一部を構成するメインコイルに並列にダイオードが接続されるため、還流電流が流れるメインコイルのインダクタンスが界磁巻線全体に比べて小さくなる。このため、電流遮断時直後（エネルギーは時間に対して不連続的に変化することはできないので）、このメインコイルを流れる環流初期電流は、直前に流れていた界磁電流より大きくなり、その結果一定の順方向電圧降下を有するダイオードの損失をより大きくすることができる。したがって、還流電流を速やかに減衰させることが可能になり、回転子の磁束応答の時定数を小さくすることができる。
【０００８】
また、上述したダイオードは、回転子に設けられていることが望ましい。これにより、メインコイルとサブコイルとの接続点を回転子の外部に引き出す必要がなくなるため、配線の簡略化が可能となる。
また、上述したダイオードには抵抗が直列に接続されていることが望ましい。これにより還流電流が流れる際の損失を大きくすることができるため、還流電流をさらに速やかに減少させることができる。
【０００９】
また、上述したダイオードは、順方向が互いに反対向きに設定された２つのツェナーダイオードを直列接続して構成されていることが望ましい。通常のダイオードに比べてツェナーダイオードは損失が大きいため、還流電流をさらに速やかに減少させることができる。
【００１０】
また、本発明の車両用交流発電機は、電機子巻線を有する固定子と、回転子鉄心に巻装された界磁巻線を有する回転子と、界磁巻線に流れる界磁電流を制御する界磁電流制御装置とを備えている。また、回転子鉄心は、円筒状のボス部と、このボス部の軸方向端部から径方向外側に延伸したディスク部と、このディスク部の径方向外側端部からさらに軸方向に沿って屈曲して表面がほぼ台形形状を有する爪状磁極部とを有する。界磁巻線は、ボス部の外周に巻装されたメインコイルと、このメインコイルと爪状磁極部との間に巻装されたサブコイルとを有する。これらメインコイルとサブコイルの間であって、爪状磁極部およびディスク部の少なくとも一部に密着して配置された導磁材が備わっている。各爪状磁極部間を導磁材を用いて橋絡することにより、メインコイルに流れる還流電流によって発生する磁束を爪状磁極部間の導磁材を通して導くことが可能になり、固定子側に供給される磁束を急速に減衰させることができる。
【００１１】
また、上述した導磁材は、鋼板の積層体によって形成されていることが望ましい。鋼板の積層体を用いることにより磁束応答性が良好になるため、各爪状磁極部を低い磁気抵抗で橋絡することが可能になる。
【００１２】
【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、本実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子の構造を示す図である。図１に示す回転子１０は、一組の回転子鉄心２０、界磁巻線３０、導磁材３６、回転軸３８を含んで構成されている。
【００１３】
回転子鉄心２０は、円筒状のボス部２２と、このボス部２２の軸方向の一方端から径方向外側に延伸したディスク部２４と、このディスク部２４の径方向外側端部からさらに軸方向に沿って屈曲して表面がほぼ台形形状を有する爪状磁極部２６とを有する。本実施形態では、これらボス部２２、ディスク部２４、爪状磁極部２６を含む回転子鉄心２０は、低炭素綱を用いて形成されている。
【００１４】
また、界磁巻線３０は、メインコイル３２とサブコイル３４とを直列接続することにより構成されている。メインコイル３２は、回転子鉄心２０のボス部２２の外周に巻装されている。また、サブコイル３４は、２つの回転子鉄心２０のそれぞれの爪状磁極部２６の先端部近傍をつなぐように蛇行形状に巻装されている。このようにして、サブコイル３４は、各爪状磁極部２６の先端部内側表面とメインコイル３２との間に配置されている。例えば本実施形態では、メインコイル３２は、直径０．８ｍｍの銅線を約３３０回巻装しており、全体の抵抗が約２．３Ωとなった。また、サブコイル３４は、直径０．６ｍｍの銅線を約５０回巻装している。
【００１５】
また、導磁材３６は、回転子鉄心２０のディスク部２４および爪状磁極部２６の少なくとも一部に対して、磁気的に密着した状態で配置されている。この導磁材３６は、冷間圧延鋼板の積層体であり、円環形状に形成されている。図１に示した例では、導磁材３６は、回転子鉄心２０の各爪状磁極部２６の内周側であって、軸方向に沿って回転子鉄心２０のほぼ中央に配置されている。これにより、Ｎ極とＳ極が交互に配置された各爪状磁極部２６間を磁気的に橋絡している。
【００１６】
図２は、本実施形態の車両用交流発電機の回路図である。図２に示すように、本実施形態の車両用交流発電機は、上述したメインコイル３２およびサブコイル３４を含む回転子１０の他に、電機子巻線２を含んで構成される固定子１と、６つのダイオードを含んで電機子巻線２に誘導した交流電圧に対して三相全波整流を行う整流器３と、スイッチングトランジスタ４をオン／オフ制御してメインコイル３２およびサブコイル３４に流す界磁電流を制御することにより出力電圧を調整する界磁電流制御装置５とを含んで構成されている。
【００１７】
また、界磁電流制御装置５は、フライホイールダイオード６を有しており、このフライホイールダイオード６がメインコイル３２に並列に接続される。なお、本実施形態では、サブコイル３４に対応するフライホイールダイオードは設けられていない。
【００１８】
本実施形態の車両用交流発電機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。なお、以下では、界磁電流制御装置５による界磁電流の供給を停止した場合の動作に着目して説明を行うものとする。
界磁電流制御装置５内のスイッチングトランジスタ４がオン状態になると、メインコイル３２およびサブコイル３４の直列回路に界磁電流が流れるため、回転子１０の爪状磁極部２６が周方向に沿って交互にＮ極とＳ極に磁化される。したがって、この回転子１０を回転させることにより、固定子１の電機子巻線２に電圧が誘導され、この誘導電圧を整流器３で整流することにより、出力端子７から直流の出力電流が取り出される。
【００１９】
このような状態において、界磁電流制御装置５内のスイッチングトランジスタ４がオフ状態になると、回転子鉄心２０における磁束鎖交数の保存は、メインコイル３２に並列に接続されたフライホイールダイオード６に還流電流を流すことによって保証される。このようにしてメインコイル３２には徐々に減衰する還流電流が流れるが、元々メインコイル３２は界磁巻線３０の一部を構成するに過ぎないため、磁束や電流の減衰を左右するインダクタンスは、界磁巻線３０全体に比べると小さい。その上、インダクタンス低下により初期還流電流が増し、したがってダイオードロスが増す。このため、メインコイル３２を流れる還流電流の減衰の速度は、比較的速い。また、サブコイル３４にはフライホイールダイオードが並列に接続されていないため、このサブコイル３４に流れる電流は瞬時に消滅する。しかも、磁束鎖交数保存原理から考えられる有害なサージは、メインコイル３２に徐々に減衰する還流電流を流すことによってその発生を防止することができる。
【００２０】
また、本実施形態では、回転子１０の各爪状磁極部２６間を橋絡するように導磁材３６が設けられている。サブコイル３４に界磁電流が流れている間は、サブコイル３４によって発生した磁束がこの導磁材を通して各爪状磁極部２６に供給されているが、サブコイル３４に対する界磁電流の供給停止とともにこの磁束も瞬間的に消滅する。上述したように、導磁材３６は積層体によって形成されているため、磁束応答性が良好であり、サブコイル３４による磁束の供給がない状態では、各爪状磁極部２６を低い磁気抵抗で橋絡した状態となる。したがって、メインコイル３２によって発生してしばらくの間維持されている磁束は、それまで固定子１に向かっていたものが、急速に導磁材３６の方へ方向転換してしまい、電機子巻線２に鎖交しなくなる。すなわち、固定子１からみた回転子１０の磁束応答の時定数が大幅に減少することになる。
【００２１】
図３は、本実施形態の車両用交流発電機の出力特性を示す図である。横軸は車両用交流発電機の回転数に、縦軸は電流値で示した出力にそれぞれ対応している。一例として固定子１の直径が１３０ｍｍで定格出力が１３０Ａクラスの車両用交流発電機に本実施形態の手法を用いた場合の出力特性が実線で示されている。なお、比較のために同体格の従来構造の車両用交流発電機の出力特性が点線で示されている。
【００２２】
本実施形態の車両用交流発電機は、メインコイル３２の他にサブコイル３４を備えているため、その分だけ界磁巻線３０全体による起磁力が増加し、従来構造の車両用交流発電機に比べて出力電流が増加したことがわかる。
図４は、本実施形態の車両用交流発電機の磁束応答の時定数を示す図である。横軸は経過時間ｔに、縦軸は無負荷誘導電圧にそれぞれ対応している。実線で示した本実施形態の車両用交流発電機は、界磁電流制御装置５による界磁電流の供給を停止すると、点線で示した従来構造品に比べて、無負荷誘導電圧が速やかに低下する。これにより、本実施形態の車両用交流発電機では、回転子１０の磁束応答の時定数が大幅に減少していることがわかる。
【００２３】
このように、本実施形態の車両用交流発電機は、界磁電流の供給を停止した際に発生している磁束を急速に減衰させることができる。これにより、例えばエンジンのクランクシャフトと車両用交流発電機等の補機とをベルトで連結する場合であって、クランクシャフトの回転が周期的に変動（振動）するような場合には、この回転の低下と連動して界磁電流の供給を停止して速やかに駆動トルクの減少を図ることにより、車両用交流発電機の回転変動の程度を抑制することが可能になる。このため、ベルトはたき振動やこれに伴う騒音を低減することができる。特に、このような界磁電流のオン／オフ制御は数Ａ程度の電流値の制御であり、出力電流をオン／オフ制御する場合に比べて、実用上の課題もなく、容易に実現することができる。
【００２４】
図５は、本実施形態の車両用交流発電機の回転変動を示す図である。横軸は経過時間Ｔに、縦軸は車両用交流発電機の回転数にそれぞれ対応している。実線で示した本実施形態の車両用交流発電機は、点線で示した従来構造品に比べて、界磁電流の供給停止時の駆動トルクが少ないため、回転変動が抑制されていることがわかる。例えば、図５において、本実施形態の車両用交流発電機の回転変動ａは４０ｒｐｍであり、従来構造品の回転変動ｂは２００ｒｐｍであった。
【００２５】
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。例えば、本実施形態では、メインコイル３２に並列にフライホイールダイオード６を接続したが、図６に示すように、代わりに順方向が互いに反対向きに設定された２つのツェナーダイオード６Ａ、６Ｂの直列回路を用いるようにしてもよい。この場合には、フライホールダイオード６を用いた場合に比べて、還流電流が流れる際に損失を大きくすることができるため、この還流電流をさらに速やかに減少させることができ、回転子１０の磁束応答の時定数をさらに小さくすることが可能になる。
【００２６】
また、図７に示すように、フライホイールダイオード６に直列接続された抵抗６Ｃを追加してもよい。この場合にも、フライホールダイオード６を単独で用いた場合に比べて、還流電流が流れる際に損失を大きくすることができるため、この還流電流をさらに速やかに減少させることができ、回転子１０の磁束応答の時定数をさらに小さくすることが可能になる。
【００２７】
また、上述した実施形態では、メインコイル３２とサブコイル３４とを直列に接続するようにしたが、これらを並列接続するようにしてもよい。界磁巻線３０全体の巻数が一定の場合には、巻数／抵抗比を大きくすることができるため、還流電流が流れる際の回転子１０の磁束応答の時定数を小さくすることができる。また、並列接続されたメインコイルとサブコイルの各巻数に差を持たせ、しかも巻数の少ない方を抵抗値も含めて低インピーダンスに設定することにより、界磁電流の供給停止時に電流が循環する際に、インピーダンスが少ない方に循環電流を集中させることができるため、回転子１０の磁束応答の時定数をさらに小さくすることができる。
【００２８】
また、上述した実施形態では、フライホイールダイオード６を界磁電流制御装置５内に設置したが、このフライホイールダイオード６を回転子１０の内部に設置するようにしてもよい。これにより、メインコイル３２とサブコイル３４との接続点を回転子１０の外部に引き出す必要がなくなるため、配線の簡略化が可能となる。
【００２９】
また、上述した実施形態では、界磁巻線３０に含まれるメインコイル３２と並列にフライホイールダイオード６等を接続するようにしたが、このフライホイールダイオード６等をサブコイル３４に並列に接続するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の車両用交流発電機に含まれる回転子の構造を示す図である。
【図２】本実施形態の車両用交流発電機の回路図である。
【図３】本実施形態の車両用交流発電機の出力特性を示す図である。
【図４】本実施形態の車両用交流発電機の磁束応答の時定数を示す図である。
【図５】本実施形態の車両用交流発電機の回転変動を示す図である。
【図６】変形例の車両用交流発電機の回路図である。
【図７】他の変形例の車両用交流発電機の回路図である。
【符号の説明】
１  固定子
２  電機子巻線
３  整流器
４  スイッチングトランジスタ
５  界磁電流制御装置
６  フライホイールダイオード
１０  回転子
２０  回転子鉄心
２２  ボス部
２４  ディスク部
２６  爪状磁極部
３０  界磁巻線
３２  メインコイル
３４  サブコイル
３６  導磁材
【図１】
0003797225.tif 000002
【図２】
0003797225.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003797225.tif 000005
【図５】
0003797225.tif 000006
【図６】
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【図７】
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