JP3800064B2

JP3800064B2 - 車両用回転電機

Info

Publication number: JP3800064B2
Application number: JP2001323597A
Authority: JP
Inventors: 草瀬　　新
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-10-22
Filing date: 2001-10-22
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2021-10-22
Also published as: US6781332B2; JP2003134765A; US20030102738A1

Description

【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、１５００ｒｐｍ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２３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、４２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、１５００ｒｐｍのアイドリング時には界磁鉄心２１自身も１５０Ｈｚ（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１１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、２２Ｂ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

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って前記回転子の励磁を行うことにより、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１において、
前記回転子は、前記固定子の固定子鉄心に対向する複数の爪状磁極を有する界磁鉄心を有しており、
前記短絡巻線は、前記固定子鉄心と対向する前記爪状磁極の一部に、この爪状磁極とこれに対向する前記固定子鉄心との間に通る磁束が鎖交するように巻装されていることを特徴とする車両用回転電機。
請求項１または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１または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１または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。