KR20040095344A - 의사 랜덤 자극 배전을 이용하는 전기 펄스 발전기 - Google Patents

의사 랜덤 자극 배전을 이용하는 전기 펄스 발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 멀티 자극 전기 펄스 발전기는 의사 랜덤 배전을 갖는 자극들을 포함한다. 바람직하게, 자극들은 동일한 크기이며, 이격되고, 극성은 특히 기본 다항식 m 시퀀스인 의사 잡음 2진 시퀀스에 해당한다. 회전자의 회전시 하나의 포인트에서, 모든 회전자 자극들은 해당하는 고정자 자극에 정렬되어 전기자 권선을 통해 최대의 순자속을 제공한다. 모든 다른 회전자 위치에서, 자극들은 오정렬되어 전기자 권선을 통한 순자속이 작아진다. 동작시, 오정렬된 회전자 위치를 통한 회전은 필연적으로 자속 변화를 발생하지 않으며, 그 결과, 전력이 발생되지 않는다. 회전자가 정렬 위치에 도달했을 때, 고에너지 전기 펄스를 발생하는 갑작스런 커다란 자속 변화가 있다. 그 전형적인 어플리케이션은 내연 기관의 점화 불꽃을 발생하는 것이다.

Description

의사 랜덤 자극 배전을 이용하는 전기 펄스 발전기{ELECTRICAL PULSE GENERATOR USING PSEUDO-RANDOM POLE DISTRIBUTION}
고에너지 전기 펄스를 발생해야 하는데는 많은 장치 및 그 용법이 필요하다. 그러한 용법으로 가장 널리 공지되어 있는 것은 종래의 내연 기관의 불꽃 점화이다. 고에너지 전기 펄스를 덜 친숙하게 적용한 것은 그 밖에도 많이 있다. 예를 들면, 방전 기계는 개별 전기 펄스의 스트림을 이용하여 자극과 금속 제품 사이를 비전도성 액체로 채운 갭을 통하여 불꽃을 발생시키며, 이에 따라 제품을 원하는 형상으로 부식시킨다. 펄스 용접은 전기 펄스 방전의 강한열을 이용하여 금속을 용접한다. 많은 퍼니스 및 유사한 장치들은 전기 펄스를 이용하여 연료를 점화시키기 때문에, 안정한 열처리 공정을 통해 높은 효율을 얻을 수 있다. 어떤 케미컬의 합성 공정은 전기 펄스를 이용한다. 그 목록은 더 많이 계속 있다.
다양한 종래의 장치들은 특정 부류의 적용에 충분한 전기 펄스를 발생하기 위한 용도이다. 예를 들면, 차단기 회로 및 고전압 변압기에 결합된 자석은 소형 내연 기관에서 필요한 점화 불꽃을 발생시키는데 이용되었다. 자동차 등에서 발견되는 대형 엔진은 통상적으로 자석 대신에 베터리를 이용하고, 근래의 엔진들은 블레이커 포인트를 전자 스위치로 대체했다.
비교적 낮은 에너지 전기 펄스들은 집적 전자 회로를 이용하여 전체적으로 발생될 수 있으며, 이러한 목적을 달성하기 위하여 다양하게 회로를 설계했다. 펄스의 필요한 에너지가 증가하기 때문에, 펄스 발전에 적합한 전자 모듈의 설계는 그 어려움이 증가되었다. 커패시터와 인덕터 등의 개별 부품을 부가하여 펄스의 에너지를 증가시킬 수 있지만, 오히려 그러한 부품들은 실용적인 크기 및 전력 한도를 갖고 있다.
순수한 전자 펄스 발전기 이외에, 펄스를 발생시키는데 이용될 수 있는 다양한 전자 기계적인 장치들이 있다. 그 자석은 그러한 전자 기계적인 장치의 간단하 예이다. 일반적으로, 이들 장치는 회전 부재의 관성 등의 몇몇 형태의 기계 에너지를 전자기장을 이용하여 전기 에너지로 변환한다.
전기 펄스의 발생은 짧은 시간에 전기 에너지를 농축한 사항으로서 보여질 수 있다. 전자 장치는 초기에 선형 전압원 또는 베터리로부터 초기에 에너지를 유도한다. 충분한 시간을 제공하면, 임의 양의 에너지가 얻어질 수 있다. 유사하게, 전자 기계적인 장치는 통상 전기 에너지로 변환되는 이동 질량의 키네틱 에너지로부터 에너지를 유도한다. 충분한 시간을 제공하면, 이것도 또한 임의 양의 에너지를 제공할 수 있다. 펄스를 발생시켜 매우 짧은 시간에 에너지를 저장 및 방전한다. 필요한 에너지 저장량이 크고 방전 시간이 짧을 수록, 전기 펄스 발전기의 설계 제약 요소들이 더욱 많이 요구된다.
전기 펄스를 발생하기 위한 종래의 장치들이 다양하게 있지만, 펄스 발전 장치를 개선할 필요성은 여전히 잠재하고 있다. 임의 장치는, 제조 비용을 줄이고, 신뢰성을 높이고, 에너지 소비를 낮추거나 운용 비용을 낮추는 형태로 개선할 수 있다. 그러나, 특히 대량 에너지 방전을 제공할 수 있고, 동등한 크기, 전력 입력 및 기타 특징들의 종래의 펄스 발전기보다 짧은 시간에 방전을 집중하는 장치에 대한 필요성은 존재한다.
고에너지/짧은 펄스의 전기 펄스 발전기는 임의 수의 종래의 적용시에 현재의 펄스 발전기를 대체함으로써 실용성을 입증할 것이다. 예를 들면, 내연 기관의 점화원으로써 이용되는 고에너지 펄스 발전기는 보다 완벽하게 연료를 연소시키거나, 또는 냉각이나 유사한 반대 조건을 시작하기 매우 쉬울 수 있으며, 또한 대체 연료의 사용을 허용하거나, 전자 잡음의 출현시 보다 효율적으로 동작시키거나, 몇몇 기타 설계 제약 요소를 없애는 것에 의해, 보다 연료 효율적이고, 운용 비용이 적으며, 보다 신뢰성을 향상시키고, 또 종래의 불꽃 점화 수단을 이용하는 유사한 내연 기관에 비하여 개량된 엔진을 만들 수 있다. 전기 펄스 발전기의 현재의 많은 일반적인 어플리케이션에 의해 유사한 것들이 관찰될 수 있다.
개량된 전기 펄스 발전기에 이용하는 훨씬 높은 전위는 아직 현존하지 않는 어플리케이션에 이용될 수 있고, 또 그러한 어플리케이션이 있다면, 단지 실험실에서 경험적으로만 존재할 것이다. 이러한 다양한 일부 어플리케이션들은 공상 소설의 기운을 가지지만, 어제의 공상 소설이 오늘날 일반적인 실체가 되고 있다는 것을 상기해야 한다. 그러한 많은 잠재적인 어플리케이션들을 아직 실질적으로 구체화하지 못한 이유의 적어도 일부분은 충분한 고에너지 및 짧은 기간의 전기 펄스를 발생하는 실질적인 수단을 현재 이용할 수 없기 때문이다. 개선된 고에너지 펄스 발전기는 이러한 장르의 실질적인 작동 장치를 개발할 때 중요한 실마리를 제공할 수 있다.
그러한 미래의 어플리케이션의 일예는 레일건(rail gun)이다. 레일건은 매우 높은 에너지의 펄스형 전자기장을 이용하여 고속으로 물체를 가속하는 장치이다. 때때로, 군사용과 관련이 있지만, 위성 발사 등의 다양한 다른 목적에 이용될 수 있다. 그러한 장치가 이론적으로 가능하지만, 예를 들면 소형 위성을 발생하는 실질적인 작동 장치는 종래의 기술을 이용하여 발생시키기 곤란하거나 불가능한 거대한 에너지의 전기 펄스가 필요하다.
그러한 미래의 적용은 통제된 핵융합 분야에서 수행될 수 있다. 핵융합은 매우 높은 촉매 온도를 필요로 하고, 적어도 몇몇 조사에서는 충분히 높은 에너지와 짧은 지속 기간의 전기 펄스를 이용하여 필요한 트리거링 조건을 제공할 수 있는 것이 제안되었다. 다시, 이러한 유형의 펄스는 종래의 기술을 이용하여 발생하기는곤란하고 불가능하다.
결국, 개선된 보다 강력한 전기 펄스 발전기는 불꽃 점화 내연 기관 등의 펄스 발전기를 이용하는 종래 장치의 성능, 비용 또는 기타 특성을 향상시킬 뿐만 아니라 단지 막연하고 모두 공상적이지만 전체적으로 새 분야의 장을 열 수 있다. 이러한 분야의 조사자들은 이들의 필요성을 무시하지 않았고, 다양한 제안으로 구현된 펄스 발전기 설계도를 만들었다. 그러나, 기존의 설계는 보다 많은 이용을 배제하는 한도를 갖고 있다. 이 때문에, 펄스 발전 기술을 개선할 필요성은 명백히 존재하고 있다.
본 발명은 발전기에 관한 것으로서, 특히 개별 전기 펄스를 발생하는 유형의 발전기에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 전기 펄스를 발생하는 회전 자계 장치의 간소한 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 도 1의 도면을 중심으로 시계 방향으로 회전자를 1 자극 회전시킨 전기 펄스 발전기의 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 도 1의 도면을 중심으로 시계 방향으로 회전자를 2 자극 회전시킨 전기 펄스 발전기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예의 전기 펄스 발전기에 대하여 개방 회로 조건에서 회전자의 각위치 함수로서 총 고정자의 순자속의 이상적인 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예의 전기 펄스 발전기에 대하여 개방 회로 조건에서 회전자의 각위치의 함수로서 고정자 전압의 이상적인 도면이다.
도5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 발전기 자극의 극성을 할당하는 데 이용되는 m 시퀀스를 발생할 수 있는 선형 피드백 시프트 레지스터의 피보나츠 (Fibonacci) 구성을 도시한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예의 대안의 버젼의 제1 집합을 따라 전기 펄스를 발생하는 회전 자계 장치의 간소한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예의 대안의 버젼의 제2 집합에 따라 전기 펄스를 발생하는 회전 자계 장치의 간소한 확대도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예의 발전기의 전형적인 응용에 따라 점화 불꽃을 제공하는 전기 펄스 발전기를 적용하는 불꽃 점화 내연 기관의 간단한 도면이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예의 발전의 전형적인 응용에 따라 대안의 점화 회로를 이용하여 점화 불꽃을 제공하는 전기 펄스 발전기를 적용하는 불꽃 점화 내연 기관을 간소하게 도시한다.
본 발명에 따르면, 전기 펄스는 자극들이 의사 랜덤하게 배전하여 자극들을 주기적으로 정렬하는 이동 멀티자극 자계 장치에 의해 발생된다. 이 장치는 자극들이 정렬할 때 간단한 펄스를 발생할 수 있고, 그 회전하는 동안의 다른 시간에 미소하거나 없는 전기 출력을 발생한다.
바람직한 실시예에 있어서, 회전자와 고정자에는 같은 수의 자극들이 있고, 모든 자극들은 동일한 크기이며 회전축을 중심으로 동일한 원주 간격으로 이격되어 있다. 그러나, 자극들의 극성이 간단한 패턴으로 바뀌는 종래의 발전기와 다르게, 바람직한 실시예에 따른 자극의 극성은 의사 잡음 의사 랜덤 2진 시퀀스 함수에 따라 변한다. 회전자의 회전시 일점에서, 모든 회전자 극성들은 대응하는 고정자 극성에 따라 정렬시켜 전기자 권선을 통해 최대의 순자속(net magnetic flux)을 제공한다. 회전자의 모든 다른 각도의 위치에서, 회전자와 고정자의 극성들을 오정렬시켜 전기자 권선을 통한 순자속이 작아지도록 한다. 동작시, 회전자의 그 오정렬된 각위치를 통한 회전은 필히 전력이 발생되지 않도록 자속의 변화를 발생하지 않는다. 회전자가 정렬 위치에 도달하는 경우, 고에너지 전기 펄스를 발생하는 갑작스런 커다란 자속 변화가 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 자극들의 극성에 의사 램덤 배전 기능 할당은 기본 다항식 확산 코드"m-sequence"에 따라 수행된다. 이러한 실시예에 있어서, 각회전자 및 고정자의 자극수는 (2N-1)이며, N은 1보다 큰 양의 정수이다. 회전자 자극과 고정자 자극은 모두 동일한 순서를 따른다. 기본 다항식 확산 코드"m-sequence"는 단일 주기 위상에서 자체에 상관하는 특성을 갖고, 모든 다른 주기 위상에서 거의 상관하지 않는 특성을 갖는다. 따라서, 회전자가 (2N-1) 자극 위치의 (2N-2)를 통하여 회전하기 때문에, 그 권선을 통한 순자속은 (-1) 단위이며, 이 단위는 단일쌍의 정렬된 자극에 의해 발생되는 자속이다. 다시 말해서, 이들 (2N-2) 자극 위치에서 회전자 자극과 고정자 자극("의사 랜덤") 사이에 실질적인 상관은 없다. 그 나머지 자극 위치에서, 모든 자극들이 정렬되고, 그 순자속은 (2N-1) 단위이다. 따라서, 회전자가 정렬 위치에 도달하는 경우에 갑작스런 커다란 자속 변화가 생긴다.
코일과 자석의 다양한 대안의 구성이 가능하다. 제1의 바람직한 실시예에 이써서, 회전자 자극은 의사 랜덤 배전 기능에 의해 정렬된 영구 자석의 극성인 반면, 고정자 자극은 유사하게 할당된 자계 코일이다. 제2 바람직한 실시예에 있어서, 회전자 자극과 고정자 자극의 모두는 자계 코일이며, 그 자기장 권선은 회전자에 있고, 고정자에는 전자기 권선이 있다. 제3 바람직한 실시예에 있어서, 회전자 자극과 고정자 자극 모두는 자계 코일이며, 그 전자기 권선은 회전자에 있고, 그 자기장 권선은 고정자에 있다. 제4 실시예에 있어서, 고정자 자극은 영구 자석인 반면에, 회전자 자극은 자계 코일이다.
대안의 동작 모드에 있어서, 교류원에 의해 구동되는 자계 코일에 의해 구동 자기장이 제공된다. 매우 낮은 회전 주파수에서, 그 장치는 대부분의 에너지가 교류원에 의해 제공되는 펄스형 또는 전환형 변압기 처럼 동작하는 반면, 높은 회전 주파수에서, 교류 구동 성분은 미소하다.
하나의 전형적인 어플리케이션에 있어서, 그 바람직한 실시예에 따른 펄스 발전기를 이용하여 내연 기관용 점화 불꽃을 발생한다. 그러나, 많은 다른 잠재적인 적용도 가능하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구성된 전기 펄스 발생기는 유사한 크기 및 동작 특성의 종래의 펄스 발전기의 기능보다 우수한 고에너지 단기간 펄스를 발생하기 위한 전위를 갖고, 현재 알려져 있거나 이후에 개발될 다양한 적용에 이용될 수 있다.
본 발명의 구조 및 동작 모두의 세부 사항은 첨부 도면을 참조로 가장 잘 이해할 수 있으며, 그 참조 번호는 동일한 부분을 참조한다.
본원에 개시된 실시예는 전기 펄스를 발생하는 회전 자계 장치이며, 본원에 이용된 특정 용어는 다음과 같은 의미를 같는다. "회전자"는 축을 중심으로 회전하는 물리적인 부재이다. "고정자"는 축을 중심으로 회전하지 않는 고정 부재이다. "전기자(amature)"는 전기자를 중심으로 시간이 변하는 자기장에 의해 전압을 유도하는 전도체이다. 전기자가 통상적으로 코일 또는 루프 방식으로 감겨지기 때문에, 그 전기자는 종종 "전기자 권선" 또는 "전기자 코일"로 칭해지고, 전기자를 형성하는 전도체의 특정 형상을 암시하는 것이 아니라고 이해된다. 전기자는 회전자 또는 고정자 중 하나에 위치될 수 있다. 전기자를 구동하는 자기장은 전기자가 회전하기 때문에 단지 전기자를 중심으로 시간 변화만 있는 일정한 변하지 않는 자기장일 수 있다. "계자 권선" 또는 "계자 코일"은 전기자를 구동(즉, 전압 유도)하기 위하여 자기장을 발생하는 전도체이다. 전기자의 경우에 있어서, "권선" 또는 "코일"이란 용어의 이용은 자기장 권선의 특정 형상을 암시하는 것은 아니다. 전기자를 구동하는 자기장은 계자 권선 또는 영구 자석에 의해 발생될 수 있다. 계자 권선 또는 영구 자석은 회전자 또는 고정자 중 하나에 위치될 수 있지만, 전기자와 동일한 구성 요소 상에는 없다. 다시 말해서, 전기자가 회전자 위에 있는 경우에, 그러한 경우가 될 수 있는 계자 권선 또는 영구 자석은 고정자 등의 다른 부품 상에 있을 수 있고, 그렇지 않을 수 있다.
도면을 참조하면, 동일한 참조 번호는 일부 도면을 통하여 동일한 부품을 인용하며, 도 1은 본 발명의 바람직한 실시예의 일 버젼에 따라 전기 펄스를 발생하는 회전 자계 장치(100)를 나타내는 간소한 단면도이다. 펄스 발전기(100)는 회전 부재(회전자 : 101)와 고정자(102)를 포함한다. 도 1에 있어서, 펄스 발전기(100)는 회전자(101)의 회전축에 수직인 단면에 도시된다. 도 1에 있어서, 회전자(101)는 구동 전계를 제공하는 복수의 동일하게 원주 방향으로 이격된 영구 자석 자극(126-140)을 포함하는 반면, 고정자(102)는 회전자의 자기장에 의해 구동되는 전기자를 형성하는 동일한 갯수의 동일하게 원주 방향으로 이격된 자계 코일 자극(111-125)을 포함한다. 외부의 기구적인 전원(도시 생략)은 회전자를 회전시켜 키네틱 에너지를 회전 질량에 제공하고, 그 일부분은 결국 발전기(100)에 의해 전기 에너지로 변환된다. 이 기구적인 전원은 예를 들면, 전기 모터, 내연 기관, 수력 터빈, 또는 회전자를 회전시키는 다양한 매커니즘일 수 있다. 도 1에 도시된 것 이외에 계자와 전자기 코일 및 자석의 구성은 본원에서 상세히 논의된 바와 같이 가능하다. 그 내용에 명백히 국한되지 않지만, 본원의 참조 번호(100)는 계자와 전기자 코일과, 자석 중 하나에 적용하는 펄스 발전기를 포함한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 회전자(101)는 15개의 영구 자석 자극(126-140)을 포함하고, 그 중 8개의 자극(126, 127, 128, 129, 133, 136, 137, 139)이 고정자와 반대의 "N"극이지만, 7개의 자극(130, 131, 132, 134, 135, 138, 140)은 고정자에 대향하는 "S"극이다. 고정자는 유사하게 15개 자계 코일 자극(111-125)을 포함한다. 이들 8개의 자극(111, 112, 113, 114, 118, 121, 122, 124)은 코어 위에 코일 권선을 겹쳐서 도 1에 도시되는 반면, 7개의 자극(115, 116, 117, 119, 120, 123, 125)은 코어 아래에 숨겨진 코어 권선으로 나타내어진다. 일반적으로, 이러한 표현은 N극 회전자의 존재하에 고정자 권선을 통과하는 양의 자속과 N극 회전자의 존재하에 고정자 권선을 통과하는 음의 자속을 갖는 자극을 지정하는데 이용된다(본원에서는, 양의 자속 자극 및 음의 자속 자극으로 칭함). 그러나, 도 1은 설명의 편의상 고정자 권선을 더욱 간소하게 나타낸 것이고, 실제로 그 권선이 3차원이며 물리적인 형상에 있어서 권선의 실질적인 부분이 축에 평행한 도 1에 도시된 것과 매우 다를 수 있다는 것을 이해할 것이며, 그 권선은 도 1에 표현된 것보다 많은 권선수를 포함할 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예의 발전기에 이용되지 않는 것은 고정자에 권선을 감은 형상 또는 방법, 또는 고정자와 회전자를 구성하는데 이용되는 재료가 아니라, 자극 극성의 시퀀스이다. 따라서, 코어와 권선을 이용한 다양한 종래의 재료 및 설계가 대안의 바람직한 실시예의 전기 펄스 발전기에 적합하고, 이후에 개발된 재료 또는 설계 기술이 본원에 기술된 발명에 채택될 수 있다고 기대된다. 모든 고정자(전기자) 자극 권선(111-125)은 2개의 출력 리드 (103)를 갖는 단일 전도체로서 논리적으로 직렬 접속된다. 이 권선은 매우 인접한 자극에 필히 물리적으로 결합되지 않는다. 즉, 코어와 권선, 및 기타 설계 인자들이 물리적인 형상에 의존하여, 바람직하게는 인접한 자극(111, 112, 113)를 순차적으로 직렬로 접속할 수 있다. 다른 한편, 바람직하게는, 직렬로 다른 우선 순위의 교류 자극 등의 일부 다른 장치를 이용하여, 동일한 자극의 시퀀스(111-125-112-115-113 등)로 직렬 접속된다.
바람직한 실시예에 따르면, 회전자 및 고정자의 자극들의 극성은 의사 잡음 의사 램덤 기능 배전에 해당한다. 이것은 위상이 변할 때, 모든 정수개의 주기 또는 사이클로 위상이 변하는 경우 이외에 임의 지점에서 자체적으로 직교하는(자체적으로 상관하지 않는) 특성을 갖는 주기적인 기능이 있다. 동일한 기능이 회전자와 고정자 상에 자극의 극성을 할당하는데 이용된다. 따라서, 회전자와 고정자가할당 기능의 동일한 지점에 할당되는 경우에, 자극들이 완전히 상관하고, 회전자의 회전 동안에 모든 다른 위치에서, 회전자 자극과 고정자 자극 사이의 실질적인 상관은 없다. 이러한 현상은 이후에 더욱 완벽하게 설명되고, 도 1, 2a 및 2b에서 보여질 수 있다.
한 쌍의 정렬 마크(107, 108)는 회전자 및 고정자에 각각 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 회전자는 정렬 위치에 있다. 이러한 위치에서, 회전자(101)의 모든 N 자극(즉, 자극 126, 127, 128, 129, 133, 136, 137, 139)이 각각의 양의 자속 고정자 자극(즉, 자극 111, 112, 113, 114, 118, 121, 122, 124)에 정렬되는 것이 관찰될 것이다. 회전자(101)의 모든 N 자극(즉, 자극 130, 131, 132, 134, 135, 138, 140)은 각각의 음의 자속 고정자 자극(즉, 자극 115, 116, 117, 119, 120, 123, 125)과 정렬된다. 그 고정자 자극은 직렬로 접속되고, 고정자를 통한 순자속은 전체적으로 개별 자극에서 자속의 합이다. 개별 고정자 자극의 자속이 임의적으로 하나의 단위로서 지정되는 경우에, 그 정렬된 위치에서 순자속은 N 회전자 자극(그 각각이 +1 단위)에 정렬된 양의 자속 고정자 자극과 S 회전자 자극(그 각각도 +1 단위)에 정렬된 음의 자속 고정자 자극의 합이다.
도 2a는 회전자(101)가 도 1의 도면을 중심으로 클록 방향(도면에서 투시하여 보면서)으로 하나의 자극을 회전시키는 도 1의 전기 펄스 발전기(100)의 단면도이다. 이러한 위치에서, 그 자극들은 정렬되지 않고, 정렬 마크(107, 108)가 도 1과 같이 서로 정렬되지 않은 것이 관찰될 것이다. 도 1의 정렬 위치와 다르게, 도 2의 위치에서, 회전자(101) 상에 몇몇 N 자극은 양의 자속 고정자 자극에 정렬되는반면, 나머자 N 자극들은 음의 자속 고정자 자극에 정렬된다. 회전자(101) 상의 S 자극과 같다. 양의 자속 고정자 자극을 통한 자속이 회전자의 N 자극의 출현시 +1 단위이면, 회전자의 S 자극의 출현시 -1 단위이며, 음의 자속 고정자 자극에 대하여는 이와 반대이다. 각각의 개별 고정자 자극에서 자속은 도 2에 도시된 바와 같이 "+1" 또는 "-1" 단위로 식별된다. 즉, 정렬 마크(108) 및 이전의 시계 방향으로 시작하면, 제1 고정자 자극은 회전자의 S 자극과 반대의 양의 자극이며, -1의 자속을 제공한다. 제2 고정자 자극도 양의 자극이지만, 회전자의 N 자극과 반대이며, +1의 자속을 제공한다. 제3 및 제4 자극들은 양의 N 자극이며, 각각 +1의 자속을 제공한다. 제5 자극은 음의 N 자극이며, -1의 자속을 제공한다. 제6 및 제7의 자극들은 음의 S 자극이며, 각각 +1의 자속을 제공한다. 고정자 주위의 모든 자극에 대하여 등등. 고정자 자극이 직렬 접속되기 때문에, 고정자(102)를 통한 순자속은 개별 자극의 자속의 합이다. 도 2a의 위치에서, 그 합은 -1 단위이다.
도 2b는 도 1의 도면을 중심으로 시계 방향으로(도면을 보는 방향) 회전자 (101)가 2개의 자극을 회전시키는 도 1의 전기 펄스 발전기(100)의 다른 단면도이다. 다시, 그 자극들은 정렬 마크(107, 108)의 상대 위치에 의해 도시된 바와 같이 정렬되지 않는다. 도 2a에 관하여 앞서 수행된 분석은 도 2b에 대하여 반복될 수 있다. 개별 고장자 자극을 통한 자속은 도 2b에 +1 또는 -1 중 하나로 도시된다. +1 또는 -1 단위 자속의 시퀀스가 도 2a와 동일하지 않더라도, 몇몇 고정자 자극에 대하여, 그 자속은 +1로부터 -1로 또는 이와 반대로 변경되고, 고정자를 통한 총 순자속, 즉 개별 자극 자속의 합은 여전히 도 2a의 자속, 즉 -1 단위와 동일하다.
도 2a 및 2b에 도시된 분석은 회전자(101)의 모든 14개의 비정렬 자극 위치에 대하여 지속될 수 있다. 그 정렬된 위치 이외에서, 회전자 자극들이 고정자 자극과 직접 반대로 되는 모든 개별 위치에 대하여, 개별 고정자 자극의 자속이 회전자의 다른 위치로 변경더라도, 고정자를 통한 순자속은 -1 단위이다.
또한, 총 순자속이 -1인 인접한 개별 회전자 위치들 사이에(예를 들면, 도 2a 및 2b에 도시된 위치들 사이), 고정자 자속은 그 위치 중 하나의 위치로부터 다른 위치까지 회전자가 회전함으로써 중간 위치에서 필히 일정하게 남는다. 일부 고정자 자극을 통한 자속은 변하지 않고, 다른 자극들을 통한 자속은 +1로부터 -1로 변하며, 여전히 다른 자극들을 통한 자속은 -1로부터 +1로 변한다. 양에서 음으로 변화하는 수는 음에서 양으로 변화하는 수와 정확하게 동일하고, 극성과 권선이 필히 대칭이기 때문에, 자속은 짧은 아크를 통하여 회전하는 동안에 일정하다. 그러나, 정렬 위치에 인접한 자극 위치로부터 도 1에 도시된 정렬 위치까지 회전자가 회전함으로써, -1에서 +15로 총 순자속의 갑작스런 동적인 변화가 있고, 이것은 회전자가 그 정렬 위치를 통과하여 회전함으로써 다시 드롭 오프(drop off)한다.
따라서, 회전자의 각위치의 함수로서 고정자를 통하여 총 순자속을 설계할 수 있으며, 이것은 회전자의 모든 회전을 반복하는 주기적인 함수를 실현한다. 도 3은 그러한 이상적인 개방 회로 조건을 설계한다. 도 3을 참조하면, 고정자 자속이 대부분의 회전자의 각회전을 통하여 일정한 -1 단위이고, 정렬 위치(a)에서 최고인 정열 위치(즉, -24)에 매우 인접한 자극 위치 직후에 시작하는 +15 단위로갑자기 불꽃이 일어나며, 다음 자극 위치(+24)에서 -1로 급속히 기울어진 직후에 시작하는 +15 단위로 갑자기 불꽃이 일어난다. 도 3에 도시된 자속 "단위"는 이전에 언급된 바와 같은 개별 고정자 자극의 복수의 자속이다. 이 자속은 고정자와 회전자의 형상과 다양한 다른 설계 세부 사항에 의존할 것이다.
시간 변화 자기장은 고정자(전기자) 코일의 전압을 유도한다. 도 3을 참조하면, 고정자에 유도된 전압은 회전자가 일정한 속도로 완전히 회전함으로써 회전자의 각위치의 함수로 설계된다. 도 4는 이상적인 개방 회로 조건하에서 다시 설계된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 대부분의 회전자의 회전 동안에 유도 전압은 '0"이며, 이것은 고정자 코일의 자속이 일정하다는 사실의 결과가 얻어진다. 고정자의 자속이 정렬 위치(-24)에 매우 인접한 자극 위치에서 시작을 급속히 변경하기 시작함으로써, 유도 전압 펄스는 고정자에서 발생된다. 이 펄스는 양의 전압으로 도 4에 도시되지만, 그 방향에 따라 쉽게 음의 전압이 될 수 있다. 회전자가 정렬 위치를 가로지르면, 자속은 급속히 하락하기 시작한다. 그 하락 자속은 이전에 유도된 펄스와 같이 거의 동일한 크기 및 반대 극성의 전압 펄스를 유도한다. 도 4는 일반적인 의미에서 전자기 전압의 특정 프로파일을 도시하기 때문에, 그 설계는 단위가 없으며, 그 유도된 실제 전압은 자기장의 세기, 코일수, 회전자의 속도 등에 의존할 것이다.
도 1의 발전기에서 각각의 회전자와 고정자의 각각에 15개의 자극이 도시되더라도, 자극수가 변할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 회전자의 정렬 위치에서,모든 고정자 자극들이 해당 회전자 자극에 의해 동일한 방향으로 구동된다고 가정하면, 그 정렬 위치에서 순자속은 M 단위이고, 여기서 M은 자극수이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 자속은 낮은 값(도 1의 장치의 경우에 -1 단위)으로부터 2개의 자극사이의 각도 거리를 통하여 M 단위, 즉(360/서)까지 올라간다. 따라서, 일반적으로, 자극수가 많아질 수록, 좁고 가파르게 자속이 상승된다고 말할 수 있다. 결과적으로, 모든 다른 것은 같고, 자극수가 많을 수록, 발생된 전압 펄스가 높아질 것이다.
도 3과 도 4는 개념적인 관점에서 발전기의 동작 원리를 설명하기 위해서 제시되는 자속과 유도 전압의 이상적인 개방 회로를 도시하는 것이 이해될 것이다. 실제의 물리 장치로 실제의 동작 조건 하에서, 그 그림들이 약간 달라 보일 수 있다. 발전기가 부하에 결합되면, 그 부하 임피던스는 그 그림에 영향을 미칠 것이다. 이 부하 임피던스는 선형일 필요가 없으며, 예를 들면, 발전기를 이용하여 공기갭에서 점화 불꽃을 생성하면, 갭속의 가스의 이온화는 부하 임피던스를 변경할 것이다. 일반적으로, 회전자가 정렬 위치에 접근하면, 자속이 이전에 설정된 경로를 유지하기 위하여 초기에 시도하고, 그 정렬 위치에 매우 인접하는 경우에만 전압을 유도하는 구동 경로에 자속을 강제적으로 발생시키는 것이 예상될 수 있다. 이러한 현상은 그 크기를 증가시키고 유도 전압 펄스의 기간을 감소시키는 이상적인 조건 동안에 예상될 수 있는 것보다 훨씬 가파르고 협소한 자속을 만드는 효과를 가질 수 있다. 그러나, 발생 전압의 값과 그림의 실제의 형상은 일반화하기에는곤란한 너무 많은 개별 요소들에 의존한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자극은 동일한 크기 및 구조적인 특성이 되고, 펄스 효과는 의사 랜덤 방법으로 극성을 할당하여 회전자 정렬 위치에서 펄스를 발생시키고, 다른 회전자 위치에서 실질적으로 전압을 유도하지 않는 것에 의해 수행된다. 원하는 효과를 달성할 의사 램덤 방법으로 극성을 할당하는 많은 가능한 대안의 방법들이 있다.
특히, 의사 잡음 코드로 알려진 의사 램덤 그룹의 기능이 있다. 이들은 랜덤 잡음 특성을 나타내는 2진 시퀀스이다. 그러나, 그들은 본래에 또는 신중하게 주기성을 나타낸다. 그러한 의사 잡음 코드는 데이터 채널, 셀 전화, 코드리스 전화, 글로벌 위치 결정 시스템 등의 확산 스펙트럼 통신 시스템에 이용되지만, 전기 발전기의 자극 할당에 통상 적용되지는 않는다.
바람직한 실시예에 있어서, 2진 의사 잡음 코드 시퀀스는 고정자와 회전자의 자극에 우선 순위를 할당하는데 이용된다. 다시 말해서, 인덱스 포인트에서 시작하여, 회전자 주위(또는 고정자 주위)에 원주 방향으로 자극에서 자극으로 지속하여, 각 자극은 2진 시퀀스로 "1" 또는 "0"에 해당하는 우선 순위가 할당된다. 즉, 영구 자석 자극의 경우에, "1"은 N극에 해당하는 반면에, "0"은 S극에 해당한다. 코일의 경우에, "1"은 자속 경로에 관하여 제1 방향의 권선에 해당하는 반면에, "0"은 반대 방향에 해당할 것이다. 그 대응 관계는 일정하게 적용되는 동안 임의적일 수 있다.
그 동일한 시퀀스를 이용하여 회전자와 고정자에 대한 극성을 할당한다. 동일한 시퀀스가 이용되기 때문에, 회전자와 고정자의 자극들은 인덱스 포인트(본원에서 할당 위치로 칭함)에서 할당되는 경우에 완전히 일치한다. 그러나, 모든 다른 위치에서, 즉, 회전자의 자극과 고정자의 자극 사이에는 상관이 분명하지 않다. 자극들의 랜덤한 할당에 의해 자극들간에 상관이 약한 일부의 위치가 발생할 수 있는(나아가서, 회전자가 하나의 자극 위치에서 그 다음 자극 위치로 회전함으로서 순자속의 작은 변화) 반면에, 위상 변화 시퀀스 사이의 상관이 항상 제로인 의사 랜덤 시퀀스, 특히 의사 잡음 시퀀스를 구성하고, 그 할당 위치 이외에 모든 자극 위치에서 일정한 순자속이 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 적용된 특정 의사 잡음 코드 시퀀스는 원래의 다항식에 기초한 최대 길이 시퀀스(m 시퀀스)이며, 그것은 다른 의사 잡음 코드 시퀀스가 이용될 수 있고, 또한 다른 의사 램덤 기능이 적합한 극성 할당을 제공할 수 있는 것이 이해된다. m 시퀀스는 (2N-1)의 길이를 가지며, 여기서, N은 양의 정수이고, 고정자 자극수 및 회전자 자극수는 바람직하게는 (2N-1)이 선택된다. N=1은 단일 자극의 지정 케이스이며, 이에 따라 N이 1보다 큰것으로 가정한다. 2, 3, 4, 5 및 6차의 기본 다항식은 아래의 표 1에 도시된다.
차수 기본 다항식
2 x2+ x + 1
3 x3+ x2+ 1x3+ x + 1
4 x4+ x3+ 1x4+ x + 1
5 x5+ x4+ x3+ x2+ 1x5+ x4+ x3+ x + 1x5+ x4+ x2+ x + 1x5+ x3+ x2+ x + 1x5+ x3+ 1x5+ x2+ 1
6 x6+ x5+ x4+ x2+ 1x6+ x5+ x3+ x2+ 1x6+ x5+ x2+ x + 1x6+ x4+ x3+ x + 1x6+ x5+ 1x6+ x + 1
일반적으로, 특정 차수에 존재하는 기본 다항식의 수는 차수가 증가함으로써 커진다. 7차에 대하여, 18개의 기본 다항식이 있다. 8차에 대하여 16개가 있고, 9차에 대하여 48개가 있다. 추가적인 다항식들은 고차에 존재한다.
도 1에 도시된 자극 시퀀스를 발생하는데 이용된 기본 다항식은 4차 다항식(N=4, 자극수가 (2N-1) 또는 15인 것을 의미)이고, 특히 X4+ X + 1이다. 이 다항식을 0으로 설정하고, 불대수(Boolean algebra)에서 재배열되는 경우, 그 등식은 다음과 같다.
X4= X + 1 (= X1+ X0)
1과 0의 주기적인 시퀀스는 선형 피드백 시프트 레지스터(LFSR)를 피보나치구성을 이용하여 발생될 수 있으며, 각 다항식의 차수는 해당 래치의 출력을 나타낸다(즉, 주기적인 신호 시퀀스의 다른 위상). 수학식(1)의 LFSR의 피보나치 구성(즉, 다항식 X4= X + 1에 대하여)은 도 5에 도시된다. LFSR의 적합한 피보나치 구성은 임의 기본 다항식으로 구성될 수 있다. 따라서, 그 시퀀스는 "m 시퀀스"이다.
도 5의 래치에서 값들이 임의 초기 집합에 대하여(모두 "0"을 지정하는 경우 이외에), 래치에 의해 발생된 값들의 시퀀스는 주기적일 것이다. 예를 들면, 래치값 1, 1, 1, 1(즉, X3= X2=X1= X0= 1)의 처음 집합에 대하여, X4는 "0"이 될 것이며, 이것은 그 시퀀스의 다음 단계에서, 래치들이 값 0,1, 1, 1을 보유하는 것을 의미한다. 이러한 프로세스는 표 2에 도시된 바와 같이 지속될 수 있다.
위상 X3 X2 X1 X0
0 1 1 1 1
1 0 1 1 1
2 0 0 1 1
3 0 0 0 1
4 1 0 0 0
5 0 1 0 0
6 0 0 1 0
7 1 0 0 1
8 1 1 0 0
9 0 1 1 0
10 1 0 1 1
11 0 1 0 1
12 1 0 1 0
13 1 1 0 1
14 1 1 1 0
단계(15)에서, 그 값들의 집합은 단계 "0"에 대한 값과 동일한 1,1, 1, 1로 돌아가서, 그 주기를 간단히 반복할 것이다.
다른 단계에서도 각 래치를 통한 1과 0 사이클의 동일한 시퀀스가 관찰될 것이다. 이러한 m 시퀀스는 15 값을 포함하고, 그 자체를 마직막 값 후에 반복한다. m 시퀀스는 다음과 같다
1, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0
도 1의 회전자(101)를 참조하면, 위의 m 시퀀스(2)에서 "1"이 "N극"에 해당하고, "0"이 "S극"에 해당하는 경우, m 시퀀스(2)가 정렬 마크(107)에서 시작하여 시계 방향으로 진행하는 회전자 자극(126-140)의 시퀀스에 정확하게 일치한다. 또한, 위의 m 시퀀스(2)에서 "1"이 N 회전자 자극의 존재시 고정자 권선을 통하여 양의 자속을 갖는 고정자 자극에 해당하고, "0"이 N 회전자 자극의 존재시 고정자 권선을 통하여 음의 자속을 갖는 고정자 자극에 해당하는 경우, m 시퀀스(2)는 정렬 마크(108)에서 시작하여 시계 방향으로 진행하는 고정자 자극(111-125)의 시퀀스에 정확하게 일치한다.
m 시퀀스가 주기적이기 때문에, 복수의 위상 시프트 버젼 중 하나일 수 있다. 예를 들면, 그 시퀀스는 다음과 같다.
0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 1, 0
이것은 위의 m 시퀀스의 위상 변환 버젼이다. m 시퀀스의 특성 중 하나는 그 시퀀스의 위상 버젼이 다른 위상과 동일한 시퀀스의 다른 버젼에 직교하는 것이다. 다른 방법으로 놓으면, m 시퀀스의 개별 구성 요소와 동일한 m 시퀀스의 위상 변환 버젼 사이에는 실질적으로 상관이 없다. 물론, 동일한 위상에서, m 시퀀스의 개별구성 요소는 서로 완벽하게 상관한다.
수학적인 용어로, 동일한 m 시퀀스의 다른 위상 버젼 사이의 직교성 또는 상관 부족은 그 시퀀스에서 제로를 -1로 변환하고, 임의 2개의 시퀀스의 내적(dot product)에 의해 표현될 수 있다. 양의 상관(모든 항이 1이거나 모든 항이 -1)을 갖는 한 쌍의 시퀀스 용어에 대하여, 그 해당하는 내적은 1이고, 반면에, 음의 상관을 갖는 한 쌍의 시퀀스 용어에 대하여, 그 해당 내적의 항은 -1이다. 그 값들이 2진수이기 때문에, 한 쌍의 랜덤 시퀀스는 내적의 양의 상관 항 및 음의 상관항의 동일한 갯수, 즉, 내적의 항에서 동일한 갯수의 "1" 및 "-1"을 제공한다. 2개의 랜덤 시퀀스의 내적은 대략 0 이 되어야 한다. m 시퀀스(2) 및 위상 변환 버젼(3)의 예제를 실행하는 경우에, 그 내적은 다음과 같다.
1x-1 + 1x-1 + 1x1 + 1x-1 + 1x-1 + -1x1 + -1x1 + 1x-1 + -1x1 +
-1x-1 + 1x1 + 1x1 + -1x1 + 1x1 + -1x-1 = -1
시퀀스 항의 홀수에 대하여, "0"의 내적을 갖는 것을 불가능하지만, -1이 우리가 말하는 모든 것에 대하여 상관하지 않는 다는 것에 매우 근접한다. 동일한 내적이 m 시퀀스(2)의 모든 가능한 쌍의 이상 버젼에 대하여 계산되는 경우에, 내적이 15인 경우 그 버젼쌍이 동일한 위상의 2개의 버젼을 포함하는 것 이외에, 내적이 항상 "-1"이라는 것을 알 수 있다.
다른 방법에 놓으면, M이 행들이 1 및 -1로 표현되는 m 시퀀스(2)의 다른 위상 변환 버젼인 15 x 15 매트릭스인 경우, M 및 그 이항(M·MT)의 매트릭스 곱은 그구성 요소가 15인 메인 대각선을 따르는 것 이외에 모든 구성 요소가 -1인 매트릭스이다. 더욱더, 동일한 관계가 모든 m 시퀀스에 대하여 유지하고, 그 대각선을 따른 값은 m 시퀀스의 구성 요소 갯수이다.
전기 발전기를 참조로 물리적인 용어들로 변환하면, 이들 수학적인 관계는 회전자와 고정자의 자극이 동일한 m 시퀀스에 따른 극성이 할당되면, 그 자극은 회전자의 회전시 일점에서 완전히 상관(정렬)하고, 모든 다른 위치에서는 상관하지 않는 것을 의미한다. 그 정렬 포인트는 전기자에서 최대 순자속의 포인트에 해당하며, 이것은 회전자가 이 포인트를 지나서 회전함으로써 커다란 펄스를 일으킬 것이다. 모든 다른 포인트가 필히 상관하지 않고, 동일하게 순자속의 작은 값을 갖기 때문에, 회전자가 이들 포인트를 통하여 회전함으로써 자속의 변화는 없고, 전압은 발생되지 않는다. 따라서, m 시퀀스는 전기 펄스 발전기에서 자극들의 극성을 할당하는데 이용될 수 있다. 이러한 관계는 자극수를 변경하는데 유용하다. 적합한 m 시퀀스는 (2N-1)과 같은 임의 자극수로 구성될 수 있으며, 여기서, N은 양의 정수이다. 따라서, 도 1에 도시된 전형적인 발전기의 15 자극보다 많은 수의 자극 또는 적은 수의 자극을 발전기를 구성하는 것이 바람직한 경우에, 다양한 다른 수의 자극은 m 시퀀스 할당에 제공될 수 있다.
m 시퀀스가 2개의 동일한 단계 이외의 시퀀스의 모든 단계 동안에 완전한 직교로 인하여 바람직한 실시예의 극성 할당에 이용되더라도, 본 발명에 따른 전기 발전기는 m 시퀀스에 해당하는 극성 정렬을 이용하지 않고, 다른 의사 잡음 코든시퀀스가 대안으로 이용될 수 있다. m 시퀀스의 결점은 자극수가 정수 N에 대하여 (2N-1)이 되어야 한다는 것이다. m 시퀀스를 구성할 수 없는 다른 수의 자극을 선택하기 위한 설계 이유일 수 있고, 또한 극성 할당을 위해 다른 의사 랜덤 시퀀스를 선택하기 위한 다른 이유일 수 있다. 예를 들면, 소위 바커 코드(주기적인 의사 잡음 코드의 다른 형태)도 또한 일부 어플리케이션에서 적합한 우선 순위 할당을 제공할 수 있다. 다른 대안은 (2N-1)이 원하는 자극수보다 많은 m 시퀀스 등의 보다 긴 의사 잡음 코드의 주기의 일부분만을 이용하는 것이다. 또한, 본 발명에 따른 극성의 할당에 대한 의사 랜덤 시퀀스는 공지된 의사 잡음 코드 시퀀스를 따를 필요는 없고, 이러한 어플리케이션에 대하여 특별히 개발된 시퀀스 또는 현재 공지되었거나 이후에 개발된 일부의 다른 수학 공식에 따른 시퀀스일 수 있다. 일반적으로 바람직하더라도, 발전기가 모든 비정렬 회전자 위치에서 절대적인 전기 출력이 없을 필요는 없고, 회전자의 하나의 자극 위치로부터 다음 자극 위치(작은 전기적인 출력을 유도)까지 적은 자속 변화는 특정 어플리케이션에 대하여 수락될 수 있다.
대안의 발전기 구성예
도 1의 발전기(100)는 본 발명의 일 실시예를 나타내며, 그 구동 자기장은 회전자(101)에 장착된 영구 자석 세트에 의해 제공되고, 그 회전자(101)는 고정 전기자(회전자 102)의 내측에 둘러싸여진다. 그러나, 당업자라면 회전자, 고정자, 자기장 장치 및 전기자의 설계 및 대체시 많은 변화가 가능하다는 것을 인식할 것이다. 일부 그러한 실시예는 이후에 기술되고, 그것은 이들 대안의 실시예들이 가능한 변형예에 의해 기술되고, 많은 다른 변형이 존재하며, 본원에 기술된 명시적인 예들이 설명을 위한 것이지 제한하려는 의도가 아니라는 것을 이해할 것이다.
일반적으로, 자기장 장치가 구동 자기장을 제공하는 어떤 장치라고 말할 수 있다. 통상적으로, 이것은 복수의 자극으로 배치되는 영구 자석의 집합 또는 전자기 코일 또는 코일 중 하나에 의해 제공될 수 있다. 이 코일은 자극들이 병렬일지다라도 정상적으로 자극들을 직렬로 배치한다. 그 코일은 통상 절환 또는 펄스되더라도 DC 전원에 의해 구동된다. 이후에 논의된 바와 같이 AC 전원에 의해 구동될 수도 있다. 그 코일의 각각의 자극은 통상 자속 경로를 제공하기 위하여 자기 코어 재료를 둘러싼다. DC 전원에 의해 구동되는 코일의 경우에, 자석 코어는 통상 맴돌이 전류 효과를 최대 이점으로 이용하는 철 등의 고체 도전성 재료일 수 있다.
전기자는 자기장 장치에 의해 구동되는 도체이다. 통상적으로, 전기자는 비전도성 재료로 만들어진 적층 자석 코어 또는 고체 자석 코어를 둘러싸는 복수의 코일 권선으로 만들어져, 멤돌이 전류 손실을 최소화할 수 있다. 예를 들면, 전기자 코어는 적합한 두께로 만들어진 복수의 적층된 실리콘 강철판일 수 있다. 그 전기자 자극들은 이들이 병렬 접속되더라도 최대 발생 전압을 제공하기 위하여 직렬 접속된다.
자기장 장치 및 전기자는 필히 전기를 발생하기 위하여 서로에 관하여 회전해야 하지만, 양쪽 소자는 회전 소자일 수 있고, 즉 전기자는 회전자의 자기장 장치와 고정자에 장착될 수 있으며(도 1의 실시예에 장착된 바와 같이), 자기장 장치는 회전자의 전기자와 고정자에 장착될 수 있다. 개별 고정자 상에 각각의 구성 요소를 장착할 수 있으며, 그 2개의 회전자는 서로에 관하여 가능한 반대 방향으로 회전하지만, 그러한 설계는 복잡하여, 가능한 별난 어플리케이션 이외에 입증되지 않을 것이다.
통상적으로, 고정자는 도 1의 실시예에 도시된 바와 같이 회전자를 감싸서 실질적으로 밀봉한다. 이러한 설계는 회전자가 회전축에 직접 장착될 수 있기 때문에 기계적으로 간단하며, 이동 회전자는 기계적인 간섭으로부터 고정자에 의해 본래 차폐된다. 그러나, 많은 가능한 어플리케이션에서는 회전축에 인접하는 고정자를 대신 장착하는 것이 바람직하다. 또한, 회전자와 고정자는 도 1에 도시된 것과 같은 동심 실린더일 수 있고, 또한 임의 수의 대안의 형상일 수 있다.
예를 들면, 도 1의 발전기(100)를 참고로, 앞서 논의한 바와 같이, 내부의 원심 부재에는 회전자(101)가 지정되었고, 외부의 원심 부재에는 고정자(102)가 지정되었다. 그러나, 외부 부재(전기자)가 회전자일 수 있고, 내부 부재가 고정자일 수 있다. 추가적으로, 외부 부재(회전자 또는 고정자 중 하나)에 자기장 장치를 구성하는 영구 자석 자극이 장착될 수 있고, 그 권선은 내부 부재 상에 전기자를 구성한다.
도 6은 어떤 추가적인 교류 발전기 구성을 도시한다. 도 1과 유사하게, 도 6은 회전축에 수직인 단면에 도시된 바와 같이 간단히 단면으로 표현한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 내부 원통 부재(601)는 복수의 균일하게 원주 방향으로 이격된 전자기 코일 자극(626-640)을 포함하는 반면에, 외부의 원통 부재(602)는 균일하게원주 방향으로 이격된 전자기 코일 자극(611-625)일 수 있다. 2개의 리드 와이어(603)를 갖는 도전 권선은 외부 원통 부재(602)의 코일 자극을 직렬로 접속하고, 2개의 리드 와이어(604)를 갖는 제2 도전 권선은 내부 원통 부재(601)의 코일 자극을 직렬로 접속한다. 도전 권선(603)은 외부 부재(602)의 자석 코어 구조 주위에 싸여지고, 도전 권선(604)은 내부 부재(601)이 자석 코어 구조 주위에 싸여진다.
따라서, 도 6의 기술시, "고정자", "회전자", "전기자" 및 "계자 코일"이란 용어는 선의의 이유 때문에 피했다. 내부 원통 부재(601)는 고정자 또는 회전자일 수 있고, 전기자 또는 계자 코일 중 하나일 수 있으며, 이들의 결합일 수 있다. 그와 같은 것은 외부 원통 부재(602)에 대하여 일정하다.
특히, 제1 대안의 실시예에 있어서, 부재(601)는 자계 코일 장치로서 동작하는 회전자이고, 부재(602)는 전기자로서 작용하는 고정자이다. 제1 대안의 실시예에 있어서, 구동 전류(바람직하게 DC)는 리드(604)에 제공되어 부재(601)의 자극의 잔계를 발생시키고, 부재(601)의 회전은 부재(602)(전기자)에 관하여 계자를 회전시키고, 그 회전하는 계자는 부재(602)의 권선(603)의 출력에서 펄스를 유도한다.
제2 대안의 실시예에 있어서, 부재(601)는 전기자로서 작용하는 회전자이고, 부재(602)는 자계 코일 장치로서 작용하는 고정자이다. 제2 대안의 실시예에 있어서, 구동 전류(바람직하게 DC)는 리드(603)에 제공되어 부재(602)의 자극에 일정한 자계를 발생시키고, 그 부재(601)의 회전은 이러한 일정한 자계에 관하여 전기자를 회전시키며, 그 회전은 부재(601)의 권선(604)의 출력에서 펄스를 유도한다.
제3 대안의 실시예에 있어서, 부재(601)는 자계 코일 장치로서 작용하는 고정자이고, 부재(602)는 전기자로서 작용하는 회전자이다. 이러한 제3의 대안의 실시예에 있어서, 구동 전류(바람직하게 DC)는 리드(604)에 제공되어 부재(601)의 자극에 자계를 발생시키며, 그 부재(602)의 회전은 고정 자계에 관하여 전기자를 회전시키고, 그 회전은 부재(602)의 권선(603)의 출력 펄스를 유도한다.
제4의 대안의 실시예에 있어서, 부재(601)은 전기자로서 작용하는 고정자이고, 부재(602)는 자계 코일 장치로서 작용하는 회전자이다. 이러한 제4 대안의 실시예에 있어서, 구동 전류(바람직하게 DC)는 리드(603)에 제공되어 부재(602) 자극에서 자계를 발생시키며, 그 부재(602)의 회전은 부재(601)(전기자)에 관하여 자계를 회전시키고, 그 회전 자계는 부재(601)의 권선(604)의 출력 펄스를 유도한다.
외부 부재(602)와 내부 부재(601)의 자석 코어 구조의 바람직한 구성은 각 부재들의 기능에 의존할 것이며, 즉 전기자 또는 계자 코일로서 작용할 것이다. 그 전기자(회전자 또는 고정자인지 여부, 부재 601 또는 부재 602인지 여부)는 전류의 예리한 변화를 경험하고, 따라서, 적층된 코어(실리콘 강철의 얇은 판 등) 또는 비전도성 코어 재료를 이용하여 에디 전류 손실을 최소화한다. 계자 코일(회전자 또는 고정자인지 여부, 부재(601) 또는 부재(602)인지 여부)은 바람직하게 DC 전류에 의해 구동되고, 따라서 고체, 전도성 코어 재료가 바람직하다. 그러나, 계자 코일도 또한 시간에 따라 변하는 전류에 의해 구동되는 어플리케이션에서, 계자 코일용 적층 또는 비전도성 코어 재료는 대안으로 바람직할 수 있다.
도 7은 대안의 발전기 구성의 또 다른 집합을 도시한다. 도 7에 표시된 구성에 있어서, 전기자 및 자계 장치는 회전축ㅇ 수직으로 집중하여 장착되는 디스크형부재로서 구성되고, 그 디스크형 전기자는 디스크 자계 장치에 실질적으로 평행하게 놓인다. 도 7은 3개의 디스크를 도시하는 확대도이고, 그 중에 2개는 영구 자석 계자 디스크(701, 703)이고, 하나는 전기자(702)이다. 한 위치에서, 전기자 디스크(702)는 계자 디스크(701, 703) 사이에 샌드위치된다. 도 7에 3개의 디스크를 도시하더라도, 그 디스크의 수가 변하고, 특히, 디스크 설계가 공통축 상에 많은 수의 개재된 디스크로 확장될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 계자 디스크(701, 703)는 균일하게 원주 방향으로 이격된 동일한 수의 영구 자석 자극을 각각 포함한다. 전기자 디스크(702)는 동수의 코일 자극을 형성하는 2개의 리드 와이어(704)를 갖는 전도성 권선을 포함한다. 하나의 권선 루프가 도 7에 간단히 도시되더라도, 많은 수의 루프가 통상적으로 이용되는 것을 이해할 것이다. 도 7에서 자극들의 지정은 전기자 디스크에 대향하는 자극을 칭한다. 디스크(703) 상에 자극의 배치는 디스크(701)과 정확히 같다. 도 7에 있어서, 그들은 지향 방향이 바뀌기 때문에 서로의 미러 영상이 나타난다[ N극이 디스크(701)에 되시되는 장소에, 해당 S극은 디스크(703)에 도시된다]. 즉, 디스크(701)가 위의 전기자(702)이고, 디스크(703)가 아래의 전기자(702)이면, 디스크(701)의 N극은 최상측의 S극을 암시하는 하부측의 디스크(701)(전기자에 면하는) 상의 N극을 칭한다. 유사하게, 디스크(703) 상의 해당 위치에서 S 자극은 최상측(전기자에 면하는)의 S극을 칭하고, 나아기서, 실질적으로 디스크(701)과 동일하다.
도 6의 복수의 변화의 경우에, 계자의 전기자는 회전자일 수 있다. 즉, 디스크(701, 703)는 회전자와 조화로 회전할 수 있는 반면에, 디스크(702)는 일정하거나, 또는 디스크(702)는 디스크(701, 703)이 일정한 동안 회전할 수 있다. 또한, 계자 디스크가 전류원에 의해 구동되는 자계 코일로 택일적으로 구성될 수 있다.
멀티플 디스크로서 구성된 전기 발전기의 일예는 미국 특허 제5,721,461호에 도시되고, 이는 본원에 참조용으로 포함된다. 전기 모터(동일한 형상이 전기 발전기에 대하여 이용될 수 있다)에 대한 대안의 형상의 다른 예는 미국 특허 제5,670,837호에 발견될 수 있고. 이는 본원에 참조용으로 포함된다.
AC 구동 계자를 이용하는 동작
구동 자계가 자계 권선에 의해 제공되는 경우에, 그 권선을 AC 소스로 구동할 수 있다. 계자 권선의 일예로서 도 6을 참조하면(계자 권선이 다르게 구성될 수 있는 것으로 이해됨), 회전자가 고정된 경우에, 다른 정렬 위치에서, 계자 코일의 AC 구동 전류는 구동 전류의 동일한 주파수의 시간 변화 자계를 발생하고, 이는 전기자 코일에서 동일한 주파수의 AC 전압을 유도한다. 즉, 그 장치는 가변 자석 결합을 갖는 변압기로서 작용한다. 회전자를 회전시키면 "변압기"의 자석 결합을 변경한다. 실제로, 구동 계자 코일과 전기자 사이의 상당한 결합은 정렬 위치에만 존재하고, 회전자의 다른 위치에서 그 2개 사이에는 매우 작은 결합이 존재한다. 그 정렬 위치 이외에서, 구동 코일 및 전기자는 필히 결합되지 않는다.
이러한 변압기 동작 모드에서(AC 소스에 의해 구동되는 회전자 고정으로), 구동 자계이 시간 변화는 전체적으로 AC 구동원에 의한 것이다. 회전자가 이러한 구성으로 회전되면, 회전자의 회전에 의한 시간 변화 요소 및 AC 구동원에 의한 시간 변화 요소일 것이다. 이들 인자들의 상대적인 중요성은 2개의 시간 변화 요소의상대 주파수에 의존한다. 회전자의 회전 주파수가 AC 구동원의 주파수보다 훨씬 작은 경우에, 그 장치는 펄스형 또는 전환형 변압기처럼 동작할 것이고, 그 대부분의 전원은 계자 코일의 입력 구동 전류에 의해 제공되고, 그 변압기는 회전자의 회전 주파수에서 스위치 온/오프한다.
회전자의 회전 주파수가 AC 구동원의 주파수보다 훨씬 크면, 그 구동 전류는 회전자가 정렬 위치 근처에 있는 짧은 기간 동안에 DC 전류와 비슷할 것이다. 그러나, AC 이면, 연속 유도 전압 펄스의 크기는 AC 구동 전압으로 변할 것이다.
회전자외 AC 구동원이 동일한 주파수 근처에 있으면, 전기자에 의해 보여진 바와 같이 시간 변화 구동 계자에 상당히 기여할 것이다. 특히, AC원과 회전자가 적합하게 동기되면, 그 장치는 DC 구동 계자의 케이스와 비슷한 회전자의 회전과 펄스 동기한 정규 스트림을 발생해야 한다. AC 구동 계자 성분은 AC 입력의 위상을 제어함으로써 펄스의 크기 또는 형상을 조정할 수 있다.
일반적으로, 영구 자석 또는 DC 구동 계자가 구동 계자로서 이용되는 것이 예상되지만, AC 구동 계자의 특성들이 바람직한 특별한 어플리케이션일 수 있다.
전형적인 어플리케이션 : 내연 기관의 불꽃 점화
본 발명에 따른 전기 펄스 발전기는 많은 잠재적인 어플리케이션을 갖지만, 단 하나의 그러한 어플리케이션이 본원에 기술될 것이다. 이러한 전형적인 어플리케이션에 있어서, 펄스 발전기는 내연 기관용 불꽃 점화을 제공하는데 이용된다. 본 원에 기술된 전기 펄스 발전기가 임의 타입의 불꽃 점화 내연 기관에서 이용가능하지만, 점화용 외부 베터리 전원과 무관하게 높은 신뢰성의 견지에서, 그러한전기 펄스 발전기는 특히 경량의 우주선 엔진의 점화 시스템에 이용하는 것이 적합할 것이다.
불꽃 점화(압축 점화와 반대 또는 디젯) 내연 기관은 2개의 자극("불꽃") 사이의 갭을 통하여 동기된 전기 펄스를 아칭(arcing)하는 것에 의해 밀봉 챔버에서 연료 혼합을 점화한다. 다양한 종래의 매커니즘은 그 필요한 동기 펄스를 제공하기 위하여 이용 가능하다. 예를 들면, 소형 엔진은 가끔 펄스를 발생하는 이동 엔진 부분의 키네틱 에너지 상에 전체적으로 의존하는 자석 점화를 이용한다. 대부분의 대형 엔진은 다양한 회로에 결합되는 베터리의 화학 에너지를 이용하여 펄스를 발생한다. 이들 종래의 해법은 몇가지 결점을 갖는다. 자석은 통상적으로 전기 회로를 개방하는 동기화 기계적인 접촉 스위치("포인트")를 통상적으로 포함한다. 이 스위치는 불꽃 부식, 마모, 대기 습기로부터 간섭 및 이동 기계 부품과 관련된 기타 문제점에 영향을 받는다. 베터리 점화 회로는 그것을 유지하는데 배터리 및 충전 시스템을 필요로하며, 소형 휴대 엔진에 대하여는 바람직하지 않다. 베터리로부터 전원을 유도하는 회로는 베터리 전원의 지속된 가용력 및 그것을 제공하는 충전 시스템에 의존하고, 즉, 차량에서, 차량의 베터리, 충전 또는 전기 시스템의 일부분의 불량은 점화 시스템의 불량을 일으킬 수 있다. 이것은 경량 우주선에 대하여 특별한 문제가 있고, 그러한 이유 때문에, 그러한 우주선은 가끔 우주선의 전기 시스템에 독립적인 자석 기반 점화 시스템을 이용한다. 최종적으로, 그러한 종래의 메커니즘이 충분한 불꽃을 발생하여 정상 동작 상태에서 연료 혼합에 의해 점화하더라도, 더욱 완전한 연소에 의해 강력한 펄스를 발생시켜, 반대 조건, 대체 연료의 사용 등에서 성능을 개선시킨다.
도 8은 점화 불꽃을 제공하기 위하여 전기 펄스 발전기를 제공하는 스파크 점화 내연 기관의 간단한 예를 도시한다. 그 엔진은 가동 전력 부재(802)에 밀봉된 연소실(801)을 포함한다. 동작시, 연료 혼합은 다양한 연료 메커니즘(도시 생략)에 이해 연소실(801)에 유도되고, 전기 불꽃에 의해 점화된다. 그 결과 폭발은 장제로 기계력을 발생시켜 전력 부재를 이동시킨다. 외부의 적용을 위하여 회전 부재(803)(크랭크 축)으로 전력이 전달된다. 도 8이 왕복 피스톤으로서 전력 부재를 도시하더라도, 소위 랭클(Wankel) 또는 로터리 엔진에 이용되는 쐐기형 부재일 수 있고, 또한 일부의 다른 형상일 수 있다.
펄스 발전기(100)는 전력 부재(802)와 회전 부재(803)의 운동으로 동기되는 펄스를 제공한다. 도 8은 회전 부재(803)와 발전기(100)를 결합하는 타이밍 체인(804)를 도시한다. 타이밍 체인(804)은 회전자를 회전시킴으로써 구동 전력을 발전기(100)에 제공하고, 그 회전자의 회전은 부재(803)의 회전에 동기되어 회전의 정확한 위상에서 불꽃을 발생한다. 도 8이 타이밍 체인을 도시하더라도, 임의 수의 대안의 메커니즘이 공지됨으로써, 기어, 샤프트, 톱니형 벨트 등에 이용될 수 있고, 발전기(100)의 회전자는 캠축에 결합되는 기어 등의 복수의 메커니즘을 통하여 회전 부재(803)에 결합되며, 그 매커니즘들은 종래 기술에 공지되어 있는 타이밍 체인에 의해 차례로 구동된다. 더욱더, 발전기(100)의 회전자는 실제로 크랭크 축의 일부분이 되어, 중간 매커니즘이 불필요하다.
앞서 설명된 바와 같이, 발전기(100)가 그 정렬 포인터에 도달할 때, 전기펄스가 발생된다. 도 8의 실시예에 있어서, 이 펄스는 변압기(805)의 1차 회로를 구동한다. 변압기(805)는 고전압에서 2차 회로를 구동하여 챔버(801) 내의 불꽃 갭(806)을 통하여 아크한다.
도 8은 구조적인 레벨보다 오히려 개념적인 키 전기 부품을 도시한다. 그 불꽃 갭(806)은 정상적으로 대체가능한 "불꽃 플러그"에 의해 형성된다. 변압기(805)는 개별 변압기이거나, 불꽃 플러그 캡에 통합되거나(소위, 코일 온 플러그 기술), 발전기(100)에 구조적으로 통합될 수 있다. 또한, 발전기(100)와 변압기(805)의 크기는 연소실에 관하여 과장된다. 마지막으로, 단일 연소실(801)과 전원 부재(802)가 도 8에 도시되더라도, 본 발명에 따라 발전기를 제공하는 내연 기관이 복수의 연소실 및 해당 전원 부재를 가질 수 있다는 것을 이해할 것이며, 그 각각의 부재는 엔진의 개별 주기 위상에서 펄스를 필요로 한다. 이러한 경우에, 전원을 인가하여 회전자를 동기시키는 메커니즘은 일부 복수의 크랭크축 속도에서 회전자를 회전시키고, 그 원하는 연소실로 펄스를 전송하는 배전반, 스위치 또는 다른 메커니즘(도시 생략)일 수 있다.
이전에 언급한 바와 같이, 펄스는 그 주기에서 적합한 순간(압축 스트로크의 최상부 근처)에 제공되도록 전원 부재의 운동에 동기되어야 한다. 몇몇 내연 기관 설계시, 여분의 불꽃도 다른 시간, 예를 들면 배기 스트로크의 최상부 근처에서 제공된다. 이들 설계는 때때로 점화 회로를 간소화하는데 이용된다. 예를 들면, 몇몇 설계시, 2개의 다른 실린더에 대한 한 쌍의 스파크 플러그는 공통 스파크 발생 회로에 직렬로 접속되고, 그 2개의 실린더의 피스톤이 함께 이동하지만, 그 실린더는엔진 주기에 관한 위상에서 벗어나서 (18a)이 되기 때문에, 하나의 실린더는 다른 실린더가 배기 스트로크의 최상부에 있는 경우에 압축 스트로크의 최상부에 있고, 그 반대로 있다. 본원에 기술된 펄스 발생 장치는 마찬가지로 이러한 유형의 구성에 이용될 수 있고, 본원에 이용된 바와 같이, 일부 펄스들이 여분인지 여부를 "동기화 " 펄스는 엔진이 요구하는 경우에 펄스를 발생하는 것을 의미한다.
도 4를 참조하면, 바람직한 실시예에 따른 펄스가 반대 극성의 한 쌍의 교류 전압 서지로서 통상 발생된다는 것이 회고될 것이다. 이것은 내연 기관의 불꽃 점화 시스템에서는 바람직하지 않으며, 그 이유는 불꽃 플러그의 자극 양단에 한 쌍의 불꽃을 유도할 수 있기 때문이며, 그 전류는 다른 방향을 갭을 점프한다. 이러한 현상은 자극의 과도한 부식 또는 기타 원하지 않는 효과를 일으킬 수 있다.
이러한 양방향 불꽃을 피하는 대안의 내연 기관 점화 시스템이 도 9에 도시된다. 도 9의 점화 시스템 및 엔진은 추가적인 다이오드(906) 및 커패시터(907)를 1차 회로에 부가하는 것 이외에 도 9의 시스템과 필수적으로 동일하다. 이러한 부가 부품의 효과는 단일 방향으로 변압기(805)의 1차측을 통과하는 전류를 발생시키고, 따라서, 2차 회로의 유도 불꽃은 단일 방향으로 갭(806)을 통과할 것이다.
동작시, 다이오드(906)는 펄스의 제1의 1/2 동안에 턴온되어, 다이오드(906)와 커패시터(907)를 통하여 전류를 흐르게 하여, 변압기(805)의 1차측을 바이패스한다. 그 발생 펄스의 극성이 제2의 1/2 동안에 변하면, 다이오드(906)는 턴오프한다. 커패시터(907)가 지금 충전되고, 그 전압 강하는 발전기에 의해 발생된 전압강하에 부가되어 변압기(805)의 1차측을 구동시켜, 갭(806)에서 필요한 불꽃을 유도한다. 커패시터(907)의 커패시턴스는 너무 커서 불충분하게 충전되지 않게 펄스의 제1의 1/2의 대부분의 에너지를 흡수할 수 있게 충분히 커지도록 주의 깊게 선택된다.
또 다른 대안의 실시예 및 구현
불꽃 점화 내연 기관에 대한 점화 소스로서 단일의 전형적인 구현은 위에 설명되었다. 그러나, 본원에 기술된 다양한 구성 또는 동작 모드에서 펄스 발전기가 특별히 언급되지 않은 매우 다양한 어플리케이션에 이용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 그러한 펄스 발전기는 전기 펄스를 제공하는 것보다 필요한 종래의 어플리케이션에서 이용될 수 있다. 추가적으로, 전기 펄스를 필요로 하는 실시에는 현존하지 않거나 줄어든 어플리케이션이 이용될 수 있다. 이전에 설명한 바와 같이, 이것은 요청 펄스를 발생하는 만족스런 수단이 현재 이용불가능하다는 어플리케이션을 포함하지만, 본원에 기술된 펄스 발전기에 의해 제공될 수 있다. 그 후속하는 잠재적인 어플리케이션들은 단지 예로서 목록된 것이지, 다음과 같은 것을 제한하려는 의도는 아니다.
전기 방전 기계, 펄스 용접, 펄스형 퍼니스 점화, 다양한 화학 반응 촉매 어플리케이션, 핵반응 촉매 어플리케이션, 레일건, 통신, 레이더 및 경보 신호.
위의 설명시, 일반적으로 회전자의 회전 속도가 일정값이라고 가정된다. 실제로, 회전 속도는 변할 수 있고, 본원에 기술된 펄스 발전기의 목적은 그 값을 검출하거나 전달하는 것일 것이다. 즉, 본원에 기술된 펄스 발전기는 센서에 이용되어 회전자의 회전 속도를 검출하고, 원거리를 통하여 또는 잡음의 존재시 전달 가능하다.
앞서 설명한 바와 같이, 회전 전기 펄스 발전기는 회전 사이클마다 특정 개별 위치에서 전기 펄스(바람직하게는 1)를 발생시키기 위하여 자극을 정렬하는 특성을 갖는 의사 램덤 배전을 갖는 자극들로 설계되고, 다른 위치에서 자극들이 실질적으로 직교하고, 즉 전기자 자극에 자기장 자극의 상관이 없게 하여, 순전압이 전기자에 유도되지 않거나 미소하게 유도된다. 그 바람직한 실시예에 있어서, 이것은 동일한 크기이고 동일한 간격으로 이격된 자극들을 구축하는 것에 의해 수행되며, 전술한 바와 같이 극성이 변하여 원하는 효과를 발생시킨다. 자극의 크기, 자극 사이의 간격 및 다른 구성 세부 사항들을 변경함으로써 비슷한 효과를 얻을 수 있으며, 그 결과, 자극들은 한 번 회전할 때마다 정렬 포인트에서만 정렬하고, 그렇지 않으면, 그 전기자에 전압을 유도하지 않거나 적게 유도한다. 그러한 비대칭적인 설계는 자연적으로 설계가 상당히 복잡해진다. 그러나, 그러한 설계에 이점을 제공할 비상하고 특별한 어플리케이션일 수 있다. 또한, 본 발명에 따라서 회전 전기 펄스 발생기를 설계할 수 있으며, 그 전기자의 자극수는 구동 자기장의 자극수와 동일하지 않다. 간단한 예로서, 전기자 자극의 수는 자기장 자극수의 2개가 될 수 있으며, 그 결과, 각각의 계자 자극은 정렬 위치에서 2개의 전기자 자극을 구동할 수 있다. 다른 간단한 숫자적인 비율(예를 들면, 3:2)도 또한 가능할 것이다.
전술한 다양한 실시예에 있어서, 단일 정렬 위치에 있고, 회전자의 자극들이 상당한 펄스를 발생할 때마다 고정자에 해당 극성 자극을 정렬하는 것이 가정되었다. 그러나, 펄스가 발생되는 복수의 정렬 포인트를 제공될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 자극들의 의사 랜덤 시퀀스는 회전자와 고정자 주위에서 여러번 반복한다. 그러한 구현은 예를 들면 멀티 실린더 내연 기관에서 유용할 수 있고, 그러한 설계를 위하여는, 각각 필요한 전기 불꽃 출력에 대한 회전의 적분수를 회전시키는 캠축 또는 다른 부품으로부터 전기 펄스 발전기를 구동시키는 것이 바람직하다.
전술한 다양한 실시예에 있어서, 일반적으로 회전자가 일정한 속도로 회전된다고 가정했다. 예를 들면, 도 4의 전기 펄스 다이어드램에서, 교류 펄스는 양의 피크가 음의 피크와 동일한 크기인 것이 도시된다. 전술한 내연 기관에 있어서, 회전자는 엔진 크랭크축 자체에 결합되어, 축에 동기된 속도로 회전한다. 그러나, 실제로, 펄스 형태의 전기 에너지의 발생은 에너지가 어떤 장소에서 발생하고, 에너지 소스가 회전자의 키네틱 에너지라는 것을 암시한다. 따라서, 회전자는 실제로 펄스를 유도하고 기계적인 케네틱 에너지를 전기 에너지로 변환함으로써 속도가 떨어진다. 회전자의 속도로 이러한 에너지 전달의 효과는 무시될 수 있고, 또한 발전기의 설계 및 그 어플리케이션에 따라 상당할 수 있다. 내연 기관의 불꽃 점화 발전기에 있어서, 회전자와 그것이 결합되는 다른 엔진 부품의 관성은 일반적으로 불꽃 에너지와 비교하여 너무 커서, 그 발전기에 영향을 받는 에너지 전달이 통상적으로 회전자의 회전 속도에 무시할 수 있는 효과를 가질 것이다. 다른 어플리케이션에 있어서, 회전자는 에너지 전달의 결과로 상당히 속도를 떨어뜨릴 것이다. 궁극적인 경우에, 그러한 장치의 제작이 코어 재료의 지가 포화로 발생되는 물리적인 한계 사항에 직면하더라도, 회전자가 그 트랙에서 움직임을 중지하는 발전기를 제작할 수도 있다. 펄스의 발생이 회전자 속도를 상당히 떨어뜨리면, 도 4의 특징적인 펄스 프로파일은 다른 외형을 가질 수 있다.
전술한 다양한 실시예에 있어서, 일반적으로 발전기가 회전자의 회전 속도와 일치하는 펄스의 스트림을 유도한다고 가정한다. 그러나, 일부의 어플리케이션에서, 바람직하게는 단일의 커다란 펄스를 유도하고, 펄스를 발생하기 전에, 복수의 회전을 필요로 하는 회전자를 고속으로 가속할 수 있다. 이러한 어플리케이션에서는 전환 모드에서 동작할 수 있다. 예를 들면, 계자 코일은 초기에 전류가 유도되지 않도록 개방 회로가 될 수 있다. 회전자를 원하는 속도로 가속한 후에, 스위치는 전류를 계자 코일에 제공하도록 폐쇄된다. 다음 정렬 포인트에서, 펄스가 발생될 것이다. 대안으로, 전기자 코일은 개방 회로가 되어, 원하는 속도에 도달되는 경우에 의도된 부하로 스위칭된다. 전술한 다양한 실시예에 있어서, 전기 펄스 발전기(100) 및 그 변형은 일반적으로 격리된 엔티티로서 기술된다. 일부 변형에 있어서, 도 6에 도시된 바와 같이, 외부 전원이 전력(바람직하게 DC 전력)을 계자 코일에 제공하여 적합한 구동 자기장을 발생시키는 것이 예상된다. 이것은 2개의 개별 발전기의 2개의 회전자들이 공통 회전 부재 상에 장착되는 복합 형태의 발전기를 이용하여 수행될 수 있다고 이해될 것이다. 예를 들면, 그러한 구현시, 제1 발전기는 제2 발전기의 회전자에 장착될 수 있는 제2 발전기의 계자 코일에 대하여 전력을 발생시킬 수 있다. 제1 발전기는 연속 전력(DC 또는 AC)을 제공하는 종래의 발전기일 수 있는 반면에, 제2 발전기는 본원에 기술된 바와 같은 펄스 발전기이다. 대안으로 본원에 기술된 바와 같이 펄스 발전기로 2개의 발전기를 제작할 수있다.
전술한 다양한 실시예에 있어서, 전기 펄스 발전기는 자기 구동 계자 장치와 구동(전기자) 코일 사이의 상대 운동이 축을 중심으로 다른 것에 관하여 이들 구성 요소 중 하나를 회전시킴으로서 제공되는 회전 장치로서 기술되었다. 그러나, 어떤 특정된 어플리케이션에 대하여, 동일한 설계 원리가 상대 운동, 특히 선형 상대 운동의 다른 형태로 제공될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 예를 들면, M개의 자극을 갖는 이동 부재는 M개의 자극마다 반복하는 극성 시퀀스에서 많은 수의 자극을 갖는 고정 부재를 따라 선형으로 이동할 수 있다. 그러한 장치의 한가지 가능한 어플리케이션은 그러한 어플리케이션만을 필요로 하지 않더라도 이동 부재의 위치 및/도는 속도를 검출하는 펄스 센서일 수 있다.
본 발명의 특정 실시예가 어떤 대안에 따라 개시되었지만, 당업자라면 형태나 세부 사항의 추가적인 변경이 다음 청구항의 범위 내에서 이루어질 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims (16)

  1. 전기 펄스 발전 장치로서,
    회전자와,
    극성을 각각 갖은 복수의 자극에 배치된 전도체를 포함하는 자계 전기자와,
    극성을 각각 갖는 복수의 자극이 설치된 자기장 장치를 포함하고,
    상기 자계 전기자와 자기장 장치 중 하나는 상기 회전자에 장착되고, 다른 하나는 상기 회전자에 장착되지 않으며, 상기 자계 전기자 및 자기장 장치는 서로에 관하여 회전하도록 장착되며,
    상기 전기자와 자기장 장치의 자극들은 의사 랜덤 배전에 따라 배치되어, 상기 전기자의 자극들이 상기 회전자의 하나 이상의 개별 각도로 배열된 위치에서 해당하는 극성의 상기 자계 장치의 자극들에 실질적으로 배열되어 상기 전기자를 통해 비교적 커다란 순자속을 발생시키고, 상기 하나 이상의 개별 각도로 배열된 위치 이외의 상기 회전자의 각도 위치에서 상기 전기자를 통해 상대적으로 작은 순자속을 발생시키는 것인 전기 펄스 발전 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기자의 자극들은 상기 회전자의 정확한 하나의 각위치에서 해당하는 극성의 상기 자기장 장치의 자극들에 실질적으로 배열되는 것인 전기 펄스 발전 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기자는 상기 회전자 상에 장착되고, 상기 자기장 장치는 고정자에 장착되는 것인 전기 펄스 발전 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기자는 고정자에 장착되고, 상기 자기장 장치는 상기 회전자에 장착되는 것인 전기 펄스 발전 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기장 장치는 상기 복수의 자극에 배치되고 전력원에 의해 구동되는 전도체를 포함하는 것인 전기 펄스 발전 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 자기장 장치를 구동하는 상기 전력원은 일정한 DC 소스인 것인 전기 펄스 발전 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 자기장 장치를 구동하는 상기 전력원은 연속 AC 소스인 것인 전기 펄스 발전 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 자기장 장치를 구동하는 상기 전력원은 초기에 오프되고, 상기 회전자가 소정의 회전 속도에 도달한 후에 적어도 하나의 펄스를 제공하기 위하여 스위칭 온되는 스위칭 소스인 것인 전기 펄스 발전 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기장 장치는 복수의 영구 자석을 포함하는 것인 전기 펄스 발전 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 전기자의 자극들은 동일한 크기이고, 동일한 원주 방향의 간격에서 축을 감싸도록 배치되고, 상기 자기장 장치의 자극들은 동일한 크기이고 동일한 원주 방향 간격으로 축을 감싸도록 배치되는 것인 전기 펄스 발전 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 전기자의 자극수는 상기 자기장 장치의 자극수와 동일한 것인 전기 펄스 발전 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 펄스 발전 장치는 스위칭 모드에서 동작하고, 상기 전기 펄스 발전 장치의 출력은 초기에 개방 회로 구성이고, 상기 출력은 로드에 스위칭가능하게 결합되어 상기 회전자가 소정의 회전 속도에 도달한 후에 적어도 하나의 펄스를 제공하는 것인 전기 펄스 발전 장치.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 펄스 발전 장치는 연속 모드에서 동작하고, 상기 전기 펄스 발전 장치의 출력은 상기 하나 이상의 개별 각도로 배열된 위치를 지나 회전하는 상기 회전자에 대응하는 연속 펄스 스트림을 제공하는 것인 전기 펄스 발전 장치.
  14. 내연 기관으로서,
    적어도 하나의 연소실과,
    상기 적어도 하나의 연소실의 각각에서 그 각각의 연소실을 밀봉하는 각각의 이동가능한 잔력 부재와,
    불꽃 점화 장치를 포함하고, 상기 불꽃 점화 장치는,
    (a) 축을 중심으로 회전하고 상기 적어도 하나의 이동가능한 전력 부재의 이동에 동기되는 회전자와,
    (b) 복수의 자극들을 갖는 자기장 장치와,
    (c) 복수의 자극들에 배치된 전도체를 포함하는 자계 전기자로서, 상기 자계 전기자와 자기장 장치 중 하나는 상기 회전자 상에 장착되고, 다른 하나는 상기 회전자에 장착되지 않으며, 상기 자계 전기자와 자기장 장치는 서로에 관하여 회전하도록 장착되고, 상기 전기자의 자극들은 의사 랜덤 배전에 따라 배치되어 상기 적어도 하나의 이동가능한 전력 부재의 이동에 동기되는 전기 펄스를 발생시키는 자계 전기자와,
    (d) 상기 자계 전기자에 결합되고, 상기 적어도 하나의 연소실에 동기된 불꽃을 제공하는 불꽃 점화 회로를 포함하는 내연 기관.
  15. 제48항에 있어서, 상기 엔진은 우주선에 동력을 전달할 때 이용하도록 설계되는 내연 기관.
  16. 제48항에 있어서, 상기 불꽃 점화 장치의 전기자는 상기 회전자의 각각의 회전으로 정확하게 하나의 펄스를 발생시키는 것인 내연 기관.
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