KR100947011B1 - 영구자석 모터 및 모터 제어 방법 - Google Patents

Abstract

영구자석 모터 및 모터 제어 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 영구자석 모터는, 외부로부터 가해지는 이동력에 의해 평행 이동되는 스테이터; 및 상기 스테이터와 공극 면적을 가지고, 상기 스테이터의 외측을 감싸도록 배치되는 로터를 포함한다. 여기서, 상기 스테이터의 평행 이동에 의해 상기 공극 면적이 변동될 수 있다. 본 발명에 의하여, 휠 인 모터 방식의 전기 자동차에 약계자 제어 효과를 부여하여 고속 및 고출력용 설계가 가능하도록 하는 효과가 있다.

전동기, 역기전력, 약계자 제어

Description

영구자석 모터 및 모터 제어 방법{Permanent magnet type motor and motor control method}

본 발명은 모터(motor, 전동기)에 관한 것으로, 특히 고출력, 고속 성능을 발휘할 수 있는 영구자석 모터 및 모터 제어 방법에 관한 것이다.

휠 인 드라이브(Wheel-in-Drive) 시스템은 기존의 엔진에서 구동력을 얻는 시스템, 모터와 엔진으로부터 구동력을 얻는 하이브리드 전기 차량(HEV), 구동 축에 연결된 모터로부터 구동력을 얻는 전기 차량(EV)과는 차별화된 차량의 구동 방법을 채택하고 있다.

즉, 순수 모터로부터 구동력을 얻는다는 점에서는 기존 전기 차량과 다를 바가 없지만, 휠 내부에 모터를 부착시켜 모터가 회전하면서 내는 토크로부터 휠을 회전시켜 차를 구동시킨다는 점에서 차이점이 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 휠 인 모터(wheel-in motor)의 적용 형상을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 모터의 회전자가 휠의 최외각에 위치한 타이어와 결합하여 로터(Rotor)가 회전하면서 휠이 회전하는 아웃터 로터 타입의 모터가 사용되고 있다.

상술한 바와 같이, 휠 인 모터를 채용한 일반적인 전기 자동차의 경우, 모터는 박형 타입의 다극 모터로 구성되고, 외전형 타입의 표면 자석형 영구자석 전동기가 사용된다. 고속 성능을 내기 위하여 전압 제한에 걸리는 모터 속도(기저 속도)는 최대속도 부근으로 설정하여 설계한다.

그러나, 로터 회전시 발생하는 유도 기전력(역기전력)은 로터의 회전을 방해하는 방향으로 생기며, 이러한 역기전력은 로터 회전의 시간 변화량에 비례하기 때문에 로터가 저속으로 회전하는 경우에는 그 발생량이 적어서 모터 제어에 큰 영향을 미치지 아니하지만, 로터가 고속으로 회전하는 경우에는 발생하는 역기전력도 모터의 속도에 비례하여 커진다.

이렇게 발생한 역기전력은 전자 제어 장치에서 수행되는 모터 제어에 문제점을 발생시킬 수 있다. 즉, 일정한 전압/전류를 인가하는 경우 저속에서는 그 전압/전류에 해당되는 모터 속도 또는 출력(토크)을 얻을 수 있으나, 고속이 되면 역기전력이 크게 발생하므로 입력 전압/전류로부터 예측되는 모터 속도 또는 출력을 얻을 수 없게 되며, 이에 따라 원하는 모터의 속도 또는 출력을 얻기 위하여 입력 전압/전류를 변화하여야 한다. 이 때, 역기 전력을 발생시키게 되는 자속과 반대되는 방향으로 역자속이 발생하도록 전류/전압을 인가하며, 이를 약계자 제어(Field Weakening Control) 이라 한다.

그러나, 고속 성능을 내기 위하여 제어기에서 전류 벡터를 제어하는 일반적 약계자 제어는 표면자석형에 적용하기에 적합하지 않은 문제점이 있다.

또한, 휠 인 모터 전기자동차에 매입형 영구자석 전동기가 적용되기도 한다. 이 경우 d, q축 인덕턴스 차에 의한 돌극성(Electrical Saliency)으로 약계자 제어는 가능할 수 있으나, 다극 구조로 인한 돌극성이 저하되어 그 효과가 미비한 문제점도 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 외전형 표면 자석형 전동기를 사용하는 휠 인 모터 방식의 전기 자동차에 약계자 제어 효과를 부여하여 고속 및 고출력용 설계가 가능하도록 하는 영구자석 전동기 및 전동기 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 기구적으로 공극 표면적(surface area of air gap)을 감소시키는 방법을 채택함으로써 제어기 내에 복잡한 약계자 제어 알고리즘이 구비되지 않더라도 용이한 약계자 제어가 가능한 영구자석 전동기 및 전동기 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 축 방향으로 서로 다른 자속 밀도 성능을 가지는 영구 자석을 배치함으로써 공극 표면적 감소시 약계자 성능을 극대화할 수 있는 영구자석 전동기 및 전동기 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 전동기의 고속화 및 고출력화가 가능해짐으로써 전기자동차의 성능을 향상시킬 수 있는 영구자석 전동기 및 전동기 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 가변속 제어를 위한 인버터의 제어 알고리즘이 간단화되어 신뢰성을 향상시킬 수 있는 영구자석 전동기 및 전동기 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 하이브리드 전기자동차에 이용되는 매입형 영구자석형 동기전동기의 경우에 제어기에 의한 약계자 제어기술과 기구적 방식의 약계자 제어기술을 혼용할 수 있도록 하여 고속, 고출력 성능을 발휘할 수 있도록 하는 영구자석 전동기 및 전동기 제어 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 스테이터(stator)와 로터(rotor)를 포함하는 영구자석 모터가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터는, 외부로부터 가해지는 이동력에 의해 평행 이동되는 스테이터(stator); 및 상기 스테이터와 공극 면적(surface area of air gap)을 가지고, 상기 스테이터의 외측을 감싸도록 배치되는 로터(rotor)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 스테이터의 평행 이동에 의해 상기 공극 면적이 변동될 수 있다.

상기 로터는 복수의 영구자석을 수용하되, 상기 영구자석은 종 방향으로 자 속 밀도를 달리하는 영구자석 세그먼트들의 연속적 배치에 의해 형성될 수 있다.

상기 영구자석 모터는 상기 스테이터를 지지하는 스테이터 하우징을 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 스테이터에 부착된 제1 부재에 대응되어 결합되는 상기 스테이터 하우징에 부착된 제2 부재가 상기 제1 부재에 대한 지지 및 가이드 수단으로 기능하여 상기 스테이터가 평행 이동되도록 할 수 있다.

상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 LM 가이드를 형성할 수 있다.

상기 스테이터는 샤프트(shaft) 구조를 가지고, 상기 샤프트 구조의 하나 이상의 개소에 이동력을 가압받기 위한 축의 일 단부가 수직적으로 결합되며, 상기 축의 일 부분에 상기 이동력을 생성하는 기어와 체결되기 위한 톱니 형상이 형성될 수 있다.

상기 공극 면적의 변동에 의해 영구자석 계자 자속이 변동되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 휠 인 모터(wheel-in motor)는, 외부로부터 가해지는 이동력에 의해 차체를 기준으로 접근 또는 멀어지도록 평행 이동되는 스테이터(stator); 상기 스테이터와 공극 면적(surface area of air gap)을 가지고, 상기 스테이터의 외측을 감싸도록 배치되는 로터(rotor); 및 상기 로터의 외측을 감싸도록 배치되는 타이어를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 스테이터는 샤프트(shaft) 구조를 가지고, 상기 샤프트 구조의 하나 이상의 개소에 이동력을 가압받기 위한 축의 일 단부가 수직적으로 결합되며, 상기 축의 일 부분에 상기 이동력을 생성하는 기어와 체결되기 위한 톱니 형상이 형성될 수 있다.

지정된 운전 속도에 해당하는 토크를 출력하기 위한 전압 지령(voltage command)에 해당하는 전압값이 배터리 전압 또는 한계값(limit value)를 초과하는 경우, 상기 스테이터의 평행 이동을 위해 상기 기어의 회전수, 회전각 및 회전방향 중 하나 이상이 제어될 수 있다.

상기 기어는 랙 피니언 기어일 수 있다. 또한, 상기 스테이터의 평행 이동에 의해 상기 공극 면적이 변동될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 스테이터(stator)와 로터(rotor)를 포함하는 모터 제어 방법 및/또는 그 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 기록매체가 제공된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스테이터와 로터를 포함하는 모터 제어 방법은, (a) 제어 전류 및 운전 속도 중 하나 이상에 대한 조건 정보를 입력받는 단계; (b) 상기 운전 속도를 가속하기 위한 전류 지령이 출력되는 단계; (c) 상기 전류 지령에 상응하는 전압값이 배터리 전압 또는 한계값을 초과하는지 판단하는 단계; 및 (d) 초과하는 경우, 상기 스테이터의 평행 이동을 위한 이동력이 생성되도록 기어의 동작을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 스테이터의 평행 이동에 의해 상기 스테이터와 상기 로터간의 공극 면적이 변동될 수 있다.

상기 모터 제어 방법은, 상기 운전 속도가 최대 운전 속도인지를 판단하는 단계; 및 최대 운전 속도가 아닌 경우 최대 운전 속도에 이를 때까지, 상기 단계 (a) 내지 상기 단계 (d)를 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 조건 정보에 상응하여 상기 기어의 회전수, 회전각 및 회전 방향 중 하나 이상이 결정될 수 있다.

본 발명은 외전형 표면 자석형 전동기를 사용하는 휠 인 모터 방식의 전기 자동차에 약계자 제어 효과를 부여하여 고속 및 고출력용 설계가 가능하도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기구적으로 공극 표면적을 감소시키는 방법을 채택함으로써 제어기 내에 복잡한 약계자 제어 알고리즘이 구비되지 않더라도 용이한 약계자 제어가 가능한 효과도 있다.

또한, 본 발명은 축 방향으로 서로 다른 자속 밀도 성능을 가지는 영구 자석을 배치함으로써 공극 표면적 감소시 약계자 성능을 극대화할 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 전동기의 고속화 및 고출력화가 가능해짐으로써 전기자동차의 성능을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 가변속 제어를 위한 인버터의 제어 알고리즘이 간단화되어 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과도 있다.

또한, 본 발명은 하이브리드 전기자동차에 이용되는 매입형 영구자석형 동기전동기의 경우에 제어기에 의한 약계자 제어기술과 기구적 방식의 약계자 제어기술을 혼용할 수 있도록 하여 고속, 고출력 성능을 발휘할 수 있도록 하는 효과도 있다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예에 대해 관련 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

이하의 설명을 통해 본 발명에 따른 영구자석 모터(permanent magnet type motor)가 전기자동차의 구동 시스템을 비롯하여 가전 기기, 사무자동화(OA) 기기, 공장자동화(FA) 기기 등의 가변속 구동이 요구되는 응용 분야에서 고출력 및 고속 특성을 성능 측면에서 중시하는 모든 시스템에 제한없이 적용될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 즉, 본 발명에 따른 영구자석 모터는 휠 인 모터 채용 전기 자동차, 하이브리드 전기자동차, 다이렉트 구동 방식의 고속 가전, 엘리베이터 구동기 등에 제한없이 적용될 수 있을 것이다.

다만, 이하에서 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어, 본 발명에 따른 영구자석 모터가 휠 인 모터로서 채택된 경우를 중심으로 설명하기로 하며, 휠 인 모터의 각 구성요소의 기능 및 용도는 당업자가 용이하게 이해할 수 있을 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 약계자 제어 모드의 진입 여부를 판단하는 모드 제어부의 동작을 설명한 도면이고, 도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 휠 인 모터의 동작 특성을 나타낸 그래프이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저속 영역에서의 동작 중인 휠 인 모터(wheel-in motor)의 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 외전형 영구자석 전동기의 고정자 구조 및 고정자 지지 구조를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영역 중 약계자 제어 모드에서의 동작 중인 휠 인 모터의 단면도이다.

도 2에는 모드 제어부에 의해 수행되는 약계자 제어 모드의 진입 여부의 판단 및 제어 동작이 도시되어 있다.

모드 제어부는 운전 모드가 약계자 제어(Field Weakening Control) 가 필요하지 않은 저속 영역에 해당하는지, 약계자 제어가 필요한 고속 영역에 해당하는지를 판단하여 상응하는 제어 동작을 수행한다. 모드 제어부는 전기 자동차 등의 동작 제어를 수행하는 ECU 등의 형태로 구현되거나 일부 구성 요소로 포함될 수도 있음은 자명하다.

모드 제어부는 판단부(210), 기어 동작 제어부(220)을 포함한다.

판단부(210)는 저속 영역인지 고속 영역인지를 판단하기 위한 조건 정보를 입력받아 고속 영역에 해당하는지 판단한다. 고속 영역에 해당하는지 여부를 판단하기 위한 조건 정보로는 휠 인 모터로 입력되는 전류 값의 크기, 로터의 회전 속도 등 중 하나 이상일 수 있다. 물론, 이외에도 고속 영역에 해당하는지 판단하기 위해 고려될 수 있는 정보라면 제한없이 이용될 수 있음은 자명하다.

기어 동작 제어부(220)는 고속 영역에 해당하는 경우 로터(520)와 스테이터(530)간의 공극 면적(Surface area of air gap)을 감소시키기 위해 기어를 구동시킨다. 또한, 기어 동작 제어부(220)는 판단부(210)의 판단에 의해 저속 영역으로 전환된 경우에는 로터(520)와 스테이터(530)간의 공극 면적을 원상태로 환원하기 위해 기어를 재구동시킨다.

로터(520)와 스테이터(530)간의 공극 면적을 기계적으로 조절하기 위한 기어의 형태로 랙 피니언 기어(560)가 예시되어 있으나, 스테이터(530)를 스테이터 하우징(540)의 측벽에 따라 수평 이동하도록 하는 형식의 기어이면 아무런 제한없이 적용 가능하다.

로터(520) 회전시 발생하는 유도 기전력(역기전력)은 로터(520)의 회전을 방해하는 방향으로 생기며, 이러한 역기전력은 로터 회전의 시간 변화량에 비례하기 때문에, 로터(520)가 고속으로 회전하는 경우에는 발생하는 역기전력도 모터의 속도에 비례하여 커진다.

따라서, 고속 영역에서는 역기전력이 크게 발생하므로 입력 전압/전류로부터 예측되는 모터 속도 또는 출력을 얻을 수 없게 되므로, 약계자 제어가 필요하게 된다.

종래에는 약계자 제어를 위해 인버터 제어 방식이 이용되었다. 그러나, 종래의 인버터 제어 방식에 의할 때, 제어 오류시 대응이 용이하지 않아 신뢰성에 문제가 있으며, 또한 인버터 제어를 위한 설비 비용이 증대되는 등의 문제점이 있다. 또한, 종래의 인버터 제어 방식에 의할 때, 영구자석의 자성이 상실될 수도 있는 문제점도 있다.

이에 비해, 본 발명은 기구적으로 공극 면적을 감소시켜 영구자석의 계자 자속을 감소시키는 방법만으로 약계자 제어가 가능하도록 하여, 종래의 제어방식에 따른 문제점을 해소할 수 있다. 이러한 기구적 제어만으로 도 3에 도시된 바와 같이 역기전력이 한계 값(limit level) 이상으로 증가되지 않도록 제어될 수 있으며, 또한, 도 4에 도시된 바와 같이 최대 사용 범위까지의 출력이 가능하도록 할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 모터는 고속 및 고출력에 적합한 영구자석 모터라 할 수 있다.

이하, 모드 제어부에 의한 약계자 제어 방식에 대해 예를 들어 간략히 설명한다. 다만, 본 발명에 따른 약계자 제어 방식을 설명함에 있어, 제어 전류, 전류 지령, 전압 지령 등의 용어의 의미 및 용도는 당업자에게 자명한 사항이므로 설명을 생략한다.

먼저, 모드 제어부는 조건 정보, 예를 들어 입력 전류(제어 전류) 또는/및 운전 속도 등이 입력되면 현재 운전 영역이 고속 영역인지 여부를 판단하게 된다. 여기서, 운전 속도는 차축 등의 위치에서 센싱한 속도, 전류/전압의 사이클(cycle) 등을 이용하여 판단될 수 있다.

이를 구체적으로 설명하면, 입력된 조건 정보를 참조한 후 판단부(210)는 필요한 토크(torque)를 내기 위해 필요한 전류 값이 휠 인 모터로 입력되도록 하기 위한 전류 지령(current command, 기준 전류)를 출력한다. 전류 지령은 판단부(210)의 일 구성요소로 포함될 수 있는 속도 제어기 또는 전류 제어기 등에 의해 출력될 수도 있다.

이 경우, 판단부(210)는 출력할 전류 지령에 상응하는 전압 지령이 차량의 배터리 전압 이상인지 또는 한계 값(limit level)(도 3 참조) 이상인지 여부를 판단한다.

만일, 전압 지령이 차량의 배터리 전압 또는 한계값 이상이라면, 모드 제어부는 약계자 제어를 개시하여 랙 피니언 기어가 구동되도록 하며, 이에 의해 약계자 제어 모드에서 전류 지령에 상응하는 토크가 나오게 된다.

이때, 전류 지령에 상응하는 운전 속도(즉, 차량 운전을 위해 지정한 속도)가 출력되도록 랙 피니언 기어의 회전각, 회전수 및/또는 회전 방향이 결정된다. 따라서, 운전을 위해 지정한 최대 속도에 이를 때까지 랙 피니언 기어의 회전에 의해 스테이터(530)는 점진적으로 차체쪽으로 이동하게 될 것이다.

그러나, 만일 전류 지령에 상응하는 전압 지령이 차량의 배터리 전압 또는 한계 값(limit level) 이하라면 모드 제어부는 저속 영역에서의 정상적인 제어를 수행하게 된다.

이하, 관련 도면을 참조하여 영구자석 모터의 기구적 제어에 따른 약계자 제어 방식에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 휠 인 모터는 내부의 스테이터(stator, 고정자)를 중심으로 외부에 로터(rotor, 회전자)가 위치하며, 로터의 회전에 대응하여 로터 외부의 타이어(tire)가 회전하도록 구성된다. 즉, 도 5는 휠 인 모터를 수평 방향으로 절단하여 표시한 단면도이므로, 타이어, 로터 및 스테이터가 중심 축을 중심으로 양 측에 공통적으로 존재하는 것처럼 표시된다. 또한, 도면의 중심 수평선은 차체의 중심 축과 수직됨을 알 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 스테이터(530)는 스테이터 하우징(housing)(540)에 접합하도록 고정된다. 여기서, 스테이터(530)는 스테이터 하우징(540)의 측면을 따라 이동 제어될 수 있도록 LM 가이드(550)에 의해 상호간에 결합된다.

LM 가이드(550)는 스테이터(530)가 스테이터 하우징(540)의 측면을 따라 직선 운동할 수 있도록 구현된 것이다. 즉, 스테이터(530)에 고정된 제1 부재와 스테 이터 하우징(540)에 고정된 제2 부재가 축 방향 운동 가능하도록 조립되어, 제1 부재가 제2 부재를 슬라이딩 이동함으로써 스테이터(530)가 스테이터 하우징(540)측벽을 따라 이동하도록 할 수 있다.

물론, 스테이터(530)가 스테이터 하우징(540)의 측벽을 따라 수평 이동하기 위한 지지 및 가이드(guide) 수단이 LM 가이드(550)로 제한되지 않고, 이와 동일 또는 유사한 동작의 수행이 가능한 지지 및 가이드 수단이면 아무런 제한없이 적용될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

또한, 휠 인 모터는 로터 하우징에 고정되는 로터(520)와, 스테이터(530)를 스테이터 하우징(540)의 측면을 따라 이동 제어하기 위한 랙 피니언 기어(560)와, 랙 피니언 기어(560)의 회전 방향에 따라 스테이터(530)가 이동되도록 하는 축(570)과, 타이어(510) 등을 더 포함한다.

이외에, 휠 인 모터는 레졸버(resolver), 베어링(bearing) 등을 더 포함할 수 있으나 본 발명의 요지와는 다소 거리감이 있으므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.

이하, 도 6 및 도 7을 참조하여 스테이터(530)가 스테이터 하우징(540) 측벽을 따라 평행 이동하기 위한 스테이터의 구조 및 약계자 제어 모드에서의 스테이터(530) 이동 제어에 관해 설명하기로 한다.

도 6에는 외전형 영구자석 전동기의 고정자 구조 및 고정자 지지 구조가 예시되어있다. 즉, 도 6은 외전형 영구 자석 전동기의 고정자 구조를 정면에서 살펴본 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 스테이터(530)는 X자 형상의 샤프트(shaft) 구조(610)를 가지고 있으며, 샤프트 구조의 중심 부분에 홈(630)이 형성된다. 홈(630)은 축(570)의 일 단부와 고정적으로 결합됨으로써, 랙 피니언 기어(560)의 회전 방향에 따라 스테이터(530)가 수평 방향으로 슬라이딩 이동 가능하도록 한다. 물론, 샤프트 구조가 X자 형상으로 제한되는 것은 아니며, 또한 축(570)과의 결합부가 샤프트 구조의 중심 위치 1개소에 형성되도록 제한되지 않음은 당업자에게 자명하다.

또한, 스테이터(530)에는 2개의 부재로 구성되는 LM 가이드(550) 중 제1 부재(640)가 고정되어 부착되어 있으며, LM 가이드(550) 중 제2 부재(650)는 스테이터 하우징(540)에 고정적으로 부착된다. 따라서, 랙 피니언 기어(560)의 회전에 의해 축(570)이 차체 방향으로 이동될 때, LM 가이드(550)에 의한 지지에 의해 스테이터(530)가 스테이터 하우징(540)의 측벽을 따라 이동되도록 한다.

참고로, 도 6의 식별번호 620은 슬롯(slot)을 나타낸다.

앞서 설명한 바와 같이, 고속 영역으로 진입하여 스테이터(530)가 스테이터 하우징(540)의 측벽을 따라 이동한 상태의 휠 인 모터의 단면도가 도 7에 도시되어 있다.

앞서 설명한 도 5의 단면도에서의 스테이터(530)의 위치보다 차체 방향으로 수평 이동 되어 있음을 확인할 수 있다. 스테이터(530)의 위치가 원래의 위치보다 차체 방향으로 슬라이딩 이동되어 있으므로, 로터(520)와 스테이터(530)간의 공극 면적이 감소되어 영구 자속의 계자 자속이 감소되어 약계자 제어된다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠 인 모터의 로터 코어(rotor core)에 배치되는 영구 자석의 형태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 휠 인 모터의 로터 코어에 배치되는 영구 자석은 수직 방향(종 방향)으로 서로 다른 자속 밀도 성능을 가지는 영구자석을 배치시킴으로써 약계자 제어 특성(예를 들어, 비선형 동작 특성의 완화 등)을 보다 향상시킬 수 있다.

도 8에는 축 방향으로 자속 밀도가 상이한 3개의 영구자석이 연속적으로 배치된 경우가 예시되어 있으나, 연속적으로 배치되는 영구자석의 수량은 약계자 제어 특성의 개선 등의 목적 달성을 위해 다양하게 변경될 수 있다. 마찬가지로, 약계자 제어 특성의 개선 등의 목적 달성을 위해 각 극별로 영구자석 세그먼트의 수량도 상이하게 채택하는 등의 다양한 변형이 가능할 수 있을 것이다.

한편, 모터 제어 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성 가능하며, 상기 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 또한, 상기 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable media)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 모터 제어 방법을 구현한다. 상기 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체, 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 휠 인 모터(wheel-in motor)의 적용 형상을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 약계자 제어 모드의 진입 여부를 판단하는 모드 제어부의 동작을 설명한 도면.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 휠 인 모터의 동작 특성을 나타낸 그래프.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 저속 영역에서의 동작 중인 휠 인 모터(wheel-in motor)의 단면도.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 외전형 영구자석 전동기의 고정자 구조 및 고정자 지지 구조를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 영역 중 약계자 제어 모드에서의 동작 중인 휠 인 모터의 단면도.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 휠 인 모터의 로터 코어(rotor core)에 배치되는 영구 자석의 형태를 개략적으로 나타낸 도면.

Claims (15)

1. 영구자석 모터에 있어서,

   외부로부터 가해지는 이동력에 의해 축방향으로 평행 이동되는 스테이터(stator); 및

   상기 스테이터와 공극 면적(surface area of air gap)을 가지고, 상기 스테이터의 외측을 감싸도록 배치되며, 자속밀도가 상이한 복수의 영구자석 세그먼트가 축방향으로 연속적 배치되어 형성되는 영구자석을 포함하는 로터(rotor)를 포함하되,

   상기 스테이터의 평행 이동에 의해 상기 공극 면적이 변동되는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 영구자석은 상기 로터의 내주면에 소정의 간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
3. 제1항에 있어서,

   상기 스테이터를 지지하는 스테이터 하우징을 더 포함하되,

   상기 스테이터에 부착된 제1 부재에 대응되어 결합되는 상기 스테이터 하우징에 부착된 제2 부재가 상기 제1 부재에 대한 지지 및 가이드 수단으로 기능하여 상기 스테이터가 평행 이동되는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1 부재와 상기 제2 부재는 LM 가이드를 형성하는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
5. 제1항에 있어서,

   상기 스테이터는 하나 이상의 개소에 이동력을 가압받기 위한 축의 일 단부와 수직적으로 결합되며, 상기 축의 일 부분에 상기 이동력을 생성하는 기어와 체결되기 위한 톱니 형상이 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
6. 제5항에 있어서,

   상기 스테이터는 샤프트(shaft) 구조를 가지고, 상기 샤프트 구조의 중심 영역에상기 축의 일 단부가 결합되는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
7. 제1항에 있어서,

   상기 공극 면적의 변동에 의해 영구자석 계자 자속이 변동되는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
8. 휠 인 모터(wheel-in motor)에 있어서,

   외부로부터 가해지는 이동력에 의해 축방향으로 평행 이동되는 스테이터(stator);

   상기 스테이터와 공극 면적(surface area of air gap)을 가지고, 상기 스테이터의 외측을 감싸도록 배치되며, 자속밀도가 상이한 복수의 영구자석 세그먼트가 축방향으로 연속적 배치되어 형성되는 영구자석을 포함하는 로터(rotor); 및

   상기 로터의 외측을 감싸도록 배치되는 타이어를 포함하되,

   상기 스테이터는 샤프트(shaft) 구조를 가지고, 상기 샤프트 구조의 하나 이상의 개소에 이동력을 가압받기 위한 축의 일 단부가 수직적으로 결합되며, 상기 축의 일 부분에 상기 이동력을 생성하는 기어와 체결되기 위한 톱니 형상이 형성되는 것을 특징으로 하는 휠 인 모터.
9. 제8항에 있어서,

   지정된 운전 속도에 해당하는 토크를 출력하기 위한 전압 지령(voltage command)에 해당하는 전압값이 배터리 전압 또는 한계값(limit value)를 초과하는 경우, 상기 스테이터의 평행 이동을 위해 상기 기어의 회전수, 회전각 및 회전방향 중 하나 이상이 제어되는 것을 특징으로 하는 휠 인 모터.
10. 제8항에 있어서,

    상기 기어는 랙 피니언 기어인 것을 특징으로 하는 휠 인 모터.
11. 제8항에 있어서,

    상기 스테이터의 평행 이동에 의해 상기 공극 면적이 변동되는 것을 특징으로 하는 휠 인 모터.
12. 스테이터(stator)와 로터(rotor)를 포함하는 모터 제어 방법에 있어서,

    (a) 제어 전류 및 운전 속도 중 하나 이상에 대한 조건 정보를 입력받는 단계;

    (b) 상기 운전 속도를 가속하기 위한 전류 지령이 출력되는 단계;

    (c) 상기 전류 지령에 상응하는 전압값이 배터리 전압 또는 한계값을 초과하는지 판단하는 단계; 및

    (d) 초과하는 경우, 상기 스테이터의 평행 이동을 위한 이동력이 생성되도록 기어의 동작을 제어하는 단계를 포함하되,

    상기 스테이터의 평행 이동에 의해 상기 스테이터와 상기 로터간의 공극 면적이 변동되며, 상기 스테이터의 외측을 감싸도록 배치되는 상기 로터는 자속밀도가 상이한 복수의 영구자석 세그먼트가 축방향으로 연속적 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
13. 제12항에 있어서,

    상기 운전 속도가 최대 운전 속도인지를 판단하는 단계; 및

    최대 운전 속도가 아닌 경우 최대 운전 속도에 이를 때까지, 상기 단계 (a) 내지 상기 단계 (d)를 반복하는 단계를 더 포함하는 모터 제어 방법.
14. 제12항에 있어서,

    상기 조건 정보에 상응하여 상기 기어의 회전수, 회전각 및 회전 방향 중 하나 이상이 결정되는 것을 특징으로 하는 모터 제어 방법.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 기재된 모터 제어 방법을 수행하기 위하여 컴퓨터 장치에서 실행될 수 있는 명령어들의 프로그램이 기록되어 있으며, 상기 컴퓨터 장치에 의해 판독될 수 있는 프로그램이 기록된 기록매체.

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