KR20230063690A - 통합 시동발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 통합 시동발전 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 차량의 동력을 발생시키는 엔진 및 상기 엔진의 일측에 설치되는 시동발전기를 포함하고, 시동발전기는 엔진을 시동시키는 시동기능과 전력을 발생시키는 발전기능을 동시에 수행 가능하여, 수리 및 정비 없이 장기간 사용할 수 있는 통합 시동발전 시스템에 관한 것이다.

Description

통합 시동발전 시스템 {integrated starter generator system}
본 발명은 통합 시동발전 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진을 시동시키는 시동기능과 전력을 발생시키는 발전기능이 통합되고, 회전자 및 고정자 구조를 갖는 아웃로터 방식의 통합 시동발전 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 영구자석 발전기는 회전자에 영구자석을 부착하고, 고정자에 코일을 권선하여, 상기 코일에 전류를 공급함으로써 영구자석의 자속과 코일의 전류의 관계에 의하여 회전자가 소정의 토크를 가지고 회전할 수 있도록 하는 장치로서, 영구자석이 부착된 회전자를 터빈이나 엔진의 기계적 힘을 이용하여 회전시킴으로써 상기 고정자의 코일에 유기기전력을 발생시켜 전력을 생산하는 장치이다.
이러한 종래의 영구자석 발전기는 엔진시동을 위해 사용되는 스타터 모터(Starter motor)의 잦은 손상 발생하는 문제점이 있었다.
예를들면, 특허문헌 1은 하이브리드 차량용 통합시동발전기 단자대에 관한 것으로 42V 벨트형 하이브리드 차량용 통합시동발전기 단자대 장착 구조에 관한 것이다.
상기와 같은 종래의 통합 시동발전 시스템은 탈장착 작업이 간편하게 이루어질 수 있고, 부품수를 절감할 수 있다는 점에서 이점이 있지만, 스타터 모터에서 잦은 고장이 발생할 수 있는 문제점이 남아있다.
대한민국등록특허 제10-0836405호
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 시동발전기는 엔진을 시동시키는 시동기능과 전력을 발생시키는 발전기능을 동시에 수행 가능하여, 수리 및 정비 없이 장기간 사용할 수 있는 통합 시동발전 시스템을 그 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 통합 시동발전 시스템은 차량의 동력을 발생시키는 엔진 및 상기 엔진의 일측에 설치되는 시동발전기를 포함하고, 상기 시동발전기는, 상기 엔진을 시동시키는 시동기능과 전력을 발생시키는 발전기능이 통합된 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 엔진은, 디젤을 사용연료로 하되 15HP(Horse Power) 이하의 초소형 단기통으로 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 시동발전기는, 상기 엔진과 연결된 상태로 회전하는 회전자모듈 및 상기 회전자모듈과 연결되는 고정자모듈을 포함하고, 상기 고정자모듈은, 상기 고정자모듈의 중심부에 형성되는 결합홀을 포함하고, 상기 제어컨트롤러는, 상기 결합홀에 삽입으로 결합되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 시동발전기는, 상기 시동발전기에서 생산된 전력을 제어하는 정류용 전력반도체, 상기 회전자모듈의 회전을 유도하는 회전유도체, 상기 정류용 전력반도체를 제어하는 제어컨트롤러 및 상기 회전유도체와 상기 제어컨트롤러를 연결하는 와이어를 포함하고, 상기 제어컨트롤러는, 상기 와이어로부터 전달받은 상기 회전유도체의 정보에 기초하여, 상기 정류용 전력반도체의 신호를 제어하여 상기 엔진이 일정 회전속도에 도달하는 경우에 전류공급을 차단시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 상기 고정자모듈은, 코일이 권선되는 권선조립체를 포함하고, 상기 시동발전기는, 상기 회전자모듈이 상기 권선조립체를 감싸고 있는 아웃로터(Outer rotor) 방식으로 작동되는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명에 의하면 통합 시동발전 시스템은 시동발전기에 시동 및 발전기능을 동시에 수행 가능하여, 협소한 공간에 설치될 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 시동 및 발전기능의 통합으로 무게 및 부품수를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 3000rpm 이상의 고속 아웃로터 방식인 것으로, 수리 및 유지보수가 필요치 않는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 상세한 설명 및 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 엔진과 시동발전기가 조립된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 2는 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 엔진과 시동발전기가 분리된 모습을 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 시동발전기를 분해한 모습을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 고정자방열판을 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 고정자방열판과 제어컨트롤러가 조립된 모습을 정측면에서 바라보는 사시도이다.
도 6은 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 고정자방열판과 제어컨트롤러가 조립된 모습을 후측면에서 바라보는 사시도이다.
도 7은 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 시동발전기 단면도이다.
도 8은 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 시동발전기의 제어 흐름도이다.
도 9는 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 시동발전기 제어 구성도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함” 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시 예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 엔진과 시동발전기가 조립된 모습을 나타내는 사시도, 도 2는 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 엔진과 시동발전기가 분리된 모습을 나타내는 사시도, 도 3은 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 시동발전기를 분해한 모습을 나타내는 사시도, 도 4는 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 고정자방열판을 나타내는 사시도, 도 5는 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 고정자방열판과 제어컨트롤러가 조립된 모습을 정측면에서 바라보는 사시도, 도 6은 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 고정자방열판과 제어컨트롤러가 조립된 모습을 후측면에서 바라보는 사시도, 도 7은 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 시동발전기 단면도, 도 8은 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 시동발전기의 제어 흐름도, 도 9는 본 발명에 통합 시동발전 시스템의 시동발전기 제어 구성도이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 통합 시동발전 시스템(10)를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 통합 시동발전 시스템(10)은 엔진에 전원을 공급하는 시동기능과 전력을 생산하는 발전기능이 통합되고, 회전자 및 고정자 구조를 갖는 고속 아웃로터(Outer rotor) 방식인 것을 특징으로 한다.
도 1을 참조하면 본 발명에 따른 통합 시동발전 시스템(10)은 차량의 동력을 발생시키는 엔진(100) 및 상기 엔진(100)의 일측에 설치되는 시동발전기(200)를 포함한다.
먼저, 엔진(100)이 마련된다. 상기 엔진(100)은 차량의 동력을 발생시키기 위해 연료를 연소시켜 기계적 에너지를 발생시키는 장치로 구성된다. 이때, 상기 차량은 고속회전이 필요한 특수차량을 의미하며, 상기 특수차량은 예를 들면 궤도차량, 휠차량, 트럭 등으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 엔진(100)은 구체적으로 디젤을 사용연료로 하되, 15HP(Horse Power) 이하의 초소형 단기통으로 구비된다. 또한, 상기 엔진(100)은 디젤 연료를 초고압으로 연소실에 직접 뿌려 주는 직분사 방식으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 엔진(100)은 물론 동력을 발생시키기 위해 상기 엔진(100)의 내측에 구비되는 피스톤, 실린더, 연소실, 밸브, 커넥팅 로드 및 크랭크샤프트와 같은 구성을 더 포함할 수 있다.
상기 피스톤은 비어 있는 원통형으로 형성되는 상기 실린더 내에서 원기둥이 내부 기체의 압력에 의해 왕복직선운동을 하는 기계적 장치로 구성될 수 있다. 상기 실린더는 상기 피스톤이 왕복운동을 하는 부분으로 구성된다. 상기 밸브는 상기 엔진(100)의 흡기와 배기를 제어하는 장치로 구성된다. 상기 커넥팅 로드는 상기 피스톤과 상기 크랭크샤프트를 연결하는 봉으로 형성되어, 상기 피스톤의 왕복운동을 상기 크랭크샤프트를 회전운동으로 바꾸는 기능을 수행할 수 있다.
또한, 상기 엔진(100)은 플라이휠을 더 포함할 수 있다. 상기 플라이휠은 상기 엔진(100)의 내측에 설치되며, 상기 엔진(100)의 폭발 행정에 의해 상기 크랭크샤프트가 회전하게 되는데, 상기 크랭크샤프트의 회전력을 유지하여 불균형을 최소화하기 위해 장치된 바퀴로 구성될 수 있다.
다음으로, 도 2 내지 도 7을 참조하면 시동발전기(200)가 마련된다. 상기 시동발전기(200)는 차량의 보조전원공급을 위해 구비된다. 상기 시동발전기(200)는 차량의 배터리로부터 전원을 입력받아 상기 엔진(100)과 베어링 없이 직결식으로 연결된 3,000rpm 이상의 고속 아웃로터(Outer rotor) 방식으로 구성된다.
상기 시동발전기(200)는 상기 엔진(100)의 일측에 설치되어, 상기 엔진(100)에 전원을 공급하는 시동기능과 전력을 생산하는 발전기능이 통합된 구조로 형성된다. 다시 말하면, 상기 시동발전기(200)는 상기 엔진(100)의 초기 시동을 위해서 구비되고, 시동이 걸린 상태에서는 발전기로 전환되도록 구성되는 것이다.
상기 시동발전기(200)는 상기 엔진(100)의 회전을 이용하여 작동되되, 내륜과 외륜으로 형성되는 슬림형으로 구성된다. 보다 구체적으로, 상기 시동발전기(200)는 상기 엔진(100)에 설치된 상기 플라이휠의 회전자와 연결되어, 상기 플라이휠의 회전자를 이용하여 작동되는 것이다. 따라서, 상기 시동발전기(200)는 부피가 최소화되어 매우 협소하거나 제약된 설치공간에서 설치될 수 있다.
또한, 상기 영구자석발전기(200)는 회전자모듈(210) 및 고정자모듈(220)을 포함한다.
상기 회전자모듈(210)은 상기 엔진(100)과 일측으로 연결된 상태로 회전하게 되는 구성이고, 상기 회전자모듈(210)의 내주면에는 영구자석(211)이 설치된다.
상기 영구자석(211)은 자기장을 발생시켜 쇳조각을 잡아당길 수 있는 물질로 형성되며, 외부에서 강한 자기장을 가하여 전체의 자기화가 한 방향이 되도록 하여 상기 자기화가 쉽게 없어지지 않는 상태의 자석으로 형성된다. 즉, 상기 영구자석(211)은 강한 자화 상태를 오래 보존하고, 전류가 흐르지 않아도 전력을 띠는 자석으로 형성된다. 상기 영구자석(211)은 전체적으로 원형의 형태를 이루고, N극과 S극순으로 복수 개로 구비된다.
상기 고정자모듈(220)은 상기 회전자모듈(210)과 일측으로 연결되는 구성이고, 상기 회전자모듈(210)에 대응되는 고정자로 구성되고, 권선조립체(221) 및 고정자방열판(222)을 포함한다.
상기 권선조립체(221)는 코일이 권선되는 구성이다. 보다 구체적으로, 상기 권선조립체(221)는 전체적으로 원형의 형태로 형성되되, 후술할 결합홀(222-1)의 외주면에 장착된다. 상기 권선조립체(221)는 상기 회전자모듈(210)에 설치된 상기 영구자석(211)보다 더 작은 직경으로 형성된다. 이에 따라, 상기 권선조립체(221)는 상기 회전자모듈(210)에 삽입되고, 상기 영구자석(211)과 인접하게 설치될 수 있다. 따라서, 상기 시동발전기(200)는 상기 회전자모듈(210)이 상기 권선조립체(221)를 감싸고 있는 아웃로터(Outer rotor) 방식인 것이다.
상기 고정자방열판(222)은 상기 시동발전기(200)의 열을 방출하기 위한 구성이다. 상기 고정자방열판(222)은 상기 권선조립체(221)와 결합되고, 상기 시동발전기(200)의 열을 방출할 수 있는 재질로 형성된다. 이때, 상기 재질은 예를 들면, 구리 및 알루미늄과 같은 다양한 금속 재질로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 고정자방열판(222)은 열이 빨리 방출될 수 있도록 상기 회전자모듈(210)보다 더욱 큰 직경으로 형성된다.
또한, 상기 고정자방열판(222)은 전체적으로 팔각형의 형태로 형성되되, 상기 고정자방열판(222)의 중앙부에는 후술할 제어컨트롤러(250)을 결합시키기 위한 결합홀(222-1)이 형성된다. 또한, 상기 고정자방열판(222)은 냉각을 위하여 일측에 복수 개로 냉각홀(222-2)이 형성되고, 테두리에는 빈 공간이 형성된다.
또한, 상기 영구자석발전기(200)는 정류용 전력반도체(230)를 포함한다.
상기 정류용 전력반도체(230)는 상기 시동발전기(200)에서 생산된 전력을 제어하는 장치로 구성된다. 상기 정류용 전력반도체(230)는 상기 고정자방열판(222)의 중심부를 기준으로 방사형으로 위치되며, 복수 개로 설치된다. 상기 정류용 전력반도체(230)는 상기 시동발전기(200)에서 생산된 전력을 변환, 처리 및 제어할 수 있는 반도체로 형성된다.
또한, 상기 영구자석발전기(200)는 회전유도체(240)를 포함한다.
상기 회전유도체(240)는 상기 고정자방열판(222)의 일측에 설치되며, 후술할 제어컨트롤러(250)의 전원공급용 전력반도체(251)를 제어하여 상기 회전자모듈(210)의 회전을 유도하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 회전유도체(240)는 상기 회전자모듈(210)의 회전 위치를 확인할 수 있는 위치센서 역할도 수행할 수 있다.
또한, 상기 영구자석발전기(200)는 제어컨트롤러(250)를 포함한다.
상기 제어컨트롤러(250)는 상기 정류용 전력반도체(230)를 제어하는 구성이다. 상기 제어컨트롤러(250)는 상기 결합홀(222-1)에 삽입으로 결합되며, 전체적으로 사각형의 형태로 형성된다. 또한, 상기 제어컨트롤러(250)는 내부에 전원공급용 전력반도체(251)를 포함하며, 상기 전원공급용 전력반도체(251)는 제어 회로카드에 연결된 상태로 스위칭하여 상기 시동발전기(200)를 모터처럼 작동되도록 할 수 있다. 즉, 상기 전원공급용 전력반도체(251)는 전류공급의 방향을 변환할 수 있다. 따라서, 상기 제어컨트롤러(250)는 상기 회전유도체(240)의 정보에 기초하여, 상기 엔진(100)이 일정 회전속도에 도달하는 경우에 전류공급을 차단시킬 수 있다. 다시 말하면, 상기 제어컨트롤러(250)는 상기 엔진(100)의 전류 공급여부를 자동으로 조절할 수 있다
또한, 상기 영구자석발전기(200)는 와이어(260)를 포함한다.
상기 와이어(260)은 상기 회전유도체(240)와 상기 제어컨트롤러(250)를 연결하는 구성이다. 보다 구체적으로, 상기 와이어(260)은 상기 회전유도체(240)의 정보를 상기 제어컨트롤러(250)로 전달하는 구성이다. 상기 와이어(260)은 전력을 송전하거나 배전할 때 사용하는 복수 개의 케이블로 형성된다.
결과적으로, 본 발명에 따른 통합 시동발전 시스템(10)은 상기 엔진(100)의 초기 시동을 위해서 전류를 상기 권선조립체(221)에 권선된 코일에 인가하여 상기 회전자모듈(210)을 회전시켜 시동모터의 역할을 수행하고, 상기 엔진(100)의 시동 후에 상기 엔진(100)이 자가회전속도에 도달하게 되면, 상기 정류용 전력반도체(230)에 의해서 전류공급을 차단, 발전기능으로 전환하도록 기능을 수행하는 시스템이다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 통합 시동발전 시스템
100 : 엔진
200 : 시동발전기
210 : 회전자모듈
211 : 영구자석
220 : 고정자모듈
221 : 권선조립체
222 : 고정자방열판
222-1 : 결합홀
222-2 : 냉각홀
230 : 정류용 전력반도체
240 : 회전유도체
250 : 제어컨트롤러
251 : 전원공급용 전력반도체
260 : 와이어

Claims (5)

  1. 차량의 동력을 발생시키는 엔진; 및
    상기 엔진의 일측에 설치되는 시동발전기;를 포함하고,
    상기 시동발전기는,
    상기 엔진을 시동시키는 시동기능과 전력을 발생시키는 발전기능을 동시에 수행 가능한 것을 특징으로 하는 통합 시동발전 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 엔진은, 디젤을 사용연료로 하되 15HP(Horse Power) 이하의 초소형 단기통으로 구비되는 것을 특징으로 하는 통합 시동발전 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 시동발전기는,
    상기 엔진과 연결된 상태로 회전하는 회전자모듈; 및
    상기 회전자모듈과 연결되는 고정자모듈;을 포함하고,
    상기 고정자모듈은,
    상기 고정자모듈의 중심부에 형성되는 결합홀;을 포함하고,
    상기 제어컨트롤러는, 상기 결합홀에 삽입으로 결합되는 것을 특징으로 하는 통합 시동발전 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 시동발전기는,
    상기 시동발전기에서 생산된 전력을 제어하는 정류용 전력반도체;
    상기 회전자모듈의 회전을 유도하는 회전유도체;
    상기 정류용 전력반도체를 제어하는 제어컨트롤러; 및
    상기 회전유도체와 상기 제어컨트롤러를 연결하는 와이어;를 포함하고,
    상기 제어컨트롤러는,
    상기 와이어로부터 전달받은 상기 회전유도체의 정보에 기초하여, 상기 정류용 전력반도체의 신호를 제어하여 상기 엔진이 일정 회전속도에 도달하는 경우에 전류공급을 차단시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 통합 시동발전 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 고정자모듈은,
    코일이 권선되는 권선조립체;를 포함하고,
    상기 시동발전기는, 상기 회전자모듈이 상기 권선조립체를 감싸고 있는 아웃로터(Outer rotor) 방식으로 작동되는 것을 특징으로 하는 통합 시동발전 시스템.
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