KR20040024514A - 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로, 스위치드릴럭턴스 드라이브 및 스위치드 릴럭턴스 드라이브 제어방법 - Google Patents

스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로, 스위치드릴럭턴스 드라이브 및 스위치드 릴럭턴스 드라이브 제어방법 Download PDF

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KR20040024514A
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Abstract

스위치드 릴럭턴스 머신은 4 개의 능동형 스위치, 바람직하게는 MOSFET가 브리지 구성으로 배열된 위상 회로에 의해서 에너지를 공급받는다. 이들 스위치는 제1 방향과 제2 방향 모두로 전류를 도전(導電)시킬 수 있고, 다이오드로서 동작할 수 있다. 위상 권선을 흐르는 전류 흐름의 방향은 모터링 모드에서 발전(發電) 모드로 그리고 발전 모드에서 모터링 모드로 변하는 경우에 반전된다. 스위치 정격은 에너지 공급 전류 및 에너지 반사 전류에 따라서 설정된다.

Description

스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로, 스위치드 릴럭턴스 드라이브 및 스위치드 릴럭턴스 드라이브 제어 방법 {A CIRCUIT FOR USE WITH SWITCHED RELUCTANCE MACHINES}
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 머신의 효율적인 동작을 위한 회로에 관한 것으로, 특히 모터링 모드와 발전(發電) 모드 모두에서 동작되어야 하는 머신에 관한 것이다.
일반적으로, 릴럭턴스 머신은, 그의 가동부가 자기 회로의 릴럭턴스를 최소화하는 위치, 즉 여자 권선의 인덕턴스를 최대화하는 위치로 이동하는 경향에 의해서 토크를 발생시키는 전기 머신이다. 형태에 따라서는, 회전자의 각도 위치를 검출하고 위상 권선을 회전자 위치의 함수로서 에너지 공급하는 회로가 설치된다. 이러한 타입의 릴럭턴스 머신은 일반적으로 스위치드 릴럭턴스 머신이라고 알려져 있으며, 이것은 모터 또는 발전기로서 동작될 수 있다. 이러한 스위치드 릴럭턴스 머신의 특징은 매우 잘 알려져 있으며, 예컨대 스테펜슨(Stephenson)과 블레이크(Blake)의 논문 "The Characteristics, Design and Application of Switched Reluctance Motors and Drives(스위치드 릴럭턴스 모터 및 드라이브의 특징, 설계 및 응용)"(PCIM'93, Nurnberg, 21-24 June 1993)에 개시되어 있고, 이 논문은 이 명세서에 참고로 인용되고 있다. 이 논문은 위상 권선의 인덕턴스를 주기적으로 변화시키는 특징을 함께 발생하는 스위치드 릴럭턴스 머신의 특징을 다소 상세하게 개시하고 있다. 이러한 머신은 위상 권선에 흐르는 전류의 방향을 변경시키는 일 없이 단순히 권선 여자의 타이밍을 변경함으로써 모터링 모드와 발전 모드 중 어느 하나의 모드로 동작될 수 있다는 점은 기술상 잘 알려져 있다.
도 1은 부하(19)에 연결된 대표적인 스위치드 릴럭턴스 드라이브 시스템의 원리적인 구성 요소를 도시하고 있다. 입력 DC 전원 공급 장치(11)는 배터리일 수도 있고 정류되어 필터링된 AC 메인 전원일 수도 있으며, 이것은 크기가 고정될 수도 있고 가변일 수도 있다. 공지된 일부 드라이브의 경우, 전원 공급 장치(11)는 전원 스위치의 영(零) 전압 스위칭을 가능하게 하도록 영(0)과 미리 결정된 값 사이를 신속하게 변화하는 DC 전압을 발생하는 공진 회로를 포함한다. 전원 공급 장치(11)가 제공하는 DC 전압은 전자 제어부(14)의 제어 하에서 전력 변환기(13)에 의해서 모터(12)의 위상 권선들(16) 간에 전환(스위치)된다. 이 스위칭은 드라이브의 적절한 동작을 위해서 회전자의 회전각에 정확하게 동기되어야 한다. 회전자 위치 검출기(15) 또는 위치 검출 알고리즘은 회전자의 각도 위치를 나타내는 신호를 공급한다.
스위치드 릴럭턴스 머신의 위상 권선의 에너지화는 회전자의 각도 위치의 검출에 따라 다르다. 이것은 도 2 및 도 3을 참조하면 설명이 가능하다. 도 2 및 도 3은 모터로서 동작하는 릴럭턴스 머신의 스위칭을 도시하고 있다. 도 2는 회전자 극(20)이 화살표(22)에 따라서 고정자 극(21)에 근사하는 것을 일반적으로 도시하고 있다. 도 2에 도시하고 있는 바와 같이, 전체 위상 권선(16) 중 일부(23)가 고정자 극(21)의 주위에 감겨 있다. 고정자 극(21)의 주위에 감긴 위상 권선(16)의 일부(23)에 에너지가 공급되면, 회전자 상에 힘이 가해져서, 회전자 극(20)을 고정자 극(21)과 함께 정렬하도록 하는 경향이 있다. 도 3은 일반적으로, 고정자 극(21)의 주위에 감긴 일부(23)를 포함하는 위상 권선(16)에의 에너지화를 제어하는 전력 변환기(13)의 대표적인 스위칭 회로를 도시하고 있다. 전압 버스(36, 37)를 대개 DC 링크라고 하며, 이들 전압 버스 사이의 커패시터(35)를 DC 링크 커패시터라고 하고, 이 커패시터의 기능은 DC 링크 상의 교류 전류를 취급하는 것이다. 스위치(31)와 스위치(32)가 폐쇄되면, 위상 권선은 DC 전력의 소스에 결합되어 에너지화된다. 스위치드 릴럭턴스 머신의 위상 권선이 전술한 방식으로 에너지화되면, 자기 회로의 선속에 의해서 셋업된 자기장은, 전술한 바와 같이, 회전자 극을 고정자 극과 함께 일렬로 하게 하도록 작용하는 원주 방향의 힘을 발생시킨다.
일반적으로, 위상 권선은 다음과 같이 회전자의 회전에 영향을 미치도록 에너지화된다. 회전자의 제1 각도 위치("턴온 각도" θon이라고 한다)에서, 제어기(14)는 스위칭 신호를 제공하여, 스위칭 소자(31)와 스위칭 소자(32) 모두를턴온시킨다. 스위칭 소자(31)와 스위칭 소자(32)가 온되면, 위상 권선은 DC 링크에 결합되고, 그 결과, 머신의 자기 선속이 증가하게 된다. 이 자기 선속은 에어 갭에, 모터링 토크를 발생시키도록 회전자 극 상에 작용하는 자기장을 발생시킨다. 머신에서의 자기 선속은 기자력(mmf)에 의해서 지원되고, 이 기자력(mmf)은 DC 전원 공급 장치(11)로부터 스위치(31, 32) 및 권선(23)을 통해서 흐르는 전류에 의해서 제공된다. 일반적으로 전류 피드백을 채용하며, 위상 전류의 크기는 스위칭 소자(31)와 스위칭 소자(32) 중 하나 또는 이들 모두를 신속하게 온과 오프로 전환하여 전류를 쵸핑함으로써 제어된다. 도 4a는 전류를 두 개의 고정 레벨 사이에서 쵸핑하는 쵸핑 동작 모드 시의 대표적인 전류 파형을 도시하고 있다. 모터링 동작 시에는, 턴온 각도(θon)를, 회전자 상의 극간 공간의 중앙선이 고정자 극의 중앙선과 정렬되는 화전가 위치로 되도록 선택하는 경우가 많지만, 다른 어떤 각도가 될 수도 있다. 도 4a는 위상 권선의 이상적인 인덕턴스 프로파일 형태도 도시하고 있다.
대부분의 시스템의 경우, 위상 권선은 회전자가 "프리휠링 각도" θfw라고 말하는 것에 도달하도록 회전할 때까지 DC 링크에 연결된 상태(또는 쵸핑을 채용하는 경우에는 간헐적으로 연결된 상태)를 유지한다. 회전자가 프리휠링 각도에 상응하는 각도 위치(예컨대, 도 2에 도시한 위치)에 도달하면, 스위치들 중 하나(예컨대, 31)가 턴오프된다. 그 결과, 위상 권선을 통해서 흐르는 전류는 계속 흐르지만, 이제는, 스위치들 중 하나의 스위치(이 예에서는 32)와 다이오드들(33, 34) 중 하나의 다이오드(이 예에서는 34)에만 흐르게 된다. 프리휠링 기간 중에는, 위상 권선양단 간의 전압 강하는 작고 선속은 거의 일정하게 유지된다. 회로는 회전자가 "턴오프 각도" θoff라고 하는 각도 위치까지 회전할 때까지(예컨대, 회전자 극의 중앙선이 고정자 극의 중앙선과 함께 정렬되는 때) 이 프리휠링 조건을 유지한다. 회전자가 턴오프 각도에 도달하면, 스위치(31)와 스위치(32) 모두는 턴오프되고, 위상 권선(23)의 전류는 다이오드(33) 및 다이오드(34)를 통해서 흐르기 시작한다. 이어서, 다이오드(33)와 다이오드(34)는 반대로 DC 링크로부터 DC 전압을 공급하고, 그 결과, 머신에서의 자기 선속(즉, 위상 전류)이 감소하게 된다.
기술상, 다른 스위칭 각도 및 다른 전류 제어 방식을 사용하는 것이 공지되어 있다. 마찬가지로, 기술상, 전동자용 연철판 구조(lamination geometry), 권선 토폴로지 및 스위칭 회로의 다른 많은 구성도 공지되어 있으며, 이중 일부는 전술한 스테펜슨과 블레이크의 논문에 개시되어 있다.
머신의 속력이 상승하면, 전류가 쵸핑 레벨까지 상승하는 시간이 짧고, 드라이브는 통상 "단일 펄스" 동작 모드로 가동된다. 이 모드에서는 턴온 각도, 프리휠링 각도 및 턴오프 각도를 예컨대 속력과 부하 토크의 함수로서 선택한다. 시스템에 따라서는 프리휠링의 각도 기간을 사용하지 않는 경우도 있다. 즉, 스위치(31)와 스위치(32)는 동시에 온 및 오프로 전환된다. 도 4b는 프리휠링 각도가 영(0)인 이러한 대표적인 단일 펄스 전류 파형을 도시하고 있다. 턴온 각도의 값, 프리휠링 각도의 값 및 턴오프 각도의 값은 미리 결정되어 필요 시에 제어 시스템이 호출할 수 있도록 어떤 절적한 형식으로 기억될 수도 있고, 실시간으로 계산되거나 산출될수도 있다.
도 5a는 모터링 모드시 대표적인 단일 펄스 동작점의 전류 파형 및 선속 파형을 도시하고 있다. 전압이 θon에서 위상 권선에 인가되자마자 전류와 선속이 상승하기 시작한다는 점을 알 수 있다. 전압은 도전(導電) 각도 θc동안 인가된다. 스위치 오프 각도 θoff에서, 코일 양단에 걸리는 전압이 반전되면 선속의 기울기가 반전되고, 자기 회로에 와전류가 없는 경우에, 전류와 선속은 모두 영(0)이 된다. 이 도면은 저항이 0인 이상적인 경우에 대해서 작도된 것이므로 상승 시간과 하강 시간은 같다. 도 5b는 상응하는 발전점(generating point)에 대한 파형들을 도시하고 있고, 이 도면에서 파형들은 도 5a의 파형들의 시간에 맞추어 투영된 이미지이다.
스위치들의 전류와 다이오드들의 전류가 대체로 다르다는 점을 알 수 있다. 예컨대, 도 5a의 모터링 모드의 경우, 스위치 전류는 다이오드 전류보다 매우 크다. 실제로, 평균제곱근(rms) 값이 다이오드 전류의 평균제곱근 값의 3배인 경우도 있다. 이와는 대조적으로, 도 5b의 발전 모드의 경우에는, 다이오드 전류의 값이 더 크다. 드라이브가 모터링 모드 시와 발전 모드 시에 대략 동일한 출력을 제공하도록 요구되는 경우에는 스위치의 정격과 다이오드의 정격은 대략 동일하여야 한다.
스위치에서의 전류 및 다이오드에서의 전류와 관련된 손실은, 그들 소자를 그들의 열적 동작 한계 내에서 유지하기 위해서 그들 소자 자체를 냉각시키는 것과 관련하여 또는 드라이브의 전체 효율과 관련하여 중요할 수 있다. 즉, 400V 3상 전원 공급 장치에 의해서 동작하고 수십 킬로와트 또는 수백 킬로와트까지 발전하는 산업용 드라이브의 경우, 소자의 손실은 총 입력 전력의 3% 이하가 되는 경우도 있다. 그러나, 저전압 드라이브의 경우에는 이들 소자의 손실은 입력의 10% 또는 그 이상이 될 수 있다.
이 문제에 대한 한 가지 해법은 실리콘 영역이 더욱 큰 소자를 사용하는 것이며, 이것으로, 소자의 크기와 비용이 늘기는 하지만 상황을 어느 정도까지 개선할 수 있다. 그러나, 이것은 다이오드의 전압 강하 특성이 정수값(예컨대, 1.0V)이거나 정수+전류 의존 항(예컨대, 0.5V+0.05i)이기 때문에 주로 스위치에 이익이 된다. 이것은 다이오드 전류가 비교적 적은 경우에 모터링 모드에서는 그다지 큰 문제가 되지 않는다. 그러나, 발전 모드에서는 더욱 큰 전류의 손실 발생이 생기는 경우가 많아, 동작 효율에 심각한 단점이 된다.
도 6에 도시한 바와 같이 다이오드를 사이리스터로 대체하는 것이 가능하지만 이 경우에는 두 가지 이유 때문에 이점이 없다. 첫 째로, 사이리스터는 상응하는 주스위치가 개방(open)된 순간에 동작되어야 하기 때문에 사이리스터의 스위칭 타이밍은 절대적으로 중요하다. 소자에 관한 제한된 스위칭 타이밍(일반적으로, 크기에 따라서 10 내지 20 μsec의 차수) 때문에, 언제나 정확한 동작을 하기가 극히 어렵다. 둘 째로, 첫 번째 장애를 극복한다고 해도, 사이리스터 양단의 전압 강하가 (사이리스터로 대체되는) 다이오드 양단의 전압 강하보다 크므로, 소자의 손실은 줄지않고 늘게 된다.
동일한 이유나 또 다른 이유로, 다른 타입의 스위치를 상정할 수 있다. 예컨대, IGBT(Integrated Gate Bipolar Transistor)가 사이리스터보다 소자의 손실이 적다는 점에서 IGBT를 고려할 수 있지만, IGBT 양단에 역전압이 걸리면 IGBT가 파괴되기 때문에 다이오드를 IGBT로 대체하는 것은 제대로 작동하지 않는다.
스위치드 릴럭턴스 드라이브에, 산업 표준 모듈로 사용 가능한 IGBT 및 다이오드의 표준 구성을 이용하는 것이 공지되어 있다. 예컨대, 밀러(Miller) 등의 논문 "Starter-alternator for hybrid electric vehicle: Comparison of induction and variable machines and drives"(1998 IEEE Industry Applications Society Annual Meeting, 12-15 Oct 1998, St Louis, Misouri, Vol 1, pp 513-523)에서는 도 7에 재현된 IGBT 및 다이오드의 배열에 관하여 개시하고 있다. 이 회로의 용도는 이 논문의 517페이지 2열에 개시되어 있다. 1 사이클의 위상 유도 시에는, IGBT(SA및 SD)가 스위치로서 사용되고 리턴 다이오드는 DB및 DC이다. IGBT(SB및 SC)는 오프 조건으로 바이어스된다. 다음 사이클의 위상 유도 시에는, IGBT(SC및 SB)가 스위치로서 사용되고 리턴 다이오드는 DA및 DD이다. IGBT(SA및 SD)는 오프 조건으로 바이어스된다. 이것은 연속되는 사이클에서 전류가 위상 권선에 반대 방향으로 흐르도록 수행되므로, 인접한 위상들 간의 상호 커플링은 518페이지 1열에 개시한 바와 같이 절반보다 낮게 감소된다. 이것은 이 논문의 저자가 생각한 높은 토크 출력을 달성하지만, 1 개의 위상당 8 개의 소자를 필요로 하는 매우 고가의 해법이다.
유럽 특허 출원 번호 제0886370호도 역시, 하프 브리지 모듈을 전압선들 사이에 연결한 스위칭 회로를 개시하고 있다. 각 스위치 양단에 하나의 다이오드를 연결하여 양극선(positive rail)을 향해서 도전시킨다. 위상 전류는 사이클의 교체 단위로 또는 사이클의 그룹 단위로 방향을 반전시킨다.
본 발명의 목적은 모터링 모드와 발전 모드 모두에서 동작 가능한 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 위한 효율적이고 경제적인 회로를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따르면, 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로로써, 상기 여자 회로는 위상 권선을 전원 공급 장치에 연결하기 위한 복수의 스위치를 구비하고, 상기 복수의 스위치는 전류를 상기 위상 권선에 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 되돌리기 위한 제1 세트와 제2 세트를 구비하며, 상기 제1 세트와 상기 제2 세트의 스위치는 전류를 제1 방향과 제2 방향 모두에 도전시킬 수 있고, 상기 제1 세트와 상기 제2 세트는 상이한 피크 전류를 처리할 수 있는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로를 제공한다.
상기 여자 회로는, 모터링 모드 중에는, 전류를 상기 위상 권선에 상기 제1 세트를 경유하여 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 상기 제2 세트를 경유하여 반사시키기 위한 경로를 제공하며, 발전 모드 중에는, 전류를 상기 위상 권선에 상기 제2 세트를 경유하여 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 상기 제1 세트를 경유하여 반사시키도록 구성되는 것이 바람직하다. 모터링 모드시 상기 위상 권선의 전류 방향은 대개, 발전 모드시 상기 위상 권선의 전류 방향과 반대이다.
바람직하게는, 상기 복수의 스위치 중 적어도 하나의 스위치는 다이오드로서동작할 수 있다. 예컨대, 그 스위치는 내인성 통합 반전 다이오드(inherent integral reverse diode)를 갖는다. 적절한 스위치의 일 예는 MOSFET이고, 특히 확장 계층(enhancement layer) MOSFET 스위치이다. 이들 각 스위치는 MOSFET일 수 있다.
양호한 구현예의 경우, 4 개의 스위치가 설치되고, 상기 제1 세트는 2 개의 스위치를 구비하되, 이 2 개의 스위치는 상기 제2 세트를 형성하는 나머지 2 개의 스위치보다 높은 정격(rating)으로 정해진다(즉, 보다 높은 피크 전류를 처리할 수 있다). 상기 여자 회로는 상기 위상 권선의 제1 단부와 제1 전압선 사이에 연결된 제1 스위치와, 상기 위상 권선의 상기 제1 단부와 제2 전압선 사이에 연결된 제2 스위치와, 상기 위상 권선의 제2 단부와 상기 제1 전압선 사이에 연결된 제3 스위치와, 상기 위상 권선의 상기 제2 단부와 상기 제2 전압선 사이에 연결된 제4 스위치를 구비하고, 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치는 상기 제1 세트를 형성한다. 상기 제2 세트는 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치를 구비한다.
본 발명의 다른 형태에서는, 복수의 회전자 극을 형성하는 회전자와, 복수의 고정자 극을 형성하는 고정자와, 상기 극들 중 2 개 또는 그 이상을 여자시키는 적어도 하나의 위상 권선을 갖는 머신을 포함하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브로써, 상기 스위치드 릴럭턴스 드라이브는 위상 권선을 전원 공급 장치에 연결하기 위한 복수의 스위치를 구비하는 여자 회로를 포함하고, 상기 복수의 스위치는 제1 세트와 제2 세트를 구비하며, 상기 여자 회로는, 모터링 모드 중에는, 전류를 상기 위상 권선에 상기 제1 세트를 경유하여 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 상기제2 세트를 경유하여 반사시키기 위한 경로를 제공하며, 발전 모드 중에는, 전류를 상기 위상 권선에 상기 제2 세트를 경유하여 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 상기 제1 세트를 경유하여 반사시키도록 구성되고, 상기 제1 세트와 상기 제2 세트는 상이한 피크 전류를 처리할 수 있는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 제공한다.
바람직하게는, 모터링 모드시 상기 위상 권선의 전류 방향은 발전 모드시 상기 위상 권선의 전류 방향과 반대이다.
본 발명의 또 다른 형태에서는, 복수의 회전자 극을 형성하는 회전자와, 복수의 고정자 극을 형성하는 고정자와, 상기 극들 중 2 개 또는 그 이상을 여자시키는 적어도 하나의 위상 권선을 갖는 머신을 포함하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 제어하는 방법으로써, 상기 스위치드 릴럭턴스 드라이브는 위상 권선을 전원 공급 장치에 연결하기 위한 복수의 스위치를 구비하는 여자 회로를 포함하고, 상기 복수의 스위치는 제1 세트와 제2 세트를 구비하며, 상기 스위치드 릴럭턴스 드라이브 제어 방법은, 모터링 모드 중에는, 전류를 상기 위상 권선에 상기 제1 세트를 경유하여 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 상기 제2 세트를 경유하여 반사시키는 단계와, 발전 모드 중에는, 전류를 상기 위상 권선에 상기 제2 세트를 경유하여 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 상기 제1 세트를 경유하여 반사시키는 단계를 구비하는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브 제어 방법을 제공한다.
도 1은 스위치드 릴럭턴스 드라이브 회로의 원리적인 구성 요소를 도시하는 원리도.
도 2는 회전자의 극이 고정자의 극에 근사하는 것을 도시하는 개념도.
도 3은 도 1에 도시한 머신의 위상 권선의 에너지화를 제어하는 전력 변환기의 대표적인 스위칭 회로를 도시하는 회로도.
도 4a 및 도 4b는 각각 쵸핑 모드와 단일 펄스 모드로 동작하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브의 대표적인 전류 파형을 도시하는 전류 파형도.
도 5a 및 도 5b는 각각 모터링 모드와 발전 모드에 대한 전류 파형 및 선속 파형을 도시하는 파형도.
도 6은 위상 권선에 에너지를 공급하는 대체 회로를 도시하는 회로도.
도 7은 위상당 8 개의 장치를 이용하는 종래의 에너지 공급 회로를 도시하는 회로도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 공급 회로를 도시하는 회로도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
11 : 전원 공급 장치
12 : 모터
13 : 전력 변환기
14 : 전자 제어부
15 : 회전자 위치 검출기
16 : 위상 권선
21 : 고정자 극
23 : 전체 위상 권선 중 일부
본 발명은 전류를 양방향으로 도전시킬 수 있고 적어도 과도기에 다이오드로서의 작용도 행하는 몇 개의 스위치의 특성의 이점을 취한다. 예컨대, MOSFET(Metal-Oxide Silicon Field Effect Transistor)는 필요한 특성들을 갖는다. 이들 특성은 기술상 공지되어 있고, 표준 교과서, 예컨대 "Power Semiconductor Application"(1991년 4월 필립스 세마이컨덕터사 간행)에 잘 설명되어 있다. 확장 계층(enhancement layer) MOSFET는 바람직한 스위치로 사용된다.
도 8에 도시하는 바와 같이, 스위치드 릴럭턴스 머신을 에너지화하기 위한 여자 회로의 일 실시예는 4 개의 능동형 스위치(MA, MB, MC및 MD)를 갖고, 이들 능동형 스위치는 MOSFET인 것이 바람직하며, 위상 권선(16) 주위에 브리지 구성으로 배치된다. 이들 스위치는 전류를 제1 방향과 제2 방향 모두로 도전시킬 수 있고, 다이오드로서 동작할 수 있다. 위상 권선(16)을 통한 전류 흐름의 방향은 모터링 모드에서 발전 모드로 그리고 발전 모드에서 모터링 모드로 변경될 때 반전된다. 스위치들의 정격(rating)은 에너지 공급 전류와 에너지 반사 전류에 따라서 설정된다.
최초에, 드라이브는 모터링 모드에서 동작한다고 가정한다. 스위치(MA)와 스위치(MD)는 권선을 여자시키도록 에너지화 스위치로서 작용한다. 도전 기간의 종료시에, 1 개의 스위치 또는 양자의 스위치는 프리휠링이 사용되고 있는 지에 따라서 개방된다. MOSFET(MB)와 MOSFET(MC)가 온으로 전환되지 않더라도, 소자의 바디 다이오드는 초기에 종래의 다이오드로서 작용하고 전류를 전원 공급 장치에 도전시킨다. 이 시점에서, 소자(MA) 또는 소자(MD) 또는 소자(MA) 및 소자(MD)가 완전히 턴오프할 수 있는 충분한 시간이 허용되면, 스위치(MB)와 스위치(MC)가 작동되고, 따라서 그들 스위치가 소자에서의 주전류 반송 채널을 통해서 전류를 도전시킬 수 있다. 이들 소자는 전류가 영으로 하강할 때까지 도전 상태를 유지한다.
따라서, 소자(MB)와 소자(MC)는 종래의 다이오드로서 작용한다. MOSFET의 도전 손실은 동일한 전류 정격의 다이오드의 도전 손실보다 적기 때문에, 이 회로의 효율은 그의 종래 등가물보다 좋다.
이제, 드라이브가 발전 모드로 동작하고 있다고 가정한다. 여자 회로는 전술한 바와 똑 같이 동작될 수 있고, 이 때, 여자는 하강 인덕턴스와 동시에 발생하도록 동기된다. 이제, 여자 전류는 작기 때문에, 소자(MA)와 소자(MD)는 사용 중에 있다. 이와는 대조적으로, 보다 큰 전류는 스위치(MB)와 스위치(MC)에 의해서 운송되고, 이들 스위치는 그 전류를 운송하도록 정해져야 한다.
그러나, 여자 회로는 대칭형이기 때문에, 그리고 릴럭턴스 머신의 토크 발생은 선속의 크기에만 의존할 뿐이고 그의 방향에는 의존하지 않기 때문에, MOSFET의 역할을 반대로 하는 것, 즉 위상 권선의 전류 방향을 반전시키는 것이 가능하다. 릴럭턴스 머신의 출력은 불변이지만, 스위치(MB)와 스위치(MC)는 이제, (보다 작은) 여자 전류를 공급하는 스위치로서 작용하고 소자(MA)와 소자(MD)는 (보다 큰) 에너지 반사 전류를 운송하는 다이오드로서 작용한다.
발전 모드 시에 위상 전류의 방향을 이와 같이 반전시키면, 드라이브가 모터링 모드인지 또는 발전 모드인지에 상관 없이 보다 작은 전류는 이제 스위치(MB)와 스위치(MC)에 의해서 운송된다는 점을 알 수 있다. 따라서, 이들 2 개 소자의 정격을 감소시킬 수 있다. 예컨대, 모터링 모드와 발전 모드 모두에서 2kW로 정해진 드라이브의 경우, 이들 소자의 정격은 다른 2 개 스위치의 25%까지 감소될 수 있으므로, 절감량은 매우 크다. 따라서, 이 여자 회로 및 전술한 동작 방법은 비용 절감과 효율 향상이라고 하는 똑 같은 이익을 달성한다.
상세한 설명은 MOSFET형 스위치만을 언급하였지만, 본 발명은 향후에 개발될 수 있고 또한 전류가 반전된 때에 스위치와 다이오드 모두로서 작용할 수 있는 다른 스위치를 커버하도록 확장하는 것도 의도하는 바이다. 본 발명은 특히, 전류를 제1 방향과 제2 방향 모두로 도전하고 다이오드로서 동작할 수 있는 스위치까지 확장한다.
본 발명은 어떠한 수의 위상 및 극과 어떠한 전동자용 연철판 구조를 갖는 어떠한 스위치드 릴럭턴스 머신에도 적용 가능하다는 점을 이해할 것이다. 마찬가지고, 본 발명은 가동부(흔히 "회전자"라고 한다)가 선형적으로 주행하는 선형 머신에도 적용 가능하다. 따라서, 당업자는 본 발명을 벗어나는 일 없이 공개된 배치 구조의 수정이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 전술한 몇 가지 실시예는 제한의 목적이 아니라 예시로써 설명된 것이다. 본 발명은 특허 청구 범위에 의해서만 제한되어야 하는 바이다.
본 발명은 모터링 모드와 발전 모드 모두에서 동작 가능한 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 위한 효율적이고 경제적인 회로를 제공한다.

Claims (17)

  1. 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로로써, 상기 여자 회로는 위상 권선을 전원 공급 장치에 연결하기 위한 복수의 스위치를 구비하고, 상기 복수의 스위치는 전류를 상기 위상 권선에 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 되돌리기 위한 제1 세트와 제2 세트를 구비하며, 상기 제1 세트와 상기 제2 세트의 스위치는 전류를 제1 방향과 제2 방향 모두에 도전시킬 수 있고, 상기 제1 세트와 상기 제2 세트는 상이한 피크 전류를 처리할 수 있는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 여자 회로는, 모터링 모드 중에는, 전류를 상기 위상 권선에 상기 제1 세트를 경유하여 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 상기 제2 세트를 경유하여 반사시키기 위한 경로를 제공하며, 발전 모드 중에는, 전류를 상기 위상 권선에 상기 제2 세트를 경유하여 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 상기 제1 세트를 경유하여 반사시키도록 구성되는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 모터링 모드시 상기 위상 권선의 전류 방향은 발전 모드시 상기 위상 권선의 전류 방향과 반대인 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 스위치 중 적어도 하나의 스위치는 다이오드로서 동작할 수 있는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로.
  5. 제4항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스위치는 내인성 통합 반전 다이오드(inherent integral reverse diode)를 갖는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스위치는 MOSFET를 구비하는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로.
  7. 선행항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 스위치는 확장 계층(enhancement layer) MOSFET 스위치를 구비하는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로.
  8. 선행항 중 어느 한 항에 있어서, 4 개의 스위치가 설치되고, 상기 제1 세트는 2 개의 스위치를 구비하되, 이 2 개의 스위치는 상기 제2 세트를 형성하는 나머지 2 개의 스위치보다 높은 정격으로 정해지는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로.
  9. 선행항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 여자 회로는 상기 위상 권선의 제1 단부와 제1 전압선 사이에 연결된 제1 스위치와, 상기 위상 권선의 상기 제1 단부와 제2 전압선 사이에 연결된 제2 스위치와, 상기 위상 권선의 제2 단부와 상기 제1 전압선 사이에 연결된 제3 스위치와, 상기 위상 권선의 상기 제2 단부와 상기 제2 전압선 사이에 연결된 제4 스위치를 구비하고, 상기 제1 스위치와 상기 제4 스위치는 상기 제1 세트를 형성하는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2 스위치와 상기 제3 스위치는 상기 제2 세트를 형성하는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로.
  11. 선행항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 스위치의 각 스위치는 MOSFET를 구비하는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브용 여자 회로.
  12. 복수의 회전자 극을 형성하는 회전자와, 복수의 고정자 극을 형성하는 고정자와, 상기 극들 중 2 개 또는 그 이상을 여자시키는 적어도 하나의 위상 권선을 갖는 머신을 포함하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브로써, 상기 스위치드 릴럭턴스 드라이브는 위상 권선을 전원 공급 장치에 연결하기 위한 복수의 스위치를 구비하는 여자 회로를 포함하고, 상기 복수의 스위치는 제1 세트와 제2 세트를 구비하며, 상기 여자 회로는, 모터링 모드 중에는, 전류를 상기 위상 권선에 상기 제1 세트를경유하여 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 상기 제2 세트를 경유하여 반사시키기 위한 경로를 제공하며, 발전 모드 중에는, 전류를 상기 위상 권선에 상기 제2 세트를 경유하여 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 상기 제1 세트를 경유하여 반사시키도록 구성되고, 상기 제1 세트와 상기 제2 세트는 상이한 피크 전류를 처리할 수 있는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브.
  13. 제12항에 있어서, 모터링 모드시 상기 위상 권선의 전류 방향은 발전 모드시 상기 위상 권선의 전류 방향과 반대인 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브.
  14. 복수의 회전자 극을 형성하는 회전자와, 복수의 고정자 극을 형성하는 고정자와, 상기 극들 중 2 개 또는 그 이상을 여자시키는 적어도 하나의 위상 권선을 갖는 머신을 포함하는 스위치드 릴럭턴스 드라이브를 제어하는 방법으로써, 상기 스위치드 릴럭턴스 드라이브는 위상 권선을 전원 공급 장치에 연결하기 위한 복수의 스위치를 구비하는 여자 회로를 포함하고, 상기 복수의 스위치는 제1 세트와 제2 세트를 구비하며, 상기 스위치드 릴럭턴스 드라이브 제어 방법은, 모터링 모드 중에는, 전류를 상기 위상 권선에 상기 제1 세트를 경유하여 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 상기 제2 세트를 경유하여 반사시키는 단계와, 발전 모드 중에는, 전류를 상기 위상 권선에 상기 제2 세트를 경유하여 공급하고 전류를 상기 전원 공급 장치에 상기 제1 세트를 경유하여 반사시키는 단계를 구비하는 것인 스위치드 릴럭턴스 드라이브 제어 방법.
  15. 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에서 설명한 바와 같은 여자 회로.
  16. 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에서 설명한 바와 같은 스위치드 릴럭턴스 드라이브.
  17. 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에서 설명한 바와 같은 스위치드 릴럭턴스 드라이브 동작 방법.
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