KR102224722B1 - 연소 기관용 과급 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연소 기관용 과급 장치(20)에 관한 것으로, 본 과급 장치는, 압축기 하우징(2)을 갖는 압축기(1), 및 전기 모터(7)를 포함하고, 압축기 하우징 안에는 압축기 휠(3)이 배치되고, 이 압축기 휠은 회전자 축(5)의 일 단부(4)에 장착되며, 또한 압축기 하우징은 압축기 하우징 후방벽(6)을 가지며, 전기 모터는 외부에서 자석(11)을 둘러싸는 고정자 권선(12)을 가지며, 그 자석은 회전자 축(5)에 배치되며, 고정자 권선(12)은 무철(iron-free) 고정자 권선의 형태로 되어 있고, 전기 모터(7)는 브러시레스(brushless) DC 모터의 형태로 되어 있다.

Description

연소 기관용 과급 장치{CHARGING APPARATUS FOR A COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 청구항 1 의 전제부에 따른 연소 기관용 과급 장치에 관한 것이다.
이러한 종류의 과급 장치의 압축기에는, 고정자 권선(stator winding)으로서 적층 언더컷 구조를 사용하는 브러시레스(brushless) DC 모터가 제공된다.
이러한 구성의 단점은, 고정자 권선의 구조가 복잡하고 또한 이 구조의 자기적 특성의 개선이 요구된다는 것이라고 주로 생각될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 단순한 구조와 더 양호한 파워 특성을 갖는, 청구항 1 의 전제부에 따른 과급 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1 의 특징적 사항으로 달성된다.
고정자 권선이 적층 코어의 무슬롯(slot-free) 원통형 내측 표면에 배치되고 또한 전기 모터가 브러시레스 모터의 형태로 되어 있기 때문에, 가동 중의 소음 레벨이 낮고 또한 비교적 높은 토크가 얻어지게 된다.
본 발명에 따른 과급 장치의 고정자 권선의 구조에 의해, 사실상 공기 틈이 없이 작용 표면을 감을 수 있는 이점이 얻어진다. 이리하여, 충전 레벨 및 결과적인 패킹 밀도가 증가하게 된다.
본 발명에 따라 브러시레스 모터, 특히 DC 모터로 설계되는 전기 모터와의 조합으로 특히, 바람직하게는 최대 10 kW, 특히 최대 5 kW, 특히 바람직하게는 최대 3.5 kW의 파워 범위에서, 대략 11 V ∼ 15 V의 전압 및 최대 80,000 rpm, 특히 최대 70,000 rpm, 특히 바람직하게는 최대 60,000 rpm의 회전 속도에서 본 발명에 따른 과급 장치의 파워 특성에 대한 이점이 얻어진다.
종속 청구항은 본 발명의 유리한 개량예를 포함한다.
압축기 하우징 후방벽에 냉각 재킷이 제공되면, 전기 모터, 이 전기 모터의 축의 베어링 및 전력 전자 회로가 유리하게는 상기 제공된 냉각 재킷에 의해 동시에 냉각될 수 있는 아주 컴팩트하고 비용 효과적인 구조가 얻어진다.
본 발명은 또한 연소 기관용 과급 장치의 시동 거동을 개선하기 위한 방법에 관한 것인데, 그 과급 장치는 전기 모터로 구동되는 압축기를 포함한다.
본 발명에 따른 방법은 처음에, 압축기의 전기 모터의 코일 또는 권선에 전압을 일시적으로 인가하는 단계를 포함하며, 그 결과 전기 모터의 회전자(rotor)가 규정된 회전자 위치로 배향된다. 전압의 이러한 일시적인 인가 및 회전자의 결과적인 배향 때문에, 회전자 위치가 하류의 전자 시스템에 알려진다.
그런 다음, 회전자는 이 규정된 회전자 위치로부터 가속될 수 있다.
이 결과 얻어지는 이점으로서, 회전자의 위치를 확인하기 위한 센서를 사용하지 않아도 되는데, 그렇지 않은 경우, 회전자를 회전시키기 위해 브러시레스 모터에서 자기장이 주위에서 무작위로 회전하는 회전자의 위치를 결정하기 위해 상기 센서가 필요하게 된다. 그 결과, 처음에 무작위로 회전하는 자기장의 경우 보다 8 ms 더 빨리 압축기를 작동 회전 속도로 가속시키는 것이 일반적으로 가능하게 된다.
DE 10 2011 084 299 A1 는 전기 모터가 움직이지 않을 때 코일에 전압을 인가하는 것을 개시하고 있지만, 이는 상기 종래 기술의 문헌에서 코일 저항을 제어하기 위해 행해지는 것이다.
본 발명에 따른 방법에서는, 전술한 바와 같이, 회전자를 규정된 시동 위치로 배향하기 위해 전압이 인가되는데, 이리하여, 센서에 대한 필요성이 없어지는 것에 추가적으로, 전기 모터의 시동 거동이 최적화된다.
청구항 12 에는 본 발명에 따른 방법의 유리한 개량예가 기재되어 있는데, 이 개량예에 따르면, 본 발명에 따른 과급 장치의 바로 임박한 압축 과정 전에, 예컨대, 연소 기관이 아이들링(idling) 상태이거나 내연 기관이 오버런(overrun) 작동 모드에 있을 때, 전압이 인가된다.
본 발명의 추가 상세 내용, 이점 및 특징은 도면을 참조하여 예시적인 실시 형태에 대한 이하의 설명으로부터 알 수 있을 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 과급 장치의 제 1 실시 형태를 약간 단순화시켜 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 고정자 권선의 사시도이다.
도 3 은 절단된 상태에 있는 도 2 에 따른 고정자 권선의 사시도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 과급 장치가 제공될 수 있는 연소 기관의 기본도이다.
도 1 은 전기 구동식 압축기(1)를 포함하는 과급 장치(20)의 일 실시 형태를 나타낸다. 그 압축기(1)는 압축기 휠(3)이 배치되는 압축기 하우징(2)을 포함한다. 압축기 휠(3)은 회전자 축(5)의 일 단부(4)에 장착된다.
또한 도 1 에 도시되어 있는 바와 같이, 압축기 하우징(2)은 압축기 하우징 후방벽(6)을 갖는데, 도시된 예시적인 실시 형태에서 그 후방벽은 압축기 하우징 덮개의 형태로 되어 있다.
이 경우, 압축기 하우징 후방벽(6)에는 바람직하게는 냉각수를 위한 냉각 재킷(10)이 제공되어 있다. 도 1 에 도시되어 있는 바와 같이, 압축기 하우징 후방벽(6)은 압축기 휠의 뒤에 배치되어 압축기 하우징(2)에 고정되며 이렇게 해서 그 압축기 하우징을 폐쇄한다.
압축기(1)는 또한 전기 모터(7)를 가지고 있다. 이 전기 모터(7)는 회전자 축(5)에 연결되는 축(8)을 포함한다. 도시되어 있는 실시 형태에서, 축(8)과 회전자 축(5)은 도 1 에 상세히 나타나 있는 바와 같이 일체적인 부품으로 설계되어 있다. 이 경우, 축(8)은 회전자 축(5) 보다 작은 외경을 갖는 축 스터브(stub)의 형태로 되어 있고, 이 축 스터브 상에는 베어링(16)이 배치되어 있다. 회전자 축(5)의 단부(4)도 마찬가지로 회전자 축(5)에 비해 감소된 직경을 가지며 그 단부에는 제 2 베어링(17)이 설치되어 있다. 도 1 에 나타나 있는 바와 같이, 베어링(17)은 고정자 하우징(13)의 베어링부에 지지되며, 베어링(16)은 그의 외측 링으로 압축기 하우징 후방벽(6)의 오목부 안에 지지된다.
회전자 축(5)에는 자석(11)이 또한 제공되어 있는데, 그 자석은 외부에서 이 자석을 둘러싸는 고정자 권선(12)과 상호 작용하게 된다.
도 1 에 따른 압축기(1)의 실시 형태는 또한, 고정자 하우징(13)에 장착되거나 압축기 하우징 후방벽(6)에 장착되는 오물 보호 덮개(14)를 가지며, 이 오물 보호 덮개 안에는 전력 전자 회로 또는 전자 인쇄 회로 기판(9)의 전자 부품(15)이 배치되어 있다.
도 1 에 도시되어 있는 바와 같이, 전력 전자 회로(9)는 압축기 하우징 후방벽(6)과 전기 모터(7) 또는 오물 보호 덮개(14) 사이에 배치된다. 이를 위해, 전력 전자 회로(9)는 예컨대 오물 보호 덮개(14)와 압축기 하우징 후방벽(6) 사이에 단단히 클램핑되거나, 또는 상기 오물 보호 덮개와 압축기 하우징 후방벽 중의 하나에 다른 식으로 장착되는데, 예컨대 접착식으로 고정 결합된다.
이러한 배치의 결과로, 전력 전자 회로(9)가 냉각 재킷(10)에 인접하여 배치되고 그래서 전력 전자 회로(9)에 대한 상기 냉각 재킷의 냉각 효과가 상당히 개선되는 이점이 얻어진다. 전력 전자 회로(9)는 전자 정류기의 기능을 수행하는데 필요한 모든 부품을 포함할 수 있다. 상기 전력 전자 회로는 특히 트랜지스터 또는 소위 MOSFET를 포함하는 제어 회로이다. 전력 전자 회로(9)는 또한 센서, 특히 홀(Hall) 센서를 포함할 수 있다. 전자 부품(15)은 그 중에서도 특히 캐패시터를 포함한다.
전력 전자 회로(9)와 냉각 재킷(10) 또는 이 냉각 재킷(10)이 배치되는 압축기 하우징 후방벽(6) 사이에는 열 전도성 페이스트가 제공될 수 있다.
압축기 하우징 후방벽(6)은 또한 고정자 하우징(13)의 끝벽으로 형성될 수 있으며, 그리고 이 끝벽에는 베어링(17)이 배치될 것이다. 이 실시 형태에서, 고정자 하우징(13)도 마찬가지로 내부 냉각 장치 및 냉각 재킷(10)을 갖는데, 이 실시 형태에서도, 압축기 하우징 후방벽(6)과 전기 모터(7) 또는 그의 고정자 하우징(13) 사이에 전력 전자 회로(9)가 배치되며, 그래서 구성이 컴팩트하게 되고 또한 부품의 냉각이 개선된다는 동일한 이점이 얻어진다.
본 발명에 따른 고정자 권선(12)은 도 2 및 3 에 상세히 도시되어 있다.
상기 고정자 권선(12)은 무철(iron-free) 권선의 형태로 되어 있는데, 이 권선은 자기 지지(self-supporting)식이며 본 실시예의 경우에는 중공의 원통을 형성한다. 적층 코어(18)가 고정자 권선(12) 상에 배치되며, 이를 위해 고정자 권선(12)은 오목부(19)를 가지고 있으며, 도 3 에 도시되어 있는 특히 바람직한 실시 형태에서 상기 오목부 안에 적층 코어(18)가 삽입된다. 도 2 와 3 을 함께 보면 알 수 있듯이, 이 경우 적층 코어(18)의 외측 원주 방향 표면(32)이 고정자 권선(12)의 외즉 원주 방향 표면(31)을 넘어 반경 방향으로 돌출되어 있다.
도 2 및 3 에 또한 나타나 있는 바와 같이, 2개의 권선 탭(tap)(34, 35)이 고정자 권선(12)의 끝면(33)에 제공되어 있다. 도 1 ∼ 3 을 참조하여 전술한 과급 장치(20)는 특히 내연 기관과 같은 연소 기관 또는 연료 전지에 적합하다.
도 4 는 예컨대 (디젤 또는 가솔린) 내연 기관의 형태로 되어 있는 연소 기관(21)을 아주 단순화시켜 개략적으로 도시한 것이다. 연소 기관(21)은 과급 장치(20)의 압축기(1)가 배치되는 흡기 라인(22)을 가지며, 그 압축기는 전기 모터(7)로 구동된다. 흡기 라인(22)에서 압축기(1)의 하류에는 과급 공기 냉각기(23)가 배치될 수 있고 이 냉각기 다음에는 스로틀(throttle)(24)이 있다. 압축 공기(화살표(CA)로 표시되어 있음)가 압축기(1)로부터 흡기 매니폴드(25)에 공급되고, 이 흡기 매니폴드로부터 압축공기가 연소 기관(21)의 실린더에 공급된다. 배기 가스(EG)는 배기 가스 매니폴드(26)를 통해 배기 가스 라인(27)에 공급된다.
도 4 에 도시되어 있는 특히 바람직한 실시 형태에서, 내연 기관(21)에는 또한 배기 가스 복귀 라인(28)이 제공되어 있는데, 이 배기 가스 복귀 라인에는 배기 가스 냉각기(29)와 밸브(23)가 배치되어 있다. 그러나, 상기 배기 가스 복귀 라인(28)은 그의 구성품(29, 30)과 함께 필수적인 것은 아니고, 단지 특히 바람직한 실시 형태를 구성하는 것이다.
본 발명에 대한 위의 기재된 설명에 추가적으로, 본 발명의 추가적인 개시에 대해서는 분명 도 1 ∼ 4 에 있는 본 발명의 도식적인 도시를 참조할 수 있다.
1 압축기
2 압축기 하우징
3 압축기 휠
4 단부
5 회전자 축
6 압축기 하우징 후방벽
7 전기 모터, 특히 브러시레스 DC 모터
8 축
9 전력 전자 회로/전자 인쇄 회로 기판
10 냉각 재킷
11 자석
12 고정자 권선
13 고정자 하우징
14 오물 보호 덮개
15 전자 부품
16, 17 베어링
18 적층 코어
19 오목부
20 과급 장치
21 연소 기관
22 흡기 라인
23 과급 공기 냉각기
24 스로틀
25 흡기 매니폴드
26 배기 가스 매니폴드
27 배기 가스 라인
28 배기 가스 복귀 라인
29 배기 가스 냉각기
30 밸브
31, 32 외측 원주 방향 표면
33 끝면
34, 35 권선 탭
36 압축기 휠 후방측
37 내측 표면
CA 압축 공기
EG 배기 가스

Claims (12)

  1. 연소 기관용 과급 장치(20)로서,
    압축기 하우징(2)을 갖는 압축기(1), 및
    전기 모터(7)를 포함하고,
    상기 압축기 하우징 안에는 압축기 휠(3)이 배치되고, 이 압축기 휠은 회전자 축(5)의 일 단부(4)에 장착되며,
    상기 압축기 하우징은 압축기 휠 후방측(36)에 인접한 압축기 하우징 후방벽(6)을 가지며,
    상기 전기 모터는 자석(11)을 둘러싸는 고정자 권선(12)을 가지며, 그 자석은 축(8)의 외부에 배치되며,
    상기 고정자 권선(12)은 적층 코어(18)의 원통형 내측 표면(37)에 배치되고,
    상기 압축기 하우징 후방벽(6)은 냉각 재킷(10)을 구비하고, 전력 전자 회로(9)가 상기 압축기 하우징 후방벽(6)과 상기 전기 모터(7) 사이에 배치되고,
    상기 전기 모터(7)는 브러시레스(brushless) 모터인 연소 기관용 과급 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층 코어(18)는 환형인 연소 기관용 과급 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적층 코어(18)는 고정자 권선(12)에 있는 수용 오목부(19)에 배치되는 연소 기관용 과급 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 적층 코어(18)는 그의 외측 원주 방향 표면(32)으로 상기 고정자 권선(12)의 외측 원주 방향 표면(31)을 넘어 반경 방향으로 돌출되어 있는 연소 기관용 과급 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    외부에서 상기 고정자 권선(12)을 둘러싸는 고정자 하우징(13)을 더 포함하는 연소 기관용 과급 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기 하우징 후방벽(6)에 배치되는 오물 보호 덮개(14)를 포함하는 연소 기관용 과급 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 축(8)과 회전자 축(5)은 일체적인 부품인 연소 기관용 과급 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 적층 코어(18)의 원통형 내측 표면(37)은 무슬롯(slot-free)인 연소 기관용 과급 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정자 권선(12)의 끝면(33)에 권선 탭(tap)(34, 35)이 제공되어 있는 연소 기관용 과급 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 연소 기관은 내연 기관 또는 연료 전지인 연소 기관용 과급 장치.
  11. 연소 기관용 과급 장치의 전기 구동식 압축기의 시동 거동을 개선하기 위한 방법으로서,
    처음에는, 전기 모터의 회전자를 규정된 회전자 위치로 배향시키기 위해 상기 과급 장치의 압축기의 전기 모터의 코일에 전압을 일시적으로 인가하는 단계; 및
    상기 전압의 일시적인 인가 다음에 상기 회전자를 상기 규정된 회전자 위치로부터 가속시키는 단계;를 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 전압은 바로 임박한 압축 과정 전에 인가되는 방법.
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