KR20030085480A - 스위치드 릴럭턴스 구동부의 제어 - Google Patents

Abstract

스위치드 릴럭턴스 장치에는 그 내주면 둘레에 넓고 좁은 고정자 극이 교번하는 구조를 갖고 있는 고정자가 있다. 넓은 극 둘레에만 코일이 감겨져 있다. 회전자는 무자성 코아에 지지되는 약자성 재료의 세그먼트를 포함한다. 이 세그먼트는 하나의 고정자 코일에 의해 발생된 자속이 2개 이상의 세그먼트를 통과하여 인접한 좁은 극을 통해 복귀하도록 공기 틈새에 할당되어 있다. 스위치드 릴럭턴스 장치는 고출력이 가능하다.

Description

스위치드 릴럭턴스 구동부의 제어{CONTROL OF A SWITCHED RELUCTANCE DRIVE}

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로는 분할식회전자를 구비하는 스위치드 릴럭턴스 장치(switched reluctance machine)에 관한 것이다.

고정자에 원주방향으로 배열되어 있는 일련의 약자성 재료의 고정자 극이 있는 스위치드 릴럭턴스 전동 모터가 공지되어 있는데, 상기 고정자는 상기 고정자 극에 권취되어 있는 전류 수송 코일을 구비하고 있다. 자성 재료 회전자 극을 구비하는 회전자가 고정자에 대해 회전 가능하게 배열되어 있고, 활성화된 코일 또는 코일들에 의해 발생된 자기장으로 자체 정렬되려고 한다. 고정자 극의 코일은 고정자에 대해 원하는 방향으로 회전자에 토크를 발생시키도록 활성화된다.

이러한 장치에 의해 발생된 토크의 양은 정렬된 상태(즉, 회전자 극과 고정자 극이 정렬된 상태)와 비정렬된 상태(즉, 회전자 극과 고정자 극이 최대로 비정렬된 상태)에서의 각 여자 코일의 감김부와 쇄교(linking)하는 자속 사이의 차이에 의존한다. 정렬된 상태와 비정렬된 상태의 자속 쇄교(flux linkage)는 고정자 극 아크의 폭이 고정자 극 피치의 비율로서 증가함에 따라 증가하지만, 일단 고정자 극 아크가 인접한 회전자 극들 사이의 공간의 절반 이상이 되면, 비록 비정렬 상태일지라도 회전자 극과 고정자 극 사이에서 항상 오버랩되고, 이로 인해 비정렬 상태의 인덕턴스가 급격하게 상승하게 된다. 결과적으로, 이러한 장치에 의해 발생된 토크는 고정자 극 폭 대 고정자 피치의 비율이 약 0.42인 경우에 상승하는 것으로 밝혀졌다.

이러한 제한을 극복하기 위한 시도로서, 회전자에는 반경방향으로 연장하는 극 대신에 인접한 고정자 극 사이에서 자속을 안내하는 자기적으로 분할되어 있는자성 재료 세그먼트가 마련된 스위치드 릴럭턴스 장치가 제조되었다. 이러한 장치에 있어서, 자속은 직경방향으로 회전자를 거의 횡단하지 않는다. 이러한 장치는 본 명세서에 참고용으로 합체되어 있는 벨기에 브뤼헤에서 2002년 8월 25-28일에 개최된 전기 장치 국제 회의의 회보에서 발표된 메크로우 비씨(Mecrow BC), 핀치 제이더블류(Finch JW), 엘-카라시 이에이(EL-Kharashi EA) 및 잭 에이쥐(Jack AG)의 "분할식 회전자를 구비하는 스위치드 릴럭턴스 모터의 설계"에 기재되어 있다.

고정자 극의 아크가 회전자 세그먼트의 아크에 상당하는 단순화된 장치에 있어서, 고정자 극의 폭 대 극의 피치의 비율이 0.5를 초과하여 증가함에 따라, 상기 장치에 의해 발생된 유용한 토크는 계속하여 상승한다는 것이 밝혀졌다. 그러나, 동시에, 고정자 극의 아크 폭 대 고정자 극의 피치의 비율이 상승함에 따라, 인접한 고정자 극 사이의 슬롯은 매우 좁아지고, 그 결과 각 극 둘레의 여자 권선을 수용하는 데에 사용할 수 있는 공간이 불충분하게 된다.

이러한 문제점을 극복하기 위한 시도가 미국 특허 제5010267호(Lipo) 및 유럽 특허 제0504093호(Horst)에 기재되어 있는데, 이 특허에서는 각 전류 수송 권선은 1 이상의 고정자 극 피치를 구비하여, 교번 상 권선(즉, 동시에 활성화되지 않는 권선)이 고정자 극 사이의 인접한 슬롯을 차지하고 있다. 이것은 임의의 권선의 2개의 측부에 의해 발생된 자속이 단일의 치형부를 따라 안내되지 않고, 그 결과 상기 치형부에서의 자기 포화를 피할 수 있다는 이점이 있다. 그러나, 종래 기술의 이러한 형태의 모터는 하나 이상의 고정자 극에 걸쳐 연장하는 권선이 긴 엔드 접속(long end connection)에 의해 접속되어야 하고, 이에 의해 전체 권선 손실이 증가하고 모터가 더 많은 공간을 차지하게 된다는 단점이 있다. 이것은 모터를 저비용으로 제조할 수 있는 한도를 제한한다.

본 발명은 첨부된 독립항에 의해 한정된다. 몇 가지 바람직한 특징을 종속항에 자세히 기재한다.

본 발명의 바람직한 실시예는 전술한 종래 기술의 단점을 극복하기 위한 것이다.

도 1은 1상 코일만이 도시되어 있는 본 발명을 구현하는 3상 스위치드 릴럭턴스 장치의 개략 단면도이다.

도 2는 3상 코일 모두가 도시되어 있는 도 1의 스위치드 릴럭턴스 장치의 고정자에 대한 개략 사시도이다.

도 3a는 도 1의 스위치드 릴럭턴스 장치의 정렬 상태에서의 자속 라인을 보여주는 도면이다.

도 3b는 도 1의 스위치드 릴럭턴스 장치의 비정렬 상태에서의 자속 라인을 보여주는 도면이다.

도 4는 본 발명의 한 가지 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 구동부에 대한 개략적인 모식도이다.

도 5는 도 4의 구동부와 함께 사용하기에 적합한 전원 스위치 회로구조를 보여주는 도면이다.

본 발명의 바람직한 한 가지 실시예에 따르면, 원주방향으로 배열된 복수 개의 약자성 재료의 고정자 극을 포함하는 고정자와, 원주방향으로 배열되고 자기적으로 분리된 복수 개의 약자성 재료의 회전자 세그먼트를 구비하며 상기 고정자 내에 회전 가능하게 장착되는 회전자로서, 상기 회전자 세그먼트는 자속을 인접한 고정자 극 쌍 사이에서 안내하는 회전자와, 교번 고정자 극 둘레에 마련되고 전류를 수송하여 상기 고정자 극에 자속을 발생시키며 각각 하나의 고정자 극을 둘러싸는 복수 개의 코일을 포함하는 스위치드 릴럭턴스 장치가 제공된다.

각 코일이 단일의 고정자 극만을 둘러싸고, 이 코일은 교번 극에만 마련되어 있는 장치를 제공함으로써, 코일에 의해 둘러싸인 교번 고정자 극은 고정자 극에 권취되어 있는 코일에 의해 발생된 자속을 수용하기 위해 더 넓어질 수 있다. 인접한 고정자 극은 더 좁게 형성되어, 인접한 더 넓은 고정자 극과 권선을 수용하기 위해 고정자에 공간을 형성할 수 있다. 따라서, 이것은 상기 스위치드 릴럭턴스장치가 종래 기술의 장치에서 가능한 것보다 기계적 성능과 관련하여 더 소형의 크기로 구성될 수 있다는 이점을 제공한다. 또한, 코일은 피치가 짧고 단일의 고정자 극을 포위하고 있기 때문에, 엔드 권선(end winding)이 짧다. 이것은 더 긴 엔드 권선과 통상적으로 관련되어 있는 손실이 최소화되어 주어진 장치로부터 더 큰 출력이 가능하게 된다는 것을 의미한다.

바람직한 실시예에 있어서, 어떠한 2개의 인접한 상기 고정자 극에는 상기 코일이 마련되어 있지 않다.

본 발명의 스위치드 릴럭턴스 장치는 다른 시간에 최대로 활성화되도록 채택된 복수 개의 세트의 코일을 포함한다.

코일은 직경방향으로 대향하는 쌍으로 구성되는 것이 바람직하다.

고정자 극의 개수는 회전자 세그먼트 개수의 정수배가 아닌 것이 바람직하다. 회전자 세그먼트의 개수는 고정자 극의 개수의 정수배가 아닌 것이 바람직하다.

바람직한 실시예에 있어서, 하나 이상의 상기 회전자 세그먼트는 고정자를 향하는 각 부분에서 확장되어 있다. 최대 인덕턴스의 위치에서의 릴럭턴스는 회전자 세그먼트와 고정자에서의 극의 아크의 길이를 증가시킴으로써 최소화된다. 이러한 목적으로, 하나 이상의 상기 고정자 극은 회전자를 향하는 각 부분에서 확장될 수 있다. 하나 이상의 상기 고정자 극의 확장된 부분은 15° 내지 45° 사이, 예를 들어 20°의 테이퍼 각을 가질 수 있다.

첨부 도면을 참조하여 어떠한 한정적인 의미 없이 단지 예로서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하겠다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 3상 스위치드 릴럭턴스 장치는 상대적으로 넓은 제1 고정자 극(3)과 상대적으로 좁은 제2 고정자 극(4)이 교대로 배열되어 있는 고정자(2)를 포함한다. 도시되어 있는 실시예에 있어서, 고정자(2)에는 6개의 제1 고정자 극(3)과 6개의 제2 고정자 극(4)이 마련되어 있다. 각 제1 고정자 극(3)은 각각 3상 여자 코일(5, 6, 7)로 감겨져 있다. 코일은 직경방향으로 대향하는 쌍(5, 6, 7)으로 구성되어, 직경방향으로 대향하는 각 코일 쌍은 서로 직렬로 전기적으로 접속되어 있다. 변형례에 있어서, 직경방향으로 대향하는 코일은 병렬로 접속되어 있다.

회전자(8)가 비자성 코아(9)를 포함하고 있다. 10개의 자기적으로 분리된 자성 재료의 회전자 세그먼트(10)가 공기 틈새(11)에 의해 고정자 극(3, 4)로부터 분리되어 원주방향으로 배열되게 코아(9)의 종방향 키웨이(keyway)에 고정되어 있다. 회전자 세그먼트(10)는 도 3a에 가장 명확하게 도시되어 있는 바와 같이, 제1 고정자 극(3)으로부터 인접한 고정자 극(4)으로 또는 그 반대로 자속을 안내하도록 배열되어 있다. 도시의 명확성을 위해, 도 1의 회전자 세그먼트에는 빗금이 쳐져 있다. 마찬가지로 도시의 명확성을 위해 비자성 코아(9)의 외경은 회전자 세그먼트의 외경보다 작은 것으로 도시되어 있지만, 실제로 이들은 모두 회전자 표면이 평탄하지 않은 회전자 표면에 의해 발생되는 편차로 인한 소음 문제를 없애도록 매끄러운 회전자 표면을 제공하기 위해 공통의 직경상에 위치한다.

고정자(2)와 회전자 세그먼트(10)는 전기 강판 라미네이션 스택으로 적층되는 것이 바람직하고, 이것은 일반적인 전기 기계에서 통상적인 것이다. 모든 회전자 세그먼트는 라미네이션 재료를 효과적으로 사용하기 위해 고정자 보어 내부의 재료로부터 제조될 수 있음을 주목할 것이다.

회전자 세그먼트(10)는 다양한 공지된 방법 중 임의의 하나에 의해 비자성 코아(9) 상의 적소에 유지될 수 있는데, 임의의 장치에 대해 선택되는 방법은 그 장치의 최대 속도, 토크, 환경적 조건 등과 같은 인자에 의해 달라진다. 이 방법은 도 1에 도시되어 있는 바와 같은 기계적인 도브테일(dovetail) 구성, 세그먼트의 특징부에 지지되어 볼트 또는 다른 적절한 파스너에 의해 코아에 고정되는 리테이너 막대의 사용, 세그먼트를 소정의 장소에 몰딩 또는 캐스팅하는 것 등을 포함한다. 회전자를 조립한 후에, 외측 표면은 원하는 공기 틈새를 만들어 내는 직경으로 기계 가공될 수 있다.

고정자 극은 공기틈새로 접근함에 따라 확장되고, 이 확장부의 측부는 고정자 극의 본체에 대하여 20°의 테이퍼각을 이루고 있다. 15° 내지 45° 사이의 테이퍼각 값이 유리할 수 있고, 특정 구조의 파라미터에 따라 달라질 수도 있다.

도 3a 및 도 3b를 참조하여 모터(1)의 작동을 설명하겠다. 1상의 코일(5)이 활성화됨에 따라, 코일은 코일이 감겨져 있는 대응하는 제1 고정자 극(3)을 따라 자속을 안내한다. 자속 경로(30, 31)는 도 3a에 개략적으로 도시되어 있다. 이어서, 자속은 인접한 쌍의 고정자 극(4)을 경유하여 복귀한다. 자속의 복귀 경로는 2개의 고정자 극(4)으로 분할되기 때문에, 이들 고정자 극(4)은 제1 고정자 극(3)보다 더 좁을 수 있고, 자기 포화가 발생하지 않는다. 자속 경로는 여자 코일에의해 둘러싸인 고정자 극의 위치에 한정되는 것을 유의하라. 이것은 자속을 고정자의 긴 백 아이언(back iron) 영역 둘레로 또는 회전자를 가로질러 직경방향으로 안내하는 기자력(起磁力)을 제공할 필요가 없다는 점에서 상기 스위치드 릴럭턴스 장치에 유리하다.

회전자 세그먼트(10)가 도 3a에 도시되어 있는 바와 같이 코일(5)의 한쪽 측부에 정렬되면, 인접한 제2 세그먼트도 코일의 제2 측부와 정렬된다. 코일에 의해 발생된 자속의 절반은 제1 고정자 극(3)으로부터 제1 회전자 세그먼트(10)를 통해 인접한 제2 고정자 극(4) 중 하나로 안내되고, 다른 절반의 자속은 제2 회전자 세그먼트를 통해 대응하는 인접한 고정자 극으로 안내된다. 자속 라인은 도 3a에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 구성은 코일(5)과 쇄교하는 자속을 최대화하는 효과가 있고, 따라서 상의 최대 인덕턴스 위치이다. 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이, 회전자 세그먼트(10)가 고정자 극(3)과 정렬되어 있는 경우, 코일(5)과 쇄교하는 자속의 양은 자속이 고정자 극(4)을 통해 복귀하기 위해 2개의 인접한 회전자 세그먼트를 거쳐야 하기 때문에 훨씬 적다. 이때, 회전자의 자속 경로는 비자성 코아(9)의 일부를 포함한다. 따라서, 이것은 상의 최소 인덕턴스 위치이다. 최대 인덕턴스 위치(도 3a)에서, 릴럭턴스를 최소화하는 관점에서 회전자 세그먼트와 고정자 극의 극면 아크 길이를 최대화하는 것이 유리하다. 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 고정자 극의 단부에 플레어 섹션을 마련함으로써, 극 본체의 폭이 증가하는 일 없이 고정자 극(3)의 아크는 공기 틈새에서 증가한다. 그러나, 당업자라면 고정자 극을 플레어함으로써 릴럭턴스를 최소화하면 공기 틈새 근처에서 자속 경로의 프린징 효과(fringing effect)가 증가하고, 결국 하나의 고정자 극으로부터 다른 고정자 극으로의 누설 자속이 수용할 수 없을 정도가 된다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 인접한 고정자 극 아크가 확장될 수 있는 범위에는 분명한 한계가 있다.

그 결과, 코일이 여자되면, 회전자(8)는 도 3a에 도시되어 있는 정렬된 상태로 자체 정렬되려고 하는데, 이 정렬된 상태는 도 3b의 비정렬 상태와 반대이다. 따라서, 3상 코일(5, 6, 7)의 활성화 시간을 조절함으로써, 회전자(8)는 고정자(2)에 대해 원하는 방향으로 토크를 발생시킬 수 있다.

예를 들어, 도 3b에 도시되어 있는 위치로부터, 여자 상(B)은 토크가 시계방향으로 발생되게 하고, 이에 반하여 여자 상(C)은 반시계방향 토크를 발생시킨다. 발생된 토크가 축(12) 상의 로드를 극복하면, 운동이 발생하게 된다. 이어서, 여자 패턴은 스위치드 릴럭턴스 장치 분야의 당업자에게 익숙한 방식으로 진행될 것이다.

이러한 스위치드 릴럭턴스 장치는 통상적인 구성의 스위치드 릴럭턴스 장치와 함께 사용하기에 적합한 제어 시스템 및 전력 컨버터에서 작동될 수 있다. 본 발명이 합체되어 있는 완전한 구동 시스템이 도 4에 도시되어 있다. 구동 시스템은 전지이거나 정류되고 필터링된 교류 메인 전원부일 수 있는 직류 전력 공급부(41)를 포함한다. 이 직류 전력 공급부(41)에 의해 제공되는 직류 전압은 전자 제어 유닛(44)의 제어 하에 전력 컨버터(43)에 의해 모터(42)의 상 권선(phase winding; 46)에 걸쳐 스위칭된다. 임의의 형태의 전류 트랜스듀서(48)가 상 전류(phase current) 피드백을 주도록 제공되는 것이 일반적이다. 회전자 위치 정보는 트랜스듀서(45)에 의해 제공된다.

도 5는 상 권선(46)의 활성화를 제어하는 전력 컨버터(43)에 사용될 수 있는 전형적인 스위치 회로를 대체적으로 보여주고 있다. 전압 레일(56, 57)은 일반적으로 직류 링크로 알려져 있고, 이들을 횡단하는 커패시터(55)는 직류 링크 커패시터로 알려져 있는데, 이 DC 링크 커패시터의 기능은 직류 링크 상에서 교류 전류를 조정하는 것이다. 스위치(51, 52)를 닫으면, 상 권선은 직류 전원부에 연결되어 활성화된다.

스위치드 릴럭턴스 장치의 상 권선이 전술한 방식으로 활성화되면, 자기 회로의 자속에 의해 설정된 자기장은 전술한 바와 같이 회전자 극을 고정자 극과 일직선이 되게 끌어당기는 작용을 하는 원주방향 힘을 발생시킨다. 에너지 복귀 다이오드(53, 54)는 활성화 기간의 말기에 권선에 역전압을 인가하도록 제공된다. 도 4의 전류 트랜스듀서(48)로서 작용하는 간단한 레지스터(58)를 포함할 수 있다.

스위치드 릴럭턴스 장치의 코일은 피치가 짧기 때문에, 즉 하나의 극의 폭이기 때문에, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 코일은 짧은 엔드 권선이다. 이것은 종래 기술과 비교할 때 장치의 손실을 매우 감소시키고, 종래의 경우보다 소정 체적의 장치로부터 더 큰 출력을 얻을 수 있다.

당업자라면, 상기 실시예는 단지 예로서 어떠한 한정적인 의미없이 기재되어 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 상기 실시예를 전동 모터와 관련하여 설명하였지만, 본 발명은 마찬가지로 발전기와 관련될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 극과 회전자 세그먼트의 개수는 변경될 수도 있다. 또한, 각 상의 코일은 서로 병렬로 접속될 수 있고, 각 상에 2개 이상 또는 2개 이하의 코일이 마련될 수 있다. 회전자 조립체는 고정자 내에서 작동하도록 구성되거나, 회전자가 고정자 외부 둘레에서 작동하는 소위 역구조를 채용할 수도 있다. 또한, 고정자는 인접하는 백 아이언 부분으로부터 반경반향 내측으로 연장하는 부재와 같이 배열되어 있는 한 세트의 극 프로파일로 기재되어 있다. 그러나, 인접한 고정자 극 사이의 자속 경로의 성질에 의해, 백 아이언은 자속 경로를 국부적으로만 발생시키도록 존재해야 한다. 따라서, 각 인접한 극 그룹이 자체 자속 경로와 함께 별개의 부품으로 배열되어 있는 본 발명에 따른 장치를 구성할 수 있다.

따라서, 청구항에 한정되어 있는 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 한 다양한 변경 및 수정이 가능하다.

본 발명의 스위치드 릴럭턴스 장치에 따르면, 종래 기술의 스위치드 릴럭턴스 장치보다 더 소형의 크기로 구성될 수 있고, 엔드 권선이 짧아서, 손실이 최소화되어 큰 출력이 가능하게 된다.

Claims (12)

1. 원주방향으로 배열된 복수 개의 약자성 재료의 고정자 극을 포함하는 고정자와;

   상기 고정자에 대해 회전 가능하게 장착되고, 원주방향으로 배열되어 자기적으로 분리된 복수 개의 약자성 재료의 회전자 세그먼트를 구비하는 회전자로서, 상기 회전자 세그먼트는 자속을 인접한 고정자 극 쌍 사이에서 안내하는 회전자와;

   교번 고정자 극 둘레에 마련되고, 전류를 수송하여 상기 고정자 극에 자속을 발생시키며, 각각 하나의 고정자 극을 둘러싸는 복수 개의 코일;

   을 포함하는 스위치드 릴럭턴스 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 코일은 인접한 고정자 극에는 마련되지 않는 것인 스위치드 릴럭턴스 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코일은 한 세트의 상을 형성하고, 회전자의 상이한 위치에서 최대 인덕턴스를 갖도록 각각 배치되는 것인 스위치드 릴럭턴스 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 각 상의 코일은 직경방향으로 대향하는 쌍으로 배치되는 것인 스위치드 릴럭턴스 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 고정자 극의 개수는 회전자 세그먼트의 개수의 정수배가 아닌 것인 스위치드 릴럭턴스 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회전자 세그먼트의 개수는 고정자 극의 개수의 정수배가 아닌 것인 스위치드 릴럭턴스 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1개 이상의 고정자 극은 그 고정자 극의 나머지 부분보다 더 폭이 넓고 회전자를 향하는 단부를 구비하는 것인 스위치드 릴럭턴스 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 1개 이상의 확장된 단부는 15°내지 45°의 테이퍼각을 갖는 것인 스위치드 릴럭턴스 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 교번 고정자 극은 자기적으로 넓고, 자기적으로 좁은 것인 스위치드 릴럭턴스 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 자기적으로 넓은 고정자 극은 자기적으로 좁은 고정자 극의 자기 폭의 대략 2배인 것인 스위치드 릴럭턴스 장치.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 자기적으로 넓은 각 극은 코일 중 하나에 의해 포위되는 것인 스위치드 릴럭턴스 장치.
12. 제1항 또는 제2항에 따른 스위치드 릴럭턴스 장치와, 이 장치의 각 코일을 선택적으로 활성화시키는 전력 컨버터와, 이 전력 컨버터를 제어하는 제어기를 포함하고, 상기 회전자 위치가 1상 권선에 대한 최대 인덕턴스 위치에 대응하는 경우, 발생된 자속의 경로는 회전자 세그먼트와 한 쌍의 인접한 고정자 극을 포함하는 것인 스위치드 릴럭턴스 구동부.