KR19990088419A - 스위치드릴럭턴스장치의드라이브시스템및그구동방법 - Google Patents

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KR19990088419A
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제럴드 리드스터
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Abstract

본 발명의 다상 스위치드 릴럭턴스 장치의 드라이브 시스템은 인접 상(adjacent phase)을 연속적으로 여자하는 것을 방지하는 상 여자 순서를 사용하여 토크 리플(torque ripple)을 감소시킨다.

Description

스위치드 릴럭턴스 장치의 드라이브 시스템 및 그 구동 방법{OPERATION OF SWITCHED RELUCTANCE MACHINES}
본 발명은 상 권선에 인가되는 여자의 새로운 패턴을 사용하는 다상 스위치드 릴럭턴스 장치의 드라이브 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 릴럭턴스 장치는 자기 회로의 릴럭턴스가 최소가 되는 위치, 즉, 여자 권선의 인덕턴스가 최대가 되는 위치로 그 이동 가능 부분의 이동에 의해 토크가 발생되는 전기 장치이다. 릴럭턴스 장치의 제1 형태에 있어서는, 상 권선의 전압 인가가 제어된 주파수에서 발생한다. 이 릴럭턴스 장치는 일반적으로 동기식 릴럭턴스 장치로 칭하며, 모터나 발전기로 동작될 수 있다. 릴럭턴스 장치의 제2 형태에 있어서는, 회전자의 각 위치를 검출하고 회전자 위치의 작용에 따라서 상 권선에 전압을 인가하기 위한 회로가 설치되어 있다. 이 릴럭턴스 장치는 일반적으로 스위치드 릴럭턴스 장치로 칭하며, 모터나 발전기일수도 있다. 이러한 스위치드 릴럭턴스 장치의 특성은 잘 알려져 있는데, 예를 들면, 참고로 본 명세서에 통합되어 있는, Stephenson와 Blake에 의해 1993년 6월 21~24일자의 PCIM'93, Nurnberg 에서 발표된 문헌("The characteristics, design and application of switched reluctance motors and drives")에 개시되어 있다. 본 발명은 일반적으로 모터나 발전기로서 동작하는 스위치드 릴럭턴스 장치에 적용가능하다.
도 1은 통상적인 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템의 주요 구성 성분을 도시한다. 입력 DC 전원(11)은 배터리이거나 정류되고 필터링된 AC 전원일 수 있다. 전원(11)에 의해 제공되는 DC 전압은 전자 제어 장치(14)의 제어에 따라 전력 변환 장치(13)에 의해 모터(12)의 상 권선(16)을 지나 스위칭된다. 스위칭은 드라이브의 적절한 구동을 위해 회전자의 회전각으로 올바르게 동기화되어야만 한다. 회전자 위치 검출기(15)는 통상적으로 회전자의 각 위치에 따른 신호를 공급하기 위해 사용된다. 또한, 회전자 위치 검출기(15)의 출력은 속도 피드백 신호를 발생시키는데 사용될 수 있다.
회전자 위치 검출기(15)는 많은 형태를 갖는데, 예를 들면, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 하드웨어의 형태일 수도 있고, EP-A-0573198(Ray) 에 개시된 바와 같이 드라이브 시스템의 다른 감시 파라미터로부터 위치를 계산하는 소프트웨어 알고리즘의 형태일 수도 있다. 어떤 시스템에서, 회전자 위치 검출기(15)는 전력 변환 장치(13)에서 장치의 다른 스위칭 정렬이 요구되는 위치로 회전자가 회전하는 각 시간마다 상태를 바꾸는 출력 신호를 제공하는 회전자 위치 변환기를 포함할 수 있다.
스위치드 릴럭턴스 장치에서 상 권선의 전압은 회전자의 각 위치에 따른다. 이것은 모터처럼 동작하는 릴럭턴스 장치의 상 권선의 스위칭을 도시한, 도 2a 및 도 2b와 도 3을 참조로 설명될 것이다. 도 2a 및 도 2b는 고정자가 6개의 극을 갖고 회전자가 4개의 극을 갖는 종래 기술의 3-상 스위치드 릴럭턴스 장치의 단면도를 도시한다. 각 고정자 극(21)은 코일(23)을 운반한다. 정반대 극상의 코일은 상 권선(16)을 형성하기 위해 직렬이나 병렬로 접속된다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 고정자 극에는 세개의 상 A, B 및 C가 표시된다. 회전자 극(24)은 회전자 본체(26)로부터 돌출되어 있다. 회전자는 고정자의 구멍내에서 동축으로 회전하도록 샤프트(28)상에 장착된다. 통상적으로 고정자와 회전자는 모두 공지된 방식으로 적절한 전기 시트 강철의 박판을 적층하여 함께 고정시킴으로써 형성된다.
스위치드 릴럭턴스 장치의 다른 형태들은 종래 기술에 공지되어 있다: 반전된 장치는 내부 고정자 둘레를 회전하는 외부 회전자를 갖고; 선형 장치는 "회전자"의 선형 운동을 초래하는 길이 방향의 회전자 및 고정자 부재를 갖는다.
도 2a는 회전자 극 축이 상 C의 고정자 극 축과 일치하는 회전자 위치를 도시한다: 이는 상 C에 대한 정렬 위치로 알려져 있으며, 상 C와 관련된 자기 회로의 릴럭턴스가 최소인 위치, 즉 상의 인덕턴스가 최대인 위치이다. 도 2b는 보극 갭의 중심선이 상 C의 고정자 극과 정렬되도록 회전자가 회전된 위치를 도시한다. 이 위치에서, 상 C와 관련된 자기 회로의 릴럭턴스는 최대인데, 즉, 상의 인턱턴스가 최소이다. 회전자가 회전함에 따라, 각 상 권선의 인덕턴스는 회전자 극 피치와 일치하는 순환 주기로, 주기적으로 변화한다.
도 3은 상 권선(16)의 전압을 제어하는 전력 변환 장치(13)의 통상적인 스위칭 회로군을 일반적으로 도시한다. 스위치(31, 32)가 닫히면, 상 권선은 DC 전원에 접속되고 전압이 인가된다. 스위칭 회로군의 많은 다른 구성들은 종래 기술에 공지되어 있다: 이들 중 일부는 상기 Stephenson & Blake 의 논문에 개시되어 있다.
도 4는 일반적으로 화살표(22)를 따라 고정자 극(21)에 도달하는 회전자 극(24)을 도시한다. 전술된 바와 같이, 고정자 극(21)(상 권선(16)의 일부) 둘레의 코일(23)에 전압이 인가될 때, 회전자 극(24)이 고정자 극(21)과 일직선이 되도록 미는 힘이 회전자에 가해질 것이다.
스위치드 릴럭턴스 장치의 상 권선에 전술된 방식으로 전압이 인가될때, 자기 회로내의 플럭스에 의해 발생된 자기장은 전술된 바와 같이 회전자 극을 고정자 극과 일치되도록 밀기 위하여 작용하는 원주력으로 상승한다. 에어갭의 반경에서 작용하는 이 힘은 샤프트상에 토크를 발생시킨다. 스위치드 릴럭턴스 장치의 일 상에 대한 일반적인 토크 곡선 세트가 도 5에 도시되어 있다. 이 토크는 회전자가 회전자상의 보극 갭의 중심선이 고정자 극의 중심선과 일치하는 위치("비정렬 위치")에서 회전자 극과 고정자 극의 중심선들이 일치하는 위치("정렬 위치")를 지나, 다음 회전자의 보극 중심선이 고정자 극의 중심선과 일치하는 위치까지 이동하는, 완전한 회전자 극 피치에 걸쳐 도시된다. 토크 곡선은 회전자 극 피치에 주기적이며, 고정자 극과 관련된 권선 인덕턴스의 주기적인 변화와 일치한다.
도 5는 3개의 전류에 대한 토크 곡선을 도시한다. 종래의 기술에서 공지된 바와 같이, 생성된 토크의 크기는 박판 강철의 자기 특성의 비선형성으로 인하여, 전류에 대해 선형적이지 않다. 일반적인 의미로, 어떤 지점에서의 토크는 자기 회로에 대한 여자를 공급하는 회로의 인덕턴스의 변화율에 비례한다.
일반적으로, 상 권선에는 다음과 같이 회전자의 회전에 영향을 미치도록 전압이 인가된다. 회전자의 제1 각 위치("턴온 각" θON)에서, 제어기(14)는 스위칭 장치(31,32) 모두를 턴온하기 위한 스위칭 신호를 제공한다. 스위칭 장치(31,32)가 온될때, 상 권선은 DC 버스에 접속되어 증가하는 자기 플럭스가 장치내에 설정되게 된다. 자기 플럭스는 전동 토크를 생성하기 위해 회전자 극상에 작용하는 에어갭내에 자기장을 생성한다. 장치내의 자기 플럭스는 DC 전원으로부터 스위치(31, 32)와 상 권선(16)을 통해 흐르는 전류에 의해 제공되는 기자력(mmf)에 의해 지원된다. 어떤 제어기에서는, 전류 피드백이 사용되고 상 전류의 크기는 하나 또는 두개의 스위칭 장치(31,32)를 온, 오프로 재빨리 스위칭함으로써 전류를 초핑하는 것에 의해 제어된다. 도 6a는 동작의 초핑 모드에서의 일반적인 전류 파형을 도시하며, 전류는 두개의 고정된 레벨들 사이에서 초핑된다. 구동 동작에서, 턴온 각 θON은 회전자의 보극 갭의 중심선이 고정자 극의 중심선과 일치하는 회전자 위치로 선택되지만, 임의의 다른 각이 될 수도 있다.
많은 시스템에서, 상 권선은 "무동력각", θFW로 언급되는 각에 도달하도록 회전자가 회전할 때까지 DC 버스에 접속된(또는 초핑이 사용되면 간헐적으로 접속된) 채로 유지된다. 회전자가 무동력각(예를 들면, 도 4에 도시된 위치)과 일치하는 각 위치에 도달할 때, 스위치들 중의 하나 예를 들면, 31은 턴오프된다. 결과적으로 상 권선을 통해 흐르는 전류는 계속해서 흐를 것이지만, 스위치들 중 어느 하나만(실시예에서 32)을 통해서, 그리고 다이오드(33/34)(이 실시예에서 34)중 어느 하나만을 통해서는 흐르지 않을 것이다. 무동력 주기동안, 상 권선, 스위치 및 다이오드를 지나는 전압 강하는 일반적으로 작으므로, 플럭스는 대체로 일정하게 유지된다. 이 회로는 회전자가 "턴오프각" 즉, θOFF로 칭하는 각 위치로 회전할 때까지(예를 들면, 회전자 극의 중심선이 고정자 극의 중심선과 일치할때) 무동력 상태를 유지한다. 회전자가 턴-오프 각에 도달할때, 스위치(31,32)는 모두 턴오프되고 상 권선(16)내의 전류는 다이오드(33, 34)를 통해 흐르기 시작한다. 다이오드(33, 34)는 DC 버스로부터의 DC 전압을 반대 극으로 인가하여, 장치의 자기 플럭스(상 전류)를 감소시킨다.
장치의 속도가 상승함에 따라, 전류가 초핑 레벨로 상승하는 시간이 적어지고, 드라이브는 동작의 "단일-펄스" 모드로 정상적으로 구동한다. 이 모드에서, 턴온 각, 무동력 각 및 턴오프 각은 예를 들면, 속도 및 부하 토크의 함수로서 선택된다. 일부 시스템은 무동력의 각 주기를 사용하지 않는데, 즉, 스위치(31, 32)가 동시에 온 오프되지 않는다. 도 6b는 무동력 각이 0인 전형적인 단일-펄스 전류 파형을 도시한다.
턴온 각, 무동력 각 및 턴오프 각의 값들은 사전결정될 수 있고 필요하면 제어 시스템에 의해 수정되도록 적절한 형태로 저장되거나, 실시간으로 계산되거나 추정될 수 있다는 것은 이미 공지된 사실이다.
도 5에서의 토크 곡선은 극이 서로 인접하고 멀어질 때 발생된 양 및 음의 토크를 나타낸다. 실제 드라이브에서, 곡선상의 양의 부분의 일부 또는 모두는 회전의 한방향으로 토크를 제공하는데 사용되고, 곡선상의 음의 부분의 일부 또는 모두는 그 반대 방향의 회전에 사용된다. 정전류에서도 토크가 각의 함수로 변화하기 때문에, 모든 상의 여자(선택된 여자 패턴에 따라, 차례로 두개 이상이 동시에)로부터 발생된 토크는 매끄러운 곡선은 아니지만, 리플 성분을 포함한다. 도 7은 도 5의 최상부 곡선이 각 상으로부터 인접한 상까지 정류될때의 결과 곡선을 도시한 도면이다. 그러므로 상이 토크 출력에서 일치하고, 전류가 일 상으로부터 제거되어 다음 상에 순간적으로 다시 제공될 수 있다는 것이 추정된다. 도 2a 및 도 2b는 회전자가 ABC의 반시계 방향의 상 여자 순서에 대해 시계 방향으로 회전하는 것을 도시한다. 이러한 특성은 고정자와 회전자상의 다른 극수로 인하여 발생하는 "버니어(vernier)" 작용의 결과이며, 이중 돌극 장치에 특별한 것이다.
도 7에서, 결과적인 토크/각 곡선은 매끄럽지는 않지만, 평균 값에 대한 주기적 변화("토크 리플")를 갖는 것을 알 수 있다. 많은 경우에 리플 성분은 중요하지 않지만, 토크 리플이 샤프트와 결합된 부하에 불리하게 영향을 미칠수 있는 경우가 있다.
권선의 여자 패턴을 대체함으로써 토크 리플을 최소화하는 많은 시도가 있었는데, 예를 들면, Bahn에 의한 US 5319297호에는 매끄러운 토크를 생성하기 위한 전류 형성 방법(즉, 각 변화에 따라 전류의 값을 프로파일하는 방법)이 개시되어 있다. 그러나, 여자 제어의 이러한 방법 및 이와 유사한 방법은 여자를 제공하는 전자 제어기에서 요구되는 스위치의 크기에 영향을 미치고, 요구되는 스위치의 크기를 증가시켜 드라이브의 비용에 큰 영향을 미칠 수 있다. 이러한 결과는 예를 들면, Lovatt, HC & Stephenson 에 의한 JM, IEE Proc Electr Power Appl 의 144권 제5호 1997년 9월판 310~316쪽의, "Computer-optimised smooth-torque current waveforms for switched-reluctance moters" 에 개시되어 있다.
이러한 전류 프로파일 방법이 리플의 양을 감소시킬 수는 있지만, 일부 응용에서 요구되는 매우 낮은 레벨로 리플의 양을 감소시키는 것은 거의 불가능하다. 이는 전류 프로파일이 실행될 때 운전중에 다른 영향이 들어오기 때문이다. 예를 들면, 전류를 즉시 제거하거나 공급하는 것이 불가능하기 때문에, 전류 프로파일 설계는 일반적으로 전류를 하나의 상에서 아래로 램핑(ramping)하는 동안 두번째 상에서 전류를 위로 램핑하여, 상기 두 상으로부터의 토크의 합이 일정한 값이 되도록 유지한다. 이러한 기술의 실시예는 Scharamm, DS, Williams에 의한 BW & Green TC, Proc of ICEM92 의 1992년 9월 15일-17일판, Manchester, UK, 2권, 484-488쪽의 "Optimum commutation-current proile on torque linearization of switched reluctance moters" 에 개시되어 있다. 이론적으로 이것은 적당한 설계이지만, 리플 감소의 필요성이 증가되고 있으므로, 회전자 위치의 더욱 정확한 분석이 요구된다. 이는 드라이브의 비용을 크게 증가시킨다. 또한, 두개의 활성 상 모두는 (비선형) 자기 회로의 부분들을 분할하고 누설 플럭스가 사이를 지나가는 인접한 극들을 갖기 때문에, 두개의 상의 동시 동작을 위해서는 상들간의 상호 인덕턴스를 고려할 필요가 있다.
네트 결과(net result)는 전류 프로파일 방법에 의하여 성취될 수 있는 토크 리플의 감소의 양은 경제적으로 한정되고, 잔여 리플은 일반적으로 상이 겹쳐지는 위치 주변을 중심으로 작은 각도 스팬에 걸쳐 토크의 빠른 과도(transient)를 특징으로 한다는 것이다. 이는 일부 응용에서는 용납될 수 없다.
두개의 상에서 개별적인 전류와 동시 전류로 여자된 장치의 상세한 측정에 의하면, 여자의 극성에 따라, 개별적인 여자의 총합보다 더 많은 토크 또는 더 적은 토크를 생성하기 위하여 상의 동시 여자가 가능하다는 것을 알 수 있다. 이는 자기 회로에서의 상호 플럭스와 주 플럭스의 상호 작용에 기인한다. 그러므로, 이들 상호 플럭스의 원치않는 효과를 제거하고 이 장치가 매끄러운 토크를 생성하도록 하는 경제적이고 신뢰성있는 방법이 요구된다. 종래 기술은 상기 문제의 만족스러운 해결책을 제시하지 못했다.
본 발명의 목적은 스위치드 릴럭턴스 장치의 토크 리플의 문제점을 해결하기 위하여 토크 리플을 감소시키는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 양상에 따라서, n이 3보다 큰 홀수의 정수인 n 상 권선을 갖는 스위치드 릴럭턴스 장치와; 상기 장치내의 인접한 상 권선에 연속적으로 전압이 인가되지 않도록 n 상 권선에 전압을 인가하는데 적합한 전압 인가 수단을 갖는 제어기를 포함하는 드라이브가 제공된다.
바람직하게는, 상기 장치는 5개의 상을 갖는다. 바람직하게는, 고정자는 10개의 극을 갖는다. 회전자는 6개, 8개 또는 12개의 극을 가질 수 있다. 전압 인가 수단은 제2, 또는 제3 상 권선마다 여자하도록 정렬될 수 있다.
대체적으로, 상기 장치는 7개의 상을 가질 수 있다. 바람직하게는 고정자는 14개의 극을 갖는다. 회전자는 바람직하게는 12개의 극을 갖는다. 전압 인가 수단은 제2, 제3, 제4 또는 제5 상 권선마다 여자하도록 정렬될 수 있다.
상기 장치는 선형 장치일 수 있다. 장치는 반전될 수 있다. 장치는 양방향성 장치일 수 있다. 장치는 모터나 발전기로 구동될 수도 있다.
본 발명의 다른 양상에 따라, 장치내의 5 상 이상의 상 권선에 전압을 인가하는 상 전압 인가 수단을 갖는 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 동작시키는 방법이 제공되는데, 이 방법은 인접하지 않은 상 권선에 전압을 연속적으로 인가함으로써 토크 리플을 감소시키는 것을 포함한다.
바람직하게는, 장치는 5개의 상을 가지며, 상기 방법은 각각 제2 또는 제3 상마다 전압을 인가하는 것을 포함한다.
대체적으로, 스위치드 릴럭턴스 장치는 7개의 상을 가질 수 있다. 바람직하게는, 이 방법은 제2, 제3, 제4 또는 제5 상마다 전압을 인가하는 것을 포함한다.
본 발명은 다양한 방식으로 실행될 수 있으며, 이들중 일부가 첨부된 도면을 참조로 한 실시예에 의하여 설명될 것이다.
도 1은 종래의 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템의 주요 구성 성분을 도시한 도면.
도 2a는 정렬된 위치에서의 종래의 스위치드 릴럭턴스 장치의 단면도.
도 2b는 비정렬 위치에서의 도 2a의 장치를 도시한 도면.
도 3은 도 1과 도 2a 및 도 2b의 장치의 상 권선의 전압을 제어하는 전력 변환 장치내의 종래의 스위칭 회로군을 도시한 도면.
도 4는 고정자 극에 도달하는 회전자 극의 개략도.
도 5는 상 권선 전류의 3개의 값에 대하여 회전자 각에 대한 토크의 일반적인 곡선의 도면.
도 6a 및 도 6b는 초핑과 단일 펄스 모드로 각각 동작하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브의 일반적인 전류 파형의 도면.
도 7은 정전류를 갖는 도 2a 및 도 2b의 장치의 구동에 의해 발생된 합성 토크/각 곡선의 도면.
도 8a 내지 도 8c는 상 A 및 B에 여자가 공급될 때의 6-상 스위치드 릴럭턴스 모터의 도면.
도 9는 본 발명이 구현되는 방법에 따라서 구동될 수 있는 10개의 고정자 극과 8개의 회전자 극을 가진 5-상 장치의 도면.
도 10은 10개의 고정자 극과 6개의 회전자 극을 가진 5-상 장치의 도면.
도 11은 10개의 고정자 극과 12개의 회전자 극을 가진 5-상 장치의 도면.
도 12는 14개의 고정자 극과 12개의 회전자 극을 가진 7-상 장치의 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
21: 고정자 극 23: 코일
24: 회전자 극 26: 회전자 본체
28: 샤프트
도 2a 및 도 2b에 도시된 3-상 6/4 장치에서, 회전자는 상의 여자 순서와 반대 반향으로 회전한다는 것은 주지된 바 있다. 장치의 스텝 각 즉, 도 7에서의 정류점들간의 각은 다음과 같다.
ε= 360/qNr
q는 상의 수이고, Nr은 회전자 극의 수이다. 이 경우에, ε=30°이다. 회전자 극 피치(360/Nr)는 90°이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 스텝 각: 극 피치 비율, 즉, 인접한 상들간의 겹쳐지는 크기의 측정치는 0.333이다.
장치의 방향을 반전시키는 방법은 간단히, 순서가 ACB 인 반시계 방향에 대하여 상의 여자 순서를 반전시키는 것이다.
도 7에서 상이 상 곡선(이 상에서 완전한 정류와 정전류를 가정한다)의 교차점에서 정류될 때 토크의 최소값이 생성되는 것을 알 수 있다. 이 값은 흔히 "ε 토크"로 언급되고 토크 리플은 그 위에 놓여지는 것으로 생각될 수 있다. 토크 리플을 감소시키기 위해, 상 수와 회전자 극 수는 증가되어야 하며, 이것은 더 작은 스텝 각과 더 작은 스텝:피치 비율을 초래한다는 것을 종래 기술에 의하여 알 수 있었다. 이러한 더 작은 값의 파라미터는 더 작은 토크 리플을 갖는 장치를 제공한다고 알려져 있다.
예를 들면, 6-상 모터가 작은 리플 적용에 더 적합하다는 것은 공지되어 있다. 이 장치는 통상적으로 12개의 고정자 극, 10개의 회전자 극, 36°의 회전자 극 피치, 6°의 스텝 각 및 0.167의 스텝:피치 비율을 갖는다. 상기 3-상 장치와 비교하면, 이는 작은 토크 리플에 대해 훨씬 개선된 가능성을 가진 것으로 나타난다. 일 방향의 회전에 대해 ABCDEF의 순서로, 반대 방향의 회전에 대해 AFEDCB의 순서로 상을 여자시킴으로써 구동이 이루어진다. 실제적으로, 3-상 장치와 비교하여 리플이 개선되면, 매끄러운 토크가 대부분의 회전자 극 피치에 걸쳐 얻어 질 수 있더라도, 인접한 상이 구동되게 되면, 매우 큰 진폭의 토크가 있을 수 있다는 것이 밝혀졌다. 지금까지는, 이 문제점을 해결하지 못했다.
상 수를 더욱 증가시키는 것이 토크 리플의 문제점을 최소화하기 위해 제안되었는데, 예를 들면, Michaelidas, AM & Pollock, C 에 의한 Proc IAS 92, Houston, Texas의 1992년 10월 4일-9일자판, 1권 226-233쪽의 "A new magnetic flux pattern to improve the efficiency of the switched reluctance motor" 에는 인접한 상 권선이 반대 극성을 갖도록 접속된, 7-상 장치의 사용이 기재되어 있다.
본 발명은 이러한 문제를 하기와 같이 분석하고 해결한다.
종래의 연구는 스위치드 릴럭턴스 장치의 인접한 극들이 여자될 때, 들어오는 상에 이미 존재하는 상호 플럭스가 상기 들어오는 상에 의해 형성되는 주 플럭스에 더해지거나 감해져서, 예상치 않은 결과를 제공할 것이라는 기본적인 문제가 있다는 것을 인식하지 못했다. 이는 통상적인 형태의 6-상 장치를 도시한 도 8a 내지 도 8c을 참조로 설명될 수 있다. 도 8a는 상 A의 코일내의 전류가 스위치 오프되고 상 B의 코일내의 전류가 스위치 온되는 위치에서의 회전자(회전자는 시계방향으로 회전한다)를 도시한다. 개략적인 플럭스 경로는 장치내의 플럭스의 일반적인 방향을 나타내기 위해 도시된다. (필수적인 부분을 명확하게 하기 위해 도면에서 많은 세부 사항이 생략되었다; 특히 일부 플럭스 경로는 매우 복잡하게 도시된다.)
상 A의 주 플럭스 경로는 상 A의 두개의 코일의 기자력에 의해 장치 둘레를 구동하는 전형적인 2-극 자기장을 생성하는 것을 알 수 있다. 이 도면에서, 상은 최상부 극이 하측 방향으로 플럭스를 생성하도록 접속된다. 도시된 회전자 위치에서 상 A의 최상부 극으로부터 상 B 및 F의 두개의 인접한 극으로 일부 누설 플럭스가 존재한다. 이러한 플럭스는 인접한 극에서 상향으로 이동하는, 회전자와 고정자상의 인접한 극을 통과하는 짧은 루틴을 갖는다. 종래의 기술(예를 들면, Lawrenson, PJ, Stephenson JM, Blenkinsop, PT, Corda, J and Fulton, NN에 의한 IEE Proc, 127권, Pt B, 제4호, 1980년 6월판, 253-265쪽의 "Variable-speed switched reluctance motors")은 플럭스들이 회전자로부터 상 B 및 F를 지나감에도 불구하고 그러한 상호 플럭스의 영향을 무시하여, 어떤 토크를 생성한다. 상에 대한 토크/각 도면(즉, 도 5와 동일한 곡선)을 자세히 살펴보면, 회전자 각에서, 상 B가 바로 토크 생성 영역내에 있으면 양의 토크를 생성하며, 상 F가 높은 토크 생성 영역에 있지 않으면, 토크가 생성되더라도 그것은 음이라는 것을 알 수 있다. 상호 플럭스의 크기가 상 A의 주 플럭스 경로의 포화 특성에 강하게 의존하기 때문에, 상호 플럭스와 관련된 토크의 양은 복잡한 방식으로 변화하는데, 즉, 상 A의 플럭스가 증가함에 따라, 자기 경로(특히 후면 강철 경로)의 비선형성은 기자력의 불균형한 증가를 요구하므로 '누설' 경로내에 플럭스가 흐르도록 하여, 인접한 상과의 상호 결합을 증가시킨다.
그러므로, 상 B로부터의 양의 토크와 상 F로부터의 음의 토크를 합성한 크기는 상 A에 인가된 여자의 레벨에 따라 크게 변화한다는 것을 알 수 있다. 관련 기술 분야의 당업자들은 장치의 반대측상의 대응하는 극에도 유사한 이론이 적용되고 장치내에는 덜 중요한 다른 누설 경로도 존재한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
상 B가 구동할 때의 상태를 생각해 본다. 상 A에서 상 B로의 전류의 정류가 순간적이면, 플럭스 패턴은 하나의 고정자 극 피치에 의해 단순히 둥글게 점프한다. 그러나 실제적으로, 이러한 정류는 한정된 시간에 걸쳐 발생되어야 하므로, 인접한 상은 동시에 플럭스를 생성한다. 상 B는 상 A와 동일한 방향으로 플럭스를 생성하거나, 반대 방향으로 플럭스를 생성하도록 접속될 수 있다(즉, 자극의 극성이 동일하거나 반대일 수 있다)는 것은 분명하다.
도 8b는 상 B가 상 A와 동일한 방향으로 플럭스를 생성하도록 접속된 장치를 도시한다. 상 A에서 상 F로의 상호 플럭스 경로는 실제로 변화되지 않을 것이다. 그러나, 상 B에 의해 생성된 주 플럭스는 상 A로부터의 상호 플럭스와 반대 방향이므로, 생성된 네트 플럭스는 예상된 것보다 더 작을 것이다. 들어오는 상으로부터의 토크에 의하여, 상이 홀로 존재할 때 생성되는 토크보다 더 작은 토크가 생성될 것이다. 이를 합성하면, 상 F로부터의 음의 토크는 샤프트의 네트 토크를 더욱 감소시킬 것이다. 상 A의 여자가 감소됨에 따라, 상기 2차 효과는 상 A의 자기 회로가 포화될 때 갑자기 감소될 것이므로, 토크 변화 비율이 빠르게 되어, 억제하기 매우 어려울 정도로 토크 리플을 상승시킨다.
이제 도 8c를 고려하면, 상 B는 상 A와 반대 극성을 갖도록 접속된다. 상호 플럭스는 상 B의 주 플럭스와 동일한 방향이므로, 생성된 토크에 더해질 수 있다. 이는 도 8b에서 설명된 효과와 반대 효과를 가져오고, 상 B로부터의 토크는 상 A의 여자가 제거될 때 떨어질 것이다. 그러나, 토크상에는 아직까지 동일한 방해 효과가 존재한다.
모든 종래 기술은 스위치드 릴럭턴스 장치가 순서대로 인접한 상을 여자시킴으로써 구동되어야 한다고 가르친다. 6-상 장치에 대하여, 이 순서는 시계 방향 회전인 A B C D E F A....이다. 전압을 인가함으로써 장치가 동작하면, 매초의 상은 3개의 상만을 사용한 A C E A...의 순서가 된다. 이는 매우 큰 굴곡을 가지며 불연속이 될 수도 있는 매우 불충분한 토크 곡선을 생성한다. 유사하게, 제3 상마다 사용하는 계획은, 즉, 두개의 상만을 사용한, A D A.. 이다. 6-상 장치에 대한 기준의 인접극 순서와는 다른 순서를 사용하는 것은 이득이 되지 않는 것이 명백하다. 4-상과 8-상 장치에 대한 유사한 고려를 통해 짝수개의 상 수를 갖는 장치에도 상기 결론은 적용되는 것을 확신할 수 있다.
반면에, 전술된 바와 같이, 상의 수를 감소시키는 것이 토크 리플을 향상시킬 것이라고는 예상되지 않으므로, 새로운 여자 순서가 사용되는, 5-상 장치를 사용하는 것이 유리하다는 것을 알 수 있다.
5-상 장치를 생각해 본다. 상기 언급된 Lawrenson의 논문에 설명되어 있는 바와 같이, 주요 극 결합은 8-극이나 6-극 회전자를 갖는 10-극 고정자이다. 상기 논문에 따른 12-극 회전자도 가능하지만, 성능이 좋지 않다. 먼저 10/8 장치를 선택하면, 45°의 회전자 극 피치와, 9°의 스텝 각 및 0.2의 스텝:피치 비율(즉, 예상된 바와 같이, 6-상, 12/10 장치에서보다 약간 더 큰 비율)을 가질 것이다. 종래의 여자 순서는 시계 방향의 회전에 대해 A B C D E A이고 반시계 방향의 회전에 대해 A E D C B A이다. 이 장치는 종래의 방식으로 구동되는 6-상 장치에 대해 상기 설명된 것과 동일한 문제점을 갖는다. 그러나, 제2 상마다 전압이 인가되면("스킵 1" 순서로 칭함), 여자 패턴은 A C E B D A가 된다. 이 여자 패턴은 일 주기에 걸쳐 모든 상을 사용하지만, 하나의 상으로부터 인접한 상으로 결코 이동하지는 않으므로, 하나의 상의 누설 플럭스와 다른 상의 들어오는 주 플럭스 간에는 현저한 상호 작용이 없다.
도 9는 이러한 방법으로 동작될 수 있는 10-극 고정자와 8-극 회전자를 가진 5-상 장치를 도시한다. 토크 각 곡선은 전술된 3-상 및 6-상 장치와 동일한 방식으로 이 장치에 대하여도 계산될 수 있다. 합성 토크 곡선은 이전과 같이 형성될 수 있지만, 전류가 정류되는 지점을 결정하기 위해 새로운 상 순서를 사용하여 형성될 수 있다. 상 전류의 정류 지점에서의 회전자 및 고정자 극 간의 상대적인 위치의 검사를 통해 절대 토크 리플이 종래의 순서에서의 토크 리플 보다 더 높을 때, 상호 플럭스에 기인한 토크에서의 갑작스런 변화와 관련된 빠른 과도를 갖지 않는 것을 알 수 있다. 이것은 토크의 더 크고 느린 변화가 더 빠른 과도 토크의 억제를 시도할 필요가 없는 종래의 전류 프로파일에 의해 고려될 수 있는 장치를 제공한다.
제3 상(즉, "스킵 2")마다 전압을 인가함으로써, A D B E C A...의 여자 패턴이 생성된다. 이는 스킵 1 순서의 반전이고, 장치가 스킵 1 순서와 동일한 토크 프로파일과는 반대 방향으로 동작하도록 한다. "스킵 3" 순서는 A E D C B A...이고, 이는 단순히 이전 순서의 반대이다.
그러므로, 인접한 상들, 즉, 스킵 1 또는 스킵 2를 여자시키지 않는 여자 순서를 사용함으로써, 토크 리플은 장치의 양방향 동작을 유지하면서 감소될 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 10은 5개의 상, 6개의 회전자 극 및 10개의 고정자 극을 갖는 장치를 도시한다. 이는 60°의 회전자 극 피치와 12°의 스텝 각을 갖는다. A C E B D A..의 스킵 1 순서는 전술된 10/8 장치에 대한 스킵 1 순서와는 반대 방향으로 회전하고, A D B E C A..의 스킵 2의 순서는 다른 방향으로 회전하는데, 즉, 이 장치는 양방향성이다. A E D C B A..의 스킵 3 순서는 종래의 A B C D E 순서의 반대이다. 토크 곡선의 조사는 10/6 장치가 스킵 1 또는 스킵 2 순서로 동작할때, 정류 지점에서 고정자 극에 대한 회전자 극의 위치가 토크 곡선이 가장 효과적인 상태에 있도록 되어 있기 때문에, 더 양호한 "버니어" 작용을 제공하는 것을 알 수 있다. 이는 저주파 토크 리플을 더욱 최소화하는 바람직한 실시예이다.
동일한 방법을 사용하여, 도 11에 도시된 바와 같이, 10개의 고정자 극과 12개의 회전자 극을 갖는 장치를 사용하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다. 이 장치는 전술된 바와 같이 스킵 1이나 스킵 2 순서로 동작될 수 있다.
도 12는 14개의 고정자 극과 12개의 회전자 극을 갖는 7-상 장치를 도시한다. 관련 기술 분야의 당업자들은 다른 극 결합 즉, 16, 10 또는 8개의 회전자 극을 갖는 14개의 고정자 극, 또는 24, 20 또는 16개의 회전자 극을 갖는 28개의 고정자 극이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 종래의 여자 패턴은 A B C D E F G A ...이다. 전술된 바와 같은 방법을 사용함으로써, A C E G B D F A...의 스킵 1 순서는 인접한 상에 전압을 인가하지 않고, 종래의 여자와 동일한 방향으로 회전하는 것을 알 수 있다. 유사하게, A D G C F B E A 의 스킵 2의 순서는 시계 방향 회전을 도시한다. A E B F C G D A 의 스킵 3 순서를 사용하는 것은 반시계 방향을 나타내고, 검사하면 스킵 2 순서와는 반대임을 알 수 있다. 유사하게, A F D B G E C A..의 스킵 4의 순서는 반시계 방향을 나타내고, 검사하면 스킵 1 순서의 반대이다. 그러므로, 장치의 인접한 극에 전압을 인가하지 않는다는 목적을 성취하면서 양방향성으로 동작하도록 스킵 1 및 스킵 4 순서 또는 스킵 2 및 스킵 3 순서를 사용하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다.
전술된 설명으로부터, 인접하지 않은 여자 순서는 3-상 보다 큰 상의 홀수 개수를 갖는 스위치드 릴럭턴스 장치에 유리하게 적용될 수 있다는 것은 명백하다
상기 예시된 실시예들은 전동 동작에서 설명되었지만, 여자 순서는 발전 동작에도 마찬가지로 적용되는 것으로 인정된다. 또한, 본 발명은 선형 장치 또는 반전 장치와 함께 사용될 수 있는 것으로 인정된다. 따라서, 실시예들의 상기 설명은 예로써 제시된 것으로, 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다.
상기 설명된 바와 같이, 본 발명에 따라서, 스위치드 릴럭턴스 장치의 토크 리플의 문제점을 해결하기 위하여 토크 리플을 감소시키는 장치가 제공된다.
본 발명은 n이 3보다 큰 홀수의 정수인 n 상 권선을 갖는 스위치드 릴럭턴스 장치와; 상기 장치에서 인접한 상 권선에 연속적으로 전압이 인가되지 않도록 n 상 권선에 전압을 인가하는데 적합한 전압 인가 수단을 갖는 제어기를 포함하는 드라이브를 제공한다.

Claims (22)

  1. n 상 권선(n은 3보다 큰 홀수의 정수)을 구비한 스위치드 릴럭턴스 장치와, 상기 스위치드 릴럭턴스 장치내에서 인접한 상 권선에 연속적으로 전압이 인가되지 않도록 상기 n 상 권선에 전압을 인가하는데 적합한 전압 인가 수단을 구비한 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  2. 제1항에 있어서, n은 5인 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 장치는 10개의 극을 갖는 고정자를 구비한 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 장치는 6개의 극을 갖는 회전자를 구비한 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 장치는 8개의 극을 갖는 회전자를 구비한 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 장치는 12개의 극을 갖는 회전자를 구비한 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  7. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 인가 수단은 제2 상 권선마다 전압을 인가하도록 정렬된 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전압 인가 수단은 제3 상 권선마다 전압을 인가하도록 정렬된 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  9. 제1항에 있어서, n은 7인 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전압 인가 수단은 제2 상 권선마다 전압을 인가하도록 정렬된 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 상기 전압 인가 수단은 제3 상 권선마다 전압을 인가하도록 정렬된 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 상기 전압 인가 수단은 제4 상 권선마다 전압을 인가하도록 정렬된 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  13. 제9항에 있어서, 상기 전압 인가 수단은 제5 상 권선마다 전압을 인가하도록 정렬된 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 장치는 선형 장치인 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 장치는 반전되는 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 장치는 양방향성인 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템.
  17. 스위치드 릴럭턴스 장치내의 5-상 이상의 상 권선에 전압을 인가하기 위한 상 전압 인가 수단을 구비한 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 구동시키는 방법에 있어서,
    인접하지 않은 상 권선에 연속적으로 전압을 인가하여, 토크 리플을 감소시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브의 구동 방법.
  18. 제17항에 있어서, 제2 상 권선마다 전압을 인가하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브의 구동 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 장치는 5-상 권선을 구비하며, 제3 상 권선마다 전압을 인가하는 단계를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브의 구동 방법.
  20. 제17항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 장치는 7-상 권선을 구비하며, 제3 상 권선마다 전압을 인가하는 단계를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브의 구동 방법.
  21. 제17항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 장치는 7-상 권선을 구비하며, 제4 상 권선마다 전압을 인가하는 단계를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브의 구동 방법.
  22. 제17항에 있어서, 상기 스위치드 릴럭턴스 장치는 7-상 권선을 구비하며, 제5 상 권선마다 전압을 인가하는 단계를 포함하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브의 구동 방법.
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