KR101091968B1 - 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터 및 이를 이용한 전기 운송수단의 구동 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 자동차의 구동을 위하여 동기 모터와 유도 모터를 병렬로 설치하여 이들 모터의 샤프트가 동일 프로펠러 샤프트를 구동하는 전기차 구동 시스템에 있어 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입함으로써 이중 모터를 구조적으로 간단하게 하고 제조 비용을 감소시킨다.

Description

동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터 및 이를 이용한 전기 운송수단의 구동 시스템 {Single Core Motor Including Synchronous and Induction Motor Rotors and Driving System of Electric Transportation Apparatus using the Single Core Motor}

본 발명은 동기 모터와 유도 모터에 관한 것으로서, 특히 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터 및 이를 이용한 전기 운송수단의 구동 시스템에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 전기 운송수단의 구동을 위하여 유도 모터 회전자와 동기 모터 회전자를 한 고정자 코어(stator core) 내에 설치하여 이들 회전자 샤프트가 동일 프로펠러 샤프트를 구동할 수 있도록 함으로써 전기 운송수단 모터의 제작 비용을 줄일 수 있도록 한 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터 및 이를 이용한 전기 운송수단의 구동 시스템에 관한 것이다.

당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 동기 모터(특히, 영구 자석 동기 모터)는 유도 모터에 비해 효율이 높다. 특히 저속 영역(예; 3000rpm 이하)에서는 그 차이가 크다. 따라서 정지와 출발을 반복하고, 저속 주행 구간이 많은 도심 운행에 있어서는 동기 모터를 사용하는 것이 절대적으로 유리하다. 그러나, 동기 모터는 유도 모터에 비해 가격이 비싸고 상대적으로 복잡하다는 단점이 있다.

한편, 자동차, 이륜차, 전철, 선박 등과 같은 운송수단에 요구되는 파워(power)는 상황에 따라 매우 자주 바뀐다. 예를 들어, 자동차의 경우 가속시 혹은 등판시에는 매우 큰 파워를 요구하나, 보통 정속 주행할 때나 코스팅(coasting) 시에 요구되는 파워는 매우 낮다. 즉 파워의 첨두치는 평균치의 4~5 배에 달하므로, 뾰족한 봉우리가 많이 반복되는 형태를 띠고 있다.

다른 한편, 별개의 동기 모터와 유도 모터를 함께 사용하는 경우 이들 모터의 가격이 합산되기 때문에 이중 모터를 적용하는데 가격적인 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 사항을 고려하여 창출된 것으로서, 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입하여 구성함으로써 이중 모터의 가격을 낮추고, 크기를 컴팩트하게 할 수 있는 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기와 같은 사항을 고려하여 창출된 것으로서, 전기 운송수단의 구동 시스템에 있어서, 이중 모터로서 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터를 사용하고, 상기 이중 모터의 동기 모터부는 평균 출력만을 담당할 정도로만 작게 설계하여 전기 운송수단에서 요구하는 파워가 크지 않을 때에는 상기 동기 모터부로 단독 운전을 하고, 큰 출력이 요구될 때에는 상기 이중 모터의 유도 모터부도 구동시켜 큰 파워를 내게 하는, 즉 상기 유도 모터부는 필요 시에만 동작하는 파워 부스터(power booster)로 역할하도록 한 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터를 이용한 전기 운송수단의 구동 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 기구적으로는 합 기어(sum gear)를 사용하여 단일 고정자 코어를 갖는 이중 모터의 동기 모터부와 유도 모터부의 동력을 한 개의 프로펠러 샤프트에 전달시키고, 전기적으로는 독립적인 2개의 인버터를 통해 동기 모터부와 유도 모터부를 각각 구동시킴으로써 동기 모터를 단독으로 사용할 때 보다 동기 모터의 크기를 줄일 수 있고 이로써 전기 운송수단의 구동 모터의 가격을 낮출 수 있는 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터를 이용한 전기 운송수단의 구동 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터는, 상기 동기 모터 회전자; 상기 유도 모터 회전자; 및 상기 동기 모터의 회전자와 상기 유도 모터의 회전자가 삽입되어 설치되는 단일 고정자 코어를 포함하고, 상기 단일 고정자 코어는 상기 동기 모터 회전자에 작용하는 자속을 제공하는 동기모터 고정자 코어부 및 상기 유도 모터 회전자에 작용하는 자속을 제공하는 유도모터 고정자 코어부로 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 동기모터 고정자 코어부와 상기 유도모터 고정자 코어부 사이에 설치되어 상기 동기모터 고정자 코어부의 자속과 상기 유도모터 고정자 코어부의 자속의 간섭을 방지하는 자속간섭 방지수단을 포함한다.

그리고, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터를 이용한 전기 운송수단의 구동 시스템은, 동기 모터 회전자에 작용하는 자속을 제공하는 동기모터 고정자 코어부 및 유도 모터 회전자에 작용하는 자속을 제공하는 유도모터 고정자 코어부를 갖는 구조로 형성되어 상기 동기 모터 회전자와 상기 유도 모터 회전자가 함께 삽입되는 단일 고정자 코어를 포함하는 이중 모터로서, 상기 이중 모터의 동기 모터부는 정상 운전시에 구동 파워를 제공하고, 상기 이중 모터의 유도 모터부는 가속시 및 등판시에 상기 동기 모터부와 함께 구동되어 부스트(boost) 파워를 제공하는 이중 모터; 및 상기 동기 모터부와 상기 유도 모터부의 구동 파워가 한 개의 프로펠러 샤프트에 전달되도록 하기 위한 합 기어(sum gear)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 동기 모터부를 구동하고 제어하기 위한 동기 모터용 인버터; 및 상기 유도 모터부를 구동하고 제어하기 위한 동기 모터용 인버터를 포함한다.

바람직하게는, 상기 동기모터 고정자 코어부와 상기 유도모터 고정자 코어부 사이에 설치되어 상기 동기모터 고정자 코어부의 자속과 상기 유도모터 고정자 코어부의 자속의 간섭을 방지하는 자속간섭 방지수단으로 슬릿(slit) 부재를 포함한다.

바람직하게는, 상기 동기 모터부는 상기 전기 운송수단의 구동 파워가 20KW 이하인 조건에서 단독으로 구동되며, 상기 유도 모터부는 상기 전기 운송수단의 구동 파워가 20KW을 초과하는 조건에서 보조적으로 상기 동기 모터와 함께 구동된다.

바람직하게는, 상기 동기 모터부는 영구 자석 동기 모터 타입이다.

바람직하게는, 상기 동기 모터부에 고장이 발생하면, 상기 유도 모터부가 단독으로 상기 전기 운송수단의 구동 파워를 제공하고, 상기 유도 모터에 고장이 발생하면, 상기 동기 모터가 단독으로 상기 전기 운송수단의 구동 파워를 제공한다.

본 발명에 의하면, 단일 인버터와 단일 동기 모터로 구성된 종래의 전기 운송수단 시스템(예; 전기 자동차 시스템)보다 값 비싼 동기 모터의 크기를 절반 이하로 줄일 수 있음으로 해서 전기 운송수단의 구동 시스템의 비용을 줄일 수 있다. 전기 운송수단(예; 전기 자동차)에서 요구되는 파워가 평균 이하일 때는 동기 모터가 단독으로 부하를 담당하고, 평균 이상의 큰 파워가 요구될 시에는 유도 모터가 운전에 참여하여 프로펠러 샤프트에 부가적인 토크를 발생시킨다. 즉, 저속 운행 구간을 포함하는 저 파워 영역에서는 효율이 좋은 동기모터가 차량 구동을 전적 담당하고, 상대적으로 효율이 떨어지는 유도 모터는 평균 이상의 큰 파워가 요구될 때만 순시적으로 작동하도록 하여 전체적인 운용 효율을 높일 수 있다.

또한, 동기 모터부에 고장이 생겼을 경우 유도 모터부가 전기 운송수단의 구동을 담당할 수 있고, 반대로 유도 모터부에 고장이 났을 경우 동기 모터가 전기 운송수단의 구동을 담당할 수 있어 전기 운송수단의 고장에 대한 대응력을 높일 수 있다.

도 1은 일반적인 전기 자동차가 도심 주행할 때 구동 모터에서 소모하는 파워를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 적용되는 동기 모터(a)와 유도 모터(b)의 등가 효율(equi-efficiency) 선도를 보여 주는 그래프도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 동기 모터와 유도 모터를 구비한 전기 자동차의 구동 시스템의 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터의 구성도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예를 상세하게 설명한다. 이하, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 설명의 단순 명료 구체성을 위해 전기 자동차를 전기 운송수단의 예로 하지만, 본 발명이 전기 자동차에 한정되지 않음은 물론이며, 동기 모터 및/또는 유도 모터를 사용하는 모든 운송수단에 본 발명이 적용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

본 발명에서는 이종(異種) 모터, 즉 유도 모터와 동기모터를 함께 효과적으로 구동하는 시스템을 구현하는 데, 그 이론적인 토대를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 전기 자동차가 도심 주행할 때 전기 자동차에서 요구되는 파워를 예시한 것이다. 도 1에서 평균 파워는 7.5kW이나 최대 파워는 약 40kW에 달하는 것을 볼 수 있다. 따라서, 동기 모터, 특히 영구 자석 동기 모터로 최대 파워를 전부 충당한다면 동기 모터로 최대 파워가 50kW 이상이 되어야 할 것이다. 그러나, 본 발명에서는 동기 모터와 유도 모터를 함께 사용하여 문제를 해결한다. 일례로, 동기 모터의 최대 파워를 20kW로 설계하고, 유도 모터의 파워를 30kW로 설계하였을 경우에 구동 시스템에 소요되는 비용이 종래의 50kW 동기 모터 구동 시스템에 비하여 적어질 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어(10, 도 5) 내에 구비한 이중 모터(1)(도 5 참조)를 이용한 전기 자동차의 구동 시스템의 구성도이다. 상기 이중 모터(1)에 대해서는 도 5을 참조하여 후술한다.

도 2 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 전기 자동차의 구동 시스템은, 동기 모터부(4), 바람직하게는 영구자석 동기 모터부와 유도 모터부(3) 및 동기 모터 회전자(4a, 도 5)와 유도 모터 회전자(3a, 도 5)의 각 샤프트(s1, s2)를 단일 프로펠러 샤프트(7)에 연결하기 위한 합 기어(sum gear)(5a, 5b, 5c)를 포함하여 이루어진다. 프로펠러 샤프트(7)의 양단에는 유니버살 조인트(6a, 6b; universal joint)가 연결된다.

도 2에서 미설명된 도면 부호 9a, 9b는 각각 자동차 타이어이고, 부호 8은 차동기어(differential gear)를 나타내고, 부호 2는 각각 모터 샤프트에 체결되어 있는 레졸버(resolver) 및 인코더(encoder)와 같은 센서를 나타낸다.

도 2에는 도시되지 않았지만, 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 이중 모터를 이용한 전기 자동차의 구동 시스템은 동기 모터부(4)를 구동하고 제어하기 위한 동기 모터용 인버터(18); 및 유도 모터부(3)를 구동하고 제어하기 위한 동기 모터용 인버터(18)를 포함하여 이루어진다. 동기 모터부(4)는 바람직하게 동기 모터용 인버터(18)에 의해 전기 자동차의 구동 파워가 20KW 이하인 조건에서 단독으로 구동 제어되며, 유도 모터부(3)는 바람직하게 유도 모터용 인버터(19)에 의해 상기 전기 자동차의 구동 파워가 20KW을 초과하는 조건에서 보조적으로 동기 모터부(4)와 함께 구동 제어된다.

즉, 본 발명에 의하면, 전기 자동차에 큰 추진력이 필요 없을 때(예를 들면, 필요한 구동력이 20kW 이하일 때)는 동기 모터부(4)만으로 단독 운전을 한다. 그러나, 큰 추력이 필요한 경우(예를 들면, 필요한 구동력이 20kW 초과시)는 유도 모터부(3)도 구동하여 동기 모터부(4)의 토크와 유도 모터부(3)의 토크가 합 기어(5a, 5b, 5c)를 통하여 합하여진다. 따라서, 유도 모터부(3)는 첨두(peak)성 부하를 담당하고 유도 모터용 인버터(19)에 의해 수시로 켜졌다 꺼졌다를 반복하면서 동기 모터부(4)를 돕기(assist) 때문에 이를 토크 부스터(torque booster)라 칭할 수 있다.

본 발명에서 동기 모터부(4)를 상시 운전하는 주 모터(main motor)로 삼는 이유는 동기 모터부(4)의 효율이 유도 모터부(3) 보다 높기 때문이다.

도 3의 (a) 그래프는 동기 모터부(4)의 등효율 궤적(equi-efficiency contour)을 예시하고, 도 3의 (b) 그래프는 유도 모터부(3)의 등효율 궤적을 예시한다. 통상 동기 모터부(4)의 효율은 저속에서 최대 효율을 가지나, 유도 모터부(3)는 상대적으로 고속에서 최대 효율을 갖는다. 따라서, 중저속 저부하 운전에서는 동기 모터부(바람직하게는 영구 자석 동기 모터)로 단독 운전하는 것이 효율이 높고, 고속 고부하 영역에서는 유도 모터부를 구동시켜 동시에 두 모터부(동기 모터와 유도 모터)를 구동하면 전기 자동차의 구동 시스템의 효율이 높아진다.

도 4는 두 개의 인버터, 즉 유도 모터용 인버터(19)가 유도 모터부(3)에 연결되고, 동기 모터용 인버터(18)가 동기 모터부(4)에 연결되어 있는 회로 구성을 도시한다. 상기 각 인버터(18)(19)는 각각 동일 DC 링크에 연결되어 있고, 배터리(20)가 DC 링크 커패시터에 병렬로 연결되어 있다.

도 5는 본 발명에 따라 동기 모터 회전자(4a)와 유도 모터 회전자(3a)가 단일 고정자 코어(10)에 삽입되어 있는 단면을 보여 준다. 보다 구체적으로, 동기 모터 회전자(4a) 코어에는 영구자석(12)이 매입되어 있고, 유도 모터 회전자(3a)의 슬롯(slot)에는 도전체(16)(conductor bar)가 있는 것을 보여 준다. 또한, 동기 모터 회전자(4a)와 유도 모터 회전자(3a)의 사이에 위치한 간섭방지를 위한 부재는 단일 고정자 코어(10)의 동기 모터 고정자 코어부(10a)에서 흐르는 자속(flux)과 유도 모터 고정자 코어부(10b)에서 흐르는 자속(flux)이 상호 간섭을 일으키는 것을 방지하는 역할을 한다. 상기 간섭방지를 위한 부재는 바람직하게 슬릿(slit) 부재(14)일 수 있다.

도 5에서 동기 모터 고정자 코어부(10a)와 유도 모터 고정자 코어부(10b)가 비슷한 크기로 도시되어 있지만, 동기 모터부(4)와 유도 모터부(3)의 파워에 따라 이들 코어부(10a, 10b)의 크기는 상이해 질 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

본 발명에 따른 단일 코어 이중 모터(1)는, 동기 모터와 유도 모터를 별개로 만들어 결합한 것 보다 구조적으로 간단하고 생산 비용도 저렴하다는 장점을 갖는다.

이로써, 본 발명은 단일 인버터와 단일 동기 모터로 구성된 종래의 전기 자동차 구동 시스템의 값 비싼 동기 모터의 크기를 절반 이하로 줄이면서 전기 자동차를 효율적으로 구동할 수 있다.

지금까지 본 발명의 실시예를 전기 자동차를 예로 하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정하는 것은 아니며, 전기 모터를 사용하는 모든 운송수단(예를 들면, 자동차, 이륜차, 전철, 선박 등)에도 적용할 수 있음은 물론이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등물에 해당하는 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

1: 이중 모터
2: 레졸버(resolver)
3: 유도 모터부
3a: 유도 모터 회전자
4 : 동기 모터부
4a: 동기 모터 회전자
5a, 5b, 5c: 합 기어(sum gear)
6a, 6b: 유니버설 조인트
7: 프로펠러 샤프트
8: 차동기어
9a, 9b: 바퀴
10: 단일 고정자 코어 (stator core)
12: 영구자석
14: 슬릿(slit) 부재
16: 도전체(conductor bar)
18: 동기 모터용 인버터
19: 유도 모터용 인버터
20: 배터리
s1: 동기 모터 샤프트
s2: 유도 모터 샤프트

Claims (6)

1. 동기 모터와 유도 모터의 각 기능을 포함하는 이중 모터에 있어서,
   상기 동기 모터의 회전자;
   상기 유도 모터의 회전자; 및
   상기 동기 모터의 회전자와 상기 유도 모터의 회전자가 삽입되어 설치되는 단일 고정자 코어를 포함하고,
   상기 단일 고정자 코어는 상기 동기 모터 회전자에 작용하는 자속을 제공하는 동기모터 고정자 코어부 및 상기 유도 모터 회전자에 작용하는 자속을 제공하는 유도모터 고정자 코어부로 이루어진 것을 특징으로 하는 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 동기모터 고정자 코어부와 상기 유도모터 고정자 코어부 사이에 설치되어 상기 동기모터 고정자 코어부의 자속과 상기 유도모터 고정자 코어부의 자속의 간섭을 방지하는 자속간섭 방지수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터.
3. 전기 운송수단의 구동 시스템에 있어서,
   동기 모터 회전자에 작용하는 자속을 제공하는 동기모터 고정자 코어부 및 유도 모터 회전자에 작용하는 자속을 제공하는 유도모터 고정자 코어부를 갖는 구조로 형성되어 상기 동기 모터 회전자와 상기 유도 모터 회전자가 함께 삽입되는 단일 고정자 코어를 포함하는 이중 모터로서, 상기 이중 모터의 동기 모터부는 정상 운전시에 구동 파워를 제공하고, 상기 이중 모터의 유도 모터부는 가속시 및 등판시에 상기 동기 모터부와 함께 구동되어 부스트(boost) 파워를 제공하는 이중 모터; 및
   상기 동기 모터부와 상기 유도 모터부의 구동 파워가 한 개의 프로펠러 샤프트에 전달되도록 하기 위한 합 기어(sum gear)를 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터를 이용한 전기 운송수단의 구동 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 동기 모터부를 구동하고 제어하기 위한 동기 모터용 인버터; 및
   상기 유도 모터부를 구동하고 제어하기 위한 동기 모터용 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터를 이용한 전기 운송수단의 구동 시스템.
5. 제3항에 있어서,
   상기 동기모터 고정자 코어부와 상기 유도모터 고정자 코어부 사이에 설치되어 상기 동기모터 고정자 코어부의 자속과 상기 유도모터 고정자 코어부의 자속의 간섭을 방지하는 자속간섭 방지수단을 포함하는 것을 특징으로 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터를 이용한 전기 운송수단의 구동 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 자속간섭 방지수단은 슬릿(slit) 부재인 것을 특징으로 하는 동기 모터 회전자와 유도 모터 회전자를 단일 고정자 코어에 삽입한 이중 모터를 이용한 전기 운송수단의 구동 시스템.

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