KR102225671B1 - 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템 및 방법 - Google Patents

모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템 및 방법 Download PDF

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KR102225671B1 KR1020190040976A KR20190040976A KR102225671B1 KR 102225671 B1 KR102225671 B1 KR 102225671B1 KR 1020190040976 A KR1020190040976 A KR 1020190040976A KR 20190040976 A KR20190040976 A KR 20190040976A KR 102225671 B1 KR102225671 B1 KR 102225671B1
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P23/00—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by a control method other than vector control
    • H02P23/14—Estimation or adaptation of motor parameters, e.g. rotor time constant, flux, speed, current or voltage

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템은, 모터의 구조를 복수의 파트들로 분할하고 각 파트에 대한 2차원 전자기장을 모델링하는 모터 구조 분류부, 상기 각 파트에 대한 2차원 전자기장을 네트워크 파라미터로 변환하고 상기 네트워크 파라미터들을 합성하여 상기 모터 전체에 대한 네트워크 파라미터를 추출하는 전자기장 시뮬레이션부 및 상기 전자기장 시뮬레이션부에서 도출된 네트워크 파라미터에 대한 데이터들을 수집 및 저장하는 데이터 수집부를 포함한다.

Description

모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템 및 방법{PREDICTION SYSTEM AND METHOD FOR BROADBAND FREQUENCY CAME FROM A MOTOR}
본 발명은 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템 및 방법에 관한 것으로써, 보다 구체적으로는 시뮬레이션을 통해 교류 모터에서 발생하는 고주파 요소들을 미리 예측하고 계산하여 교류 모터의 구동 회로를 설계하는 방법에 관한 것이다.
최근, 교류 모터는 인버터와 같은 스위칭 회로를 필수적인 구성요소로 포함한다.
스위칭 회로 즉, 인버터는 교류 모터를 구동시키기 위해, 모터를 구동시키기 위한 전압의 파형을 기존의 사인파형에서 복수의 펄스 파형으로 변형시키며, 이러한 펄스 파형은 높은 주파수 대역의 고주파 요소들을 포함한다.
이러한 펄스 파형은 모터의 구동 시스템에 심각한 문제를 발생시킬 수 있는 전자기 간섭 또는 전자기 방해(Electromagnetic Interference, EMI) 현상을 초래하며, 이러한 전자기 간섭 현상 때문에 교류 모터는 구동이 불가능해질 수 있다.
또한, 이러한 고주파 요소들은 높은 피크(peak)를 가지고 교류 모터 내부의 구동 회로 또는 구동 시스템상에서 전달되므로, 구동 회로 또는 구동 시스템의 안정성을 저하시키는 원인이 된다.
이 외에도 고주파 요소들은 높은 피크에 따른 서지 현상에 의해 교류 모터의 절연을 파괴하여, 교류 모터뿐만 아니라 교류 모터 주변에 장착되는 다른 전자 장치에 전자기 간섭을 일으켜 다른 전자 장치들의 고장을 유발할 수도 있다.
결국 교류 모터는 모터의 구동을 위한 시스템을 포함하며, 이러한 시스템에서 높은 주파수를 가진 고주파 요소들이 발생될 수 밖에 없는 태생적인 문제점을 안고 있다.
이러한 문제를 근본적으로 해결하기 위해, 교류 모터의 설계 단계에서 교류 모터의 임피던스를 미리 예측한 뒤, 고주파 요소들을 견뎌낼 수 있는 임피던스를 가지도록 교류 모터의 구동 회로를 설계할 필요가 있다.
하지만, 현재 사용되고 있는 전자기장 시뮬레이션 시스템은 교류 모터에서 발생할 수 있는 고주파 요소들을 예측할 수 있는 방법을 제시하지 못하고 있으며, 임피던스를 측정하는 방법에 관하여서도, 교류 모터를 먼저 제작한 뒤, 임피던스를 측정하는 방법들만 제시되고 있다.
왜냐하면, 교류 모터 내부의 구동 회로가 가지는 복잡성으로 인하여, 교류 모터의 설계 단계에서 임피던스를 예측하는 것은 매우 어려웠으므로, 종래에는 교류 모터를 실제로 제작하여 임피던스를 측정하는 것이 그나마 효율적이었기 때문이다.
특히, 교류 모터의 설계 단계에서 교류 모터에서 발생할 수 있는 고주파 요소들을 미리 예측하기 위해서는, 교류 모터에 권선된 모든 도선을 구성하는 각 도선들 사이의 전자기 커플링 요소와 각 도선들 및 코어 프레임 또는 각 도선들 및 코어 구조 사이의 전자기 커플링 요소들을 모두 계산해야만 하며, 이 계산은 매우 복잡하고 어렵다.
따라서, 복잡한 연산을 할 수 없는 종래 회로에 대한 임피던스 계산 방법이나 전자기장 시뮬레이션 시스템으로는, 복잡한 교류 모터의 구동 회로를 사전에 모델링을 하기가 불가능하였을 뿐만 아니라, 매우 방대한 계산량으로 인해 모터의 임피던스를 예측할 수 없었다.
더욱이, 최근 사용되고 있는 모터의 등가 회로 모델은 기본적으로 수십 Hz ~ 수백 Hz 대역에서만 그 정확성을 보장한다.
하지만 인버터에 의해 구동되는 교류 모터는 스위칭 주파수만 해도 수 kHz ~ 수십 kHz 이며, 그로 인해 생성되는 고주파 요소들은 수십 MHz 대역까지 분포한다.
따라서 최근 사용되고 있는 모터의 등가 회로 모델은 이러한 kHZ, MHz 대역에서 발생하는 고주파 요소들을 전혀 고려할 수 없으며, 이러한 고주파 요소들을 정확하게 분석할 수 있는 모터의 광대역 대응 등가 회로 모델도 필요하다.
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 교류 모터에서 발생할 수 있는 고주파 요소를 실질적으로 예측할 수 있는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템 및 방법을 제공한다.
한편, 본 발명은 상술한 다른 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 교류 모터에서 발생할 수 있는 고주파 요소를 교류 모터의 설계 단계에서 계산할 수 있도록 하기 위해, 광대역 주파수에 대한 임피던스를 시뮬레이션 할 수 있는 시스템 및 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상술한 또 다른 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 네트워크 파라미터의 연산 및 합성 방법을 통해, 복잡한 교류 모터 내부의 구동 회로를 모델링하고, 교류 모터에 권선된 모든 도선 및 교류 모터를 구성하는 구조를 고려하여, 교류 모터에서 발생할 수 있는 광대역 주파수에 대한 전자기 커플링 요소와 임피던스를 계산하는 시스템 및 방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위하여, 모터의 구조를 복수의 파트들로 분할하고 각 파트에 대한 2차원 전자기장을 모델링하는 모터 구조 분류부, 상기 각 파트에 대한 2차원 전자기장을 네트워크 파라미터로 변환하고 상기 네트워크 파라미터들을 합성하여 상기 모터 전체에 대한 네트워크 파라미터를 추출하는 전자기장 시뮬레이션부 및 상기 전자기장 시뮬레이션부에서 도출된 네트워크 파라미터에 대한 데이터들을 수집 및 저장하는 데이터 수집부를 포함하는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템을 제공한다.
상기 모터 구조 분류부는 상기 모터를 상기 모터의 단일 슬롯(slot) 구조를 나타내는 제1 파트, 상기 모터의 단일 단부 권선(end-winding) 구조를 나타내는 제2 파트 및 상기 모터의 권선에 의해 형성되는 회로 구조인 턴(turn)에 관여하지 않고 상기 모터의 권선들을 결선하는 중섬점에 연결되며, 입력 단자 구성을 위해 연결되는 외부 도선(external line) 구조를 나타내는 제3 파트로 분류할 수 있다.
상기 전자기장 시뮬레이션부는 상기 단일 슬롯 및 단일 단부 권선 구조에 포함되는 도체의 개수를 n으로 나타내고, 상기 단일 슬롯 및 단일 단부 권선 구조에 포함되는 모든 포트의 개수를 2n으로 나타내며, 상기 제1 및 제2 파트에 대한 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 각각 2n×2n의 행렬로 구성할 수 있다.
상기 전자기장 시뮬레이션부는 상기 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 합성시켜 단일 코일 구조에 대한 네트워크 파라미터를 산출하고, 상기 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 합성하기 위해 아래의 수학식 (1) 및 (2),
Figure 112019035873213-pat00001
(1),
Figure 112019035873213-pat00002
(2)을 사용하며,
Figure 112019035873213-pat00003
는 상기 제1 네트워크 파라미터를 나타내는 T(transmission) 네트워크 파라미터 행렬이고,
Figure 112019035873213-pat00004
는 상기 제2 네트워크 파라미터를 나타내는 T 네트워크 파라미터 행렬이며,
Figure 112019035873213-pat00005
은 상기 턴을 연결 하는 부분을 제외한 단일 코일 구조를 나타내는 T 네트워크 파라미터 행렬이고, E는 n×n 단위 행렬이며, 첨자
Figure 112019035873213-pat00006
은 상기 T 네트워크 파라미터 행렬이 좌측 포트로부터 우측 포트로 향하는 정방향으로 구성되어 있음을 나타내며, 첨자
Figure 112019035873213-pat00007
은 상기 T 네트워크 파라미터 행렬이 우측 포트에서 좌측 포트로 향하는 역방향으로 구성되어 있음을 나타낼 수 있다.
상기 전자기장 시뮬레이션부는 계산된 상기 단일 코일 구조에 대한 T 네트워크 파라미터
Figure 112019035873213-pat00008
을 Z(impedance) 네트워크 파라미터로 변환하기 위해 아래의 수학식 (3) 및 (4),
Figure 112019035873213-pat00009
(3),
Figure 112019035873213-pat00010
(4)을 사용하며, V는 전압을 의미하고, I는 전류를 의미하며, 첨자 l은 좌측 포트를 의미하고, 첨자 r은 우측 포트를 의미하며, 첨자 t는 상기 제1 및 제2 네트워크 파라미터의 합성으로 인해 구성되는 T 네트워크 파라미터
Figure 112019035873213-pat00011
의 단자 포트를 나타낼 수 있다.
상기 Vl은 아래의 수학식 (5),
Figure 112019035873213-pat00012
(5)이며, Il은 아래의 수학식 (6),
Figure 112019035873213-pat00013
(6), 상기 Ir은 아래의 수학식 (8),
Figure 112019035873213-pat00014
(8) 이며, 상기 Vt은 아래의 수학식 (9),
Figure 112019035873213-pat00015
(9)이며, 상기 It은 아래의 수학식 (10),
Figure 112019035873213-pat00016
(10)이고,
Figure 112019035873213-pat00017
는 상기 단일 코일 구조에 포함되는 병렬 도선의 개수를 의미할 수 있다.
상기 전자기장 시뮬레이션부는 상기 모터에 포함되는 턴을 구현하기 위해, 상기 좌측 및 우측 포트의 전압을 동전위로 구성하고, 전류의 흐름을 상기 역방향으로 구성하며, 상기 단일 코일 구조에 대한 Z 네트워크 파라미터를 추출하기 위해, 아래의 수학식 (11) 내지 (13),
Figure 112019035873213-pat00018
(11),
Figure 112019035873213-pat00019
(12),
Figure 112019035873213-pat00020
(13)를 사용할 수 있다.
상기 전자기장 시뮬레이션부는 단일 권선 다발 라인 구조에 대한 네트워크 파라미터를 도출하기 위해 아래의 수학식 (14),
Figure 112019035873213-pat00021
(14)를 사용하며,
Figure 112019035873213-pat00022
은 상기 단일 권선 다발 라인 구조에 포함된 전체 코일의 개수이며,
Figure 112019035873213-pat00023
는 권선에 포함된 병렬 회로의 개수이며,
Figure 112019035873213-pat00024
은 상기 제3 파트에 대한 제3 네트워크 파라미터일 수 있다.
상기 전자기장 시뮬레이션부는 상기 외부 도선 구조에 포함되는 도체의 개수를 n으로 나타내고, 상기 외부 도선 구조에 포함되는 모든 포트의 개수를 2n으로 나타내어, 상기 제3 파트에 대한 제3 네트워크 파라미터를 2n×2n의 행렬로 구성할 수 있다.
상기 전자기장 시뮬레이션부는 상기 단일 코일 구조에 대한 Z 네트워크 파라미터인
Figure 112019035873213-pat00025
을 모두 합성하여 상기 모터의 전체 상 권선 구조에 대한 2단자망 네트워크 파라미터를 추출하며, 이를 위해, 아래의 수학식 (15) 및 (16),
Figure 112019035873213-pat00026
(15),
Figure 112019035873213-pat00027
(16)을 사용하며, 상기 Yphase는 2단자망 네트워크 파라미터로써 Y(admittance) 네트워크 파라미터를 의미하고, i는 행렬에서 행을 나타내며, j는 행렬에서 열을 의미하고, Yw는 행렬의 i행 및 j열에 배치된 행렬 구성 요소를 의미하며, 첨자 2p는 2단자 망을 의미하며, 상기 수학식 (15) 및 (16)는 상기 모터를 구성하는 권선의 좌측 및 우측 포트가 단자와 연결되고 모든 병렬 회로 구조가 포함된 모터의 전체 상 권선 구조에 대한 시뮬레이션을 나타낼 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해, 임피던스 예측 시스템을 사용하여 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스를 예측하는 방법을 제공할 수 있으며, 상기 방법은 모터 구조 분류부가 상기 모터의 구조를 복수의 파트들로 분할하는 제1 단계, 전자기장 시뮬레이션부가 상기 각 파트에 대한 2차원 전자기장을 네트워크 파라미터로 변환하고, 상기 네트워크 파라미터들을 합성하여 상기 모터 전체에 대한 네트워크 파라미터를 추출하는 제2 단계 및 데이터 수집부가 상기 전자기장 시뮬레이션부에서 도출된 네트워크 파라미터에 대한 데이터들을 수집 및 저장하는 제3 단계를 포함한다.
상기 제1 단계는 상기 모터 구조 분류부가 상기 모터를 상기 모터의 단일 슬롯(slot) 구조를 나타내는 제1 파트로 나누는 제1-1 단계, 상기 모터의 단일 단부 권선(end-winding) 구조를 나타내는 제2 파트로 나누는 제1-2 단계 및 상기 모터의 권선에 의해 형성되는 회로 구조인 턴(turn)에 관여하지 않고, 상기 모터의 권선들을 결선하는 중섬점에 연결되며, 입력 단자 구성을 위해 연결되는 외부 도선(external line) 구조를 나타내는 제3 파트로 분류하는 제1-3 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 파트에 대한 네트워크 파라미터를 각각 제1 내지 제3 네트워크 파라미터라고 하면, 상기 제2 단계는 상기 전자기장 시뮬레이션부가 상기 제1 및 제2 파트에 존재하는 도체의 개수를 n으로 나타내는 제2-1 단계, 상기 전자기장 시뮬레이션부가 상기 제1 및 제2 파트에 대한 모든 포트의 개수를 2n으로 나타내는 제2-2 단계, 상기 전자기장 시뮬레이션부가 상기 제1 및 제2 파트에 대한 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 각각 2n×2n의 행렬로 구성하는 제2-3 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2-3 단계 이후, 상기 전자기장 시뮬레이션부는 상기 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 합성하기 위해 아래의 수학식 (1) 및 (2),
Figure 112019035873213-pat00028
(1),
Figure 112019035873213-pat00029
(2)를 사용하는 제2-4 단계를 더 포함하며,
Figure 112019035873213-pat00030
는 상기 제1 네트워크 파라미터를 나타내는 T(transmission) 네트워크 파라미터 행렬이며,
Figure 112019035873213-pat00031
는 상기 제2 네트워크 파라미터를 나타내는 T 네트워크 파라미터 행렬이고,
Figure 112019035873213-pat00032
은 상기 턴을 연결 하는 부분을 제외한 단일 코일 구조를 나타내는 T 네트워크 파라미터 행렬이고, E는 n×n 단위 행렬이며, 첨자
Figure 112019035873213-pat00033
은 상기 T 네트워크 파라미터 행렬이 좌측 포트로부터 우측 포트로 향하는 정방향으로 구성되어 있음을 나타내며, 첨자
Figure 112019035873213-pat00034
은 상기 T 네트워크 파라미터 행렬이 우측 포트에서 좌측 포트로 향하는 역방향으로 구성되어 있음을 나타낼 수 있다.
상기 제2-4 단계 이후, 상기 전자기장 시뮬레이션부가 계산된 상기
Figure 112019035873213-pat00035
을 Z(impedance) 네트워크 파라미터로 변환하기 위해 아래의 수학식 (3) 및 (4),
Figure 112019035873213-pat00036
(3),
Figure 112019035873213-pat00037
(4)를 사용하는 제2-5 단계를 더 포함하며, V는 전압을 의미하고, I는 전류를 의미하며, 첨자 l은 좌측 포트를 의미하고, 첨자 r은 우측 포트를 의미하며, 첨자 t는 상기 제1 및 제2 네트워크 파라미터의 합성으로 인해 구성되는
Figure 112019035873213-pat00038
의 단자 포트를 나타낼 수 있다.
상기 Vl은 아래의 수학식 (5),
Figure 112019035873213-pat00039
(5)이며, 상기 Il은 아래의 수학식 (6),
Figure 112019035873213-pat00040
(6)이고, 상기 Vr은 아래의 수학식 (7)
Figure 112019035873213-pat00041
(7)이며, 상기 Ir은 아래의 수학식 (8),
Figure 112019035873213-pat00042
(8)이며, 상기 Vt은 아래의 수학식 (9),
Figure 112019035873213-pat00043
(9)이며, 상기 It은 아래의 수학식 (10),
Figure 112019035873213-pat00044
(10)이고,
Figure 112019035873213-pat00045
는 상기 단일 코일 구조에 포함되는 병렬 도선의 개수를 의미할 수 있다.
상기 제2-5 단계 이후, 상기 전자기장 시뮬레이션부가 상기 모터에 포함되는 턴을 구현하기 위해, 상기 좌측 및 우측 포트의 전압을 동전위로 구성하고 전류의 흐름을 상기 역방향으로 구성하는 제2-6 단계, 상기 전자기장 시뮬레이션부가 상기 단일 코일 구조에 대한 Z 네트워크 파라미터를 추출하기 위해, 아래의 수학식 (11) 내지 (13),
Figure 112019035873213-pat00046
(11),
Figure 112019035873213-pat00047
(12),
Figure 112019035873213-pat00048
(13)을 사용하는 제2-7 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2-7 단계 이후, 상기 전자기장 시뮬레이션부가 단일 권선 다발 라인 구조에 대한 네트워크 파라미터를 도출하기 위해 아래의 수학식 (14),
Figure 112019035873213-pat00049
(14)을 사용하는 제2-8 단계를 더 포함하며,
Figure 112019035873213-pat00050
은 상기 단일 권선 다발 라인에 포함된 전체 코일의 개수이며,
Figure 112019035873213-pat00051
는 권선에 포함된 병렬 회로의 개수이고,
Figure 112019035873213-pat00052
은 상기 제3 파트에 대한 제3 네트워크 파라미터일 수 있다.
상기 제2-3 단계는, 상기 전자기장 시뮬레이션부가 상기 외부 도선 구조에 포함되는 도체의 개수를 n으로 나타내고, 상기 외부 도선 구조에 포함되는 모든 포트의 개수를 2n으로 나타내어, 상기 제3 파트에 대한 제3 네트워크 파라미터를 2n×2n의 행렬로 구성하는 제2-3-1 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2-8 단계 이후에, 상기 단일 코일 구조에 대한 Z 네트워크 파라미터인
Figure 112019035873213-pat00053
들을 모두 합성하여 상기 모터의 전체 상 권선 구조에 대한 2단자망 네트워크 파라미터를 추출하기 위하여, 아래의 수학식 (15) 및 (16),
Figure 112019035873213-pat00054
(15),
Figure 112019035873213-pat00055
(16)을 사용하는 제2-9 단계를 더 포함하며, 상기 Yphase는 2단자 망 네트워크 파라미터로써 Y(admittance) 네트워크 파라미터를 의미하고, i는 행렬에서 행을 나타내며, j는 행렬에서 열을 의미하고, Yw는 행렬의 i행 및 j열에 배치된 행렬 구성 요소를 의미하며, 첨자 2p는 2단자 망을 의미하며, 상기 수학식 (15) 및 (16)은, 상기 모터를 구성하는 권선의 좌측 및 우측 포트가 단자와 연결되고 모든 병렬 회로 구조가 포함된 모터의 전체 상 권선 구조에 대한 시뮬레이션을 나타낼 수 있다.
본 발명에 따른 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템 및 방법을 이용하면, 종래 이미 제작된 교류 모터에서 임피던스의 측정을 통해 교류 모터의 EMI 특성이나 광대역 주파수에 대한 임피던스를 특성을 검증하는 수준에서 벗어나, 교류 모터의 설계 단계에서 교류 모터의 EMI 특성이나 광대역 주파수에 대한 임피던스를 미리 예측할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템 및 방법을 이용하면, 교류 모터의 EMI 특성 및 광대역 주파수에 대한 임피던스 특성을 정확하게 예측할 수 있으므로, 설계자가 교류 모터의 설계 단계에서 전자기적으로 안정된 교류 모터를 설계하여, 전반적인 설계 비용, 시간 및 노력을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 예측 시스템의 구성을 나타나는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 모터의 전체 구조를 세 파트로 분류한 것을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 슬롯 구조에 대한 2차원적 전자기장을 모델링한 것을 개념화 하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 분류된 각 파트들을 2차원적 전자기 모델로 변환한 뒤, 이 모델들의 합성으로 구축된 단일 코일 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 외부 도선 구조 및 단일 코일 구조의 전자기장 모델들을 합성하여 구축한 모터 상 권선 전체 구조를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 예측 방법이 수행되는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 예측 방법이 모터 상 권선 전체 구조에 대한 임피던스 특성을 산출하는 과정을 나타내는 순서도이다.
도 8은 설계된 가상의 모터들을 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 예측 방법으로 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 등가 회로 모델 구축 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명에 다른 실시 예에 따른 모터의 광대역 등가 회로 모델을 구축하는 방법의 과정을 나타내는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 등가 회로 모델 구축 시스템에 의해 구축된 등가 회로 모델을 나타내는 도면이다.
도 12는 실제 제작된 모터와 본 발명의 등가 회로 모델 구축 시스템에 의해 설계된 모터의 RLGC 파라미터를 비교한 그래프이다.
도 13은 실제 제작된 모터와 본 발명의 등가 회로 모델 구축 시스템에 의해 설계된 모터의 입력 및 전달 임피던스를 비교한 그래프이다.
이하에서 설명되는 모든 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 나타낸 것이며, 여기에 설명된 실시 예들과 다르게 변형되어 다양한 실시 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 공지 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위해서 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있으며, 각 구성요소들에 참조번호를 기재할 때, 동일한 구성요소들에 대해서는 다른 도면에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시하였다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 발명에 대한 다양한 변형 실시 예들이 있을 수 있다.
그리고, 본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
또한, 본 출원에서 사용된 단수의 표현은 문맥상 명백히 다른 것을 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하에서는, 첨부된 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템(100)에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 예측 시스템(100)의 구성을 나타나는 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따라 모터의 전체 구조를 세 파트로 분류한 것을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일 슬롯 구조에 대한 2차원적 전자기장을 모델링한 것을 개념화 하는 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 분류된 각 파트들을 2차원적 전자기 모델로 변환한 뒤, 이 모델들의 합성으로 구축된 단일 코일 구조를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 외부 도선 구조 및 단일 코일 구조의 전자기장 모델들을 합성하여 구축한 모터 상 권선 전체 구조를 나타내는 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 예측 시스템(100)은 시뮬레이션을 통해, 모터의 제작 과정 중에서 설계된 가상의 모터 상 권선 전체 구조(10)의 임피던스를 미리 예측해보기 위한 시스템으로써, 실제로 제작된 모터의 임피던스를 측정하기 위해서도 사용될 수 있다.
한편, 도 1을 참조하면, 본 실시 예에 따른 임피던스 예측 시스템(100)은 모터 구조 분류부(1000), 전자기장 시뮬레이션부(1100) 및 데이터 수집부(1200)를 포함한다.
본 실시 예에서 모터 구조 분류부(1000)는 모터 설계 프로그램에 의해 설계된 가상의 모터 상 권선 전체 구조(10)를 도 3에 도시된 바와 같이, 복수의 파트들로 분할하고 각 파트에 대한 2차원 전자기장을 모델링한다.
본 실시 예에서 모터 구조 분류부(1000)에 의해 분류된 복수의 파트는 제1 내지 제3 파트(13, 14, 15)를 포함하며, 제1 파트(13)는 모터의 단일 슬롯(slot) 구조를 나타내고, 제2 파트(14)는 모터의 단일 단부 권선(end-winding) 구조를 나타내며, 제3 파트(15)는 모터의 권선에 의해 형성되는 회로 구조인 턴(turn)에 관여하지 않고, 모터의 권선들을 결선하는 중섬점에 연결되며, 입력 단자 구성을 위해 연결되는 외부 도선(external line) 구조를 나타낸다.
하지만, 상술한 설명에 의해 본 발명에 따른 모터 구조 분류부(1000)가 모터를 복수의 파트(parts)로 분류하는 것이 반드시 제1 내지 제3 파트(13, 14, 15)의 세 파트로 분류하는 것에 한정되지는 않으며, 두 파트로 분류할 수도 있고, 네 파트나 다섯 파트 또는 그 이상의 수에 해당하는 복수의 파트들로 분류할 수도 있다.
다만, 본 실시 예에서는 설명의 편의를 위해, 모터 구조 분류부(1000)는 설계된 가상의 모터를 제1 내지 제3 파트(13, 14, 15)로 분류하는 것을 예시로 하여 설명하도록 한다.
한편, 제1 내지 제3 파트(13, 14, 15) 각각은 모터 구조 분류부(1000)에 의해 각 파트의 2차원적 전자기장을 나타내는 모델이 생성된다.
즉, 제1 파트(13)의 2차원 전자기장은 모터 구조 분류부(1000)에 의해 제1 모델로 생성되고, 제2 파트(14)의 2차원 전자기장은 모터 구조 분류부(1000)에 의해 제2 모델로 생성되며, 제3 파트(15)의 2차원 전자기장은 모터 구조 분류부(1000)에 의해 제3 모델로 생성된다.
본 실시 예에 따른 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 각 파트들의 2차원 전자기장을 모델링한 모델들을 모두 네트워크 파라미터들로 변환한 뒤, 이러한 네트워크 파라미터들을 합성하여 단일 코일 구조에 대한 네트워크 파라미터를 추출하거나 모터 전체에 대한 네트워크 파라미터를 추출하고 모터의 임피던스 특성을 계산한다.
즉, 본 실시 예에 있어서 제1 모델은 전자기장 시뮬레이션부(1100)에 의해 제1 네트워크 파라미터로 변환되고, 제2 모델은 전자기장 시뮬레이션부(1100)에 의해 제2 네트워크 파라미터로 변환되며, 제3 모델은 전자기장 시뮬레이션부(1100)에 의해 제3 네트워크 파라미터로 변환된다.
한편, 제1 및 제2 네트워크 파라미터는 전자기장 시뮬레이션부(1100)에 의해 합성 및 연산되어 단일 코일 구조(16)에 대한 네트워크 파라미터로 산출되며, 단일 코일 구조(16)에 대한 네트워크 파라미터들은 전자기장 시뮬레이션부(1100)에 의해 제3 네트워크 파라미터와 합성되어 모터 전체 구조(10)에 대한 네트워크 파라미터로 산출된다.
또한, 본 발명에 따른 데이터 수집부(1200)는 모터 구조 분류부(1000) 및 전자기장 시뮬레이션부(1100)로부터 도출된 각 파트들, 단일 코일 구조 및 모터 전체 구조에 대한 네트워크 파라미터의 데이터들을 모두 수집하고 저장한다.
본 실시 예에 따른 데이터 수집부(1200)는 본 발명에 따른 시스템(100)과 개별적으로 구성되거나 별도로 배치된 서버(미도시)와 데이터 통신을 할 수 있도록 구성될 수 있으며, 데이터 수집부(1200)에서 수집된 데이터들은 이러한 외부 별도 서버로 전송되어 저장될 수도 있다.
이하에서, 도 2 내지 도 5를 참조하여 전자기장 시뮬레이션부(1100)가 단일 코일 구조(16) 및 모터 전체 구조(10)에 대한 네트워크 파라미터를 산출하는 과정을 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
우선, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 모터 구조 분류부(1000)는 설계된 가상의 모터를 제1 내지 제3 파트(13, 14, 15)로 분류한다.
하지만, 모터 구조 분류부(1000)는 반드시 모터를 3 파트로 분류해야 하는 것은 아니며, 모터 구조 분류부(1000)가 모터의 전체 구조를 2 파트로 분류하더라도, 전자기장 시뮬레이션부(1100)가 2 파트에 대한 각각의 2차원 전자기장을 T(transmission), Z(impedance) 및 Y(admittance) 네트워크 파라미터로 변환하고, 이 네트워크 파라미터들을 합성하는 연산을 효율적으로 수행할 수 있을 정도의 연산량으로 모터 상 권선 전체 구조(10)가 분류된다면, 모터 구조 분류부(1000)는 모터 상 권선 전체 구조(10)를 제1 및 제2 파트의 2 파트로 분류할 수도 있고, 제1 내지 제4파트의 4파트 또는 그 보다 더 많은 수의 파트로 구분되도록 분류할 수 있음은 이미 상술하였다.
즉, 모터 구조 분류부(1000)가 모터의 전체 구조를 복수의 파트들로 분류하는 데 있어서, 생성되는 파트의 개수는 본 설명에 의해 제한되지 않는다.
본 실시 예에 따른 제1 파트(13)는 모터의 단일 슬롯(slot) 구조(13)를 나타내며, 도 2의 (A)를 참조하면, 본 실시 예에 따른 단일 슬롯 구조(13)는 접지부를 형성하는 그라운드 프레임(12) 및 이러한 프레임(12)에 의해 둘러쌓여 있으며, 보빈을 형성하는 코일(11)을 포함한다.
또한, 본 실시 예에 따른 단일 슬롯 구조(13)는 코일의 권선을 구성하는 도선(13001), 도선(13001) 간의 절연을 확보하기 위해 개별 도선(13001)들을 감싸는 에나멜(1302) 및 단일 슬롯 구조(13)에 포함된 모든 도선들(13001)과 코어(11) 간의 절연을 확보하기 위한 절연지(1301)를 포함한다.
한편, 본 실시 예에서 도선(13001)은 도체(13001)로도 지칭될 수 있으며, 모터 구조 분류부(1000)는 제1 파트(13)인 단일 슬롯 구조(13)에 존재하는 도선(13001) 및 도선이 연결되는 포트(10001, 10001a)를 이용하여 2차원 전자기장 모델을 생성한다.
즉, 본 실시 예에 따른 모터 구조 분류부(1000)는 단일 슬롯 구조(13)에 포함되는 도체들(13001) 및 각 도체의 양 끝단이 각각 연결되는 포트들(10001, 10001a)을 이용하여, 제1 파트에 대한 2차원적 전자기장인 제1 모델을 모델링하고, 생성한다.
본 실시 예에 따른 모터 구조 분류부(1000)에 의해 생성된 제1 모델은 도 3의 (A)에 도시된 바와 같다.
한편, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 도 3의 (A)에 도시된 제1 모델의 구성 요소들인 도체(13001) 및 포트들(10001, 10001a)을 행렬로 구성하고, 제1 모델을 제1 네트워크 파라미터로 변환한다.
도 3의 (A)에서 n은 단일 슬롯 구조(13)에 존재하는 도체(13001)의 개수를 나타내며, 따라서, 단일 슬롯 구조(13)에 형성되는 총 포트의 개수는 2n으로 나타낼 수 있다.
결과적으로, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제1 모델을 제1 네트워크 파라미터로 변환하면서, 제1 파트에 대한 제1 네트워크 파라미터를 2n×2n 행렬로 나타낼 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 단일 단부 권선 구조(end-winding)(14)에 대하여서도, 단일 슬롯 구조(13)에 대하여 제1 네트워크 파라미터를 추출하는 상술된 과정과 동일한 과정을 거쳐 제2 네트워크 파라미터를 추출할 수 있다.
즉, 도 2의 (B)를 참조하면, 모터 구조 분류부(1000)가 단일 단부 권선 구조(end-winding)(14)에 포함된 도체(14001)와 각 도체의 양 끝단이 각각 연결되는 포트들(미도시)로 2차원 전자기장을 모델링하여 도 3의 (A)에 도시된 바와 동일하게 제2 모델을 생성하면, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제2 모델의 구성 요소인 도체 및 포트들을 행렬로 배치하여, 제2 모델을 제2 네트워크 파라미터로 변환한다.
이 때, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제2 네트워크 파라미터를 2n×2n 행렬로 나타낼 수 있다.
한편, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제1 및 제2 네트워크 파라미터가 추출되면, 모터의 단일 코일 구조(16)에 대한 네트워크 파라미터를 추출하기 위해, 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 합성 연산한다.
즉, 제1 및 제2 모델에 포함된 전자기장 특성을 계산하여 제1 및 제2 네트워크 파라미터로 변환하고, 변환된 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 합성하면, 모터의 단일 코일 구조(16)에 대한 전자기장 특성을 나타내는 네트워크 파라미터를 도출할 수 있으므로, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 합성 연산하는 것이다.
도 4의 (B)에 도시된 제1 및 제2 모델을 합성한 단일 코일 구조(16)에 대한 2차원적 전자기장 모델을 참조하면, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 합성 연산하기 위해, 다음의 수학식 (1)을 사용한다.
Figure 112019035873213-pat00056
(1)
수학식 (1)을 이용하면 단일 코일 구조(14)에서 턴(turn) 연결 부분을 제외한 부분의 네트워크 파라미터인
Figure 112019035873213-pat00057
을 산출할 수 있다.
한편, 단일 코일 구조(14)에서 턴(turn) 연결 부분을 제외한 부분은 도 4의 (B)에서 점선 안의 영역을 의미하며, 이 영역은
Figure 112019035873213-pat00058
에 대한 네트워크 파라미터로 표현된다.
수학식 (1)에서
Figure 112019035873213-pat00059
는 단일 슬롯 구조(13)에 대한 제1 네트워크 파라미터를 나타내는 T(transmission) 네트워크 파라미터 행렬이며,
Figure 112019035873213-pat00060
는 단일 단부 권선 구조(14)에 대한 제2 네트워크 파라미터를 나타내는 T(transmission) 네트워크 파라미터 행렬이고,
Figure 112019035873213-pat00061
은 턴(turn)을 연결하는 부분을 제외하고 단일 코일 구조(16)에 포함된 슬롯 및 단부 권선들을 나타내는 T(transmission) 네트워크 파라미터 행렬이다.
또한, 첨자
Figure 112019035873213-pat00062
은 T 네트워크 파라미터를 나타내는 행렬이 좌측 포트로부터 우측 포트로 향하도록 구성되어 있음을 나타내며, 본 실시 예에서는 좌측에서 우측으로 진행하는 경우를 정방향이라고 정의하도록 한다.
한편, 첨자
Figure 112019035873213-pat00063
은 상기 T 네트워크 파라미터를 나타내는 행렬이 우측 포트에서 좌측 포트로 향하도록 구성되어 있으며, 본 실시 예에서는 우측에서 좌측으로 진행하는 경우를 역방향이라고 정의하도록 한다.
수학식 (1)은 다음의 수학식(2)로 다시 정리될 수 있다.
Figure 112019035873213-pat00064
(2)
수학식 (2)에서 E는 n×n 단위 행렬이다.
한편, 수학식 (1) 및 (2)를 통해 계산된
Figure 112019035873213-pat00065
은 T(transmission) 네트워크 파라미터로써, 단일 코일 구조(16)에 대한 임피던스 특성을 나타내는 Z(impedance) 네트워크 파라미터로 변환될 수 있다.
본 실시 예에 따른 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 T(transmission) 네트워크 파라미터 값인
Figure 112019035873213-pat00066
을 Z(impedance) 네트워크 파라미터로 변환하기 위해 다음의 수학식 (3) 및 (4)를 이용한다.
Figure 112019035873213-pat00067
(3)
Figure 112019035873213-pat00068
(4)
수학식 (3) 및 (4)에서 V는 전압을 의미하고, I는 전류를 의미하며, 첨자 l은 좌측 포트를 의미하고, 첨자 r은 우측 포트를 의미한다.
한편, 첨자 t는 제1 및 제2 네트워크 파라미터의 합성으로 인해 구성되는
Figure 112019035873213-pat00069
의 단자 포트로써, 단일 코일 구조(16)에 포함된 포트를 나타낸다.
또한, 수학식 (4)에서 각 전압(V) 및 전류(I) 행렬에 포함된 구성 요소들은 다음의 수학식 (5) 내지 (10)으로 정의된다.
즉,
Figure 112019035873213-pat00070
(5) 이며,
Figure 112019035873213-pat00071
(6) 이고,
Figure 112019035873213-pat00072
(7) 이며,
Figure 112019035873213-pat00073
(8) 이고,
Figure 112019035873213-pat00074
(9) 이며,
Figure 112019035873213-pat00075
(10)으로 정의된다.
수학식 (5) 내지 (10)에서
Figure 112019035873213-pat00076
는 단일 코일 구조에 포함되는 병렬 도선의 개수를 의미한다.
한편, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 턴(turn)의 좌측과 우측 포트의 전압을 동전위로 구성하고, 전류는 우측 포트에서 좌측 포트로 역방향으로 흐르도록 구성한 뒤, 다음의 수학식 (11) 내지 (13),
Figure 112019035873213-pat00077
(11),
Figure 112019035873213-pat00078
(12),
Figure 112019035873213-pat00079
(13)을 이용하여, 단일 코일 구조(16)에 대한 임피던스 특성을 나타내는 Z 네트워크 파라미터를 추출한다.
이렇게 전자기장 시뮬레이션부(1100)가 단일 코일 구조(16)에 대하여 임피던스 특성을 계산한 Z 네트워크 파라미터는
Figure 112019035873213-pat00080
로 나타낼 수 있다.
한편, 도 2의 (C)에 도시된 제3 파트를 참조하면, 제3 파트는 모터(10)의 권선에 의해 형성되는 회로 구조인 턴(turn)에 관여하지 않고, 모터의 권선들을 결선하는 중섬점에 연결되며, 입력 단자 구성을 위해 연결되는 외부 도선(external line) 구조(15)를 나타낸다.
이러한 외부 도선 구조는 외부 케이블 또는 외부 도선으로 구성되어 있으며, 모터 구조 분류부(1000)는 제3 파트(15)의 2차원 전자기장을 제3 모델로 나타낸다.
또한, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제3 모델을 제3 네트워크 파라미터로 변환한다.
이 때, 본 발명에 따른 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 외부 도선(external line) 구조(15)에 대하여서도, 단일 슬롯 구조(13)에 대하여 제1 네트워크 파라미터를 추출하는 상술된 과정과 동일한 과정을 거쳐 제3 네트워크 파라미터를 추출할 수 있다.
즉, 도 2의 (C)를 참조하면, 모터 구조 분류부(1000)가 외부 도선(external line) 구조(15)에 포함된 도체(15001)와 각 도체의 양 끝단이 각각 연결되는 포트들(미도시)로 2차원 전자기장을 모델링하여 도 3의 (A)에 도시된 바와 동일하게 제3 모델을 생성하면, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제3 모델의 구성 요소인 도체 및 포트들을 행렬로 배치하여 제3 모델을 제3 네트워크 파라미터로 변환한다.
이 때, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제3 네트워크 파라미터를 2n×2n 행렬로 나타낼 수 있다.
한편, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제3 네트워크 파라미터가 추출되면, 단일 코일 구조(16)로부터 추출된 Z 네트워크 파라미터
Figure 112019035873213-pat00081
과 제3 파트(15)에 대한 제3 네트워크 파라미터를 합성 연산한다.
즉, 도 5의 (A)에 도시된 바와 같이, 하나의 권선 다발 라인 구조(17)는 단일 코일 구조(16)와 외부 도선 라인 구조(15)가 연결된 하나의 단일 회로 개념으로 표현된다.
전자기장 시뮬레이션부(1100)는 이러한 단일 권선 다발 라인 구조(17)를 다음의 수학식 (14)으로 정의할 수 있다.
Figure 112019035873213-pat00082
(14)
수학식 (14)에서
Figure 112019035873213-pat00083
은 상 권선에 포함된 전체 코일의 개수이며,
Figure 112019035873213-pat00084
는 상 권선에 포함된 병렬 회로의 개수이고,
Figure 112019035873213-pat00085
은 제3 파트에 대한 제3 네트워크 파라미터로써 T 네트워크 파라미터를 나타낸다.
한편, Tw는
Figure 112019035873213-pat00086
/
Figure 112019035873213-pat00087
번 감은 (또는
Figure 112019035873213-pat00088
/
Figure 112019035873213-pat00089
개의 코일들의 직렬 연결로 구성된) 단일 권선 다발 라인 구조(17)의 T 네트워크 파라미터를 나타낸다.
이후, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 모터(10)에 포함된 병렬 회로를 단일 권선 다발 라인 구조(17)와 연결하고, 권선의 좌측과 우측 포트를 터미널 단자(입력 단자)와 연결하여, 다음의 수학식 (15)으로 정의한다.
Figure 112019035873213-pat00090
(15)
수학식 (15)에서 Yw,2p는, Tw로 표현된 단일 권선 다발 라인 구조(17)를 구성하는 병렬 도체의 좌측 및 우측 단자들을 각각 하나의 단자로 합친 후, Y 네트워크 파라미터로 변환한 행렬이다.
Yphase는 모터 상 권선 전체 구조(10)의 Y 네트워크 파라미터이다.
첨자 2p는 2단자망으로 구성되는 회로를 나타낸다.
전자기장 시뮬레이션부(1100)는 수학식 (15)을 통해, 모터(10)의 전체 상 권선 구조에 대한 2단자망 네트워크 파라미터로써 Y(admittance) 네트워크 파라미터를 도출할 수 있다.
여기서, 수학식 (15)의 2단자 망 Y 네트워크 파라미터를 구성하는 행렬 요소는 아래의 수학식 (16)과 같이 연산된다.
Figure 112019035873213-pat00091
(16)
수학식 (16)에서 i는 행을 의미하며, j는 열을 의미한다.
이하에서는, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 예측 시스템(100)을 사용하여 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스를 예측하는 방법에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 임피던스 예측 방법을 설명함에 있어, 설명의 편의를 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 예측 시스템(100)에 포함되는 구성과 동일한 구성에 대하여는 도면의 도시나 구체적인 설명은 생략될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 예측 방법이 수행되는 과정을 나타내는 순서도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 예측 방법이 모터 상 권선 전체 구조에 대한 임피던스 특성을 산출하는 과정을 나타내는 순서도이고, 도 8은 설계된 가상의 모터들을 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 예측 방법으로 시뮬레이션 한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 예측 시스템(100)은 우선, 설계 단계에 있는 가상의 모터(10)를 모터 구조 분류부(1000)가 복수의 파트들로 구분하고(S1010), 복수의 파트들 각각에 대하여 2차원적 전자기장 모델들을 생성한다(S1020).
한편, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 각 파트에 대한 전자기장 모델들을 네트워크 파라미터로 변환하고(S1030), 단일 슬롯 구조 및 단일 단부 권선 구조에 대한 네트워크 파라미터들을 추출한다.
이후, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 단일 슬롯 구조에 대한 네트워크 파라미터와 단일 단부 권선 구조에 대한 네트워크 파라미터를 합성하여(S1040), 단일 코일에 대한 네트워크 파라미터를 추출한다.
그리고, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 단일 코일에 대한 네트워크 파라미터들과 외부 권선 구조에 대한 네트워크 파라미터를 합성 연산(S1050)하여 단일 권선 다발 라인에 대한 네트워크 파라미터를 추출한다.
마지막으로 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 모터(10)에 포함된 모든 단일 권선 다발 라인에 대한 네트워크 파라미터들을 합성 연산하고(S1060), 합성 연산된 값으로부터 임피던스 및 어드미턴스 네트워크 파라미터를 추출한다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 임피던스 예측 시스템(100)은 모터(10)의 구조를 도 2에 도시된 바와 같이 제1 내지 제3 파트(13, 14, 15)로 분류하고, 각각의 파트에서 추출된 네트워크 파라미터를 모두 합성하여, 전체 모터(10)에 대한 Z(impedance) 및 Y(admittance) 네트워크 파라미터를 추출하고 이를 통하여 임피던스 특성을 미리 예측할 수 있다.
도 7 및 도 8을 참조하여, 본 실시 예에 따른 임피던스 예측 시스템(100)이 모터(10)를 복수의 파트로 분류하는 과정, 이들 파트로부터 네트워크 파라미터를 추출하고 합성하는 과정을 좀 더 구체적으로 설명하도록 한다.
우선, 모터 구조 분류부(1000)가 전체 모터(10)의 구조를 복수의 파트들로 구분할 때(S1010), 제1 내지 제3 파트(13, 14, 15)로 구조를 분류한다(S1011).
여기서 제1 파트(13)는 단일 슬롯 구조이며, 제2 파트(14)는 단일 단부 권선 구조를 나타낸다. 한편 제3 파트(15)는 외부 도선 구조를 나타낸다.
모터 구조 분류부(1000)는 제1 내지 제3 파트에 대한 2차원적 전자기장 모델을 생성함(S1020)에 있어서, 도 3의 (A)에 도시된 바와 같이, 단일 슬롯 구조(13)에 존재하는 도체(13001)의 개수를 n으로 나타내고, 단일 슬롯 구조(13)에 포함되는 모든 포트의 개수를 2n으로 나타내어 제1 파트에 대한 2차원적 전자기장 모델인 제1 모델을 생성한다(S1021).
또한, 모터 구조 분류부(1000)는 제1 모델을 생성하는 과정과 동일하게, 제2 및 제3 파트(14, 15)에 대하여 제2 및 제3 모델을 생성한다(S1021).
즉, 단일 단부 권선 구조(14) 및 외부 권선 구조(15)에 존재하는 도체(14001)의 개수를 모두 n으로 나타내고, 단일 단부 권선 구조(14) 및 외부 권선 구조(15)에 포함되는 모든 포트의 개수를 2n으로 나타내어 제2 및 제3 파트에 대한 2차원적 전자기장 모델인 제2 및 제3 모델을 생성한다(S1021).
한편, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제1 내지 제3 모델들을 각각 네트워크 파라미터로 변환하여(S1030) 각각의 네트워크 파라미터들을 서로 합성할 수 있도록 한다.
우선, 도 3의 (A)에 도시된 바와 같이, 모터 구조 분류부(1000)가 단일 슬롯 구조(13)에 포함된 도체(13001)와 각 도체의 양 끝단이 각각 연결되는 포트들(10001, 10001a)로 2차원 전자기장을 모델링하면, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제1 모델을 제1 네트워크 파라미터로 변환(S1031)하면서, 제1 파트에 대한 제1 네트워크 파라미터를 2n×2n 행렬로 나타낼 수 있다.
이때 제1 네트워크 파라미터는 T(transmission) 네트워크 파라미터이다.
한편, 본 발명에 따른 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 단일 단부 권선 구조(14) 및 외부 권선 구조(15)에 대하여서도, 단일 슬롯 구조(13)에 대하여 제1 네트워크 파라미터를 추출하는 상술된 과정과 동일한 과정을 거쳐 제2 및 제3 네트워크 파라미터를 추출할 수 있다.
즉, 도 2의 (B) 및 (C)를 참조하면, 모터 구조 분류부(1000)가 단일 단부 권선 구조(14) 및 외부 권선 구조(15)에 포함된 도체(14001, 15001)와 각 도체의 양 끝단이 각각 연결되는 포트들(미도시)로 2차원 전자기장을 모델링하여 도 3의 (A)에 도시된 바와 동일하게 제2 및 제3 모델을 생성하면, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제2 및 제3 모델의 구성 요소인 도체(14001, 15001) 및 이 도체들이 연결되는 포트들(미도시)을 행렬로 배치하여, 제2 및 제3 모델을 각각 제2 및 제3 네트워크 파라미터로 변환한다(S1031).
이 때, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제2 및 제3 네트워크 파라미터 역시 2n×2n 행렬로 나타낼 수 있다.
이러한 제2 및 제3 네트워크 파라미터 역시 T(transmission) 네트워크 파라미터이다.
도 8을 참조하면, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 모터의 단일 코일 구조(16)에 대한 네트워크 파라미터를 추출하기 위해, 단일 슬롯 구조(13) 및 단일 단부 권선(14)에 대한 네트워크 파라미터들을 합성 연산한다(S1040).
즉, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 추출된 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 합성 연산하여, 단일 코일 구조(16)에 대한 T 네트워크 파라미터를 추출한다.
도 4의 (B)에 도시된 제1 및 제2 모델을 합성한 단일 코일 구조(16)에 대한 2차원적 전자기장 모델을 참조하면, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 합성 연산하기 위해, 다음의 수학식 (1)을 사용한다.
Figure 112019035873213-pat00092
(1)
수학식 (1)을 이용하면 단일 코일 구조(14)에서 턴(turn) 연결 부분을 제외한 부분의 네트워크 파라미터인
Figure 112019035873213-pat00093
을 산출할 수 있다.
한편, 단일 코일 구조(14)에서 턴(turn) 연결 부분을 제외한 부분은 도 4의 (B)에서 점선 안의 영역을 의미하며, 이 영역은
Figure 112019035873213-pat00094
에 대한 네트워크 파라미터로 표현된다.
수학식 (1)에서
Figure 112019035873213-pat00095
는 단일 슬롯 구조(13)에 대한 제1 네트워크 파라미터를 나타내는 T(transmission) 네트워크 파라미터 행렬이며,
Figure 112019035873213-pat00096
는 단일 단부 권선 구조(14)에 대한 제2 네트워크 파라미터를 나타내는 T(transmission) 네트워크 파라미터 행렬이고,
Figure 112019035873213-pat00097
은 턴(turn)을 연결하는 부분을 제외하고 단일 코일 구조(16)에 포함된 슬롯 및 단부 권선들을 나타내는 T(transmission) 네트워크 파라미터 행렬이다.
또한, 첨자
Figure 112019035873213-pat00098
은 T 네트워크 파라미터를 나타내는 행렬이 좌측 포트로부터 우측 포트로 향하도록 구성되어 있음을 나타내며, 본 실시 예에서는 좌측에서 우측으로 진행하는 경우를 정방향이라고 정의하도록 한다.
한편, 첨자
Figure 112019035873213-pat00099
은 상기 T 네트워크 파라미터를 나타내는 행렬이 우측 포트에서 좌측 포트로 향하도록 구성되어 있으며, 본 실시 예에서는 우측에서 좌측으로 진행하는 경우를 역방향이라고 정의하도록 한다.
수학식 (1)은 다음의 수학식(2)로 다시 정리될 수 있다.
Figure 112019035873213-pat00100
(2)
수학식 (2)에서 E는 n×n 단위 행렬이다.
한편, 수학식 (1) 및 (2)를 통해 계산된
Figure 112019035873213-pat00101
은 T(transmission) 네트워크 파라미터로써, 단일 코일 구조(16)에 대한 임피던스 특성을 나타내는 Z(impedance) 네트워크 파라미터로 변환될 수 있다.
본 실시 예에 따른 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 T(transmission) 네트워크 파라미터 값인
Figure 112019035873213-pat00102
을 Z(impedance) 네트워크 파라미터로 변환하여 단일 코일 구조(16)에 대한 임피던스 특성을 먼저 도출할 수 있다(S1041).
이를 위해 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 다음의 수학식 (3) 및 (4)를 이용한다.
Figure 112019035873213-pat00103
(3)
Figure 112019035873213-pat00104
(4)
수학식 (3) 및 (4)에서 V는 전압을 의미하고, I는 전류를 의미하며, 첨자 l은 좌측 포트를 의미하고, 첨자 r은 우측 포트를 의미한다.
한편, 첨자 t는 제1 및 제2 네트워크 파라미터의 합성으로 인해 구성되는
Figure 112019035873213-pat00105
의 단자 포트로써, 단일 코일 구조(16)에 포함된 포트를 나타낸다.
또한, 수학식 (4)에서 각 전압(V) 및 전류(I) 행렬에 포함된 구성 요소들은 다음의 수학식 (5) 내지 (10)으로 정의된다.
즉,
Figure 112019035873213-pat00106
(5) 이며,
Figure 112019035873213-pat00107
(6) 이고,
Figure 112019035873213-pat00108
(7) 이며,
Figure 112019035873213-pat00109
(8) 이고,
Figure 112019035873213-pat00110
(9) 이며,
Figure 112019035873213-pat00111
(10)으로 정의된다.
수학식 (5) 내지 (10)에서
Figure 112019035873213-pat00112
는 단일 코일 구조에 포함되는 병렬 도선의 개수를 의미한다.
한편, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 턴(turn)의 좌측과 우측 포트의 전압을 동전위로 구성하고, 전류는 우측 포트에서 좌측 포트로 역방향으로 흐르도록 구성한 뒤, 다음의 수학식 (11) 내지 (13),
Figure 112019035873213-pat00113
(11),
Figure 112019035873213-pat00114
(12),
Figure 112019035873213-pat00115
(13)을 이용하여, 단일 코일 구조(16)에 대한 임피던스 특성을 나타내는 Z 네트워크 파라미터를 추출한다(S1041).
이렇게 전자기장 시뮬레이션부(1100)가 단일 코일 구조(16)에 대하여 임피던스 특성을 계산한 Z 네트워크 파라미터는
Figure 112019035873213-pat00116
로 나타낼 수 있다.
한편, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 단일 코일 구조(16)에 대한 네트워크 파라미터와 외부 권선 구조(15)에 대한 네트워크 파라미터를 합성 연산하여 단일 권선 다발 라인 구조(17)에 대한 네트워크 연결(Tw)을 추출한다(S1050).
이를 위해, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 단일 코일 구조(16)로부터 추출된 Z 네트워크 파라미터
Figure 112019035873213-pat00117
과 제3 파트(15)에 대한 제3 네트워크 파라미터를 합성 연산한다(S1051).
즉, 도 5의 (A)에 도시된 바와 같이, 하나의 권선 다발 라인 구조(17)는 단일 코일 구조(16)와 외부 도선 라인 구조(15)가 연결된 하나의 단일 회로 개념으로 표현된다.
전자기장 시뮬레이션부(1100)는 이러한 단일 권선 다발 라인 구조(17)를 다음의 수학식 (14)으로 정의할 수 있다.
Figure 112019035873213-pat00118
(14)
수학식 (14)에서
Figure 112019035873213-pat00119
은 상 권선에 포함된 전체 코일의 개수이며,
Figure 112019035873213-pat00120
Figure 112019035873213-pat00121
는 상 권선에 포함된 병렬 회로의 개수이고,
Figure 112019035873213-pat00122
은 제3 파트에 대한 제3 네트워크 파라미터로써 T 네트워크 파라미터를 나타낸다.
한편, Tw는
Figure 112019035873213-pat00123
/
Figure 112019035873213-pat00124
번 감은 (또는
Figure 112019035873213-pat00125
/
Figure 112019035873213-pat00126
개의 코일들의 직렬 연결로 구성된) 단일 권선 다발 라인 구조(17)의 T 네트워크 파라미터를 나타낸다.
이후, 전자기장 시뮬레이션부(1100)는 모터(10)에 포함된 병렬 회로를 단일 권선 다발 라인 구조(17)와 연결하고, 권선의 좌측과 우측 포트를 터미널 단자(입력 단자)와 연결하여, 다음의 수학식 (15)으로 정의한다.
Figure 112019035873213-pat00127
(15)
수학식 (15)에서 Yw,2p는, Tw로 표현된 단일 권선 다발 라인 구조(17)를 구성하는 병렬 도체의 좌측 및 우측 단자들을 각각 하나의 단자로 합친 후 Y 네트워크 파라미터로 변환한 행렬이다.
Yphase는 모터 상 권선 전체 구조(10)의 Y 네트워크 파라미터이다.
첨자 2p는 2단자망으로 구성되는 회로를 나타낸다.
전자기장 시뮬레이션부(1100)는 수학식 (15)을 통해, 모터(10)의 전체 상 권선 구조에 대한 2단자망 네트워크 파라미터로써 Y(admittance) 네트워크 파라미터를 도출할 수 있다.
여기서, 수학식 (15)의 2단자 망 Y 네트워크 파라미터를 구성하는 행렬 요소는 아래의 수학식 (16)과 같이 연산된다.
Figure 112019035873213-pat00128
(16)
수학식 (16)에서 i는 행을 의미하며, j는 열을 의미한다.
한편, 설계 단계에서 설계 중이거나 설계된 가상의 모터들을 본 실시 예에 따른 임피던스 예측 시스템(100)을 통해 시뮬레이션을 해본 결과가 도 8의 (a) 내지 도 8의 (c)에 도시되어 있다.
도 8의 (a) 내지 도 8의 (c)에 나타난 바와 같이, 본 실시 예에 따른 임피던스 예측 시스템(100)을 통해 설계 단계에 있는 가상의 모터들을 시뮬레이션 한 결과는, 실제로 제작된 모터들의 임피던스 특성을 측정한 결과와 매우 정확하게 일치함을 알 수 있다.
본 발명에서는 1kHz ~ 100MHz 대역의 광대역 주파수에서 모터에 대한 입력 임피던스 특성을 시뮬레이션하고 측정하여 보았다.
이와 같이, 본 발명에 따른 임피던스 예측 시스템(100) 및 예측 방법은 종래 모터의 설계 단계에서 예측 및 계산할 수 없었던 모터의 고주파 특성 및 임피던스 측정이 가능하다.
또한, 모터가 전자기장으로부터 영향을 최소한으로 받을 수 있도록 전자기장 적합 설계를 위해, 모터의 설계 초기 단계부터 본 발명에 따른 예측 시스템을 사용할 수 있으며, 모터 설계를 위해 사용되는 모터 시뮬레이션 툴에 본 발명에 따른 시스템이 설계 알고리즘으로 추가될 수도 있다. 따라서, 본 발명에 따른 시스템 및 방법은 그 확장성 역시 뛰어나다.
한편, 본 발명에 따른 모터의 임피던스 예측 시스템(100) 및 방법 이외에도, 본 발명은 저주파 요소 및 인버터 구동에 의해 발생되는 고주파 요소들을 모두 고려하고 전송 선로 모델링 기법을 이용하여 모터의 광대역 등가 회로 모델을 구축하는 방법을 제공한다.
이하에서는 도 9 내지 도 12를 참조하여, 본 발명에 따른 모터의 광대역 등가 회로 모델을 구축하는 방법을 설명한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 등가 회로 모델 구축 시스템의 구성을 나타내는 도면이며, 도 10은 본 발명에 다른 실시 예에 따른 모터의 광대역 등가 회로 모델을 구축하는 방법의 과정을 나타내는 순서도이고, 도 11은 본 발명의 등가 회로 모델 구축 시스템에 의해 구축된 등가 회로 모델을 나타내는 도면이다. 한편, 도 12는 실제 제작된 모터와 본 발명의 등가 회로 모델 구축 시스템에 의해 설계된 모터의 RLGC 파라미터를 비교한 그래프이며, 도 13은 실제 제작된 모터와 본 발명의 등가 회로 모델 구축 시스템에 의해 설계된 모터의 입력 및 전달 임피던스를 비교한 그래프이다.
본 발명의 모터의 광대역 등가 회로 모델을 구축하는 방법을 통하여, 모터 설계자나 개발자는 광대역 주파수에 대한 모터의 전자기 특성을 추출하고 분석할 수 있다.
추출된 모터의 전자기적 특성 즉, 커플링 및 임피던스 특성은 모터의 구동 시스템에서 발생하는 전자기 간섭(EMI) 문제를 근본적으로 분석하고 해결하는데 사용될 수 있다.
또한, 구축된 모터의 광대역 등가 회로 모델을 통해 모터가 전자기장의 영향으로부터 자유로워질 수 있도록 설계할 수 있다.
우선, 본 발명의 모터의 광대역 등가 회로 모델을 구축하는 방법의 모든 과정은 도 9에 도시된 등가 회로 모델 구축 시스템(110)에 의해 수행된다.
본 발명에 따른 등가 회로 모델 구축 시스템(110)은 상술한 본 발명에 따른 임피던스 특성 예측 시스템(100)과 통합적으로 구성되거나 서로 분리되되 네트워크 통신이 가능하도록 연결될 수 있다.
만약, 상술한 임피던스 특성 예측 시스템(100)과 등가 회로 모델 구축 시스템(110)이 통합적으로 구성되는 경우, 임피던스 특성 예측 시스템(100)에 등가 회로 구축 모델(110)이 임베디드 될 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 실시 예에 따른 등가 회로 모델 구축 시스템(110)은 파라미터 추출부(1300), 임피던스 계산부(1400) 및 회로 모델 디자인부(1500)를 포함한다.
파라미터 추출부(1300)는 모터 상 권선에 대한 산란 파라미터를 추출하고, 모터 상 권선의 단위 길이 당 RLGC(resistance, inductance, conductance and capacitance) 파라미터를 추출한다.
이때 파라미터 추출부(1300)에 의해 추출되는 산란 파라미터는 로우데이터(raw data)이며, S(scattering) 파라미터로 표시된다.
한편, 임피던스 계산부(1400)는 추출된 산란 파라미터인 S 파라미터로부터 모터 상 권선의 전파 상수(
Figure 112019035873213-pat00129
: propagation constant) 및 특성 임피던스(
Figure 112019035873213-pat00130
: characteristic impedance)를 산출해낸다. 또한, 임피던스 계산부(1400)는 RLGC 파라미터에 대한 주파수 응답을 분석하여 모터의 전자기 커플링 및 임피던스 요소를 정의한다.
회로 모델 디자인부(1500)는 임피던스 계산부(1400)에서 정의된 전자기 커플링 및 임피던스 요소을 기반으로 광대역 모터 등가 회로 모델을 디자인하고 설계자에게 디스플레이 한다.
설계자는 회로 모델 디자인부(1500)에서 제공된 광대역 모터 등가 회로 모델을 수정하거나 출력할 수 있다.
도 10을 참조하면, 등가 회로 모델 구축 시스템(110)은 파라미터 추출부(1300)를 통해 모터 상 권선의 산란 파라미터(S 파라미터)를 로우 데이터(raw data)로 추출한다(S1110).
이때, 로우 데이터(raw data)로 사용될 모터의 상 권선에 대한 S 파라미터는 실제 제작된 모터의 산란 파라미터를 측정하거나 설계 단계 있는 가상의 모터에 대한 시뮬레이션을 통해 산란 파라미터를 추출한다.
만약, 설계 단계에 있는 가상의 모터를 시뮬레이션 할 경우, 본 발명에 따른 임피던스 예측 시스템(100)을 사용하여 임피던스를 측정하고 모터 전체 구조에 대한 네트워크 파라미터 등을 추출할 수 있다.
그리고, 모터 상 권선의 S 파라미터는
Figure 112019035873213-pat00131
와 같은 2단자 망으로 구성된다.
한편, 임피던스 계산부(1400)는 아래의 수학식 (17) 내지 (19),
Figure 112019035873213-pat00132
(17),
Figure 112019035873213-pat00133
(18),
Figure 112019035873213-pat00134
(19),
로 정의되는 전송 선로 모델링 기법을 통해, 모터로부터 추출된 S 파라미터로부터 모터 상 권선의 전파 상수(
Figure 112019035873213-pat00135
: propagation constant) 및 특성 임피던스(
Figure 112019035873213-pat00136
: characteristic impedance)를 산출해낸다(S1120).
수학식 (17) 내지 (19)에서,
Figure 112019035873213-pat00137
는 모터 측정 시 사용된 단자의 임피던스를 나타내며, 본 실시 예에서는 50옴으로 설정된다. l은 모터 상 권선의 전체 길이를 나타낸다.
그리고, 파라미터 추출부(1300)는 계산된 전파 상수 및 특성 임피던스로부터 모터 상 권선의 단위 길이 당(per-unit-length) RLGC 파라미터 추출한다(S1130).
임피던스 계산부(1400)는 상술한 전송 선로 모델링 기법을 통해, 계산된 전파 상수 및 특성 임피던스로부터 모터당 권선의 단위 길이당 RLGC 파라미터를 아래의 수학식 (20),
Figure 112019035873213-pat00138
(20),
으로 추출한다.
한편, 임피던스 계산부(1400)는 추출된 단위 길이 당 RLGC 파라미터에 대한 주파수 응답을 분석하고(S1140), 모터의 권선 구조에서 발생하는 전자기 커플링 및 임피던스 요소를 산출하고 정의한다(S1150).
회로 모델 디자인부(1500)는 산출된 전자기 커플링 및 임피던스 요소를 기반으로 하여, 추출된 단위 길이 당 RLGC 파라미터의 주파수 특성 값에 따라 도 11에 도시된 바와 같은 등가 회로 모델을 디자인한다(S1160).
회로 모델 디자인부(1500)에 의해 디자인된 등가 회로 모델은 별도의 디스플레이 장치를 통해 출력된다.
한편, 도 11에 도시된 등가 회로 모델에 포함되는 각 구성 요소들의 의미와 추출 방법은 다음의 표 1에 개시되어 있다.
[표 1]
Figure 112019035873213-pat00139
한편, 본 발명에 따른 임피던스 계산부(1400)는
등가 회로 모델이 구축되면, 아래의 수학식 (21) 및 (22),
Figure 112019035873213-pat00140
(21),
Figure 112019035873213-pat00141
(22),
를 이용하여, 구축된 등가 회로 모델에 포함된 모터 상 권선의 전체 길이에 대한 입력 및 전달 임피던스를 산출할 수 있다.
수학식 (21) 및 (22)에서
Figure 112019035873213-pat00142
는 구축된 등가 회로 모델의 직렬 파트의 임피던스를 나타내며,
Figure 112019035873213-pat00143
는 구축된 등가 회로 모델의 병렬 파트의 어드미턴스이다.
한편, 본 발명의 등가 회로 구축 시스템(110)에 의해 설계된 모터의 임피던스를 예측 및 측정한 결과는 실제로 제작된 모터의 임피던스를 측정한 결과와 매우 정확하게 일치됨을 도 13을 통해 확인할 수 있다.
도 13을 참조하면, 1kHz부터 100MHz까지 이르는 넓은 주파수 대역에서, 본 발명에서 등가 회로 구축 시스템(110)에 의해 설계된 모터의 입력 및 전달 임피던스는, 실제로 제작된 모터의 입력 및 전달 임피던스와 매우 유사하다.
모터 설계자 및 개발자는 본 발명의 등가 회로 구축 시스템(110)을 이용하여 모터의 고주파 요소 및 전자기 커플링 요소를 추출하고, 세분화하여, 분석할 수 있다.
또한, 본 발명의 등가 회로 구축 시스템(110)을 이용하면, 모터의 설계자는 제작될 모터의 임피던스 특성을 예측하여, 등가 회로에 포함되는 각 구성 요소들을 모터 설계 단계에서 조절할 수 있으므로, 설계자의 의도에 맞는 임피던스 특성을 가지는 모터를 제작할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 등가 회로 구축 시스템(110)을 이용하면, 모터의 설계자는 제작될 모터의 임피던스 특성을 설계 단계에서 미리 설계자의 의도대로 조절할 수 있으며, 전자기 잡음 또는 간섭 현상에 영향을 덜 받는 모터를 설계할 수 있다.
한편, 본 명세서에서, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능들을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수도 있다.
또한, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서에 구애되지 않고 발생하는 것이 가능함을 주목해야 한다.
예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하다. 그리고, 블록들 또는 단계들은 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
본 명세서에 설명된 실시 예들과 관련하여 설명된 방법 또는 알고리즘의 단계는 프로세서에 의해 실행되는 하드웨어, 소프트웨어 모듈 또는 이들 모두의 결합으로 직접 구현될 수도 있다.
소프트웨어 모듈은 RAM 메모리, 플래시 메모리, ROM 메모리, EPROM 메모리, EEPROM 메모리, 레지스터, 하드 디스크, 착탈형 디스크, CD-ROM 또는 당업계에 알려진 임의의 다른 형태의 저장 매체에 상주할 수도 있다.
예시적인 저장 매체는 프로세서에 커플링되며, 그 프로세서는 저장 매체로부터 정보를 판독할 수 있고 저장 매체에 정보를 기입할 수 있다. 하지만 이와 다른 방법으로, 저장 매체는 프로세서와 일체형일 수도 있다.
한편, 프로세서 및 저장 매체는 주문형 집적회로(ASIC) 내에 상주할 수도 있다. ASIC는 사용자 단말기 내에 상주할 수도 있다. 다른 방법으로, 프로세서 및 저장 매체는 사용자 단말기 내에 개별 컴포넌트로서 상주할 수도 있다.
또한, 본 발명은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현되는 것도 가능하다. 이 때, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.
컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 케리어 웨이브(예를 들어, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.
또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시 예로 국한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 모터
11: 코어
12: 그라운드 프레임
13: 단일 슬롯 구조
14: 단일 단부 권선 구조
15: 외부 도선 구조
100: 임피던스 예측 시스템
110: 등가 회로 모델 구축 시스템

Claims (21)

  1. 삭제
  2. 모터의 구조를 복수의 파트들로 분할하고 각 파트에 대한 2차원 전자기장을 모델링하는 모터 구조 분류부;
    상기 복수의 파트의 각 파트에 대한 2차원 전자기장을 네트워크 파라미터로 변환하고 상기 네트워크 파라미터들을 합성하여 상기 모터 전체에 대한 네트워크 파라미터를 추출하는 전자기장 시뮬레이션부; 및
    상기 전자기장 시뮬레이션부에서 도출된 네트워크 파라미터에 대한 데이터들을 수집 및 저장하는 데이터 수집부를 포함하는, 임피던스 예측 시스템에 있어서,
    상기 모터 구조 분류부는 상기 모터를,
    상기 모터의 단일 슬롯(slot) 구조를 나타내는 제1 파트;
    상기 모터의 단일 단부 권선(end-winding) 구조를 나타내는 제2 파트; 및
    상기 모터의 권선에 의해 형성되는 회로 구조인 턴(turn)에 관여하지 않고, 상기 모터의 권선들을 결선하는 중섬점에 연결되며, 입력 단자 구성을 위해 연결되는 외부 도선(external line) 구조를 나타내는 제3 파트; 로 분류하는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 전자기장 시뮬레이션부는,
    상기 단일 슬롯 및 단일 단부 권선 구조에 포함되는 도체의 개수를 n으로 나타내고, 상기 단일 슬롯 및 단일 단부 권선 구조에 포함되는 모든 포트의 개수를 2n으로 나타내며, 상기 제1 및 제2 파트에 대한 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 각각 2n×2n의 행렬로 구성하는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전자기장 시뮬레이션부는,
    상기 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 합성시켜 단일 코일 구조에 대한 네트워크 파라미터를 산출하고,
    상기 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 합성하기 위해 아래의 수학식 (1) 및 (2),
    Figure 112019035873213-pat00144
    (1),
    Figure 112019035873213-pat00145
    (2),
    을 사용하며,
    Figure 112019035873213-pat00146
    는 상기 제1 네트워크 파라미터를 나타내는 T(transmission) 네트워크 파라미터 행렬이고,
    Figure 112019035873213-pat00147
    는 상기 제2 네트워크 파라미터를 나타내는 T 네트워크 파라미터 행렬이며,
    Figure 112019035873213-pat00148
    은 상기 턴을 연결 하는 부분을 제외한 단일 코일 구조를 나타내는 T 네트워크 파라미터 행렬이고, E는 n×n 단위 행렬이며, 첨자
    Figure 112019035873213-pat00149
    은 상기 T 네트워크 파라미터 행렬이 좌측 포트로부터 우측 포트로 향하는 정방향으로 구성되어 있음을 나타내며, 첨자
    Figure 112019035873213-pat00150
    은 상기 T 네트워크 파라미터 행렬이 우측 포트에서 좌측 포트로 향하는 역방향으로 구성되어 있음을 나타내는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 전자기장 시뮬레이션부는,
    계산된 상기 단일 코일 구조에 대한 T 네트워크 파라미터
    Figure 112019035873213-pat00151
    을 Z(impedance) 네트워크 파라미터로 변환하기 위해 아래의 수학식 (3) 및 (4),
    Figure 112019035873213-pat00152
    (3)
    Figure 112019035873213-pat00153
    (4)
    을 사용하며, V는 전압을 의미하고, I는 전류를 의미하며, 첨자 l은 좌측 포트를 의미하고, 첨자 r은 우측 포트를 의미하며, 첨자 t는 상기 제1 및 제2 네트워크 파라미터의 합성으로 인해 구성되는 T 네트워크 파라미터
    Figure 112019035873213-pat00154
    의 단자 포트를 나타내는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 Vl은 아래의 수학식 (5),
    Figure 112019035873213-pat00155
    (5)이며,
    상기 Il은 아래의 수학식 (6),
    Figure 112019035873213-pat00156
    (6)이고,
    상기 Vr은 아래의 수학식 (7),
    Figure 112019035873213-pat00157
    (7)이며,
    상기 Ir은 아래의 수학식 (8),
    Figure 112019035873213-pat00158
    (8)이고,
    상기 Vt은 아래의 수학식 (9),
    Figure 112019035873213-pat00159
    (9)이며,
    상기 It은 아래의 수학식 (10),
    Figure 112019035873213-pat00160
    (10)이고,
    Figure 112019035873213-pat00161
    는 상기 단일 코일 구조에 포함되는 병렬 도선의 개수를 의미하는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전자기장 시뮬레이션부는,
    상기 모터에 포함되는 턴을 구현하기 위해, 상기 좌측 및 우측 포트의 전압을 동전위로 구성하고, 전류의 흐름을 상기 역방향으로 구성하며, 상기 단일 코일 구조에 대한 Z 네트워크 파라미터를 추출하기 위해, 아래의 수학식 (11) 내지 (13),
    Figure 112019035873213-pat00162
    (11),
    Figure 112019035873213-pat00163
    (12),
    Figure 112019035873213-pat00164
    (13),
    를 사용하는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전자기장 시뮬레이션부는,
    단일 권선 다발 라인 구조에 대한 네트워크 파라미터를 도출하기 위해 아래의 수학식 (14),
    Figure 112019035873213-pat00165
    (14)를 사용하며,
    Figure 112019035873213-pat00166
    은 상기 단일 권선 다발 라인 구조에 포함된 전체 코일의 개수이며,
    Figure 112019035873213-pat00167
    는 권선에 포함된 병렬 회로의 개수이며,
    Figure 112019035873213-pat00168
    은 상기 제3 파트에 대한 제3 네트워크 파라미터인, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 전자기장 시뮬레이션부는,
    상기 외부 도선 구조에 포함되는 도체의 개수를 n으로 나타내고, 상기 외부 도선 구조에 포함되는 모든 포트의 개수를 2n으로 나타내어, 상기 제3 파트에 대한 제3 네트워크 파라미터를 2n×2n의 행렬로 구성하는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 전자기장 시뮬레이션부는,
    상기 단일 코일 구조에 대한 Z 네트워크 파라미터인
    Figure 112019035873213-pat00169
    을 모두 합성하여, 상기 모터의 전체 상 권선 구조에 대한 2단자망 네트워크 파라미터를 추출하며,
    이를 위해, 아래의 수학식 (15) 및 (16),
    Figure 112019035873213-pat00170
    (15),
    Figure 112019035873213-pat00171
    (16),
    을 사용하며, 상기 Yphase는 2단자망 네트워크 파라미터로써 Y(admittance) 네트워크 파라미터를 의미하고, i는 행렬에서 행을 나타내며, j는 행렬에서 열을 의미하고, Yw는 행렬의 i행 및 j열에 배치된 행렬 구성 요소를 의미하며, 첨자 2p는 2단자 망을 의미하며, 상기 수학식 (15) 및 (16)는 상기 모터를 구성하는 권선의 좌측 및 우측 포트가 단자와 연결되고 모든 병렬 회로 구조가 포함된 모터의 전체 상 권선 구조에 대한 시뮬레이션을 나타내는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 시스템.
  11. 삭제
  12. 임피던스 예측 시스템을 사용하여 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스를 예측하는 방법은,
    모터 구조 분류부가 상기 모터의 구조를 복수의 파트들로 분할하는 제1 단계;
    전자기장 시뮬레이션부가 상기 복수의 파트의 각 파트에 대한 2차원 전자기장을 네트워크 파라미터로 변환하고, 상기 네트워크 파라미터들을 합성하여 상기 모터 전체에 대한 네트워크 파라미터를 추출하는 제2 단계; 및
    데이터 수집부가 상기 전자기장 시뮬레이션부에서 도출된 네트워크 파라미터에 대한 데이터들을 수집 및 저장하는 제3 단계; 를 포함하는, 임피던스 예측 방법에 있어서,
    상기 제1 단계는,
    상기 모터 구조 분류부가 상기 모터를,
    상기 모터의 단일 슬롯(slot) 구조를 나타내는 제1 파트로 나누는 제1-1 단계;
    상기 모터의 단일 단부 권선(end-winding) 구조를 나타내는 제2 파트로 나누는 제1-2 단계; 및
    상기 모터의 권선에 의해 형성되는 회로 구조인 턴(turn)에 관여하지 않고, 상기 모터의 권선들을 결선하는 중섬점에 연결되며, 입력 단자 구성을 위해 연결되는 외부 도선(external line) 구조를 나타내는 제3 파트로 분류하는 제1-3 단계; 를 더 포함하는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 파트에 대한 네트워크 파라미터를 각각 제1 내지 제3 네트워크 파라미터라고 하면,
    상기 제2 단계는,
    상기 전자기장 시뮬레이션부가 상기 제1 및 제2 파트에 존재하는 도체의 개수를 n으로 나타내는 제2-1 단계;
    상기 전자기장 시뮬레이션부가 상기 제1 및 제2 파트에 대한 모든 포트의 개수를 2n으로 나타내는 제2-2 단계;
    상기 전자기장 시뮬레이션부가 상기 제1 및 제2 파트에 대한 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 각각 2n×2n의 행렬로 구성하는 제2-3 단계를 더 포함하는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2-3 단계 이후,
    상기 전자기장 시뮬레이션부는 상기 제1 및 제2 네트워크 파라미터를 합성하기 위해 아래의 수학식 (1) 및 (2),
    Figure 112019035873213-pat00172
    (1),
    Figure 112019035873213-pat00173
    (2),
    을 사용하는 제2-4 단계를 더 포함하며,
    Figure 112019035873213-pat00174
    는 상기 제1 네트워크 파라미터를 나타내는 T(transmission) 네트워크 파라미터 행렬이며,
    Figure 112019035873213-pat00175
    는 상기 제2 네트워크 파라미터를 나타내는 T 네트워크 파라미터 행렬이고,
    Figure 112019035873213-pat00176
    은 상기 턴을 연결 하는 부분을 제외한 단일 코일 구조를 나타내는 T 네트워크 파라미터 행렬이고, E는 n×n 단위 행렬이며, 첨자
    Figure 112019035873213-pat00177
    은 상기 T 네트워크 파라미터 행렬이 좌측 포트로부터 우측 포트로 향하는 정방향으로 구성되어 있음을 나타내며, 첨자
    Figure 112019035873213-pat00178
    은 상기 T 네트워크 파라미터 행렬이 우측 포트에서 좌측 포트로 향하는 역방향으로 구성되어 있음을 나타내는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2-4 단계 이후,
    상기 전자기장 시뮬레이션부가 계산된 상기
    Figure 112019035873213-pat00179
    을 Z(impedance) 네트워크 파라미터로 변환하기 위해 아래의 수학식 (3) 및 (4),
    Figure 112019035873213-pat00180
    (3),
    Figure 112019035873213-pat00181
    (4),
    을 사용하는 제2-5 단계를 더 포함하며, V는 전압을 의미하고, I는 전류를 의미하며, 첨자 l은 좌측 포트를 의미하고, 첨자 r은 우측 포트를 의미하며, 첨자 t는 상기 제1 및 제2 네트워크 파라미터의 합성으로 인해 구성되는
    Figure 112019035873213-pat00182
    의 단자 포트를 나타내는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 Vl은 아래의 수학식 (5),
    Figure 112019035873213-pat00183
    (5)이며,
    상기 Il은 아래의 수학식 (6),
    Figure 112019035873213-pat00184
    (6)이고,
    상기 Vr은 아래의 수학식 (7),
    Figure 112019035873213-pat00185
    (7)이며,
    상기 Ir은 아래의 수학식 (8),
    Figure 112019035873213-pat00186
    (8)이고,
    상기 Vt은 아래의 수학식 (9),
    Figure 112019035873213-pat00187
    (9)이며,
    상기 It은 아래의 수학식 (10),
    Figure 112019035873213-pat00188
    (10)이고,
    Figure 112019035873213-pat00189
    는 상기 단일 코일 구조에 포함되는 병렬 도선의 개수를 의미하는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 제2-5 단계 이후,
    상기 전자기장 시뮬레이션부가 상기 모터에 포함되는 턴을 구현하기 위해, 상기 좌측 및 우측 포트의 전압을 동전위로 구성하고 전류의 흐름을 상기 역방향으로 구성하는 제2-6 단계;
    상기 전자기장 시뮬레이션부가 상기 단일 코일 구조에 대한 Z 네트워크 파라미터를 추출하기 위해, 아래의 수학식 (11) 내지 (13),
    Figure 112019035873213-pat00190
    (11),
    Figure 112019035873213-pat00191
    (12),
    Figure 112019035873213-pat00192
    (13),
    를 사용하는 제2-7 단계를 더 포함하는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제2-7 단계 이후,
    상기 전자기장 시뮬레이션부가 단일 권선 다발 라인 구조에 대한 네트워크 파라미터를 도출하기 위해 아래의 수학식 (14),
    Figure 112019035873213-pat00193
    (14),
    를 사용하는 제2-8 단계를 더 포함하며,
    Figure 112019035873213-pat00194
    은 상기 단일 권선 다발 라인에 포함된 전체 코일의 개수이며,
    Figure 112019035873213-pat00195
    는 권선에 포함된 병렬 회로의 개수이고,
    Figure 112019035873213-pat00196
    은 상기 제3 파트에 대한 제3 네트워크 파라미터인, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 방법.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 제2-3 단계는,
    상기 전자기장 시뮬레이션부가 상기 외부 도선 구조에 포함되는 도체의 개수를 n으로 나타내고, 상기 외부 도선 구조에 포함되는 모든 포트의 개수를 2n으로 나타내어, 상기 제3 파트에 대한 제3 네트워크 파라미터를 2n×2n의 행렬로 구성하는 제2-3-1 단계를 더 포함하는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 방법.
  20. 청구항 18에 있어서,
    상기 제2-8 단계 이후에,
    상기 단일 코일 구조에 대한 Z 네트워크 파라미터인
    Figure 112019035873213-pat00197
    들을 모두 합성하여 상기 모터의 전체 상 권선 구조에 대한 2단자망 네트워크 파라미터를 추출하기 위하여, 아래의 수학식 (15) 및 (16),
    Figure 112019035873213-pat00198
    (15),
    Figure 112019035873213-pat00199
    (16),
    을 사용하는 제2-9 단계를 더 포함하며, 상기 Yphase는 2단자 망 네트워크 파라미터로써 Y(admittance) 네트워크 파라미터를 의미하고, i는 행렬에서 행을 나타내며, j는 행렬에서 열을 의미하고, Yw는 행렬의 i행 및 j열에 배치된 행렬 구성 요소를 의미하며, 첨자 2p는 2단자 망을 의미하며,
    상기 수학식 (15) 및 (16)은,
    상기 모터를 구성하는 권선의 좌측 및 우측 포트가 단자와 연결되고 모든 병렬 회로 구조가 포함된 모터의 전체 상 권선 구조에 대한 시뮬레이션을 나타내는, 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 방법.
  21. 청구항 12 내지 청구항 20 항중 어느 한 항의 모터에서 발생하는 광대역 주파수의 임피던스 예측 방법을 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터가 판독 가능한 기록 매체.
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