KR101945299B1 - 영구 자석 모터 및 제어 시스템 - Google Patents

영구 자석 모터 및 제어 시스템 Download PDF

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Abstract

전기 모터들을 위한 전기 제어기가 제공되어 있다. 전기 모터용 제어 시스템은 소정 시간에 상기 모터의 서로 다른 권선들로 여자 전류를 공급하기 위한 수단을 포함한다. 더군다나, 상기 여자 전류의 진폭은 상기 권선들로 상기 여자 전류를 인가하는 타이밍 및 기간과는 별도로 가변적이다. 이는 상기 모터의 증가된 제어를 허용하며 높은 기계적 및/또는 전기적 속도들에서의 상기 모터의 동작을 용이하게 한다.

Description

제어기{Controller}
본 발명은 전기 모터들을 위한 전기 제어기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 고정 전기 권선들이 있는 경우에 영구 자석들 또는 지속적으로 여자(勵磁)되는 전자석들이 움직이게 하는 교류(Aternating Current; AC) 모터들의 제어 및 동작을 개선하기 위한 시스템에 관한 것이다. 이러한 모터들은 총괄해서 영구 자석 교류(Permanent Magnet Aternating Current; PMAC) 모터들로 언급될 것이다(하지만 일부 모터들은 영구 자석들 대신에 지속적으로 여자되는 전자석들을 사용할 수 있다). PMAC 모터들은 예를 들면 고속 하이브리드 터보 과급기들 또는 다른 고속 전기 장치들에서 찾아 볼 수 있다.
종래의 PMAC 모터들은 고정 전기 권선들이 있는 경우에 영구 자석들의 움직임을 이용한다. 고정자 권선들은, 상기 자석들이 상기 권선들에 대하여 회전 또는 병진함에 따라 상기 자석들에 기전력(electromotive force)을 가하도록 발진 또는 간헐 전류(즉, AC 또는 PWM)에 의해 여자되어야 한다. 그러한 모터들은 브러시리스 교류(AC) 영구 자석 모터들 또는 영구 자석 동기 모터들(Permanent Magnet Synchronous Motors; PMSM)로서 언급되는 것이 전형적이다. 여기서 그러한 모터들이 다른 구성 및 제어 방식을 지니는 브러시리스 직류(DC) 영구 자석 모터들과는 다르다는 점에 유념하는 것이 중요하다.
브러시리스 AC 영구 자석 모터들은 가장 기계적으로 간단하며 소형이고 효율적인 모터 타입들이다. 그러나, 전기 모터들의 이력을 통해서, 실제의 실시예들에는 모터를 제어하는 태스크를 단순화하는 선호적인 동작 특성들을 분급(分給)하도록 단순성, 밀집성, 및 효율성을 절충하는 설계 특징들이 병합되어 왔던 것이 일반적이다. 절충들의 예들에는 다음과 같은 것들이 있다.
1. 모터의 고유 속성들로부터 속도를 제한하도록 하는 필드 약화(field weakening);
2. 저속에서 개시 토크 및 예측가능성을 개선하도록 하는 나선형 자석;
3. 전자석들에 전력을 공급하는 직류 신호에 의해 모터 토크가 조정될 수 있게 하도록 하는 영구 자석들보다는 오히려 전자석들;
4. 평활한 교류(발진) 입력이 제공될 경우에 모터의 토크 출력을 평활화하도록 하는 방식으로 선택된 고정자 권선들의 분포;
5. 모터 상수(전류 입력 및 토크 출력 간의 관계)가 기계적 수단에 의해 조정될 수 있게 하도록 하는 (특히 '축방향 플럭스(axial flux)' 타입 모터들에서의) 가변 공극; 및
6. 입력 교류 신호의 형상에 대한 모터의 감도를 감소시키도록 하는 약한 자석들 또는 수동 여자 (금속) 물질들의 사용.
전기 모터들은 대개 200 Hz 이하의 속도(예컨대, 전기 자동차들 = 20 Hz 내지 100 Hz, 자동차 시동 모터들 = 30 Hz 내지 50 Hz, 영국 발전소 발전기들 = 50 Hz, 전형적인 펌프 모터들 = 50 Hz, 국내 가전기기들 = 10 Hz 내지 50 Hz, 컨베이어들 및 풀리들 = 1 Hz 내지 50 Hz)에서 동작한다.
고속 애플리케이션들에서는 위의 리스트 중에서 설계 방식 번호 7, 즉 수동 여자 물질들의 사용이 선호되어왔던 것이 전형적이다. 예들에는 JR Bumby, E Spooner, & M Jagiela, "Solid Rotor Induction Machines for use in Electrically-Assisted Turbochargers", Proceedings of the XVII International Conference on Electric Machines (ICEM), 2006; 및 S Calverly, "High-speed switched reluctance machine for automotive turbo-generators", Mag. Soc. Seminar on Motors and Actuators for Automotive Applications, 2002가 있다.
위의 설계 특징들의 병합으로 모터들의 크기, 중량, 비용 및 에너지 효율성이 상당히 추가되고 있다. 그 외에도, 어느 선택된 설계의 경우에, 모터 크기, 중량, 및 비용은 토크 출력에 비례하는 것이 전형적이다. 고속에서 동작하는 모터들은 낮은 토크로 균등한 전력을 안배할 수 있기 때문에, 장비 및 트랜스미션들에는 가능한 경우에 고속 모터들을 수용하도록 종종 지정되어 있다. 그러나, 고속은 모터 제어에 연관된 시도들을 악화시키려는 경향이 있다.
특별히 관심을 갖는 한 애플리케이션 분야는 터보 기계이다. 사운드 장벽에 근접하는 속도에서 가스로 동작하는 이러한 장치들은 1,500 Hz를 초과하는 속도로 회전한다. 터보 기계들은 항공 우주 산업 및 천연 가스 발전에서 잘 알려져 있지만, 상기 터보 기계들은 자동차 엔진들(터보 과급기들), 산업 프로세스들(압축기들 및 열 회수 시스템들), 국내 가전기기들(진공 청소기들), 및 건물 난방 및 환기에 점차로 사용할 수 있게 되었다. 고정 변위 펌프들 및 확장 챔버들과 비교해 볼 때 터버 기계들에 대한 보편적인 증가는 고속 모터들에 대한 부가적인 수요를 창출시켰으며 고속 모터들이 공급될 수 있는 경우에 고-비율 트랜스미션들의 비용을 감소 또는 제거할 수 있는 가망성을 제공한다. 본 발명에서 특별히 관심을 갖는 것은 이전 특허(B Richards, "Turbocharger concept", 영국 특허 제0624599.7, 2006년)의주제인 자동차 과급기의 대전(electrification)이다.
터보 기계들은 1,500 Hz를 초과하는 동작 속도들을 필요로 하며, 일부 자동차 애플리케이션들은 2,500 Hz를 넘는 속도들을 필요로 한다. 200 Hz 이하의 전형적인 모터 속도들은 이러한 애플리케이션에 적합하지 않다. 약한 자석들 또는 수동적으로 자기화된 물질들을 사용하는 설계 절충들에 의해 1,500 Hz에 근접하는 속도들이 이루어질 수는 있지만, 이러한 설계 절충들은 비교적 낮은 전력 밀도를 지닌다. 전형적인 20 kW 터보 압축기의 형상은 대략 15㎝ x 15㎝ x 10㎝ 이며 전형적인 20 kW 터보 압축기의 정상 상태에서의 토크 입력은 대략 1.6 Nm를 필요로 한다. 동일한 속도에서 동작하는 전형적인 수동 여자 전기 모터는 충분히 큰 모터로부터 요구되는 토크를 공급할 수 있다. 그러나 이러한 모터는 큰 회전자 관성을 지니게 된다. 과도 가속(transient acceleration) 동안 자기 자신의 관성을 극복하기 위해 과도한 토크를 제공하도록 모터의 크기가 더 증가하게 됨에 따라, 수확 체감(diminishing returns)을 제공하도록 생성된 과도한 토크에 비례하여 모터의 관성이 증가하게 된다. 이와는 대조적으로, 강한 영구 자석들을 지니는 모터는 동일한 체적으로부터 10배의 토크를 획득함으로써, 상기 모터가 (2 Nm에 대하여 10㎝ x 10㎝ x 10㎝ 정도로) 작아지게 할 수 있지만 여전히 가속을 위해 충분한 토크를 제공하게 할 수 있다. 제어기 전류를 관리하는 문제는 남게 된다.
위에서 언급한 설계 이점들 및 고속 기계들에 대한 새로운 애플리케이션들 때문에, 제어하기에 훨씬 더 어려운 모터들에 대한 지난 30년간의 전반적인 경향이 있었다. 이러한 경향은 훨씬 더 복잡한 제어 전략들을 가능하게 하는 전자기기들 및 컴퓨터들의 일반적인 개선과 부합하면서도 그러한 일반적인 개선에 의존해 왔다.
종래의 브러시리스 영구 자석 모터들은 DC 또는 AC 타입 중 어느 하나인 것이 일반적이다. 브러시리스 DC 모터는 '대략적(rough)' 전압을 수용하고 모터 권선들의 인덕턴스 및 저항으로 내부적으로 흐르는 전류를 평활화시킨다. (또한 동기 모터들이라 불리는) 브러시리스 AC 모터들은 평활한 정현파(또는 거의 정현파와 같은) 전류가 제어기에 의해 분급될 것을 필요로 한다. 어떠한 것도 전류 입력의 '대략적' 파형들을 수용하도록 설계되어 있지 않다.
브러시리스 영구 자석 모터를 제어하도록 하는 종래의 방식은 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation; PWM)이다. (특히 PMAC에 관련된) 이러한 방식의 예는 EP 2,159,909에 제시되어 있다. 이러한 문헌은 고속 PWM을 이용하여 평활한 정현파 전압 입력을 모터에 시뮬레이션하는 것이다. 이는 (특히 저속에서) 모터의 평활한 동작 및 위치의 정확한 제어를 허용해 준다.
브러시리스 DC 영구 자석 모터들은 또한 PWM을 사용하여 모터의 입력 전압의 진폭 및 위상을 제어한다. 브러시리스 DC 및 브러시리스 AC 영구 자석 기계 간의 주된 차이는 브러시리스 AC 모터가 정현파 신호를 합성하는데 브러시리스 AC 모터의 PWM 제어기를 추가로 필요로 하지만 브러시리스 DC 모터가 PWM 출력으로 하여금 '대략적' 전압 파형일 수 있게 하는 것이다. 어느 경우(DC 또는 AC)든 간에, PWM은 고정 진폭 및 주파수의 모터 제어 신호를 생성하고 각각의 정류에서 상기 신호를 적용한다. 필요한 신호, 예를 들면 '대략적(rough)'(DC) 또는 정현파(AC)의 공급은 모터에 공급되는 펄스들의 개수 및 기간을 변경함으로써 이루어지게 된다. 이는 사용된 모터에 요구되는 이상적인 파형 입력에 근사하려고 하도록 모터의 정류당 수개의 펄스들을 제공함을 수반하는 것이 일반적이다. 그러므로 PWM에 의해 공급되는 전체 진폭(또는 전압)은 소정의 위상에 대해 모터에 공급되는 펄스들의 개수 및 기간을 변경함으로써 제어된다.
그러나, PWM 제어기의 사용은 계산 집약적이며 모터의 회전 주파수를 적어도 10배(전형적으로는 100배 이상) 초과하는 주파수에서 동작하도록 하는 제어기를 필요로 한다. 이것이 의미하는 것은 예를 들면 자동차 터보 과급기 압축기가 적어도 15,000 Hz 내부 동작 주파수를 지니는 제어기를 필요로 하게 된다는 것을 의미한다. 이는 저-전력 논리 회로들에 대한 적용 범위에서 양호하지만, 오늘날의 고-전력 전력 회로에 대해 이루어질 수 있게 하는 것의 임계치들에 근사하다.
이하에서 언급하게 되는 본원 발명에 의해 구현될 수 있는 제어기는 '대략적' 전류 파형들을 생성하며 비정형적 설계를 갖는 모터를 필요로 하는 것(또한 비정형적 설계를 갖는 모터에 상응하는 것)이다.
제안된 모터는 전형적인 브러시리스 AC 또는 브러시리스 DC 영구 자석 모터 중 어느 것과도 다른 속성들을 가지는, 브러시리스 영구 자석 타입이다. 이러한 모터의 속성들은 당업계에 알려져 있지만, 이러한 속성들의 선택 및 조합은 특이한 것이다. 특히, 이러한 모터는 '대략적' 전류 파형들을 수용할 수 있는 상기 모터의 능력(또는, 발전기의 경우에, '대략적' 파형들을 생성할 수 있는 상기 모터의 경향)을 강화시키는 속성들을 지니며 본 발명을 구현하는 제어기들을 통해 유리한 방식으로 사용될 수 있다. 그의 속성들은 다음과 같다.
a. 강한 영구 자석 속성들을 가진 물질들로 이루어지고 축 회전에 상응하며 갭들을 지니지 않고 회전자를 중심으로 분포된 각도 치수에 걸쳐 일정한 두께를 지니도록 하는 방식으로 형상화된 회전자 자석들(이러한 설계 특징들 모두는 상기 자석들의 에지에 근접한 권선들에 의해 직면하게 되는 전자기장이 강도면에서 상기 자석들의 중간에 근접하게 직면하게 되는 전자기장과 유사하게 한다);
b. (한 위상을 이루는 모든 권선들이 상보적이고 임의의 축의 회전각에서 서로 반작용하는데 사용되지 않게 하기 위해) 하나의 위상을 구성하는 직렬 또는 병렬 접속된 권선들의 임의 집합모임(collection)이 모터 자석들로부터 생기는 동일한(축 회전을 통해서는 가변적이지만 어느 부분이든 그리고 항상 서로에 대해 동등한) 전자기장의 영향을 어느 부분이든 받게 하도록 모터 및 권선 패턴에 의해 제공되는 전기 위상 접속들의 개수에 의해 나눠질 수 있는 치주(teeth)(고정자 권선들이 둘러싸인 금속 요소들)의 개수;
c. b가 구현가능하도록 선택된 자석들('폴(pole)들')의 개수;
d. 반대 극성을 갖는 인접한 자석들 간의 계면(interface)이 권선 루프의 범위 내에서 묵인하는 회전자의 회전 각이 상기 제어기가 그러한 권선 루프를 통해 최대 전류를 유지하게 되는 위상각(발진 기간의 비율)과 정확하게 일치하도록 선택된 자석 각 두께(호 길이) 및 권선 피치(단일 권선 루프에 의해 걸쳐져 있는 치주의 개수); 및
e. (모터 속도의 함수이며 제어기 내에서 수용하기에 어려운 변형 정도로, 큰 내부 인덕턴스가 제어기에 의해 생성되는 신호들을 평활화 및 지연시키려고 하는 경향을 갖게 된다는 사실에 따라) 모터가 일치해야 하는 전류 및 전압 사양들과 같은 다른 고려들에 의해 허용되는 범위까지 직렬이라기보다는 오히려 병렬로 접속되는 권선들을 형성하는 개별 와이어 루프들에 대한 선호도로 이루어지게 되는 최소 권선 인덕턴스.
이러한 특징들은, 학문적 의미에서 개별적으로 알려져 있지만, 전형적이며 상업적으로 제작된 전기 모터들에서 조합하여 사용되는 것으로도 생각되지 않으며 제어기가 폭넓게 고려 또는 이해됨에 따른 이러한 설계 특징들의 영향도 아니다. 실제로, 모터 제어 및 모터 설계 모두를 하나의 체제 내에 융합시키는 것이 당업계에서는 비정형적이다. 또한 당업자라면 이러한 특징들의 조합이 발전기 제어기의 설계에 영향을 주는 특이한 특성을 갖는 발전기를 만들어내는데 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 특히, 상기 발전기는 DC 정류에 적합한 출력을 제공하게 된다.
본 발명의 목적은 전력 전자기기들을 사용하여 높은 전기 속도 구동을 제공할 수 있는 제어기를 제공하는 것이다.
본 발명은 전력 전자기기들을 사용하여 높은 전기 속도 구동을 제공할 수 있는 제어기를 제공하는데 그 목적이 있다. 여기서 언급되는 제어 방식은 한 스위칭 프로세스로부터의 전체 파형을 합성하는 종래의 펄스 폭 변조 방식과는 실질적으로 다른 것이다. 펄스 폭 변조 제어기는 연속적인 펄스들을 번갈아 생기는 파형으로 평활화하기 위해 인덕턴스가 높은 출력 부하를 필요로 하게 된다. 사각파 전압 입력을 가지는 브러시리스 DC 모터는 마찬가지로 높은 인덕턴스를 필요로 한다. 이와 같은 높은 인덕턴스에 대한 요구는 또한 모터의 성능, 특히 높은 기계적 및 전기적 속도에서의 모터 성능의 제약일 수 있다.
본 발명에 의하면, 교류 전기 모터용 제어 시스템이 제공되며, 상기 제어 시스템은 소정 시간에 상기 전기 모터의 서로 다른 권선들로 여자 전류를 공급하기 위한 수단을 포함하며, 상기 여자 전류의 진폭은 여자 전류 안배의 타이밍 및 기간과는 별도로 가변적인 것을 특징으로 한다.
한 바람직한 실시예에서는, 상기 공급 수단이 모터 권선들에 ('전체 전류(aggregate current)'에 상응하는) 전류 진폭을 하기 위한 여자 전류 공급 피드백 루프, 및 모터 권선들에 공급된 여자 전류의 타이밍 및 기간을 제어하기 위한, 상기 여자 전류 공급 피드백 루프로부터 독립된 정류 피드백 루프를 포함한다. 상기 여자 전류는 전체 전류일 수 있다. 상기 전류 공급 피드백 루프는 타깃 모터 속도를 나타내기 위한 입력, 및 상기 모터의 타깃 속도 및 모터 속도 신호에 응답하여 전류 진폭을 제공하기 위한 수단을 포함할 수 있다. 상기 전류 공급 피드백 루프는 전류 진폭을 조정하기 위한 조정 피드백 루프를 더 포함할 수 있다.
센서의 형태로 이루어질 수 있는 수단은 상기 모터의 모터 속도 및/또는 각 위치(angular position)를 나타내는 신호를 제공하도록 제공될 수 있다. 상기 각 위치 표시는 대략적(rough)이거나 양자화된 측정일 수 있으며 반드시 미세 각 측정일 필요가 없다. 이러한 수단은 모터 권선들에서 유도된 전류를 나타내는 정류 신호 또는 전류일 수 있다.
상기 정류 피드백 루프는 각 위치 신호에 따라 모터 권선들에 대한 여자 전류 펄스들의 타이밍 및 기간을 제어하도록 동작할 수 있다. 상기 모터의 움직임은 위치 신호에 상응하는 역기전력을 각각의 위상 권선에서 생성한다. 상기 상응하는 위상 권선에 대해 감지된 역기전력의 진폭이 상기 복수 개의 위상 권선들 중 나머지 권선들에 대하여 감지된 역기전력보다 큰 경우에 상기 정류 피드백 루프가 소정의 위상 권선으로 전류 펄스를 제공한다. 상기 정류 피드백 루프는 상기 각 위치 신호 및 상기 소정의 권선으로의 전류 공급 간의 동기화를 용이하게 하도록 그리고/또는 상기 신호를 평활화하도록 상기 감지된 역기전력을 필터링하기 위한 필터를 포함할 수 있다. 상기 필터는 상기 동기화를 용이하게 하도록 상기 감지된 역기전력에 위상 시프트를 채용하도록 동작할 수 있다. 상기 모터는 120도의 상대 각도 변위의 3-위상 권선들을 포함할 수 있다. 또한, 상기 각 위치 센서 및 전류 공급 간의 동기화를 용이하게 하기 위해, 모터 위치를 감지하는데 사용되는 역기전력은 개별 위상 권선들로부터 측정되지 않고 이들의 조합들(예를 들면, 2개의 위상 권선들을 통한 역기전력의 합 또는 차)로부터 측정될 수 있는데, 이는 개별 위상 상에 존재하는 역기전력으로부터의 공지된 위상 오프셋을 수반할 수 있다.
변형적인 실시예에서는, 상기 모터의 각 위치 및/또는 모터 속도를 나타내는 신호를 제공하는 센서가 상기 모터의 출력 축에 연관된 광학 센서 또는 홀(Hall) 효과 센서일 수 있다.
본 발명에 의하면, 교류 전기 모터용 제어 시스템이 부가적으로 제공되며, 상기 제어 시스템은 상기 전기 모터에 공급되는 전류의 타이밍 및 기간을 제어하도록 동작가능한 정류 회로, 및 상기 모터로의 전류 공급을 위한 전력 공급원을 포함하며, 상기 정류 회로는 상기 전력 공급원과는 별도로 동작가능하게 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 위에서 정의한 바와 같은 제어 시스템을 포함하는 영구 자석 모터가 또한 부가적으로 제공되며, 상기 모터는 복수 개의 영구 자석들을 포함하고, 상기 복수 개의 영구 자석들은 상기 복수 개의 영구 자석들 간의 갭(gap)들 없이 연속적인 영구 자석 쉘을 제공하도록 한 회전자를 중심으로 배치되어 있다. 여기서 알 수 있는 점은 그러한 모터에 의해 이용되는 영구 자석들이 어느 자기화된 물질일 수 있으며 이 경우에 상기 모터의 제어가 자기력을 변경시킬 수 있는 능력에 의해 의존하지 않는다는 점이다. 상기 모터는 각각의 슬롯이 단일 전류 펄스에 의해 에너지를 공급받을 수 있도록 자기 표면을 중심으로 다수의 슬롯들에 배치된 복수 개의 권선들을 포함할 수 있다.
더군다나, 상기 영구 자석 모터에 대한 이상적인 배치는 상기 모터의 회전자를 중심으로 배치된 자석들의 개수로 나눠진 상기 모터의 주변 둘레에 배치된 슬롯들의 개수가 전류 위상들의 개수의 배수인 것을 제공한다. 여기서 알 수 있는 점은 상기 모터의 권선들의 개수가 이러한 비율을 이루도록 사용 목적에 따라 변경될 수 있다는 점이다.
본 발명에 의하면, 위에서 정의한 바와 같은 제어 시스템을 포함하는 내연 기관용 강제 유도 시스템이 또한 부가적으로 제공되어 있다. 그러한 강제 유도 시스템은 과급기(supercharger)일 수도 있고 터보과급기(turbocharger)일 수도 있다. 본 발명의 전형적인 실시태양에서는, 상기 강제 유도 시스템이 내연기관용이며, 상기 강제 유도 시스템은 압축기, 터빈, 발전기, 전기 모터 및 제어 시스템을 포함한다. 상기 실시태양에서는, 상기 압축기가 상기 내연기관 내에 가스 압력을 증가시키는 기능을 수행하고 내연기관용 배기 가스에 의해 구동되며 상기 전기 모터에 전기적으로 접속된 발전기를 구동시키도록 구성된 상기 터빈으로부터 기계적으로 결합해제된다. 다시금, 상기 압축기는 상기 전기 모터에 의해 구동됨으로써 상기 압축기가 상기 전기 접속을 통해 상기 터빈의 출력 토크에 의해 적어도 부분적으로 구동된다. 그러한 실시태양들에서는, 상기 전기 모터가 위에서 언급한 제어 시스템에 의해 제어된다.
본 발명의 또 다른 실시태양에 있어서, 전력을 생성하기 위한 발전기가 제공되어 있으며, 상기 발전기는 모터 둘레에 균일하고 연속적으로 분포된 복수 개의 영구 자석을 지니는 회전자; 복수 개의 권선들을 지니는 고정자로서, 고정자 권선들에 대한 상기 회전자의 회전은 복수 개의 위상 시프트된 사각 파형들을 생성하는, 고정자; 및 제어 회로;를 포함하며, 상기 제어 회로는 상기 고정자 권선들로부터 전류를 인출하도록 구성된 정류 회로를 포함하고, 상기 제어 회로는 상기 회전자의 회전과는 별도로 상기 권선들로부터 전류를 인출하는 타이밍 및 기간을 제어한다.
변형적이거나 추가적인 실시태양에서는, 영구 자석 발전기가 제공되며, 상기 영구 자석 발전기는 복수 개의 영구 자석들을 포함하며, 상기 복수 개의 영구 자석들은 연속적인 영구 자석 쉘을 제공하도록 상기 복수 개의 영구 자석들 간의 공간들 없이 서로 접촉해 있는 것을 특징으로 한다. 그러한 영구 자석 발전기는, 각각의 위상 권선이 단일의 여자 전류에 의해 상보적인 에너지를 공급받을 수 있고 서로 반작용하는데에는 사용되지 않게 하도록 상기 발전기 또는 상기 영구 자석 셀의 주변 둘레에 다수의 슬롯에 배치된 복수 개의 위상 권선들을 포함할 수 있다. 더군다나, 상기 발전기는 상기 복수 개의 위상 권선들이 나란하게 상기 슬롯들 내에 개별적으로 배치되도록 그리고 자석들의 개수로 나눠진 슬롯들의 개수가 여자 전류 위상들의 개수의 배수로 되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 상기 실시예들이 상기 정류와는 별도로 모터 속도(토크)의 변경을 제공한다는 점에서 유리하다. 이는 적합한 모터 위상 권선(들)에 전체 전류를 안내하는 정류와는 별도로 모터에 전체 전류의 공급에 의해 달성된다. 전체 전류는 PWM 방안을 사용하여 조정될 수 있으며, 그러한 PWM 출력을 평활화하도록 전류 공급 제어기 및 정류 제어기 간의 인덕턴스를 위한 요건이 존재할 수 있다. 그러나, 상기 PWM 전류 공급 제어기의 주파수 및 상기 전류 공급 제어기의 출력을 조정하는데 필요할 수 있는 인덕턴스는 본질적으로 모터의 회전 속도 및 인덕턴스와는 무관한 매개변수들이다. 이것이 의미하는 것은 상기 PWM 신호의 주파수가 선행기술의 구조에서와 같이 모터의 동작 주파수보다 높을 필요가 없음을 의미한다. 상기 전류 공급 제어기 및 상기 모터 사이에 위치해 있는 정류 제어기는 PWM을 구현하지 않는다. 하지만, 상기 정류 제어기는 단순히 모터의 각 위치에 따라 정확한 권선으로 전류를 안내한다. 상기 정류 제어기가 PWM을 구현하지 않기 때문에, 상기 정류 제어기의 설계가 비교적 간단하며 상기 정류 제어기는 높은 모터 동작 속도들을 이룰 수 있다. 또한, 상기 정류 제어기가가 PWM을 구현하지 않기 때문에, 모터는 높은 인덕턴스를 나타낼 필요가 없기 때문에 (특히 높은 전기적/기계적 속도들에서의) 모터의 효율성이 향상된다. 이것이 의미하는 것은 상기 정류 기능을 제공하고 또한 단일의 단계에서 총체적인 전류를 조정하도록 하는 하나의 통합된 높은 전력 전자 제어기가 필요하지 않더라도 더 높은 모터 속도들이 이루어질 수 있음을 의미한다.
지금부터 첨부도면들을 참조하여 본 발명이 상세하게 설명될 것이다.
도 1a는 종래 모터의 파형 다이어그램이다.
도 1b는 도 1a의 종래 모터 구조를 나타낸 도면이다.
도 1c는 변형적인 종래 모터의 파형 다이어그램이다.
도 2a는 본 발명의 실시예들에서 이용될 수 있는 모터의 파형 다이어그램이다.
도 2b는 도 2a의 모터 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명을 구현하는 제어 회로의 기능적인 블록 회로 다이어그램이다.
도 4는 도 3의 회로에 대한 세부를 보여주는 블록 다이어그램이다.
도 5a는 본 발명의 한 실시예에서 이용되는 3-위상(즉 a, b, 및 c) 모터에서 이상적인 역기전력을 보여주는 파형 다이어그램이다.
도 5b는 2개의 위상(a 및 b, b 및 c, 그리고 a 및 c)을 통해 총체적인 역기전력을 측정함으로써 획득되는 위상 대 위상 역기전력을 보여주는 파형 다이어그램이다.
도 5c는 도 5b의 위상 대 위상 파형에 대한 필터링된 파형 다이어그램이다.
도 6은 본 발명을 구현하는 제어 회로에서 사용될 수 있는 저역 통과 필터의 회로 다이어그램이다.
도 7a는 위상 대 위상 역기전력 신호들에서 이루어지는 3가지의 비교 연산들(예를 들면, Va-b > Vb-c일 경우에 C1 = 1임)로부터의 2진 출력을 보여주는 파형 다이어그램이다.
도 7b는 본 발명을 구현하는 제어 회로에 의해 획득될 수 있는 개별 위상들에 대한 전류의 정류(commutation)의 파형 다이어그램이다.
도 8a는 도 2b의 모터가 발전기로서 이용되는 경우에 생성되는 위상 전류들의 파형 다이어그램이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 정류된 위상 전류들의 파형 다이어그램이다.
도 8c는 종래의 발전기로부터의 정류된 위상 전류의 파형 다이어그램이다.
도 1a에는 도 1b에 도시된 바와 같은 선행기술의 동기식 AC 모터의 각각의 위상 권선에 공급되어야 하는 이상적인 전류(10)(또는 이와는 반대로 선행기술의 동기식 AC 발전기에 의해 생성되는 전류)가 도시되어 있다. 차후에 설명되겠지만, 이상적으로는 (정류 주파수(16)를 지니는) 정현파 전류(10)가 이러한 선행기술의 모터 타입에 적정하며 그러한 선행기술의 모터를 구동시킬 경우에는 가능한 한 정현파 패턴의 표현(12)에 근접한 것을 제공하는데 관심과 노력이 동반된다. 이러한 이상적인 파형을 이루는데 일반적으로 사용된 기법은 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation; PWM)이다. PWM은 가변 기간의 장치에 다수의 전류 펄스들(12)을 제공하는 것을 포함한다. 펄스(스위칭 주파수(14))의 타이밍 및 평균 펄스 폭을 변경함으로써 정현파에 근사한 전체 전류가 생성된다. 상기 평균 펄스 폭을 제어함으로써 진폭이 변경되고 상기 펄스들의 타이밍을 변화시킴으로써 정류가 제어된다. 일반적으로는, 전류 펄스들(12)은 다수의 위상, 가장 바람직하게는 120도 마다 다른 3개의 상이한 위상들로 가해진다.
도 1b에는 축(24) 상에 장착된 4극 영구 자석 회전자(22)를 지니는 선행기술의 브러시리스 AC 모터(20)가 도시되어 있다. 이러한 타입의 모터(20)에서는, 상기 모터가 상기 모터의 주변 주위에 일정 간격으로 이격된 4개의 자기 극(magnetic pole)들을 지닌다. 상기 자기 극들은 360도 주위에 퍼져 있는 4개의 영구 자석들(26,28,30,32)에 의해 제공되지만, 각각의 자석은 30도의 데드 스페이스(dead space)만큼 각각의 자석에 인접한 자석들로부터 떨어진 상태에서, 단지 60도 범위에 걸쳐 있다. 물론 상기 자석들(26,28,30,32)은 모터 둘레에 '블록 형태'의 북-남-북-남(north-south-north-south) 자기장을 생성한다.
3-상 전압들의 권선들(34)이 어떠한 방식으로 상기 자석 둘레에 분포되어 있는지에 대한 일례는 도 1b에 도시된 바와 같다. 상기 권선(34)의 단지 하나의 루프만이 명료성을 위해 도시되어 있다. 여기서 알 수 있겠지만, 상기 권선(34)은, 자석(30)의 에지에 인접한 슬롯(36)을 통과하기 전에 자석(28)에 인접한 슬롯(36)으로부터 나오게 된다. 이러한 권선 패턴은 상기 모터의 자석들에 대한 상기 권선의 상대적인 위치 및 방향에 따라 권선들 내에서 서로 다른 자기장들을 생성한다. 물론 당업자라면 상기 권선 패턴을 변경함으로써 상기 모터의 속성들이 사용 목적에 따라 변경될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
종래의 모터들에는 종래의 모터들의 권선들이 물론 상기 자석들에 의해 초래하게 될 수 있는 '블록 형태'의 온/오프 여자를 분리시키도록 분포되어 있다. 이러한 전형적인 모터 권선 패턴의 예에서는, 입력 전압의 각각의 위상이 5개의 슬롯 둘레에 감기도록 15개의 슬롯들(36)이 상기 권선들(34)에 이용가능하다. 5가 회전자 상의 자기 극의 개수(4)의 배수가 아니므로, 하나의 위상을 이루는 5개의 코일들 모두가 동시에 자석들 모두에 의해 동일한 방식으로 여자되는 것이 불가능하다. 하지만, 동일한 위상을 이루는 다양한 코일들은 서로 다른 시간에 서로 다른 분량으로 여자된다. 더군다나, 5개의 코일들은 고정자 둘레에 균일하게 퍼져 있지 않지만 도 1b에 도시된 바와 같이 분포되어 있다. 만약 이러한 기계가 발전기이라면, (모두가 하나의 위상에 대해 직렬로 접속되어 있는) 각각의 코일에서 생성되는 전위는 회전자가 이동함에 따라 다소 서로와는 별개로 변하게 되며, 상기 코일들의 분포는 총체적인 전위가 거의 정현파 패턴으로 상승 및 하강하도록 선택된다.
종래의 브러시리스 DC 제어에서는, 도 4에 예시된 바와 같은 6개의 IGBT(A+, A-, B+, B-, C+, C-)들이 정류(타이밍) 및 전압 조정(분량) 모두를 제어하는데 이용된다. 전압 조정은 도 1c에 도시된 바와 같이 펄스 폭 변조(Pulse Width Modulation; PWM)에 의해 구현된다. 일정한 전압 진폭의 펄스들(12a)은 상기 모터에 공급되며 사각파(square-wave) 전압(10a)을 형성한다. 이러한 경우에 상기 전압(10a)의 진폭은 펄스들의 개수 및 펄스들의 기간 또는 폭(듀티 사이클(duty cycle)에 의해 결정된다. 상기 모터의 인덕턴스 및 저항은 고유한 전류 조정 기능을 제공한다. 그러나, 상기 모터의 인덕턴스 및 저항은 효율성을 감소시키며 상기 모터로 하여금 매우 높은 전기적/기계적 속도 애플리케이션들에 적합하지 않게 한다.
그 외에도, 상기 PWM 제어기의 온-오프 스위칭으로부터 비교적 안정된 낮은 전류를 생성하는데에는 DC 브러시리스 모터의 권선들(34)이 높은 인덕턴스를 나타낼 필요가 있다. 더군다나, 정류를 제어하는 동일한 IGBT들 상에서 이러한 부류의 PWM 제어를 구현하도록 한다는 것은 상기 IGBT들의 스위칭 주파수(14)가 정류(16)의 스위칭 주파수보다 상당히 높아야 하고 모터 축의 회전 속도에 비해 여전히 높아야 한다는 것을 의미한다. 이는 상기 방법이 높은 전기 속도에서 실제적이지 않게 한다. 예를 들면, PWM 모터 제어기의 IGBT 스위칭 주파수는 결과적으로 얻어지는 PWM 출력을 평활화하도록 충분히 높은 인덕턴스를 지니는 모터에 대한 정류 주파수보다 적어도 10배 높은 주파수인 것이 전형적이게 된다. 더군다나, 매우 낮은 인덕턴스 및 높은 효율성을 수반하는 본 발명의 바람직한 실시에에서 제시된 모터 타입에서는, 상기 IGBT 스위칭 주파수(14)가 상기 정류 주파수(16)보다 적어도 100배 높아야 할 것이다. 본 발명의 실시예들에 필요한 높은 동작 속도 때문에, 이러한 제어 방안은 실제적이지 않게 된다.
이와는 반대로, 본 발명에 의해 채용된 모터(40)는 12-슬롯 설계를 사용한다. 이러한 모터의 표현은 도 2b에 도시되어 있다. 이러한 모터에서는, 4개의 자석들(41-44)이 연속적인 영구 자석 쉘을 생성하도록 어떠한 데드 스페이스 없이 회전자(46)의 최대 360도 범위에 걸쳐 있음으로써, 상기 모터가 상기 15-슬롯 모터에 비하여 소정 크기에 대해 (일반적으로) 50% 이상 강력해진다. 12개의 슬롯들(48) 및 3개의 위상들(50)은 위상당 4개의 코일들 또는 슬롯들을 허용하며, 이는 상기 회전자 상의 4개의 자기 극들에 상응한다. 그러므로 각각의 코일(50)은 항상 상기 자석들(41-44)에 의해 완전히 여자될 수 있다. 어느 한 위상에서의 코일들(50)은 시계방향-반시계방향-시계방향-반시계방향으로 감겨 있음으로써, 북-남-북-남 자기장이 보강되어 (발전기의 경우에) 고정자를 통해 최대 전류를 구동시키거나 또는 (모터의 경우에) 소정 전류로부터 최대 토크를 생성한다. 그러나, 발전기로서, 이러한 기계는 처리하기에 곤란한 사각파 출력을 공급하게 된다. 마찬가지로 모터(40)로서, 상기 축(47)의 평활한 회전은 공급하기에 곤란한 사각파 전류 입력(60)을 필요로 한다. 이러한 이유들 때문에, 여기서 설명한 12-슬롯 기계의 특징들을 지니는 모터는 대부분의 선행기술의 애플리케이션들에서 보편적인 선택이 아니다. 만약 이러한 모터가 상기 모터의 조밀성(compactness) 및 효율성을 위해 선택된 다음에 선행기술의 PWM 제어기를 사용하여 구동된 경우에는, 모터 출력이 평활하지 않고(시간에 따라 변하고) 추가적인 전기 손실들이 모터의 고유 이점들 중 일부 이점을 무효로 하는 결과가 초래하게 된다.
도 2a에는 사각파 입력용으로 설계된 모터(40)에 대한 각각의 위상 권선(50)(도 2b 참조)에 이상적으로 분급(分給)되어야 하는 전류(60)가 도시되어 있다. 그 외에도, 상기 회전자의 자기 극들이 상기 코일에 의해 에너지를 공급받는 영구 자석과 일직선으로 맞춰지지 않을 때 갭들(66)은 고정자의 기하학적 구조의 함수로서 상기 회전자의 비-이상적인 여자를 방지하는데 필요하다. 이러한 갭들(66) 동안, 전류는 서로 다른 위상에 의해 분급된다. 전류의 인가 또는 제거 간의 관련 스위칭 지점(68)들은 정류 타이밍이며 이상적으로는 회전자의 자기 극이 상기 권선들에 의해 에너지를 공급받는 자석의 영향력을 받거나 받지 않는 경우에 생긴다.
고속 및 고효율을 이루기 위하여, 상기 권선들(50)의 저항 및 인덕턴스는 도 1b의 선행기술의 모터와 같은 전형적인 DC 브러시리스 모터의 경우보다 훨씬 작게 된다. 모터가 동작하고 있는 어느 순간에라도, 하나의 위상(50)이 양(+)(내부 전류 이동)에 접속되고, 한 위상이 음(외부 전류 이동)에 접속되며, 그리고 한 위상이 부동 상태(무 전류)에 있다. 상기 모터의 성능을 극대화하기 위하여, 각각의 위상(50)이 나머지 위상들에 비하여 최대 역기전력을 나타낼 경우에 전류는 그러한 각각의 위상에 주입되어야 하며 각각의 위상이 최소 역기전력을 나타내는 경우에 전류는 그러한 각각의 위상으로부터 복귀되어야 한다. 정류 타이밍(68)은 정확하게 제어되어야 한다. 만약 역기전력이 이상적인 경우에, 상기 정류 타이밍(68)은 3개의 위상 전압을 비교함으로써 획득될 수 있다(예컨대, 한 위상이 최대 역기전력을 나타낼 경우에, 그러한 위상 전류는 '온(on)' 상태로 스위칭된다.
이상적으로는, 상기 진폭(62)이 상기 정류 주파수(64)와는 별개로 가변적일 필요가 있다. 도 3에는 본 발명의 주요 실시예가 도시되어 있으며 사용된 제어기(80)가 상세하게 도시되어 있다. 이러한 제어기(80)의 주된 특징은 상기 제어기(80)가 정류와는 별도로 전력을 다룬다는 것이다. 이러한 제어 방안은 상기 모터(84)로 흐르는 전체 전류(i1; 82)의 제어 및 상기 모터(84)의 위상 접속기들 상의 그러한 전류(iu, iv, iw; 86a-c)의 정류 간의 논리적 선별(logical separation)에 의해 달성된다.
상기 전체 전류(82)는 전체 전류(82)를 조정하는 2개의 비례-적분(PI; Proportional-Integral) 피드백 제어 루프들(88,90)을 지닌다. 내부 루프(88)는 전류 진폭을 직접 제어하고 외부 루프(90)는 상기 모터(84)의 토크 요건(속도/타깃 속도 불일치)에 따라 전류를 조정한다.
상기 내부 루프(88)는 전체 전류(82)의 진폭을 제공하는 듀티 사이클(92) 및 현재의 전체 전류(82)를 상기 외부 루프(90)에 의해 요구되는 전류와 비교하는 (진폭) 조정기(94)를 포함한다. 만약 상기 외부 루프(90)에 의해 요구되는 전체 전류(82)가 현재 공급된 전체 전류보다 클 경우에, 전류는 상기 듀티 사이클(92)에 의해 원하는 전류와 일치하도록 조정된다. 당업자라면 상기 내부 루프(88)가 전류 진폭을 조정하기 위한 조정 피드백 루프인 것으로 고려될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
상기 외부 루프(90)는 또한 (속도) 조정기(94)를 포함하며 상기 조정기(94)는 속도 타깃(96)을 상기 모터의 현재 속도(98)와 비교하고 상기 속도 타깃(96)으로 가속하는데 필요한 전체 전류(82)를 결정한다. 포화 검사(Saturation Check; 100)는 전류 요구량이 상기 제어기(80) 및 상기 모터(84)의 능력 범위 내에 있게 하도록 제공된다. 상기 모터의 속도는 상기 모터로부터 획득된 역기전력 신호들(Vw, Vv, Vu)(104)을 분석하고 상기 역기전력 신호들을 변환하여 상기 모터(및 자석들)의 각 위치 및 상기 모터 속도(98)를 결정하는 F/V 변환기(102)에 의해 제공된다. 상기 전체 전류(82)를 조정하는데 사용되는 구성요소들(상기 내부 및 외부 피드백 제어 루프들(88,90))은 전류 진폭을 상기 모터(84)의 권선들에 제공하기 위한 전류 공급 피드백 루프로서 고려될 수 있다.
상기 모터 내의 권선들을 지나서 이동하는 강한 영구 자석들에 의해 생성되는 역기전력 신호의 사용은 상기 모터의 고정자 권선의 각각의 위상 접속을 통한 피상 전기 저항(apparent electrical resistance)에서의 발진 변화(oscillating variation)로서 상기 역기전력이 나타나기 때문에 유리하다. 이는 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 순간적인 위치, 결과적으로는 상기 고정자의 전기 여자에 대한 적합한 타이밍을 암시한다. 이러한 방법에 의해서, 상기 모터의 위상 접속들은 모터 제어기의 출력(모터의 고정자 권선들을 여자시키도록 하는 발진 전류)와 아울러 모터 제어기의 입력들 중 하나(정류 패턴을 결정하도록 하는 역기전력)를 구비하게 된다.
비록 본 발명이 역기전력 신호들을 이용하여 모터 속도 및 위치를 결정한다 하더라도, 상기 모터를 모니터링하고 참조 신호들을 생성하는 변형적인 방식들이 이용될 수 있다. 변형적인 방식들의 예들에는 외부 회전자 위치 센서, 아마도 모터 축 상의 마킹들 또는 형상들(예컨대, 압축기 블레이드들)에 따른 광학 타입 또는 전자기 간섭(홀(Hall) 효과) 센서 타입의 사용; 대략적 센서(coarse sensor)에 의해 일정하게 (예컨대, 모터 축 회전당 한번) 교정 또는 리셋되는 상기 제어기 내부의 시간 유지(timekeeping) 장치의 사용; (상기 모터에 전달되는 총체적인 전류가 아니라) 모터 권선들에서 유도되는 전류에 관련된, 정류 전류, 또는 상기 정류 전류를 나타내는 신호의 측정; 및 기대치 않거나 또는 진정한 최적의 정류 타이밍과의 동기를 이루고 있지 않을 수 있다(예컨대, 상기 회전자가 전기 여자에 대하여 '누락(slip)'될 수 있다)는 배려 없이 필요한 정류 및 상기 회전자의 위치에 대하여 가정한 순수한 내부 논리 및 시간 유지의 사용;이 있다.
이러한 2-단계 방안은 과전류 상태를 방지하도록 구현되는데, 그 이유는 상기 모터(84)가 매우 낮은 내부 인덕턴스에 대하여 최적으로 설계되며 결과적으로는 전류(82)가 짧은 기간 동안 긴밀하게 제어되지 않는 한 상기 모터(84)가 손상에 매우 민감하기 때문이다. 속도(96)를 제어하기 위해, 상기 제어 시스템(80)은 상기 모터의 역기전력(104)의 주파수를 측정하여 상기 모터 속도(98)를 획득한다. 상기 내부 루프(88)에 대한 전류 커맨드(90)를 설정함으로써, 상기 제어 시스템은 토크를 제어할 수 있다. 만약 상기 모터(84)가 가속되어야 한다면, 상기 제어기(90)는 토크의 증가를 위해 전류 커맨드를 증가하게 된다.
상기 전체 전류(82)의 정류는 별도로 구현되며 상기 모터(84)의 우측에 도시되어 있다. 정류 패턴(110)은 위상 접속기들 상에 표시되는 역기전력(104)을 추적함으로써 측정되는 바와 같이 모터 위치에 수동적으로 응답한다. 바람직한 실시예는 위상 대 위상 전압을 사용하여 역기전력을 측정한다. 이는 전형적인 모터 속성들(하기 참조)에 기반하여, 최적 전류 정류 타이밍에 대해 90도 만큼 위상이 앞서게 되는 것이 일반적이다. 그러므로 바람직한 실시예는 상기 측정된 위상 대 위상 전압들에서 90도 위상 시프트를 초래하게 하는 저역 통과 필터(112)를 구현한다. 이러한 저역 통과 필터(112)는 추가로 역기전력 신호(104)로부터 오차들을 제거함과 동시에 위상 각을 조정함으로써 타이밍이 전류 정류 제어 신호로서 사용하기에 적합하게 한다.
일단 상기 정류 패턴(110)이 결정되는 경우에는, 상기 정류 패턴(110)이 IGBT 모듈(114)에 제공된다. 그리고나서 상기 전체 전류(82)는 요구된 전류(iu, iv, iw)(86a-c)를 상기 모터(84)에 안배하도록 요구된 정류 패턴(110)에서 IGBT 모듈(114)에 의해 조정될 수 있다. 이러한 구성요소들(110, 112, 114)의 조합은 모터 권선들에 공급되는 여자 전류의 타이밍 및 기간을 제어하기 위한 정류 피드백 루프로서의 기능을 수행한다.
도 4에는 듀티 사이클(92) 및 IGBT 모듈(114)이 도시되어 있다. 상기 듀티 사이클(92)은 "DC/DC 전류 소스"부로서의 기능을 수행하며 제어된 전체 전류량의 거의 연속적인 전류(82)를 생성한다. 상기 듀티 사이클은 2개의 IGBT들(120,122)을 지니고 IGBT들을 온 및 오프로 스위칭함으로써, 전체 전류(82)가 조정될 수 있다. 상기 듀티 사이클(92)은 상기 IGBT 모듈(114)에 접속되며, 이는 6-레그 인버터로서 3-상 신호에 대한 기능을 수행한다. 상기 모터의 높은 기본 주파수 때문에, 이러한 IGBT 모듈(114)은 (종래의 제어 레이아웃에서 이행해야 했던 것처럼) 단지 정류만을 제어하고 결코 전력을 제어하도록 전체 전류 흐름을 차단할 필요가 없다. "인버터"부는 (도시되지 않은) 디지털 제어기로부터 정류 신호를 입력으로서 취하고 전체 전류(82)가 상기 듀티 사이클(92)에 의해 생성된다.
출력으로서, 상기 IGBT 모듈(114)은 PM 모터를 구동하도록 사각파 전류 신호들을 생성한다. 상기 IGBT 모듈(114)의 기능은 전체 전류(82)가 도 2a에 도시된 간단한 스위칭 패턴을 사용하여 상기 듀티 사이클(92)로부터 직접 상기 모터(84)로 이용가능한 것이 무엇이든 안배하는 것이다. 각각의 전류 위상(86a-c)에 대하여는, 2개의 IGBT가 제공된다. 전류(iu; 86a)에 대한 정류 패턴은 요구된 정류 패턴(110)에 대한 전체 전류(82) 공급을 스위치 온 및 오프하는 IGBT들(116a,116b)에 의해 제공된다. 유사한 IGBT들(118a, 118b, 120a, 120b)은 각각의 추가적인 전류 위상(iv;86b, iw;86c)에 대하여 동일한 기능을 수행한다. 그러므로 각각의 위상에 의해 공급되는 전류는 양(+), 음(-) 또는 제로(zero)일 수 있다.
이러한 방안의 주된 이점은 이러한 방안이 IGBT들이 실제적이지 않은 높은 주파수들에서 동작해야 할 필요성을 제거한다는 점이다. 이는 또한 상기 모터(84)가 낮은 인덕턴스로 이루어질 수 있게 한다. 마지막으로, 이러한 방안은 상기 모터의 위상 권선들로부터 대개 PWM 제어에 연관되는 방해물들을 제거한다. 이는 역기전력 신호들(104)이 더 뚜렷해지게 하며 정류 타이밍(110)의 정확도를 개선한다. 높은 전기 속도들에서는, 상기 제어기(80)의 효율성이 상기 정류 타이밍(110)에 매우 민감하다. 그러므로, 상기 위상 권선들로부터 방해물들을 제거하는 추가적인 특징은 이러한 방안의 효율성을 부가적으로 개선한다.
상기 모터(84)에 의해 생성된 역기전력 신호들(104)은 도 5a에 도시되어 있다. 3개의 역기전력 신호들(104a, 104b, 104c)는 입력 전류들(86a, 86b, 86c)의 3개의 위상들에 대응한다. 도 5a에 도시된 역기전력은 이상화된 것이다. 실제로는, 상기 역기전력 신호(104)가 종종 변동이 심하고 왜곡됨으로써, 상기 모터의 각 위치의 결정, 결과적으로는 정류 타이밍의 결정이 어려워지게 된다. 더군다나, 실제 모터 제어에 있어서는, 정류 자체가 빠른 위상 전류 변화들 때문에 역기전력(104)을 방해한다. 이러한 방해는 역기전력 파형들의 형상들을 변형시킬 수 있는데, 이는 그들 간의 비교를 더 이상 신뢰하지 못하게 한다. 추가로, 상기 제어기를 배선하는 실용성들 때문에, 단일의 역기전력(104a)을 측정하는 것이 곤란하다.
본 발명의 실시예에서는, 역기전력 신호의 신뢰성이 도 5b에 도시된 바와 같이 역기전력(104)의 위상 대 위상 전압들(130)을 측정함으로써 (상기 제어기가 상기 모터에 전류를 분급하는데 사용되는 동일한 와이어들을 모니터링할 수 있게 함으로써) 부가적으로 개선된다. 그러나, 상기 위상 대 위상 전압들(130)(역기전력들)은 상기 위상 전압들(역기전력들)(104)과 일치하지 않는다. 예를 들면, 도 5a에서 (점 1로 표시된) 위상 A 및 위상 B의 교차점은 도 5b에서 (점 2로 표시된) 위상 A-B 제로 교차점이게 된다. 위상 대 위상 교차점이 상기 모터에 공급되는 전류를 다음의 해당 위상으로 스위칭하기 위한 최적의 위치를 결정하기 때문에, 이러한 위치의 결정은 상기 모터의 효율적인 사용을 보장하는데 중요하다. 상기 위상 대 위상 전압은 2개의 위상 전압들 간의 차이므로, 이러한 2개의 신호들 간의 위상차는 다음과 같이 계산될 수 있다.
위상 A 전압: sin(x)
위상 B 전압: sin(x-pi/3)(3-상 모터에서의 120도 위상 오프셋)
위상 A 대 B: sin(x) - sin(x-pi/3) = sqrt(3)sin(x+pi/6) (sin(x)보다 파형 30도 앞섬)
위상 대 위상 교차점(도 5a에서의 점 1)은 더 이상 용이하게 결정된 위치(도 5b에서의 점 2) 내에 있지 않다. 신뢰성 있는 신호를 획득하기 위하여, 3-상 역기전력은 결과적으로 그러한 비교가 수행되기 전에 필터링된다. 도 6에는 저역 통과 필터(112)의 설계가 도시되어 있다. 상기 필터(112)에 대한 전달 함수는,
Figure 112013005752906-pct00001
이다. 모터 속도 및 전기 주파수가 증가하게 됨에 따라, 이러한 필터(112)의 동작은 순수 적분(pure integral)에 근접하게 되며, 이러한 필터에 의해 생성되는 시간 지연은 90도 지연에 근접하게 된다. 상기 필터링된 위상 대 위상 신호(140)의 표현은 도 5c에 도시되어 있다.
하기 표 1에는 모터의 서로 다른 속도들에서 필터에 의해 분급되는 위상 시프트의 각도가 도시되어 있다. 여기서 알 수 있는 점은 (200Hz에서부터 2000Hz에 이르기까지의) 큰 모터 속도 범위에 대하여 위상 시프트들이 90도 매우 근접하다는 점이다.
Figure 112013005752906-pct00002
위에서 언급한 바와 같이, 이상적인 스위칭 타이밍은 위상 전압 신호들 간의 교차점들을 고려함으로써 획득된다. 그러나 상기 제어기는 필터링된 위상 대 위상 전압 신호들을 사용하며 상기 필터링된 위상 대 위상 전압 신호들은 위상 전압들보다 총 60도 뒤져 있다(30도 - 90도). 정류 이벤트가 매 60도마다 생기기 때문에(도 5c 참조), 이와 같은 필터링된 위상 대 위상 전압들이 사용될 수 있지만, 상기 위상 대 위상 전압들의 교차점들이 위상 전류 신호들에 연관되는 매핑은 위상 전압들이 사용된 경우에 적용하게 되는 매핑과 다르다.
도 5c에는 90도 위상 시프트가 고려되는 필터링된 위상 대 위상 신호들이 도시되어 있다. 도 5a 및 도 5b에서 점 1 및 2와 일치되지만, 도 5c에서의 해당 점은 위상 B-C 및 위상 C-A 간의 교차점인 점 3으로서 표시된다. 도 5c에는 일정한 위상 시프트에도 불구하고, 전류 스위칭을 위한 정류 타이밍(110)이 필터링된 위상 대 위상 전압들의 크기들을 비교함으로써 여전히 비교될 수 있음이 도시되어 있다.
상기 위상 대 위상 전압 필터에 의해 생성된 3개의 전압 신호들은 이후에 공지된 전자 구성요소들을 사용하여 비교될 수 있다. 상기 비교들의 결과들은 도 7a에서 볼 수 있는 바와 같이, 정류 출력을 생성하도록 복호화될 수 있다. C1(152)은 필터링된 Va-b 및 Vb-c 간의 비교 결과들이다. C2(154)는 Vb-c 및 Vc-a를 위한 것이다. C3(156)는 Vc-a 및 Va-b를 위한 것이다. 상기 모터에 대한 전류의 정류 패턴을 제어하는 6개의 IGBT들(116a, 116b, 118a, 118b, 120a, 120b)은 도 7b의 하부 그래프에 도시된 바와 같이 신호들(C1,C2,C3)에 의해 완전하고도 최적 상태로 제어될 수 있다. A+ IGBT(116a)가 온 상태로 스위칭될 경우에, 양(+) 전류가 위상 A(166a) 내로 주입된다. A-(166b)가 온 상태로 스위칭될 경우에, 음(-) 전류가 위상 A(166b) 내에 주입된다. 도 7a의 파형 C1과 도 7b의 A+ 및 A- 파형들 간의 비교에 의해 알 수 있는 점은 C1(152)이 음(-)으로부터 양(+)으로 스위칭하는 경우의 점이 π/6에서 생긴다는 점이다. 이러한 π/6 점은 IGBT(116a)가 A+ 전류(116a)를 제공하도록 스위칭되어야 하는 점에 상응한다. 마찬가지로, C1이 양(+)으로부터 음(-)으로 되는 점은 스위치(116b)에 의한 A-(166b)의 스위칭 점에 상응한다.
따라서, 상기 제어기(80)는 발진 전류 신호들이 구성된 일정(전체 전류(82)) 신호와 발진 전류 신호들의 절대값들의 합이 항상 동일한 방식으로 형상화되고 퍼져 있는(위상 오프셋된) 파형들을 갖는 발진 전류 신호들을 모터의 위상 접속들(86a-c) 상에 분급한다. 이러한 다상 정류 패턴(110)은 제어기의 출력이며 상기 모터의 고정자 권선에서 이용가능한 위상 접속점들에 전달된다. 상기 정류부를 포함하는 이러한 제어기(80)는 기계식이라기보다는 전자식이며, 이는 상기 모터에 내장되어 있고 잠재적으로는 고속으로 움직이는 러빙(rubbing)이나 또는 슬라이딩(sliding) 기법의 기계식 스위치들에 비하여 효율성 및 신뢰성을 향상시킨다.
또한 당업자라면 상기 제어기(80)가 상기 모터(84)를 발전기로서 가동시키도록 사용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그러한 실시예들에서는, 상기 고정자에 대한 상기 발전기의 회전자의 움직임 때문에 전류가 상기 고정자의 권선들 내에 흐르게 된다. 그러한 실시예에서의 정류 회로는 상기 권선들로부터 전류를 획득하여 (위의 예에서) 3개의 위상 전력 신호를 생성한다. 상기 제어기(80)가 발전기로서 상기 모터(84)를 동작시킬 경우에, 상기 제어기(80)는 전류 소스와는 별도로 위에서 언급한 바와 같은 방식으로 계속 동작한다. 그러나, 상기 모터(84)가 발전기로서 가동되는 경우에, 상기 전류 소스는 본질적으로 반전됨으로써 전류의 방향도 반전되기 때문에 전류가 상기 정류 회로 및 모터(84)로부터 흐르게 된다. 상기 모터 또는 발전기의 배치 때문에, 그러한 출력은 DC 신호 또는 전류이다. 양(+) 및 음(-) 설정점들 간에 이러한 DC 전류를 바꿈으로써, 상기 제어기는 모터로부터 발전기로 그리고 발전기로부터 모터로의 신속하고 끊김 없는 전이(transition)를 허용한다.
발전기로서 가동될 경우에는, 상기 전력 신호가 이후에 DC 전류를 생성하도록 정류기를 통과할 수 있게 된다. 유리한 점으로는, 본 발명의 발전기 실시예에 의해 생성된 정류 패턴은 도 8a에 도시된 일련의 사각 파형들로서 도 7a에 도시된 사각 파형들과 유사한 일련의 사각 파형들이다. 도 8a로부터 알 수 있는 바와 같이, (모터(40) 형태의) 발전기는 3개의 위상 전류 신호들(180(도 7b의 A 및 B 간의 비교), 182(도 7b의 B 및 C 간의 비교) 및 184(도 7b의 C 및 A 간의 비교))을 생성한다. 참조번호 180, 182, 184로 생성되는 3개의 위상 신호들 각각은 양(+) 위상 전류(180a)에서부터 제로(zero) 정미 위상 전류 평면들(180c, 180g) 및 양(+), 음(-) 및 정미 제로 평면들 간에 계단 함수들(180b, 180d, 180f, 180h)을 통해 음(-) 위상 전류(180e)에 이르기까지 바뀌는 신호를 생성한다. 당업자라면 상기 파형들의 정확한 형태가 이와 같은 이상화된 정규 표현으로부터 벗어날 수 있다는 점을 이해할 것이다.
여기서 언급한 발전기의 타입은 개별 발전기 위상들로부터 사각파 출력(180, 182, 184)을 생성하고, 이러한 사각파 출력은 DC로 정류될 경우에 (고조파들(192)을 제외하고) 평활화(190)된다. 도 8b에는 정류된 DC 전류의 표현이 도시되어 있다. 고조파들(192)은 (각각의 계단 함수 간격에서) 한 사각파 위상 출력(180)으로부터 다음 사각파 위상 출력(182)로의 전이 동안에 생길 수 있다. 그러나, 고조파들(192)이 제거된 후에는, 전체 신호(190)가 도 8c에 도시된 바와 같이 정류된 3-상 정현파 신호(194)보다 더 평활해진다(상기 신호(190)는 정류된 3-상 정현파 신호들(194)에서 10%가 전형적인 것보다는 오히려 대략 0%만큼 변한다.) 이는 여러 산업 애플리케이션이 물론 고조파들을 필터링할 수 있지만 정현파 신호들을 정류함으로 인한 벌크 변동(bulk fluctuation)들을 허용할 수 없기 때문에 바람직하다. 더군다나, 당업자라면 사각파 입력을 정류할 때 생성되는 타입의 단기간 고조파들을 필터링하도록 하는 여러 방법이 존재함을 이해할 것이다.
만약 순전히 발전기 동작을 위한 기계가 설계된다면, 상기 제어기는 여기서 언급한 완전한 제어기보다는 오히려 정류기로 단순화될 수 있을 것이다. 상기 발전기용으로 사용되는 제어 방법이면 어떤 것이든, 여기서 언급한 특징들의 특정 조합을 통해 DC 전력 출력 신호를 생성하는데 적합한 발전기가 제작될 수 있을 것이다.

Claims (23)

  1. 영구 자석 전기 모터의 동작을 위한 제어 시스템에 있어서,
    상기 제어 시스템은,
    상기 전기 모터의 모터 권선들에 여자 전류를 공급하기 위한 전력 공급원으로서, 펄스 폭 변조(pulse width modulation)를 사용하여 상기 모터 권선들로 공급되는 전류 진폭을 제어하기 위한 전류 공급 제어기를 포함하는, 전력 공급원; 및
    상기 전력 공급원과는 별도로 동작 가능하게 이루어진 정류 제어기로서, 소정 시간에 상기 전기 모터의 서로 다른 권선들로 상기 여자 전류를 공급하는 타이밍 및 기간을 제어하도록 동작 가능한, 정류 제어기;
    를 포함하며,
    상기 여자 전류의 공급에 따른 상기 전기 모터의 회전은 각각의 모터 권선에서 각 위치(angular position) 신호에 상응하는 역기전력을 생성하고,
    상기 전류 공급 제어기는 상기 전기 모터의 타깃 속도에 따라 상기 모터 권선들에 대한 전류 진폭을 조정하기 위한 전류 공급 피드백 루프를 포함하며,
    상기 정류 제어기는,
    상기 전류 공급 피드백 루프로부터 독립된 정류 피드백 루프로서, 소정의 모터 권선에 대한 역기전력의 진폭이 상기 모터 권선들 중 나머지 권선들에 대한 역기전력보다 큰 경우에 상기 소정의 모터 권선으로 전류 펄스를 제공하도록 상기 각 위치(angular position) 신호에 따라 상기 모터 권선들로 공급된 여자 전류의 타이밍 및 기간을 제어하는, 정류 피드백 루프를 포함하고,
    상기 여자 전류를 공급하는 타이밍 및 기간은 상기 전기 모터의 각 위치(angular position)에 따라 이루어지며 상기 여자 전류의 진폭은 상기 권선들로 상기 여자 전류를 공급하는 타이밍 및 기간과는 별도로 가변적인 것을 특징으로 하는, 영구 자석 전기 모터의 동작을 위한 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 전류 공급 제어기는 과전류 상태를 방지하도록 하는 포화 검사(saturation check)부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 영구 자석 전기 모터의 동작을 위한 제어 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 전류 공급 제어기는 상기 전기 모터의 타깃 속도를 나타내기 위한 입력, 및 상기 전기 모터의 타깃 속도 및 모터 속도에 응답하여 상기 전류 진폭을 제공하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는, 영구 자석 전기 모터의 동작을 위한 제어 시스템.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 정류 피드백 루프는 상기 각 위치 신호 및 상기 소정의 권선으로의 전류 공급 간의 동기화를 용이하게 하도록 상기 역기전력을 필터링하기 위한 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는, 영구 자석 전기 모터의 동작을 위한 제어 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 필터는 상기 동기화를 용이하게 하도록 상기 역기전력에 위상 시프트를 채용하는 것을 특징으로 하는, 영구 자석 전기 모터의 동작을 위한 제어 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전기 모터는 120도의 상대 각도 변위의 3개의 모터 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는, 영구 자석 전기 모터의 동작을 위한 제어 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 여자 전류는 사각파 전류 신호들인, 영구 자석 전기 모터의 동작을 위한 제어 시스템.
  14. 제1항, 제3항, 제5항 및 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 제어 시스템을 포함하는 영구 자석 모터에 있어서, 상기 모터는 복수 개의 영구 자석들을 포함하며, 상기 복수 개의 영구 자석들은 연속적인 영구 자석 쉘을 제공하도록 회전자 둘레에 퍼져 있는 것을 특징으로 하는, 영구 자석 모터.
  15. 제14항에 있어서, 상기 영구 자석 모터는, 각각의 위상 권선이 단일의 여자 전류에 의해 상보적인 에너지를 공급받을 수 있고 서로 반작용하는데에는 사용되지 않게 하도록 상기 모터의 주변 둘레에 다수의 슬롯에 배치된 복수 개의 위상 권선들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 영구 자석 모터.
  16. 제15항에 있어서, 상기 복수 개의 위상 권선들은 나란하게 상기 슬롯들 내에 개별적으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 영구 자석 모터.
  17. 제15항에 있어서, 자석들의 개수로 나눠진 슬롯들의 개수는 전류 위상들의 개수의 배수인 것을 특징으로 하는, 영구 자석 모터.
  18. 제1항, 제3항, 제5항 및 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 제어 시스템을 포함하는 내연 기관용 강제 유도(forced induction) 시스템.
  19. 크랭크축이 구비된 내연기관용 강제 유도(forced induction) 시스템에 있어서,
    상기 강제 유도 시스템은,
    상기 내연기관 내에 가스 압력을 증가시키기 위한 압축기;
    상기 압축기로부터 기계적으로 결합해제되는 터빈으로서, 내연기관용 배기 가스에 의해 구동되도록 구성된, 터빈;
    상기 터빈에 의해 구동되도록 구성된 발전기;
    상기 압축기를 구동시키도록 구성된 전기 모터로서, 상기 발전기와 함께 전기적으로 접속되어 있는, 전기 모터; 및
    제1항, 제3항, 제5항 및 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 제어 시스템;
    을 포함하여, 상기 압축기가 전기 접속을 통해 상기 터빈의 출력 토크에 의해 적어도 부분적으로 구동되는 것을 특징으로 하는, 크랭크축이 구비된 내연기관용 강제 유도 시스템.
  20. 제1항, 제3항, 제5항 및 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 제어 시스템을 포함하는 영구 자석 모터로서, 상기 영구 자석 모터는 복수 개의 영구 자석들을 포함하며, 상기 복수 개의 영구 자석들은 연속적인 영구 자석 쉘을 제공하도록 상기 복수 개의 영구 자석들 간의 공간들 없이 서로 접촉해 있는 것을 특징으로 하는, 영구 자석 모터.
  21. 제20항에 있어서, 상기 영구 자석 모터는, 각각의 위상 권선이 단일의 여자 전류에 의해 상보적인 에너지를 공급받을 수 있고 서로 반작용하는데에는 사용되지 않게 하도록 상기 영구 자석 셀의 주변 둘레에 다수의 슬롯에 배치된 복수 개의 위상 권선들을 포함하는 것을 특징으로 하는, 영구 자석 모터.
  22. 제21항에 있어서, 상기 복수 개의 위상 권선들은 나란하게 상기 슬롯들 내에 개별적으로 배치되는 것을 특징으로 하는, 영구 자석 모터.
  23. 삭제
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