JP4501866B2 - 車両用発電機 - Google Patents

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用発電機に関する。

従来から、出力電流を検出する機能を備えた車両用発電機が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この車両用発電機には、出力端子を包囲するように配置された電流検出器が備わっている。この電流検出器は、出力端子を周回するように配置されるＵ字状の積層鉄心と、このＵ字状の積層鉄心の先端に配置される直方状の積層鉄心と、この直方状の積層鉄心を貫通させたボビンに巻装された電流検出コイルとを有しており、出力端子を通して電流が流れたときに電流検出コイルから出力される検出信号に基づいて出力電流が検出される。
特開２００２−３１５３９７号公報（第３−５頁、図１−６）

ところで、特許文献１に開示された車両用発電機では、複雑な構造を有する電流検出器が用いられているため、部品コストおよびこの電流検出器を含む車両用発電機全体のコスト増加をもたらすという問題があった。また、電流検出器は、積層鉄心や電流検出コイルを内蔵するため、単体部品としては比較的重いものであり、車両用発電機の重量増加につながる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、コスト増加および重量増加を伴うことなく出力電流を検出することができる車両用発電機を提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用発電機は、回転子と、回転子によって発生する回転磁界を受けて交流電圧が誘起される電機子巻線を有する固定子と、電機子巻線の交流出力を直流に変換する整流素子を備えた整流器と、整流器に含まれる電流路構成部品内の所定の２点間の電位差を検出する出力検出用電圧検出手段と、出力検出用電圧検出手段によって検出された電位差と、電流路構成部品内の所定の２点間の抵抗値とに基づいて出力電流を検出する出力電流検出手段とを備え、電流路構成部品は、２点間に整流素子が配置された放熱板である。これにより、整流器内の特定の２箇所間の電位差を検出して車両用発電機の出力電流を検出することができるため、複雑な構造を有するとともに重量のある部品を追加する必要がないため、コスト増加および重量増加を伴うことなく出力電流を検出することができる。

また、上述した電流路構成部品内の所定の２点間の抵抗値を温度に応じて補正する温度補正手段をさらに備えることが望ましい。これにより、温度変化が激しい整流器の抵抗値を用いた場合であっても出力電流の検出精度が低下することを防止することができる。

また、上述した電流路構成部品に配置された整流素子の両端電圧を検出する温度補正用電圧検出手段をさらに備え、温度補正手段は、温度補正用電圧検出手段によって検出された整流素子の両端電圧に基づいて、電流路構成部品内の所定の２点間の抵抗値を補正することが望ましい。整流器に備わった整流素子の特性変化を利用して温度補正を行うことにより、温度センサ等の温度補正用の追加部品が不要になり、精度向上のためのコスト増加を抑えることができる。

また、上述した出力電流検出手段は、外部制御装置からの指示に応じて精度調整を行うことが望ましい。これにより、出力電流検出に関係する部品の特性等が経時変化を伴う場合に、外部からその影響を取り除くことができ、出力電流の検出精度の維持、調整が可能となる。

また、上述した回転子に界磁を発生させる界磁巻線による通電状態を制御することにより発電状態を制御するＩＣ回路を有する車両用発電制御装置を備え、出力検出用電圧検出手段と出力電流検出手段をＩＣ回路に内蔵させることが望ましい。これにより、車両用発電制御装置のＩＣ回路の仕様を一部変更するだけで出力電流検出の機能を追加することができ、出力電流検出機能を追加したことによる部品コストの増大を最小限に抑えることができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、一実施形態の車両用発電機の構成を示す図であり、あわせてこの車両用発電機とバッテリや外部制御装置としてのＥＣＵ（電子制御装置）や電気負荷との接続状態が示されている。

図１に示すように、本実施形態の車両用発電機１は、車両用発電制御装置５、電機子巻線６、界磁巻線７、整流器８を含んで構成されている。この車両用発電機１は、エンジンによりベルトおよびプーリを介して駆動されている。界磁巻線７は、通電されて磁界を発生する。この界磁巻線７は、界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成している。電機子巻線６は、多相巻線（例えば三相巻線）であって、電機子鉄心に巻装されて電機子を構成している。この電機子巻線６は、界磁巻線７の発生する磁界の変化によって起電力を発生する。電機子巻線６に誘起される交流出力が整流器８に供給される。整流器８は、電機子巻線６の交流出力を全波整流する。整流器８の出力が、車両用発電機１の出力として外部に取り出され、バッテリ２や電気負荷スイッチ４を介して電気負荷３に供給される。車両用発電機１の出力は、回転子の回転数や界磁巻線７に流れる励磁電流の通電量に応じて変化し、その励磁電流は車両用発電制御装置５によって制御される。また、車両用発電制御装置５は、通信端子Ｃを介して外部のＥＣＵ１０に接続されている。

図２は、整流器８の詳細形状を示す平面図である。整流器８は、配線用電極を内部に含む端子台８１と、所定の間隔で配置された半導体装置としての正極側放熱板８２および負極側放熱板８３と、それぞれの放熱板に設けられた打ち込み孔に圧入することにより取り付けられた複数個の整流素子８４、８５とを含んで構成されている。具体的には、正極側放熱板８２には６箇所に圧入孔が形成されており、それぞれの圧入孔に正極側整流素子８４が圧入されている。同様に、負極側放熱板８３には６箇所に圧入孔が形成されており、それぞれの圧入孔に負極側整流素子８５が圧入されている。

正極側放熱板８２は、馬蹄形を有しており、その一方端近傍に出力端子（Ｂ端子）８６が設けられている。また、本実施形態では、正極側放熱板８２に圧入された６個の正極側整流素子８４の中の一つであって、出力端子８６から最も遠い他方端近傍に配置された正極側整流素子８４Ａに引出線が接続されており、正極側整流素子８４Ａがこの引出線を介して後述するＤ端子に接続されている。本実施形態では、正極側放熱板８２が温度検出用の電流路構成部品に対応しており、電流路構成部品としての正極側放熱板８２に含まれる正極側整流素子８４Ａから出力端子８６までの間の抵抗が図１において抵抗９で示されている。

次に、車両用発電制御装置５の詳細について説明する。車両用発電制御装置５は、スイッチング素子５０、環流ダイオード５１、電圧制御回路５２、通信回路５３、出力検出用電圧検出回路５４、温度補正用電圧検出回路５５、電流変換回路５６を含んで構成されている。車両用発電制御装置５に含まれる回路は、図示しないノイズ吸収用のコンデンサ等の一部の部品を除いて１つのＩＣ回路として形成されている。したがって、電流検出用に用いられる出力検出用電圧検出回路５４、温度補正用電圧検出回路５５、電流変換回路５６は、ＩＣ回路製造に用いられるマスクパターンを変更するだけで追加することができる。

スイッチング素子５０は、ベースが電圧制御回路５２に接続され、コレクタが車両用発電機１の出力端子（Ｂ端子）に接続され、エミッタが還流ダイオード５１を介して接地端子（Ｅ端子）に接続されている。また、スイッチング素子５０のエミッタはＦ端子を介して界磁巻線７に接続されており、スイッチング素子５０がオンされると界磁巻線７に励磁電流が流れ、オフされるとこの通電が停止される。還流ダイオード５１は、界磁巻線７と並列に接続されており、スイッチング素子５０がオフされたときに、界磁巻線７に流れる励磁電流を還流させる。

電圧制御回路５２は、車両用発電機１の出力電圧と調整電圧設定値とを比較し、比較結果に応じてスイッチング素子５０をオンオフ制御する。例えば、出力電圧が調整電圧設定値よりも低い場合には、所定のデューティ比でスイッチング素子５０がオンされる。反対に、出力電圧が調整電圧設定値よりも高い場合にはスイッチング素子５０がオフされる。調整電圧設定値は、通信回路５３から入力される調整電圧設定信号に基づいて設定される。通信回路５３は、通信端子Ｃを介してＥＣＵ１０との間で通信を行うためのものである。例えば、通信回路５３は、ＥＣＵ１０から送られてくるデータに基づいて、電圧制御回路５２に向けて調整電圧設定信号を出力したり、電流変換回路５６に向けて調整係数設定信号を出力する。調整係数設定信号については後述する。

出力検出用電圧検出回路５４は、出力電流を検出するために抵抗９の両端電圧（電圧降下）を検出する出力検出用電圧検出手段である。上述したように、抵抗９は、図２に示す整流器８に含まれる正極側放熱板８２の正極側整流素子８４Ａと出力端子８６の間の抵抗であり、出力検出用電圧検出回路５４は、正極側整流素子８４Ａが接続されたＤ端子とＢ端子との電位差を“整流器電圧”として検出する。

温度補正用電圧検出回路５５は、正極側整流素子８４Ａの両端電圧を“整流素子電圧”として検出する温度補正用電圧検出手段である。一般に、抵抗９の抵抗値は、正極側放熱板８２の温度上昇に伴って増加する正の温度特性を有する。一方、正極側整流素子８４Ａの両端電圧は、温度上昇に伴って低下する負の温度特性を有する。本実施形態では、これらの温度特性を利用して温度補正を行っており、このために正極側整流素子８４Ａの両端電圧を検出している。なお、図２に示した整流器８には、電機子巻線６の一の相に対応して２つの正極側整流素子８４が接続されているため、正極側整流素子８４Ａの両端電圧を検出する際には、この正極側整流素子８４Ａともう一つの正極側整流素子８４とが並列接続された状態で整流素子電圧を測定することになるが、２つの正極側整流素子８４、８４Ａは同じ特性を有しているため、特に問題はない。

電流変換回路５６は、出力検出用電圧検出回路５４によって検出された整流器電圧と、温度補正用電圧検出回路５５によって検出された整流素子電圧とを用いて、車両用発電機１の出力電流を算出する。この電流変換回路５６が出力電流検出手段および温度補正手段に対応する。出力電流の算出式は、以下のようになる。

出力電流Ｉ＝（Ｖ_R／（Ｒ_R0＋（Ｖ_D−Ｖ_D0）×ｈ））×ｐ１×ｐ２ …（１）
ここで、Ｖ_Rは整流器電圧を、Ｒ_R0は整流器基準抵抗であって基準温度における抵抗９の抵抗値を、Ｖ_Dは整流素子電圧を、Ｖ_D0は整流素子基準電圧であって基準温度における正極側整流素子８４Ａの両端電圧をそれぞれ示している。また、ｈは、正極側整流素子８４Ａの両端電圧の変化分から抵抗９の抵抗値を補正するための補正係数であり、負の値を持つ。この補正係数ｈは、使用する正極側整流素子８４Ａ等の仕様が決まれば値が決定する。

ｐ１は、第１の調整係数であって、抵抗９の抵抗値から算出する出力電流Ｉの値を調整するためのものである。図２に示す整流器８では、正極側放熱板８２の長手方向に沿ったほぼ全体が抵抗９に対応しているが、端部に対置された正極側整流素子８４Ａだけが電流の発生源となるのではなく、出力端子８６に近い位置に配置された他の正極側整流素子８４も電流の発生源となる。したがって、抵抗９の抵抗値を用いて出力電流Ｉを算出すると、実際の出力電流に対して誤差を生じるおそれがある。このような誤差分を調整するために調整係数ｐ１が用いられる。

ｐ２は、第２の調整係数であって、経時的な特性変化による出力電流の算出精度への影響を調整するためのものである。例えば、正極側整流素子８４Ａの特性が経時的に変化する場合にこの変化分を調整係数ｐ２の値を変更することで調整する。なお、（１）式では右辺全体に調整係数ｐ２を乗算する場合を示したが、実際に特性が経時変化を生じる箇所を詳細に検討することで調整係数ｐ２の位置を変更するようにしてもよい。例えば、正極側整流素子８４Ａの特性のみが経時的に変化するのであれば、（１）式において右辺全体に調整係数ｐ２を乗算するのではなく、Ｖ_DをＶ_D×ｐ２に置き換えるようにしてもよい。また、２箇所以上の特性値が経時変化を生じる場合にはそれぞれに調整係数ｐ２（異なる経時変化を生じる場合には互いに値が異なる複数の補正係数ｐ２）を用いればよい。さらに、特性の経時変化の仕方によっては、調整係数ｐ２を乗算する代わりに加算あるいは減算するようにしてもよい。この調整係数ｐ２は、車両用発電機１の使用開始時にあらかじめ所定の値が設定されており、その後、特性の経時変化に合わせてＥＣＵ１０から送られてくるデータに基づいて通信回路５３によって調整係数設定信号が生成され、この調整係数設定信号によって値が変更される。

（１）式に含まれる（Ｖ_D−Ｖ_D0）×ｈは、整流器基準抵抗（抵抗９の抵抗値）Ｒ_R0に対する温度補正項である。すなわち、（１）式の基本は、整流器電圧Ｖ_Rを温度補正後の抵抗９の両端電圧（（Ｖ_D−Ｖ_D0）×ｈ）で割ることにより出力電流Ｉを算出することにある。この算出結果に対して２つの調整係数ｐ１、ｐ２を用いて調整を行うことにより、出力電流Ｉの算出の精度を向上させている。なお、（１）式を用いた演算は、デジタル回路を用いることにより容易に実現することができる。電流変換回路５６によって得られた出力電流Ｉの算出結果は、通信回路５３から通信端子Ｃを介してＥＣＵ１０に送られる。ＥＣＵ１０では、車両用発電機１から送られてきた出力電流Ｉの値を用いて各種の処理、例えば車両用発電機１の発電トルクを算出してエンジン制御に役立てる等の処理が行われる。

このように、本実施形態の車両用発電機１では、整流器８内の特定の２箇所間の電位差を検出して車両用発電機１の出力電流を検出することができるため、複雑な構造を有するとともに重量のある部品を追加する必要がないため、コスト増加および重量増加を伴うことなく出力電流を検出することができる。また、整流器８の抵抗値を温度に応じて補正しているため、温度変化が激しい整流器８の抵抗値を用いた場合であっても出力電流の検出精度が低下することを防止することができる。特に、整流器８に備わった整流素子の特性変化を利用して温度補正を行うことにより、温度センサ等の温度補正用の追加部品が不要になり、精度向上のためのコスト増加を抑えることができる。

また、ＥＣＵ１０からの指示に応じて出力電流の精度調整を行うことにより、出力電流検出に関係する部品の特性等が経時変化を伴う場合に、外部からその影響を取り除くことができ、出力電流の検出精度の維持、調整が可能となる。また、車両用発電制御装置５のＩＣ回路の仕様を一部変更するだけで出力電流検出の機能を追加することができるため、出力電流検出機能を追加したことによる部品コストの増大を最小限に抑えることができる。

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。上述した実施形態では、図２に示したように、馬蹄形の正極側放熱板８２の両端近傍間の電位差を検出して出力電流を算出するようにしたが、正極側放熱板８２の形状は馬蹄形以外の形状、例えば単純な矩形形状等であってもよい。また、負極側放熱板８３の両端近傍間の電位差を検出して出力電流を検出するようにしてもよい。また、必ずしも正極側放熱板８２の両端近傍間の電位差を検出する必要はなく、例えば出力端子８６と正極側放熱板８２のほぼ中央に配置された正極側整流素子８４との間の電位差を検出して出力電流を算出するようにしてもよい。この場合には、調整係数ｐ１を調整して出力電流の算出誤差を少なくすればよい。また、出力端子８６といずれかの正極側整流素子８４との間の電位差を検出するのではなく、正極側放熱板８２上の長手方向に沿った２箇所の電位差を検出して出力電流を算出するようにしてもよい。但し、この場合であっても電流の流れる向きに沿って隔たった２箇所の電位差を検出する必要がある。さらに、正極側放熱板８２の材質は、電位差を検出するのに好適で且つ熱伝導性の良いものが望ましく、たとえば、アルミニウム材やその合金材が望ましい。

また、電機子巻線６の多相巻線は、その数が複数組であってもよい。たとえば、図３に示すように２組の３相巻線６ａ、６ｂを整流器８ａ、８ｂに接続し、各々の出力を整流後に、合計して出力するようにしても、前述と同じ要領で出力電流検出を行うことができる。

一実施形態の車両用発電機の構成を示す図である。 整流器の詳細形状を示す平面図である。 電機子巻線と整流器の変形例を示す図である。

符号の説明

１ 車両用発電機
２ バッテリ
３ 電気負荷
４ 電気負荷スイッチ
５ 車両用発電制御装置
６ 電機子巻線
７ 界磁巻線
８ 整流器
９ 抵抗
１０ ＥＣＵ
５０ スイッチング素子
５１ 還流ダイオード
５２ 電圧制御回路
５３ 通信回路
５４ 出力検出用電圧検出回路
５５ 温度補正用電圧検出回路
５６ 電流変換回路

Claims (5)

1. 回転子と、
   前記回転子によって発生する回転磁界を受けて交流電圧が誘起される電機子巻線を有する固定子と、
   前記電機子巻線の交流出力を直流に変換する整流素子を備えた整流器と、
   前記整流器に含まれる電流路構成部品内の所定の２点間の電位差を検出する出力検出用電圧検出手段と、
   前記出力検出用電圧検出手段によって検出された電位差と、前記電流路構成部品内の所定の２点間の抵抗値とに基づいて出力電流を検出する出力電流検出手段と、
   を備え、前記電流路構成部品は、前記２点間に前記整流素子が配置された放熱板であることを特徴とする車両用発電機。
2. 請求項１において、
   前記電流路構成部品内の前記２点間の抵抗値を温度に応じて補正する温度補正手段をさらに備えることを特徴とする車両用発電機。
3. 請求項２において、
   前記電流路構成部品に配置された前記整流素子の両端電圧を検出する温度補正用電圧検出手段をさらに備え、
   前記温度補正手段は、前記温度補正用電圧検出手段によって検出された前記整流素子の両端電圧に基づいて、前記電流路構成部品内の所定の２点間の抵抗値を補正することを特徴とする車両用発電機。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記出力電流検出手段は、外部制御装置からの指示に応じて精度調整を行うことを特徴とする車両用発電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記回転子に界磁を発生させる界磁巻線による通電状態を制御することにより発電状態を制御するＩＣ回路を有する車両用発電制御装置を備え、
   前記出力検出用電圧検出手段と前記出力電流検出手段を前記ＩＣ回路に内蔵させたことを特徴とする車両用発電機。

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