KR20230173802A - 모터 및 이의 제어방법 - Google Patents

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KR20230173802A
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민병호
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Abstract

본 발명은 모터 및 이의 제어방법에 관한 것이다. 본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 모터는 고정자; 상기 고정자의 내측에서 회전가능하게 구성되는 회전자; 및 상기 회전자의 축방향 길이를 선택적으로 연장시키도록 구성되는 연장부를 포함한다.

Description

모터 및 이의 제어방법{MOTOR AND CONTROLLING METHOD THEREOF}
본 발명은 모터 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
전기차는 모터에 의해 구동되는 차량으로서, 친환경적인 측면으로 인해 최근 많은 관심을 받고 있다. 이러한 전기차 시장의 성장으로 효율과 출력이 높은 모터에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.
모터는 액시얼(axial) 자속 모터와 래디얼(radial) 자속 모터로 나뉠 수 있다. 액시얼 자속 모터에서는 자속의 방향이 모터의 회전축과 평행하게 형성되는 반면, 래디얼 타입 모터의 자속은 반경방향으로 형성된다.
이 중 래디얼 모터의 출력은 축의 길이에 비례하는 특성을 가지며, 여기에서 축의 길이는 모터를 구성하는 고정자와 회전자의 전기강판의 길이에 해당한다. 축 길이의 증가는 출력 향상을 가져올 수 있지만, 모터가 일단 제작되고 나면 축 길이의 조절이 불가능하여 모터의 출력은 제어적으로 변화되고 있다.
모터의 제작 후 모터의 축 길이를 변화시킬 수 있다면 보다 넓은 운전 범위를 갖는 모터의 제작이 가능할 수 있을 것이다.
공개특허공보 제10-2021-0077078 호 (공개일자: 2021.06.25)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
모터의 운전 속도 범위를 확장할 수 있는 모터 및 이의 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 따르면, 모터는 고정자; 상기 고정자의 내측에서 회전가능하게 구성되는 회전자; 및 상기 회전자의 축방향 길이를 선택적으로 연장시키도록 구성되는 연장부를 포함한다.
본 발명의 일부 실시형태에 따르면, 모터의 제어방법으로서, 상기 모터는 고정자, 상기 고정자의 내측에 회전가능하게 배치되는 회전자; 전자기적 상호작용을 통해 상기 회전자의 축방향 길이를 선택적으로 연장하는 연장부를 포함하고, 상기 연장부는 연장부 영구자석을 포함하고, 상기 연장부 영구자석과 전자기적으로 작용하기 위한 전자석이 고정자에 장착되고, 상기 방법은 제어기에 의해 실행되는 복수의 단계를 포함하고, 상기 방법은: 상기 모터의 속도 조건에 따라 상기 고정자의 제1 코일 세트 및 상기 연장부의 전자석에 인가되는 전류를 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 속도 범위가 확장될 수 있는 모터 및 이의 제어방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 요구되는 속도 조건에 따라 모터의 출력을 증감시킬 수 있는 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 일부 실시형태에 따른 모터를 도시하고,
도 2는 도 1의 단면도이고,
도 3은 본 발명의 일부 실시형태에 따른 모터의 제어시스템 구성도를 도시하고,
도 4는 본 발명의 일부 실시형태에 따른 모터의 제어 흐름도를 도시하고,
도 5는 모터의 속도에 대한 토크 변화 그래프를 도시하고,
도 6a는 본 발명에 따른 모터의 하나의 작동 상태를 도시하고,
도 6b는 본 발명에 따른 모터의 다른 작동 상태를 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.
앞서 설명한 바와 같이, 모터는 축이 고정되어 모터 제작 후 운전 시 축의 가변이 불가능하다. 만일 모터의 운전 중 축의 길이를 변화시킬 수 있다면 확장된 운전 범위를 갖는 모터의 제작이 가능하게 된다.
전기차의 경우 모터의 정격 속도와 최고 속도는 약 5배 정도로 모터 설계 시 많은 제약을 가지게 되며, 인버터의 용량 산정도 어려워질 수 있다.
이에 본 발명은 래디얼 자속 모터에서 축의 길이를 조절할 수 있도록 자기 부상 구조를 고안하여 모터의 운전 속도 범위를 확장시키고자 한다.
본 발명에 따른 모터는 도심항공모빌리티(Urban Air Mobility, UAM)에 적용될 수 있다. 본 발명에 따르면, UAM 이륙 시 요구되는 고토크와 크루즈 시 요구되는 고출력에 부합하는 운전 영역이 제공될 수 있다.
도 1 내지 2를 참조하면, 본 발명에 따른 모터(1)는 고정자(10) 및 회전자(20)를 포함한다. 고정자(10)와 회전자(20)의 전자기적 작용에 의해 회전자(20)는 회전가능하게 구성된다.
고정자(10)에는 전류가 인가가능한 제1 코일 세트(110)가 권취된다. 제1 코일 세트(110)는 회전자(20) 또는 회전자(20)의 영구자석의 반경방향 외측 및 내측 적어도 한 위치에 권취될 수 있다. 일부 구현예에서, 제1 코일 세트(110)는 회전자(20)의 반경방향 외측에 배치되는 제1 전기자 코일(210)을 포함한다. 일부 구현예에서, 제1 코일 세트(110)는 회전자(20)의 반경방향 내측에 배치되는 제2 전기자 코일(310)을 포함한다. 일부 구현예에서는, 제1 코일 세트(110)는 제1 전기자 코일(210) 및 제2 전기자 코일(310)을 모두 포함할 수 있다. 한편, 고정자(10)는 코어 또는 코어리스 타입일 수 있다.
회전자(20)는 고정자(10)의 내측, 즉, 반경방향 내측에 회전가능하게 배치된다. 일부 구현예에서, 회전자(20)는 영구자석(120)을 포함할 수 있다. 또는 일부 구현예에서, 코일인 제2 코일 세트를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 회전자(20)에 영구자석이 아닌 코일이 구비되는 경우, 고정자(10)의 코일과 구별할 목적으로 회전자(20)의 코일을 제2 코일 세트로 칭하기로 한다. 제2 코일 세트에는 전류가 공급가능하게 구성된다. 비제한적인 예로서, 제2 코일 세트는 초전도 또는 상전도 소재로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 모터(1)는 연장부(30)를 포함한다. 연장부(30)는 자기부상에 의해 모터(1) 내지는 회전자(20)의 축방향 길이를 선택적으로 연장시킬 수 있다. 본 발명의 구현예에 따르면, 연장부(30)는 연장부 영구자석(230) 및 전자석(330)을 포함한다.
회전자(20)의 중심부에는 축(40)이 배치된다. 그리고 회전자(20)의 중심부에는 축(40)의 내측으로 고정자(10) 측을 향해 돌출하는 돌기(130)가 마련된다. 돌기(130)의 팁부에는 연장부 영구자석(230)이 장착된다. 그리고 고정자(10)에는 연장부 영구자석(230)과의 작용을 통해 자속을 형성하여 회전자(20)를 자기부상 시키기 위한 전자석(330)이 고정된다.
회전자(20)는 축(40)에 대해 이동가능하게 지지된다. 일 구현예에서, 돌기(130)와 축(40) 사이에는 리니어 베어링(50)이 개재된다. 리니어 베어링(50)은 자기부상에 의한 회전자(20)의 위치 이동을 지지할 수 있다. 회전자(20)는 자기부상을 위해 가벼운 소재와 구조로 구성될 수 있다.
축(40)과 고정자(10) 사이에는 회전 베어링(60)이 장착될 수 있다. 회전 베어링(60)은 고정자(10)에 대한 회전자(20)의 회전을 지지할 수 있다.
모터(1)는 홀 센서(70)를 포함한다. 홀 센서(70)는 회전자(20)의 위치를 감지하고, 이에 기반하여 모터(1)의 현재 속도가 연산될 수 있다. 또한, 홀 센서(70)에 의해 회전자(20)의 자기부상 높이가 감지될 수 있다. 홀 센서(70)에 의해 측정되는 자속 값으로 자기부상한 회전자(20)의 높이를 센싱할 수 있다. 홀 센서(70)는 아날로그 타입일 수도 있고, 디지털 타입이 적용될 수도 있다. 일부 구현예에서, 회전자(20)의 자기부상 높이는 홀 센서뿐만 아니라, 변위센서, 가속도센서, 중력센서 등을 적용하여 센싱될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 모터(1)는 제어기(80)를 포함할 수 있다. 제어기(80)는 고정자(10)와 전자석(330)에 전력을 공급하도록 구성되는 전력공급부(90)에 의해 인가되는 전류를 제어할 수 있다. 일부 구현예에서, 회전자(20)가 영구자석(120)이 아닌 제2 코일 세트를 포함하는 경우 제2 코일 세트에 공급되는 전류를 제어할 수 있다. 또한, 제어기(80)는 홀 센서(70)의 측정치를 수신하도록 구성된다. 제어기(80)는 홀 센서(70)의 측정치에 기반하여 모터(1)의 현재 속도를 탐지할 수 있다. 또한, 제어기(80)는 홀 센서(70)의 측정치에 기초하여 회전자(20)의 자기부상 높이를 감지할 수 있다.
제어기(80)는 모터(1)의 요구 속도에 따라 실행될 일련의 단계들을 포함하고, 저장된 단계들에 기초하여 모터(1)를 제어하도록 구성된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 제어기(80)는 모터(1)의 현재의 요구속도(vc)를 판단하도록 구성된다. 현재의 요구속도(vc)는 사용자의 입력에 의해 판단될 수 있다.
단계 S20에서 제어기(80)는 모터(1)의 요구속도(vc)와 모터(1)의 정격속도(vr)를 비교하도록 구성된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 모터(1)의 요구속도(vc)가 정격속도(vr) 미만일 때에는 일정한 토크가 출력될 수 있고, 요구속도(vc)가 정격속도(vr) 이상인 경에는 속도에 따라 토크가 감소된다.
모터(1)의 구동조건 중 하나는 DC 링크에 의해 결정된다. 정격속도(vr)까지는 회전자(20)의 자기부상 없이 고정자(10)의 제1 코일 세트(110)의 전류의 제어만으로 최대 토크 조건으로 모터(1)가 운전되도록 하고, 요구속도(vc)가 정격속도(vr) 이상일 때에는 DC 링크의 전압 제한치에 맞게 회전자(20)의 자기부상 높이를 제어하면서 운전한다. 도 5에서 정격속도(vr) 지점부터 최고속도(vm) 지점까지 사이에서는 회전자(20)의 자기부상 길이를 도 6a와 6b 사이에서 변화시키도록 한다. 최고속도(vr) 지점으로 갈수록 회전자(20)의 돌출 길이가 커지는 것을 확인할 수 있다.
즉, 도 4를 재참조하면, 단계 S30에서 현재의 요구속도(vc)가 정격속도(vr) 미만인 경우에는 제어기(80)는 제1 코일 세트(110)의 전류만 제어하고, 자기부상에 의한 회전자(20)의 축방향 길이 연장 없이 최대 토크 조건으로 모터(1)를 운전시킨다. 반대로 단계 S40에서와 같이 현재의 요구속도(vc)가 정격속도(vr) 이상인 경우에는 제어기(80)는 자기부상에 의한 회전자(20)의 축방향 길이를 조절하도록 구성된다. 이때에는 제1 코일 세트(110)의 전류뿐만 아니라 전자석(330)의 전류도 제어하여 회전자(20)의 자기부상 높이가 가변되도록 한다. 전술한 바와 같이, 자기부상 높이는 홀 센서(70)의 측정치에 의해 판단될 수 있고, 제어기(80)는 이와 같이 판단된 자기부상 높이에 기반하여 필요에 따라 회전자(20)의 자기부상 길이를 변경시킬 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제어방법에 따르면, 정격속도(vr) 지점부터 최고속도(vm) 지점 사이에서 요구되는 약자속 내지는 약계자 제어 운전이 필요하지 않다. 그리고 운전가능한 속도 범위를 보다 넓게 확보할 수 있어서 고토크 측면에서의 설계 시 이점을 제공할 수 있다.
표 1을 참조하면, 전자석(330)에 인가되는 자기부상용 전류를 제어함에 따라 고정자(10)와 회전자(20)가 겹치는 길이가 감소한다. 이에 따라 토크와 역기전력 기본파의 크기가 모두 작아지는 것을 확인할 수 있었다. 역기전력이 작아지는 만큼 DC 링크 전압 크기에 맞게 더 넓은 운전이 가능하다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 회전자(20)의 자기부상 높이가 증가함에 따라 요구되는 자기부상 전류가 커지는 것도 확인할 수 있다.
자기부상 높이 1mm 2mm 3mm 4mm 5mm
토크 (newton/meter, Nm) 614 Nm 557 Nm 561 Nm 484 Nm 302 Nm
역기전력(기본파)
(volt, V)		 688 V 658 V 583 V 481 V 371 V
자기부상을 위한 전류(ampere, A) - 20 A 25 A 35 A 50 A
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: 모터 10: 고정자
20: 회전자 30: 연장부
40: 축 50: 리니어 베어링
60: 회전 베어링 70: 홀 센서
80: 제어기 90: 전력공급부
110: 제1 코일 세트 120: 영구자석
130: 돌기 210: 제1 전기자 코일
230: 연장부 영구자석 310: 제2 전기자 코일
330: 전자석

Claims (16)

  1. 고정자;
    상기 고정자의 내측에서 회전가능하게 구성되는 회전자; 및
    상기 회전자의 축방향 길이를 선택적으로 연장시키도록 구성되는 연장부;
    를 포함하는 것인 모터.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 연장부는 전자기적 작용에 의해 상기 회전자의 축방향 길이를 선택적으로 연장시키도록 구성되는 것인 모터.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 연장부는,
    상기 회전자의 중심부에 배치되는 연장부 영구자석; 및
    상기 연장부 영구자석과 인접하게 상기 고정자에 고정되는 전자석;
    을 포함하는 것인 모터.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 회전자는 상기 회전자로부터 돌출하여 상기 전자석을 향해 연장하는 돌기를 포함하고,
    상기 돌기의 팁부에 연장부 영구자석이 장착되는 것인 모터.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 회전자의 반경방향 내측에 배치되는, 회전가능한 축을 더 포함하는 것인 모터.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 연장부는 축 내측에서 이동가능하게 지지되는 것인 모터.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 연장부와 축 사이에는 리니어 베어링이 개재되는 것인 모터.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 축은 고정자에 대해 회전가능하게 지지되는 것인 모터.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 연장부의 연장 길이를 센싱하기 위한 홀 센서를 더 포함하는 것인 모터.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 고정자는 전류가 인가가능한 제1 코일 세트를 포함하고,
    상기 회전자는 상기 제1 코일 세트와 전자기적 작용을 하도록 영구자석 또는 전류가 인가가능한 제2 코일 세트를 포함하는 것인 모터.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 제1 코일 세트는 상기 회전자의 반경방향 외측 둘레에 배치되는 제1 전기자 코일 및 상기 회전자의 반경방향 내측 둘레에 배치되는 제2 전기자 코일 중 적어도 하나를 포함하는 것인 모터.
  12. 청구항 3에 있어서, 상기 전자석에 인가되는 전류는 조절가능하게 구성되는 것인 모터.
  13. 모터의 제어방법으로서, 상기 모터는 고정자, 상기 고정자의 내측에 회전가능하게 배치되는 회전자; 전자기적 상호작용을 통해 상기 회전자의 축방향 길이를 선택적으로 연장하는 연장부를 포함하고, 상기 연장부는 연장부 영구자석을 포함하고, 상기 연장부 영구자석과 전자기적으로 작용하기 위한 전자석이 고정자에 장착되고,
    상기 방법은 제어기에 의해 실행되는 복수의 단계를 포함하고, 상기 방법은:
    상기 모터의 속도 조건에 따라 상기 고정자의 제1 코일 세트 및 상기 연장부의 전자석에 인가되는 전류를 제어하는 단계;
    를 포함하는 것인 방법.
  14. 청구항 13에 있어서, 상기 전류를 제어하는 단계는,
    상기 모터의 현재 요구속도와 모터의 정격속도를 비교하는 단계;
    상기 모터의 현재 요구속도가 정격속도 미만인 경우, 상기 제1 코일 세트의 전류만을 제어하는 단계;
    를 포함하는 것인 방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 회전자는 상기 제1 코일 세트와 전자기적으로 작용하는 제2 코일 세트를 포함하고,
    상기 제1 코일 세트의 전류와 함께 제2 코일 세트의 전류도 제어되는 것인 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 모터의 현재 요구속도가 정격속도 이상인 경우, 상기 전자석에 인가되는 전류도 함께 제어하는 단계;
    를 포함하는 것인 방법.
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