KR20030047763A - 계자 전류를 빠르게 감쇠시키도록 설계된 차량용 교류발전기 - Google Patents

계자 전류를 빠르게 감쇠시키도록 설계된 차량용 교류발전기 Download PDF

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Abstract

정류기, 환류 회로 및 제어장치를 포함하는 차량용 교류발전기가 제공된다. 환류 회로는 계자 권선에 병렬로 연결되어 계자 권선으로의 계자 전류의 공급이 차단된 경우에 계자 전류를 환류시킨다. 환류 회로는 하나의 다이오드로 형성된 제1 회로, 및 계자 전류의 감쇠를 촉진하는 제2 회로로 구성된다. 제어장치는 정류기의 출력 전압이 기준값을 초과하는 경우에는 제2 회로를 선택하고, 정류기의 출력 전압이 기준값을 초과하지 않는 경우에는 제1 회로를 선택한다.

Description

계자 전류를 빠르게 감쇠시키도록 설계된 차량용 교류발전기{AUTOMOTIVE ALTERNATOR DESIGNED TO ATTENUATE FIELD CURRENT RAPIDLY}
본 발명은 일반적으로 여객용 차량 또는 트럭 등에 사용될 수 있는 교류발전기(alternator)에 관한 것으로, 특히, 예를 들면, 전력 케이블 접촉 불량과 같은 경우에, 적은 시간 주기내에 계자 전류를 감쇠시키도록 설계되는 교류발전기에 관한 것이다.
전력 케이블이 차량용 교류발전기의 출력 단자로부터 분리되거나 접촉 불량인 경우, 이것은 서지 전압을 초래할 수 있고, 이에 따라, 교류발전기에 설치된 반도체 또는 차량 부품에 손상을 야기할 수 있다.
상세히 말하면, 전력 케이블이 교류발전기로부터 분리되거나 접촉 불량이고, 저장 배터리와 같은 공급 장소로의 전력 공급이 차단된 경우, 이것은 무부하 포화 전압(no-load saturation voltage)이 교류발전기의 출력 단자에서 나타나도록 야기할 수 있고, 이에 따라, 서지 전압을 초래할 수 있다. 계자 전류가 교류발전기의 계자극을 여기 또는 자화하도록 제공되는 한, 무부하 포화 전압의 발생은 계속된다.
통상적인 차량용 교류발전기는 차량의 내부 연소기(combustion) 엔진에 의해 구동되고, 넓은 속도 범위에 걸쳐 사용된다. 교류발전기는 넓은 속도 범위에 걸쳐 안정적으로 배터리 및 차량 부품에 출력 전압을 공급할 필요가 있고, 엔진의 아이들링(idling) 속도내에서 정격 전압을 생성하도록 설계된다. 예를 들면, 600rpm인아이들링 속도와 2.5인 속도 증가율을 갖도록 설계된 자동차에서, 아이들링 속도 동안에 교류발전기의 속도는 1500rpm이 될 것이다. 교류발전기는 1500rpm, 정격 전압 14V에서 수십 암페어의 출력 전류를 제공하도록 설계된다. 전력 발생 시작 속도 또는 정격 전압 확립 속도가 이에 따라 약 1000rpm으로 설정된다.
일반적으로, 차량용 교류발전기는 동기식 제네레이터 중의 하나이며, 이에 따라, 전기자(armature)내에 유도되는 전압은 자극의 속도에 비례하여 증가한다. 약 1000rpm에서 14V인 정격 전압을 발전시키도록 설계된 차량용 교류발전기에서, 전기자내에서 유도되는 전압은 최대로 서비스가능한 속도인 약 20000rpm에서 280V에 달한다. 전력 케이블이 교류발전기로부터 분리된 경우, 이것은 교류발전기의 출력 단자에서 무부하 포화 전압으로 고전압이 나타나도록 야기할 수 있다.
이러한 고전압 출력을 피하기 위해, 최근 몇 년간의 차량용 교류발전기는 역항복을 나타내는 제너 다이오드로 구성된 전파 정류기(full-wave rectifier)의 정류 소자를 가진다. 그러나, 제너 다이오드로 구성된 전파 정류기를 가진 차량용 교류발전기에서 서지 전압이 발생되면, 이 에너지는 교류발전기의 외부로 방출되지 않고, 제너 다이오드에서 소비되는 역전력으로서의 열 에너지로 변환되어, 제너 다이오드에 열 손상을 야기하게 된다.
차량용 교류발전기의 전압 제어장치는 교류발전기의 출력 전압을 모니터링하도록 설계된다. 출력 전압이 기준값을 초과하면, 전압 제어장치는 계자 전류의 공급을 차단하여, 계자속(field magnetic flux)을 감소시킨다. 반면에, 출력 전압이 기준값 이하이면, 전압 제어장치는 계자 전류의 공급을 허가하여 계자속을 증가시킨다. 이에 따라, 예상치 못한 사고로 인해 전력 케이블이 교류발전기의 출력 단자로부터 분리되어, 무부하 전압이 출력 단자에서 나타나는 경우, 전압 제어장치는 계자 전류의 공급을 차단하여 계자속을 감소시킨다.
대개, 계자 전류의 공급이 차단된 후에도, 계자 권선 내에 인덕턴스 성분이 존재하여, 과도한 고전압이 생성되도록 야기하고(즉, 자기 에너지의 급격한 방출), 이것은 전압 제어장치에 손상을 입힐 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 도13에 도시된 바와 같이, 환류 다이오드(circulating diode)를 사용하여, 계자 전류의 공급이 차단될 때에 계자 전류를 순간적으로 감쇠시키지 않고, 계자 권선 및 환류 다이오드에 의해 형성된 폐회로를 통해 계자 전류를 환류시키도록 동작하여, 이 계자 전류를 감쇠시키기 위해 열 에너지로 변환시킨다.
이 때의 전류 흐름은 양적으로 다음과 같이 표현될 수 있다.
V b - V q = L ·dI f / dt + R ·I f (t < t 0 인 계자 전류 공급 동안) (1)
- V d = L ·dI f / dt + R ·I f (t > t 0 인 계자 전류 공급 정지 후) (2)
I f = (I 0 + V d / R) ·exp(- R·(t - t 0 ) / L) - V d / R (t > t 0 )(3)
여기서,L은 계자 권선의 인덕턴스이고,R은 계자 권선의 저항값이고,V d 는 환류 다이오드의 순방향 전압 강하이고,I 0 는 계자 전류 공급이 정지되기 직전의 계자 전류값이고,V q 는 계자 전류를 공급 및 차단하도록 동작하는 파워 트랜지스터가 닫혀진 경우의 전압 강하이다.
계자 전류의 공급이 정지된 후의 계자 전류의 동작이 도2(a)에서 점선으로 표시되었다. 상세히 말하면, 시상수τ= L/R일 때에, 계자 전류는 최종값I final = - V d / R로 기하급수적으로 감소한다. 그러나, 전류가 환류 다이오드를 통해 역방향으로 흐르는 것은 불가능하기 때문에, 전류값I(t)가 0에 도달하면 전류 흐름이 정지된다. 상세히 말하면, 파워 트랜지스터가 계자 전류 공급을 정지하도록 열릴 때에도, 계자 전류의 흐름이 계속되어, 시간 주기 동안에 과전압 발생이 초래되며, 이것은 식(3)에서I f = 0일 때에,- (L / R)·1n(V d / (V d + R·I 0 ))로 표현된다.
특히, 최근의 소형 교류발전기는 계자 권선의 작은 저항값 및 큰 인덕턴스를 갖는 경향이 있기 때문에, 과전압 지속시간의 증가를 초래한다.
따라서, 본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 감소된 시간 주기내에 계자 전류를 감쇠시키도록 설계되는 차량용 교류발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 양태에 따르면, 다수의 계자극(field magnetic poles)을 구비한 회전자; 상기 계자극을 자화(magnetize)시키는 제1 계자 권선; 상기 계자극을 자화시키는 제2 계자 권선 - 상기 제2 계자 권선은 상기 제1 계자 권선보다 짧은 시상수를 가짐 -; 상기 회전자에 의해 생성되는 회전 자계에 의해 교류 출력을 발생시키는 전기자; 상기 전기자로부터의 교류 출력을 직류 출력으로 변환시키는 정류기; 상기 제1 및 제2 계자 권선에 공급되는 계자 전류를 조정하여 상기 교류발전기의 출력을 제어하는 제어장치; 및 상기 제1 및 제2 계자 권선에 병렬로 연결되는 환류 회로 - 상기 환류 회로는, 상기 제어장치에 의해 상기 계자 전류의 공급이 차단된 경우에, 상기 계자 전류를 환류시킴 - 를 포함하는 차량용 교류발전기가 제공된다. 예를 들면, 전력 케이블이 교류발전기로부터 분리된 경우에 과도한 출력 전압이 발생하고, 계자 전류의 공급이 차단되면, 보다 짧은 시상수를 갖는 제2 계자 권선을 통해 흐르는 계자 전류가 짧은 시간 주기내에 감쇠되어, 역기전력이 0으로 감소한다. 이것은 제1 계자 권선을 통해 흐르는 계자 전류가 환류 회로와 제2 계자 권선을 통해 계속 흐르도록 야기하여, 반대의 극성을 갖는 전류가 제2 계자 권선을 통해 흐르게 되고, 이에 따라, 전기자를 통하는 자속이 빠르게 감쇠되어, 교류발전기의 과전압을 짧은 시간 주기내에 없앨 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 환류 회로는 하나의 다이오드로 형성된 제1 회로, 및 계자 전류의 감쇠를 촉진하는 회로 소자를 구비한 제2 회로를 포함한다. 상기 교류발전기는 상기 제1 및 제2 회로 중 하나를 선택하는 선택수단을 포함한다. 상기 제어장치는 상기 정류기의 출력 전압이 기준값을 초과하는 경우에는 상기 제2 회로를 선택하고, 상기 정류기의 출력 전압이 기준값을 초과하지 않는 경우에는 상기 제1 회로를 선택하도록 상기 선택수단을 제어한다.
제2 회로는 직렬로 연결된 다수의 다이오드로 구성된다.
상기 정류기는 제너 다이오드로 구현된 정류 회로 소자로 구성된다. 상기 제어장치는 상기 선택수단을 통해 상기 정류기의 출력 전압이 상기 정류 회로 소자의 제너 전압보다 작은 기준값을 초과하는 경우에 상기 제2 회로를 선택한다.
상기 제어장치는, 상기 제1 및 제2 계자 권선을 포함한 폐회로가 형성된 경우에, 상기 제1 회로에서 상기 제2 회로로 스위칭한다.
상기 제1 및 제2 계자 권선은 동축으로 배치된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 다수의 계자극을 구비한 회전자; 상기 계자극을 자화시키기 위해 계자 전류를 공급하는 계자 권선; 상기 회전자에 의해 생성되는 회전 자계에 의해 교류 출력을 발생시키는 전기자; 상기 전기자로부터의 교류 출력을 직류 출력으로 변환시키는 정류기; 다이오드로 형성된 제1 회로, 및 상기 계자 전류의 감쇠를 촉진하는 회로 소자를 구비하는 제2 회로를 포함하는 환류 회로 - 상기 환류 회로는 상기 계자 권선에 병렬로 연결되어, 상기 계자 전류의 공급이 차단된 경우에, 상기 계자 전류를 환류시킴 - ; 상기 계자 권선에 공급되는 계자 전류를 조정하여 상기 교류발전기의 출력을 제어하는 제어장치를 포함하는 차량용 교류발전기가 제공된다. 상기 제어장치는, 상기 정류기의 출력 전압이 기준값을 초과하는 경우에는 상기 제2 회로를 선택하고, 상기 정류기의 출력 전압이 상기 기준값을 초과하지 않는 경우에는 상기 제1 회로를 선택한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 상기 제2 회로는 직렬로 연결된 다수의 다이오드로 구성된다.
상기 다수의 다이오드는 반대 방향으로 직렬 결합된 정규 다이오드와 제너다이오드로 구현된다.
상기 제2 회로는 상기 다이오드와 직렬 결합된 다이오드 및 저항으로 구성된다.
상기 정류기는 제너 다이오드로 구현된 정류 회로 소자로 구성된다. 상기 제어장치는 상기 정류기의 출력 전압이 상기 정류 회로 소자의 제너 전압보다 작은 기준값을 초과하는 경우에 상기 제2 회로를 선택한다.
상기 제어장치는, 상기 계자 권선을 포함한 폐회로가 형성된 경우에, 상기 제1 회로에서 상기 제2 회로로 스위칭한다.
도1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 차량용 교류발전기를 도시한 회로도.
도2의 (a)는 본 발명 및 종래 교류발전기의 전기자 권선을 통과하는 자속에서의 변화를 도시한 도면이고, (b)는 본 발명 및 종래 교류발전기의 계자 전류에서의 변화를 도시한 도면.
도3은 교류발전기의 케이블 접촉 불량의 경우에 계자 전류의 흐름 경로를 도시한 도면.
도4는 교류발전기의 케이블 접촉 불량의 경우에 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류가 사라진 후의 계자 전류의 흐름 경로를 도시한 도면.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 차량용 교류발전기를 도시한 회로도.
도6의 (a)는 케이블 접촉 불량의 경우에, 본 발명 및 종래 교류발전기에서 전기자 권선을 통과하는 자속에서의 변화를 도시한 도면이고, (b)는 케이블 접촉 불량의 경우에, 본 발명 및 종래 교류발전기의 계자 권선을 통해 흐르는 계자 전류에서의 변화를 도시한 도면.
도7은 환류 회로의 변형예를 도시한 회로도.
도8은 전압 제어장치의 변형예를 도시한 회로도.
도9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 차량용 교류발전기를 도시한 회로도.
도10은 케이블 접촉 불량의 경우에, 제3 실시예 및 종래 교류발전기의 계자 전류에서의 변화를 도시한 도면.
도11은 환류 회로를 형성하는 다이오드의 수와 계자 전류 흐름의 지속시간 사이의 관계를 목록으로 만든 표.
도12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 차량용 교류발전기를 도시한 회로도.
도13은 종래 교류발전기의 일부를 도시한 회로도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1, 1A ~ 1D : 차량용 교류발전기2 : 전기자 권선
3: 정류기4, 5 : 계자 권선
6, 6A ~ 6D : 전압 제어장치61 : 파워 트랜지스터
62 : 환류 다이오드63 : 저역통과 필터
64, 65, 69 : 전압 비교기66, 70 : 환류 회로
67, 68 : 스위치
도면을 참조하면, 유사한 참조 번호는, 특히 도1에 대해, 여러 관점에서 유사한 부분을 나타내며, 본 발명의 제1 실시예에 따른 차량용 교류발전기가 도시되어 있다.
교류발전기(1)는 전기자 권선(2), 정류기(3), 계자 권선(4, 5) 및 전압 제어장치(6)를 포함하고, 벨트를 통해 차량의 내부 연소기 엔진으로부터 전달된 토크에 의해 구동된다.
전기자 권선(2)은 철심 둘레에 감긴 코일로 이루어진 다상 권선(예로, 3상 권선)으로, 전기자를 형성한다. 전기자 권선(2)은 AC 출력을 생성하고, 정류기(3)로 이를 제공한다. 정류기(3)는 전기자 권선(2)의 AC 출력을 DC 출력으로 변환하는 전파 정류기에 의해 구현되고, 전기자 권선(2)의 각 상에 대해 한 쌍의 다이오드쌍을 사용한다.
계자 권선(4)은 전기자 권선(2)에서 전압을 생성하는데 필요한 교차(intersecting) 자속을 생성하도록 동작한다. 계자 권선(4)은 회전자(rotor)를 형성하기 위해 계자극(미도시) 둘레에 감긴 코일로 이루어진다. 계자 권선(5)은 계자 권선(4)보다 작은 시상수를 갖고, 계자 권선(4)과 함께 동축으로 계자극상에 배치된다.
전압 제어장치(6)는, 교류발전기(1)의 출력 전압을 사전선택된 범위내로 이끌기 위해, 계자 권선(4, 5)에 인가되는 전류(이하, 계자 전류로 언급됨)를 제어하도록 동작하고, 파워 트랜지스터(61), 환류 다이오드(62), 저역통과 필터(63) 및 전압 비교기(64)로 구성된다.
파워 트랜지스터(61)는 계자 권선(4, 5)에 직렬로 연결되고, 계자 권선(4, 5)에 계자 전류를 공급하는 스위치로 동작한다. 환류 다이오드(62)는 계자 권선(4, 5)에 병렬로 연결되고, 파워 트랜지스터(61)가 개방되면 계자 전류를 환류시키도록 동작한다. 환류 다이오드(62)는 환류 회로 라인을 형성한다. 저역통과 필터(63)는 교류발전기(1)의 출력 전압에서 고주파수 성분을 제거하도록 동작하고, 저항 및 커패시터로 이루어진CR회로에 의해 형성된다. 전압 비교기(64)는 저역통과 필터(63)의 출력 전압을 기준값(Vreg1)과 비교한다. 기준값(Vreg1)은 교류발전기(1)의 출력 전압을 제어하기 위해 제공되고, 예를 들면, 14.5V로 설정된다.
동작시, 전력 케이블이 교류발전기(1)와 접촉 불량없이 차량안에 설치된 배터리와 같은 전원 공급장치 사이에 단단히 연결되면, 전압 제어장치(6)의 전압 비교기(64)는 교류발전기(1)의 출력 전압을 기준값(Vreg1)과 비교하도록 동작한다. 출력 전압이 기준값(Vreg1)보다 높은 경우, 전압 비교기(64)는 파워 트랜지스터(61)를 열어 계자 권선(4, 5)으로의 계자 전류 흐름을 감소시키고, 이에 따라, 교류발전기(1) 출력 전압의 감소를 초래한다. 대안적으로, 출력 전압이 기준값(Vreg1)보다 낮은 경우, 전압 비교기(64)는 파워 트랜지스터(61)를 닫아 계자 권선(4, 5)으로의 계자 전류 흐름을 증가시키고, 이에 따라, 교류발전기(1) 출력 전압의 증가를 초래한다. 이 방식에서, 교류발전기(1)의 출력 전압은 기준값(Vreg1)에서 수렴하도록 제어된다.
전력 케이블이 교류발전기(1)의 출력 단자(B)로부터 분리되거나, 또는 출력 단자(B)와 전력 케이블의 접촉이 어떠한 이유로 불량이 발생한 경우(이하, 전력 케이블 접촉 불량으로 언급됨), 이것은 교류발전기(1)가 무부하 상태로 전력을 생성하도록 동작하게 할 수 있고, 고전압이 출력 단자(B)에서 나타난다. 교류발전기(1)의 출력 전압은 기준값(Vreg1)보다 더 높아서 파워 트랜지스터(61)가 개방상태로 유지됨으로써, 계자 권선(4, 5)으로의 계자 전류의 공급이 차단된다.
도2의 (a) 및 (b)는 전력 케이블 접촉 불량의 경우에 계자 전류와 교차 자속의 수에서의 변화를 각각 도시한 것이다. 도2의 (a)에서, 실선(a)은 이 실시예의 교류발전기(1)에서 생성되는 교차 자속의 수를 나타낸다. 점선(b)은 전형적인 교류발전기에서 생성되는 교차 자속의 수를 나타낸다. 도2의 (b)에서, 점선(I f1 )은 계자권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류를 나타내고, 실선(I f2 )은 계자 권선(5)을 통한 계자 전류 흐름을 나타낸다. 도3 및 도4는 전력 케이블 접촉 불량의 경우에 계자 전류의 흐름 경로를 나타낸다.
파워 트랜지스터(61)가 전력 케이블 접촉 불량의 경우에 개방 상태로 유지되면, 이것은 도3에 도시된 바와 같이, 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류(I f1 , I f2 )이, 도2(b)에 도시된 바와 같이, 전력 케이블 접속 불량 직후의 시간(t 0 )으로부터 시간(t 1 )까지 기하급수적으로 감소될 수 있다. 특히, 계자 권선(5)은 매우 짧은 시상수를 가지므로, 이에 따라, 계자 전류(I f2 )가 빠르게 감쇠된다.
시간(t 0 )과 시간(t 1 ) 사이의 시간 간격 동안에 계자 권선(4, 5)을 통해 흐르는 계자 전류(I f1 , I f2 )는 다음과 같이 표현된다.
I f1 = (I 01 + V d / R 1 )·exp(-R 1 ·(t - t 0 ) / L 1 ) - V d / R 1 (4)
I f2 = (I 02 + V d / R 2 )·exp(-R 2 ·(t - t 0 ) / L 2 ) - V d / R 2 (5)
여기서,L 1 은 계자 권선(4)의 인덕턴스를 나타내고,L 2 는 계자 권선(5)의 인덕턴스를 나타내고,R 1 은 계자 권선(4)의 저항값을 나타내고,R 2 는 계자 권선(5)의 저항값을 나타내고,V d 는 환류 다이오드(62)의 순방향 전압 강하를 나타내고,I 01 은계자 전류의 공급이 정지될 때까지의 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류값을 나타내고,I 02 는 계자 전류가 정지될 때까지의 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류값을 나타낸다.
시간(t 1 )에 도달하면, 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류(I f2 )가 0이 되어, 역기전력이 사라지고, 이에 따라, 전류가 도4에 도시된 바와 같이 반대 방향으로 흐르게 된다. 전류의 소스는 계자 권선(4)이다. 시간(t 1 ) 후에, 계자 권선(5)은 계자 권선(4)의 환류 회로의 일부로서 동작한다. 상세히 말하면, 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류(I f2 )는, 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류(I f1 )에 의해 생성되는 계자속을 제거하도록 동작하는 기자력(magnetomotive force)을 생성하여, 전기자 권선(2)을 통과하는 자속의 전체수가 시간(t 1 )과 시간(t 2 ) 사이의 시간 간격 동안에 빠르게 감소한다. 환류 다이오드(62)는 계자 권선(5)에 인접하여 배치되기 때문에, 계자 권선(5)에서 발생하는 역기전력은 환류 다이오드(62)의 순방향 전압(V d )에서 고정된다. 따라서, 계자 권선(5)을 통한 역전류 흐름은V d / R 2 로 표현된다.
이에 따라, 시간(t 1 )과 시간(t 2 ) 사이에 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류(I f2 )는 다음과 같이 표현될 수 있다.
I f2 = - V d / R 2 (6)
시간(t 1 )과 시간(t 2 ) 사이에 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류(I f1 )는 식(4)로 표현될 수 있다.
전기자 권선(2)을 통과하는 교차 자속의 수(λ)는 계자 전류(I f1 , I f2 )를 이용하여 아래와 같이 주어진다.
λ= k 1 ·I f1 + k 2 ·I f2 (7)
식(7)은 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류에 의해 생성되는 자속이, 식(6)에 나타난 바와 같이, 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류에 의해 생성되는 자속에 의해 상쇄되어, 전기자(2)를 통과하는 자속의 빠른 감쇠를 초래한다.
시간(t 2 )에 도달하면, 계자 권선(4)이 환류 다이오드(62)를 통해 전기가 흐르도록 야기하는 역기전력을 생성할 수 없게 되어, 계자 전류가 계자 권선(5)을 통해서만 환류되고 즉시 사라지게 된다. 시간(t 2 ) 후에, 계자 권선(4, 5)을 통해 흐르는 계자 전류(I f1 , I f2 )는 다음의 식(8)과 같다.
I f1 = - I f2 = I t2 ·exp(-(R 2 + R 1 ) ·(t - t 2 )/(L 1 + L 2 ))(8)
여기서,I t2 는 시간(t 2 )에 계자 권선(4, 5)을 통해 흐르는 계자 전류값이다.
상기의 논의로부터 명백한 바와 같이, 본 실시예의 교류발전기(1)는 짧은 시상수를 갖는 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류가 빠르게 감쇠되도록 설계되어, 전력 케이블 접촉 불량으로 인해 초래되는 과도한 출력 전압이 발생하는 경우, 역기전력이 0으로 감소되고, 계자 권선(4, 5)에 대한 계자 전류의 공급이 차단된다. 역기전력이 0으로 감소된 후에, 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류는 환류 다이오드(62)와 계자 권선(5)을 통과하여, 계자 권선(4)에 의해 생성되는 자속을 제거하는 극성을 갖는 계자 권선(5)을 통해 전류가 흐르도록 야기하고, 이에 따라, 전기자를 통과하는 자속이 빠르게 감쇠된다. 이것은 교류발전기(1)의 과전압 출력을 빠르게 제거한다.
계자 권선(5)은 짧은 시상수를 가지며, 이에 따라, 낮은 인덕턴스(즉, 적은 회전수의 와이어) 및 높은 저항값(즉, 작은 직경의 와이어)을 갖도록 하는 것을 가능하게 한다. 이것은 이와 같이 전형적인 계자 회로에서 사용될 수 있다. 상세히 말하면, 계자 권선(4)에 인접한 공간에 계자 권선(5)을 설치하는 것이 가능하게 되어, 이에 따라, 교류발전기(1)의 전체 크기를 증가시키지 않고 설계에서의 최소 변화로 구성되는 것이 가능해진다.
도5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 차량용 교류발전기(1A)를 도시하고 있다.
교류발전기(1A)는 전기자 권선(2), 정류기(3), 계자 권선(4, 5) 및 전압 제어장치(6A)를 포함한다. 교류발전기(1A)는 전압 제어장치(6A)의 구조에서만 제1 실시예의 교류발전기(1)와 상이하다. 다른 구성은 동일하며, 이에 대한 상세한 설명은 여기서 생략한다.
전압 제어장치(6A)는 파워 트랜지스터(61), 환류 다이오드(62), 저역통과 필터(63), 전압 비교기(64, 65), 환류 회로(66) 및 스위치(67, 68)로 구성된다. 도1에서 사용된 동일한 참조 번호는 동일한 부분을 나타내며, 이에 대한 상세한 설명은 여기서 생략한다.
전압 비교기(65)는 저역통과 필터(63)의 출력 전압(Vs)을 기준값(Vreg2)과 비교한다. 기준값(Vreg2)은 전압 비교기(64)에 사용된 기준값(Vreg1)보다 더 크게 설정되어, 파워 트랜지스터(61)의 온-오프 스위칭 동작을 제어한다. 예를 들면, 기준값(Vreg1)은 14.5V로 설정되고, 기준값(Vreg2)은 20V로 설정된다.
환류 다이오드(66)는 계자 전류의 감쇠를 용이하게 하도록 동작하고, 다중-결합(multi-joined) 다이오드로 구성된다. 스위치(67, 68)는 전압 비교기(65)의 출력에 응답하는 선택수단(selector)으로 동작하여, 환류 다이오드(62)와 환류 회로(66) 중 하나를 선택한다. 상세히 말하면, 전압 비교기(65)의 출력이 로우레벨인 경우, 즉, 전력 케이블 접촉 불량이 발생하지 않은 때에, 저역통과 필터(63)의 출력 전압이 기준값(Vreg2)보다 낮은 경우, 스위치(67)만 닫혀져서 환류 다이오드(62)를 계자 권선(4, 5)과 파워 트랜지스터(61) 사이에 연장된 라인에 연결시킨다. 대안적으로, 전압 비교기(65)의 출력이 하이레벨인 경우, 즉, 전력 케이블이 접촉 불량일 때에, 저역통과 필터(63)의 출력 전압이 기준값(Vreg2)보다 높은경우, 스위치(68)만 닫혀져서 환류 회로(66)를 계자 권선(4, 5)과 파워 트랜지스터(61) 사이에 연장된 라인에 연결시킨다.
동작시, 전력 케이블이 교류발전기(1)와 전원 공급장치 사이에 단단히 연결된 경우(즉, 전력 케이블 접촉 불량이 발생하지 않은 때), 전압 비교기(65)는 로우레벨 신호를 출력하도록 유지되어, 스위치(67)는 환류 다이오드(62)를 선택하도록 닫혀진다. 전압 제어장치(6A)는 제1 실시예의 전압 제어장치(6)와 같이 동작하여, 교류발전기(1A)의 출력 전압이 기준값(Vref1)으로 수렴하게 된다.
대안적으로, 전력 케이블의 접촉 불량이 발생한 경우, 교류발전기(1A)는 무부하 상태로 전력을 발생하도록 동작하여, 출력 단자(B)에서 고전압이 발생된다. 교류발전기(1)의 출력 전압이 기준값(Vreg1)보다 높아지면, 파워 트랜지스터(61)가 개방된 상태로 유지되도록 하여, 계자 권선(4, 5)으로의 계자 전류의 공급이 차단된다.
도6의 (a) 및 (b)는 전력 케이블의 접촉 불량이 발생한 경우에 교차 자속수 및 계자 전류에서의 변화를 도시하고 있다. 도6의 (a)에서, 실선(a)은 제2 실시예의 교류발전기(1A)에서 발생되는 교차 자속수를 나타내고, 점선(b)은 통상의 교류발전기에서 발생되는 교차 자속수를 나타낸다. 도6의 (b)에서, 점선(I f1' )은 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류를 나타내고, 실선(I f2' )은 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류를 나타낸다.
전력 케이블의 접촉 불량이 발생한 경우, 교류발전기(1A)의 출력 전압이 기준값(Vreg2)을 초과하면, 이것은 전압 비교기(65)의 출력이 로우레벨에서 하이레벨로 변하도록 야기할 수 있다. 전압 비교기(65)의 출력이 하이레벨로 변화되면, 스위치(68)는 닫혀지고, 스위치(67)는 열려지도록 하여, 환류 다이오드(62)를 환류 회로(66)로 스위칭하게 된다.
환류 회로(66)는, 도5에 도시된 바와 같이, 직렬로 연결된 다수의 다이오드로 구성되어, 단일 다이오드의 순방향 전압의n배(n은 직렬 연결된 다이오드의 수)의 전압을 갖게 되고, 이에 따라, 계자 전류가 도달하는 최종값이 매우 감소되어 진다. 이것은 계자 전류의 감쇠를 촉진하여, 교류발전기(1A)의 과전압을 빠르게 제거한다. 환류 회로(66)의 직렬 연결된 다이오드가 증가함에 따라, 환류 회로(66)의 단부에 걸리는 전압은 증가하지만, 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류의 감쇠로 인해 계자 권선(4)의 역기전력이 감쇠된다. 계자 권선(5)을 통해 흐르는 반대 극성의 계자 전류에 의해 발생된 역기전력이 시간(t 4 )에 계자 권선(4)에서 발생된 역기전력과 크기에서 동일해질 때에, 역기전력이 환류 회로(66)의 순방향 전압 강하(n·V d )에 아직 도달하지 않았더라도, 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류가 감쇠되기 시작한다. 이것은 시간(t 3 )과 시간(t 4 ) 사이에 교차 자속이 크게 감쇠되도록 야기한다.
전력 케이블의 접촉 불량이 발생된 시간(t 0 )과 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류(I f2' )가 0에 도달한 시간(t 3 ) 사이에, 계자 권선(4, 5)을 통해 흐르는 계자 전류(I f1' , I f2' )는 다음과 같다.
I f1' = (I 01 + n·V d / R 1 )·exp(-R 1 ·(t - t 0 ) / L 1 ) - n·V d / R 1 (9)
I f2' = (I 02 + n·V d / R 2 )·exp(-R 2 ·(t - t 0 ) / L 2 ) - n·V d / R 2 (10)
시간(t 3 )에 도달하면, 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류(I f2' )가 0이 되어 역기전력이 사라지고, 이에 따라, 전류가 반대 방향으로 흐르게 된다. 전류의 소스는 계자 권선(4)이다. 시간(t 3 ) 후에, 계자 권선(5)은 계자 권선(4)의 환류 회로의 일부로서 동작한다. 상세히 말하면, 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류(I f2' )는, 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류(I f1' )에 의해 생성되는 계자속을 제거하도록 동작하는 기자력을 생성하여, 전기자 권선(2)을 통과하는 자속의 전체수가 시간(t 3 )과 시간(t 4 ) 사이의 시간 간격 동안에 빠르게 감소한다. 환류 회로(66)가 계자 권선(5)에 인접하여 배치되기 때문에, 계자 권선(5)에서 발생하는 역기전력은 환류 회로(66) 전체의 순방향 전압(n·V d )에 도달할 때까지 증가된다. 따라서, 계자 권선(5)을 통한 역전류의 최종값은n·V d / R 2 로 표현된다.
상세히 말하면, 시간(t 3 )과 시간(t 4 ) 사이에 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류(I f2' )는 다음과 같이 주어진다.
I f2' = (n·V d /R 2 )·exp(-(R 1 +R 2 )·(t-t 3 ) /(L 1 +L 2 )) - n·V d /R 2 (11)
시간(t 3 )과 시간(t 4 ) 사이에 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류(I f1' )는 식(9)와 같이 표현된다.
전기자 권선(2)을 통과하는 자속수(λ)는 계자 전류(I f1' , I f2' )를 이용하여 아래와 같이 표현될 수 있다.
λ= k 1 ·I f1' + k 2 ·I f2' (12)
식(12)는 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류에 의해 생성되는 자속이, 식(11)에 나타난 바와 같이, 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류에 의해 생성되는 자속에 의해 상쇄되어, 전기자(2)를 통과하는 자속의 빠른 감쇠를 초래한다. 특히, 제1 실시예와는 달리 계자 권선(5)을 통해 흐르는 계자 전류(I f2' )가 시간(t 3 )과 시간(t 4 ) 사이에 증가하여, 계자 전류(I f2' )에 의해 상쇄된 교차 자속의 일부(k 2 ·I f2' )에서의 증가를 초래한다.
시간(t 4 )이 도달하면, 계자 권선(4)이 환류 회로(66)를 통해 전기가 흐르도록 야기하는 역기전력을 생성할 수 없게 되어, 계자 전류가 계자 권선(5)을 통해서만 환류되고 즉시 사라지게 된다. 시간(t 4 ) 후에, 계자 권선(4, 5)을 통해 흐르는 계자 전류(I f1' , I f2' )는 다음의 식(14)와 같다.
I f1' = - I f2' = I t4 ·exp(-(R 2 + R 1 ) ·(t - t 4 )/(L 1 + L 2 ))(14)
여기서,I t4 는 시간(t 4 )에 계자 권선(4, 5)을 통해 흐르는 계자 전류값이다.
상기의 논의로부터 명백한 바와 같이, 본 실시예의 교류발전기(1)는 많은 다이오드로 구성되는 환류 회로(66)를 갖도록 설계되어, 계자 권선(4, 5)으로의 계자 전류의 공급이 정지된 후에 환류 회로(66)를 통해 흐르는 계자 전류가 도달하는 최종값을 감소시키고, 이에 따라, 계자 전류가 사라지는데 필요한 시간이 매우 감소된다.
환류 다이오드(62)와 환류 회로(66) 사이의 스위칭은 스위치(67, 68)를 사용하여 달성되고, 이에 따라, 전력 케이블의 접촉 불량이 발생하지 않은 경우에 교류발전기(1A)가 정상적으로 동작할 때의 전력 제어의 안정성을 보장하면서, 전력 케이블의 접촉 불량이 발생한 경우에, 교류발전기(1A)의 과전압의 지속시간을 감소시킨다. 환류 회로의 시상수는 교류발전기(1A)의 출력 전압의 안정성의 관점에서 보다 긴 것이 바람직하다. 따라서, 전력 케이블의 접촉 불량이 발생하지 않은 경우에, 계자 전류를 환류 다이오드(62)를 통해 환류된다. 전력 케이블이 접촉 불량인 경우, 계자 전류의 감쇠 및 결과로서 생성되는 교차 자속의 감쇠를 가속시키기 위하여, 환류 회로의 시상수는 보다 짧은 것이 바람직하다. 따라서, 계자 전류는 다중-결합 다이오드로 구성되는 환류 회로(66)를 통해 환류된다.
정류기(3)는 도시된 다이오드 대신에 제너 다이오드로 구성될 수 있고, 이에 따라, 교류발전기의 출력 전압에서의 증가가 제너 전압 이하로 감소되도록 하는데, 이것은 전압 제어장치의 구성요소 부분에 대한 손상을 감소시킨다.
정류기(3)가 제2 실시예의 교류발전기(1A)에서의 제너 다이오드로 구성되는 경우에, 전압 비교기(65)에 사용되는 기준값(Vreg2)은 제너 전압 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제너 전압(Vz)이 20V인 경우, 기준값(Vreg2)이 18V로 설정되도록 권장될 수 있다. 이것은, 전력 케이블이 접촉 불량인 경우에, 교류발전기(1A)의 출력 전압이 제너 전압을 초과하기 전에, 환류 다이오드(62)가 환류 회로(66)로 스위칭되도록 하여, 이에 따라, 제너 다이오드로부터 소실되는 열의 양이 최소화된다.
교류발전기(1A)는 환류 다이오드(62)를 환류 회로(66)로 스위칭할 때와 동시에, 스위치(67, 68)를 구동하도록 설계된다. 이러한 스위칭은 계자 권선(4, 5)을 포함한 폐회로가 일시적으로 형성된 후에 수행되는 것이 바람직하다. 이것은 전압 제어장치(6A)의 파워 트랜지스터를 짧은 시간 주기 동안 닫음으로써 달성될 수 있고, 동시에 스위치(67, 68)를 작동시켜, 환류 다이오드(62)가 환류 회로(66)로 스위칭되는 시간에 발생하는 회로의 순간적인 개방을 피할 수 있게 된다. 이것은 계자 전류의 순간적인 차단에 의해 발생되는 서지 전압을 피할 수 있고, 이에 따라, 보호 회로의 필요성이 없어진다.
환류 회로(66)는 선택적으로, 도7에 도시된 바와 같이, 반대 극성을 갖도록 결합된 정규 다이오드(75)와 제너 다이오드(76)로 구성될 수 있는데, 이에 따라, 반도체 칩의 크기가 감소될 수 있다.
도8은 전압 제어장치(6A) 대신에 사용될 수 있는 전압 제어장치(6B)를 도시하고 있다. 전압 제어장치(6B)는 스위치(68)의 동작을 제어하도록 작동하는 전압 비교기(69)가 설치된다는 점에서만 전압 비교기(6A)와 상이하다. 다른 구성은 동일하며, 이에 대한 상세한 설명은 여기서 생략된다.
전압 비교기(69)는 저역통과 필터(63)의 출력 전압(Vs)을, 전압 비교기(65)에 사용된 기준값(Vreg2)보다 약간 낮은 기준값(Vreg3)과 비교한다. 예를 들면, 기준값(Vreg2)이 20V인 경우, 기준값(Vreg3)은 19V이다. 이에 따라, 전력 케이블 접촉 불량이 발생한 경우, 교류발전기(1A)의 출력 전압이 먼저 하이레벨로 변화되고, 직후에, 전압 비교기(65)의 출력이 하이레벨로 변화된다. 이것은 스위치(67, 68)가 동시에 닫혀지도록 하고, 직후에, 스위치(67)가 개방되어, 이에 따라, 스위치(67, 68)가 작동될 때에 계자 권선(4, 5)을 포함하는 폐회로를 일시적으로 형성하게 된다.
도9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 교류발전기(1C)를 도시하는 것으로, 이것은, 파워 트랜지스터(61)와 접지 사이에 계자 권선(4)이 배치된다는 점에서만, 도5에 도시된 바와 같은 교류발전기(1A)와 상이하다. 다른 구성들은 동일하며, 이에 대한 상세한 설명은 여기서 생략된다.
동작시, 접촉 불량없이 전력 케이블이 교류발전기(1)와 전원 공급장치 사이에 단단히 연결되는 경우, 전압 제어장치(6C)의 전압 비교기(64)는 교류발전기(1C)의 출력 전압을 기준값(Vreg1)과 비교한다. 출력 전압이 기준값(Vreg1)보다 높은 경우, 전압 비교기(64)는 파워 트랜지스터(61)를 개방하여, 계자 권선(4)으로 흐르는 계자 전류를 감소시키도록 동작하고, 이에 따라, 교류발전기(1C)의 출력 전압이 감소된다. 대안적으로, 출력 전압이 기준값(Vreg1)보다 낮은 경우, 전압 비교기(64)는 파워 트랜지스터를 닫아서, 계자 권선(4)으로 흐르는 계자 전류를 증가시키도록 동작하고, 이에 따라, 교류발전기(1C)의 출력 전압이 증가된다. 이 방식으로, 교류발전기(1C)의 출력 전압이 기준값(Vreg1)에서 수렴하도록 제어된다.
전력 케이블이 접촉 불량인 경우, 교류발전기(1C)는 무부하 상태로 전력을 발생시키도록 동작하여, 기준값(Vreg1)보다 큰 고전압이 출력 단자(B)에서 발생하게 되고, 이에 따라, 파워 트랜지스터(61)가 개방상태로 유지되어, 계자 권선(4)으로의 계자 전류의 공급이 차단된다. 교류발전기(1B)의 출력 전압이 기준값(Vreg2)을 초과하면, 이것은 전압 비교기(65)의 출력이 로우레벨에서 하이레벨로 변화되도록 야기할 수 있다. 전압 비교기(65)의 출력이 하이레벨로 변화되면, 스위치(68)는 닫혀지고, 스위치(67)는 열려져서, 환류 회로가 환류 다이오드(62)로부터 환류 회로(68)로 스위칭되도록 야기한다.
도10은 전력 케이블이 접촉 불량인 경우에 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류에서의 변화를 도시하고 있다. 실선(a)은 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류를 나타내고, 점선(b)은 종래 교류발전기의 계자 권선을 통해 흐르는 계자 전류를 나타낸다.
전력 케이블이 접촉 불량인 경우에 환류 회로(66)가 계자 권선(4)에 연결된 후에 계자 권선(4)으로 흐르는 계자 전류가I f' 로 정의되는 경우, 이것은 다음과 같이 표현된다.
I f1' = (I 0 + n·V d /R)·exp(-R·(t-t 0 )/L) - n·V d /R(15)
여기서,L은 계자 권선(4)의 인덕턴스이고,R은 계자 권선(4)의 저항값이고,V d 는 환류 회로(66)의 각 다이오드의 순방향 전압 강하이고,I 0 는 공급이 정지되기 직전에 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류값이다.
식(15) 및 도10으로부터 명백해지는 바와 같이, 계자 권선(4)으로의 공급이 정지된 직후의 계자 전류(I 0 )는 종래의 교류발전기와 동일하지만, 계자 전류(I 0 )가 수렴되는 최종값은- n·V d /R로 감소된다. 상세히 말하면, 계자 전류(I 0 )가 최종값- n·V d /R에 도달하는데 필요한 시간은, 환류 다이오드(62)만이 사용되는 종래 구조에서 계자 전류(I 0 )가 최종값- V d /R에 도달하는데 필요한 시간과 실질적으로 동일하다. 다시 말해서, 계자 전류(I 0 )가 교류발전기(1B)에서 0으로 감소되는데 필요한 시간은 종래 구조와 비교하여 매우 짧다. 환류 회로(66)는 다이오드들로 구성되고, 이에 따라, 계자 전류(I f' )가 역방향으로 흐르지 않고 0에 도달할 때에 사라지도록야기한다.
계자 전류(I f' )가 0에 도달하는데 필요한 시간(t 1 )(또한, 이하에서 계자 전류 지속시간으로 언급됨)은 식(15)로부터 다음과 같이 표현된다.
t 1 = (-L / R)·1n(n·V d / (n·V d + R / I 0 )(16)
도11은 환류 회로(66)를 형성하는 다이오드의 수와 계자 전류 지속시간(t 1 ) 사이의 관계를 도시한 표이다. 이 표는 계자 권선(4)의 저항값(R)이 2.3Ω이고, 인덕턴스(L)이 0.23H이고, 계자 권선(4)으로의 공급 정지 직전에 흐르는 계자 전류(I 0 )가 4.0A이며, 환류 회로(66)의 각 다이오드의 순방향 전압 강하(V d )가 0.7V인 경우에 대해 계자 전류 지속시간(t 1 )을 목록으로 만든 것이다. 이 표는, 환류 회로(66)의 증가가 계자 전류 지속시간(t 1 )에서의 큰 감소를 초래한다는 것을 보여준다.
도12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 교류발전기(1D)를 도시하고 있는데, 이것은 전압 제어장치(6D)의 구조에서만 도9의 제3 실시예와 상이하다. 다른 구성들은 동일하며, 이에 대한 상세한 설명은 여기서 생략한다.
전압 제어장치(6D)는 파워 트랜지스터(61), 환류 다이오드(62), 저역통과 필터(63), 전압 비교기(64, 65), 스위치(67, 68) 및 환류 회로(70)로 구성된다. 도9에 사용된 것과 동일한 참조 번호는 동일한 부분을 나타내며, 이에 대한 상세한 설명은 여기서 생략한다.
환류 회로(70)는 직렬로 연결된 다이오드(71)와 저항(72)으로 구성되고, 파워 트랜지스터(61)가 개방된 경우, 계자 권선(4)을 통해 흐르는 계자 전류의 감쇠를 촉진하도록 작동한다. 환류 전류가 다이오드(71)로 흐를 때, 이것은 저항(72)을 통해 전압 강하를 초래한다. 따라서, 환류 회로(70)의 단부 사이에서 발생되는 전압은 다이오드(62)만이 사용될 때와 비교하여 레벨이 증가되고, 이에 따라, 환류 회로(70)를 통해 흐르는 계자 전류가 도달하는 최종값은 계자 권선(4)으로의 계자 전류의 공급 정지 후에 감소되도록 야기한다.
전력 케이블이 접촉 불량인 경우, 환류 회로(70)가 계자 권선(4)에 연결된 후에, 계자 권선(4)으로 흐르는 계자 전류가I f'' 로 정의된 경우, 이것은 다음과 같이 표현된다.
I f1'' = (I 0 + V d /(R+R 1 ))·exp(-(R+R 1 )·(t-t 0 )/L) - V d /(R+R 1 )(17)
여기서,R 1 은 저항(72)의 저항값이다.
계자 전류가 도달하는 최종값은- V d /(R+R 1 )으로 감소된다. 감쇠 시상수(τ)는L/(R+R 1 ), 즉, 저항(72)이 사용되지 않을 때 보다 더 짧은R/(R+R 1 )시간으로 감소되어, 이에 따라, 계자 전류가 사라지는데 필요한 시간에서 많은 감소를 가져온다.
각각의 제3 및 제4 실시예에서의 정류기(3)는 도시된 다이오드 대신에 제너 다이오드로 구성될 수 있고, 이에 따라, 교류발전기의 출력 전압에서의 증가가 제너 전압 이하로 감소되는 것이 가능해지고, 이것은 전압 제어장치의 구성요소 부분에 대한 손상을 감소시킨다.
정류기(3)가 각각의 제3 및 제3 실시예의 교류발전기에서 제너 다이오드로 구성되는 경우에, 전압 비교기(65)에 사용되는 기준값(Vreg2)은 제너 전압 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 제너 전압(Vz)이 20V인 경우, 기준값(Vreg2)은 18V로 설정되도록 권장될 수 있다. 이것은, 전력 케이블이 접촉 불량인 경우, 교류발전기의 출력 전압이 제너 전압을 초과하기 전에, 환류 다이오드(62)가 환류 회로(66 또는 70)로 스위칭되도록 야기하여, 이에 따라, 제너 다이오드로부터 소실되는 열의 양이 최소화된다.
도12에 도시된 바와 같이, 환류 회로(70)의 저항(72)은, 도9에 도시된 바와 같이, 환류 회로(66)의 다이오드와 함께 직렬로 연결될 수 있고, 이에 따라, 계자 전류가 도달하는 최종값 및 감쇠 시상수에서의 감소를 가져오고, 과전압 지속시간을 감소시킨다.
교류발전기(1C, 1D)는 환류 다이오드(62)가 환류 회로(66, 70)로 각각 스위칭될 때 동시에 스위치(67, 68)를 구동하도록 설계된다. 이러한 스위칭은 계자 권선(4, 5)을 포함하는 폐회로가 일시적으로 형성된 후에 수행되는 것이 바람직하다.이것은, 파워 트랜지스터(61)를 짧은 시간 주기동안 닫음으로써 달성될 수 있고, 동시에, 스위치(67, 68)를 작동시키고, 이에 따라, 환류 다이오드(62)가 환류 회로(66 또는 70)로 스위칭될 때에 발생하는 회로의 순간적인 개방을 피할 수 있다. 이것은 계자 전류의 순간적인 차단에 의해 초래되는 서지 전압을 회피하여, 보호 회로에 대한 필요성을 없앨 수 있다.
제3 실시예의 환류 회로(66)는 선택적으로, 도7에 도시된 바와 같이, 반대의 극성을 갖도록 결합된 정규 다이오드(75)와 제너 다이오드(76)로 구성될 수 있고, 이에 따라, 계자 전류가 감쇠하거나 사라지는데 필요한 시간은 제너 다이오드(76)의 제너 전압(Vz)의 함수로서 결정될 수 있다.
도8에 도시된 바와 같이, 전압 제어장치(6B)는 전압 제어장치(6C) 대신에 사용될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 차량용 교류발전기는 짧은 시간 주기내에 계자 전류를 감쇠시킬 수 있는 효과를 제공한다.
이상에서, 본 발명의 이해를 돕기 위해, 본 발명이 바람직한 실시예의 관점에서 설명되었지만, 본 발명의 원리에서 벗어나지 않는 한, 본 발명은 여러 가지 방법으로 구현될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위에 제시된 바와 같이, 본 발명의 원리에서 벗어나지 않고 구현될 수 있는 모든 가능한 실시예와 도시된 실시예에 대한 변형예들을 포함하도록 이해되어야 한다.

Claims (12)

  1. 차량용 교류발전기에 있어서,
    다수의 계자극(field magnetic poles)을 구비한 회전자;
    상기 계자극을 자화(magnetize)시키는 제1 계자 권선;
    상기 계자극을 자화시키는 제2 계자 권선 - 상기 제2 계자 권선은 상기 제1 계자 권선보다 짧은 시상수를 가짐 -;
    상기 회전자에 의해 생성되는 회전 자계에 의해 교류 출력을 발생시키는 전기자;
    상기 전기자로부터의 교류 출력을 직류 출력으로 변환시키는 정류기;
    상기 제1 및 제2 계자 권선에 공급되는 계자 전류를 조정하여 상기 교류발전기의 출력을 제어하는 제어장치; 및
    상기 제1 및 제2 계자 권선에 병렬로 연결되는 환류 회로 - 상기 환류 회로는, 상기 제어장치에 의해 상기 계자 전류의 공급이 차단된 경우에, 상기 계자 전류를 환류시킴 -
    를 포함하는 차량용 교류발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 환류 회로는,
    하나의 다이오드로 형성된 제1 회로; 및
    상기 계자 전류의 감쇠를 촉진하는 회로 소자를 구비한 제2 회로를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 회로 중 하나를 선택하는 선택수단
    을 더 포함하고,
    여기서, 상기 제어장치는, 상기 정류기의 출력 전압이 기준값을 초과하는 경우에는 상기 제2 회로를 선택하고, 상기 정류기의 출력 전압이 상기 기준값을 초과하지 않는 경우에는 상기 제1 회로를 선택하도록 상기 선택수단을 제어하는
    차량용 교류발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 회로는 직렬로 연결된 다수의 다이오드로 구성되는
    차량용 교류발전기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 정류기는 제너 다이오드로 구현된 정류 회로 소자로 구성되고,
    여기서, 상기 제어장치는 상기 선택수단을 통해 상기 정류기의 출력 전압이 상기 정류 회로 소자의 제너 전압보다 작은 기준값을 초과하는 경우에 상기 제2 회로를 선택하는
    차량용 교류발전기.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 제1 및 제2 계자 권선을 포함한 폐회로가 형성된 경우에, 상기 제1 회로에서 상기 제2 회로로 스위칭하는
    차량용 교류발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 계자 권선은 동축으로 배치되는
    차량용 교류발전기.
  7. 차량용 교류발전기에 있어서,
    다수의 계자극을 구비한 회전자;
    상기 계자극을 자화시키기 위해 계자 전류를 공급하는 계자 권선;
    상기 회전자에 의해 생성되는 회전 자계에 의해 교류 출력을 발생시키는 전기자;
    상기 전기자로부터의 교류 출력을 직류 출력으로 변환시키는 정류기;
    하나의 다이오드로 형성된 제1 회로, 및 상기 계자 전류의 감쇠를 촉진하는 회로 소자를 구비한 제2 회로를 포함하는 환류 회로 - 상기 환류 회로는 상기 계자 권선에 병렬로 연결되어, 상기 계자 전류의 공급이 차단된 경우에, 상기 계자 전류를 환류시킴 - ;
    상기 계자 권선에 공급되는 계자 전류를 조정하여 상기 교류발전기의 출력을 제어하는 제어장치 - 상기 제어장치는 상기 정류기의 출력 전압이 기준값을 초과하는 경우에는 상기 제2 회로를 선택하고, 상기 정류기의 출력 전압이 상기 기준값을 초과하지 않는 경우에는 상기 제1 회로를 선택함 -
    를 포함하는 차량용 교류발전기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 회로는 직렬로 연결된 다수의 다이오드로 구성되는
    차량용 교류발전기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 다수의 다이오드는 반대 방향으로 직렬 결합된 정규 다이오드와 제너 다이오드로 구현되는
    차량용 교류발전기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 제2 회로는 상기 다이오드와 직렬 결합된 다이오드 및 저항으로 구성되는
    차량용 교류발전기.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 정류기는 제너 다이오드로 구현된 정류 회로 소자로 구성되고,
    여기서, 상기 제어장치는 상기 정류기의 출력 전압이 상기 정류 회로 소자의 제너 전압보다 작은 기준값을 초과하는 경우에 상기 제2 회로를 선택하는
    차량용 교류발전기.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제어장치는, 상기 계자 권선을 포함한 폐회로가 형성된 경우에, 상기 제1 회로에서 상기 제2 회로로 스위칭하는
    차량용 교류발전기.
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