KR20020091223A - 맞물림 디스크형 회전자와 고정자 구조를 갖는 세그먼트식유도 전기 기계 - Google Patents

맞물림 디스크형 회전자와 고정자 구조를 갖는 세그먼트식유도 전기 기계 Download PDF

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KR20020091223A
KR20020091223A KR1020027014062A KR20027014062A KR20020091223A KR 20020091223 A KR20020091223 A KR 20020091223A KR 1020027014062 A KR1020027014062 A KR 1020027014062A KR 20027014062 A KR20027014062 A KR 20027014062A KR 20020091223 A KR20020091223 A KR 20020091223A
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이 아이 듀폰 디 네모아 앤드 캄파니
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Abstract

본 발명은 상호 등간격으로 적층 및 이격되고 프레임 상에 장착된 복수의 디스크형 환형 고정자 요소와, 연속적인 고정자 요소 사이에 위치되도록 회전축 상에 장착되어 상호 등간격으로 이격된 복수의 디스크형 회전자 요소와, 전류 흐름으로 에너지화될 때 축과 대체로 평행한 방향으로 자기장을 생성하는 상기 제1 고정자 요소의 각각 상의 복수의 전기 권취부와, 연속적인 고정자 요소 상의 제1 방향에 수직인 제2 방향으로, 및 회전자 요소의 회전력을 생성하기 위한 회전자 요소를 통해 자기 플럭스 경로를 완성시키기 위한 복귀 경로를 포함하는 A.C. 전기 기계에 관한 것이다.

Description

맞물림 디스크형 회전자와 고정자 구조를 갖는 세그먼트식 유도 전기 기계{SEGMENTED INDUCTION ELECTRIC MACHINE WITH INTERDIGITATED DISK-TYPE ROTOR AND STATOR CONSTRUCTION}
모터, 변압기, 및 발전기와 같은 교류 전류 전기 기계는 매우 견고하고, 신뢰성이 있으며, 제어하기 용이하고, 특히 큰 토크 용량과 높은 전력 밀도 등급을 가지기 때문에 통상 사용된다. 유도 기계는 고정 코일 또는 고정자의 권취부에 흐르는 전류가 회전 자기장이 존재하는 공간을 점유하는 회전자에서 전류를 차례로 유도하는 회전 자기장을 생성한다는 원리로 작동한다. 회전자에 유도된 전류는 회전력을 생성하도록 회전 자기장과 반작용한다.
지금까지, 이러한 기계의 토크 밀도에 기본 제한이 있는 것으로 믿었다. 플럭스 밀도가 (1) 가열, (2) 기계 유도 저항, 및 (3) 전류 밀도가 너무 높으면 국소적인 자기 포화가 생성된다는 사실에 의해 제한되고 플럭스 밀도가 재료를 고려하여 제한되지만, 본 발명은 기계 출력이 기계의 체적을 대체로 증가시키지 않고 증가될 수 있도록 회전자 및 고정자 또는 1차 코일 및 2차 코일 요소의 구성을 최적화하는 것이다. 종래에는 교류 전류 전기 기계의 설계에서 동력 밀도가 제한되어 동력 출력을 증가시키는 유일한 방법이 기계의 체적을 증가시키는 것이라고 믿었다.
본 발명의 제1 목적은 소정의 기계 체적에 대해 높은 토크 용량을 갖는 전기 기계를 제공하는 것이다. 본 발명의 제2 목적은 전기 기계에서 토크 밀도에 대한 통상의 허용 제한이 하나 이상의 평행 공기 간격 사이에서 동일한 자기 플럭스를 이용함으로써 극복되는 전기 기계를 제공하는 것이다. 본 발명의 제3 목적은 자기 플럭스가 다수의 공기 간격을 통과하여 각 공기 간격에서 회전자의 표면 전류를 유도하여 기계의 소정 체적에 대해 토크 밀도를 증가시키는 전기 기계를 제공하는 것이다. 본 발명의 제4 목적은 회전 또는 동기식 기계로 작용될 수도 있는 전기 기계를 제공하는 것이다. 본 발명의 제5 목적은 힘 밀도가 기계에 존재하는 공기 간격 개수에 의해 대체로 증가되지만 자기 복귀 경로가 거의 일정하게 유지되기 때문에 전체 기계 횡단 면적이 작은 요인으로만 증가되는 전기 기계를 제공하는 것이다.
본 발명은 회전자와 고정자 요소 사이의 자기 플럭스의 유효 표면적을 최대화하도록 세그먼트식 코일 구조를 사용하여 플럭스의 높은 이용 효율을 유발하는 전기 유도 기계에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 샤프트, 회전자 디스크, 고정자, 및 하우징의 대표적인 조립 개요를 도시한다.
도2a 및 도2b는 본 발명의 세그먼트식 고정자 구조를 도시한다.
도3은 본 발명의 3상 권취식 고정자 요소의 예시적인 배열을 도시한다.
도4a, 도4b, 및 도4c는 본 발명의 회전자 요소 구조의 예시적인 배열을 도시한다.
도5는 회전자 요소의 반경방향 홈을 도시한다.
도6은 본 발명의 모터를 위한 제어 장치를 도시한다.
도7은 1차 코일 요소(2)가 2차 코일 요소(1) 사이에 개재된 본 발명의 변압기의 구조를 도시한다.
도8은 1차 코일 및 2차 코일 요소를 위한 모듈형 제어 유닛과 본 발명의 변압기를 도시한다.
본 발명은
(a) 환형의 디스크 형상으로 상호 이격되고 각각이 복수의 자기 독립식 자기 치형부를 포함하는 복수의 고정자 요소를 갖는 고정자와,
(b) 샤프트에 장착되고 상호 이격되고 맞물림 방식으로 고정자 요소와 격자식으로 배치된 복수의 회전자 요소를 갖는 회전자와,
(c) 각각이 고정자 요소의 자기 치형부군과 결합되는 각 고정자 요소 상의 복수의 전기 권취부와,
(d) 연속적인 고정자 요소의 대응 치형부군을 통하여, 그리고 회전자 요소를 통해 제2 방향으로 자기 플럭스 경로를 완료시키기 위한 수단을 포함하고.
상기 권취부는 권취부에 흐르는 전류로 에너지화될 때 자기 플럭스가 제1 방향으로 생성되도록 배열되는 교류 전류(AC) 전기 기계에 관한 것이다.
본 발명은 각 고정자 요소에 인가된 전기 에너지를 개별적으로 제어하도록 배열된 모듈형 제어 유닛을 추가로 포함할 수도 있고, 제어 유닛은
(a) 마이크로프로세서 제어기, 부하 감지 수단, 및 복수의 고정자 제어 모듈을 포함하고, 각 제어 모듈은 고정자 요소에 접속된 전기 스위칭 장치를 포함하고, 마이크로프로세서 제어기는 제어 모듈에 제어 신호를 생성하도록 부하 감지 수단에 응답하고, 각 제어 모듈은 펄스-폭 제어 방식으로 접속된 고정자 요소로의 전류 흐름을 제어하도록 제어 신호에 응답한다.
본 발명에 있어서, 각 제어 모듈은 결합된 고정자 요소의 권취부에서 전류를 감지하기 위해 전류 감지 수단과 마이크로프로세서 제어기에 대응 신호를 생성하기 위한 수단을 추가로 포함하고, 제어기는 감지된 전류를 보상하도록 신호에 응답한다.
본 발명의 마이크로프로세서 제어기에 있어서, 마이크로프로세서 제어기는 권취부 결함을 검출하여 그 제어 모듈이 검출된 결함에 응답하여 고정자 요소를 저에너지화시키도록 각 전류 신호를 소정의 결함 쓰레홀드(fault threshold)와 비교하여 모터가 작동을 계속하도록 허용할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 교류 전류는 다상원으로부터 공급될 수도 있다. 전류 감지 수단은 각 고정자 요소 권취부에서 각 개별 위상의 전류를 감지하도록 배열된다. 마이크로프로세서 제어부에 대응 감지 신호를 생성하기 위한 수단이 또한 존재한다. 제어기는 고정자 권취부의 각 위상의 전류를 균등화시키도록 신호 모듈에 제어 신호를 생성하기 위해 감지 신호에 응답한다. 전류가 이 방식으로 공급될 때, 마이크로 프로세서 제어기는 고정자 요소의 권취부 결함을 검출하고 고정자 요소에 접속된 제어 모듈이 검출된 결함에 응답하여 고정자 요소를 저에너지화하도록 소정의 결함 쓰레홀드와 각 고정자 요소의 권취부의 각 위상으로부터의 각 전류 감지 신호를 비교하여, 모터가 작동을 계속하는 것을 허용할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 부하 감지 수단은 모터 속도 센서를 포함할 수도 있다. 부하 감지 수단은 토크 센서를 포함할 수도 있다.
본 발명에 있어서, 회전자 요소는 복수의 반경방향 홈을 추가로 포함할 수도 있고, 반경방향 홈은 회전자 요소와 고정자 요소 내에 발생된 열의 방사를 용이하게 하도록 공기가 인접한 회전자와 고정자 요소 사이에서 반경방향으로 이동하게 한다.
본 발명에 있어서, 하우징은 이를 통한 공기 흐름을 용이하게 하도록 구성될 수도 있고, 하우징은 밀봉된 기밀 구성일 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예는 1차 코일, 2차 코일, 및 연성의 강성 코어를 포함한 변압기이며, 1차 코일은 각각이 복수의 전기 권취부를 감싸는 복수의 자기 독립식 자기 치형부를 포함한 환형 디스크 형상으로 상호 이격된 복수의 요소를 가지고, 1차 코일 요소의 권취부는 임의의 다른 1차 코일 요소와 동일하고, 2차 코일은 각각이 복수의 전기 권취부를 감싸는 복수의 자기 독립식 자기 치형부를 포함한 환형 디스크 형상으로 상호 이격된 복수의 요소를 가지고, 2차 코일 요소의 권취부는 임의의 다른 2차 코일 요소와 동일하고, 1차 코일 및 2차 코일 요소는 2차 코일 요소가 상호 이격되고 맞물림 방식으로 1차 코일 요소 내에서 격자식으로 배치되도록 연성의 강철 코어에 장착된다.
본 발명의 변압기는 마이크로프로세서 제어기, 부하 감지 수단 및 복수의 제어 모듈을 포함하고 1차 코일 요소 및 2차 코일 요소에 인가된 전기 에너지를 개별적으로 제어하도록 배치된 모듈형 제어 유닛을 추가로 포함하고, 각 제어 모듈은 1차 코일 요소 또는 2차 코일 요소에 접속된 전기 스위칭 장치를 포함하고, 마이크로프로세서 제어기는 제어 모듈에 제어 신호를 생성하도록 부하 감지 수단에 응답하고, 각 제어 모듈은 펄스-폭 제어 방식으로 접속된 1차 코일 요소로의 전류 흐름을 제어하고 1차 코일 요소를 부하에 연결하도록 제어 신호에 응답한다. 또한, 각 제어 모듈은 결합된 요소의 권취부에서 전류를 감지하기 위한 전류 감지 수단과 마이크로프로세서 제어기에 대응 신호를 생성하기 위한 수단을 추가로 포함하고, 제어기는 감지된 전류를 보상하도록 신호에 응답한다.
본 발명은 종래의 기계 설계와 비교하여 증가된 토크를 생성하도록 회전자와 고정자의 신규한 장치를 가지지만 종래의 기계보다 크기가 작은 교류 전기 기계에 관한 것이다. 발명자는 고정자에 의해 생성된 동일한 자기 플럭스가 다수의 공기 간격을 통과하고 각 간격에서의 자기 플럭스가 인접한 회전자 요소에서 유도된 표면 전류와 상호 작용함으로써 출력 증가와 크기 감소가 달성되어, 힘 밀도가 다수의 간격으로 배수된다고 믿는다.
본 발명은 종래의 설계를 극복한 다음 장점을 제공한다:
(1)개선된 효율: 동력 출력은 고정자와 회전자 사이의 자기 플럭스 상호작용의 단면을 최적화함으로써 최대화된다. 이는 종래의 기계에 비해 개선된 효율과 자기 에너지 전달의 증가를 유발한다. 증가된 자기 에너지 전달로 인해, 전기 동력은 종래 기술의 기계에 비교하여 동일한 량의 기계 동력을 생성하는 데에 적게 필요할 것이다. 종래 기술의 설계와 달리, 본 발명은 독립 고정자 요소와 분리형 모터 하우징 설계를 사용하여, 고정자의 개별 세그먼트가 제거 및 교체되는 것을 허용하여 유지보수를 용이하게 한다.
(2)향상된 제어 용량: 모터 설계는 각 개별 고정자 요소의 제어를 허용하는 일체형 마이크로프로세서 기반 전기 스위칭 장치를 구비한다. 이 장치는 모터가 소정 부하에 대해 최적 마력 등급으로 일정한 속도로 구동하는 것을 허용한다. 모터 잠금식 회전자와 인-러쉬(in-rush) 전류는 종래 설계에 비해 감소된다. 개별 고정자 요소 제어의 이용으로 인해, 모터는 낮은 마력 등급에서 시작되어, 잠금식 회전자 및 인-러쉬 전류의 추가적인 감소를 유발한다.
(3)크기, 중량, 및 비용의 감소: 본 발명의 기계는 동일한 마력 등급의 종래의 모터보다 작을 수 있다. 세그먼트식 설계는 고정자 요소와 회전자 요소의 표준화된 모듈의 제조를 허용한다. 조립된 모듈의 개수를 변화시킴으로써, 다양한 크기와 동력 등급을 갖는 기계가 달성될 수도 있다. 상호 변경가능한 모듈의 제조에서 비용을 절감할 수 있다.
본 발명은 도면에 의해 예시된다. 도1에서 도시된 바와 같이, 모터(10)로 또한 불리는 본 발명의 전기 기계(10)는 하우징(20), 하우징에 장착되는 고정자(30), 및 회전자(40)를 포함하고, 회전자(40)는 하우징 관통하는 축(40A)을가지고 축(40A)에 대한 회전을 위해 베어링(22)에 의해 하우징(20)에 지지된다. 고정자(30)는 상호 이격된 환형 디스크 형태로 복수의 고정자 요소(32)를 가지고, 각 고정자 요소는 복수의 자기 독립식 자기 치형부(36)를 포함한다.
회전자(40)는 샤프트(34)에 장착된 복수의 회전자 요소(42)를 가지고, 회전자 요소(42)는 상호 이격되고 맞물림 방식으로 고정자 요소(32)와 격자식으로 배치된다.
도3에서 가장 잘 도시되는 바와 같이, 고정자 요소(32)의 각각은 복수의 전기 권취부(34)를 가지고, 각 귄취부(34)는 고정자 요소(32)의 자기 치형부(36)의 군(36G)과 결합되고, 권취부(34)는 권취부(34)에 흐르는 전류(C)로 에너지화될 때, 자기 플럭스(M1)가 제1 방향(D1)으로 생성되도록 배열된다. 소정의 웨지형(wedge-shaped) 고정자 요소 부품은 권취부(34)가 보다 잘 도시될 수도 있도록 생략되었다는 것을 알 것이다.
자기 플럭스 경로는 연속적인 고정자 요소(32) 상의 치형부(34)의 대응군(36G)을 통해, 그리고 회전자 요소(42)를 통해 제2 방향(D2)으로 완성됨으로써, 회전자 요소(42)에서 전류(CI)를 유도하여, 회전자(40)가 회전하게 하는 회전자 요소(42)에 인가된 회전력(F)을 유발한다.
도6에 도시된 바와 같이, 전기 기계(10)는 각 고정자 요소(30)에 인가된 전기 에너지를 개별적으로 제어하도록 배열된 모듈형 제어 유닛(60)을 추가로 포함한다. 제어 유닛(60)은 마이크로프로세서 제어기(62), 부하 감지 수단(70), 및 복수의 고정자 제어 모듈(80)을 포함한다.
각 제어 모듈(80)은 고정자 요소(32)의 권취부(34)에 연결된 전기 스위칭 장치(82)를 포함한다. 적절한 전기 스위칭 장치는 트라이악(triac) 제어 조립체, 독립형 게이트 바이어스 트랜지스터(IGBT), 및 유사한 장치를 구비한다. 마이크로프로세서 제어기(62)는 제어 모듈(80)에 제어 신호를 발생하도록 부하 감지 수단(70)에 응답한다. 부하 감지 수단(70)은 모터 속도 센서(72) 또는 토크 센서(74)를 포함할 수도 있다. 각 제어 모듈(80)은 펄스-폭 제어 방식으로 연결된 고정자 요소(32)로의 전류(C) 흐름을 제어하도록 제어 신호에 응답하여, 부하에 비례하는 동력 출력을 갖는 일정한 속도로 회전자(40)를 회전시킨다.
각 제어 모듈(80)은 결합된 고정자 요소(32)의 권취부(34)에서 전류(C)를 감지하도록 전류 감지 수단(90)과 마이크로프로세서 제어기(62)에 대응 신호(92S)를 생성하기 위한 수단(92)을 추가로 포함하고, 제어기는 감지된 전류(C)에 대해 보상하도록 신호(92S)에 응답한다.
마이크로프로세서 제어기(62)는 권취 결함을 검출하도록 각 전류 신호(92S)를 소정의 결함 쓰레홀드(64F)와 비교한다. 권취 결함이 검출될 때, 마이크로프로세서 제어기(62)는 검출된 결함에 응답하여 고정자 요소(32)를 저에너지화하도록 제어 신호(66S)를 제어 모듈(80)에 송신하여, 모터(10)가 작동을 계속하는 것을 허용한다.
제어 모듈(80)에 공급된 후, 모터(10)에 공급된 교류 전류 동력은단상원(V1) 또는 다상원(VM)으로부터 공급될 수도 있다. 다상원(VM)이 임의의 개수의 위상을 포함할 수도 있지만, 통상 3상원(V3)이 사용을 위해 권장된다. 다상원(VM)이 사용될 때, 전류 감지 수단(70)은 각 고정자 요소 권취부(34)의 각 개별 위상(P1, P2, P3)에서 전류를 감지하도록 배열된다. 신호 생성 수단(92-1, 92-2, 92-3)은 마이크로프로세서 제어기(62)에 대응 감지 신호(92S1, 92S2, 92S3)를 생성한다. 제어기(62)는 고정자 권취부(34)의 각 위상에서 전류(C1, C2, C3)를 균등화하도록 제어 모듈(80)에 제어 신호(66S-1, 66S-2, 66S-3)를 생성하기 위해서 감지 신호(92S)에 응답한다.
마이크로프로세서 제어기(62)는 고정자 요소(32)의 권취부 결함을 검출하도록 소정의 결함 쓰레홀드(64F1, 64F2, 64F3)와 각 고정자 요소의 각 위상으로부터의 각 전류 감지 신호(92S1, 92S2, 92S3)를 비교하여, 고정자 요소(32)에 연결된 제어 모듈(80)이 검출된 결함에 응답하여 고정자 요소(32)를 저에너지화하여, 모터(10)가 작동을 계속하는 것을 허용한다.
도5에 도시되는 바와 같이, 각 회전자 요소(42)는 복수의 반경방향 홈(42G)을 추가로 포함하고, 반경방향 홈은 공기가 인접한 회전자 요소(42)와 고정자 요소(32) 사이에서 반경방향으로 이동되어 회전자 요소와 고정자 요소 내에 생성된 열의 방산을 용이하게 한다. 본 발명의 이 적용은 기계를 냉각시키는 수단을 제공하는 데에 유용할 수도 있다. "공기 흐름을 용이하게 하도록 구성된 하우징"이라는 용어의 의미는 팬와 기타 장치, 또는 냉각을 달성하는 구조을 구비한다. 예컨대, 종래의 모터 또는 발전기에 사용되는 팬 조립체는 본 발명에서 또한 사용될 수도 있다.
건조한 상태에서 일반적인 목적의 적용예에 대해, 모터(10)의 하우징(20)은 생성된 열을 방산하도록 공기 흐름이 하우징(20)을 통하는 것을 용이하게 하도록 배치된 개구(24)가 구성될 수도 있다. 습윤 상태 또는 폭발 방지 구조가 요구되는 적용예에 대해, 하우징(20)은 밀봉, 수밀 또는 기밀 방식으로 구성될 수도 있다. 이러한 불리한 상태 적용예에 대해, 종래의 열 조사 요소(26)는 하우징(20)에 일체로 형성될 수도 있거나 하우징에 부착될 수도 있다.
도3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 각 고정자 요소(32) 상에는 복수의 전기 권취부(34)가 있다. 각 권취부는 자기 치형부(36)의 상이한 군(36G)을 감싼다. 연속 고정자와의 격자형 회전자 상의 치형부의 대응군을 통해 직렬 축방향으로 자기 플럭스 경로를 구성하기 위한 자기 재료를 구비하는 복귀 수단이 또한 존재한다.
도3에서 가장 잘 도시되는 바와 같이, 고정자 요소(32)와 회전자 요소(42) 각각에는 복수의 자기 독립식 자기 치형부(36, 46)가 있다. 각 회전자 요소(42) 상의 치형부(46)의 개수는 각 고정자 요소 상의 치형부(36) 개수와 상이할 수도 있다. 낮은 유도 저항의 방위각 플럭스 경로와 각 회전자의 치형부를 감싸는 복수의 도체 경로를 구성하기 위한 자기 재료를 구비하는 복귀 수단이 있다.
또한, 각 고정자 요소(32) 상에는 복수의 전기 권취부(34)가 있다. 각 권취부(34)는 연속적인 고정자 요소와 회전자 요소 상의 대응 치형부군(36G, 46G)에서직렬로 경로의 축방향으로 자기 플럭스를 생성하기 위한 자기 치형부의 상이한 군(36G)을 감싸고 복귀 수단을 통해 방위각으로 복귀한다.
도3은 각각이 환형 디스크의 형태인 고정자 요소(32)의 양호한 실시예를 도시한다. 도4a, 도4b, 및 도4c는 각각이 샤프트(44) 상에 장착된 디스크 형태인 회전자 요소(42)의 양호한 실시예를 도시한다. 고정자 요소(32)의 자기 치형부(36)는 환형 디스크에 내장되고, 환형 디스크는 적층 구조이다. 회전자 요소(42)의 자기 치형부(46)가 디스크에 내장되는 것과 유사한 방식으로, 디스크는 적층된 구조이다. 고정자 요소(32) 상의 자기 치형부(36) 개수는 회전자 요소(42) 상의 자기 치형부(46) 개수 이상일 수도 있다.
도1에 도시된 바와 같이, 회전자(42)와 격자형으로 배치된 복수의 축방향으로 이격된 고정자(32)가 있다. 각 고정자(32)는 복수의 자기 독립식 자기 치형부를 구비한다. 낮은 유도 저항의 방위각 플럭스 경로를 구성하기 위한 자기 재료를 구비한 복귀 수단과 각 고정자(32)에는 복수의 전기 권취부(34)가 있다. 각 권취부(34)는 자기 치형부의 상이한 군을 감싼다. 고정자(32)는 자기성 전도 재료로 제조될 수도 있다. 회전자(42)는 자기 치형부를 달성하기 위해서 비전도성 재료를 따라 자기적으로 영구적인 전도성 재료로 제조될 수도 있다(도4). 고정자(32) 또는 회전자(42)의 자기 치형부는 도2a 또는 도4c에 도시된 바와 같이 구성될 수도 있다. 도5는 회전자 요소의 냉각을 용이하게 하기 위한 복수의 홈(42G)을 갖는 회전자 요소(42)를 도시한다.
교류 전류 기계로서의 본 발명은 종래의 전기 모터로서 공지된 것과 같은 발전기가 사용될 수도 있다. 즉, 회전자 샤프트(40)는 외부 동력원에 의해 회전될 수도 있고, 생성된 전기 전류는 임의의 소정 사용에 관한 것일 수도 있다.
본 발명의 교류 전류 전기 기계 또는 변압기로서의 본 발명의 실시예에서와 같은 발전기로서 사용에 있어서, 모터, 발전기, 변압기 등으로 사용되고 공지된 구성 재료가 사용될 수도 있다.
본 발명에 있어서, 다양한 제어 수단 및 제어를 위한 전기 부품은 종래의 전기 제어 회로에서 사용되고 공지된 전기 부품으로 조립될 수도 있다. 예컨대, 부하 감지 수단(70), 제어 신호 또는 감지 신호를 생성하기 위한 생성 수단, 및 본 발명의 전류 감지 수단 수단은 제어 변압기(CT)인 것이 바람직하다.
본 발명에 있어서, (본 발명에 의한 모터 및 발전기의) 회전자 및 고정자 요소 및 (본 발명에 의한 변압기의) 1차 코일 및 2차 코일 유닛의 특정 형상 관계는 고유하다. 이 고유한 세그먼트식 형상은 작동 효율에서 장점을 제공할 뿐만 아니라 본 발명의 모터, 발전기, 및 변압기의 제조의 용이성에 있어서 고유한 장점을 제공한다.
본 발명에 의한 변압기는 1차 코일 및 2차 코일 요소를 포함한다. 1차 코일 및 2차 코일은 도1 내지 도4에서 이전에 도시된 바와 같이 (본 발명의 모터/발전기 실시예의 고정자의 구성과 유사한) 개별 요소로 구성된다. 본 발명의 장점은 변압기 장치의 1차 코일 및 2차 코일의 개별 요소의 구조로 구현된다. 본 발명에 의한 스텝-업(step-up) 변압기를 일례로 간주한다. 도7은 이 일예를 도시한다.
도7에 있어서, 변압기 1차 코일은 개별 고정자 요소(1)를 포함한다.변압기2차 코일은 개별 요소(2)를 포함한다. 이들 요소는 연성의 강철 코어 상에 장착된다. 종래의 변압기와 마찬가지로, 1차 코일의 권취부에 흐르는 전류는 2차 코일의 권취부에 전류를 유도한다. 전압의 스텝-업은 2차 코일의 권취부의 회전수에 대한 1차 코일의 권취부의 회전수의 비율에 의해 결정된다.
본 발명의 변압기에 있어서, 각각의 1차 코일 요소의 권취 횟수는 다른 1차 코일 요소의 권취 횟수와 동일하다. 각각의 2차 코일 요소의 권취 횟수는 다른 2차 코일 요소의 권취 횟수와 동일하다.
본 발명의 1차 코일 및 2차 코일 요소의 구조는 도7에 도시된다. 즉, 1차 코일 요소의 각각이 2개의 2차 코일 요소 사이에 개재되어 각 고정자 요소를 통한 자기 회로와 강철 코어의 자기 플럭스 침투를 최적화함으로써, 1차 코일 및 2차 코일요소로의 동력 전달의 효율을 증가시킨다.
1차 코일 및 2차 코일 변압기의 개별 요소로의 분리는 1차 코일 및 2차 코일 요소 각각에 대한 모듈형 제어 유닛의 사용을 또한 허용하여, 전류 출력이 요구에 따라 조절될 수 있다. 이 변압기의 가장 양호한 구조(도8 참조)에서, 1차 코일 및 2차 코일의 개별 고정자 요소는 낮은 요구 주기에서 스위치-아웃(switched-out; 전기 접속 해제)되고 높은 요구 주기에서 스위치-인(switched-in; 전기 접속)될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 변압기는 피크 요구에 대해 크기가 형성될 수도 있지만, 종래의 변압기의 작동과 관련된 에너지 낭비를 최소화하도록 실제 요구 또는 실제 요구에 매우 근접하게 작동된다. "피크 요구에 대해 크기가 설정됨"이라는 용어는 제공된 1차 코일 및 2차 코일 요소의 총 개수를 의미한다. "실제 요구 또는 실제요구에 매우 근접하게 작동됨"이라는 용어는 공급원 및 부하에 각각 전기 접속된 1차 코일 및 2차 코일 요소의 개수를 의미한다.
본 발명에 의한 변압기용 제어 모듈은 전술된 교류 전류 전기 기계로서 본 발명의 실시예에 제공된 제어 모듈과 유사한 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 변압기를 위한 구조 재료는 종래의 변압기에 사용되어 공지된 이들 재료를 구비한다.
본 발명은 세그먼트식 1차 코일 및 2차 코일 유닛으로 구성된 변압기 및 세그먼트식 고정자 및 회전자 요소로 구성된 모터와 발전기를 제공한다. 이 세그먼트식 유닛의 사용은 본 발명의 모터, 발전기 및 변압기용 전기 부품의 상호 변경성과 제조의 용이성으로 귀결된다.
본 발명은 하우징, 하우징에 장착된 고정자, 및 하우징의 축에 대한 회전을 위해 베어링을 관통하여 이에 의해 지지되는 축을 갖는 회전자를 갖는 교류 전류 전기 기계를 제 및 설계 방법을 제공하며, 상기 방법은
(a) 전기 기계에 대해 소정의 마력 또는 킬로와트를 생성하는 데에 필요한 고정자 요소의 개수를 복수의 개별 고정자 요소로부터 선택하는 단계와,
(b) 전기 기계에 대해 소정의 마력 또는 킬로와트를 생성하는 데에 필요한 복수의 개별 회전자 요소로부터 선택하는 단계와,
(c) 요소가 상호 이격되도록 하우징에 선택된 고정자 요소를 장착하는 단계와,
(d) 회전자 요소가 상호 이격되어 맞물림 방식으로 고정자 요소와 격자형으로 배치되도록 샤프트 상에 선택된 회전자 요소를 장착하는 단계를 포함하고,
상기 고정자 요소는 복수의 자기 독립식 자기 치형부를 포함한 환형 디스크 형태이고, 각 고정자 요소는 그 위에 복수의 전기 권취부를 가지고, 각 권취부는 고정자 요소의 자기 치형부군과 결합되고, 권취부는 권취부에 흐르는 전류로 에너지화될 때 플럭스가 제1 방향으로 생성되도록 배열된다.
이 방법으로 생성된 교류 전류 전기 기계는 모터 또는 발전기로 사용될 수도 있다.
또한, 본 발명은 1차 코일 및 2차 코일 요소와 연성의 강철 코어를 갖는 변압기를 위한 설계 및 제조 방법을 제공하고, 상기 방법은
(a) 2차 코일 요소를 형성하도록 소정의 변압기 동력 출력을 생성하는 데에 필요한 요소의 개수를 복수의 개별 요소로부터 선택하는 단계와,
(b) 1차 코일 요소를 형성하도록 소정의 변압기 동력 출력을 생성하는 데에 필요한 요소의 개수와 2차 코일 요소에 선택된 요소 개수보다 하나가 적은 요소를 복수의 개별 요소로부터 선택하는 단계와,
(c) 강철 코어가 요소의 환형 디스크를 통과하여 1차 코일 요소가 상호 이격되어 맞물림 방식으로 1차 코일 요소와 격자형으로 배치되도록 강철 코어에 대해 1차 코일 및 2차 코일 요소를 적층시키는 단계를 포함하고,
각 요소는 복수의 자기 독립식 자기 치형부를 포함한 환형 디스크 형태이고, 2차 코일 요소는 복수의 전기 권취부를 둘러싸고, 각 2차 코일 요소는 권취부 개수와 동일하고, 각 요소는 복수의 자기 독립식 자기 치형부를 포함한 환형 디스크 형태이고, 각 1차 코일 요소는 복수의 전기 권취부를 둘러싸고, 각 권취부는 요소의 자기 치형부군과 결합되고, 각 1차 코일 요소는 권취부의 개수와 동일하다.
본 발명의 변압기는 단상 또는 다상일 수도 있다.
본 발명에 의하면, 교류 전류 전기 모터 또는 발전기, 또는 1차 코일 및 2차 코일 변압기의 고정자 및 회전자는 특정 형상으로 배열된 개별 요소의 집합으로 이루어질 수도 있다. 예컨대, 본 발명의 변압기는 각 1차 코일 요소가 2개의 2차 코일 요소 사이에 적층되도록 배열된 1차 코일 및 2차 코일 요소의 적층으로 이루어 진다(도7 및 도8). 2차 코일 요소는 부하 회로에 접속되고, 1차 코일의 개별 요소는 동력원 회로에 접속된다. 모듈형 제어기가 1차 코일 및 2차 코일 요소 각각으로의 회로 접속에 구비될 때, 변압기 작동의 최대 가요성 및 출력 효율이 구현될 수도 있다.
모터 또는 발전기를 위한 본 발명의 사용에 있어서, 개별 회전자 요소 및 개별 고정자 요소는 각 고정자 요소가 2개의 회전자 요소 사이에 개재되는 도1에 도시된 바와 같이 특정 형상으로 적층된다. 본 발명에 의한 고정자 요소는 모터/발전기 또는 변압기를 제조하도록 사용될 수도 있다.
본 발명에 의한 고정자 및 회전자 요소 조합은 예컨대 2, 5, 10 또는 20 마력의 선택된 크기로 생성될 수도 있다. 40마력 모터를 제조하기 위해서, 예컨대 2개의 20마력 고정자 회전자 조합, 4개의 10마력 조합, 8개의 5마력 조합, 또는 20개의 2마력 조합을 선택 및 적층할 수 있다.
단순 요소 또는 세그먼트의 조합을 조합하는 능력은 제조 공정을 단순화시킨다. 모터, 발전기, 및 변압기는 주문 제조 보다는 조립 라인 작동에서 생성될 수도 있다. 모터 또는 발전기에서 고정자로 기능하는 동일한 요소는 변압기의 1차 코일 및 2차 코일 요소로 사용될 수도 있다.
수리 또한 단순화된다. 예컨대, 모터/발전기 또는 변압기는 불량 요소를 양호한 요소로 간단히 교체함으로서 수리될 수도 있다. 현장 수리가 여러 상황에서 가능할 수도 있다. 부품 재고는 단순한 저장 부품이 개별적인 전기 기계 또는 변압기에서 소정의 동력 출력을 생성하도록 조합식으로 제조 및 선택될 수 있다는 점에서 본 발명에 의해 단순화된다.

Claims (21)

  1. 하우징, 상기 하우징에 장착된 고정자, 및 하우징의 축에 대한 회전을 위해 베어링을 관통하여 이에 의해 지지되는 축을 갖는 회전자를 갖는 교류 전기 기계이며,
    환형의 디스크 형상으로 상호 이격되고 각각이 복수의 자기 독립식 자기 치형부를 포함하는 복수의 고정자 요소를 갖는 상기 고정자와,
    샤프트에 장착되고 상호 이격되어 맞물림 방식으로 상기 고정자 요소와 격자식으로 배치된 복수의 회전자 요소를 갖는 상기 회전자와,
    각각이 상기 고정자 요소의 자기 치형부군과 결합되는 상기 각 고정자 요소 상의 복수의 전기 권취부와,
    연속적인 고정자 요소의 대응 치형부군을 통하여, 그리고 회전자 요소를 통해 제2 방향으로 자기 플럭스 경로를 완료시키기 위한 수단을 포함하고.
    상기 권취부는 상기 권취부에 흐르는 전류로 에너지화될 때 자기 플럭스가 제1 방향으로 생성되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 교류 전기 기계.
  2. 제1항에 있어서, 각 고정자 요소에 인가된 전기 에너지를 개별적으로 제어하도록 배열된 모듈형 제어 유닛을 추가로 포함하고,
    상기 제어 유닛은 마이크로프로세서 제어기, 부하 감지 수단, 및 복수의 고정자 제어 모듈을 포함하고,
    각 제어 모듈은 고정자 요소에 접속된 전기 스위칭 장치를 포함하고,
    상기 마이크로프로세서 제어기는 상기 제어 모듈에 제어 신호를 생성하도록 상기 부하 감지 수단에 응답하고,
    각 제어 모듈은 펄스-폭 제어 방식으로 상기 접속된 고정자 요소로의 전류 흐름을 제어하도록 제어 신호에 응답하여, 상기 회전자가 상기 부하에 비례한 동력 출력을 갖는 일정 속도로 회전하게 하는 것을 특징으로 하는 교류 전기 기계.
  3. 제1항에 있어서, 각 제어 모듈은 상기결합된 고정자 요소의 권취부에서 전류를 감지하기 위해 전류 감지 수단과 상기 마이크로프로세서 제어기에 대응 신호를 생성하기 위한 수단을 추가로 포함하고, 상기 제어기는 상기 감지된 전류를 보상하도록 신호에 응답하는 하는 것을 특징으로 하는 교류 전기 기계.
  4. 제3항에 있어서, 상기 마이크로프로세서 제어기는 권취부 결함을 검출하여 그 제어 모듈이 상기 검출된 결함에 응답하여 상기 고정자 요소를 저에너지화시키도록 각 전류 신호를 소정의 결함 쓰레홀드와 비교하여 상기 모터가 작동을 계속하도록 허용하는 것을 특징으로 하는 교류 전기 기계.
  5. 제3항에 있어서, 상기 교류는 다상원으로부터 공급되고, 상기 전류 감지 수단은 각 고정자 요소 권취부에서 각 개별 위상의 전류를 감지하도록 배열되고, 상기 마이크로프로세서 제어부에 대응 감지 신호를 생성하기 위한 수단이 존재하고,상기 제어기는 고정자 권취부의 각 위상의 전류를 균등화시키도록 상기 신호 모듈에 제어 신호를 생성하기 위해 상기 감지 신호에 응답하는 것을 특징으로 하는 교류 전기 기계.
  6. 제5항에 있어서, 상기 마이크로프로세서 제어기는 상기 고정자 요소의 권취부 결함을 검출하고 그 고정자 요소에 접속된 제어 모듈이 상기 검출된 결함에 응답하여 상기 고정자 요소를 저에너지화하도록 소정의 결함 쓰레홀드와 각 고정자 요소의 권취부의 각 위상으로부터의 각 전류 감지 신호를 비교하여, 상기 모터가 작동을 계속하도록 하는 것을 특징으로 하는 교류 전기 기계.
  7. 제1항에 있어서, 상기 부하 감지 수단은 모터 속도 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 전기 기계.
  8. 제1항에 있어서, 상기 부하 감지 수단은 토크 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 전기 기계.
  9. 제1항에 있어서, 각 회전자 요소는 복수의 반경방향 홈을 추가로 포함하고, 상기 반경방향 홈은 상기 회전자 요소와 고정자 요소 내에 발생된 열의 방사를 용이하게 하도록 공기가 인접한 회전자와 고정자 요소 사이에서 반경방향으로 이동하게 하는 것을 특징으로 하는 교류 전기 기계.
  10. 제9항에 있어서, 상기 하우징은 이를 통한 공기 흐름을 용이하게 하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 교류 전기 기계.
  11. 제9항에 있어서, 상기 하우징은 밀봉된 기밀 구성인 것을 특징으로 하는 교류 전기 기계.
  12. 1차 코일, 2차 코일, 및 연성의 강성 코어를 포함한 변압기이며,
    상기 1차 코일은 각각이 복수의 전기 권취부를 감싸는 복수의 자기 독립식 자기 치형부를 포함한 환형 디스크 형상으로 상호 이격된 복수의 요소를 가지고, 상기 1차 코일 요소의 권취부는 임의의 다른 1차 코일 요소와 동일하고,
    상기 2차 코일은 각각이 복수의 전기 권취부를 감싸는 복수의 자기 독립식 자기 치형부를 포함한 환형 디스크 형상으로 상호 이격된 복수의 요소를 가지고, 상기 2차 코일 요소의 권취부는 임의의 다른 2차 코일 요소와 동일하고,
    상기 1차 코일 및 2차 코일 요소는 2차 코일 요소가 상호 이격되고 맞물림 방식으로 1차 코일 요소 내에 격자식으로 배치되도록 연성의 강철 코어에 장착되는 것을 특징으로 하는 변압기.
  13. 제12항에 있어서, 마이크로프로세서 제어기, 부하 감지 수단, 및 복수의 제어 모듈을 포함하고 각 1차 코일 요소에 인가된 전기 에너지를 개별적으로 제어하고 각 2차 코일 요소에 인가된 전기 에너지를 개별적으로 제어하도록 배치된 모듈형 제어 유닛을 추가로 포함하고, 1차 코일과 결합된 각 제어 모듈은 에너지원을 1차 코일 요소에 접속하기 위한 전기 스위칭 장치를 포함하고, 2차 코일과 결합된 각 제어 모듈은 부하를 2차 코일 요소에 접속하기 위한 전기 스위칭 장치를 포함하고, 상기 마이크로프로세서 제어기는 상기 제어 모듈에 제어 신호를 생성하도록 상기 부하 감지 수단에 응답하고, 각 1차 코일 제어 모듈은 전류 흐름을 상기 에너지원으로부터 결합된 1차 코일 요소로 제어하도록 상기 제어 신호에 응답하고, 각 2차 코일 제어 모듈은 전류 흐름을 결합된 2차 코일 요소로부터 부하로 제어하도록 상기 제어 신호에 응답하는 것을 특징으로 하는 변압기.
  14. 제13항에 있어서, 각 제어 모듈은 상기 결합된 고정자 요소의 권취부에서 전류를 감지하기 위한 전류 감지 수단과 상기 마이크로프로세서 제어기에 대응 신호를 생성하기 위한 수단을 추가로 포함하고, 상기 제어기는 상기 감지된 전류를 보상하도록 신호에 응답하는 것을 특징으로 하는 변압기.
  15. 제1항, 제2항, 제3항 또는 제5항에 있어서, 상기 전기 기계는 모터로 사용되는 것을 특징으로 하는 교류 전기 기계.
  16. 제1항, 제2항, 제3항 또는 제5항에 있어서, 상기 전기 기계는 발전기로 사용되는 것을 특징으로 하는 교류 전기 기계.
  17. 하우징, 상기 하우징에 장착된 고정자, 및 하우징의 축에 대한 회전을 위해 베어링을 관통하여 이에 의해 지지되는 축을 갖는 회전자를 갖는 교류 전기 기계를 제조하는 방법이며,
    (a) 상기 전기 기계에 대해 소정의 마력 또는 킬로와트를 생성하는 데에 필요한 고정자 요소의 개수를 복수의 개별 고정자 요소로부터 선택하는 단계와,
    (b) 상기 전기 기계에 대해 소정의 마력 또는 킬로와트를 생성하는 데에 필요한 복수의 개별 회전자 요소로부터 선택하는 단계와,
    (c) 상기 요소가 상호 이격되도록 상기 하우징에 상기 선택된 고정자 요소를 장착하는 단계와,
    (d) 상기 회전자 요소가 상호 이격되어 맞물림 방식으로 상기 고정자 요소와 격자형으로 배치되도록 상기 샤프트 상에 상기 선택된 회전자 요소를 장착하는 단계를 포함하고,
    상기 고정자 요소는 복수의 자기 독립식 자기 치형부를 포함한 환형 디스크 형태이고, 각 고정자 요소는 그 위에 복수의 전기 권취부를 가지고, 각 권취부는 상기 고정자 요소의 자기 치형부군과 결합되고, 상기 권취부는 권취부에 흐르는 전류로 에너지화될 때 자기 플럭스가 제1 방향으로 생성되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제조된 전기 기계는 모터인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제17항에 있어서, 상기 제조된 전기 기계는 발전기인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 1차 코일, 2차 코일, 및 연성의 강철 코어를 갖는 변압기를 위한 제조 방법이며,
    (a) 2차 코일을 형성하도록 소정의 변압기 동력 출력을 생성하는 데에 필요한 요소의 개수를 복수의 개별 요소로부터 선택하는 단계와,
    (b) 1차 코일을 형성하도록 소정의 변압기 동력 출력을 생성하는 데에 필요한 요소의 개수와 2차 코일에 선택된 요소 개수보다 하나가 적은 요소를 복수의 개별 요소로부터 선택하는 단계와,
    (c) 상기 강철 코어가 요소의 환형 공간을 통과하여 2차 코일이 상호 이격되어 맞물림 방식으로 1차 코일 요소와 격자형으로 배치되도록 강철 코어에 대해 1차 코일 및 2차 코일 요소를 적층시키는 단계를 포함하고,
    각 요소는 복수의 자기 독립식 자기 치형부를 포함한 환형 디스크 형태이고, 각 2차 코일 요소는 복수의 전기 권취부를 둘러싸고, 각 2차 코일 요소는 동일한 개수의 권취부를 가지고, 각 요소는 복수의 자기 독립식 자기 치형부를 포함한 환형 디스크 형태이고, 각 1차 코일 요소는 복수의 전기 권취부를 둘러싸고, 각 권취부는 상기 요소의 자기 치형부군과 결합되고, 각 1차 코일 요소는 동일한 개수의권취부를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서, 변압기는 단상 또는 다상인 것을 특징으로 하는 방법.
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