JP4042308B2 - 車両用回転電機 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両に搭載される電動機や発電機などの回転電機に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、環境問題対策として、市街地走行などの低速走行の時はモーター駆動で走行し、郊外の高速走行の時はエンジン駆動とするハイブリッド電気自動車が生産されるようになった。また、信号での車両の一時停止の時に、エンジンをストップさせる活動も市街地の路線バスなどで実施されており、自動的にこれを行うアイドル・ストップのシステムについても幅広く研究が行われている。これに伴い、車両が一時停止した時にコンプレッサやパワステポンプ等の駆動を行うための電動機機能と、車両が走行している時の発電機機能とを併せ持つ回転電機が必要となってきた。
【0003】
一方、近年、電気負荷の大容量化に伴い、高電圧負荷の使用ニーズが高まってきている。しかし、従来から使用される電気負荷の中には、高電圧設定では寿命が低下するなど不具合を発生する負荷もあり、車両電源としては高電圧と従来電圧の二電圧への電力供給が望まれている。
【0004】
一般に、電動機として回転駆動トルクを高めるためには、効率を向上するとともに、固定子のスロットあたりの導体本数を少なくして駆動電流を高くする必要がある。しかし、固定子のスロットあたりの導体本数を少なくすると、発電機として作動する時に、バッテリーや各種電気負荷に電力を供給できる回転数が高くなり、言い換えると市街地走行などで頻度の高い低速回転領域において出力が不足し、バッテリーあがりなどの問題を生ずる。
【0005】
これに対し、特開昭63−87137号公報には、発電機として用いる場合は、整流器のブリッジ素子にスイッチとダイオードの役割を同時に果たすMOSトランジスタを用い、各スイッチのオン、オフを高速で制御して固定子巻線の各相の短絡とブリッジ回路形成を繰り返すことにより、低速回転でも充電電流を取り出す構成が示されている。また、電動機として用いる場合は、各スイッチの制御により固定子巻線に回転磁界を形成するよう外部から電流を流している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
特開昭63−87137号公報に記載の回転電機では、発電動作する場合は発生電圧は一種類であり、異種の電圧を同時に電力供給することはできない。このため2電圧を供給するためには発電機が2台必要となり大型となるため、エンジン搭載が難しい点やエンジンへの組み付け工数も多大となる問題があった。
【0007】
本発明は、上記の問題に鑑み、一台の発電機で2電圧の電気負荷、バッテリに同時に電力供給する機能を有し、低速回転から充電電流を供給できる発電機、あるいは所定の駆動トルクを確保できる電動機、さらにはこれらの発電機と電動機の機能を併せ持つ、小型軽量でエンジン搭載の容易な車両用回転電機を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1によれば、複数のNS磁極を有する回転子と、前記回転子と対向配置された固定子鉄心と、前記固定子鉄心の複数のスロットに装備された多相の固定子巻線を備える固定子とを持つ車両用回転電機において、前記複数のスロットは、前記回転子の磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットを1相分のスロット群として、多相分のスロット群よりなるスロットを含んでおり、前記多相の固定子巻線は、前記スロット組に含まれる前記スロット群に収容された複数の導体とスロット外のコイルエンドによって巻線が形成され、電気的に絶縁された第1巻線と第2巻線の2組の多相巻線を有し、前記第1巻線の端末とつながる第1ブリッジ回路と、前記第1ブリッジ回路と独立して前記第2巻線の端末とつながる第2ブリッジ回路を有し、前記第1ブリッジ回路には第1巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを繰り返すスイッチング手段を有し、前記第2ブリッジ回路には第2巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを繰り返すスイッチング手段を有し、前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路の出力端が、電気的に独立していることを特徴としている。
【0009】
これにより、発電機として低速回転から充電電流を供給できるとともに、出力端が分離されることで、各巻線及びブリッジ回路が独立するため1台で異種電圧への電力供給が可能になる。また、前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路の端末は車両本体に接地されており、前記スイッチング手段は、少なくとも前記ブリッジ回路の接地側に配置されていることを特徴としている。これにより、発電機として低速回転から充電電流を供給できる。さらに、前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路のスイッチング手段は、前記第1巻線と前記第2巻線の各相の一方が短絡し他方がブリッジ形成を為すスイッチングのタイミングを有する制御機構を持つことを特徴としている。これにより、スイッチのオン、オフによる磁束の脈動が、第1巻線と第2巻線とで付勢しあうことがない。よって、スイッチのオン、オフによる磁気音の発生を防止できる発電機として低速回転から充電電流を供給できる。
【0010】
請求項2によれば、請求項1に記載の車両用回転電機において、前記複数のスロットは、前記回転子の磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットを1相分のスロット群として、多相分のスロット群よりなる第1スロット組と、さらに前記第1スロット組から所定の電気角度ずれた第2スロット組とを含んでおり、 前記多相の固定子巻線は、前記第1スロット組に含まれる前記スロット群に収容された複数の導体とスロット外のコイルエンドによって第1巻線が形成され、前記第2スロット組に含まれる前記スロット群に収容された複数の導体とスロット外のコイルエンドによって第2巻線が形成されていることを特徴としている。
【0011】
所定の電気角ずれたスロット組に各巻線を配置することで、各コイルエンドが整列することにより、コンパクトに巻線を収納することができ回転電機が小型化できる。
【0012】
請求項3によれば、請求項1または2に記載の車両用回転電機において、前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路の出力端間を選択的に短絡、解放せしめるスイッチ手段を設けることを特徴としている。この構成により、出力端間のスイッチが短絡時には同一電圧の出力を2つの巻線の合成で出力が取り出すことができるため、1巻線での取り出しよりも多くの出力が得られる。また、開放時には2つの巻線、ブリッジは独立であるため2電圧の取り出しができることは前記同様である。したがって負荷状態に応じて、発電機性能を最大化できる。
【0013】
請求項4によれば、請求項1から3のいずれかに記載の車両用回転電機において、前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路の端末は車両本体に接地されており、前記スイッチング手段は、少なくとも前記ブリッジ回路の接地側に配置されていることを特徴としている。これにより、発電機として低速回転から充電電流を供給できる。
【0015】
請求項5によれば、請求項1に記載の車両用回転電機において、前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路のスイッチング導通率は、各々独立して設定することを特徴としている。導通率を独立して設定することで、それぞれの電圧設定に対し最適な導通率とすることができ出力を最大化させることができ、発電機を小型化できる。
【0018】
請求項6によれば、請求項1から5のいずれかに記載の車両用回転電機において、前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路のすべての素子がスイッチング機能を有し、前記第1ブリッジ回路のスイッチング手段と前記第2ブリッジ回路のスイッチング手段は、電動機として作動することを特徴としている。これにより、1台で発電時には低速回転から二電圧の電力を供給しつつ、電動機として動作させることも可能となる。
【0019】
請求項7によれば、請求項1から6のいずれかに記載の車両用回転電機において、前記スイッチング手段はMOSトランジスタにより形成されていることを特徴としている。これにより、スイッチング手段の発熱が抑制できるため冷却が簡素となり、コンパクトに、低速回転からの出力が可能で二電圧の電力供給が可能な小型車両用回転電機を実現できる。
【0020】
請求項8によれば、請求項1から7のいずれかに記載の車両用回転電機において、前記固定子巻線は前記スロット形状に沿った略矩形の断面を有していることを特徴としている。これにより、スロット内の導体占積率を高めることができ、小型でコンパクトな回転電機を提供できる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の車両用回転電機を、特に交流発電機での実施例を説明する。
【0022】
〔第一実施形態〕
図1及び図2はこの発明の第一実施形態を示したもので、図1は本発明の回路のブロック図、図2は制御信号を示した図である。
【0023】
車両用交流発電機は、回転子の界磁コイル4に電流を流して複数のNS磁極を形成し、これを固定子の内周側で回転させることによって、電磁誘導作用により固定子巻線に交流電圧を発生させ、整流器により直流に変換し、外部へ出力を供給する。
【0024】
第一実施形態では、図1に示すように、固定子には3相の第1巻線11と第2巻線12とが電気角が30度ずれた状態で配置されている。製造工程簡素化のため各巻線の巻数は同一に設定してある。各々の巻線の出力線は、第1ブリッジ回路21と第2ブリッジ回路22に接続されている。第1ブリッジ回路21の接地側には、第1巻線11の各相を短絡できるスイッチ211と、このスイッチ211と並列にダイオード212が、3相ぶん配置されている。具体的には、スイッチ211とダイオード212の並列回路と同様の作動を行うMOSトランジスタ210が用いられる。ブリッジ回路の反接地側には、整流ダイオード213が3相分配置されている。第2ブリッジ回路22も、第1ブリッジ回路21と同様に、接地側にMOSトランジスタ220、反接地側に整流ダイオード223が配置されている。
【0025】
第1ブリッジ回路21の出力端31と第2ブリッジ回路22の出力端32は分離し、それぞれ高電圧バッテリー81や各種の高電圧電気負荷91、もしくは低電圧バッテリー82や各種の低電圧電気負荷92に電力を供給する。
【0026】
一方、第1ブリッジ回路21と第2ブリッジ回路22のスイッチ211、221は、個別のスイッチング制御装置61,62につながっている。制御装置5には高電圧バッテリ81,低電圧バッテリ82の電圧値が入力され、その情報から第1ブリッジ回路21及び第2ブリッジ回路22のそれぞれのスイッチ導通率を決定し、スイッチング制御回路61,62に出力する。発電量は、制御装置5によって界磁コイル4に流す界磁電流を調整して、コントロールされている。
【0027】
スイッチング制御装置6は、第1ブリッジ回路21のスイッチ211と第2ブリッジ回路のスイッチ222を一定周波数で各ブリッジのスイッチを同時にオン、オフを繰り返すことによって、固定子巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを繰り返す。これにより、低速回転での充電電流を取り出す。なお、図2に示すように、第1ブリッジ回路21のスイッチ211と第2ブリッジ回路22のスイッチ221のオン周期がほぼ反転するように、スイッチングが制御されている。
【0028】
スイッチング制御装置61,62は独立しており個別に導通率の変更が可能なため、ブリッジ回路の各の出力端31,32の発生電圧はそれぞれ任意に設定可能となる。したがって一つの回転機で二電圧の発生が可能のため、エンジンへの搭載性は飛躍的に向上する。
【0029】
また、スイッチング制御装置61,62は独立しており、オン周期がほぼ反転するようにスイッチングできるので、スイッチングによる磁気脈動が相殺され磁気音が低減する効果もある。
【0030】
また電気角を30度ずらしたスロット群に各巻線を収納しているので、各巻線のコイルエンドが整列するためコンパクトに巻線を収納できる。また電気周波数6次の磁気音成分が2組の巻線で相殺されるため、より磁気音が低減できる効果もある。
【0031】
〔その他の実施形態〕
第一実施形態では、ブリッジ回路の接地側のみにMOSトランジスタを配置したが、図2に示すように、すべてのブリッジ回路の素子をMOSトランジスタで構成しても良い。この場合、固定子に外部から駆動電流を流し、第1ブリッジ回路21′のスイッチング制御装置61と、第2ブリッジ回路22′のスイッチング制御装置62とによって、回転磁界を形成することによって電動機として作動させることができる。また、それぞれのバッテリを電源とでき、駆動電流は個別に制御できるため、バッテリの充電状態に応じて使用する電力配分を任意に設定可能であり片方のみのバッテリ上がりを防止できる効果もある。
【0032】
また、図4、5に示すように、固定子巻線の断面をインシュレータ94を介して固定子鉄心90のスロット形状に沿った略矩形とし、スロットの深さ方向に内側導体92と外側導体93の、実質2本としてもよい。この時、固定子鉄心90の磁極歯901を流れる磁気変動による振動を抑える効果により、磁気音をさらに低減できる。図5に示すように、セグメント導体を用いて先端部96で接合することにより、コイルエンドでの巻線の干渉を無くして高占積率化が可能となり、巻線断面の増大に伴い巻線抵抗を低減できるので、発電機として最大出力電流を高め、電動機として最大駆動力を高めることができる。また第一実施形態では、製造工程簡素化のため第1巻線と第2巻線とで巻数同一としたが、任意で導通率の設定が可能なため異なる巻数であってもよい。
【0033】
また、第一実施形態では、第1ブリッジと第2ブリッジの出力端31,32は分離されているが、図6に示すようにスイッチ311を介して接続されていてもよい。この構成により、出力端間のスイッチが短絡時には同一電圧の出力を2つの巻線の合成で取り出すことができるため、1巻線での取り出しよりも多くの出力が得られる。また、開放時には2つの巻線、ブリッジは独立であるため2電圧の取り出しができることは前記同様である。したがって負荷状態に応じて、発電機性能を最大化できる効果がある。このスイッチは機械式スイッチでも半導体スイッチでもどちらでもよい。
【0034】
また、第1実施形態では、電気角が所定角度ずれた巻線としたが、2組が電気的に独立していれば電気角のずれていない同一のスロット内に収納される巻線であってもよい。
【0035】
なお、スイッチング素子とダイオードを並列に有するものであれば、MOSトランジスタ以外でもよいし、個別の素子を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一実施形態に係る回路の全体構成を示すブロック図である。
【図2】第一実施形態の制御信号を示す図である。
【図3】他の実施形態の回路の全体構成を示すブロック図である。
【図4】他の実施形態の固定子の部分的断面図である。
【図5】他の実施形態の固定子の部分的斜視図である。
【図6】他の実施形態の回路の全体構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
11…第1巻線、12…第2巻線、21…第1ブリッジ回路、
22…第2ブリッジ回路、210、220…MOSトランジスタ、
3…出力端、4…界磁コイル、5…界磁電流制御装置
6…スイッチング制御装置。
Claims (8)
- 複数のNS磁極を有する回転子と、前記回転子と対向配置された固定子鉄心と、前記固定子鉄心の複数のスロットに装備された多相の固定子巻線を備える固定子とを持つ車両用回転電機において、
前記複数のスロットは、前記回転子の磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットを1相分のスロット群として、多相分のスロット群よりなるスロットを含んでおり、前記多相の固定子巻線は、前記スロット組に含まれる前記スロット群に収容された複数の導体とスロット外のコイルエンドによって巻線が形成され、電気的に絶縁された第1巻線と第2巻線の2組の多相巻線を有し、
前記第1巻線の端末とつながる第1ブリッジ回路と、前記第1ブリッジ回路と独立して前記第2巻線の端末とつながる第2ブリッジ回路を有し、
前記第1ブリッジ回路には第1巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを繰り返すスイッチング手段を有し、前記第2ブリッジ回路には第2巻線の各相の短絡とブリッジ形成とを繰り返すスイッチング手段を有し、
前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路の出力端が、電気的に独立しており、
前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路の出力端はバッテリもしくは電気負荷に接続され、前記1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路の出力端は異なる電圧に制御され、
前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路のスイッチング手段は、前記第1巻線と前記第2巻線の各相の一方が短絡し他方がブリッジ形成を為すスイッチングのタイミングを有する制御機構を持つことを特徴とする車両用回転電機。 - 請求項1に記載の車両用回転電機において、
前記複数のスロットは、前記回転子の磁極ピッチに対応して離間した複数のスロットを1相分のスロット群として、多相分のスロット群よりなる第1スロット組と、さらに前記第1スロット組から所定の電気角度ずれた第2スロット組とを含んでおり、前記多相の固定子巻線は、前記第1スロット組に含まれる前記スロット群に収容された複数の導体とスロット外のコイルエンドによって第1巻線が形成され、前記第2スロット組に含まれる前記スロット群に収容された複数の導体とスロット外のコイルエンドによって第2巻線が形成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に記載の車両用回転電機において、
前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路の出力端間を選択的に短絡、解放せしめるスイッチ手段を設けることを特徴とする車両用回転電機。 - 請求項1から3のいずれかに記載の車両用回転電機において、
前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路の端末は車両本体に接地されており、前記ブリッジのスイッチング手段は、少なくとも前記ブリッジ回路の接地側に配置されていることを特徴とする車両用回転電機。 - 請求項1に記載の車両用回転電機において、
前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路のスイッチング導通率は、各々独立して設定することを特徴とする車両用回転電機。 - 請求項1から5のいずれかに記載の車両用回転電機において、
前記第1ブリッジ回路と前記第2ブリッジ回路のすべての素子がスイッチング機能を有し、前記第1ブリッジ回路のスイッチング手段と前記第2ブリッジ回路のスイッチング手段とは、電動機として作動することを特徴とする車両用回転電機。 - 請求項1から6のいずれかに記載の車両用回転電機において、
前記スイッチング手段はMOSトランジスタにより形成されていることを特徴とする車両用回転電機。 - 請求項1から7のいずれかに記載の車両用回転電機において、
前記固定子巻線は前記スロット形状に沿った略矩形の断面を有していることを特徴とする車両用回転電機。
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