始動発電システム及び始動発電機
エンジン始動時にはスタータモータとして機能し、エンジンの始動後は発電機として機能する始動発電機１を有する始動発電システムにおいて、始動発電機１は、複数個の突極１６が形成されたステータコア１４と、突極１６ｍに巻装されモータ時に使用されるモータ用コイル２１と、モータ用コイル２１とは異なる突極１６ｇに巻装され発電時に使用される単相の発電用コイル２２とを備える固定子３を備える。固定子３の外側には、エンジンのクランクシャフトに接続された回転子２が回転自在に配設される。回転子２には、複数個の界磁用マグネット４が周方向に沿って取り付けられる。モータ用コイル２１にはモータドライバが、発電用コイル２２にはオープンレギュレータが接続される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、モータ及び発電機として機能する始動発電機を備えた小型二輪車用エンジンや汎用エンジン等の始動発電システムに関する。
【背景技術】
モータとジェネレータは、回転電機としての基本構成が共通しているため、両機能の兼用機も多く存在する。例えば、小型二輪車やエンジン発電機等においては、エンジン起動用のスタータモータと、エンジンによって駆動される発電用のジェネレータとを兼用した始動・発電兼用機である始動発電機が多く用いられている。このような始動発電機は、モータ駆動用のドライバと、発電制御用のレギュレータを伴った始動発電システムを形成しており、エンジン制御用等に設けられたＣＰＵによってその動作が制御される。
ところが、このような始動発電システムでは、始動発電機においてモータ用と発電用のコイルを共用すると、モータとして機能するとき（以下、モータ時と称す）と発電機として機能するとき（以下、発電時と称す）の性能のバランスが取りづらいという問題がある。エンジン始動用のモータと、エンジンにて駆動されバッテリの充電等を行う発電機とでは求められる性能に差があり、共用コイルによりこれらを高いレベルで両立させることは非常に難しい。始動発電システムではエンジンを始動させることが第１命題であり、これを優先してモータ性能を重視した設計を行わざるを得ない。このため、始動発電システムでは、始動発電機における発電機としての性能が犠牲にされ、所望の発電能力が得られないという弊害が生じていた。
モータ出力を重視した設計では、一般に、インダクタンスを小さくするため太いコイルを少なく巻いて巻線を形成する。ところが、インダクタンスの小さい巻線の場合、エンジン低速域（低回転域）での発電出力の立ち上がりが遅く、出力が低く抑えられてしまう。また、高速域（高回転域）では、発電出力の抑えが効かず出力が高すぎるという弊害を生じる。低速域での発電不足はアイドリング時のバッテリ消耗を招来し、高速域での発電過多はエンジンフリクションの増大による燃費低下を招来する。
そこで、かかる弊害をなくすため、コイルをモータ用と発電用とに分けて設定し、それらを適宜切り換えてモータ・発電両特性のバランスを図るものも提案されている。図７は、このようにコイルを機能別に設定した始動発電機の巻線構造を示す説明図である。図７のように結線された始動発電機では、モータ時にはコイル５１ａ〜５１ｄを全て用いて出力を確保し、発電時にはコイル５１ｄのみを用いて発電を行う。すなわち、発電時には黒く塗りつぶされたコイル５１ｄのみが機能し、他のコイル５１ａ〜５１ｃは休止状態となる。
このような始動発電機では、図７のように例えば３相のブラシレスモータの場合、発電用のコイルもモータ用のコイルと同様に３相に結線されるのが一般的である。すなわち、コイル５１ａ〜５１ｄは全て星形等の３相結線となり、３相のモータドライバによって駆動されると共に、発電用コイルの後段には３相用のレギュレータが配設される。そして、コイル５１ｄの起電力によってバッテリを充電し、バッテリが満充電状態となるとレギュレータをショート制御し、起電力を適宜接地へ逃がしている。
しかしながら、このような始動発電機を持つ始動発電システムでは、モータが例えば３相のブラシレスモータの場合、発電用のコイルもモータ用のコイルと同様に３相に結線される。このため、発電用コイルの後段には３相用のレギュレータが必要となり、システムがコスト高となるという問題があった。また、３相モータドライバと３相レギュレータを制御するＣＰＵもＦＥＴやサイリスタ等を複雑かつ精緻に制御しなければならず、高い処理能力が求められ、この点においてもシステム価格が増大するという問題があった。特に、レギュレータ機能をも備えた３相用モータドライバは非常に高価であり、その改善が望まれていた。加えて、従来の始動発電システムでは、バッテリが満充電状態となるとレギュレータをショート制御する構成のため、そこでエネルギロスが生じ、エンジンフリクションとなるという問題があった。
本発明の目的は、モータ及び発電機として機能する始動発電機を有する始動発電システムにおけるモータ性能と発電性能のバランスを向上させ、制御回路の簡素化を図りシステムのコストを低減させることにある。
【発明の開示】
本発明の始動発電システムは、エンジン始動時にはスタータモータとして機能し、前記エンジンの始動後は発電機として機能する始動発電機を有する始動発電システムであって、複数個の突極が形成されたステータコアと、前記突極に巻装され前記始動発電機がモータとして機能する場合に使用されるモータ用コイルと、前記モータ用コイルとは異なる突極に巻装され前記始動発電機が発電機として機能する場合に使用される単相の発電用コイルとを備える固定子と、エンジンのクランクシャフトに接続されると共に前記固定子の外側又は内側に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が周方向に沿って取り付けられた回転子と、前記モータ用コイルに接続され、前記回転子の位置に基づいて前記モータ用コイルを励磁し前記固定子の周囲に回転磁界を形成させるモータドライバと、前記発電用コイルに接続され、前記発電用コイルからの出力を制御するレギュレータとを有することを特徴とする。
本発明にあっては、始動発電機の巻線をモータ用コイルと発電用コイルに分けて独立させたことにより、各々を最適な巻線仕様とすることが可能となる。このため、発電用コイルを細線多巻数仕様とすることができ、低速時の発電出力向上と、高速時の発電抑制を図ることができる。また、発電用コイルが単相のため、発電用レギュレータに単相用の安価なものを採用でき、しかもオープン制御が可能となる。従って、システム価格を低減することが可能となると共に、高速時の発電抑制とオープン制御により低フリクションが実現でき、燃費向上を図ることが可能となる。
前記始動発電システムにおいて、前記発電用コイルが巻装された前記突極の配置間隔を、前記永久磁石の個数Ｎに対して、Ｘ＝３６０°／Ｎを基準とし、前記Ｘの整数倍又は前記Ｘを整数で除した値に設定しても良い。これにより、発電用コイルが巻装された突極全てが永久磁石と常に同位相で対向し、発電用コイルから滑らかな単相出力を得ることが可能となる。
また、前記始動発電システムにおいて、前記モータ用コイルを各相の巻線からなる複数組のモータコイル群から構成し、前記発電用コイルを前記モータコイル群の間に配置さするようにしても良い。この場合、前記発電用コイルを隣接配置された複数の前記突極によって１組の発電コイル群から構成することも可能である。
さらに、前記始動発電システムにおいて、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔を、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔と異なる値に設定しても良い。この場合、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔を、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔よりも広く設定することも可能であり、これにより、発電用コイルの巻数をモータ用コイルのそれよりも多くさせることができ、インダクタンス増による発電特性の改善が図られる。
加えて、前記始動発電システムにおいて、前記レギュレータをオープンレギュレータとしても良く、これにより満充電時におけるエネルギロスが回避され、低フリクションを実現できる。
一方、本発明の始動発電機は、エンジン始動時にはスタータモータとして機能し、前記エンジンの始動後は発電機として機能する始動発電機であって、複数個の突極が形成されたステータコアと、前記突極に巻装され前記始動発電機がモータとして機能する場合に使用されるモータ用コイルと、前記モータ用コイルとは異なる突極に巻装され前記始動発電機が発電機として機能する場合に使用される単相の発電用コイルとを備える固定子と、エンジンのクランクシャフトに接続されると共に前記固定子の外側又は内側に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が周方向に沿って取り付けられた回転子とを有することを特徴とする。
本発明にあっては、始動発電機の巻線をモータ用コイルと発電用コイルに分けて独立させたことにより、各々を最適な巻線仕様とすることが可能となる。このため、発電用コイルを細線多巻数仕様とすることができ、低速時の発電出力向上と、高速時の発電抑制を図ることができる。また、発電用コイルが単相のため、始動発電機に接続される発電用レギュレータに単相用の安価なものを採用でき、しかもオープン制御が可能となる。従って、始動発電機を含むシステムの価格を低減することが可能となると共に、高速時の発電抑制とオープン制御により低フリクションが実現でき、燃費向上を図ることが可能となる。
前記始動発電機において、前記発電用コイルが巻装された前記突極の配置間隔を、前記永久磁石の個数Ｎに対して、Ｘ＝３６０°／Ｎを基準とし、前記Ｘの整数倍又は前記Ｘを整数で除した値に設定しても良い。これにより、発電用コイルが巻装された突極全てが永久磁石と常に同位相で対向し、発電用コイルから滑らかな単相出力を得ることが可能となる。
また、前記始動発電機において、記モータ用コイルを各相の巻線からなる複数組のモータコイル群から構成し、前記発電用コイルを前記モータコイル群の間に配置するようにしても良い。なお、この場合、前記発電用コイルを隣接配置された複数の前記突極によって１組の発電コイル群から構成することも可能である。
さらに、前記始動発電機において、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔を、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔と異なる値に設定しても良い。これにより、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔を、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔よりも広く設定することも可能となり、発電用コイルの巻数をモータ用コイルのそれよりも多くし、インダクタンス増による発電特性の改善が図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態１である始動発電システムに使用される始動発電機の構成を示す断面図である。
図２は、図１の始動発電機の回転子と固定子の構成を軸方向から見た説明図である。
図３は、図１の始動発電機における回路構成を示す説明図である。
図４は、３相モータ用コイルを４組配置した場合のコイル配置の一例を示す説明図である。
図５は、突極を等分に配置し、モータ用コイルと発電用コイルを分散配置した場合のコイル配置の一例を示す説明図である。
図６、全タップ点灯方式を採用した場合における発電コイル関連の回路構成を示す説明図である。
図７、従来の始動発電機の巻線構造を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態１である始動発電システムに使用される始動発電機の構成を示す断面図、図２は図１の始動発電機の回転子と固定子の構成を軸方向から見た説明図、図３は図１の始動発電機における回路構成を示す説明図である。
図１の始動発電機１は、ブラシレスモータと発電機を兼用したアウタロータ型の回転電機であり、自動二輪車におけるＡＣＧ（交流発電機）スタータとして使用される。始動発電機１は、大きく分けて回転子２と固定子３とから構成されており、回転子２には界磁用マグネット４が、固定子３には巻線５が取り付けられている。固定子３には、ホールＩＣ７を備えたセンサユニット８がねじ１５によって固定されている。ホールＩＣ７はセンサマグネット６の外側に配設され、センサマグネット６の磁極変化に伴いセンサ信号を出力する。
回転子２は、エンジンのクランクシャフト（図示せず）に取り付けられる。回転子２は、固定子３の外側に回転自在に配設され、フライホイールとしても機能する。回転子２は、有底円筒形状のロータヨーク１１と、ロータヨーク１１に取り付けられクランクシャフトに固定されるボスロータ１２とを備えている。ロータヨーク１１とボスロータ１２は共に鉄等の磁性材料にて形成されている。ロータヨーク１１の円筒部１１ａの内周面には、界磁用マグネット４が周方向に沿って複数個配設されている。ここでは、界磁用マグネット４は、内面側の極性が交互にＮ極とＳ極になるように１２個等分に３０°ピッチで配置されている。
ボスロータ１２は、円盤状のフランジ部１２ａと略円筒形状のボス部１２ｂとからなる。フランジ部１２ａは、ロータヨーク１１の底部１１ｂに同心的に取り付けられる。ボス部１２ｂはフランジ部１２ａから回転中心線に沿って突設され、クランクシャフトにテーパ結合される。クランクシャフトが回転するとボス部１２ｂが共に回転し、回転子２が巻線５の外側にて回転する。ボス部１２ｂの先端には円筒形状のセンサマグネット６が取り付けられている。センサマグネット６は界磁用マグネット４の磁極に対応して、同磁極数（１２極）に着磁されている。センサマグネット６の外周にはマグネットカバー１３が外装されている。
固定子３は、複数枚の鋼板を重ねて形成したステータコア１４を備えている。図２に示すように、ステータコア１４には複数個の突極１６が形成されでおり、突極１６の周囲に巻線５が巻装されている。巻線５は、モータ用コイル２１と発電用コイル２２に分かれている。モータ用コイル２１は３組のモータコイル群２１ａ〜２１ｃ（以下、適宜コイル群２１ａ〜２１ｃと略記する）からなり、各コイル群２１ａ〜２１ｃは等分に１２０°間隔で配置されている。コイル群２１ａ〜２１ｃ内には３個のモータコイル用突極１６ｍが隣接配置されている。突極１６ｍには、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相のモータコイルが巻装されている。突極１６ｍ同士の間は、１８極構成の固定子と同様に、２０°間隔に設定されており、１８極の半分である９極が３極ずつ３組のモータコイル群２１ａ〜２１ｃを形成している。
発電用コイル２２も３組の発電コイル群２２ａ〜２２ｃ（以下、適宜発電コイル群２２ａ〜２２ｃと略記する）からなり、各コイル群２２ａ〜２２ｃは等分に１２０°間隔で配置されている。発電コイル群２２ａ〜２２ｃ内には２個の発電コイル用の突極１６ｇが隣接配置されており、発電コイルが巻装されている。突極１６ｇは、突極１６ｍを９極配置した残りのスペースに２極ずつ３組、計６極配置されている。すなわち、３極分のスペースに２極の突極１６ｇが配置されている。発電コイル群２２ａ〜２２ｃ内の突極１６ｇ同士の間の角度は３０°に設定されており、全ての突極１６ｇは常に同位相で界磁用マグネット４に対向する。従って、３組の発電コイル群２２ａ〜２２ｃには同位相の起電力が生じ、発電用コイル２２では単相の発電が行われる。
突極１６ｇは、前述のように、３極分のスペースに２極配置されているため、その間隔（３０°）が突極１６ｍの間隔（２０°）よりも大きくなっている。すなわち、突極１６ｇ間の隙間は突極１６ｍ間のそれよりも広くなっている。従って、突極１６ｇには突極１６ｍよりも多くコイルを巻回させることができる。また、発電用コイル２２はモータ用コイル２１から独立しているため、コイル径を発電用に設定することができる。つまり、突極１６ｇに対し、モータ用コイル２１よりも細い線径のコイルを多く巻き付けて発電用コイル２２を形成できる。
これにより、発電用コイル２２のインダクタンスを大きく設定することが可能となり、エンジン低速域から発電出力が得られるようになる。従って、低回転域での発電性能が向上し、アイドリング時等における充電能力不足が解消する。また、エンジン高速域では、発電出力が抑えられ、高速域での発電過多によるエンジンフリクションを低減し燃費の向上を図ることが可能となる。
一方、モータコイル群２１ａ〜２１ｃは、図３に示すようにＵ，Ｖ，Ｗの三相巻線が星形に結線された構成となっており、各コイル群２１ａ〜２１ｃは互いに並列に接続されている。これに対し発電コイル群２２ａ〜２２ｃは、群内にて隣接する突極１６ｇに巻装されたコイル同士が直列に結線されると共に、各群同士も互いに直列に結線されている。また、モータ用コイル２１はモータドライバ２３に、発電用コイル２２はオープンレギュレータ２４にそれぞれ接続されている。モータドライバ２３とオープンレギュレータ２４はバッテリ２５に接続され、バッテリ２５にはストップランプ等の負荷２６が接続されている。これらのシステムはＣＰＵ２７によって制御され、モータドライバ２３やオープンレギュレータ２４はＣＰＵ２７からの指令に基づいて作動する。
モータドライバ２３は、ＦＥＴ３１ａ〜３１ｆを用いて形成したブリッジ回路からなるインバータ３２を備えている。インバータ３２は、ホールＩＣ７の検出結果に基づいて回転磁界を形成するような電流をコイル群２１ａ〜２１ｃに通電する通電制御機能を有しており、６個の電界効果トランジスタＦＥＴ３１ａ〜３１ｆと、それらに並列に接続された６個の寄生ダイオード３３ａ〜３３ｆを備えた構成となっている。
インバータ３２では、３列の各ブリッジ列はＨｉｇｈサイドの各ＦＥＴ３１ａ，３１ｃ，３１ｅと、Ｌｏｗサイドの各ＦＥＴ３１ｂ，３１ｄ，３１ｆとがそれぞれ直列に接続されている。この場合、ＦＥＴ３１ａ，３１ｃ，３１ｅは共通にバッテリ２５の＋側、ＦＥＴ３１ｂ，３１ｄ，３１ｆは共通にバッテリ２５の−側にそれぞれ接続されている。各ブリッジ列の各ＦＥＴ３１ａ，３１ｃ，３１ｅと各ＦＥＴ３１ｂ，３１ｄ，３１ｆとの各接続ノードには、コイル群２１ａ〜２１ｃの各相がそれぞれ接続されている。すなわち、ＦＥＴ３１ａ，３１ｂの間にはＵ相、ＦＥＴ３１ｃ，３１ｄの間にはＶ相、ＦＥＴ３１ｅ，３１ｆの間にはＷ相のコイルが接続されている。また、ＦＥＴ３１ａ〜３１ｆの各ゲートは、３相ブリッジドライバ３４に接続されている。
オープンレギュレータ２４は、サイリスタ３５ａ，３５ｂ、ダイオード３６ａ，３６ｂから構成されている。発電用コイル２２は、サイリスタ３５ａとダイオード３６ａの間と、サイリスタ３５ｂとダイオード３６ｂの間にそれぞれ接続されている。サイリスタ３５ａ，３５ｂはＣＰＵ２７によって制御され、発電用コイル２２の起電力の向きに応じて適宜切り替えられる。また、ＣＰＵ２７ではバッテリ２５の電圧をモニタしており、バッテリ２５が満充電状態となるとサイリスタ３５ａ，３５ｂを共にＯＦＦさせる。これにより、発電用コイル２２はオープン状態となり、バッテリ２５の充電動作は停止される。
発電用コイル２２が単相のため、オープンレギュレータ２４は前述のような簡易な構成で対応でき、市販の汎用品を適用することができる。従って、高価な３相レギュレータが不要となり、安価なレギュレータの採用により安価なシステムを構築することが可能となる。
このような始動発電システムでは、自動二輪車のスタータスイッチがＯＮされると、ＣＰＵ２７はモータ用コイル２１に通電を行い始動発電機１がモータとして機能する。ＣＰＵ２７はホールＩＣ７からのセンサ信号に基づいてモータドライバ２３を制御し、ＦＥＴ３１ａ〜３１ｆを適宜ＯＮ／ＯＦＦさせることによりモータ用コイル２１に通電し、回転子２の周囲に回転磁界を形成する。これにより、回転子２が回転駆動されエンジンが始動される。
エンジンが始動しスタータスイッチがＯＦＦされると、回転子２がエンジンによって回転され、始動発電機１は発電機として機能する。すなわち、回転子２が固定子３の周囲で回転すると、界磁用マグネット４の磁界が発電用コイル２２を切り、起電力が生じ発電が行われる。このとき、ＣＰＵ２７はオープンレギュレータ２４を制御し、バッテリ２５の充電を行う。バッテリ２５が満充電状態となった場合には、前述のように、ＣＰＵ２７はサイリスタ３５ａ，３５ｂを共にＯＦＦする。このとき、発電用コイル２２はオープン状態となるため、ショート制御の場合のように、発電作用は生ぜず電力を無駄に捨てることがない。従って、その分エネルギロスがなくなり、前述の高速域での発電過多解消も相俟って、エンジンフリクションを大幅に低減することができ、燃費を大きく向上させることが可能となる。
このように本発明の始動発電システムでは、巻線５をモータ用コイル２１と発電用コイル２２に分けたことにより、各々を最適な巻線仕様とすることが可能となる。すなわち、モータ用コイル２１をモータ性能を重視した太線少巻数の設計としつつも、発電用コイル２２を細線多巻数とすることができ、低速時の発電出力向上と、高速時の発電抑制が実現される。また、３相のモータ用コイル２１を持ちつつ、単相の発電用コイル２２を設けているため、発電用レギュレータに単相用の安価なものを採用でき、しかもオープン制御が可能となる。従って、システム価格を低減することが可能となると共に、高速時の発電抑制とオープン制御により低フリクションが実現でき、燃費向上を図ることが可能となる。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２として、実施の形態１と同様の３相の始動発電機においてコイルの組数を異にする例を示す。図４は３相モータ用コイルを４組配置した場合のコイル配置の一例を示す説明図である。
図４の始動発電機では、３相のモータ用コイル２１が４組と、単相の発電用コイル２２が２組が設けられている。モータ用コイル２１はモータコイル群２１ａ〜２１ｄからなり、発電用コイル２２は発電コイル群２２ａ，２２ｂから構成される。コイル群２１ａ，２１ｂは図中左側に、コイル群２１ｃ，２１ｄにそれぞれ配置され、両群の間に発電コイル群２２ａ，２２ｂが配置される。
コイル群２１ａ〜２１ｄでは、各突極１６ｍはここでも２０°間隔に設定されており、１８極のうち１２極が３極ずつ４組のモータコイル群２１ａ〜２１ｄを形成している。コイル群２２ａ，２２ｂは１８０°間隔をあけて配置されており、突極１６ｇは、突極１６ｍを１２極配置した残りのスペースに２極ずつ２組、計４極配置されている。コイル群２２ａ，２２ｂ内の突極１６ｇ同士の間の角度は２０°に設定されており、隣接配置された突極１６ｇと突極１６ｍとの間は３０°の間隔が設けられている。この場合、発電用コイル２２から単相出力を得るためには、全ての突極１６ｇを常に同位相で界磁用マグネット４に対向させるべく、界磁用マグネット４も２０°ピッチで１８個配置される。
（実施の形態３）
さらに、実施の形態３として、実施の形態１と同様の３相の始動発電機において突極１６を等分に配置し、モータ用コイル２１と発電用コイル２２を分散配置した例を示す。図５はその場合のコイル配置の一例を示す説明図である。
図５の始動発電機では、実施の形態１と同様、３相のモータ用コイル２１が３組と、単相の発電用コイル２２が３組が設けられている。ここでは、各突極１６（１６ｍ，１６ｇ）は２０°間隔で等分に１８極設けられている。モータ用コイル２１はモータコイル群２１ａ〜２１ｃからなり、発電用コイル２２は発電コイル群２２ａ〜２２ｃから構成される。コイル群２１ａ，２１ｃはＵ相とＶ，Ｗ相が分離され、コイル群２１ｂはＵ，Ｖ，Ｗ相の各相が分離配置されている。コイル群２２ａ，２２ｂは３極のうち１極が分離され、コイル群２２ｃは３極が全て分離配置されている。そして、コイル群２１ａのＵ相とＶ相の間にコイル群２２ａの分離された１極が配置されるなどして、各コイル群が図５のように分散配置されている。
（実施の形態４）
加えて、実施の形態４として、実施の形態１と同様の３相の始動発電システムにおいて全タップ点灯方式を採用した例を示す。図６はその場合における発電コイル関連の回路構成を示す説明図である。
ここでは、図６に示すように、オープンレギュレータ２４と接地との間にＡＣ負荷２８が配設されている。ＡＣ負荷２８としては、例えばヘッドライトなどのように、エンジンが作動している間は点灯するが、エンジンが停止すると消灯するものなどが設置される。オープンレギュレータ２４の後段には、バッテリ２５と並列にＤＣ負荷２９が接続されている。ＤＣ負荷２９としては、例えばストップランプなどのように、エンジンの作動の有無とは無関係に点灯するものが設置される。本発明によるシステムでは、発電用コイル２２は単相の交流を出力するため、このようないわゆる全タップ点灯方式を採用して負荷を接続することができ、電装設計の自由度を向上させることが可能となる。
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、本発明は汎用エンジンなど、自動二輪車以外の他の始動発電システムにも適用可能である。また、前述の実施の形態では、アウタロータ型のブラシレスモータの例を示したが、回転子が固定子の内側に配設されるいわゆるインナーロータ型のブラシレスモータの始動発電機に本発明を適用することも可能である。
また、前述の実施の形態では、３相のモータに本発明を適用した例を示したが、本発明の適用対象はこれらには限定されず、５相モータ等、さらに多相のものにも適用可能である。さらに、突極１６や界磁用マグネット４の数、コイル群の数なども前述の例には限定されない。
本発明の始動発電システムによれば、始動発電機の巻線をモータ用コイルと発電用コイルに分けて独立させたことにより、各々を最適な巻線仕様とすることが可能となる。このため、発電用コイルを細線多巻数仕様とすることができ、低速時の発電出力向上と、高速時の発電抑制を図ることができる。また、発電用コイルが単相のため、発電用レギュレータに単相用の安価なものを採用でき、しかもオープン制御が可能となる。従って、システム価格を低減することが可能となると共に、高速時の発電抑制とオープン制御により低フリクションが実現でき、燃費向上を図ることが可能となる。
また、本発明の始動発電機によれば、巻線をモータ用コイルと発電用コイルに分けて独立させたことにより、各々を最適な巻線仕様とすることが可能となる。このため、発電用コイルを細線多巻数仕様とすることができ、低速時の発電出力向上と、高速時の発電抑制を図ることができる。また、発電用コイルが単相のため、始動発電機の後段に接続される発電用レギュレータに単相用の安価なものを採用でき、しかもオープン制御が可能となる。従って、始動発電機を含むシステムの価格を低減することが可能となると共に、高速時の発電抑制とオープン制御により低フリクションが実現でき、燃費向上を図ることが可能となる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【技術分野】
本発明は、モータ及び発電機として機能する始動発電機を備えた小型二輪車用エンジンや汎用エンジン等の始動発電システムに関する。
【背景技術】
モータとジェネレータは、回転電機としての基本構成が共通しているため、両機能の兼用機も多く存在する。例えば、小型二輪車やエンジン発電機等においては、エンジン起動用のスタータモータと、エンジンによって駆動される発電用のジェネレータとを兼用した始動・発電兼用機である始動発電機が多く用いられている。このような始動発電機は、モータ駆動用のドライバと、発電制御用のレギュレータを伴った始動発電システムを形成しており、エンジン制御用等に設けられたＣＰＵによってその動作が制御される。
ところが、このような始動発電システムでは、始動発電機においてモータ用と発電用のコイルを共用すると、モータとして機能するとき（以下、モータ時と称す）と発電機として機能するとき（以下、発電時と称す）の性能のバランスが取りづらいという問題がある。エンジン始動用のモータと、エンジンにて駆動されバッテリの充電等を行う発電機とでは求められる性能に差があり、共用コイルによりこれらを高いレベルで両立させることは非常に難しい。始動発電システムではエンジンを始動させることが第１命題であり、これを優先してモータ性能を重視した設計を行わざるを得ない。このため、始動発電システムでは、始動発電機における発電機としての性能が犠牲にされ、所望の発電能力が得られないという弊害が生じていた。
モータ出力を重視した設計では、一般に、インダクタンスを小さくするため太いコイルを少なく巻いて巻線を形成する。ところが、インダクタンスの小さい巻線の場合、エンジン低速域（低回転域）での発電出力の立ち上がりが遅く、出力が低く抑えられてしまう。また、高速域（高回転域）では、発電出力の抑えが効かず出力が高すぎるという弊害を生じる。低速域での発電不足はアイドリング時のバッテリ消耗を招来し、高速域での発電過多はエンジンフリクションの増大による燃費低下を招来する。
そこで、かかる弊害をなくすため、コイルをモータ用と発電用とに分けて設定し、それらを適宜切り換えてモータ・発電両特性のバランスを図るものも提案されている。図７は、このようにコイルを機能別に設定した始動発電機の巻線構造を示す説明図である。図７のように結線された始動発電機では、モータ時にはコイル５１ａ〜５１ｄを全て用いて出力を確保し、発電時にはコイル５１ｄのみを用いて発電を行う。すなわち、発電時には黒く塗りつぶされたコイル５１ｄのみが機能し、他のコイル５１ａ〜５１ｃは休止状態となる。
このような始動発電機では、図７のように例えば３相のブラシレスモータの場合、発電用のコイルもモータ用のコイルと同様に３相に結線されるのが一般的である。すなわち、コイル５１ａ〜５１ｄは全て星形等の３相結線となり、３相のモータドライバによって駆動されると共に、発電用コイルの後段には３相用のレギュレータが配設される。そして、コイル５１ｄの起電力によってバッテリを充電し、バッテリが満充電状態となるとレギュレータをショート制御し、起電力を適宜接地へ逃がしている。
しかしながら、このような始動発電機を持つ始動発電システムでは、モータが例えば３相のブラシレスモータの場合、発電用のコイルもモータ用のコイルと同様に３相に結線される。このため、発電用コイルの後段には３相用のレギュレータが必要となり、システムがコスト高となるという問題があった。また、３相モータドライバと３相レギュレータを制御するＣＰＵもＦＥＴやサイリスタ等を複雑かつ精緻に制御しなければならず、高い処理能力が求められ、この点においてもシステム価格が増大するという問題があった。特に、レギュレータ機能をも備えた３相用モータドライバは非常に高価であり、その改善が望まれていた。加えて、従来の始動発電システムでは、バッテリが満充電状態となるとレギュレータをショート制御する構成のため、そこでエネルギロスが生じ、エンジンフリクションとなるという問題があった。
本発明の目的は、モータ及び発電機として機能する始動発電機を有する始動発電システムにおけるモータ性能と発電性能のバランスを向上させ、制御回路の簡素化を図りシステムのコストを低減させることにある。
【発明の開示】
本発明の始動発電システムは、エンジン始動時にはスタータモータとして機能し、前記エンジンの始動後は発電機として機能する始動発電機を有する始動発電システムであって、複数個の突極が形成されたステータコアと、前記突極に巻装され前記始動発電機がモータとして機能する場合に使用されるモータ用コイルと、前記モータ用コイルとは異なる突極に巻装され前記始動発電機が発電機として機能する場合に使用される単相の発電用コイルとを備える固定子と、エンジンのクランクシャフトに接続されると共に前記固定子の外側又は内側に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が周方向に沿って取り付けられた回転子と、前記モータ用コイルに接続され、前記回転子の位置に基づいて前記モータ用コイルを励磁し前記固定子の周囲に回転磁界を形成させるモータドライバと、前記発電用コイルに接続され、前記発電用コイルからの出力を制御するレギュレータとを有することを特徴とする。
本発明にあっては、始動発電機の巻線をモータ用コイルと発電用コイルに分けて独立させたことにより、各々を最適な巻線仕様とすることが可能となる。このため、発電用コイルを細線多巻数仕様とすることができ、低速時の発電出力向上と、高速時の発電抑制を図ることができる。また、発電用コイルが単相のため、発電用レギュレータに単相用の安価なものを採用でき、しかもオープン制御が可能となる。従って、システム価格を低減することが可能となると共に、高速時の発電抑制とオープン制御により低フリクションが実現でき、燃費向上を図ることが可能となる。
前記始動発電システムにおいて、前記発電用コイルが巻装された前記突極の配置間隔を、前記永久磁石の個数Ｎに対して、Ｘ＝３６０°／Ｎを基準とし、前記Ｘの整数倍又は前記Ｘを整数で除した値に設定しても良い。これにより、発電用コイルが巻装された突極全てが永久磁石と常に同位相で対向し、発電用コイルから滑らかな単相出力を得ることが可能となる。
また、前記始動発電システムにおいて、前記モータ用コイルを各相の巻線からなる複数組のモータコイル群から構成し、前記発電用コイルを前記モータコイル群の間に配置さするようにしても良い。この場合、前記発電用コイルを隣接配置された複数の前記突極によって１組の発電コイル群から構成することも可能である。
さらに、前記始動発電システムにおいて、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔を、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔と異なる値に設定しても良い。この場合、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔を、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔よりも広く設定することも可能であり、これにより、発電用コイルの巻数をモータ用コイルのそれよりも多くさせることができ、インダクタンス増による発電特性の改善が図られる。
加えて、前記始動発電システムにおいて、前記レギュレータをオープンレギュレータとしても良く、これにより満充電時におけるエネルギロスが回避され、低フリクションを実現できる。
一方、本発明の始動発電機は、エンジン始動時にはスタータモータとして機能し、前記エンジンの始動後は発電機として機能する始動発電機であって、複数個の突極が形成されたステータコアと、前記突極に巻装され前記始動発電機がモータとして機能する場合に使用されるモータ用コイルと、前記モータ用コイルとは異なる突極に巻装され前記始動発電機が発電機として機能する場合に使用される単相の発電用コイルとを備える固定子と、エンジンのクランクシャフトに接続されると共に前記固定子の外側又は内側に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が周方向に沿って取り付けられた回転子とを有することを特徴とする。
本発明にあっては、始動発電機の巻線をモータ用コイルと発電用コイルに分けて独立させたことにより、各々を最適な巻線仕様とすることが可能となる。このため、発電用コイルを細線多巻数仕様とすることができ、低速時の発電出力向上と、高速時の発電抑制を図ることができる。また、発電用コイルが単相のため、始動発電機に接続される発電用レギュレータに単相用の安価なものを採用でき、しかもオープン制御が可能となる。従って、始動発電機を含むシステムの価格を低減することが可能となると共に、高速時の発電抑制とオープン制御により低フリクションが実現でき、燃費向上を図ることが可能となる。
前記始動発電機において、前記発電用コイルが巻装された前記突極の配置間隔を、前記永久磁石の個数Ｎに対して、Ｘ＝３６０°／Ｎを基準とし、前記Ｘの整数倍又は前記Ｘを整数で除した値に設定しても良い。これにより、発電用コイルが巻装された突極全てが永久磁石と常に同位相で対向し、発電用コイルから滑らかな単相出力を得ることが可能となる。
また、前記始動発電機において、記モータ用コイルを各相の巻線からなる複数組のモータコイル群から構成し、前記発電用コイルを前記モータコイル群の間に配置するようにしても良い。なお、この場合、前記発電用コイルを隣接配置された複数の前記突極によって１組の発電コイル群から構成することも可能である。
さらに、前記始動発電機において、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔を、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔と異なる値に設定しても良い。これにより、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔を、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔よりも広く設定することも可能となり、発電用コイルの巻数をモータ用コイルのそれよりも多くし、インダクタンス増による発電特性の改善が図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施の形態１である始動発電システムに使用される始動発電機の構成を示す断面図である。
図２は、図１の始動発電機の回転子と固定子の構成を軸方向から見た説明図である。
図３は、図１の始動発電機における回路構成を示す説明図である。
図４は、３相モータ用コイルを４組配置した場合のコイル配置の一例を示す説明図である。
図５は、突極を等分に配置し、モータ用コイルと発電用コイルを分散配置した場合のコイル配置の一例を示す説明図である。
図６、全タップ点灯方式を採用した場合における発電コイル関連の回路構成を示す説明図である。
図７、従来の始動発電機の巻線構造を示す説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の実施の形態１である始動発電システムに使用される始動発電機の構成を示す断面図、図２は図１の始動発電機の回転子と固定子の構成を軸方向から見た説明図、図３は図１の始動発電機における回路構成を示す説明図である。
図１の始動発電機１は、ブラシレスモータと発電機を兼用したアウタロータ型の回転電機であり、自動二輪車におけるＡＣＧ（交流発電機）スタータとして使用される。始動発電機１は、大きく分けて回転子２と固定子３とから構成されており、回転子２には界磁用マグネット４が、固定子３には巻線５が取り付けられている。固定子３には、ホールＩＣ７を備えたセンサユニット８がねじ１５によって固定されている。ホールＩＣ７はセンサマグネット６の外側に配設され、センサマグネット６の磁極変化に伴いセンサ信号を出力する。
回転子２は、エンジンのクランクシャフト（図示せず）に取り付けられる。回転子２は、固定子３の外側に回転自在に配設され、フライホイールとしても機能する。回転子２は、有底円筒形状のロータヨーク１１と、ロータヨーク１１に取り付けられクランクシャフトに固定されるボスロータ１２とを備えている。ロータヨーク１１とボスロータ１２は共に鉄等の磁性材料にて形成されている。ロータヨーク１１の円筒部１１ａの内周面には、界磁用マグネット４が周方向に沿って複数個配設されている。ここでは、界磁用マグネット４は、内面側の極性が交互にＮ極とＳ極になるように１２個等分に３０°ピッチで配置されている。
ボスロータ１２は、円盤状のフランジ部１２ａと略円筒形状のボス部１２ｂとからなる。フランジ部１２ａは、ロータヨーク１１の底部１１ｂに同心的に取り付けられる。ボス部１２ｂはフランジ部１２ａから回転中心線に沿って突設され、クランクシャフトにテーパ結合される。クランクシャフトが回転するとボス部１２ｂが共に回転し、回転子２が巻線５の外側にて回転する。ボス部１２ｂの先端には円筒形状のセンサマグネット６が取り付けられている。センサマグネット６は界磁用マグネット４の磁極に対応して、同磁極数（１２極）に着磁されている。センサマグネット６の外周にはマグネットカバー１３が外装されている。
固定子３は、複数枚の鋼板を重ねて形成したステータコア１４を備えている。図２に示すように、ステータコア１４には複数個の突極１６が形成されでおり、突極１６の周囲に巻線５が巻装されている。巻線５は、モータ用コイル２１と発電用コイル２２に分かれている。モータ用コイル２１は３組のモータコイル群２１ａ〜２１ｃ（以下、適宜コイル群２１ａ〜２１ｃと略記する）からなり、各コイル群２１ａ〜２１ｃは等分に１２０°間隔で配置されている。コイル群２１ａ〜２１ｃ内には３個のモータコイル用突極１６ｍが隣接配置されている。突極１６ｍには、Ｕ，Ｖ，Ｗの三相のモータコイルが巻装されている。突極１６ｍ同士の間は、１８極構成の固定子と同様に、２０°間隔に設定されており、１８極の半分である９極が３極ずつ３組のモータコイル群２１ａ〜２１ｃを形成している。
発電用コイル２２も３組の発電コイル群２２ａ〜２２ｃ（以下、適宜発電コイル群２２ａ〜２２ｃと略記する）からなり、各コイル群２２ａ〜２２ｃは等分に１２０°間隔で配置されている。発電コイル群２２ａ〜２２ｃ内には２個の発電コイル用の突極１６ｇが隣接配置されており、発電コイルが巻装されている。突極１６ｇは、突極１６ｍを９極配置した残りのスペースに２極ずつ３組、計６極配置されている。すなわち、３極分のスペースに２極の突極１６ｇが配置されている。発電コイル群２２ａ〜２２ｃ内の突極１６ｇ同士の間の角度は３０°に設定されており、全ての突極１６ｇは常に同位相で界磁用マグネット４に対向する。従って、３組の発電コイル群２２ａ〜２２ｃには同位相の起電力が生じ、発電用コイル２２では単相の発電が行われる。
突極１６ｇは、前述のように、３極分のスペースに２極配置されているため、その間隔（３０°）が突極１６ｍの間隔（２０°）よりも大きくなっている。すなわち、突極１６ｇ間の隙間は突極１６ｍ間のそれよりも広くなっている。従って、突極１６ｇには突極１６ｍよりも多くコイルを巻回させることができる。また、発電用コイル２２はモータ用コイル２１から独立しているため、コイル径を発電用に設定することができる。つまり、突極１６ｇに対し、モータ用コイル２１よりも細い線径のコイルを多く巻き付けて発電用コイル２２を形成できる。
これにより、発電用コイル２２のインダクタンスを大きく設定することが可能となり、エンジン低速域から発電出力が得られるようになる。従って、低回転域での発電性能が向上し、アイドリング時等における充電能力不足が解消する。また、エンジン高速域では、発電出力が抑えられ、高速域での発電過多によるエンジンフリクションを低減し燃費の向上を図ることが可能となる。
一方、モータコイル群２１ａ〜２１ｃは、図３に示すようにＵ，Ｖ，Ｗの三相巻線が星形に結線された構成となっており、各コイル群２１ａ〜２１ｃは互いに並列に接続されている。これに対し発電コイル群２２ａ〜２２ｃは、群内にて隣接する突極１６ｇに巻装されたコイル同士が直列に結線されると共に、各群同士も互いに直列に結線されている。また、モータ用コイル２１はモータドライバ２３に、発電用コイル２２はオープンレギュレータ２４にそれぞれ接続されている。モータドライバ２３とオープンレギュレータ２４はバッテリ２５に接続され、バッテリ２５にはストップランプ等の負荷２６が接続されている。これらのシステムはＣＰＵ２７によって制御され、モータドライバ２３やオープンレギュレータ２４はＣＰＵ２７からの指令に基づいて作動する。
モータドライバ２３は、ＦＥＴ３１ａ〜３１ｆを用いて形成したブリッジ回路からなるインバータ３２を備えている。インバータ３２は、ホールＩＣ７の検出結果に基づいて回転磁界を形成するような電流をコイル群２１ａ〜２１ｃに通電する通電制御機能を有しており、６個の電界効果トランジスタＦＥＴ３１ａ〜３１ｆと、それらに並列に接続された６個の寄生ダイオード３３ａ〜３３ｆを備えた構成となっている。
インバータ３２では、３列の各ブリッジ列はＨｉｇｈサイドの各ＦＥＴ３１ａ，３１ｃ，３１ｅと、Ｌｏｗサイドの各ＦＥＴ３１ｂ，３１ｄ，３１ｆとがそれぞれ直列に接続されている。この場合、ＦＥＴ３１ａ，３１ｃ，３１ｅは共通にバッテリ２５の＋側、ＦＥＴ３１ｂ，３１ｄ，３１ｆは共通にバッテリ２５の−側にそれぞれ接続されている。各ブリッジ列の各ＦＥＴ３１ａ，３１ｃ，３１ｅと各ＦＥＴ３１ｂ，３１ｄ，３１ｆとの各接続ノードには、コイル群２１ａ〜２１ｃの各相がそれぞれ接続されている。すなわち、ＦＥＴ３１ａ，３１ｂの間にはＵ相、ＦＥＴ３１ｃ，３１ｄの間にはＶ相、ＦＥＴ３１ｅ，３１ｆの間にはＷ相のコイルが接続されている。また、ＦＥＴ３１ａ〜３１ｆの各ゲートは、３相ブリッジドライバ３４に接続されている。
オープンレギュレータ２４は、サイリスタ３５ａ，３５ｂ、ダイオード３６ａ，３６ｂから構成されている。発電用コイル２２は、サイリスタ３５ａとダイオード３６ａの間と、サイリスタ３５ｂとダイオード３６ｂの間にそれぞれ接続されている。サイリスタ３５ａ，３５ｂはＣＰＵ２７によって制御され、発電用コイル２２の起電力の向きに応じて適宜切り替えられる。また、ＣＰＵ２７ではバッテリ２５の電圧をモニタしており、バッテリ２５が満充電状態となるとサイリスタ３５ａ，３５ｂを共にＯＦＦさせる。これにより、発電用コイル２２はオープン状態となり、バッテリ２５の充電動作は停止される。
発電用コイル２２が単相のため、オープンレギュレータ２４は前述のような簡易な構成で対応でき、市販の汎用品を適用することができる。従って、高価な３相レギュレータが不要となり、安価なレギュレータの採用により安価なシステムを構築することが可能となる。
このような始動発電システムでは、自動二輪車のスタータスイッチがＯＮされると、ＣＰＵ２７はモータ用コイル２１に通電を行い始動発電機１がモータとして機能する。ＣＰＵ２７はホールＩＣ７からのセンサ信号に基づいてモータドライバ２３を制御し、ＦＥＴ３１ａ〜３１ｆを適宜ＯＮ／ＯＦＦさせることによりモータ用コイル２１に通電し、回転子２の周囲に回転磁界を形成する。これにより、回転子２が回転駆動されエンジンが始動される。
エンジンが始動しスタータスイッチがＯＦＦされると、回転子２がエンジンによって回転され、始動発電機１は発電機として機能する。すなわち、回転子２が固定子３の周囲で回転すると、界磁用マグネット４の磁界が発電用コイル２２を切り、起電力が生じ発電が行われる。このとき、ＣＰＵ２７はオープンレギュレータ２４を制御し、バッテリ２５の充電を行う。バッテリ２５が満充電状態となった場合には、前述のように、ＣＰＵ２７はサイリスタ３５ａ，３５ｂを共にＯＦＦする。このとき、発電用コイル２２はオープン状態となるため、ショート制御の場合のように、発電作用は生ぜず電力を無駄に捨てることがない。従って、その分エネルギロスがなくなり、前述の高速域での発電過多解消も相俟って、エンジンフリクションを大幅に低減することができ、燃費を大きく向上させることが可能となる。
このように本発明の始動発電システムでは、巻線５をモータ用コイル２１と発電用コイル２２に分けたことにより、各々を最適な巻線仕様とすることが可能となる。すなわち、モータ用コイル２１をモータ性能を重視した太線少巻数の設計としつつも、発電用コイル２２を細線多巻数とすることができ、低速時の発電出力向上と、高速時の発電抑制が実現される。また、３相のモータ用コイル２１を持ちつつ、単相の発電用コイル２２を設けているため、発電用レギュレータに単相用の安価なものを採用でき、しかもオープン制御が可能となる。従って、システム価格を低減することが可能となると共に、高速時の発電抑制とオープン制御により低フリクションが実現でき、燃費向上を図ることが可能となる。
（実施の形態２）
次に、実施の形態２として、実施の形態１と同様の３相の始動発電機においてコイルの組数を異にする例を示す。図４は３相モータ用コイルを４組配置した場合のコイル配置の一例を示す説明図である。
図４の始動発電機では、３相のモータ用コイル２１が４組と、単相の発電用コイル２２が２組が設けられている。モータ用コイル２１はモータコイル群２１ａ〜２１ｄからなり、発電用コイル２２は発電コイル群２２ａ，２２ｂから構成される。コイル群２１ａ，２１ｂは図中左側に、コイル群２１ｃ，２１ｄにそれぞれ配置され、両群の間に発電コイル群２２ａ，２２ｂが配置される。
コイル群２１ａ〜２１ｄでは、各突極１６ｍはここでも２０°間隔に設定されており、１８極のうち１２極が３極ずつ４組のモータコイル群２１ａ〜２１ｄを形成している。コイル群２２ａ，２２ｂは１８０°間隔をあけて配置されており、突極１６ｇは、突極１６ｍを１２極配置した残りのスペースに２極ずつ２組、計４極配置されている。コイル群２２ａ，２２ｂ内の突極１６ｇ同士の間の角度は２０°に設定されており、隣接配置された突極１６ｇと突極１６ｍとの間は３０°の間隔が設けられている。この場合、発電用コイル２２から単相出力を得るためには、全ての突極１６ｇを常に同位相で界磁用マグネット４に対向させるべく、界磁用マグネット４も２０°ピッチで１８個配置される。
（実施の形態３）
さらに、実施の形態３として、実施の形態１と同様の３相の始動発電機において突極１６を等分に配置し、モータ用コイル２１と発電用コイル２２を分散配置した例を示す。図５はその場合のコイル配置の一例を示す説明図である。
図５の始動発電機では、実施の形態１と同様、３相のモータ用コイル２１が３組と、単相の発電用コイル２２が３組が設けられている。ここでは、各突極１６（１６ｍ，１６ｇ）は２０°間隔で等分に１８極設けられている。モータ用コイル２１はモータコイル群２１ａ〜２１ｃからなり、発電用コイル２２は発電コイル群２２ａ〜２２ｃから構成される。コイル群２１ａ，２１ｃはＵ相とＶ，Ｗ相が分離され、コイル群２１ｂはＵ，Ｖ，Ｗ相の各相が分離配置されている。コイル群２２ａ，２２ｂは３極のうち１極が分離され、コイル群２２ｃは３極が全て分離配置されている。そして、コイル群２１ａのＵ相とＶ相の間にコイル群２２ａの分離された１極が配置されるなどして、各コイル群が図５のように分散配置されている。
（実施の形態４）
加えて、実施の形態４として、実施の形態１と同様の３相の始動発電システムにおいて全タップ点灯方式を採用した例を示す。図６はその場合における発電コイル関連の回路構成を示す説明図である。
ここでは、図６に示すように、オープンレギュレータ２４と接地との間にＡＣ負荷２８が配設されている。ＡＣ負荷２８としては、例えばヘッドライトなどのように、エンジンが作動している間は点灯するが、エンジンが停止すると消灯するものなどが設置される。オープンレギュレータ２４の後段には、バッテリ２５と並列にＤＣ負荷２９が接続されている。ＤＣ負荷２９としては、例えばストップランプなどのように、エンジンの作動の有無とは無関係に点灯するものが設置される。本発明によるシステムでは、発電用コイル２２は単相の交流を出力するため、このようないわゆる全タップ点灯方式を採用して負荷を接続することができ、電装設計の自由度を向上させることが可能となる。
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることは言うまでもない。
例えば、本発明は汎用エンジンなど、自動二輪車以外の他の始動発電システムにも適用可能である。また、前述の実施の形態では、アウタロータ型のブラシレスモータの例を示したが、回転子が固定子の内側に配設されるいわゆるインナーロータ型のブラシレスモータの始動発電機に本発明を適用することも可能である。
また、前述の実施の形態では、３相のモータに本発明を適用した例を示したが、本発明の適用対象はこれらには限定されず、５相モータ等、さらに多相のものにも適用可能である。さらに、突極１６や界磁用マグネット４の数、コイル群の数なども前述の例には限定されない。
本発明の始動発電システムによれば、始動発電機の巻線をモータ用コイルと発電用コイルに分けて独立させたことにより、各々を最適な巻線仕様とすることが可能となる。このため、発電用コイルを細線多巻数仕様とすることができ、低速時の発電出力向上と、高速時の発電抑制を図ることができる。また、発電用コイルが単相のため、発電用レギュレータに単相用の安価なものを採用でき、しかもオープン制御が可能となる。従って、システム価格を低減することが可能となると共に、高速時の発電抑制とオープン制御により低フリクションが実現でき、燃費向上を図ることが可能となる。
また、本発明の始動発電機によれば、巻線をモータ用コイルと発電用コイルに分けて独立させたことにより、各々を最適な巻線仕様とすることが可能となる。このため、発電用コイルを細線多巻数仕様とすることができ、低速時の発電出力向上と、高速時の発電抑制を図ることができる。また、発電用コイルが単相のため、始動発電機の後段に接続される発電用レギュレータに単相用の安価なものを採用でき、しかもオープン制御が可能となる。従って、始動発電機を含むシステムの価格を低減することが可能となると共に、高速時の発電抑制とオープン制御により低フリクションが実現でき、燃費向上を図ることが可能となる。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン始動時にはスタータモータとして機能し、前記エンジンの始動後は発電機として機能する始動発電機を有する始動発電システムであって、
複数個の突極が形成されたステータコアと、前記突極に巻装され前記始動発電機がモータとして機能する場合に使用されるモータ用コイルと、前記モータ用コイルとは異なる突極に巻装され前記始動発電機が発電機として機能する場合に使用される単相の発電用コイルとを備える固定子と、
エンジンのクランクシャフトに接続されると共に前記固定子の外側又は内側に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が周方向に沿って取り付けられた回転子と、
前記モータ用コイルに接続され、前記回転子の位置に基づいて前記モータ用コイルを励磁し前記固定子の周囲に回転磁界を形成させるモータドライバと、
前記発電用コイルに接続され、前記発電用コイルからの出力を制御するレギュレータとを有することを特徴とする始動発電システム。
【請求項２】
請求項１記載の始動発電システムにおいて、前記発電用コイルが巻装された前記突極の配置間隔は、前記永久磁石の個数Ｎに対して、Ｘ＝３６０°／Ｎを基準とし、前記Ｘの整数倍又は前記Ｘを整数で除した値に設定されることを特徴とする始動発電システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の始動発電システムにおいて、前記モータ用コイルは各相の巻線からなるモータコイル群を複数組有し、前記発電用コイルは前記モータコイル群の間に配置されることを特徴とする始動発電システム。
【請求項４】
請求項３記載の始動発電システムにおいて、前記発電用コイルは隣接配置された複数の前記突極によって１組の発電コイル群を形成することを特徴とする始動発電システム。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の始動発電システムにおいて、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔を、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔と異なる値に設定したことを特徴とする始動発電システム。
【請求項６】
請求項５記載の始動発電システムにおいて、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔は、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔よりも広いことを特徴とする始動発電システム。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の始動発電システムにおいて、前記レギュレータがオープンレギュレータであることを特徴とする始動発電システム。
【請求項８】
エンジン始動時にはスタータモータとして機能し、前記エンジンの始動後は発電機として機能する始動発電機であって、
複数個の突極が形成されたステータコアと、前記突極に巻装され前記始動発電機がモータとして機能する場合に使用されるモータ用コイルと、前記モータ用コイルとは異なる突極に巻装され前記始動発電機が発電機として機能する場合に使用される単相の発電用コイルとを備える固定子と、
エンジンのクランクシャフトに接続されると共に前記固定子の外側又は内側に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が周方向に沿って取り付けられた回転子とを有することを特徴とする始動発電機。
【請求項９】
請求項８記載の始動発電機において、前記発電用コイルが巻装された前記突極の配置間隔は、前記永久磁石の個数Ｎに対して、Ｘ＝３６０°／Ｎを基準とし、前記Ｘの整数倍又は前記Ｘを整数で除した値に設定されることを特徴とする始動発電機。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の始動発電機において、前記モータ用コイルは各相の巻線からなるモータコイル群を複数組有し、前記発電用コイルは前記モータコイル群の間に配置されることを特徴とする始動発電機。
【請求項１１】
請求項８〜１０の何れか１項に記載の始動発電機において、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔を、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔と異なる値に設定したことを特徴とする始動発電機。
【請求項１】
エンジン始動時にはスタータモータとして機能し、前記エンジンの始動後は発電機として機能する始動発電機を有する始動発電システムであって、
複数個の突極が形成されたステータコアと、前記突極に巻装され前記始動発電機がモータとして機能する場合に使用されるモータ用コイルと、前記モータ用コイルとは異なる突極に巻装され前記始動発電機が発電機として機能する場合に使用される単相の発電用コイルとを備える固定子と、
エンジンのクランクシャフトに接続されると共に前記固定子の外側又は内側に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が周方向に沿って取り付けられた回転子と、
前記モータ用コイルに接続され、前記回転子の位置に基づいて前記モータ用コイルを励磁し前記固定子の周囲に回転磁界を形成させるモータドライバと、
前記発電用コイルに接続され、前記発電用コイルからの出力を制御するレギュレータとを有することを特徴とする始動発電システム。
【請求項２】
請求項１記載の始動発電システムにおいて、前記発電用コイルが巻装された前記突極の配置間隔は、前記永久磁石の個数Ｎに対して、Ｘ＝３６０°／Ｎを基準とし、前記Ｘの整数倍又は前記Ｘを整数で除した値に設定されることを特徴とする始動発電システム。
【請求項３】
請求項１又は２記載の始動発電システムにおいて、前記モータ用コイルは各相の巻線からなるモータコイル群を複数組有し、前記発電用コイルは前記モータコイル群の間に配置されることを特徴とする始動発電システム。
【請求項４】
請求項３記載の始動発電システムにおいて、前記発電用コイルは隣接配置された複数の前記突極によって１組の発電コイル群を形成することを特徴とする始動発電システム。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載の始動発電システムにおいて、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔を、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔と異なる値に設定したことを特徴とする始動発電システム。
【請求項６】
請求項５記載の始動発電システムにおいて、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔は、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔よりも広いことを特徴とする始動発電システム。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の始動発電システムにおいて、前記レギュレータがオープンレギュレータであることを特徴とする始動発電システム。
【請求項８】
エンジン始動時にはスタータモータとして機能し、前記エンジンの始動後は発電機として機能する始動発電機であって、
複数個の突極が形成されたステータコアと、前記突極に巻装され前記始動発電機がモータとして機能する場合に使用されるモータ用コイルと、前記モータ用コイルとは異なる突極に巻装され前記始動発電機が発電機として機能する場合に使用される単相の発電用コイルとを備える固定子と、
エンジンのクランクシャフトに接続されると共に前記固定子の外側又は内側に回転自在に配設され、複数個の永久磁石が周方向に沿って取り付けられた回転子とを有することを特徴とする始動発電機。
【請求項９】
請求項８記載の始動発電機において、前記発電用コイルが巻装された前記突極の配置間隔は、前記永久磁石の個数Ｎに対して、Ｘ＝３６０°／Ｎを基準とし、前記Ｘの整数倍又は前記Ｘを整数で除した値に設定されることを特徴とする始動発電機。
【請求項１０】
請求項８又は９記載の始動発電機において、前記モータ用コイルは各相の巻線からなるモータコイル群を複数組有し、前記発電用コイルは前記モータコイル群の間に配置されることを特徴とする始動発電機。
【請求項１１】
請求項８〜１０の何れか１項に記載の始動発電機において、前記発電用コイルが巻装された前記突極同士の間隔を、前記モータ用コイルが巻装された前記突極同士の間隔と異なる値に設定したことを特徴とする始動発電機。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０３２３１２
【国際公開日】平成１６年４月１５日（２００４．４．１５）
【発行日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−５４１１８９（Ｐ２００４−５４１１８９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００２／０１０３５８
【国際出願日】平成１４年１０月４日（２００２．１０．４）
【出願人】（０００１４４０２７）株式会社ミツバ (2,083)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年４月１５日（２００４．４．１５）
【発行日】平成１８年２月２日（２００６．２．２）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００２／０１０３５８
【国際出願日】平成１４年１０月４日（２００２．１０．４）
【出願人】（０００１４４０２７）株式会社ミツバ (2,083)
【Ｆターム（参考）】
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