JP2008104291A - 車両用交流発電機 - Google Patents

Abstract

【課題】サージ電圧を確実に低減することができ、コストの上昇を抑えることができる車両用交流発電機を提供すること。
【解決手段】複数の界磁極を有する回転子と、界磁極を磁化させる界磁巻線２１と、回転子により発生する回転磁界を受けて交流電圧が誘起される固定子巻線２２を有する固定子と、固定子巻線２２に誘起される交流電圧を整流する整流器２０と、出力電圧を所定の調整電圧に制御する電圧制御装置１と、整流器２０の正極側端子および負極側端子に並列に接続されるツェナーダイオード２３、２４とが備わっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用交流発電機に関する。

従来から、突発的に発生するサージ電圧（例えば、バッテリや電気負荷を同時に開放したときに発生するバッテリ・ロードダンプサージ電圧）を低減する方法として、車両用交流発電機の整流装置に使用されるダイオードをサージ電圧吸収用素子としてのツェナーダイオードに置き換える方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような車両用交流発電機では、発生するバッテリ・ロードダンプサージ電圧を、整流装置を構成するツェナーダイオードの降伏電圧相当に低減することができる。
特開平５−２６０６７８号公報（第２−３頁、図１−５）

ところで、特許文献１に開示された車両用交流発電機では、バッテリ・ロードダンプサージ電圧以外の外部で発生したサージ電圧を整流装置を構成するツェナーダイオードで吸収する場合、整流装置内で直列接続された２つのツェナーダイオードの両端でこのサージ電圧を受けることになるため、このようなサージ電圧としてツェナーダイオードの降伏電圧の２倍の電圧まで許容されることになり、車両用交流発電機の出力電圧を制御する車両用発電制御装置や各種の電気負荷の電圧耐量（耐電圧）が高くなって、コストが大幅に上昇するという問題があった。特に、定格電圧が２４Ｖの車両用交流発電機では、高い電圧耐量が要求されるため、車両用発電制御装置の高機能化が困難になる。

また、定格電圧が２４Ｖの車両用交流発電機の整流装置をツェナーダイオードで構成する場合に、２４Ｖ用のツェナーダイオードは市場性が少なく、特殊な仕様になるため、大変高価になる。このため、このようなツェナーダイオード６個あるいはそれ以上用いた車両用交流発電機は、コストが大幅に上昇する。

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、サージ電圧を確実に低減することができ、コストの上昇を抑えることができる車両用交流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、本発明の車両用交流発電機は、複数の界磁極を有する回転子と、界磁極を磁化させる界磁巻線と、回転子により発生する回転磁界を受けて交流電圧が誘起される固定子巻線を有する固定子と、固定子巻線に誘起される交流電圧を整流する整流器と、出力電圧を所定の調整電圧に制御する電圧制御手段と、整流器の正極側端子および負極側端子に並列に接続されるツェナーダイオードとを備えている。整流器と並列にツェナーダイオードを接続することにより、このツェナーダイオードの降伏電圧までサージ電圧を確実に低減することができる。また、通常の整流素子としてのダイオードに比べて高価なツェナーダイオードの数を減らすことができ、コストの上昇を抑えることができる。

また、１２Ｖ系の車両用交流発電機において、ツェナーダイオードとして１個の１２Ｖ系ツェナーダイオードを用いることが望ましい。これにより、整流器を構成する６個あるいはそれ以上のダイオードをツェナーダイオードに置き換える場合に比べて、１個のツェナーダイオードを用いることでサージ電圧の低減が可能になり、コストの上昇を最小限に抑えることができる。

また、２４Ｖ系の車両用交流発電機において、ツェナーダイオードとして２個の１２Ｖ系ツェナーダイオードを直列接続して用いることが望ましい。これにより、入手が容易な１２Ｖ系ツェナーダイオードを用いることができ、コストの上昇をさらに抑えることができる。また、２４Ｖ系の車両用交流発電機に接続される電気負荷や電圧制御手段に印加されるサージ電圧を１２Ｖ系ツェナーダイオードの降伏電圧の２倍の値、すなわち１個の２４Ｖ系ツェナーダイオードの降伏電圧と同じにすることができるため、これらの電気負荷や電圧制御手段の電圧耐量を低くすることができる。特に、電圧制御手段の電圧耐量を下げることができるため、電圧耐量が低い各種の素子を組み合わせて用いることができるため素子の選択範囲が広がり、容易に高機能化を実現することができる。さらに、直列接続している１２Ｖ系ツェナーダイオードを複数個並列接続してもよい。この場合、サージ電圧発生時のツェナーダイオードへの通電電流が分散されるので、ツェナーダイオードの温度上昇を低減して信頼性を向上させることができる。

また、上述した整流器は、整流素子としてのダイオードが取り付けられた放熱フィンを有し、ツェナーダイオードは、放熱フィンに搭載されていることが望ましい。これにより、整流器にツェナーダイオードを内蔵することができ、部品点数の増加や部品組付け工数の増加を防止することができる。また、ツェナーダイオードの温度が上昇したときに、放熱フィンによる放熱を促進して容易にその温度を下げることができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、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交流発電機の構成を示す図であり、あわせてこの車両用交流発電機とバッテリや外部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交流発電機２は、整流器２０、界磁巻線２１、固定子巻線２２、ツェナーダイオード２３、２４、電圧制御装置１を含んで構成されている。この車両用交流発電機２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２１は、通電されて磁界を発生する。この界磁巻線２１は、界磁極（図示せず）に巻装されて回転子を構成している。固定子巻線２２は、多相巻線（例えば三相巻線）であって、固定子鉄心に巻装されて固定子を構成している。この固定子巻線２２は、界磁巻線２１の発生する磁界の変化によって起電力を発生する。固定子巻線２２に誘起される交流出力が整流器２０に供給される。

整流器２０は、固定子巻線２２の交流出力を全波整流する。この整流器２０は、ツェナーダイオードに比べて高い降伏電圧を有する６個のノーマルダイオードＤを整流素子として用いた三相全波整流回路によって構成されている。正極側放熱フィンを兼ねた正極側端子にカソードが共通に接続された３つのノーマルダイオードＤ（図１では上側に配置された３つのノーマルダイオードＤ）のそれぞれのアノードは、Ｙ結線された固定子巻線２２の３つの相巻線に別々に接続されている。また、負極側放熱フィンを兼ねた負極側端子にアノードが共通に接続された３つのノーマルダイオードＤ（図１では下側に配置された３つのノーマルダイオードＤ）のそれぞれのカソードは、Ｙ結線された固定子巻線２２の３つの相巻線に別々に接続されている。このような整流器２０の正極側端子の出力が、車両用交流発電機２の出力として外部に取り出され、バッテリ４や電気負荷スイッチ５を介して電気負荷６に供給される。車両用交流発電機２の出力は、回転子の回転数や界磁巻線２１に流れる励磁電流の通電量に応じて変化し、その励磁電流は電圧制御装置１によって制御される。

電圧制御装置１は、抵抗１１、１２、電圧比較器１３、スイッチングトランジスタ１４、環流ダイオード１５を含んで構成されている。電圧制御装置１が電圧制御手段に対応する。電圧比較器１３は、プラス入力端子には基準電圧Ｖref が、マイナス入力端子には車両用交流発電機２の出力電圧（Ｂ端子電圧）を抵抗１１、１２による分圧回路で分圧した検出電圧Ｖｂがそれぞれ入力される。なお、Ｂ端子電圧を分圧する代わりに、バッテリ４の端子電圧を取り込んでこれを分圧して電圧比較器１３のマイナス入力端子に印加するようにしてもよい。電圧比較器１３の出力端子はスイッチングトランジスタ１４に接続されている。スイッチングトランジスタ１４は、ベースが電圧比較器１３の出力端子に接続され、コレクタが還流ダイオード１５を介して車両用交流発電機２の出力端子（Ｂ端子）に接続され、エミッタが接地端子（Ｅ端子）を介して接地されている。また、スイッチングトランジスタ１４のコレクタは界磁巻線２１に接続されており、スイッチングトランジスタ１４がオンされると界磁巻線２１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１５は、界磁巻線２１と並列に接続されており、スイッチングトランジスタ１４がオフされたときに、界磁巻線２１に流れる励磁電流を還流させる。

本実施形態の車両用交流発電機２では、上述した整流器２０の正極側端子および負極側端子と並列に、直列接続された２個のツェナーダイオード２３、２４が接続されている。例えば、定格電圧が２４Ｖのバッテリ４や電気負荷６が接続される２４Ｖ系の車両用交流発電機２を考えた場合に、２個の１２Ｖ系のツェナーダイオード２３、２４が用いられている。正極側端子にカソードが接続された一方のツェナーダイオード２３は、正極側端子としての正極側放熱フィンに搭載されている。負極側端子にアノードが接続された他方のツェナーダイオード２４は、負極側端子としての負極側放熱フィンに搭載されている。

このように、整流器２０と並列にツェナーダイオード２３、２４を接続することにより、このツェナーダイオード２３、２４の降伏電圧までサージ電圧を確実に低減することができる。

図２は、ツェナーダイオード２３、２４の特性を示す図である。横軸はツェナーダイオード２３、２４に印加する電圧を、縦軸はツェナーダイオード２３、２４に流れる電流をそれぞれ示している。図２に示すように、２個のツェナーダイオード２３、２４のそれぞれの降伏電圧をＶｚとすると、２個のツェナーダイオード２３、２４の直列回路に２Ｖｚよりも大きいサージ電圧が印加されたときに、この直列回路に逆方向の電流が流れてこのサージ電圧を吸収することができる。また、通常の整流素子としてのノーマルダイオードＤに比べて高価なツェナーダイオード２３、２４の数を減らすことができ、コストの上昇を抑えることができる。

また、２４Ｖ系の車両用交流発電機２において、２個の１２Ｖ系ツェナーダイオード２３、２４が直列接続されて用いられている。これにより、入手が容易な１２Ｖ系ツェナーダイオード２３、２４を用いることができ、コストの上昇をさらに抑えることができる。しかも、２４Ｖ系の車両用交流発電機２に接続される電気負荷６や電圧制御装置１に印加されるサージ電圧を１２Ｖ系のツェナーダイオードの降伏電圧Ｖｚの２倍の値、すなわち１個の２４Ｖ系ツェナーダイオードの降伏電圧と同じにすることができるため、これらの電気負荷６や電圧制御装置１の電圧耐量を低くすることができる。特に、電圧制御装置１の電圧耐量を下げることができるため、電圧耐量が低い各種の素子を組み合わせて用いることができるため素子の選択範囲が広がり、容易に高機能化を実現することができる。

また、整流器２０は、整流素子としてのノーマルダイオードＤが取り付けられた正極側放熱フィンや負極側放熱フィンにツェナーダイオード２３、２４が搭載されている。これにより、整流器２０にツェナーダイオード２３、２４を内蔵することができ、部品点数の増加や部品組付け工数の増加を防止することができる。また、ツェナーダイオード２３、２４の温度が上昇したときに、これらの放熱フィンによる放熱を促進して容易にその温度を下げることができる。

ところで、上述した説明では、２４Ｖ系の車両用交流発電機２を考えた場合に、２個の１２Ｖ系のツェナーダイオード２３、２４を用いたが、図３に示すように、これら２個のツェナーダイオード２３、２４の直列回路を２４Ｖ系の１個のツェナーダイオード２５に置き換えるようにしてもよい。部品コストは上昇するが、この構成でもサージ電圧を確実に低減することができる。

また、図３に示す構成は、１２Ｖ系の車両用交流発電機２を考えた場合にも適用することができる。すなわち、１２Ｖ系の車両用交流発電機２において、１個の１２Ｖ系ツェナーダイオード２５が用いられる。これにより、整流器２０を構成する６個（あるいはそれ以上）のノーマルダイオードＤの全てをツェナーダイオードに置き換える場合に比べて、１個のツェナーダイオード２５を用いることでサージ電圧の低減が可能になり、コストの上昇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。例えば、上述した実施形態では、整流器２０にツェナーダイオード２３、２４やツェナーダイオード２５を内蔵させるようにしたが、整流器２０とは別部品としてツェナーダイオード２３等を備えるようにしてもよい。

また、図１に示した構成では、直列接続された２個の１２Ｖ系のツェナーダイオード２３、２４を用いたが、これらのツェナーダイオード２３、２４からなる直列回路を複数個並列接続するようにしてもよい。この場合、サージ電圧発生時の各ツェナーダイオードへの通電電流が分散されるので、ツェナーダイオードの温度上昇を低減して信頼性を向上させることができる。

一実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。 ツェナーダイオードの特性を示す図である。 車両用交流発電機の変形例の構成を示す図である。

符号の説明

１ 電圧制御装置
２ 車両用交流発電機
４ バッテリ
５ 電気負荷スイッチ
６ 電気負荷
１１、１２ 抵抗
１３ 電圧比較器
１４ スイッチングトランジスタ
１５ 環流ダイオード
２３、２４、２５ ツェナーダイオード

Claims (5)

1. 複数の界磁極を有する回転子と、
   前記界磁極を磁化させる界磁巻線と、
   前記回転子により発生する回転磁界を受けて交流電圧が誘起される固定子巻線を有する固定子と、
   前記固定子巻線に誘起される交流電圧を整流する整流器と、
   出力電圧を所定の調整電圧に制御する電圧制御手段と、
   前記整流器の正極側端子および負極側端子に並列に接続されるツェナーダイオードと、
   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において、
   １２Ｖ系の車両用交流発電機において、前記ツェナーダイオードとして１個の１２Ｖ系ツェナーダイオードを用いることを特徴とする車両交流発電機。
3. 請求項１において、
   ２４Ｖ系の車両用交流発電機において、前記ツェナーダイオードとして２個の１２Ｖ系ツェナーダイオードを直列接続して用いることを特徴とする車両用交流発電機。
4. 請求項３において、
   前記直列接続しているツェナーダイオードを複数個並列接続して用いることを特徴とする車両用交流発電機。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記整流器は、整流素子としてのダイオードが取り付けられた放熱フィンを有し、
   前記ツェナーダイオードは、前記放熱フィンに搭載されていることを特徴とする車両用交流発電機。
   

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