KR101818916B1 - 영구자석 모터 고장진단장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

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박준성
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Abstract

본 발명은 영구자석 모터 고장진단장치, 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 영구자석 모터 고장진단장치는 구형파로 구동되는 영구자석 모터와 연결된 인버터의 입력전류 및 입력전압을 측정하는 전류 전압 측정부, 영구자석 모터의 상전환에 대한 시작과 종료 사이의 상전환 시간을 산출하는 상전환 시간 산출부 및 전류 전압 측정부로부터 측정된 입력전류 및 입력전압과 상전환 시간 산출부로부터 산출된 상전환 시간을 이용하여 영구자석 모터의 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출하고, 산출된 각 상의 인덕턴스와 각 상의 기준 인덕턴스를 비교하여 영구자석 모터의 코일 단락에 대한 고장유무를 진단하는 제어부를 포함한다.

Description

영구자석 모터 고장진단장치, 시스템 및 방법{Fault diagnosis apparatus, system and method of permanent magnet motor}
본 발명은 영구자석 모터의 고장진단기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구형파로 구동되는 영구자석 모터의 고장이 발생하는 상과 고장 정도를 수학적인 모델을 기반으로 진단하는 영구자석 모터 고장진단장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 영구자석 모터는 계자가 영구자석을 사용한 영구자석 모터를 의미한다. 여기서, 영구자석 모터의 고정자는 코어와 코일로 이루어지고, 코일은 코어의 슬롯에 감겨 있는 구조로 된다. 이 때, 코일의 겉면에는 절연체로 둘러싸져 있어서 서로 이웃한 코일 간에 단락이 발생하지 않도록 되어 있다.
그러나, 시간이 지남에 따라 고전압과 열에 의해서 코일의 절연성분에 대한 효과가 약화되어 이웃한 코일 간에 단락(Turn Short)이 발생하게 된다. 만약 이웃한 코일 간에 단락이 발생하면, 영구자석 모터의 성능이 떨어지고, 단락된 코일들이 하나의 회로로 형성되어 영구자석과 고정자의 자속으로 인해 대전류가 발생된다. 발생된 대전류는 동손(Copper loss)을 발생시켜 열 발생을 심화시키며 이로 인해 가까운 코일의 절연성분 파괴를 점차 더 심화시켜 결국에는 영구자석 모터가 동작을 할 수 없을 정도로 파괴되거나 화재가 발생할 수 있다. 이에, 영구자석 모터의 단락이 초기에 발생하였을 때, 감지하고 대처할 필요성이 있다.
한편, 종래에는 영구자석 모터의 단락에 대한 고장유무를 진단하는 기준을 정하는데 있어서도 많은 시험에 의존하여 많은 시간이 소비되었다. 또한 영구자석 모터가 구동 중에는 고장유무를 진단하기 어려웠다.
한국등록특허공보 제10-0925148호(2009.10.29.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 구형파로 구동되는 영구자석 모터를 구동중인 상태에서 실시간으로 고장진단하는 영구자석 모터 고장진단장치, 시스템 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 이루고 하는 다른 기술적 과제는 영구자석 모터의 고장유무 뿐만 아니라 고장 위치 및 고장 정도를 진단하는 영구자석 모터 고장진단장치, 시스템 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 영구자석 모터 고장진단장치는 구형파로 구동되는 영구자석 모터와 연결된 인버터의 입력전류 및 입력전압을 측정하는 전류 전압 측정부, 상기 영구자석 모터의 상전환에 대한 시작과 종료 사이의 상전환 시간을 산출하는 상전환 시간 산출부 및 상기 전류 전압 측정부로부터 측정된 입력전류 및 입력전압과 상기 상전환 시간 산출부로부터 산출된 상전환 시간을 이용하여 상기 영구자석 모터의 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출하고, 상기 산출된 각 상의 인덕턴스와 각 상의 기준 인덕턴스를 비교하여 상기 영구자석 모터의 코일 단락에 대한 고장유무를 진단하는 제어부를 포함한다.
또한 상기 제어부는, 상기 입력전류, 상기 입력전압 및 상기 상전환 시간을 기초로 상기 영구자석 모터의 전압방정식을 이용하여 상기 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출하는 인덕턴스 산출부 및 상기 인덕턴스 산출부로부터 산출된 각 상의 인덕턴스를 각 상의 기준 인덕턴스와 비교하여 오차를 산출하고, 상기 오차가 정상범위에 포함되지 않는 상이 발생되면 해당 상에 권취된 코일이 단락된 것으로 진단하는 고장 진단부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 인덕턴스 산출부는, 상기 전압방정식을 하기 수학식 1로 나타내는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure 112017033715618-pat00001
여기서, vus는 영구자석 모터의 u상 상전압을 의미하고, vvs는 영구자석 모터의 v상 상전압을 의미하며, vws는 영구자석 모터의 w상 상전압을 의미하고, iu는 영구자석 모터의 u상 상전류를 의미하며, iv는 영구자석 모터의 v상 상전류를 의미하고, iw는 영구자석 모터의 w상 상전류를 의미하며, L1은 영구자석 모터의 u상 인덕턴스를 의미하고, L2는 영구자석 모터의 v상 인덕턴스를 의미하며, L3은 영구자석 모터의 w상 인덕턴스를 의미하고, eu는 영구자석 모터의 u상 역기전력을 의미하며, ev는 영구자석 모터의 v상 역기전력을 의미하고, ew는 영구자석 모터의 w상 역기전력을 의미하며, R은 영구자석 모터의 저항을 의미한다.
또한 상기 인덕턴스 산출부는, 상기 수학식 1을 기초로 도출된 하기 수학식 2를 이용하여 상기 영구자석 모터의 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 2]
Figure 112017033715618-pat00002
여기서, Ln은 각 상의 인덕턴스를 의미하고, n은 1~3이며, t2-t1은 상전환시간을 의미하고, t1은 상전환의 시작 시간을 의미하고, t2는 상전환의 종료 시간을 의미하며, D는 PWM의 듀티비를 의미하고, Vdc는 입력전압을 의미하며, E는 역기전력을 의미하고, Idc _s는 상전환 시작시의 입력전류를 의미하며, Idc _e는 상전환 종료시의 입력전류를 의미한다.
또한 상기 고장 진단부는, 상기 오차가 크면 클수록 상기 단락의 정도가 큰 것으로 진단하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 고장 진단부는, 상기 단락이 발생되면, 상기 단락의 정도를 차등 구분하여 각 등급에 해당하는 경고 알람신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 고장 진단부는, 상기 영구자석 모터가 구동 중인 상태에서 상기 권취된 코일의 단락을 진단하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 영구자석 모터는, 상기 고정자에 상기 코일이 Y결선 또는 △결선으로 권취되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 영구자석 모터 고장진단시스템은 구형파로 구동되는 영구자석 모터, 3상 브릿지로 연결된 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자가 온오프(on/off)되면서 발생되는 출력전류 및 출력전압을 상기 영구자석 모터로 출력하는 인버터 및 상기 인버터의 입력전류 및 입력전압을 측정하는 전류 전압 측정부, 상기 영구자석 모터의 상전환에 대한 시작과 종료 사이의 상전환 시간을 산출하는 상전환 시간 산출부, 및 상기 전류 전압 측정부로부터 측정된 입력전류 및 입력전압과 상기 상전환 시간 산출부로부터 산출된 상전환 시간을 이용하여 상기 영구자석 모터의 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출하고, 상기 산출된 각 상의 인덕턴스와 각 상의 기준 인덕턴스를 비교하여 상기 영구자석 모터의 코일 단락에 대한 고장유무를 진단하는 제어부를 포함하는 영구자석 모터 고장진단장치를 포함한다.
본 발명에 따른 영구자석 모터 고장진단방법은 영구자석 모터 고장진단장치가 구형파로 구동되는 영구자석 모터와 연결된 인버터의 입력전류 및 입력전압을 측정하는 단계, 상기 영구자석 모터 고장진단장치가 상기 영구자석 모터의 상전환에 대한 시작과 종료 사이의 상전환 시간을 산출하는 단계, 상기 영구자석 모터 고장진단장치가 상기 측정된 입력전류 및 입력전압과 상기 산출된 상전환 시간을 이용하여 상기 영구자석 모터의 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출하는 단계 및 상기 영구자석 모터 고장진단장치가 상기 산출된 각 상의 인덕턴스와 각 상의 기준 인덕턴스를 비교하여 상기 영구자석 모터의 코일 단락에 대한 고장유무를 진단하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 영구자석 모터 고장진단장치, 시스템 및 방법은 구형파로 구동되는 영구자석 모터의 각 상에 대한 인덕턴스를 산출하고, 산출된 각 상의 인덕턴스와 각 상의 기준 인덕턴스를 비교하여 영구자석 모터를 구동중인 상태에서 실시간으로 고장진단할 수 있다.
또한 각 상마다 인덕턴스와 기준 인덕턴스의 오차를 산출하여 정상범위에 포함되지 않는 상이 발생되면 해당 상에 권취된 코일이 단락된 것으로 진단할 수 있다.
또한 산출된 오차가 크면 클수록 단락의 정도가 큰 것으로 진단할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터고장진단시스템을 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터고장진단시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터 및 인버터의 등가회로를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 도 3의 등가회로에 대한 상전압 및 상전류 파형을 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 도 3의 등가회로에서 v상 전류에 대한 천이상태를 설명하기 위한 회로도이다.
도 6은 도 5의 등가회로에서 상전환에 대한 상전류 파형을 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 도 6의 A영역을 확대하여 상전류 및 역기전력 파형을 설명하기 위한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터고장진단방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터고장진단시스템을 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터고장진단시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 영구자석 모터고장진단시스템(100)은 구형파로 구동되는 영구자석 모터(40)의 고장을 실시간으로 진단한다. 영구자석 모터고장진단시스템(100)은 영구자석 모터(40)의 고장유무 뿐만 아니라 고장 위치 및 고장 정도를 진단한다. 영구자석 모터고장진단시스템(100)은 인버터(20), 영구자석 모터 고장진단장치(30) 및 영구자석 모터(40)를 포함하고, 전원(10)을 더 포함할 수 있다.
전원(10)은 일단이 인버터(20)와 연결되어 인버터(20)에 전압 및 전류를 공급하고, 타단이 그라운드(GND)와 연결된다. 전원(10)은 직류 전원을 공급하거나, 교류전원을 공급할 수 있다. 여기서, 전원부(10)가 인버터(20)에 교류 전원을 공급하는 경우, 전원(10)은 인버터(20)의 입력단에 정류회로(미도시)를 더 포함하여 교류전원이 직류전원으로 변환되도록 할 수 있다.
인버터(20)는 일단이 전원(10)과 연결되고, 타단이 영구자석 모터(40)와 연결되며, 복수의 스위칭 소자(21, 22, 23, 24, 25, 26)를 포함한다. 상세하게는, 인버터(20)는 제1 스위칭 소자(21), 제2 스위칭 소자(22), 제3 스위칭 소자(23), 제4 스위칭 소자(24), 제5 스위칭 소자(25) 및 제6 스위칭 소자(26)를 포함한다. 이 때, 인버터(20)는 3상 브릿지로 연결된다. 즉, 인버터(20)는 제1 스위칭 소자(21) 및 제2 스위칭 소자(22)가 브릿지로 연결되어 u상을 이루고, 제3 스위칭 소자(23) 및 제4 스위칭 소자(24)가 브릿지로 연결되어 v상을 이루며, 제5 스위칭 소자(25) 및 제6 스위칭 소자(26)가 브릿지로 연결되어 w상을 이룬다. 여기서, 스위칭 소자는 스위치 및 환류 다이오드를 포함한다. 인버터(20)는 제1 스위칭 소자(21) 내지 제6 스위칭 소자(26)의 온오프에 따라 출력전류 및 출력전압을 조절할 수 있으며, 조절된 출력전류 및 출력전압을 영구자석 모터(40)로 출력한다.
영구자석 모터 고장진단장치(30)는 인버터(20)의 입력전류, 입력전압 및 영구자석 모터(40)의 상전환 시간을 이용하여 영구자석 모터(40)의 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출한다. 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 산출된 각 상의 인덕턴스와 각 상의 기준 인덕턴스를 비교하여 영구자석 모터(40)의 고장유무를 진단한다. 여기서, 기준 인덕턴스는 영구자석 모터(40)의 정상상태에서의 인덕턴스를 의미한다.
상세하게는, 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 전류 전압 측정부(31), 상전환 측정부(32) 및 제어부(33)를 포함하고, 출력부(36) 및 저장부(37)를 더 포함할 수 있다.
전류 전압 측정부(31)는 인버터(20)의 입력전류 및 입력전압을 측정한다. 전류 전압 측정부(31)는 인버터(20)의 입력단과 연결되어 전원(10)으로부터 입력되는 전류 및 전압을 측정한다. 이 때, 측정되는 입력전류 및 입력전압은 직류일 수 있다.
상전환 시간 산출부(32)는 영구자석 모터(40)의 상전환에 대한 시작과 종료 사이의 상전환 시간을 산출한다. 상전환 시간 산출부(32)는 영구자석 모터(40)의 상전환 시작 시간 및 상전환 종료 시간을 각각 측정한 후, 상전환 종료 시간에서 상전환 시작 시간을 차감하여 상전환 시간을 산출한다.
제어부(33)는 전류 전압 측정부(31)로부터 측정된 입력전류 및 입력전압과 상전환 시간 산출부(32)로부터 산출된 상전환 시간을 이용하여 영구자석 모터(40)의 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출한다. 제어부(33)는 산출된 각 상의 인덕턴스와 영구자석 모터(40)의 기준 인덕턴스를 비교하여 영구자석 모터(40)의 고장유무를 진단한다. 제어부(33)는 인덕턴스 산출부(34) 및 고장 진단부(35)를 포함한다.
인덕턴스 산출부(34)는 전류 전압 측정부(31)로부터 인버터(20)의 입력전류 및 입력전압을 입력받고, 상전환 시간 산출부(32)로부터 영구자석 모터(40)의 상전환 시간을 입력받는다. 인덕턴스 산출부(34)는 입력전류, 입력전압 및 상전환 시간을 기초로 영구자석 모터(40)의 전압방정식을 이용하여 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출한다. 즉, 인덕턴스 산출부(34)는 영구자석 모터(40)의 u상, v상 및 w상에 대한 인덕턴스를 각각 산출한다.
고장 진단부(35)는 인덕턴스 산출부(34)로부터 산출된 각 상에 대한 인덕턴스를 기준 인덕턴스와 비교하여 오차를 산출한다. 여기서, 기준 인덕턴스는 정상상태일 때 영구자석 모터(40)의 인덕턴스일 수 있다. 고장 진단부(35)는 산출된 오차가 정상범위에 포함되지 않는 상이 발생되면 해당 상에 권취된 코일이 단락된 것으로 실시간으로 진단한다. 즉, 영구자석 모터가 구동 중인 상태에서 고정자에 권취된 코일의 단락을 진단할 수 있다.
상세하게는, 고장 진단부(35)는 실제로 영구자석 모터(40)의 단락 상태를 확인하지 않고도 인덕턴스의 값만으로 영구자석 모터(40)의 단락을 진단할 수 있다. 고장 진단부(35)는 단락이 발생된 상을 진단할 뿐만 아니라 오차의 크기를 통해 단락의 정도를 진단할 수 있다. 바람직하게는 고장 진단부(35)는 오차가 크면 클수록 단락의 정도가 큰 것으로 진단할 수 있다.
출력부(36)는 인덕턴스 산출부(34)로부터 산출된 각 상에 대한 인덕턴스를 출력한다. 출력부(36)는 고장 진단부(35)로부터 진단된 고장유무를 출력한다. 출력부(36)는 액정, 모니터, 프린터, 프로젝터 등이 포함된 디스플레이이거나, 스피커, 경보등 등과 같은 알람장치일 수 있다.
저장부(37)는 전류 전압 측정부(31)로부터 측정된 입력전류 및 입력전압이 저장된다. 저장부(37)는 상전환 시간 산출부(32)로부터 산출된 상전환 시간이 저장된다. 저장부(37)는 인덕턴스 산출부(34)로부터 산출된 각 상에 대한 인덕턴스가 저장된다. 저장부(37)는 고장 진단부(35)로부터 진단된 고장유무가 저장된다. 저장부(37)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 저장매체를 포함할 수 있다.
한편, 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 전술된 바와 같이, 도 1 및 도 2에서 영구자석 모터(40)와 별개로 구비되는 구조로 도시되고, 설명되었지만 이에 한정하지 않고 영구자석 모터(40)의 내부에 있는 컨트롤러에 장착되는 구조일 수 있다.
영구자석 모터(40)는 구형파로 구동되는 영구자석 모터이고, 부하(미도시)와 연결된다. 바람직하게는, 영구자석 모터(40)는 브러시리스 직류(Brushless DC, BLDC) 모터일 수 있다. 영구자석 모터(40)는 고정자(미도시) 및 회전자(미도시)를 포함한다. 고정자는 권선계좌의 3상(u, v, w)으로 구성되며, 3상의 고정자는 120°간격으로 배치되어 각 고정자에 흐르는 전류의 방향에 따라 자극(N극 또는 S극)으로 작용한다. 한편, 영구자석 모터(40)는 고정자에 코일이 Y결선 또는 △결선으로 권취될 수 있다.
영구자석 모터(40)는 2상 여자 방식, 즉 3상의 고정자 중 두 상만 여자되고, 나머지 한 상은 여자되지 않는 방식으로 회전자를 회전시킬 수 있다. 이 때, 영구자석 모터(40)는 각 상마다 저항(R), 인덕터(L) 및 역기전력(e)을 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터 및 인버터의 등가회로를 설명하기 위한 회로도이고, 도 4는 도 3의 등가회로에 대한 상전압 및 상전류 파형을 설명하기 위한 그래프이며, 도 5는 도 3의 등가회로에서 v상 전류에 대한 천이상태를 설명하기 위한 회로도이고, 도 6은 도 5의 등가회로에서 상전환에 대한 상전류 파형을 설명하기 위한 그래프이며, 도 7은 도 6의 A영역을 확대하여 상전류 및 역기전력 파형을 설명하기 위한 그래프이다.
도 2 내지 도 7을 참조하면, 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 영구자석 모터(40)의 이웃한 코일간 단락을 발생초기에 진단함으로써, 사용자가 신속한 대처를 할 수 있다. 이를 통해, 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 영구자석 모터(40)가 단락으로 발생될 수 있는 성능저하, 파괴 또는 화재 등을 미연에 방지할 수 있다.
영구자석 모터(40) 및 인버터(20)의 등가회로(도 3)는 각 상의 정현파 역기전력을 [수학식 1]과 같이 나타내고, 구형파 구동시 상전압 및 상전류의 파형을 도 4와 같이 나타낸다.
Figure 112017033715618-pat00003
여기서, eu는 영구자석 모터(40)의 u상 역기전력을 의미하고, ev는 영구자석 모터(40)의 v상 역기전력을 의미하며, ew는 영구자석 모터(40)의 w상 역기전력을 의미하고, E는 영구자석 모터(40)의 역기전력을 의미하며, w는 전기각속도를 의미한다.
따라서, 영구자석 모터(40)의 역기전력 및 스위칭 패턴은 전기각 60°의 구간 동안 일정한 스위칭 패턴이 유지된다.
예를 들면, u상과 w상이 여자되고, v상이 개방되는 0°< wt < 60°구간인 경우, 인버터(20)는 제1 스위칭 소자(21)가 PWM 신호에 따라 온 또는 오프 상태가 되고, 제6 스위칭 소자(26)가 항상 온 상태가 되며, 나머지 스위칭 소자(22, 23, 24, 25)가 모두 오프 상태가 된다. 즉, 인버터(20)는 PWM 신호 상태, 개방된 상의 환류 다이오드의 도통 상태에 따라 4가지 종류로 구분될 수 있다.
이하, 해석의 편의상 전류 및 전압 방정식에서는 스위치와 환류 다이오드가 이상적인 것으로 가정하여 이들이 도통되었을 때의 전압 강하가 발생되지 않는다고 간주한다.
먼저, wt가 0°일 때, 인버터(20)는 v상을 소호하고, w상을 점호하여도 인덕턴스 성분으로 인하여 소호된 상의 전류는 순간적으로 0이 되지 못하고, 제2 스위칭 소자(22)의 환류 다이오드를 통하여 흐르면서 일정 기울기로 감소한다. 즉, v상의 전류가 완전히 소호되기 전까지의 등가회로(도 5)는 v상의 단자전압이 PWM 신호의 온오프 상태와 관계없이 항상 전원(10)의 전압(Vdc)으로 검출되며, [수학식 2]와 같이 나타낸다.
Figure 112017033715618-pat00004
여기서, vvn은 인버터(20)의 v상 단자전압을 의미하고, Vdc는 전원(10)의 전압을 의미한다.
이로 인해, 도 5의 등가회로는 [수학식 3] 내지 [수학식 5]와 같이 나타낸다.
Figure 112017033715618-pat00005
여기서, iu는 영구자석 모터(40)의 u상 상전류를 의미하고, iv는 영구자석 모터(40)의 v상 상전류를 의미하며, iw는 영구자석 모터(40)의 w상 상전류를 의미한다.
Figure 112017033715618-pat00006
Figure 112017033715618-pat00007
여기서, vus는 영구자석 모터(40)의 u상 상전압을 의미하고, vvs는 영구자석 모터(40)의 v상 상전압을 의미하며, vws는 영구자석 모터(40)의 w상 상전압을 의미한다.
따라서, 영구자석 모터(40)의 전압방정식은 [수학식 6]과 같이 정리되며, 인덕턴스 산출부(34)는 [수학식 6]으로부터 도출된 수학식을 이용하여 각 상에 대한 인덕턴스를 산출할 수 있다. 이하, [수학식 6]을 기초로 인덕턴스 산출부(34)가 각 상에 대한 인덕턴스를 산출하기 위한 수학식을 도출하는 과정을 상세하게 설명한다.
Figure 112017033715618-pat00008
여기서, R은 영구자석 모터(40)의 저항을 의미하고, L1, L2, L3은 영구자석 모터(40)의 각 상에 대한 인덕턴스를 의미한다.
[수학식 4] 및 [수학식 5]는 [수학식 6]을 이용하여 [수학식 7] 및 [수학식 8]과 같이 정리된다.
Figure 112017033715618-pat00009
Figure 112017033715618-pat00010
[수학식 7] 및 [수학식 8]을 이용하여 [수학식 9]와 같은 관계식을 도출한다.
Figure 112017033715618-pat00011
한편, 중성점전압인 vs는 w상 상전압인 vws 및 [수학식 3]을 이용하여 [수학식 10]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017033715618-pat00012
L = L1 = L2로 가정하면 [수학식 10]은 [수학식 11]과 같이 정리된다.
Figure 112017033715618-pat00013
여기서, 영구자석 모터(40)의 전압방정식인 [수학식 6]은 [수학식 10] 및 [수학식 11]을 이용하여 [수학식 12]와 같이 정리된다.
Figure 112017033715618-pat00014
한편, 도 6의 A영역이 확대된 도 7은 영구자석 모터(40)의 상전환일 때, 상전류와 역기전력이 도시된다. 이 때, t1은 상전환의 시작시간을 의미하고, t2는 상전환의 종료시간을 의미한다. 또한 I2 및 I3은 상전환 시작 및 종료시 상전류의 크기를 의미한다. 여기서, 상전환 시 각각의 상전류는 선형적으로 증가와 감소하는 것으로 가정하였다.
상전환 시, 전압방정식인 [수학식 12]를 이용하여 [수학식 13] 내지 [수학식 15]로 나타낼 수 있다.
Figure 112017033715618-pat00015
Figure 112017033715618-pat00016
Figure 112017033715618-pat00017
여기서, D는 인버터(200)의 PWM 듀티비를 의미한다.
[수학식 13] 내지 [수학식 15]를 다시 정리하면, [수학식 16] 내지 [수학식 18]과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017033715618-pat00018
Figure 112017033715618-pat00019
Figure 112017033715618-pat00020
한편, [수학식 16]에서의 저항(R)은 작기 때문에 무시하고, 상전환 시간은 짧기 때문에 상전환 시의 역기전력의 변화가 직선형태라고 가정하면, [수학식 19]와 같이 정리된다.
Figure 112017033715618-pat00021
즉, 상전환 시간 t2 t1은 상전환 시간 산출부(32)에서 산출하고, 입력전압(Vdc), I3, I2는 전류 전압 측정부(31)에서 측정함으로, 인덕턴스 산출부(34)는 입력전압, 입력전류 및 상전환 시간을 이용하여 한 상의 인덕턴스를 산출할 수 있다. 여기서, I2는 상전환 시작 시의 상전류로써, 상전환 시작 때의 입력전류와 동일하여 Idc _s로 나타내고, I3은 상전환 종류 시의 상전류로써, 상전환 종류 때의 입력전류와 동일하여 Idc_e로 나타낸다. 따라서, [수학식 19]는 [수학식 20]과 같이 정리된다.
Figure 112017033715618-pat00022
여기서, Ln은 각 상의 인덕턴스를 의미하고, n은 1~3이다.
인덕턴스 산출부(34)는 각 구간에서 L1, L2 및 L3을 각각 산출할 수 있다. 여기서, 각 구간은 전기각 1회전시 발생되는 6개의 구간을 의미한다.
고장 진단부(33)는 인덕턴스 산출부(34)로부터 산출된 각 상의 인덕턴스를 기준 인덕턴스와 비교하여 오차를 산출한다. 고장 진단부(33)는 오차가 정상범위에 포함되면 단락이 없는 것으로 진단하고, 오차가 정상범위에 포함되지 않으면 포함되지 않는 상에 권취된 코일이 단락된 것으로 진단한다. 고장 진단부(33)는 코일의 단락이 발생된 상을 진단할 뿐만 아니라 코일의 단락 정도를 진단할 수 있다. 즉, 고장 진단부(33)는 오차가 크면 클수록 단락의 정도가 큰 것으로 진단할 수 있다. 바람직하게는, 고장 진단부(33)는 설정된 범위를 기준으로 단락의 정도를 차등 구분하여 각 등급에 해당하는 경고 알람신호를 생성할 수 있다.
예를 들면, 고장 진단부(33)는 주의, 경보 및 위험과 같이 3단계로 차등 구분할 수 있다. 이 때, 주의 단계는 단락의 초기 단계로써, 고장 진단부(33)는 현재 영구자석 모터(40)의 구동을 종료한 후 유지보수를 제안하는 경고 알람신호를 생성할 수 있다. 경보 단계는 단락의 정도가 일정부분 확장된 단계로써, 고장 진단부(33)는 현재 영구자석 모터(40)의 구동을 종료시키고 유지보수를 제안하는 경고 알람신호를 생성할 수 있다. 위험 단계는 단락의 정도가 전방위로 확장되어 영구자석 모터(40)가 파괴되거나 화재가 발생될 위험이 있는 단계로써, 고장 진단부(33)는 현재 영구자석 모터(40)의 구동을 강제 종료시키는 경고 알림신호를 생성할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 모터고장진단방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2 및 도 8을 참조하면, 영구자석 모터고장진단방법은 구형파로 구동되는 영구자석 모터(40)의 각 상에 대한 인덕턴스를 산출하고, 산출된 각 상의 인덕턴스와 기준 인덕턴스를 비교하여 영구자석 모터(40)의 고장을 실시간으로 진단할 수 있다. 영구자석 모터고장진단방법은 각 상의 인덕턴스와 기준 인덕턴스의 오차가 정상범위에 포함되지 않는 상이 발생되면 해당 상에 권취된 코일이 단락된 것으로 진단하고, 각 상의 인덕턴스와 기준 인덕턴스의 오차가 크면 클수록 단락의 정도가 큰 것으로 진단할 수 있다.
S51단계에서, 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 구형파로 구동되는 영구자석 모터(40)와 연결된 인버터(20)의 입력전류 및 입력전압을 측정한다. 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 인버터(20)의 입력단과 연결된 전원(10)으로부터 입력되는 전류 및 전압을 측정한다.
S53단계에서, 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 영구자석 모터(40)의 상전환에 대한 시작과 종료 사이의 상전환 시간을 산출한다. 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 상전환 시작 시간 및 상전화 종료 시간을 각각 측정한 후, 상전환 종료 시간에서 상전환 시작 시간을 차감하여 상전환 시간을 산출한다.
S55단계에서, 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 입력전류, 입력전압 및 상전환 시간을 이용하여 영구자석 모터(40)의 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출한다. 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 영구자석 모터(40)의 전압방정식을 이용하여 고장자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출한다. 즉, 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 영구자석 모터(40)의 u상, v상 및 w 상에 대한 인덕턴스를 실시간 산출한다.
S57단계에서, 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 산출된 각 상의 인덕턴스와 영구자석 모터(40)의 기준 인덕턴스를 비교하여 영구자석 모터(40)의 고장유무를 진단한다. 이 때, 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 각 상에 대한 인덕턴스와 기준 인덕턴스의 오차를 산출한다. 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 산출된 오차가 정상범위에 포함되면 단락이 발생하지 않은 것으로 진단하고, 정상범위에 포함되지 않으면 단락이 발생된 것으로 진단한다. 또한 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 오차의 크기를 통해 단락의 정도를 진단한다. 바람직하게는, 영구자석 모터 고장진단장치(30)는 오차가 크면 클수록 단락의 정도가 큰 것으로 진단할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
10: 전원
20: 인버터
21: 제1 스위칭 소자
22: 제2 스위칭 소자
23: 제3 스위칭 소자
24: 제4 스위칭 소자
25: 제5 스위칭 소자
26: 제6 스위칭 소자
30: 영구자석 모터 고장진단장치
31: 전류 전압 측정부
32: 상전환 시간 산출부
33: 제어부
34: 인덕턴스 산출부
35: 고장 진단부
36: 출력부
37: 저장부
40: 영구자석 모터
100: 영구자석 모터 고장진단시스템

Claims (10)

  1. 구형파로 구동되는 영구자석 모터와 연결된 인버터의 입력전류 및 입력전압을 측정하는 전류 전압 측정부;
    상기 영구자석 모터의 상전환에 대한 시작과 종료 사이의 상전환 시간을 산출하는 상전환 시간 산출부; 및
    상기 전류 전압 측정부로부터 측정된 입력전류 및 입력전압과 상기 상전환 시간 산출부로부터 산출된 상전환 시간을 이용하여 상기 영구자석 모터의 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출하고, 상기 산출된 각 상의 인덕턴스와 각 상의 기준 인덕턴스를 비교하여 상기 영구자석 모터의 코일 단락에 대한 고장유무를 진단하는 제어부;
    를 포함하는 영구자석 모터 고장진단장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 입력전류, 상기 입력전압 및 상기 상전환 시간을 기초로 상기 영구자석 모터의 전압방정식을 이용하여 상기 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출하는 인덕턴스 산출부; 및
    상기 인덕턴스 산출부로부터 산출된 각 상의 인덕턴스를 각 상의 기준 인덕턴스와 비교하여 오차를 산출하고, 상기 오차가 정상범위에 포함되지 않는 상이 발생되면 해당 상에 권취된 코일이 단락된 것으로 진단하는 고장 진단부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터 고장진단장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 인덕턴스 산출부는,
    상기 전압방정식을 하기 수학식 1로 나타내는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터 고장진단장치.
    [수학식 1]
    Figure 112017033715618-pat00023

    (여기서, vus는 영구자석 모터의 u상 상전압을 의미하고, vvs는 영구자석 모터의 v상 상전압을 의미하며, vws는 영구자석 모터의 w상 상전압을 의미하고, iu는 영구자석 모터의 u상 상전류를 의미하며, iv는 영구자석 모터의 v상 상전류를 의미하고, iw는 영구자석 모터의 w상 상전류를 의미하며, L1은 영구자석 모터의 u상 인덕턴스를 의미하고, L2는 영구자석 모터의 v상 인덕턴스를 의미하며, L3은 영구자석 모터의 w상 인덕턴스를 의미하고, eu는 영구자석 모터의 u상 역기전력을 의미하며, ev는 영구자석 모터의 v상 역기전력을 의미하고, ew는 영구자석 모터의 w상 역기전력을 의미하며, R은 영구자석 모터의 저항을 의미함)
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 인덕턴스 산출부는,
    상기 수학식 1을 기초로 도출된 하기 수학식 2를 이용하여 상기 영구자석 모터의 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출하는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터 고장진단장치.
    [수학식 2]
    Figure 112017033715618-pat00024

    (여기서, Ln은 각 상의 인덕턴스를 의미하고, n은 1~3이며, t2-t1은 상전환시간을 의미하고, t1은 상전환의 시작 시간을 의미하고, t2는 상전환의 종료 시간을 의미하며, D는 PWM의 듀티비를 의미하고, Vdc는 입력전압을 의미하며, E는 역기전력을 의미하고, Idc_s는 상전환 시작시의 입력전류를 의미하며, Idc_e는 상전환 종료시의 입력전류를 의미함)
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 고장 진단부는,
    상기 오차가 크면 클수록 상기 단락의 정도가 큰 것으로 진단하는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터 고장진단장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 고장 진단부는,
    상기 단락이 발생되면, 상기 단락의 정도를 차등 구분하여 각 등급에 해당하는 경고 알람신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터 고장진단장치.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 고장 진단부는,
    상기 영구자석 모터가 구동 중인 상태에서 상기 권취된 코일의 단락을 진단하는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터 고장진단장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석 모터는,
    상기 고정자에 상기 코일이 Y결선 또는 △결선으로 권취되는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터 고장진단장치.
  9. 구형파로 구동되는 영구자석 모터;
    3상 브릿지로 연결된 복수의 스위칭 소자를 포함하고, 상기 복수의 스위칭 소자가 온오프(on/off)되면서 발생되는 출력전류 및 출력전압을 상기 영구자석 모터로 출력하는 인버터; 및
    상기 인버터의 입력전류 및 입력전압을 측정하는 전류 전압 측정부, 상기 영구자석 모터의 상전환에 대한 시작과 종료 사이의 상전환 시간을 산출하는 상전환 시간 산출부, 및 상기 전류 전압 측정부로부터 측정된 입력전류 및 입력전압과 상기 상전환 시간 산출부로부터 산출된 상전환 시간을 이용하여 상기 영구자석 모터의 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출하고, 상기 산출된 각 상의 인덕턴스와 각 상의 기준 인덕턴스를 비교하여 상기 영구자석 모터의 코일 단락에 대한 고장유무를 진단하는 제어부를 포함하는 영구자석 모터 고장진단장치;
    를 포함하는 영구자석 모터 고장진단시스템.
  10. 영구자석 모터 고장진단장치가 구형파로 구동되는 영구자석 모터와 연결된 인버터의 입력전류 및 입력전압을 측정하는 단계;
    상기 영구자석 모터 고장진단장치가 상기 영구자석 모터의 상전환에 대한 시작과 종료 사이의 상전환 시간을 산출하는 단계;
    상기 영구자석 모터 고장진단장치가 상기 측정된 입력전류 및 입력전압과 상기 산출된 상전환 시간을 이용하여 상기 영구자석 모터의 고정자에 대한 각 상의 인덕턴스를 산출하는 단계; 및
    상기 영구자석 모터 고장진단장치가 상기 산출된 각 상의 인덕턴스와 각 상의 기준 인덕턴스를 비교하여 상기 영구자석 모터의 코일 단락에 대한 고장유무를 진단하는 단계;
    를 포함하는 영구자석 모터 고장진단방법.
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