KR20160092945A - 회전 자계 기기용 출력 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전 자계 기기를 위한 출력 제어 장치에 관한 것으로, 상기 출력 제어 장치는 회전 자계 기기를 통해 흐르는 전류의 제어를 위한 전자 제어 부재를 구비한 인쇄회로기판과, 인쇄회로기판의 전기 단자와, 제어 부재와 열 전도 가능하게 연결된 히트 싱크와, 전자기 간섭의 억제를 위한 전기 단자 상의 초크를 포함한다. 이 경우, 초크는 히트 싱크와 열 전도 가능하게 연결된다.

Description

회전 자계 기기용 출력 제어 장치{DEVICE FOR POWER CONTROL FOR A ROTATING FIELD MACHINE}
본 발명은 회전 자계 기기를 위한 출력 제어 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 출력 제어 장치상에서의 간섭장들의 억제에 관한 것이다.
회전 자계 기기, 예컨대 영구 여자형 동기 회전 자계 기기는 복수의 권선 위상(winding phase)을 포함하고, 이들 권선 위상의 전류들은 전자 제어 부재들에 의해 제어된다. 이 경우, 회전 자계 기기는 선택적으로 모터로서, 또는 제너레이터로서 작동될 수 있다. 예컨대 회전 자계 기기는 자동차의 내연기관을 위한 전기 스타터 제너레이터로서 이용될 수 있다. 내연기관을 시동하기 위해, 회전 자계 기기는 모터로서 제어되며, 그리고 내연기관이 작동 중이라면, 필요한 전기 출력은 제너레이터 모드로 작동 중인 회전 자계 기기를 통해 공급될 수 있다. 이 경우, 회전 자계 기기를 위한 출력 제어 장치는 직류 전압 분기와 연결된다.
직류 전압 분기에서 방출되거나 그 직류 전압 분기로 유입되는 전류는 회전 자계 기기의 작동 동안 고주파 전자기 간섭장들을 야기할 수 있다. 상기 간섭장들의 억제를 위해, 또는 전자기 호환성(EMC)의 회복을 위해, 통상적으로 직접 출력 제어 장치의 단자들 상에서 초크 및/또는 커패시터를 이용한 간섭 제거가 실행된다. 이 경우, 상당한 전기 출력이 간섭 제거 조치들을 통해 감소하면서 열로 변환될 수 있으며, 그럼으로써 간섭 제거를 위해 이용되는 부재들이 고온에 도달할 수 있게 된다.
본 발명의 과제는 회전 자계 기기를 위한 개선된 출력 제어 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 상기 과제는 독립 청구항의 특징들을 갖는 출력 제어 장치에 의해 해결된다. 종속 청구항들에는 바람직한 실시예들이 재현되어 있다.
회전 자계 기기용 출력 제어 장치는 회전 자계 기기를 통과하는 전류의 제어를 위한 전자 제어 부재를 구비한 인쇄회로기판, 인쇄회로기판의 전기 단자, 제어 부재와 열 전도 가능하게 연결된히트 싱크, 그리고 전자기 간섭의 억제를 위한 전기 단자 상의 초크(choke)를 포함한다. 이 경우, 초크는 히트 싱크와 열 전도 가능하게 연결된다.
전자 제어 부재는 통상 손실 없이 동작하지 못하기 때문에, 히트 싱크를 이용하는 것이 일반적이다. 바람직하게는, 초크를 냉각하기 위해 동일한 히트 싱크가 이용될 수 있으며, 그럼으로써 초크는 전기 단자의 영역에서 개선된 방식으로 전자기 간섭을 억제할 수 있다. 그 결과, 동일한 설계 조건에서 초크가 더 높은 부하 용량을 보유할 수 있거나, 동일한 출력 용량의 조건에서 상대적으로 더 약하게 설계될 수 있다. 그 결과, 생산 비용이 절감될 수 있다. 초크의 출력 용량은 증가할 수 있다.
바람직한 방식으로, 초크는 전기 단자의 둘레에 토로이드(toroid) 초크로서 구현된다. 이 경우, 전기 단자는 전류 방향을 따라 토로이드 초크로 에워싸일 수 있다. 상기 단자를 통해 흐르는 전류가 1회만 토로이드 초크의 내부 공간을 통해 전도된다면, 초크 및 전기 단자는 기계적으로 간단하게 구성될 수 있다. 이런 실시예는 제조 비용의 절감에 기여할 수 있다.
바람직한 방식으로, 토로이드는 다중 부재로 구성된다. 그럼으로써, 토로이드는, 직선으로 또는 만곡되어 안내되는 전기 단자 상에 차후에 간단하게 부착될 수 있다. 특히 토로이드는 복수의 U자형 세그먼트, 예컨대 하프 셸(half shell)을 포함할 수 있다. 세그먼트들은 토로이드 초크의 내부 공간의 둘레에 굴곡 처리된 형태 또는 다각형 형태로 연장될 수 있다.
초크와 히트 싱크 사이에는 전기 절연성 열 전도 부재가 부착될 수 있다. 열 전도 부재는 예컨대 열 전도 페이스트, 열 전도 필름 또는 적합한 밀봉 컴파운드를 포함할 수 있다. 추가 실시예에서, 토로이드는 단자의 둘레에 인서트 몰딩으로 성형된다. 그 결과, 초크와 히트 싱크 사이의 열 저항성이 감소할 수 있음으로써, 초크의 온도가 개선되는 방향으로 낮아질 수 있다. 열 전도 부재의 전기 절연 작용을 통해, 전자기 방사가 히트 싱크를 통해 방출되는 점이 방지될 수 있다. 또한, 히트 싱크는 전자 제어 부재와 전기 전도 가능하게 연결될 수 있다. 이 경우, 히트 싱크는 복수의 제어 부재 사이에서 공급 라인으로서, 또는 전위 보상부로서 이용될 수 있다.
한 실시예에서, 전기 단자는 2개의 짧은 변과 2개의 긴 변을 갖는 직사각형 횡단면을 가지며, 이때 초크는 일측의 긴 변의 영역에서 히트 싱크와 열 전도 가능하게 연결된다. 이 경우, 초크의 횡단면은 전기 단자의 횡단면을 따르도록 형성될 수 있다. 그 결과, 열 전도를 위해 가용한 초크의 표면이 확대될 수 있음으로써 초크와 히트 싱크 사이의 열 교환이 개선될 수 있다.
한 실시예에서, 전기 단자는 인쇄회로기판상에 스트립 도체로서 형성된다. 그 결과, 단자는 비용 절감 방식으로 인쇄회로기판과 집적되어 형성될 수 있다. 특히 전기 단자는 앞에서 기재한 직사각형 횡단면을 가질 수 있으며, 스트립 도체의 두께는 통상 십 분의 수 밀리미터에 불과하며, 그에 반해 그 폭은 수 밀리미터이거나, 1센티미터를 상회할 수 있다. 이 경우, 직사각형 횡단면의 종횡비가 상당히 차이가 남에 따라, 전기 단자의 표면은 직사각형 횡단면의 긴 변의 영역에서 (다시 말하면 스트립 도체의 상면 및 하면에서) 큰 표면을 제공하게 된다. 초크의 횡단면의 형태가 스트립 도체의 횡단면 형태를 따를 경우, 바람직하게 큰 표면이 초크와 히트 싱크 사이의 열 운반을 위해 이용될 수 있다.
또 다른 한 실시예에서, 전기 단자는 인쇄회로기판과 전기적으로 연결된 별도의 부재로서 형성된다. 그 결과, 스트립 도체들의 교차가 방지될 수 있다. 그로 인해, 인쇄회로기판의 형태는 더 조밀하게 유지될 수 있으며, 그럼으로써 인쇄회로기판은 더 저렴하게 제조되거나, 더 용이하게 취급될 수 있다.
바람직한 방식으로, 초크는 페라이트를 포함한다. 초크가 다중 부재로 구성된다면, 복수의 페라이트 소자가 이용될 수 있다. 페라이트 소자들은 상호 전기 전도 가능하게 접촉할 수 있고, 또는 예컨대 그 소자들이 개별적으로 보호용 외피 내에 제공된다면 상호 분리될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 인쇄회로기판은 상호 대응되는 직류 전류들의 전도를 위한 2개의 전기 단자를 가지며, 초크는 상기 두 전기 단자의 둘레에 대칭형 토로이드 초크로서 구현된다. 그 결과, 간단한 구조에서 전자기 간섭의 우수한 언더패스(underpass)가 달성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 초크는 두 전기 단자 중 하나의 둘레에만 비대칭형 토로이드 초크로서 구현된다. 그 결과, 초크는 더 간단하고 더 조밀하게 구성될 수 있다.
복합적인 형태도 가능하다. 예컨대 2개의 개별 초크가 두 전기 단자 상에 제공될 수 있거나, 또는 단자들 중 하나에 비대칭형 토로이드 초크가 제공되고, 두 단자 모두에 공통으로 대칭형 토로이드 초크가 추가로 제공될 수도 있다.
이제 본 발명은 첨부한 도면들과 관련하여 더욱 구체적으로 기재된다.
도 1은 제1 실시예에서 전기 출력 제어 장치이다.
도 2 내지 도 4는 추가 실시예들에서 도 1의 전기 출력 제어 장치를 각각 도시한 개략도이다.
도 5는 또 다른 추가 실시예에서 도 1의 전기 출력 제어 장치이다.
도 1에는, 한 예시의 실시예에서 전기 출력 제어 장치(100)가 도시되어 있다. 출력 제어 장치(100)는 예컨대 자동차의 온보드 전기 시스템(on-board electric system)의 직류 전압 분기(105)와 회전 자계 기기(110)(미도시) 사이의 전류를 제어하도록 구성된다. 도시된 바람직한 실시예에서, 출력 제어 장치(100)는 회전 자계 기기(110)의 반경 방향의 내부 영역 내에 부착되도록 구성된다. 회전 자계 기기(110)는 특히 자동차의 온보드용 내연기관 또는 하이브리드 적용을 위한 전기 스타터 제너레이터를 포함할 수 있다. 직류 전압 분기(105)는 예컨대 약 48V의 사전 결정된 직류 전압일 수 있거나, 또는 약 12V의 또 다른 정수배일 수 있다. 회전 자계 기기(110)가 특히 자동차의 내연기관을 시동하기 위해 전기 모터로서 작동된다면, 출력 제어 장치(100)와 직류 전압 분기(105) 간에는 수백 암페어(A)의 전류, 예컨대 최대 약 800A의 전류가 교환될 수 있다. 내연기관의 크기에 따르는 더 크거나 더 작은 치수 설계도 마찬가지로 가능하다.
출력 제어 장치(100)는 전자 제어 부재(120)를 구비한 인쇄회로기판(115)과, 전기 단자(125)와, 투명하게 도시되어 있는 히트 싱크(130)와, 전기 단자(125)의 영역 내의 초크(135)(미도시)를 포함한다. 전자 제어 부재(120)는 특히 반도체를 포함할 수 있고, 이 반도체는 단자(125)와 회전 자계 기기(110)의 권선 위상의 단자 사이에 전기 연결된다. 제어 부재(120)는 히트 싱크(130)와 열 전도 가능하게 연결된다. 바람직하게는, 직류 전압 분기(105)의 상이한 직류 전압 전위들의 전도를 위한 2개의 전기 단자(125)가 제공된다. 또한, 훨씬 더 많은 전기 단자(125)가 제공될 수도 있다.
하나 이상의 단자(125)의 영역 내의 초크(135)가 히트 싱크(130)와 열 전도 가능하게 연결되도록 구현되는 점이 제안된다. 이 경우, 초크(135)는 특히 예컨대 페라이트로 형성될 수 있는 토로이드(140)를 포함할 수 있다. 토로이드(140)는 내부 공간을 둘러싸고, 이 내부 공간을 통과하여 전기 단자(125)가 적어도 1회 연장된다. 또 다른 실시예에서, 전기 단자(125)는 토로이드(140)의 몸체의 둘레에 수회 권축될 수 있고, 그럼으로써 전기 단자는 내부 공간을 수회 통과하게 된다. 초크(choke, 135)는 고주파 교번 자계에 감쇠 작용하면서 전자기 방사를 약화시키며, 그럼으로써 출력 제어 장치(100)의 전자기 호환성은 증가할 수 있게 된다.
도 2에는, 한 추가 실시예에서 도 1의 전기 출력 제어 장치(100)의 개략도가 도시되어 있다. 왼쪽 상부 영역에는 2개의 단자(125)를 포함하는 인쇄회로기판(115)의 상면도가 도시되어 있고 우측 하부 영역에는 단자(125)의 영역에서 인쇄회로기판(115)의 횡단면이 도시되어 있다. 여기서 단자들(125)은 예시로서 인쇄회로기판(115)과 집적화되어 구현된다. 이 경우, 전기 단자(125)의 전기 부분은, 기계적 기판으로서 이용되는 인쇄회로기판(115) 상에 스트립 도체로서 형성된다. 초크(135)의 토로이드(140)는, 전기 단자(125)가 직류 전압 분기(105)와 연결되기 전에, 단자(125) 상으로 끼워질 수 있다. 또 다른 실시예에서, 토로이드(140)는 다중 부재형으로, 예컨대, 비록 단자(125)가 이미 직류 전압 분기(105) 또는 또 다른 부재와 연결되어 있더라도, 단자(125)의 둘레에 장착될 수 있는 U자형 또는 셸형 부재들의 형태로 구현된다.
여기서 단자(125)의 횡단면, 특히 단자의 전기 부분의 횡단면은 심한 비대칭형 종횡비를 갖는 직사각형이다. 토로이드(140)의 형태는 횡단면과 관련하여 매우 편편하고 폭이 넓은 직사각형에 따라서 형성되며, 그럼으로써 대향하여 위치하는 2개의 면 상에는, 히트 싱크(130) 상에서의 접촉을 위해 가용한 토로이드(140)의 큰 표면들이 형성된다. 토로이드(140)와 히트 싱크(130) 사이에는 바람직하게는 전기 절연 작용을 수행하는 열 전도 부재(205)가 제공될 수 있다.
도시된 실시예에서, 초크(135)는 비대칭형 필터로서 형성되며, 다시 말하면 2개의 제공된 전기 단자(125) 중 하나의 단자만이 토로이드(140)의 내부 공간을 통과하여 연장되고, 그에 따라 상기 토로이드와 함께 초크(135)를 형성한다.
도 3에는, 도 2의 실시예에 따르는 추가 실시예가 도시되어 있다. 도 2의 실시예에 대한 차이점으로, 여기서 초크(135)는, 직류 전압 분기(105)로 이어지는 두 전기 단자(125)가 토로이드(140)의 내부 공간을 통과하여 연장되고, 그에 따라 함께 초크(135)를 형성하는 이른바 공통 모드(common mode)에서 대칭형 필터로서 제공된다. 선택적으로, 토로이드(140)는 전기 단자들(125) 사이에 웨브를 포함할 수 있으며, 그럼으로써 개별 단자들(125) 상에 상호 연결된 2개의 초크(135)가 형성된다. 또한, 2개의 분리된 비대칭형 초크(135)가 도 2의 실시예에 상응하게 단자들(125) 중 각각 하나의 단자 상에서 이용될 수도 있다.
도 4에는, 도 2 및 도 3의 실시예들의 조합 구성을 포함하는 출력 제어 장치(100)의 또 다른 실시예가 도시되어 있다. 제1 토로이드(140)는 하나의 전기 단자(125)에 의해서만 통과되며 그 단자와 함께 제1 초크(135)를 형성한다. 제2 토로이드(140)는 두 단자(125) 모두에 의해 통과되고 제2 초크(135)를 형성한다.
도 5에는 또 다른 추가 실시예에서 도 1의 출력 제어 장치(100)가 도시되어 있다. 여기서 전기 단자(125)는 인쇄회로기판(115) 상에 스트립 도체로서 형성되는 것이 아니라, 인쇄회로기판(115)과 전기 연결되는 분리된 부재(505)로서 형성된다. 단자(125)의 영역 내의 초크(135)는 다시 히트 싱크(130)와 열 전도 가능하게 연결되도록 구현된다. 이런 실시예에서도, 바람직하게는 단자(125)의 횡단면은 히트 싱크(130)로 향해 있는 표면이 가능한 한 큰 방식으로 형성된다. 토로이드(140)의 횡단면은, 히트 싱크(130)와의 열 교환을 위한 가능한 한 큰 접촉면을 구현하기 위해, 상기 표면의 형태에 따라 형성된다. 부재(505)는 예컨대 용접, 납땜 또는 리벳팅(riveting)에 의해 인쇄회로기판(115)과 연결되는 박판을 포함할 수 있다.
100: 전기 출력 제어 장치
105: 직류 전압 분기
110: 회전 자계 기기
115: 인쇄회로기판
120: 전자 제어 부재
125: 전기 단자
130: 히트 싱크
135: 초크
140: 토로이드
205: 열 전도 부재
505: 부재(전기 단자)

Claims (10)

  1. 회전 자계 기기(110)를 위한 출력 제어 장치(100)로서,
    - 회전 자계 기기(110)를 통해 흐르는 전류의 제어를 위한 전자 제어 부재(120)를 구비한 인쇄회로기판(115)과,
    - 인쇄회로기판(115)의 전기 단자(125)와,
    - 제어 부재(120)와 열 전도 가능하게 연결된 히트 싱크(130)와,
    - 전자기 간섭의 억제를 위한 전기 단자(125) 상의 초크(135)
    를 포함하는 회전 자계 기기용 출력 제어 장치(100)에 있어서,
    - 상기 초크(135)는 히트 싱크(130)와 열 전도 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는, 회전 자계 기기용 출력 제어 장치(100).
  2. 제1항에 있어서, 초크(135)는 전기 단자(125)의 둘레에 토로이드 초크(135, 140)로서 구현되는, 회전 자계 기기용 출력 제어 장치(100).
  3. 제2항에 있어서, 토로이드(140)는 다중 부재로 구성되는, 회전 자계 기기용 출력 제어 장치(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 초크(135)와 히트 싱크(130) 사이에 전기 절연성 열 전도 부재(205)가 부착되는, 회전 자계 기기용 출력 제어 장치(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 단자(125)의 횡단면은 2개의 짧은 변 및 2개의 긴 변을 갖는 직사각형이며, 초크(135)는 일측의 긴 변의 영역에서 상기 히트 싱크(130)와 열 전도 가능하게 연결되는, 회전 자계 기기용 출력 제어 장치(100).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 단자(125)는 인쇄회로기판(115) 상에 스트립 도체로서 형성되는, 회전 자계 기기용 출력 제어 장치(100).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 단자(125)는 인쇄회로기판(115)과 전기적으로 연결된 별개의 부재(505)로서 형성되는, 회전 자계 기기용 출력 제어 장치(100).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 초크(135)는 페라이트를 포함하는, 회전 자계 기기용 출력 제어 장치(100).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 인쇄회로기판(115)은 상호 대응되는 직류 전류들의 전도를 위한 2개의 전기 단자(125)를 가지며, 초크(135)는 상기 두 전기 단자(125)의 둘레에 대칭형 토로이드 초크(135, 140)로서 구현되는, 회전 자계 기기용 출력 제어 장치(100).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 인쇄회로기판(115)은 상호 대응되는 직류 전류들의 전도를 위한 2개의 전기 단자(125)를 가지며, 초크(135)는 상기 두 전기 단자(125) 중 하나의 둘레에만 비대칭형 토로이드 초크(135, 140)로서 구현되는, 회전 자계 기기용 출력 제어 장치(100).
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