KR101553988B1 - 모터 및 모터 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 엔진의 토크를 보조하는 모터로서, 전기자 코일을 포함하는 고정자와, 계자 코일 및 영구자석을 포함하는 회전자, 및 회전자로 인가되는 전류를 제어하는 스위치 소자를 포함하며, 스위치 소자는, 모터의 출력이 일정한 상기 모터의 회전 영역에서, 모터로 외부 전력이 지속적으로 인가되도록 계자 코일에 인가되는 전류를 조절하는 모터 및 이를 이용한 모터 시스템에 관한 것이다.

Description

모터 및 모터 시스템{Motor and system thereof}
본 발명은 모터 및 모터 시스템에 관한 것이다.
최근 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 내연기관과 구동모터를 작동시켜 차량을 구동시키는 하이브리드 차량과, 연료전지를 동력원으로 하여 구동모터를 작동시켜 차량을 구동시키는 연료전지 차량 등 환경 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
연료전지 차량의 경우 연료전지를 주동력원으로 하면서 배터리를 보조동력원으로
사용하여 구동모터를 작동시킨다. 이와 같이 하이브리드 차량 및 연료전지 차량 모두 차량 구동을 위해 전력을 인가 받아 작동하는 구동모터가 탑재되며, 연비 향상을 위해서는 구동모터의 제어 안정성 확보와 효율 증대가 중요하다.
한국특허등록공보 제0124034호(1997.09.23) "차량용 교류발전기"
본 발명의 일실시예는, 모터 및 모터 시스템에 관한 것으로, 차량의 주행 중 엔진의 토크 보조 기능을 수행할 수 있는 모터 및 모터 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전력을 공급하는 배터리; 전기자 코일을 포함하는 고정자, 및 계자 코일 및 영구자석을 포함하는 회전자를 포함하며, 상기 배터리로부터 전력를 공급 받아 이동수단의 엔진을 구동시키는 모터;
상기 이동수단의 가속 시에 상기 엔진의 토크 보조를 수행하는 상기 모터가, 상기 모터의 출력이 일정한 상기 모터의 회전 영역에서 외부 전력을 지속적으로 공급받도록, 상기 회전자에 인가되는 전류를 제어하는 제어 장치;를 포함하는, 이동수단용 모터 시스템.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 제어 장치는, 상기 회전자에 의해 상기 모터에 유기되는 역기전력이 상기 외부 전력의 전압 레벨 보다 낮아지도록 상기 회전자에 인가되는 전류를 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제어 장치는, 상기 계자 코일에 인가되던 전류의 방향을 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제어 장치는, 상기 계자 코일에 의한 자속이 상기 영구자석에 의한 자속의 방향과 반대 방향으로 발생되도록 상기 계자 코일에 인가되던 전류의 방향을 역방향으로 전환할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제어 장치는, 상기 모터의 회전 속도, 상기 영구자석의 자속, 및 상기 고정자의 내부저항 중 적어도 어느 하나를 고려하여 상기 계자 코일로 인가되는 전류의 방향을 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제어 장치는, 상기 모터가 발전기로 동작하는 경우에 상기 배터리의 충전 전압과 상기 모터에서의 발전 전압이 실질적으로 동일하도록 상기 회전자의 전류를 제어할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제어 장치는, 상기 모터의 회전 속도, 상기 영구자석의 자속, 및 상기 고정자의 내부저항 중 적어도 어느 하나를 고려하여 상기 계자 코일에 인가되던 전류의 방향을 역방향으로 전환할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 엔진의 토크를 보조하는 모터로서, 전기자 코일을 포함하는 고정자; 계자 코일 및 영구자석을 포함하는 회전자; 및 상기 회전자로 인가되는 전류를 제어하는 스위치 소자;를 포함하며, 상기 스위치 소자는, 상기 모터의 출력이 일정한 상기 모터의 회전 영역에서, 상기 모터로 외부 전력이 지속적으로 인가되도록 상기 계자 코일에 인가되는 전류를 조절하는 모터를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 스위치 소자는, 상기 모터의 회전 속도, 상기 영구자석의 자속, 및 상기 고정자의 내부저항 중 적어도 어느 하나를 고려하여 상기 계자 코일로 인가되는 전류를 조절할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 스위치 소자는, 상기 모터에 유기되는 역기전력이 상기 외부 전력의 전압 레벨 보다 낮아지도록 상기 계자 코일로 인가되는 전류를 조절할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 스위치 소자는, 상기 계자 코일로 인가되던 전류의 방향을 역방향으로 전환할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 스위치 소자는, 상기 회전자에 의해 유기되는 역기전력과 상기 고정자의 내부저항에 의한 내부전압의 합이 상기 모터로 인가되는 입력 전압과 동일한 시점에서 상기 계자 코일로 인가되던 전류의 방향을 역방향으로 전환할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 스위치 소자는, 상기 모터가 발전기로 동작하는 경우 상기 모터에서 발전된 에너지를 저장하는 배터리의 충전 전압과 상기 모터에서의 발전 전압이 실질적으로 동일하도록 상기 계자 코일에 인가되는 전류를 조절할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따르면, 고속 회전 영역에서 회전자에 의한 역기전력 제어, 예컨대 계자 코일로 인가되는 전류를 제어하므로, 차량의 주행 중에 순간 가속이 필요한 경우, 즉 모터의 고속 회전 영역에서도 엔진의 토크 보조 기능을 충분히 수행할 수 있다.
자속이 센 영구자석을 사용하더라도 토크 보조 기능이 저하되는 문제가 없으므로, 비교적 저속 영역인 일정 토크 영역에서 요구되는 최대 토크의 향상 및 비교적 고속 영역인 일정 출력 영역에서 요구되는 엔진의 토크 보조 기능을 동시에 만족시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 모터를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 모터 시스템 중 모터와 제어 장치 및 배터리를 발췌하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4a는 모터의 동작시 구동 특성을 나타낸 그래프로서, 전기자 코일의 턴수에 따른 모터의 구동 특성으로서 토크를 나타낸 그래프이다.
도 4b는 모터의 동작시 구동 특성을 나타낸 그래프로서, 영구자석의 유무에 따른 모터의 구동 특성으로서 토크를 나타낸 그래프이다.
도 5a는 제어 장치의 제어 동작에 따라 모터에 유기되는 역기전력의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5b는 제어 장치의 제어 동작에 따른 모터의 구동 특성으로서 토크를 도시한 그래프이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 모터(120)를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 3은 도 1의 모터 시스템 중 모터(120)와 제어 장치(130) 및 배터리(140)를 발췌하여 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터 시스템은, 엔진(110), 모터(120), 배터리(140), 및 제어 장치(130)를 포함할 수 있다. 배터리(140)는 충전 및 방전이 가능한 이차 전지로서, 모터(120)로 전력을 공급할 수 있다. 또한, 모터(120)가 발전기로 구동하는 경우에 모터(120)의 발전 전력은 배터리(140)에 저장될 수 있다. 배터리(140)는 예컨대, 36V 이차 전지 또는 36V의 수퍼 캐패시터일 수 있다.
엔진(110)은 연료를 연소시켜 구동력을 얻는 내연기관이며, 모터(120)는 엔진(110)과 풀리 및 벨트 등을 통해 연결되어 배터리(140)로부터 공급되는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하여 엔진(110)에 공급할 수 있다. 한편, 모터(120)는 발전기로 구동할 수 있으며, 이 경우 엔진(110)으로부터 공급되는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하며, 변환된 전기 에너지는 배터리(140)를 충전시키는데 사용될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 모터(120)는 전기자 코일을 포함하는 고정자(220)와, 계자 코일 및 영구자석을 포함하는 회전자(210)를 포함할 수 있다. 회전자(210)는 샤프트(211)와 일체화되어 있으며, 풀리 및 벨트 등에 의하여 엔진(110)의 크랭크 축과 연결되어 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 모터(120)는, 회전자(210)가 계자 코일 및 영구자석을 포함하므로 계자 코일에 의한 자속 뿐만 아니라 영구자석에 의한 자속까지 더해진다. 즉, 영구자석이 회전자(210)에 자속을 부가하므로, 전기자 코일의 턴수를 늘리지 않고서도 최대 토크를 향상시킬 수 있다.
모터(120)는 차량에 시동을 걸거나, ISG(Idle Stop & Go)에 따라 재시동을 거는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 모터(120)는 차량의 가속 운동시 엔진(110)의 토크를 보조하기 위해 동작할 수 있다. 차량이 언덕을 올라가거나 추월을 하는 경우와 같이 차량의 순간 가속시, 즉 운전자가 가속 페달을 밟는 경우에 제어 장치(130)는 모터(120)가 엔진(110)의 토크 보조로 구동하도록 모터 시스템을 제어한다.
제어 장치(130)의 동작에 따라, 배터리(140)에 저장된 전력은 인버터(310)에 의해 교류 전력으로 변환되어 모터(120), 보다 구체적으로 전기자 코일에 공급된다. 예컨대, 배터리(140)의 직류 전원은 인버터 (310)에 의하여 3상 교류 전원으로 변환되고, 변환된 3상 교류 전력이 전기자 코일에 공급되며, 회전자(210)의 계자 코일에 회전 자계가 주어져 회전자(210)가 회전 구동된다. 회전자(210)의 회전력은 풀리 및 벨트 등에 의해 엔진(110)으로 전달되어 엔진(110)의 회전 구동을 보조한다.
한편, 모터(120)는 차량의 감속 운동시에 배터리(140)를 충전시킬 수 있는 발전기로서 동작할 수 있다. 예를 들어, 운전자가 일정 시간 동안 가속 페달을 밟지 않는 경우 또는 브레이크를 밟는 경우와 같이 차량의 감속 운동시에 엔진(110)의 회전에 따라 모터(120)에 교류의 전원이 유기되며, 유기된 교류 전원은 정류 기능을 구비하는 인버터(310), 예컨대 양방향 인버터에 의해 직류로 정류되어 배터리(140)에 공급될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 모터(120)는 영구자석이 회전자(210)에 자속을 부가하므로, 전기자 코일의 턴수를 늘리지 않고서도 모터(120)의 최대 토크를 향상시킬 수 있다. 영구자석에 의한 최대 토크 향상에 관하여, 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
도 4a 및 도 4b는 모터의 동작시 구동 특성으로서 토크를 나타낸 그래프로서, 도 4a는 전기자 코일의 턴수에 따른 모터의 구동 특성을 나타낸 그래프이고, 도 4b는 영구자석의 유무에 따른 모터의 구동 특성을 나타낸 그래프이다.
먼저, 도 4a를 참조하여 전기자 코일의 턴수에 따른 모터의 구동 특성을 설명한다. 도 4a에서 A1 및 A2는 비교예에 따른 모터의 구동 특성을 도시한 것으로, 영구자석을 포함하지 않는 점에서 본 발명의 일 실시예에 따른 모터와 차이가 있다. A1에 따른 실시예의 전기자 코일의 턴수는 A2에 따른 실시예의 전기자 코일의 턴수 보다 작다. 도 4a에서 x 축은 회전 속도로서 모터의 샤프트의 회전 속도를 나타내고, y축은 구동 토크를 나타낸다.
도 4a를 참조하면, 모터의 구동 초기인 (가) 영역은 회전속도에 관계없이 일정한 값의 토크를 갖는 일정 토크 영역이다. (가) 영역에서, 토크의 값은 배터리와 모터 사이에 놓인 인버터의 전류 용량에 의해 결정될 수 있으며, 만약, A1과 A2 의 경우에 인버터의 최대 전류 용량이 동일하다고 하면, 토크는 전기자 코일의 턴수에 비례하는 값을 갖는다. (나) 영역은 일정 출력 영역으로서, 모터가 일정한 속도 이상이 되면 회전 속도가 증가함에 따라 토크가 저하되는 특성을 보인다.
도 4a에 나타난 A1과 A2를 비교하면, 전기자 코일의 턴수를 증가시키면 최대 토크가 증가하지만, 일정 출력 영역이 저하되어 버린다. 즉, 동일한 회전속도에 있어서 구동 토크는, 일정 토크 영역인 (가) 영역에서는 A1 < A2 이고, 일정 출력 영역인 (나) 영역에서는 A1 > A2가 된다. 뿐만 아니라, 전기자 코일의 턴수를 증가시키면 일정 토크 영역인 (가) 영역의 구간이 좁아지므로, 전기자 코일의 턴수 증가만으로는 모터로서의 충분한 기능을 얻을 수 없다.
다음으로, 도 4b를 참조하여 영구자석의 유무에 따른 모터의 구동 특성을 설명한다. 도 4b에서 A1은 앞서 도 4a를 참조하여 설명한 비교예에 따른 모터의 구동 특성이고, A3는 본 발명에 따른 모터(120)의 구동 특성을 나타낸 것으로 영구자석을 포함하되 전기자 코일의 턴수는 A1의 전기자 코일의 턴수와 동일하다. 도 4b에서 x 축은 회전속도로서 모터의 샤프트의 회전 속도를 나타내고, y축은 구동 토크를 나타낸다.
도 4b를 참조하면, A3의 경우, 영구자석의 자속이 회전자(210)에 부가되므로 일정 토크 영역인 (가) 영역에서 최대 토크가 A1의 경우 보다 더 큰 값을 가지게 된다. 전기자 코일의 턴수가 동일하다고 하면, 최대 토크는 영구자석에 의한 자속의 크기에 따라 결정될 수 있다. 즉, 최대 토크는 영구자석에 의한 자속, 예컨대 자속 밀도에 비례하여 증가할 수 있다. 전기자 코일의 턴수를 증가시키는 데는 턴수 증가에 따른 저항증가 및 고정자의 사이즈의 증가와 같은 한계가 있으므로, 자속이 센 영구자석을 회전자에 부가함으로써 모터의 최대 토크를 증가시킬 수 있다.
영구자석에 의하여 최대 토크를 향상시킬 수 있으나, 회전속도가 저속 영역을 벗어나 고속 영역으로 접어들면서 도 4b에 도시된 바와 같이 토크가 점점 감소하는 경향을 막을 수는 없다. 한편, 고속 영역인 (나) 영역에서, 영구자석을 포함하는 모터인 A3와 영구자석을 포함하지 않는 모터인 A1의 계자 코일에 동일한 전류가 인가될 때, 영구자석을 포함하는 모터인 A3은 영구자석에 의한 역기전력에 의해 출력이 더 저하될 수 있다.
차량에 시동을 걸거나 ISG에 따라 재시동을 걸 때는 영구자석을 사용함으로써 최대 토크를 향상시킬 수 있다. 차량에 시동을 걸거나 재시동을 걸 때 필요한 최대 토크는 저속 영역인 (가) 영역에서 발생하는 것으로, 모터(120)의 최대 토크를 이용하여 차량에 시동 또는 재시동을 건 후에 고속 영역에서의 토크 저하와 같은 문제는 시동 또는 재시동과 무관하다.
그러나, 차량의 주행 중 차량이 언덕을 오르거나 추월하는 경우와 같이 주행 중에 차량의 순간 가속이 필요한 경우는, 이미 구동중인 모터(120)로부터 엔진(110)에 필요한 토크를 얻어내는 경우로서 모터(120)가 (가) 영역을 벗어나 (나) 영역, 즉 일정 출력 영역에서 구동할 때 발생하는 이벤트이다. 즉, 모터(120)가 고속 영역에서 회전할 때 발생하는 경우이다.
앞서 언급한 바와 같이, 고속 영역에서는 역기전력에 의해 출력이 저하된다. 역기전력은 회전자에 자속을 부가하는 영구자석의 자속이 셀수록 높아진다. 차량의 시동 또는 재시동시에는 최대 토크를 얻기 위해서 자속이 센 영구자석을 사용하는 것이 좋지만, 주행 중인 차량의 순간 가속시에는 영구자석의 자속밀도에 비례하는 역기전력이 발생하므로 모터(120)가 엔진(110)의 토크를 보조하는 토크 보조 기능을 수행하기 어렵다. 즉, 차량에 시동을 걸거나 ISG에 따라 재시동을 걸 때 필요한 모터(120)의 시동/재시동 기능은 비교적 저속 영역에서 구동되므로 영구자석의 자속이 셀수록 향상되지만, 차량의 주행 중 순간 가속이 필요한 때에 요구되는 모터(120)의 엔진(110)에 대한 토크 보조 기능은, 고속 영역에서 요구되는바 영구자속의 자속이 셀수록 저하된다. 즉, 최대 토크 향상을 위해 자속이 센 영구자속을 사용할 수록, 차량의 주행 중에 요구되는 모터(120)의 토크 보조 기능은 기대하기 어려워 진다.
그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 제어 장치(130)가 모터(120)에 유기되는 역기전력을 감소시키는 방향으로 모터(120)를 제어하므로, 고속 영역에서도 충분한 구동 토크를 확보할 수 있고, 주행중인 차량의 순간 가속시에 엔진(110)에 대한 토크 보조 기능을 충분히 수행할 수 있다.
이하, 도 5a 및 도 5b를 참조하여 주행 중 토크 보조 기능을 수행하기 위한 제어 장치(130)의 제어 동작을 자세하게 설명한다.
도 5a는 제어 장치(130)의 제어 동작에 따라 모터(120)에 유기되는 역기전력의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 5b는 제어 장치(130)의 제어 동작에 따른 모터(120)의 구동 특성으로서 토크를 도시한 그래프이다. 도 5a에서, B1은 영구자석을 포함하는 모터에서 제어 장치가 회전자에 인가되는 전류를 제어하지 않는 경우를 나타내고, B2, B3는 영구자석을 포함하는 모터에서 제어 장치가 회전자에 인가되는 전류를 제어한 경우를 나타낸다. 한편, 도 5b에서, A3는 영구자석을 포함하는 모터에서 제어 장치가 회전자에 인가되는 전류를 제어하지 않는 경우를 나타내고, A4 는 영구자석을 포함하는 모터에서 제어 장치가 회전자에 인가되는 전류를 제어한 경우를 나타낸다.
도 5a를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 모터가 구동함에 따라 모터의 내부에 역기전력이 유도되며, 역기전력은 자속의 변화량에 비례하므로, 역기전력은 회전 속도가 빠를수록, 회전자의 자속이 셀수록 높게 나타난다. 회전자(210)의 자속은 영구자석에 의한 자속 및 계자 코일에 의한 자속의 합이다. 계자 코일에 인가되는 전류는 인버터(310)의 전류 용량에 제한을 받으므로, 회전자(210)의 자속은 자속이 센 영구자석에 비례하여 증가될 수 있다.
회전자(210)의 자속이 동일할 때, 고속 영역으로 갈수록 역기전력이 커져 모터(120)의 특성을 저하시키는데, 만약 모터(120)의 내부에 유도된 역기전력이 모터(120)로 인가되는 입력 전압, 예컨대 배터리(140)에서 전기자 코일로 인가되는 입력 전압 보다 크다면, 모터(120)의 내부 전압이 입력 전압보다 더 높기 때문에 배터리(140)에서 모터(120)로 전력이 공급되지 않으므로, 모터(120)는 토크 보조의 기능을 수행하기 어렵다.
이를 방지하기 위하여, 제어 장치(130)는 도 5a에 도시된 바와 같이 회전속도가 ωc 인 시점에서 모터(120)의 역기전력 제어를 수행할 수 있다. 모터(120)의 역기전력 제어는 회전자(210)의 전류를 제어함으로써 수행될 수 있다. ωc 은 제어 장치(130)의 회전자(210)에 대한 전류 제어가 이루어지는 시점에서 모터(120)의 회전 속도로서, 예컨대 모터(120)의 내부에 유도된 역기전력과 고정자(220)의 내부 저항에 의한 내부 전압의 합이 모터(120)에 인가되는 입력 전압(즉, 고정자(220)에 인가되는 입력 전압)과 동일해 지는 시점의 회전 속도이다. 만약 모터(120)의 회전 속도가 ωc 와 같거나 이 값을 넘어가면, 모터(120)의 내부에 유기된 역기전력의 전압이 입력 전압보다 더 높기 때문에 배터리(140)에서 모터(120)로의 전력 공급이 어려워 진다.
모터(120)의 역기전력 제어를 위해, 제어 장치(130)는 모터(120)의 회전 속도가 ωc 이 되면, 계자 코일에 인가되는 전류의 방향을 바꾸도록 제어할 수 있다. 구체적으로, 모터(120)의 회전자(210)의 입력 단, 예컨대 계자 코일의 입력 단에 구비된 스위치 소자(320)를 절환(도3 참조)함으로써 계자 코일에 인가되던 전류의 방향을 역방향으로 바꿀 수 있다. 제어 장치(130)의 제어 동작이 수행되는 ωc 지점은, 모터(120)의 회전 속도, 영구자석의 자속, 및 고정자(220)의 내부저항 중 적어도 어느 하나를 고려하여 결정될 수 있다.
계자 코일에 인가되는 전류의 방향이 바뀌면서 자속의 방향이 반대가 된다. 즉, 영구자석의 자속과 반대 방향으로 자속이 발생하므로, 회전자(210)의 자속을 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.
계자 코일에 인가되는 전류의 방향을 바꿈으로써 회전자(210)의 자속이 감소하므로 역기전력의 증가를 차단 또는 방지하며, 도 5a에 도시된 바와 같이, 역기전력을 모터(120)의 입력 전압보다 낮은 레벨로 제어할 수 있다. 일 예로, 모터(120)의 입력 전압 보다 낮은 값을 갖도록 역기전력의 전압레벨을 일정하게 유지하거나(B2), 회전 속도에 반비례하도록 역기전력의 전압 레벨을 점차 감소(B3 경우)시킬 수 있다. 역기전력의 전압 레벨을 일정하게 유지하거나 점차 감소시키기 동작은, 계자 코일에 인가되는 전류의 방향을 바꾸는 전류 제어 동작 이후에는 모터(120)의 회전 속도에 따라 회전자(210)로 인가되는 전류의 값을 증가시킴으로써 수행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 제어 장치(130)의 제어 동작을 통해서 모터(120)의 역기전력은 모터(120)의 입력 전압보다 낮은 레벨을 유지할 수 있으므로, 상대적으로 높은 전압 레벨을 갖는 배터리(140)에서 모터(120)로의 전력 공급이 원활하게 수행될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 제어 장치(130)의 회전자(210)의 전류 제어를 통해 역기전력의 증가가 억제되므로 고속 영역에서의 모터(120)의 출력 저하를 최소화할 수 있다. 제어 장치(130)의 역기전력 제어, 즉 회전자(210)의 전류 제어가 이루어진 이후에는 (제어 동작을 수행하지 않을 때에 비하여) 구동 토크를 일정한 수준으로 유지할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
이상에서는, 모터(120)가 토크 보조의 기능을 수행하는 경우를 설명하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 제어 장치(130)의 역기전력 제어, 예컨대 계자 코일로 인가되는 전류의 제어는 모터(120)가 발전기로 동작할 때에도 수행될 수 있다.
이동 수단의 엔진(110)의 감속 운동시, 예컨대 운전자가 일정 시간 동안 가속 페달을 밟지 않는다던가 브레이크를 밟는 이벤트 발생시에 모터(120)는 발전기로 동작하여 배터리(140)를 충전시킬 수 있다.
엔진(110)의 회전 운동에 따라, 엔진(110)의 회전력이 풀리 및 벨트 등에 의해 모터(120)로 전달된다. 그에 따라 회전자(210)가 회전 구동하게 되고, 전기자 코일에 3상 교류 전압이 유기된다. 유기된 교류 전압은 양방향 인버터(310)에 의하여 직류로 정류되며, 정류된 직류 전력에 의해 배터리(140)가 충전된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 영구자석이 회전자(210)에 자속을 부가하므로, 발전 기능도 향상될 수 있다. 엔진(110)과 함께 회전하는 회전자(210)의 회전 구동에 따라 전기자 코일에 유기되는 역기전력이 배터리(140)를 충전하는 발전 전력이 될 수 있는데, 이 때 회전자(210)의 자속은 계자 코일에 의한 자속과 영구자석에 의한 자속의 합이므로, 영구자석이 부가되지 않은 경우에 비하여 총 자속이 증가된 상태이다.
영구자석을 포함하는 모터(120)가 발전기로 동작하는 경우, 영구자석의 자속 부가에 의하여 회전자(210)의 총 자속이 증가하므로 모터(120)가 생산한 전기 에너지가 배터리(140)로 충전되기 시작하는 시점이 앞당겨질 수 있다. 즉, 영구자석에 의하여 비교적 저속 영역에서 충전이 시작될 수 있다.
모터(120)에 유기되는 발전 전압, 즉 전기자 코일에 유기되는 역기전력은 회전 속도에 비례하므로, 회전자(210)의 회전 속도가 빠른 고속 영역에서는 역기전력이 배터리(140)의 충전 전압 보다 높은 전압 레벨을 갖게 된다. 이와 같이 배터리(140)에 인가되는 전압이 배터리(140)의 정격 충전 전압을 초과하면 충전이 불가능할 뿐만 아니라, 배터리(140)가 파손 내지 손상될 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제어 장치(130)가 회전 모터(120)의 역기전력 제어를 수행함으로써 상기와 같은 문제의 발생을 방지할 수 있다. 제어 장치(130)는 상기 배터리(140)의 정격 충전 전압과 상기 모터(120)-발전 장치에서의 발전 전압인 역기전력이 실질적으로 동일하게 되도록 상기 회전자(210)의 계자 코일에 인가되는 전류의 방향을 제어할 수 있다. 예컨대, 역기전력이 배터리(140)의 충전 전압, 즉 정격 충전 전압을 상회한다면 스위치 소자(320)를 절환하여 계자 코일에 인가되던 전류의 방향을 바꿈으로서 역기전력을 감소시켜 정격 충전 전압 수준으로 유지시킬 수 있다. 제어 장치(130)의 제어 동작이 수행되는 ωc 지점은, 모터(120)의 회전 속도, 영구자석의 자속, 및 고정자(220)의 내부저항 중 적어도 어느 하나를 고려하여 결정될 수 있다.
상기와 같은 제어 장치(130)의 동작에 의하여, 별도의 전압 강하 장치를 구비하지 않더라도 발전기로 동작하는 모터(120)로부터 배터리(140)로의 충전이 용이하게 수행될 수 있다.
상술한 바에 따르면 스위치 소자(320)가 제어 장치(130)에 속한 경우로 설명하였으나, 스위치 소자(320)는 회전자(210)의 입력 단에 부착되어 모터(120)에 부속될 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
110: 엔진 120: 모터
130: 제어 장치 140: 배터리
210: 회전자 220: 고정자
310: 인버터 320: 스위치 소자

Claims (14)

  1. 전력을 공급하는 배터리;
    전기자 코일을 포함하는 고정자, 및 계자 코일 및 영구자석을 포함하는 회전자를 포함하며, 상기 배터리로부터 전력를 공급 받아 이동수단의 엔진을 구동시키는 모터; 및
    상기 회전자에 인가되는 전류를 제어하는 제어 장치;를 포함하며,
    상기 제어 장치는,
    상기 모터의 내부에 유기된 역기전력이 상기 배터리에서 상기 전기자 코일로 인가되는 전압 보다 큰 경우에, 상기 배터리로부터 상기 모터로 전압이 지속적으로 공급되어 상기 엔진의 토크 보조를 수행하도록, 상기 계자 코일에 의한 자속이 상기 영구자석에 의한 자속의 방향과 반대가 되고 상기 회전자에 의해 상기 모터에 유기되는 역기전력이 외부 전력의 전압 레벨 보다 낮아지게 상기 계자 코일에 인가되던 전류의 방향을 제어하는, 이동수단용 모터 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 모터의 회전 속도, 상기 영구자석의 자속, 및 상기 고정자의 내부저항 중 적어도 어느 하나를 고려하여 상기 계자 코일로 인가되는 전류의 방향을 제어하는, 이동수단용 모터 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 모터가 발전기로 동작하는 경우에 상기 배터리의 충전 전압과 상기 모터에서의 발전 전압이 실질적으로 동일하도록 상기 회전자의 전류를 제어하는, 이동수단용 모터 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 모터의 회전 속도, 상기 영구자석의 자속, 및 상기 고정자의 내부저항 중 적어도 어느 하나를 고려하여 상기 계자 코일에 인가되던 전류의 방향을 역방향으로 전환하는, 이동 수단용 모터 시스템.
  8. 엔진의 토크를 보조하는 모터로서,
    전기자 코일을 포함하는 고정자;
    계자 코일 및 영구자석을 포함하는 회전자; 및
    상기 회전자로 인가되는 전류를 제어하는 스위치 소자;를 포함하며,
    상기 스위치 소자는,
    상기 계자 코일에 의한 자속이 상기 영구자석에 의한 자속의 방향과 반대가 되고 상기 회전자에 의해 상기 모터에 유기되는 역기전력이 외부 전력의 전압 레벨 보다 낮아지도록 상기 계자 코일로 인가되던 전류의 방향을 전환하는, 모터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 스위치 소자는,
    상기 모터의 회전 속도, 상기 영구자석의 자속, 및 상기 고정자의 내부저항 중 적어도 어느 하나에 따라 동작하는, 모터.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제8항에 있어서,
    상기 스위치 소자는, 상기 회전자에 의해 유기되는 역기전력과 상기 고정자의 내부저항에 의한 내부전압의 합이 상기 모터로 인가되는 입력 전압과 동일한 시점에서 상기 계자 코일로 인가되던 전류의 방향을 역방향으로 전환하는, 모터.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 스위치 소자는, 상기 모터가 발전기로 동작하는 경우 상기 모터에서 발전된 에너지를 저장하는 배터리의 충전 전압과 상기 모터에서의 발전 전압이 실질적으로 동일하도록 상기 계자 코일에 인가되는 전류를 조절하는, 모터.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 계자 코일에 인가되던 전류의 방향 제어 동작 이후에 모터의 회전 속도에 따라 회전자로 인가되는 전류의 값을 증감시켜, 상기 역기전력이 상기 외부 전력보다 낮은 상태에서 일정 레벨로 유지되도록 제어하거나 상기 모터의 회전 속도에 반비례하도록 상기 역기전력의 전압 레벨을 감소시키는, 이동수단용 모터 시스템.
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