KR101775445B1 - 영구자석 교류발전기의 제어기 및 시스템 및 모터 - Google Patents

영구자석 교류발전기의 제어기 및 시스템 및 모터 Download PDF

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Abstract

로터의 자속과 상호접속되지 않은 위치에 배치된 솔레노이드 코일을 사용하여 스위치에 작은 전류량을 흐르게 함으로써 생성된 전압을 제어하기 위한 제어 코일 시스템의 인덕턴스를 증가시키며 이에 따라 시스템은 파워 코일의 권선수를 증가시킬 필요가 없다.
영구자석편이 배치된 로터 및 상기 로터의 외측에 배치된 스테이터를 포함하는 발전기에서, 파워 코일(10, 11)을 위한 상기 스테이터의 권선 코일, 파워 코일 측의 솔레노이드 코일(141) 및 제어 측의 솔레노이드 코일(142)이 직렬로 접속되며, 상기 파워 코일 측의 솔레노이드 코일과 상기 제어 측의 솔레노이드 코일은 로터의 자속(magnetic flux)과 상호접속되지 않은 위치에 배치되며, 상기 파워 코일 측의 솔레노이드 코일과 상기 제어 측의 솔레노이드 코일 사이에는 적어도 파워 단자가 배치되며, 상기 솔레노이드 코일(142)에 직렬로 접속된 3상 정류기(143)의 DC 단자에 스위치(13)가 배치되어, 상기 스위치(13)의 ON/OFF를 제어함으로써 상기 파워 코일에서 생성된 전류량의 일부를 상기 제어 측의 솔레노이드(142)에 흐르게 하여 상기 제어 측의 솔레노이드 코일(142)로 흐르는 전류량을 제어하며, 이에 따라 상기 파워 코일에 의해 생성된 전압을 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 상기 생성된 전압이 미리 설정된 전압을 유지하도록 제어되며, 그런 다음 제어기(18)는 제어를 수행한다. 한편, 중립 스위치(391, 392)를 사용하여 발전기 및 모터에서의 제어 범위를 상승시킨다.

Description

영구자석 교류발전기의 제어기 및 시스템 및 모터{CONTROLLER AND SYSTEMS OF PERMANENT MAGNET ALTERNATOR AND MOTOR}
본 발명은 전력선으로부터 분기되어 있는 제어 측에 구비된 스위치의 ON/OFF를 제어하여 정전압을 유지하기 제어기를 구비하는 영구자석 발전기 및 제어기를 구비한 모터에 관한 것으로서, 스테이터 하우징 내에서의 회전을 위해 복수의 영구자석 부재가 주변 측에 장착되어 있는 로터, 상기 로터의 외측 주변을 에워싸는 스테이터, 파워에 포함되어 있는 스테이터 파워 코일, 파워 측의 솔레노이드 코일, 제어 측의 솔레노이드 코일, 제어용 스위치 및 전압을 일정하게 유지하기 위한 제어기로 이루어져 있으며, 또한 3상 정류기를 사용하여 파워 코일의 중립점을 변경하고 ON/OFF를 스위칭하여 전류량의 흐름을 제어한다.
종래부터 에너지 절약의 조건에 있어서 발전기의 효율성 개선이 큰 문제였다. 발전기의 구조를 보면, 로터용으로 전기 자석을 주로 사용하는데, 이는 로터에 배치된 코일에 전류량을 흐르게 하여 자력(magnetic force)을 생성하는 것이다. 영구자석 로터를 사용하면 자력을 생성하는 데 전류를 사용하지 않아도 되므로 발전기의 효율성이 개선된다는 것은 잘 알려져 있다. 그렇지만, 정전압에 의해 많은 전기 설비를 구동하는 자동차 등에 있어서는 생성된 전압이 발전기 속도 변화에 따라 상하로 변하기 때문에 영구자석(permanemt magnet: PM)을 사용하는 것이 곤란하다. 고속에서 정전압을 유지하기 위해서는 자력을 더 작은 값으로 감소시켜야 하는데 자력은 변할 수 없다.
그렇지만, 속도가 변하더라도 정전압을 유지할 수 있는 PM 발전기를 개발하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다. 그런데 AC 전기전력은 잠시 동안 DC 전류로 변하고, DC 전류는 고주파에 의해 스위칭되며 스위칭 펄스의 폭은 미리 설정된 전압에 맞추도록 제어되는데, 이것이 소위 DC-DC 컨버터 또는 위상제어 컨버터이다. 이러한 시스템은 발전기가 발전하는 대량의 전류를 모두 흐르게 하는 대형 트랜지스터를 사용하기 때문에 고가이고 대형이며 효율이 낮다.
다시 말해, 구조가 매우 간단하고 소형임에도 자력이 매우 강력하여 발전 전력이 매우 높아, 자동차 및 윈드 터빈에 사용되는 PM 발전기가 최근 증가하고 있다. 그렇지만, 많은 전기 설비용 전력을 사용하고 스토리지 배터리를 접속하는 경우에는 전압을 일정하게 제어하여야 한다. PM 발전기에서 전압을 일정하게 제어하기 위한 방법에 대해 많은 연구가 수행되어 왔다. GM사는 스위칭 정류기를 사용하여 전압을 일정하게 제어하기 위한 방법을 개발하였으나 이 시스템은 제어기가 대형이고 고가이며 효율성이 낮다는 문제를 안고 있다.
하이브리드차 및 전기차에서는 모터를 구동하기 위한 인버터가 사용되며, 전압을 일정하게 제어하기 위한 대중적인 시스템에서는 인버터 시스템이 위상 제어 컨버터에 사용된다. 위상 제어 컨버터의 제어기는 전력의 파형을 절단하여 전압을 제어하는데, 이때 전류 파형과 전압 파형 간의 중첩 구간이 변하게 되고, 그 결과 부하의 역률이 감소하여 시스템의 문제가 된다. 전압을 일정하게 하기 위해서는, 스위칭 정류기에서 전압이 단속해야 하는데, 이 스위칭 정류기는 대형의 파워 트랜지스터를 사용하며, 그 결과 시스템이 대형화되고, 냉각 시스템 및 비용이 상승한다. 파워 트랜지스터에 대량의 전류를 흐르게 하여 브레이크 다운을 유도하는 것은 용이하다. 전류를 대량으로 흐르게 하면 트랜지스터의 온도가 상승하게 되고, 전압이 높으면 트랜지스터의 에미터와 콜렉터 간의 절연이 파손되므로, 트랜지스터에 전류를 조금 흐르게 하여 시스템을 더 우수하고 저렴하게 할 수 있다.
예를 들어, 하이브리드차 및 전기차에 사용되는 영구자석 로터를 구비하는 발전기에서는, 전압이 높은 회전 속도에서는 감소하여야 하고, 낮은 회전 속도에서는 증가하여야 한다. 컨버터가 전압을 제어할 때, 백 초퍼 회로(back chopper circuit)나 부스트 초퍼 회로(boost chopper circuit)를 사용해야 하므로, 제어기가 매우 복잡해지고 고가로 되어 버린다. 한편, 전력을 단속할 때 전류의 스파이크가 종종 생기는데, 이 스파이크로 인해 무선 전파에 방해가 촉발되어 노이즈를 대비해야 하는 매우 곤란한 문제가 생긴다.
로터의 회전 속도가 감소할 때 영구자석의 자력을 감소시키는 방법에 대해 많은 연구가 진행되어 왔다. 예를 들어, 반응력(reactive power)을 사용하는 제어기를 개발하였는데, 이 제어기는 컨버터와 리액터의 크기를 대형으로 해야 하며, 한편, 평행하게 감긴 파워 코일 외에 역방향으로 코일이 감긴 발전기를 개발하였는데, 기계적 제어 시스템이 필요하지 않고 부품이 적게 들어가 구조가 간단하고, 신뢰성이 있으며 파워 코일에서의 전압의 제어 능력이 우수하다고 한다. 종래의 PM 발전기는 코일이 감겨 있는 스테이터, 영구자석 부품들이 장착되어 있는 로터 및 인버터로부터 전류를 공급받는 제어 코일로 이루어져 있으며, 이 제어 코일로 흐르는 전류는 광학 방향으로 자력을 생성하여, 스테이터로 흐르는 자력 및 전압을 감소시킬 수 있는데, 이에 대해서는 일본특허출원 공개공보 No.2004-320972에 개시되어 있다.
또한, 높은 효율성을 실현한 발전기가 제안되어 있다. 이 발전기는 코일이 감긴 스테이터, 영구자석 부품들을 구비하는 로터 및 철심(iron core)으로 이루어져 있고, 제어기는 비대칭 위치에서 자력을 생성하는 릴럭턴스 파워(reluctance power)에 의해 자력을 감소시키는데, 이에 대해서는 일본특허출원 공개공보 No.2003-245000에 개시되어 있다.
영구자석 부품들이 장착되어 있는 로터, 코일이 감긴 스테이터 및 PM 자속의 회로에 대해 직각으로 배치되어 있는 2차 자기코일로 이루어져 전력의 전압 또는 전류를 제어하는 다른 특허도 공개되었는데, 이에 대해서는 일본특허출원 공개공보 No.2006-529076에 개시되어 있다.
또한, 스테이터의 권선 코일은 적은 수의 권선이 감긴 파워 코일로 이루어져 있고, 많은 수의 권선이 감긴 제어 코일 및 솔레노이드 코일은 직렬로 접속되어 있으며, 파워 코일과 제어 코일 간에는 스위치가 배치되어 있으며, 제어기는 파워 코일의 전압이 미리 설정된 전압보다 높을 때는 제어 코일로 흐르는 전류를 증가시키고 파워 코일의 전압이 미리 설정된 전압보다 낮을 때는 제어 코일로 흐르는 전류를 감소시키도록 제어하며, 이에 대해서는 일본특허등록 No.4227189에 개시되어 있다.
그렇지만, 전술한 방법들을 사용해서, 로터 회전 속도가 더 높게 증가하는 것에 응답해서 영구자석의 자력을 약화시키는 것은 매우 어렵기 때문에 이러한 기술들은 실현되지 못하고 있다.
한편, 하이브리드차에는 DC-DC 컨버터가 사용되는데, 이러한 시스템에서는, 발전기로부터 AC 전류가 정류된 DC 전력이 제어기에 의해 단속된 다음 정전압이 미리 설정되어 있는 DC 전력으로 전달되며, 또한 이 DC 전력은 인버터에 의해 AC 전력으로 변환된다. 그렇지만, 이러한 것들은 시스템의 복잡한 구조와 대형화로 인해 자동차 시장에 보급되는 데 방해를 받고 있다.
특히, 하이브리드차에서 사용되는 위상 제어 시스템이 전압을 감소시킬 때 부하의 역률은 감소하며 브레이크 에너지(brake energy)를 복구하는 효율성이 떨어진다. 한편, 에너지 문제가 최근 심각해지고 있으며, 종래 자동차의 전기에너지 사용량이 급속하게 증가하여 종래의 자동차에서는 룬델 타입 발전기(Lundell type generator)의 약 50% 효율성이 허용되지 않는 사태에 이르렀다. 그 결과, 구조가 간단하면서 간단하고 확실한 제어기를 구비한 발전기가 필요한 사회적 상황이다.
두 종류의 코일이 스테이터 감겨 있고 전류를 흐르게 하여 자력을 제어하는 데 한쪽의 코일을 사용하여 역방향의 자력을 생성하는 발전기가 많은 연구자에 의해 연구되었다. 스테이터로 흐르는 PM력의 자속을 감소시키기 위해서는, 인버터로부터 흐르는 전류에 의해 생성된 자속은 PM 자속과 유사한 형태가 되어야 하는데, 이러한 기술은 매우 어렵다. 또한, 이러한 전자기 플러스를 PM 자속과 반대로 하면 PM 재료의 자력이 낮아져서 발전기의 문제로 된다.
(인용문헌 목록)
특허 1: 2004-320972
특허 2: 2003-245000
특허 3: 2006-529076
특허 4: 4227189
본 발명의 발명자는 일본특허등록 No.4227189에 개시된 발전기 시스템을 제작하여 일본 가나가와현 소재의 연구소에서 다수 회 실험하였다. 그 결과, 발명자는, 자력 제어기를 사용함이 없이 발전기의 전압을 적은 제어 전류를 사용해서 미리 설정된 전압으로 유지되도록 제어하면 영구자석 시스템에서 자력이 감소하지 않는다는 것을 확인하였다.
특히, 시스템은 저전압 조건에서 예를 들어 14V 또는 24V에서 전압을 제어하는 데 탁월한 효과가 있다. 그렇지만, 200V-AC의 발전기에서는 발전기의 고속 회전 시에 전압이 너무 많이 상승하면, 고전압 저항을 구비한 트랜지스터(FET)가 필요하다.
다시 말해, 스테이터에 감긴 권선 코일은, 적은 수의 권선이 감긴 파워 코일과 많은 수의 권선이 감긴 제어 코일로 구성되고 파워 코일과 제어 코일 간에는 제어 스위치가 배치되어 있으며, 또한, 제어기는 파워 코일에서 생성된 전압을, 출력 단자에 배치된 전압 센서의 검출 신호에 의해 응답해서 일정하게 제어하고, 스위치는 파워 코일에서 생성된 전류의 일부가 제어 코일에 흐르게 한다. 코일의 권선수를 증가시켜 제어 전류를 감소시키는 경우에는, 제어 코일에서 생성되는 전압이 증가한다. 한편, 코일 인덕턴스를 증가시켜 제어를 위한 전류량을 감소시키기 위해서는 코일의 권선수를 증가시켜야만 하는데, 이러한 현상은 이율배반적이다. PM 발전기에서는 발전기의 고속 회전 시에 그 생성된 전압을 매우 높게 높이는 것은 피할 수 없다.
예를 들어, 기전력의 전압을 2000rpm에서는 220V(AC), 4000rpm에서는 440V, 그리고 6000rpm에서는 660V로 높인다. 파워 코일의 전압값이 유효값이면, 피크 전압은 유효 전압의 1.4배이다. 또한, 제어 코일의 권선수를 파워 코일의 권선수의 4배로 설정하면, 제어 코일의 전압은 6000rpm에서 2640V로 증가하여, 시판 중인 트랜지스터 IGBT 또는 FET에서는 사용하기 어렵다. 그 결과, 이러한 고전압 트랜지스터를 구비하는 제어기를 위해 고가의 트랜지스터를 사용해야 하며, 이에 따라 제어기의 비용이 매우 높아져서 큰 문제가 된다. (2600V의 고전압에 내성이 있는 트랜지스터의 비용은 시판 중인 트랜지스터의 100배이다.)
또한, 3상 발전기의 각 상에 고가의 트랜지스터를 배치해야 하므로, 제어기의 비용이 매우 높아져서 큰 문제가 된다.
본 발명은, 파워 코일, 파워 코일 측의 솔레노이드 코일, 제어 측의 솔레노이드 코일, 및 3상 정류기와 트랜지스터 스위치로 구성된 스위치를 직렬 접속하여 시스템을 간단한 구성으로 하는 한편, 파워 코일 라인의 인덕턴스는 파워 코일의 권선수를 증가시키지 않고 증가하여 제어 전류량을 감소시키며, 제어기는 발전기의 저속 및 고속 회전 시에 미리 설정된 전압으로 유지되도록 제어하는 것을 목적으로 한다. 스위칭 트랜지스터가 정류기의 DC 단자에 접속되어 있으므로, 소형의 트랜지스터 스위치는 파워 코일에서 생성된 전류량의 일부를 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써 제어 측의 솔레노이드 코일로 흐르게 하며, 이에 따라 생성된 전압은 파워 코일에 의해 생성된 전압을 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서, 미리 설정된 전압으로 유지되도록 제어된다. 한편, 파워 코일의 권선수를 변경하는 방법을 적용하여 피크 전압은 저전압으로 유지되도록 제어된다. 그 결과, 제어기에 저렴한 트랜지스터를 사용할 수 있고 트랜지스터의 수를 감소시켜 제어기 시스템의 비용을 많이 감소시킬 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 영구자석 발전기의 제어기는, 하우징에 의해 회전 가능하게 지지되는 로터 샤프트(rotor shaft); 상기 로터 샤프트에 고정되어 있고, 복수의 영구자석 부재가 외주 측에 장착되어 있는 로터; 및 상기 로터의 외측에 배치되며 3상 AC 발전기에 성형결선법(star connection)으로 권선 코일이 감겨 있는 스테이터(stator)를 포함하며, 파워 코일을 위한 상기 스테이터의 권선 코일, 파워 코일 측의 솔레노이드 코일 및 제어 측의 솔레노이드 코일이 직렬로 접속되며, 상기 파워 코일 측의 솔레노이드 코일과 상기 제어 측의 솔레노이드 코일은 로터의 자속(magnetic flux)과 상호접속되지 않은 위치에 배치되며, 상기 파워 코일 측의 솔레노이드 코일과 상기 제어 측의 솔레노이드 코일 사이에는 적어도 파워 단자가 배치되며, 상기 제어 측의 솔레노이드 코일의 단부는 중립점(neutral point)을 위해 구성된 3상 정류기에 접속되고, 상기 3상 정류기의 DC 단자에는 스위치가 접속되어, 듀티 제어(duty controlling)에 의해 상기 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써 상기 파워 코일에서 생성된 전류량의 일부를 상기 제어 측의 솔레노이드에 흐르게 하여 상기 제어 측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량을 제어하며, 이에 따라 상기 파워 코일에 의해 생성된 전압을 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 상기 생성된 전압이 미리 설정된 전압을 유지하도록 제어된다.
여기서, 본 발명에 따른 영구자석 발전기의 제어기에서, 3상 정류기는 다이오드로 구성된 풀 브리지 파워 컨버터(full bridge power converter)이고, 제어 측의 솔레노이드 코일의 복수의 단자는 두 개의 다이오드 간의 U, V, W 상의 각 와이어에 접속되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구자석 발전기의 제어기에서, 제어기는 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써 제어 측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량을 제어하기 위해 듀티-제어에 의해 제어 측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량을 조절하고, 이에 따라, 파워 코일에 의해 생성된 전압을 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 상기 생성된 전압이 미리 설정된 전압을 유지하도록 제어되며, 또한 생성된 전압을 검출하는 센서에 의해 감지된 생성된 전압이 미리 설정된 전압보다 높으면, 제어기는 전류를 증가시키고, 생성된 전압이 미리 설정된 전압보다 낮으면, 제어기는 전류를 감소시키는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명에 따른 영구자석 발전기의 제어기에서, 상기 중립점을 변경할 수 있도록 파워 코일의 시작 부분 및 중간 부분에 3상 발전기의 복수의 중립점 단자가 제공되고, 복수의 중립 스위치가 제공되어 이 중립점으로 흐르는 그 생성된 전류량에 대해 중립 스위치의 ON/OFF를 제어하며, 또한 제어기는 미리 설정된 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 중립 스위치의 ON/OFF를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구자석 발전기의 제어기에서, 상기 3상 정류기는 상기 복수의 중립 스위치가 중립점을 변경하도록 제공되고, 상기 파워 코일의 시작 부분 또는 중간 부분에 배치된 복수의 중립점 단자는, 중립점에 있어서 상기 3상 정류기에서의 각 U, V, W 상의 다이오드 간의 와이어 및 상기 중립 스위치의 ON/OFF를 스위칭하기 위한 상기 3상 정류기의 DC 단자에 접속된 상기 중립 스위치에 접속되며, 그런 다음 제어기는 미리 설정된 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 중립 스위치의 ON/OFF를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구자석 발전기의 제어기에서, 상기 3상 정류기는 다이오드로 구성된 풀 브리지 파워 컨버터(full bridge power converter)이고, 상기 파워 코일의 시작 부분 및 중간 부분에 배치된 복수의 중립점 단자는 상기 중립점에 있어서 상기 3상 정류기에서의 각 U, V, W 상의 다이오드 간의 와이어에 접속되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구자석 발전기의 제어기에서, 상기 파워 코일의 권선수는 복수의 권선수 T1, T2, …, Tn으로 구성되고, 상기 파워 코일의 권선수는 부등식 T1<T1+T2<T1+T2+…+Tn의 관계가 성립하고, 상기 복수의 중립점 단자는 상기 파워 코일의 시작 부분 및 중간 부분에 배치되고, 그런 다음 상기 풀 브리지 파워 컨버터에서의 각 U, V, W 상의 다이오드 간의 와이어 및 No.1, No.2, …, No.n의 상기 중립 스위치에 접속된 상기 복수의 중립점 단자는 상기 3상 정류기의 DC 단자에 접속되고, 상기 제어기는 상기 중립 스위치의 ON/OFF를 제어하여, 미리 설정된 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 상기 중립점을 변경하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구자석 발전기의 제어기에서, 상기 제어기는 상기 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 제어를 수행하여, 상기 로터의 회전 속도가 상기 미리 설정된 로터의 회전 속도보다 높으면, 권선수가 작은 측의 파워 코일의 중립 스위치는 ON으로 되고, 동시에 권선수가 많은 측의 파워 코일의 중립 스위치는 OFF로 되어, 상기 로터의 고속 회전 시에, 상기 생성된 전압이 상승하는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구자석 발전기의 제어기에서, 상기 파워 코일 측의 솔레노이드 코일과 상기 파워 코일 간의 전력선에 접속된 복수의 파워 서플라이 단자가 접속되고, 전기 모터 구동을 위해 상기 복수의 파워 서플라이 단자에 접속된 복수의 파워 서플라이 스위치 및 상기 복수의 파워 서플라이 스위치의 타단부는 상기 제어기를 통해 파워 측의 스토리지 배터리에 접속되고, 또한 상기 제어기는 전류량을 상기 스토리지 배터리로부터 상기 파워 코일에 공급하며, 이에 따라 상기 발전기는, 위상 타이밍에 동기되고 상기 복수의 파워 서플라이 스위치의 ON/OFF 제어된 전류량에 의해, 전기 모터를 위해 구동되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구자석 발전기의 제어기에서, 상기 제어기는 상기 중립 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써 상기 전기 모터 내의 부하의 명령(order)을 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 상기 전류량의 제어를 수행하며, 즉 상기 제어기는 상기 전기 모터에서 필요한 구동력에 응답해서 상기 스토리지 배터리로부터 상기 파워 코일로 흐르는 전류량을 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구자석 발전기의 제어기에서, 상기 제어기는 상기 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 제어를 수행하고, 이에 따라 상기 로터의 회전 속도가 상기 미리 설정된 속도보다 높으면, 적은 수의 권선이 감긴 파워 코일의 중립 스위치가 ON으로 되고 동시에 많은 수의 권선이 감긴 파워 코일은 OFF로 되어 상기 로터의 고속 회전 시에 상기 생성된 전압이 상승하는 것을 방지하며, 상기 로터의 회전 속도가 미리 설정된 속도보다 낮으면, 많은 수의 권선이 감긴 파워 코일의 중립 스위치가 ON으로 되고, 동시에 적은 수의 권선이 감긴 파워 코일은 OFF로 되고, 그런 다음, 상기 제어기는 필요한 구동력(driving house power)에 응답해서 상기 중립 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써 상기 스토리지 배터리로부터 상기 파워 코일로 흐르는 전류량을 제어하며, 즉 상기 제어기는 상기 중립 스위치가 중립점을 변경하는 기능과 전류량을 조절하는 기능을 겸비하게 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구자석 발전기의 제어기에서, 상기 제어기가 상기 파워 코일의 누설 전류 및 상기 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 상기 파워 코일의 비정상적인 현상 또는 상기 로터의 회전 속도의 비정상적인 고속을 검출하면, 상기 제어기는 상기 중립 스위치 모두가 OFF로 되는 제어를 수행하는 것이 바람직하다.
발전기의 스테이터에 감긴 파워 코일, 권선수가 많은 파워 측의 솔레노이드 코일, 및 권선수가 적은 제어 측의 솔레노이드 코일이 직렬로 접속되어 이루어진 영구자석 발전기의 제어기가 제공되며, 솔레노이드 코일들은 로터의 자속과 상호접속되지 않는 위치에 배치되어 있다. 파워 코일 및 파워 측의 솔레노이드 코일은 파워 측 코일에 제공되고 제어 측의 솔레노이드 코일은 제어 측에 제공되며, 또한 이러한 코일들은 직렬로 접속되어 제어 코일로 흐르는 전류를 감소시키며 제어 코일의 상호 인덕턴스 효과에 의해 전압을 크게 감소시키는 특성(수직하향 특성)을 사용한다. 그 결과, 파워 코일의 권선수는 증가하기 않고 코일의 인덕턴스 총량은 증가하여 제어 전류량을 감소시키고 파워 코일의 정전압을 유지한다.
일반적으로 발전기에서는, 무부하 상태에서, 발전기의 회전 속도가 증가할수록 발전기의 전동 전압(electromotive voltage)이 증가하지만, 전류량이 증가할수록 전압이 작아지게 되고 전류는 전류 중 하나를 0 볼트로 수렴시키는데, 이 현상을 발전기의 수직하향 특성이라 한다. 두 솔레노이드 코일에 접속된 파워 코일에 전류량을 흐르게 하는 경우, 수렴된 전류는 매우 작은 값으로 감소하지만, 제어기가 파워 측의 솔레노이드 코일만을 가진 파워 코일에 전류량을 흐르게 할 때는 수렴된 전류량은 작아지지 않으며, 이러한 특성이 도 2에 도시되어 있다. 파워 코일의 전압이 고속에서 높고 제어기가 제어 코일에 작은 전류를 흐르게 할 때, 파워 코일의 단자의 전압은 역기전력의 현상이 사용되어 작은 값으로 감소하는데, 즉, 제어기는 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써 제어 측의 솔레노이드 코일에 전류량을 흐르는 것을 제어하고, 이에 따라, 생성된 전압은 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 미리 설정된 전압으로 유지하도록 제어된다. 이 시스템은 전압의 상승 및 강하를 제어하여 미리 설정된 안정한 전압을 유지할 수 있다.
전술한 이론의 원리가 도 3에 도시되어 있다. 파워 코일의 전동 전압은 영구자석의 자력의 효과에 의해 증가하고, 기전력의 전압은 A점에서 B0점으로 증가한다. 정류기를 통해 파워 코일, 파워 코일 측의 솔레노이드 코일 및 제어 측의 솔레노이드 코일에 전류량이 흐르면, 파워 단자 점(power terminal point)에서의 전압은 파워 코일의 임피던스 및 파워 측의 솔레노이드 코일에 의해 C점까지 감소하며, 그런 다음 전압은 제어 측의 솔레노이드 코일의 임피던스에 의해 D점까지 감소한다. 그러므로 파워 코일 측의 솔레노이드 코일과 제어 측의 솔레노이드 코일이 서로 접속되면, 적은 전류량으로 듀티 제어하여 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써 B0와 0 사이의 필요한 전압을 얻을 수 있다. 파워 측의 솔레노이드 코일과 제어 측의 솔레노이드 코일의 상호 임피던스는 제어를 위한 전류량을 감소시키는 데 효과적이다.
즉, N1이 파워 코일의 솔레노이드 코일의 권선수이고, N2가 제어 측의 솔레노이드 코일의 권선수이면, 파워 코일 측의 솔레노이드 코일의 인덕턴스는 L1=m*AN12*/l이고, 제어 측의 솔레노이드 코일의 인덕턴스는 L1=m*A*N22*/1이고, 두 솔레노이드 코일을 직렬로 접속하면, 접속된 두 코일의 인덕턴스는 L3=m*A*(N1+N2)2/l이고 L3의 값은 L1의 값의 2배 이상이다. 그러므로 직렬 접속된 솔레노이드 코일들에 전압이 가해지고, 전압과 전류량의 관계의 표현은 다음의 식으로 나타내어진다.
Figure 112013009923742-pct00001
그 결과, 두 코일로 흐르는 전류량은 파워 측만의 솔레노이드 코일과 동일한 전압이 가해지는 전류량과 비교해서 1/2 내지 1/5로 감소된다. 식에서 사용된 기호를 보면, l은 솔레노이드 코일 코어의 자기 길이이고, A는 솔레노이드 코일 코어의 면적이며, "m"은 솔레노이드 코일 코어의 투자율(permeability)이다.
전압은 파워 코일의 권선수가 증가하는 것에 비례해서 증가하고 아울러 전압은 파워 코일의 임피던스에 의해 흐르는 전류량과 파워 코일 측의 솔레노이드 코일의 임피던스에 의해 흐르는 전류량을 승산한 값만큼 감소한다. 그러므로 제어기가 제어 측의 솔레노이드 코일에 전류량이 흐르게 하면, 파워 코일 단자에서의 전압은 감소하고 파워 코일 단자의 전압은 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써 제어되며, 이에 따라 생성된 전압은 미리 설정된 전압을 유지하도록 제어되며, 상기 스위치는 정류기의 DC 단자에 제공되어 있다.
또한, 본 발명의 제어 전압에서, 3상 정류기는 도 3에 도시된 D점에 대응된 제어 측에서 U, V, W의 솔레노이드 코일의 단부의 중립점에 배치되고, 솔레노이드 코일의 단자는 정류기의 다이오드들 간의 와이어에 접속되고, 이때 트랜지스터 스위치는 정류기의 DC 단자에 배치되며, 그 결과, 전압을 제어하는 하나의 스위치만이 필요하다. 스위치가 중립점에 배치되어 있으므로, 스위치에 전류량이 흐를 때 스위치 위치에서의 전압은 0이다. 제어 스위치가 오프될 때, 솔레노이드 코일 단부의 단자에서의 전압은 도 3에 도시된 B0까지 증가하지만, 스위치 위치에서의 전압은 B0와 C 사이에서 합성되고 정류기에 의해 정류되며, 그 합성된 전압은 전동 전압 이하로 된다. 스위칭 후 전압의 스파크가 생기면, 전압은 0 볼트로부터 증가하고, 이때 전압의 피크가 제어되어야 하지만, 전압의 피크는 소형의 스누버 회로(snubber circuit)에 의해 흡수된다.
다음, 전동 전력과, 파워 코일 및 솔레노이드 코일의 임피던스에 의해 회로의 전압 강하에 대한 이론 식을 설명한다.
전압을 계산하는 식은 다음과 같이 나타난다.
[수학식 2]
(1) 기전력의 전압
Figure 112013009923742-pct00002
[수학식 3]
(2) 파워 코일의 단자에서의 전압
Figure 112013009923742-pct00003
[수학식 4]
(3) 제어 측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량
Figure 112013009923742-pct00004
[수학식 5]
식에서 사용된 기호는 다음과 같다.
E0: 기전력의 전압
E: 파워 코일의 단자 전압
E1: 전류 I1이 파워 코일에 흐를 때의 전압 강하
E2: 전류 I2가 파워 코일, 파워 코일 측의 솔레노이드 코일, 및 제어 측의 솔레노이드 코일에 흐를 때의 전압 강하
Φ: 자력
f: 생성된 전압의 주파수
Ws: 파워 코일의 권선수
I1: 파워 코일의 전류
I2: 솔레노이드 코일 및 파워 코일로 흐르는 전류
R1: 파워 코일과 파워 측의 솔레노이드 코일과의 합의 저항
R2: 파워 코일과 파워 측의 솔레노이드 코일과 제어 측의 솔레노이드 코일과의 합의 저항
L11: 파워 코일과 파워 측의 솔레노이드 코일과의 합의 인덕턴스
L31: 파워 코일의 인덕턴스와 파워 측의 솔레노이드 코일과 제어 측의 솔레노이드 코일의 상호 인덕턴스와의 합의 인덕턴스
여기서, 파워 코일의 권선수가 증가할수록 전류량은 작아져서 0 볼트로 수렴하지만, 파워 코일의 권선수가 증가할수록 전동 전력도 증가하게 된다. 0 볼트로 수렴하는 전류량은 작고 기전력에서 저전압을 유지되는 것이 바람직하다. 계산 (1) 및 식 (2)에 따르면, 인덕턴스 L1, L2, L3, L11을 증가시키는 경우, 제어 전류량은 더 작게 감소될 수 있다. 그러므로 로터의 자속과 상호접속되지 않는 위치에 배치되어 있는 스테이터의 외측에 배치된 두 솔레노이드 코일을 부가하는 것이 매우 효과적이다. 그렇지만, 제어 스위치에 흐르는 전류량을 감소시키기 위해 L11의 인덕턴스를 너무 크게 증가시키면, 파워 전압이 너무 많이 감소된다. 이때, 두 솔레노이드 코일에 의해 합성된 상호 인덕턴스의 효과가 매우 유용하다.
파워 단자 및 솔레노이드 코일의 단부에서의 전압은 다음과 같이 계산되는데, 기전력의 전압 및 제어 측의 중립점의 전압으로부터 전류량과 인덕턴스 L11의 적이 0 볼트로 감소되는 것으로부터 출력 단자의 전압이 추론된다. 파워 코일의 권선수가 증가할수록 기전력의 전압이 증가하므로, 로터의 자속에 상호접속되지 않은 위치에 배치되어 있는 큰 인덕턴스의 솔레노이드 코일은 파워 단자에서의 전압을 감소시키는 데 필요하다.
발전기를 자동차 모터로서 사용하는 경우, 저속 상황에서는 큰 토크가 요구되고 고속 상황에서는 작은 토크가 요구되는 모터의 특성이 필요하다. 모터에서 전술한 특성을 얻기 위해, 미리 설정된 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 파워 코일의 권선수를 변경할 수 있고 스위치를 ON/OFF 제어할 수 있는 중립 스위치가 제공된다. 또한, 모터를 구동하는 데 필요한 부하 조건을 제어하고 고주파수 ON/OFF 스위칭을 위해 파워 코일의 권선수를 변경하는 데 사용되는 중립 스위치를 사용하여 전류량의 흐름을 제어한다. 그 결과, 제어기는 구동 부하 및 속도가 필요한 상태에서 모터를 제어할 수 있다. 파워 코일의 권선수를 변경하는 경우의 토크의 구동 특성 및 중립 스위치의 ON/OFF 스위칭에 의해 전류량을 스위칭하는 부하의 제어 특성이 도 4에 도시되어 있다.
이때, 본 발명에 따른 영구자석 발전기의 제어기에서, 제어 측의 솔레노이드 코일과 파워 측의 솔레노이드 코일과 파워 코일의 단자 단부가 3상 정류기에 접속되고 파워 트랜지스터와 같은 스위치가 정류기의 DC 단자에 배치되며 듀티 제어에 의해 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써, 생성된 전압은 미리 설정된 전압을 유지하도록 제어되고, 그 결과 3상 정류기는 저렴하고 용이하게 구입할 수 있으므로 제어기는 매우 간단하고 저렴하게 되며, 이는 전기 기기에서 큰 이점이 있다. 또한, 고전압 및 많은 전류량을 흐르게 하는 용량을 위해 큰 저항을 가지는 대형의 트랜지스터를 사용하지 않아도 되고 많은 수의 스위칭 부품이 필요하지 않으므로, 이러한 시스템의 비용을 대폭 낮출 수 있다.
또한, 3상 정류기 및 트랜지스터에 의해 구성된 중립 스위치는 전류량의 흐름 포인트를 변경할 수 있도록 하기 위해 파워 코일의 권선 코일의 중간 부분 및 시작 부분에서 단자와 접속되어 있고 제어기는 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 제어를 수행하며, 이에 따라, 로터의 회전 속도가 미리 설정된 속도보다 낮으면, 많은 수의 권선 코일 측의 파워 코일의 중립 스위치는 ON으로 스위칭되고 동시에 적은 수의 권선 코일 측의 파워 코일의 중립 스위치는 OFF로 스위칭되며, 그 결과, 제어기는 로터의 극저속 회전 시에 전동 전압 및 파워를 증가시킨다.
또한, 발전기를 모터로서 사용하는 경우, 제어기는 미리 설정된 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 파워 코일의 중간 부분 및 시작 부분에 배치되어 있는 복수의 중립 스위치의 위치를 변경함으로써 파워 코일의 권선수를 변경하며, 이 시스템은, 권선수가 큰 코일에 큰 자력이 생기므로, 스토리지 배터리로부터 권선 코일이 큰 파워 코일에 전류량을 흐르게 함으로써 구동 토크를 증가시키는 데 효과적이다. 한편, 제어기가 스토리지 배터리로부터 권선수가 적은 파워 코일에 전류량을 흐르게 할 때, 작은 자력만이 생성되고 구동 토크는 감소되지만, 구동 속도는 더 증가한다. 이 시스템은 트랜스미션과 동일하다.
발전기 시스템에서, 시스템은 전압을 낮은 상태로 유지하고 파워 트랜지스터의 내구성 및 신뢰성을 높일 수 있으며, 이때 시스템은 발전기의 저속 회전 시에 전동 전압을 상승시켜 저속 상태에서 전력을 증가시키는 데 유용하다. 그 결과, 발전기의 속도가 너무 높아져도 발전기는 기전력을 적당한 전압으로 제어할 수 있다.
한편, 중립 스위치의 제어 시스템은 시스템의 안전성에 있어서 유용한 기능을 가지고 있으며, 제어기가 파워 코일의 누설 전류 및 회전 속도의 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 파워 코일의 비이상적인 현상이나 로터 회전 속도의 비이상적인 고속을 검출할 때, 제어기는 모든 중립 스위치를 OFF로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 제어기를 구비한 발전기의 구조를 도시하며, (A)는 정면도이고 (B)는 측면도이다.
도 2는 파워 코일 및 파워 코일의 솔레노이드 코일을 구비하는 발전기의 전압 및 전류 특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 관점에 따라 발전기와 제어기에서 회전 접속의 예를 나타내는 배선도 및 코일 위치에서의 전압을 나타내는 도면이다.
도 4는 파워 코일의 권선수의 변경 및 모터의 부하 조건을 제어하는 전류량의 제어를 수행할 때의 토크 곡선의 나타내는 그래프이다.
도 5는 영구자석 발전기 및 모터의 제어 회로의 일례에 대한 회로도이다.
도 6은 도 3에 도시된 모터에서 도면에 도시된 모터의 작동을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 도 3에 도시된 모터에서 도면에 도시된 모터의 작동을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 도 3에 도시된 제어 회로에서 작동하는 솔레노이드 코일에 대한 구조도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 권선 코일로 전압을 제어하는 영구자석 발전기는 전반부와 후반부의 한 쌍의 하우징(3 및 5)으로 이루어진 스테이터 하우징(34), 축 대향하는 한 쌍의 볼 베이링(ball bearing)(4)에 의해 하우징(3 및 5) 내의 회전을 지지하는 로터 샤프트(1), 한 쌍 이상의 영구자석편이 로터 샤프트(1)의 주위에 순환하면서 배치되어 있는 다극 영구자석 부재(7)의 로터(35), 로터(35)의 외부 주위에 배치되어 있는 스테이터(2)로 이루어져 있다. 스테이터(2)는 스테이터 코어(36)로 구성되어 있고 이 스테이터 코어(36)에 배치되어 있는 전자기 코일(8)이 감겨 있다. 풀리(pulley)와 같은 구동 설비는 회전 샤프트(1)의 단부에 고정되어 있으며, 이는 도 1에 도시되어 있지 않다. 로터 샤프트(1)의 위에는 자기 투과 부재(magnetic permeable member)(37)가 배치되어 있으며 영구자석 부재(7)는 하나 이상의 영구자석편이 축을 중심으로 장착되어 있다. 또한, 영구자석 부재(7)의 외부 주위에는 제1 보강 부재(40)가 배치되어, 높은 원심력으로 인해 영구자석 부재(7)가 로터(35)로부터 떨어져 나가는 것을 방지하며, 보강 부재(40)는 수지로 만들어진 고탄성 섬유로 만들어진다. 로터(35)는 축 대향의 백킹 플레이트(backing plate)(38)와 플랜지 간에 클램핑되어 있고 조임 도구와 같은 너트에 의해 고정되어 일체화된다. 발전기에서, 정류기(15, 397) 및 솔레노이드 코일은 전면 하우징(3)의 외측 면에 배치되어 있다. 솔레노이드 코일은 스테이터의 외측에 위치하고 있는데, 이것은 솔레노이드 코일(141, 142)이 로터의 자속과 상호접속되지 않은 위치에 배치되어 있다는 것을 의미한다. 이때 배치되는 위치는 제한이 없으며, 예를 들어, 그 위치가 로터의 자속과 상호접속되어 있지 않으면 하우징 또는 모터 케이싱 내에 배치하여도 된다. 빗살형 이(teeth of combs)와 수지와 같은 비자성 재료 사이에 내장된 스테이터 코어(36)의 슬롯에는 스테이터 코일(8)이 감겨 있으며, 비자성 재료는 슬롯의 갭에 삽입되어 스테이터 코일(8)을 고정시킨다.
본 명세서에서, 도 5에 도시되어 있는 스테이터 코일을 구성하는 파워 코일에 파워 코일(10) 및 파워 코일(11, 12)이 포함되어 있고, 3상 정류기(394)는 3상 교류발전기의 중립 위치에 배치되어 있으며 61-U, 61-V, 61-W의 각 위상의 단자는 3상 정류기(394) 내의 다이오드들 간의 와이어에 접속되어 있으며, 3상 정류기(394)의 DC 단자 상에 스위치(391)가 제공되며, 파워 코일 측의 권선 코일은 파워 코일과 파워 측의 솔레노이드 코일(141)에 의해 구성된다. 한편, 제어 측의 권선 코일은 솔레노이드 코일(142)에 의해 구성된다.
권선 코일의 시스템은 파워 측의 권선 코일과 제어 측의 권선 코일에 의해 구성되며, 본 발명에서는 이와 같이 칭한다. 도 5에 도시된 기호(143)는 제어 측의 솔레노이드 코일(142)의 중립점이고, 도 5에 도시된 기호(144)는 파워 코일의 중립점이며, 이때 스위치(392 또는 393)가 턴 온되면 중립점은 391 측으로부터 392 또는 393 측으로 변경된다.
실험에서 실시되어 본 발명에 의해 생성된 제어기의 일례에 대해 첨부된 도 5를 참조하여 이하에 설명한다.
파워 코일(10, 11, 및 12)로 구성되어 있는 스테이터 코일(8)은 예를 들어 스테이터 코어(36)의 슬롯 내에 감겨 있고, 파워 코일(10, 11), 파워 코일(12) 및 솔레노이드 코일(141)은 솔레노이드 코일(142)에 직렬로 접속되어 있는데, 이것은 본 발명을 수행하는 일례이며, 코일 라인은 성형결선법(star-connection)과 같은 3상에 접속되어 있고 이러한 3상은 중립 스위치(394)와도 시작점으로서 접속된다. 파워 단자(41)는 솔레노이드 코일(141)의 단부 포인트(9)에 접속되어 있다. 3상 정류기(394)에 의해 구성된 중립 스위치는 61-U, 61-V 및 61-W의 파워 코일의 시작 부분에 접속되어 있고, 중립 스위치(391)는 정류기(394)의 DC 단자에 접속되어 있고, 다른 중립 스위치(392, 393)는 정류기(395 및 396) 상에 배치되며, 그리로 정류기는 정류기(395)의 복수의 단자 62-U, 62-V 및 62-W에 접속되어 있으며, 정류기(396)의 단자 63-U, 63-V 및 63-W는 코일(10, 11)과 파워 코일(12) 간의 파워 코일 라인으로부터 취해진다. 파워 스위치(53)는 와이어(41)가 정류기(15) 및 부하(17)를 직렬로 접속한 정류기 뒤의 단자에 접속된다. 스토리지 배터리(54)를 부하(17)에 병렬로 접속하는 것이 가능하다. 와이어 U-41, V-41, W-41가 서로 접속되어 있는 3개의 단자는 3상을 가진 정류기(15)에 접속되며, 정류기(15)에서 생성된 DC 전력은 단상(single-phase)을 위해 부하(17)에 전송된다. 전압의 센서(16) 및 스토리지 배터리(54)는 부하(17)에 직렬로 위치하며 속도 및 영구자석 부재(7)에 의해 생성되는 극의 위치의 센서(28)는 로터(35)의 뒤에 배치되어 있다. 한편, 전압의 센서(16) 및 부하(17)로부터 송신된 신호 및 속도 및 위치 센서(28)는 제어기(18)에 입력되고, 제어기(18)는 개방 및 폐쇄 신호를 제어 스위치(13), 중립 스위치(391, 392, 393) 및 파워 스위치(53) 및 모터 구동 스위치(56)에 송신하여 전압을 일정하게 유지하고 모터를 구동시킨다. 파워 코일의 권선수는 파워 코일(10, 11, 12) 간의 단말에 제공되어 있는 중립 스위치(391, 392, 393)의 ON/OFF 스위칭에 의해 변경된다. 또한, 스토리지 배터리를 부하에 병렬로 접속하여 배치할 수 있다.
솔레노이드 코일(141)은 파워 코일(12)의 단부에 접속되고, 솔레노이드 코일(141)의 단부 단말은 파워 단말(41) 및 솔레노이드 코일(42)에 접속된다.
정류기(397)의 DC 단말에 배치되어 있는 제어 스위치(13) 상의 전압을 낮은 레벨 진폭을 유지하기 위해, 솔레노이드 코일 64-U, 64-V, 64-W의 단부는 전류량을 스위칭하는 정류기(397) 내의 다이오드들 간의 단자에 접속되며, 솔레노이드 코일(142 및 141)은 부하(17) 및 로터(35)가 신속하게 변경되어도 솔레노이드 코일(142)로 흐르는 전류가 솔레노이드 코일(141 및 142)에 의해 구성된 큰 상호 인덕턴스로 인해 현격하게 감소하기 때문에, 솔레노이드 코일(142 및 141)은 파워 코일(10, 11, 12)에 직렬로 접속된다. 그러므로 본 발명에서 솔레노이드 코일(141 및 142)을 배치하는 것은 매우 중요하다.
한편, 제어 스위치가 전력선 상에 배치되면, 스위치 뒤의 전압이 매우 많이 스윙되므로, 정류기(397)의 DC 단말에 제어 스위치(13)를 배치한다. 트랜지스터가 고전압의 스파이크를 수신하면, 전력선 상의 제어 스위치가 배치된 시스템 내의 제어 스위치가 파손되기 쉬우며, 이에 따라 3상 정류기 뒤에 제어 스위치(13)를 배치한다.
제어 스위치를 본 발명의 시스템에서 6개에서 1개로 감소시키면, 정류기 비용은 매우 저렴하므로 시스템의 비용을 절감할 수 있다.
전력선의 전압을 안정시키기 위해서는, 솔레노이드 코일(141 및 142)의 단말 사이에 커패시터를 배치하는 것이 매우 효과적이다. 커패시터를 배치함으로써 파워 단자(41)의 전압 및 부하 조건에서의 DC 전력이 증가하고 균형을 이루게 된다.
발전기를 모터로서 사용하는 경우, 제어기는 스위치(53 및 13)를 오프시키고 모터를 구동하는 스위치(56) 및 중립 스위치(391)를 온시키며, 그런 다음 제어기는 센서(28)를 검출함으로써 로터(1) 상의 상 위치를 만회하고 스위치(56)에 의해 스토리지 배터리(541)로부터의 타이밍과 동기하여 파워 코일에 전류를 흐르게 한다.
제어기(18)는 모터가 속도가 낮을 때 파워 코일(10, 11, 12)을 사용하기 위해 중립 스위치(391)의 ON 위치를 선택하고, 모터 속도가 증가하면 중립 스위치(392 및 393)의 ON 위치를 선택하며, 그 결과, 제어기는 도 4에 도시된 트랜스미션과 같이 모터 시스템의 구동 토크의 특성을 변경할 수 있다.
그렇지만, 토크 값을 변경하고 제어기는 스위치의 ON/OFF를 제어(초퍼 제어)해야 하므로 모터의 구동 토크는 구동을 위한 조건 값에 설정된 부하에 유지하도록 제어된다.
발전기의 제어기는 개방 횟수를 변경할 수 있는 스위치(13)의 ON/OFF를 제어함으로써 솔레노이드 코일(142)에 흐르는 전류를 제어함으로써, 생성된 전압은 미리 설정된 전압을 유지하도록 제어된다. 여기서, 솔레노이드 코일(142)에 흐르는 전류를 감소시키기 위해, 솔레노이드 코일(141 및 142)에서의 상호 인덕턴스의 효과를 사용하는데, 이러한 솔레노이드 코일은 도 8에 도시된 동일한 솔레노이드 코어(55)에 감겨 있다. 그 결과, 코일(141 및 142)이 직렬로 접속되면, 솔레노이드 코일에 전류량이 흐르는 경우, 상호 인덕턴스는 매우 많이 증가하고 전기 저항은 매우 많이 증가한다.
솔레노이드 코일에 적은 전류량이 흐르는 경우, 전력선(41)의 단말에서의 전압이 매우 많이 감소되고 정류기(397)에서의 스위치(13)의 ON/OFF 스위칭 후의 평균 전압은 미리 설정된 전압을 유지하도록 제어된다. 제어 측에 전류량이 흐르면, 솔레노이드 코일(141 및 142)의 인덕턴스에 의한 전압의 감소 시에 전력의 소모가 와트 단위의 파워이기 때문에 전력 손실은 매우 작다. 도 2에 도시된 전압 및 전류의 특성은 제어기가 솔레노이드 코일(142) 측에 전류량 A1을 흐르게 하는 것을 보여주고 있는데, 전압이 0으로 감소하고, 그러면 제어를 위해 사용되는 최대 전류량은 A1 암페어이다. 미리 설정된 전압에 도달하기 위해, 제어기는 듀티 제어에 의해 스위치(12)의 ON 타임을 설정하고, 이 암페어는 2000rpm에서 A21 및 4000rpm에서 A22이다.
발전기의 제어기에서, 전압을 제어하는 스위치(13)는 솔레노이드 코일(141) 및 솔레노이드 코일(142)에 접속되어 있는 코일 라인의 단부에 제공되며, 파워 코일(10, 11, 12)은 직렬이며, 이때 위치는 매우 중요한 인자이다. 제어기의 미래는, 파워 코일(10, 11, 12)의 생성된 전압이 스위치(13)의 OFF 상태에서 600V 이상 증가하고 전압은 스위치(13)의 ON 상태에서 솔레노이드 코일의 인덕턴스에 의해 작게 또는 0 볼트로 감소하며, ON 및 OFF 조건의 평균 전압은 미리 설정된 전압과 같아지게 되는 것이다.
한편, 발전기 속도가 매우 높게 증가하거나 매우 낮게 감소하면, 생성된 전압의 특성은 중립 스위치(391, 392, 393)를 전환함으로써 수행되는 파워 코일(10, 11, 12)의 권선수의 스위칭에 의해 변경될 수 있다. 그 결과, 파워 코일의 권선수의 변경 시스템을 사용해서 저속으로부터 고속으로 적절한 파워 및 전압을 획득할 수 있다. 시스템은 브레이크 에너지 복구 시스템의 전기차에 매우 효과적이다.
도 5에 도시된 바와 같은 제어기의 동작에 대해 다음과 같이 설명하며 제어기의 흐름도는 도 6 및 도 7에 도시되어 있다.
발전기 속도가 약 6000rpm 이상으로 증가하면, 파워 코일(12)의 단부에서의 전압은 약 1000 볼트로 증가한다. 이때, 제어기는 스위치(391)의 스위치 ON으로부터 스위치(392) 또는 스위치(393)의 스위치 ON으로 변경함으로써 중립점의 변경을 제어한다. 스위치(393)가 스위치 ON인 경우, 파워 코일(12)은 발전을 위해 사용되며, 그 결과, 전동 전압은 로터의 자속에 상호접속되지 않은 위치에 배치되어 있는 솔레노이드 코일(141 및 142)을 접속함으로써 큰 상호 인덕턴스로 인해 낮은 전압으로 유지되고 솔레노이드 코일(142)에 흐르는 전류량은 매우 낮은 값으로 감소되며, 또한, 솔레노이드 코일(141)의 단부 및 파워 단말(9)의 포인트에서의 전압은 100 볼트 이하로 감소되는데, 이 전압은 솔레노이드 코일(141)의 인덕턴스의 효과에 의해 감소된다. 그러므로 이러한 상황에서는 큰 서지 전압이나 스파크 전압이 생성되지 않는다.
일반적으로 말하면, 고전압의 전류량은 ON/OFF로 스위칭되고, 스위치는 전압의 스파크로 인해 파손된다.
그렇지만, 스위치(13)는 3상 발전기의 중립점에 제공되어 있는 정류기(397)의 DC 단자에 배치되어 있으므로, 정류기의 DC 단자에서의 전압은 낮기 때문에 스위치(13)는 잘 파손되지 않는다. 제어기는 스위치(13)에 흐르는 전류량을 제어하고, 이에 따라 생성된 전압이 미리 설정된 전압보다 높으면 스위치의 ON 타임은 증가하며, 생성된 전압이 미리 설정된 전압보다 낮으면 ON 타임은 감소하는데, 이는 전압 센서(16)에 의해 검출된다. 이때, 스위치(13)는 정류기(397)의 DC 단자에 배치되어 있고 정류기(397)는 솔레노이드 코일(142), 솔레노이드 코일(141), 및 파워 코일(12)에 접속되어 있으므로, 스위치(13)에서 스위치 ON/OFF에 의해 생성된 펄스 파는 회로에 의해 레벨 오프된다.
발전기의 회전 속도가 감소하면, 제어기는 중립 스위치(391)를 스위치 ON하고 중립 스위치(392 및 393)를 스위치 OFF하여, 상황이 시작으로 복귀하는 파워 코일(10, 11, 및 12)의 권선 코일을 사용한다. 예를 들어, 권선 코일의 사용에 관해 말해 보면, 권선 코일(11 및 12)은 정상적인 속도 조건에서 사용되며, 파워 코일(10, 11, 및 12)의 권선 코일은 450rpm 또는 800rpm의 속도와 같이 극저속에서 사용되며, 그 결과, 전압은 증가하여 충분한 파워를 획득할 수 있다. 제어기가 중립 스위치의 ON 또는 OFF의 제어를 수행하는 경우에도 하나의 제어 스위치(13)는 미리 설정된 전압을 제어하는 데 사용된다. 파워 코일의 권선수의 변경 시스템은 트랜스미션과 동일한 기능을 수행하는 모터 구동에 사용된다. 또한, 3개의 중립 스위치를 사용하는 것에 제한되지 않으며, 스위치의 수는 증가 또는 감소시킬 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같은 발전기 회로의 제어 동작에 대해 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 흐름도를 참조하여 이하에 설명한다.
제어기(18)는 시스템의 시작 후 발전기 또는 모터의 구동 기능을 검출하고(단계 S10), 시스템이 발전기에서 사용되면, 제어기는 프로그래밍 명령을 수행한다. 제어기(18)는 스타터 스위치가 동작한 후 발전기의 속도 및 생성된 전압을 검출하고(단계 S22), 발전기의 속도 N을 결정하기 전에 이 발전기의 속도 N이 미리 설정된 속도 N1보다 낮은지를 검사한다(단계 S23). 속도 N이 N1보다 낮으면, 중립 스위치(392 및 393)는 OFF로 스위칭되고 중립 스위치(391)는 ON으로 스위칭된다(단계 S333). 속도 N이 N1보다 높으면(단계 S23), 제어기는 다음 단계 S24로 진행하고 제어기는 발전기의 속도 N이 N2보다 높은지를 검사한다. 속도 N이 N2보다 높으면(단계 S24), 제어기는 스위치(393)를 ON 상황에 설정하고, 스위치(391 및 392)를 OFF 상황에 설정한다(단계 S26). 속도 N이 N2보다 낮으면(단계 S24), 제어기는 스위치(391 및 393)를 OFF 상황에 설정하고, 스위치(392)를 ON 상황에 설정한다(단계 S25). 제어 단계(단계 S25, 단계 S26 및 단계 S333) 후에, 제어기(18)는 센서(16)에 의해 부하 전압을 검사하는데, 즉 전압이 (V1 +/-a)(+/-: + 또는 -)의 허용범위에 있는지를 검사하고(단계 S34), 전압 V가 허용범위 내의 미리 설정된 전압보다 높은 레벨인 (V1+a)보다 높으면, 제어 측의 솔레노이드 코일(142)의 전류는 증가한다(단계 S35). 전압 V가 (V1+a)보다 낮으면, 제어기는 단계 S39로 제어를 진행한다. 제어 단계 S35 후에, 제어기는 전압 V가 (V1+a)보다 낮은지를 검사한다(단계 S36). 낮지 않으면, 제어기는 단계 S35로 제어를 진행하고, 낮으면, 제어기는 단계 S37로 제어를 진행한다. 전압 V가 허용범위 내의 미리 설정된 전압보다 낮은 레벨인 (V1-a)보다 높으면(단계 S37), 제어기는 제어 상황을 떠나 dt 밀리초 동안 그대로 유지하고 있다가(단계 S38), 제어기는 단계 S10 이전에 시작점(도 6에서의 "A"점)으로 제어를 복귀한다. 전압 V가 (V1-a)보다 낮으면, 제어기는 단계 S41로 제어를 진행한다. 단계 S34 후 전압 V가 (V1+a)보다 낮으면, 제어기는 단계 S39로 진행하고, 전압 V가 (V1-a)보다 높으면(단계 S39), 제어기는 제어 상황을 떠나 dt 밀리초 동안 그대로 유지하고 있다가(단계 S40), 제어기는 단계 S10 이전에 시작점(도 6에서의 "A"점)으로 제어를 복귀한다. 전압 V가 (V1-a)보다 낮으면, 단계 S41로 제어를 진행한다. 전압 V가 단계 S37에서 (V1-a)보다 낮으면, 제어기는 단계 S41로 제어를 진행하여 스위치(13)에 의해 제어 측의 솔레노이드 코일(142)로 흐르는 전류량을 감소시킨다(단계 S41). 전류량이 감소한 후, 제어기는 전압을 검사하고(단계 S42) 전압 V가 (V1-a)보다 높으면, 제어기(18)는 제어 상황을 떠나 dt 밀리초 동안 그대로 유지한다(단계 S43). 전압 V가 단계 S42에서 (V1-a)보다 낮으면, 제어기는 단계 S41로 제어를 복귀한다.
발전기 시스템을 모터로서 사용하는 경우, 제어기는 도 6에 도시된 회로에 의해 시스템을 제어한다. 명령을 사용하는 신호를 검출함으로써 발전기를 모터로서 사용하는 경우(단계 S10), 제어기는 스위치(56 및 391)를 ON 위치로 제어하고(단계 S11) 모터의 속도를 검사한다(단계 S12). 제어기는 속도 N이 미리 설정된 전압 N1보다 높은지를 검사하고(단계 S13), 높으면, 제어기는 단계 S33으로 제어를 진행한 다음, 전압 N이 N2보다 낮으면, 제어는 단계 S331로 진행한다. 제어기는 스위치(392)를 ON으로 스위칭하고 스위치(391 및 393)를 OFF로 스위치한다(단계 S331). 단계 S331의 동작 후, 제어기는 B 위치로 진행한다. 단계 S13에서 속도 N이 N1보다 낮으면, 제어기는 단계 S14로 진행하고 단계 S14에서 센서(28)는 부하 레벨 L을 측정하며, 제어기는 단계 S15에서 미리 설정된 부하 L1이 허용가능한 범위(L1 +/-b)의 허용 이상인 (L1+b)보다 높으면, 제어기는 단계 S17에서 스위칭 ON의 듀티 비를 감소시키고, 제어기는 부하 L이 (L1+b)보다 낮은지를 검사하고(단계 S18), 낮으면, 제어기는 단계 S19로 진행하고, 부하 L이 (L1-b)보다 높으면, 제어 상황을 떠나 dt 밀리초 동안 그대로 유지하고 있다가, 제어기는 제어를 A 위치로 진행한다. 부하 L이 단계 S16에서 (L1+b)보다 낮으면, 제어는 단계 S19로 진행하고, 단계 S18에서 부하 L이 (L1-b)보다 높으면, 제어는 단계 S17로 진행하고, 부하 L이 (L1-b)보다 낮으면, 제어는 단계 S21로 진행한 다음, 스위칭 ON의 듀티 비를 증가시키는 제어 후에 단계 19로 진행한다.

Claims (12)

  1. 영구자석 발전기의 제어기에 있어서,
    하우징에 의해 회전 가능하게 지지되는 로터 샤프트(rotor shaft);
    상기 로터 샤프트에 고정되어 있고, 복수의 영구자석 부재가 외주 측에 장착되어 있는 로터; 및
    상기 로터의 외측에 배치되며 3상 AC 발전기에 성형결선법(star connection)으로 권선 코일이 감겨 있는 스테이터(stator)
    를 포함하며,
    파워 코일을 위한 상기 스테이터의 권선 코일, 파워 코일 측의 솔레노이드 코일 및 제어 측의 솔레노이드 코일이 직렬로 접속되며, 상기 파워 코일 측의 솔레노이드 코일과 상기 제어 측의 솔레노이드 코일은 로터의 자속(magnetic flux)과 상호접속되지 않은 위치에 배치되며, 상기 파워 코일 측의 솔레노이드 코일과 상기 제어 측의 솔레노이드 코일 사이에는 적어도 파워 단자가 배치되며, 상기 제어 측의 솔레노이드 코일의 단부는 중립점(neutral point)을 위해 구성된 3상 정류기에 접속되고, 상기 3상 정류기의 DC 단자에는 스위치가 접속되어, 듀티 제어(duty controlling)에 의해 상기 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써 상기 파워 코일에서 생성된 전류량의 일부를 상기 제어 측의 솔레노이드에 흐르게 하여 상기 제어 측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량을 제어하며, 이에 따라 상기 파워 코일에 의해 생성된 전압을 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 상기 생성된 전압이 미리 설정된 전압을 유지하도록 제어되는, 영구자석 발전기의 제어기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 3상 정류기는 다이오드로 구성된 풀 브리지 파워 컨버터(full bridge power converter)이고, 상기 제어 측의 솔레노이드 코일의 복수의 단자는 상기 3상 정류기 내의 두 개의 다이오드 간의 U, V, W 상(phase)의 각 와이어에 접속되어 있는, 영구자석 발전기의 제어기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써 상기 제어 측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량을 제어하기 위해 듀티 제어에 의해 상기 제어 측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량을 조절하며, 이에 따라 상기 파워 코일에 의해 생성된 전압을 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 상기 생성된 전압이 상기 미리 설정된 전압을 유지하도록 제어되며, 또한, 상기 생성된 전압을 검출하는 센서에 의해 감지된 상기 생성된 전압이 상기 미리 설정된 전압보다 높으면 상기 제어기는 상기 전류량을 증가시키고 상기 생성된 전압이 상기 미리 설정된 전압보다 낮으면 상기 제어기는 상기 전류량을 감소시키는 영구자석 발전기의 제어기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 중립점을 변경할 수 있도록 상기 파워 코일의 시작 부분 및 중간 부분에 상기 3상 발전기의 복수의 중립점 단자를 배치하며, 복수의 중립 스위치를 제공하여 상기 중립점으로 흐르는 상기 생성된 전류량에 대해 상기 복수의 중립 스위치의 ON/OFF를 제어하며, 또한, 상기 제어기는 미리 설정된 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 상기 중립 스위치의 ON/OFF를 제어하는, 영구자석 발전기의 제어기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 3상 정류기는 상기 복수의 중립 스위치가 중립점을 변경하도록 제공되고, 상기 파워 코일의 시작 부분 또는 중간 부분에 배치된 단자는, 중립점에 있어서 상기 3상 정류기에서의 각 U, V, W 상의 다이오드 간의 와이어 및 상기 중립 스위치의 ON/OFF를 스위칭하기 위한 상기 3상 정류기의 DC 단자에 접속된 상기 중립 스위치에 접속되며, 그런 다음 제어기는 미리 설정된 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 상기 중립 스위치의 ON/OFF를 제어하는, 영구자석 발전기의 제어기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 3상 정류기는 다이오드로 구성된 풀 브리지 파워 컨버터이고, 상기 파워 코일의 시작 부분 및 중간 부분에 배치된 복수의 중립점 단자는 상기 중립점에 있어서 상기 3상 정류기에서의 각 U, V, W 상의 다이오드 간의 와이어에 접속되는, 영구자석 발전기의 제어기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 파워 코일의 권선수는 복수의 권선수 T1, T2, …, Tn로 구성되고, 상기 파워 코일의 권선수는 부등식 T1<T1+T2<T1+T2+…+Tn의 관계가 성립하고, 상기 복수의 중립점 단자는 상기 파워 코일의 시작 부분 및 중간 부분에 배치되고, 그런 다음 상기 풀 브리지 파워 컨버터에서의 각 U, V, W 상의 다이오드 간의 와이어 및 No.1, No.2, …, No.n의 상기 중립 스위치에 접속된 상기 복수의 중립점 단자는 상기 3상 정류기의 DC 단자에 접속되고, 상기 제어기는 상기 중립 스위치의 ON/OFF를 제어하여, 미리 설정된 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 상기 중립점을 변경하는, 영구자석 발전기의 제어기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 제어를 수행하여, 상기 로터의 회전 속도가 상기 미리 설정된 로터의 회전 속도보다 높으면, 권선수가 적은 측의 파워 코일의 중립 스위치는 ON으로 되고, 동시에 권선수가 많은 측의 파워 코일의 중립 스위치는 OFF로 되어, 상기 로터의 고속 회전 시에, 상기 생성된 전압이 상승하는 것을 방지하는, 영구자석 발전기의 제어기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 파워 코일 측의 솔레노이드 코일과 상기 파워 코일 간의 전력선에 접속된 복수의 파워 서플라이 단자가 접속되고, 전기 모터 구동을 위해 상기 복수의 파워 서플라이 단자에 접속된 복수의 파워 서플라이 스위치 및 상기 복수의 파워 서플라이 스위치의 타단부는 상기 제어기를 통해 파워 측의 스토리지 배터리에 접속되고, 또한 상기 제어기는 전류량을 상기 스토리지 배터리로부터 상기 파워 코일에 공급하며, 이에 따라 상기 복수의 파워 서플라이 스위치의 제어된 ON/OFF와 위상 타이밍이 동기하는 전류량에 의해 상기 발전기를 전기 모터로서 구동하는, 영구자석 발전기의 제어기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 중립 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써 상기 전기 모터 내의 부하의 명령(order)을 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 상기 전류량의 제어를 수행하며, 즉 상기 제어기는 상기 전기 모터에서 필요한 구동력(driving force power)에 응답해서 상기 스토리지 배터리로부터 상기 파워 코일로 흐르는 전류량을 조절하는, 영구자석 발전기의 제어기.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 로터의 회전 속도를 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 제어를 수행하고, 이에 따라 상기 로터의 회전 속도가 상기 미리 설정된 속도보다 높으면, 적은 수의 권선이 감긴 파워 코일의 중립 스위치가 ON으로 되고 동시에 많은 수의 권선이 감긴 파워 코일은 OFF로 되어 상기 로터의 고속 회전 시에 상기 생성된 전압이 상승하는 것을 방지하며, 상기 로터의 회전 속도가 미리 설정된 속도보다 낮으면, 많은 수의 권선이 감긴 파워 코일의 중립 스위치가 ON으로 되고, 동시에 적은 수의 권선이 감긴 파워 코일은 OFF로 되고, 그런 다음, 상기 제어기는 필요한 구동력(driving house power)에 응답해서 상기 중립 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써 상기 스토리지 배터리로부터 상기 파워 코일로 흐르는 전류량을 제어하며, 즉 상기 제어기는 상기 중립 스위치가 중립점을 변경하는 기능과 전류량을 조절하는 기능을 겸비하게 하는, 영구자석 발전기의 제어기.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 제어기가 상기 파워 코일의 누설 전류 및 상기 로터의 회전 속도의 센서로부터의 검출 신호에 응답해서 상기 파워 코일의 비정상적인 현상 또는 상기 로터의 회전 속도의 비정상적인 고속을 검출하면, 상기 제어기는 상기 중립 스위치 모두가 OFF로 되는 제어를 수행하는, 영구자석 발전기의 제어기.
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