KR102146353B1 - 독립적 권선연결 전환이 가능한 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템 - Google Patents

독립적 권선연결 전환이 가능한 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기차의 주행 조건에 맞는 최적의 상태로 권선을 절환하기 위하여, 모터의 권선을 가변 특성을 가지는 절환 구조로 구성하고, 모터의 권선 절환을 위한 3개 이상의 스위치를 포함하는 스위치 블록을 일체화 시켜서, 모터를 제어하기 위한 인버터 연계 다단계 가변 구조를 가지는, 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템에 대한 것으로서, DC 전원을 공급하는 배터리; 전기차의 주행 바퀴를 구동하는 모터; 상기 모터의 권선에 설치되어 권선 연결을 변환하는 다수의 스위치로 구성되는 스위치 블록; 및, 스위칭 소자로 구성된 스위칭 회로를 구비하고, 상기 배터리로부터 DC 전원이 공급되면 스위칭 소자의 온/오프(On/Off) 동작에 의해 3상의 출력 전압을 상기 모터의 권선으로 전달하는 인버터; 및, 모터의 전류를 감지하여 상기 스위치 블록의 스위치들을 선택적으로 온/오프 시키는 모터 권선전환 스위치 제어부를 포함하는 구성을 갖는다.
상기와 같은 모터 구동 시스템에 의하여, 모터와 스위치 블록을 일체화 시키고 인버터를 별도 분리시킴으로써, 앞서 설명한 스위칭 시 각 상의 과도기적 대전류 발생의 문제점이나, 일체형 구조의 현실 적용의 어려움 등을 해결할 수 있다.

Description

독립적 권선연결 전환이 가능한 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템 { A 3-phase variable winding-switching motor driving system with independent electric switching block }
본 발명은 전기차의 주행 조건에 맞는 최적의 상태로 권선을 절환하기 위하여, 모터의 권선을 가변 특성을 가지는 절환 구조로 구성하고, 모터의 권선 절환을 위한 3개 이상의 스위치를 포함하는 스위치 블록을 일체화 시켜서, 모터를 제어하기 위한 인버터 연계 다단계 가변 구조를 가지는, 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템에 관한 것이다.
전 세계적으로 대기 오염에 의한 온난화가 급속히 진행됨에 따라, 온난화를 개선하고자 다양한 대응 방안들이 만들어지고 있다. 특히, 종래 화석 연료에 의해 운행되는 자동차에 대해서도 대기 오염을 일으키는 이산화탄소 발생을 억제하고자 하는 대응 방안들이 규제화 되어지고 있다. 이러한 대응 방안들 중 하나로서, 차량의 구동을 전기로 수행하는 전기차에 대한 이용률을 높여 나가고 있다.
전기차는 배터리와 모터의 동력만으로 주행이 가능하다. 대부분의 전기차는 전륜 또는 후륜 중 어느 하나를 모터에 의해 구동하는 방식으로 구성된다. 또한, 4륜으로 구동하는 경우에는 전륜과 후륜에 각각 모터를 구비하여 동력을 분배한다.
그런데 이러한 전기차에서 모터의 구조가 고정되어 있기 때문에, 모든 주행 조건에서 최적의 최적 효율을 도출할 수 없다. 즉, 전기차의 구동 시스템에서, 각 주행 조건에 따라 입력된 전력에너지의 실사용의 사용 효율은 각각 다르게 적용된다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여, 운항중 실시간으로 전기차의 모터 구동 구조를 변경하여 제어를 수행해야 한다. 이를 위한 시스템을 설계하는 기술이 필요하다. 즉, 전기차의 운행과정에서 최적의 구동 효율을 발생시키기 위하여, 모터의 권선 연결구조를 가변적으로 변경하는 모터 구동 시스템의 설계 기술이 필요하다. 종래 3상 모터에서 권선을 전환하는 기술이 제시되고 있다[특허문헌 1].
가변적인 모터 구동 시스템은 모터를 구동하는 인버터, 모터의 권선 구조를 변경하기 위한 패스(path)를 만들어주는 스위치 블록, 모터 코일의 연결 구조가 가변적 특성을 갖는 모터로 구성될 수 있다. 그런데 이러한 모터 구동 시스템에서 주행 시 고효율의 구동을 수행하기 위해, 가변 구조 모터의 전류 패스(path)를 만들기 위한 스위치 연결 구조가 필요하다. 그러나 전류 패스를 변경하기 위한 스위치 블록에 포함된 스위치의 개수가 늘어나고, 이로 인해, 그 크기가 커지게 될 것이다. 따라서 기존 모터, 인버터, 스위치 블록을 포함하는 인버터 일체형 구조는 실제 제작 양산이 용이하지 않다는 문제점이 있다.
[특허문헌 1] 한국등록특허 제10-0702911호(2007.04.03.공고)
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기차 주행 시 전기적 구동 효율을 높이기 위해 모터의 권선 연결 변환을 수행하는 3상 권선 가변 구조의 모터를 구비하고, 스위칭 시 발생할 수 있는 전류의 불안정성을 최소화 하기 위하여 모터 권선 변환 스위치의 연결 구조를 각 상당 독립적으로 제어 가능하도록 구성하는, 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템을 제공하는 것이다.
특히, 권선 전환 시 순간 권선 전환에 따른 전류의 영향을 최소화 시킬 수 있도록, 독립적이면서 순차적인 스위칭이 가능한 구조로서, 권선 전환 스위치 블록과 모터 권선부를 일체형으로 구조화 하고, 구동 인버터와, 스위치 블록을 일체화한 통합 모터로 구성한다.
또한, 본 발명의 목적은 실시간으로 차량의 구동 조건을 모니터링하여 현재 운행상태에 최적으로 부합하는 모터의 구조로 변환하기 위하여, 보조의 스위칭부를 추가하고, 이를 바탕으로 능동적 연결 변환을 수행하는 연결(인터페이스) 구조를 구성하는, 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템을 제공하는 것이다. 이를 통해, 가변구조 모터가 고효율의 성능을 발생할 수 있고, 차량의 구동효율 향상을 시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 목적은 차량 주행 조건에서 모터 구동 시에 효율의 향상을 위하여 기존 탑재된 모터 및 인버터의 구성에서 스위치 블록을 추가로 설치하고, 추가되는 스위치 블록의 설치부피를 줄이기 위하여 모터와 스위치 블록을 일체화 시키고, 인버터를 별도로 연결하는 구조로 구성하여 독립적으로 3상의 권선이 절환되도록 하고, 모터와 인버터의 선간 연결을 기존 3상 모터의 제어에서와 같은 3선의 연결 구성을 갖도록 하는, 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템에 관한 것으로서, 배터리부터 DC/DC 컨버터를 통하여 전력 공급을 받거나 또는 배터리에서 직접 연결되어 차량을 구동하는 권선 가변 구조 모터, 및 구동하는 출력을 발생시키는 모터 구동 인버터, 상기 구동 인버터와 모터 사이에 삽입되어 모터의 권선 구조를 변경시켜주는 가변 스위치 블록을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템으로서, 권선 가변 구조 모터, 모터 권선 전환을 위한 스위치 모듈, 및 인버터의 연결 구조를 구성하되, 모터와 연결되는 스위치 블록의 스위치와 모터 권선의 구조가 모터 3상의 각 상에 대하여 독립적으로 제어하고, 3상 모터의 하나의 상 스위칭 작용이 스위칭이 발생되지 않는 다른 상에 대하여 전류의 영향을 최소화 시킬 수 있는 스위칭 연결 구조를 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템으로서, 전기차를 다단계로 구동하는 다단계의 가변 구조를 안정화 되게 스위칭하기 위하여, 전력을 공급하는 적어도 하나의 배터리로 구성된 배터리 팩; 전기차의 배터리로부터 공급되는 전력으로 상기 전기차의 구동용 모터를 구동하는 출력을 발생시키는 모터 구동 인버터; 상기 모터의 권선구조 변경을 수행하기 위한 스위치 블록; 및, 상기 스위치 블록에 의해 권선 전환이 되는 가변 구조의 3상 모터를 포함하고, 상기 인버터 및 배터리는 순환구조의 수냉 연결 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템에 관한 것으로서, DC 전원을 공급하는 배터리; 전기차의 주행 바퀴를 구동하는 모터; 상기 모터의 권선에 설치되어 권선 연결을 변환하는 다수의 스위치로 구성되는 스위치 블록; 및, 스위칭 소자로 구성된 스위칭 회로를 구비하고, 상기 배터리로부터 DC 전원이 공급되면 스위칭 소자의 온/오프(On/Off) 동작에 의해 3상의 출력 전압을 상기 모터의 권선으로 전달하는 인버터; 및, 모터의 전류를 감지하여 상기 스위치 블록의 스위치들을 선택적으로 온/오프 시키는 모터 권선전환 스위치 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템으로서, 상기 모터는 상기 스위치 블록의 각 스위치를 상기 모터 내의 권선에 일체화 하여 구성하고, 상기 인버터와는 분리하고, 상기 인버터의 3상 출력과, 모터의 3상 입력을 연결하여 결합하는 연결구조를 형성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템으로서, 상기 스위치 블록은 상기 모터의 3상 권선 각각에 스위치를 구비하고, 모터의 각 상에 대하여 독립적으로 해당 스위치를 온/오프하여 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템으로서, 상기 스위치 블록은, 상기 모터의 3상 각각에 대하여, 각 상에서 2개의 권선을 병렬로 연결하고 각 상의 제1 권선의 후단에 각 상의 제1 스위치를 구비하고, 각 상에서 제2 권선의 전단에 각 상의 제3 스위치를 구비하고, 각 상의 제1 권선의 후단과 각 상의 제1 스위치 전단 사이 부분과, 각 상의 제3 권선의 전단과 각 상의 제3 스위치의 후단 사이 부분을 연결하는 선 상에 각 상의 제2 스위치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템으로서, 상기 스위칭 블록의 스위치는 3상의 인버터에 각각 권선 구조를 변경해 주는 싸이리스터(THYRISTOR) 소자 기반 모듈 또는 트랜지스터들(FET, BJT)의 가변 스위칭 모듈로 사용하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템에 의하면, 다단 가변 구조의 모터 구동 시스템을 도입함으로써, 종래기술에 따른 전기차의 권선 고정형 모터의 조건에서 차량 주행 조건에 따라 최적 구동효율을 얻을 수 없는 문제점을 개선할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 권선 가변 구조 시스템에서 실시간 최적 구동 효율을 얻기 위한 모터 구조를 변경하여 실행하는 경우, 기존 1개 또는 2개의 스위치를 이용하여 3상을 하나의 스위치 소자에 공통 연결시켜 동시적으로 스위칭하면, 스위칭 시 각 상의 과도기적 대 전류를 발생시키는 문제점이 예상된다.
또한, 3상 각 상에 대한 개별적 제어를 수행하고 3상 모터의 각 상에 대해 개별적 스위칭을 수행하면, 스위칭 수가 많아져서 기존 일반적 통합 구조인 모터 및 인버터 일체형의 구조를 적용하기가 매우 어렵고 전기차에 실제 적용하는데 한계를 갖는다.
본 발명에 따른 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템에 의하면, 모터와 스위치 블록을 일체화 시키고 인버터를 별도 분리시킴으로써, 앞서 설명한 스위칭 시 각 상의 과도기적 대전류 발생의 문제점이나, 일체형 구조의 현실 적용의 어려움 등을 해결할 수 있는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명은 기존 모터에서와 같이 통합된 구조의 모터 구동 출력이 3개의 구동 전원선 만을 가져 이전 인버터 시스템과 같은 구동 전원선을 갖는다. 또한 내부에 존재하는 스위치 블록의 스위치들은 인버터에서 전달되는 각 스위치의 온(ON)/오프(OFF) 신호를 입력 받아 절연형 방식으로 각 스위치를 제어한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다단 가변 구조 구동 특성을 갖는 전기차의 모터 구동 시스템의 구성을 나타내는 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 모터 구동 시스템의 인버터, 스위치 블록, 및 가변구조 모터의 전기적 외부 연결에 대한 구성도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 IGBT 또는 TR로 구성된 모터 구동 인버터 스위칭 회로의 구성도.
도 4는 종래기술에 따른 일반 3상 모터 구동 인버터와 모터 사이의 전기적 결선 회로 구성도.
도 5는 종래기술에 따른 권선 가변 구조 모터, 모터 구동 인버터, 및, 스위치 블록의 전기적 결선 회로 구성도로서, 스위치 블록이 모터와 인버터의 연결을 수행하면서 권선 전환 스위칭을 하되 낮은 수량(1~2개)의 스위치들로 구성되는 것을 나타낸 전기적 결선 회로 구성도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 가변 구조 모터, 및 전동 구동 인버터, 그리고 모터와 인버터의 연결을 수행하는 높은 수량 (3개 이상)의 스위치들을 갖는 스위치블록의 전기적 결선 회로 구성도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 블록의 내부 연결 구성(내부 스위치(SW) 중 2,5,8번 ON, 그 외 OFF)에 따른 전류 흐름 구성도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 블록의 내부 연결 구성(내부 스위치(SW) 중 2,5,8번 OFF, 그 외 ON)에 따른 전류 흐름 구성도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 스위칭 블록과 연결되는 모터 권선부의 출력선 실물 및 실 구조도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템의 구성을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 상기 모터 구동 시스템에는 다단계 가변 구조가 적용된다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 전기차의 모터 구동 시스템은 배터리 팩(100), 모터구동 인버터(102), 스위치 블록(104), 구동용 모터(또는 전동기)(106)로 구성된다. 또한, 추가적으로 차량 상위제어기 시스템(미도시)을 더 포함하여 구성될 수 있다.
구동용 모터 또는 전기차 구동 모터(106)는 차량의 주행 바퀴를 구동하는 모터로서, 직접 전기차를 운행할 수 있는 회전 동력을 발생시킨다. 모터 구동 인버터 또는 모터제어 인버터(102)는 배터리 팩(100)으로부터 공급되는 전력으로 주행 용 모터(106)를 구동하는 출력을 발생시킨다.
특히, 도 2에서 보는 바와 같이, 배터리(100)로부터 전원라인(101)을 통해, 배터리의 전원이 인버터(102)에 입력된다. 입력된 전원(또는 직류전원)은 인버터(102)에서 고속의 스위칭을 구동한다. 그리고 인버터(102)에서 스위칭 작용에 의해 변환된 AC 전원이 전원라인(103)을 거쳐서 스위치 블록(104)에 공급된다.
스위치 블록(104)에서는 모터(106)의 내부 권선과 상호 연결되어 있는 스위치들로 구성된다. 한편, 도 1과 같이, 인버터(102) 내에는 모터 권선전환 스위치 제어부(81)가 구성된다. 이때, 인버터(102) 내의 모터 권선전환 스위치 제어부(81)에서, 모터 권선 스위치 제어선(82)를 통하여, 스위치 블록(104)의 각 스위치별 신호가 전송된다. 전송된 신호(또는 스위치별 신호)는 절연방식의 신호 전달을 통해 스위치 블록(104)의 각 스위치들을 온/오프 시켜 모터의 전체 권선 연결 구조를 변경한다.
한편, 모터(106)는 스위치 블록(104)과 일체화 하여 형성한다. 즉, 스위치 블록(104)의 각 스위치를 모터(106) 내의 권선에 일체화 하여 구성한다. 또한 모터(106)는 인버터(102)와는 분리하여 구성한다. 즉, 인버터(102)의 3상 출력과, 모터(106)의 3상 입력을 연결하여 결합하는 연결구조를 형성시킨다. 즉, 인버터(102)와, 스위치 블록(104)과 일체화한 모터(106)는 서로 분리하여 구성하되, 연결구조를 통해 3상 출력과 입력만을 연결시킬 수 있도록 구성한다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 인버터 회로에 대한 구성을 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 인버터(102)의 스위칭 회로는 6개의 스위칭 소자(116)로 구성된다. 바람직하게는, 스위칭 소자는 IGBT(Insulated gate bipolar transistor) 또는 트랜지스터(TR) 소자이다. DC 전원 입력 단자(101)로부터 DC 전원이 공급되면 6개의 스위칭 소자의 온/오프(On/Off)동작에 의해 출력단자(103)로 출력 전압이 전달된다.
다음으로, 본 발명의 3상 모터와 인버터, 그리고 스위치 블록의 구성을 종래기술과 대비하여 보다 구체적으로 설명한다. 도 4 및 도 5는 종래기술에 의한 연결 구성도이고, 도 6은 본 발명에 따른 연결 구성도이다.
도 4는 종래기술에 따른 3상 모터와 인버터의 연결 구성도를 보여준다. 도 4와 같이, 배터리로부터 공급된 단상 직류 전원이 인버터에서 스위칭되어 3상의 전원을 모터에 공급하여 준다. 즉, 인버터와 모터 사이에는 직결된 구조로 중간에 보조적인 장치가 들어가지 않는다.
또한, 도 5는 종래기술에 따른 스위치 모듈을 추가로 구성한 가변구조의 모터와 인버터의 구성[특허문헌 1]을 나타내고 있다. 즉, 가변 구조 모터제어를 위한 스위치 블록을 갖는 시스템의 인버터, 모터, 스위치블록의 모듈 연결 구조를 보여준다.
종래기술에 따른 가변 스위치 모듈은 내부에 인버터와 같이 하나 또는 2개의 스위치만 구성된다. 6개의 인버터 스위치들은 3개의 출력 선이 스위치 모듈과 연결된다. 이때 스위치 모듈의 전체 스위치 개수가 2개로 매우 작다. 따라서 모터, 스위치 모듈, 및, 인버터를 하나의 일체형 구조로 구현할 수 있다.
그러나 종래기술은 모터의 권선 구조 가변을 위한 스위칭을 수행할 때, 3상의 각 권선들을 하나의 스위치로 동시에 스위칭 동작을 수행시킨다. 즉, 종래기술은 스위칭 시 모든 상들을 동시에 온/오프 시키기 때문에, 스위칭 구동에 의해 큰 노이즈 전류가 발생할 수 있다. 이와 같은 스위칭 노이즈 전류는 구동 시스템의 성능 특성을 저하시킨다.
또한, 도 6은 본 발명에 따른 스위치 블록을 일체로 구성한 가변 구조의 모터와, 인버터의 구성을 나타내고 있다. 즉, 가변 구조 모터제어를 위한 스위치 블록을 갖는 구동 시스템의 인버터, 모터, 스위치블록의 모듈 연결 구조를 보여준다.
도 6에서 보는 바와 같이, 인버터의 DC 전압 입력 단자는 배터리와 연결되며, 인버터의 출력단자와 스위칭 블록이 연결된다. 도 6에서는 9개 스위치를 갖는 블록의 적용 예로써 설명된다. 그러나 가변되는 단계의 개수에 따라 스위치 개수는 감소 또는 증가 등 변경될 수 있다.
스위칭 블록의 스위치는 3상의 인버터에 각각 권선 구조를 변경해 주는 싸이리스터(THYRISTOR) 소자 기반 모듈 또는 트랜지스터들(FET, BJT)의 가변 스위칭 모듈로 사용한다.
일실시예로서, 도 6과 같이, 3상 각각에 대하여, 2개의 권선을 병렬로 연결한다. 그리고 각 상(a,b,c)의 제1 권선(La1, Lb1, Lc1)의 후단에 제1 스위치(SW1, SW4, SW7)를 구비하고, 제2 권선(La2, Lb2, Lc2)의 전단에 제3 스위치(SW3, SW6, SW9)를 구비한다. 그리고 제1 권선의 후단과 제1 스위치 전단 사이 부분과, 제3 권선의 전단과 제3 스위치의 후단 사이 부분을 연결하는 선 상에 제2 스위치(SW2,SW5,SW8)를 구비한다.
또한, 가변 스위치 모듈은 내부에 인버터와 같이 여러 개 스위치로 구성되어 있다. 6개의 인버터 스위치들에서 출력되는 3개의 출력 선이 스위치 블록과 연결된다. 모터의 출력선들은 모터의 가변 구조 특징에 따라 다양한 개수의 출력선을 만들어 스위칭 연결을 조합하여 3상의 모터 특성을 가질 수 있도록 구성된다.
이와 같은 3상의 특징을 갖는다. 또한, 제어 시 모터의 권선 구조 가변을 위한 스위칭이 필요할 때, 각 상의 현 전류을 순차적으로 원하는 시점에서 오프(OFF)시키고 순차적으로 온(ON)할 수 있는 변경된 구조로 연결되도록 설계된다.
즉, 스위치 블록은 각 상에 대해 직렬과 병렬적 특성을 조합하여 각 상의 독립적 제어를 수행할 수 있도록, 모터 3상에 대하여 각각의 최소 3개 이상의 온/오프 가능 직렬 구조 스위치로 연결된다. 또한, 각 상에 대한 독립적 제어를 위해 병렬로 최소 3개 이상의 연결이 구성되어 3상 모터의 각 상의 스위칭 시 제로(영)전류에 의해 최소화된 스위치 적용을 통해 제품의 원가를 낮출 수 있는 구조이다.
본 발명에서는 스위치 블록의 전체 스위치 개수가 많기 때문에, 모터, 스위치 블록, 인버터의 일체화가 어렵다. 따라서 모터와 스위치 블록을 일체화 시키고 인버터를 분리한다.
모터의 열적 부하와 통합 무게를 줄이기 위하여 인버터와 스위치 블록이 일체화로 구성될 수 있으나, 이런 경우 모터 권선 가변 전환을 위한 모터의 연결 컨넥터 및 와이어의 수가 너무 많기 때문에, 인버터와 스위치 블록의 일체화는 전기적 시스템 구조상 비 효율적이다.
따라서 본 발명의 모터 구동 시스템은 스위치 블록을 모터와 일체화 시킨 후 모터와 공용 방열 구조를 선택한다. 이를 통해, 전체 부피의 축소하고 전기적 연결선도 매우 짧게하여 전기적 손실을 최소화 할 수 있다. 즉, 이와 같은 스위치블록 일체형 권선 절환 가변 모터는 분할되어 연결되는 권선들의 연결이 모터 내부에서 이루어져 인버터와의 연결은 기존 모터와 같이 3선의 구동 전원선으로 연결되어 구동 전원라인이 단순화되며, 모터와 방열 구조를 최대화 시켜 구동 시스템의 전체 크기를 축소화 시킬 수 있다.
기존 권선 절환 가변구조 모터의 권선 절환을 위한 스위치는 IGBT를 이용한 3상 동시 스위칭 제어 방식의 구조이었으며, 이에 따라 모터, 스위칭 블록, 인버터의 일체화된 결합 구조가 가능할 수 있다. 즉, 스위칭 구조가 간단하기 때문에 일체화 결합 구조가 가능하다.
그러나 가변구조 모터 적용 구동 시스템에서 효율 향상 및 스위칭 시 과도 전류 안전성 확보를 위하여, 모터 3상 권선의 개별적 스위칭 제어를 하는 구조로 형성해야 한다. 그런데 개별적 스위칭 구조를 위해서는, 많은 모터의 권선과, 권선 절환을 위한 모터와 스위치 블록의 스위치 사이에 많은 대용량 연결선들이 필요하다. 대용량 연결선을 형성된 상태가 도 9에 도시되고 있다. 또한, 전기차 3상 가변 구조 모터에 흐르는 최대 전류 값들은 상당히 크다. 따라서 스위칭 소자의 크기가 매우 커야 한다. 이와 같은 특성 때문에, 전기차용 권선절환 가변구조 모터, 모터 권선 절환 스위치 블록, 모터 구동 인버터를 일체형 통합 구조로 만들기 어렵다.
또한, 이와 같은 구조의 한계를 극복하기 위해 모터를 단독 분리시킬 경우,가변구조 모터로부터 다수의 모터 구동 전원 출력선들이 나와야 한다. 이러한 출력선들을 차량 내에서 스위칭 블록과의 연결을 하기 위해 구성되기 어렵다.
이와 같은 구조적 한계를 극복하고 기존 시스템과의 많은 구조적 변화 없이 기존 인버터와 최소한의 기능을 수정해야 한다. 이렇게 해야만, 이식성을 확보할 수 있다.
이를 위해, 본 발명은 모터 및 스위치 블록을 일체화 시키고 인버터를 독립적으로 구성한다. 즉, 가변 모터 권선은 기본 모터와 같이 모터의 커버 면에 각 권선의 독립적 연결이 가능한 권선연결 커넥터를 형성하고, 이를 스위치 블록의 스위치들과 연결한다. 그리고 이후 다시 스위치 블록의 커버를 모터 커버와 결합시켜 일체화 시킨다. 이를 통해, 모터 내부로부터의 직접적인 열적, 전기적 영향을 최소화 할 수 있다. 또한, 모터 권선 연결 커넥터를 모터의 커버 케이스에 만들지 않고, 가변 모터 권선과 스위치 블록의 스위치들을 직접 연결시킨 후 커버를 두어 일체화 결합 사이즈를 최소화 시킬 수 있다.
다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 스위치 블록(104)에서 스위치 구조에 의해 권선구조를 변경하는 것을 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한다.
도 7과 도 8은 인버터의 3상 출력을 스위치하는 스위치 블록(104)을 나타낸다. 즉, 도 7과 8은 도 6에서 제시된 구조에 인버터(102)부분과 가변구조 모터(106)가 스위치 블록(104)과 연결된 상태일 때, 각 스위치에 대하여 온/오프를 제어한 예들을 나타낸다.
도 7은 스위치 블록(104)에서 스위치 3개(SW2, SW5 ,SW8)가 온(ON)되고 나머지는 오프(OFF)된 상태를 나타낸다. 3상 모터의 각 상에 대해 2개의 모터 권선이 직렬 연결되어 순차적 각 상단 전류을 순차적으로 오프 및 온으로 진행 가능하다. 즉, 각 상에서 2개의 권선이 직렬로 연결되도록 절환한다.
도 8은 스위치 블록(104)에서 스위치 6개(SW1, SW3, SW4, SW6, SW7, SW9)가 온(ON)되고 나머지는 오프(OFF) 된다. 3상 모터의 각 상에 대해 2개의 모터 권선이 병렬 연결되어 순차적 각 상단 전류를 순차적으로 오프 및 온으로 진행 가능하다. 즉, 각 상에서 2개의 권선이 병렬로 연결되도록 절환한다.
도 7과 도 8에서 제시한 연결 구조를 통해, 모터의 3상 각 상에 대하여 전기적으로 독립적 오프 및 온의 작동은 3상에 대하여 연속적이며 독립적으로 진행할 수 있는 구조를 보여준다.
가변 구조 모터는 저속의 고 토크 영역에서 고효율을 출력하기 위하여 직렬연결을 사용하며, 고속 영역에서 고효율을 내기 위하여 병렬 연결을 사용한다.
이상, 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
81 : 모터 권선 전환 스위치 제어부
100 : 배터리 102 : 인버터
104 : 스위치 블록 106 : 모터

Claims (5)

  1. 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템에 있어서,
    DC 전원을 공급하는 배터리;
    전기차의 주행 바퀴를 구동하는 모터;
    상기 모터의 권선에 설치되어 권선 연결을 변환하는 다수의 스위치로 구성되는 스위치 블록; 및,
    스위칭 소자로 구성된 스위칭 회로를 구비하고, 상기 배터리로부터 DC 전원이 공급되면 스위칭 소자의 온/오프(On/Off) 동작에 의해 3상의 출력 전압을 상기 모터의 권선으로 전달하는 인버터; 및,
    모터의 전류를 감지하여 상기 스위치 블록의 스위치들을 선택적으로 온/오프 시키는 모터 권선전환 스위치 제어부를 포함하고,
    상기 스위치 블록은 상기 모터의 3상 권선 각각에 스위치를 구비하고, 모터의 각 상에 대하여 독립적으로 해당 스위치를 온/오프하여 제어하고,
    상기 스위치 블록은, 상기 모터의 3상 각각에 대하여, 각 상에서 2개의 권선을 병렬로 연결하고 각 상의 제1 권선의 후단에 각 상의 제1 스위치를 구비하고, 각 상에서 제2 권선의 전단에 각 상의 제3 스위치를 구비하고, 각 상의 제1 권선의 후단과 각 상의 제1 스위치 전단 사이 부분과, 각 상의 제2 권선의 전단과 각 상의 제3 스위치의 후단 사이 부분을 연결하는 선 상에 각 상의 제2 스위치를 구비하고,
    상기 스위치 블록은 각 상의 제2 스위치를 온(on)시키고 각 상의 제1 및 제3 스위치를 오프(off)시켜 2개의 권선을 직렬로 연결하거나, 각 상의 제1 및 제3 스위치를 온(on)시키고 각 상의 제2 스위치를 오프(off)시켜 2개의 권선을 병렬로 연결하고,
    상기 스위치 블록의 각 상의 제1, 제2, 및 제3 스위치는 3상 각 상에 대하여 개별적으로 제어되고, 3상 모터의 각 상에 대해 개별적 스위칭을 수행하고,
    상기 모터는 상기 스위치 블록의 각 스위치를 상기 모터 내의 권선에 일체화 하여 구성하고, 상기 인버터와는 분리하고, 상기 인버터의 3상 출력과, 모터의 3상 입력을 연결하여 결합하는 연결구조를 형성하는 것을 특징으로 하는 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 스위치 블록의 스위치는 3상의 인버터에 각각 권선 구조를 변경해 주는 싸이리스터(THYRISTOR) 소자 기반 모듈 또는 트랜지스터들(FET, BJT)의 가변 스위칭 모듈로 사용하는 것을 특징으로 하는 스위치 블록 일체형 3상 권선 가변구조의 모터 구동 시스템.
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