KR101521119B1

KR101521119B1 - 모터 고장 검출 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101521119B1
Application number: KR1020150002124A
Authority: KR
Inventors: 장건희; 강경진
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2015-01-07
Filing date: 2015-01-07
Publication date: 2015-05-28

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 모터 고장 검출 장치는 모터의 각 상을 구성하는 치들 중 적어도 하나의 치에 유도되는 역기전력을 측정하거나, 상기 모터의 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 치들 각각에 유도되는 역기전력을 측정하는 역기전력 측정부; 상기 측정된 역기전력 각각의 파형을 비교 분석하는 비교 분석부; 및 상기 비교 분석의 결과에 기초하여 상기 모터의 고장을 검출하는 고장 검출부를 포함한다.

Description

모터 고장 검출 장치 및 방법{DEVICE AND METHOD FOR DETECTING MOTOR FAULT}

본 발명의 실시예들은 모터 고장 검출 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 역기전력 특성 분석을 통해 모터의 고장을 검출하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

PM 모터는 여러 가지 모터 중 최근 많이 사용되고 있다. 이러한 PM 모터는 자동차 구동용 모터, 냉장고 팬 모터, 시스템 에어컨 실외기 모터, 시스템 에어컨 압축기 모터, 세탁기 구동용 모터, 발전기 등 많은 분야에서 널리 사용되고 있다.

일반적으로, 모터의 고장은 주로 베어링에서 발생되고 있으며, 모터 베어링에서 고장이 발생하는 경우 모터 전체를 수리 혹은 교체해야 한다. 그리고, 모터를 수리하거나 교체할 때까지 모터를 포함하는 기기 전체를 사용할 수 없게 되어 인적, 물적 손해가 크게 발생하고 있다.

이러한 문제를 해결하고자 많은 연구자들이 모터의 고장을 검출하는 방법에 대해 연구를 진행해 오고 있다. 이전 연구자들은 주로 모터의 고장이 발생하게 되면 베어링 마찰 증가로 인하여 모터로 입력되는 전류의 크기가 변화하는 것에 대하여 연구를 진행하였다. 그리고, 회전 방향 비대칭 구조의 모터에서 입력 전류의 주파수 중 기본파 성분 외 ±1 성분이 발생되는 현상에 대하여 연구를 진행하였다.

하지만, 이 경우 회전 방향 대칭 구조를 갖는 모터에는 적용할 수 없는 문제점이 발생하게 된다. 그리고 현재 자동차, 가전, 산업분야에서 널리 활용되고 있는 PM 모터는 거의 회전 대칭 구조를 갖고 있기 때문에 이전 연구를 적용하기에는 한계가 있다.

아울러, 기존의 모터 고장 감지 기술은 회전방향 대칭 모터(12극9슬롯 모터와 같이 120도마다 반복되는 구조를 갖는 모터)에서는 사용할 수 없는 문제점이 있었다. 그 이유는 대부분의 모터는 3상 모터로 회전 방향 대칭 구조의 권선(winding)을 갖고 있기 때문이다.

모터가 회전 방향 대칭 구조의 winding을 갖지 않는 경우 모터 고장에 의해 역기전력 파형의 왜곡이 발생하게 되고, 그 영향이 전류 파형에 나타나기 때문에 전류파형의

1 고조파 성분을 발생시키게 되는데 반하여, 회전 방향 대칭 구조의 winding을 갖는 경우 모터 고장에 의해 역기전력 파형의 왜곡이 발생하게 되어도 회전 대칭 구조로 인하여 상 역기전력에서는 서로 상쇄되기 때문에 전체 역기전력에서는 모터 고장에 의한 영향이 나타나지 않게 된다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 회전 방향 대칭 구조가 아닌 모터와 회전 방향 대칭 구조인 모터 모두에서 고장을 사전에 검출할 수 있는 기술을 제안한다.

관련 선행기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-1995-0012978호(발명의 명칭: 모터고장검출장치, 공개일자: 1995.05.17)가 있다.

본 발명의 일 실시예는 모터의 각 상을 구성하는 각 치의 역기전력 특성을 분석하여 모터의 고장을 검출할 수 있는 모터 고장 검출 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 역기전력 측정부는 상기 모터의 회전 중심축의 정적 편심에 따른 위치 및 각도 오차 값과, 고장이 없는 이상적인 모터의 공극 크기 값에 기초하여 상기 역기전력을 측정할 수 있다.

상기 역기전력 측정부는 상기 위치 및 각도 오차 값과, 상기 공극 크기 값을 매개 변수로 하는 하기 수학식 3에 기초하여 상기 역기전력을 측정할 수 있다.

[수학식 3]

여기서, e는 각 치의 역기전력을 나타내고, A는 각 치의 권선 수와 역기전력 계수를 곱하여 산출된 역기전력 크기를 나타내며, B는 k번 째 주파수에서의 역기전력 크기를 각각 나타낸다. 그리고, α_κ는 역기전력의 위상을 나타내고, l은 치의 수를 나타낸다. 또한, ε는 고정자의 원래 중심에서 벗어난 벡터(거리)를 나타내고, g는 고장이 없는 이상적인 경우의 gap(공극)을 나타내며, θ는 고정자의 원래 중심에서 벗어난 각도를 나타낸다.

상기 역기전력 측정부는 상기 모터의 회전 중심축의 동적 편심에 따른 위치 오차 값 및 각속도 변화 값과, 고장이 없는 이상적인 모터의 공극 크기 값에 기초하여 상기 역기전력을 측정할 수 있다.

상기 역기전력 측정부는 상기 위치 오차 값, 상기 각속도 변화 값, 및 상기 공극 크기 값을 매개 변수로 하는 하기 수학식 4에 기초하여 상기 역기전력을 측정할 수 있다.

[수학식 4]

여기서, e는 각 치의 역기전력을 나타내고, A는 각 치의 권선 수와 역기전력 계수를 곱하여 산출된 역기전력 크기를 나타내며, B는 k번 째 주파수에서의 역기전력 크기를 각각 나타낸다. 그리고, α_κ는 역기전력의 위상을 나타내고, m은 치의 수를 나타낸다. 또한, ε는 회전자의 원래 중심에서 벗어난 벡터(거리)를 나타내고, g는 고장이 없는 이상적인 경우의 gap(공극)을 나타내며, wt는 회전자의 원래 중심에서 벗어난 각속도를 나타낸다.

상기 역기전력 측정부는 각 상을 구성하는 치들 중 어느 하나에 연결되거나, 상기 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 치들 각각에 연결되는 저항을 포함하고, 상기 저항을 통해 검출되는 전압을 상기 저항이 연결된 치에 유도되는 역기전력으로서 측정할 수 있다.

상기 역기전력 측정부는 상기 각 상을 구성하는 치들 중 어느 하나에 연결되는 추가 권선을 포함하고, 상기 추가 권선을 통해 상기 추가 권선이 연결된 치에 유도되는 역기전력을 후처리 없이 바로 측정할 수 있다.

상기 각 치에 유도되는 역기전력의 파형은 상기 모터의 고장에 의해 정적 편심이 발생하는 경우, 크기가 서로 다른 정현파로 나타나고, 상기 비교 분석부는 상기 정현파의 크기 비교를 통해 상기 역기전력의 절대 크기를 상대 비교하여 상기 역기전력 간의 차이 값을 분석하고, 상기 고장 검출부는 상기 역기전력 간의 차이 값에 기초하여 상기 정적 편심이 발생하는 위치 및 편심량을 검출할 수 있다.

상기 비교 분석부는 상기 모터의 고장에 의해 동적 편심이 발생하는 경우, 두 치의 역기전력의 파형을 푸리에 변환하여 주파수의 기본 성분(X) 및 부가 성분(X±1)을 추출하고, 상기 기본 성분 및 상기 부가 성분의 크기 비교를 통해 상기 각 치의 역기전력 간의 차이 값을 분석하고, 상기 고장 검출부는 상기 역기전력 간의 차이 값에 기초하여 상기 정적 편심이 발생하는 위치 및 편심량을 검출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 모터 고장 검출 방법은 모터 고장 검출 장치의 역기전력 측정부에서, 모터의 각 상을 구성하는 치들 중 적어도 하나의 치에 유도되는 역기전력을 측정하거나, 상기 모터의 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 치들 각각에 유도되는 역기전력을 측정하는 단계; 상기 모터 고장 검출 장치의 비교 분석부에서, 상기 측정된 역기전력 각각의 파형을 비교 분석하는 단계; 및 상기 모터 고장 검출 장치의 고장 검출부에서, 상기 비교 분석의 결과에 기초하여 상기 모터의 고장을 검출하는 단계를 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 모터의 각 상을 구성하는 각 치의 역기전력 특성을 분석하여 모터의 고장을 검출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 모터의 고장 발생 이전에 역기전력 특성의 분석을 통해 모터의 고장을 검출함으로써, 미리 부품을 준비하거나 여분의 기기를 준비하여 모터 고장에 대비할 수 있으며, 이로 인해 발생될 수 있는 인적, 물적 손해를 저감할 수 있다.

도 1은 일반적인 회전 대칭 구조의 모터인 12극(poles) 9슬롯(slots) PM 모터를 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적으로 사용되는 3상 Y-권선을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 고장 검출 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.
도 4 및 도 5는 고장이 없는 이상적인 경우의 역기전력 파형을 나타낸 도면이다.
도 6은 모터 고장에 의해 고정자 편심이 발생한 경우의 모터를 나타낸 도면이다.
도 7 및 도 8은 모터의 고장에 의해 고정자 편심이 발생하는 경우 유도되는 역기전력을 나타낸 도면이다.
도 9는 모터 고장에 의해 회전자 편심이 발생하는 경우의 모터를 나타낸 도면이다.
도 10 및 도 11은 모터의 고장에 의해 회전자 편심이 발생하는 경우 유도되는 역기전력을 나타낸 도면이다.
도 12 및 도 13은 모터의 각 상별 한 개의 치에서 역기전력을 검출하기 위한 회로를 나타낸 도면이다.
도 14는 모터의 한 상을 구성하는 치들의 역기전력을 각각 검출하기 위한 회로를 나타낸 도면이다.
도 15는 모터의 한 상을 구성하는 각 치의 역기전력 차를 통한 고장 검출의 일례를 도시한 도면이다.
도 16은 한 상을 구성하는 각 치의 역기전력 차를 통한 고장 검출의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 고장 검출 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

도 1은 일반적인 회전 대칭 구조의 모터인 12극(poles) 9슬롯(slots) PM 모터를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 회전자 허브(110)와 영구자석(120)이 회전하게 되면 고정자 코어(130)와의 상호 작용에 의해 공극 자속 밀도가 결정되고 권선(140)에 역기전력이 유도된다. 참고로, 공극이란 상기 영구자석(120)과 상기 고정자 코어(130) 사이의 간격을 의미한다.

도 2는 일반적으로 사용되는 3상 Y-권선을 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 일반적인 집중권 모터에서는 u, v, w상이 순서대로 각각 존재하게 되며, 각 상(u, v, w)을 구성하는 권선(210)은 주로 직렬로 연결된다. 따라서, 각 상에 유도되는 역기전력은 각 상을 구성하는 치의 권선(210)에 유도되는 역기전력의 합으로 나타나게 된다.

모터의 베어링에 고장이 발생하게 되면, 회전하는 모터의 진동이 발생하기 때문에 공극 자속 밀도의 변동이 나타나게 된다. 이때, 각 치에 유도되는 역기전력의 파형에 변동이 발생된다. 하지만, 회전 대칭 구조의 모터에서는 공극 자속 밀도의 변동을 감지할 수 없게 된다.

본 발명의 일 실시예에서는 각 치에 유도되는 역기전력을 각 치별로 따로 검출함으로써, 모터에 고장이 발생하는 경우 공극 변동에 의해 발생되는 이상 성분을 역기전력 검출을 통해 감지할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 고장 검출 장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 고장 검출 장치(300)는 역기전력 측정부(310), 비교 분석부(320), 고장 검출부(330), 및 제어부(340)를 포함할 수 있다.

상기 역기전력 측정부(310)는 모터의 각 상을 구성하는 치들 중 적어도 하나의 치에 유도되는 역기전력을 측정한다.

예컨대, 3상 모터이고 그 모터의 각 상(u, v, w)을 구성하는 치가 3개라고 가정한다. 이러한 경우, 상기 역기전력 측정부(310)는 u상의 치들 3개 중 2개의 치에 유도되는 역기전력과, v상의 치들 3개 중 1개의 치에 유도되는 역기전력과, w상의 치들 3개 중 2개의 치에 유도되는 역기전력을 측정할 수 있다.

또는, 상기 예에서와 같은 경우, 상기 역기전력 측정부(310)는 u상의 치들 3개 중 1개 치에 유도되는 역기전력과, v상의 치들 3개 중 1개의 치에 유도되는 역기전력과, w상의 치들 3개 중 1개의 치에 유도되는 역기전력을 측정할 수 있다.

즉, 상기 역기전력 측정부(310)는 모터의 각 상을 구성하는 치들 중 하나 이상의 치에 유도되는 역기전력을 측정할 수 있다. 다시 말해서, 상기 역기전력 측정부(310)는 상기 모터의 각 상에 구비된 치들 중 최소 하나에 유도되는 역기전력을 치별로 따로따로 측정할 수 있다.

다른 실시예로서, 상기 역기전력 측정부(310)는 상기 모터의 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 치들 각각에 유도되는 역기전력을 측정할 수도 있다. 예를 들어, 앞선 예에서와 같은 경우, 상기 역기전력 측정부(310)는 w상의 치들 3개에 각각 유도되는 역기전력을 측정할 수 있다.

이때, 상기 역기전력 측정부(310)는 상기 모터의 회전 중심축의 정적 편심(고정자 편심)에 따른 위치 및 각도 오차 값과, 고장이 없는 이상적인 모터의 공극 크기 값에 기초하여 상기 역기전력을 측정할 수 있다. 상기 모터에 정적 편심이 발생하는 경우의 역기전력의 측정 값을 산출하기 위한 수학식 3에 대해서는 후술하는 실시예에서 자세히 설명하기로 한다.

한편, 상기 역기전력 측정부(310)는 상기 모터의 회전 중심축의 동적 편심(회전자 편심)에 따른 위치 오차 값 및 각속도 변화 값과, 고장이 없는 이상적인 모터의 공극 크기 값에 기초하여 상기 역기전력을 측정할 수 있다. 상기 모터에 동적 편심이 발생하는 경우의 역기전력의 측정 값을 산출하기 위한 수학식 4에 대해서는 후술하는 실시예에서 자세히 설명하기로 한다.

상기 역기전력 측정부(310)는 상기 모터의 각 상을 구성하는 치들 중 어느 하나에 연결되는 저항을 포함할 수 있다. 상기 역기전력 측정부(310)는 상기 저항을 통해 검출되는 전압을 상기 저항이 연결된 각 치에 유도되는 역기전력으로서 측정할 수 있다.

여기서, 상기 저항은 상기 각 상에 하나씩 연결될 수 있다. 예를 들면, 3상 모터이고 그 모터의 각 상(u, v, w)을 구성하는 치가 3개인 경우, 상기 저항은 3개로 이루어질 수 있다. 그 중 하나의 저항은 u상의 치 중 어느 하나에 연결될 수 있고, 다른 하나의 저항은 v상의 치 중 어느 하나에 연결될 수 있으며, 나머지 하나의 저항은 w상의 치 중 어느 하나에 연결될 수 있다(도 12 참조).

다른 실시예로서, 상기 역기전력 측정부(310)는 상기 모터의 각 상을 구성하는 치들 중 어느 하나에 연결되는 추가 권선을 포함할 수 있다. 상기 역기전력 측정부(310)는 상기 추가 권선을 통해 상기 추가 권선이 연결된 각 치에 유도되는 역기전력을 후처리 없이 바로 측정할 수 있다.

여기서, 상기 추가 권선은 상기 각 치의 권선과 같은 형태로 형성될 수 있으며, 상기 각 상에 하나씩 연결될 수 있다. 이때, 상기 추가 권선은 해당 치와 일정 간격 이격된 상태로 형성될 수도 있다. 예를 들면, 3상 모터이고 그 모터의 각 상(u, v, w)을 구성하는 치가 3개인 경우, 상기 추가 권선은 3개로 이루어질 수 있다. 그 중 하나의 추가 권선은 u상의 치 중 어느 하나에 연결될 수 있고, 다른 하나의 추가 권선은 v상의 치 중 어느 하나에 연결될 수 있으며, 나머지 하나의 추가 권선은 w상의 치 중 어느 하나에 연결될 수 있다(도 13 참조).

또 다른 실시예로서, 상기 역기전력 측정부(310)는 상기 모터의 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 치들 각각에 연결되는 저항을 포함할 수 있다. 상기 역기전력 측정부(320)는 상기 저항을 통해 검출되는 전압을 상기 저항이 연결된 각 치에 유도되는 역기전력으로서 측정할 수 있다.

여기서, 상기 저항은 상기 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 모든 치들에 하나씩 연결될 수 있다. 예를 들면, 3상 모터이고 그 모터의 각 상(u, v, w)을 구성하는 치가 3개인 경우, 상기 저항은 w상의 3개의 치에 각각 연결될 수 있다(도 14 참조).

상기 비교 분석부(320)는 상기 측정된 역기전력 각각의 파형을 비교 분석한다. 여기서, 상기 각 치에 유도되는 역기전력의 파형은 상기 모터의 고장에 의해 정적 편심이 발생하는 경우, 크기가 서로 다른 정현파로 나타날 수 있다.

상기 비교 분석부(320)는 상기 역기전력의 파형이 크기가 서로 다른 정현파로 나타나는 경우, 상기 정현파의 크기 비교를 통해 상기 역기전력의 절대 크기를 상대 비교하여 상기 역기전력 간의 차이 값을 분석할 수 있다.

한편, 상기 비교 분석부(320)는 상기 모터의 고장에 의해 동적 편심이 발생하는 경우에는 동적 편심의 검출을 위하여 상기 각 치에 유도되는 역기전력의 파형을 시간 영역(Time Domain)에서 주파수 영역(Frequency Domain)으로 변환하는 과정을 수행할 수 있다.

이를 위해, 상기 비교 분석부(320)는 상기 각 치 중에서 2개의 치에 유도되는 역기전력의 파형에 대해 푸리에 변환(Fourier Transform)을 수행할 수 있다. 즉, 상기 비교 분석부(320)는 상기 모터의 고장에 의해 동적 편심이 발생하는 경우, 두 치의 역기전력의 파형을 푸리에 변환하여 주파수의 기본 성분 및 부가 성분(X±1)을 추출하고, 추출된 상기 기본 성분 및 상기 부가 성분의 크기 비교를 통해 상기 각 치의 역기전력 간의 차이 값을 분석할 수 있다.

상기 고장 검출부(330)는 상기 비교 분석부(320)의 비교 분석 결과에 기초하여 상기 모터의 고장을 검출한다.

즉, 상기 고장 검출부(330)는 상기 정현파의 크기 비교를 통한 역기전력 간의 차이 값에 기초하여 상기 정적 편심이 발생하는 위치 및 편심량을 검출할 수 있다. 다시 말해, 상기 고장 검출부(330)는 상기 정현파의 크기 비교에 따라 차이가 발생하면, 상기 모터에 정적 편심이 발생한 것으로 판단하고, 상기 정적 편심이 발생하는 위치 및 편심량을 검출할 수 있다.

또 달리, 상기 고장 검출부(330)는 두 치의 역기전력의 주파수 성분 비교를 통한 역기전력 간의 차이 값에 기초하여 상기 동적 편심이 발생하는 위치 및 편심량을 검출할 수 있다. 다시 말해, 상기 고장 검출부(330)는 두 치의 역기전력의 주파수 성분 중에, 기본 성분(X) 외에 부가 성분(X±1)이 포함되어 있으면 상기 모터에 동적 편심이 발생한 것으로 판단하고, 상기 동적 편심이 발생하는 위치 및 편심량을 검출할 수 있다.

상기 제어부(340)는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 고장 검출 장치(300), 즉 상기 역기전력 측정부(310), 상기 비교 분석부(320), 및 상기 고장 검출부(330) 등의 동작을 전반적으로 제어할 수 있다.

실시예

이하에서는 상기 모터 고장 검출 장치를 통해 모터의 고장을 검출하는 과정이 어떤 결과를 가져오고, 그 결과가 어떻게 산출되었는지에 대하여 구체적으로 설명한다.

모터의 고장이 없는 이상적인 경우, 각 치에 유도되는 역기전력은 다음과 같이 수학식 1로 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기서, e는 각 치의 역기전력을 나타내고, A는 각 치의 권선 수와 역기전력 계수를 곱하여 산출된 역기전력 크기를 나타내며, B는 k번 째 주파수에서의 역기전력 크기를 각각 나타낸다. 그리고, α_κ는 역기전력의 위상을 나타내고, l은 치의 수를 나타낸다.

또한, 각 상에 유도되는 역기전력은 다음의 수학식 2와 같이 한 상을 구성하는 각 치의 역기전력의 합으로 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

여기서, e_u, e_v, e_w는 각각 u, v, w상에 있는 각 치의 역기전력을 나타내고, l은 치의 수를 나타낸다.

도 4 및 도 5는 고장이 없는 이상적인 경우의 역기전력 파형을 나타낸 도면이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 모터의 고장이 없는 이상적인 경우, 각 상의 역기전력은 120도의 위상 차를 갖는 동일한 파형으로 나타난다.

도 6은 모터 고장에 의해 고정자 편심이 발생한 경우의 모터를 나타낸 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 모터의 고장에 의해 고정자 편심이 발생하는 경우, 상기 모터의 각 치에 유도되는 역기전력은 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 3]

여기서, e는 각 치의 역기전력을 나타내고, A는 각 치의 권선 수와 역기전력 계수를 곱하여 산출된 역기전력 크기를 나타내며, B는 k번 째 주파수에서의 역기전력 크기를 각각 나타낸다. 그리고, α_κ는 역기전력의 위상을 나타내고, l은 치의 수를 나타낸다. 또한, ε는 고정자의 원래 중심에서 벗어난 벡터(거리)를 나타내고, g는 고장이 없는 이상적인 경우의 gap(공극)을 나타내며, θ는 고정자의 원래 중심에서 벗어난 각도를 나타낸다. 참고로, ε, g, θ는 고정된 값이다.

상기 모터의 고장에 의해 고정자 편심이 발생하게 되면, 편심이 있는 방향은 공극의 크기가 줄어들게 되어 역기전력의 크기가 상대적으로 증가하게 되고, 편심 반대 방향은 공극의 크기가 늘어나게 되어 역기전력의 크기가 상대적으로 감소하게 된다. 하지만, 각 상을 구성하는 역기전력의 합을 구하는 경우, 각 치의 역기전력 변동은 서로 상쇄된다.

도 7 및 도 8은 모터의 고장에 의해 고정자 편심이 발생하는 경우 유도되는 역기전력을 나타낸 도면이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 모터의 고장에 의해 고정자 편심이 발생하는 경우, 각 치의 역기전력을 검출하면 모터의 고장에 의해 역기전력에 변동이 나타난다.

하지만, 상기 모터의 고장에 의해 고정자 편심이 발생하는 경우, 각 상의 역기전력을 검출하면 상기 모터의 고장에 의해 역기전력의 변동이 발생하지 않게 된다. 따라서, 각 치의 역기전력을 검출하는 경우에만 모터의 고장을 감지할 수 있게 된다.

도 9는 모터 고장에 의해 회전자 편심이 발생하는 경우의 모터를 나타낸 도면이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 상기 모터의 고장에 의해 회전자 편심이 발생하는 경우, 상기 모터의 각 치에 유도되는 역기전력은 다음의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 4]

여기서, e는 각 치의 역기전력을 나타내고, A는 각 치의 권선 수와 역기전력 계수를 곱하여 산출된 역기전력 크기를 나타내며, B는 k번 째 주파수에서의 역기전력 크기를 각각 나타낸다. 그리고, α_κ는 역기전력의 위상을 나타내고, m은 치의 수를 나타낸다. 또한, ε는 회전자의 원래 중심에서 벗어난 벡터(거리)를 나타내고, g는 고장이 없는 이상적인 경우의 gap(공극)을 나타내며, wt는 회전자의 원래 중심에서 벗어난 각속도를 나타낸다. 참고로, ε, g 는 고정된 값이고, wt는 t(시간)에 따라 변하는 값이다.

상기 모터의 고장에 의해 회전자 편심이 발생하게 되면, 한 치에 마주하는 공극의 크기는 모터 회전 주파수와 동일하게 늘었다 줄었다를 반복하게 된다. 따라서, 한 개의 치에 유도되는 역기전력의 크기는 정현파에 맴돌이 현상이 발생하는 것과 동일한 형태로 나타나게 된다. 하지만, 한 상을 구성하는 치들의 역기전력을 합하게 되면 이 영향 또한 상쇄되어 사라지게 된다.

도 10 및 도 11은 모터의 고장에 의해 회전자 편심이 발생하는 경우 유도되는 역기전력을 나타낸 도면이다.

도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 모터의 고장에 의해 회전자 편심이 발생하는 경우, 각 치의 역기전력을 검출하면 상기 모터의 고장에 의해 역기전력에 변동이 나타난다.

하지만, 상기 모터의 고장에 의해 회전자 편심이 발생하는 경우, 각 상의 역기전력을 검출하면 상기 모터의 고장에 의해 역기전력의 변동이 발생하지 않게 된다. 따라서, 각 치의 역기전력을 검출하는 경우에만 상기 모터의 고장을 감지할 수 있게 된다.

이와 같이, 상기 모터에 고장이 발생하는 경우, 각 치에 유도되는 역기전력은 서로 다르게 나타나게 된다. 따라서, 상기 모터의 고장을 감지하기 위해서는 각 치의 역기전력을 검출하여 변동을 파악하면 된다. 그리고, 상기 모터의 고장을 감지하기 위해서는 상기 모터 전체의 치 중 2개 혹은 3개 이상의 역기전력 파형이 필요하게 된다.

이에, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 모터의 각 상을 구성하는 한 개의 치에서 역기전력 파형을 검출하거나, 상기 모터의 한 상을 구성하는 각 치에서의 역기전력 파형을 검출하여, 파형 간의 상대 비교를 통하여 상기 모터의 고장을 검출할 수 있다.

도 12 및 도 13은 모터의 각 상별 한 개의 치에서 역기전력을 검출하기 위한 회로를 나타낸 도면이다.

도 12는 상기 각 상별 한 개의 치(1210)의 권선에 큰 저항(1220)을 연결하여 전압을 검출하는 방법을 나타내고, 도 13은 상기 각 상별 한 개의 치(1310)에 추가 권선(1320)을 사용하여 역기전력을 검출하는 방법을 나타낸다.

도 12와 같은 검출 방법에서와 같이 권선을 사용하는 경우, 상기 각 상별 한 개의 치(1210)의 권선에 저항(1220)만을 연결하여 사용할 수 있기 때문에 간단한 제작을 통해 역기전력의 검출을 용이하게 할 수 있다.

도 13과 같은 검출 방법에서와 같이 권선을 사용하는 경우, 상기 각 상별 한 개의 치(1310)의 권선에 추가 권선(1320)을 사용하기 때문에 상기 모터의 동작 중 검출되는 역기전력을 후처리 없이 바로 사용할 수 있다.

상기 모터의 고장에 의해 고정자 편심이 발생하는 경우, 각 치에 발생하는 역기전력 파형은 크기가 서로 다른 정현파로 나타난다. 이러한 경우, 본 발명의 일 실시예에서는 역기전력 절대 크기의 상대 비교를 통해 고정자 편심이 발생하는 위치와 편심량을 파악할 수 있다.

상기 모터의 고장에 의해 회전자 편심이 발생하는 경우, 각 치에 발생하는 역기전력 파형은 기본 성분 외 주변 성분을 포함하는 형태로 나타난다. 이러한 경우, 본 발명의 일 실시예에서는 기본 성분 외 주변 성분의 크기를 상대 비교하여 회전자 편심이 발생하는 위치와 편심량을 확인할 수 있다.

도 14는 모터의 한 상을 구성하는 치들의 역기전력을 각각 검출하기 위한 회로를 나타낸 도면이다.

도 14에 도시된 바와 같이, 상기 회로를 사용하는 경우, 상기 모터의 고장에 의해 고정자 편심이 발생하면, 두 치(1410)의 역기전력의 차는 정현파 형태로 나타나게 되고, 그 크기는 서로 다르게 나타난다.

이때, 각 치(1410)의 역기전력의 차들을 상대 비교하면 고정자 편심이 발생하는 위치와 편심량을 파악할 수 있고, 그 결과를 나타내면 도 15와 같다.

도 15는 모터의 한 상을 구성하는 각 치의 역기전력 차를 통한 고장 검출의 일례를 도시한 도면이다.

도 15에 도시된 바와 같이, 상기 모터에 정적 편심이 발생하는 경우, 상기 각 치 중 두 치에 대한 역기전력(BEMF)의 파형을 살펴보면, 상기 두 치의 역기전력의 값은 각 위치[angular position(rad)]에 따라 변화한다.

이때, 상기 두 치의 역기전력의 차이가 최대가 되는 값, 즉 최대 차이값을 구할 수 있는데, 본 발명의 일 실시예에서는 이 최대 차이 값을 통해 정적 편심량(편심 정도)을 파악할 수 있다.

도 16은 한 상을 구성하는 각 치의 역기전력 차를 통한 고장 검출의 다른 예를 도시한 도면이다.

도 16에 도시된 바와 같이, 상기 모터의 고장에 의해 회전자 편심이 발생하게 되면, 두 치의 역기전력의 차는 주파수의 기본 성분(X) 외 부가 성분(X+1)으로 나타나게 되고, 그 크기 또한 서로 다르게 나타난다. 이때, 각 치의 역기전력의 차를 상대 비교하면 회전자 편심이 발생하는 위치와 편심량을 파악할 수 있고, 그 결과를 나타내면 도 16과 같다.

즉, 도 16에서와 같이, 상기 모터의 고장에 의해 회전자 편심이 발생하게 되면, 두 치의 역기전력의 차는 X, X+1, X-1 이렇게 세 부분에 나타날 수 있다. 여기서, X는 기본 성분을 나타내고 X+1, X-1는 부가 성분을 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에서는 X+1, X-1의 크기(Magnitude)가 크면 동적 편심이 큰 것으로 파악할 수 있다. 다시 말해, 본 발명의 일 실시예에서는 X+1, X-1의 크기에 기초하여 회전자 편심 시의 동적 편심량을 파악할 수 있다.

도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 고장 검출 방법을 설명하기 위해 도시한 흐름도이다.

도 3 및 도 17을 참조하면, 단계(1710)에서 상기 모터 고장 검출 장치(300)의 역기전력 측정부(310)는 모터의 각 상을 구성하는 각 치에 유도되는 역기전력을 측정한다.

또 달리, 상기 역기전력 측정부(310)는 상기 모터의 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 치들 각각에 유도되는 역기전력을 측정할 수 있다.

다음으로, 단계(1720)에서 상기 모터 고장 검출 장치(300)의 비교 분석부(320)는 상기 측정된 역기전력 각각의 신호 파형을 비교 분석한다.

즉, 상기 비교 분석부(320)는 상기 역기전력의 파형이 크기가 서로 다른 정현파로 나타나는 경우, 상기 정현파의 크기 비교를 통해 상기 역기전력의 절대 크기를 상대 비교하여 상기 역기전력 간의 차이 값을 분석할 수 있다.

또 달리, 상기 비교 분석부(320)는 상기 각 치 중에서 2개의 치에 유도되는 역기전력의 파형에 대해 푸리에 변환을 수행할 수 있다. 즉, 상기 비교 분석부(320)는 상기 모터의 고장에 의해 동적 편심이 발생하는 경우, 두 치의 역기전력의 파형을 푸리에 변환하여 주파수의 기본 성분 및 부가 성분(X±1)배 성분을 추출하고, 추출된 상기 기본 성분 및 상기 부가 성분의 크기 비교를 통해 상기 각 치의 역기전력 간의 차이 값을 분석할 수 있다.

다음으로, 단계(1730)에서 상기 모터 고장 검출 장치(300)의 고장 검출부(330)는 상기 비교 분석의 결과에 기초하여 상기 모터의 고장을 검출한다.

즉, 상기 고장 검출부(330)는 상기 비교 분석의 결과에 따른 역기전력 간의 차이 값에 기초하여 정적 편심 또는 동적 편심이 발생하는 위치 및 편심량을 검출할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 다양한 컴퓨터로 구현되는 동작을 수행하기 위한 프로그램 명령을 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함한다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 로컬 데이터 파일, 로컬 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 매체, 및 롬, 램, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

110: 로터 허브
120: 영구자석
130: 코어
140: 권선
310: 역기전력 측정부
320: 비교 분석부
330: 고장 검출부
340: 제어부

Claims

모터의 각 상을 구성하는 치들 중 적어도 하나의 치에 유도되는 역기전력을 측정하거나, 상기 모터의 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 치들 각각에 유도되는 역기전력을 측정하는 역기전력 측정부;
상기 측정된 역기전력 각각의 파형을 비교 분석하는 비교 분석부; 및
상기 비교 분석의 결과에 기초하여 상기 모터의 고장을 검출하는 고장 검출부
를 포함하고,
상기 역기전력 측정부는
상기 모터의 회전 중심축의 정적 편심에 따른 위치 및 각도 오차 값과, 고장이 없는 이상적인 모터의 공극 크기 값에 기초하여 상기 역기전력을 측정하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 검출 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 역기전력 측정부는
상기 위치 및 각도 오차 값과, 상기 공극 크기 값을 매개 변수로 하는 하기 수학식 3에 기초하여 상기 역기전력을 측정하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 검출 장치.
[수학식 3]

여기서, e는 각 치의 역기전력을 나타내고, A는 각 치의 권선 수와 역기전력 계수를 곱하여 산출된 역기전력 크기를 나타내며, B는 k번 째 주파수에서의 역기전력 크기를 각각 나타내며, α_κ는 역기전력의 위상을 나타내고, l은 치의 수를 나타내며, ε는 고정자의 원래 중심에서 벗어난 벡터(거리)를 나타내고, g는 고장이 없는 이상적인 경우의 gap(공극)을 나타내며, θ는 고정자의 원래 중심에서 벗어난 각도를 나타낸다.
모터의 각 상을 구성하는 치들 중 적어도 하나의 치에 유도되는 역기전력을 측정하거나, 상기 모터의 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 치들 각각에 유도되는 역기전력을 측정하는 역기전력 측정부;
상기 측정된 역기전력 각각의 파형을 비교 분석하는 비교 분석부; 및
상기 비교 분석의 결과에 기초하여 상기 모터의 고장을 검출하는 고장 검출부
를 포함하고,
상기 역기전력 측정부는
상기 모터의 회전 중심축의 동적 편심에 따른 위치 오차 값 및 각속도 변화 값과, 고장이 없는 이상적인 모터의 공극 크기 값에 기초하여 상기 역기전력을 측정하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 검출 장치.
제4항에 있어서,
상기 역기전력 측정부는
상기 위치 오차 값, 상기 각속도 변화 값, 및 상기 공극 크기 값을 매개 변수로 하는 하기 수학식 4에 기초하여 상기 역기전력을 측정하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 검출 장치.
[수학식 4]

여기서, e는 각 치의 역기전력을 나타내고, A는 각 치의 권선 수와 역기전력 계수를 곱하여 산출된 역기전력 크기를 나타내며, B는 k번 째 주파수에서의 역기전력 크기를 각각 나타내며, α_κ는 역기전력의 위상을 나타내고, m은 치의 수를 나타내며, ε는 회전자의 원래 중심에서 벗어난 벡터(거리)를 나타내고, g는 고장이 없는 이상적인 경우의 gap(공극)을 나타내며, wt는 회전자의 원래 중심에서 벗어난 각속도를 나타낸다.
모터의 각 상을 구성하는 치들 중 적어도 하나의 치에 유도되는 역기전력을 측정하거나, 상기 모터의 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 치들 각각에 유도되는 역기전력을 측정하는 역기전력 측정부;
상기 측정된 역기전력 각각의 파형을 비교 분석하는 비교 분석부; 및
상기 비교 분석의 결과에 기초하여 상기 모터의 고장을 검출하는 고장 검출부
를 포함하고,
상기 역기전력 측정부는
각 상을 구성하는 치들 중 어느 하나에 연결되거나, 상기 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 치들 각각에 연결되는 저항을 포함하고, 상기 저항을 통해 검출되는 전압을 상기 저항이 연결된 치에 유도되는 역기전력으로서 측정하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 검출 장치.
모터의 각 상을 구성하는 치들 중 적어도 하나의 치에 유도되는 역기전력을 측정하거나, 상기 모터의 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 치들 각각에 유도되는 역기전력을 측정하는 역기전력 측정부;
상기 측정된 역기전력 각각의 파형을 비교 분석하는 비교 분석부; 및
상기 비교 분석의 결과에 기초하여 상기 모터의 고장을 검출하는 고장 검출부
를 포함하고,
상기 역기전력 측정부는
상기 각 상을 구성하는 치들 중 어느 하나에 연결되는 추가 권선을 포함하고, 상기 추가 권선을 통해 상기 추가 권선이 연결된 치에 유도되는 역기전력을 후처리 없이 바로 측정하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 검출 장치.
모터의 각 상을 구성하는 치들 중 적어도 하나의 치에 유도되는 역기전력을 측정하거나, 상기 모터의 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 치들 각각에 유도되는 역기전력을 측정하는 역기전력 측정부;
상기 측정된 역기전력 각각의 파형을 비교 분석하는 비교 분석부; 및
상기 비교 분석의 결과에 기초하여 상기 모터의 고장을 검출하는 고장 검출부
를 포함하고,
상기 각 치에 유도되는 역기전력의 파형은
상기 모터의 고장에 의해 정적 편심이 발생하는 경우, 크기가 서로 다른 정현파로 나타나고,
상기 비교 분석부는
상기 정현파의 크기 비교를 통해 상기 역기전력의 절대 크기를 상대 비교하여 상기 역기전력 간의 차이 값을 분석하고,
상기 고장 검출부는
상기 역기전력 간의 차이 값에 기초하여 상기 정적 편심이 발생하는 위치 및 편심량을 검출하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 검출 장치.
제1항, 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 비교 분석부는
상기 모터의 고장에 의해 동적 편심이 발생하는 경우, 두 치의 역기전력의 파형을 푸리에 변환하여 주파수의 기본 성분(X) 및 부가 성분(X±1)을 추출하고, 상기 기본 성분 및 상기 부가 성분의 크기 비교를 통해 상기 각 치의 역기전력 간의 차이 값을 분석하고,
상기 고장 검출부는
상기 역기전력 간의 차이 값에 기초하여 정적 편심이 발생하는 위치 및 편심량을 검출하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 검출 장치.
모터 고장 검출 장치의 역기전력 측정부에서, 모터의 각 상을 구성하는 치들 중 적어도 하나의 치에 유도되는 역기전력을 측정하거나, 상기 모터의 각 상 중 어느 하나의 상을 구성하는 치들 각각에 유도되는 역기전력을 측정하는 단계;
상기 모터 고장 검출 장치의 비교 분석부에서, 상기 측정된 역기전력 각각의 파형을 비교 분석하는 단계; 및
상기 모터 고장 검출 장치의 고장 검출부에서, 상기 비교 분석의 결과에 기초하여 상기 모터의 고장을 검출하는 단계
를 포함하고,
상기 역기전력을 측정하는 단계는
상기 모터의 회전 중심축의 정적 편심에 따른 위치 및 각도 오차 값과, 고장이 없는 이상적인 모터의 공극 크기 값에 기초하여 상기 역기전력을 측정하는 단계; 또는
상기 모터의 회전 중심축의 동적 편심에 따른 위치 오차 값 및 각속도 변화 값과, 고장이 없는 이상적인 모터의 공극 크기 값에 기초하여 상기 역기전력을 측정하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 고장 검출 방법.