JPWO2010103634A1 - 車両用交流発電機 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の第2の態様による車両用交流発電機は、偏磁を抑制する形状を有する磁極が周方向に複数設けられ、界磁巻線を有する回転子と、回転子に空隙を介して配置された固定子と、回転子の界磁巻線に通電することにより、固定子に巻回されたコイルに誘起された交流電流を整流して直流電流に変換する半導体素子と、を有し、電磁鋼板を積層して固定子を形成し、ハーフ負荷時の固定子銅損を所定値以下とした。
本発明の第3の態様による車両用交流発電機は、偏磁を抑制する形状を有する磁極が周方向に複数設けられ、界磁巻線を有する回転子と、回転子に空隙を介して配置され、公称φ139の車両用交流発電機における固定子の直径と同等の直径を有する固定子と、回転子の界磁巻線に通電することにより、固定子に巻回されたコイルに誘起された交流電流を整流して直流電流に変換するダイオードと、を有し、電磁鋼板を積層して固定子を形成し、固定子銅損が、ダイオードの整流損失と機械損と界磁銅損との和よりも小さい。
本発明の第4の態様による車両用交流発電機は、偏磁を抑制する形状を有する磁極が周方向に複数設けられ、界磁巻線を有する回転子と、回転子に空隙を介して配置され、公称φ128の車両用交流発電機における固定子の直径と同等の直径を有する固定子と、回転子の界磁巻線に通電することにより、固定子に巻回されたコイルに誘起された交流電流を整流して直流電流に変換するダイオードと、を有し、電磁鋼板を積層して固定子を形成し、固定子銅損と鉄損との和が、ダイオードの整流損失と機械損と界磁銅損との和よりも小さい。
本発明の第5の態様による車両用交流発電機は、偏磁を抑制する形状を有する磁極が周方向に複数設けられ、界磁巻線を有する回転子と、回転子に空隙を介して配置された固定子と、回転子の界磁巻線に通電することにより、固定子に巻回されたコイルに誘起された交流電流を整流して直流電流に変換するダイオードと、を有し、固定子を、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成し、ハーフ負荷時の発電効率が76%以上となるように、固定子銅損と鉄損との和を所定値以下にした。
本発明の第6の態様による車両用交流発電機は、偏磁を抑制する形状を有する磁極が周方向に複数設けられ、界磁巻線を有する回転子と、回転子に空隙を介して配置された固定子と、回転子の界磁巻線に通電することにより、固定子に巻回されたコイルに誘起された交流電流を整流して直流電流に変換するMOSFETと、を有し、固定子を、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成し、ハーフ負荷時の発電効率が86%以上となるように、固定子銅損と鉄損との和を所定値以下にした。
出力:14V×90A=1260W
入力:1260W÷0.76≒1658W
損失:1658W−1260W=398W
整流損は、整流回路に用いられているダイオードにおける損失であり、その値はダイオードの順方向電圧降下に依存している。ここでは、ハーフ負荷(90A)時のダイオードの順方向電圧降下を0.84Vとする。この値は、pn接合ダイオードの実測値ベースでの値であり、この値より小さくするのは難しい。整流損失は、
90A×0.84V×2≒151W
となる。整流素子にpn接合ダイオードを用いる限りは、この値をさらに低減することはできない。
固定子コイルの端子を開放状態とした無負荷の場合には、固定子コイルには電流が流れない。そのため、界磁電流がゼロで無負荷の場合には、電流や磁界に関係する損失(銅損、鉄損)が発生せず、計測される損失は機械損のみであると考えることができる。そこで、本実施の形態では、界磁電流がゼロで無負荷時の損失を機械損とした。実機の計測データから、ハーフ負荷評価の各回転数における界磁電流ゼロかつ無負荷時の損失を求めると、8W(1800rpm)、18W(3000rpm)、56W(6000rpm)、140W(10000rpm)であるので、ハーフ負荷時における機械損は、
8W×0.25+18W×0.4+56W×0.25+140W×0.1≒37W
となる。
ハーフ負荷(90A)時の界磁電流は、3000rpm時では2.5Aである。回転数が3000rpmよりも高回転の場合には界磁電流は2.5Aより少ないので、最も界磁銅損が大きくなる場合の2.5Aで界磁銅損を考える。界磁コイルの温度を100℃と考え、界磁コイルの常温における抵抗値を2.0Ωとすると、界磁銅損は、
2.0Ω×(234.5+100)/(234.5+20)×2.52≒16W
となる。
鉄損の分析方法については既に説明したが、上述したように無負荷時に実測される損失から上述した機械損を減算することで、無負荷時の鉄損が得られる。ここでは、3000rpmにおける無負荷損実測値から3000rpmにおける機械損18Wを減算すると、無負荷時の損失は11Wとなる。本実施の形態で用いている実機においては、回転子にベベルが施されており、上述した11Wは実測に近い値となっており、個別に求めた各損失の合計と、実際のトータルの損失とがほぼ一致している。
固定子銅損は、一次固定子の常温での抵抗値をrとし、固定子コイルの温度を80℃とすると、固定子銅損は次式のように書ける。なお、ここでの固定子コイルの結線構造はダブルスター結線であって、抵抗値rは、ダブルスター結線の1相分のコイルに関する値である。また、0.817は直流電流を交流電流に変換する係数である。
rΩ×(234.5+80)/(234.5+20)
×6個×(0.817×90A/2)2≒10022r
(固定子銅損)≦398−(151W+37W+16W+11W)=183W
90A×0.1V×2=18W
と、大幅に低減することができる。その結果、トータルの損失は265W(=398W−151W+18W)となり、オルタネータの効率は82.6%に向上する。
また以下の実施の形態によれば、集中巻よりも高調波電磁力成分を比較的小さく抑えることができるため、低騒音化の効果が得られる。
図1は、実施例1における車両用交流発電機の概念図を示す図であり、交流発電機の一部である回転子1および固定子2を直線状に展開して示したものである。回転子1には、複数の回転子磁極11が装備されている。回転子1と空隙を介して対向する固定子2には、固定子2の磁極を形成する複数のティース21が装備されている。複数のティース21には、U相コイル31,V相コイル32,W相コイル33が巻かれている。ここで、V相コイルとは、U相コイルを流れる交流電流に対して位相が120度遅れた(240度進んだ)交流電流が流れるコイルと定義する。また、W相コイルとは、U相コイルを流れる交流電流に対して位相が240度遅れた(120度進んだ)交流電流が流れるコイルと定義する。
図2は、実施例2における車両用交流発電機の概念図を示す。以下に述べる事項の他は、上記実施例1と同様である。
図3は、実施例3を示す図であり、回転電機のコイルの巻き方の例を示す。図3は、回転子1の外側に配置された固定子2を半径方向内側から見た図であり、U相コイル31,V相コイル32およびW相コイル33の巻き方を、上段、中段および下段に個別に示したものである。図3では、コイルの巻き方をわかりやすく示すために、コイルの太さを無視し、コイル間には隙間をあけて巻き方の概略がわかるように示してある。図面横方向が固定子2の周方向に相当する。ここでは電気角360度に対して6つのスロット(6つのティース)を設けている。従って、隣り合ったスロット(ティース)は電気角で60度の位相差がある。
図4は、実施例4における車両用交流発電機のコイルの巻き方を示す。次に示す事項の他は、上記実施例3と同様であり、U相コイル31,V相コイル32およびW相コイル33の巻き方を、上段、中段および下段に個別に示した。
図5は、実施例5における車両用交流発電機のコイルの巻き方を示す。次に示す事項の他は、上記実施例と同様であり、U相コイル31,V相コイル32およびW相コイル33の巻き方を、上段、中段および下段に個別に示した。図5においてコイルに施された矢印は、各相において2つのコイル系の電流のある時刻における向きを表している。
図6は、実施例6における車両用交流発電機のコイルの巻き方を示す。次に示す事項の他は、上記実施例と同様であり、U相コイル31,V相コイル32およびW相コイル33の巻き方を、上段、中段および下段に個別に示した。図6において、コイルに施された矢印は、各相において2つのコイル系の電流のある時刻における向きを表している。
図7は、実施例7における車両用交流発電機のコイルの巻き方の例を示す。次に示す事項の他は、上記実施例と同様であり、U相コイル31,V相コイル32およびW相コイル33の巻き方を、上段、中段および下段に個別に示した。図7において、コイルに施された矢印は、各相において2つのコイル系の電流のある時刻における向きを表している。
図8は、実施例8における車両用交流発電機のコイルの巻き方の例を示す。次に示す事項の他は、上記実施例と同様である。図8においてコイルに施された矢印は、各相において2つのコイル系の電流のある時刻における向きを表している。
図9は、実施例9における車両用交流発電機のコイルの巻き方の例を示す。次に示す事項の他は、上記実施例と同様である。図9においてコイルに施された矢印は、各相において2つのコイル系の電流のある時刻における向きを表している。
図10は、実施例10における車両用交流発電機のコイルの概念図を示す。以下に述べる事項の他は、上記実施例と同様である。
図11は、実施例11における車両用交流発電機のコイルの概念図を示す。以下に述べる事項の他は、上記実施例と同様である。
図14は、実施例12における車両用交流発電機のコイルの概念図を示す。以下に述べる事項の他は、上記実施例と同様である。図11では、ダブル三相構造をとるために、ティースの数を2倍にしたが、本実施例は、ティースの数はそのままで、すなわち、回転子1磁極当たりのティースが3本のままでダブル三相構造を実現する実施例である。
(1+cos(6×27.8deg))/2=0.013より、1.3%となり、十分な低減効果が得られ静音化が達成できる。
図17〜図19は実施例13を説明する図である。実施例13は、上述した実施例12と同様な考えに基づく実施例であり、図15の例に補助コイルを追加した例である。図17はコイルの概念図を示し、図18はコイルの巻き方を示し、図19は図16と同様のフェザー図である。図18に示すように、コイルはすべて波巻き状に巻かれている。この場合も、6次の時間高調波電磁加振力成分の低減率は同じ値が得られ、上記実施例12と同じ効果が得られる。
図20〜図22は実施例14を説明する図であり、図20はコイルの概念図を示し、図21はコイルの巻き方を示し、図22はフェザー図を示す。実施例14は、上述した図17の三相系Bを変更した例である。図21に示すように、コイルはすべて波巻き状に巻かれている。この場合の、6次の時間高調波電磁加振力成分の低減率は、(1+cos(6×32.2deg))/2=0.013より、前述の実施例と同じ値が得られ、前述の実施例と同じ効果が得られる。
図23は、実施例15におけるコイル配置の概念図を示す図である。三相系Aと三相系Bのコイルの位置を少しシフトすることにより、三相系Aと三相系B間の電気角位相差を30度近くにもってくることができる。本実施例では、図24のフェザー図により、三相系Aと三相系B間の電気角位相差は、43.9−16.1=27.8deg)となる。この場合の、6次の時間高調波電磁加振力成分の低減率は、(1+cos(6×27.8deg))/2=0.013となり、前述の実施例と同じ効果がある。図23のコイル配置は概念図を示しており、適宜コイルを半径方向に移動して、巻きやすくしても、6次の時間高調波電磁加振力成分は効果的に低減できることは言うまでもない。
Claims (28)
- 偏磁を抑制する形状を有する磁極が周方向に複数設けられ、界磁巻線を有する回転子と、
前記回転子に空隙を介して配置された固定子と、
前記回転子の界磁巻線に通電することにより、前記固定子に巻回されたコイルに誘起された交流電流を整流して直流電流に変換する半導体素子と、を有し、
電磁鋼板を積層して前記固定子を形成し、
前記固定子に巻回されるコイルの抵抗値を所定値以下とした車両用交流発電機。 - 請求項1に記載の車両用交流発電機において、
前記半導体素子にはダイオードが用いられ、
前記固定子は、直径が公称φ139の車両用交流発電機における固定子の直径と同等であって、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成され、
前記固定子コイルはダブルスター結線により結線され、周囲温度が20℃〜25℃のときの1相当たりのコイル抵抗値が0.018Ω以下である車両用交流発電機。 - 請求項1に記載の車両用交流発電機において、
前記半導体素子にはダイオードが用いられ、
前記固定子は、直径が公称φ139の車両用交流発電機における固定子の直径と同等であって、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成され、
前記固定子コイルはシングルスター結線により結線され、周囲温度が20℃〜25℃のときの1相当たりのコイル抵抗値が0.009Ω以下である車両用交流発電機。 - 請求項1に記載の車両用交流発電機において、
前記半導体素子にはMOSFETが用いられ、
前記固定子は、直径が公称φ139の車両用交流発電機における固定子の直径と同等であって、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成され、
前記固定子コイルはダブルスター結線により結線され、周囲温度が20℃〜25℃のときの1相当たりのコイル抵抗値が0.018Ω以下である車両用交流発電機。 - 請求項4に記載の車両用交流発電機において、
前記回転子にネオジ磁石から成る爪磁極間磁石を設け、
前記固定子コイルはダブルスター結線により結線され、周囲温度が20℃〜25℃のときの1相当たりのコイル抵抗値が0.012Ω以下である車両用交流発電機。 - 請求項1に記載の車両用交流発電機において、
前記半導体素子にはMOSFETが用いられ、
前記固定子は、直径が公称φ139の車両用交流発電機における固定子の直径と同等であって、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成され、
前記固定子コイルはシングルスター結線により結線され、周囲温度が20℃〜25℃のときの1相当たりのコイル抵抗値が0.009Ω以下である車両用交流発電機。 - 請求項6に記載の車両用交流発電機において、
前記回転子にネオジ磁石から成る爪磁極間磁石を設け、
前記固定子コイルはシングルスター結線により結線され、周囲温度が20℃〜25℃のときの1相当たりのコイル抵抗値が0.006Ω以下である車両用交流発電機。 - 請求項1に記載の車両用交流発電機において、
前記半導体素子にはMOSFETが用いられ、
前記固定子は、直径が公称φ128の車両用交流発電機における固定子の直径と同等であって、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成され、
前記固定子コイルはダブルスター結線により結線され、周囲温度が20℃〜25℃のときの1相当たりのコイル抵抗値が0.022Ω以下である車両用交流発電機。 - 請求項8に記載の車両用交流発電機において、
前記回転子にネオジ磁石から成る爪磁極間磁石を設け、
前記固定子コイルはダブルスター結線により結線され、周囲温度が20℃〜25℃のときの1相当たりのコイル抵抗値が0.015Ω以下である車両用交流発電機。 - 請求項1に記載の車両用交流発電機において、
前記半導体素子にはMOSFETが用いられ、
前記固定子は、直径が公称φ128の車両用交流発電機における固定子の直径と同等であって、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成され、
前記固定子コイルはシングルスター結線により結線され、周囲温度が20℃〜25℃のときの1相当たりのコイル抵抗値が0.011Ω以下である車両用交流発電機。 - 請求項10に記載の車両用交流発電機において、
前記回転子にネオジ磁石から成る爪磁極間磁石を設け、
前記固定子コイルはシングルスター結線により結線され、周囲温度が20℃〜25℃のときの1相当たりのコイル抵抗値が0.0075Ω以下である車両用交流発電機。 - 偏磁を抑制する形状を有する磁極が周方向に複数設けられ、界磁巻線を有する回転子と、
前記回転子に空隙を介して配置された固定子と、
前記回転子の界磁巻線に通電することにより、前記固定子に巻回されたコイルに誘起された交流電流を整流して直流電流に変換する半導体素子と、を有し、
電磁鋼板を積層して前記固定子を形成し、
ハーフ負荷時の固定子銅損を所定値以下とした車両用交流発電機。 - 請求項12に記載の車両用交流発電機において、
要求効率におけるハーフ負荷想定時の発電機の損失から、ハーフ負荷時の前記半導体素子の整流損失と、無負荷無励磁損失で定義される機械損と、ハーフ負荷でかつ所定回転数における、回転子の渦電流損も含む鉄損と、ハーフ負荷でかつ所定回転数における界磁銅損とを差し引いた残余の損失値を、前記所定値に設定した車両用交流発電機。 - 請求項13に記載の車両用交流発電機において、
前記固定子は、直径が公称φ139の車両用交流発電機における固定子の直径と同等であって、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成され、
コイル温度が略80℃のときの前記固定子銅損が185W以下である車両用交流発電機。 - 請求項13に記載の車両用交流発電機において、
極数が12であって、
前記固定子は、直径が公称φ128の車両用交流発電機における固定子の直径と同等であって、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成され、
コイル温度が略80℃のときの前記固定子銅損が140W以下である車両用交流発電機。 - 請求項13に記載の車両用交流発電機において、
極数が16であって、
前記固定子は、直径が公称φ128の車両用交流発電機における固定子の直径と同等であって、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成され、
コイル温度が略80℃のときの前記固定子銅損と前記鉄損との和が150W以下である車両用交流発電機。 - 請求項13に記載の車両用交流発電機において、
前記固定子は、直径が公称φ139の車両用交流発電機における固定子の直径と同等であって、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成され、
前記固定子銅損を、前記整流損失と前記機械損と前記界磁銅損との和よりも小さくした車両用交流発電機。 - 請求項13に記載の車両用交流発電機において、
前記固定子は、直径が公称φ128の車両用交流発電機における固定子の直径と同等であって、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成され、
前記固定子銅損と前記鉄損との和を、前記整流損失と前記機械損と前記界磁銅損との和よりも小さくした車両用交流発電機。 - 偏磁を抑制する形状を有する磁極が周方向に複数設けられ、界磁巻線を有する回転子と、
前記回転子に空隙を介して配置され、公称φ139の車両用交流発電機における固定子の直径と同等の直径を有する固定子と、
前記回転子の界磁巻線に通電することにより、前記固定子に巻回されたコイルに誘起された交流電流を整流して直流電流に変換するダイオードと、を有し、
電磁鋼板を積層して前記固定子を形成し、
固定子銅損が、前記ダイオードの整流損失と機械損と界磁銅損との和よりも小さい車両用交流発電機。 - 偏磁を抑制する形状を有する磁極が周方向に複数設けられ、界磁巻線を有する回転子と、
前記回転子に空隙を介して配置され、公称φ128の車両用交流発電機における固定子の直径と同等の直径を有する固定子と、
前記回転子の界磁巻線に通電することにより、前記固定子に巻回されたコイルに誘起された交流電流を整流して直流電流に変換するダイオードと、を有し、
電磁鋼板を積層して前記固定子を形成し、
固定子銅損と鉄損との和が、前記ダイオードの整流損失と機械損と界磁銅損との和よりも小さい車両用交流発電機。 - 請求項19または20に記載の車両用交流発電機において、
前記固定子を、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成した車両用交流発電機。 - 偏磁を抑制する形状を有する磁極が周方向に複数設けられ、界磁巻線を有する回転子と、
前記回転子に空隙を介して配置された固定子と、
前記回転子の界磁巻線に通電することにより、前記固定子に巻回されたコイルに誘起された交流電流を整流して直流電流に変換するダイオードと、を有し、
前記固定子を、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成し、
ハーフ負荷時の発電効率が76%以上となるように、固定子銅損と鉄損との和を所定値以下にした車両用交流発電機。 - 偏磁を抑制する形状を有する磁極が周方向に複数設けられ、界磁巻線を有する回転子と、
前記回転子に空隙を介して配置された固定子と、
前記回転子の界磁巻線に通電することにより、前記固定子に巻回されたコイルに誘起された交流電流を整流して直流電流に変換するMOSFETと、を有し、
前記固定子を、回転周波数が50Hzで磁束密度が1.5Tのときの損失が2〜3W/kg以下である厚さ0.35mmの電磁鋼板を積層して形成し、
ハーフ負荷時の発電効率が86%以上となるように、固定子銅損と鉄損との和を所定値以下にした車両用交流発電機。 - 請求項1〜23のいずれか一項に記載の車両用交流発電機において、
前記回転子の磁極に、渦電流低減のための溝を形成した車両用交流発電機。 - 請求項2または3に記載の車両用交流発電機において、
前記ダイオードに、ショットキーダイオードを用いた車両用交流発電機。 - 請求項1〜25に記載の車両用交流発電機において、
前記固定子は、丸線のコイルが巻回されている車両用交流発電機。 - 請求項1〜25に記載の車両用交流発電機において、
前記固定子は、角線のコイルが巻回されている車両用交流発電機。 - 請求項1〜27のいずれか一項に記載の車両用交流発電機において、
前記固定子は、前記回転子の磁極がなす電気角360度以内に、同相のコイルターン及び固定子コアによって形成される固定子磁極が2つ配置されるように固定子コイルが巻回され、それぞれの固定子磁極を形成する前記コイルターンは周方向角度幅が電気角180度よりも小さいコイルターンであり、2つの前記固定子磁極をなす前記コイルターンが互いに重ならないように設けられているとともに、隣接する前記固定子磁極が互いに逆極性をなすように前記コイルターンが巻回されている車両用交流発電機。
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