KR100621954B1 - 차량용 교류발전기 - Google Patents

Abstract

저속회전영역에서 출력전류의 포화영역까지의 전회전영역에서 출력을 향상시키는 것이 가능한 차량용 교류발전기를 얻는다.

고정자코일(5)을 갖는 고정자코어(4)와, 이 고정자코어(4)의 내경측에 배치되어 회전하는 제1의 회전자코어(8) 및 제2회전자코어(9)와, 이 제1의 회전자코어 (8)와 제2의 회전자코어(9)를 자화하는 계자코일(10)과 제1의 고정자코어(8)와 제2의 회전자코어(9)로부터 축방향으로 연장해서 설치되며, 소정의 간격을 두고 서로 맞물리는 동시에 고정자코어(4)의 내경에 소정의 공극을 통해서 대향하도록 배열된 복수의 자극편(8a)과(9a)를 구비하며, 이 자극편(8a)와(9a)은 선단부쪽이 회전방향으로 폭이 좁은 대략 사다리꼴로 형성되고, 자극편 양측면의 경사각을 근원축에서 선단에 이르는 전체길이 중, 근원측에서 약 2/3의 사이의 각도를 작게 하고, 선단측에서 약 1/3의 사이의 각도를 크게 설정한 것이다.

고정자, 계자코일.

Description

차량용 교류발전기{VEHICLE AC GENERATOR}

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1의 차량용 교류발전기에 사용하는 회전자의 구성을 표시하는 사시도.

도 2는 본 발명의 실시의 형태 1의 차량용 교류발전기에 사용하는 회전자코어의 자극편의 형상을 표시하는 평면도.

도 3은 종래의 차량용 교류발전기의 구성을 표시하는 단면도.

도 4는 종래의 차량용 교류발전기의 회전자의 사시도.

도 5는 종래의 차량용 교류발전기의 고정자의 사시도.

도 6은 종래의 차량용 교류발전기의 고정자코어의 사시도.

도 7은 종래의 차량용 교류발전기의 회전자코어와 고정자코어의 관계를 표시하는 설명도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 프론트브래킷, 2 : 리어브래킷, 3 : 고정자,

4 : 고정자코어, 5 : 고정자코일, 6 : 회전자,

7 : 회전축, 8 : 제1의 회전자코어, 8a,9a : 자극편,

9 : 제2의 회전자코어, 10 : 계자코일,

11,12 : 팬, 14 : 슬립링.

본 발명은 런델형의 회전자(rotator)를 갖는 차량용 교류발전기에 관한 것이다.

도 3 내지 도 7은 종래의 차량용 교류발전기의 구성을 표시하는 것으로, 도 3은 발전기의 단면도, 도 4는 회전자의 사시도, 도 5는 고정자의 사시도, 도 6은 고정자코어의 사시도, 도 7은 회전자코어와 고정자코어의 관계를 표시하는 설명도이다.

도 3에서 1은 프론트브래킷, 2는 리어브래킷, 3은 프론트브래킷(1)과 리어브래킷(2) 사이에 협지된 고정자로, 고정자(3)는 도 3과 도 5와 도 6에 표시하는 바와 같이 고정자코어(4)와 고정자코어(4)의 슬롯(4a)내에 삽입된 3상의 고정자코일(5)에 의해 구성되어 있다.

도 3과 도 4에서 6은 양단이 프론트브래킷(1)과 리어브래킷(2)에 지지된 회전축(7)에 고정된 회전자이고, 제1의 회전자코어(8)와 제2의 회전자코어(9)와, 양 회전자코어(8),(9)사이에 감겨진 계자(界磁) 코일(10)과 양 회전자코어(8),(9)의 배면에 설치된 팬(11) 및 (12)와 회전축(7)의 프론트브래킷(1)측의 외측에 설치된 풀리 (13)와 회전축(7)의 리어브래킷(2)측의 내측에 설치되고, 계자코일(10)에 전류를 공급하는 슬립링(14)에 의해 구성되어 있다.

또, 15는 슬립링(14)에 전류를 공급하는 브러시, 16은 이 브러시(15)를 보존하는 브러시홀더, 17은 고정자코일(5)의 교류출력을 정류하는 정류기, 18은 계자코 일(10)의 전류를 조정해서 고정자코일(5)의 출력전압을 제어하는 레귤레이터이다.

또, 제1의 회전자코어(8)와 제2의 회전자코어(9)에는 고정자코어(4)의 내경(內徑)면과 대향하는 부분에 도 4와 도 7에 표시하는 바와 같이 선단부일수록 회전방향의 폭이 좁아진 대략 사다리꼴의 자극편(8a)과 (9a)가 각각 복수개 형성되고, 이들의 자극편(8a)와 (9a)는 소정의 극간을 통해서 교대로 맞물리도록 배치되는 동시에 교대로 N극과 S극으로 자화되어 있다.

또, 각 자극편(8a)과 (9a)의 고정자코어(4)와 대향하는 외면과 회전방향 양단면과의 각부에는 고정자코어(4)의 내경면과의 사이에 형성되는 공극의 자속분포를 평활하게 해서 전자음을 억제하기 위한 모따기(8b)와 (9b)가 설치되어 있다.

이와 같이 구성된 종래의 차량용 교류발전기에서 차량에 탑재된 도시하지 않은 배터리로부터 브러시(15)와 슬립링(14)을 통해서 계자코일(10)에 통전이 되고, 회전자(6)가 플리(13)를 통해서 내연기관에 구동됨으로써 회전자(6)는 회전자계를 발생하고, 이 회전자계에 의해 고정자코일(5)에는 3상의 교류전압이 발생되며, 이 전압이 정류기(17)에 의해 정류되어 접속된 도시하지 않은 부하에 공급된다.

이와 같이 발전기가 운전상태에 있고, 부하가 저항부하인 경우, 발전기의 출력전류 I는 다음식으로 표시된다.

I = KBD ×1/L/{1+[(R+r)/ωL]²}^1/2ㆍㆍㆍㆍㆍ(1)

여기에서 K는 정수, B는 공극의 자속밀도, D는 회전자(6)의 외경, 1은 고정자코일(5)의 도체길이, L은 고정자코일(5)의 자기인덕턴스, R은 부하저항치, r은 고정자코일(5)의 저항치, ω는 회전자계의 각속도이다.

이 (1)식에서 각속도 ω이외는 발전기의 설계사양과 부하조건에 의해 결정되는 것이다. 그리고, 이 발전기의 회전수, 즉 ω를 크게 하면, 출력전류 특성은 ω와 함께 증대하는 리액턴스 ωL의 영향에 의해 포화특성을 표시하고, 이 포화상태에서의 전류 Is는

Is ∝ BD ×1/Lㆍㆍㆍㆍㆍ(2)

로서 표시된다. 따라서, 발전기의 고속회전시의 출력전류, 즉 포화전류 Is를 증대해서 고출력화하기 위해서는 자속밀도 B와 회전자(6)의 직경 D와 고정자코일(5)의 도체길이 (I)를 크게 하고, 고정자코일(5)의 자기인덕턴스 L을 작게 하면 된다.

그러나, 인덕턴스 L을 감소시키기 위해서는 고정자코일(5)의 권수를 감축하는 것이 필요하고, 이것은 동시에 고정자코일(5)의 도체길이(I)도 감소하게 되므로 출력전류의 증대에는 효과적이 아니다. 발전기의 대형화를 피해서, 즉 상기 (2)식의 D를 변경하지 않고, 출력을 증대시키는 데는 자속밀도 B를 증대시키는 것 외에는 방법이 없으나, 이러한 발전기에서는 부하시의 자속밀도 B는 출력전류 Is에 의한 전기자 반작용에 의해 무부하시의 자속밀도에 대하여 대폭적으로 저하되어 버리게 되고, 부하시의 자속밀도 B의 증대, 즉 전기자 반작용의 억제가 발전기의 출력전류의 증대에는 필요한 조건이 된다.

또, 발전기의 저속회전시에 발생전압이 소정치(배터리 전압)에 도달하기 위해서는 그에 상당하는 회전수가 필요하고, 또 계자코일(10)에 유입하는 여자전류치를 보상하지 않으면 출력이 되지 않으므로 발전기의 출력전류는 소정의 회전수에 도달하지 않으면 상승되지 않는다.

이 출력전류의 상승회전수는 고정자코일(5)의 발생전압이 역비례하므로 저속시에서의 출력전류의 상승회전수를 낮게 하는 데는 고정자코일(5)의 발생전압을 높일 필요가 있다. 이 발생전압 E는 다음 식으로 표시된다.

E ∝ B1v = B1ω/Dzㆍㆍㆍㆍㆍ(3)

이 (3)식에 표시하는 바와 같이 저속회전시의 출력특성을 향상시키는 경우에도 자속밀도 B를 증대시키는 것이 필요하다.

여기서의 자속밀도 B는 도 3의 자속 Φ에 표시하는 자로의 자극편(8a) 및 (9a)와 고정자코어(4)와의 사이에 형성되는 공극의 자속밀도이고, 이 공극의 자기저항을 감소시키는 것이 저속회전시의 출력증대에 연결되게 된다.

차량용 교류발전기는 내연기관에서 일정한 속도증가비로 속도증가되어 구동되므로 사용회전수 범위가 0에서 18,000rpm에 까지 도달되나, 특히 출력특성의 향상이 요구되는 것이 내연기관의 아이들링 회전수에 상당하는 발전기의 회전수 1,500rpm 근방과 차량의 통상 주행상태에 상당하는 발전기 회전수 약 6,000rpm 근방이다.

상기 출력전류 Is가 포화상태로 되는 회전수는 약 5,000rpm이므로 발전기로서는 이 포화상태에서의 출력전류 Is의 증대와 출력전류의 상승회전수를 낮추는데 따른 아이들링 회전시의 출력전류의 증대에 중점을 둔 구성을 취할 필요가 있다.

출력전류의 상승회전수의 저하, 즉 저속회전시에서의 출력특성의 향상에는 상기한 바와 같이 공극의 자속밀도 B를 증대시키는 것이 필요하고, 이는 공극의 자기저항을 저하시킴으로써 달성된다.

그러나, 공극의 자기저항을 저하시키기 위해 회전자(6)의 자극편(8a)와 (9a)의 면적을 증대하는 경우, 발전기의 대형화를 피하기 위해서는 자극편(8a) 및 (9a)의 폭을 회전방향으로 증대해야 하며, 이 때문에 인접하는 자극편(8a)와 (9a)의 간극이 작아지고, 누설자속이 증가해서 출력특성의 향상에는 한계가 생기게 된다.

또, 고속회전시에는 이 자극편의 면적의 증대가 전기자 반작용에 의한 감자력의 증대에 연결되게 되므로 포화상태에서의 출력전류 Is는 충분한 출력향상이 되지 않고, 저속영역에서 고속영역까지 출력을 향상시키는 것은 극히 곤란하였다.

본 발명은 이같은 과제를 해결하기 위한 것으로, 아이들링 회전수 상당의 저속영역에서 통상의 사용영역인 출력전류의 포화영역까지의 전회전영역의 출력특성의 향상이 가능한 차량용 교류발전기를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관한 차량용 교류발전기는 고정자코일을 갖는 고정자코어와, 이 고정자코어의 내경측에 설치되고 회전축에 고정된 제1의 회전자코어 및 제2의 회전자코어와, 이 제1의 회전자코어와 제2의 회전자코어를 자화하는 계자코일과, 제1의 회전자코어 및 제2의 회전자코어로부터 회전축의 축방향으로 연장해서 설치되고, 소정의 극간을 통해서 교대로 맞물리도록 배열되는 동시에 고정자코어의 내경면에 소정의 공극을 통해서 대향하도록 설치된 복수의 자극편을 구비하고, 이 자극편이 선단부가 될수록 회전방향으로 폭이 좁아지는 대략 사다리꼴로 형성하
는 동시에 이 자극편 양측면의 경사각을 근원(根元)측에서 선단이 이르는 전체길이 중, 근원측에서 약 2/3의 사이의 각도를 작게하고, 선단측에서 약 1/3의 사이의 각도를 크게 설정한 것이다.

실시예 1

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시의 형태 1의 차량용 교류발전기의 구성을 설명하기 위한 것으로, 도 1은 회전자의 사시도, 도 2는 회전자의 자극편의 형상을 표시하는 평면도이고, 상기한 종래예와 동일 기능부분은 동일부호가 부여되어 있다.

또, 아래에 설명하는 회전자의 구성 이외의 발전기 전체 구성은 상기한 종래예에서 설명한 도 3과 같고, 여기서는 상세한 설명은 생략한다. 도 1 및 도 2에서 6은 차량용 교류발전기에 사용되는 회전자이고, 회전축(7)과 회전축(7)에 고정된 제1의 회전자코어(8) 및 제2의 회전자코어(9)와, 양회전자코어(8)과 (9)사이에 감겨지며, 이들을 이 자극으로 자화하는 계자코일(10)과, 양 회전자코어(8)과 (9)사이의 배면에 설치된 팬(11) 및 (12)로 구성되고, 도 3에 표시한 바와 같이 슬립링 (14)이 회전축(7)에 부착되며, 회전축(7)은 프론트브래킷(1) 및 리어브래킷(2)에 의해 양단이 회전이 자유롭게 지지되어 있다.

8a와 9a는 제1의 회전자코어(8)와 제2의 회전자코어(9)에 각각 회전축(7)의 축방향으로 연장해서 여러개 설치된 대략 사다리꼴의 자극편이고, 이 자극편(8a) 와(9a)는 고정자코어(4)의 내경에 소정의 공극을 통해서 회전하며, 각각 선단부로 갈수록 회전방향으로 폭이 좁아지도록 경사각(스큐각)이 설치되는 동시에 각 자극편(8a),(9a) 모두 이 스큐각이 도면에 표시하는 바와 같이 자극편의 전체길이 중에서 근원으로부터 약 2/3의 사이의 각도가 α로, 또 나머지 선단부에서 약 1/3 사이의 각도가 β로 설정되고, 이들의 스큐각이 α< β의 관계가 되도록 구성되어 있다.

또, 이들의 자극편(8a)과 (9a)는 소정의 극간을 통해서 교대로 맞물리게 배치되어 한쪽이 N극과 다른쪽이 S극으로 자화되어 있다.

이와 같이 자극편(8a)과 (9a)가 선단부로 갈수록 회전방향으로 폭이 좁아지는 대략 사다리꼴로 형성되고, 교대로 상이한 극성으로 자화된 계자를 갖는 교류발전기에서는 계자코일(10)의 여자에 의한 계자자속은 그 95% 이상이 자극편(8a)과 (9a)의 전체길이 중, 근원에서 약 2/3의 길이의 사이에서 고정자코어(4)에 공급되고, 선단부에서 약 1/3의 길이의 사이에서 고정자코어(4)에 공급되는 자속량은 극히 적은 것이 된다.

한편, 고정자코일(5)을 흐르는 출력전류에 의한 전기자 반작용은 자극편(8a)과 (9a)의 전체길이에서 작용된다.

본 발명의 실시의 형태 1의 차량용 교류발전기에서는 상기와 같이 자극편 (8a) 과 (9a)의 근원에서 약 2/3 사이의 스큐각을 α로, 선단부에서 약 1/3의 사이의 스큐각을 β로서 각각의 스큐각에 α< β의 관계를 갖도록 하였으므로 근원부 2/3의 사이는 회전방향으로 면적이 확대되고, 선단부 1/3에서는 회전방향으로 면적이 축소되게 되며, 계자자속에 대해서는 공극의 자기저항을 저하시키면서 전기자 반작용에 대해서는 공극의 자기저항을 높이게 된다.

따라서, 계자코일(10)의 여자에 의한 계자자계의 자속량을 높일 수가 있고, 고속영역에서의 전기자 반작용에 의한 감자력은 억제되게 되며, 저속영역에서 고속영역까지의 출력을 향상시키는 것이 가능하게 되는 것이다.

또, 상기한 바와 같이 자극편(8a)과 (9a)의 스큐각은 α< β로 설정하고, α의 부분을 근원에서 약 2/3의 사이로 함으로써 이 사이의 자극편(8a)과 (9a)의 면적은 회전방향으로 확대되나, 선단부 1/3 사이에서는 스큐각이 크므로 이 면적확대에 따른 인접자극편간의 극간의 감소는 자극편(8a)과 (9a)가 인접하는 부분의 전체길이 중의 1/3 이하에 멈추고, 누설자속의 증가는 근소한 것으로 되어 출력특성의 향상에는 크게 영향을 미치지 않는다.

또, 자극편 선단부의 스큐각을 크게 함으로써 선단부의 중량저하가 가능해져서 고속회전시의 원심력이나 진동에 대한 내력이 향상되고, 전자가진력도 저하되므로 전자음을 저하시킬 수가 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 차량용 교류발전기에 의하면, 대략 사다리꼴로 형성된 자극편의 형상을 근원으로부터 2/3의 사이의 스큐각을 작게 하고, 선단부에서 약 1/3의 사이의 스큐각을 크게 함으로써 근원에서 약 2/3의 사이에 자극면적을 확대하고, 선단부에서 약 1/3의 사이에 자극면적을 축소하도록 하였으므로 근원으로부터 약 2/3의 사이의 자기저항을 작게 하고, 선단부에서 약 1/3의 사이에 자기저항을 크게 설정할 수가 있고, 계자자속에 대한 자기저항이 작아지며, 전기자 반작용에 대한 자기저항이 커져서 저속영역에서 고속영역까지의 전회전영역에서 출력을 향상시킬 수가 있고, 또 원심력이나 진동에 대한 기계적인 내력이 향상되는 등, 우수한 차량용 교류발전기를 얻을 수가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 고정자코일을 갖는 고정자코어;

   상기 고정자코어의 내경측에 설치되고, 회전축에 고정된 제1의 회전자코어와 제2의 회전자코어;

   상기 제1의 회전자코어와 제2의 회전자코어를 자화하는 계자코일; 및

   상기 제1의 회전자코어와 상기 제2의 회전자코어로부터 상기 회전축의 축방향으로 연장해서 설치되고, 소정의 극간을 통해서 교대로 맞물리도록 배열되는 동시에 상기 고정자코어의 내경면에 소정의 공극을 통해서 대향하도록 설치된 복수의 자극편을 구비하고,

   상기 자극편은 선단부쪽이 회전방향으로 폭이 좁아지는 대략 사다리꼴 형상으로 형성되는 동시에, 상기 자극편 양측면의 경사각을 근원측에서 선단에 이르는 전체길이 중, 근원측에서 약 2/3의 사이의 각도를 작게 하고, 선단측에서 약 1/3의 사이의 각도를 크게 설정한 것을 특징으로 하는 차량용 교류발전기.

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