KR20050035881A - 디플럭싱을 조정할 수 있는 이중 여자를 가진 회전식 전기기기 - Google Patents

디플럭싱을 조정할 수 있는 이중 여자를 가진 회전식 전기기기 Download PDF

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KR20050035881A
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도쿠 앙뜨완느 아케마쿠
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발레오 에끼쁘망 엘렉뜨리끄 모뙤르
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Abstract

본 발명은 회전자를 둘러싸는 고정자를 포함하는 회전식 전기기기에 관한 것이다. 상기 회전자는 자속을 생성할 수 있는 여자 영구자석(20,24,26,30) 및 여자되거나 여자되지 않고 자석에서 생성된 자속에 대응하는 자속 요소를 생성할 수 있는 여자 코일(22,28)을 포함한다. 상기 자석의 수(Na)와 여자 코일의 수(Nb) 및 자석과 코일의 상호간의 배치가 기본 패턴(me)을 형성하며, 상기 자석 수(Na), 코일 수(Nb) 및 기본 패턴 수(Nme)는 한편으로는 코일이 여자되지 않을 때 결정되는 기기에서 필요한 기본 전기력(Ibase)에 따라, 다른 한편으로는 코일이 여자될 때 결정되는 기기에서 필요한 조절 전기력(Imod)에 따라 조정될 수 있다.

Description

디플럭싱을 조정할 수 있는 이중 여자를 가진 회전식 전기기기{DOUBLE-EXCITATION ROTATING ELECTRICAL MACHINE FOR ADJUSTABLE DEFLUXING}
본 발명은 디플럭싱을 조정할 수 있는, 즉 기기에 의해 공급되는 파워(최대치일 필요는 없음)의 제어가 가능한 이중 여자를 가진 회전식 전기기기에 관한 것이다. 이 회전 전기기기로는 자동차용 교류발전기 또는 교류발전기-스타터를 들 수 있다.
일반적으로, 본 발명은 전기 발생을 요하는 모든 영역에 적용될 수 있으며, 특히 자동차의 영역에서 히트엔진이 장착된 자동차 또는 하이브리드(hybrid) 자동차의 전기 네트워크 상에 전기를 발생시키는데 적용된다.
예를 들어 유럽특허 EP-0515 259에 기술되어 있는 바와 같이, 종래의 단상 또는 다상의 교류발전기 및 자동차 교류발전기-스타터는, 회전자 축의 돌출부 상에 있는 두 개의 슬립링과 접촉된 브러시를 통해서 전기 공급을 받는 여자 코일을 구비한 갈고리형 회전자가 그 내부에서 회전하는 고정자를 포함한다.
상기 브러시는 여자 코일의 전압을 제어하는 전압 조절기에 연결된다. 회전자의 여자 코일로 파워 공급이 이루어짐으로써 회전자가 자화될 수 있으며, 또한 고정자가 있는 자성 구조로 된 몸체의 홈에 위치된 전기자의 코일선 둘레를 통과하는 자속이 생성될 수 있다. 이러한 자속은 고정자의 유도코일 내에서 유도전류를 생성하여 기기 내에 전기 파워를 생성한다. 여자 코일 내의 전류가 제로일 때 상기 회전자와 함께 생성되는 파워도 제로이다. 그러나 이런 기기가 공급할 수 있는 파워량은 그 전자기 구성에 의해 제한된다.
상기 기기의 효율성을 향상시키기 위하여, 예를 들어 유럽특허 EP-803962에 의하여 영구자석으로 회전자의 여자장(excitation field)을 형성하는 방법이 알려져 있다.
회전자가 여자를 위해 영구자석만을 포함하는 이러한 구성은 회전자의 여자를 조정하는 것이 불가능하여 기기의 실현이 제한된다.
많은 회전식 전기기기들이 상기된 기술적 문제들을 해결하고자 한다. 예를 들어 미국특허 US-A-563605에서 기술된 기기들은 영구자석과 코일부 또는 여자 코일을 동시에 가지는 회전자를 포함한다. 상기 영구자석은 방사상 자속을 생성하기 위해 회전자의 외부 주변부에 원주 형태로 장착되어기 때문에 표면 자석이라 불린다. 이 경우 혼합 여자(mixed excitation) 또는 이중 여자(double excitation)가 언급된다. 다수의 높여진 극을 가지는 기기에 설치되는 이러한 회전자는 상기 기기들에 의해 얻어지는 출력을 증가시킨다. 또한 자석에 의해 생성된 자속을 감소시키거나 아예 소멸시켜, 기기에 의해 생성되는 파워를 감소시키거나 소멸시킨다. 따라서, 전기기기는 자동차의 파워 시스템에서 필요한 때에만 전기 파워를 공급할 수 있다.
이러한 기기에서, 전달된 전류는 변환 수단을 사용하여 여자 코일부에서 제어된다. 상기 변환 수단은 자석의 자속을 감소시키거나 소멸시키기 위해 코일부의 여자 방향을 선별적으로 역전시킨다. 상기 변환 수단은 H 브리지라고 불리는 반도체를 갖는 변환 브리지로 구성된다. 이런 H 브리지는 가격이 비싸다는 단점을 가진다.
이러한 비용 문제를 해결하기 위해 다른 기기가 제안되었다. 여기서, 전기기기를 통해 파생된 파워는, 한정된 에너지를 전달하는 제로값과 최대 에너지를 전달하는 최대값 사이에서 변화하는 단방향 전류를 영구자석이 장착된 회전자의 여자 코일 내로 공급하여 변화하게 된다. 이 기기는 본 출원인 이름으로 출원된 유럽특허 EP-A-0 942 510에 기술되어 있다.
도 1a와 도 1b에는 유럽특허 EP-A-0 942 510에서 기술된 외부 주변부에 방사상 자속을 가지는 표면 영구자석을 포함하는 혼합 회전자(200)의 실시예가 도시되어 있다.
상기 회전자(여기서는 환형임)는 12개의 극(1 내지 12)을 포함하며, 그 중 3개(1,5,9)는 영구자석, 3개(3,7,11)는 코일부 또는 여자 코일, 나머지 6개(2,4,6,8,10,12)는 자기저항을 가진다. 자기저항을 가진 극들은 중간극이며, 이에 의하여 자석 및/또는 여자 코일의 극을 통해 발생되는 자속이 순환하게 된다. 각각의 여자 코일을 가진 극은 두 개의 홈에 의해 한정되며, 이 홈 내에는 사이에 절연체가 삽입된 코일을 형성하기 위해 연관된 극 둘레에 감긴, 예컨대 구리선과 같은 선이 위치된다. 이러한 각 돌출극들은 여기서는 결합된 여자 코일의 고정용 숄더(shoulder)를 형성하기 위해서 외부 가장자리에 확장된 헤드를 가진다. 영구자석을 가진 극들은 약간 파인 한 개의 홈을 통해 외주 단부들에서 둘레가 한정된다. 상기 영구자석을 가진 극들은 각각 영구자석의 장착을 위해 원주형의 길쭉한 형태의 적어도 하나 이상의 하우징을 포함한다. 상기한 바와 같이, 자석은 표면 자석이며, 방사상 자속을 생성하기 위해 회전자의 외부 가장자리에 인접하여 장착된다.
바람직하게는, 자기저항을 가진 극들은 각각 외부 가장자리에 여자 코일을 방사상으로 고정하기 위해 인접한 여자 코일을 가진 극을 향하는 원주형 돌출부를 포함한다.
자기저항을 가진 두 개의 극은 영구자석을 가진 극의 양쪽에 장착되는 반면, 여자 코일을 가진 한 개의 극은 두 개의 연속한 자기저항을 가진 극 사이에 장착된다.
아래에서는 단순화를 위해 여자 코일을 가진 극은 코일극, 영구자석을 가진 극은 자석극이라 부른다.
극들이 전류의 공급에 의해 여자되지 않거나 활성화되지 않을 때, 코일극들은 자기저항극처럼 반응한다. 즉, 영구자석에 의해 발생된 자속의 방향에 어떠한 영향도 미치지 못한다. 이 경우, 회전자에서 관찰되는 자극성(magnetic polarity)은, 도 1a에서 자석극은 S(south)로 다른 극들은 N(north)으로 표시되어 있다. 기기의 코일부가 여자되지 않을때 기본 패턴(elementary pattern)이라 불리는 패턴을 얻을 수 있으며, 12극형 기기에서는 SNNN SNNNS SNNN이 된다. 즉, 기기가 여자되지 않을때, 각 자석은 두 개의 자속 F3을 생성하며, 이 자속 F3는 각각 자기저항극(2,4,6,8,10,12)과, 여자되지 않고 자기저항극처럼 작용하는 코일극(3-7,11)을 향하는 두 자속 F1 및 F2으로 나뉘어진다.
상기된 유럽특허 EP 0942 510에 따르면, 회전식 전기기기는 카커스(carcass)이라고도 불리는 자기 물질로 된 몸체를 구비한 다상의 고정자를 포함하며, 이 고정자는 내부 가장자리에 전기자의 코일선을 수용하는 반폐쇄 홈이 구비된다.
상기 홈은 극이라고도 불리는 톱니에 의해 상호 분리된다. 상기 자속 F1 내지 F3은 고정자의 톱니를 통과하며, 고정자와 회전자 사이에는 약한 자극간극이 존재한다.
도 1b에 도시되어 있듯이, 여자 코일 또는 간단히 코일이 여자될 때 자속 FD를 생성하며, 이는 코일의 두 개의 선 사이에 위치되는 코일극을 향하는 자석의 자속 F2 전파에 대응하는 반면, 상기 코일에 의해 생성된 자속 FD는 반대로 각 자석으로부터 각 코일극 또는 자석극을 둘러싸는 각 자기저항극을 향하는 자속 F1을 강화시킨다. 따라서, 코일부가 전류의 공급에 의해 활성화될 경우, 코일부는 S극을 나타내는 반면, 코일부가 활성화되지 않은 경우에는 N극을 나타낸다. 따라서 회전자의 극들은 코일부 내에서 여자 전류와 함께 점진적으로 증가하는 에너지를 고정자로 전달할 수 있는 자기 형태 NSNSNSNSNSNS를 채택할 것이다.
이 기기에서도 이중 여자를 가지는 종래의 모든 기기에서처럼 기기의 크기는 자석에 따라 한정된다. 더 상세하게는, 기기 내의 자석의 크기, 유형, 수 및 위치에 따라 결정된다. 이 크기(이하 Ibase라 함)는 기기가 영구자석만으로, 즉 코일부가 여자되지 않았을 때 공급할 수 있는 기본 전기력의 정도를 나타낸다. 이러한 기기는 예를 들어 교류발전기 모드에서 45 암페어의 기본 전기력을 공급할 수 있다.
코일부가 전류의 공급에 의해 활성화되거나 여자될때, 기기에 의해 공급되는 전체 전기파워는 자석에 의해서만 공급되는 파워에 비해 증가된다. 만일, 자석이 예를 들어 45 암페어의 전기력만을 공급한다면, 기기에 의해 공급되는 전체 전기력은 예를 들어 90 암페어가 될 것이다.
기기에 의해 공급되는 파워를 제어할 수 있도록 구성되는 이러한 특징을 디플럭싱(defluxing)이라고 부른다. 이러한 디플럭싱은 회전자의 회전 속도에 따라 컨트롤될 수 있다. 상기 기기에 있어서, 회전자에서 생성된 자속은 회전자의 여자 코일에 공급된 전류의 값 및 방향에 따라 뚜렷하게 감소되거나 또는 완전히 제거될 수 있다. 디플럭싱을 의해 기기를 통해 공급되는 파워가 자석만에 의해 공급되는 파워 보다 증대되는 경우 디플럭싱 포지티브라고 하고, 그 반대의 경우에는 디플럭싱 네가티브라고 한다.
즉, 상기 기기는 자석만에 의해 생성되는 기본 전기력과 자석 및 코일부를 통해 생성되는 최대 파워 사이에서 변화할 수 있는 파워를 생성한다.
기기가 회전자 코일의 여자 전류를 역전시키기 위해 상기된 H 브리지와 같은 장치를 포함하는 경우, 생성된 파워는 제로값 또는 거의 제로값과 최대값 사이에서 변할 수 있다. 상기 두 값은 자석에 의해서만 생성되는 기본 전기력의 양쪽에 위치한다.
그러나, 적용예에 따라 자석에 의해서만 생성되는 기본 전기력이 조정될 수 있는 다양한 구조를 가질 수도 있다.
이처럼, 적당한 기기의 크기를 실현하기 위하여, 아웃풋의 최적화를 위해 여자 코일에 전류를 공급하지 않고 필요한 기기의 평균 회전속도에서 특정 적용예가 필요로 하는 기본 전기력을 공급할 수 있도록 하는데 자석 수의 선택이 아주 중요한 기준이 된다.
- 도 1a와 1b는 종래기술에 따른 12 극형 기기의 일 예를 도시한 것으로, 코일이 여자되지 않은 상태와 여자된 상태된 상태의 단면도,
- 도 2는 본 발명에 따른 12 극형 기기의 제1 실시예의 단면도,
- 도 3은 본 발명에 따른 12 극형 기기의 제2 실시예를 도시한 도 2와 유사한 단면도,
- 도 4는 도 2에 따른 기기의 회전자 부분에 대한 본 발명의 변형 실시예를 전개하여 도시한 도면,
- 도 5는 도 3에 따른 기기의 회전자 부분에 대한 본 발명의 변형 실시예를 전개하여 도시한 도면이다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 간단하고 경제적인 방법으로 정밀하게 개선하는데 있다.
본 발명의 목적은 생성되는 기본 전기력을 조절할 수 있는 이중 여자를 가지는 회전자의 구조를 제공하는데 있다.
이를 위해, 회전자는 영구자석극들과 여자 코일극들을 포함하며, 이들은 회전자 상에 여러번 생성될 수 있는 특정 기본 패턴를 형성할 수 있도록 배치된다. 본 발명에 있어서, 자석 수와 여자 코일 수 및 그 각각의 위치, 기본 패턴의 수는 기기에서 필요한 기본 전기력에 따라 변할 수 있다.
더 상세하게는, 본 발명은 자기 물질로 된 몸체를 가지는 회전자와 상기 회전자를 둘러싸는 고정자를 포함하며, 상기 고정자는 적어도 하나 이상의 전기자 코일을 포함하고, 상기 회전자는 그 몸체에 형성된 다수의 홈과 상기 고정자의 전기자 코일 둘레를 통과하는 폐쇄 자기회로를 선택적으로 형성하기 위한 수단들을 포함하는 회전식 전기기기에 관한 것이다. 이러한 수단들은:
- 회전자의 이동 방향에 따라서 대립되는 방향으로 놓이는 요소를 가지는 자속을 생성할 수 있는 여자 영구자석과,
- 여자될 수 있고, 자석에 의해 생성된 자속에 대응하는 자속 요소를 생성할 수 있으며, 회전자의 홈에 배치되는 여자 코일을 포함한다.
본 발명에 따른 기기는 상기 영구자석의 수(Na)와 여자 코일의 수(Nb) 및 자석과 코일의 상호간의 배치가 기본 패턴을 형성하고, 상기 기본 패턴은 Nme 수 만큼 반복될 수 있으며, 상기 자석의 수(Na), 코일의 수(Nb) 및 기본 패턴(Nme)은 한편으로는 코일부가 여자되지 않을때 결정되는 기기 내에서 요구되는 기본 전기량에 따라, 다른 한편으로는 코일부가 여자될 때 결정되는 기기 내에서 요구되는 조절 전기력에 따라 변할 수 있다.
본 발명에 따른 기기의 바람직한 양상은 다음과 같다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
- Na는 1보다 크거나 같고, Nb는 1보다 크거나 같고, Nme는 1보다 크거나 같으며, Na와 Nb 쌍은 1.1이 아니다.
- 상기 동일한 기본 패턴의 자석들(Na)은 방사상의 자속을 생성할 수 있도록 배열된다.
- 상기 동일한 기본 패턴의 자석들은 동일한 극성을 가진다.
- 상기 동일한 기본 패턴의 코일극들은 동일한 극성을 가진다.
- 기본 패턴 내에서, 적어도 두 개 이상의 연속되는 자석은 적어도 하나 이상의 자기저항극에 의해 분리된다.
- 기본 패턴 내에서, 적어도 두 개 이상의 연속되는 코일극은 적어도 하나 이상의 자기저항극에 의해 분리된다.
- 기본 패턴 내에서, 연속되는 적어도 하나 이상의 코일극과 자석은 적어도 하나 이상의 자기저항극에 의해 분리된다.
- 기본 패턴에 속하는 코일부의 코일 가닥들은 두 개의 연속한 자석들 사이에 위치하는 두 개의 인접한 홈 내에 수용된다.
- 다수의 기본 패턴들이 상호 결합된다.
- 상기 기본 패턴들은 상이하다.
- 적어도 두 개 이상의 연속한 기본 패턴들 사이에, 적어도 하나 이상의 자석에 의해 생성되는 일련의 적어도 하나 이상의 N-S 극의 쌍 또는 S-N 극의 쌍이 삽입된다.
- 두 개의 연속한 기본 패턴들 사이에 삽입된 적어도 하나 이상의 자석은, 적어도 하나 이상의 기본 패턴에 속하는 적어도 하나 이상의 자석과 다른 극성을 가진다.
- 상기 코일들(Nb)은 모두 동시에 여자되지 않는다.
- 조절 전기력(Imod)은 -Ib 와 +Ib(Ib는 코일(Nb)에 의해 제공되는 자속의 최대 강도) 사이에 포함된다.
- 상기 여자 코일에 의해 생성된 디플럭싱 자속(Fd)의 영향을 받지 않는 자석에 의해 생성된 잔류 자속(Fr)이 잔존한다.
도 2 내지 5에 있어서, N과 S는 도 1a와 1b에서와 같이 각각 N극과 S극을 나타낸다.
본 발명은 자석에 의해서만 발산되는 기본 전기력을 조정할 수 있는 이중 여자를 가진 회전식 전기기기에 관한 것이다.
기본 전기력은 영구자석에 의해서만 공급된다. 즉, 여자 코일 또는 여자 코일부에 전기가 공급되지 않을때 공급된다. 이 기본 전기력은 기기의 크기에 상응한다. 이는 기기 내의 자석 수 및 회전자 내의 자석 위치(방사상, 정방사상, 등)에 따른다.
본 발명은 자석의 수(Na), 여자 코일의 수(Nb) 및 기본 패턴의 수(Nme)를 변화시키면서 기본 전기력을 조정하는 것을 제안한다. 바람직하게는, Na는 1 보다 크거나 같고, Nb도 1 보다 크거나 같고, Nme도 1 보다 크거나 같으며, Na, Nb 수의 쌍은 1.1과 다르다. 기본 패턴은 특정 순서로 결합되어 회전자 둘레의 일 부분 또는 전체에 분포되는 자석과 코일부의 총체를 말한다. 기본 패턴은 반복될 수 있다. 즉, 다른 하나 또는 다수의 동일한 기본 패턴과 결합될 수 있다. 또한, 기본 패턴은 다른 하나 또는 다수의 다른 기본 패턴과 결합될 수 있다.
Ibase라 불리는 기본 전기력은 각 기본 패턴 내의 자석 수(Na)와 회전자 둘레 상의 기본 패턴 수(Nme)에 따라 변한다. 따라서, 기본 패턴 내의 자석 수와 기본 패턴 수를 조정하여 기기의 기본 전기력을 변화시킬 수 있다.
Imod라 불리는 조절 전기력은 코일의 수(Nb) 및 회전자 둘레 상의 기본 패턴 수(Nme)에 의존한다. 따라서, 기본 패턴 내의 코일의 수와 기본 패턴 수를 조정하여 기기의 조절 전기력을 변화시킬 수 있다. 즉, 회전자 극의 수가 많아질수록, 기본 패턴은 더 많아질 수 있고, 그 결과 기본 전기력과 조절 전기력 값이 더 커질 수 있다.
본 발명에 따르면, 다수의 기본 패턴들이 상호 결합될 수 있다. 즉, 다수의 다른 또는 유사한 기본 패턴들이 회전자 둘레에 상호 인접하여 위치될 수 있다. 따라서, 본 발명의 회전자의 형태에 따르면 코일극 또는 여자 코일극에 의해 실행되는 디플럭싱 네가티브 또는 포지티브는 부분적이거나 또는 전체적일 것이다.
도 2에는 본 발명에 따른 회전자의 실시예가 도시되어 있다. 이 회전자는 두 개의 기본 패턴을 따라 분포된 12개의 극을 포함하며, 각 기본 패턴은 두 개의 자석극 및 한 개의 코일극을 포함한다. 회전자의 중앙에는 회전축(15)이 있으며, 회전자는 이 회전축에 연동된다. 이를 위해 회전자는 상기 축에 연동되는 자기 물질로 된 몸체를 가진다.
본 실시예에서, 회전자는 두 개의 동일한 기본 패턴(me1, me2)을 포함한다. 달리 말하자면, Nme = 2이다.
기본 패턴(m1, m2)은 제1 영구자석 극(30,24)을 포함하며, 이어서 제1 자기저항극(31,25), 제2 자석극(20,26), 제2 자기저항극(21,27), 코일극(22,28) 및 제 3 자기저항극(23,29)이 뒤따른다. 따라서, Na = 2, Nb = 1 이다. 기본 패턴 내에서 연속한 두 개의 자석은 적어도 하나 이상의 자기저항극에 의해 분리된다. 마찬가지로, 기본 패턴 내에서 코일극과 자석극 또한 적어도 하나 이상의 자기저항극에 의해 분리된다.
제1 및 제2 자석극은 여기서는 동일하며, 도 1a의 극(1)과 유사하다.
제2 및 제3 자기저항극은 도 1a의 극(2,4)과 유사하며, 코일극은 상기 도 1a의 코일극과 유사하다.
제1 자기저항극은 도 1a의 홈과 같은 유형의 약간 파인 두 개의 홈에 의해 그 외부 가장자리에서 원주형태로 한정된다.
따라서, 자석들은 여기서 방사상 N 극을 제공할 수 있도록 유도된다. 코일부가 여자되지 않거나 활성화되지 않을 때, 기본 패턴의 극성은 NSNSSS이다. 코일부가 포지티브로 여자될 때, 자극 순서는 NSNSNS가 되며, 코일극이 S극에서 N극으로 변한다. 이 경우, 디플럭싱은 포지티브이며 제공되는 파워는 자석만에 의해 제공되는 기본 전기력보다 크다. 본 실시예에서, 두 개의 패턴(me1,me2)은 동일하며, 하나가 다른 하나에 이어서 원주형으로 장착된다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예의 디플럭싱 네가티브 모드를 나타낸 것으로, 코일부는 반대 방향으로 순환하는 여자전류에 의해 활성화된다. 따라서, 코일극은 S극을 유지하며, 코일극에 가장 가까운 자석에 의해 파생되는 자속의 일부(Fs)를 상쇄시키는 디플럭싱 자속(Fd)을 생성한다.
그러나, 이러한 코일극은 제1 자기저항극(25,31)에 가장 가까운 자석에 의한 자속의 또 다른 부분(Fr)은 제거할 수 없다. 디플럭싱 네가티브는 전체적이지는 않으나, 잔류 파워는 여자 코일의 전류공급 부재 시에 얻어지는 파워보다는 확실히 낮을 것이다.
제 1 실시예에 따르면, 회전자의 부분적인 디플럭싱 네가티브를 얻을 수 있다. 사실상, 몇몇 자석들은 특히 멀리 떨어져 있기 때문에 역으로 전류 공급이 이루어지는 회전자의 여자 코일에 의해서는 디플럭싱될 수 없다. 코일극은 이러한 멀리떨어진 자석들에 도달할 수 없거나 부분적으로만 도달하기 때문에, 여자가 없을때 전체 자석에 의해 파생되는 기본 자속보다 약한 잔류 자속(Fr)이 남게된다.
이러한 기기는 여자 코일을 매개로 하는 전체적인 디플럭싱 네가티브를 실행할 수 없으므로, 기기의 최대 파워에 대해 거의 제로값을 나타내는 여자에 상응하는, 이 최대 파워의 약 2/3를 사용하는 적용예에서 사용되는 것이 유리하다.
도 3에는 본 발명에 따른 회전자의 제2 실시예가 도시되어 있다. 이 회전자는 각각 한 개의 자석극과 두 개의 코일극을 가지는 두 개의 동일한 기본 패턴(me3, me4) 상에 분포되는 12개의 극을 포함한다. 따라서, 본 실시예에서 Na = 1, Nb = 2, Nme = 2 이다. 이 기본 패턴(me3, me4)은 기본적으로 자석극(40,46)을 포함하고, 이어서 제1 자기저항극(41,47), 제1 코일극(42,48), 제2 자기저항극(43,49), 제2 코일극(44,50) 및 제3 자기저항극(45,51)이 뒤따른다. 따라서, 기본 패턴 내에서 두 개의 코일극은 적어도 하나 이상의 자기저항극에 의해 분리되며, 코일극과 자석극도 적어도 하나 이상의 자기저항극에 의해 분리된다.
상기 자석극(40,46)은 도 2의 극들(20,30,34,26)과 유사한 반면, 자기저항극은 도 1a의 극들과 유사하다.
코일부가 여자되지 않을 때, 12극형 회전자에 대한 기본 패턴의 극성은 NSSSSS-NSSSSS이다. 모든 코일부가 포지티브로 활성화되었을 때 극성은 NSNSNS이며, 기기는 자석에 의해서만 제공되는 기초 파워보다 더 큰 파워를 제공한다.
본 실시예에서, 자석 수(Na)는 코일부의 수(Nb)보다 적다.
디플럭싱 네가티브 모드에서, 코일극의 활성 전류가 역전되는 경우 회전자의 형태는 N0SNS0-NOSNS0이 된다. 왜냐하면 역전된 코일극의 영향 하에서:
- 도 3의 자기저항극(43,49)이 역전되고,
- 자기저항극(51 - 41 - 45 - 47)이 더 이상 자성적으로 기능할 수 없기 때문이다.
본 실시예는 모든 자석들이 완전히 코일극의 자속의 영향 하에 놓일 때, 부분적인 디플럭싱 네가티브를 실행할 수 있는 다른 수단을 보여준다.
상기된 바와 같이, 몇몇 적용예에 있어서는 다수의 기본 패턴 유닛을 결합시킬 수 있다. 예를 들어, 회전자의 둘레에 도 2와 도 3의 me1과 me3을 나란히 배치할 수 있다.
도 2와 도 3의 실시예에서, 자석들은 자석 내에서 화살표로 구체화된 N극을 형성하여, 자속은 회전자의 외부 가장자리를 향하여 방사상으로 유도된다. 상기 두 실시예의 모든 극성들은 자석의 방향을 수정하여 역전될 수 있으며, 따라서 도 1a와 도 1b에서와 같이 S극을 가질 수 있다.
회전자 상의 극의 수를 조절하여 자화 속도를 조절할 수 있으며, 자석의 수(Na), 코일부의 수(Nb) 및 기본 패턴의 수(Nme)를 조절하여 회전자의 디플럭싱을 조정할 수 있다.
이러한 모든 조정은 전기를 공급할 엔진의 유형, 차량의 전기장치 및 전기 소비장치의 수, 필요한 안정성 정도(배터리의 과열방지, 등)와 같은 미리 설정된 기준에 따라 이루어질 수 있다.
이러한 조정은 또한 회전자의 크기에 따라 이루어질 수 있다. 회전자의 크기가 제한된 경우에는 예컨대 16개의 극을 가지는 것은 불가능하며, 12개 또는 그 이하의 극을 가질 수 있다. 이 경우, 코일부보다 자석을 더 많이 가지거나 자석과 코일부의 특정 분포 형태를 갖는 것이 좋은데, 이는 코일부가 자석보다 더 많은 자리를 차지하기 때문이다. 그러나, 자석은 코일부보다 더 많은 생산 비용을 요구한다. 따라서, 기본 패턴에 자석을 많이 장착하면 할수록 회전자의 생산 비용은 더 높아진다.
바람직하게는, 더 정확한 디플럭싱을 얻기 위하여 도 3의 실시예에서 도시된 바와 같은 기본 패턴에 속하는 모든 코일부에 동시에 전기를 공급하지 않는다. 특히, 두 코일부 중 한 코일부에만 전기를 공급한다. 이 경우, 디플럭싱 네가티브 또는 포지티브를 조정할 수 있으며, 이러한 디플럭싱은 전체적이거나 부분적일 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 회전자의 기본 패턴의 일부분에만 속하는 여자 코일만을 활성화시키는 방안도 고려할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 도 4와 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 두 개의 연속적인 기본 패턴 사이에 적어도 하나 이상의 방사상 자석에 의해 생성된 자극 N-S 또는 S-N이 연속적으로 삽입된다.
즉, 도 4는 도 2의 변형예를 도시한 것으로, 도 2에서는 극 1 내지 6 및 9 내지 16을 통해 각각 구성되어지는 기본 패턴(me1,me2) 사이에, 극 7, 8 및 15, 16 위치에 두 개의 극 S-N이 삽입된다. 즉, 두 개의 보충 자석이 추가되면서 12 극형 회전자가 16 극형 회전자로 쉽게 변할 수 있다. 이러한 두 개의 보충 자석에 의하여 디플럭싱 포지티브와 네가티브의 용량을 보존하면서 기기의 여자없이 기본 전기력을 조정할 수 있다. 물론 여자 전류가 아웃풋에서 최대 파워를 얻을 수 있도록 포지티브일 경우, 두 개의 기본 패턴 사이에 추가된 자극들은 바람직하게는 연속되는 극 NSNSNS...을 얻을 수 있도록 배열된다.
마찬가지로, 도 5는 도 3의 실시예에 입각하여 실행되는 다른 변형예를 나타낸다. 상기 두 개의 기본 패턴(me3,me4) 사이에 극 7, 8 및 15, 16 위치에 두 개의 극 S-N을 삽입한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 두 기본 패턴 사이에 삽입된 이러한 자석은 기본 패턴에 속하는 자석과 다른 극성을 나타낼 수 있다. 마찬가지로, 기본 패턴 사이에 삽입된 자석들은 반대 극성을 가질 수 있다.
또한 보충 N-S 극을 몇몇 기본 패턴 사이에만 삽입할 수도 있다. 마찬가지로, 다수의 N-S 극을 인접여 삽일할 수도 있다. 이처럼, 혼합 여자를 가진 회전자는 적어도 하나 이상의 기본 패턴 사이에 적어도 하나 이상의 자석에 의해 실현된 적어도 하나 이상의 N-S 극을 포함할 수 있으며, 상기 자석의 극 및 위치를 통해 바람직하게는 전기기기가 디플럭싱 포지티브 시 최대 파워를 생성할 수 있다.
도 5에 도시되어 있듯이, 극 15와 16 위치에서 그리고 기본 패턴의 다른 모든 종류의 배열에 적용될 수 있는 특성으로서, 최소한 하나 이상의 기본 패턴 사이에 삽입되는 N-S 극은 반대 극성을 가지는 인접한 두 개의 자석으로 구성될 수 있다. 이러한 배열은 자석극과 자기저항극으로 구성되는 상기된 삽입 N-S 극의 변형예를 구성한다.
이처럼, 회전자(200)는, 한편으로는 여자 코일의 하우징을 위한 홈을 구비하고 다른 한편으로는 영구자석 조립체를 위해 하우징을 구비한 자기 물질로 된 몸체를 포함한다. 상기 홈들은 돌출된 극(22,28,42,43,44,48,49,50)을 한정하기 위해 쌍을 이루어 그룹화되어 있으며, 상기 돌출극 둘레는 여자 코일을 형성하기 위해 구리선 따위의 전기선으로 감겨져 있다.
예를 들어, 회전자의 몸체는 축(15) 상에 파워 설비를 위해 중앙에 구멍이 뚫린 시트 패키지(sheet package) 형태로 형성된다. 상기 축은 이를 위하여 바람직하게는 톱니 모양을 갖는다. 상기된 홈과 하우징은 절단을 통해 쉽게 형성될 수 있다. 이음매, 시트와 같은 조립체의 몸체가 통과할 수 있도록 적어도 하나 이상의 자석(도 2 및 도 3) 하부에 통로가 형성된다.
상기 여자 코일은 축방향으로 길쭉한 형태를 갖는다.
자속을 유도하고 아래에서 기술될 기기의 고정자에 순환하는 폐쇄된 자기회로를 형성하기 위해서, 상기 축(15)의 둘레에 개구(참조번호 없음)가 형성된다(도 2 및 도 3).
여기서, 자석의 하우징들은 회전자의 외부 가장자리로 연장되며, 전반적으로 길이부분이 회전자의 반경과 수직을 이루는 사각형 형태의 단면을 가진다. 바람직하게는, 상기 자석은 상기된 바와 같이 방사상 자속을 생성하기 위한 표면 자석으로서 그 하우징과 상보적인 형태를 가진다.
물론, 방사상 자속을 생성하기 위하여 또 다른 배열을 형성할 수도 있다.
도 4에 부분적으로 도시된 바와 같이, 회전식 전기기기는 상기된 바와 같이회전자(200)를 적어도 부분적으로 둘러싸고 예를 들어 시트 패키지 형태의 자기 물질로 된 몸체(101)를 갖춘 고정자(100)를 포함한다. 이 고정자(100)는 바람직하게는 다상이며, 그 몸체(101) 내에 형성된 홈(102) 안에 장착되는 전기자 코일(103)을 포함한다. 상기 홈들(102)은 톱니(104)에 의해 한정되며, 상기 톱니는 회전자에 의해 파생된 자속을 수용하고 회전자의 외부 가장자리와 고정자의 내부 가장자리 사이에 존재하는 환형의 작은 자극간극을 통과한다. 이런 이유로 자속은 루프(loop) 형태로 나타난다.
상기 영구자석들은 예를 들어 페라이트나 희토산화물(rare earth) 또는 그 둘의 조합으로 구성된다.
상기 전기기기는 일 실시예에서 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 자동차 교류발전기이며, 그 고정자는 전기자 고정자고 회전자는 유도 회전자이다. 변형예로서, 종래 방식대로, 교류발전기는 가역적일 수 있으며, 따라서 특히 자동차의 히트엔진을 시동시킬 수 있는 전기모터를 구성하도록 형성될 수 있다. 이러한 유형의 교류발전기는 교류발전기-스타터라 불린다.

Claims (18)

  1. 자기 물질로 된 몸체를 가지는 회전자와 상기 회전자를 둘러싸는 고정자를 포함하며, 상기 고정자는 적어도 하나 이상의 전기자 코일을 포함하고, 상기 회전자는 그 몸체에 형성된 다수의 홈과 상기 고정자의 전기자 코일 둘레를 통과하는 폐쇄 자기회로를 선택적으로 형성하기 위한 수단들을 포함하는 회전식 전기기기에 있어서, 상기 수단들은:
    - 자속을 생성할 수 있는 여자 영구자석(20,24,26,30,40,46)과,
    - 여자될 수 있고, 디플럭싱을 형성하기 위하여 적어도 하나 이상의 자석에 의해 생성된 자속에 대응하는 자속 요소를 생성할 수 있으며, 코일극을 형성하기 위하여 상기 회전자의 홈에 배치되는 여자 코일(22,28,42,44,48,50)을 포함하며,
    상기 자석의 수(Na)와 여자 코일의 수(Nb) 및 자석과 코일의 상호간의 배치가 기본 패턴(me)을 형성하며, 상기 기본 패턴은 Nme 수 만큼 반복되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  2. 제1항에 있어서,
    Na는 1보다 크거나 같고, Nb는 1보다 크거나 같고, Nme는 1보다 크거나 같으며, Na와 Nb 쌍은 1.1이 아닌 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 동일한 기본 패턴의 자석들(Na)은 방사상의 자속을 생성할 수 있도록 배열되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 동일한 기본 패턴의 자석들은 동일한 극성을 가지는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 동일한 기본 패턴의 코일극들은 동일한 극성을 가지는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  6. 제1항에 있어서,
    기본 패턴 내에, 적어도 하나 이상의 자기저항극에 의해 분리되는 적어도 두 개 이상의 연속되는 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  7. 제1항에 있어서,
    기본 패턴 내에, 적어도 하나 이상의 자기저항극에 의해 분리되는 적어도 두 개 이상의 연속되는 코일극을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  8. 제1항에 있어서,
    기본 패턴 내에, 적어도 하나 이상의 자기저항극에 의해 분리되는 연속되는 적어도 하나 이상의 코일극과 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  9. 제1항에 있어서,
    기본 패턴에 속하는 코일부의 코일 가닥들은 두 개의 연속한 자석들 사이에 위치하는 두 개의 인접한 홈 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  10. 제1항에 있어서,
    다수의 기본 패턴들이 상호 결합되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 기본 패턴들은 상이한 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  12. 제10항에 있어서,
    적어도 두 개 이상의 연속한 기본 패턴들 사이에, 적어도 하나 이상의 자석에 의해 생성되는 일련의 적어도 하나 이상의 N-S 극의 쌍 또는 S-N 극의 쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  13. 제12항에 있어서,
    두 개의 연속한 기본 패턴들 사이에 삽입된 적어도 하나 이상의 자석은, 적어도 하나 이상의 기본 패턴에 속하는 적어도 하나 이상의 자석과 다른 극성을 가지는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 코일들(Nb)은 모두 동시에 여자되지 않는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  15. 제1항에 있어서,
    조절 전기력(Imod)은 -Ib 와 +Ib(Ib는 코일(Nb)에 의해 제공되는 자속의 최대 강도) 사이에 포함되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 여자 코일에 의해 생성된 디플럭싱 자속(Fd)의 영향을 받지 않는 자석에 의해 생성된 잔류 자속(Fr)이 잔존하는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  17. 제1항에 있어서,
    자동차 교류발전기로 구성되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
  18. 제1항에 있어서,
    자동차 교류발전기-스타터로 구성되는 것을 특징으로 하는 회전식 전기기기.
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