KR20200129227A - 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents
영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템 및 그 제어방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템 및 그 제어방법을 개시한다. 이러한 본 발명은 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템 및 그 제어방법을 개시한다. 이러한 본 발명은 영구자석의 위치 파악을 위한 센서를 사용하지 않고 다상을 이루는 고정자 코일에 순차적으로 전원이 인가되도록 제어함으로써, 회전자의 영구자석을 순차적으로 동기화시켜 영구자석의 위치에 관계없이 회전할 수 있도록 하는 것으로서, 최초 기동시에는 복수개의 코일에 전류를 흘려 기동시 토오크를 높일 수 있도록 하며, 정상 회전속도에서는 1개의 코일에만 전류를 흘려 소비전류를 줄일 수 있도록 하는 것으로서, 회전자의 초기 회전 기동은 물론 정상 회전 가동시 그 회전이 부드럽게 이루어질 수 있도록 하여 진동과 소음을 방지시킴은 물론, 동기 전동기의 소비 전력을 줄이고, 동기 전동기에 대한 제조 단가를 낮추면서도 동기 전동기의 고장율을 현저하게 줄여 고장으로 인한 경제적 손실을 방지하는 것이다.
Description
본 발명은 영구자석 동기 전동기(PMSM; Permanent Magnet Synchronous Motor)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다상을 이루는 고정자 코일에 순차적으로 전원을 인가하여 회전자의 영구자석 위치에 관계없이 회전자의 초기 회전 기동을 부드럽게 유도하고, 초기 회전 기동 이후 점진적으로 설정된 정상적인 회전 속도로 진입하는 정상 회전 기동시에는 관성력에 의한 회전 기동을 통해 전원 소비량을 줄일 수 있도록 함은 물론, 초기 회전 기동과 정상 회전 기동시 진동과 소음을 방지할 수 있도록 하는 영구자석 동기 전동기 다상 제어시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.
전동기는 정부에서의 고효율 전동기 유도에 힘입어, 효율이 낮은 종래의 유도 전동기를 대신하여 영구자석을 적용한 고효율의 영구자석 동기 전동기를 개발하기에 이르렀고, 이는 그 특성상 전동기가 일단 가동되면 종래의 유도 전동기에 비해 효율이 매우 좋아 고효율의 전동기 제작이 가능한 것이다.
그러나, 종래 영구자석 동기 전동기는 회전자 영구자석의 위치에 따라 정상적인 회전이 가능한 경우도 있고, 회전자 영구자석의 위치와 고정자 코일에 의해 발생되는 전자석 위치가 이격되어 있는 경우에는 회전자가 회전하지 못하게 되고, 이에 따라 고정자 코일에 많은 전류가 인가되어 고정자 코일이 소손되는 등의 문제점이 발생하기에 이르렀다.
이는, 영구자석 동기 전동기의 회전자 회전을 위해, 고정자 코일에 전류를 인가할 때 종래의 유도 전동기와 동일하게 고정자 코일을 2상 또는 3상으로 구성함으로써 회전자 영구자석이 180도(2상) 또는 120도(3상)의 위치에 있는 고정자 코일에 의한 전자석과 가까운 위치에 있는 경우에는 쉽게 동기화되어 회전을 하게 되나, 회전자의 전자석 위치가 고정자 코일에 의해 형성되는 전자석 위치와 멀리 이격되어 있는 경우 또는 인근 고정자 코일에 의한 전자석의 위치 중간에 위치한 경우에는 어떠한 방향으로도 동기화되기 어려워 기동이 곤란한 문제점이 발생하기 때문인 것이다.
이에 따라 종래에는 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해, 영구자석의 위치를 파악하도록 하는 공개특허공보 제10-2011-0016573호, 등록특허공보 제10-1078658호, 등록특허공보 제10-1111263호, 등록특허공보 제10-1283963호 등이 개시되거나, 등록특허공보 제10-1759473호에서와 같이 센서의 위치를 보상하는 방법이 개시되었다.
그러나, 상기와 같은 선행기술들은 영구자석의 위치 파악을 위해 엔코더 또는 홀 센서 등 고가의 센서를 사용하여 영구자석 위치를 파악한 후 전류를 인가함으로써 회전자의 회전 기동이 이루어질 수 있도록 하는 것으로, 이는 센서 등이 고가이고, 센서를 제어하기 위한 제어장치가 복잡하면서 고가인 관계로, 이를 적용한 전동기 시스템 전체의 가격 상승이 초래될 뿐만 아니라 고장율이 높은 문제점을 가지고 있었다.
이에 따라, 상기와 같은 센서 적용에 따른 문제점을 해결하기 위한 방법으로서, 홀 센서 등의 위치 센서를 사용하지 않고, 기동시 고정자 코일에 흐르는 전류를 검출하여 자석 위치를 파악하는 방법으로서 등록특허공보 제10-1618490호, 등록특허공보 제10-1087581호 등이 있으며, 역기전력을 판단하여 전동기의 위치 추적을 하는 방법으로 등록특허공보 제10-1779613호, 등록특허공보 제10-1664040호 등이 있고, ZCP(Zero Crossing Point) 검출에 의하여 위치를 파악하여 전동기를 구동하는 방법으로서 등록특허공보 제10-0791814호, 등록특허공보 제10-0877599호 등 다양한 방법으로 회전자의 초기 위치를 파악하여 전동기를 기동하는 방법 등이 제안되기에 이르렀다.
그러나, 상기와 같은 센서리스 방법들은 고가이고, 고장율이 높은 센서를 사용하지 않으나, 회전자 위치를 추정하기 위하여 복잡한 알고리즘을 동원함으로써 센서에 의한 가격을 낮추고 고장율을 낮추었다고는 하나, 제어기의 구성이 복잡해짐으로써 기대 만큼의 경제성을 발휘할 수는 없었다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 영구자석의 위치 파악을 위한 센서를 사용하지 않고 다상을 이루는 고정자 코일에 순차적으로 전원이 인가되도록 제어함으로써, 회전자 영구자석을 순차적으로 동기화시켜 회전자 영구자석의 위치에 관계없이 회전자의 초기 회전 기동은 물론 정상 회전 기동시 그 회전 기동이 부드럽게 이루어질 수 있도록 하면서, 진동과 소음을 줄이고, 동기 전동기의 소비 전력을 줄일 수 있도록 하는 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템 및 그 제어방법을 제공하려는 것이다.
본 발명의 과제 해결 수단인 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템은, 중심에 회전축이 결합되고, 외주연을 따라 상기 회전축 방향으로 둘 이상 구분되어 있으면서 동일 자극에 대하여 구분하여 배치되는 복수의 영구자석을 구비한 회전자; 및, 상기 회전자를 회전시키도록 전원 인가시 회전 자계가 생성되는 고정자 코일이 권선된 고정자; 를 포함하되, 상기 고정자에서 상기 고정자 코일은 돌극을 사이에 두고 상호 인접되는 3상 이상의 다상으로 배치 구성하고, 상기 회전자의 회전 기동시 다상으로 배치되는 상기 고정자 코일의 각 상에는 전원 인가로부터 회전 자계를 생성시 척력 및 인력의 동시 작용으로 상기 회전자의 영구자석 위치에 관계없이 상기 회전자를 순차적으로 회전 이동시키도록 제어부의 제어에 따라 전원을 순차적으로 인가하게 되는 것이다.
또한, 상기 회전자의 초기 회전 기동시에는 기동력을 높이기 위하여 상기 고정자 코일 중에서 인접한 복수개의 상에 전원을 순차적으로 인가하는 것이다.
또한, 관성의 법칙에 따라, 정지되어 있던 상기 회전자를 가동하기 위하여 각 상에 인가하는 상기 전원은 현저히 낮은 주파수로 강 자계를 인가한 뒤, 천천히 이를 증가시켜 회전자가 동기화되면서 점진적으로 증가되는 회전을 할 수 있도록 하며, 정상 회전 가동시에는 각 1개의 상에 해당하는 고정자 코일에 정상 회전수에 해당하는 주파수의 전원을 순차적으로 인가하는 것이다.
또한, 상기 고정자 코일은 4상, 6상, 8상, 12상 중 어느 하나인 것이다.
또한, 동기 전동기를 가동하기 위한 상기 제어부는, 시스템 제어를 위한 마이컴을 중심으로, 회전 속도를 변화시키기 위한 가변 주파수 발생기 및 고정자 코일에 전류를 공급 또는 차단하는 드라이버, 그리고 시스템의 보호를 위하여 전류 검출부 및 온도 검출부와, 이들에 전원을 공급하기 위한 전원부를 포함하는 것이다.
다른 일면에 따라, 본 발명에 따른 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템에 의해 구현되는 제어방법은, 전원 스위치 온 신호에 따라 구동전원이 공급시, 동기 전동기의 회전수를 설정한 후 가동 스위치를 온 시키는 제 1 단계; 상기 제 1 단계로부터 가동 스위치의 온 신호 입력시 회전 주파수를 0(zero)으로 설정하고, 회전 주파수를 상기 제 1 단계로부터 설정된 회전수에 따라 미리 연산하여둔 증가 주파수 만큼씩 순차적으로 증가시키는 제 2 단계; 상기 제 2 단계로부터 증가 주파수에 의해 순차적으로 증가되는 회전 주파수에 따라 다상으로 배치되는 고정자 코일 중에서 복수개의 상에 각각 일정시간 동안 전원을 순차적으로 인가하여 기동 토오크를 높인 상태에서 회전자가 설정된 정상 회전수에 도달할 때까지 회전자를 순차적으로 회전 이동시켜 회전자의 초기 회전 기동이 이루어지도록 하는 제 3 단계; 및, 상기 제 3 단계로부터 상기 회전자가 초기 회전 기동 이후 설정된 회전속도에 도달하는 정상 회전시, 다상으로 배치되는 고정자 코일 중에서 단상에 각각 일정시간 동안 전원을 순차적으로 인가하여 회전자를 일정한 속도로 회전시킬 수 있도록 하는 제 4 단계; 를 포함하는 것이다.
또한, 상기 제 3 단계에는, 상기 회전자의 초기 회전 기동시 상기 고정자 코일에 흐르는 전원 전류가 과전류인지를 검출하고, 동기 전동기의 온도를 검출하는 단계; 상기 단계로부터 검출된 상기 고정자 코일에 흐르는 전원 전류와 상기 동기 전동기의 온도가 설정된 정상범위내이면 초기 회전 기동을 일정시간동안 반복하면서 상기 회전자를 설정된 회전속도에 도달하는 정상 회전 기동으로 진입시키는 단계; 및, 상기 단계로부터 검출된 상기 고정자 코일에 흐르는 전원 전류와 상기 동기 전동기의 온도가 설정된 정상범위를 벗어나면 전원을 오프시켜 동기 전동기를 정지시키는 단계; 를 더 포함하는 것이다.
또한, 상기 제 4 단계에는, 상기 회전자가 정상 회전 기동에 도달시 상기 고정자 코일에 흐르는 전원 전류가 과전류인지를 검출하고, 동기 전동기의 온도를 감지하는 단계; 상기 단계로부터 검출된 상기 고정자 코일에 흐르는 전원 전류와 상기 동기 전동기의 온도가 설정된 정상범위내이면 상기 회전자의 정상 회전 기동을 전원 오프 신호가 입력될때까지 일정하게 유지시키는 단계; 및, 상기 단계로부터 검출된 상기 고정자 코일에 흐르는 전원 전류와 상기 동기 전동기의 온도가 설정된 정상범위를 벗어나면 전원을 오프시켜 동기 전동기를 정지시키는 단계; 를 더 포함하는 것이다.
또한, 상기 제 3 단계에서, 복수의 상을 이루는 고정자 코일에 전원이 인가되어 회전 자계가 생성시, 복수의 상을 이루는 상기 고정자 코일에 인접되는 하나의 영구자석은 척력과 인력의 동시 작용으로부터 관성의 법칙에 의한 관성력없이 회전 이동이 이루어지는 것이다.
또한, 상기 제 3 단계에서, 다상으로 배치되는 상기 고정자 코일 중에서 복수의 상에 전원을 순차적으로 인가시, 복수의 상은 돌극을 사이에 두고 인접하는 두 개의 고정자 코일인 것이다.
이와 같이, 본 발명의 동기 전동기는 영구자석의 위치 파악을 위한 센서를 사용하지 않고 다상을 이루는 고정자 코일에 순차적으로 전류가 인가되도록 제어한 것이고, 이를 통해 회전자의 영구자석을 순차적으로 동기화시켜 영구자석의 위치에 관계없이 회전자의 초기 회전 기동은 물론 정상 회전이 부드럽게 이루어질 수 있도록 함으로써, 진동과 소음을 방지함은 물론, 동기 전동기의 소비 전력을 줄이고, 동기 전동기 제조 단가를 낮추면서도 동기 전동기의 고장율을 현저하게 줄여 고장으로 인한 경제적 손실을 줄일 수 있는 것이며, 이는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있는 것이다.
첫째, 하나의 고정자 코일로 인하여 회전하는 회전자의 회전 각도를 줄여 회전자의 회전시 발생할 수 있는 진동 및 소음을 줄일 수 있는 동기 전동기 제공이 가능하다.
둘째, 동기 전동기 회전수 제어가 인버터 등 복잡한 제어장치 없이 제어부에 입력되는 주파수 변경만으로 가능하게 되어, 간단한 주파수 제어만으로 한 대의 전동기로서 다양한 회전수를 가지는 동기 전동기를 얻을 수 있다.
셋째, 고가의 센서 및 센서를 구동하기 위한 복잡한 구성의 인버터를 사용하지 않고, 제어부를 단순화시킬 수 있으므로, 동기 전동기 시스템 가격을 낮게 할 수 있어, 동기 전동기 구입 비용을 줄일 수 있도록 경제성을 높인 것이다.
넷째, 고장율이 높은 센서를 사용하지 않음으로써 고장율을 현저하게 낮출 수 있게 되면서 경제적인 측면에서 그 실용성을 높일 수 있는 것이다.
다섯째, 상기 동기 전동기의 기동시에는 인접한 복수개의 고정자 코일에 전류를 순차적으로 인가한 뒤, 정상 회전시에는 1개의 고정자 코일에 전류를 인가하는 방식으로 동기 전동기를 회전시키게 되므로, 종래의 고정자 코일 전체에 전류를 인가하는 방식에 비하여 본 발명의 동기 전동기에서는 예를 들어 6상의 고정자 코일로 구성된 경우에는 6개의 고정자 코일 중, 정상 회전시에는 1개상씩만 전원을 인가하게 되므로, 종래의 동기 전동기에 비하여 소비되는 전력을 현격히 줄일 수 있는 효과가 있는 것이다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예로 영구자석 동기 전동기를 이루는 회전자와 고정자 코일의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예로 고정자 코일의 구성을 보인 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예로 영구자석 동기 전동기의 제어부에 대한 블럭 구성도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예로 영구자석 동기 전동기의 다상 제어 방법을 보인 흐름도.
도 6은 본 발명의 실시 예로 다상으로 배치되는 고정자 코일에서 복수의 상에 전원을 순차 인가시 회전자의 초기 회전 기동 상태를 보인 동작 흐름도.
도 7은 본 발명의 실시 예로 다상으로 배치되는 고정자 코일에서 각 단상에 전원을 순차적으로 인가시 회전자의 정상 회전 가동 상태를 보인 동작 흐름도.
도 8은 종래 2상 동기 전동기의 고정자 코일 인출 구성도.
도 9는 종래 3상 동기 전동기의 고정자 코일 인출 구성도.
도 2는 본 발명의 실시 예로 고정자 코일의 구성을 보인 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예로 영구자석 동기 전동기의 제어부에 대한 블럭 구성도.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시 예로 영구자석 동기 전동기의 다상 제어 방법을 보인 흐름도.
도 6은 본 발명의 실시 예로 다상으로 배치되는 고정자 코일에서 복수의 상에 전원을 순차 인가시 회전자의 초기 회전 기동 상태를 보인 동작 흐름도.
도 7은 본 발명의 실시 예로 다상으로 배치되는 고정자 코일에서 각 단상에 전원을 순차적으로 인가시 회전자의 정상 회전 가동 상태를 보인 동작 흐름도.
도 8은 종래 2상 동기 전동기의 고정자 코일 인출 구성도.
도 9는 종래 3상 동기 전동기의 고정자 코일 인출 구성도.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명 기술적 사상의 실시예에 있어서 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명 기술적 사상의 실시예에 있어서 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 필요한 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드 지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서, 도면에서 예시된 영역들은 개략적인 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 장치의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다.
명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 따라서, 동일한 참조 부호 또는 유사한 참조 부호들은 해당 도면에서 언급 또는 설명되지 않았더라도, 다른 도면을 참조하여 설명될 수 있다. 또한, 참조 부호가 표시되지 않았더라도, 다른 도면들을 참조하여 설명될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예로 영구자석 동기 전동기를 이루는 회전자와 고정자 코일의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예로 고정자 코일의 구성을 보인 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시 예로 영구자석 동기 전동기의 제어부에 대한 블럭 구성도를 도시한 것이다.
첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 영구자석 동기 전동기 제어시스템은, 영구자석(P1, P2, P3, P4)이 고정 배치되는 회전자(10), 도 2에서와 같은 다수의 코일(C1,C2,C3,C4,C5,C6)이 포함된 고정자(20), 그리고 이들을 제어하기 위한 제어부(30)를 포함할 수 있는 것이다.
상기 회전자(10)는 연자성체로 이루어진 것으로 중심에는 회전축(미표시)이 결합되는 것이다.
상기 영구자석(P1,P2,P3,P4)은 상기 회전자(10)의 외주연을 따라 상기 회전축 방향으로 둘 이상 구분되어 있고, 서로 마주하는 위치에 동일 자극(S극, N극)으로 구분하여 배치될 수 있는 것이다.
상기 고정자(20)는 다상의 고정자 코일이 고정자(20)의 슬롯에 각각 삽입되어 전원 인가에 의해 각각의 코일에서 자계를 생성할 수 있도록 구성되어 있으며, 이때 생성된 각 코일에 의해 생성된 자계에 의해 상기 회전자(10)를 회전시킬 수 있도록 구성되어 있는 것이다.
여기서, 다상이라 함은 4상, 6상, 8상, 12상 중 어느 하나인 것이고, 이하 본 발명의 실시 예에서는 6상을 기준으로 그 설명이 이루어지는 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예로 고정자 코일의 구성을 보인 도면으로서, 각 코일(C1∼C6)이 고정자(20)에 삽입되어 구성되어 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 상기 제어부(30)를 나타내는 구성도로서,마이컴(33)을 중심으로, 상기 마이컴(33)의 신호에 의해 가변 주파수를 발생하여 상기 마이컴(33)에 신호를 입력할 수 있도록 하는 가변 주파수 발생기(32), 마이컴(33)의 신호에 의하여, 각 고정자 코일(C1∼C6)에 각각 전원을 인가할 수 있도록 구성된 드라이버(34) 및, 상기 드라이버(34)에 의하여 전원이 인가될 수 있도록 구성된 각 고정자 코일(C1∼C6)이 구성되어 있으며, 추가적으로 본 발명에 의한 전동기가 가동시 발생될 수 있는 과전류 및 온도 상승을 검지하여 검지된 신호를 상기 마이컴(33)에 전달하여 이상 신호 발생시 전동기의 가동을 정지시킴으로써, 전동기가 소손되는 것을 방지할 수 있도록 하는 전류 검출부(35) 및 온도 검출부(36)가 구성된 것이며, 상기 제어부(30)의 각 부분이 정상적으로 동작을 할 수 있도록 전원을 공급할 수 있도록 하는 전원부(31)를 포함할 수 있는 것이다.
이상에서와 같이 구성된 본 발명에 의한 동작을 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명하면, 도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 전동기의 다상 제어시스템이 구동되는 순서도로서, 이를 첨부된 도 1 내지 도 7을 참조하여 보다 구체적으로 살펴보기로 한다.
우선 제어부(30)에 포함되는 전원 스위치(미도시)를 온 시키면, 전원부(31)에 의해 제어부(30)가 대기모드로 되고, 이때, 작업자가 가변 주파수 발생기(32)를 조작하여 본 발명에 의한 전동기의 회전 수를 설정한 후 가동 스위치(미도시)를 온 시키면, 동기 전동기 시스템은 대기모드에서 동작모드로 전환[도 4의 제 1단계]되고, 이에 따라, 마이컴(33)의 제어 프로그램이 가동될 수 있는 것이다.
이때, 상기 마이컴(33)은 회전 주파수(F)를 0(Zero)으로 설정한 뒤, 설정 주파수(Fs)에 의하여 미리 정의된 증가 주파수(n) 만큼씩 증가[도 4의 제 2단계]시키면, 상기 마이컴(33)에서는 이를 연산하여 드라이버(34)에 전달하고, 상기 드라이버(34)에서는 상기 마이컴(33)의 신호에 따라 순차적으로 고정자의 각 코일(C1,C2)(C2,C3)(C3,C4)(C4,C5)(C5,C6)(C6,C1)에 전원을 인가할 수 있도록 하여, 상기 고정자 코일(C1,C2)(C2,C3)(C3,C4)(C4,C5)(C5,C6)(C6,C1)에 의해 발생된 자계에 의하여 회전자(10)가 도 6(도 6a∼도 6f)과 같이 회전할 수 있게 된다.
그리고, 상기 회전자(10)의 회전에 따라 발생될 수 있는 과전류 및 온도 상승을 전류 검출부(35) 및 온도 검출부(36)에 의하여 이상 상태를 검출하여 상기 마이컴(33)에 신호를 전달하게 되고, 이상 상태가 검지되는 경우에는 본 발명에 의한 전동기 시스템을 보호하기 위하여 전원을 오프(OFF)시켜 정지시키게 되고, 이상 상태가 검지되지 않는 경우에는 설정 주파수(Fs)에 도달할 때까지 제 2 단계로 넘어가 증가 주파수(n) 만큼씩 회전 주파수(F)를 증가시켜 다시 고정자의 각 코일(C1,C2)(C2,C3)(C3,C4)(C4,C5)(C5,C6)(C6,C1)에 전원을 인가함으로써, 증가 주파수(n) 만큼씩 증가된 속도로 상기 회전자(10)가 회전될 수 있도록 하는 것이다.[도 4의 3단계]
이는 첨부된 도면 도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 고정자 코일(C1,C2)에 전원이 인가된 경우에는 회전자(10)의 영구 자석(P1)은 고정자 코일(C1,C2)의 자계에 의하여 도 6a와 같이 되며, 다음으로 고정자 코일(C2,C3)에 전원이 인가된 경우에는 회전자(10)의 영구자석(P1)의 위치는 30˚회전하여 도 6b와 같이 되고, 같은 방법으로 상기 마이컴(33)의 신호에 따라 드라이버(34)에서는 도 4의 제 3 단계에서와 같이 고정자 코일(C3,C4)(C4,C5)(C5,C6)(C6,C1)에 순차적으로 전원을 인가함으로써 상기 회전자(10)는 도 6c, 도 6d, 도 6e, 도 6f와 같이 회전하게 된다.
이때, 복수 개의 고정자 코일(C1,C2)(C2,C3)(C3,C4)(C4,C5)(C5,C6)(C6,C1)에 전원을 인가하는 이유는 정지되어 있던, 상기 고정자(10)를 회전시키기 위하여 강 자계를 형성하여 토오크를 증가시키기 위함이다.
한편, 회전 주파수(F)가 설정 주파수(Fs)와 일치하는 경우에는 도 5의 제 4단계로 넘어가, 상기 마이컴(33)에서는 드라이버(34)에 의하여 각 고정자 코일(C1)(C2)(C3)(C4)(C5)(C6)에 설정된 주파수(Fs)로 신호를 보내어 도 7(도 7a∼ 도 7f)에서 볼 수 있는 바와 같이, 회전자(10)가 회전할 수 있게 되는 것으로서, 이는 일단 회전을 시작한 회전자(10)는 관성의 법칙에 따라, 계속하여 회전을 할 수 있게 됨으로써, 1개의 고정자 코일(C1∼C6)에 전원을 인가 함으로서, 소비 전력을 줄일 수 있도록 하고 있다.
이때, 전원 버튼에 의해 정지 신호가 입력되던가, 전류 검출부(35) 및 온도 검출부(36)에 의하여 이상 신호가 발생되기 전까지는 계속하여 상기 회전자(10)가 동일한 방법으로 회전을 하게 되는 것이다.
따라서, 본 발명의 실시 예에서는 첨부된 도 8의 종래 2상(L, M) 또는 첨부된 도 9의 3상(W, U, V) 경우보다 기동이 쉽고, 정상 회전시에도 종래의 2상(L, M) 또는 3상(W, U, V) 동기 전동기에 비하여 하나의 고정자 코일에 의해 이동되는 회전자의 회전 각도(3상의 경우 120도, 2상의 경우 180도)가 적어, 회전자가 부드럽게 회전할 수 있게 되어 회전시의 진동을 줄일 수 있고, 이로 인한 소음을 줄일 수 있음은 물론, 복수의 상 또는 단상을 이루는 고정자 코일에 각각 전원을 순차적으로 인가하게 됨으로써 종래와 같이 전체 고정자 코일에 동시에 전원을 인가하는 방식보다는 소비 전력을 줄여 그 효율을 높일 수 있는 이점이 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템 및 그 제어방법에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
10; 회전자
20; 고정자
30; 제어부 31; 전원부
32; 가변 주파수 발생기 33; 마이컴
34; 드라이버 35; 전류 검출부
36; 온도 검출부 C1,C2,C3,C4,C5,C6; 고정자 코일
P1,P2,P3,P4; 영구자석
30; 제어부 31; 전원부
32; 가변 주파수 발생기 33; 마이컴
34; 드라이버 35; 전류 검출부
36; 온도 검출부 C1,C2,C3,C4,C5,C6; 고정자 코일
P1,P2,P3,P4; 영구자석
Claims (5)
- 중심에 회전축이 결합되고, 외주연을 따라 상기 회전축 방향으로 둘 이상 구분되어 있으면서 동일 자극에 대하여 구분하여 배치되는 복수의 영구자석을 구비한 회전자; 및, 상기 회전자를 회전시키도록 전원 인가시 회전 자계가 생성되는 고정자 코일이 권선된 고정자; 를 포함하되,
상기 고정자에서 상기 고정자 코일은 돌극을 사이에 두고 상호 인접되는 3상 이상의 다상으로 배치 구성하고,
상기 회전자의 회전 기동시 다상으로 배치되는 상기 고정자 코일의 각 상에는 전원 인가로부터 회전 자계를 생성시 척력 및 인력의 동시 작용으로 상기 회전자의 영구자석 위치에 관계없이 상기 회전자를 순차적으로 회전 이동시키도록 제어부의 제어에 따라 전원을 순차적으로 인가시키되,
상기 제어부는, 회전수 설정에 의하여 설정된 회전수에 따른 회전 주파수를 출력하는 가변 주파수 발생기; 상기 가변 주파수 발생기로부터 출력되는 회전 주파수에 따라 각 고정자 코일에 흐르는 전류를 제어하기 위한 제어신호를 출력하는 마이컴; 상기 마이컴의 제어신호에 따라 1개 또는 2 이상의 상의 고정자 코일에 각각 전류를 순차적으로 인가하는 드라이버; 전동기 보호를 위하여 전동기 시스템의 과전류를 검출한 후 이를 상기 마이컴으로 출력하는 전류 검출부; 전동기의 온도를 검출한 후 이를 상기 마이컴으로 출력하는 온도 검출부; 및, 구동전원을 공급하는 전원부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 상기 고정자 코일에 의해 생성되는 자계에 의하여 영구자석을 갖는 상기 회전자가 동기화되어 회전할 수 있도록 다상으로 배치되는 상기 고정자 코일에 순차적으로 전원을 투입하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 회전자의 초기 회전 기동시에는 2 이상의 코일에 전류를 흘려 강 자계를 형성하여 기동력을 높여 회전 기동할 수 있도록 하고, 회전 기동 후에는 점차 회전 속도를 증가시키며, 설정된 정상 속도로 회전시에는 소비 전류를 줄이도록 1개의 코일에 전류를 흘려 보내는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기의 다상 제어 시스템. - 제 3 항에 있어서,
상기 고정자 코일은 4상, 6상, 8상, 12상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템. - 전원 스위치 온 신호에 따라 구동전원이 공급시, 동기 전동기의 회전수를 설정한 후 가동 스위치를 온 시키는 제 1 단계;
상기 제 1 단계로부터 가동 스위치의 온 신호 입력시 회전 주파수를 0(zero)으로 설정하고, 회전 주파수를 상기 제 1 단계로부터 설정된 회전수에 따라 미리 연산하여둔 증가 주파수 만큼씩 순차적으로 증가시키는 제 2 단계;
상기 제 2 단계로부터 증가 주파수에 의해 순차적으로 증가되는 회전 주파수에 따라 다상으로 배치되는 고정자 코일 중에서 복수개의 상에 각각 일정시간 동안 전원을 순차적으로 인가하여 기동 토오크를 높인 상태에서 회전자가 설정된 정상 회전수에 도달할 때까지 회전자를 순차적으로 회전 이동시켜 회전자의 초기 회전 기동이 이루어지도록 하는 제 3 단계; 및,
상기 제 3 단계로부터 상기 회전자가 초기 회전 기동 이후 설정된 회전속도에 도달하는 정상 회전시, 다상으로 배치되는 고정자 코일 중에서 단상에 각각 일정시간 동안 전원을 순차적으로 인가하여 회전자를 일정한 속도로 회전시킬 수 있도록 하는 제 4 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기 다상 제어 방법.
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| KR1020190053006A KR20200129227A (ko) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템 및 그 제어방법 |
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| KR20200129227A true KR20200129227A (ko) | 2020-11-18 |
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| KR1020190053006A KR20200129227A (ko) | 2019-05-07 | 2019-05-07 | 영구자석 동기 전동기 다상 제어 시스템 및 그 제어방법 |
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