KR101537622B1 - 모터 및 이의 제어방법 - Google Patents

모터 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모터 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전기자동차용 구동장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기자동차용 구동모터 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 계자권선이 구비된 로터와 전기자권선이 구비된 스테이터를 포함하여 이루어지는 모터에 있어서, 동일 토크 발생을 위해 인가될 수 있는 상기 계자전류값과 전기자전류값의 복수 개의 조합 중에서, 상기 계자전류값과 전기자전류값의 합이 최소가 되는 단일 전류 조합으로 상기 모터를 제어하는 모터 제어부를 포함하는 모터를 제공할 수 있다.

Description

모터 및 이의 제어방법{motor and the controlling method of the same}
본 발명은 모터 및 이의 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 전기자동차용 구동장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기자동차용 구동모터 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 자동차는 엔진을 통해 구동된다. 엔진 구동을 위해 휘발유나 경유 등 다양한 탄소 기반 원료들이 사용되고, 이로 인해 탄소 가스가 많이 배출될 수 있다. 따라서, 자동차에서 배출되는 탄소 가스를 줄이기 위해, 전기 배터리를 이용하여 자동차를 구동하는 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 대한 개발이 많이 이루어지고 있다.
전기자동차는 배터리에 충전된 전기를 통해 모터를 구동하여 자동차가 구동되는 자동차를 의미한다. 하이브리드 자동차는 조건에 따라, 엔진과 모터를 선택적 또는 병행적으로 구동하는 자동차를 의미한다. 따라서, 하이브리드 자동차 또한 전기자동차라 할 수 있다. 왜냐하면, 하이브리드 자동차 또한 배터리를 이용하는 구동모터를 포함하고 있기 때문이다.
모터를 이용한 전기자동차의 출력 성능은 모터의 출력 성능과 매우 밀접하다. 따라서, 모터의 성능이 전기자동차의 성능을 좌우할 수 있으므로, 모터의 구조, 형상이나 크기 및 이의 제어방법이 매우 중요하다고 할 수 있다.
모터는 기본적으로 전기 에너지를 이용하여 회전축에서 토크(기계적 회전력)을 얻는 장치이다. 그러나, 통상 많은 모터에서 속도만이 제어의 대상이고 모터의 토크는 직접적인 제어의 대상이 아니다. 왜냐하면, 모터의 토크는 기계적 관성에 의해 저주파 필터링된 후 속도의 변화로 나타나기 때문이다.
따라서, 일반적으로 모터의 순시 토크(instantaneous torque)보다는 평균 토크가 주요 관심 대상이며, 평균 토크에 의한 모터 또는 모터의 속도 제어가 주 제어 대상이 된다. 이는 전기자동차 구동용 모터에서도 마찬가지이다.
그러나, 일반적인 모터와 달리, 전기자동차 구동용 모터는 12000 RPM 이상까지 회전 속도가 제어되는 것이 요구되고 있다. 즉, 회전 속도 대역이 매우 넓기 때문에, 이러한 모터를 제작하거나 이를 제어하는 데 매우 어려운 문제가 있다.
도 1은 일반적인 전기자동차용 구동모터의 출력 토크(단위 Nm), 회전 속도(단위 RPM) 그리고 출력(단위 Kw)의 관계를 도시한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 정격 속도(Nbase)를 기준으로 토크, 출력 그리고 속도의 패턴이 달라진다. 즉, 속도가 점차 증가하여 정격 속도에 이르기까지의 출력 토크는 일정하고 출력은 점차 커진다. 정격속도 이상에서는 속도가 증가함에 따라 출력 토크는 작아지고 출력은 일정해진다. 즉, 일정한 출력 토크에서 속도는 점차 증가하여 정격속도에 이르고, 정격속도 이상에서는 출력 토크가 감소하게 된다. 아울러, 일정한 출력 토크에서 출력은 점차 증가하고, 정격속도 이상에서는 출력이 일정하게 된다. 물론, 이는 동일한 지령 토크가 입력됨을 전제로 한다.
따라서, 지령 토크가 일정하다면, 도 1에 도시된 바와 같이, 지령 토크의 값과 무관하게 출력, 토크 그리고 속도(회전수)의 관계 패턴이 동일하게 나타남을 알 수 있다. 다시 말하면, 최대 지령 토크(Tmax)에서의 토크 곡선(a)과 임의의 지령 토크(T)에서의 토크 곡선(b)은 동일한 패턴으로 형성됨을 알 수 있다.
또한, 도 1을 통해서, 동일한 지령 토크가 입력되면, 정격 속도 미만에서는, 지령 토크와 실질적으로 동일한 출력 토크가 발생함을 알 수 있다. 아울러, 정격 속도 이상에서는, 지령 토크보다 점차 감소하는 출력 토크가 발생함을 알 수 있다. 즉, 속도가 더욱 증가함에 따라 출력 토크가 지령 토크보다 더욱 작아짐을 알 수 있다.
여기서, 정격 속도 미만의 운전 영역을 정토크 운전 영역이라 할 수 있고, 정격 속도 이상의 운전 영역을 정출력 운전 영역이라 할 수 있다.
정토크 운전 영역은, 동일 지령 토크에 대하여, 회전 속도와 무관하게 일정 토크가 발생되는 운전 영역이라 할 수 있다. 그리고, 정출력 운전 영역은, 동일 지령 토크에 대하여, 회전 속도가 증가함에 따라 토크가 감소하되 출력은 일정하게 발생되는 운전 영역이라 할 수 있다.
도 1은 전기자동차의 주행환경과 시간을 고려하지 않은 그래프라 할 수 있다. 왜냐하면, 동일 주행환경에서는 지령 토크가 클수록 정격속도에 이르는 시간이 짧아질 것이며, 동일 지령 토크인 경우는 경사 지형에서보다는 평탄 지형에서 정격속도에 이르는 시간이 짧아질 것이기 때문이다.
이러한 최대 출력 토크(Tmax), 정격속도(Nbase) 그리고 최대 출력(Kw_max)을 통해 구동모터 또는 전기자동차의 사양이 표현될 수 있다. 물론, 최대 속도(Nmax)를 통해서도 표현될 수 있다.
그러나, 구동모터의 사양은 제조사마다 달라질 수 있다. 아울러, 요구되는 구동모터 또는 구동장치의 사이즈와 형상도 전기자동차마다 달라질 수 있다. 따라서, 동일하거나 유사한 사양에서 구동모터의 성능을 높이는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다.
전기자동차용 구동모터 중에는 계자전류를 제어하여 그 출력을 제어할 수 있는 계자권선 모터가 있다. 계자권선 모터에서, 출력은 입력된 출력(지령 토크)을 추종하도록 제어되므로, 결국 지령 토크가 입력되면, 상기 계자전류를 제어하여 모터의 출력이 지령 토크를 추종하도록 제어된다. 물론, 후술하는 바와 같이, 중고속 영역에서는 지령 토크와 실제 출력 토크는 달라지게 된다.
여기서, 상기 입력된 출력은 악셀레이터의 각도에 비례하여 산출될 수 있다. 즉, 사용자가 악셀레이터를 밟는 각도가 커질수록 지령 토크가 커지게 되며, 지령 토크가 커질수록 계자전류가 커지도록 제어할 수 있다. 다시 말하면, 지령 토크값이 커질수록 모터에 인가되는 계자전류값이 커지도록 제어할 수 있다.
도 2는 모터의 계자전류와 전기자전류를 제어하여 모터의 출력을 제어하는, 계자 코일 모터(계자권선 모터)의 제어 플로우차트의 일실시예를 도시하고 있다. 계자 코일 모터를 전기자동차용 구동모터로 사용하는 경우, 다음과 같은 플로우로 제어될 수 있다.
먼저, 지령 토크를 산출한다(S2). 이러한 지령 토크는 악셀레이터 페달의 각도를 통해서 산출될 수 있다. 즉, 운전자가 악셀레이터 페달을 밟으면, 악셀레이터 페달의 각도가 입력되고(S1), 상기 각도를 통해 지령 토크가 계산(S2)될 수 있다.
지령 토크가 산출되거나 계산되면, 모터가 상기 지령 토크를 추종하도록 제어되며(S3), 이러한 제어를 통해 모터가 구동된다(S6).
지령 토크 추종 제어(S3)는 지령 토크에 대하여 입력되는 계자전류값(If)과 전기자전류값(Ia)을 산출(S4)하고, 산출된 전류값들을 모터에 인가(S5)하면서 수행된다. 그리고, 인가된 전류값들을 통해 모터가 지령 토크를 추종하면서 구동된다(S6). 물론, 모터의 출력 토크, 속도(회전수) 그리고 온도 등이 피드백되어(S7) 모터의 출력이 지령 토크와 최대한 유사하거나 동일하게 제어될 수 있다.
계자 코일 모터의 토크(T)는 다음과 같은 수학식을 통해 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
토크(T) = Pn{(Ψf × iq) + (Ld - Lq)×idiq}
상기 수학식 1에서, Pn은 모터 극수, Ψf는 계자 자속, iq는 전기자전류(Ia)의 토크 성분 전류값, id는 전기자전류의 자속 성분 전류, Ld는 자속 성분 릴럭턴스, Lq는 토크 성분 릴럭턴스이다.
상기 수학식 1을 통해서, 계자전류(If)와 전기자전류(Ia) 좌표 상에서, 도 3에 도시된 정토크 곡선이 생성될 수 있음을 알 수 있다. 즉, 동일 토크를 발생시키기 위한 계자전류값(If)과 전기자전류값(Ia)의 조합(이하 "전류 조합")은 무수히 많이 생성될 수 있음을 알 수 있다.
모터의 제어, 즉 지령 토크 추종 제어를 용이하게 하기 위해, 최대 토크에 대한 지령 토크의 비(토크비, T/T_max)와 최대 계자전류값(If_max)의 곱으로 결정되는 계자전류값을 이용할 수 있다. 이를 토크비 기준 제어라 할 수 있다.
최대 토크를 내기 위해서는 계자전류값이 최대가 되어야 한다. 따라서, 지령 토크가 입력되면 계자전류값은 다음과 같은 수학식을 통해서 간단하게 산출될 수 있다.
[수학식 2]
If = If_max * T / T_max
수학식 2에서 나타난 바와 같이, 토크비 기준 제어에서, 입력되는 계자전류값(If)은 입력되는 지령 토크값에 비례하도록 산출될 수 있다. 예를 들어, 최대 계자전류값이 9.8 A 그리고 최대 출력 토크가 280 Nm인 경우, 지령 토크가 140Nm일 때 입력 계자전류값은 4.9 A로 간단하게 산출될 수 있다.
따라서, 토크비 기준 제어는 최대 토크값, 최대 계자전류값 그리고 지령 토크에 기반하여, 계자전류값과 전기자전류값을 결정하여 입력하는 제어방법이라 할 수 있다. 그러므로, 지령 토크가 결정되면 이에 대응되는 계자전류값이 별도의 연산없이 결정될 수 있으며, 이에 따라 전기자전류값이 결정된다. 따라서, 모터의 제어가 용이하게 수행될 수 있다.
구체적으로, 이러한 토크비 기준 제어를 위해서, 각각의 지령 토크값에 대하여 대응되는 전류 조합이 룩업 테이블 형태로 마련될 수 있다. 따라서, 일단 지령 토크값이 입력되면, 별도의 연산 없이 룩업 테이블을 통해 입력되는 단일 전류 조합이 자동으로 결정될 수 있다.
그러나, 종래의 계자권선 모터에는, 속도와 무관하게 계자전류값이 결정된다. 즉, 동일한 지령 토크가 입력되면, 속도와 무관하게 계자전류값은 동일한 값으로 결정된다. 다시 말하면, 실제 출력 토크가 지령 토크보다 점차 작아지더라도(정격 속도 이상에서) 동일한 값의 계자전류값이 결정된다.
예를 들어, If_max가 9.8A이고 T_max가 280 Nm인 경우, 지령 토크가 140 Nm일 때, 속도와 무관하게 항상 계자전류값은 4.9A로 결정되어 입력된다. 즉, 정토크 영역(정토크 운전영역)이나 정출력 영역(정출력 운전영역)과 무관하게 항상 동일한 계자전류값이 입력된다. 따라서, 계자전류에 의해 발생되는 동손(copper loss)은 동일한 지령 토크일 때 일정하게 발생된다.
그러나, 회전 속도(N)와 무관하게 계자전류값이 일정하게 되면, 중고속 영역에서는 스테이터에서의 동손이 크게 발생하여 효율이 저하되는 문제가 발생될 수 있다. 왜냐하면, 중고속 영역에서는 실제 출력 토크에 비하여 지령 토크가 더 크기 때문이다.
여기서, 중고속 영역은 정격속도 이상 영역(정출력 영역, 약계자 영역)을 의미하고, 이러한 영역에서는 약계자 제어가 수행되므로, 상기 약계자 제어로 인해 스테이터에서의 동손이 크게 발생된다. 그리고, 이를 통해서 모터 전체의 효율이 크게 저하될 수 있다.
일반적으로, 로터의 회전시 스테이터에는 로터의 회전을 방해하는 방향으로 유도기전력이 발생한다. 이를 역기전력이라 한다. 역기전력은 로터 회전의 시간변화량에 비례하기 때문에, 로터가 저속으로 회전하는 경우에는 그 발생량이 적다. 따라서, 저속에서는 상기 역기전력이 모터의 제어에 큰 영향을 미치지 않는다.
그러나, 로터가 고속으로 회전하는 경우 발생하는 역기전력은 로터의 속도에 비례하여 더욱 커지게 된다. 따라서, 고속에서는 원하는 모터의 출력 속도 또는 출력을 얻기 어렵다. 이러한 문제로, 역기전력을 발생시키게 되는 자속과 반대되는 방향으로 역자속을 발생시켜, 계자 자속을 줄이는 것을 약계자 제어라 한다.
구체적으로, 약계자 제어는 전기자전류(Ia)의 자속 성분 전류(id)의 음의 방향 크기를 키워 수행된다. 이러한 자속 성분 전류(id)는 속도가 증가됨에 따라 더욱 커지게 된다. 그러나, id는 전기자전류(Ia)의 토크 성분 전류(iq)와 달리 모터의 출력과는 무관하기 때문에, id의 증가로 인해 스테이터의 동손이 매우 크게 발생되는 문제가 있다. 따라서, 중고속 운전 영역(정출력 영역)에서 모터의 총동손이 현저히 증가하여, 모터의 효율이 저하될 수 있다.
이러한 효율 저하는, 비단 정출력 영역뿐만 아니라 정토크 영역에서도 마찬가지로 발생될 수 있다. 왜냐하면, 정토크 영역에서는 전기자전류값의 자체 크기에 의해서 동손이 상대적으로 크게 발생될 수 있기 때문이다.
따라서, 모터의 운전 영역과 관련되거나 또는 이와 무관하게 모터 전체의 동손을 줄여, 효율을 증진시킬 수 있는 모터 및 이의 제어방법을 제공할 필요가 있다.
본 발명은 기본적으로 전술한 종래의 모터 및 이의 제어방법의 문제를 해결하고자 함을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예를 통하여, 전체 운전 영역에서 효율을 증진시킬 수 있는 모터 및 이의 제어방밥을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예를 통하여, 모터에 인가되는 전류값과 총동손 사이의 관계를 고려하여, 총동손을 최소화하여 효율을 증진시킬 수 있는 모터 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예를 통하여, 특히 저속 저토크 운전 영역에서 효율을 현저히 증진시킬 수 있는 모터 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.
전술한 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, 계자권선이 구비된 로터와 전기자권선이 구비된 스테이터를 포함하여 이루어지는 모터에 있어서, 정출력 운전 영역에서, 약계자 제어를 통한 상기 전기자권선에서의 동손 손실을 줄이기 위하여, 상기 모터의 회전수가 증가함에 따라 상기 계자권선에 인가되는 계자전류값(If)을 점차 감소하도록 제어하는 모터 제어부를 포함하는 모터를 제공할 수 있다.
상기 인가되는 계자전류값(If) 그리고 상기 계자전류값(If)에 대응하여 상기 전기자권선에 인가되는 전기자전류값(Ia)의 전류 조합(If, Ia)은, 동일 토크에 대하여 단일 조합임이 바람직하다.
상기 단일 조합은, 동일 토크에 대한 복수 개의 전류 조합 중, 총 모터 동손이 가장 낮게 되는 전류 조합임이 바람직하다.
상기 실시예에서, 정토크 운전 영에서도 마찬가지로, 동일 토크에 대한 복수 개의 전류 조합 중, 총 모터 동손이 가장 낮게 되는 전류 조합으로 모터에 인가됨이 바람직하다.
상기 단일 조합에서의 계자전류값은, 정토크 운전 영역에서, 최대 토크에 대한 지령 토크의 비(토크비, T/Tmax)와 최대 계자전류값(Ifmax)의 곱(토크비 기준 제어)으로 결정되는 계자전류값보다 실질적으로 큰 것이 바람직하다. 물론, 지령 토크값이 최대일 때 그리고 최소일 때와 같은 임계점에서의 계자전류값의 차이는 없을 것이다.
이는 실질적으로, 정토크 운전 영역에서는 전기자전류값의 자체 크기에 의한 총동손이 계자전류값의 자체 크기에 의한 총동손보다 크기 때문이다. 따라서, 동일한 출력 토크를 발생시키기 위해서는 상대적으로 계자전류값이 더 큰 것이 효율 측면에서 더욱 바람직하다.
상기 단일 조합에서의 계자전류값은, 정출력 운전 영역에서, 상기 토크비 기준제어로 결정되는 계자전류값보다 작은 것이 바람직하다. 이는 실질적으로, 정출력 운전 영역에서는 전기자전류값을 통한 약계자 제어로 인해 총동손이 더욱 커지기 때문이다. 따라서, 실질적으로는 계자전류값을 줄여 약계자 제어를 어느 정도 수행하는 것이 총동손 측면에서 더욱 효과적임을 알 수 있다.
전술한 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, 계자권선이 구비된 로터와 전기자권선이 구비된 스테이터를 포함하여 이루어지는 모터에 있어서,상기 계자권선과 상기 전기자권선에 의한 총 모터 동손을 줄이기 위하여, 동일 토크에 대하여, 상기 총 모터 동손이 최소가 되는 계자전류값과 전기자전류값의 단일 전류 조합으로 상기 모터를 제어하는 모터 제어부를 포함하는 모터를 제공할 수 있다.
상기 단일 전류 조합에서의 계자전류값은, 정토크 운전 영역에서, 최대 토크에 대한 지령 토크의 비(토크비, T/Tmax)와 최대 계자전류값(Ifmax)의 곱(토크비 기준 제어)으로 결정되는 계자전류값보다 실질적으로 큰 것이 바람직하다.
그리고, 상기 단일 전류 조합에서의 계자전류값은, 정출력 운전 영역에서, 상기 토크비 기준 제어로 결정되는 계자전류값보다 작은 것이 바람직하다.
상기 단일 전류 조합에서의 계자전류값은, 상기 모터의 회전수가 증가함에 따라 점차 감소하도록 제어됨이 바람직하다. 즉, 모터의 회전수가 증가함에 따라 역기전력의 크기가 더욱 커진다. 이는 전기자전류값을 이용하여 약계자 제어를 수행하는 경우, 소모되는 에너지가 더욱 커짐을 의미한다.
그러나, 본 실시예에 따르면, 계자전류값을 더욱 감소시킴으로 하여, 전기자전류값에 의해 소모되는 에너지를 줄일 수 있게 된다.
전술한 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, 계자권선이 구비된 로터와 전기자권선이 구비된 스테이터를 포함하여 이루어지는 모터에 있어서, 동일 토크 발생을 위해 인가될 수 있는 상기 계자전류값과 전기자전류값의 복수 개의 조합 중에서, 상기 계자전류값과 전기자전류값의 합이 최소가 되는 단일 전류 조합으로 상기 모터를 제어하는 모터 제어부를 포함하는 모터를 제공한다.
이는, 도체에 흐르는 동손은 전류값의 제곱에 비례함을 이용한 것이다. 전술한 바와 같이, 동일한 출력 토크의 발생을 위해서 복수 개의 전류 조합을 얻을 수 있다. 이러한 복수 개의 전류 조합에서 동손이 최소가 되는 단일 전류 조합을 단순한 연산을 통해서 결정될 수 있다. 따라서, 단순히 계자전류값과 전기자전류값의 산술적인 합이 최소가 되는 단일 전류 조합을 용이하게 결정할 수 있다.
상기 단일 전류 조합에서의 계자전류값은, 정토크 운전 영역에서, 상기 모터의 회전 속도와 무관하게 동일한 값을 가짐이 바람직하다.
상기 정토크 운전 영역은, 상기 회전 속도가 정격 속도 미만인 구간에서, 동일 토크에 대하여, 상기 회전 속도와 무관하게 일정 토크가 발생되는 운전 영역임이 바람직하다.
상기 단일 전류 조합에서의 계자전류값은, 정토크 운전 영역에서, 최대 토크에 대한 지령 토크의 비(토크비, T/Tmax)와 최대 계자전류값(Ifmax)의 곱(토크비 기준 제어)으로 결정되는 계자전류값보다 실질적으로 큰 것이 바람직하다.
상기 단일 조합에서의 계자전류값은, 정출력 운전 영역에서, 상기 모터의 회전 속도가 증가함에 따라 점차 감소되는 값을 가짐이 바람직하다.
상기 정출력 운전 영역은, 상기 회전 속도가 정격 속도 이상인 구간에서, 동일 지령 토크에 대하여, 상기 회전 속도가 증가함에 따라 토크가 감소하되 출력은 일정하게 발생되는 운전 영역임임이 바람직하다.
상기 단일 전류 조합에서의 계자전류값은, 정출력 운전 영역에서, 최대 토크에 대한 지령 토크의 비(토크비, T/Tmax)와 최대 계자전류값(Ifmax)의 곱(토크비 기준 제어)으로 결정되는 계자전류값보다 실질적으로 작은 것이 바람직하다.
전술한 목적을 이루기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, 계자권선이 구비된 로터와 전기자권선이 구비된 스테이터를 포함하여 이루어지는 모터의 제어방법에 있어서, 지령 토크를 계산하는 단계; 상기 계산된 지령 토크 또는 현재의 출력 토크를 통해, 모터 총동손이 최소가 되는 계자전류값과 전기자전류값의 단일 전류 조합을 결정하는 단계; 상기 결정된 단일 전류 조합을 인가하여 모터의 출력을 제어하는 모터의 제어방법을 제공할 수 있다.
피드백되는 로터의 회전수를 통하여 상기 회전수가 정격회전수 미만(정토크 영역)인지 또는 정격회전수 이상(정출력 영역)인지 판단하는 단계를 더 포함함이 바람직하다.
상기 판단 단계에서 정토크 영역으로 판단되면, 상기 단일 전류 조합은 지령 토크를 통해 결정되고, 정출력 영역으로 판단되면, 상기 단일 전류 조합은 현재의 출력 토크를 통해 결정됨이 바람직하다.
상기 현재의 출력 토크는, 피드백되는 현재의 출력 토크 또는 피드백되는 로터의 회전수와 상기 지령 토크에 의해 결정될 수 있다.
상기 판단 단계에서 정출력 영역으로 판단되면, 전기자전류값의 자속 성분 전류(id)의 음의 방향 크기를 키우는 약계자 제어가 수행됨이 바람직하다.
본 발명의 실시예를 통하여, 전체 운전 영역에서 효율을 증진시킬 수 있는 모터 및 이의 제어방밥을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예를 통하여, 모터에 인가되는 전류값과 총동손 사이의 관계를 고려하여, 총동손을 최소화하여 효율을 증진시킬 수 있는 모터 및 이의 제어방법을 제공을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예를 통하여, 특히 저속 저토크 운전 영역에서 효율을 현저히 증진시킬 수 있는 모터 및 이의 제어방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 모터의 출력, 토크 그리고 회전수와의 관계를 도시한 그래프;
도 2는 종래 모터의 제어 플로우 차트;
도 3은 계자전류와 전기자전류에 따른 정토크 곡선;
도 4는 본 발명의 실시예에 적용할 수 있는 계자권선 모터의 분해 사시도;
도 5는 도 4에 도시된 모터의 간단한 블럭도;
도 6은 계자전류와 전기자전류에 따른 정토크 곡선 상에서의 총동손 곡선;
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 제어 플로우 차트;
도 8은 종래의 토크비 기준 제어를 이용한 전류 조합의 일실시예;
도 9는 도 8에 도시된 전류 조합으로 인해 발생하는 효율 맵;
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 효율 기준 제어를 이용한 전류 조합의 일실시예;
도 11은 도 10에 도시된 전류 조합으로 인해 발생하는 효율 맵;
도 12는 도 9와 도 11에 도시된 효율 맵들 사이의 효율 차이를 도시한 맵이다.
이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예들에 적용될 수 있는 전기자동차용 구동모터(1)를 도시한 분해 사시도이다. 구체적으로는 계자권선 모터(1)의 일실시예를 도시하고 있다.
상기 모터(1)는 스테이터(10)와 로터(20)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 로터(20)는, 상기 스테이터(10)와의 전자기 작용을 통해, 상기 스테이터(10)에 대해서 회전하게 된다.
상기 스테이터(10)는 스테이터 코어(11)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 스테이터(10)는 자속을 형성하기 위하여 스테이터 코일(12)을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 스테이터 코일(12)은 상기 스테이터 코어(11)에 권선된다. 따라서, 상기 스테이터(10)는 전자석이라 할 수 있다.
상기 로터(20)는 상기 스테이터(10)의 내측에서 회전되도록 구비될 수 있다.
상기 로터(20)는 로터 코어(21)를 포함하여 이루어질 수 있다. 아울러, 상기 로터(20)는 상기 로터 코어(21)에 권선된 로터 코일(22)을 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 상기 로터 코일(22)을 계자 코일이라 할 수 있고, 상기 스테이터 코일(12)을 전기자 코일이라 할 수 있다. 따라서, 상기 계자 코일과 전기자 코일에 각각 인가되는 계자전류값(If)과 전기자전류값(Ia)을 통하여 상기 로터(20)의 출력을 제어할 수 있게 된다.
상기 로터(20)는 회전축(30)과 연결되며, 상기 회전축(30)은 미도시된 자동차의 구동축과 연결될 수 있다. 따라서, 로터(20)의 토크와 회전수는 상기 회전축(30)을 통해 자동차의 구동축으로 전달될 수 있다. 이러한 회전축(30)과 구동축의 연결을 위해, 상기 회전축(30)에는 중공(31)이 형성될 수 있다. 상기 중공(31)에 구동축을 삽입함으로써 양자의 연결이 이루어질 수 있다.
이러한 중공 형태로 인해 양자의 연결이 용이하게 이루어질 수 있고, 양자의 연결을 위하여 모터 또는 구동장치의 길이가 길어지는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 모터 외부에 상기 구동축과 회전축(30)의 연결을 위한 별도의 공간 확보가 불필요하게 된다.
상기 로터(20)의 전후에는 각각 엔드 플레이트(51, 52)가 구비될 수 있다. 이를 통해, 계자 코일(22)이 안정적으로 고정될 수 있다. 즉, 상기 엔드 플레이트(51, 52)를 통해서, 상기 계자 코일(22)이 회전함에도 불구하고, 안정적으로 로터 코어(21)에 고정될 수 있다.
상기 스테이터(10)와 로터(20)의 전후방에는 각각 전방 브라켓(61)과 후방 브라켓(62)이 구비될 수 있다. 아울러, 상기 스테이터(10)와 로터(20)를 둘러싸도록 프레임(80)이 구비될 수 있다. 상기 브라켓들과 프레임 내부에 상기 스테이터(10)와 로터(20)가 구비될 수 있다.
상기 회전축(30)의 전방에는 전방 베어링(63)이 구비되고, 후방에는 후방 베어링(64)이 구비될 수 있다. 그리고, 이러한 베어링들을 통해 상기 로터(20)와 회전축(30)이 상기 브라켓들에 대해서 회전 가능하게 지지될 수 있다. 상기 베어링들은 각각 상기 브라켓들에 지지된다. 따라서, 이러한 브라켓들(61, 62)을 베어링 하우징이라 할 수도 있을 것이다.
상기 스테이터(10)는 상기 프레임(80)의 내측에 안정적으로 고정될 수 있다. 아울러, 상기 프레임(80)의 양측은 각각 전방 브라켓(61)과 후방 브라켓(62)와 결합될 수 있다.
모터의 과열을 방지하기 위한 구성으로 냉각 튜브(90)가 구비될 수 있다. 상기 냉각 튜브(90)는 코일 형태로 구비될 수 있으며, 상기 스테이터(10)와 프레임(80) 사이에 개재될 수 있다. 따라서, 냉각 튜브(90)를 통해 냉각수가 흐름에 따라 직접 스테이터(10)와 프레임(80)을 냉각시키는 것이 가능할 수 있다. 즉, 생각 냉각 튜브(90)가 상기 스테이터(10)와 직접 접촉되어 열전도에 의한 냉각이 가능할 수 있다.
아울러, 상기 모터(1) 내부, 구체적으로는 프레임(80)과 브라켓들로 이루어지는 내부 공간의 공기 유동을 일으키기 위한 공기유동장치가 구비될 수 있다. 상기 공기유동장치는 팬 또는 블레이드(41, 42) 형태로 구비될 수 있다. 상기 블레이드는 회전축(30)과 결합되어 회전축의 회전과 함께 회전하도록 할 수 있다. 아울러, 회전축(30)의 전방과 후방에 각각 구비될 수도 있다.
상기 후방 브라켓(62)의 외부에는 한쌍의 슬립링(70)과 한쌍의 브러시(71)가 구비될 수 있다. 상기 슬립링(70)은 상기 회전축(30)에 결합되며, 상기 슬립링(70)을 통해 계자전류가 상기 계자 코일(22)에 흐르게 된다.
즉, 상기 슬립링(70)과 브러시(71)는 회전하는 계자 코일(22)에 로터(20) 외부로부터 계자전류가 흐를 수 있도록 하는 구성이라 할 수 있다. 다시 말하면, 상기 계자전류는 직류 전원(예를 들어 배터리)으로부터 상기 브러시(71)와 슬립링(70)을 통하여 공급될 수 있다.
한편, 상기 후방 브라켓(62)은 상기 냉각 코일(90)로 냉각수를 공급하는 유입구(91)와 냉각수가 회수되는 유출구(92)를 고정하거나 외부와 연결하도록 형성될 수 있다. 아울러, 전기자전류를 공급하기 위한 연결부가 상기 후방 브라켓(62)에 마련될 수 있다.
이하에서는 도 5를 참조하여 상기 모터(1)를 제어하기 위한 회로 및 모터 제어부에 대해서 상세히 설명한다.
상기 모터(1)는 배터리(100)를 통해 직류 전원을 공급받는다. 구체적으로, 계자 코일(로터 코일, 22)과 전기자 코일(스테이터 코일, 12)은 서로 병렬로 연결될 수 있다.
계자 코일로 인가되는 계자전류값(If)과 전기자 코일로 인가되는 전기자전류값(Ia)은 모터 제어기(230)를 통해 결정될 수 있다. 상기 모터 제어기(230)를 통해 결정된 계자전류값은 계자 전류 제어기(210)를 통해 계자 코일(22)로 인가될 수 있다. 아울러, 모터 제어기(230)를 통해 결정된 전기자전류값은 인버터회로(220)를 통해 전기자 코일(12)로 인가될 수 있다. 도 5에는 인버터 회로(220)를 통해서 직류 전류가 3상의 교류전류로 변환되어 전기자전류로 인가되는 일례를 도시하고 있다. 따라서, 상기 모터 제어기(230)는 상기 인버터 회로(220)를 구동하는 인버터 구동부를 포함할 수 있다.
상기 계자전류 제어기(210), 모터 제어기(230) 그리고 인버터 회로(220) 등은 하나의 유닛으로 구비될 수 있다. 즉, 이들을 하나의 유닛으로 구성하여 제조, 취급 그리고 설치가 용이하도록 할 수 있다. 따라서, 이들 모두를 모터 제어부(200)라 할 수 있을 것이다. 아울러, 상기 모터 제어부(200)를 인버터라 할 수도 있을 것이다. 따라서, 이 경우 인버터는 계자전류 제어기(210), 인버터 구동회로(미도시) 그리고 인버터 회로(220) 등을 포함한다고 할 수 있다.
상기 모터 제어기(230) 또는 모터 제어부(200)는 상기 로터(20)와 스테이터(10)를 통해 많은 정보를 받을 수 있다. 예를 들어, 상기 로터(20)의 현재 회전수, 로터의 회전 위치, 각 상 코일에 인가되는 전류(3상의 경우 u, v, w에 해당되는 전류), 토크 그리고 스테이터(10)의 온도에 대한 정보를 받을 수 있다. 아울러, 현재의 지령 토크 산출하거나, 산출하기 위한 정보를 받을 수도 있다.
따라서, 상기 모터 제어기(230) 또는 모터 제어부(200)는 지령 토크와 현재의 상태 정보(출력 토크, 회전수, 온도, 전압값, 전류값) 등을 통해 전류 조합이 적절히 인가되도록 제어한다고 할 수 있다. 즉, 피드백 제어를 한다고 할 수 있다. 이를 위해서, 온도센서, 전류센서, 홀센서, 레졸버 등의 각종 센서 등이 구비될 수 있으며, 도 5에는 이러한 센서들은 편의상 하나의 구성으로 도면부호 240으로 도시되어 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 구동모터의 제어방법에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 계자전류값(If)과 전기자전류값(Ia)로 인하여 발생되는 모터의 총동손을 줄여, 효율을 증진시킬 수 있는 모터의 제어방법이 제공될 수 있다.
전술한 바와 같이, 동일한 지령 토크에 대해서 이론적으로는 매우 많은 계자전류(If)와 전기자전류(Ia)의 조합이 가능하다. 즉, 무수히 많은 전류 조합이 가능하다. 왜냐하면 계자전류값과 전기자전류값은 모두 토크와 비례하기 때문이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 동일 토크에 대해서, 일반적으로는, 계자전류값이 커질수록 전기자전류값은 작아질 것이며, 계자전류값이 작아질수록 전기자전류값은 커질 것이다.
종래의 토크비 기준 제어에서는, 동일 지령 토크에 대해서 항상 동일한 계자전류값(If)이 결정되고, 이에 따라 도 3에 도시된 정토크 곡선을 통해서 전기자전류값(Ia)가 결정되었다.
그러나, 이러한 토크비 기준 제어는 로터의 회전 속도와 무관하게 계자전류값이 결정되기 때문에 동손에 의한 모터의 효율이 저하되는 문제가 있다.
계자권선 모터에서의 총동손(스테이터 동손과 로터 동손의 합)은 다음과 같은 수학식 3을 통해서 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Wc = I2aRa + I2fRf
수학식 3을 통해서, 총동손(Wc)은 스테이터 동손(I2aRa)과 로터 동손(I2fRf)의 합으로 나타낼 수 있음을 알 수 있다. 전기자코일과 계자코일의 저항(Ra, Rf)은 저항율과 코일 길이에 비례하고, 코일 단면적에 반비례한다. 따라서, 상기 Ra와 Rf는 상수라 할 수 있으므로, 총동손은 계자전류값과 전기자전류값이 커짐에 따라 커짐을 알 수 있다.
실제적으로, 상기 계자코일 저항(Rf)와 전기자코일 저항(Ra)의 크기는 다를 수 있다. 즉, 양자의 스케일이 다를 수 있다. 그러나, 양자가 동일하다고 가정할 수도 있다. 아울러, Ia와 If의 스케일이 다를 수 있다. 이러한 조건들이 다양하게 변형될 수 있기 때문에, 상기 수학식 3을 통해 나타나는 총동손 곡선의 형태는 매우 다양하게 변형될 수 있을 것이다.
수학식 1과 도 3을 참조하면, 동일 토크를 발생시키기 위한 전류 조합은 무수히 많음을 알 수 있다. 복수 개의 전류 조합 중에서 특정한 전류 조합을 선택하는 방법 중 하나가 종래의 토크비 기준 제어라 할 수 있다.
본 실시예에서는, 토크비 기준 제어와는 달리, 수학식 3을 이용하여 총동손이 최소화되는 특정한 전류 조합을 선택하고, 이에 따라 모터를 제어하는 효율 기준 제어를 제공할 수 있다.
도 6은 특정값을 갖는 정토크 곡선 상에 나타나는 총동손 곡선을 도시하고 있다. 다시 말하면, 특정한 지령 토크 발생을 위한 복수 개의 전류 조합을 통해 발생되는 총동손의 변화를 도시하고 있다.
도 6을 통해서, 총동손 곡선은 아래로 볼록한 곡선 행태를 갖게 되며, 따라서 최소의 총동손값을 갖는 특정한 전류 조합이 결정될 수 있음을 알 수 있다.
다시 말하면, 정토크 곡선에서 가장 가까운 위치의 If와 Ia 조합으로 모터를 제어할 수 있고, 이를 통해서 총동손을 최소화할 수 있음을 알 수 있다.
여기서, 상기 도 6은 계자전류값과 전기자전류값에 의한 정토크 곡선의 패턴과 상기 정토크 곡선 상에 나타나는 총동손 곡선의 패턴을 가시적으로 도시한 그래프이며, 실제로 모터에 인가되는 계자전류값과 전기자전류값과는 상이할 수 있다. 왜냐하면, 왜냐하면 실제 모터에 인가되는 계자전류값과 전기자전류값이 동일 스케일을 갖지 않을 수 있기 때문이다. 일례로 후술하는 도 8과 도 10에 도시된 바와 같이, 실질적으로 If_max는 9.8A이고 Ia_max는 588.2A일 수도 있다.
Ia의 스케일이 큰 것은 후술하는 약계자 제어를 용이하게 수행하기 위한 것이다. 이는 다시 말하면, 모터의 회전수가 매우 고속인 경우까지 제어 가능하도록 하기 위한 것이다.
이러한 If와 Ia의 스케일 차이(양자가 최대값일 때의 비율 차이) 그리고 저항값의 스케일 차이(Ra/Rf 차이)가 경우에 따라 매우 클 수 있다. 반대로, 이러한 스케일이 차이가 작을 수 있고, 어느 하나의 스케일만 크게 차이가 날 수 있다.
따라서, 이러한 스케일들의 차이에 따라서 상기 총동손 곡선을 단순하게 적용하는 것이 가능할 것이다.
일례로, 계자전류값과 전기자전류값의 산술적 합의 최소값이 총동손 곡선에서의 최소 동손을 발생시키는 단일 전류 조합과 매우 유사할 수 있다.
아울러, 모터 전체 운전 영역이 아닌 일부 운전 영역에서만 이러한 총동선 곡선을 이용한 효율 제어가 수행될 수도 있을 것이다.
본 실시예는 기본적으로, 현재의 출력 토크 발생을 위해 인가되는 전류 조합 중, 최소의 총동손을 발생시키는 전류 조합으로 모터를 제어하는 제어방법을 제공한다고 할 수 있다. 현재의 출력 토크를 정토크 영역에서는 실질적으로 지령 토크라 할 수 있다. 그리고 현재의 출력 토크를 정출력 영역에서는 실제 출력 토크라 할 수 있다. 상기 실제 출력 토크 자체가 센싱될 수 있을 것이다. 또한, 상기 실제 출력 토크는 센싱되는 회전수와 현재의 지령 토크를 통해 산출될 수도 있을 것이다.
이하에서는 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어방법에 대해서 상세히 설명한다.
먼저, 지령 토크를 산출한다(S110). 이러한 지령 토크는 악셀레이터 페달의 각도를 통해서 산출될 수 있다. 즉, 운전자가 악셀레이터 페달을 밟으면, 악셀레이터 페달의 각도가 입력되고(S100), 상기 각도를 통해 지령 토크가 계산(S110)될 수 있다.
종래에서는 지령 토크가 계산되면, 속도와 무관하게 또는 운전 영역과 무관하게 동일한 값의 계자전류값이 산출되었다. 즉, 토크비 기준 제어를 통해 계자전류값이 산출되었다.
정토크 영역에서는 지령 토크와 실제 출력 토크가 실질적으로 동일하므로, 동일한 전류 조합을 통해 모터가 제어될 수 있다. 그리고, 정출력 영역에서는 지령 토크보다 실제 출력 토크가 작기 때문에, 실제 출력 토크와 부합되도록 전류 조합이 결정되었다. 즉, 계자전류값은 동일하지만 출력 토크가 점차 작아지므로 전기자전류값이 점차 작아지는 전류 조합이 결정되었다.
본 실시예에 따른 제어방법은, 정토크 영역에서의 제어방법이나 정출력 영역에서의 제어방법 중 적어도 어느 하나는 종래의 토크비 기준 제어방법과 상이하다고 할 수 있다.
상기 지령 토크 계산 단계(S110)에서 지령 토크가 계산되면, 지령 토크에 따라서 단일 전류 조합이 결정(S120)된다. 여기서, 이러한 단일 전류 조합은 동일한 지령 토크에 대해서 총동손이 최소가 되는 조합이라 할 수 있다. 다시 말하면, 다시 말하면, 동일 토크 발생을 위해 인가될 수 있는 복수 개의 전류 조합 중, 총동손이 최소가 되는 단일 전류 조합이 결정(S120)된다고 할 수 있다.
따라서, 기본적으로는 상기 결정된 단일 전류 조합을 인가하여 모터가 구동(S160)된다. 즉, 모터 출력이 제어된다.
상기 모터 출력은 출력 속도, 출력 토크 등으로 피드백(S170)된다. 따라서, 이러한 피드백 과정을 통하여 원하는 모터 출력이 발생하도록 전류 조합을 달리하여 제어하게 된다.
여기서, 상기 모터의 회전 속도(N)가 정격 속도(Nbase) 미만인지 이상인지 판단하는 단계(S130)가 수행될 수 있다. 즉, 현재의 운전 영역이 정토크 영역인지 정출력 영역인지 판단하는 단계(S130)가 수행될 수 있다.
이러한 판단 단계는 전류 조합의 결정 및 약계자 제어 수행 여부와 관련이 있으며, 이를 상세히 설명한다.
상기 판단 단계(S130)에서 정토크 영역으로 판단되면, 전술한 바와 같이, S110에서 계산된 지령 토크에 따라 S120에서 전류 조합이 결정된다. 상기 결정된 전류 조합이 모터에 입력(S140)되어 모터가 입력된 지령 토크에 추종되도록 모터가 제어된다. 물론, 정토크 영역에서도 피드백(S170)을 통해서 S120에서 전류 조합이 달리 결정되어 모터에 입력될 수 있다.
그러나, 이상적으로는 정토크 영역에서 지령 토크가 동일하면, 상기 단일 전류 조합은 속도가 증가하더라도 그대로 유지된다고 할 수 있다.
상기 판단 단계(S130)에서 정출력 영역으로 판단되면, S120에서 전류 조합이 결정된다. 물론, 이 경우에는 지령 토크가 아닌 실제 출력 토크를 바탕으로 하여 전류 조합이 결정된다. 실제 출력 토크는 지령 토크와 피드백되는 현재의 회전수를 통해 산출될 수 있다. 또한, 실제 출력 토크는 피드백되는 현재의 출력 토크를 통해 산출될 수 있다.
아울러, 상기 S120에서는 실제 출력 토크를 발생시키기 위한 복수 개의 전류 조합 중 최소의 동손을 발생시키는 단일 전류 조합이 결정된다. 따라서, 모터의 회전수가 커짐에도 불구하고 동손 발생을 최소화할 수 있다.
이하에서는 도 8 내지 도 11을 참조하여, 본 실시예를 통해 증진될 수 있는 효율을 종래와 비교하여 설명한다.
도 8은 종래의 토크비 기준 제어를 이용하여 특정 지령 토크와 특정 회전수에서 모터에 인가하는 전류 조합을 도시하고 있으며, 도 9는 도 8에 도시된 제어방법을 통한 모터 효율을 도시하고 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 특정 지령 토크가 결정되면, 회전수와 무관하게 If는 동일하게 결정됨을 알 수 있다. 그리고, 정격 속도 이상에서는 약계자 제어를 위해서 속도가 증가함에 따라 id값이 더욱 커짐을 알 수 있다.
도 9에는 종래의 토크비 기준 제어를 이용하여 제어되는 모터의 전 운전 영역에서의 효율을 도시되어 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 토크비 기준 제어를 이용하면 저속과 저토크에서 효율이 낮은 것을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 효율 기준 제어를 이용하여 특정 지령 토크와 특정 회전수에서 모터에 인하는 전류 조합을 도시하고 있다. 그리고 도 11은 도 10에 도시된 제어방법을 통한 모터 효율을 도시하고 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 회전수에 따라 If가 달리 결정됨을 알 수 있다. 구체적으로, 정토크 영역에서의 If는 종래의 If 보다 실질적으로 크게 결정됨을 알 수 있다. 아울러, If는 정토크 영역에서 정격속도(예를 들어 4100RPM)에 이르기까지는 지령 토크에 따라 고정값으로 결정될 수 있다.
여기서, 정토크 영역에서의 If가 실질적으로 토크비 기준 제어에서보다 큰 것은, 전기자전류값(Ia) 자체의 크기에 의한 전기자 동손이 If 자체의 크기에 의한 계자 동손보다 더 크기 때문이라 할 수 있다.
그러나, 정출력 영역에서는 If는 속도가 증가함에 따라 점차 작아짐을 알 수 있다. 이는 계자 자속과 직접적으로 관계되는 If를 줄여, 발생되는 역기전력을 직접적으로 줄일 수 있음을 의미한다. 이를 통해서, 동일한 출력 토크인 경우라도, 종래에 비해, id값이 작아짐을 알 수 있다. 다시 말하면, id의 음의 방향 크기 증가를 최소화하더라도 약계자 제어가 가능함을 알 수 있다.
따라서, id의 증가를 최소화함으로써 모터의 총동손을 현저히 줄일 수 있음을 알 수 있다.
도 12는 전체 운전 영역에서 토크비 기준 제어와 효율 기준 제어 사이의 효율 차이를 도시하고 있다.
실질적으로 저속과 저토크 영역에서는 효율이 현저히 증가함을 알 수 있다. 이는 전기자동차가 가다 서다를 반복하는 시내 주행 조건에서 효율이 현저히 증가될 수 있음을 의미한다. 아울러, 전체 운전 영역에서 효율 증가 효과를 기대할 수 있음을 알 수 있다.
전기자동차는 배터리에 충전된 전기 에너지를 이용하여 모터를 구동한다. 뿐만 아니라, 전기 에너지를 이용하여 각종 전장 부품을 구동하고, 특히 공조 시스템을 구동하게 된다. 따라서, 배터리에 충전된 전기 에너지를 얼마나 효율적으로 사용할 수 있는지는 매우 중요하다.
따라서, 본 실시예를 통한 효율의 증가 폭은 운전 영역에 따라서 차이가 있음에도 불구하고, 전체 운전 영역에서 효율이 증가될 수 있음을 매우 효과적이라 할 수 있다. 특히, 일반적으로 가장 빈도수가 높은 저속 저토크 운전 영역에서의 효율 증가 효과가 현저함은 더욱 고무적이라 할 수 있다.
10 : 스테이터 11 : 스테이터 코어
12 : 스테이터 코일(전기자 코일) 20 : 로터
21 : 로터 코어 22 : 로터 코일(계자 코일)
30 : 회전축 200 : 모터 제어부(인버터)
210 : 계자전류제어기 220 : 인버터 회로
230 : 모터 제어기 240 : 센서

Claims (13)

  1. 계자권선이 구비된 로터와 전기자권선이 구비된 스테이터를 포함하여 이루어지는 모터에 있어서,
    정출력 운전 영역에서, 약계자 제어를 통한 상기 전기자권선에서의 동손 손실을 줄이기 위하여, 상기 모터의 회전수가 증가함에 따라 상기 계자권선에 인가되는 계자전류값(If)을 점차 감소하도록 제어하는 모터 제어부를 포함하며,
    상기 정출력 운전 영역에서의 계자전류값은, 최대 토크에 대한 지령 토크의 비(토크비, T/Tmax)와 최대 계자전류값(Ifmax)의 곱(토크비 기준 제어)으로 결정되는 계자전류값보다 작은 것을 특징으로 하는 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정출력 운전 영역에서의 전기자전류값(Ia)은, 상기 토크비 기준 제어에 의해 결정되는 전기자전류값보다 작은 것을 특징으로 하는 모터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    정토크 운전 영역에서, 상기 계자전류값(If)은, 상기 토크비 기준 제어에 의해 결정되는 계자전류값보다 큰 것을 특징으로 하는 모터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 정토크 운전 영역에서, 상기 전기자전류값(Ia)은, 상기 토크비 기준 제어에 의해 결정되는 계자전류값보다 작은 것을 특징으로 하는 모터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    인가되는 계자전류값(If) 그리고 상기 계자전류값(If)에 대응하여 상기 전기자권선에 인가되는 전기자전류값(Ia)의 전류 조합(If, Ia)은, 동일 토크에 대하여 단일 조합임을 특징으로 하는 모터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단일 조합은, 동일 토크에 대한 복수 개의 전류 조합 중, 총 모터 동손이 가장 낮게 되는 전류 조합임을 특징으로 모터.
  7. 계자권선이 구비된 로터와 전기자권선이 구비된 스테이터를 포함하여 이루어지는 모터에 있어서,
    상기 계자권선과 상기 전기자권선에 의한 총 모터 동손을 줄이기 위하여, 동일 토크에 대하여, 상기 총 모터 동손이 최소가 되는 계자전류값과 전기자전류값의 단일 전류 조합으로 상기 모터를 제어하는 모터 제어부를 포함하고,
    정출력 운전 영역에서의 계자전류값(If)은,
    최대 토크에 대한 지령 토크의 비(토크비, T/Tmax)와 최대 계자전류값(Ifmax)의 곱(토크비 기준 제어)으로 결정되는 계자전류값보다 작고, 상기 모터의 회전수가 증가함에 따라 점차 감소함을 특징으로 하는 모터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 단일 전류 조합에서의 계자전류값(If)은, 정토크 운전 영역에서, 상기 토크비 기준 제어로 결정되는 계자전류값보다 큰 것을 특징으로 하는 모터.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 단일 전류 조합에서의 전기자전류값(Ia)은, 정토크 운전 영역과 정출력 운전 영역에서, 상기 토크비 기준 제어로 결정되는 전기자전류값보다 작은 것을 특징으로 하는 모터.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 단일 전류 조합에서의 계자전류값(If)은, 정토크 운전 영역에서, 상기 모터의 회전 속도와 무관하게 동일한 값임을 특징으로 하는 모터.
  11. 계자권선이 구비된 로터와 전기자권선이 구비된 스테이터를 포함하여 이루어지는 모터의 제어방법에 있어서,
    악셀레이터의 각도를 통해 지령 토크를 계산하는 단계;
    피드백되는 상기 로터의 회전수를 통하여 상기 회전수가 정격회전수 미만(정토크 영역)인지 또는 정격회전수 이상(정출력 영역)인지 판단하는 단계;
    상기 계산된 지령 토크 또는 현재의 출력 토크를 통해, 모터 총동손이 최소가 되는 계자전류값(If)과 전기자전류값(Ia)의 단일 전류 조합을 결정하는 단계; 그리고
    상기 결정된 단일 전류 조합을 인가하여 모터의 출력을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 판단 단계에서 정토크 영역으로 판단되면, 상기 단일 전류 조합은 지령 토크를 통해 결정되고, 정출력 영역으로 판단되면, 상기 단일 전류 조합은 현재의 출력 토크를 통해 결정되며,
    상기 현재의 출력 토크는, 피드백되는 현재의 출력 토크 또는 피드백되는 로터의 회전수와 상기 지령 토크에 의해 결정됨을 특징으로 하는 모터의 제어방법.
  12. 삭제
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 판단 단계에서 정출력 영역으로 판단되면, 전기자전류값의 자속 성분 전류값(id)의 음의 방향 크기를 키우는 약계자 제어가 수행되며, 상기 계자전류값은 상기 회전수가 증가함에 따라 감소함을 특징으로 하는 모터의 제어방법.
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