KR20150004259A - 모터의 제어 시스템 및 모터의 제어 방법 - Google Patents

모터의 제어 시스템 및 모터의 제어 방법 Download PDF

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KR20150004259A
KR20150004259A KR20140061796A KR20140061796A KR20150004259A KR 20150004259 A KR20150004259 A KR 20150004259A KR 20140061796 A KR20140061796 A KR 20140061796A KR 20140061796 A KR20140061796 A KR 20140061796A KR 20150004259 A KR20150004259 A KR 20150004259A
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오영식
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삼성테크윈 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 모터의 열 등가회로와 관련된 데이터가 저장되는 데이터 저장부와, 냉각 유로부로 진입하는 냉각 유체의 온도를 측정하는 온도 측정부와, 회전자의 회전 속도를 측정하는 회전 속도 측정부와, 상기 모터의 구동 전류를 측정하는 구동 전류 측정부와, 상기 데이터 저장부에 저장된 데이터, 상기 온도 측정부에서 측정된 냉각 유체의 온도값, 상기 회전 속도 측정부에서 측정된 회전자의 회전 속도값 및 상기 구동 전류 측정부에서 측정된 구동 전류값을 이용하여, 상기 회전자의 영구 자석부의 온도를 추정하는 영구 자석 온도 추정부와, 상기 모터의 구동을 제어하는 구동 제어부를 포함하는 모터 제어 시스템을 제공한다.

Description

모터의 제어 시스템 및 모터의 제어 방법{System for controlling a motor and method for controlling a motor}
본 발명은 모터의 제어 시스템 및 모터의 제어 방법에 관한 것이다.
동력을 발생시키는 모터는, 구동 시 기전력, 와전류손 등 여러 가지 이유로 발열 현상이 발생된다.
모터에서 발생되는 열은 모터의 수명을 단축시키고, 성능에도 영향을 주므로, 모터의 냉각을 위한 여러 장치가 알려져 있다.
특히, 고정자에서는 다량의 열이 발생되므로, 고정자에서 발생된 열을 방출시켜 모터를 냉각시키는 여러 기술이 알려져 있는데, 공개특허공보 2010-0033857호에는 수냉의 방법으로 고정자를 냉각시키는 기술이 개시되어 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 회전자에 배치된 영구 자석부의 온도를 추정하고 모터를 제어하는 모터 제어 시스템 및 모터의 제어 방법을 제공하는 것을 주된 과제로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고정자와, 상기 고정자와 공극을 사이에 두고 배치되고 내부에 영구 자석부를 구비하는 회전자와, 상기 고정자 및 상기 회전자를 수용하는 하우징과, 상기 하우징에 배치되며 내부에 냉각 유체가 배치되는 냉각 유로부를 포함하는 모터를 제어하는 모터 제어 시스템에 있어서, 상기 모터의 열 등가회로와 관련된 데이터가 저장되는 데이터 저장부;와, 상기 냉각 유로부로 진입하는 냉각 유체의 온도를 측정하는 온도 측정부;와, 상기 회전자의 회전 속도를 측정하는 회전 속도 측정부;와, 상기 모터의 구동 전류를 측정하는 구동 전류 측정부;와, 상기 데이터 저장부에 저장된 데이터, 상기 온도 측정부에서 측정된 냉각 유체의 온도값, 상기 회전 속도 측정부에서 측정된 회전자의 회전 속도값 및 상기 구동 전류 측정부에서 측정된 구동 전류값을 이용하여, 상기 회전자의 영구 자석부의 온도를 추정하는 영구 자석 온도 추정부;와, 상기 모터의 구동을 제어하는 구동 제어부;를 포함하는 모터 제어 시스템을 제공한다.
여기서, 상기 고정자는, 고정자 심;과, 상기 고정자 심에 감겨있는 코일;과, 상기 고정자 심과 상기 코일 사이에 배치된 절연 부재;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 열 등가회로에서는, 상기 고정자 심, 상기 코일, 상기 영구 자석부가 주 발열원으로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 열 등가회로에서는, 상기 회전자, 상기 공극, 상기 고정자 심, 상기 절연 부재, 상기 하우징, 상기 냉각 유체가 열저항들로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 영구 자석 온도 추정부는, 상기 모터의 구동 전류값을 이용하여 상기 모터의 기준 토크값을 구하고, 상기 모터의 기준 토크값과 상기 회전자의 회전 속도값을 이용하여 상기 모터의 효율값을 구하고, 상기 모터의 효율값으로부터 상기 모터의 전체 손실열을 구하고, 상기 모터의 전체 손실열을 이용하여 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값을 구하고, 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값과 상기 열저항들의 값을 이용하여 상기 영구 자석부의 온도값을 추정할 수 있다.
여기서, 상기 영구 자석 온도 추정부는, 상기 모터의 구동 전류값과 상기 회전자의 회전 속도값을 이용하여 상기 모터의 효율값을 구하고, 상기 모터의 효율값으로부터 상기 모터의 전체 손실열을 구하고, 상기 모터의 전체 손실열을 이용하여 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값을 구하고, 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값과 상기 열저항들의 값을 이용하여 상기 영구 자석부의 온도값을 추정할 수 있다.
여기서, 상기 영구 자석 온도 추정부에서 추정된 온도값을 이용하여 상기 모터의 토크값을 추정하는 토크 추정부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 구동 제어부는, 상기 모터의 추정된 토크값을 이용하여 상기 모터의 구동을 제어할 수 있다.
여기서, 상기 구동 제어부는, 상기 영구 자석부의 안전 온도를 정하고, 상기 영구 자석부의 추정된 온도값이 상기 안전 온도에 도달하면 상기 모터에 입력되는 구동 전류를 제어할 수 있다.
여기서, 상기 영구 자석부의 안전 온도는, 상기 영구 자석부의 영구 자석의 감자 수준과 관련될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 고정자와, 상기 고정자와 공극을 사이에 두고 배치되고 내부에 영구 자석부를 구비하는 회전자와, 상기 고정자 및 상기 회전자를 수용하는 하우징과, 상기 하우징에 배치되며 내부에 냉각 유체가 배치되는 냉각 유로부를 포함하는 모터의 제어 방법에 있어서, 상기 모터의 열 등가회로를 구성하는 단계;와, 상기 냉각 유로부로 진입하는 냉각 유체의 온도값, 상기 회전자의 회전 속도값 및 상기 모터의 구동 전류값을 파악하는 단계;와, 상기 열 등가회로, 상기 냉각 유로부로 진입하는 냉각 유체의 온도값, 상기 회전자의 회전 속도값 및 상기 모터의 구동 전류값을 이용하여 상기 회전자의 영구 자석부의 온도값을 추정하는 단계;와, 상기 모터의 구동을 제어하는 단계;를 포함하는 모터의 제어 방법을 제공한다.
여기서, 상기 고정자는, 고정자 심;과, 상기 고정자 심에 감겨있는 코일;과, 상기 고정자 심과 상기 코일 사이에 배치된 절연 부재를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 열 등가회로를 구성하는 단계에서는, 상기 고정자 심, 상기 코일, 상기 영구 자석부를 주 발열원으로 하여 구성할 수 있다.
여기서, 상기 열 등가회로를 구성하는 단계에서는, 상기 회전자, 상기 공극, 상기 고정자 심, 상기 절연 부재, 상기 하우징, 상기 냉각 유체를 열저항들로 하여 구성할 수 있다.
여기서, 상기 영구 자석부의 온도값을 추정하는 단계는, 상기 모터의 구동 전류값을 이용하여 상기 모터의 기준 토크값을 구하는 단계;와, 상기 모터의 기준 토크값과 상기 회전자의 회전 속도값을 이용하여 상기 모터의 효율값을 구하는 단계;와, 상기 모터의 효율값으로부터 상기 모터의 전체 손실열을 구하는 단계;와, 상기 모터의 전체 손실열을 이용하여 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값을 구하는 단계;와, 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값과 상기 열저항들의 값을 이용하여 상기 영구 자석부의 온도값을 추정하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 영구 자석부의 온도값을 추정하는 단계는, 상기 모터의 구동 전류값과 상기 회전자의 회전 속도값을 이용하여 상기 모터의 효율값을 구하는 단계;와, 상기 모터의 효율값으로부터 상기 모터의 전체 손실열을 구하는 단계;와, 상기 모터의 전체 손실열을 이용하여 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값을 구하는 단계;와, 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값과 상기 열저항들의 값을 이용하여 상기 영구 자석부의 온도값을 추정하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 영구 자석부의 추정된 온도값을 이용하여 상기 모터의 토크값을 추정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 모터의 구동을 제어하는 단계에서는, 상기 모터의 추정된 토크값을 이용하여 상기 모터의 구동을 제어할 수 있다.
여기서, 상기 모터의 구동을 제어하는 단계에서는, 상기 영구 자석부의 안전 온도를 정하는 단계;와, 상기 영구 자석부의 추정된 온도값이 상기 안전 온도에 도달하면 상기 모터에 입력되는 구동 전류를 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 영구 자석부의 안전 온도는, 상기 영구 자석부의 영구 자석의 감자 수준과 관련될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 회전자에 배치된 영구 자석부의 온도를 추정하여 모터 제어에 이용함으로써, 영구 자석의 감자(減磁)에 의한 토크 저하를 방지하여 모터 제어에 있어 안정성을 향상시키고, 모터의 과열로 인한 고장을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 모터의 개략적인 모습을 도시한 단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 자른 단면도 중 일부를 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 일부를 확대하고, 설명을 위해 열전달 경로를 간략하게 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 관한 모터의 열 등가회로의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 관한 모터의 기준 토크-회전수-효율에 대한 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 또한, 본 명세서 및 도면에 있어서, 실질적으로 동일한 구성을 갖는 구성 요소에 대해서는, 동일한 부호를 사용함으로써 중복 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 관한 모터의 개략적인 모습을 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선을 따라 자른 단면도 중 일부를 도시한 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 관한 모터(100)는, 영구 자석이 회전자(120) 내에 매립된 매립형 영구자석 동기 모터(IPMSM)의 구조를 가지며, 고정자(110), 회전자(120), 하우징(130), 냉각 유로부(140)를 포함한다.
고정자(110)는 고정자 심(111)과, 고정자 심(111)에 감겨 있는 코일(112)과, 고정자 심(111)과 코일(112) 사이에 배치된 절연 부재(113)를 포함한다.
고정자(110)에 전기가 공급되면 회전자(120)와 상호작용을 하여 회전자(120)를 회전시키는 회전력을 발생시킨다.
본 실시예에 따른 고정자 심(111)의 소재는 철과 같은 강자성체가 사용되는 것이 바람직하다.
본 실시예에 따른 고정자 심(111)은 단일의 부재로 이루어지지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 고정자 심은 복수개의 강판이 적층된 형상으로 이루어 질 수 있으며, 그 경우 와전류(Eddy current)가 감소되는 장점을 가진다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 고정자 심(111)은, 원형 고리 형상의 요크(111a)와, 요크(111a)로부터 원형의 중심방향으로 돌출된 복수개의 치(111b)를 포함하는데, 요크(111a)와 치(111b)는 금형을 이용하여 동시에 형성될 수 있다. 또한, 치(111b)는 치(111b)의 단부로부터 연장된 한 쌍의 슈(111b_1)를 포함한다.
코일(112)은 고정자 심(111)의 치(111b)에 복수 회 권취되어 설치되는데, 모터 기술 분야에서 고정자의 권선부에 통상적으로 사용되는 코일 소재가 적용될 수 있다.
절연 부재(113)는 고정자 심(111)과 코일(112) 사이에 배치되며, 모터 기술 분야에서 일반적으로 사용되는 절연지 등의 절연 부재로 이루어질 수 있다.
한편, 회전자(120)는 영구 자석부(121)와 회전축(122)을 구비하고 있으며, 고정자 심(111)과는 공극(D)을 사이에 두고 이격되어 있다.
영구 자석부(121)는 복수개의 영구 자석으로 구성되며, 회전자(120)의 내부에 배치된다.
회전축(122)은 회전자(120)의 회동 중심이 되는 곳으로서, 베어링(135)을 개재하여 하우징(130)에 설치된다.
본 실시예의 회전축(122)은 중실축의 형상을 가지고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 회전축은 중공축의 형상을 가질 수 있다.
이상에서 설명한 회전자(120)의 구성 이외에도 회전자(120)는 기타 다른 구성을 가질 수 있는데, 그러한 기타 다른 구성은, 여러 종류의 모터에 사용되는 공지의 로터(rotor)의 구성이 그대로 적용될 수 있으므로, 여기서 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 하우징(130)은 고정자(110) 및 회전자(120)를 수용하는데, 하우징(130)의 내부에는 회전자(120)가 설치되는 회전자 설치 공간(S)이 존재한다.
한편, 냉각 유로부(140)는 하우징(130)에 배치되는데, 내부에 냉각 유체가 흐르도록 구성되어 있다.
냉각 유로부(140)는 하우징(130)의 외표면에 접촉하고 있어, 하우징(130)의 열을 내부의 냉각 유체로 전달함으로써, 하우징(130)의 열을 제거하는 기능을 수행한다. 이를 위해 냉각 유로부(140)는 온도가 낮은 새로운 냉각 유체가 진입하는 유체 인입부(141)와, 열을 전달받은 냉각 유체가 배출되는 유체 배출부(142)를 포함한다.
본 실시예에 따른 냉각 유로부(140)는 하우징(130)의 외표면에 접촉하도록 구성되어 있지만 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 냉각 유로부(140)는 하우징(130)의 안쪽에 설치될 수도 있다.
본 실시예에 따른 냉각 유로부(140) 내에 배치되는 냉각 유체는 물이 사용되지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 냉각 유체는 물 이외의 다른 물질, 예를 들어, 냉각 오일 등이 사용될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 모터 제어 시스템(200)은, 전술한 모터(100)의 구동을 제어하는 시스템으로서, 데이터 저장부(210), 온도 측정부(220), 회전 속도 측정부(230), 구동 전류 측정부(240), 영구 자석 온도 추정부(250), 토크 추정부(260), 구동 제어부(270)를 포함한다.
데이터 저장부(210)는 모터(100)의 열 등가회로와 관련된 수식, 함수, 테이블, 수식, 영구 자석 극상수, 인턱턴스, 기준 쇄교 자속, 온도 계수 등의 데이터가 저장되며, 필요한 경우 모터(100)의 구동에 필요한 운용 프로그램도 저장될 수 있다. 영구 자석 온도 추정부(250), 토크 추정부(260) 및 구동 제어부(270)는 필요한 경우 데이터 저장부(210)에 엑세스하여 원하는 데이터를 가져올 수 있도록 구성된다.
데이터 저장부(210)는, 데이터 저장을 위해 일반적으로 널리 쓰이는 장치, 예를 들면, RAM, ROM, 하드 디스크 등의 다양한 형식의 데이터 기록 장치 등이 제한 없이 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 데이터 저장부(210)에는 열 등가회로와 관련된 데이터가 저장되는데, 그러한 열 등가회로의 형태는, 모터(100)의 내부 구조 및 작성자의 작성 의도에 따라 결정된다. 즉, 일반적으로 모터(100)의 내부 구조가 복잡할수록 열 등가회로가 복잡해진다. 그러나, 모터(100)의 내부 구조가 복잡하다고 하더라도, 설계자가 열 등가회로의 정밀성보다 계산의 용이성 등을 더 중시한다면, 열 등가회로를 보다 단순하게 구성할 수도 있다.
설명을 위해, 이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 실시예의 모터(100)의 구조에 따른 열 등가회로의 일례를 설명한다.
도 3은 도 2의 일부를 확대하고, 설명을 위해 열전달 경로를 간략하게 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 관한 모터의 열 등가회로의 일 예를 도시한 도면으로서, 모터(100)의 각 부분의 열 저항들 및 열 경로가 도시되어 있다.
도 3에서는 모터(100)의 구동 시에 3개 부분을 주 발열원으로 하여 구성한다. 즉, 주 발열원으로 영구 자석부(121), 코일(112), 고정자 심(111)이 선정되어 있는데, 영구 자석부(121)에서 손실열 Q1이 발생하고, 코일(112)에서 손실열 Q2가 발생하고, 고정자 심(111)에서 손실열 Q3이 발생한다.
도 4의 열 등가회로에서는 상기 손실열 Q1, Q2, Q3은, 모터(100)의 각 부분에 걸친 열 경로들을 통과하여 냉각 유로부(140)의 냉각 유체로 전달된다. 열 경로들은, 도 4에 도시된 바와 같이, P0, P1, P2, P3, P4로 표시될 수 있는데, P0을 제외한 나머지 열 경로들 P1, P2, P3, P4 로 열이 전달되는 것으로 가정한다.
각 열 경로들에서 열이 지나가는 모터(100)의 내부의 부분들은 열저항으로 표현할 수 있는데, 모터(100)의 각 부분들의 열저항은 열전달 방식에 따라 크게 열전도 방식의 열저항과 대류 열전달 방식의 열저항으로 분류할 수 있다.
열전도 방식의 열저항 Rk은, 푸리어의 열전도식으로부터 다음의 [수학식 1]로 표시할 수 있다.
Figure pat00001
, 여기서, k는 열전도율, L은 전도 물질의 두께, A1은 전도물질의 면적임.
또한, 대류 열전달 방식의 열저항 Rconvection은, 뉴턴의 냉각 법칙으로부터, 다음의 [수학식 2]로 표시할 수 있다.
Figure pat00002
, 여기서,
Figure pat00003
는 단위 열 대류컨덕턴스 또는 평균 대류열전달계수, A2는 유체와 접촉하는 표면적임.
본 실시예의 경우에, 도 3에는 열 경로상에 존재하는 모터(100)의 각 부분이 A, B, C, D, E1, E2, E3, F, G, H, I로 표시되어 있다. 여기서 A는 회전축(122) 부분이고, B는 회전자(120)의 부분 중 영구 자석부(121)의 안쪽 부분이고, C는 회전자(120)의 부분 중 영구 자석부(121)의 바깥쪽 부분이고, D는 공극 부분이고, E1, E2 및 E3는 고정자 심(111)의 치(111b) 부분이고, F는 고정자 심(111)의 요크(111a) 부분이고, G는 하우징(130)의 부분이고, H는 절연 부재(113)의 부분이고, I는 냉각 유체의 부분이다.
도 4에는 도 3에 기재된 기호 A, B, C, D, E1, E2, F, G, H, I에 대응하는 열저항을 각각, RA, RB, RC, RD, RE1, RE2, RF, RG, RH, RI 로 표시하고 있다.
도 3에 도시된 모터(100)의 각 부분의 형태 및 배치, 열전달 매질을 고려할 때, 열전도 방식으로 표현하면 바람직한 열저항은, 회전축(122)에 대한 열저항 RA, 회전자(120)의 부분 중 영구 자석부(121)의 안쪽 부분의 열저항 RB, 회전자(120)의 부분 중 영구 자석부(121)의 바깥쪽 부분의 열저항 RC, 고정자 심(111)의 치(111b) 부분의 열저항 RE1 및 RE2, 고정자 심(111)의 요크(111a) 부분의 열저항 RF, 하우징(130)의 열저항 RG, 절연 부재(113)의 열저항 RH이다. 또한, 대류 열전달 방식으로 표현하면 바람직한 열저항은, 공극(D)의 부분의 열저항 RD, 냉각 유로부(140)의 냉각 유체의 열저항 RI 이다.
본 실시예에 따르면, 상기 열저항 RA, RB, RC, RE1, RE2, RF, RG, RH는 열전도 방식으로 표현되는 것이 바람직하고, 상기 열저항 RD, RI은 대류 열전달 방식으로 표현하는 것이 바람직하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 예를 들면, 계산의 편의성을 위해 상기 열저항 RA, RB, RC, RE1, RE2, RF, RG, RH, RD, RI은 모두 열전도 방식으로 표현될 수도 있다.
[수학식 1] 및 [수학식 2]에 기재된 바와 같이, 해당 열저항들은 각 부품의 형상의 치수, 열전달 매질의 전도율 또는 열전달계수를 통해 계산될 수 있다.
한편, 도 3을 참조로 하여 도 4에 따른 열 등가회로에서의 열 전달과정을 살펴보면 다음과 같다.
영구 자석부(121)에서 발생된 손실열 Q1은, 실제로는 영구 자석부(121)의 안쪽 부분(도 3의 B 부분)과 바깥쪽 부분(도 3의 C 부분)으로 이동하게 되는데, 도 4에 따른 열 등가회로에서는 손실열 Q1은 영구 자석부(121)의 안쪽 부분(도 3의 B 부분)으로의 이동하지 않는 것으로 가정한다. 이러한 가정은 영구 자석부(121)의 안쪽 부분으로의 열 전달률이 실제적으로도 작기 때문에 수식의 단순화를 통해 계산상의 편의를 위해서이다. 따라서, 손실열 Q1은 영구 자석부(121)의 바깥쪽 부분(도 3의 C 부분)방향으로만 이동하고 열저항 RC를 거치게 되는 것으로 한다.
이어, 손실열 Q1은 고정자(110)와 회전자(120) 사이의 공극(D)으로 이동하여 열저항 RD를 거친 후, 대류 열전달에 의해 고정자 심(111)의 치(111b) 부분의 일부(도 3의 E1 부분)로 이동하여 열저항 RE1을 거친다.
이어, 손실열 Q1은 고정자 심(111)의 치(111b) 부분의 중간부(도 3의 E3 부분)로 이동하여 손실열 Q2의 열유동과 합류하게 된다.
한편, 코일(112)에서 발생된 손실열 Q2는, 코일(112)과 접촉하는 절연 부재(113)로 이동하여 열저항 RH을 거친 후, 치(111b)의 측부(도 3의 E2 부분)로 이동하여, 열저항 RE2를 거친다. 이어, 손실열 Q2는 고정자 심(111)의 치(111b)의 중간부(도 3의 E3 부분)로 이동하여 손실열 Q1의 열유동과 합쳐지게 된다.
손실열 Q1과 Q2가 합쳐진 열유동은, 고정자 심(111)의 요크(111a) 부분(도 3의 F 부분)으로 이동하여, 열저항 RF을 거친다. 한편, 손실열 Q3은, 고정자 심(111)의 요크(111a) 부분에서 발생하는데, 손실열 Q1과 Q2의 합류 열유동에 추가로 합류된다.
손실열 Q1, Q2, Q3의 총 합류 열유동을 QT라고 정의하며, QT는 하우징(130)(도 3의 G 부분)으로 이동하여 열저항 RG를 거치고, 이어 냉각 유로부(140)의 냉각 유체(도 3의 I 부분)로 이동하여 열저항 RI를 거치고, 냉각 유체의 온도를 올리게 된다.
이상과 같이, 열 등가회로에서의 열유동 상태를 설명하였는데, 열 등가회로를 작성하고 각 열저항들의 값을 구한 후에는 그 데이터를 데이터 저장부(210)에 저장하여, 차후 영구 자석부(121)의 영구 자석의 온도를 추정할 때 사용한다.
한편, 온도 측정부(220)는 냉각 유로부(140)로 진입하는 냉각 유체의 온도를 측정하는데, 냉각 유로부(140)의 유체 인입부(141)에 설치되는 온도 측정 센서(221)와, 온도 측정 센서(221)로부터 측정 결과를 받아 계산하여 온도를 산출하는 온도 산출부(222)를 포함한다.
온도 측정 센서(221)는 온도를 측정하여 측정된 온도값을 온도 산출부(222)로 보낼 수 있는 장치이기만 하면 되며, 온도 측정 센서(221)를 선택하는데 있어 그 외의 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 온도 측정 센서(221)로는 전자식 온도 측정 센서가 사용될 수 있다.
본 실시예에서는 온도 산출부(222)가 구동 제어부(270)와 분리되어 구성되어 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 구동 제어부(270)에 온도 산출부(222)가 함께 포함되어 구성될 수 있다.
회전 속도 측정부(230)는 회전축(122)의 회전 속도를 측정하는 속도 측정 센서(231)와, 속도 측정 센서(231)로부터 측정 결과를 받아 계산하여 속도를 산출하는 속도 산출부(232)를 포함한다.
회전 속도 측정부(230)는 회전축(122)의 회전 속도를 측정하여 측정된 온도값을 속도 산출부(232)로 보낼 수 있는 장치이기만 하면 되며, 속도 측정 센서(231)를 선택하는데 있어 그 외의 특별한 제한이 없다. 예를 들어, 속도 측정 센서(231)로는 비접촉식 마그네틱 센서, 광센서 등이 사용될 수 있고, 일반적인 접촉식 속도 측정 센서도 사용될 수 있다.
본 실시예에서는 속도 산출부(232)가 구동 제어부(270)와 분리되어 구성되어 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 구동 제어부(270)에 속도 산출부(232)가 함께 포함되어 구성될 수 있다.
구동 전류 측정부(240)는 모터(100)로 입력되는 구동 전류를 측정하는 기능을 수행하며, 일반적으로 사용되는 전류 측정 장치 또는 전류 측정 회로의 형식으로 구현될 수 있다.
본 실시예에서는 구동 전류 측정부(240)가 구동 제어부(270)와 분리되어 구성되어 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 구동 제어부(270)에 구동 전류 측정부(240)가 함께 구성될 수 있다.
한편, 영구 자석 온도 추정부(250)는, 회전자(120)의 영구 자석부(121)의 영구 자석의 온도를 추정하는 기능을 수행한다. 영구 자석 온도 추정부(250)는 온도 추정 연산을 수행하는 일련의 프로그램 또는 그러한 프로그램이 탑재된 집적회로칩 등의 형태로 구현될 수 있다.
본 실시예에서는 영구 자석 온도 추정부(250)가 구동 제어부(270)와 분리되어 구성되어 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 구동 제어부(270)에 영구 자석 온도 추정부(250)가 함께 포함되어 구성될 수 있다.
영구 자석 온도 추정부(250)는, 데이터 저장부(210)에 저장된 데이터, 온도 측정부(220)에서 측정된 냉각 유체의 온도, 회전 속도 측정부(230)에서 측정된 회전축(122)의 회전 속도, 구동 전류 측정부(240)에서 측정된 모터(100)의 구동 전류를 이용하여, 영구 자석부(121)의 영구 자석의 온도를 추정하는데, 자세한 추정 과정은 후술하기로 한다.
한편, 토크 추정부(260)는, 영구 자석 온도 추정부(250)에서 추정된 영구 자석부(121)의 영구 자석의 온도를 이용하여 모터(100)의 실제 토크를 추정하는 기능을 수행한다. 토크 추정부(260)는 토크 추정 연산을 수행하는 일련의 프로그램 또는 그러한 프로그램이 탑재된 집적회로칩 등의 형태로 구현될 수 있다.
본 실시예에서는 토크 추정부(260)가 구동 제어부(270)와 분리되어 구성되어 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면 구동 제어부(270)에 토크 추정부(260)가 함께 포함되어 구성될 수 있다.
토크 추정부(260)는, 영구 자석 온도 추정부(250)에서 추정된 영구 자석부(121)의 추정 온도, 데이터 저장부(210)에 저장된 데이터 등을 이용하여 모터(100)의 실토크를 추정하는데, 자세한 추정 과정은 후술하기로 한다.
본 실시예에 따르면, 모터 제어 시스템(200)은 토크 추정부(260)를 포함하고 있지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 모터 제어 시스템(200)은 토크 추정부(260)를 포함하지 않을 수도 있다.
구동 제어부(270)는 모터(100)의 구동을 직접 제어하는데, 모터(100)의 구동을 수행하는 일련의 프로그램 또는 그러한 프로그램이 탑재된 집적회로칩 등의 형태로 구현될 수 있다.
구동 제어부(270)는, 영구 자석 온도 추정부(250)에서 추정된 영구 자석의 온도를 전달받아, 이를 반영하여 모터(100)의 구동을 제어하는데, 자세한 구동 제어 과정은 후술하기로 한다.
한편, 본 실시예에 따른 모터 제어 시스템(200)은, 전술한 모터(100)의 하우징(130)의 외부에 배치되지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 모터 제어 시스템(200)은 하우징(130)의 내부에 배치될 수도 있다.
이하, 본 실시예에 따른 모터 제어 시스템(200)이 모터(100)를 제어하는 모습을 설명한다.
사용자가 모터 제어 시스템(200)에 모터(100)의 구동 명령을 내리면, 모터 제어 시스템(200)은 모터(100)에 구동 전류를 인가하여 모터(100)를 구동한다. 여기서, 모터 제어 시스템(200)이 모터(100)에 인가시키는 구동 전류의 크기는, 사용자가 설정한 모터(100)의 토크 크기에 의해 결정된다.
모터(100)가 구동되면, 고정자(110)와 회전자(120)의 전자기적 상호작용으로 회전자(120)가 회전하기 시작하며, 모터(100)의 내부의 각 부분들에서 열이 발생하기 시작한다. 즉, 모터(100)의 각 부분에서 손실열이 발생하는데, 크게 3개의 주 발열원, 즉, 영구 자석부(121), 코일(112), 고정자 심(111)에서 각각 손실열 Q1, Q2, Q3가 발생하게 되고 모터(100)의 내부에서 열 유동이 발생하게 된다.
한편, 모터 제어 시스템(200)의 온도 측정부(220)는 냉각 유로부(140)로 진입하는 냉각 유체의 온도를 측정하여 그 측정 결과를 영구 자석 온도 추정부(250)로 보내고, 회전 속도 측정부(230)는 회전축(122)의 회전 속도를 측정하여 그 측정 결과를 영구 자석 온도 추정부(250)로 보내고, 구동 전류 측정부(240)는 모터(100)로 입력되는 구동 전류를 측정하여 그 측정 결과를 영구 자석 온도 추정부(250)로 보낸다.
영구 자석 온도 추정부(250)에서는, 데이터 저장부(210)에 저장된 데이터와, 냉각 유로부(140)로 진입하는 냉각 유체의 온도, 회전자(120)(회전축(122))의 회전 속도, 모터(100)의 구동 전류의 값을 이용하여, 회전자(120)의 영구 자석부(121)의 온도를 추정하는데, 이하 그 과정을 상세히 설명한다.
영구 자석부(121)의 영구 자석의 온도를 추정하기 위해서는 다음의 [수학식 3]으로 표시되는 기본 열전달 식을 이용한다.
Figure pat00004
,여기서, ΔT는 온도 변화량, Ri는 열저항을 나타냄.
여기서, Qi는 각각의 손실열 Q1, Q2, Q3 또는 해당 손실열들의 합류 열 유동량이 될 수 있다. [수학식 3]을 본 실시예에 적용하는 방법을 간단히 설명하면, 각각의 손실열 Q1, Q2, Q3 또는 손실열들의 합류 열 유동량을 구한 후, 그 열 유동량에 열저항 값을 곱해주면 온도 변화량 ΔT를 구할 수 있고, 그 경우 온도의 초기값을 알면 최종값도 알 수 있으므로, 열경로 상에 있는 모터(100)의 각 부분의 온도를 구할 수 있게 된다. 그 구체적인 계산에 관한 설명은 후술하기로 하고, 도 5를 참조하여, 우선 손실열 Q1, Q2, Q3의 총 합류 열유동인 QT의 값을 본 실시예에 관한 모터(100)의 토크-회전수-효율에 대한 데이터를 이용하여 구하는 과정을 설명한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 관한 모터의 기준 토크-회전수-효율에 대한 그래프이다.
손실열 Q1, Q2, Q3의 총 합류 열유동인 QT는, 본 실시예에 관한 모터(100)의 토크-회전수-효율에 대한 데이터(도 5 참조)와, 측정된 모터(100)의 구동 전류의 값 및 회전자(120)의 회전 속도값을 이용하여 구할 수 있다.
여기서, 측정된 모터(100)의 구동 전류의 값을 알게 되면, 이론적으로 모터(100)의 기준 토크 τref의 값을 구할 수 있다. 여기서, 구해진 기준 토크 τref의 값은 모터(100)의 구동시 발생하는 쇄교 자속 φa의 변화량을 고려하지 않은 이론적인 값으로서 후술하는 토크 추정부(260)에서 추정된 토크 τe와는 다른 값이다.
이어, 구해진 기준 토크 τref 값과 회전자(120)의 회전 속도 ω를, 모터 토크-회전수-효율에 대한 데이터에 대응시키면, 모터(100)의 효율을 결정할 수 있다. 도 5를 이용한 일례로서, 모터 토크-회전수의 그래프의 x점(토크는 200Nm, rpm은 1000rpm)에서의 모터의 효율은 약 95%가 된다.
즉, 모터(100)의 기준 토크 τref, 회전자(120)의 회전속도 ω, 모터(100)의 효율에 대한 데이터(효율 데이터)는 해당 모터(100)에 대한 실험 또는 시뮬레이션을 수행하여 미리 구할 수 있는 데이터이며, 그러한 데이터는 데이터 저장부(210)에 미리 저장된다. 영구 자석 온도 추정부(250)는, 모터(100)의 기준 토크 τref 값과 회전자(120)의 회전 속도 ω 값을 받아 데이터 저장부(210)의 해당 효율 데이터에 대응시킨다. 즉, 영구 자석 온도 추정부(250)는 모터(100)의 기준 토크 τref 값과 회전자(120)의 회전 속도 ω 값을 해당 효율 데이터에 대응시켜, 모터(100)의 기준 토크와 회전자(120)의 회전 속도에 따른 모터(100)의 효율값을 찾을 수 있다.
본 실시예에 따르면, 구동 전류의 값으로부터 이론적으로 모터 기준 토크값을 구하고, 구해진 모터 기준 토크값 및 회전자의 회전 속도값을 이용하여 모터 기준 토크-회전수-효율에 대한 데이터에 대응시켜, 모터의 효율값을 구하지만 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따르면, 모터의 기준 토크값을 매개하지 않고, 구동 전류값을 직접 이용하여 구동 전류-회전수-효율에 대한 데이터에 대응시켜 모터의 효율값을 구할 수도 있다. 그 경우, 모터 기준 토크-회전수-효율에 대한 데이터 대신에 구동 전류-회전수-효율에 대한 데이터를 준비하여야 하지만, 구동 전류의 값을 기준 토크로 전환하지 않고도 모터의 효율값을 구할 수 있게 된다.
이상과 같은 방법으로, 해당 모터(100)의 구동 상태에서 효율이 결정되면, 다음의 [수학식 4]에 의해 모터(100)의 전체 손실일 WT이 결정된다.
Figure pat00005
, η는 모터의 효율, Pi는 입력 전력임
손실일 WT가 구해지면, 식의 단순화와 효율적인 분석을 위해 해당 손실일은 모두 손실열로 전환된다는 가정을 한다. 그렇게 되면, 손실일 WT이 모두 손실열 QT이 된다.
이상과 같은 방법으로, 사용자는 구동되고 있는 모터(100)의 기준 토크와 회전자(120)의 회전 속도를 이용하여, 모터(100)의 전체 손실열 QT를 추정할 수 있게 된다.
한편, 모터(100)의 전체 손실열 QT가 모두 냉각 유로부(140)의 냉각 유체로 전달된다는 가정을 하면, 다음의 [수학식 5]와 같이, QT를 이용하여 냉각 유체의 배출 온도 T2를 구할 수 있다.
Figure pat00006
, 여기서, T1은 냉각 유로부(140)로 진입하는 냉각 유체의 온도, c는 비열, m은 질량임.
그러한 방식으로 냉각 유체의 배출 온도 T2를 구한 다음에는, 하우징(130)의 온도 T3를 구할 수 있다. 즉, 냉각 유로부(140)의 냉각 유체의 열저항 RI을 [수학식 2]를 이용하여 구하고, [수학식 3]을 바탕으로 한 다음의 [수학식 6] 및 [수학식 7]을 이용하여 하우징(130)의 온도 T3를 구할 수 있다.
Figure pat00007
Figure pat00008
예를 들어, T2가 340K(Kelvin), QT가 500W이고, RI가 0.03K/W이라면, 상기 [수학식 7]를 이용하여 계산하면 T3는 355K가 된다.
이상과 같이 T2의 온도로부터 하우징(130)의 온도 T3를 추정하는 방법을 설명하였는데, 하우징(130)의 온도 T3를 구하였으므로, 고정자 심(111)의 요크(111a) 부분의 온도 T4(손실열 Q3가 합류된 후의 온도)도 마찬가지 방법으로 다음의 [수학식 8]을 이용하여 추정할 수 있다.
Figure pat00009
영구 자석 온도 추정부(250)에서는, 이상과 같이 설명한 방식을 반복하여 계산하여, 순차적으로 모터(100)의 각 부품의 온도를 추정할 수 있다. 즉, 각 열경로를 지나는 열유동의 값과 열저항을 알 수 있다면, [수학식 3]을 이용하여 각 부품의 온도를 추정할 수 있게 된다. 즉, 고정자 심(111)의 치(111b) 부분의 온도, 회전자(120)의 부분 중 영구 자석부(121)의 바깥쪽 부분의 온도, 회전자(120)의 영구 자석부(121)의 온도도 순차적으로 구할 수 있게 된다.
만약 온도 추정 과정에서 손실열 Q2, Q3의 값을 정밀하게 측정하게 되면, 더욱 더 정밀하게 손실열 Q1의 값 및 영구 자석부(121)의 온도값을 추정할 수 있는데, 이를 위해 고정자 심(111)의 요크(111a)와 코일(112) 부근에 온도 센서를 장착하여, 손실열 Q2, Q3의 정밀한 측정을 할 수 있다.
한편, 영구 자석 온도 추정부(250)에서 회전자(120)의 영구 자석부(121)의 온도 Te를 추정하면, 토크 추정부(260)에서는 그 추정된 영구 자석의 온도 Te을 이용하여 모터(100)의 실토크를 추정할 수 있다. 즉, 토크 추정부(260)에서는 영구 자석 온도 추정부(250)에서 추정된 영구 자석의 온도 Te을 받아 연산하여 토크 τ를 추정한다. 이하 토크 추정부(260)에서 모터(100)의 실토크를 추정하는 일 예를 설명한다.
우선, 본 실시예에 따른 모터(100)는 매립형 영구자석 동기 모터(IPMSM)로서 abc의 3상으로 표현되는 교류 전동기이므로, 분석 및 제어를 위해 시변 계수를 제거하는 것이 편리하다. 따라서, 직교 좌표계상의 변수로 변환하는 「d-q 전환」의 좌표 변환 기법을 사용하여 좌표 변환을 실시한다.
모터(100)의 토크 τ 값은 다음의 [수학식 9]로 표현할 수 있다.
, 여기서, τm은 영구자석의 자기 에너지에 의해 발생되는 마그넷 토크이고, τr은 인덕턴스의 차에 의해 발생되는 리럭턴스 토크임.
그런데, 마그넷 토크 τm은 다음의 [수학식 10]으로 표현할 수 있고, 리럭턴스 토크 τr은 다음의 [수학식 11]로 표현할 수 있다.
Figure pat00011
, 여기서, Pn는 영구 자석 극상수, φa는 쇄교 자속, iq는 q축 구동 전류임.
Figure pat00012
, 여기서, Pn는 영구 자석 극상수, Ld는 d축 인덕턴스, Lq는 q축 인덕턴스, id는 d축 구동 전류, iq는 q축 구동 전류임.
따라서 모터(100)의 토크 τ 값은 상기 [수학식 9] 내지 [수학식 11]을 이용하여 다음의 [수학식 12]로 표현할 수 있다.
Figure pat00013
한편, [수학식 10]과 [수학식 12]에서의 쇄교 자속 φa는 다음의 [수학식 13]으로 표현할 수 있다.
Figure pat00014
, 여기서, φa｜ref는 기준 쇄교 자속, Ktemp는 영구 자석에 따른 온도계수, △Tmagnet은 영구 자석부(121)의 영구 자석의 온도 변화량임.
아울러 [수학식 13]에서의 △Tmagnet은 다음의 [수학식 14]에 의해 표현될 수 있다.
Figure pat00015
, 여기서, Te는 영구 자석의 추정 온도, Tref는 모터 구동 시 영구 자석의 예상 기준 온도임.
상기 [수학식 12] 내지 [수학식 14]를 이용하면, 모터(100)의 토크 τ 값을 추정하는 추정 토크값 τe은 다음의 [수학식 15]로 표현할 수 있다.
Figure pat00016
[수학식 15]에 따르면, 모터(100)의 추정 토크값 τe는, 추정된 영구 자석부(121)의 온도 Te의 함수로 표현된다. 즉, 모터(100)의 영구 자석부(121)의 온도 Te가 높을수록 쇄교 자속 φa는 작아지고, 모터(100)의 추정 토크값 τe도 작아지게 된다.
한편, 이하에서는 이상과 같이 추정한 영구 자석부(121)의 온도값 Te와 모터(100)의 추정 토크값 τe를 이용하여 모터(100)의 구동을 제어하는 과정을 설명한다.
우선, 사용자 또는 제조자는 영구 자석부(121)의 영구 자석의「안전 온도」를 정한다. 여기서, 「안전 온도」의 예로는 영구 자석의 감자(減磁) 수준과 관련된 온도, 안정적인 토크 제어가 가능한 수준과 관련된 온도 등이 될 수 있다. 여기서,「안전 온도」가 감자 수준과 관련되는 경우에, 「안전 온도」로 영구 자석의 감자가 시작되는 온도, 감자 수준이 정상 상태보다 10%정도 진행되는 온도, 감자 수준이 정상 상태보다 20%정도 진행되는 온도 등 여러 가지 온도 중의 적어도 하나로 할 수 있다.
구동 제어부(270)는 모터(100)의 구동 제어로서 「제1 제어 작용」과 「제2 제어 작용」의 2가지 제어를 병행하여 동시에 수행한다. 여기서, 「제1 제어 작용」은 영구 자석부(121)의 감자 현상을 방지하기 위해 「안전 온도」를 기초로 한 제어이고, 「제2 제어 작용」은 모터(100)의 토크를 정밀하게 제어하기 위한 제어이다.
제1 제어 작용의 설명
구동 제어부(270)는, 모터(100)의 구동이 시작되면, 영구 자석 온도 추정부(250)에서 추정된 영구 자석부(121)의 영구 자석의 온도값 Te를 실시간으로 전달받는다.
구동 제어부(270)는 영구 자석부(121)의 추정 온도값 Te을 영구 자석 온도 추정부(250)로부터 실시간으로 전달받아 모니터링하고 있다가, 영구 자석부(121)의 추정 온도값 Te이 「안전 온도」에 도달하면 모터(100)에 입력되는 구동 입력 전류를 낮추거나 구동 입력 전류를 일시적으로 공급하지 않음으로써 영구 자석부(121) 및 모터(100) 내부의 온도를 낮춘다. 그렇게 되면, 영구 자석부(121)의 영구 자석의 감자 현상을 방지할 수 있게 된다.
「안전 온도」를 기초로 한 다른 제어 방법의 예로서, 구동 제어부(270)는 영구 자석부(121)의 추정 온도값 Te이 「안전 온도」에 도달하는지 실시간으로 모니터링하고 있다가, 영구 자석부(121)의 추정 온도값 Te이 「안전 온도」에 도달하면 냉각 유로부(140)로 진입하는 냉각 유체의 온도를 낮추거나 냉각 유로부(140) 내의 냉각 유체의 유동을 크게 함으로써, 열전달을 크게 하여 영구 자석부(121) 및 모터(100) 내부의 온도를 낮춘다. 그렇게 되면, 영구 자석부(121)의 영구 자석의 감자 현상을 적절히 방지할 수 있게 된다.
제2 제어 작용의 설명
구동 제어부(270)는 모터(100)의 구동이 시작되면, 모터(100)의 추정 토크값 τe을 토크 추정부(260)로부터 실시간으로 전달받아 모니터링한다. 모터(100)가 구동될수록 영구 자석의 온도는 상승하기 때문에 일반적으로 쇄교 자속 φa는 작아지고 모터(100)의 추정 토크값 τe도 점차 작아지게 된다. 이어 만약 모터(100)의 추정 토크값 τe이 「입력되는 구동 전류에 대응하여 결정된 정상 토크 범위」에 미치지 못하게 되면, 구동 제어부(270)는 구동 전류를 증가시키는 방법으로 모터(100)의 토크를 정상 토크 범위로 회복시켜 안정적인 제어가 가능하게 한다. 아울러, 모터(100)의 오작동으로 지나친 토크가 발생되는 경우에 구동 제어부(270)는 구동 전류를 감소시켜 역시 모터(100)의 토크를 정상 토크 범위로 회복시키는 제어 작용을 수행함으로써, 안정적이고도 정밀한 토크 제어가 가능하도록 한다.
본 실시예에 따르면, 구동 제어부(270)는 상기 2가지의 제어를 병행하여 함께 수행한다. 즉, 상기 「제2 제어 작용」 중에도 구동 제어부(270)는 영구 자석부(121)의 영구 자석의 추정 온도값 Te이 「안전 온도」에 도달하는지 항상 모니터링하여 영구 자석의 감자 현상을 방지하는 「제1 제어 작용」도 병행하므로, 정밀한 토크 제어와 함께 영구 자석의 감자 방지도 함께 수행한다.
본 실시예에 따르면, 구동 제어부(270)는 상기 2가지의 제어를 병행하여 함께 수행하지만, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 구동 제어부(270)는 사용자의 필요에 따라 2가지 제어 중 한 가지 제어만을 선택적으로 수행할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 구동 제어부(270)가 「제1 제어 작용」과 「제2 제어 작용」중 제1 제어 작용만을 수행하도록 할 수 있고, 그와 반대로 제2 제어 작용만을 수행하도록 할 수 있다.
이상과 같이, 본 실시예에 따른 모터(100)의 제어 시스템(200) 및 제어 방법에 의하면, 모터(100)의 열 등가회로를 구성하고, 냉각 유로부(140)로 진입하는 냉각 유체의 온도값, 회전자(120)의 회전 속도값 및 모터(100)의 구동 전류값을 측정하여 영구 자석부(121)의 온도 값을 추정함으로써, 정밀하고 간단하게 영구 자석부(121)의 온도값을 추정할 수 있다.
또한, 영구 자석부(121)의 추정된 온도를 모터(100)의 제어에 이용함으로써, 모터(100)의 운용 중 영구 자석부(121)의 과도한 감자를 방지하게 된다. 그렇게 되면, 감자로 인해 예상하지 못한 모터(100)의 출력 토크의 저하를 방지하여 안정적인 출력 제어를 가능하게 하고, 아울러 모터(100)의 과열로 인한 고장을 방지하여 모터(100)의 수명을 증가시킬 수 있다.
또한, 영구 자석부(121)의 추정된 온도를 이용하여 모터(100)의 실제 토크의 추정을 수행하고, 추정된 토크를 모터(100)의 구동 제어에 이용함으로써, 모터(100)의 출력 토크에 대한 정밀한 제어를 가능하게 한다. 그렇게 되면, 모터(100)의 토크 제어에 대한 안정성을 향상시킬 수 있다.
이상과 같이 설명한 본 실시예에 따른 모터(100)는, 영구 자석이 회전자(120) 내에 매립된 매립형 영구자석 동기 모터(IPMSM)의 구조를 가지고 있으나, 본 발명이 적용되는 모터는 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명이 적용될 수 있는 모터의 형식이나 구조에는 특별한 제한이 없다. 예를 들면, 본 발명이 적용되는 모터는 표면 부착형 영구자석 동기 모터(SPMSM), 직류 모터, 교류 모터, 스테핑 모터, 리니어 모터 등의 다양한 형식 및 구조가 적용될 수 있다.
본 발명의 일 측면들은 첨부된 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
본 발명은 모터의 제조 및 모터 제어에 사용될 수 있다.
100: 모터 110: 고정자
120: 회전자 130: 하우징
140: 냉각 유로부 200: 모터 제어 시스템
210: 데이터 저장부 220: 온도 측정부
230: 회전 속도 측정부 240: 구동 전류 측정부
250: 영구 자석 온도 추정부 260: 토크 추정부
270: 구동 제어부

Claims (20)

  1. 고정자와, 상기 고정자와 공극을 사이에 두고 배치되고 내부에 영구 자석부를 구비하는 회전자와, 상기 고정자 및 상기 회전자를 수용하는 하우징과, 상기 하우징에 배치되며 내부에 냉각 유체가 배치되는 냉각 유로부를 포함하는 모터를 제어하는 모터 제어 시스템에 있어서,
    상기 모터의 열 등가회로와 관련된 데이터가 저장되는 데이터 저장부;
    상기 냉각 유로부로 진입하는 냉각 유체의 온도를 측정하는 온도 측정부;
    상기 회전자의 회전 속도를 측정하는 회전 속도 측정부;
    상기 모터의 구동 전류를 측정하는 구동 전류 측정부;
    상기 데이터 저장부에 저장된 데이터, 상기 온도 측정부에서 측정된 냉각 유체의 온도값, 상기 회전 속도 측정부에서 측정된 회전자의 회전 속도값 및 상기 구동 전류 측정부에서 측정된 구동 전류값을 이용하여, 상기 회전자의 영구 자석부의 온도를 추정하는 영구 자석 온도 추정부; 및
    상기 모터의 구동을 제어하는 구동 제어부;를 포함하는 모터 제어 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정자는,
    고정자 심;
    상기 고정자 심에 감겨있는 코일; 및
    상기 고정자 심과 상기 코일 사이에 배치된 절연 부재;를 포함하는 모터 제어 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열 등가회로에서는,
    상기 고정자 심, 상기 코일, 상기 영구 자석부가 주 발열원으로 구성된 모터 제어 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열 등가회로에서는,
    상기 회전자, 상기 공극, 상기 고정자 심, 상기 절연 부재, 상기 하우징, 상기 냉각 유체가 열저항들로 구성된 모터 제어 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 영구 자석 온도 추정부는, 상기 모터의 구동 전류값을 이용하여 상기 모터의 기준 토크값을 구하고, 상기 모터의 기준 토크값과 상기 회전자의 회전 속도값을 이용하여 상기 모터의 효율값을 구하고, 상기 모터의 효율값으로부터 상기 모터의 전체 손실열을 구하고, 상기 모터의 전체 손실열을 이용하여 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값을 구하고, 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값과 상기 열저항들의 값을 이용하여 상기 영구 자석부의 온도값을 추정하는 모터 제어 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 영구 자석 온도 추정부는, 상기 모터의 구동 전류값과 상기 회전자의 회전 속도값을 이용하여 상기 모터의 효율값을 구하고, 상기 모터의 효율값으로부터 상기 모터의 전체 손실열을 구하고, 상기 모터의 전체 손실열을 이용하여 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값을 구하고, 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값과 상기 열저항들의 값을 이용하여 상기 영구 자석부의 온도값을 추정하는 모터 제어 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 영구 자석 온도 추정부에서 추정된 온도값을 이용하여 상기 모터의 토크값을 추정하는 토크 추정부를 더 포함하는 모터의 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 구동 제어부는, 상기 모터의 추정된 토크값을 이용하여 상기 모터의 구동을 제어하는 모터의 제어 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 구동 제어부는, 상기 영구 자석부의 안전 온도를 정하고, 상기 영구 자석부의 추정된 온도값이 상기 안전 온도에 도달하면 상기 모터에 입력되는 구동 전류를 제어하는 모터 제어 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 영구 자석부의 안전 온도는, 상기 영구 자석부의 영구 자석의 감자 수준과 관련된 모터 제어 시스템.
  11. 고정자와, 상기 고정자와 공극을 사이에 두고 배치되고 내부에 영구 자석부를 구비하는 회전자와, 상기 고정자 및 상기 회전자를 수용하는 하우징과, 상기 하우징에 배치되며 내부에 냉각 유체가 배치되는 냉각 유로부를 포함하는 모터의 제어 방법에 있어서,
    상기 모터의 열 등가회로를 구성하는 단계;
    상기 냉각 유로부로 진입하는 냉각 유체의 온도값, 상기 회전자의 회전 속도값 및 상기 모터의 구동 전류값을 파악하는 단계;
    상기 열 등가회로, 상기 냉각 유로부로 진입하는 냉각 유체의 온도값, 상기 회전자의 회전 속도값 및 상기 모터의 구동 전류값을 이용하여 상기 회전자의 영구 자석부의 온도값을 추정하는 단계; 및
    상기 모터의 구동을 제어하는 단계;를 포함하는 모터의 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 고정자는,
    고정자 심;
    상기 고정자 심에 감겨있는 코일; 및
    상기 고정자 심과 상기 코일 사이에 배치된 절연 부재를 포함하는 모터의 제어 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 열 등가회로를 구성하는 단계에서는,
    상기 고정자 심, 상기 코일, 상기 영구 자석부를 주 발열원으로 하여 구성하는 모터의 제어 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 열 등가회로를 구성하는 단계에서는,
    상기 회전자, 상기 공극, 상기 고정자 심, 상기 절연 부재, 상기 하우징, 상기 냉각 유체를 열저항들로 하여 구성하는 모터의 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 영구 자석부의 온도값을 추정하는 단계는,
    상기 모터의 구동 전류값을 이용하여 상기 모터의 기준 토크값을 구하는 단계;
    상기 모터의 기준 토크값과 상기 회전자의 회전 속도값을 이용하여 상기 모터의 효율값을 구하는 단계;
    상기 모터의 효율값으로부터 상기 모터의 전체 손실열을 구하는 단계;
    상기 모터의 전체 손실열을 이용하여 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값을 구하는 단계; 및
    상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값과 상기 열저항들의 값을 이용하여 상기 영구 자석부의 온도값을 추정하는 단계;를 포함하는 모터의 제어 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 영구 자석부의 온도값을 추정하는 단계는,
    상기 모터의 구동 전류값과 상기 회전자의 회전 속도값을 이용하여 상기 모터의 효율값을 구하는 단계;
    상기 모터의 효율값으로부터 상기 모터의 전체 손실열을 구하는 단계;
    상기 모터의 전체 손실열을 이용하여 상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값을 구하는 단계; 및
    상기 냉각 유로부로부터 배출되는 냉각 유체의 온도값과 상기 열저항들의 값을 이용하여 상기 영구 자석부의 온도값을 추정하는 단계;를 포함하는 모터의 제어 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 영구 자석부의 추정된 온도값을 이용하여 상기 모터의 토크값을 추정하는 단계;를 더 포함하는 모터의 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 모터의 구동을 제어하는 단계에서는,
    상기 모터의 추정된 토크값을 이용하여 상기 모터의 구동을 제어하는 모터의 제어 방법.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 모터의 구동을 제어하는 단계에서는,
    상기 영구 자석부의 안전 온도를 정하는 단계; 및
    상기 영구 자석부의 추정된 온도값이 상기 안전 온도에 도달하면 상기 모터에 입력되는 구동 전류를 제어하는 단계;를 포함하는 모터의 제어 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 영구 자석부의 안전 온도는, 상기 영구 자석부의 영구 자석의 감자 수준과 관련된 모터의 제어 방법.
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