KR20120132661A - 영구 자석 발전기의 제어기 및 제어기를 구비한 영구 자석 발전기 - Google Patents

영구 자석 발전기의 제어기 및 제어기를 구비한 영구 자석 발전기 Download PDF

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KR20120132661A
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Abstract

영구 자석편이 설치된 회전자 및 고정자를 구비한 발전기에서, 전력 코일(10, 11)에 대한 고정자의 권선 코일, 전력 코일측의 솔레노이드 코일(141), 및 제어측의 솔레노이드 코일(142)은 직렬로 연결되고, 상기 솔레노이드 코일(141, 142) 사이에 적어도 전력 단자가 제공되고, 상기 전력 코일에서 발전된 전류량의 일부를 상기 솔레노이드 코일(142)로 흐르게 하기 위한 스위치가 제공되어 상기 스위치(12)의 ON/OFF를 제어하여 상기 코일(142)로 흐르는 전류량을 제어하고, 이에 따라 센서(16)로부터 검출된 신호에 응답하여 미리 설정된 전압으로 발전 전압이 제어된다. 한편, 상기 발전기 및 모터에서 제어 범위를 증가시키는데 중성 스위치(391, 392)가 사용된다.

Description

영구 자석 발전기의 제어기 및 제어기를 구비한 영구 자석 발전기{CONTROLLER OF PERMANENT MAGNET GENERATOR AND PERMANENT MAGNET GENERATOR WITH THE CONTROLLER}
본 발명은 전력 라인으로부터 분기된 제어측에 제공된 스위치의 ON/OFF를 제어하여 정전압을 유지하도록 고정자 하우징에서 회전에 대해 지지되는 영구 자석편을 갖는 회전자, 상기 회전자의 외주연을 둘러싸는 고정자, 전력과 전력측의 솔레노이드 코일과 제어측의 솔레노이드 코일을 포함하는 고정자 전력 코일, 제어용 스위치, 및 전압을 일정하게 유지하기 위한 제어기로 구성되는 영구 자석 발전기의 제어기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 제어기를 구비한 영구 자석 발전기에 관한 것이다.
지금까지, 발전기와 관련하여 에너지를 절감시키면서 발전기의 효율을 향상시키는 것은 큰 과제이었다. 상기 발전기의 구조에 있어서, 전기 자석은 회전자에 설치된 코일에 전류를 흐르게 하여 자기력을 생성하는 회전자에 대해 주로 사용된다. 영구 자석 회전자를 사용하면 자기력을 생성하기 위한 전류를 사용할 필요가 없으므로 상기 발전기의 효율이 향상되는 것은 알고 있다. 그러나, 발전기의 속도가 변화함에 따라 발전 전압이 변동하므로 일정한 전압으로 다양한 전기 장비를 구동하는 차량 등에 대하여 영구 자석(PM; permanent magnet) 발전기를 사용하는데에는 어려움이 있다. 그 이유는 일정한 전압을 유지하기 위하여 자기력이 작은 값으로 감소되어야 하기 때문이지만, 상기 자기력은 변화하지 않는다.
그러나, 여러 연구자들이 상기 PM 발전기를 개발시키기 위하여 노력을 기울이고 있다. AC 전력은 잠시 DC 전류로 변화된 후에, 상기 DC 전류는 고주파수에 의해 변환되며 스위칭 펄스의 폭은 미리 설정된 전압을 미리 충족하도록 제어되고, 이는 이른바 DC-DC 컨버터로 불리운다. 상기 발전기에 의해 발생된 대전류 모두를 흐르게 하기 위하여 큰 사이즈의 트랜지스터가 사용되기 때문에 시스템이 매우 고가이며 그 사이즈가 크고 저효율성을 갖게 된다.
즉, PM 발전기의 구조가 매우 간단하며 작은 사이즈에도 불구하고 매우 강한 자기력으로 인해 발전 전력은 매우 크므로, PM 발전기가 차량 터빈 및 풍력 터빈에 대하여 사용되고 있고, 이는 최근에 증가하고 있는 추세이다. 상기 PM 발전기에 있어서, PM 발전기에서 발전된 전력을 사용하는 경우에 모터의 기능은 전압의 변화에 응답할 수 있지만, 여러 전기 장비에 대하여 전력을 사용하며 축전지를 연결하는 경우에 전압을 일정하게 제어할 필요가 있다. PM 발전기에서 전압을 일정하게 제어하는 방법을 연구하기 위하여 여러 연구자들이 이를 연구하여 왔고, 스위칭 레귤레이터를 사용하여 전압을 일정하에 제어하는 방법이 GM에 의해 개발되었지만, 시스템은 제어기의 큰 사이즈, 고가이며 저효율성과 같은 큰 문제를 갖고 있다. 전압을 일정하게 하기 위하여, 상기 전압은 큰 사이즈의 전력 트랜지스터로 사용되는 스위칭 레귤레이터에서 분할되어야(chopped) 하고, 그 결과 시스템은 그 크기가 커지며 시스템을 냉각시키는데 있어서 비용이 많이 들게 된다. 대전류가 전력 트랜지스터로 흐르면 절연파괴가 일어나기 더 쉽게 된다. 상기 대전류는 트랜지스터의 온도를 증가시키기 때문에, 고전압은 트랜지스터의 이미터와 컬렉터 사이의 절연을 파괴시키고, 그러므로 보다 양호하며 저비용으로 이루어지며 상기 트랜지스터로 소전류가 흐르게 하는 시스템이 요구된다.
예를 들어, 하이브리드 차량 및 전기 차량에 대해 사용되는 영구 자석 회전자를 구비한 발전기에서 상기 전압은 고 회전 속도에서 감소되어야 하고 저 회전 속도에서 증가되어야 한다. 상기 컨버터가 전압으로 제어되는 경우, 백 초퍼 회로(back chopper circuit)나 부스트 초퍼 회로(boost chopper circuit)를 사용할 필요가 있어서 상기 제어기가 매우 복잡하게 되며 고가이게 된다.
한편, 전력이 분할되는 경우에 때때로 전류의 스파이크(spike)가 만들어지며 상기 스파이크는 전파 장해의 계기를 유발하여 노이즈의 대책은 매우 어려운 문제이다.
상기 회전자의 속도가 증가되는 경우에 영구 자석의 자기력을 감소시키는 방법이 여러 연구자들에 의해 연구되고 있다. 예를 들어, 상기 컨버터나 리액터의 큰 사이즈를 필요로 하며 무효 전력이 사용되는 제어기가 개발되었고, 반면에 상기 고정자에 전력 코일 외에 코일이 병렬로 설치되며 기계적인 제어 시스템이 필요 없는 발전기가 개발되었고, 부품수가 적어서 그 구조가 간단하고 전력 코일에서 우수한 전압 제어성과 신뢰성을 갖는다. 종래의 PM 발전기는 권선 코일을 갖는 고정자, 영구 자석편을 갖는 회전자, 및 인버터로부터 전류가 공급되는 제어 코일로 구성되고, 상기 제어 코일로 흐르는 전류는 고정자로 흐르게 하는 자기력을 감소시키도록 광학적 방향으로 자기력과 전압을 생성하고, 이는 일본 특허 공개 공보 제2004-320972호에 개시되어 있다.
또한, 고효율 발전기를 실현하는 것이 제안되어 있다. 종래의 발전기는 권선 코일을 갖는 고정자 및 영구 자석편과 철심을 갖는 회전자로 구성되고, 제어기는 비대칭 위치에서 자기력을 생성하는 자기 저항력을 이용하여 자기력이 감소되게 하고, 이는 일본 특허 공개 공보 제2003-245000호에 개시되어 있다.
다른 특허 문헌은 영구 자석편이 설치된 회전자, 코일을 갖는 고정자, 및 전력의 전압이나 전류를 제어하기 위하여 PM 자속의 회로에 대하여 직각으로 설치된 제2 자기 코일로 구성되고, 이는 일본 특허 공개 공보 제2006-529076호에 개시되어 있다.
또한, 고정자의 권선 코일은 작은 권선수로 감겨진 전력 코일, 큰 권선수를 갖는 제어 코일, 및 직렬로 연결된 솔레노이드 코일로 형성되고, 상기 전력 코일과 제어 코일 사이에 스위치가 제공되고, 전력 코일의 전압이 미리 설정된 전압보다 높은 경우에 제어기는 제어 코일에서 흐르는 전류를 증가시키며 상기 전압이 미리 설정된 전압보다 낮은 경우에 상기 제어기는 전류를 감소시키고, 이는 일본 등록특허 공보 제4227189호에 개시되어 있다.
그러나, 전술한 방법을 이용하여 회전자 회전 속도를 더 높게 증가시키는 것에 응답하여 영구 자석의 자기력을 약화시키는 것은 매우 어렵고, 이러한 기술은 실제 사용에 있어서 실현되지 않는다.
한편, DC-DC 컨버터는 시스템에서 하이브리드 차량에 대해 사용되고, 상기 발전기로부터 AC 전류로 정류된 DC 전력은 제어기에 의해 분할되고, 이는 미리 설정된 일정한 전압을 갖는 DC 전력으로 이송되고, 더 나아가 상기 DC 전력은 인버터를 이용하여 AC 전력으로 변화된다. 그러나, 이는 차량 시장에서 이들을 분산되게 할 시스템의 큰 사이즈 및 복잡한 구조에 의해 방해된다. 특히, 하이브리드 차량에서 사용되는 위상 제어 시스템에 의해 상기 전압이 감소되는 경우에 부하 역률(power factor of load)이 감소되고, 회생 브레이크 에너지의 효율이 감소된다. 한편, 에너지 문제가 근래 들어 안좋아지고 있고, 종래의 차량에서 전기 에너지의 소비가 빠르게 증가하고 있으며, 런델식 발전기(Lundell type generator)의 약 50% 효율은 종래의 차량에서 아직 허용되지 않는다. 그 결과, 이러한 사회적 상황에서 간단한 구조를 갖는 발전기 및 간단하며 확실한 제어기가 강하게 요구되고 있다.
두 종류의 코일로 감겨진 고정자를 구비한 발전기 및 자기력을 생성하기 위하여 전류를 반대방향으로 흐르게 해서 자기력을 제어하는데 코일의 일측을 사용하는 것이 여러 연구자들에 의해 개발되어 왔다. 고정자로 흐르는 PM력의 자속을 감소시키기 위하여, 인버터로부터 흐르는 전류에 의해 생성된 자속은 PM 자속과 유사한 형상으로 되어야 하지만, 이러한 기술은 매우 어렵다. 또한, PM 자속과 반대되는 이러한 전기 자속은 PM 재료의 자기력을 감소시키게 하고, 발전기의 고장을 야기한다.
이러한 발명의 발명자는 일본 등록특허 공보 제4227189호에 설명된 발전기 시스템을 만들었다. 이 발명자는 일본 가나가와현의 연구 센터에서 상기 발전기 시스템을 여러번 실험하였다. 그 결과, 상기 발명자는 발전기의 전압이 자기력 제어기가 전혀 사용되지 않은 작은 제어 전류의 사용에 의해 미리 설정된 전압으로 제어되고, 자기력의 감소가 영구 자석에서 발견되지 않는 것을 확인하였다. 특히, 상기 시스템은 저전압 상태, 예를 들면 14V 또는 24V에서 전압을 제어하는데 효과가 좋다.
그러나, 발전기의 고속 회전에서 전압이 200V-AC의 발전기에서 과도하게 증가하는 경우, 고압 저항을 갖는 트랜지스터가 요구된다(FET). 즉, 고정자에 감겨진 권선 코일은 작은 권선수를 갖는 전력 코일 및 큰 권선수를 갖는 제어 코일로 구성되고, 제어 스위치가 양 코일 사이에 제공되고, 더 나아가 제어기는 출력 단자에 설치된 전압 센서의 검출 신호에 의해 응답하는 전력 코일에서 발생된 전압을 일정하게 제어하고, 상기 스위치는 전력 코일에서 발생된 전류의 일부분을 제어 코일로 흐르게 한다. 상기 제어 전류를 감소시키기 위하여 제어 코일의 권선수를 증가시키는 경우, 상기 제어 코일에서 생성된 전압이 증가한다. 반면에, 제어를 위해 전류량을 감소시키려고 코일 인덕턴스를 증가시키기 위해서는 상기 코일의 권선수가 증가되어야 하고, 이러한 현상은 모순된다. 이때, 상기 PM 발전기에서 상기 발전된 전압이 발전기의 고속 회전에서 더 높게 상승하는 것을 방지하는 것은 매우 어렵다.
예를 들면, 200V PM 발전기에서, 기전력의 전압은 2000rpm에서 220V(AC)로, 4000rpm에서 440V로, 6000rpm에서 660V로 증가한다. 이들은 전력 코일의 유효 전압 값이므로, 피크 전압은 유효 전압의 1.4배이다. 또한, 제어 코일의 권선수가 전력 코일 권선수의 4배로 설정되는 경우, 상기 제어 코일의 전압은 6000rpm에서 2600V로 증가하여서 IGBT 및 FET인 일반적인 트랜지스터에 대한 사용은 매우 어렵다. 그 결과, 고가의 트랜지스터가 제어기에 대해 사용되어야 하며 이러한 고압 트랜지스터가 제공되고, 상기 제어기의 비용이 많이 증가하는 것도 매우 큰 문제이다(2600V의 고압에 저항할 수 있는 트랜지스터 값은 일반적인 트랜지스터보다 100배 높다).
본 발명은 시스템을 단순화시키기 위하여 전력 코일, 전력 코일측의 솔레노이드 코일, 제어측의 솔레노이드 코일, 및 스위치를 직렬로 연결하면서, 제어 전류량을 감소시키는데 있어서 전력 코일의 권선수를 증가시키지 않고 전력 코일 라인의 인덕턴스를 증가시켜서 발전기의 저속 및 고속 회전에서 미리 설정된 전압으로 제어기를 제어할 수 있는 것을 목적으로 한다.
과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 영구 자석 발전기의 제어기는 하우징에 의해 회전가능하게 지지되는 회전자 샤프트;
상기 회전자 샤프트에 고정되며, 복수의 영구 자석 부재가 그 외주측에 장착되는 회전자; 및
상기 회전자의 외측에 배치되며 권선 코일이 감겨진 고정자를 포함하고,
회전자의 자속과 연결되지 않는 위치에 배치되는 전력 코일에 대한 고정자의 권선 코일, 전력 코일측의 솔레노이드 코일, 및 제어측의 솔레노이드 코일은 직렬로 연결되고, 전력 코일측의 솔레노이드 코일과 제어측의 솔레노이드 코일 사이에 적어도 전력 단자가 제공되고, 상기 전력 코일에서 발전된 전류량의 일부를 상기 제어측의 솔레노이드 코일로 흐르게 하기 위한 스위치가 제공되어 상기 스위치의 ON/OFF를 제어하여 상기 제어측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량을 제어하고, 이에 따라 상기 제공된 전력 코일에 의해 발전 전압을 검출하기 위한 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 미리 설정된 전압으로 발전 전압이 제어된다.
여기서, 본 발명에 따른 영구 자석 발전기의 제어기에서, 상기 전력 코일의 단부에는 3상 AC 발전기의 다른 위상 코일이 스타 결선에 의해 연결되고, 상기 제어측의 솔레노이드 코일의 단부에는 스타 결선에 의해 다른 위상 코일이 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구 자석 발전기의 제어기에서, 상기 제어기는 스위치의 ON/OFF를 제어하여 상기 제어측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량을 제어하기 위한 듀티 제어에 의해 상기 제어측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량을 규제하고, 이에 따라 상기 제공된 전력 코일에 의해 발전 전압을 검출하기 위한 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 미리 설정된 전압으로 발전 전압이 제어되고, 더 나아가 상기 발전 전압을 검출하는 센서에 의해 감지된 발전 전압이 미리 설정된 전압보다 높은 경우에 상기 전류량은 제어기에 의해 증가되고, 상기 발전 전압이 미리 설정된 전압보다 낮은 경우에 상기 전류량은 제어기에 의해 감소되는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명에 따른 영구 자석 발전기의 제어기에서, 3상 발전기의 중성점에 대한 복수의 단자는 상기 전력 코일의 단부 및 중간 부분에 제공되어 상기 중성점이 변경될 수 있고, 복수의 중성 스위치가 제공되어 상기 중성점으로 흐르는 발전된 전류량을 위하여 상기 중성 스위치의 ON/OFF를 제어하고, 더 나아가 상기 제어기는 미리 설정된 회전자 속도를 검출하기 위한 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 상기 중성 스위치의 ON/OFF를 제어하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구 자석 발전기의 제어기에서, 상기 제어기는 회전자 속도를 검출하기 위한 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 제어를 수행하고, 이에 따라 상기 회전자의 회전 속도가 미리 설정된 속도보다 높은 경우, 높은 회전자 속도에서 발전 전압이 더 높아지는 것을 방지하기 위하여, 상기 전력 코일의 중성 스위치는 작은 권선수의 권선 코일측에서 ON되며, 동시에 상기 전력 코일의 중성 스위치는 큰 권선수의 권선 코일측에서 OFF되는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명에 따른 영구 자석 발전기의 제어기에서, 상기 제어기는 회전자 속도를 검출하기 위한 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 제어를 수행하고, 이에 따라 상기 회전자의 회전 속도가 미리 설정된 속도보다 낮은 경우, 상기 전력 코일의 중성 스위치는 가장 큰 권선수의 권선 코일측에서 ON되며 동시에 상기 전력 코일의 중성 스위치는 작은 권선수의 권선 코일측에서 OFF되고, 그 결과 상기 제어기는 발전 전압과 전력을 상기 회전자의 극히 낮은 속도에서 증가되게 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구 자석 발전기의 제어기에서, 상기 제어기가 전력 코일에서의 비정상적인 현상 또는 상기 전력 코일의 전류 누설 및 회전자 회전 속도의 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 상기 회전자 회전 속도에서 비정상적인 높은 속도를 검출하는 경우, 상기 제어기는 모든 중성 스위치가 OFF되도록 제어를 수행하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구 자석 발전기의 제어기에서, 상기 전력 단자에서 3상 교류는 복수의 전력 단자가 연결된 복수의 트랜스-단자를 통해 변압기로 유도되어 상기 전류는 작은 전압으로 변환되고, 더 나아가 상기 작은 전압으로 변환된 전류량은 작은 전압의 정류기에 의해 AC 전류로부터 DC 전류로 변화되고, 상기 작은 전압의 정류기에서 DC 단자에는 전력 전류량의 전압과 상이한 전압을 갖는 축전지가 연결되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구 자석 발전기의 제어기에서, 상기 전력 라인 스위치에는 전력 라인측의 정류기의 단부가 연결된 DC 전력 단자가 제공되고, 전기 모터 축전지의 단자가 연결된 전기 모터 구동을 위한 스위치에는 상기 전력 라인 스위치의 제어기 스위기가 제공되고, 상기 전기 모터 구동을 위한 스위치는 전력 상태에 응답하여 상기 제어기로부터의 명령에 의해 ON/OFF 스위칭을 제어하는 것이 바람직하다.
그리고, 본 발명에 따른 영구 자석 발전기의 제어기에서, 상기 전력 코일과 전력 코일측의 솔레노이드 코일 사이의 전력 라인이 연결된 복수의 전력 공급 단자는 상기 복수의 전력 공급 단자가 연결된 전기 모터 구동을 위한 복수의 전력 공급 스위치와 연결되고, 상기 전력 공급 스위치의 타단은 제어기를 통해 전력측의 축전지와 연결되고, 더 나아가 상기 제어기는 축전지로부터 전력 코일로 전류량을 공급하여 상기 발전기가 전력 공급 스위치의 제어된 ON/OFF 및 전류량 동기 위상 타이밍에 의해 전기 모터를 위해 구동되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 영구 자석 발전기의 제어기에서, 상기 전력 코일과 전력 코일측의 솔레노이드 코일 사이의 전력 라인이 연결된 복수의 전력 공급 단자는 상기 복수의 전력 공급 단자가 연결된 전기 모터 구동을 위한 복수의 전력 공급 스위치와 연결되고, 상기 전력 공급 스위치의 타단은 제어기를 통해 전력측의 축전지와 연결되고, 더 나아가 상기 제어기는 축전지로부터 전력 코일로 전류량을 공급하여 상기 발전기가 전력 공급 스위치의 제어된 ON/OFF 및 전류량 동기 위상 타이밍에 의해 전기 모터를 위해 구동되고, 상기 제어기는 회전자 회전 속도를 검출하기 위한 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 상기 중성 스위치의 ON/OFF 제어를 수행하고, 이에 따라 상기 회전자의 회전 속도가 미리 설정된 속도보다 작은 경우에 상기 전력 코일의 중성 스위치는 큰 권선수의 권선 코일측에서 ON되며 동시에 상기 전력 코일의 중성 스위치는 작은 권선수의 권선 코일측에서 OFF되고, 상기 회전자의 회전 속도가 회전자 속도 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 미리 설정된 속도보다 크도록 상기 제어기가 스위치의 ON/OFF를 제어하는 경우, 상기 전력 코일의 중성 스위치는 작은 권선수의 권선 코일측에서 ON되며 동시에 상기 전력 코일의 중성 스위치는 큰 권선수의 전력 코일측에서 OFF되고 동시에 상기 제어기는 전자 모터 스위치의 ON/OFF 제어를 수행하는 것이 바람직하다.
발전기의 고정자에 감겨진 전력 코일이 구성된 영구 자석 발전기의 제어기에서, 회전자의 자속과 연결되지 않는 위치에 배치되는 큰 권선수를 갖는 전력측의 솔레노이드 코일 및 작은 권선수를 갖는 제어측의 솔레노이드 코일은 직결로 연결된다. 상기 전력 코일과 전력측의 솔레노이드 코일은 전력측 코일에 대해 제공되며 상기 제어측의 솔레노이드 코일은 제어측에 대해 제공되고, 더 나아가 이러한 코일은 직렬로 연결되어 상기 제어 코일의 상호 인덕턴스 영향에 의해 전압을 크게 감소시키는 특성으로 사용되어 상기 제어 코일로 흐르는 전류를 감소시킨다. 그 결과, 상기 전력 코일의 권선수는 증가하지 않고 상기 코일에서 인덕턴스의 총 양은 제어 전류를 감소시키며 상기 전력 코일에서 일정한 전압을 유지하기 위하여 증가된다.
본 발명에서, 발전기의 회전 속도가 증가할수록 상기 발전기의 전력 전압이 증가하지만, 상기 전류량이 증가할수록 전압 변화는 작아지며 0V에서 전류는 하나의 전류로 수렴되고, 이 현상은 발전기의 하향 특성(downward character)이라 불리운다. 상기 전력 코일에 제어 코일을 부가하는 경우, 상기 수렴된 전류는 도 2에 도시된 특성과 같이 매우 작은 값으로 감소된다. 상기 전력 코일의 전압이 높은 속도에서 높아지며 상기 제어기가 제어 코일로 소전류를 흐르게 하는 경우, 상기 전력 코일의 단자의 전압은 역 기전력의 현상으로 이용되는 작은 값으로 감소되고, 즉 상기 제어기는 스위치의 ON/OFF를 제어하여 상기 제어측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량을 제어하고, 이에 따라 발전 전압이 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 미리 설정된 전압으로 제어된다. 이러한 시스템은 전압의 변동을 제어하여 미리 설정된 안정된 전압으로 유지할 수 있다.
상기 발전 전류가 증가하는 경우에 상기 권선 코일의 전압이 감소되고, 상기 코일의 권선수가 증가함에 따라 하향 전압비는 도 2에 도시된 바와 같이 크게 된다. 여러 일본 특허 문헌에서 두 종류의 코일이 병렬로 설치되고, 큰 권선수를 갖는 코일로 전류를 흐르게 하여 상기 전력 코일 전압을 제어하려하지만, 제어 코일의 권선수가 매우 큰 경우에도 자기력을 감소시키기 위하여 큰 전류량이 필요하고, 기술로 이어질 수 없다. 그러나, 본 발명에서와 같이 코일에 역 기전력을 생성하기 위하여 전력 코일에 대한 코일의 작은 권선수에 제어 코일에 대한 큰 권선수가 직렬로 연결되는 경우, 상기 제어 코일로 흐르는 전류로 인하여 상기 전력 코일 전압을 제어할 수 있고, 이는 상기 발전기에서 권선 코일의 전압이 권선수에 비례하며 전력 코일 전압이 제어 코일의 전압을 직접적으로 변화시키기 때문이다.
다시 말해서, N1을 전력 코일의 솔레노이드 코일의 권선수로 하고 N2를 제어측의 솔레노이드 코일의 권선수로 하는 경우, 상기 전력 코일측의 솔레노이드 코일의 인덕턴스 L1 = μㆍAㆍN12ㆍ/l이고, 상기 제어측의 솔레노이드 코일의 인덕턴스 L2 = μㆍAㆍN22ㆍ/l이지만, 양 솔레노이드 코일을 직렬로 연결하는 경우, 연결된 양 코일의 인덕턴스 L3 = μㆍAㆍ(N1+N2)2ㆍ/l이고, L3의 값은 L1 값의 2배 이상이다. 그러므로, 상기 전압이 직렬로 연결된 솔레노이드 코일에 로딩되는 경우, 전압과 전류는 다음 식으로 표현된다. E = Iㆍ2πㆍfㆍL3/1000. 전력측의 솔레노이드 코일에 같은 전압이 로딩된 전류에 비해, 양 코일로 흐르는 전류는 1/2~1/5로 감소된다. 식에서 사용된 표시 l은 솔레노이드 코일 코어의 자기 길이이고, A는 솔레노이드 코일 코어의 면적이고, μ는 솔레노이드 코일 코어의 투자율이다.
상기 전압은 전력 코일의 권선수의 증가에 비례하도록 증가되고, 상기 전압은 전력 코일의 임피던스와 흐르는 전류를 곱한 값 및 전력 코일측의 솔레노이드 코일의 임피던스와 흐르는 전류를 곱한 값에 의해 감소된다. 그러므로, 상기 제어기가 제어측의 솔레노이드 코일로 전류량을 흐르게 하는 경우, 상기 전력 코일 단자에서의 전압은 감소하며 상기 전력 코일 단자의 전압은 미리 설정된 전압으로 발전 전압이 제어되도록 상기 스위치의 ON/OFF를 제어함으로써 제어되고, 상기 스위치는 전력 코일의 솔레노이드 코일과 상기 제어 코일의 솔레노이드 사이에 제공된다.
전압을 계산하기 위한 식은 다음과 같다.
(1) 기전력의 전압
E0 = 4.44ㆍφㆍfㆍWs (1)
(2) 전력 코일의 단자에서의 전압
E = E0-E1-E2 = E0 - I1ㆍ(R1 2 + (2πㆍfㆍL11/1000)2)1/2
- I2ㆍ(R2 2 + (2πㆍfㆍL31/1000)2)1/2 (2)
(3) 제어측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류
I2 = {E0 - I1ㆍ(R1 2 + (2πㆍfㆍL11/1000)2)1/2}/(R2 2 + (2πㆍfㆍL31/1000)2)1/2
식에서 사용된 표시는 다음과 같다.
E0 : 기전력의 전압
E : 전력 코일의 단자 전압
E1 : 전류 I1이 전력 코일로 흐르는 경우의 감소 전압
E2 : 전류 I2가 전력 코일 + 전력 코일측의 솔레노이드 코일 및 제어측으로 흐르는 경우의 감소 전압
φ : 자기력
f : 전압을 발생시키는 주파수
Ws : 전력 코일의 권선수
I1 : 전력 코일의 전류
I2 : 솔레노이드 코일 및 전력 코일로 흐르는 전류
R1 : 전력 코일과 전력측 솔레노이드 코일 합의 저항값
R2 : 전력 코일과 양 솔레노이드 코일 합의 저항값
L11 : 전력 코일과 전력측 솔레노이드 코일 합의 인덕턴스
L31 : 전력 코일과 솔레노이드 코일의 상호 인덕턴스 합의 인덕턴스
여기서, 전력 코일의 권선수를 증가시킬수록 0V에서 발생하는 전류는 작아지지만, 전력 코일의 권선수를 증가시킬수록 발전 전압은 크게 증가한다. 발전에 있어서 낮은 전압이 유지되어야 하므로 0V에서 발생되는 전류는 작은 것이 바람직하다. 계산 (1) 및 (2)에 따르면, 인덕턴스 L1, L2, L3 및 L11을 크게 증가시키는 경우, 제어하는 전류량은 작게 감소될 수 있다. 그러므로, 상기 고정자의 외측에 제공된 솔레노이드 코일을 부가하는 것은 매우 효과적이다. 그러나, L11의 인덕턴스가 너무 커지는 경우, 상기 전력 전압은 크게 감소된다. 이 경우, 상기 솔레노이드 코일의 상호 인덕턴스의 영향은 매우 유용하다.
상기 전력 단자의 전압은 0V로 감소되는 경우에 상기 제어측에서 중성점의 전압 및 기전력의 전압으로부터 상기 전류량과 인덕턴스 L11의 곱을 제함으로써 상기 전력 단자와 솔레노이드 코일에서의 전압이 계산된다. 상기 전력 코일의 권선수가 크게 증가함에 따라 기전력의 전압이 크게 증가하여, 자속의 영향이 없는 큰 인덕턴스를 갖는 솔레노이드 코일이 상기 전력 단자에서 전압을 감소시키는데 필요하다.
또한, 전류량의 흐름점을 변경할 수 있도록 상기 중성 스위치는 도중에서 단자 및 전력 코일에서 권선 코일의 시작부와 연결되고, 상기 제어기는 회전자 속도를 검출하기 위한 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 제어를 수행하고, 이에 따라 상기 회전자의 회전 속도가 미리 설정된 속도보다 작은 경우에 상기 전력 코일의 중성 스위치가 상기 큰 권선수의 권선 코일측에서 ON되며 동시에 상기 전력 코일의 중성 스위치가 작은 권선수의 권선 코일측에서 OFF되고, 그 결과, 상기 제어기는 발전 전압과 전력을 상기 회전자의 극히 낮은 속도에서 증가되게 한다. 그 결과, 상기 발전기의 속도가 너무 크게 증가하는 경우에도 기전력에서 적절한 전압으로 제어되는 발전기를 얻을 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징은 첨부된 도면을 참조하여 다음의 예시적인 실시예로부터 명확해질 것이다.
본 발명에 따르면, 시스템을 단순화시키기 위하여 전력 코일, 전력 코일측의 솔레노이드 코일, 제어측의 솔레노이드 코일, 및 스위치를 직렬로 연결하면서, 제어 전류량을 감소시키는데 있어서 전력 코일의 권선수를 증가시키지 않고 전력 코일 라인의 인덕턴스를 증가시켜서 발전기의 저속 및 고속 회전에서 미리 설정된 전압으로 제어기를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 제어기를 구비한 발전기의 구조를 나타낸 도면으로서, (A)는 정면도이고 (B)는 측면도이다.
도 2는 전력 코일의 발전기에서의 전압 및 전류의 특성을 나타낸 그래프로서, 솔레노이드 코일이 부가된 전력 코일이 도시되어 있다.
도 3은 본 발명의 일 관점에 있어서 발전기 및 제어기에서 회로 연결의 예를 설명하기 위한 배선도이다.
도 4는 도 3에 도시된 발전기에 대해 작동되도록 나타낸 제어기의 플로우차트이다.
도 5는 도 3에 도시된 제어 회로에 대해 작동되도록 솔레노이드 코일의 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 관점에 있어서 모터 구동을 위해 사용되는 발전기 및 제어기에서 회로 연결의 예를 설명하기 위한 배선도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 전력 코일의 권선 코일에 의해 전압으로 제어되는 발전기에 대하여 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 권선 코일에 의해 전압으로 제어되는 영구 자석 발전기는 하우징(3, 5)으로 양분된 한 쌍의 하우징인 고정자 하우징(34), 축방향으로 대향되는 한 쌍의 볼 베어링(4)에 의해 상기 하우징(3, 5)에서 회전을 위해 지지되는 회전자 샤프트(1), 한 쌍의 영구 자석편보다 많은 영구 자석편이 회전자 샤프트(1) 주위를 둘러싸게 배치되는 다수 극성의 영구 자석 부재(7)의 회전자(35), 및 상기 회전자(35)의 외주연에 배치되는 고정자(2)로 구성된다. 상기 고정자(2)는 고정자 코어(36)에 의해 구성되고, 상기 고정자 코어(36)에 배치된 전자기 코일(8)에 의해 감겨진다. 도 1에 미도시된 풀리와 같은 구동 장비는 회전자 샤프트(1)의 단부에 고정된다. 상기 회전자 샤프트(1)는 회전자 샤프트(1)에 배치된 투자성 부재(magnetic permeable member)(37)로 구성되고, 하나의 영구 자석편보다 많은 영구 자석 부재(7)는 축방향으로 연장된다. 또한, 상기 영구 자석 부재(7)의 외주연에 제1 보강 부재(40)가 제공되어 상기 영구 자석 부재(7)가 높은 원심력에 의해 회전자(35)에서 떨어지지 않도록 유지시키고, 상기 보강 부재(40)는 수지로 이루어진 고인장 섬유로 구성된다. 상기 회전자(35)는 축방향으로 대향되는 배킹 플레이트(backing plate)(38)와 플랜지 사이에 클램핑되어 조임 도구와 같은 너트에 의해 일체형으로 고정된다. 상기 발전기에 있어서, 정류기(15, 21)와 솔레노이드 코일이 프런트 하우징(3)의 외측에 설치된다. 상기 솔레노이드 코일은 고정자의 외측에 위치되고, 이는 상기 솔레노이드 코일이 회전자의 자속과 연결되지 않는 위치에 배치되는 것을 의미한다. 이때, 배치된 위치는 제한이 없다, 예를 들어 상기 위치가 회전자의 자속과 연결되지 않는 한, 상기 하우징이나 모터 케이싱에 상기 솔레노이드 코일을 배치시킬 수 있다. 고정자 코일(8)은 빗살부(teeth of comb) 사이에 박혀진 고정자 코어(36)의 슬롯에 감겨지고, 수지와 같은 비자성 재료가 고정자 코일(8)에 고정되도록 상기 슬롯의 갭에 삽입된다.
본 명세서에 있어서, 전력 코일(10)이 포함되고, 고정자 코일을 구성하는 전력 코일에서의 전력 코일(11)이 도 3에 도시되어 있고, 상기 전력 코일측의 권선 코일은 전력 코일 및 전력측의 솔레노이드 코일(141)에 의해 구성된다. 반면에, 제어측의 권선 코일은 솔레노이드 코일(142)에 의해 구성된다. 권선 코일의 시스템은 이른바 전력측의 권선 코일 및 제어측의 권선 코일에 의해 구성된다. 도 3에 나타낸 마크(143)는 제어 코일측에서 솔레노이드 코일(142)의 중성점(neutral point)이다.
이하, 첨부된 도 3을 참조하여 실험에서 실시되어 본 발명에 의해 생성된 제어기의 일례를 설명한다.
전력 코일(10, 11)로 구성된 고정자 코일(8)은, 예를 들어 고정자 코어(36)의 슬롯에서 감겨지고, 전력 코일(10), 전력 코일(11), 및 솔레노이드 코일(141)은 본 발명을 수행하는 일례인 솔레노이드 코일(142) 및 제어 스위치(12)와 직렬로 연결되고, 코일 라인은 기점으로서 중성점(391)과도 연결되는 스타 결선과 같은 3상으로 연결된다. 상기 중성 스위치(391)는 전력 코일의 시작부와 연결되고, 더 많은 하나의 중성 스위치(392)는 상기 전력 코일(10)과 전력 코일(11) 사이의 전력 코일로부터 인출된 복수의 단자와 연결된다. 정류기(15) 및 부하(17)를 와이어(41)가 직렬로 연결한 후에 정류기의 단자와 전력 스위치(53)가 연결된다. 축전지(54)를 부하(17)와 병렬로 연결시킬 수 있다. 상기 와이어(41)가 서로를 연결하는 3개의 단자는 정류기(15)와 3상으로 연결되고, 상기 정류기(15)에서 생성된 DC 전력은 단상을 위해 부하(17)로 송부된다. 전압과 부하의 센서(16)는 부하(17)와 함께 병렬로 위치되고, 영구 자석 부재(7)에 의해 생성된 극성의 위치와 속도에 대한 센서(28)는 회전자(35) 근처에 배치된다. 한편, 상기 전압과 부하 센서(16) 및 상기 속도와 위치 센서(28)로부터 전송된 신호는 제어기(18)에 입력되고, 이후 상기 제어기(18)는 전압을 일정하게 제어하도록 제어 스위치(12), 중성 스위치(391, 392), 및 전력 스위치(53)로 개폐 신호를 전송한다. 상기 중성 스위치(391, 392)의 ON/OFF 스위치에 의해 전력 코일의 권선수가 변화된다.
전력 전압과 상이한 전압을 얻기 위하여, 복수의 단자(51)는 전력 와이어(41)와 연결되고, 상기 단자는 전압을 변화시키기 위하여 변압기(45)의 와이어(42)와 연결되고, 상기 변압기(45)에 상이한 권선수를 갖는 와이어(43)가 감겨지고, 더 나아가 상기 와이어(43)는 상이한 전압을 얻기 위하여 정류기(21)와 연결되고, DC 전압을 축전지(25)로 송부하기 위하여 전류가 변화된다. 상기 축전지(25) 및 정류기(21)와 연결된 와이어에 스위치(52)가 제공된다.
또한, 고전압에 대한 저항을 향상시키기 때문에 단자 와이어(41)의 접속점과 솔레노이드 코일(142) 사이에 상기 제어 스위치(12)가 설치되는 것이 바람직하지만, 상기 제어 스위치(12)를 중성점(143)과 솔레노이드 코일(142) 사이에 설치할 수 있다. 본 실시예 및 다음의 실시예에서, 상기 전력 코일(10, 11)은 둘 이상의 권선 코일을 병렬로 연결하여 구성될 수 있고, 그리고 나서 이와 같이 병렬 연결된 전력 코일(10, 11)과 솔레노이드 코일(141, 142)은 직렬로 연결될 수 있다. 이 경우, 병렬로 연결되며 전력 코일(10, 11)로서 사용되는 각 권선 코일은 소전류 흐름으로 이루어질 수 있는 이점을 갖는다. 상기 제어 스위치(12)에서 소전류 흐름에 의해 작은 레벨의 전압 진폭을 유지하기 위하여, 상기 솔레노이드 코일(142, 141)은 전력 코일(11, 10)과 직렬로 연결되는데, 이는 상기 솔레노이드 코일(141, 142)이 부하(17)와 회전자(35) 속도가 빨리 변화되는 경우에 상기 솔레노이드 코일(141, 142)에 의해 합성된 큰 상호 인덕턴스로 인하여 솔레노이드 코일(142)로 흐르는 전류를 극적으로 감소시키게 하기 때문이다.
그러므로, 상기 솔레노이드 코일(142)을 배치하는 것은 본 발명에서 매우 중요하다. 한편, 상기 솔레노이드 코일(141)과 솔레노이드 코일(142) 사이의 코일에 제어 스위치(12)가 배치되는데, 이는 고전압을 갖는 스파이크(spike)를 받으면 제어 스위치(12)의 파손이 야기되므로 상기 제어 스위치(12)를 큰 권선수를 갖는 솔레노이드(141) 뒤에 배치시키려는 이유이다. 전력 라인의 전압을 안정시키기 위하여, U, V, 및 W상의 단자(14) 사이에 커패시터를 제공하는 것이 매우 효과적이다. 상기 커패시터를 제공하면 전력 단자(41)의 전압과 부하에서의 DC 전력을 증가시킨다. 또한, 상기 전력 코일(10, 11)의 단자는 중성 스위치(391, 392)와 연결되어 스타 결선이 제공된다. 상기 중성 스위치는 발전기의 속도가 매우 크게 변화하는 경우에도 미리 설정된 전압을 안정적으로 유지시키는데 매우 효과적이다.
상기 발전기의 제어기는 개방 시기를 변화시킬 수 있는 스위치(12)의 ON/OFF를 제어함으로써 상기 솔레노이드 코일(142)로 흐르는 전류를 제어하고, 이에 따라 발전된 전압이 미리 설정된 전압으로 제어된다. 여기서, 상기 솔레노이드 코일(142)로 흐르는 전류량을 감소시키기 위하여, 상기 솔레노이드 코일(141, 142)에서의 상호 인덕턴스가 효과적으로 사용되고, 그래서 이러한 솔레노이드 코일은 도 5에 도시된 동일한 솔레노이드 코일(55)에 감겨진다. 그 결과, 상기 코일(141, 142)이 직렬로 연결되는 경우, 상기 상호 인덕턴스는 크게 증가하며 상기 솔레노이드 코일로 전류량이 흐르는 경우에 전기 저항이 크게 증가한다. 상기 솔레노이드 코일로 소전류량이 흐르는 경우, 전력 라인의 단자(41)에서의 전압은 크게 감소하고, 상기 단자(41)에서 스위치(12)의 ON/OFF를 전환시킨 후의 평균 전압은 미리 설정된 전압으로 제어된다. 전류량이 제어측으로 흐르면, 상기 솔레노이드 코일의 인덕턴스에 의해 전압의 감소로 전력의 소비가 무효 전력이 되기 때문에 전력 손실은 매우 작다. 도 2에 도시된 전압과 전류의 특성은 상기 제어기가 솔레노이드 코일(142)측으로 전류량(A1)을 흐르게 하는 경우에 상기 전압은 0으로 감소하고 제어를 위해 사용된 최대 전류량은 A1 암페어인 것을 나타낸 것이다. 미리 설정된 전압을 얻기 위하여, 상기 제어기가 듀티 제어(duty control)에 의해 상기 스위치(12)의 ON 시를 설정하면, 암페어는 2000rpm에서 A21이 되고 4000rpm에서 A22가 된다.
상기 발전기의 제어기에 있어서, 상기 솔레노이드 코일(141)이 연결되는 단자 와이어(41)의 접속접과 상기 솔레노이드 코일(142) 사이의 코일 라인에 전압을 제어하기 위한 스위치(12)가 제공되며 상기 전력 코일(10, 11)과 솔레노이드 코일(141, 142)은 직렬로 연결되지만, 위치가 매우 중요한 팩터인 중성점(143)과 솔레노이드 코일(142) 사이의 코일 라인에 상기 스위치(12)가 제공되는 것을 염려할 필요는 없다. 상기 제어기는 차후에 전력 코일(11)의 발전 전압이 스위치(12)의 OFF 상태에서 600V 이상으로 증가되게 하고, 상기 전압이 스위치(12)의 ON 상태에서 솔레노이드 코일의 인덕턴수에 의해 감소된 작은 전압으로 감소되게 하고, ON 및 OFF 상태의 평균 전압이 미리 설정된 전압과 동등하게 한다.
한편, 상기 발전기 속도가 매우 크게 증가하거나 매우 작게 감소되는 경우, 발전 전압의 특성은 상기 중성 스위치(391, 392)를 전환시킴으로써 수행되는 전력 코일(10, 11)의 권선수의 변화에 의해 변경될 수 있다. 그 결과, 전력 코일에서 권선수의 변화 시스템을 이용하여 낮은 속도로부터 빠른 속도까지 적절한 전력과 전압을 얻을 수 있다. 이 시스템은 전기 차량에 대하여 매우 효과적이다.
상기 전력 코일(10)에서 발전된 전류가 제어측의 솔레노이드 코일로 흐르는 경우에 전압을 일정하게 유지하도록 상기 전류를 제어하기 위하여 상기 제어기(18)에 의해 제어 스위치(12)는 개폐 시기를 증감시키고, 전력 코일(10)의 전압은 임의의 다른 복잡한 제어기 없이 제어된다. 상기 솔레노이드 코일이 회로로부터 제거되면, 도 2에 도시된 바와 같이 제어측의 솔레노이드 코일로 A1 암페어의 전류가 흐르기 때문에 상기 코일의 전압은 제어 스위치(12)를 폐쇄하는 경우에 0V로 감소된다. 그러나, 상기 제어 코일(142)로 흐르는 전류는 큰 인덕턴스 값을 갖는 솔레노이드 코일(141)을 배치하는 경우에 A2 암페어로 감소되고, 그 결과 전압의 진폭은 감소하고 상기 제어 스위치(12)가 고주파수로 개폐되는 경우에도 전력 코일(10)의 전압은 안정된 상태로 된다. 또한, 상기 솔레노이드 코일(141)과 솔레노이드 코일(142)로 흐르는 전류를 감소시키기 때문에 동손(copper loss)이 감소된다. 상기 솔레노이드 코일(141, 142)에서 고주파수로 인한 고저항은 무효 저항이기 때문에 상기 솔레노이드 코일(141, 142)은 동손을 감소시키는데 매우 효과적이다.
도 3에 도시된 바와 같이 상기 발전기에서 상이한 전압을 갖는 두 전력원을 구비한 경우, 상기 전력이 전력원의 타측에서 더 증가되는 경우에 상기 전력원의 일측에서 상기 전압은 감소된다. 이때, 우선 순위의 전력원이 결정되고, 상기 제어기(18)는 우선 순위의 전력측에 전력을 공급하며 전력원의 타측에 전력의 송부를 감축시킨다. 상기 축전지(54, 25)는 부하(17) 및 전기 장비에 전력을 공급하기 위하여 저장을 위한 매우 중요한 부품이다.
도 3에 도시된 바와 같은 발전기의 제어 작용을 도 4에 도시된 바와 같은 다음의 플로우차트를 참조하여 설명한다.
상기 제어기(18)는 발전기의 속도 및 발전 전압을 검출하고(스텝 S30), 이후 시동 스위치가 작동되어 상기 발전기의 속도 N이 이전에 결정되어 미리 설정된 속도 N1보다 작은지 여부를 판단한다(스텝 S31). 상기 속도 N이 N1보다 작은 경우, 상기 중성 스위치(392)는 OFF로 전환되며 상기 중성 스위치(391)는 ON으로 전환된다(스텝 S32). 상기 속도 N이 N1보다 큰 경우, 상기 제어기는 스위치(392)를 ON 상태로 하며 상기 스위치(391)를 OFF 상태로 한다(스텝 S33). 제어(스텝 S32 및 S33) 후에, 상기 제어기(18)는 전압이 (V1±α)인 허용 전압에 놓여 있는지 센서(16)에 의한 부하 전압을 판단하고(스텝 S34), 상기 전압 V가 허용량으로 미리 설정된 전압의 높은 레벨인 (V1+α)보다 큰 경우에 제어측의 솔레노이드 코일(142)의 전류는 증가한다(스텝 S35). 상기 전압 V가 (V1+α)보다 작은 경우, 상기 제어기는 (스텝 S39)로 제어를 진행한다. 스텝 S35의 제어 후에, 상기 제어기는 전압 V가 (V1+α)보다 작은지 전압을 판단한다(스텝 S36). 그렇지 않다면, 상기 제어기는 스텝 S35로 제어를 진행하고, 그렇다면 상기 제어기는 다음 단계로 진행한다. 상기 전압 V가 허용량으로 미리 설정된 전압의 레벨보다 작은 (V1-α)보다 큰 경우(스텝 S37), 상기 제어기(18)는 제어 상태를 그대로 △t 밀리세컨드로 남겨두고(스텝 S38), 이후 상기 제어기는 제어를 시작점
Figure pct00001
로 복귀시킨다. 상기 전압 V가 (스텝 S39)에서 (V1-α)보다 큰 경우, 상기 제어기(18)는 제어 상태를 그대로 △t 밀리세컨드로 남겨두고(스텝 S40), 이후 상기 제어기는 제어를 시작점
Figure pct00002
로 복귀시킨다. 상기 전압 V가 (V1-α)보다 작은 경우, 상기 제어는 (스텝 S41)로 진행한다. 상기 전압 V가 (스텝 S37)에서 (V1-α)보다 작은 경우, 상기 제어기는 제어 차트를 (스텝 S41)로 진행하여 제어측의 솔레노이드 코일(142)로 흐르는 전류량을 감소시킨다(스텝 S41). 전류량을 감소시킨 후에, 상기 제어기는 전압을 판단하고(스텝 S42), 상기 전압 V가 (V1-α)보다 큰 경우에 상기 제어기(18)는 제어 상태를 그대로 △t 밀리세컨드로 남겨둔다(스텝 S43). 상기 전압 V가 (스텝 S42)에서 (V1-α)보다 작은 경우, 상기 제어기는 제어를 (스텝 S41)로 복귀시킨다.
상기 발전기 시스템이 모터에 대해 사용되는 경우, 상기 제어기는 도 6에 도시된 회로에 의해 제어 시스템을 작동시킨다.
상기 영구 자석 발전기의 제어기(18)에 있어서, 상기 전력 코일(11)과 전력 코일측의 솔레노이드 코일(141) 사이의 전력 라인(포인트 13)이 연결된 복수의 전력 공급 단자는 상기 복수의 전력 공급 단자가 연결된 전기 모터 구동을 위한 복수의 전력 공급 스위치(56)와 연결되고, 상기 전력 공급 스위치의 타단은 제어기(18)를 통해 전력측의 축전지(54)와 연결되고, 더 나아가 상기 제어기는 축전지(54)로부터 전력 코일로 전류량을 공급하여 상기 발전기가 전력 공급 스위치의 제어된 ON/OFF 및 전류량 동기 위상 타이밍(current amount synchronized phase timing)에 의해 전기 모터를 위해 구동되고, 상기 제어기는 회전자 회전 속도를 검출하기 위한 센서(28)로부터의 검출 신호에 응답하여 상기 중성 스위치의 ON/OFF 제어를 수행하고, 이에 따라 상기 회전자의 회전 속도가 미리 설정된 속도보다 작은 경우에 상기 전력 코일의 중성 스위치(391)는 큰 권선수의 권선 코일측에 의해 ON되며 동시에 상기 전력 코일의 중성 스위치(392)는 작은 권선수의 권선 코일측에 의해 OFF되고, 상기 회전자의 회전 속도가 회전자 속도 센서(28)로부터의 검출 신호에 응답하여 미리 설정된 속도보다 크도록 상기 제어기(18)는 스위치의 ON/OFF를 제어하는 경우, 상기 전력 코일의 중성 스위치(392)는 작은 권선수의 권선 코일(11)측에 의해 ON되며 동시에 상기 전력 코일의 중성 스위치(391)는 큰 권선수의 전력 코일(10)측에 의해 OFF되고 동시에 상기 제어기는 전자 모터 스위치(53, 52)의 ON/OFF 제어를 수행한다.
본 발명에 따른 발전기 및 제어 시스템은 차량의 효율을 향상시키는데 매우 효과적이다. 상기 시스템이 차량, 산업용 발전기, 풍력 터빈 및 전기 차량에 대해 사용되는 경우, 작은 사이즈, 경량화 및 값싼 비용에도 불구하고 일정한 전압, 고출력 및 고효율을 얻을 수 있다.
또한, 전술한 형태는 본 발명에서 발전기의 우수한 일례이지만, 본 발명의 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 전력 코일에 대한 고정자의 권선 코일은 직렬로 연결된 두 권선 코일(10, 11)에 의해 제공되고, 상기 중성 스위치에 대한 단자는 전력 코일(10)과 전력 코일(11) 사이에 배치되고, 상기 복수의 단자에는 중성 스위치(392)가 연결되고, 더 나아가 상기 중성 스위치(391)에는 권선 코일(10)의 복수의 시작 단자가 연결되고, 상기 전력 코일의 권선수는 중성 스위치(391, 392)의 ON/OFF를 전환시킴으로써 변경될 수 있다. 그러나, 특히 두개의 중성 스위치에 제한되지 않으며 3개 이상의 중성 스위치를 배치할 수 있고, 복수의 단자가 전력 코일에 제공되어 상기 발전기를 사용하기 위한 속도 범위를 연장되게 한다. 그 결과, 상기 발전기 속도가 매우 크게 증가하는 경우에도 중성 스위치를 변경함으로써 더 높은 전압이 제어된다. 그러나, 6000rpm까지 미리 설정된 전압을 제어하는 것은 중성 스위치의 변경 시스템을 이용하지 않고서도 수행된다는 것은 실험에서 이미 확인하였다.
한편, 본 발명의 실행 예에서, 상기 전력 코일(10)의 권선수가 전력 코일(11)의 권선수보다 크지만, 전력 코일에 대한 고정자의 권선 코일들 간의 권선수에 제한되지 않고, 예를 들어 전력 코일(10)의 권선수가 전력 코일(11)의 권선수와 같거나 또는 전력 코일(10)의 권선수가 전력 코일(11)의 권선수보다 작을 수 있다.
본 발명을 예시적인 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 기재된 예시적인 실시예에 제한되지 않는다. 다양한 변형, 동등 구조 및 기능을 포함하도록 다음 클레임의 범위는 넓게 해석되게 부합되어야 한다.

Claims (12)

  1. 하우징에 의해 회전가능하게 지지되는 회전자 샤프트;
    상기 회전자 샤프트에 고정되며, 복수의 영구 자석 부재가 그 외주측에 장착되는 회전자; 및
    상기 회전자의 외측에 배치되며 권선 코일이 감겨진 고정자
    를 포함하고,
    회전자의 자속과 연결되지 않는 위치에 배치되는 전력 코일에 대한 고정자의 권선 코일, 전력 코일측의 솔레노이드 코일, 및 제어측의 솔레노이드 코일은 직렬로 연결되고, 전력 코일측의 솔레노이드 코일과 제어측의 솔레노이드 코일 사이에 적어도 전력 단자가 제공되고, 상기 전력 코일에서 발전된 전류량의 일부를 상기 제어측의 솔레노이드 코일로 흐르게 하기 위한 스위치가 제공되어 상기 스위치의 ON/OFF를 제어하여 상기 제어측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량을 제어하고, 이에 따라 상기 제공된 전력 코일에 의해 발전 전압을 검출하기 위한 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 미리 설정된 전압으로 발전 전압이 제어되는,
    영구 자석 발전기의 제어기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전력 코일의 단부에는 3상 AC 발전기의 다른 위상 코일이 스타 결선에 의해 연결되고, 상기 제어측의 솔레노이드 코일의 단부에는 스타 결선에 의해 다른 위상 코일이 연결되는, 영구 자석 발전기의 제어기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어기는 스위치의 ON/OFF를 제어하여 상기 제어측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량을 제어하기 위한 듀티 제어에 의해 상기 제어측의 솔레노이드 코일로 흐르는 전류량을 규제하고, 이에 따라 상기 제공된 전력 코일에 의해 발전 전압을 검출하기 위한 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 미리 설정된 전압으로 발전 전압이 제어되고, 더 나아가 상기 발전 전압을 검출하는 센서에 의해 감지된 발전 전압이 미리 설정된 전압보다 높은 경우에 상기 전류량은 제어기에 의해 증가되고, 상기 발전 전압이 미리 설정된 전압보다 낮은 경우에 상기 전류량은 제어기에 의해 감소되는, 영구 자석 발전기의 제어기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 3상 발전기의 중성점에 대한 복수의 단자는 상기 전력 코일의 단부 및 중간 부분에 제공되어 상기 중성점이 변경될 수 있고, 복수의 중성 스위치가 제공되어 상기 중성점으로 흐르는 발전된 전류량을 위하여 상기 중성 스위치의 ON/OFF를 제어하고, 더 나아가 상기 제어기는 미리 설정된 회전자 속도를 검출하기 위한 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 상기 중성 스위치의 ON/OFF를 제어하는, 영구 자석 발전기의 제어기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어기는 회전자 속도를 검출하기 위한 센서로부터 검출 신호에 응답하여 제어를 수행하고, 이에 따라 상기 회전자의 회전 속도가 미리 설정된 속도보다 높은 경우, 높은 회전자 속도에서 발전 전압이 더 높아지는 것을 방지하기 위하여, 상기 전력 코일의 중성 스위치는 작은 권선수의 권선 코일측에 의해 ON되며, 동시에 상기 전력 코일의 중성 스위치는 큰 권선수의 권선 코일측에 의해 OFF되는, 영구 자석 발전기의 제어기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 제어기는 회전자 속도를 검출하기 위한 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 제어를 수행하고, 이에 따라 상기 회전자의 회전 속도가 미리 설정된 속도보다 낮은 경우, 상기 전력 코일의 중성 스위치는 가장 큰 권선수의 권선 코일측에 의해 ON되며 동시에 상기 전력 코일의 중성 스위치는 작은 권선수의 권선 코일측에 의해 OFF되고, 그 결과 상기 제어기는 발전 전압과 전력을 상기 회전자의 극히 낮은 속도에서 증가되게 하는, 영구 자석 발전기의 제어기.
  7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기가 전력 코일에서의 비정상적인 현상 또는 상기 전력 코일의 전류 누설 및 회전자 회전 속도의 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 상기 회전자 회전 속도에서 비정상적인 높은 속도를 검출하는 경우, 상기 제어기는 모든 중성 스위치가 OFF되도록 제어를 수행하는, 영구 자석 발전기의 제어기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 단자에서 3상 교류는 복수의 전력 단자가 연결된 복수의 트랜스-단자를 통해 변압기로 유도되어 상기 전류는 작은 전압으로 변환되고, 더 나아가 상기 작은 전압으로 변환된 전류량은 작은 전압의 정류기에 의해 AC 전류로부터 DC 전류로 변화되고, 상기 작은 전압의 정류기에서 DC 단자에는 전력 전류량의 전압과 상이한 전압을 갖는 축전지가 연결되는, 영구 자석 발전기의 제어기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 전력 라인 스위치에는 전력 라인측의 정류기의 단부가 연결된 DC 전력 단자가 제공되고, 전기 모터 축전지의 단자가 연결된 전기 모터 구동을 위한 스위치에는 상기 전력 라인 스위치의 제어기 스위기가 제공되고, 상기 전기 모터 구동을 위한 스위치는 전력 상태에 응답하여 상기 제어기로부터의 명령에 의해 ON/OFF 스위칭을 제어하는, 영구 자석 발전기의 제어기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 코일과 전력 코일측의 솔레노이드 코일 사이의 전력 라인이 연결된 복수의 전력 공급 단자는 상기 복수의 전력 공급 단자가 연결된 전기 모터 구동을 위한 복수의 전력 공급 스위치와 연결되고, 상기 전력 공급 스위치의 타단은 제어기를 통해 전력측의 축전지와 연결되고, 더 나아가 상기 제어기는 축전지로부터 전력 코일로 전류량을 공급하여 상기 발전기가 전력 공급 스위치의 제어된 ON/OFF 및 전류량 동기 위상 타이밍에 의해 전기 모터를 위해 구동되는, 영구 자석 발전기의 제어기.
  11. 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전력 코일과 전력 코일측의 솔레노이드 코일 사이의 전력 라인이 연결된 복수의 전력 공급 단자는 상기 복수의 전력 공급 단자가 연결된 전기 모터 구동을 위한 복수의 전력 공급 스위치와 연결되고, 상기 전력 공급 스위치의 타단은 제어기를 통해 전력측의 축전지와 연결되고, 더 나아가 상기 제어기는 축전지로부터 전력 코일로 전류량을 공급하여 상기 발전기가 전력 공급 스위치의 제어된 ON/OFF 및 전류량 동기 위상 타이밍에 의해 전기 모터를 위해 구동되고, 상기 제어기는 회전자 회전 속도를 검출하기 위한 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 상기 중성 스위치의 ON/OFF 제어를 수행하고, 이에 따라 상기 회전자의 회전 속도가 미리 설정된 속도보다 작은 경우에 상기 전력 코일의 중성 스위치는 큰 권선수의 권선 코일측에 의해 ON되며 동시에 상기 전력 코일의 중성 스위치는 작은 권선수의 권선 코일측에 의해 OFF되고, 상기 회전자의 회전 속도가 회전자 속도 센서로부터의 검출 신호에 응답하여 미리 설정된 속도보다 크도록 상기 제어기가 스위치의 ON/OFF를 제어하는 경우, 상기 전력 코일의 중성 스위치는 작은 권선수의 권선 코일측에 의해 ON되며 동시에 상기 전력 코일의 중성 스위치는 큰 권선수의 전력 코일측에 의해 OFF되고 동시에 상기 제어기는 전자 모터 스위치의 ON/OFF 제어를 수행하는, 영구 자석 발전기의 제어기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 제어기를 구비한 영구 자석 발전기.
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