JP2003134765A

JP2003134765A - 車両用回転電機

Info

Publication number: JP2003134765A
Application number: JP2001323597A
Authority: JP
Inventors: Arata Kusase; 草瀬　　新
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2003-05-09
Anticipated expiration: 2021-10-22
Also published as: US6781332B2; JP3800064B2; US20030102738A1

Abstract

(57)【要約】【課題】広い範囲で回転数が変化する場合に、低速時
と高速時の出力特性をともに向上させることができる車
両用回転電機を提供すること。【解決手段】車両用交流発電機に含まれる回転子２
は、それぞれが６極の爪状磁極を有する２個の界磁鉄心
２１と、界磁鉄心２１のボス部に巻装された界磁巻線２
２と、界磁鉄心２１のそれぞれの爪状磁極の一部に巻装
された短絡巻線２３とを有する。短絡巻線２３が巻装さ
れた第２磁極には、界磁巻線２２が巻装された第１磁極
に対して、電気角でπ／２だけ位相が遅れた起磁力が発
生する。このため、第１磁極から第２磁極の方向に向け
た移動磁界が発生し、界磁巻線２２に対する通電の周波
数に応じた回転磁界が発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、乗用車やトラック
等に搭載される車両用回転電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、車両用回転電機には、運動に
要する動力を極小とするために軽量高性能であることが
特に望まれているが、回転速度を変化させて使うために
その性能を向上させることが困難であるという問題があ
る。例えば、発電機動作について考えると、１５００ｒ
ｐｍ前後のアイドリング回転数から１５０００ｒｐｍ前
後の高速走行時の回転数まで連続的に回転数が変化し、
回転数の上限値と下限値とでは約一桁異なっており、使
用回転数の範囲が非常に広いという特徴がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
車両用回転電機の使用回転数の範囲は非常に広いため、
低いアイドリング回転で出力電流を増加させようとして
固定子巻線の巻数を増やすと、固定子巻線のインダクタ
ンスが増えて高速回転域での内部抵抗の増大により出力
電流が減少する。反対に、固定子巻線の巻数を減らすと
高速回転域で出力電流は増加するが、低速回転域で誘導
電圧が低くなって出力電流が減少してしまう。

【０００４】また、電動機動作について考えると、固定
子巻線の巻数が少ないと高速回転域では逆起電力が小さ
いため大きなトルクが出るが、低速回転域では起磁力が
小さいためにトルクが小さくなってしまう。また、固定
子巻線の巻数が多いと、その逆の関係となるため、発電
機動作の場合と同じジレンマがある。

【０００５】このように、発電機動作あるいは電動機動
作を行う車両用回転電機は、広い範囲で回転数が変化す
るため、低速時と高速時の両方の出力特性を向上させる
ことが難しいという問題があった。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、広い
範囲で回転数が変化する場合に、低速時と高速時の出力
特性をともに向上させることができる車両用回転電機を
提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】発明者は、上述した問題
は、発電機や電動機においては、固定子巻線の誘起電圧
やリアクタンスが、速度に一意的に比例する関係にある
ことが原因になっていることに気がついた。これらの誘
起電圧やリアクタンスを回転子の回転速度に無関係に制
御することが課題を解決する着眼点であると考えた。

【０００７】本発明の車両用回転電機は、多相巻線を有
する固定子と界磁巻線を具備する回転子とを有し、回転
子が車両原動機あるいは車両走行駆動軸によって回転駆
動される場合に、回転子の形成する磁界を、界磁巻線の
通電電流を変化させて回転子と異なる速度で回転させて
いる。回転磁界の速度を変えることにより、従来では回
転子の速度に依存していたＮＳ磁極の交番周波数を、実
際の回転子の速度と無関係に変化させることができるの
で、交番磁界周波数に依存した誘起電圧を実際の回転子
回転数に依存せず変化させることができる。また、固定
子巻線のリアクタンスについても、固定子巻線に交番す
る磁界の周波数に依存するので、これについても、実際
の回転子回転数に依存せず変化させることができるよう
になる。この構成と基本原理によって、例えば発電機の
場合、低速回転数では回転子の回転方向に磁界を加速し
て回転磁界速度を増すことにより、低速回転数でも高い
電圧を発生して高出力を発生することができ、また、回
転子が高速回転する際には、回転磁界を回転子に対して
静止または逆回転させることで、固定子電機子と回転磁
界の相対速度を低減でき、電機子反作用すなわちリアク
タンスを低下させることができ、出力を向上させること
ができる。

【０００８】また、上述した回転子は、励磁電流を通電
する界磁巻線と、磁極の一部に設けられた短絡巻線とを
有しており、界磁巻線に対する通電を単相交流で行うこ
とにより、回転子の励磁を行っている。上述した回転磁
界を得るには、通常三相や２相の交流を位相差をつけて
与えることが必要であり、それには半導体スイッチを多
く必要とするが、それを単相とすれば半導体スイッチが
少なくてすむ。ところが、単相励磁だと交番磁界になる
だけで移動磁界にならない。そこで、磁極の一部に短絡
コイルを設けて、単相交番磁界に対して９０°遅れた位
相の磁界を新たに形成させることにより、移動磁界すな
わち回転磁界を形成することができる。これにより、三
相交流や位相差を有する２相の交流を用いて回転磁界を
生成する場合に比べて制御が容易となるとともに、半導
体スイッチ等の部品点数の削減が可能になる。

【０００９】また、界磁巻線に対する通電方向を交互に
切り替えるＨブリッジ回路と、Ｈブリッジ回路の切り替
え動作を制御する界磁制御器とをさらに備えることが望
ましい。これにより、界磁巻線に対して交流電流を通電
することができ、単相励磁を行うことができる。

【００１０】また、界磁巻線が通電方向が異なる２つの
部分巻線からなっている場合に、２つの部分巻線に対す
る単方向通電を交互に行うことが望ましい。上述したＨ
ブリッジ回路を用いた場合に比べて、スイッチング素子
の数を減らすことができる。また、界磁巻線と並列接続
されたコンデンサをさらに備えるとともに、界磁巻線と
コンデンサからなる並列回路の共振周波数に同期した通
電を行うことが望ましい。共振によって界磁巻線に対す
る通電方向を周期的に変化させることができ、しかもス
イッチング素子の数をさらに減らすことが可能になる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した車両用交
流発電機について、図面を参照しながら説明する。図１
は、本実施形態の車両用交流発電機の基本原理を示す図
である。また、図２は本実施形態の車両用交流発電機の
構成を示す図である。これらの図に示す本実施形態の車
両用交流発電機は、固定子１、回転子２、整流器３、Ｈ
ブリッジ回路４、界磁制御器５を含んで構成されてい
る。

【００１２】固定子１は、固定子鉄心（図示せず）に巻
装された多相巻線としての三相の固定子巻線１１を有す
る。この固定子巻線１１の巻回数は、従来の車両用交流
発電機に含まれる固定子巻線の巻回数よりも少なく、例
えば約半分に設定されている。

【００１３】回転子２は、それぞれが６極の爪状磁極を
有する２個の界磁鉄心２１と、界磁鉄心２１のボス部に
巻装された界磁巻線２２と、界磁鉄心２１のそれぞれの
爪状磁極の一部に巻装された短絡巻線２３とを有する。
爪状磁極の一部が界磁巻線２２による磁化に依存した第
１磁極２４を形成し、爪状磁極の残りの一部が短絡巻線
２３による磁化に依存した第２磁極２５を形成する。ま
た、この回転子２は、図示しない車両原動機あるいは車
両走行駆動軸によって回転駆動される。

【００１４】図３は、爪状磁極に巻装された短絡巻線２
３の具体例を示す図であり、隣接する一対の爪状磁極の
みが示されている。ランデル型の界磁鉄心２１では、爪
状磁極とこれに対向して配置される固定子１の固定子鉄
心との間に磁束が通るため、この磁束がほぼ垂直に鎖交
するように短絡巻線２３が爪状磁極の一部に巻装されて
いる。各爪状磁極において、短絡巻線２３が巻装された
領域が第２磁極２５を形成し、それ以外の領域が第１磁
極２４を形成する。

【００１５】整流器３は、固定子２の固定子巻線１１に
接続されており、固定子巻線１１に誘起される交流電圧
を整流する。この整流器３の出力端子（Ｂ端子）は、外
部の電気負荷やバッテリに接続されており、出力端子を
介して電力が供給される。Ｈブリッジ回路４は、４つの
スイッチング素子としてのトランジスタ４１〜４４を有
しており、界磁巻線２２に流す電流の向きを可変する。
界磁巻線２２の一方端に、２つのトランジスタ４１、４
２が、他方端に他の２つのトランジスタ４３、４４がそ
れぞれ接続されている。これらの各トランジスタのベー
スは、界磁制御器５に接続されている。

【００１６】界磁制御器５は、４つのトランジスタ４１
〜４４の中の２つを選択的にオン状態に制御することに
より、界磁巻線２２に交流電圧を印加する。具体的に
は、図２において、対角線上に配置された２つのトラン
ジスタ４１、４４をオン状態に、それ以外のトランジス
タ４３、４２をオフ状態に制御することにより、界磁巻
線２２に同図において実線で示した方向の励磁電流を流
す動作と、反対に２つのトランジスタ４３、４２をオン
状態に、それ以外のトランジスタ４１、４４をオフ状態
に制御することにより、界磁巻線２２に同図において点
線で示した方向の励磁電流を流す動作とが交互に行われ
る。また、界磁制御器５は、固定子巻線１１のいずれか
の相電圧に基づいて発電周波数を検出する周波数検知部
を有しており、この周波数検知部で検出した発電周波数
に基づいて界磁巻線２２に印加する交流電圧の周波数を
設定する。

【００１７】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。図４
は、第１磁極２４に現れる起磁力Ｆ１と第２磁極２５に
現れる起磁力Ｆ２の関係を示す図である。図４に示すよ
うに、短絡巻線２３が巻装された第２磁極２５には、界
磁巻線２２が巻装された第１磁極２４に対して、電気角
でπ／２だけ位相が遅れた起磁力が発生する。このた
め、第１磁極２４から第２磁極２５の方向に向けた移動
磁界が発生する。

【００１８】図５は、図４に示した１周期内の各タイミ
ングにおける合成起磁力の角度変化を示す図である。図
５（ａ）は時刻ｔ１に、図５（ｂ）は時刻ｔ２に、図５
（ｃ）は時刻ｔ３に、図５（ｄ）は時刻ｔ４に、図５
（ｅ）は時刻ｔ５にそれぞれ対応した合成起磁力Ｆの状
態が示されている。なお、図５には、合成起磁力Ｆの角
速度と同じ角速度で界磁鉄心２１が回転している場合が
示されている。

【００１９】図４および図５に示すように、時刻ｔ１か
らｔ５まで変化する間に、第１磁極２４に現れる起磁力
Ｆ１は、ピーク値を１とすると、１→０．７１→０→−
０．７１→−１と変化する。一方、第２磁極２５に現れ
る起磁力Ｆ２は、０→０．７１→１→０．７１→０と変
化する。したがって、これら２つの起磁力Ｆ１、Ｆ２を
合成して得られる合成起磁力Ｆは、図５に示すように変
化し、界磁巻線２２に印加される交流電圧の周波数と同
じ角速度で回転する移動磁界が発生する。

【００２０】Ｈブリッジ回路４にて上側と下側のトラン
ジスタを一つずつ交互にオンすることにより、界磁巻線
２２に交流電流を通電することができる。本実施形態で
は、その周波数を発電機回転数に対して回転範囲毎に変
化させるようにしている。図６は、発電機回転数と励磁
角速度の関係を示す図である。図６において、実線ａは
励磁角速度を、一点鎖線ｂは回転子２に対する相対的な
励磁角速度を、点線ｃは回転子２の角速度をそれぞれ示
している。

【００２１】図６に示すように、本実施形態の車両用交
流発電機は、アイドリングを含む低速回転時には、回転
子２の角速度に対する相対的な励磁角速度を大きく設定
する。例えば、この相対的な励磁角速度を１５０Ｈｚ
（１５０ｒｅｖ／ｓ）に設定する。ところが、１５００
ｒｐｍのアイドリング時には界磁鉄心２１自身も１５０
Ｈｚ（１５０ｒｅｖ／ｓ）の力学的回転をしているの
で、固定子巻線１１からみた界磁鉄心２１の形成する回
転磁界は１５０＋１５０＝３００Ｈｚとなり、界磁鉄心
２１の回転数があたかも２倍であるように発電すること
となる。すなわち、本実施形態の固定子巻線１１の巻数
は、従来の固定子の固定子巻線の約半分であるが、界磁
鉄心２１の同一回転数において、ほぼ同じ出力電圧を発
生することができることになる。

【００２２】また、界磁制御器５内の周波数検知部によ
り検出した発電周波数に基づいて、界磁鉄心２１の相対
的な励磁角速度を段階的（図６に示す例では３段階）に
低下させ、高速回転時には交流通電でなく直流通電を行
っている。これにより、励磁角速度は、界磁鉄心２１の
力学回転の約２倍から、同一速度にまで段階的に低下す
る。そのため、励磁角速度が低下した分、あるいは従来
より固定子巻線１１の巻数が少ない分は、固定子巻線１
１のリアクタンスが少なくなり、内部抵抗が少なくなる
のでより大きな出力が可能となる。

【００２３】図７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。図７において、実線Ａは本実
施形態の車両用交流発電機の出力特性を、点線Ｂは本実
施形態の車両用交流発電機で直流励磁を行った場合の出
力特性を、一点鎖線Ｃは本実施形態の車両用交流発電機
と立ち上がり回転数が同じになるように固定子巻線の巻
回数を多くした従来の車両用交流発電機の出力特性をそ
れぞれ示している。

【００２４】図７に示すように、本実施形態の車両用交
流発電機では、アイドリング時等の低速回転時には、回
転子２の実際の回転数よりも回転子２によって発生する
回転磁界の周波数を大きく設定しているため、十分な出
力特性を得ることができる。また、固定子巻線１１の巻
回数が少なく設定されているため、高速回転時にも十分
な出力特性を得ることができる。すなわち、本実施形態
の車両用交流発電機では、低速から高速まで広い範囲で
回転数が変化する場合であっても、低速時と高速時の両
方の出力特性を向上させることが可能になる。

【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、上述した実施形態では、
Ｈブリッジ回路４を用いて界磁巻線２２に交流電圧を印
加して交番磁界を発生させたが、他の方法を用いて交番
磁界を発生させるようにしてもよい。

【００２６】図８は、回転子２に交番磁界を発生させる
車両用交流発電機の他の例を示す図である。図８に示し
た車両用交流発電機では、Ｈブリッジを用いる代わり
に、巻き方向が互いに逆の２つの界磁巻線２２Ａ、２２
Ｂを備え、それぞれの通電を単方向にて２つのトランジ
スタ４５、４６を交互にオン状態にすることにより行っ
ている。この場合には、スイッチング素子としてトラン
ジスタの数を半分に減らすことができ、コスト的に有利
となる。なお、ダイオード４７、４８は還流ダイオード
であり、トランジスタ４５、４６のそれぞれがオフ状態
のときにこれらのダイオード４７、４８を通して還流電
流が流れる。

【００２７】図９は、回転子２に交番磁界を発生させる
車両用交流発電機の他の例を示す図である。図９に示し
た車両用交流発電機では、Ｈブリッジを用いる代わり
に、界磁巻線２２と並列にコンデンサ１４３を接続し、
これらの並列回路の共振周波数に同期してトランジスタ
１４１をオン状態に制御することにより、界磁巻線２２
に交流電流を通電している。この場合には、スイッチン
グ素子としてのトランジスタの数が１個になるため、さ
らにコスト的に有利となる。また、部品点数の低減によ
り組み立てが容易であるだけでなく、オンオフ制御する
トランジスタが１つになるため、制御も容易となる。な
お、ダイオード１４２は還流ダイオードであり、トラン
ジスタ１４１がオフ状態のときに発生する還流電流がこ
のダイオード１４２を通して流れる。

【００２８】また、上述した実施形態では、車両用回転
電機として車両用交流発電機について説明したが、車両
用電動機についても本発明を適用することができる。

【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基本原理を示
す図である。

【図２】本実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図
である。

【図３】爪状磁極に巻装された短絡巻線の具体例を示す
図である。

【図４】第１磁極に現れる起磁力Ｆ１と第２磁極に現れ
る起磁力Ｆ２の関係を示す図である。

【図５】図４に示した１周期内の各タイミングにおける
合成起磁力の角度変化を示す図である。

【図６】発電機回転数と励磁角速度の関係を示す図であ
る。

【図７】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８】回転子に交番磁界を発生させる車両用交流発電
機の他の例を示す図である。

【図９】回転子に交番磁界を発生させる車両用交流発電
機の他の例を示す図である。

【符号の説明】

１固定子２回転子３整流器４Ｈブリッジ回路５界磁制御器１１固定子巻線２１界磁鉄心２２界磁巻線２３短絡巻線２４第１磁極２５第２磁極４１、４２、４３、４４トランジスタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多相巻線を有する固定子と界磁巻線を具
備する回転子とを有し、前記回転子が車両原動機あるい
は車両走行駆動軸によって回転駆動される車両用回転電
機において、前記回転子の形成する磁界を、前記界磁巻線の通電電流
を変化させて前記回転子と異なる速度で回転させること
を特徴とする車両用回転電機。
【請求項２】請求項１において、前記回転子は、励磁電流を通電する前記界磁巻線と、磁
極の一部に設けられた短絡巻線とを有しており、前記界磁巻線に対する通電を単相交流で行うことによ
り、前記回転子の励磁を行うことを特徴とする車両用回
転電機。
【請求項３】請求項２において、前記界磁巻線に対する通電方向を交互に切り替えるＨブ
リッジ回路と、前記Ｈブリッジ回路の切り替え動作を制御する界磁制御
器と、をさらに備えることを特徴とする車両用回転電機。
【請求項４】請求項２において、前記界磁巻線は、通電方向が異なる２つの部分巻線から
なっており、前記２つの部分巻線に対する単方向通電を交互に行うこ
とを特徴とする車両用回転電機。
【請求項５】請求項２において、前記界磁巻線と並列接続されたコンデンサをさらに備
え、前記界磁巻線と前記コンデンサからなる並列回路の共振
周波数に同期した通電を行うことを特徴とする車両用回
転電機。