KR101878810B1 - 모터의 고장 진단 방법 - Google Patents

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KR101878810B1
KR101878810B1 KR1020170029725A KR20170029725A KR101878810B1 KR 101878810 B1 KR101878810 B1 KR 101878810B1 KR 1020170029725 A KR1020170029725 A KR 1020170029725A KR 20170029725 A KR20170029725 A KR 20170029725A KR 101878810 B1 KR101878810 B1 KR 101878810B1
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최기영
신수철
김상우
정혜윤
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 발명은, 모터의 상 전압을 측정하는 단계, 상기 측정된 상 전압, 상기 모터의 인덕턴스, 고정자 저항, 및 영구자석의 자속에 기초하여, 역상 전압의 고장 성분을 산출하는 단계, 상기 역상 전압의 고장 성분, 상기 인덕턴스, 상기 고정자 저항, 전기적 각속도, 및 기계적 각속도에 기초하여 고장 지표를 산출하는 단계 및 상기 고장 지표에 기초하여 상기 모터의 상태를 판단하는 단계를 포함하는 모터의 고장 진단 방법에 관한 것이다. 이에 따라 모터가 고장나기 전이라도 모터의 손상 정도를 판단할 수 있다.

Description

모터의 고장 진단 방법{Fault diagnosis method of motor}
본 발명은 모터의 고장 진단 방법에 관한 것으로써, 구체적으로 모터의 코일의 단락 정도와 절연 정도를 나타내는 고장 지표를 이용하여 모터의 손상 정도를 판단하는 방법에 관한 것이다.
모터는, 전력을 사용하여 회전력을 발생시키는 동력 기계이다. 모터는 전동기라고 명명하기도 한다.
모터는 고정되어 있는 부분인 고정자와 회전하는 부분인 회전자로 구성될 수 있다. 모터의 고정자에는 도체 전선이 감겨 코일이 형성된다.
수 많은 전기 장치에 모터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 선풍기나 공기조화기 같은 가전 제품, 및 전기 자동차에 모터가 사용될 수 있다.
이 중 전기 자동차에 주로 사용되는 모터는, BLDC(Brush-less Direct Current) 모터 또는 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)이다.
전기 자동차는 고전압을 사용하고, 다양한 환경에서 주행하기 때문에 모터가 고장날 가능성이 있다. 특히 모터에 구비된 코일은, 고전압에 의한 열이나 주행 환경에 의한 물리적 충격에 의하여 단락되거나 손상될 가능성이 높다.
전기 자동차의 모터가 고장나는 경우, 차량이 구동될 수 없으므로, 모터의 상태를 판단할 필요성이 있다.
그러나, 종래에는 모터가 구동되는 상태에서 모터가 얼마나 손상된 것인지 판단할 수 없어 모터가 고장나기 전에 모터의 손상 정도를 판단할 수 있는 방법이 필요하다.
특히, 모터의 코일은, 물리적 충격이나 열로 인하여 손상될 수 있므으로, 코일에 발생한 손상의 정도를 판단할 수 있는 방법이 필요하다.
또한, 모터의 코일의 단락이나 절연을 나타내는 변수는 모터의 회전 속도에 영향을 받는데, 이에 따라 모터의 회전 속도가 변화되는 환경에서 코일의 손상 정도를 정확히 판단할 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는, 상기 문제점을 해결하기 위하여, 모터의 코일의 손상 정도를 판단할 수 있는 모터 고장 진단 방법을 제공하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명의 실시예는, 상기 문제점을 해결하기 위하여, 모터의 회전 속도가 변화하는 경우라도 코일의 단락이나 절연 정도를 판단할 수 있는 모터 고장 진단 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 모터의 고장 진단 방법은, 상기 모터의 상 전압을 측정하는 단계, 상기 측정된 상 전압, 상기 모터의 인덕턴스, 고정자 저항, 및 영구자석의 자속에 기초하여, 역상 전압의 고장 성분을 산출하는 단계, 상기 역상 전압의 고장 성분, 상기 인덕턴스, 상기 고정자 저항, 전기적 각속도, 및 기계적 각속도에 기초하여 고장 지표를 산출하는 단계 및 상기 고장 지표에 기초하여 상기 모터의 상태를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 다음과 같은 효과가 하나 혹은 그 이상 있다.
첫째, 모터가 고장 나기 전이라도 모터의 코일에 발생한 물리적 손상의 정도를 판단할 수 있으므로, 모터의 고장을 예방할 수 있다.
둘째, 모터의 회전 속도가 변화하는 경우라도 코일의 단락 및 절연 정도를 판단할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 모터의 고장 진단 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 역상 전압의 고장 성분을 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 모터의 고장 상태를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 정상 상태인 모터의 모델식을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 고장 상태의 모터의 모델식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 고장 지표의 수식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 고장 지표의 변화에 따른 코일의 단락 정도 및 절연 정도의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로써, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
전기 자동차에는 전기 모터가 구비될 수 있다. 전기 모터는 전력을 회전력을 변화시키는 동력 기계이다. 모터는 전동기라고 명명되기도 한다.
모터는 고정되어 있는 부분인 고정자와 회전하는 부분인 회전자로 구성될 수 있다. 모터의 고정자에는 도체 전선이 감겨 코일이 형성된다.
전기 자동차에 구비된 전기 모터에는 고전압 및 고전류의 전력이 사용되므로, 모터에 구비된 코일에 큰 열이 가해질 수 있다. 이러한 고열로 인하여, 모터의 코일이 손상될 수 있다.
또한, 전기 자동차는, 다양한 환경을 주행하므로, 모터에 물리적 충격이 가해질 수 있다. 이 경우, 물리적 충격에 의하여 모터의 코일이 손상될 수 있다.
예를 들어, 전기 자동차에 사용되는 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)에는 코일의 손상이 빈번하게 발생될 수 있다. 본 발명에 따른 모터의 고장 진단 방법은, PMSM의 코일의 손상을 나타내는 고장 지표를 산출하여, PMSM의 코일의 손상 정도를 판단하는 방법이다.
정상적인 상태에서 코일을 구성하는 도선은, 각각 단락되지 않고, 절연되어 있다. 이는, 전류가 도선을 따라 흐르도록 하고, 도선끼리 단락되어 합선되지 않도록 하기 위한 것이다.
모터에 고열이나 물리적 충격이 지속적으로 가해지는 경우, 코일을 구성하는 도선의 단락 정도가 증가하거나, 도선의 절연 정도가 감소될 수 있다.
도선의 단락 정도는, 코일을 구성하는 도선이 각각 단락된 정도를 나타낸다. 도선의 단락 정도가 증가한다는 것은, 단락된 도선이 많아진다는 것이므로, 모터의 손상 정도가 증가하는 것을 뜻한다. 도선의 단락 정도는 코일의 단락 정도라고 명명할 수도 있다.
도선의 절연 정도는, 코일을 구성하는 각 도선이 절연된 정도를 나타낸다. 동선의 절연 정도가 감소한다는 것은, 도선이 절연된 정도가 증가한다는 것이므로, 도선이 단락될 가능성이 높아지고, 모터의 손상 정도가 증가한다는 것을 뜻한다. 도선의 절연 정도는 코일의 절연 정도라고 명명할 수도 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에서 모터의 손상 정도나 고장 정도는, 모터에 구비된 코일의 단락 정도 및 절연 정도를 나타내는 것일 수 있다.
코일의 전체 권선수가 N이고, 단락된 권선수가 n인 경우, 코일의 단락 정도를 나타내는 값인 μ는, n/N으로 정의할 수 있다.
코일의 절연 정도는, 권선에 병렬로 연결된 가상의 저항 Rf로 표현할 수 있다. Rf가 권선에 병렬로 연결되어 있으므로, Rf가 클수록 전류가 권선으로 흐르고, Rf가 작을수록 권선에 흐르는 전류가 감소한다. 권선에 흐르는 전류가 감소하는 것은, 권선의 절연 정도가 증가하는 것으로 볼 수 있으므로, Rf가 작을수록 코일의 절연 정도가 증가하는 것으로 판단할 수 있다.
코일의 손상 정도에 대한 구체적인 설명은, 도 3에 대한 설명에서 후술한다.
종래의 신호 기반으로 PMSM의 코일의 손상을 판단하는 방법은, 모터의 회전 속도가 변화하는 경우, 적용될 수 없다. 또한, 코일이 완전 단락된 경우와 같이 심각한 고장의 경우만 판단할 수 있다. 반면, 본 발명에 따른 모터의 고장 진단 방법에 따르면, 코일이 완전히 단락되지 않은 경우라도, 코일의 손상 정도를 판단할 수 있는 효과가 있다.
이에 따라, 모터의 손상 정도를 조기에 판단할 수 있고, 모터의 효율 저하를 조기에 방지할 수 있으며, 모터의 고장을 조기에 판단할 수 있어 차량의 주행 안전성이 향상될 수 있다. 본 발명에 따른 모터의 고장 진단 방법은, 사용자에 의하여 수행되거나, 차량에 구비된 프로세서나 제어부에 의하여 수행될 수 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따라 모터의 고장 진단 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 모터의 고장 진단 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 역상 전압의 고장 성분을 산출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 모터의 고장 진단 방법은, 모터의 상전압 및 상전류를 측정하는 단계(S100), 측정된 상전압 및 상전류, 모터의 인덕턴스 및 고정자 저항에 기초하여, 역상 전압의 고장 성분을 산출하는 단계(S200), 역상 전압의 고장 성분, 인덕턴스, 고정자 저항, 전기적 각속도, 및 기계적 각속도에 기초하여 고장 지표를 산출하는 단계(S300), 및 고장 지표에 기초하여 모터의 상태를 판단하는 단계(S400)를 포함할 수 있다.
모터가 3상 모터인 경우, 모터의 상전압 및 상전류가 측정될 수 있다(S100). 예를 들어, 모터는, PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)일 수 있다.
PMSM은, 영구 자석형 동기식 모터이다. PMSM은, 고정자에 도선이 3상으로 권선되어 코일을 형성하고, 회전자는 영구 자석으로 형성될 수 있다.
코일의 권선 형태는 각 상을 분산시킴으로써 pole 수를 증가시킨 분산권(distributed winding)이다. 반면, BLDC(Brush-less Direct Current)모터의 코일 권선 형태는 집중권(concentrating winding)이다.
고정자에 3상으로 권선된 코일에 적절한 교류가 인가되면, 회전자계가 형성되고, 회전자가 회전자계와 동기화되어(Synchronous) 회전한다.
모터에 전원을 공급하는 경우, BLDC 모터는 6-step commutation 기법을 사용한다. 6-step commutation 기법은, 전기각의 60도 간격으로 전류의 크기와 방향을 바꾸는 스칼라 제어이다. 반면, PMSM은, 공간 벡터 제어(Space Vector Control) 기법을 사용한다. 공간 벡터 제어 기법은, 모터의 전체 사이클에 대하여 전류의 크기와 방향을 제어하는 것으로써, 토크의 직접 제어가 가능하고, 속도 제어나 위치 제어 측면에서 향상된 성능을 발휘한다. 공간 벡터 제어 기법은, FOC(Field-Oriented Control) 기법으로 명명되기도 한다. 즉, PMSM은, BLDC보다 효율 및 정밀 제어 측면에서 유리하다. PMSM의 회전시 발생하는 역기전력은 정현파의 형태로 나타난다.
PMSM에 코일 손상이 발생하는 경우, 모델식이 변경된다. 이에 따라, 정상적인 PMSM의 모델식과 손상된 PMSM의 모델식은 상이하게 된다. 손상된 PMSM의 모델식은, 정상적인 PMSM의 모델식에 고장 성분이 추가된 형태이다. 모델식에 대한 구체적인 설명은, 도 4 및 5에 대한 설명에서 후술한다.
역상 전압의 고장 성분은, 측정된 상전압 및 상전류와 모터의 인덕턴스 및 고정자 저항에 기초하여, 산출될 수 있다(S200).
역상 전압은, 전압의 역상 성분(Negative-sequence components)을 나타낸다. 역상 전압의 고장 성분은, PMSM에 손상이 발생되는 경우 역상 전압에 추가되는 전압 성분이다.
도 2를 참조하면, 역상 전압의 고장 성분을 산출하는 단계(S200)는, 상전압에 기초하여 제1 역상 전압을 산출하는 단계(S210), 상전류, 인덕턴스, 및 고정자 저항에 기초하여, 제2 역상 전압을 산출하는 단계(S220), 및 제1 역상 전압에서 제2 역상 전압을 빼서 역상 전압의 고장 성분을 산출하는 단계(S230)를 포함할 수 있다. 이하 각 단계를 구체적으로 설명한다.
제1 역상 전압(Vns1)은, 측정된 상전압에 기초하여 산출될 수 있다(S210).
제1 역상 전압(Vns1)은, 다음과 같은 수식에 따라 산출될 수 있다.
Figure 112017023359914-pat00001
3상 모터이므로, a상, b상, c상이 존재하는 것으로 가정한다. a상의 상전압은 Va이고, b상의 상전압은 Vb이고, c상의 상전압은 Vc이다.
제1 역상 전압(Vns1)은, PMSM에 손상이 발생한 경우, 정상적인 상태에서의 역상 전압과 고장 성분이 합쳐진 값을 나타낸다. 제1 역상 전압(Vns1)을 산출하는 수식은, 고장 상태의 PMSM의 모델식으로부터 도출될 수 있다. 이는 도 4에 대한 설명에서 후술한다.
PMSM의 상전압은, PMSM의 구동시 측정할 수 있으므로, PMSM 구동시에도 제1 역상 전압(Vns1)은 산출될 수 있다.
제2 역상 전압(Vns2)은, 측정된 상전류와 모터의 인덕턴스 및 고정자 저항에 기초하여 산출될 수 있다(S220).
모터의 인덕턴스는, 모터의 상호 인덕턴스 및 누설 인덕턴스를 포함할 수 있다. 고정자 저항은, 모터의 고정자로 인하여 발생하는 저항 값을 나타낸 것이다.
제2 역상 전압(Vns2)는 다음과 같은 수식에 따라 산출될 수 있다.
Figure 112017023359914-pat00002
Figure 112017023359914-pat00003
제2 역상 전압(Vns2)은, PMSM이 정상 상태인 경우의 역상 전압을 나타낼 수 있다. 제2 역상 전압(Vns2)을 산출하는 수식은, 정상 상태의 PMSM의 모델식으로부터 도출될 수 있다. 이는 도 5에 대한 설명에서 후술한다.
역상 전압의 고장 성분은, 제1 역상 전압(Vns1)에서 제2 역상 전압(Vns2)을 뺌으로써 산출될 수 있다(S230).
제1 역상 전압(Vns1)은, 고장 상태의 PMSM의 모델식으로부터 도출된 역상 전압의 수식으로 산출된 역상 전압으로써, 고장 성분을 포함하고 있다.
제2 역상 전압(Vns2)은, .정상 상태의 PMSM의 모델식으로부터 도출된 역상 전압의 수식으로 산출된 역상 전압으로써, 고장 성분을 포함하고 있지 않다.
이에 따라, 제1 역상 전압(Vns1)에서 제2 역상 전압(Vns2)를 빼면, 역상 전압의 고장 성분만 남는다. 역상 전압의 고장 성분은 Vnf로 명명될 수 있다.
역상 전압의 고장 성분이 산출되면, 역상 전압의 고장 성분, 상기 인덕턴스, 상기 고정자 저항, 전기적 각속도, 및 기계적 각속도에 기초하여 고장 지표가 산출될 수 있다(S300).
고장 지표(FI, Fault Indicator)는, 모터의 손상 정도를 나타내는 지표이다. 고장 지표는, 모터에 구비된 코일의 단락 정도 및 절연 정도를 나타낼 수 있다.
고장 지표(FI, Fault Indicator)를 산출하는 수식은 다음과 같다.
Figure 112017023359914-pat00004
Figure 112017023359914-pat00005
Figure 112017023359914-pat00006
기계적 각속도는 모터의 회전자가 회전하는 속도이다. 전기적 각속도는, 모터의 기계적 각속도에 모터에 구비된 영구 자석의 극수를 곱한 것이다. 고장 지표를 산출하는 수식에 대한 설명은, 도 6에 대한 설명에서 후술한다.
모터의 상태는, 산출된 고장 지표에 기초하여 판단될 수 있다(S400).
구체적으로, 모터의 상태를 판단하는 단계는, 고장 지표(FI)에 기초하여 모터의 손상 정도를 판단하는 것이다. 예를 들어, 모터의 손상 정도는, 모터에 구비된 코일의 단락 정도 및 절연 정도를 포함할 수 있다. 전기 자동차에 구비된 모터는 고전압 및 고전류에 의한 고열과 주행 과정에서 발생하는 물리적 충격을 받을 수 있고, 이에 따라 모터에 구비된 코일이 손상될 수 있다. 정상적인 모터의 코일은, 단락되지 않고 절연된 상태이나, 코일에 손사이 발생하는 경우, 코일에 단락이 발생하고, 절연 상태가 저감될 수 있다.
고장 지표(FI)는,
Figure 112017023359914-pat00007
이다. 이는 코일의 단락 정도 및 절연 정도를 나타낼 수 있다.
Figure 112017023359914-pat00008
는, 모터에 포함된 코일의 단락 정도를 나타내는 값이다.
Figure 112017023359914-pat00009
가 클수록 코일의 단락 정도가 증가한다.
Figure 112017023359914-pat00010
는, 고장 전류이고,
Figure 112017023359914-pat00011
이다. 고장 전류는, 코일의 도선에서 누설되는 전류일 수 있다. 즉, 코일에서 누설되는 전류가 많을수록 고장 전류가 증가하는 것으로 판단할 수 있다.
Figure 112017023359914-pat00012
는, 코일의 절연 정도를 나타내는 값이다. 구체적으로,
Figure 112017023359914-pat00013
는, 코일의 절연 정도를 저항 값으로 표현한 것이다.
코일이 절연 정도가 증가하는 경우, 코일의 도선에서 누설되는 고장 전류(
Figure 112017023359914-pat00014
)가 감소한다. 고장 전류(
Figure 112017023359914-pat00015
)가 감소하는 것은,
Figure 112017023359914-pat00016
는 증가하는 것과 대응될 수 있으므로,
Figure 112017023359914-pat00017
이 증가하면 코일이 절연 정도가 증가하는 것으로 볼 수 있다. 또한,
Figure 112017023359914-pat00018
이 감소하면 코일이 절연 정도가 감소하는 것으로 볼 수 있다.
Figure 112017023359914-pat00019
와 코일의 절연 정도는 비례하는 것으로 볼 수 있다.
모터의 상태를 판단하는 단계에서는, 고장 지표가 0에 가까울수록, 코일의 단락 정도가 감소하고 코일의 절연 정도가 증가하는 것으로 판단될 수 있다.
코일이 정상 상태일수록, 고장 지표가 0에 가깝다. 코일이 정상 상태일수록, 코일의 단락 정도가 감소하고, 코일의 절연 정도가 증가할 수 있다. 이에 따라, 코일의 단락 정도가 감소하고 코일의 절연 정도가 증가하는 경우, 모터의 손상 정도는 감소하는 것으로 판단될 수 있다.
모터의 상태를 판단하는 단계에서는, 고장 지표가 클수록, 코일의 단락 정도가 증가하고 코일의 절연 정도가 감소하는 것으로 판단될 수 있다.
코일에 발생하는 손상이 증가할수록, 고장 지표가 증가한다. 코일에 발생하는 손상이 증가할수록, 코일의 단락 정도가 증가하고, 코일의 절연 정도가 감소할 수 있다. 이에 따라, 코일의 단락 정도가 증가하고 코일의 절연 정도가 감소하는 경우, 모터의 손상 정도는 증가하는 것으로 판단될 수 있다.
도 3은 모터의 고장 상태를 설명하기 위한 회로도이다. 도 3은 3상 모터에서 a상에 단락이 발생하여 절연 정도가 감소한 것을 나타내는 등가회로이다.
a상에 단락이 발생하는 것은, a상에 도선으로부터 누설되는 고장 전류(
Figure 112017023359914-pat00020
)가 흐르는 저항(
Figure 112017023359914-pat00021
)이 연결된 것으로 표현된다.
코일의 단락 정도를 나타내는
Figure 112017023359914-pat00022
는, 전체 권선수 대비 단락된 권선수이다. 코일의 전체 권선수가 N이고, 단락된 권선수가 n인 경우,
Figure 112017023359914-pat00023
는 n/N이다.
Figure 112017023359914-pat00024
이 작을수록 누설되는 고장 전류(
Figure 112017023359914-pat00025
)가 증가하고, 고장 전류(
Figure 112017023359914-pat00026
)가 증가할수록 a상의 권선이 절연된 정도가 작아지는 것으로 볼 수 있다. 이에 따라,
Figure 112017023359914-pat00027
이 작을수록 코일의 절연 정도가 작아진다.
결론적으로, 모터의 손상 정도는,
Figure 112017023359914-pat00028
가 클수록,
Figure 112017023359914-pat00029
이 작을수록 증가한다.
이하, 도 4 및 도 5를 참조하여 PMSM이 정상적인 경우의 모델식과 손상된 경우의 모델식을 설명한다.
도 4는 정상 상태인 모터의 모델식을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 고장 상태의 모터의 모델식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 정상 상태의 PMSM의 모델식은 다음과 같다.
Figure 112017023359914-pat00030
Figure 112017023359914-pat00031
은, PMSM에 구비된 영구 자석의 자속이다.
Figure 112017023359914-pat00032
는, 모터의 기계적 회전 속도이다.
도 5를 참조하면, 고장 상태의 PMSM의 모델식은 다음과 같다.
Figure 112017023359914-pat00033
정상 상태의 PMSM의 모델식과 고장 상태의 PMSM의 모델식은 차이가 있다. PMSM이 고장나는 경우, 모델식에 고장 성분(Faulty part)이 추가된다. 모델식이 상전압에 대한 것이므로, 모델식에 포함된 고장 성분은 전압에 대한 수식이다.
고장 성분에는, PMSM에 포함된 코일의 단락 정도를 나타내는
Figure 112017023359914-pat00034
가 포함된다. 코일의 절연 정도를 나타내는
Figure 112017023359914-pat00035
는 고장 전류를 나타내는
Figure 112017023359914-pat00036
로부터 추정될 수 있다.
Figure 112017023359914-pat00037
와
Figure 112017023359914-pat00038
는 반비례 관계이다.
고장 전류(
Figure 112017023359914-pat00039
)는 모터의 회전 속도(
Figure 112017023359914-pat00040
)에 비례한다. 이에 따라, 고장 지표(FI)에 대한 수식은,
Figure 112017023359914-pat00041
이 될 수 있다.
이에 따라, 고장 지표는, 코일의 단락 정도를 나타내는
Figure 112017023359914-pat00042
와 비례한다. 고장 지표는, 코일의 절연 정도를 나타내는
Figure 112017023359914-pat00043
와 반비례한다.
고장 지표가 증가할수록 모터의 손상 정도가 증가한다. 즉, 코일의 단락 정도를 나타내는
Figure 112017023359914-pat00044
가 증가할수록, 모터의 손상 정도가 증가한다. 또한, 코일의 절연 정도를 나타내는
Figure 112017023359914-pat00045
가 감소할수록, 모터의 손상 정도가 증가한다.
도 6은 고장 지표의 수식을 설명하기 위한 도면이다.
제1 역상 전압(Vns1)은, 다음과 같다.
Figure 112017023359914-pat00046
각 상전압을 상기 수식에 대입하면, 제1 역상 전압은 아래와 같다.
Figure 112017023359914-pat00047
제2 역상 전압(Vns2)이
Figure 112017023359914-pat00048
이고,
역상 전압의 고장 성분(
Figure 112017023359914-pat00049
)은
Figure 112017023359914-pat00050
이므로,
Figure 112017023359914-pat00051
의 수식은, 1번 식과 같다.
1번 식을 참조하면, 역상 전압의 고장 성분(
Figure 112017023359914-pat00052
, Faulty part)의 수식은 다음과 같다.
Figure 112017023359914-pat00053
2번 식을 참조하여 역상 전압의 고장 성분의 절대값(
Figure 112017023359914-pat00054
)을 취하면,
Figure 112017023359914-pat00055
에 대한 3번 식이 도출된다.
Figure 112017023359914-pat00056
고장 지표는,
Figure 112017023359914-pat00057
이므로, 최종적인 고장 지표의 수식을 정리하면,
Figure 112017023359914-pat00058
이 된다(4번 식).
도 7 및 도 8은 고장 지표의 변화에 따른 코일의 단락 정도 및 절연 정도의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 고장 지표(Fault Indicator)는, 코일의 단락 정도를 나타내는
Figure 112017023359914-pat00059
와 비례 관계이다.
고장 지표(Fault Indicator)가 0에 가까울수록,
Figure 112017023359914-pat00060
가 감소한다. 고장 지표가 0에 가까울 때
Figure 112017023359914-pat00061
도 0에 가까워진다.
또한,
Figure 112017023359914-pat00062
가 최대일 때 고장 지표도 최대가 된다.
도 8을 참조하면, 고장 지표는, 고장 지표(Fault Indicator)는, 코일의 절연 정도를 나타내는
Figure 112017023359914-pat00063
와 반비례 관계이다.
고장 지표(Fault Indicator)가 0에 가까울수록,
Figure 112017023359914-pat00064
가 증가한다. 이에 따라 고장 지표(Fault Indicator)가 최소일 때,
Figure 112017023359914-pat00065
가 최대가 된다.
또한, 고장 지표(Fault Indicator)가 증가할수록
Figure 112017023359914-pat00066
가 감소되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명에 따른 모터의 고장 진단 방법은 산출된 고장 지표에 기초하여 모터의 손상 정도를 판단할 수 있는 방법이다.
본 발명에 따른 모터의 고장 진단 방법은 사용자에 의하여 수행되거나, 별도로 프로그래밍된 프로세서나 제어부에 의하여 수행될 수도 있다.
전술한 본 발명은, 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로써 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 상기 컴퓨터는 프로세서 또는 제어부를 포함할 수도 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (10)

  1. 모터의 고장 진단 방법에 있어서,
    상기 모터의 상전압 및 상전류를 측정하는 단계;
    상기 측정된 상전압 및 상전류, 상기 모터의 인덕턴스 및 고정자 저항에 기초하여, 역상 전압의 고장 성분을 산출하는 단계;
    상기 역상 전압의 고장 성분, 상기 인덕턴스, 상기 고정자 저항, 전기적 각속도, 및 기계적 각속도에 기초하여 고장 지표를 산출하는 단계; 및
    상기 고장 지표에 기초하여 상기 모터의 상태를 판단하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 역상 전압의 고장 성분을 산출하는 단계는,
    상기 상전압에 기초하여, 상기 모터에 손상이 발생한 경우, 정상적인 상태에서의 역상 전압과 고장 성분이 합져진 값인, 제1 역상 전압을 산출하는 단계;
    상기 상전류, 상기 인덕턴스, 및 상기 고정자 저항에 기초하여, 상기 모터가 정상 상태인 경우의 역상 전압인, 제2 역상 전압을 산출하는 단계; 및
    상기 제1 역상 전압에서 상기 제2 역상 전압을 빼서 상기 역상 전압의 고장 성분을 산출하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 역상 전압(Vns1)은,
    Figure 112018029238502-pat00089

    에 따라 산출되고,
    상기 제2 역상 전압(Vns2)은
    Figure 112018029238502-pat00090

    Figure 112018029238502-pat00091

    에 따라 산출되고,
    상기 고장 지표(FI, Fault Indicator)는,
    Figure 112018029238502-pat00086

    Figure 112018029238502-pat00087

    Figure 112018029238502-pat00088

    에 따라 산출되는 모터의 고장 진단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모터는,
    PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor)인 모터의 고장 진단 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인덕턴스는, 상기 모터의 상호 인덕턴스 및 누설 인덕턴스를 포함하는 모터의 고장 진단 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 모터의 상태를 판단하는 단계는, 상기 고장 지표(FI)에 기초하여 모터의 손상 정도를 판단하는 것이고,
    상기 고장 지표(FI)는,
    Figure 112017094647585-pat00073
    이고,
    상기
    Figure 112017094647585-pat00074
    는, 상기 모터에 포함된 코일의 단락 정도를 나타내는 값이고,
    상기
    Figure 112017094647585-pat00075
    는, 고장 전류이고,
    Figure 112017094647585-pat00076
    이고,
    상기
    Figure 112017094647585-pat00077
    는, 상기 코일의 절연 정도를 나타내는 값이고,
    상기 모터의 손상 정도는, 상기 코일의 단락 정도 및 절연 정도를 포함하는 모터의 고장 진단 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 모터의 상태를 판단하는 단계는,
    상기 고장 지표가 0에 가까울수록, 상기 코일의 단락 정도가 감소하고 상기 코일의 절연 정도가 증가함으로써, 상기 모터의 손상 정도가 작은 것으로 판단하는 모터의 고장 진단 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 모터의 상태를 판단하는 단계는,
    상기 고장 지표가 클수록, 상기 코일의 단락 정도가 증가하고 상기 코일의 절연 정도가 감소함으로써, 상기 모터의 손상 정도가 큰 것으로 판단하는 모터의 고장 진단 방법.
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