KR20090119674A

KR20090119674A - 영구 자석식 발전기의 제어 장치

Info

Publication number: KR20090119674A
Application number: KR1020080137039A
Authority: KR
Inventors: 히데오 가와무라; 메구미 가와무라
Original assignee: 히데오 가와무라; 메구미 가와무라
Priority date: 2008-05-15
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2009-11-19
Also published as: CN101582672B; JP4227189B1; CN101582674A; EP2120325A2; CN101582672A; US7554303B1; JP2009303471A

Abstract

본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치는, 복수개의 코일을 직렬로 감아올린 고정자와 영구 자석을 유지한 로터를 설치하고, 각 코일에 출력 단자를 내고, 코일의 수하(垂下) 특성을 이용하여 코일 출력을 소정값의 전압으로 제어한다. 본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치는, 고정자(2)의 출력 코일(10)과 제어 코일(11) 사이에 제어 스위치(12)와 출력 스위치(13)를 설치하고, 제어 코일(11)의 선단에 솔레노이드 코일(14)을 접속한다. 컨트롤러(18)는, 출력 코일(10)의 발전 전압을 검출하는 센서(28)의 검출 신호에 응답하여 제어 스위치(12)와 출력 스위치(13)를 ON-OFF 제어하여 발전 전압을 소정의 전압으로 제어한다.

영구 자석식 발전기, 출력 코일, 제어 코일, 출력 스위치, 솔레노이드 코일

Description

영구 자석식 발전기의 제어 장치{CONTROLLER OF PERMANENT MAGNET GENERATOR}

본 발명은, 하우징에 장착된 고정자와, 고정자에 대하여 회전하는 영구 자석 부재를 가지는 로터를 구비한 영구 자석식 발전기의 제어 장치에 관한 것이다.

종래, 발전기에 대하여, 에너지 절약화가 요구되고 있는바 발전기의 효율 향상은 큰 과제이다. 발전기의 구조는, 종래, 회전자를 전자석으로 하고, 전류를 사용하여 발전시키는 방식이 주류였다. 그러나, 발전기에 있어서, 영구 자석을 사용하면, 전자석에 흐르게 하는 전류가 불필요하므로 효율이 향상되는 것을 알고 있었다. 그런데, 영구 자석을 사용한 발전기에서는, 영구 자석의 자력이 변화되지 않고, 발전기의 회전이 변화되면 전압이 대폭 변화되므로, 이와 같은 발전 전력을 사용하여 각종 전기 장치를 구동하는 자동차 등의 발전기에는 사용할 수 없었다. 영구 자석식 발전기는, 로터에 영구 자석을 사용하므로, 구조가 간단하며 큰 발전 전력을 얻을 수 있고, 최근, 이것을 내장한 시스템이 자동차용 발전기, 풍력 발전기 등으로서 이용되는 것이 많아지게 되었다. 영구 자석식 발전기는, 예를 들면, 발전한 전력을 전동기에 보내는 경우에, 전압이 변동되어도 그 기능을 충분히 발휘할 수 있지만, 이 전력을 각종의 전기 기기를 구동하고 있는 배터리의 전압에 맞추는 경우에, 전압 변동을 일정한 전압으로 정렬하는 조작을 하지 않으면 안된다. 영구 자석을 사용한 발전기의 연구에 대하여 많은 연구자들이 연구를 행하고, 영구 자석 발전기의 발전 전력을 일단 스위칭 레귤레이터를 사용하여 일정 전압으로 하는 방식이 개발되었지만 제어 장치의 거대함, 고가격, 양호하지 않은 효율 등의 문제가 있었다. 즉, 영구 자석식 발전기는, 풍력 등으로 발전한 전압을 일정하게 하기 위해서는, 스위칭 레귤레이터 등을 사용하여 전력을 잘게 나누는 조작을 행하지 않으면 안되지만, 대전류를 온 및 오프하기 위해서는 대형의 파워트랜지스터를 필요로 하여, 장치가 대형이 되므로, 냉각 로스가 커지고, 고가로 되거나, 또는 발전 전압을 일정하게 하기 위하여, 전류를 잘게 나눌 때 발생하는 리플은 전파 장해의 계기가 되어, 그 노이즈 대책이 극히 어려운 문제이다.

또한, 그 후, 영구 자석의 자력을 회전수가 올라왔을 때 약하게 하는 방식이 활발히 연구되어 여러 가지 발표되었다. 예를 들면, 영구 자석 회전 전기로서, 큰 변환기나 반응 장치가 필요한 무효 전류 조정기나 기계적 변위 기구 등을 필요로 하지 않고, 간소하며 부품수가 적고 소형이며, 신뢰성이 우수한 전기자 코일 전압이 조정 가능한 것이 알려져 있다. 상기 영구 자석 회전 전기는, 전기자 코일군을 가지는 고정자와, 영구 자석에 의한 계자극(界磁極)을 가지는 회전자와, 제어 전류가 공급되고, 영구 자석으로부터의 자속(磁束)의 자로(磁路) 형성부의 자기 저항을 변화시키는 제어 코일군과, 제어 코일군에 흐르는 제어 전류를 제어함으로써, 전기자 코일군에 유기(誘起)되는 전압을 제어하는 제어 회로를 구비하고 있다(예를 들 면, 특허 문헌 1 참조).

또한, 고효율의 발전기를 실현하는 것이 제안되어 있다. 상기 발전기는, 코일을 가지는 제1 물체와, 철심과 영구 자석을 가지는 제2 물체를 설치하고, 인덕턴스는 직축(直軸)에 대하여 비대칭으로 함으로써 리액턴스력을 유효하게 이용하여, 고효율을 실현한 것이다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조).

또한, 종래 알려져 있는 교류 발전기로서 작동 가능한 전기 기계로서, 회전자와 고정자와, 이 고정자 내에 도전하도록 설치한 적어도 1개의 코일과, 이 제1 코일과는 전기적으로 절연되어 제1 코일에 유도 결합한 2차 코일을 가지고, 2차 코일을 제1 코일의 출력 전압과 전류 중 적어도 한쪽의 제어에 사용할 수 있다(예를 들면, 특허 문헌 3 참조).

[특허 문헌 1] 일본 특허출원 공개번호 2004-320972호 공보

[특허 문헌 2] 일본 특허출원 공개번호 2003-245000호 공보

[특허 문헌 3] 일본국 특표 2006-529076호 공보

그러나, 상기와 같은 각종의 방법에서는 발전기에 사용된 영구 자석의 자력을 회전수의 상승에 따라 약하게 하는 것은 극히 어려운 것이며 좀처럼 실용화되지 않고 있다. 한편, 하이브리드 차량에서는 DC-DC 컨버터가 사용되고, 발전에 의해 정류된 전력을 필요에 따라 그 전력을 잘게 나누어, 승압, 강압에 의해 일정 전압을 가지는 직류로 변환하여, 필요에 따라 AC로 변환하는 시스템이 실용화되었지만 그 장치의 크기가 하이브리드 차의 보급을 방해하고 있다. 한편, 에너지 문제가 더욱 더 심각해지고, 현재 사용되고 있는 런델식(Lundell type) 발전기의 효율 50%는 허용할 수 없는 사태로 되었다. 자동차용 발전기의 이와 같은 상황 하에서 구조가 간소하며 확실한 제어성을 가지는 발전 기구의 출현이 요구되고 있다.

일반적으로 자속 제어를 전기적으로 행하기 위해서는 발전기의 코일에 종류가 상이한 코일을 감아넣고, 영구 자석의 자력 방향에 대항하는 전자력을 부여하는 것이 제안되어 많은 기술자가 연구를 시도했다. 그러나, 이 방법이라면 영구 자석의 자력에 대하여, 역방향의 자력을 가하므로 영구 자석이 발생하는 발생 전압과 유사한 전류 전압을 만들지 않으면 완성되지 않지만, 그 방식은 제어계의 곤란함이 더욱 더 커지게 된다. 또한, 이 방법이라면 다른 회로에서 작성한 전자석에 의한 자력이 영구 자석의 자력을 감자(減磁)시켜, 마침내 소멸시키게 되어, 성공할 수 없다. 또한, 영구 자석식 발전기에 있어서, 상기 상태가 발생하는 것을 방지하여 코일을 전환할 때도 원하는 일정 전압으로 유지할 필요가 있다. 또한, 일반적으 로, 발전기에 있어서, 자속 제어를 전기적으로 행하기 위해서는, 발전기의 코일에 종류가 상이한 코일을 감아넣어, 자력의 방향에 대항하는 전자력을 부여하는 것이 제안되어 많은 기술자가 연구를 시도했다. 그러나, 이 방법이라도, 영구 자석에 역방향의 자력을 가하므로 영구 자석의 자력을 소멸시키게 되어, 발전기 그 자체를 손상시켜 성공할 수 없다.

본 발명의 목적은, 상기한 문제점을 해결하기 위한 것이며, 자속 제어 장치를 사용하지 않고 또한 적은 전류로 출력 전압을 일정한 범위로 유지하여 항상 원하는 전압으로 제어하는 동시에 영구 자석의 자력의 감자가 생기지 않게 하는 것을 특징으로 하는 영구 자석식 발전기의 제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명은, 하우징에 회전 가능하게 지지된 로터 샤프트, 로터 샤프트에 고정되고 또한 외주측에 복수개의 영구 자석 부재를 장착한 로터, 및 로터의 외측에 배치되고 코일이 감겨진 고정자로 이루어지는 영구 자석식 발전기의 제어 장치에 있어서, 고정자의 코일은, 출력 코일과 상기 출력 코일과 직렬로 접속되고 출력 코일보다 권취수가 큰 제어 코일로 구성되어 있고, 적어도 출력 코일과 제어 코일 사이에 출력 단자가 설치되고, 출력 코일에 발생한 전류의 일부를 제어 코일에 흐르게 하기 위한 스위치 및 출력 코일에 의한 발전 전압을 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 발전 전압을 미리 설정된 전압으로 제어하도록 스위치의 ON/OFF를 제어하여 제어 코일에 흐르는 전류량을 제어하는 컨트롤러를 구비하는 것을 특징으로 하는 것이다.

그리고, 출력 코일은, 복수개의 코일이 직렬로 접속되는 동시에 복수개의 출력 단자가 설치된 것이 바람직하다.

또한, 출력 코일은, 서로 권취수가 상이한 복수개의 코일이며, 복수개의 출력 단자가 서로 상이한 전압을 출력하는 것이 바람직하다.

또한, 제어 코일은 로터의 자속(磁束)과 쇄교(鎖交)하지 않는 위치에 배치된 솔레노이드 코일을 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 스위치는 출력 코일과 제어 코일 사이에 설치되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 출력 코일과 제어 코일은, 삼상 교류 발전기로서 스타(star) 결선 또는 델타(delta) 결선되고, 솔레노이드 코일의 단부는 스타형으로 결선되고, 삼상 교류의 U, V, W 상의 출력 단자가 정류기에 각각 접속되고, 부하에 전력이 보내지는 동시에, 출력 코일은 단일의 전압 또는 복수개의 상이한 전압의 출력 단자가 설치되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 출력 코일의 복수개의 출력 단자에 출력 전환을 행하는 출력 전환 스위치가 각각 설치되고, 컨트롤러는, 로터의 회전 속도가 작은 경우에는 출력 코일의 큰 권취수 측의 출력 단자의 출력 전환 스위치를 ON시키고 또한 출력 코일의 적은 권취수 측의 출력 단자의 출력 전환 스위치를 OFF시키고, 로터의 회전 속도가 클 경우에는 출력 코일의 적은 권취수 측의 출력 단자의 출력 전환 스위치를 ON시키고 또한 출력 코일의 큰 권취수 측의 출력 단자의 출력 전환 스위치를 OFF시키는 제어를 행하는 것이 바람직하다.

또한, 출력 코일의 출력 단자의 전압과 제어 코일의 전압은, 출력 측 전압= 제어측 전압×(출력 측 권취수)/(제어측 권취수)의 관계를 가지고, 스위치에 의해 제어 코일에 흐르는 전류량을 증감시킬 수 있는 것이 바람직하다.

또한, 컨트롤러는, 스위치를 듀티 제어하여 제어 코일에 흐르는 전류량을 가감하여 발전 전압을 미리 설정된 전압으로 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 컨트롤러는, 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 스위치를 듀티 제어하고, 발전 전압이 높은 경우에는 제어 코일에 흐르는 전류량을 증가시키고, 발전 전압이 낮은 경우에는 제어 코일에 흐르는 전류량을 감소시켜 발전 전압을 미리 설정된 전압으로 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 출력 코일의 복수개의 출력 단자에 출력 전환을 행하는 출력 전환 스위치가 각각 설치되고, 컨트롤러는 주력 전원이 접속되어 있는 출력 단자의 출력 전압을 기준으로 제어 코일에 흐르는 전류량을 제어하고, 미리 설정된 전압을 얻는 것이 바람직하다.

또한, 주력 전원이 과대한 전력을 요구한 경우에, 주력 전원이 접속되어 있는 출력 단자에 설치된 출력 전환 스위치를 ON으로 하는 동시에 다른 출력 전환 스위치를 OFF로 하는 제어를 컨트롤러가 행하는 것이 바람직하다.

또한, 상이한 전압을 출력하는 복수개의 출력 단자에는 정류기 또는 축전지 중 어느 쪽이 각각 접속되고, 컨트롤러는, 주력 전원인 정류기 또는 축전지의 부하 전압의 변동에 응답하여 제어 코일에 흐르는 전류량을 제어하여 발전 전압을 미리 설정된 전압으로 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 출력 코일의 출력 단자에는, 발전기 측의 컨트롤러로부터의 지시로 출력 단자와 부하의 접속을 ON/OFF 제어하는 발전기 측 스위치와, 전동기용 컨트롤러로부터의 지시로 전동기 측 축전지와 출력 단자의 접속을 ON/OFF 제어하는 전동기 측 스위치가 설치되고, 발전기 측의 컨트롤러로부터의 지시로 스위치와 발전기 측 스위치가 OFF되는 동시에, 전동기용 컨트롤러로부터의 지시로 전동기 측 스위치를 ON하고, 로터의 위치를 검출하면서 출력 코일에 전동기 측 축전지로부터 전류를 공급함으로써 로터를 구동시키는 것이 바람직하다.

또한, 직렬로 접속된 전동기 측 스위치 및 축전지에 권취수가 상이한 복수개의 출력 코일에 설치된 출력 단자가 직렬로 접속되고, 회전 속도의 신호에 응답하여 선택되는 출력 코일에 전류가 흐르도록 전동기 측 스위치를 컨트롤러가 제어하는 것이 바람직하다.

또한, 컨트롤러는, 로터의 회전수가 큰 상태로 구동력을 증가시킬 때는 적은 권취수의 출력 코일에 접속된 전동기 측 스위치를 닫아 전류를 공급하는 동시에 큰 권취수의 출력 코일에 접속된 전동기 측 스위치를 열고, 로터의 회전수가 작은 상태로 구동력을 증가시킬 때는 큰 권취수의 출력 코일에 접속된 전동기 측 스위치를 닫아 전류를 공급하는 동시에 적은 권취수의 출력 코일에 접속된 전동기 측 스위치를 열도록 제어하는 것이 바람직하다.

본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치는, 상기한 바와 같이, 권취수가 큰 코일과 적은 코일을 직렬로 접속하고, 권취수가 큰 코일을 전압 제어 코일로 하 고, 출력을 발생하는 코일의 권취수를 적게 하고, 그 권취수가 큰 코일의 수하 특성을 이용하여 적은 전류로 출력 전압을 일정하게 제어하는 것이다.

본원 발명의 발전기는, 종래의 발전기와 대폭 상이하고, 적은 코일로 출력하고 있을 때, 수하 특성은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 전류가 크고, 전압이 작아지도록 변화되지만, 코일이 크면 전압은 커지지만 전류는 극히 작은 상태로 수하한다. 많은 코일과 적은 코일에서는, 무부하 전압 특성은 매우 큰 차이가 있으므로, 이 2개의 코일을 병렬로 두고 한쪽으로 전류를 흐르게 해도 출력 측 전압의 일정화는 행할 수 없다. 그런데, 2개의 코일을 직렬로 접속하여 이 중 큰 권취수를 가지고 역(逆) 기전력이 생기게 하는 전압 제어 코일을 더하고, 이 코일에 미소의 전류를 흐르게 하면, 이 수하 특성에 의해 전압이 저하되어, 출력 단자의 전압을 일정하게 할 수 있다.

즉, 직렬로 코일을 접속하였으므로, 각각의 코일에서의 전압은, 권취수에 비례하여 출력되므로 적은 권취수의 코일 N1과 전압 제어 코일 N2로 하면, 소정의 전압 V2를 얻기 위해서는, V2×N1= V1으로 되도록 전류를 제어하면 항상 일정 전압을 얻을 수 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 큰 권취수의 코일의 일정 전압 50V를 유지하면, 적은 권취수의 출력 코일에서는 12V로 일정하게 된다.

따라서, 소정 전압으로 되도록 전압 억제 코일의 전류를 증감시키면 전압은 일정하게 된다. 하기에 계산식을 나타낸다.

계산식 V-A 특성

(1) 기전력(起電力) Eo에 대하여

[식 1]

(2) 단자 전압 E에 대하여

[식 2]

(3) 제어 코일의 전류

[식 3]

Eo: 기전(起電) 전압, E1: 전류 1일 때의 전압, R₁: 작은 코일의 저항,

Φ: 자력의 강도, R: 코일의 저항값, Im: 출력 코일에 흐르는 전류,

f: 주파수, L: 코일의 인덕턴스, L₁: 출력 코일의 인덕턴스,

Ws: 권취수, I₁: 작은 코일의 전류, I₂: 큰 코일의 전류,

R₂: 큰 코일의 저항값, L₂: 큰 코일의 인덕턴스

또한, 상기 계산식에서 명백한 바와 같이 제어 코일의 전류는 권취수가 클 수록 작아지게 된다. 상기 식에 나타낸 바와 같이 출력 코일 측, 제어 코일 측의 단자 전압은, 기전 전압으로부터 각각의 코일에 흐른 전류와 인덕턴스의 곱을 뺀 전압으로 정해진다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 영구 자석식 발전기의 제어 장치에 대하여 설명한다.

본 발명에 의한 제어 장치가 내장된 발전기는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 프론트 하우징(3)과 리어 하우징(5)으로 이루어지는 하우징(34), 하우징(34)에 한쌍의 베어링(4)을 통해 회전 가능하게 각각 지지된 로터 샤프트(1), 로터 샤프트(1)에 고정된 영구 자석 부재(7)로 이루어지는 회전자인 로터(35), 및 로터(35)의 외주측에 배치되고 또한 하우징(34)에 고정된 스테이터인 고정자(2)로 구성되어 있다. 고정자(2)는, 고정자 코어(36)와 고정자 코어(36)에 감겨진 고정자 코일(8)로 구성되어 있다. 또한, 로터 샤프트(1)에는, 그 일단부에, 엔진, 풍차 등의 구동원으로부터의 구동력이 입력되는 입력 프리 등의 입력 수단(도시하지 않음)이 설치되어 있다. 이 발전기는, 로터(35)를 구성하는 로터 샤프트(1)의 양단이 베어링(4)과 하우징(34)에 회전 가능하게 지지되어 있다. 로터(35)는, 로터 샤프트(1)의 외주에 설치된 투자성(透磁性) 부재(37), 투자성 부재(37)의 외주면에 배치된 복수개의 영구 자석편으로 이루어지는 영구 자석 부재(7), 및 영구 자석 부재(7)의 외주면에 고정된 원통형 슬리브(40)를 구비하고 있다. 로터(35)를 구성하는 영구 자석 부재(7)와 투자성 부재(37)의 양 단면에는, 단판(端板)(38)이 각각 배치되고, 너트, 플랜지 등의 고착 수단에 의해 로터 샤프트(1)에 일체로 고정되어 있다. 또한, 리어 하우징(5)에는, 정류기(15, 21)를 덮은 커버(6)가 장착되고, 커버(6)에는 출력 단자(9)가 설치되고, 또한 프론트 하우징(3)의 외측에는 솔레노이드 코일(14)이 설치되어 있다. 또한, 고정자 코일(8)은, 고정자 코어(36)의 빗살 부분에 형성된 슬롯부에 위치하여 감아올려지고, 고정자 코일(8)을 고정자 코어(36)에 성형 고정하기 위한 슬롯부 내에 비자성재가 충전되어 있다.

본 발명에 의한 영구 자석식 발전기의 제어 장치의 일실시예에 대하여, 도 3의 회로도를 참조하여 설명한다. 고정자 코일(8)은, 예를 들면, 고정자(2)의 고정자 코어(36)의 빗살부에 감아올려져 있고, 삼상 교류의 중성점(39)을 시점으로 하여 출력 코일(10), 및 출력 코일(10)에 직렬로 각각 결선된 제어 코일(11)로 구성되어 있다. 본 실시예의 경우, 출력 코일(10)과 제어 코일(11) 사이에는, 제어 스위치(12)가 개재되고, 출력 코일(10)의 단자에는 출력 측 스위치(13)를 통하여 출력 라인(41)이 접속되고, 출력 라인(41)은 정류기(15)를 통하여 부하(17)에 접속되어 있다. 부하(17)에 대하여, 전압 검출 비교기(16)가 설치되어 있다. 또한, 출력 코일(10)에는, 회전수와 극 위치를 검출하는 센서(28)가 설치되어 있다. 전압 검출 비교기(16) 및 센서(28)로부터의 검출 신호는, 컨트롤러(18)에 입력된다. 컨트롤러(18)는, 이들 검출 신호에 응답하여, 제어 스위치(12) 및 출력 측 스위치(13)의 ON/OFF를 제어하도록 구성되어 있다. 그리고, 제어 스위치(12)는 출력 코일(10)과 제어 코일(11) 사이에 개재되는 것이 내전압성의 점에 있어서 바람직하지만, 경우에 따라서는 제어 코일(11)과 솔레노이드 코일(14) 사이에 개재시키도록 해도 된다.

본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치에서는, 복수개의 코일을 가지는 발전기의 출력의 이용 영역을 회전수와 부하에 의해 규정하고, 발전기의 제어를 한정함으로써, 제어 장치를 간소화할 수 있다. 로터(35)의 회전과 부하(17)의 변동에 대하여, 영역을 지정함으로써, 신속히 적응된다. 그런데, 코일의 경로에 설치한 스위치에 의해 권취수가 큰 전압 제어 코일, 즉 제어 코일(11)에 흐르게 되는 전류를 제어하는 경우에, 스위치(12)가 ON-OFF 되었을 때, 전압이 크게 진동하면 제어 기구가 복잡하게 된다. 그래서, 제어 코일(11)의 단자에 스타 결선된 솔레노이드 코일(14)을 배치하고, 그 큰 무효 저항을 사용함으로써 흐르는 전류를 제어하는 동시에 전압 강하가 적게 되도록 하고 있다. 그러므로, 솔레노이드 코일(14)을 설치하는 것은 중요한 기술적 특징으로 된다. 여기서, 솔레노이드 코일(14)은, 로터의 자속과 쇄교하지 않는 위치에 배치되는 것이 필요하다. 그래서, 예를 들면, 도 1에 나타낸 바와 같이, 솔레노이드 코일(14)은, 하우징(34)의 밖에 배치되어 있다. 전압의 안정을 위해 출력단에 컨덴서(도시하지 않음)를 병렬로 협지하는 것이 유효하다. 한편, 삼상 발전기의 출력선 사이에 컨덴서(도시하지 않음)를 협지함으로써, 전압이 상승하고, 결과적으로 출력이 증가한다. 그리고, 제어 코일의 선단은 솔레노이드에 접속시키는 동시에, 제어 코일과 반대측의 선단을 접속하여 솔레노이드끼리를 접속시켜 중성점으로 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치는, 출력 코일에서 발전한 전류의 일부를 제어 코일에 흐르게 하여 전압을 제어시키기 위한 제어 코일(11)로의 전류는 개폐 시간을 가변으로 할 수 있는 스위치(12)를 통하여 전류를 증감시켜 전압이 일정한 제어를 하지만, 그 선단에는 솔레노이드 코일(14)을 사용하므로, 주파수가 클 경우에는 인덕턴스가 커져 저항이 커지고, 이 계(系)에 흐르는 전류가 작아져, 발전기의 무부하 발전 전압이 상당 커져서 무효 전력 부하로 되므로, 스위치(12)가 ON 되었을 때, 전압이 억제된다. 또한, 이 무효 저항은, 전류를 작아지게 하는 효과에 의해 동손(銅損;cupper loss)이 적어진다. 제어 코일(11)의 전류는 A1 전류를 흐르게 하면 전압이 0으로 되므로, 최대로 흐르게 해도 A1 암페어이다.

그러나, 도 2에 나타낸 바와 같이, A2 암페어 흐르게 하면 전압은 V2×N1/N2= V1볼트로 되므로, 0 암페어로부터 A1 암페어까지 소정 전압을 유지하도록, 듀티 제어한다. 제어 코일(11)에, 예를 들면, 자속 제어 장치를 부가하면, 전압 제어 코일의 수하 특성은 극히 소전류 쪽으로 이동하고, 미소의 전류를 흐르게 하는 것만으로 전압이 하강하여, 일정 전압을 유지하게 할 수 있다. 제어 코일(11)에 흐르는 전류는 손실로 되지만, 장치의 간이성을 얻을 수 있으므로 메리트가 있다.

다음에, 도 4를 참조하여, 본 발명에 의한 영구 자석식 발전기의 제어 장치의 다른 실시예를 설명한다. 본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치는, 저전압 측 부하(17L)와 고전압 측 부하(23)에 대응하므로, 발전하는 전압이 상이한 복수개의 출력 단자(9)를 가지는 것이다. 이 영구 자석식 발전기는, 출력 코일(19)이 예를 들면 2종류의 출력 코일(19L, 19H)로 구성되어 있다. 저전압 측 출력 코일(19L)은, 권취수가 적은 측의 접점(27)으로부터 정류기(15)를 통하여 저전압 측 부하(17L)에 접속되고, 전압 검출 비교기(16) 및 배터리(24)가 접속되어 있다. 고전압 측 출력 코일(19H)은, 권취수가 많은 측의 접점(26)으로부터 정류기(21)를 통 하여 고전압 측 부하(23)에 접속되고, 전압 검출 비교기(22) 및 배터리(25)가 접속되어 있다. 저전압 측 출력 코일(19L)은, 예를 들면, 자동차용 12V에 대응하는 코일이다. 고전압 측 출력 코일(19H)은, 예를 들면, 자동차에 탑재하고 있는 전동기의 전압 100V에 대응하는 코일이며, 그 코일(19H)의 선단에 제어 코일(11)이 모두 직렬로 결선되어 있다. 예를 들면, 저전압 측 출력 코일(19L), 고전압 측 출력 코일(19H), 및 제어 코일(11)의 코일비를, 12:100:400으로 하면, 발전 전압비는 12V, 100V, 400V로 되고, 제어 코일(11)의 전압을 400V로 일정하게 제어하면, 출력 단자(9)의 출력 조건이 어떻게 변화해도, 12V, 100V의 일정한 전압을 얻을 수 있다. 종래의 코일에서는 2종류의 코일을 병렬로 배치하는 것이 시도되었지만, 이 방법에서는 한쪽에 많은 부하가 걸려, 자력을 소비하면, 다른 쪽의 전압이 내려가, 목표로 하는 성능을 얻을 수 없었다. 본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치에서는, 제어 코일(11)의 전류가 0이 될 때까지, 각각의 출력 단자(9)의 전압이 소정값으로 되도록 설정할 수 있다. 그리고, 본 실시예에서는, 출력 전압이 서로 상이한 복수개의 출력 단자를 가지는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 경우에 따라서는 서로 권취수를 동일하게 하여 같은 전압을 출력하는 복수개의 출력 단자를 가지도록 해도 된다.

본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치는, 전압 조정 스위치 즉 제어 스위치(12)를 출력 코일(19)의 출력 단자(9)와 제어용 코일(11)의 중간에 배치하고, 그 앞에 솔레노이드(14)를 결선하는 코일 구조로서, 특히, 제어 스위치(12)의 배치 위치는 중요하다. 본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치는, 출력 코일(19)의 권취수 보다 많은 권취수의 제어 코일(11)을 사용하고 있으므로, 발전기의 발생 전압은, 제어 코일(11)의 제어 단자(11a)에서는 400V 이상으로 된다. 제어 스위치(12)가 OFF의 상태에서는, 제어 코일(11)에 전류가 흐르지 않고, 전압도 걸리지 않는다. 스위치(12)가 ON 시에는 전압이 상승하지만, 수하 효과에 의해 출력 코일(19)의 출력 단자(9)에서는 100V정도에 그쳐, 이 상태에서 제어 스위치(12)를 단속(斷續)시켜도 큰 서지 전압은 발생하지 않는다. 일반적으로, 제어 코일(11)의 선단에서 제어 스위치(12)를 단속시켰을 경우, 전압이 높으므로, 제어 스위치(12)의 손상, 서지 전압에 의한 불꽃의 발생 등의 큰 트러블 요인으로 된다. 이에 대하여, 본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치는, 제어 스위치(12)를 출력 코일(19)의 출력 단자(9)와 제어 코일(11)의 제어 단자(도 4에 있어서는 부호 26)의 중간에 배치하면, 제어 스위치(12)를 ON으로부터 OFF로 전환해도, 제어 스위치(12)의 단자에서 발생하는 전압은 낮기 때문에, 큰 손상 원인은 되지 않는다. 또한, 제어 스위치(12)는, 부하 단자에 놓여진 일정 전압을 유지하기 위한 비교기(콤퍼레이터)(16, 22)로부터의 입력에 의해, 만약 전압이 높아지면, 전류를 크게 하도록, 제어 스위치(12)의 개방 시간을 길게 취하고, 전압이 낮아지면, 개방 시간을 짧게 함으로써, 단자 전압을 일정하게 유지하도록 제어한다. 본 실시예에서는, 제어 스위치(12)는 출력 코일(19)의 출력 단자(26)와 제어 코일(11) 사이에 설치되어 있지만, 경우에 따라서는 제어 코일(11)과 솔레노이드(14) 사이에 설치하도록 해도 된다. 이로써, 제어 스위치(12)의 ON-OFF에 의한 전류의 단속이 평균화되어 마치 전류량이 변화하도록 작용한다. 여기서, 출력 단자(26)와 제어 코일(11) 사이에 설 치되는 경우에는 제어 스위치(12)에 관한 전압이 비교적 낮아지므로 내전압성을 필요로 하지 않는 것을 사용할 수 있다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 부하 전압이 상이한 2종류의 출력 단자(9)가 나왔을 경우, 한쪽의 부하가 큰 것과 다른 쪽의 부하 측의 전압이 저하된다. 그래서, 우선 출력 측을 정하고, 그 출력 측에는 요구되는 출력을 공급하고, 한쪽의 출력 측에서는 발전기가 공급할 수 있는 능력의 출력으로, 전압은 일정한 출력을 배터리(24, 25)에 공급함으로써, 우선 전압을 저하시키지 않는 제어를 행한다.

도 7에 나타낸 처리 플로 차트를 참조하여, 도 4에 나타낸 본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치의 작동을 설명한다. 본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치는, 2계통, 예를 들면, 14V와 100V의 전압을 1개의 발전기로 발전시키는 경우이며, 제어 회로에는, 2개의 정류기(15, 21)와 2개의 부하(17L, 23)가 필요하다. 출력 코일(19)은, 전압이 작은 쪽의 출력 코일을 (19L)로 하고, 전압이 높은 쪽의 출력 코일을 (19H)로 한다. 전압이 작은 쪽에는 스위치(20L)를 접속하고, 전압이 높은 쪽에는 스위치(20H)를 접속한다. 낮은 전압 측에서는 출력 단자(9)를 정류기(15)에 접속하고, 부하(17L) 측에 전력을 공급한다. 전압이 높은 쪽에서는 스위치(20H)로부터의 출력을 정류기(21)에 보내고, 그 DC 전력을 부하(23)에 보낸다. 부하(17L, 23) 측의 전압은 검출기(16, 22)로 각각 감시한다. 본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치에 대하여, 제어 회로에서는 복수개의 출력 코일의 출력 단자의 전압의 낮은 쪽을 일정 전압으로 되도록 제어 코일(11)의 전류를 제어하고 있으면, 필연적으로 전압이 높은 쪽도 일정 전압으로 제어할 수 있다.

먼저, 출력 코일(19)의 저전압 측 출력 코일(19L)과 고전압 측 출력 코일(19H)의 전압 VL, VH를 검출하고(스텝 S1), 출력 단자의 출력 전환 스위치(20L, 20H)를 ON으로 하고(스텝 S2), 주력인 저전압 측 출력 코일(19L)의 전압 VL이 미리 설정된 전압(소정 전압 V1이라고 함)의 상한값(V1+α)보다 큰지 여부를 판단하고(스텝 S3), 소정 전압의 상한값(V1+α)보다 크면, 제어 코일(11)에 흐르게 하는 전류를 증가시키는 듀티를 제어하고(스텝 S4), 스위치(12)의 통전 시간을 증가시켜 수하 전류가 큰 쪽으로 이동시키고(도 2 참조), 제어 코일(11)의 전압을 내리게 한다. 그리고, 저전압 측 출력 코일(19L)의 전압 VL이 소정 전압의 상한값(V 1+α)보다 작은지 여부를 판단하고(스텝 S5), 작은 경우에는 다시 전압 VL이 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 큰지 여부를 판단하고(스텝 S6), 하한값(V1-α)보다 크면 그 조건을 유지시킨다(스텝 S7)

다른 한편, 스텝 S3에서 저전압 측 출력 코일(19L)의 전압 VL이 소정 전압의 상한값(V1+α)보다 작은 것으로 판단되었을 때는, 전압 VL이 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 큰지 여부를 판단하고(스텝 S8), 하한값(V1-α)보다 클 경우에는 그 조건을 유지시킨다(스텝 S9). 그리고, 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 작으면, 제어 스위치(12)의 통전 시간을 작게 하여, 전압을 증가시키고(스텝 S10), 전압 VL을 소정 전압 V1의 허용 범위에 둔다. 이어서, 전압 VL이 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 큰지 여부를 판단하고(스텝 S11), 전압 VL이 소정 전압의 하한값(V 1-α)보다 크면, 그 조건을 유지시킨다(스텝 S12). 전압 VL이 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 작을 때는, 제어 코일(11)에 흐르는 전류 I가 0보다 큰지 여부를 판단하고(스텝 S13), 클 경우에는 다시 전류를 감소시키는 듀티 제어를 행하고(스텝 S10), 전류 I가 0보다 작을 경우 즉 주력 측의 전기 사용량이 커져서 제어 코일(11) 측의 전류를 0으로 해도 전압 VL이 소정값으로 회복되지 않을 경우에는, 스위치(20H)를 OFF로 하고(스텝 S14), 높은 전압 측의 사용량을 제한하여 그 사이 배터리(25)로부터 전력을 공급하도록 하고, 저전압 측 출력 코일(19L)의 전압 VL을 체크한다. 즉, 저전압 측 출력 코일(19L)의 전압 VL이 소정 전압의 상한값(V1+α)보다 작은지 여부를 판단하고(스텝 S15), 상한값(V1+α)보다 작으면, 전압 VL이 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 큰지 여부를 판단하고(스텝 S16), 하한값(V1-α)보다 클 경우에는 그 조건을 유지시킨다(스텝 S17). 하한값(V1-α)보다 작으면, 고장 신호를 발생한다(스텝 S18).

또한, 스텝 S15에서 저전압 측 출력 코일(19L)의 전압 VL이 소정 전압의 상한값(V1+α)보다 클 경우에는, 제어 전류 I를 증가시켜 듀티를 제어하고(스텝 S19), 스위치(12)의 통전 시간을 증가시켜, 수하 전류가 큰 측으로 이동시키고(도 2 참조), 제어 코일(11)의 전압을 내리게 한다. 이어서, 전압 VL이 소정 전압의 상한값(V1+α)보다 작은지 여부를 판단하고(스텝 S20), 전압 VL이 상한값(V1+α)보다 작으면 다시 전압 VL이 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 큰지 여부를 판단하고(스텝 S21), 전압 VL이 하한값(V1-α)보다 클 경우에는, 그 조건을 유지시킨다(스텝 S22). 전압 VL이 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 커지면, 제어 코일(11)에 흐르는 전류를 감소시킨다(스텝 S23). 이어서, 전압 VL이 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 큰지 여부를 판단하고(스텝 S24), 전압 VL이 하한값(V1-α)보다 커지면, 그 조건을 유지시킨다(스텝 S25). 전압 VL이 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 작아지면, 제어 코일(11)에 흐르게 하는 전류를 감소시키므로, 스텝 S23으로 돌아와 제어 전류를 감소시키는 처리를 반복한다. 한쪽의 부하(23)로의 전류 공급을 차단하였으므로, 저전압 측 출력 코일(19L)의 출력 단자로부터의 전류 공급은 정상적으로 돌아오므로, 저전압 측 출력 코일(19L)의 출력 전압 VL을 허용 범위(V1±α)에 들어가도록 제어 전류를 가감하는 동작에 들어간다. 이 동작의 반복을 행한다.

다음에, 도 5의 회로도를 참조하여, 본 발명에 의한 영구 자석식 발전기의 제어 장치의 또다른 실시예를 설명한다. 본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치는, 부하(17)의 전압이 동등하며 권취수가 상이한 제1 및 제2 출력 코일(19L, 19H)의 출력 단자(9)를 2계통 설치한 경우이며, 제1 출력 코일(19L)과 제어 코일(11)의 권취수 비가 제어 코일(11)의 일정 전압으로 되지만, 제2 출력 코일(19H)과 제어 코일(11)에서는 권취수 비가 바뀌지만 출력 전압은 같아지게 된다. 즉, 발전기의 전압은 권취수와 회전수를 곱한 것에 비례하므로 회전수가 작아질 때는 권취수가 큰 쪽이 아니면 소정의 전압을 얻을 수 없는 한쪽에서, 회전수가 클 때는 권취수가 적은 쪽에서 소정의 전압을 얻을 수 있다. 그리고, 양쪽의 코일에서 전압이 높게 되었을 때는 제어 코일(11)의 역자계 효과에 의해 전압이 일정하게 유지된다. 이 경우, 기준 전압이 바뀌면 출력 전압이 변화하므로 기준 전압은 어디까지나 부하(17)의 부하 전압으로서 제어 코일(11)의 전류를 바꿀 필요가 있다. 예를 들면, 제1 출력 코일(19L)의 권취수가 12턴, 제2 출력 코일(19H)의 권취수가 24턴, 제어 코일(11)의 권취수가 96턴으로 하고, 제1 출력 코일(19L)의 전압 12V로 하면, 제1 출력 코일(19L)가 12V를 출력하고 있을 때, 제2 출력 코일(19H)은 24V, 제어 코일(11)은 96V로 되지만, 제2 출력 코일(19H)로 12V를 얻고 싶은 저속 부분에서는 부하(17)의 부하 전압을 기준으로 하여 제2 출력 코일(19H)에서 12V, 제어 코일(11)에서는 48V로 되지만, 부하(17)의 부하 전압을 기준으로 하고 있으므로, 그대로의 상태로 일정 전압 제어가 가능하다. 이 구성에 의해, 1개의 부하 전압에 대하여 2개의 출력 코일을 사용하여 극저속으로부터 고속까지 출력을 얻는 것이 가능하게 된다.

도 8의 처리 플로 차트를 참조하여, 도 5의 회로도에 의한 영구 자석식 발전기의 제어 장치의 작동을 설명한다. 본 회로도는 출력 코일(19) 중 권취수가 큰 출력 코일(18H)과 권취수가 적은 출력 코일(19L)에 출력 전환 스위치(20H, 20L)를 각각 장착하고, 스위치(20H, 20L)의 뒤쪽에서는 결선을 함께 접속하고, U, V, W 상의 각각을 정류기(15)에 접속하였다. 출력 코일(19H)의 단부에는 제어 코일(11)이 접속되고, 그 앞에는 솔레노이드 코일(14)이 접속되고, 출력 코일(19H)과 제어 코일(11) 사이에는 스위치(12)가 장착되어 있다.

기동 스위치가 ON하고, 스타트가 지령되면, 회전 속도 N와 전압 V를 검출하는 센서(28)의 신호를 얻어(스텝 S30), 회전 속도 N이 소정의 속도 N1보다 작은지 여부를 판단하고(스텝 S31), 회전 속도 N이 소정의 속도 N1보다 작으면, 출력 코일(19) 중 권취수가 큰 쪽의 출력 코일(19H)을 사용하므로 출력 전환 스위치(20L)를 OFF하고, 출력 전환 스위치(20H)를 ON시킨다(스텝 S32). 회전 속도 N이 소정의 속도 N1보다 커지면, 출력 코일(19) 중 권취수가 적은 쪽의 출력 코일 (19L)을 이 용하기 위해, 스위치(20L)를 ON하고, 스위치(20H)를 OFF시킨다(스텝 S33). 이어서, 전압 검출기(16)에 의해 검출한 출력 전압 V가 미리 설정된 전압(소정 전압 V1이라고 한다. 예를 들면, 14V)의 상한값(V1+α, α는 허용폭을 나타냄)보다 큰지 여부를 판단하고(스텝 S34), 소정 전압의 상한값(V1+α)보다 클 때는, 스위치(12)의 ON 시간을 길게 하여, 제어 코일(11)에 흐르는 전류를 크게 하고(스텝 S35), 제어 코일의 전압을 작게 한다. 제어 코일(11)의 전압과 출력 코일의 출력 전압은 코일의 권취수에 비례하여 변화하므로, 제어 코일(11)의 전압을 변화시키면, 출력 코일(19)의 전압도 권취수에 비례하여 변화한다. 스텝 S34에서 검출 전압 V가 소정 전압의 상한값(V1+α)보다 크지 않을 때는, 소정 전압의 하한값(V1-α)보다는 큰지 여부를 판단하고(스텝 S39), 검출 전압 V가 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 커지면, 그대로 Δt 시간 유지시켜 둔다(스텝 S40). 다른 한편, 검출 전압 V가 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 작아지면, 제어 코일(11)에 흐르는 전류를 감소시켜, 전압을 상승시킨다(스텝 S41). 이어서, 출력 전압 V가 소정 전압의 상한값(V1+α)보다 작게 되었는지 여부를 판단하고(스텝 S36), 출력 전압 V가 소정 전압의 상한값(V1+α)보다 작아지지 않았을 때는, 스텝 S35로 복귀하고, 제어 코일(11)에 흐르는 전류를 크게 하는 처리, 즉 전압을 작게 하는 처리를 반복한다. 다른 한편, 출력 전압 V가 소정 전압의 상한값(V1+α)보다 작게 되었을 때는, 출력 전압 V가 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 큰지 여부를 판단하고(스텝 S37). 출력 전압 V가 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 클 경우에는, 그대로 Δt 시간 유지시켜 둔다(스텝 S38). 또한, 스텝 S37에서 출력 전압 V가 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 크지 않 을 경우에는, 즉 전압 V가 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 작을 경우에는, 제어 코일(11)에 흐르는 전류를 감소시켜, 전압을 상승시킨다(스텝 S41). 이어서, 출력 전압 V가 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 큰지 여부를 판단하고(스텝 S42), 검출 전압 V가 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 크면, 그대로 Δt 시간 유지시켜 둔다(스텝 S43). 반대로, 검출 전압 V가 소정 전압의 하한값(V1-α)보다 작아지면, 제어 코일(11)에 흐르는 전류를 감소시켜, 전압을 상승시킨다(스텝 S41).

다음에, 도 6의 회로도를 참조하여, 본 발명에 의한 영구 자석식 발전기의 제어 장치의 다른 실시예를 설명한다. 본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치는, 발전기를 모터로서 사용하는 경우이며, 발전기의 출력 코일(19)에 배터리(30)부터의 전력을 공급하기 위해, 전동기 측의 스위치(32, 33)와 컨트롤러(29)를 구비하고, 로터의 영구 자석의 위치를 검출하고, 그 위치보다 앞쪽에 영구 자석의 극과 다른 극을 만들도록 설정한 커뮤테이터로부터의 전류를 보내도록 하고 있다. 이 장치는 출력 코일(19) 중, 권취수가 큰 쪽의 코일 즉 제2 출력 코일(19H)은 저속에 대응하도록 하고, 권취수가 적은 쪽의 코일 즉 제1 출력 코일(19L)은 고속용으로 사용함으로써, 하이브리드 장치로 할 수 있다. 즉, 본 발명의 영구 자석식 발전기의 제어 장치는, 전동기 측의 스위치(32)가 권취수가 적은 쪽의 출력 코일(19L)에 라인(42L)에 의해 접속되고, 스위치(33)가 권취수가 큰 쪽의 출력 코일(19)에 라인(42H)에 의해 접속되어 있다. 따라서, 발전기를 전동기로서 사용하는 경우에는, 발전기 측의 전압 제어 스위치(12), 출력 전환 스위치(20L, 20H)를 모두 OFF로 하는 동시에, 예를 들면, 전동기 측의 스위치(33)를 ON, 스위치(32)를 OFF로 하여 권 취수가 큰 쪽의 출력 코일(19H)을 시동하고, 회전수가 낮은 측에서 사용한다. 전류가 작아도 권취수가 크기 때문에, 토크가 커지게 된다. 그러나, 역 기전력이 기능하여 큰 회전에서는 토크가 작용하지 않으므로, 이 경우에는 전동기 측의 스위치(32)를 ON, 스위치(33)를 OFF로 하여 권취수가 적은 쪽의 출력 코일(19) 측으로 전환하여 고속까지 토크가 발생하는 것으로서 상이한 출력이 가능한 하이브리드 모터로서 사용한다. 컨트롤러(18)는 속도 센서에 내장된 위치 센서(28)로부터의 신호에 맞추어, 스위치(32, 33)를 작동시킨다. 이 기능은 통상 커뮤테이터라는 장치이다. 그리고, 도 6의 실시예에서는, 직렬로 접속된 복수개의 출력 코일을 전환하여 사용 가능하게 한 경우를 예로 들었지만, 이에 특히 한정되지 않고, 그 외의 발전기 구조 예를 들면 도 3에 나타낸 단일의 출력 코일로 이루어지는 발전기에 모터용의 컨트롤러(29)나 배터리(30)로부터의 전류 공급을 가능하게 하는 스위치(32)를 설치함으로써, 전동기로 전환하여 사용하는 것도 가능하다.

도 9의 처리 플로 차트를 참조하여, 도 6의 회로도에 의한 영구 자석식 발전기의 제어 장치의 작동을 설명한다. 전동기 작동인지 발전기 작동인지를 판단하고(스텝 S50), 전동기 작동의 경우에는, 스위치(12, 20H, 20L)를 OFF로 하고(스텝 S51), 이어서, 회전 속도 N이 소정의 회전 속도 N1보다 저속인지 여부를 판단하고(스텝 S52), 회전 속도 N이 소정의 회전 속도 N1보다 저속이면 스위치(33)를 ON하고, 스위치(32)를 OFF한다(스텝 S53). 회전 속도 N이 소정의 회전 속도 N1보다 고속이면 스위치(32)를 ON하고, 스위치(33)을 OFF한다(스텝 S54). 이와 같이 스위치의 작동을 제어함으로써 통전의 타이밍은 위치 센서의 출력에 의해 자동적으로 정 해진다. 제어 장치를 고도화시켜, 전류 파형을 사인 커브로 해도 된다. 또한, 스텝 S50에 있어서, 발전기 작동이면, 제어 장치를 발전기로서 작동시키고(스텝 S55), 도 8의 처리 플로 차트의 부호 A로 진행하여 발전기 작동을 행한다. 예를 들면, 커뮤테이터를 작동시켜, 전동 운전할 때, 2개의 코일로서 20턴과 40턴을 사용한 경우, 즉 권취수가 적은 쪽의 출력 코일(19L)을 20턴으로 하고, 권취수가 큰 쪽의 출력 코일(19H)을 40턴으로 하면, 회전 속도 N(×100rpm)에 대한 구동 토크(N·m)는, 도 10의 그래프에 나타낸 바와 같다.

본 발명에 의한 발전기의 제어 장치는, 예를 들면, 자동차의 발전기, 풍력 발전기로서 사용하기에 바람직하고, 발전된 일정 전압의 전력은, 각종 기기의 구동, 전등, 조명 등의 일반 소비 전력으로서 또는 전자 기기 등으로 소비하는데 적용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 제어 장치를 적용하는 영구 자석식 발전기를 나타낸 것으로서, (A)는 정면도, 및 (B)는 측면도이다.

도 2는 권취수가 상이한 2개의 코일의 수하 특성을 나타낸 그래프이다.

도 3은 본 발명에 의한 영구 자석식 발전기의 제어 장치의 일실시예를 나타낸 회로도이다.

도 4는 본 발명에 의한 영구 자석식 발전기의 제어 장치의 다른 실시예를 나타낸 회로도이다.

도 5는 본 발명에 의한 영구 자석식 발전기의 제어 장치의 또다른 실시예를 나타낸 회로도이다.

도 6은 본 발명에 의한 영구 자석식 발전기의 제어 장치를 하이브리드 발전 및 전동기로서 작동할 수 있는 다른 실시예를 나타낸 회로도이다.

도 7은 도 4의 영구 자석식 발전기의 제어 장치의 작동을 나타낸 처리 플로 차트이다.

도 8은 도 5의 영구 자석식 발전기의 제어 장치의 작동을 나타낸 처리 플로 차트이다.

도 9는 도 6의 영구 자석식 발전기의 제어 장치의 작동을 나타낸 처리 플로 차트이다.

도 10은 플라이휠 내장 발전기의 스타터 이용의 경우에서의 코일의 권취수에 대하여 회전 속도에 대한 구동 토크를 나타낸 그래프이다.

[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]

(1) 로터 시프트

(2) 고정자

(7) 영구 자석 부재

(8) 코일

(9) 출력 단자

(10) 출력 코일

(11) 제어 코일

(12) 제어 스위치(듀티 제어)

(13) 출력 측 스위치

(14) 솔레노이드 코일

(15, 21) 정류기

(16) 전압 검출 비교기

(17, 17L, 23) 부하

(18) 컨트롤러

(19) 출력 코일

(19H) 고전압 측 출력 코일

(19L) 저전압 측 출력 코일

(20, 31, 32, 33) 출력 측 스위치

(20H) 고전압 출력 측 스위치

(20L) 저전압 출력 측 스위치

(22) 고전압 측의 전압 비교기

(24, 25, 30) 배터리

(28) 회전수와 극 위치의 검출 센서

(29) 전동 측의 컨트롤러

(34) 하우징

(35) 로터

Claims

하우징에 회전 가능하게 지지된 로터 샤프트, 상기 로터 샤프트에 고정되고 또한 외주측에 복수개의 영구 자석 부재가 장착된 로터, 및 상기 로터의 외측에 배치되고 코일이 감겨진 고정자로 이루어지는 영구 자석식 발전기의 제어 장치에 있어서,

상기 고정자의 상기 코일은, 출력 코일과 상기 출력 코일과 직렬로 접속되고 상기 출력 코일보다 권취수가 큰 제어 코일로 구성되어 있고, 적어도 상기 출력 코일과 상기 제어 코일 사이에 출력 단자가 설치되고, 상기 출력 코일에 발생한 전류의 일부를 상기 제어 코일에 흐르게 하기 위한 스위치 및 상기 출력 코일에 의한 발전 전압을 검출하는 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 상기 발전 전압을 미리 설정된 전압으로 제어하도록 상기 스위치의 ON/OFF를 제어하여 상기 제어 코일에 흐르는 전류량을 제어하는 컨트롤러를 구비한, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 출력 코일은 복수개의 코일이 직렬로 접속되는 동시에 복수개의 출력 단자가 설치된 것인, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제2항에 있어서,

상기 출력 코일은 서로 권취수가 상이한 복수개의 코일이며, 상기 복수개의 출력 단자가 서로 상이한 전압을 출력하는 것인, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 제어 코일은 상기 로터의 자속(磁束)과 쇄교(鎖交)하지 않는 위치에 배치된 솔레노이드 코일을 구비하는 것인, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 스위치는 상기 출력 코일과 상기 제어 코일 사이에 설치되어 있는 것인, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제4항에 있어서,

상기 출력 코일과 상기 제어 코일은, 삼상 교류 발전기로서 스타(star) 결선 또는 델타(delta) 결선되고, 상기 솔레노이드 코일의 단부는 스타형으로 결선되고, 삼상 교류의 U, V, W 상의 상기 출력 단자가 정류기에 각각 접속되고, 부하에 전력이 보내지는 동시에, 상기 출력 코일은 단일의 전압 또는 복수의 상이한 전압의 출력 단자가 설치되어 있는, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제3항에 있어서,

상기 출력 코일의 상기 복수개의 출력 단자에 출력 전환을 행하는 출력 전환 스위치가 각각 설치되고, 상기 컨트롤러는, 상기 로터의 회전 속도가 작은 경우에 는 상기 출력 코일의 큰 권취수 측의 상기 출력 단자의 상기 출력 전환 스위치를 ON시키고 또한 상기 출력 코일의 적은 권취수 측의 상기 출력 단자의 상기 출력 전환 스위치를 OFF시키고, 상기 로터의 회전 속도가 클 경우에는 상기 출력 코일의 적은 권취수 측의 상기 출력 단자의 상기 출력 전환 스위치를 ON시키고 또한 상기 출력 코일의 큰 권취수 측의 상기 출력 단자의 상기 출력 전환 스위치를 OFF시키는 제어를 행하는, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 출력 코일의 출력 단자의 전압과 상기 제어 코일의 전압은, 출력 측 전압= 제어측 전압×(출력 측 권취수)/(제어 측 권취수)의 관계를 가지고, 상기 스위치에 의해 상기 제어 코일에 흐르는 상기 전류량을 증감시킬 수 있는, 영구 자석 발전기의 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 컨트롤러는, 상기 스위치를 듀티 제어하여 상기 제어 코일에 흐르는 상기 전류량을 가감하여 상기 발전 전압을 상기 미리 설정된 전압으로 제어하는, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 컨트롤러는, 상기 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 상기 스위치를 듀티 제어하고, 상기 발전 전압이 높을 경우에는 상기 제어 코일에 흐르는 상기 전류량을 증가시키고, 상기 발전 전압이 낮은 경우에는 상기 제어 코일에 흐르는 상기 전류량을 감소시켜 상기 발전 전압을 상기 미리 설정된 전압으로 제어하는, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제3항에 있어서,

상기 출력 코일의 상기 복수개의 출력 단자에 출력 전환을 행하는 출력 전환 스위치가 각각 설치되고, 상기 컨트롤러는 주력 전원이 접속되어 있는 상기 출력 단자의 출력 전압을 기준으로 상기 제어 코일에 흐르는 상기 전류량을 제어하여, 상기 미리 설정된 전압을 얻는, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제11항에 있어서,

상기 주력 전원이 과대한 전력을 요구한 경우에, 상기 주력 전원이 접속되어 있는 상기 출력 단자에 설치된 상기 출력 전환 스위치를 ON으로 하는 동시에 다른 상기 출력 전환 스위치를 OFF로 하는 제어를 상기 컨트롤러가 행하는, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제1항에 있어서,

상이한 전압을 출력하는 상기 복수개의 출력 단자에는 정류기 또는 축전지 중 어느 쪽이 각각 접속되고, 상기 컨트롤러는, 주력 전원인 상기 정류기 또는 상 기 축전지의 부하의 전압의 변동에 응답하여 상기 제어 코일에 흐르는 상기 전류량을 제어하여 상기 발전 전압을 상기 미리 설정된 전압으로 제어하는, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제1항에 있어서,

상기 출력 코일의 상기 출력 단자에는, 발전기 측의 상기 컨트롤러로부터의 지시로 상기 출력 단자와 부하의 접속을 ON/OFF 제어하는 발전기 측 스위치와, 전동기용 컨트롤러로부터의 지시로 전동기 측 축전지와 상기 출력 단자의 접속을 ON/OFF 제어하는 전동기 측 스위치가 설치되고, 상기 발전기 측의 컨트롤러로부터의 지시로 상기 스위치와 상기 발전기 측 스위치가 OFF되는 동시에, 상기 전동기용 컨트롤러로부터의 지시로 상기 전동기 측 스위치를 ON하고, 상기 로터의 위치를 검출하면서 상기 출력 코일에 상기 전동기 측 축전지로부터 전류를 공급함으로써 상기 로터를 구동시키는, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제3항에 있어서,

직렬로 접속된 전동기 측 스위치 및 축전지에 상기 권취수가 상이한 복수개의 출력 코일에 설치된 상기 출력 단자가 직렬로 접속되고, 회전 속도의 신호에 응답하여 선택되는 상기 출력 코일에 상기 전류가 흐르도록 상기 전동기 측 스위치를 상기 컨트롤러가 제어하는, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.
제15항에 있어서,

상기 컨트롤러는, 상기 로터의 회전수가 큰 상태로 구동력을 증가시킬 때는 적은 권취수의 상기 출력 코일에 접속된 상기 전동기 측 스위치를 닫아 상기 전류를 공급하는 동시에 큰 권취수의 상기 출력 코일에 접속된 상기 전동기 측 스위치를 열고, 상기 로터의 회전수가 작은 상태로 구동력을 증가시킬 때는 큰 권취수의 상기 출력 코일에 접속된 상기 전동기 측 스위치를 닫아 상기 전류를 공급하는 동시에 적은 권취수의 상기 출력 코일에 접속된 상기 전동기 측 스위치를 열도록 제어하는, 영구 자석식 발전기의 제어 장치.