KR101680242B1 - 영구자석 동기 전동기 진단 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 - Google Patents

영구자석 동기 전동기 진단 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 Download PDF

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현두수
박용현
디아즈 레이호사 다비드
페르난데스 알론소 다니엘
브리즈 델 블랑코 페르난도
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Abstract

영구자석 동기 전동기 진단 시스템은, 자속 측정부, 및 온도 산출부를 포함한다. 자속 측정부는 영구자석 동기 전동기의 운전 중 회전자 영구자석의 위치 변화에 따라 변화하는 회전자로부터의 자속을 측정하고, 온도 산출부는 미리 설정된 측정된 자속과 온도의 대응 관계를 이용하여 회전자 영구자석의 온도를 산출한다. 이와 같은 구성에 의하면, 회전자의 영구자석의 위치를 파악하기 위해 사용되는 선형 홀센서를 이용하여 측정된 자속을 이용함으로써, 고가의 별도 장비 없이도 외부 조건의 영향 없이 용이하게 영구자석 동기 전동기 회전자 영구자석의 온도를 측정할 수 있게 된다.

Description

영구자석 동기 전동기 진단 시스템, 방법, 및 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체 {SYSTEM AND METHOD FOR DIAGNOSING PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR, AND A RECORDING MEDIUM HAVING COMPUTER READABLE PROGRAM FOR EXECUTING THE METHOD}
본 발명은 영구자석 동기 전동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 영구자석 동기 전동기의 회전자 영구자석의 상태를 진단하기 위한 시스템, 및 방법에 관한 것이다.
영구자석 동기 전동기는 회전자(2) 내부에 영구자석이 위치하여 스스로 자속 Φr을 발생시키며 고정자(1) 권선(3)에 흐르는 전류로 인해 발생하는 자속 Φs와 상호 관계하여 입력 전압의 주파수 fs에 따라 일정한 속도로 회전하는 전기기기이다. 도 1은 영구자석 동기 전동기의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
그런데, 영구자석 동기 전동기의 회전자에 위치한 영구자석은 고온 상태에서 운전되어 역방향 자계나 동작점의 변화가 발생하면 영구자석의 자성이 감소한 상태로 영구히 지속되는 불가역 감자 현상을 일으킨다.
영구자석이 감자되면, 전동기의 토크와 효율이 감소하고 진동이 발생하는 등 성능이 크게 저하된다. 이는 전동기 고장으로 이어져 전체 전동기 구동 시스템에 악영향을 미칠 수 있기 때문에 시스템의 신뢰성, 효율성, 및 안전성을 위해 영구자석의 상태를 진단하는 것이 매우 중요하다.
따라서, 영구자석의 불가역 감자를 일으키는 주요 요소인 높은 온도에서의 운전을 미연에 방지하기 위하여 전동기 운전 상태에서 회전자의 영구자석의 온도를 추정하는 것 역시 매우 중요하다.
영구자석 동기 전동기의 회전자 영구자석 온도를 추정하기 위한 기술로는 1)열전대 온도 센서나 적외선 온도 센서 등을 이용한 직접 취득하는 방법, 2)열전달 등가 모델로 온도를 추정하는 방법, 3)제어하는 인버터로 신호를 주입하여 온도를 추정하는 방법 등이 사용되고 있다.
1)온도센서를 이용하여 직접 온도를 측정하는 방법은 가장 정확하나, 영구자석은 회전하고 있는 회전자에 위치하기 때문에 온도 센서와 무선 통신으로 결과값을 나타내거나 고가의 적외선 온도센서를 추가로 장착해야 하는 어려움이 있다.
2)열전달 모델링을 사용하는 방법은 전동기 각 요소를 모두 열해석하는 방법으로서 기준이 되는 요소의 온도 정보를 필요로 하며, 냉각기에 먼지가 쌓이는 등의 원인으로 파라미터가 변화하면 온도의 추정이 어렵다. 또한, 이와 같은 모델링 기반의 방법은 전동기의 포화, 외부 온도 변화 등의 각 파라미터 변화에 대응이 어려워 온도 추정을 정확히 할 수 없는 단점을 가진다.
3)인버터로 신호를 주입하는 방법은 전동기에 추가적으로 전력 손실을 가져오며, 매우 짧은 순간에 신호 펄스를 입력하는 방법으로 고속 운전에 적용이 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 고가의 별도 장비 없이도 외부 조건의 영향 없이 용이하게 영구자석 동기 전동기 회전자 영구자석의 온도를 측정할 수 있는 시스템, 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 영구자석 동기 전동기 진단 시스템은, 자속 측정부, 및 온도 산출부를 포함한다. 자속 측정부는 영구자석 동기 전동기의 운전 중 회전자 영구자석의 위치 변화에 따라 변화하는 회전자로부터의 자속을 측정하고, 온도 산출부는 미리 설정된 측정된 자속과 온도의 대응 관계를 이용하여 회전자 영구자석의 온도를 산출한다.
이와 같은 구성에 의하면, 회전자의 영구자석의 위치를 파악하기 위해 사용되는 선형 홀센서를 이용하여 측정된 자속을 이용함으로써, 고가의 별도 장비 없이도 외부 조건의 영향 없이 용이하게 영구자석 동기 전동기 회전자 영구자석의 온도를 측정할 수 있게 된다.
이때, 영구자석의 온도는,
Figure 112016003291501-pat00001
의 수학식에 의해 산출되며, T는 자석의 온도, T0는 기준 온도, ΔB는 가역 온도 계수(온도에 따른 잔류 자속 밀도의 변화량), Hout는 홀센서의 출력값일 수 있다.
또한, 영구자석 동기 전동기의 회전자 영구자석 상태 진단 시스템은 측정된 자속의 파형이 일부 구간에서 미리 설정된 기준 자속 파형보다 작은 경우 영구자석의 부분 감자를 진단하는 부분 감자 진단부를 더 포함할 수 있으며, 부분 감자 진단부는 측정된 자속의 실효값이 미리 설정된 값보다 작고, 측정된 자속에 포함된 고조파가 미리 설정된 기준보다 증가하는 경우 영구 자석의 부분 감자를 진단할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 선형 홀센서를 이용하여 측정된 회전자의 자속을 이용하여 회전자 영구자석의 부분 감자도 진단할 수 있게 된다.
또한, 측정된 자속의 파형이 회전자가 1회전하는 동안 1주기로 변화하는 주파수 성분을 포함하는 경우 영구자석 동기 전동기가 공극 편심 상태라고 진단하는 공극 편심 진단부를 더 포함할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 선형 홀센서를 이용하여 측정된 회전자의 자속을 이용하여 영구자석 동기 전동기의 공극 편심도 진단할 수 있게 된다.
아울러, 상기 시스템을 방법의 형태로 구현한 발명과 상기 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프록그램을 기록한 기록 매체가 함께 개시된다.
본 발명에 의하면, 회전자의 영구자석의 위치를 파악하기 위해 사용되는 선형 홀센서를 이용하여 측정된 자속을 이용함으로써, 고가의 별도 장비 없이도 외부 조건의 영향 없이 용이하게 영구자석 동기 전동기 회전자 영구자석의 온도를 측정할 수 있게 된다.
또한, 선형 홀센서를 이용하여 측정된 회전자의 자속을 이용하여 회전자 영구자석의 부분 감자도 진단할 수 있게 된다.
또한, 선형 홀센서를 이용하여 측정된 회전자의 자속을 이용하여 영구자석 동기 전동기의 공극 편심도 진단할 수 있게 된다.
도 1은 영구자석 동기 전동기의 구조를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 진단 시스템의 개략적인 블록도.
도 3은 선형 홀센서가 설치된 예가 도시된 개략도.
도 4는 선형 홀센서를 이용한 회전자 영구자석의 위치 측정의 예가 도시된 도면.
도 5는 온도 증가에 따른 영구자석 B-H 곡선 변화를 도시한 도면.
도 6은 영구자석의 온도에 따른 잔류자속의 변화를 도시한 도면.
도 7은 영구자석 온도 증가에 따른 선형 홀센서의 출력 감소 특성이 도시된 도면.
도 8은 선형 홀센서로 추정한 영구자석의 온도와 적외선 온도센서로 측정한 온도를 비교한 도면.
도 9는 부분 감자된 영구자석에 대한 선형 홀센서 전압 출력 그래프.
도 10은 부분 감자된 영구자석에 대한 선형 홀센서 출력 신호의 FFT 분석 그래프.
도 11은 영구자석 동기 전동기의 편심의 상태를 도시한 도면.
도 12는 선형 홀센서를 이용한 공극 편심의 진단 그래프.
도 13은 영구자석이 삽입된 회전자가 기계적으로 1회전(360도)할 때 홀센서의 상대적 위치를 기록한 도면.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 진단 방법의 개략적인 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 진단 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2에서, 영구자석 동기 전동기 진단 시스템(100)은, 자속 측정부(110), 및 온도 산출부(120), 부분 감자 진단부(130), 및 공극 편심 진단부(140)를 포함한다. 도 2에서, 영구자석 동기 전동기 진단 시스템(100)의 각 구성 요소들은 하드웨어만으로 구현될 수 있겠지만, 하드웨어 및 하드웨어상에서 동작하는 소프트웨어로 구현되는 것이 보다 일반적일 것이다.
자속 측정부(110)는 영구자석 동기 전동기의 운전 중 회전자 영구자석의 위치 변화에 따라 변화하는 회전자로부터의 자속을 측정한다. 이때, 자속 측정부(120)는 선형 홀센서를 포함할 수 있다.
영구자석 동기 전동기를 원하는 속도 및 토크로 제어하기 위해서는 회전자의 영구자석 위치를 파악해야 한다. 이러한 영구자석의 위치를 파악하는 기구로는 엔코더, 리졸버, 홀센서 등을 사용한다.
이 중 홀센서는 영구자석의 N극, S극을 불연속적으로 0과 1로 나타내는 불연속 홀센서와 그 자속을 연속적으로 나타내는 선형 홀센서로 구분된다. 보다 정밀한 제어를 위해서는 회전자 내부의 영구자석의 N극, S극의 자속의 정도를 연속적으로 취득하는 특성을 가지는 선형 홀센서가 유리하다.
기존의 선형 홀센서를 사용하여 회전자의 위치를 파악하는 방법에서는 2개의 홀센서를 공극이나 회전 축방향에서, 하나는 자석 중심에 다른 하나는 자석 사이에 위치시켜 영구자석에 따른 회전자 위치 상태를 취득한다. 도 3은 선형 홀센서가 설치된 예가 도시된 개략도이고, 도 4는 선형 홀센서를 이용한 회전자 영구자석의 위치 측정의 예가 도시된 도면이다.
본 발명에서는 이러한 선형 홀센서를 그대로 사용하여 추가되는 하드웨어 없이 전동기 운전 상태에서 영구자석의 온도를 진단한다. 이를 위해, 온도 산출부(120)는 미리 설정된 측정된 자속과 온도의 대응 관계를 이용하여 회전자 영구자석의 온도를 산출한다. 이때, 영구자석의 온도는,
Figure 112016003291501-pat00002
의 수학식에 의해 산출되며, T는 자석의 온도, T0는 기준 온도, ΔB는 가역 온도 계수(온도에 따른 잔류 자속 밀도의 변화량), Hout는 홀센서의 출력값일 수 있다.
영구자석은 온도가 상승함에 따라 자속 Br이 일정하게 감소하는 현상을 가진다. 이러한 현상을 감자라고 하며, 이는 심각한 고장이 되는 불가역 감자와는 달리 온도가 다시 하락하면 본래 자속을 회복하므로 가역 감자 현상이라 칭한다. 도 5는 온도 증가에 따른 영구자석 B-H 곡선 변화를 도시한 도면이다.
또한, 희토류계 영구자석은 그 온도가 1°C 증가할 때마다 자속은 0.1%씩 변화하는 가역 감자 현상을 지닌다. 도 6은 영구자석의 온도에 따른 잔류자속의 변화를 도시한 도면이다.
영구자석의 온도가 증가하게 되면 그에 따라 자속이 감소하는 특징을 가져 제안하는 방법인 선형 홀센서의 출력은 영구자석의 온도와 반 비례하는 특성을 지닌다. 도 7은 영구자석 온도 증가에 따른 선형 홀센서의 출력 감소 특성이 도시된 도면이다.
Figure 112016003291501-pat00003
따라서, 위 식들에서와 같이 선형 홀센서로 영구자석의 자속을 취득하여 기준이 되는 온도에서의 자속과 비교하여 현재의 영구자석의 온도를 실시간으로 추정할 수 있다. 이때, Br(T0)는 온도T0에서의 잔류 자속 밀도이다.
도 8은 선형 홀센서로 추정한 영구자석의 온도와 적외선 온도센서로 측정한 온도를 비교한 도면이다. 도 8에서 확인할 수 있는 바와 같이, 영구자석 동기 전동기를 제어하기 위해 설치된 선형 홀센서는 영구자석의 자속을 그대로 선형으로 취득할 수 있어, 기존의 모델링을 이용한 다른 추정 방법에 비해 우수한 온도 추정 특성을 가진다.
또한, 영구자석 동기 전동기의 회전자 영구자석에는 고온, 역방향 자계, 동작점의 변화, 산화나 부식, 기계적으로 떨어져 나가는 등의 원인으로 불가역 감자가 발생할 수 있다. 이와 같이 이미 진행된 불가역 감자 중 특정한 부분이 감자되는 현상에 대해서도 선형 홀센서를 이용하여 진단을 수행할 수 있다.
이를 위해, 부분 감자 진단부(130)는 측정된 자속의 파형의 크기가 일부 구간에서 미리 설정된 기준 자속 파형의 크기보다 작은 경우 영구자석의 부분 감자를 진단한다.
이때, 부분 감자 진단부(130)는 측정된 자속의 실효값이 미리 설정된 값보다 작고, 측정된 자속에 포함된 고조파가 미리 설정된 기준보다 증가하는 경우 영구 자석의 부분 감자로 진단할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 선형 홀센서를 이용하여 측정된 회전자의 자속을 이용하여 회전자 영구자석의 부분 감자도 진단할 수 있게 된다.
영구자석이 여러 요인으로 부분적으로 불가역 감자 현상이 발생하면, 영구자석의 자속은 일정하지 않고 부분적으로 감소하는 현상을 나타낸다. 이에 대해, 부착된 선형 홀센서로 취득되는 자속을 취득하여 부분적으로 일그러진 그래프를 얻을 수 있다. 도 9는 부분 감자된 영구자석에 대한 선형 홀센서 전압 출력 그래프이다.도 9에서 부분 감자된 영구자석의 홀센서 출력 RMS가 감소한 것을 확인할 수 있다.
예를 들어, 기계적으로 결함이 발생하여 특정 부분이 깨진 영구자석의 자속은 선형 홀센서로 취득하면 특정 부분의 출력이 감소하는 형상으로 나타난다. 따라서, 전체 선형 홀센서의 RMS값은 감소하고 FFT 분석을 행하면 고조파가 증가하는 것으로 영구자석의 부분 감자 현상을 진단할 수 있다. 도 10은 부분 감자된 영구자석에 대한 선형 홀센서 출력 신호의 FFT 분석 그래프이다. 도 10에서 상부 그래프가 정상 회전자의 그래프이고 하부 그래프가 부분 감자된 회전자의 그래프이다. FFT 분석 결과 정상 회전자에 비해 부분 감자된 회전자의 고조파 성분이 증가한 것을 확인할 수 있다.
공극 편심 진단부(140)는 측정된 자속의 파형이 상기 회전자가 1회전하는 동안 1주기로 변화하는 주파수 성분을 포함하는 경우 영구자석 동기 전동기가 공극 편심 상태라고 진단하는 공극 편심 진단부를 더 포함할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 선형 홀센서를 이용하여 측정된 회전자의 자속을 이용하여 영구자석 동기 전동기의 공극 편심도 진단할 수 있게 된다.
전동기의 편심 고장은 고정자와 회전자 사이의 공극이 일정하지 않은 상태를 의미한다. 그 종류는 정적, 동적, 복합 편심으로 분류되며, 전동기 제조 과정에서 미량의 정적 편심이 존재하여 편심 고장이 발생했다 함은 전동기의 노후와 열화로 동적 편심이 증가하여, 복합 편심이 발생한 경우를 말한다.
도 11은 영구자석 동기 전동기의 편심의 상태를 도시한 도면이다. 도 11에서, (ㄱ)은 정상 상태, (ㄴ)은 정적 편심, (ㄷ)은 동적 편심, (ㄹ)은 복합 편심 상태를 각각 도시하고 있다.
이와 같이, 전동기에 편심 고장이 발생될 경우, 균일하지 않은 공극으로 인해 회전자와 고정자 사이의 인력이 한쪽 방향으로만 강하게 발생하여, 불평형 상태(Unbalanced magnetic pull)에 이른다.
이러한 현상은 회전자가 휘어지거나 베어링이 손상하는 직접적인 역할을 한다. 또한, 전동기의 토크 맥동과 진동을 증가시켜 전동기의 성능저하를 가져오며 지속될 경우, 고정자와 회전자가 접촉하게 되어 고정자 및 회전자의 코어와 권선 고장을 일으켜 수리가 불가능한 수준에 이르게 된다. 따라서 전동기의 공극 편심을 조기에 진단하는 것이 매우 중요하다.
영구자석 동기 전동기의 공극이 일정하지 않아 편심이 발생하면, 영구자석 본래의 자속은 변화하지 않으나 일정한 위치에서 영구자석의 자속을 관측하였을 때 전동기 1회전당 반복하는 성분을 일으키게 된다. 따라서, 부착된 선형 홀센서로 취득되는 자속을 모니터링하는 경우 전동기 1회전당 1번 반복하게 되는 성분을 확인할 수 있게 된다.
도 12는 선형 홀센서를 이용한 공극 편심의 진단 그래프이고, 도 13은 영구자석이 삽입된 회전자가 기계적으로 1회전(360도)할 때 홀센서의 상대적 위치를 기록한 도면이다.
도 12, 및 도 13에서 영구자석이 삽입된 회전자가 6극으로 구성되고 홀센서 2개에 의해 회전자 자속이 측정되는 예를 확인할 수 있으며, 도 12의 홀센서 출력 파형에서 전동기 1회전당 1번 반복하는 주파수 성분을 확인할 수 있다. 따라서 선형 홀센서로 취득되는 영구자석의 자속을 분석하여 1번 반복하는 성분으로 영구자석 동기 전동기의 편심 고장을 진단할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기 진단 방법의 개략적인 흐름도이다. 도 14에서, 영구자석 동기 전동기 진단 시스템이, 먼저, 영구자석 동기 전동기의 운전 중 회전자 영구자석의 위치 변화에 따라 변화하는 회전자로부터의 자속을 측정한다(S110). 이때, 자속 측정은 선형 홀센서를 이용하여 수행될 수 있다.
이어서, 미리 설정된 상기 측정된 자속과 온도의 대응 관계를 이용하여 회전자 영구자석의 온도를 산출한다(S120). 이때, 영구자석의 온도는,
Figure 112016003291501-pat00004
의 수학식에 의해 산출될 수 있다.
이후, 측정된 자속의 파형의 크기가 일부 구간에서 미리 설정된 기준 자속 파형의 크기보다 작은 경우 영구자석의 부분 감자를 진단한다(S130).
영구자석 동기 전동기의 영구자석 감자에 대한 종래의 진단 기술로는 1)자석의 상태를 직접 관측하거나 역기전력을 측정하는 방법, 2)전동기 등가 모델로 자속을 추정하는 방법, 3)전류 스펙트럼 분석 방법, 4)인버터 신호 주입 방법 등이 사용되었다.
감자 상태를 진단하기 위하여 1)가우스 미터 등의 자속 측정장비로 직접 영구자석의 상태를 진단하는 방법은 정확하게 감자현상을 진단할 수는 있으나 전동기를 분해해야 하고 회전자를 분리하여 일정하게 측정하여야 하는 단점이 있다. 또한, 역기전력 측정을 위해서 부하와의 연결을 해제하고 일정한 속도로 회전시켜야 하며, 전체적 감자인지 부분적 감자인지 판별하기가 어렵다.
2)전동기 등가 모델링은 앞서 설명한 바와 같이 전압, 전류의 취득과 전동기 포화, 온도 변화에 따라 결과값이 정확하지 않다.
3)전류 스펙트럼 방법은 회전자 회전 주파수를 관측하여 감자 현상을 알아내는 방법으로 부분 감자의 진단이 가능하다. 하지만, 일정한 속도를 유지시켜야 하며 전동기 속도 정보를 필요로 한다. 또한, 공극 편심이나 부하의 오정렬 및 토크 맥동에서도 같은 결함 주파수가 관측되어 고장의 원인을 명확히 판별할 수 없다.
4)전동기 정지 중에 인버터를 사용하여 감자 현상을 진단하는 방법은 운전 중에 진단이 불가하며, 추가되는 전력손실이 발생한다.
그러나 본 발명에 의하면, 전동기를 분리하지 않고서도 용이하게 정확한 영구자석의 감자 상태를 확인할 수 있게 된다.
마지막으로, 측정된 자속의 파형이 상기 회전자가 1회전하는 동안 1주기로 변화하는 주파수 성분을 포함하는 경우 영구자석 동기 전동기가 공극 편심 상태라고 진단한다(S140).
영구자석 동기 전동기의 편심을 진단하기 위해 종래에는 1)직접 관측하는 방법과 2)전류 스펙트럼 분석 방법, 3)인버터 신호 주입 방법 등이 사용되었다.
편심을 진단하기 위해 1)전동기를 분해하여 회전자의 둥근 정도를 파악하는 TIR(Total Indicator Reading)시험은 다이얼 인디케이터(dial indicator)를 사용해야 하고 회전자를 수동으로 회전시켜야 한다. 이외에 공극을 직접 측정하기 위해 필러 게이지(feeler gauge)를 사용하는데, 전동기 엔드벨을 교체해야 측정이 가능하다. 직접 측정하는 방법은 모두 오랜 시간과 특정한 장비나 기구가 필요하다.
2)전류 스펙트럼 방법은 감자 현상을 진단하는 것과 마찬가지로 회전자 회전 주파수를 사용하며, 전동기 속도 정보를 필요로 하고 부하 문제나 감자 현상과 고장 원인을 분석하기에 어려움이 따른다. 3)인버터로 정지 중에 신호를 주입하는 방법은 운전 중에 편심을 측정할 수 없으며, 추가 전력 손실이 발생한다.
그러나, 본 발명에 의하면, 전동기를 분해하지 않고서도, 별도의 추가 정보나 추가 전력 손실 없이 용이하게 전동기의 편심 상태를 진단할 수 있게 된다.
본 발명의 구성에 의하면, 영구자석 동기 전동기의 회전자 위치를 나타내는 기존의 선형 홀센서를 사용하여, 전동기 운전 중 실시간으로 영구자석의 온도를 추정하며, 부분 감자 현상을 진단, 및 공극의 편심 고장을 진단할 수 있게 된다.
보다 구체적으로, 하나의 센서를 이용하여 기존 목적을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 영구자석 동기 전동기의 불가역 감자 현상을 미연에 방지하는 온도의 추정, 부분적으로 감자되는 현상, 공극 편심의 상태를 진단이 가능하게 되어, 전동기 시스템의 신뢰성, 효율성, 및 안전성을 보장할 수 있게 된다.
아울러, 영구자석 동기 전동기의 설계 시, 고온으로 인한 감자의 우려로 온도에 대한 높은 여유를 두고 제작하게 되는 종래와는 달리, 이를 최적화 할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 진단 시스템은, 기존의 진단 기술에서와는 달리 추가되는 하드웨어가 필요 없고, 전동기 및 열 등가 모델링의 부정확성에 영향을 받지 않으며, 부착된 선형 홀센서를 이용한 영구자석 자속의 측정 후, 온도를 추정하거나 결함을 진단하는 알고리즘 구현이 매우 간단하다. 또한, 선형 홀센서를 사용하지 않는 영구자석 동기 전동기의 경우에도, 가격이 저렴하여 경제성을 갖춘 선형 홀센서를 진단에 목적으로 추가 설치하여 적용 가능하다.
본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만, 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야 할 것이다.
100: 영구자석 동기 전동기 진단 시스템
110: 자속 측정부
120: 온도 산출부
130: 부분 감자 진단부
140: 공극 편심 진단부

Claims (13)

  1. 영구자석 동기 전동기의 운전 중 회전자 영구자석의 위치 변화에 따라 변화하는 상기 영구자석 동기 전동기 회전자로부터의 자속을 측정하는 자속 측정부;
    미리 설정된 상기 측정된 자속과 온도의 대응 관계를 이용하여 상기 회전자 영구자석의 온도를 산출하는 온도 산출부; 및
    상기 측정된 자속의 파형이 상기 회전자가 1회전하는 동안 1주기로 변화하는 주파수 성분을 포함하는 경우 상기 영구자석 동기 전동기가 공극 편심 상태라고 진단하는 공극 편심 진단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 진단 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석의 온도는,
    Figure 112016105490101-pat00005

    의 수학식에 의해 산출되며, T는 자석의 온도, T0는 기준 온도, ΔB는 가역 온도 계수(온도에 따른 잔류 자속 밀도의 변화량), Hout는 홀센서의 출력값인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 진단 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 자속 측정부는 선형 홀센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 진단 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 측정된 자속의 파형의 크기가 일부 구간에서 미리 설정된 기준 자속 파형의 크기보다 작은 경우 상기 영구자석의 부분 감자를 진단하는 부분 감자 진단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 진단 시스템.
  5. 영구자석 동기 전동기의 운전 중 회전자 영구자석의 위치 변화에 따라 변화하는 상기 영구자석 동기 전동기 회전자로부터의 자속을 측정하는 자속 측정부; 및
    상기 측정된 자속의 파형의 크기가 일부 구간에서 미리 설정된 기준 자속 파형의 크기보다 작은 경우 상기 영구자석의 부분 감자를 진단하는 부분 감자 진단부를 포함하며,
    상기 부분 감자 진단부는 상기 측정된 자속의 실효값이 미리 설정된 값보다 작고, 상기 측정된 자속에 포함된 고조파가 미리 설정된 기준보다 증가하는 경우 상기 영구 자석의 부분 감자를 진단하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 진단 시스템.
  6. 영구자석 동기 전동기의 운전 중 회전자 영구자석의 위치 변화에 따라 변화하는 상기 영구자석 동기 전동기 회전자로부터의 자속을 측정하는 자속 측정부; 및
    상기 측정된 자속의 파형이 상기 회전자가 1회전하는 동안 1주기로 변화하는 주파수 성분을 포함하는 경우 상기 영구자석 동기 전동기가 공극 편심 상태라고 진단하는 공극 편심 진단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 진단 시스템.
  7. 영구자석 동기 전동기 진단 시스템이,
    영구자석 동기 전동기의 운전 중 회전자 영구자석의 위치 변화에 따라 변화하는 회전자로부터의 자속을 측정하는 자속 측정 단계;
    미리 설정된 상기 측정된 자속과 온도의 대응 관계를 이용하여 상기 회전자 영구자석의 온도를 산출하는 온도 산출 단계; 및
    상기 측정된 자속의 파형이 상기 회전자가 1회전하는 동안 1주기로 변화하는 주파수 성분을 포함하는 경우 상기 영구자석 동기 전동기가 공극 편심 상태라고 진단하는 공극 편심 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 진단 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 영구자석의 온도는,
    Figure 112016105490101-pat00006

    의 수학식에 의해 산출되며,
    T는 자석의 온도, T0는 기준 온도, ΔB는 가역 온도 계수(온도에 따른 잔류 자속 밀도의 변화량), Hout는 홀센서의 출력값인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 진단 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 자속 측정 단계는 선형 홀센서를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 진단 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 측정된 자속의 파형의 크기가 일부 구간에서 미리 설정된 기준 자속 파형의 크기보다 작은 경우 상기 영구자석의 부분 감자를 진단하는 부분 감자 진단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 진단 방법.
  11. 영구자석 동기 전동기 진단 시스템이,
    영구자석 동기 전동기의 운전 중 회전자 영구자석의 위치 변화에 따라 변화하는 회전자로부터의 자속을 측정하는 자속 측정 단계; 및
    상기 측정된 자속의 파형의 크기가 일부 구간에서 미리 설정된 기준 자속 파형의 크기보다 작은 경우 상기 영구자석의 부분 감자를 진단하는 부분 감자 진단 단계를 포함하며,
    상기 부분 감자 진단 단계는 상기 측정된 자속의 실효값이 미리 설정된 값보다 작고, 상기 측정된 자속에 포함된 고조파가 미리 설정된 기준보다 증가하는 경우 상기 영구 자석의 부분 감자를 진단하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 진단 방법.
  12. 영구자석 동기 전동기 진단 시스템이,
    영구자석 동기 전동기의 운전 중 회전자 영구자석의 위치 변화에 따라 변화하는 회전자로부터의 자속을 측정하는 자속 측정 단계; 및
    상기 측정된 자속의 파형이 상기 회전자가 1회전하는 동안 1주기로 변화하는 주파수 성분을 포함하는 경우 상기 영구자석 동기 전동기가 공극 편심 상태라고 진단하는 공극 편심 진단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 진단 방법.
  13. 제 7항 내지 제 12항 중 어느 한 항의 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터 판독 가능한 프로그램을 기록한 기록 매체.
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