KR101531525B1 - 전기자동차용 구동모터 및 이의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자동차의 구동장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 구동모터에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기자동차용 구동장치 또는 구동모터의 제어방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 계자 코일이 권선된 로터와 전기자 코일이 권선된 스테이터를 포함하며, 기설정된 모터 제한온도를 갖는 전기자동차용 구동모터에 있어서, 상기 스테이터의 온도와 상기 로터의 온도 중 더 높은 온도를 갖는 쪽의 입력 전류값을 감소시켜 입력하는 온도 기준 제어를 수행하는 모터 제어부를 포함하는 전기자동차용 구동모터를 제공할 수 있다.

Description

전기자동차용 구동모터 및 이의 제어방법{driving motor for an electrical vehicle and the controlling method of the same}

본 발명은 전기자동차의 구동장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 구동모터에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 전기자동차용 구동장치 또는 구동모터의 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차는 엔진을 통해 구동된다. 엔진 구동을 위해 휘발유나 경유 등 다양한 탄소 기반 원료들이 사용되고, 이로 인해 탄소 가스가 많이 배출될 수 있다. 따라서, 자동차에서 배출되는 탄소 가스를 줄이기 위해, 전기 배터리를 이용하여 자동차를 구동하는 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 대한 개발이 많이 이루어지고 있다.

전기자동차는 배터리에 충전된 전기를 통해 모터를 구동하여 자동차가 구동되는 자동차를 의미한다. 하이브리드 자동차는 조건에 따라, 엔진과 모터를 선택적 또는 병행적으로 구동하는 자동차를 의미한다. 따라서, 하이브리드 자동차 또한 전기자동차라 할 수 있다. 왜냐하면, 하이브리드 자동차 또한 배터리를 이용하는 구동모터를 포함하고 있기 때문이다.

모터를 이용한 전기자동차의 출력 성능은 모터의 출력 성능과 매우 밀접하다. 따라서, 모터의 성능이 전기자동차의 성능을 좌우할 수 있으므로, 모터의 구조, 형상이나 크기 및 이의 제어방법이 매우 중요하다고 할 수 있다.

도 1은 일반적인 전기자동차용 구동모터의 출력(토크)과 속력(회전수)의 관계를 도시한 그래프이다.

도시된 바와 같이, 정격속력(Nbase)을 기준으로 토크와 속력의 패턴이 달라진다. 즉, 속력이 점차 증가하여 정격속력에 이르기까지의 출력 토크는 일정하고, 정격속력 이상에서는 속력이 증가함에 따라 출력 토크는 작아지게 된다. 즉, 일정한 출력 토크에서 속력은 점차 증가하여 정격속력에 이르고, 정격속력 이상에서는 출력 토크가 감소하게 된다. 물론, 이는 동일한 지령 토크가 입력됨을 전제로 한다.

따라서, 지령 토크가 일정하다면, 도 1에 도시된 바와 같이, 지령 토크의 값과 무관하게 출력(토크)와 속력(회전수)의 관계 패턴이 동일하게 나타남을 알 수 있다.

여기서, 도 1은 전기자동차의 주행환경과 시간을 고려하지 않은 그래프라 할 수 있다. 왜냐하면, 동일 주행환경에서는 지령 토크가 클수록 정격속력에 이르는 시간이 짧아질 것이며, 동일 지령 토크인 경우는 경사 지형에서보다는 평탄 지형에서 정격속력에 이르는 시간이 짧아질 것이기 때문이다.

이러한 최대 출력 토크(Tmax)와 정격속력(Nbase)을 통해 구동모터 또는 전기자동차의 사양이 표현될 수 있다. 물론, 최대 속도(Nmax)를 통해서도 표현될 수 있다.

그러나, 구동모터의 사양은 제조사마다 달라질 수 있다. 아울러, 요구되는 구동모터 또는 구동장치의 사이즈와 형상도 전기자동차마다 달라질 수 있다. 따라서, 동일하거나 유사한 사양에서 구동모터의 성능을 높이는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다.

일반적으로, 전기자동차의 모터는 계자전류를 제어하여 그 출력을 제어할 수 있다. 그리고, 출력은 입력된 출력(지령 토크)을 추종하도록 제어되므로, 결국 지령 토크가 입력되면, 상기 계자전류를 제어하여 모터의 출력이 지령 토크를 추종하도록 제어된다.

여기서, 상기 입력된 출력은 악셀레이터의 각도에 비례하여 산출될 수 있다. 즉, 사용자가 악셀레이터를 밟는 각도가 커질수록 지령 토크가 커지게 되며, 지령 토크가 커질수록 계자전류가 커지도록 제어할 수 있다. 다시 말하면, 지령 토크값이 커질수록 모터에 인가되는 계자전류값이 커지도록 제어할 수 있다. 이를 정상 제어 또는 지령 토크 추종 제어라 할 수 있다.

일반적인 엔진의 과열과 마찬가지로, 전기자동차용 구동모터에도 과열이 발생될 수 있다. 즉, 혹독한 운전환경에서 과열이 발생될 수 있으며, 이로 인해 모터가 파손될 수 있다. 따라서, 모터의 과열을 방지하기 위하여 모터의 제한온도가 기설정될 수 있다. 즉, 모터의 온도가 상기 제한온도를 넘어 파손되지 않도록 적절히 제어될 수 있다.

일례로, 모터가 과열되어 상기 제한온도를 넘는 경우, 모터 또는 모터의 구동을 제어하는 인버터의 구동을 정지하거나 모터의 출력을 제한하여, 모터가 과열로 파손되지 않도록 제어하게 된다. 이를 과열 방지 제어라 할 수 있다. 즉, 모터 제어부의 구동을 정지하거나, 현재의 지령 토크에도 불구하고 모터의 출력을 강제로 낮추도록 제어할 수 있다. 다시 말하면, 정상 제어(지령 토크 추종 제어)를 수행하다가 특정 조건에서는 지령 토크 추종 제어를 포기하고 과열 방지 제어를 수행한다고 할 수 있다.

모터가 구동하는 경우, 일반적으로 회전자(로터)와 고정자(스테이터)의 온도 분포가 서로 다를 수 있다. 그러나, 종래의 경우에는 둘 중 어느 하나의 온도가 상기 제한온도에 도달하는 경우, 정상 제어를 포기하고 과열 방지 제어를 수행한다. 즉, 모터 또는 인버터의 구동을 정지하거나, 모터의 출력을 제한하는 과열 방지 제어를 수행한다. 따라서, 정상 제어에서 과열 방지 제어로 전환되는 빈도와 가능성이 증가하기 때문에 매우 비효율적으로 모터 구동을 제어하게 되는 문제가 있다.

과열 방지 제어는 사용자가 지령한 출력과 무관하게 모터를 보호하기 위해 수행된다. 따라서, 과열 방지 제어로의 전환이 잦을수록 모터 또는 전기자동차의 신뢰성이 저하될 수 있다. 왜냐하면, 과열 방지 제어로의 전환이 잦을수록 혹독한 운전조건에서 모터가 제대로 성능을 발휘할 수 없음을 의미하기 때문이다.

마찬가지로, 과열 방지 제어로의 전환이 잦을수록 혹독한 운전조건을 견디는 시간이 짧은 것을 의미한다. 그러므로, 다양한 운전조건이나 다양한 운전자의 운전 성향을 가정하면, 이들 모두를 효과적으로 만족시키기에 한계가 있게 된다.

도 2는 모터의 계자전류와 전기자전류를 제어하여 모터의 출력을 제어하는, 계자 코일 모터(계자권선 모터)의 제어 플로우차트의 일실시예를 도시하고 있다. 계자 코일 모터를 전기자동차용 구동모터로 사용하는 경우, 다음과 같은 플로우로 제어될 수 있다.

먼저, 지령 토크를 산출한다(S2). 이러한 지령 토크는 악셀레이터 페달의 각도를 통해서 산출될 수 있다. 즉, 운전자가 악셀레이터 페달을 밟으면, 악셀레이터 패달의 각도가 입력되고(S1), 상기 각도를 통해 지령 토크가 계산(S2)될 수 있다.

지령 토크가 산출되거나 계산되면, 모터가 상기 지령 토크를 추종하도록 제어되며(S3), 이러한 제어를 통해 모터가 구동된다(S6).

지령 토크 추종 제어(S3)는 지령 토크에 대하여 입력되는 계자전류값(If)과 전기자전류값(Ia)을 산출(S4)하고, 산출된 전류값들을 모터에 인가(S5)하면서 수행된다. 그리고, 인가된 전류값들을 통해 모터가 지령 토크를 추종하면서 구동된다(S6). 물론, 모터의 출력 토크, 속력(회전수) 그리고 온도 등이 피드백되어(S7) 모터의 출력이 지령 토크와 최대한 유사하거나 동일하게 제어될 수 있다.

계자 코일 모터의 토크(T)는 계자전류(If)와 자속(플럭스)에 비례한다. 따라서, 자속이 동일하다면 상기 계자전류값이 커짐에 따라 출력 토크값이 커짐을 알 수 있다. 아울러, 상기 자속은 전기자전류(Ia)에 비례한다. 따라서, 전기자전류값이 커짐에 따라 출력 토크값이 커짐을 알 수 있다. 그러므로, 동일 토크의 출력을 위한 계자전류와 전기자전류의 조합은 무수히 많을 수 있다.

모터의 제어, 즉 지령 토크 추종 제어를 용이하게 하기 위해, 최대토크 기준 제어를 수행할 수 있다. 최대토크를 내기 위해서는 계자전류값이 최대가 되어야 한다. 따라서, 지령 토크가 입력되면 계자전류값은 다음과 같은 수학식을 통해서 간단하게 산출될 수 있다.

수학식 1에서 나타난 바와 같이, 최대토크 기준 제어에서는 입력되는 계자전류값(If)은 입력되는 지령 토크값에 비례하도록 산출될 수 있다. 예를 들어, 최대 계자전류값이 9.8 A 그리고 최대 출력 토크가 280 Nm인 경우, 지령 토크가 140Nm일 때 입력 계자전류값은 4.9 A로 간단하게 산출될 수 있다.

따라서, 최대토크 기준 제어는 최대 토크값과 최대 계자전류값에 기반하여 계자전류값과 전기자전류값을 결정하여 입력하는 제어방법이라 할 수 있다. 다시 말하면, 최대토크 기준 제어는 최대 출력 토크를 위해 최대 계자전류값을 입력하고, 출력 토크에 비례하여 계자전류값을 입력하여 모터를 제어하는 방법이라 할 수 있다. 그러므로, 지령 토크가 결정되면 이에 대응되는 최대 계자전류값이 별도의 연산없이 결정될 수 있으며, 이에 따라 전기자전류값이 결정된다. 따라서, 모터의 제어가 용이하게 수행될 수 있다.

구체적으로, 이러한 최대토크 기준 제어를 위해서, 각각의 지령 토크값에 대하여 대응되는 계자전류값과 전기자전류값이 룩업 테이블 형태로 마련될 수 있다. 따라서, 일단 지령 토크값이 입력되면, 별도의 연산 없이 룩업 테이블을 통해 입력되는 계자전류값과 전기자전류값이 자동으로 결정될 수 있다.

그러나, 계자 코일 모터의 경우에도, 회전자(로터)와 고정자(스테이터)의 온도 분포가 서로 다를 수 있다. 마찬가지로, 둘 중 어느 하나의 온도가 상기 제한온도에 도달하는 경우, 정상 제어를 포기하고 과열 방지 제어를 수행할 수 있다. 따라서, 과열 방지 제어의 발생 빈도와 가능성이 증가하게 된다.

아울러, 최대토크 기준 제어를 수행하는 경우, 운전 조건에 따라 로터와 스테이터의 온도 상승 패턴이 달리 나타날 수 있다. 즉, 특정 운전 조건에서는 로터의 온도 상승률이 더 크게 나타날 수 있으며, 다른 운전 조건에서는 스테이터의 온도 상승률이 더 크게 나타날 수 있다.

따라서, 과열을 방지하는 한편, 과열 방지 제어가 불필요한 범위(시간, 출력 토크, 회전수, 온도의 범위)를 더욱 확장하여 효율적으로 모터를 제어할 수 있는 방안이 마련될 필요가 있다. 아울러, 운전 조건에 따라서 보다 효율적으로 모터를 제어할 수 있는 방안이 마련될 필요가 있다.

본 발명을 통해서, 성능이 향상된 전기자동차용 구동모터 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예를 통해서, 정상 제어 범위 또는 지령 토크 추종 제어 범위를 넓혀 신뢰성 및 편리성을 증진시킬 수 있는 구동모터 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예를 통해서, 모터의 제한 온도에 도달되는 시간을 지연시켜 혹독한 운전조건에서도 정상 제어를 수행할 수 있는 시간을 키울 수 있는 구동모터 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예를 통해서, 다양한 구동모터의 운전조건에도 불구하고 성능이 향상될 수 있는 구동모터 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예를 통해서, 스테이터의 온도와 로터의 온도 사이의 차이를 줄여 성능이 향상될 수 있고, 냉각수단으로 소요되는 비용을 감소시킬 수 있는 구동모터 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예를 통해서, 정격출력을 높임으로 하여 성능을 향상시킬 수 있는 구동모터 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예를 통해서, 로터의 온도를 센싱하기 위한 별도의 온도 센서를 구비하지 않고, 제어적으로 로터의 온도를 산출할 수 있는 구동모터 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다. 이를 통해, 비용 절감이 가능하고 로터의 온도에 기반하여 제어할 수 있는 구동모터를 제공하고자 한다.

전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, 계자 코일이 권선된 로터와 전기자 코일이 권선된 스테이터를 포함하며, 기설정된 모터 제한온도를 갖는 전기자동차용 구동모터에 있어서, 상기 스테이터의 온도와 상기 로터의 온도 중 더 높은 온도를 갖는 쪽의 입력 전류값을 감소시켜 입력하는 온도 기준 제어를 수행하는 모터 제어부를 포함하는 전기자동차용 구동모터 및 이를 포함하는 구동장치를 제공할 수 있다.

상기 모터 제어부는, 상기 구동모터의 운전조건이 최대 출력 조건인 경우, 상기 스테이터 온도가 상기 모터 제한온도에 도달하는 시간을 지연시키기 위해, 상기 전기자 전류값을 감소시키고 상기 계자 전류값을 증가시킬 수 있다.

상기 모터 제어부는, 상기 구동모터의 운전조건이 정격 출력 조건인 경우, 상기 로터 온도가 상기 모터 제한온도에 도달하는 시간을 지연시키기 위해, 상기 전기자 전류값을 증가시키고 상기 계자 전류값을 감소시킬 수 있다.

상기 모터 제어부는, 상기 스테이터 온도와 상기 로터 온도의 차이가 소정 범위 이내가 되도록 제어할 수 있다. 따라서, 어느 하나의 온도가 다른 하나의 온도에 비해 지나치게 상승하여 모터 제한온도에 근접하는 것을 미연에 방지할 수 있다.

상기 온도 기준 제어는, 상기 스테이터의 온도 또는 상기 로터의 온도 중 어느 하나가 상기 모터 제한온도에 대하여 기설정된 편차 내에 있는 경우 수행될 수 있다.

상기 구동모터는 전방 또는 후방에 구비되는 공기유동장치 또는 블레이드를 포함하여 이루어질 수 있다. 따라서, 상대적으로 냉각수단 마련이 어려운 로터를 간단한 구성을 통해 냉각하는 것이 가능할 것이다.

상기 로터 및 스테이터의 온도는 온도 센서에 의해 센싱되거나 입력전류값과 입력전압값을 통해 산출될 수 있다. 구체적으로는 피드백되는 정보들을 통해 로터 온도가 산출될 수 있다. 왜냐하면, 로터는 회전하는 구성이므로 온도 센서를 장착하기가 상대적으로 어렵기 때문이다.

상기 스테이터의 온도와 상기 로터의 온도 모두 상기 모터 제한온도에 대하여 기설정된 편차 밖에 있는 경우, 상기 모터 제어부는, 최대 토크값과 최대 계자전류값에 기반하여 계자전류값과 전기자전류값을 결정하여 입력하는 최대토크 기준 제어를 수행할 수 있다.

상기 모터 제어부는, 상기 스테이터의 온도와 로터의 온도 차이가 기설정된 편차 내에 있는 경우, 온도 기준 제어를 수행할 수 있다. 그리고, 상기 기설정된 편차 밖에 있는 경우, 최대토크 기준 제어를 수행할 수 있다. 반대로, 상기 모터 제어부는, 상기 스테이터의 온도와 로터의 온도 차이가 기설정된 편차 내에 있는 경우, 최대토크 기준 제어를 수행할 수 있다. 그리고, 상기 기설정된 편차 밖에 있는 경우, 온도 기준 제어를 수행할 수 있다.

이는 다음과 같은 관점에서 설명될 수 있다.

기설정된 편차 내인 경우에 온도 기준 제어를 하는 것은, 어느 하나의 온도가 지나치게 상승하여 기설정된 제한 온도에 도달하는 것을 미연에 방지하도록 능동적으로 제어함을 의미한다고 할 수 있다. 그러나, 이 경우 선택할 수 있는 계자전류값과 전기자전류값의 조합의 수가 많지 않을 수 있다. 따라서, 기설정된 편차 밖에서의 제어가 용이하지 않을 수 있다. 즉, 이 경우에는 거의 모든 영역에서 온도 기준 제어가 수행될 수 있을 것이다.

기설정된 편차 밖인 경우에 온도 기준 제어를 하는 것은, 어느 하나의 온도가 지나치게 상승하면, 사후적으로 상승을 방지하거나 지연시키도록 제어함을 의미한다고 할 수 있다. 따라서, 기설정된 편차 내인 경우에는 최대토크 기준 제어를 수행할 수 있다.

전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 계자 코일이 권선된 로터와 전기자 코일이 권선된 스테이터를 포함하며, 기설정된 모터 제한온도를 갖는 전기자동차용 구동모터에 있어서, 상기 스테이터의 온도가 상기 로터의 온도에 따라, 지령 토크에 대하여, 계자전류값에 대한 전기자전류값의 비율(전류비)을 달리하여 계자전류값과 전기자전류값을 입력하는 모터 제어부를 포함하는 전기자동차용 구동모터를 제공할 수 있다.

상기 모터 제어부는, 상기 스테이터의 온도가 상기 로터의 온도보다 높은 경우, 상기 전류비를 키우고, 상기 스테이터의 온도가 상기 로터의 온도보다 낮은 경우, 상기 전류비를 줄일 수 있다.

상기 모터 제어부는, 동일한 지령 토크에 대하여 복수 개의 계자전류와 전기자전류의 조합을 통해 상기 전류비를 달리 제어할 수 있다.

전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 계자 코일이 권선된 로터와 전기자 코일이 권선된 스테이터를 포함하며, 기설정된 모터 제한온도를 갖는 전기자동차용 구동모터에 있어서, 상기 스테이터의 온도와 상기 로터의 온도의 차이가 기설정된 편차 내인 경우 온도를 기준으로 상기 계자전류와 전기자전류를 입력하고, 상기 차이가 상기 기설정된 편차 밖인 경우 최대토크를 기준으로 상기 계자전류와 전기자전류를 입력하는 모터 제어부를 포함하는 전기자동차용 구동모터를 제공할 수 있다.

전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 프레임; 전기자 코일이 권선된 스테이터; 상기 스테이터 내측에 회전 가능하게 구비되고, 계자 코일이 권선된 로터; 상기 로터와 연결된 회전축; 상기 스테이터의 온도를 센싱하는 온도 센서; 그리고 상기 전기자 코일에 입력되는 전기자전류값과 상기 계자 코일에 입력되는 계자전류값을 조절하여 출력을 제어하는 모터 제어부를 포함하여 이루어지는 전기자동차용 구동모터를 제공할 수 있다.

상기 모터 제어부는 상기 온도 센서를 통한 스테이터의 온도 그리고 피드백되는 정보를 통해 산출되는 로터의 온도를 기반으로 하여, 선택적으로 최대토크 기준 제어와 온도 기준 제어를 수행할 수 있다. 구체적으로는 스테이터의 온도와 로터의 온도 사이의 차이를 기반으로 하여, 선택적으로 최대토크 기준 제어와 온도 기준 제어를 수행할 수 있다.

상기 모터 제어부는, 상기 구동모터의 운전조건이 최대 출력 조건인 경우, 상기 스테이터 온도가 상기 모터 제한온도에 도달하는 시간을 지연시키기 위해, 상기 전기자 전류값을 감소시키고 상기 계자 전류값을 증가시키는 온도기준 제어를 수행할 수 있다.

상기 모터 제어부는, 상기 구동모터의 운전조건이 정격 출력 조건인 경우, 상기 로터 온도가 상기 모터 제한온도에 도달하는 시간을 지연시키기 위해, 상기 전기자 전류값을 증가시키고 상기 계자 전류값을 감소시키는 온도기준 제어를 수행할 수 있다.

상기 로터 및 스테이터의 온도는 온도 센서에 의해 센싱되거나 입력전류값과 입력전압값을 통해 산출된 수 있다.

전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 출력 토크가 계자전류값과 전기자전류값에 각각 비례하는 전기자동차용 구동모터의 제어방법에 있어서, 지령 토크 설정 단계; 계자전류에 의한 온도(계자온도)와 전기자전류에 대한 온도(전기자온도) 산출 단계; 상기 산출된 계자온도와 전기자온도 비교 단계; 상기 비교 단계의 결과에 따라, 상기 지령 토크에 대응하는 계자전류값과 전기자전류값을 달리 산출하여 입력하는 온도 기준 제어단계를 포함하여 이루어지는 전기자동차용 구동모터의 제어방법이 제공될 수 있다.

상기 계자온도가 큰 경우, 상기 계자전류값을 줄이고 상기 전기자전류값을 키우며, 상기 계자온도가 낮은 경우, 상기 계자전류값을 키우고 상기 전기자전류값을 줄이도록 제어할 수 있다.

상기 온도 기준 제어단계는, 상기 비교 단계에서 상기 계자온도와 전기자온도의 차이가 기설정된 편차보다 큰 경우에 수행될 수 있다.

상기 차이가 기설정된 편차보다 작은 경우, 상기 지령 토크, 최대 계자전류 그리고 최대 토크에 기반하여 계자전류와 전기자전류를 산출하여 입력하는 최대토크 기준 제어단계가 수행될 수 있다.

전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 출력 토크가 계자전류값과 전기자전류값에 각각 비례하는 전기자동차용 구동모터의 제어방법에 있어서, 상기 모터의 운전조건을 판단하는 단계; 계자전류에 의한 온도(계자온도)와 전기자전류에 대한 온도(전기자온도)의 차이를 산출하는 비교 단계; 상기 모터의 운전조건이 정격 출력 조건인 경우, 상기 차이를 줄이기 위해 계자전류값을 줄이고 전기자전류값을 키우도록 제어하는 정격 출력 제어단계; 그리고 상기 모터의 출력 조건이 최대 출력 조건인 경우, 상기 차이를 줄이기 위해 계자전류를 키우고 전기자전류를 줄이도록 제어하는 최대 출력 제어단계를 포함하여 이루어지는 전기자동차 구동용 모터의 제어방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예를 통해서, 정상 제어 범위 또는 지령 토크 추종 제어 범위를 넓혀 신뢰성 및 편리성을 증진시킬 수 있는 구동모터 및 이의 제어방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예를 통해서, 모터의 제한 온도에 도달되는 시간을 지연시켜 혹독한 운전조건에서도 정상 제어를 수행할 수 있는 시간을 키울 수 있는 구동모터 및 이의 제어방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예를 통해서, 다양한 구동모터의 운전조건에도 불구하고 성능이 향상될 수 있는 구동모터 및 이의 제어방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예를 통해서, 스테이터의 온도와 로터의 온도 사이의 차이를 줄여 성능이 향상될 수 있고, 냉각수단으로 소요되는 비용을 감소시킬 수 있는 구동모터 및 이의 제어방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예를 통해서, 정격출력을 높임으로 하여 성능을 향상시킬 수 있는 구동모터 및 이의 제어방법을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예를 통해서, 로터의 온도를 센싱하기 위한 별도의 온도 센서를 구비하지 않고, 제어적으로 로터의 온도를 산출할 수 있는 구동모터 및 이의 제어방법을 제공하고자 한다. 이를 통해, 비용 절감이 가능하고 로터의 온도에 기반하여 제어할 수 있는 구동모터를 제공할 수 있다.

도 1은 전기자동차용 구동모터에서 출력(지령 토크)와 회전수와의 관계를 도시한 그래프;
도 2는 최대토크 기준 제어를 나타내는 플로우차트;
도 3은 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 계자 권선 모터의 분해 사시도;
도 4는 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 계자 권선 모터의 블럭도;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법을 도시한 플로우차트;
도 6은 최대 출력 조건에서의 스테이터와 로터의 온도 변화를 도시한 그래프;
도 7은 정격 출력 조건에서의 스테이터와 로터의 온도 변화를 도시한 그래프이다.

이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 실시예들에 적용될 수 있는 전기자동차용 구동모터(1)를 도시한 분해 사시도이다. 구체적으로는 계자 코일 모터(1)의 일실시예를 도시하고 있다.

상기 모터(1)는 스테이터(10)와 로터(20)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 로터(20)는, 상기 스테이터(10)와의 전자기 작용을 통해, 상기 스테이터(10)에 대해서 회전하게 된다.

상기 스테이터(10)는 스테이터 코어(11)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 스테이터(10)는 자속을 형성하기 위하여 스테이터 코일(12)을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 스테이터 코일(12)은 상기 스테이터 코어(11)에 권선된다. 따라서, 상기 스테이터(10)는 전자석이라 할 수 있다.

상기 로터(20)는 상기 스테이터(10)의 내측에서 회전되도록 구비될 수 있다.

상기 로터(20)는 로터 코어(21)를 포함하여 이루어질 수 있다. 아울러, 상기 로터(20)는 상기 로터 코어(21)에 권선된 로터 코일(22)을 포함하여 이루어질 수 있다.

여기서, 상기 로터 코일(22)을 계자 코일이라 할 수 있고, 상기 스테이터 코일(12)을 전기자 코일이라 할 수 있다. 따라서, 상기 계자 코일과 전기자 코일에 각각 인가되는 계자전류값과 전기자전류값을 통하여 상기 로터(20)의 출력을 제어할 수 있게 된다.

상기 로터(20)는 회전축(30)과 연결되며, 상기 회전축(30)은 미도시된 자동차의 구동축과 연결될 수 있다. 따라서, 로터(20)의 토크와 회전수는 상기 회전축(30)을 통해 자동차의 구동축으로 전달될 수 있다. 이러한 회전축(30)과 구동축의 연결을 위해, 상기 회전축(30)에는 중공(31)이 형성될 수 있다. 상기 중공(31)에 구동축을 삽입함으로써 양자의 연결이 이루어질 수 있다.

이러한 중공 형태로 인해 양자의 연결이 용이하게 이루어질 수 있고, 양자의 연결을 위하여 모터 또는 구동장치의 길이가 길어지는 것을 방지할 수 있다. 아울러, 모터 외부에 상기 구동축과 회전축(30)의 연결을 위한 별도의 공간 확보가 불필요하게 된다.

상기 로터(20)의 전후에는 각각 엔드 플레이트(51, 52)가 구비될 수 있다. 이를 통해, 계자 코일(22)이 안정적으로 고정될 수 있다. 즉, 상기 엔드 플레이트(51, 52)를 통해서, 상기 계자 코일(22)이 회전함에도 불구하고, 안정적으로 로터 코어(21)에 고정될 수 있다.

상기 스테이터(10)와 로터(20)의 전후방에는 각각 전방 브라켓(61)과 후방 브라켓(62)이 구비될 수 있다. 아울러, 상기 스테이터(10)와 로터(20)를 둘러싸도록 프레임(80)이 구비될 수 있다. 상기 브라켓들과 프레임 내부에 상기 스테이터(10)와 로터(20)가 구비될 수 있다.

상기 회전축(30)의 전방에는 전방 베어링(63)이 구비되고, 후방에는 후방 베어링(64)이 구비될 수 있다. 그리고, 이러한 베어링들을 통해 상기 로터(20)와 회전축(30)이 상기 브라켓들에 대해서 회전 가능하게 지지될 수 있다. 상기 베어링들은 각각 상기 브라켓들에 지지된다. 따라서, 이러한 브라켓들(61, 62)을 베어링 하우징이라 할 수도 있을 것이다.

상기 스테이터(10)는 상기 프레임(80)의 내측에 안정적으로 고정될 수 있다. 아울러, 상기 프레임(80)의 양측은 각각 전방 브라켓(61)과 후방 브라켓(62)와 결합될 수 있다.

모터의 과열을 방지하기 위한 구성으로 냉각 튜브(90)가 구비될 수 있다. 상기 냉각 튜브(90)는 코일 형태로 구비될 수 있으며, 상기 스테이터(10)와 프레임(80) 사이에 개재될 수 있다. 따라서, 냉각 튜브(90)를 통해 냉각수가 흐름에 따라 직접 스테이터(10)와 프레임(80)을 냉각시키는 것이 가능할 수 있다. 즉, 생각 냉각 튜브(90)가 상기 스테이터(10)와 직접 접촉되어 열전도에 의한 냉각이 가능할 수 있다.

아울러, 상기 모터(1) 내부, 구체적으로는 프레임(80)과 브라켓들로 이루어지는 내부 공간의 공기 유동을 일으키기 위한 공기유동장치가 구비될 수 있다. 상기 공기유동장치는 팬 또는 블레이드(41, 42) 형태로 구비될 수 있다. 상기 블레이드는 회전축(30)과 결합되어 회전축의 회전과 함께 회전하도록 할 수 있다. 아울러, 회전축(30)의 전방과 후방에 각각 구비될 수도 있다.

상기 후방 브라켓(62)의 외부에는 한쌍의 슬립링(70)과 한쌍의 브러시(71)가 구비될 수 있다. 상기 슬립링(70)은 상기 회전축(30)에 결합되며, 상기 슬립링(70)을 통해 계자전류가 상기 계자 코일(22)에 흐르게 된다.

즉, 상기 슬립링(70)과 브러시(71)는 회전하는 계자 코일(22)에 로터(20) 외부로부터 계자전류가 흐를 수 있도록 하는 구성이라 할 수 있다. 다시 말하면, 상기 계자전류는 직류 전원(예를 들어 배터리)으로부터 상기 브러시(71)와 슬립링(70)을 통하여 공급될 수 있다.

한편, 상기 후방 브라켓(62)은 상기 냉각 코일(90)로 냉각수를 공급하는 유입구(91)와 냉각수가 회수되는 유출구(92)를 고정하거나 외부와 연결하도록 형성될 수 있다. 아울러, 전기자전류를 공급하기 위한 연결부가 상기 후방 브라켓(62)에 마련될 수 있다.

이하에서는 도 4를 참조하여 상기 모터(1)를 제어하기 위한 회로 및 모터 제어부에 대해서 상세히 설명한다.

상기 모터(1)는 배터리(100)를 통해 직류 전원을 공급받는다. 구체적으로, 계자 코일(로터 코일, 22)과 전기자 코일(스테이터 코일, 12)은 서로 병렬로 연결될 수 있다.

계자 코일로 인가되는 계자전류값과 전기자 코일로 인가되는 전기자전류값은 모터 제어기(230)를 통해 결정될 수 있다. 상기 모터 제어기(230)를 통해 결정된 계자전류값은 계자 전류 제어기(210)를 통해 계자 코일(22)로 인가될 수 있다. 아울러, 모터 제어기(230)를 통해 결정된 전기자전류값은 인버터회로(220)를 통해 전기자 코일(12)로 인가될 수 있다. 도 3에는 인버터 회로(220)를 통해서 직류 전류가 3상의 교류전류로 변환되어 전기자전류로 인가되는 일례를 도시하고 있다. 따라서, 상기 모터 제어기(230)는 상기 인버터 회로(220)를 구동하는 인버터 구동부를 포함할 수 있다.

상기 계자전류 제어기(210), 모터 제어기(230) 그리고 인버터 회로(220) 등은 하나의 유닛으로 구비될 수 있다. 즉, 이들을 하나의 유닛으로 구성하여 제조, 취급 그리고 설치가 용이하도록 할 수 있다. 따라서, 이들 모두를 모터 제어부(200)라 할 수 있을 것이다. 아울러, 상기 모터 제어부(200)를 인버터라 할 수도 있을 것이다. 따라서, 이 경우 인버터는 계자전류 제어기(210), 인버터 구동회로(미도시) 그리고 인버터 회로(220) 등을 포함한다고 할 수 있다.

상기 모터 제어기(230) 또는 모터 제어부(200)는 상기 로터(20)와 스테이터(10)를 통해 많은 정보를 받을 수 있다. 예를 들어, 상기 로터(20)의 현재 회전수, 토크 그리고 스테이터(10)의 온도에 대한 정보를 받을 수 있다. 아울러, 현재의 지령 토크 산출하거나, 산출하기 위한 정보를 받을 수도 있다.

따라서, 상기 모터 제어기(230) 또는 모터 제어부(200)는 지령 토크와 현재의 상태 정보(출력 토크, 회전수, 온도, 전압값, 전류값) 등을 통해 계자전류값과 전기자전류값이 적절히 인가되도록 제어한다고 할 수 있다. 즉, 피드백 제어를 한다고 할 수 있다.

이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 구동모터의 제어방법에 대해서 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 스테이터의 온도뿐만 아니라 로터의 온도도 함께 고려하여 모터를 제어하는 제어방법을 제공할 수 있다. 즉, 기설정된 모터의 제한온도에 대해서, 스테이터의 온도와 로터의 온도 모두를 고려하여 모터를 제어하는 제어방법을 제공할 수 있다. 여기서, 상기 제한온도는 실제로 모터가 파손될 수 있는 온도에 안전률을 적용하여 기설정될 수 있다.

전술한 바와 같이, 동일한 지령 토크에 대해서 이론적으로는 매우 많은 계자전류(If)와 전기자전류(Ia)의 조합이 가능하다. 왜냐하면 계자전류값과 전기자전류값은 모두 토크와 비례하기 때문이다. 동일 토크에 대해서, 계자전류값이 커질수록 전기자전류값은 작아질 것이며, 이 경우에는 계자 코일의 발열량이 상대적으로 증가한다고 할 수 있다. 반대로, 계자전류값이 작아질수록 전기자전류값은 커질 것이며, 이 경우에는 전기자 코일의 발열량이 상대적으로 증가한다.

그러나, 스테이터와 로터의 상대적인 위치 차이, 냉각 수단 유무, 냉각 수단 형태나 위치 등이 매우 다양하게 변형될 수 있기 때문에, 실제의 스테이터의 온도와 로터의 온도는 매우 다양한 형태로 나타날 수 있다. 즉, 현재 입력된 계자전류값과 전기자전류값만으로는 현재의 스테이터 온도와 로터의 온도를 정확하게 대변할 수 없게 된다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 모터 제어부(200)는, 스테이터와 로터의 온도를 기반으로 하여 모터를 제어하는 온도 기준 제어(S130, S140)를 수행할 수 있다. 즉, 센싱 또는 피드백되거나 산출되는 스테이터와 로터의 온도를 기반으로 하여 모터를 제어하는 온도 기준 제어를 수행할 수 있다.

구체적으로, 상기 모터 제어부는, 상기 스테이터의 온도와 상기 로터의 온도 중 더 높은 온도를 갖는 쪽의 입력 전류값을 감소시켜 입력하는 온도 기준 제어를 수행할 수 있다. 예를 들어, 스테이터의 온도가 상기 로터의 온도보다 높다면, 입력되는 전기자전류값을 감소시켜, 스테이터의 온도 상승을 방지하거나 상승이 지연되도록 할 수 있다. 반대로, 로터의 온도가 상기 스테이터의 온도보다 높다면, 입력되는 계자전류값을 감소시켜, 로터의 온도 상승을 방지하거나 상승이 지연되도록 할 수 있다. 따라서, 상기 스테이터의 온도와 로터의 온도 중 더 높은쪽의 온도가 기설정된 제한온도에 도달되는 시간을 지연시킬 수 있게 된다.

여기서, 상기 온도 기준 제어는 전술한 지령 토크 추종 제어 또는 정상 제어임이 바람직하다. 즉, 입력된 지령 토크에 맞게 출력 토크가 발생될 수 있도록 제어임이 바람직하다.

이를 위해서는, 동일 토크의 출력을 위해, 입력되는 계자전류값이 감소하면 입력되는 전기자전류값이 증가하도록 제어함이 바람직하다. 반대로, 입력되는 계자전류값이 증가하면 입력되는 전기자전류값이 증가하도록 제어함이 바람직하다. 따라서, 온도 기준 제어를 통해서도 지령 토크 추종 제어가 수행되도록 할 수 있다.

구체적으로, 동일한 지령 토크에 대해서 전술한 바와 같이 매우 무수히 많은 계자전류값과 전기자전류값의 조합이 있을 수 있다. 따라서, 동일한 지령 토크에 대해서 복수 개의 계자전류값과 전기자전류값의 조합이 마련될 수 있다. 물론, 지령 토크의 입력값도 복수 개 마련될 수 있다. 따라서, 복수 개의 지령 토크 각각에 대한 복수 개의 계자전류값과 전기자전류값이 룩업 테이블(look-up table) 형태로 마련될 수 있다.

예를 들어, 전술한 최대토크 기준 제어에서 지령 토크가 140 Nm(최대 토크의 50%)인 경우, 계자전류값은 4.9 A(최대 계자전류값의 50%) 그리고 전기자전류값은 402 A로 결정될 수 있다. 즉, 하나의 지령 토크에 대해서 하나의 계자전류값과 전기자전류값만 결정될 수 있다.

그러나, 본 발명의 실시예에 따른 온도 기준 제어를 통해서, 하나의 지령 토크에 대해서 복수 개의 계자전류값과 전기자전류값의 조합이 마련될 수 있다. 따라서, 스테이터와 로터의 온도를 기반으로 하여 상기 복수 개의 조합을 통해, 적절한 계자전류값과 전기자전류값을 결정(S130)할 수 있게 된다. 그리고, 결정된 계자전류값과 전기자전류값을 입력(S140)하여 지령 토크 추종 제어를 수행(S150)할 수 있다. 물론, 이 경우에도 전류값, 전압값, 출력 토크와 온도 등이 피드백(S160)되어 보다 정밀한 모터 제어가 수행되도록 할 수 있다.

상기 복수 개의 조합은 룩업 테이블 형태로 마련될 수 있다. 따라서, 룩업 테이블을 통해서, 복잡한 연산 없이 입력되는 계자전류값과 전기자전류값을 용이하게 결정할 수 있다. 왜냐하면, 동일한 지령 토크인 경우, 온도 기준 제어를 통해, 현재의 입력값들보다 한 단계 위 또는 아래 단계의 계자전류값과 전기자전류값을 선택할 수 있기 때문이다.

예를 들어, 스테이터의 온도가 로터의 온도보다 높다면, 전기자전류값이 작아지고 계자전류값이 커지도록, 현재의 계자전류값을 기준으로, 한 단계 또는 복수 단계 위의 계자전류값과 전기자전류값을 선택하는 것이 가능할 것이다. 반대로, 로터의 온도가 스테이터의 온도보다 높다면, 전기자전류값이 커지고 계자전류값이 작아지도록, 현재의 계자전류값을 기준으로, 한 단계 또는 복수 단계 아래의 계자전류값과 전기자전류값을 선택하는 것이 가능할 것이다.

여기서, 상기 스테이터의 온도는, 도 4에 도시된 온도센서(240)를 통해 용이하게 파악될 수 있다. 상기 스테이터(10)는 고정되는 구성이기 때문에 온도센서(240)를 부착하여 스테이터의 온도를 용이하게 파악할 수 있다. 즉, 모터 제어기(230) 또는 모터 제어부(200)는 상기 온도센서(240)를 통해서 스테이터의 온도 또는 전기자 코일의 온도를 파악할 수 있다.

그러나, 로터(20)는 회전하는 구성이다. 따라서, 상기 로터의 온도나 계자 코일의 온도를 온도센서 등을 통해서 파악하는데 어려움이 있다. 왜냐하면, 회전하는 구성에 온도센서를 장착하는 것은 용이하지 않기 때문이다. 그러므로, 로터의 온도 또는 계자 코일의 온도는 제어적으로 산출함이 바람직하다. 물론, 같은 방법으로 스테이터의 온도를 제어적으로 산출하는 것도 가능할 것이다. 즉, 계자 코일(22)과 전기자 코일(12)에 각각 인가되는 입력전류값과 입력전압값을 통하여, 로터의 온도와 스테이터의 온도를 산출하는 것이 가능할 것이다.

구체적으로, 로터의 온도는, 현재의 계자전류값과 계자전압값 그리고 모터 구동 시의 계자전류값과 계자전압값을 통해 산출될 수 있다. 모터 구동 시의 계자전류값과 계자전압값은 피드백을 받아 파악될 수 있으며, 상기 모터 제어기(230) 또는 모터 제어부(200)는 모터 구동 시의 계자전류값과 계자전압값을 저장할 수 있다.

따라서, 상기 모터 제어기(230) 또는 모터 제어부(200)는, 옴의 법칙을 이용하여, 모터 구동 시의 계자전류값과 계자전압값을 통해, 모터 구동 시의 계자 코일 저항(R0)을 파악할 수 있다. 즉, 초기 계자 코일 저항(R0)를 파악할 수 있다. 물론, 옴의 법칙을 이용하여, 피드백된 현재의 계자전류값과 계자전압값을 통해 현재의 계자 코일 저항(R)을 파악할 수 있다. 아울러, 로터의 초기 온도(T0)가 기설정될 수 있다.

한편, 코일의 온도와 전기 저항과는 상관관계가 있다. 즉, 코일의 온도가 증가함에 따라 코일의 전기 저항이 증가한다. 이는 코일 재질에 따른 고유한 특성이라 할 수 있으며, 이를 온도당 저항계수라 할 수 있다. 구리의 온도당 저항계수는 0.004라 할 수 있다.

따라서, 현재의 로터 온도는 다음과 같은 수학식을 통해 산출될 수 있다.

즉, 온도 상승에 따라 증가하는 저항값을 통해서 로터의 온도를 산출하는 것이 가능하게 된다.

상기 모터 제어기(230) 또는 모터 제어부(200)는 센싱되거나 산출된 스테이터의 온도와 로터의 온도를 통해 온도 기준 제어를 수행할 수 있게 된다. 로터의 온도는 상기 수학식 2를 통해서 용이하게 산출할 수 있다.

한편, 상기 온도 기준 제어는 계자전류값에 대한 전기자전류값의 비율(전류비)을 달리하여 수행될 수 있다. 즉, 스테이터의 온도와 로터의 온도에 따라, 지령 토크에 대해, 상기 전류비를 달리하여 계자전류값에 대한 전기자전류값을 입력하는 것이 가능하다.

동일 지령 토크에 대하여, 전류비를 높이는 것은 계자전류값을 감소시키고 전기자전류값을 증가시킴을 의미한다. 따라서, 로터의 온도가 스테이터의 온도보다 높은 경우, 전류비를 증가시키도록 제어하는 것이 가능할 것이다. 물론, 상기 전류비는 동일한 지령 토크에 대하여 복수 개의 조합으로 마련될 수 있을 것이다.

이러한 전류비를 통해서, 동일 토크 발생을 위한 계자전류값과 전기자전류값의 기여 여부를 반영하여 제어하는 것이 가능하게 된다. 다시 말하면, 계자전류값과 전기자전류값의 결정을 보다 탄력적으로 결정하는 것이 가능하게 된다. 왜냐하면, 현재의 스테이터 온도와 로터의 온도에 따라, 점진적인 전류비 조절 제어 또는 비약적인 전류비 조절 제어가 가능할 수 있기 때문이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 온도 기준 제어(S130, S140)는 판단 단계(S120)를 거쳐 수행될 수 있다. 물론, 악셀레이터 페달의 각도 입력(S100)을 통해 지령 토크 계산(S110)이 먼저 선행될 수 있다.

상기 판단 단계에서는 구동모터 또는 전기자동차의 운전조건이 고려될 수 있다. 즉, 상기 운전조건이 로터의 온도를 상대적으로 더욱 증가시키는 조건인지 반대로 스테이터의 온도를 상대적으로 더욱 증가시키는 조건인지 판단할 수 있다.

후술하는 바와 같이, 구동모터의 운전조건이 최대 출력 조건인 경우, 스테이터 온도의 상승폭이 상대적으로 더욱 크다. 따라서, 상기 판단 단계에서 최대 출력 조건이라 판단하는 경우, 상기 온도 기준 제어(S130, S140)에서는 전기자전류값을 감소시키고 상기 계자전류값을 증가시키도록 수행될 수 있다.

후술하는 바와 같이, 구동모터의 운전조건이 정격 출력 조건인 경우, 로터 온도의 상승폭이 상대적으로 더욱 크다. 따라서, 상기 판단 단계에서 정격 출력 조건이라 판단하는 경우, 상기 온도 기준 제어(S130, S140)에서는 전기자전류값을 키우고 상기 계자전류값을 줄이도록 수행될 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 온도 기준 제어(S130, S140)는 항상 수행되지 않을 수 있다. 즉, 지령 토크 추종 제어를 위해 항상 온도 기준 제어가 수행되지 않을 수 있다. 왜냐하면, 모터의 온도가 문제되지 않는 운전 조건이나 운전 영역에서는 이러한 온도 기준 제어가 불필요할 수 있기 때문이다. 예를 들어, 저속 운전 조건, 지령 토크의 크기가 작은 운전 조건 또는 가다 서다를 반복하는 시내 운전 조건에서는 온도 기준 제어가 불필요할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 전술한 최대토크 기준 제어와 온도 기준 제어가 선택적으로 수행될 수 있다.

이를 위해서, 상기 판단 단계(S120)에서 최대토크 기준 제어와 온도 기준 제어 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 상기 판단 단계에서의 판단 결과에 따라 최대토크 기준 제어가 수행되거나 온도 기준 제어가 수행될 수 있다.

예를 들어, 스테이터의 온도와 로터의 온도 모두 기설정된 제한온도와 많은 편차를 가지는 경우, 상기 판단 단계(S120)에서는 최대토크 기준 제어를 선택하고, 이를 통해서 최대토크 기준 제어(S170, S180)를 수행할 수 있다. 즉, 스테이터의 온도와 로터의 온도 모두 기설정된 제한온도보다 많이 낮은 경우, 최대토크 기준 제어를 수행할 수 있다.

또한, 스테이터의 온도와 로터의 온도 중 어느 하나가 상기 모터 제한온도에 대하여 기설정된 편차 내에 있는 경우, 상기 판단 단계(S120)에서는 온도 기준 제어를 선택할 수 있다.

예를 들어, 상기 모터 제한온도는 섭씨 170도로 기설정될 수 있다. 아울러, 기설정된 편차는 섭씨 30도로 기설정될 수 있다. 따라서, 스테이터의 온도와 로터의 온도 중 어느 하나가 섭씨 140도 이상일 경우, 상기 판단 단계(S120)에서는 온도 기준 제어를 선택할 수 있다. 이때, 상기 스테이터의 온도가 상기 로터의 온도보다 높은 경우, 상기 스테이터의 온도의 상승을 방지하거나 지연시키기 위한 온도 기준 제어가 수행될 수 있다.

전술한 실시예는 스테어터 온도와 로터 온도의 차이를 감안하지 않는다고 할 수 있다. 즉, 더 높은 온도가 상기 모터의 제한온도에 도달하는 것을 지연시키는데 주력한다고 할 수 있다. 예를 들어, 스테이터의 온도가 섭씨 150도 이상 그리고 로터의 온도가 100도일 때, 로터의 온도는 크게 고려하지 않는다. 이 경우, 스테이터의 온도는 상기 모터 제한온도에 근접하지만, 상기 로터의 온도는 상기 모터 제한온도에 도달하기 위해서는 상당한 여유가 있기 때문이다.

그러나, 이러한 상태에서 비로소 온도 기준 제어를 수행하는 것은 바람직하지 않을 수 있다. 왜냐하면, 피드백 시간 등을 고려하면, 온도 기준 제어를 수행하더라도, 스테이터의 온도가 상기 모터 제한온도에 도달할 가능성이 있기 때문이다. 따라서, 보다 능동적인 온도 기준 제어가 필요할 수 있다.

이를 위해서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 판단 단계(S120)에서 상기 스테이터 온도(Ts)와 로터 온도(Tr)의 차이를 산출하여, 기설정된 온도 편차 △Td와 비교하여 온도 기준 제어 수행 여부를 판단할 수 있다.

예를 들어, 상기 △Td는 섭씨 3도로 설정될 수 있다. 따라서, 온도 편차가 섭씨 3도보다 큰 경우, 온도 기준 제어를 수행하도록 판단할 수 있다. 이는 온도 편차가 섭씨 3도보다 커지지 않도록 능동적으로 온도 기준 제어를 수행할 수 있음을 의미한다. 즉, 어느 하나의 온도가 다른 온도에 비해 지나치게 커지는 것을 미연에 방지할 수 있음을 의미한다. 따라서, 현재의 운전조건과 무관하게 능동적이고 효율적으로 온도 기준 제어를 수행할 수 있다.

아울러, 온도 편차가 섭씨 3도보다 작은 경우에는 보다 간단한 최대토크 기준 제어를 수행할 수 있다. 따라서, 경우에 따라 제어 조건을 달리하여 보다 효율적으로 모터의 구동을 제어하는 것이 가능하게 된다. 이를 통해서. 능동적으로 스테이터 온도와 로터 온도의 편차가 기설정된 편차 이상 커지지 않도록 제어하는 것이 가능하게 된다.

한편, 상기 △Td는 섭씨 5도로 설정될 수 있다. 스테이터와 로터의 온도 편차가 섭씨 5도보다 큰 경우에는, 상기 온도 편차를 줄이기 위해서 온도 기준 제어를 수행할 수 있다. 따라서, 어느 하나의 온도가 먼저 모터의 제한 온도에 도달하는 것을 최대한 지연시킬 수 있다. 물론, 스테이터와 로터의 온도 편차가 섭씨 5도보다 작은 경우에는, 최대토크 기준 제어를 수행할 수 있다.

여기서, 온도 편차의 기설정값을 기준으로 최대토크 기준 제어와 온도 기준 제어가 수행되므로, 이 온도 편차의 기설정값은 중요하다. 왜냐하면, 기설정값이 작으면 제어 모드가 빈번히 전환될 수 있기 때문이다. 또한, 기설정값이 크면 제어 모드의 전환이 무의미할 수 있기 때문이다. 이를 고려하여, 상기 온도 편차의 기설정값은 섭씨 3도 내지 섭씨 10도 사이에서 결정됨이 바람직할 것이다.

이하에서는 구동모터의 운전조건에서의 스테이터와 로터의 온도 변화를 통하여, 본 발명에 따른 실시예들의 효과를 설명한다.

먼저, 도 6은 최대 출력 조건에서 최대토크 기준 제어를 하는 경우의 온도 변화를 도시하고 있다.

구체적으로는, 일정 출력 상태(예를 들어, 토크 80 Nm, 정격속력 4100RPM)에서 최대 출력(예를 들어, 정격속력 4100RPM 유지, 최대 토크 280 Nm 지령)을 낼 때, 제한온도(예를 들어 섭씨 170도)에 도달하는데 소요되는 시간이 도시되어 있다.

이러한 최대 출력 조건에서는 스테이터의 온도가 로터의 온도보다 상승폭이 크며, 스테이터의 온도가 모터 제한온도에 더욱 빨리 도달한다. 따라서, 이러한 조건에서는 로터의 온도보다는 스테이터의 온도가 모터의 성능을 결정한다고 할 수 있다. 즉, 스테이터의 온도가 제한온도에 도달하는 시간(예를 들어 40초)이 모터의 성능을 결정한다고 할 수 있다. 즉, 이러한 도달 시간을 더욱 증가시키는 것은 모터의 성능 향상을 의미할 수 있다.

도 6은 매우 극단적인 운전조건으로서의 최대 출력 조건을 가정한 것이다. 따라서, 이 경우 온도 기준 제어의 수행이 어려울 수 있다. 왜냐하면, 이러한 조건에서는 항상 최대 계자전류값이 입력되어 상기 계자전류값을 온도 기준 제어를 통해 가변시키기가 용이하지 않기 때문이다.

그러나, 상기 최대 출력 조건을 정격출력 이상에서의 운전 조건이라 정의하면, 이러한 온도 기준 제어가 가능하게 된다. 예를 들어, 정격출력이 정격속도 4100RMP에서 117 Nm인 경우, 지령 토크가 117 Nm 이상인 경우를 최대 출력 조건이라 정의할 수 있을 것이다.

전술한 바와 같이, 온도 기준 제어를 통해 양자의 온도차이를 줄일 수 있다. 왜냐하면, 스테이터의 온도 상승률을 줄이는 대신 반대로 로터의 온도 상승률을 키우는 것이 가능함을 알 수 있다. 왜냐하면, 도시된 바와 같이, 스테이터의 온도가 제한온도에 도달할 때, 로터의 온도는 제한온도와 큰 편차를 갖기 때문이다. 따라서, 스테이터의 부하를 줄이고 대신 로터의 부하를 키움으로 하여 스테이터의 온도가 제한온도에 도달하는 시간을 더욱 늘일 수 있게 된다.

구체적으로는, 최대 출력 조건인 경우, 상기 전류비를 최대토크 기준 제어에서보다 작아지도록 온도 기준 제어를 수행하여, 모터 성능을 향상시킬 수 있게 된다. 그러므로, 제한온도에 도달하는 시간을 더욱 크게 하여 모터의 성능을 향상시키는 것이 가능하다. 즉, 혹독한 환경에서 보다 긴 시간동안 지령 토크 추종 제어가 가능함을 알 수 있다. 이는 스테이터의 온도가 제한온도에 도달하는 시간을 지연시킴으로써 모터의 성능을 향상시킬 수 있음을 의미한다.

아울러, 최대 출력 조건에서는 스테이터로 인한 에너지 손실이 로터로 인한 에너지 손실보다 크다. 따라서, 최대 출력 조건에서, 상대적으로 스테이터로 인한 손실을 줄여, 전체적으로 에너지 손실을 줄이는 것이 가능하게 된다.

한편, 상기 최대 출력 조건은 지령 토크의 증가율이 기설정값보다 큰 운전 조건이라 할 수도 있다. 다시 말하면, 지령 토크가 순간적으로 증가하는 운전 조건이라 할 수도 있다. 아울러, 최대토크 기준 제어를 수행하는 경우에서, 스테이터의 부하가 로터의 부하보다 큰 운전 조건을 최대 출력 조건이라 할 수도 있을 것이다. 따라서, 이러한 최대 출력 조건에서 최대토크 기준 제어가 아닌 온도 기준 제어를 수행함으로써, 모터의 성능을 향상시키는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 최대 출력 조건은 지령 토크의 증가값이 정력 출력 이상인 경우의 운전 조건이라 할 수 있으며, 지령 토크값이 최대 출력의 절반 이상인 경우의 운전 조건이라 할 수 있다.

구체적으로는, 정지 상태에서 급출발을 하거나 언덕을 오르는 상태 등을 최대 출력 조건이라 할 수 있으며, 고속도로에서 매우 빠른 속력으로 주행하는 상태 또한 최대 출력 조건이라 할 수 있을 것이다.

도 7은 정격 출력 조건에서 최대토크 기준제어를 하는 경우의 온도 변화를 도시하고 있다. 이때의 정격 출력 조건은, 예를 들어 정격속도 4100RPM에서 출력 토크가 117 Nm라 할 수 있다. 정격 출력 조건은 모터의 온도가 제한온도에 도달하지 않고 지속적으로 출력을 낼 수 있는 조건이라 할 수 있다. 여기서, 상기 정격출력 또한 모터의 성능을 나타낸다고 할 수 있다. 즉, 정격출력이 클수록 모터의 성능이 좋다고 할 수 있다.

정격 출력 조건에서는, 최대토크 기준제어를 하는 경우, 로터의 온도 상승폭이 스테이터의 온도 상승폭보다 크다. 따라서, 정격 출력 조건에서는 로터의 온도가 모터 제한 온도에 더욱 근접한다고 할 수 있다. 아울러, 로터의 온도가 제한 온도에 접근할수록 로터에서의 손실 에너지가 매우 커지게 된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 정격 출력 조건에서, 로터의 온도를 상대적으로 낮추고 스테이터의 온도를 상대적으로 높이도록 온도 기준 제어를 수행할 수 있다.이를 통해, 양자의 온도 차이를 줄일 수 있다. 아울러, 정격출력을 높일 수 있게 된다. 왜냐하면, 정격출력을 다소 높이더라도 스테이터의 온도 상승분을 로터의 온도 상승분이 보상할 수 있기 때문이다.

따라서, 온도 기준 제어를 통해 모터의 성능을 향상시키는 것이 가능하다. 그리고, 로터에서의 손실 에너지를 줄여, 전체적으로 모터의 효율을 향상시키는 것이 가능하다.

상기 정격 출력 조건은 고출력이 요구되지 않는 시내 주행 조건이나 낮은 토크가 지령되는 조건일 수 있다. 즉, 지령 토크가 상기 정격 토크, 예를 들어 117 Nm보다 작은 경우를 정격 출력 조건이라고 할 수도 있을 것이다. 아울러, 상기 정격 출력 조건은 지령 토크의 증가율이 기설정값보다 작은 운전 조건이라 할 수 있다. 즉, 지령 토크가 점진적으로 증가하는 운전 조건이라 할 수 있다.

상기 정격 출력 조건은, 최대토크 기준제어에서, 로터의 부하가 스테이터의 부하보다 큰 운전 조건이라 할 수도 있을 것이다. 따라서, 정격 출력 조건에서 최대토크 기준제어가 아닌 온도 기준 제어를 수행함으로써, 정격 출력을 높일 수 있어 모터의 성능을 향상하는 것이 가능하게 된다.

또한, 상기 최대 출력 조건은 지령 토크의 증가값이 정력 출력 미만인 운전 조건이라 할 수 있으며, 지령 토크값이 최대 출력의 절반 미만인 경우의 운전 조건이라 할 수 있다.

한편, 로터가 스테이터의 내부에서 회전하는 모터의 경우 로터의 냉각이 여의치 않다. 즉, 로터 냉각을 위한 냉각수단을 마련하기 어렵고, 마련하더라도 비용이 증가할 수밖에 없다. 아울러, 브러시를 사용하는 모터의 경우에는 발화 위험으로 인해 모터 내부에 냉각 오일을 채우는 것이 어렵다.

그러나, 본 발명의 실시예들에 따르면, 로터의 온도 상승분을 스테이터의 온도 상승분으로 전환하는 것이 가능하다. 아울러, 전술한 바와 같이, 냉각튜브 등을 통해 스테이터의 냉각은 상대적으로 용이할 수 있다.

따라서, 이러한 온도 기준 제어를 통해 비용 절감, 모터의 성능 향상 그리고 효율 증가 효과를 얻을 수 있게 된다. 아울러, 온도 기준 제어와 최대토크 기준 제어를 선택적으로 수행할 수 있기 때문에, 보다 탄력적이고 효율적인 모터 제어가 가능하게 된다.

또한, 구성의 변화없이 제어적으로 효율과 신뢰성이 증진된 전기자동차용 구동모터 또는 구동장치, 및 이의 제어방법을 제공하는 것이 가능하게 된다.

10 : 스테이터 11 : 스테이터 코어
12 : 스테이터 코일(전기자 코일) 20 : 로터
21 : 로터 코어 22 : 로터 코일(계자 코일)
30 : 회전축 200 : 모터 제어부(인버터)
210 : 계자전류제어기 220 : 인버터 회로
230 : 모터 제어기 240 : 온도 센서

Claims (21)

1. 계자 코일이 권선된 로터와 전기자 코일이 권선된 스테이터를 포함하며, 기설정된 모터 제한온도를 갖는 전기자동차용 구동모터에 있어서,
   상기 스테이터의 온도와 상기 로터의 온도 중 더 높은 온도를 갖는 쪽의 입력 전류값을 감소시켜 입력하는 온도 기준 제어를 수행하는 모터 제어부를 포함하며,
   상기 모터 제어부는, 상기 스테이터 온도와 상기 로터 온도의 차이가 소정 범위 이내가 되도록 하면서 어느 하나의 온도가 상기 모터 온도에 근접하도록 제어함을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 모터 제어부는, 상기 구동모터의 운전조건이 최대 출력 조건인 경우, 상기 스테이터 온도가 상기 모터 제한온도에 도달하는 시간을 지연시키기 위해, 상기 전기자 전류값을 감소시키고 상기 계자 전류값을 증가시킴을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 모터 제어부는, 상기 구동모터의 운전조건이 정격 출력 조건인 경우, 상기 로터 온도가 상기 모터 제한온도에 도달하는 시간을 지연시키기 위해, 상기 전기자 전류값을 증가시키고 상기 계자 전류값을 감소시킴을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
4. 계자 코일이 권선된 로터와 전기자 코일이 권선된 스테이터를 포함하며, 기설정된 모터 제한온도를 갖는 전기자동차용 구동모터에 있어서,
   상기 스테이터의 온도와 상기 로터의 온도 중 더 높은 온도를 갖는 쪽의 입력 전류값을 감소시켜 입력하는 온도 기준 제어를 수행하는 모터 제어부를 포함하며,
   상기 온도 기준 제어는, 상기 스테이터의 온도 또는 상기 로터의 온도 중 어느 하나가 상기 모터 제한온도에 대하여 기설정된 편차 내에 있는 경우 수행됨을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 모터 제어부는,
   상기 구동모터의 운전조건이 최대 출력 조건인 경우, 상기 스테이터 온도가 상기 모터 제한온도에 도달하는 시간을 지연시키기 위해, 상기 전기자 전류값을 감소시키고 상기 계자 전류값을 증가시키며,
   상기 구동모터의 운전조건이 정격 출력 조건인 경우, 상기 로터 온도가 상기 모터 제한온도에 도달하는 시간을 지연시키기 위해, 상기 전기자 전류값을 증가시키고 상기 계자 전류값을 감소시킴을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 구동모터의 전방 또는 후방에 구비되는 공기유동장치를 포함함을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 로터 및 스테이터의 온도는 온도 센서에 의해 센싱되거나 입력전류값과 입력전압값을 통해 산출됨을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스테이터의 온도와 상기 로터의 온도 모두 상기 모터 제한온도에 대하여 기설정된 편차 밖에 있는 경우, 상기 모터 제어부는, 최대 토크값과 최대 계자전류값에 기반하여 계자전류값과 전기자전류값을 결정하여 입력하는 최대토크 기준 제어를 수행함을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 스테이터의 온도와 상기 로터의 온도의 차이가 기설정된 편차 밖에 있는 경우, 상기 모터 제어부는, 상기 차이를 줄이기 위해 온도를 기준으로 계자잔류값과 전기자전류값을 결정하여 입력하는 온도 기준 제어를 수행함을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
10. 계자 코일이 권선된 로터와 전기자 코일이 권선된 스테이터를 포함하며, 기설정된 모터 제한온도를 갖는 전기자동차용 구동모터에 있어서,
    상기 스테이터의 온도가 상기 로터의 온도에 따라, 지령 토크에 대하여, 계자전류값에 대한 전기자전류값의 비율(전류비, Ia/If)을 달리하여 계자전류값과 전기자전류값을 입력하는 모터 제어부 포함하며,
    상기 모터 제어부는,
    상기 스테이터의 온도와 상기 로터의 온도 모두 상기 모터 제한온도에 대하여 기설정된 편차 밖에 있는 경우, 최대 토크값과 최대 계자전류값에 기반하여 계자전류값과 전기자전류값을 결정하여 입력하는 최대토크 기준 제어를 수행함을 특징으로 하는전기자동차용 구동모터.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 모터 제어부는, 상기 스테이터의 온도가 상기 로터의 온도보다 높은 경우, 상기 전류비를 키우고, 상기 스테이터의 온도가 상기 로터의 온도보다 낮은 경우, 상기 전류비를 줄이는 것을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 모터 제어부는, 동일한 지령 토크에 대하여 복수 개의 계자전류와 전기자전류의 조합을 통해 상기 전류비를 달리 제어함을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
13. 계자 코일이 권선된 로터와 전기자 코일이 권선된 스테이터를 포함하며, 기설정된 모터 제한온도를 갖는 전기자동차용 구동모터에 있어서,
    상기 스테이터의 온도와 상기 로터의 온도의 차이가 기설정된 편차 밖인 경우, 상기 차이를 줄이기 위해 온도를 기준으로 계자전류와 전기자전류를 입력하고, 상기 차이가 상기 기설정된 편차 내인 경우, 최대토크를 기준으로 상기 계자전류와 전기자전류를 입력하는 모터 제어부를 포함하는 전기자동차용 구동모터.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 모터 제어부는, 상기 구동모터의 운전조건이 최대 출력 조건인 경우, 상기 스테이터 온도가 상기 모터 제한온도에 도달하는 시간을 지연시키기 위해, 상기 전기자 전류값을 감소시키고 상기 계자 전류값을 증가시키는 온도기준 제어를 수행함을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 모터 제어부는, 상기 구동모터의 운전조건이 정격 출력 조건인 경우, 상기 로터 온도가 상기 모터 제한온도에 도달하는 시간을 지연시키기 위해, 상기 전기자 전류값을 증가시키고 상기 계자 전류값을 감소시키는 온도기준 제어를 수행함을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터 및 스테이터의 온도는 온도 센서에 의해 센싱되거나 입력전류값과 입력전압값을 통해 산출됨을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터.
17. 출력 토크가 계자전류값과 전기자전류값에 각각 비례하는 전기자동차용 구동모터의 제어방법에 있어서,
    지령 토크 설정 단계;
    계자전류에 의한 온도(계자온도)와 전기자전류에 대한 온도(전기자온도) 산출 단계;
    상기 산출된 계자온도와 전기자온도 비교 단계;
    상기 비교 단계의 결과에 따라, 상기 지령 토크에 대응하는 계자전류값과 전기자전류값을 달리 산출하여 입력하는 온도 기준 제어단계를 포함하며,
    상기 온도 기준 제어단계는,
    상기 비교 단계에서 상기 계자온도와 전기자온도의 차이가 기설정된 편차보다 큰 경우에 수행됨을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터의 제어방법.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 계자온도가 큰 경우, 상기 계자전류값을 줄이고 상기 전기자전류값을 키우며, 상기 계자온도가 낮은 경우, 상기 계자전류값을 키우고 상기 전기자전류값을 줄이도록 제어함을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터의 제어방법.
19. 삭제
20. 제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
    상기 차이가 기설정된 편차보다 작은 경우, 상기 지령 토크, 최대 계자전류 그리고 최대 토크에 기반하여 계자전류와 전기자전류를 산출하여 입력하는 최대토크 기준 제어단계가 수행됨을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터의 제어방법.
21. 출력 토크가 계자전류값과 전기자전류값에 각각 비례하는 전기자동차용 구동모터의 제어방법에 있어서,
    상기 모터의 운전조건을 판단하는 단계;
    계자전류에 의한 온도(계자온도)와 전기자전류에 대한 온도(전기자온도)의 차이를 산출하는 비교 단계;
    상기 모터의 운전조건이 정격 출력 조건인 경우, 상기 차이를 줄이기 위해 계자전류값을 줄이고 전기자전류값을 키우도록 제어하는 정격 출력 제어단계; 그리고
    상기 모터의 출력 조건이 최대 출력 조건인 경우, 상기 차이를 줄이기 위해 계자전류를 키우고 전기자전류를 줄이도록 제어하는 최대 출력 제어단계를 포함하며,
    상기 정격 출력 제어단계와 최대 출력 제어단계는, 상기 비교 단계에서 상기 계자온도와 전기자온도의 차이가 기설정된 편차보다 큰 경우에 수행됨을 특징으로 하는 전기자동차용 구동모터의 제어방법.

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