KR102163554B1

KR102163554B1 - 독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템

Info

Publication number: KR102163554B1
Application number: KR1020180171988A
Authority: KR
Inventors: 김성회; 구명완; 김태완; 김상원; 이성구
Original assignee: 우리산업 주식회사
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-10-07
Also published as: KR20200095584A

Abstract

본 발명은독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템에 대한 것으로서, DC 전원을 공급하는 배터리; 전기차의 주행 바퀴를 구동하는 모터를 내장하는 모터부 모듈; 상기 모터의 권선에 설치되어 권선 연결을 변환하는 다수의 스위치로 구성되는 스위치 블록 모듈; 및, 스위칭 소자로 구성된 스위칭 회로를 구비하고, 상기 배터리로부터 DC 전원이 공급되면 스위칭 소자의 온/오프(On/Off) 동작에 의해 3상의 출력 전압을 상기 모터의 권선으로 전달하는 인버터를 포함하고, 상기 스위치 블록 모듈은, 도우넛 형상으로 구성되고, 상기 모듈 본체의 상부면 또는 하부면에 스위치 소자 회로부를 형성하는 모듈 본체; 및, 양단이 상기 스위치 소자 회로부에 연결되고, 상기 모터부 모듈의 권선 단자 또는 상기 인버터의 단자와 연결되는 부스바를 포함하는 구성을 갖는다.
상기와 같은 모터 구동 시스템에 의하여, 중앙부에 홀을 형성한 도우넛 형상의 히트싱크를 구비하고 히트싱크의 상부면 또는 하부면에 스위칭 회로를 구비하고 부스바로 단자를 연결시킴으로써, 스위칭 소자에서 발생되는 열을 용이하게 방출시키고 부스바를 통해 용이하게 모터나 인버터의 단자에 연결할 수 있다.

Description

독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템 { A motor driving system of a 3 phase winding-switching motor including independent electric switching block with water heatsinking circular format }

본 발명은 전기 자동차의 주행 조건에 맞는 최적 구조로의 가변 특성을 갖는권선 절환 구동 모터 기본 구조에 권선 절환를 위한 3개 이상의 스위치를 포함하는 스위치 블록을 일체화 시키는, 독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템에 관한 것이다.

전 세계적으로 대기 오염에 의한 온난화가 급속히 진행됨에 따라, 온난화를 개선하고자 다양한 대응 방안들이 만들어지고 있다. 특히, 종래 화석 연료에 의해 운행되는 자동차에 대해서도 대기 오염을 일으키는 이산화탄소 발생을 억제하고자 하는 대응 방안들이 규제화 되어지고 있다.

상기와 같은 대응 방안들 중 하나로서, 차량의 구동을 전기로 수행하는 전기차에 대한 이용을 높여 나가고 있다. 그러나 이러한 전기차의 적용에 있어서 모터의 구조가 고정되어 있어, 모든 주행 조건에서 최적의 최적 효율을 도출할 수 없다. 즉, 전기차의 구동 시스템에서, 각 주행 조건에 따라 입력된 전력에너지의 실사용의 사용 효율은 각각 다르게 적용된다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여, 운항중 실시간으로 전기차의 모터 구동 구조를 변경하여 제어를 수행해야 한다. 이를 위한 시스템을 설계하는 기술이 필요하다. 즉, 전기차의 운행과정에서 최적의 구동 효율을 발생시키기 위하여, 모터의 권선 연결구조를 가변적으로 변경하는 모터 구동 시스템의 설계 기술이 필요하다. 종래 3상 모터에서 권선을 전환하는 기술이 제시되고 있다[특허문헌 1,2].

즉, 모터를 적용한 전기차량의 운행과정에서 최적의 구동 효율을 발생 시키기 위해 모터를 구동하는 인버터, 모터 권선 절환을 통한 권선 구조 변경 전류 패스(path)를 만들어주는 스위치 블록, 모터 코일의 연결 구조 가변 특성을 갖는 모터로 이루어진 구동 시스템에 대하여, 주행 시 고효율의 구동을 수행하기 위해 가변 구조 모터의 전류 패스(path)를 만들기 위한 스위치 연결 구조가 필요하다.

그러나, 전류 패스를 변경 시키기 위한 스위치 블록에 포함된 스위치의 개수가 늘어남에 따라 그 크기가 커져 기존 모터, 인버터, 스위치 블록을 포함하는 인버터 일체형 구조는 실제 제작 양산이 용이하지 않다.

[특허문헌 1] 한국등록특허 제10-0702911호(2007.04.03.공고) [특허문헌 2] 미국등록특허 제9231466호(2016.01.05.공고)

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 3상 권선 가변 구조 모터로서, 전기차 주행 시 전기적 구동 효율을 높이기 위해 모터의 권선 연결 변환을 수행하되, 스위칭 시 발생할 수 있는 전류의 불안정성을 최소화 하기 위한 모터 권선 변환 스위치의 연결 구조를 각 상당 독립적으로 제어 가능하고 권선 전환 시 순간 권선 전환에 따른 전류의 영향을 최소화 시킬 수 있는 독립적이면서 순차적인 스위칭 구조로 구성하고, 권선 전환 스위치 블록과 모터 권선 부를 일체형 구조화 하여 모터를 설계하여 스위치 블록을 일체화 하는, 독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템을 제공하는 것이다.

또한,, 본 발명의 목적은 차량의 구동효율 향상을 위해 실시간으로 차량의 구동 조건을 모니터링하여, 현재 시스템에 최적 부합하는 모터의 구조를 이루기 위하여, 보조의 스위칭부를 추가하고, 이를 바탕으로 능동적 연결 변환을 통해 가변구조 모터가 고효율의 성능을 발생할 수 있도록 부품의 연결(인터페이스) 구조를 가지는, 독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템을 제공하는 것이다.

구체적으로, 본 발명의 목적은 차량 주행 조건에서 모터 구동 시에 효율의 향상을 위해 기존 탑재된 모터에 스위치 블록을 추가로 설정하고, 이 추가된 스위치 블록에서 스위칭되는 소자의 방열 및 스위칭 연결방식을 고려한 블록설계를 수행하여 기존 3상 모터의 제어에서와 같은 3선의 연결 구성을 갖도록 하는, 독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템에 관한 것으로서, DC 전원을 공급하는 배터리; 전기차의 주행 바퀴를 구동하는 모터를 내장하는 모터부 모듈; 상기 모터의 권선에 설치되어 권선 연결을 변환하는 다수의 스위치로 구성되는 스위치 블록 모듈; 및, 스위칭 소자로 구성된 스위칭 회로를 구비하고, 상기 배터리로부터 DC 전원이 공급되면 스위칭 소자의 온/오프(On/Off) 동작에 의해 3상의 출력 전압을 상기 모터의 권선으로 전달하는 인버터를 포함하고, 상기 스위치 블록 모듈은, 도우넛 형상으로 구성되고, 상기 모듈 본체의 상부면 또는 하부면에 스위치 소자 회로부를 형성하는 모듈 본체; 및, 양단이 상기 스위치 소자 회로부에 연결되고, 상기 모터부 모듈의 권선 단자 또는 상기 인버터의 단자와 연결되는 부스바를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템으로서, 상기 모듈 본체는 본체의 원형 형상에 따라 내부에 냉각 수로를 형성하되, 상기 냉각 수로는 양단이 연결되지 않고, 상기 모듈 본체의 측면에 유입구와 배출구가 형성되고, 상기 유입구는 상기 냉각 수로의 일단과 연결되고, 상기 배출구는 상기 냉각 수로의 타단과 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템으로서, 상기 모듈 본체는 서로 대칭되는 상단부와 하단부로 구성되고, 상기 상단부의 하부면 및, 상기 하단부의 상부면에는 홈이 서로 대칭적으로 형성되어 전체적으로 원형의 홈이 형성되고, 상기 상단부와 하단부가 대향하여 밀착하면 서로 대응되는 홈이 마주하여 냉각 수로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템으로서, 상기 스위치 블록은 상기 모터의 3상 권선 각각에 스위치를 구비하고, 모터의 각 상에 대하여 독립적으로 해당 스위치를 온/오프하여 제어하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템으로서, 상기 스위치 블록은, 상기 모터의 3상 각각에 대하여, 각 상에서 2개의 권선을 병렬로 연결하고 각 상의 제1 권선의 후단에 각 상의 제1 스위치를 구비하고, 각 상에서 제2 권선의 전단에 각 상의 제3 스위치를 구비하고, 각 상의 제1 권선의 후단과 각 상의 제1 스위치 전단 사이 부분과, 각 상의 제2 권선의 전단과 각 상의 제3 스위치의 후단 사이 부분을 연결하는 선 상에 각 상의 제2 스위치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

특히, 본 발명은 배터리부터 DC/DC 컨버터를 통하여 전력 공급을 받거나 또는 배터리에서 직접 연결되어 차량을 구동하는 권선 가변 구조 모터 및 구동하는 출력을 발생시키는 모터 구동 인버터와, 모터 사이에 삽입되어 모터의 권선 구조를 변경시켜주는 가변 스위치 블록으로 전기 자동차의 전기적 시스템을 구성한다.

또한, 본 발명은 권선 가변 구조 모터를 탑재한 구동 시스템의 모터 권선 전환을 위한 스위치 모듈 및 모터 연결 구조에 관한 것으로서, 모터와 연결되는 스위치 블록의 스위치와 모터 권선의 구조가 모터 3상의 각 상에 대해 독립적 제어가 가능하고, 3상 모터의 개별적 상 스위칭 작용이 다른 스위칭이 일어나지 않고 있는 상에 대하여 전류의 영향을 최소화 시킬 수 있는 스위칭 연결 구조를 갖으면서 모터내에 장착되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 다단 구동 시스템을 갖는 전기 자동차의 전기적 다단 가변 구조 시스템의 안정화된 스위칭에 대한 것으로서, 전력을 공급하는 적어도 하나의 배터리로 구성된 배터리 팩; 전기자동차의 배터리로부터 공급되는 전력으로 상기 전기차의 구동용 모터를 구동하는 출력을 발생시키는 모터 구동 인버터; 상기 모터의 권선구조 변경을 수행하기 위한 스위치 블록; 및, 이와 같은 스위치 블록을 포함하고 있는 권선 전환 가변 구조 3상 모터를 포함하고, 상기 스위치 블록은 전체 스위치 블록을 순환하는 구조의 수냉 연결 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명은 상기 가변 스위칭 모듈은 3상의 인버터에 각각 권선 구조를 변경해 주는 싸이리스터(THYRISTOR)소자 기반 모듈 또는 트랜지스터들(FET, BJT)등의 가변 스위칭 모듈로 사용하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템에 의하면, 중앙부에 홀을 형성한 도우넛 형상의 히트싱크를 구비하고 히트싱크의 상부면 또는 하부면에 스위칭 회로를 구비하고 부스바로 단자를 연결시킴으로써, 스위칭 소자에서 발생되는 열을 용이하게 방출시키고 부스바를 통해 용이하게 모터나 인버터의 단자에 연결할 수 있는 효과가 얻어진다.

전기 자동차 주행 시 차량 주행 조건에 따라 권선 고정형 모터의 조건에서는 최적 구동효율을 얻기 어려움에 따라 다단 가변 구조의 모터 구동 시스템을 구성한다. 그런데 종래기술에 따른 권선 가변 구조 시스템에서 실시간 최적 구동 효율을 얻기 위한 모터 구조 변경 실행 시 기존 1개 또는 2개의 스위치를 이용하여 3상을 하나의 스위치 소자에 공통 연결시켜 동시적 스위칭 함으로써 스위칭 시 각 상의 과도기적 대전류 발생의 문제를 발생시킨다.

이를 해결하기 위해, 본 발명은 3상 각 상에 대한 개별적 제어를 수행하고, 3상 모터의 각 상에 대해 개별적 스위칭을 수행하도록 구성한다. 그러나 개별적 스위칭으로 구성함에 따라, 스위칭 수가 많아져서 기존 일반적 통합 구조인 모터 및 인버터 일체형의 구조 적용하기가 매우 어려워지고, 전기차의 실 적용에 한계성을 갖는다.

이와 같은 문제를 해결하기 위하여, 본 발명은 수냉 원형구조 모터와 스위치 블록을 일체화 시키고, 인버터를 별도 분리시키는 전기차 구동 시스템을 제공한다.

특히, 본 발명은 기존 모터에서와 같이 통합된 구조의 모터 구동 출력이 3개의 구동 전원선 만을 가지므로, 이전 인버터 시스템과 같은 구동 전원선을 갖는다. 또한, 본 발명은 내부에 존재하는 스위치 블록의 스위치들은 인버터에서 전달되는 각 스위치의 온(ON)/오프(OFF) 신호를 입력 받아 절연형 방식으로 각 스위치를 제어한다. 또한, 본 발명은 독립적인 수냉 방식의 도우넛 모양의 내부 원형구조 방열의 스위치 블록를 구성한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다단 가변 구조 구동 특성을 갖는 전기차의 모터 구동 시스템의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 다단 가변 구조의 모터 구동 시스템의 인버터, 스위치 블록, 및 가변구조 모터의 전기적 외부 연결에 대한 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 IGBT 또는 TR로 구성된 모터 구동 인버터 스위칭 회로의 구성도.
도 4는 종래기술에 따른 일반 3상 모터 구동 인버터와 모터 사이의 전기적 결선 회로 구성도.
도 5는 종래기술에 따른 권선 가변 구조 모터, 모터 구동 인버터, 및, 스위치 블록의 전기적 결선 회로 구성도로서, 스위치 블록이 모터와 인버터의 연결을 수행하면서 권선 전환 스위칭을 하되 낮은 수량(1~2개)의 스위치들로 구성되는 스위치 블록의 전기적 결선 회로 구성도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 가변 구조 모터, 및 전동 구동 인버터, 그리고 모터와 인버터의 연결을 수행하는 높은 수량 (3개 이상)의 스위치들을 갖는 스위치블록의 전기적 결선 회로 구성도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스위치 블록 및 모터의 회로 및 모듈의 대응을 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 스위치 블록 및 모터부 모듈의 결합 구조를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 모터부 모듈에 대한 사시도.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 스위치 블록 모듈에 대한 위측 사시도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 스위치 블록 모듈에 대한 아래측 사시도.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 스위치 블록 모듈의 단면도.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.

또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.

먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템의 구성을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 상기 모터 구동 시스템에는 다단계 가변 구조가 적용된다.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 다단 가변 구조의 전기차 모터 구동 시스템은 배터리 팩(100), 모터구동 인버터(102), 스위치 블록(104), 추진용 모터(또는 전동기)(106)로 구성된다. 또한, 추가적으로 차량 상위제어기 시스템(미도시)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

추진용 모터 또는 전기차 구동 모터(106)는 차량의 주행 바퀴를 구동하는 모터로서, 직접 전기차를 운행할 수 있는 회전 동력을 발생시킨다. 모터구동 인버터 또는 모터제어 인버터(102)는 배터리 팩(100)으로부터 공급되는 전력으로 주행 용 모터(106)를 구동하는 출력을 발생시킨다.

특히, 도 2에서 보는 바와 같이, 배터리 팩(100)로부터 전원라인(101)을 통해, 배터리의 전원이 열전발전 내재 인버터(102)에 입력된다. 입력된 전원(또는 직류전원)은 인버터(102)에서 고속의 스위칭이 수행된다. 그리고 인버터(102)에서 스위칭 작용에 의해 변환된 AC 전원이 전원라인(103)을 거쳐서 스위치 블록(104)에 공급된다.

스위치 블록(104)에서는 모터(106)의 내부 권선과 상호 연결되어 있는 스위치들로 구성된다. 한편, 도 1과 같이, 인버터(102) 내에는 모터 권선전환 스위치 제어부(81)가 구성된다. 이때, 인버터(102) 내의 모터 권선전환 스위치 제어부(81)에서, 모터 권선 스위치 제어선(82)를 통하여, 스위치 블록(104)의 각 스위치별 신호가 전송된다. 전송된 신호(또는 스위치별 신호)는 절연방식의 신호 전달을 통해 스위치 블록(104)의 각 스위치들을 온/오프 시켜 모터의 전체 권선 연결 구조를 변경한다.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 인버터 회로에 대한 구성을 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터(102)의 스위칭 회로는 6개의 스위칭 소자(111)로 구성된다. 바람직하게는, 스위칭 소자는 IGBT(Insulated gate bipolar transistor) 또는 트랜지스터(TR) 소자이다. DC 전원 입력 단자 또는 전원 라인(101)으로부터 DC 전원이 공급되면 6개의 스위칭 소자의 온/오프(On/Off)동작에 의해 출력단자 또는 전원 라인(103)으로 출력 전압이 전달된다.

다음으로, 본 발명의 3상 모터와 인버터, 그리고 스위치 블록의 구성을 종래기술과 대비하여 보다 구체적으로 설명한다. 도 4 및 도 5는 종래기술에 의한 연결 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 연결 구성도이다.

도 4는 종래기술에 따른 3상 모터와 인버터의 연결 구성도를 보여준다. 도 4와 같이, 배터리로부터 공급된 단상 직류 전원이 인버터에서 스위칭되어 3상의 전원을 모터에 공급하여 준다. 즉, 인버터와 모터 사이에는 직결된 구조로 중간에 보조적인 장치가 들어가지 않는다.

또한, 도 5는 종래기술에 따른 스위치 모듈을 추가로 구성한 가변구조의 모터와 인버터의 구성[특허문헌 1]을 나타내고 있다. 즉, 가변 구조 모터제어를 위한 스위치 블록을 갖는 시스템의 인버터, 모터, 스위치블록의 모듈 연결 구조를 보여준다.

종래기술에 따른 가변 스위치 모듈은 내부에 인버터와 같이 하나 또는 2개의 스위치만 구성된다. 6개의 인버터 스위치들은 3개의 출력 선이 스위치 모듈과 연결된다. 이때 스위치 모듈의 전체 스위치 개수가 2개로 매우 작다. 따라서 모터, 스위치 모듈, 및, 인버터를 하나의 일체형 구조로 구현할 수 있다.

그러나 종래기술은 모터의 권선 구조 가변을 위한 스위칭을 수행할 때, 3상의 각 권선들을 하나의 스위치로 동시에 스위칭 동작을 수행시킨다. 즉, 종래기술은 스위칭 시 모든 상들을 동시에 온/오프 시키기 때문에, 스위칭 구동에 의해 큰 노이즈 전류가 발생할 수 있다. 이와 같은 스위칭 노이즈 전류는 구동 시스템의 성능 특성을 저하시킨다.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 3상 모터와 인버터, 그리고 스위치 블록의 연결 구성을 도 6을 참조하여 설명한다.

도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 시스템의 연결 구성은 스위치 블록을 일체로 구성한 가변 구조의 모터와, 인버터의 구성을 나타내고 있다. 즉, 가변 구조 모터제어를 위한 스위치 블록을 갖는 구동 시스템의 인버터, 모터, 스위치블록의 모듈 연결 구조를 보여준다.

도 6과 같이, 인버터의 DC 전압 입력 단자는 배터리와 연결되며, 인버터의 출력단자와 스위칭 블록이 연결된다. 도 6에서는 9개 스위치를 갖는 블록의 적용 예로써 설명된다. 그러나 가변되는 단계의 개수에 따라 스위치 개수는 감소 또는 증가 등 변경될 수 있다.

스위칭 블록의 스위치는 3상의 인버터에 각각 권선 구조를 변경해 주는 싸이리스터(THYRISTOR) 소자 기반 모듈 또는 트랜지스터들(FET, BJT)의 가변 스위칭 모듈로 사용한다.

일실시예로서, 도 6과 같이, 3상 각각에 대하여, 2개의 권선을 병렬로 연결한다. 그리고 각 상(a,b,c)의 제1 권선(La1, Lb1, Lc1)의 후단에 제1 스위치(SW1, SW4, SW7)를 구비하고, 제2 권선(La2, Lb2, Lc2)의 전단에 제3 스위치(SW3, SW6, SW9)를 구비한다. 그리고 제1 권선의 후단과 제1 스위치 전단 사이 부분과, 제2 권선의 전단과 제3 스위치의 후단 사이 부분을 연결하는 선 상에 제2 스위치(SW2,SW5,SW8)를 구비한다.

또한, 가변 스위치 모듈은 내부에 인버터와 같이 여러 개 스위치로 구성되어 있다. 6개의 인버터 스위치들에서 출력되는 3개의 출력 선이 스위치 블록과 연결된다. 모터의 출력선들은 모터의 가변 구조 특징에 따라 다양한 개수의 출력선을 만들어 스위칭 연결을 조합하여 3상의 모터 특성을 가질 수 있도록 구성된다.

이와 같은 3상의 특징을 갖는다. 또한, 제어 시 모터의 권선 구조 가변을 위한 스위칭이 필요할 때, 각 상의 현 전류을 순차적으로 원하는 시점에서 오프(OFF)시키고 순차적으로 온(ON)할 수 있는 변경된 구조로 연결되도록 설계된다.

즉, 스위치 블록은 각 상에 대해 직렬과 병렬적 특성을 조합하여 각 상의 독립적 제어를 수행할 수 있도록, 모터 3상에 대하여 각각의 최소 3개 이상의 온/오프 가능 직렬 구조 스위치로 연결된다. 또한, 각 상에 대한 독립적 제어를 위해 병렬로 최소 3개 이상의 연결이 구성되어 3상 모터의 각 상의 스위칭 시 제로(영)전류에 의해 최소화된 스위치 적용을 통해 제품의 원가를 낮출 수 있는 구조이다.

본 발명에서는 스위치 블록의 전체 스위치 개수가 많기 때문에, 모터, 스위치 블록, 인버터의 일체화가 어렵다. 따라서 모터와 스위치 블록을 일체화 시키고 인버터를 분리한다.

모터의 열적 부하와 통합 무게를 줄이기 위하여 인버터와 스위치 블록이 일체화로 구성될 수 있으나, 이런 경우 모터 권선 가변 전환을 위한 모터의 연결 컨넥터 및 와이어의 수가 너무 많기 때문에, 인버터와 스위치 블록의 일체화는 전기적 시스템 구조상 비 효율적이다.

따라서 본 발명의 모터 구동 시스템은 스위치 블록을 모터와 일체화 시킨 후 모터와 공용 방열 구조를 선택한다. 이를 통해, 전체 부피의 축소하고 전기적 연결선도 매우 짧게하여 전기적 손실을 최소화 할 수 있다.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 스위치 블록 및 모터의 회로 및 모듈 구성을 도 7 내지 도 8을 참조하여 설명한다.

도 7에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 스위치 블록 모듈(500)은 회로의 스위치 블록(104)을 구현한 모듈이고, 모터부 모듈(600)은 회로의 가변구조 모터(106)를 구현한 모듈이다. 즉, 도 7은 가변 구조 모터(106)와 스위치 블록 모듈(500)의 연결 구조를 회로와 실제 장치(모듈) 간의 매칭을 나타낸다.

도 7과 같이, 스위치 블록(104)과 모터(106)는 분리된 구조로 구성되고, 모터부 모듈(600)의 권선 연결 부분(또는 권선 단자)(660)이 스위치 블록 모듈(500)과 연결되어 통합되어, 가변구조 모터를 구성한다.

또한, 도 8은 가변 구조 모터부 모듈(600)와 스위치 블록 모듈(500)의 통합된 시스템의 일례를 도시하고 있다. 가변 권선 모터부 모듈(600)는 스위치 블록 모듈(500)과 권선 출력들이 도 6의 구조와 같이 연결된다. 그래서 각 스위치의 온(On)/오프(Off) 상태에 따라 연결구조가 변경되고, 이를 통해, 모터의 권선연결 구조가 변경된다.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 가변구조 모터의 모터부 모듈(600)의 구성을 도 9를 참조하여 설명한다.

도 9에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 모터부 모듈(600)은 모터(106)를 내부에 실장하는 케이스(610), 케이스(610)의 상단면을 덮는 커버(620), 및, 커버(620) 상에 원형으로 일정한 간격으로 형성된 권선 단자(660)로 구성된다.

먼저, 케이스(610)는 모터(106)를 내부에 실장하는 통상의 케이스로서, 바람직하게는, 원통형으로 형성된다. 원통형의 중심축이 모터의 회전축에 해당된다.

또한, 케이스(610)의 커버측 상단 원통 둘레에는 스위치 블록 모듈(500)과 결합하기 위한 브라켓 등 고정부(630)가 형성된다.

다음으로, 커버(620)는 케이스(610)의 일측 단면(또는 상단면)을 덮는 덮개로서, 바람직하게는, 케이스(610)와 동일한 얇은 원통형 또는 원형으로 형성된다.

커버(620)의 상부면에는 다수의 권선 단자(660)가 형성된다. 바람직하게는, 권선 단자(660)는 원형으로 일정한 간격으로 돌출 형성된다.

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 스위치 블록 모듈(500)의 구성에 대하여 도 10 내지 도 12를 참조하여 설명한다. 도 10은 본 발명에 따른 스위치 블록 모듈(500)의 위에서 바라본 사시도이고, 도 11은 아래에서 바라본 사시도이다. 또한, 도 12는 스위치 블록 모듈(500)의 모듈 본체(510)의 단면도이다.

도 10 및 도 11에서 보는 바와 같이, 스위치 블록 모듈(500)은 모듈 본체(510), 모듈 본체(510)를 지지하는 지지대(520), 모듈 본체(510)의 상부면 또는 하부면에 형성된 스위치 소자 회로부(530), 및, 단자 역할을 수행하는 부스바(540)로 구성된다.

먼저, 모듈 본체(510)는 중앙부에 관통홀을 형성한 것으로서, 도우넛 형상의 원형(원형구조의 도넛모형)으로 형성된다.

또한, 모듈 본체(510)는 본체 내부에 냉각 수로(560)를 형성한다. 바람직하게는, 냉각 수로(560)는 모듈 본체(510)의 원형을 따라 형성되되, 양단이 연결되지 않도록 형성된다.

또한, 모듈 본체(510)의 측면에는 유입구(561)와 배출구(562)가 형성되고, 유입구(561)는 냉각 수로(560)의 일단과 연결되고, 배출구(562)는 냉각 수로(560)의 타단과 연결된다. 따라서 유체인 수냉 냉매는 유입구(561)로 들어가서 냉각 수로(560)를 따라 순환하고, 배출구(562)로 배출된다.

따라서 모듈 본체(510)는 수냉방식의 원형 구조의 히트싱크 역할을 수행한다. 즉, 모듈 본체(510)는 원형 형태의 히트 싱크로서 수냉 방식으로 방열한다, 히트 싱크에 입력된 냉매는 모듈 본체(510)의 원형 히트 싱크를 따라 돌아 1순환을 한 후 배출구(562)로 토출된다.

또한, 바람직하게는, 도 12에서 보는 바와 같이, 모듈 본체(510)는 상단부(511)와 하단부(512)로 구성된다. 또한, 상단부(511)의 하부면에는 홈이 형성되어, 전체적으로 원형의 홈이 형성된다. 또한, 하단부(512)의 상부면에도 홈이 형성되어 전체적으로 원형의 홈이 형성된다. 또한, 상단부(511) 및 하단부(512)의 홈은 서로 대칭적으로 형성된다. 따라서 상단부(511) 및 하단부(512)가 대향하여 밀착하면, 서로 대응되는 홈이 마주하여 냉각 수로(560)를 형성한다.

또한, 모듈 본체(510)는 방열판으로서의 역할을 수행하며, 바람직하게는, 방열 기능이 좋은 알루미늄(Al) 등의 소재로 형성된다.

다음으로, 지지대(520)는 모듈 본체(510)에 하단에 연결되며, 고정 브라켓(523)을 구비된다. 바람직하게는, 고정 브라켓(523)은 모터부 모듈(600)의 고정부(630)에 결합될 수 있다.

또한, 바람직하게는, 지지대(520)는 수직 지지대(521)가 형성되어 모듈 본체(510)와 일정한 이격이 되도록 구성된다.

다음으로, 모듈 본체(510)의 상부면 또는 하부면에 형성된 스위치 소자 회로부(530)가 형성된다.

스위치 소자 회로부(530)는 기판과, 기판 상에 형성된 싸이리스터, TR 등 스위치 소자 및 결선 등으로 구성된다.

또한, 부스바(540)는 모듈 본체(510)의 상부면과 하부면에 걸쳐 설치되고, 그 양단이 스위치 소자 회로부(530)의 단자들과 연결된다. 즉, 부스바(540)는 스위치 소자 회로부(530)의 외부 단자로서 역할을 수행한다.

특히, 바람직하게는, 부스바(540)는 ㄷ자형으로 형성되고, 상부가 모듈 본체(510)의 상부면에 연결되고 하부가 모듈 본체(510)의 하부면에 연결된다.

즉, 부스바(540)는 모터부 모듈(600)의 권선 단자(660)와 연결되거나, 인버터(102)의 단자와 연결된다.

또한, 부스바(540)는 스위치 블록(104)의 각 스위치(모터 권선 절환 스위치, SW)에 대응되도록 부스바를 구비한다. 만약 스위치 소자가 싸이리스터인 경우, 온/오프를 위한 2개의 부스바, 즉, 한 쌍의 부스바를 구비한다. 도 10의 예에서, 스위치 블록(104)의 스위치는 모두 9개이고, 9개에 대응되는 9쌍의 부스바, 즉, 12개의 부스바를 구비한다.

따라서 스위치 블록 모듈(500)은, 수냉방식의 원형 구조의 히크 싱크의 구조를 갖는다. 또한, 히트 싱크에 양면에 스위칭 소자가 붙어 있어 방열 효과를 최적화 시켰으며, 중심부에는 도넛 모양으로 홀이 있고, 양측에 붙어 있는 스위치의 제어선 및 전력선이 연결될 수 있는 구조를 갖는다.

즉, 권선 절환을 수행하는 스위치 소자 회로부(530)는 모듈 본체(510)의 원형구조의 히트 싱크 양면에 부착되므로, 스위치에서 발생되는 열은 히트싱크를 통하여 방열된다. 원형 구조의 히트 싱크가 방열 효과의 저감을 감소한다. 또한, 히트 싱크의 중심부에 도넛 모형의 원형 홀을 형성한다. 이것은, 히트 싱크의 양면에 붙어있는 스위치들의 제어신호선 연결 및 전력선 연결을 위하여 중심부에 원형의 통로 구조를 두는 것과 같다.

또한, 모터의 권선과 스위치 블록의 연결은 스위치 블록에 포함되 부스바를 통하여 연결된다. 부스바는 스위치들 사이의 상호 연결, 모터 권선과 스위치의 연결, 모터 외부 출력단과의 연결을 수행한다.

또한, 수냉의 구조는 외부 냉매 입,출력 부분의 단순 일부 변경을 통해 모터 내부의 유로와 연결 가능하다.

이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

81 : 모터 권선 전환 스위치 제어부
100 : 배터리 팩 102 : 인버터
104 : 스위치 블록 106 : 모터
500 : 스위치 블록 모듈 510 : 모듈 본체
511 : 상단부 512 : 하단부
520 : 지지대 521 : 수직 지지대
530 : 스위치 소자 회로부 540 : 부스바
560 : 냉각 수로 561 : 유입구
562 : 배출구
600 : 모터부 모듈 610 : 케이스
620 : 커버 630 : 고정부
660 : 권선 단자

Claims

독립적 권선 절환의 원형 수냉식 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변 구조의 모터 구동 시스템에 있어서,
DC 전원을 공급하는 배터리;
전기차의 주행 바퀴를 구동하는 모터를 내장하는 모터부 모듈;
상기 모터의 권선에 설치되어 권선 연결을 변환하는 다수의 스위치로 구성되는 스위치 블록 모듈; 및,
스위칭 소자로 구성된 스위칭 회로를 구비하고, 상기 배터리로부터 DC 전원이 공급되면 스위칭 소자의 온/오프(On/Off) 동작에 의해 3상의 출력 전압을 상기 모터의 권선으로 전달하는 인버터를 포함하고,
상기 스위치 블록 모듈은,
도우넛 형상으로 구성되고, 상부면 또는 하부면에 스위치 소자 회로부를 형성하는 스위치 블록 모듈 본체; 및,
양단이 상기 스위치 소자 회로부에 연결되고, 상기 모터부 모듈의 권선 단자 또는 상기 인버터의 단자와 연결되는 부스바를 포함하고,
상기 스위치 블록은 상기 모터의 3상 권선 각각에 스위치를 구비하고, 모터의 각 상에 대하여 독립적으로 해당 스위치를 온/오프하여 제어하고,
상기 스위치 블록은, 상기 모터의 3상 각각에 대하여, 각 상에서 2개의 권선을 병렬로 연결하고 각 상의 제1 권선의 후단에 각 상의 제1 스위치를 구비하고, 각 상에서 제2 권선의 전단에 각 상의 제3 스위치를 구비하고, 각 상의 제1 권선의 후단과 각 상의 제1 스위치 전단 사이 부분과, 각 상의 제2 권선의 전단과 각 상의 제3 스위치의 후단 사이 부분을 연결하는 선 상에 각 상의 제2 스위치를 구비하는 것을 특징으로 하는 전기차 모터 구동 시스템.
제1항에 있어서,
상기 스위치 블록 모듈 본체는 본체의 원형 형상에 따라 내부에 냉각 수로를 형성하되, 상기 냉각 수로는 양단이 연결되지 않고, 상기 스위치 블록 모듈 본체의 측면에 유입구와 배출구가 형성되고, 상기 유입구는 상기 냉각 수로의 일단과 연결되고, 상기 배출구는 상기 냉각 수로의 타단과 연결되는 것을 특징으로 하는 전기차 모터 구동 시스템.
제2항에 있어서,
상기 스위치 블록 모듈 본체는 서로 대칭되는 상단부와 하단부로 구성되고, 상기 상단부의 하부면 및, 상기 하단부의 상부면에는 홈이 서로 대칭적으로 형성되어 전체적으로 원형의 홈이 형성되고, 상기 상단부와 하단부가 대향하여 밀착하면 서로 대응되는 홈이 마주하여 냉각 수로를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기차 모터 구동 시스템.
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