KR20170099175A

KR20170099175A - 저전압 고주파 신호를 이용한 영구자석 동기전동기의 고장 진단 방법 및 그 장치

Info

Publication number: KR20170099175A
Application number: KR1020160021211A
Authority: KR
Inventors: 정태욱
Original assignee: 경남대학교 산학협력단
Priority date: 2016-02-23
Filing date: 2016-02-23
Publication date: 2017-08-31

Abstract

본 발명은 전동기, 특히, 영구자석 동기전동기의 고장을 진단하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명은 영구자석 동기전동기의 고장을 진단하는 새로운 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 일 실시예에 의한 영구자석 동기전동기의 고장 진단 방법 및 진단 장치는 진단 대상의 동기전동기를 구동시키지 않는 전압 파형을 이용한다.

Description

저전압 고주파 신호를 이용한 영구자석 동기전동기의 고장 진단 방법 및 그 장치{Fault Diagnosis Method for Permanent Magnet Synchronous Motor by the Low Voltage High Frequency Signal}

본 발명은 전동기, 특히, 영구자석 동기전동기(BLDC 모터)의 고장을 진단하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

영구자석 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor : PMSM)는 높은 효율성, 높은 전력 밀도 및 제어의 용이성으로 인해 전기 자동차에 널리 사용되고 있다.

이러한 영구자석 동기전동기의 주요 고정 원인은, IEEE 및 EPRI 보고서에 의하면, 영구자석의 감자, 회전자의 편심, 그리고 베어링의 파손 등인 것으로 보고되고 있다.

전동기에 있어서 고정자 전선의 비정상적 전류 증가는 고정자 동손과 전동기 내부의 온도상승 및 영구자석의 불가역 감자의 원인이 될 수 있다.

영구자석의 불가역 감자는 전동기의 출력 감소뿐만 아니라 오동작을 발생시킬 수 있으며, 그리고, 이러한 동기전동기의 고장은 전기 자동차 등등의 경우 그 사고 위험을 증가시키는 요인이 되기 때문에 사전에 이를 진단하여 대응할 수 있는 기술이 필요하다.

특히, 전기 자동차의 간편한 유지보수와 사용자의 안전확보를 위해 전동기 상태를 모니터링 할 수 있는 온-보드 진단장치의 개발이 요구되고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1210825호에서는 직류자계 생성 및 고정자 전류 측정을 통해 영구자석 동기전동기의 감자 현상 및 편심에 의한 고장을 진단하는 기술에 대해 소개하고 있지만, 이러한 기술은 정확한 고장 진단이 어려운 단점이 있다.

본 발명은 영구자석 동기전동기의 고장을 진단하는 새로운 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

특히, 영구자석 동기전동기를 분해하지 않을 뿐만 아니라, 전기 자동차 등등 그 장착된 제품에서 온-보드 상태로 그 고장을 진단할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 영구자석 동기전동기의 고장 진단 방법 및 진단 장치는 진단 대상의 동기전동기를 구동시키지 않는 전압 파형을 이용한다.

입력 전압 파형은 해당 동기전동기의 정격 구동 전압보다 그 주파수는 크고 그 전압의 크기는 작은 것이 바람직하다.

입력 전압 파형의 주파수는 해당 정격 구동 전압의 2배이거나, 더욱 바람직하게는 3배 이상일 수 있다. 그리고 입력 전압 파형의 전압은 해당 정격 구동 전압의 1/2 이하이거나, 더욱 바람직하게는 20% 이하일 수 있다.

이와 같은 저전압 고주파 파형은 해당 동기전동기를 구동시키지 않기 때문에 동기전동기는 구동되지 않은 채 정지 상태로 진단된다.

한편, 상기와 같은 입력 전압 파형을 해당 동기전동기에 공급하기 위해 인버터가 이용될 수 있다.

또한, 입력 전압 파형의 주파수 및 전압의 크기를 사용자로부터 입력받을 수 있도록 입력부가 포함될 수 있다. 입력부를 통해 사용자가 주파수 및 전압 값을 입력하면 인버터는 그 주파수 및 전압의 입력 전압 파형을 생성하여 해당 동기전동기로 공급하게 된다.

여기서, 입력부는 그러한 프로그램이 탑재된 노트북과 같은 컴퓨터 장치로 구현될 수 있다.

또한, 전기자동차 주행용 전동기의 구동제어기를 통하여 입력 전압 파형을 생성 공급할 수도 있다.

동기전동기에 공급될 입력 전류에 대해 FFT 스펙트럼 분석을 수행하여 입력 파형의 주파수 이외에 다른 주파수가 포함되어 있는지 확인함으로써 동기전동기의 고장, 특히, 회전자의 감자 상태를 진단할 수 있다. 영구자석의 감자가 전혀 발생하지 않은 경우에는 입력 전압 파형의 주파수만 확인되지만, 감자가 발생하면 입력 전압 파형의 주파수 성분 이외에도 일정한 간격으로 다른 주파수 성분이 반복되어 확인된다.

스펙트럼 분석을 위해 인버터의 입력측 또는 출력측에 FFT 스펙트럼 분석기를 병렬로 연결할 수 있다.

동기전동기의 영구자석 중 일부가 감자된 경우에는 동기전동기의 입력 전류치가 감소하게 된다. 따라서, 입력 전류치를 측정하여 동기전동기 회전자의 영구자석의 감자 정도를 확인할 수 있다. 예컨대, 8극 영구자석을 포함하는 동기전동기에 있어서, 하나의 극이 감자되었을 때와 2개의 극이 감자되었을 때 입력 전류치가 달라지게 되며, 따라서, 전류치를 측정하여 감자 정도를 진단할 수 있다. 전류치는 감자된 영구자석 극수가 많아질수록 낮아지는 것이 확인되었다.

동기전동기를 분해하지 않고 고장 진단을 효율적으로 수행하는 것이 가능하다.

또한, 고장 진단에 필요한 시간을 단축할 수 있으며, 효율적인 전동기의 유지보수가 가능하다.

도1은 본 발명의 하나의 실시예에 의한 진단 장치가 진단 대상의 동기전동기와 연결된 상태를 도시한다.
도2는 도1의 진단 장치로 진단을 수행함에 있어서 그 입력 전압 파형을 그 동기전동기의 정격 입력 전압 파형과 비교하여 나타낸다.
도3 및 도4는 진단 대상의 동기전동기에 대해 시뮬레이션을 수행하여 얻은 그 입력 전류의 FFT 스펙트럼 분석 결과 및 전류치를 나타낸다.

도1 내지 도3을 통해 본 발명의 하나의 실시예에 의한 영구자석(121) 동기전동기(100)의 고장 진단 방법 및 장치를 설명한다.

도1에 보이는 바와 같이 진단 대상의 동기전동기(100)는 3상 동기전동기(100)로서, 회전자(120)는 8극의 영구자석(121)을 포함하며, 회전자(120) 둘레에서 전류가 공급됨에 따라 회전자계를 형성하는 고정자(110)가 포함되어 있다.

동기전동기(100)는 입력 전압 파형(20)을 공급받기 위해 인버터(200)와 연결되어 있으며, 인버터(200)는 파워서플라이(300)과 연결되어 전원을 공급받는다.

그리고, 도시하지는 않았지만, 사용자가 원하는 입력 전압 파형(20)을 선택하거나 설정할 수 있도록 입력부가 포함된다. 입력부를 통해 사용자는 입력 전압 파형(20)의 주파수 및 전압 크기를 조절할 수 있으며, 그에 따라 인버터(200)는 입력 전압 파형(20)을 생성하여 동기전동기(100)로 공급하게 된다.

여기서, 입력 전압 파형(20)의 전압 및 주파수는 인버터(200)의 안정성을 고려하여 허용 가능한 범위 내에서 결정되는 것이 바람직하다.

도2는 입력 전압 파형(20)의 예를 도시하고 있다. 도2의 입력 전압 파형(20)은 진단 대상 동기전동기(100)의 그 정격 입력 전압 파형(10)보다 주파수는 3배 더 크며, 전압 크기는 1/3 정도이다.

이러한 입력 전압 파형(20)은 정격 전압 파형(10)에 비해 고주파수이며 저전압이기 때문에 해당 전동기(100)를 구동시키지는 못한다. 즉, 진단이 진행되는 동안 동기전동기(100)는 구동되지 않고 정지된 상태를 유지하게 된다.

종래의 전기자동차 전동기 고장 진단 장치의 경우 운전중에 진단을 수행하였으며, 변속 등의 영향으로 정확한 진단이 어려운 단점이 있었지만, 본 발명에서는 전동기를 정지 상태로 진단할 수 있기 때문에 더욱 민감하게 영구자석(121) 감자 현상을 진단할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 진단 방치 및 진단 방법은 전기자동차의 전동기를 진단할 경우 전동기를 자동차로부터 분해하지 않고도 그 장착된 그대로의 상태에서 진단이 가능한 장점이 있다. 즉, 온-보드 진단이 가능하다.

더불어, 본 발명에서는 입력 전압 파형(20)으로서 특정 주파수를 이용하기 때문에 노이즈 제거를 위한 필터 설계가 상대적으로 매우 용이한 장점이 있다.

한편, 동기전동기(100)로 입력되는 전류에 대한 FFT 스펙트럼 분석을 위해 FFT 스펙트럼 분석기(400)가 포함된다. 이러한 FFT 스펙트럼 분석기(400)는 도1에 보이는 바와 같이 인버터(200)의 입력측에 연결될 수도 있고, 인버터(200)의 출력측에 연결될 수도 있다.

FFT 스펙트럼 분석 결과, 입력 전압 파형(20)의 주파수 이외에 다른 주파수가 발견되면, 영구자석(121) 중 적어도 일부가 감자된 것으로 판단할 수 있다.

영구자석(121)의 이와 같은 감자 현상은 고정자 코일(111)의 단락으로 인해 발생하거나 또는 과열로 인해 고정자에서 과대 전류가 흐르는 경우 발생할 수 있으며, 본 진단 방법 및 장치를 통해 영구자석(121)의 감자를 확인함에 따라 그러한 고장 여부를 알 수 있다.

전류의 스펙트럼 분석은 차량에 탑재된 온-보드 마이컴을 이용하거나, 또는 별도의 진단용 마이컴에 의할 수도 있다.

한편, 본 발명에 의한 진단 장치는 전기자동차의 일부로 구성되어 탑재될 수 있다. 도3은 본 발명에 의한 진단 장치가 탑재된 그러한 전기자동차를 나타내고 있다.

도3의 전기자동차는 차륜을 구동시키는 전동기(100)와, 상기 전동기(100)에 입력 전압 파형을 공급하기 위한 인버터(200)와, 상기 인버터(200)에 전원을 제공하기 위한 배터리(301)와, 상기 배터리(301)를 충전시키기 위한 충전장치(1)를 포함한다. 도면 부호 2는 조향휠(2)을 나타낸다.

상기 전기자동차는 전동기(100)의 고장, 특히 영구자석의 감자 상태를 진단하기 위해 본 발명에 의한 진단 장치를 포함한다. 진단 장치는, 도1에 도시된 진단 장치와 마찬가지로 인버터(200)와 FFT 스펙트럼 분석기(400)와 전류의 스펙트럼 분석을 수행하기 위한 마이컴(500)을 포함한다. 여기서, FFT 스펙트럼 분석기(400)는 인버터(200)의 출력측으로서 인버터(200)와 전동기(100) 사이에 연결된다.

한편, 외부 장치로서 진단용 보드의 마이컴이 스펙트럼 분석을 위해 이용될 수 있는데, 이때에는 상기 진단용 외부 장치를 차량에 접속하여 FFT 스펙트럼 분석기(400)로부터 신호를 받아 수행할 수도 있다.

여기서, 입력 전압 파형은 미리 설정되어 있으며, 인버터(200)는 미리 설정된 진단 시점 또는 진단 조건이 만족 됨에 따라 입력 전압 파형을 생성하여 전동기(100)로 공급한다. 입력 전압의 파형은 마찬가지로 인버터(200)의 안정성에 문제가 없도록 허용 가능한 범위에서 미리 설정되어 있다.

위와 같은 전기자동차에서는 자동차가 주행 중에 일시적으로 정차하여 아이들 정지(idle stop) 상태일 때 주기적으로 진단이 수행될 수 있다.

한편, 일반 전기자동차로서 위와 같은 진단 장치가 탑재되지 않은 자동차에 대해 진단을 수행하고자 할 경우에는, 본 발명의 진단 장치를 해당 자동차의 전동기 또는 인버터에 연결하여 진단을 수행할 수도 있다. 이 경우 진단 장치는, 입력 전압 파형의 전압 및 주파수를 입력하기 위한 입력장치, 상기 입력장치에 따라 전압 파형을 생성하는 인버터, FFT 스펙트럼 분석기 등을 포함할 수 있다. 그리고, 인버터의 경우는 전기자동차에 탑재된 인버터를 그대로 이용할 수 있으며, 그럴 경우 진단 장치에는 포함되지 않을 수도 있다.

도4 및 도5는 동기전동기(100)의 감자 발생 극수에 따라 스펙트럼 분석 결과 및 입력 전류 파형을 나타낸다.

도면에 보이는 바와 같이, 감자가 전혀 발생하지 않은 정상 상태의 동기전동기(100)의 경우는 특정 주파수 성분만이 검출되며 전류 크기 또한 큰 것으로 확인되었다.

반면, 감자가 발생한 경우, 감자가 발생한 극수에 관계 없이 정상 상태의 그 특정 주파수 성부 이외의 성분이 반복적으로 검출됨을 알 수 있다. 본 실시예에서는 정상 상태 주파수 성분에 대해 1/4 간격으로 반복하여 다른 주파수 성분이 확인되고 있다.

따라서, 입력측 전류의 스펙트럼 분석을 통해 정상상태 주파수 성분 이외의 주파수 성분이 검출되는지 여부를 확인하면 영구자석(121)에서 감자가 발생했는지 여부를 판단할 수 있게 된다.

또한, 전류치를 보면, 감자가 발생한 경우에는 정상 상태에 비하여 전류치가 작아진 것을 확인할 수 있으며, 그리고, 감자된 영구자석(121)의 극수에 따라 그 전류치는 더 작게 검출됨이 확인되었다. 따라서 검출된 전류치를 확인함으로써 감자된 영구자석(121) 극의 개수를 판단할 수 있다.

본 발명에 의한 고장 진단 장치 및 방법은 전기자동차의 동기전동기에 대한 고장 진단에 이용될 수 있다. 특히, 전기자동차의 동기전동기가 아이들 정지 상태에 있는 상태로 그 고장을 진단할 수 있다.

10 : 정격 전압 파형 20 : 입력 전압 파형
100 : 동기전동기 110 : 고정자
111 : 고정자 권선 120 : 회전자
121 : 회전자 영구자석 200 : 인버터
300 : 파워서플라이 400 : FFT 스펙트럼 분석기

Claims

파워서플라이;
상기 파워서플라이로부터 전원을 공급받고, 진단 대상의 영구자석 동기전동기를 구동시키지 못하는 주파수 및 전압을 가지는 입력 전압 파형을 생성 공급하는 인버터;
상기 파워서플라이와 상기 인버터 사이 또는 상기 인버터와 상기 진단 대상 전동기 사이의 전류에 대해 스펙트럼 분석을 수행하는 FFT 스펙트럼 분석기
를 포함하는 영구자석 동기전동기 고장 진단 장치.
제1항에 있어서,
상기 입력 전압 파형은 상기 전동기의 정격 구동 전압 파형보다 주파수가 높고 전압은 낮은 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기 고장 진단 장치.
제2항에 있어서,
상기 입력 전압 파형은 상기 정격 구동 전압 파형보다 주파수가 2배 이상이고, 전압은 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기 고장 진단 장치.
진단 대상의 영구자석 동기전동기에 인버터 및 파워서플라이어를 연결하는 단계;
상기 전동기를 구동시키지 못하는 주파수 및 전압을 가지는 입력 전압 파형을 상기 전동기에 공급하는 단계;
상기 파워서플라이와 상기 인버터 사이 또는 상기 인버터와 상기 전동기 사이의 전류에 대해 FFT 스펙트럼 분석을 수행하는 단계;
상기 스펙트럼 분석 결과로부터 상기 입력 전압 파형의 주파수 이외에 다른 주파수가 포함되어 있는지 확인하는 단계
를 포함하는 영구자석 동기전동기 고장 진단 방법.
제4항에 있어서,
상기 입력 전압 파형은 상기 전동기의 정격 구동 전압 파형보다 주파수가 높고 전압은 낮은 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기 고장 진단 방법.
제5항에 있어서,
상기 입력 전압 파형은 상기 정격 구동 전압 파형보다 주파수가 2배 이상이고, 전압은 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기 고장 진단 방법.
제4항에 있어서,
상기 스펙트럼 분석 결과, 상기 입력 전압 파형의 주파수 이외에 다른 주파수가 포함되어 있는 경우 상기 전동기의 회전자 영구자석 중 적어도 일부가 감자된 것으로 판단하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기 고장 진단 방법.
제7에 있어서,
상기 전류의 전류치에 따라 상기 전동기의 회전자 영구자석의 감자 정도를 판단하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기 고장 진단 방법.
제4항에 있어서,
상기 스펙트럼 분석 결과로부터 상기 입력 전압 파형의 주파수 성분 이외에 상기 입력 파형 주파수 성분과 일정 간격으로 이격된 다른 주파수 성분이 반복적으로 포함되어 있는지 확인하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기전동기 고장 진단 방법.