KR19990044295A - 내연 기관, 특히 자동차 내연 기관용 시동기/발전기 - Google Patents

내연 기관, 특히 자동차 내연 기관용 시동기/발전기 Download PDF

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KR19990044295A
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internal combustion
combustion engine
generator
electric machine
starter
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KR1019980701531A
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English (en)
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울리히 마스베르크
토마스 펠스
클라우스-페터 쩨엔
안드레아스 그륀들
베른하르트 호프만
Original Assignee
호프만, 휘시텐부쉬
그륀들 운트 호프만 게엠베하 게젤샤프트 퓌어 에렉트로테크니쉐엔트비클룽겐
울리히 마스베르크
이에스아데 일렉트로닉 지스뎀스 게엠베하 운트 코 카게
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B75/06—Engines with means for equalising torque
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    • F16F15/10—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system
    • F16F15/12—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system using elastic members or friction-damping members, e.g. between a rotating shaft and a gyratory mass mounted thereon
    • F16F15/129—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system using elastic members or friction-damping members, e.g. between a rotating shaft and a gyratory mass mounted thereon characterised by friction-damping means
    • F16F15/1292—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system using elastic members or friction-damping members, e.g. between a rotating shaft and a gyratory mass mounted thereon characterised by friction-damping means characterised by arrangements for axially clamping or positioning or otherwise influencing the frictional plates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16F15/10—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system
    • F16F15/18—Suppression of vibrations in rotating systems by making use of members moving with the system using electric, magnetic or electromagnetic means
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Abstract

본 발명은 내연 기관(1), 특히 자동차 내연 기관용 시동기/발전기에 관한 것으로, 전기 기계(4)를 갖는 상기 시동기/발전기는 시동기와 발전기의 기능을 하며 적어도 하나의 하나의 교류/직류 정류기(17)는 가변적인 주파수, 진폭 및/또는 위상의 전압 및/또는 전류를 생성하여 전기 기계(4)의 자계를 생성하여, 엔진(1)과 함께 회전하는 전기 기계(4)가 정지 상태에서 시동하게 한다.

Description

내연 기관, 특히 자동차 내연 기관용 시동기/발전기
자동차 및 기타의 내연 기관을 장착한 차량은 일반적으로 내연 기관의 시동을 위한 시동기와, 전기 소비 장치로의 전기 공급 및 특히 시동에 필요한 전기 에너지를 공급하는 배터리의 충전을 위한 발전기를 필요로 한다. 자동차를 제작하기 시작한 이후로, 시동기 및 발전기는 통상 그 각각의 기능에 적합한 2개의 별개의 전기 기계로 이루어져 왔다. 시동기는 내연 기관의 회전수가 비교적 낮을 때에 상대적으로 높은 토크를 일으켜야 하고, 그에 따라 내연 기관에 대해 높은 전동비로 운전되는 것이 통상적이다. 시동기는 지속적으로 내연 기관과 함께 운전되는 것이 아니라, 시동 과정에서만 내연 기관에 커플링된다. 그 반면에, 발전기는 지속적으로 내연 기관과 함께 운전되고, 내연 기관의 전동비가 비교적 높을 때에 높은 회전수에 도달된다.
그러한 2가지 기능을 하나로 통합한 전기 기계는 추구할만한 가치가 있는 대상인데, 그 이유는 그러한 기능 통합에 의해 통상적으로 필요로 하는 2개의 기계중의 하나가 생략될 수 있기 때문이다.
시동기와 발전기에 요구되는 요건이 상이함에도 불구하고 2개의 기계를 통합시킬 수 있음은 게. 헨네베르거(G. Henneberger)의 저서, "전기 엔진 설비(Electric Motor Equipment, Vierweg, Braunschweig 1990)"의 제 98-103면에 개시되어 있다. 그에 따르면, 통합된 전기 기계(교류 조정기에 의해 제어되는 회전 자계형 기계)는 직접 내연 기관을 시동시키는 것이 아니라, 조속 휠(최초에 내연 기관에 커플링되어 있지 않음)을 가속시킨다. 조속 휠은 충분히 높은 회전수에 도달되었을 때에 마찰 커플링에 의해 내연 기관의 크랭크축에 커플링된다. 그러면, 조속 휠에 축적된 회전 에너지에 의해 내연 기관이 작동된다. 그러한 전기 기계는 발전기로서의 운전 상태에서 마찰 커플링에 의해 지속적으로 내연 기관에 커플링된다. 그러한 구성 수단은 전기 기계의 출력 및 토크가 시동의 경우와 발전기 운전상태에서 서로 비슷하다는 점에서 유리하다. 그러나, 빠르게 회전되는 조속 휠은 커플링할 때에 마찰 커플링의 기계적 부하가 커서 커플링 마모가 발생한다는 점, 시동을 할 때마다 시동 과정 이전에 조속 휠을 가속시키기 위한 데드 타임(dead time)을 필요로 한다는 점에서 불리하다.
발명의 요약
본 발명은 공통의 전기 기계를 기초로 하고 있는 내연 기관, 특히 자동차 내연 기관용 시동기/발전기를 제공하는 새로운 방안을 모색하고 있다. 특히, 본 발명에 따른 시동기/발전기는 다음의 구성을 특징으로 한다(청구항 1).
― 시동기 기능 및 발전기 기능을 발휘하는 회전 자계형 전기 기계를 구비하고;
― 전기 기계의 자계에 필요한 가변적인 주파수, 진폭 및/또는 위상의 전압 및/또는 전류를 생성하는 하나 이상의 정류기를 구비하며;
― 전기 기계는 정지 상태로부터 내연 기관에 연동되어 내연 기관을 시동시킨다.
"전기 기계가 내연 기관에 연동된 상태"에서, 전동기의 순간 회전수와 동력 설비의 순간 회전수와의 비율은 전술된 조속 휠 시동기에서와는 상반되게 거의 일정하게 유지된다(특히, 1의 값으로 유지됨). "정지 상태"로부터 연동된다는 것은 전기 기계와 동력 설비가 전술된 조속 휠 시동기에서와는 다르게 정지 상태로부터 공동으로 시동된다는 것을 의미한다.
"전기 기계"란 전동기로서 뿐만 아니라 전기 발전기로서 운전될 수 있는 임의의 형태의 회전 운동용 기계이다. 정류자 기계와 대비되는 "회전 자계형 기계"란 회전 자계, 바람직하게는 360°에 걸쳐 유포된 회전 자계를 발생시키는 기계, 특히 정류자가 없는 기계를 의미한다.
정류기는 일정한 한계내에서 자유롭게 선택될 수 있는 주파수, 진폭 및/또는 위상으로 자계에 필요한 전압 및/또는 전류를 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 시동기/발전기는 정지 상태로부터 연동된다는 점에 의거하여 다음의 장점을 제공한다.
― 데드 타임 없이 시동이 신속하게 실시되고,
― 시동기/발전기의 마모가 사실상 거의 없으며,
― 시동기/발전기의 출력 효율이 비교적 높고(커플링 가열 및 커플링 마모에 소비되는 에너지가 없기 때문에),
― 내연 기관과 전기 기계와의 사이의 커플링이 생략될 수 있다.
본 발명은 종래의 시동기 기계와 발전기 기계를 별개로 구비한 차량에 비해 상당한 중량 감소를 가져온다.
본 발명에 따른 시동기/발전기의 전기 기계는 종래의 시동기와는 다르게 바람직하게도 지속적으로 내연 기관과 함께 운전된다. 따라서, 종래의 시동기에서 필요로 하던 단선 휠 및 프리 휠(single track wheel and free wheel) 장치는 본 발명에서는 생략될 수 있다.
내연 기관과 전기 기계와의 상대 회전수는 시동기 운전 상태와 발전기 운전 상태에서 서로 동일한 것이 바람직하다(청구항 2). 즉, 전기 기계의 전동비는 2가지 운전 형태에서 동일하고, 시동기 운전 상태로부터 발전기 운전 상태로 전이될 때에 거의 감소되지 않는다.
원칙적으로, 전기 기계는 예컨대 전동 장치를 경유하여 간접적으로 내연 기관의 추진축에 커플링될 수 있다. 그러나, 전기 기계는 내연 기관의 추진축(예컨대, 크랭크축) 또는 구동 라인(예컨대, 커플링 또는 변속 기어 장치 또는 자동 변속 기어 장치의 구동축)에 직접적으로 커플링되거나 커플링될 수 있는 것이 바람직하다(청구항 3). "직접적으로 커플링된다"라는 것은 전기 기계의 회전자가 특히 전동 장치를 경유하지 않고 추진축에 커플링된다는 것을 의미한다. 즉, 예컨대 피니언 또는 견인 수단(예컨대, 체인 벨트)을 경유하는 간접적인 커플링은 사용되지 않는다. 회전자의 회전수는 내연 기관의 회전수와 동일한 것이 바람직하다.
특히 바람직한 구성은 전기 기계가 추진축 또는 필요시에 커플링될 수 있는 추진축의 연장부상에 장착되어 회전되지 않도록 그에 결합되는 것이다(청구항 4). 그러한 구성은 동력이 전달되는 이동 부품의 수가 감소되는 것에 의거하여 비용 및 복잡성이 감소된다는 점, 마모가 없어진다는 점 및 시동시에 소음이 완전히 없어진다는 점에서 유리하다.
회전 자계형 전기 기계는 다상 교류, 예컨대 3상 교류용의 비동기형 기계, 동기형 기계 또는 리럭턴스형 기계인 것이 바람직하다(청구항 5). 비동기형 기계는 일반적으로 비교적 간단하게 구성되는 회전자(통상, 단락 권선 또는 그 단부가 활동환에 인도되는 권선을 구비한 회전자)를 구비하는데, 그러한 회전자에서는 회전자의 이동에 선행하거나 후속되는 고정자의 회전 자계에 의해 전류가 유도된다. 따라서, 비동기형 기계는 제조 비용 및 기계적 부하의 측면에서는 유리한 점이 있지만, 회전자 전류의 크기 및 위상각이 부하에 의존하면서도 고정자의 변량에 의해 바로 측정될 수 없고 계산에 의해서만 산출될 수 있기 때문에 제어 기술적으로 매우 복잡하다. 그 반면에, 동기형 기계는 영구 자석 또는 전자석에 의해 미리 정해진 대로 특유의 극이 생성되는 회전자를 구비한다. 전자석에는 예컨대 활동환을 경유하여 전류가 공급될 수 있다. 동기화 기계는 일반적으로 그 제조에 비용이 많이 들지만, 토크가 실질적으로 회전자의 회전각에 의존하고 그 회전각이 회전자 위치 검출기에 의해 집접 측정될 수 있기 때문에 제어 기술적으로 간단하게 취급될 수 있다. 그와 함께, 동기형 기계는 출력 전자 장치에 소요되는 비용이 낮고, 콤팩트한 구조로 구성될 수 있으며, 순환 냉각의 필요성이 작고, 그 출력 효율이 양호하다. 넓은 의미에서, 리럭턴스형 기계는 동기형 기계에 속한다.
특히, 비동기형 기계의 경우, 전기 기계의 제어는 자계 배향에 의한 제어(소위, 벡터 제어)에 의거하여 실시되는 것이 바람직하다. 그러한 제어에 있어서, 인가된 전압, 고정자 전류 및 필요한 경우에 따른 회전수와 같은 직접적으로 측정될 수 있는 순간치를 전제로 하여, 계산상의 역학적 기계 모델에 의해 고정자 전류를 회전자 자속과 함께 토크를 생성하는 토크 생성 성분과, 그 성분에 수직하게 연장되어 기계 자속을 생성하는 성분으로 계산상으로 분해하고, 그에 의해 토크를 조사한다. 그러한 제어 기술은 비록 회전자에서의 전류비를 직접적으로 측정할 수는 없어도 원하는 토크를 높은 정확도로 설정할 수 있도록 해준다.
본 발명에 따른 시동기/발전기에서는 내연 기관에 부속되는 보조 시스템이 사용된다. 그러한 보조 시스템은 그 보조적 특성으로 인해 내연 기관에 비해 상대적으로 작은 공간을 차지해야 한다. 즉, 최대한으로 콤팩트한 구조이어야 한다. 그러한 콤팩트한 구조임에도 불구하고, 시동기/발전기는 시동을 위해 상대적으로 높은 토크를 일으킬 수 있어야 하고, 발전기의 기능에 있어서도 최대한으로 높은 출력 효율을 나타내야 한다. 특히, 이후로 설명되는 구성 방안은 콤팩트한 구조이면서도 토크가 크고 출력 효율이 높도록 해주는 역할을 한다.
매우 콤팩트한 구조를 실현시키기 위한 구성 방안은 전기 기계의 유닛들 중에서 회전 자계를 생성하는 작용을 하는 유닛(즉, 통상적으로 고정자)이 8개 이상의 자극(360°에 대해)을 구비하는 것이다(청구항 6). 특히, 예컨대 10개, 12개, 14개, 16개 또는 그 이상의 자극을 구비하는 것과 같은 촘촘한 자극 분포가 바람직하다(원형으로 폐쇄된 형태의 기계의 경우). 정해진 수의 자극을 사용하여 다상 교류 권선을 구현하는 형태 및 방식에 관해서는, 예컨대, 게. 헤베를레 및 하. 베레를레(G. and H. Haberle)의 저서, "에너지 기술 설비에서의 전기 기계(Electric Machine in Energy Technique plant", Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten, 3. Auflage, 1994)"의 제 169-172면을 참조하면 된다.
자극의 수가 많아지면, 무엇보다도 고정자의 권선 헤드가 특히 기계의 축방향 및 원주방향으로 작게 형성될 수 있고, 그에 따라 전체적으로도 기계가 짧은 축방향 길이로 형성될 수 있다. 고정자의 각각의 측면쪽으로 권선 헤드가 축방향을 따라 돌출되는 크기는 5㎜ 내지 25㎜, 특히 10㎜ 내지 20㎜에 불과하다. 고정자 배면체의 축방향 폭은 25㎜ 내지 100㎜인 것이 바람직하다. 예컨대, 권선 헤드의 돌출 크기가 2×15㎜이고 배면체의 폭이 40㎜라면, 고정자 전체의 축방향 폭은 70㎜가 되며, 고정자의 전체적인 폭에 대한 배면체의 폭의 비율은 0.57이다. 그러한 비율은 0.4와 0.8과의 사이에 있는 것이 바람직하고, 0.55와 0.8과의 사이에 있는 것이 더욱 바람직하다. 기계의 구조가 콤팩트하게 형성된다는 장점 이외에도, 권선 와이어의 길이가 짧아지기 때문에(권선 헤드가 작아지면 비활성 권선 와이어가 덜 소요됨) 오옴 손실도 적어진다. 또한, 산란 자계(무효 출력을 실질적으로 결정함)도 작아지게 되는데, 그 이유는 산란 자계가 권선 헤드의 면적에 의존하기 때문이다.
특히, 자극이 촘촘하게 배치되는 것에 의해 환류 자속을 위한 고정자의 배후부가 얇게(그에 수반하여 가볍게) 형성될 수 있고, 결과적으로 기계의 외경이 동일한 경우에도 회전자의 직경이 더 커질 수 있다. 회전자의 직경이 보다 더 커지게 되면, 간극이 원주방향으로 더욱 길어지고 유효 레버 아암이 더욱 커지기 때문에 토크도 보다 더 커지게 된다. 톱니부의 높이와 배후부의 두께로 이루어지는 배면체의 반경방향 두께는 10㎜ 내지 50㎜, 바람직하게는 15㎜ 내지 30㎜, 더욱 바람직하게는 25㎜ 이하이다. 배면체의 외경은 230㎜ 내지 450㎜인 것이 바람직하고, 250㎜ 내지 350㎜인 것이 더욱 바람직하다. 배면체의 외경에 대한 배면체 두께의 2배의 비율은 0.05 내지 0.25인 것이 바람직하고, 0.1 내지 0.2인 것이 더욱 바람직하다. 예컨대, 배면체의 외경이 300㎜인 전기 기계는 톱니부의 높이 15㎜와 일정하게 연속되는 배후부의 두께 10㎜, 즉 전체적인 배면체의 두께 25㎜로 구성된다. 그 경우, 전술된 비율은 50㎜/300㎜, 즉 0.167이 된다.
다시 말하자면, 촘촘한 자극 분포와 그에 따른 소형의 권선 헤드 및 얇은 고정자 배면체에 의해 콤팩트하고 가벼운 기계가 실현된다.
빠르게 운전되는 회전 자계형 기계의 경우에는, 그러한 기계가 상대적으로 높은 자극 절환 주파수를 낼 수밖에 없기 때문에 자극의 수가 많게 되는 것은 특이한 경우이다. 자극 절환 주파수의 통상적인 값은 예컨대 120㎐이다. 반면에, 본 발명의 범위내에 있는 전기 기계는 그 최대 자극 절환 주파수가 300㎐ 내지 1600㎐로 높은 것이 바람직하고, 400㎐ 내지 1600㎐로 보다 더 높은 것이 더욱 바람직하다.
고정자에서의 와전류의 영향(자극 절환 주파수의 상승에 따라 증대됨)을 감소시키기 위해, 고정자는 두께가 0.35mm 이하, 바람직하게는 0.25mm 이하인 얇은 고정자 판으로 제작되는 것이 좋다. 손실을 감소시키기 위한 추가의 방안으로서, 고정자 판은 자화 손실이 낮은 재료, 특히 자화 손실이 50㎐ 및 1Tesla에서 1Watt/kg 미만인 재료로 제작되는 것이 바람직하다(청구항 8).
콤팩트한 구조에 기여하는 추가의 바람직한 구성 방안은 전기 기계가 내부에서 유체에 의해 냉각되는 것이다(청구항 9). 유체로서는 원칙적으로 기체(예컨대, 공기)도 사용될 수 있지만, 액체(예컨대, 오일)를 사용하는 것이 바람직하다. 냉각 기법은 기계의 내부(즉, 회전자를 수납하는 공간)를 완전히 냉각액하에 놓는 것이다. 그러나, 그러한 기법과 관련된 단점은 약 2000min-1을 넘는 범위에서야 주목할만한 크기로 가정될 수 있는 난류 손실이 500m-1을 넘는 범위에서 발생한다는 것이다. 그러한 단점에 대응하기 위해, 냉각액은 손실 출력 및 회전수에 의존하여, 특히 냉각액 분사에 의해 공급되는 것이 바람직하다. 그와 같이 할 경우, 기계내에는 실질적으로 손실 출력을 제거하기 위해 순간적으로 필요한 정도의 냉각액만이 항시 존재하게 된다. 손실 출력이 매우 높은 경우 및/또는 회전수가 매우 낮은 경우에는, 기계의 전체가 냉각액하에 놓여질 수 있다. 냉각액 분사는 최대한으로 유효한 열전달 및 매우 양호한 냉각액 분배를 보장해준다.
전기 기계는 그 자체에 격리된 냉각 매체 회로를 구비하는 것이 바람직하다. 그러한 냉각 매체 회로는 열의 외부(예컨대, 대기)로의 반출을 위해 자체적인 순환 냉각기(예컨대, 공냉식 냉각기)를 구비할 수 있다. 그러나, 예컨대 자동차의 내연 기관 냉각 회로 또는 전동 오일 냉각 회로가 그 대상일 수 있는 다른 냉각 시스템 중의 하나에 폐열을 반입하는 기생적인 순환 냉각기도 가능하다. 그 경우, 폐열은 다른 냉각 시스템의 순환 냉각기에 의해 외부로 방출된다. 기생적인 순환 냉각기는 예컨대 다른 냉각 시스템의 냉각액 중에 담겨지고 양호한 열전달로 인해 상대적으로 작은 표면만을 필요로 하는 냉각기의 형태로 매우 간단하고 콤팩트하게 구성될 수 있다. 그러나, 그와는 다른 방식으로 전기 기계는 그 자체에 격리된 냉각 회로를 구비하지 않고, 다른 냉각 회로, 예컨대 전동 오일 냉각 회로에 통합될 수도 있다.
매우 높은 토크를 달성하기 위해, 전기 기계는 충분히 자기적으로 포화된 구간에서 작동하는 것이 바람직하다. 자기 포화의 하나의 척도는 원주방향의 간극 길이(㎝)당의 고정자의 전류 크기(최대 토크에서의 전류 크기)이다. 그러한 자기 포화의 척도는 적어도 400-1000A/㎝인 것이 바람직하고, 500A/㎝ 이상인 것이 더욱 바람직하다(청구항 10). 자기 포화의 또 다른 척도는 소위 편평률이다. 편평률이란 여기 전류가 정현파인 경우에 자계 크기의 산술 평균에 대한 피크치의 비율이 어느 정도의 크기인가를 나타내는 것이다. 그러한 편평률은 순수한 정현파 진로에서는 1.57, 통상의 전기 기계에서는 1.35, 바람직한 구성의 본 발명의 전기 기계에서는 1.05-1.15이다. 충분한 자기 포화의 구간에서 작동하는 것은 기계가 작용 유닛(통상, 회전자와 고정자)들 사이에 상대적으로 넓은 간극을 구비할 수 있다는 추가의 장점을 부여해준다. 간극의 폭은 0.25-2.5mm, 바람직하게는 0.5-1.5mm, 더욱 바람직하게는 0.75-1.5mm이다. 회전자를 지지하는 축의 반경방향으로의 요동시에 나타날 수 있는 간극의 변동은 자기 포화 구간에서의 작동으로 인해 별다른 영향을 미치지 않게 된다. 반경방향으로의 요동에 대한 둔감성 이외에도, 전술된 구성 방안은 전기 기계의 제작에서의 정확도 요건을 완화시킬 수 있고, 그에 따라 전기 기계의 제작을 현저히 간소화시킨다.
콤팩트한 정도는 "토크 밀도"의 크기에 의해 정량적으로 표현될 수 있다. 전기 기계는 최대 토크에 대해 높은 토크 밀도를 나타내는 것이 바람직한데, 그러한 토크 밀도는 0.01Nm/㎤을 초과하는 것이 특히 좋다(청구항 11).
통상, 그러한 콤팩트한 구조의 전기 기계는 상대적으로 낮은 인덕턴스를 나타낸다. 그럼에도 불구하고 예컨대 진동하는 전압을 사용하여 회전 전계의 생성을 위한 최대한으로 편평한 정현파 전류를 얻기 위해, 정류기는 적어도 임시적으로 높은 진동 주파수로 작동하는데, 그러한 클럭 주파수는 10㎑ 내지 100㎑, 특히 20㎑ 내지 100㎑ 또는 그 이상인 것이 바람직하다(청구항 12). 진동 주파수가 높으면, 정류기 자체가 콤팩트한 구조로 구성될 수 있는 장점도 제공된다. 왜냐하면, 예컨대 전압 중간 회로 정류기의 경우, 정류기의 전자 스위치에 중간 회로 전압을 공급하는 중간 회로의 캐패시턴스는 주파수에 반비례하고, 그에 따라 진동 주파수가 높은 경우에는 중간 회로의 캐패시턴스를 작게 하여도 충분하기 때문이다. 작은 중간 회로 콘덴서는 짧은 도선 경로로 전자 스위치의 바로 옆에 배치될 수 있다. 또한, 정류기에서 필수적인 외부로의 EMV 필터링(EMV:전자기 적합성)도 콤팩트하게 실시될 수 있는데, 그 이유는 필터의 크기가 진동 주파수에 반비례하기 때문이다.
"중간 회로"란 그에 후속하여 정류기 부분(소위, 기계 정류기)에서 펄스 또는 진동에 의해 처리되어 가변적인 교류 전압 또는 교류 전류를 생성해내는 직류 전압 또는 직류 전류를 공급할 수 있는 회로를 의미한다. 따라서, 그러한 직류 전압 또는 직류 전류는 큰 플랭크 경사도(flank steepness)로 공급되어야 한다. 대부분의 차량 배터리는 그러한 경사도에 있어 매우 완만하기 때문에, 중간 회로에서는 에너지 축적자로서 캐패시턴스가 사용된다. 통상, 중간 회로 정류기는 3개의 구조군, 즉 전기 에너지의 공급 또는 반출을 위한 입력 구조군, 기계 정류기의 형태의 출력 구조군 및 그 사이에 배치된 중간 회로를 포함한다.
콤팩트한 정류기의 구조를 실현시키기 위한 추가의 구성 방안은 정류기의 전자 스위치를 유체 냉각, 바람직하게는 비등욕 냉각에 의해 냉각하는 것이다(청구항 13). 비등욕 냉각제로서는 예컨대 불화 탄화수소가 사용될 수 있다. 비등욕 냉각의 경우, 액체 냉각제는 열원에서 증발하여 그 열원으로부터 비교적 높은 증발열을 탈취한다. 냉각제의 증기는 상승하여 예컨대 외부 냉각기에서 응축되고, 그 외부 냉각기에서 증발열을 방출한다. 그러한 냉각 기법은 정류기의 전자 스위치가 어떠한 냉각제를 필요로 함이 없이 콤팩트하게 배치될 수 있도록 해준다. 그 외에도, 그러한 냉각 기법은 온도차가 상대적으로 작더라도 높은 냉각 효율의 달성에는 충분하다는 점에서 장점이 있다. 공냉의 경우에는 통상적으로 냉각 표면과 냉각하려는 전자 칩의 하우징과의 사이의 온도차가 40℃인 것이 요구되는 반면에, 본 냉각 기법의 경우에는 온도차가 2-10℃, 특히 약 5℃ 정도로도 충분하다. 결과적으로, 주위 온도가 높은 것도 허용될 수 있는데, 예컨대 칩의 온도가 65℃인 경우에 60℃까지의 주위 온도가 허용될 수 있다. 또한, 냉각제가 필요없고 매우 콤팩트한 구조가 실현될 수 있음으로 인해, 진동에 대한 저항성이 매우 높아질 수 있다. 그 이외에도, 비등욕은 산소로부터 유리된 대기를 정류기의 전자 부품 요소에 제공해줄 수 있고, 그에 의해 내구 수명이 연장되는 효과를 얻을 수 있다. 냉각 공간을 형성하는 하우징(전도성 재료로 이루어진 경우)은 윤활부로서의 역할도 할 수 있다. 진동하는 전압 또는 전류를 제공하는 중간 회로의 축전기 요소(예컨대, 전술된 캐패시턴스)는 냉각 하우징의 내부에 배치될 수 있고, 그에 따라 짧은 도선 경로가 부여될 수 있다. 필요에 따라 제공되는 별개의 제공 에너지 축적자는 냉각 하우징의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다. 후자의 경우 발생할 수 있는 상대적으로 높은 도전 인덕턴스는 제동 에너지 축적자가 비교적 느린 시간 단계로 작동하기 때문에 간섭을 일으키지 않는다.
냉각 기법상으로 바람직한 추가의 구성 방안은 정류기의 다수의 전자 스위치, 특히 2개 내지 20개 또는 그 이상의 전자 스위치를 병렬로 접속하는 것이다(청구항 14). 병렬 접속에 의해 열원이 분배되어 배치되고, 그로 인해 손실 출력 밀도가 상대적으로 작아진다.
정류기는 반도체 스위치, 바람직하게는 자계 효과 트랜지스터, 특히 금속 산화물 반도체(MOS)의 자계 효과 트랜지스터, 2극 트랜지스터 및/또는 게이트 접속부가 절연된 2극 트랜지스터(IGBT)와 같은 신속 반도체 스위치를 스위치로서 포함하는 것이 좋다. 특히, "신속" 반도체 스위치란 전술된 진동 주파수를 허용하는 반도체 스위치를 의미한다. MOS 자계 효과 트랜지스터는 높은 진동 주파수에서도 그 손실이 상대적으로 매우 작다. MOS 자계 효과 트랜지스터는 오옴의 특성을 나타내고(반면에, 다른 반도체 구성 소자는 대체로 고정적인 손실 특성을 나타냄), 그에 따라 부분 부하 운전시에도 손실이 비교적 작다.
정류기는 펄스 정류기인 것이 바람직하다. 즉, 정류기는 전기 기계의 자계에 필요한 전압 및/또는 전류를 펄스에 의해, 특히 펄스 폭 변조 또는 펄스 진폭 변조에 의거하여 생성하는 것이 바람직하다(청구항 16). 정류기는 미리 주어진 직류 전압이나 교류 전압 또는 미리 주어진 직류 전류나 교류 전류로부터 펄스를 떼어내는 전자 스위치에 의해 전기 기계의 자계에 필요한 전압 및/또는 전류를 생성해낼 수 있는 것이 바람직하다. 예컨대, 중간 회로 전압이 일정한 중간 회로 정류기의 경우, 기계의 인덕턴스에 기인한 높은 진동 주파수에서 정현 정격화된 펄스 폭 변조에 의해 정련파 형태의 전류를 임의로 설정될 수 있는 주파수, 진폭 및/또는 위상으로 생성할 수 있다. 펄스 진폭 변조의 경우, 예컨대 중간 회로 전압이 가변적인 정류기를 전제로 하여 다양한 진폭의 펄스를 생성한다.
시동 과정에 필요한 높은 전기 출력을 차량 배터리에 과부하가 걸리는 일이 없이 공급하기 위해, 시동 과정 이전에 에너지로 충전되고 그 이후에 필요한 에너지를 단기간 동안 방출하는 에너지 축적자가 마련되는 것이 바람직하다. 그를 위해, 정류기는 하나 이상의 시동 에너지용 에너지 축적자를 중간 회로에 구비하거나 그러한 하나 이상의 에너지 축적자에 접속되는 중간 회로 정류기로서 형성되는 것이 바람직하다(청구항 17). 특히, 에너지 축적자로서는 캐패시턴스, 인덕턴스 및/또는 신속 배터리와 같은 전기 축적자, 자기 축적자 및/또는 전자기 축적자가 사용될 수 있다. 그러한 에너지 축적자는 시동 에너지의 축적 이외의 다른 목적으로도 사용된다. 예컨대, 에너지 축적자는 정류기의 펄스 작업에 필요한 에너지를 축적할 수 있다(그러한 후자의 경우, 에너지 축적자는 통상의 중간 회로 축적자에 통합될 수 있음). 또한, 모든 경우(예컨대, 시동 에너지용 축적자 및 필요한 경우에 제공되는 제동 에너지용 축적자가 없는 경우를 포함)에 있어서, 전류 정류기는 중간 회로 전류 정류기로서 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
종래의 자동차, 기타의 차량 및 고정된 동력 설비의 어느 경우에도, 비교적 높은 출력을 받기 때문에 동력 설비(즉, 내연 기관)에 의해 벨트 전동 장치 등을 경유하여 기계적으로 구동되어야 하는 보조 기계가 흔히 마련된다. 그 경우의 보조 기계는 예컨대 공조기, 서보 구동 장치(예컨대, 제동 보조용 또는 조향 보조용), 펌프 등일 수 있다. 일반적으로, 그러한 기계적인 구동 커플링은 보조 기계가 동력 설비에 의해 미리 주어진 회전수의 상태로 동력 설비를 따라야 한다는 점 때문에 그리 적합한 것은 아니다. 그러한 기계적인 구동 커플링에 의하면, 보조 기계는 한편으로는 최적의 운전량(예컨대, 회전식 보조 기계의 경우의 회전수)으로 일정하게 운전되지 않고, 다른 한편으로는 해당 보조 출력이 없어서 전혀 운전될 필요가 없는 경우에도 운전되어야 한다. 그러한 단점은 고출력 기계로서 형성될 수 있는 본 발명에 따른 시동기/발전기에 의해 극복될 수 있다. 본 발명에 따른 전기 기계는 비교적 높은 전압 수준으로, 바람직하게는 반드시 접촉 안전 장치를 배려해야 할 필요가 없는 정도로 높은 범위의 저압(예컨대, 직류 약 60V)으로 전류를 공급하는 것이 유리하다. 오히려, 그러한 수준을 넘어서서 250-450V의 범위를 선택하는 것이 바람직하다. 그러한 높은 전압 수준으로 보조 기계를 전기적으로 작동시키는 것이 좋다(청구항 18). 그러한 정도로 높은 전압 수준은 중간 회로 정류기의 경우에는 중간 회로에 이미 존재할 수 있기 때문에 보조 기계의 작동이라는 추가의 목적을 위해 별도로 생성되어야 할 필요는 없다. 보조 기계를 기계적으로 작동시키는 대신에 전기적으로 작동시킬 수 있는 것은 높은 전압 수준으로부터 상대적으로 낮은 전류가 유도되기 때문에 가능한 것이다(종래의 자동차 회로망의 전압 수준 약 12V에 비해 상대적으로 낮음). 보조 기계는 필요한 경우에 전기적으로 구동되어 최적의 회전수로 운전될 수 있고, 그 이외의 경우에는 운전되지 않는다. 따라서, 전체적으로 효율이 현저히 향상된다. 자동차의 모든 장치 및 보조 동력 장치는 전기적으로 작동되는 것이 바람직하다. 그 경우, 내연 기관은 차량의 주동력 엔진과 발전기의 구동 엔진으로서의 역할만 할 뿐이다. 저출력 전기 소비 장치를 위해 종래의 저압 기판 회로망(예컨대, 12V 또는 24V)이 마련될 수 있다. 차량 배터리는 고압 수준의 구역 또는 필요한 경우에는 저압 기판 회로망의 구역에 배치될 수 있다.
주파수가 통상의 회로망 주파수(예컨대, 50㎐)인 220V 교류 및/또는 330V 다상 교류를 공급하기 위한 추가의 정류기를 마련하는 것도 바람직하다. 그러한 정류기에도 역시 (직류 전압) 중간 회로로부터 전기가 공급될 수 있다. 그와 같이 형성된 차량은 통상의 전기 회로망 장치에의 전기 공급을 허용할 수 있을 뿐만 아니라, 외부 작업에 유용하게 사용될 수 있는 이동식 회로망 전류 발전기로서의 역할도 할 수 있다.
중간 회로로부터의 전기 에너지를 교류로 변환시키는 것은 차량의 교류 전압 기판 회로망에 전기를 공급할 수 있다는 점에서 유리하다. 그러한 회로망은 기판 회로망 전압으로부터 변압기에 의해 개개의 소비 장치에 적합한 임의의 전압이 그 각각의 소비 장치에서 생성될 수 있다는 장점이 있는 것이다. 교류 전압의 주파수는 고주파(즉, 1㎑보다 높은 주파수)인 것이 특히 바람직한데, 그 이유는 그와 같이 되면 변압기가 매우 작고 가볍게 형성될 수 있기 때문이다.
시동기/발전기를 필요에 따라 고압 수준으로 고출력 기계로서 형성할 수 있음으로 인해, 그러한 시동기/발전기를 차량에서의 가열 목적을 위해 사용할 수 있다(청구항 19). 그 경우, 그러한 가열 목적이란 예컨대 냉각 순환 루프의 가열에 의한 내연 기관의 전기적 가열(특히, 직접 분사식 터보 디젤 엔진의 동계 운전을 위한), 승객실의 전기적 가열, 내연 기관의 탈기 촉매의 전기적 가열, 연료 필터의 전기적 가열, 유리창 와이퍼 장치의 전기적 가열, 차량의 외부 거울 및/또는 창문 유리의 전기적 가열일 수 있다. 그러한 가열들은 종래의 자동차의 경우에는 불가능하거나, 불충분하게만 이루어지거나, 내연 기관의 폐열에 의해서만 가능하였다. 전기적으로 가열하는 것은 승객실 난방을 보조할 경우에 쾌적함을 높여준다는 점 외에도 자동차의 환경 친화성에 유리하게 작용한다. 내연 기관 및 촉매를 전기적으로 가열하는 것에 의해 내연 기관 또는 촉매가 신속하게 작동 온도로 상승될 뿐 아니라, 작동 온도의 정확하고 신속한 조절이 이루어질 수 있다. 그러한 구성은 엄격한 배기 가스 방출 규정을 충족시키기 위한 중요한 조처이다. 각종의 가열, 특히 내연 기관 및 촉매의 가열을 제어하는 것은 정류기의 작동을 위한 시동기/발전기의 제어에 의해 함께 실시될 수 있다.
본 발명에 따른 시동기/발전기는 소음 및 마모가 없고 데드 타임이 필요하지 않기 때문에 매우 빈번한 시동에 적합하다. 따라서, 시동기/발전기는 필요한 경우에만 내연 기관이 운전되고 그 이외의 경우에는 정지되도록 하는 내연 기관의 시동/정지 제어 장치와 조합되는 것이 바람직하다(청구항 20). 왜냐하면, 도시에서 통행을 할 경우에는 신호등 및 교차로에서의 빈번한 정차로 인해 자동차의 내연 기관이 운전 시간의 상당 부분에 걸쳐 공전 상태로 운전되기 때문이다. 그러한 공전 상태의 운전은 유독하거나 기후에 영향을 미치거나 다른 방식으로 해를 주는 배기 가스의 방출과 함께 연료의 쓸모없는 과소비를 가져오기 때문에 자원 낭비인 동시에 환경에 부담을 준다.
자동 시동/정지 제어 장치는 정지 조건(또는 다수의 정지 조건 중의 어느 하나)이 충족될 경우에 내연 기관을 자동적으로 정지시키는 것이 바람직하다. 정지 조건을 규정하는 데에는 각종의 조건이 단독으로 또는 조합적으로 사용될 수 있다. 그러한 조건들로서, 예컨대 무부하, 미끄럼 운전, 자동차의 정지(즉, 정해진 낮은 속도치, 예컨대 4㎞/h 미만의 주행 속도), 내연 기관의 커플링 해제, 기어 접속의 해제, 운전 브레이크 또는 주차 브레이크의 작동, 정지 스위치의 작동 등을 들 수 있다.
시동/정지 제어 장치는 시동 조건(또는 다수의 시동 조건 중의 어느 하나)에 있을 경우에 유사한 방식으로 전기 기계에 의해 내연 기관을 자동적으로 시동시키는 것이 바람직하다. 시동 조건을 규정하는 데에도 역시 다수의 조건이 단독으로 또는 조합적으로 사용될 수 있다. 그러한 조건들로서, 예컨대 주행 페달의 작동, 운전 브레이크 또는 주차 브레이크의 해제, 커플링의 작동, 기어 접속 레버의 접촉 또는 이동, 기어의 접속, 시동 스위치의 작동 등을 들 수 있다.
종래의 시동기는 그 전동비가 높은 이유로 인해 공전 회전수(전형적으로, 600-800U/min)보다 상당히 아래에 있는 비교적 낮은 시동 회전수(전형적으로, 80-250U/min)로 내연 기관을 시동시킬 수 있을 뿐이다. 그 경우, 내연 기관은 그러한 시동 회전수와 공전 회전수와의 사이의 회전수 차이를 자체의 동력에 의해 극복해야 한다. 그러나, 공전 회전수보다 상당히 낮은 회전수에서는 내연 기관이 매우 불량한 운전 구간에 있기 때문에, 내연 기관이 회전수 차이를 극복하는 데에는 비교적 많은 양의 연료가 소모될 뿐만 아니라, 그러한 연료도 단지 불완전하게만 연소된다. 따라서, 내연 기관을 시동할 때마다 추가의 연료 소모 및 특히 환경에 유해한 배기 가스 방출이 수반된다. 결과적으로, 구동 시스템은 적어도 내연 기관이 공전 회전수(작동 온도에서는 통상 600 내지 800 U/min)에 도달될 때까지 전기 기계가 실질적인 구동 작용을 하도록 구성되는 것이 바람직하다. 그러한 구성 방안에 의해, 내연 기관은 그 공전 회전수에 도달되어야 비로소 작동하기 시작할 수 있고, 그에 따라 그 자체 동력에 의해 운전상으로 불량하게 시동되는 것이 생략될 수 있다. 또한, 그러한 구성 방안은 시동시의 연료 소모 및 매우 유해한 배기 가스 방출을 방지해 주는 동시에 시동 과정을 신속하게 해준다. 즉, 그러한 구성 방안은 자동 시동/정지 제어 장치를 구비한 차량 및 그 제어 장치를 구비하지 않은 차량에서 모두 생태학적으로 매우 바람직하다.
전기 기계는 시동기 및 발전기로서의 그 기능 이외에도 다른 기능을 실시할 수 있는 것이 바람직하다.
첫번째의 바람직한 추가 기능은 전기 기계가 예컨대 자동차의 가속 또는 제동을 위해 추진축의 가속 및/또는 제동을 일으키거나 지원하는 것이다(청구항 21). 전기 기계는 마모가 없고 바람직하게는 에너지 재생을 위해 발전기의 작용을 하는 제동기(지연 제동기)로서의 역할을 한다. 전기 기계는 구동 슬립 제어(ASR)와 연관하여 제동에 의해 구동 토크를 신속하게 감소시키고, 그에 따라 하나 이상의 구동륜의 슬립을 신속히 감소시킨다. 도달 가능한 차량 가속도 값의 변동이 없는 경우, 가속의 지원을 위한 추가의 구동 토크가 있다면 내연 기관은 보다 더 작은 크기로 형성될 수 있고, 그에 따라 평균적으로 높은 평균 압력으로 운전되어 연료를 보다 적게 소비하게 된다. 따라서, 그러한 구성 방안은 해로운 배기 가스 방출을 감소시키는 데에도 기여한다. 가속 지원 작용은 예컨대 토크가 상대적으로 낮은 회전수 구간(예컨대, 터빈식 과급기에 의해 과급된 내연 기관의 경우에 소위 "터빈 구멍"에서 나타남)에서 가속 지원 작용에 의해 다른 회전수 구간에서보다 상응하게 더 큰 추가 토크가 발생되는 방식으로 내연 기관의 토크 특성 곡선을 평탄화시키도록 제어되는 것이 바람직하다.
두 번째의 바람직한 추가 기능은 전기 기계가 구동 라인에서의 전자 커플링 및/또는 전동 장치의 능동 동기화 장치로서 작용하는 것이다(청구항 22). 전기 기계는 종래의 마찰 커플링 또는 종래의 유체 역학적 변환기 대신에 또는 그에 부가하여 배치될 수 있다. 바람직한 구성에 있어서, 전기 기계는 전체적으로 회전될 수 없도록 장착된다. 즉, 회전 불가능한 회전자와 함께 회전 불가능한 고정자를 구비한다. 그러한 작용 요소 중의 하나(회전자 또는 고정자)는 예컨대 내연 기관으로부터 나오는 구동축에 결합되고, 다른 하나는 예컨대 전동 장치로 인도되는 종동축에 결합된다. 시간에 따라 조사된 회전자와 고정자와의 사이의 상대 회전수(즉, 조사된 슬립)를 조절하는 것에 의해, 전이 과정이 마찰 커플링을 커플링시킬 때와 동일하게 실현된다. 커플링 슬립은 커플링 과정의 말기에 사라진다. 그 경우, 전기 손실을 방지하기 위해 기계적 브리지 커플링이 커플링될 수 있는 것이 바람직하다. 브리지 커플링이 없이 발전기 기능을 실현하기 위해서는, 미세하게 제동되는 커플링 슬립을 조절해야 한다. 시동을 위해, 종동축은 예컨대 제동 장치에 의해 고정되는데, 시동시에는 그러한 제동 장치를 거슬러 전기 기계의 토크 지원 작용이 실시된다. ASR의 범위 내에서, 구동 슬립은 제동에 의해서 보다는 오히려 커플링 슬립의 확대(브리지 커플링의 해제에 따른)에 의해 감소될 수 있다. 전동 장치의 능동 동기화 장치로서의 전기 기계는 속도 절환 과정의 진행 중에 전동 기어의 동기 작동을 실현하기 위해 필요한 정도에 따라 구동축에 대한 제동을 지원하거나 전동 장치로 안내되는 종동축에 대한 가속 작용을 지원하도록 작용한다.
세 번째의 추가 기능은 전기 기계가 회전 균일성에 상반되는 형태로 신속하게 교번되는 토크를 생성하는 것에 의해 회전 균일성을 능동적으로 감소시키는 것이다(청구항 23). 그러한 교번 토크는 일정하거나 완만하게 변하는 발전기 기능의 토크 또는 필요한 경우에 따른 제동 기능 또는 부스터 기능의 토크에 부가적으로 중첩될 수 있다.
내연 기관(특히, 행정 피스톤 내연 기관)에서의 회전 균일성이란 크랭크축에 작용하는 개개의 행정 피스톤의 가스 압력 및/또는 체적력에 의해 생기는 회전 균일성을 그 대상으로 할 수 있다. 예컨대, 4기통 4행정 내연 기관은 2등급(즉, 내연 기관의 회전 주파수의 2배)의 상대적으로 높은 회전 균일성을 나타낸다. 또한, 높은 등급의 회전 균일성과 함께 확률적으로 불균일성도 나타낸다.
전기 기계가 전자 커플링으로서의 작용도 하는 구성에서는, 신속하게 교번되는 제동 토크 및 가속 토크 대신에 신속하게 증가 및 감소되도록 변동되는 커플링 슬립이 나타날 수 있다.
그러한 구성에 있어서, "신속하다"라는 것의 의미는 감소되는 회전 균일성이 주파수 대역으로 변동한다는 것을 말한다. 즉, 회전 균일성이 2등급이고 회전수가 3000min-1일 경우, 주파수 100Hz 만큼씩의 변동이 있게 된다. 그 반면에, 발전기 기능 또는 전술된 기타의 기능에 속하는 토크는 대체로 완만하게 변동되거나 일정하다. 따라서, 그러한 토크를 이후로 "등가 토크"로 지칭한다.
교번 토크의 진폭이 일정하거나 완만하게 변동되는 토크보다 더 클 경우, 전기 기계의 총 토크(물론, 기선에 대해 이동되어 있음)는 교호적으로 양의 값과 음의 값을 나타낸다. 그 이외의 다른 경우에는, 총 토크가 양의 값 또는 음의 값만을 나타내는데, 그러한 값의 크기에는 신속하게 변동되는 부분이 포함되어 있다.
그러한 추가의 기능에서 얻어지는 에너지(즉, 예컨대 차량 제동, 미끄럼 커플링에 의한 기동, 전동 기어의 감속, 양의 회전 균일성에서의 제동 등의 경우)는 전술된 에너지 축적자(또는 다른 에너지 축적자)에 중간 저장되었다가 추후에 구동 토크(예컨대, 차량 가속, 전동 기어의 가속, 음의 회전 균일성에서의 구동을 위한 토크)의 생성을 위해 재사용되고, 그와 함께 또는 선택적으로 차량의 기판 회로망 및/또는 배터리에 저장된다. 상당량의 에너지의 입수(예컨대, 미끄럼 전자 커플링에 의한 기동시에 입수될 수 있는 것과 같은)가 있을 경우, 에너지 축적자는 조속 휠 에너지 축적자로서 형성될 수 있는 것이 바람직한데, 그 조속 휠 자체는 전기 기계에 의해 구동 및 제동된다. 그와는 다른 방식으로, 그러한 큰 에너지 양은 예컨대 내연 기관의 냉각 순환 루프에 기생적으로 배치되는 전기 가열 권선(침지 비등체와 유사함)에 의해 가열에 사용될 수도 있다.
전기 기계에 의한 차량 제동시에 제동 에너지 회수 효율을 최대한으로 높이기 위해, 전기 기계는 제동시에 내연 기관의 커플링 상태로부터 해제되는 것이 바람직한데, 그러한 커플링 해제는 예컨대 마찰 커플링 또는 갈고리 커플링과 같은 중간 접속 커플링에 의해 실시된다.
예컨대, 차량에서 가용될 수 있는 구조 공간을 최적으로 활용하기 위해, 전기 기계, 특히 그 회전자에는 커플링, 바람직하게는 주행 커플링으로서의 역할을 하는 마찰 커플링이 통합되는 것이 유리하다. 예컨대, 회전자가 내측에 놓이는 비동기형 기계 또는 동기형 기계의 경우, 회전자의 내측 구역은 특정한 기능을 담당하지 않기 때문에 중공으로 형성되어 커플링을 수납할 수 있다. 그러한 구성 방안에 의해, 전기 기계는 회전자의 내부에 통합된 커플링과 더불어 종래의 자동차에서 커플링 단독으로 있을 경우에 비해 단지 축방향으로만 동일한 정도의 공간을 필요로 하거나 그 이하의 공간을 필요로 하게 된다. 커플링을 다중판 커플링 및/또는 적층 박판 커플링으로서 형성하면, 가용 직경이 감소되고 질량 관성 모멘트가 최소화될 수 있다. 통합되는 커플링을 습식 커플링으로서 형성하면, 커플링 유체가 전기 기계의 냉각을 위한 역할도 할 수 있다. 커플링은 기계적으로, 전기적으로, 자기적으로, 전자기적으로, 유압적으로, 공압적으로, 또는 그들의 조합 형식으로 작동될 수 있다.
청구 범위, 상세한 설명 및 첨부 도면의 주제들은 청구항 1의 최종 특징("정지 상태로부터 내연 기관에 연동되어 내연 기관을 시동시킴")을 포함하지 않는 시동기/발전기에서도 바람직한 것들이다. 따라서, 청구 범위의 청구항들은 청구항 1에 포함된 "정지 상태로부터 내연 기관에 연동되어 내연 기관을 시동시킨다"라는 특징이 생략된 주제에 대해서도 청구하고 있는 유보적인 청구항들임을 명확히 밝히고자 한다.
또한, 본 명세서의 전반에 걸쳐 수치 데이터 "X"는 "적어도 X"라는 의미로 이해되어야 하고, 단지 바람직한 경우에만 "정확히 X"라는 의미로 이해될 수 있다.
본 발명은 내연 기관, 특히 자동차 내연 기관용 시동기/발전기에 관한 것이다.
도 1은 시동기/발전기의 일실시예를 구비한 구동 시스템을 축척을 무시한 채 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 "능동 제진"의 추가 기능이 있는 시동기/발전기의 기능 방식을 개략적으로 예시하여 도시한 그래프,
도 3은 축방향에 수직한 단면에서 취한 전기 기계의 개략적인 단면도,
도 4는 축방향의 단면에서 취한 마찰 커플링을 구비한 전기 기계의 개략적인 단면도,
도 5는 시동기/발전기에서 사용되는 정류기의 개략적인 결선도,
도 6은 회전 가능한 전자기 작용 유닛을 구비한 전기 기계를 개략적으로 나타낸 도면.
이하, 실시예와 개략적인 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
첨부 도면들에서는 기능상으로 실질적으로 동일한 부분들이 동일한 도면 부호로 지시되어 있다.
도 1에 도시된 자동차, 예컨대 승용차의 구동 시스템은 동력 설비로서 내연 기관(1)을 구비하는데, 그러한 내연 기관(1)으로서는 예컨대 4기통 4행정 오토(Otto) 기관 또는 디젤 기관이 사용될 수 있다. 내연 기관(1)에 의해 생성되는 토크는 구동 라인(2)을 경유하여 구동륜(3)에 전달될 수 있다. 구동 라인(2)에는 구동 방향으로 내연 기관(1)의 바로 다음에 시동기/발전기로서의 역할을 하는 전기 기계(4)가 배치된다. 전기 기계(4)에 후속하여 주행 커플링(5), 전동 장치(6) 및 토크를 구동륜(3)에 전달하는 축 구동장치(7)가 배치된다. 커플링(5) 및 전동장치(6)로서는 마찰 커플링 및 변속 기어 장치가 사용될 수 있다. 그 대신에, 자동 커플링 또는 변환기 커플링이 수동 변속 기어 장치 또는 자동 전동 기어 장치의 각각과 함께 사용될 수도 있다. 도시를 생략한 다른 실시예에서는, 전기 기계에 의한 제동시에 내연 기관(1)의 동반 운전을 방지하기 위한 추가의 커플링(작동이 제어되는 커플링)이 내연 기관(1)과 전기 기계(4)사이의 구동 라인(2)에 배치된다.
전기 기계(4)(본 실시예의 경우, 비동기형 또는 동기형 구조의 다상 교류 이동 자계 기계)는 고정자(8)와 회전자(9)를 포함한다. 고정자(8)는 내연 기관(1), 차량 섀시(도시를 생략함) 또는 커플링 하우징(도시를 생략함)에 대해 회전이 불가능하도록 지지되는 반면, 후자는 내연 기관(1)의 추진축(10)(크랭크축) 또는 그 연장부상에 장착되어 그에 대해 상대적으로 회전될 수 없도록 결합된다. 즉, 추진축(10)과 회전자(9)는 전동장치의 중간 접속이 없이 공동으로 회전한다.
전기 기계(4)는 다수의 기능을 수행한다. 즉, 전기 기계(4)는 한편으로는 차량 배터리(11)의 충전 및 전기 소비 장치로의 전기 공급을 위한 발전기로서의 기능을 함과 동시에, 종래의 자동차에 있던 점등용 발전기의 역활을 대신한다. 전기 기계(4)는 다른 한편으로 정지 상태로부터 연동되어 내연 기관(1)을 시동시키는 시동기로서의 기능을 수행하고, 그에 따라 종래의 자동차에서 별개로 마련되던 시동기의 역할을 대신할 수 있다. 전기 기계(4)는 추가적인 임의의 기능을 수행한다. 상당히 큰 토크를 수반하는 발전기의 기능은 차량 또는 내연 기관(1)을 감속시키는데 사용된다. 또한, 전기 기계(4)는 보조 구동장치("부스터")로서 기능하여 예컨대 차량의 가속시에 내연 기관(1)을 지원할 수 있다. 또한, 전기 기계(4)는 능동 회전 균일성 감소장치로서의 역할도 할 수 있다(도 2 참조). 끝으로, 전기 기계(4)는 회전자(9)의 질량 관성 모멘트에 의거하여 조속 휠로서의 기능을 하고, 그에 따라 종래의 자동차에서 통상 크랭크축상에 장착되어 마련되던 조속 휠을 대신할 수 있다.
전기 기계(4)는 액체 분사 냉각장치(12)에 의해 그 내부가 냉각된다. 냉각액(본 실시예의 경우, 적절한 오일)은 순환 냉각기(13) 및 펌프(14)를 통과한 후에 회전자(9), 특히 그 회전축의 인근에 분사된다. 냉각액은 회전자의 회전에 의거한 원심력에 의해 외측으로 유포되어 회전자(9) 및 고정자(8)를 냉각시키고, 이어서 전기 기계(4)의 하우징(15)을 떠나 폐쇄 냉각 회로로 들어가서 다시 냉각기(13)에 유입된다. 냉각제는 실질적으로 각각의 경우에 꼭 필요한 최소량의 냉각 유체가 하우징(15)의 내부에 존재하도록 손실 출력 및 회전수에 의존하여 펌프(14)의 해당 제어 작용에 의해 유동된다. 평형 용기(도시를 생략함)를 마련하는 것에 의해, 그러한 하우징(15) 내부의 냉각 유체량의 변동이 허용될 수 있다. 도시를 생략한 다른 실시예의 경우, 냉각기는 예컨대 내연 기관의 냉각 순환 루프에 삽입되는 기생적인 냉각기로서 형성된다. 역시 도시를 생략한 또 다른 실시예의 경우, 전기 기계에는 그 자체에 격리되어 있는 냉각 시스템이 사용되지 않는다. 전기 기계(또는 전기 기계중의 회전자만)는 예컨대 커플링 하우징 및/또는 전동장치 하우징내에 통합되어 그 속에 있는 윤활 유체 및/또는 냉각 유체(예컨대, 커플링 오일 또는 전동장치 오일)에 의해 함께 냉각된다.
전기 기계가 높은 연속 출력을 내기 위해 추가의 기능을 수행하지 않아야 하는 단순한 실시예(도시를 생략함)의 경우, 냉각도 간단하게 실시될 수 있다. 그 경우, 예컨대 기체에 의한 내부 냉각이 실시되거나 액체 또는 기체에 의한 고정자의 외부 냉각만이 실시된다.
또한, 전기 기계(4)는 회전 변압기(16)[소위, 리졸버(resolver)]를 구비하는데, 그 회전 변압기(16)는 8개가 넘는 극을 구비하는 것이 바람직하고, 본 실시예의 경우에는 예컨대 12개의 극을 구비한다. 회전 변압기(16)는 인접하게 배치된 2개의 도전판으로 구성되고, 그러한 도전판중의 하나는 고정되고 다른 하나는 추진축(10)과 함께 회전한다. 도전판들은 변압기의 중계비가 회전각에 의존하여 부여되도록 서로 대면하는 표면에 도전로에 의해 형성된 권선을 지지하고 있다. 회전 변압기(16)는 트랜스폰더(transponder)의 원리에 따라 작동된다. 고정 권선(고정판)에는 능동적으로 전류/전압이 추진되고, 그에 따라 고정 권선은 회전 권선(회전판) 쪽으로 전자기 에너지를 반사한다. 후자는 그 에너지 중의 일부를 역반사하는데, 그 일부의 에너지는 중계비가 회전각에 의존하는 이유로 인해 역시 회전각에 의존한다. 역반사된 일부의 에너지는 고정 권선에서 회전각에 의존하는 신호를 생성한다. 그러한 신호의 평가에 의해, 추진축(10)의 순간 회전각이 0.5°이상의 정확도로 제공된다. 간단한 실시예의 경우, 증분 검출기가 사용되지만, 그에 상응하는 검출기가 완전히 생략될 수도 있다.
정류기(17)는 매우 높은 주파수(예컨대, 10-100 KHz)에서 정현 정격화된 펄스폭 변조에 의한 전압 임펄스를 전기 기계(4)의 고정자(8)의 권선에 공급하는데, 그러한 접압 임펄스는 기계 인덕턴스의 작용하에서 그 진폭, 주파수 및 위상이 자유롭게 미리 선택될 수 있는 대략 정현파 형태의 3상 교류를 발생시킨다.
정류기(17)는 전압 중간 회로 정류기이고, 직류 전압을 저압 수준(본 실시예의 경우, 12V)으로부터 고압의 중간 회로 수준(본 실시예의 경우, 350V)으로, 또는 그 역으로 변환시키는 직류 변압기(18)(입력 구조군)와, 본 실시예의 경우에 하나의 콘덴서 또는 병렬 접속된 한쌍의 콘덴서로 구성되는 전기 중간 회로 축적자(19)와, 중간 회로 직류 전압으로부터 가변적인 진폭, 주파수 및 위상의 진동 3상 교류 전압을 생성하거나 전기 기계(4)의 발전기 운전시에는 그러한 임의의 교류 전압을 중간 회로 직류 전압으로 변환시킬 수 있는 기계 정류기(20)(출력 구조군)와 같은 3개의 구조군을 포함한다. 도시를 생략한 다른 실시예의 경우, 중간 회로 전압의 수준은 별도의 접촉 안전장치를 필요로 함이 없이 허용될 수 있는 저압 구역의 상한치에서, 그 실시예의 경우에는 60V에서 존재한다.
정류기(17)의 3개의 구조군(18, 19, 20)은 적절한 비등 냉각제로 충전된 차폐 하우징(21)내에 밀봉적으로 봉입된다. 그러한 비등 냉각제로서는 예컨대 적절한 압력(대략 5mbar와 3bar 사이)에서 적절한 비등점(예컨대, 60℃)이 존재하는 불화 탄화수소가 사용된다. 증발된 비등 냉각제는 응축기(22)에서 응축되어 액체의 형태로 하우징(21)의 밀봉 폐쇄된 순환 루프로 귀환된다.
직류 전압 변압기(18)는 저압측에서 배터리(11) 및 조명 장치와 전자 장치와 같은 각종의 저압 소비 장치(23)에 접속된다. 정류기(17)은 한편으로 차량 배터리(11)의 충전 및 저압 소비 장치(23)로의 전기 공급을 위한 저압 수준의 전류를 공급할 수 있고, 다른 한편으로는 내연 기관(1)의 시동을 위한 저압 수준의 전류를 차량 배터리(11)로부터 인출해 낼수 있다. 도시를 생략한 다른 실시예의 경우, 차량 배터리는 중간 회로 수준으로 존재하여 중간 회로에 직접 접속된다.
중간 회로 축적자(19)는 외부의 추가 축적자(24)에 접속되는데, 그러한 추가 축적자(24)로서는 전기 축적자, 본 실시예의 경우에는 추가 캐패시턴스(25)가 사용된다. 추가 축적자(24)는 시동 이전에 에너지를 차량 배터리(11)로부터 상대적으로 단지 서서히 인출하여 자체에 저장하기 때문에 내연 기관(1)의 시동 과정시에 차량 배터리(11)의 부담을 덜어준다. 그 경우, 추가 축적자(14)에 저장된 에너지는 시동 과정시에 신속하게 인출될 수 있다. 또한, 추가 축적자(24)는 전기 기계(4)에 의해 조정되는 제동 과정에서 입수된 에너지를 저장하는 역할도 할 수 있다. 마지막으로, 추가 축적자(24)의 용도는 제동 단계에서의 회전 균일성 감소시에 획득된 에너지를 중간 저장하였다가 연이은 구동 단계를 위해 다시 방출하는 것이다. 저장되는 에너지가 상당히 큰 경우, 추가 축적자(24)는 보완적으로 또는 선택적으로 조속 휠 축적자(26)를 포함할 수 있다.
반변에, 내부의 중간 회로 축적자(19)의 기본적인 임무는 진동에 필요한 높은 플랭크 경사도의 전압을 기계 정류기 구조군(20)에 공급하는 것이다. 즉, 그러한 전압을 신속하게 공급하는 것이다. 그를 위해, 중간 회로 축적자(19)는 매우 높은 캐패시턴스(예컨대, 그 용량은 2㎌임)를 제공하지 않고, 오히려 신속성을 위해 작은 유도 인덕턴스를 제공하는 것이 바람직한데, 그러한 작은 유도 인덕턴스의 제공은 중간 회로 축적자(19)가 정류기(17)의 내부에 배치되는 것에 의해 보장된다[특히, 기계 정류기(20)의 전자 스위치까지 배치되는 정류기의 판 위에 배치되는 것에 의해 보장됨]. 그 반면에, 추가 축적자(24)는 상대적으로 완만하게 작업을 하고, 그에 따라 그것이 외부에 배치되는 것에 기인하는 유도 캐패시턴스가 추가 축적자(24)에 간섭되지 않는다. 특히, 추가 캐패시턴스(25)는 중간 회로 축적자(19)의 캐패시턴스보다 50 내지 1000배 더 클 수 있다(본 실시예의 경우, 그 용량은 회전 균일성 에너지의 저장을 위해 예컨대 4.7mF임).
그 보다도 더 큰 축적자 캐패시턴스는 조속 휠 축적자(26)에 의해 실현될 수 있는데, 본 실시예의 경우에 조속 휠 축적자(26)는 그 자체의 정류기에 의해 제어되는 전기 기계(27) 및 그에 커플링된 회전 질량체(28)를 포함한다. 후자는 별개의 조속 휠에 의해 형성되거나 전기 기계(27)의 회전자에 통합될 수 있다. 회전 질량체(28)의 질량 관성 모멘트는 0.05 내지 2Kgm2인 것이 바람직하다. 또한, 내연 기관(1)의 시동에 팰요한 에너지의 수 배의 에너지를 조속 휠 축적자(26)에 저장하였다가 매번의 필요한 시동 에너지를 시동을 위해 조속 휠 축적자(26)로부터 신속하게 인출하는 것도 가능하다.
도시를 생략한 다른 실시예의 경우, 추가 축적자(24)가 별도로 마련되지 않는다. 그 경우, 중간 회로 축적자(19)는 추가 축적자(24)의 기능을 함께 수행할 수 있도록 그 용량이 결정되고, 필요에 따라서는 정류기(17)의 외부에 배치된다.
중간 회로는 그것의 고압 수준의 전압(본 실시예의 경우, 60V 또는 350V)을 공조기와 서보 구동 장치와 같은 각종의 보조 구동 장치(29) 및 전기 에너지에 의한 내연 기관 가열 장치와 촉매 가열 장치와 같은 각종의 가열 장치(30)에 공급한다. 그러한 고출력 소비 장치들은 종래에는 내연 기관(1)과의 기계적인 커플링에 의해 구동되거나 내연 기관(1)의 폐열에 의해 가열되었지만, 본 실시예의 경우에 가용되는 고압 수준으로 인해 효율적이고 양호하게 순전히 전기에 의해 구동될 수 있다.
제어 장치(31)는 그것의 반도체 스위치의 해당 작동에 의해 각각의 시점에 대해 정류기(17)로부터 생성되는 교류 전압의 진폭, 주파수 및 위상이 어떠한 값이어야 하는가를 미리 결정하도록 정류기(17)를 제어한다. 예컨대 상응하게 프로그래밍된 마이크로컴퓨터 시스템에 의해 형성될 수 있는 제어 장치(31)는 제 1 단계에서 전기 기계(4)가 정해진 시점에 대해 생성해야 할 토크의 크기 및 방향을 결정한다. 제어 장치(31)는 추진축(10)의 각 위치, 순간 평균 회전수 및 필요한 경우에 따른 추가의 운전 파라미터, 예컨대 교축 밸브의 상태 등을 회전 변압기(16)로부터 입력 정보로서 수령하여 예컨대 특정 구간 제어에 의해 전술된 토크의 결정을 수행할 수 있다. 내연 기관(1)의 시동을 위해, 시동 과정중의 전기 기계(4)의 회전수 또는 토크의 시간에 따른 표준 추이를 미리 부여하는 기억치에 의거하여 표준 토크가 결정될 수 있고, 필요에 따라서는 전술된 변량의 측정 및 그러한 변량의 조건치의 준수를 보장하는 피드백 제어에 의해 표준 토크가 보완될 수 있다. 도시를 생략한 에너지 소비 제어 장치는 차량 배터리(11)의 충전 및 저압 소비 장치(23)와 고출력 소비 장치(29, 30)로의 전기 공급을 위해 어느 정도의 에너지가 필요한가를 지정하고, 그에 따라 제어 장치(31)는 그에 상응하게 토크를 제동시킬 수 있다. 내연 기관 제어 장치(33)는 전기 기계(4)가 차량을 추가적으로 가속시키거나 제동시키도록 작용해야 하는지의 여부 및 그러한 작용의 정량적 크기에 관한 조건을 미리 제어 장치(31)에 부여하고, 그에 따라 제어 장치(31)는 가령 내연 기관(1)의 토크 특성 곡선을 평탄화(예컨대, 낮은 회전수에서 "터빈 구멍"을 충전시키기 위해) 시키는데에 상응하는 토크를 생성할 수 있다. ASR 제어 장치(34)(ASR = 구동 슬립 제어)는 구동 슬립의 존재시에 유사한 방식으로 미리 제어 장치(31)에 조건을 부여하고, 그에 따라 구동 슬립의 잔존시에 ASR 제어 장치가 휠 브레이크에 의해 해당 구동륜을 제동시키는 실질적인 수단으로서 작용하기 이전에 필요에 따라 전기 기계(4)가 일시적으로 발진기 작용에 의한 제동기로서 작용하게 된다. 추가적으로, ASR 제어 장치는 슬립에 관한 정보를 내연 기관 제어 장치(33)에 전달하여 내연 기관(1)의 토크를 감소시킬 수도 있다. 내연 기관 제어 장치(33)는 자동 시동/정지 제어를 실시할 수도 있고, 전기 기계(4)가 내연 기관(1)을 시동시켜야 하는지의 여부에 관한 조건을 미리 제어 장치(31)에 부여할 수도 있다.
회전 균일성의 능동 감소는 기억된 특정 구간으로부터 전술된 운전 파라미터에 의존하여 예상되는 순간 회전 균일성이 조사되도록 제어될 수 있다. 그와는 다른 방식으로, 예컨대 회전 변압기(16)로부터 제공된 정보에 의거한 순간 회전 균일성의 계산 및/또는 가스압 센서(32)에 의해 검출될 수 있는 내연 기관(1)내의 순간 가스압의 평가 또는 구동 라인에 있는 토크 허브(도시를 생략)에 의한 내연 기관(1)의 순간 토크의 탐지에 의해, 현존하는 실제의 순간 회전 균일성을 조사할 수 있다. 또한, 사전 제어 및 사후 조절을 조합할 수도 있다. 순간 회전 균일성에 관해 조사된 값으로부터 신속하게 변동되어야 할 전기 기계(4)의 표준 토크의 해당하는 값(상반된 위상의 값)이 유도되고, 그러한 값의 표준 토크는 제동하려는(필요에 따라서는 구동하려는) 등가 토크에 중첩된다.
제어 장치(31)는 제 2 단계에서 전기 기계(4)가 그러한 표준 총 토크를 일으키기 위해서 정류기(17)의 전압 또는 전류에 어떠한 진폭, 주파수 및 위상이 부여되어야 하는지를 결정한다. 비동기형 전기 기계의 경우, 그러한 결정은 전기 기계(4)내의 모델 계산에 의거하는 자계 배향에 의한 제어를 기초로 하여 실시되는데, 그러한 제어는 실질적으로 측정될 수 있는 고정자의 전기적 변량(전류와 전압의 진폭, 주파수 및 위상) 및 회전자의 순간 평균 회전수를 입력 정보로서 사용하거나 그러한 전기적 변량으로부터 입력 정보를 유도해 낸다.
도 1에는 제어 장치(31)가 정류기 하우징(21)의 외부에 배치되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 도시를 생략한 다른 실시예의 경우에는 비등욕 냉각에 관여하기 위해 장치(31)가 정류기 하우징(21)의 내부에 배치된다.
제어 장치(31)는 그것의 제어 의도를 충족시키는데에 사용되는 센서 또는 그로부터 유도된 센서 정보를 내연 기관(1)의 제어를 위한 내연 기관 제어 장치(33)와 공유할 수 있다. 예컨대, 그러한 공유의 대상으로서는 회전 변압기(16)(각 위치 검출기), 가스압 센서(32), 내연 기관(1)의 평균 회전수, 부하 상태(예컨대, 교축 밸브의 상태를 통해 탐지될 수 있음) 및 토크(예컨대, 토크 허브에 의해 탐지될 수 있음)를 파악하기 위한 기타의 센서(도시를 생략) 등을 들수 있다.
추가의 기능에서 제동에 의해 얻어진 에너지는 추가 축적자(24)에 중간 저장되었다가 추후의 구동을 위해 전기 기계(4)에 재사용되거나 차량 배터리(11)로 인도된다.
도 2a 내지 2c는 "능동 제진"의 추가 기능과 함께 발전기 운전 상황을 도식적으로 나타낸 것이다. 도 2a는 크랭크축(10)의 회전수 n을 크랭크축 각도 ψ의 함수로서 실선에 의해 도시하고 있다. 크랭크축은 평균 회전수(본 실시예의 경우, 분당 3000회전)를 중심으로 하여 보다 더 작거나 큰 회전수쪽으로 주기적인 진동을 하고 있는데, 그러한 주기적인 진동은 이상적인 일례에서는 실질적으로 정현파 형태로 진행된다. 그러한 주기적인 진동은 가스 압력 및 물체력에 의해 유포된 회전 균일성과 관련되는 것인데, 본 실시예의 경우에 그러한 회전 균일성은 2등급(즉, 주파수로는 100Hz)으로 나타난다. 설명의 이해를 돕기 위해, 회전축의 1회전에 필요한 각도 구간을 함께 표시하였다. 평균 토크를 중심으로 하는 내연 기관의 토크 Mv의 진동은 실질적으로 회전 균일성에 비례한다. 아울러, 도 2a의 실선은 내연 기관의 토크 Mv의 추이를 크랭크축의 각도 ψ의 함수로서 함께 나타내고 있다.
도 2b는 전기 기계(4)에 의해 인가된 토크 Me를 크랭크축의 각도 ψ의 함수로서 나타낸 것인데, 이해의 용이를 위해 발전기 기능에 속하는 제동 토크 부분의 도시를 생략하고 있다. 기계 토크 Me의 추이는 기본적으로 내연 기관 토크 Mv의 회전 균일성에 대해 그 크기가 동일하지만 그 위상이 반대이다. 결과적으로, 회전 균일성 및 그에 비례하는 토크 Mv의 진동이 실질적으로 감소되거나, 실제로 도 2a에 점선으로 도시된 바와 같이 진동하게 된다.
도 2b에서, 토크의 양의 극치와 음의 극치는 동일한 절대값을 이룬다. 즉, 제동 단계에서 얻어진 에너지는 이후에 구동 단계에서 사용될 에너지와 동일한 크기이다. 따라서, 외부로의 에너지 유동은 0이고, 시스템의 내부에서만 제동 에너지가 일시적으로 중간 저장된다. 즉, 시스템은 도 2b의 도시에 의한 바와 같이 발전기의 기능을 수행함이 없이 신속한 토크 변동을 수반하는 순수한 회전 균일성 감소 장치로서 작동한다.
도 2c는 양 기능의 중첩 상황을 나타낸 것이다. 발전기 기능은 도 2b에 따른 토크를 전체적으로 정해진 크기 ΔMe(소위, 행정)만큼 음의 방향으로 이동시킨다. 행정 ΔMe는 대체로 완만하게 변동되고, 본 실시예에 도시된 1회전 주기의 짧은 시간에서는 근사적으로 일정하다. 행정 ΔMe는 통상적인 발전기 출력이 필요한 경우에는 토크의 신속한 변동의 폭보다 더 작고, 그에 따라 총 토크 Me는 교호적으로 양과 음의 값을 취한다. 신속한 토크 변동에 의해 평균적으로 일정한 토크 ΔMe가 얻어진다. 즉, 전기 에너지로 변환되어 차량 배터리(11)의 충전 및/또는 전기 소비 장치(29, 30)의 작동을 위해 시스템으로부터 인출되는 기계적 에너지가 평균치로 내연 기관으로부터 탈취된다. 제진 기능이 없는 순수한 발전기 기능에서는, 전기 기계(4)가 도 2c의 점선에 대응하는 일정한 토크 ΔMe를 생성한다.
예컨대 차량의 제동시에 행정 ΔMe가 회전 균일성의 감소를 위한 진폭보다 더 크게 될 경우, 전기 기계(44)는 한층 더 제동되도록 작용하고, 더 이상 구동 작용을 하지 않는다. 전체적인 토크 추이는 양의 방향으로 이동될 수도 있다(양의 행정). 그 경우, 전기 기계는 구동 기관으로서 작동하여 예컨대 차량 가속시에 내연 기관을 지원한다.
전기 기계의 구조적인 변경(하드웨어의 변경)이 없이 전기 기계의 제어(소프트웨어 제어)의 적절한 조절만에 의해 작은 발전기 출력 및 매우 높은 발전기 출력이 설정될 수 있다. 단지 전기 기계의 크기 및 출력 전자 장치만이 제한을 받는다. 또한, 소형 자동차 및 대형 자동차에 대해서도 하나의 동일한 형태의 기계가 구조적인 조정이 없이 사용될 수 있다.
도 3에 도시된 전기 기계(4)는 브러시 및 슬라이더가 없고, 그에 의해 마모가 없다. 전기 기계(4)의 외경은 약 300㎜이고, 그 축방향 길이는 70㎜이며, 10 내지 15㎏의 중량에서 약 50Nm의 연속 토크와 약 150Nm의 피크 토크를 낼 수 있다. 전기 기계(4)는 통상의 내연 기관의 피크 회전수(약 6000 내지 10000U/min)에 상응하고 14000U/min까지 안정적으로 유지되는 회전수를 달성할 수 있다. 전기 기계(4)에는 추진축(10)의 방향(축방향)으로 홈(35)을 구비하는 고정자(8)가 외측에 배치된다. 고정자(8)는 3상 교류의 추진시에 12개의 자극이 형성되도록 구성되는 3상 권선(36)을 지지한다. 자극 1개당 3개, 전체적으로 36개의 홈(35)이 마련된다(도시를 생략한 다른 실시예의 경우, 산란 효과의 감소를 위해 자극 1개당 6개 이상, 바람직하게는 9개의 홈이 마련됨). 자극은 원운동하는 다상 교류 진동파에 의해 고정자(8)에 유포된다. 정해진 시점에서의 그 순간 위치는 도면부호 "S"(S극) 및 "N"(N극)을 부여받은 화살표에 의해 지시되어 있다. 홈(35)을 외측으로 폐쇄시키고 원주방향으로 일정하게 연속되는 배후 부분(37)은 반경방향으로 비교적 얇게 형성되는데, 그 두께[홈(35)이 있는 부분에서의 두께]는 예컨대 3 내지 25㎜이다. 고정자(8)는 얇은 고정자 판(본 실시예의 경우, 두께가 0.25㎜임)으로 제작되고, 그러한 고정자 판은 자화 손실이 낮은 재료(본 실시예의 경우, 50㎐ 및 1Tesla에서 1W/㎏ 미만)로 이루어지며, 고정자 판의 평면은 축방향에 수직하게 연장된다.
내측에 위치된 회전자(9)는 비동기형 기계의 경우에는 각각의 단부측에서 스쿼럴 케이지 링(38)에 결합되는 케이지 로드가 축방향으로 연장되어 있는 스쿼럴 케이지(squirrel cage)형 회전자로서 형성된다. 동기형 기계의 경우, 회전자(9)는 영구 자석 또는 상응하게 여자되는 스풀에 의해 형성될 수 있는 자극을 고정자(8)에서와 동일한 수(본 실시예의 경우, 12개)로 구비한다. 도 3에는 동기형 기계도 역시 도시되어 있는데, 그러한 동기형 기계에서 존재하는 회전자 자극(도면부호 39)이 개략적으로 표시되어 있다. 도시를 생략한 회전자 권선에 공급되어 회전자 자극을 생성하는 전류는 활동환을 경유하여 회전자에 공급된다.
회전자(9)와 고정자(8)와의 사이의 간극(40)은 상대적으로 크다. 그 폭은 본 실시예의 경우에 1㎜이다.
도시를 생략한 다른 실시예의 경우, 회전자가 외측에 배치되고 고정자가 내측에 배치된다.
도 4에 따른 실시예의 경우, 전기 기계(4)에는 커플링(5)이 실제로 완전하게 통합된다. 예컨대 내연 기관 하우징 또는 전동 장치 하우징에 회전이 불가능하게 장착되는 고정자(8)의 내부에서는, 회전자(9)가 일측으로 그 외연부에서 축방향의 측방으로 돌출된 케이지(54)를 경유하여 내연 기관(1)의 추진축(10)에 상대 회전이 불가능하게 결합된다. 회전자(9)는 내부에서 중공으로 형성되어 전체적으로 평활한 원통 외피의 형태를 취한다. 중공 공간에는 커플링(5)[본 실시예의 경우, 주행 커플링으로서의 기능을 하는 적층판 커플링(다면체 마찰 커플링)]이 배치된다. 커플링(5)은 회전자(9)에 결합된 추진축(10)과 중간 공간내에서 전동 장치(6)쪽으로 돌출되는 종동축(55)과의 사이에 동력 접속이 이루어지도록 할 수 있다. 그를 위해, 회전자(9)는 암치차 형태로 맞물리고, 종동축(55)은 중공 공간의 구역에서 수치차 형태로 맞물린다. 회전자(9)와 종동축(55)과의 사이의 공간에는 원판 뭉치(56)가 배치되는데, 그 원판 뭉치(56)의 원판(57)들은 교호적으로 수치차 형태와 암치차 형태로 형성되고, 그에 따라 회전자(9)에 결합된 각각의 원판[외측 적층판(57a)]와 종동축(55)에 결합된 그 다음의 각각의 원판[내측 적층판(57b)]이 교호적으로 형상 결속에 의해 맞물린다. 축방향 압력이 없으면, 외측 적층판(57a)과 내측 적층판(57b)은 사실상 서로 자유롭게 회전될 수 있고, 그 경우에 양 축(10, 55)의 커플링은 해제된다. 도시를 생략한 가압 장치(예컨대, 벨 크랭크)에 의해 내외측 적층판(57a, 57b)을 축방향으로 함께 가압하면, 생성되는 마찰력에 의해 축(10, 55)사이의 동력 접속이 이루어지고, 그에 따라 내연 기관(1) 및 전기 기계(4)에 의해 생성된 토크가 종동축(55)에 전달된다. 커플링(5)의 동력 접속부[본 실시예의 경우, 원판 뭉치(56)]는 완전히 회전자(9)의 내부에 소재한다. 즉, 축방향의 측방으로 회전자(9)로부터 돌출되지 않는다. 커플링(5)은 습식 커플링으로서 구성된다. 커플링 오일은 동시에 전기 기계(4)의 냉각을 위한 역할을 한다. 도시를 생략한 다른 실시예의 경우, 다른 절환식 동력 접속 커플링, 예컨대 건식 또는 습식 구조의 단일 원판 커플링이 통합된다.
도 5는 정류기(17)의 개략적인 결선도를 도시한 것이다. 도 5에서는 도시를 생략한 추가 축적자(24)에 병렬 접속되는 캐패시턴스 형태의 중간 회로 축적자(19)를 찾아볼 수 있다. 캐피시턴스는 다수의 축전기가 병렬 접속된 것을 상징적으로 나타낸 것이다.
기계 정류기(20)는 병렬 접속된(그러나, 독립적으로 절환될 수 있는) 3개의 스위치군(42)에 의해 형성되는데, 그러한 각각의 스위치군(42)은 3개의 3상 교류 전압의 각각을 생성하기 위한 것이다. 각각의 스위치군(42)은 중간 회로의 플러스 극과 마이너스 극과의 사이에서 2개의 스위치(42)(독립적으로 절환될 수 있음)가 직렬로 접속된 것이다. 직렬 접속의 중도[즉, 2개의 스위치(43)의 사이)에는 3상 교류 권선(36)의 3개의 권선(36a, 36b, 36c)의 일단부가 각각 접속되고, 3개의 권선(36a, 36b, 36c)의 타단부는 상호간에 접속된다.
스위치(43)에는 각각 프리 패스 다이오드(44)가 병렬로 접속된다. 프리 패스 다이오드(44)는 평시에는 차단되고 대응 스위치가 개방되는 경우에만 자기 유도에 의해 생성된 단시간의 전류 흐름을 반대 방향으로 통과시키도록 분극된다.
각각의 스위치(43)는 다수(예컨대, 5개)의 MOS 자계 효과 트랜지스터가 병렬 접속된 것을 상징적으로 나타내는 것으로, 원하는 진폭, 주파수 및 위상의 3상 교류 전류의 생성을 위해 제어 장치(31)에 의해 직접 작동된다.
직류 전압 변압기(18)는 2개의 종속 구조군, 즉 전기 에너지를 저압 수준(12V)으로부터 고압의 중간 회로 수준(60V 또는 350V)으로 올릴 수 있는 구조군과, 그 역으로 전기 에너지를 고압 수준(60V 또는 350V)으로부터 저압 수준(12V)으로 내릴 수 있는 구조군을 포함한다. 중간 회로에 차량 배터리가 배치되는 실시예에서는, 먼저 언급된 구조군이 생략된다.
제 1 종속 구조군으로서는 고압 설정 조정기(45)가 사용된다. 고압 설정 조정기(45)는 차량 배터리(11)의 플러스 극에 접속된 인덕턴스(46) 및 차량 배터리(11)의 마이너스 극과 중간 회로의 마이너스 극에 접속된 스위치(47)와의 직렬 접속에 의해 형성되고, 그러한 직렬 접속의 중도에는 통과 방향으로 분극된 고압 설정 다이오드(48)를 경유하여 중간 회로의 플러스 극이 접속된다. 스위치(47)가 폐쇄될 경우, 회로 전류는 차량 배터리(11)의 플러스 극으로부터 마이너스 극으로 흐른다. 스위치(47)의 개방후에는, 자기 유도 전압이 그러한 전류의 와해를 방지하기 위한 방안을 모색하게 되고, 그 결과 단시간 동안 높은 중간 회로 전압 수준(350V)이 초과되어 전류가 고압 설정 다이오드(48)(기타의 경우에는 차단됨)를 통해 흘러 중간 회로 축적자(19)를 충전시킨다. 스위치(47)를 주기적으로 개폐시키면, 예컨대 시동 과정의 준비 방안으로서 거의 정상류에 가까운 충전 전류를 얻게 된다. 스위치(47)로서는 제어 장치(31)에 의해 직접 작동되는 반도체 스위치가 사용된다.
제 2 종속 구조군은 예컨대 결선 회로망의 일부와 유사하게 기능하는 전압 강하기(49)이다. 전압 강하기(49)는 중간 회로의 플러스 극과 마이너스 극과의 사이에서 2개의 스위치(50)를 그 각각에 병렬 접속된 프리 패스 다이오드(51)와 함께 직렬 접속한 것이다. 고주파(HF) 변압기(52)의 1차 권선의 단부들은 스위치(50)의 직렬 접속의 중도에 각각 접속된다. HF 변압기(52)의 2차 권선은 직류 정류 및 평탄화 유닛(53)에 전기를 공급하고, 그러한 유닛(53)은 다시 차량 배터리(11) 및 필요에 따른 저압 소비 장치(23)에 전기를 공급한다. 스위치(50)는 제어 장치(31)에 의해 직접 작동되는 반도체 스위치를 상징적으로 나타낸 것이다. 스위치를 주기적으로 개폐시키면, HF 변압기(52)의 2차 권선에서 저압 수준에 상응하는 교류 전압을 유도하는 고주파 교류 전류가 생성되는데, 그와 같이 유도된 교류 전압은 유닛(53)에 의해 직류로 정류되고 평탄화된다. 결과적으로 얻어지는 직류 전압의 정확한 값는 스위치(50)의 절환 주파수를 변동시키는 것에 의해 정확하게 조절될 수 있다.
동기형 기계에 따른 실시예의 경우, 발전기 운전에서는 능동적으로 제어되는 반도체 스위치가 필요없고, 직류 정류기의 기능을 형성하는데에는 전압에 의해 제어되는 스위치로도 충분하다. 그러나, 능동 제어 스위치에 의해 고출력이 달성된다.
전자기 커플링 및/또는 동기화 장치로서의 추가 기능이 있는 도 6에 따른 전기 기계(4)는 전기 기계에 통상적인 명명 방식과 관련하여 회전자(9) 및 고정자(8')로 지칭되는 내측 작용 요소 및 외측 작용 요소를 구비한다. 회전자(9)는 예컨대 전동 장치(6)에 커플링된 종동축(55)에 상대 회전이 불가능하도록 결합되고, 고정자(8')는 추진축(10)에 역시 회전이 불가능하도록 결합된다(도시를 생략한 다른 실시예의 경우에는 그와는 역으로 배열됨). 즉, 전기 기계(4)는 회전자의 회전에 추가하여 그 전체로서 회전될 수 있다; 결국, "고정자"라는 개념은 그러한 회전성으로 인해 전의적인 의미로서만 이해되어야 할 것이다. 고정된 전기 기계(예컨대, 회전 자계형 기계)의 경우, 전류 공급을 고정 작용 요소(즉, 고정자)로만 제한하고 회전 작용 요소(즉, 회전자)에는 전류의 공급이 없이 유도에 의해서만 전류를 발생시키는 것이 가능한 반면에, 양 작용 요소가 모두 회전될 수 있는 본 실시예의 경우에는 회전 이동이 가능한 전기 접속(예컨대, 도시를 생략한 슬라이더/활동륜 접촉)에 의해 양 작용 요소중의 적어도 하나[본 실시예의 경우, 고정자(8')]에 전류를 공급한다. 종동축(55)은 기계적 커플링, 본 실시예의 경우에는 차량 섀시 또는 전동 장치 하우징에 맞대어 지지되는 제동기(62)에 의해 회전에 대해 고정될 수 있다. 도시된 실시예는 브리지 커플링을 구비하지 않지만, 도시를 생략한 다른 실시예는 축(10, 55)의 기계적 접속을 위한 마찰식 또는 힘 결속식 브리지 커플링을 구비한다.
전기 기계(4)는 제동기(62)에 의해 고정된 종동축(55)을 직접적으로 지원하여 내연 기관(1)을 시동시킬 수 있다. 발전기 기능은 지속적으로 유지되는 커플링 슬립에 의해 실현된다.
절환 커플링 및 필요에 따른 시동 커플링으로서의 추가 기능에 있어서, 토크에 의해 생성된 전기 기계(4)의 자계를 2개의 축(10, 55) 사이의 회전수가 동일하게 되도록 조절하는 것에 의해 축(10, 55)의 동속 회전이 실현된다(발전기 기능을 위한 슬립은 제외됨). 비동기형 기계의 경우, 그러한 동속 회전은 예컨대 구동 토크의 방향과 반대로 유포된 적절한 주파수 및 진폭의 회전 자계를 조절 및 제어하는 것에 의해 실현된다.
추가의 가속 또는 추가의 제동은 그에 상응하는 토크, 다른 표현으로 감소 또는 증대되는 커플링 슬립을 생성하는 것에 의해 가능하게 된다. 전기 기계(4)는 구동륜 슬립이 너무 클 때에 커플링 슬립을 주목할 만큼 증대시켜 구동륜에 접하는 모멘트를 감소시키는 방식으로 ASR 제어에 관여할 수 있다.
추진축(10)의 회전 균일성의 감소는 차량의 정지 상태에서는 제동기(62)에 의해 회전에 대해 고정된 회전자(9)를 지원하여 수행될 수 있다. 구동 주행의 경우, 회전 균일성은 전달되는 토크의 신속한 변동, 특히 커플링 슬립의 증감에 의해 감소될 수 있다.

Claims (23)

  1. 시동기 기능 및 발전기 기능을 실행하는 회전 자계형 전기 기계(4)와, 전기 기계(4)의 자계에 필요한 가변적인 주파수, 진폭 및/또는 위상의 전압 및/또는 전류를 생성하기 위한 하나 이상의 정류기(17)를 구비하고, 전기 기계(4)는 정지상태로부터 내연 기관(1)에 연동되어 내연 기관(1)을 시동시키는 것을 특징으로 하는 자동차 내연 기관과 같은 내연 기관용 시동기/발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    내연 기관(1)과 전기 기계(4)와의 상대 회전수는 시동기 운전 상태와 발전기 운전 상태에서 서로 동일한 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    전기 기계(4)는 내연 기관의 추진축(10) 또는 구동 라인에 직접 커플링되거나 커플링될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    전기 기계(4)는 추진축(4)상에 장착되어 그에 상대 회전될 수 없도록 결합되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계(4)는 비동기형 기계, 동기형 기계 또는 리럭턴스형 기계인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계(4)의 회전 자계를 생성하는 작용 유닛(고정자)(8)은 8개 이상인 자극(39)을 구비하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계(4)의 자극 절환 주파수는 최대한으로, 특히 300 내지 1600Hz 또는 그 이상으로 높은 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계(4)의 고정자(8)는 특히 두께가 0.35㎜ 이하인 얇은 고정자 판을 구비하고 및/또는 고정자 핀은 자화 손실이 50㎑ 및 1Tesla에서 1W/㎏ 미만으로 낮은 재료로 제작되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계(4)는 내부 유체 냉각 장치, 특히 액체 분사 냉각 장치를 구비하고, 냉각 유체는 손실 출력 및/또는 회전수에 의존하여 공급되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계(4)는 충분히 자기 포화된 구간에서, 특히 원주방향으로의 간극 길이당의 전류 크기(최대 토크에서의 전류 크기)가 400 내지 1000A/㎝ 이상인 구간에서 작동하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계(4)는 최대 토크에 대해 높은 토크 밀도, 특히 0.01Nm/㎤을 넘는 토크 밀도를 나타내는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서,
    정류기(17)는 적어도 일시적으로 높은 진동 주파수, 특히 10㎑ 내지 100㎑ 또는 그 이상의 진동 주파수로 작동되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서,
    정류기(17)의 전자 스위치(43, 47, 50)는 유체 냉각, 특히 비등욕 냉각에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서,
    정류기(17)의 전자 스위치(17)는 다수로, 특히 2개 내지 20개 또는 그 이상으로 병렬 접속되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 있어서,
    정류기(17)는 스위치(43, 47, 50)로서 반도체 스위치, 특히 전계 효과 트랜지스터, 2극 트랜지스터 및/또는 게이트 접속부가 절연된 2극 트랜지스터(IGBTs)와 같은 신속 반도체 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  16. 제 1 항 내지 제 15 항중 어느 한 항에 있어서,
    정류기(17)는 펄스 정류기인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항중 어느 한 항에 있어서,
    정류기(17)는 중간 회로가 시동에 필요한 에너지가 인출되는 하나 이상의 에너지 축적자(19, 24, 25)를 구비하거나 그에 접속될 수 있는 중간 회로 정류기인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계(4)는 비교적 높은 전압 수준으로 전류를 공급하고, 공조기(29), 서보 구동장치(30), 펌프와 같은 보조 기계는 높은 전압 수준으로 전기적으로 구동되는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계(4)는 가열 목적의 발전기로서의 역할도 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  20. 제 1 항 내지 제 19 항중 어느 한 항에 있어서,
    시동기/발전기는 내연 기관(1)의 자동 시동/정지 제어를 수반하는 구동 시스템의 일부분인 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  21. 제 1 항 내지 제 20 항중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계(4)는 추진축의 가속 및/또는 감속을 일으키거나 지원하여, 특히 차량을 가속시키거나 감속시킬 수 있고 및/또는 내연 기관 및/또는 구동륜의 제동에 위한 구동 슬립 제어의 범위내에서 구동륜의 슬립을 감소시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  22. 제 1 항 내지 제 21 항중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계(4)는 구동 라인(2)에 있는 전자 커플링 및/또는 전동 장치의 능동 동기화 장치 또는 그 일부분으로서 작용하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
  23. 제 1 항 내지 제 22 항중 어느 한 항에 있어서,
    전기 기계(4)는 신속하게 교번되는 반대 위상의 모멘트를 생성하여 회전 균일성을 감소시키는 역할도 하는 것을 특징으로 하는 내연 기관용 시동기/발전기.
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