KR20150031597A - 전동 모터 및 이의 제어 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전동 모터 제어 장치는, 배터리; 상기 배터리로부터의 전원을 3상 전원으로 변환하며 2개 모드 제어를 실행하는 인버터; 상기 2개 모드 제어를 통해 구동되는 3상 모터; 및 상기 인버터와 모터를 연결하는 병렬 회로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 헤어핀 권선을 2단으로 설계하여 최대 토크 출력시 권선을 모두 사용하여 역기전력을 높이고 고속운전영역에서는 권선을 절반만 사용하여 역기전력을 절반으로 낮추는 2가지 모드 제어가 가능하다.

Description

전동 모터 및 이의 제어 장치{Electric motor and Apparatus for controlling the same}
본 발명은 전기 차량용 전동 모터 구동 기술에 관한 것으로서, 더 상세하게는 헤어핀 권선을 2단으로 설계하여 최대 토크 출력시 권선을 모두 사용하여 역기전력을 높이고 고속운전영역에서는 권선을 절반만 사용하여 역기전력을 절반으로 낮추는 2가지 모드 제어가 가능한 전동 모터 및 이의 제어 장치에 대한 것이다.
지구 환경보호를 위해 유해가스의 발생원이 되는 내연기관의 사용을 지양하고, 무공해 동력원인 전력을 이용하여 차량을 구동시키는 전기차(electric vehicle)가 주목받고 있다.
일반적으로, 전기차는 주로 배터리의 전원을 이용하여 AC 또는 DC 모터를 구동하여 동력을 얻는 자동차이다. 이러한 전기차를 실용화하기 위한 여러 가지 기술들이 연구 및 발달되고 있으며, 특히 모터/제어기술이 발달되어 고출력, 소형이면서 효율이 높은 시스템이 개발되고 있고, 특히 전동모터부분에서 많은 개발 및 발전이 이루어지고 있다.
이러한 전기차용 전동 모터는 주어진 전압 배터리 전압에서 요구성능을 만족시키기 위해 MTPA(Maximum Torque Per Ampere) 및 FW(Flux Weakening) 제어를 필요로 한다.
또한, 구동모터 설계 시 제한된 전압전류사양을 고려하여 무부하 역기전력을 설계해야할 필요가 있다. 이러한 무부하 역기전력 설계의 개념을 보여주는 순서도가 도 1에 도시된다.
그런데, 이러한 설계 개념에 의할 경우, 무부하 역기전력을 높게 설계하면 제한된 전압에서 고속운전영역 성능을 만족시키지 못하거나 약계자 전류 증가에 의해 동손이 증가되는 문제점이 있었다.
이와 달리, 무부하 역기전력을 낮게 설계하면 기저속도까지 최대 토크를 얻기 위한 최대 전류가 증가하여 제한된 전류 사양에서 최대 토크를 만족시키지 못하거나 동손이 증가하여 효율이 감소되는 문제점이 있었다.
1. 한국공개특허번호 제10-2009-0034735호 2. 한국공개특허번호 제10-2012-0074580호 3. 한국공개특허번호 제10-2013-0080630호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 헤어핀이 적용된 3상 모터를 2단으로 설계하여 요구성능에 따라 1모드 권선절반(고속저토크 운전영역) 및 2모드 모든권선(저속고토크 운전영역)을 사용하는 2모드 제어를 가능하게 하는 전동 모터 및 이의 제어 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 차량용 구동모터에 헤어핀 권선 2단을 적용하는 전동 모터 및 이의 제어 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 각 제어모드에서 요구성능을 만족시키기 위한 입력 전류를 감소시키는 전동 모터 및 이의 제어 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 슬롯에서 다른 슬롯으로 동상전류를 흘려주기 위한 점프선 수를 감소시키는 전동 모터 및 이의 제어 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 헤어핀이 적용된 3상 모터를 2단으로 설계하여 요구성능에 따라 1모드 권선 절반(고속저토크 운전영역) 및 2모드 모든권선(저속고토크 운전영역)을 사용하는 2모드 제어를 가능하게 하는 전동 모터 제어 장치를 제공한다.
상기 전동 모터 제어 장치는,
배터리;
상기 배터리로부터의 전원을 3상 전원으로 변환하며 2개 모드 제어를 실행하는 인버터;
상기 2개 모드 제어를 통해 구동되는 3상 모터; 및
상기 인버터와 모터를 연결하는 병렬 회로;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 2 모드는 고속 저토크 운전영역 모드 및 저속 고토크 운전영역 모드인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 3상 모터는 헤어핀 권선이 2단으로 설치되며, 저속 고토크 운전영역에서는 권선이 모두 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 3상 모터는 헤어핀 권선이 2단으로 설치되며, 고속 저토크 운전영역에서는 권선이 절반만 사용되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 헤어핀 권선의 3상 권선 중 절반은 하나의 슬롯에 배치되고, 나머지 3상 권선은 다른 슬롯에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 헤어핀 권선의 3상 권선 중 절반은 하나의 슬롯의 절반에 배치되고, 나머지 3상 권선은 하나의 슬롯의 나머지 절반에 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 병렬회로는 상기 인버터 각상의 출력측 회로가 2병렬 회로-1스위치 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 2 병렬 회로의 제 1 회로는 상기 3상 모터 상의 권선 절반에 연결되고, 상기 2 병렬 회로의 제 2 회로는 상기 3상 모터 상의 나머지 권선 절반에 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 헤어핀 권선 방식이 적용되는 차량용 전동 모터에 있어서, 상기 헤어핀 권선의 3상 권선은 2모드를 지원하기 위해 2단으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전동 모터를 제공한다.
본 발명에 따르면, 헤어핀 권선을 2단으로 설계하여 최대 토크 출력시 권선을 모두 사용하여 역기전력을 높이고 고속운전영역에서는 권선을 절반만 사용하여 역기전력을 절반으로 낮추는 2가지 모드 제어가 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 인버터 각상의 출력쪽 회로를 2병렬/1스위치 시스템을 구축하여 시스템 요구 사양에 따라 스위치를 온/오프하여 모터의 권선을 절반/모두 사용하므로, 그 결과 저속 고토크 영역뿐만 아니라 고속운전영역에서 효율이 증대된다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 무부하 역기전력을 높게 설계하여 MTPA 제어시 효율을 증대시키며, 고속영역에서 역기전력을 감소시켜 동손을 저감한다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 용접 공정 횟수를 감소시켜 공정 단순화하고, 슬롯과 슬롯을 넘어가는 동상 점프선수를 감소하는 것이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 일반적인 무부하 역기전력 설계에 대한 개념을 보여주는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 1인버터-3상/2모드를 위한 전동 모터 제어 장치의 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 전동 모터 제어 장치(200)에서 인버터(220)와 모터(230)의 구성을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시된 전동 모터 제어 장치(200) 중 1 모드를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 4에 도시된 1 모드에 따라 인버터 및 모터의 동작을 보여주는 도면이다.
도 6은 도 4 내지 도 5에 따른 권선 절반 사용만을 사용하는 예를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 전동 모터 제어 장치(200) 중 2 모드를 보여주는 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 2 모드에 따라 인버터 및 모터의 동작을 보여주는 도면이다.
도 9는 도 7 내지 도 8에 따른 권선 모두 사용의 예를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 헤어핀 권선의 예를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 2단 권선 적용에 따른 제어 전류 감소를 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 상저항 감소에 의한 효율 향상을 보여주는 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 전동 모터 제어 장치 및 방법을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 1인버터-3상/2모드를 위한 전동 모터 제어 장치의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 상기 전동 모터 제어 장치(200)는, 배터리(210), 상기 배터리(210)로부터의 전원을 3상 전원으로 변환하며 2개 모드 제어를 실행하는 인버터(220), 상기 2개 모드 제어를 통해 구동되는 3상 모터(230), 상기 인버터(220)와 모터(230)를 연결하는 병렬 회로(도 3에 도시됨) 등으로 구성된다.
배터리(210)는 배터리 셀(미도시)이 직렬 및/또는 병렬로 구성되며, 이 배터리 셀은 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리 등의 하이브리드 배터리가 될 수 있다. 물론, 본 발명의 일실시예에서는 이해의 편의를 위해 대표적으로 배터리로 도시하였다.
3상 모터(230)는 전기 차량용 모터로서 헤어핀 권선 2단이 적용된다. 이는 MTPA(Maximum Torque Per Ampere) 제어시 약계자 제어 전류를 감소시키기 위한 것이다.
또한, FW(Flux Weakening) 제어시 약계자 제어 전류를 감소시키기 위한 것이다.
전기 차량으로서는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle; HEV), 전기 자동차(Electric Vehicle; EV), 플러그인 하이브리드 자동차(PlugIn Hybrid Vehicle; PIHV) 등을 들 수 있다. 하이브리드 자동차는 그 동력원으로 엔진 이외에, 전기에 의해 구동되는 모터를 구비한다.
도 3은 도 2에 도시된 전동 모터 제어 장치(200)에서 인버터(220)와 모터(230)의 구성을 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 인버터(220)에서 3상 모터(230)로 가는 병렬 회로(310,311,320,321,330,331) 및/또는 스위치(311-1,321-1,331-1) 등이 구성된다.
부연하면, 3상 모터(230)에는 3상(A1,A2,B1,B2,C1,C2)이 구성되고, 이러한 3상 모터(230)의 3상과 인버터(220)가 병렬 회로(310,311,320,321,330,331)에 의해 연결된다.
즉, 3상 모터(230) A상으로 가는 회로를 직렬에서 2 병렬 회로(310,311)로 구성하고, 권선 절반은 3상 모터(230) A1상에 연결하여 인버터(220) A1에 연결한다.
또한, 나머지 모터 권선 절반은 3상 모터(230) A2상에서 인버터(220) A2에 연결된다.
또한, 3상 모터(230)/인버터(220) A2상에는 스위치(311-1)가 구성되며, 요구성능에 따라 스위치 off(모드1)/스위치 on(모드2) 동작이 수행된다.
이해를 위해 설명하면, 2 병렬 회로는 제 1 병렬 회로(310)와 제 2 병렬 회로(311)로 구성되고, 제 2 병렬 회로(311)에는 제 1 스위치(311-1)가 구성된다.
따라서, 제 1 스위치(311-1)가 스위치 오프 상태에 있으면, 제 2 병렬 회로(311)쪽으로는 전원이 공급되지 않게 된다. 따라서, 3상 모터(230) 상에서 권선 절반만이 사용된다. 이는 고속 저토크 운전영역으로서 1 모드를 설명한 것이다.
나머지 B1, B2, C1, C2 상의 연결도 위에 기술한 바와 같이 A상과 동일하게 연결되며, 이와 함께 제 2 스위치(321-1), 제 3 스위치(331-1)가 구성된다.
도 4는 도 2에 도시된 전동 모터 제어 장치(200) 중 1 모드를 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 1 모드는 모터 권선의 절반만을 사용하는 것으로서, 시스템 요구 성능이 고속 저토크 운전영역 모드일 경우 적용된다. 따라서, 인버터(220)로부터 3상 모터(230)로 유입되는 3상 전원이 한쪽은 차단되고, 나머지 한쪽으로만 유입된다.
도 5는 도 4에 도시된 1 모드에 따라 인버터 및 모터의 동작을 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 제 1 스위치(311-1) 내지 제 3 스위치(331-1) 모두가 오프된 상태를 보여준다. 따라서, 전류 흐름(510)이 한쪽 병렬 회로(310,320,330) 상에서만 이루어진다.
도 6은 도 4 내지 도 5에 따른 권선 절반 사용만을 사용하는 예를 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 고정자 코어(620)상에서 권선(610)의 절반만 사용된다.
도 7은 도 2에 도시된 전동 모터 제어 장치(200) 중 2 모드를 보여주는 도면이다. 도 7을 참조하면, 인버터(220)로부터 3상 모터(230)로 유입되는 3상 전원이 양쪽으로 유입된다.
도 8은 도 7에 도시된 2 모드에 따라 인버터 및 모터의 동작을 보여주는 도면이다. 도 8을 참조하면, 제 1 스위치(311-1) 내지 제 3 스위치(331-1) 모두가 온(on)된 상태를 보여준다. 따라서, 전류 흐름(810)이 양쪽 병렬 회로(310,311,320,321,330,331) 상에서 이루어진다.
도 9는 도 7 내지 도 8에 따른 권선 모두 사용의 예를 보여주는 도면이다. 도 9를 참조하면, 고정자 코어(920)상에서 권선(910) 모두가 사용된다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 헤어핀 권선의 예를 보여주는 도면이다. 도 10을 참조하면, 도 10의 (a)는 하나의 3상 권선(1010)을 고정자 코어(1020) 상에 형성된 한 슬롯(1000)에 배치하고, 나머지 3상 권선을 다른 슬롯에 배치한 상태이다. 부연하면, 하나의 슬롯(1000)은 각각 1/2인 윗 슬롯(1000-1)과 아래 슬롯(1000-2)으로 구성되며, 이들 윗 슬롯과 아래 슬롯에 하나의 3상 권선이 모두 배치된 상태이다.
도 10의 (b)는 도 10의 (a)에 따른 권선을 이용하여 3상 권선이 모두 사용된 2 모드의 예(1011)이다. 따라서, 2개의 슬롯이 3상을 위해 사용된다. 예를 들면, 1 모드의 경우 권선의 30턴(turn)이 이용되고, 2모드의 경우 권선의 60턴이 이용된다.
도 10의 (a)와 달리, 도 10의 (c)는 하나의 3상 권선(1010)을 고정자 코어(1020) 상에 형성된 한 슬롯(1000)의 절반인 아래 슬롯(1000-2)에 배치하고, 나머지 3상 권선을 슬롯(1000)의 나머지 절반인 윗 슬롯(1000-1)에 배치한다.
도 10의 (d)는 도 10의 (c)에 따른 권선을 이용하여 3상 권선이 모두 사용된 2 모드의 예(1014)이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 2단 권선 적용에 따른 제어 전류 감소를 보여주는 그래프이다. 도 11을 참조하면, 고속운전영역에서 2단 권선을 적용하여 약계자 제어 전류 감소 및 효율 개선이 기존 모델에 비하여 향상된 상태를 보여준다. 부연하면, 2단 권선 적용 전/후 동일 성능을 만족시키기 위한 전류가 감소된다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 상저항 감소에 의한 효율 향상을 보여주는 그래프이다. 도 12를 참조하면, 권선의 절반만 사용되는 경우 상저항 감소에 의해 효율이 향상됨을 볼 수 있다.
200: 전동 모터 제어 장치
210: 배터리
220: 인버터
230: 3상 모터
310,311,320,321,330,331: 병렬 회로
311-1,321-1,331-1: 스위치
610,910,1010: 권선
620,920,1020: 고정자 코어
1000: 슬롯
1000-1: 윗 슬롯
1000-2: 아래 슬롯

Claims (12)

  1. 배터리;
    상기 배터리로부터의 전원을 3상 전원으로 변환하며 2개 모드 제어를 실행하는 인버터;
    상기 2개 모드 제어를 통해 구동되는 3상 모터; 및
    상기 인버터와 모터를 연결하는 병렬 회로;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 전동 모터 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 2 모드는 고속 저토크 운전영역 모드 및 저속 고토크 운전영역 모드인 것을 특징으로 하는 전동 모터 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 3상 모터는 헤어핀 권선이 2단으로 설치되며, 저속 고토크 운전영역에서는 권선이 모두 사용되는 것을 특징으로 하는 전동 모터 제어 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 3상 모터는 헤어핀 권선이 2단으로 설치되며, 고속 저토크 운전영역에서는 권선이 절반만 사용되는 것을 특징으로 하는 전동 모터 제어 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 헤어핀 권선의 3상 권선 중 절반은 하나의 슬롯에 배치되고, 나머지 3상 권선은 다른 슬롯에 배치되는 것을 특징으로 하는 전동 모터 제어 장치.
  6. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 헤어핀 권선의 3상 권선 중 절반은 하나의 슬롯의 절반에 배치되고, 나머지 3상 권선은 하나의 슬롯의 나머지 절반에 배치되는 것을 특징으로 하는 전동 모터 제어 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 병렬회로는 상기 인버터 각상의 출력측 회로가 2병렬 회로-1스위치 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전동 모터 제어 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 2 병렬 회로의 제 1 회로는 상기 3상 모터 상의 권선 절반에 연결되고, 상기 2 병렬 회로의 제 2 회로는 상기 3상 모터 상의 나머지 권선 절반에 연결되는 것을 특징으로 하는 전동 모터 제어 장치.
  9. 헤어핀 권선 방식이 적용되는 차량용 전동 모터에 있어서,
    상기 헤어핀 권선의 3상 권선은 2모드를 지원하기 위해 2단으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전동 모터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 2 모드는 고속 저토크 운전영역 모드 및 저속 고토크 운전영역 모드인 것을 특징으로 하는 전동 모터.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 헤어핀 권선의 3상 권선 중 절반은 하나의 슬롯에 배치되고, 나머지 3상 권선은 다른 슬롯에 배치되는 것을 특징으로 하는 전동 모터.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 헤어핀 권선의 3상 권선 중 절반은 하나의 슬롯의 절반에 배치되고, 나머지 3상 권선은 하나의 슬롯의 나머지 절반에 배치되는 것을 특징으로 하는 전동 모터.
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