KR20050040495A - 전동기식 슈퍼차저 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기식 슈퍼차저에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기관의 회전수에 상응한 최적의 풍량을 조절하여 빠른 응답성을 가지도록, 전자 커플링이 설치된 AC용 발전기를 구비하고, 쉬운 설치와 저렴한 비용으로 사용가능한 전동기식 슈퍼차저에 관한 것이다.

Description

전동기식 슈퍼차저{AN ELECTRIC SUPERCHARGER}

본 발명은 전동기식 슈퍼차저에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 기관의 회전수에 상응한 최적의 풍량을 조절하여 빠른 응답성을 가지도록, 전자 커플링이 설치된 AC용 발전기를 구비하고, 쉬운 설치와 저렴한 비용으로 사용가능한 전동기식 슈퍼차저에 관한 것이다.

종래의 내연기관에서 사용되는 슈퍼차저는 동력을 얻기 위해 주로 다음의 방안들을 사용해오고 있다.

첫 번째 방안은 기관의 회전축에서 벨트나 기어 등을 이용하여 직접 블로워에 동력을 전달하는 방법이다. 동력을 직접 전달함으로서 응답속도가 빠르고 풍량이 풍부하다는 장점은 있으나, 기구의 설치가 어렵고 벨트나 기어 등의 동력전달기구들이 고속 회전을 함으로서 수명이 짧다는 단점이 있다. 또한, 기관이 공회전 하거나 고속 운전을 할 경우에도 기관의 동력이 전달되어 항상 동력을 소모하게 되므로 연료소비가 많고, 기관의 속도가 저속일 경우에는 블로워의 속도가 낮아져 충분한 풍량을 얻지 못해 슈퍼차저로서 충분한 기능을 발휘하기 어렵다.

두 번째로는 배터리 전력으로 구동되는 전동기를 설치하여 블로워의 동력으로 구동하는 방안이 있다. 이는 설치하기는 쉬우나 전동기의 회전속도가 20,000RPM 이하의 저속회전에서는 응답속도가 느리고, 고속회전에서는 풍량이 부족하여 바이패스 풍로가 불가피하며, 기관의 속도와 블로워를 동기시키기 어렵다.

세 번째로는 기존의 DC 충전용 발전기에서 3상을 인출하여 전동기를 구동시키고, 전동기의 동력으로 블로워를 구동하는 방법이다.

3상 교류는 3상 교류발전기에 의해서 발생되는, 전압이 같고 전류의 주파수와 진폭이 각각 같은 교류를 뜻한다. 서로 120°의 위상차를 가지는 경우를 대칭이라 하고, 그 이외의 경우를 비대칭이라 한다. 3상 교류는 각 상의 기점을 한 곳(중성점)에 모아 접속한 Y결선과, 각상을 차례로 직렬 접속한 Δ결선의 두 가지 결선방법에 의해서 발생된다. 3상 교류는 단상 교류에 비해서 같은 양의 전력을 보내는 데 필요한 도선의 무게가 작고, 선로에서 소비되는 줄(J)열이 적을 뿐만 아니라 전동기의 경우에서도 단상에 비해 3상 교류를 이용한 전동기가 훨씬 우수하여 널리 이용되고 있다.

하지만 이 방법으로 전동기의 속도를 제어하려면, 전압과 주파수가 비례적이어야 한다. 그러나 DC 충전용 발전기에서는 기관의 회전수에 관계없이 레귤레이터에 의해 일정한 전압 및 전류를 공급하므로 3상 교류 전동기의 정상적인 운전을 하기에는 부적절하다.

본 발명은 상기의 문제점들을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 기존의 DC 충전용 발전기 이외에 전자 커플링이 구비된 AC용 발전기를 추가 장착함으로서 3상 전원을 이용하여 소비전력을 줄이는 전동기식 슈퍼차저를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 빠른 응답성으로 기관의 회전수에 상응한 최적 풍량을 조절할 수 있는 전동기식 슈퍼차저를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 설치가 쉽고 저렴한 비용으로 효율성을 높인 전동기식 슈퍼차저를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, AC용 발전기를 구비한 전동기식 슈퍼차저는 기관의 최고 상용 회전수를 초과할 때에는 자동 슬립이 발생하여 발전기와 전동기를 과부하로부터 보호하도록 전자 커플링 기능이 구비된 AC용 발전기, 상기 AC용 발전기에서 인출된 3상의 전원으로 임펠러를 구동시키도록 설치되는 고속 전동기, 임펠러의 작동으로 유입된 공기를 기관으로 배출하도록 설치된 가속용 스크롤, 및 운전자에 의해 작동이 조작되도록 설치되는 시스템 온/오프 스위치를 포함한다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 전자 커플링은 마그네트 부착방식의 수평 커플링, 마그네트 부착방식의 수직 커플링, 여자코일 부착방식의 수평 커플링, 또는 여자코일 부착방식의 수직 커플링 중 하나인 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 AC용 발전기를 구비한 전동기식 슈퍼차저를 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 전동기식 슈퍼차저를 설치한 내연기관의 구성을 나타낸 개략도이다. 도 1에 따르면, AC용 발전기(12)에서 발생한 전원은 3상 교류 전동기(16)에 공급되어 전동기(16)를 구동시킨다. 전동기(16)가 구동됨에 따라, 에어클리너(14)를 통과한 공기는 임펠러(20)에 의해 유입된 후, 스크롤(18)을 통하여 내연기관(10)에 공급된다.

본 발명의 바람직한 일실시예에 따르면, 상기 전동기(16)를 에어클리너(14) 내부에 설치함으로서, 에어클리너(14)를 통하여 유입된 공기가 전동기(16)의 구동으로 발생하는 열을 냉각시키도록 하는 것이 바람직하다.

도시하지는 않았으나, 시스템의 작동을 조작할 수 있도록, 운전자가 조작하기 간편한 위치에 시스템 온/오프 스위치가 설치된다. 운전자가 시스템 작동 스위치를 조작하여 가동시키면, 기관이 공회전을 시작하게 된다. 이 때, 전동기(16)는 초기속도로 운전하게 되는데, 이 초기 속도는 상기 AC용 발전기(12)의 극수에 의해서 결정되며, 배기량과 기관의 종류에 따라서 달라지는 것으로, 공회전시 각 기관에 최적의 풍량을 공급할 수 있는 속도를 의미한다.

기관의 속도가 증가하여 최고 상용 회전수에 도달할 때까지 이에 비례한 주파수와 전압이 인출되어 자동으로 전동기(16)를 가속하게 된다. 이 때 , 최고 상용 회전수를 초과하는 영역에서는 발전기에 구비된 전자 커플링에 의해 자동 슬립이 발생하여 발전기(12)와 전동기(16)를 과부하로부터 보호하고, 흡입 공기량은 일정 수준을 유지하도록 작동한다.

도 2a와 도 2b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, AC용 발전기의 회로구성도이다. 도 2에 따르면, 발전기 회로는 발전기 영구자석(24)과 3개의 발전기 코일(26)로 이루어진다. 알려져 있는 바와 같이, 3상 교류는 3상 교류발전기에 의해서 발생되는, 전압이 같고 전류의 주파수와 진폭이 각각 같은 교류를 뜻한다. 통상적으로, 3상 교류는 각 상의 기점을 한 곳(중성점)에 모아 접속한 Y결선과, 각 상을 차례로 직렬 접속한 Δ결선의 두 가지 결선방법에 의해서 발생된다.

도 2a는 Y결선방식을 도입한 발전기 회로구성도를 나타낸 개략도이다. 도2a에 따르면, 3개의 발전기 코일(26)은 하나의 접점을 중심으로 접속되어 있고, 다른 쪽으로 전류가 흘러나가도록 설계되어 있다.

발전기 영구자석(24)이 회전하여 전자장을 형성하면, 각 발전기 코일(26)에 전류가 발생함으로서 3상의 전류가 발생하고, 이는 도선을 따라 전동기(16)가 구동하도록 공급된다.

도 2b는 Δ결선 방식을 도입한 발전기 회로구성도를 나타낸 개략도이다. 도 2b에 다르면, 각 발전기 코일(26)이 직렬로 연결되어 Δ형상으로 설치되고, 내부에 설치된 발전기 영구자석(24)이 회전하여 전류를 발생시킨다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 마그네트 부착 방식의 수평 커플링의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 3에 따르면, 기관의 회전축과 벨트로 연결된 벨트 풀리(48)가 회전하면, 벨트 풀리(48)와 연결된 외측 마그네트 커플링(52)도 같이 회전하고, 내측 마그네트 커플링(54)도 동기하여 회전하게 된다. 즉, 기관의 회전속도에 상응하게 상기 외측 마그네트 커플링(52)과 내측 마그네트 커플링(54)이 회전하고, 발전기 고정자(60)에 설치되는 발전코일에서는 이에 비례한 전압과 주파수를 갖는 3상 전력이 발생하여 리드선(62)을 통해 전동기(16)에 전달된다.

바람직하게는 최고 상용 회전수를 초과하여 발전기와 전동기의 과부하가 발생하는 것을 방지하기 위하여, 마그네트 커플링(52, 54)의 접합면을 조절함으로서 슬립력을 조절하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 전자 커플링의 유형을 나타낸 개략도이다.

도 4a는 도 3의 마그네트 부착 방식의 수평 커플링의 구조를 도시한 개략도이고, 도 4b는 마그네트 부착 방식의 수직 커플링의 구조를 도시한 개략도이다. 도 4a와 4b에 따르면, 마그네트 커플링(52, 54)을 부착하여 전자 커플링(40)을 구성하는 기본 원리는 동일하며, 수평형과 수직형의 형태적인 차이만 존재한다.

도 4c는 여자코일 부착 방식의 수평 커플링의 구조를 도시한 개략도이고, 도 4d는 여자코일 부착 방식의 수직 커플링의 구조를 도시한 개략도이다. 도 4c와 4d에 따르면, 마그네트 커플링 부착 방식과 기본 원리는 동일하며, 마그네트를 부착하지 않고 여자코일(64)을 사용한다는 차이가 있다. 따라서, 여자코일 부착 방식에서는 여자코일(64)의 전단에 설치된 저항의 저항값을 조절하거나, 여자코일(64) 자체의 저항값을 조절함으로서 커플링의 슬립력을 조절한다.

전술한 내용은 후술할 발명의 특허청구범위를 보다 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 개설하였다. 본 발명의 특허청구범위를 구성하는 부가적인 특징과 장점들이 이하에서 상술될 것이다. 개시된 본 발명의 개념과 특정 실시예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 구조의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 당해 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

또한, 본 발명에서 개시된 발명 개념과 실시예가 본 발명의 동일 목적을 수행하기 위하여 다른 구조로 수정하거나 설계하기 위한 기초로서 당해 기술 분야의 숙련된 사람들에 의해 사용되어질 수 있을 것이다. 또한, 당해 기술분야의 숙련된 사람에 의한 그와 같은 수정 또는 변경된 등가 구조는 특허청구범위에서 기술한 발명의 사상이나 범위를 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변화, 치환 및 변경이 가능하다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명의 전동기식 슈퍼차저는 별도의 AC용 발전기(12)에서 3상 전류를 인출하여 전동기(16)를 구동시키므로, 기관의 DC 충전용 발전기에 영향을 미치지 않고, 임펠러(20)의 강력한 회전력에 의하여 충분한 풍량을 얻을 수 있다.

또한, 전자 커플링(40)이 구비되어 기관의 최고 상용 회전수를 초과할 때에는 자동 슬립이 발생하여 발전기(12)와 전동기(16)를 과부하로부터 보호하고, 풍량은 일정 수준을 유지하며, 상기 전자 커플링(40)의 슬립력을 조절함으로서 기관의 배기량에 따른 최대 풍량을 조절할 수 있고, 기관이 공회전할 때에도 최적의 풍량을 제공함으로서 기관 공회전시 배출가스를 최소로 한다.

또한, 별도의 인버터를 사용하지 않고도 AC용 발전기(12)에서 주파수와 전압이 비례하는 전원을 인출함으로서 임펠러(20)의 회전속도를 기관의 회전속도와 동기시킬 수 있다.

또한, 전자부품의 사용이 최소화되어 신뢰성이 높아지고, 기관의 출력증강과 출력 상승시간의 단축으로 인한 연로절감, 연료 완전연소에 따른 매연 감소 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 전동기식 슈퍼차저를 설치한 내연기관의 구성을 나타낸 개략도이다.

도 2a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, Y결선 방식을 도입한 AC용 발전기의 회로구성도이다.

도 2b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, Δ결선 방식을 도입한 AC용 발전기의 회로구성도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 마그네트 부착방식의 수평 커플링의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 4a는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 마그네트 부착방식의 수평 커플링의 구조를 나타낸 개략도이다.

도 4b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 마그네트 부착방식의 수직 커플링의 구조를 나타낸 개략도이다.

도 4c는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 여자코일 부착방식의 수평 커플링의 구조를 나타낸 개략도이다.

도 4d는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른, 여자코일 부착방식의 수평 커플링의 구조를 나타낸 개략도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10: 내연기관 12: AC용 발전기

14: 에어클리너 16: 3상 교류 전동기

18: 스크롤 20: 임펠러

22: 흡입구 24: 발전기 영구자석

26a: 발전기 코일A 26b: 발전기 코일B

26c: 발전기 코일C 40: 전자 커플링

42: 케이스 44: 회전축

46: 고정축 48: 벨트 풀리

50: 베어링 52: 외측 마그네틱 커플링

54: 내측 마그네틱 커플링 56: 외측 마그네틱 부착바

58: 내측 마그네틱 부착바 60: 발전기 고정자

62: 리드선 64: 여자 코일

Claims (2)

1. 전동기식 슈퍼차저에 있어서,

   기관의 최고 상용 회전수를 초과할 때에는 자동 슬립이 발생하여 전동기(16)를 과부하로부터 보호하도록 전자 커플링(40) 기능이 구비된 AC용 발전기(12),

   상기 AC용 발전기(12)에서 인출된 3상의 전원으로 임펠러(20)를 구동시키도록 설치되는 3상 교류 전동기(16),

   임펠러(20)의 작동으로 유입된 공기를 기관으로 배출하도록 설치된 가속용 스크롤(18), 및

   운전자에 의해 작동이 조작되도록 설치되는 시스템 온/오프 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기식 슈퍼차저.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전자 커플링(40)은 마그네트 부착방식의 수평 커플링, 마그네트 부착방식의 수직 커플링, 여자코일 부착방식의 수평 커플링, 또는 여자코일 부착방식의 수직 커플링 중 하나인 것을 특징으로 하는 전동기식 슈퍼차저.