JP4379712B2 - 車両用交流発電機 - Google Patents

Description

本発明は車両用交流発電機に関し、特にロードダンプサージ吸収特性に優れた車両用交流発電機に関する。

車両充電システムの発電機ではエンジン振動などで電池端子が外れた時や大電力の負荷が急に遮断されたときなどにおいて、電機子巻線に大きな過電圧（以下、ロードダンプ電圧とも言うものとする）が発生することがある。電機子巻線が発生するこのロードダンプ電圧から回路素子などを保護するために、特許文献１は、発電機の全波整流器の一方のアームの３つのダイオードを通常、ツェナダイオードと呼称されている定電圧ダイオードとしたり、全波整流器と並列に定電圧ダイオードを設けることによりロードダンプ電圧を吸収することを提案している。以下、この方式をツェナー式全波整流器と略称するものとする。以下の記載において、ツェナダイオードは定電圧降伏特性をもつダイオードすなわち定電圧ダイオードを意味するものと解釈されたい。
特許第２７５１１５３号公報

しかしながら、車両用電源電圧はたとえば４２Ｖといった高電圧に昇圧されつつあり、かつ、車両用交流発電機の出力電流も増大しつつあるため、上記したツェナー式全波整流器では車両用電源電圧の増大に合わせてツェナーダイオードの降伏電圧を増大させねばならないが、そのためには従来の車両用電源電圧に合わせて製造していたかもしくは汎用の低電圧用ツェナーダイオードに代えて新たに高降伏電圧のツェナーダイオードが必要となる。しかし、このような高い降伏電圧をもつ大電流用ツェナーダイオードはそれよりも低い降伏電圧をもつ大電流用ツェナーダイオードに比べて製造が相対的に困難で歩留まりも悪く製造コストが上昇すると言う問題がある。
また、大電流出力時にロードダンプ電圧が発生すると、ツェナーダイオードにその降伏電圧×電流に相当する発熱がツェナーダイオードに生じ、その温度上昇が許容値を超えてしまう可能性があった。すなわち、半導体チップの単位時間当たりの許容最大発熱量には一定限界があるとすれば、降伏電圧が増大すると、許容最大降伏電流はそれに比例して減少するわけである。

また、電機子電流の急減が生じると、無負側開放電圧が上昇するため通常ではロードダンプ減少とは上記二つの現象を含めて称し、したがってこの明細書で言うロードダンプ電圧とは上記両原因による電機子電圧の上昇を意味する。なお、前者の電機子巻線鎖交時期回路の蓄積磁気エネルギーの放出に関連するロ−ドダンプ電圧成分の時定数は後者の無負荷電圧増大の解消のための時定数に比べて格段に小さい。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、回路費用の増大を抑止しつつ良好にロードダンプ電圧を吸収可能な車両用交流発電機を提供することをその解決すべき課題としている。

上記した課題解決のためになされた本発明の車両用交流発電機は、回転する多極磁極を励磁する界磁巻線と、前記多極磁極に対向配置される電機子鉄心に巻装される電機子巻線と、前記界磁巻線と直列接続されて前記界磁巻線に通電する界磁電流をスイッチング制御する界磁電流制御用スイッチング素子と、前記電機子巻線を構成するそれぞれの相巻線が出力する発電電圧を整流して車載電池を所定の充電電圧Ｖｂに充電する全波整流器とを備える車両用交流発電機において、前記各相巻線にそれぞれ設けられた中間タップと所定の結節点とを星形接続するとともに、前記充電電圧Ｖｂよりも小さい降伏電圧を有する複数の定電圧ダイオードにより構成される過電圧吸収回路を備えることを特徴としている。

なお、以下の説明では、ロードダンプ発生時に電機子巻線全ターンから出力される電圧をロードダンプ電圧と言い、中間タップから出力される電圧をロードダンプ電圧の分圧と呼んで区別するものとする。

すなわち、この発明では、ロードダンプ電圧が発生し、中間タップから抽出したロードダンプ電圧の分圧が定電圧ダイオードの降伏電圧を超過すると、定電圧ダイオードが降伏し、これにより電機子巻線と鎖交する磁気回路に蓄積された磁気エネルギーは、定電圧ダイオードの降伏電圧×電流に略相当するツェナーダイオード吸収電力と、ツェナーダイオード降伏電流が流れる電機子巻線の電気抵抗や配線の電気抵抗などにより消費される電力とにより消費されて消滅する。また、ロ−ドダンプ電圧のもう一方の成分である無負荷電圧の増大に係る成分も同様に定電圧ダイオードの降伏により低電圧にて吸収される。

したがって、本発明によれば、電機子巻線に生じるロードダンプ電圧が従来のツェナーダイオード型全波整流器のツェナーダイオードに印加されるのとは異なり、降伏電圧が小さいために製造容易で入手容易な定電圧ダイオードを用いてロードダンプ問題を良好に解決することができる。

また、星形接続された複数の定電圧ダイオードのうちロードダンプ電圧に対して順方向となる定電圧ダイオードの順方向降下電圧もロードダンプエネルギーの吸収に役立つため、一層の効果を期待することができる。

更に、過電圧吸収回路に印加されるロードダンプ電圧の分圧がロードダンプ電圧よりも小さいため、過電圧吸収回路の定電圧ダイオードがロードダンプ発生時に吸収しなければならない電力（定電圧ダイオードの降伏電圧×ロードダンプ電流）もロードダンプ電圧を定電圧ダイオードに印加する場合に比較して低減することができるか又は吸収可能なロードダンプ電流を増大することができる。

結局、中間タップ付き電機子巻線に星形接続された定電圧ダイオードからなる過電圧吸収回路を用いることにより、定電圧ダイオードに要求される降伏電圧の低減と、定電圧ダイオードの電力損失低減とを実現することができ、定電圧ダイオードの負担を大幅に軽減しつつロードダンプ問題を解決することができる。

なお、過電圧吸収回路の定電圧ダイオードがロードダンプ電圧（正確にはその分圧）により降伏する場合、相巻線の総ターン数と中間タップまでのターン数との比（以下、ターン数比とも言う）に応じて相巻線から全波整流器へロードダンプ電圧が印加されることになるが、このロードダンプ電圧が全波整流器のダイオードなど他の回路素子の耐圧以下になるように、上記ターン数比と過電圧吸収回路の定電圧ダイオードの降伏電圧とを定めておけばよい。また、中間タップの取り出し位置は、任意であるが、下記の発明効果の増進のためには相巻線のターン数をｎとする場合に、ターン数を略ｎ／２未満とすることが好適である。また、相巻線からの中間タップの取り出しは、相巻線の電圧の分圧を過電圧吸収回路へ取り出すためのものであるため、相巻線が巻装される磁気回路好適にはステータコアにトランス結合するように二次コイルを施し、この二次コイルに誘導される電圧を上記した過電圧吸収回路の定電圧ダイオードに導いてもよい。この場合には、この二次回路の出力端が本発明で言う中間タップに相当することになる。

好適な態様において、前記定電圧ダイオードの降伏電圧Ｖｚは、前記車載電池の充電電圧Ｖｂに対して、０．５Ｖｂ≦Ｖｚ≦Ｖｂに設定される。ただし、中間タップの取り出し位置は、電機子巻線全体が発生するロードダンプ電圧は他の回路素子を破壊しないレベルとなるように設定されるべきである。このようにすれば、高電圧の車両用交流発電機に対しても、従来用いていた定電圧ダイオードを直列に複数接続したりすることなく、降伏電圧が低い汎用の定電圧ダイオードを用いることができる。

好適な態様において、前記過電圧吸収回路の定電圧ダイオードの電流密度は前記全波整流器のダイオードの電流密度よりも低く設定されている。このようにすれば、過電圧吸収回路の定電圧ダイオードの発熱を低く維持できるため、発熱に伴う温度上昇で支配されるところの許容サージ耐量を大きく出来るためサージ吸収能力が高めることができる。

好適な態様において、前記結節点は、前記各定電圧ダイオードのカソード電極に接続されるとともに、前記界磁巻線に給電する。これにより、発電電圧制御装置や界磁巻線に加わる電圧を発電機の出力電圧よりも低くできるため、耐電食性や絶縁性を向上することができる。また、ロードダンプ電圧発生時における界磁電流の増大を抑止することができるため、界磁磁束量の増大による無負荷電圧増大も良好に抑止することができる。

好適な態様において、フライホイルダイオード及びこのフライホイルダイオードと直列接続されるインピーダンス素子を有するとともに前記界磁巻線と並列接続されるフライホイル電流減衰回路を有する。これにより、ロードダンプエネルギーを吸収する際の降伏電圧と電流の積は変わらないものの界磁回路の時定数が小さくできるので、降伏時間を短縮することができる。つまり、定電圧ダイオードの温度上昇を抑制することができる。

好適な態様において、前記インピーダンス素子は、カソード電極が前記フライホイルダイオードのカソード電極に接続される定電圧ダイオードにより構成される。これにより、界磁回路のフライホイル電流が流れているときその大きさに関わらず巻線端子の電圧が規定されるため界磁回路の耐圧設計が高信頼となり、よって低廉で確実なサージ吸収が可能となる。なお、抵抗素子とインダクタンス素子を直列または並列に接続してインピーダンス素子を構成してもよい。

好適な態様において、前記インピーダンス素子と並列接続されるインピーダンス素子短絡用のトランジスタを有する。これにより、普段はフライホイル回路のインピーダンスを下げて界磁調整による界磁電流の脈動率を小さくでき、必要時にはトランジスタを開放またはスイッチングすることにより界磁時定数を短くすることができるようになる。すなわち発電機の発電調整機能の一部に犠牲を強いることなくサージ吸収能力が高められることとなる。

本発明の車両用交流発電機の好適な実施形態を以下に説明する。本発明は下記の実施形態に限られるものではなく、本発明の技術思想をその他の公知技術又はそれに相当する技術の組み合わせにより実施してもよい。

第１実施例を図１を参照して説明する。図１はこの実施例の車両用交流発電機の回路図である。

この車両用交流発電機は、図示なき発電機出力端子１０が接続された４２Ｖ系車載電池の充電電圧を適正に制御する発電電圧制御装置であるレギュレータ９と、発電制御装置９に接続された界磁巻線８と、界磁巻線８により磁化される図示なきロータの多極磁極と、この多極磁極に対向配置された図示なき電機子鉄心と、電機子鉄心のスロットに収納された三相電機子巻線１と、三相電機子巻線１の巻線端に接続された三相全波整流器２と、電機子巻線１において中性点から巻線の総ターン数の１／３のターン数位置で引き出された中間タップ４と、中間タップ４に接続された過電圧吸収回路５とを有している。

過電圧吸収回路５は、各アノード電極が電機子巻線１の各相巻線の中間タップに個別に接続され、各カソード電極が結節点７に星形接続された３つの定電圧ダイオード（以下、ツェナーダイオードとも言う）６を星形接続してなる。ツェナーダイオード６の降伏電圧Ｖｚ２は２６Ｖとされており、これは車載電池の実際の充電電圧Ｖｂ＝４２Ｖに対して、０．５Ｖｂ（２１Ｖ）≦Ｖｚ２（２６Ｖ）≦Ｖｂ（４２Ｖ）の範囲に設定されている。

この実施例のロードダンプ吸収効果を図２〜図５に示す特性図を参照して説明する。図２は、電機子巻線全体から出力されるロードダンプ電圧（ロードダンプサージ）とそれを従来のツェナーダイオードによりクリップする場合の例を示す電圧波形図である。図３は、従来における発電機のＶ−Ｉ特性におけるツェナーダイオードの降伏電圧（クリップ電圧）と降伏電流（クリップ電流）との関係を示す特性図である。図４は、この実施例の過電圧吸収回路によるクリップ効果を示す電圧波形図である。図５は、この実施例における発電機のＶ−Ｉ特性におけるツェナーダイオードの降伏電圧（クリップ電圧）と降伏電流（クリップ電流）との関係を示す特性図である。

この車両用交流発電機によれば、図２の破線に示すように大電力の負荷が急に遮断されたときのサージ電圧発生に対して高さがＶ１と示した実線に示す吸収ではなくて、低電圧の中間タップからのロードダンプ電圧の分圧をツェナーダイオード６で吸収とさせることができるので、その降伏電圧を図４にＶ２として示すように低くすることができる。

図３と図５の比較からわかるように、ツェナーダイオード６の降伏時に中間タップ４から引出しされる電流は略電機子巻線の中間タップまでの電気抵抗とロードダンプ電圧の分圧との比で決定されると仮定すると、これらがともに中間タップ４の取り出し位置すなわち巻線比率で決定されて両者とも減少すると考えることができるため、ツェナーダイオード６に流れる降伏電流は、ツェナーダイオードを三相電機子巻線全体に設けた従来例と略等しいとみなすことができる。このため、降伏電圧と降伏電流との積であるツェナーダイオード６の電力損失及び発熱は降伏電圧の減少分だけ小さくなるとみなすことができる。

回路のインダクタンスと抵抗値で決まる時定数は元々と不変であるから、これら電圧、電流、時間の積であるサージエネルギーを小さくすることができる。過電圧吸収回路５に接続された中間タップ４と、三相全波整流器２の接続された巻線端とは、電機子巻線１の巻線比率によりこの実施例では変圧比３対１であるため、小さなサージエネルギーの吸収により発電機の電圧を素子破壊電圧未満に抑制できることとなる。このため、４２Ｖ（３６Ｖ系）などでの大電力発電機においても在来の整流器でのサージエネルギー吸収が可能となる。

なお、この車両用交流発電機において、低回転時には界磁巻線８に別の回路から界磁電流を流すことができる。

他の実施例を図６に示す回路図を参照して説明する。

この実施例は、実施例１に対して、界磁巻線８のフライホイル回路にフライホイルダイオード１１とは別にツェナーダイオード１２とトランジスタ１３とを追加したものである。フライホイルダイオード１１と直列接続されたツェナーダイオード１２は、界磁巻線８と並列接続されている。トランジスタ１３はツェナーダイオード１２と並列接続されている。トランジスタ１３のベース電極はレギュレータ９の過電圧検出端子１４からの信号を受信した場合に低い電圧を出しつづける時定数低減信号端子１５に接続されている。

通常発電作動時はトランジスタ１３をＯＮにしたままとするよう、レギュレータ９の時定数低減信号端子１５からは高いベース駆動電圧が送られている。しかし、ロードダンプ時など発電機が過電圧となると、過電圧検出信号を端子１４から受信したレギュレータ９は時定数低減信号回路の高い電圧発生を停止し、トランジスタ１３をオフする。同時に高い電圧が発生しているためレギュレータ９は界磁電流をオフし、これにより界磁巻線はフライホイル回路に逆電圧を発生し、その結果、ツェナーダイオード１２が降伏し、フライホイル電流がツェナーダイオード１２を通じて流れる。この降伏電圧とフライホイル電流との積によるフライホイル損失が新たに発生することにより界磁回路の磁気エネルギーも早期に消散し、実質的にその時定数を短縮することができる。つまり、この実施例では、抵抗ではなくツェナーダイオード１２を用いることでトランジスタに加わる逆電圧最大値が流れる電流に関わらず制限できるため、トランジスタの耐圧信頼性を損なうことがなく確実なサージ吸収ができるという効果が得られる。

（変形態様）
上記実施例では電機子巻線の中途タップを１／３点より取り出したが、他の分割比１／２点でも、２／３点でも任意にとれることは言うまでもない。

他の実施例を図７を参照して説明する。

この実施例は、図１に示す過電圧吸収回路５の結節点から、界磁巻線８及びフライホイルダイオード１１を外して実質的に浮遊状態の中性点としたものである。この場合、界磁巻線８には従来通り車載電池から給電することができる。

このようにすれば、ロードダンプ発生時に中間タップ４から印加されるロードダンプ電圧の分圧の増大により、どれか一つのツェナーダイオード６が降伏するため、実施例１と同様のロードダンプ電圧抑制効果を奏することができる。

（変形態様）
変形態様を図８を参照して説明する。この変形態様は、図７の過電圧吸収回路５のツェナーダイオード６の向きを逆にしたものであり、同様の効果を奏することができる。

（変形態様）
なお、中間タップ４を省略して（分圧比を１として）、過電圧吸収回路５の各ツェナーダイオード６を三相の電機子巻線１の端子に接続してもよい。

実施例１の車両用交流発電機の回路構成図である。 従来の発電機でのサージとツェナーダイオードによる電圧クリップ（制限）の説明図である。 従来の発電機での所定回転数での発電機の出力電圧と電流の関係図であり、図２でのクリップ作動点の説明図である。 実施例のロードダンプサージとクリップの説明図である。 実施例１の車両用交流発電機における所定回転数での発電機の出力電圧と電流の関係図であり、図４でのクリップ作動点の説明図である。 実施例２の車両用交流発電機の回路図である。 実施例３の車両用交流発電機の回路図である。 実施例３の変形態様を示す回路図である。

符号の説明

１・・・・電機子巻線
２・・・・第一の整流器
３・・・・ダイオード
４・・・・中間タップ
５・・・・過電圧吸収回路
６・・・・ツェナーダイオード（定電圧ダイオード）
７・・・・結節点
８・・・・界磁巻線
９・・・・レギュレータ
１０・・・出力端子
１１・・・フライホイルダイオード（フライホイル電流減衰回路）
１２・・・ツェナーダイオード（インピーダンス素子、フライホイル電流減衰回路）
１３．・・トランジスタ（フライホイル電流減衰回路）
１４．・・過電圧検出端子
１５．・・時定数低減信号端子

Claims (7)

1. 回転する多極磁極を励磁する界磁巻線と、
   前記多極磁極に対向配置される電機子鉄心に巻装される電機子巻線と、
   前記界磁巻線と直列接続されて前記界磁巻線に通電する界磁電流をスイッチング制御する界磁電流制御用スイッチング素子と、
   前記電機子巻線を構成するそれぞれの相巻線が出力する発電電圧を整流して
   車載電池を所定の充電電圧Ｖｂに充電する全波整流器と、
   を備える車両用交流発電機において、
   前記各相巻線にそれぞれ設けられた中間タップと所定の結節点とを星形接続するとともに、前記充電電圧Ｖｂよりも小さい降伏電圧を有する複数の定電圧ダイオードにより構成される過電圧吸収回路を備えることを特徴とする車両用交流発電機。
2. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
   前記定電圧ダイオードの降伏電圧Ｖｚは、前記車載電池の充電電圧Ｖｂに対して、０．５Ｖｂ≦Ｖｚ≦Ｖｂに設定されていることを特徴とする車両用交流発電機。
3. 請求項１乃至２のいずれか記載の車両用交流発電機において、
   前記過電圧吸収回路の定電圧ダイオードの電流密度は前記全波整流器のダイオードの電流密度よりも低く設定されていることを特徴とする車両用交流発電機。
4. 請求項１記載の車両用交流発電機において、
   前記結節点は、前記各定電圧ダイオードのカソード電極に接続されるとともに、前記界磁巻線に給電することを特徴とする車両用交流発電機。
5. 請求項４記載の車両用交流発電機において、
   フライホイルダイオード及びこのフライホイルダイオードと直列接続されるインピーダンス素子を有するとともに前記界磁巻線と並列接続されるフライホイル電流減衰回路を有することを特徴とする車両用交流発電機。
6. 請求項５記載の車両用交流発電機において、
   前記インピーダンス素子は、カソード電極が前記フライホイルダイオードのカソード電極に接続される定電圧ダイオードにより構成されることを特徴とする車両用交流発電機。
7. 請求項５又は６記載の車両用交流発電機において、
   前記インピーダンス素子と並列接続されるインピーダンス素子短絡用のトランジスタを有することを特徴とする車両用交流発電機。

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