KR101542994B1 - 모터의 회전자 온도 추정 방법 - Google Patents

모터의 회전자 온도 추정 방법 Download PDF

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신정민
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Abstract

본 발명은 실측데이터 기반의 열모델(써멀 임피던스 모델)과 손실 에너지 모델을 통해 회전자의 온도 변화량을 산출하고, 산출된 회전자의 온도 변화량을 통해 회전자의 온도를 추정하는 모터의 회전자 온도 추정 방법에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자 온도 추정 방법은, 상기 모터의 운전 조건을 통해 상기 모터의 손실 에너지를 산출하는 단계; 상기 산출된 손실 에너지와, 상기 모터의 회전자 및 고정자의 열저항을 이용하여 설정된 기준온도에서 상기 회전자의 온도 변화량을 산출하는 단계; 상기 설정된 기준온도에서 상기 회전자의 온도 변화량을 통해 상기 회전자의 온도를 추정 산출하는 단계;를 포함한다.

Description

모터의 회전자 온도 추정 방법 {METHOD OF ESTIMATING TEMPERATURE OF ROTOR OF MOTOR}
본 발명은 모터의 회전자 온도 추정 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 실측데이터 기반의 열모델(써멀 임피던스 모델)과 손실 에너지 모델을 통해 회전자의 온도 변화량을 산출하고, 산출된 회전자의 온도 변화량을 통해 회전자의 온도를 추정하는 모터의 회전자 온도 추정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 모터는 고정자와 회전자로 이루어진다는 것은 널리 알려진 사실이다. 고정자는 모터에서 고정된 부분으로서, 전류가 흐르는 권선을 지지하는 철심과, 이 철심을 부착하는 프레임으로 이루어진다. 회전자는 모터에서 회전하는 부분으로서 영구자석과 철심을 포함할 수 있다.
도 1은 친환경 자동차에 사용되는 구동 모터의 개략적인 구조도로서, 고정자(20)와 회전자(10) 사이에는 공극(air gap)이 형성되고; 고정자(20) 외곽에는 냉각채널(42)이 형성되도록 하우징(40)이 설치되고; 냉각채널(42)에는 모터(1)를 냉각하기 위한 오일 또는 냉각수가 흐르게 된다.
상기 회전자(10)는 영구자석(12)과 철심(14)을 포함하고, 상기 고정자(20)는 철심(22)과 권선(23)를 포함하는 것은 일반적인 모터와 같다.
상기와 같은 친환경 자동차의 모터(1)는 회전자(10)에 매입되는 영구자석(12)의 특성변화에 따라 출력/제어 성능이 영향을 받게 된다.
상기 영구자석(12)은 일반적으로 온도가 높을수록 자속이 감소하고, 이에 따라 출력이 저하되게 된다.
따라서, 상기 모터의 등토크(등출력)를 유지하기 위해서는 회전자의 온도에 따른 보상 제어가 필요하다.
그런데, 상기 영구자석(12)은 상기 회전자(10)의 내부에 위치하고 있기 때문에 상기 영구자석(12)의 온도를 검출하기 위한 온도센서의 부착이 어려워서 회전자의 온도를 추정하는 방법의 개발이 요구되고 있다.
한편, 고정자 권선에 온도센서를 부착하여 고정자 온도를 검출하고, 검출된 고정자 온도를 이용하여 모터의 온도를 추정하는 방법이 알려져 있지만, 이는 회전자의 온도를 추정하는 방법이 아니기 때문에 회전자의 온도 변화에 따른 적절한 온도 보상 제어에는 도움을 주지 못하고 있다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
공개특허공보 제10-1998-0027741호 (1998.07.15) 공개특허공보 제10-1993-0006454호 (1993.04.21)
따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 실측데이터 기반의 열모델(써멀 임피던스 모델)과 손실 에너지 모델을 통해 회전자의 온도 변화량을 산출하고, 산출된 회전자의 온도 변화량을 통해 회전자의 온도를 추정함으로써 정확한 회전자 온도추정에 따른 모터 제어 시스템의 성능 및 효율을 향상시키고, 추정된 회전자 온도 정보를 통해 모터와 관련된 페일 세이프(fail safe)를 제공할 수 있는 모터의 회전자 온도 추정 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자 온도 추정 방법은, 상기 모터의 운전 조건을 통해 상기 모터의 손실 에너지를 산출하는 단계; 상기 산출된 손실 에너지와, 상기 모터의 회전자 및 고정자의 열저항을 이용하여 설정된 기준온도에서 상기 회전자의 온도 변화량을 산출하는 단계; 상기 설정된 기준온도에서 상기 회전자의 온도 변화량을 통해 상기 회전자의 온도를 추정하는 단계;를 포함한다.
상기 모터는 매입형 영구자석 동기전동기일 수 있다.
상기 모터의 운전 조건은 토크지령, 모터속도, 기준전압, 스위칭 주파수를 포함할 수 있다.
상기 설정된 기준온도는 상기 모터의 냉각온도일 수 있다.
상기 모터의 손실 에너지를 산출하는 단계는, 실측 데이터 기반의 손실 에너지 모델로서 반응표면모델링 및/또는 근사모델을 이용할 수 있다.
상기 모터의 회전자의 온도 변화량을 산출하는 단계는, 실측 데이터 기반의 열 모델로서 써멀임피던스 모델을 이용할 수 있다.
상기 써멀임피던스 모델은 아래와 같은 함수로 표현될 수 있다.
(Zth_total: 전체 써멀임피던스, R: 열저항, t: 측정시간)
Figure 112014035331341-pat00001
그리고, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터의 회전자 온도 추정 시스템은, 친환경 자동차의 구동 모터로서 동작하는 모터; 및 상기 모터의 회전자의 온도를 추정하는 제어기;를 포함하되, 상기 제어기는 상기 모터의 회전자 온도 추정 방법을 수행하기 위한 설정된 프로그램에 의해 동작할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 실측데이터 기반의 열모델(써멀 임피던스 모델)과 손실 에너지 모델을 통해 회전자의 온도 변화량을 산출하고, 산출된 회전자의 온도 변화량을 통해 회전자의 온도를 추정함으로써 정확한 회전자 온도추정에 따른 모터 제어 시스템의 성능 및 효율을 향상시키고, 추정된 회전자 온도 정보를 통해 모터와 관련된 페일 세이프(fail safe)를 제공할 있다.
도 1은 친환경 자동차에 사용되는 구동 모터의 개략적인 구조도이다.
도 2는 친환경 자동차에 사용되는 구동 모터의 회전자까지의 열 경로를 도시한 개념도이다.
도 3은 친환경 자동차에 사용되는 구동 모터의 열 모델을 도시한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자 온도 추정 방법의 로직 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자 온도 추정 방법의 흐름도이다.
도 6은 모터 회전자의 온도를 실측하기 위한 일실시예의 예시도이다.
도 7은 모터 회전자의 온도 변화의 일례를 도시한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자 온도 추정 방법에 적용되는 손실 에너지의 반응표면모델링을 위한 흐름도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 의미한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자 온도 추정 방법의 로직을 수행하기 위한 제어기(100)의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자 온도 추정 방법을 실시하기 위한 제어기(100)는: 모터(1)의 운전 조건을 검출하고, 검출된 운전 조건을 통해 상기 모터(1)의 손실 에너지를 산출하는 손실 에너지 산출모듈(110); 상기 손실 에너지 산출모듈(110)에서 산출된 손실 에너지와, 상기 모터(1)의 회전자(10) 및 고정자(20)의 열저항을 이용하여 설정된 기준온도에서 상기 회전자의 온도 변화량을 산출하는 회전자 온도변화량 산출모듈(120); 상기 회전자 온도변화량 산출모듈(120)에 의해 산출된 상기 회전자(10)의 온도 변화량을 통해 상기 설정된 기준온도에서 상기 회전자(10)의 온도를 추정하는 회전자 온도 추정모듈(130);을 포함할 수 있다.
상기 모터(1)는 친환경 자동차에서 구동모터로 사용되는 매입형 영구자석 동기전동기이지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 매입형 영구자석 동기전동기가 아니더라도 실질적으로 회전자에 영구자석이 매입된 모터라면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.
상기 모터(1)의 운전조건은 상기 모터(1)에 대한 토크지령, 모터속도, 기준전압, 스위칭 주파수를 포함하며, 이들 운전조건은 당업자라면 공지된 기술을 통해 검출할 수 있는 것들이므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
상기 설정된 기준온도는 상기 모터(1)의 냉각채널(42)에 흐르는 냉각수 또는 오일의 온도이지만, 본 발명의 보호범위가 반드시 이에 한정된 것으로 이해되어서는 안된다. 냉각수 또는 오일의 온도가 아니더라도, 실질적으로 기준온도로서 설정 가능한 온도이면 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.
상기 모터(1)의 손실 에너지(Ploss(Motor))는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 고정자 철심, 고정자 권선, 공극, 회전자 철심, 영구자석에서 손실되는 에너지의 합이다. 상기 손실 에너지는 냉각수 온도(Tcoolant)와 회전자 온도(Trotor)를 통해 산출할 수 있고; 상기 회전자 온도는 상기 손실 에너지와 상기 냉각수 온도를 통해 산출하여 추정할 수 있다. 즉, 상기 회전자 온도는, 상기 손실 에너지와 상기 냉각수 온도를 알 수 있다면, 아래 공식을 통해 산출하여 추정할 수 있는 것이다. 도 2에서 TP는 냉각수 온도(Tcoolant)와 회전자 온도(Trotor)의 온도 차이이고, WT는 냉각수이다.
Figure 112014035331341-pat00002
상기 공식에서 P는 이미 알고 있는 손실 에너지이고; T는 냉각수 온도와 회전자 온도의 차이 값이고; Rth_total은 열저항으로 도 3 및 아래의 써멀임피던스 모델 공식을 통해 산출될 수 있다.
Figure 112014035331341-pat00003
Figure 112014035331341-pat00004
상기 공식에서, Zth_total는 전체 써멀임피던스, R은 열저항, t는 측정시간이다. 도 3에서 Ci(i=1,…, 5)는 해당하는 모터 각 부분의 열용량이다.
본 발명의 실시예에서, 상기 써멀 임피던스는 도 6에 도시한 바와 같은 모터 회전자의 온도를 실측하기 위한 구성을 통해서 결정할 수 있다.
예를 들면, 회전자(10) 내에 온도센서(TS)를 부착하고, 온도센서(TS)를 샤프트(SH) 내의 홀을 통해 슬립링(SR)과 연결한 상태에서, 슬립링/신호처리기(미도시)를 통해 연속적으로 회전자(10)의 온도를 실험실에서 실측할 수 있다.
도 6의 구성을 통해 실측한 회전자(10)의 온도는 도 7에 도시한 바와 같은 그래프 형태일 수 있다. 상기 실험실에서 실측되는 회전자의 온도는 스텝응답 특성을 가질 수 있고, 상기 회전자의 온도는 2-3회 실시될 수 있다.
상기 모터(1)의 손실은 크게 동손, 철손, 풍손, 마찰손 등으로 구분되며, 상기 철손은 구동 전류 및 회전 속도에 영향을 받기 때문에 정확한 손실 예측이 어렵다.
따라서, 철손의 정확한 예측을 위해서는 시험 데이터 기반의 손실 모델링이 권장되고, 이에 따라 본 발명의 실시예에서 손실 에너지 산출은, 실측 데이터 기반의 손실 에너지 모델로서 반응표면모델링 및/또는 근사모델을 이용한다.
상기 반응표면모델링은, 당업자에게 잘 알려진 바와 같이, 여러 개의 설명변수(독립변수)가 복합적인 작용을 함으로써 어떤 반응변수(종속변수)에 영향을 주고 있을 때, 이러한 반응의 변화가 이루는 반응표면에 대한 통계적인 분석방법이다.
즉, 독립변수들과 종속변수 간의 함수관계를 데이터(시험결과)로부터 추정하여 독립변수들의 변화에 따른 종속변수의 반응량을 예측할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 모터 손실에너지 모델링을 위한 독립변수는 토크지령(전류), 모터속도, 기준전압, 스위칭주파수이며; 종속변수는 손실에너지이다.
본 발명의 실시예에서 상기 반응표면모델링이 적용되는 이유는, 전술한 열 모델을 이용한 온도 추정을 위해서는, 모터(1)의 운전조건(상기 독립변수)에 따른 손실 예측이 중요하고; 해석 기반의 손실량 예측은 여러 검토 인자들로 인해 적용이 매우 어렵기 때문이다.
따라서, 본 발명의 실시예에서는 손실 에너지 예측을 위해 실험계획에 의거한 반응표면모델링을 사용하고, 상기 반응표면모델링을 사용함으로써 최소한의 시험 횟수로 가장 정확한 근사 반응모델을 생성할 수 있고, 이에 따라 모터 개발의 기간을 단축할 수 있다.
도 8에 본 발명의 실시예에 적용할 수 있는 손실에너지 추정 모델링 과정의 프로세스를 나타내 보였다.
즉, 본 발명은 도 8에 도시한 프로세스를 통해 손실에너지 추정을 위한 최적 근사모델을 선정할 수 있다.
상기 최적 근사모델을 선정한 후에는 실제 모델을 상기 근사모델로 치환하고, 이 근사모델을 이용하여 근사 최적화(Approximate optimization) 과정을 수행할 수 있다.
상기 근사 최적화 과정은, 실제모델과 근사모델의 차이를 좁혀 최적 설계치(모델)로 수렴시켜 나가는 방법이다.
상기 반응표면모델링시 초기 근사모델을 어떻게 선정하느냐에 따라 모델링의 정확도(오차수준)가 달라질 수 있다는 것은 당업자에게 잘 알려진 사실이다.
상기 근사 모델을 위한 공식으로는 아래와 같은 리니어 근사모델 공식(1)과 [리니어+스퀘어(square)] 근사모델 공식(2)이 있을 수 있다.
Figure 112014035331341-pat00005
공식(1)
Figure 112014035331341-pat00006
공식(2)
Figure 112014035331341-pat00007
: 모델의 계수
본 발명의 실시예에서, 상기 근사모델들 중 최적의 적합성(정확도)을 가지는 모델을 선정하기 위해, 전 부하조건에서의 최소 오차(=(실제 측정 손실) - (모델을 통한 예측손실))를 가지는 모델을 선정할 수 있다. 상기 최적 모델 선정을 위한 방법으로는 통계적인 분석방법인 분산분석을 적용할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자 온도 추정 방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자 온도 추정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제어기(100)의 손실에너지 산출모듈(110)은 전술한 손실에너지 모델을 이용하여 상기 모터(1)의 운전 조건(예; 토크지령, 모터속도, 기준전압, 스위칭 주파수 등)을 통해 상기 모터(1)의 손실 에너지(
Figure 112014035331341-pat00008
)를 산출한다(S100)(S200).
그 다음, 제어기(100)의 회전자 온도변화량 산출모듈(120)은, 상기 산출된 손실 에너지(
Figure 112014035331341-pat00009
)와, 상기 모터(1)의 회전자(10) 및 고정자(20)의 전술한 열저항(
Figure 112014035331341-pat00010
)을 이용하여 설정된 기준온도(예; 냉각수 온도)에서 상기 회전자(10)의 온도 변화량(
Figure 112014035331341-pat00011
)을 아래 공식에 따라 산출한다(S300).
Figure 112014035331341-pat00012
그 다음, 제어기(100)의 회전자 온도 추정모듈(130)은, 상기 설정된 기준온도에서 상기 회전자의 온도 변화량에 기초한 하기의 공식을 통해 상기 회전자의 온도(
Figure 112014035331341-pat00013
)를 추정하여 출력한다(S400).
Figure 112014035331341-pat00014
이로써, 본 발명의 실시예에 따르면, 실측데이터 기반의 열모델(써멀 임피던스 모델)과 손실 에너지 모델을 통해 회전자의 온도 변화량을 산출하고, 산출된 회전자의 온도 변화량을 통해 회전자의 온도를 추정함으로써 정확한 회전자 온도추정에 따른 모터 제어 시스템의 성능 및 효율을 향상시키고, 추정된 회전자 온도 정보를 통해 모터와 관련된 페일 세이프(fail safe)를 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
1: 모터 10: 회전자
12: 영구자석 20: 고정자
40: 하우징 42: 냉각채널
100: 제어기 110: 손실에너지 산출모듈
120: 회전자 온도변화량 산출모듈 130: 회전자 온도 추정모듈

Claims (8)

  1. 모터의 회전자 온도 추정 방법으로서,
    토크지령, 모터속도, 기준전압, 스위칭 주파수를 포함하는 상기 모터의 운전 조건을 통해 상기 모터의 손실 에너지를 산출하는 단계;
    상기 산출된 손실 에너지와, 상기 모터의 회전자 및 고정자의 열저항을 이용하여 설정된 기준온도에서 상기 회전자의 온도 변화량을 산출하는 단계;
    상기 설정된 기준온도에서 상기 회전자의 온도 변화량을 통해 상기 회전자의 온도를 추정하는 단계;
    를 포함하는 모터의 회전자 온도 추정 방법.
  2. 제1항에서,
    상기 모터는 매입형 영구자석 동기전동기인 것을 특징으로 하는 모터의 회전자 온도 추정 방법.
  3. 삭제
  4. 제1항에서,
    상기 설정된 기준온도는 상기 모터의 냉각온도인 것을 특징으로 하는 모터의 회전자 온도 추정 방법.
  5. 제1항에서,
    상기 모터의 손실 에너지를 산출하는 단계는, 실측 데이터 기반의 손실 에너지 모델로서 반응표면모델링 및 근사모델을 이용하는 것을 특징으로 하는 모터의 회전자 온도 추정 방법.
  6. 제1항에서,
    상기 모터의 회전자의 온도 변화량을 산출하는 단계는, 실측 데이터 기반의 열 모델로서 써멀임피던스 모델을 이용하는 것을 특징으로 하는 모터의 회전자 온도 추정 방법.
  7. 제6항에서,
    상기 써멀임피던스 모델은 아래와 같은 함수로 표현되는 것을 특징으로 하는 모터의 회전자 온도 추정 방법.
    Figure 112014035331341-pat00015

    (Zth_total: 전체 써멀임피던스, R: 열저항, t: 측정시간)
  8. 모터의 회전자 온도 추정 시스템으로서,
    친환경 자동차의 구동 모터로서 동작하는 모터; 및
    상기 모터의 회전자의 온도를 추정하는 제어기;를 포함하되,
    상기 제어기는 상기 제1항, 제2항, 제4항 내지 제7항 중의 어느 한 항의 방법을 수행하기 위한 설정된 프로그램에 의해 동작하는 것을 특징으로 하는 모터의 회전자 온도 추정 시스템.
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