KR20090030766A - 전동차 모터의 출력제어방법 - Google Patents

전동차 모터의 출력제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전동차 모터의 출력제어방법에 관한 것으로, 모터의 내부 권선에 대한 연결구조를 모터의 내부 또는 외부에서 변경가능하하도록 함으로써, 모터의 크기 및 중량을 증가시키지 않으면서도 저속 고토크 영역부터 고속 저토크 영역까지 다양한 출력을 이끌어 내는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 고정자에 권선된 제1 권선 및 제2 권선의 양단에 계전기를 연결하고, 상기 계전기를 통해 모터의 구동부하에 따라 상기 제1 권선 및 제2 권선을 직렬 또는 병렬로 절환시킴으로써, 저속-고토크 영역부터 고속-저토크 영역까지 다양한 출력을 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
모터,직렬,병렬,계전기

Description

전동차 모터의 출력제어방법 { OUTPUT CONTROL METHOD FOR MOTOR OF ELECTRIC RAIL CAR }
본 발명은 전동차 모터의 출력제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 모터 내부의 권선을 외부 또는 내부에서 직렬 또는 병렬방식으로 절환하여 상기 모터의 속도와 토크를 가변시키는 방법에 관한 것이다.
모터는 코일이 권선된 고정자와 영구자석, 그리고 알루미늄 또는 철심구조로 형성된 회전자로 구성되며, 상기 고정자에 권선된 코일에 주기적으로 변화하는 전류를 흘려보냄으로써 전류변화에 따른 자계의 일정한 변화에 의해 상기 회전자에 토크가 발생하여 회전동력을 발생시키는 장치이다.
도 2는 전동차에 사용되는 일반적인 3상모터의 권선방식을 나타낸 개념도이다.
도 2에 나타난 3상 전기의 각상별 내부 권선 단은 설계 사양에 따라 도 3a와 같이 전체 권선단이 직렬로 연결되거나 도 3b와 같이 전체 권선단이 직-병렬이 혼재되어 연결된다.
동일한 모터의 설계 사양을 기준으로 각 권선의 크기를 똑같게 하고 입력되 는 전류값을 고정시킨 후, 권선 방식을 도 3a와 같은 직렬방식(병렬회로수가 1개)과 도 3b와 같은 병렬방식(병렬회로수가 2개)으로 했을때의 출력특성을 비교하면,
입력되는 전류값이 100이라고 했을때, 도 3a와 같은 직렬방식에서는 입력 전류값 100을 모두 사용할 수 있으므로 최대 토크(N.m)를 낼 수 있지만, 병렬회로수가 1개이기 때문에 최대 속도(RPM)는 상기 병렬방식에 비해 1/2밖에 되지 못하므로출력 특성이 도 4a와 같이 된다. 도 3b와 같은 병렬방식에서는 입력 전류값 100이 1/2로 나누어져 한쪽 권선에 50밖에 인가되지 않으므로 최대 토크(N.m)는 상기 직렬방식에 비해 1/2밖에 되지 못하지만 병렬회로수가 2개이기 때문에 최대 속도(RPM)은 상기 직렬방식에 비해 2배가 되므로 출력 특성이 도 4b와 같이 된다.
상기 각 권선의 연결 방식에 따른 속도-토크 특성을 동일한 그래프 상에 비표하면 도 4c와 같이 되는데, 일반적으로 차량용 모터는 높은 토크가 필요한 영역보다 고속출력이 요구되는 영역의 범위가 훨씬 많이 사용되므로 고속출력에 유리한 모터를 사용하여야 경제적이다.
하지만, 차량은 정차한 상태에서 출발하거나 짐을 많이 싣고 움직일 경우에 큰 토크가 필수적이므로 차량구동용으로 사용되는 모터는 고토크 영역을 기준으로 설계가 이루어진다.
따라서 고토크와 고속 출력을 모두 만족하는 모터를 사용하게 되면 실제 사용이 빈번한 고속 저토크 출력에 적합한 모터에 비해 모터의 크기가 훨씬 커지게 되고 고토크 상태에서의 고속 출력으로 인한 발열문제를 해결하기 위한 냉각장치도 필수적이 된다. 또한, 전동차에서 모터에 공급되는 전력을 가변하여 전동차의 속 도 가변을 위해서 사용되는 인버터의 용량도 모터의 크기에 비례하여 커져야만 했다.
본 발명은 전술한 종래의 전동차용 모터의 출력제어방법의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 모터의 내부 권선에 대한 연결구조를 모터의 내부 또는 외부에서 변경가능하도록 함으로써, 모터의 크기 및 중량을 증가시키지 않으면서도 저속 고토크 영역부터 고속 저토크 영역까지 다양한 출력을 이끌어 내는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 전동차 모터의 출력제어방법으로서, 고정자에 권선된 제1 권선 및 제2 권선의 양단에 계전기를 연결하고, 상기 계전기를 통해 모터의 구동부하에 따라 상기 제1 권선 및 제2 권선을 직렬 또는 병렬로 절환시킴으로써, 저속-고토크 영역부터 고속-저토크 영역까지 다양한 출력을 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.
이를 통하여 상기 모터의 속도 및 토크를 계전기에 대한 조작을 통해 쉽게 가변시킬 수 있으며, 상기 모터와 모터에 공급되는 전력을 조절하여 모터의 속도를 조절하는 인버터에 대한 과부하를 방지할 수 있다.
또한, 상기 계전기는, 상기 제1권선의 일방 및 타방과 연결되는 제1단자 및 제2단자와, 상기 제2권선의 일방 및 타방과 연결되는 제3단자 및 제4단자와, 상기 제1권선 및 제2권선의 조합된 연결결과가 제공되는 제5단자 및 제6단자를 구비하고 있으며, 상기 제1단자와 상기 제5단자 사이에 형성된 제1계전부와, 상기 제2단자와 상기 제6단자 사이에 형성된 제2계전부와, 상기 제3단자와 상기 제5단자 사이에 형성된 제3계전부와, 상기 제4단자와 상기 제6단자 사이에 형성된 제4계전부와, 상기 제2단자와 상기 제3단자 사이에 형성된 제5계전부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계전기는 다른 계전기와 연결되어 상기 두 계전기가 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있는 것을 특징으로 한다.
이를 통하여 상기 계전기를 제어하여 상기 모터로부터 필요한 속도와 토크를 최적의 상태로 구현할 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계전기들의 동작을 제어하여 모터에 필요한 속도와 토크 출력이 나오도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이를 통하여 상기 모터의 동작효율을 최적의 상태로 제어할 수 있으며, 일반 엔진에서 자동변속기어를 사용하여 엔진을 제어하는 것과 같은 특성을 가질 수 있게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면 전동차용 모터의 속도와 토크를 가변하기 위해 모터의 권선들에 대해 직렬 또는 병렬로 연결을 절환할 수 있도록 하여, 저속-고토크 영역에서는 직렬 연결방식으로 운용하고, 고속-저토크 영역에서는 병렬 연결방식으로 운용함으로써, 모터 및 인버터의 크기 및 중량을 크게 하지 않고도 저속 고토크 영역부터 고속 저토크 영역까지 전동차용 모터의 출력을 제어할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 통하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 하기 실시 예는 단지 예시적인 것으로, 본 발명의 기술적 사상 내에서 다양한 변형이 가능하며, 본 발명으로 한정하는 것이 아니다.
도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 1d는 각각 본 발명에 따른 전동차용 모터에 대한 권선연결구조의 예를 도시한 회로도이다.
본 발명에 따른 전동차용 모터는 고정자(미도시)에 권선된 제1 권선(110) 및 제2 권선(120)과, 상기 제1 권선(110)과 제2권선(120)의 양단에 연결된 계전기(130)를 구비하고 있다.
또한 상기 계전기(130)는 상기 제1권선(110)의 일방 및 타방과 연결되는 제1단자(111) 및 제2단자(112)와, 상기 제2권선(120)의 일방 및 타방과 연결되는 제3단자(121) 및 제4단자(122)를 구비하고 있으며, 상기 제1권선(110) 및 제2권선(120)의 연결이 조합되어 제5단자(136) 및 제6단자(137)를 통해 외부로 제공된다.
그리고, 상기 제1권선(110)과 상기 제2권선(120)의 연결을 제어하기 위하여 상기 제1단자(111)와 상기 제5단자(136) 사이에 형성된 제1계전부(131)와, 상기 제2단자(112)와 상기 제6단자(137) 사이에 형성된 제2계전부(132)와, 상기 제3단자(121)와 상기 제5단자(136) 사이에 형성된 제3계전부(133)와, 상기 제4단자(122)와 상기 제6단자(137) 사이에 형성된 제4계전부(134)와, 상기 제2단자(112)와 상기 제3단자(121) 사이에 형성된 제5계전부(135)를 포함하고 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 전동차용 모터의 출력제어과정을 구체적으로 설명한다.
도 1a와 같이 상기 제1계전부(131)와 제2계전부(132)만 ON되면, 상기 모터는 제1권선(110)만으로 동작하게 된다.
그리고, 도 1b와 같이 제3계전부(133)와 제4계전부(134)만 ON되면, 상기 모터는 제2권선(120)만으로 동작하게 된다.
또한, 도 1c와 같이 상기 제1계전부(131)와 제4계전부(134) 및 제5계전부(135)만 ON되면 상기 제1권선(110)과 제2권선(120)은 직렬로 연결되어 조합된 전체 권선에 대한 부하가 제1권선(110) 또는 제2권선(120)보다 커지게 되어 상기 모터는 저속 고토크로 동작하게 된다.
또한, 도 1d와 같이 상기 제1계전부(131)와 제2계전부(132) 및 제3계전부(133)와 제4계전부(134)만 ON되면, 상기 제1권선(110)과 제2권선(120)은 병렬로 연결되어 상기 제1권선(110) 또는 제2권선(120)에 비해 조합된 전체 권선의 부하가 작게 되어 상기 모터는 고속 저토크로 동작하게 된다.
그리고, 상기 계전기(130)를 여러개 조합하여 직렬 또는 병렬로 연결하여 제어기(미도시)로 계전기들을 제어하면 차량의 동작 단계별로 필요한 속도와 토크를 지닌 모터의 권선을 필요한 시점에 맞게 조합해 낼 수 있기 때문에 일반 엔진에서 다단자동기어를 사용한 것과 같은 특성을 가지게 되므로 상기 본 발명에 따른 전동차 모터의 출력제어방법은 저속 고토크 영역부터 고속 저토크 영역까지 사용범위가 큰 시스템에 적용될 수 있다.
도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 1d는 각각 본 발명에 따른 전동차용 모터에 대한 권선연결구조의 예를 도시한 회로도이다.
도 2는 전동차에 사용되는 일반적인 3상모터의 권선방식을 나타낸 개념도이다.
도 3은 도 2의 3상모터에서 전체 권선단의 연결구조를 나타낸 개념도이다.
도 4a는 도 3의 (a)에 대한 속도-토크-힘의 특성을 비교한 그래프이다.
도 4b는 도 3의 (a)에 대한 속도-토크-힘의 특성을 비교한 그래프이다.
도 4c는 도 3의 (a)에 대한 속도-토크-힘의 특성을 비교한 그래프이다.
*도 1a, 도 1b, 도 1c, 도 1d의 주요부분에 대한 부호의 설명*
110:제1권선 111:제1단자
112:제2단자 120:제2권선
121:제3단자 122:제4단자
130:계전기부 131:제1계전기
132:제2계전기 133:제3계전기
134:제4계전기 135:제5계전기
136:제5단자 137:제6단자

Claims (4)

  1. 전동차 모터의 출력제어방법으로서,
    고정자에 권선된 제1 권선 및 제2 권선의 양단에 계전기를 연결하고,
    상기 계전기를 통해 모터의 구동부하에 따라 상기 제1 권선 및 제2 권선을 직렬 또는 병렬로 절환시킴으로써,
    저속-고토크 영역부터 고속-저토크 영역까지 다양한 출력을 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 전동차 모터의 출력제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 계전기는,
    상기 제1권선의 일방 및 타방과 연결되는 제1단자 및 제2단자와,
    상기 제2권선의 일방 및 타방과 연결되는 제3단자 및 제4단자와,
    상기 제1권선 및 제2권선의 조합된 연결결과가 제공되는 제5단자 및 제6단자를 구비하고 있으며,
    상기 제1단자와 상기 제5단자 사이에 형성된 제1계전부와,
    상기 제2단자와 상기 제6단자 사이에 형성된 제2계전부와,
    상기 제3단자와 상기 제5단자 사이에 형성된 제3계전부와,
    상기 제4단자와 상기 제6단자 사이에 형성된 제4계전부와,
    상기 제2단자와 상기 제3단자 사이에 형성된 제5계전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동차 모터의 출력제어방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 계전기는 다른 계전기와 연결되어 상기 두 계전기가 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있는 것을 특징으로 하는 전동차 모터의 출력제어방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항에 있어서, 상기 계전기들의 동작을 제어하여 모터에 필요한 속도와 토크 출력이 나오도록 하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동차 모터의 출력제어방법.
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KR20150051564A (ko) * 2013-11-04 2015-05-13 엘지이노텍 주식회사 벨트 구동형 시동 발전기

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