KR20180060017A - 다단 변속 시스템 및 제어 방법 - Google Patents

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최세완
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서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 다단 변속 시스템 및 제어 방법을 개시한다. 본 발명의 일 측면에 따른 구동모터에 3상 교류전원을 공급하는 인버터를 포함하는 다단 변속 시스템은, 병렬로 연결된 제 1 권선 및 제 2 권선을 포함하는 상부 권선부, 중부 권선부 및 하부 권선부를 포함하고, 상기 각각의 권선부의 입력측은 상기 인버터의 출력측과 서로 다른 결선으로 연결되고, 상기 각각의 권선부의 출력측 타단은 중성점을 형성하는 구동모터; 상기 인버터의 출력측과 상기 제 2 권선의 입력측에 연결되어, 상기 인버터로부터의 전류가 상기 제 2 권선으로 공급되도록 스위칭하는 변속 스위치부; 및 상기 인버터 및 변속 스위치부를 제어하여 상기 제 1 권선 또는 상기 제 1 권선 및 제 2 권선에 전류를 공급하도록 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

다단 변속 시스템 및 제어 방법{MULTI- STAGE TRANSMISSION SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING THEREOF}
본 발명은 다단 변속 시스템 및 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 구동모터에 포함된 권선들이 병렬로 연결된 다단 변속 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.
최근 지구환경문제가 범세계적인 관심사가 되면서 선진국을 중심으로 환경규제가 강화되고 있으며, 특히 자동차와 관련 있는 배기가스 규제, 연비규제 등을 중심으로 더욱 확대되고 있다. 이에 따라, 소음이 적고 배기 가스를 전혀 내지 않는 차세대 자동차로 관심이 이어지고 있으며, 전기 자동차는 연료로서 가솔린 엔진과는 달리 전기를 사용하고, 동력원으로는 축전지를 사용한다. 이에 따르면, 전기 자동차는 배기가스의 배출이 전혀 없기 때문에 무공해차량으로 최근에 각광을 받고 있다.
종래의 전기 자동차를 포함하여 구동모터를 이용하는 구동장치는 고토크 운전과 고속 주행을 위한 고속운전을 필요로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 다단 변속 시스템의 구성을 도시한 도면, 도 2는 다른 종래 기술에 따른 다단 변속 시스템의 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 다단 변속 시스템은, 배터리(13)의 전압이 인버터(11)에 공급되고, 인버터(11)는 제어부(미도시)의 제어에 따라 구동모터(12)의 특성에 맞게 전압을 변환시켜 구동모터(12)에 인가한다. 하지만, 도 1에 도시된 바와 같은 종래 기술에 따른 다단 변속 시스템의 구동모터(12)는 단일의 권선으로 이루어져, 고토크와 고속형 모두를 만족할 수 없는 조건을 가져, 고속 주행시 속도 영역에서 한계를 갖는다. 이에 따라, 상술한 단점을 극복하기 위해 아래의 도 2에 도시된 바와 같은 시스템이 개발되었다.
도 2에 도시된 바와 같은 다단 변속 시스템은, 이중의 권선부(21)에 전류를 공급하도록 제어함으로써 고토크 및 고속의 주행조건을 모두 만족 시킬 수 있게 되었다.
하지만, 도 2에 도시된 바와 같은 다단 변속 시스템은 교류 전동기 내 3 상 권선의 중성점을 변경하여 고속 및 저속 토크를 조절하도록 구성되므로, 교류 전동기 측에서 볼 때, 교류전동기에서 나오는 9개의 배선으로 인하여 교류전동기 주변 회로와 구동 시스템이 복잡하고, 속도 또는 토크 조절을 위해 권선절체부(23) 내에 다이오드를 사용하므로 발열이 심한 문제점이 발생한다.
한국공개특허 제2014-0071705호(2014.06.12 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 구동모터의 권선들을 병렬로 연결시키고, 변속 스위치부의 스위치로 사이리스터(Thyristor)를 사용하는 다단 변속 시스템 및 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 일 실시 예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 구동모터에 3상 교류전원을 공급하는 인버터를 포함하는 다단 변속 시스템은, 병렬로 연결된 제 1 권선 및 제 2 권선을 포함하는 상부 권선부, 중부 권선부 및 하부 권선부를 포함하고, 상기 각각의 권선부의 입력측은 상기 인버터의 출력측과 서로 다른 결선으로 연결되고, 상기 각각의 권선부의 출력측 타단은 중성점을 형성하는 구동모터; 상기 인버터의 출력측과 상기 제 2 권선의 입력측에 연결되어, 상기 인버터로부터의 전류가 상기 제 2 권선으로 공급되도록 스위칭하는 변속 스위치부; 및 상기 인버터 및 변속 스위치부를 제어하여 상기 제 1 권선 또는 상기 제 1 권선 및 제 2 권선에 전류를 공급하도록 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 변속 스위치부는, 제 1 사이리스터 및 제 2 사이리스터가 병렬로 연결되되, 상기 제 1 사이리스터 및 제 2 사이리스터는 스위치의 방향이 서로 반대임에 따라, 스위치에 흐르는 전류의 방향이 서로 다를 수 있다.
상기 제 1 사이리스터는, 인버터로부터 인가된 전류의 양의 방향 전류만 흐르고, 상기 제 2 사이리스터는, 인버터로부터 인가된 전류의 음의 방향 전류만 흐를 수 있다.
상기 제 1 사이리스터 및 제 2 사이리스터는, 번갈아 가며 스위칭하여 인버터로부터 인가된 전류를 모두 구동모터로 입력시킬 수 있다.
상기 제 1 사이리스터에 입력되는 게이트 신호 주기는 인버터에서 출력되는 교류 신호의 주기와 동일하고, 상기 제 1 사이리스터와 제 2 사이리스터에 입력되는 게이트 신호 간의 주기는 인버터에서 출력되는 신호의 반주기일 수 있다.
상기 구동모터에 포함되는 권선은, 변속 모드의 수에 따라 그 개수가 다르게 설정될 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 구동모터에 3상 교류전원을 공급하는 인버터; 병렬로 연결된 제 1 권선 및 제 2 권선을 포함하는 상부 권선부, 중부 권선부 및 하부 권선부를 포함하고, 상기 각각의 권선부의 입력측은 상기 인버터의 출력측과 서로 다른 결선으로 연결되고, 상기 각각의 권선부의 출력측 타단은 중성점을 형성하는 구동모터; 상기 인버터의 출력측과 상기 제 2 권선의 입력측에 연결되어, 상기 인버터로부터의 전류가 상기 제 2 권선으로 공급되도록 스위칭하는 변속 스위치부; 및 상기 인버터 및 변속 스위치부를 제어하여 상기 제 1 권선 또는 상기 제 1 권선 및 제 2 권선에 전류를 공급하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 다단 변속 시스템에서의 제어 방법은, 상기 변속 스위치부는 스위치의 방향이 서로 반대임에 따라, 스위치에 흐르는 전류의 방향이 서로 다른 서로 다른 제 1 사이리스터 및 제 2 사이리스터가 병렬로 연결되고, 상기 제어부는, 차량의 운전 속도가 고속일 경우, 상기 변속 스위치부에 제어신호를 발생시켜, 인버터로부터 인가된 전류가 제 1 사이리스터를 통해 양의 방향 전류만 흐르게 하거나, 인버터로부터 인가된 전류가 제 2 사이리스터를 통해 음의 방향 전류만 흐르게 할 수 있다.
상기 변속 스위치부는, 상기 제 1 사이리스터 및 제 2 사이리스터를 번갈아 가며 스위칭하여 인버터로부터 인가된 전류를 모두 구동모터로 입력시킬 수 있다.
상기 제 1 사이리스터에 입력되는 게이트 신호 주기는 인버터에서 출력되는 교류 신호의 주기와 동일하고, 상기 제 1 사이리스터와 제 2 사이리스터에 입력되는 게이트 신호 간의 주기는 인버터에서 출력되는 신호의 반주기일 수 있다.
상기 구동모터에 포함되는 권선은, 변속 모드의 수에 따라 그 개수가 다르게 설정될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 변속 스위치부의 스위치로 사이리스터를 사용함으로써 발열 현상을 감소시키고, 변속시 토크 단절 및 전류가 튀는 현상을 방지할 수 있으므로 전체 시스템에서의 전력 손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 소자들이 소형, 경량화되어 장치에 설치가 용이함으로써 장치의 소형화 및 경량화가 가능하다.
또한, 차량의 속도 변화에 따라 적절한 변속 모드를 선택함으로써 고토크와 고속형 영역을 모두 만족시키고, 연비를 개선할 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용들과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 다단 변속 시스템의 구성을 도시한 도면,
도 2는 다른 종래 기술에 따른 다단 변속 시스템의 구성을 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 구성을 개략으로 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 회로도를 개략적으로 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 토크 및 속도 특성을 도시한 도면,
도 6 (a) 및 도 6 (b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 제 1 변속 모드에서의 전류 흐름을 설명하기 위한 도면,
도 7 (a) 및 도 7 (b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 제 2 변속 모드에서의 전류 흐름을 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 회로도를 개략적으로 도시한 도면,
도 9 (a) 및 도 9 (b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 제 1 변속 모드에서의 전류 흐름을 설명하기 위한 도면,
도 10 (a) 및 도 10 (b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 제 2 변속 모드에서의 전류 흐름을 설명하기 위한 도면,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 변속 시스템에서의 제어 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “…부” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 회로도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 4를 참조하면, 본 실시 예에 따른 다단 변속 시스템은 인버터(310), 변속 스위치부(330), 구동모터(350) 및 제어부(370)를 포함한다.
인버터(310)는 직류 전원을 교류 전원으로 바꾸는 역할을 한다.
인버터(310)는 구동모터(350)를 구동하는 구성일 수 있다.
인버터(310)는 후술할 구동모터(350)에 3상 교류전원을 공급할 수 있다.
인버터(310)는 컨버터(미도시)와 구동 모터 사이 및/또는 컨버터(미도시)와 변속 스위치부(330) 사이에 위치할 수 있다. 이때, 변속 스위치부(330)는 병렬로 연결된 사이리스터(Thyristor)일 수 있다. 사이리스터는 게이트(gate), 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)의 세 터미널을 가지는 스위칭 가능한 다이오드(diode)일 수 있다. 사이리스터는 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled rectifier : SCR)라고도 불릴 수 있다.
인버터(310)는 컨버터(미도시)로부터의 입력 전원을 인버팅하여 3상 교류 전원을 출력할 수 있다.
인버터(310)의 입력측에는 캐패시터(313)가 연결될 수 있다. 캐패시터(313)는 컨버터(미도시)가 전파정류한 직류 전압을 안정시킬 수 있다. 캐패시터(313) 및 컨버터(미도시)는 모터 구동 시스템의 전원으로 배터리를 사용하는 경우 생략할 수 있다. 또한, 캐패시터(313)는 전원과 인버터(310) 사이에 위치하여 버퍼로서의 역할을 수행할 수 있으며, 직류 전원을 저장할 수 있다.
인버터(310)는 구동모터(350)를 구동하는 회로로써, 다수의 트랜지스터로 구성될 수 있다. 이때, 트랜지스터는 전자식 스위치(Insulated Gate Biopolar Transistor : IGBT)(311)일 수 있다. 즉, 인버터(310)는 다수 개의 전자식 스위치(IGBT)(311)를 포함할 수 있다. 전자식 스위치(311)는 브릿지 회로를 구성하여 하드 스위칭 동작을 실행할 수 있다. 인버터(310)는 제어부(370)로부터 제어신호(CS1)를 수신하여, 입력 전원(예컨데, 전류)을 구동모터(350)로 전송할 수 있다. 제어신호를 수신한다는 것은, 스위치의 게이트(gate)에 펄스 신호가 입력된다는 것을 의미할 수 있다.
변속 스위치부(330)는 인버터(310)의 출력측과 후술할 구동모터(350)에 포함되는 제 2 권선(360b, 370b, 380b)의 입력측에 연결되어, 인버터(310)로부터의 전류가 제 2 권선(360b, 370b, 380b)으로 공급되도록 스위칭할 수 있다. 이때, 변속 스위치부(330)는 병렬로 연결된 사이리스터(Thyristor)일 수 있다. 즉, 변속 스위치부(330)는 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)가 병렬로 연결되어, 인버터(310)와 후술할 구동모터(350)의 제 2 권선(360b, 370b, 380b)의 사이에 위치할 수 있다. 병렬로 연결된 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)는 스위치의 방향이 서로 반대이고, 이에 따라 턴 온 시 흐르는 전류의 방향이 서로 반대이다. 예컨대, 본 실시 예에 있어서, 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c)는 양(+)의 방향으로 전류가 흐르는 스위치이고, 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)는 음(-)의 방향으로 전류가 흐르는 스위치이다. 이에 따라, 인버터(310)에서 전류가 인가되면, 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c)에는 양(+)의 방향 전류만 흐르고, 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)에는 음(-)의 방향 전류만 흐를 수 있다. 사이리스터는 게이트에 펄스 신호가 입력되면 스위치가 턴 온되어 일정 방향으로 전류가 흐르게 되고, 그 전류가 0이 되는 순간에 자동으로 스위치는 턴 오프될 수 있다. 사이리스터는 게이트(gate), 애노드(anode) 및 캐소드(cathode)의 세 터미널을 가지는 스위칭 가능한 다이오드(diode)일 수 있다. 사이리스터는 실리콘 제어 정류기(Silicon Controlled rectifier : SCR)라고도 불릴 수 있다. 사이리스터는 제어부(370)로부터 제어신호(CS2)를 수신하는 경우, 스위칭을 하여 한 방향으로만 전류가 흐르도록 할 수 있다. 변속 스위치부(330)는 제어신호(CS2)를 수신하게 되면, 먼저 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c)가 턴 온되어, 양(+)의 방향 전류만 흐르다가 전류가 0이 되는 순간에 턴 오프되고, 이후 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)가 턴 온되어, 음(-)의 방향 전류만 흐르다가 전류가 0이 되는 순간에 턴 오프될 수 있다. 또한, 변속 스위치부(330)는 상술한 스위칭의 동작이 반대 즉, 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)가 먼저 동작하고 이후에 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c)가 동작할 수도 있다. 변속 스위치부(330)는 인버터(310)로부터 인가되는 전류를 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)가 번갈아가며 스위칭하여 각각 양(+)의 방향 및 음(-)의 방향 전류를 흐르게 하고, 이를 구동모터(350)로 전달한다. 즉, 변속 스위치부(330)는 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)가 번갈아가며 스위칭하여 각각 양(+)의 방향 및 음(-)의 방향 전류가 흐르므로, 인버터로부터 인가된 전류가 모두 권선으로 입력될 수 있다. 한편, 사이리스터는 다음과 같은 장점을 가질 수 있다. 먼저, 사이리스터는 고전압 대전류의 제어가 용이하다. 사이리스터는 제어 이득이 높고, 게이트 신호가 소멸하여도 온 상태를 유지할 수 있다. 사이리스터는 수명이 반영구적이어서 신뢰성이 높으며, 써지 전압 전류에도 강하다. 사이리스터는 소형, 경량으로 기기나 장치에의 설치가 용이하다.
구동모터(350)는 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 및 제 2 권선(360b, 370b, 380b)을 포함할 수 있다. 구동모터(350)의 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 및 제 2 권선(360b, 370b, 380b)은 병렬로 연결될 수 있다. 구동모터(350)는 인버터(310) 및/또는 변속 스위치부(330)로부터 전류를 수신하는 경우, 주행에 맞는 동력을 발생시킬 수 있다. 이때, 상기 권선은 변속 모드의 수에 따라 그 개수가 달라질 수 있다. 본 실시 예에서는 제 1 변속 모드 및 제 2 변속 모드가 존재하므로, 권선은 2개가 존재할 수 있다.
구동모터(350)는 3상 교류 모터일 수 있다. 구동모터(350)는 병렬로 연결된 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 및 제 2 권선(360b, 370b, 380b)을 포함하는 권선부가 3개 존재할 수 있다. 이때, 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 및 제 2 권선(360b, 370b, 380b)을 포함하는 각각의 권선부(예컨대, 상부 권선부(360), 중부 권선부(370) 및 하부 권선부(380))는 인버터(310)의 출력측과 서로 다른 결선으로 연결되어 전류를 인가받을 수 있다. 이때, 각 권선부(360, 370, 380)의 제 2 권선(360b, 370b, 380b)의 입력측과 인버터(310)의 출력측에는 사이리스터가 병렬로 연결된 변속 스위치부(330)가 위치할 수 있다. 본 실시 예에서는 제 2 권선(360b, 370b, 380b)의 입력측에만 변속 스위치부(330)가 위치하는 것으로 설명하지만 이에 한하지 않으며, 각 권선부(360, 370, 380)의 제 1 권선(360a, 370a, 380a)의 입력측과 인버터(310)의 출력측 사이에도 사이리스터가 병렬로 연결된 변속 스위치부(330)가 위치할 수도 있다. 또한, 각 권선부의 타단은 중성점(n)을 형성할 수 있다. 이때, 구동모터(350)의 종단은 서로 단락될 수 있다.
제어부(370)는 인버터(310) 및 변속 스위치부(330)를 제어하여, 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 또는 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 및 제 2 권선(360b, 370b, 380b)에 전류를 공급하도록 제어할 수 있다.
제어부(370)는 미리 저장된 각종 로직을 이용하여 구동모터(350)의 동작을 제어할 수 있다. 예컨대, 제어부(370)는 설정된 프로그램에 의해 동작하는 마이크로프로세서일 수 있다. 제어부(370)는 인버터(310) 및/또는 변속 스위치부(330)에 제어신호(CS1)(CS2)를 발생시킬 수 있다. 제어부(370)는 인버터(310) 및/또는 변속 스위치부(330)에 제어신호(CS1)(CS2)를 발생시켜 구동모터(350)의 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 또는 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 및 제 2 권선(360b, 370b, 380b)에 전류를 공급하여 구동모터(350)의 동작을 제어할 수 있다.
제어부(370)는 차량의 운전 속도에 따라 변속 스위치부(330)를 오프 상태 또는 온 상태가 되도록 제어할 수 있다. 차량의 운전 속도는 기본적으로, 차량의 속도 센서를 통해 측정될 수 있다. 제어부(370)는 운전 속도가 저속 운전 구간일 경우, 변속 스위치부(330)를 오프 상태로 제어할 수 있다. 이때, 제어부(370)는 변속 스위치부(330)를 오프 상태로 제어하는 경우, 제 1 변속 모드로 변경할 수 있다. 제 1 변속 모드는, 저속, 고토크 운전 영역에서 동작할 수 있다. 즉, 제어부(370)는 운전 속도가 저속 운전 구간일 경우, 변속 스위치부(330)를 오프 상태로 제어하여 제 1 권선(360a, 370a, 380a)에만 전류가 흐르도록 함으로써 제 1 변속 모드로 변경할 수 있으며, 이에 따라 저속, 고토크 운전 영역에서 동작하도록 할 수 있다. 이때, 상술한 바에 따른 제 1 변속 모드에서의 전류의 흐름은 도 6 (a) 및 도 6 (b)를 통해 확인할 수 있다. 도 6 (a) 및 도 6 (b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 제 1 변속 모드에서의 전류 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 도 6 (a)에 도시된 바와 같이, 제 1 변속 모드로 변경될 경우, 인버터(310)로부터 인가된 전류는 제 1 권선(360a, 370a, 380a)에만 흐르게 되고, 제 2 권선(360b, 370b, 380b)에는 흐르지 않게 된다. 즉, 제 2 권선(360b, 370b, 380b)의 입력측에 연결된 변속 스위치부(330)는 동작하지 않는다. 이때, 도 6 (b)를 참조하면, 인버터(310)에서는 서로 다른 결선을 통해 서로 다른 위상을 갖는 전류(ia, ib, ic)가 구동모터(350)의 제 1 권선(360a, 370a, 380a)으로 인가되는 것을 확인할 수 있다(ia1, ib1, ic1). 또한, 구동모터(350)의 제 2 권선(360b, 370b, 380b)으로는 변속 스위치부(330)가 오프되어 있으므로 전류가 인가되지 않는 것을 확인할 수 있다(ia2, ib2, ic2). 또한, 변속 스위치부(330)는 제어부(370)로부터 제어신호를 수신하지 않아 동작하지 않으므로, 병렬로 연결된 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)에는 전류가 흐르지 않는 것을 확인할 수 있다.
한편, 제어부(370)는 운전 속도가 고속 운전 구간일 경우, 변속 스위치부(330)를 온 상태로 제어할 수 있다. 제어부(370)는 변속 스위치부(330)를 온 상태로 제어하는 경우, 제 2 변속 모드로 변경할 수 있다. 제 2 변속 모드는, 고속 운전 영역에서 동작할 수 있다. 즉, 제어부(370)는 운전 속도가 고속 운전 구간일 경우, 변속 스위치부(330)를 온 상태로 제어하여 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 및 제 2 권선(360b, 370b, 380b) 모두에 전류가 흐르도록 함으로써 제 2 변속 모드로 변경할 수 있으며, 이에 따라 고속 운전 영역에서 동작하도록 할 수 있다. 이때, 상술한 바에 따른 제 2 변속 모드에서의 전류의 흐름은 도 7 (a) 및 도 7 (b)를 통해 확인할 수 있다. 도 7 (a) 및 도 7 (b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 제 2 변속 모드에서의 전류 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 도 7 (a)에 도시된 바와 같이, 제 2 변속 모드로 변경될 경우, 인버터(310)로부터 인가된 전류는 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 및 제 2 권선(360b, 370b, 380b) 모두에 전류가 흐를 수 있다. 즉, 제 2 권선(360b, 370b, 380b)의 입력측에 연결된 변속 스위치부(330)는 제어부(370)로부터 제어신호(CS2)를 수신하여 동작할 수 있다. 이때, 도 7 (b)를 참조하면, 인버터(310)에서는 서로 다른 결선을 통해 서로 다른 위상을 갖는 전류(ia, ib, ic)가 구동모터(350)의 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 및 제 2 권선(360b, 370b, 380b)으로 인가되는 것을 확인할 수 있다(ia1, ib1, ic1 및 ia2, ib2, ic2). 또한, 변속 스위치부(330)는 제어부(370)로부터 제어신호를 수신하여 동작하므로, 병렬로 연결된 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)에 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다. 본 실시 예에 따르면, 먼저 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c)가 제어부(370)로부터 제어신호를 수신하는 경우 턴 온되어, 양(+)의 방향 전류만 흐르다가 전류가 0이 되는 순간에 턴 오프되고, 이후 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)가 턴 온되어, 음(-)의 방향 전류만 흐르다가 전류가 0이 되는 순간에 턴 오프되는 것을 확인할 수 있다. 이처럼, 변속 스위치부(330)는 인버터(330)로부터 인가되는 전류를 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)가 번갈아가며 스위칭하여 각각 양(+)의 방향 및 음(-)의 방향 전류를 흐르게 하고, 이를 구동모터(350)(예컨대, 제 2 권선(360b, 370b, 380b)으로 전달한다. 이와 같은 동작은, 제어부(370)가 차량의 운전 속도가 고속 운전 구간이라고 판단하는 경우 반복적으로 수행될 수 있으며, 차량의 운전 속도가 저속 운전 구간이라고 판단하는 경우 제 1 변속 모드로 변경됨에 따라 변속 스위치부(330)는 오프될 수 있다. 다시 말해, 제 2 변속 모드에서 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c)가 턴 온되는 경우 양(+)의 방향 전류만 회로에 흐르게 되며, 전류가 0이 되는 순간 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c)는 턴 오프된다. 사이리스터의 게이트에 펄스 신호가 입력되면, 스위치가 턴 온되어 일정 방향으로 전류가 흐르게 되고, 그 전류가 0이 되는 순간에 자동으로 해당 스위치는 턴 오프될 수 있다. 이후, 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)가 턴 온되어 음(-)의 방향 전류가 회로에 흐르게 되며, 전류가 0이 되는 순간 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)는 턴 오프된다. 이와 같은 과정은 2 변속 모드에서 반복적으로 수행되며, 제 2 권선(360b, 370b, 380b)측으로 인버터(310)의 전류가 인가되어 구동모터(350)가 동작할 수 있다. 한편, 변속 스위치부(330)는 제어부(370)에 의해 제어신호가 수신되면, 변속 스위치부(330)에 포함된 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c)와 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)의 게이트에 펄스 신호가 번갈아가며 입력되며, 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c)에 입력되는 게이트 신호의 주기는 인버터에서 출력되는 교류 신호의 주기와 동일하며, 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c)에 입력되는 게이트 신호와 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)에 입력되는 게이트 신호 간의 주기는 인버터에서 출력되는 신호의 반주기와 동일하다.
상술한 바에 따르면, 변속 스위치부(330)에 제어신호(CS2)가 인가되면, 병렬로 연결된 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)에는 양 또는 음(-)의 방향 전류가 번갈아 가며 흐르게 되고, 인버터(310)로부터 인가된 전류를 구동모터(350)로 전달할 수 있다. 이때, 병렬로 연결된 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)는 각각 양(+)의 방향 또는 음(-)의 방향 중 어느 한 쪽의 전류가 흐르다가 전류가 0이 되는 순간 스위치가 오프된다. 즉, 사이리스터는 그 특성상 스위치에 흐르던 전류가 0이 되면, 자동으로 턴 오프되므로, 종래 기술에서 변속 스위치부로 사용하던 전자식 스위치(IGBT)에서처럼 전류가 흐를 때 스위치를 턴 오프하는 경우 서지 전압이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
즉, 본 실시 예에 따르면, 변속 스위치부(330)는 병렬로 연결된 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)를 변속 스위치로 사용하여, 차량의 운전 속도에 따라 제어부의 제어에 의해 모드를 변속하며, 변속이 이루어지는 동안 모터 전류 및 토크 단절이 발생하지 않는 장점이 있다.
제어부(370)는 차량의 운전 속도에 따라 효율이 높은 변속 모드를 동작시킬 수 있다. 예컨대, 제어부(370)는 차량의 운전 속도가 저속일 경우 제 1 변속 모드로 변경하고, 차량의 운전 속도가 고속일 경우 제 2 변속 모드를 변경할 수 있다. 이때, 저속 운전 구간 및 고속 운전 구간은 사전에 미리 정해질 수 있다. 예컨대, 저속 운전 구간은 시속 40km이하인 경우일 수 있으며, 고속 구간은 40km 초과인 경우일 수 있다. 저속 운전 구간 및 고속 운전 구간은 이에 한하지 않으며, 사전에 임의적으로 선택될 수 있다. 한편, 본 실시 예를 설명함에 있어서, 차량은 초기에 제 1 변속 모드에서부터 시작하는 것으로 가정한다.
한편, 구동모터(350)는 도 8에 도시된 바와 같이, 제 3 권선(1100c, 1200c, 1300c)을 더 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 회로도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 구동모터(350)는 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 및 제 2 권선(360b, 370b, 380b)과 병렬로 연결되는 제 3 권선(1100c, 1200c, 1300c)을 더 포함할 수 있다. 이때, 제 3 권선(1100c, 1200c, 1300c)의 입력측에는 병렬로 연결된 사이리스터가 연결될 수 있다. 즉, 병렬로 연결된 사이리스터는 인버터(310)의 출력측과 제 3 권선(1100c, 1200c, 1300c)의 입력측에 연결될 수 있다. 또한, 병렬로 연결된 사이리스터는 제 1 권선(360a, 370a, 380a)의 입력측에는 연결되지 않는 것으로 설명하지만 이에 한하지 않으며, 제 1 권선(360a, 370a, 380a)의 입력측에 연결되어도 관계없다. 하지만, 병렬로 연결된 사이리스터가 제 1 권선(360a, 370a, 380a)의 입력측에 연결될 경우에는 항상 도통(턴 온)된 상태인 것으로 가정하는 것이 바람직하다. 이때, 병렬로 연결된 사이리스터 및 권선은 변속 모드의 설정 개수에 따라 그 개수가 달라질 수 있다. 설정되는 변속 모드는 사전에 임의적으로 정해질 수 있다.
한편, 도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같은 다단 변속 시스템에서 구동모터(350)의 제 1 권선(360a, 370a, 380a)의 입력측에 변속 스위치부(330) 즉, 병렬로 연결된 사이리스터가 위치하는 경우의 전류의 흐름을 살펴보기로 한다.
도 9 (a) 및 도 9 (b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 제 1 변속 모드에서의 전류 흐름을 설명하기 위한 도면, 도 10 (a) 및 도 10 (b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 제 2 변속 모드에서의 전류 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
상술한 도 6 (a) 및 도 6 (b) 그리고, 도 7 (a) 및 도 7 (b)에서 설명한 바와 같이, 제어부(370)는 차량의 운전 속도가 저속 운전 구간일 경우, 제 1 변속 모드가 동작하도록 제어하고, 차량의 운전 속도가 고속 운전 구간일 경우, 제 2 변속 모드가 동작하도록 제어하는 것은 동일하며, 제 1 권선(360a, 370a, 380a)의 입력측에 변속 스위치부(330) 즉, 병렬로 연결된 제 3 사이리스터(S3a, S3b, S3c) 및 제 4 사이리스터(S4a, S4b, S4c)가 위치한다는 것만 차이가 있다.
도 9 (a) 및 도 9 (b)을 참조하면, 제 1 변속 모드로 변경될 경우, 인버터(310)로부터 인가된 전류는 제 1 권선(360a, 370a, 380a)에만 흐르게 되고, 제 2 권선(360b, 370b, 380b)에는 흐르지 않게 된다. 상기 변속 스위치부(330)는 병렬로 연결된 제 3 사이리스터(S3a, S3b, S3c) 및 제 4 사이리스터(S4a, S4b, S4c)일 수 있다. 상기 병렬로 연결된 제 3 사이리스터(S3a, S3b, S3c) 및 제 4 사이리스터(S4a, S4b, S4c)는 번갈아가며 스위칭하여 인버터(330)로부터 인가되는 전류를 각각 양(+)의 방향 및 음(-)의 방향 전류가 흐르도록 하고, 이를 구동모터(350)로 전달한다. 이때, 도 9 (b)를 참조하면, 인버터(310)에서는 서로 다른 결선을 통해 서로 다른 위상을 갖는 전류(ia, ib, ic)가 구동모터(350)의 제 1 권선(360a, 370a, 380a)으로 인가되는 것을 확인할 수 있다(ia1, ib1, ic1). 또한, 구동모터(350)의 제 2 권선(360b, 370b, 380b)으로는 변속 스위치부(330)가 오프되어 있으므로 전류가 인가되지 않는 것을 확인할 수 있다(ia2, ib2, ic2). 이때, 제 1 권선(360a, 370a, 380a)의 입력측에 병렬로 연결된 제 3 사이리스터(S3a, S3b, S3c) 및 제 4 사이리스터(S4a, S4b, S4c)는 제어부(370)로부터 제어신호를 수신하여 동작한다. 따라서, 병렬로 연결된 제 3 사이리스터(S3a, S3b, S3c) 및 제 4 사이리스터(S4a, S4b, S4c)에 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다. 본 실시 예에 따르면, 먼저 제 3 사이리스터(S3a, S3b, S3c)가 제어부로부터 제어신호를 수신하는 경우 턴 온되어, 양(+)의 방향 전류만 흐르다가 전류가 0이 되는 순간에 턴 오프되고, 이후 제 4 사이리스터(S4a, S4b, S4c)가 턴 온되어, 음(-)의 방향 전류만 흐르다가 전류가 0이 되는 순간에 턴 오프되는 것을 확인할 수 있다. 반면, 제 2 권선(360b, 370b, 380b)의 입력측에 병렬로 연결된 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)는 제어부로부터 제어신호를 수신하지 않아 턴 오프 상태이므로, 전류가 흐르지 않는 것을 확인할 수 있다. 도 10 (a) 및 도 10 (b)를 참조하면, 제 2 변속 모드로 변경될 경우, 인버터(310)로부터 인가된 전류는 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 및 제 2 권선(360b, 370b, 380b) 모두에 전류가 흐를 수 있다. 즉, 제 2 권선(360b, 370b, 380b)의 입력측에 연결된 변속 스위치부(330)는 제어부(370)로부터 제어신호를 수신하여 동작할 수 있다. 이때, 도 10 (b)를 참조하면, 인버터(310)에서는 서로 다른 결선을 통해 서로 다른 위상을 갖는 전류(ia, ib, ic)가 구동모터(350)의 제 1 권선 및 제 2 권선으로 인가되는 것을 확인할 수 있다(ia1, ib1, ic1 및 ia2, ib2, ic2). 또한, 변속 스위치부(330)는 제어부(370)로부터 제어신호(CS2)를 수신하여 동작하므로, 병렬로 연결된 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)에 전류가 흐르는 것을 확인할 수 있다. 본 실시 예에 따르면, 먼저 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c)가 제어부로부터 제어신호를 수신하는 경우 턴 온되어, 양(+)의 방향 전류만 흐르다가 전류가 0이 되는 순간에 턴 오프되고, 이후 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)가 턴 온되어, 음(-)의 방향 전류만 흐르다가 전류가 0이 되는 순간에 턴 오프되는 것을 확인할 수 있다. 이처럼, 변속 스위치부(330)는 인버터(330)로부터 인가되는 전류를 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)가 번갈아가며 스위칭하여 각각 양(+)의 방향 및 음(-)의 방향 전류를 흐르게 하고, 이를 구동모터(350)(예컨대, 제 2 권선(360b, 370b, 380b)로 전달한다. 이와 같은 동작은, 제어부(370)가 차량의 운전 속도가 고속 운전 구간이라고 판단하는 경우 반복적으로 수행될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 변속 시스템의 토크 및 속도 특성을 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 다단 변속 시스템은 운전 속도에 따라 효율이 높은 변속 모드에서 동작할 수 있다. 본 실시 예에 따른 다단 변속 시스템은 운전 속도가 저속 운전 구간일 경우, 사이리스터를 오프 상태로 변경하여 저속, 고토크 운전 영역에서 동작하는 제 1 변속 모드로 변경할 수 있다. 또한, 다단 변속 시스템은 운전 속도가 고속 운전 구간일 경우, 사이리스터를 온 상태로 변경하여 고속 운전 영역에서 동작하는 제 2 변속 모드로 변경할 수 있다. 즉, 본 실시 예에 따르면, 고토크 및 고속의 주행 조건을 모두 만족시킬 수 있다.
이하, 상술한 본 실시 예에 따른 다단 변속 시스템에서의 제어 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 변속 시스템에서의 제어 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 실시 예에 따른 다단 변속 시스템은, 구동모터에 3상 교류전원을 공급하는 인버터(310), 병렬로 연결된 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 및 제 2 권선(360b, 370b, 380b)을 포함하는 상부 권선부(360), 중부 권선부(370) 및 하부 권선부(380)를 포함하고, 각각의 권선부의 입력측은 인버터(310)의 출력측과 서로 다른 결선으로 연결되고, 각각의 권선부의 출력측 타단은 중성점(n)을 형성하는 구동모터(350), 인버터(310)의 출력측과 상기 제 2 권선(360b, 370b, 380b)의 입력측에 연결되어, 인버터(310)로부터의 전류가 제 2 권선(360b, 370b, 380b)으로 공급되도록 스위칭하는 변속 스위치부(330), 인버터(310) 및 변속 스위치부(330)를 제어하여 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 또는 제 1 권선(360a, 370a, 380a) 및 제 2 권선(360b, 370b, 380b)에 전류를 공급하도록 제어하는 제어부(370)를 포함한다. 이때, 변속 스위치부(330)는 병렬로 연결된 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)일 수 있다. 병렬로 연결된 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)는 스위치의 방향이 서로 반대이고, 이에 따라 턴 온 시 흐르는 전류의 방향이 서로 반대이다.
도 11을 참조하면, 먼저 다단 변속 시스템의 제어부(370)는, 차량의 운전 속도가 고속일 경우, 변속 스위치부(330)에 제어신호(CS2)를 발생시켜, 인버터(310)로부터 인가된 전류가 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c)를 통해 양의 방향 전류만 흐르게 하거나, 인버터(310)로부터 인가된 전류가 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)를 통해 음의 방향 전류만 흐르게 할 수 있다(1110).
변속 스위치부(330)는, 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)를 번갈아 가며 스위칭하여 인버터(310)로부터 인가된 전류를 모두 구동모터(350)로 입력시킬 수 있다(1130). 이때, 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c) 및 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)는 병렬로 연결되되, 전류의 방향이 서로 다른 사이리스터이기 때문에 인버터(310)로부터 인가되는 전류를 모두 구동모터(350)로 입력시킬 수 있다. 즉, 인버터(310)에서 전류가 인가되면, 제 1 사이리스터(S1a, S1b, S1c)에는 양(+)의 방향 전류만 흐르고, 제 2 사이리스터(S2a, S2b, S2c)에는 음(-)의 방향 전류만 흐를 수 있다. 사이리스터는 게이트에 펄스 신호가 입력되면 스위치가 턴 온되어 일정 방향으로 전류가 흐르게 되고, 그 전류가 0이 되는 순간에 자동으로 스위치는 턴 오프될 수 있다.
상술한 바에 따른 본 발명의 다단 변속 시스템은, 변속 스위치부의 스위치로 사이리스터를 사용함으로써 발열 현상을 감소시키고, 변속시 토크 단절 및 전류가 튀는 현상을 방지할 수 있으므로 전체 시스템에서의 전력 손실을 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 소자들이 소형, 경량화되어 장치에 설치가 용이함으로써 장치의 소형화 및 경량화가 가능하다. 또한, 차량의 속도 변화에 따라 적절한 변속 모드를 선택함으로써 고토크와 고속형 영역을 모두 만족시키고, 연비를 개선할 수 있다.
본 명세서는 많은 특징을 포함하는 반면, 그러한 특징은 본 발명의 범위 또는 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 또한, 본 명세서의 개별적인 실시 예에서 설명된 특징들은 단일 실시 예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서의 단일 실시 예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시 예에서 구현되거나, 적절히 결합되어 구현될 수 있다.
도면에서 동작들이 특정한 순서로 설명되었으나, 그러한 동작들이 도시된 바와 같은 특정한 순서로 수행되는 것으로 또는 일련의 연속된 순서, 또는 원하는 결과를 얻기 위해 모든 설명된 동작이 수행되는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정 환경에서 멀티태스킹 및 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 아울러, 상술한 실시 예에서 다양한 시스템 구성요소의 구분은 모든 실시 예에서 그러한 구분을 요구하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 상술한 앱 구성요소 및 시스템은 일반적으로 단일 소프트웨어 제품 또는 멀티플 소프트웨어 제품에 패키지로 구현될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
310 : 인버터
311 : 전자식 스위치(IGBT)
313 : 캐패시터
330 : 변속 스위치부
S1a, S1b, S1c : 제 1 사이리스터
S2a, S2b, S2c : 제 2 사이리스터
S3a, S3b, S3c : 제 3 사이리스터
S4a, S4b, S4c : 제 4 사이리스터
360a, 370a, 380a : 제 1 권선
360b, 370b, 380b : 제 2 권선
350 : 구동모터
370 : 제어부

Claims (10)

  1. 구동모터에 3상 교류전원을 공급하는 인버터를 포함하는 다단 변속 시스템에 있어서,
    병렬로 연결된 제 1 권선 및 제 2 권선을 포함하는 상부 권선부, 중부 권선부 및 하부 권선부를 포함하고, 상기 각각의 권선부의 입력측은 상기 인버터의 출력측과 서로 다른 결선으로 연결되고, 상기 각각의 권선부의 출력측 타단은 중성점을 형성하는 구동모터;
    상기 인버터의 출력측과 상기 제 2 권선의 입력측에 연결되어, 상기 인버터로부터의 전류가 상기 제 2 권선으로 공급되도록 스위칭하는 변속 스위치부; 및
    상기 인버터 및 변속 스위치부를 제어하여 상기 제 1 권선 또는 상기 제 1 권선 및 제 2 권선에 전류를 공급하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 다단 변속 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 변속 스위치부는,
    제 1 사이리스터 및 제 2 사이리스터가 병렬로 연결되되, 상기 제 1 사이리스터 및 제 2 사이리스터는 스위치의 방향이 서로 반대임에 따라, 스위치에 흐르는 전류의 방향이 서로 다른 것을 특징으로 하는 다단 변속 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 사이리스터는,
    인버터로부터 인가된 전류의 양의 방향 전류만 흐르고,
    상기 제 2 사이리스터는,
    인버터로부터 인가된 전류의 음의 방향 전류만 흐르는 다단 변속 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 사이리스터 및 제 2 사이리스터는,
    번갈아 가며 스위칭하여 인버터로부터 인가된 전류를 모두 구동모터로 입력시키는 다단 변속 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 사이리스터에 입력되는 게이트 신호 주기는 인버터에서 출력되는 교류 신호의 주기와 동일하고,
    상기 제 1 사이리스터와 제 2 사이리스터에 입력되는 게이트 신호 간의 주기는 인버터에서 출력되는 신호의 반주기인 다단 변속 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 구동모터에 포함되는 권선은, 변속 모드의 수에 따라 그 개수가 다르게 설정되는 다단 변속 시스템.
  7. 구동모터에 3상 교류전원을 공급하는 인버터; 병렬로 연결된 제 1 권선 및 제 2 권선을 포함하는 상부 권선부, 중부 권선부 및 하부 권선부를 포함하고, 상기 각각의 권선부의 입력측은 상기 인버터의 출력측과 서로 다른 결선으로 연결되고, 상기 각각의 권선부의 출력측 타단은 중성점을 형성하는 구동모터; 상기 인버터의 출력측과 상기 제 2 권선의 입력측에 연결되어, 상기 인버터로부터의 전류가 상기 제 2 권선으로 공급되도록 스위칭하는 변속 스위치부; 및 상기 인버터 및 변속 스위치부를 제어하여 상기 제 1 권선 또는 상기 제 1 권선 및 제 2 권선에 전류를 공급하도록 제어하는 제어부;를 포함하는 다단 변속 시스템에서의 제어 방법에 있어서,
    상기 변속 스위치부는 스위치의 방향이 서로 반대임에 따라, 스위치에 흐르는 전류의 방향이 서로 다른 제 1 사이리스터 및 제 2 사이리스터가 병렬로 연결되고,
    상기 제어부는,
    차량의 운전 속도가 고속일 경우,
    상기 변속 스위치부에 제어신호를 발생시켜,
    인버터로부터 인가된 전류가 제 1 사이리스터를 통해 양의 방향 전류만 흐르게 하거나, 인버터로부터 인가된 전류가 제 2 사이리스터를 통해 음의 방향 전류만 흐르게 하는 제어 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 변속 스위치부는,
    상기 제 1 사이리스터 및 제 2 사이리스터를 번갈아 가며 스위칭하여 인버터로부터 인가된 전류를 모두 구동모터로 입력시키는 제어 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 사이리스터에 입력되는 게이트 신호 주기는 인버터에서 출력되는 교류 신호의 주기와 동일하고,
    상기 제 1 사이리스터와 제 2 사이리스터에 입력되는 게이트 신호 간의 주기는 인버터에서 출력되는 신호의 반주기인 제어 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 구동모터에 포함되는 권선은, 변속 모드의 수에 따라 그 개수가 다르게 설정되는 제어 방법.
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Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008182783A (ja) * 2007-01-23 2008-08-07 Yaskawa Electric Corp ３相交流電動機の巻線切替装置及び切替方法
JP2009112136A (ja) * 2007-10-31 2009-05-21 Toyota Motor Corp 出力トルク制御装置、車両駆動システムおよび車両駆動システムを備える車両
JP2011087399A (ja) * 2009-10-15 2011-04-28 Fuji Electric Systems Co Ltd 電動機の巻線切替え装置
KR20130115614A (ko) * 2012-04-12 2013-10-22 주식회사 만도 전자식 변속 시스템 및 그의 제어 방법
KR101361455B1 (ko) * 2012-12-21 2014-02-11 계양전기 주식회사 다중 권선 방식의 브러시리스 직류 전동기 및 그 구동을 위한 인버터회로
KR20140071705A (ko) 2012-12-04 2014-06-12 주식회사 만도 모터 전자 변속용 투웨이 릴레이 장치 및 그 제어 방법
KR20160032354A (ko) * 2014-09-15 2016-03-24 현대모비스 주식회사 모터의 통전 제어 장치

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008182783A (ja) * 2007-01-23 2008-08-07 Yaskawa Electric Corp ３相交流電動機の巻線切替装置及び切替方法
JP2009112136A (ja) * 2007-10-31 2009-05-21 Toyota Motor Corp 出力トルク制御装置、車両駆動システムおよび車両駆動システムを備える車両
JP2011087399A (ja) * 2009-10-15 2011-04-28 Fuji Electric Systems Co Ltd 電動機の巻線切替え装置
KR20130115614A (ko) * 2012-04-12 2013-10-22 주식회사 만도 전자식 변속 시스템 및 그의 제어 방법
KR20140071705A (ko) 2012-12-04 2014-06-12 주식회사 만도 모터 전자 변속용 투웨이 릴레이 장치 및 그 제어 방법
KR101361455B1 (ko) * 2012-12-21 2014-02-11 계양전기 주식회사 다중 권선 방식의 브러시리스 직류 전동기 및 그 구동을 위한 인버터회로
KR20160032354A (ko) * 2014-09-15 2016-03-24 현대모비스 주식회사 모터의 통전 제어 장치

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