KR20140040768A - 안전 회로를 포함하는 전기 기계 - Google Patents

안전 회로를 포함하는 전기 기계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특히 자동차의 스티어링 시스템에 사용하기 위한 전기 여자식 전기 기계(2)에 관한 것이며, 상기 전기 기계는 다수의 위상을 포함하는 고정자 권선을 가진 고정자, 고정자와 회전자 사이의 공기 갭에 자계가 형성되도록 고정자에 대해 가동적으로 배치된 회전자에 여자 자계를 결합하기 위해 배치된 여자 권선(3), 및 과전류 시 자동으로 트리거되는 퓨즈(11)를 가진 여자 회로를 포함한다.

Description

안전 회로를 포함하는 전기 기계{ELECTRICAL MACHINE COMPRISING A SAFETY CIRCUIT}
본 발명은 전기 기계, 특히 예를 들어 하이브리드 여자식 또는 외부 여자식 전기 기계와 같은 전기 여자식 전기 기계에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 스티어링 시스템에서 사용하기 위한 전기 여자식 전기 기계 및 특히 결함 시 발생하는 브레이크 모멘트를 감소시키기 위한 조치에 관한 것이다.
외부 여자식 또는 하이브리드 여자식 기계는 영구자석 여자식 기계와 달리 여자 권선을 위한 2개의 추가 전기 콘택팅을 필요로 한다. 여자 권선은 일반적으로 자체의 제어 유닛, 즉 여자 회로에 의해 제어될 수 있다.
대안으로서 여자 권선은 전기 기계의 위상을 작동시키는 구동 회로에 의해서도 전류를 공급받을 수 있다. 이러한 경우에 여자 권선은 전기 기계의 위상들을 서로 연결하는 중성점과 접지 전위 사이에 접속된다.
구동 회로의 고장 시, 보조 토크의 중단으로 인한 기계적으로 원활하지 못한 작동 외에 전기 기계가 전기 브레이킹 모멘트를 형성하는 것이 저지되어야 한다.
결함 시, 결함의 종류에 따라서, 예를 들어 풀 업 스위치(pull-up switch)가 파손된 경우에 스티어링 기반의 홈 드라이빙 수단을 구현하기 위해 개별 스위치가추가로 제어되어야 하거나 또는 대안으로서 분리형 위상 및/또는 중성점 릴레이가 제공되어야 한다.
특히 전기 기계 내의 중성점과 접지 전위 사이에 여자 권선이 접속되면, 결함 시 과여자가 발생할 수 있고, 이러한 과여자에 의해 높은 브레이킹 모멘트가 생성될 수 있다. 스티어링 시스템에 이러한 전기 기계의 사용 시, 이는 자동차의 스티어링 불능을 야기할 수 있고 따라서 안전 위험이 발생한다.
하이브리드 여자식 전기 기계에서 여자 권선 외에 제공된 여자 자석으로 인해, 구동 회로 내부에서 단락 결함 시, 전기 기계 내에 제공된 영구 자석은 유도 전압을 형성할 수 있고, 상기 유도 전압은 단락된 스위치를 통해 프리러닝(free running)되며, 전류 흐름을 형성하고 이로 인해 외부 모멘트에 대해 반대로 작용하는 전기 브레이킹 모멘트를 가한다. 이러한 결함은 중성점에서 여자 권선의 탭이 이루어지는 하이브리드 여자식 전기 기계의 경우에 특히 임계적인데, 그 이유는 이 경우 결함에 의해 중성점 전압이 증가하고 최대 여자 또는 과여자 상태가 설정될 수 있기 때문이다.
결함 시 전기 기계의 중성점을 분리하는 조치는 일반적으로 복잡한데, 그 이유는 이를 위해 특수한 스위치, 예를 들어 중성점 릴레이가 필요하기 때문이다.
본 발명의 과제는, 결함 시 발생 가능한 브레이킹 모멘트를 감소시키는 것을 간단하게 하는 전기 여자식 전기 기계를 위한 안전 컨셉을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1 항에 따른 스티어링 시스템에서 사용하기 위한 전기 여자식 전기 기계 및 독립 청구항에 따른 모터 시스템에 의해 달성된다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 제시된다.
본 발명의 제 1 양상에 따라 특히 자동차의 스티어링 시스템에 사용하기 위한 전기 여자식 전기 기계가 제공된다. 상기 기계는 다음을 포함한다:
- 다수의 위상을 포함하는 고정자 권선을 가진 고정자;
- 고정자에 대해 이동 가능하게 배치되고 적어도 부분적으로 연자성 재료를 포함하는 회전자;
- 고정자와 회전자 사이의 공기 갭에 자계가 형성되도록 회전자에 여자 자계를 결합하기 위해 배치된 여자 권선;
- 과전류 시 자동으로 트리거되는 퓨즈를 포함하는 여자 회로.
상기 전기 기계의 목적은, 결함에 의한 과전류 시 자동으로 트리거되는 별도의 퓨즈를 여자 권선에 제공하는 것이다. 이로써 여자 회로는 결함 시 위상을 통한 에너지 공급과 무관하게 확실하게 차단될 수 있으므로, 결함 시 원치 않는 브레이킹 모멘트가 발생할 수 없다. 따라서 이러한 퓨즈를 포함하는 상기 방식의 외부 여자식 또는 하이브리드 여자식 전기 기계는 결함 시 전기 기계에 의해 브레이킹 모멘트가 가해져서는 안 되는 스티어링 시스템 및 다른 안전 임계적 장치들에 사용하기에 특히 적합하다.
또한, 퓨즈는 용융 퓨즈를 포함할 수 있다.
실시예에 따라 여자 권선, 여자 회로 및 퓨즈는 전기 기계의 하우징 상에 또는 하우징 내에 배치될 수 있다.
여자 회로는 위상들을 서로 접속시키는 중성점에 연결될 수 있다.
또한, 전기 기계의 위상들을 통해 위상 전류를 제공하기 위한 구동 회로가 제공될 수 있고, 이 경우 구동 회로는 제어 유닛에 의해 제어될 수 있다.
제어 유닛은 결함을 검출하기 위해 그리고 결함의 검출 후에 위상들 중 하나의 위상에 영구적으로 높은 공급 전위가 인가됨으로써, 위상들을 서로 접속시키는 중성점에서 전위가 상승하고 여자 회로를 통과하는 전류 흐름을 증가시키도록 구동 회로를 제어하기 위해 형성될 수 있다.
또한, 퓨즈는 여자 회로를 통과하는 전류 흐름의 증가 시 트리거되도록 형성될 수 있다.
다른 양상에 따라 모터 시스템이 제공된다. 모터 시스템은 다음을 포함한다:
- 상기 전기 기계;
- 전기 기계의 위상들의 전류 공급을 위한 구동 회로; 및
- 구동 회로를 제어하기 위한 제어 유닛.
다른 양상에 따라 상기 모터 시스템의 작동 방법이 제공되고, 이 경우 결함의 검출 후에 영구적으로 위상들 중 하나의 위상에 높은 공급 전위가 인가됨으로써, 전위는 위상들을 서로 접속시키는 중성점에서 상승하고, 여자 회로를 통과하는 전류 흐름을 증가시킨다.
특히 여자 회로를 통과하는 전류 흐름의 증가 시 퓨즈가 트리거될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예들은 하기에서 첨부된 도면을 참고로 설명된다.
도 1은 실시예에 따른 외부 여자식 전기 기계를 포함하는 모터 시스템의 개략도.
도 1은 이 경우 3상으로 형성된 전기 기계(2)를 포함하는 모터 시스템(1)을 도시한다. 전기 기계(2)는 중성점 접속 시 중성점(S)에 의해 서로 접속된 3개의 위상을 가진 고정자 어셈블리를 포함한다.
전기 기계(2)의 (도시되지 않은) 회전자는 연자성 물질로 형성되고, 고정 배치된 여자 권선(3)을 통해 상기 회전자에 여자 자계가 제공되고, 상기 여자 자계는 실질적으로 동기 기계의 회전자 내의 영구자석과 동일한 기능을 갖는다. 여자 권선(3)은 일반적으로 고정자 내부에 형성되고, 따라서 여자 자계는 회전자 내로 침투하여 거기에서 편향되므로, 회전자의 회전자 극과 고정자 사이의 공기 갭에 자기장이 형성되고, 상기 자기장은 회전자의 구동에 사용된다.
여자 권선(3)에 의해 형성된 회로에 전류 공급을 위해 여자 권선(3)은 도시된 실시예에서 고정자의 위상들을 서로 연결하는 중성점(S)과 접지 전위(GND) 사이에 접속된다.
또한, 전기 기계(2)는 구동 회로(4)에 의해 작동되고, 상기 구동 회로는 B6-회로의 형태로 형성된다. B6-회로는 직렬 접속된 2개의 반도체 스위치(6)를 가진 3개의 인버터 회로(5)를 포함하고, 상기 반도체 스위치들 사이에 전기 기계(2)의 위상들 중 하나의 위상의 접속을 위한 탭으로서 노드가 제공된다. 반도체 스위치(6)는 제어 유닛(10)에 의해 일반적으로 정류 패턴에 따라 접속된다. 구동 회로(4)에 인가되는 전압은 각각의 인버터 회로(5)를 통해 인가된다. 또한, 중간 회로 커패시터(9)가 제공되고, 상기 커패시터를 통해 공급 전압(UVers)이 인가된다.
구동 회로(4)에 높은 공급 전위(VH)와 낮은 공급 전위(VL) 사이의 공급 전압(UVers)이 인가되고, 상기 공급 전압은 제 1 퓨즈(7)와 거기에 직렬 접속된 릴레이(8)를 통해 구동 회로(4)에 연결된다. 제 1 퓨즈(7)는, 전 공급 전압(UVers)의 인가 시 전기 기계(2)의 2개의 위상들을 통해 흐르는 최대 전류가 퓨즈를 트리거하기에 충분하지 않도록 설계된다. 바람직하게 트리거 임계값은 상기 최대 전류 및 사전 설정된 허용 오차에 따라 정해진다. 높은 공급 전위(VH)와 낮은 공급 전위(VL) 사이의 단락 발생 시, 특히 위상을 통한 전류 흐름의 우회 하에 인버터 회로들(5) 중 하나의 인버터 회로에 의한 단락 발생 시, 제 1 퓨즈(7)는 단락 경로의 더 낮은 저항으로 인해 트리거된다.
여자 회로에 제 2 퓨즈(11)가 제공되고, 상기 퓨즈는 과여자를 방지하도록 설계된다. 특히 제 2 퓨즈(11)는 공급 전압(UVers)이 절반일 때 여자 회로에 의해 조절되는 전류를 견딜 수 있도록 설계될 수 있다. 절반의 공급 전압(UVers/2)은 정상 작동 시 전기 기계(2)의 중성점(S)에 인가된다. 여자 회로 내의 전류 강도가 상기 값을 훨씬, 예를 들어 10%의 허용 오차 범위만큼 초과하면 제 2 퓨즈(11)가 트리거된다. 이로 인해 여자 권선(3)이 비활성화될 수 있으므로, 브레이킹 모멘트는 더 이상 야기될 수 없다.
여자 권선(3)이 하이브리드 여자식 전기 기계 내에 제공된 경우에, 이로 인해 적어도 브레이킹 모멘트가 전기 기계(2)의 회전자 내의 영구 자석의 작용으로 감소할 수 있다. 중성점 전압의 가능한 상승으로 인해 발생하고 추가 브레이킹 모멘트를 일으킬 수 있는 과여자도 방지될 수 있다.
위상들과 여자 권선(3)은 바람직하게 전기 기계(2) 내에 배치된다. 따라서 제 2 퓨즈(11)도 전기 기계(2)의 내부에 배치되는 것이 바람직하다. 제 1 퓨즈(7) 및/또는 제 2 퓨즈(11)는 바람직하게 용융 퓨즈로서 그리고 특히 자동적이고 영구적인 트리거, 즉 보호될 회로의 개방을 야기하는 퓨즈로서 형성된다.
여자 회로 내에 제 2 퓨즈(11)를 배치함으로써, 결함 시 모터 시스템(1)의 나머지 부분들과 완전히 무관하게 구현되고 모터 시스템(1)을 완전히 차단하는 퓨즈 기능이 구현될 수 있다. 여자 회로의 차단 작동의 독립성으로 인해 제어 전자장치 내에서 주요 추가 조치들이 불필요하다.
또한, 높은 공급 전위(VH)에 연결되는 반도체 스위치들(6)중 하나가 트리거됨으로써, 제어 유닛(10)에 의해 위상들 중 하나의 위상이 더 긴 시간 동안 또는 영구적으로 높은 공급 전위(VH)에 연결되므로, 중성점 전압이 증가할 수 있다. 이로써, 발생한 결함의 검출 시 제 2 퓨즈(11)는 구동 회로(4)의 반도체 스위치(6)의 적절한 제어에 의해 트리거될 수 있다.
2 전기 기계
3 여자 권선
4 구동 회로
10 제어 유닛
11 퓨즈
S 중성점

Claims (10)

  1. 특히 자동차의 스티어링 시스템에서 사용하기 위한 전기 여자식 전기 기계로서,
    - 다수의 위상을 포함하는 고정자 권선을 가진 고정자;
    - 상기 고정자와 회전자 사이의 공기 갭에 자계가 형성되도록, 상기 고정자에 대해 이동 가능하게 배치된 상기 회전자에 여자 자계를 결합하기 위해 배치된 여자 권선(3); 및
    - 과전류 시 자동으로 트리거되는 퓨즈(11)를 가진 여자 회로를
    포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 퓨즈(11)는 용융 퓨즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 여자 권선, 상기 여자 회로 및 상기 퓨즈(11)는 상기 전기 기계(2)의 하우징 상에 또는 하우징 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 여자 회로는 위상들을 서로 접속시키는 중성점(S)에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 기계(2)의 상기 위상들을 통해 위상 전류를 제공하기 위한 구동 회로(4)가 제공되고, 상기 구동 회로(4)는 제어 유닛(10)에 의해 제어될 수 있는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어 유닛(10)은 결함을 검출하기 위해 그리고 상기 결함의 검출 후에 영구적으로 상기 위상들 중 하나의 위상에 높은 공급 전위가 인가됨으로써, 전위는 상기 위상들을 서로 접속시키는 중성점(S)에서 상승하고 여자 회로를 통한 전류 흐름을 증가시키도록 상기 구동 회로(4)를 제어하기 위해 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 퓨즈(11)는 상기 여자 회로를 통한 전류 흐름의 증가 시 트리거되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
  8. 모터 시스템(1)으로서,
    - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 전기 기계(2);
    - 상기 전기 기계(2)의 위상들에 전류 공급을 위한 구동 회로(4);
    - 상기 구동 회로(4)의 제어를 위한 제어 유닛(10)을 포함하는 모터 시스템.
  9. 제 8 항에 따른 모터 시스템(1)의 작동 방법으로서, 결함의 검출 후에 영구적으로 위상들 중 하나의 위상에 높은 공급 전위가 인가됨으로써, 전위는 상기 위상들을 서로 접속시키는 중성점(S)에서 상승하고, 여자 회로를 통한 전류 흐름을 증가시키는 작동 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 여자 회로를 통한 전류 흐름의 증가 시 퓨즈(9)가 트리거되는 것을 특징으로 하는 작동 방법.
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