JP2000092800A

JP2000092800A - 車両用交流発電機

Info

Publication number: JP2000092800A
Application number: JP10261237A
Authority: JP
Inventors: Shigenobu Nakamura; 中村　　重信; Tsutomu Shiga; 志賀　　孜
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-09-16
Filing date: 1998-09-16
Publication date: 2000-03-31
Also published as: US6281613B1

Abstract

(57)【要約】【課題】発熱量およびコストの低減が可能であり、界
磁電流が流れなくなった場合であっても出力電圧が過剰
に高くなることを防止することができる磁石付きの車両
用交流発電機を提供すること。【解決手段】車両用交流発電機１は、固定子２、回転
子３、フレーム４、電圧調整器７、プーリ８、クラッチ
９を有する。回転子３には永久磁石３７が爪部３６間に
介装されており、低速回転域において増磁される。クラ
ッチ９によって回転子３の上限回転数が所定値に設定さ
れており、回転子３の界磁巻線３１に電流が流れていな
い状態で回転子３をこの上限回転数で回転させた場合
に、車両用交流発電機１の出力電圧がバッテリ充電電圧
にほぼ一致するように永久磁石３７が選定される。

Description

【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、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】近年、電気負荷の増大や商品性向上の狙
いから、車両用交流発電機の小型化とともに高出力化が
求められている。従来、このような要請に応えるものと
して、特開平９−１０７６９７号公報や特開平８−２０
５４９７号公報等に開示された磁石付きの車両用交流発
電機が知られている。例えば、特開平９−１０７６９７
号公報に開示された車両用交流発電機は、回転子の磁極
鉄心の爪部間に比較的強い永久磁石を配置することによ
り、最も使用頻度の高い回転数において界磁電流が零の
状態でも一定の負荷電流を取り出せるようにしたもので
あり、低速回転域における出力向上を図ることができ
る。

【０００３】また、この車両用交流発電機では、負荷電
流が少なくなったり回転数が上がった場合には出力電圧
がバッテリ電圧を越えないように制御する必要があり、
このために４個のスイッチング素子をＨ型に配置したＨ
型ブリッジ回路を備えている。このＨ型ブリッジ回路に
おいて、対となる２個のスイッチング素子の組み合わせ
を切り替えることにより、低速回転域では増磁する方向
で界磁電流を流し、高速回転域では減磁する方向で界磁
電流を流すことが可能になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、永久磁石を
使った従来の車両用交流発電機では界磁電流を制御する
ためにＨブリッジ回路が用いられており、このＨブリッ
ジ回路には４個のスイッチング素子が含まれていること
から部品コストの増大を招くという問題がある。また、
このＨブリッジ回路では、対となる２個のスイッチング
素子が同時にオン状態となるため、発熱量が多く、大き
な放熱フィンが必要となって部品の小型化が難しいとい
う問題がある。このため、このＨブリッジ回路を含む電
圧調整器を車両用交流発電機に内蔵することが難しく、
別部品として組付けを行うことになるため、最近の小型
化の要請に反するとともに、車両への組み付け性も悪化
する。

【０００５】また、高速回転域では減磁することによっ
て出力電圧をバッテリ充電電圧に制御しているため、界
磁巻線の断線やＨブリッジ回路に含まれるスイッチング
素子のオープン故障等によって界磁電流が無制御状態に
なって流れなくなった場合に、出力電圧がバッテリ充電
電圧よりも高く（例えば２倍以上）なるという問題があ
った。出力電圧がバッテリ充電電圧よりも高くなると、
車両用交流発電機の発電電力の供給先となっている各種
の車載用電気機器類を故障に至らしめることになる。

【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、発熱量およびコストの低減
が可能であり、界磁電流が流れなくなった場合であって
も出力電圧が過剰に高くなることを防止することができ
る磁石付きの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、永久磁石が配置
された回転子が用いられており、この回転子の上限回転
数が所定回転数に設定されている。したがって、回転子
の界磁巻線に逆向きの電流を流して減磁が必要となるよ
うな高速回転域以下の値に回転子の上限回転数を設定す
ることが可能になるため、電圧調整器において界磁巻線
に双方向の電流を流す制御を行う必要がなく、界磁電流
を断続するスイッチング素子の数を減らすことができ、
スイッチング素子による発熱量を低減することができる
とともに、スイッチング素子を減らすことによるコスト
ダウンを図ることができる。また、スイッチング素子の
数が減ってその発熱量が減れば、大きな放熱フィンも不
要となるため、電圧調整器を小型化することができ、電
圧調整器を車両用交流発電機に内蔵することが容易とな
る。

【０００８】また、上述の永久磁石は、界磁巻線に最大
界磁電流を流した状態で、所望の出力が得られる磁気力
を持ち、上限となる回転数は、界磁巻線に電流が流れな
い状態で出力電圧がバッテリ充電電圧以下になるように
設定されることが望ましい。界磁巻線が断線した場合や
電圧調整器が故障した場合には、界磁巻線に流れる電流
が無制御状態となるため、全く電流が流れない場合も起
こりうる。ところが、本発明によれば、上限回転数で回
転子を回転させた場合であっても出力電圧がバッテリ充
電電圧よりも高くなることはなく、出力電圧異常に起因
して車載用の各種の電気機器類を故障に至らしめること
を防止することができる。

【０００９】また、回転子の上限回転数は、エンジンの
上限回転数とアイドル回転数の間の回転数に対応する値
に設定することが望ましい。一般に、アイドル回転数に
対応する回転数前後において、回転数に対する出力増加
の勾配は、高速回転での出力勾配より大きい。永久磁石
を用いることによってアイドル回転数前後の回転域の出
力増加勾配はさらに大きくなる。一方、市街地の平均的
走行でのエンジン回転数の頻度分布は、アイドル回転数
が５０％以上である。よって、回転数の上限回転数をア
イドル回転数に対応する回転数以上に設定することによ
って出力を確保し、バッテリの適正な充電と放電のバラ
ンスを保つことが可能になる。一方、各部品の耐久性等
を考慮すると、回転子の上限回転数は低い方がよい。し
たがって、エンジンの上限回転数とアイドル回転数の間
の回転数に対応する値に回転子の上限回転数を設定する
ことにより、これらの両方を満足させることができる。

【００１０】特に、回転子の上限回転数は、エンジンの
上限回転数とアイドル回転数の間の回転数に対応する値
の中でも、エンジンの上限回転数のほぼ２／３の回転数
に対応する値に設定することが望ましい。この回転数に
おいて、車両用交流発電機の出力電流がほぼ飽和するた
め、回転子の上限回転数を従来よりも低く設定したため
にバッテリの充電不足が生じることもない。

【００１１】

【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
の全体構造を示す図である。同図に示す車両用交流発電
機１は、固定子２、回転子３、フレーム４、ブラシ装置
５、整流器６、電圧調整器７、プーリ８、クラッチ９等
を含んで構成されている。

【００１２】固定子２は、固定子鉄心２１と、固定子巻
線２２と、これらの間を絶縁するインシュレータ２３と
を備えている。固定子鉄心２１は、所定厚さの鋼板を重
ねて形成されており、内周側に形成された複数のスロッ
トに所定の間隔で３相の固定子巻線２２が巻かれてい
る。回転子３は、絶縁処理された銅線を円筒状かつ同心
状に巻き回した界磁巻線３１を、それぞれが６個の爪部
を有するランデル型磁極鉄心３２によって、シャフト３
３を通して両側から挟み込んだ構造を有している。ま
た、フロント側の磁極鉄心３２の端面には、フロント側
から吸い込んだ冷却風を軸方向および径方向に吐き出す
ために軸流式の冷却ファン１１が溶接等によって取り付
けられている。同様に、リヤ側の磁極鉄心３２の端面に
は、リヤ側から吸い込んだ冷却風を径方向に吐き出すた
めに遠心式の冷却ファン１２が溶接等によって取り付け
られている。

【００１３】また、磁極鉄心３２は、円筒部３４、継鉄
部３５、爪部３６により構成されている。フロント側の
磁極鉄心３２においてリヤ側に向けて延びた爪部３６
と、リヤ側の磁極鉄心３２においてフロント側に向けて
延びた爪部３６の間には、漏洩磁束を減じる向きに着磁
された複数の永久磁石３７が介装されている。永久磁石
３７を各爪部３６の間に介装する方法については何通り
かが考えられる。例えば、各爪部３６間に接着剤等を用
いて永久磁石３７を固着する場合や、箱形形状等に形成
された収納部に永久磁石３７を収納した状態で爪部３６
間に介装する場合などが考えられる。永久磁石３７を各
爪部３６間に介装することにより、界磁巻線３１に励磁
電流が流れていない状態においても、固定子巻線２２と
鎖交する所定の磁束が発生する。

【００１４】フレーム４は、固定子２および回転子３を
収容しており、回転子３がシャフト３３を中心に回転可
能な状態で支持されているとともに、回転子３の磁極鉄
心３２の外周側に所定の隙間を介して配置された固定子
２が固定されている。また、フレーム４は、固定子２の
固定子巻線２２に対向した部分に冷却風の突出孔４１
が、軸方向端面に吸入孔４２がそれぞれ設けられてい
る。

【００１５】整流器６は、３相の固定子巻線２２の出力
である交流電力を整流して直流電力を得るためのもので
あり、放熱板に半田付けによって取り付けられた複数個
の整流素子を備えている。電圧調整器７は、界磁巻線３
１に流す励磁電流を制御するものであり、負荷が軽くて
出力電圧が高くなる場合には、界磁巻線３１に対する電
圧の印加を断続することにより界磁電流を減らして、車
両用交流発電機１の出力電圧を一定に保つ。

【００１６】プーリ８は、エンジン（図示せず）の回転
力を回転子３に伝達するためのものであり、クラッチ９
を介してシャフト３３に取り付けられている。クラッチ
９は、クラッチインナ９１、クラッチアウタ９２を備え
ている。クラッチインナ９１がシャフト３３の一方端に
ナット９３によって締め付け固定されている。また、ク
ラッチアウタ９２は、外周側にプーリ８が取り付けられ
ている。低速回転域においては、クラッチアウタ９２と
クラッチインナ９１とが一体になって回転するが、所定
回転数を越える高速回転域においては、クラッチアウタ
９２のみが空転してクラッチインナ９１は所定回転数を
維持する。このクラッチ９によって設定される車両用交
流発電機１の上限回転数については後述する。これらプ
ーリ８とクラッチ９とにより回転伝達機構が構成されて
いる。

【００１７】上述した構造を有する車両用交流発電機１
は、クラッチ９を介してプーリ８にエンジンからの回転
力が伝えられると、回転子３が所定方向に回転する。こ
の状態で回転子３の界磁巻線３１に外部から励磁電圧を
印加することにより、磁極鉄心３２のそれぞれの爪部３
６が励磁され、固定子巻線３３に３相交流電圧を発生さ
せることができる。

【００１８】図２は、車両用交流発電機１の出力特性を
示す図であり、界磁巻線３１に界磁電流Ｉｆが流れてい
ない状態での特性が示されている。固定子３の各爪部３
６間には永久磁石３７が介装されているため、界磁電流
Ｉｆが流れていない状態においても、各爪部３６と固定
子鉄心２１との間に所定の磁束が流れており、この磁束
が固定子巻線２２と鎖交する。このため、回転子３の回
転数に比例して車両用交流発電機１の出力電圧が上昇す
る。

【００１９】また、永久磁石３７は、クラッチ９によっ
て規定される回転子３の上限回転数に達したときに、車
両用交流発電機１の出力電圧がバッテリ充電電圧Ｖ１に
ほぼ一致するように、その材質、大きさ、個数等が選定
される。したがって、図２に示すように、クラッチ９に
よって設定された回転子３の上限回転数Ｒ１以下では、
プーリ８の回転数を上げっていった場合に、このプーリ
８の回転数に比例して出力電圧が高くなり、プーリ８の
回転数がこの上限回転数Ｒ１に達すると出力電圧がほぼ
バッテリ充電電圧Ｖ１に等しくなる。また、それ以上プ
ーリ８の回転数を上げても、クラッチ９の作用によって
回転子３の回転数はこの上限回転数Ｒ１に維持されるた
め、それ以上出力電圧が上がることはなく、ほぼバッテ
リ充電電圧Ｖ１に維持される。

【００２０】ところで、クラッチ９によって設定される
車両用交流発電機１の上限回転数Ｒ１は、エンジンの最
高回転数のほぼ２／３に対応する回転数に設定されてい
る。図３に示すように、エンジンのアイドル回転数に対
応する回転子３の回転数Ｒ０における出力電流の増加の
勾配は、より高速な回転領域よりも急勾配を示す。一
方、図４に示すように、市街地走行においてエンジン回
転数の頻度は、アイドル回転数が５０％以上を占める。
よって、アイドル回転数Ｒ０以上に上限回転数Ｒ１を設
定することにより、出力を確保し、バッテリの適正な充
電と放電のバランスを保っている。さらに、車両用交流
発電機の各部品の温度上昇のピーク点は、出力と冷却風
量の関係から、一般に回転数Ｒ０の２倍から３倍の回転
数領域に現れることから、上限回転数Ｒ１は高いほど望
ましい。また、部品の耐久性等を考慮した場合、この上
限回転数Ｒ１は、低いほど望ましい。なお、図２、図３
における回転数Ｒ２は、エンジンの通常の使用を想定し
た上限回転数に対応している。結局、これらの全てを考
慮して、エンジンの最高回転数に対応する回転数Ｒ２の
ほぼ２／３に、上述した上限回転数Ｒ１が設定されてい
る。例えば、エンジンの最高回転数が６０００ｒｐｍ
で、プーリ比が２．５の場合を考えると、回転子３の上
限回転数Ｒ１は６０００×２．５×２／３＝１００００
ｒｐｍとなる。

【００２１】また、このようにして設定される上限回転
数Ｒ１は、車両用交流発電機１をフル負荷の状態で発電
動作させたときに、出力電流が飽和する回転数にほぼ一
致する。図３は、車両用交流発電機１の回転数とフル負
荷時の出力電流との関係を示す図である。同図に示すよ
うに、車両用交流発電機１は、低速回転域で出力電圧が
急激に立ち上がった後は、その上昇カーブがなだらかに
なるため、それ以上の回転数の上昇は出力電流の増加に
それ程寄与しない。したがって、この出力電圧がほぼ飽
和する回転数Ｒ１を回転子３の上限回転数に設定して
も、車両の電力収支の上からは充電不足等の問題は生じ
ない。上述したように各部品の耐久性等を考慮すると、
この上限回転数をあまり高回転に設定することは好まし
くないため、結局出力電流がほぼ飽和する回転数を上限
回転数に設定することが最も好ましいといえる。

【００２２】このように、本実施形態の車両用交流発電
機１においては、回転子３の磁極鉄心３２の爪部３６間
に永久磁石３７が介装されているため、低速回転域での
増磁作用によって出力向上が可能となる。また、クラッ
チ９を用いることにより回転子３の上限回転数がある一
定値Ｒ１に抑えられており、界磁電流Ｉｆが０の場合の
出力電圧がバッテリ充電電圧Ｖ１にほぼ一致するように
設定されている。したがって、電圧調整器７の故障や界
磁巻線３１の断線等によって界磁電流の供給が不通にな
ったときに、車両用交流発電機１の出力電圧が高くなっ
て、各種の車載用機器類を損傷させることもない。ま
た、電圧調整器７による界磁電流の制御は、界磁巻線３
１に一方向に電流を流すことによって行われるため、高
回転域で減磁を行うために界磁巻線３１に反対方向に電
流を流すための複雑な制御が不要となる。しかも、Ｈ型
ブリッジ回路を用いて減磁を行う場合に比べてスイッチ
ング素子の数を減らすことができため、スイッチング素
子による発熱量を低減でき、電圧調整器７の小型化が可
能となる。

【００２３】なお、本発明は上記実施形態に限定される
ものではなく、本発明の要旨内で種々の変形実施が可能
である。例えば、上述した実施形態では、回転子３の上
限回転数をエンジンの上限回転数の２／３に対応する値
にほぼ一致させたが、エンジンの上限回転数とアイドル
回転数の間で任意の値に設定するようにしてもよい。い
ずれの値に設定した場合であっても、回転子３の上限回
転数において界磁巻線３１に流す界磁電流を零としたと
きに出力電圧がバッテリ充電電圧にほぼ一致するように
永久磁石３７の種類や大きさ、個数等を選定すればよ
い。

【００２４】また、上述した実施形態では、界磁巻線３
１に電流が流れていない状態でこの回転子３を上限回転
数で回転させたときに、出力電圧がバッテリ充電電圧に
ほぼ一致するようにしたが、界磁巻線３１に最大電流を
流した状態で所望の出力を得るための磁気力を持つ永久
磁石を設置する場合には、界磁巻線３１に電流を流さな
いときの出力電圧がバッテリ充電電圧よりも低くなるよ
うに設定してもよい。

【００２５】なお、永久磁石は界磁鉄心の異なる極性に
励磁される部位の間に介装されることが望ましく、爪の
周方向側面に対向させて永久磁石を設ける他、爪の軸方
向先端に対応させて永久磁石を設けてもよい。また、永
久磁石は、漏洩磁束を防止する位置に限らず、励磁巻線
と並列に配置されてもよい。なお、回転伝達機構として
は所定回転数以上で回転力の伝達を切断するクラッチ機
構の他、所定回転数以上ですべりを生じるクラッチ機構
や、所定回転数となるように減速比が変化する減速機構
を用いることができる。

【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造を示
す図である。

【図２】車両用交流発電機の出力特性を示す図である。

【図３】車両用交流発電機の回転数とフル負荷時の出力
電流との関係を示す図である。

【図４】市街地走行におけるエンジン回転数の分布を示
す図である。

【符号の説明】

１車両用交流発電機２固定子３回転子４フレーム５ブラシ装置６整流器７電圧調整器８プーリ９クラッチ３１界磁巻線３２磁極鉄心３６爪部３７永久磁石９１クラッチインナ９２クラッチアウタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固定子巻線を有する固定子と、永久磁石と界磁巻線とを有する回転子と、前記界磁巻線に流す電流値を可変することにより出力電
圧を調整する電圧調整器と、前記回転子の回転数を上限回転数に制限する回転伝達装
置と、を備え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、前記界磁巻線に最大界磁電流を流した状態で、前記界磁
巻線と前記永久磁石とが共働して所望の出力が生じるよ
うに前記永久磁石の磁気力を設定するとともに、前記界
磁巻線に界磁電流が流れない状態で、出力電圧がバッテ
リ充電電圧以下となるように前記回転子の上限回転数を
設定した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、前記回転伝達装置によって設定される前記回転子の上限
回転数は、エンジンの上限回転数とアイドル回転数の間
の回転数に対応する値に設定され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または２において、前記回転伝達装置によって設定される前記回転子の上限
回転数は、エンジンの上限回転数のほぼ２／３の回転数
に対応する値に設定されることを特徴とする車両用交流
発電機。