KR100983718B1 - 영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

논리 제어 수단, 전력 공급원과 영구자석 동기 모터 사이에 직렬로 배열된 적어도 하나의 스위치, 상기 모터의 회전자의 극성과 위치를 결정하기에 적합한 센서 수단을 구비한, 영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치가 제공되며, 상기 논리 제어 수단은 상기 센서 수단으로부터 도착하는 신호 및 상기 전력 공급원의 전압 신호의 함수인 구동 신호를 상기 스위치 수단에 전송하기에 적합하다.
논리 제어 수단, 전력 공급원, 영구자석 동기 모터, 센서 수단, 스위치

Description

영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치{Electronic device for starting a permanent-magnet synchronous motor}
도 1은 본 발명에 따른 장치로 시동되기에 적합한 영구자석 동기 모터의 개략도.
도 2는 회전자의 각위치(angular position) 및 극성을 결정하기 위한 센서의 위치를 추가적으로 나타낸, 도 1의 모터의 회전자 및 극들의 확대도.
도 3은 본 발명에 따른 시동 장치의 블록도.
도 4는 고정자의 중심축에 대한 회전자의 비활성 위치의 도면.
도 5는 전력 공급원의 전압의 제로 크로싱 및 정확한 회전이 일어나는 다른 상황에서의 회전자의 위치의 도면.
도 6은 고정자 코일들에서 순환하는 전류의 제로 크로싱 및 정확한 회전 방향이 일어나는 상태에서의 회전자의 위치의 도면.
본 발명은 영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치에 관한 것이다.
영구자석 동기 모터는, 특히 튜닝 포크형(tuning fork-like) 고정자와 영구 자석 회전자를 가진 단상(single-phase) 실시예에서, 상기 회전자가, 속도가 제로인 상태로부터 속도가 전력 공급원과 주파수 로킹된(frequency-locked) 상태로 진행된다는 사실 때문에, 시동(starting) 동안에 상당한 문제점들을 가지고 있다.
예컨대, 전력 공급원 주파수가 50 또는 60 Hz이면, 상기 회전자는 1/2 주기인 시간 내에 동기 속도(synchronous speed)에 도달해야 한다. 그러나, 이 도달은, 특히 상기 회전자가 상당한 관성 모멘트를 가지고 있고 인가된 부하의 대비되는 토오크(contrast torgue)가 제로(zero)가 아닐 때는 매우 힘들다.
이 모든 제한들을 극복하기 위해, 이 목적을 위한 전자 회로들을 사용하는 각종 해결책들이 고안되었다. 특히 본 출원인의 EP-0574823 호 공보에는, 특히 간단하고 낮은 비용으로 제조될 수 있다는 특징을 가진, 영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치가 공개되어 있다.
상기 특허는, 영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치가, 예컨대 트라이액과 같은 정적 스위치(static switch)를 제어함으로써 주어진 순간에서의 전력 공급원 전압의 극성에 따라 고정자 권선에 전력을 공급하여 고정자 자속을 발생할 것인지의 여부를 결정하는 제어 회로 논리 시스템에 의해 보조되는 적절히 제공된 센서에 의해 회전자의 위치를 검출하는 방법에 대해 설명한다. 이 자속은, 회전자에 의해 발생되는 자계에서 상호 작용함으로써, 외부 전력 공급원을 대표하는 동기 속도, 예컨대 50 또는 60 Hz에 도달되어 유지될 때까지 회전자를 특정 회전 방향으로 가속시킬 수 있는 토오크를 생성한다.
위에서 언급한 특허에 따르면, 시동 과도 현상 동안에 항상 최대 토오크의 상태를 갖고 따라서 최소 회전자 동기화 시간을 갖기 위해서는, 회전자 위치 신호가, 타이밍, 즉 고정자 코일에 전력을 공급하는 트라이액의 도통 모드로의 스위칭을 변화시킴으로써 고정자 자속과 동일한 위상을 가진, 외부 전력 공급 전압과 코일에서 순환하는 전류 사이에서 일어나는 위상 시프트에 적응하도록, 적절히 제공된 회로 블록에서 처리되어야 한다.
이 위상 시프트를 결정하는 회로 블록은 위상 시프트 네트워크로 알려져 있다.
위상 시프트 네트워크가 없으면, 이론적인 조건들, 즉 회전자의 위치 및 전력 공급 네트워크의 전압이 생길 때에만 정적 스위치(예컨대, 트라이액)가 동작될 수 있으나, 실제 조건들, 즉 회전자의 위치 및 고정자 코일에서 순환하는 전류가 생길 때에는 동작될 수 없다.
이의 직접적인 결과는 전력 공급원의 전압에 대해, 회전자의 회전과 대비되는 피크 토크의 발생 및 반주기와 한 주기에서 보다 낮은 평균값을 가진 토오크의 발생이다.
따라서, 상기 모터의 시동 과도 현상은 대비되는 높은 부하들에 대하여 타협된다. 그러므로, 위상 시프트 네트워크는 시동 과도 현상 동안에 모터축에서 이용 가능한 최대 토오크를 보장하는 일을 하며, 따라서 동기화 동안에 평균적으로 보다 높은 대비되는 부하들에의 모터의 연결도 가능하다.
그러나, 위에서 언급한 특허의 요지인 위에서 설명한 해결책은 효율면에서는 유리하나, 주로, 위상 시프트 네트워크가 표준급, 즉 낮은 비용의 상용의 수동 전 자적 구성 요소들에 의해 제공되고, 여기서 공칭 성능 파라미터들에 관련된 제조 허용 오차들도 업계의 조립 공정에 의해 불가피하게 변경되고, 그 파라미터들의 조합이 영구자석 동기 모터의 특정 응용들에 있어서 고급 및 높은 비용의 전자적 구성 요소들의 사용을 강요하는 좁은 동작 범위를 결정한다는 사실로 인한 단점들 및 제한들을 가지고 있다. 물론, 이는 위에서 언급한 특허에 따른 장치에 의해 얻어진 금전적인 혜택들의 손실 또는 감소를 초래한다. 또한, 동일한 전자적 구성 요소들은, 자신들의 수명 동안에 온도 변화들의 결과로서, 이용가능한 생산 범위를 또한 제한하는 자신들의 공칭값들로부터 드리프트(drift)되게 된다.
본 발명의 목적은 모터 시동 및 제어 회로에 사용되는 전자적 구성 요소들의 허용 오차에 의해 야기되는 단점들을 최소화하는, 영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치를 제공하는데 있다.
이 목적 내에서, 본 발명의 목적은 시간적으로 안정되고 동작 온도 변화들에 거의 민감하지 않은, 영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 아날로그 전자적 구성 요소들에 의해 제공되는 위상 시프트 네트워크를 제거할 수 있는, 따라서 전자 장치의 최종 비용을 감소시키는, 영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 회로의 구성 요소들의 전체 개수가 감소된, 영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 매우 신뢰할 수 있고, 제조하기가 비교적 간단하며 비용 면에서 경쟁력이 있는, 영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치를 제공하는데 있다.
이하에서 보다 명백해지는 이들 목적 및 다른 목적들은, 논리 제어 수단과, 전력 공급원과 영구자석 동기 모터 사이에 직렬로 배열된 적어도 하나의 스위치와, 상기 모터의 회전자의 극성과 위치를 결정하기에 적합한 센서 수단을 구비하고, 상기 논리 제어 수단이 상기 센서 수단으로부터 도착하는 신호와 상기 전력 공급원의 전압 신호의 함수인 구동 신호를 상기 스위치 수단에 전송하기에 적합한 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치에 의해 달성된다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 첨부 도면에 비제한적인 예로만 나타낸, 본 발명에 따른 시동 장치의 실시예의 설명으로부터 보다 명백해지게 된다.
도면들을 참조하면, 본 발명에 따른 시동 장치가 연결될 수 있는 동기 모터는 비대칭 갭(asymmetrical gap)(4,5,6,7)을 가진 2개의 불균형 극(ploe)들이 제공된 고정자 팩(stator pack)(1)으로 구성되어 있다.
이 구성에서, 시동 동안에 회전자의 단일 방향성(unidirectionality)이 수월하도록 축(9)을 특정 각만큼 경사지게 하기 위해서, 상기 회전자는 남으로부터 북을 이상적으로 분리하는 회전자의 기준축(9)을 중심축(10)과 일치하지 않는 위치에 배열하며, 여기서 이 불일치는 고정자 극들이 완전하게 대칭되면 일어나게 된다.
여기 코일들(13,14)이 상기 고정자 팩의 확장부(extension)들에 각각 삽입되 어 단자(15)에 의해 AC 전력 공급원에 직렬로 연결되어 있다.
전력 공급 회로가 도 3의 블록도에 개략적으로 도시되어 있고, AC 전력 공급원(18)과 영구자석 동기 모터 사이에 직렬로 배열된 정적 전력 스위치, 예컨대 트라이액용의 논리 제어 수단(16)으로 구성되어 있다.
센서 수단(21)은, 동기 모터(19)가 회전 중일 때 또는 동작 중일 때 또는 속도가 제로인 아이들 상태에서, 동기 모터(19)의 영구자석 회전자의 극성과 위치를 결정한다.
센서 수단(21)의 출력 신호는 입력(23)에 의해 논리 제어 수단(16)으로 들어가며, 상기 논리 제어 수단(16)으로 들어가는 제 2 신호가 전력 공급원의 전압, 즉 입력(24)에 의해 표기되어 있다.
상기 논리 제어 수단(16)은, 센서 수단(21)과 전력 공급원으로부터 각각 도착하는 아날로그 신호들(23,24)의 디지탈 변환을 수행한 후에 상기 모터(19)에 직렬로 연결된 정적 스위치(17)의 열림 또는 닫힘을 적절한 신호에 의해 결정하는 이산(discrete) 또는 프로그래밍가능 논리 회로를 구비한다.
편리하게는 홀 효과(Hall-effect) 타입일 수 있는 센서 수단(21)으로부터 도착한 신호가 입력(23)에 의해 상기 논리 제어 수단(16)으로 들어가서, 전압 또는 전류 제로 크로싱 포인트(zero-crossing point)들에 대한 상대적인 위치를 지연 또는 전진시키는 어떤 위상 변화의 도입 없이 처리된다.
도 4에는 센서 수단(21)의 배열이 예시되어 있다. 이때, 상기 센서 수단(21)은 상기 회전축과 중심축(10)에 의해 정의된 평면에 대하여 각도 φSH을 형성한 평면에 배열되되, 상기 2개의 평면의 교차점은 상기 회전축을 형성한다. 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 경우에서는, 단순히 관례적으로, 센서 수단(21)이 영구자석 회전자의 남극과 대면할 때에만 (화살표 45로 나타낸) 회전자의 시계 반대 방향 회전을 돕는 자계를 발생하도록, 상기 논리 제어 수단(16)이 정적 스위치(17)에 의해 고정자 전류를 인에이블하는 것으로 가정하였다.
고정자의 중심축을 나타내는 기준축(39)이 정의되고, 다음의 각들이 또한 정의되며, 이 각들은 축(39)과 센서 수단(21)의 각위치(angular position)간의 호(arc)가 시계 방향일 때 포지티브이며, 여기서 도 4, 도 5 및 도 6을 참조한다:
φ0 = 참조 숫자 40으로 나타낸 정지 상태의 회전자의 각
φSH = 참조 숫자 41로 나타낸 홀 센서의 위치
φR = 참조 숫자 42로 나타낸 전압 제로 크로싱에서의 회전자 위상 시프트
θL = 부하각으로 불리며 참조 숫자 43으로 나타낸, 외부 전력 공급원의 전압과 고정자 코일들에서 순환하는 전류간의 위상 시프트.
도 6에는 또한 외부 전력 공급원의 전압과 고정자 코일들에서 순환하는 전류간의 위상 시프트(θL)가 도시되어 있고 참조 부호 43으로 표시되어 있으며, 그 위상 시프트는 도 5에 예로서 도시된, 전류 제로 크로싱 시간에서의 축(9)의 위치를 나타내는 축(9b)과 전압 제로 크로싱 시간에서의 축(9)의 위치를 나타내는 축(9a) 사이의 각으로서 계산된다.
다음의 수학값들이 정의된다:
정적(static) 위상 마진(φMO): 센서의 위치와 정지 상태의 자석의 축 사이의 각
A) φMO = φSH - φ0
전류 제로 크로싱에서의 정확한 회전을 위한 위상 마진(φMc):
B) φMc = φSH - φR + θL
지금까지 나타낸 시동 조건 및 동기화 조건에서, 정적 위상 마진과 정확한 회전 위상 마진은 최고 가능 절대치를 가져야 하며, 이 경우에서는 포지티브 값을 가져야 한다.
위상 시프트 각(θ)은 회전자의 속도 및 모터에 인가된 부하에 따라 좌우된다.
본 발명의 특징은, 위상 시프트 네트워크의 부재 및 센서 수단(21)의 위치(φSH)의 특유성(uniqueness) 때문에 식 A 및 B를 단일하게(univocally) 결정하는, 회전자의 정지 상태에서의 각(φ0)의 값 및 센서 수단의 위치(φSH)의 값이 설정된다는 것이다.
식 B는 인가된 부하에 의해서만 위상 시프트의 부재시에 결정되고, 영구자석 동기 모터(19)와 상기 인가된 부하간의 연결을 최대 가능 수준까지 최적화할 수 있는 각(θL)에 따라 좌우되는, 센서 수단(21)의 위치(φSH)의 최적값이 존재함을 나타낸다.
식 A는 도 2에 예시된 바와 같이 기계적으로 결정되는 위치인 센서 수단의 정확한 위치(φSH)를 제공한다.
상기 동기 모터의 시동 동안에는, 최고 가능 정적 위상 마진(φMO)을 갖는 것이 편리하다. 이 조건, 일단 상기 회전자의 정지각(φ0)이 설정되어 있고, 여기서 이 정지각은 고정자 극편(stator pole piece)들의 기하 구조에 따라 좌우되며, 다음의 식에 의해 주어지는 값들의 범위 내에 있는 상기 센서 수단(21)의 최대 배치각(φSH)을 제공한다:
C) φ0 < φSH < (180 + φ0)
D) (φR - θL ) < φSH < (180 + φR - θ L)
여기서, 제 1 식은 시동 각의 한계를 정의하고, 제 2 식은 동작 각의 한계를 정의한다.
동기화 동안에, 정확한 회전을 위한 위상 마진이 식 B에 의해 단일하게 결정되며, 일단 주어진 순간에서의 회전자의 위치(φR)가 결정되면, 식 C에 의해 정의된 간격 내에 포함되는 φSH의 최대값들이 구하는 값의 반대인 낮은 대비되는 부하들에 대응하는 상기 회전자의 최소 부하각 값들(θL)과 연관됨을 알게 된다. 그러므로, 시동 조건 및 동기 조건은, 예컨대 주어진 모터 및 이 모터에 의해 구동되는 주어진 부하에 최적인 (센서 수단(21)으로부터 도착하는) 신호(23)를 결정하기 위하여, 식 C와 식 D를 동시에 만족하는 φSH의 최적값을 정의한다.
실제로, 본 발명에 따른 영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치는 낮은 비용, 간단한 구조를 가지고 있고 시간적으로 안정되고, 동작 온도 변화들에 거의 민감하지 않으므로, 의도된 목적들을 완전하게 달성하며, 특히 종래의 위상 시프트 네트워크를 가지고 있지 않다.
실질적으로, 본 발명에 따른 장치는 위에서 언급한 식 C 및 D에 의해 결정된 값들의 간격 내에 있는 배치각으로 센서 수단(21)을 적절히 위치시킴으로써 얻어지는 기계적 위상 시프트를 제공한다.
이와 같이 이해되는 상기 장치는 많은 수정들 및 변형들이 가능하고, 그 수정들 및 변형들 모두는 본 발명의 범위 내에 속하고, 모든 상세 구성들이 또한 기술적으로 동등한 다른 요소들로 대체될 수도 있다.
청구항에 언급된 기술적 특징들에 참조 부호들이 뒤따르는 경우에, 이 참조 부호들은 청구항들의 명료성을 증가시킬 용도로만 포함되는 것이며, 따라서 그와 같은 참조 부호들은 이 참조 부호들에 의해 예로서 식별되는 각각의 요소의 범위에 어떠한 제한적인 영향도 끼치지 않는다.

Claims (11)

  1. 북극과 남극을 분리하는 기준축을 갖는 동시에 회전축을 갖는 회전자와,
    상기 회전자의 회전축에 수직인 중심축을 갖는 고정자와,
    상기 회전자에 의해 구동된 부하와,
    모터를 시동시키는 전자 장치를 포함하며, 상기 전자 장치는 논리 제어 수단과, 외부 전력 공급원과 영구자석 동기 모터 사이에 직렬로 배열된 적어도 하나의 스위치와, 상기 모터의 회전자의 극성과 위치를 결정 가능한 센서 수단을 포함하고, 상기 논리 제어 수단은 센서 수단으로부터 도착하는 신호 및 상기 외부 전력 공급원의 전압 신호의 함수인 구동 신호를 상기 스위치 수단에 전송 가능한 영구자석 동기 모터에 있어서,
    상기 센서 수단은, 상기 회전축과 중심축에 의해 정의된 평면에 대하여 각도 φSH을 형성한 평면에 배열되되, 상기 2개의 평면의 교차선은 상기 회전축을 형성하고,
    상기 각 φSH는 식 φ0 < φSH < (180 + φ0)과, (φR - θL ) < φSH < (180 + φR - θ L)을 동시에 만족하도록 결정되며, 여기서 φ0는 상기 회전자가 정지상태인 경우 중심축에 대한 회전자 기준축의 각이고, φR은 상기 모터가 회전하고 전력 공급원 전압이 제로 전압을 크로싱(crossing)할 경우 중심축에 대한 회전자 기준축의 각이며, θL은 외부 전력 공급원의 전압과 상기 모터의 코일들에서 순환하는 전류간의 위상 시프트인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 φSH은 전류 제로 크로싱에서의 정확한 회전을 위한 위상 마진(φMc)에서 외부 전력 공급원의 전압과 상기 모터의 코일을 흐르는 전류 사이의 위상 시프트(θL)를 빼고 상기 각도 (φR)를 더한 값으로, φSH = φMc - θL + φR이 성립하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 모터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 수단은 고정된 각위치에서 상기 영구자석 모터의 고정자의 중심축에 대해 배열되어 상기 센서 수단의 위치와 정지 상태일 때의 상기 모터의 자석들의 축 사이의 각인 정적 위상 마진(φMO)이 일정하도록 한 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 모터.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치 수단은 정적(static) 스위치를 구비한 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 모터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 논리 제어 수단은 상기 전력 공급원의 상기 전압 신호 및 상기 센서 수단으로부터 도착한 상기 신호의 아날로그/디지탈 변환을 수행하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 모터.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 수단은 홀 효과 센서를 구비한 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 모터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 전력 공급원은 AC 전력 공급원인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 모터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치 수단은 트라이액(triac)을 구비한 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 모터.
KR1020030013703A 2002-03-05 2003-03-05 영구자석 동기 모터를 시동시키는 전자 장치 KR100983718B1 (ko)

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