KR20210051223A - 전동기의 다이내믹 브레이크장치 - Google Patents

Abstract

영구자석을 이용한 브러쉬리스 직류 전동기(BLDC MOTOR)의 감속시 신속하게 회생에너지를 외부로 방출시켜 전동기의 과열을 방지하여 신뢰성을 높이고 수명 연장을 도모하도록 한 전동기의 다이내믹 브레이크장치에 관한 것으로서, BLDC 전동기의 인덕터에 직렬로 인덕턴스 성분 제거기를 결합시켜 감속시 인덕터를 구성하는 코일의 인덕턴스 성분을 제거하여 전류 제한을 줄이고, 인덕턴스 성분 제거기에서 출력되는 전력을 정류 컨트롤러를 이용하여 직류 전원으로 변환하여 직렬로 연결된 축전지로 출력하여, 회생제동시 전동기의 내부 전력을 효율적으로 축전기로 신속하게 방출시켜 에너지 낭비를 방지함과 동시에 전동기의 과열 방지로 신뢰성을 향상하고 수명 연장을 도모한다.

Description

전동기의 다이내믹 브레이크장치{Dynamic brake system of BLDC motor}

본 발명은 전동기의 다이내믹 브레이크장치에 관한 것으로, 특히 영구자석을 이용한 브러쉬리스 직류 전동기(BLDC MOTOR)의 감속시 신속하게 회생가능한 운동에너지를 외부로 방출시켜 전동기의 과열을 방지하여 신뢰성을 높이고 수명 연장을 도모하도록 한 전동기의 다이내믹 브레이크장치에 관한 것이다.

영구자석을 사용한 전동기는 높은 효율을 가져서 많은 분야에 사용되고 있다. 그 중에서 희토류 자석을 사용한 전동기는 높은 효율을 가져 일반 사용은 물론, 산업의 여러 분야로 그 응용영역을 넓혀 가고 있다. 특히, 정류자 편이 없이 반도체로 제어되는 BLDC(브러쉬리스 직류 전동기) 기기는 높은 신뢰성과 함께 정류자 편의 정비가 필요 없어 산업계에 널리 사용되나, 급가속 및 급감속이 요구되는 환경에는 적합하지 못하여 제한적으로 사용되고 있다.

특히, 감속이 필요한 상황에서는 전동기와 그 부하의 운동에너지를 전기에너지로 빨리 제거하는 역할을 해야 하는데, 이때 BLDC의 회전자계를 만드는 코일에 정류회로로 외부 전류를 방출시키는 회로로는 일정 전류 이상 흘려주지 못해 회로의 특성상 급감속에 한계가 있다.

BLDC 전동기에서, 전동기의 제동 시 발생하는 에너지를, 전동기를 발전기로 구동하여 전동기의 물리적 에너지를 전기에너지로 소모시켜 없애는 것을 다이내믹 브레이크(Dynamic Brake)라고 한다.

그 중에서도 외부의 다이내믹 브레이크 저항 없이 모터 고정자의 권선만으로 에너지 소모를 하기 위해서는 발전 에너지가 다시 모터로 들어갈 수 있도록 모터의 모든 스위치들을 단락시켜주어야 한다. 이때 최대로 감속하면 모든 전력은 전동기 내부에서 소모되어야 하며, 이 소모는 전동기의 발열을 가져와 궁극적으로 전동기의 수명단축을 가져오며, 신뢰성의 저하라는 특성을 가져온다. 또한, BLDC 전동기의 인덕터 성분으로 전류의 제한(

)이 있어, 에너지 제거를 위해 수초 또는 십수초 소요되는 경우가 발생한다. 따라서 실제 운용에서는 별도의 브레이크 패드와 드럼으로 기계적 에너지를 소모시키며 전기적 브레이크는 보조용으로 사용된다. 이로 인해 가벼운 브레이크나 적은 양의 감속에만 적합하고, 급감속이나 큰 전류를 사용하는 분야에는 적합하지 않다.

또한, 근래에는 회생제동이라는 방법을 통해, 전동기의 외부에서 정류회로를 거쳐 축전지로 전기를 보내는 방법을 이용하고 있다.

그러나 이러한 방법도 실 응용에서 고속으로 주행하는 BLDC 전동기를 급정지 또는 급감속하려는 목적에는 사용하지 못하는 단점이 있다.

BLDC 전동기의 다이내믹 브레이크를 위해 종래에 제안된 기술이 대한민국 공개특허 10-2013-0088271호(2012.08.08. 공개)에 개시되어 있다. 이러한 종래기술은 제동시 전동기로부터 발생하는 회생전류를 배터리의 정격전압에 도달할 때까지만 이용하고, 정격전압에 도달된 이후에 발생하는 잉여 에너지는 클러스터 이오나이저 또는 살균용 자외선램프와 같은 장치의 구동 전원으로 이용할 수 있도록 한다.

그러나 이러한 종래기술도 가벼운 감속에 적합한 회로로서, 급감속과 보다 넓은범위의 가감속에는 적합하지 않은 단점이 있다.

대한민국 공개특허 10-2013-0088271호(2012.08.08. 공개)

따라서 본 발명은 상기와 같은 일반적인 BLDC 전기에서의 회생제동시의 문제나 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 영구자석을 이용한 브러쉬리스 직류 전동기(BLDC MOTOR)의 감속시 신속하게 회생에너지를 외부로 방출시켜 전동기의 과열을 방지하여 신뢰성을 높이고 수명 연장을 도모하도록 한 전동기의 다이내믹 브레이크장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전동기의 감속이 필요할 때 가급적 신속하게 전동기의 전력을 효율적으로 외부의 축전지로 보내 전동기의 감속에 원활함을 도모하도록 한 전동기의 다이내믹 브레이크장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 "전동기의 다이내믹 브레이크장치"는, 인덕터를 포함하는 전동기; 상기 전동기의 인덕터에 직렬로 결합되어 감속시 코일의 인덕턴스 성분을 제거하여 전류 제한을 줄이는 인덕턴스 성분 제거기; 감속시 상기 인덕턴스 성분 제거기에서 출력되는 전력을 직류 전원으로 변환하여 직렬로 연결된 축전지로 출력하고, 가속시 상기 축전지와 전동기간을 전기적으로 분리하는 정류 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 인덕턴스 성분 제거기는 콘덴서로 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기 인덕턴스 성분 제거기는 콘덴서 대신에 의사 콘덴서로 구현되는 것을 특징으로 한다.

상기 정류 컨트롤러는 상기 인덕턴스 성분 제거기에서 출력되는 전력을 정류하는 정류 다이오드; 상기 정류 다이오드에서 출력에서 전력을 상기 축전지에 출력하는 반도체 스위치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 정류 컨트롤러는 상기 인덕터의 임피던스와 동일한 임피던스 값을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 감속시 전동기 내부의 인덕터 성분으로 제한되었던 전류의 최고치를 높여 더욱 많은 전류를 흘려 급감속을 신속 및 원활하게 하고, 전동기 내부에서 소모되어야 하는 전력을 외부에 전원으로 신속하게 방출시켜 전동기가 가열되던 현상을 줄여 전동기의 신뢰성을 향상함과 동시에 전동기의 수명 연장을 도모하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면 고속에서 기존의 다이내믹 브레이크장치를 보다 높은 효율로 전력을 전원으로 변환하여 축전할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전동기의 다이내믹 브레이크장치의 제1 실시 예 회로도,
도 2는 본 발명에 따른 전동기의 다이내믹 브레이크장치의 제2 실시 예 회로도,
도 3은 본 발명에서 전동기의 감속시 발전기 동작 개념 및 가속시 전동기 동작 개념도,
도 4는 본 발명에서 전동기의 감속시 발전기 동작 영역 예시 도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전동기의 다이내믹 브레이크장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

이하에서 설명되는 본 발명에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시 예에 따른 전동기의 다이내믹 브레이크장치의 회로도이다.

본 발명에 따른 전동기의 다이내믹 브레이크 장치의 제1 실시 예는, 회전자(11)와 인덕터(12)를 포함하는 전동기(10), 상기 전동기(10)의 인덕터(12)에 직렬로 결합되어 감속시에 코일의 인덕턴스 성분을 제거하여 전류 제한을 줄이는 인덕턴스 성분 제거기(20), 감속시에 상기 인덕턴스 성분 제거기(20)에서 출력되는 전력을 직류 전원으로 변환하여 직렬로 연결된 축전지(40)로 출력하고, 가속시 상기 축전지(40)와 전동기(10)간을 전기적으로 분리하는 정류 컨트롤러(30)를 포함한다.

상기 정류 컨트롤러(30)는 상기 인덕턴스 성분 제거기(20)에서 출력되는 전력을 정류하는 정류 다이오드, 상기 정류 다이오드에서 출력에서 전력을 상기 축전지(40)에 출력하는 MOSFET나 IGBT와 같은 반도체 스위치로 구현할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 다이내믹 브레이크 장치의 제1 실시 예의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명이 적용되는 전동기는 회전자가 영구자석으로 이루어지고, 이 영구자석을 회전하는 자계가 회전을 이끌도록 회전하여 기동력이 만들어지는 전동기로서, 통상의 BLDC 모터를 의미한다. 이 전동기의 회전자계를 만드는 코일은 영구자석과 교번하여 교류의 전압과 전류가 흐르며, 이 교류 전압과 전류는 전동기의 전력이 되는 데, 가속시에는 전동기로 외부에서 전력이 인가되어야 하고, 감속시에는 전력이 외부로 방출되거나 전동기의 내부에서 소모되어야 한다.

이 교류 전압과 전류, 주파수는 전동기의 속도와 비례하며, 브러쉬가 있는 형태의 전동기에 비하여 접속자 편을 줄이기 위하여 최소한의 연결선(통상, 3선으로 이루어짐)으로 만들어 전동기의 인덕터 성분이 크게 된다. 이 인덕터가 큰 이유로 기계식 정류자 편을 사용한 전동기에 비하여 비용절감의 목적으로 반도체 스위치 수를 적게하기 위한 하드웨어 회로에 기인한다.

따라서 본 발명은 이 제한요소인 코일의 인덕터에 의한 전류 제한을 줄이는 방법을 이용하여, 감속시 전동기의 전력을 전원으로 가급적 자유롭게 보낼 수 있도록 한 것이다.

전동기(10)의 속도를 감속시 내부의 저항 및 코일로 이루어진 인덕터(12)에 있는 전기 에너지인 전력 및 전동기 축에 인가된 부하에 있는 기계적 에너지를 신속히 방출해야 급감속이 원활히 이루어진다.

감속시에 전동기에 있는 에너지를 신속하게 외부로 방출하기 위해서는 전동기의 전기적 함수를 살펴볼 필요가 있다.

여기서 전동기의 전기적 함수는 다음과 같다.

첫째, 전동기의 역기전력의 전압은 전동기의 회전수에 비례한다.

둘째, 전동기의 역기전력의 주파수는 전동기의 회전수에 비례한다.

셋째, 전동기의 인덕터는 코일의 저항성분과 인덕터 성분이 있는 이는 변하지 않는다.

넷째, 전동기의 전류를 제한하는 임피던스는 저항과 코일의 인덕턴스 성분이 있는 데, 이는 직렬로 연결되고 주파수가 높으면 인덕터 성분이 저항값보다 훨씬 큰 값이 되어 전류 제한이 상대적으로 크게 되며, 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서,

이다.

따라서 전동기를 고속, 고전압으로 운용시에는 감속의 최대 전류의 실효치는 거의 일정한 전류가 되어 감속에 제한이 있으며, 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서

이다.

따라서 감속시 인덕터(12)의 인덕턴스 성분을 제거해야 전류 제한 요인을 제거할 수 있으며, 이를 통해 많은 전류를 외부로 흘릴 수 있게 된다.

이를 위해, 상기 전동기(10)의 인덕터(12)에 직렬로 인던턱스 제어기(20)를 구비시켜, 감속시 코일의 인덕턴스 성분을 제거하여 전류 제한을 줄인다.

코일의 인덕턴스 성분을 제거하는 방법으로서, 인덕터(12)에 직렬로 콘덴서(Capacitor)를 연결하여, 코일의 인덕턴스 성분을 제거하며, 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

여기서 인덕턴스 제어기(20)를 이루는 콘덴서는 고속으로 회전하는 전동기의 회생전류 제한의 주요 요소인 내부 인덕턴스 성분을 제거하여 회생되는 전류(전동기 외부로 방출되는 전류)를 상승시키는 역할을 한다.

다음으로, 상기 인덕턴스 성분 제거기(20)와 직렬로 연결되는 정류 컨트롤러(30)는 감속시 상기 인덕턴스 성분 제거기(20)에서 출력되는 전력을 직류 전원으로 변환하여 직렬로 연결된 축전지(40)로 출력한다.

즉, 정류 컨트롤러(30)는 감속시 인덕턴스 성분 제거기(20)와 축전기(40)를 전기적으로 연결하고, 전동기의 회전수에 비례하는 주파수에 공진하는 BLDC 전동기의 역기전력의 전류를 자유롭게 축전지(40)로 출력하는 역할을 한다.

여기서 회전하는 BLDC 전동기(10)의 단자 전압은 실제로는 교류성분으로 외부에 직렬로 연결된 정류 컨트롤러(30)를 통과할 수 있다. 이 정류 컨트롤러(30)를 통하여 전동기(10)의 피상 저항은 회전자(11)의 내부 저항성분만 보이게 된다. 따라서 이 저항성분은 전동기(10)가 고속 회전하여 주파수가 높은 교류가 발생하는 경우, 내부 인덕터(12)에 의한 임피던스보다 매우 낮아 높은 전류가 흐를 수 있다.

여기서 정류 컨트롤러(30)는 상기 인덕터(12)의 임피던스와 동일한 임피던스 값을 갖는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명에 따른 다이내믹 브레이크 장치가 감속동작시 동작되는 영역을 도시한 것이다. 가속시에는 기존 전동기의 동작 영역과 동일하나, 감속시(발전기로 동작)에는 상기 인덕턴스 성분 제거기에 의한 코일의 인덕턴스 성분 제거로 더 많은 전류를 외부로 방출할 수 있어, 발전기 동작 영역을 확대할 수 있음을 보인 것이다. 기존 감속 동작은 코일의 인덕턴스 성분으로 인한 전류 제한에 따라 발전기 동작 영역이 제한적이다.

여기서 간단한 구성의 전동기이고 회생제동이 필요한 경우, 상기 정류 컨트롤러(30)는 도 3과 같이 절환 스위치를 이용하여, 감속시에는 전동기와 모터를 전기적으로 연결하여 전류가 충전되도록 하고, 가속시에는 전동기와 모터를 전기적으로 분리하도록 할 수 있다.

그러나 더욱 고도한 전동기에서는 도 2에 도시한 제2 실시 예와 같이, 인덕턴스 성분 제거기(50)의 콘덴서를 의사 콘덴서로 구현하여, 코일의 인덕턴스 성분을 제거하는 것이 바람직하다.

한편, 고속 회전으로 인한 주파수가 변하면 조건이 변하여 최적의 전력 변환조건을 벗어나게 된다. 따라서 이러한 가변 조건에는 가변조건을 최대한 만족하는 가변 정류 컨트롤러가 필요하다. 이러한 가변 정류 컨트롤러는 기존의 라디오의 동조와 다른 전력을 다루는 대전력 부품이다. 이 용도로 이미 많은 연구가 이루어진 가변 무효전력(VAR) 기술을 이용하면, 가능한 넓은 범위에 걸쳐 전력을 변환할 수 있게 된다.

감속이 이루어진 후 다시 가속이 발생하면 기존 전동기 구동회로에서 구동 전력을 공급한다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

10: 전동기
11 : 회전자 12 : 인덕터
20: 인덕턴스 성분 제거기
30: 정류 컨트롤러
40 : 축전지

Claims (5)

1. 회전자 및 인덕터를 포함하는 전동기;
   상기 전동기의 인덕터에 직렬로 결합되어 감속시 인덕터를 구성하는 코일의 인덕턴스 성분을 제거하여 전류 제한을 줄이는 인덕턴스 성분 제거기; 및
   감속시 상기 인덕턴스 성분 제거기에서 출력되는 전력을 직류 전원으로 변환하여 직렬로 연결된 축전지로 출력하고, 가속시 상기 축전지와 전동기간을 전기적으로 분리하는 정류 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기의 다이내믹 브레이크장치.
   
2. 청구항 1에서, 상기 인덕턴스 성분 제거기는 콘덴서로 구현되는 것을 특징으로 하는 전동기의 다이내믹 브레이크장치.
   
3. 청구항 2에서, 상기 인덕턴스 성분 제거기는 상기 콘덴서 대신에 의사 콘덴서로 구현되는 것을 특징으로 하는 전동기의 다이내믹 브레이크장치.
   
4. 청구항 1에서, 상기 정류 컨트롤러는 상기 인덕턴스 성분 제거기에서 출력되는 전력을 정류하는 정류 다이오드; 상기 정류 다이오드에서 출력에서 전력을 상기 축전지에 출력하는 반도체 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기의 다이내믹 브레이크장치.
   
5. 청구항 1에서, 상기 정류 컨트롤러는 상기 인덕터의 임피던스와 동일한 임피던스 값을 갖는 의사 콘덴서를 내부에 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기의 다이내믹 브레이크장치.

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