KR20020026372A - 엔진용 시동기 장치 - Google Patents

엔진용 시동기 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진(2)용 시동기 장치(1)에 관한 것이다. 상기 시동기 장치는 전기 시동기 모터(3), 전원 공급부(16), 시동기 모터(3)용 구동 장치(4)를 구비한다. 구동 장치는 전원 스위칭 전자 부품(6)과, 전원 스위칭 전자 부품(6)용 제어 장치(5)를 포함한다. 시동기 모터(3)의 시동 출력과 관련된 물리 변수들을 검출하기 위한 센서가 물리 변수들의 허용 가능한 한계값 내에서 시동기 모터(3)의 시동 특성 곡선을 최적으로 제어하기 위하여 제공된다.

Description

엔진용 시동기 장치 {Starter Device for an Internal Combustion Engine}
통상적인 종래의 전기 시동기 모터는 주로 영구 자석 또는 전기로 여기되는 정류자 정전류 모터이다. 전원은 엔진을 구비한 차량의 전기 장치에 의하여 그의 배터리로부터 공급된다.
시동기 모터용 구동 장치로서, 통상 차량의 점화 스위치 자물쇠와 연결되어 시동키의 작동에 의하여 절환 위치 "점화"를 넘어서 작동되는 다소 복잡한 절환 장치가 설치된다.
종래 기술에 따른 종래의 시동기 장치는 소위 시동 한계 온도에서 시동 출력에 맞춰진 설계 특성을 지닌다. 여기서, 종래의 시동기 장치는 단지 단시간 작동에 기초하여 지속적인 출력에 대하여 설계되지 않고, 이는 결과적으로 열적인 초과 부하 방지도 쓸모 없게 만든다. 이러한 설계 특성에 기초하여, 공지된 대량 생산 시동기가 비용이 최적화되었고 각각의 적용에 대하여 비교적 잘 맞는다.
알려진 것처럼, 시동기 장치는 그의 사용 조건 때문에 모순되는 요구 조건에 직면하였다. 예를 들어, 소위 "저온 시동 문제"로 불린다. 매우 낮은 주위 온도에서, 엔진이 점성 윤활제에 기초하여 그리고 높은 마찰력에 의하여 특징지어진 작 특성에 기초하여 매우 움직이기 어렵기 때문에, 시동기 모터는 높은 기계적 출력을 사용해야 한다. 이는 시동기의 높은 출력을 요구하고, 차량 배터리를 통한 전원 공급부로부터의 대응하는 에너지 소모에 의하여 실현되어야 한다. 낮은 주위 온도에서, 다시 사용되어야 하는 차량 배터리의 전기 에너지는 배터리의 손상을 방지하기 위하여 너무 높은 출력이 요구되지 않도록 상당히 감소된다.
본 발명은 전기 시동기 모터 및 전원 공급부를 구비한 엔진용 시동기 장치와 그러한 시동기 모터를 위한 구동 장치에 관한 것이다.
도1은 시동기 장치의 블럭 선도이다.
도2는 시동기 모터의 회전수에 따라 시동기 장치의 전류 또는 토크 특성 곡선을 도시하는 다이어그램이다.
예시적으로 설명된 문제점으로부터, 본 발명은 시동 시스템의 향상된 사용 수명과 함께 시동 상태, 특히 시동 출력 및 시동 정숙성을 개선하기 위하여 다양한 적용 조건에 따라 유연하게 구동되는 것이 가능한 엔진용 시동기 장치를 제공하는 것이다. 여기서, 특히 보통의 시동기 모터가 비용이 최적화된 대량 생산 유닛의 형태로 사용될 수 있어야 한다.
이러한 목적은 청구항 제1항의 특징부에 따라 구동 장치의 특징적인 설계에 의하여 해결된다. 구동 장치는 전원 스위칭 전자 부품, 전원 스위칭 전자 부품의 제어 입력부와 연결된 제어 출력부를 갖는 제어 장치, 시동기 모터의 시동 출력과 관련된 물리 변수를 검출하기 위한 제어 장치의 입력부와 관련된 센서를 포함한다. 여기서, 구동 장치는 센서에 의하여 검출된 변수에 기초하여 시동기 모터의 제어에 대한 물리 변수의 허용 가능한 한계값 내에서 시동기 모터의 제어를 위한 시동 특성 곡선을 최적화한다. 특히 시동기 출력이 최대가 된다.
시동 특성 곡선은 또한 요약하자면, 시동기 모터의 최대 회전수의 형태인 기계적 한계값, 시동기 모터의 허용 최대 온도의 형태인 열적 한계값, 시동 과정에서 시동기 모터를 통하여 흐르는 전류 및 소위 정류자 스파킹에 의해 특징지어 지는 자성 한계값, 정류를 한정하는 전기적 한계값과 같은 한계값들이 초과되지 않도록 제어될 수 있다.
본 발명의 양호한 실시예에서, 특성 곡선값이 물리 변수의 허용 가능한 한계값 내에서 각각의 시동기 타입 및 확실한 시동에 대하여 얻어져서 결정된 최적 변수로 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 물리 변수로서 엔진 및/또는 시동기 모터의 온도를 검출하기 위한 온도 센서가 제공된다. 더욱이, 이에 추가로 또는 그 대신에 시동 과정에서 시동기 모터를 통하여 흐르는 전류를 검출하기 위한 전류 측정 장치, 시동 과정에서 시동기 모터의 토크를 측정하기 위한 토크 센서, 및/또는 시동 과정에서 시동기 모터의 회전수를 측정하기 위한 회전수 센서가 제공될 수 있다. 따라서, 예를 들어 특성 곡선값이 시동기 온도에 따라 출력에 대하여 조절되고 엔진의 온도에 따라 적용될 수 있다.
다른 양호한 실시예에 따르면, 시동 특성 곡선은 다양한 회전수 영역에 따라서 다양하게 제어될 수 있다. 따라서, 낮은 회전수 영역 내에서 시동 특성 곡선은 시동 전류/토크 한계로서 시동기 모터 자석의 허용 가능한 자기소거 한계에 따라서 제어될 수 있다. 중간 회전수 영역 내에서, 시동 특성 곡선은 다시 시동 전류/토크 한계로서 시동기 온도 및/또는 엔진 온도의 허용 가능한 정류자 스파킹에 의한 마모값에 따라서 제어될 수 있다. 높은 회전수 영역 내에서, 시동 특성 곡선은 시동기 모터의 허용 가능한 원심력에 의한 기계적 한계값에 따라 제어될 수 있다.
모든 제어 과정에 있어서, 양호하게는 시동 추이가 제어 장치에 의하여 검출되어 특성 곡선값이 특히 다음의 시동 추이를 개선하는 관점에서 변경된다. 이는 시동 실패와 관련하여, 재시동이 새로운 특성 곡선값에 의하여 개시되도록 특성 곡선값이 시동 개선의 관점에서 변경되는 것을 의미한다.
요약하자면, 본 발명은 그의 양호한 실시예에서 종래 기술에 따른 시동기 장치에 대하여 다음과 같은 장점을 갖는다.
- 출력 상승이 적어도 두 배로 달성될 수 있다.
- 특히, 중간 회전수 영역 내에서의 상온 시동 출력의 상승은 개선된 고속 시동, 단축된 시동 시간, 엔진의 개선된 시동 거동으로 이어진다.
- 시동 특성 곡선은 얻어진 시동 최적화 변수에 대하여 적용될 수 있다.
- 저온 시동 온도에서 시동 에너지가 배터리 절약을 위하여 감소될 수 있다.
- 시동 전류의 갑작스런 상승과 시동 출력의 갑작스런 상승이 방지된다.
- 시동기 장치가 통합되어, 열적, 기계적, 자기적 과부하 방지 장치로 사용된다. 여러 차량 및 엔진을 위한 여러 시동기 구조의 개수가 고정된 하드웨어 구조에서 구동 장치 변수를 각각의 차량 데이터에 대해 적용함으로써 감소될 수 있다.
- 시동기 장치는 통상 적어도 종래의 시스템과 비교하여 동일하게 유지되는 시동 출력에서 그의 크기가 작아질 수 있다.
본 발명의 다른 특징, 특성 및 장점은 본 발명의 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명되는 이하의 설명에서 알 수 있다.
도1에서 전체적으로 도면부호 1로 표시되어 있는 시동기 모터는 예를 들어 스파크 점화식 엔진과 같은 엔진의 시동을 위해 사용된다. 시동기 장치(1)의 중요 부분은 한편으로는 소위 정류자 정전류 모터의 형태인 대량 생산 유닛일 수 있는 전기 시동기 모터(3)이다. 더욱이, 전체적으로 도면부호 4로 표시된 시동기 모터(3)를 위한 구동 장치는 제어 장치(5)와 전원 스위칭 전자 부품(6)을 포함한다. 이는 시동기 모터(3)를 통상의 방식으로 주기적으로 제어하는 MOS-FET 전력 반도체(7)를 포함한다. 전원 스위칭 전자 부품(6)의 제어는 전원 스위칭 전자 부품(6)의 대응하는 제어 입력부(9)와 연결된 제어 장치(5)의 제어 출력부(8)에 의하여 수행된다.
다양한 센서(11, 12, 13, 15, 20)들이 제어 장치(1)의 다양한 입력부(10.1 내지 10.5)와 연결되어 있고, 이들은 시동기 모터(3)의 시동 출력에 대하여 관련된 물리 변수들을 검출하기 위하여 사용된다. 따라서, 엔진(2)의 구동 온도에 대하여 나타나는 전기적 신호(δVM)를 제공하는 온도 센서(11)가 엔진(2)에 배치되어 있다.유사하게, 시동기 모터(3)의 온도를 나타내는 전기적 신호(δST)를 제어 장치(5)에 제공하는 온도 센서(2)가 시동기 모터(3) 상에 제공된다.
시동기 모터(3)의 제어 시에 전원 스위칭 전자 부품(6)에 의하여 시동기 모터(3)를 통해 흐르는 전류를 검출하기 위하여, 전류 측정 장치(13)가 시동기 모터(3)로의 라인 내에서 전류 지선(14) 내에서 연결된다. 이는 흐르는 전류(I)에 대하여 나타나는 전기적 신호(IST)를 생성한다.
마지막으로, 시동기 모터(3) 상에 토크 센서(15)가 배치되고, 이는 시동 과정에서 시동기 모터(3)로부터 발생하는 토크를 검출하고 대응하는 신호(MST)를 제어 장치(5)의 입력부(10.4) 상으로 제공한다.
더욱이, 시동기 모터(3)는 회전수 센서(20)를 구비하고, 이는 회전수(nKW)에 대하여 나타나는 신호를 제어 장치(5)의 입력부(10.5)로 제공한다. 도2에 따라서 설명될 것처럼, 시동기 모터(3)의 특성 곡선은 시동기 모터 회전수(nKW)에 따라서 특성값으로서 대응하여 제어된다.
시동기 모터(3)의 전원 공급은 차량의 배터리(16)에 의하여 수행되고, 시동기 모터 코일(17, 18)로부터의 라인 접속부 및 전류 측정 장치(13)에 평행하게 복원 다이오드(19)가 접속된다.
이러한 맥락에서, 도2는 시동 과정 중에 시동기 모터(3)를 통하여 흐르는 전류(I) 또는 회전수(nKW)에 따라 발생하는 토크의 함수의 다이어그램을 도시한다.다이어그램은 다양한 한계를 제공한다. 따라서, 자기소거 한계(E)가 점선으로 표시되어 있다. 시동기 모터 제어의 최적화와 적용되는 특성 곡선의 관점에서, 양호하게는 자기소거 한계(E)는 예를 들어 성능이 좋은 자석이 사용됨으로써 통상의 대량 생산 시동기의 출력 상승이 가능해지게 한다. 오늘날 통상의 시동기에 있어서 흐르는 최대 전류, 단락 전류는 본 발명에서는 시동기 모터의 대응하는 제어에 의하여 결정된 한계 전류에 의하여 방지된다. 따라서, 자기소거가 한계 전류에 의하여 결정되고, 이는 각각의 시동기에 대하여 최적으로 적용될 수 있다.
또한, 시동기는 출력을 상승시키기 위하여 더 높은 전압으로 손상을 가하지 않고서 구동될 수 있고, 이는 한계 전류를 적절하게 조절함으로써 모든 관련 한계값들 그리고 특히 자기소거 한계(E)가 지켜질 수 있기 때문이다. 이는 도2에 도시된 토크 특성 곡선에 의하여 12V의 차량 전압에서의 구동을 위한 MKL1 또는 12V보다 큰 차량 전압에서의 구동을 위한 MKL2가 도시되어 있다. 모든 경우에서, 한계 전류는 토크가 작동 시점에서 보장되도록 선택되어야 한다. 이러한 값은 통상 단락 전류값보다 두배로 낮다.
도2에 따른 다이어그램에서 소위 정류 한계(K)가 이점 쇄선으로 도시되어 있고, 이는 정류자의 최대 허용 정류자 스파킹에 의하여 결정된다. 정류자 스파킹은 다시 정류자 사용 수명을 결정한다. 여기서 또한, 시동기에 따라서 그리고 주변 변수에 관계없이 제어 장치(5)에 의하여 최대 곡선이 제어될 수 있다.
마지막 관련 한계로서, 예를 들어 600min-1의 시동기 모터(3)의 회전수(nKW)인 기계적 한계(M)가 점선으로 도시되어 있다. 이러한 회전수 상한은 대체로 시동기 모터(3)의 정류자 및 로터 접촉자 헤드의 영역 내의 원심력에 의하여 결정된다. 여기서 또한, 최대값은 제어에 의하여 시동기 모터(3) 또는 엔진(2)의 각각의 온도에서도 사용되지만, 종래의 시동기 제어에서는 예를 들어 영하 온도에서의 허용 가능한 시동 출력은 시동기가 구동되어 따뜻해지면 원심력에 의하여 엄격하게 제한된다.
제어 장치(5)에 의하여 제어되는 대표적인 목표 특성 곡선(S)은 도2에 따른 다이어그램에서 굵은 실선으로 도시되어 있다. 이로부터, 낮은 회전수 영역에서 시동 특성 곡선은 시동 전류/토크 한계로서 시동 전류의 허용 가능한 자기소거 한계(E)에 따라 제어되는 것을 의미한다. 시동 전류(I)는 대략 1000A의 자기소거 한계의 절반으로 제한된다. 이에 대해 나타나는 목표 특성 곡선(S)의 지선은 도면부호 I로 표시되어 있다.
중간 회전수 영역 내에서 목표 특성 곡선의 지선(II)이 이어지고, 이는 정류 한계(K)에 따라서 그리고 허용 가능한 정류자 스파킹에 의한 마모값을 고려하여 제어된다. 여기서 또한, 시동기 모터(3) 및 엔진(2)의 온도가 예를 들어 시동기 모터(3)를 위한 열적 과부하 방지를 실현하기 위하여 고려될 수 있다.
마지막으로, 높은 회전수 영역 내에서 목표 특성 곡선(S)은 기계적인 한계(M)에 대하여 정해진 안전 계수가 유지되도록 제어된다 (목표 특성 곡선(S)의 지선(III) 참조).
그러한 목표 특성 곡선(S)에 의하여 시동 과정이 수행되면, 시동기 모터(3)또는 엔진(2)의 시동 거동이 모터 제어 전자 부품에 의하여 검출되고, 임의의 문제에 있어서 특성 곡선값 및 특성 곡선 제어의 변경이 다음의 시동 과정에서 개선을 달성하기 위하여 실행된다. 따라서 특히 시동 실패에 있어서, 재시동이 개선된 변수를 가지고 시도될 수 있다.

Claims (11)

  1. 전기 시동기 모터(3)와, 시동기 모터(3)용 전원 공급부(16)와, 시동기 모터(3)용 구동 장치(4)를 구비한 엔진용 시동기 장치에 있어서,
    구동 장치(4)는
    - 전원 스위칭 전자 부품(6)과,
    - 전원 스위칭 전자 부품(6)의 제어 입력부(9)와 연결되는 제어 출력부(8)를 갖는 제어 장치(5)와,
    - 제어 장치(5)의 입력부(10)들과 연결되어 시동기 모터(3)의 시동 출력에 대하여 관련된 물리 변수들을 검출하기 위한 센서(11, 12, 13, 15, 20)들을 포함하고,
    제어 장치(5)는 센서(11, 12, 13, 15, 20)에 의하여 검출된 변수에 기초하여 시동기 모터(3)의 제어를 위한 시동 특성 곡선(5)을 물리 변수의 허용 가능한 한계값(E, M, K) 내에서 최적화하고, 특히 최대화하는 것을 특징으로 하는 시동기 장치.
  2. 제1항에 있어서, 시동 특성 곡선(3)은 특성 곡선값이 물리 변수의 허용 가능한 한계(E, M, K) 내에서 결정된 값으로 조정될 수 있도록 적용될 수 있는 것을 특징으로 하는 시동기 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 물리 변수로서 엔진(2)의 온도를 검출하기 위한 제1 온도 센서(11)가 제공되는 것을 특징으로 하는 시동기 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 물리 변수로서 시동기 모터(3)의 온도를 검출하기 위한 제2 온도 센서(12)가 제공되는 것을 특징으로 하는 시동기 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전류 측정 장치(13)가 물리 변수로서 시동 과정에서 시동기 모터(3)를 통하여 흐르는 전류를 검출하기 위한 센서로서 제공되는 것을 특징으로 하는 시동기 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 물리 변수로서 시동 과정에서 시동기 모터(3)의 토크(M)를 검출하기 위한 토크 센서(15)가 제공되는 것을 특징으로 하는 시동기 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 물리 변수로서 시동 과정에서 시동기 모터(3)의 회전수(nKW)를 검출하기 위한 회전수 센서(20)가 제공되는 것을 특징으로 하는 시동기 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 시동 특성 곡선(5)은 낮은 회전수 영역 내에서 시동 전류/토크 한계로서 시동기 모터 자석의 허용 가능한 자기소거 한계(E)에 따라 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 시동기 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 시동 특성 곡선(5)은 중간 회전수 영역 내에서 시동 전류/토크 한계로서 시동기 온도 및/또는 엔진(2) 온도의 허용 가능한 정류자 스파킹에 의한 마모값에 따라 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 시동기 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 시동 특성 곡선(5)은 높은 회전수 영역 내에서 시동 전류/토크 한계로서 시동기 모터(3)의 허용 가능한 원심력에 의한 기계적 한계(M)에 따라 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 시동기 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 시동 추이가 제어 장치(5)에 의하여 검출될 수 있고 특성 곡선값이 특히 다음의 시동 추이를 개선하는 관점에서 변경될 수 있는 것을 특징으로 하는 시동기 장치.
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