KR20230161602A - 모터 및 이의 제어방법 - Google Patents

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최준혁
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Abstract

본 발명은 모터 및 이의 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 실시형태에 따른 모터는, 전기자 코일이 권취되는 고정자; 상기 고정자 내측에 배치되고, 초전도 계자 코일이 권취되는 회전자; 및 상기 모터를 제어하도록 구성되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 교류 공급원으로부터 상기 전기자 코일에 공급되는 전기자 전류와 직류 공급원으로부터 상기 계자 코일에 공급되는 계자 전류를 제어하도록 구성되고, 상기 모터의 기동 전 상기 계자 코일을 적어도 일정 비율 충전하도록 구성된다.

Description

모터 및 이의 제어방법{MOTOR AND CONTROLLING METHOD OF THE SAME}
본 발명은 모터 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
하이브리드 전기차를 포함하는 전기차는 부분적으로 또는 전적으로 기존 내연기관이 아닌, 모터에 의해 구동된다. 이러한 전기차의 모터로서 영구자석이 적용된 IPMSM (Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)이 널리 사용되고 있다. IPMSM은 효율과 출력이 높은 특징이 있다.
다만, 영구자석으로 사용되는 희토류의 비용 절감, 회전자의 자기장을 전류로 제어할 수 있는 이점으로 인하여 권선 계자형 동기모터 (Wound Field Synchronous Motor, WFSM)에 관하여 활발한 연구가 이루어지고 있다.
등록특허공보 제10-1833134호 (등록일자: 2018.10.21)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
속응성이 향상된 모터 및 모터의 제어방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자(이하 '통상의 기술자')에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 기능을 수행하기 위한, 본 발명의 특징은 다음과 같다.
본 발명의 일부 실시형태에 따른 모터는, 전기자 코일이 권취되는 고정자; 상기 고정자 내측에 배치되고, 초전도 계자 코일이 권취되는 회전자; 및 상기 모터를 제어하도록 구성되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 교류 공급원으로부터 상기 전기자 코일에 공급되는 전기자 전류와 직류 공급원으로부터 상기 계자 코일에 공급되는 계자 전류를 제어하도록 구성되고, 상기 모터의 기동 전 상기 계자 코일을 적어도 일정 비율 충전하도록 구성된다.
본 발명의 일부 실시형태에 따른 모터의 제어방법으로서, 상기 모터는 전기자 코일이 권취되는 고정자, 상기 고정자 내측에서 회전가능하게 구성되고 초전도 계자 코일이 권취되는 회전자 및 상기 모터를 제어하도록 구성되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 전기자 코일에 공급되는 전기자 전류와 상기 계자 코일에 공급되는 계자 전류를 제어하도록 구성되며, 상기 모터의 제어방법은 하기 단계들은 상기 제어기에 의해 실행되고, 상기 모터의 목표 속력과 정격 속력을 비교하는 단계; 상기 목표 속력이 정격 속력 이하인 경우, 상기 모터의 기동 전 상기 계자 코일을 충전하는 단계; 및 상기 계자 코일이 기 설정된 비율만큼 충전된 것으로 판단되는 경우 상기 모터를 구동시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 모터, 특히, 초전도 코일이 사용되는 WFSM의 속응성을 향상하여 요구되는 출력을 즉시 제공할 수 있게 하는 모터 및 이의 제어방법이 제공된다.
본 발명의 효과는 전술한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 인식될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 개략적인 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 모터의 제어시스템의 구성도이고,
도 3은 본 발명의 일부 실시형태에 따른 모터의 제어 흐름도를 도시하고,
도 4는 도 3의 블록 A의 상세 흐름도이고,
도 5은 본 발명의 일부 실시형태에 따른 모터의 제어 흐름도를 도시하고,
도 6은 본 발명의 일부 실시형태에 따른 모터의 제어 흐름도를 도시하고,
도 7은 모터의 토크와 회전속력과의 관계를 도시한다.
발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
모터의 제어는 모터 타입과 인버터 사용 유무에 따라 다양한 방식으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 전압 제어, 주파수 제어, 전압 및 주파수 제어, 전압 듀티(duty) 제어, 벡터 제어 등 다양한 제어 방식이 사용될 수 있다. WFSM의 경우에는 모터 회전을 위한 회전자계 제어 외에 주자속이 되는 계자 자속 제어(직류(DC) 제어)가 동반되어야 한다.
WFSM에 구리, 알루미늄 등으로 구성되는 상전도 코일이 사용되는 경우 계자 코일과 전기자 코일 모두 시정수가 작다. 따라서, 상전도 코일을 갖는 WFSM은 목표 전류 값에 빠르게 도달할 수 있다. 이처럼 전류의 응답속력이 빠르므로 계자 전류 제어 시 특별한 구동 제어가 필요 없고 구동 후 계자 코일의 저항에 의해 손실되는 부분만이 보상된다.
그러나 초전도 코일을 포함하는 WFSM의 경우, 저항율이 매우 작아 (대략 7x10-23 ohm-cm) 시정수가 크다. 따라서, 목표 전류 값에 도달하는 시간이 오래 걸리며 제어 속응성이 떨어지게 된다.
이에 본 발명은 모터의 응답, 특히, 초전도 코일을 포함하는 WFSM의 응답속력을 향상시킬 수 있는 모터의 제어방법을 제공하고자 한다.
도 1에는 WFSM (Wound Field Synchronous Motor, 1)의 단순화된 단면도가, 도 2에는 본 발명에 따른 WFSM(1)의 제어시스템의 구성도가 도시되어 있다.
도 1 내지 2를 참조하면, WFSM(1)은 회전자(10)에 계자 코일(12)이 감기는 모터로서, 다른 유형의 전기 모터와 마찬가지로, 회전자(10)와 고정자(20)를 포함한다. 회전자(10)에는 계자 코일(12)이 권취되고, 고정자(20)에는 전기자 코일(22)이 권취된다.
회전자(10)와 고정자(20)의 전자기적 상호작용에 의해 회전자(10)가 회전할 수 있도록 회전자(10)와 고정자(20)에는 각각 전류가 공급된다. WFSM(1)은 슬립 링(30)을 통해 직류 공급원(40)으로부터의 직류(DC)를 계자 코일(12)에 공급받을 수 있다. 고정자(20)에는 교류 공급원(50)으로부터의 3상 교류가 전기자 코일(22)을 통해 공급된다.
WFSM(1)은 제어기(60)에 의해 제어된다. WFSM(1)의 출력은 계자 코일(12)에 공급되는 계자 전류의 제어를 통해 제어될 수 있다. 구체적으로, WFSM(1)의 출력은 계자 전류와 자속에 비례하고, 자속은 전기자 전류에 비례하므로, 전기자 코일(22)과 계자 코일(12)에 각각 인가되는 계자 전류와 전기자 전류를 통해 WFSM(1)의 출력이 제어될 수 있다. 이에 제어기(60)는 계자 코일(12)로 인가되는 계자 전류(If)와 전기자 코일(22)로 인가되는 전기자 전류(Ia)를 결정하고, 결정된 값이 각 코일(12, 22)에 인가되도록 할 수 있다. 이를 위하여 제어기(60)는 필요에 따라 직류 공급원(40)과 교류 공급원(50)에 의해 계자 코일(12)과 전기자 코일(22)에 각각 공급되는 전류를 제어할 수 있도록 구성된다.
또한, WFSM(1)은 센서(70)를 더 포함한다. 센서(70)는 자속 측정을 위한 홀 센서 등의 자속센서(72), 전류측정을 위한 전류센서(74), WFSM(1)의 토크를 측정하기 위한 토크센서(76)를 포함할 수 있다. 센서(70)에 의한 측정값은 제어기(60)에 전달된다.
WFSM(1)에서는 회전자(10)에서 자속을 만들기 위해 영구자석 대신에 코일이 이용되며, 회전자의 치(teeth)에 코일을 와인딩하여 계자 자속을 생성한다. 앞서 언급한 바와 같이, 초전도 선재로 형성되는 계자 코일(12)에 전류가 공급된 뒤 목표 전류에 도달하는 데에는 상전도 코일에 비해 오랜 시간이 소요된다.
구체적인 설명을 위해 수학식 1이 고려될 수 있다. 일반적으로 코일에 흐르는 전류(i(t))는 인덕턴스(L) 성분에 의해 충전이 된다.
[수학식 1]
여기에서 t는 시간, v(t)는 시간에 따른 전압을 가리킨다.
저항-인덕터 회로에 인가되는 전류는 아래 수학식 2와 같이 표현되며, E는 기전력, R은 저항을 가리킨다.
[수학식 2]
여기에서 시정수(τ)는 아래 수학식 3과 같이 주어진다.
[수학식 3]
즉, 저항율은 인덕턴스(L)에 반비례하고, 인덕턴스(L)가 클수록 시정수가 커지므로 초전도 코일을 포함하는 WFSM(1)의 경우 목표 전류 값에 도달하는 시간이 오래 소요된다.
이에 본 발명은 계자 코일(12)을 적어도 일부 또는 전부 충전한 뒤 WFSM(1)을 기동시킴으로써 초전도 코일을 갖는 WFSM(1)의 낮은 속응성 문제를 해결할 수 있다.
도 3을 참조하여 WFSM(1)의 구동 전 계자 코일(12)을 완전히, 100% 충전시킬 때의 WFSM(1)의 제어방법에 관하여 설명한다.
단계 S10에서 WFSM(1)이 목표로 하는 회전속력인 목표 속력()이 정격 속력() 이하인 경우 제어기(60)에 의하여 본 실시형태에 따른 제어가 실행된다.
WFSM(1)의 목표 속력()이 정격 속력() 이하이면 제어기(60)는 WFSM(1)의 정지 상태에서 직류 공급원(40)으로 하여금 계자 코일(12)을 충전하도록 한다(S12). 비제한적인 예로서, 직류 공급원(40)은 배터리일 수 있고, 이차 전지일 수 있다.
그리고 제어기(60)는 계자 코일(12)이 100% 충전되었는지를 확인한다. 이를 위해 제어기(60)는 현재의 계자 자속인 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt)에 도달하였는지 판단한다(S14). 일부 구현예에서, 현재 자속(Фc)은 WFSM(1)에 구비되는 자속센서(72)에 의해 측정된다. 일부 구현예에서, 현재 자속(Фc)은 WFSM(1)에 구비되는 전류센서(74)에 의해 측정되는 계자 전류(If)에 의해 판단될 수도 있다. 제어기(60)는 자속센서(72) 및 전류센서(74) 중 적어도 하나의 측정값에 기초하여 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt)에 도달했는지 판단한다.
현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt)에 도달하지 않은 경우 S12로 복귀하여 제어기(60)는 계자 코일(12)이 충전되도록 한다. 계자 코일(12)에서 발생되는 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt) 이상인 경우 제어기(60)는 WFSM(1)을 구동시키고, WFSM(1)의 구동을 제어한다(S16). 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt)에 도달하게 되면 WFSM(1)은 정격 토크(Tr)를 발생시킬 수 있고, 동작 조건에 따라 WFSM(1)의 구동이 제어될 수 있다.
그러면서 제어기(60)는 계자 코일(12)의 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt)으로 유지되고 있는지 판단한다(S18). 구체적으로, 제어기(60)는 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt) 이상인지 판단한다. 이때에도 계자 코일(12)의 현재 자속(Фc)은 자속센서(72) 또는 전류센서(74)의 측정값에 의해 판단될 수 있다.
제어기(60)는 WFSM(1)의 구동 중 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt)을 추종하고 있는지 판단하며, 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt) 미만인 경우 제어기(60)는 계자 전류(If)를 증가시키면서 WFSM(1)의 구동을 제어한다(S19).
반대로 단계 S18에서 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt) 이상인 경우에는 제어기(60)는 WFSM(1)의 출력을 확인한다. 즉, 제어기(60)는 WFSM(1)의 현재 토크(Tc) 및 현재 속력()을 각각 목표 토크(Tt) 및 목표 속력()과 비교한다(S20). 구체적으로, 제어기(60)는 현재 토크(Tc)가 목표 토크(Tt) 이상이고, 현재 속력()이 목표 속력()과 실질적으로 같은지 판단한다.
단계 S20에서 현재 토크(Tc)가 목표 토크(Tt) 미만이거나 현재 속력()이 목표 속력()이 아닌 경우에는 블록 A로 이동한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 현재 토크(Tc)가 목표 토크(Tt) 미만인 경우에는 계자 코일(12)의 충전이 100%에 도달하지 못한 것을 의미하므로 단계 S12로 복귀하여 제어기(60)는 계자 코일(12)이 충전되도록 할 수 있다(S201). 현재 토크(Tc)가 목표 토크(Tt) 이상인 경우, 제어기(60)는 현재 속력()이 목표 속력()과 같지 않은지 판단한다(S203). 다시 말하면, 현재 속력()이 목표 속력()보다 크거나 작은 경우에는 제어기(60)는 전기자 코일(Ia)에 인가되는 전기자 전류(Ia)의 부하각 제어를 통해 회전속력을 제어하여 현재 속력()이 목표 속력()에 이르도록 한다(S205).
현재 토크(Tc) 및 현재 속력()이 각각 목표 토크(Tt) 및 목표 속력()에 도달한 경우에는 제어기(60)는 현재 토크(Tc)가 기 설정된 범위 내에 속하는지 판단한다(S22). 기 설정된 범위는 현재 토크(Tc)가 목표 토크(Tt) 이상이고, 목표 토크(Tt)의 일정 비율(q) 이하인 것을 의미한다. 비제한적인 예로서, 일정 비율(q)은 1.03일 수 있다.
현재 토크(Tc)가 상기 기 설정된 범위 내 있지 않은 경우, 제어기(60)는 전기자 전류(Ia)를 감소시킨다(S23). 그리고 단계 S18로 복귀한다. WFSM(1)의 구동 중 부하 변동으로 인해 현재 토크(Tc)가 설정된 범위를 초과하는 경우 전기자 전류(Ia)의 제어를 통해 제어된다.
현재 토크(Tc)가 상기 기 설정된 범위 내 있는 경우, 제어기(60)는 단계 S24에서 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt) 이상으로 유지되고 있는지 판단한다.
현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt) 이상으로 유지되고 있는 경우, 제어기(60)는 계속해서 WFSM(1)이 구동되도록 한다(S26). 즉, 순간적인 부하 변동에 의해 WFSM(1)의 운전 상태가 달라지므로 지속적으로 현재 토크(Tc)와 현재 속력()을 피드백받아 WFSM(1)을 구동시킨다. 또는 WFSM(1)의 구동 중 목표 속력()이 정격 속력()을 초과하게 되면 도 6의 고속 운전 제어 흐름도를 따라 WFSM(1)을 제어한다.
반대로 단계 S24에서 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt)에 미치지 못하는 것으로 판단된 경우, 제어기(60)는 계자 전류(If)를 증가시킨다(S25).
도 5를 참조하여 WFSM(1)의 기동 전에 계자 코일(12)을 일부, 예를 들어, 대략 60 내지 99.9% 사이의 값 정도 충전시킬 때의 WFSM(1)의 제어방법에 관하여 설명한다.
단계 S300에서 먼저 WFSM(1)의 목표 속력()이 정격 속력() 이하인 경우 제어기(60)에 의해 본 실시형태에 따른 제어가 실행된다.
WFSM(1)의 목표 속력()이 정격 속력() 이하인 경우, 제어기(60)는 WFSM(1)의 정지 상태에서 직류 공급원(40)으로 하여금 계자 코일(12)을 충전하도록 한다(S302). 이때 계자 코일(12)은 일부만 충전된다. 예를 들어, 계자 코일(12)은 80%까지 충전된다.
그리고 제어기(60)는 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt)의 미리 설정된 비율(p)에 도달하였는지 판단한다(S304). 제어기(60)는 계자 코일(12)의 충전 여부를 확인하기 위하여 현재 자속(Фc)과 목표 자속(Фt)을 비교한다. 비율(p)은 0.6 내지 0.99일 수 있고, 예를 들어, 계자 코일(12)이 80%까지 충전되는 경우, 비율(p)은 0.8일 수 있다. 여기에서 현재 자속(Фc)도 마찬가지로 자속센서(72) 및 전류센서(74) 중 적어도 하나의 측정값이 사용될 수 있다.
현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt)의 미리 설정된 비율(p)에 도달하지 못한 경우에는 단계 S302로 돌아가 제어기(60)는 계자 코일(12)이 충전되도록 한다. 반면 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt)의 미리 설정된 비율(p) 이상인 경우, 제어기(60)는 WFSM(1)을 구동시키고, 일부만 충전되었으므로 WFSM(1)의 부족한 출력을 전기자 전류(Ia)로 보상한다(S306). 즉, 전기자 전류(Ia)를 통해 WFSM(1)의 출력 부족분이 보상되도록 한다. WFSM(1)에 인가되는 전류는 션트(shunt) 저항을 통해 측정된 값이 제어기(60)로 입력된다. 따라서, 션트 저항을 통해 측정된 전류값과 제어기(60)에 설정된 저항, 인덕턴스 등의 파라미터에 기초하여 WFSM(1)의 토크와 출력이 산출될 수 있다. 이로써 출력 부족분이 판단될 수 있다.
단계 S308에서, 제어기(60)는 목표 출력 도달 여부를 판단하기 위하여 현재 토크(Tc) 및 현재 속력()를 각각 목표 토크(Tt) 및 목표 속력()과 비교한다(S20). 구체적으로, 제어기(60)는 현재 토크(Tc)가 목표 토크(Tt) 이상이고, 현재 속력()이 목표 속력()인지 판단한다.
현재 토크(Tc)가 목표 토크(Tt) 미만이거나 현재 속력()이 목표 속력()이 아닌 경우, 제어기(60)는 계자 전류(If)와 전기자 전류(Ia)를 모두 증가시키고, 단계 S306으로 되돌아간다(S309).
현재 토크(Tc)가 목표 토크(Tt) 이상이고, 현재 속력()이 목표 속력()인 경우 제어기(60)는 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt)에 도달했는지 판단한다(S310).
현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt) 미만인 경우 제어기(60)는 계자 전류(If)를 증가시킨다(S311). 반대로 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt) 이상인 경우 제어기(60)는 현재 토크(Tc)가 기 설정된 범위 내에 속하는지 판단한다(S312). 기 설정된 범위는 현재 토크(Tc)가 목표 토크(Tt) 이상이고, 목표 토크(Tt)의 일정 비율(q) 이하인 것을 의미한다. 비제한적인 예로서, 일정 비율(q)은 1.03일 수 있다.
현재 토크(Tc)가 상기 기 설정된 범위 내 있지 않은 경우, 제어기(60)는 전기자 전류(Ia)를 감소시킨다(S313). 즉, 현재 토크(Tc)가 설정 범위에서 벗어나 커진 경우 제어기(60)는 전기자 전류(Ia)를 제어함으로써 현재 토크(Tc)가 제어되도록 한다. 그리고 단계 S308로 복귀한다.
현재 토크(Tc)가 상기 기 설정된 범위 내 있는 경우, 제어기(60)는 단계 S314에서 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt) 이상으로 유지되고 있는지 판단한다(S314).
현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt) 미만인 경우에는 제어기(60)는 계자 전류(If)를 증가(S315)시키고, 단계 S310으로 복귀한다. 현재 자속(Фc)이 목표 자속(Фt) 이상으로 유지되는 것으로 판단된 경우, 제어기(60)는 현재 토크(Tc)가 목표 토크(Tt) 이상인지, 현재 속력()이 목표 속력()과 대략 같은지 다시금 판단할 수 있다(S316).
현재 토크(Tc) 및 현재 속력()이 목표 토크(Tt) 및 목표 속력()에 각각 도달하지 못한 경우에는 제어기(60)는 단계 S310으로 되돌아가 필요에 따라 계자 전류(If)를 증가시킬 수 있다.
현재 토크(Tc) 및 현재 속력()이 목표 토크(Tt) 및 목표 속력()에 도달한 경우에는 제어기(60)는 계속해서 WFSM(1)이 구동되도록 한다(S26). 즉, 순간적인 부하 변동에 의해 WFSM(1)의 운전 상태가 달라지므로 지속적으로 현재 토크(Tc)와 현재 속력()을 피드백받아 WFSM(1)을 구동시킨다. 또는 WFSM(1)의 구동 중 목표 속력()이 정격 속력()을 초과하게 되면 도 6의 고속 운전 제어 흐름도를 따라 WFSM(1)을 제어한다.
도 3 내지 5에 따른 WFSM(1)의 구동 중 목표 속력()이 변화하여 정격 속력()을 초과하는 경우에는 도 6에 도시되는 고속 제어가 적용될 수 있다.
WFSM(1)이 정격 속력()을 초과하여 운전될 경우(S500), 제어기(60)는 WFSM(1)이 약계자 운전이 필요한지 판단한다(S502). 도 7을 참조하면, WFSM(1)의 회전속력과 토크의 관계가 도시되어 있다. WFSM(1)의 정격 속력()까지는 계자의 능력이 100% 활용되면서 배터리 또는 직류 공급원(40)의 전압이 최대치로 사용될 수 있다. 그러나 정격 속력() 이후에는 회전속력이 증가하면서 유기전압이 커져 직류 공급원(40)의 전압의 제한으로 인해 속력 상승이 어려워진다. 속력 상승을 위해서는 계자의 현재 자속(Фc)을 약화시켜 유기되는 전압이 감소되도록 한다. 유기전압이 감소하면 토크가 감소하면서 하향 곡선이 생성된다. 즉, 정격 속력() 초과의 영역에서 원하는 속도를 발생시키기 위해 계자 자속을 낮추게 되는데, 이러한 모터의 운전을 약계자 운전이라 한다.
현재의 속력 요구에 따라 목표 속력()이 정격 속력()을 초과하여 WFSM(1)이 구동되는 경우, 약계자 운전을 수행한다. 이 경우 제어기(60)는 계자의 현재 자속(Фc)이 감소되도록 계자 전류(If)를 감소시킨다(S504).
그리고 제어기(60)는 토크와 속력을 판단한다(S506). 구체적으로, 제어기(60)는 현재 토크(Tc)가 목표 토크(Tt) 이상이고, 현재 속력()이 목표 속력()을 만족한 경우 제어기(60)는 지속적으로 현재 토크(Tc)와 현재 속력()를 피드백받아 WFSM(1)을 구동시킨다(S508).
반면, 현재 토크(Tc)가 목표 토크(Tt) 미만이거나 현재 속력()이 목표 속력()이 아닌 경우, 전류 위상각 제어를 통한 약자속 제어를 수행한다(S507). 약자속 제어는 고정자(20)에 권취된 전기자 코일(22)에 위상각 제어를 수반하여 전류를 인가하면 회전자(10)의 계자 코일(12)에서 생성되는 자속을 상쇄시킴으로써 전압을 감소시키는 방식이다. 초전도 코일의 시정수 특성으로 약계자 제어 시 자속의 변화 속도는 매우 느리다. 본 발명은 빠른 속응성을 위해 약자속 제어를 병행함으로써 요구되는 속도와 토크를 신속하게 충족시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 초전도 코일을 포함하는 모터의 계자 코일을 충천한 뒤 모터를 기동시킴으로써, 요구되는 출력을 즉시 제공할 수 있다. 또한, 계자에 필요한 자속을 만들기 위한 전류를 모터의 기동 전에 인가함으로써 인버터의 사양을 낮출 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 계자 코일을 완충이 아닌 일정 비율로 충전한 경우에도 전기자 전류 제어를 통해 목표하는 출력을 제공할 수 있으므로 기동시간을 줄일 수도 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
1: WFSM 10: 회전자
12: 계자 코일 20: 고정자
22: 전기자 코일 30: 슬립 링
40: 직류 공급원 50: 교류 공급원
60: 제어기 70: 센서
72: 자속센서 74: 전류센서
76: 토크센서

Claims (20)

  1. 모터의 제어방법으로서, 상기 모터는 전기자 코일이 권취되는 고정자, 상기 고정자 내측에서 회전가능하게 구성되고 초전도 계자 코일이 권취되는 회전자 및 상기 모터를 제어하도록 구성되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는 상기 전기자 코일에 공급되는 전기자 전류와 상기 계자 코일에 공급되는 계자 전류를 제어하도록 구성되고 하기 단계들은 상기 제어기에 의해 실행되고,
    상기 모터의 목표 속력과 정격 속력을 비교하는 단계;
    상기 목표 속력이 정격 속력 이하인 경우, 상기 모터의 기동 전 상기 계자 코일을 충전하는 단계; 및
    상기 계자 코일이 기 설정된 비율만큼 충전된 것으로 판단되는 경우 상기 모터를 구동시키는 단계;
    를 포함하는 것인 모터의 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 모터의 구동 중, 상기 제어기는 상기 모터의 상태에 기초하여 상기 계자 전류 및 전기자 전류 중 적어도 하나를 제어하도록 구성되는 것인 모터의 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 모터의 상태는 상기 모터의 토크, 회전속력 및 자속을 포함하는 것인 모터의 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 계자 코일의 충전 여부는 상기 계자 코일에 의해 생성되는 현재 자속과 기 설정된 목표 자속의 비교에 기초하여 판단되는 것인 모터의 제어방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 모터의 구동 중,
    상기 계자 코일에 의해 생성되는 현재 자속이 기 설정된 목표 자속 이상으로 유지되는지 판단하는 단계;
    를 포함하는 것인 모터의 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 현재 자속이 목표 자속 미만인 경우, 상기 제어기는 상기 계자 전류를 증가시키도록 구성되는 것인 모터의 제어방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 현재 자속이 목표 자속 이상으로 유지되는 경우, 상기 모터의 현재 토크가 목표 토크 이상인지 판단하고 상기 모터의 현재 회전속력이 기 설정된 목표 속력인지 판단하는 단계;
    를 더 포함하는 것인 모터의 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 현재 토크가 상기 목표 토크 이상이고 상기 현재 회전속력이 목표 속력인 경우, 상기 현재 토크가 기 설정된 토크 범위 내에 있는지 판단하는 단계;
    를 더 포함하는 것인 모터의 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 제어기는 현재 토크가 기 설정된 토크 범위 내 있지 않은 경우 상기 전기자 전류를 감소시키도록 구성되는 것인 모터의 제어방법.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 기 설정된 토크 범위는 상기 목표 토크 이상이고, 상기 목표 토크의 일정 비율 이하 내의 값을 포함하는 것인 모터의 제어방법.
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 모터의 현재 토크가 목표 토크 미만인 경우, 상기 제어기는 상기 계자 코일을 다시 충전시키도록 구성되는 것인 모터의 제어방법.
  12. 청구항 7에 있어서, 상기 모터의 현재 회전속력이 목표 속력이 아닌 경우, 상기 제어기는 상기 전기자 전류의 부하각을 제어하도록 구성되는 것인 모터의 제어방법.
  13. 청구항 5에 있어서, 상기 비율이 0.6 내지 1 미만 사이의 값 p인 경우, 상기 현재 자속이 p와 목표 자속의 곱 이상인지 판단하는 단계;
    를 더 포함하는 것인 모터의 제어방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 현재 자속이 p와 목표 자속의 곱 이상인 경우, 상기 모터를 구동하고 기 설정된 값의 전기자 전류를 공급하는 단계;
    를 더 포함하는 것인 모터의 제어방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 전기자 전류를 공급하는 단계 후,
    상기 현재 토크가 목표 토크 이상이 아니거나 상기 현재 회전속력이 목표 속력이 아닌 것에 응답하여, 상기 계자 전류 및 전기자 전류를 증가시키는 단계;
    를 포함하는 것인 모터의 제어방법.
  16. 청구항 1에 있어서, 상기 모터의 구동 중, 상기 목표 속력이 변화하여 상기 정격 속력을 초과하는 경우, 상기 계자 코일에 의해 생성되는 계자 자속이 감소되도록 제어하는 단계;
    를 더 포함하는 것인 모터의 제어방법.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 모터의 현재 토크가 목표 토크 미만이고 상기 현재 속력이 목표 속력이 아닌 경우, 상기 전기자 전류의 위상각 제어를 수행하는 단계;
    를 더 포함하는 것인 모터의 제어방법.
  18. 모터로서,
    전기자 코일이 권취되는 고정자;
    상기 고정자 내측에 배치되고, 초전도 계자 코일이 권취되는 회전자; 및
    상기 모터를 제어하도록 구성되는 제어기를 포함하고, 상기 제어기는
    - 교류 공급원으로부터 상기 전기자 코일에 공급되는 전기자 전류와 직류 공급원으로부터 상기 계자 코일에 공급되는 계자 전류를 제어하도록 구성되고,
    - 상기 모터의 기동 전 상기 계자 코일을 적어도 일정 비율 충전하도록 구성되는 것인 모터.
  19. 청구항 18에 있어서, 상기 모터의 설정된 목표 속도가 상기 모터의 정격 속력 이하일 때 상기 제어기는 상기 계자 코일을 충전하도록 구성되는 것인 모터.
  20. 청구항 18에 있어서, 상기 제어기는 상기 모터에 인가되는 전류를 측정하도록 구성되는 전류센서 또는 상기 모터에서 발생되는 자속을 측정하도록 구성되는 자속센서와 통신하도록 구성되는 것인 모터.
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