JPH071975A - 電動走行車両のハイブリッド電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来のフライホイール付エンジン単体と略同
程度の大きさ、重量でありながらも十分な必要電力を確
保可能な電動走行車両のハイブリッド電源装置を供す
る。 【構成】 エンジン駆動発電機が、クランクケース側壁
に前記エンジンの出力軸21を貫通した状態で取り付けら
れ環状の継鉄部から突極部が複数放射状に突出した環状
星型鉄心22の突極部に少なくとも３相の発電コイル24を
巻回してなる固定子25と、前記固定子25を貫通した前記
エンジンの出力軸端に前記固定子を覆うように冠着され
たカップ状のフライホイール27の内周に沿って複数の永
久磁石28を固着してなるアウターロータ型磁石回転子29
と、前記それぞれの発電コイル24の出力を整流合算して
前記バッテリーへ供給するための直流出力を取り出す整
流手段とを備え、前記エンジンの全出力を前記バッテリ
へ供給するように構成したことを特徴とする電動走行車
両のハイブリッド電源装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電動機の駆動により走
行する電動走行車両における電動機に電力を供給すると
ころのハイブリッド電源装置に関する。

【０００２】

【従来技術】近年無公害・無騒音の上運転操作が簡単な
電動走行車両が注目を集め、実用化が図られているが、
電動走行車両の最大の課題は１回のバッテリ充電での走
行可能距離を長くするために、電動機に供給する電力を
貯蓄するバッテリが大容量であり、かつ多数個搭載しな
ければならない点にある。

【０００３】そこで例えば特開昭55−157901号公報に記
載があるようにバッテリの充電状態に対応して自動運転
するエンジン発電機を搭載した、所謂ハイブリッド電源
装置を備える電力走行車両が提案されている。

【０００４】ところでこの種のハイブリッド電源として
使用されるエンジン発電機としては、例えば約５kw以上
の大出力が要求されるため、かかる発電量を有するエン
ジン駆動発電機としては、界磁コイル回転子を有するイ
ンナーロータ型のものが一般的である。

【０００５】図１にその一例を図示する。図１はエンジ
ン発電機01の平面図であり、該エンジン発電機01のエン
ジン部分は、クランクケース02とこのクランクケース02
から図面視上方に傾斜したシリンダ03と、このクランク
ケース02の側壁を図１において左方に貫通した軸端に固
着されたフライホイール05とで構成されている。

【０００６】そしてクランクケース02の右側には発電機
06が配設されており、同発電機06は界磁コイル回転子が
前記クランク軸04に同軸に接続され、その周りに巻線型
の固定子が配置された円筒状をしている。

【０００７】

【解決しようとする課題】このような、比較的大出力を
得るための界磁巻線型エンジン発電機においては回転子
の過回転強度等の配慮から回転子の径はあまり大きくと
れず、そのため発電機06の軸方向長さを長くして対応し
ており、かつ回転子の回転質量だけではエンジンの円滑
な回転が確保されないので前記の如くフライホイール05
を備えざるを得ない。

【０００８】このように回転子の軸方向長さが長いこと
とフライホイール05が必要であるということのため、図
１に示すように発電機06が大型化してエンジン発電機01
の全体寸法が大型化し、かつ重量の増大は避けられなか
った。

【０００９】このことは、バッテリを含めて電源部分を
できるだけ小型軽量化して本来の居住空間なり荷搭載ス
ペースなりを確保したいという電動走行車両の有してい
る従来からの課題に十分応えていないことになる。

【００１０】なお耕耘機等の小型エンジン作業機におい
ては、エンジンの出力のごく一部をフライホイール発電
機から取り出して夜間照明等に利用するものがあるが、
取り出す出力はせいぜい数十ｗ程度であり、これで電動
走行車両のハイブリッド電源を構成するなどとは到底考
えられない。

【００１１】本発明はこのような事情に鑑み、略エンジ
ン単体の大きさ、重量でありながらも十分な必要電力を
確保可能な電動走行車両のハイブリッド電源装置を供す
る点にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために本発明は、走行駆動源となる電動機を駆動
するためのバッテリと、このバッテリに電源を供給する
エンジン駆動発電機とを備える電動走行車両のハイブリ
ッド電源装置において、前記エンジン駆動発電機が、エ
ンジンのクランクケース側壁に前記エンジンの出力軸を
貫通した状態で取り付けられ、環状の継鉄部から突極部
が複数放射状に突出した環状星型鉄心の前記突極部に少
なくとも３相の発電コイルを巻回してなる固定子と、前
記固定子を貫通した前記エンジンの出力軸端に前記固定
子を覆うように冠着されたカップ状のフライホイールの
内周に沿って複数の永久磁石を固着してなるアウターロ
ータ型磁石回転子と、前記それぞれの発電コイルの出力
を整流合算して前記バッテリーへ供給するための直流出
力を取り出す整流手段とを備え、前記エンジンの全出力
を前記バッテリへ供給するように構成した電動走行車両
のハイブリッド電源装置を得るようにした。

【００１３】まず、エンジン発電機は、エンジン出力軸
に冠着されるフライホイールをカップ状として、その内
周に永久磁石を固着しアウターロータ型磁石回転子と
し、その内側に発電コイルを巻回した環状星型鉄芯の固
定子を設ける構成としたので、従来のフライホイール部
に発電機が組み込まれたごときの構造とすることがで
き、図１に示すような従来の大きくはみ出した発電機本
体が削除されて、大幅な小型軽量化が図れる。

【００１４】さらに上記構成に加えて、アウターロータ
型回転子の内周に沿って複数の永久磁石を設けるように
しているので、大きな遠心力に対しても十分な強度を容
易に確保でき、したがってアウターロータ型磁石回転子
は、軸方向の長さを短かく径を大きくして多極化を容易
として出力を増大することができるとともに（少なくと
も３相）、多極化時の出力巻線の長さを短くでき、発電
効率の向上を図ることができ、さらに表面積を大きくで
き放熱も良くなる。

【００１５】そしてそれぞれの出力巻線の出力を整流合
算して主バッテリーへ供給するようにし、さらにエンジ
ンはその出力を全て発電機駆動に使用するように構成す
ることによって上述したような略エンジン単体の大きさ
・重量でありながらもシステム全体として十分な必要電
力の確保が可能になる。

【００１６】また前記エンジン駆動発電機の無負荷運転
時の直流出力電圧が、バッテリ端子電圧の変動範囲より
も高くなるように設定するとともに、バッテリが前記エ
ンジン駆動発電機の出力側に接続されている状態での
み、エンジンの運転を継続できるように構成すること
で、直接バッテリ充電に用いても電流変化は少なくエン
ジン出力を有効に使用でき、またエンジンは常にバッテ
リを接続した状態でのみ運転されるため大出力発電機の
無負荷運転による高電圧の発生に伴う弊害を防止でき
る。

【００１７】またエンジンは、ガバナーにより最適燃費
の回転数付近で定速運転されるように設定されること
で、燃料消費量が少なく経済的であるとともに排気ガス
も少なく、かつ安定したバッテリへの充電ができる。

【００１８】さらに前記アウターロータ型磁石回転子に
設けられる冷却ファンと、前記アウターロータ型磁石回
転子側全体を覆うとともに前記冷却ファンによって吸入
された冷却風を前記エンジンのシリンダー部分へ導く導
風路を形成するファンカバーとを備えることで従来のエ
ンジン単体と同様の構成でもって発電機とエンジンシリ
ンダとを効率良く冷却するコンパクトなエンジン発電機
の冷却構造を構成することができる。

【００１９】

【実施例】以下図２ないし図８に図示した本発明の一実
施例について説明する。図２は、本発明のハイブリッド
電源装置を構成するエンジン発電機１の平面図であり、
図３はその側面図である。

【００２０】エンジン発電機１のエンジン２は、前記従
来例と同様に、クランクケース３にシリンダ４が斜め上
方に突設されており、シリンダ４の図２における左方に
キャブレタ５が接続されキャブレタ５のさらに左側にエ
アクリーナ６が配設されている。

【００２１】クランクケース３の左側はファンカバー７
で覆われており、このファンカバー７はシリンダ４の左
側部分までに至り、ここにシリンダ４の右側ヘ向かって
開口する排風口（図示せず）が形成されている。

【００２２】そしてエンジン２で駆動される発電機20本
体は後記するようにファンカバー７内のフライホイール
27部分に一体に組み込まれて構成されている（図４参
照）。なお、本実施例では発電機20として電動発電機を
使用しているが、（詳細は後記する）説明は単に発電機
20ということで進める。

【００２３】また、エンジン２は、自動調速機（ガバナ
ー）を備えており、クランクケース３より突出したガバ
ナーシャフト11の端部にガバナーアーム12の基端部が嵌
着され、ガバナーアーム12の先端部とキャブレタ５に設
けられたスロットルレバーリンク14とをガバナーリンク
13で連結している。

【００２４】またガバナーアーム12のガバナーリンク13
取付部の反対側には延出部12ａが一体形成されており、
この延出部12ａには、ガバナーシャフト11から異なる距
離に孔12ｂ，12ｃが形成されている。このうち一方の孔
12ｂとクランクケース３の固定点との間にスロットルス
プリング15が架設されている。

【００２５】このスロットルスプリング15の孔12ｂ，12
ｃの掛け代えによってガバナーシャフト11を中心とする
ガバナーアーム12の揺動に対する付勢力を変えることが
でき、これによってエンジン回転速度を２段階に変更で
きる。

【００２６】そしてクランク軸の回転速度の変動に応じ
たカバナーウェイト（図示せず）の変位がガバナーシャ
フト11を回動させることで、スロットルスプリング15の
バネ力に抗したバランス点でガバナーアーム12が揺動
し、ガバナーリンク13を介してスロットルレバーリンク
14を回動する。

【００２７】スロットルレバーリンク14はスロットルバ
ルブに連動しているので、回転速度に応じスロットルバ
ルブの開閉量が制御されることによって、負荷が変動し
ても回転速度を略一定に維持することができる。

【００２８】次に発電機20の構造を図４および図５に基
づき説明する。クランク軸21は、クランクケース３の側
壁３ａから軸受を介して図４において左方へ引き出され
ており、環状の継鉄部22ａから放射状に27個の突極部22
ｂが突出形成された環状星型鉄心22がクランク軸21の周
りのクランクケース側壁３ａの周縁ボス部にボルト23に
よって固着されている。

【００２９】環状星型鉄心22の27個の突極部22ｂには、
３相の発電コイル24が順次交互に巻回されて固定子25を
構成している。環状星型鉄心22は、このように多極化す
ることによって大出力が取り出せるようになるとともに
環状の継鉄部22ａおよび突極部22ｂの半径方向の寸法を
短くすることが可能になり、軽量化することができる。

【００３０】一方環状星型鉄心22の中央を貫通したクラ
ンク軸21の先端には鍛造のハブ26が嵌着され、このハブ
26にロータヨークを兼ねるフライホイール27が結合され
ている。

【００３１】フライホイール27は、高張力鋼板をカップ
状にプレス成形して形成されたディスク部27ａと円筒部
27ｂとからなり、ディスク部27ａがハブ26に固着され、
円筒部27ｂが環状星型鉄心22の突極部22ｂ外側を覆うよ
う取り付けられる。

【００３２】このフライホイール27の円筒部27ｂの内周
面には高い磁力を有するネオジューム系磁石28が周方向
に亘って18個固着されてアウターロータ型磁石回転子29
を構成している。

【００３３】このようにアウターロータ型磁石回転子29
はネオジューム系磁石28を円筒部27ｂの内周面に敷きつ
めることで十分なマスを確保してフライホイールとして
の機能も得ることができる。またフライホイール27は従
来のような鋳造のフライホイールに比べ、高張力鋼板を
使用して軽量化を図り、ネオジューム系磁石28で回転質
量を得ているので、エンジン発電機１全体としての重量
を従来のエンジン単体と略等しい重量範囲内に抑えるこ
とができる。

【００３４】そしてフライホイール27のディスク部27ａ
には冷却ファン30が取り付けられている。冷却ファン30
は、円環状の基板30ａの一方の側面に複数の羽根30ｂが
周方向に亘り立設されたもので、基板30ａをフライホイ
ール27のディスク部27ａの外表面に固着している。

【００３５】この冷却ファン30を覆うファンカバー７
は、フライホイール27の側方からシリンダ４に至る導風
路７ａを形成して、冷却風をエンジン２のシリンダ４の
方へ導くようにしている。

【００３６】したがってフライホイール27と一体に冷却
ファン30が回転すると、ファンカバー７の吸風口７ｂか
ら空気を吸込み発電機20部分を冷却するとともに、吸込
まれた空気は導風路７ａに導かれてシリンダ４を冷却し
た後外部へ排風するようになっている。

【００３７】以上のようなエンジン発電機１を組み込ん
で構成したハイブリット電源システムの構成図を図６に
示す。動力源となる主バッテリ40は、車載型充電器41に
より外部電源から外部電源接続端子42を介して通常の充
電作業が行えるように構成されており、この主バッテリ
40の出力をインバータ43で制御して走行用モータ44へ供
給することにより走行用モータが駆動制御される。

【００３８】一方で自己充電機構としてエンジン発電機
１が組み込まれており、この発電機20は、エンジン２の
駆動で発電し、その３相電力は整流器45によりそれぞれ
全波整流・合算されて主バッテリ40に供給されるように
構成されている。

【００３９】なお発電機20の出力電圧が所定電圧以上と
なった場合これを検出する過電圧検出器50が備えられて
いて、過電圧検出器50が過電圧を検出したときはエンジ
ン２の点火信号をオフとしてエンジンを停止させるよう
に構成されている。

【００４０】またさらに、前述のように発電機20は電動
発電機で構成しており、主バッテリ40の電力を逆にイン
バータ51を介して発電機20に供給して電動機として駆動
することにより、エンジン２の始動用セルモータの働き
をさせることができるように構成されている。

【００４１】そのためインバータ51の始動スイッチ46，
47が設けられており、一方の始動スイッチ46は手動によ
りオンオフさせるスイッチであり、他方の始動スイッチ
47は、主バッテリー40の電圧を検出する電圧検出器48の
検出電圧に基づき主バッテリー40の電圧が所定値以下に
低下したときにインバータ51を始動するように制御され
るスイッチである。

【００４２】図７に発電機（電動発電機）20と主バッテ
リー40との接続構成例を示している。６つのトランジス
タ62によって主バッテリー40の電力を発電機20へ供給す
る３相のインバータ51が構成され、さらにそれぞれのト
ランジスタ62と並列に接続された６つのダイオード61で
発電機20の出力を整流・合算して主バッテリー40へ供給
する３相のブリッジ回路が構成されている。それぞれの
トランジスタ62はＥＣＵ60によってオンオフ制御される
ようになっている。

【００４３】発電機20には磁極センサ63が配設されてア
ウターロータの回転タイミング（磁極位置）を検出して
ＥＣＵ60に信号を送るようになっており、ＥＣＵ60はこ
の検出信号に基づきインバータ51の各トランジスタ62の
インバータ制御を行う。

【００４４】整流器45の出力端子はコンデンサ64を介装
して主バッテリ40の＋−端子に接続されている。

【００４５】発電機20が発電中は、整流器45によってそ
れぞれの発電コイル24の出力が全波整流・合算されて主
バッテリ40に供給される。また始動時は、スイッチ46も
しくは47の投入によってインバータ51に対して発電機20
の磁極（回転子の磁極位置）に合わせた駆動信号をＥＣ
Ｕ60を介して供給することにより主バッテリ40からの発
電機（＝電動機）20への供給電力を制御する。

【００４６】特に本実施例においては、始動直後はイン
バータのオン比率を小さくして発電機（＝電動機）への
印加電圧を制御し、すなわちソフトスタートさせること
により、弱っている主バッテリ40から始動大電流が流出
することなく始動することができるように供給電流を制
限している。

【００４７】エンジン発電機１の電圧−電流特性を図８
に示す。実線ａが通常の電圧−電流特性であり、破線ｂ
は回転数が一時的に上昇した時の特性である。

【００４８】発電機20は磁石式発電機で構成し、かつ図
８で示すように出力電流増加に対し電圧衰下を大きくす
ることによって、バッテリを充電する場合バッテリ電圧
の変動に対し電流変化が少ない特性とすることができ
る。

【００４９】すなわち図８のように、無負荷運転時（電
流が０の時）の出力電圧が、バッテリの端子電圧の変動
範囲（直線ｌ₁ とｌ₂ の間）よりも高くなるように設定
することによって、実線ａの傾斜が大きいのでバッテリ
電圧の変動に対し充電電流の変動はΔＩ₁ と少なく、し
たがってエンジン出力を有効に利用して充電することが
できる。

【００５０】なおエンジン回転数は通常前記ガバナー機
構により低速（例えば3600RPM ）に保たれるが、回転数
上昇時には特性が破線ｂに移り、その間充電電流がいく
らか変動（図８においてΔＩ₂ ）するが、回転数に対し
て充電電流は正特性で変化するため、回転数の安定性が
良く、エンジンの最大出力付近での負荷設定が可能であ
る。

【００５１】したがって、磁石式発電機20は、電流安定
化のための充電制御装置等を不要にすることもでき、エ
ンジンの回転数制御系への負担も小さくなるという利点
がある。

【００５２】この発電機20が無負荷運転されると大出力
発電機であるが故に相当高い電圧が発生することになる
が、本発明においては、整流器45を介して常に主バッテ
リ40に接続された状態にあることから出力電圧はバッテ
リ電圧で規制されて、大きな出力電圧は生じない。

【００５３】また万一バッテリ配線が外れる等に起因し
て発電機20の出力電圧がある程度以上高くなると過電圧
検出器50がこれを検出し、エンジンを停止させるように
して異常な高電圧の発生を防止している。

【００５４】なお、この過電圧検出機50により検出すべ
き高電圧の値を、主バッテリ40の充電上限電圧に対応さ
せて設定することで、充電完了時にエンジン２が自動停
止するように構成することもできる。

【００５５】本実施例のハイブリッド電源装置は、以上
のような構成をしており、発電機20本体がフライホイー
ル27内に収まって従来のごとく発電機が大きく突出して
配設されることがなく大幅に小型化されるとともに軽量
化されエンジン発電機１自体が従来のエンジン単体と同
程度の大きさ・重量に抑えられる。

【００５６】したがって電動走行車両における最大の課
題であったバッテリを含めた電源部分の小型軽量化を実
現することができる。

【００５７】なお、本実施例の説明ではエンジン点火装
置用の電源については触れていないが、発電機の出力の
一部を利用してＣＤＩ点火装置を形成したり、あるいは
フライホイール外周に永久磁石を取り付けた自己トリガ
式点火装置を形成するとか、さらにバッテリの出力を利
用する等種々の方法を採用することができる。

【００５８】

【発明の効果】第１の発明によれば、従来エンジンのフ
ライホイールを部分にエンジンの全出力を受ける発電機
を高出力が得られるような形態で組み込んで、これから
得られる出力を主バッテリーへ供給するように構成して
いるので、エンジン発電機自体が従来のエンジン単体の
大きさ・重量とあまり変わらないで、システム全体とし
て十分な必要電力の確保が可能になる。

【００５９】第２の発明は、無負荷運転時の出力電圧を
バッテリ電圧変動範囲より高く設定することで、充電電
流変化を少なくしてエンジン出力を有効に利用するとと
もに常に発電機がバッテリに接続された状態でのみ運転
されるので、大電力が取り出せるようにしたが故に発生
し易い無負荷運転による高電圧による弊害を防止でき
る。

【００６０】第３の発明は、エンジンがガバナーにより
最適燃費の回転数で定速運転されるので、経済的である
とともに排気ガスも少なく、また安定したバッテリへの
充電ができる。

【００６１】第４の発明は、アウターロータ型磁石回転
子に冷却ファンを設け、ファンカバーがエンジンシリン
ダへ冷却風を導くように構成されているので、従来のエ
ンジン単体と同様の構成をもって発電機とエンジンシリ
ンダーとを効率良く冷却するコンパクトな構造とするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のエンジン発電機の概略平面図である。

【図２】本発明に係るハイブリッド電源装置のエンジン
発電機部分の概略平面図である。

【図３】同側面図である。

【図４】同エンジン発電機部分の一部破断した平面図で
ある。

【図５】図４におけるＶ−Ｖ断面図である。

【図６】本発明に係るハイブリット電源装置の一実施例
を示すシステム構成図である。

【図７】発電機（電動発電機）と主バッテリとの接続構
成を示す回路図である。

【図８】発電機の出力電圧−出力電流特性を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…エンジン発電機、２…エンジン、３…クランクケー
ス、４…シシリンダ、５…キャブレタ、６…エアクリー
ナ、７…ファンカバー、11…ガバナーシャフト、12…ガ
バナーアーム、13…ガバナーリンク、14…スロットルレ
バーリンク、15…スロットルスプリング、20…発電機、
21…クランク軸、22…環状星型鉄心、23…ボルト、24…
発電コイル、25…固定子、26…ハブ、27…フライホイー
ル、28…ネオジューム系磁石、29…アウターロータ型磁
石回転子、30…冷却ファン、40…主バッテリ、41…車載
型充電器、42…外部電源接続端子、43…インバータ、44
…走行用モータ、45…整流器、46，47…始動スイッチ、
48…電圧検出器、50…過電圧検出器、51…インバータ、
60…ＥＣＵ、61…ダイオード、62…トランジスタ、63…
磁極センサ、64…コンデンサ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走行駆動源となる電動機を駆動するため
   のバッテリと、このバッテリに電源を供給するエンジン
   駆動発電機とを備える電動走行車両のハイブリッド電源
   装置において、 前記エンジン駆動発電機が、 エンジンのクランクケース側壁に前記エンジンの出力軸
   を貫通した状態で取り付けられ、環状の継鉄部から突極
   部が複数放射状に突出した環状星型鉄心の前記突極部に
   少なくとも３相の発電コイルを巻回してなる固定子と、 前記固定子を貫通した前記エンジンの出力軸端に前記固
   定子を覆うように冠着されたカップ状のフライホイール
   の内周に沿って複数の永久磁石を固着してなるアウター
   ロータ型磁石回転子と、 前記それぞれの発電コイルの出力を整流合算して前記バ
   ッテリーへ供給するための直流出力を取り出す整流手段
   とを備え、 前記エンジンの全出力を前記バッテリへ供給するように
   構成したことを特徴とする電動走行車両のハイブリッド
   電源装置。
2. 【請求項２】 前記エンジン駆動発電機の無負荷運転時
   の直流出力電圧が、前記バッテリの端子電圧の変動範囲
   よりも高くなるように設定するとともに、前記バッテリ
   が前記エンジン駆動発電機の出力側に接続されている状
   態でのみ、エンジンの運転を継続できるように構成した
   ことを特徴とする請求項１記載の電動走行車両のハイブ
   リッド電源装置。
3. 【請求項３】 前記エンジンは、ガバナーにより最適燃
   費の回転数付近で定速運転されるように設定されている
   ことを特徴とする請求項１または２記載の電動走行車両
   のハイブリッド電源装置。
4. 【請求項４】 前記アウターロータ型磁石回転子に設け
   られる冷却ファンと、 前記アウターロータ型磁石回転子側全体を覆うとともに
   前記冷却ファンによって吸入された冷却風を前記エンジ
   ンのシリンダー部分へ導く導風路を形成するファンカバ
   ーとを備えることを特徴とする請求項１記載の電動走行
   車両のハイブリッド電源装置。