KR20220141085A - 가변 자속 모터 제어 장치 - Google Patents

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김재현
황성우
박수환
김동민
박상진
이종석
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현대자동차주식회사
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Abstract

가변 자속 모터 제어 장치를 개시한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 영구자석 및 도체 바가 배열된 회전자를 가진 모터를 제어하는 모터 제어장치에 있어서, 상기 모터의 고정자 코일에 고정자 전류를 인가하는 인버터; 및 상기 인버터를 통해 상기 고정자 전류를 제어함으로써, 상기 도체 바의 토크를 제어하고 상기 영구자석을 착자(magnetization) 또는 탈자(demagnetization)시키는 제어부를 포함하는 모터 제어장치를 제공한다.

Description

가변 자속 모터 제어 장치{Apparatus For Controlling Variable Flux Type Motor}
본 발명의 실시예들은 모터 제어 장치, 특히 영구자석 및 도체 바가 배열된 회전자를 가진 모터를 제어하는 모터 제어 장치에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 발명에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
일반적으로, 친환경 자동차로 불리우는 하이브리드 차량 또는 전기 자동차는 전기 에너지로 회전력을 얻는 전기 모터(이하에서는 "모터" 라고 한다)에 의해 구동된다.
모터는 직류 모터와 교류 모터로 나뉘고, 교류 모터는 동기 모터(synchronous motor)와 유도 모터(induction motor)로 나뉜다. 동기 모터에서는 주로 회전자에 영구자석(permanent magnet)을 포함하는 영구자석 동기 모터가 이용된다.
도 1a 및 도 1b는 동기 모터와 유도 모터의 구조를 예시한 도면이다.
도 1a를 참조하면, 동기 모터는 고정자(stator, 100), 고정자 슬롯(110), 회전자(rotor, 120), 영구자석(130), 홀(hole, 140) 및 샤프트(shaft, 150)를 포함한다.
고정자(100)는 외부 인버터로부터 교류 전류를 인가 받아 회전자계를 형성하는 구성요소이다. 회전자계는 모터의 축을 중심으로 회전하는 자계를 의미한다.
고정자(100)는 고정자 코어와 고정자 코일을 포함하며, 고정자 코일은 고정자 슬롯(110)을 통해 고정자 코어에 권선된다. 고정자 코일은 여러 쌍으로 구성되며, 한 쌍의 고정자 코일은 샤프트(150)를 중심으로 서로 반대편에 위치한 고정자 코일을 의미한다. 복수 쌍으로 구성된 고정자 코일에 제공되는 교류 전류는 회전자계를 형성한다.
회전자(120)는 고정자(100)가 형성한 회전자계에 의해 샤프트(150)를 중심으로 회전하는 구성요소이다.
영구자석(130)은 자극(magnetic pole)을 가지며, 고정자(100)에 의해 형성된 회전자계와 상호작용하여 토크를 생성하는 구성요소다. 영구자석(130)과 회전자계 간 상호작용에 의해 발생한 토크는 회전자(120)를 회전시킨다.
홀(140)은 영구자석(130)이 서로 일정 각도를 이루며 위치하도록 V 형으로 형성된 공간을 의미한다. 홀(140)은 동기 모터에 포함되지 않을 수도 있다.
샤프트(150)는 회전자(120)와 결합되어 회전하는 구동 축을 의미한다.
도 1b를 참조하면, 유도 모터는 고정자(100), 고정자 슬롯(110), 회전자(120), 샤프트(150) 및 도체 바(160)를 포함한다.
동기 모터가 회전자(120)에 영구자석(130) 및 홀(140)을 포함하는 반면, 유도 모터는 회전자(120)에 도체 바(160)를 포함한다. 도체 바(160)는 유도 모터의 회전자(120)에는 케이지(예를 들면, 햄스터용 쳇바퀴와 유사한 농형)의 형태로 구성될 수 있다. 즉, 케이지는 회전자(120)의 외주 상에 각도가 이격된 축 방향 도체 바(160)로 구성되고, 도체 바(160)의 끝단을 연결하는 단부 링(end ring)을 더 포함한다.
고정자 코일에 제공되는 교류 전류가 회전자(120)의 내부에 회전자계를 형성하는 것은 유도 모터와 동기 모터에서 동일하다. 반면, 유도 모터에서 회전자계는 도체 바(160) 내에 전류를 유도한다. 도체 바(160)에 유도된 전류는 자계를 형성한다. 도체 바(160)에 의해 생성된 자계와 고정자(100)에 의해 생성된 회전자계가 서로 상호작용하여 회전자(120)에 토크를 생성한다. 생성된 토크에 의해 회전자(120)는 회전한다.
도체 바(160) 내에 전류를 유도하려면, 도체 바(160)와 회전자계 사이에 슬립(slip)이 요구된다. 즉, 도체 바(160)는 회전자계와 동기식으로 회전하지 않아야 토크가 발생한다. 따라서, 유도 모터는 비동기 모터로 지칭될 수 있다.
이하에서는, 영구자석 동기 모터와 유도 모터를 비교한다.
영구자석 동기 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor; PMSM)는 관성력 대비 높은 토크 밀도를 가지므로 고출력 특성을 가지며, 회전자(120)에 권선(winding)이 없기 때문에 고효율 특성을 가진다. 영구자석 동기 모터의 고출력 및 고효율로 인해, 영구자석 동기 모터는 산업용 및 차량용 등으로 광범위하게 사용되고 있다.
영구자석 동기 모터는 회전자(120)에 권선이 없기 때문에 회전자(120)가 고속으로 회전할 수 있다. 영구자석 동기 모터의 동력 특성은 회전자(120)의 집중 권선(concentric winding)에 의해 향상될 수도 있다. 나아가, 유도 모터는 제조하기 수월하며, 대량생산이 용이하다.
하지만, 영구자석 동기 모터에서 고정자 슬롯(110)과 슬롯들 사이의 치(teeth)가 영구자석와의 작용으로 인해 코깅(cogging) 토크를 발생시킨다는 문제점이 있다. 코깅 토크는 회전체가 한 특정한 방향으로 회전하려는 것을 방지하려고 하는 비틀림 힘을 의미한다. 특히, 무부하 또는 저부하 회전 시, 코깅 토크가 발생할 수 있다.
코깅 토크를 없애기 위해, 영구자석 동기 모터는 동력 전달을 차단하는 클러치를 포함할 수 있다. 하지만, 클러치로 인해 부피, 무게, 크기, 비용 등이 증가할 수 있다.
한편, 유도 모터는 영구자석을 포함하지 않으므로, 고정자의 치/슬롯 구조에도 불구하고 코깅 토크를 발생시키지 않는다. 유도 모터는 코깅 토크가 없으므로 동력 전달 차단을 위한 클러치를 필요로 하지 않는다.
하지만, 유도 모터는 영구자석 동기 모터에 비해 낮은 토크 밀도를 가진다는 단점이 있다.
따라서, 동기 모터와 유도 모터의 단점을 서로 보완하고 장점을 활용할 수 있도록 모터를 제어하는 장치 및 방법에 대한 연구가 필요하다.
한편, 모터 자체를 제어하는 연구 외에도, 사륜 구동 차량에서 동기 모터와 유도 모터를 함께 운용하는 방법에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
사륜 구동 차량은 차량의 전륜 및 후륜 모두에 구동력을 제공하여 주행하는 차량이다. 특히, 사륜 구동 중 AWD(All Wheel Drive) 방식은 항상 네 개의 휠에 구동력을 분배함으로써 휠의 접지력을 최적화하여 안정적인 주행을 수행할 수 있는 방식이다.
전륜과 후륜 중 어느 하나를 주 구동륜으로 사용하고 나머지 하나를 보조 구동륜으로 사용하는 시스템이 사륜 구동 차량에 주로 적용되고 있다. 이 경우 주 구동륜과 보조 구동륜에 각각 동력을 제공하는 구동모터가 구비된다. 각각의 구동모터 마다 배터리에 저장된 직류 에너지를 변환하여 구동모터로 공급하는 인버터가 구비된다.
보조 구동륜에 연결되는 보조 구동모터는 주 구동모터의 견인력, 즉 토크를 보조하는 모터이기 때문에 높은 토크 밀도를 필요로 한다.
높은 토크 밀도를 위해, 보조 구동모터는 영구자석 동기 모터일 수 있다. 하지만, 보조 구동모터가 영구자석 동기 모터인 경우, 코깅 토크와 같은 항력(drag force)로 인해 주 구동 모터의 토크를 저해할 수 있다. 반면, 보조 구동모터가 유도 모터인 경우, 부하가 낮은 고속 운전에서 코깅 토크가 발생하진 않지만, 주 구동모터의 기동 토크를 보완하는 데 한계가 있다.
따라서, 주 구동모터의 동작을 고려하여 보조 구동모터를 제어하는 방법에 대한 연구가 필요하다.
본 발명의 실시예들은, 영구자석과 도체 바를 모두 포함하는 모터를 제어하는 모터 제어장치에 있어서, 도체 바에 의한 토크를 영구자석에 의한 토크로 보완하여 토크 밀도를 높이고, 클러치 없이도 영구자석에 의한 코깅 토크를 제거하여 모터를 유도 모터로 동작시킬 수 있는 모터 제어장치를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 발명의 다른 실시예들은, 영구자석과 도체 바를 모두 포함하는 보조 모터를 제어하는 보조 모터 제어장치에 있어서, 주 모터의 동작에 따라 보조 모터의 구동 모드를 제어하여 주 모터의 기동 또는 가속 시 주 모터의 토크를 보조하고, 보조 모터에 전원이 오프(off)되더라도 동력 차단을 위한 클러치 없이 영구자석에 의한 코깅 토크를 제거할 수 있는 보조 모터를 제어하는 보조 모터 제어장치를 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 영구자석 및 도체 바가 배열된 회전자를 가진 모터를 제어하는 모터 제어장치에 있어서, 상기 모터의 고정자 코일에 고정자 전류를 인가하는 인버터; 및 상기 인버터를 통해 상기 고정자 전류를 제어함으로써, 상기 도체 바의 토크를 제어하고 상기 영구자석을 착자(magnetization) 또는 탈자(demagnetization)시키는 제어부를 포함하는 모터 제어장치를 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 영구자석 및 도체 바가 배열된 회전자를 가진 보조 모터를 제어하는 보조 모터 제어장치에 있어서, 상기 보조 모터의 고정자 코일에 고정자 전류를 인가하는 인버터; 및 상기 인버터를 통해, 주 모터의 동작에 따라 상기 도체 바의 토크를 제어하고 상기 영구자석을 착자(magnetization) 또는 탈자(demagnetization)시킴으로써, 상기 보조 모터의 구동 모드를 제어하는 제어부를 포함하는 보조 모터 제어장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의하면, 영구자석과 도체 바를 모두 포함하는 모터를 제어하는 모터 제어장치에 있어서, 도체 바에 의한 토크를 영구자석에 의한 토크로 보완하여 토크 밀도를 높이고, 클러치 없이도 영구자석에 의한 코깅 토크를 제거하여 모터를 유도 모터로 동작시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면 영구자석과 도체 바를 모두 포함하는 보조 모터를 제어하는 보조 모터 제어장치에 있어서, 주 모터의 동작에 따라 보조 모터의 구동 모드를 제어하여 주 모터의 기동 또는 가속 시 주 모터의 토크를 보조하고, 보조 모터에 전원이 오프(off)되더라도 동력 차단을 위한 클러치 없이 영구자석에 의한 코깅 토크를 제거할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 동기 모터와 유도 모터의 구조를 예시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 영구자석과 도체 바를 포함하는 모터의 구조를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 모터 제어장치를 설명하기 위해 예시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 d축 전류 제어에 따른 영구자석의 자성 변화를 설명하기 위해 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 주 모터의 동작에 따라 보조 모터를 제어하는 보조 모터 제어장치를 설명하기 위해 예시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '~부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 영구자석과 도체 바를 포함하는 모터의 구조를 예시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 고정자(200), 고정자 슬롯(210), 회전자(220), 영구자석(230), 홀(240), 샤프트(250) 및 도체 바(260)가 포함된 모터의 단면이 도시되어 있다.
도 2에 도시된 고정자(200), 고정자 슬롯(210), 회전자(220), 영구자석(230), 홀(240), 샤프트(250) 및 도체 바(260)는 도 1a 및 도 1b에 도시된 고정자(100), 고정자 슬롯(110), 회전자(120), 영구자석(130), 홀(140), 샤프트(shaft, 150) 및 도체 바(160)와 동일하게 동작한다.
고정자 코일에 흐르는 교류 전류가 회전자계를 형성하고, 도체 바(160)는 회전자계와의 상호작용으로 토크를 생성한다. 회전자(120)는 도체 바(160)에 의해 생성되는 토크에 기초하여 회전한다.
반면, 도 1a 및 도 1b에 도시된 영구자석(130)과 달리, 도 2에 도시된 영구자석(230)은 고정자 코일에 인가되는 교류 전류에 의해 착자(magnetization) 또는 탈자(demagnetization)될 수 있다. 자세하게는, 고정자 코일에 흐르는 d축 전류에 의해 형성된 자계는 영구자석을 착자 또는 탈자시킬 수 있다. 여기서, 착자는 물체가 외부 자기장에 의해 자성을 가지게 되는 현상을 의미한다. 착자는 자기화 및 자화와 같은 의미를 갖는다. 반대로, 탈자는 자성을 가진 물체가 외부 자기장에 의해 자극을 잃게 되는 현상을 의미한다.
착자 및 탈자를 위해, 영구자석(230)은 보자력(coercive force)가 낮은 물질일 수 있다. 예를 들면, 영구자석(230)은 알루미늄, 니켈 및 코발트로 이루어진 AlNiCo일 수 있다.
영구자석(230)이 착자된 경우, 영구자석(230)의 자극(magnetic pole)과 회전자계 사이의 인력에 의해 영구자석(230)은 토크를 생성한다.
영구자석(230)이 착자된 경우, 모터는 도체 바(160)에 의해 생성되는 토크와 영구자석(230)에 의해 생성되는 토크를 모두 이용할 수 있다. 본 명세서에서 모터가 도체 바(160)에 의해 생성되는 토크와 영구자석(230)에 의해 생성되는 토크를 모두 이용하는 구동 모드를 '하이브리드 모드'라 칭한다. 즉, 모터는 도체 바(160)를 포함하는 유도 모터와 영구자석(230)을 포함하는 동기 모터가 결합된 하이브리드 모터가 된다. 하이브리드 모드에서 모터는 도체 바(160)에 의해 생성되는 토크와 영구자석(230)에 의해 생성되는 토크를 모두 이용하므로, 토크 밀도를 높일 수 있다.
영구자석(230)이 탈자된 경우, 영구자석(230)의 자극이 없거나 자화 정도가 미미하기 때문에 영구자석(230)은 토크를 생성하지 못한다.
영구자석(230)이 탈자된 경우, 모터는 도체 바(160)에 의해 생성되는 토크만 이용할 수 있다. 즉, 모터는 오직 도체 바(160)를 포함하는 유도 모터로 동작한다. 본 명세서에서, 모터가 도체 바(160)에 의해 생성되는 토크만 이용하는 모드를 '유도 모터 모드'라 칭한다. 모터는 유도 모터 모드에서 영구자석(230)의 자극이 존재하지 않으므로 영구자석(230)에 의한 코깅 토크를 제거할 수 있다. 나아가, 모터는 동력 전달 차단을 위한 클러치를 이용하지 않더라도, 영구자석(230)의 코깅 토크에 의해 주 모터의 토크를 저해되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 모터가 보조 모터로 이용되는 경우, 모터는 하이브리드 모드를 통해 주 모터의 토크를 보조하기 위한 토크 출력을 증대시킬 수 있다. 또한, 무부하 또는 저부하 회전 시 영구자석(230)을 탈자시켜, 영구자석(230)에 의해 항력이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이는, 에너지 손실을 감소시킨다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 모터 제어장치를 설명하기 위해 예시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 구동륜(300), 구동 모터(310), 배터리(320), 모터 제어장치(330), 인버터(332) 및 제어부(334)가 도시되어 있다. 도 3에는 후륜 구동 방식으로 도시되어 있으나, 모터 제어장치(330)는 전륜 구동, 사륜 구동 등 다양한 구동 방식에 적용될 수 있다.
구동륜(300)은 구동 모터(310)로부터 동력을 공급 받아 회전하는 바퀴를 의미한다.
구동 모터(310)는 모터 제어장치(330)의 제어에 따라 구동륜(300)에 동력을 제공하는 구성요소다.
구동 모터(310)는 고정자 및 회전자를 포함한다. 고정자는 고정자 코어 및 고정자 코어에 권선된 고정자 코일을 포함한다. 회전자는 영구자석 및 도체 바를 포함한다. 영구자석 및 도체 바는 회전자 내부에 복수 개로 배열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 영구자석은 보자력이 낮은 자석으로 구성될 수 있다. 예를 들면, 영구자석은 AlNiCo일 수 있다.
배터리(320)는 전기 에너지를 저장하는 구성요소이다.
모터 제어장치(330)는 배터리(320)에 저장된 전기 에너지를 이용하여 구동 모터(310)의 동작을 제어하는 장치다.
인버터(332)는 복수의 스위칭 소자를 이용하여 배터리(320)에 저장된 전기 에너지를 전류의 형태로 변환하여 구동 모터(310)에 제공하는 구성요소다. 자세하게는, 인버터(332)는 구동 모터(310)의 고정자 코일에 고정자 전류를 인가하는 구성요소다.
제어부(334)는 인버터(332)를 통해 고정자 전류를 제어함으로써, 도체 바의 토크를 제어하고 영구자석을 착자(magnetization) 또는 탈자(demagnetization)시키는 구성요소다. 영구자석이 착자된 경우, 제어부(334)는 고정자 전류 제어를 통한 회전자계를 이용하여 도체 바에 의해 생성되는 토크뿐만 아니라 착자된 영구자석에 의해 생성되는 토크를 제어할 수 있다. 이 경우, 구동 모터(310)의 토크 밀도가 높아지고, 출력 토크도 높아진다.
제어부(334)는 고정자 전류를 통해 회전자계를 형성하고, 회전자계를 이용하여 도체 바에 토크를 생성하고 영구자석을 착자시키거나 탈자시킬 수 있다.
고정자 전류를 제어하는 방법으로써, 제어부(334)는 고정자 코일에 다상의 전류가 흐르도록 인버터(332)를 제어할 수 있다. 여기서, 다상의 전류는 위상각(phase angle)을 기준으로 UVW 좌표상에서의 U상 전류, V상 전류 및 W상 전류를 의미할 수 있다.
제어부(334)는 UVW 좌표상에서의 전류를 d/q 좌표상에서의 d축 전류와 q축 전류로 변환할 수 있다. d축 전류는 구동 모터(310)의 영구자석의 자속축과 동일한 위상을 가진 전류를 의미하고, q축은 영구자석의 자속축과 직교하는 위상을 가진 전류를 의미한다.
제어부(334)는 d축 전류 제어를 통해 영구자석의 착자 또는 탈자를 제어할 수 있다. 영구자석의 착자 또는 탈자를 위해, 크기가 큰 d축 전류가 순간적으로 고정자 코일에 인가된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제어부(334)는 고정자 전류의 d축 전류를 양의 값으로 제어하여 영구자석을 착자시킬 수 있다. 제어부(334)는 d축 전류를 크기가 큰 양의 값으로 제어하여 영구자석의 보자력보다 크거나 동일한 기자력을 생성할 수 있다. 기자력의 크기는 영구자석의 자기 포화 상태에 대응하는 회전자계를 형성하도록 하는 크기일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 제어부(334)는 고정자 전류의 d축 전류를 음의 값으로 제어하여 영구자석을 탈자시킬 수 있다. 제어부(334)는 d축 전류를 크기가 큰 음의 값으로 제어하여 영구자석의 보자력보다 크거나 동일한 기자력을 생성할 수 있다. 기자력의 크기는 영구자석의 보자력에 대응하는 회전자계를 형성하도록 하는 크기일 수 있다.
영구자석이 착자된 경우, 모터 제어장치(330)는 구동 모터(310)를 유도 모터와 동기 모터가 결합된 하이브리드 모드로 제어할 수 있다. 하이브리드 모드에서 착자된 영구자석에 의한 토크 및 도체 바에 의한 토크 모두 발생한다. 하이브리드 모드에서, 구동 모터(310)는 높은 토크 밀도 및 높은 출력 토크를 가진다. 모터의 가속 시 하이브리드 모드가 이용될 수 있다.
영구자석이 착자된 경우, 모터 제어장치(330)는 구동 모터(310)를 동기 모터 모드로 제어할 수 있다. 모터 제어장치(330)는 회전자계와 착자된 영구자석의 자극을 동기화시킴으로써, 구동 모터(310)를 동기 모터로 동작시킬 수 있다. 동기 모터 모드는 유도 모터 모드에 비해 높은 토크 밀도 및 높은 출력 토크를 가진다. 모터의 가속 시 동기 모터 모드가 이용될 수 있다.
영구자석이 착자되지 않거나 탈자된 경우, 모터 제어장치(330)는 구동 모터(310)를 유도 모터 모드로 제어할 수 있다. 영구자석이 탈자되면 도체 바에 의해 생성되는 토크만 구동 모터(310)에 가해지므로, 토크 밀도가 낮은 대신 영구자석에 의한 코깅 토크, 즉 항력을 제거할 수 있다. 이는, 구동 모터(310)의 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 d축 전류 제어에 따른 영구자석의 자성 변화를 설명하기 위해 예시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 일반 동작 구간(400), 착자 구간(410), 탈자 구간(420), d축 전류(430) 및 자화 상태(Magnetization State, MS; 440)가 도시되어 있다.
일반 동작 구간(400)은 영구자석의 착자 및 탈자가 수행되지 않는 구간을 의미한다. 일반 동작 구간(400)에서, 모터 제어장치는 토크 제어에 필요한 범위에서 d축 전류(430)를 제어한다.
착자 구간(410)은 영구자석이 착자되는 구간을 의미한다. 착자 구간(410)에서 모터 제어장치는 모터의 고정자 코일에 d축 전류를 양의 값으로 제어함으로써, 영구자석을 착자시킬 수 있다. 이때, d축 전류는 순간적으로 크기가 큰 양의 값으로 제어될 수 있다. 착자 구간(410)에서 자화 상태(440)는 100%가 되거나 100%에 가까워질 수 있다.
탈자 구간(420)은 영구자석이 탈자되는 구간을 의미한다. 탈자 구간(420)에서 모터 제어장치는 모터의 고정자 코일에 d축 전류를 음의 값으로 제어함으로써, 영구자석을 탈자시킬 수 있다. 이때, d축 전류는 순간적으로 크기가 큰 음의 값으로 제어될 수 있다. 탈자 구간(420)에서 자화 상태(440)는 0%가 되거나 0%에 가까워질 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 주 모터의 동작에 따라 보조 모터를 제어하는 보조 모터 제어장치를 설명하기 위해 예시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 배터리(500), 제1 인버터(510), 제2 인버터(512), 주 모터(520), 보조 모터(522), 주 구동륜(530), 보조 구동륜(532) 및 제어부(540)가 도시되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 의하면, 보조 모터 제어장치는 제2 인버터(512) 및 제어부(540)를 포함하고, 도 5에 도시된 다른 구성요소들을 더 포함할 수 있다.
배터리(500)는 전기 에너지를 저장하는 구성요소다.
제1 인버터(510) 및 제2 인버터(512)는 복수의 스위칭 소자를 이용하여 배터리(500)에 저장된 전기 에너지를 전류의 형태로 변환하여 주 모터(520) 및 보조 모터(522)에 각각 제공하는 구성요소다. 이를 위해, 제1 인버터(510)는 주 모터(520)의 고정자 코일에 고정자 전류를 인가하며, 제2 인버터(512)는 보조 모터(522)의 고정자 코일에 고정자 전류를 인가한다. 인버터들은 배터리(500)에서 인가되는 DC 전압을 스위칭 수단인 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)를 통해 교류 3상 전압으로 변환하여 모터들을 구동시킨다.
주 모터(520)는 차량 주행에 필요한 동력 중 상대적으로 더 큰 비중의 동력을 제공하는 모터다.
주 모터(520)는 하이브리드 차량에서 엔진(engine)으로 구현될 수도 있다.
보조 모터(522)는 차량 주행에 필요한 동력 중 상대적으로 더 작은 비중의 동력으로 구동되는 모터다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 보조 모터(522)는 고정자 및 회전자를 포함한다. 보조 모터(522)의 회전자는 영구자석 및 도체 바를 포함한다. 영구자석 및 도체 바는 복수로 구성될 수 있다.
주 구동륜(530)은 차량 주행에 필요한 동력 중 상대적으로 더 큰 비중의 동력으로 구동되는 구동륜이다. 보조 구동륜(532)은 차량 주행에 필요한 동력 중 상대적으로 더 작은 비중의 동력으로 구동되는 구동륜이다.
주 구동륜(530)과 보조 구동륜(532)은 각각 전륜 및 후륜이 될 수도 있고, 후륜 및 전륜이 될 수도 있다.
제어부(540)는 전륜 및 후륜에 대한 동력 분배를 위한 토크를 계산하여 주 모터(520) 및 보조 모터(522)의 구동을 제어를 위한 전반적인 동작을 제어한다. 이를 위해, 제어부(540)는 제2 인버터(512)를 통해 보조 모터(522)를 제어한다. 나아가, 제어부(540)는 제1 인버터(510)를 통해 주 모터(520)를 제어할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 제어부(540)는 주 모터(520)의 동작에 따라 보조 모터(5220)의 회전자에 포함된 도체 바의 토크를 제어하고 영구자석을 착자 또는 탈자시킴으로써, 보조 모터의 구동 모드를 제어한다. 영구자석이 착자된 경우, 제어부(334)는 보조 모터(522)의 고정자 전류 제어를 통해 회전자계를 이용하여, 보조 모터(522)의 도체 바에 의해 생성되는 토크뿐만 아니라 착자된 영구자석에 의해 생성되는 토크를 제어할 수 있다.
제어부(540)는 주 모터(520)의 기동 시, 영구자석이 착자되지 않은 상태에서 보조 모터(522)의 영구자석을 탈자시켜 보조 모터(522)의 구동 모드를 유도 모터 모드로 제어할 수 있다. 여기서, 유도 모터 모드는 제어부(540)가 보조 모터를 유도 모터로 동작시키는 모드를 의미한다. 유도 모터 모드에서 제어부(540)는 도체 바에 의한 토크를 제어한다. 한편, 제어부(540)는 차량 주행 중 영구자석을 탈자시켜 보조 모터(522)의 구동 모드를 유도 모터 모드로 제어할 수도 있다.
제어부(540)는 주 모터(520)의 가속 시, 보조 모터(522)의 영구자석을 착자시켜 보조 모터(522)의 구동 모드를 하이브리드 모드(hybrid mode)로 제어할 수 있다. 여기서, 하이브리드 모드는 제어부(540)가 착자된 영구자석에 의한 토크 및 도체 바에 의한 토크를 발생시키는 모드를 의미한다. 제어부(540)는 주 모터(520)의 큰 토크가 필요한 기동 시에도 보조 모터(522)의 구동 모드를 하이브리드 모드로 제어할 수 있다.
제어부(540)는 주 모터(520)의 가속 시, 보조 모터(522)의 영구자석을 착자시켜 보조 모터(522)의 구동 모드를 동기 모터 모드로 제어할 수 있다. 여기서, 동기 모터 모드는 제어부(540)가 보조 모터를 동기 모터로 동작시키는 모드를 의미한다. 동기 모터 모드에서 제어부(540)는 영구자석에 의한 토크를 제어한다.
제어부(540)는 주 모터(520)의 정속 또는 감속 시, 보조 모터(522)에 대한 전력 공급을 중단하기 전에 영구자석을 탈자시킬 수 있다.
구체적으로, 제어부(540)는 주 모터(520)의 동작에 따라 보조 모터(522)에 대한 전원을 오프(off)시킬 수 있고, 전원 오프 전에 보조 모터(522)의 영구자석을 탈자시킬 수 있다. 예를 들면, 주 모터(520)의 토크만으로 주행하려 할 때, 보조 모터(522)의 전원을 오프시킬 수 있다. 이때, 보조 모터(522)의 전원이 오프되면, 보조 모터(522)는 주 모터(520)의 회전에 따라 공회전, 무부하 회전, 저부하 회전 중 어느 하나로 회전한다. 보조 모터(522)의 영구자석이 착자된 경우, 보조 모터(522)에 대한 전원이 오프되더라도 영구자석에 의해 코깅 토크, 즉 항력(drag force)가 발생할 수 있다. 항력은 주 모터(520)의 토크를 저해하는 요소이다. 제어부(540)는 보조 모터(522)의 전원이 오프되기 전에, 보조 모터(522)의 영구자석을 탈자시킴으로써 항력을 제거할 수 있다.
한편, 모터 제어장치에 포함된 제어부의 동작은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 즉, 이러한 컴퓨터가 읽을 수 있는　기록매체는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등의 비일시적인(non-transitory) 매체를 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
또한, 본 발명의 구성 요소들은 메모리, 프로세서, 논리 회로, 룩-업 테이블(look-up table) 등과 같은 직접 회로 구조를 사용할 수 있다. 이러한 직접 회로 구조는 하나 이상의 마이크로 프로세서 또는 다른 제어 장치의 제어를 통해 본 명세서에 기술 된 각각의 기능을 실행한다. 또한, 본 발명의 구성 요소들은 특정 논리 기능을 수행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 명령을 포함하고 하나 이상의 마이크로 프로세서 또는 다른 제어 장치에 의해 실행되는 프로그램 또는 코드의 일부에 의해 구체적으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 요소들은 각각의 기능을 수행하는 중앙 처리 장치(CPU), 마이크로 프로세서 등을 포함하거나 이에 의해 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 요소들은 하나 이상의 프로세서에 의해 실행되는 명령어들을 하나 이상의 메모리에 저장할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
300: 구동륜 310: 구동 모터
320: 배터리 330: 모터 제어장치
332: 인버터 334: 제어부

Claims (9)

  1. 영구자석 및 도체 바가 배열된 회전자를 가진 모터를 제어하는 모터 제어장치에 있어서,
    상기 모터의 고정자 코일에 고정자 전류를 인가하는 인버터; 및
    상기 인버터를 통해 상기 고정자 전류를 제어함으로써, 상기 도체 바의 토크를 제어하고 상기 영구자석을 착자(magnetization) 또는 탈자(demagnetization)시키는 제어부
    를 포함하는 모터 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고정자 전류의 d축 전류를 양의 값으로 제어하여 상기 영구자석을 착자시키는 모터 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고정자 전류를 통해 착자된 영구자석에 의해 생성되는 토크를 제어하는 모터 제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 고정자 전류의 d축 전류를 음의 값으로 제어하여 상기 영구자석을 탈자시키는 모터 제어장치.
  5. 영구자석 및 도체 바가 배열된 회전자를 가진 보조 모터를 제어하는 보조 모터 제어장치에 있어서,
    상기 보조 모터의 고정자 코일에 고정자 전류를 인가하는 인버터; 및
    상기 인버터를 통해, 주 모터의 동작에 따라 상기 도체 바의 토크를 제어하고 상기 영구자석을 착자(magnetization) 또는 탈자(demagnetization)시킴으로써, 상기 보조 모터의 구동 모드를 제어하는 제어부
    를 포함하는 보조 모터 제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 주 모터의 기동 시, 상기 영구자석이 착자되지 않은 상태에서 상기 구동 모드를 상기 보조 모터가 유도 모터로 동작하는 유도 모터 모드로 제어하는 보조 모터 제어장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 주 모터의 가속 시, 상기 영구자석을 착자시켜 상기 구동 모드를 상기 착자된 영구자석에 의한 토크 및 상기 도체 바에 의한 토크를 발생시키는 하이브리드 모드로 제어하는 보조 모터 제어장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 주 모터의 가속 시, 상기 영구자석을 착자시키고 상기 구동 모드를 상기 보조 모터가 동기 모터로 동작하는 동기 모터 모드로 제어하는 보조 모터 제어장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 주 모터의 정속 또는 감속 시, 상기 보조 모터에 대한 전력 공급을 중단하기 전에 상기 영구자석을 탈자시키는 보조 모터 제어장치.
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