JPH1169741A - 車両用三相交流発電機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】発電機体格、重量の増加を抑止しつつ、リップ
ル電圧及びそれに起因する騒音の低減を実現するととも
に、発電機の爪状磁極共振雑音を抑止すること。 【解決手段】三相電機子巻線１の中性点１４は、三相全
波整流装置３の高位出力端３４および低位出力端３５の
どちらか一方のみに中性点電流整流用の整流素子１４を
介して接続される。すなわち、この手段では、従来の中
性点ダイオード付き発電機において、その一対の中性点
ダイオードの一方を省略する。このようにすれば、電機
体格、重量の増加を抑止しつつ、リップル電圧及びそれ
に起因する騒音の低減を実現するとともに、発電機の爪
状磁極共振雑音を抑止することができ、更に、爪状磁極
共振騒音の低減、両側中性点ダイオード付き発電機より
中性点ダイオード１個分の部品点数削減を実現ことがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、三相全波整流装置
をもつ車両用三相交流発電機に関する。

【０００２】

【従来の技術】たとえば特開昭５８ー２１８８７３号公
報は、星型接続の三相電機子巻線の各出力端から出力さ
れる三相交流電圧を全波整流する三相全波整流装置を有
する車両用三相交流発電機において、三相全波整流装置
の高位出力端および低位出力端と三相電機子巻線の中性
点との間をそれぞれ中性点電流整流用の整流素子（以
下、中性点ダイオードともいう）で接続した車両用三相
交流発電機（以下、中性点ダイオード付き発電機ともい
う）を開示している。

【０００３】この中性点ダイオード付き発電機は、三相
全波整流装置だけを用い、中性点ダイオードを用いない
それ以前の車両用三相交流発電機（以下、中性点ダイオ
ードレス発電機ともいう）に比べて、中性点ダイオード
を通じてリップル電流成分を出力できるため、出力直流
電圧に重畳するリップル電圧成分はある程度増大するも
のの発電機体格を増大することなく出力電流向上を図る
ことができるという優れた特徴があり、現在では広く用
いられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】近年、車両静粛性の向
上が望まれている。しかしながら、ある範囲のエンジン
回転数下において上記中性点ダイオード付き発電機を用
いた場合、電気負荷特に車両に搭載されているあるモー
タの騒音が大幅に増大する場合があることがわかった。

【０００５】この原因は、中性点ダイオード付き発電機
の代わりに中性点ダイオードレス発電機を用いた場合に
解消することから、中性点ダイオード付き発電機のリッ
プル電圧に起因するものと思われ、更に言えば、発電機
のある回転時のリップル電圧の基本周波数成分と発電機
からモータに至る合成インピーダンスとの共振現象によ
るものであると判明した。

【０００６】上記リップル電圧に起因する騒音を減らす
ために、元の中性点ダイオードレス発電機を採用するこ
とは勿論可能である。しかしながら、近年の車両用電気
負荷の増大により車両用三相交流発電機の最大出力は大
きくせざるを得ず、中性点ダイオードレス発電機で必要
な出力を確保するためには発電機体格、重量の無視でき
ない増大と、コストアップが必要となった。

【０００７】一方、中性点ダイオードレス発電機を用い
た場合、発電機の爪状磁極が共振することに起因して、
ある高速回転域で急激に騒音発生量が増大することが確
認されている。なぜ、中性点ダイオードレス発電機にお
いてのみ爪状磁極の共振が生じるのかという詳細な理由
は不明であるものの、本発明者らは、中性点ダイオード
レス発電機から生じるリップル電圧は、全体としては
（ピーク値または二乗積分値では）中性点ダイオード付
き発電機より少ないものの、爪状磁極が磁気的に共振す
るような高い周波数成分をそのリップル電圧が含むため
であると考えている。

【０００８】したがって、従来では、中性点ダイオード
レス発電機を採用すると発電機の爪状磁極騒音が発生す
る可能性が増大するとともに発電機の体格、重量が増大
し、逆に、中性点ダイオード付き発電機を採用するリッ
プル電圧の増大やそれによるモータ騒音の発生又はその
可能性が増大するという問題があった。本発明は、これ
らの問題に鑑みなされたものであり、発電機体格、重量
の増加を抑止しつつ、リップル電圧及びそれに起因する
騒音の低減を実現するとともに、発電機の爪状磁極共振
雑音を抑止することを、その解決すべき課題としてい
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の手段によ
れば、三相電機子巻線の中性点は、三相全波整流装置の
高位出力端および低位出力端のどちらか一方のみに中性
点電流整流用の整流素子を介して接続される。すなわ
ち、この手段では、従来の中性点ダイオード付き発電機
において、その一対の中性点ダイオードの一方を省略す
る。以下、この片側にだけ中性点ダイオードをもつ本構
成の発電機を、片側中性点ダイオード付き発電機ともい
い、区別するために従来の中性点ダイオード付き発電機
を両側中性点ダイオード付き発電機ともいう。

【００１０】このようにすれば、発電機体格、重量の増
加を抑止しつつ、リップル電圧及びそれに起因する騒音
の低減を実現するとともに、発電機の爪状磁極共振雑音
を抑止することができる。以下、更に詳しく説明する。
まず、リップル電圧（特にそのＰ−Ｐ値又は二乗積分
値）について比較すれば、本構成の片側中性点ダイオー
ド付き発電機のリップル電圧は、両側中性点ダイオード
付き発電機のそれよりも小さく、中性点ダイオードレス
発電機よりも大きく、これは予想される結果である。

【００１１】ところが、片側中性点ダイオード付き発電
機のリップル電圧の波形は、両側中性点ダイオード付き
発電機のそれと大きく異なることがわかった。すなわ
ち、両側中性点ダイオード付き発電機から出力されるリ
ップル電圧波形は発電機極数とその回転数との関数であ
る基本周波数成分が極めて大きく、そのために、発電
機、配線、負荷（モ−タ）のインピ−ダンスの共振周波
数がこの基本周波数に近接すると、大きな共振騒音が生
じる可能性が生じた。

【００１２】これに対し、片側中性点ダイオード付き発
電機のリップル電圧波形は、両側中性点ダイオード付き
発電機のそれよりもそのＰ−Ｐ値や二乗積分値（リップ
ル電力に相当）も小さいのみならず、リップル電圧波形
の一つ置きの山のピ−クが小さく、そのためにリップル
電圧、又はリップル電力が広い周波数（特にその２〜５
倍周波数成分）に分散した波形となっていることがわか
った。このため、片側中性点ダイオード付き発電機で
は、両側中性点ダイオード付き発電機のようにリップル
電圧がある周波数成分（基本周波数成分）に集中するた
めに、この周波数成分が系の共振周波数に接近する回転
数領域で大きなモ−タの電磁騒音が生じるという問題を
抑止できることがわかった。

【００１３】次に、最大出力電流値について比較すれ
ば、本構成の片側中性点ダイオード付き発電機の最大出
力電流値は、両側中性点ダイオード付き発電機のそれよ
りも小さいことは、当然に予想される結果ではあるが、
予想に反してその落ち込み量は予想値（両側中性点ダイ
オード付き発電機の最大出力電流値と中性点ダイオード
レス発電機の最大出力電流値との差の半分）よりも格段
に少なかった。

【００１４】この結果について、本発明者らは、両側中
性点ダイオード付き発電機に比較して片側中性点ダイオ
ード付き発電機では中性点電位変動量が大きいために、
その分だけ中性点ダイオードを通じて出力される電流量
が増大するためであると推定している。したがって、片
側中性点ダイオード付き発電機を採用すれば、その体
格、重量の大幅な増大なしにリップル電圧の低減、更に
言えば特定周波数成分に集中するリップル電圧を低減
し、それによりバッテリへの好影響や電気負荷であるモ
−タの共振電磁騒音の低減を実現することができる。

【００１５】次に、発電機の爪状磁極共振騒音について
比較すれば、従来、中性点ダイオードレス発電機で生
じ、両側中性点ダイオード付き発電機で生じていなかっ
た爪状磁極共振が、本構成の片側中性点ダイオード付き
発電機でも生じないことが実験からわかった。この中性
点ダイオードレス発電機においてのみ発電機の爪状磁極
共振が生じる理由については、中性点ダイオードレス発
電機から生じるリップル電圧は、ピーク値または二乗積
分値でみた場合には両側中性点ダイオード付き発電機や
片側中性点ダイオード付き発電機より格段に少ないもの
の、爪状磁極が磁気的に共振するような高い周波数成分
（両側中性点ダイオード付き発電機の上記基本周波数成
分の数倍以上の高調波成分）では逆に大きく、そのため
に爪状磁極共振が生じると騒音リップル電圧が含むため
であると本発明者らは推定している。

【００１６】本構成の片側中性点ダイオード付き発電機
では、結局、上記両側中性点ダイオード付き発電機のリ
ップル電圧波形と、中性点ダイオードレス発電機のそれ
との中間的な独特のリップル電圧波形となるので、中性
点ダイオードレス発電機よりはリップル電力は基本周波
数成分または低次の高調波成分にその電力（二乗積分
値）が集中するために、爪状磁極の共振が生じるような
高域周波数成分は逆に中性点ダイオードレス発電機より
も少なくなり、これにより爪状磁極共振騒音が抑圧され
るためであると推定している。

【００１７】以上の結果、本構成の片側中性点ダイオー
ド付き発電機によれば、その体格、重量の大幅な増大な
しにリップル電圧の低減、更に言えば特定周波数成分に
集中するリップル電圧を低減し、それによりバッテリへ
の好影響や電気負荷であるモ−タの共振電磁騒音の低減
を実現することができ、更にその上、爪状磁極共振騒音
の低減、両側中性点ダイオード付き発電機より中性点ダ
イオード１個分の部品点数削減を実現することができ
る。

【００１８】請求項２記載の手段によれば請求項１記載
の車両用三相交流発電機において更に、中性点電流整流
用の整流素子を前記三相全波整流装置を構成する整流素
子とともに、発電機のハウジング内の冷却ファンの空気
通路、すなわち冷却ファンにより生起される空気流の通
路中に格納している。このようにすれば、以下の作用効
果を奏する。

【００１９】両側中性点ダイオード付き発電機では、合
計８個の整流素子をその冷却のためにこの空気通路内に
収容する必要があるが、本構成の片側中性点ダイオード
付き発電機では７個の整流素子を収容すれば済む。整流
素子自体の必要スペ−ス自体はそれほどではないが、そ
の冷却の必要性から、その冷却フィン構造が複雑大型と
なる。冷却フィンを用いずに済む取り付け冷却構造の採
用も不可能ではないが、その場合には整流素子すなわち
中性点ダイオードに十分な冷却空気気流を当てるために
空気通路内における各整流素子の場所取りが問題とな
る。

【００２０】本構成では冷却を要する整流素子の個数を
削減できるのでその分だけ、空気通路内における各整流
素子の場所取りが自由となり、冷却性も向上する。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の好適な態様を以下の実施
例を参照して説明する。 （実施例）この実施例の車両用三相交流発電機の部分破
断軸方向断面図である図１、及びその回路図である図２
を参照して説明する。

【００２２】この車両用三相交流発電機は、電機子巻線
１１〜１３からなる星型接続三相電機子巻線１及び励磁
コイル２をもち、電機子巻線１１〜１３の出力端は三相
全波整流器（三相全波整流装置）３の各交流端（接続
点）３１〜３３に接続され、三相全波整流器３の高位出
力端３４及び低位出力端３５はバッテリ４の両端に接続
されるとともに、スイッチ５を通じてブロワモ−タ６に
給電している。三相全波整流器３は、６個の接合ダイオ
−ドを三相ブリッジ接続してなり、三相交流電圧の全波
整流を行う。励磁コイル２はレギュレ−タ７から給電さ
れる励磁電流により励磁されて磁束を発生し、三相電機
子巻線１に三相交流電圧を発生させる。７１は励磁コイ
ルへ通電する励磁電流をＰＷＭ制御するためのエミッタ
接地のトランジスタであり、７２はフライホイルダイオ
−ドである。レギュレ−タ７は従来のレギュレータと同
じ構成を有し、バッテリ４の電圧（Ｂ電圧）の高低に応
じてトランジスタ７１を断続制御して励磁電流を制御
し、それにより電機子巻線１１〜１３の発電電圧を制御
してＢ電圧が所定レベルとなるようにしている。この制
御動作は周知であるのでこれ以上の説明は省略する。

【００２３】この実施例では特に、三相電機子巻線１の
中性点１４と三相全波整流装置３の低位出力端３５とを
中性点ダイオード８により接続することを特徴としてい
る。中性点ダイオード８はシリコンダイオ−ドからな
り、そのアノ−ドは低位出力端３５に、そのカソ−ドは
中性点１４に接続されている。図１において、９はロ−
タ鉄心であり、９１はその爪状磁極であり、１０は車両
用三相交流発電機のハウジングである。

【００２４】この車両用三相交流発電機を運転すると、
三相電機子巻線１の中性点１４の電位が接地電位よりダ
イオ−ドの順方向電圧降下値以上低下しようとする場合
にだけそれを阻止するので、その分だけ電機子巻線１１
〜１３が発生する発電電圧が増大し、出力電流が増大す
る。更に大雑把に説明すると、星型接続三相電機子巻線
では、三相全波整流装置は電機子巻線１１〜１３の内の
２つのコイルの発電電圧のベクトル和電圧を受けるので
低回転域で早く出力が立ち上がるが、高回転域では、こ
れら２つの直列コイルの直列接続による内部インピ−ダ
ンスの増大分だけ出力の向上が頭打ちとなる。そこで、
この中性点ダイオードを接続すると、大略Δ接続のよう
に上記した各電機子巻線１１〜１３のインピ−ダンスの
直列接続による内部インピ−ダンス増大問題が緩和され
て、出力が増大する。

【００２５】以下、図２の回路における実験結果を以下
に説明する。図３に両側中性点ダイオード付き発電機の
リップル電圧波形を示し、図４に片側中性点ダイオード
付き発電機のリップル電圧波形を示す。Ｉはブロワモ−
タ６へ給電されるモータ駆動電流の波形であり、Ｖ１は
ブロワモ−タ６の高位端のリップル電圧波形であり、Ｖ
２は三相全波整流器３の高位出力端のリップル電圧波形
である。

【００２６】車両用三相交流発電機の諸元及び実験条件
は次の通りである。周囲温度９０℃、爪状磁極数１２、
励磁電流３Ａ、発電機回転数４５００ｒｐｍ、平均発電
電圧１３．５Ｖ。ただし、片側中性点ダイオード付き発
電機は両側中性点ダイオード付き発電機に対し、ハイサ
イド側の中性点ダイオードを省略した以外は同一構成と
した。 （リップル電圧）まず、リップル電圧について比較を行
う。

【００２７】図３に示す両側中性点ダイオード付き発電
機では、平均出力電流は５０Ａ、リップル電流のＰ−Ｐ
値は１５０ｍＡ、Ｖ１は１．２Ｖ、Ｖ２は０．６Ｖであ
った。一方、図４に示す片側中性点ダイオード付き発電
機では、平均出力電流は５０Ａ、リップル電流のＰ−Ｐ
値は１２０ｍＡ、Ｖ１は０．８５Ｖ、Ｖ２は０．５Ｖで
あった。

【００２８】図３と図４とを比較すると、片側中性点ダ
イオード付き発電機では、リップル電圧が小さくなるの
は当然として、リップル電圧波形の一つ置きの山のピ−
クが小さく、そのためにリップル電圧、又はリップル電
力が広い周波数（特にその２〜５倍周波数成分）に分散
した波形となっている。このため、片側中性点ダイオー
ド付き発電機では、両側中性点ダイオード付き発電機の
ようにリップル電圧がある周波数成分（基本周波数成
分）に集中するために、この周波数成分が系の共振周波
数に接近する回転数領域で大きなモ−タの電磁騒音が生
じるという問題を抑止することができる。 （最大出力電流値）次に、最大出力電流値について比較
を行う。

【００２９】図５に、両側中性点ダイオード付き発電
機、片側中性点ダイオード付き発電機及び中性点ダイオ
ードレス発電機の最大出力電流と発電機回転数との関係
を示す。なお、中性点ダイオードレス発電機は両側中性
点ダイオード付き発電機から一対の中性点ダイオードを
省略した以外は同一の構成とした。片側中性点ダイオー
ド付き発電機では、両側中性点ダイオード付き発電機と
中性点ダイオードレス発電機との中間の最大出力電流値
よりもかなり大きな最大出力電流値を得ることができる
ことが判明した。

【００３０】本発明者らは、この結果に対して、両側中
性点ダイオード付き発電機に比較して片側中性点ダイオ
ード付き発電機では中性点電位変動量が大きいために、
その分だけ中性点ダイオードを通じて出力される電流量
が増大するためであると推定している。したがって、片
側中性点ダイオード付き発電機を採用すれば、その体
格、重量の大幅な増大なしにリップル電圧の低減、更に
言えば特定周波数成分に集中するリップル電圧を低減
し、それによりバッテリへの好影響や電気負荷であるモ
−タの共振電磁騒音の低減を実現することができる。 （爪状磁極共振騒音）次に、爪状磁極共振騒音について
比較を行う。

【００３１】図６に、両側中性点ダイオード付き発電
機、片側中性点ダイオード付き発電機及び中性点ダイオ
ードレス発電機の騒音レベルと発電機回転数との関係を
示す。ただし、測定は発電機の径方向における発電機か
ら水平に３０ｃｍ離れた部位で行った。その結果、両側
中性点ダイオード付き発電機と片側中性点ダイオード付
き発電機との騒音レベルには差が全くなかったが、中性
点ダイオードレス発電機では１１０００ｒｐｍ付近（エ
ンジン回転数でたとえば４５００ｒｐｍ付近）で顕著な
爪状磁極共振騒音が生じた。

【００３２】本発明者らはこの原因について、中性点ダ
イオードレス発電機から生じるリップル電圧は、ピーク
値または二乗積分値でみた場合には両側中性点ダイオー
ド付き発電機や片側中性点ダイオード付き発電機より格
段に少ないものの、爪状磁極が磁気的に共振するような
高い周波数成分（両側中性点ダイオード付き発電機の上
記基本周波数成分の数倍以上の高調波成分）では逆に大
きく、そのために爪状磁極共振が生じると騒音リップル
電圧が含むためであると本発明者らは推定している。

【００３３】以上の結果、本構成の片側中性点ダイオー
ド付き発電機によれば、その体格、重量の大幅な増大な
しにリップル電圧の低減、更に言えば特定周波数成分に
集中するリップル電圧を低減し、それによりバッテリへ
の好影響や電気負荷であるモ−タの共振電磁騒音の低減
を実現することができ、更にその上、爪状磁極共振騒音
の低減、両側中性点ダイオード付き発電機より中性点ダ
イオード１個分の部品点数削減を実現ことができる。

【００３４】更に、この実施例では、三相全波整流器３
を構成するダイオ−ドとともに、発電機のハウジング１
０内の冷却ファン１００の空気通路、特にその上流側に
中性点ダイオード８を格納している。このようにするこ
とにより、良好な冷却効果を容易に得ることができる。 （変形態様）上記実施例では、各整流素子として接合ダ
イオ−ドを用いたが、その代わりにＭＯＳトランジスタ
やＩＧＢＴを用いてもよい。また、上記実施例では、フ
ィ−ルド磁束を励磁コイルで発生させる構成としたが、
永久磁石を併用する構成としてもよい。更に、上記実施
例では、中性点ダイオ−ドのハイサイド側の素子を省略
したが、ロ−サイド側の素子を省略してもよいことはも
ちろんである。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１の車両用三相交流発電機の部分破断軸
方向断面図である。

【図２】図１の車両用三相交流発電機の回路図である。

【図３】比較例の両側中性点ダイオード付き発電機のリ
ップル電圧波形図である。

【図４】実施例の片側中性点ダイオード付き発電機のリ
ップル電圧波形図である。

【図５】両側中性点ダイオード付き発電機、片側中性点
ダイオード付き発電機及び中性点ダイオードレス発電機
の最大出力電流と発電機回転数との関係を示す特性図で
ある。

【図６】両側中性点ダイオード付き発電機、片側中性点
ダイオード付き発電機及び中性点ダイオードレス発電機
の騒音レベルと発電機回転数との関係を示す特性図であ
る。

【符号の説明】

１は三相電機子巻線、２は励磁コイル、３は三相全波整
流器（三相全波整流装置）、４はバッテリ、６はブロワ
モ−タ、８は中性点電流整流用の整流素子、１１〜１３
は三相電機子巻線の各相電機子コイル、１４は中性点で
ある。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】星型接続の三相電機子巻線の各出力端から
   出力される三相交流電圧を全波整流する三相全波整流装
   置を有する車両用三相交流発電機において、 前記三相電機子巻線の中性点は、前記三相全波整流装置
   の高位出力端および低位出力端のどちらか一方のみに中
   性点電流整流用の整流素子を介して接続されていること
   を特徴とする車両用三相交流発電機。
2. 【請求項２】請求項１記載の車両用三相交流発電機にお
   いて、 前記中性点電流整流用の整流素子は、前記三相全波整流
   装置を構成する整流素子とともに、前記発電機のハウジ
   ング内の冷却ファンの空気通路内に格納されることを特
   徴とする車両用三相交流発電機。