KR20080098671A

KR20080098671A - 소형 고출력 교류발전기

Info

Publication number: KR20080098671A
Application number: KR1020087023130A
Authority: KR
Inventors: 찰스 와이. 라폰테인; 해롤드 씨. 스콧
Original assignee: 마그네틱 애플리케이션 인크.
Priority date: 2006-02-22
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2008-11-11
Also published as: EP1994629A1; CA2647673A1; JP2009528013A; JP5128503B2; WO2007100620A1; MX2008010802A; CN102299601A; CN101438483A; CN101438483B; JP2012213321A

Abstract

본 발명은 회전자 및 고정자를 포함하는 소형의 고출력 전력 변환 장치에 관한 것이다. 회전자는 원통형 케이싱 및 케이싱에 배치된 소정 개수의 영구자석을 구비하며, 케이싱의 축을 중심에 두고 회전하도록 구성된다. 고정자는 코어 및 복수의 도전성 권선부의 세트를 구비하며, 각각의 권선부 세트는 소정 개수의 개별 도전성 권선부를 구비하고 전기 위상과 관련된다. 각각의 수집 도전체는 각각의 도전성 권선부 세트와 관련되며, 각각의 개별 도전성 권선부 세트는 관련 수집 도전체와 전기적으로 연결된다. 각각의 수집 도전체는 냉각제 유로에 배치되며, 냉각제 유로는 냉각제를 고정자 권선부와 접촉하도록 유도하며, 각각의 수집 도전체는 서로에 대해 전기적으로 절연되어 서로로부터 그리고 권선부로부터 이격된다. 연속 링 형태 및 복수의 원호 형태의 수집 도전체가 개시되었다.

냉각제 유로, 도전성 권선부, 연속 링, 고정자, 회전자

Description

소형 고출력 교류발전기 {COMPACT HIGH POWER ALTERNATOR}

관련 출원

본 출원은 라폰테인 찰스 와이.(LAFONTAINE, Charles Y.)의 이름으로 2006년 2월 22일자로 출원된 미국 가출원 제60/775,904호를 우선권으로 주장하며, 2006년 2월 2일자로 출원되고 미국 가출원 제60/649,720호를 우선권으로 주장하는 미국 가출원 제11/347,777호를 우선권으로 청구하며 그 연속 출원이며, 그 전체 내용은 실질적으로 참조에 의해 본 명세서에 병합된다.

본 발명은 무브러시 AC 발전기와 같은 기계적 에너지와 전기적 에너지 사이의 변환을 위한 기계용 전압 및 전류 제어 시스템에 관한 것으로, 특히, 자동차용으로 적합한 소형 영구자석 고출력 교류발전기와 같은 소형 영구자석 고출력 교류발전기용 제어 시스템에 관한 것이다.

통상적으로, 교류발전기는 회전축 상에 장착되면서 고정된 고정자에 대해 동심으로 배치된 회전자를 포함한다. 통상적으로, 회전자는 고정자 내에 배치된다. 그러나, 고정자는 회전자 내에 동심으로 교번적으로 배치될 수 있다. 일반적으로, 모터 또는 터빈 같은 외부 에너지원은 직접적으로 또는 풀리 벨트 같은 매개 시스템을 통해 회전 요소를 구동한다. 고정자 및 회전자 양자 모두는 일련의 폴(pole) 을 구비한다. 회전자 또는 고정자 중 어느 하나는 자기장을 발생시키고, 이 자기장은 다른 구조체의 폴 상의 권선과 상호작용한다. 자기장이 권선에 의해 가로막혀질 때, 전기장이 발생되며, 이 전기장은 적절한 부하에 제공된다. (일반적으로, 전압 소스라 알려져 있는) 유도된 전기장은 통상적으로 정류기에 인가되며, 때때로 단속되고(regulated), DC 출력 전원으로서 제공된다. 통상적으로, 유도된 전류는 정류기에 인가되고, 때때로 단속되며, DC 출력 전원으로서 제공된다. 몇몇 예에서, 단속된 DC 출력 신호는 DC를 AC로 변환하는 인버터에 인가되어 AC 출력을 제공한다.

종래에, 자동차 용례에 사용되는 교류발전기는 통상적으로 엔진의 외부 상에 장착된 하우징과, 하우징 내에 수납된 3상 권선을 갖는 고정자와, 고정자 내에서 하우징 내에 회전가능하게 지지된 벨트-구동 클로우-폴 형[예를 들어, 룬델(Lundell)] 회전자를 포함한다. 그러나, 전력 출력을 증가시키기 위해서는 종래의 교류발전기의 크기가 상당히 증가되어야 한다. 따라서, 차량 내의 공간적 제약은 공조, 냉동 또는 통신 장치를 위한 것 같은 고출력 용례, 예로서, 5KW 용례에 사용하기 곤란하게 하는 경향이 있다.

부가적으로, 권선을 보유하는 클로우-폴 형(claw-pole type) 회전자는 비교적 무겁고(종종, 교류발전기의 총 중량의 3/4 만큼의 권선을 포함), 상당한 관성을 발생시킨다. 이런 관성은 엔진이 가속될 때마다 엔진에 부하를 효율적으로 부여한다. 이는 엔진의 효율을 감소시켜 부가적인 연료 소비를 유발하는 경향이 있다. 부가적으로, 이런 관성은 전기 또는 하이브리드 차량 같은 용례에서 문제가 될 수 있다. 하이브리드 차량은 지정된 임계치, 예를 들어, 30 Kph(통상적으로, 가솔린 엔진이 가장 효율적인 RPM의 범위에 대응)를 초과하는 속도로 차량을 추진하기 위해 가솔린 엔진을 사용한다. 유사하게, 소위 "마일드 하이브리드(mild hybrid)"에서, 운전자가 가속 페달을 밟을 때, 강한 초기 추진력(initial burst of propulsion)을 제공하기 위해 스타터-제너레이터가 사용되어, 차량이 운행 중에 정지될 때 차량 엔진의 차단을 촉진하여 연료를 절약하고, 배기물을 저감시킨다. 이런 마일드 하이브리드 시스템은 통상적으로 고전압(예를 들어, 42 볼트) 전기 시스템의 사용을 고려한다. 이런 시스템 내의 교류발전기는 특히, 주행과 정지를 반복하는 운행시, 연속적 정지 사이에 강한 초기 추진력을 제공하기 위해 스타터-제너레이터를 구동하기에 충분한 수준으로 배터리를 재충전할 수 있어야만 한다. 따라서, 비교적 고출력, 저 관성 교류발전기가 필요하다.

일반적으로, 제어 및 구동 시스템과, 공조장치 및 차량 내 기기에 대한 급전을 위해 부가적인 전력이 필요하다. 이는 레저용 차량, 냉동차 같은 산업적 수송 용례, 건설 용례 및 군용 용례 같은 차량에 대해 특히 그러하다.

예로서, 자동차 산업에서, 증가된 연료 경제성 및 차량 엔진 상의 출력 부하의 감소를 위해, 기계적 또는 유압 제어 및 구동 시스템보다 지능형 전기 제어 및 구동 시스템을 사용하는 경향이 있다. 이런 시스템은 예를 들어, 조향 서보(통상적으로, 조향 보정이 필요할 때만 작동됨), 충격 흡수기(도로 및 속도 조건에 따라 충격 흡수기의 강성도를 조절하기 위해 피드백을 사용) 및 공조장치(일정한 온도를 유지하기 위해 필요한 최소 속도로 압축기를 작동시킴)와 연계하여 사용될 수 있 다. 이런 전기적 제어 및 구동 시스템의 사용은 차량의 전력 시스템의 수요를 증가시키는 경향이 있다.

유사하게, 이동성 냉동 시스템은 전기적으로 구동되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 냉동 시스템을 가변적 속도(차량 엔진 RPM에 독립적)로 구동하는 것은 효율을 증가시킬 수 있다. 부가적으로, 전기적으로 구동되는 시스템에서는 다양한 구성요소, 예를 들어, (엔진 상의) 압축기, (공기에 노출되도록 배치된) 응축기, 및 (차가운 격실 내에 배치된) 증발 유닛을 연결하는 호스가 가정용 냉장고 또는 공조기와 유사한 전기적으로 구동되는 밀폐된 시스템으로 대체될 수 있다. 따라서, 이런 용례의 차량 전력 시스템은 전기적으로 구동되는 유닛을 위해 필요한 전력 수준을 제공할 수 있는 것이 바람직하다.

또한, 기존 시스템을 개조하기 위해 "제거 및 교체"형 고출력 교루발전기에 대한 특정 수요가 존재한다. 통상적으로, 차량의 엔진실 내에는 교류발전기를 수용하기 위해 단지 제한된 양의 공간만이 제공된다. 이 가용 공간 내에 교체용 교류발전기를 설치하지 않는다면, 설치가 가능하더라도 매우 복잡하며, 통상적으로, 라디에이터, 범퍼 등 같은 주요 구성요소의 제거와, 별도의 브래킷, 벨트 및 하드웨어의 설치를 필요로 한다. 따라서, 교체용 교류발전기는 원래 제공된 공간 내에 설치되고, 원래의 하드웨어와 인터상 작용하는 것이 바람직하다.

일반적으로, 영구자석 교류발전기는 잘 알려져 있다. 이런 교류발전기는 필요한 자기장을 발생시키기 위해 영구자석을 사용한다. 영구자석 발전기는 전통적인 권선 필드 발전기(wound field generator)보다 매우 가볍고 소형인 경향이 있 다. 영구자석 교류발전기의 예는 1997년 4월 29일자로 스콧(Scott) 등에게 허여된 미국 특허 제5,625,276호, 1998년 1월 6일자로 스콧 등에게 허여된 미국 특허 제5,705,917호, 1999년 3월 23일자로 스콧 등에게 허여된 미국 특허 제5,886,504호, 1999년 7월 27일자로 스콧 등에게 허여된 미국 특허 제5,929,611호, 2000년 3월 7일자로 스콧 등에게 허여된 미국 특허 제6,034,511호 및 2002년 8월 27일자로 스콧에게 허여된 미국 특허 제6,441,522호에 설명되어 있다.

특히 가볍고 소형인 영구자석 교류발전기는 "외부" 영구자석 회전자와 "내부" 고정자를 사용함으로써 구현될 수 있다. 회전자는 실린더의 내부면 상에 고-에너지 영구자석이 배치되어 있는 중공 원통형 케이싱을 포함한다. 고정자는 회전자 케이싱 내에 동심으로 배치되며, 연자성 코어 및 도전성 권선을 포함하는 것이 적합하다. 코어는 실질적 원통형이며, 지정된 수의 등거리로 이격 배치된 치형부 및 슬롯을 구비하는 축방향 톱날형 외주면(axially crenllated outer periphral surface)을 구비한다. (바니시가 입혀진 구리 모터 와이어 같은 적절하게 절연된 전기 도전체로 형성된) 도전성 권선은 슬롯을 통과하고, 외측에서 지정된 수의 치형부 둘레로 코어의 측면을 따라 진행하고, 그 후, 역방향으로 다시 다른 슬롯을 통과하여 권선된다. 코어의 측면을 따라 톱날형 슬롯의 외부로 연장하는 권선의 부분은 본 명세서에서 단부 권회부(end turn)라 지칭된다. 고정자에 대한 회전자의 회전은 회전자 자석으로부터의 자속이 고정자 권선과 상호작용하여 고정자 권선 내에 전류를 유도하게 한다. 이런 교류발전기의 예는 예로서, 1998년 1월 6일자로 스콧 등에게 허여된 상술한 미국 특허 제5,705,917호 및 1999년 7월 27일자로 스콧 등에게 허여된 상술한 미국 특허 제5,929,611호에 설명되어 있다.

영구자석 발전기에 의해 공급되는 전력은 회전자의 속도에 따라 크게 변한다. 다수의 용례에서, 회전자 속도의 변화는 일반적으로 예를 들어, 자동차의 엔진 속도 변화 또는 부하 특성의 변화에 기인한다.

따라서, 통상적으로 전자 제어 시스템이 채용된다. 따라서, 영구자석 교류발전기와 제어 시스템의 예가 1997년 4월 29일에 스캇 등에게 허여된 전술된 미국 특허 제5,625,276호에 개시되어 있다. 다른 제어 시스템의 예시는 2000년 1월 25일 앤더슨(Anderson) 등에게 허여된 미국 특허 제6,018,200호에 개시되어 있다. 제어 시스템의 다른 예시는 쿼지(Quazi) 등이 2004년 6월 6일에 출원한 발명의 명칭이 "영구자석 교류발전기용 제어기(Controller for Permanent Magnet Alternator)"인 공동 소유의 공통 계류 중인 미국 특허 출원 제10/860,393호 및 (본 발명의 발명자 포함하여) 페이버 맨(Faber man) 등이 2006년 2월 2일에 출원한 발명이 명칭이 "AC 발전기용 제어기(Controller for AC Generator)"인 미국 특허 출원 제11/347,777호에 개시되어 있다. 전술된 공동 소유의 출원은 본원에 참고로 합체되었다.

광범위한 회전자 속도를 수용해야 하는 필요성이 자동차 응용 분야에서 특히 중요하다. 예를 들어, 대형 디젤 트럭 엔진은 통상적으로 공회전(idle)에서 600 RPM에서부터 고속도로 주행 속도(highway speed)에서 2600 RPM까지 작동하는데, 트럭의 속도를 늦기 위해 엔진이 사용될 때 때때로 3000 RPM까지 급상승되는 범위까지 작동한다. 따라서, 교류발전기 시스템은 5:1의 RPM 변동을 겪게 된다. 소형 디젤은 약간 더 넓은 범위, 예를 들어 600 내지 4000 RPM으로 작동한다. 가솔린 차량 엔진에 사용되는 교류발전기는 통상적으로 훨씬 더 넓은 범위의 RPM, 예를 들어 600 내지 6500 RPM을 수용해야 한다. 또한, 교류발전기는 부하가 걸렸을 때, 즉 무부하(no load)로부터 전부하(full load)까지의 변동을 수용해야 한다. 따라서, 가솔린 차량 엔진에 사용된 영구자석 교류발전기의 출력 전압은 12:1 변동을 겪을 수 있다. 따라서, 종래의 영구자석 교류발전기가 소정 부하 시 공회전에서 작동 전압(예, 12 볼트)을 제공할 필요가 있을 경우, 작동 전압의 배수, 예를 들어 상기 소정 부하 시 전체 엔진 RPM에서 상기 전압에 대해 10배, 예컨대 120 볼트를 제공할 것이다. 공회전에서 전압이 120 볼트인 곳, 예를 들어 전기 구동 에어콘 또는 통신 장치에서, 전체 엔진 RPM에서의 전압은 예를 들어 1200 볼트가 된다. 이러한 전압 레벨은 취급하기 어렵고, 실제로 취급하기가 위험하다. 또한, 그와 같이 전압과 전류의 극단적인 변동에는 매우 고가의 구성 요소가 필요할 수 있으며, 높은 엔진 RPM(예, 고속도로 주행 속도)에서 발생된 고전압과 고전류용 등급의 구성 요소는 좀 더 적당한 전압용 등급의 구성 요소보다 훨씬 더 고가이다.

종래의 고전류용 자동차 교류발전기의 고정자는 실제로 직렬로 접속된 단면이 큰 도전체로 구성된다. 특히, 하나의 코일 그룹이 각각의 상(A, B, C 상)과 관련된 코일 그룹이 통상적으로 채용된다. 각각의 상 코일 그룹(A, B, C)은 일 단부에서 '와이(WYE)' 또는 '델타(Delta)' 형태로 서로 접속(또는 종단)된다. 코일 그룹의 대향한 단부는 상별로 배치되어서, 각각의 상이 격리된 다음 교류발전기를 전압 제어부로 모이게 하면서 빠져나가게 하도록 종단된다. 빠져나가는 종단 단부에 서, 유사한 상의 코일 단부는 격리된 모터 리드 와이어에 그룹으로 납땜된다. 그럼 다음, 이러한 모터 리드 와이어는 각각의 A, B, C 상을 위한 별도의 세 개의 도전체에서 완결되는 훨씬 더 큰 게이지 모터 리드 와이어에 그룹으로 납땜될 수 있다. 그런 후에, 리드 와이어는 고정자의 말단 권선부에 도전체를 묶어줌으로써 고정자에 고정된다. 말단 권선부에 묶인 도전체는 교류발전기를 통과하는 냉각 유체에 대해 노출된 구리의 양을 감소시켜, 사실상 말단 권선부와 리드 와이어의 냉각을 방해하고 절연 덮개 역할을 한다. 이러한 권취 방법에는 몇가지 추가적인 문제점이 존재할 수 있다. 예를 들어, 극 상 코일마다 감김 회수가 적기 때문에(어떤 경우 한 번만 감김), 상 극 코일의 감김수를 변화시켜 설계 출력 전압에 작은 변화를 주는 것이 어렵거나 불가능하고, 도전체의 단면적이 크기 때문에 고정자의 권취가 어렵고, 코일들 사이의 단락 회로는 통상적으로 전체 고정자를 소진시켜 교류발전기의 작동을 멈추게 함으로써 구동 시스템에 손상을 주거나 차량 엔진에 과부하를 일으킬 가능성이 있다.

통상적으로, 각각의 그룹에 의해 제공된 전력이 다른 그룹의 상태에 의해 비교적 영향을 받지 않는 소정 개수의 치형부 주변의 슬롯에 권취된 소정 개수의 독립적인 그룹의 권선을 포함하는 영구자석 교류발전기는 공지되어 있다. 예를 들어, 이러한 교류발전기는 1999년 5월 4일 스콧에게 허여된 미국 특허 제5,900,722호에 교류발전기용 제어기와 함께 개시되어 있다. 상기 미국 특허 제5,900,722호에 개시된 교류발전기에서, 권선 그룹의 개수는 극의 개수의 정수부와 동일하며, 제어기 회로는 원하는 출력을 얻기 위해 전류 경로를 개별 그룹의 권선에 선택적으 로 완료시킨다.

그러나, 비교적 권취하기 쉬운 상 극 코일의 감김수를 변화시켜 원하는 출력 전압을 얻을 수 있으며, 단락 회로의 발생을 최소화하면서 동시에 냉각을 용이하게 하는 소형 고출력 교류발전기가 여전히 필요하다.

본 발명의 다양한 태양들에 따르면, 고정자 권선은 바람직하게 자극의 개수와 동일한 소정 개수의 극 상 코일로 권취된다. 각각의 극 상 코일은 교류발전기의 필요한 출력 전압과, 자극의 개수로 나누어진 1과 동일한 출력 전류의 분율을 발생시키기에 충분한 감김으로 권취된다. 이러한 개별의 극 상 코일은 병렬로 접속된다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 냉각 및 출력 상을 그룹화하고 제어부에 전송하는 것을 용이하게 하기 위해 관련 상에 대응하는 각각의 코일이 도전 상 링(conducting phase ring)에 전기적으로 접속된 상태에서 각각의 출력 상에 대응하는 개별 도전 상 링이 교류발전기 내에 설치된다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 도전 상 링은 비도전 지지 구조에 의해 제 위치에 보유된다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 도전 상 링은 도전 상 링과 말단 권선부를 지나는 냉각 유체, 예를 들어 공기에 노출시켜 효율적인 냉각을 제공하도록 배치된다.

본 발명은 첨부된 도면을 참고로 설명될 것이며, (특별히 다른 언급이 없을 경우) 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

도1은 기계 에너지와 전기 에너지 사이를 변환시키는 시스템의 개략적인 블럭도이다.

도2A는 본 발명의 다양한 태양에 따른 교류발전기의 외부를 도시하는 측면도이다.

도2B는 도2A의 교류발전기의 A-A선을 취한 단면도이다.

도2C는 교류발전기 내에 도전 상 링의 상대적인 배치를 도시하는 도2A의 교류발전기의 B-B 선을 취한 단순화된 단면도이다.

도2D는 도2A의 교류발전기의 단자의 단순화된 단면도이다.

도2E는 도전 상 링의 다른 실시예를 도시하는 다이아그램이다.

도2F는 도전 상 링과 개별 그룹의 권선(권선 말단 권선부는 생략됨) 사이의 접속을 도시하는 도2A의 교류발전기의 도전 상 링과 고정자 코어의 단순화된 사시도이다.

도2G는 DC 전압 출력을 발생시키도록 구성된 본 발명을 다른 상 링을 이용하는 교류발전기의 배선 다이아그램의 개략적인 블럭도이다.

(도2A 내지 도2G를 통칭하여 도2라고 한다.)

도3A는 본 발명의 다양한 태양에 따른 다른 실시예의 교류발전기에 대한 외부를 도시하는 측면도이다.

도3B는 도3A의 교류발전기의 C-C 선을 따른 단면도이다.

도3C는 구획된 도전 상 링과 개별 그룹의 권선(권선 말단 권선부는 생략됨) 사이의 접속을 도시하는 도3A의 교류발전기의 구획된 도전 상 링과 고정자 코어에 대한 단순화된 사시도이다.

도3D는 DC 전압 출력을 생성하기에 적합한 본 발명에 따른 구획된 도전 상 링을 이용하는 교류발전기의 블록 배선도이다(도3A 내지 도3D는 도3으로 집합적으로 언급됨).

도4A는 본 발명의 여러 가지의 태양들을 따른 대체 실시예의 교류발전기의 외부의 평면도이다.

도4B는 도4A의 교류발전기의 D-D를 따른 단면도이다.

도4C는 다중 구획된 도전 상 링들과 권선들의 각각의 그룹들 사이의 연결을 도시하는, 도3A의 다중 구획된 도전 상 링과, 고정자 코어의 단순화된 사시도이다(권선 단부 선회는 생략됨).

도4D는 DC 전압 출력을 생성하기에 적합한 본 발명에 따른 구획된 도전 상 링을 이용하는 교류발전기의 블록 배선도이다(도4A 내지 도4D는 도4에서 집합적으로 언급됨).

도5는 본 발명의 각각의 실시예에서 사용된 고정자의 3상 극 그룹의 3개의 개별 권선들을 도시하는 배선도이다.

이제 도1을 참조하면, 본 발명의 여러 가지의 태양들에 따른 교류발전기(102)와 같은 전력 변환 장치는 정류 제어 시스템(100) 및 예를 들어 엔진 또는 터빈과 같은 기계 에너지원(예를 들어, 구동부)(104), 모터와 같은 로드(106) 및 필요하다면 배터리, 커패시터 또는 플라이휠과 같은 에너지 저장 장치(108)와 적합하게 작용한다.

정류 제어 시스템은 교류발전기(102)로부터 AC 신호를 정류하는, 즉 AC 신호를 DC 신호로 변환하고, 소정 레벨, 예를 들어 28 볼트에서 신호의 전압을 조절하는데 적합한 임의의 시스템일 수 있다. 바람직한 실시예에서, 시스템(100)은 페이버 만 등에 의해 공통으로 소유되고 "AC 발전기용 제어기(Controller for AC Generator)"라는 제목으로 2006년 2월 2일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/347,777호에서 기술된 바와 같은 제어기(110)와 스위칭 브릿지(112)를 포함한다. 필요하다면, [때때로 로드(106)의 일부를 포함하는 것으로 분류된) 인버터가 일정한 소정 주파수 및 진폭(예를 들어, 60 Hz, 120V)에서 AC 신호를 발생시키도록 또한 제공될 수 있다.

일반적으로, 교류발전기(102)는 에너지원(104)으로부터 기계적 입력에 응답하여 AC 전력을 발생시킨다. 교류발전기(102)는 바람직하게 다상(예를 들어, 3상, 6상 및 기타 등등) AC 출력 신호, 예를 들어 상 A(118), 상 B(120) 및 상 C(122)를 제공한다. 이들 출력 신호들은 일반적으로 균일하지 않고 구동 RPM[에너지원(104)]에 따라 상당히 변화될 수도 있다.

교류발전기(102)로부터의 AC 상 신호는, 바람직하게 입력 퓨즈(128)를 통해 시스템(100)에 인가된다. 시스템(100)은 교류발전기(102)로부터 AC 신호를 정류하고, 즉 AC 신호를 DC 신호로 변환하고 소정 레벨, 예를 들어 28 볼트에서 신호의 전압을 조절한다. 바람직한 실시예에서, 스위칭 브릿지(112)는 제어기(110)로부터의 제어 신호에 응답하여 교류발전기(102) 및 로드(106)로부터의 AC 신호의 여러 가지의 상들 사이에서 도전 통로를 제공한다. 예시적인 스위칭 브릿지(112)는 페이버 만 등(본 발명자들을 포함)에 의해 공통으로 소유되고 2006년 2월 2일자로 출원된 계류 중인 미국 특허 출원 제11/347,777호에서 도시되어 있다. 제어기(110)는 소정 전압에서 균일한 출력 신호를 생성하기 위해서 스위칭 브릿지(112)에 대한 제어 신호를 선택적으로 발생시킨다. 제어기(110)는 입력부(114)에서 가까이 또는 입력부(140)에서 멀리 균일한 출력을 적합하게 샘플링하고 적절한 출력을 유지하도록 브릿지(112)에 대한 신호를 조정한다. 추가적으로, 출력 전류는 브릿지(112)에 대한 제어 신호를 더 변경하기 위해서 입력부(116)에서 감지된다.

이어서, 조절된 DC 신호 전압 균일 출력(VRO)이 출력 퓨즈(136)를 통해 로드(106) 및 에너지 저장 장치(108)에 적합하게 인가된다. 로드(106)는 예를 들어 라이트, 모터, 히터, 전기 장비, 전력 변환기, 예를 들어 인버터 또는 DC 대 DC 컨버터와 같은 전력을 사용하는 임의의 장치일 수도 있다. 에너지 저장 장치(108)는 [여러 가지의 실시예에서, 제어기(110)가 자체적으로 병합되거나 적절한 필터링을 달리 제공함에도 불구하고] 제어 시스템(110)의 출력을 여과하거나 원활히 한다.

필요하다면, 시스템(100)에 의해 다른 출력부(150, 160)가 제공될 수 있다. 또한, 적합한 크로우바(crowbar) 회로(142)가 시스템 보호를 위해 제공될 수 있다.

교류발전기(102)는 라폰테인 찰스 와이.(Lafontaine, Charles Y.) 및 스콧 해롤드 씨.(Scott, Harold C.)에 의해 공통으로 소유되고 "소형 고출력 교류발전 기(Compact High Power Alternator)"라는 제목으로 2004년 7월 12일자로 출원된 계류중인 미국 특허 출원 제10/889,980호에서 기술된 형태의 교류발전기가 바람직하지만, 병렬로 연결된 소정 상에 대응하는 모든 권선을 갖는 (각각의 상에 대응하는 하나 이상의 권선을 포함하는) 권선들의 각각의 그룹을 각각의 극을 위하여 포함한다. 전술한 라폰테인 등의 출원은 본 명세서에서 축어적으로(verbatim) 개시된 바와 같이 참조된다.

본 발명의 일 태양에 따르면, 동일한 상에 대응하는 코일들 사이의 병렬 연결은 대응하는 도전 상 링(138)을 통해 실시되고, 도전 상 링들(138) 사이에 배치된 가용성 링크(124)와 교류발전기의 출력 단자들(262)을 포함한다. 각각의 개별 코일의 출력은 그 각각의 도전 상 링(138)에 의해 수집되고, 도전 상 링(138)은 그 각각의 출력 단자(126)에 차례로 부착된다.

교류발전기(102) 내의 극들의 전체 개수가 증가함에 따라, 개별 코일의 개수도 또한 증가한다. 코일들을 모으는 종래 방법은 종래의 절연된 모터 리드 와이어에 모터 와이어를 납땜하는 단계를 포함한다. 교류발전기의 평가된 출력이 증가할 때, 모터 리드 와이어의 로드 운반 커패시터 내의 대응하는 증가가 또한 요구된다. 리드 모터 와이어 상의 증가 로드 요구는 단일 와이어의 게이지를 증가시키거나 병렬로 다수의 와이어를 이용함으로써 와이어의 누적 게이지를 증가시킴으로서 충족되는 것이 전형적이다. 순수 효과는 모터 로드 와이어의 단면적을 크게 증가시킨다. 코일의 전체 개수와 리드 와이어 및 그 관련 절연부를 따른 그들 각각의 단부 선회부를 고려할 때, 컨덕터와 모터 리드 와이어를 갖는 생성된 고정자 조립체는 냉각에 유해한 단부 선회부를 절연한다. 생성된 조립체는 단지 이용 가능한 냉각 유동(예를 들어, 공기 유동)을 또한 억제한다.

따라서, 바람직한 출력 전압이 상 극 코일의 선회수를 변경시킴으로써 달성될 수 있고, 비교적 쉽게 권선되고 단락 결과를 최소화하면서 동시에 냉각을 촉진하는 소형 고출력 교류발전기가 필요하다. 본 발명의 여러 가지의 태양들에 따르면, 이것은 교류발전기의 요구된 출력 전압과 자기 극들의 개수로 나누어진 1과 동일한 소량의 출력 전류를 발생시키기에 충분한 (비교적 작은 직경 와이어의) 선회로 감겨지고 자기 극의 개수와 바람직하게 동일한 소정 개수의 극 상 코일을 채용하고, 개별의 극 상 코일들을 병렬로 연결하며, 바람직하게 도전 상 링(수집기들)(138)을 채용함으로써 달성된다. 도전 상 링(138)의 사용은 교류발전기(102)의 조립을 아주 단순화시킬 뿐만 아니라 권선의 냉각을 촉진한다.

특히, 교류발전기(102)는 바람직하게는 테이퍼진 돌출부(204) 및 나사형성부(206)를 포함하는 샤프트(202)와, 회전자(208)와, 고정자(210)와, 전방 단부판(12)과, 전방 베어링(214)과, 잼 너트(jam nut)(216)와, 후방 단부판(218)과, 후방 샤프트 보유 링(220)과, 후방 베어링(222)과, 후방 잼 너트(224)와, 외부 케이싱(226)과, 각각의 타이 로드(tie rod)(도시 생략)를 바람직하게 포함한다. 회전자(208)는 샤프트와 함께 회전하기 위해 샤프트(202) 상에 장착된다. 고정자(210)는 작은 공기 갭(22)에 의해 회전자(208)로부터 분리되어 회전자(208) 내에서 밀접하게 수용된다. 전방 단부판(212), 전방 베어링(214), 후방 베어링(222), 후방 단부판(218), 외부 케이싱(226) 및 타이 로드는 샤프트(202), 회전자(208) 및 고정 자(210)의 정렬을 유지하기 위해서 지지 조립체로서 상호 작용한다. 샤프트(202)는 전방 단부판(212) 및 후방 단부판(218) 상에 각각 장착되어 샤프트(202)를 단부핀들과 편심 및 수직으로 회전 가능하게 유지하고 정렬하는 베어링(214, 222)들에 의해 유지된다.

회전자(208)는 테이퍼진 샤프트부(204)의 협동에 의해 견고하게 위치된 샤프트(202)에 회전 가능하게 장착된다. 후방 단부판(218)은 고정자(210)가 샤프트(202) 및 회전자(112)에 적절히 정렬된 회전자(208) 내에 정렬되도록 상기 고정자(210)를 장착 및 위치시킨다. 외측 케이싱(226)은 (바람직하게는 원통형인) 상기 외측 케이싱의 축에 수직한 단면을 가지고, 전방 단부판(212)과 후방 단부판(218) 사이에 배치된다. 타이 로드는 외측 케이싱(226)에 대해 단부판(218, 212)를 압축하여, 부품들이 정확하게 정렬되도록 유지한다.

통상의 차량용 교류발전기(alternator) 분야에서, 풀리(230)가 샤프트(202)의 단부에 장착된다. (예를 들면, 도2에는 도시되지 않은) 엔진(104)으로부터의 동력(power)은 (도시되지 않은) 적절한 벨트 구동부에 의해서 풀리(230)를 통해 샤프트(202)로 전달된다. 이어서, 샤프트(202)는 회전자(208)가 고정자(210) 주위를 회전하도록 한다. 회전자(208)는 고정자(210) 상의 권선과 상호 작용하는 자기장을 발생시킨다. 자기장이 권선을 차단하면, 전류가 발생되고 발생된 전류는 적절한 로드(load)에 제공된다.

회전자(208)는 단부 캡(232)과, 원통형 케이싱(234)과, 상기 케이싱(234)의 내측벽에 배치된 미리 정해진 개수(예를 들면, 16쌍)의 다른 폴형 영구 자석(236) 를 포함하는 것이 바람직하다. 회전자의 단부 캡(232)은 주연부(238)와, (도시되지 않은) 각각의 크로스 아암(cross-arm)과, 중앙 허브(240)를 포함하며, 샤프트(202)의 연결을 위해 실질적으로 적절하게 개방되어 있다. 각각의 냉각제(예를 들면, 공기)의 통로(242)는 (도시되지 않은) 크로스 아암에 인접한 주연부(238)의 경계부에서 단부 캡(234)과 중앙 허브를 통해 제공된다.

고정자(210)는 (개략적으로 도시된) 도전성 권선부(280)와 코어(244)를 적절히 포함한다. 코어(244)는 연성의 자성 재료, 예를 들면 비지향성 저손실(납을 함유하지 않은)강의 얇은 시트의 층상 적층체를 포함하며, 상기 시트는 원하는 형상으로 절단되거나 천공되며, 정렬되고 결합된다. 코어(244)는 축방향으로 나사 형성된, 즉 미리 정해진 개수의 치형부 및 슬롯을 포함하는 외측 주연면을 갖는 전체적으로 원통형이다. 코어(244)는 중앙 개구를 가지며 실질적으로 개방되고, 후방 단부판(218)과의 용이한 장착을 위한 축방향 관통 보어를 갖는 크로스아암을 적절히 포함하는 것이 바람직하다.

전방 단부판(212)은 중앙에 배치된 허브(246)와, 주연부와, 각각의 크로스아암을 포함하며, 상기 허브는 전방 베어링(214)에 위치한 동축 개구를 포함하고, 상기 주연부는 (도시되지 않은) 타이 로드를 수납하도록 동일한 각 거리를 두고 배치된 중앙 개구로부터 미리 정해진 반경의 거리에 배치되는 (도시되지 않은) 개별의 탭형(tapped) 구멍을 포함하며, (도시되지 않은) 상기 크로스아암은 주연부(248)를 허브(246)에 연결하여 개별의 냉각제(예를 들면, 공기) 통로(250)를 형성한다.

후방 단부판(218)은 후방 베어링(222)을 지지 및 위치시키며, 고정자의 코 어(244)를 장착 및 위치시킨다. 후방 단부판(218)은 전방 감소형 직경부(254)와, 상기 전방 감소형 직경부를 관통하는 중앙 개구(256)를 갖는 단차형 중앙 허브(252)를 적절히 포함하고, (도시되지 않은) 각각의 크로스아암에 의해 허브(252)에 연결된 전방 단부판(212)과 동일한 외경을 갖는 것이 바람직한 원통형이다. 또한, 후방 단부판(218)은 (도시되지 않은) 인접한 크로스아암과, 외측부(260)와, 허브(252)와 경계를 이루는 각각의 냉각제(예를 들면, 공기) 통로(258)를 적절히 포함한다.

고정자의 권선부(280)로부터의 출력은 상 링(phase ring;)에 의해 수집되어 각각의 출력 단자(262)에 공급된다. 보다 구체적으로, 각각의 상마다 하나씩인) 출력 단자(262)는 후방 단부판(218)에 적절히 제공된다. 단자(262)는 가용성 링크(124)를 통해 관련 도전성 상 링[138; 수집기(collector)]에 전기적으로 접속된다. 출력 단자(262) 및 가용성 링크(124)는 도전성 상 링(138) 주위에 반경 방향을 따라 위치된다. 각각의 상 링(138)은 예를 들면 도전체(276)를 통해 관련 상을 갖는 각각의 코일을 수집, 즉 각각의 코일에 전기적으로 접속된다. 각각의 개별 도전성 케이블[예를 들면, 도2에 도시된 케이블(294)]은 제어기(100)에 상 출력을 전달하도록 단자(262)에 부착된다.

도전성 상 링(138)은 적절한 도전성 재료, 예를 들면 도금된 구리로 제조된다. 상 링(138)은 냉각의 용이성을 위해 비절연되거나 절연이 최소화되고 일단 주변 환경/가속도에 노출되면 서로에 대한 격리의 용이성을 위해 충분히 강성하거나 견고하다. 도전성 상 링은 로드 스톡(rod stock)으로 형성되거나 적절한 재료의 시트를 천공하여 형성될 수 있다. 도2의 실시예에서, 각각의 도전성 상 링(138)은 연속적인, 즉 이의 단부가 예를 들면 브레이징에 의해 연결되어 연속적인 도전성 링을 형성하는 단일편의 로드 스톡이다.

고상의 연속적 링(138)의 사용은 가용성 링크(124)에 대한 듀얼 전류 경로가 상 링(138)에 대한 낮은 (따라서 경량이며 저렴한) 게이지의 사용을 가능하게 한다. 고상이면, 연속적인 상 링(138)이 이용되고, 전류는 가용성 링크(124)가 부착되는 지점에 대해 반대로, 즉 180도 방향으로 효율적으로 분할된다. 가용성 링크(124)로 방출되는 상 링의 하나의 반부에서 도전체(276)에 의해 발생된 모든 전류는 상기 반부에 효율적으로 잔류하고, 대향 반부에서 발생된 전류는 경로를 따라 가용성 링크(124)를 따른다. 이에 의해, 상 링 중 대략 절반 정도는 가용성 링크(124)에 단일 경로만을 갖는 도전체의 게이지가 된다.

각각의 링(138)은 냉각제 유로에 배치되고, 서로에 대해 그리고 후방 단부판(218)으로부터 전기적으로 절연되고 이격된다. 도전성 상 링(138)은 내충돌성이 우수하고 화학적으로 안정적인 재료, 예를 들면 폴리아미드-이미드(polyamide-imide)로 제조되는 것이 바람직한 비도전성 상 링 장착 구조물(264)을 이용함으로써 단부판(218)에 적절히 기계적으로 체결되고, 이에 따라 각각의 상 출력마다 하나씩인 각각의 도전성 상 링은 서로에 대해 그리고 후방 단부판(218)으로부터 물리적으로 이격되고 전기적으로 절연된다.

도전성 상 링(138)은 교류발전기(102)에 의해 발생된 냉각제(예를 들면, 공기) 유동의 노출을 최소화하도록 냉각제(예를 들면, 공기)의 통로(258)에 위치된 다. 공기 유동에 대한 노출은 인접한 상 링의 직경을 점진적으로 변화시킴으로써 최대화된다. 예를 들면, 상[A: 단자 (118)]와 관련된 상 링(138)은 단부판(218)의 내측에 최단한 가깝게 배치되어, 비교적 큰 직경[단부판(218)의 냉각제(예를 들면, 공기)의 통로(258)의 외경에 가까운 직경]을 가진다. 상[B: 단자(120)]와 관련된 상 링(138)은 동축을 따라 배치되지만 후방으로 오프셋되고, 비교적 작은 직경[상(B) 링의 외경이 미리 정해진 크기만큼 상(A) 링의 내경보다 작은 직경]을 가진다. 상[C: 단자(122)]와 관련된 상 링(138)은 동축을 따라 배치되지만 상(B) 링(138)으로부터 후방으로 오프셋되고, 작은 직경[상(C) 링의 외경이 미리 정해진 크기만큼 상(B)의 내경보다 작은 직경]을 가진다. 상 링 장착 구조물(264)에 의해 가능한 이런 정렬은 각각의 링이 공기 유동을 가능한 입구의 대기 온도에 가깝게 냉각하도록 한다. 바람직하게는, 대기 입구로부터 가장 멀리 있는 링이 비교적 큰 직경을 가진다.

도2D를 참조하면, 출력 단자 조립체(216)는 나사형 도전성 스터드(266)를 포함하고, 상기 스터드는 전기적으로 비도전성인 부싱(268)을 따라 높은 도전성을 가지며 내부식성인 재료(예를 들면, 도금된 구리)와, 교류발전기의 후방 단부판(218)로부터 출력 단자를 전기적으로 절연하기 위한 높은 재충돌성이고 화학적으로 안정적인 재료(예를 들면, 폴리아미드 이미드)가 바람직하다. 바람직한 실시예에서 나사형 도전성 스터드(266)는 교류발전기의 후방 단부판(218)으로부터 너트(272)가 조여질 수 있는 곳까지 시트(seat)로서 작용하여 후방 단부판(218)에 조립체를 포획하는 통합형 숄더(270)를 가진다.

가용성 링크(124)는 적절한 재료, 예를 들면 계산된 직경 및 길이의 와이어(바람직하게는 도금된 구리)로 제조되고, 상기 와이어는 교류발전기(102)에 파괴되도록 계산된 로드에 인가되면 용융될 것이며, 제어기(100) 또는 전기 시스템은 상기 장비에 의해 전력 공급된다. 바람직한 실시예에서, 가용성 링크(124)는 나사형 도전성 스터드(266)와 도전성 상 링(138)에 납땜되거나 블레이징된다. 가용성 링크를 고정하기 위한 다른 방법은 적절한 러그를 가용성 링크(124)에 부착하는 것으로, 상기 러그는 나사형 너트에 의해 스터드(266)에 기계적으로 체결된다.

특히 도2B 및 도2C를 참조하면, 도전성 상 링(138)은 구조물(264)에 체결된다. 도전성 상 링(138)은 냉각제 경로에 배치되어 냉각제 유동(예를 들면, 공기 유동; 274)에 노출되고, 이에 의해 [코일 권선을 상 링(138)에 연결하는] 도전체(276)와 도전성 상 링(138)이 냉각된다. 링 장착 구조물(364)는 상 링(138)과 (도시되지 않은) 고정자 단부에서의 선회 사이에 간격을 형성하도록 위치된다.

이 갭은 종래의 권선식 고정자에서는 이용 가능하지 않은 냉각 유체에 후방 고정자 단부 선회부를 노출시킨다.

냉각제(예를 들어, 냉각 공기)는 교류발전기를 연속적으로 통과하고 고정자(210)의 권선 단부 선회부(280)에 가해져서, 단부 선회부를 냉각시킨다. 그 후, 기류는 고정자 코어(244)를 통해, 그리고 고정자(210)의 먼 단부 선회부를 냉각시키는 지점에서 캐비티(278) 내로 분할되고 전진한다. 다른 분할된 기류가 회전자 케이싱(234)과 외부 케이싱(226) 사이를 통과하여, 회전자 케이싱(234) 및 자석(236)을 냉각시킨다. 분할된 기류는 공기 통로(250)에서 재결합하고 교류발전기 를 나와서 원심 팬(282)으로 간다.

이후에 설명되는 바와 같이, 단일 3상 극 그룹의 구성요소인 A 상(118), B 상(120) 및 C 상(122)을 포함하는 도전체(276)는 고정자(210)를 방출하고 각각 관련된 도전성 상 링(138)에 관하여 납땜 또는 땜질된다. 양호한 실시예에서, 도전체(276)는 기류(274)에 노출된다. 특정 경우에서는, 접지에 대해 보호하기 위해 예를 들어 노맥스(Nomex)와 같은 얇은 벽의 전기 절연재로 도전체(276)를 둘러싸는 것이 바람직할 수도 있다.

이제 도2E를 참조하면, 도전성 상 링(138)을 제조하는 대안적인 방법은, 구멍(284)을 드릴링 및 탭핑하기 위해 적절한 표면이 제공되도록 직사각형 스톡으로 도전성 상 링을 형성시킴으로써 달성된다. 이 실시예에서, 가용성 링크(124)의 단부에는 예를 들어 나사형성된 체결구(288)에 의해 도전성 상 링(138)에 체결하기에 적절한 러그(286)가 부착될 수 있다. 동일하게, 도전체(276)에는 유사한 러그가 또한 구비될 수 있고, 체결구(290)를 사용하여 도전성 상 링(138)에 체결될 수 있다. 도전성 상 링(138)은 도면부호 '264'와 유사한 적절한 구조물을 사용하여 후방 단부판(218)에 유사한 방식으로 차례로 고정된다. 대안적으로, 슬롯(292)은 고정자를 방출하는 개별 도전체가 납땜될 수 있는 각각의 상 링으로 규칙적인 간격으로 절단될 수도 있다. 이 조립 방법은 전기 모터 제조 시 종결된 도전체에 사용된 기존의 초음파 납땜 기구를 변경함으로써 조립의 자동화가 수행될 수 있다는 점에서 상 링(138)에 도전체(276)를 체결하는 상술된 방법에 관하여 주요한 이점을 갖는다.

이제 도2F를 참조하면, 명확함을 위해서, 고정자(210)는 코일은 갖지 않고 개별 도전체(276)는 갖는 것으로 상세함을 크게 감소시켜 도시된다. 특정 실시예에서, A, B 및 C 3상과 관련된 각각의 상 링(138)은 납땜, 땜질 또는 절연되지 않은 내부식성의 예를 들어 도금된 구리의 단일 편으로부터 기계 가공됨으로써 연속적이다. 도시적으로 나타낸 단자(126)는 A 상(118), B 상(120) 및 C 상(122)에 대응한다. 각각의 극 그룹의 출력은 상 링(138)을 통해 교류발전기 내에 수집되고, 제어부(100)까지 모든 3상을 나타내는 3개의 도전체를 거쳐 교류발전기를 방출한다.

이제 도2G를 참조하면, A 상, B 상 및 C 상 권선부(118, 120, 122)로부터의 개별 도전체(276)는 각각의 수집 상 링(138) 상에서 종결되고, 그 후 도전체(294)를 거쳐 제어부(100)까지 차례로 반송된다. 제어부(100)로부터의 출력은 특정 전압 예를 들어, 28 VDC의 전압 조절된 출력 또는 VRO를 생성한다.

출력 단자(264)와 제어부(100) 사이에 결합된 도전체(294)는 전류를 알맞게 반송하기에 적절히 충분한 게이지이다. 와이어 또는 케이블의 게이지가 증가함에 따라, 큰 게이지에서 발견되는 더 큰 굴곡 반경에 기인하여 케이블을 루트 설정하는 것이 점점 어렵게 된다. 결과적으로, 많은 용도들에 매우 큰 게이지 와이어 또는 케이블을 사용하기 어렵다. 논의되는 바와 같이, 매우 큰 도전체가 적절하지 않을 수도 있는 용도에서, 각각의 상 링 섹션은 특정 섹션에 의해 제조되는 감소된 전류를 반송하도록 적절하게 크기 설정된 도전체가 지정되는 다중 섹션으로 상 링을 분할하는 것이 가능하다.

예를 들어, 전류 요구조건은 복수의 그룹으로 상 링 분할을 채용함으로써 감소될 수도 있다. 이제 도3A 내지 도3D를 참조하면, 대응 단자(126)와 가용성 링크(124)를 갖는 2세트의 상 링(306)을 채용하는 교류발전기(302)는 관련 제어부(308, 310)와 협동한다. 상 링(310)은 지점(312, 314)에서 전기적으로 분리된다. 각각의 그룹은 각각의 제어부(308, 310)에 이르는 A 상, B 상 및 C 상 구성요소 각각을 반송한다. 후방 단부판(304)은 단부판(218)에 대한 모든 태양에서 유사하지만, 제2 세트의 단자(126)를 수용하도록 기계 가공된다는 점이 일 특징이다.

이제 도3D를 참조하면, 상 링부(306)는 고정자(210)로부터 각각의 도전체(276)을 각각 수용한다. 상 링부(306)는 단자(126) 및 도전체(316)를 통해 제어부(308, 310)까지 전기적으로 접속된다. 단자(126)가 상 링부(306)의 중간에서 접속될 때, 전류는 가용성 링크(124)가 부착되는 지점에서 효과적으로 분할된다. 상 링부의 하나의 반부 상의 도전체(276)에 의해 생성되고 가용성 링크(124)로 방출되는 모든 전류는 그 반부 상에 효과적으로 남고, 대향 반부 상에 제조되는 전류는 가용성 링크(124)로의 경로를 따른다. 그 결과, 상 링부는 가용성 링크로의 단일 경로만을 갖는 도전체의 대략 반의 게이지를 갖는다. 도전체(316)의 게이지는 용도의 특정 요구조건에 따라 크기 결정될 수 있다. 현대의 엔진 격실은 예를 들어 28 VDC의 600 엠프 전력을 적절하게 전도하기에 요구되는 도전체 크기를 고려할 때 제공할 수 있는 매우 좁은 공간을 갖는다. 매우 높은 출력 용도에서 도전체(316)에 의해 반송된 전류를 반감시킴으로써, 케이블의 경로 설정이 처리하기 매우 쉬워진다. 제어에 있어서도 또한 대응하는 장점이 있다. 전류량이 증가함에 따라, 구 성요소의 크기 및 비용이 증가하지만, 선형적이지는 않다. 따라서, 도전체 및 제어 구성요소에 의해 반송되는 전류를 반감시킴으로써, 공간 및 비용의 절감이 달성된다.

전류 요구조건은 복수의 부분으로 상 링을 분할함으로써 더 감소될 수 있다. 예를 들어, 도4A 내지 도4D를 참조하면, 상 링은 지점(416, 418, 420, 422)에서 전기적으로 분리된 네 개의 섹션(406)으로 파단될 수 있다. 관련 세트의 단자들(118, 120, 122)은 각각의 제어부(408, 410, 412, 414)에 접속된 각각의 상 링 세그먼트를 위해 제공된다. 상 링부(306)를 사용함으로써, 단자(126)는 상 링부(406)의 중간에 접속되고, 전류는 가용성 링크(124)가 부착되는 지점에서 효과적으로 분할된다. 상 링부의 일 반부 상의 도전체(276)에 의해 제조되고 가용성 링크(124)로 방출되는 모든 전류는 그 반부 상에 효과적으로 남고, 대향 반부 상에 제조되는 전류는 가용성 링크(124)로의 경로를 따른다. 그 결과, 상 링부는 가용성 링크로의 단일 경로만을 갖는 도전체의 대략 반의 게이지를 갖는다. 제어부(408, 410, 412, 414)의 출력은 출력(VRO+, VRO-)을 제공하도록 평행하게 접속된다.

상술된 바와 같이, 고정자 코어(210)는 소정 개수의 동일하게 이격된 치와 슬롯을 갖는 축방향으로 나사 형성된(crenellated) 외주연면을 갖는 대체로 원통형이다. (니스 코팅된 구리 모터 와이어와 같은 적절하게 절연된 전기 도전체로 형성된) 도전성 권선부는 각각의 슬롯을 통해 소정 개수의 치 주위에 코어의 측면부를 따라 외향으로 권선되고, 그 후, 다른 슬롯을 통해 후방으로 권선된다. 이제 도5를 참조하면, 고정자 코어(210)는 소정 개수 예를 들어, 36개의 슬롯을 포함한다(도면번호 1 내지 36으로 지칭되어 도5에 개략적으로 도시됨). 도전성 권선부는 회전자의 각각의 자극에 대응하는 소정 개수의 개별 상 코일(A 상, B 상, C 상)을 포함한다. 3상 교류발전기의 개별 극상 코일은 극상 코일 그룹(526)을 집합적으로 형성하는 A 극상 코일(518), B 극상 코일(520), C 극상 코일(522)를 포함한다. "Y"자 모양의 접속부(524)로 협동하는 교류발전기의 각각의 극을 위한 하나의 극상 코일 그룹(예를 들어, 12 극 교류발전기의 12 극상 코일 그룹)이 있다. 12 극 교류발전기의 극상 코일 도전체(526)는 각각의 도전성 상 링(506, 508, 510)에 부착된다.

예를 들어, 개별 극상 코일(522)(극 그룹 1의 C 상)은 고정자(210)의 슬롯(#36, #3) 주위로 권선된다. 코일(522)을 포함하는 도전체(526)의 선회부의 개수는 교류발전기의 일 상의 정격 출력 전압을 생성하도록 요구되는 선회부 개수와 동일하다. 개별 상 코일의 출력 전류부는 교류발전기의 전극의 개수에 의해 분할되는 1과 동일하다. 따라서, 개별 극상 코일은 비교적 작은 와이어의 비교적 큰 선회부 개수로 형성된다.

이 구성은 교류발전기의 제조 시 및 교류발전기의 작동 시 다수의 장점을 제공한다.

각각의 개별 극 상 코일은 비교적 여러 번 권취되기 때문에, 감김수를 변화시킴으로 원하는 전압으로 작은 변화를 줄 수 있다. 예를 들어, 직렬로 연결된 극 상의 모든 코일과 통상적인 방법으로 권취되는 특정한 12개의 극 교류발전기는 도 전체의 1.0417의 감김을 요구할 수 있으며, 이는 1,940rpm에서 (적절한 정류 후) 14 VDC, 300 A를 발생시키기 위한 와이어 게이지 6.285와 동일한 수치이다. 감김수 또는 등가의 와이어 게이지는 생산을 위한 실제값은 아니다. 평행하게 연결된 극 상의 코일을 갖춘 예시적인 교류발전기를 구성함으로, 각각의 개별 극 상 코일이 17 게이지 와이어 당 12.5회 감긴다. (반 회전은, 시작할 때 고정구 적층물의 일 측면에서 개별 극 상 코일의 일 단부를 연결함으로, 끝날 때 고정구 적층물의 다른 측면에서 다른 단부를 연결함으로 실시된다. 이러한 구성은 도18A에 도시되어 있다.) 이 예시에 추가해서, 최초 설계를 (다시 비현실적인 수)1.0833 감기게 증가시킴으로 rpm은 1,894로 감소된다. 이는, 평행한 극 상 코일 각각을 13회 감기게 증가시킴으로 대안적인 구성으로 실시될 수 있다. 도전체의 비교적 작은 단면은 코일의 권취를 용이하게 한다.

개별 극 상 코일의 권선부 사이의 단락으로 인해 교류발전기에서 발생된 대부분의 전력이 단락된 코일에서 흐른다. 코일이 비교적 감김수가 많은 비교적 단면적이 작은 도전체로 구성되기 때문에, 단락된 권선부는 매우 신속하게 용해되어 단락을 제거한다. 하나의 극 상 코일 개방으로 인한 출력 전력의 감소는 대략 1/(자극의 개수 + 상의 개수)이다. 예를 들어, 하나의 극 상 코일이 단락된 후에 자체적으로 제거된 12극 3상 교류발전기의 전력 출력 감소는 대략 3%이다.

예를 들어, 개별 극 상 코일의 권선부 사이의 단락은 통상적으로 2초 내에 제거될 것이다. 교류발전기 구동 시스템에 대한 손상이 제거되면, 엔진은 추가의 부하 없이 계속 작동하고, 교류발전기는 연결된 부하에 전력을 계속 발생시킨다. 도전상 링(138)은 각각 A 링(506), B 링(508) 및 C 링(510)으로 식별된다. A 상(512), B 상(514) 및 C 상(516)의 3개의 개별 극 상 코일 도전체는 명확성을 위해 개략적으로 도시되었다. 극 상 코일 그룹을 형성하는 세 개의 극 상 코일 각각은 "와이(Wye)" 접속 (524)으로 접속된 것으로 도시되었다. 전술된 바와 같이, "델타(Delta)" 접속의 이용은 상 수집 링을 이용하여 구현될 수 있다.

개별 상 코일 도전체는 냉각을 방해하지 않는 효과적인 방식으로 모인다. 상 코일 도전체가 고정자(210)의 면에 대해서 90도로 상 코일 말단 권선부를 떠나면, 말단 권선부는 가능한 최대 기류에 노출되어 상기 말단 권선부에 가능한 최상의 냉각을 제공한다.

본 발명은 다양한 실시예와 함께 개시되었지만, 본 발명은 도시된 특정 형태로 제한되지 않으며, 본 발명의 다른 실시예가 본 발명의 사상 내에서 실시될 수 있다. 하기의 청구항에 기재된 본 발명에 따른 설계 및 구조면에서 다양한 구성 요소, 재료, 수치, 구조 및 다른 태양이 가능할 수 있다.

Claims

소형의 고출력 전력 변환 장치이며,

원통형 케이싱 및 원통형 케이싱에 배치된 소정 개수의 영구자석을 포함하며 케이싱의 축을 중심으로 회전하도록 구성된 회전자와,

코어 및 복수 개의 도전성 권선부 세트를 포함하는 고정자로서, 각각의 도전성 권선부 세트는 소정 개수의 개별적인 도전성 권선부들을 구비하고 하나의 전기 위상과 관련되는 고정자와,

각각의 도전성 권선부 세트와 관련된 각각의 수집 도전체로서, 각각의 도전성 권선부 세트의 각각의 개별적인 도전성 권선부는 관련 수집 도전체와 평행하게 전기적으로 연결되는 수집 도전체와,

냉각제를 고정자 권선부와 접촉하도록 유도하는 냉각제 유로를 포함하며,

각각의 수집 도전체는 서로 전기적으로 절연되고 서로로부터 그리고 권선부로부터 이격되는 냉각제 유로에 배치되는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서, 각각의 수집 도전체는 연속 도전성 링을 포함하는 전력 변환 장치.
제2항에 있어서, 단자 조립체 연결점에 대한 연속 도전성 링의 다른 위치에 연결된 개별적인 권선부로부터 제공된 전류가 출력 단자 조립체의 연결점 및 연결 점으로부터 대략 180도에 위치된 연속 도전성 링 상의 점에 의해 윤곽이 나타나는 두 경로 중 하나를 취할 수 있도록, 각각의 연속 도전성 링에 관련되어 단일 점에서 연속 도전성 링에 전기적으로 연결되는 각각의 출력 단자 조립체를 더 포함하는 전력 변환 장치.
제3항에 있어서, 단자 조립체는 도전성 스터드와, 도전성 스터드와 관련 연속 도전성 링 사이에서 전기적으로 연결된 가용성 링크를 포함하는 전력 변환 장치.
제2항에 있어서, 각각의 도전성 링들은 냉각을 용이하게 하기 위해 상이한 직경들을 갖는 전력 변환 장치.
제5항에 있어서, 각각의 연속 도전성 링들은 동심으로 배치되고 서로에 대해 축방향으로 변위되는 전력 변환 장치.
제2항에 있어서, 연속 도전성 링들을 소정 위치에 유지시키기 위해 연속 도전성 링들과 협동하는 비도전성 장착 구조체를 더 포함하는 전력 변환 장치.
제2항에 있어서, 연속 도전성 링들은 단부들이 연결된 로드 스톡으로 형성되는 전력 변환 장치.
제2항에 있어서, 연속 도전성 링들은 도전성 재료 시트로부터 스탬핑 가공되어 형성되는 전력 변환 장치.
제2항에 있어서, 연속 도전성 링들은 직사각형 스톡으로 형성되는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서, 도전체가 소정 위치에 유지되도록 수집 도전체와 협동하는 비도전성 장착 구조체를 더 포함하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서, 수집 도전체는 냉각을 용이하게 하기 위해 절연되지 않는 전력 변환 장치.
제7항에 있어서, 장착 구조체는 냉각 유체에 입구 주변의 온도로 링을 노출시키도록 링 세트를 동심적으로 그리고 축방향으로 유지하는 전력 변환 장치.
제2항에 있어서, 연속 도전성 링들은 정상 작동 중에 직면하는 가속 중에 그 형상을 유지하도록 비교적 강성인 전력 변환 장치.
제1항에 있어서, 각각의 수집 도전체는, 각각의 전기 위상에 대해 소정 개수 의 전기 절연된 동일한 크기의 도전성 원호로 된 각각의 세트를 포함하는 전력 변환 장치.
제15항에 있어서, 단일 지점에서 도전성 원호에 전기적으로 연결된 각각의 도전성 원호와 관련된 출력 단자 조립체를 더 포함하는 전력 변환 장치.
제16항에 있어서, 단자 조립체는 도전성 스터드 및 도전성 스터드와 관련 연속 도전성 원호 사이에서 전기적으로 연결된 가용성 링크를 포함하는 전력 변환 장치.
제15항에 있어서, 각각의 도전성 원호 세트는 냉각을 용이하게 하기 위해 상이한 반경을 갖는 전력 변환 장치.
제15항에 있어서, 각각의 도전성 원호 세트는 동심적으로 배치되고 축방향으로 서로에 대해 변위되는 전력 변환 장치.
제15항에 있어서, 원호를 소정 위치에 유지시키기 위해 원호 세트와 협동하는 비도전성 장착 구조체를 더 포함하는 전력 변환 장치.
제20항에 있어서, 장착 구조체는 냉각 유체에 입구의 주변 온도로 원호를 노 출시키도록 원호 세트를 동심적으로 그리고 축방향으로 유지하는 전력 변환 장치.
제16항에 있어서, 원호에 대한 단일 연결 지점은 대략 원호의 중간 지점인 전력 변환 장치.
제15항에 있어서, 원호는 로드 스톡으로 형성되는 전력 변환 장치.
제15항에 있어서, 도전성 원호는 직사각형 스톡으로 형성되며, 개별적인 권선부를 수용하도록 구성된 각각의 노치를 포함하는 전력 변환 장치.
제15항에 있어서, 수집 도전체는 정상 작동 중에 직면하는 가속 중에 그 형상을 유지하도록 비교적 강성인 전력 변환 장치.
제15항에 있어서, 회전자에서 각각의 자극에 대응하는 개별적인 위상 코일은 도전성 원호 세트 사이에서 평평하게 분포되는 전력 변환 장치.
제15항에 있어서, 각각의 수집 도전체는, 각각의 전기 위상에 대해 2개의 전기적으로 절연된 동일한 크기의 도전성 원호로 된 세트를 포함하는 전력 변환 장치.
제15항에 있어서, 각각의 수집 도전체는, 각각의 전기 위상에 대해 4개의 전기적으로 절연된 동일한 크기의 도전성 원호로 된 세트를 포함하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서, 냉각제 유로는 고정자 코어를 통한 통로 및 회전자를 통한 통로를 포함하는 전력 변환 장치.
제1항에 있어서, 개별적인 도전성 권선부는 비교적 작은 직경을 가져서, 개별적인 권선부의 단락 상황은 개별적인 권선부를 용해시켜 단락이 없어지도록 하는 전력 변환 장치.