KR20130131357A

KR20130131357A - 전기 기계용 인버터

Info

Publication number: KR20130131357A
Application number: KR1020137014269A
Authority: KR
Inventors: 브래들리 디 챔벌린; 알렉스 크레비스톤
Original assignee: 레미 테크놀러지스 엘엘씨
Priority date: 2010-11-04
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-12-03
Also published as: WO2012061222A1; US20120112576A1; CN103190066A; DE112011103686T5

Abstract

전기 기계 시스템은 기계 하우징을 갖는 교류(AC) 전기 기계, 및 스위치 하우징 내에 배치된 복수의 스위치 부재를 포함한다. 상기 복수의 스위치 부재는 상기 AC 전기 기계에 전기적으로 접속된다. 직류(DC) 전원이 상기 복수의 스위치 부재에 전기적으로 접속된다. 상기 DC 전원은 DC 전류를 발생시킨다. 컨트롤러가 상기 스위치 하우징으로부터 떨어져 있는 제어 하우징 내에 배치된다. 상기 컨트롤러는 상기 복수의 스위치 부재에 전기적으로 접속되고, 상기 AC 전기 기계를 동작시키도록 DC 전류를 상기 DC 전원과 교류(AC) 사이에 변환하기 위하여 상기 복수의 스위치 부재 중의 선택 스위치 부재를 선택적으로 활성화하도록 구성되고 배치된다.

Description

전기 기계용 인버터{INVERTER FOR AN ELECTRIC MACHINE}

예시적인 실시예는 전기 기계(electric machines) 분야에 속하며, 보다 상세하게는 전기 기계용 인버터에 속한다.

전기 및 하이브리드 모터가 채용되는 자동차, 농경, 및 기타 중장비 응용제품에 사용되는 것과 같은 종래의 전기 모터 시스템은 고전압 케이블링(cabling)을 통해 인버터에 동작적으로 연결되는 전기 모터를 포함한다. 통상의 인버터는 컨트롤러 부분과 다상(multi-phase) 전력 스위칭 부분을 포함한다. 다상 전력 스위칭 부분은 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT; insulated gate bipolar transistor), 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET; metal oxide semiconductor field effect transistor), 정류기, 커패시터, 인덕터, 고전압 배선 등과 같은 다양한 고전압 컴포넌트를 포함한다. 인버터는 엔진 제어 모듈, 고전압 배터리, 및 전기 모터에 전기적으로 접속된다. 인버터와 배터리, 그리고 인버터와 전기 모터 사이의 접속은 고전압 케이블링을 필요로 한다. 또한, 고전압 컴포넌트의 동작에 의해 발생되는 열은 냉각을 필요로 한다. 그리하여, 종래의 인버터는 통상적으로 냉각 시스템에도 접속된다. 인버터용 냉각 시스템은 열을 흡수하여 보유할 수 있는 기름, 물, 공기 또는 기타 매체와 같은 유체 냉각재를 포함한다.

기계 하우징을 갖는 교류(AC; alternating current) 전기 기계, 및 스위치 하우징 내에 배치된 복수의 스위치 부재를 포함하는 전기 기계 시스템이 개시된다. 복수의 스위치 부재는 AC 전기 기계에 전기적으로 접속된다. 직류(DC; direct current) 전원이 복수의 스위치 부재에 전기적으로 접속된다. DC 전원은 DC 전류를 발생시킨다. 컨트롤러가 스위치 하우징으로부터 떨어져 있는 제어 하우징 내에 배치된다. 컨트롤러는 복수의 스위치 부재에 전기적으로 접속되고, AC 전기 기계를 동작시키도록 DC 전류를 DC 전원과 교류(AC) 사이에 변환하기 위하여 복수의 스위치 부재 중의 선택 스위치 부재를 선택적으로 선택 활성화하도록 구성되고 배치된다.

전기 기계를 동작시키는 방법이 또한 개시된다. 방법은 스위치 하우징에 배치된 복수의 스위치 부재에 직류를 통과시키는 것을 포함한다. 복수의 스위치 부재는 교류(AC) 전기 기계에 전기적으로 접속된다. 복수의 스위치 부재를 떨어져 위치되어 있는 제어 하우징에 배치된 컨트롤러와 전기적으로 접속시키는 제어 라인을 통해 제어 신호가 안내된다(directed). 컨트롤러로부터의 제어 신호에 기초하여 직류를 교류로 변환하도록 복수의 스위치 부재 중의 선택 스위치 부재가 선택적으로 활성화되며, 교류는 AC 전기 기계와 복수의 스위치 부재 사이에 통과된다.

또한, 직류 전원을 이용해 교류(AC) 전기 기계를 동작시키는 인버터 시스템이 개시된다. 인버터 시스템은 스위치 하우징 내에 배치된 복수의 스위치 부재 및 스위치 하우징으로부터 떨어져 있는 제어 하우징 내에 배치된 컨트롤러를 포함한다. 컨트롤러는 복수의 스위치 부재에 전기적으로 접속되고, AC 전기 기계를 동작시키도록 DC 전류를 DC 전원과 교류(AC) 사이에 변환하기 위하여 복수의 스위치 부재 중의 선택 스위치 부재를 선택적으로 활성화하도록 구성되고 배치된다.

다음의 설명은 어떠한 방식으로든 한정하는 것으로 간주되어서는 안 된다. 첨부 도면을 참조하여, 유사한 구성요소는 유사하게 번호 지정된다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 전기 기계 시스템의 도면이다.

개시된 장치 및 방법의 하나 이상의 실시예의 상세한 설명이 예시에 의해 도면을 참조하여 비한정적으로 여기에 제시된다.

도 1을 참조하면, 예시적인 실시예에 따른 전기 기계 시스템이 전반적으로 2로 표시되어 있다. 전기 기계 시스템(2)은 전기 모터(4)의 형태로 도시된 교류(AC) 전기 기계를 포함한다. AC 전기 모터(4)는 축(10)에 동작적으로 연결된 고정자(도시되지 않음) 및 로터(또한 도시되지 않음)가 안에 배치되어 있는 기계 하우징(6)을 포함한다. 축(10)은 기계 하우징(6)으로부터 연장하며, 냉각 시스템(13)에 연결되어 있다. 도시된 예시적인 실시예에서, 냉각 시스템(13)은 기계 하우징(6)을 통해 기류(air current) 형태로 냉각재(19)를 전달하는 팬(15)을 포함한다. 물론, 냉각 시스템(13)의 특정 유형 및 동작은 다양할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 예를 들어, 냉각 시스템이 축(10)과는 독림적일 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 특정 유형의 냉각재가 또한 다양할 수 있고 기체 및 액체 냉각 매체 둘 다를 포함할 수 있다는 것도 이해하여야 한다. 예를 들어, 냉각 시스템(13)은 기계 하우징(6)을 통해 물, 글리콜 등과 같은 액체 냉각재를 전달하도록 구성될 수 있다. 이 시점에서, 예시적인 실시예에 따른 전기 기계는 전기 모터의 형태, 즉 기계적 출력을 생성하도록 전류 입력이 제공되는 전기 기계 또는 발전기의 형태, 즉 전류로 변환되는 기계적 입력이 제공되는 전기 기계를 취할 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

예시적인 실시예에 따르면, AC 전기 모터(4)는 직류(DC) 전원 공급장치(30)에 의해 전력 제공받는다. DC 전원 공급장치(30)는 약 100 볼트 이상의 전압 정격을 갖는 고전압 배터리(32)의 형태를 취하며, 이는 AC 전기 모터(4)에 DC 전류(34)를 전달한다. 보다 구체적으로, 배터리(30)가 제1 또는 네가티브 케이블(36)과 제2 또는 포지티브 케이블(37)을 통해 AC 전기 모터(4)에 전기적으로 접속된다. 제1 및 제2 케이블(36 및 37)은 고전압 및 고전류를 나르도록 정격된 고전압 케이블이다. "고전압"은 전기 AC 모터(4)와 전원 공급장치 사이에 공유되는 임의의 전압을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 하나의 예시적인 양상에 따르면, "고전압"은 약 100 볼트와 약 1000 볼트 사이 범위의 전압이다. 전압은 모터 모드로 동작될 때 네가티브 케이블(36)과 포지티브 케이블(37)을 통해 통과되는 전압 또는 발전 모듈로 동작될 때 네가티브 케이블(36)과 포지티브 케이블(37)을 통해 전기 기계로부터 통과되는 전압을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 일반적으로 전압은, 결과적으로 기계적 상태와 전기적 상태 사이의 에너지 전환이 되는, 전기 기계와 DC 전원 공급장치(30) 사이에 교환되는 에너지를 포함하는 것으로 이해되어야 한다. DC 전류(34)에서 AC 전기 모터(4)를 동작시키기 위하여, 전기 기계 시스템(2)은 스위치 부분(40) 및 컨트롤러 부분(42)을 갖는 인버터 시스템을 포함한다. 예시적인 실시예에 따르면, 스위치 부분(40) 및 컨트롤러 부분(42)은 서로 떨어져 위치되어 있는 2개의 이산 컴포넌트이다.

도시된 예시적인 실시예에서, 스위치 부분(40)은 스위치 하우징(58) 내에 배치된 복수의 스위치 부재(54)를 포함한다. 예시적인 실시예의 하나의 양상에 따르면, 스위치 부재(54)는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT), 금속 산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET), 정류기, 커패시터, 인덕터 등을 구성한다. 스위치 하우징(58)은 AC 전기 모터(4)에 위치된 것으로 도시되어 있다. 도시된 실시예에서, 스위치 하우징(58)은 냉각재(19)에 노출되도록 기계 하우징(6)에 장착된다. 공통 표면을 공유하는 것으로 도시되어 있지만, 스위치 하우징(58)은 어떠한 공통 표면을 공유하지 않고 모터 하우징(6) 내에 배치될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 이 방식으로, 냉각 시스템(13)은 AC 전기 모터(4)에 대한 냉각재를 제공할 뿐만 아니라, 복수의 스위치 부재(54)를 냉각시킨다. 즉, 동작 중에, 특히 고전압 및 신속한 스위치 변화로써, 복수의 스위치(54)는 열 부하를 발생시키며, 이는 서비스 수명을 연장하기 위해 소멸되어야 한다. 그리하여, 스위치 부분(40)은 높은 냉각 수요(cooling demand)를 포함하며, 이는 냉각 시스템(13)에 의해 충족될 수 있다. 동일 냉각재를 사용하여 AC 전기 모터(4)와 복수의 스위치(54)를 냉각시킴으로써, 모든 고전압 냉각이 국부화됨을 보장한다. 보다 구체적으로, "고전압" 시스템이 통상적으로 "저전압" 시스템보다 더 많은 열을 발생시킴을 고려하여 볼 때, 국부화된 고전압 냉각은 "저전압" 컴포넌트를 불필요한 열 노출로부터 격리한다. "저전압"은 스위치 부재(54)의 상태, 예를 들어 개방/폐쇄 상태의 변화를 달성하도록 채용된 스위치 부분(40)과 컨트롤러 부분(42) 사이에 공유되는 전압을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 예시적인 실시예의 하나의 양상에 따르면, "저전압"은 약 0 볼트보다는 크며 약 0 볼트와 약 99 볼트 사이 범위의 전압을 구성한다. 또한, 냉각 시스템(13)은 또한 복수의 스위치 부재(54)의 온도를 감소시키도록 스위치 하우징(58)에 가까이 그리고 기계 하우징(6)을 통해 물 또는 글리콜과 같은 액체 냉각재를 전달하도록 구성될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

도면에 더 도시된 바와 같이, 스위치 하우징(58)은 제1 및 제2 케이블(36 및 37)을 통해 스위치 부재(54)와 배터리(32)를 전기적으로 연결하는 제1 및 제2 입력 단자(60 및 61)를 포함한다. 스위치 하우징(58)은 또한 AC 전기 모터(4)에 다상 AC 전류를 전달하는 복수의 출력 단자(63-65)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 즉, AC 전기 모터(4)는 복수의 전력 단자(69-71)를 갖는 다상 전기 모터이다. 전력 단자(69-71)는 복수의 케이블(73-75)을 통해 출력 단자(63-65)에 전기적으로 접속되어 있다. 상기 기재된 바와 유사한 방식으로, 케이블(73-75)은 약 100 볼트 이상 정도로 고전압 및 고전류를 나르도록 정격된 고전압 케이블이다. 이 배치를 이용하여, 복수의 스위치 부재(58) 중의 선택 스위치 부재는 DC 전류(34)를 AC 전기 모터(4)로 통과되는 다상 AC 전류로 변환하도록 선택적으로 활성화된다(개방 및 폐쇄).

더 예시적인 실시예에 따르면, 복수의 스위치 부재(58)는 컨트롤러 부분(42)에 의해 선택적으로 활성화된다. 컨트롤러 부분(42)은 스위칭 하우징(58)과 분리되어 있는 제어 하우징(82) 내에 배치된 중앙 프로세서 유닛(CPU; central processor unit), PLC(programmable logic controller) 등과 같은 컨트롤러(80)를 포함한다. 제어 하우징(82)은 제어 케이블(89)을 통해 스위치 하우징(58) 상의 제어 단자 부재(87)에 전기적으로 접속되어 있는 제어 단자(84)를 포함한다. 컨트롤러(80)는 스위치 부분(40)에 고전압 또는 고전류 제어 신호를 전달할 필요가 없으므로, 제어 케이블(89)은 저전압 케이블이다. 전압을 낮춤으로써, 컨트롤러(80)는 약 0 볼트보다는 크며 약 0 보트와 약 99 볼트 사이의 전압에서 동작한다는 것을 이해하여야 한다. 저전압에서 동작함으로써, 컨트롤러 부분(42)은 감소되거나 낮춰진 냉각 요구를 갖는다. 전기 기계 시스템(2)은 또한 모터 제어 케이블(97)을 통해 컨트롤러(80)에 전기적으로 연결된 모터 제어 모듈(94)을 포함하는 것으로 도시되어 있다. 모터 제어 모듈(94)은 원하는 동작 요건에 따라 토크, 속도, 전력 등과 같은 원하는 조건으로 AC 전기 모터(4)를 동작시키도록 컨트롤러(80)에 시그널링한다. 속도 제어에 더하여, 모터 제어 모듈(94)은 또한 컨트롤러(80)에 다양한 시스템 상태와 같은 기타 신호를 제공한다.

이 시점에서, 예시적인 실시예는 별도의 인버터 컴포넌트를 갖는 전기 기계 시스템을 제공한다는 것을 이해하여야 한다. 인버터 시스템의 스위치 또는 고전압 부분은 전기 모터에 위치되어 있고, 인버터 시스템의 컨트롤러 부분은 전기 모터로부터 떨어져 위치되어 있다. 컨트롤러 부분이 스위치 부분보다 상당히 더 낮은 냉각 요건을 갖는다는 것을 고려하여 볼 때, 제어 하우징은 스위치 하우징으로부터 떨어져 위치될 수 있다. 보다 구체적으로, 예를 들어 차량 애플리케이션에서, 스위치 하우징은 활발하게 냉각될 수 있도록 기계 하우징에 장착될 수 있고, 제어 하우징은 계기판 아래와 같은 탑승 공간에 또는 방화벽에 장착될 수 있으며 열 싱크, 벤트 등과 같은 자연형 냉각(passive cooling)이 제공된다. 다상 전기 모터와 연결된 것으로 도시되어 있지만, 예시적인 실시예는 또한 단상 AC 전기 모터와 함께 채용될 수 있다는 것을 이해하여야 한다.

예시적인 실시예 또는 실시예들을 참조하여 본 발명이 기재되었지만, 당해 기술 분야에서의 숙련자라면 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고서 다양한 변경이 행해질 수 있고 등가물이 본 발명의 구성요소를 대신할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 실질적인 범위에서 벗어나지 않고서 특정 상황 또는 재료를 본 발명의 교시에 맞추도록 많은 수정이 행해질 수 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위해 생각해볼 수 있는 최상의 모드로서 개시된 특정 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 청구항의 범위 내에 속하는 모든 실시예를 포함할 것으로 의도된다.

2: 전기 기계 시스템
4: AC 전기 모터
6: 기계 하우징
10: 축
13: 냉각 시스템
15: 팬
19: 냉각재
30: DC 전원 공급장치
40: 스위치 부분
42: 컨트롤러 부분
54: 스위치 부재
58: 스위치 하우징
80: 컨트롤러
82: 스위치 부재

Claims

전기 기계 시스템에 있어서,
기계 하우징을 포함하는 교류(AC; alternating current) 전기 기계;
스위치 하우징 내에 배치된 복수의 스위치 부재 - 상기 복수의 스위치 부재는 상기 AC 전기 기계에 전기적으로 접속됨 - ;
상기 복수의 스위치 부재에 전기적으로 접속된 직류(DC; direct current) 전원 - 상기 DC 전원은 DC 전류를 발생시킴 - ; 및
상기 스위치 하우징으로부터 떨어져 있는 제어 하우징 내에 배치된 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러는 상기 복수의 스위치 부재에 전기적으로 접속되고, 상기 컨트롤러는 상기 AC 전기 기계를 동작시키도록 DC 전류를 상기 DC 전원과 교류(AC) 사이에 변환하기 위하여 상기 복수의 스위치 부재 중의 선택 스위치 부재를 선택적으로 활성화하도록 구성되고 배치된 컨트롤러를 포함하는 전기 기계 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 AC 전기 기계는 다상(multi-phase) 전기 모터이며, 상기 컨트롤러는 상기 다상 전기 모터를 동작시키도록 DC 전류를 상기 DC 전원과 다상 AC 전류 사이에 변환시키도록 상기 복수의 스위치 부재를 전기적으로 활성화하도록 구성되고 배치되는 것인 전기 기계 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 스위치 하우징은 상기 기계 하우징에 인접하게 배치되는 것인 전기 기계 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 스위치 하우징은 상기 기계 하우징 상에 배치되는 것인 전기 기계 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 스위치 하우징 및 상기 기계 하우징에 냉각재를 전달하도록 구성되고 배치된 냉각 시스템을 더 포함하는 전기 기계 시스템.
청구항 5에 있어서, 상기 냉각 시스템은 상기 AC 전기 기계에 장착된 팬인 것인 전기 기계 시스템.
청구항 6에 있어서, 상기 냉각재는 상기 팬에 의해 발달된 기류인 것인 전기 기계 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 DC 전원은 배터리인 것인 전기 기계 시스템.
청구항 8에 있어서, 상기 배터리는 적어도 100 볼트 배터리인 것인 전기 기계 시스템.
청구항 1에 있어서, 상기 컨트롤러에 전기적으로 연결된 모터 제어 모듈을 더 포함하고, 상기 모터 제어 모듈은 상기 복수의 스위치 부재를 선택적으로 활성화하도록 상기 컨트롤러에 시그널링하도록 구성되고 배치된 것인 전기 기계 시스템.
전기 기계를 동작시키는 방법에 있어서,
스위치 하우징에 배치된 복수의 스위치 부재 - 상기 복수의 스위치 부재는 교류(AC) 전기 기계에 전기적으로 접속됨 - 에 직류를 통과시키는 단계;
상기 복수의 스위치 부재를, 떨어져 위치된 제어 하우징에 배치된 컨트롤러와 전기적으로 접속시키는 제어 라인을 통해 제어 신호를 안내하는(direct) 단계;
상기 컨트롤러로부터의 제어 신호에 기초하여 상기 직류를 교류로 변환하도록 상기 복수의 스위치 부재 중의 선택 스위치 부재를 선택적으로 활성화하는 단계; 및
상기 복수의 스위치 부재와 상기 AC 전기 기계 사이에 상기 교류를 통과시키는 단계를 포함하는 전기 기계의 동작 방법.
청구항 11에 있어서, 상기 교류 전기 기계와 상기 스위치 하우징을 통해 냉각재를 전달하는 단계를 더 포함하는 전기 기계의 동작 방법.
청구항 12에 있어서, 상기 AC 전기 기계를 통해 냉각재를 전달하는 단계는 상기 AC 전기 기계와 상기 스위치 하우징을 통해 기류를 통과시키는 단계를 포함하는 것인 전기 기계의 동작 방법.
청구항 11에 있어서, 상기 직류를 교류로 변환하도록 상기 복수의 스위치 부재 중의 선택 스위치 부재를 선택적으로 활성화하는 단계는 상기 직류를 다상 교류로 변환하도록 상기 복수의 스위치 부재 중의 선택 스위치 부재를 활성화하는 단계를 포함하는 것인 전기 기계의 동작 방법.
직류 전원을 이용해 교류(AC) 전기 기계를 동작시키는 인버터 시스템에 있어서,
스위치 하우징 내에 배치된 복수의 스위치 부재; 및
상기 스위치 하우징으로부터 떨어져 있는 제어 하우징 내에 배치된 컨트롤러를 포함하고,
상기 컨트롤러는 상기 복수의 스위치 부재에 전기적으로 접속되고, 상기 컨트롤러는 상기 AC 전기 기계를 동작시키도록 DC 전류를 DC 전원과 교류(AC) 사이에 변환하기 위하여 상기 복수의 스위치 부재 중의 선택 스위치 부재를 선택적으로 활성화하도록 구성되고 배치된 컨트롤러를 포함하는 인버터 시스템.
청구항 15에 있어서, 상기 컨트롤러는 DC 전류를 상기 DC 전원과 다상 AC 전류 사이에 변환하도록 상기 복수의 스위치 부재를 전기적으로 활성화하도록 구성되고 배치되는 것인 인버터 시스템.
청구항 15에 있어서, 상기 스위치 하우징에 냉각재를 전달하도록 구성되고 배치된 냉각 시스템을 더 포함하는 인버터 시스템.
청구항 17에 있어서, 상기 냉각 시스템은 상기 AC 전기 기계에 장착된 팬인 것인 인버터 시스템.
청구항 18에 있어서, 상기 냉각재는 상기 팬에 의해 발달된 기류인 것인 인버터 시스템.
청구항 15에 있어서, 상기 DC 전원은 배터리인 것인 인버터 시스템.