KR100886658B1 - 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기 및 변압기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기에 관한 것으로서, 상기 장치는, 자화 물질로 이루어지며 폐쇄된 자기 회로가 구비된 몸체(1); 제 1 메인 와인딩(2)의 몸체에 권선되는 적어도 하나의 제 1 전기 전도체(8); 및 제 2 메인 와인딩(4)의 몸체에 권선되는 적어도 하나의 제 2 전기 전도체(9)를 포함한다.

상기 몸체(1)에 직교 자기장(H1, B1 및 H2, B2)을 제공하여 상기 컨트롤 와인딩(4)의 자기장(H2, B2)에 의해 상기 메인 와인딩(2)의 자기장(H1, B1)에 비례하는 상기 자화물질의 작용을 제어하기 위한 목적으로, 상기 메인 와인딩(2)을 위한 와인딩 축(A2)은 상기 컨트롤 와인딩(4)을 위한 와인딩 축(A4)과 직각이다.

전류, 전압, 조정기, 와인딩, 전도체

Description

자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기 및 변압기{Magnetic controlled current or voltage regulator and transformer}

본 발명은 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기(regulator) 및 변압기 (transformer)에 관한 것으로서, 특히 첨부된 특허청구범위에 소개되어 있는 바와 같이 전기 에너지의 분배로 접속/비접속을 제어하기 위한 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기 및 변환기(converter)에 관한 것이다.

통상, 가변 속도 엔진 컨트롤은 두가지 장치를 기반으로 한다. 즉, a) 직접 전자 주파수-조정 변환기(direct electronic frequency-regulated converter) 및 b) 펄스 폭(pulse-width) 변조를 갖고, 사이리스터(thyristor) 및 IGBT와 같은 반도체를 확장 사용하는 AC-DC-AC 변환기이다. 상기 AC-DC-AC 변환기는 산업상 어플리케이션들에 널리 사용되는 기술을 나타내는 것이며 기관차 등의 보드에도 사용된다.

속도 컨트롤은 최근에 수중 환경(underwater environment)에서의 모터에 소개되어 왔고, 주된 목표는 상기한 시스템들의 패킹(packing)과 동작(operation)이었다. 본 명세서에서, 동작은 서비스, 유지보수 등을 포함한다. 일반적으로, 복잡한 전자 시스템은 온도와 압력에 대해 제어되는 환경에서 동작되어야 한다. 상기한 시스템의 선박용 버전은 1기압(atm)의 압력을 유지하는 질소로 채워진 용기(container)내에 서 캡슐로 보호되어야 한다. 전자 부품들의 열 손실로 인한 열 발생 때문에, 상당한 양의 열이 발생되어, 강제적인 에어 쿨링(air cooling)이 필요하게 된다. 이러한 것은 통상 팬(pan)을 사용하여 해결하는데, 상기 팬은 시스템의 동작 수명을 상당히 감소시키고 매우 부적합한 해결책임을 나타내는 구성요소로 알려져 있다.

또한, 전자 부품들과 전자 전력 반도체들은 매우 민감하여 보호 회로들이 요구되지만, 이는 상기 시스템을 복잡하게 하고 비용을 상승시킨다.

큰 깊이(300미터 이상)에서 상기한 시스템의 보호 용기는 매우 무거워지며, 이는 시스템 총 무게에서 상당한 비율을 차지하는 것이다. 또한, 더 간단한 시스템의 유지보수를 원격 동작 차량(Remotely Operated Vehicle: ROV)으로 수행하기 어렵기 때문에, 상기 시스템의 유지보수를 위해 전체 주파수 변환기를 승강시키는 것이 빈번히 요구될 것이다.

따라서, 본 발명에 따른 장치의 목적은 특히 동작의 신뢰성, 안정성 및 최소한의 유지보수 요구사항에 중점을 둔 수중의 펌핑 동작에 적합한 주파수 변환기를 제공하는 것이다. 상기 동작의 요구사항은 3000미터의 깊이에서 약 25년일 것이다.

반도체 기술에 근거한 표준 주파수 변환기들은 주어진 주파수를 갖는 교류(AC) 전력을 어떤 중간의 DC 커넥션 없이 다른 선택되는 주파수의 AC 전력으로 변환한다. 상기 변환은 제어되는 시간 간격동안 주어진 입출력 단자들사이의 커넥션을 형성함으로써 수행되는 것이다. 출력 주파수 FO를 갖는 출력 전압곡선은 입력 주파수 F1을 갖는 AC 입력소스상에서 선택되는 전압곡선의 선분(segment)을 상기 단자들에 순차적으로 연결시킴으로써 생성된다. 이러한 주파수 변환기는 3상 네트워크에서 3상 모터로 전력을 공급하기 위한 표준 대칭형 주파변환기(standard symmetrical cycloconverter) 형태이다. 상기 표준 주파변환기 모듈은 각각의 모터 위상에서 복식 변환기(dual converter)로 이루어지므로, 3상 출력을 제공하는 3개의 이상적이고 필수적으로 독립된 복식 모터들을 채택하는 것이 통상의 방법이다.

다른 형태의 알려진 주파수 변환기들은 각각의 출력 위상을 갖는 3개의 4방형(quadrant) 12펄스 중심 변환기(centre converter)로 구성된다. 모든 3개의 변환기들은 입력 변압기상의 통상의 제 2 와인딩을 공유한다. Y결합된 모터에 부하되는 3상의 균형을 위하여 뉴트럴 상태의 전도체(neutral conductor)는 생략될 수 있다.

반도체 기술에 기초한 또 다른 주파수 변환기는 각각이 출력 위상을 갖는 3개의 4방형 12펄스 브릿지 변환기(bridge converter)가 구비된 소위, 대칭형 12펄스 브릿지 회로(symmetrical 12-pulse bridge circuit)이다. 6개의 각 6펄스 변환기들상의 입력 단자들은 입력 변압기상에서 분리된 제 2 와인딩으로부터 이송된다. 각각의 12펄스 변환기들은 두 개의 완전 절연된(insulated) 변압기 제 2 와인딩을 필요로 하기 때문에, 하나 이상의 변환기에 동일한 제 2 와인딩을 사용해서는 안된다는 점을 유의해야 한다.

따라서, 본 발명의 필수적인 다른 목적은 큰 깊이(심해)에 위치해야하는 주파수 변환기의 주된 반도체 구성부품들을 피하는 것이고, 상기한 목적을 위하여 본 발명은 전체적으로 종래의 개념을 기반으로 하지 않는 새로운 자기 변환기(magnetic converter) 기술을 제안한다.

본 발명은 자기적으로 영향을 받는 전류 또는 전압 조정기를 포함하며, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 상기 전류 또는 전압 조정기는, 자화 물질(magnetisable material)로 이루어지며 폐쇄된 자기 회로(closed magnetic circuit)가 구비된 몸체; 적어도 일 회전(turn)을 위해 상기 폐회로의 적어도 일부분을 따라 상기 몸체에 권선되어 제 1 메인 와인딩(main winding)을 형성하는 적어도 하나의 제 1 전기 전도체(electrical conductor); 및 적어도 일회전을 위해 상기 폐회로의 적어도 일부분을 따라 상기 몸체에 권선되어 제 2 메인 와인딩 또는 컨트롤 와인딩(control winding)을 형성하는 적어도 하나의 제 2 전기 전도체를 포함하며, 상기 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축(winding axis)은 상기 컨트롤 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축과 직각인 것이 바람직하다. 이것의 목적은 상기 몸체에 직교 자기장(orthogonal magnetic field)을 제공하여, 상기 컨트롤 와인딩의 자기장에 의해 상기 메인 와인딩의 자기장에 비례하는 상기 자화물질의 작용을 제어하는 것이다. 바람직한 제 1 실시예에서, 상기 메인 와인딩의 회전(들)을 위한 축은 상기 몸체의 수직방향과 평행하거나 일치하고, 상기 컨트롤 와인딩의 회전(들)은 상기 자화 몸체를 따라 점차적으로 연장되므로, 상기 컨트롤 와인딩의 축은 상기 몸체의 수직방향과 직각(right angle)이다. 상기 제 1 실시예의 다른 변형예는 상기 컨트롤 와인딩의 회전(들)을 위한 축이 상기 몸체의 수직방향과 평행하거나 일치하고, 상기 메인 와인딩의 회전(들)이 상기 자화 몸체를 따라 점차 연장되어서, 상기 메인 와인딩의 축은 상기 몸체의 수직방향과 직각이 되는 것이다.

이러한 상기 장치의 제 1 실시예는, 적어도 일회전을 위해 상기 폐회로의 적어도 일부분을 따라 상기 몸체에 권선되어 제 3 메인 와인딩을 형성하는 제 3 전기 전도체가 구비됨으로써 변압기로서 채택 사용될 수 있으며, 상기 제 3 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축은 상기 제 1 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축과 일치하거나 평행하여서, 적어도 하나의 와인딩에 전기(電氣)가 인가되었을 때 상기 제 1 메인 와인딩 및 제 3 메인 와인딩사이에 변압기 작용(transformer effect)을 제공하는 것이 바람직하다. 본 발명의 제 1 실시예를 변압기로서 적용할 수 있는 다른 변형예는 적어도 일회전을 위해 상기 폐회로의 적어도 일부분을 따라 상기 몸체에 권선되어 제 3 메인 와인딩을 형성하는 제 3 전기 전도체가 구비되며, 상기 제 3 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축은 상기 컨트롤 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축과 일치하거나 평행하여서, 적어도 하나의 와인딩에 전기가 인가되면 상기 제 3 메인 와인딩과 컨트롤 와인딩사이에 변압기 작용을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제 2 실시예는 자기적으로 영향을 받는 전류 또는 전압 조정기를 포함하며, 상기 전류 또는 전압 조정기는, 각각이 자화 물질로 이루어지고 폐쇄된 자기 회로가 구비되며 서로 인접하는 제 1 몸체 및 제 2 몸체; 적어도 일회전을 위해 상기 폐회로의 적어도 일부분을 따라 권선되어 제 1 메인 와인딩을 형성하는 적어도 하나의 제 1 전기 전도체; 및 적어도 일회전을 위해 상기 제 1 몸체 및/또는 제 2 몸체의 적어도 일부분에 권선되어 제 2 메인 와인딩 또는 컨트롤 와인딩을 형성하는 제 2 전기 전도체를 포함하며, 상기 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와 인딩 축은 상기 컨트롤 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축과 직각인 것이 바람직하다. 이것의 목적은 상기 몸체에 직교 자기장을 제공하여 상기 컨트롤 와인딩의 자기장에 의해 상기 메인 와인딩의 자기장에 비례하는 자화 물질의 작용을 제어하는 것이다. 물론, 상기 메인 와인딩 및 컨트롤 와인딩은 상호 교환될 수 있는 것이므로, 적어도 일회전을 위해 상기 제 1 몸체 및/또는 제 2 몸체의 적어도 일부분에 권선되어 제 1 메인 와인딩을 형성하는 적어도 하나의 제 1 전기 전도체; 및 적어도 일회전을 위해 상기 폐회로의 적어도 일부분을 따라 권선되어 제 2 메인 와인딩 또는 컨트롤 와인딩을 형성하는 제 2 전기 전도체;를 포함하며, 상기 몸체에 직교 자기장을 제공하여 상기 컨트롤 와인딩의 자기장에 의해 상기 메인 와인딩의 자기장과 비례하는 자화 물질의 작용을 제공하기 위한 목적으로 상기 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축은 상기 컨트롤 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축과 직각인 것을 특징으로 하는 자기적으로 영향을 받는 전류 또는 전압 조정기를 제공할 수 있다.

상기 제 2 실시예의 바람직한 변형예는 상기 몸체들과 함께 상기 폐쇄된 자기 회로를 형성하는 제 1 자기장 커넥터 및 제 2 자기장 커넥터들을 포함한다.

또한, 상기 장치의 제 2 실시예는 일회전을 위해 권선되어 제 3 메인 와인딩을 형성하는 제 3 전기 전도체가 구비됨으로써 변압기로서 채택 사용될 수 있으며, 상기 제 3 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축은 상기 제 1 메인 와인딩 또는 상기 컨트롤 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축 A2와 일치하거나 평행하여서, 적어도 하나의 와인딩에 전기가 인가되었을 때 상기 제 3 메인 와인딩 및 상기 제 1 메인 와인딩 또는 컨트롤 와인딩사이에 변압기 작용을 제공하는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 있어서, 상기 제 1 몸체 및 제 2 몸체는 파이프형(tubular)이므로, 상기 제 1 전도체 또는 제 2 전도체가 상기 제 1 몸체 및 제 2 몸체를 통해 연장될 수 있다. 상기 자기장 커텍터들은 상기 전도체들을 위한 홈(aperture)들을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 각각의 자기장 커넥터는 상기 제 1 또는 제 2 전도체의 삽입을 용이하게 하기 위한 갭(gap)을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 상기 장치에는 상기 파이프들의 단면들과 상기 자기장 커넥터들사이에 위치하는 절연 필름(insulating film)이 구비되어, 연결 표면들을 절연시킴으로써 필름층의 단락회로(short-circuiting)에 의해 상기 연결 표면들에 유도 에디 전류(induced eddy current)가 생성되는 것을 방지할 수 있다. 그러나, 철 또는 압축 파우더(compressed powder)로 이루어진 코어(core)에서는 절연 필름이 필요하지 않을 것이다. 또한, 상기 제 2 실시예에서 각각의 파이프는 두 개 이상의 코어부(core part)를 포함하고, 상기 코어부들사이에는 절연층이 구비된다. 그리고, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 상기 파이프들은 원형, 정방형, 사각형, 삼각형 또는 육각형의 횡단부를 가질 수 있다.

본 발명의 제 3 실시예는 자기적으로 영향을 받는 전류 또는 전압 조정기와 관련되며, 상기 전류 또는 전압 조정기는, 각각이 자화 물질로 이루어지고 폐쇄된 자기 회로가 구비되며 서로 동심(concentric)인 제 1 외부 파이프형 몸체(external tubular body) 및 제 2 내부 파이프형 몸체(internal tubular body); 적어도 일회 전을 위해 상기 파이프형 몸체들에 권선되어 제 1 메인 와인딩을 형성하는 적어도 하나의 제 1 전기 전도체; 및 상기 몸체들사이의 공간에 구비되며 적어도 일회전을 위해 상기 몸체들의 공유축(common axis)에 권선되어 제 2 메인 와인딩 또는 컨트롤 와인딩을 형성하는 적어도 하나의 제 2 전기 전도체를 포함하며, 상기 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축은 상기 컨트롤 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축과 직각인 것이 바람직하다. 다시 말해, 그 목적은 상기 몸체들에 직교 자기장을 제공하여 상기 컨트롤 와인딩의 자기장에 의해 상기 메인 와인딩의 자기장과 비례하는 자화 물질의 작용을 제어하기 위함이다. 또한, 상기 본 발명의 제 3 실시예에서 상기 메인 와인딩 및 컨트롤 와인딩은 상호 교환될 수 있으므로, 상기 몸체들간의 공간에 구비되며 적어도 일회전을 위해 상기 몸체들의 공유축에 권선되어 제 1 메인 와인딩을 형성하는 적어도 하나의 제 1 전기 전도체; 및 적어도 일회전을 위해 상기 파이프형 몸체에 권선되어 제 2 메인 와인딩 또는 컨트롤 와인딩을 형성하는 적어도 하나의 제 2 전기 전도체를 포함하며, 상기 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축은 상기 컨트롤 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축과 직각인 것을 특징으로 하는 자기적으로 영향을 받는 전류 또는 전압 조정기를 제공할 수 있다.

본 발명의 상기 제 3 실시예의 바람직한 변형예는 상기 몸체들과 함께 폐쇄된 자기 회로를 형성하는 제 1 및 제 2 자기장 커넥터들을 포함한다.

또한, 상기 장치의 제 3 실시예는, 적어도 일회전을 위해 권선되어 제 3 메인 와인딩을 형성하는 제 3 전기 전도체를 갖는 장치가 구비됨으로써 변압기로서 채택 사 용될 수도 있다. 이 경우, 상기 제 3 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축은 상기 제 1 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축과 일치하거나 평행하여서 적어도 하나의 와인딩에 전기가 인가될 때 상기 제 1 메인 와인딩과 제 3 메인 와인딩사이에 변압기 작용을 제공하거나, 상기 제 3 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축이 상기 컨트롤 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축과 일치하거나 평행하여 적어도 하나의 와인딩에 전기가 인가되면 상기 제 3 메인 와인딩과 상기 컨트롤 와인딩사이에 변압기 작용을 제공하는 것이 바람직하다.

자기적으로 영향을 받는 전류 또는 전압 조정기에 대한 본 발명의 제 4 실시예는 본 발명의 제 3 실시예와 동일한 방식으로서, 상기 전류 또는 전압 조정기는, 각각이 자화 물질로 이루어지고 폐쇄된 자기 회로 또는 내부 코어(internal core)를 형성하는 제 1 외부 파이프형 몸체 및 제 2 내부 파이프형 몸체를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 장치는, 상기 제 1 외부 파이프형 몸체의 외부에 결합되는 외부 코어가 구비되고 상기 몸체와 서로 동심으로서 공유축을 갖는 부가 파이프형 몸체(additional tubular body); 적어도 일회전을 위해 상기 파이프형 몸체에 권선되어 제 1 메인 와인딩을 형성하는 적어도 하나의 제 1 전기 전도체; 및 상기 제 1 및 제 2 몸체사이의 공간에 구비되며 적어도 일회전을 위해 상기 몸체들의 공유축상에 권선되어 제 2 메인 와인딩 또는 컨트롤 와인딩을 형성하는 적어도 하나의 제 2 전기 전도체를 포함하며, 상기 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축은 상기 컨트롤 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축과 직각인 것 이 바람직하다. 다시 말해, 그 목적은 상기 몸체들에 직교 자기장을 제공하여 상기 컨트롤 와인딩의 자기장에 의해 상기 메인 와인딩의 자기장과 비례하는 자화 물질의 작용을 제어하기 위함이다. 본 발명의 상기 제 2 실시예와 동일한 방식으로, 상기 제 1 및 제 2 몸체들사이의 공간에 구비되며 적어도 일회전을 위해 상기 몸체들의 공유축상에 권선되어 제 2 메인 와인딩 또는 컨트롤 와인딩을 형성하는 적어도 하나의 제 1 전기 전도체; 적어도 일회전을 위해 상기 파이프형 몸체들에 권선되어 제 2 메인 와인딩 또는 컨트롤 와인딩을 형성하는 적어도 하나의 제 2 전기 전도체를 포함하는 장치를 제공할 수 있다.

본 발명의 상기 제 4 실시예의 바람직한 변형예는 상기 몸체들과 함께 폐쇄된 자기 회로를 형성하는 제 1 및 제 2 자기장 커넥터들을 포함한다.

또한, 상기 장치의 제 4 실시예는 일회전을 위해 상기 외부 코어에 권선되어 제 3 메인 와인딩을 형성하는 제 3 전기 전도체를 구비함으로써, 변압기로서 채택 사용될 수 있다. 이 경우, 두 가지 방법이 있을 것이다. 즉, 첫째는 상기 제 3 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축이 상기 제 1 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축과 일치하거나 평행하여서, 적어도 하나의 와인딩에 전기가 인가되면 상기 제 1 및 제 3 메인 와인딩사이에 변압기 작용을 제공하는 것이고, 둘째는 상기 제 3 메인 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축은 상기 컨트롤 와인딩의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축과 일치하거나 평행하여서, 적어도 하나의 와인딩에 전기가 인가되면 상기 제 3 메인 와인딩 및 컨트롤 와인딩사이에 변압기 작용을 제공하는 것이다.

물론, 상기한 본 발명의 제 4 실시예는 내부 코어를 형성하는 두 개의 파이프형 몸체들이 외부 코어를 형성하는 상기 파이프형 몸체의 외부에 결합되어서, 내부 코어를 하나의 파이프형 몸체에 제공하고 외부 코어를 두 개의 파이프형 몸체들에 제공하는 방식으로 구성될 수도 있다.

본 발명의 제 4 실시예의 바람직한 변형예에서, 상기 장치는 상기 외부 코어가 몇개의 고리부(annular part)들로 이루어지고, 상기 제 1 및/또는 제 3 메인 와인딩은 각 고리부상에 개별적인 와인딩을 형성하는 것을 특징으로 한다. 다른 변형예는 상기 컨트롤 와인딩 및/또는 제 3 메인 와인딩이 각 고리부상에 개개의 와인딩을 형성할 수도 있다.

상기 제 4 실시예는 이론상 바람직한 것일이다.

본 발명에 따른 상기 장치는 많은 흥미로운 응용예들을 가질 수 있을 것이고, 이하에서 그 중 몇가지만을 언급하기로 한다. 즉, 본 발명에 따른 상기 장치는, a) 주파변환기 커넥션에서 바람직하게는 비동기식 모터의 동작을 위하여 입력 주파수를 임의로 선택되는 출력 주파수로 변환하기 위한 주파수 변환기의 구성요소로서, b) 비동기식 모터의 동작과 6 또는 12펄스 변압기에서 각 모터의 위상으로 생성되는 위상 전압 성분들의 합산을 위하여 입력 주파수를 임의로 선택되는 출력 주파수로 변환하기 위한 주파수 변환기의 커넥터로서, c) DC 전압/전류를 임의로 선택되는 출력 주파수의 AC 전압/전류로 변환하는 DC/AC 변환기로서, d) 상기 비동기식 장치에 연결되어 임의로 선택되는 출력 주파수를 갖는 3상 전압을 생성하기 위하여 가변 인덕턴스 전압 변환기(variable inductance voltage converter)들이 상호 연결 되는 DC/AC 변환기로서, e) 향후 산업상 AC 전압을 DC 전압으로 변환하기 위하여, 분리된 제 2 와인딩으로 외부 또는 내부 코어와 병렬 또는 직렬로 자기적으로 연결되는 코어의 릴럭턴스(reluctance: 자기 저항) 변화와 출력 전압이 비례하는 릴럭턴스 제어 가변 변압기(reluctance-controlled variable transformer)로서 사용되고, 3개이상의 상기 릴럭턴스 제어 변압기들이 다이오드 출력단계의 6 또는 12펄스 정류기 커넥션(rectifier connection)을 위해 통상의 3상 정류기 커넥션들에 연결되는 장치로서, f) 향후 산업상 AC 전압을 DC 전압으로 변환하기 위한 정류기에 사용하기 위하여, 통상의 변압기 커넥터들상의 제 1 와인딩들과 직렬인 가변 인덕턴스들로서 사용되는 전압 커넥터들을 형성하고, 3 개이상의 상기 변압기들이 다이오드 출력단계의 6 또는 12펄스 정류기 커넥터들을 위한 3상 정류기 커넥터들에 연결되는 장치로서, g) 스위칭되는 전원 공급기(switched power supply) 분야에 사용되는 AC/DC 혹은 DC/AC 변환기에서 자기 전압 변환기(magnetic voltage converter)의 크기를 감소시키기 위하여, 바람직하게는 인덕턴스가 포함된 필터들에 의해 가변 인덕턴스를 형성함으로써, 분리된 제 2 와인딩을 갖는 외부 또는 내부 코어와 병렬 또는 직렬로 자기적으로 연결되는 코어의 릴럭턴스 변화와 출력 전압이 비례하는 릴럭턴스 제어 가변 변압기를 형성하는 장치로서, h) 고전압 분배 네트워크에서 선형(linear) 가변 인덕턴스를 형성하는 전압제어 보상기(controllable voltage compensator)의 구성으로서, i) 적어도 하나의 콘덴서로 구성되는 통상의 필터회로들에 연결되어 선형 가변 인덕턴스를 생성하고, 캐패시턴스 또는 인덕턴스가 자동 연결되어 무효 전력을 보상하는데 요구되는 범위까지 조정되는 보상기 커넥션(compensator connection)의 구성으로서 채택되는 릴럭턴스 제어 변압기 형태의 무효전력 제어 보상기(controllable reactive power compensator, 가변 보상기)로서, j) AC 전압을 DC 전압으로 직접 변환하는 릴럭턴스 제어를 위한 시스템에서, k) DC 전압을 AC 전압으로 직접 변환하는 릴럭턴스 제어를 위한 시스템에서 응용될 수 있다.

상기 전압 커넥터에는 제너레이터(generator)와 로드(load: 부하)사이의 전기적 전압을 흡수하기 위한 이동부(movable part)가 없다. 상기 커넥터의 기능은 적은 제어 전류에 의해 0-100%까지 상기 제너레이터와 로드사이의 전압을 제어할 수 있다는 것이다. 또한, 순전압 스위치(pure voltage switch) 또는 전류 조정기로서 사용할 수 있고, 전압곡선을 형성하고 변환할 수도 있다.

본 발명에 따른 새로운 기술은 레귤레이션(regulation)을 위해 필요한 현재의 다이오드 정류기를 업그레이드(upgrade)시키는데 사용될 수 있을 것이다. 12펄스 또는 24펄스 정류기 시스템에 연결하여, 단순한 방식으로 상기 시스템의 전압을 조정하고 0-100%까지 제어할 수 있는 다이오드 정류를 가질 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 전류 또는 전압 조정기는 이동부없이 자기 커넥터(magnetic connector)의 형태로 구성될 수 있고 커넥팅을 위해 사용될 수 있기 때문에, 제너레이터와 로드사이의 전기적 에너지를 전이시킬 수 있다. 상기 자기 커넥터의 기능은 전기회로를 폐쇄하고 개방할 수 있다는 것이다. 따라서, 상기 커넥터는 코어를 포화상태(saturation)로 하기 위해 변압기 이론이 채택되는 변환기와는 다른 방식으로 작용할 것이다. 본 발명의 커넥터는 메인 와인딩을 갖는 메인 코어를 컨트롤 와인딩을 통해 포화상태로 인/아웃(in/out)함으로써 동작 전압을 제어한다. 상기 커넥터는 상기 컨트롤 와인딩과 메인 와인딩간에 어떠한 전이성 또는 유도성 커넥션도 갖지 않는다(변환기와는 대조적으로). 즉, 상기 컨트롤 와인딩과 메인 와인딩에 현저한 공통의 자속(common flux)이 생성되지 않는 것이다.

이러한 새로운 자기적으로 제어되는 커넥터 기술은 고전력의 어플리케이션들에서 GTO 및 다른 어플리케이션들의 MOSFET 또는 IGBT와 같은 반도체를 대체할 수 있을 것이고, 이것은 메인 와인딩의 자력(magnetisation)에 의해 생성되는 표류 전류(stray current)를 견더낼 수 있는 어플리케이션들에 국한되지 않는다. 앞서 언급한 것처럼, 상기 새로운 변환기는 특히 주어진 주파수를 갖는 AC 전력를 서로 다른 선택되는 출력 주파수를 갖는 AC 전력으로 변환하는 주파수 변환기를 실현하는데 적합할 것이다. 이 경우, 어떠한 중간 DC 커넥션도 필요하지 않을 것이다.

시작부에서 언급한 바와 같이 본 발명에 따른 장치는 주파변환기 이론에 기초한 변환기들, 12펄스 브릿지 변환기들에 근거한 주파수 변환기들 또는 DC 전압을 가변 주파수의 AC 전압으로 직접 변환하는 주파수 변환기들과 같은 주파수 변환기들과 연결되어 채택될 수 있다.

자화 몸체 또는 메인 코어에 가변 릴럭턴스를 채택하는 본 발명에 따른 장치의 이론은 메인 코어에 권선되는 메인 와인딩의 자기 전류(magnetisation current)는 페러데이 법칙(Faraday's Law)에 따라 자속 저항(flux resistance)에 의해 제한된다는 사실에 근거하는 것이다. 역유도 전압(counter-induced voltage)을 생성하기 위해 형성되는 상기 자속은 자기 코어의 자속 저항에 의존한다. 상기 자기 전류의 양 은 인가되는 전압을 조정하기 위해 형성되는 자속의 양에 의해 결정된다.

상기 코어가 공기중에 있는 코일의 자속 저항은 강자성(ferromagnetic) 물질의 코어에 권선되는 와인딩의 자속 저항보다 1000 내지 900,000배 더 크다. 낮은 자속 저항(철심: iron core)의 경우에 페러데이 법칙에 따라 인가되는 전압에 역전압(bucking voltage)을 생성하는데 필요한 자속을 형성하는데 거의 전류를 필요로 하지 않는다. 높은 자속 저항(에어 코어)의 경우에는, 상기 동일하게 유도되는 역전압을 생성하는데 필요한 자속을 형성하기 위하여 많은 전류가 요구된다.

상기 자속 저항을 제어함으로써, 상기 자기 전류 또는 부하 전류(load current)가 제어될 수 있다. 본 발명에 따라 상기 자속 저항을 제어하기 위하여 상기 메인 와인딩에 의해 생성되는 자속에 수직 비례하는 컨트롤 자속에 의해 상기 메인 코어의 포화상태(saturation)가 결정된다. 이미 언급한 것처럼, 전술한 이론은 본 발명의 근본을 이루는 것으로서, 자기적으로 영향을 받는 전류 또는 전압 조정기(커넥터) 및 자기적으로 영향을 받는 변환기 장치와 관련된 것이다.

상기 커넥터 및 변환기는 수뢰 코어(toroidal core)들에 적합한 제조설비에 의해 제조될 수 있다. 기술적인 관점에서 볼 때, 상기 변환기는 적절히 설계된 실린더형 코어에 권선되는 전기도금(electroplating)과 같은 자기 물질로 제조될 수 있고, 압축 파우더 또는 철(ferrite)을 갖는 더 높은 주파수에 사용될 수 있다. 물론, 상기 어플리케이션의 지시에 따라 철심(ferrite core) 또는 압축 파우더 코어들을 제조할 수 있다는 이점이 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 제 1 실시예의 기본 이론을 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 장치의 일 실시예를 나타내는 배선도이다.

도 4는 본 발명에 따른 장치의 일부를 형성하는 서로 다른 자속의 영역을 나타내는 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 장치의 제 1 평형회로를 나타내는 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 장치의 개략적인 블록도이다.

도 7은 전류 대 자속을 나타내는 그래프이다.

도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 장치의 자기 물질에 대한 자성 곡선 및 영역을 나타내는 도면이다.

도 10은 메인 와인딩 및 컨트롤 와인딩에 대한 자속밀도를 나타내는 그래프이다.

도 11은 본 발명의 제 2 실시예를 나타내는 도면이다.

도 12는 본 발명의 제 2 실시예와 동일한 도면이다.

도 13 및 도 14는 상기 제 2 실시예의 단면도이다.

도 15 내지 도 18은 본 발명의 제 2 실시예에서 자기장 커넥터들의 서로 다른 실시예를 나타내는 도면이다.

도 19 내지 도 32는 본 발명의 제 2 실시예에서 파이프형 몸체들의 서로 다른 실시예들을 나타내는 도면이다.

도 33 내지 도 38은 본 발명의 제 2 실시예에 사용되는 자기장 커넥터들의 서로 다른 실시예를 나타내는 도면이다.

도 39는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 조립된 장치를 나타내는 도면이다.

도 40 및 도 41은 본 발명의 제 3 실시예의 단면도 및 사시도이다.

도 42 내지 도 44는 본 발명의 제 3 실시예에 사용되는 자기장 커넥터들의 다른 실시예들을 나타내는 도면이다.

도 45는 변압기로서 사용되기 위해 채택되는 본 발명의 제 3 실시예를 나타내는 도면이다.

도 46 및 도 47은 릴럭턴스 제어, 자속 연결된 변압기로서 사용되는 본 발명의 제 4 실시예를 나타내는 단면도 및 사시도이다.

도 48 및 도 49는 파우더 기반의 자기 물질을 적용하여 자기장 커넥터가 없는 본 발명의 제 4 실시예를 나타내는 도면이다.

도 50 및 도 51은 도 48에서 VI-VI 및 V-V라인을 따라 절개한 단면도들이다.

도 52 및 도 53은 파우더 기반의 자기 물질을 적용하여 자기장 커넥터가 없는 코어를 나타내는 도면이다.

도 54는 본 발명의 제 4 실시예의 변형예에 따른 투시도("X-ray picture")이다.

도 55는 변압기 커넥션의 가능성을 배제한 이론을 갖는 본 발명에 따른 장치의 제 2 변형예를 나타내는 도면이다.

도 56은 본 발명에 따른 전압 커넥터에 대한 전기공학적 배선 심볼을 제안하는 도면이다.

도 57은 전압 커넥터에 대한 블록도 배선 심볼을 제안하는 도면이다.

도 58은 컨트롤 와인딩 및 컨트롤 자속이 포함되지 않은 자기 회로를 나타내는 도면이다.

도 59 및 도 60은 본 발명에 따른 전압 커넥터의 전기공학적 배선 심볼을 제안하는 도면이다.

도 61은 교류전류 회로에서 본 발명의 사용을 나타내는 도면이다.

도 62는 3상 시스템에서 본 발명의 사용을 나타내는 도면이다.

도 63은 DC-DC 변환기의 가변 초크(choke)로서 사용을 나타내는 도면이다.

도 64는 콘덴서가 구비된 필터의 가변 초크로서 사용을 나타내는 도면이다.

도 65는 본 발명에 따른 장치를 위한 개략적인 릴럭턴스 모델과 본 발명에 따른 커넥터를 위한 개략적인 전기적 평형도이다.

도 66은 자기 스위치를 위한 커넥션을 나타내는 도면이다.

도 67은 본 발명에 사용되는 3상의 일 예들이다.

도 68은 스위치로서 사용되는 장치를 나타내는 도면이다.

도 69는 본 발명에 따른 6개의 장치를 포함하는 회로도이다.

도 70은 DC-AC 변환기로서 본 발명에 따른 장치의 사용을 나타내는 도면이다.

도 71은 AC-AC 변환기로서 본 발명에 따른 장치의 사용을 나타내는 도면이다.

이하에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조로 상세히 설명한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 이론(원리)을 설명하기 위한 도면이다.

상기 도면에서 자기장 및 자속과 관련된 화살표들은 자기 물질내에서의 방향을 나타내는 것이고, 명확히 하기 위해 외부상에서 그려진다.

도 1a는 폐쇄된 자기 회로를 형성하는 자화 물질로 이루어진 몸체(1)를 포함하는 장치를 나타낸다. 상기 자화 몸체 또는 코어(1)는 고리형 혹은 다른 적합한 형태일 수 있다. 상기 라운드된 몸체(1)에는 제 1 메인 와인딩(2)이 권선되고, 메인 와인딩(2)에 전기가 인가될 때 생성되는 자기장 H1의 방향(자속밀도 B1의 방향과 일치함)은 상기 자기 회로를 따라 흐른다. 상기 메인 와인딩(2)은 통상의 변압기의 와인딩과 동일한 것이다. 일 실시예에서, 상기 장치는 메인 와인딩(2)이 자화 몸체(1)에 권선되는 방식과 동일하여 상기 몸체(1)를 따라 점차 연장되는(즉, H1, B1이 평행함) 제 2 메인 와인딩(3)을 포함한다. 상기 장치는 본 발명의 바람직한 실시예에서 자기 몸체(1)을 따라 내부로 연장되는 제 3 메인 와인딩(4)을 포함한다. 상기 제 3 메인 와인딩(4)에 전기가 인가될 때 생성되는 자기장 H2(자속밀도 B2)는 제 1 및 제 2 메인 와인딩의 자기장 방향(H1, B1의 방향)과 직각인 방향을 갖게 된다. 또한, 본 발명은 몸체(1)의 다리부(leg)에 권선되는 제 4 메인 와인딩(5)을 포함할 수 있다. 상기 제 4 메인 와인딩(5)에 전기가 인가되면, 제 1 메인 와인딩(H1), 제 2 및 제 3 메인 와인딩(H2)의 자기장과 직각인 방향을 갖는 자기장을 생성하게 된다(도 3참조). 이것은 자연스럽게 상기 제 4 메인 와인딩에 의해 생성되는 자기장을 위한 폐쇄된 자기 회로의 사용을 요구하는 것이다. 도면에서는 와인딩들의 상대적 위치만을 나타내기 때문에 상기한 회로는 도시되지 않는다.

그러나, 본 명세서상에서 바람직하게 고려되는 위상에 있어서, 상기 메인 와인딩의 회전들(turns)은 상기 컨트롤 자기장으로부터의 자기장 방향에 따라 일어나고, 상 기 컨트롤 와인딩의 회전들은 상기 메인 자기장의 자기장 방향에 따라 일어난다.

도 1b 내지 도 1g는 정의된 축들과 서로 다른 와인딩들 및 자기 몸체의 방향을 나타내는 것이다. 상기 와인딩들에 대하여, 각 회전에 의해 제한되는 면에 수직인 축이라 한다. 메인 와인딩(2, 3)은 축 A2, 축 A3를 갖고, 컨트롤 와인딩(4)은 축 A4를 갖는다.

상기 자화 몸체에 있어서, 상기 수직방향은 다양한 형상일 수 있다. 상기 몸체가 연장된다면, 수직방향 A1은 상기 몸체의 수직축과 일치할 것이다. 상기 자기 몸체가 도 1a에서 나타낸 것처럼 사각형이라면, 수직방향 A1은 상기 사각형의 각 다리부(leg)로 정의될 수 있다. 상기 몸체가 파이프형이라면 수직방향 A1은 상기 파이프 축일 것이고, 고리형이라면 수직방향 A1은 상기 고리의 원주를 따라 갈 것이다.

본 발명은 제 1 자기장과 직각인 제 2 자기장을 바꿈으로써 상기 제 1 자기장에 비례하는 자화 몸체(1)의 특성을 바꿀 수 있다는 가능성을 기반으로 한다. 따라서, 일 예로 자기장 H1을 동작 자기장(working field)이라 정의하면, 자기장 H2(이하, 컨트롤 자기장 H2라 함)에 의해 상기 몸체(1)의 특성(동작 자기장 H1의 작용)을 제어할 수 있다. 이것은 이하에서 좀 더 상세히 설명될 것이다.

강자성 물질로 둘러싸인 전기 전도체의 자기 전류(magnetisation current)는 페러데이의 법칙에 따라 릴럭턴스에 의해 제한된다. 역유도 전압(counterinduced voltage)을 생성하기 위해 형성되는 자속은 전도체를 포함하는 자기 물질의 릴럭턴스에 의존한다.

상기 자기 전류의 범위는 인가되는 전압을 조정하기 위해 형성되는 자속의 량에 의 해 결정된다.

일반적으로, 아래의 정상상태(steady-state) 방정식은 싸인 전압(sinusoidal voltage)이 적용된다:

1) 자속(flux)

(E = 인가된 전압, ω= 각주파수, N = 와인딩을 위한 회전수)

여기서, 자기 물질을 통과하는 자속 Φ는 전압 E에 의해 결정되고, 필요한 자속을 형성하기 위해 요구되는 전류는 아래의 방정식에 의해 결정된다.

2) 전류

3) 릴럭턴스(자속 저항)

(l_j = 자속 경로 길이 μ_r = 상대 투과율, μ₀ = 진공 투과율, A _j = 자속 경로의 횡단부 면적)

여기서, 상기 방정식 2에 따라 낮은 릴럭턴스(철 봉입물: iron enclosure)가 있으면 필요한 자속을 형성하기 위해 전류가 거의 요구되지 않을 것이고, 인가되는 전 압은 커넥터에 오버레이(overlay)될 것이다. 한편, 높은 릴럭턴스(공기)의 경우에는, 필요한 자속을 형성하기 위한 많은 전류가 요구될 것이다. 이 경우, 상기 전류는 로드상의 전압과 상기 커넥터에 유도되는 전압에 의해 제한될 것이다. 공기중의 릴럭턴스와 자기 물질의 릴럭턴스간의 차이는 약 1,000 내지 900,000 일 수 있다.

자기 물질의 자기 유도(magnetic induction) 또는 자속밀도는 상기 물질의 상대 투과율(relative permeability) 및 자기장의 세기(intensity)에 의해 결정된다. 상기 자기장의 세기는 배열되는 와인딩 또는 상기 물질을 통해 발생된다.

상기 시스템들에서 아래의 방정식이 적용되어 수치를 구할 수 있다:

자기장의 세기(field intensity):

(

= 자기장의 세기, s= 적분 경로, I= 와인딩의 전류, N= 와인딩의 수)

자속밀도 또는 유도(induction):

자기 유도 및 자기장의 세기 사이의 비율은 비선형(non-linear)이므로, 상기 자기장의 세기가 어떤 범위이상으로 증가할 때, 포화 현상(saturation phenomenon)으로 인해 강자성 물질들의 자기 경로(magnetic domain)가 포화상태에 있다는 사실 때문에 상기 자속밀도는 증가하지 않는다. 따라서, 자화 물질의 포화상태를 제어하기 위해 자기 물질의 동작 자기장 H1에 수직인 컨트롤 자기장 H2를 제공하는 것이 바 람직하고, 상기 두 자기장들간의 자기 커넥션을 피하여 전이성 또는 유도성 커넥션을 제거할 수 있다. 전이성 커넥션(transformative connection)은 두 개의 와인딩이 하나의 자기장을 "공유"하는 커넥션을 의미하며, 결과적으로 하나의 와인딩으로부터의 자기장의 변화가 다른 와인딩의 자기장의 변화를 초래하는 것이다.

전이성 커넥션에 의해 포화상태로 증가하는 자기장 H를 없애는 방법은 자속들이 공통 경로(common path)를 갖게 하고 서로 합산시키는 것이다. 예를 들어, 상기 자기 물질을 파이프(tube)로 제공하여 동작 전류를 운반하는 상기 메인 와인딩 또는 와인딩을 상기 파이프안에 위치시켜서 상기 파이프의 세로방향(수직방향)으로 권선하고, 제어 전류를 운반하는 컨트롤 와인딩 또는 와인딩을 상기 파이프의 원주둘레로 권선함으로써, 상기 원하는 작용을 이룰 수 있다. 파이프 영역에 따라, 컨트롤 자속(control flux)을 위한 소면적과 동작 자속(working flux)을 위한 대면적이 구비될 수 있다.

상기한 실시예에서, 상기 동작 자속은 상기 파이프의 원주를 따라 원주방향으로 이동하고 폐쇄된 자기 회로를 갖는다. 한편, 상기 컨트롤 자속은 상기 파이프의 세로방향으로 이동하고, 서로 평행하게 배치되고 그 사이에 컨트롤 자속을 연결하는 자기 물질이 구비되는 두 개의 파이프들 또는 제 2 파이프 주위에 배치되는 제 1 파이프에 의해 폐쇄된 자기 회로와 접속됨으로써, 상기 컨트롤 와인딩이 상기 두 개의 파이프들 사이에 위치하고 상기 파이프들의 단면들은 자기적으로 상호 연결되어서, 상기 컨트롤 자속을 위한 폐경로(closed path)를 얻을 수 있다. 이러한 방법들은 이후에 더 상세히 설명될 것이다.

이하에서 상기 파이프들 또는 코어부들간의 자기 커넥션를 제공하는 구성들을 자기장 커넥터들 또는 자기장 커플링(magnetic field coupling)들이라 한다.

상기 물질의 총 자속은 아래의 식으로 주어진다:

4)

상기 자속밀도 B는 벡터 B1과 B2의 합으로 이루어지며(도 4d 참조), B1은 제 1 메인 와인딩(2)의 전류 I1에 의해 생성되고 상기 메인 와인딩(2)의 전도체들과 접선방향을 갖는다. 상기 메인 와인딩(2)은 N1의 회전수를 갖고 자화 몸체(1)에 권선된다. B2는 N2의 회전수를 갖는 컨트롤 와인딩(4)의 전류 I2에 의해 생성되고, 상기 컨트롤 와인딩(4)은 상기 몸체(1)에 권선된다. B2는 컨트롤 와인딩(4)의 전도체들에 접선방향을 갖는다.

상기 와인딩들(2, 4)은 서로 90°로 배치되기 때문에, B1 및 B2는 직교상으로 위치된다. 자화 몸체(1)에서 B1은 횡단(수평)으로 향하게 되고, B2는 종단(수직)으로 향하게 된다. 이러한 커넥션에서, 특히 도 1 내지 도 4에서 나타낸 것을 언급한다.

5)

상대 투과율은 컨트롤 자기장(H2)의 방향에서보다 동작 자기장(H1)의 방향에서 더 높다는 장점, 즉 상기 자화 몸체(1)의 자기 물질이 애니소트로픽(anisotropic: 비 등방성)이라는 것을 고려해야 한다. 물론, 이것은 본 발명의 범주를 제한하는 것은 아니다.

자기장 H1 및 H2의 벡터 합은 몸체(1)의 전체 자기장과 포화상태에 대한 상기 몸체(1)의 조건을 결정하고, 상기 메인 와인딩(2)에 연결되는 로드와 상기 커넥터사이에서 나누어지는 자기 전류 및 전압을 결정할 것이다. B1과 B2의 소스들은 서로 직교상으로 위치하기 때문에, 어떤 자기장도 서로 분해될 수 없을 것이다. 이것은 B1이 B2 및 결함 전이(vice versa.)의 함수일 수 없다는 것을 의미한다. 그러나, B1과 B2의 벡터 합인 B는 그들 각각의 양에 의해 영향을 받는다.

B1은 제어 전류에 의해 생성되는 벡터이다. B2 벡터에 대한 횡단면 A2는 도 4c와 비교하여 자기 몸체(1)의 횡단면이다. 이것은 고리형 몸체인 경우 상기 몸체(1)의 내ㆍ외경 사이의 표면 섹터로 주어지는 자기 몸체(1)의 두께로 제한되는 작은 면적일 수 있다. 한편, B1 자기장을 위한 횡단면 A1(도 4a, 4b 참조)은 자기 코어의 길이 및 인가되는 전압 비율에 의해 결정된다. 이러한 표면은 본 발명의 범주를 제한함이 없이 컨트롤 자속밀도 B2의 표면보다 5 내지 10배 더 클 수 있다.

B2가 포화레벨에 있다면, B1의 변화는 B의 변화를 초래하지 않을 것이다. 즉, 이것은 B1상의 어느 레벨이 상기 물질의 포화상태를 주는지 제어하여, B의 릴럭턴스를 제어할 수 있게 한다.

회전수 N2인 컨트롤 와인딩(4)의 인덕턴스는 조정기의 펄스 제어에 적합한 작은 값으로 정해질 수 있다. 즉, 대략 ms(millisecond)의 급속한 반응(reaction)을 제공할 수 있다.

6)

(N2= 컨트롤 와인딩을 위한 회전수, A2= 컨트롤 자속밀도 B2의 면적, l2= 컨트롤 자속의 자속경로의 길이)

이하에서 맥스웰 방정식(Maxwell's equation)들에 기초하여 본 발명 및 그 응용예들의 대략적인 수학적 설명이 이루어질 것이다.

전기 전력공학에서 자기장의 간단한 계산법인 맥스웰 방정식들은 적분형을 사용한다.

여기서 분석되어지는 형태의 장치에 있어서(본 발명의 어느 범주까지), 상기 자기장은 낮은 주파수를 갖는다.

그러므로, 대체 전류(displacement current)는 전류 밀도와 비교하여 구애받지 않을 수 있다.

맥스웰 방정식, 7)

는 아래와 같이 간단히 될 수 있다.

8)

상기 적분형은 토우크 이론(Toke's theorem)으로 구할 수 있다:

9)

즉, 이것은 도 4의 시스템에 대한 솔루션을 나타내는 것으로서, 메인 와인딩(2)은 자기장 H1을 형성한다. 여기서, 상기 계산법들은 이론에 초점을 맞추기 위하여 중심이 맞우어진 와인딩으로 수행된 것이며, 정확한 계산이 아닐 수 있다.

상기 적분 경로는 자기장 방향과 일치하고 평균 자기장의 길이 l1은 자화 몸체(1)에서 선택된다. 따라서, 상기 적분 방정식의 해답은 다음과 같다:

11)

또한 이것은 자기력(magnetomotive force) MMK로 알려져 있다.

12)

컨트롤 와인딩(4)은 전류 I2에 의해 생성되는 상응하는 MMK를 형성할 것이다:

13)

14)

소스 와인딩(2, 4)으로부터 생성되는 자기장 H의 영향을 받는 자화 물질은 자속밀도 B로 표현된다. 즉, 메인 와인딩(2)에 대해서는:

15)

컨트롤 와인딩(4)에 대해서는:

16)

이다. 상기 횡단 방향의 투과율은 종단 방향(세로 또는 수직방향)의 투과율보다 약 10 내지 20정도 낮다. 진공상태의 투과율은:

17)

여기서, 철에서 자기장을 전도하는 용량을 μ_r이라 하고, μ의 크기를 철에서 1000 내지 100,000이고, 매트글래스(Metglas) 물질에서는 900,000까지 상승한다고 하자.

메인 와인딩(2)에 대하여 방정식 11)과 15)를 결합하면:

18)

메인 와인딩(2)에서 자화 몸체(1)의 자속은 아래의 방정식으로 주어진다:

19)

자속이 코어 횡단부에 대해 일정하다고 가정하면:

20)

여기서, 방정식 3)에서 주어진 바와 같이 자속 저항 R_m 또는 릴럭턴스를 표현하면:

21)

22)

동일한 방식으로, 컨트롤 와인딩(4)에 대한 자속 및 릴럭턴스를 구할 수 있다:

23)

24)

본 발명은 전도체에서 전류의 소스를 갖는 자기장 세기의 미분이 자기장 H에 "curl"로 표현된다는 물리적인 사실을 기반으로 한다. H 대 "curl"은 H의 자기장 방향에 대한 자기장 H의 변화 또는 미분을 의미하는 것이다. 여기서, 상기 미분 자기장 루프의 수직면은 전류와 동일한 방향을 갖는다는 것을 기초로 자기장을 계산한다. 또한, 이것은 서로 수직인 와인딩들을 형성하는 전류수송 전도체(current-carrying conductor)들로부터의 자기장들이 직교한다는 것을 의미한다. 자기장이 서로 직교한다는 사실은 상기 물질에서 경로들의 방향결정에 중요하다.

이것을 좀 더 면밀히 검토하기 이전에, 본 발명의 자기적으로 제어되는 전력 구성들의 응용예에서 아주 중요한 역할을 하는 셀프-인덕턴스(self-inductance)를 소개하기로 한다.

맥스웰 방정식에 따르면 시간적으로 가변되는(time-varying) 자기장은 시간적으로 가변되는 전기장을 유도하며, 아래와 같이 표현된다.

25)

상기 적분의 왼쪽편은 적분형의 위치 방정식(potential equation)을 나타내는 것이다. 상기 자기장 가변의 소스는 제너레이터로부터의 전압일 수 있고, 도 5를 참조하면 상기 와인딩이 N의 회전수를 갖고 모든 자속들이 모든 회전들을 통과할 때 페러데이 법칙을 적용할 수 있다: 26)

여기서, λ(Wb)는 자속 회전들의 수와 각각의 회전을 통한 자속의 합을 나타내는 것이다. 상기 자기장이 형성된 이후에 끊어지는 도 5의 제너레이터 G를 회로기술에서 고려한다면, 자기장 가변의 소스는 상기 회로의 전류일 것이다(도 5 참조):

27)

방정식 21로부터 우리는 다음 식을 얻는다:

28)

L이 상수라면, 방정식 26과 27의 결합으로:

29)

식 29)을 풀면:

30)

식 28)로부터 C = 0을 대입하면: 31)

이것은 와인딩 N 또는 메인 와인딩(2)에 대한 셀프-인덕턴스를 나타내는 것이다. 상기 셀프-인덕턴스는 상기 와인딩(코일)의 전류에 의해 형성되는 자속 회전들간의 비율과 같다.

상기 자화 몸체 또는 상기 코어가 포화상태가 아니라면 상기 와인딩의 셀프-인덕턴스는 대략적으로 선형(linear)이다. 그러나, 본 발명은 상기 컨트롤 자기장(즉, 컨트롤 와인딩에 의해 형성되는 자기장 H2)에 의해 횡단방향으로 자기 경로를 바꿈으로써 상기 자화 몸체의 물질의 투과율 변화를 통해 상기 셀프-인덕턴스를 변화시킬 것이다.

방정식 21과 31을 결합하면, 다음의 식을 얻는다:

32)

셀프-인덕턴스를 갖는 전기회로에서 AC 저항 또는 리액턴스(reactance)는 다음과 같다:

33)

상기 횡단방향으로 상기 자화 몸체의 경로들에 자력을 걸어줌으로써, 세로방향의 릴럭턴스가 변화될 것이다. 여기서, 서로 다른 자기장의 영향을 받는 동안에 상기 경로들에 어떤 일이 일어나는지에 대한 상세한 설명은 하지 않기로 한다. 또한, 여기서 약 3%의 실리콘 함유량을 갖는 통상의 상업적인 전기도금을 고려했고, 본 명세서상에서 매트글래스 물질에 대한 현상의 설명은 하지 않지만, 물론 비결정 구조(amorphous structure)를 갖는 자기 물질이 본 발명의 몇몇 응용예들에서 중요한 역할을 할 수 있기 때문에, 이것이 본 발명의 범주를 제한하는 것은 아니다.

변압기에서, 본 발명은 에너지가 누출 자기장(magnetic leakage field)에 축적되고 코어에는 미량이 축적되는 높은 투과율을 갖는 폐쇄된 코어들을 채택하지만, 상기 축적된 에너지는 에너지 변환에서 직접적인 부분을 차지하지 않는다. 따라서, 전기 에너지가 기계 에너지로 변환되는 전기기계 시스템에 발생하는 것의 관점에서 어떠한 에너지 변환도 일어나지 않지만, 에너지가 상기 변압기를 통하는 자속(magnetic flux)에 의해 전이될 수 있다. 인덕턴스 코일 또는 에어갭(air gap)을 갖는 초크에서, 상기 에어갭의 릴럭턴스는 상기 코어의 릴럭턴스와 비교하여 상기 에어갭에 축적된 대략 모든 에너지만큼 높다.

본 발명에 따른 장치에서 "가상(virtual)" 에어갭은 상기 경로들의 포화현상을 통해 생성된다. 이 경우, 상기 에너지 축적은 전체 코어를 포함하는 분배된 에어갭에서 일어날 것이다. 손실이 없는 실제적인 자기에너지 축적시스템(magnetic energy storage system)을 고려하면, 외부 구성요소들에 의해 어떠한 손실들도 나타나지 않을 것이다.

본 발명에서 사용하는 에너지에 대한 설명은 에너지 보존의 이론에 입각한 것이다.

상기한 손실이 없는 전자기 시스템에 적용되는 열역학 제 1 법칙은(도 6 참조):

34)

(dWelin= 전기에너지 공급의 미분, dWfld= 자기적으로 축적된 에너지의 미분변화)

방정식 26)으로부터 다음 식을 얻는다:

35)

이제, 인턱턴스가 직교 자기장 또는 컨트롤 자기장 H2를 통해 가변될 수 있고, 방정식 26)에 31)을 대입하면:

35)

상기 시스템내에서 작용은

36)

따라서, 다음식을 얻는다:

37)

릴럭턴스가 가변될 수 있고 메인 와인딩만을 갖는 코어가 구비된 시스템에서, 방정식 37)에 방정식 35)를 대입하면:

38)

본 발명에 따른 장치에서, L은 μ_r, 상기 자화 몸체 또는 코어(1)의 상대 투과율의 함수 및 반대로 I2, 컨트롤 와인딩(4)의 제어 전류의 함수처럼 가변될 수 있다.

L이 상수라면, 즉 I2가 상수일 때, dL=0이므로 i ×dL 을 무시할 수 있기 때문에, 자기장 에너지는 아래와 같다:

39)

L이 I2에 의해 가변될 때, 자기장 에너지는 상기 변화된 L값으로 인해 변화된다. 따라서, 전류 I가 자속 회전 λ를 통한 자기장 값과 연동되기 때문에 전류 I도 변화될 것이다. i와 λ가 가변될 수 있고 서로 비선형 함수들이기 때문에, 본 발명의 범주를 벗어나는 수학적 계산이 포함되므로 여기서 더 이상 해답을 구하지 않는다.

그러나, 본 발명은 자기장 에너지와 에너지 분배가 μ_r에 의해 제어될 수 있고 자기장에 축적된 에너지가 어떻게 증가/감소되는지에 영향을 끼친다는 결론을 내릴 수 있다. 즉, 자기장 에너지가 감소되면, 잉여부(surplus portion)는 제너레이터가 되거나, 제 1 메인 와인딩(2)과 동일한 와인딩 창에서의 여분의 와인딩(예, 도 1의 와인딩(3))과 그와 동일한 와인딩 축을 갖는다면, 제 1 메인 와인딩(2)에서 제 2 메인 와인딩(3)으로 에너지의 전이를 제공할 수 있다.

이것은 도 7에서 나타낸 것처럼 λ의 변화가 원래 Wflt(λ₀, i₀)인 자기장 Wflt상의 에너지 변화를 초래한다. 여기서, 가변은 λ가 변하는 동안 i는 대략 상수일 정도로 작다고 가정한다. 마찬가지로, i의 변화가 λ의 변화를 가져올 수 있다. 따라서, 본 발명의 가변 인덕턴스를 아래와 같이 설명할 수 있다:

도 8 및 도 9는 물질에 어떤 일이 일어나는지를 나타낸다.

도 8은 자화 몸체(1)의 전체 물질에 대한 자성 곡선(magnetisation curve)들을 나 타내고, 그 경로는 메인 와인딩(2)으로부터의 자기장 H1의 영향으로 변한다.

도 9는 자화 몸체(1)의 전체 물질에 대한 자성 곡선들을 나타내며, 그 경로는 컨트롤 와인딩(4)에서의 방향으로 자기장 H2의 영향에 의해 변화된다.

도 10a 및 도 10b는 자속밀도 B1(동작 전류에 의해 형성되는 자기장 H1) 및 B2(제어 전류와 일치함)를 나타낸다. 점선은 자기장 B에 대한 포화상태의 리미트(limit)를 나타내는데, 이는 자기장 B가 리미트에 이를 때 자화 몸체(1)의 물질이 포화상태에 이르게 할 것이다. 점선의 축들은 자기장의 길이 및 자화 몸체(1)의 코어 물질상의 두 개의 자기장 B1(H1)과 B2(H2)의 투과율이다.

도 10에서, MMK 분배 또는 자기장 H 분배로 표현되는 상기 축들을 가짐으로써, 두 개의 전류 I1, I2에서 자기력을 나타낼 수 있다.

이제 도 8 및 도 9로 돌아가서, 컨트롤 자기장 B2(H2)에 의한 경로들의 부분적인 자성(magnetisation)에 의하여, 메인 와인딩(2)에서의 부가 자기장 B1(H1)은 컨트롤 자기장 B2(H2)에 벡터 합되고, 상기 경로들에 자력을 걸어줌으로써, 메인 와인딩(2)의 인덕턴스는 컨트롤 자기장 B2(H2)의 영향하에서 상기 경로들의 상태로 주어지는 초기상태(basis)에서 개시될 것이다.

따라서, 상기 자성 경로, 인덕턴스 L 및 교류(AC) 저항 XL은 컨트롤 자기장 B2의 함수와 같이 선형으로 가변될 것이다.

이제, 본 발명에 따른 장치의 다양한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조로 설명한다.

도 11은 본 발명의 제 2 실시예를 나타내는 도면이다.

도 12는 본 발명에 따른 자기적으로 영향을 받는 커넥터의 동일한 실시예로서, 도 12a는 조립된 커넥터를 나타내고 도 12b는 단부로 나타낸 상기 커넥터이다.

도 13은 도 12b에서 라인 II를 따라 절개한 단면도이다.

상기 도면들에 나타낸 바와 같이, 자화 몸체(1)는 자화 물질로 이루어진 두 개의 평행한 파이프들(6, 7)로 구성된다. 전기적으로 절연된 전도체(8)는 제 1 파이프(6) 및 제 2 파이프(7)를 통하는 경로로 연속적으로 N번(N= 1, …r) 통과되어(도 12a, 도 13 참조) 제 1 메인 와인딩(2)을 형성하고, 도 13에서 명확히 나타낸 것처럼 상기 전도체(8)는 두 파이프(6, 7)를 통하는 반대방향으로 연장된다. 전도체(8)가 제 1 파이프(6)와 제 2 파이프(7)를 2번 통과하여 연장되는 것을 나타내었으나, 상기 전도체(8)는 1번 또는 몇 번(와인딩 수 N은 1에서 r까지 변할 수 있다고 나타낸 것처럼) 각 파이프들을 통해 연장될 수 있다는 것은 자명한 것이므로, 상기 전도체에 전기가 인가되면 평행한 파이프들(6, 7)상에 자기장 H1이 생성될 수 있다. 결합되는 컨트롤 와인딩(4) 및 자성 와인딩(4′)은 전도체(9)를 이루고 제 1 파이프(6)와 제 2 파이프(7)에 권선되어, 도 11에서 자기장 H2의 화살표로 나타낸 것처럼, 상기 와인딩(4)에 전기가 인가될 때 상기 파이프들에 생성되는 자기장 H2의 방향이 반대로 된다. 자기장 커넥터들(10, 11)은 각각의 파이프들(6, 7)의 끝단과 결합되어 상기 파이프들을 루프(loop)형태로 상호 연결한다. 전도체(8)는 부하 전류(load current) I1을 동반할 수 있다. 상기 파이프들(6, 7)의 길이와 직경은 연결되는 전력 및 전압을 기반으로 결정될 것이다. 메인 와인딩(2)의 회전수 N1은 전압에 대한 역 차단력(reverse blocking ability) 및 동작 자속 Φ2의 크기인 횡 단면적에 의해 결정된다. 컨트롤 와인딩(4)의 회전수 N2는 파이프들(6, 7)과 자기장 커넥터들(10, 11)을 포함하는 자화 몸체(1)의 포화에 필요한 자기장에 의해 결정된다.

도 14는 본 발명에 따른 장치의 메인 와인딩(2)의 특별 설계도를 나타낸다. 실제로, 도 14의 솔루션은 도 12 및 도 13에서 나타낸 것과 상이한 것으로서, 파이프들(6, 7)을 통과하는 단일 절연 전도체(8) 대신에, 두 개로 분리된 서로 반대방향인 전도체들인 제 1 전도체(8)와 제 2 전도체(8′)를 채택하여서, 본 발명에 따른 자기적으로 영향을 받는 장치를 위한 전압 변환기의 기능을 수행할 수 있다. 이제 이것에 대해 좀 더 상세히 설명할 것이다. 상기한 설계도는 기본적으로 도 11 내지 도 13에서 나타낸 것과 유사하며, 자화 몸체(1)는 두 개의 파이프들(6, 7)을 포함한다. 전기적으로 절연된 제 1 전도체(8)는 제 1 파이프(6) 및 제 2 파이프(7)를 통하는 경로로 N1 번(N1= 1, …r) 연속 통과되고, 상기 제 1 전도체(8)는 두 개의 파이프들(6, 7)을 통과하는 방향과 반대방향으로 연장된다. 전기적으로 절연된 제 2 전도체(8′)는 상기 제 1 파이프(6) 및 제 2 파이프(7)를 통하는 경로로 N1′번(N1′= 1, …r) 연속 통과되며, 상기 제 2 전도체(8′)는 두 개의 파이프들(6, 7)을 통과하는 제 1 전도체(8)와 반대방향으로 연장된다. 적어도 하나의 결합된 컨트롤 및 자성 와인딩(4, 4′)은 제 1 파이프(6) 및 제 2 파이프(7)에 각각 권선되어서, 상기 파이프상에 생성되는 자기장의 방향이 반대가 된다. 도 12 내지 도 14에 따른 실시예에서와 같이, 자기장 커넥터들(10, 11)은 각 파이프(6, 7)들의 끝단과 결합되어 파이프들(6, 7)을 루프형태로 상호 연결하고, 자화 몸체(1)를 형성한 다. 간략히 하기 위해 제 1 전도체(8) 및 제 2 전도체(8′)를 파이프들(6, 7)을 1번만 통과하는 것으로 도면상에 나타내었지만, 제 1 및 제 2 전도체(8, 8′)들이 파이프들(6, 7)을 각각 N1 및 N1′번 통과할 수 있음은 명백해질 것이다. 상기 파이프들(6, 7)의 길이와 직경은 변환되는 전력 및 전압을 기반으로 결정된다. 10:1의 변환율(N1:N1′)을 갖는 변압기에 있어서, 이론상 10개의 전도체들은 제 1 전도체(8)로 사용되고 1개의 전도체만이 제 2 전도체(8′)로 사용될 것이다.

도 15는 자기장 커넥터(10 및/또는 11)들의 실시예를 나타낸다. 자기장 커넥터(10, 11)는 자기적으로 전도되는 물질로 이루어지고, 바람직하게는 메인 와인딩(2)의 전도체(8)를 위한 2개의 원형 홈(12)들이 상기 커넥터들(10, 11)의 자기 물질 외부로 형성된다(일 예로, 도 13 참조). 또한, 커넥터(8)의 자기장 경로를 방해하는 갭(13)이 구비된다. 단면(14)은 도 13의 전도체들(9, 9′)로 이루어지는 컨트롤 와인딩(4)에서 자기장 H2를 위한 커넥팅 표면이다.

도 16은 본 발명의 바람직한 실시예에서 파이프들(6, 7)의 단면과 자기장 커넥터(10, 11)사이에 형성되는 얇은 절연필름(15)을 나타낸다.

도 17 및 도 18은 자기장 커넥터(10, 11)들의 다른 실시예들을 나타낸다.

도 19 내지 도 32는 도 12 내지 도 14에 나타낸 실시예에서 바람직하게는 자기장 커넥터들(10, 11)과 함께 자화 몸체(1)를 형성하는 파이프들(6, 7)의 메인부를 형성하는 코어(16)의 다양한 실시예들을 나타낸다.

도 19는 세로로 분할되고 2개의 코어 절반부들(16′, 16″)사이에 절연물질층(17)이 한 개이상 형성되는 원통형 코어부(16)를 나타낸다.

도 20은 사각형 코어부(16)를 나타내고, 도 21은 그 측면에서 2개의 부분부(partial section)으로 나누어지는 상기 코어부(16)의 실시예를 나타낸다. 도 21에 나타낸 실시예에서, 한 개이상의 절연물질층(17)이 코어 절반부들(16, 16′)사이에 구비된다. 또한, 도 22는 상기 부분부가 각 코너에 배치된 변형예를 나타낸다.

도 23 내지 도 25는 사각형상을 나타낸다. 도 26 내지 도 28은 삼각형상을 나타내고, 도 29 및 도 30은 타원형인 변형예를, 도 31 및 도 32는 육각형을 나타낸다. 도 31에서 상기 육각형은 동일한 6개의 면(18)들로 이루어지고, 도 30에서 상기 육각형은 2개의 부분들(16′, 16″)로 구성된다. 인용부호 17은 얇은 절연필름을 나타낸다.

도 33 및 도 34는 도 20, 21과 도 23 내지 도 25에서 각각 나타낸 상기 사각형 및 정방형 메인 코어(16)들간의 컨트롤 자기장 커넥터로서 사용될 수 있는 자기장 커넥터(10, 11)를 나타낸다. 이러한 자기장 커넥터는 3개의 부분들(10′,10″,19)을 포함한다.

도 34는 컨트롤 자속을 위한 단면(14) 또는 커넥팅 표면이 코어부(16) 축과 직각인 코어부 또는 메인 코어(16)의 일 실시예를 나타낸다.

도 35는 컨트롤 자속을 위한 커넥팅 표면이 코어부(16)의 축과 α각상에 있는 코어부(16)의 제 2 실시예를 나타낸다.

도 36 내지 도 38은 자기장 커넥터(10, 11)의 다양한 설계도들을 나타내는 것으로서, 자기장 커넥터(10, 11)의 커넥팅 표면(14′)들이 코어부(16)의 단면(14)들과 동일한 각도상에 위치한다는 사실을 기반으로 한다.

도 36은 코어부(16)의 형상(원형, 사각형 등)을 기초로 메인 와인딩(2)에 서로 다른 홀형상(hole shape: 12)들을 나타내는 자기장 커넥터(10, 11)를 도시한다.

도 37에서 상기 자기장 커넥터(10, 11)는 평면이다. 즉, 직각 단면(14)들을 갖는 코어부(16)들에 채택 사용할 수 있다.

도 38에서는 자기장 커넥터(10, 11)에 α′각을 나타내는데, 상기 코어부(도 35)에 α각을 적용함으로써, 단면(14)과 커넥팅 표면(14′)이 일치하도록 한다.

도 39는 자기장 커넥터(10, 11)과 코어부(16)들을 조합한 본 발명의 실시예를 나타낸다. 도 39b는 상기 실시예의 측면도이다.

본 발명을 예시하기 위하여 자기장 커넥터들과 코어부들의 개별적인 결합들만을 나타내었으나, 본 발명의 범주내에서 전적으로 다른 결합들이 가능할 수 있다는 것은 통상의 지식을 가진 당업자에게 명백할 것이다.

또한, 상기 컨트롤 와인딩과 메인 와인딩의 위치들은 바뀔 수 있을 것이다.

도 40 및 도 41은 자기적으로 영향을 받는 전압 커넥터 장치의 제 3 실시예를 각각 나타내는 단면도와 사시도이다. 상기 장치는 외부 파이프(20)와 내부 파이프(21)로 (또는 코어부들 16, 16′) 이루어지는 자화 몸체(1)를 포함하고, 상기 파이프들은 서로 동심이며 외부 파이프(20)의 내면과 내부 파이프(21)의 외면사이에 갭(22)을 갖는 자화 물질로 이루어진다. 파이프들(20, 21)간의 자기장 커넥터(10, 11)들은 각 단면들에 결합된다(도 40a). 상기 갭(22)에는 스페이서(spacer: 23)가 형성되어 파이프들(20, 21)을 동심으로 유지한다(도 40a). 전도체(9)로 구성되는 결합된 컨 트롤 및 자성 와인딩(4)은 내부 파이프(21)에 권선되고 상기 갭(22)에 위치한다. 따라서, 상기 컨트롤 와인딩을 위한 와인딩 축 A2는 파이프들(20, 21)의 축 A1과 일치한다. 전류 전도체(8)로 이루어진 전기적 전류수송 또는 메인 와인딩(2)은 상기 내부 파이프(21)를 통하여 외부 파이프(20)의 외면을 따라 N1번(N1= 1, …r) 통과된다. 메인 와인딩(2) 또는 상기 전류수송 전도체(8)와 상호 연동되는 상기 결합된 컨트롤 및 자성 와인딩(4)을 갖는 자기적으로 영향을 받는 전압 커넥터를 효율적이고 용이하게 구성할 수 있다. 이러한 상기 장치의 실시예는 상기 파이프들(20, 21)이 원형의 횡단부가 아닌 정방형, 사각형, 삼각형 등의 횡단부를 갖는 방식으로 변형될 수 있다.

또한, 내부 파이프(21)에 상기 메인 와인딩을 권선할 수도 있으며, 이 경우 상기 메인 와인딩의 축 A2는 상기 파이프들의 축 A1과 일치하고, 상기 컨트롤 와인딩은 내부 파이프(21)의 내면과 외부 파이프(20)의 외면상의 상기 파이프들에 권선된다.

도 42 내지 도 44는 도 40과 41에서 설명된 것처럼 본 발명의 향후 설계도에 적용될 수 있는 자기장 커넥터(10, 11)의 다양한 실시예들을 나타낸다.

도 42a는 단면도이고, 도 42b는 파이프들(20, 21)의 축상에서 커넥팅 표면(14′)을 갖는 자기장 커넥터(10, 11)를 나타낸 상측면도이다. 또한, 내부 파이프(21) 및 외부 파이프(20)들은 커넥팅 표면(14)과 동일한 위상일 수 있다는 것은 명백하다.

도 43 및 도 44는 자기장 커넥터(10, 11)의 다른 변형예들을 나타내고, 컨트롤 자기장 H2(B2)의 커넥팅 표면(14′)들은 코어부(16)들 또는 파이프들(20, 21)의 메인 축과 수직이다. 도 43은 통공된(hollow) 반원형 횡단부를 갖는 통공 반환형(semi- toroidal) 자기장 커넥터(10, 11)를 나타내고, 도 44는 사각형 횡단부를 갖는 환형 자기장 커넥터를 나타낸다.

도 40 및 도 41에서 나타낸 장치의 변형예는 도 45에 나타내었다. 즉, 도 45a는 상기 장치의 측면도이고, 도 45b는 상측면도이다. 도 40 및 41의 전압 커넥터에서 유일한 차이점은 제 2 메인 와인딩(3)이 상기 메인 와인딩(2)과 동일한 경로로 권선된다는 점이다. 이러한 장치들에 의해 자기적으로 영향을 받는 전압 변환기를 용이하고 효율적으로 얻을 수 있다.

도 46 및 도 47은 동심인 파이프들을 갖는 전압 커넥터의 제 4 실시예를 나타내는 단면도와 사시도이다.

즉, 도 46 및 도 47은 결합된 코어들을 갖는 전압 변환기로서 작용하는 전압 커넥터를 나타낸다. 내부 릴럭턴스 제어 코어(internal reluctance-controlled core: 24)는 메인 와인딩(2)에 권선되는 외부 코어(25)에 위치한다. 상기 내부 릴럭턴스 제어 코어(24)는 도 40 및 도 41에서 전술한 것과 같은 구성을 갖지만, 유일한 차이점은 코어(24)에 권선되는 메인 와인딩(2)이 없다는 점이다. 즉, 상기 내부 릴럭턴스 제어 코어(24)를 형성하는 내면(21)과 외면부들사이의 갭(22)에 위치하는 컨트롤 와인딩(4)만을 갖는다. 따라서, 컨트롤 와인딩(4)의 전류로부터 컨트롤 자기장 H2(B2)의 영향에 의해 자기적으로 릴럭턴스 제어될 수 있다.

도 46 및 도 47의 메인 와인딩(2)은 코어(24)와 코어(25)를 둘러싸는 와인딩이다.

이제, 도 46 및 도 47에서 언급된 본 발명에 따른 릴럭턴스 제어되는 전압 커넥터 또는 변환기의 동작모드에 대해 설명한다.

커넥션의 원리를 나타내는 도 55를 참조해 보면, 도 65는 릴럭턴스 모델에 대한 대략적인 평형도로서 Rmk는 와인딩들(2, 3)간의 자속을 제어하는 가변 릴럭턴스이고, 도 65b는 상기 커넥션을 위한 평형 전기회로를 나타내며 Lk는 가변 인덕턴스이다.

와인딩(2)에 대하여 전압 V1을 변화시키면 와인딩(2)에 자기 전류 I1이 형성될 것이다. 이것은 형성되는데 필요한 코어들(24, 25)의 자속 Φ1 + Φ1′에 의해 생성되어, 페러데이 법칙에 따라 와인딩(2)에 생성되는 역전압을 제공하게 된다. 상기 릴럭턴스 제어 코어(24)에 제어 전류가 없다면, 상기 자속은 각 코어(24, 25)의 릴럭턴스를 기반으로 코어들(24, 25)간에 나누어질 것이다.

하나의 와인딩에서 다른 와인딩으로 에너지를 전이하기 위하여, 내부 인덕턴스 제어 코어(24)에는 제어 전류 I2가 인가된다.

메인 와인딩(2)의 AC 전압 V1의 (+) 반주기동안에 제어 전류 I2를 인가함으로써, 와인딩(2)에 대한 반주기 전압을 얻을 수 있다. 에너지는 릴럭턴스 제어 코어(24)와 제 2 외부 코어(25)사이의 자속 배열에 의해 전이되기 때문에, 상기 릴럭턴스 제어 코어(24)는 포화상태로 제어되는 주기동안에 제어 전류 I2에 의해 필수적으로 영향을 받을 것이고, 동작 자속은 제 2 외부 코어(25)로 이동하여 상기 에너지 전이 동안 제 1 와인딩(2)과 상호 작용할 것이다.

릴럭턴스 제어 코어(24)가 동작 자속 B1(H1)과 직교하는 컨트롤 자속 B2(H2)를 리셋함으로써 포화상태에서 벗어날 때, 일측으로부터의 자속은 다시 코어들(24, 25)사이에서 분할되고, 제 2 와인딩(3)에 연결되는 로드에서만 낮은 릴럭턴스가 나타나므로, 제 1 전압(V1)과 제 2 전압(V3) 사이에 커넥션이 없이 높은 인덕턴스가 나 타날 수 있을 것이다. 제 2 와인딩(3)상에 전압이 생성되지만, 자성 임피던스 Lm과 비교하여 Lk의 크기 때문에, 제 1 와인딩(2)으로부터의 대부분의 전압이 Lk를 오버레이(overlay)할 것이다. 제 1 와인딩(2)에서의 자속은 필연적으로 최소한의 릴럭턴스가 있고 자속 경로가 가장 짧은 곳으로 이동한다(도 65b).

또한, 상기 외부 코어(25)는 제어될 수 있고, 내부 제어 코어(24)에 권선되는 제 4 메인 와인딩을 갖을 수 있다는 것을 고려할 수 있다. 이것은 코어들(24, 25)사이의 전압을 요구되는만큼 제어할 수 있다는 것이다.

도 48은 본 발명에 따른 자기적으로 영향을 받는 전압 커넥터 또는 전압 변환기의 제 4 실시예의 다른 변형예를 나타내는 것으로서, 자화 몸체(1)는 컨트롤 자속 B2(H2)가 메인 코어(16)를 통하는 분리된 자기장 커넥터 없이 직접 연결될 수 있게 설계된다.

즉, 도 48은 환형 형태의 전압커넥터의 측면도이다. 상기 전압 커넥터는 2개의 코어부(16, 16′), 메인 와인딩(2) 및 컨트롤 와인딩(4)를 포함한다.

도 49는 추가 메인 와인딩(3)이 구비되어 전압을 변환할 수 있는 가능성을 제공하는 본 발명에 따른 전압 커넥터를 나타낸다.

도 50은 도 48의 라인 VI-VI를 따라 절개한 도 48의 장치를 나타내는 단면도이고, 도 51은 라인 V-V를 따라 절개한 단면도이다. 도 50에서 원형 홈(12)은 컨트롤 와인딩(4)에 위치하는 것으로 나타내었다.

도 51은 권선을 통과하는 부가 홈(addtitional aperture: 26)을 나타낸다.

도 52 및 도 53은 와인딩들이 없는 코어(16)의 구조를 나타내는 것으로서, 상기 코 어(16)는 컨트롤 자기장을 위한 부가 자기장 커넥터가 필요하지 않도록 설계된다. 상기 코어(16)는 컨트롤 와인딩(4)을 위한 2개의 코어부(16, 16′)와 홈(12)을 갖는다. 이러한 설계는 자기 물질이 소결되거나(sintered) 압축 파우더 성형된 물질인 경우에 사용하기 위함이다. 이 경우, 위상학(topology)적으로 폐쇄된 자기장 경로들을 내삽할 수 있기 때문에, 박(foil)이 감겨진 코어에 필요한 이전에 분리된 커넥터들이 실제 코어(actual core)를 형성하여 그 구조부를 이룰 수 있다. 도 52 및 도 53에서 나타낸 것처럼 자기장 커넥터들의 분리가 없는 폐쇄된 자기 회로를 형성하는 상기 코어는 본 발명의 제 1 실시예에 적용되는 몸체(1)를 나타내는 도면들(도 1 및 도 2에서 점선으로 나타냄)을 포함하는 본 발명의 모든 실시예들에서 사용될 수 있다.

도 54는 자기적으로 영향을 받는 전압 변환기 장치를 나타내는 것으로서, 상기 장치는 외부 파이프(20)와 내부 파이프(21)로 이루어진 내부 컨트롤 코어(24)를 갖고, 상기 파이프들은 동심이며 외부 파이프(20)의 내면과 내부 파이프(21)의 외면사이의 갭(22)을 갖는 자화 물질로 이루어진다. 스페이서(23)들은 외부 파이프(20)의 내면과 내부 파이프(21)의 외면사이의 갭에 결합된다. 자기장 커넥터들(10, 11)은 각각의 파이프들(20, 21)사이의 그 끝단에서 결합된다. 결합된 컨트롤 및 자성 와인딩(4)은 내부 파이프(21)에 권선되고 상기 갭(22)에 위치한다. 또한, 상기 장치는 와인딩들을 갖는 외부 제 2 코어(25)로 이루어지고, 컨트롤 코어(24)의 외면에 배치되는 링형 코어 코일들(25′, 25″, 25"' 등)을 포함한다. 각각의 링형 코어 코일들(25′, 25″, 25"' 등)은 각 제 2 메인 와인딩 또는 제 2 와인딩(3)에 권 선되는 자화 물질인 링으로 이루어진다(명확히 하기 위하여 하나만 나타냄). 제 1 메인 와인딩 또는 제 1 와인딩(2)은 컨트롤 코어(24)의 내부 파이프(21)를 외부 코어(25)의 외면을 따라 N1번(N1= 1, …r) 통과된다.

또한, 컨트롤 코어(24)내에 위치하는 제 2 코어를 고려할 수 있고, 이 경우 제 1 와인딩(2)은 컨트롤 코어(24)의 외면을 따라 링형 코어(25)를 통과한다.

도 55는 본 발명에 따른 자기적으로 영향을 받는 전압 조정기의 제 2 실시예를 나타내는 것으로서, 제 1 릴럭턴스 제어 코어(24) 및 제 2 코어(25)를 갖고, 각각이 자화 물질로 이루어지며 폐쇄된 자기 회로의 형태로 설계되어 상기 코어들이 병렬이 된다. 적어도 하나의 제 1 전기 전도체(8)는 상기 폐회로의 적어도 일부분을 따라 제 1 및 제 2 코어들의 횡단측면에 대한 메인 와인딩(2)에 권선된다. 또한, 적어도 하나의 제 2 전기 전도체(9)는 상기 폐회로와 일치하는 형태로 릴럭턴스 제어 코어(24)에 와인딩(4)으로서 결합될 수 있다. 그리고, 적어도 하나의 제 3 전기 전도체(27)는 상기 폐회로의 적어도 일부분을 따라 상기 제 2 코어(25)의 횡단측면에 감겨진다. 제 1 전도체(8)의 와인딩(2)과 제 2 전도체(9)의 와인딩에서 자기장의 방향은 직교이다. 이러한 솔루션에 의해, 제 1 전도체(8) 및 제 3 전도체(27)는 각각 제 1 와인딩(2)과 제 2 와인딩(3)을 형성한다.

도 56은 본 발명에 따른 전압 커넥터를 위한 전기공학적 구성 심볼(schematic symbol)의 제안을 나타낸다. 도 57은 상기 전압 커넥터를 위한 블록도 심볼의 제안이다.

도 58은 컨트롤 와인딩(4)과 컨트롤 자속 B2(H2)가 포함되지 않은 자기 회로를 나 타낸다.

도 59 및 도 60은 상기 전압 커넥터를 위한 전기공학적 구성 심볼을 제안하는 것으로서, 컨트롤 코어(240의 릴럭턴스는 릴럭턴스가 고정된 제 1 코어(25)와 가변 릴럭턴스를 갖는 제 2 코어(24)사이의 자속을 이동시킨다(일 예로, 도 55 참조).

물론, 가변 릴럭턴스를 갖는 2개의 코어들을 구비하는데는 어떠한 제한도 없다. 동일한 와인딩내에서 두 와인딩들간에 자속이 이동할 수 있다는 사실을 채택함으로써, 상기 메인 코어의 자성 경로와 무관하게 전압을 온/오프시킬 수 있는 자기 스위치(magnetic switch)를 만들 수 있다. 이것은 원하는 스위칭 시간을 선택할 수 있는 것만 제외하고는, GTO와 같은 기능을 하는 스위치를 갖는다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 장치는 많은 서로 다른 커넥션들에 사용될 수 있고, 특히 적절한 그 예들은 이하에서 설명될 것이다.

도 61은 교류전류 회로에서 본 발명을 사용하여 빛 소스, 열 소스 또는 다른 부하(load)일 수 있는 부하 RL로 전압을 제어하는 것을 나타낸다.

도 62는 3상 시스템에서 본 발명의 사용을 나타내는 것으로서, 각 위상의 전압 커넥터는 다이오드 브릿지(diode bridge)에 연결되어 상기 다이오드 브릿지의 출력 전압의 선형 레귤레이션(linear regulation)에 사용될 수 있다.

도 63은 DC-DC 변환기들의 가변 초크로서의 사용을 나타낸다.

도 64는 콘덴서들을 갖는 필터의 가변 초크로서 사용하는 것을 나타낸다. 여기서, 직렬 및 병렬 필터(각각 도 64a 및 도 64b)만을 나타내었지만, 가변 인덕턴스는 많은 필터 위상학(filter topology)들에 사용될 수 있다.

특히 도 14 및 도 45에서 언급된 본 발명의 다른 응용예는 도 59에 나타낸 구성 심볼을 제안하는 것이다. 이런 응용예에서, 전압 커넥터는 제 2 와인딩이 부가되는 전압 변환기의 기능을 갖는다. 또한, 전압 조정기로서의 응용예도 나타내고, 변압기 커넥션의 자기 전류와 누출 리액턴스는 컨트롤 와인딩(4)으로 제어할 수 있다. 이런 시스템의 특징은 변압기 방정식을 적용하는 동시에 자기 전류가 μ_r을 변화시킴으로써 제어될 수 있다는 것이다. 따라서, 이 경우 변압기의 특성은 어느 정도까지 조정될 수 있다. 하나의 와인딩(2)에 DC 전압이 인가되면, μ_r을 가변함으로써 변압기를 통해 전이된 에너지를 얻을 수 있으므로, 전압인가(excitation)를 가변시키는 대신에 릴럭턴스 제어 코어의 자속을 변화시킬 수 있다. 따라서, 이론상 이러한 시스템에서 DC 발생기(generator)로부터의 자성 전류의 변화가 타측의 와인딩에 전이될 수 있다는 사실에 의해 DC 전압을 통해 AC 전압을 생성할 수 있다.

도 46 및 도 47은 본 발명의 또 다른 응용예를 나타내는 것으로서, 컨트롤 코어로서 가변 릴럭턴스는 분리된 와인딩들을 갖는 하나 이상의 분리된 코어들로 둘러싸이고, 도 55에서 제 1 릴럭턴스 제어 코어 및 제 2 코어는 폐쇄된 자기 회로로 설계되며 상기 코어들은 병렬이다. 또한, 도 65는 평형 전기회로를 나타낸다.

도 55는 본 발명의 자속들이 어떻게 코어들에서 이동하는지를 나타낸다. 컨트롤 코어의 자속은 두 코어들을 포함하는 와인딩들에 의해 동작 코어의 자속과 연결된다. 이러한 시스템에서, 전기 에너지의 전이는 컨트롤 코어 및 동작 코어와 접속/비접속되는 자속에 의해 제어될 수 있다. 상기 코어들간의 자속들은 페러데이의 유도법 칙을 통해 상호 연결되기 때문에, 일측 방정식과 타측 방정식의 함수 의존도는 상기 자속들간의 커넥션에 의해 제어될 것이다. 선형 응용예에서, 컨트롤 코어의 릴럭턴스를 바꿈으로써 제 1 와인딩과 제 2 와인딩사이의 전압 및 전류의 전이를 제어할 수 있다. 따라서, 여기서 릴럭턴스 제어 변압기(reluctance-controlled transformer)를 소개할 수 있다. 스위치되는 실시예를 위해 릴럭턴스 제어 스위치를 소개 할 수도 있다.

이제, 제 1 메인 와인딩(2)과 제 2 메인 와인딩(3)사이의 자속 커넥션을 설명한다. 릴럭턴스 제어 컨트롤 코어(24) 및 메인 코어(25)를 포함하는 와인딩(2)은 상기 코어들에 자속을 형성한다. 셀프-인덕턴스 L1은 전류 I1이 와인딩(2)을 통과할 때 상기 코어들에 얼마나 많은 자속 또는 자속 회전(flux turn)들이 생성되는지를 나타낸다. 제 1 와인딩(2)과 제 2 와인딩(3)사이의 상호 인덕턴스(mutual inductance)는 와인딩(2)과 전류 I1에 의해 형성되는 자속 회전들이 제 1 와인딩(2)과 제 2 와인딩(3)에서 얼마나 많이 회전되는지를 나타낸다.

물론, 릴럭턴스 제어되는 메인 코어(25)를 생각해 볼 수 있지만, 간단히 하기 위해 여기서는 릴럭턴스가 일정한 메인 코어(25)와 릴럭턴스가 가변되는 컨트롤 코어(24)를 갖는 시스템을 언급한다.

자속 라인들은 가장 높은 투과(투과율이 가장 높음)를 주는, 즉 가장 적은 릴럭턴스를 갖는 경로를 따라 흐른다,

도 55 및 도 65에서 메인 와인딩(2, 3)의 누출 자기장(leakage field)을 고려하지 않았다. 도 55는 제 1 와인딩(2)과 제 2 와인딩(3)들이 각각 변압기 다리부에 권선 되고, 바람직하게는 실제로 동일한 변압기 다리부에 권선되며, 일 예로 본 발명의 경우에 메인 코어(25)인 외부 링 코어는 전체의 코어(25)를 따라 배분되는 제 2 와인딩(3)에 권선된다. 마찬가지로, 메인 코어(25) 및 동심으로 상기 메인 코어내에 위치하는 컨트롤 코어(24)에 제 1 와인딩(2)이 권선된다.

도 65는 본 발명에 따른 장치의 대략적인 릴럭턴스 모델을 나타낸다.

도 65b는 본 발명에 따른 대략적인 전기 평형도를 나타내는 것으로서, 릴럭턴스들은 인덕턴스들로 대체된다.

와인딩(2)의 전류는 코어들(24, 25)에 자속을 생성한다:

40)

여기서, Φ_p = 와인딩(2)의 전류에 의해 형성되는 총 자속, Φ_k= 컨트롤 코어(24)를 통해 이동하는 총 자속, Φ₁= 메인 코어(25)를 통해 이동하는 총 자속의 일부이다.

메인 코어(24) 및 컨트롤 코어(25)의 누출 자속은 무시될 수 있기 때문에,

41)

Φ_k는 컨트롤되는 누출 자속에 의해 무시될 수 있다.

도 65를 기반으로, 도 65b에 나타낸 자기 회로를 위한 극히 대략적인 전기 평형도를 공식화할 수 있다.

따라서, 도 65b는 릴럭턴스 제어되는 커넥터의 원리를 나타내고, 인덕턴스 L_k는 일측으로부터의 전압을 흡수한다.

42)

이러한 인덕턴스는 컨트롤 코어(24)의 가변 릴럭턴스를 통해 제어될 수 있으므로, 제 1 와인딩에 인가되는 사인곡선인 안정상태 전압을 위한 커넥션 또는 전압 분할은 방정식 43에 나타낸 것처럼 각 코어들의 인덕턴스간의 비율과 대략 일치할 것이다.

43)

컨트롤 코어(24)가 포화상태라면, L_k는 L_m과 비교하여 매우 작고 상기 전압 분할은 회전수 N1/N3의 비율에 따라 결정될 것이다. 상기 컨트롤 코어가 오프 상태일 때, L_k는 크고, 동일한 범위로 타측으로의 전압 전이를 차단할 것이다.

인가되는 전압과 주파수에 대한 코어들의 자성은 메인 코어(25)와 컨트롤 코어(24)가 포화상태로 가지 않고 전체의 시간에 대한 전압 적분을 각각 분리 흡수하는 비율이 된다. 본 발명에서, 상기 컨트롤 및 동작 코어들상의 철의 면적은 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 동일하다.

컨트롤 코어(24)는 메인 와인딩(2)으로 인해 포화상태가 되지 않기 때문에, 컨트롤 코어(24)를 동작 자속 B1(H1)과 무관하게 리셋할 수 있다. 따라서, 본 발명의 장치들로 자기 스위치를 실현하는 본 발명의 목적을 달성할 수 있다. 필요하다면, 메인 코어(25)는 필요한 MMF에 의한 펄스 또는 반주기 이후에 리셋되어 다음 반주기로 돌아가서 자기 전류의 왜곡(distortion)을 보상할 수도 있다.

스위치되는 응용예에서, 상기 스위치가 오프(off)될 때, 즉 제 1 와인딩(2)의 자속이 컨트롤 코어(24)와 동작 코어(25)사이에 배분될 때, 제 1 및 제 2 와인딩(2, 3)간의 자속 커넥션이 미세하여 제 1 및 제 2 와인딩(2, 3)사이에 거의 에너지 전이가 일어나지 않는다.

상기 스위치가 온(on)되면, 즉 컨트롤 코어(24)의 릴럭턴스가 매우 낮아서(μ_r=10 ~ 50) 에어 코일(air coil)의 릴럭턴스와 가까워질 때, 제 1 와인딩 및 제 2 와인딩(2, 3)사이에 매우 우수한 자속 커넥션과 에너지 전이를 갖는다.

본 발명의 중요한 응용예는 릴럭턴스 제어되는 스위치들을 갖는 주파수 변환기와 DC-AC 또는 AC-DC 변환기로서, 통상의 주파수 변환기 커넥션들 및 정류기 커넥션들에 릴럭턴스 제어되는 스위치를 채택할 수 있다.

주파수 변환기의 변형예는 3상 시스템의 각 위상으로부터 사인 전압(sinus voltage)의 비트들을 부가함으로써 실현될 수 있고, 상기 각 위상은 분리된 릴럭턴스 제어 코어에 연결되며, 상기 부가 코어들과 릴럭턴스 제어 코어들을 통한 공통 와인딩(common winding)을 통해 릴럭턴스 제어 코어들에 자기적으로 연결되는 하나 이상의 부가 코어들과 교대로 접속된다. 사인 전압의 일부는 릴럭턴스 제어 코어들로부터 상기 부가 코어 및 서로 다른 주파수를 갖는 전압으로 연결될 수 있다.

DC-AC 변환기는 DC 전압을 동작 코어를 포함하는 메인 와인딩에 연결시킴으로써 구현될 수 있고, 이 때 상기 동작 코어는 제 2 와인딩에 권선되어, 동작 코어 및 컨트롤 코어사이의 자속 커넥션을 사인곡선으로 변화시킴으로써 사인 전압을 얻을 수 있다.

도 66은 자기 스위치를 위한 커넥션을 나타낸다. 물론, 이것은 조절 변압기(adjustable transformer)로서 작용할 수 있다.

도 67 및 도 67a는 3상 설계의 일 예를 나타내는 것으로서, 모든 다른 종류의 3상 정류기 커넥터들이 가능할 수 있다. 12펄스 커넥터의 각 출력(outlet)에 다이오드 브릿지 또는 각각의 다이오드들 연결함으로써, 조절 정류기를 얻을 수 있다.

조절 변압기로서의 응용예에서, 릴럭턴스 제어 코어의 크기는 변압기에 필요한 전압의 조절 범위(0-100% 또는 80-100%)에 의해 결정된다.

도 67b는 본 발명에 따른 장치를 주파수 변환기의 커넥터로 사용하는 것을 나타낸 것으로서, 상기 주파수 변환기는 비동기 모터의 동작을 위해 입력 주파수를 임의로 선택되는 출력 주파수로 변환하고, 6 또는 12펄스 변압기에서 생성되는 위상 전압 부들을 각 모터 위상에 부가한다(도 67b).

도 68은 UFC(unrestricted frequency changer with forced commutation)의 스위치로서 사용되는 장치를 나타낸다.

도 69는 본 발명에 따른 6개의 장치들(28 내지 33)를 포함하는 회로를 나타낸다. 상기 장치들(28 내지 33)은 발생되는 전압의 주기가 기본 주파수의 일부로 구성되는 주파수 변환기들이다. 이것은 (+) 반주기 또는 사인 전압의 반주기 일부를 "통과하도록(letting through)" 작용하여 새로운 사인 전압에서 새로운 (+) 반주기를 만든 후, (-) 반주기 또는 (-) 반주기의 일부를 통과하여 새로운 사인 전압에 (-) 반주기를 생성한다. 이러한 방식으로 사인 전압은 기본 주파수의 10% ~ 100%의 주파수로 생성된다. 또한, 상기 변환기는 출력 전압이 제 1 및 제 2 와인딩간의 커넥션의 릴럭턴스 제어에 의해 조정될 수 있기 때문에 소프트 스타트(soft start)로 작용한다.

도 69에서 커넥터(28) 또는 메인 와인딩(2)을 통해 제 1 반주기가 통과되면, 동일 커넥터에서 제 2 메인 와인딩(3)을 통하는 전류는 커넥터(28, 29 등)의 제 2 메인 와인딩(3)으로 방향이 바뀐다.

도 70은 본 발명에 따른 장치를 DC-AC 변환기로서 사용하는 것을 나타낸다. 여기서, 상기 커넥터의 메인 와인딩(2)에는 DC 전압 U1이 인가되어 도시되지 않은 컨트롤 코어(24) 및 메인 코어(25)에서 자기장 H1(B1)을 형성한다. 회전수 N1, N2, N3와 철의 면적은 어떤 코어들도 안정상태에서 포화가 되지 않는 형태로 설계된다. 컨트롤 코어(24)로의 제어신호, 즉 컨트롤 와인딩(4)의 전압인가(excitation) 과정에서, 자속 B2(H2)는 메인 코어(25)로 전이되고, 상기 코어(25)의 자속 B1(H1)은 제 2 메인 와인딩(3)의 전압을 유도한다. 사인곡선의 제어 전류 I2를 가짐으로써, 사인 전압은 제어 전압 U1과 동일한 주파수를 갖는 제 2 메인 와인딩(3)측상에 생성될 수 있다.

도 70b는 릴럭턴스의 변화를 갖는 변환기로서 본 발명을 사용하는 것을 나타낸다.

도 71은 AC-DC 변환기로서 본 발명에 따른 장치를 사용하는 것을 나타낸다. 여기서, 전술한 도 69의 주파수 변환기에 대한 설명과 동일한 제어 원리가 이용된다. 도 71b는 장치의 시간에 대한 입력 및 출력전압을 나타내는 그래프이다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따른 전압 커넥터는 제너레이터 및 부하사이의 전기 전압의 흡수를 위한 이동부들이 없다. 상기 커넥터의 기능은 상기 제너레이터와 부하사이의 전압을 미량의 제어 전류로 0% ~ 100%까지 제어할 수 있다는 것이다. 또한, 상기 커넥터는 전압 스위치로서 사용될 수 있고, 전압 곡선을 형성하여 전이할 수 있다.

상기한 본 발명에 따른 새로운 기술은 레귤레이션(regulation: 안정화)을 위해 필요한 현존하는 다이오드 정류기들을 업그레이드시키는데 사용될 수 있다. 12펄스 또는 24펄스 정류기 시스템에서, 0 ~100%의 제어 정류를 갖는 간략한 형태로 상기 시스템의 전압을 조정할 수 있다.

본 발명에 포함되는 자기 물질들은 비용/이득(cost/benefit) 함수를 기초로 선택된다. 상기 비용은 시장성, 선택된 다양한 솔루션들에 대한 생산성 및 가격과 같은 몇몇 요소들과 관련된 것이다. 상기 이득 함수는 물질의 형태 및 자기 특성(magnetic property)들을 포함하는 상기 물질이 요구하는 전기전자공학적 함수를 기초로 한다. 자기 특성들은 히스테리시스 손실(hysteresis loss), 포화 자속 레벨, 투과율, 상기 물질의 두 메인 방향에서의 자기 용량(magnetisation capacity) 및 자기력(magnetostriction)을 포함하여 중요하게 고려된다. 전기는 에 너지 소스들에 주파수, 전압 및 전력을 통합하고, 본 발명과 관련한 유저들은 물질을 선택할 것이다. 적합한 물질들은 다음을 포함한다:

a) 철-실리콘강(Iron-silicon steel): 약 0.1㎜~0.3㎜ 두께와 10㎜~1100㎜의 폭으로된 조각(strip)으로 제조되어 코일에 감김. 가격 때문에 대형 코어들에 가장 바람직하고 이미 제조기술이 개발됨. 낮은 주파수에서 사용됨.

b) 철-니켈 합금(퍼멀로이: permalloy) 및/또는 철-코발트 합금(퍼멘더: permendur): 조각으로 제조되어 코일에 감김. 매우 특별한 특성들이 함양된 서브그룹(subgroup)들이 구비된 특별한 자기 특성들을 갖는 합금들이다.

c) 비결정성 합금(amorphous alloy), 매트글래스(Metglas): 약 20㎛~50㎛의 두께와 4㎜~200㎜의 폭으로 된 조각으로 제조되어 코일에 감김. 거의 0의 자성을 갖는 매우 높은 투과율, 매우 낮은 손실을 이룰 수 있음. 철기반, 코발트기반 등 셀 수 없이 많은 변형예들이 있음. 훌륭한 특성을 갖지만 고가임.

d) 연철(soft ferrites): 변환기 산업에서 개발되었고 특별한 형태로 소결(燒結)됨. 적은 손실로 인해 높은 주파수에서 사용됨. 낮은 자속밀도. 낮은 손실. 물리적으로 실현할 수 있는 크기에 제한이 있음.

e) 압축 파우더 코어: 특별한 응용들을 위해 개발된 특별한 형상의 압축 철 파우더 합금. 낮은 투과율, 일당(to-day) 최대 약 400~600. 낮은 손실이지만 높은 자속 밀도. 매우 복잡한 형태로 제조될 수 있음.

소결되고 압축성형된 모든 코어들은 그 실제적인 형상이 폐쇄된 자기장 경로들이 자기장들에 적합하게 이루어지기 때문에 특별한 자기장 커넥터들을 필요로 함이 없 이 본 발명과 연동된 위상학들로 구성될 수 있다.

코어들이 감겨진 메탈판을 기반으로 형성된다면, 하나 이상의 자기장 커넥터들이 추가되어야 할 것이다.

잘 알려진 에너지 변환기 기술의 연장선상에서, 본 발명은 특히 전력 전자분야의 몇몇 요소인 전압 커넥터, 전류 조정기 또는 전압 변환기로서 적합하다. 본 발명의 특징은 컨트롤 와인딩(control winding)과 메인 와인딩(main winding)사이의 전이성(transformative) 혹은 유도성(inductive) 커넥션이 대략 0이라는 점과, 상기 메인 와인딩의 인덕턴스(inductance)가 상기 컨트롤 와인딩의 전류를 통해 조정되고, 변압기 구성의 제 1 와인딩과 제 2 와인딩사이의 자기적 커넥션(magnetic connection)이 상기 컨트롤 와인딩의 전류를 통해 조정될 수 있다는 점이다.

예를 들어, 정류(rectification) 분야에서 본 발명은 대 정류기(large rectifier)의 고전압 입력 조정에 채택될 수 있으며, 이는 전체의 전압 범위에 대하여 다이오드 정류기를 이용할 수 있다는 장점이 있다. 비동기식 모터(asynchronous motor)에 있어서, 본 발명은 고전압 모터의 소프트 스타트(soft start)와 관련하여 이용해 볼 수 있다. 또한, 본 발명은 전력 라인들의 전압 조정과 관련한 전력 분배 분야에 이용하기 적합하고, 네트워크상에서 연속 제어되는 리액턴스를 갖는 전력의 보상(compensation)에 이용될 수도 있다.

상기한 장치의 사용에 국한하여 생각하지 않더라도, 본 발명은 입력 주파수를 임의로 선택되는 출력 주파수로 변환하기 위한 주파수 변환기의 일부 구성이 될 수 있 고, 상기 주파수 변환기는 비동기식 모터의 동작을 위한 것이 바람직하다. 상기 주파수 변환기의 입력측은 3상 공급되고, 위상 전도체(phase conductor)에 의한 상기 변환기의 3상 출력을 위해 상기 입력은 적어도 하나의 변압기로 이송되며, 상기 변압기의 출력들은 상기 3상 출력들중 하나를 형성하기 위하여 각각 선택적으로 제어될 수 있는 전압 커넥터들 또는 상기 변압기와 부가적으로 결합된 전압 커넥터들에 의해 연결될 수 있다.

상기 장치는 AC 전압의 주파수가 연속 조절될 수 있으며 DC 전압을 AC 전압으로 직접 변환하는 직접 변환기(direct converter)로서 응용될 수 있다.

특히 큰 깊이에서 이런 종류의 주파수 변환기를 사용하는 것은 가변 속도를 갖는 고용량의 펌프(pump)들이 요구될 것이다. 주변 시스템에서의 펌핑(pumping)은 수중의 위치에서 수면 위의 위치로 끌어올리는 작업을 수행하고, 수중의 지점으로부터 저장소로 용수의 주입을 수행할 것이다.

Claims (40)

1. 각각이 자기 회로가 구비된 자화 물질로 이루어지는 제1몸체(6)(20) 및 제2몸체(7)(21);

   상기 회로의 일부분을 따라 권선되어 제1메인 와인딩(2)을 형성하는 적어도 하나의 제1전기 전도체(8); 및

   상기 제1몸체(6)(20) 또는 제2몸체(7)(21)의 일부분을 따라 권선되어 제2 메인 와인딩(4) 또는 컨트롤 와인딩(4′)(4″)을 형성하는 적어도 하나의 제2전기 전도체(9);

   를 포함하며, 상기 몸체들에 직교 자기장(H1, B1 및 H2, B2)을 제공하여 상기 컨트롤 와인딩(4′)(4" )의 자기장(H2, B2)에 의해 상기 제1메인 와인딩(2)의 자기장(H1, B1)에 비례하는 상기 자화물질의 작용을 제어하기 위한 목적으로, 상기 제1메인 와인딩(2)의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축(A2)은 상기 컨트롤 와인딩(4′)(4" )의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축(A4)과 직각이고, 상기 제1 및 제2몸체들은 밖으로 감겨진 자기 물질로 이루어지며, 상기 제1 및 제2몸체들의 각 단면들과 자기적으로 상호 연결되는 제1자기장 커넥터(10) 및 제2자기장 커넥터(11), 상기 제1 및 제2몸체들에 의해 상기 직교 자기장(H1, B1 및 H2, B2)을 위해 낮은 손실의 폐쇄된 자기 회로가 구비되는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 자기장 커넥터들(10)(11)은 각각 제1전도체(8) 또는 제2전도체(9)의 삽입을 용이하게 하고 상기 전도체(8)(9)로부터 자기장 H1(B1)의 자기장 경로를 방해하기 위한 갭(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 전류 또는 전압 조정기는 1회전을 위해 권선되어 제3메인 와인딩(3)을 형성하는 제3전기 전도체(27)를 포함하며, 상기 제3메인 와인딩(3)의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축(A3)은 상기 제1메인 와인딩(2)의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축(A2)과 일치하거나 평행하여서, 적어도 하나의 와인딩에 전기가 인가되면 상기 제1메인 와인딩(2)과 제3메인 와인딩(3) 사이에 변압기 작용을 제공하는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 전류 또는 전압 조정기는 적어도 1회전을 위해 권선되어 제3메인 와인딩(3)을 형성하는 제3전기 전도체(27)를 포함하며, 상기 제3메인 와인딩(3)의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축(A3)은 상기 컨트롤 와인딩(4')(4")의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축(A4)과 일치하거나 평행하여서, 적어도 하나의 와인딩에 전기가 인가되면 상기 제3메인 와인딩(3)과 컨트롤 와인딩(4')(4") 사이에 변압기 작용을 제공하는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1몸체(6) 및 제2몸체(7)는 파이프형으로서, 상기 제1전도체(8) 또는 제2전도체(9)가 상기 제1몸체(6) 및 제2몸체(7)를 통해 연장될 수 있으며, 상기 자기장 커넥터(10)(11)들은 상기 전도체(8)(9)들을 위한 홈(12)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제1몸체(6) 및 제2몸체(7)는 병렬인 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제1몸체(6) 및 제2몸체(7)의 단면들과 상기 자기장 커넥터들(10)(11) 사이에는 절연 필름(15)이 구비되는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,

   상기 제1몸체(6) 및 제2몸체(7)는 2개 이상의 코어부(16)(16')(16")를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
9. 제8항에 있어서,

   상기 전류 또는 전압 조정기는 상기 코어부(16)(16')(16") 사이에 배치되는 절연층(17)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
10. 제6항 또는 제7항에 있어서,

    상기 제1몸체(6) 및 제2몸체(7)는 원형, 정방형, 사각형, 삼각형 또는 육각형 횡단부를 갖는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    상기 제1몸체(20) 및 제2몸체(21)는 서로 동심으로서 공유축(A1)을 갖고, 상기 제1전기 전도체(8)는 적어도 1회전을 위해 상기 제1몸체(20) 및 제2몸체(21)에 권선되어 제1메인 와인딩(2)을 형성하며, 상기 제2전기 전도체(9)는 상기 제1몸체(20) 및 제2몸체(21) 사이의 갭(22)에 구비되고 적어도 1회전을 위해 상기 몸체들의 공유축(A1)에 권선되어 제2메인 와인딩(4) 또는 컨트롤 와인딩(4')(4")을 형성하거나, 상기 제1전기 전도체(8)가 상기 제1몸체(20) 및 제2몸체(21) 사이의 갭(22)에 구비되고 적어도 1회전을 위해 상기 몸체의 공유축(A1)에 권선되어 제1메인 와인딩(2)을 형성하고, 상기 제2전기 전도체(9)는 적어도 1회전을 위해 상기 제1몸체(20) 및 제2몸체(21)에 권선되어 제2메인 와인딩(4) 또는 컨트롤 와인딩(4')(4")을 형성하는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
12. 제11항에 있어서,

    상기 전류 또는 전압 조정기는, 상기 제1몸체(20)의 외면과 결합되는 외부 코어(25)가 구비되며, 상기 제1몸체(20) 및 제2몸체(21)와 서로 동심으로서 공유축(A1)을 갖는 부가 파이프형 몸체를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
13. 제12항에 있어서,

    상기 전류 또는 전압 조정기는 1회전을 위해 상기 외부 코어(25)에 권선되어 제3메인 와인딩(3)을 형성하는 제3전기 전도체(27)를 포함하며, 상기 제3메인 와인딩(3)의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축(A3)은 상기 제1메인 와인딩(2)의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축(A2)과 일치하거나 평행하여서, 적어도 하나의 와인딩에 전기가 인가될 때 상기 제1메인 와인딩(2)과 제3메인 와인딩(3) 사이에 변압기 작용을 제공하거나, 상기 제3메인 와인딩(3)의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축(A3)은 상기 컨트롤 와인딩(4')(4")의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축(A4)과 일치하거나 평행하여서, 적어도 하나의 와인딩에 전기가 인가될 때 상기 제3메인 와인딩(3)과 컨트롤 와인딩(4')(4") 사이에 변압기 작용을 제공하는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
14. 제13항에 있어서,

    상기 외부 코어(25)는 다수의 고리부(25′)(25″)로 이루어지며, 상기 제1메인 와인딩(2) 또는 제3메인 와인딩(3)은 각 고리부에 개별적인 와인딩들을 형성하는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
15. 제13항에 있어서,

    상기 외부 코어(25)는 다수의 고리부(25′)( 25″)로 이루어지며, 상기 컨트롤 와인딩(4')(4") 또는 상기 제3메인 와인딩(3)은 각 고리부에 개별적인 와인딩들을 형성하는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
16. 자기회로가 구비된 자화 물질로 이루어지고 두 개의 코어부(16)(16')와 홈(12)을 포함하는 몸체;

    상기 회로의 일부분을 따라 권선되어 제1메인 와인딩(2)을 형성하는 적어도 하나의 제1전기 전도체(8); 및

    상기 몸체의 일부분을 따라 권선되어 제2메인 와인딩(4) 또는 컨트롤 와인딩(4')(4″)을 형성하는 적어도 하나의 제2전기 전도체(9);

    를 포함하며, 상기 몸체에 직교 자기장(H1, B1 및 H2, B2)을 제공하여 상기 컨트롤 와인딩(4')(4")의 자기장(H2, B2)에 의해 상기 제1메인 와인딩(2)의 자기장(H1, B1)과 비례하는 자화 물질의 작용을 제어하기 위한 목적으로, 상기 제1메인 와인딩(2)의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축(A2)은 상기 컨트롤 와인딩(4')(4")의 회전 또는 회전들을 위한 와인딩 축(A4)과 직각이고, 상기 자화 물질은 소결되거나 압축 파우더성형 물질이며, 외부 코어 및 내부 코어의 일부를 형성하는 적분되는 자기장 커넥터들에 의한 상기 직교 자기장(H1, B1 및 H2, B2)을 위해 낮은 손실의 폐쇄된 자기 회로가 구비되어, 상기 코어부들과 자기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
17. 제1항 또는 제16항에 있어서,

    상기 전류 또는 전압 조정기는 주파변환기 커넥션으로 비동기식 모터의 동작을 위하여 입력 주파수를 임의로 선택되는 출력 주파수로 변환하기 위한 주파수 변환기의 구성으로 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
18. 제1항 또는 제16항에 있어서,

    상기 전류 또는 전압 조정기는 비동기식 모터의 동작과 6 또는 12 펄스 변압기에서 생성되는 위상 전압의 일부를 각 모터 위상에 합산하기 위하여, 입력 주파수를 임의로 선택되는 출력 주파수로 변환하기 위한 주파수 변환기의 커넥터로서 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
19. 제3항에 있어서,

    상기 전류 또는 전압 조정기는 DC 전압/전류를 임의로 선택되는 출력 주파수의 AC 전압/전류로 변환하는 DC-AC 변환기로서 사용될 수 있고, DC 공급된 상기 제1메인 와인딩(2)의 인덕턴스에 축적된 자기 에너지는 상기 인덕턴스에 영향을 주는 직교 컨트롤 자기장에 의해 가변되어서, 자속 가변/인덕턴스 가변 주파수와 동일한 주파수를 갖는 상기 전류 및 전압 조정기의 상기 제3메인 와인딩(3)에 AC 전압을 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
20. 제19항에 있어서,

    상기 전류 또는 전압 조정기가 3개 구비되고, 상기 3개의 전류 또는 전압 조정기가 상호 연결되어 임의로 선택되는 출력 주파수를 갖는 3상 전압을 생성하고 비동기식 기계에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
21. 제1항 또는 제16항에 있어서,

    상기 전류 또는 전압 조정기는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는데 사용되며, 릴럭턴스 제어되는 가변 변압기로 사용되어, 그 출력 전압은 분리된 상기 제2메인 와인딩을 갖는 외부 또는 내부 코어와 병렬 또는 직렬로 자기적으로 연결되는 코어의 릴럭턴스 변화에 비례하고, 3개 이상의 상기 릴럭턴스 제어 변압기들이 다이오드 출력단계에 6 또는 12펄스 정류기 커넥션들을 위한 3상 정류기 커넥션들과 연결되는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
22. 제1항 또는 제16항에 있어서,

    상기 전류 및 전압 조정기는 AC 전압을 DC 전압으로 변환하는 정류기에 사용되며, 상기 전류 및 전압 조정기는 통상의 변압기 커넥션들상의 상기 제1메인 와인딩들과 직렬인 가변 인덕턴스로서 사용되는 전압 커넥터들을 형성하고, 3개 이상의 상기 변압기들이 다이오드 출력단계에 6 또는 12펄스 정류기 커넥션들을 위한 3상 정류기 커넥션들과 연결되는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
23. 제1항 또는 제16항에 있어서,

    상기 전류 및 전압 조정기는 스위치되는 전원 공급기 분야에 사용되는 AC/DC 또는 DC/AC 변환기들로 사용되며, 상기 전류 및 전압 조정기의 크기를 줄이기 위하여, 릴럭턴스 제어 가변 변압기를 형성하여, 그 출력 전압이 분리된 상기 제2메인 와인딩을 갖는 외부 코어 또는 내부 코어와 병렬 또는 직렬로 자기적으로 연결되는 코어의 릴럭턴스 변화에 비례하는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
24. 제23항에 있어서,

    상기 전류 또는 전압 조정기 일부에 인덕턴스가 형성된 필터들에는 가변 인덕턴스가 제공되는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
25. 제1항 또는 제16항에 있어서,

    상기 전류 또는 전압 조정기는 고전압 분배기 네트워크에서 조절가능한 전압 보상기의 구성으로서 사용되며, 선형 가변 인덕턴스를 생성하는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
26. 제1항 또는 제16항에 있어서,

    상기 전류 및 전압 조정기는 조절가능한 리액턴스를 갖는 전력 보상기(가변 보상기)의 구성으로 사용되며, 적어도 하나의 콘덴서가 구성으로 포함되는 통상의 필터회로들과 연결되는 선형 가변 인덕턴스를 생성하고, 캐패시턴스 또는 인덕턴스가 자동으로 결합되어 리액턴스를 갖는 전력을 보상하는데 필요한 크기로 조정되는 보상기 커넥션의 구성으로서 릴럭턴스 제어 변압기의 형태로 채택되는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
27. 제1항 또는 제16항에 있어서,

    상기 전류 또는 전압 조정기는 AC 전압을 DC 전압으로 직접 변환하기 위한 시스템에 이용되는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
28. 제1항 또는 제16항에 있어서,

    상기 전류 또는 전압 조정기는 DC 전압을 AC 전압으로 직접 변환하기 위한 시스템에 이용되는 것을 특징으로 하는 자기적으로 제어되는 전류 또는 전압 조정기.
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