JP3598586B2 - 車両用交流発電機 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、車両用交流発電機(オルタネータ)に関し、特にオルタネータ内の鉄損を低減して発電効率の向上を図ったものであり、その適用範囲は、通常のエンジン駆動のオルタネータのみならず、車両制動時の回生発電を行う発電電動可能なオルタネータ、あるいは車両走行モータの、回生発電を行うものにも及ぶものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の車両の低燃費化の要請を背景に、オルタネータの発電効率の向上が求められている。発電効率の向上を図るためには発電時の損失を低減する必要があり、この損失の大きな割合を占める鉄損を低減する必要がある。
周知のように、同期発電機の場合、鉄損WF は主にステータコア内で発生し、数1で示すように、ステータコアを横切る磁束変化の周波数fと、最大磁束密度Bmの関数となる。
【0003】
【数1】
WF =σh ・f・Bm2 +σe ・f2 ・Bm2
ここで第1項はヒステリシス損、第2項は渦電流損であり、σh 、σe はそれぞれ素材により決まる定数である。
したがって、鉄損WF を低減するには、上記周波数fと最大磁束密度Bmの可及的な低減が必要である。
【0004】
ここで、ロータの回転角速度をωとすると、ステータコアを横切る磁束量Φ(t)は、数2に示すように、基本周波数に対して2倍、3倍の高調波成分を含んでいる。
【0005】
【数2】
Φ(t)=Φo {sin ωt +k1sin (2ωt +σ1 )+k2sin (3ωt +σ2 )……}
磁束量Φ(t)の変化に高調波成分が現れる理由は、ロータの磁極コアにより形成される磁界が正弦波的に滑らかに変化せず、歪んでいることによるもので、この高調波成分によって上記周波数fが実質的に高くなって鉄損が大きくなる。
【0006】
この磁束変化を滑らかにするために従来は、磁極コアの表面に面取りを施し、あるいは磁極スキュウを大きくする等の対策が採られている。一方、最大磁束密度を小さくするためには、ステータコアの断面積を大きくする等の対策が採られている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、磁極コアに面取りを施す等の対策は、反面で磁極コアの表面面積の減少による発電出力の低下を招くため、トレードオフによる限度があった。
また、ステータコアの断面積を大きくする対策も、これに伴ってステータコイルの巻線スペースが低減し、オルタネータの出力インピーダンスの増大による発電出力の低下を招くため、この場合もトレードオフによる限度があった。
【0008】
本発明はこのような課題を解決するもので、トレードオフによる限界を生じることなく磁束変化周波数と最大磁束密度をいずれも十分低減して、内部鉄損を小さくし、発電効率の向上を実現した車両の交流発電機を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明においては、
ロータコイル(14)により交互に異なる極性に励磁されるランデル型爪状磁極(11)を外周の周方向へ一定間隔で形成したロータ(1)と、
前記ランデル型爪状磁極(11)の間に配設され、周方向の両側面が、隣接する前記各ランデル型爪状磁極(11)と同一極性にそれぞれ着磁されて、ステータコイル(41)へ向かう磁束量を、周方向で滑らかな曲線をなすように変化させる永久磁石(2A、2B)と、
前記ステータコイル(41)に発生する交流電圧を直流電圧に変換して当該ステータコイル(41)の電流によりバッテリ(53)を充電するMOS型トランジスタ(51A、51B、51C、51D、51E、51F)で構成された整流用スイッチング手段(51)と、
を備える。
【0010】
請求項2に記載の発明では、請求項1に記載の車両用交流発電機において、前記ステータコイル(41A、41B、41C)は三相で設けられ、前記MOS型トランジスタは互いに直列に接続された三対(51Aと51B、51Cと51D、51Eと51F)を、前記バッテリ(53)の端子間に並列に接続して、これら対となったMOS型トランジスタの接続点間に、各相の前記ステータコイルを接続する。
【0011】
請求項3に記載の発明では、請求項1又は2に記載の車両用交流発電機において、前記MOS型トランジスタ(51A〜51F)はSiC材を使用したものである。
請求項4に記載の発明では、請求項1ないし3のいずれか1つに記載の車両用交流発電機において、前記永久磁石(2A、2B)は、断熱性のある樹脂製保持体(21)内に収納されて前記各ランデル型爪状磁極(11)の間に設けられている。
【0012】
請求項5に記載の発明では、請求項4に記載の車両用交流発電機において、前記保持体(21)は、ロータ(1)の外周面上へ前後の側面から交互に突出する前記ランデル型爪状磁極(11)の間を縫うように、周期的に折り返されたリング状をなし、かかる保持体(21)の折り返し脚部(211)内にそれぞれ前記永久磁石(2A、2B)が収納されている。
【0013】
請求項6に記載の発明では、請求項4又は5に記載の車両用交流発電機において、前記ランデル型爪状磁極(11)には少なくとも周方向の両側縁に鍔部(111)が突設されて、これら鍔部(111)が前記保持体(21)の外周面に当接している。
請求項7に記載の発明では、請求項1ないし6のいずれか1つに記載の車両用交流発電機において、前記永久磁石(2A、2B)は異方性フェライト磁石又は希土類磁石粉である。
【0014】
なお、上記各手段のカッコ内の符号は、後述する実施例記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0015】
【発明の作用効果】
請求項1に記載の発明によれば、ランデル型爪状磁極の間に設けた永久磁石により、ステータコイルへ向かう磁束量が周方向で滑らかに変化させられるから、磁束変化中の高調波成分が除去され、ステータコアでの鉄損が低減される。
また、整流用のスイッチング手段がオン抵抗の小さいMOS型トランジスタで構成されるから、整流用スイッチング手段(整流器ともいう)での電圧降下が少なくなる分、発電電圧を低くすることができ、これに比例する最大磁束密度が低下して同様にステータコアでの鉄損が低減される。
【0016】
さらに、整流用スイッチング手段における発熱が低減されるから、放熱フィンの小型化等により整流用スイッチング手段全体のコンパクト化が実現される。
請求項2に記載の発明によれば、三相交流の交流発電機において、その発電損失を低減することができる。
請求項3に記載の発明によれば、SiC材を使用したMOS型トランジスタは、必要耐圧を確保しても、通常のSi材を使用したものに比してさらにオン抵抗が小さく、発電電圧および最大磁束密度がさらに低減して、ステータコアでの鉄損が十分小さくなる。
【0017】
請求項4に記載の発明によれば、保持体内に設けた永久磁石にランデル型爪状磁極で生じる熱が伝達しないから、永久磁石の温度上昇による高温減磁を防止でき、高温下でも磁束変化を滑らかに維持できる。
請求項5に記載の発明によれば、複数の永久磁石が保持体内に一体に収納されてるから、永久磁石の組付け保管が容易である。また、各ランデル型爪状磁極は三方を断熱性のある保持体で囲まれるから熱の過度な放散が妨げられ、適度な温度上昇により表面の電気抵抗が大きくなって渦電流の発生が防止される。これによって、ランデル型爪状磁極における鉄損も小さくなる。
【0018】
請求項6に記載の発明によれば、鍔部の存在によって、ランデル型爪状磁極と永久磁石の境界における磁束変化がさらに滑らかになる。また、鍔部によって、保持体の確実な位置決めがなされる。
請求項7に記載の発明によれば、永久磁石に略電気絶縁体であるフェライト製の異方性磁石又は希土類磁石粉を使用することで、永久磁石内に渦電流を発生させず、損失低減が促進される。
【0019】
【実施例】
以下、本発明を図に示す実施例について説明する。
〔磁束変化周波数を低減する構造と作用〕
図1にはオルタネータの全体縦断面を示す。オルタネータのフレーム6は、半容器状のドライブフレーム61とリアフレーム62とを衝合して構成されている。フレーム6の中心にはベアリング71、72により支持されてシャフト73が設けてあり、シャフト73は前端(図の左端)に装着されたプーリ74を介して入力するエンジン動力により回転させられる。
【0020】
シャフト73にはランデル型ロータコアが固定されており、このロータコアはフロントコア12とリヤコア13を衝合したものである。ランデル型ロータコアにはロータコイル14が巻回されており、ロータコイル14の外周に近接して、PPS等の樹脂材よりなる保持体21内に埋設されたフェライト製の異方性永久磁石2Aが配設してある。
【0021】
ロータ1の外観を図2に示す。フロントコア12およびリヤコア13からは、前後の側面より外周面上へ交互にランデル型爪状磁極11が屈曲突出しており、各爪状磁極11はロータコイル14(図1)への通電により交互に異なる極性N、Sに励磁されている。そして、上記保持体21が、これらランデル型爪状磁極11の間隙を縫うように設けられている。
【0022】
保持体21は図3に示すように全体がリング状をなすとともに、上記ランデル型爪状磁極11(図2)の間隙に倣って周方向へ一定間隔で八字形に折り返されている。そして、折り返された各脚部211内に永久磁石2A、2Bが位置している(図3では3個のみを図示)。これら永久磁石2A、2Bは周方向の両側面が、図4に示すように、隣接するランデル型爪状磁極11と同一極性となるように着磁されており、その磁力強度は、保持体21の側壁を介して隣接するランデル型爪状磁極11に現れる磁極と同程度としてある。
【0023】
なお、図4に示すように、各爪状磁極11には外周端(図の上端)の周方向両側縁に一定幅の鍔部111が、保持体21内に配設された磁石に対して少なくとも外径方向に一部重なるように突設され、これら鍔部111によって保持体21の各脚部211の両側縁が位置決めされている。
図1において、ロータ1の外周に近接してリング状のステータ4が設けられ、ステータコア42に周方向等間隔で形成されたスロットには、公知の構造でステータコイル41が巻回されている。ロータ1が回転すると各磁極コア11と永久磁石2A、2Bにより形成される磁束がステータコイル41を横切って、これに交流の発電電圧を発生させる。
【0024】
この場合の、ステータコイル41を横切る磁束量Φr の変化を図5に示す。なお、図11には永久磁石2A、2Bを設けない従来のロータによる磁束量Φr の変化を示す。図より知られるように、磁極コア11における交互に極性の異なる急峻な磁束量の変化Φr が、これらの間に設けた永久磁石2A、2Bの磁束により滑らかに繋がれて反転し、正弦波に近い変化状態を示している。
【0025】
したがって、上記数2に示した磁束変化の高調波成分は十分小さくなり、上記数1における周波数fが小さくなって、ステータコアの鉄損が減少し、発電効率が向上する。
特に、本実施例では磁極コア11の両側縁に鍔部111を、磁石に対して外周方向に一部重なるように形成したから、磁極コア11と永久磁石2A、2Bとの境界における磁束の連続性が向上するとともに、永久磁石2A、2Bが鍔部111により確実に位置決めされる。
【0026】
また、永久磁石2A、2Bは熱絶縁性のある樹脂製の保持体21内に位置しているから、爪状磁極11の発熱の影響を受けることがなく、温度上昇による高温減磁を防止でき、高温下でも滑らかな磁束変化を維持できる。そして、複数の永久磁石2A、2Bが一体に保持体21内に収納されているから、ロータ1のフロントコア12とリヤコア13間への組付けが容易であり、また、部品保管の手間も軽減される。
【0027】
そして、爪状磁極11は上記保持体21により三方を囲まれているから、自己の発熱で温度が適度に上昇し、表面の電気抵抗が増大して渦電流が減少する。これによっても、オルタネータ内の損失低減が実現される。
さらに、フェライトは略電気絶縁体であるから、永久磁石内に生じる渦電流は小さく、これによってもオルタネータ内の損失低減が促進される。
【0028】
図1において、ロータ1には前後の端面に送風ファン15、16が設けられており、ロータ1の回転に伴って、ドライブフレーム61の前面およびリアフレーム62の後面に複数設けた吸気口611、621から外気を吸入する(図の矢印)。吸入された外気はロータコイル14、ステータコイル14および後述する電圧調整器等を冷却した後、各フレーム61、62の外周面にそれぞれ複数設けた排気口612、622から排出される。
【0029】
リアフレーム62から突出するシャフト73の後端外周には、ロータコイル14へ給電するスリップリング75が設けられて、これにブラシ76が接触している。また、シャフト73の後端部を覆ってカバー体77が設けられて、このカバー体77内に、詳細を後述する全波整流器を含む電圧調整器が収納されている。
〔最大磁束密度を低減する構造と作用〕
図6にバッテリ53を充電するオルタネータの電気回路図を示す。電圧調整器5内の電圧調整部52はバッテリ53の電圧を読み取って、これが一定となるようにロータコイル14への通電をON、OFF制御する。
【0030】
ステータコイルは実際には図に示すようにΔ結線された三相の各コイル41A、41B、41Cにより構成され、これらコイル41A〜41Cの出力端電圧VV 、VU 、VW が、三相全波整流器を構成する三対のMOS型トランジスタ51A〜51Fの各接続点に入力するとともに、電圧調整部52に入力している。
すなわち、各トランジスタは、ハイサイドのもの51A、51C、51EのドレインDとローサイドのもの51B、51D、51FのソースSが互いに接続され、ハイサイドのトランジスタ51A、51C、51EのソースSがバッテリ53の高電位側に接続されるとともに、ローサイドのトランジスタ51B、51D、51FのドレインDがバッテリ53の低電位側に接続されている。各トランジスタ51A〜51Fは、電圧調整部52からゲートGに入力する信号によって導通が制御される。
【0031】
上記各MOS型トランジスタ51A〜51Fの構造は同一であり、これを図7を参照して以下に説明する。
図において、SiC材のN+ 型基板511上にN型耐圧層512がエピタキシャル成長により形成され、N型耐圧層512の表面部にP型ウエル領域513がアルミニウムをイオン注入することにより形成されている。
【0032】
さらにP型ウエル領域513の表面部にN+ 型領域514が窒素をイオン注入することにより形成され、ウエハ表面のトレンチ形成予定領域だけを開口してレジストや絶縁膜でマスクしつつ、周知のRIEドライエッチングによりトレンチ515が凹設される。
その後、トレンチ515の表面に熱酸化法によりシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜516を形成し、その後、トレンチ515にドープドポリシリコンからなる電極517を形成してゲートGとする。その後、金属電極518をN+ 型領域514及びP型ウエル領域513の表面にコンタクトしてドレインDとし、金属電極をN+ 型基板511の表面にコンタクトしてソースSとする。
【0033】
上記P型ウエル領域513(すなわちゲート電極517直下の領域)とソースSあるいはドレインDとの間に、それぞれソース接続側の寄生ダイオードDs(図6参照)とドレイン接続側の寄生ダイオードDdとが生じるが、寄生ダイオードDdは短絡されて、寄生ダイオードDsがバッテリ53からの逆流を阻止する。
【0034】
次に、図6の電圧調整部52による各MOS型トランジスタ51A〜51Fの開閉制御について説明する。
電圧調整部52は、三相ステータコイル41A〜41Cの出力端電圧Vu,Vv,Vwを読み込み、その線間発電電圧Vu−Vv,Vv−Vw,Vw−Vuの中から、正値でかつバッテリ53の端子電圧より大きい線間発電電圧を選択する。
【0035】
そして、この選択した線間発電電圧Vu−Vv,Vv−Vw,Vw−Vuがバッテリ53に印加されるように、ハイサイドのトランジスタ51A、51C、51Eの一つと、ローサイドのトランジスタ51B、51D、51Fの一つとを導通作動させる。これにより、選択された三相ステータコイル41A〜41Cからバッテリ53へ充電電流が供給される。
【0036】
ところで、本実施例では既述のように、MOS型トランジスタの素材として単結晶SiCを使用しているため、N型耐圧層512の厚さ及び不純物濃度を従来のSiに比較して大幅に向上することができる。
すなわち、Siの場合、その降伏電界強度は約30V/μmであり、簡単のために、耐圧300VをN型耐圧層512で負担すると考えると、耐圧層512の必要厚さは約20μm、その不純物濃度は1×1015原子/cm3 、抵抗率は約5Ω・cmとなる。
【0037】
これに対して、SiCの降伏電界強度は400V/μm程度であり、N型耐圧層512の必要厚さは約4μm、その不純物濃度は2×1016原子/cm3 、抵抗率は約1.25Ω・cmとなる。
したがって、SiC材を使用したMOS型トランジスタ(SiC−MOS)のN型耐圧層512の抵抗は、Si材のMOS型トランジスタ(Si−MOS)のN型耐圧層の抵抗に比べて1/20にまで低減できることになる。
【0038】
この結果、SiC−MOSにおけるソース寄生抵抗Rs(図7参照)はSiのそれに比較して1/20に低減され、これに応じてチャンネル抵抗も大幅に減少する。
図8にはSiC−MOSのID −VDS特性を示し、図の二点鎖線で示すダイオードの順方向特性に比して、75Aの出力電流ID でも電圧降下VDSは小さく、オン抵抗の小さいことが知られる。
【0039】
図9には、MOSトランジスタの要求耐圧を変えた場合のオン抵抗率についての計算結果の一例を示す。なお、このオン抵抗率はチャンネル抵抗とN型耐圧層512の抵抗Rsとの和である。チャンネル抵抗は各種ファクタにより変動するものの、図からわかるように高耐圧領域ではN型耐圧層512の抵抗Rsが支配的となって、耐圧が増加してもチャンネル抵抗自体はほとんど変化しない。
【0040】
したがって、Si−MOSでは耐圧25V近傍から耐圧増加とともにオン抵抗率が比例的に増加するのに対して、SiC−MOSでは耐圧250VまではN型耐圧層512の抵抗増加はほとんど無視でき、耐圧250Vを超えてはじめてオン抵抗率がゆっくりと増加する。
以上説明したように、SiC−MOSのオン抵抗は、断線時に印加される高電圧に対して十分な耐圧を確保しつつ、大電流(75A程度)通電時にも十分小さくできるから、オルタネータの発電電圧を低くできる。これを図10のベクトル図で説明すると、発電電圧Viは、バッテリ端子電圧Vtに対して整流素子における電圧降下VF とステータのインピーダンスによる電圧降下rI、xIをベクトル和したものとなる。ここで、rは電機子抵抗、xは漏れリアクタンス、Iは電機子電流である。
【0041】
したがって、整流素子の電圧降下VF が小さくなれば、発電電圧Viを低くすることができる。この発電電圧Viは既述の最大磁束密度Bmと比例関係にあることが知られている。したがって、オン抵抗の小さいSiC−MOSを使用して電圧降下VF を十分小さくすることにより、発電電圧Viを低くして最大磁束密度Bmを小さくすることができ、この結果、オルタネータの鉄損が小さくなって発電効率が向上する。
【0042】
また、SiC−MOSのオン抵抗が小さいことから整流用スイッチング手段からの発熱が減少する。したがって、冷却フィンを小型にして整流用スイッチング手段および電圧調整器全体をコンパクトにすることが可能となり、リアフレーム62(図1参照)の吸気口621の面積を十分確保して冷却性能を向上させることができる。
【0043】
なお、SiC−MOSを使用するのが最も効果的であるが、Si−MOSを使用しても従来の整流用ダイオードを使用するのに比べれば大電流通電時のオン抵抗は小さいから、十分な効果が期待できる。
また、永久磁石としては、フェライト磁石の他に希土類磁石粉を含む樹脂磁石でも良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例に係る、交流発電機の半断面側面図であり、ロータ部の断面は図2のI −I 線に沿ったものである。
【図2】本発明の一実施例に係る、ロータの全体斜視図である。
【図3】本発明の一実施例に係る、保持体の全体斜視図である。
【図4】本発明の一実施例に係る、ロータ外周部の断面図で、図2のIV−IV線に沿ったものである。
【図5】本発明の一実施例に係る、ロータ外周の磁束変化を示すグラフである。
【図6】本発明の一実施例に係る、交流発電機の電気回路図である。
【図7】本発明の一実施例に係る、MOS型トランジスタの断面図である。
【図8】本発明の一実施例に係る、MOS型トランジスタのVDS−ID 曲線である。
【図9】本発明の一実施例に係る、SiC−MOS型トランジスタの耐圧−オン抵抗率曲線である。
【図10】本発明の一実施例に係る、電圧ベクトル図である。
【図11】従来例に係る、ロータ外周の磁束変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1…ロータ、11…ランデル型爪状磁極、14…ロータコイル、41、41A、41B、41C…ステータコイル、2A、2B…永久磁石、21…保持体、211…脚部、53…バッテリ、51A、51B、51C、51D、51D、51E、51F…MOS型トランジスタ、53…バッテリ。
Claims (7)
- ロータコイルにより交互に異なる極性に励磁されるランデル型爪状磁極を外周の周方向へ一定間隔で形成したロータと、
前記ランデル型爪状磁極の間に配設され、周方向の両側面が、隣接する前記各ランデル型爪状磁極と同一極性にそれぞれ着磁されており、ステータコイルへ向かう磁束量を、周方向で滑らかな曲線をなすように変化させる永久磁石と、
前記ステータコイルに発生する交流電圧を直流電圧に変換してバッテリを充電するMOS型トランジスタで構成された整流用スイッチング手段と、
を備えたことを特徴とする車両用交流発電機。 - 前記ステータコイルは三相で設けられ、前記MOS型トランジスタは互いに直列に接続された三対を、前記バッテリの端子間に並列に接続して、これら対となったMOS型トランジスタの接続点間に、各相の前記ステータコイルを接続したことを特徴とする請求項1に記載の車両用交流発電機。
- 前記MOS型トランジスタはSiC材を使用したものであることを特徴とする請求項1又は2に記載の車両用交流発電機。
- 前記永久磁石は、断熱性のある樹脂製保持体内に収納されて前記各ランデル型爪状磁極の間に設けられていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の車両用交流発電機。
- 前記保持体は、ロータの外周面上へ前後の側面から交互に突出する前記ランデル型爪状磁極の間を縫うように、周期的に折り返されたリング状をなし、かかる保持体の折り返し脚部内にそれぞれ前記永久磁石が収納されていることを特徴とする請求項4に記載の車両用交流発電機。
- 前記ランデル型爪状磁極には少なくとも周方向の両側縁に鍔部が突設されて、これら鍔部が前記保持体の外周面に当接していることを特徴とする請求項4又は5に記載の車両用交流発電機。
- 前記永久磁石は異方性フェライト磁石又は希土類磁石粉であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の車両用交流発電機。
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