KR20230022821A - 모터의 토크 모니터링 시스템 - Google Patents

모터의 토크 모니터링 시스템 Download PDF

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KR20230022821A
KR20230022821A KR1020220099177A KR20220099177A KR20230022821A KR 20230022821 A KR20230022821 A KR 20230022821A KR 1020220099177 A KR1020220099177 A KR 1020220099177A KR 20220099177 A KR20220099177 A KR 20220099177A KR 20230022821 A KR20230022821 A KR 20230022821A
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이은우
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(주)대신엔지니어링
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Abstract

모터의 토크 모니터링 시스템을 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 모터의 토크를 모니터링하는 시스템에 있어서, 기 설정된 조건 하에서 모터 내 회전축의 기 설정된 부위를 센싱하는 센서 및 상기 센서로부터 센싱값을 수신하여 상기 모터의 RPM을 측정하며, 상기 모터로부터 상기 모터로 인가된 전류값 및 전압값을 수신하여, 측정한 RPM, 수신한 전류값 및 수신한 전압값을 이용하여 모터의 토크를 연산하는 모니터링 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 모니터링 시스템을 제공한다.

Description

모터의 토크 모니터링 시스템{System for Monitoring Motor Torque}
본 실시예는 간단한 구성으로 모터의 토크를 모니터링할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
모터는 전력을 사용하여 회전력을 발생시키는 동력 기계이다. 모터는 전동기라고 명명하기도 한다.
모터는 고정되어 있는 부분인 고정자와 회전하는 부분인 회전자로 구성될 수 있다. 모터의 고정자에는 도체 전선이 감겨 코일이 형성된다. 모터는 영구 자석을 구비한다. 이 경우 모터의 회전자에 영구 자석이 포함될 수 있다.
수많은 전기 장치에 모터가 사용될 수 있다. 예를 들어, 선풍기나 공기조화기 같은 가전 제품, 및 전기 자동차 등에 모터가 사용될 수 있다.
모터를 포함한 전기 장치에 우발적 충돌이 발생하거나, 의도치 않은 작동으로 인해, 모터에 과부하가 발생할 수 있다. 이처럼 모터에 과부하가 발생할 경우, 구동 모터 자체나 구동 모터를 감속시키는 감속장치 등을 손상시키고 장비의 기능에 악영향을 미칠 수 있어 방지되어야 한다.
이처럼 모터에 과부하가 발생하는지 여부를 측정하기 위해, 모터의 토크를 센싱하는 것이 일반적이다. 다만, 모터의 토크를 직접 측정하는 토크 센서의 경우, 상당히 고가이기 때문에, 모터의 토크를 모니터링, 특히, 실시간으로 모니터링함에 있어 비용적으로 제약이 존재하였다.
본 발명의 일 실시예는, 간단한 구성으로 모터의 토크를 모니터링할 수 있는 토크 모니터링 시스템을 제공하는 데 일 목적이 있다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 모터의 토크를 모니터링하는 시스템에 있어서, 기 설정된 조건 하에서 모터 내 회전축의 기 설정된 부위를 센싱하는 센서 및 상기 센서로부터 센싱값을 수신하여 상기 모터의 RPM을 측정하며, 상기 모터로부터 상기 모터로 인가된 전류값 및 전압값을 수신하여, 측정한 RPM, 수신한 전류값 및 수신한 전압값을 이용하여 모터의 토크를 연산하는 모니터링 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 모니터링 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 센서는 근접센서인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 센서는 기 설정된 거리만큼 떨어져 위치하며, 기 설정된 면적을 갖는 대상을 감지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 부위는 상기 회전축에 형성된 홈인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 상기 기 설정된 부위는 상기 회전축에 형성된 홈에 장착된 피감지 구성인 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 측면에 따르면, 저비용으로도 모터의 토크를 비교적 정확히 모니터링할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 모니터링 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 모니터링 시스템이 센싱할 수 있는 모터의 회전축을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 모니터링 시스템 내 각 구성의 신호 처리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 센싱값을 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에서, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해서 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 본 발명의 각 실시예에 포함된 각 구성, 과정, 공정 또는 방법 등은 기술적으로 상호 간 모순되지 않는 범위 내에서 공유될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 모니터링 시스템을 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 모니터링 시스템 내 각 구성의 신호 처리를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1a을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 모니터링 시스템(100)은 센서(110) 및 모니터링 장치(120)를 포함한다.
센서(110)는 근접 센서로 구현되어, 기 설정된 조건 하에서 모터(130) 내 회전축(135)의 기 설정된 부위를 센싱한다.
센서(110)는 근접 센서, 특히, 인덕티브 근접센서로 구현된다. 센서(110)는 근접센서로서 일정 거리 내 센싱하고자 하는 대상이 존재하는지를 센싱한다. 센서(110)는 인덕티브(Inductive) 센서로 구현된다. 인덕티브 센서는 코일 형태로 구현되어 전원을 인가받아 지속적으로 자기장을 방시한다. 이때, 인덕티브 센서의 센싱 범위 내로 전도성 대상물 또는 자기 투과성 대상물이 접근을 할 경우, 코일의 임피던스가 달라지게 된다. 인덕티브 센서는 이처럼 대상의 접근으로 인한 코일의 임피던스 변화를 감지하여, 대상물의 접근을 감지한다.
센서(110)는 전술한 바와 같이 근접센서로 구현되기 때문에, 크기가 상당히 작아질 수 있으며 저렴하게 구현될 수 있다. 센서(110)는 수mm 크기까지 작아질 수 있다. 종래와 같이 토크를 측정하기 위한 토크 센서, 예를 들어, 엔코더(Encoder)는 크기가 작아지는데 한계를 갖는다. 이로 인해, 모터(130)에 변속기 또는 감속기가 연결되어 있을 경우, 종래의 토크 센서는 크기의 제약으로 모터(130)의 회전축(135) 부근에 설치되기 곤란하여 회전축(135)의 회전 또는 토크를 정확히 측정하기 곤란했다. 이에 따라, 종래의 토크 센서는 주파수 등을 고려하여 연산하는 방식으로 간접적으로 모터(130)의 토크를 센싱하곤 했다. 그러나 센서(110)는 근접센서로서 수 mm의 크기까지 아주 작게 구현될 수 있다. 이로 인해, 도 1에 도시된 바와 같이, 센서(110)는 모터(130)에 형성된 틈 사이로 진입하여 회전축(135) 근처에 배치될 수 있으며, 회전축(135)의 회전수를 센싱할 수 있다. 센서(110)는 회전축(135)의 회전수를 센싱하기 때문에, 정확히 모터의 토크를 센싱할 수 있다. 또한, 종래의 토크 센서, 예를 들어, 엔코더는 상당히 고가의 구성인 반면, 센서(110)는 상대적으로 현저히 저렴하게 구현될 수 있다. 이에, 비용적인 측면에서도 상당한 장점을 가질 수 있다.
한편, 도 1b를 참조하면, 센서(110)는 모터(130)에 부하단(140), 예를 들어, 변속기 또는 감속기 등)이 연결될 수 있다. 모터(130)에 부하단(140)이 연결될 경우, 종래의 토크센서라면 부하단(140)의 존재에 의해 부하단(140)에 의해 변경된 토크를 센싱하기가 구조적으로 더 어려워질 수 있으며, 변화된 토크를 정확히 센싱하는 것은 보다 곤란할 수 있다.
그러나 전술한 대로, 센서(110)는 수mm 크기까지 작아질 수 있어, 부하단(140)이 모터(130)에 연결된다 하더라도, 부하단(140)에 형성된 틈으로 부하단(140) 내 회전축(145)에 근접할 수 있다. 이에 따라, 부하단(140)이 모터(130)에 연결되더라도 부하단(140)에 의해 변경된 토크 또는 회전수를 직접 정확하게 측정할 수 있다.
센서(110)는 기 설정된 조건 하에서 모터(130) 내 회전축(135)의 기 설정된 부위를 센싱한다. 센서(110)는 기 설정된 조건 하에서 대상물을 감지한다. 기 설정된 조건은 대상물과의 간격과 대상물의 면적을 포함한다. 예를 들어, 센서(110)는 18mm 면적을 갖는 타겟이 수mm 간격(예를 들어, 2 내지 8mm)에 있을 때 최적으로 검출할 수 있다. 이와 같은 조건 하에서 동작하는 센서(110)는 모터(130) 내 회전축(135)의 기 설정된 부위를 센싱할 수 있도록 배치된다. 모터(130) 내 회전축(135)의 기 설정된 부위는 도 2에 상세히 도시되어 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 토크 모니터링 시스템이 센싱할 수 있는 모터의 회전축을 도시한 도면이다.
도 2a를 참조하면, 모터(130) 내 회전축(135)에는 기 설정된 면적 이상을 갖는 홈(210)이 형성되어 있을 수 있다. 이와 같은 형태의 회전축(135)을 갖는 모터(130)를 검출하기 위해서, 센서(110)는 회전축(135) 자체를 감지할 수 있도록 배치된다. 모터(130)의 동작으로 회전축(135)이 회전하게 되면, 센서(110)는 지속적으로 회전축(135)을 감지할 수 있다. 이때, 기 설정된 면적 이상을 갖는 홈(210)이 센서(110)와 나란한 방향에 배치될 경우, 센서(110)의 검출을 위한 기 설정된 조건(대상물의 간격 및 면적 모두)이 불만족되기 때문에, 해당 시점에서 센서(110)는 회전축(135)을 감지하지 못한다. 이와 같이, 센서(110)가 회전축(135) 내 홈(210)만을 감지하지 못하도록 배치되며, 후술할 모니터링 장치(120)가 회전축(135)의 RPM을 연산할 수 있도록 한다.
도 2b를 참조하면, 모터(130) 내 회전축(135)에는 홈(210)보다 상대적으로 작은 면적을 갖는 홈(220)이 구현되어 있을 수 있다. 해당 홈(220)은 홈(210)과 같이 센서(110)에 감지되지 못할 정도의 면적은 아니고, 피감지 구성(230)이 장착될 수 있을 정도의 상대적으로 작은 면적을 갖는다. 회전축(135)은 홈(220)을 포함하며, 홈(220)으로 센서(110)의 감지를 위한 피감지 구성(230)이 장착된다. 피감지 구성(230)은 센서(110)가 대상을 감지하기 위한 면적을 갖는다. 예를 들어, 도 2b에 도시된 바와 같이, 일정한 면적을 갖는 머리 등의 부위를 포함할 수 있다. 센서(110)는 회전축(135)이 아닌, 피감지 구성(230), 특히, 일정한 면적을 갖는 부위를 감지할 수 있도록 배치된다. 모터(130)의 동작으로 회전축(135)이 회전하게 되면, 센서(110)는 피감지 구성(230)이 자신과 나란한 방향을 향하는 시점에만 피감지 구성(230)을 감지할 수 있다. 피감지 구성(230)은 회전축(135)에 장착되어 회전축(135)과 동일하게 회전하기 때문에, 모니터링 장치(120)는 센서(110)의 센싱값을 토대로 회전축(135)의 RPM을 연산할 수 있다.
다시 도 1a를 참조하면, 센서(110)는 전술한 바와 같이, 회전축(135) 또는 피감지 구성(230)을 센싱한다. 센싱한 센싱값을 모니터링 장치(120)로 전달한다.
모니터링 장치(120)는 센서(110)로부터 수신한 센싱값을 토대로, 모터(130)의 토크를 연산한다.
도 3을 참조하면, 모니터링 장치(120)는 센서(110)로 센서(110)가 동작할 수 있도록 하는 전원을 공급하며, 센서(110)로부터 센싱값을 수신한다.
한편, 모니터링 장치(120)는 모터(130)로부터 모터로 인가되는 전류 및 전압을 각각 수신한다. 모니터링 장치(120)는 모터(130)로부터 전술한 정보를 수신하여, 모터의 토크를 연산하는데 이용할 수 있다.
모니터링 장치(120)는 센서(110)로부터 수신한 센싱값을 토대로 모터(130)의 RPM을 측정한다. 모니터링 장치(120) 장치로 수신되는 센서(110)의 센싱값은 도 4에 도시되어 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서의 센싱값을 도시한 그래프이다.
모터(130)의 회전축(135)이 도 2a에 도시된 형태를 가질 경우, 센서(110)의 센싱값은 도 4a와 같이 나타난다. 도 4a에서와 같이, 센서(110)는 지속적으로 회전축(135)을 센싱하며, 홈(210) 부분은 센싱하지 못한다. 이에 따라, 센싱값은, 도 4a에 도시된 그래프와 같이, 넓은 면적을 갖는 펄스가 상대적으로 아주 좁은 간격만큼 떨어진 채 연속적으로 배치된 형태를 갖는다.
반대로, 모터(130)의 회전축(135)이 도 2b에 도시된 형태를 가질 경우, 센서(110)의 센싱값은 도 4b와 같이 나타난다. 도 4b에서와 같이, 센서(110)는 피감지 구성(230) 만을 반복적으로 센싱하며, 회전축(135)은 센싱하지 못한다. 이에 따라, 센싱값은, 도 4b에 도시된 그래프와 같이, 좁은 면적을 갖는 펄스가 상대적으로 아주 넓은 간격만큼 떨어진 채 연속적으로 배치된 형태를 갖는다.
다시 도 1a를 참조하면, 모니터링 장치(120)는 이와 같은 형태를 갖는 센싱값을 이용하여, 모터(130)의 RPM을 측정한다. 모니터링 장치(120)는 1분 동안 생성되는 펄스의 개수를 측정함으로서, 모터(130)의 RPM을 정확히 측정할 수 있다. 즉, 토크 모니터링 시스템(100)은 오로지 근접센서(110)만을 이용하여 센싱하며, 센싱값을 신호처리함으로서 모터(130)의 RPM을 정확히 측정할 수 있다.
이후, 모니터링 장치(120)는 측정한 RPM을 이용하여 모터(130)의 토크를 연산한다.
모터(130)의 토크는 다음과 같이 연산될 수 있다.
Figure pat00001
여기서, T는 토크를, P는 모터의 정격 출력을, N은 RPM을 의미한다.
이때, P는 다음의 수식을 만족한다.
Figure pat00002
여기서, V는 모터 내 인가되는 전압을, I는 모터 내 인가되는 전류를, cosφ는 역률(모터의 제작시 설정되는 값), η는 부하단이 모터에 연결된 경우에서 부하단의 효율을, i는 부하단의 감속 또는 증속 비율을 의미한다.
모니터링 장치(120)는 전술한 과정으로 실시간으로 정확히 측정한 RPM과 모터 내로 인가되는 전압과 전류값을 이용하여 토크를 연산한다. 이처럼, 모니터링 장치(120)는 센서(110)로부터 센싱값을 받아 실시간으로 모터(130)의 정확한 RPM을 측정할 수 있으며, 이로부터 토크를 연산할 수 있다.
나아가, 모니터링 장치(120)는 출력수단(미도시)를 포함할 수 있다. 모니터링 장치(120)는 출력수단(미도시), 예를 들어, 5자리 숫자를 출력할 수 있는 LED 디스플레이 모듈 등을 포함하여, 연산한 토코를 출력할 수 있다. 모니터링 장치(120)는 연산한 모터(130)의 토크를 출력함으로서, 관리자 등이 토크를 인지할 수 있도록 한다.
전술한 바와 같이, 토크 모니터링 시스템(100)은 고가의 토크 센서가 아닌 근접 센서만을 구비하면서도 정확하게 모터의 토크를 연산하여 출력할 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.
100: 토크 모니터링 시스템
110: 센서
120: 모니터링 장치
130: 모터
135, 145: 회전축
140: 부하단
210, 220: 홈
230: 피감지 구성

Claims (5)

  1. 모터의 토크를 모니터링하는 시스템에 있어서,
    기 설정된 조건 하에서 모터 내 회전축의 기 설정된 부위를 센싱하는 센서; 및
    상기 센서로부터 센싱값을 수신하여 상기 모터의 RPM을 측정하며, 상기 모터로부터 상기 모터로 인가된 전류값 및 전압값을 수신하여, 측정한 RPM, 수신한 전류값 및 수신한 전압값을 이용하여 모터의 토크를 연산하는 모니터링 장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서는,
    근접센서인 것을 특징으로 하는 토크 모니터링 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서는,
    기 설정된 거리만큼 떨어져 위치하며, 기 설정된 면적을 갖는 대상을 감지하는 것을 특징으로 하는 토크 모니터링 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기 설정된 부위는,
    상기 회전축에 형성된 홈인 것을 특징으로 하는 토크 모니터링 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기 설정된 부위는,
    상기 회전축에 형성된 홈에 장착된 피감지 구성인 것을 특징으로 하는 토크 모니터링 시스템.
KR1020220099177A 2021-08-09 2022-08-09 모터의 토크 모니터링 시스템 KR20230022821A (ko)

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