KR100494693B1 - 차량용 전원장치 - Google Patents

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KR100494693B1
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구리바야시마사루
아사오요시히토
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은 상용 회전속도 범위에서 얼터네이터 모드로 회전전기를 발전시키도록 제어장치에 의해 인버터 유닛을 제어해서 발전효율을 높이고, 또 저가격화를 도모하는 차량용 전원장치를 얻는다.
회전전기(20)의 전기자 권선(21)의 각상의 코일이 6턴으로 구성되고, 인버터 (22)가 직렬접속된 한쌍의 스위칭 소자(8) 및 스위칭 소자(8)에 병렬 접속된 다이오드(9)를 여러 세트 구비하고, 직렬접속된 스위칭 소자(8)의 접속점을 회전전기(20)에 접속되어 있다. 제어장치(24)는 엔진(1)의 시동시에 제1의 배터리(11)의 전력을 회전전기(20)에 공급해서 이 회전전기(20)를 구동시켜 적어도 엔진의 상용 회전속도 범위에서 회전전기(20)를 얼터네이터 모드 발전시키도록 인버터(22)를 제어한다.

Description

차량용 전원장치{AUTOMOTIVE ELECTRIC POWER SUPPLY APPARATUS}
본 발명은 엔진에 연결된 밸트구동식 차량용 회전전기(dynamoelectric machine) 및 밸트구동식 차량용 회전전기(回轉電機)를 제어하는 인버터 유닛을 구비한 차량용 전원장치에 관한 것이다.
도 8은 종래의 밸트구동식 차량용 회전전기를 사용한 차량용 전원장치를 표시한 개념도, 도 9는 종래의 회전전기의 발전출력 특성을 표시하는 도면이고, 세로축은 출력전류를 암페어(A)로 나타내고, 가로축은 회전전기(2)의 분당 회전속도(rpm)를 나타내고 있다. 도 8에 있어서, 회전전기(2)는 밸트구동식 회전전기이고, 고정자(도시 안 됨)의 전기자 권선(3)과 회전자(도시 안 됨)의 계자 권선(field winding)(4)을 구비하고, 회전자가 엔진(1)의 회전축과 밸트(도시 안 됨)에 의해 연결되어 있다. 여기서, 전기자 권선(3)은 4턴(turn)의 3상(phase) 코일을 델타(△) 결선하여 구성되어 있다.
인버터 유닛(5)은 다수의 스위칭 소자(8) 및 각 스위칭 소자(8)에 병렬로 접속된 다이오드(9)로 이루어진 인버터 모듈(6)과, 이 인버터 모듈(6)에 병렬로 접속된 콘덴서(7)를 구비하고 있다. 이 콘덴서(7)는 인버터 모듈(6)에 흐르는 전류를 평활하는 기능을 한다. 인버터 모듈(6)은 병렬로 접속된 스위칭 소자(8) 및 다이오드(9)의 2세트를 직렬로 접속한 것을 병렬로 3개 배치하고, 이들 소자 8, 9를 일체로 패키지 봉입하여 구성하고 있다. 그리고, 전기자 권선(3)의 각 델타(△) 결선 단부가 직렬로 접속된 스위칭 소자(8)의 중간 지점에 각각 접속되어 있다.
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인버터 모듈(6)은 스위칭 소자(8)의 스위칭 동작이 제어장치(10)에 의해 제어된다. 그리고, 회전전기(2)는 전력이 공급되어 시동 전동기로서 동작하고, 엔진 (1)을 시동시킨다. 또, 회전전기(2)는 엔진(1)의 시동후 엔진(1)에 의해 회전 구동되어 교류발전기로서 동작하고, 3상 교류전압을 발생한다.
회전전기(2)의 구동용 전원인 제1 배터리(11)가 인버터 모듈(6)에 병렬로 접속되어 있다. 이 회전전기(2)는 제1의 배터리(11)에 의해 고전압, 예를들면 36V로 운전된다. 또, 차량에 탑재되는 전기부하는 일반적으로 12V를 정격으로 하고 있으므로, 12V의 제2 배터리(12)가 탑재되어 있다. 그래서, 전기부하 구동용의 제2 배터리(12)를 충전할 수 있도록 DC/DC 컨버터(13)가 인버터 모듈(6)에 병렬로 접속되어 있다.
즉, 회전전기(2)에 의한 엔진(1)의 시동시에는 회전전기(2)의 발생 토크(torque)를 크게 하는, 즉 전기자 권선(3)에의 통전 전류량을 크게 할 필요가 있다. 그리고, 차량에 탑재된 전기 부하를 구동하기 위한 제2 배터리(12)에 의한 운전에서는 배선에서의 손실이 커지고, 또 배선 저항을 작게 하기 위해서 배선 자체가 커지게 된다. 그래서, 배터리 전압을 높은 전압으로 하여 송전(送電) 손실을 저감하고 있다.
다음으로, 이와 같이 구성된 종래의 차량용 전원장치의 동작에 대해 설명한다.
우선, 제어장치(10)가 각 스위칭 소자(8)를 온/오프(ON/OFF) 제어하고, 제1 배터리(11)의 직류전력으로부터 3상 교류전력을 발생시킨다. 이 3상 교류전력이 회전전기(2)의 전기자 권선(3)에 공급되고, 회전자의 계자권선(4)에 회전자계(回轉磁界)가 부여되고, 회전자가 회전 구동된다. 그리고, 회전자의 회전력이 풀리(pulley) 및 밸트(도시 안 됨)를 통해서 엔진(1)에 전달되고, 엔진(1)이 회전 구동, 즉 시동된다.
그리고, 엔진(1)이 시동되면, 엔진(1)의 회전력이 밸트 및 풀리를 통해서 회전전기(2)에 전달된다. 이로써, 회전자가 회전 구동되고, 전기자 권선(3)에 3상 교류전압이 유도되어 발생된다.
그래서, 제어장치(10)가 각 스위칭 소자(8)를 온/오프(ON/OFF) 제어하고, 전기자 권선 (4)에 유도된 3상 교류전압을 직류로 정류한다.
그리고, 인버터 유닛(5)에 의해 정류된 직류전력에 의해 제1 배터리가 충전된다. 또, 인버터 유닛(5)에 의해 정류된 직류전력이 DC/DC 컨버터(13)에 의해 12V로 변환해서 제2 배터리(12)에 공급된다.
여기서, 제어장치(10)에 의해 각 스위칭 소자(8)를 오프(OFF)시켜, 종래의 회전전기(2)를 얼터네이터 모드(alternator mode)로 발전시키는 경우, 회전전기(2)의 기전력은 회전자의 회전속도에 의존한다.
즉, 회전전기(2)의 회전자의 회전속도가 저속이 되면 얼터네이터 모드에서는 조정계 전압을 초과하는 발전량이 얻어지지 않게 된다. 그래서, 회전자의 회전속도가 저속 범위에 있을 때는 회전전기(2)를 인버터 모드에서 발전시키게 된다.
일반적인 밸트구동식 차량용 회전전기에서는 토크 전달 풀리비율이 2.5 정도이고, 일반적인 엔진의 상용 회전수 범위가 1250 ~ 3000 r/min(분당 회전수)인 것으로부터 회전전기(2)의 상용 회전속도 범위는 3000 ~ 7500 r/min이 된다.
이 회전전기(2)의 발전(發電)은 도 9에 표시된 바와같이, 회전속도가 7000 r/min 부근의 인버터 모드에서 얼터네이터 모드로 전환되어 있다. 따라서, 회전전기는 그 상용 회전 속도 범위의 대부분에서 인버터 모드로 발전되고 있는 것으로 된다.
이 인버터 모드에 의한 발전은 제어장치(10)에 의해 스위칭 소자(8)를 스위칭해서 실시하는 것으로서, 회전전기(2)의 회전속도가 빨라질수록 스위칭 소자(8)를 스위칭하는 정도, 즉 스위칭 주파수가 높아진다. 또, 인버터 모드에 의한 발전에서는 스위칭 소자(8)에 통전(通電)되는 전류는 얼터네이터 모드에 의한 발전에서 다이오드(9)에 통전되는 전류에 비해 큰 전류가 된다.
그래서, 인버터 모드에 의한 발전에서는 큰 전류가 스위칭 소자(8)에 연속해서 통전되게 된다. 이에 따라, 스위칭 소자(8)에서의 발열량이 커지므로, 인버터 유닛(5)의 냉각에는 냉각 효율이 좋은 수냉(水冷) 구조가 일반적으로 채용되었다.
종래의 밸트구동식 차량용 회전전기를 사용한 차량용 전원장치에서는 회전전기(2)가 그 상용 회전속도 범위의 대부분에서 얼터네이터 모드에 비해 발전 손실이 많은 인버터 모드로 발전되어 있으므로, 인버터에 대규모의 냉각구조가 필요해지는 동시에, 회전전기의 발전효율이 저하된다는 과제가 있었다.
또, 회전전기(2)가 고속 회전 범위까지 스위칭 소자(8)를 제어할 필요가 있고, 스위칭 주파수가 높아지므로, 제어장치(10)의 회로구성이 복잡해지고, 가격이 높아진다고 하는 과제도 있었다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 회전전기의 상용 회전속도 범위에서 얼터네이터 모드로 회전전기를 발전할 수 있도록 회전전기의 전기자 권선의 턴(turn)수를 설정하고, 엔진의 시동시에 스위칭 소자를 ON/OFF 제어해서 회전전기를 전동기로서 동작시킨다. 또 엔진시동부, 스위칭 소자를 오프로 해서 얼터네이터 모드로 회전전기를 발전시키도록 제어장치에 의해 인버터 유닛을 제어하도록 하여, 회전전기에 의한 발전효율을 높이고, 인버터의 냉각 구조를 간단화 및 소형화하고, 또 제어장치의 회로구성을 간소화해서 저가격화를 도모하는 차량용 전원장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 관한 차량용 전원장치는 배터리와 엔진에 연결되어 있고, 이 엔진을 시동할 때 상기 배터리의 전력에 의해 구동되어 해당 엔진을 시동하고, 또 이러한 엔진 시동후 이 엔진에 구동되어 교류전력을 발생하는 차량용 회전전기와, 상기 배터리의 플러스 및 마이너스 단자간에 직렬접속된 한쌍의 스위칭 소자 및 이 스위칭 소자에 병렬접속된 다이오드를 복수개 구비하고, 직렬접속된 스위칭 소자의 접속점을 상기 차량용 회전전기에 접속된 인버터와, 상기 엔진의 시동시에 상기 스위칭 소자를 온/오프(ON/OFF)시켜서 상기 배터리의 전력을 상기 차량용 회전전기에 공급하고 이 차량용 회전전기를 구동시키며 상기 엔진의 상용 회전속도 범위 이하에서 상기 스위칭 소자를 오프(OFF)로 해서 상기 다이오드군에 의해 상기 차량용 회전전기에서 발생하는 교류전력을 직류전력으로 정류시켜서 상기 배터리를 충전하도록 상기 인버터를 제어하는 제어장치를 구비한 것이다.
또, 상기 인버터의 냉각방식을 공냉(空冷)방식으로 하는 것이다.
또, 상기 인버터는 상기 스위칭 소자 및 다이오드가 히트싱크상에 장착되고, 상기 스위칭 소자 및 다이오드에서 발생하는 열이 히트싱크를 통해서 방열(放熱)되도록 한 것이다.
또, 상기 히트싱크가 방열핀을 가지고 있는 것이다.
또, 상기 인버터가 상기 차량용 회전전기에 일체로 부착되어 있는 것이다.
또, 상기 인버터가 상기 스위칭 소자로 구성된 인버터 회로부와 상기 다이오드로 구성된 정류회로부로 분할구성되고, 이 정류회로부가 상기 차량용 회전전기에 내장되어 있는 것이다.
또, 상기 인버터가 상기 차량용 회전전기의 냉각매체에 의해 냉각되도록 되어 있는 것이다.
또, 상기 제어장치는 상기 엔진의 시동을 검지했을 때에 상기 스위칭 소자를 오프(OFF)하도록 상기 인버터를 제어하는 구성을 갖도록 한 것이다.
상기 차량용 회전전기는 발전시의 조정계 전압을 E, 회전자의 자극수를 P, 하나의 자극당의 전기자 권선의 직렬 도체수를 W로 했을 때에 {E/(P2ㆍW)} < 0.04를 만족하도록 구성되어 있는 것이다.
이하, 본 발명의 실시의 형태를 도면에 따라 설명한다.
실시의 형태 1
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 밸트구동식 차량용 회전전기(dynamoelectric machine)를 적용한 차량용 전원장치를 나타내는 개념도이다. 도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 차량용 전원장치에서의 회전전기(回轉電機)의 발전 출력 특성을 나타내는 도면이고, 도면에서 세로축은 출력전력(A)을, 가로축은 회전전기의 회전속도(r/min)를 나타내고 있다.
도 1에서 회전전기(20)는 밸트구동식 차량용 회전전기이고, 그 전기자 권선(21)이 각각 5턴(turns)의 각 상(phase)의 코일을 델타(△) 결선해서 구성되어 있다. 또, 인버터 유닛(22) 및 인버터 모듈(23)은 인버터 유닛(5) 및 인버터 모듈(6)과 유사하게 구성되어 있다.
또, 그외의 구성은 도 8에 표시된 종래의 차량용 전원장치와 유사하게 구성되어 있다.
다음으로, 본 실시의 형태 1에서의 회전전기의 발전(發電) 특성에 대해 설명한다. 도 2에서 전기자 권선(21)의 각 상(相)의 코일의 턴(turn)수를 5턴으로 설정하는 회전전기(20)에서는 인버터 모드발전과 얼터네이터 모드(alternator mode) 발전의 전환 회전속도가 약 2500 r/min이고, 엔진기관 상용(常用) 회전속도 범위에서는 얼터네이터 모드 발전할 수 있는 것을 알 수 있다.
즉, 적어도 엔진기관의 상용 회전속도 범위의 전체 범위에서 회전전기(20)를 얼터네이터 모드로 발전할 수 있는 차량용 전원장치를 실현할 수가 있다.
다음에, 이 실시의 형태 1에 의한 차량용 전원장치의 동작에 대해 설명한다. 우선, 제어장치(24)가 각 스위칭 소자(8)를 온/오프(ON/OFF) 제어하고, 제1 배터리(11)의 직류전력으로부터 3상 교류전력을 발생시킨다. 이 3상 교류전력이 회전전기(20)의 전기자 권선(21)에 공급되고, 회전자의 계자권선(4)에 회전자계가 부여되어, 회전자가 회전 구동된다. 그리고, 회전자의 회전력이 풀리(pulley) 및 밸트(도시 안 됨)를 통해서 엔진(1)에 전달되고, 엔진(1)이 회전 구동, 즉 시동된다. 그리고, 엔진(1)이 시동되면, 엔진(1)의 회전력이 밸트 및 풀리를 통해서 회전전기(20)에 전달된다. 이로써, 회전자가 회전 구동되고, 전기자 권선(21)에 3상 교류전압이 유도된다. 제어장치(24)는 회전전기(20)로부터의 회전신호(f)에 따라 회전자의 회전속도를 모니터하고, 회전속도가 2500 r/min 미만일 때에, 각 스위칭 소자(8)를 온/오프(ON/OFF) 제어하고, 인버터 모드에 의해 회전전기(20)를 발전시킨다. 그리고, 회전속도가 2500 r/min가 되었을 때에, 각 스위칭 소자(8)를 오프(OFF)로 되고, 얼터네이터 모드에 의해 회전전기(20)를 발전시킨다. 이로써, 인버터 모듈(23)은 직렬접속된 2개의 다이오드(9)의 세트가 병렬로 접속된 3상 전파(全波)정류회로가 되고, 전기자 권선(21)에 유도된 3상 교류전압이 인버터 유닛(22)에 의해서 직류로 정류된다.
그리고, 인버터 유닛(22)에 의해 정류된 직류전력에 의해 제1 배터리(11)가 충전된다. 또, 인버터 유닛(22)에 의해 정류된 직류전력이 DC/DC 컨버터(13)에 의해 12V로 변환되어 제2 배터리(12)에 공급된다.
이와 같이, 이 실시의 형태 1에 의하면, 전기자 권선(21)의 각 상의 코일의 턴수를 5턴으로 설정하고 있으므로, 인버터 모드발전과 얼터네이터 모드발전의 전환 회전속도를 2500 r/min으로 저감할 수 있다.
따라서, 얼터네이터 모드에 비해 발전 손실이 많은 인버터 모드에서의 발전이 2500r/min 미만의 회전속도 범위가 된다. 다시 말하면, 적어도 엔진기관의 상용 회전속도 범위의 전체 범위에서 회전전기(20)를 얼터네이터 모드로 발전할 수 있으므로, 회전전기(20)의 발전효율이 향상된다.
또, 회전전기(20)의 고속회전 범위까지 스위칭 소자(8)를 온/오프(ON/OFF) 제어할 필요가 없고, 인버터 유닛(22)의 제어가 쉬워진다.
이 결과, 제어장치(24)의 회로구성이 쉬워지고, 저가격화를 도모할 수가 있다.
또, 이 실시의 형태 1에서는 전기자 권선(21)의 각 상의 코일의 턴수를 종래의 차량용 전원장치의 전기자 권선(2)의 각 상의 코일의 턴수에 비해 많게 하고 있으므로, 동일 토크를 발생시키기 위해 필요한 전기자 권선에의 통전량(通電量)을 작게 할 수가 있다. 그래서, 이 실시의 형태 1에 의하면, 종래의 차량용 전원장치에 비해 스위칭 소자(8)의 통전용량을 작게 설정할 수가 있으므로, 작은 전류용량의 스위칭 소자(8)를 채용할 수가 있고, 인버터 유닛(22)의 용적 및 비용을 저감할 수 있는 동시에, 대규모의 인버터 유닛(22)의 방열 설계가 불필요해지고, 인버터 유닛(22)의 소형화가 도모된다.
여기서, 얼터네이터 모드발전에서는 회전자의 회전속도가 빨라짐에 따라 전기자 권선(21)에 유도되는 전압이 커진다. 그리고, 전기자 권선(21)에 유도된 전압을 3상 전파정류한 직류전압이 제1 배터리(11)의 전압을 초과하면, 회전전기(20)의 발전을 출력으로 해서 인출하게 되는 것으로 된다. 그리고, 얼터네이터 모드발전의 출력전류가 인버터 발전모드의 출력전류를 초과하는 회전자의 회전속도가 인버터 모드발전과 얼터네이터 모드발전의 전환 회전속도가 된다.
그리고, 전기자 권선(21)의 각 상의 코일의 턴수를 증가함으로써, 전기자 권선(21)에 유도되는 전압이 커진다. 따라서, 각 상의 코일의 턴수를 증가함으로써, 인버터 모드발전과 얼터네이터 모드발전의 전환 회전속도를 저회전 속도로 시프트할 수가 있게 된다.
본 발명은 상기한 견지에 따라 발전시의 조정계 전압을 E, 회전자의 자극수를 P, 1자극당의 전기자 권선의 직렬 도체수를 W라고 했을 때에 {E/(P2ㆍW)} < 0.04를 만족하도록 회전전기를 설계함으로서, 인버터 모드발전과 얼터네이터 모드발전의 전환 회전속도를 엔진기관의 상용 회전속도 범위 이하로 할 수 있는 것에 기초하여 실시한 것이다.
또, 상기 실시의 형태 1에서는 전원이 36V의 제1 배터리(11)이기 때문에, 조정계 전압은 42V가 되고, 회전자의 자극수가 16극이기 때문에 턴수 W를 5이상으로 설정하면, {E/(P2ㆍW)} < 0.04를 만족하고 있다. 그리고, 턴수 W는 조정계 전압 (E) 및 회전자의 자극수(P)에 의해 변화하게 된다.
실시의 형태 2
이 실시의 형태 2에서는 회전전기(20)가 전기자 권선(21)의 각 상의 코일의 턴수를 6턴으로 설정하고 있다.
또, 그외의 구성은 상기 실시의 형태 1과 유사하게 구성되어 있다.
이 실시의 형태 2에 의한 차량용 전원장치에서는 도 3에 표시된 바와 같이 회전전기(20)가 회전을 개시한 시점에서 얼터네이터 모드발전할 수 있는 것을 알 수 있다.
그리고, 이 실시의 형태 2에서는 제어장치(24)가 회전전기(20)으로부터의 회전신호(f)에 따라 회전자가 회전한 시점에서 스위칭 소자(8)를 오프(OFF)로 해서 얼터네이터 모드발전을 실시하는 것으로 하고 있다.
이 실시의 형태 2에 의하면, 인버터 모드발전이 실시되지 않는 회로설계가 가능해지고, 인버터 유닛(22)의 냉각구조가 간소화된다.
또, 스위칭 소자(8)의 온/오프(ON/OFF) 제어는 회전전기(20)를 시동 전동기로 동작시키는 경우뿐이고, 인버터 유닛(22)의 제어가 간단해지므로, 제어장치(24)의 회로구성이 더욱 간단해지고, 또한 저가격화를 도모할 수가 있다.
또, 이 실시의 형태 2에서는 큰 전류를 요하는 스위칭 소자(8)의 온/오프(ON/OFF) 제어는 회전전기(20)를 시동 전동기로서 동작시키는 경우뿐이고, 또 제어시간도 0.3초 ~ 1초이므로 스위칭 소자(8)로부터의 발열은 순간적인 것이 된다. 그래서, 인버터 유닛(22)의 냉각에 냉각효율이 좋은 수냉구조를 반드시 채용할 필요는 없고, 이 손실 열량을 충분히 수용할 수 있는 열용량을 가진 히트싱크의 설계를 함으로써, 인버터 유닛(22)의 냉각에 자연 공냉(空冷)방식을 채용하는 것이 가능해진다. 그리고, 수냉구조를 채용하면 번잡한 배관이 필요하게 되고, 조립성의 악화가 비용 추가를 초래하지만, 공냉방식을 채용하면 조립성이 향상되고 저가격화가 도모된다.
실시의 형태 3
상기 실시의 형태 2에서는 회전전기(20)을 36V의 제1 배터리(11)로 운전하는 것으로 하고 있으나, 이 실시의 형태 3에서는 회전전기(20)를 12V의 제2 배터리(12)로 운전하는 것으로 하고 있다.
즉, 회전전기(20)는 전기자 권선(21)의 각 상의 코일 턴수를 6턴으로 하고 있으므로, 전기자 권선(21)에의 통전량을 작게 해도 엔진(1)을 시동시키는데 충분한 토크를 발생시킬 수가 있다.
그래서, 송전 손실이 작아지게 되고, 12V의 제2 배터리(12)를 사용해서 회전전기(20)를 운전할 수가 있다.
이 실시의 형태 2에 의하면, 회전전기(20)를 제2 배터리(12)로 운전하도록 하고 있으므로, DC/DC 컨버터(13)가 불필요하게 되고, 인버터 유닛(22)의 저가격화 및 소형화를 실현시킬 수가 있다.
실시의 형태 4
상기 실시의 형태 1에서는 인버터 유닛(22)을 회전전기(20)와 별개로 구성하고, 또 인버터 유닛(22)을 회전전기(20)와 별도로 설치하는 것으로 하고 있으나, 본 실시의 형태에서는 도 4에 표시한 바와 같이 인버터 유닛(22)을 회전전기(20)의 리어 브래킷(rear bracket)(44)의 단면(외벽면)에 탑재하는 것으로 하고 있다.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 4에 관한 차량용 전원장치에서의 인버터 유닛의 부착구조를 설명하는 종단면도, 도 5는 본 발명의 실시의 형태 4에 관한 차량용 전원장치에서의 인버터 유닛의 부착구조를 설명하는 종단면도, 도 5는 본 발명의 실시의 형태 4에 관한 차량용 전원장치에서의 인버터 유닛의 구조를 설명하는 도면이고, 도 5의 (a)는 일부 파단 측면도, 도 5의 (b)는 그 평면도이다.
도 4 및 도 5에서 회전전기(20)는 샤프트(41)에 고정 장착되어 프론트 브래킷(43) 및 리어 브래킷(44)에 회전이 자유롭게 장착된 런델형(Lundell type)의 회전자(40)와, 프론트 브래킷(43) 및 리어 브래킷(44)의 측단부에 협지되어 회전자(40)를 둘러싸도록 배치된 고정자(42)와, 회전자(40)의 축방향의 양단면에 고정 장착된 팬(45)과 샤프트(41)의 프론트측의 단부에 고정 장착된 풀리(46)와, 샤프트(41)의 리어측 외주에 위치하도록 리어 브래킷(44)의 내벽면에 배치된 브러시홀더(47)와, 샤프트(41)의 리어측에 장착된 한쌍의 슬립링(49)에 접하도록 브러시홀더(47)내에 배치된 한쌍의 브러시(48)를 구비하고 있다. 그리고, 이 회전전기(20)는 풀리(46) 및 밸트(도시 안 됨)을 통해서 엔진(1)에 연결되어 있다.
또, 흡기구멍(43a, 44a)이 프론트 브래킷(43) 및 리어 브래킷(44)의 단면에 형성되어 있고, 배기구멍(43b, 44b)이 프론트 브래킷(43) 및 리어 브래킷(44)의 측면에 형성되어 있다.
그리고, 인버터 유닛(22A)은 스위칭 소자(8)로부터의 발열에 기인하는 손실열량을 충분히 수용할 수 있는 열용량을 갖도록 방열 설계된 히트싱크(30)와, 절연수지에 의해 히트싱크(30)의 외주부에 일체로 성형된 수지성형부(31)와, 스위칭 소자(8)를 온/오프(ON/OFF) 제어하기 위한 전자부품이 실장된 제어회로기판(32)과, 전원단자(33, 34)를 구비하고 있다.
히트싱크(30)는 동, 알루미늄 등의 양열(良熱) 전도체로 C형태로 제작되고, 핀(30a)이 그 내주면에 주위방향으로 다수개 형성되고, 3개의 평탄면(30b)이 그 외주면에 형성되어 있다. 그리고, 병렬로 접속되는 스위칭 소자(8) 및 다이오드(9)의 2세트가, 각 평탄면(30b)에 각각 고정 장착되어 있다.
수지성형부(31)에는 스위칭 소자(8) 및 다이오드(9)의 소자군과 제어회로기판(32)을 수납하는 수납공간(31a)이 형성되어 있다. 그리고, 히트싱크(30)의 각 평탄면(30b)이 수납공간(31a)내에 노출되어 있다. 또, 도시하지 않았으나 인서트 도체가 수지성형부(31)에 인서트 성형되어 있고, 인서트 도체의 일부가 접속단자로서 소정 위치에 노출되어 있다. 또, 전원단자(33, 34)가 수지성형부(31)에 부착되고, 인버터 유닛으로 플러스극 및 마이너스극을 구성하는 접속단자에 각각 전기적으로 접속되어 있다.
그리고, 스위칭 소자(8) 및 다이오드(9)가 각 평탄면(30b)에 고정 장착되고, 제어회로기판(32)의 각 단자가 스위칭 소자(8) 및 다이오드(9)의 각 단자에 전기적으로 접속되어, 수납공간(31a)내에 부착된다.
또, 제어회로기판(32)과 인서트 도체의 접속단자를 결선한 후, 뚜껑(35)에 의해 수납공간(31a)을 밀폐하여, 인버터 유닛(22A)이 조립된다.
이와 같이 조립된 인버터 유닛(22A)이 핀(30a)의 길이방향(도 5의 (b)의 가운데 지면과 직교하는 방향)을 샤프트(41)의 축심방향으로 설치하도록, 또 샤프트(41)를 둘러싸도록 배치되고, 부착 금구(도시 안 됨)에 의해 리어 브래킷(44)의 단면(외벽면)에 부착되어 있다.
그리고, 전기자 권선(21)의 델타(△) 결선 단부가 직렬접속된 스위칭 소자(8)의 중간점에 접속되어 있는 인서트 도체의 접속단자에 결선된다. 또, 전원단자(33, 34)가 제1 배터리(11)에 접속된다. 이에 의하여, 도 1에 표시된 회로와 등가의 전원회로가 구성된다.
이 실시의 형태 4에서는 회전자(40)가 회전 구동되면 팬(45)이 구동된다. 이로써, 도 4중 화살표에 표시된 바와같이 냉각풍이 흡기구멍(43a, 44a)으로부터 프론트 및 리어 브래킷(43, 44)내에 도입되고, 팬(45)에 의해 원심방향으로 구부러져서 배기구멍(43b, 44b)에서 배출되는 냉각풍의 흐름이 형성된다. 그리고, 이 냉각풍에 의해 전기자 권선(21)이 냉각된다. 이때, 냉각풍이 히트싱크(30)의 핀(30a)에 따라 흐르고, 스위칭 소자(8) 및 다이오드(9)에서 발생한 열이 핀(30a)을 통해서 냉각풍으로 방열된다.
그리고, 회전전기(20)의 얼터네이터 모드로 발전된 전력은 인버터 유닛(22A)에서 직류로 정류된 후, 전원단자(33, 34)를 통해서 배터리에 공급된다.
또, 이 실시의 형태 4에서는 {E/(P2ㆍW)} < 0.04를 만족하도록 회전전기(20)를 설계하고, 상기 실시의 형태 2와 같이, 엔진(1)의 시동시에 스위칭 소자(8)를 온/오프(ON/OFF) 제어해서 회전전기(20)를 시동 전동기로서 동작시키고, 또 엔진(1)의 시동후 스위칭 소자(8)를 오프(OFF)로 해서, 엔진기판의 상용 회전속도 범위 뿐아니라, 엔진기판의 전체 회전속도 범위에서 회전전기(20)를 얼터네이터 모드로 발전하도록 하고 있다.
상기 실시의 형태 1에서는 인버터 유닛(22)이 회전전기(20)와 별개로 구성되고, 또 회전전기(20)와 별도로 배치하여 설치되어 있으므로, 접속되는 히네스류(harnesses)가 길어지고, 중량 증가나 외란 노이즈특성의 내성이 악화된다는 문제가 있었다.
그러나, 이 실시의 형태 4에 의하면 인버터 유닛(22A)이 리어 브래킷(44)에 일체로 부착되어 있으므로 접속되는 히네스류를 짧게 할 수 있고, 히네스의 중량 감소나 외란 노이즈특성의 내성이 향상된다.
또, 히트싱크(30)가 스위칭 소자(8)로부터의 발열에 의한 손실열량을 충분히 수용하는 열용량을 갖도록 방열 설계되어 있으므로, 히트싱크(30)의 소형화 즉, 인버터 유닛(22A)의 소형화가 도모되고, 인버터 유닛(22A)의 리어 브래킷(44)에의 탑재특성이 향상된다.
또, 인버터 유닛(22A)의 냉각매체가 회전전기(20)의 냉각매체(냉각풍)를 공용하고 있으므로, 냉각구조가 간소화된다. 또, 인버터 유닛(22A)의 히트싱크(30)에 핀(30a)을 배치하고, 팬(45)의 구동에 의해 형성되는 냉각풍이 핀(30a)을 따라 흐르기 때문에 스위칭 소자(8) 및 다이오드(9)로 발생하는 열이 히트싱크(30)에 전달된 후, 핀(30a)을 통해서 냉각풍으로 방열된다. 따라서, 자연 냉각구조에 비해 냉각효율이 높고, 히트싱크(30)의 소형화가 더 촉진된다.
실시의 형태 5
도 6은 본 발명의 실시의 형태 5에 관한 밸트구동식 차량용 회전전기를 적용한 차량용 전원장치를 표시하는 개념도, 도 7은 본 발명의 실시의 형태 5에 관한 차량용 전원장치에서의 인버터 유닛의 부착구조를 설명하는 종단면도이다.
상기 실시의 형태 4에서는 스위칭 소자(8)와 다이오드(9)가 나란하게 배치되어 인버터 유닛(22A)을 구성하는 것으로 하고 있으나, 이 실시의 형태 5에서는 도 6에 표시한 바와같이 스위칭 소자(8)로 된 인버터 회로부(인버터 유닛 22B)와 다이오드(9)로 된 3상 전파 정류회로부(정류기 51)가 별개로 구성되어 있다. 또, 회전전기 (20)를 12V의 제2 배터리(12)로 운전하도록 하고 있다.
인버터 유닛(22B)은 히트싱크(30A)와 절연성 수지에 의해 히트싱크(30A)의 외주부에 일체로 성형된 수지성형부(31A)와 스위칭 소자(8)를 온/오프(ON/OFF) 제어하기 위한 전자부품이 장착된 제어회로기판(32A)과 전원단자(33, 34)를 구비하고 있다.
히트싱크(30A)는 동, 알루미늄 등의 양열 전도체로 C형태로 제작되고, 3개의 평단면(30b)가 그 외주면에 형성되어 있다. 그리고, 병렬로 접속되는 2개의 스위칭 소자(8)가 각 평탄면(30b)에 각각 고정 장착되어 있다.
수지성형부(31A)에는 스위칭 소자(8)와 제어회로기판(32A)을 수납하는 수납공간(31a)이 형성되어 있다. 그리고, 히트싱크(30A)의 각 평탄면(30b)이 수납공간 (31a)내에 노출되어 있다.
또, 도시하지 않으나 인서트 도체가 수지성형부(31A)에 인서트 성형되어 있고, 인서트 도체가 수지성형부(31A)에 인서트 성형되어 있고, 인서트 도체의 일부가 접속단자로서 소정 위치에 노출되어 있다. 또, 전원단자(33, 34)가 수지성형부 (31A)에 부착되고, 인버터 유닛의 플러스극 및 마이너스극을 구성하는 접속단자에 각각 전기적으로 접속되어 있다.
그리고, 스위칭 소자(8)가 각 평탄면(30b)에 고정 장착되고, 제어회로기판(32A)의 각 단자가 스위칭 소자(8)의 각 단자에 전기적으로 접속되어 수납공간(31a)내에 부착된다. 또, 제어회로기판(32A)과 인서트 도체의 접속단자를 결선한 후, 뚜껑(35)에 의해 수납공간(31a)을 밀폐해서 인버터 유닛(22B)이 조립된다.
정류기(51)는 일면을 소자 실장면(52a)으로 하고, 다수의 핀(52b)이 다른 면에 직립으로 형성된 원호상의 제1 히트싱크(52)와 일면을 소자 실장면(53a)으로 하고 다수의 핀(53b)이 다른 면에 직립으로 형성하고, 제1 히트싱크(52)로부터 큰 직경의 원호상으로 형성되고, 제1 히트싱크(52)의 외주에 소자 실장면(52a, 53a)를 동일면 위치가 되도록 배치되는 제2 히트싱크(53)와 절연성 수지에 의해 원호상으로 성형되고, 제1 및 제2 히트싱크(52, 53)의 소자 실장면(52a, 53a)상에 배치되는 서키트 보드(54)를 구비하고 있다.
제1 및 제2의 히트싱크(52, 53)는 동, 알루미늄 등의 양열 전도체로 제작되고, 다이오드(9)가 각 소자 실장면(52a, 53a)의 각각에 3개씩 실장되어 있다. 서키트 보드(54)에는 도시하지 않았으나 인서트 도체가 인서트 성형되어 있고, 인서트 도체의 일부가 접속단자로서 소정 위치에 노출되어 있다.
그리고, 제2 히트싱크(53)가 제1 히트싱크(52)의 외주에 소자 실장면 (52a, 53a)을 동일면 위치가 되도록 배치되고, 서키트 보드(54)가 제1 및 제2 히트싱크(52, 53)의 소자 실장면(52a, 53a)상에 배치되며, 다이오드(9)의 각 단자가 서키트 보드(54)의 접속단자에 결선되어 정류기(51)가 조립된다.
그리고, 도 7에 표시된 바와같이 인버터 회로부를 구성하는 스위칭 소자(8)를 조립한 인버터 유닛(22B)이 회전전기(20)의 리어 브래킷(44)의 단면(외벽면)에 부착되고 정류기(51)가 리어 브래킷(44)의 내벽면에 부착된다. 그리고, 직렬로 접속된 스위칭 소자(8)의 중간점 및 직렬로 접속된 다이오드(9)의 중간점이 전기자 권선(21)의 델타(△) 결선 단부에 전기적으로 접속된다. 또, 전원단자(33, 34)가 제 2의 배터리(12)에 접속된다. 이로써, 도 6에 표시된 전원회로가 구성된다.
이 실시의 형태 5에서는 회전자(40)가 회전 구동되면 팬(45)이 구동된다. 이로써, 상기 실시의 형태 4와 같이 냉각풍이 흡기구멍(43a, 44a)으로부터 프론트 및 리어 브래킷(43, 44)내로 도입되고, 팬(45)에 의해 원심방향으로 구부러져서 배기구멍(43b, 44b)으로부터 배출되는 냉각풍의 흐름이 형성된다. 그리고, 이 냉각풍에 의해 전기자 권선(21)이 냉각된다.
이때, 냉각풍이 히트싱크(30A)의 내주면을 따라 흐르고, 스위칭 소자(8)에서 발생한 열이 냉각풍으로 방열된다.
또, 냉각풍이 제 1 및 제 2의 히트싱크(52, 53)의 핀(52b, 53b)을 따라 흐르고, 다이오드(9)에서 발생한 열이 핀(52b, 53b)을 통해서 냉각풍으로 방열된다.
그리고, 회전전기(20)의 얼터네이터 모드로 발전된 전력은 정류기(51)에서 직류로 정류된 후, 전원단자(33, 34)를 통해서 제2 배터리(12)에 공급된다.
또, 이 실시의 형태 5에서도 {E/(P2ㆍW)} < 0.04를 만족하도록 회전전기(20)를 설계하고, 상기 실시의 형태 2와 같이 엔진(1)의 시동시에 스위칭 소자(8)를 온/오프(ON/OFF) 제어해서 회전전기(20)를 시동 전동기로서 동작시키고, 또 엔진(1)의 시동후 스위칭 소자(8)를 오프(OFF)로 해서 엔진기관의 상용 회전속도 범위 뿐아니라 엔진기관의 전체 회전속도 범위에서 회전전기(20)를 얼터네이터 모드로 발전하도록 하고 있다.
이 실시의 형태 5에 의하면 인버터 유닛(22B)이 스위칭 소자(8)를 구성된 인버터 회로부만을 가지고 있으므로, 인버터 유닛(22B)은 엔진(1)의 시동시에만 구동된다. 따라서, 인버터 유닛(22B)에서의 평상시의 손실발열이 없어지고, 인버터 유닛(22B)의 방열 설계가 쉬워진다. 즉, 인버터 유닛(22B)의 히트싱크는 엔진(1)의 시동시의 통전에 의한 발열을 냉각하는데 충분한 열용량이 되도록 설계하면, 방열핀을 생략할 수가 있다. 이로써, 인버터 유닛(22B)의 소형화가 촉진되고, 탑재성이 특별하게 향상된다.
이 실시의 형태 5에서도 인버터 유닛(22B)이 리어 브래킷(44)에 일체로 부착되어 있으므로, 접속되는 허네스류를 짧게 할 수 있고, 허네스의 중량 저감이나 외란 노이즈특성의 내성이 향상된다.
또, 인버터 유닛(22B)의 냉각매체가 회전전기(20)의 냉각매체(냉각풍)와 공용하고 있으므로, 냉각구조가 간소화된다.
또, 12V의 제2 배터리(12)로 회전전기(20)을 운전하도록 하고 있으므로, DC/DC 컨버터(13)가 불필요하게 되고 소형화 및 저가격화가 도모된다.
또, 상기 각 실시의 형태에서는 전기자 권선(21)이 3상분의 코일을 델타(△) 결선하여 구성되어 있는 것으로 하고 있으나, 본 발명은 전기자 권선(21)에 대신해 3상분의 코일을 Y결선해서 구성된 전기자 권선을 채용해도 같은 효과가 얻어진다.
또, 상기 각 실시의 형태에서는 전기자 권선(21)이 3상분의 코일 전기자 권선을 구성하는 상의 수가 3상으로 한정되는 것은 아니고, 예를들면 4상, 5상이라도 된다.
또, 상기 각 실시의 형태에서는 인버터 유닛이 물 및 공기를 냉각매체로 하는 냉각방식에 의해 냉각되는 것으로 해서 설명하고 있으나, 기름을 냉각매체로 하는 냉각방식을 채용해도 된다.
또, 본 발명에 의한 차량용 전원장치는 디젤자동차, 휘발유, 엔진자동차, 하이브리드 자동차의 전원장치로서 적용할 수 있다.
본 발명은 이상과 같이 구성되어 있으므로, 아래에 기재된 바와같은 효과를 나타낸다.
본 발명에 의하면 배터리와 엔진에 연결되어 있고, 이 엔진의 시동시, 상기 배터리의 전력에 의해 구동되어 이 엔진을 구동하고, 또 이 엔진시동후 이 엔진에 구동되어서 교류전력을 발생하는 차량용 회전전기와, 상기 배터리의 플러스 및 마이너스 단자간에 직렬접속된 한쌍의 스위칭 소자 및 이 스위칭 소자에 병렬접속된 다이오드를 여러 세트 구비하고, 직렬접속된 스위칭 소자의 접속점을 상기 차량용 회전전기에 접속된 인버터와 상기 엔진 시동시에 상기 스위칭 소자를 온/오프(ON/OFF)시켜서 상기 배터리의 전력을 상기 차량용 회전전기에 공급해서 이 차량용 회전전기를 구동시키고 상기 엔진의 상용회전속도 이하에서 상기 스위칭 소자를 오프(OFF)로 해서 상기 다이오드군에 의해 상기 차량용 회전전기로 발생하는 교류전력을 직류전력으로 정류시켜서 상기 배터리를 충전하도록 상기 인버터를 제어하는 제어장치를 구비하고 있으므로 회전전기에 의한 발전효율을 높이고, 인버터의 냉각구조를 간소화 및 소형화할 수가 있고, 또 제어장치의 회로구성을 간소화해서 저가격화가 도모되는 차량용 전원장치를 실현할 수가 있다.
또, 상기 인버터의 냉각방식을 공냉방식으로 하고 있으므로, 냉각구조가 간소화된다.
또, 상기 인버터는 상기 스위칭 소자 및 다이오드가 히트싱크상에 장착되고, 상기 스위칭 소자 및 다이오드로 발생하는 열이 히트싱크를 통해서 방열되도록 하고 있으므로, 냉각매체로서 공기를 사용해도 효율 좋게 인버터를 냉각할 수 있다.
또, 상기 히트싱크가 방열핀을 가지고 있으므로, 냉각효율이 더욱 향상된다.
또, 상기 인버터가 상기 차량용 회전전기에 일체로 부착되어 있으므로, 허네스 중량을 저감시킬 수 있는 동시에 외란 노이즈특성의 내성을 높일 수가 있다.
또, 상기 인버터가 상기 스위칭 소자로 구성된 인버터 회로부와, 상기 다이오드로 구성된 정류회로부로 분할구성되고, 이 정류회로부가 상기 차량용 회전전기에 내장되어 있으므로 인버터 회로부의 소형화가 도모되고, 인버터 회로부의 탑재성이 향상된다.
또, 상기 인버터가 상기 차량용 회전전기의 냉각매체에 의해 냉각되도록 되어 있으므로, 냉각구조가 일원화되어 소형화, 저가격화가 도모된다.
또, 상기 제어장치는 상기 엔진의 시동을 검지했을 때에 상기 스위칭 소자를 오프(OFF)하도록 상기 인버터를 제어하는 구성을 가지므로 인버터 모드발전이 생략되어, 인버터의 냉각설계가 쉬워진다.
상기 차량용 회전전기는 발전시의 조정계 전압을 E, 회전자의 자극수를 P, 1자극당의 전기자 권선의 직렬 도체수를 W로 했을 때에 {E/(P2ㆍW)} < 0.04를 만족하도록 구성되어 있으므로 인버터 모드발전과 얼터네이터 모드발전의 전환 회전속도를 엔진기관의 상용 회전속도 범위 이하로 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 밸트구동식 차량용 회전전기를 적용한 차량용 전원장치를 표시하는 개념도.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 차량용 전원장치에서의 회전전기의 발전출력 특성을 표시하는 도면.
도 3은 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 차량용 전원장치에서의 회전전기의 발전출력 특성을 표시하는 도면.
도 4는 본 발명의 실시의 형태 4에 관한 차량용 전원장치에서의 인버터 유닛의 부착구조를 설명하는 종단면도.
도 5는 본 발명의 실시의 형태 4에 관한 차량용 전원장치에서의 인버터 유닛의 부착구조를 설명하는 도면.
도 6은 본 발명의 실시의 형태 5에 관한 밸트구동식 차량용 회전전기를 적용한 차량용 전원장치를 표시하는 개념도.
도 7은 본 발명의 실시의 형태 5에 관한 차량용 전원장치에서의 인버터 유닛의 부착구조를 설명하는 종단면도.
도 8은 종래의 차량용 전원장치를 표시하는 개념도.
도 9는 종래의 회전전기의 발전출력 특성을 표시하는 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1. 엔진, 8. 스위칭 소자, 9. 다이오드,
11. 제1의 배터리, 12. 제2의 배터리, 20. 회전전기,
21. 전기자 권선, 22,22A. 인버터 유닛(인버터)
22B. 인버터 유닛(인버터 회로부), 24. 제어장치,
30. 히트싱크, 30a. 핀, 51. 정류기(정류회로부).

Claims (3)

  1. 배터리와;
    엔진에 연결되어, 상기 엔진의 시동시 상기 배터리의 전력에 의해 구동되어 상기 엔진을 시동하고, 또 상기 엔진의 시동후 엔진에 의해 구동되어 교류전력을 발생하는 차량용 회전전기와;
    상기 배터리의 플러스 및 마이나스 단자간에 직렬접속된 한쌍의 스위칭 소자 및 이 스위칭 소자에 병렬접속된 다이오드의 세트를 복수 개 가지며, 상기 직렬접속된 스위칭 소자의 접속점이 상기 차량용 회전전기에 접속된 인버터와;
    상기 엔진 시동시에 상기 스위칭 소자를 온/오프(ON/OFF)시켜서 상기 배터리의 전력을 상기 차량용 회전전기에 공급함으로써 이 차량용 회전전기를 구동시키고, 적어도 상기 엔진의 상용 회전속도의 전체 범위에서, 상기 스위칭 소자를 오프(OFF)로 해서 상기 다이오드군에 의해 상기 차량용 회전전기에서 발생하는 교류전력을 직류전력으로 정류시킴으로써 상기 배터리가 충전되도록 상기 인버터를 제어하는 제어장치
    를 구비하며,
    상기 차량용 회전전기는 발전시의 조정계 전압을 E, 회전자의 자극수를 P, 1자극당의 전기자 권선의 직렬 도체수를 W로 했을 때, {E/(P2ㆍW)} < 0.04를 만족하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 전원장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 엔진의 시동을 검지했을 때에 상기 스위칭 소자를 오프(OFF)가 되도록 상기 인버터를 제어하는 구성을 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 전원장치.
  3. 삭제
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