KR20060061845A - 차량용 시동발전 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 전기자 코일의 감는 수를 늘리는 일 없이, 최대 토오크를 향상시켜서, 엔진의 시동 기능과 발전 기능을 양립시킬 수 있는 염가의 소형의 차량용 시동발전 장치를 얻는다.
차량용 시동발전 전기기계는, 전기자 코일이 권회된 전기자 철심과, 전기자 철심의 내주측에 배치된 클로우폴형 회전자 철심 및 클로우폴형 회전자 철심의 폴형상 자극 내주측에 권장된 계자 코일을 갖는 회전자를 구비하고, 엔진을 시동시키는 시동 기능과, 발전 기능을 갖고 있다. 그리고, 영구자석이 이웃하는 폴형상 자극 사이에 배설되어 있다.
시동발전 장치

Description

차량용 시동발전 장치{STARTER GENERATOR FOR VEHICLE}
본 발명은, 차량의 엔진에 연결되고, 엔진의 시동 및 발전을 행하는 차량용 시동발전 장치에 관한 것이다.
종래의 클로우폴(claw-pole)형 차량용 교류 발전기에서는, 영구자석을 폴(pole)형상 자극 사이에 배치하고, 발전 특성을 향상시켰다(예를 들면, 특허 문헌 1 참조). 그러나, 특허 문헌 1에서는, 차량용 교류 발전기를 엔진의 시동과 발전을 행하는 차량용 회전 전기기계로서 적용하는 것에 관해서는, 전혀 기재도 시사도 되어 있지 않다.
또한, 엔진의 시동 기능과 발전 기능을 갖는 클로우폴형 회전 전기기계의 종래 기술에서는, 영구자석을 폴형상 자극 사이에 배치한 때에, 시동 기능과 발전 기능을 양립시키기 위한 방책에 관해 기술하고 있는 것은 없다.
특허 문헌 1 : 특허 제2548882호 명세서
차량용 시동 전동기에서는, 엔진 시동시의 기동 토오크를 얻음과 함께, 엔진 회전 속도를 고속까지 크랭킹시키기 위해, 일정 출력 영역에서의 출력 향상이 필요해진다. 그리고, 전기자 코일의 감는 수를 늘림으로써, 차량용 시동 전동기의 체격을 크게하지 않고 최대 토오크를 증가시킬 수가 있다. 그러나, 전기자 코일의 감는 수를 늘린 경우, 입력 전압의 제약 때문에 일정 출력 영역에서의 출력이 저하되어 버려서, 엔진 시동 목표 회전 속도에 도달할 수 없게 된다.
한편, 차량용 교류 발전기에서는, 양호한 효율의 발전 운전이 요구된다. 그래서, 전기자 코일의 감는 수를 늘리는 것은, 전기자 코일의 저항의 증가를 의미하고, 전기자 코일의 동손(銅損; copper loss)이 증가하여, 발전 효율이 저하되어 버린다.
이와 같이, 엔진의 시동과 발전의 기능을 갖는 회전 전기기계, 이른바 차량용 시동발전 전기기계에서는, 전기자 코일의 감는 수를 늘리면 고효율 발전 운전을 할 수 없게 되고, 전기자 코일의 감는 수를 늘리지 않으면 엔진 시동 운전시의 최대 토오크를 증가할 수 없게 된다는 상반되는 과제를 해결하는 것이 요구된다.
또한, 전기자 코일의 감는 수를 저감시키면, 발전 운전 상태에서의 소망하는 회전 속도에서는, 발전 전압이 계전압(系電壓)에 도달하지 않게 된다. 이 경우에는, 인버터 등에 의해 초퍼 승압 제어 등을 행하여 발전시킴에 의해, 발전 전압을 계전압에 도달시킬 수 있다. 그러나, 이 인버터에 의한 승압 발전 상태에서, 발전량을 향상시키는데는, 제어하는 선전류(線電流)를 크게 할 필요가 있어서, 인버터의 대형화를 초래하여 버린다.
종래의 발전 기능을 갖는 차량용 회전 전기기계에서는, 회전 속도가 변동함에도 불구하고, 발전 전압을 일정하게 제어할 필요가 있음과 함께, 차량측의 전기 부하도 변동한다. 이 문제를 해결하기 위해, 계자(界磁) 코일 방식을 채용하고, 전압 조정기에 의해 계자 전류를 제어하도록 하고 있다.
그러나, 종래의 계자 코일식 회전 전기기계에서는, 회전자 철심의 자기(磁氣) 포화나 누설 자속의 영향에 의해, 현재상태 이상의 자속의 증가를 바랄 수가 없어서, 시동 전동기로서 기능할 때에 최대 토오크를 올리기 위해서는, 체격이 대형화하여 버리고, 비용 상승 및 탑재성의 악화를 초래하여 버린다는 과제가 있다.
본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 클로우폴형 회전자를 갖는 차량용 회전 전기기계를 구비하고, 영구자석을 폴형상 자극 사이에 배치하여 자속의 증가를 가져오고, 전기자 코일의 감는 수를 늘리는 일 없이, 최대 토오크를 향상시키고, 엔진의 시동 기능과 발전 기능을 양립시킬 수 있는 염가의 소형의 차량용 시동발전 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
과제를 해결하기 위한 수단
본 발명에 의한 차량용 시동발전 장치는, 배터리와, 엔진에 연결되고, 해당 엔진의 시동시에, 상기 배터리의 전력에 의해 구동되어 해당 엔진을 시동하고, 또한, 해당 엔진의 시동 후, 해당 엔진에 구동되어 교류 전력을 발생하는 차량용 회전 전기기계와, 상기 배터리의 정부(正負) 단자 사이에 직렬 접속된 한 쌍의 스위칭 소자 및 해당 스위칭 소자에 병렬 접속된 다이오드를 복수조(組) 가지며, 직렬 접속된 스위칭 소자의 접속점이 상기 차량용 회전 전기기계에 접속된 인버터와, 상기 엔진의 시동시에, 상기 스위칭 소자를 ON/OFF시켜서 상기 배터리의 전력을 상기 차량용 회전 전기기계에 공급하여 해당 차량용 회전 전기기계를 구동시키고, 상기 엔진의 시동 후, 상기 스위칭 소자를 제어하여 상기 다이오드군에 의해 상기 차량용 회전 전기기계에서 발생하는 교류 전력을 정류시켜서 상기 배터리를 충전하도록 상기 인버터를 제어하는 제어 장치를 구비한 차량용 시동발전 장치에 있어서, 상기 차량용 회전 전기기계는, 전기자 코일이 권회(卷回)된 전기자 철심과, 상기 전기자 철심의 내주측에 배치된 클로우폴형 회전자 철심 및 해당 클로우폴형 회전자 철심의 폴형상 자극 내주측에 권장(卷裝)된 계자 코일을 갖는 회전자를 구비하고, 또한, 영구자석이 이웃하는 상기 폴형상 자극 사이에 배설되어 있는 것이다.
발명의 효과
본 발명에 의하면, 영구자석을 폴형상 자극 사이에 배치함에 의해 자속이 회전자에 부가되기 때문에, 전기자 코일의 감는 수를 늘리는 일 없이, 최대 토오크가 향상된다. 또한, 최대 토오크를 향상하기 위해 전기자 코일의 감는 수를 늘릴 필요가 없기 때문에, 전기자 코일의 감는 수를 늘리는 것에 기인하는 일정 출력 영역에서의 특성 저하가 억제됨과 함께, 회전 전기기계의 체격의 대형화가 억제되고, 소형, 저비용화가 도모된다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 차량용 시동발전 전기기계를 도시한 종단면도.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서의 회전자를 도시한 사시도.
도 3은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 차량용 시동발전 장치를 도시한 개념도.
도 4는 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계에서의 시동 운전시의 구동 특성을 도시한 도면.
도 5는 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계에서의 발전 운전시의 발전 특성을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서의 시동 운전시의 구동 특성을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서의 발전 운전시의 발전 특성을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서의 발전 운전시의 발전 특성을 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 실시의 형태 3에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서의 계자 전류와 구동 특성과의 관계를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 실시의 형태 4에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서의 시동 운전시의 구동 특성을 도시한 도면.
도 11은 본 발명의 실시의 형태 5에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서의 계자 기자력과 유효 자속과의 관계를 설명하는 도면.
실시의 형태 1
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 차량용 시동발전 전기기계를 도시한 종단면도, 도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서 의 회전자를 도시한 사시도, 도 3은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 차량용 시동발전 장치를 도시한 개념도이다.
도 1 및 도 2에서, 차량용 회전 전기기계로서의 차량용 시동발전 전기기계(1)는, 각각 개략 주발(椀) 형상의 알루미늄제의 프런트 브래킷(2)과 리어 브래킷(3)으로 이루어지는 케이스(4)와, 이 케이스(4)에 베어링(5a, 5b)을 통하여 회전 자유롭게 지지된 샤프트(6)와, 케이스(4)의 프런트측으로 연장하여 나오는 샤프트(6)의 일단에 고착된 풀리(7)와, 이 샤프트(6)에 고착되고 케이스(4) 내에 회전 자유롭게 배설된 회전자(8)와, 이 회전자(8)를 둘러싸도록 케이스(4)의 내벽면에 지지된 전기자(9)와, 샤프트(6)의 타단부에 고정된 한 쌍의 슬립 링(10)과, 슬립 링(10)의 외주에 배설된 브러시 홀더(11)와, 각 슬립 링(10)에 활주접촉하도록 브러시 홀더(11) 내에 배설된 브러시(12)를 구비하고 있다.
전기자(9)는, 프런트 브래킷(2)과 리어 브래킷(3)에 끼여지지되어 회전자(8)를 둘러싸도록 배치된 전기자 철심(13)과, 이 전기자 철심(13)에 권장된 전기자 코일(14)을 구비하고 있다.
회전자(8)는, 전류를 흘려서 자속을 발생하는 계자 코일(15)과, 이 계자 코일(15)을 덮도록 마련되고, 그 자속에 의해 자극이 형성되는 클로우폴형(런델; Lundell) 회전자 철심(16)을 구비하고 있다. 이 회전자 철심(16)은, 각각 폴형상 자극(17a, 18a)이 원주형상의 보스부(17b, 18b)의 외주 연부(緣釜)에 둘레 방향으로 등각 피치로 돌설된 철제의 한 쌍의 폴 코어(17, 18)에 의해 구성되어 있다. 또한, 각 폴형상 자극(17a)는, 보스부(17b)의 축방향 일단의 외주 연부로부터 지름 방향 외방으로 연장 마련된 후, 축방향 타단측으로 연장 마련되어 형성되어 있다. 또한, 각 폴형상 자극(18a)은, 보스부(18b)의 축방향 타단의 외주 연부로부터 지름 방향 외방으로 연장 마련된 후, 축방향 타단측으로 연장 마련되어 형성되어 있다. 그리고, 한 쌍의 폴 코어(17, 18)는, 폴형상 자극(17a, 18a)을 서로 맞물리도록 보스부(17b)의 축방향 타단 단면(端面)과 보스부(18b)의 축방향 일단 단면을 맞대고, 샤프트(6)를 보스부(17b, 18b)의 축심 위치로 압입하여 일체화되어 있다. 또한, 팬(19)이 회전자(8)의 축방향 양단에 고착되어 있다. 또한, 영구자석(20)이, 둘레 방향으로 이웃하는 폴형상 자극(17a, 18a) 사이에 각각 배설되어 있다. 각 영구자석(20)은, 예를 들면 페라이트 자석으로 제작되어 있고, 접(接)하는 폴형상 자극(17a, 18a)의 극성과 같은 극성이 되도록, 즉 N극의 자극에 접하는 측이 N극으로, S극의 자극에 접하는 측이 S극이 되도록 착자되어 있다.
또한, 계자 코일(15)이 보빈(21)에 권회되어, 폴형상 자극(17a, 18a), 영구자석(20) 및 보스부(17b, 18b)에 둘러싸인 공간 내에 장착되어 있다.
또한, 리졸버(22)가 베어링(5b)의 축방향 외방으로 배설되어 있다. 이 리졸버(22)는, 전기자(9)에 대한 회전자(8)의 상대 위치, 즉 회전자(8)의 회전 속도를 검출하는 것이다. 그리고, 리졸버(22)의 검출 신호가 회전 신호(f)로서 후술하는 제어 장치(28)에 출력된다.
다음에, 이와 같이 구성된 차량용 시동발전 전기기계(1)을 이용한 차량용 시동발전 장치의 구성에 관해 도 3을 참조하면서 설명한다.
차량용 시동발전 전기기계(1)의 회전자(8)가 엔진(32)의 크랭크축과 벨트(도 시 생략)에 의해 연결되어 있다. 여기서는, 전기자 코일(14)은, 3상의 코일을 Y결선하여 구성되어 있다.
인버터 유닛(23)은, 복수의 스위칭 소자(26)와 각 스위칭 소자(26)에 병렬로 접속된 다이오드(27)로 이루어지는 인버터 모듈(24)과, 인버터 모듈(24)에 병렬로 접속된 콘덴서(25)를 구비하고 있다. 이 콘덴서(25)는, 인버터 모듈(24)을 흐르는 전류를 평활하는 역할을 갖는다.
인버터 모듈(24)은, 병렬로 접속된 스위칭 소자(26) 및 다이오드(27)의 2조를 직렬로 접속한 것을, 병렬로 3개 배치하고, 그들의 소자(26, 27)을 일체로 패키지 봉입(封入)하여 구성되어 있다. 그리고, 전기자 코일(14)의 각 Y결선 단부가, 직렬로 접속된 스위칭 소자(26)의 중간점에 각각 접속되어 있다.
인버터 모듈(24)은, 스위칭 소자(26)의 스위칭 동작이 제어 장치(28)에 의해 제어된다. 그리고, 차량용 시동발전 전기기계(1)는, 전력이 공급되어 시동 전동기로서 동작하고, 엔진(32)을 시동시킨다. 또한, 차량용 시동발전 전기기계(1)는, 엔진(32)의 시동 후, 엔진(32)에 의해 회전 구동되어 교류 발전기로서 동작하고, 3상 교류 전압을 발생한다.
차량용 시동발전 전기기계(1)의 구동용 전원인 36V계의 제 1의 배터리(29)가 인버터 모듈(24)에 병렬로 접속되어 있다. 이 차량용 시동발전 전기기계(1)는, 제 1의 배터리(29)에 의해, 고전압(36V)으로 운전된다. 또한, 차량에 탑재되는 전기기계 부하는 일반적으로 12V를 정격으로 하고 있기 때문에, 12V계의 제 2의 배터리(30)가 탑재되어 있다. 그래서, 전기 부하 구동용의 제 2의 배터리(30)를 충전할 수 있도록, DC/DC 컨버터(31)이 인버터 모듈(24)에 병렬로 접속되어 있다.
즉, 차량용 시동발전 전기기계(1)에 의한 엔진(32)의 시동시에는, 차량용 시동발전 전기기계(1)의 발생 토오크를 크게 하는, 즉 전기자 코일(14)에의 통전 전류량을 크게 할 필요가 있다. 그래서, 차량에 탑재된 전기 부하를 구동하기 위한 제 2의 배터리(30)에 의한 운전에서는, 배선에서의 로스가 크게 되어 버리고, 또한 배선 저항을 작게 하기 위해 배선 자체가 커저 버린다. 그래서, 배터리 전압을 고전압화 하여, 송전 로스를 저감하고 있다.
게속해서, 이와 같이 구성된 차량용 시동발전 장치의 동작에 관해 설명한다.
우선, 제어 장치(28)가, 각 스위칭 소자(26)를 ON/OFF 제어하여, 제 1의 배터리(29)의 직류 전력으로부터 3상 교류 전력을 발생시킨다. 이 3상 교류 전력이 전기자 코일(14)에 공급되고, 회전자(8)의 계자 코일(15)에 회전 자계가 주어지고, 회전자(8)가 회전 구동된다. 그래서, 회전자(8)의 회전력이 풀리(7) 및 벨트(도시 생략)를 통하여 엔진(32)에 전달되고, 엔진(32)이 회전 구동, 즉 시동된다.
그리고, 엔진(32)이 시동되면, 엔진(32)의 회전력이 벨트 및 풀리(7)를 통하여 차량용 시동발전 전기기계(1)에 전달된다. 이로써, 회전자(8)가 회전 구동되고, 전기자 코일(14)에 3상 교류 전압이 유기(誘起)된다. 그러면, 제어 장치(28)가, 각 스위칭 소자(26)을 OFF로 하고, 교류 발전 모드(alternator generating mode)에 의해 차량용 시동발전 전기기계(1)을 발전시킨다. 이 발전 상태에서, 인버터 모듈(24)은, 병렬 접속된 2개의 다이오드(27)의 조(組)가 병렬로 3조 접속된 3상 전파 정류 회로로 되고, 전기자 코일(14)에 유기된 3상 교류 전압이 인버터 유닛(23)에 의해 직류로 정류된다. 그리고, 인버터 유닛(23)에 의해 정류된 직류 전력에 의해, 제 1의 배터리(29)가 충전된다. 또한, 인버터 유닛(23)에 의해 정류된 직류 전력이, DC/DC 컨버터(31)에 의해 12V로 변환되어 제 2의 배터리(30)에 공급된다.
다음에, 전기자 코일의 감는 수를 바꿈에 의한 차량용 시동발전 전기기계의 특성 변화에 관해 도 4 및 도 5를 참조하면서 설명한다. 도 4는 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계에서의 시동 운전시의 구동 특성을 도시한 도면이고, 도면중, 곡선(A1)은 전기자 코일의 감는 수를 4턴으로 한 경우의 구동 특성, 곡선(A2)은 전기자 코일의 감는 수를 5턴으로 한 경우의 구동 특성이다. 도 5는 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계에서의 발전 운전시의 발전 특성을 도시한 도면이고, 도면중, 곡선(B1)은 전기자 코일의 감는 수를 4턴으로 한 경우의 교류 발전 모드에서의 발전 특성, 곡선(B2)은 전기자 코일의 감는 수를 5턴으로 한 경우의 교류 발전 모드에서의 발전 특성이다. 여기서, 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계는, 영구자석(20)이 배설되어지 않은 점을 제외하고, 상술한 차량용 시동발전 전기기계(1)과 마찬가지로 구성되어 있다. 그리고, 각 도면의 횡축은, 차량용 시동발전 전기기계(샤프트(6))의 회전 속도를 나타내고 있다.
도 4에서, 곡선(A1, A2)으로 도시된 바와 같이, 회전 속도 0r/min으로부터 늘어나는 수평역은, 제어되는 인버터의 전류 용량으로 정해지는 일정 토오크 영역이고, 인버터 최대 전류 용량을 동일하다고 하면, 전기자 코일의 감는 수에 비례하는 토오크가 발생된다. 그리고, 회전 속도가 증가하면, 차량용 시동발전 전기기계의 단자 전압은 입력되는 전압을 초과할 수가 없어서, 회전 속도의 증가와 함께 토 오크가 저하된다(일정 출력 영역).
도 4로부터, 전기자 코일의 감는 수를 증가시키면, 최대 토오크가 증가하지만, 일정 출력 영역이 저하되어 버리는 것을 알 수 있다. 즉, 동일 회전 속도에 있어서의 구동 토오크는, 일정 토오크 영역에서는, 곡선(A1)<곡선(A2)으로 되고, 일정 출력 영역에서는, 곡선(A1)>곡선(A2)으로 된다. 게다가, 전기자 코일의 감는 수를 늘림으로써, 일정 토오크 영역이 좁아저 버린다. 이와 같이, 시동 전동기로서는, 도달 시동 회전 속도가 높은 쪽이 바람직하지만, 단지 전기자 코일의 감는 수를 증가시키는 것만으로는, 충분한 기능을 얻을 수 없음을 알 수 있다.
도 5에서, 곡선(B1, B2)으로 도시된 바와 같이, 전기자 코일의 감는 수를 늘림에 의해, 충전 시작 회전 속도가 저회전 속도측으로 시프트하고, 저회전 속도역에서의 발전량이 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나, 전기자 코일의 감는 수를 늘림에 의해, 동일 회전 속도에 대한 역기전력도 증대해, 또한 전기자 코일 저항이 증대하기 때문에, 고회전 속도역에서의 발전량이 저하되어 버린다.
이와 같이, 발전기로서는, 단지 전기자 코일의 감는 수를 증가시키는 것만으로는, 충분한 기능을 얻을 수가 없다.
즉, 영구자석이 배설되어 있지 않은 비교예로서의 계자 코일식 시동 전동 발전기에서는, 구동 특성의 향상과 발전 특성의 향상은, 상반되는 것으로 되어, 이 해결책이 과제로 되어 있다.
다음에, 영구자석(20)을 배치함에 의한 차량용 시동발전 전기기계의 특성 변화에 관해 도 6 및 도 7을 참조하면서 설명한다. 도 6은 본 발명의 실시의 형태 1 에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서의 시동 운전시의 구동 특성을 도시한 도면이고, 도면중, 곡선(A1)은 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계의 구동 특성, 곡선(A3)은 차량용 시동발전 전기기계(1)의 구동 특성이다. 도 7은 본 발명의 실시의 형태 1에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서의 발전 운전시의 발전 특성을 도시한 도면이고, 도면중, 곡선(B1)은 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계의 발전 특성, 곡선(B3)은 차량용 시동발전 전기기계(1)의 발전 특성이다. 또한, 차량용 시동발전 전기기계(1)에 있어서의 전기자 코일의 감는 수는, 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계에서의 전기자 코일의 감는 수(4턴)와 같다.
도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 영구자석(20)이 폴형상 자극(17a, 17b) 사이에 배설된 차량용 시동발전 전기기계(1)에서는, 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계에 비하여, 일정 토오크 영역에서의 최대 토오크가 크게 되어, 일정 출력 영역에서의 특성의 저하가 억제되어 있다(곡선(A1, A3) 참조). 이 최대 토오크의 향상은, 영구자석(20)의 자속이 회전자(8)에 부가됨에 의한 것이라고 생각된다. 또한, 전기자 코일(14)의 감는 수가 같기 때문에, 전기자 코일(14)의 감는 수를 늘림에 기인하는 일정 출력 영역에서의 특성의 저하가 억제되어 있다.
도 7로 부터 알 수 있는 바와 같이, 차량용 시동발전 전기기계(1)에서는, 충전 시작 회전 속도가 저회전 속도측으로 시프트하고, 저회전 속도역에서의 발전량이 증가하고 있다. 또한, 고회전 속도역에서의 발전 특성의 저하가 억제되어 있다(곡선(B1, B3) 참조). 이 충전 시작 회전 속도의 저회전 속도측으로의 시프트는, 영구자석(20)의 자속의 부가에 의해 총자속의 증가에 의한 것이라고 생각된다. 또한, 전기자 코일(14)의 감는 수가 같기 때문에, 전기자 코일(14)의 감는 수를 늘림에 기인하는 동일 회전 속도에 대한 역기전력의 증대나 전기자 코일(14)의 저항의 증대가 없고, 고회전 속도역에서의 특성의 저하가 억제되어 있다. 또한, 영구자석(20)에 의한 기자력이 계자 코일(15)에 의해 발생되는 기자력에 부가되기 때문에, 계자 기자력이 증대되어, 운전 회전 속도 전역(全域)에서, 출력의 증가를 얻을 수 있다.
이와 같이, 이 실시의 형태 1에 의하면, 영구자석(20)을 이웃하는 폴형상 자극(17a, 18a) 사이에 배설하고 있기 때문에, 시동 발전 장치에서 요구되는 시동 특성의 향상과 발전 특성의 향상을 양립할 수 있는 차량용 시동발전 장치를 실현할 수 있다.
그리고, 영구자석(20)의 자속이 회전자(8)에 부가되기 때문에, 회전자(8)의 체격을 크게 하는 일 없이 최대 토오크를 향상할 수 있어서, 비용 상승 및 탑재성의 악화를 억제할 수 있다.
또한, 상기 실시의 형태 1에서는, 영구자석(20)으로서 페라이트 자석을 이용하는 것으로 하고 있지만, 영구자석에 고잔류자속 타입의 자석, 예를 들면 네오지-철 자석을 이용하여도 좋다. 이 경우, 전기자 코일(14)의 선전류를 저감할 수 있어서, 인버터의 소형화가 가능해지고, 비용 상승을 최소한으로 억제할 수 있다.
실시의 형태 2
도 8은 본 발명의 실시의 형태 2에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서의 발전 운전시의 발전 특성을 도시한 도면이고, 도면중, 곡선(B1)은 전기자 코일의 감 는 수가 4턴이며 또한 영구자석이 배설되어 있지 않은 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계의 교류 발전 모드에서의 발전 특성, 곡선(B3)은 전기자 코일의 감는 수가 4턴이며 또한 영구자석이 배설되어 있는 차량용 시동발전 전기기계의 교류 발전 모드에서의 발전 특성, 곡선(B4)은 전기자 코일의 감는 수가 6턴이며 또한 영구자석이 배설되어 있지 않은 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계의 교류 발전 모드에서의 발전 특성, 곡선(B5)은 전기자 코일의 감는 수가 4턴이며 또한 영구자석이 배설되어 있지 않은 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계의 인버터 발전 모드에서의 발전 특성을 나타내고 있다.
또한, 인버터 발전 모드의 경우에는, 제어 장치(28)가, 각 스위칭 소자(26)를 ON/OFF 제어하고, 전기자 코일(14)에 유기된 3상 교류 전압을 직류로 정류한다.
일반적인 차량용 교류 발전기는, 발전시의 저속역 발전량을 중시(重視)하기 때문에, 전기자 코일(14)의 감는 수를 6턴 정도로 설정하고 있다. 즉, 일반적인 차량용 교류 발전기의 발전 특성은, 곡선(B4)으로 도시된 차량용 시동발전 전기기계와 동등한 발전 특성을 나타낸다.
그리고, 전기자 코일(14)의 감는 수를 6턴으로부터 4턴으로 하면, 곡선(B1)으로 도시된 바와 같이, 충전 시작 회전 속도가 고회전 속도측으로 시프트하는데, 고회전 속도역에서의 발전량이 증가하는 것을 알 수 있다.
또한, 전기자 코일(14)의 감는 수를 4턴으로 한 차량용 시동발전 전기기계에 대해 영구자석(20)을 배설하면, 곡선(B3)으로 도시된 바와 같이, 충전 시작 회전 속도가 저회전 속도측으로 시프트함과 함께, 저회전 속도역에서의 발전량이 증가하 는 것을 알 수 있다.
또한, 전기자 코일(14)의 감는 수를 4턴으로 한 차량용 시동발전 전기기계를 인버터 발전 모드로 발전시키면, 곡선(B5)으로 도시된 바와 같이, 전기자 코일(14)의 감는 수가 6턴의 차량용 시동발전 전기기계에 비하여, 충전 시작 회전 속도가 낮아지고, 또한, 저회전 속도역에서의 발전량이 증가하는 것을 알 수 있다.
따라서 전기자 코일(14)의 감는 수를 4턴으로 한 차량용 시동발전 전기기계를 저회전 속도역에서는 인버터 발전 모드로 발전시키고, 고회전 속도역에서는 교류 발전 모드로 발전시킴에 의해, 전기자 코일(14)의 감는 수가 6턴의 차량용 시동발전 전기기계, 즉 일반적인 차량용 교류 발전기보다 양호한 발전 특성을 얻을 수 있다.
또한, 영구자석(20)을 배설하고, 또한, 전기자 코일(14)의 감는 수를 4턴으로 한 차량용 시동발전 전기기계를 저회전 속도역에서는 인버터 발전 모드로 발전시키고, 고회전 속도역에서는 교류 발전 모드로 발전시킴에 의해, 더욱 양호한 발전 특성을 얻을 수 있다. 이 때, 계자 자속이 영구자석(20)을 배설함에 의해 향상되기 대문에, 인버터 발전 모드에서의 발전량은, 곡선(B5)보다 커진다. 그러나, 인버터 발전 모드에서의 발전량은, 곡선(B5)과 동등한 발전량을 얻을 수 있으면 좋기 때문에, 전기자 코일(14)에 흘리는 선전류를 감소할 수 있어서, 인버터의 소형화 및 저비용화가 도모된다.
이와 같이, 영구자석(20)을 폴형상 자극(17a, 18a) 사이에 배설한 차량용 시동발전 전기기계에 있어서, 제어 장치(28)가, 리졸버(22)의 출력에 의거하여, 저회 전 속도역일 때에, 각 스위칭 소자(26)을 ON/OFF 제어하여 인버터 발전 모드로 발전시키고, 고회전 속도역일 때에, 각 스위칭 소자(16)를 OFF로 하여 교류 발전 모드로 발전시킴에 의해, 전 회전 속도역에 걸쳐서, 양호한 발전 특성을 얻을 수 있는 차량용 시동발전 장치를 실현할 수 있다. 또한, 영구자석(20)을 배설하고 있기 때문에, 전기자 코일(14)의 감는 수를 저감할 수 있어서, 소형화가 도모됨과 함께, 전기자 코일(14)에 흘리는 선전류를 감소할 수 있어서, 인버터의 소형화 및 저비용화가 도모된다.
또한, 일반적인 차량용 교류 발전기를 베이스로 차량용 시동발전 전기기계를 제작할 수 있기 때문에, 저비용으로 차량용 시동발전 전기기계를 제작할 수 있다.
0031]
또한, 도 8에서는, 곡선(B3)과 곡선(B5)과의 교점은 약 1750r/min으로 되어 있다. 그리고, 차량용 회전 전기기계에서의 토오크 전달 풀리 비(比)는 2.5 정도이기 때문에, 샤프트(6)의 회전 속도 1750r/min은, 엔진(32)의 회전 속도로 환산하면 700r/min에 상당한다. 또한, 엔진 기관 상용(常用) 회전 속도역은 700 내지 3000r/min이다. 그래서, 예를 들면, 제어 장치(28)가, 엔진(32)의 시동 후, 상용 회전수 역에 도달할 때까지(저회전 속도역)는 인버터 발전 모드로 발전시키고, 상용 회전수 역에 도달한 후(고회전 속도역) 교류 발전 모드로 발전시키도록 제어하면 좋다.
실시의 형태 3
도 9는 본 발명의 실시의 형태 3에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서의 계 자 전류와 구동 특성과의 관계를 도시한 도면이다. 또한, 도면중, 계자 코일(15)에 통전되는 계자 전류는 곡선(C1)<곡선(C2)<곡선(C3)으로 되어 있다.
도 9로부터, 출력 토오크는, 회전 속도가 300rpm 미만에서는, 곡선(C1)<곡선(C2)<곡선(C3)으로 되고, 회전 속도가 300rpm 이상 600rpm 미만에서는, 곡선(C3)<곡선(C1)<곡선(C2)으로 되고, 회전 속도가 600rpm 이상에서는, 곡선(C3)<곡선(C2)<곡선(C1)으로 되는 것을 알 수 있다.
따라서 제어 장치(28)가, 리졸버(22)의 출력에 의거하여, 차량용 시동발전 전기기계(1)의 회전 속도를 모니터하고, 회전 속도가 300rpm 미만에서는, 곡선(C3)으로 되는 계자 전류로 제어하고, 회전 속도가 300rpm 이상 600rpm 미만에서는, 곡선(C2)으로 되는 계자 전류로 제어하고, 회전 속도가 600rpm 이상에서는, 곡선(C1)으로 되는 계자 전류로 제어함에 의해, 출력 일정 영역의 출력을 향상시킬 수 있다.
영구자석(20)을 부가한 차량용 시동발전 전기기계에 있어서, 영구자석(20)을 구비하지 않은 차량용 시동발전 전기기계와 동등한 계자 전류를 계자 코일(15)에 통전하면, 영구자석(20)을 부가함에 수반하는 역기전력에 의해, 출력 일정 영역에서의 출력이 저하되어 버린다.
그러나, 이와 같이, 계자 코일(15)에 통전하는 계자 전류를 차량용 시동발전 전기기계(1)의 회전 속도에 응하여, 즉 회전 속도가 빨라질수록 저감하도록 제어함에 의해, 영구자석(20)을 부가함에 수반하는 역기전력에 기인하여 출력 일정 영역에서의 출력이 저하된다는 문제를 해결할 수 있다.
실시의 형태 4
도 10은 본 발명의 실시의 형태 4에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서의 시동 운전시의 구동 특성을 도시한 도면이고, 도면중, 곡선(A1)은 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계의 구동 특성, 곡선(A3)은 차량용 시동발전 전기기계(1)의 구동 특성, 곡선(A4)은 계자 코일(15)에 통전되는 계자 전류를 크게 한 경우의 차량용 시동발전 전기기계(1)의 구동 특성이다.
도 10으로부터, 영구자석(20)이 폴형상 자극(17a, 17b) 사이에 배설된 차량용 시동발전 전기기계(1)에서는, 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계에 비하여, 일정 토오크 영역에서의 최대 토오크가 크게 되어 있다(곡선(A1, A3) 참조). 또한, 계자 코일(15)에 통전되는 계자 전류를 늘림에 의해, 일정 토오크 영역에서의 최대 토오크를 더욱 크게할 수 있다(곡선(A3, A4) 참조).
여기서, 계자 코일(15)의 열(熱) 설계는, 차량용 시동발전 전기기계(1)의 운전 상태를 고려하여 행하여진다. 그리고, 시동 운전의 운전 시간은, 연속 운전되는 발전 운전시에 비하여, 현저하게 단시간으로 되기 때문에, 시동 운전시에 계자 코일(15)에 통전된 최대 계자 전류는, 발전 운전시에 계자 코일(15)에 통전되는 최대 계자 전류에 대해 크게 설정할 수 있다.
이 실시의 형태 4에서는, 상술한 시동 운전시와 발전 운전시의 계자 전류의 정격의 차이에 착안하여, 제어 장치(28)가, 시동 운전시에, 발전 운전시에 계자 코일(15)에 통전되는 계자 전류보다 큰 계자 전류를 계자 코일(15)에 통전하도록 제어하고 있다. 이로써, 시동 운전시에 있어서의 계자 기자력을 크게 할 수 있어서, 큰 최대 토오크를 얻을 수 있다. 또한, 발전 운전시에 있어서의 계자 코일(15)에 통전되는 계자 전류가 계자 코일(15)의 열 설계를 고려하여 설정되기 때문에, 계자 코일(15)의 과도한 온도 상승이 억제된다.
이와 같이, 이 실시의 형태 4에 의하면, 시동 운전시의 계자 전류를 발전 운전시의 계자 전류보다 크게 하고 있기 때문에, 계자 코일(15)의 과도한 온도 상승을 억제하여, 구동 특성이 향상된 차량 시동 발전 장치를 실현할 수 있다.
실시의 형태 5
도 11은 본 발명의 실시의 형태 5에 관한 차량용 시동발전 전기기계에서의 계자 기자력과 유효 자속과의 관계를 설명하는 도면이고, 도면중, 곡선(D1)은 비교예로서의 차량용 시동발전 전기기계의 특성, 곡선(D2)은 차량용 시동발전 전기기계(1)의 특성이다. 즉, 곡선(D1)은 영구자석이 생략된 차량용 시동발전 전기기계에서의 계자 기자력과 유효 자속과의 관계를 도시한 것이고, 곡선(D2)은 영구자석이 배설된 차량용 시동발전 전기기계에서의 계자 기자력과 유효 자속과의 관계를 도시한 것이다. 또한, 도면중, 횡축은 계자 기자력이고, 1400AT(암페어·턴)가 계자 전류 제어 듀티(DUTY) 80%로 계자 전류를 계자 코일(15)에 통전한 때에 얻어지는 계자 기자력에 상당하고, 1800AT가 계자 전류 제어 듀티 100%로 계자 전류를 계자 코일(15)에 통전한 때에 얻어지는 계자 기자력에 상당하고 있다. 또한, 종축은 전기자(9)의 1극 1턴당의 유효 자속이다.
일반적으로, 차량용 회전 전기기계에서는, 계자 기자력은, 자기 회로가 포화되는 레벨에서 운전된다. 자기 회로가 포화 상태로 되면, 계자 전류에 의한 계자 기자력을 올려도, 그 이상 유효 자속은 증가하지 않는 경우가 있다. 특히, 계자 코일식의 차량용 회전 전기기계에서는, 자기 포화가 회전자 철심(16)의 부분에서 자기 포화한 상태에서는, 계자 전류에 의한 손실이 증가하데 비하여 유효 자속이 변화하지 않기 때문에, 효율이 나쁜 운전 상태에 있다고 말할 수 있다. 즉, 도 11의 곡선(D1)으로 도시된 바와 같이, 계자 전류를 제어 100% 듀티로 투입한 경우, 100% 부근의 예를 들면 듀티 80%로 제어한 경우에 비하여, 특성의 향상, 즉 유효 자속의 증가(△Φ1)가 적다. 그래서, 종래, 손실을 가능한 한 억제하기 위해, 시동 운전시의 최대 계자 기자력은, 계자 전류 제어 듀티 80% 부근에서 제어되어 있다.
한편, 영구자석(20)이 폴형상 자극(17a, 17b) 사이에 배설되어 있는 차량용 시동발전 전기기계에서는, 도 11중 곡선(D2)으로 도시된 바와 같이, 계자 전류를 제어 100% 듀티로 투입한 경우, 계자 전류를 예를 들면 듀티 80%로 제어한 경우에 비하여, 유효 자속의 증가(△Φ2)가 크고, 특성의 변화가 큰 것을 알 수 있다. 이것은, 영구자석(20)을 폴형상 자극(17a, 17b) 사이에 배설함에 의해, 회전자 철심(16)의 부분에서의 자기 포화가 완화됨에 기인하는 것이라고 생각된다.
이 실시의 형태 5에서는, 상기 실시의 형태 4와 마찬가지로, 계자 전류의 정격의 차이에 착안하여, 단시간 정격인 시동 운전시의 계자 기자력을, 연속 정격인 발전 운전시의 계자 기자력보다 크게 설정하고, 또한, 영구자석(20)의 배설에 의해, 시동 운전시의 계자 기자력은, 그 계자 전류 제어 듀티 100%로 운전하는 것이다. 이로써, 시동 운전시의 최대 구동 토오크가 향상된다.
또한, 상기 각 실시의 형태에서는, 이웃하는 폴형상 자극(17a, 17b)가 둘레 방향으로 완전하게 분리하고 있는 클로우폴형 회전자 철심(16)을 이용한 것으로 하여 설명하고 있지만, 본원은, 이웃하는 폴형상 자극이 외주부에서 얇은 자성체로 이루어지는 연결 구조체에 의해 연결된 회전자 철심에 적용하여도, 같은 효과가 있다. 즉, 이웃하는 폴형상 자극이 외주부에서 얇은 연결 구조체에 의해 연결된 회전자 철심은, 얇은 연결 구조체가 자기 포화하여, 이웃하는 폴형상 자극 사이가 자기적으로 분리되기 때문에, 본원에 있어서의 클로우폴형 회전자 철심으로서 기능한다. 또한, 이웃하는 폴형상 자극이 외주부에서 얇은 연결 구조체에 의해 연결된 회전자 철심은, 폴형상 자극의 외주부가 연결 구조체에 의해 연결되어 있기 때문에, 회전자 철심의 외주면이 매끈한 원통면을 구성하고, 회전자 철심의 외주면의 요철에 기인하는 바람(風) 소음이 저감된다.

Claims (5)

  1. 배터리와,
    엔진에 연결되고, 해당 엔진의 시동시에, 상기 배터리의 전력에 의해 구동되어 해당 엔진을 시동하고, 또한, 해당 엔진의 시동 후, 해당 엔진에 구동되어 교류 전력을 발생하는 차량용 회전 전기기계와,
    상기 배터리의 정부 단자 사이에 직렬 접속된 한 쌍의 스위칭 소자 및 해당 스위칭 소자에 병렬 접속된 다이오드를 복수조 가지며, 직렬 접속된 스위칭 소자의 접속점이 상기 차량용 회전 전기기계에 접속된 인버터와,
    상기 엔진의 시동시에, 상기 스위칭 소자를 ON/OFF시켜서 상기 배터리의 전력을 상기 차량용 회전 전기기계에 공급하여 해당 차량용 회전 전기기계를 구동시키고, 상기 엔진의 시동 후, 상기 스위칭 소자를 제어하여 상기 다이오드군에 의해 상기 차량용 회전 전기기계에서 발생하는 교류 전력을 정류시켜서 상기 배터리를 충전하도록 상기 인버터를 제어하는 제어 장치를 구비한 차량용 시동발전 장치에 있어서,
    상기 차량용 회전 전기기계는, 전기자 코일이 권회된 전기자 철심과, 상기 전기자 철심의 내주측에 배치된 클로우폴형 회전자 철심 및 해당 클로우폴형 회전자 철심의 폴형상 자극 내주측에 권장된 계자 코일을 갖는 회전자를 구비하고,
    또한, 영구자석이 이웃하는 상기 폴형상 자극 사이에 배설되어 있는 것을 특징으로 하는 차량용 시동발전 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 상기 엔진의 시동 후, 상용 회전 속도역에 도달할 때까지는 상기 스위칭 소자를 ON/OFF시켜서 인버터 발전 모드로 발전시키고, 상용 회전 속도역에 도달 후, 상기 스위칭 소자를 OFF로 하여 교류 발전 모드를 발전시키도록 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 시동발전 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 시동 운전시에, 회전 속도가 커짐에 따라, 상기 계자 코일에 통전되는 계자 전류를 저감하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 시동발전 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 시동 운전시의 계자 기자력이, 발전 운전시의 최대 계자 기자력보다 커지도록 상기 계자 코일에 통전되는 계자 전류를 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 시동발전 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제어 장치는, 시동 운전시, 계자 전류 제어 듀티 100%로 상기 계자 전류를 상기 계자 코일에 통전하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 차량용 시동발전 장치.
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