JP2007151393A - 車両用タンデム式回転電機 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成にて小型軽量の車両用タンデム式回転電機を提供する。
【解決手段】スリップリング給電機構は、ブラシ２００とそれに接触するスリップリング２０１とのペアと、ブラシ２０２とそれに接触するスリップリング２０３とのペアとをもつ。２０４は界磁コイル２２の励磁電流を断続制御するトランジスタ、２０５は界磁コイル３２の励磁電流を断続制御するトランジスタ、２０６はトランジスタ２０４のベース電流を増幅するエミッタホロワトランジスタ、２０７はトランジスタ２０５のベース電流を増幅するエミッタホロワトランジスタ、Dはフライホイルダイオードでありロータコア側に固定されてロータコアとともに回転する。２０８はロータ側に搭載された信号分配用のデマルチプレクサでありハウジング側のレギュレータから指令信号を受信する。保守が面倒なスリップリング機構を簡素化し、装置体格を縮小することが可能である。
【選択図】図４

Description

本発明は、一つの回転軸と複数のステータ・ロータペアをもつ車両用タンデム式回転電機に関する。

二つのランデル型ロータをタンデム結合して出力倍増を図った回転電機（以下、タンデム型回転電機ともいう）が下記の特許文献１ー３などに提案されている。このタンデム式ランデル型回転電機によれば、２つの発電電圧をそれぞれ独立制御可能に出力する回転電機をコンパクトに製造することができる。言い換えれば、２つの回転電機を別々に設置するのに比べて、製造費用及び設置スペースを大幅に削減することができる。このような２発電電圧を独自制御可能に発生することは、たとえば従来の１２Ｖ系に加えて４２Ｖ系などの高電圧を別に出力可能な２電圧型回転電機に特に好適である。

この種のタンデム式回転電機では、整流装置は第２ステータ・ロータペアの軸方向外側に配置されるため、整流装置と第１ステータ・ロータペアのステータとをリード線（以下、接続用リード線とも言う）により接続する必要がある。このため、特許文献２は、この接続用リード線を第２ステータ・ロータペアの径方向外側に配設することを提案している。

また、Ｕ字状セグメント導体をステータコアのスロットに挿通して順次接続してなるセグメント順次接合ステータコイルがたとえば本出願人の出願になる下記の特許文献５ー１２に記載されている。このセグメント順次接合ステータコイルはスロット占積率を大きくでき、かつステータコイルのコイルエンドを整形かつ縮小できる利点を有している。
特開平１−１５７２５１号公報 特開平５−１３７２９５号公報 特開平５−３０８７５１号公報 特開平５−５００３００号公報 特開２００４−０４８９３９号公報 特開２００４−０４８９４１号公報 特開２００４−０６４９１４号公報 特開２００４−０４８９６７号公報 特開２００４−０３２８８２号公報 特開２００４−０３２８８４号公報 特開２００４−０３２８９０号公報

現在の車両用交流発電機ではその小型軽量化がますます要求されており、特にタンデム式回転電機ではその軸方向長が増大する傾向があるため、小型軽量化の要求は更に大きい。

上記した特許文献２に開示される第２ステータ・ロータペアの径方向外側を軸方向へ延在する接続用リード線配置方式は、この接続用リード線の絶縁確保、外部衝撃からの機械的保護及び熱的保護のために回転電機が径方向へ膨らんでしまい、体格を増大させエンジンへの装備自由度が低下するという不具合があった。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、簡素な装置構成にて体格縮小が可能な車両用タンデム式回転電機を提供することをその目的としている。

上記課題を解決するこの発明のタンデム式回転電機は、界磁コイルが巻装されたロータコアとステータコイルが巻装されたステータコアとをそれぞれ有する第１ステータ・ロータペア及び第２ステータ・ロータペアと、前記第２ステータ・ロータペアの軸方向外側かつ前記第１ステータ・ロータペアから離れた側に配置されて前記両ステータコイルの発電電圧を整流する整流装置と、前記両ステータ・ロータペアの界磁電流を独立制御するコントローラとを備え、前記２つのロータコアは同一の回転軸に軸方向に隣接して固定されて車載エンジンにより駆動される。なお、ロータはランデル型ロータが好適であるがそれに限定されるものではない。また発電動作に加えて電動動作も行う形式の回転電機でもよい。また、これら二つのステータ・ロータペアに加えて更にステータ・ロータペアをタンデム配置にて追加してもよい。

この発明のタンデム式回転電機は、前記第１ステータ・ロータペアの界磁コイルと前記第２ステータ・ロータペアの界磁コイルに給電するための共通のスリップリング給電機構と、前記ロータコア側に固定されて前記第１ステータ・ロータペアの界磁コイルと前記第２ステータ・ロータペアの界磁コイルの界磁電流を個別に制御する界磁電流制御素子とを有することを特徴としている。

すなわち、この発明では、一対の共通のスリップリングを用いて二つの界磁コイルに共通に給電できるため、タンデム式回転電機の構造を簡素化することができ、摩擦損失も低減でき、回転電機の軸方向長の短縮により小型軽量化も実現することができる。

本発明の車両用タンデム式回転電機の好適な実施態様を以下の実施形態を参照して説明する。ただし、本発明は下記の実施態様に限定されるものではなく、その他の公知技術又はそれと必要機能が等しい技術を組み合わせて本発明を構成しても良いことは当然である。

［実施形態］
（全体構成）
まず、実施形態１の車両用タンデム式回転電機の全体構造を図１を参照して以下に説明する。１はハウジング、２は第１回転電機部、３は第２回転電機部、４は回転軸、５はプーリ、６、７は軸受け、８は整流器、９はレギュレータ、１０はスリップリング給電機構である。

ハウジング１は、フロントハウジング１１と、センターハウジング１２と、リヤハウジング１３とからなり、スルーボルト１４で締結して構成されている。回転軸４は、軸受け６，７を介してハウジング１に支承されており、プーリ５がハウジング１から前方へ突出する回転軸４の前端部に固定されている。整流器８、レギュレータ９及びスリップリング給電機構１０は第２回転電機部３のリヤ側にてリヤハウジング１３に固定されている。

第１回転電機部２は、ランデル型ロータコア２１と、ランデル型ロータコア２１に個別に巻装された界磁コイル２２と、ランデル型ロータコア２１の径方向外側に配置されたステータコア２３と、ステータコア２３に巻装されたステータコイル２４とを有するステータ・ロータペアからなる。ランデル型ロータコア２１は、それぞれボス部２１１と、ボス部２１１から径方向外側に延設される爪基端部であるポール部２１２と、爪部（爪状磁極）２１３とをそれぞれもつ一対のハーフコアのボス部２１１同士を突き合わせてなり、ランデル型ロータコア２１のボス部２１１には界磁コイル２２が巻装されている。ステータコア２３はフロントハウジング１１とセンターハウジング１２とにより挟設されており、ステータコア２３にはステータコイル２４が巻装されている。

第２回転電機部３は、ランデル型ロータコア３１と、ランデル型ロータコア３１に個別に巻装された界磁コイル３２と、ランデル型ロータコア３１の径方向外側に配置されたステータコア３３と、ステータコア３３に個別に巻装されたステータコイル３４とを有するステータ・ロータペアからなる。ランデル型ロータコア３１は、それぞれボス部３１１と、ポール部３１２と、爪部３１３とをもつハーフコアのボス部３１１同士を突き合わせてなり、ランデル型ロータコア３１のボス部３１１には界磁コイル３２が巻装されている。ステータコア３３はセンターハウジング１２とリヤハウジング１３とにより挟設されており、ステータコア３３にはステータコイル３４が巻装されている。上記した第１回転電機部２及び第２回転電機部３は、典型的なランデル型ロータコアをもつ回転電機であって、その他の構造詳細は通常のランデル型回転電機と同じであるためこれ以上の説明は省略する。

（回路構成の説明）
図２を参照して回路系を説明する。

ステータコイル２４は三相星形接続された相巻線U、V、Wをもち、三相交流電圧を三相全波整流器８１に出力している。三相全波整流器８１は三相全波整流を行って外部に電流i１を出力している。ステータコイル３４は三相星形接続された相巻線U’、V’、W’をもち、三相交流電圧を三相全波整流器８２に出力している。三相全波整流器８２は三相全波整流を行って外部に電流i２を出力している。相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの出力端は接続用リード線３５〜３７により三相全波整流器８２の３つの三つの交流入力端８１１〜８１３に個別接続されている。

スリップリング給電機構１０は一対のスリップリングを有し、その一つはたとえば接地端子をなす界磁コイルの共通端子であり、他の一つはバッテリの正極端子から給電されている。界磁コイル２２、３２に通電される界磁電流は、ロータコア２１、３１側に固定された一対の界磁電流制御トランジスタにより個別に通電制御され、レギュレータ９はこれら一対のトランジスタの断続比を制御して界磁電流を個別に制御する。

第２回転電機部３のステータコイル３４は、第１回転電機部２のステータコイル２４よりも大きいターン数をもち、第１回転電機部２は低電圧用（１２V用）、第２回転電機部３は低電圧用（４２V用）とされ、第１回転電機部２は図示しない低電圧負荷に給電し、第２回転電機部３は図示しない高電圧負荷に給電している。ただし、この実施形態では、常に給電が必要な重要電気負荷（常用電気負荷）は低電圧負荷として設計され、高電圧負荷はすべて常に給電が必要ではない非優先電気負荷として設計されている。

（ステータコイル２４、３４の説明）
ステータコイル２４、３４について図１を参照して説明する。この実施形態では、ステータコイル２４、３４は公知のセグメント順次接合ステータコイル構造を採用している。このセグメント順次接合ステータコイル構造ではＵ字状セグメント導体の一対の脚部（直線部）を互いに電気角π離れた二つのスロットに個別に軸方向一方側から挿通し、スロットから飛び出た各Ｕ字状セグメント導体の一対の先端部を順次接合して波巻き方式あるいは重ね巻き方式にてステータコイルを構成する。このセグメント順次接合ステータコイルの構造についてはたとえば既述した上記特許文献５−１２などにより既に周知となっているため詳細説明については省略する。ただし、ステータコア２３、３３のスロット数及び１スロットの導体収容位置数は任意である。

この実施形態では、図１に示すように、ステータコイル２４、３４の各スロットに径方向に４つの導体収容位置を設け、径方向最内側及び最外側の導体収容位置に大セグメントの両脚部を挿通し、径方向二番目と三番目の導体収容位置に小セグメントの両脚部を挿通したセグメント順次接合ステータコイルを採用したが、これに限定されることなく他の種々のセグメント順次接合ステータコイル構造を採用することができる。

したがって、ステータコア２３のスロット数をN1、ステータコア３３のスロット数をN２とすると、ステータコイル２４の各相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗはそれぞれ、N１／３個の小セグメントとN１／３個の大セグメントをもち、ステータコイル２４の相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗはそれぞれ、N１／３個の小セグメントを順次接続して構成された小コイル部と、N1／３個の大セグメントを順次接続して構成された大コイル部とを直列接続して構成されている。

同じく、ステータコイル３４の各相巻線Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’はそれぞれ、N２／３個の小セグメントとN２／３個の大セグメントをもつことができる。したがって、ステータコイル３４の相巻線Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’はそれぞれ、N２／３個の小セグメントを順次接続して構成された小コイル部と、N２／３個の大セグメントを順次接続して構成された大コイル部とを直列接続して構成することができるのであるが、後述するように、ステータコイル３４の各相巻線Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’のターン数はそれぞれ１ターンだけ少なく構成されている。

更に説明すると、この実施形態では、整流装置８側（リヤ側）のステータコイル３４の各相巻線Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’はそれぞれ、最初の半ターンと最後の半ターンとが省略される。また、各相巻線Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’の最初のセグメント導体と最後のセグメント導体はＵ字状ではなく、I字状に形成される。この最初のI字状セグメント導体は各相巻線Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’の引き出しリード線となり、この最後のI字状セグメント導体は互いに接続されて中性点をなす。これにより、ステータコア３３には互いに電気角π離れて一対の導体収容位置が相ごとに空きの導体収容位置となる。このため、ステータコイル３４の各相巻線Ｕ’、Ｖ’、Ｗ’はそれぞれ、（（２N２／３）ー１）ターンをもつことになり、本来のターン数（２N２／３）よりそれぞれ１ターン少なく形成される。

反整流装置８側のステータコイル２４の各相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗは従来同様本来のターン数（２N／３）をもつが、各相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの最初のセグメント導体と最後のセグメント導体はＵ字状ではなく、I字状に形成される。各相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの最初のセグメント導体であるI字状セグメント導体は各相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの引き出しリード線１０１〜１０３を兼ねる。各相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの最後のセグメント導体であるI字状セグメント導体は互いに接続されて中性点をなす。このため、ステータコイル２４の各相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗはそれぞれ、（２N１／３）ターンをもつことになる。

ステータコイル２４の各相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの引き出しリード線１０１〜１０３は、それぞれ第２回転電機部３を軸方向に越えて整流装置８の三相全波整流器８１の各交流入力端８１１〜８１３に到達する必要がある。そこで、この実施形態では、図１に示すように、各相巻線Ｕ、Ｖ、Ｗの引き出しリード線１０１〜１０３と三相全波整流器８１の各交流入力端８１１〜８１３とを個別に接続するために、ステータコア３３に相ごとに一対づつ設けられた上記空きの導体収容位置の一方に、接続用リード線３５〜３７を挿通する。

相巻線Ｕの引き出しリード線１０１の先端は接続用リード線３５の前端に溶接され、相巻線Vの引き出しリード線１０２の先端は接続用リード線３６の前端に溶接され、相巻線Wの引き出しリード線１０３の先端は接続用リード線３７の前端に溶接される。接続用リード線３５の後端は三相全波整流器８１のU相交流入力端８１１に接続され、接続用リード線３６の後端は三相全波整流器８１のV相交流入力端８１２に接続され、接続用リード線３７の後端は三相全波整流器８１のW相交流入力端８１３に接続される。

このようにすれば、第１回転電機部２のステータコイル２４、第２回転電機部３のステータコイル３４として、高いスロット占積率をもつセグメント順次接合ステータコイル構造を採用して回転電機のコンパクト化を図ったとしても、体格増加を招くことなく、第１回転電機部２のステータコイル２４と整流装置８の三相全波整流器８１とを接続することができる。

（変形態様）
変形態様を図１を参照して説明する。上記実施形態１では、第１回転電機部２、第２回転電機部３にセグメント順次接合ステータコイル構造を採用したが、その代わりに通常の巻線型のステータコイル構造を採用しても良い。巻線型のステータコイル構造では、通常の丸形断面のコイル導体をステータコア２３、３３の各スロットの開口から一本ずつ挿入しつつ巻き上げていくためスロット占積率が小さく、スロット内部にアイドルスペースが存在する。したがって、ステータコイル巻き上げ後、任意の３個のスロットに上記接続用リード線３５〜３７を個別に挿通することが容易である。

なお、ステータコイル２４のU相コイルに接続される接続リード線３５はステータコイル３４のU相コイル（図２ではU’と表記）が挿通されるスロットを通じて整流装置８側に引き出されることが好適であり、この時、このスロット内にてステータコイル３４のU’相セグメント導体を流れる電流と接続リード線３５を流れる電流が同じ向きとなることが更に好適である。同様に、ステータコイル２４のV相コイルに接続される接続リード線３６はステータコイル３４のV相コイル（図２ではV’と表記）が挿通されるスロットを通じて整流装置８側に引き出されることが好適であり、この時、このスロット内にてステータコイル３４のV’相セグメント導体を流れる電流と接続リード線３６を流れる電流が同じ向きとなることが更に好適である。同じく、ステータコイル２４のW相コイルに接続される接続リード線３７はステータコイル３４のW相コイル（図２ではW’と表記）が挿通されるスロットを通じて整流装置８側に引き出されることが好適であり、この時、このスロット内にてステータコイル３４のW’相セグメント導体を流れる電流と接続リード線３５を流れる電流が同じ向き（同位相）となることが更に好適である。

（変形態様）
変形態様を図３を参照して説明する。この変形態様は、図２に示す参考形態において、三相全波整流器８１の直流高電位端と三相全波整流器８２の直流低電位端とを接続したものである。三相全波整流器８１の出力電圧（１２V）及び出力電流は界磁コイル２２に通電する励磁電流If1を調整することにより、三相全波整流器８２の出力電圧及び出力電流は界磁コイル３２に通電する励磁電流If2を調整することにより行うことができる。この実施形態によれば、第２回転電機部３の出力電圧を軽減することができる。

（励磁電流制御回路及びスリップリング給電機構の説明）
励磁電流制御回路及びスリップリング給電機構を図４を参照して説明する。スリップリング給電機構１０は、ブラシ２００とそれに接触するスリップリング２０１とのペアと、ブラシ２０２とそれに接触するスリップリング２０３とのペアとをもつ。

２０４は界磁コイル２２の励磁電流を断続制御するトランジスタ、２０５は界磁コイル３２の励磁電流を断続制御するトランジスタ、２０６はトランジスタ２０４のベース電流を増幅するエミッタホロワトランジスタ、２０７はトランジスタ２０５のベース電流を増幅するエミッタホロワトランジスタ、Dはフライホイルダイオードであり、これらの素子はロータコア側に固定されてロータコアとともに回転する。２０８はロータ側に搭載された信号分配用のデマルチプレクサであり、デマルチプレクサ２０８は図示しないロータリーホトカプラを通じて非接触状態でハウジング側のレギュレータ９から指令信号を受信する。このようにすれば、保守が面倒なスリップリング機構を簡素化し、装置体格を縮小することが可能である。

（変形態様）
変形態様を図５〜図７を参照して説明する。

図５は、二つのステータだけを模式図示するものである。ステータコイル２４の各相コイルはそれぞれ、各スロットの１層目、２層目の導体収容位置に挿通されるセグメント導体により形成される第１コイルと、各スロットの３層目、４層目の導体収容位置に挿通されるセグメント導体により形成される第２コイルとを直列接続してなる。同じく、ステータコイル３４の各相コイルもそれぞれ、各スロットの１層目、２層目の導体収容位置に挿通されるセグメント導体により形成される第１コイルと、各スロットの３層目、４層目の導体収容位置に挿通されるセグメント導体により形成される第２コイルとを直列接続してなる。

ステータコア３３の毎相スロット数を４とした場合のステータコイル３４のU相（U‘相）コイルの配置を図６に示し、同じくステータコイル２４のU相コイルの配置を図７に示す。

図６、図７において、実線はリヤ側に配置されるU字状セグメントのU字状頭部からなる頭部側コイルエンド２４２，３４２を示し、点線はフロント側に配置されるU字状セグメントの両脚部の先端からなる端部側コイルエンド２４１、３４１を示す。

図６において、P1、P2は空きスロット位置であり、３０１はU相引き出しリード線をなすI字状の始端用セグメント、３０２は中性点をなすI字状の終端用セグメント、S1〜S4はスロット番号である。図７において、３０１はU相引き出しリード線をなすI字状の始端用セグメント、３０２は中性点をなすI字状の終端用セグメント、S1〜S4はスロット番号である。

始端セグメント３０１に接続されるステータコイル３４のU相コイルの接続用リード線は、ステータコア３３の空きスロット位置P1、P2のどちらかを通じて整流装置８側に引き出される。製造作業が容易な方を選択すればよい。

実施形態のタンデム式型回転電機の軸方向模式断面図である。 図１の回転電機の回路図である。 変形態様を示す回路図である。 実施形態の励磁電流制御回路を示す回路図である。 変形態様のステータコイル配置を示す模式図図である。 変形態様の前側のステータコイルの配置を示す配置図である。 変形態様の後側のステータコイルの配置を示す配置図である。

符号の説明

１ ハウジング
２ 第１回転電機部（第１ステータ・ロータペア）
３ 第２回転電機部（第２ステータ・ロータペア）
４ 回転軸
５ プーリ
８ 整流装置
９ レギュレータ
１０ スリップリング給電機構
１１ フロントハウジング
１２ センターハウジング
１３ リヤハウジング
２１ ランデル型ロータコア
２２ 界磁コイル
２３ ステータコア
２４ ステータコイル
３１ ランデル型ロータコア
３２ 界磁コイル
３３ ステータコア
１ ステータコイル

Claims (1)

1. 界磁コイルが巻装されたロータコアとステータコイルが巻装されたステータコアとをそれぞれ有する第１ステータ・ロータペア及び第２ステータ・ロータペアと、前記第２ステータ・ロータペアの軸方向外側かつ前記第１ステータ・ロータペアから離れた側に配置されて前記両ステータコイルの発電電圧を整流する整流装置と、前記両ステータ・ロータペアの界磁電流を独立制御するコントローラとを備え、前記２つのロータコアは同一の回転軸に軸方向に隣接して固定されて車載エンジンにより駆動される車両用タンデム式回転電機において、
   前記第１ステータ・ロータペアの界磁コイルと前記第２ステータ・ロータペアの界磁コイルに給電するための共通のスリップリング給電機構と、
   前記ロータコア側に固定されて前記第１ステータ・ロータペアの界磁コイルと前記第２ステータ・ロータペアの界磁コイルの界磁電流を個別に制御する界磁電流制御素子と、
   を有することを特徴とする車両用タンデム式回転電機。

Images