KR101787135B1

KR101787135B1 - 전기 기계

Info

Publication number: KR101787135B1
Application number: KR1020127026828A
Authority: KR
Inventors: 에릭 앤소니 루이스
Original assignee: 지이 에너지 파워 컨버션 테크놀로지 엘티디
Priority date: 2010-03-17
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2017-10-18
Also published as: US20130127391A1; WO2011113577A1; US9564847B2; KR20130060176A; EP2367265A1; CN102971944A; CA2793081A1; CA2793081C

Abstract

본 발명은 고정자(6)와 다수의 고정자 극을 한정하는 다중-위상 고정자 권선을 포함하는 교류 동기 전기 기계에 관한 것이다. 고정자 권선은 고정자(6)내의 권선 홈(winding slot)(4)내에 수용되는 각각의 위상을 위한 다수의 코일을 각각 포함하는 2개 이상의 코일군(coil group)(그룹 1, 그룹 2...)을 갖는다. 고정자 권선은 전원/싱크(power source/sink)(18)에 접속된다. 코일군(그룹 1, 그룹 2...)은 직렬로 접속되며, 각각의 코일군은 개개의 스위치(26a, 26b...)에 의해 전원/싱크(18)에 접속된다. 이는 하나 이상의 코일군이 관련 전원/싱크(18)로부터 전력을 선택적으로 공급받거나 또는 전력을 관련 전원/싱크(18)로 선택적으로 공급가능하게 한다. 스위치(26a, 26b)는 제어기(32)에 의해 동작된다. 각각의 코일군(그룹 1, 그룹 2...)내의 코일은 고정자(6)의 둘레 주변에 실질적으로 대칭적으로 정렬되어 전기 기계의 선택된 극을 한정하며 특정 코일군 또는 코일군의 조합이 활성화될 때 일정하고 평형화된 회전 토크를 생성한다.

Description

전기 기계{ELECTRICAL MACHINES}

본 발명은 전기 기계(예를 들면, 전동기 및 발전기)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광범위한 속도 범위에서 필수적으로 일정한 전력에서 동작하는데 필요한 영구자석 전기 기계에 관한 것이다.

대표적인 교류 동기 전기 기계(ac synchronous electrical machine)는 고정자상에 설치된 고정자 권선에 의해 둘러 쌓인 회전자상에 설치된 계자(field system)를 포함한다. 고정자 권선은 고정자 어셈블리의 표면내에 형성된 권선 홈(winding slot)내에 위치하는 다수의 코일을 포함할 것이다. 회전자는 슬립 링 또는 브러시리스 여진 전원(brushless excitation power supply)을 가진 통상적인 권선에 의해 발생되는 회전 자계(rotating magnetic field)를 제공한다. 전동 방식으로 동작할 때, 고정자 권선에 공급된 교류 전력은 회전자를 회전시키고 축 토크(shaft torque)와 기력(mechanical power)을 생산하는 원인이 될 것이다.

많은 용도에서, 전기 기계는 일정한 전력에서 속도를 증가시키면서도 전기 기계의 고정자 전압은 더 이상 증가시키지 않는 것이 바람직하다. 이는 속도가 증가함에 따라 회전자 플럭스를 감소시킴으로써 달성될 수 있다. 이와 유사한 전계 약화 제어는 유도기(induction machine)를 사용하여 달성할 수 있다.

그러나, 회전 계자가 영구자석을 사용하는 경우, 동일한 방식으로 회전자 플럭스를 감소시킬 수 없다. 회전자 플럭스가 일정하게 유지되면, 영구자석 전기 기계의 고정자 전압은 속도가 증가함에 따라 증가할 것이다. 이는 이러한 영구자석 전기 기계가 통상 N 배의 정격 절연전압(rated insulation voltage)을 필요로 하고 기계의 정격속도를 N 배로 증가시키기 위해서는 N 배의 기계의 정격전압과 전력을 가진 전력 변환 장치(power converter)를 필요로 할 것이기 때문에 이상적이 아니다.

본 발명은 다수의 권선 홈을 가진 고정자; 및 권선 홈내에 수용된 각각의 위상(phase)을 위한 다수의 코일을 각기 포함하는 2개 이상의 코일군(coil group)을 가지고 있으며 전원/싱크(power source/sink)에 접속되어 있고, 전기 기계의 다수의 극(pole)을 한정하는 다중-위상 고정자 권선(multi-phase stator winding)을 포함하되, 이때 상기 코일군들은 순차적으로 접속되고 각각의 코일군은 별개의 스위치에 의해 전원/싱크에 접속됨으로써 하나 이상의 코일군이 관련 전원/싱크 (associated power supply/sink)로부터 전력을 선택적으로 공급받거나 또는 전력을 관련 전원/싱크로 선택적으로 공급할 수 있으며; 상기 각각의 코일군내의 코일들은 고정자의 둘레에 거의 대칭적으로 배열되어 전기 기계의 선택된 극을 한정하여 특정의 코일군 또는 코일군의 조합이 활성화될 때 일정하고 평형화된 회전 토크를 발생시키는 전기 기계(예를 들면, 교류 동기 전동기 또는 발전기)를 제공한다. 달리 말하면, 고정자 권선의 각각의 코일군의 일측부 또는 일단부(one side or end)는 바람직하게는 적합한 스위치에 의해 관련 전원/싱크에 (하기에 기술된 바와 같이 직접 또는 전력 변환 장치에 의해) 접속된다. 각각의 코일군의 다른 측부 또는 단부는 고정자 권선의 인접 코일군 또는 적합한 단부 접속(end connection)에 접속된다.

코일군들이 공통 전원/싱크에 병렬로 접속될 수 있거나 또는 각각의 코일군이 그 자체의 별개의 전원/싱크에 접속될 수 있다. 고정자 권선이 제 1 스위치에 의해 제 1 전원에 접속된 제 1 코일군 및 제 2 스위치 및 적합한 전력 변환 장치에 의해 상기 제 1 코일군 및 제 2 전원에 순차적으로 접속된 제 2 코일군을 포함하는 교류 기계 가속 회로(ac machine acceleration circuit)에는 후자의 배열이 바람직할 수 있다.

고정자 권선은 각각 전동기로서 동작하는지 또는 발전기로서 동작하는지에 따라 전기 기계에 전력을 공급하거나, 또는 그로부터 전력을 흡수하는 전원/싱크의 증가된 기계 절연성 및 증가된 정격에 대한 요구를 피하는데 필수적인 정전압(constant voltage)에서 넓은 속도범위에 걸쳐 전기 기계가 동작하도록 한다. 예를 들면, 전기 기계는 코일군 또는 코일군들의 조합이 활성화되는지에 따라 단지 적절한 비율의 최대 가용 기계 토크에서만 동작하도록 만들 수 있다.

'활성화(active)' 또는 '활성화된(activated)'이란 용어는 특정 코일군이 관련 전원/싱크 또는 공급 전력으로부터 관련 전원/싱크로 전력을 공급하는 상태를 지칭하는 것으로 간주된다. 이와 유사하게, '비활성화(not active)' 또는 '비활성화된(deactivated)'이란 용어는 특정 코일군이 연합 스위치에 의해 관련 전원/싱크로부터 단리되어 관련 전원/싱크 또는 공급 전력으로부터 관련 전원/싱크로 전력을 공급하지 않는 상태를 지칭하는 것으로 간주된다. 코일군은 그를 관련 전원/싱크에 접속시켜 주는 스위치를 폐쇄시킴으로써 활성화되고 상기 스위치를 개방함으로써 비활성화될 수 있다. 이러한 스위치는 임의의 적합한 타입일 수 있으며, 제어기를 이용하여 적절한 시간에 개폐시킬 수 있다.

스위치, 기계적 링크(mechanical link) 또는 기타 적합한 선택 기구(selecting mechanism)도 또한 개개 쌍의 인접 접속 코일군사이에 제공될 수 있다. 이는 고속 동작에 요구되는 기계 절연성을 감소시키는 것을 도와 준다.

각각의 코일은 하나 이상의 턴(turns)을 가질 수 있으며, 이는 특정의 적합한 타입일 수 있다.

고정자 권선의 코일들은 통상적으로는 통상의 재료(예를 들면 구리)로 제조되는데, 이는 고온 초전도성(high temperature superconducting)(HTS) 재료가 교류 전류에 잘 동작하지 않기 때문이다. 그럼에도 불구하고, 이러한 재료의 사용은 환경이 허락되는 경우에 배제되지 않는다.

전기 기계가 회전자 권선을 포함하는 경우, 이는 통상적으로 직류 전류를 사용할 것이며, 따라서 회전자 코일은 통상의 재료 또는 초전도성(예를 들면 HTS) 재료로 제조될 수 있다. 본 발명은 회전자 코일이 고준위의 저장 자기에너지로 인하여 정상적으로 그들의 플럭스를 신속하게 변화시킬 수 없고 전기 기계가 그의 동작 속도가 증가함에 따라 고정자 전압의 신속한 감소를 이행할 수 없기 때문에 회전자 코일이 HTS 재료를 사용하는 영구자석 또는 회전자 권선을 가진 회전자에 특히 유용하다.

코일들이 각각의 코일군내에서 정렬되고 접속되어 고정자의 표면을 둘러 싸고 있는 일련의 교번하는(alternating) 북극(N극)과 남극(S극)을 한정한다. 보다 구체적으로는, 각각의 S 극을 한정하는 코일에 대한 접속은 각각의 N 극을 한정하여 반대 극성의 자속(magnet flux)을 얻게 되는 코일에 대하여 가역적이다. 각각의 극은 단지 특정 코일군의 코일에 의해서만 한정된다. 달리 말하면, 특정 극은 하나의 코일군중에서 선택된 코일과 또 다른 코일군중에서 선택된 코일의 조합에 의해 한정되지 않는다. 특정 코일군 또는 코일군들의 조합이 활성화되면, 코일들은 고정자의 둘레를 거의 대칭적으로 둘러 싸도록 정렬된 일군의 극을 한정할 것이다.

각각의 코일군은 동일한 갯수의 코일이나 상이한 갯수의 코일을 포함할 수 있다. 따라서, 각각의 코일군은 특정 비율의 최대 가용 토크를 제공할 수 있으며, 특정 비율의 고정자 권선의 코일의 총수를 제공할 수 있다.

하나 또는 각각의 전원/싱크는 예를 들면 교류 전기 배선(ac power grid) 또는 전력 공급망(supply network)에 직접 접속될 수 있다. 하나 또는 각각의 전원/싱크는 예를 들면 가변속도 구동 시스템과 같은 전력 변환 장치 또는 직류 공급 회로망에 고정자 권선을 접속할 수 있는 인버터/정류기 기능을 가진 전력 변환 장치를 포함할 수 있다.

전기 기계는 특정 코일군 또는 코일군들의 조합을 이용하여 동작할 때 정회전 토크 및 회전력을 생성해야만 한다는 것을 쉽게 알 수 있다. 전기 기계는 바람직하게는 래터럴 토크(lateral torque)를 생성하지 않아야 한다. 따라서, 각각의 코일군내의 코일들은 임의의 특정 코일군 또는 코일군들의 조합이 활성화될 때 래터럴 토크를 전혀 생성하지 않으면서 일정하고 평형화된 회전 토크를 생성하는 방식으로 전기 기계의 고정자 조립체의 주변에 위치되거나 정렬된다. 목적하는 일정하고 평형화된 회전 토크를 달성하기 위하여, 각각의 코일군내의 코일들은 고정자의 둘레 주변에 실질적으로 대칭적으로 정렬된다. 이것이 필수적으로 각각의 코일군내의 코일들이 고정자 둘레의 주변에 골고루 분포되어야 한다는 것을 의미하는 것은 아니다.

다중-위상 고정자 권선은 예를 들면 스타(star) 또는 델타(delta) 접속과 같은 적합한 단부 접속에 의해 일단에서 전원/싱크에 접속되고 대향단에서 서로 함께 접속된 2개 이상의 서브-권선(sub-winding)으로 이루어질 수 있다. 하나의 서브-권선은 통상적으로는 3-상 고정자 권선이 1개는 위상 A, 1개는 위상 B, 1개는 위상 C를 위한 3개의 개개 서브-권선을 포함하도록 전기 기계의 각각의 위상에 제공될 것이다. 하나 또는 각각의 전원/싱크는 임의의 적합한 수의 위상을 가질 수 있지만, 전형적으로는 3개이다.

전기 기계는 바람직하게는 다수의 영구자석 또는 회전자 권선을 지지하는 회전자를 더 포함한다. 통상 사용되는 구조에서, 영구자석이 회전자의 방사상 외측 표면상에 형성되거나, 또는 회전자 권선이 회전자의 방사상 외측 표면내에 형성된 권선 홈내에 수용될 것이다. 고정자 권선의 코일들은 고정자의 방사상 내측 표면내에 형성된 권선 홈내에 수용될 것이다. 그러나, 다른 구조도 또한 가능하다.

전기 기계는 위상 디자인에 대하여 하나의 극당 단일의 고정자 홈을 갖거나 또는 하나의 극당 다수의 고정자 홈을 가질 수 있다.

고정자 권선의 각각의 코일군을 형성하는 코일들은 하나의 코일군내의 코일들이 특정의 고정자 극들을 한정하고 또 다른 코일군내의 코일들은 특정의 다른 고정자 극들을 한정하도록 '클럼프(clumps)'로 정렬될 수 있다. 이러한 경우, 각각의 코일군의 코일들은 고정자 둘레의 주변에 고루 분포되지 않으며, 코일군들은 특정의 유효한 각도로 중첩되지 않는다. 그럼에도 불구하고, '클럼프'로 정렬된 경우에 조차도, 코일들이 아직도 고정자의 둘레의 주변에 실질적으로 대칭적으로 정렬된다는 것은 쉽게 인지될 것이다. 다른 방법으로, 전기 기계가 위상 디자인에 대하여 하나의 극당 다수의 고정자 홈을 가지고 있는 경우, 하나의 코일군내의 코일들이 모든 고정자 극을 한정할 수 있고 또 다른 코일군내의 코일들도 또한 모든 고정자 극을 한정할 수 있다. 이러한 경우, 각각의 코일군의 코일들은 고정자 둘레의 주변에 고루 분포되고 코일군들은 중첩된다. 서로 다른 토크(즉, 서로 다른 비율의 최대 가용 토크)는 각각의 코일군이 서로 다른 갯수의 코일들을 갖거나 서로 다른 갯수의 턴들을 가진 코일을 갖도록 만들거나, 각각의 코일군내의 코일들을 불연속 '클럼프'로 분할하거나, 각각의 코일군내의 코일들이 서로 다른 갯수의 선택된 고정자 극들을 한정하도록 만들거나, 또는 이들의 특정 조합에 의해 얻을 수 있다.

각각의 고정자 홈내에 임의의 편리한 갯수의 코일들을 고정시킬 수 있다.

본 발명은 고정자 권선이 제 1 회전 토크를 갖도록 스위치중의 적어도 하나의 스위치를 선택적으로 동작시켜 하나 이상의 코일군을 활성화시키거나 비활성화시키는 단계, 및, 전기 기계의 동작 파라미터에 있어서의 변화에 따라, 고정자 권선이 제 1 회전 토크와는 다른 제 2 회전 토크를 갖도록 스위치중의 적어도 하나의 스위치를 선택적으로 동작시켜 하나 이상의 코일군을 활성화시키거나 비활성화시키는 단계를 포함하는 상술된 바와 같은 전기 기계의 동작 방법을 제공한다.

예를 들면, 전기 기계의 동작 속도가 증가함에 따라, 고정자 권선의 코일군들을 적절히 활성화시키고/시키거나 비활성화시킴으로써 회전 토크를 감소시킬 수 있다. 이는 계자 약화(field weakening)와 유사하게 동작하여 전기 기계가 실질적으로 일정한 전압을 가진 광범위한 속도 범위에서 동작이 가능하게 한다.

고정자 권선은 또한 전기 기계를 그의 정격 속도 이하로 가속시키는데 유용하게 사용될 수도 있다(즉, 고정자 권선은 교류 기계가속 회로(ac machine acceleration circuit)의 일부를 형성한다). 통상적인 배열에서, 연합 입출력 변압기(associated input and output transformer)를 가진 적합한 전력 변환 장치에 의해 가변 전압 및 가변 주파수가 고정자 권선에 공급될 수 있다. 전기 기계가 그의 정격 속도에 도달하면, 그의 고정자 전압은 전력 변환 장치에 의해, 예를 들면, 접점 고정 전압(nominally fixed voltage) 및 접점 고정 주파수(nominally fixed frequency)에서 동작하는 교류 전기배선 또는 공급망에 의해 공급되는 교류 공급 전압과 정렬되도록 제어될 수 있다. 이어서, 고정자 권선을 위한 전원을 전력 변환 장치에서 교류 전기배선 또는 공급망쪽으로 스위칭시켜 전력 변환 장치를 동작시킴으로써 발생하는 손실을 피할 수 있다.

상기 배열은 입출력 변압기의 사용을 필요로 한다. 전기 기계를 가속시키는데 고정자 권선이 사용되는 경우, 2개의 이러한 변압기중의 하나(전형적으로는 출력 변압기)의 사용을 피할 수 있다.

교류 기계 가속 회로의 경우, 고정자 권선은 직렬로 접속된 제 1 코일군 및 제 2 코일군을 포함하는 것이 바람직하다. 제 1 코일군은 제 2 코일군에 교류 전력을 제공하는 제 2 스위치 및 전력 변환 장치에 의해 관련 전원(associated power source)에 접속된다.

제 1 및 제 2 코일군들은 공통 전원(common power source)에 접속될 수 있다. 다른 방법으로, 제 1 코일군은 제 1 전원에 접속되고, 제 2 코일군은 제 2 전원에 접속된다.

입력 변환 장치는 전력 변환 장치와 제 2 스위치 사이에 제공될 수 있다.

또한 본 발명은 전기 기계가 실질적으로 그의 정격 속도에 도달할 때까지 전력 변환 장치로부터 고정자 권선의 제 2 코일군에 교류 전력을 공급하는 단계; 및 공통 전원으로부터 고정자 권선의 제 1 및 제 2 코일군들에 교류 전력을 공급하여 전기 기계를 실질적으로 그의 정격 속도에서 동작시키는 단계를 포함하여, 제 1 및 제 2 코일군들이 공통 전원에 접속되어 있는 상술된 바와 같은 전기 기계를 가속시키는 방법을 제공한다.

본 발명은 또한 전기 기계가 실질적으로 그의 정격 속도에 도달할 때까지 전력 변환 장치로부터 고정자 권선의 제 2 코일군에 교류 전력을 공급하는 단계; 및 제 1 전원으로부터 고정자 권선의 제 1 및 제 2 코일군들에 교류 전력을 공급하여 전기 기계를 실질적으로 그의 정격 속도에서 동작시키는 단계를 포함하여, 제 1 코일군이 제 1 전원에 접속되어 있고 제 2 코일군이 제 2 전원에 접속되어 있는 상술된 바와 같은 전기 기계를 가속시키는 방법을 제공한다.

도 1은 영구자석 전기 기계용의 통상적인 고정자 권선을 나타내는 개략도이다.
도 2는 2개의 코일군을 가진 본 발명에 따른 고정자 권선의 제 1 부분을 나타내는 개략도이다.
도 3은 2개의 코일군을 가진 본 발명에 따른 고정자 권선의 제 2 부분을 나타내는 개략도이다.
도 4는 2개의 코일군을 가진 완전한 고정자 권선을 나타내는 개략도이다.
도 5a 및 도 5b는 도 4의 고정자 권선의 코일군들을 함께 접속시킬 수 있는 2가지 대용 방식을 나타내는 개략도이다.
도 6은 도 4 및 도 5a 및 도 5b의 고정자 권선을 포함하는 영구자석 전기 기계의 동작 파라미터를 나타낸다.
도 7은 6개의 코일군들을 가진 완전한 고정자 권선을 나타내는 개략도이다.
도 8은 도 7의 고정자 권선을 포함하는 영구자석 전기 기계의 동작 파라미터를 나타낸다.
도 9는 고정자 권선이 2개의 코일군들을 가진 본 발명에 따른 전동기 가속 회로를 나타내는 개략도이다.
도 10은 도 9의 전동기 가속 회로의 동작 파라미터를 나타낸다.

도 1을 참조하여 보면, 통상적인 3-상 고정자 권선은 3개의 별개의 서브-권선(2a, 2b, 2c)을 포함하되, 이때 서브-권선의 개개의 코일들은 각각 실선, 쇄선 및 점선으로 표시되어 있다. 서브-권선(2a)은 예를 들면 3-상 교류 전압의 위상 A를 지지할 수 있고, 서브-권선(2b)은 위상 B를 지지할 수 있으며, 서브-권선(2c)은 위상 C를 지지할 수 있다. 코일들은 직렬로 함께 접속되어 각각의 서브-권선(2a, 2b, 2c)을 형성하여 고정자(6)의 방사상 내부 표면내에 형성된 권선 홈(4)내에 수용된다. 회전자(8)는 고정자(4)의 내측에 방사상으로 위치되며 그의 방사상 외부 표면상에 다수의 영구자석(10)을 가지고 있다. 회전자는 회전자 지지 구조체(12) 및 축(shaft)(14)을 포함한다. 영구자석(10)은 도 1의 상부 도면에 도시된 바와 같이 북극(N극)과 남극(S극)의 교번 어레이를 한정한다.

도 1의 하부 도면에서, 3-상 고정자 권선의 코일들은 N극과 S극의 교번 어레이(16)로서 개략적으로 나타나 있다.

3-상 고정자 권선의 개개의 서브-권선(2a, 2b, 2c)은 하나의 단부에서 3-상 교류 전원(18)에 접속되고 스타 접속(20)으로 연결된다.

본 발명에 따른 제 1 3-상 고정자 권선이 도 2 내지 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 전기 기계의 다른 특징들은 도 1에 도시되어 있다.

3-상 고정자 권선의 코일들은 그룹 1 및 그룹 2로 표지된 2개의 코일군으로 분할된다. 보다 구체적으로, 도 2에 도시된 제 1 코일군(그룹 1)은 각각 실선, 쇄선 및 점선으로 표시되어 있는 3개의 서브-권선(22a, 22b, 22c)으로부터의 코일로 이루어진다. 도 3에 도시된 제 2 코일군(그룹 2)은 각각 실선, 쇄선 및 점선으로 표시되어 있는 3개의 서브-권선(24a, 24b, 24c)으로부터의 코일로 이루어진다.

제 1 코일군(그룹 1)은 총 12개의 코일들을 제공하는 각각의 서브-권선(22a, 22b, 22c)으로부터의 4개의 코일들을 함유한다. 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 코일들은 고정자(6)내에 형성된 권선 홈(4)내에 정렬되며, 이들이 함께 N1, S1, N5 및 S5로 표지된 2쌍의 고정자 N극 및 고정자 S극(즉, 총 4개의 고정자 극)을 한정한다. 개개의 고정자 극은 1 셋트의 3-상 코일에 의해, 또는 보다 구체적으로는 각각의 서브-권선(22a, 22b, 22c)으로부터의 하나의 코일에 의해 한정된다. 코일들은 2개의 불연속 '클럼프'내의 권선 홈(4)내에 정렬되지만 아직도 고정자(6)의 둘레 주변에서 대칭이므로 제 1 코일군이 활성일 때 평형 회전 토크를 제공한다.

제 2 코일군(그룹 2)은 총 36개의 코일들을 제공하는 각각의 서브-권선(24a, 24b, 24c)으로부터의 12개의 코일들을 함유한다. 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 코일들은 고정자내에 형성된 권선 홈(4)내에 정렬되며, 이들이 함께 N2, S2...S4 및 N6, S6...S8로 표지된 6쌍의 고정자 N극 및 고정자 S극(즉, 총 12개의 고정자 극)을 한정한다. 다시, 개개의 고정자 극은 1 셋트의 3-상 코일에 의해, 또는 보다 구체적으로는 각각의 서브-권선(24a, 24b, 24c)으로부터의 하나의 코일에 의해 한정된다. 코일들은 불연속 '클럼프'내의 권선 홈(4)내에 정렬되지만 아직도 고정자(6)의 둘레 주변에서 대칭이므로 제 2 코일군이 활성일 때 평형 회전 토크를 제공한다.

하기에 기술되는 바와 같이 함께 접속되었을 경우, 별개의 서브-권선(22a, 22b, 22c) 및 (24a, 24b, 24c)은 8개의 극쌍을 한정하는 총 48개의 코일들을 가진 단일의 3-상 고정자 권선을 형성한다. 4개의 고정자 극 N1, S1, N5 및 S5는 제 1 코일군의 코일들에 의해 한정되며 12개의 고정자 극 N2, S2...S4 및 N6, S6...S8은 제 2 코일군의 코일들에 의해 한정된다.

제 1 코일군은 코일 총수의 ¼을 포함하며 전기 기계의 최대 토크의 대략 ¼을 제공할 수 있다. 제 2 코일군은 코일 총수의 ¾을 포함하며 전기 기계의 최대 토크의 대략 ¾을 제공할 수 있다. 그러나, 각각의 코일군이 전기 기계의 최대 토크의 상응하는 비율을 제공하는 코일 총수의 임의의 적합한 비율을 가질 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다.

제 1 및 제 2 코일군들은 도 4에 도시된 바와 같이 개략적으로 나타낼 수 있다.

도 5a는 별개의 서브-권선(22a, 22b, 22c) 및 (24a, 24b, 24c)에 의해 한정된 제 1 및 제 2 코일군들이 함께 직렬로 접속되어 단일의 3-상 고정자 권선을 형성하는 방법을 도시한 것이다. 보다 구체적으로, 그룹 1의 단부(end)는 동일한 교류 위상을 지지하는 상응하는 서브-권선(24a, 24b, 24c)에 접속되는 각각의 개개 서브-권선(22a, 22b, 22c)을 가진 그룹 2의 출발점(start)에 접속된다. 달리 말하면, 위상 A를 지지하는 서브-권선(22a)은 위상 A를 지지하는 서브-권선(24a)에 접속되고, 위상 B를 지지하는 서브-권선(22b)은 위상 B를 지지하는 서브-권선(24b)에 접속되며, 위상 C를 지지하는 서브-권선(22c)은 위상 C를 지지하는 서브-권선(24c)에 접속된다. 이는 또한 각각의 코일군의 출발점 및 단부가 분명하게 식별되는 도 4를 참조하면 이해될 수 있다.

그룹 2를 형성하는 서브-권선(24a, 24b, 24c)의 단부들은 스타 단부 접속(28)에 의해 함께 접속된다.

그룹 1의 출발점은 제 1 스위치(26a)에 의해 3-상 전원(18)에 접속된다.

그룹 2의 출발점은 제 2 스위치(26b)에 의해 3-상 전원(18)에 접속된다. 그러므로, 각각의 코일군의 출발점이 3-상 전원(18)에 병렬로 접속된다는 것은 쉽게 인지될 것이다.

도 5b는 추가 스위치(30)가 그룹 1의 단부와 그룹 2의 출발점 사이에 (즉, 제 1 및 제 2 코일군들 사이에서 직렬로) 제공될 수 있다는 것을 도시한 것이다. 추가 스위치(30)를 도입하면 코일군들의 분할이 가능해지며, 이로 인하여 여분의 고전압 절연에 대한 요구를 피할 수 있다.

도 6은 도 2 내지 5의 3-상 고정자 권선을 포함하는 영구자석 전기 기계의 다양한 동작 파라미터를 도시한 것이다.

최상단의 그래프는 전력이 전기 기계의 동작 속도를 변화시키는 방법을 도시한 것이다. 100%의 베이스 동작 속도에 도달할 때까지 전기 기계의 동작 속도가 증가함에 따라 전력이 선형으로 증가함을 알 수 있다. 이 지점에서, 동작 속도가 추가적으로 증가함에 따라 전력에서의 증가를 유발하지 않고 100%의 베이스 전력에서 일정하게 유지된다.

그 다음 그래프는 영구자석을 이용하여 회전자 극 플럭스를 달성하기 때문에 전기 기계에서의 플럭스를 100%의 베이스 플럭스에서 일정하게 유지함을 도시한 것이다.

그 다음 그래프는 고정자 전압이 전기 기계의 동작 속도를 변화시키는 방법을 도시한 것이다. 낮은 동작 속도에서, 제 1 및 제 2 코일군 모두가 활성화되어 3-상 고정자 권선이 최대 가용 토크를 제공하도록 2개의 스위치(26a, 26b)를 모두 폐쇄된다. 베이스 동작 속도의 대략 120%의 임계치에 도달할 때까지 전기 기계의 동작 속도가 증가함에 따라 전압이 선형으로 상승한다. 그 임계치에서, 스위치(26b)를 폐쇄된 상태로 유지하면서 스위치(26a)를 개방하여 제 1 코일군(그룹 1)을 비활성화시킨다. 전압이 스위치(26a)를 개방하는 동시에 낮아지며, 이어서 전기 기계의 동작 속도가 증가함에 따라 선형으로 상승한다. 제 1 임계치 이상의 동작 속도에서는 단지 제 2 코일군(그룹 2)만이 활성화되며, 3-상 고정자 권선은 단지 최대 가용 토크의 대략 ¾ 만을 제공한다. 따라서, 3-상 고정자 권선에 의해 제공된 토크는 동작 속도가 증가함에 따라 순차적인 불연속 단계에서 감소될 수 있다는 것을 알 수 있다. 이는 계자 약화와 유사한 결과를 유발하여 전기 기계를 광범위한 속도 범위에서 동작가능하게 한다. 3-상 고정자 권선에 의해 활용될 수 있는 불연속 단계의 수는 코일군의 갯수와 개폐 회로에 좌우될 것이다.

스위치(26a, 26b)(및 스위치 30)는 제어기(32)에 의해 동작된다. 제어기(32)가 스위치를 개폐하여 코일군을 활성화시키고 비활성화시키는 제어 방식은, 예를 들면, 하나 이상의 속도 임계치 또는 전압 또는 전류와 같은 전기 기계의 다른 동작 파라미터에 기초할 수 있다.

다른 대용의 3-상 고정자 권선이 도 7에 도시되어 있다. 이러한 경우, 3-상 고정자 권선의 코일들은 그룹 1, 그룹 2...그룹 6으로 표지된 6개의 코일군들로 분할된다. 코일군들은 전기 기계의 특정의 목적하는 비율의 최대 토크를 제공하도록 설정될 수 있다. 예를 들면, 각각의 코일군이 동일한 갯수의 코일들을 함유하는 경우, 각각의 코일군은 최대 토크의 1/6을 제공할 수 있다.

코일군들은 함께 직렬로 접속되어 완전한 3-상 고정자 권선을 형성한다. 보다 구체적으로, 그룹 1의 단부는 그룹 2의 출발점에 접속되고, 그룹 2의 단부는 그룹 3의 출발점에, 이하 동일한 방식으로 접속된다.

그룹 6을 형성하는 서브-권선의 단부들은 스타 단부 접속(28)으로 함께 접속된다.

각각의 코일군의 출발점은 개개의 스위치(26a 내지 26f)에 의해 3-상 전원(18)에 병렬로 접속된다.

도 8은 도 7의 3-상 고정자 권선을 포함하는 영구자석 전기 기계의 다양한 동작 파라미터를 도시한 것이다.

그 다음 그래프는 고정자 전압이 전기 기계의 동작 속도를 변화시키는 방법을 도시한 것이다. 낮은 동작 속도에서, 6개의 코일군 모두가 활성화되어 고정자 권선이 최대 가용 토크를 제공하도록 스위치(26a 내지 26f)가 모두 폐쇄된다. 베이스 동작 속도의 대략 112%의 제 1 임계치에 도달할 때까지 전기 기계의 동작 속도가 증가함에 따라 전압이 선형으로 상승한다. 상기 제 1 임계치에서, 스위치(26a)를 개방하여 그룹 1을 비활성화시킨다. 전압이 스위치(26a)를 개방하는 동시에 낮아지며, 이어서 대략 125%의 베이스 동작 속도의 제 2 임계치에 도달할 때까지 전기 기계의 동작 속도가 증가함에 따라 선형으로 상승한다. 제 2 임계치에서, 스위치(26b)가 개방되어 그룹 2가 비활성화된다. 전압이 스위치(26b)를 개방하는 동시에 낮아지며, 이어서 대략 145%의 베이스 동작 속도의 제 3 임계치에 도달할 때까지 전기 기계의 동작 속도가 증가함에 따라 선형으로 상승한다. 후속 임계치에 도달할 때 나머지 스위치(26c 내지 26f)를 차례 차례로 개방하여 개개의 코일군을 비활성화시킨다. 그러므로, 고정자 전압은 '톱니파형(saw tooth)' 패턴을 따르며, 동작 속도가 베이스 동작 속도의 100% 이상으로 증가함에 따라 실질적으로 100%의 베이스 전압을 유지한다.

스위치(26a 내지 26f)를 순차적으로 개방하면, 3-상 고정자 권선에 의해 제공된 토크는 도 2 내지 5에 도시된 고정자 권선에서와 정확하게 동일한 방식으로 동작 속도가 증가함에 따라 순차적인 불연속 단계에서 감소된다.

적절한 개폐 회로를 사용하면, 6개의 코일군의 특정 조합을 활성화시킬 수 있다.

도 9에는 교류 전동기 가속 회로가 도시되어 있다. 3-상 고정자 권선의 코일들은 그룹 1 과 그룹 2로 표지된 2개의 코일군들로 분할된다. 제 1 코일군은 코일 총수의 ¾을 포함하며, 제 2 코일군은 코일 총수의 ¼을 포함한다. 그러나, 각각의 코일군이 특정의 적합한 비율의 코일 총수를 가질 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다.

그룹 2를 형성하는 서브-권선의 단부들은 스타 단부 접속(28)에 의해 함께 접속된다.

그룹 2는 제 2 스위치(26b)와, 입력 변압기(34), 전력 변환 장치(인버터)(36) 및 제 3 스위치(38)로 이루어진 전원 회로에 의해 3-상 전원(18)에 접속된다. 또한, 전원 회로를 제 2 스위치(26b)에 의해 별개의 전용 3-상 전원에 접속시킬 수도 있다. 전원 회로는 통상적인 가속 회로의 공인된 특징인 출력 변압기가 필요하지 않다.

출력 변압기가 필요하지 않은 3,000 kV 교류 RMS로 정격화된 전력 변환 장치(36)를 사용하여 교류 전동기를 11,000 kV 교류 RMS의 정격 고정자 전압으로 가속시키는데 도 9의 교류 전동기 가속 회로가 사용될 수 있다.

도 10은 도 9의 교류 전동기 가속 회로의 다양한 동작 파라미터를 도시한 것이다.

최상단의 그래프는 가속 단계 도중에 전동기 속도가 시간에 따라 변화하는 방법을 도시한 것이다. 정격 속도에 도달할 때까지 속도가 선형으로 증가함을 알 수 있다.

다음 그래프는 정격 고정자 전압에 도달할 때까지 전동기의 고정자 전압도 또한 선형으로 증가함을 도시한 것이다.

그 다음의 그래프는 가속 단계 도중에 인버터 전압이 변화하는 방법을 도시한 것이다. 아래에서 2개의 그래프로부터 제 1 스위치(26a)를 초기에 개방하면 그룹 1이 비활성화된다는 것을 알 수 있다. 제 2 스위치(26b) 및 제 3 스위치(38)는 초기에 폐쇄되며, 교류 전력이 전력 변환 장치(36)로부터 그룹 2에 제공된다. 보다 구체적으로는, 전력은 입력 변압기(34)를 통하여 3-상 전원(18)으로부터 (또는 비활성화된 전원으로부터) 전력 변환 장치(36)에 공급된다. 이어서, 전력은 전력 변환 장치(36)에 의해 조절되어 제 2 코일군에 공급된다.

전동기 속도가 정격 속도에 도달하였을 때 인버터 전압은 정격 고정자 전압의 대략 25%인데, 이는 제 2 코일군이 코일 총수의 ¼을 함유하기 때문이다. 정격 고정자 전압의 비율은 코일군들 사이의 코일의 분포에 좌우될 것이다. 예를 들어, 제 1 코일군이 코일 총수의 ½을 포함하고 제 2 코일군이 코일 총수의 ½을 포함하는 경우, 인버터 전압은 정격 고정자 전압의 대략 50%이다. 이러한 경우, 출력 변압기가 필요하지 않은 6,600 kV 교류 RMS로 정격화된 전력 변환 장치(36)를 사용하여 교류 전동기를 11,000 kV 교류 RMS의 정격 고정자 전압으로 가속시키는데 교류 전동기 가속 회로가 사용될 수 있다.

전동기 속도가 정격 속도에 도달하면, 제 3 스위치(38)가 개방되어 그룹 2가 전력 변환 장치(36)로부터 단선(disconnection)될 수 있다. 따라서, 인버터 전압은 제로(0)로 감소한다. 제 2 스위치(26a)가 폐쇄되어 그룹 1 및 2가 전원(18)에 접속된다. 정격 속도에 도달하자 마자 특정 시간에 스위치가 동작되어 전동기 토크가 정격 전동기 토크에 도달할 때까지 통상의 방식으로 전동기 토크가 증가될 수 있다. 고정자 권선이 전원(18)에 직접 접속되기 전에, 전력 변환 장치(36)에 의해 고정자 전압을 조정하여 교류 공급 전력으로 조정하는 것이 필요할 수 있다.

2a, 2b, 2c, 22a, 22b, 22c, 24a, 24b, 24c : 서브-권선
4 : 권선 홈
6 : 고정자
8 : 회전자
10 : 영구자석
12 : 지지 구조물
14 : 축
18 : 3-상 교류 전원
20 : 스타 접속
26a, 26b, 26c, 26d, 26e, 26f, 30, 38 : 스위치
28 : 스타 단부 접속
32 : 제어기
34 : 입력 변압기
36 : 전력 변환 장치(인버터)

Claims

다수의 권선 홈을 가진 고정자; 및
전원/싱크에 접속되어 있는, 전기 기계의 다수의 극을 한정하는 다중-위상 고정자 권선을 포함하되,
상기 고정자 권선은 2개 이상의 코일군을 가지고 있고, 각각의 코일군은 각각의 상이한 위상을 위한 다수의 코일을 포함하되, 상기 2개 이상의 코일군의 각각의 위상을 위한 다수의 코일은 서로 직렬로 접속되고, 각각의 다수의 코일은 상기 다중-위상 고정자 권선의 서브 권선에 대응하고, 각각의 코일군은 권선 홈 내에서 수용되되 각각의 코일군 내의 다수의 코일은 서로 직렬로 불연속 그룹으로 배치되고 또한 고정자의 둘레에 서로 대칭되어 전기 기계의 극을 한정하며;
전기 기계의 각각의 극은 특정의 코일군의 각각의 상이한 위상을 위한 다수의 코일에 의해서만 한정되며;
하나의 코일군의 서브 권선은 인접하는 코일군의 동일한 위상을 가지는 서브 권선에 대응하여 직렬로 접속되어 단일의 다중-위상 고정자 권선을 형성하도록 상기 코일군은 함께 직렬로 접속되고, 또한 하나 이상의 코일군이 관련 전원/싱크로부터 전력을 선택적으로 공급받거나 또는 관련 전원/싱크로 전력을 선택적으로 공급할 수 있도록 각각의 코일군은 개개의 스위치에 의해 전원/싱크에 접속되며;
각각의 코일군 내의 다수의 코일은 특정의 코일군 또는 코일군의 조합이 활성화될 때 일정하고 평형화된 회전 토크를 발생시키는
전기 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 단일의 다중-위상 고정자 권선이 함께 직렬로 접속된 각각의 인접한 쌍의 코일군 사이에 스위치를 더 포함하는
전기 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 단일의 다중-위상 고정자 권선이 각각의 코일군의 출발점에 접속되는 다수의 스위치를 더 포함하고, 또한 상기 코일군이 그의 출발점을 통해 병렬로, 개개의 스위치를 통해 동일한 전원/싱크에 접속되는
전기 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 고정자 권선의 각각의 코일군이 별개의 전원/싱크에 접속되는
전기 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 고정자 권선이 스타 또는 델타 접속에 의해 서로 접속된 코일군 내의 2개 이상의 서브-권선을 더 포함하는
전기 기계.
제 1 항에 있어서,
다수의 영구 자석을 지지하는 회전자를 더 포함하는
전기 기계.
제 1 항에 있어서,
초전도성 회전자 권선을 가진 회전자를 더 포함하는
전기 기계.
제 1 항에 있어서,
상기 고정자 권선이 직렬로 접속된 제 1 코일군 및 제 2 코일군을 포함하고, 상기 제 1 코일군은 제 1 스위치에 의해 전원에 접속되고 상기 제 2 코일군은 제 2 스위치와 전력 변환 장치에 의해 전원에 접속되어 있는
전기 기계.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 및 제 2 코일군이 공통 전원에 접속된
전기 기계.
제 8 항에 있어서,
상기 제 1 코일군은 제 1 전원에 접속되고, 상기 제 2 코일군은 제 2 전원에 접속된
전기 기계.
고정자 및 2개 이상의 코일군을 포함하는 다중-위상 고정자 권선을 가지는 전기 기계를 동작시키는 방법으로서,
권선 홈 내에서, 각각의 상이한 위상을 위한 다수의 코일을 각기 포함하는 코일군을 수용하되, 상기 2개 이상의 코일군의 각각의 위상을 위한 다수의 코일은 서로 직렬로 접속되고, 각각의 다수의 코일은 상기 다중-위상 고정자 권선의 서브 권선에 대응하되, 각각의 코일군 내의 다수의 코일은 서로 직렬로 불연속 그룹으로 배치되고 또한 고정자의 둘레에 서로 대칭되어 전기 기계의 극을 한정하며;
하나의 코일군의 서브 권선은 인접하는 코일군의 동일한 위상을 가지는 서브 권선에 대응하여 직렬로 접속되어 단일의 다중-위상 고정자 권선을 형성하도록 상기 2개 이상의 코일군을 함께 직렬로 접속시키며;
각각의 코일군을 개개의 스위치에 의해 전원/싱크에 접속하되 각각의 코일군 내의 다수의 코일은 특정의 코일군 또는 코일군의 조합이 활성화될 때 일정하고 평형화된 회전 토크를 발생시키며;
상기 단일의 다중-위상 고정자 권선이 제 1 회전 토크를 갖도록 스위치중의 적어도 하나를 선택적으로 동작시켜 하나 이상의 코일군을 활성화시키거나 비활성화시키며;
전기 기계의 동작 파라미터에서의 변화에 따라, 상기 단일의 다중-위상 고정자 권선이 제 1 회전 토크와는 다른 제 2 회전 토크를 갖도록 스위치중의 적어도 하나를 선택적으로 동작시켜 하나 이상의 코일군을 활성화시키거나 비활성화시키는
전기 기계의 동작 방법.
고정자 및 서로 인접하는 제 1 코일군 및 제 2 코일군을 포함하는 다중-위상 고정자 권선을 가지는 전기 기계를 가속시키는 방법으로서,
권선 홈 내에서, 각각의 상이한 위상을 위한 다수의 코일을 각기 포함하는 제 1 코일군 및 제 2 코일군을 수용하되, 상기 2개 이상의 코일군의 각각의 위상을 위한 다수의 코일은 서로 직렬로 접속되고, 각각의 다수의 코일은 상기 다중-위상 고정자 권선의 서브 권선에 대응하되, 각각의 코일군 내의 다수의 코일은 서로 직렬로 불연속 그룹으로 배치되고 또한 고정자의 둘레에 서로 대칭되어 전기 기계의 극을 한정하며;
제 1 코일군의 서브 권선은 제 2 코일군의 동일한 위상을 가지는 서브 권선에 대응하여 직렬로 접속되어 단일의 다중-위상 고정자 권선을 형성하도록 제 1 코일군 및 제 2 코일군을 함께 직렬로 접속시키며;
제 1 코일군을 제 1 스위치에 의해 공통 전원에 접속하고 제 2 코일군을 제 2 스위치 및 전력 변환 장치에 의해 공통 전원에 접속하되 각각의 코일군 내의 다수의 코일은 특정의 코일군 또는 코일군의 조합이 활성화될 때 일정하고 평형화된 회전 토크를 발생시키며;
전기 기계가 실질적으로 그의 정격 속도에 도달할 때까지 전력 변환 장치로부터 단일의 다중-위상 고정자 권선의 제 2 코일군에 교류(ac) 전력을 공급하며;
공통 전원으로부터 단일의 다중-위상 고정자 권선의 제 1 및 제 2 코일군에 교류(ac) 전력을 공급하고 전기 기계를 실질적으로 그의 정격 속도에서 동작시키는
전기 기계의 가속 방법.
고정자 및 서로 인접하는 제 1 코일군 및 제 2 코일군을 가지는 다중-위상 고정자 권선을 포함하는 전기 기계를 가속시키는 방법으로서,
권선 홈 내에서, 각각의 상이한 위상을 위한 다수의 코일을 각기 포함하는 제 1 코일군 및 제 2 코일군을 수용하되, 상기 2개 이상의 코일군의 각각의 위상을 위한 다수의 코일은 서로 직렬로 접속되고, 각각의 다수의 코일은 상기 다중-위상 고정자 권선의 서브 권선에 대응하되, 각각의 코일군 내의 다수의 코일은 서로 직렬로 불연속 그룹으로 배치되고 또한 고정자의 둘레에 서로 대칭되어 전기 기계의 극을 한정하며;
제 1 코일군의 서브 권선은 제 2 코일군의 동일한 위상을 가지는 서브 권선에 대응하여 직렬로 접속되어 단일의 다중-위상 고정자 권선을 형성하도록 제 1 코일군 및 제 2 코일군을 함께 직렬로 접속시키며;
제 1 코일군을 제 1 스위치에 의해 제 1 전원에 접속하고 제 2 코일군을 제 2 스위치 및 전력 변환 장치에 의해 제 2 전원에 접속하되 각각의 코일군 내의 다수의 코일은 특정의 코일군 또는 코일군의 조합이 활성화될 때 일정하고 평형화된 회전 토크를 발생시키며;
전기 기계가 실질적으로 그의 정격 속도에 도달할 때까지 전력 변환 장치로부터 고정자 권선의 제 2 코일군에 교류(ac) 전력을 공급하며;
제 1 전원으로부터 고정자 권선의 제 1 및 제 2 코일군에 교류(ac) 전력을 공급하고 전기 기계를 실질적으로 그의 정격 속도에서 동작시키는
전기 기계의 가속 방법.
다수의 극을 가지는 전기 기계의 다중-위상 고정자 권선에 있어서,
상기 다중 위상 고정자 권선은 다수의 코일군을 포함하고, 각각의 코일군은 각각의 상이한 위상을 위한 다수의 코일을 포함하되, 상기 2개 이상의 코일군의 각각의 위상을 위한 다수의 코일은 서로 직렬로 접속되고, 각각의 다수의 코일은 상기 다중-위상 고정자 권선의 서브 권선에 대응하고, 각각의 코일군은 고정자의 권선 홈 내에 수용되되 각각의 코일군 내의 다수의 코일은 서로 직렬로 불연속 그룹으로 배치되고 또한 고정자의 둘레에 서로 대칭되어 전기 기계의 극을 한정하며;
다수의 코일군은 함께 직렬로 접속되고, 하나의 코일군의 서브 권선은 인접하는 코일군의 동일한 위상을 가지는 서브 권선에 대응하여 직렬로 접속되어 단일의 다중-위상 고정자 권선을 형성하며; 또한
각각의 코일군은 개개의 스위치에 의해 전원에 접속되고, 하나 이상의 코일군이 (i) 관련 전원으로부터 전력을 선택적으로 공급받는 것 및 (ii) 관련 전원으로 전력을 선택적으로 공급하는 것 중 하나를 하도록 설정되어 있는
다중-위상 고정자.
제 14 항에 있어서,
전기 기계의 각각의 극은 특정의 코일군의 각각의 상이한 위상을 위한 다수의 코일에 의해서만 한정되는
다중-위상 고정자.
제 15 항에 있어서,
각각의 코일군 내의 다수의 코일은 특정의 코일군 또는 코일군의 조합이 활성화될 때 일정하고 평형화된 회전 토크를 발생시키는
다중-위상 고정자.