KR102596675B1 - 동기전동기 및 그 제어 장치와 방법 - Google Patents

동기전동기 및 그 제어 장치와 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동기전동기에 관한 것으로, 전동기 스테이터; 상기 전동기 스테이터의 내 측에 영구자석으로 형성된 제1 회전자; 상기 전동기 스테이터의 내 측에 영구자석으로 형성되며 상기 제1 회전자로부터 지정된 간격으로 이격되어 배치되는 제2 회전자; 및 상기 제1 회전자 및 상기 제2 회전자 간의 위상을 조절하는 위상 변환기;를 포함한다.

Description

동기전동기 및 그 제어 장치와 방법{SYNCHRONOUS MOTOR AND ITS CONTROL APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 동기전동기 및 그 제어 장치와 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 영구자석 동기전동기의 약계자 제어 시, 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자 간의 위상을 하드웨어적으로 조절함으로써, 제어부의 연산 부하를 경감시킬 수 있도록 하는, 동기전동기 및 그 제어 장치와 방법에 관한 것이다.
일반적으로 동기전동기(Synchronous Motor)는 교류 전동기의 일종으로서, 일정 주파수 하에서는 부하와 상관없이 일정한 속도로 회전하는 전속도 전동기(Motor)를 의미한다.
이러한 영구자석 동기전동기는 토크 밀도, 효율 등에서 유리하여 전기 자동차에 널리 활용되고 있으며, 이에 따라 정격속도보다 더 빠르고 다양한 속도로 운전할 수 있도록 요구되는 추세이다.
한편, 상기 영구자석 동기전동기에서 영구자석으로 되어 있는 회전자(로터, rotor)는 고속으로 운전할 때 고정자(스테이터, Stator) 권선의 역기전력에 의해 입력전압이 상쇄되어 최대속도가 제한되는 현상이 발생하므로, 고속 운전을 위해서 전류 보상값 연산 및 인버터 출력 제어 등 약계자 제어 알고리즘을 적용하고 있다.
그런데 종래의 약계자 제어 기술은 매순간 전류 보상값을 연산하여 인터버 제어를 수행해야 하므로, 전동기(Motor)의 속도가 빨라질수록 더 많은 씨피유(CPU)의 연산 부하가 발생하게 되는 문제점이 있다.
따라서 영구자석 동기전동기의 약계자 제어 시 복잡하고 과도한 씨피유(CPU)의 연산 부하를 경감시키고 안정적인 약계자 제어를 수행할 수 있는 기술이 요구되고 있다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 등록특허 10-1231101호(2013.02.01. 등록, 분리형 모터)에 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 영구자석 동기전동기의 약계자 제어 시, 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자 간의 위상을 하드웨어적으로 조절함으로써, 제어부의 연산 부하를 경감시킬 수 있도록 하는, 동기전동기 및 그 제어 장치와 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 동기전동기는, 전동기 스테이터; 상기 전동기 스테이터의 내 측에 영구자석으로 형성된 제1 회전자; 상기 전동기 스테이터의 내 측에 영구자석으로 형성되며 상기 제1 회전자로부터 지정된 간격으로 이격되어 배치되는 제2 회전자; 및 상기 제1 회전자 및 상기 제2 회전자 간의 위상을 조절하는 위상 변환기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 회전자는 제1 샤프트의 일 측에 연결되어 회전되고, 상기 제1 샤프트의 타 측은 상기 위상 변환기의 제1 베인부에 연결되며, 상기 제2 회전자는 제2 샤프트의 일 측에 연결되어 회전되고, 상기 제2 샤프트의 타 측은 상기 위상 변환기의 제2 베인(132a)부에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 샤프트는 상기 제2 샤프트를 길이 방향으로 관통하여 상기 제1 회전자에 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 회전자와 상기 제2 회전자 간의 위상은, 상기 제2 베인부의 회전 방향과 회전 각도에 대응하여 동 위상 또는 다른 위상으로 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 제1 베인부는 상기 제2 베인부를 원형으로 둘러싸는 형태로 형성되며, 내 측을 향하여 균등한 각도 간격으로 돌출되게 형성되는 복수의 제1 베인;을 포함하고, 상기 제2 베인부는 상기 제1 베인부의 내 측에 배치되면서 원형의 바디에서 외 측을 향하여 균등한 각도 간격으로 돌출되게 형성되는 복수의 제2 베인;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제2 샤프트는, 상기 위상 변환기 내의 상기 제2 샤프트의 일 측 둘레에 제1 홈이 형성되고, 상기 제1 홈의 일 측에 제1 홀이 형성되며, 상기 제2 베인부의 제2 베인의 일 측에 제2 공간 방향으로 제2 홀을 형성하고, 상기 제2 샤프트의 내 측으로 상기 제1 홀과 상기 제2 홀을 연결하여 유압이 흐를 수 있는 제1 유압 경로가 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 동기전동기의 제어 장치는, 상기 동기전동기의 회전 속도를 제어하고, 상기 동기전동기의 회전 속도에 따라, 위상 변환기를 제어하여 상기 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자의 위상을 조절하는 제어부; 및 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 위상 변환기에 유압을 인가하여, 상기 유압에 의해 상기 위상 변환기의 제2 베인부를 지정된 방향으로 지정된 각도만큼 회전시키는 유압 밸브부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 위상 변환기의 제2 베인부에 형성된 제2 베인의 우측과 제1 베인부에 형성된 제1 베인의 사이에 형성된 제1 공간에 유압을 인가하여 상기 제2 베인부를 제1 방향으로 회전시키거나, 상기 제2 베인의 좌측과 상기 제1 베인의 사이에 형성된 제2 공간에 유압을 인가하여 상기 제2 베인부를 제2 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 상기 제2 베인부가 제1 방향으로 회전하여 상기 제2 베인의 좌측이 상기 제1 베인의 우측에 밀착된 상태를 디폴트 상태라고 할 때, 상기 디폴트 상태에서 상기 제2 베인의 좌측과 상기 제1 베인의 사이에 형성된 제2 공간에 유압을 인가하여 상기 제2 베인부를 제2 방향으로 회전시키는 경우, 상기 제2 공간에 인가했던 유압을 배출시킴으로써, 상기 제2 베인부가 다시 본래의 제1 방향으로 돌아가도록 회전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1 공간 및 상기 제2 공간에 유압을 인가하거나 배출하기 위하여, 위상 변환기의 제2 베인부와 동기전동기의 제2 회전자가 연결되는 제2 샤프트의 둘레에 제1 홈과 제2 홈이 각기 다른 위치에 형성되고, 상기 제2 샤프트의 제2 홈에서 상기 제1 공간 방향으로 향하는 제2 유압 경로와 홀이 상기 제2 베인부에 형성되며, 상기 제2 샤프트의 제1 홈에서 상기 제2 공간 방향으로 향하는 제1 유압 경로와 홀이 상기 제2 베인부에 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 제어부는, 제2 베인부를 제1 방향 또는 제2 방향으로 지정된 각도만큼 회전시킴으로써, 상기 제2 베인부에 제2 샤프트를 통해 연결된 제2 회전자도 제1 방향 또는 제2 방향으로 회전되게 하여, 상기 제1 회전자의 위상과 상기 제2 회전자의 위상이 동 위상 상태가 되게 제어하거나, 또는 상기 제1 회전자의 위상과 상기 제2 회전자의 위상이 다른 위상 상태가 되게 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 동기전동기의 제어 방법은, 제어부가 동기전동기의 회전 속도를 제어하고, 상기 동기전동기의 회전 속도에 따라, 위상 변환기를 제어하여 상기 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자의 위상을 조절하는 단계; 및 유압 밸브부가, 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 위상 변환기에 유압을 인가하여, 상기 유압에 의해 상기 위상 변환기의 제2 베인부를 지정된 방향으로 지정된 각도만큼 회전시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자의 위상을 조절하기 위하여, 상기 제어부는, 상기 위상 변환기의 제2 베인부에 형성된 제2 베인의 우측과 제1 베인부에 형성된 제1 베인의 사이에 형성된 제1 공간에 유압을 인가하여 상기 제2 베인부를 제1 방향으로 회전시키거나, 상기 제2 베인의 좌측과 상기 제1 베인의 사이에 형성된 제2 공간에 유압을 인가하여 상기 제2 베인부를 제2 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자의 위상을 조절하기 위하여, 상기 제어부는, 상기 제2 베인부가 제1 방향으로 회전하여 상기 제2 베인의 좌측이 상기 제1 베인의 우측에 밀착된 상태를 디폴트 상태라고 할 때, 상기 디폴트 상태에서 상기 제2 베인의 좌측과 상기 제1 베인의 사이에 형성된 제2 공간에 유압을 인가하여 상기 제2 베인부를 제2 방향으로 회전시키는 경우, 상기 제2 공간에 인가했던 유압을 배출시킴으로써, 상기 제2 베인부가 다시 본래의 제1 방향으로 돌아가도록 회전시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자의 위상을 조절하기 위하여, 상기 제어부는, 제2 베인부를 제1 방향 또는 제2 방향으로 지정된 각도만큼 회전시킴으로써, 상기 제2 베인부에 제2 샤프트를 통해 연결된 제2 회전자도 제1 방향 또는 제2 방향으로 회전되게 하여, 상기 제1 회전자의 위상과 상기 제2 회전자의 위상이 동 위상 상태가 되게 제어하거나, 또는 상기 제1 회전자의 위상과 상기 제2 회전자의 위상이 다른 위상 상태가 되게 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은 영구자석 동기전동기의 약계자 제어 시, 매순간 전류 보상값을 연산하여 인버터 제어를 수행할 경우 모터 속도가 증가함에 따라 제어부의 연산 부하를 증가시키는 문제를, 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자 간의 위상을 하드웨어적으로 조절함으로써, 제어부의 연산 부하를 경감시키고 안정적인 약계자 제어를 수행할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기 및 그 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 일체로 구현된 위상 변환기와 동기전동기의 개략적인 형태를 보인 예시도.
도 3은 상기 도 1에 있어서, 위상 변환기의 상부에서 바라본 단면 형태를 개략적으로 보인 예시도.
도 4는 상기 도 3에 있어서, 위상 변환기의 제2 베인부의 회전에 따라 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자의 위상이 조절되는 동작을 설명하기 위하여 보인 예시도.
도 5는 상기 도 1에 있어서, 위상 변환기의 측면에서 바라본 단면 형태를 개략적으로 보인 예시도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 제어 방법을 설명하기 위하여 보인 흐름도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 동기전동기 및 그 제어 장치와 방법의 일 실시예를 설명한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기 및 그 제어 장치의 개략적인 구성을 보인 예시도이고, 도 2는 상기 도 1에 있어서, 일체로 구현된 위상 변환기와 동기전동기의 개략적인 형태를 보인 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 동기전동기 및 그 제어 장치는, 제어부(110), 유압 밸브부(120), 위상 변환기(130), 동기전동기(140), 및 감속기(150)를 포함한다.
상기 제어부(110)는 상기 동기전동기(140)의 회전 속도를 제어한다.
또한 상기 제어부(110)는, 상기 동기전동기(140)의 회전 속도에 따라, 상기 위상 변환기(130)를 제어하여 상기 동기전동기(140)의 제1 회전자(141) 및 제2 회전자(142)의 위상(즉, 제1 회전자 및 제2 회전자를 구성하는 각 영구자석의 N극과 S극의 위상)을 조절한다.
상기 유압 밸브부(120)는, 상기 제어부(110)의 제어에 따라, 상기 위상 변환기(130)에 유압을 인가하여, 상기 유압에 의해 상기 위상 변환기(130)의 제2 베인부(132)를 지정된 방향으로 회전시킴으로써, 상기 위상 변환기(130)의 제1 베인부(131) 및 제2 베인부(132)에 샤프트로 각기 연결되어 있는 상기 동기전동기(140)의 제1 회전자(141) 및 제2 회전자(142)의 위상을 조절한다.
상기 감속기(150)는 상기 동기전동기(140)의 회전수를 지정된 감속 비율에 따라 감소시켜 출력함으로써 토크를 증가시킨다.
도 2를 참조하면, 상기 동기전동기(140)는 전동기 스테이터(143)의 내 측에 영구자석으로 형성된 제1 회전자(141)(또는 Main Rotor), 및 상기 전동기 스테이터(143)의 내 측에 영구자석으로 형성되며 상기 제1 회전자(141)로부터 상 측(즉, 위상 변환기 방향)에 특정 간격으로 이격되어 배치되는 제2 회전자(142)(또는 Sub Rotor)를 포함한다. 이 때 상기 제1 회전자(141) 및 상기 제2 회전자(142)간의 간격은 이해를 돕기 위하여 다소 과장되게 도시되었음에 유의한다.
상기 제1 회전자(141)는 제1 샤프트(Shaft_1)의 일 측에 연결되어 회전되고, 상기 제1 샤프트(Shaft_1)의 타 측은 상기 위상 변환기(130)의 제1 베인부(131)에 연결된다(도 5의 (a) 참조).
상기 제2 회전자(142)는 제2 샤프트(Shaft_2)의 일 측에 연결되어 회전되며, 상기 제2 샤프트(Shaft_2)의 타 측은 상기 위상 변환기(130)의 제2 베인부(132)에 연결된다(도 5의 (b) 참조).
그리고 상기 제1 샤프트(Shaft_1)는 상기 제2 샤프트(Shaft_2)를 길이 방향으로 관통하여 상기 제1 회전자(141)에 연결된다.
이하 도 3 및 도 5를 참조하여 상기 위상 변환기(130)에 대해서 설명한다.
도 3은 상기 도 1에 있어서, 위상 변환기의 상부에서 바라본 단면 형태를 개략적으로 보인 예시도이고, 도 5는 상기 도 1에 있어서, 위상 변환기의 측면에서 바라본 단면 형태를 개략적으로 보인 예시도이다.
도 3을 참조하면, 상기 위상 변환기(130)의 상기 제1 베인부(131)는 복수의 제1 베인(131a)이 원형의 하우징 내부에 일정 간격으로 돌출되는 톱니 형태로 형성되고, 또한 상기 제2 베인부(132)에도 복수의 제2 베인(132a)이 원형의 바디 외부에 일정 간격으로 돌출되는 톱니 형태로 형성된다.
즉, 상기 제1 베인부(131)는 상기 제2 베인부(132)를 원형으로 둘러싸는 형태로 형성되며, 내 측을 향하여 균등한 각도(예 : 120도) 간격으로 돌출되는 복수(예 : 3개)의 제1 베인(131a)이 형성된다.
또한 상기 제2 베인부(132)는 상기 제1 베인부(131)의 내 측에 배치되면서 원형의 바디에서 외 측을 향하여 균등한 각도(예 : 120) 간격으로 돌출되는 복수(예 : 3개)의 제2 베인(132a)이 형성된다.
이 때 상기 제2 베인부(132)가 회전할 때 외 측을 향하여 형성된 상기 제2 베인(132a)이 상기 제1 베인부(131)에 내 측을 향하여 형성된 제1 베인(131a)에 걸려 회전할 수 있는 방향과 각도가 제한된다.
예컨대 본 실시 예에서 상기 제2 베인부(132)의 회전 각도는 120도 범위에서 제한되고, 또한 상기 제2 베인부(132)에 제2 샤프트(Shaft_2)로 연결된 상기 제2 회전자(142)가 상기 제2 베인부(132)의 회전 각도에 대응하여 회전함으로써, 상기 제1 회전자(141)와 상기 제2 회전자(142) 간에 위상 차이가 발생하게 된다(도 3 참조).
다만 본 실시 예에서 상기 제1 베인부(131)와 상기 제2 베인부(132)의 형태는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 도시된 것이며, 상기 각 베인의 형태나 갯수를 한정하고자 하는 것이 아님에 유의한다.
이하 상기 위상 변환기(130)의 제2 베인부(132)가 회전하는 동작에 대해서 설명한다.
다시 도 3을 참조하면, 상기 제2 베인부(132)는 상기 제2 베인(132a)의 우측과 상기 제1 베인(131a) 사이에 형성된 제1 공간(SP1)에 유압이 인가됨에 따라 제1 방향(예 : 좌측 방향)으로 회전한다(도 3의 (a) 참조). 또한 상기 제2 베인부(132)는 상기 제2 베인(132a)의 좌측과 상기 제1 베인(131a) 사이에 형성된 제2 공간(SP2)에 유압이 인가됨에 따라 제2 방향(예 : 우측 방향)으로 회전한다(도 3의 (b) 참조).
이를 위해서 상기 유압 밸브부(120)는 상기 제1 공간(SP1)에 유압을 인가하거나 배출할 수 있도록 구현될 수 있다(도 5의 (b),(c) 참조).
예컨대 상기 제2 베인부(132)가 제1 방향(예 : 좌측 방향)으로 회전하여 상기 제2 베인(132a)의 좌측이 상기 제1 베인(131a)의 우측에 밀착된 상태(즉, 도 3의 (a) 상태)를 디폴트 상태(또는 제1 상태)라고 가정할 때, 상기 제1 베인부(131)에 제1 샤프트(Shaft_1)로 연결된 상기 제1 회전자(141)의 위상(즉, 영구자석의 N극과 S극의 위상)과 상기 제2 베인부(132)에 제2 샤프트(Shaft_2)로 연결된 상기 제2 회전자(142)의 위상이 동 위상이라고 가정한다(도 4의 (a),(b),(c) 참조).
한편 상기 디폴트 상태(또는 제1 상태)에서 상기 제어부(110)가 상기 제2 베인(132a)의 좌측과 상기 제1 베인(131a) 사이에 형성된 제2 공간(SP2)에 유압을 인가함으로써 상기 제2 베인부(132)를 제2 방향(우측 방향)으로 회전시키고(도 3의 (b) 참조), 상기 제어부(110)가 상기 제2 공간(SP2)에 인가했던 유압을 배출시킴으로써 상기 제2 베인부(132)가 다시 본래의 제1 방향(좌측 방향)으로 돌아가도록 회전시킬 수 있다(도 3의 (a) 참조).
이 때 상기 유압을 인가하기 위하여, 도 5의 (b)를 참조하면, 상기 위상 변환기(130) 내의 상기 제2 샤프트(Shaft_2)의 일 측 둘레에 제1 홈(G1)을 형성하고, 상기 제1 홈(G1)의 일 측에 제1 홀(H1)을 형성하며, 상기 제2 베인(132a)의 일 측에 상기 제2 공간(SP2) 방향으로 제2 홀(H2)을 형성하고, 도 5의 (c)를 참조하면, 상기 제2 샤프트(Shaft_2)의 내 측으로 상기 제1 홀(H1)과 상기 제2 홀(H2)을 연결하여 유압이 흐를 수 있는 제1 유압 경로(path1)를 형성한다.
이에 따라 상기 유압 인가부(121)가 상기 제2 샤프트(Shaft_2)의 일 측 둘레에 형성된 제1 홈(G1)에 밀착된 상태에서 유압을 인가할 경우, 상기 제1 홀(H1)→제1 유압 경로(path1)→제2 홀(H2)을 통해 상기 제2 공간(SP2)에 유압을 인가함으로써 상기 제2 베인부(132)를 제2 방향(우측 방향)으로 회전시키고(도 3의 (b) 참조), 반대로 상기 제2 공간(SP2)에 인가했던 유압을, 상기 제2 홀(H2)→제1 유압 경로(path1)→제1 홀(H1)을 통해 배출(또는 흡입)시킴으로써 상기 제2 베인부(132)가 다시 본래의 제1 방향(좌측 방향)으로 돌아가도록 회전시킬 수 있다(도 3의 (a) 참조).
또한 도면에는 구체적으로 도시되어 있지 않지만, 상기 유압 밸브부(120)는 상기 제1 공간(SP1) 및 상기 제2 공간(SP2)에 각기 유압을 인가하거나 배출할 수 있도록 구현될 수도 있다.
예컨대 상기 제2 샤프트(Shaft_2)의 다른 일 측 둘레에 제2 홈(G2)을 추가로 형성하고(예 : 상기 제1 홈의 상부나 하부에 제2 홈(G2)을 형성하고), 상기 제2 홈(G2)에서 상기 제1 공간(SP1) 방향으로 향하는 제2 유압 경로(path2)와 홀을 추가로 형성한 후, 상기 제1 공간(SP1) 및 상기 제2 공간(SP2)에 각기(또는 동시에) 유압을 인가하거나 배출함으로써, 상기 제2 베인부(132)를 제1 방향(좌측 방향) 또는 제2 방향(우측 방향)으로 회전시킬 수 있다(도 3의 (a),(b) 참조).
상기와 같이 상기 제2 베인부(132)가 제1 방향(좌측 방향) 또는 제2 방향(우측 방향)으로 회전함에 따라, 상기 제2 베인부(132)에 연결된 제2 회전자(142)도 제1 방향(좌측 방향) 또는 제2 방향(우측 방향)으로 회전함으로써, 상기 제1 회전자(141)의 위상(즉, 영구자석의 N극과 S극의 위상)과 상기 제2 회전자(142)의 위상이 동 위상 상태가 되거나(도 4의 (a),(b),(c) 참조), 또는 상기 제1 회전자(141)의 위상과 상기 제2 회전자(142)의 위상이 다른 위상 상태가 된다(도 4의 (d),(e),(f) 참조).
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 제어 방법을 설명하기 위하여 보인 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 상기 제어부(110)는 동기전동기(140)의 제2 회전자(142)와 제1 회전자(141)가 동 위상 상태라고 가정할 때(S101), 동기전동기의 회전 속도에 따른 역기전력 조절이 필요할 경우(S102의 예), 위상 변환기(130)에 인가되는 유압의 크기(또는 양)와 유압의 인가 방향(예 : 제1 공간 방향, 제2 공간 방향)을 조절함으로써(S103), 상기 위상변환기(130)의 제1 베인부(131) 및 제2 베인부(132)에 샤프트(Shaft_1, Shaft_2)를 통해 각기 연결되어 있는 제2 회전자(142)와 제1 회전자(141)간의 위상차를 조절한다(S104).
상기와 같이 상기 제어부(110)는 상기 동기전동기(140)의 회전 속도에 따라 작용하는 역기전력을 조절하기 위하여(예 : 제1 회전자 대비 제2 회전자의 회전이 θ만큼 늦어진 위상으로 회전할 경우, 제2 회전자의 계자자속이 cosθ만큼 작아진다), 상기 제1 회전자(141)의 위상과 상기 제2 회전자(142)의 위상을 동 위상 상태로 만들거나(도 4의 (a),(b),(c) 참조), 또는 상기 제1 회전자(141)의 위상과 상기 제2 회전자(142)의 위상을 다른 위상 상태로 만든 후(도 4의 (d),(e),(f) 참조), 상기 동기전동기(140)의 제1 회전자(141) 및 상기 제2 회전자(142)를 동일한 속도로 회전시킨다.
상기와 같이 상기 동기전동기(140)의 제1 회전자(141) 및 상기 제2 회전자(142)의 위상을 다른 위상으로 조절함으로써 하드웨어적으로 약계자 제어를 수행할 수 있게 된다.
이하 상기 제1 회전자(141)와 상기 제2 회전자(142)의 위상이 다른 위상 상태가 되게 조절함으로써 약계자 제어를 수행하는 원리에 대해서 설명한다.
1) 전동기(즉, 모터)의 전기 방정식 : (v: 전압, R: 권선저항, L: 인덕턴스, i: 권선전류, E: 역기전력),
2) 모터 토크 : ( : 상수, : 계자자속, i: 권선전류),
3) 역기전력 : (: 역기전력 상수, : 계자자속, : 모터속도)으로 정의될 때, 정상상태에서 인덕턴스 항을 0으로 가정하면, 상기 수식 1), 2), 3) 으로부터 다음 토크() 수식이 도출된다.
상기 토크() 수식으로부터 토크()는 모터속도의 1차 함수로 볼 수 있으며, 동손실과 자기포화로 인해 인가전압에 제한이 있기 때문에 일정 토크에서 모터 속도가 제한되고, 여기서, 계자자속을 작아지게 한다면 더 빠른 속도로 제어할 수 있게 된다. 따라서 본 실시 예는 이러한 원리에 기초하여 회전자에 위상 변환기(130)를 적용해 토크를 발생시키는 유효 계자자속을 작아지게 하는 약계자 제어를 수행하는 것이다.
상기와 같이 본 실시 예는 영구자석 동기전동기의 약계자 제어 시, 매순간 전류 보상값을 연산하여 인버터 제어를 수행할 경우 모터 속도가 증가함에 따라 제어부의 연산 부하를 증가시키는 문제를, 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자 간의 위상을 하드웨어적으로 조절함으로써, 제어부의 연산 부하를 경감시키고 안정적이며 강건한 약계자 제어를 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이상으로 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다. 또한 본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍 가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.
110 : 제어부 120 : 유압 밸브부
130 : 위상 변환기 131 : 제1 베인부
131a : 제1 베인 132 : 제2 베인부
132a : 제2 베인 140 : 동기전동기
141 : 제1 회전자 142 : 제2 회전자
143 : 전동기 스테이터 150 : 감속기
Shaft_1 : 제1 샤프트 Shart_2 : 제2 샤프트

Claims (15)

  1. 전동기 스테이터;
    상기 전동기 스테이터의 내 측에 영구자석으로 형성된 제1 회전자;
    상기 전동기 스테이터의 내 측에 영구자석으로 형성되며 상기 제1 회전자로부터 지정된 간격으로 이격되어 배치되는 제2 회전자; 및
    상기 제1 회전자 및 상기 제2 회전자 간의 위상을 조절하는 위상 변환기;를 포함하되,
    상기 위상 변환기에는,
    제2 베인부를 회전시키기 위한 유압이 인가되는 제1 공간 또는 제2 공간이 형성되며,
    상기 제1 공간 및 상기 제2 공간에 유압을 인가하거나 배출하기 위하여,
    상기 위상 변환기의 제2 베인부와 동기전동기의 제2 회전자가 연결되는 제2 샤프트의 둘레에 제1 홈과 제2 홈이 각기 다른 위치에 형성되고,
    상기 제2 샤프트의 제2 홈에서 상기 제1 공간 방향으로 향하는 제2 유압 경로와 홀이 상기 제2 베인부에 형성되며, 상기 제2 샤프트의 제1 홈에서 상기 제2 공간 방향으로 향하는 제1 유압 경로와 홀이 상기 제2 베인부에 형성되는 동기전동기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 회전자는 제1 샤프트의 일 측에 연결되어 회전되고, 상기 제1 샤프트의 타 측은 상기 위상 변환기의 제1 베인부에 연결되며,
    상기 제2 회전자는 제2 샤프트의 일 측에 연결되어 회전되고, 상기 제2 샤프트의 타 측은 상기 위상 변환기의 제2 베인부에 연결되는 것을 특징으로 하는 동기전동기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 샤프트는 상기 제2 샤프트를 길이 방향으로 관통하여 상기 제1 회전자에 연결되는 것을 특징으로 하는 동기전동기.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 제1 회전자와 상기 제2 회전자 간의 위상은,
    상기 제2 베인부의 회전 방향과 회전 각도에 대응하여 동 위상 또는 다른 위상으로 조절되는 것을 특징으로 하는 동기전동기.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 제1 베인부는 상기 제2 베인부를 원형으로 둘러싸는 형태로 형성되며, 내 측을 향하여 균등한 각도 간격으로 돌출되게 형성되는 복수의 제1 베인;을 포함하고,
    상기 제2 베인부는 상기 제1 베인부의 내 측에 배치되면서 원형의 바디에서 외 측을 향하여 균등한 각도 간격으로 돌출되게 형성되는 복수의 제2 베인;을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기전동기.
  6. 제 2항에 있어서, 상기 제2 샤프트는,
    상기 위상 변환기 내의 상기 제2 샤프트의 일 측 둘레에 제1 홈이 형성되고,
    상기 제1 홈의 일 측에 제1 홀이 형성되며,
    상기 제2 베인부의 제2 베인의 일 측에 제2 공간 방향으로 제2 홀을 형성하고, 상기 제2 샤프트의 내 측으로 상기 제1 홀과 상기 제2 홀을 연결하여 유압이 흐를 수 있는 제1 유압 경로가 형성되는 것을 특징으로 하는 동기전동기.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 기재된 상기 동기전동기의 회전 속도를 제어하고, 상기 동기전동기의 회전 속도에 따라, 위상 변환기를 제어하여 상기 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자의 위상을 조절하는 제어부; 및
    상기 제어부의 제어에 따라, 상기 위상 변환기에 유압을 인가하여, 상기 유압에 의해 상기 위상 변환기의 제2 베인부를 지정된 방향으로 지정된 각도만큼 회전시키는 유압 밸브부;를 포함하되,
    상기 위상 변환기에는,
    제2 베인부를 회전시키기 위한 유압이 인가되는 제1 공간 또는 제2 공간이 형성되며,
    상기 제1 공간 및 상기 제2 공간에 유압을 인가하거나 배출하기 위하여,
    상기 위상 변환기의 제2 베인부와 동기전동기의 제2 회전자가 연결되는 제2 샤프트의 둘레에 제1 홈과 제2 홈이 각기 다른 위치에 형성되고,
    상기 제2 샤프트의 제2 홈에서 상기 제1 공간 방향으로 향하는 제2 유압 경로와 홀이 상기 제2 베인부에 형성되며, 상기 제2 샤프트의 제1 홈에서 상기 제2 공간 방향으로 향하는 제1 유압 경로와 홀이 상기 제2 베인부에 형성되는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 제어 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 위상 변환기의 제2 베인부에 형성된 제2 베인의 우측과 제1 베인부에 형성된 제1 베인의 사이에 형성된 제1 공간에 유압을 인가하여 상기 제2 베인부를 제1 방향으로 회전시키거나,
    상기 제2 베인의 좌측과 상기 제1 베인의 사이에 형성된 제2 공간에 유압을 인가하여 상기 제2 베인부를 제2 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 제어 장치.
  9. 제 8항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제2 베인부가 제1 방향으로 회전하여 상기 제2 베인의 좌측이 상기 제1 베인의 우측에 밀착된 상태를 디폴트 상태라고 할 때, 상기 디폴트 상태에서 상기 제2 베인의 좌측과 상기 제1 베인의 사이에 형성된 제2 공간에 유압을 인가하여 상기 제2 베인부를 제2 방향으로 회전시키는 경우,
    상기 제2 공간에 인가했던 유압을 배출시킴으로써, 상기 제2 베인부가 다시 본래의 제1 방향으로 돌아가도록 회전시키는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 제어 장치.
  10. 삭제
  11. 제 8항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제2 베인부를 제1 방향 또는 제2 방향으로 지정된 각도만큼 회전시킴으로써, 상기 제2 베인부에 제2 샤프트를 통해 연결된 제2 회전자도 제1 방향 또는 제2 방향으로 회전되게 하여,
    상기 제1 회전자의 위상과 상기 제2 회전자의 위상이 동 위상 상태가 되게 제어하거나, 또는 상기 제1 회전자의 위상과 상기 제2 회전자의 위상이 다른 위상 상태가 되게 제어하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 제어 장치.
  12. 제어부가 동기전동기의 회전 속도를 제어하고, 상기 동기전동기의 회전 속도에 따라, 위상 변환기를 제어하여 상기 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자의 위상을 조절하는 단계; 및
    유압 밸브부가, 상기 제어부의 제어에 따라, 상기 위상 변환기에 유압을 인가하여, 상기 유압에 의해 상기 위상 변환기의 제2 베인부를 지정된 방향으로 지정된 각도만큼 회전시키는 단계;를 포함하되,
    상기 위상 변환기에는,
    제2 베인부를 회전시키기 위한 유압이 인가되는 제1 공간 또는 제2 공간이 형성되며,
    상기 제1 공간 및 상기 제2 공간에 유압을 인가하거나 배출하기 위하여,
    상기 위상 변환기의 제2 베인부와 동기전동기의 제2 회전자가 연결되는 제2 샤프트의 둘레에 제1 홈과 제2 홈이 각기 다른 위치에 형성되고,
    상기 제2 샤프트의 제2 홈에서 상기 제1 공간 방향으로 향하는 제2 유압 경로와 홀이 상기 제2 베인부에 형성되며, 상기 제2 샤프트의 제1 홈에서 상기 제2 공간 방향으로 향하는 제1 유압 경로와 홀이 상기 제2 베인부에 형성되는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 제어 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자의 위상을 조절하기 위하여,
    상기 제어부는,
    상기 위상 변환기의 제2 베인부에 형성된 제2 베인의 우측과 제1 베인부에 형성된 제1 베인의 사이에 형성된 제1 공간에 유압을 인가하여 상기 제2 베인부를 제1 방향으로 회전시키거나,
    상기 제2 베인의 좌측과 상기 제1 베인의 사이에 형성된 제2 공간에 유압을 인가하여 상기 제2 베인부를 제2 방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 제어 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자의 위상을 조절하기 위하여,
    상기 제어부는,
    상기 제2 베인부가 제1 방향으로 회전하여 상기 제2 베인의 좌측이 상기 제1 베인의 우측에 밀착된 상태를 디폴트 상태라고 할 때, 상기 디폴트 상태에서 상기 제2 베인의 좌측과 상기 제1 베인의 사이에 형성된 제2 공간에 유압을 인가하여 상기 제2 베인부를 제2 방향으로 회전시키는 경우,
    상기 제2 공간에 인가했던 유압을 배출시킴으로써, 상기 제2 베인부가 다시 본래의 제1 방향으로 돌아가도록 회전시키는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 제어 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 동기전동기의 제1 회전자 및 제2 회전자의 위상을 조절하기 위하여,
    상기 제어부는,
    제2 베인부를 제1 방향 또는 제2 방향으로 지정된 각도만큼 회전시킴으로써,
    상기 제2 베인부에 제2 샤프트를 통해 연결된 제2 회전자도 제1 방향 또는 제2 방향으로 회전되게 하여,
    상기 제1 회전자의 위상과 상기 제2 회전자의 위상이 동 위상 상태가 되게 제어하거나, 또는 상기 제1 회전자의 위상과 상기 제2 회전자의 위상이 다른 위상 상태가 되게 제어하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 제어 방법.
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