KR20120013871A - 크랭크 웨브에 장착되는 선형으로 조각난 시동기 및 발전기 장치 - Google Patents

크랭크 웨브에 장착되는 선형으로 조각난 시동기 및 발전기 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 왕복 엔진을 시동시키거나 엔진을 이용하여 전기적 에너지를 생성하는 시동기/발전기에 관한 것이다. 상기 시동기/발전기는 자속 필드를 형성하며, 각각이 왕복 엔진의 크랭크샤프트의 일면에 부착되어 크랭크샤프트의 회전에 대응하여 기설정된 궤도에서 움직이도록 된 복수개의 자석 요소들; 왕복 엔진 내에 배치되어 상기 자석 요소가 기설정된 궤도에서 움직일 때 해당 자석 요소에 대하여 상대적으로 고정된 상태를 유지하는 복수개의 고정자 요소들; 그리고 각 고정자 요소의 기능을 제어하도록 된 제어 회로;를 포함한다. 하나의 작동 모드에서 고정자 요소에 의한 자석 요소의 움직임이 각 고정자 요소에 전기적 에너지를 생성하도록 고정자 요소가 제어되고, 다른 작동 모드에서 각 고정자 요소/자석 요소의 조합이 시동기/발전기를 모터로서 작동시키도록 제어된다.

Description

크랭크 웨브에 장착되는 선형으로 조각난 시동기 및 발전기 장치{CRANK-WEB MOUNTED LINEARLY SEGMENTED STARTER GENERATOR SYSTEM}
본 발명은 시동 또는 내연기관과 같은 왕복 엔진과 관련된 모터와 왕복 엔진의 작동으로부터 전력을 생산하는 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내연 기관을 위한 통합된 시동기, 모터, 발전기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 크랭크에 장착되는 시동기/모터/발전기에 관한 것이다.
내연 기관은 스스로 시동을 걸 수 없으므로 엔진을 시동하고 계속 작동하도록 하기 위하여 보조장치가 제공된다. 다수의 내연 기관은 다른 보조 장치(예를 들어, 라이트, 컴퓨터, 라디오, 시계, 네비게이션 장치 등)를 구동하는 것뿐만 아니라 계속 작동하도록 에너지를 제공받아야 하므로(예를 들어, 점화 스파크의 생성), 엔진에는 그러한 에너지를 생성하기 위한 장치들(예를 들어, 발전기, 교류발전기)이 구비된다. 도 1A에 도시된 바와 같이, 수년 동안 시동기/발전기 시스템은 엔진을 시동시키기 위한 시동 모터와 전기 장치를 구동하고 배터리를 충전하기 위하여 전기 에너지를 생성하는 교류발전기/발전기가 분리되어 있었다.
시동 모터는 기어들에 의하여 플라이 휠에 기계적으로 결합되어 있다. 그러므로, 엔진이 시동되어야 할 때(예를 들어, 시동 키를 "start"위치에 돌리는 것에 의하여) 배터리는 시동 모터에 연결되어야 한다. 시동 모터의 회전은 플라이 휠, 결국에는 크랭크샤프트를 회전하게 하고, 그것에 의하여 엔진이 연소 과정을 시작할 수 있는 조건을 생성한다. 시동 과정에서, 기어 박스로부터 플라이 휠을 해제시키기 위하여 클러치 역시 작동하며, 이에 따라 시동 모터에 의하여 제공되는 회전 에너지가 기어 박스 하류에 있는 파워트레인의 일부분에 전달되지 않는다.
교류발전기는 빙 돌아가는 벨트에 의하여 크랭크샤프트에 작동적으로 결합되어 있다. 엔진이 구동 중이면, 크랭크샤프트의 회전 운동은 벨트가 빙 돌아가는 경로에서 움직이도록 한다. 이러한 벨트의 연속적이고 빙 돌아가는 운동은 결국 교류발전기를 작동하게 하고 전기적 에너지를 생성하게 한다. 전형적으로, 정류 회로 및 조절 회로가 구비되어 교류발전기의 출력이 직류 전압이 되고 전압 출력이 원하는 직류 전압 범위에 있도록 한다.
최근에는, 도 1B에 예를 들어 도시된 바와 같이, 시동기-발전기를 통합하려는 노력이 착수되었다. 이러한 시스템에서, 시동기 모터와 발전기(시동기/교류발전기)를 위하여 하나의 장치가 제공된다. 이러한 시동기/교류발전기는 도 1A에 나타난 연결 관계와 매우 유사하게 빙 돌아가는 벨트를 사용하여 크랭크샤프트와 기계적으로 결합되어 있다.
엔진이 시동되어야 할 때, 시동기/교류발전기는 모터와 같은 기능을 하도록 되어 있다. 다시 말하면, 배터리가 전기적으로 상기 시동기/교류발전기에 결합되어 시동기/교류발전기는 모터로서 회전한다. 그러한 회전은 결국 벨트의 운동을 통하여 크랭크샤프트에 전달되고, 이에 따라 엔진 시동에 필요한 조건이 생성된다. 앞에서 언급한 것과 같이, 클러치 또한 작동하여 플라이 휠을 기어 박스로부터 해제시킨다. 엔진이 시동된 후, 시동기/교류발전기는 교류발전기로 작동하도록 변경된다. 오랜 기간 동안 벨트의 늘어남과 기능 저하의 이유로, 이러한 시스템은 시동기 모터가 플라이 휠에 기계적으로 결합된 시스템과 비교할 때 시동을 위하여 덜 효율적이거나 신뢰성이 가지 않는다.
도 1C를 참조하면, 시동기/교류발전기가 플라이 휠 그리고 이에 따라 엔진의크랭크샤프트에 클러치를 통하여 기계적으로 결합되는 다른 형태의 ISG가 도시되어 있다. 앞에서 언급한 바와 같이, 새로운 클러치는 파워 트레인의 다른 부분들(예를 들어, 기어 박스, 바퀴 등)을 시동기/교류발전기로부터 떼어 놓기 위하여 시동기/교류발전기와 기어 박스 사이에 구비되어 있다.
엔진이 시동될 때, 시동기/교류발전기는 모터와 같은 역할을 하도록 되어 있다. 즉, 배터리가 시동기/교류발전기에 전기적으로 결합되어 시동기/교류발전기와 플라이 휠이 회전하도록 한다. 이러한 플라이 휠의 회전은 크랭크샤프트를 회전하게 하고, 그것에 의하여 엔진 시동에 필요한 조건이 생성된다. 엔진이 시동된 후, 시동기/교류발전기는 교류발전기로 작동하도록 된다. 이러한 ISG는 또한 하이브리드 엔진을 생성하도록 하는데, 시동기/발전기가 파워 트레인에 추가적인 동력을 제공하도록 사용될 수 있다.
시동기/교류발전기와 추가적인 클러치가 플라이 휠과 기어 박스 사이에 구비되므로, 이것은 실제적으로 엔진의 길이를 증가시키게 된다. 이러한 길이의 증가는 차량의 레이아웃과 디자인에 영향을 끼쳐 전체 길이가 증가하도록 한다. 이러한 문제는 특히 엔진들이 가로로 장착되는 전륜 구동 차에서 중요성을 가지게 된다.
미국 공개특허 2009/0091137에는 발전기가 엔진의 외부에서 엔진의 크랭크케이스에 결합 또는 장착되어 있는 발전기가 구비된 엔진이 개시되어 있다. 상기 발전기는 모터의 회전자(rotor)로 작동하는 플라이 휠과 크랭크케이스에 대하여 고정되어 있는 고정자(stator)를 포함한다. 발전기의 플라이 휠은 크랭크샤프트에 작동적으로 결합되어 크랭크샤프트의 움직임이 발전기의 플라이 휠을 회전하게 한다.
미국 공개특허 2004/0084978에는 마그네토-발전기와 그 제조 방법이 기재되어 있다. 이러한 마그네토-발전기는 사발 형상의 플라이 휠과, 상기 플라이 휠의 내주면에 장착된 복수개의 자석과, 상기 자석들을 플라이 휠에 고정함으로써 일체화되도록 하기 위하여 각 자석의 주변에 충진된 수지와, 상기 자석의 반대편에서 상기 사발 형상의 플라이 휠 내에 배치되어 상기 자석과의 협력을 통하여 야기되는 전자기 유도 하에서 전기적 동력을 생산하는 발전기 코일을 포함한다. 사용시, 중앙에 위치한 플라이 휠의 허브 또는 보스는 회전자 또는 회전 가능한 샤프트(예를 들어, 내연기관의 크랭크샤프트)에 작동적으로 결합한다. 이러한 방식으로, 회전자/샤프트의 회전은 플라이 휠을 회전하게 하고, 그것에 의하여 종래의 모터/발전기 세트와 동일한 방식으로 전기적 동력을 생산한다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 내연기관과 같은 왕복 엔진을 위한 새로운 시동기/모터/발전기와 그에 관련된 방법들을 제공하는 것이다. 특히, 크랭크 웨브에 장착되고 선형적으로 조각난 시동기/모터/발전기를 제공하는 것이다. 더 나아가, 왕복 엔진이 같이 작동하고 있는 중에 토크 충전을 제공할 수 있는 시동기/모터/발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 실시예는 시동기/발전기 또는 왕복 엔진을 시동시키고 및/또는 그 엔진을 사용하여 전기적 에너지를 생성할 수 있는 장치를 특징으로 한다. 상기 시동기/발전기는 자속을 형성하는 복수개의 자석 요소들을 포함하는데, 각 자석 요소는 크랭크샤프트의 일면에 부착되어 크랭크샤프트가 회전함에 따라 각 요소가 기설정된 궤도에서 움직이도록 되어 있다. 또한, 상기 시동기/발전기는 엔진 내에 배치되어 대응하는 자석 요소가 기설정된 궤적에서 움직일 때 상기 대응하는 자석 요소에 대하여 상대적으로 고정된 상태를 유지하는 복수개의 고정자 요소들과, 각 고정자 요소의 기능을 제어하도록 된 제어 회로를 포함한다. 하나의 모드에서, 고정자 요소는 그에 의한 자석 요소의 움직임이 각 고정자 요소에 전기적 에너지가 생성되도록 제어되고, 다른 모드에서는 고정자 요소는 각 고정자 요소/자석 요소의 조합이 모터/발전기를 모터로서 작동하도록 제어된다. 본 명세서에 기재되는 본 발명의 다른 양상은 이러한 시동기 모터와 그에 관련된 방법들을 포함하는 왕복 엔진을 특징으로 한다.
특히, 왕복 엔진을 시동시키고 및/또는 그 엔진을 사용하여 전기적 에너지를 생성하는 왕복 엔진용 시동기/발전기를 특징으로 한다. 이러한 시동기/발전기는 자속 필드를 생성하는 복수개의 자석 요소들을 포함한다. 각 자석 요소는 왕복 엔진을 위한 크랭크샤프트의 일면에 부착되어 크랭크샤프트의 회전에 대응하여 기설정된 궤적에서 움직이도록 되어 있다. 특히, 크랭크샤프트의 상기 일면은 크랭크샤프트의 균형추의 면이다.
또한, 왕복 엔진 내에 배치된 복수개의 고정자 요소들을 포함하는데, 상기 고정자 요소들은 자석 요소가 기설정된 궤적에서 움직일 때 대응하는 자석 요소에 대하여 상대적으로 고정된 상태를 유지하도록 되어 있다. 이러한 시동기/발전기는 각 고정자 요소의 기능을 제어하도록 된 제어 회로를 포함하는데, 하나의 모드에서 대응하는 고정자 요소는 그에 의한 대응하는 자석 요소의 움직임이 각 고정자 요소에 전기적 에너지를 생성하도록 제어되고, 다른 모드에서 각 고정자 요소/자석 요소의 조합이 시동기/발전기를 모터로서 작동하도록 제어된다.
실시예에서, 복수개의 자석 요소는 크랭크샤프트의 구조물에 고정되어 상기 크랭크샤프트의 회전에 대응하여 상기 자석 요소가 기설정된 궤적에서 회전하도록 되어 있다. 실시예에서, 상기 자석 요소들은 영구 자석들이다.
실시예에서, 복수개의 고정자 요소들 각각은 엔진 내에 배치되어 대응하는 자석 요소가 대응하는 고정자 요소의 일면을 지나서 회전하도록 되어 있다. 실시예에서, 각 고정자 요소는 복수개의 아이언 코어들과 복수개의 코일들을 포함하는데, 각 코일은 각 아이언 코어를 감싸고, 제어 회로는 각 코일에 작동적으로 결합되어 있다.
실시예에서, 각 고정자 요소는 그로부터 열 에너지를 빼내기 위한 냉각 메커니즘을 포함한다. 특히, 냉각 메커니즘은 아이언 코어와 열적으로 결합된 채널 또는 갤러리와, 상기 채널을 통하여 흐르는 냉각 매체이다.
본 발명의 다른 양상은 크랭크샤프트의 중심축 주위를 기설정된 궤도에서 회전하는 구조물을 가지는 크랭크샤프트와, 상기 크랭크샤프트와 작동적으로 결합하여 제1모드에서 시동기/발전기가 크랭크샤프트를 회전하게 하고 제2모드에서 크랭크샤프트의 회전이 시동기/발전기가 전기적 에너지를 출력하도록 된 시동기/발전기를 포함하는 왕복 엔진을 특징으로 한다. 이러한 시동기/발전기는 복수개의 자석 요소와, 복수개의 고정자 요소와, 제어 회로를 포함한다.
복수개의 자석 요소 각각은 자속 필드를 형성한다. 복수개의 자석 요소 각각은 크랭크샤프트의 구조물의 일면에 부착되어 크랭크샤프트의 회전에 대응하여 기설정된 궤도를 움직이도록 되어 있다. 복수개의 고정자 요소들은 왕복 엔진 내에서 자석 요소들이 기설정된 궤도를 움직일 때 해당하는 자속 요소에 대하여 상대적으로 고정된 상태를 유지하도록 되어 있다. 제어 회로는 각 고정자 요소의 기능을 제어하여 하나의 작동 모드에서 각 고정자 요소/자석 요소의 조합이 시동기/발전기가 크랭크샤프트를 회전시키는 모터로서 역할하도록 되어 있으며, 제2작동 모드에서 해당 고정자 요소가 그에 의한 해당 자석 요소의 이동이 시동기/발전기에 의한 전기 에너지를 생성하도록 제어 된다.
실시예에서, 복수개의 자석 요소는 영구 자석이고 상기 자석 요소가 고정된 크랭크샤프트의 구조물은 크랭크샤프트의 균형추이다. 더욱 자세하게는, 자석 요소는 각 크랭크샤프트의 균형추에 당업자에게 알려지고 의도된 목적을 위해 적절한 다수의 기술 중 어느 것을 사용하여 부착된다. 실시예에서, 영구 자석은 희토류 원소의 합금으로부터 만들어지는 희토류 자석이다.
실시예에서, 복수개의 고정자 요소들 각각은 왕복 엔진 내에서 고정적으로 배치되어 해당 자석 요소는 해당 고정자 요소의 일면을 지나서 회전하도록 되어 있다. 실시예에서, 각 고정자 요소는 복수개의 아이언 코어들과 복수개의 코일들을 포함하는데, 각 코일은 각 아이언 코어를 감싸고, 제어 회로는 각 코일에 작동적으로 결합되어 있다. 실시예에서, 각 해당 자석 요소를 위하여 하나의 고정자 요소가 있을 수 있으며, 더 나아가 각 해당 자석 요소를 위하여 두 개의 고정자 요소들 또는 한 쌍의 고정자 요소들이 있을 수 있다.
실시예에서는, 왕복 엔진은 여덟 개의 크랭크샤프트 균형추를 가지는 네 개의 실린더를 가진 엔진일 수 있다. 따라서, 시동기/발전기는 각각이 균형추에 고정된 여덟 개의 자석 요소와 여덟 개의 고정자 요소를 포함하며, 한 쌍의 균형추/자석 요소들을 위한 한 쌍의 고정자 요소들을 포함한다. 실시예에서, 제어 회로는 한 쌍의 고정자 요소 및 해당 자성 요소들 각각이 별개로 제어되도록 되어 있다.
실시예에서, 각 고정자 요소는 그로부터 열 에너지를 뽑아 내기 위한 냉각 메커니즘을 포함한다. 특히, 냉각 메커니즘은 각 아이언 코어와 열적으로 결합된 채널과, 그 채널을 통해서 흐르는 냉각 매체일 수 있다.
본 발명의 다른 양상에서 왕복 엔진의 시동 및/또는 상기 왕복 엔진을 사용하여 전기적 동력의 생성을 제어하기 위한 방법에 특징이 있다.
실시예에서, 크랭크샤프트의 중심선을 중심으로 기설정된 궤도를 회전하는 구조물을 포함하는 크랭크샤프트를 가지는 왕복 엔진의 시동을 제어하는 방법에 특징이 있다. 상기 방법은 상기 크랭크샤프트와 작동적으로 결합된 시동기/발전기를 제공하는 것을 포함하는데, 상기 시동기/발전기는 자속 필드를 형성하는 복수개의 자석 요소들과 복수개의 고정자 요소들을 포함한다. 복수개의 자석 요소들 각각은 크랭크샤프트의 구조물에 부착되어 크랭크샤프트의 회전에 대응하여 기설정된 궤도을 움직이도록 되어 있으며, 고정자 요소들은 왕복 엔진 내에 배치되어 자석 요소들이 기설정된 궤도를 움직일 때 해당 자석 요소에 대하여 상대적으로 고정된 상태를 유지하도록 되어 있다. 상기 방법은 고정자 요소 각각의 기능을 제어하는 것을 더 포함하는데, 각 고정자 요소/자석 요소의 조합은 모터/발전기가 크랭크샤프트를 회전시키는 시동 모터로서 작동되도록 되어 있어, 그것에 의하여 왕복 엔진 내에서 엔진 시동 조건들이 성립되도록 되어 있다.
다른 실시예에서, 크랭크샤프트의 중심선을 중심으로 기설정된 궤도를 회전하는 구조물을 포함하는 크랭크샤프트를 가지는 왕복 엔진으로부터 전기적 동력을 생성하는 방법에 특징이 있다. 이러한 방법은 크랭크샤프트와 작동적으로 결합된 시동기/발전기를 제공하는 것을 포함하는데, 상기 시동기/발전기는 자속 필드를 형성하는 복수개의 자석 요소들과 복수개의 고정자 요소들을 포함한다. 복수개의 자석 요소들 각각은 크랭크샤프트의 구조물에 부착되어 크랭크샤프트의 회전에 대응하여 기설정된 궤도를 움직이도록 되어 있으며, 고정자 요소들은 왕복 엔진 내에 배치되어 자석 요소들이 기설정된 궤도를 움직일 때 해당 자석 요소에 대하여 상대적으로 고정된 상태를 유지하도록 되어 있다. 이러한 방법은 고정자 요소 각각의 기능을 제어하는 것을 더 포함하는데, 해당 고정자 요소에 의한 해당 자석 요소의 이동이 각 고정자 요소 또는 시동기/발전기에 전기적 에너지가 생성되도록 되어 있다.
다른 실시예에서, 왕복 엔진의 시동을 제어하거나 왕복 엔진을 사용하여 전기적 동력의 생성을 제어하는 것 중 하나를 위한 방법에 특징이 있다. 상기 왕복 엔진은 크랭크샤프트의 중심선을 중심으로 기설정된 궤도를 회전하는 구조물을 포함하는 크랭크샤프트를 가지고 있다. 이러한 방법은 크랭크샤프트에 작동적으로 결합된 시동기/발전기를 제공하는 것을 포함하는데, 시동기/발전기는 자속 필드를 형성하는 복수개의 자석 요소들과 복수개의 고정자 요소들을 포함한다. 복수개의 자석 요소들 각각은 크랭크샤프트 구조물의 일면에 부착되어 크랭크샤프트의 회전에 대응하여 기설정된 궤도를 움직이도록 되어 있고, 고정자 요소들은 왕복 엔진 내에 배치되어 자석 요소가 기설정된 궤도를 움직일 때 해당 자석 요소에 대하여 상대적으로 고정된 상태를 유지하도록 되어 있다. 이러한 방법은 각 고정자 요소의 기능을 제어하는 것을 더 포함하는데, 하나의 작동 모드에서 시동기/발전기는 엔진이 시동되도록 크랭크샤프트를 회전시키게 되어 있으며, 제2작동 모드에서 크랭크샤프트의 회전이 시동기/발전기가 전기적 에너지를 출력하도록 되어 있다.
실시예에서, 상기 하나의 작동 모드에서 상기 제어는 각 고정자 요소의 기능을 제어하는 것을 포함하여, 각 고정자 요소/자석 요소의 조합이 모터/발전기가 크랭크샤프트를 회전시키는 시동 모터로서 작동하도록 제어되며, 그것에 의하여 왕복 엔진 내에서 엔진 시동 조건들이 성립되도록 제어된다. 또한, 상기 제2작동 모드에서 상기 제어는 각 고정자 요소의 기능을 제어하는 것을 포함하며, 해당 고정자 요소에 의한 해당 자석 요소의 이동이 각 고정자 요소에 전기 에너지가 생성되도록 해당 고정자 요소가 제어된다.
본 발명의 다른 양상들과 실시예들은 아래에서 논의한다.
본 발명의 본질과 목적을 잘 이해할 수 있도록, 아래에 기재된 도면들과 연계하여 발명의 상세한 설명에도 도면부호는 사용된다. 유사한 도면 부호는 전체 도면에서 해당 부분을 표시한다.
도 1A-C는 종래의 다양한 시동기/발전기 시스템을 보인다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 시동기/발전기 시스템을 가지는 왕복 엔진의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 시동기/발전기의 기능을 제어하는 제어 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시동기/발전기를 가지는 엔진의 크랭크샤프트와 커넥팅 로드들의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 시동기/발전기를 가지는 엔진의 크랭크샤프트와 커넥팅 로드에서 자극을 예시적으로 도시한 다른 사시도이다.
도 6은 다른 개수의 균형추를 가지는 다른 엔진의 크랭크샤프트와 커넥팅 로드를 도시한 사시도이다.
도 7은 규격 단위의 극 구동 유닛을 가지는 균형추와 고정자 요소의 조합의 하나의 극의 사시도이다.
도 8은 고정자 요소를 위한 고정자의 사시도이다.
도 9는 도 8의 고정자에 코일이 감긴 것을 도시한 사시도이다.
도 10은 냉각 갤러리를 보이기 위하여 부분적으로 절단한 고정자 요소의 사시도이다.
도 11은 냉각 갤러리와 냉각 입구 및 출구를 보이기 위하여 부분적으로 절단한 고정자 요소의 다른 사시도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 시동기/발전기를 모터로서 사용하여 낮은 회전수에서 토크 충진을 하는 것을 도시한 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 아래와 같은 정의를 참조하여 매우 명확히 이해될 것이다.
명세서 및 특허청구범위에서, 단수 형태로 사용된 것은 문맥에서 명백히 다르게 적혀있지 않는 한 복수 형태를 포함한다.
명세서에서 "포함"이라는 단어는 화합물, 방법, 장치, 그리고 시스템이 언급된 요소를 포함하는 것을 의미할 뿐 다른 요소를 배제하는 것을 의미하지는 않는다. "필수적으로 포함"이라는 단어를 화합물, 장치, 그리고 시스템에 사용하는 것은 다른 필수 구성을 배제하기 위함이다. 이러한 용어에 의하여 정의되는 실시예들은 본 발명의 범위를 규정짓게 된다.
"USP"는 미국 특허 번호, 즉 미국 특허 상표청에 의하여 등록된 미국 특허를 의미한다.
"US Pub. No."는 미국 특허 출원 공개 번호, 즉 미국 특허 상표청에 의하여 공개된 미국 특허 출원을 의미한다.
동일한 도면 부호는 동일한 부분을 나타내는 다양한 도면들을 참조하면, 도 2에는 본 발명의 실시예에 따른 시동기/발전기 시스템(200)을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 왕복 엔진(100)이 도시되어 있다. 이러한 왕복 엔진(100)은 크랭크샤프트(110), 실린더 블록의 실린더에 이동 가능하게 수용된 피스톤(140), 그리고 크랭크샤프트에 작동적으로 결합되어 엔진에 의하여 생성된 동력(마력, 토크)을 파워트레인(예를 들어, 자동차/트럭의 바퀴, 기어박스 등등)에 제공하는 플라이 휠(130)을 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 시동기/발전기(200)는 극을 가진 자석들이 회전자(예를 들어, 그 표면에)에 장착된 브러쉬가 없는 DC 장치의 개념을 구체화한다. 본 발명의 실시예에 따른 시동기/발전기(200)는 이러한 DC 장치의 회전자와 고정자를 조각들로 나누고 각 조각들을 공통축, 즉 크랭크샤프트의 장축을 따라 선형적으로 배치한다. 특히, 자석 요소들 또는 영구 자석을 크랭크샤프트에 장착 또는 고정하고 상기 크랭크샤프트가 회전할 때 자석 요소 또는 영구 자석에 의하여 취해지는 궤도 근처에 고정자 요소를 배치함으로써 엔진의 크랭크샤프트는 그러한 DC 장치의 회전자로서 기능하도록 되어 있다. 각 조각들 사이에서의 전류의 역전은 회전자 위치의 측정, 고정자의 코일을 통과하는 자석 또는 연속적인 코일 스위칭에 의해 유도된 역기전력의 측정을 포함하는 당업자에게 알려진 다수의 기술들 중 어느 것을 사용하여 실현될 수 있다.
본 명세서에서 자세히 후술하겠지만, 이러한 시동기/발전기 시스템(200)은 영구 자석과 같은 복수개의 자석 요소들(210)과 복수개의 고정자 요소들을 포함하며, 각 자석 요소를 위하여 하나의 고정자 요소가 마련되어 있다. 더 나아가, 두 개의 고정자 요소들과 두 개의 자석 요소들은 함께 작동하는 극 회전자/고정자 조립체를 형성한다. 상기 각 자석 요소(210)는 크랭크샤프트의 특별한 구조물(예를 들어, 균형추) 각각에 부착되어 있다.
상기 고정자 요소들(220)은 엔진 내에 장착되어 움직이는 자석 요소들에 대하여 상대적으로 고정된 상태를 유지한다. 특히, 실린더 블록에 부착된 종래의 래더 프레임 또는 대판의 구조물은 고정자 요소(220) 각각을 지지하도록 되어 있다. 예를 들어, 종래의 래더 프레임이 고정자 요소들(220)이 부착된 별도의 웨브들 또는 크로스 멤버들을 포함하도록 될 수 있다.
이러한 시동기/발전기 시스템(200)이 왕복 엔진(100)에 장착되었을 때에는 종래의 시동기/발전기 시스템에 비해 다수의 장점을 가지게 된다. 본 발명의 실시예에 따른 시동기/발전기 시스템(200)은 왕복 엔진 내에 통합되어 있기 때문에, 도 1C에 도시된 엔진 배열에서 발생되는 엔진 길이의 변화가 없다. 이러한 통합 때문에, 도 1A의 교류발전기 또는 도 1B의 시동기/교류발전기를 작동시키기 위해 필요한 구조적 요소들이 삭제될 수 있고, 그것에 의하여 차량 무게를 감소시킬 수 있다. 상기 장치는 재시동을 위한 엔진의 정지 위치를 최적으로 제어할 수 있는 시동/정지 성능을 제공하도록 되어 있으며, 이에 따라 연료 소모를 절감할 수 있다. 제어 회로가 브러쉬가 없는 설계가 가능하도록 하였으므로, 유지를 위해 필요한 것들이 줄어들 것으로 예상된다. 또한, 시동기/발전기가 크랭크샤프트의 작동에 통합되어 있으므로, 시동기/발전기의 모터 특성이 작동 중에 크랭크샤프트에 추가적인 동력을 제공하도록 사용될 수 있어 낮은 회전수에서 토크 충진(보상)을 제공한다. 그것에 의하여, 엔진 성능이 향상된다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 시동기/발전기(200)의 다양한 기능을 제어하는 제어 시스템(300)의 블록도가 도시되어 있다. 도 2를 포함하여 이후의 도면들에서 동일한 특징(요소)에 대하여 동일한 참조 번호를 사용하였다.
상기 제어 시스템(300)은 입력, 데이터 및 명령을 접수하고 시동기/발전기의 다양한 기능의 작동을 제어하기 위하여 출력을 제공하는 제어기(310)를 포함한다. 실시예에서, 상기 제어기(310)는 명령, 기준 및 적절한 코드 조각을 포함하고, 입력, 데이터, 명령을 평가하며, 특별한 작동 모드에서 시동기/발전기의 작동뿐만 아니라 시동기/발전기의 각기 다른 작동 모드들을 제어하는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 처리기, 또는 특정 용도용 집적 회로로 구체화될 수 있다.
상기 시동기/발전기(200)가 시동 모터로 작동할 때, 상기 제어기(310)는 적절한 방식으로 왕복 엔진(100)을 위한 모든 고정자 요소들(220)을 제어하도록 되어 있어 해당 자석 요소를 위한 고정자 요소가 크랭크샤프트를 그것의 중심축을 중심으로 회전하도록 하고, 그것에 의하여 크랭크샤프트에 연결된 피스톤(140)이 실린더 내에서 위 및 아래로 움직이도록 한다. 특히, 고정자 요소는 제어기에 의하여 배터리(302)에 선택적으로 연결되어 결과적으로 배터리로부터의 전류와 전압에 의하여 적절한 방식으로 동작되어 크랭크샤프트를 회전시킨다.
회전하는 자석들, 크랭크샤프트의 균형추 또는 크랭크샤프트의 다른 구조물의 위치를 측정할 수 있고, 이에 따라 각 균형추를 위한 회전하는 자석들의 위치를 인식하는데 사용할 수 있는 홀 효과 장치와 같은 전기 센서, 구동 유닛 또는 위치 센서(304)가 구비됨을 주목해야 한다. 이러한 위치는 제어기(310)에 의하여 MOSFET 트랜지스터를 사용하는 것과 같은 것에 의해 각 고정자 요소(220)에 전류를 선택적으로 스위칭하는데 사용된다. 본 발명의 실시예에서는 시동기/발전기(200)가 브러쉬가 없는 형태이므로, 전기 스위칭을 사용한다.
당업자에게 잘 알려져 있듯이, 크랭크샤프트가 내연기관을 시동시키기 위하여 회전할 때, 혼합기가 점화되어 연소 과정을 시작하고 엔진의 자체 작동을 계속하도록 적절한 혼합기가 적절한 시기에 실린더에 도입되어야 한다.
시동기/발전기가 토크 충진(보상)을 위해 모터로서 작동할 때, 피스톤(140)이 실린더 내에서 위로 및 아래로 움직이는 연소 과정에 의해 제공되는 것에 더하여 각 해당 자석 요소를 위한 고정자 요소가 회전하는 크랭크샤프트에 추가적인 동력을 제공하도록 적절한 방식으로 제어기(310)는 왕복 엔진(100)용 고정자 요소들(220) 모두를 제어하도록 되어 있다. 특히, 고정자 요소들은 제어기에 의하여 배터리(302)에 선택적으로 연결되어 결과적으로 배터리로부터의 전류와 전압에 의하여 에너지를 받아 크랭크샤프트에 추가적인 동력을 제공한다. 도 12에 도시된 엔진 회전수와 토크의 그래프는 이러한 토크 충진(보상) 효과를 보여준다.
제어기(310)는 이러한 행동을 취하기 위한 기설정된 조건이 만족되면 이러한 추가적인 동력이 생성되도록 한다. 다른 행동을 취하기 위한 다른 조건이 만족되면 제어기(310)는 또한 이러한 추가적인 동력의 전달을 종료한다.
시동기/발전기가 발전기로서 작동할 때, 제어기는 모든 고정자 요소(220)를 제어하도록 되어 있어 자석 요소가 고정자 요소를 지나칠 때 각 자석 요소/고정자 요소가 전기 에너지를 생성하도록 되어 있다. 생성된 전기 에너지는 배터리(배터리 충전)를 포함하는 전기 시스템(320)에 출력된다. 전기 에너지를 공급하는 이 작동은 엔진이 꺼지거나 전기적 동력 생산의 종료를 요구하는 다른 행동(예를 들어, 시동기/발전기가 토크 충진을 위하여 모터로 작동하도록 변경)이 있을 때까지 계속된다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 시동기/발전기(200)를 가지는 엔진의 크랭크샤프트(110)와 커넥팅 로드들(145)이 도시되어 있다. 도시된 실시예에서는 여덟 개의 균형추(120)를 가지도록 크랭크샤프트(110)가 구성되어 있는 네 개의 실린더를 가진 내연기관이 나타나 있다. 그러나, 이러한 실시예에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 이러한 네 개의 실린더를 가진 엔진은 네 개의 균형추를 가지도록 되어 있을 수도 있다. 균형추의 개수는 엔진의 실린더의 개수와 형상(예를 들어, 기울어진 형상, 직선 형상, V자 형상 등)을 포함하는 다수의 요인들에 의존한다.
자석 요소(210) 또는 영구 자석은 균형추의 단면을 따라 연장되도록 부착되어 있다. 영구 자석은 동일한 극을 나타내도록 된 단극 또는 양극을 가질 수 있다. 실시예 및 도 5를 참조하면, 영구 자석은 N극과 S극이 여덟 개의 균형추들 사이에 균등하게 배분되도록 배치되어 있다. 여기에 나타난 자극들의 개수 및 분배는 예시적인 것이며 본 명세서의 개시 및 가르침을 기초로 당업자가 용이하게 설정할 수 있는 것임을 이해하여야 한다.
실시예에서, 영구 자석은 희토류 자석, 즉 희토류 원소의 합금으로부터 만들어지는 영구 자석일 수 있다. 실시예에서, 희토류 자석은 네오디뮴(neodymium) 자석 또는 사마륨(samarium)-코발트 자석일 수 있다. 이러한 희토류 자석은 깨지거나 부서지는 것으로부터 보호하기 위하여 통상적으로 도금되거나 코팅된다. 이 자석들은 접착제를 사용하는 것을 포함하는 당업자에게 알려진 다양한 기술 중 하나를 사용하여 표면 또는 몸체에 부착된다.
도 7 내지 도 11을 참조하면, 규격 단위의 극 구동 유닛을 가지는 균형추와 고정자 요소의 조합의 하나의 극이 도시되어 있으며(도 7), 고정자 요소를 위한 고정자의 사시도가 도시되어 있고(도 8), 도 8의 고정자에 코일이 감긴 것의 사시도가 도시되어 있으며(도 9), 냉각 갤러리를 보이기 위하여 부분적으로 절단한 고정자 요소의 사시도가 도시되어 있고(도 10), 냉각 갤러리와 냉각 입구 및 냉각 출구를 보이기 위하여 부분적으로 절단한 고정자 요소의 다른 사시도가 도시되어 있다(도 11).
도 7에 도시된 실시예에서, 균형추 상의 자석 요소들과 고정자 요소들은 두 개의 자석 요소와 두 개의 고정자 요소가 하나의 극을 형성하도록 배치되어 있고, 두 개의 고정자 요소들을 위한 전기적 출력선들이 규격 단위의 극 구동 유닛(250)에 결합되어 있다. 실시예에서, 규격 단위의 극 구동 유닛은 동력 전기소자와 고정자의 작동을 제어하기 위한 제어기를 포함한다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 각 고정자 요소(220)를 위한 고정자(221)는 활처럼 굽은 형상으로, 두 개의 링 조각과 서로 이격된 그것들(링 조각들) 사이에서 연장된 반경부(223)를 포함한다. 고정자(221)는 의도된 사용을 위해 적절한 물질로 형성된다. 예를 들어, 고정자의 재질은 철 재질일 수 있다.
실시예에서, 와이어(예를 들어, 구리 와이어)는 내부 반경부 또는 고정자(221)의 아이언 코어 각각에 감겨 코일(225)을 형성한다. 실시예에서, 각 고정자(221)는 복수개의 아이언 코어와 복수개의 코일을 포함하는데, 각 코일은 해당하는 아이언 코어 주위에 감기게 된다. 이러한 코일은 집중 감김(concentrated winding)을 형성하도록 배열되어 있다. 집중 감김은 분산 감김(distributed winding)과 비교할 때 동일한 자속에 대하여 더 높은 유도현상을 제공하고 구리의 체적을 감소시킬 수 있다는 점에서 장점이 있다.
실시예에서, 고정자 요소는 고정자(221)에 부착된 측면 요소(227)를 더 포함하여, 고정자의 내부 체적이 밀봉되거나 폐쇄된 체적을 형성하도록 되어 있다. 이러한 방식으로, 고정자 요소(220)는 엔진의 크랭크케이스 또는 오일 팬에 담겨 있는 오일에 부분적으로 또는 전체가 잠길 수 있다.
도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 각 고정자 요소(220)는 냉각 입구(240a) 및 냉각 출구(240b)에 유체가 흘러가도록 결합된 냉각 채널 또는 갤러리(242)를 포함하도록 되어 있다. 냉각 채널 또는 갤러리(242)는 상기 고정자(221)와 열적으로 접촉되어 생성된 열 에너지가 냉각 매체에 전달되도록 되어 있다. 냉각 채널 또는 갤러리(242)는 코일(225)로부터 전기적으로 격리되어 있다. 냉각 매체는 냉각 입구(240a)에 유입되고 갤러리(242)에 유입된 후 냉각 출구(240b)를 통하여 유출된다.
실시예에서, 냉각 매체는 갤러리(242)를 통과하며 냉각 매체가 획득한 열 에너지를 분산시키기 위하여 열 교환기를 통과한다. 실시예에서, 펌프는 냉각 매체가 갤러리(242)를 원하는 양만큼 흘러가게 제어하도록 구비된다. 흐르는 냉각 매체 내에 오염물질을 걸러내기 위하여 필터를 구비하는 것 역시 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해하여야 한다. 특정 실시예에서, 냉각 매체는 오일일 수 있으며, 특히 엔진 오일일 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (19)

  1. 왕복 엔진용 시동기/발전기에 있어서,
    자속 필드를 형성하며, 각각이 왕복 엔진의 크랭크샤프트의 일면에 부착되어 크랭크샤프트의 회전에 대응하여 기설정된 궤도에서 움직이도록 된 복수개의 자석 요소들;
    왕복 엔진 내에 배치되어 상기 자석 요소가 기설정된 궤도에서 움직일 때 해당 자석 요소에 대하여 상대적으로 고정된 상태를 유지하는 복수개의 고정자 요소들; 그리고
    각 고정자 요소의 기능을 제어하도록 되어 하나의 작동 모드에서 해당 고정자 요소에 의한 해당 자석 요소의 움직임이 각 고정자 요소에 전기적 에너지를 생성하도록 해당 고정자 요소를 제어하고, 다른 작동 모드에서 각 고정자 요소/자석 요소의 조합이 시동기/발전기를 모터로서 작동시키도록 제어하는 제어 회로;
    를 포함하는 왕복 엔진용 시동기/발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    복수개의 자석 요소들은 영구 자석인 것을 특징으로 하는 왕복 엔진용 시동기/발전기.
  3. 제 1항에 있어서,
    복수개의 자석 요소들은 크랭크샤프트의 구조물에 고정되어 자속 요소가 크랭크샤프트의 회전에 대응하여 기설정된 궤도에서 회전하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 왕복 엔진용 시동기/발전기.
  4. 제 1항에 있어서,
    복수개의 고정자 요소들 각각은 엔진 내에 배치되어 해당 자석 요소가 해당 고정자 요소의 일면을 지나 회전하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 왕복 엔진용 시동기/발전기.
  5. 제 1항에 있어서,
    각 고정자 요소는 복수개의 아이언 코어들과 복수개의 코일들을 포함하며, 각 코일은 각 아이언 코어 주위에 감겨 있고, 제어 회로는 각 코일에 작동적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 왕복 엔진용 시동기/발전기.
  6. 제 5항에 있어서,
    각 고정자 요소는 그로부터 열 에너지를 뽑아내기 위한 냉각 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 엔진용 시동기/발전기.
  7. 제 6항에 있어서,
    냉각 메커니즘은 각 아이언 코어와 열적으로 결합된 채널과, 상기 채널을 통하여 흐르는 냉각 매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 엔진용 시동기/발전기.
  8. 제 1항에 있어서,
    크랭크샤프트의 상기 일면은 크랭크샤프트의 균형추의 일면인 것을 특징으로 하는 왕복 엔진용 시동기/발전기.
  9. 왕복 엔진에 있어서,
    그 중심선을 중심으로 기설정된 궤도를 회전하는 구조물을 구비한 크랭크샤프트; 그리고
    크랭크샤프트에 작동적으로 결합되어 하나의 작동 모드에서는 크랭크샤프트가 회전하게 하고 다른 작동 모드에서는 크랭크샤프트의 회전에 의하여 전기적 에너지를 출력하는 시동기/발전기;
    를 포함하되,
    상기 시동기/발전기는,
    자속 필드를 형성하며, 각각이 크랭크샤프트의 구조물의 일면에 부착되어 크랭크샤프트의 회전에 대응하여 기설정된 궤도에서 움직이도록 된 복수개의 자석 요소들,
    왕복 엔진 내에 배치되어 상기 자석 요소가 기설정된 궤도에서 움직일 때 해당 자석 요소에 대하여 상대적으로 고정된 상태를 유지하는 복수개의 고정자 요소들, 그리고
    각 고정자 요소의 기능을 제어하도록 되어 하나의 작동 모드에서 각 고정자 요소/자석 요소의 조합이 시동기/발전기가 크랭크샤프트를 회전시키는 모터로서 작동하도록 하고, 다른 작동 모드에서 해당 고정자 요소에 의한 해당 자석 요소의 움직임이 각 고정자 요소에 전기적 에너지를 생성하도록 해당 고정자 요소를 제어하는 제어 회로
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 엔진.
  10. 제 9항에 있어서,
    복수개의 자석 요소들은 영구 자석인 것을 특징으로 하는 왕복 엔진.
  11. 제 9항에 있어서,
    크랭크샤프트의 상기 구조물은 균형추인 것을 특징으로 하는 왕복 엔진.
  12. 제 9항에 있어서,
    복수개의 고정자 요소들 각각은 왕복 엔진 내에 고정적으로 배치되어 해당 자석 요소가 해당 고정자 요소의 일면을 지나 회전하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 왕복 엔진.
  13. 제 9항에 있어서,
    각 고정자 요소는 복수개의 아이언 코어들과 복수개의 코일들을 포함하며, 각 코일은 각 아이언 코어의 주위에 감겨 있고, 제어 회로는 각 코일에 작동적으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 왕복 엔진.
  14. 제 13항에 있어서,
    각 고정자 요소는 그로부터 열 에너지를 뽑아내기 위한 냉각 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 엔진.
  15. 제 14항에 있어서,
    냉각 메커니즘은 각 아이언 코어와 열적으로 결합된 채널과, 상기 채널을 통하여 흐르는 냉각 매체를 포함하는 것을 특징으로 하는 왕복 엔진.
  16. 크랭크샤프트의 중심선을 중심으로 기설정된 궤도를 회전하는 구조물이 구비된 크랭크샤프트를 포함하는 왕복 엔진의 시동을 제어하는 방법에 있어서,
    상기 크랭크샤프트에 작동적으로 결합되어 있으며, 자속 필드를 형성하고 각각이 크랭크샤프트의 구조물의 일면에 부착되어 크랭크샤프트의 회전에 대응하여 기설정된 궤도에서 움직이도록 된 복수개의 자석 요소들과, 왕복 엔진 내에 배치되어 상기 자석 요소가 기설정된 궤도에서 움직일 때 해당 자석 요소에 대하여 상대적으로 고정된 상태를 유지하는 복수개의 고정자 요소들을 포함하는 시동기/발전기를 제공하는 단계; 그리고
    각 고정자 요소/자석 요소의 조합이 시동기/발전기가 크랭크샤프트를 회전시키는 모터로서 작동하도록 하고, 그것에 의하여 왕복 엔진 내에 엔진 시동 조건을 성립시키도록 각 고정자 요소의 기능을 제어하는 단계;
    를 포함하는 왕복 엔진의 시동을 제어하는 방법.
  17. 크랭크샤프트의 중심선을 중심으로 기설정된 궤도를 회전하는 구조물이 구비된 크랭크샤프트를 포함하는 왕복 엔진으로부터 전기적 에너지를 생성하는 방법에 있어서,
    상기 크랭크샤프트에 작동적으로 결합되어 있으며, 자속 필드를 형성하고 각각이 크랭크샤프트의 구조물의 일면에 부착되어 크랭크샤프트의 회전에 대응하여 기설정된 궤도에서 움직이도록 된 복수개의 자석 요소들과, 왕복 엔진 내에 배치되어 상기 자석 요소가 기설정된 궤도에서 움직일 때 해당 자석 요소에 대하여 상대적으로 고정된 상태를 유지하는 복수개의 고정자 요소들을 포함하는 시동기/발전기를 제공하는 단계; 그리고
    해당 고정자 요소에 의한 해당 자석 요소의 이동이 각 고정자 요소에 전기적 에너지가 생성되도록 각 고정자 요소의 기능을 제어하는 단계;
    를 포함하는 왕복 엔진으로부터 전기적 에너지를 생성하는 방법.
  18. 왕복 엔진의 시동 또는 왕복 엔진을 사용하여 전기적 에너지의 생성 중 하나를 제어하는 방법에 있어서,
    상기 왕복 엔진은 크랭크샤프트의 중심선을 중심으로 기설정된 궤도를 회전하는 구조물이 구비된 크랭크샤프트를 포함하며,
    상기 방법은,
    상기 크랭크샤프트에 작동적으로 결합되어 있으며, 자속 필드를 형성하고 각각이 크랭크샤프트의 구조물의 일면에 부착되어 크랭크샤프트의 회전에 대응하여 기설정된 궤도에서 움직이도록 된 복수개의 자석 요소들과, 왕복 엔진 내에 배치되어 상기 자석 요소가 기설정된 궤도에서 움직일 때 해당 자석 요소에 대하여 상대적으로 고정된 상태를 유지하는 복수개의 고정자 요소들을 포함하는 시동기/발전기를 제공하는 단계; 그리고
    하나의 작동 모드에서 시동기/발전기가 크랭크샤프트를 회전시켜 엔진을 시동시키고, 다른 작동 모드에서 크랭크샤프트의 회전에 의해 시동기/발전기가 전기적 에너지를 출력하도록 각 고정자 요소의 기능을 제어하는 단계;
    를 포함하는 왕복 엔진의 시동 또는 왕복 엔진을 사용하여 전기적 에너지의 생성 중 하나를 제어하는 방법.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 하나의 작동 모드에서 상기 제어는 각 고정자 요소의 기능을 제어하는 것을 포함하여, 각 고정자 요소/자석 요소의 조합이 시동기/발전기가 크랭크샤프트를 회전시키는 시동 모터로서 작동하도록 제어되며, 그것에 의하여 왕복 엔진 내에서 엔진 시동 조건들이 성립되도록 제어되고,
    상기 다른 작동 모드에서 상기 제어는 각 고정자 요소의 기능을 제어하는 것을 포함하여, 해당 고정자 요소에 의한 해당 자석 요소의 이동이 각 고정자 요소에 전기 에너지가 생성되도록 해당 고정자 요소가 제어되는 것을 특징으로 하는 왕복 엔진의 시동 또는 왕복 엔진을 사용하여 전기적 에너지의 생성 중 하나를 제어하는 방법.
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140265944A1 (en) * 2013-03-15 2014-09-18 Stephen Miles Linear magnetic motor power generation system
EP2886829A1 (de) 2013-12-20 2015-06-24 Hvd Ag Hubkolbenmotor
CN104358616A (zh) * 2014-11-11 2015-02-18 郭玉 一种油电混合动力的发动机
EP3050790B1 (de) * 2015-01-30 2018-05-02 Ncte Ag Kabelloser Drehzahl-, Drehmoment- und Leistungssensor für Fahrräder
CN106194539B (zh) * 2016-07-25 2019-04-26 潍柴动力股份有限公司 一种动力装置
US10612622B2 (en) * 2018-05-04 2020-04-07 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Magnetic engine vibration isolator
US11239729B2 (en) * 2018-11-06 2022-02-01 Ernesto Aguilar Gonzaga Two-stroke electromagnetic engine

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US1350424A (en) * 1916-01-12 1920-08-24 Imp Electric Company Power-transmission system
US2590199A (en) * 1946-06-08 1952-03-25 Gen Motors Corp Propeller pitch control apparatus
US2654849A (en) * 1950-09-25 1953-10-06 Lev A Trofimov Electric torque-converter transmission
US3502920A (en) * 1967-03-09 1970-03-24 Cem Comp Electro Mec Electrical machine incorporating gas bearings
US3465739A (en) * 1967-10-16 1969-09-09 Phelon Co Inc Inductively triggered breakerless ignition system with automatic spark advance
US4418677A (en) * 1981-11-03 1983-12-06 Brunswick Corporation Alternator for ignition system and auxiliary power
JP4155714B2 (ja) * 2001-01-10 2008-09-24 本田技研工業株式会社 内燃機関
JP2002325403A (ja) * 2001-04-27 2002-11-08 Mitsubishi Electric Corp 磁石発電機、磁石発電機の製造方法及び磁石発電機製造用の樹脂モールド金型
US7245050B2 (en) * 2001-08-20 2007-07-17 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Internal combustion engine
JP2003061325A (ja) * 2001-08-20 2003-02-28 Honda Motor Co Ltd 内燃機関
JP2003054267A (ja) * 2001-08-20 2003-02-26 Honda Motor Co Ltd 内燃機関
JP2003061309A (ja) * 2001-08-20 2003-02-28 Honda Motor Co Ltd 内燃機関
US6794790B2 (en) * 2002-03-20 2004-09-21 Denso Corporation Rotary electric machine
JP4648774B2 (ja) * 2005-06-23 2011-03-09 本田技研工業株式会社 発電機付きエンジンおよび発電機付きエンジンの組付方法

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