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KR20180135142A - 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템 - Google Patents

권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템 Download PDF

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KR20180135142A
KR20180135142A KR1020170072540A KR20170072540A KR20180135142A KR 20180135142 A KR20180135142 A KR 20180135142A KR 1020170072540 A KR1020170072540 A KR 1020170072540A KR 20170072540 A KR20170072540 A KR 20170072540A KR 20180135142 A KR20180135142 A KR 20180135142A
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battery
switching
synchronous motor
motor
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배수현
안준모
김성규
박주영
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현대자동차주식회사
기아자동차주식회사
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Abstract

배터리의 전력을 변환하는 인버터; 상기 인버터에서 변환된 전력을 각각 입력 받는 복수의 고정자 코일 및 복수의 계자 코일이 설치된 회전자를 갖는 권선형 동기 전동기; 상기 복수의 계자 코일에 선택적으로 전력을 제공하는 스위칭 회로부; 및 상기 권선형 동기 전동기가 상기 배터리로부터 전력을 제공받아 전동기로서 동작하는 전동기 모드인 경우 상기 스위칭 회로부를 제어하여 상기 배터리로부터 상기 복수의 계자 코일 중 적어도 하나에 전력을 공급하고, 상기 계자 코일 측에 계통 전력을 인가하여 배터리를 충전하는 충전 모드인 경우 상기 배터리와 상기 계자 코일을 절연 시키고 상기 스위칭 회로부를 제어하여 상기 계자 코일 중 적어도 일부에 상기 계통 전력을 제공하는 제어부를 포함하는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템이 개시된다.

Description

권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템{CHARGING SYSTEM FOR WOUND ROTOR SYNCHRONOUS MOTOR}
본 발명은 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 권선형 동기 전동기의 회전자에 마련된 계자 코일을 이중 구조로 구현함으로써 전동기로 동작하는 경우와 충전기로 동작하는 경우에 적절하게 계자 코일을 선택적으로 적용함으로써 그 효율을 향상시킬 수 있는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템에 관한 것이다.
지구 온난화와 환경 오염 등의 문제가 심각하게 대두 되면서 자동차 산업 분야에서도 환경 오염을 최대한 감소시킬 수 있는 친환경 차량에 대한 연구 개발이 활발하게 이루어지고 있으며 그 시장도 점차 확대되고 있다. 친환경 자동차로서 기존의 화석 연료를 연소시켜 구동력을 발생시키는 엔진 대신 전기 에너지를 이용하여 구동력을 생성하는 전동기를 적용한 전기 차량, 하이브리드 차량 및 플러그인 하이브리드 차량이 세계적으로 출시되고 있는 상황이다. 이러한 전기 에너지를 이용한 친환경 차량 기술들은 대부분 계통(grid)으로부터 차량에 구비된 배터리를 충전하여 전동의 구동에 활용한다. 이에 따라, 전기 에너지를 이용한 친환경 차량은 계통으로부터 제공되는 전기 에너지를 배터리에 충전하기 위한 차량 탑재형 충전 회로가 요구된다.
차량 탑재형 충전 회로는 친환경 차량의 배터리 충전을 위해서 필수적인 회로로서 여러 가지의 다양한 토폴로지를 이용하여 구현될 수 있지만, 대부분의 차량 탑재형 충전 회로는 절연을 위한 고주파 변압기와 필터, 다수의 스위칭 소자, 제어 모듈로 구현되고 있다. 따라서, 친환경 차량에는 차량 탑재형 충전 회로를 별도로 더 구비함에 따라 불가피하게 차량의 가격 및 부피가 상승하게 된다. 특히, 차량 탑재형 충전 회로에 구비되는 변압기의 경우, 자기 회로를 사용하기 때문에 용량에 따라 변압기의 크기가 커지게 되며, 많은 무게와 부피를 필요로 하게 된다.
이에, 본 출원의 출원인은 특허출원 제10-2016-0140223호 및 제10-2016-0140224호를 통해, 배터리를 충전하기 위한 별도의 충전기 회로를 생략하고 권선형 동기 전동기의 고정자 코일과 회전자에 마련된 계자 코일의 전기적 결합을 이용하여 절연형 변압기를 구현한 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템을 제안한 바 있다.
상기 특허출원에 개시된 발명에 의하면 별도의 차량 탑재용 충전 회로를 마련할 필요가 없으므로 저렴한 가격과 간편한 구성으로 권선형 동기 전동기를 이용하는 플러그인 하이브리드 자동차에 차량의 배터리를 충전 가능한 우수한 효과가 기대된다.
다만, 상기 특허출원에 개시된 발명은 권선형 동기 전동기의 회전자측 계자 코일이 전동기의 효율만 고려하여 제작된 것으로 충전기로 동작하고자 하는 경우에는 효율적인 구동 특성을 구현하기 어려운 문제가 발생할 수 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2013-0068411 A KR 10-2014-0071593 A
본 발명은 배터리의 직류 전력을 교류 전력으로 전력 변환하는 인버터로부터 교류 전력을 입력 받아 권선형 동기 전동기를 충전 회로의 절연 변압기로 적용하여 배터리를 충전할 수 있는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템에 있어서, 권선형 동기 전동기가 전동기로서 동작하는 경우와 변압기로서 동작하여 충전기의 일부로 적용되는 경우에 따라 적절하게 계자 코일의 인덕턴스값을 선택하게 함으로써 각 동작 모드에 적절하게 효율을 향상시킬 수 있는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템을 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
배터리의 전력을 변환하는 인버터;
상기 인버터에서 변환된 전력을 각각 입력 받는 복수의 고정자 코일 및 복수의 계자 코일이 설치된 회전자를 갖는 권선형 동기 전동기;
상기 복수의 계자 코일에 선택적으로 전력을 제공하는 스위칭 회로부;
상기 권선형 동기 전동기가 상기 배터리로부터 전력을 제공받아 전동기로서 동작하는 전동기 모드인 경우 상기 스위칭 회로부를 제어하여 상기 배터리로부터 상기 복수의 계자 코일 중 적어도 하나에 전력을 공급하고, 상기 계자 코일 측에 계통 전력을 인가하여 배터리를 충전하는 충전 모드인 경우 상기 배터리와 상기 계자 코일을 절연 시키고 상기 스위칭 회로부를 제어하여 상기 계자 코일 중 적어도 일부에 상기 계통 전력을 제공하는 제어부;
를 포함하는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 배터리와 상기 스위칭 회로부 사이에 마련된 릴레이를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 전동기 모드에서 상기 릴레이를 단락 시키고 상기 충전 모드에서 상기 릴레이를 개방 시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 계자 코일은 상호 직렬 연결된 복수의 계자 코일로 구성되며, 상기 스위칭 회로부는 상기 직렬 연결된 복수의 계자 코일이 형성하는 각 노드에 연결된 복수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 스위칭 회로부는, 상기 직렬 연결된 복수의 계자 코일이 형성하는 각 노드와 상기 배터리의 정(+) 단자 사이의 전기적 연결을 각각 스위칭하는 복수의 상부 스위칭 소자 및 상기 직렬 연결된 복수의 계자 코일이 형성하는 각 노드와 상기 배터리의 부(-) 단자 사이의 전기적 연결을 각각 스위칭하는 복수의 하부 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에 있어서, 상기 복수의 계자 코일 중 상기 전동기 모드에서 전력이 공급되고 상기 충전 모드에서는 전력이 공급되지 않는 계자 코일이 형성하는 노드에 연결된 하부 스위칭 소자는 다이오드로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 계통 전력을 정류하여 상기 스위칭 회로부로 제공하는 정류 회로부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 계통 전력의 역률을 보상하여 직류 전력으로 변환하는 역률 보상 회로부를 더 포함할 수 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 다른 수단으로서 본 발명은,
배터리의 전력을 변환하는 인버터;
상기 인버터에서 변환된 전력을 각각 입력 받는 복수의 고정자 코일 및 상호 직렬 연결된 복수의 계자 코일을 포함하는 회전자를 갖는 권선형 동기 전동기;
상기 직렬 연결된 복수의 계자 코일이 형성하는 각 노드에 연결된 복수의 스위칭 소자를 포함하는 스위칭 회로부;
상기 배터리의 정(+)단자에 일단이 연결된 제1 릴레이 및 상기 배터리의 부(-) 단자에 일단이 연결된 제2 릴레이; 및
상기 권선형 동기 전동기가 상기 배터리로부터 전력을 제공받아 전동기로서 동작하는 전동기 모드인 경우 상기 제1 및 제2 릴레이를 단락 시키고 및 상기 계자 코일 측에 계통 전력을 인가하여 배터리를 충전하는 충전 모드인 경우 상기 제1 및 제2 릴레이를 개방 시키는 제어부를 포함하며,
상기 복수의 스위칭 소자는, 제1 릴레이의 타단과 상기 직렬 연결된 복수의 계자 코일이 형성하는 각 노드 사이의 전기적 연결을 각각 스위칭하는 복수의 상부 스위칭 소자 및 상기 제2 릴레이의 타단과 상기 직렬 연결된 복수의 계자 코일이 형성하는 각 노드 사이의 전기적 연결을 각각 스위칭하는 복수의 하부 스위칭 소자를 포함하며,
상기 제1 릴레이의 타단과 상기 제2 릴레이의 타단으로 상기 계통전력이 제공되며,
상기 제어부는 상기 전동기 모드 및 상기 충전 모드 시 서로 다른 계자 코일에 전력 공급이 이루어지도록 상기 스위칭 소자의 온/오프를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 복수의 계자 코일 중 상기 전동기 모드에서 전력이 공급되고 상기 충전 모드에서는 전력이 공급되지 않는 계자 코일이 형성하는 노드에 연결된 하부 스위칭 소자는 다이오드로 구현될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 계통 전력을 정류하여 상기 스위칭 회로부로 제공하는 정류 회로부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태는, 상기 계통 전력의 역률을 보상하여 직류 전력으로 변환하는 역률 보상 회로부를 더 포함할 수 있다.
상기 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템에 따르면, 권선형 동기 전동기의 계자 코일을 복수 개 구비하게 하고 권선형 동기 전동기가 전동기 모드 및 충전 모드의 각 모드로 동작할 때 해당 모드에 적절한 인덕턴스를 갖도록 계자 코일을 선택적으로 사용할 수 있게 함으로써, 각 모드 별 최적의 효율을 달성할 수 있다.
도 1은 본 출원의 출원인에 의한 특허출원 제10-2016-0140224호에 기재된 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템을 도시한 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템을 도시한 회로도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템을 도시한 회로도이다.
이하, 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시형태에 따른 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 출원의 출원인에 의한 특허출원 제10-2016-0140224호에 기재된 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템을 도시한 회로도이다. 본 발명의 충분한 이해를 위해 본 출원의 출원인에 의한 선행 출원에 개시된 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템에 대해 간략하게 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 특허출원 제10-2016-0140224호에 기재된 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템은, 배터리(100)와, 인버터(20)와, 권선형 동기 전동기(30)와 릴레이(40) 및 제어부(50)를 포함하여 구성될 수 있다.
배터리(10)는 전기차량 또는 플러그인 하이브리드 차량 등과 같이 바퀴를 회전시키는 구동력을 생성하는 전동기를 구비한 친환경 차량에서 전동기의 구동을 위한 전력을 공급하기 위한 에너지 저장 장치이다. 친환경 차량에 적용되는 배터리(10)는 전동기 구동 시 방전 하게 되고, 외부의 계통으로부터 전력을 공급받아 충전 된다.
인버터(20)는 배터리(10)의 전력을 변환하여 서로 다른 위상을 갖는 복수의 교류 전력을 출력하여 전동기(30)로 제공할 수 있다. 여기서, 인버터(20)는 권선형 동기 전동기(30)의 고정자 코일에 유도된 복수의 교류 전력을 직류로 변환하여 배터리(10)로 제공할 수 있도록 선택적으로 동작하는 양방향 인버터이다.
인버터(20)는 배터리(10)와 연결되는 제1 입출력단(21)과 전동기(30)와 연결되는 제2 입출력단(22a, 22b, 22c)을 가질 수 있다. 전동기(30)를 구동하는 경우, 인버터(20)는 제1 입출력단(21)에서 배터리(10)의 전력을 제공받고 이를 스위칭 소자(Q1-Q6)를 이용하여 복수의 위상을 갖는 교류 전력으로 변환하여 복수의 제2 입출력단(22a, 22b, 22c)으로 각각 출력한다. 서로 120도의 위상차를 갖는 3상이 전력을 이용하여 전동기를 구동하는 기술이 통상적으로 적용되고 있는 바, 본 발명의 여러 실시형태는 3상 전력 변환을 수행하는 인버터(20) 및 3상 전동기(30)를 기반으로 설명될 것이다.
권선형 동기 전동기(30)는 인버터(20)로부터 서로 다른 위상을 갖는 복수의 교류전력을 입력 받는 복수의 고정자 코일(31a, 31b, 31c)과, 이 복수의 고정자 코일(31a, 31b, 31c)과 상호 인덕턴스를 형성하여 자기적으로 결합되는 계자 코일(32)을 갖는 회전자를 포함할 수 있다.
권선형 동기 전동기(30)는 계자 코일(32)를 적용하여 자속을 직접 제어하는 것을 특징으로 한다. 이러한 자속 제어를 통해, 차량의 중저속 영역에서 영구자석형 동기 전동기와 같이 높은 토크 출력을 발현할 수 있으며 유도 전동기와 같이 고속 운전에도 적합한 특성을 가질 수 있으므로 친환경 차량에 적용되는 전동기로서 적합하다.
권선형 동기 전동기(30)는 계자 코일(32)의 자속 제어를 위해 배터리(10)의 전력을 계자 코일(32)에 제공할 수 있는 암(arm)을 갖는다.
본 발명의 여러 실시형태에서는 권선형 동기 전동기(30)를 배터리(10)의 충전에도 사용하기 위해 배터리(10)와 계자 코일(30) 사이의 전기적 연결을 선택적으로 연결/차단할 수 있는 릴레이(40)를 갖는다.
이 릴레이(40)는 제어부(50)에 의해 단락/개방 상태가 제어될 수 있다. 즉, 제어부(50)는, 차량의 구동 시 권선형 동기 전동기(30)를 구동하기 위해 릴레이(40)를 단락 상태로 조정함으로써, 배터리(10)의 전력에 의해 계자 코일(32)에 생성된 자속을 이용하여 권선형 동기 전동기(30)를 구동하게 한다. 반면, 계자 코일(32)에 계통 전력이 인가되어 배터리(10)를 충전하는 경우에는 릴레이(40)를 개방 상태로 조정하여 상호 인덕턴스에 의해 계통 전력이 계자 코일(32)로부터 고정자 코일(31a, 31b, 31c)로 전달되게 하여 배터리(10)를 충전시킬 수 있게 한다. 즉, 본 발명의 여러 실시형태에서, 릴레이(40)는 전동기 구동 시와 배터리 충전 시를 구분하여, 전동기 구동 시에는 계자 권선이 전동기 구동을 위한 자속을 형성할 수 있게 하고, 계통이 연결되어 배터리(10)를 충전하는 경우에는 배터리(10)와 계통이 전기적으로 상호 분리되게 하는 역할을 하게 된다.
도 1에서 참조부호 '60'은 계자 코일(32)에 교류 전력을 제공하기 위한 일종의 단상 출력 인버터로 동작하는 스위칭 회로로서 복수의 스위칭 소자(Q7-Q10)로 구현될 수 있다. 또한, 참조부호 '70'은 계통 전력을 정류하기 위한 정류회로이다. 또한, 특허출원 제10-2016-0140224호에는 계통과 스위칭 회로부(60) 사이에 마련되어 교류를 직류로 변환하면서 계통 전력의 무효전력을 제거하여 역률을 개선하고 역률 보상 회로부를 더 포함하는 실시형태도 개시된다.
도 1에서 인버터(20)와 풀브릿지 회로 구조의 스위칭 회로부(60)에 마련된 스위칭 소자(Q1-Q10)은 권선형 동기 전동기(30)의 구동 또는 배터리(10)의 충전 시 적절하게 온/오프 제어될 수 있으며, 이 스위칭 소자(Q1-Q10)의 제어는 도 1에 도시된 제어부(50)에 의해 이루어질 수 있다. 도 1에 도시된 제어부(50)는 릴레이(40)를 제어하는 것뿐만 아니라 권선형 동기 전동기(30)의 동작을 제어하는데 필요한 다양한 연산을 수행하고 제어가 필요한 요소에 연산 결과에 따른 명령 신호를 제공하는 포괄적인 요소로서 이해되어야 할 것이다.
도 1에 도시된 본 발명의 일 실시형태에서, 배터리(10)를 충전하는 경우에는 먼저, 제어부(50)가 릴레이(40)를 개방 상태가 되게 제어하고 계통을 연결하면, 정류부(70)에 의해 정류된 계통 전압이 스위칭 회로부(60)에 인가된다. 여기서 직류 링크 커패시터(C1)로서 충분히 작은 값의 커패시턴스를 갖는 커패시터를 적용하면 계통의 전압에 절대값을 취한 것과 같은 전압(계통 전압 주파수의 두 배 주파수를 갖게 됨)이 스위칭 회로부(60)에 인가된다. 계통의 역률 조건을 만족시키기 위해서는 계좌 코일(32)에는 계통의 주파수와 동일한 전류가 흘러야 하는데 스위칭 회로부(60)의 스위칭 소자(Q7-Q10)를 적절히 제어하여 원하는 주파수를 생성할 수 있게 된다.
계자 코일(32)에 교류 전력이 인가되면, 계자 코일(32)과 상호 인덕턴스를 형성하는 고정자 코일(31a-31c)에 전류가 유도되고, 인버터(20)의 스위칭 소자(Q1 내지 Q6)를 적절히 제어하여 유도된 전력을 전력으로 변환하여 배터리(10)로 제공하여 배터리(10)를 충전할 수 있게 되는 것이다.
이러한 특허출원 제10-2016-0140224호에 기재된 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템에서는, 통상 권선형 동기 전동기(30)의 원래 기능인 전동기로서의 기능을 효율적으로 발휘할 수 있도록 계자 코일(32)의 인덕턴스가 설계될 수 있다. 따라서, 권선형 동기 전동기를 충전기로서 동작하도록 적용할 때 계자 코일(32)은 충전기로서 최적을 효율을 달성하는데 적합하지 못할 경우가 발생할 수 있다.
본 발명은 이러한 선행출원의 문제를 개선하기 위해 제안된 것으로 권선형 동기 전동기의 계자 코일의 인덕턴스를 동작 모드에 따라 적절하게 선택적으로 변경할 수 있게 함으로써 전동기 및 충전기 모두의 동작 모드에서 최적의 효율을 달성하고자 하는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템을 도시한 회로도이고, 도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템을 도시한 회로도이다.
먼저, 도 2에 도시된 실시형태는, 권선형 동기 전동기(30)의 계자 코일이 상호 직렬 연결된 두 개의 계자 코일, 즉 제1 계자 코일(32a) 및 제2 계자 코일(32b)로 구현되는 실시형태이다. 이 실시형태에서, 스위칭 회로부(60)는 제1 계자 코일(32a)의 일단에 의한 노드에 각각 연결된 두 개의 스위칭 소자(Q7, Q8)와, 제1 계자 코일(32a)과 제2 계자 코일(32b)의 연결단에 해당하는 노드에 각각 연결된 두 개의 스위칭 소자(Q9, Q10) 및 제2 계자 코일(32b)의 나머지 단이 형성하는 노드에 각각 연결된 두 개의 스위칭 소자(Q11, Q12)로 구성될 수 있다.
여기서, 스위칭 회로부(60)를 구성하는 스위칭 소자들 중 배터리(10)의 정(+) 단자 측, 즉 배터리(10)의 정(+) 단자에 일단이 연결된 릴레이(40)의 타단과 계자 코일 사이에 연결된 스위칭 소자들을 상부 스위칭 소자로 지칭하고, 배터리(10)의 부(-) 단자 측, 즉 배터리(10)의 부(-) 단자에 일단이 연결된 릴레이(41)의 타단과 계자 코일 사이에 연결된 스위칭 소자들을 하부 스위칭 소자로 지칭하기로 한다.
또한, 상부 스위칭 소자들(Q7, Q9, Q11)과 배터리(10)의 정(+) 단자 측이 연결된 단자와 하부 스위칭 소자들(Q8, Q10, Q12)과 배터리(10)의 부(-) 단자 측이 연결된 단자는 계통 전원과 연결될 수 있다. 도 2의 실시형태에서는 상부 스위칭 소자들(Q7, Q9, Q11)과 배터리(10)의 정(+) 단자 측이 연결된 단자는 계통 전력을 정류한 정류 회로부(70)의 정(+) 단자에 연결되고, 하부 스위칭 소자들(Q8, Q10, Q12)과 배터리(10)의 부(-) 단자 측이 연결된 단자는 정류 회로부(70)의 부(-) 단자에 연결될 수 있다.
이러한, 실시형태에서, 제어부(50)는 권선형 동기 전동기(30)가 배터리(10)로부터 전력을 제공받아 전동기로서 동작하는 전동기 모드인 경우, 스위칭 회로부(60)의 스위칭 소자들(Q7-Q11)을 제어하여 배터리(10)로부터 복수의 계자 코일(32a, 32b) 중 적어도 하나에 전력을 공급하여 자속을 형성할 수 있다. 또한, 제어부(50)는 권선형 동기 전동기(30)가 계자 코일(32a, 32b) 측에 계통 전력을 인가하여 배터리를 충전하는 충전 모드인 경우, 배터리(11)와 계자 코일(32a, 32b)을 절연 시키고 스위칭 회로부(60)의 스위칭 소자들(Q7-Q11)을 제어하여 나머지 계자 코일 중 적어도 일부에 계통 전력을 제공할 수 있다.
일 예로, 제1 계자 코일(32a)이 권선형 동기 전동기(30)의 전동기 동작에 최적화된 인덕턴스를 갖고, 제2 계자 코일(32b)가 권선형 동기 전동기(30)의 충전기 동작, 즉 상호 인덕턴스에 의해 계자 코일을 1차측으로 하여 2차측의 고정자 코일이 유도 전압 및 유도 전류를 출력하는 변압기로 동작하는 경우에 최적화된 인덕턴스를 갖도록 설계된 경우를 예로 설명하면 다음과 같다. 제어부(50)는 전동기 모드로 동작하는 경우, 릴레이(40, 41)를 단락 시키고 상부 스위칭 소자 중 스위칭 소자(Q7)과 하부 스위칭 소자 중 스위칭 소자(Q10)를 단락 시키고 나머지 스위칭 소자들을 개방하여 제1 계자 코일(32a)에 의해 자속이 형성되어 전동기가 전동기 모드로 동작할 수 있게 한다. 또한, 제어부(50) 충전 모드로 동작하는 경우, 릴레이(40, 41)를 개방하고 상부 스위칭 소자 중 스위칭 소자(Q9)과 하부 스위칭 소자 중 스위칭 소자(Q12)로 이루어진 쌍과 상부 스위칭 소자 중 스위칭 소자(Q11)과 하부 스위칭 소자 중 스위칭 소자(Q10)로 이루어진 쌍을 상호 번갈아 개방/단락 시킴으로써 제2 계자 코일(32b)에 교류 전류가 흐르게 하여 제1 계자 코일(32a)로 전압/전류를 유도할 수 있다.
다른 예로, 제1 계자 코일(32a)과 제2 계자 코일(32b)의 합성 인덕턴스가 권선형 동기 전동기(30)의 전동기 동작에 최적화된 인덕턴스이고, 제2 계자 코일(32b)가 권선형 동기 전동기(30)의 충전기 동작, 즉 상호 인덕턴스에 의해 계자 코일을 1차측으로 하여 2차측의 고정자 코일이 유도 전압 및 유도 전류를 출력하는 변압기로 동작하는 경우에 최적화된 인덕턴스를 갖도록 설계된 경우의 예를 설명하면 다음과 같다. 제어부(50)는 전동기 모드로 동작하는 경우, 릴레이(40, 41)를 단락 시키고 상부 스위칭 소자 중 스위칭 소자(Q7)과 하부 스위칭 소자 중 스위칭 소자(Q12)를 단락 시키고 나머지 스위칭 소자들을 개방하여 제1 계자 코일(32a) 및 제2 계자 코일(32b)에 의해 자속이 형성되어 전동기가 전동기 모드로 동작할 수 있게 한다. 또한, 제어부(50) 충전 모드로 동작하는 경우, 릴레이(40, 41)를 개방하고 상부 스위칭 소자 중 스위칭 소자(Q9)과 하부 스위칭 소자 중 스위칭 소자(Q12)로 이루어진 쌍과 상부 스위칭 소자 중 스위칭 소자(Q11)과 하부 스위칭 소자 중 스위칭 소자(Q10)로 이루어진 쌍을 상호 번갈아 개방/단락 시킴으로써 제2 계자 코일(32b)에 교류 전류가 흐르게 하여 제1 계자 코일(32a)로 전압/전류를 유도할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템은, 권선형 동기 전동기의 계자 코일을 복수 개 구비하게 하고 권선형 동기 전동기가 전동기 모드 및 충전 모드의 각 모드로 동작할 때 해당 모드에 적절한 인덕턴스를 갖도록 계자 코일을 선택적으로 사용할 수 있게 함으로써, 각 모드 별 최적의 효율을 달성할 수 있다.
도 3에 도시된 실시형태는 도 2에 도시된 실시형태에서, 하부 스위칭 소자 중 하나를 다이오드로 적용한 예를 도시한 것이다. 도 2에 대한 예시들에서 제1 계자 코일(32a)은 권선형 동기 전동기(10)가 전동기 모드로 동작하는 경우에만 전력이 공급된다. 즉, 제1 계자 코일(32a) 하나만 전동기 모드의 계자 코일로 사용되는 예 및 제1 계자 코일(32a) 및 제2 계자 코일(32b)가 함께 전동기 모드의 계자 코일로 사용되는 예 모두에서 제1 계자 코일(32a)을 전동기 모드의 회전자에 마련된 계자 코일로서만 사용되고, 충전 모드에서 전력 변환을 하는데 사용되지 않는다. 전동기 모드에서 계자 코일로 제공되는 계자 전류는 단방향임을 고려하면, 전동기 모드에서 전력이 공급되고 충전 모드에서는 전력이 공급되지 않는 제1 계자 코일(32a)에 연결된 하부 스위칭 소자는 다이오드(D)로 구현될 수 있다.
이상에서 본 발명의 특정한 실시형태에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10: 배터리 20: 인버터
30: 권선형 동기 전동기 31a, 31b, 31c: 고정자 코일
32a, 32b: 계자 코일 40: 스위치부(릴레이)
50: 제어부 60: 스위칭 회로부
70: 정류 회로부 80: 계통

Claims (11)

  1. 배터리의 전력을 변환하는 인버터;
    상기 인버터에서 변환된 전력을 입력 받는 복수의 고정자 코일 및 복수의 계자 코일이 설치된 회전자를 갖는 권선형 동기 전동기;
    상기 복수의 계자 코일에 선택적으로 전력을 제공하는 스위칭 회로부;
    상기 권선형 동기 전동기가 상기 배터리로부터 전력을 제공받아 전동기로서 동작하는 전동기 모드인 경우 상기 스위칭 회로부를 제어하여 상기 배터리로부터 상기 복수의 계자 코일 중 적어도 하나에 전력을 공급하고, 상기 계자 코일 측에 계통 전력을 인가하여 배터리를 충전하는 충전 모드인 경우 상기 배터리와 상기 계자 코일을 절연 시키고 상기 스위칭 회로부를 제어하여 상기 계자 코일 중 적어도 일부에 상기 계통 전력을 제공하는 제어부;
    를 포함하는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배터리와 상기 스위칭 회로부 사이에 마련된 릴레이를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 전동기 모드에서 상기 릴레이를 단락 시키고 상기 충전 모드에서 상기 릴레이를 개방 시키는 것을 특징으로 하는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 계자 코일은 상호 직렬 연결된 복수의 계자 코일로 구성되며,
    상기 스위칭 회로부는 상기 직렬 연결된 복수의 계자 코일이 형성하는 각 노드에 연결된 복수의 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 스위칭 회로부는,
    상기 직렬 연결된 복수의 계자 코일이 형성하는 각 노드와 상기 배터리의 정(+) 단자 사이의 전기적 연결을 각각 스위칭하는 복수의 상부 스위칭 소자 및 상기 직렬 연결된 복수의 계자 코일이 형성하는 각 노드와 상기 배터리의 부(-) 단자 사이의 전기적 연결을 각각 스위칭하는 복수의 하부 스위칭 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 복수의 계자 코일 중 상기 전동기 모드에서 전력이 공급되고 상기 충전 모드에서는 전력이 공급되지 않는 계자 코일이 형성하는 노드에 연결된 하부 스위칭 소자는 다이오드로 구현되는 것을 특징으로 하는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 계통 전력을 정류하여 상기 스위칭 회로부로 제공하는 정류 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 계통 전력의 역률을 보상하여 직류 전력으로 변환하는 역률 보상 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템.
  8. 배터리의 전력을 변환하는 인버터;
    상기 인버터에서 변환된 전력을 각각 입력 받는 복수의 고정자 코일 및 상호 직렬 연결된 복수의 계자 코일을 포함하는 회전자를 갖는 권선형 동기 전동기;
    상기 직렬 연결된 복수의 계자 코일이 형성하는 각 노드에 연결된 복수의 스위칭 소자를 포함하는 스위칭 회로부;
    상기 배터리의 정(+)단자에 일단이 연결된 제1 릴레이 및 상기 배터리의 부(-) 단자에 일단이 연결된 제2 릴레이; 및
    상기 권선형 동기 전동기가 상기 배터리로부터 전력을 제공받아 전동기로서 동작하는 전동기 모드인 경우 상기 제1 및 제2 릴레이를 단락 시키고 및 상기 계자 코일 측에 계통 전력을 인가하여 배터리를 충전하는 충전 모드인 경우 상기 제1 및 제2 릴레이를 개방 시키는 제어부를 포함하며,
    상기 복수의 스위칭 소자는, 제1 릴레이의 타단과 상기 직렬 연결된 복수의 계자 코일이 형성하는 각 노드 사이의 전기적 연결을 각각 스위칭하는 복수의 상부 스위칭 소자 및 상기 제2 릴레이의 타단과 상기 직렬 연결된 복수의 계자 코일이 형성하는 각 노드 사이의 전기적 연결을 각각 스위칭하는 복수의 하부 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 제1 릴레이의 타단과 상기 제2 릴레이의 타단으로 상기 계통전력이 제공되며,
    상기 제어부는 상기 전동기 모드 및 상기 충전 모드 시 서로 다른 계자 코일에 전력 공급이 이루어지도록 상기 스위칭 소자의 온/오프를 제어하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 복수의 계자 코일 중 상기 전동기 모드에서 전력이 공급되고 상기 충전 모드에서는 전력이 공급되지 않는 계자 코일이 형성하는 노드에 연결된 하부 스위칭 소자는 다이오드로 구현되는 것을 특징으로 하는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 계통 전력을 정류하여 상기 스위칭 회로부로 제공하는 정류 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템.
  11. 청구항 8에 있어서,
    상기 계통 전력의 역률을 보상하여 직류 전력으로 변환하는 역률 보상 회로부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선형 동기 전동기를 이용한 충전 시스템.
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