KR20220067675A - 모터의 권선 패턴 및 모터의 구동시스템 - Google Patents

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채웅찬
김정식
손병관
신영진
이종훈
문상훈
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 모터의 권선 패턴을 제공한다. 구동모터에 제1 인버터 및 제2 인버터가 연결되고, 3상의 전류가 흐르는 고정자 권선의 일단은 상기 제1 인버터의 출력선, 상기 고정자 권선의 타단은 상기 제2 인버터의 출력선에 연결되는 구동시스템에서, 상기 구동모터의 상기 고정자에 정의되는 슬롯들에 3상의 전류가 인가되는 코일들이 권선되고, 상기 슬롯들 각각에는 상기 구동모터의 회전축을 향하는 방향을 기준으로 내측과 외측에 서로 상이한 교류상을 통전하는 코일들로 권선된다.

Description

모터의 권선 패턴 및 모터의 구동시스템{Winding pattern of motor and driving system of motor}
본 발명은 모터의 권선 패턴에 의해 3상 전류의 고조파들이 상쇄될 수 있는 모터의 권선 패턴 및 모터의 구동시스템을 제공하는 것이다.
전기차(EV) 구동모터의 개발이 진행되면서, 갈수록 고성능 차량에 대한 요구가 커지고 있다. 고성능 차량에 요구되는 구동 모터에 대응하기 위해서, 모터의 구동시스템도 고토크, 고출력 및 고속 개발이 필요하다. 일반적으로, 고성능 모터의 구동시스템의 최대 효율점은 최대 출력 라인을 따라 가게 된다. 이에 반해 주로 차량이 운전되는 영역(연비 모드)은 저부하를 요구하기 때문에, 고성능 모터의 구동시스템에 적합한 개발이 진행될수록 구동모터의 고효율 설계에 부합하지 못하는 문제점이 발생되었다. 이러한 문제를 개선하고자, 2개의 인버터를 모터에 선택적으로 연결시킬 수 있는 2-스테이지(stage)의 구동시스템 개발이 진행되고 있다.
2개의 인버터를 사용하는 모터 구동시스템에서 2개의 인버터를 제어하여 모터에 전압을 인가함으로써 인버터와 모터의 출력 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 다만, 2개의 인버터가 적용되는 구동시스템에 종래의 고정자 코일의 권선 패턴을 적용하게 되면 구동모터의 공통모드(고조파) 전압에 의한 전류 경로가 발생하면서 공통모드 전류 발생이 문제가 된다. 결론적으로, 발생된 공통모드 전류가 상쇄되지 않아, 구동모터의 NVH 악화 및 손실 증대가 되는 문제가 있다.
본 발명의 기술적 과제는 구동모터의 성능을 저하시키는 공통모드 전압의 영향성을 줄일 수 있는 모터의 권선 패턴 및 모터의 구동시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 차량의 구동 모드에 따라 구동모터와 연결되는 인버터의 개수를 제어하고, 2개의 인버터가 구동모터에 연결될 때 발생될 수 있는 고조파를 상쇄시킬 수 있는 모터의 권선 패턴 및 모터의 구동시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 모터의 권선 패턴을 제공한다. 구동모터에 제1 인버터 및 제2 인버터가 연결되고, 3상의 전류가 흐르는 고정자 권선의 일단은 상기 제1 인버터의 출력선, 상기 고정자 권선의 타단은 상기 제2 인버터의 출력선에 연결되는 구동시스템에서, 상기 구동모터의 상기 고정자에 정의되는 슬롯들에 3상의 전류가 인가되는 코일들이 권선되고, 상기 고정자에 정의된 모든 상기 슬롯들 각각에는 상기 구동모터의 회전축을 향하는 방향을 기준으로 내측과 외측에 서로 상이한 교류상을 통전하는 코일들로 권선된다.
일 예에 의하여, 인접하는 2개 내지 3개의 슬롯은 한 쌍의 슬롯으로 정의되고, 서로 인접하는 한 쌍의 슬롯들 중 어느 하나의 한 쌍의 슬롯의 일측에 권선되는 코일과 다른 하나의 한 쌍의 슬롯의 타측에 권선되는 코일은 동일한 교류상이 통전된다.
일 예에 의하여, 상기 슬롯들의 일측에 권선되는 상기 코일들은 기본부로 정의되고, 상기 슬롯들의 타측에 권선되는 상기 코일들은 단절부로 정의되고, 상기 단절부는 상기 기본부와 전기각으로 60도 단절되고, 상기 단절부에서 발생된 고조파들은 상기 기본부에서 발생된 고조파들과 서로 상쇄된다.
일 예에 의하여, 상기 기본부 및 상기 기본부와 전기각 60도로 단절된 상기 단절부가 배치된 패턴은 상기 슬롯들 전부에 걸쳐 반복적으로 나타난다.
일 예에 의하여, 상기 슬롯들은 8극을 기준으로 48개의 슬롯으로 제공되고,
인접하는 2개의 슬롯은 한 쌍의 슬롯으로 정의되고, 상기 한 쌍의 슬롯에는 2개의 교류상의 전류가 인가되는 상기 코일들이 권선되고, 상기 코일들은 단절권으로 권선된다.
일 예에 의하여, 하나의 극에는 제1 슬롯, 제2 슬롯, 제3 슬롯, 제4 슬롯, 제5 슬롯 및 제 6 슬롯이 제공되고, 상기 코일들은 상기 구동모터의 회전축을 향하는 방향을 기준으로 상기 제1 슬롯과 상기 제2 슬롯의 외측에 배치되는 제1 코일, 상기 제1 슬롯과 상기 제2 슬롯의 내측에 배치되는 제2 코일, 상기 제3 슬롯과 상기 제4 슬롯의 외측에 배치되는 제3 코일, 상기 제3 슬롯과 상기 제4 슬롯의 내측에 배치되는 제1 코일의 단절부, 상기 제5 슬롯과 상기 제6 슬롯의 외측에 배치되는 제4 코일 및 상기 제5 슬롯과 상기 제6 슬롯의 내측에 배치되는 제3 코일의 단절부를 포함하고, 상기 제1 코일과 상기 제1 코일의 단절부는 동일한 교류상을 통전하고, 상기 제3 코일과 상기 제3 코일의 단절부는 동일한 교류상을 통전하고, 상기 제2 코일과 상기 제4 코일은 동일한 교류상을 통전한다.
일 예에 의하여, 상기 제2 코일은 인접하는 극에 제공되는 동일한 교류상이 통전되는 코일의 단절부이다.
일 예에 의하여, 상기 하나의 극과 인접하는 극에는 상기 제4 코일과 교류상이 통전되는 단절부가 배치된다.
일 예에 의하여, 상기 슬롯들 각각에는 서로 다른 교류상의 전류가 인가되는 상기 코일들 사이의 갭이 정의된다.
일 예에 의하여, 상기 슬롯들은 8극을 기준으로 72개의 슬롯으로 제공되고, 인접하는 3개의 슬롯은 한 세트의 슬롯으로 정의되고, 상기 한 세트의 슬롯에는 2개의 교류상의 전류가 인가되는 상기 코일들이 권선되고, 상기 코일들은 단절권으로 권선된다.
일 예에 의하여, 서로 인접하는 한 세트의 슬롯들 중 어느 하나의 한 세트의 슬롯의 일측에 권선되는 코일과 다른 하나의 한 세트의 슬롯의 타측에 권선되는 코일은 동일한 교류상이 통전된다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 구동시스템을 제공한다. 모터 구동시스템은 3상의 전류가 인가되는 코일들이 권선된 슬롯들이 정의된 고정자를 포함하는 구동모터, 3상의 전류가 흐르는 상기 고정자의 권선의 일단에 연결되는 제1 인버터, 3상의 전류가 흐르는 상기 고정자의 권선의 타단에 연결되는 제2 인버터 및 상기 고정자의 권선의 타단과 상기 제2 인버터의 연결을 제어하는 스위치를 포함하고, 상기 슬롯들 각각에는 상기 구동모터의 회전축을 향하는 방향을 기준으로 내측과 외측에 서로 상이한 교류상을 통전하는 코일들로 권선된다.
일 예에 의하여, 차량의 구동 모드에 따라 상기 스위치는 상기 구동모터와 상기 제2 인버터 간의 연결을 제어한다.
일 예에 의하여, 상기 차량의 구동 모드가 고출력 모드인 경우, 상기 스위치는 상기 구동모터와 상기 제2 인버터를 연결시키고, 상기 차량의 구동 모드가 연비 모드인 경우, 상기 스위치는 상기 구동모터와 상기 제2 인버터를 연결시키지 않는다.
일 예에 의하여, 인접하는 복수개의 슬롯은 한 세트의 슬롯으로 정의되고, 서로 인접하는 한 세트의 슬롯들 중 어느 하나의 한 세트의 슬롯의 일측에 권선되는 코일과 다른 하나의 한 세트의 슬롯의 타측에 권선되는 코일은 동일한 교류상이 통전된다.
일 예에 의하여, 상기 일측에 권선되는 코일과 상기 타측에 권선되는 코일은 전기각으로 60도 단절된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 차량의 주행 모드에 따라 스위치를 제어하여 교류 모터의 상전압을 제어할 수 있고, 이에 따라 차량의 주행 모드에 적합하도록 구동시스템의 회로가 변경될 수 있다. 결론적으로, 고출력 모드와 연비 모드 각각에서 교류 모터의 효율이 상승될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 코일의 권선 패턴을 단절권으로 권선함에 따라 동일 교류상이 인가되면서 서로 60도의 전기각의 차이가 발생되는 권선 패턴이 형성될 수 있다. 동일 교류상이 인가되면서 서로 60도의 전기각의 차이가 발생되는 권선 패턴에 의해 코일에서 발생되는 고조파는 서로 생쇄될 수 있고, 이에 따라 구동모터의 NVH가 악화되고 구동모터의 손실이 증대되는 문제점이 해결될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 구동시스템을 나타내는 회로도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모터의 일부분을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 권선 패턴을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 권선 패턴 및 권선된 코일을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터의 권선 패턴을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고조파들이 상쇄되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전문에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
또한, 본 명세서에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 기술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위 내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 기술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 구동시스템을 나타내는 회로도이다.
도 1을 참조하면, 모터의 구동시스템(1)은 차량의 구동 모드에 따라 2개의 스테이지(stage)로 구동될 수 있는 회로로 구성될 수 있다. 일 예로, 차량의 구동 모드가 고출력 모드인 경우, 모터의 구동시스템(1)은 한 개의 교류 모터(30)와 2개의 인버터들(20, 40)이 연결된 상태(Open end winding: OEW)로 구동될 수 있다. 다른 예로, 차량의 구동 모드가 연비 모드인 경우, 모터의 구동시스템(1)은 한 개의 교류 모터(30)와 1개의 인버터(20)가 연결된 상태(Close end winding: CEW)로 구동될 수 있다.
모터의 구동시스템(1)은 배터리(10), 제1 인버터(20), 교류 모터(30), 제2 인버터(40) 및 스위치(50)로 이루어질 수 있다.
배터리(10)는 전기차량 또는 플러그인 하이브리드 차량 등과 같이 바퀴를 회전시키는 구동력을 생성하는 교류 모터(30)를 구비한 친환경 차량에서 전동기의 구동을 위한 전력을 공급하기 위한 에너지 저장 장치일 수 있다. 친환경 차량에 적용되는 배터리(10)는 교류 모터(30) 구동 시 방전 하게 되고, 외부의 계통으로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있다.
인버터들(20, 40)은 배터리(10)의 직류 전력을 변환하여 서로 다른 위상을 갖는 복수의 교류 전력을 출력하거나, 복수의 교류 전력을 변환하여 배터리(10)로 전력을 출력하도록 선택적으로 동작하는 양방향 인버터일 수 있다. 즉, 인버터들(20, 40) 각각에 포함되는 6개의 스위칭 소자에 의해 교류 모터(30)를 구동하거나 회생할 수 있다.
제1 인버터(20)는 배터리(10)와 연결되는 전원 입력단과 교류 모터(30)와 연결되는 제1 입출력단(a1, b1, c1)을 가질 수 있다. 교류 모터(30)를 구동하는 경우, 제1 인버터(20)는 전원 입력단에서 배터리(10)의 전력을 제공받고 이를 스위칭 소나들 이용하여 복수의 위상을 갖는 교류 전력으로 변환하여 복수의 제2 입출력단(a2, b2, c2)으로 각각 출력할 수 있다. 서로 120도의 위상차를 갖는 3상이 전력을 이용하여 교류 모터(30)를 구동하는 기술이 통상적으로 적용되고 있는 바, 본 발명의 여러 실시형태는 3상 전력 변환을 수행하는 인버터들(20, 40) 및 3상 교류 모터(30)를 기반으로 설명될 것이다.
교류 모터(30)는 인버터들(20, 40)로부터 변환된 3상 교류 전력을 인가받아 구동될 수 있다. 교류 모터(30)는 제1 인버터(20)로부터 서로 다른 위상을 갖는 복수의 교류전력을 입력 받는 복수의 고정자 코일들을 포함할 수 있다.
제2 인버터(40)는 교류 모터(30)와 연결되는 제2 입출력단(a2, b2, c2)을 가질 수 있다. 제2 인버터(40)는 교류 모터(30)의 무효 전력을 제어할 수 있다. 즉, 제 1인버터(20)에서 요구되는 무효전력 성분을 제2 인버터(40)에서 보상함으로써, 제1 인버터(20)에서 고속 운전(차량의 고출력 모드)에서의 전압 제한에 따른 정출력 구간을 확대하여 줄 수 있다.
스위치(50)는 제2 인버터(40)와 교류 모터(30)가 연결되는 제2 입출력단(a2, b2, c2)에 연결될 수 있다. 스위치(50)는 차량의 구동 모드에 따라 교류 모터(30)와 제2 인버터(40) 간의 연결을 제어할 수 있다. 구체적으로, 차량의 구동 모드가 고출력 모드인 경우 스위치(50)는 교류 모터(30)와 제2 인버터(40)를 연결시킬 수 있고, 차량의 구동 모드가 연비 모드인 경우 스위치(50)는 교류 모터(30)와 제2 인버터(40)를 연결시키지 않을 수 있다.
일 예로, 한 개의 교류 모터(30)와 2개의 인버터들(20, 40)이 연결된 상태(스위치(50)가 온(ON) 상태)에서는 교류 모터(30)의 상전압이 배터리(10)의 직류전압과 동일할 수 있다. 따라서, 한 개의 교류 모터(30)와 2개의 인버터들(20, 40)이 연결된 상태는 차량의 고출력 모드에 적합할 수 있다.
다른 예로, 한 개의 교류 모터(30)와 1개의 인버터(20)가 연결된 상태(스위치(50)가 오프(OFF) 상태)에서는 교류 모터(30)의 상전압이 배터리(10)의 직류전압보다 작을 수 있다. 따라서, 한 개의 교류 모터(30)와 2개의 인버터들(20, 40)이 연결된 상태보다 한 개의 교류 모터(30)와 1개의 인버터(20)가 연결된 상태는 차량의 연비 모드에 적합할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 차량의 주행 모드에 따라 스위치(50)를 제어하여 교류 모터(30)의 상전압을 제어할 수 있고, 이에 따라 차량의 주행 모드에 적합하도록 구동시스템(1)의 회로가 변경될 수 있다. 결론적으로, 고출력 모드와 연비 모드 각각에서 교류 모터(30)의 효율이 상승될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 모터의 일부분을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 구동모터(100)는 회전자(110) 및 고정자(120)를 포함할 수 있다. 회전자(110)는 복수개의 영구자석들(115)을 포함할 수 있다. 고정자(120)는 회전자(110)와 일정 공극을 두고 배치되는 구성일 수 있다. 고정자(120)에는 3상의 전류가 인가되는 코일들이 권선될 수 있다. 고정자(120)에 정의된 복수의 슬롯들(미도시)에 권선된 코일들의 패턴은 권선 패턴(150)으로 정의될 수 있다. 권선 패턴(150)의 구동모터(100) 외부의 단자들과 연결되어 도 1 의 제1 인버터(20) 및 제2 인버터(40)와 연결될 수 있다. 고정자(120)에 인가되는 전류를 통해 회전자(110)가 회전될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 권선 패턴은 2분포 단절권으로 권선될 수 있다. 즉, 고정자(120)에 정의된 슬롯들 각각에는 서로 상이한 교류상의 전류가 인가되는 복수의 코일들이 권선될 수 있다. 동일한 교류상의 전류가 인가되는 복수의 코일들은 서로 60도의 전기각의 차이를 가지도록 배치될 수 있다. 결론적으로, 슬롯들 각각에는 서로 상이한 교류상의 전류가 인가되는 복수의 코일들이 권선되고, 동일한 교류상의 전류가 인가되는 복수의 코일들은 서로 60도의 전기각의 차이를 가지도록 배치됨에 따라 권선 패턴(150)에 의해 발생될 수 있는 고조파들이 서로 상쇄될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 권선 패턴을 나타내는 도면이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 고정자(120)에는 복수의 슬롯들(미도시)이 정의될 수 있다. 예를 들어, 슬롯들은 구동모터(100)의 8극을 기준으로 48개의 슬롯으로 제공될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 인접하는 2개의 슬롯은 한 쌍의 슬롯으로 정의되고, 한 쌍의 슬롯에는 2개의 교류상의 전류가 인가되는 코일들(미도시)이 권선될 수 있다. 다만, 한 쌍의 슬롯은 인접하는 3개 이상의 슬롯을 포함할 수도 있다. 즉, 하나의 슬롯 내에는 서로 다른 교류상의 전류가 인가되도록 2개의 코일들(미도시)이 권선될 수 있다. 이 때, 코일들(미도시)은 2분포 단절권으로 권선될 수 있다. 2분포는 슬롯들(미도시)의 가로방향을 기준으로 연속적으로 동일한 교류상이 인가되는 코일들(미도시)이 2개가 배치된다는 것으로, 2개의 슬롯들(미도시)을 한 쌍의 슬롯으로 정의하여 한 쌍의 슬롯들 마다 서로 다른 교류상의 전류가 인가되는 코일들(미도시)이 권선된다는 것을 의미할 수 있다. 코일들(미도시)의 권선 패턴에 대해서는 도 4에서 상세히 기술하도록 한다.
서로 인접하는 한 쌍의 슬롯들 중 어느 하나의 한 쌍의 슬롯의 일측에 권선되는 코일과 다른 하나의 한 쌍의 슬롯의 타측에 권선되는 코일은 동일한 교류상이 통전될 수 있다. 도면 상 상부가 슬롯의 일측으로 정의될 수 있고, 도면 상 하부가 슬롯의 타측으로 정의될 수 있다. 상기 슬롯들의 일측에 권선되는 코일들은 기본부로 정의될 수 있고, 슬롯들의 타측에 권선되는 상기 코일들은 단절부로 정의될 수 있다. 기본부와 단절부는 동일한 교류상이 통전되는 코일을 지칭하는 것으로, 단절부는 기본부와 전기적으로 60도 단절될 수 있다.
일 예로, 1극의 1슬롯과 2슬롯의 일측에는 V상의 전류가 인가되는 코일이 권선될 수 있고, 1극의 1슬롯과 2슬롯의 타측에는 W상의 전류가 인가되는 코일이 권선될 수 있다. 즉, 하나의 슬롯 내에 배치되는 2개의 코일들은 서로 다른 교류상의 전류가 통전될 수 있다. 이 때, 1극의 3슬롯과 4슬롯의 타측에는 1극의 1슬롯과 2슬롯의 일측과 동일한 V상의 전류가 인가되는 코일이 권선될 수 있다. 또한, 1극의 3슬롯과 4슬롯의 일측에는 U상의 전류가 인가되는 코일이 권선될 수 있고, 1극의 5슬롯과 6슬롯의 타측에는 U상의 전류가 인가되는 코일이 권선될 수 있다. 상기와 같은 패턴은 구동 모터(100)의 8극 전체에 걸쳐 동일하게 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 권선 패턴 및 권선된 코일을 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 하나의 극에는 6개의 슬롯들이 정의될 수 있다. 도 4는 2극을 중심으로 도시되었다. 2극에는 제1 슬롯(S 2-1), 제2 슬롯(S 2-2), 제3 슬롯(S 2-3), 제4 슬롯(S 2-4), 제5 슬롯(S 2-5) 및 제 6 슬롯(S 2-6)이 제공될 수 있다. 코일들은 구동모터(100)의 회전축을 향하는 방향을 기준으로 제1 슬롯(S 2-1)과 제2 슬롯(S 2-2)의 외측에 배치되는 제1 코일(151a), 제1 슬롯(S 2-1)과 제2 슬롯(S 2-2)의 내측에 배치되는 제2 코일(152b), 제3 슬롯(S 2-3)과 제4 슬롯(S 2-4)의 외측에 배치되는 제3 코일(153a), 제3 슬롯(S 2-3)과 제4 슬롯(S 2-4)의 내측에 배치되는 제1 코일의 단절부(151b), 제5 슬롯(S 2-5)과 제6 슬롯(S 2-6)의 외측에 배치되는 제4 코일(152a) 및 제5 슬롯(S 2-5)과 제6 슬롯(S 2-6)의 내측에 배치되는 제3 코일의 단절부(153b)를 포함할 수 있다. 제1 코일(151a)과 제1 코일의 단절부(151b)는 동일한 교류상을 통전할 수 있다. 제3 코일(153a)과 제3 코일의 단절부(153b)는 동일한 교류상을 통전할 수 있다. 또한, 제2 코일(152b)과 제4 코일(152a)은 동일한 교류상을 통전할 수 있다. 다만, 제2 코일(152b)은 제4 코일(152a)의 단절부는 아닐 수 있다. 제2 코일(152b)은 인접하는 극에 제공되는 동일한 교류상이 통전되는 코일의 단절부일 수 있다. 다시 말해, 제2 코일(152b)은 1극의 5번째 슬롯과 6번째 슬롯의 일측에 권선되는 코일(152a)의 단절부일 수 있다.
또한, 하나의 극과 인접하는 극에는 제4 코일(152a)과 교류상이 통전되는 단절부가 배치될 수 있다. 다시 말해, 3극의 1번째 슬롯과 2번째 슬롯에 권선되는 3극의 코일(152b)은 제4 코일(152a)의 단절부일 수 있다.
슬롯들 각각에는 서로 다른 교류상의 전류가 인가되는 코일들 사이의 갭(G)이 정의될 수 있다. 제1 슬롯(S 2-1)과 제2 슬롯(S 2-2)에는 제1 코일(151a)와 제2 코일(152b) 사이의 갭(G)이 정의될 수 있고, 제3 슬롯(S 2-3)과 제4 슬롯(S 2-4)에는 제3 코일(153a)과 제1 코일의 단절부(151b) 사이의 갭(G)이 정의될 수 있고, 제5 슬롯(S 2-5)과 제6 슬롯(S 2-6) 에는 제4 코일(152a)과 제3 코일의 단절부(153b) 사이의 갭(G)이 정의될 수 있다.
상기와 코일들의 권선 패턴은 구동 모터(100)의 8극 전체에 걸쳐 동일하게 형성될 수 있다. 즉, 어느 하나의 교류상이 인가되는 코일과 그 코일의 단절부가 한 쌍의 슬롯 내에 배치되는 것이 아니라 한 쌍의 슬롯 내에 어느 하나의 교류상이 인가되는 코일이 권선되고 인접하는 한 쌍의 슬롯 내에 그 코일의 단절부가 권선될 수 있다. 이를 통해, 코일의 기본부와 단절부 간의 전기각이 60도 차이를 보일 수 있고, 이에 따라 코일의 기본부와 코일의 단절부 각각에서 발생된 고조파들이 서로 상쇄될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터의 권선 패턴을 나타내는 도면이다. 설명의 간략을 위해 중복되는 내용의 기재는 생략한다.
도 2 및 도 5를 참조하면, 슬롯들은 8극을 기준으로 72개의 슬롯으로 제공될 수 있고, 코일들은 3분포 단절권으로 권선될 수 있다. 3분포는 슬롯들의 가로방향을 기준으로 연속적으로 동일한 교류상이 인가되는 코일들이 3개가 배치된다는 것으로, 3개의 슬롯들을 한 세트의 슬롯으로 정의하여 한 세트의 슬롯들 마다 서로 다른 교류상의 전류가 인가되는 코일들이 권선된다는 것을 의미할 수 있다. 즉, 한 세트의 슬롯에는 2개의 교류상의 전류가 인가되는 코일들이 권선될 수 있다.
일 예로, 하나의 극에는 9개의 슬롯이 제공될 수 있고, 각각의 슬롯들의 외측과 내측에 서로 다른 교류상의 전류가 인가되는 코일들이 권선될 수 있다. 1극의 외측에는 V상의 전류가 인가되는 코일들, U 상의 전류가 인가되는 코일들 및 W 상의 전류가 인가되는 코일들이 각각 3개씩 권선될 수 있다. V상의 전류가 인가되는 코일들, U 상의 전류가 인가되는 코일들 및 W 상의 전류가 인가되는 코일들은 순차적으로 배치될 수 있다. 1극의 내측에는 W상의 전류가 인가되는 코일들, V 상의 전류가 인가되는 코일들 및 U 상의 전류가 인가되는 코일들이 각각 3개씩 권선될 수 있다. W상의 전류가 인가되는 코일들, V 상의 전류가 인가되는 코일들 및 U 상의 전류가 인가되는 코일들은 순차적으로 배치될 수 있다.
서로 인접하는 한 세트의 슬롯들(연속되고 인접하는 3개의 슬롯들) 중 어느 하나의 한 세트의 슬롯의 일측에 권선되는 코일과 다른 하나의 한 세트의 슬롯의 타측에 권선되는 코일은 동일한 교류상이 통전될 수 있다. 도 5는 도 3과 슬롯들의 개수에 따른 연속되는 동상의 코일들의 개수가 서로 다를 뿐, 권선 패턴은 도 5와 도 3과 동일할 수 있다. 상기와 같은 패턴은 구동 모터(100)의 8극 전체에 걸쳐 동일하게 형성될 수 있다.
상술한 예와 달리, 슬롯들은 8극을 기준으로 24개의 슬롯으로 제공될 수 있고, 일 극에 3개의 슬롯이 제공될 수 있다. 코일들은 1분포 단절권으로 권선될 수 있다. 이와 같은 경우에도, 도 5와 슬롯들의 개수에 따른 연속되는 동상의 코일들의 개수가 서로 다를 뿐 권선 패턴은 동일할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 고조파들이 상쇄되는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 3상의 전류들 각각에서는 3차 고조파가 발생될 수 있다. 구체적으로, 3상의 전류들은 A상 기본파, B상 기본파 및 C상 기본파를 의미할 수 있고, A상 기본파, B상 기본파 및 C상 기본파 각각에서 3차 고조파들이 발생될 수 있다.
종래의 1개의 인버터 만을 이용한 모터 구동 시스템(1-stage)에서는 구동 모터(30)의 Y 결선에 배터리(10)의 전원의 인가될 수 있다. 구동 모터(30)의 Y 결선에서는 각 선간 제어를 통해 3상 전류에 의해 발생되는 3차 고조파가 동일 크기 및 동일 위상을 가진다. 따라서, 3차 고조파는 서로 상쇄되게 된다. 다만, 본 발명의 2개의 인버터를 이용하는 모터 구동 시스템(2-stage)에서는 구동 모터(30)의 각 상에 배터리(10)의 전원이 각각 인가될 수 있다. 따라서, 모터 구동 시스템의 고성능 설계 및 고효율 설계가 구현될 수 있으나, 3상의 전류들 각각에서 발생되는 3차 고조파는 기본적으로 서로 상쇄되지 않는 단점을 가진다. 3차 고조파가 상돼되지 않으면 구동 모터(30)의 발열과 효율 저하가 발생될 수 있다. 또한, 고조파가 존재하는 경우, 구동모터의 NVH(소음(noise), 진동(vibration), 불쾌감(harshness))가 증가되는 문제점이 발생될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면 코일의 기본부에서 발생되는 기본파와 코일의 단절부에서 발생되는 단절파가 각각 존재하고, 기본파와 단절파 각각에서 3차 고조파가 발생될 수 있다. 기본파와 단절파는 60도의 위상차를 가질 수 있으므로, 기본파에서 발생된 고조파와 단절파에서 발생된 고조파도 60도의 위상차를 가질 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예에 따르면, 기본파에서 발생된 고조파와 단절파에서 발생된 고조파가 60도의 위상차를 가짐에 따라 서로 상쇄될 수 있다. 따라서, 구동모터의 NVH가 악화되고 구동모터의 손실이 증대되는 문제점이 해결될 수 있다.
이상, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (16)

  1. 구동모터에 제1 인버터 및 제2 인버터가 연결되고, 3상의 전류가 흐르는 고정자 권선의 일단은 상기 제1 인버터의 출력선, 상기 고정자 권선의 타단은 상기 제2 인버터의 출력선에 연결되는 구동시스템에서,
    상기 구동모터의 상기 고정자에 정의되는 슬롯들에 3상의 전류가 인가되는 코일들이 권선되고,
    상기 고정자에 정의된 모든 상기 슬롯들 각각에는 상기 구동모터의 회전축을 향하는 방향을 기준으로 내측과 외측에 서로 상이한 교류상을 통전하는 코일들로 권선되는,
    모터의 권선 패턴.
  2. 제1 항에 있어서,
    서로 인접하는 2개 내지 3개의 슬롯은 한 쌍의 슬롯으로 정의되고,
    서로 인접하는 한 쌍의 슬롯들 중 어느 하나의 한 쌍의 슬롯의 일측에 권선되는 코일과 다른 하나의 한 쌍의 슬롯의 타측에 권선되는 코일은 동일한 교류상이 통전되는,
    모터의 권선 패턴.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 슬롯들의 일측에 권선되는 상기 코일들은 기본부로 정의되고,
    상기 슬롯들의 타측에 권선되는 상기 코일들은 단절부로 정의되고,
    상기 단절부는 상기 기본부와 전기각으로 60도 단절되고,
    상기 단절부에서 발생된 고조파들은 상기 기본부에서 발생된 고조파들과 서로 상쇄되는,
    모터의 권선 패턴.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 기본부 및 상기 기본부와 전기각 60도로 단절된 상기 단절부가 배치된 패턴은 상기 슬롯들 전부에 걸쳐 반복적으로 나타나는,
    모터의 권선 패턴.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 슬롯들은 8극을 기준으로 48개의 슬롯으로 제공되고,
    인접하는 2개의 슬롯은 한 쌍의 슬롯으로 정의되고, 상기 한 쌍의 슬롯에는 2개의 교류상의 전류가 인가되는 상기 코일들이 권선되고,
    상기 코일들은 단절권으로 권선된,
    모터의 권선 패턴.
  6. 제5 항에 있어서,
    하나의 극에는 제1 슬롯, 제2 슬롯, 제3 슬롯, 제4 슬롯, 제5 슬롯 및 제 6 슬롯이 제공되고,
    상기 코일들은;
    상기 구동모터의 회전축을 향하는 방향을 기준으로 상기 제1 슬롯과 상기 제2 슬롯의 외측에 배치되는 제1 코일;
    상기 제1 슬롯과 상기 제2 슬롯의 내측에 배치되는 제2 코일;
    상기 제3 슬롯과 상기 제4 슬롯의 외측에 배치되는 제3 코일;
    상기 제3 슬롯과 상기 제4 슬롯의 내측에 배치되는 제1 코일의 단절부;
    상기 제5 슬롯과 상기 제6 슬롯의 외측에 배치되는 제4 코일; 및
    상기 제5 슬롯과 상기 제6 슬롯의 내측에 배치되는 제3 코일의 단절부를 포함하고,
    상기 제1 코일과 상기 제1 코일의 단절부는 동일한 교류상을 통전하고,
    상기 제3 코일과 상기 제3 코일의 단절부는 동일한 교류상을 통전하고,
    상기 제2 코일과 상기 제4 코일은 동일한 교류상을 통전하는,
    모터의 권선 패턴.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제2 코일은 인접하는 극에 제공되는 동일한 교류상이 통전되는 코일의 단절부인,
    모터의 권선 패턴.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 하나의 극과 인접하는 극에는 상기 제4 코일과 교류상이 통전되는 단절부가 배치되는,
    모터의 권선 패턴.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 슬롯들 각각에는 서로 다른 교류상의 전류가 인가되는 상기 코일들 사이의 갭이 정의되는,
    모터의 권선 패턴.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 슬롯들은 8극을 기준으로 72개의 슬롯으로 제공되고,
    인접하는 3개의 슬롯은 한 세트의 슬롯으로 정의되고, 상기 한 세트의 슬롯에는 2개의 교류상의 전류가 인가되는 상기 코일들이 권선되고,
    상기 코일들은 단절권으로 권선된,
    모터의 권선 패턴.
  11. 제10 항에 있어서,
    서로 인접하는 한 세트의 슬롯들 중 어느 하나의 한 세트의 슬롯의 일측에 권선되는 코일과 다른 하나의 한 세트의 슬롯의 타측에 권선되는 코일은 동일한 교류상이 통전되는,
    모터의 권선 패턴.
  12. 3상의 전류가 인가되는 코일들이 권선된 슬롯들이 정의된 고정자를 포함하는 구동모터;
    3상의 전류가 흐르는 상기 고정자의 권선의 일단에 연결되는 제1 인버터;
    3상의 전류가 흐르는 상기 고정자의 권선의 타단에 연결되는 제2 인버터; 및
    상기 고정자의 권선의 타단과 상기 제2 인버터의 연결을 제어하는 스위치를 포함하고,
    상기 슬롯들 각각에는 상기 구동모터의 회전축을 향하는 방향을 기준으로 내측과 외측에 서로 상이한 교류상을 통전하는 코일들로 권선되는,
    모터 구동시스템.
  13. 제12 항에 있어서,
    차량의 구동 모드에 따라 상기 스위치는 상기 구동모터와 상기 제2 인버터 간의 연결을 제어하는,
    모터 구동시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 차량의 구동 모드가 고출력 모드인 경우, 상기 스위치는 상기 구동모터와 상기 제2 인버터를 연결시키고,
    상기 차량의 구동 모드가 연비 모드인 경우, 상기 스위치는 상기 구동모터와 상기 제2 인버터를 연결시키지 않는,
    모터 구동시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    인접하는 복수개의 슬롯은 한 세트의 슬롯으로 정의되고,
    서로 인접하는 한 세트의 슬롯들 중 어느 하나의 한 세트의 슬롯의 일측에 권선되는 코일과 다른 하나의 한 세트의 슬롯의 타측에 권선되는 코일은 동일한 교류상이 통전되는,
    모터 구동시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 일측에 권선되는 코일과 상기 타측에 권선되는 코일은 전기각으로 60도 단절되는,
    모터 구동시스템.

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