JPH0139311B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は直流出力電圧のリツプルを低減する界
磁磁極の形状を有する車両用交流発電機に関す
る。

近年のカーエレクトロニクス化と共に車両用発
電機の「電源としての品質」が増々重要となつて
きた。「高品質な電源」とは、(1)車両エンジンの
回転変動や、車両電気負荷の急変に対して、発電
機の平均値出力電圧が変動しないと云うことと、
(2)整流リツプル等の瞬時の電圧脈動がなるべく少
ないこと等の項目を満足すべきものである。前者
(1)項については、電圧調整器（レギユレータ）の
IC化等に基づく高精度制御により相当に改善さ
れてきているが、後者(2)項については、現在のと
ころほとんど検討がなされていないのが実状であ
る。リツプルが大きいと、車両に積載するすべて
の電子機器の入力電源回路部の仕様が複雑・コス
ト高となり、車両全体では累積コストが著しいも
のとなる。また一方で、電圧調整装置が非常に高
精度化しても、検出電圧のリツプルが大きいと、
その制御精度はそれほど上がらない。

かくして、車両用交流発電機のリツプルを低減
し、なるべく理想的な直流に近づけることがとり
わけ重要な課題となつてきた。

第１図は従来周知の車両用交流発電機を示す。
車両エンジン（図示されていない）によりＶベル
トで、プーリ１が駆動される。この被駆動回転数
は、プーリ１の有効径及びエンジン回転数により
様々変化されるが、従来発電機は最高回転数
12000〔r.p.m.〕〜14000〔r.p.m.〕の範囲内にある。
プーリ１と直結したランデル型界磁回転子２が界
磁巻線３により直流励磁された状態で回転するこ
とにより、界磁回転子２の外径部に交互に位置す
る界磁磁極４ａ，４ｂ等により電機子鉄心５が回
転磁界を受け、該鉄心に設けられた三相電機子巻
線６ａ，６ｂ，６ｃには対称三相起電力e_a，e_b，
e_cが発生する。

第２図は第１図の車両用交流発電機の回路図で
ある。なお説明不要の電圧調整装置は省略してい
る。三相起電力e_a，e_b，e_cはメインダイオード
D₁，D₂，D₃，₁，₂，₃により三相全波整流
されて、発電機出力端５を経て直流出力として外
部の車両電気負荷のバツテリ（図示されていな
い）へと供給される。一方、電機子巻線６ａ，６
ｂ，６ｃに電機子電流が流れ、界磁々極及び電機
子鉄心間の界磁々束分布が電機子反作用により第
３次高調波起電力を多分に含んだ歪み波形となる
ために、電機子巻線の中性点７には、第３次高調
波起電力があらわれる。中性点７の電位８は、第
３図に示す如く、発電機の出力電流および回転数
が低い領域では発電機の出力電圧９の約1/2の電
位を中心として小さく揺動しているが、出力電流
および回転数が高い領域では、中性点の電位は出
力電圧９および接地電位（０〔Ｖ〕）を越える大き
な揺動８′となる。このために、第２図における
中性点に結線された補助ダイオードD₀，₀は通
電を始める。すなわち、第３次高調波起電力はダ
イオードD₀，₀を径て、直流出力としてメイン
ダイオードD₁，D₂，D₃，₁，₂，₃による三
相全波整流出力に加算されるに至る。

第４図ａ，ｂは、第１図に示した電機子鉄心お
よび界磁々極等を展開した図である。第４図ｂに
示す、磁極面におけるスロツトピツチ円弧寸法τ_s
⌒を１単位として、電機子鉄心５の側面５ａ，５
ｂ直下における台形状磁極面底辺部円弧寸法Ａ⌒
はこれら従来例では2.8〜3.3の範囲にあつた。

従来、中性点にあららわれる第３次高調波起電
力が、出力端子電圧を越えた時、また接地電位以
下に下がつた時交互にこれらが半波整流されて直
流出力電圧に加算されるため、この第３次高調波
起電力にもとづく直流出力は脈動率100〔％〕であ
る。したがつて、発電機全体の出力を向上するた
めに付加している補助ダイオードD₀，₀の回路
ではあるが、全体出力に対してこの第３次高調波
起電力に基づく出力の比が大きいと当然リツプル
も大きくなる。この第３次高調波起電力に基づく
出力は周知の通り電機子反作用にあづからないた
めに発電機回転数が最高回転数に至るまで直線的
に増加するが、一方で、メインダイオードの為す
三相全波整流回路より導びかれる出力は、電機子
反作用により、高速回転になるに従つて直角双曲
線状に飽和に至る。すなわち発電機の回転数が高
くなるにつれて、全体出力のうち第３次高調波起
電力に基づく出力の占める割合が回転数に対して
比例的に大きくなりこれにもとづいて、出力電圧
のリツプルは回転数に対して直線的に増加してし
まうという欠点があつた。

このことは同時に、車両用交流発電機の重量あ
たり出力を向上する為の一手段として知られてい
る高速駆動方式に対する１つの障害でもあつた。

本発明は磁極形状を、高速、大出力時に第３次
高調波起電力の発生しにくい形状とすることによ
り、第３次高調波起電力を回転数に対し、非線形
飽和状の曲線としこれに大部分依拠しているリツ
プルを高速大出力領域で、所定程度以上増加の防
止をする車両用交流発電機の提供を目的とするも
のである。

本発明の一実施例を第５図及び第６図で説明す
る。

前述の如く、従来発電機は最高回転数が12000
〜14000〔r.p.m.〕であつたが、本発電機は第５図
中に示す如くポリＶプーリ１′の採用により最高
回転数18000〔r.p.m.〕となつている。発電機とし
ての基本構造は従来発電機と同様であるから省略
する。

第６図は、第４図に対応する電機子鉄心５およ
び界磁回転子２の、界磁々極面を基準とする展開
図である。第１および第４図で説明した従来発電
機の磁極形状は、第６ａ図において２点鎖線で示
す如く、前記Ａ⌒寸法がスロツトピツチ単位で、
ほぼ2.8〜3.3であつたが本実施例ではＡ⌒寸法を
スロツトピツチの2.5倍とし、かつその形状をス
ロープ状又は２段テーパ状としている。

次に、本発明となる前記磁極形状のリツプルに
与える結果については実験により確認されたが、
作用が生じる理由については一応次のように考え
ることができる。

前述した様に、メインダイオードD₁，D₂，D₃
…等による三相全波整流出力は、回転数が高くな
るに従つて、直角双曲線上に飽和に至る。このこ
とは第７図に示す如く界磁回転子２における磁極
の電機子鉄心５に与える界磁起磁力分布１０に対
して電機子電流の為す電機子反作用起磁力分布１
１とが位相的に一致して前者起磁力分布を打消し
ている（減磁作用大）ということである。電機子
反作用起磁力分布１１は電機子鉄心と界磁磁極の
構造に基づき台形状分布である。この台形状をよ
り正弦波に近ずけようとしたのが本発明である。
一方、界磁々束分布１０は、ほぼ磁極形状に近く
正弦的であるために、結果としてギヤツプに生じ
る磁束分布１２（分布１０と１１の差の分布）は
第７図中破線で示した如く多分に第３高調波を含
んだものとなり、この磁束分布の第３空間高調波
成分が前述の補助ダイオードD₀，₀より導びか
れる出力の源となつており、同時にまたリツプル
大小を決める要因となつている。

本発明となる磁極形状の作用を説明する。第６
図の如くＡ⌒寸法をスロツトピツチ単位で2.5程
度としかつ磁極形状をスロープ状又は２段テーパ
状とすることによつて界磁磁極の形状は細身にな
り、第６図中に示された矢印方向の磁極間を流れ
る磁束が少なくなるように磁束分布が変化する。
すなわち、第７図の従来状態と比較すると、磁極
形状が細身になつたことにより電機子反作用起磁
力分布１１は第７図の台形状からよりサインウエ
ーブに近くなり、一方、界磁起磁力分布１０は第
７図の波形からより鋭く突出する方向に多少変形
される。

そして上記のように各起磁力分布１０，１１が
変形されるので両起磁力分布の合成に相当する第
３高調波は波高のなだらかなものになる。いいか
えれば、寸法Ａ⌒をスロツトピツチで2.5程度と
するとき、リツプルが低減することになる。以上
は高速大出力時に、界磁起磁力分布と、電機子反
作用起磁力分布が重なつているとき、すなわちい
わゆる減磁作用の状態にあるときの作用である
が、発電機回転数が比較的低速回転の時には、ス
テータコイルのリアクタンスが小さくなり電流の
遅れが少なくなつて界磁起磁力分布と、電機子反
作用磁束分布とが第７図とは異なり位相差を持
ち、いわゆる交差磁化作用に近い状態である。こ
のために、電機子反作用による矩形状起磁力分布
１１に対して、前述の磁極形状による第３次空間
高調波の低減効果はない。

本発明の磁極形状によれば、比較的低速域にお
いては、第３高調波起電力による出力加算分は確
保され、高速域においては、第３次高調波起電力
の回転数に対する増加率の低下に基づき、第３次
高調波起電力による出力は回転数に対して飽和非
線形状に増加し、スロツトピツチも同様に回転数
に対して飽和的に制限される。

第８図は、第５図および第６図に示した本発明
となる発電機について、回転数に対する第３次高
調波起電力の変化、またリツプルの変化を実測し
た結果を示す。これは、前述の如く高速駆動発電
機であり前記磁極形状寸法Ａ⌒がスロツトピツチ
単位で、従来と同一でＡ⌒＝3.0のとき7500〔r.p.
m〕における定格出力が13.5〔Ｖ〕で105〔Ａ〕の
ものである。このときの第３高調波起電力１３お
よびリツプル１４は図示破線の如く直線的に増加
し、最高回転数18000〔r.p.m.〕においてリツプル
は７〔Ｖ〕と非常に大きな値を示している。そこ
で、この発電機に対して本発明の構成となる磁極
形状寸法ＡとしてＡ⌒＝2.5を適用すると、図示
実線の如く回転数に対して第３次高調波起電力１
５およびリツプル１６は飽和非線形状となり、最
高回転数18000〔r.p.m.〕においてリツプルは５
〔Ｖ〕となつた。

本発明となる上記実施例では、磁極と電機子鉄
心のなすギヤツプがいわゆる均等ギヤツプとして
説明したが、第９図ａ，ｂに示す如き不均等ギヤ
ツプである他の実施例においても同様の効果が得
られる。

この場合最小ギヤツプ長δminと最大ギヤツプ
長δmAxについての平均ギヤツプ長1/2（δmin＋
δmAx）の為す仮想磁極面１８と実磁極面１７と
がつくる２つの交点間の円弧寸法A′⌒が磁極寸
法Ａに相当する。

以上のように、本発明は磁極形状寸法Ａ⌒を縮
小化することにより第３次高調波起電力と、それ
にもとづくリツプルを回転数に対して非線形飽和
曲線状に変化するようにできる。すなわち、本来
リツプルの小さい低速域では第３次高調波起電力
による直流出力加算分は十分に確保し、一方で高
速域ではリツプルを非線形飽和的に制限するとい
う効果がある。これにより、従来リツプルが１つ
の障害となつていた発電機の高速駆動方式も第
５，６図及び７図に実施例として示した如く実用
化できる。

最後に第１０図において、本発明となる磁極形
状寸法Ａ⌒の大小とそれに対する効果の大小につ
いて説明する。

第１０図は、第５図および第６図に示した本発
明となる発電機について、前記スロツトピツチ単
位の磁極形状寸法Ａ⌒を変化させた場合の最高回
転数18000〔r.p.m.〕におけるリツプル１９と定格
回転数7500〔r.p.m.〕における出力２０を実測し、
百分率表示したものである。Ａ⌒＝3.0のときの
出力105〔Ａ〕を100〔％〕、またリツプル7.0〔Ｖ〕
を100〔％〕としている。第１０図よりリツプル低
下分は出力低下分より大きく、曲線２１の如くＡ
⌒に対して山型のピークを有することがわかる。
すなわち、従来のＡ⌒寸法の範囲はＡ⌒≧2.8で
あつたが2.6≧Ａ⌒≧1.8の範囲となると、本発明
となる磁極形状変更によりリツプル低減効果がみ
とめられ、さらに好ましくは2.5≧Ａ⌒≧2.0にお
いてとりわけその効果は大なることがわかつた。
なお前記の実施例は点２２，２３，２４に位置し
ている。

なお、以上のＡ⌒に対するリツプル低減効果
は、発電機の基本寸法、駆動最高回転数、励磁ア
ンペアターンが異なつても、車両用として用いら
れる30〔Ａ〕〜110〔Ａ〕、13.5〔Ｖ〕程度の定格出
力の発電機ならばほとんど第１０図の結果と一致
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来周知の車両用交流発電機の断面
図、第２図は第１図の発電機の電気回路図、第３
図は中性点電位揺動の説明図、第４図ａ，ｂは従
来発電機の磁極形状、第５図は本発明となる磁極
形状を有する高速駆動型車両用交流発電機の断面
図、第６図ａ，ｂは本発明となる磁極形状図、第
７図は第３次高調波の成因説明図、第８図は第５
図および第６図に示した実施例における第３次高
調波起電力及びリツプルを示す図、第９図ａ，ｂ
は本発明の構成となる磁極形状のその他の実施
例、および第１０図は本発明となる磁極形状と、
その効果についての説明図。 ２……界磁回転子、３……界磁巻線、４ａ，４
ｂ……界磁磁極、５……電機子鉄心、６ａ，６
ｂ，６ｃ……電機子巻線、Ａ⌒……円弧寸法、
D₀，。……単相半波整流器、D₁，D₂，D₃；
_１，₂，₃……三相全波整流器、τ_s……スロツト
ピツチ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ エンジンにより駆動される回転軸と、 この回転軸上に設けられ、界磁巻線を保持する
   保持部と、この保持部より軸方向にのび、先端が
   先細りの複数個の爪部とを有するランデル型回転
   子と、 上記回転子の複数個の爪部と対向する位置に配
   置され、複数個のスロツトを有する固定子鉄心
   と、このスロツト内に三相Ｙ結線で巻かれた電機
   子巻線とを有する固定子と、 該電機子巻線に誘導される基本波起電力を整流
   して主直流出力を発生する三相全波整流器と、 前記電機子巻線の中性点に誘導される３次高調
   波起電力を整流し直流出力を前記主直流出力に加
   算する単相半波整流器とを備え、 前記固定子の固定子鉄心の軸方向側面直下にお
   ける、前記回転子の爪部外周面の周方向の円弧寸
   法が、前記固定子のスロツト間のピツチの1.8か
   ら2.6倍であることを特徴とする車両用交流発電
   機。