KR102429003B1 - 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템은 외측 둘레를 따라서 배치되는 요크, 상기 요크의 내주면에 둘레방향으로 설정된 간격을 두고 배열되는 제1,2티스들, 상기 제1,2티스들 사이에 형성되고, 여러 개의 코일들로 구성되는 코일부재를 포함하고, 상기 코일부재의 열등가회로를 형성하고, 설정된 부위의 온도를 연산하는 열등가회로를 이용하여 상기 코일부재의 내부 일측 온도(Tc)를 이용하여 반경방향 전도저항을 이용하여 상기 코일부재의 외주면온도와 내주면온도를 연산하고, 상기 내부 일측 온도로부터 보상저항, 상기 코일부재의 열용량, 및 상기 코일부재에서 형성되는 코일발열량을 이용하여 상기 코일부재의 평균온도를 연산하며, 상기 평균온도에서 축방향 전도저항을 이용하여 단부면의 온도를 연산하는 것입니다.

Description

열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템{TEMPERATURE CALCULATION SYSTEM OF MOTOR USING THERMAL EQUIVALENT CIRCUIT}
본 발명은 차량 등에 사용되는 구동 모터의 운전조건에 따라서 각 구성요소의 온도를 연산하여 구동 모터의 온도에 따라서 이를 보호할 수 있는 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템에 관한 것이다.
전자기기 중 매입형 영구자석 동기 전동기(IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)를 예를 들어 설명하기로 하고, 이를 모터 또는 전동기로 칭할 수 있다.
IPMSM은 영구자석과 전기자 전류에 의한 마그네틱 토크 성분과 d-q축 인덕턴스 차이에 의한 릴럭턴스 토크 성분을 함께 가지므로 단위 체적당 높은 토크를 얻을 수 있다.
하지만, IPMSM의 운전 특성상 고속 영역에서의 과도한 철손이 발생하며, 고출력 제어를 위해 큰 입력 전류가 필요하여 동손이 발생하게 된다. 이와 같은 열원의 발생은 전동기의 온도를 상승시키는 단점을 초래하고, 이는 결국 전동기의 수명뿐만 아니라 고온에서 감자 특성이 있는 희토류 계열의 영구자석의 특성에도 악영향을 미치게 된다.
이에 따라 전동기를 설계할 경우, 그 전동기의 온도 특성에 대한 고려가 우선되어야 함은 당연하다.
이를 위해 집중 정수법(Lumped Parameter Mehtod)을 활용한 열 등가회로망법, 유한요소법(Finite Element Method) 및 유한차분법(Finite Difference Method) 등을 이용한 분포 정수법(Distributed Parameter Method) 등과 같이 다양한 전동기의 열 해석 기술이 제안되고 있다.
그 중 전동기의 열적 성능을 계산하기 위해서는 일반적으로 유한 요소법과 유한 차분법이 사용되고 있다.
하지만 상기 유한 요소법 및 유한 차분법을 이용한 열 해석은 복잡한 영역을 해석하기 위하여 요소를 나누고 행렬을 계산하기 위한 시간이 많이 소요될 수 있다.
즉 전동기 형상의 전체 영역에는 적용하는 것이 어려운 문제점이 있다.
그렇기 때문에, 분포 정수법에 비해 상대적으로 열 해석에 대한 계산이 간단하고 전동기의 다양한 부분에서의 전체적인 온도 분포를 용이하게 확인할 수 있는 방안이 필요하다.
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.
대한민국 공개특허 10-2006-0008373 대한민국 등록특허 10-1394548
본 발명의 목적은 종래의 열 해석 방법에 비해 열 해석 시간을 단축하고 또한 다양한 해석 조건에 적용 할 수 있도록 대류와 전도 현상을 고려한 최적 요소를 구성하는 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템은 외측 둘레를 따라서 배치되는 요크, 상기 요크의 내주면에 둘레방향으로 설정된 간격을 두고 배열되는 제1,2티스들, 상기 제1,2티스들 사이에 형성되고, 여러 개의 코일들로 구성되는 코일부재를 포함하고, 상기 코일부재의 열등가회로를 형성하고, 설정된 부위의 온도를 연산하는 열등가회로를 이용하여 상기 코일부재의 내부 일측 온도(Tc)를 이용하여 반경방향 전도저항을 이용하여 상기 코일부재의 외주면온도와 내주면온도를 연산하고, 상기 내부 일측 온도로부터 보상저항, 상기 코일부재의 열용량, 및 상기 코일부재에서 형성되는 코일발열량을 이용하여 상기 코일부재의 평균온도를 연산하며, 상기 평균온도에서 축방향 전도저항을 이용하여 단부면의 온도를 연산하는 것입니다.
상기 코일부재는 여러 개의 코일들, 및 상기 코일들과 상기 제1,2티스들 사이에 개재되는 절연지를 포함할 수 있다.
상기 코일부재는 상기 코일의 외주면에 형성되는 코팅부재, 및 코일들 사이에 형성되는 에어갭을 포함할 수 있다.
상기 코일에 대응하는 코일 전도저항과 상기 절연지에 대응하는 절연지 전도저항을 이용하여 상기 평균온도로부터 상기 코일부재에서 상기 제1티스측 온도를 연산할 수 있다.
상기 코일 전도저항과 상기 절연지 전도저항은 미리 설정된 수치일 수 있다.
상기 반경방향 전도저항, 상기 보상저항, 상기 열용량, 상기 코일발열량, 및 상기 축방향 전도저항은 미리 설정된 수치일 수 있다.
상기 코일발열량은 모터로 입력되는 파워에 의해서 연산될 수 있다.
각 연산된 온도가 각 설정치 이상이거나 큰 것으로 판단되면, 상기 모터로 입력되는 파워를 하향으로 조정하거나, 비상신호를 발생시킬 수 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라서, 모터와 같은 전자기기의 열 해석을 수행할 경우, 구성 요소에 따라 형성된 열 등가 회로를 이용하여 전도와 대류 특성에 따라서 입력 파워 등에 따라서 각 구성 요소의 온도를 계산하는 모터의 온도 연산 방법을 제공함으로써, 비교적 짧은 시간 내에 모터의 온도를 연산할 수 있다.
즉, 모터의 열시스템을 전기시스템과 같은 원리로 분석하여, 연산시간을 단축하고, 거의 실시간으로 모토의 각 요소들의 온도를 도출하여, 모터의 열파손을 미연에 방지하고, 내구성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명에서는 대류와 전도 현상을 고려하여 코일부재의 설정된 위치의 온도를 정확하고 신속하게 연산할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라서 입력파워와 효율에 따른 발열부의 요소를 보여주는 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전도 열등가회로를 보여주는 수식이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 대류 열등가회로를 보여주는 수식이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열시스템과 전기시스템을 비교하는 표이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 형상을 선정하는 단계에서 모터의 일부 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열저항 모델을 선정하는 단계에서 각 모델을 보여준다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템의 상세 모델이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
단, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.
단, 본 발명의 실시 예를 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하여 설명한다.
하기의 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일하여 이를 구분하기 위한 것으로, 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 모터의 온도 연산 시스템은 모터(112), 모터 구동부(110), 제어부(100), 입력부(120), 및 연산부(130)를 포함하고, 입력부(120)로 입력되는 입력값(150)은 실시간 입력값(150a)과 미리 설정된 설정 입력값(150b)을 포함한다. 그리고, 상기 연산부(130)에 의해서 연산된 온도값(140)은 모터 각 요소의 온도값을 포함한다.
상기 실시간 입력값(150a)은 입력파워, 토크, 외부온도, 및 회전속도 등을 포함하고, 상기 설정 입력값(150b)은 효율, 대류/전도 특성, 열전도율, 열용량, 비열과 같은 물성치, 및 두께와 형상을 포함하는 형상을 포함한다.
상기 제어부(100)는 입력된 데이터를 이용하여 모터의 요소들에서 발열부의 온도와 요소들 사이의 대류 열등가회로 또는 전도 열등가회로를 이용하여 각 요소들의 온도를 연산하고, 연산된 온도가 설정값을 초과한 것으로 판단되면, 상기 모터 구동부(110)를 제어하여 상기 모터(112)로 입력되는 입력파워나 회전속도를 제어할 수 있다.
아울러, 연산된 온도가 설정값을 초과한 것으로 판단되면, 과열신호를 발생시키고, 사용자가 이 과열상태를 확인 할 수 있도록 표시하는 디스플레이부(미도시)를 제어할 수 있다.
상기 제어부(100)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 마이크로 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 방법을 수행하기 위한 일련의 명령을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라서 입력파워와 효율에 따른 발열부의 요소를 보여주는 개략적인 구성도이다.
도 2를 참조하면, 입력파워가 실시간으로 입력되고, 모터(112)의 효율에 따라서 발열부의 온도가 연산된다. 상기 발열부는 고정자의 코일, 고정자의 철심, 회전자의 철심, 베어링부, 마찰부, 및 회전자의 자석을 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예에서 입력파워와 함께 모터(112)의 회전속도가 입력될 수 있고, 상기 마찰부의 온도와 상기 베어링의 온도는 모터의 회전속도에 의해서 연산될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전도 열등가회로를 보여주는 수식이다.
도 3을 참조하면 전도 열등가회로(또는 열전도 등가회로)는 각 요소 사이의 온도차(T1-T2), 열저항(Rcond), 및 열전도율(Q'cond)로 표현될 수 있다.
따라서, 열저항, 열전도율, 및 T1이 입력되면, T2가 연산될 수 있다. 반대로, 열저항, 열전도율, 및 T2가 입력되면, T1이 연산될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 대류 열등가회로를 보여주는 수식이다.
도 4를 참조하면 대류 열등가회로(또는 열대류 등가회로)는 각 요소 사이의 온도차(T1-T2), 열저항(Rconv), 및 열대류율(Q'conv)로 표현될 수 있다.
따라서, 열저항, 열대류율, 및 T1이 입력되면, T2가 연산될 수 있다. 반대로, 열저항, 열대류율, 및 T2가 입력되면, T1이 연산될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열시스템과 전기시스템을 비교하는 표이다.
도 5를 참조하면, 열시스템은 온도차(ΔT), 열전도(대류)율(Q'), 저항(R), 열용량(C)에 의해서 열수식(Law)이 형성되고, 전기시스템은 전압(V), 전류(I), 저항(R), 축전량(C)에 의해서 전기수식(Law)이 형성된다.
본 발명에서는 모터(112)의 열시스템을 전기시스템과 같은 원리로 분석하여, 연산시간을 단축하고, 거의 실시간으로 모토의 각 요소들의 온도를 도출하여, 모터(112)의 열파손을 미연에 방지하고, 내구성을 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 방법을 보여주는 플로우차트이다.
도 6을 참조하면, 방법은 코일부재(730)의 형상을 선정하는 단계 S600, 코일부재(730)의 열저항 모델을 선정하는 단계 S610, 코일부재(730)의 열저항 계수를 선정하는 단계 S620, 및 코일부재(730)의 설정된 위치의 온도를 연산하는 단계 S630를 포함한다.
상기 코일부재(730)의 형상을 선정하는 방법은 제7을 참조하여 설명하고, 상기 열저항모델을 선정하는 방법은 도 8을 참조하여 설명하고, 상기 열저항계수를 선정하고, 상기 온도를 연산하는 방법은 도 9를 참조하여 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 형상을 선정하는 단계에서 모터의 일부 단면도이다.
도 7을 참조하면, 모터는 모터하우징의 내주면에 고정되는 요크(700), 상기 요크(700)의 내주면에 고정되고, 둘레방향으로 설정된 간격을 두고 배치되는 제1,2티스(710, 720)들, 및 상기 제1,2티스(710, 720)들 사이에 배치되는 코일부재(730)를 포함한다.
여기서, 상기 요크(700)와 상기 제1,2티스(710, 720)들은 일체로 형성될 수 있으며, 열저항 모델에서는 구분될 수 있다.
도시한 바와 같이, 상기 코일부재(730)는 모터의 고정자를 구성하는 제1,2티스(710, 720)들 사이에 형성되는 슬롯의 형태와 대응하며, 상기 코일부재(730)는 상기 슬롯에 감기는 코일(760)들, 상기 코일(760)들을 감싸는 코팅부재(765), 이들 사이에 형성된 에어갭(767), 및 상기 제1,2티스(710, 720)들에 밀착되는 절연지(750)를 포함하며, 상기 코일(760)들, 상기 코팅부재(765), 상기 에어갭(767), 및 상기 절연지(750)가 하나의 코일부재(730)로 등가화된다.
따라서, 코일(760)들, 코팅부재(765), 에어갭(767), 및 절연지(750)에 대해서 각각 열등가회로는 구성되지 않고, 코일부재 하나로 열등가회로가 구성된다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열저항 모델을 선정하는 단계에서 각 모델을 보여준다.
도 8의 (a)를 참조하면, 축방향 열저항 모델은 파이프 형상의 구조물을 이용하여, 상기 코일부재(730)의 길이방향 중심부의 내부중심부온도(Tc)가 연산되고, 축방향 전도저항(R1a, R2a)를 이용하여 양측 단부면 온도(T3 및 T4)가 연산될 수 있다.
아울러, 도 8의 (b)를 참조하면, 축방향 열저항 모델은 파이프 형상의 구조물을 이용하여, 상기 코일부재(730)의 길이방향 중심부의 내부중심부온도Tc가 연산되고, 반경방향 전도저항R1r, R2r을 이용하여 내주면온도와 외주면온도(T1 및 T2)가 연산될 수 있다.
즉, 도 8의 (c)를 참조하면, 설정된 위치의 코일부재(730)의 내부온도(Tc)와 각 방향 열전도저항을 이용하여, 내주면온도와 외주면온도(T1 및 T2) 및 양측 단부면 온도(T3 및 T4)가 연산될 수 있다. 여기서, R1r은 반경 외측방향 열전도저항이고, R2r은 반경 내측방향 열전도저항이며, R1a는 축방향 열전도저항을 나타낸다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템의 상세 모델이다.
도 9를 참조하면, 상기 코일부재(730)의 내부 일측온도(Tc)를 연산 또는 선택하고, 반경방향 전도저항(R_c4 or R_c5)을 각각 이용하여 상기 코일부재(730)의 외주면온도(T1)와 내주면온도(T2)가 연산된다.
그리고, 미리 설정된 보상저항(R_c2), 상기 코일부재(730)에서 발생되는 발열량(Current source 1), 그리고, 상기 코일부재(730)의 열용량(C_c)을 이용하여 상기 코일부재(730)의 평균온도(Ta)가 연산 또는 선택된다.
상기 코일부재(730)의 평균온도가 연산되면, 축방향 전도저항을 이용하여 일측 단부면 온도(T3)가 연산 또는 선택되고, 상기 코일부재(730)의 전도저항(R_c2' or R_c2)과, 상기 코일부재(730)를 구성하는 절연지(750)의 전도저항(R_c6' or R_c6)을 이용하여 상기 코일부재(730)에서 제1티스측 온도(Tteeth1)와 제2티스측 온도(Tteeth2)가 연산 또는 선택된다.
본 발명의 실시예에서, 연산된 코일부재(730)의 설정된 위치의 온도들은 모터의 전체 시스템에 대한 온도를 연산하는 데 자료로 사용되며, 상기 코일부재(730)의 설정된 위치의 온도가 설정수치보다 크거나 이상인 것으로 판단되면, 상기 제어부(100)는 상기 모터의 구동부(110)를 제어하여 상기 모터(112)로 입력되는 입력파워나 회전속도를 제어할 수 있다.
아울러, 연산된 온도가 설정값을 초과한 것으로 판단되면, 과열신호를 발생시키고, 사용자가 이 과열상태를 확인 할 수 있도록 표시하는 디스플레이부(미도시)를 제어할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
112: 모터 110: 구동부
100: 제어부 120: 입력부
130: 연산부 700: 요크
710: 제1티스 720: 제2티스
730: 코일부재 750: 절연지
760: 코일 765: 코팅부재
767: 에어갭

Claims (8)

  1. 외측 둘레를 따라서 배치되는 요크, 상기 요크의 내주면에 둘레방향으로 설정된 간격을 두고 배열되는 제1,2티스들, 상기 제1,2티스들 사이에 형성되고, 여러 개의 코일들로 구성되는 코일부재를 포함하고, 상기 코일부재의 열등가회로를 형성하고, 설정된 부위의 온도를 연산하는 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템에 있어서,
    상기 코일부재의 내부 일측 온도(Tc)를 이용하여 반경방향 전도저항을 이용하여 상기 코일부재의 외주면온도와 내주면온도를 연산하고,
    상기 내부 일측 온도로부터 보상저항, 상기 코일부재의 열용량, 및 상기 코일부재에서 형성되는 코일발열량을 이용하여 상기 코일부재의 평균온도를 연산하며,
    상기 평균온도에서 축방향 전도저항을 이용하여 단부면의 온도를 연산하는
    것을 특징으로 하는 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 코일부재는 여러 개의 코일들, 및 상기 코일들과 상기 제1,2티스들 사이에 개재되는 절연지;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 코일부재는 상기 코일의 외주면에 형성되는 코팅부재, 및 코일들 사이에 형성되는 에어갭 포함하는 것을 특징으로 하는 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템.
  4. 제3항에서,
    상기 코일에 대응하는 코일 전도저항과 상기 절연지에 대응하는 절연지 전도저항을 이용하여 상기 평균온도로부터 상기 코일부재에서 상기 제1티스측 온도를 연산하는 것을 특징으로 하는 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템.
  5. 제4항에서,
    상기 코일 전도저항과 상기 절연지 전도저항은 미리 설정된 수치인 것을 특징으로 하는 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템.
  6. 제1항에서,
    상기 반경방향 전도저항, 상기 보상저항, 상기 열용량, 상기 코일발열량, 및 상기 축방향 전도저항은 미리 설정된 수치인 것을 특징으로 하는 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템.
  7. 제1항에서,
    상기 코일발열량은 모터로 입력되는 파워에 의해서 연산되는 것을 특징으로 하는 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템.
  8. 제1항에서,
    각 연산된 온도가 각 설정치 이상이거나 큰 것으로 판단되면, 상기 모터로 입력되는 파워를 하향으로 조정하거나, 비상신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 열등가회로를 이용한 모터의 온도 연산 시스템.
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