KR101515967B1 - 광전스위치를 이용한 철도차량 추진용 영구자석 동기전동기의 회전자 온도 검출장치 - Google Patents

광전스위치를 이용한 철도차량 추진용 영구자석 동기전동기의 회전자 온도 검출장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광전스위치를 이용하여 철도차량 추진용 영구자석 동기전동기의 회전자 온도를 검출하기 위한 장치에 관한 것으로, 견인전동기의 외함을 구성하는 중공형상의 하우징(10)과, 코일이 권선되어 상기 하우징(10) 내에 고정되는 고정자코어(20)와, 상기 하우징(10) 내에 상기 고정자코어(20)와 이격되어 회전 가능하게 마련되어 회전구동용 자극으로 영구자석(31)을 갖는 회전자(30)를 포함하는 철도차량 추진용 영구자석 동기전동기의 회전자 온도를 검출하기 위한 장치로써, 상기 회전자(30)에 부착되어 온도 변화에 따라서 광신호를 출력하는 스위칭부(110)와; 상기 하우징(30)에 부착되어 상기 스위칭부(110)에서 발생된 광신호를 수신하여 이를 전기적 신호로 증폭하여 출력하는 신호증폭부(120)와; 상기 신호증폭부(120)에서 전달된 신호를 수신하여 회전자(30)의 상태를 출력하게 되는 온도모니터링부(130);를 포함한다.

Description

광전스위치를 이용한 철도차량 추진용 영구자석 동기전동기의 회전자 온도 검출장치{Temperature detecting device of a permanent magnet synchronous motor for a railway vehicle traction using a optical electric-switch}
본 발명은 광전스위치를 이용하여 철도차량 추진용 영구자석 동기전동기의 회전자 온도를 검출하기 위한 장치에 관한 것이다.
철도차량은 많은 수용인원을 탑승하고 고속으로 운전하기 위해서 제한된 공간에서의 높은 출력 밀도를 가지는 견인용 전동기를 필요로 한다. 최근 2층 열차, 저상 트램 등의 확산에 따라, 차량 바닥의 높이가 낮아짐에 따라 차량 하부에 장착되는 견인용 전동기의 설치 공간이 작아지고 있으며, 이에 따라 중량 및 점유공간을 최소화 할 수 있는 고출력밀도 견인전동기의 요구가 커지고 있다.
현재 철도차량 분야에서는 견인전동기로 유도전동기가 대부분 적용되고 있으나, 유도전동기를 고출력밀도화 시키는데 한계가 있기 때문에 최근에는 철도차량용 견인 전동기로 높은 에너지밀도를 가지는 영구자석 동기전동기가 적용되기 시작하고 있다.
일반적으로 영구자석 동기전동기의 구동 중에 권선, 코어, 영구자석에서 발생되는 과도한 열은 영구자석 동기전동기의 장시간 연속운전을 어렵게 만들기 때문에 영구자석 동기전동기의 구동 중 열발생 모니터링은 중요하다. 특히 영구자석 동기전동기의 회전자 내부에 삽입되는 영구자석은 적정 수준 이상의 고온에서는 특성이 저하되는 성질을 가지고 있기 때문에 열발생 모니터링이 더욱 중요한 부분이다.
하지만 견인전동기에서 영구자석이 포함되어 있는 회전자는 고속으로 회전을 하는 부분이기 때문에 견인전동기의 운전 중 회전자 코어나 영구자석의 온도를 단순히 열전대를 이용하여 계측하는 것은 매우 어려운 일이었다.
도 1을 참고하면, 일반적인 영구자석형 동기전동기(1)는, 중공형상의 하우징(10)과, 코일(21)이 권선되어 하우징(10) 내에 고정되는 고정자코어(20)와, 하우징(10) 내에 고정자코어와 이격되어 회전 가능하게 마련되는 회전자(30)를 포함한다.
회전자(30)는 회전구동용 자극으로 영구자석(31)과, 하우징(10)에 베어링을 매개로 하여 회전 가능하게 지지되는 샤프트(32)를 갖는다.
이러한 영구자석형 동기전동기의 온도계측은 하우징(10)과, 고정자코어(20) 또는 코일(21)에 열전대(40)의 한쪽 끝단을 부착하고 다른 끝단을 철도차량 내부까지 연결하여 DAQ시스템(50)에 연결하여 열전대(40)의 신호를 검출하여 온도를 모니터링하게 된다.
이와 같은 영구자석형 동기전동기의 온도계측은 고정자(또는 하우징)의 온도를 계측하는 것이며, 회전자의 온도를 직접적으로 계측하는 것이 아니며, 따라서 고정자(또는 하우징)의 온도로부터 회전자의 온도를 유추할 수밖에 없다.
예를 들어, 등록특허 제10-1210437호(등록일자: 2012.12.04)는 영구자석 동기전동기에 포함된 회전자 내부의 영구자석 온도를 간접 측정하는 방법을 제안하고 있다.
그러나 이러한 간접 온도 측정은 정확성이 떨어지며, 회전자의 정확한 온도 데이터에 대한 신뢰성 확보에 문제가 있다.
한편 영구자석형 동기전동기의 회전자 내부에 삽입되는 영구자석은 적정 수준 이상의 고온 상황에서는 영구자석으로의 특성이 저하되어 전동기의 장시간 연속운전을 어렵게 만들기 때문에 전동기의 구동 중에 발생되는 열을 모니터링하는 것은 매우 중요하다.
등록특허 제10-1210437호(등록일자: 2012.12.04)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 광전스위치를 이용하여 철도차량 추진용 영구자석 동기전동기의 회전자 온도를 직접 검출하기 위한 장치를 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 회전자 온도 검출장치는, 견인전동기의 외함을 구성하는 중공형상의 하우징과, 코일이 권선되어 상기 하우징 내에 고정되는 고정자코어와, 상기 하우징 내에 상기 고정자코어와 이격되어 회전 가능하게 마련되어 회전구동용 자극으로 영구자석을 갖는 회전자를 포함하는 철도차량 추진용 영구자석 동기전동기의 회전자 온도를 검출하기 위한 장치로써, 상기 회전자(30)에 부착되어 온도 변화에 따라서 광신호를 출력하는 스위칭부와; 상기 하우징에 부착되어 상기 스위칭부에서 발생된 광신호를 수신하여 이를 전기적 신호로 증폭하여 출력하는 신호증폭부와; 상기 신호증폭부에서 전달된 신호를 수신하여 회전자의 상태를 출력하게 되는 온도모니터링부;를 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 스위칭부는, 회전자의 코어 또는 영구자석에 부착되어 설정 온도에 따라서 온/오프가 이루어지는 서멀스위치와; 상기 서멀스위치에 의해 전원이 인가되어 광신호를 출력하는 발광부;를 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 신호증폭부(120)는, 상기 하우징 내에 설치되어 상기 스위칭부의 광신호를 검출하는 수광부와; 상기 하우징 바깥에 설치되어 상기 수광부에서 검출된 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기;를 포함한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 스위칭부는 상기 회전자의 일측 선단에 마련되는 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는, 상기 회전자는 상기 스위칭부가 고정된 동일 반경 상에 회전밸런스를 위한 밸런스부재를 더 포함한다.
본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 회전자 온도 검출장치는, 고속으로 회전하는 영구자석 동기전동기 내에 회전자의 온도를 실시간으로 직접 계측이 이루어져 동기전동기의 작동 신뢰성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 영구자석 동기전동기의 회전자 온도 검출예를 보여주는 단면 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 회전자 온도 검출장치의 구성을 보여주는 도면,
도 3의 (a)(b)는 본 발명에 따른 영구자석 동기전동기의 회전자 온도 검출장치의 작동예를 설명하기 위한 도면.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 종래기술과 동일한 구성한 구성에 대해서는 동일 부호를 사용하며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2에 예시된 것과 같이, 본 발명의 영구자석형 동기전동기의 회전자 온도 검출장치는, 회전자(30)에 부착되어 온도 변화에 따라서 광신호를 출력하는 스위칭부(110)와, 하우징(10)에 부착되어 스위칭부(110)에서 발생된 광신호를 수신하여 이를 전기적 신호로 증폭하여 출력하는 신호증폭부(120)와, 신호증폭부(120)에서 전달된 신호를 수신하여 회전자의 상태를 출력하게 되는 온도모니터링부(130);를 포함한다.
스위칭부(110)는 회전자(30)의 일측 선단에 샤프트(32)와 인접하여 마련되며, 이와 대응되어 신호증폭부(120)는 스위칭부(110)와 마주하여 하우징(10)에 고정 설치된다.
바람직하게는, 신호증폭부(120)는 하우징(10) 내에 설치되어 스위칭부(110)의 광신호를 검출하는 수광부(121)와, 하우징(10) 바깥에 설치되어 수광부(121)에서 검출된 신호를 증폭하여 출력하는 증폭기(122)에 의해 제공될 수 있으며,수광부(121)와 증폭기(122)는 하우징(10)을 관통하는 배선에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
바람직하게는 스위칭부(110)가 고정되는 회전자(30)의 동일 반경 상에 회전밸런스를 위한 밸런스부재(140)가 마련됨으로써, 회전자(30)에 편심되어 고정되는 스위칭부(110)에 의한 회전밸런스 불균형을 방지할 수 있다. 밸런스부재(140)는 스위칭부(110)와 동일 반경 상의 180ㅀ위치에서 동일한 질량을 갖는 중량물에 의해 제공될 수 있을 것이다.
온도모니터링부(130)는 신호증폭부(120)에서 전달된 신호를 수신하여 회전자의 상태를 출력하게 되며, 스위칭부(110)가 동작하게 되는 특정 온도 이상에서는 온도모니터링부(130)에 경고신호가 출력되어 회전자의 온도 상승을 알리게 된다.
본 실시예에서는 온도모니터링부(130)와 신호증폭부(120)가 유선으로 연결되어 신호의 전달이 이루어지는 것으로 예시하고 있으나, 무선으로 신호의 전달이 이루어질 수 있을 것이다.
도 3의 (a)(b)를 참고하면, 스위칭부(110)는 회전자의 코어 또는 영구자석에 부착되어 설정 온도에 따라서 온/오프가 이루어지는 서멀스위치(111)와; 서멀스위치(111)에 의해 전원이 인가되어 광신호를 출력하는 발광부(112)를 포함한다.
서멀스위치(111)와 발광부(112)는 하나의 모듈로 구성되어 회전자의 측면에 설치될 수 있다.
서멀스위치(111)는 열전도율이 우수한 열전도성 선재(111a)와, 열전도성 선재(111a)에서 발생되는 열변화에 의해 휨이 발생되는 바이메탈(111b)과, 바이메탈(111b)에 의해 온/오프가 이루어지는 접점(a)(b)에 의해 제공될 수 있다.
열전도성 선재(111a)는 회전자의 코어 또는 영구자석 표면에 일단이 부착되고 타단에 수회 권취된 코일 구조를 갖는다. 바이메탈(111b)은 열전도성 선재(111a)의 코일 내에 삽입되어 열전도성 선재(111a)에 의해 전달되는 열에 의해 휨이 발생될 수 있다. 바이메탈(111b)과 인접하여 회동 가능하게 회동레버(111c)가 배치되며, 회동레버(111c) 일단에는 회동레버(111c)의 회전에 의해 온/오프가 이루어지는 접점(a)(b)이 마련된다.
발광부(112)는 전원부(1112b)와, 전원부(112b)에서 공급되는 전원에 의해 발광이 이루어지는 발광LED(112a)에 의해 제공될 수 있으며, 발광LED(112a)와 전원부(112b)는 서멀스위치(111)의 접점(a)(b)에 의해 전원 공급의 단속이 이루어진다.
한편, 발광부(112)의 전원부로는 배터리를 내장하거나 회전자의 회전운동을 이용하여 전력을 얻을 수 있는 전력 발생장치에 의해 제공될 수 있다.
예를 들어, 등록특허공보 제10-1295797호(등록일자: 2013.08.06)에서는 회전체의 회전운동을 이용하여 저전력의 센서 구동에 필요한 전력을 자체적으로 발생시킬 수 있는 전력 발생장치를 제안하고 있으며, 이러한 자체 전력을 발생시킬 수 있는 전력 발생장치가 회전자에 마련되어 스위칭부(110)의 구동에 필요한 전원 공급이 이루어질 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
1 : 영구자석형 동기전동기 10 : 하우징
20 : 고정자코어 30 : 회전자
31 : 영구자석 32 : 샤프트
110 : 스위칭부 111 : 서멀스위치
112 : 발광부 120 : 신호증폭부
121 : 수광부 122 : 증폭기
130 : 온도모니터링부 140 : 밸런스부재

Claims (5)

  1. 견인전동기의 외함을 구성하는 중공형상의 하우징과, 코일이 권선되어 상기 하우징 내에 고정되는 고정자코어와, 상기 하우징 내에 상기 고정자코어와 이격되어 회전 가능하게 마련되어 회전구동용 자극으로 영구자석을 갖는 회전자를 포함하는 철도차량 추진용 영구자석 동기전동기의 회전자 온도를 검출하기 위한 장치로서,
    상기 회전자의 코어 또는 영구자석에 부착되는 열전도율이 우수한 열전도성 선재와 열전도성 선재에서 발생되는 열 변화에 의해 휨이 발생되는 바이메탈의 설정 온도에 따라서 온/오프가 이루어지는 서멀스위치와 상기 서멀스위치에 의해 전원이 인가되어 광신호를 출력하는 발광부를 포함하는 스위칭부와;
    상기 하우징 내에 설치되어 상기 스위칭부에서 발생된 광신호를 검출하는 수광부와 상기 하우징 바깥에 설치되어 상기 수광부에서 검출된 신호를 증폭하여 출력하는 신호증폭부;와
    상기 신호증폭부에서 전달된 신호를 수신하여 회전자의 상태를 출력하게 되는 온도모니터링부;를 포함하되,
    상기 회전자는 상기 스위칭부가 고정된 동일 반경 상에 회전밸런스를 위한 밸런스부재;를 더 포함하며
    상기 열전도성 선재는 회전자의 코어 또는 영구자석 표면에 일단이 부착되고 타단에 수회 권취된 코일 구조의 바이메탈은 열전도성 선재의 코일 내에 삽입되어 열전도성 전재에 의해 전달되는 열에 의해 휘는 바이메탈과 인접하며 회동 가능하게 배치되는 회동레버;와
    상기 회동레버의 일단에는 회동레버의 회전에 의해 온/오프가 이루어지는 접점이 마련됨을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기의 회전자 온도 검출장치.
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