KR100921276B1

KR100921276B1 - 출력 가변형 알터네이터

Info

Publication number: KR100921276B1
Application number: KR1020070072397A
Authority: KR
Inventors: 서주원
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-07-19
Filing date: 2007-07-19
Publication date: 2009-10-09
Also published as: KR20090008995A

Abstract

본 발명에 의한 출력 가변형 알터네이터는, 회전축이 회전됨에 따라 전류를 발생시키는 알터네이터에 있어서, 상기 회전축을 감싸도록 결합되는 풀리; 상기 회전축의 외측면과 접촉되는 내부공간을 갖도록 형성되어, 상기 풀리 내부에 마련되는 리테이너; 상기 리테이너의 내부 공간에 채워지는 자기 유변성유체(Magneto Rheological Fluid); 전류가 인가됨에 따라 상기 자기 유변성유체에 자기장을 인가하는 코일; 상기 코일로의 전류 인가를 제어하는 제어부를 포함하여 구성된다.

본 발명에 의한 출력 가변형 알터네이터를 이용하면, 배터리의 소모량이나 배터리의 충전상태 등 여러 가지 조건에 따라 배터리를 충전시키는 전류 공급을 조절할 수 있으므로, 배터리가 과충전되거나 방전되지 아니하도록 배터리의 충전량을 일정하게 유지시킬 수 있고, 이에 따라 배터리의 수명을 연장시킬 수 있다는 장점이 있다.

알터네이터, 풀리, 리테이너, 유변성유체, 충전, 방전, 자기장

Description

출력 가변형 알터네이터{Alternator adjustable output}

본 발명은 차량용 배터리를 충전시키기 위한 알터네이터에 관한 것으로, 더 상세하게는 배터리의 사용량 및 충전량에 따라 배터리를 충전시키기 위한 출력이 가변됨으로써 배터리의 방전 및 과충전을 방지할 수 있도록 구성되는 출력 가변형 알터네이터에 관한 것이다.

일반적으로 자동차에서 사용되는 배터리는 영구적으로 사용하지 못하고, 통상 일정기간이 지나게 되면 충전을 해야 하는데, 이러한 충전장치로는 교류발전기 즉, 알터네이터(Alternator)가 널리 사용되고 있다.

이러한 알터네이터는 엔진의 크랭크축과 연결된 크랭크 풀리의 회전력을 벨트를 통해 전달받아 구동된다. 이와 같이 구동력을 전달하기 위한 벨트로는, 접촉면의 단면이 평판인 평벨트와, 마찰계수를 보다 크게 하고 전달효율을 좋게 하기 위해 단면을 'V' 자형으로 한 V벨트 등이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 종래의 알터네이터에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 종래 알터네이터의 단면도이다.

알터네이터의 일반적인 구성을 살펴보면, 도 1에 도시된 바와 같이 스테이터(2)의 내부의 회전축(4)상에 로터(6)가 배치되어 전측 부분은 프론트 브라켓(8)에 의해 보호되고, 후측 부분은 케이스(10)에 의하여 보호될 수 있도록 구성된다.

그리고 상기 스테이터(2)의 후측에는 서킷트 보드(12)가 고정되어 방열부(14), 정류기, 레귤레이터등의 전자부품(16)이 배치되며, 상기 케이스(10)는 상기 부품들만이 아니라 하측부의 브러시 룸(18)까지 모두 수용할 수 있도록 구성된다.

이때, 알터네이터 발전 시 통상 80℃ 이상의 열을 발생하며, 외기온이 40이상인 경우에는 100 ∼ 110℃까지의 열이 발생하는 바, 알터네이터 내부의 냉각을 위하여 전측부의 회전축(4)상에 외장형 냉각팬(24)이 설치되며, 전측부로 돌출된 회전축(4)에는 벨트(미도시)에 의해 회전력을 전달받을 수 있도록 풀리(26)가 장착된다.

또한 상기 스테이터(2)는 스테이터 코어(20)의 내측에 코일(22)이 권선되어 구성되고 로터(6)는 영구자석으로 이루어진다.

따라서 상기 풀리(26)로 회전력이 전달되면 상기 풀리(26)와 결합된 회전축(4)이 함께 회전되고, 상기 회전축(4)에 결합된 로터(6) 역시 회전되어 상기 코일(22)에 전류가 발생된다.

상기와 같이 구성되는 종래의 알터네이터는 엔진의 구동력을 이용하여 배터리를 충전시킬 수는 있지만, 배터리를 충전시키기 위한 출력이 엔진의 회전속도에 비례할 뿐이므로 각종 조건에 맞게 배터리를 적정하게 충전시킬 수는 없다는 단점이 있다. 즉, 배터리가 충분히 충전되어 있는 상태에서 고속 주행 시와 같이 엔진의 회전속도가 높은 환경이 지속적으로 유지되면, 배터리가 과충전됨에 따라 배터리의 수명이 단축된다는 문제점이 있다. 반대로, 배터리의 소모량이 많을 때에는 보다 빠르게 배터리를 충전시켜야 하는데, 엔진이 아이들 상태인 경우와 같이 회전축의 회전속도가 낮은 상태에서는 배터리를 충분하게 충전시키기 어렵다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 배터리의 소모량이나 배터리의 충전상태에 따라 회전축의 회전속도가 조절될 수 있도록 구성되는 출력 가변형 알터네이터를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명에 의한 출력 가변형 알터네이터는,

회전축이 회전됨에 따라 전류를 발생시키는 알터네이터에 있어서,

상기 회전축을 감싸도록 결합되는 풀리;

상기 회전축의 외측면과 접촉되는 내부공간을 갖도록 형성되어, 상기 풀리 내부에 마련되는 리테이너;

상기 리테이너의 내부 공간에 채워지는 자기 유변성유체(Magneto Rheological Fluid);

전류가 인가됨에 따라 상기 자기 유변성유체에 자기장을 인가하는 코일;

상기 코일로의 전류 인가를 제어하는 제어부;

를 포함하여 구성된다.

상기 풀리는 자동차 엔진의 회전력을 전달받을 수 있도록 구성되고,

발생된 전류로 자동차의 배터리를 충전시키도록 구성된다.

상기 제어부는, 상기 배터리의 사용량이 증가되면 상기 코일로의 전류 인가량을 증가시키고, 상기 배터리의 사용량이 감소되면 상기 코일로의 전류 인가량을 감소시키도록 구성된다.

상기 제어부는, 상기 배터리의 충전량이 증가되면 상기 코일로의 전류 인가량을 감소시키고, 상기 배터리의 충전량이 감소되면 상기 코일로의 전류 인가량을 증가시키도록 구성된다.

상기 제어부는, 상기 배터리의 충전량이 80% 미만인 경우 상기 코일로의 전류 인가량을 증가시키고, 상기 배터리의 충전량이 80% 이상인 상기 코일로의 전류 인가량을 감소시키도록 구성된다.

상기 리테이너는 상기 회전축의 중단 외주면을 감싸도록 링 형상으로 형성된다.

상기 회전축은 상기 자기 유변성유체와 접촉되는 부위에 리테이너의 내부 공간으로 돌출되는 회전플레이트가 구비된다.

상기 회전플레이트는 상기 회전축의 외주면을 둘러싸도록 형성된다.

상기 회전축은 상기 리테이너의 내부 공간 측벽과 접촉되도록 돌출되는 돌출부가 형성된다.

상기 회전축과 풀리가 접촉되는 부위에는 베어링이 추가로 구비된다.

본 발명에 의한 출력 가변형 알터네이터는, 엔진의 회전력을 전달받는 풀리와 로터에 결합된 회전축 사이에 유변성유체가 마련되어 풀리와 회전축 간의 동력전달 효율이 가변될 수 있고, 이에 따라 전류 발생량이 조절될 수 있다는 점에 가장 큰 특징이 있다.

이와 같이 전류 발생량 즉, 배터리를 충전시키기 위한 출력이 조절 가능하도록 구성되는 알터네이터를 이용하면 배터리 충전속도나 충전량을 적절하게 조절할 수 있게 된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 출력 가변형 알터네이터의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 출력 가변형 알터네이터의 내부 구성을 도시하는 단면도이고, 도 3은 본 발명에 의한 출력 가변형 알터네이터를 이용하였을 때 풀리 회전수와 회전축 회전수 간의 상관관계를 도시하는 그래프이다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 출력 가변형 알터네이터는, 전류 발생을 위한 로터(100) 및 스테이터(200)와, 일단이 상기 로터(100)에 결합되는 회전축(300)과, 상기 회전축(300)을 감싸도록 결합되는 풀리(400)와, 상기 회전축(300)의 외측면과 접촉되는 내부공간을 갖도록 형성되어 상기 풀리(400) 내부에 마련되는 리테이너(500)와, 상기 리테이너(500)의 내부 공간에 채워지는 자기 유변 성유체(600)(Magneto Rheological Fluid)와, 전류가 인가됨에 따라 상기 자기 유변성유체(600)에 자기장을 인가하는 코일(700)과, 상기 코일(700)로의 전류 인가를 제어하는 제어부(800)를 포함하여 구성된다. 이때 상기 코일(700)은, 풀리(400) 내부에 장착된 코어(710)에 감김으로써 위치가 고정된다.

상기 자기 유변성유체(600)는 자기장 변화에 따라 점성이 변하는 특성을 갖는 물질로서, 상기 코일(700)에 전류가 인가되지 아니하는 경우 즉, 자기장이 형성되지 아니하는 경우에는 일반적인 오일과 같은 특성을 나타내며, 상기 코일(700)에 전류가 인가되는 경우 즉, 자기장이 형성되는 경우에는 점성이 증가하여 고체와 같이 전단응력을 갖게 되는 특성을 나타낸다.

또한 상기 회전축(300)과 풀리(400)는 상호 독립적으로 회전 가능하도록 결합되고, 상기 리테이너(500)와 코일(700)은 상기 풀리(400)와 함께 회전되도록 즉, 상기 풀리(400)와 일체로 결합된다.

따라서 상기 코일(700)에 전류가 인가되지 아니하여 상기 자기 유변성유체(600)로 자기장이 인가되지 아니한 상태에서 상기 풀리(400)가 회전하게 되면, 상기 회전축(300)은 풀리(400)와 함께 회전되지 아니하는 상태 즉, 상기 풀리(400)만이 헛도는 상태가 되므로, 전류가 발생되지 아니하게 된다. 반대로, 상기 코일(700)에 전류가 인가되어 상기 자기 유변성유체(600)로 자기장이 인가된 상태에서 상기 풀리(400)가 회전하게 되면, 상기 회전축(300)은 자기 유변성유체(600)를 통해 풀리(400)의 회전력을 전달받아 회전된다.

이때, 상기 풀리(400)의 회전력이 상기 회전축(300)으로 전달되는 효율 즉, 동력전달효율은 상기 자기 유변성유체(600)의 점도에 따라 결정된다. 예를 들어, 상기 자기 유변성유체(600)로 매우 큰 자기장이 인가되면 상기 자기 유변성유체(600)의 점도가 매우 커지게 되어 풀리(400)의 회전력 전부가 회전축(300)으로 전달될 수 있게 되고, 상기 자기 유변성 유체로 작은 크기의 자기장이 인가되면 상기 자기 유변성유체(600)의 점도는 약간만 증가하게 되므로 풀리(400)의 회전력 일부만이 회전축(300)으로 전달된다.

이와 같이 풀리(400)와 회전축(300) 간의 회전속도 관계를 식으로 표시하면 다음의 [식 1]과 같고, 이를 그래프로 표시하면 도 3과 같다.

[식 1]

ω_out = α·ω_in

( ω_out : 회전축 회전속도, α : 자기 유변성유체 전단응력계수, ω_in : 풀리 회전속도 )

이때 자기 유변성유체 전단응력계수는 자기 유변성유체(600)의 점도에 비례하는 계수로서, 0 ~ 1 사이의 값을 갖는다. 즉, 상기 자기 유변성유체(600)에 가해지는 자기장의 세기가 커지는 경우(코일(700)로 인가되는 전류값이 증대되는 경우) 상기 자기 유변성유체 전단응력계수는 1에 가까운 값을 갖게 되고, 상기 자기 유변 성유체(600)에 가해지는 자기장의 세기가 작아지는 경우(코일(700)로 인가되는 전류값이 감소하는 경우) 상기 자기 유변성유체 전단응력계수는 0에 가까운 값을 갖게 된다.

본 실시예에서는 풀리(400)와 회전축(300) 간의 동력전달을 가변시키기 위한 수단으로 자기 유변성유체(600)가 사용되는 경우만을 설명하고 있으나, 상기 자기 유변성유체(600)는 전기장 변화에 따라 점도가 변화되는 전자 유변성유체 등 다양한 종류의 유변성유체로 대체될 수 있다.

이와 같이 구성되는 알터네이터가 자동차의 배터리를 충전시키도록 차량용으로 사용되는 경우, 상기 풀리(400)는 자동차 엔진의 회전력을 전달받을 수 있도록 벨트(미도시)에 의해 엔진의 크랭크축과 연결된다.

이때 상기 제어부(800)는, 전장품 사용이 증가하여 상기 배터리의 사용량이 증가될 때 상기 코일(700)로의 전류 인가량을 증가시킴으로써 회전축(300)의 회전속도를 증대시키고, 전장품 사용이 감소하여 상기 배터리의 사용량이 감소되면 상기 코일(700)로의 전류 인가량을 감소시킴으로써 회전축(300)의 회전속도를 감소시키도록 구성된다. 즉, 본 발명에 의한 알터네이터를 이용하면 배터리의 사용량에 따라 배터리를 충전시키기 위한 출력을 적절하게 조절할 수 있으므로, 배터리의 과충전 및 방전을 방지할 수 있다는 장점이 있다. 이와 같이 배터리의 과충전 및 방전이 방지되면, 배터리의 수명이 증대된다는 효과도 얻을 수 있게 된다.

또한 상기 제어부(800)는, 상기 배터리의 충전량이 적정 수준 이하로 감소되 면 상기 코일(700)로의 전류 인가량을 증가시켜 배터리를 급속히 충전시키고, 상기 배터리의 충전량이 적정 수준 이상이 되면 상기 코일(700)로의 전류 인가량을 감소시켜 배터리를 천천히 충전시키도록 구성된다. 일반적으로 상기 배터리는 충전량이 80% 이상을 유지하여야만 정상적인 전류 공급이 가능하므로, 상기 제어부(800)는 상기 배터리의 충전량이 80% 미만인 경우 상기 코일(700)로의 전류 인가량을 증가시키고, 상기 배터리의 충전량이 80% 이상인 상기 코일(700)로의 전류 인가량을 감소시키도록 구성됨이 바람직하다.

상기 제어부(800)는 각종 조건에 따라 코일(700)로의 전류 인가량만을 조절하도록 별도로 제작될 수도 있고, 차량의 각종 제어를 총괄하는 ECU로 대체될 수도 있다.

또한, 자기 유변성유체(600)가 상기 회전축(300)의 외주면과 접촉되는 면적이 증대될수록 자기 유변성유체(600)의 점도 변화에 따른 회전축(300) 회전속도의 변화가 효과적으로 이루어지므로, 상기 유변성유체가 담겨지는 리테이너(500)는 상기 회전축(300)의 중단 외주면 전체를 감싸도록 링 형상으로 형성됨이 바람직하다. 더 나아가, 상기 유변성유체와 접촉되는 회전축(300) 외주면 부위에 리테이너(500)의 내부 공간으로 돌출되는 회전플레이트(310)를 추가로 구비함으로써, 자기 유변성유체(600)와 상기 회전축(300)이 접촉되는 면적을 더욱 증대시킬 수 있다. 이때, 상기 회전플레이트(310)는 자기 유변성유체(600)와의 접촉면적이 최대로 증대되도록 상기 회전축(300)의 외주면을 둘러싸는 원반 형상으로 형성됨이 더욱 바람직하 다.

또한, 상기 풀리(400)가 회전될 때 회전축(300)의 길이방향으로 흔들리지 아니하도록 상기 회전축(300)은 상기 리테이너(500)의 내부 공간 측벽에 접촉되는 돌출부(302)가 형성될 수 있으며, 풀리(400)와 회전축(300) 간의 마찰력 감소를 위해 상기 회전축(300)과 풀리(400)가 접촉되는 부위에는 베어링이 추가로 구비될 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

도 1은 종래 알터네이터의 단면도이다.

도 2는 본 발명에 의한 출력 가변형 알터네이터의 내부 구성을 도시하는 단면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 출력 가변형 알터네이터를 이용하였을 때 풀리 회전수와 회전축 회전수 간의 상관관계를 도시하는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 로터 200 : 스테이터

300 : 회전축 302 : 돌출부

400 : 풀리 500 : 리테이너

600 : 자기 유변성유체 700 : 코일

800 : 제어부

Claims

회전축(300)이 회전됨에 따라 전류를 발생시키는 알터네이터에 있어서,

상기 회전축(300)을 감싸도록 결합되는 풀리(400);

상기 회전축(300)의 외측면과 접촉되는 내부공간을 갖도록 형성되어, 상기 풀리(400) 내부에 마련되는 리테이너(500);

상기 리테이너(500)의 내부 공간에 채워지는 자기 유변성유체(600);

전류가 인가됨에 따라 상기 자기 유변성유체(600)에 자기장을 인가하는 코일(700);

상기 코일(700)로의 전류 인가를 제어하는 제어부(800);

를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 출력 가변형 알터네이터.
제1항에 있어서,

상기 풀리(400)는 자동차 엔진의 회전력을 전달받을 수 있도록 구성되고,

발생된 전류로 자동차의 배터리를 충전시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 출력 가변형 알터네이터.
제2항에 있어서,

상기 제어부(800)는, 상기 배터리의 사용량이 증가되면 상기 코일(700)로의 전류 인가량을 증가시키고, 상기 배터리의 사용량이 감소되면 상기 코일(700)로의 전류 인가량을 감소시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 출력 가변형 알터네이터.
제2항에 있어서,

상기 제어부(800)는, 상기 배터리의 충전량이 증가되면 상기 코일(700)로의 전류 인가량을 감소시키고, 상기 배터리의 충전량이 감소되면 상기 코일(700)로의 전류 인가량을 증가시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 출력 가변형 알터네이터.
제4항에 있어서,

상기 제어부(800)는, 상기 배터리의 충전량이 80% 미만인 경우 상기 코일(700)로의 전류 인가량을 증가시키고, 상기 배터리의 충전량이 80% 이상인 경우 상기 코일(700)로의 전류 인가량을 감소시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 출력 가변형 알터네이터.
제1항에 있어서,

상기 리테이너(500)는 상기 회전축(300)의 중단 외주면을 감싸도록 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 출력 가변형 알터네이터.
제6항에 있어서,

상기 회전축(300)은 상기 자기 유변성유체(600)와 접촉되는 부위에 리테이너(500)의 내부 공간으로 돌출되는 회전플레이트(310)가 구비되는 것을 특징으로 하는 출력 가변형 알터네이터.
제7항에 있어서,

상기 회전플레이트(310)는 상기 회전축(300)의 외주면을 둘러싸는 원반 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 출력 가변형 알터네이터.
제6항에 있어서,

상기 회전축(300)은 상기 리테이너(500)의 내부 공간 측벽과 접촉되도록 돌출되는 돌출부(302)가 형성되는 것을 특징으로 하는 출력 가변형 알터네이터.
제1항에 있어서,

상기 회전축(300)과 풀리(400)가 접촉되는 부위에 베어링이 추가로 구비되는 것을 특징으로 하는 출력 가변형 알터네이터.