专利名称：具有转动开始检测器的车用交流发电机的制作方法
本申请基于请求保护之日本优先权专利申请NO.2001-263120，这是2001年8月31申请的，这里将其内容结合为参考文献。
为了检测按键开关的工作情况却不使用信号线，实开昭62-44698提出一种检测交流发电机转动开始的方法，这是根据场磁极的剩磁在电枢绕组中感应的电压的频率来检测的。按照这种方式，可以检测交流发电机是否启动，即引擎是否发动。一旦检测到交流发电机启动，就向交流发电机的励磁绕组提供励磁电流。但是，由于所述剩磁量小，需要提高由剩磁所感应的电压电平。US-4,409,539提出通过对场磁极进行热处理改进场磁极的磁特性。另外，特开平3-215200和特开平8-503308公开了一种根据两个不同相电枢绕组中感应的线电压检测引擎转动开始的技术。
但是，可以发现这些常规技术中都存在各自的问题。在US-4,409,539中，尽管加大了剩磁，但却增加了磁阻，从而降低交流发电机在其正常工作下的输出。因此，要增大交流发电机的尺寸以保持输出。再者，还需要大尺寸的炉子来进行热处理，这导致制造成本增加。
根据特开平8-503308中公开的技术，在与检测感应电压所用的相绕组不同的相绕组上连接电阻器，并使连接电阻器的相绕组通过该电阻器接地，从而形成闭合电路。在负半周时，该电阻器上出现负电势。这意味着该电阻器两端接有三相绕组中的线电压。为了检测所述负电势，需要复杂的电路提供负基准电势，这会导致制造成本增加。因此，实际可检测的仅仅是正半周中出现的正电势。按照该出版物公开的技术，不能放大正半周出现的电压。因此，必须降低检测阈值，以提高检测精度。但是，如果降低检测阈值，由于从车载电池泄放到交流发电机的泄电流的影响，使信噪比(S/N系数)降低。因此，就难于精确地检测指示转动开始的信号。US-5,376,876和US-6,147,474中提出根据电枢电压改变阈值电平，以消除所述泄电流的影响。但是，为了改变阈值电平，就需要加入此种功能的逻辑电路。
在特开平3-215200公开的装置中，通过使两相与地悬空来检测两相之间的电势差。但是，可能会由于当交流发电机开始发电时流入检测电路很大的电流而使检测电路受到损坏。这就需要用来截断电流的保护电路，例如限流器或者开关电路，以避免上述的问题。设置这种保护电路没有有利之处，因为这会使检测电路复杂而昂贵。尤其是当采用开关电路时，需要给开关电路设置适当的电流容量和防范措施，以便防止由截断电流而产生的浪涌电流。
所述交流发电机包括转子，固定电枢，整流器和电压调节器。所述转子包括多个场磁极和提供励磁电流的转子绕组。所述电枢具有多相电枢绕组，如三相绕组。在转子的旋转磁场中电枢产生交流电流。整流器将交流电流整流为直流，以对车载电池充电。所述电压调节器通过控制供给励磁绕组的励磁电流控制交流发电机的输出。
为了检测转子转动的开始，不使用为检测按键开关动作所用的信号线，将电阻器与一相绕组连接，如Y相绕组。当转子转动时，无需提供励磁电流，而将剩磁所感应出的电压加在电阻器两端。但是由于剩磁较小，感应电压的电平较低。为了将电阻器上的电压升高到足够精确地检测转子转动开始的电压，在另一相，如Z相绕组，和整流器的负极接线柱之间连接电容器。电容器在负半周期间充的电在随后的正半周期间放出，从而提高电容器上的电压。
比较电阻器上的电压与阈值电压或基准电压。当电阻器上的电压高于阈值电压时，确定转子开始转动。由于电阻器上的电压增加到足够的电平，所以可以精确地检测转动的开始，而不用降低阈值电压的电平。一旦检测到转动的开始，就开始向励磁绕组提供励磁电流，并且在此之后通过电压调节器控制励磁电流，将交流发电机的输出保持在所要的电平上。
除了电压电平的检测之外，最好还使电阻器上电压的频率与基准频率比较，当电压电平达到阈值电平，并且频率超过预定的频率时，就检测到转子转动的开始。从车载电池经过电枢绕组流到电阻器的电流可能影响电压电平。通过既检测所述电压电平又检测频率，可以更精确地检测转子转动的开始。最好是在与汽车引擎空转相对应的频率范围中，将电容器阻抗设置得比电阻器的电阻低。按照这种方式，可以充分地向电容器充，以便提高电阻器上的电压电平。
可以由齐纳二极管构成所述的整流器，在这种情况下，将电容器的阻抗设定成不使电阻器上的电压增加到超过齐纳电压(反向击穿电压)的电平。
根据本发明，通过简单电路结构精确检测转动的开始，而不使用用来检测按键开关操作的信号线。
下面参考附图对优选实施例的说明将会使本发明的其它目的和特性更加清楚。
图6是表示电阻器两端电压的图形，包括由电容器增加的电压；图7是表示当用电阻器代替电容器时，电阻器两端电压的图形；图8是表示包括采用齐纳二极管之整流器的交流发电机一部分的电路图。
电压调节器5包括功率晶体管51，环流二极管52，电阻器53，电压比较器54、57，数字计数器55，低通滤波器(LPF)56和“与”电路58。串联在励磁绕组4上的功率晶体管51接通或者切断提供给励磁绕组4的励磁电流。电阻器53连接在一相绕组，如Y相绕组的输出端与地之间，所述这一相绕组不与电阻器21相连。电阻器53的电阻设置定为高于电容器在引擎空转速度附近的基本交流电流频率下的阻抗。
电压比较器54比较Y相输出电压(电阻器53与Y相相连)和第一阈值电压V1，并输出具有与Y相输出电压同频率的脉冲电压。数字计数器55计算电压比较器54送出的脉冲数目，并且，如果在预定时间期间计算出的脉冲数目多于预定的数目，则输出高电平。包括例如C-R(电容电阻)电路的低通滤波器56滤除交流发电机输出电压的高频分量。电压比较器57比较低通滤波器56输出的电压和第二阈值电压V2。“与”电路58输出比较器57输出与数字计数器55输出的逻辑乘积。
现在说明上述交流发电机1的工作情况。当启动引擎转子旋转时，在电枢绕组2的每一相绕组中都感应出电压，电压Py被提供给电阻器53的一端，并且随着转子旋转速度的增加，这个电压逐渐升高。当电压Py超过第一预定阈值电压V1时，比较器54输出高电平信号，作为表示转子转速的脉动信号。数字计数器55计算从比较器54送出的脉冲数目。当数字计数器55计算的脉冲数目达到与引擎空转速度相对应的脉冲数目时，数字计数器55输出高电平信号。
当数字计数器55送出的信号为高电平时，“与”电路58输出与电压比较器57送出的相同信号。因此，当低通滤波器56送来的交流发电机输出电压S比第二阈值电压V2低时，功率晶体管51变为电导通，从而将励磁电流提供给励磁绕组4。当低通滤波器56送来的交流发电机输出电压比第二阈值电压高时，功率晶体管51变为电截止，从而停止向励磁绕组4提供励磁电流。当转子的转速到达预定的等级，即空转速度时，由功率晶体管51控制的励磁电流开始产生。换句话说，可以通过电压调节器5中的电路检测引擎启动，而不是直接检测按键开关的动作情况。按照这种方式，可以省略用来检测按键开关操作的信号线，并因此简化车辆的布线。
下面参考图2到图6说明连接到一相绕组(如Z相绕组)的电容器产生的效果。图2表示的是包括电容器21，负极侧二极管(negative-sidediode)31，电阻器53和电枢绕组2的等效电路。在负半周期间(图3示出的周期“a”)流过等效电路的电流I11，I12在图2中由箭头示出。由于场磁极中剩磁的缘故，电枢绕组2中感应出电流。图3显示了在负半周期“a”期间，电阻器53上出现的电流。在负半周期“a”之后的正半周期(图5中示出的“b”)期间流过等效电路的电流I21，I22在图4中由箭头示出。在图5中显示出了在正半周期“b”期间电阻器53上出现的电压。图6中示出了由电容器21所增加的电压ΔVp。
在负半周期内，电流按图2所示的方向流过，并且向电容器21充电。但是，电容器21主要由电流I11充电，这是由于负极侧二极管31的正向阻抗小于电阻器53的阻抗。因此，电阻器53上的电压被筘位在大约-0.7伏的电平，这对应于负极侧二极管31的正向电压降。等效电路中有下面的关系I22×R＝-0.7V，其中R是电阻器53的阻值。由于电容21两端出现的电势差Q/C的缘故，“A”点的电势为Q/C伏，其中电容中储存的电荷为Q，而电容器21的电容为C。
在负半周期之后的正半周期“b”期间，由于剩磁感应的正电压而产生的电流I21以及在前一正半周期内充电的电容器21的放电电流I22按照图4所示的方向流动。因此，如图5所示，电阻器53正极端的电势由于电容器21的充电电压而升高。这是由于放掉充入电容器21中的电荷需要一定的时间周期，并且当感应电压的极性反转时，电容器21上的电压不会变为零。因此，通过电容21充电一定时间而使电阻器53正极端的电势保持在升高的电势。换句话说，由Z相绕组中的剩磁感应的电压“e”伏升高了Q/C伏。这就是说，电阻器53上的电压改变为(e+Q/C)伏。
上述现象还可以按照下面的方式来解释。由于流过电阻53的电流值为(I21+I22)，则电阻53上的电压降为(I21+I22)×R，其中R为电阻器53的阻值。电阻器53上的电压升高了ΔVp＝(I22×R)。图6表示电阻器53两端的电压，它升高了ΔVp。如果用电阻器代替电容器21，则电阻器53上的电压不会升高，因为电阻器不存储电荷，并且当感应电压的极性反转时电阻两端的电压会迅速降低。图7表示倘若用电阻器代替电容器21的时电阻器53上的电压。要由电容器21升高的电压ΔVp没有加到电阻器53的电压上。
如上所述，由剩磁感应的少量电流所存入电容器21的电荷能够提高电阻器53上的电压。具体地，考虑连接电阻器21的相绕组(Z相绕组)中感应电压的波形，在负半周期“a”存入电容器21的电荷在其后的正半周期“b”被放电，从而增加了流过电阻器53的电流量。增加的电流提高了电阻器53上的电压。通过比较电阻器53上的电压和第一阈值电压V1而无需降低阈值电压电平，就可以检测到转子以对应于引擎空转速度或者更低的速度开始转动。按照这种方式，可以很容易检测转动开始，而不用添加新的逻辑电路，也无需使用检测按键开关所用的信号线。
随着正半周期内从电容器21提供给电阻器53的电流的增加，电容器21所增加的电压ΔVp也变得更大。通过增加电容器21提供的电容电流，可以提高在检测转动开始的S/N比值。即使当由电容器21在电阻器53上增加的电压不足够高时，通过降低第一阈值电压V1，就能够检测转动开始。但是，不希望降低第一阈值电压V1，因为在检测转动开始时的S/N比值会变低。
由于电容电流降低，如果电容器21的交流电流阻抗较大，则可以有效地将电容器阻抗设定为较低的电平，以便获得较大的电容电流。可以发现通过使电容器在与引擎空转速度相对应的频率范围中的阻抗小于电阻器53的电阻R，就可以获得足够高的电容电流。按照这种方式，电容器21可以充分地升高电阻器53两端的电压，并且可以检测转动开始，而不用降低第一阈值电压V1。
下面进一步说明电容器阻抗和电阻R之间的关系。上述关系由下式表示1/ω0C＜R，或者1/ω0＜CR，其中ω0为接近空转速度时交流发电机的电角速度。这个公式表明由容量为C的电容21和阻值为R的电阻器构成的CR闭合电路的衰减时间常数大于电角速度ω0的倒数。这意味着必须将CR值设定成使不使电容器21所存的电荷在很短的时间内放掉。如果电荷迅速放完，电阻器53上的电压就不会升高到足够的电平。
本发明并不局限于上述实施方式，而是可以按照各种形式进行修改。例如，上述实施例中由普通二极管构成的整流器3，可以由齐纳二极管构成，如图8所示。但是，在这种情况下，如果电枢绕组2的输出电压超过齐纳二极管的齐纳电压(反向击穿电压)，齐纳二极管中消耗的能量就会变高，并且齐纳二极管会过热。尤其是，在如
图1所示的结构中，即使在励磁电流提供给励磁绕组4时，Y相绕组的电压也升高，并且Y相绕组中的感应电压与转子的转速成比例升高。因此，如果在高转速下Y相电压超过齐纳电压，就需要提供防范措施，以降低感应电压。例如，作为防范措施，可以反极性磁化场磁极，以便降低相关联的磁通量。但是，要实现这种防范措施，就需要所谓的H桥型逆变器，这使得电路复杂而笨重。为避免在使用齐纳二极管中的所有这些问题，将电容器21的容量值设定成，使得在不向转子提供励磁电流的情况下，转子最大转速下电阻器53上的电压小于齐纳电压。按照这种方式，在使用齐纳二极管的电路中可以得到本发明的优点，却不用提供任何特殊的防范措施。
尽管在上述实施例中通过数字计数器55计算指示转速的脉冲信号，但是转速信号可以由频率-电压转换器转换为模拟信号。此外，尽管在上述实施例中电枢绕组2为Y形连接(星形连接)，但是，当然可以用Δ形连接(三角连接)来形成电枢绕组。
尽管已经参照前述具体实施例表示并且说明了本发明，但不脱离如权利要求规定的本发明的范围的各种变化和修改对本领域的技术人员来说显而易见的。
权利要求
1.一种车用交流发电机，包括具有多个场磁极的转子；用来激励场磁极的励磁绕组；电枢，用于在转子的旋转磁场感应下产生交流电压，所述电枢包括具有多于三相的多相绕组；整流器，用来将交流电压整流为直流电压，所述整流器包括至少一个负极侧二极管；包括电阻器的电压调节器，所述电阻器用来检测场磁极中的剩磁在所述多相绕组当中的一相感应的较低电压，该电阻器与多相绕组的一相相连接；连接在多相绕组中另一相与整流器负极接线柱之间的电容器；其中所述电压调节器根据所述电阻器上的电压检测转动的开始，从而开始向励磁绕组提供励磁电流，并因而控制励磁电流，以控制交流发电机的输出电压。
2.根据权利要求1所述的车用交流发电机，其中当电阻器两端的电压高于预定的电平，并且电压的频率超过预定的频率时，电压调节器确定转子开始转动。
3.根据权利要求1所述的车用交流发电机，其中在与车辆引擎空转速度对应的基本频率范围中，将电容器的阻抗设定为低于电阻器的阻值。
4.根据权利要求2所述的车用交流发电机，其中在与车辆引擎空转速度对应的基本频率范围内，将所述电容器的阻抗设定为低于电阻器的阻值。
5.根据权利要求1所述的车用交流发电机，其中所述电压调节器包括齐纳二极管；将所述电容器的阻抗设定成使得在不向转子提供励磁电流的情况下，转子最大转速时，电阻器两端的电压小于齐纳二极管的齐纳电压。
全文摘要
一种车用交流发电机，包括检测引擎转动开始的电路。一旦检测到转动开始，就开始向励磁绕组提供励磁电流，并在此之后通过控制励磁电流控制交流发电机的输出。将电阻器连接到电枢的一相绕组上，以便在没有励磁电流提供给励磁绕组期间获得指示转动开始的电压，并将电容器连接到另一相绕组上，以便提高指示电压电平。由于通过电容器能够使由较少的剩磁量感应的指示电压升高到足够的电平，所以可以精确地检测转动的开始。
文档编号H02P9/14GK1404213SQ0213045
公开日2003年3月19日 申请日期2002年8月20日 优先权日2001年8月31日
发明者谷口真, 草濑新 申请人:株式会社电装