KR101673900B1 - 전동기 또는 발전기 - Google Patents

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Abstract

제 1 자극 세트를 가지는 회전자;제 1 센서 및 제 2 센서를 가지는 고정자; 및 제 1 센서가 가리키는 제 1 회전자 선속각과 제 2 센서가 가리키는 제 2 선속각의 평균에 의해 보정된 회전자 선속각을 결정하기 위해 배열된 수단;을 가지되, 상기 제 1 센서는 상기 고정자에 장착되고,
상기 제 2 센서는 상기 고정자에서 상기 제 1 센서와 대체로 정반대의 위치에 장착되며, 상기 제 1 센서는, 상기 회전자가 상기 고정자에 대해 회전하는 경우 제 1 자극 세트와 관련된 제 1 회전자 선속각을 나타내는 제 1 신호를 출력하기 위해 배열되고, 상기 제 2 센서는, 상기 회전자가 상기 고정자에 대해 회전하는 경우 제 1 자극 세트와 관련된 제 2 회전자 선속각을 나타내는 제 2 신호를 출력하기 위해 배열되는 전동기 또는 발전기 시스템.

Description

전동기 또는 발전기{AN ELECTRIC MOTOR OR GENERATOR}
본 발명은 전동기 또는 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 휠(wheel)을 회전시키는 전동기에 관한 것이다.
영구자석 동기 전동기는 회전 자기장의 생성에 의해 작동한다. 회전 자기장은 일반적으로 고정자에 장착된 코일 권선들에 흐르는 전류에 의해 형성된다. 코일 권선들은 일반적으로 고정자를 둘러싸도록 제공된 위상 권선들의 그룹을 형성한다. 위상 권선들은 복수개가 결합되어 제공된다. 3상 전동기 또는 발전기에는 3개의 위상 권선 세트들이 별모양 또는 델타(delta)형태로 서로 연결되어 제공된다.
도 1은 별모양으로 연결된 6개의 위상 권선 세트를 가지는 6상 전동기 또는 발전기를 보여준다. 각 권선의 일단은 스타 포인트(star point, 100)로 알려진 하나의 공유점에서 서로 결합되도록 제공된다.
전동기 또는 발전기가 작동하는 동안, 상이한 전압 위상이 각 위상 권선 그룹에 인가 또는 생성된다. 따라서, n상 전동기 또는 발전기에는 n상 전압이 전동기 또는 발전기의 각 위상 권선에 걸쳐 인가된다.
영구자석 동기 전동기 또는 발전기의 효율은, 전기 위상각이 주어진 토크/속력에서 자기장에 대해 고정된 위상 오프셋(offset)에 존재하도록, 위상 권선들에 인가되는 전기 위상, 즉, 전기 위상각이 일반적으로 회전자에 장착되는 영구자석에 의해 발생된 자기장과 동기화 되는 것을 보장함으로써 최적화된다. 즉, 전기 위상각은 회전자의 자기 선속각과 동기화 된다.
각 위상 권선의 전기 위상이 회전자에 장착된 영구자석들에 의해 발생된 자기장, 즉 회전자 자기 선속각과 동기화 되도록 하기 위해 복수개의 자석으로 구성된 또는 복수개의 자극을 가지고 정류자석의 형상을 가지는 링은 회전자에 장착된다. 상기 링은 구동 자석들로써 기능하는 회전자에 장착된 영구자석들과 매칭(matching)되는 구성을 가진다. 이 경우 정류 자석들은 구동 자석들의 회전자 자기 선속각을 측정하는데 사용된다.
일반적으로 홀 센서(hall sensor)는 고정자에 장착된다. 홀센서는 정류 자석 링으로부터 발생된 전계 강도를 측정하도록 배치된다. 회전자의 방향을 결정하기 위해 그리고 정확도를 향상시키기 위해 제 2 홀 센서(second hall sensor)는 일반적으로 제 1 홀 센서(first hall sensor)와 90 전기 각도만큼 이격되어 배치된다.
회전자가 고정자에 대하여 회전함으로써, 홀 센서는 교류 전압 신호를 발생시킨다. 교류 전압 신호에 의해 회전자의 자기 선속각이 측정된다. 회전자의 자기 선속각은 홀 센서로부터 발생된 신호로부터 삼각함수 계산을 통해 결정된다. 두개의 홀 센서 구성 중 하나의 홀 센서는 회전자의 자속각의 사인값을 나타내고, 제 2 홀 센서는 회전자 자속각의 코사인값을 나타낸다. 발생된 교류전압 신호들은 회전자의 속도에 비례하는 주파수를 가진다. 일례로서, 도 2는 고정자에 장착된 두개의 홀센서들로부터의 출력을 나타낸다. 두개의 홀 센서들은 약 90도의 전기 위상각 차이를 가지도록 이격된다. 도면에 의하면, 두개의 정현파 신호가 출력된다. 두개의 정현파 신호는 서로 대략 90도의 차이를 가진다.
그러나, 제작 공차에 의해, 정류 자석 링 내부의 자석들은 일반적으로 회전자에 장착된 영구자석들에 의해 다양한 양으로 오프셋(offset)될 것이다. 비록 정류 자석 링의 자석들과 그에 대응하는 회전자에 장착된 영구 자석들 간의 일반적인 오프셋(offset)은 보정될 수 있으나, 다양한 오프셋(offset)은 측정된 회전자의 선속각과 실제 회전자의 선속각 간에 오차를 유발할 수 있다. 측정된 회전자의 선속각과 실제 회전자의 선속각 간에 오차는 각 위상 권선의 전기 위상이 회전자에 장착된 영구 자석들로부터 발생된 자기장과 완전히 동기화되지 않도록 할 수 있다.
도 3을 참고하면, 일반적으로, 위상각의 측정치와 실제 위상각 간의 오차의 변화는 고정자에 대한 회전자의 기계적 회전 전체에 걸쳐 정현파 형태를 가질 것이다. 회전자의 선속각의 오차는 토크의 손실, 토크 리플(torque ripple), 소음 및 전동기 효율의 저하를 유발할 수 있다.
상술한 상황을 개선하는 것이 바람직하다.
본 발명은 청구항에 방법과 전동기 또는 발전기를 제공한다.
청구항에 기재된 발명은 정류 자석들과 구동 자석들 간의 상관관계가 더 정밀하게 결정되도록 하는 이점을 제공한다. 따라서, 전동기 또는 발전기의 작동 효율을 증가시킴으로써, 전기 위상각 결정의 정밀도를 증가시킨다.
본 발명은 발전기 또는 전동기를 제공한다. 일 실시예에 의하면, 전동기는 제 1 자극 세트를 가지는 회전자; 제 1 센서 및 제 2 센서를 가지는 고정자; 및 상기 제 1 센서가 가리키는 제 1 회전자 선속각과 상기 제 2 센서가 가리키는 제 2 회전자 선속각의 평균에 의해 보정된 회전자 선속각을 결정하기 위해 배열된 수단;을 포함하되, 상기 제 1 센서는 상기 고정자에 장착되고, 상기 제 2 센서는 상기 고정자에서 상기 제 1 센서와 대체로 정반대의 위치에 장착되며, 상기 제 1 센서는, 상기 회전자가 상기 고정자에 대해 회전하는 경우 상기 제 1 자극 세트와 관련된 상기 제 1 회전자 선속각을 나타내는 제 1 신호를 출력하기 위해 배열되고, 상기 제 2 센서는, 상기 회전자가 상기 고정자에 대해 회전하는 경우 상기 제 1 자극 세트와 관련된 상기 제 2 회전자 선속각을 나타내는 제 2 신호를 출력하기 위해 배열되도록 제공된다.
상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호는 상기 회전자가 상기 고정자에 대하여 회전할 때 각 제 1 자극 세트를 지나는 상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서에 대응하여 생성된다.
복수개의 코일 권선은 고정자에 장착되고 상기 회전자는 제 2 자석 세트를 포함하고, 상기 복수개의 코일 권선 및 제 2 자석 세트는 전류가 복수개의 코일 권선을 통해 흐를 때 상기 회전자에 토크가 인가되도록 배열되며, 상기 회전자에 인가되는 상기 토크는 각 권선에 흐르는 상기 전류의 위상 및 상기 제 2 자석 세트와 관련된 회전자 선속각을 기반으로 결정된다.
상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서가 가리키는 상기 전기 위상각의 평균은 상기 제 2 자석 세트와 관련된 상기 회전자 선속각이 상기 제 1 자극 세트에 대해 결정되도록 제공된다.
상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서는 홀 센서일 수 있다.
또한, 본 발명은 전동기 또는 발전기 작동 방법을 제공한다. 전동기 또는 발전기 작동 방법은 상술한 전동기 또는 발전기가 작동하는 방법에 있어서, 각각의 상기 복수개의 코일 권선에 교류전압을 인가하는 것을 포함하고, 상기 교류 전압 위상은 상기 보정된 전기 위상각에 근거한다.
본 발명은 다음과 같은 첨부된 도면을 참고하여, 예를 들어 설명된다.
도 1은 6상 전동기 또는 발전기의 코일 권선들이 별모양으로 연결된 것을 나타낸다.
도 2는 본발명을 구현하는 전동기 내부에 장착되고 전기각 90의 차이를 가지도록 이격된 2개의 홀 센서들로부터의 출력을 나타낸다.
도 3은 하나의 위치 센서를 가진 전동기에 대한 위상각 오차의 오프셋의 변동을 나타낸다.
도 4는 는 본 발명을 구현하는 전동기의 분해도이다.
도 5는 도 4의 전동기를 다른 각도에서 본 분해도이다.
도 6은 본 발명을 구현하는 전동기에 장착된 정류 자석 링과 두개의 위치 센서들을 나타낸다.
도 7은 본 발명을 구현하는 전동기에 대한 코일 세트들의 배열의 일 예를 나타낸다.
도 8은 3상 고정자의 전류의 복소 공간 벡터를 나타낸다.
도 9는 폐쇄 루프 장 지향 제어 시스템을 나타낸다.
도 10은 d, q 회전 기준 프레임을 가지는 3상 고정자 전류 기준 프레임을 나타낸다.
도 11은 서로 대체로 180도의 간격을 가지는 2개의 위치 센서로 측정된 변동하는 오프셋 위상 오차에 대한 보정 데이터를 나타낸 그래프이다.
설명된 본발명의 실시예는 차량의 휠에 사용되는 전동기이다. 전동기는 휠에 부착되는 하나의 자석 세트를 가지는 회전자에 의해 링 형상으로 둘러싸이고 차량에 부착되는 고정자를 구성하는 하나의 코일 세트를 가지는 타입이다. 의심의 여지를 없애기 위해, 본 발명의 다양한 실시예들은 동일한 구성을 가지는 발전기에도 적용 가능하다. 이와 같이, 전동기의 정의는 발전기를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예는 방사형으로 둘러싼 코일들의 중심에 장착된 회전자를 가지는 장치에 적용할 수 있다. 그러나, 본발명이 다른 유형의 전동기에도 적용 가능한 것은 본 발명의 기술분야의 통상의 기술자에게 자명하다.
도 4를 참고하면, 인휠(in-wheel) 전동기(40)는 고정자(252)를 포함한다. 고정자(252)는 조립체(assembly)의 하우징(housing)의 제 1 부품을 형성하는 후방부(230), 열 싱크 및 구동 장치(231)를 포함한다. 구동 장치(231)는 복수개의 코일들과 코일들을 구동하는 전자 장치들을 포함한다. 코일 구동 장치(231)는 고정자(252)를 형성하기 위해 후방부(230)에 고정된다. 이 경우, 고정자(252)는 차량에 고정되어, 동작되는 동안 차량에 대해 회전하지 않을 수 있다. 코일들은 그 자체로 코일 권선들을 형성하기 위해 투스 라미네이션(tooth lamination)들에 형성된다. 코일 권선들은 구동 장치(231) 및 후방부(230)와 함께 고정자(252)를 형성한다.
회전자(240)는 전방부(220)와 커버를 형성하는 원통형 부재(221)를 포함한다. 원통형 부재(221)는 대체로 고정자(252)를 둘러싸도록 제공된다. 회전자는 원통형 부재(221)의 내측면을 따라 링형상으로 배열된 복수개의 영구 자석(242)들을 포함한다. 본 발명의 실시예의 목적을 위해 32쌍의 자석들이 원통형 부재(221)의 내부에 장착된다. 그러나, 자석 쌍들의 수는 이에 한정되지 않는다.
조립체(231) 내부에 제공된 코일들로부터 발생된 자기장들이 회전자(240)를 회전 시키기 위해 회전자(240)에 제공된 원통형 부재(221)의 내부에 배열된 자석들(242)과 협동 작용하게 하기 위해, 자석들은 조립체(231)에 제공된 코일들에 인접되도록 제공된다. 영구 자석들(242)은 전동기를 구동시키기 위한 구동 토크를 발생시키는데 사용됨으로써, 일반적으로 영구 자석은 구동 자석으로 불린다.
회전자(240)는 베어링 블록(223)에 의해 고정자(252)에 부착된다. 베어링 블록(223)은 본 발명의 전동기 조립체가 장착되는 차량에 일반적으로 사용되는 표준 베어링 블록일 수 있다. 베어링 블록은 고정자에 고정된 제 1 부품 및 회전자에 고정된 제 2 부품을 포함한다. 베어링 블록은 고정자(252)의 벽(230)의 중앙부(233) 및 회전자(240)의 하우징 벽(220)의 중앙부(225)에 고정된다. 따라서, 회전자(240)는 중앙부(225)의 베어링 블록을 통해 회전자(240)가 사용되는 차량에 회전되도록 고정된다. 이 경우, 휠 림(wheel rim) 및 타이어는 휠 림(wheel rim) 을 회전자의 중앙부에 고정시키기 위해 일반적인 휠 볼트들을 사용하여 중앙부(225)의 회전자(240)에 고정될 수 있다. 따라서, 휠 림(wheel rim) 및 타이어는 베어링 블록(223)의 회전면에 단단히 고정된다는 점에서 장점이 존재한다. 휠 볼트들은 회전자의 중앙부(225)를 관통하여 베어링 블록 내부를 관통하기에 적절한 것이다. 회전자(240) 및 휠 모두 베어링 블록(223)에 장착됨에 따라, 회전자의 회전각과 바퀴의 회전각은 일대일로 대응된다.
도 5는 도 4와 동일한 조립체를 고정자 후방 측벽(230), 코일 및 전자 조립체(231)를 포함하는 고정자(252)가 보이는 다른 방향에서 바라본 분해도이다. 회전자(240)는 회전자 외부벽(220)과 측벽(221)을 포함한다. 측벽(221)에는 그 내부측면을 따라 자석(242)들이 링형상으로 배열된다. 상술한 바와 같이, 고정자(252)는 회전자 및 고정자의 벽의 중앙부에 있는 베어링 블록을 통하여 회전자(240)에 연결된다.
또한, 도 4는 제어 전자장치들을 적제하는, 전동기 구동 제어장치(motor drive controllers) 또는 인버터(inverter)로 알려진 제어 장치들(80)을 보여준다.
V형 실링 부재(350)는 회전자의 측벽(221)과 고정자 하우징(230)의 외측 가장자리영역의 사이에 제공된다.
또한, 회전자는 정류 자석들이라 알려진, 위치 감지를 위한 자석 세트(227)를 포함한다. 자석 세트(227)는 고정자에 설치된 센서들과 함께 회전자 선속각을 측정하도록 제공된다. 회전자 선속각은 코일 권선들에 대한 구동 자석들의 위치 관계를 정의한다. 선택적으로, 회전자는 별도의 자석들로 이루어진 자석 세트를 대신해 별도의 자석들의 자석 세트와 같은 기능을 하는 복수개의 자극을 가지는 자성 물질로 이루어진 링을 포함할 수 있다.
정류 자석들이 회전자 선속각을 계산하는데 사용되도록, 바람직하게는 각각의 구동자석들은 연관된 정류 자석을 가진다. 이경우, 회전자 선속각은 정류자석 세트와 관련된 선속각으로부터, 측정된 정류자석 선속각을 보정함으로써 유도된다. 정류 자석 선속각과 회전자 선속각 간에 상관관계를 단순화하기 위해서, 바람직하게는 정류자석 세트는 구동 자석쌍 세트와 동일한 개수의 자석 또는 자극쌍들을 가진다. 이 경우, 정류 자석들 및 연동된 구동 자석들은 대략 방사형으로 번갈아 정렬된다. 따라서, 본 실시예의 목적을 위해, 정류 자석 세트는 32개의 자석쌍들을 가진다. 이경우, 각각의 자석쌍들은 각각의 구동 자석쌍들과 함께 대략 방사형으로 배열된다.
최소한 두개의 센서들은 고정자에 대체로 서로 정반대의 위치에 장착된다. 즉, 두개의 센서들은 대략 180도 이격되도록 제공된다. 본 실시예에서는 센서들은 홀 센서로 제공된다. 회전자가 회전하면 정류자석 링을 형성하는 각 정류 자석이 각각의 센서들을 지나가며 회전하도록 센서들은 위치된다.
회전자가 고정자에 대하여 회전함으로써, 정류자석들은 이에 대응하여 각각의 센서들을 지나가도록 회전하고 각 홀센서는 교류 전압신호를 발생시킨다. 이 경우, 각 센서는 각각의 센서를 지나는 각 자석쌍에 대하여 전기각 360의 완전한 전압 사이클을 발생시킨다.
도 6은 정류 자석 링을 나타낸다. 정류 자석 링은 32개의 자석 쌍을 가진다. 정류 자석 링은 두개의 센서를 가진다. 두개의 센서는 정류 자석 링에 대하여 대략 서로 180도 이격되어 위치된다.
상술한 바와 같이, 회전자의 방향을 결정하는 것을 용이하게 하기 위해, 각각의 센서들은 또한 전기각 90으로 이격되도록 배치된 연관된 제 2 센서들을 가질 수 있다.
도 7을 참고하면, 본 실시예에서의 전동기(40)는 8개의 코일세트(60)를 포함한다. 각각의 코일세트(60)는 3개의 코일 서브 세트(61, 62, 63)을 가진다. 각 코일 서브세트(61, 62, 63)들은 각각의 제어장치(80)에 결합된다. 이 경우, 각각의 제어 장치(80)들과 각각의 코일 서브세트들은 3상 논리 또는 서브 전동기를 형성한다. 3상 논리 또는 서브 전동기는 다른 서브 전동기들과 독립적으로 제어된다. 제어장치(80)들은 3상 전압 공급기를 이용하여 각각의 전동기를 구동한다. 따라서, 코일 서브세트들이 각각 회전 자기장을 발생시키도록 한다. 비록 본 실시예에서는 각 코일세트(60)는 3개의 코일 서브세트(61, 62, 63)들을 가지는 것으로 설명했지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 각 코일 세트(60)들은 2개 또는 그 이상의 코일 서브세트들을 가질 수 있다. 마찬가지로, 비록 본 실시예에서는 전동기는 8개의 코일 세트(60)들(즉, 8개의 서브 전동기들)을 가지는 것으로 설명하였으나, 전동기는 제어 장치를 가지는 하나 또는 그 이상의 코일 세트들을 가질 수 있다.
각각의 제어 장치는 3상 브릿지 인버터를 포함한다. 본 발명의 기술분야에서의 통상의 기술자가 잘 알고 있듯이 3상 브릿지 인버터는 6개의 스위치들을 포함한다. 3상 전동기를 구성하기 위해 3상 브릿지 인버터는 코일세트(60)의 3개의 서브세트 코일들에 결합된다. 따라서, 전동기는 8개의 3상 서브 전동기들을 포함한다. 이 경우, 각 3상 서브 전동기들은 코일 세트(60)의 3개의 서브 세트 코일들에 결합된 제어 장치(80)를 포함한다.
각각의 3상 브릿지 인버터들은 각각의 코일 서브세트(61, 62, 63)들에 걸쳐 PWM 전압을 제어하도록 배열된다. 각각의 코일 서브세트(61, 62, 63)들은 각각의 서브 전동기들에 필요한 토크를 제공한다.
제공된 코일 세트에 의해 제어 장치(80)의 3상 브릿지 스위치들은 각각의 코일 서브세트(61, 62, 63)들에 걸쳐 단일 전압 위상을 적용하도록 배열된다.
비록 본 실시예에서는, 인휠 전동기는 복수개의 논리 서브 전동기들을 포함하는 것으로 설명하였지만, 전동기는 논리 서브 전동기를 사용하지 않는 일반적인 디자인으로 제공될 수 있음은 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술자에게 자명하다.
본 실시예에서, 각 제어 장치(80)들은 대체로 쐐기 모양의 형태를 가진다. 이 형태는 복수개의 제어 장치(80)가 전동기 내부에서 휀(fan) 형상을 이루도록 서로 인접하여 위치되게 한다.
제어 장치(80)의 스위치들은 모스펫(MOSFET)들 또는 절연 게이트 쌍극성 트랜지스터(Insulated Gate Bipolar Transistor:IGBT)들과 같은 반도체 장치들을 포함할 수 있다. 본 실시예에서, 스위치들은 절연 게이트 쌍극성 트랜지스터(IGBT)들을 포함한다. 그러나, 알려진 적절한 스위칭 회로가 전류를 제어하는데 사용될 수 있다. 그러한 스위치 회로로서 하나의 잘 알려진 예는 3상 전동기를 구동하도록 구성된 6개의 스위치들을 가지는 3상 브릿지 회로이다. 6개의 스위치들은 2개의 스위치가 병렬로 배열된 3개의 세트로 구성된다. 이 경우, 각 스위치 쌍은 3상 브릿지 회로의 레그(leg)로부터 직렬로 배치된다.
복수개의 스위치는 각각의 코일 서브세트들에 걸쳐 교류전압을 인가하도록 배열된다.
상술한 바와 같이, 복수개의 스위치는 n상 브릿지 회로를 형성하도록 구성된다. 따라서, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 기술자에게 잘 알려진 바와 같이, 스위치들의 개수는 각각의 서브 전동기들에 인가되는 전압 위상들의 수에 의해 결정된다.비록 본 실시예의 디자인은 각각의 서브 전동기들이 3상 구조를 가지는 것으로 보여주지만, 서브 전동기들은 2개 또는 그 이상의 상들을 가지도록 구성될 수 있다. 코일 서브세트들의 전선들(즉, 구리 전선들)은 스위치 장치에 직접 적절하게 연결될 수 있다.
제어 장치(80)는 제어 장치(80)에 장착된 스위치들의 동작을 제어하기 위해 많은 전기적 구성요소들을 포함한다. 예를 들면, 제어 장치(80)에 장착된 전기적 구성요소들은 PWM 전압을 조정하는 스위치들의 동작을 제어하기 위한 제어 논리와 제어 장치(80)가 다른 제어 장치(80)나 마스터 제어장치와 같은 그 외부의 장치들과 통신하기 위한 캔(CAN) 인터페이스 칩과 같은 인터페이스 구성요소들을 포함한다.일반적으로, 제어 장치(80)는 토크 요구 요청을 수신하고 상태 정보를 전송하는 인터페이스를 통해 통신한다. 일반적으로 회전자 선속각을 결정하기 위한 적어도 2개의 센서들은 별개의 제어 장치(80)들에 장착된다. 제어 장치(80)들은 순차적으로 고정자에 장착된다. 선택적으로, 추가적인 중복 센서는 각각의 제어 장치(80)에 장착될 수 있다.
전동기 제어기(미도시)의 제어 하에 제어 장치(80)에 의해 전동기 내부에서 발생된 정현파 전압 파형들은 장 방향 제어(Field Orientation Control)를 이용해 생성된다. 그에 따라 발생된 회전자 자속과 고정자 전류들은 도 8에 도시된 바와 같이 A축, B축 및 C축의 3개의 축에 의해 120도 간격으로 구분되는 각 백터에 의해 나타내어진다.
도 8을 참고하면, 전류 ic, ib, ic는 3상 전류 기준 프레임의 A축, B축, C축에서 각 고정자 코일에서의 순간 전류를 나타낸다. 이 경우, 고정자 전류 벡터는 is = ia + αib + α2ic에 의해 정의되고, α = e(i*2*Π/3)이다.
장 방향 제어(Field Oriented Control)는 3상의 시간 속력 의존계를 2축 시간 불변계로 전환한 투영도(projections)를 기반으로 한다. 이경우, 고정자 전류 또는 전압 요소는 횡축(quadrature axis)q와 나란하게 배열되고, 자속 요소는 직접축(direct axis)d와 나란하게 배열된다.
폐루프 제어계를 사용하는 경우, 도 9에 나타난 일 예에 따르면, 입력 iq값으로 표시된 필요 토크 τ와 입력 id값으로 표현된 필요 자속 λ는 전동기로부터 실제로 측정된 값과 비교된다.
그러나, 일반적인 환경에서 영구자석 동기 전동기는 일반적으로 0으로 설정된 id 값을 가짐을 유의해야 한다.
도 9의 폐루프 제어계(100)는 필요 토크 값을 측정된 값과 비교하고, 파크-클라크 트랜스폼(Park and Clarke Transforms)을 이용하여 전동기를 구동하는데 필요한 연관된 전압과 전류의 제어를 수행한다.
클라크 트랜스폼(101)은 2상 직교 고정자 축인 vα와 vβ에서 전압들을 계산하기 위해서, 전동기를 구동하기 위해 사용되는 3상 전압 va, vb, 및 vc 중 최소한 2개의 측정된 값들을 사용한다. 이후, 파크 트랜스포메이션(Park transformation)은 두개의 고정 좌표 고정자 축인 vα 및 vβ를 2축 시간 불변계인 vd 및 vq로 전환하기 위해 파크 트랜스폼(102)에 의해서 수행된다. 파크 트랜스포메이션(Park transformation)은 회전 기준 프레임인 a, d 및 q를 정의한다. 도 10은 2상 직교 고정자 축 vα 및 vβ에대한 d, q 회전 기준 프레임에서의 고정자 전압과 a, b 및 c 고정 기준 프레임간의 관계를 나타낸다.
일반적인 구동조건하에서, 회전자 자기 선속 벡터 Ψα로 정의되는 회전자 위상각 θr 즉, 구동자석들의 회전자 선속각과 고정자 전기 위상각 θe는 이상적으로 q축과 나란히 배열되어야 한다. 따라서, 회전자 위상각 θr과 고정자 전기 위상각 θe 사이에 동기화를 유지한다.
파크 트랜스폼(Park Transform, 102)이 시간 불변 전환(time invariant transformation)을 유도하도록 하기 위해 회전자 선속각 θr은 파크 트랜스폼에 제공된다. 이 경우, 회전자 선속각 θr은 제어 장치(80)들에 설치된 회전자 정류 자석들과 위치 센서들을 사용하여 결정된다.
상술한 바와 같이, 회전자의 회전자 선속각 θr은 두개의 센서들을 사용하여 결정된다. 본 실시예에서 센서들은 홀센서들이다. 센서들은 별개의 제어 장치들에 장착된다. 본 실시예의 목적을 위해, 정밀도를 개선하기 위해 각 센서는 독립된 센서 조립체의 일부를 형성하고, 각 센서 조립체는 제 2 센서를 가진다. 이 경우, 센서 조립체의 2개의 센서들은 전기각 90으로 이격되어 장착된다. 따라서,본 실시예의 목적들을 위해, 최소한 두개의 센서 조립체들이 별개의 제어 장치들에 장착된다.
상술한 바와 같이, 비록 오직 두개의 센서들 또는 본 발명의 실시예의 목적들을 위해 두개의 센서 조립체들은 고정자에서 대체로 정반대 위치에 장착될 것이 요구되나, 각 제어 장치(80)들은 하나의 센서 또는 하나의 센서 조립체를 가질 수 있다. 많은 제어 장치에 하나의 센서가 장착됨으로써 하자가 센서들의 하나의 세트에 발생하는 경우 리던던시(redundancy)를 제공하는 장점을 가진다.
비록 본 실시예는 액티브 센서(active sensor)를 포함하나, 다른 종류의 센서들이 사용될 수 있다. 예를 들면, 톱니형 링(toothed ring)에 인접하도록 장착되는 자석과 코일을 포함하는 인덕티브 센서(inductive sensor)들이 사용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 회전자는 고정자에 대하여 회전함으로써, 센서들은 교류 전압 신호를 출력하는데, 출력된 교류 전압 신호들은 회전자의 속력에 비례하는 주파수를 가진다.
각각의 센서들로부터 발생된 전압 신호의 위상은 정류 자석링 선속 즉, 선속각에 대응한다. 파크 트랜스폼(Park Transform)에 사용되도록 회전자 위상각 θr을 결정하기 위하여, 각 정류 자석 및 그와 연결된 구동 자석의 상대 위치에서의 변동을 바로잡도록 센서들에서 발생된 전압 신호들에 의해 정의되는 정류 자석링 선속은 보정되어야 한다.
회전자 선속각으로써 사용하기 위한 정류자석 선속각을 보정하기 위해서, 두 센서들에 대한 전기각도 오프셋은 회전자 자석쌍들에 대하여 정의된다. 이 경우, 오프셋은 측정된 정류자석의 전기 위상각과 정류 자석에 결합된 구동 자석의 전기 위상각 간의 차이를 정의한다.
각 정류 센서들은 보정된 위상각 오프셋 값을 가진다. 보정된 위상각 오프셋 값은 정류자석 선속각과 회전자 선속각 간의 평균 차이를 나타낸다. 그러나, 정류 자석 자극쌍들은 일반적으로 기계적 회전에 있어서 동일한 간격을 두지 않을 것이므로, 위상각 오프셋 값이 보정되지 않는 경우, 계산된 정류 선속각과 평균 오차가 0인 경우에도 대략 정현파 형상을 가지는 회전자 선속각 사이에 추가되는 오프셋 오차가 있을 것이다.
표 1은 정류 자석들과 정류 자석 각각의 구동 자석 사이의 불균등한 간격으로 인한 회전자 선속각과 계산된 정류 선속각간의 오프셋 오차의 정현파 유형을 나타낸다. 이경우, 32개의 자석쌍들에 대한 보정 오프셋은 2개의 센서들에 의해 결정된다. 표 1의 마지막 열은 각 자석쌍에 대한 2개의 센서에 의해 결정된 오프셋 값의 평균을 포함한다.
자석 위치 제 1 센서 오차 제 2 센서 오차 평균 오차
1 -3.834228516 3.696899414 -0.068664551
2 -3.751831055 3.757324219 0.002746582
3 -3.235473633 3.641967773 0.20324707
4 -3.131103516 2.625732422 -0.252685547
5 -2.213745117 2.103881836 -0.054931641
6 -1.488647461 2.054443359 0.282897949
7 -0.961303711 0.939331055 -0.010986328
8 -0.708618164 0.340576172 -0.184020996
9 0.565795898 0.010986328 0.288391113
10 0.455932617 -0.131835938 0.16204834
11 0.972290039 -0.417480469 0.277404785
12 1.7578125 -2.63671875 -0.439453125
13 1.90612793 -2.153320313 -0.123596191
14 2.224731445 -2.66418457 -0.219726563
15 2.25769043 -3.169555664 -0.455932617
16 2.246704102 -2.911376953 -0.332336426
17 2.411499023 -2.845458984 -0.21697998
18 2.576293945 -2.587280273 -0.005493164
19 2.653198242 -2.48840332 0.082397461
20 2.598266602 -2.235717773 0.181274414
21 0.933837891 -0.977783203 -0.021972656
22 1.016235352 -0.488891602 0.263671875
23 0.126342773 0.192260742 0.159301758
24 0.082397461 0.181274414 0.131835938
25 -0.670166016 1.334838867 0.332336426
26 -0.895385742 1.939086914 0.521850586
27 -2.070922852 2.905883789 0.417480469
28 -3.153076172 2.83996582 -0.156555176
29 -3.153076172 3.19152832 0.019226074
30 -3.394775391 3.224487305 -0.085144043
31 -3.460693359 3.334350586 -0.063171387
32 -4.290161133 3.13659668 -0.576782227
표 1의 오차값들은 전기 각도에 관한 것이다. 그리고, 표 1의 오차값들은 전동기가 평균 오차가 0이 되도록 보정된 것으로, 즉, 평균 오프셋 값은 이미 이 값들에 적용된 것으로 가정한 경우, 회전자 자기 선속과 관련된 전기각도의 오차를 나타낸다.
도 11은 보정데이터를 나타낸 그래프로써, x축은 각각의 자석쌍들을 나타내고, y축은 선속각 오프셋값을 나타낸다. 도 11을 참고하면, 각 센서에서 측정된 오프셋 값은 정류 자석쌍들에 걸쳐 정현파 형으로 변동하며, 두 센서에서 측정된 값들은 대략 기계각 180의 위상차를 가진다. 두 센서들 간의 위상차 정현파 변화는 변화하는 오프셋 오차의 지표가 된다.
그러나, 제 2 센서는 제 1 센서와 기계각 180의 차이를 가지므로, 사실상 정현파 형태를 가지는 정류 선속각과 회전자 선속각 간의 오차는 제 1 센서에서 보여지는 것과는 부호가 반대이다.
그러나, 본 실시예에 따르면, 오직 단독 보정 오프셋만이 각 센서들을 위해 저장되도록 한다. 즉, 센서 하나당 단독 오프셋 값만이 모든 자석들에 대해 사용될 수 있다. 따라서, 표 1에 나열된 자석쌍 하나당 독립된 오프셋 오차 값들은 본 실시예에서 변화하는 오프셋 에러를 바로잡기 위해 사용될 수 없다.
그러나, 평균 오프셋 에러의 최대값이 변하는 각각의 센서들과 연관된 2개의 오프셋 에러들은 부호가 반대이고, 대략 같은 크기를 갖기 때문에, 변동하는 오프셋 오차를 보상하기 위해서 각각의 제어 장치들은 2개의 센서들에 의해 측정된 2개의 선속각들의 평균값을 사용하도록 배열된다. 2개의 센서들은 대체로 고정자에서 정반대의 위치에 위치된다. 2개의 변동하는 오프셋 오차 값들은 정현파 유형이고 반대되는 부호를 가짐으로써, 2개의 측정된 선속각들을 평균내어 변화하는 오프셋 오차를 주로 상쇄한다.
표 1의 마지막 열은 대체로 고정자에서 정반대의 위치에 위치된 2개의 센서들에 대해 변동하는 오프셋 오차값들의 평균을 제공한다.변동하는 오프셋 오차값들의 평균은 대체로 정반대의 위치에 위치된 2개의 센서들에 의해 측정된 위상각들의 평균에 상응한다. 이 경우, 정류 자석들과 구동자석들 간의 일반적인 오프셋에 대한 메인 오프셋 값(main offset value)은 이미 보정되어 있다.
각 센서들에 대한 변동하는 오프셋 오차들의 평균을 냄으로써,각 센서들로부터의 신호에 4도 이상의 오차가 있음에도 불구하고 전기각 0.6보다 큰 오차가 없는 것으로 보일 수 있다.
평균 회전자 선속각을 사용함으로써 유도된 회전자 선속각은 회전 선속각 θr로 사용된다.
바람직하게는 전동기 내에 저장되는 보정 데이터를 사용하면, 측정된 위상각으로부터 유도되고 결정된 변동하는 오프셋 오차를 보정 데이터와 비교함으로써, 고정자에 대한 회전자의 위치를 결정하는 것이 가능하다. 회전자의 상대적인 위치가 결정되었을 때, 센서들 중 하나가 작동이 안되는 경우 회전자의 위치에 기반하는 적절한 변동하는 오프셋 오차 보정을 적용하는 것이 가능하다.
다른 실시예에 의하면, 두개 이상의 센서들에 대하여 변동하는 오프셋 오차가 사용될 것이다.
2축 시간 고정값들인 vd와 vq는 필요한 토크 및 필요한 선속과 비교된다. 이후 보정된 vd * 와 vq * 값들은 고정된 좌표 vα* 및 vβ*를 얻기 위해 측정된 정류 자석 선속각으로부터 유도된 회전자 선속각 θr과 함께 역 파크 트랜스폼(103)에 입력된다. 고정된 좌표 vα* 및 vβ* 값들은 전동기를 구동하기 위해 필요한 3상 전압 값들인 Va, Vb 및 Vc를 구하기 위해 역 클라크 트랜스폼(104)에 입력된다.
3상 전압 값들인 Va, Vb 및 Vc 는 변조 유닛(105)에 입력된다. 변조 유닛(105)은 변조 방식을 결정하기 위해 3상 전압 값들인 Va, Vb 및 Vc를 사용한다. 변조 방식이 유도되어지면, 공간 벡터 변조(Space Bector Modulation)는 전동기를 요구되는 토크로 구동하기 위해 필요한 정현파 3상 전압을 나타내는 3상 PWM 전압을 발생시키기 위해 인버터 스위치들에 대한 스위칭 시퀀스(switching sequence)를 결정하도록 사용된다.

Claims (10)

  1. 제 1 자극 세트를 가지는 회전자;
    제 1 센서 및 제 2 센서를 가지는 고정자; 및
    상기 제 1 센서가 가리키는 제 1 회전자 선속각과 상기 제 2 센서가 가리키는 제 2 회전자 선속각의 평균에 의해 보정된 회전자 선속각을 결정하기 위해 배열된 수단;을 포함하되,
    상기 제 1 센서는 상기 고정자에 장착되고,
    상기 제 2 센서는 상기 고정자에서 상기 제 1 센서와 정반대의 위치에 장착되며, 상기 제 1 센서는, 상기 회전자가 상기 고정자에 대해 회전하는 경우 상기 제 1 자극 세트와 관련된 상기 제 1 회전자 선속각을 나타내는 제 1 신호를 출력하기 위해 배열되고,
    상기 제 2 센서는, 상기 회전자가 상기 고정자에 대해 회전하는 경우 상기 제 1 자극 세트와 관련된 상기 제 2 회전자 선속각을 나타내는 제 2 신호를 출력하기 위해 배열되며,
    상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호는 상기 회전자가 상기 고정자에 대하여 회전할 때 상기 제 1 자극 세트를 지나는 상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서에 대응하여 생성되고,
    상기 제 1 센서에서 측정된 오프셋 오차 값과 상기 제 2 센서에서 측정된 오프셋 오차 값이 반대 부호가 되도록 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서가 배열되고,
    복수개의 코일 권선은 고정자에 장착되고 상기 회전자는 제 2 자석 세트를 포함하고,
    상기 복수개의 코일 권선 및 제 2 자석 세트는 전류가 복수개의 코일 권선을 통해 흐를 때 상기 회전자에 토크가 인가되도록 배열되며,
    상기 회전자에 인가되는 상기 토크는 각 권선에 흐르는 상기 전류의 위상 및 상기 제 2 자석 세트와 관련된 회전자 선속각을 기반으로 결정되는 전동기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서가 가리키는 상기 회전자 선속각의 평균은 상기 제 2 자석 세트와 관련된 상기 회전자 선속각이 상기 제 1 자극 세트에 대해 결정되도록 하는 전동기.
  5. 제 1 항 또는 제 4 항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서는 홀 센서인 전동기.
  6. 제 1 항의 전동기가 작동하는 방법에 있어서,
    각각의 상기 복수개의 코일 권선에 교류전압을 인가하는 것을 포함하고,
    상기 교류전압의 위상은 상기 제 2 자석 세트와 관련된 상기 회전자 선속각에 근거하는 전동기가 작동하는 방법.
  7. 제 1 자극 세트를 가지는 회전자;
    제 1 센서 및 제 2 센서를 가지는 고정자; 및
    상기 제 1 센서가 가리키는 제 1 회전자 선속각과 상기 제 2 센서가 가리키는 제 2 회전자 선속각의 평균에 의해 보정된 회전자 선속각을 결정하기 위해 배열된 수단;을 포함하되,
    상기 제 1 센서는 상기 고정자에 장착되고,
    상기 제 2 센서는 상기 고정자에서 상기 제 1 센서와 정반대의 위치에 장착되며,
    상기 제 1 센서는, 상기 회전자가 상기 고정자에 대해 회전하는 경우 상기 제 1 자극 세트와 관련된 상기 제 1 회전자 선속각을 나타내는 제 1 신호를 출력하기 위해 배열되고,
    상기 제 2 센서는, 상기 회전자가 상기 고정자에 대해 회전하는 경우 상기 제 1 자극 세트와 관련된 상기 제 2 회전자 선속각을 나타내는 제 2 신호를 출력하기 위해 배열되며,
    상기 제 1 신호 및 상기 제 2 신호는 상기 회전자가 상기 고정자에 대하여 회전할 때 상기 제 1 자극 세트를 지나는 상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서에 대응하여 생성되고,
    상기 제 1 센서에서 측정된 오프셋 오차 값과 상기 제 2 센서에서 측정된 오프셋 오차 값이 반대 부호가 되도록 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서가 배열되고,
    복수개의 코일 권선은 고정자에 장착되고 상기 회전자는 제 2 자석 세트를 포함하고,
    상기 복수개의 코일 권선 및 제 2 자석 세트는 전류가 복수개의 코일 권선을 통해 흐를 때 상기 회전자에 토크가 인가되도록 배열되며,
    상기 회전자에 인가되는 상기 토크는 각 권선에 흐르는 상기 전류의 위상 및 상기 제 2 자석 세트와 관련된 회전자 선속각을 기반으로 결정되는 발전기 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서가 가리키는 상기 회전자 선속각의 평균은 상기 제 2 자석 세트와 관련된 상기 회전자 선속각이 상기 제 1 자극 세트에 대해 결정되도록 하는 발전기 시스템.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제 1 센서 및 상기 제 2 센서는 홀 센서인 발전기 시스템.
  10. 제 7 항의 발전기 시스템이 작동하는 방법에 있어서,
    각각의 상기 복수개의 코일 권선에 교류전압을 인가하는 것을 포함하고,
    상기 교류전압의 위상은 상기 제 2 자석 세트와 관련된 상기 회전자 선속각에 근거하는 발전기 시스템이 작동하는 방법.
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