KR102111851B1 - 고정자 권선 회로 및 이를 포함하는 돌극성 전기 모터 - Google Patents

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Abstract

고정자 권선 회로 및 이를 포함하는 돌극성 전기 모터가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자 권선 회로는, 고정자에 형성된 치에 권선된 제1 권선 코일; 상기 제1 권선 코일과 동일한 상기 치에 권선된 제2 권선 코일; 및 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일이 직렬 연결되는 제1 모드와, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일이 병렬 연결되거나, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일 중 어느 하나에만 전력이 인가되는 제2 모드 간에 전력 인가 모드를 변환하는 모드 변환부를 포함할 수 있다.

Description

고정자 권선 회로 및 이를 포함하는 돌극성 전기 모터{Stator Winding Circuit and Saliency Electric Motor Including the Stator Winding Circuit}
본 발명은 돌극성 전기 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고정자 권선 회로의 연결 방법을 가변시킬 수 있는 돌극성 전기 모터에 관한 것이다.
전기 모터(electric motor)는, 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용해 전기에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치이다. 전기 모터의 구동 시 전기 모터의 각 상에 대응하는 권선에서의 유기 전압 크기는 속도에 비례하므로, 고속 구동을 하면 전압이 증가하여 한계 전압치에 도달하게 된다. 따라서 전기 모터를 고속 구동시키려면, 유기 전압의 크기에 영향을 주는 계자 자속, 인덕턴스 그리고 저항 등을 감소시켜야 한다. 계자 자속을 감소시키기 위한 종래 기술로는, 계자 자속과 반대 방향 자속을 만드는 음의 d축 자속 즉, 약자속 전류를 인가하여 유기 전압의 크기를 감소시킴으로써 고속에서도 구동 가능하도록 모터를 제어하는 방법이 있다.
여러 가지 전기 모터 중에서도 돌극형(saliency) 전기 모터는 개개의 자극이 돌출되어 있고, 계자권선이 자극 철심에 집중되어 감긴 형태로, 대표적으로 권선 계자형 전기 모터가 돌극형 전기 모터에 해당한다.
권선 계자형 전기 모터에서의 출력 토크는, 마그네틱 토크(magnetic torgue)와 릴럭턴스 토크(reluctance torgue)의 합으로 발생된다. d-q축 좌표계의 1상한 운전에서는 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크의 부호 방향이 동일하여 합리적인 토크 구동이 가능하다. 이때 1상한 운전(1st quadrant)에서는 유기 전압의 크기가 한계 전압치보다 작아 약자속 제어를 필요로 하지 않는다. 반면 속도 증가에 따라 유기 전압이 한계 전압치에 도달하였을 때에는, 음의 d축 전류 인가 즉, d-q축 좌표계의 2상한 운전(2nd quadrant)을 해야 한다. 다만, 돌극성 기기의 경우 2상한 운전을 하게 되면 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크의 부호 방향이 반대가 되어 서로 상쇄됨에 따라 토크 제어는 불가피하다. 즉 약자속 제어에 따른 2상한 운전으로는 돌극형 전기 모터의 비합리적인 토크 구동의 기본적 한계를 극복할 수 없는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 고정자 권선 회로 및 고정자 권선 회로를 포함한 돌극성 전기 모터를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 비효율적인 2상한 운전을 최소화하고, 효율적인 1 상한 운전 영역을 극대화한 고정자 권선 회로 및 고정자 권선 회로를 포함한 돌극성 전기 모터를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 모든 변수를 고려한 제어알고리즘에 의해 각 모드 변환 포인트를 결정할 수 있는 고정자 권선 회로 및 고정자 권선 회로를 포함한 돌극성 전기 모터를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 상기 기술적 과제에 의하여 제한되지 아니하여 이하의 설명에 의하여 보다 명확하게 개시된다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 고정자 권선 회로를 제공한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자 권선 회로는, 고정자에 형성된 치에 권선된 제1 권선 코일; 상기 제1 권선 코일과 동일한 상기 치에 권선된 제2 권선 코일; 및 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일이 직렬 연결되는 제1 모드와, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일이 병렬 연결되거나, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일 중 어느 하나에만 전력이 인가되는 제2 모드 간에 전력 인가 모드를 변환하는 모드 변환부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 모드 변환부는, 상기 제1 권선 코일의 입력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로에 제공되는 제1 스위치; 상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로에 제공되는 제2 스위치; 상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 출력단을 연결하는 회로에 제공되는 제3 스위치; 및 상기 제1 모드에서 상기 제2 스위치를 온(ON)으로 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 오프(OFF)로 제어하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 온(ON)으로 상기 제2 스위치를 오프(OFF)로 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 권선 코일이 상기 치에 권선되는 턴 수와 상기 제2 권선 코일이 상기 치에 권선되는 턴 수는 동일할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 모드 변환부는, 상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로를 제공하는 제1 스위치; 상기 제1 권선 코일의 입력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로 또는 상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 출력단을 연결하는 회로 중 어느 하나에 제공되는 제2 스위치; 상기 제1 모드에서 상기 제1 스위치를 온(ON)으로 상기 제2 스위치를 오프(OFF)로 제어하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 스위치를 오프(OFF)로 상기 제2 스위치를 온(ON)으로 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 권선 코일이 상기 치에 권선되는 턴 수와 상기 제2 권선 코일이 상기 치에 권선되는 턴 수는 상이할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 모드에서 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일 중 권선 턴 수가 많은 코일에 전력이 인가될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 돌극성 전기 모터는, 치들이 형성된 고정자; 상기 치들에 권선된 고정자 권선 회로; 및 상기 고정자 권선 회로에서 생성된 기자력에 의해 회전 가능한 회전자를 포함하되, 상기 고정자 권선 회로는, 상기 치에 권선된 제1 권선 코일; 상기 제1 권선 코일과 동일한 상기 치에 권선된 제2 권선 코일; 및 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일이 직렬 연결되는 제1 모드와, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일이 병렬 연결되거나, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일 중 어느 하나에만 전력이 인가되는 제2 모드 간에 전력 인가 모드를 변환하는 모드 변환부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 모드 변환부는, 상기 제1 권선 코일의 입력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로에 제공되는 제1 스위치; 상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로에 제공되는 제2 스위치; 상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 출력단을 연결하는 회로에 제공되는 제3 스위치; 및 상기 제1 모드에서 상기 제2 스위치를 온(ON)으로 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 오프(OFF)로 제어하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 온(ON)으로 상기 제2 스위치를 오프(OFF)로 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 모드 변환부는, 상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로를 제공하는 제1 스위치; 상기 제1 권선 코일의 입력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로 또는 상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 출력단을 연결하는 회로 중 어느 하나에 제공되는 제2 스위치; 상기 제1 모드에서 상기 제1 스위치를 온(ON)으로 상기 제2 스위치를 오프(OFF)로 제어하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 스위치를 오프(OFF)로 상기 제2 스위치를 온(ON)으로 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 모드 변환부는, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일의 연결을 제1 모드에서 제2 모드로 변환하는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는, 상기 회전자의 출력 토크, 각속도, 고정자 권선 회로에 입력되는 입력 전류, 상기 출력 토크, 상기 각속도, 상기 입력 전류로부터 제1 모드에서의 효율 및 제2 모드에서의 효율을 산출하고, 상기 출력 토크의 크기를 기준 토크와 비교하여, 상기 출력 토크의 크기가 상기 기준 토크 이상이면 상기 입력 전류를 최대 허용 전류와 비교하고, 상기 입력 전류의 크기가 상기 최대 허용 전류 이하이면, 상기 제1 모드에서의 효율과 상기 제2 모드에서의 효율을 비교하여 제2 모드에서의 효율이 제1 모드에서의 효율보다 높은 경우, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일의 연결을 제1 모드에서 제2 모드로 변환할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어기에서, 상기 출력 토크(Tout)는 수식 1로 표현되고,
Figure 112018061152693-pat00001
(수식 1)인, 상기 입력 전류(Iin)는 수식 2로 표현되고,
Figure 112018061152693-pat00002
(수식 2)일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 모드 변환부는, 상기 제1 권선 코일의 입력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로에 제공되는 제1 스위치; 상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로에 제공되는 제2 스위치; 상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 출력단을 연결하는 회로에 제공되는 제3 스위치; 및 상기 제1 모드에서 상기 제2 스위치를 온(ON)으로 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 오프(OFF)로 제어하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치 중 어느 하나를 온(ON)으로 다른 하나를 오프(OFF)로 제어하고, 상기 제2 스위치를 오프(OFF)로 제어하는 제어기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자 권선 회로 및 고정자 권선 회로를 포함한 돌극성 전기 모터는, 제1 권선 코일과 제2 권선 코일의 연결 형태를 변환함으로써 유기 전압의 크기를 한계 전압치보다 낮추고, 왜형률을 저감하고, d-q축 좌표계에서 1상한 운전 영역 확대를 통하여 합리적인 토크 구동으로, 돌극성 전기 모터의 전반적 성능을 향상 시키는 것은 물론, 돌극성 전기 모터의 고속 특성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자 권선 회로는, 각 상의 권선 코일의 턴 수를 조절하여 모터 철심의 부분 포화도를 저감시킬 수 있어 유기 전압의 왜형률을 감소시키기 때문에 모터의 제어 특성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 돌극성 전기 모터이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자 권선 회로이다.
도 3은 도 2의 고정자 권선 회로에서 제1 실시 예에 따라 제1 권선 코일과 제2 권선 코일의 연결형태가 변환된 회로를 보여주는 도면이다.
도 4는 도 2의 고정자 권선 회로에서 제2 실시 예에 따라 제1 권선 코일과 제2 권선 코일의 연결형태가 변환된 회로를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 2의 고정자 권선 회로에서 제3 실시 예에 따라 제1 권선 코일과 제2 권선 코일의 연결형태가 변환된 회로를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고정자 권선 회로이다.
도 7은 도 6의 고정자 권선 회로에서 제4 실시 예에 따라 제1 권선 코일과 제2 권선 코일의 연결형태가 변환된 회로를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 고정자 권선 회로이다.
도 9는 도 7의 고정자 권선 회로에서 제5 실시 예에 따라 제1 권선 코일과 제2 권선 코일의 연결형태가 변환된 회로를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어기의 제어 알고리즘을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 모드에서 제2 모드로 전력 인가 모드 변환 시, 전압, 전류 및 전류 위상각 등의 특성 변화를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 모드에서 제2 모드로 전력 인가 모드 변환 시, 돌극성 전기 모터의 효율 변화를 보여주는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 모드에서 제2 모드로 전력 인가 모드 변환 시, 전기자와 계자의 손실 변화를 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 모드에서 제2 모드로 전력 인가 모드 변환 시, 유기 전압의 파형 변화를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
이하의 설명을 통해 본 발명의 일 실시 예에 따른 돌극성 전기 모터(10)는, 돌극성 전기 모터(10)를 필요로 하는 각종 전기기계 제품이나, 고속 운전을 필요로 하는 차량, 산업, 로봇 및 가전기기 등에 제한 없이 적용될 수 있을 것이다. 보다 구체적으로 돌극성 전기 모터(10)는, 모터의 효율과 특성이 중요시 되는 자동차, 엘리베이터, 로봇, 가전 및 산업 기기에 적용될 수 있을 것이다. 이하 돌극성 전기 모터(10)는 A, B 및 C 3상의 돌극성 전기 모터(10)인 것을 예를 들어 설명한다. 또한, 돌극성 전기 모터(10)는, 회전자(300)가 고정자(100) 내측에 삽입된 구조를 예를 들어 설명하나, 이와 달리 회전자(300) 내측에 고정자(100)가 제공된 구조에도 적용될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 돌극성 전기 모터(10)이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자 권선 회로(200)이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 돌극성 전기 모터(10)는, 고정자(Stator)(100)와 고정자 권선 회로(200), 회전자(Rotor)(300), 그리고 계자권선(400)을 포함할 수 있다.
고정자(100)의 내측에는 치(110)들이 형성될 수 있고, 고정자 권선 회로(200)는 고정자(100)에 형성된 치(110)들에 권선될 수 있다. 회전자(300)는, 고정자(100)와 일정 공극을 두고 고정자(100)의 내측에 제공된다. 회전자(300)의 외주면에는 둘레를 따라 치(310)들이 형성된다. 치(310)들에는 계자권선 (400)이 각각 제공된다. 계자권선(400)은 회전자 철심을 전자석으로 만들며, 이 전자석은 권선된 계자권선에 인가되는 전류의 방향에 따라 회전자(300)에 N극과 S극을 형성한다. N극과 S극이 회전자(300)의 원주 방향으로 교대로, 그리고 반복하여 배열될 수 있다. 회전자(300)는, 고정자 권선 회로(200)에서 생성된 기자력과 계자권선(400)의 기자력에 의하여 회전할 수 있다.
도 2를 참조하면 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자 권선 회로(200)는, A상 인가 회로(A phase), B상 인가 회로(B phase), C상 인가회로(C phase)를 포함할 수 있다. 각 상의 인가 회로는, 고정자(100)에 형성된 치(110)들 중 서로 다른 치에 권선되며, 서로 다른 상(phase)의 전류가 인가될 수 있다. A상 인가 회로, B상 인가 회로, 그리고 C상 인가 회로는 고정자(100)의 치(110)들에 시계방향을 따라 순차적으로 반복하여 권선될 수 있다. A상 인가 회로, B상 인가 회로, 그리고 C상 인가 회로는 동일한 회로로 구성될 수 있다. 이하, 각 인가 회로에 대한 상세한 구성을 A상 인가 회로를 예를 들어 설명한다.
A상 인가 회로는, 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220), 모드 변환부를 포함할 수 있다.
제1 권선 코일(210)은, 고정자(100)에 형성된 치들 중 어느 하나의 치(110)에 권선될 수 있으며, 제2 권선 코일(220)은, 제1 권선 코일(210)이 권선된 치(110)와 동일한 치(110)에 권선될 수 있다.
모드 변환부(230)는, 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220)에 인가되는 전력 인가 모드를 변환할 수 있다. 구체적으로, 모드 변환부(230)는, 전력 인가 모드를 제1 모드와 제2 모드 간에 변환할 수 있다. 제1 모드에서는, 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220)이 직렬 연결될 수 있다. 제2 모드에서는, 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220)이 병렬 연결될 수 있다. 이와 달리, 제2 모드에서는 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220) 중 어느 하나의 권선 코일에만 전력이 인가될 수 있다.
모드 변환부(230)는, 제1 스위치(231a), 제2 스위치(231b), 제3 스위치(231c) 및 제어기(미도시)를 포함할 수 있다.
제1 스위치(231a)는, 제1 권선 코일(210)의 입력단과 제2 권선 코일(220)의 입력단을 연결하는 회로에 제공될 수 있다. 제2 스위치(231b)는, 제1 권선 코일(210)의 출력단과 제2 권선 코일(220)의 입력단을 연결하는 회로에 제공될 수 있다. 제3 스위치(231c)는, 제1 권선 코일(210)의 출력단과 제2 권선 코일(220)의 출력단을 연결하는 회로에 제공될 수 있다.
제어기(미도시)는, 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220)에 전력 인가 모드를 제1 모드에서 제2 모드로 변경할 수 있다.
이하, 고정자 권선 회로(200)에서의 구동 방법을 설명하기로 한다.
도 3은 도 2의 고정자 권선 회로(200)에서 제1 실시 예에 따라 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220)의 연결형태가 변환된 회로를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 제1 모드에서는 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220)이 직렬 연결되고, 제2 모드에서는 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220)이 병렬 연결될 수 있다. 이 경우 제1 권선 코일(210)이 치(110)에 권선되는 턴 수와, 제2 권선 코일(220)이 치(110)에 권선되는 턴 수를 동일하게 할 수 있다.
보다 구체적으로 제어기(미도시)는, 아래 <표 1>에 나타난 것처럼, 제1 모드에서 제2 스위치(231b)를 온(ON)으로 제1 스위치(231a)와 제3 스위치(231c)를 오프(OFF)로 제어할 수 있다. 또한 제어기(미도시)는, 제2 모드에서 제1 스위치(231a)와 제3 스위치(231c)를 온(ON)으로 제2 스위치(231b)를 오프(OFF)로 제어할 수 있다.
구분 스위치 제1 모드 제2 모드
제 1 실시 예 제1 스위치 OFF ON
제2 스위치 ON OFF
제3 스위치 OFF ON
위 실시 예의 경우, 제1 모드에서 제2 모드로 회로 변환 시, 전류가 인가되는 권선 코일의 직렬 턴 수는 2분의 1로 감소하지만, 제1 모드 대비 상 저항은 4분의 1로 감소할 수 있다. 이처럼 본 발명의 일 실시 예에 따른 모드 변환부(230)는, 상 저항의 감소폭을 크게 할 수 있어, 모터의 효율 향상에 크게 기여할 수 있다.
도 4 및 도 5는 도 2의 고정자 권선 회로에서 서로 다른 실시 예에 따라 제1 권선 코일과 제2 권선 코일의 연결형태가 변환된 회로를 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 제1 모드에서는 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220)이 직렬 연결되고, 제2 모드에서는 제1 권선 코일과 제2 권선 코일 중 어느 하나에만 전력이 인가되어 단일 연결될 수 있다. 이 경우 제1 권선 코일(210)이 치(110)에 권선되는 턴 수는, 제2 권선 코일(220)이 치(110)에 권선되는 턴 수와 동일하거나 상이할 수 있다. 제1 권선 코일(210)이 치(110)에 권선되는 턴 수와, 제2 권선 코일(220)이 치(110)에 권선되는 턴 수를 상이하게 할 경우. 제어기(미도시)의 제어에 따라, 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220) 중 권선 턴 수가 많은 코일로 전력을 인가하거나 권선 턴 수가 적은 코일로 전력을 인가할 수 있다. 전력이 인가되는 권선 턴 수가 많아질수록 저속에서 모드 변환이 가능하다. 따라서, 모터의 주 운전점을 고려하여 주 운전점에서 효율이 개선되는 ?향으로 권선 턴 수를 선택할 수 있다.
보다 구체적으로 제어기(미도시)는, 아래 <표 2>에 나타난 것처럼, 제1 모드에서 제2 스위치(231b)를 온(ON)으로 제1 스위치(231a)와 제3 스위치(231c)를 오프(OFF)로 제어할 수 있다. 또한 제어기(미도시)는, 제2 모드에서 제1 스위치(231a)와 제3 스위치(231c) 중 어느 하나의 스위치에 전력이 인가되도록 온(ON)으로 나머지 스위치와 제2 스위치(231b)를 오프(OFF)로 제어할 수 있다.
구분 스위치 제1 모드 제2 모드
제2 실시 예 제1 스위치 OFF ON
제2 스위치 ON OFF
제3 스위치 OFF OFF
제3 실시 예 제1 스위치 OFF OFF
제2 스위치 ON OFF
제3 스위치 OFF ON
이하에서는, 본 발명의 또 다른 실시 예들에 대하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고정자 권선 회로(200)이고, 도 7은 도 6의 고정자 권선 회로(200)에서 제4 실시 예에 따라 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220)의 연결형태가 변환된 회로를 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 각각의 상 인가 회로는, 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(22)이 직렬 연결되는 제1 모드와 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220) 중 어느 하나에만 전력이 인가되는 제2 모드 간에 전력 인가 모드가 변환될 수 있는 구조를 갖을 수 있다. 구체적으로, 모드 변환부(230)는, 제1 스위치(232a), 제2 스위치(232b) 및 제어기(미도시)를 포함할 수 있다.
제 1 스위치(232a)는, 제1 권선 코일(210)의 출력단과 제2 권선 코일(220)의 입력단을 연결하는 회로에 제공될 수 있다. 제2 스위치(232b)는, 제1 권선 코일(210)의 입력단과 제2 권선 코일(220)의 입력단을 연결하는 회로에 제공될 수 있다.
도 7을 참조하면, 제1 모드에서는 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220)이 직렬 연결되고, 제2 모드에서는 제1 권선 코일(210)은 단선되고 제2 권선 코일(220)에만 전력이 인가되어 단일 연결될 수 있다. 이 경우 제1 권선 코일(210)이 치(110)에 권선되는 턴 수와, 제2 권선 코일(220)이 치(110)에 권선되는 턴 수를 상이하게 할 수 있다.
보다 구체적으로 제어기(미도시)는, 아래 <표 3>에 나타난 것처럼, 제1 모드에서 제1 스위치(232a)를 온(ON)으로 제2 스위치(232b)를 오프(OFF)로 제어할 수 있다. 또한 제어기(미도시)는, 제2 모드에서 제1 스위치(232a)를 오프(OFF)로 제2 스위치(232b)를 온(ON)으로 제어할 수 있다.
구분 스위치 제1 모드 제2 모드
제4 실시 예 제1 스위치 ON OFF
제2 스위치 OFF ON
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 고정자 권선 회로(200)이고, 도 9는 도 8의 고정자 권선 회로(200)에서 제5 실시 예에 따라 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220)의 연결형태가 변환된 회로를 보여주는 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 도 7의 고정자 권선 회로(200)와 달리, 제2 스위치(232b)는, 제1 권선 코일(210)의 출력단과 제2 권선 코일(220)의 입력단을 연결하는 회로에 제공될 수 있다.
제1 모드에서는 직렬 연결되고, 제2 모드에서는, 제2 권선 코일(220)은 단선되고 제1 권선 코일(210)에만 전력이 인가되어 단일 연결될 수 있다.
상술한 도 6 내지 도 9의 고정자 권선 회로(200)에서는, 각 상의 직렬 턴 수와 제1 모드 대비 상 저항이 (변환 후 직렬 턴 수/변환 전 직렬 턴수)의 비로 감소할 수 있다. 제1 권선 코일(210)이 치(110)에 권선되는 턴 수와, 제2 권선 코일(220)이 치(110)에 권선되는 턴 수를 상이하게 함으로써, 사용자가 사용 용도에 맞게 원하는 턴 수의 권선 코일을 선택적으로 사용할 수 있는 이점이 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제어기(미도시)의 제어알고리즘을 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면 제어기(미도시)는, 제어 알고리즘에 의해 제1 모드에서 제2 모드로의 변환 포인트를 결정할 수 있다. 제어기(미도시)는, 제어 알고리즘에 의해 기준 토크(Tdemand)와 최대 허용 전류(Imax)를 만족하는 범위 내에서 제1 모드에서의 효율(ηseries)보다 제2 모드에서의 효율(ηparallel/single)이 증가하는 최저 속도에서 제1 모드에서 제2 모드로 변환할 수 있다.
제어기(미도시)는, 제어 알고리즘의 변수를 산출하고, 산출한 변수를 기준치와 비교하여 모드 변환 포인트에 따라 제1 모드를 제2 모드로 변환할 수 있다.
보다 구체적으로 제어기(미도시)는, 회전자(300)의 출력 토크(Tout), 각속도(ω), 고정자 권선 회로에 입력되는 입력 전류(Iin), 제1 모드에서의 효율(ηseries) 및 제2 모드에서의 효율(ηparallel/single)을 산출할 수 있다(S10). 이 경우 제1 모드에서의 효율(ηseries)은, 제1 권선 회로(210)와 제2 권선 회로(220)의 직렬 연결형태일 때, 산출된 입력 (Pin)에 대한 출력(Pout)의 비 내지 손실(Ploss)과 산출된 출력(Pout)으로부터 산출될 수 있다. 제2 모드에서의 효율(ηparallel/single)은, 제1 권선 회로(210)와 제2 권선 회로(220)의 병렬 또는 단일 연결형태에서의, 산출된 입력 (Pin)에 대한 출력(Pout)의 비 내지 손실(Ploss)과 산출된 출력(Pout)으로부터 산출될 수 있다. 제어기(미도시)는, 산출된 출력 토크(Tout)를 기준 토크(Tdemand)와 비교하여(S20), 출력 토크(Tout)가 기준 토크(Tdemand) 이상일 경우, 산출된 입력 전류(Iin)를 최대 허용 전류(Imax)와 비교할 수 있다(S30). 제어기(미도시)는, 입력 전류(Iin)가 최대 허용 전류(Imax) 이하일 경우, 제1 모드에서의 효율(ηseries)과 제2 모드에서의 효율(ηparallel/single)을 비교할 수 있다(S40). 이에 제어기(미도시)는, 제2 모드에서의 효율(ηparallel/single)이 제1 모드에서의 효율(ηseries)보다 높은 경우, 제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220)의 연결을 제1 모드에서 제2 모드로 변환할 수 있다(S50).
출력 토크(Tout)는 아래의 수식 1을 만족하는 것일 수 있다.
Figure 112018061152693-pat00003
(수식 1)
입력 전류(Iin)는 아래의 수식 2를 만족하는 것일 수 있다.
Figure 112018061152693-pat00004
(수식 2)
수식 1과 2에서 Pn 는 극쌍수, Ψa 는 자계에 의한 결합 자속(linkage flux by field), Ld는 d축 인덕턴스(d-axis inductance), Lq는 q축 인덕턴스(q-axis inductance), iod는 d축 전류(d-axis current), ioq는 q축 전류(q-axis current)를 의미한다.
제1 권선 코일(210)과 제2 권선 코일(220)이 제1 모드(231)에서 제2 모드(232)로 변환할 경우, 턴 수가 2분의 1로 감소되어, 계자에 의한 쇄교 자속(Ψa)도 감소한다. 계자에 의한 쇄교 자속(Ψa)의 감소로 인해 동일한 출력 토크(Tout)를 발생시키기 위해서는, 더 큰 전류(Iin)를 필요로 한다. 다만 최대 허용 전류(Imax)보다 더 많은 전류를 필요로 할 경우 상술한 고정자 권선 회로(200)에는 적용이 불가능하다. 출력(Pout)이 출력 토크(T)와 일정할 경우에는 고속 구동 시 더 적은 출력 토크(Tout)를 필요로 하기 때문에 더 적은 크기의 전류(Iin)를 필요로 하게 된다. 그에 따라 전환 속도는 증가하게 된다.
이때 상 저항은 감소하나, 상술한 고정자 권선 회로(200)의 적용 후 전류가 더 많이 인가되므로 동손(Iin 2R)이 커져 효율이 저하될 수 있다. 따라서 효율을 고려하여 모드 변경 속도를 결정하여야 한다.
이상 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자 권선 회로(200)와 고정자 권선 회로를 포함한 돌극성 전기 모터(10)를 설명하였다. 이하 에서는 도 11 내지 도 14를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따라 모드 변환에 따른 돌극성 전기 모터(10)의 시뮬레이션 결과를 설명하기로 한다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 모드에서 제2 모드로 전력 인가 모드 변환 시, 전압, 전류 및 전류 위상각 등의 특성 변화를 보여주는 도면이고, 도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 모드에서 제2 모드로 전력 인가 모드 변환 시, 돌극성 전기 모터의 효율 변화를 보여주는 도면이고, 도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 모드에서 제2 모드로 전력 인가 모드 변환 시, 전기자와 계자의 손실 변화를 보여주는 도면이며, 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 제1 모드에서 제2 모드로 전력 인가 모드 변환 시, 유기 전압의 파형 변화를 보여주는 도면이다.
도 11에서는 제어 알고리즘을 통해 모드 변경 포인트가 4,000rpm으로 결정된 것을 기준한다. 도 11(a)는 도 3의 일 실시 예에 따라 제1 모드(231)에서 제2 모드(232)로 고정자 권선 회로(200)의 연결형태가 변환될 때의 돌극성 전기 모터(10)의 특성 변화를 보여주고, 도 6(b)는 도 4와 도 5, 도 8과 도 9의 다른 실시 예에 따라 제1 모드(210)에서 제2 모드(220)로 고정자 권선 회로(200)의 연결형태가 변환될 때의 돌극성 전기 모터(10)의 특성 변화를 보여준다.
도 11(a)에 도시된 대로 일 실시 예에 의할 경우 상당 직렬 턴 수의 감소로 유기 전압은 크게 감소하고, 결과적으로 전류 위상각이 0도 혹은 음의 값으로 변화게 됨으로써, 2상한 운전은 최소화되는 반면, 1상한 운전은 극대화할 수 있다. 결과적으로 합리적인 토크 구동이 가능하며, 계자 전류의 크기 역시 감소시킬 수 있다. 이 경우 기준 토크 값을 위하여 전기자 입력 전류의 크기는 증가했지만, 상 저항 감소로 인한 동손이 저감되어 모터의 효율 향상 측면에 문제가 되지 않는다.
도 11(b)에 도시된 대로 단일 연결로 전력 인가 모드 변환 시 특성 변화 폭은 병렬 연결로의 전력 인가 모드 변환 시의 그 변화 폭보다는 작지만, 제시하는 방법 상 효과가 유사한 것을 확인할 수 있다.
또한 도 12를 참조하면 고정자 권선 회로(200)의 연결형태 변환시, 도 12(a)에 도시된 대로 병렬 연결로 전력 인가 모드 변환 시에는 모터의 효율이 약 14% 향상, 도 12(b)에 도시된 대로 단일 연결로 전력 인가 모드 변환 시에는 약 10% 향상됨을 알 수 있다. 따라서, 고정자 권선 회로(200)의 모드 변환에 따라 모터의 평균 효율이 증가하였음을 확인할 수 있다.
도 13을 참조하면 고정자 권선 회로(200)의 연결형태 변환시, 전기자와 계자의 손실 변화를 보여준다. 도 12에서의 모터 효율 변화값으로부터 예상할 수 있는 것처럼, 도 13(a)와 도 13(b) 모두 계자 전류의 감소와 전기자 상 저항의 감소로 모든 구동 영역에서의 손실이 감소하였음을 확인할 수 있다.
도 14를 참조하면 고정자 권선 회로(200)의 연결형태 변환 시, 각 상당 직렬 턴 수와 유기 전압의 크기는 감소하게 되고, 그에 따라 전류 위상각과 계자 전류의 감소로 인하여 극단적인 부분 포화가 저감됨으로써, 결과적으로 유기 전압의 왜형률이 감소하였음을 확인할 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
10 : 돌극성 전기 모터
100 : 고정자 110 : 치
200 : 고정자 권선 회로
210 : 제1 권선 코일
220 : 제2 권선 코일
230 : 모드 변환부
231a : 제1 스위치 232b : 제2 스위치
231c : 제3 스위치
232a : 제1 스위치 232b : 제2 스위치
300 : 회전자
400: 계자권선

Claims (14)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 고정자에 형성된 치에 권선된 제1 권선 코일;
    상기 제1 권선 코일과 동일한 상기 치에 권선된 제2 권선 코일; 및
    상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일이 직렬 연결되는 제1 모드와, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일이 병렬 연결되거나, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일 중 어느 하나에만 전력이 인가되는 제2 모드 간에 전력 인가 모드를 변환하는 모드 변환부를 포함하되,
    상기 모드 변환부는,
    상기 제1 권선 코일의 입력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로에 제공되는 제1 스위치;
    상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로에 제공되는 제2 스위치;
    상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 출력단을 연결하는 회로에 제공되는 제3 스위치; 및
    상기 제1 모드에서 상기 제2 스위치를 온(ON)으로 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 오프(OFF)로 제어하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 스위치 또는 상기 제3 스위치 중 어느 하나의 스위치를 온(ON)으로, 다른 하나의 스위치와 상기 제2 스위치를 오프(OFF)로 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 제1 권선 코일이 상기 치에 권선되는 턴 수와 상기 제2 권선 코일이 상기 치에 권선되는 턴 수는 상이하고,
    상기 제2 모드에서 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일 중 권선 턴 수가 많은 코일에 전력이 인가되는 고정자 권선 회로.
  5. 고정자에 형성된 치에 권선된 제1 권선 코일;
    상기 제1 권선 코일과 동일한 상기 치에 권선된 제2 권선 코일; 및
    상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일이 직렬 연결되는 제1 모드와, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일 중 어느 하나에만 전력이 인가되는 제2 모드 간에 전력 인가 모드를 변환하는 모드 변환부를 포함하되,
    상기 모드 변환부는,
    상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로를 제공하는 제1 스위치;
    상기 제1 권선 코일의 입력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로 또는 상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 출력단을 연결하는 회로 중 어느 하나에 제공되는 제2 스위치;
    상기 제1 모드에서 상기 제1 스위치를 온(ON)으로 상기 제2 스위치를 오프(OFF)로 제어하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 스위치를 오프(OFF)로 상기 제2 스위치를 온(ON)으로 제어하는 제어기를 포함하며,
    상기 제1 권선 코일이 상기 치에 권선되는 턴 수와 상기 제2 권선 코일이 상기 치에 권선되는 턴 수는 상이하고,
    상기 제2 모드에서 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일 중 권선 턴 수가 많은 코일에 전력이 인가되는 고정자 권선 회로.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 치들이 형성된 고정자;
    상기 치들에 권선된 고정자 권선 회로; 및
    상기 고정자 권선 회로에서 생성된 기자력에 의해 회전 가능한 회전자를 포함하되,
    상기 고정자 권선 회로는,
    상기 치에 권선된 제1 권선 코일;
    상기 제1 권선 코일과 동일한 상기 치에 권선된 제2 권선 코일; 및
    상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일이 직렬 연결되는 제1 모드와, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일이 병렬 연결되거나, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일 중 어느 하나에만 전력이 인가되는 제2 모드 간에 전력 인가 모드를 변환하는 모드 변환부를 포함하며,
    상기 모드 변환부는,
    상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일의 연결을 제1 모드에서 제2 모드로 변환하는 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 회전자의 출력 토크, 각속도, 고정자 권선 회로에 입력되는 입력 전류, 상기 출력 토크, 상기 각속도, 상기 입력 전류로부터 제1 모드에서의 효율 및 제2 모드에서의 효율을 산출하고,
    상기 출력 토크의 크기를 기준 토크와 비교하여, 상기 출력 토크의 크기가 상기 기준 토크 이상이면 상기 입력 전류를 최대 허용 전류와 비교하고, 상기 입력 전류의 크기가 상기 최대 허용 전류 이하이면, 상기 제1 모드에서의 효율과 상기 제2 모드에서의 효율을 비교하여 제2 모드에서의 효율이 제1 모드에서의 효율보다 높은 경우, 상기 제1 권선 코일과 상기 제2 권선 코일의 연결을 제1 모드에서 제2 모드로 변환하는, 돌극성 전기 모터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 모드 변환부는,
    상기 제1 권선 코일의 입력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로에 제공되는 제1 스위치;
    상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로에 제공되는 제2 스위치;
    상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 출력단을 연결하는 회로에 제공되는 제3 스위치; 및
    상기 제1 모드에서 상기 제2 스위치를 온(ON)으로 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 오프(OFF)로 제어하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 온(ON)으로 상기 제2 스위치를 오프(OFF)로 제어하는 제어기를 포함하는, 돌극성 전기 모터.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 모드 변환부는,
    상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로를 제공하는 제1 스위치;
    상기 제1 권선 코일의 입력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로 또는 상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 출력단을 연결하는 회로 중 어느 하나에 제공되는 제2 스위치;
    상기 제1 모드에서 상기 제1 스위치를 온(ON)으로 상기 제2 스위치를 오프(OFF)로 제어하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 스위치를 오프(OFF)로 상기 제2 스위치를 온(ON)으로 제어하는 제어기를 포함하는, 돌극성 전기 모터.
  12. 삭제
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제어기에서,
    상기 출력 토크(Tout)는 아래 수식 1로 표현되고, 상기 입력 전류(Iin)는 아래 수식 2로 표현되는 돌극성 전기 모터.
    [수식 1]
    Figure 112020026596835-pat00005
    ,
    [수식 2]
    Figure 112020026596835-pat00006
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 모드 변환부는,
    상기 제1 권선 코일의 입력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로에 제공되는 제1 스위치;
    상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 입력단을 연결하는 회로에 제공되는 제2 스위치;
    상기 제1 권선 코일의 출력단과 상기 제2 권선 코일의 출력단을 연결하는 회로에 제공되는 제3 스위치; 및
    상기 제1 모드에서 상기 제2 스위치를 온(ON)으로 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치를 오프(OFF)로 제어하고, 상기 제2 모드에서 상기 제1 스위치와 상기 제3 스위치 중 어느 하나를 온(ON)으로 다른 하나를 오프(OFF)로 제어하고, 상기 제2 스위치를 오프(OFF)로 제어하는 제어기를 포함하는, 돌극성 전기 모터.
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