KR20170037974A - 다상 전기 머신, 드라이브 및 제어 - Google Patents

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KR20170037974A KR1020177003113A KR20177003113A KR20170037974A KR 20170037974 A KR20170037974 A KR 20170037974A KR 1020177003113 A KR1020177003113 A KR 1020177003113A KR 20177003113 A KR20177003113 A KR 20177003113A KR 20170037974 A KR20170037974 A KR 20170037974A
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찰스 오브리
생-자크 베노아 블랑샤르
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티엠4 인코포레이티드
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Abstract

본 명세서에서는, 다수의 인버너 전력 회로를 구비하는 다상 전기 머신이 설명된다. 본 다상 전기 머신은, 머신들이 구성들간에 절환될 때, 토크의 손실을 줄이면서 구성 변경을 실행하는데 목적이 있다. 이것은, 개별적인 인버터 전력 회로에 의해 전력 인가되는 머신부들을 정의하는 위상들의 그룹들을 형성하고, 제어 절환 디바이스들을 개별적으로 가진 머신부들을 절환함에 의해 실행된다.

Description

다상 전기 머신, 드라이브 및 제어{MULTIPLE PHASE ELECTRIC MACHINE, DRIVE AND CONTROL}
본 발명은 전기 머신들 및 그들의 드라이브와 그의 제어에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 개별적인 인버터 전력 회로들에 링크된 그룹화된 위상들(grouped phases)을 구비한 다상 전기 머신들(multiple phases electric machines)에 관한 것이다.
다상 전기 머신들은 본 기술 분야에 잘 알려져 있다. 흔히, 그들은, 여러 위상들의 전류 흐름을 제어하는 인버터 전력 회로를 통해, 예를 들어 배터리와 같은 직류 전력(Direct Current power: DC power)으로부터 가동된다.
그룹화된 위상 머신들도 또한 알려져 있다. 흔히, 위상들은 3개씩 그룹화되어 소위 델타(delta) 또는 스타(star) 구성으로 상호 접속될 수 있다. 각 위상은 직렬 또는 병렬 구성으로 상호 접속될 수 있는 한 개 초과의 코일을 포함할 수 있다. 일부 머신들에 있어서, 상호 접속 구성은 가동 동안에 그 구성들간에 변경될 수 있다.
예시적인 실시 예에 따르면, 각각 적어도 3개의 위상들로 된 적어도 2개의 그룹들로 그룹화된 코일들을 구비하는 다상 전기 머신에 대한 드라이브 회로가 제공되며, 적어도 2개의 그룹들의 각각은 머신부(machine portion)를 정의한다. 각 머신부의 적어도 3개의 위상들의 상호 접속은 적어도 2개의 구성들간에 변경될 수 있도록 구성된다. 드라이브 회로는 각 머신부와 각각으로 연관된 적어도 2개의 인버터 전력 회로들과, 적어도 2개의 인버터 전력 회로들을 독자적으로 제어하도록 적어도 2개의 인버터 전력 회로에 접속된 제어기를 구비하며, 그에 따라, 적어도 2개의 머신부들 중 하나의 구성이 변경될 때, 적어도 2개의 머신부들 중 다른 하나가 보상 토크를 전개시킬 수 있게 된다.
다른 측면에 따르면, 전원, 각각 적어도 3개의 위상들로 된 적어도 2개의 그룹들로 그룹화된 코일들을 포함하는 스테이터를 구비하는 다상 전기 머신이 제공되며, 적어도 2개의 그룹들의 각각은 머신부를 정의한다. 각 머신부의 적어도 3개의 위상들의 상호 접속은 적어도 2개의 구성들간에 변경될 수 있도록 구성된다. 그 머신은, 또한, 스테이터와 동축인 로터, 각각의 머신부와 각각으로 연관된 적어도 2개의 인버터 전력 회로들을 구비한 드라이브 회로 및 적어도 2개의 인버터 전력 회로를 독자적으로 제어하도록 적어도 2개의 인버터 전력 회로에 접속된 제어기를 포함하며, 그에 따라, 적어도 2개의 머신부들 중 하나의 구성이 변경될 때, 적어도 2개의 머신부들 중 다른 하나가 보상 토크를 전개시킬 수 있게 된다.
첨부 도면에 있어서,
도 1은 위상들이 한 그룹당 3개씩 3개의 그룹으로 이루어지고 각 그룹이 개별적인 인버터 전력 회로에 접속되는 9-위상 전기 머신 및 드라이브 회로의 블럭도이고;
도 2는 도 1의 머신의 일부의 보다 세부적인 블럭도이고;
도 3은 도 1의 머신의 내부 스테이터(stator) 및 외부 로터(rotor)의 개략도이고,
도 3a는 도 3과 유사한 개략도로서, 대안적인 실시 예를 도시한 도면이고;
도 4는 스타 구성으로 접속된 도 2의 머신부의 하나의 3상 그룹의 회로도이고;
도 5는 도 4와 유사한 회로도로서, 델타 구성의 3상 그룹을 도시한 도면이고;
도 6은 스타 및 델타 구성으로 접속된 동일 머신에 대한 토크 대 속도를 도시한 그래프이고;
도 7은 "종래 기술"로서, 제 1 직관적 방법에 따라 스타 구성에서 델타 구성으로 점진적으로 변경되는 9-위상 전기 머신에 의해 공급되는 토크로서, 전체 토크와 함께 개별적인 위상 그룹으로부터의 토크를 도시한 그래프이고;
도 8은 도 7과 유사한 그래프로서, 전체 토크의 졸트(jolts)가 감소되는 제 1 제어 방법을 도시한 도면이고;
도 9는 도 7과 유사한 그래프로서, 요구된 토크가 사전 결정된 임계치 미만일 경우에 졸트가 제거되는 제 2 제어 방법을 도시한 도면이고;
도 10은 도 9와 유사한 그래프로서, 요구된 토크가 사전 결정된 임계치 초과이고 도 8의 사전 결정된 임계치 이하인 경우에 최소 졸트들을 도시한 도면이고;
도 11은 델타 구성에서 스타 구성으로 점진적으로 변경되는 9-위상 전기 머신에 의해 공급되는 토크를 도시한 그래프이다.
"단수형 표현"의 이용이 청구항들 및/또는 명세서에서 용어 "구비하는"과 함께 이용될 때, 그것은 "하나"를 의미할 수 있지만, 그것은 또한 "하나 이상", "적어도 하나" 및 "하나 또는 하나 초과"의 의미와도 일치한다. 유사하게, 용어 "또 다른"은 적어도 2번째 이상을 의미할 수 있다.
본 명세서 및 청구항(들)에 이용된 용어 "구비하는" (및 "구비하다"와 같은 "구비하는"의 임의 형태), "가지는" (및 "가지다"와 같은 "가지는"의 임의 형태), "포함하는" (및 "포함하다"와 같은 "포함하는"의 임의 형태) 또는 "함유하는" (및 "함유하다"와 같은 "함유하는"의 임의 형태)은, 포괄적이거나(inclusive) 제한이 없으며(open-ended), 추가적이거나 언급되지 않은 요소들 또는 프로세스 단계들을 배제하지 않는다.
본 기술 분야의 숙련자라면, 본 명세서 및 첨부된 청구범위에 이용된 표현 "전기 머신"이 전기 모터 및/또는 전기 생성기로서 이해되어야 함을 알 것이다.
다상 전기 머신, 드라이브 및 제어의 다른 목적, 장점 및 특징은, 첨부 도면을 참조하여 단지 예시적으로 제공된, 이하의 예시적인 실시 예의 비 제한적 설명을 읽으면 보다 명확하게 될 것이다.
전반적으로, 본 다상 전기 머신의 실시 예들은, 머신들이 구성들간에 절환될 때 생성된 졸트들을 감소하는 것을 목적으로 한다. 이것은, 개별적인 인버터 전력 회로에 의해 각각 전력 인가되는 위상들의 그룹으로 머신을 분할하고, 위상들의 그룹들의 구성을 개별적으로 절환함에 의해 실행된다.
첨부 도면의 도 1은 9-위상 전기 머신(10)과, 그의 드라이브 회로(12) 및 DC 전원(14)을 블럭도로 개략적으로 보여준다. 전기 머신(10)의 9개의 위상들은, 드라이브 회로(12)의 일부인 각각의 개별적인 인버터 전력 회로(22, 24 및 26)에 각각으로 연관된 3개의 3상 머신부들(16,18 및 20)로 분할된다. 3개의 인버터 전력 회로들(22-26)은 공통 DC 전원(14)에 접속된다. 또한, 드라이브 회로(12)는 인버터 전력 회로들(22-26)을 제어하는데 이용되는 제어기(27)를 포함하며, 이에 대해서는 이하에서 설명할 것이다.
도 2를 다시 참조하면, 인버터 전력 회로(22) 및 그와 연관된 머신부(16)가 도시된다. DC 전원(14)은 고전압 배터리(28)와 커패시터 뱅크(capacitor bank, 30)를 포함한다. 3개의 인버터 전력 회로(22, 24 및 26)가 동일하고, 3상 머신부들(16, 18 및 20)이 동일하기 때문에, 이하에서는 간결성을 위해 단지 하나만이 설명될 것이다.
개략적으로 도시된 3상 인버터 전력 회로(22)는 통상적으로 6개의 전자 제어 스위치들(32)과 6개의 회복 다이오드들(34)을 포함한다. 그러한 3상 인버터 전력 회로(22)는 당 기술 분야에 잘 알려져 있다고 믿는다. 따라서, 그와 연관된 3상 머신부(16)에 공급된 전류를 제어하기 위한 그의 동작은, 본 명세서에서 추가로 설명하지 않겠다. 그러나, 전자 제어 스위치들(32)은, 예를 들어, 개별적인 3상 인버터 전력 회로들(22 내지 26)의 위상을 서로에 대해 정밀하게 조정하기 위해, 제어기(27)에 의해 제어될 수 있음을 알아야 한다. 물론, 다른 유형의 3상 인버터 전력 회로들이 이용될 수도 있다.
3상 머신부(16)는, 개략적으로 도시된, 위상 A를 정의하는 코일들(36), 위상 B를 정의하는 코일들(38) 및 위상 C를 정의하는 코일들(40)을 포함한다.
각 위상 A, B 및 C는 3상 위상 전력 회로(22)에 대해 다양한 코일들의 접속이 이루어질 수 있게 각각의 제 1 접속(42, 44 및 46)을 포함한다.
또한, 각 위상 A, B 및 C는, 다양한 위상들이 델타, 스타 또는 중립(neutral) 구성으로 상호 접속될 수 있게 각각의 제 2 접속(48, 50 및 52)을 포함한다.
또한, 머신부(16)는, 3개의 제 1 접촉기들(54, 56 및 58)과 3개의 제 2 접촉기들(60, 62 및 64)을 포함한다. 제 1 접촉기들(54, 56 및 58)은 파선으로 도시된 바와 같이 동일 접속 상태로 되도록 물리적으로 또는 가상적으로 상호 접속되며, 제 2 접촉기들(60, 62 및 64)은 파선으로 도시된 바와 같이 동일한 접속 상태로 되도록 물리적으로 또는 가상적으로 상호 접속된다. 이들 접촉기들은 제어기(27)에 의해 제어된다.
본 기술 분야의 숙련자라면 알겠지만, 제 2 접촉기들(60, 62 및 64)이 그들의 폐쇄 위치에 있고, 제 1 접촉기들이 그들의 개방 위치에 있으면, 머신부(16)는 도 4에 도시된 바와 같이, 스타 구성으로 된다.
유사하게, 제 1 접촉기들(54, 56 및 58)이 그들의 폐쇄 위치에 있고, 제 2 접촉기들이 그들의 개방 위치에 있으면, 머신부(16)는 도 5에 도시된 바와 같이 델타 구성으로 된다.
최종적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 제 1 접촉기들과 제 2 접촉기들의 모두가 그들의 개방 위치에 있으면, 머신부(16)는 중립 구성으로 된다.
제어기(27)는 제 1 및 제 2 접촉기들이 동시에 그들의 폐쇄 위치에 있게 되는 것을 방지하기 위해 안전장치(safeguard)를 구비할 수 있다.
본 기술 분야의 숙련자에게는 명백한 바와 같이, 그러한 구성 가능 머신부(16)를 제공함에 의해, 전기 머신의 낮은 회전 속도로 컨버터(converter)에 의해 스테이터로 공급되는 전류를 감소시킬 수 있는데, 이것은, 스타 구성이 동일 토크를 전개하는데 있어서 델타 구성에서보다 적은 전류를 요구하기 때문이다. 그러므로, 컨버터에 있어서 보다 작고 저렴한 비용의 전자 제어 반도체들을 이용할 수 있게 된다. 따라서, 머신부(16)는, 전기 머신이 상대적으로 낮은 속도로 회전하고 통상적으로 보다 높은 토크를 요구할 때, 그들의 폐쇄 위치에 제 2 접촉기들을 배치함에 의해 스타 구성으로 배치된다.
머신부(16)의 구성을 스타 구성에서 델타 구성으로 절환함으로써, 전기 머신의 동일한 최대 회전 속도에 도달하기 위해 인버터 전력 회로(22)에 의해 머신부(16)에 공급될 필요가 있는 전압이 감소되며, 그에 따라, 머신이 동일 배터리 및 전력 반도체를 가진 스타 구성보다 높은 회전 속도에 도달할 수 있게 된다.
본 기술 분야의 숙련자라면, 접촉기들의 개방 및 폐쇄가 이루어질 경우, 흥미롭게도, 접촉기들을 통과하는 유의한 전류(significant current)는 없다는 점을 알 수 있을 것이다. 실제로, 그들이 유의한 전류를 지원하는 동안 개방일 필요가 없다면 보다 작고 덜 비싼 접촉기들을 이용할 수 있게 된다. 따라서, 제어기(27)는, 접촉기들의 구성 변경이 요구되거나 요망될 때, 인버터 전력 회로(22)가 머신부(16)로의 전류를 공급하는 것을 순간적으로 중지시키도록 구성된다.
다른 한편, 제어기(27)는, 접촉기들의 구성 변경이 요구되거나 요망될 때, 컨버터가 스테이터로 전류를 공급하는것을 완전히 중지시키는 대신에, 스테이터의 코일들을 통과하는 전류를, 이용되는 접촉기들에 적합한 값으로 낮추도록 고안될 수 있다.
단일의 3극 접촉기(single triple-pole contactor)가 제 1 접촉기를 내장할 수 있음을 알아야 한다. 유사하게, 단일의 3극 접촉기가 제 2 접촉기도 내장할 수 있다.
본 기술 분야의 숙련자라면, 예를 들어, 접촉기(60)와 같은, 제 2 접촉기들 중 하나가 영구 접속으로 대체되어 기능성을 희생하지 않고도 접촉기들의 전체 개수를 감소시킬 수 있음을 알 것이다.
최종적으로, 본 명세서에서는 머신부들이 스타 구성과 델타 구성간에 절환될 수 있게 하는 스위치들로서 접촉기들이 도시되었지만, 예를 들어, 릴레이(relay)들, IGBT들 또는 FET와 같은 다른 전기 또는 전자 제어 스위치들이 이용될 수 있다.
첨부 도면의 도 1을 참조하면, 본 기술 분야의 숙련자라면, 전기 머신(10) 및 그와 연관된 드라이브 회로(12)가, 위상들이 한 그룹당 3개씩 3 그룹으로 이루어지고 각 그룹이 가동 동안에 스타 또는 델타 구성으로 개별적으로 배치될 수 있는 9-위상 전기 머신을 정의함을 쉽게 알 것이다.
첨부 도면의 도 3을 참조하여, 머신(10)의 개략적인 기계적 구성이 간략하게 설명될 것이다. 머신(10)은 내부 스테이터(70)와 외부 로터(72)를 포함한다. 내부 스테이터(70)는, 각각이 스테이터(70) 둘레의 대략 120도를 커버하는 3개의 3상 머신부들(16-20)을 구비한다. 이 경우, 외부 로터(72)는, 영구 자석(도시되지 않음)을 구비한다.
대안적으로, 도 3a에 도시된 바와 같이, 3개의 3상 머신부들(16-20)의 각각은 2개로 분할되어 서로간에 180도로 설치될 수 있다. 이 구성은 흥미로운데, 그 이유는, 그것이 가동 동안에 로터와 스테이터의 동축 관계를 유지하는데 도움을 주기 때문이다.
도 3 또는 도 3a에 도시된 바와 같이, 3개의 3상 위상 머신부들(16-20)을 분리하는 대신에, 9개의 위상들의 각각이 스테이터(42)의 전체 둘레에 걸쳐 있도록 할 수 있음을 알아야 한다. 그러나, 이것은 위상들간에 커플링(coupling)을 생성한다. 이러한 커플링은 통상적으로, 그 위상들에 있어서 보다 높은 전류가 요구됨을 의미한다.
첨부 도면의 도 6을 참조하면, 머신이 스타 또는 델타 구성일 경우, 전기 머신의 3상 부분(three-phase portion)의 최대 토크 대 그 머신의 회전 속도가 도시된다. 이러한 특정 전기 시스템은 300 내지 750 Vdc 입력 공급, 약 552mm의 지름, 약 511mm의 길이, 348kg의 중량, 12쌍의 폴(pole)들, 3300RPM의 최대 속도 및 3400Nm의 최대 토크를 가진다.
이 도면으로부터 알 수 있겠지만, 저속에서, 스타 구성에 의해 전개된 최대 토크는 델타 구성에 의해 전개된 최대 토크보다 더 크다. 그러나, 약 1100RPM의 속도에 도달하여 그를 초과하면, 델타 구성의 최대 토크는 스타 구성의 최대 토크보다 더 크게 된다. 그러므로, 1100RPM 속도에 도달하기 전에 스타 구성에서 델타 구성으로 절환하는 것이 좋다.
전기 머신에 대한 애플리케이션의 유형에 의거하여, 3개의 머신부들(16-20)를 포함하는 그러한 9-위상 전기 머신을 제어하기 위하여 많은 전략들이 이용될 수 있다.
이하의 설명은 차량에 있어서의 견인 모터(traction motor)로서 그러한 머신의 이용을 가정한다.
한가지 가능한 제어 전략은, 시작시에 스타 구성의 3개의 머신부들(16-20)을 가진 것을 수반한다. 그 이유는 일반적으로 시작시에 보다 많은 토크가 요구되기 때문이다. 사전 결정된 속도에 도달하면, 제어기는 한 번에 머신부의 스타 구성에서 델타 구성으로 그 구성을 절환하기 위한 방법을 구현한다.
도 7을 참조하여, 3개의 머신부들(16-20)을 스타 구성에서 델타 구성으로 변경하는 종래의 방법을 설명하겠다.
도 6에 도시된 바와 같이, 각 머신부(16-20)는 델타 구성일 때 약 660Nm의 공칭 토크와 스타 구성일 때 약 1100Nm의 공칭 토크를 전개할 수 있다. 도 7에 있어서, 라인(102)은 3개의 머신부들(16-20)로부터의 결과하는 토크를 나타내고, 라인(104)은 머신부(16)로부터의 토크를 나타내고, 라인(106)은 머신부(18)로부터의 토크를 나타내고, 라인(108)은 머신부(20)로부터의 토크를 나타낸다. 이 도면으로부터 명백한 것은, 시스템 사용자가 요구하는 토크가 어느 구성을 이용해서도 획득될 수 있는 1200Nm(102A 참조)이다는 것이다. 상술한 바와 같이, 머신부들(16-20)은 시작시에 스타 구성이다. 효율 및 성능을 최대화하기 위하여, 요구된 토크는 통상적으로 3개의 머신부들(16-20)간에 균등하게 분할된다.
차량 속도가 임계치에 도달하였고 또한 증가되고 있는 중이라고 가정하자. 그에 따라, 그것은 스타 구성에서 델타 구성으로 절환될 시기가 되는데, 이는 델타 구성이 고속에서 각 머신부에 대해 요구된 400Nm를 유지할 수 있고, 그 델타 구성으로 인해 머신부들이 그들의 최대 속도에 도달할 수 있게 되기 때문이다.
이러한 종래의 방법에 있어서, 머신부(16)는 먼저 스타에서 델타로 변경된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 접촉기들이 상태를 절환시키는데 요구되는 짧은 시간 동안 머신부(16)의 토크(104)는 0으로 감소된다. 그 결과, 전체 토크(102)는 800Nm(102B 참조)로 감소되는데, 이것은, 머신부(16)가 불활성 상태이기 때문이다. 머신부(16)의 구성 절환이 실행되면, 그것은 토크의 전개를 재개할 수 있으며, 그 결과하는 토크는 요구된 1200Nm(102C 참조)로 복귀된다. 다음 단계는 머신부(18)를 스타에서 델타로 변경하는 것이다. 접촉기들이 상태를 절환시키는데 요구되는 짧은 시간동안 머신부(18)의 토크(106)는 0으로 감소된다. 이 시간동안, 결과하는 토크(102)는 800Nm(102D 참조)로 감소되는데, 이는 머신부(18)가 불활성 상태이기 때문이다. 머신부(18)의 구성 절환이 실행되면, 그것은 토크의 전개를 재개할 수 있으며, 결과하는 토크는 요구된 1200Nm(102E 참조)로 복귀된다. 마지막으로, 머신부(20)의 구성이 스타에서 델타로 변경된다. 접촉기들이 상태를 절환시키는데 요구되는 짧은 시간동안, 머신부(20)의 토크(108)는 0으로 감소된다. 이 시간 동안, 결과하는 토크(102)는 800Nm(102F 참조)로 감소되는데, 이는 머신부(20)가 불활성 상태이기 때문이다. 머신부(20)의 구성 절환이 실행되면, 그것은 토크의 전개를 재개할 수 있으며, 결과하는 토크는 요구된 1200Nm(102G 참조)로 복귀된다.
본 기술 분야의 숙련자라면, 이러한 토크 변경으로 인해 차량에 흥미로운 운전 감각이 아닌 약간의 졸트가 유발되며, 예를 들어, 기어 박스(gearbox)와 같은 차량의 기계적 부품들이 조기에 고장날 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
첨부 도면의 도 8은 구성 변경에 의해 생성되는 졸트를 감소시키고 그에 의해 운전 감각(driving sensation)을 개선하는 제 1 제어 방법을 도시한다.
통상적으로, 도 8의 제어 방법은, 3개의 머신부들이 스타에서 델타로 변경되기 전에, 요구된 토크로의 복귀를 피하기 위해 구성 변경을 인터리빙(interleaving)하는 것을 수반한다. 이러한 제어 방법은, 3개의 머신부들의 구성 변경을 완료하는데 필요한 전체 시간을 감소시킨다.
요구된 토크는 여전히 1200Nm(110A 참조)이고 머신부(16)가 먼저 절환된다. 토크(104)가 0으로 감소됨에 따라, 결과하는 토크는 800Nm(110B 참조)로 감소된다. 머신부(16)가 스타에서 델타로 절환되면, 그것은 활성 상태로 복귀하며 그에 의해 전개된 토크는 400Nm로 다시 증가한다. 동시에, 머신부(18)의 토크(106)는 구성 절환동안 0으로 감소된다. 그러므로, 두 구성 절환들이 인터리빙된다. 따라서, 결과하는 토크는 800Nm로 유지되고, 차량에 대한 추가적인 졸트가 생성되지 않는다. 유사하게, 제 2 머신(18)의 구성 절환이 실행되면, 그 머신은 활성 상태로 복귀되며, 그에 의해 전개된 토크는 400Nm로 다시 증가한다. 동시에, 머신부(20)의 토크(108)는 구성 절환동안 0으로 감소된다. 다시, 구성 변경들이 인터리빙되기 때문에, 그 결과로 인해 생성되는 졸트는 없다. 마지막으로, 머신부(20)의 구성 절환이 실행되면, 1200Nm의 요구된 토크에 도달하게 되고(110D 참조) 졸트는 감소되었다.
본 기술 분야의 숙련자라면, 도 8의 제어 방법의 운전 감각이, 기어의 변경동안의 통상적인 자동 변속의 운전 감각과 유사함을 알 것이다.
임계 속도에 도달하였기 때문에 상술한 구성 변경은 스타 구성에서 델타 구성으로의 변경으로서 설명되었지만, 이들 구성 변경은, 예를 들어, 머신부들이 델타 구성인 동안 높은 토크가 요구될 경우, 델타에서 스타로의 변경에 대해서도 동일한 방식으로 실행될 수 있음을 알 것이다.
유사하게, 임계 속도가 구성을 변경하기 위한 트리거(trigger)로서 설명되었지만, 다른 트리거들도 이용될 수 있다. 예를 들어, 약화 계자(field weaking)가 사전 결정된 임계치에 도달할 때 또는 배터리 전압이 사전 결정된 레벨에 도달할 때, 예를 들어, 토크 임계치, 사용자 명령 및/또는 시스템 안전 한계 특성들(safety limit features)이 트리거로서 이용될 수 있다. 시스템 수명 및 운전 감각은, 적당한 트리거 선택을 이끄는 예시적인 요소들이다.
첨부 도면의 도 9 및 10에는 졸트가 최소화되고 일부 경우에 회피되는 운전 감각을 개선하기 위한 제 2 제어 방법이 도시된다.
통상적으로, 제 2 방법에서는, 머신부들 중 하나의 구성이 변경되고, 이 머신부에 의해 전개된 토크가 0으로 감소되는 반면, 남은 머신들에 의해 전개된 토크는 증가되어 토크 변동에 의해 생성되는 졸트를 최소화시킨다. 다시 말해, 머신부들 중 하나의 구성이 변경될 경우, 다른 머신부는 보상 토크를 전개한다.
도 9에 있어서, 요구된 토크는 1200Nm이다. 머신부(16)의 토크(104)가 구성 절환동안 0으로 감소되면, 다른 두개의 머신부(18,20)의 토크(106, 108)는 각각 600Nm으로 증가되어, 1200Nm의 무변경 결과 토크(unchanging resulting torque)를 산출한다. 그러므로, 머신부(18,20)는 각각 보조적인 200Nm의 보상 토크를 전개한다. 머신부(16)의 구성 변경이 실행되면, 머신부(18)는 구성 변경을 준비한다. 다시, 요구된 토크인 1200Nm을 유지시키기 위해 2개의 활성 머신부(16,20)의 토크는 600Nm로 증가된다. 마지막으로, 머신부(20)의 구성 변경이 실행되는 반면, 머신부(16,18)에 의해 공급되는 토크는 각각 600Nm로 증가하여, 임의의 졸트를 방지한다.
본 기술 분야의 숙련자라면, 상술한 제어 방법이 졸트를 방지하는 반면, 요구된 토크는 델타 구성의 최대 토크의 2/3보다 더 작아지게 됨을 알 것이다. 실제로, 활성 머신부가 순간적인 불활성 머신부를 완전히 보상할 수 있는 경우, 2개의 머신부들이 달성할 수 있는 최대 토크보다 요구된 토크가 더 높아야 하는 것은 아니다.
첨부 도면의 도 10을 참조하여, 졸트가 회피될 수 없는 상황에서의 상술한 제 2 제어 방법을 설명하겠다.
도 10에 있어서, 1500Nm의 토크가 요구된다. 따라서, 초기에 스타 구성인 각 머신부(16-20)는, 500Nm를 공급한다. 제 1 머신의 토크(104)가 구성 변경동안 0으로 감소되면, 머신부(18, 20)의 토크(106,108)는 각각 750Nm로 증가되는데, 이것은 그들의 최대 토크가 약 1100Nm이기 때문에 문제가 되지 않는다.
일단 머신부(16)가 델타 구성이면, 그것은 660Nm의 최대 토크를 공급하도록 구성되는 반면, 머신부(18)에 의해 공급된 토크는 0으로 감소된다. 머신부(18)의 토크 손실을 추가로 보상하기 위해, 스타 구성의 머신부(20)는 그의 공급되는 토크를 840Nm로 증가시켜, 결과적으로 1500Nm의 토크를 유지시킨다.
마지막으로, 머신부(18)가 델타 구성이면, 그것은 660Nm의 최대 토크를 공급하도록 구성되는 반면, 머신부(20)에 의해 공급되는 토크는 0으로 감소된다. 2개의 전력 공급받은 머신부(18,20)가 그들의 최대 토크인 660Nm를 공급하고 있는 중이기 때문에, 결과하는 토크는, 추후에 1500Nm로 복귀하기 전에 머신부(20)의 구성 변경 기간중에 1320Nm로 감소된다.
따라서, 상술한 보상 방법은 구성 변경 동안에 생성된 졸트의 양을 최소화시킨다.
3상 머신부들이 스타 또는 델타 구성으로 독자적으로 배치될 수 있는 그러한 9-위상 전기 머신에 대한 또 다른 가능한 제어 전략은 시작시에 델타 구성의 3개의 머신부들(16-20)을 가지는 것을 수반한다. 그 이유는 소프트 시작이 요구될 경우에, 델타 구성에서 이용할 수 있는 최대 토크가 시작시에 충분할 것이고, 요구되는 구성 변경이 없을 것이며, 그에 따라 그 머신에 이용된 스위치들의 수명을 최대화할 수 있기 때문이다.
첨부 도면의 도 11에는, 요구된 토크가 델타 구성에서 이용할 수 있는 토크보다 크기 때문에, 머신부의 구성이 델타 구성에서 스타 구성으로 변경되어야만 할 때의 제 2 제어 방법이 도시된다.
도 11에서 요구된 토크는 3400Nm의 최대 토크이다. 머신부(16-20)가 초기에는 델타 구성이기 때문에, 그들이 총괄적으로 전달할 수 있는 최대 토크는 약 1920Nm(114A 참조)이다. 머신부(16)가 먼저 구성 변경된다. 이 머신부가 구성 변경동안에 토크를 공급하지 않기 때문에, 결과하는 토크는 1340Nm(114B 참조)로 줄어든다. 머신부(16)가 스타 구성에 있어서 활성 상태에 도달하면, 그것은 1100Nm의 최대 토크를 공급하면 반면, 머신부(18)는 델타 구성에서 스타 구성으로 변경되어, 결과하는 토크를 1760Nm(114C 참조)로 증가시킨다. 머신부(18)가 스타 구성을 가지면, 그것은 머신부(16)와 함께 전체 2200Nm(114D 참조)를 전달할 수 있는 반면, 머신부(20)의 구성은 변경된다. 마지막으로, 3개의 머신부(16-20)는 그들의 최대 토크로 가동되며 요구된 토크에 도달하게 된다(114E 참조).
본 기술 분야의 숙련자라면, 결과하는 토크에 있어서의 변경이 첨부 도면들에 스텝(step)들로서 도시되었지만, 머신 제어기가 본 명세서에서 설명한 바와 같이 가능한 빠르게 최대 토크에 도달시키는 대신에 머신부들의 토크를 점진적으로 증가시킴에 의해 이들 스텝들을 부드럽게 할 수 있음을 알 것이다.
본 명세서에서 설명되고 첨부 도면에 도시된 실시 예들은 각각이 3개 위상들로 된 3개의 그룹들을 가지고 있지만, 그룹들의 개수 및 각 그룹에 있어서의 위상들의 개수는 애플리케이션에 따라 수정될 수 있음을 알 것이다.
본 기술 분야의 숙련자라면, 상기에서 내부 스테이터/외부 로터 전기 머신이 설명되었지만, 상술한 머신, 드라이브 및 제어는 이러한 머신 구성에 국한되는 것이 아니며, 보다 통상적인 외부 스테이터 구성이 이용될 수 있음을 알 것이다. 또한, 상술한 전기 머신은 영구 자석 머신이지만, 다른 머신 기술들이 이용될 수 있다.
상기 설명에서는 구성의 변경이 요구됨을 제어기가 결정하는 것으로 하고 있지만, 전기 머신의 사용자가 머신부들 중 하나 또는 모두의 구성을 수동으로 변경하도록 선택할 수 있음이 본 기술 분야의 숙련자에게는 명백할 것이다. 예를 들어, 수동 구성 제어를 사용자가 이용할 수 있다.
상기 설명은 스타 유선 구성과 델타 유선 구성간의 구성 변경을 실행하는 시스템에 관한 것이지만, 머신부들의 2개의 구성들이 머신부들의 각 위상에 있어서 직렬 또는 병렬로 코일들을 상호 접속하는 것과 관련이 있는 전기 머신에 상술한 방법이 적용될 수 있음을 본 기술 분야의 숙련자에게는 명백할 것이다.
상기 설명은 2개의 구성들간의 구성 변경을 실행하는 시스템에 관한 것이지만, 상술한 방법들이 2개의 구성들에 국한되는 것이 아니라, 3 이상의 구성을 가진 시스템에도 적용될 수 있음을 알아야 한다. 그러한 많은 구성들은, 예를 들어, 델타/스타 및 직렬/병렬 구성을 조합함에 의해 획득될 수 있다. 전기 머신 중립 모드는 모든 릴레이들을 개방하고, 상술한 구성에 추가될 수 있는 또 다른 구성을 생성함에 의해 획득될 수 있다.
예시적인 실시 예들의 상술한 설명은 차량에 있어서 견인 모터와 같은 머신의 이용에 그 초점이 맞추어져 있지만, 상술한 예시적인 실시 예가 예를 들어 생성기로서 산업 및 항공 애플리케이션에 이용될 수 있기 때문에, 이 애플리케이션은 단지 예시임을 알아야 한다.
다상 전기 머신은, 그의 애플리케이션에 있어서, 첨부 도면에 도시되고 상기에서 설명한 구성 및 부분들의 세부 설명에 국한되는 것은 아님을 알아야 한다. 다상 전기 머신은 다르게 실시될 수 있고 여러가지 방식으로 실행될 수 있다. 본 명세서에서 이용된 어법 및 용어는 설명을 위한 것일 뿐 제한을 위한 것은 아니다. 따라서, 다상 전기 머신이 상기에서 예시적인 실시 예에 의해 설명되었지만, 그것은, 첨부된 청구항들에서 정의된 사상, 범주 및 본질을 벗어나지 않고도 수정될 수 있다.

Claims (14)

  1. 각각 적어도 3개의 위상들로 된 적어도 2개의 그룹들로 그룹화된 코일들을 구비하되, 적어도 2개의 그룹들의 각각은 머신부를 정의하며, 각 머신부(machine portion)의 적어도 3개의 위상들의 상호 접속이 적어도 2개의 구성들간에 변경될 있도록 구성되는, 다상 전기 머신(multiple phase electric machine)에 대한 드라이브 회로(drive circuit)로서,
    각 머신부에 각각으로 연관된 적어도 2개의 인버터 전력 회로(inverter power circuit)와;
    적어도 2개의 머신부들 중 하나의 머신부의 구성이 변경될 때, 적어도 2개의 머신부들 중 다른 머신부가 보상 토크(compensating torque)를 전개(develop)하도록, 적어도 2개의 인버터 전력 회로에 접속되어, 적어도 2개의 인버터 전력 회로를 독자적으로 제어하는 제어기를 구비하는
    드라이브 회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 2개의 구성들은 스타 구성(star configuration)과 델타 구성(delta confifuration)을 포함하는
    드라이브 회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    적어도 2개의 구성들은, 스타 구성, 델타 구성 및 중립 구성으로 된 3개의 구성들을 포함하는
    드라이브 회로.
  4. 제 1 항에 있어서,
    제어기는, 순차적으로 머신부에 대한 전류 공급을 중지하고, 머신부의 구성을 변경하고, 머신부에 대한 전류 공급을 재 수립함에 의해 머신부들중 하나의 구성을 변경하도록 구성되는
    드라이브 회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    적어도 2개의 머신부들은 3개의 머신부들을 포함하는
    드라이브 회로.
  6. 제 5 항에 있어서,
    제어기는, 3개의 머신부들을 제어하여 머신부들 중 하나의 구성을 변경하고, 다른 2개의 머신부들이 보상 토크를 전개하도록 구성되는
    드라이브 회로.
  7. 제 5 항에 있어서,
    제어기는 3개의 머신부들의 구성 변경을 인터리빙(interleaving)하도록 구성되는
    드라이브 회로.
  8. 다상 전기 머신(multiple-phase electric machine)으로서,
    전원;
    각각 적어도 3개의 위상들로 된 적어도 2개의 그룹들로 그룹화된 코일들을 포함하되, 적어도 2개의 그룹들의 각각은 머신부를 정의하고, 각 머신부의 적어도 3개의 위상들의 상호 접속이 적어도 2개의 구성들간에 변경될 수 있도록 구성되는, 스테이터(stator);
    스테이터와 동축인 로터(rotor); 및
    드라이브 회로를 구비하고,
    상기 드라이브 회로는,
    각 머신부에 각각으로 연관된 적어도 2개의 인버터 전력 회로(inverter power circuit)와;
    적어도 2개의 머신부들 중 하나의 머신부의 구성이 변경될 때, 적어도 2개의 머신부들 중 다른 머신부가 보상 토크(compensating torque)를 전개(develop)하도록, 적어도 2개의 인버터 전력 회로에 접속되어, 적어도 2개의 인버터 전력 회로를 독자적으로 제어하는 제어기를 구비하는
    다상 전기 머신.
  9. 제 8 항에 있어서,
    적어도 2개의 구성들은 스타 구성(star configuration)과 델타 구성(delta confifuration)을 포함하는
    다상 전기 머신.
  10. 제 8 항에 있어서,
    적어도 2개의 구성들은, 스타 구성, 델타 구성 및 중립 구성으로 된 3개의 구성들을 포함하는
    다상 전기 머신.
  11. 제 8 항에 있어서,
    제어기는, 순차적으로 머신부에 대한 전류 공급을 중지하고, 머신부의 구성을 변경하고, 머신부에 대한 전류 공급을 재 수립함에 의해 머신부들중 하나의 구성을 변경하도록 구성되는
    다상 전기 머신.
  12. 제 8 항에 있어서,
    적어도 2개의 머신부들은 3개의 머신부들을 포함하는
    다상 전기 회로.
  13. 제 12 항에 있어서,
    제어기는, 3개의 머신부들을 제어하여 머신부들 중 하나의 구성을 변경하고, 다른 2개의 머신부들이 보상 토크를 전개하도록 구성되는
    다상 전기 회로.
  14. 제 12 항에 있어서,
    제어기는 3개의 머신부들의 구성 변경을 인터리빙(interleaving)하도록 구성되는
    다상 전기 회로.
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