KR20030020372A - 무브러시 직류 드라이브 - Google Patents

Abstract

다중위상의 고정자 권선(15)이 지지하는 고정자(12) 및 영구자석 단자를 포함하는 회전자(13)를 구비하는 동기 전동기(10)를 포함하고, 고정자 권선(15)의 정류를 위해 고정자 권선(15)에 연결된 스위치 장치(11)를 포함하는 무브러시 직류 드라이브에서 fail-silent-조작의 강제를 위해 회전자(13)에 자계권선(21)이 배치되고, 상기 권선은 에러 발생시에 영구자석 단자(20)의 자력 선속과 반대방향으로 자력 선속을 발생시킴으로써 전류가 흐를 수 있도록 회전자(13)에 배치된다.

Description

무브러시 직류 드라이브{Brushless DC drive}

차량 내부에 영구적으로 자기 여자된, 무브러시 직류 드라이브는 다양한 목적으로, 그가운데 특히 전기 서보 스티어링(servo steering)에 이용된다. 이러한 직류 드라이브는 고정자-또는 아마추어 권선을 포함하는 동기 전동기 및 영구 자기 여자된 회전자를 구비한다. 아마추어 권선은 반도체-파워 스위치를 포함하는 브리지 다이플렉서 내부의 전류 인버터에 의해 직류 전압망에 연결된다. 고정자 권선의 정류를 일으키는 전류 인버터는 전자 제어부에 의해 제어된다.

독일 특허 공개 제 37 09 168 A1호에 직류 전압망에서 작동하는 동기 전동기가 기술되어 있으며, 상기 전동기에서는 제어부에 의해 제어되는 세 개의 반도체-파워 스위치가 상형 접속된 고정자 권선의 권선 묶음에 배치된다. 고정자 권선 및/또는 파워 스위치에 오류가 나타나면, 직류 드라이브는 동기 전동기가 낮은 임피던스의 부하 레지스터에 대해 제너레이터로 작동하기 때문에 직류 전압이 인가되지 않은 채, 영구적인 전자기에 의한 브레이킹 모멘트를 발생시킬 수 있다. 다양한 적용예에서 그러한 브레이킹 모멘트는 직류 전압망이 사용되는 장치 또는 시스템의기능을 손상시킨다. 따라서 예를 들어 전기 서보 스티어링의 경우 오류시 나타나는 브레이킹 모멘트는 대응책으로 요구되는 체력을 지닌 운전자가 가지고 있을 상당한 조타력을 필요로 한다. 따라서 운전자는 차량을 더 이상 원하는 대로 조절할 수 없고, 차는 제어 불능 상태에 빠지는 위험이 발생한다. 이러한 직류 드라이브에 장치가 제공되도록 공지되어 있으며, 상기 장치는 그러한 오류시 소위 직류 드라이브의 패일-사일런트(fail-silent)-조작을 야기, 즉 오류가 잦은 직류 드라이브는 장치 또는 시스템에 어떠한 교란하거나 또는 불리한 작용이 가해지지 않으며, 이것은 마치 직류 드라이브가 없는 것처럼 작동된다.

공지된 전기 서보 스티어링의 경우에 원하는 fail-silent-조작을 만들기 위해 기계식 커플링이 사용되고, 상기 커플링에 의해 동기 전동기의 피동축이 스티어링 기어에 맞물린다. 오류 발생시 커플링이 개방되어 전동기는 기계적으로 스티어링 시스템과 분리된다.

하이브리드여자된 전기 기계가 공지되어 있으며(EP 0 729 217 B1), 상기 기계에서 회전자의 자기장은 영구 자석에 의해서 뿐만 아니라 슬립링에 의해 여자 전류가 제공된 계자권선에 의해서도 생성된다. 회전자는 축방향 간격에 의해 나란히 회전자축 위에 조립되는 두 개의 1/2 회전자로 축방향 분리된다. 각각의 1/2 회전자의 연철판에 리세스 개구가 제공되고, 상기 리세스 개구에 영구자석이 배치된다. 영구자석은 그 양극성과 관련하여 영구자석의 양극성이 기계의 공기틈을 향해 하나의 1/2 회전자에서는 N극을, 다른 1/2 회전자에서는 S극을 가리키도록 1/2 회전자에 배치된다. 양 1/2 회전자의 영구 자석은 극간격 주변에 마주하여 배치된다. 양1/2 회전자를 이루는 간극 사이에 링코일로 형성된 자계권선이 삽입된다. 자계권선이 직류 전류에 의해 전기 공급되면, 여자 전류의 유동방향에 따라 영구 자석의 자기장의 흐름을 강화하거나 약화시키는 자기장의 흐름이 생성된다. 따라서 기계의 rpm 또는 전압에 대한 보다 큰 조절 범위가 이루어진다.

본 발명은 청구항 제 1항의 전제부에 따른 무브러시 직류 드라이브에 관한 것이다.

도 1은 무브러시 직류 드라이브의 회로도.

도 2은 도 1에 따른 직류 드라이브 내부의 3상의 동기 전동기의 개략적인 횡단면도.

도 3은 도 2의 동기 전동기의 회전자의 개략도.

청구항 제 1항의 특징으로 포함하는 본 발명에 따른 무브러시 직류 드라이브는 상기 직류 드라이브의 소정의 fail-silent-조작이 기계적 커플링과 같은 고가의 외부 부품소자 없이 간단한 제어 과정에 의해 직류 드라이브 자체에서 달성되는 장점을 갖는다. 자계권선에 대응하여 제어됨으로써 오류 발생시 영구 자석의 자기장이 자계권선의 자기장에 의해 감소되거나 상승하므로, 동기 전동기에 어떠한 전압도 나타나지 않거나 또는 감소하여 유도된 전압이 나타나고, 따라서 전혀 브레이킹 모멘트를 생성하거나 또는 매우 경미한 브레이킹 모멘트를 생성하는 감소된 단락 전류가 매우 조금 흐르거나 전혀 흐르지 않을 수 있다. 따라서 적당한, 온도에 따른 자기장의 감소는 브레이킹 모멘트의 감소를 야기하고, 영구자석의 비가역 탈자기화 및 그에 따른 영구자석의 영구적인 손상이 방지된다. 브레이킹 모멘트의 감소가 충분하지 않으며, 전체적으로 자기장은 0 이 될 수 있으며, 물론 영구자석의 영구적인 손상이 감수되어야 한다.

회전자의 자계권선은 오류시 뿐 아니라 정상 작동에서도 전류가 공급되면 한편으로는 자기장의 가산시 모터에 높은 출력 밀도가 달성될 수 있고, 다른 한편으로는 rpm 변형 가능한 작동에서 의도적으로 야기된 자기장 약화에 의해 보다 높은rpm이 달성될 수 있다.

다른 청구항에 제시된 조치에 의해 청구항 제 1항에 제시된 직류 드라이브의 바람직한 개선이 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라 자계권선은 영구자석의 수에 대응하는 코일의 수를 가지며, 상기 코일은 각각 하나의 영구자석을 둘러싼다. 코일들은 평행하거나 또는 직렬로 접속되고 회전자와 연결된 슬립링 쌍에 고정 연결된다. 자기 코일의 동기 전동기로의 이러한 구조적 통합은 소정의 fail-silent-조작을 야기하기 위해 약간의, 구조적 그리고 제조 기술상의 추가 공정을 요한다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예에 의해 하기의 상세한 설명에서 상세화 된다.

도 1의 회로도에 도시된, 무브러시 직류 드라이브는 스위칭 장치(11)에 의해 전자식 정류를 위한 직류 전압망에서 작동되는 동기 전동기(10)를 구비하며, 상기 직류 전압망은 도 1에서 “+” 와 “-”으로 표시되며, 직류 드라이브의 접속 클램프(30,31)과 연결된다. 동기 전동기(10)는 공지된 방법으로 고정자(12) 및회전자(13)를 구비하며, 상기 회전자는 하우징 내부에서 회전하도록 고정된 회전자축(14)(도 2)상에 배치된다. 고정자(12)는 아마추어 또는 고정자 권선(15)을 지지하고, 상기 권선은 실시예에서 3상으로 구현되며, 상기 권선의 권선 위상(151-153)은 성형으로 접속된다. 고정자 권선(15)의 권선 접속부(1,2,3)는 각 연결 라인(16)에 의해 스위칭 장치(11)와 연결된다.

B6-전류 인버터로 구현된 스위칭 장치(11)는 브리지 다이플렉서에 모스 전계 효과 트랜지스터로 형성된 여섯 개의 반도체 파워 스위치(15)를 구비한다. 권선 접속부(1,2,3)에 안내된 연결 라인(16)은 두 개의 파워 스위치(17)의 직렬 연결에 의해 형성된 브리지 레그에 의해 각각의 전류탭(4,5,6)에 연결되며, 상기 브리지 레그는 각각 두 개의 파워 스위치(17)와 연결된다. 고정자 권선(15)의 정류를 위해, 즉 직류 전압망에 회전자(13)의 회전 위치와 일치하여 권선 위상(151-153)의 일시적인 적절한 인가를 위해 파워 스위치(17)는 전자 제어장치(18)에 의해 제어가능하다.

도 1에서는 상징적으로 도시되고, 도 2 및 3에서 단면도가 개략적으로 도시된 회전자(3)는 박판 층상 패킷 또는 고정된 연철판에 의해 형성된 회전자 바디(19)를 포함하며, 상기 바디는 회전축(14)에 고정되고, 바깥쪽의 회전자 바디(19)에 고정된 다수의 영구자석 단자(20)를 포함한다. 도 2에 도시된 회전자(13)는 4단자로 구현되고, 그에 대응하여 회전자 바디(19)의 둘레에 90°벗어나 배치된 네 개의 영구자석 단자(20)를 포함하며, 도 3에 도시되어 있듯이, 연속하는 영구자석 단자(20)를 전환하는 양극 “N”과 “S”를 포함한다. 또한 회전자 바디(19)상에 자계권선(21)이 배치되고, 상기 권선은 회전자축(14) 위에 고정 배치된 슬립링(22,23) 쌍에 연결된다. 자계권선(21)은 총 네개의 코일로 이루어지고, 각각 하나의 코일(24)은 하나의 영구자석 단자(20) 둘레에 감겨있다. 즉 총 네개의 축방향 및 둘레를 따라 뻗어있는 영구자석의 측면에서 영구자석 단자(20)를 둘러싼다. 코일(24)은 도 2 및 도 3의 실시예에서 병렬 연결되어 있으며, 병렬 회로는 슬립링(22,23)에 연결된다. 대안적으로 코일(24)은 슬립링(22,23)에 의해 분리된 여자 전류가 연속하는 코일(24)이 역 자기장을 형성하도록 감겨있다.

자계권선(21)은 소위 직류 드라이브의 fail-silent-조작의 강제를 위한 장치의 일부이며, 상기 권선은 예를 들어 결함있는 파워 스위치(17) 또는 권선 접속부에 의해 고정자 권선(15)에 발생될 수 있는 직류 드라이브 내부 오류 발생시, 직류 드라이브와 함께 상호작용하는 시스템이 불리하게 영항을 받거나 방해되지 않도록 보장한다. 자계권선(21)외에 상기 장치는 제어부(18)에 통합된 제어장치(25), 각각의 권선 위상(151,152,153)에 배치된 세 개의 계기용 분류기(26) 및 전동기 온도를 감지하는 온도 프로브(27)를 구비한다. 계기용 분류기(26) 및 온도 프로브(27)는 측정 라인(28)에 의해 제어장치(25)의 입력부와 연결된다. 제어장치(25)의 두 개의 출력부는 제어라인(29)에 의해 슬립링(22,23)에 연결된다. 제어장치(25)는 제어부(18)가 직류 드라이브의 연결 클램프(30,31)와 마찬가지로 직류 전압망에 연결된다. 연결 클램프(30)의 바로 뒤에 전류 차단기(32)가 배치되고, 상기 차단기는 제어장치(25)에 의해 제어 가능하다.

제어장치(25)는 일정량과 위상에 따라 계기용 분류기(26)를 통해 흐르는 전류를 정하고, 이것을 백터 방식으로 가산한다. 오류가 없는 직류 드라이브에서 가산 결과는 언제나 0 이다. 백터 합계가 0 을 확연하게 벗어나면, 오류는 권선 위상(151-153) 또는 파워 스위치(17)에 나타난다. 이러한 경우에 전류 차단기(32)는 제어장치(25)에 의해 상기 차단기가 개방되고, 자계권선(21)에 코일(24)에 의해 영구자석(20)의 자력 선속과 반대방향의 자력 선속을 생성하는 여자전류가 인가되도록 제어된다. 따라서 동기 전동기(10)의 계장이 약해짐으로써 고정자 권선(15)에는 전압이 전혀 유도되지 않거나 또는 매우 작은 전압이 유도되고, 따라서 브레이킹 모멘트가 조금도 나타나지 않거나 또는 작은 브레이킹 모멘트가 나타난다. 자기장의 약화는 동기 전동기(10)의 온도에 따라 이루어지고, 상기 온도는 온도 프로브(27)에 의해 감지되고, 제어장치(25)에 제공된다. 자기장의 온도에 따른 약화는 영구자석 단자의 비가역 탈자기화가 방지되고, 그럼으로써 동기 전동기(10)의 영구적인 손상이 방지된다. 제어장치(25)에 의해 슬립링(22,23)에 인가된 여자 전류의 크기는 고정자 권선 내부의 코일 전류에 따라 조절되며, 상기 전류의 크기는 예를 들어 펄스 폭 변조에 의해 조절될 수 있다. 즉 여자전류는 여자전류에 의해 달성된 자기장 약화가 작은 전압을 유도하고, 따라서 승인가능한 브레이크 모멘트를 생성하는 보다 작은 단락전류가 흐를때 까지 확장된다. 브레이킹 모멘트의 이러한 감소가 충족되지 않으면, 도출되는 자계는 0 이 될 수 있으며, 물론 영구자석 단자(20)의 영구적인 손상은 감수되어야 한다.

fail-silent-조작의 강제를 위한 장치는 바람직하게 직류 드라이브의 정상 작동에서 이용될 수 있다. 자계권선에 의해 생성된 자력 선속은 영구자석 단자(20)의 자력 선속에 가산되도록 자계권선(21) 내부의 전류 방향이 선택되면, 전동기는 높은 출력 밀도를 발생시킨다. 자계권선(21) 내부의 전류 방향이 반대로 전환되고, 따라서 나타나는 자력 선속이 약해지면, 보다 높은 rpm 이 세팅될 수 있다. 자계 강화 또는 자계 약화의 크기는 슬립링(22,23)에 안내된 직류 전류의 펄스 폭 변조에 의한 제어장치(25)에 의해 세팅된다. 전류 차단기(32)의 제어는 실행되지 않는다.

Claims (12)

1. 다중 위상의 고정자 권선(15)을 지지하는 고정자(12) 및 고정자 권선을 통과하는 자력 선속을 생성하는 영구자석 단자(20)를 포함하는 회전자(13)를 구비하는 동기 전동기(10)를 포함하고, 고정자 권선에 직렬 연결된, 고정자 권선(15)의 정류를 위해 전자 제어부(18)에 의해 제어되는 스위치 장치(11)를 포함하는 무브러시 직류 드라이브에 있어서,

   상기 회전자(13)에 자계권선(21)이 배치되고, 상기 권선은 에러시에도 영구자석 단자(20)가 자력 선속과 반대방향으로 자력 선속을 생성하도록 전류가 흐를 수 있도록 배치되는 것을 특징으로 하는 직류 드라이브.
2. 제 1항에 있어서, 상기 자계권선(21)은 영구자석 단자(20)의 수에 상응하는 코일의 수를 가지며, 상기 코일은 각각 하나의 영구자석 단자를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 직류 드라이브.
3. 제 2항에 있어서, 상기 코일(24)은 병렬 또는 직렬 연결되고, 회전자(13)와 고정 연결된 슬립링 쌍(22,23)에 연결되는 것을 특징으로 하는 직류 드라이브.
4. 제 3항에 있어서, 상기 슬립링(22,23)에 직류 전류가 공급될 수 있고, 상기 전류의 크기는 제어장치(25)에 의해 세팅 가능한 것을 특징으로 하는 직류 드라이브.
5. 제 4항에 있어서, 상기 제어장치(25)는 전자 제어부(18)에 통합되는 것을 특징으로 하는 직류 드라이브.
6. 제 4항 또는 5항에 있어서, 상기 제어장치(25)는 펄스 폭 변소기를 구비하는 것을 특징으로 하는 직류 드라이브.
7. 제 4항 내지 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어장치(25)는 전동기 온도에 따른 직류 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 직류 드라이브.
8. 제 4항 내지 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어장치(25)는 고정자 권선(15) 내부를 흐르는 코일 전류에 따른 직류 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 직류 드라이브.
9. 다중 위상의 고정자 권선(15)이 지지하는 고정자(12) 및 고정자 권선(15)을 통과하는 자력 선속을 생성하는 영구자석 단자(20)를 포함하는 회전자(13)를 구비하는 동기 전동기(10)를 포함하고, 고정자 권선에 직렬 연결된, 고정자 권선(15)의 정류를 위해 전자 제어부(18)에 의해 제어된 스위치 장치(11)를 포함하는 무브러시 직류 드라이브에 있어서,

   회전자(13)에 자계권선(21)이 배치되고, 상기 권선은 영구자석 단자(20)의 수에 대응하는 코일(24)의 수를 가지며, 상기 코일은 각각 하나의 영구자석 단자(20)를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 무브러시 직류 드라이브.
10. 제 9항에 있어서, 상기 코일(24)은 병렬 또는 직렬로 연결되고, 슬립링(22,23)에 연결되는 것을 특징으로 하는 직류 드라이브.
11. 제 9항 또는 10항에 있어서, 상기 코일(24)은 회전 방향으로 서로 중첩되는 코일(24)에 의해 생성된 자력 선속을 향해 반대방향이 되도록 연결되는 것을 특징으로 하는 직류 드라이브.
12. 제 11항에 있어서, 상기 슬립링(22,23)에 직류 전류가 제공될 수 있고, 상기 전류의 크기는 제어장치(25), 특히 펄스 폭 변조에 의해 세팅될 수 있는 것을 특징으로 하는 직류 드라이브.