JP4351792B2

JP4351792B2 - スタータを兼用したオルタネータ

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Publication number: JP4351792B2
Application number: JP2000208356A
Authority: JP
Inventors: 恭一岡田; 雅己平田; 剛篠原; 功岸本; 和夫長竹
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2000-07-10
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2020-07-10
Also published as: JP2002021687A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンを始動させる電動機としての機能と、エンジンが始動した後は発電機として動作する機能とを備えたスタータを兼用したオルタネータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車には、エンジンを始動させるスタータと、エンジンにより回転駆動されて発電するオルタネータとが設けられており、これらスタータとオルタネータは別部品であった。そして、従来より、スタータ及びオルタネータとしては、それぞれブラシ付き直流電動機が使用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来構成の場合、スタータとオルタネータが別部品であるので、部品点数が多くなり、組立てに手間がかかり、構成が複雑になるという問題点があった。
【０００４】
この問題点を解消する構成として、エンジンのスタータとして用いる電動機を、エンジンのオルタネータとして兼用させる構成が考えられる。この構成の場合、スタータ用の電動機は、エンジンを始動させるために必要な大きなトルクを発生させる特性を有する必要がある。このような特性の電動機を、エンジンのオルタネータ（発電機）として高速回転領域で動作させると、該電動機の発電（誘起）電圧がかなり高くなってしまう。
【０００５】
そして、オルタネータ、即ち、電動機の誘起電圧が高くなると、電動機の駆動回路に使用するスイッチング素子として、耐圧の高い高価なものを使用しなければならず、製造コストが高くなるおそれがあった。また、自動車に搭載されているバッテリの電圧は、１２Ｖ、２４Ｖまたは３６Ｖ程度の低い電圧であるため、上記誘起電圧が高いオルタネータによって上記バッテリを充電しようとすると、降圧回路が必要になる。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、エンジンのスタータとして用いる電動機をエンジンのオルタネータとして兼用させる構成としながら、電動機をオルタネータとして高速回転領域にて動作させるときに誘起電圧が高くなることを防止できるスタータを兼用したオルタネータを提供するにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のスタータを兼用したオルタネータは、エンジンの駆動軸に直結または連結された回転軸を有し且つ永久磁石を有するロータと、ステータコア及びこのステータコアに巻回されたステータコイルからなるステータとを備え、前記エンジンを始動させるときは電動機として動作すると共に、前記エンジンが始動した後は発電機として動作する永久磁石型電動機から構成されたものにおいて、前記ロータと前記ステータとの軸方向の位置関係が変化する機構を備え、前記機構は、無通電時及び前記発電機として動作されるときは、前記ロータと前記ステータの対向する面積が減少する位置に前記ロータ及び前記ステータが位置するように付勢する手段を有し、前記電動機として動作させるために通電したときは、前記ロータと前記ステータの間の磁気吸引力により前記ロータと前記ステータの対向する面積がほぼ最大となる位置に前記ロータ及び前記ステータが位置するように構成されているところに特徴を有する。
【０００８】
上記構成によれば、永久磁石型電動機をエンジンのスタータ及びオルタネータとして兼用する構成となる。そして、永久磁石型電動機をオルタネータ（発電機）として所定の回転速度領域にて動作させるときには、ロータとステータとの間の界磁磁束が減少されるので、永久磁石型電動機の誘起電圧が高くならない。
【００１１】
この構成の場合、前記ロータを、磁性体及びこの磁性体の内部に埋め込んだ永久磁石から構成することがより一層好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を自動車に適用した第１の実施例について、図１ないし図３を参照しながら説明する。まず、自動車の全体構成を概略的に示す図３において、車両である自動車１には、エンジン２が搭載されている。このエンジン２は、変速機３及び差動ギヤ４を介して後側ホイール５，５の車軸６，６を駆動するように構成されている。尚、自動車１の前側ホイール７，７の車軸８，８は非駆動である。
【００１３】
また、自動車１には、エンジン２のスタータを兼用したオルタネータを構成する永久磁石型同期電動機９が搭載されている。この永久磁石型同期電動機９は、図１及び図２に示すように、複数相例えば３相のステータコイル９Ｕ，９Ｖおよび９Ｗを有するステータ９ａと、永久磁石形のロータ９ｂとを備えている。このロータ９ｂは、磁性体からなるロータヨーク９ｃの内部に永久磁石９ｄを埋め込んで構成されている。
【００１４】
そして、上記永久磁石型同期電動機９のロータ９ｂの回転軸９ｅは、エンジン２の駆動軸（即ち、出力軸）に直結または連結されている。これにより、永久磁石型同期電動機９は、エンジン２を始動させるスタータ（電動機）を構成していると共に、エンジン２が始動した後はオルタネータ（発電機）として動作するように構成されている。即ち、上記永久磁石型同期電動機９がエンジン２のスタータを兼用したオルタネータを構成している。
【００１５】
更に、自動車１には、図３に示すように、鉛蓄電池等からなる充電可能なバッテリ１０が搭載されている。このバッテリ１０と永久磁石型同期電動機９との間で、後述する制御装置１１を介して電力の授受が行なわれるように構成されている。
【００１６】
さて、上記制御装置１１の具体的構成について、図１を参照しながら説明する。上記永久磁石型同期電動機９の駆動回路としてのインバータ回路１２は、６個のスイッチング素子たるＮＰＮ形のトランジスタ１３Ｕ，１３Ｖ，１３Ｗおよび１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗを３相ブリッジ接続して構成されたものであり、夫々のコレクタ，エミッタ間には、フライホイールダイオード１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗおよび１６Ｕ，１６Ｖ，１６Ｗが接続されており、以て、３つのアーム１７Ｕ，１７Ｖおよび１７Ｗを有している。尚、スイッチング素子は、トランジスタに限られるものではなく、ＭＯＳ−ＦＥＴやＩＧＢＴなど状況に応じて適宜な素子が用いられる。
【００１７】
そして、このインバータ回路１２の入力端子１８，１９は直流母線２０，２１に接続され、出力端子２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗは永久磁石型同期電動機９のステータコイル９Ｕ，９Ｖおよび９Ｗの各一端子に接続されている。尚、ステータコイル９Ｕ，９Ｖおよび９Ｗの各他端子は共通に接続されている。また、直流母線２１はバッテリ１０の負端子に接続されているとともに、直流母線２０，２１間にはコンデンサ２３が接続されている。
【００１８】
また、チョッパ回路２４は、例えば２つのスイッチング素子（３つ以上の複数でも可）としてのＮＰＮ形のトランジスタ２５，２６およびダイオード２７，２８を有して構成されている。上記チョッパ回路２４のトランジスタ２５のコレクタは直流母線２０に接続され、エミッタはトランジスタ２６のコレクタに接続されている。チョッパ回路２４のトランジスタ２６のエミッタは、直流母線２１に接続されている。トランジスタ２５，２６の夫々のコレクタ，エミッタ間には、ダイオード２７，２８が接続されている。そして、チョッパ回路２４の中性点は、リアクトル２９を介してバッテリ１０の正端子に接続されている。この場合、上記リアクトル２９は、コアにコイルを巻装して構成されている。
【００１９】
更に、バッテリ電圧検出器３０は、バッテリ１０に並列に接続されていて、バッテリ１０の端子間電圧を検出するように構成されている。主回路電圧検出器３１は、コンデンサ２３に並列に接続されていて、コンデンサ２３の端子間電圧（主回路電圧）を検出するようになっている。そして、位置検出器３２は、永久磁石型同期電動機９に配設されていて、永久磁石型同期電動機９のロータの位置を検出するレゾルバから構成されている。
【００２０】
さて、マイクロコンピュータ等から構成された制御回路３３の各入力ポートには、バッテリ電圧検出器３０，主回路電圧検出器３１および位置検出器３２の各出力端子が接続されている。上記制御回路３３の各出力ポートは、フォトカプラ式のベースドライブ回路３４，３５の各入力端子に接続されている。尚、上記制御回路３３の制御動作については、後述する。そして、ベースドライブ回路３４の各出力端子は、インバータ回路１２のトランジスタ１３Ｕないし１３Ｗおよび１４Ｕないし１４Ｗのベースに夫々接続され、ベースドライブ回路３５の各出力端子は、チョッパ回路２４のトランジスタ２５，２６のベースに夫々接続されている。
【００２１】
次に、本実施例の作用について説明する。まず、永久磁石型同期電動機９をスタータ（電動機）として動作させる場合について述べる。
【００２２】
制御回路３３は、バッテリ電圧検出器３０が検出するバッテリ１０の端子間電圧が定格電圧であるときには、チョッパ回路２４を非動作状態とする。これにより、バッテリ１０の直流電圧はリアクトル２９およびダイオード２７を介してコンデンサ２３に印加され、コンデンサ２３はインバータ回路１２の入力電圧に適した電圧に充電される。また、制御回路３３は、バッテリ電圧検出器３０が検出するバッテリ１０の端子間電圧が定格電圧より低いときには、ベースドライブ回路３５のベースにＰＷＭ信号を与えることによりチョッパ回路２４の負側のトランジスタ２６にベース信号を与えるようになり、トランジスタ２６はＰＷＭ信号のデューティに応じてオンオフされる。
【００２３】
チョッパ回路２４において、トランジスタ２６がオンされると、リアクトル２９およびランジスタ２６の経路でバッテリ１０からリアクトル２９に電流が流れ、次に、トランジスタ２６がオフされると、リアクトル２９に蓄積されたエネルギーがダイオード２７を介して放出され、以て、昇圧された電圧がコンデンサ２３に印加される。
【００２４】
この場合、電圧の昇圧率は、ＰＷＭ信号のデューティで決定されるものであり、ＰＷＭ信号のデューティが大になるほど昇圧率も大になる。制御回路３３は、バッテリ１０の端子間電圧に応じてＰＷＭ信号のデューティを決定するようになっており、これによりコンデンサ２３はインバータ回路１２の入力電圧に適した電圧に充電される。このように、チョッパ回路２４とリアクトル２９とは、このときには昇圧チョッパとして動作するのである。
【００２５】
さて、制御回路３３にスタータ信号が与えられると、制御回路３３は、位置検出器３２からの位置検出信号に基づいて通電タイミング信号を生成してベース駆動回路３４に与え、ベース駆動回路３４はこれに応じてインバータ回路１２のトランジスタ１３Ｕないし１３Ｗおよび１４Ｕないし１４Ｗのベースに順次ベース信号を与えるようになり、トランジスタ１３Ｕないし１３Ｗおよび１４Ｕないし１４Ｗが順次オンオフされる。
【００２６】
これにより、永久磁石型同期電動機９のステータコイル９Ｕないし９Ｗにロータ９ｂの位置に応じた交流電流が流れ、ロータ９ｂが回転を始める。永久磁石型同期電動機９が始動すると、そのシャフトに連結されたエンジン２の出力軸が回転駆動され、エンジン２が始動するようになる。即ち、このときには、永久磁石型同期電動機９は、エンジン２のスタータとして機能するのである。
【００２７】
本実施例の永久磁石型同期電動機９においては、図２に示すように、ロータ９ｂの永久磁石９ｄがｄ軸方向にあり、永久磁石９ｄの透磁率が空気とほぼ同じために（ギャップがあるのと同じために）、ｑ軸方向に比べてｄ軸方向には磁束が通り難い構造となっている（尚、ｄ軸は永久磁石の界磁方向であり、ｑ軸はｄ軸に直交する方向である）。このため、ロータ９ｂとしては、凸極機構造と同じ構造となり、リラクタンスモータと同様にリラクタンストルクを発生する。この永久磁石型同期電動機９のトルクＴは、次の式で表わされる。
【００２８】
Ｔ＝Ｐ（φｉｑ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）ｉｄｉｑ）（１）
ただし、Ｐは極数、φは永久磁石磁束、Ｌｄはｄ軸インダクタンス、Ｌｑはｑ軸インダクタンス、ｉｄはｄ軸電流、ｉｑはｑ軸電流である。
【００２９】
上記式（１）において、かっこ内の第１項は、永久磁石磁束とｑ軸電流によるトルクであり、第２項はリラクタンストルクを表わしている。第１項のトルクと、第２項のリラクタンストルクを加え合わせれば、電動機の発生するトルクを大きくすることができる。即ち、同じトルクの電動機であれば、小形化したり、使用する永久磁石の量を減らすことができる。そして、リラクタンストルクを発生させるためには、通常のｑ軸電流の他に、界磁方向の電流、即ち、ｄ軸電流を流すように制御する。
【００３０】
このように、永久磁石９ｄをロータ９ｂのロータヨーク９ｃ内に埋め込んだ永久磁石型同期電動機９は、リラクタンストルクを発生できるため、エンジン２のスタータとして大トルクを発生させることができ、自動車に搭載する電動機として非常に好ましい。また、高速回転中に永久磁石９ｄが飛散することがないため、この点でも、自動車に搭載する電動機として非常に好ましい。
【００３１】
次に、上記永久磁石型同期電動機９を発電機（オルタネータ）として動作させる場合について説明する。
【００３２】
制御回路３３は、エンジンが始動したときには、インバータ回路１２のトランジスタ１３Ｕないし１３Ｗおよび１４Ｕないし１４Ｗのベースに対するベース信号の供給を停止して、これらを全てオフさせ、以て、インバータ回路１２を非動作状態にする。そして、エンジン２が始動されると、今度は、永久磁石型同期電動機９のシャフト即ちロータがエンジン２の出力軸によって回転駆動されて、ステータコイル９Ｕないし９Ｗに電圧が誘起され、この誘起された交流電圧は、インバータ回路１２のフライホイールダイオード１５Ｕないし１５Ｗおよび１６Ｕないし１６Ｗが全波整流回路として機能することにより直流電圧に変換されてコンデンサ２３に印加される。即ち、このときには、永久磁石型同期電動機９は、発電機として機能するのである。
【００３３】
ところで、エンジン２の出力軸の回転速度は、自動車のアクセルの踏込み度合に応じて高低変化するものである。従って、エンジン２の出力軸の回転速度に応じて永久磁石型同期電動機９のステータコイル９Ｕないし９Ｗに誘起される電圧（発電電圧）も高低変化するものであり、コンデンサ２３に印加される直流電圧も高低変化する。
【００３４】
この場合、エンジン２が始動された後は、その出力軸の回転速度は、アイドル回転数から数千ｒｐｍの所定の回転速度領域である高速回転領域（例えば７０００〜８０００ｒｐｍ）まで変化する。これに対して、エンジン２を始動させる場合、スタータである永久磁石型同期電動機９を低速、例えば５００〜１０００ｒｐｍ程度で回転させる。従って、発電機としての永久磁石型同期電動機９に誘起される電圧の大きさは、スタータとして永久磁石型同期電動機９に印加する電圧の大きさの約１０倍程度となり、かなりの高電圧となる。そして、このような高電圧が発生するままにすると、永久磁石型同期電動機９の駆動回路であるインバータ回路１２を構成するトランジスタ１３Ｕ，１３Ｖ，１３Ｗ、１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗとして、耐圧の高いものを使用しなければならなくなり、製造コストが高くなる。
【００３５】
そこで、本実施例においては、制御回路３３によって、永久磁石型同期電動機９を発電機として高速回転領域にて動作させるときには、永久磁石型同期電動機９に対して弱め界磁制御を実行するように構成されている。これにより、ロータ９ｂとステータ９ａとの間の界磁磁束が減少し、永久磁石型同期電動機９に誘起される電圧の大きさが小さくなるようになっている。この場合、制御回路３３が本発明の磁束減少手段を構成している。上記弱め界磁制御としては、周知の制御を適宜用いるように構成すれば良い。
【００３６】
本実施例の永久磁石型同期電動機９は、前述したように、リラクタンストルクを発生する電動機であるから、このリラクタンストルクを利用することにより、永久磁石の磁束量を減らすことができ、電動機の誘起電圧を下げることができる。即ち、リラクタンストルクを発生させるために、通常のｑ軸電流の他に、界磁方向の電流であるｄ軸電流を、界磁磁束を減らす方向に流すように制御（弱め界磁制御）すれば良い。本実施例の場合、永久磁石型同期電動機９を発電機として動作させているときにおいて、高速回転領域にて動作させているときに、制御回路３３によって上記弱め界磁制御を実行するように構成されている。
【００３７】
これにより、本実施例では、発電機である永久磁石型同期電動機９が発生する電圧が低くなるから、永久磁石型同期電動機９の駆動回路であるインバータ回路１２を構成するトランジスタ１３Ｕ，１３Ｖ，１３Ｗ、１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗとして、耐圧の高いものを使用しなくても済み、製造コストを低減できる。
【００３８】
また、本実施例においては、永久磁石型同期電動機９を発電機として動作させる場合、次に述べる電圧制御動作、即ち、チョッパ回路２４により、コンデンサ２３の端子間電圧を降圧したり、昇圧したりしてバッテリ１０に印加する電圧制御動作も適宜実行されている。
【００３９】
具体的には、制御回路３３は、主回路電圧検出器３１が検出するコンデンサ２３の端子間電圧（主回路電圧）がバッテリ１０の定格電圧より高いときには（永久磁石型同期電動機９の発電電圧が高いときには）、ベースドライブ回路３５にＰＷＭ信号を与えることによりチョッパ回路２４の正側のトランジスタ２５のベースにベース信号を与えるようになり、トランジスタ２５はＰＷＭ信号のデューティに応じてオンオフされる。
【００４０】
チョッパ回路２４において、トランジスタ２５がオンされると、コンデンサ２３の端子間電圧は、トランジスタ２５のオン期間だけリアクトル２９を介してバッテリ１０に印加されるので、結果として、バッテリ１０にはコンデンサ２３の端子間電圧が降圧されて印加されるようになる。この場合、電圧の降圧率は、ＰＷＭ信号のデューティで決定されるものであり、ＰＷＭ信号のデューティが小になるほど降圧率が大になる。制御回路３３は、コンデンサ２３の端子間電圧に応じてＰＷＭ信号のデューティを決定するように構成されており、これによりバッテリ１０は適正な電圧で充電されるようになる。このように、チョッパ回路２４とリアクトル２９とは、このときには降圧チョッパとして動作するように構成されている。
【００４１】
一方、制御回路３３は、主回路電圧検出器３１が検出するコンデンサ２３の端子間電圧（主回路電圧）がバッテリ１０の定格電圧より低いときには（永久磁石型同期電動機９の発電電圧が低いときには）、チョッパ回路２４を非動作状態とする。ここで、チョッパ回路２４を非動作状態にするとは、トランジスタ２５，２６にオンオフの繰返し動作を行わせないということで、ここでは、トランジスタ２５をオン状態にする。
【００４２】
更に、制御回路３３は、ベースドライブ回路３４にＰＷＭ信号を与えることによりインバータ回路１２の負側のトランジスタ１４Ｕないし１４Ｗのベースにベース信号を与えるようになり、トランジスタ１４Ｕないし１４ＷはＰＷＭ信号のデューティに応じてオンオフされる。この場合、インバータ回路１２においては、永久磁石型同期電動機９のステータコイル９Ｕから電流が流出するパターンのときには、トランジスタ１４Ｕがオンオフされ、ステータコイル９Ｖから電流が流出するパターンのときには、トランジスタ１４Ｖがオンオフされ、ステータコイル９Ｗから電流が流出するパターンのときには、トランジスタ１４Ｗがオンオフされる。
【００４３】
インバータ回路１２において、例えばトランジスタ１４Ｕがオンされると、ステータコイル９Ｕとステータコイル９Ｖ若しくは９Ｗとに誘起される電圧によって、ステータコイル９Ｕとトランジスタ１４Ｕとフリーホイールダイオード１６Ｖ若しくは１６Ｗとステータコイル９Ｖ若しくは９Ｗとの経路で循環電流が流れて、ステータコイル９Ｕとステータコイル９Ｖ若しくは９Ｗとにエネルギーが蓄積され、次に、トランジスタ１４Ｕがオフされると、ステータコイル９Ｕとステータコイル９Ｖ若しくは９Ｗとに蓄積されたエネルギーがフリーホイールダイオード１５Ｕを介して放出され、以て、昇圧された電圧がコンデンサ２３に印加される。この場合、電圧の昇圧率は、ＰＷＭ信号のデューティで決定されるものであり、ＰＷＭ信号のデューティが大になるほど昇圧率も大になる。制御回路３３は、バッテリ１０の端子間電圧に応じてＰＷＭ信号のデューティを決定するように構成されている。これにより、コンデンサ２３はバッテリ１０の充電に適した電圧になるように充電される。
【００４４】
また、インバータ回路１２のトランジスタ１４Ｖおよび１４Ｗがオンオフされることによる昇圧の原理は、上述したトランジスタ１４Ｕのオンオフのときと同様であり、従って、このときには、インバータ回路１２は、ステータコイル９Ｕないし９Ｗをリアクトルとする昇圧チョッパとして機能するようになる。尚、このように昇圧チョッパとして機能する場合は、エンジン２の回転速度が低く、永久磁石型同期電動機９の発電電圧が低い場合である。
【００４５】
このような構成の本実施例によれば、永久磁石型同期電動機９の回転軸９ｅをエンジン２の出力軸に直結して、この永久磁石型同期電動機９を、エンジン２の始動時にはエンジン２を駆動するスタータとして動作させ、エンジン２の始動後はエンジン２により駆動されてバッテリ１０を充電するための発電機（オルタネータ）として動作させるように構成した。これによって、１つの永久磁石型同期電動機９を、エンジン２のスタータとバッテリ１０の充電用の発電機として兼用させる構成、即ち、スタータを兼用したオルタネータとしたので、スタータと発電機の２つを搭載する従来構成に比べて、自動車１の搭載スペースを小さくすることができる。そして、エンジン２の出力軸と永久磁石型同期電動機９のシャフトとの間に、従来のようなクラッチを設ける必要もなくなるので、自動車１の搭載スペースをより一層小さくすることができる。
【００４６】
更に、上記実施例では、制御回路３３によって、永久磁石型電動機９をオルタネータ（発電機）として高速回転領域にて動作させるときには、弱め界磁制御を実行することにより、ロータ９ｂとステータ９ａとの間の界磁磁束を減少させるように制御した。これにより、発電機として高速回転領域にて動作させるときに、永久磁石型電動機９の誘起電圧が高くなることを防止できる。この結果、永久磁石型同期電動機９の駆動回路であるインバータ回路１２を構成するトランジスタ１３Ｕ，１３Ｖ，１３Ｗ、１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗとして、耐圧の高いものを使用しなくても済むことから、製造コストを低減することができる。
【００４７】
また、上記実施例の場合、永久磁石型電動機９のロータ９ｂを、磁性体からなるロータヨーク９ｃと、このロータヨーク９ｃの内部に埋め込んだ永久磁石９ｄとから構成したので、永久磁石型同期電動機９はリラクタンストルクを発生できる構成となり、エンジン２のスタータとして大トルクを発生させることができる。また、永久磁石型同期電動機９を高速回転させたときに、ロータ９ｂから永久磁石９ｄが飛散することがなくなるため、この点でも、自動車に搭載する電動機として非常に好ましい構成となる。
【００４８】
図４は、本発明の第２の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第２の実施例では、図４に示すように、永久磁石型同期電動機９のロータ３６を、磁性体からなるロータヨーク３７と、このロータヨーク３７の内部に埋め込まれた永久磁石３８とから構成すると共に、ロータヨーク３７の内部に永久磁石３８の界磁方向磁気抵抗を大きくする空隙部３７ａを設けたものである。これ以外の構成は、第１の実施例と同じ構成となっている。
【００４９】
従って、上記第２の実施例においても、第１の実施例とほぼ同様な作用効果を得ることができる。特に、第２の実施例によれば、ロータヨーク３７の内部に永久磁石３８の界磁方向磁気抵抗を大きくする空隙部３７ａを設けたので、リラクタンストルクをより一層利用することができ、エンジン２の始動するときのトルクを大きくすることができる。また、永久磁石の磁束量を減らすことができるから、誘起電圧を低下させることができる。
【００５０】
図５は、本発明の第３の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第３の実施例では、図５に示すように、永久磁石型同期電動機９のロータ３９を、磁性体からなるロータヨーク４０と、このロータヨーク４０の外周部に配設された永久磁石４１とから構成したものである。即ち、第３の実施例の永久磁石型同期電動機９は、リラクタンストルクを発生しない通常の永久磁石型同期電動機である。これ以外の構成は、第１の実施例と同じ構成となっている。
【００５１】
従って、上記第３の実施例においても、第１の実施例とほぼ同様な作用効果を得ることができる。尚、第３の実施例の場合、リラクタンストルクを発生しない通常の永久磁石型同期電動機９を、発電機として高速回転領域にて動作させるときに、周知の弱め界磁制御を実行することにより、ロータ３９とステータ９ａとの間の界磁磁束を減少させるように構成されている。
【００５２】
図６及び図７は、本発明の第４の実施例を示すものである。尚、第１の実施例と同一部分には、同一符号を付している。この第４の実施例では、図６及び図７に示すように、永久磁石型同期電動機４２のステータ９ａを、ロータ９ｂに対して回転軸方向に移動可能に設けたものである。
【００５３】
具体的には、永久磁石型同期電動機４２のハウジング４３は、ほぼカップ状のモータフレーム４４と、このモータフレーム４４の開口部を閉塞する軸受ブラケット４５とから構成されている。モータフレーム４４の底壁部に設けられた軸受４６と、軸受ブラケット４５に設けられた軸受４７とによりロータ９ｂの回転軸９ｅが回転可能に支持されている。モータフレーム４４の内部における周壁部に沿う部位には、ピン４８が配設されており、このピン４８によりステータ９ａが軸受４９、４９を介して軸方向に移動可能に支持されている。この軸受４９、４９は、リニアボールベアリングまたは滑り軸受等からなる軸受であり、ステータ９ａに取り付けられている。
【００５４】
そして、ステータ９ａは、ピン４８に設けられたコイルばね５０により、図６中の右方（ロータ９ｂと離れる方向）へ移動するように付勢されている。この図６に示す状態では、永久磁石型電動機４２のロータ９ｂとステータ９ａとの間の界磁磁束が減少するように構成されている。そして、永久磁石型電動機４２を、通電しないとき、並びに、発電機として動作させるときは、ステータコイル９Ｕ、９Ｖ、９Ｗに流れる電流が小さいことから、上記図６に示す状態となるように構成されている。これにより、永久磁石型電動機４２を、発電機として動作させるときは、ロータ９ｂとステータ９ａとの間の界磁磁束が減少し、誘起電圧が低下する構成となっている。
【００５５】
これに対して、永久磁石型電動機４２を、エンジン２のスタータとして用いるときは、ステータコイル９Ｕ、９Ｖ、９Ｗに大電流を流すため、ステータ９ａとロータ９ｂとの間に磁気吸引力が作用する。これにより、ステータ９ａが、コイルばね５０のばね力に抗して、図６及び図７中の左方（ロータ９ｂと対向する方向）へ移動する。この結果、永久磁石型電動機４２は図７に示す状態となり、そのロータ９ｂとステータ９ａとの間の界磁磁束が増大するようになり、トルクが大きくなる構成となっている。
【００５６】
上記第４の実施例の場合、永久磁石型電動機４２を発電機として動作させるときに、ステータコイル９Ｕ、９Ｖ、９Ｗに流れる電流は、誘起電圧とバッテリ１０の端子間電圧との差の電圧を、永久磁石型電動機４２とバッテリ１０の内部抵抗値で割った値まで流れる。従って、例えば、この電流値が、永久磁石型電動機４２をスタータとして始動させたときにはステータコイル９Ｕ、９Ｖ、９Ｗに流れる始動電流よりも小さくなるように、永久磁石型電動機４２を構成すれば良い。
【００５７】
また、永久磁石型電動機４２の駆動回路の電流設定値として、例えば発電機として動作するときの電流設定値を、スタータとして動作するときの電流設定値よりも小さくするように制御する構成としても良い。
【００５８】
更に、例えばスタータ特性として、エンジン２を瞬時に始動させるために、永久磁石型電動機４２に大きなトルクを発生させる必要があることから、短時間定格ではあるが、永久磁石型電動機４２に大電流を流して大トルクを発生させるように制御する構成としても良い。
【００５９】
尚、上述した以外の第４の実施例の構成は、第１の実施例の構成と同じ構成となっている。従って、第４の実施例においても、第１の実施例とほぼ同じ作用効果を得ることができる。更に、この第４の実施例において、発電機として動作させるときのステータコイル電流を電動機として動作させるときのステータコイル電流よりも小さく設定することにより、確実に発電機として動作させるときは界磁磁束を小さくし、電動機として動作させるときは界磁磁束を大きくなるように切り替えを行うことができる。
【００６０】
また、上記第４の実施例では、永久磁石型電動機４２のロータ９ｂとして、ロータヨーク９ｃの内部に永久磁石９ｄを埋め込む構成を用いたが、これに限られるものではなく、例えば図４に示すようなロータヨークの内部に永久磁石を埋め込むと共に空隙部を設ける構成を用いても良いし、また、図５に示すようなロータヨークの外周部に永久磁石を設ける構成を用いても良い。
【００６１】
更に、上記第４の実施例においては、ステータ９ａを移動させるに当たって、コイルバネ５０と磁気吸引力を用いるように構成したが、これに代えて、オイルシリンダやエアシリンダ等のアクチュエータによりステータを移動させるように構成しても良い。また、ステータ９ｂを移動可能なように構成する代わりに、ロータを移動可能なように構成しても良いし、また、ステータとステータを両方とも移動可能なように構成しても良い。
【００６２】
【発明の効果】
本発明は、以上の説明から明らかなように、永久磁石型電動機を、発電機として所定の回転速度領域にて動作させるときに、ロータとステータとの間の界磁磁束を減少させる磁束減少手段を備えるように構成したので、エンジンのスタータとして用いる電動機をエンジンの発電機として兼用させる構成としながら、電動機を発電機として高速回転領域にて動作させるときに誘起電圧が高くなることを防止できるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す電気的構成図
【図２】永久磁石型同期電動機の断面図
【図３】自動車の全体構成を概略的に示す図
【図４】本発明の第２の実施例を示す図２相当図
【図５】本発明の第３の実施例を示す図２相当図
【図６】本発明の第４の実施例を示す永久磁石型同期電動機の縦断側面図
【図７】異なる状態を示す永久磁石型同期電動機の縦断側面図
【符号の説明】
１は自動車、２はエンジン、９は永久磁石型同期電動機（スタータを兼用したオルタネータ）、９ａはステータ、９ｂはロータ、９ｃはロータヨーク、９ｄは永久磁石、９ｅは回転軸、１０はバッテリ、１１は制御装置、１２はインバータ回路、１３Ｕ，１３Ｖ，１３Ｗはトランジスタ、１４Ｕ，１４Ｖ，１４Ｗはトランジスタ、１８、１９は入力端子、２０、２１は直流母線、２２Ｕ，２２Ｖ，２２Ｗは出力端子、２３はコンデンサ、２４はチョッパ回路、２５、２６はトランジスタ、２７、２８はダイオード、２９はリアクトル、３０はバッテリ電圧検出器、３１は主回路電圧検出器、３２は位置検出器、３３は制御回路（磁束減少手段）、３６はロータ、３７はロータヨーク、３８は永久磁石、３９はロータ、４０はロータヨーク、４１は永久磁石、４２は永久磁石型同期電動機、４３はハウジング、４４はモータフレーム、４５は軸受ブラケット、４６、４７は軸受、４８はピン、４９は軸受、５０はコイルばねを示す。

Claims

エンジンの駆動軸に直結または連結された回転軸を有し且つ永久磁石を有するロータと、ステータコア及びこのステータコアに巻回されたステータコイルからなるステータとを備え、前記エンジンを始動させるときは電動機として動作すると共に、前記エンジンが始動した後は発電機として動作する永久磁石型電動機から構成されたスタータを兼用したオルタネータにおいて、
前記ロータと前記ステータとの軸方向の位置関係が変化する機構を備え、
前記機構は、無通電時及び前記発電機として動作されるときは、前記ロータと前記ステータの対向する面積が減少する位置に前記ロータ及び前記ステータが位置するように付勢する手段を有し、前記電動機として動作させるために通電したときは、前記ロータと前記ステータの間の磁気吸引力により前記ロータと前記ステータの対向する面積がほぼ最大となる位置に前記ロータ及び前記ステータが位置するように構成されていることを特徴とするスタータを兼用したオルタネータ。
前記ロータを、磁性体及びこの磁性体の内部に埋め込んだ永久磁石から構成したことを特徴とする請求項１記載のスタータを兼用したオルタネータ。