KR20010034533A

KR20010034533A - 동기식 교류 기계장치의 회전자 제어

Info

Publication number: KR20010034533A
Application number: KR1020007009286A
Authority: KR
Inventors: 존에프. 주니어. 로셀; 로니제이. 바버
Original assignee: 프리사이즈 파워 코포레이션
Priority date: 1998-02-23
Filing date: 1999-02-22
Publication date: 2001-04-25
Also published as: CN1296662A; CN1168195C; EP1058962A1; WO1999043077A1; US6020712A; BR9908201A; EP1058962A4; ZA200004329B; AU751492B2; AU2781399A

Abstract

본 발명에 따른 교류 기계장치는, 주파수와 전압이 불규칙한 교류 전원에 의해서 전류를 인가받는 모터(22), 및 일정한 주파수와 전압의 교류 출력신호를 공급하기 위하여 모터(22)에 의해서 구동되는 제네레이터(24)를 포함하며, 이때 상기 제네레이터(24)는 재자화가 가능한 고 보자력의 자성체로 이루어진 층이 상부에 제공된 교류 회전자(22), 폴 피스(pole piece) 및 상기 폴 피스 상에 제공된 제 1 여자 코일을 갖는 연질의 저손실 자성체로 이루어진 교류 고정자(4)를 구비하며, 상기 고정자와 상기 회전자(22)는 상기 여자 코일에 전류를 인가함으로써 상기 회전자의 자극이 상기 고 보자력의 자성체 상에 형성되게 하는 간극에 의해서 서로에 대하여 회전하며, 상기 교류 기계장치는 상기 교류 출력신호와 상기 여자 코일에 인가되는 전류신호중 적어도 하나에 반응하는 제어신호 발생기를 또한 포함하며, 상기 제어신호 발생기는, 교류 출력신호의 주파수와 전압을 일정하게 유지하기 위해서 상기 교류 전원이 불규칙한 주파수와 전압을 공급하는 동안에 회전차 폴을 변경시키도록 폭, 위상 및 진폭중 적어도 하나를 변경시키게 프로그램된 펄스들을 발생시킨다.

Description

동기식 교류 기계장치의 회전자 제어{Rotor control for synchronous AC machines}

모터나 제네리이터와 같은 종래의 동기식 교류 기계장치는 소정의 폴 형상을 갖는 일정한 수의 회전자 폴 쌍을 구비하여 이루어진다. 제네레이터로서 작동하는 기계장치의 출력 주파수는 회전자의 회전 속도와 폴의 개수에 의해서 설정된다. 발생된 전압 위상의 위치는 스피닝 회전자의 순간위치, 회전자 폴 형상에 의한 파형, 회전자에서의 권선배치, 고정자에서의 비대칭, 그리고 부하 특성들에 의해서 결정된다. 이러한 기계장치들의 회전자는 회전자 자기장을 생성하는 영구자석 또는 전기장을 생성하는 권선이 구비된 폴들을 포함한다. 권선 회전자 폴을 구비한 회전자의 경우에 있어서, 기계장치의 발생 전압이나 전자력(E.M.F.)은 회전자 폴 권선에 대한 직류 수준을 변화시킴에 따라 쉽게 변한다. 회전자 폴 권선에 대한 직류 수준을 증가시키면, 제네레이터의 출력전압이 증가하거나, 또는 모터의 경우에 있어서 입력 전압 요소가 한층 더 진행하는 결과를 초래한다. 영구자석 회전자 폴을 구비한 기계장치는 회전자 구성을 단순하게 하지만 자기장의 제어는 보다 어렵게 한다.

미합중국 특허 제 4,177,414 호에는 주파수, 전압 및 위상이 제어되는 기계장치가 개시되어 있다. 이 기계장치는 일정하게 선택된 주파수와 전압의 사인파(sine wave) 교류를 생성화기 위한 제네레이터 장치이다. 회전 마스터 제네레이터는 일정하게 선택된 주파수의 사인파 교류를 발생시킨다. 적어도 하나의 다른 회전 슬레이브 제네레이터는 상기 마스터 제네레이터의 주파수와 동일한 주파수의 사인파 교류를 발생시킨다. 마스터 제네레이터의 교류 전압은 슬레이브 제네레이터의 교류전압과 직렬로 연결된다. 전기적인 수단에 의해서 슬레이브 제네레이터의 교류전압은 마스터 제네레이터의 교류 전압에 대하여 위상이 변한다. 그리하여, 상기 두 제네레이터의 통합된 교류전압은 선택된 전압을 갖는 사인파 교류가 된다. 마스터 제네레이터의 회전자와 슬레이브 제네레이터의 회전자는 고 투자율의 연질 자성체로 이루어진 적어도 하나의 자계 코어를 각각 구비한다. 각각의 자계 코어의 표면은 재자화가 가능한 고 보자력의 경질 자성체로 이루어진 층 및 각각의 자계 코어에 작동가능하게 병치된 고정자를 구비한다. 각각의 고정자는 고 투자율 저손실의 연질 자성체로 이루어진 가는 코어를 구비한다. 각각의 고정자 코어에 형성된 슬릿에는 여자 코일이 배치된다. 각각의 여자 코일은 선택된 주파수와 동일한 주파수를 갖는 교류 전원에 의해서 전류를 인가받는다. 그 결과, 병렬로 배치된 회전 자계 코어에 제공되는 경질의 자성체 층은 여자 코일의 교류 전원에 대응하는 자화 패턴을 나타내느 여자 코일에 의해서 자화된다. 각각의 고정자에 형성된 슬릿에 배치되는 1차 권선은 자화된 자계 코어가 권선 고정자에 대하여 회전하는 경우에 교류 전위를 발생시킨다. 위상 변환수단은 슬레이브 제네레이터의 고정자에 있는 여자 코일에 인가되는 교류 전위가 마스터 제네레이터의 여자 코일로 공급되는 교류 전위의 위상에 대하여 일정량의 위상으로 변환되게 한다. 따라서, 마스터 제네레이터의 고정자와 슬레이브 제네레이터의 고정자에 있는 1차 권선에 의해서 발생된 교류 전위는 통합된 교류 전압이 선택된 전압이 되는 일정량에 의해서 위상을 달리하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서, 미합중국 특허 제 4,663,536 호에는 작동의 중단이 없고 상대적으로 구성이 단순하고 조용하게 작동하면서 효율이 높은 모터-제네레이터가 개시되어 있다. 이 미국특허에서 구동 모터는 시간의 변화에 따라 불규칙하거나 또는 균등한 전력중단을 수행하는 교류 전원에 의해서 전류를 인가받는다. 그럼에도 불구하고, 이 미국특허의 제네레이터는 전원이 구동 모터에 사용 가능한 교류 전원을 전달하는 경우와 전력의 공급이 중단되는 동안에 상당한 기간에 걸쳐서 일정한 주파수 및 일정한 전압의 교류 전압을 공급할 수 있다. 상기 모터-제네레이터는 동기식 모터 및 지지 베이스 상에 제공된 교류 발생기를 구비한다. 동기식 모터는 회전 자기장을 생성하도록 교류 전원으로부터 전류를 인가받으며 고정축 상에 장착된 고정자를 구비한다. 모터는 고정자를 에워싸는 회전자를 구비한다. 이 회전자는 교류 발생기의 회전자를 구동시키기 위해서 회전 자기장과 동시에 회전할 수 있다. 교류 발생기는 높은 회전 관성을 갖는 회전자를 구비한다. 회전자는 지지 베이스 상에 있는 베어링에 동축회전이 가능하도록 장착된 회전가능한 원통형 셸 부재를 구비한다. 적어도 하나의 연질 자성체가 상기 셸 부재의 내벽에 부착된다. 재자화가 가능한 고 보자력의 경질 자성체로 이루어진 층이 연질 자성체의 몸체에 부착되며, 상기 셸 부재의 회전 축과 동축을 이루며 외부로 노출된 원통형 표면을 갖는다. 제네레이터는 또한 지지 베이스에 고정된 고정축 부재를 갖는 고정자를 구비한다. 이때, 상기 고정자는 상기 회전자 내에서 상기 회전자의 축을 따라 배치된다. 슬롯이 형성된 원통형 표면을 갖는 적어도 하나의 연질 저손실 자성체가 상기 고정축 부재에 부착되는데, 이때 상기 원통형 표면은 상기 경질 자성체로 이루어진 층과의 사이에 회전가능한 자극을 제공하면서 동일한 공간에 병치된다. 각각의 자성체에서 2개의 슬롯들 내에는 폴 피스가 구비되고, 이 폴 피스 주위에는 여자 코일이 배치된다. 여자 코일이 제어수단으로부터 단일 위상의 교류전원에 의해서 전원을 인가받는 경우, 상기 폴 피스는 자극성이 변하는 강 자기 플럭스를 생성하게 된다. 그 결과, 경질 자성체의 병치된 층은 회전하는 동안에 선택된 패턴의 북남 자기 폴 내로 자화된다. 고정체 몸체에 형성된 다른 슬롯 내에는 피드백 권선과 교류 전력 발생용 권선이 배치된다. 끝으로, 고정자는 여자 코일로 피드백 권선을 연결시키기 위한 회로 수단을 구비한다. 따라서, 회전자가 회전하는 동안에, 경질 자성체의 병치된 층에 있는 자화 폴의 통로에 의해서 여자 코일에 발생된 교류 전위는 피드백 권선에서 폴들에 의해 발생된 교류 전압에 의해서 상당히 억제된다.

지지 베이스는 케이싱 엔클로저(enclosure)를 포함하는데, 이 엔클로저는 높은 회전관성을 갖는 외부 원통형 셸에 장착된다. 원통형 셸은 분리가능한 구역들을 구비하는데, 이들 중 하나는 여기에 부착된 모터 회전자 부품을 구비하며, 다른 하나는 여기에 부착된 제네레이터 회전자 부품을 구비한다. 또한, 모터 고정자와 제네레이터 고정자를 지지하는 축 부재가 원통형 셸 내에 배치된다. 모터 고정자와 제네레이터 고정자는 병치되고 각각의 회전자 부품에 대하여 정렬된다. 일정한 수단에 의해서 상기 구역들이 강체 원통형 셸 몸체로 통합된다. 베어링 부재가 원통형 셸을 축 부재 주위로 회전가능하게 지지한다. 가요성 있는 장착수단이 케이싱 엔클로저 내에서 베어링 부재와 축 부재를 지지한다.

미합중국 특허 제 4,663,536 호에는 교류 기계장치의 제어가 개시되어 있는데, 이 특허에서는 제네레이터 여자 코일로 정확하게 제어된 주파수의 사인파 구동 전류를 제공한다. 이 제어전류는 회전자의 경질 자성체 층에서 폴을 자화시키거나 또는 초당 일정한 자기 패턴을 형성한다. 이에 의해, 속도가 변하는 경우에도 기계장치의 제어된 주파수 출력이 유지된다. 기계장치의 출력 위상 제어는 이러한 제어신호의 위상 변화에 의해서 달성된다. 제어 사인파 전류의 진폭은 회전자 폴의 자극성을 변화시키기 위해서 최소수준에 도달해야 한다. 이것은 여기 전류의 값에 따라서 새로운 폴 에지와 여기 전류 사이에 30 내지 60도의 래그(lag)를 야기한다. 이것은 또한 회전자 상에서 자기 폴의 정지를 형성하는데 필요한 것보다 큰 여기 root means square(=rms) 전류를 야기한다.

따라서, 영구자석 회전자를 구비하여 구성이 단순하고 출력전압이나 EMF, 주파수, 위상 및 폴 형상이 외부적으로 제어가능하며 넓은 속도범위에 걸쳐서 기계장치의 작동중에 회전속도에 독립적인 교류 동기 기계장치의 개발 필요성이 대두되고 있다.

기계장치의 작동중에 각각의 자기 회전자 폴의 상대적인 자기 강도를 변화시킬 수 있는 방안의 개발이 요구된다.

또한, 기계장치의 작동중에 불필요하게 높은 여기 rms전류를 야기함이 없이 외부 회전자 폴의 제어를 수행할 수 있는 방안의 개발이 요구된다.

끝으로, 발생된 EMF 제어가 필요한 곳에서 저가의 고정된 폴 영구자석 회전자를 제어된 폴 회전자 구조와 결합시키는 방안의 개발이 요구된다.

발명의 요약

본 발명은 재자화가 가능한 경질의 고 보자력 자성체로 이루어진 층이 상부에 제공된 교류 회전자를 포함하는 교류 기계장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 따른 교류 기계장치는 연질의 저손실 자성체로 이루어지고 폴 피스를 갖는 교류 고정자를 포함한다. 제어된 자기 여자 장을 발생시키기 위하여 상기 폴 피스상에는 여자 코일이 끼워맞추어진다. 상기 고정자와 상기 회전자는 상기 여자 코일에 전류를 인가함으로써 상기 회전자의 자극이 상기 고 보자력의 자성체 상에 형성되게 하는 간극에 의해서 서로에 대하여 회전한다. 또한, 본 발명에 따른 교류 기계장치는 제어신호 발생기를 포함하는데, 이 제어신호 발생기는 상기 교류 기계장치의 전기적인 특성을 제어하기 위하여 상기 회전자의 자극을 변경시키도록 폭, 상 및 진폭중 적어도 하나가 변하게 프로그램된 파형의 펄스들을 발생시키기 위하여 적어도 하나의 입력신호에 반응한다. 제어신호 발생기의 작동을 지원하기 위해서 컴퓨터가 사용된다.

본 발명의 일 실시 예에서, 상기 회전자는 재자화가 가능한 경질의 고 보자력 자성체로 이루어진 제 2의 층 및 제 2 고정자를 포함한다. 이때, 상기 제 2 고정자는 제 2 폴 피스 및 상기 제 2 폴 피스 상에 제공된 제 2 여자 코일을 구비한다. 제 2 고정자와 회전자의 상대적인 회전에 의해서 제 2 세트의 회전자 폴이 상기 제 2 여자 코일에 전류를 인가함에 따라 상기 경질의 고 보자력 자성체로 이루어진 층에 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에서, 상기 교류 기계장치는 교류 전력 발생기로 이루어지고, 전기적인 특성은 교류 출력전압, 주파수 또는 이들 모두가 된다. 교류 기계장치가 교류 전력 발생기인 경우에, 제어 펄스 발생기는 교류 출력전압, 교류 출력전류, 상기 여자 코일에 인가되는 상기 전류를 나타내는 피드백 신호, 기계 상태, 고정된 폴 고정자 위치 픽업으로부터 나오는 동기신호, 회전자 위치 픽업으로부터 나오는 동기신호, 그리고 회전하는 영구자석 회전자 폴에 의해서 전류가 인가되는 고정자 권선으로부터 나오는 동기 신호로 이루어진 값들중 하나 또는 그이상의 피드백 신호에 반응한다.

또한, 상기 교류 기계장치는 상기 제어신호 발생기가 상기 회전자 폴의 리딩 에지(leading edges) 및/또는 래깅 에지(lagging edges)를 개편하거나 또는 회전자 폴의 일부를 선택적으로 개편하기 위해서 펄스들을 발생시키고, 회전자 폴의 상대 위치를 변화시키도록 펄스들을 발생시키며, 각기다른 회전자 회전속도에서 초당 일정한 폴 비를 유지하도록 펄스를 발생시키고, 회전자 상에 제공된 재자화 가능한 경질의 자성체 층의 상대적인 자기 강도를 변경시키기 위해서 가변 진폭의 펄스들을 발생시키도록 구성된다.

본 발명의 또다른 실시 예에서, 상기 교류 기계장치는 교류 출력을 직류 출력으로 변환하기 위한 정류기 회를 갖는 교류 전력 발생기로 이루어진다. 이때, 제어신호 발생기는 재자화가 가능한 경질의 고 보자력 자성체로 이루어진 층의 상대적인 자기 강도를 변화사키기 위해서 가변 진폭을 갖는 펄스들을 발생시킴으로써 직류 출력을 조절하도록 구성된다.

본 발명의 또다른 실시 예에서, 상기 교류 기계장치는 교류 모터로 이루어지고, 전기적인 특성은 입력 전력 요소이다. 이러한 경우에, 제어신호 발생기는 모터의 입력 전력 요소, 전력 라인 주파수, 위상 또는 이들 모두와 같은 적절한 요소들을 나타내는 적절한 피드백 신호에 반응한다. 여기에서, 전력 요소는 제어되고, 제어신호 발생기는 회전자 상에 제공된 재자화가 가능한 경질의 자성체로 이루어진 층의 상대적인 자기 강도를 변화사키기 위해서 가변 진폭을 갖는 펄스들을 발생시킨다.

본 발명은 또한 상기한 바와 같은 교류 기계장치를 제어하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 상기 회전자 폴을 변경시키기 위해서 상기 여자 코일에 프로그램된 파형의 각기다른 펄스들을 공급하는 단계, 및 상기 교류 기계장치의 전기적인 특성을 제어하기 위해서 상기 회전자 폴을 변경시키도록 상기 펄스들의 폭, 위상 및 진폭중 적어도 하나를 변화시키는 단계를 포함한다.

상기 방법을 교류 전력 발생기로서 구성된 교류 기계장치와 연계하여 사용하는 경우, 전기적인 특성은 교류 출력 전압 진폭, 위상, 주파수 또는 이들 모두가 된다. 본 발명에 따른 방법은, 교류 출력전압, 출력전류, 여자 코일에 인가되는 전류를 나타내는 피드백 신호, 기계 상태, 회전자 위치 센서로부터 나오는 동기신호, 회전하는 영구자석 회전자 폴에 의해서 전류가 인가되는 고정자로부터 나오는 동기신호, 및 정류된 직류 출력전압과 이와 연관된 맥동 성분으로 이루어진 값들중 적어도 하나를 나타내는 적어도 하나의 피드백 신호에 반응하여 펄스들을 변화시키는 단계를 더 포함한다. 본 발명에 따른 방법은, 상기 회전자 폴의 리딩 에지(leading edge)와 래깅 에지(lagging edge)를 선택적으로 재편성하기 위하여 상기 제어신호 발생기를 사용하여 펄스들을 발생시키는 단계, 상기 회전자 폴의 일부를 선택적으로 변경시키기 위해서 상기 제어신호 발생기를 사용하여 펄스들을 발생시키는 단계, 상기 회전자에서 자기 폴의 상대적인 위치를 변화시키기 위해서 상기 제어신호 발생기를 사용하여 펄스들을 발생시키는 단계, 각기다른 회전자 회전속도로 초당 일정한 폴 비를 유지하기 위해서 상기 제어신호 발생기를 사용하여 펄스들을 발생시키는 단계, 그리고 상기 회전자 상에 제공된 상기 재자화가 가능한 자성체로 이루어진 층의 상대적인 자기 강도를 변화시키기 위해서 상기 제어신호 발생기를 사용하여 가변적인 진폭의 펄스들을 발생시키는 단계를 더 포함한다.

도면의 간단한 설명

도 1은 개선된 회전자 폴 제어를 이용할 수 있는 본 발명에 따른 교류 기계장치의 종단면도로서, 축을 기준으로 대칭을 이루는 일측만을 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 교류 기계장치의 제어신호 발생기에의 고정된 회전자 폴 부분을 보여주는 도면으로서, 도 13의 선 2-2를 따라 도시한 횡단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 교류 기계장치의 모터 부분을 보여주는 도면으로서, 도 1 및 도 13의 선 3-3을 따라 도시한 횡단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 교류 기계장치의 모터 부분을 보여주는 도면으로서, 도 1 및 도 13의 선 4-4를 따라 도시한 횡단면도이다.

도 4A는 본 발명에 따른 교류 기계장치의 모터 부분에서 제 2 고정자를 보여주는 도면으로서, 도 1 및 13의 선 4A-4A를 따라 도시한 횡단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 교류 기계장치의 고정된 폴 제네레이터 부분을 보여주는 도면으로서, 도 1의 선 5-5를 따라 도시한 횡단면도이다.

도 6은 미합중국 특허 제 4,663,536 호에 기재된 여기 전류와 회전자 폴을 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 교류 기계장치에서 회전자 영구자석 재료에 대한 2차 상한의 자기 이력현상을 설명하는데 유용한 1차 좌표이다.

도 8은 본 발명에 따른 교류 기계장치에서 회전자 재자화 가능한 경질 자성체에 대한 2차 상한의 자기 이력현상을 설명하는데 유용한 2차 좌표이다.

도 9는 본 발명에 따른 여자 제어 전류파형, 회전자 폴 자기강도, 감소된 여자 전력과 개선된 제어를 달성하기 위한 위치 및 형상을 보여주는 도면이다.

도 10은 본 발명에 따른 교류 기계장치가 동기속도로 작동할때의 여자 전류와 회전자 폴을 보여주는 도면이다.

도 11은 본 발명에 따른 교류 기계장치가 동기속도로 작동할때의 전압 제어를 위한 여자 제어 전류 및 폴 강도 변화를 보여주는 도면이다.

도 12는 본 발명에 따른 프로그램된 제어 전류를 공급하기 위한 구동 회로의 블록 다이어그램이다.

도 13은 개선된 회전자 폴 제어를 이용할 수 있는 정류된 출력 교류 기계장치의 종단면도로서, 축을 기준으로 대칭을 이루는 일측만을 도시한 도면이다.

본 발명은 동기식 교류 기계장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 작동의 중단없는 전원장치를 구성하는 동기식 교류 기계장치의 회전자 폴 제어에 관한 것이다.

본 발명에 따른 회전자 폴 제어장치는 미합중국 특허 제 4,663,536 호(작동의 중단이 없고 상대적으로 구성이 단순하고 조용하게 작동하면서 효율이 높은 모터-제네레이터로서 작동하는 교류 기계장치의 여자 코일로 정확하게 제어된 주파수의 사인파 구동전류를 공급함)에 기재된 제어장치를 개선시킨 것이다. 상기 모터-제네레이터로서 작동하며 미합중국 특허 제 4,663,536 호에 기재된 것과 유사한 교류 기계장치가 도 1, 3 및 5에 도시되어 있다(개선된 제어장치에 대한 기재는 생략함).

도 1을 참조하면, 프레임(1)은 제어된 회전자 폴 모터(22), 제어된 회전자 폴 제네레이터(24) 및 고정된 폴 보조 제네레이터(33)에 대한 하우징을 제공한다. 모터(22)는 모터 회전자 셸(16), 1차 모터 고정자(10), 2차 모터 고정자(28), 모터 재자화 가능한 경질의 자성체 층(9), 회전자 고 투자율 층(12) 및 모터 권선(23)을 포함한다. 제네레이터는 제네레이터 재자화 가능한 경질의 자성체 층(2)을 포함하는 제네레이터 회전자, 로터 고 투자율 층(18), 회전자 셸(3), 그리고 고정자(4), 고정자 지지부재(8) 및 제네레이터 권선(13)으로 이루어진 제네레이터 고정자 어셈블리를 포함한다. 모터 회전자와 제네레이터 회전자는 베어링(7)에서 안쪽으로 들어오는 축(5) 상에서 회전한다. 프레임 또는 하우징은 대향하는 종방향 단부들에서 단부 벨(6)에 의해 폐쇄된다.

도 3은 도 1에 도시된 교류 기계장치의 횡단면도로서 도 1의 선 3-3을 따라 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이, 제네레이터 고정자(4)는 지지 부재(8) 상에 장착되며, 연질의 저손실 자성체로 이루어지고, 하나 또는 그 이상의 폴 피스(19)를 구비한다. 고정자(4)에 형성된 슬롯에는 제네레이터 권선(13)이 제공된다. 제어된 자기 여자 장을 발생시키기 위해서 폴 피스들(19) 상에는 여자 코일들(14)이 끼워맞추어진다. 고정자(4)의 각각의 부분은 고유의 여자 코일들(14)을 구비한다. 제네레이터 고정자(4)와 자기 층(2)은 여자 코일(14)에 전류를 인가함에 의해서 회전자 자기 폴들을 재자화 가능한 경질 자성체로 이루어진 층(2) 상에 형성되게 하는 자극에 의해서 서로에 대하여 회전한다.

도 4는 도 1의 선 4-4를 따라 도시한 단면도로서 본 발명에 따른 교류 기계장치의 모터부분을 보여주는 도면이다. 도 1의 1차 모터 고정자(10)는 지지 부재(8) 상에 장착되며, 연질의 저손실 자성체로 이루어지고, 폴 피스(21)를 구비한다. 1차 모터 고정자(10)에 형성된 종방향 슬롯에는 모터 권선(23)이 제공된다. 제어된 자기 여자 장을 발생시키기 위해서 모터 폴 피스(21) 상에는 주 모터 여자 코일(15)이 끼워맞추어진다. 도 4A에 도시된 바와 같이, 2차 고정자(28)는 주 여자 코일(15)이 인접한 고정자들을 통해서 감겨지도록 하기 위하여 도 4에 도시된 것과 정렬되는 여자 슬롯을 갖는 폴 피스(21)를 또한 포함한다. 주 여자 코일(15)은 모터가 동기속도로 가속되는 동안에 1차 모터 고정자 구역(10)과 2차 모터 고정자 구역(28)에 대한 자기 회전자 폴 제어를 제공하는데 사용된다. 주 여자 코일(15)은 고정자 구역(10,28)의 길이를 따라 연장된다. 모터 고정자(10,28)와 자기 층(9)은 주 여자 코일(15)에 전류를 인가함으로써 회전자의 자극이 재자화 가능한 경질 자성체 층(9) 상에 형성되게 하는 간극에 의해서 서로에 대하여 회전한다.

여기에서 사용되는 여자 폴 피스는 도 3의 폴 피스(19)와 같은 집중된 형태나 또는 도 4의 폴 피스(21)와 같이 분산된 형태를 가질 수 있다. 각각의 형태는 각기 다른 기계장치의 사용목적을 만족시킬 것이다. 도 4에 도시된 형태는 제조비용이 저렴하지만, 자기 강도와 폴 에지 한계를 감소시킬 수 있다. 따라서, 교류 기계장치의 제네레이터 구역(24)에서는 그와 같은 분산된 형태를 사용하지 않는 것이 바람직하지만, 모터 구역(22)에 대해서는 충분한 성능을 보인다. 그러나, 본 발명은 이러한 것으로 제한되는 것이 아니며 다른 형태의 여자 폴 피스가 모터와 제네레이터에 사용될 수 있다는 것은 해당 기술분야의 당업자에게는 명백한 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 교류 기계장치에서 여자 제어 회로에 전력을 제공하기 위한 고정된 폴 보조 제네레이터(33)를 보여주는 도면이다. 자성체(17)는 도 7에 도시된 바와 같은 통상적인 자성체 특성을 갖는다. 이러한 자성체는 높은 수준의 보자력을 가지며, 통상적으로는 설치전에 자화된다. 자성체(17)는 널리 알려진 고 에너지의 페라이트 세라믹 자성체로 이루어진다. 그러나, 본 발명에서는 이러한 재료로 한정되지 않으며 특별한 용도에 따라 다른 고에너지 재료가 사용될 수 있음을 해당 기술분야의 당업자는 명백하게 이해할 수 있을 것이다. 예를 들면, 그러한 재료들은 SmCo₅, RSm₂O₁₇, 또는 NdFeB를 포함하며, 고 에너지 자화재료의 기술분야에서 잘 알려진 것들이 사용 가능하다.

도 5에 도시된 바와 같이, 고정된 폴 보조 제네레이터(33)는 고정된 폴 고정자(32)와 영구자석 층(17)을 포함한다. 그러나, 본 발명은 이러한 점에서 제한을 받지 않으며, 고정된 폴 보조 제네레이터(33)는 하기에서 설명되는 셸과 같이 폴 제네레이터로서 구성될 수 있다.

도 1에 도시된 교류 기계장치에서 사용되는 자성체(2,9)는 도 8에 도시된 바와 같은 통상적인 자기 특성들을 갖는다. 이러한 자성체는 자기 층으로 하여금 쉽게 자화되게 하거나 또는 교류 기계장치의 작동중에 여자기에 의해서 재 자화되게 할 수 있는 수준의 보자력을 갖는다. 이러한 수준의 보자력은 자기 층이 고정자 권선 전류에 의해서 자기를 상실함이 없이 교류 기계장치가 전체 부하로 작동하는 동안에 회전자 폴을 재편성하도록 선택되는 것이 바람직하다.

도 1에 도시된 모터(22)는 단상 또는 3상 교류 전기 분배장치를 작동시키고 고 투자율의 층(12)과 회전자 셸(16)을 구동시키도록 구성될 수 있다. 이때, 고 투자율의 층(12)과 회전자 셸(16)은 출력축 제네레이터(24)의 회전자 셸(3)에 연결된다. 모터의 고 투자율의 층(12)과 회전자 셸(16)의 높은 관성은 제네레이터 회전자 셸(3) 및 고투자율 층(18)의 높은 관성과 함께, 전력이 모터(22)로 손실된 후에 출력 전력이 5-10초 도는 그이상 유지될 수 있게 한다. 이에 의해, 임계 부하가 장애로부터 보호된다. 모터(22)는 국제 공개공보 95/34117호에 기재된 바와 같이 제어된 폴 기계장치로서 구성된다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 도 12에 도시된 바와 같은 하나 또는 그 이상의 제어 신호 발생기가 제네레이터(14)와 모터 여자 코일(31)을 통해서 구동 전류를 제공한다. 모터 여자 코일(15)은 제어신호 발생기(12)에 의해서 구동되지만, 국제 공개공보 95/34117호 또는 미합중국 특허 제 4,663,536 호에 기재된 바와 같이 공진회로에 의해서 활성화되거나 또는 입력 전력으로부터 에너지를 인가받아서 활성화되는 것이 바람직하다. 하기에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 제어신호 발생기는 교류 기계장치의 모터나 제네레이터의 전기적인 특성을 제어하기 위해서 회전자 폴을 변경시키도록 프로그램된 파형의 펄스들을 발생시키는 적어도 하나의 입력 신호에 반응한다. 제어신호 발생기의 작동을 지원하기 위해서 컴퓨터가 사용된다.

교류 제네레이터의 적용

도 1 및 3에 도시된 교류 기계장치의 교류 제네레이터에 대하여, 전기적인 특성은 교류 출력전압, 출력 주파수 또는 이들 모두가 될 수 있다. 하기에서 설명하는 바와 같이, 제네레이터 자기 층(2) 상에 폴들을 형성하기 위해 프로그램된 파형들은 자기 폴들의 필수적인 변화를 제공하기 위해서 폭, 위상 및 진폭에 있어서 변화될 수 있다. 통상적으로, 자기 폴들의 그러한 변화는 제네레이터의 회전속도가 동기 속도로부터 벗어나거나 또는 출력 전압이 부하에 의해서 악영향을 받을 때 요구된다.

미합중국 특허 제 4,663,536 호에 개시된 제어 전류는 회전자의 일정한 폴들을 자화시키거나 자기 층에 초당 자기 패턴들을 형성한다. 이에 의해, 회전 속도가 변하는 경우, 제네레이터의 주파수 출력이 일정하게 유지된다. 제네레이터의 출력축 위상 제어는 이러한 제어신호의 위상변화에 의해서 달성된다. 미합중국 특허 제 4,663,536 호에 개시된 발명에 있어서 사인 파 전류의 진폭은 제네레이터 회전자 자기층 상에 있는 폴의 자극성을 변화시키기 위해서 최소 수준에 도달하여야만 한다. 이것은 도 6에 도시된 바와 같이, 여기 전류의 값에 따라서 새로운 폴 에지와 여기 전류 사이에 30 내지 60도의 래그(lag)를 야기한다. 이것은 또한 제네레이터 회전자 상에서 자기 폴의 정지를 형성하는데 필요한 것보다 큰 여기 전류를 야기한다. 하기에서 설명하는 바와 같이, 이것은 도 9의 프로그램된 전류파형을 제공함에 의해서 달성된다. 다른 장점들 또한 달성이 가능하다.

도 9에 있어서, 프로그램 가능한 여자 전류 펄스(30)의 형상과 타이밍은 제네레이터 자기 층(2) 상에 형성된 자기 폴이 제네레이터 회전 속도에의 변화를 수용하도록 선택적으로 변경될 수 있게 선택된다. 도시된 바와 같이, 제네레이터 여자 코일(14)은 자기 폴의 에지들을 개편하기 위해서 여자 전류 펄스(30)에 의해서 활성화된다. 네가티브 전류 펄스는 남측 회전자 폴("S")의 에지를 재편하고 이와 동시에 인접한 북측 폴의 래깅 에지를 없애기 위해서 여자 코일(14)을 활성화시키는데 사용된다. 마찬가지로, 포지티브 전류 펄스는 북측 회전자 폴("N")의 에지를 재편하고 이와 동시에 인접한 남측 폴의 래깅 에지를 없애기 위해서 여자 코일(14)을 활성화시키는데 사용된다.

하기에서 설명하는 바와 같이, 회전자 자기 폴의 리딩 에지와 래깅 에지에서의 여자 전류 펄스(30)의 폭과 위치는 동기 속도에 대한 회전자 속도, 그리고 회전자가 동기 속도보다 빠르거나 느린지 여부에 의해서 결정된다. 동기 속도에서, 리딩 펄스와 래깅 펄스가 양호한 폴 형상을 유지하도록 교대로 사용된다.

동기 속도로 작동하는 경우, 도 10에 도시된 바와 같은 파형이 제네레이터 자기 층상에 초기 세트의 회전자 폴을 세우는 데 사용된다. 이러한 경우, 2개의 폴이 달성된다. 4개의 폴이 필요한 제네레이터 회전자에 있어서, 이러한 사이클은 반복되고, 회전자 폴의 개수에 따라 제 2 쌍의 폴들이 달성된다. 제네레이터 모터가 정확한 동기속도로 유지됨에 따라서, 폴 길이와 위치는 변하지 않으며, 하기에 설명하는 바와 같이 출력 전압을 제어하는데만 여기가 요구된다. 만일, 회전자 폴이 가혹한 과부하나 다른 기계장치 조건에 의해서 자기를 상실하는 경우, 회전자 폴은 필요에 따라 제네레이터 여자 코일(14)로 여자 전류를 다시 인가함으로써 리프레시되거나 재달성될 수 있다.

만일, 회전자 속도가 동기속도로부터 이동하면, 제네레이터에서 회전자 폴 에지들을 재편성하도록 도 9에 도시된 바와 같은 연속적인 여자 전류가 제공된다. 이것은 새로운 속도에서 일정한 폴/초당 비율에 대하여 적절한 폴 길이를 유지시킨다. 폴의 자기장 강도가 제네레이터 출력 전압에 직접적으로 영향을 끼치므로, 교류 기계장치가 다른 동기 속도로 작동하는 경우에, 제네레이터 여자 코일(14)에 가해지는 여자 전류 펄스(30)의 크기는 교류 기계장치의 출력전압을 결정하도록 또한 제어될 수 있다. 이러한 전압 조절방법은 단독으로 이용되거나 또는 이미 공지된 다른 조절 수단과 연계하여 사용될 수 있다.

만일 새로운 속도가 동기속도로부터 단지 몇 퍼센트만 변화하는 경우, 예를 들어 분당 3510 회전이 3600rpm의 60Hz 2중 폴 동기속도로부터 단지 2.5%만큼 벗어나는 경우에, 여자 전류펄스 30의 주기는 도 9에 도시된 바와 같은 폴 보정에 대하여 약 15도가 될 수 있다. 이러한 15도 값은 특정 모터 속도 작동속도에서 회전자 폴의 길이를 기초로하여 계산되며, 초당 일정한 폴비가 유지된다. 출력의 1/2 사이클당 하나의 펄스가 도 9에 나타나 있다. 대부분의 경우에 있어서 단지 하나의 펄스만이 단일 폴 에지를 재편성하는데 필요하다. 이러한 폴 에지 보정은 회전자가 교류 기계장치의 출력 주파수에 대한 기계적인 동기속도보다 빠르냐 혹은 느리냐에 따라 결정된다. 필수적인 여자 전류펄스의 폭은 회전자 속도가 떨어짐에 따라서 증가한다. 전체적인 폴의 길이는 낮은 속도에서 초당 일정한 폴 비를 유지하도록 줄어드는 속도로 감소되어야 한다. 필수적인 여자 전류 펄스폭은 이러한 경우에 33% 또는 2400rmp의 속도 편차로 최대에 도달한다. 60Hz 교류 기계장치에 있어서, 2400rpm의 속도가 3중 폴 회전자에 요구된다. 종래의 교류 기계장치에서는 3중 폴 회전자가 존재할 수 없으며, 각각의 폴은 각각의 주기 동안 완전하게 재편성되어야 한다.

실제로, 도 1에 도시된 바와 같은 교류 기계장치에 대한 정상적인 작동은 12.5%의 속도변화보다 작은 범위내에서 이루어지는 것이 요구된다. 특정한 속도에서 폴 보정에 요구되는 여자 전류를 공급함으로써, 여자전류의 필요한 rms는 미합중국 특허 제 4,663,536 호에 나타낸 바와 같은 사인파 전류 구동에 비하여 상당히 줄어들게 된다. 이것은 여자 코일손실과 필요 구동 전력을 크게 줄이며 효율은 증가시킨다.

여기에서 기재된 바와 같은 자기 회전자 폴 제어는 위상변화 없이 동기속도로 제네레이터 또는 모터의 E.M.F. 조절을 가능하게하는 장점을 갖고 있다. 이것은 여자전류를 폴에 가하거나(그에따라 자기장 강도를 증가시킴) 또는 회전자 폴에 반대로 연자전류를 가함(그에따라 자기장 강도를 감소시킴)으로써, 각각의 회전자 폴의 자기장 강도를 증가시키거나 감소시켜서 달성될 수 있다. 도 11은 교류 기계장치의 발생된 E.M.F.를 줄이기 위해서 회전자 폴의 강도를 증가시킨 결과를 나타낸다. 여자가 폴 베이시스에 의해서 폴 상에서 조절됨에 따라서, 모든 동일한 수치에서 폴 세트가 달성된다. 예를 들면, 각기 다른 수치의 폴들이 서로 인접하게 달성될 것이다. 이러한 방식의 회전자 폴 조절은 다중 폴 기계장치에서 회전 성분들이 개선된 성능에 대하여 출력 전압 파형으로부터 제거되게 한다. 특히, 교류 기계장치의 출력이 정류되는 경우에는, 낮은 값의 웨이브 전압이 바람직하다. 그와같은 장치가 도 13에 나타나 있다.

도 13은 개선된 회전자 폴 제어를 이용할 수 있는 정류된 출력 교류 기계장치의 종단면도로서, 도 1과 유사한 교류 기계장치를 축을 기준으로 대칭을 이루는 일측만을 도시한 도면이다. 설명의 편의를 위해서, 도 13에 도시된 구조중 도 1의 부분과 동일한 부분은 동일한 참조부호를 사용하였다. 마찬가지로, 도 1에 대하여 이미 기술한 바와 같이, 도 3과 4는 도 13에 기재된 교류 기계장치의 횡단면을 나타낸다.

도 13에 기재된 교류 기계장치는 특히 새로운 회전자 폴 제어방법을 설명한다. 이러한 실시 예에서, 교류 기계장치는 임계 부하에 대하여 매우 높은 고질의 조절 직류를 인가하도록 설계된다. 도시된 바와 같이, 제네레이터는 제 1 및 제 2 고정자와 회전자 구역들을 갖도록 형성되며, 이러한 구역들은 도 13에 나타낸 바와 같이 제어된 폴 제네레이터 구역(24A) 및 고정된 폴 제네레이터 구역(26)을 한정한다. 제네레이터의 교류 출력을 정류하기 위해서 다이오드 링(11)이 제공된다.

제어된 폴 제네레이터 고정자 구역(24A)은 도 3에서 횡단면으로 도시되고, 이것은 도 1에서 이미 기술한 바와 같이 제어된 폴 제네레이터(24)와 동일한 구성을 갖는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 고정자 구역(24A)은 적어도 하나의 여자 폴(19) 및 권선(14)을 포함한다. 도 13에 도시된 고정 폴 제네레이터 구역(26)은 고정된 수치의 회전자 폴을 구비하고 여자 제어는 존재하지 않는다.

주 권선(13)은 고정자 구역들(24A,4A) 모두를 지나서 연장된다. 비동기 속도를 변화시키는 조건하에서 출력 주파수를 조절할 필요가 없기 때문에, 고정된 폴 배열은 제네레이터 출력이 단지 직류를 공급하도록 의도된 곳에서 사용될 수 있다. 또한, 제어된 폴 제네레이터 구역(24A)에 의해서 모든 필요한 전압 조절이 달성될 수 있다. 도 13에 도시된 바와같이 전압을 조절하기 위해서 전체 제네레이터중 단지 일부를 사용함으로써, 작은 직류의 사용을 용이하게 하고, 그 결과 효율이 개선된다.

도 2는 본 발명에 따른 교류 기계장치의 제어신호 발생기에의 고정된 회전자 폴 부분을 보여주는 도면으로서, 도 13의 선 2-2를 따라 도시한 횡단면도이다. 도 2의 고정된 폴 회전자에 있는 영구 자성체(27)는 이미 기술한 바와 같은 도 5의 영구 자성체(17)와 유사한 특성을 갖는다. 이러한 타입의 자성체는 선택되며, 그리하여 회전자 폴은 구성중에 미리 자화될 수 있고, 예상 기계작동 조건하에서 자기를 상실하지 않는다. 자성체(27)는 공지된 고 에너지의 페라이트 세라믹 자성체로 구성된다. 그러나, 본 발명은 이것으로 제한되지 않으며, 특정한 용도에 따라서 그에 부합하는 고에너지의 희토류 영구 자성체를 사용할 수 있다. 예를 들면, 그러한 재료들은 고 에너지 자화재료의 기술분야에서 잘 알려진 바와같이 SmCo₅, 또는 NdFeB를 포함한다.

상기한 바와 같이, 도 3에 도시된 교류 기계장치의 제어된 폴 구역에서 사용되는 자성체는 도 8에 나타낸 것과 같은 특성을 갖는다. 도 8의 자성체는 낮은 수치의 보자력을 가지며, 교류 기계장치의 작동중에 여자기에 의해서 재자화가 가능하다. 조자력은 그와같은 재자화가 가능하도록 선택되지만, 주 권선 전류로부터 자기를 상실함이 없이 교류 기계장치가 전체 부하를 전달할 수 있을 정도로 높은 값을 갖는다.

도 13에 도시된 교류 기계장치에 있어서, 정류 출력에서의 웨이브를 최소화하기 위하여 제 2 제네레이터 구역(26)에 대한 회전자 상에 존재하는 많은 수의 회전자 폴을 구비하는 것이 바랍직한다. 몇몇의 경우에 있어서, 10 또는 그 이상의 폴들이 이러한 목적을 위해서 사용된다. 고정자에 다중 위상의 권선을 구비함으로써, 다수의 폴들은 다이오드 링(11) 상에 있는 다중의 다이오드들을 이용하여 고정자 권선 출력을 정류하는 것으로 매우 낮은 웨이브 직류 출력이 제공되게 한다.

제어된 폴 제네레이터 구역(24,24A)에 적용되는 회전자 폴은 출력 전압을 조절하기 위해서 제네레이터의 고정된 폴 부분에 있는 구역들과 동기화된다. 제어된 폴들은 출력전압을 증가시키거나 감소시키도록 동기화되는 교호 극성의 직류 펄스로서 값이 상승하거나 하강한다. 몇몇의 경우에 있어서, 출력전압을 명목상의 수준으로 급속하게 끌어올리기 위해서 제어 고정자 여자기로 직류를 공급하는 것이 바람직하다. 이것은 하나의 여가지 권선(19)에 교류 전원을 가하고 다른 여자기 권선(19)에 직류 전원을 가하는 것으로 수행된다. 또한, 회전자의 고정된 구역과 제어된 구역 모두에서 자기 구역들의 상대적인 강도에서의 작은 변화들은 정류 전압의 회전 주파수와 기초 주파수가 정류된 직류출력을 나타내게 한다. 이러한 조건은 이러한 낮은 주파수 성분들을 제거하기 위해서 조절 회전자 부분에서 자기층의 상대적인 자기 강도를 조절하고 정류 주파수 성분들의 값과 위상을 감지함으로써 개선된다.

모터 제어에의 적용

프로그래밍이 가능한 자기 회전자 폴 제어 시스템은 상기한 바와 같이 제네레이터에 적용되듯이, 제어된 회전자 폴 모터(22)의 전기적인 작동 특성들을 제어하는데 사용될 수 있다. 위에서 언급한 바와 같이, 모터(22)는 둘 또는 그이상의 인접한 구역들을 구비하는데, 이들은 각각 1차 모터 고정자(10)와 2차 모터 고정자(28)를 포함한다. 2개의 고정자들은 도 4 및 14를 참조하여 이미 설명한 바와 같이 공통의 주 모터 여자 코일(15)을 공유한다. 주 여자 코일(15)은 모터가 동기속도로 가속되는 동안에 모터(22)의 모든 회전자 구역에 대하여 회전자 자기 폴 제어를 제공하는데 주로 이용된다. 공통의 주 여자 코일(15)은 전체 모터 회전자기장에 영향을 끼치는 입력 전압 장애와 다른 조건들로 인해 모터 회전자 필드의 재구성을 필요로하는한 동기 속도에서 에너지를 인가받지는 않는다.

모터 고정자(10,28)에 의해서 공통의 주 여자 코일(15)이 공유되는 것에 덧붙여서, 도 4A에 도시된 바와 같은 2차 여자 코일(31)이 2차 모터 회전자(28) 상에 제공된다. 도시된 바와 같이, 2차 모터 고정자(28)는 주 여자 코일(15)에 대한 1차 여자 폴(21) 및 2차 여자 코일(31)에 대한 2차 여자 폴(29)을 구비한다. 이러한 경우에, 2개의 여자 폴 피스가 180도 각도로 이격되어 위치하지만, 본 발명은 이것으로 제한되지 않으며, 보다 많은 수의 여자기가 이용될 수 있고 주 모터 권선 디자인에 따라서 각기 다른 위치들에 놓일 수 있다.

2차 여자 코일(31)은 모터가 동기속도로 구동하는 경우에 에너지를 인가 받는다. 2차 여자기 폴 피스에 인접한 회전자 자기층의 자기 강도를 증가시키거나 감소시키기 위해서, 프로그래밍이 가능한 여자기 전류가 2차 여자기 코일(31)에 제공된다. 이와는 달리, 몇몇의 경우에 있어서 모터 자기 층(9)에서의 폴의 위상 변화를 유도하기 위하여 2차 여자기로 프로그래밍이 가능한 제어 전류를 제공하는 것이 바람직하다.

모터 권선(23) 상의 모터 자기 층(9)에서의 자기 영향력을 변화시킴으로써, 권선(23)에 의해서 발생되는 후방 E.M.F.가 변한다. 모터 자기 층(9) 상에 강한 자기 폴이 형성되면 후방 E.M.F.가 커진다. 만일, 후방 E.M.F.가 선형 전압보다 크면, 모터(22)에 대한 입력 전압요소가 유도된다. 이러한 제어는 공통의 주 모터 여자기 코일(15)에 적정한 여자기 펄스를 가함으로써 달성된다. 그러나, 2차 모터 고정자(28)의 길이가 상당히 감소하는 경우, 예를 들어 1차 모터 고정자(10)의 길이의 20% 수준으로 감소하는 경우에는, 제어 전력을 크게 감소시켜야 한다.

여자기 전류 제어 시스템

집적 게이트 2극 트랜지스터(IGBT)를 이용하여 그러한 제어를 수행하기 위한 시스템(30)이 도 11에 블록다이어그램의 형태로 도시되어 있다. IGBT는 드레인과 연관되는 전력 MOSET로서 간주될 수 있다. 이것은 MOSET에 의해서 구동되는 와류 트랜지스터를 제공하고, 동일한 다이 영역(die area)에서 전류 유동을 증가시킬 수 있게된다. IGBT는 2극 접합 트랜지스터(BJT)의 낮은 유도 손실을 전력 MOSFET의 스위칭 속도와 통합한다. 비록 IGBT 특성들이 이러한 응용에 바람직하지만, 다른 적당한 반도체 장치들도 이용될 수 있다.

교류 기계장치에 대하여 주파수, 전압, 폴 위상 제어 회로(32)의 작업은 컴퓨터나 마이크로프로세서에 의해서 수행될 수 있다. 이 회로(32)는 라인(44,46,50,52) 상에서의 IGBT 제어 신호들을 절연된 IGBT 드라이버(54,56,58,60)에 각각 제공한다. 절연된 IGBT 드라이버(54,56,58,60)는 IGBT 트랜지스터들(62,64,66,68)을 각각 구동시킨다. 트랜지스터들은 B+와 B-에 대하여 브릿지 배열로 연결되고, 여자기 코일(14) 또는 (31)에 대하여 브릿지 배열로 연결되며, 여자기 코일에 대하여 직렬로 배치된 직류 검출기(69)에 대하여 브릿지 배열로 연결된다.

회로(32)는 라인(34) 상에서 기계장치 상태 신호입력을 수용하고, 라인(36) 상에서 고정 폴 고정자로부터 나오는 동기 전압신호 또는 회전자 위치 픽업을 수용하며, 라인(40) 상에서 제네레이터 출력으로부터 나오는 전압 조절신호를 수용한다. 또한, 라인(42) 상에서 출력 파형과 위상(교류 출력) 웨이브 성분 및 진폭(직류 출력)을 수용하며, 라인(48) 상에서 직류 검출기(69)로부터 나오는 전류 피드백 신호를 수용한다. 신호를 나타내는 출력전류 수준은 시간과 다른 특성들에 대하여 빠르게 반응하는 것이 요구되는 라인(40) 또는 (42) 상에 제공된다. 본 발명에 따른 교류 기계장치는 제네레이터의 교류 출력 또는 정류된 직류 출력을 제어하는데 사용될 수 있다. 정류된 직류출력이 제공되는 경우, 정류된 출력으로부터 나오는 피드백 신호가 교류 기계장치(30)를 제어하는데 사용될 수 있다. 피드백 신호는 직류 출력에서 전압 진폭과 웨이브 성분들중 적어도 하나에 대한 정보를 포함한다. 마찬가지로, 본 발명에 따른 교류 기계장치는 전력 요소 신호 입력(38)을 기초로하여 모터(22)의 입력 전압 요소를 제어하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시 예에서, 분리된 IGBT 브릿지 및 연관된 드라이버 회로소자는 회로(32)에 의해서 각각의 모터나 제네레이터 여자 코일에 각각 제공된다. 이와는 달리, 분리된 제어 회로(32)가 분리된 IGBT 브릿지 및 연관된 드라이버 회로소자 각각을 제어하는데 사용될 수 있다.

고정자(4)의 각각의 부분은 고유의 여자 코일들(14)을 구비한다. 제네레이터 고정자(4)와 자기 층(2)은 여자 코일(14)에 전류를 인가함에 의해서 회전자 자기 폴들을 재자화 가능한 경질 자성체로 이루어진 층(2) 상에 형성되게 하는 자극에 의해서 서로에 대하여 회전한다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술

분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

교류 기계장치로서,

재자화가 가능한 고 보자력의 자성체로 이루어진 층이 상부에 제공된 교류 회전자;

폴 피스(pole piece) 및 상기 폴 피스 상에 제공된 제 1 여자 코일을 갖는 연질의 저손실 자성체로 이루어진 교류 고정자; 및

상기 교류 기계장치의 전기적인 특성을 제어하기 위하여 상기 회전자의 자극을 변경시키도록 폭, 상 및 진폭중 적어도 하나가 변하게 프로그램된 파형의 펄스들을 발생시키기 위하여 적어도 하나의 입력신호에 반응하는 제어신호 발생기를 포함하며,

상기 고정자와 상기 회전자는 상기 여자 코일에 전류를 인가함으로써 상기 회전자의 자극이 상기 고 보자력의 자성체 상에 형성되게 하는 간극에 의해서 서로에 대하여 회전하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 1 항에 있어서, 상기 교류 기계장치는 제 2의 고정자를 더 포함하며, 상기 회전자는 재자화가 가능한 자성체로 이루어진 제 2의 층을 구비하고, 상기 제 2의 고정자는 제 2 폴 피스 및 상기 제 2 폴 피스 상에 제공된 제 2 여자 코일을 구비하며, 상기 제 2 여자 코일에 전류를 인가함에 의해서 야기되는 상기 제 2의 고정자와 상기 회전자의 상대적인 회전에 의해 제 2 세트의 회전자 폴이 상기 재자화가 가능한 자성체로 이루어진 제 2의 층상에 형성되는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 2 항에 있어서, 상기 제 1 여자 코일 및 상기 제 2 여자 코일은 통상적인 전선의 권선으로 형성되는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 3 항에 있어서, 상기 교류 기계장치는 주 교류 권선을 더 포함하며, 상기 주 교류 권선은 상기 제 1 고정자 및 상기 제 2 고정자를 관통하여 연장되는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 2 항에 있어서, 상기 교류 기계장치는 제 3 여자 코일 및 제 3 폴 피스를 구비하며, 상기 제 3 여자 코일과 상기 제 3 폴 피스는 상기 제 2 회전자 상에 위치하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 2 항에 있어서, 상기 재자화가 가능한 자성체로 이루어진 제 2의 층은 폴 패턴으로 영구적으로 자화되는 영구 자성체로 이루어지며, 상기 제 2 고정자는 여기 폴 피스없이 형성되는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 1 항에 있어서, 상기 교류 기계장치는 컴퓨터를 더 포함하며, 상기 제어신호 발생기는 상기 컴퓨터의 일부분을 구성하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 1 항에 있어서, 상기 교류 기계장치는 교류 전력 발생기로 이루어지고, 상기 전기적인 특성은 교류 출력전압과 주파수중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 8 항에 있어서, 상기 제어신호 발생기는,

상기 교류 출력전압;

교류 출력전류;

상기 여자 코일에 인가되는 상기 전류를 나타내는 피드백 신호;

기계 상태;

고정된 폴 고정자 위치 픽업으로부터 나오는 동기신호;

회전자 위치 픽업으로부터 나오는 동기신호; 그리고

출력파형과 위상으로 이루어진 값들중 적어도 하나를 나타내는 적어도 하나의 피드백 신호에 반응하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 8 항에 있어서, 상기 제어신호 발생기는 상기 회전자 폴의 리딩 에지(leading edge)와 래깅 에지(lagging edge)를 선택적으로 재편성하기 위한 펄스들을 발생시키는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 8 항에 있어서, 상기 제어신호 발생기는 상기 회전자 폴의 물리적인 길이들을 선택적으로 재편성하기 위한 펄스들을 발생시키는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 8 항에 있어서, 상기 제어신호 발생기는 각기다른 회전자 회전속도로 초당 일정한 폴 비를 유지하기 위하여 펄스들을 발생시키는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 8 항에 있어서, 상기 제어신호 발생기는 상기 회전자 상에 제공된 상기 재자화가 가능한 자성체로 이루어진 층의 상대적인 자기 강도를 변화시키기 위해서 가변적인 진폭의 펄스들을 발생시키는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제어신호 발생기는 교류출력을 직류출력으로 변환시키기 위한 정류기 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 14 항에 있어서, 상기 제어신호 발생기는 상기 회전자 상에 제공된 상기 재자화가 가능한 자성체로 이루어진 층의 상대적인 자기 강도를 변화시키기 위한 가변적인 진폭의 펄스들을 발생시킴으로써 상기 직류출력을 조절하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 15 항에 있어서, 상기 교류 기계장치는 고정된 폴 고정자 구역과 회전자 구역을 더 포함하며, 상기 고정된 폴 고정자 구역과 상기 회전자 구역은 서로에 대하여 회전하며, 상기 고정된폴 회전자 구역은 그 위에 형성된 영구자석 폴들을 구비하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 16 항에 있어서, 상기 자성체는 페라이트와 희토류 영구자성체로 이루어진 자성체의 그룹중 하나로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 14 항에 있어서, 상기 제어신호 발생기는,

상기 교류 출력전압;

교류 출력전류;

상기 여자 코일에 인가되는 상기 전류를 나타내는 피드백 신호;

기계 상태;

고정된 폴 고정자 위치 픽업으로부터 나오는 동기신호;

회전자 위치 픽업으로부터 나오는 동기신호;

출력파형과 위상; 그리고

정류된 직류 출력전압과 맥동 성분으로 이루어진 값들중 적어도 하나를 나타내는 적어도 하나의 피드백 신호에 반응하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 1 항에 있어서, 상기 교류 기계장치는 고정된 폴 고정자 구역과 회전자 구역을 더 포함하며, 상기 고정된 폴 고정자 구역과 상기 회전자 구역은 서로에 대하여 회전하며, 상기 고정된폴 회전자 구역은 그 위에 형성된 영구자석 폴들을 구비하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 19 항에 있어서, 상기 자성체는 페라이트와 희토류 영구자성체로 이루어진 자성체의 그룹중 하나로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 1 항에 있어서, 상기 교류 기계장치는 교류 모터로 이루어지고, 상기 전기적인 특성은 입력 전력요소인 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 21 항에 있어서, 상기 제어신호 발생기는,

기계 상태;

상기 모터의 입력 전력요소; 그리고

전력 라인 주파수와 위상으로 이루어진 값들중 적어도 하나를 나타내는 적어도 하나의 피드백 신호에 반응하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
제 21 항에 있어서, 상기 제어신호 발생기는 상기 회전자 상에 제공된 상기 재자화가 가능한 자성체로 이루어진 층의 상대적인 자기 강도를 변화시키기 위해서 가변적인 진폭의 펄스들을 발생시키는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치.
재자화가 가능한 고 보자력의 자성체로 이루어진 층이 상부에 제공된 교류 회전자, 그리고 폴 피스(pole piece) 및 상기 폴 피스 상에 제공된 제 1 여자 코일을 갖는 연질의 저손실 자성체로 이루어진 교류 고정자를 구비하고, 상기 고정자와 상기 회전자는 상기 여자 코일에 전류를 인가함으로써 상기 회전자의 자극이 상기 고 보자력의 자성체 상에 형성되게 하는 간극에 의해서 서로에 대하여 회전하는, 교류 기계장치의 제어방법으로서,

상기 회전자 폴을 변경시키기 위해서 상기 여자 코일에 프로그램된 파형의 각기다른 펄스들을 공급하는 단계; 그리고

상기 교류 기계장치의 전기적인 특성을 제어하기 위해서 상기 회전자 폴을 변경시키도록 상기 펄스들의 폭, 위상 및 진폭중 적어도 하나를 변화시키는 단계를 포함하는 교류 기계장치의 제어방법.
제 24 항에 있어서, 상기 교류 기계장치는 교류 전력 발생기로 이루어지고, 상기 전기적인 특성은 교류 출력전압과 주파수중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 교류 기계장치의 제어방법.
제 25 항에 있어서, 상기 교류 기계장치의 제어방법은,

상기 교류 출력전압;

출력전류;

상기 여자 코일에 인가되는 상기 전류를 나타내는 피드백 신호;

기계 상태;

고정된 폴 고정자 위치 픽업으로부터 나오는 동기신호; 그리고

정류된 직류 출력전압과 맥동 성분으로 이루어진 값들중 적어도 하나를 나타내는 적어도 하나의 피드백 신호에 반응하여 상기 펄스들을 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치의 제어방법.
제 25 항에 있어서, 상기 회전자 폴의 리딩 에지(leading edge)와 래깅 에지(lagging edge)를 선택적으로 재편성하기 위하여 상기 제어신호 발생기를 사용하여 펄스들을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치의 제어방법.
제 25 항에 있어서, 상기 회전자 폴의 물리적인 길이들을 선택적으로 변경시키기 위해서 상기 제어신호 발생기를 사용하여 펄스들을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치의 제어방법.
제 25 항에 있어서, 상기 각기다른 회전자 회전속도로 초당 일정한 폴 비를 유지하기 위해서 상기 제어신호 발생기를 사용하여 펄스들을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치의 제어방법.
제 25 항에 있어서, 상기 회전자 상에 제공된 상기 재자화가 가능한 자성체로 이루어진 층의 상대적인 자기 강도를 변화시키기 위해서 상기 제어신호 발생기를 사용하여 가변적인 진폭의 펄스들을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치의 제어방법.
제 24 항에 있어서, 상기 교류 기계장치는 교류 모터로 이루어지고, 상기 전기적인 특성은 입력 전력요소인 것을 특징으로 하는 교류 기계장치의 제어방법.
제 27 항에 있어서, 상기 모터의 입력 전력요소, 그리고 전력 라인 주파수와 위상으로 이루어진 값들중 적어도 하나를 나타내는 적어도 하나의 피드백 신호에 반응하여 상기 펄스들을 변화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치의 제어방법.
제 32 항에 있어서, 상기 회전자 상에 제공된 상기 재자화가 가능한 자성체로 이루어진 층의 상대적인 자기 강도를 변화시키기 위해서 상기 제어신호 발생기를 사용하여 가변적인 진폭의 펄스들을 발생시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 기계장치의 제어방법.