KR20090074265A

KR20090074265A - 에너지 처리 시스템, 및 전기기계적 에너지 변환을 제공하는 방법

Info

Publication number: KR20090074265A
Application number: KR1020097010735A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 엠. 사반; 라에드 에이치. 아마드; 지구오 판
Original assignee: 다이렉트 드라이브 시스템즈, 인크.
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2009-07-06
Also published as: EP2197088A2; US20100244599A1; US7960948B2; EP2082471B1; CA2664864C; DE602007005507D1; EP2197088A3; AU2007317638B2; WO2008057789A2; ATE462216T1; CA2664864A1; US20080103632A1; WO2008057789A3; US7710081B2; EP2082471A2; AU2007317638A1; CN101584102A; DK2082471T3; JP2010508802A; MX2009004497A

Abstract

바람직한 전력 시스템은 다수의 고정자 권선 집합을 갖는 전기 기계를 포함할 수 있고, 각 권선 집합은 별개의 스위치 매트릭스를 통해 공통 전압 버스에 결합되고, 각각은 고정자 자속 고조파가 실질적으로 감소되도록 고정자 주위에 전절로 공간적으로 정렬될 수 있다. 감소된 고정자 자속 고조파는 상전류 고조파 함유량과 연관될 수 있다. 일예의 애플리케이션에서, 이러한 전력 시스템은 DC 전압 버스 상에서 기계 에너지를 전기 에너지로 전달하는 발전 모드로 동작할 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 시스템은 예컨대 탑재된 (예컨대, 해운, 항공, 철도수송) 전력 시스템에 적합한 고전력 및 고속 (예컨대, 8000rpm 이상에서 1MW) 전동 및/또는 발전 능력을 제공할 수 있다.

에너지 처리, 전력 시스템, 권선

Description

에너지 처리 시스템, 및 전기기계적 에너지 변환을 제공하는 방법{ELECTROMECHANICAL ENERGY CONVERSION SYSTEMS}

본 출원은 2006년 10월 27일에 출원된 발명의 명칭이 "에너지 변환 시스템"인 미국 가출원 60/863,233, 2006년 11월 8일에 출원된 발명의 명칭이 "에너지 변환 시스템"인 미국 가출원 60/864,882, 2007년 3월 15일에 출원된 발명의 명칭이 "영구자석 전기 기계용 고속 슬리브 회전자"인 미국 가출원 60/895,025, 및 2007년 5월 21일에 출원된 발명의 명칭이 "전기기계 에너지 변환 시스템"인 미국 출원 11/751,450에 대한 우선권 주장 출원이다. 각 우선권 출원에 대한 도면 및 상세한 설명의 개시가 참조로 여기 병합되어 있다.

다양한 실시예들은 전동 및/또는 발전 시스템에 관한 것이다. 일부 실시예는 예컨대 고속 및/또는 고전력 동작이 가능한 온 보드 (on-board) 애플리케이션에서 이용될 수 있다.

일부 전력 시스템은 기계 에너지를 전기 에너지로 및/또는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환할 수 있다. 예컨대, 발전 시스템은 기계 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있는 원동기 및 전기 기계와 같은 전기기계 소자를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 전동 시스템은 전기 기계에 결합된 기계 부하를 포함할 수 있다. 이 런 시스템은 일반적으로 수동 또는 능동 제어 전력 전자 장치를 포함하여 전기 에너지를 처리한다 (예컨대, AC (교류)를 DC (직류)로 또는 그 역으로 변환). 또한, 이러한 시스템은 전기 분배 네트워크의 서로 다른 부분들에서 전압 레벨을 매칭하거나 분리를 위해 변압기를 사용할 수 있다.

바람직한 전력 시스템은 다수의 고정자 권선 집합을 갖는 전기 기계를 포함할 수 있고, 여기서 각 권선 집합은 별개의 스위치 매트릭스를 통해 공통 전압 버스에 결합되고, 각각은 고정자 자속 고조파가 실질적으로 감소되도록 고정자 주위에 전절로 공간적으로 정렬될 수 있다. 감소된 고정자 자속 고조파는 위상 전류 고조파 함유량과 연관될 수 있다. 일예의 애플리케이션에서, 이러한 전력 시스템은 DC 전압 버스 상에서 기계 에너지를 전기 에너지로 전달하는 발전 모드로 동작할 수 있다. 일부 실시예에서, 전력 시스템은 예컨대 탑재된 (예컨대, 해운, 항공, 철도수송) 전력 시스템에 적합한 고전력 및 고속 (예컨대, 8000rpm 이상에서 1MW) 전동 및/또는 발전 능력을 제공할 수 있다.

다양한 실시예에서, 전기 기계에서의 고정자 권선은 상 권선 집합의 수 (N), 각 권선 집합에서의 상의 수 (M), 및 전력 전자장치 컨버터에서의 장치들의 스위칭 주파수의 함수인 고조파 차수를 포함하는 전력 전자장치로부터 시간 조화 전류의 영향을 실질적으로 감소시키거나 소거하도록 연결될 수 있다. 이 기계에서 주어진 고정자 권선 구성에 대해, 공극 자속 고조파는 예컨대 발전 동작을 위해 감소될 수 있다. 이 실시예들은 기계의 고정자의 비용 및 복잡도를 증가시키면서 시스템의 전체 비용 감소 및 전체 시스템 성능의 향상으로 구동의 비용을 감소시킨다.

일부 발전 예에서, M상 권선 집합으로부터의 AC 전압은 예컨대 M상 수동 브리지 정류기 또는 제어된 스위칭 요소를 갖는 능동 제어 전력 전자 컨버터일 수 있는 대응하는 스위치 매트릭스에 의해 정류된다. 동작의 발전 모드에서, 각 스위치 매트릭스로부터 정류된 출력 신호는 공통 전압 버스로의 연결을 위해 병렬, 직렬 또는 그 조합으로 정렬될 수 있다. 일부 실시예에서, 전기 기계는 영구자석 회전자를 가질 수 있고, 이 기계는 회전 기계 또는 선형 기계로서 구성될 수 있다.

임의의 실시예는 하나 이상의 이점을 제공할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예는 실질적으로 감소된 전력 손실을 가질 수 있는 다이오드 브리지와 같은 수동 정류기를 포함할 수 있다. 각 스위치 매트릭스 및 각 권선에 의해 처리되는 평균 전류는 실질적으로 감소될 수 있고, 예컨대 필요한 장치 정격을 더 낮출 수 있다. 또한, 일부 실시예는 다수의 장치에서의 전력 손실의 개선된 분산을 제공할 수 있다. 이러한 감소된 정격은 예컨대 더 낮은 비용의 사용, 더 폭넓게 이용가능한 스위칭 장치, 감소된 열 관리 비용 (예컨대, 능동 냉각, 열 싱크 등)을 가능하게 할 수 있다. 이러한 장점은 또한 설계, 제조, 조립, 및 컴포넌트 비용의 실질적인 절감을 가져올 수 있다.

일부 발전 시스템에 대해, 간단한 수동 (예컨대, 비제어된) 저비용 정류기 장치는 실질적으로 감소된 비용, 크기, 무게 및 더 높은 신뢰도 및 효율을 포함한 장점을 얻기 위해 일부 구현예에서 사용될 수 있다. 또한, 실질적으로 감소하는 고조파 자속은 회전자에 결합할 수 있는 고조파 에너지를 감소시킴으로써 전기 기계의 회전자에서의 전력 손실을 감소시킬 수 있다. 다양한 실시예에서, AC 기계 모듈 배치 및 구조는 고속 고전력 AC 구동 설계를 비슷하거나 더 저렴한 비용으로 단순화시킬 수 있고, 예컨대 여분의 구현예의 비용을 감소시킴으로써 개선된 신뢰도를 제공할 수 있다.

다른 특징 및 이점은 상세한 설명 및 도면 및 청구범위로부터 명백해질 것이다. 다양한 실시예들의 세부사항은 첨부 도면 및 아래의 상세한 설명에서 설명된다.

도 1A-1B는 바람직한 전력 스테이지의 개략적인 도면이다.

도 2는 토크를 고속 부하에 공급하기 위한 전동 모드에서 동작하는 바람직한 전력 스테이지의 개략적인 도면이다.

도 3은 전기 기계에서 고정자 권선 구성에 대한 도면이다.

도 4는 전동 모드에서의 동작을 도시하는 전압 및 전류 파형도이다.

도 5는 발전 모드에서 동작하는 전력 스테이지의 개략적인 도면이다.

도 6은 발전 모드에서의 동작을 도시하는 전압 및 전류 파형도이다.

도 7A-7B는 선전류에 대한 공극 (air gap)에서의 자속 밀도를 도시한 도면이다.

도 8은 서로 다른 권선 구성의 허브 손실을 도시한 도면이다.

도 9는 선박 대전 시스템의 네트워크를 도시한다.

도 10은 서로 다른 무변압기 전기 네트워크 토폴로지의 전류 파형도이다.

도 11은 발전 및 전동 토폴로지를 갖는 시스템을 도시한다.

도 1A-1B는 기계 에너지를 전기 에너지로 (예컨대, 고전력 DC 발전) 또는 전기 에너지를 기계 에너지로 (예컨대, 고속 전동 애플리케이션) 변환할 수 있는 시스템을 도시한다. 도 1A에 도시된 바와 같이, 시스템(100)은 N개의 스위치 매트릭스 뱅크(105a-105n), 전기 기계(110), 및 전압 버스(115)를 포함한다. 스위치 매트릭스(105a-105n) 각각은 전동을 위한 M상 인버터, 및/또는 발전을 위한 M상 다이오드 브리지를 포함할 수 있다. 스위치 매트릭스(105a-105n) 각각은 포트(120a-120n)를 각각 포함하고, 각 포트(120a-120n)는 전기 기계(110) 상의 N개의 대응하는 고정자 권선 집합 중 하나에 연결하기 위한 일집합의 단자 (도시되지 않음)를 포함한다. 일부 실시예에서, 하나 이상의 포트(120a-120n)는 기계내 권선 집합의 권선들과 연관된 중립점에 연결하기 위한 하나 이상의 단자를 포함할 수 있다 (예컨대, 개방 델타형 권선을 위해). 각 스위치 매트릭스(105a-105n)는 포트(125a-125n)를 각각 포함하고, 각 포트(125a-125n)는 전압 버스(115)에 연결하기 위한 단자 쌍을 포함한다.

기계(110)는 N개의 권선 집합을 갖는 고정자 (도시되지 않음)를 포함한다. 예컨대, 전기 기계(110)는 선형 기계를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 전기 기계(110)는 회전 기계를 포함할 수 있다. 다양한 애플리케이션에서, 이 시스템(100)은 발전기로서 동작할 때 기계 에너지를 수신하여 전기 에너지를 출력할 수 있고, 및/또는 모터로서 동작할 때 전기 에너지를 수신하여 기계 에너지를 출력할 수 있다.

다양한 실시예에서, 기계(110)에서 N개의 권선 집합은 시스템(100)의 동작 동안에 다수의 고정자 전류 고조파가 실질적으로 감소되도록 각각 서로에 대해 위상시프트된다. 실질적으로 감소되는 고조파의 수는 각 권선 집합에서 상의 수인 M 및 권선 집합의 수인 N의 함수이다.

일부 예에서 (예컨대, 두개의 권선층), 임의의 고정자 구성에 대해 가능한 다상 (M) 권선 집합 (N)의 수는 다음에 의해 계산될 수 있다:

N = # 고정자 슬롯 / (M, 극의 #)

다양한 실시예들은 권선 집합의 수 (예컨대, 극당 코일 수)에 기초하여 실질적으로 고조파를 감소하거나 소거시킬 수 있다. 일실시예에서, 48 슬롯 고정자는 예컨대 N=2 또는 N=4를 사용할 수 있다. 다양한 예들이 극당 다양한 코일 수, 권선층, 상 수, 고정자 슬롯 등을 가질 수 있다. 권선 집합 수 (N)의 함수로서 실질적으로 감소 또는 소거되지 않는 제1 고조파 성분은 3상 (M=3) 시스템에 대해 (6N +/- 1)일 수 있다. 상 수 (M) 및 권선 집합 수 (N)의 함수로서, 위상 시프트는 pi/(M*N)이다.

N개의 권선 집합 각각은 포트(120a-120n) 중 대응하는 하나에 연결된다. 기계(110) 내에서, 권선 집합 각각은 다른 권선으로부터 전기적으로 절연된다. 전동할 때, 에너지는 전압 버스(115)로부터 각 권선 집합으로 대응하는 스위치 매트릭스(105a-105n)를 통해 별개로 공급된다. 발전(generating)할 때, 에너지는 대응하는 스위치 매트릭스(105a-105n)를 통해 각 권선 집합으로부터 전압 버스(115)로 개 별적으로 공급된다.

다양한 구현예에서, 버스(115) 상의 전압은 실질적으로 단극일 수 있다. 전압 버스(115)는 각 포트(125a-125n)의 양 단자에 연결되는 양 레일 (예컨대, 노드) 및 각 포트(125a-125n)의 음 단자에 연결되는 음 레일 (예컨대, 노드)을 포함한다. 전압 버스(115)는 스위치 매트릭스(105a-105n)로부터 DC 전압을 수신한다. 일부 구현예에서, 스위치 매트릭스(105a-105n)는 전압 버스(115) 상의 단극 전압을 인버트시킬 수 있다. 예컨대, 각 스위치 매트릭스(105a-105n)는 M상 인버터를 이용하여 전압을 인버트시킬 수 있다.

임의의 구현예에서, 스위치 매트릭스(105a-105n)는 AC 파형을 공급하여 기계(110) 내 대응하는 M상 권선들 각각을 구동하기 위해 인버트된 전압을 이용한다. 스위치 매트릭스(105a-105n)는 예컨대 제어된 전류, 전압, 토크, 속도 및/또는 위치를 제공하도록 조정될 수 있다. 스위치 매트릭스 내 스위치들은 일부 예에서 기계에 공급되는 기본 전기 주파수에서 또는 그 부근에서, 또는 실질적으로 기본 주파수 보다 큰 주파수에서 동작될 수 있다. 스위치 매트릭스내 스위치들을 제어하는 기술은 벡터 제어, 자속 기준 (field-oriented) 제어, 위상 제어, 피크 전류 제어, 평균 전류 제어, 및/또는 펄스폭 변조, 또는 상기 또는 다른 기술의 조합을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.

일부 시스템에서, 스위칭 주파수는 출력 기본 주파수, 선전류에서 필요한 고조파 레벨, 부하 임피던스, 반도체 장치의 종류, 및 사용되는 구동 토폴로지와 같은 요인에 기초할 수 있다. 일반적으로, 스위칭 손실은 예컨대 스위칭 주파수에 직접 관련될 수 있다. 최대 접합 온도 또는 안전한 동작 영역은 일반적으로 제조자의 데이터 시트에 특정될 수 있다.

고속 애플리케이션 (예컨대, 8000rpm 이상)에서 고전력 (예컨대, 1 megawatt 이상)을 공급하는 것은 AC 기계 및 연관된 구동 전자장치의 설계에서 다양한 실제적인 문제를 제시할 수 있다. 이러한 시스템을 설계할 때, 한가지 문제는 고정자 고조파 전류와 연관된 손실이 관련된다. 예컨대, 고정자 고조파 전류는 고정자 코어에서 별도의 동손 및 철손을 야기할 수 있다. 일부 예에서, 고정자 고조파 전류는 회전자로 결합되는 공극(air gap) 자계로 고조파 성분을 주입할 수 있어서, 회전자에서 손실이 증가한다. 시스템(100)은 권선 집합의 수 (n) 및 각 권선 집합에서의 상의 수 (m)에 관련된 위상 시프트를 이용함으로써 고조파 전류를 경감시킨다. 일예에서, 시스템(100)은 고조파 전류에서의 고조파 성분을 최대 (6n +/- 1) 성분까지 감소시킨다 (예컨대, n=4인 경우, 고조파 전류의 제1 고조파 성분은 23번째 및 25번째 성분일 것이다).

따라서, 전압 버스(115)에서의 전압 리플 주파수는 (6Nf_max)일 수 있고, 여기서 f_max는 전기 기계의 최대 출력 주파수이다. 일반적으로, f_max는 고속 기계에 대해서 킬로헤르쯔 범위이다. 일부 예에서, 전압 버스(115)의 품질은 고주파수 스위칭 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (insulated gate bipolar transistors: IGBTs)를 사용하지 않고서 또는 실질적으로 감소된 필터링으로 개선된다.

구동 및 기계는 시스템으로서 간주될 수 있다. 설계 기준은 일반적으로 기 계와 구동을 함께 매칭하는 것을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 구동 비용은 실제 기계를 초과할 수 있고 따라서 AC 구동 또는 전력 전자장치에 기초하여 전체 시스템을 최적화하는 것이 가장 비용효과가 높은 접근법일 수 있다.

일부 실시예에서, 스위치 매트릭스(105a-105n)는 전압 버스(115)에 인터페이스하기 위해 직렬 및/또는 병렬 조합으로 연결될 수 있다. 도 1B에 도시된 바와 같이, 시스템(150)은 병렬 스위치 매트릭스 쌍들의 직렬 조합으로서 연결되도록 스위치 매트릭스(105a-105n)를 포함한다. 예컨대, 스위치 매트릭스(105a)는 스위치 매트릭스(105b)와 직렬 연결되고, 스위치 매트릭스(105n-1)는 스위치 매트릭스(105n)와 직렬 연결된다. 이 예에서, 직렬 연결된 스위치 매트릭스(105a-105n) 그룹들은 전압 버스(115)와 인터페이스하기 위해 병렬 연결된다.

도 2는 고속 부하(205)에 토크를 공급하기 위해 전동 모드로 동작하는 전력 스테이지(200)를 도시한 도면이다. 예컨대, 전력 스테이지(200)는 원심형 압축기 구동기, 일체형 밀폐식 압축기 구동기, 고속 블로어, 및/또는 터보 컴포넌트용 테스트 베드에 전력을 공급하기 위해 이용될 수 있다. 일예에서, 전력 스테이지(200)는 N=4인 공간 시프트된 (space-shifted) 분상 모터 및 구동 시스템을 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 전력 스테이지(200)는 4개의 권선 집합(215a, 215b, 215c, 215d)을 포함한다. 각 권선 (215a-d)은 인접한 권선으로부터 15°위상차를 갖도록 구성된다. 일부 구현예에서, 전력 스테이지(200)는 공통 DC 노드(230)로부터 공급하는 2-레벨 구동기를 포함할 수 있다.

도시된 예에서, 전기 기계(110)는 비동기 또는 동기 기계 (예컨대, 영구자석 동기 기계)일 수 있다. 이 기계의 고정자는 상의 총 수가 3*N인 공간 시프트된 분상 권선을 포함할 수 있고, 여기서 N은 독립, 중선선 절연 방식, 3상 권선 집합의 수이다. 임의의 구현예에서, N은 고정자에서의 슬롯의 수, 회전자 극의 수, 및 필요한 고조파 소거의 양에 기초하여 선택될 수 있다. 인접한 3상 권선들 사이에 (π/3N) 전기 위상차가 있을 수 있다. 유사한 고정자 구조 및 권선 배치 요건이 전동 및 발전 애플리케이션을 위해 적용될 수 있다.

상기 예에서, 3상 권선 집합(215a-d)은 3상 인버터 스위치 매트릭스(225a, 225b, 225c, 225d)에 의해 각각 공급될 수 있다. 발전 애플리케이션에서, 3상 권선 집합(215a-d)은 AC-DC 컨버터 스위치 매트릭스(225a-d)에 각각 공급할 수 있다. 일부 예에서, AC-DC 컨버터 각각은 6펄스 다이오드 브리지일 수 있다. N개의 인버터 셀은 입력에서 병렬로 연결될 수 있고 주요 DC 링크로부터 공급될 수 있다. 다른 실시예에서, 각 인버터 셀은 개별 DC 링크를 가질 수 있어서, N개의 별개의 DC 링크가 생긴다. 다른 구현예에서, 각 인버터 셀은 3상 수동 또는 능동 정류기를 통해 고립 3상 전원으로부터 공급받는 영 전압 벡터 주입을 이용하는 n-레벨 DC-AC 컨버터를 포함할 수 있다. 정류기, DC 링크부 및 n-레벨 컨버터는 상기 N개의 인버터 셀 중 하나를 나타낼 수 있다.

일예에서, 인버터 셀의 스위칭은 공급되고 있는 대응하는 고정자 권선과 동기될 수 있다. 각 인버터 셀의 기본 출력 파형은 인접한 인버터 셀로부터 (π/3N) 위상 시프트될 수 있다. 고정자 권선의 배치 때문에, 일부 고조파는 실질적으로 감소되거나 소거될 수 있다. 일부 예에서, 각 인버터 셀은 출력 기본 주파수 또는 이에 매우 가까운 주파수에서 스위칭할 수 있고, 모터 전류에서 고조파의 레벨을 실질적으로 감소시킬 수 있다.

일부 실시예는 하나 이상의 이점을 가질 수 있다. 예컨대, 일부 시스템은 표준 AC 컨버터 토폴로지 및 냉각 방법을 이용할 때 더 높은 기본 주파수 때문에 기계의 감소된 중량과 부피를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 반도체 장치와 같은 AC 구동 컴포넌트의 출력 능력은 선전류에서 낮은 고조파 왜곡을 유지하면서 낮은 스위칭 주파수를 이용하여 증가될 수 있다. 최적화된 고정자 크기는 더 높은 주파수 PWM 인버터 동작 또는 단 하나의 3상 다이오드 브리지의 사용과 연관될 수 있는 스위칭 고조파 손실을 취급하기 위한 감소된 요건에 기초하여 얻어질 수 있다. 회전자로의 고조파 결합/가열은 실질적으로 감소될 수 있다. 전력 컨버터에 대한 모듈 설계는 일부 실시예에서 실질적인 장애 허용오차를 제공할 수 있고, 이것은 리던던시(redundancy)의 개선 및 이용가능성의 향상을 가져올 수 있다. 고정자 권선 절연에 대한 스트레스가 감소될 수 있고, 및/또는 권선의 절연 전압 레벨은 코일당 턴 수 및 극당 코일 수에 서로 다른 연결을 함으로써 감소될 수 있다. 일부 실시예는 일반적으로 높은 시스템 효율과 낮은 총 비용을 달성할 수 있다. 일부 실시예는 PWM 제어 기술을 필요로 하지 않을 수 있고, 및/또는 무기어(gear-less) 고속 AC 컨버터 시스템을 제공할 수 있다.

도 3은 전기 기계(110)의 고정자-권선 구성(300)을 도시한다. 일부 예에서, 권선 구성(300)은 48슬롯/4극 고정자에서 사용될 수 있다. 도시된 구성에서, 구성(300)은 수직선으로 표시된 바와 같이 48개의 슬롯을 포함한다. 대응하는 슬롯 과 연관된 일부 슬롯 번호는 숫자가 수직선에 있는 대로 제시된다.

일부 실시예에서, 고정자 구성(300)은 N개의 슬롯을 별개로 분리할 수 있다. 일예에서, 고정자는 N개의 슬롯에 의해 분리된 일련의 치아(tooth) 구조를 포함한다. 예컨대, N개의 상은 고정자 구성(300)의 N개의 슬롯 (A1, A2, A3,..., AN)에 삽입될 수 있다. 고정자 구성(300)은 N개 집합의 3상 권선을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 각 권선 집합은 고정자에서 전체 피치에서 감기는 단일 턴 코일을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 각 권선 집합은 고정자에서 전체 피치에서 감기는 다수 턴 코일을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 슬롯 개구부 규격은 실질적으로 동일할 수 있다. 예컨대, 치아 폭은 실질적으로 동일할 수 있다. 다른 실시예에서, 고정자 구성(300)은, 권선이 실질적으로 고정자 코어 재료로 형성될 때처럼, 치아없는 고정자 설계 (예컨대, 환상체 (toroidal) 권선)를 포함할 수 있다.

도시된 예에서, 구성(300)은 극당 4개의 슬롯을 포함한다. 일예에서, 고정자 구성(300)은 각 극에서 동일 갯수의 슬롯을 포함할 수 있다. 예컨대, 고정자의 각 극은 12개의 슬롯을 포함할 수 있다. 구성(300)은 각 극의 12개의 슬롯을 별개로 분리한다. 예컨대, 3개의 상 (m=3)은 고정자의 12개의 슬롯에 삽입될 수 있다. 그 결과, 고정자는 4개의 집합의 3상 권선 (예컨대, n=4)을 갖도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 권선은 각 슬롯이 오직 한 상을 포함하도록 분산될 수 있다. 도시된 예에서, 권선 1 (A1)의 상 A는 슬롯 1, 13, 25, 37을 점유하고, 권선 2 (A2)의 상 A는 슬롯 2, 14, 26, 38을 점유한다.

몇개의 예가 특정 갯수의 슬롯, 상, 턴, 극 등을 갖는 것으로 설명되었지만, 이러한 예들은 예시일 뿐이고 제한하는 것이 아니며, 다른 구성이 구상될 수 있다.

일부 예에서, 구성(300)은 고정자 철 및 고정자와 회전자 사이의 공극에서 고조파를 실질적으로 경감할 수 있다. 예컨대, 구성(300)은 철손 및 토크 리플 관점에서 발전기에서 상 전류에서 제5 및 제7 고조파 성분의 영향을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 도시된 예에서, 공극 자속에서 제1 비소거 고조파 성분은 (6N±1)에 있을 수 있다. 일부 실시예에서, 기계에서 제1 비소거 고조파 자속 성분은 2*M*(N±1)에 있을 수 있다.

도 4는 전동 모드에서의 동작을 도시하는 파형도(400, 430, 460)이다. 일부 예에서, 인접한 3상 권선으로부터 위상 시프트된 고조파가 고정자의 코어에서 합산될 때 실질적인 고조파 감소가 일어날 수 있다. 도시된 예에서, 고조파 성분 중 일부는 실질적으로 효과적으로 소거되어, 약 0.5%의 개략적인 전고조파 왜곡율 (total harmonic distortion: THD)이 생긴다. 직류 및 직교(quadrature) 전류 (iq 및 id)에 대한 파형도 도시되어 있다. 최대 전력 동작에서 동작하는 영구자석 동기 AC 모터의 경우에 N=4, id=0.0에 대한 유효 전류 파형이 도시된다. 동기 d축 및 q축 전류 파형은 PWM 동작없이 실질적으로 낮은 리플 함유량을 갖는다.

일부 구현예는 AC 구동에서 간단한 최소 PWM 동작을 허용하면서 고조파 주입을 실질적으로 피할 수 있다. 예컨대, 이것은 (π/3N) 만큼 전기적으로 위상 시프트된 전류 파형 중 N개를 이용하여 일부 구현예에서 달성될 수 있는데, 여기서 N은 3상 권선의 설정 갯수이다. 각 권선은 실질적으로 전체 블록에서 또는 매우 낮은 펄스폭 변조 주파수에서 동작하고 고조파 전류를 주입하는 컨버터에 의해 구동될 수 있다.

(π/3N) (여기서, N은 3상 권선의 설정 갯수) 만큼 전기적으로 위상시프트된 전류 파형 중 N개를 이용함으로써, 고조파 전류는 실질적으로 경감될 수 있다. 이 위상시프트의 효과는 도 6에 도시되는데, 여기서 고조파 성분은 최대 (6N±1) 성분까지 소거된다. N=4인 경우, 제1 고조파 성분은 23번째 및 25번째일 것이다. 이로써, 고정자로 주입되는 유효 전류 파형은 일반적인 정류기 3상 브리지 파형보다 훨씬 더 낮은 THD 값을 가질 수 있다.

주요 DC 링크 (예컨대, 전압 버스(115)) 상의 전압 리플 주파수는 (6*N*f_max) (여기서, f_max는 발전기의 최대 출력 주파수)일 수 있고, 이것은 보통 고속 기계에 대해 수 킬로헤르쯔 범위에 있을 것이다. 일부 예에서, 구성(300)은 DC 링크의 전송 품질을 개선할 수 있다.

도 5는 고속 고전력 발전 시스템 (HSHPGS)(500)을 도시한다. HSHPGS(500)는 발전 모드에서 동작하는 전력 스테이지(510)를 포함한다. 전력 스테이지(510)는 고속 원동기(505) 및 N=4인 공간 시프트된 분상 권선 고정자(505)를 포함한다. 일예에서, 고정자(515)는 도 3을 참조하여 설명된 권선 구성을 포함할 수 있다. 일예에서, 고정자(515)는 원동기(505)의 기계 에너지를 전기 에너지로 처리할 수 있다. 고정자(515)는 전력 처리 스테이지(520)에 결합된다. 전력 처리 스테이지(520)는 고정자(515)로부터 전력을 수신할 수 있고 전기 에너지를 전력 처리 스 테이지(520)에 연결된 전기 장치에 분배할 수 있다.

임의의 구현예에서, 원동기(505)는 고정자(515)와 갭에 의해 분리될 수 있다. 이 갭은 액체 또는 기체 또는 그 조합으로 채워질 수 있다. 일예에서, 회전자와 고정자 사이의 갭은 부분적으로 또는 실질적으로 공기, 메탄, 질소, 수소, 기름, 또는 상기 또는 액체나 기체상태의 다른 적절한 재료의 조합으로 채워질 수 있다.

도시된 예에서, 전력 처리 스테이지(520)는 스위치 매트릭스(525a, 525b, 525c, 525d)를 포함한다. 각 스위치 매트릭스(525a, 525b, 525c, 525d)는 고정자(515)의 권선 집합들 중 하나에 연결된다. 전력 처리 스테이지(515)는 두개의 주요 DC 링크(530, 535)를 포함한다. DC 링크(530, 535)는 스위치 매트릭스(525a-d)의 출력 포트들 중 하나에 결합된다. 도시된 바와 같이, 스위치 매트릭스는 DC 링크(530, 535)에 병렬 연결된다. 동작시, 스위치 매트릭스(525a-d)는 고정자(515)로부터 AC 전력을 수신할 수 있고 DC 전력을 DC 링크(530, 535)로 출력할 수 있다. 임의의 구현예에서, 전력 신호의 주파수는 전력 스테이지(515)로부터 전력 처리 스테이지(520)로 감소될 수 있다.

DC 링크(530, 535)는 DC 전력을 DC 분배 시스템(540)에 공급한다. 도시된 예에서, DC 분배 시스템(540)은 다수의 DC-AC 컨버터(545a-545n) 및 다수의 DC-DC 컨버터(550a-550n)를 포함한다. 일부 실시예에서, DC-AC 컨버터(545a-545n)는 DC 링크(530, 535)로부터의 DC 전력을 AC 전력으로 변환하여 다양한 AC 장치를 지원할 수 있다. 이 예에서, 각 DC-AC 컨버터(545a-545n)는 대응하는 AC 필터(555a-555n) 에 결합된다. 도시된 바와 같이, AC 필터(555a-555n)는 480V 내지 690V의 실효전압을 갖는 50Hz 또는 60Hz의 AC 전력과 같은 3상 AC 전력 출력을 공급할 수 있다. DC-DC 컨버터(545a-545n)는 스텝업 컨버터 또는 스텝다운 컨버터를 포함할 수 있다. 일부 예에서, DC-DC 컨버터(545a-545n)는 DC 링크(535, 540)에서 DC 전력을 이용하는 DC 애플리케이션에 전력을 공급할 수 있다.

일부 구현예에서, 전력 처리 스테이지(520)는 필터, 브리지 정류기, 및/또는 다른 전력 조절 컴포넌트를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 스위치 매트릭스(525a-d)는 능동 스위치 매트릭스일 수 있다. DC 전력을 생성하거나 DC 전력을 이용하여 전동하는 시스템의 바람직한 실시예들이 2006년 10월 27일에 Ahmad 등에 의해 출원된 발명의 명칭이 "에너지 변환 시스템"인 미국 가출원 60/863,233, 및 2006년 11월 8일에 Ahmad 등에 의해 출원된 발명의 명칭이 "에너지 변환 시스템"인 미국 가출원 60/864,882에 설명되어 있다. 예시의 목적으로, 상기 문서들의 상세한 설명 및 대응 도면에 대한 개시가 참조로 여기 병합된다. 임의의 특정 특징이 상기 병합된 개시서에서 중요하거나 필요하다고 설명된 한도에서, 이러한 특징부여는 그 문서를 참조하고 여기 개시된 모든 실시예들에 적용되는 것이 아님은 물론이다.

임의의 구현예에서, 고속 영구자석 (PM) 동기 발전기는 축방향 또는 원주방향 갭 PM 발전기와 같은 회전자 구조에 기초하여 분류될 수 있다. 예컨대, 원주방향 갭 PM 발전기는 회전자 역학에 기초하여 고전력 정격에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 원주방향 PM 발전기는 표면 실장 또는 내장형 자석 발전기로 분류 될 수 있다. 표면 실장 PM 발전기는 내장형 자석 기반 발전기 보다 더 비용경제적이고 제조가 간단하다. 일부 예에서, 표면 실장 PM 발전기는 필요한 억제를 제공하기 위해 슬리브(sleeve)를 이용하고 고체 회전자 코어 또는 허브(hub)는 원주방향의 강도의 증가를 제공할 수 있다. 높은 회전 속도에서 자석 단편들을 잡아두기 위해 서로 다른 슬리브 구조가 사용될 수 있다. 예컨대, 일부 슬리브나 막은 고강도의 니켈 합금 및/또는 복합 탄소 섬유 재료를 포함할 수 있다.

고속 슬리브형 (예컨대, 표면 실장) PM 발전기는 더 큰 자기 갭을 통해 균등한 양의 자속을 강제로 밀어넣기 위해 필요한 자석 두께의 증가 및 슬리브 두께 때문에 슬리브가 없는 PM 발전기 보다 더 큰 자기 공극(air-gap)을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 자기 갭이 더 크면 단락 조건에서 자기제거 보호에 더 유리할 수 있다.

자기 베어링을 이용함으로써, 발전기는 윤활유없는 시스템의 혜택을 얻을 수 있다. 일부 예에서, 자기 베어링은 임의 종류의 기계 베어링 보다 더 적은 손실로 더 고속에서 동작할 수 있다. 고속 PM 발전기를 이용하여, 발전 시스템은 동일 전력 정격의 종래 장치 보다 더 감소된 시스템 무게, 더 높은 동작 효율, 더 감소된 유지비, 및 더 작은 엔벌로프(envelope)로 구성될 수 있다.

고속 발전기에서 손실을 줄이기 위해, 시스템(100) 및 시스템(500)은 예컨대 기계의 공극에서 고조파 소거를 달성함으로써 기계 손실을 최소로 유지하면서 N개의 수동 3상 정류기로의 접속을 허용하는 N개 집합의 전절 (full pitch), 3상, 공간 시프트된, 분상 권선을 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 비교적 얇은 저손실 실리콘 강은 고주파 동작에서 손실을 억제하기 위해 사용될 수 있다. 유한 요소 분석 (finite element analysis: FEA) 기술 및 공개된 폐쇄형 (closed-form) 분석법을 이용하여, 와전류에 기인한 회전자 손실은 시간 단계 (time-stepping) 회전 격자 솔버 (rotating-grid solver)를 이용하여 예측될 수 있다. 일부 경우, 자석들의 축 분할 및 인접 자석들 사이 또는 자석과 축 사이의 전기적 절연을 고려하지 않고서 2차원 분석으로 해답이 얻어질 수 있다.

일예에서, 유한 요소 분석 툴은, 시간종속 변수, 탄소 섬유 장력, 및 권선 공급 속도로서, 회전자 온도의 영향을 포함하여, PEEK (polyetheretherketone) 매트릭스에서 탄소 섬유를 갖는 회전자의 권선 프로세스를 재현하기 위해 사용될 수 있다. 제조 허용오차에 따른 노드별 회전자의 기하학적 구조의 임의 생성은 시스템 모델을 제공할 수 있다.

모델을 실행함으로써 발견되는 정적 응력은 동작 동안 회전자에서의 동적 응력을 모델링하기 위해 응력 분석 툴에 입력될 수 있다. 회전자는, 예컨대 다양한 온도에서의 과속 조건 뿐만 아니라 다양한 온도에서의 명목 동작 속도를 포함하여, 다수의 동작 조건에 대해 모델링될 수 있다.

일예에서, FEA 회전자 역학 소프트웨어 패키지는 발전기의 자유 고유 주파수 및 모드 형태를 분석하기 위해 사용될 수 있다. 이 툴의 해결책 접근법은 노드들을 생성하기 위해 정의된 영역의 질량 및 관성을 일괄하는 것이다. 이 노드들은 무질량(mass-less) 빔에 의해 연결된다. 자기 베어링은 가변 강도 및 감쇠를 갖는 동적 지지로서 모델링된다. 이 발전기에서 사용된 자기 베어링은 두개의 원주방향의 지지 베어링으로 구성되는데, 하나는 축의 양단에 그리고 결합된 단에 있는 별개의 능동 스러스트(thrust) 베어링은 임의의 축 부하를 보상한다. 발전기 크기에 적절한 커플링이 캔티레버식 추로서 선택되어 모델링될 수 있다.

일예에서, 전체 회전자 무게는 2000 lbs 이상일 수 있고 베어링 폭은 약 62 인치일 수 있다. 회전자는 발전기의 최대 동작 속도에 가까운 제1 포워드 벤딩 모드를 가질 수 있다. 일부 예에서, 축 보강이 회전자에 가해져서 21,029 rpm의 제1 포워드 벤딩 모드로 되고, 이것은 18,000 rpm의 허용된 발전기 과속도 보다 17% 더 높다.

손실 내역 (loss breakdown)이 상기 전자(electromagnetic) 모델링 툴에 의해 주어질 수 있다. 일괄된 파라미터 모델은 코일 절연 및 탄소 섬유 당 40℃ 환경에서 150℃의 최대 온도를 유지하기 위해 필요한 올바른 질량 흐름을 결정하기 위해 회전자, 고정자, 및 냉각 재킷을 포함한 발전기 기하학적 배열을 모델링하도록 사용된다.

고정자 백 아이언 (stator back iron)에 대한 프레스 핏 (press fit)을 가진 별개의 알루미늄 냉각 재킷은 물/글리콜 냉각 흐름을 통해 열을 배출한다. 커튼 공기 (curtain-air) 흐름은 단부 턴 (end turn)으로부터 열을 배출하고, 공기는 중간 스택을 통해 강제 입력되고 발전기의 양측에서 단부 턴 하우징을 통해 존재한다. 이 공기는 공극 및 고정자의 치아 팁을 냉각시기키 위해 필요하다.

바람직한 일실시예에서, 스케일 다운된 100kW 모터-발전기 연속 시스템이 구 성될 수 있다. 일예에서, 발전기의 고정자는 제안된 다중 공간 시프트된 분리 3상 권선 구조로 구성될 수 있다. 일예에서, 모터의 제2 고정자는 종래의 단절 권선 (fractional pitch winding) (N=1)으로 만들어질 수 있다. 일부 실시예에서, 고정자들은 24개의 슬롯을 가질 수 있고 2극 PM 인캐널(incanel) 기반 금속 슬리브 회전자를 이용할 수 있다. 인접한 슬롯들 사이의 전기적 위상 시프트는 15°이고, 이것은 시뮬레이트된 48 슬롯, 4극 경우와 동등할 수 있다.

일부 실시예에서, 발전기의 고정자는 4개 세트의 3상 권선으로 구성된다. 각 권선 집합은 예컨대 6개의 슬롯을 점유하는 3상 단일 슬롯 전절 (full-pitch) 권선을 포함할 수 있다. 예컨대, 각 권선 집합은 500Hz, 400V 및 25kW로 규정될 수 있다. 다른 실시예에서, M=4 및 N=5 이다.

일부 구현예에서, 고정자는 분상 권선 구조 및 단절 고정자에 대해 비교적 긴 단부 턴을 이용하여 구성될 수 있다. 차이는 예컨대 0.5 인치 미만일 수 있다. 예컨대, 각 3상 권선 집합은 3상 다이오드 리지 정류기에 공급할 수 있고, 각각은 저 유도성 용량성 dc 링크를 갖는다. 4개의 정류기의 출력은 직접 또는 네트워크 정렬로 함께 결합되어 하나의 공통 DC 버스를 형성하고 DC 부하 뱅크에 연결된다. 일부 실시예에서, 고정자는 슬롯 백 아이언 (slot back iron) 및 치아 팁 (tooth tip)과 같은 서로 다른 위치에서 온도가 측정되고 기록되도록 몇개의 열전쌍 (thermocouples)를 구비할 수 있다.

도 7A-7B는 공극에서의 총 동기 프레임 자속밀도 및 선전류에 대한 그래프를 도시한다. 도 7A에 도시된 바와 같이, 그래프(700, 720)는 단절 코일을 갖는 N=1 인 권선 구성을 이용하여 얻어진다. 그래프(700)는 단절 코일을 갖는 N=1인 경우에 대한 슬롯 전류 시간 변화의 영향을 포함한 공극에서의 순 자속밀도를 도시한다. 도 7B에 도시된 바와 같이, 그래프(740, 780)는 전절 코일을 갖는 N=4인 권선 구성을 이용하여 얻어진다. 그래프(740)는 슬롯 전류 시간 변화의 영향을 포함한 공극에서의 순 자속밀도를 도시한다.

그래프(720) 및 그래프(760)는 각각 곡선(725, 765)을 도시한다. 곡선(725, 765)의 두께는 회전자가 보는 자속 리플 및 결과적으로 슬리브, 자석 및 허브에서의 회전자 손실을 나타낸다. 일부 예에서, 높은 자속 리플은 자석 및 허브에서의 더 큰 와전류 손실을 유도할 수 있다. 도시된 바와 같이, 자속 리플은 그래프(760)에서 N=4의 경우에 실질적으로 감소될 수 있다.

도 8은 서로 다른 권선 구성의 허브 손실에 대한 그래프(800, 850)를 도시한다. 그래프(800)는 서로 다른 권선 구성에서의 허브 손실을 도시한다. 이 예에서, N=1 단절 (fractional pitch) 구성, N=1 전절 (full pitch) 구성, N=2 전절 구성, 및 N=4 전절 구성에 대한 권선 구성이 도시된다. 100% 손실이 기준선 값으로서 N=1 단절 구성에 대해 설정된다. 이 예에서, N=1 전절 구성, N=2 전절 구성, 및 N=4 전절 구성에서의 허브 손실은 각각 100.4%, 7%, 및 2% 이다. 따라서, 2 이상의 다수의 권선을 갖는 전절 권선 구성은 실질적으로 허브 손실을 감소시킬 수 있다.

그래프(850)는 서로 다른 권선 구성에서의 피크-투-피크 (peak-to-peak) 토크 리플을 도시한다. 이 예에서, N=1 단절 구성, N=1 전절 구성, N=2 전절 구성, 및 N=4 전절 구성에 대한 권선 구성이 도시된다. 100% 손실이 기준선 값으로서 N=1 단절 구성에 대해 설정된다. 이 예에서, N=1 전절 구성, N=2 전절 구성, 및 N=4 전절 구성에서의 허브 손실은 각각 121%, 7%, 및 2% 이다. 따라서, 2 이상의 다수의 권선을 갖는 전절 권선 구성은 실질적으로 토크 리플을 감소시킬 수 있다.

도 9는 온 보드 (on-board) 애플리케이션에 대한 구역 DC 분배 네트워크(900)를 도시한다. 네트워크(900)는 세 구역(905, 910, 915)을 포함한다. 예컨대, 각 구역(905, 910, 915)은 배의 별개의 영역일 수 있다.

일부 실시예에서, 네트워크(900)는 예컨대 배의 좌현 및 우현에서 두개의 추진 모터(930, 935)에 전력공급하는 두개의 고속 주 발전기(920, 925)를 포함한다. 또한, 발전기(920, 925)는 배 서비스 부하(940a, 940b, 940c)에 전력을 공급할 수 있다. 네트워크(900)는 백업 HS 발전기 시스템(945)을 포함한다.

일부 실시예에서, 유사한 구현예가 근해 플랫폼 및 공중 운송 수단에 대해 이루어질 수 있다. 일부 실시예에서, 발전기(920, 925)는 두개의 개별적인 8MW, 15,000rpm, 48 슬롯 고정자 및 4극 회전자 PM 동기 발전기일 수 있다. 각 발전기(920, 925)는 예컨대 두개의 주요 가스터빈에 결합될 수 있다. 일부 예에서, 고정자는, 도 3을 참조하여 도시된 바와 같이, 공간 시프트된 분상 권선 정렬로 감길 수 있다. 일부 실시예에서, 각 M상 권선 집합은 수동 M상 정류기 브리지에 전력공급할 수 있다. 예컨대, 브리지의 출력은 병렬 연결되고 공통 전압 버스(950)에 공급하고 있다.

임의의 구현예에서, 배 서비스 부하(940a-c)는 네트워크(900)의 나머지와의 접지 전류 인터랙션 제한 및 절연을 제공하도록 각 독립 구역(905, 910, 915)으로부터 강압 변압기 및 정현(sinusoidal) 필터를 통해 공급될 수 있다. 일부 예에서, 부하(940a-c)는 장애시 다른 구역으로부터 공급될 수도 있다. 백업 발전기 시스템(950)은 예컨대 N=4에 대해 구성되고 15,000rpm으로 동작하는 1MW의 발전기와 같은 유사한 토폴로지로 사용될 수 있다.

도시된 예에서, 전기적 네트워크(900)는 PM 발전기 유닛에서 N=4를 갖는 온 보드 애플리케이션을 포함할 수 있다. 각 발전기(920, 925, 945)는 정류기 브리지(955, 960, 965)를 각각 포함한다. 일부 실시예에서, 정류기 브리지(955, 960, 965)는 기계의 높은 기본 주파수 (500Hz)를 취급하기 위해 고속 복구 다이오드 (fast recovery diode)를 포함할 수 있다. 예컨대, 각 정류기 브리지(955, 960, 965)의 전력 정격은 N으로 나눈 정격 전력일 수 있다. 일부 실시예에서, 정류기 브리지(955, 960, 965)는 공기 냉각 또는 액체 냉각될 수 있고 발전기 하우징에 패키징될 수 있다. 일부 구현예에서, 발전기 패키지는 통합 보호, 스위치 기어 및 DC 인터페이스 버스 바를 가진 소형 중간 전압 DC 발전기를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 네트워크(900)는 전체 시스템에 대한 최소 성능저하로 결함 구역을 격리하도록 보호 장치를 포함할 수 있다.

네트워크(900)는 배에 대해 DC 전력을 분배한다. 도시된 바와 같이, 공통 전압 버스(950)는 고리 형상이다. 공통 전압 버스(950)는 스위치 모듈(970a, 970b, 970c, 970d, 970e, 970f)을 이용하여 구역(905, 910, 915)에 따라 나눠질 수 있다. 일예에서, 스위치(970a-f)는 네트워크(900)가 격리된 구역을 추가 및/또는 제거함으로써 재구성될 수 있도록 각 구역(905, 910, 915)를 전기적으로 절연시킬 수 있다. 일부 예에서, 격리된 구역(905, 910, 915)은 시스템 리던던시 및 유연성을 제공할 수 있다. 예컨대, 구역(905, 910, 915) 중 하나 이상에서 장애시, 모터(930, 935) 및 부하(940a-c)에 대한 전력이 다른 구역으로부터 공급될 수 있다. 다양한 실시예에서, 스위치 모듈(970a-f)은 단방향 또는 양방향 반도체 스위치, 고체상태 릴레이 등일 수 있다. 스위치 모듈(970a-f)을 이용하여, 네트워크(900)는 발전기(920, 925, 945)에서의 하나 이상의 권선 집합을 대응하는 처리 모듈로부터 분리시키거나 및/또는 하나 이상의 처리 모듈을 전압 버스(950)로부터 분리시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 네트워크(900)는 오프(off) 조건에서 연관된 권선을 실질적으로 유지할 수 있는 한편, 나머지 권선 집합 및 모듈은 능동적으로 제어되는 스위치 매트릭스를 이용하여 계속 동작하여 제어 신호를 스위칭한다. 일예에서, N번째 권선 집합에서 권선 고장의 경우, 시스템은 N-1 권선 집합과 대응하는 N-1 처리 모듈로 동작할 수 있다. 일부 경우에, 전기 기계는 과부하 조건에서 동작될 수 있다. 다른 예에서, 처리 스테이지의 N번째에서 고장시 (예컨대, 전자장치에서 개방 또는 단락 회로에 기인하여), 하나 이상의 스위치 모듈(970a-f)은 기계에서 연관된 권선으로부터 및/또는 전압 버스로부터 고장 모듈을 분리하도록 개방될 수 있다.

일부 예에서, 네트워크(900)는, 회전자로의 최소 고조파 결합/가열과 함께, 수동 정류기 선전류 파형을 가지면서 고조파 손실을 감소시킬 수 있다. 일부 구현예에서, 발전기(920, 925 및/또는 945)는 고속 능동 정류기가 비용, 크기 및/또는 무게를 줄일 필요성을 실질적으로 감소 또는 제거할 수 있다. 예컨대, 무게 감소 는 능동에서 수동 정류기로 갈 때 90% 이상일 수 있다. 또한, 부하 컨버터 상에서 AC-DC PEBB (power electronic building block)를 제거함으로써 (DC 분배가 사용되기 때문에), AC 추진 구동기에 대한 무게/크기의 평균 30% 내지 40% 추가 감소가 얻어질 수 있다. 일예에서, 발전기(920, 925, 또는 945) 중 하나 이상은 높이가 대략 28", 길이가 대략 53", 무게가 대략 1865lbs, 전력 밀도가 대략 2.37 kW/kg 또는 3770 kW/m³을 가질 수 있다.

수동 정류기를 이용하여, 높은 시스템 신뢰성/존속성 및 더 낮은 운전 비용을 달성할 수 있다. 일부 예에서, 더 높은 시스템 효율이 수동 정류기를 사용하여 달성될 수 있다. 일예에서, 능동 정류기에 대비해서 수동 정류기를 사용하여 대략 2% 더 높은 효율이 달성될 수 있다. 일부 예에서, 시스템 효율은 더 나은 전체적인 연료 효율을 가져올 수 있다.

일부 실시예에서, 발전기(920, 925, 945)는 부하 포인트 컨버터에서 제어된 출력을 유지하면서 더 넓은 원동기 속도 범위를 가질 수 있다. 상기한 바와 같이, 네트워크(900)는 리던던시 (N개의 정류기) 때문에 고장 허용 시스템일 수 있다. 오버 레이팅 (over rating)을 통해서, 네트워크(900)는 예컨대 더 높은 시스템 이용가능성 (N+1)으로 될 수 있다. 구역 발전, 분배, 및 지능형 전력 시스템 관리를 가짐으로써, 네트워크(900)가 성능저하된 섹션의 자동 바이패스를 가능하게 하는 방식으로 설계될 수 있으므로 단일 포인트 고장은 시스템 성능에 제한적인 부정적 영향을 미칠 수 있다.

도시된 예에서, 발전기(920, 925, 945)는 무변압기(transformer-less) 전기적 네트워크 토폴로지를 이용하여 병렬 동작을 가질 수 있다. 일부 예에서, 발전기(920, 925, 945)는 선택적으로 IPT (inter-phase transformer)를 포함할 수 있다. 도 10은 IPT 포함/불포함한 역기전력 (EMF) 파형의 서로 다른 경우에 대한 DC 전류의 그래프(1000, 1020, 1040, 1080)를 도시한다. 그래프(1000)는 IPT를 이용하는 시스템에 대한 R 부하에 대한 총 부하 전류 및 개별 브리지 DC 전류를 도시한다. 그래프(1020)는 IPT 및 정현 역기전력 없는 시스템에 대한 R 부하에 대한 총 부하 전류 및 개별 브리지 DC 전류를 도시한다. 그래프(1040)는 IPT 및 실제 역기전력 없는 시스템에 대한 R 부하에 대한 총 부하 전류 및 개별 브리지 DC 전류를 도시한다. 그래프(1080)는 IPT 없이 정현 역기전력, IPT와 함께 정현 역기전력, 및 IPT 없이 실제 역기전력에 대한 선전류를 도시한다.

전력 밀도를 개선하기 위해, 각 권선 집합의 중립점들이 서로 절연되기 때문에 발전기(920, 925, 945)는 절연 변압기를 포함하지 않을 수 있다. 네트워크(900)는 발전기들(920, 925, 945) 사이에서 최소 중립점 전압 시프팅을 갖는 단순화된 접지 방식을 포함할 수 있다. 단순화된 접지 방식을 이용하여, 네트워크(900)는 특별한 제어 또는 필터링 방식을 감소시킬 수 있다.

일부 구현예에서, 네트워크(900)는 전압 버스(950)에서의 전압 제어 및 부하 공유를 지시하기 위해 발전기(920, 925, 945)로 마스터-슬레이브 명령을 발할 수 있는 프로세서와 인터페이스될 수 있다. 다른 구현예에서, 전압 버스(950)에서의 전압 제어 및 부하 공유는 각 부하 포인트 컨버터에서 전압 드룹(droop) 제어를 가 짐으로써 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 발전기(920, 925, 945)의 동작 주파수 범위는 12kHz일 수 있다. 일부 예에서, DC 링크의 품질은 고주파수 스위칭 IGBT 또는 임의의 필터링 컴포넌트에 대한 필요성 없이 개선될 수 있다.

도 11은 발전 및 전동이 가능한 시스템(1100)을 도시한다. 이 시스템(1100)은 발전 스테이지(1105), 전력 처리 스테이지(1110), 및 전동 스테이지(1115)를 포함한다.

발전 스테이지(1105)는 AC 전력을 발전하기 위해 발전기(1120)를 포함한다. 발전기(1120)는 슬롯에 의해 분리된 일련의 치아 구조를 갖는 고정자를 포함할 수 있다. 도시된 예에서, 발전 스테이지(1105)는 4개의 권선 집합(1125a, 1125b, 1125c, 1125d)을 포함한다. 권선(1125a-d)은 고정자의 슬롯에서 실질적으로 대칭되게 정렬될 수 있다. 권선(1125a-d)은 M개의 상을 포함할 수 있다. 이 예에서, 각 권선(1125a-d)은 3개의 상을 포함한다. 다른 예에서, M은 2, 3, 4, 8 또는 2 이상의 다른 수일 수 있다. 예로서, 이에 한정되지 않고, 각 권선(1125a-d)은 인접한 권선들로부터 15°위상차를 가질 수 있다. 일부 예에서, 권선(1125a-d)의 정렬은 동작 동안에 제1 주파수 범위 내에서 자속의 고조파 함유량을 실질적으로 감소시킬 수 있다.

전력 처리 스테이지(1110)는 발전기측 정류기 브리지(1130a, 1130b, 1130c, 1130d), 커패시터(1135a, 1135b, 1135c, 1135d) 및 모터측 인버터(1140a, 1140b, 1140c, 1140d)를 포함한다. 이 예에서, 각 발전기측 정류기 브리지(1130a-d)는 발전기 스테이지(1105)로부터 AC 전력을 수신하기 위해 대응하는 권선 집합(1125a-d) 에 결합된다. 각 발전기측 정류기 브리지(1130a-d)는 3개의 입력 포트를 포함한다. 다른 예에서, 정류기 브리지(1130a-d)는 M개의 입력 포트를 포함할 수 있는데, 여기서 M은 대응하는 권선들 각각에서 상의 수이다. 정류기 브리지(1130a-d)는 수신된 AC 전력을 실질적으로 출력을 위한 DC 전력으로 변환할 수 있다. 각 정류기 브리지(1130a-d)는 두개의 출력 포트를 포함한다. 출력 포트를 통해, 각 정류기 브리지(1130a-d)는 대응하는 커패시터(1135a-d)에 연결될 수 있다.

각 커패시터(1135a-d)는 대응하는 모터측 인버터(1140a-d)에 결합된다. 모터측 인버터(1140a-d)는 전압 버스로부터 DC 전력을 수신하고 전동 스테이지(1115)로 AC 전력을 출력할 수 있다. 이 예에서, 커패시터(1135a-d)는 전력 신호에서 원치않는 주파수 성분을 필터링하는 필터 요소를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 필터 요소 (예컨대, 공통 모드 초크)가 사용될 수도 있다.

도시된 구현예에서, 발전기측 정류기 브리지(1130a-d) 및 모터측 인버터(1140a-d)는 병렬로 연결된다. 다른 구현예에서, 발전기측 정류기 브리지(1130a-d)와 모터측 인버터(1140a-d)를 연결하기 위해 직렬 및 병렬 연결의 다른 조합이 사용될 수 있다. 예컨대, 정류기 브리지(1130a-d) 및 인버터(1140a-d)는 두개의 그룹으로 공통 전압 버스에 연결될 수 있고, 여기서 각 그룹은 도 1B를 참조하여 설명된 바와 같이 병렬로 연결된다.

일예로서, 정류기 브리지(1130a-b)는 직렬로 연결될 수 있고 정류기 브리지(1130c-d)는 직렬로 연결될 수 있다. 일부 예에서, 정류기 브리지(1130a-b) 그룹의 출력은 커패시터(1135a-b)에 연결될 수 있다. 일부 예에서, 정류기 브리 지(1130c-d) 그룹의 출력은 커패시터(1135c-d)에 연결될 수 있다. 일부 예에서, 둘 이상의 정류기 브리지(1130a-d) 및/또는 인버터(1140a-d)는 예컨대 공통 전압 버스를 공유할 수 있다.

전동 스테이지(1115)는 인버터(1140a-d)로부터 AC 전력을 수신한다. 도시된 예에서, 전동 스테이지(1115)는 4개의 권선 집합(1150a, 1150b, 1150c, 1150d)을 포함한다. 각 권선(1150a-d)은 대응하는 인버터(1140a-d)로부터 AC 전력을 수신할 수 있다. 전동 스테이지(1115)는 모터(1155)를 포함한다. 일부 예에서, 모터(1155)는 권선(1150a-d)으로부터 전력을 수신하고 기계적 동력을 출력할 수 있다.

일부 구현예에서, 고속 고전력 애플리케이션은 전력 전자장치에 상당한 요건을 가질 수 있고, 이로 인해 전체 시스템 비용이 크게 증가할 수 있다. 일반적으로, 구동 비용은 기계 비용 보다 훨씬 더 높을 수 있다. 일부 구현예에서, 시스템(1100)과 같은 시스템에 대한 전기 분배 플랫폼 설계자는 구동 최적화 및 구동 능력에 대한 기계 파라미터의 매칭에 중점을 둘 수 있다.

일부 예에서, 시스템(1100)의 정렬은 단상 또는 N 집합의 다상 (예컨대, 5상) 고정자 권선에 공급하는 N개의 다중 모듈을 매칭할 수 있다. 일부 예에서, 서로 다른 고정자 권선 정렬은 전류 및 전압 요건에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 구현예에서, 시스템(1100)은 독립형 고속 기계 및 구동 패키지를 포함할 수 있다. 예컨대, 발전기(1120) 또는 모터(1155)는 전력 처리 스테이지(1110)를 수정하지 않고서 독립적으로 대체될 수 있다. 일부 예에서, 시스템(1100)은 비용경제적인 고 속 고전력 해법일 수 있다.

모듈 접근법을 이용하여 더 높은 시스템 전력 정격을 달성하기 위해 구동 해법의 일부 예가 고속 고전력 해법에 적용될 수 있다. 더 높은 속도를 얻기 위해, 일부 실시예에서, 전력 전자장치는 기계 상전류에서 더 높은 THD 값으로 동작할 수 있다 (예컨대, 더 낮은 스위칭 주파수를 허용함으로써).

일부 실시예에서, 고속 발전 애플리케이션을 위한 시스템은 고속 교류발전기를 포함할 수 있다. 예컨대, 이 애플리케이션은 가스 터빈 구동 발전, 대형 디젤 선상 엔진을 위한 배기 복구 애플리케이션용 터보 익스팬더 (turbo expander), 및 폐열 및 폐증기 복구 애플리케이션용 터보 익스팬더를 포함할 수 있다.

임의의 구현예에서, 바람직한 온 보드 전력 시스템은 고속 AC 영구자석 (PM) 발전기에 직접 결합된 가스 또는 증기 터빈과 같은 고속 원동기를 포함할 수 있다. 일예에서, 발전기의 고정자는 3상 권선 집합 (N)을 포함한다. 각 3상 권선 집합은 3상 6펄스 다이오드 브리지에 공급할 수 있다. 다른 예에서, 발전기의 고정자는 (N)개 집합의 (M)상 권선을 포함한다. 각 M상 권선 집합은 M상 2*M 펄스 다이오드 브리지에 전력공급할 수 있다. 모든 N개의 다이오드 브리지의 출력은 예컨대 병렬로 연결될 수 있고 주요 DC 링크 (예컨대, 전압 버스)에 전력공급할 수 있다. 다양한 예에서, DC 링크는 독립 전원으로서 또는 분산 발전 시스템의 일부로서 필요한 출력 전압을 발전할 수 있는 하나 이상의 DC/AC 및/또는 DC-DC 컨버터에 공급할 수 있다.

일부 실시예는 크기 및/또는 무게가 적절한 발전 시스템 (예컨대, 선상 발전 시스템 및 열 복구 시스템)을 선택할 때 중요한 역할을 하는 것과 같은 다양한 애플리케이션에서 하나 이상의 이점을 가질 수 있다.

구동 시스템의 바람직한 실시예가 2006년 11월 8일에 Raed 등에 의해 출원된 발명의 명칭이 "에너지 변환 시스템"인 미국출원 60/864,882에 설명되어 있다. 예시의 목적상, 미국출원 60/864,882에서 상세한 설명 및 대응 도면들의 개시가 여기 참조로 병합된다. 임의의 특징이 병합된 개시서에서 중요하거나 필요한 것으로 기술된 한에는, 이러한 특징부여는 그 문서를 참조하는 것이며 여기 개시된 모든 실시예에 적용되는 것이 아님은 물론이다.

다양한 예가 도면을 참조하여 설명되었지만, 더 많은 실시예들이 가능하다. 예컨대, 일부 실시예는 고정자에서 치아 및/또는 슬롯 폭을 수정함으로써 적용될 수 있다. 이러한 폭을 변경하는 것은 예컨대 고정자 고조파 소거를 개선할 수 있는 권선 코일들 사이에서 추가적인 위상 시프트 (예컨대, ±△θ)를 제공할 수 있다. 중첩 (예컨대, 셰이딩(shading)) 절연, 배선 배치 (예컨대, 저항, 인덕턴스, 권선간 커패시턴스 등 관련)는 예컨대 치아없는 고정자 구성을 이용한 실시예에서 고정자 고조파 전류 소거를 이용하거나 개선하도록 조정될 수 있다.

일부 실시예는 N개의 권선 집합을 포함할 수 있고, 각 권선 집합은 M개의 상을 갖는다. 예컨대, N은 2 이상 (예컨대, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 15, 18, 20, 21, 24,..., 50 이상)일 수 있다. 일예에서, N은 극당 코일 수일 수 있다. 다른 예에서, N은 극당 코일 수보다 작을 수 있다 (예컨대, 절반). 일부 예에서, M은 3 이상 (예컨대, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 15, 18, 20, 21, 24,..., 50 이 상)일 수 있다. 다른 예에서, M은 2 또는 1일 수 있다. 임의의 구현예에서, 권선은 전절 (full-pitch)일 수 있다. 일부 다른 구현예에서, 하나 이상의 권선은 실질적으로 단절 (fractional pitch)을 가질 수 있다. 임의의 구현예에서, 전기 기계는 정수개의 상당 극당 슬롯수 (slots-per-pole-per-phase) 또는 비정수개의 상당 극당 슬롯수를 포함할 수 있다.

일부 실시예는 능동적으로 제어되는 전력 전자 스위치 (예컨대, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터 (insulated gate bipolar transistors: IGBTs)를 포함할 수 있다. 다른 실시예는 수동 전력 전자 스위치 (예컨대, 다이오드)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 스위치 매트릭스 (예컨대, 스위치 매트릭스(105a-105n))는 직렬 연결될 수 있다. 일부 예에서, 하나 이상의 스위치 매트릭스의 출력은 별개의 부하에 전력공급할 수 있다. 일부 구현예에서, N개의 권선 집합을 갖는 단일 전기 기계는 발전 모드에서 동작을 위해 최대 N개 (예컨대, N, N-1, N-2 등) 스위치 매트릭스 (예컨대, 수동 또는 능동 제어)에 연결될 수 있고, 또한 전동 모드에서 동작을 위해 최대 N개 (예컨대, N, N-1, N-2 등) 스위치 매트릭스 (예컨대, 능동 제어)에 연결될 수 있다. 다양한 예에서, 발전 모드에서의 동작을 위한 스위치 매트릭스의 수는 전동 모드에서의 동작을 위한 스위치 매트릭스의 수와 동일할 필요는 없다. 일부 예에서, 하나 이상의 능동 제어 스위치 매트릭스는 전동 모드 및 발전 모드에서 단일의 전기 기계를 지원할 수 있다.

일부 구현예에서, 발전 또는 전동 시스템 (예컨대 시스템(100) 또는 시스템(150))은 기계(110)와 스위치 매트릭스(105a-105n) 사이에 수동 필터 요소를 포 함할 수 있다. 예컨대, 시스템(100)은 스위치 매트릭스(105a-105n) 다음에 수동 필터 요소를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 시스템(150)은 기계(110)와 스위치 매트릭스(105a-105n) 사이에서 능동 필터 요소를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 시스템(100)은 또한 스위치 매트릭스(105a-105n) 다음에 능동 필터 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 필터 요소는 공통 접속점을 가질 수 있다. 다양한 구현예에서, 능동 필터 요소는 IPT를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 고정자 권선은 이중 계층 권선 또는 단일 계층 권선을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 고정자 코일의 일부는 고정자의 일단에서 종료될 수 있고 나머지 코일은 고정자의 반대단에서 종료된다.

일부 실시예에서, 발전 시스템 (예컨대, 시스템(500))은 다중의 (N) 다상 (M상) 권선 집합을 갖는 고정자 및 각 다상 권선 집합에 대한 전력 전자 스위치 매트릭스를 갖는 선형 전기 기계를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 발전 시스템 (예컨대, 시스템(500))은 다중의 (N) 다상 (M상) 권선 집합을 갖는 고정자, 다중 펄스 변압기, 및 각 다상 권선 집합에 대한 전력 전자 스위치 매트릭스를 갖는 회전 전기 기계를 포함할 수 있다. 일부 예에서, 다중 펄스 변압기는 전동 애플리케이션에서 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 발전 시스템 (예컨대, 시스템(500))은 다중의 (N) 다상 (M상) 권선 집합을 갖는 고정자, 다중 펄스 변압기, 및 각 다상 권선 집합에 대한 전력 전자 스위치 매트릭스를 갖는 선형 전기 기계를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 공극 자속 고조파 소거는 예컨대 동기, 유도, 권선형 회전자, 자기저항, 영구자석을 포함하여 다양한 종류의 기계 설계에 적용될 수 있다.

일부 실시예는 구동 반도체 장치를 실질적으로 낮은 스위칭 주파수 (예컨대, 다이오드 브리지의 경우 기본 주파수)에서 스위칭함으로써 고속 기계에서 고정자 고조파 전류와 연관된 손실을 실질적으로 제어할 수 있다. 이 장치에서의 스위칭 손실은 모터 및 전력 전자장치 온도를 해결하도록 증가된 열 관리를 요구할 수 있다. 이것은 예컨대 시스템 온도를 줄일 수 있고 따라서 수명이 증가하거나 또는 단순히 시스템으로부터 더 많은 전력 용량을 허용하여, 예컨대 반도체, 버스 바, 및/또는 케이블과 같은 구동 시스템 컴포넌트로부터 열을 제거하는 냉각 메커니즘의 필요성을 줄이거나 제거할 수 있다. 고전력 및 중간 내지 고전압 애플리케이션에 적용되는 바와 같이, 감소된 스위칭 주파수는 일반적으로 AC 구동 장치의 반복적인 스위칭을 견디도록 감소된 절연 정격을 포함한다. 기본 (또는 기본에 근접한) 스위칭 주파수는 또한 인접 시스템에 악영향을 미칠 수 있는 전도된 및/또는 방사된 전자파 간섭 (Electro Magnetic Interference: EMI) 방출을 감소시킬 수 있다. 상기 및 다른 문제는 구동 통합 및 패키징을 단순화시킬 수 있다.

일부 내구성이 강한 애플리케이션 (예컨대, 해양)에서, 시스템은 일반적으로 고장방지 (fault tolerant)될 필요가 있다. 일부 접근법은 온라인이지만 어떤 부하도 공유하지 않는 콜드 스탠드바이 (cold standby) 유닛이나 핫 러닝 (hot running) 모듈을 포함하거나 또는 각각이 (총 부하 + X%)/N로 규정된 부하를 공유하는 N개의 유닛을 포함할 것이다. 이것은 구동 또는 기계 상의 고장시에도 연속적인 동작 (가능하다면 X 값에 기초한 정격감소(de-rating) 없이)을 허용한다.

기계(110)가 예컨대 터빈과 같은 고속 원동기에 결합된 일부 애플리케이션에서, 버스(115) 상의 전압은 원동기에서 속도 조절기에 의해 제어될 수 있다.

일부 애플리케이션에서, 전압 버스 회로는 다수의 다양한 부하 및/또는 소스를 포함할 수 있다. 전압 버스(115)는 예컨대 배, 항공기, 또는 DC 유틸리티 그리드 (예컨대, 무변압기 시스템)를 이용하는 다른 환경에서 분산된 부하를 공급하기 위해 DC 전달을 제공할 수 있다. 이 부하는 스위치 모드 및/또는 선형 부하, DC-AC 부하 (예컨대, 추진 또는 견인 시스템), DC 모터, 조명, 난방 또는 상기 또는 다른 부하의 조합을 포함할 수 있지만 이에 한정되는 것은 아니다.

AC 발전기와 조합하여 공간 시프트 분상 N 고정자 권선의 사용은 AC를 DC 전압으로 변환하기 위한 간단한 다이오드 브리지의 사용을 허용하고, 더 많은 손실을 기계에 추가하거나 기계를 과열시키지 않고서 고속의, 고가의, 부피가 큰, 고 손실 능동 정류 시스템에 대한 필요성을 피한다.

수동 정류가 능동 정류 보다 비용이 덜 들 수 있지만, 일반적인 수동 정류기를 이용하면 전류 파형은 시간-조화 성분, 즉, 기본 주파수의 제5, 제7 및 더 고위차수의 주파수에 의해 왜곡될 수 있다. 전류 파형 왜곡은 기계에서 추가적인 손실을 만들 수 있고, 이것은 이 시스템의 전력 및/또는 속도 능력을 제한할 수 있다.

일반적인 능동 정류기에서, 스위칭 장치는 일반적으로 기계가 더 빨리 회전하면 더 높은 주파수로 스위칭한다. 그러나, 장치들이 더 빨리 스위칭하면, 스위칭 손실이 증가할 수 있고, 이로 인해 스위칭 장치에서 상당한 열 소실이 일어날 수 있다. 또한, 스위칭 손실은 장치의 동작 전력에 비례한다. 따라서, 구동에서 의 스위칭 손실은 전체 시스템에 대한 속도 및/또는 전력 능력을 결정할 수 있다.

수동 정류기에서의 스위칭 손실 및 도전 손실은 일반적으로 능동 정류기에서의 대응하는 손실 보다 더 적다. 이것은 수동 정류기의 선전류에 존재하는 별도의 고조파가 별도의 손실을 일으키지 않고서 필터링되면 전체 시스템 효율을 향상시킨다.

일부 발전 애플리케이션은 서로 위상시프트된 다중 3상 권선 시스템, 일반적으로 30도 위상시프트된 두개의 3상 권선 집합을 이용하여 공극 자속 분포에서 고조파 소거를 달성한다.

다중 3상 권선 발전기는 보통 독립 중성점을 갖는 정현적으로 분산된 다상 권선 집합을 포함한다. 일부 권선은 WYE, 델타, 스타, 또는 다른 적절한 구성으로 정렬될 수 있다. 각 권선 집합은 가변 피치 요인을 갖는 상당 극당 다수의 코일 정렬로 구성된다.

더 고속의 기계는 일반적으로 감소된 크기와 무게를 갖는다. 이것은 더 높은 전력 밀도를 만들고 결과적으로 더 어려운 열 관리 문제를 일으킨다. 스위칭 장치와 유사하게, 이 기계는 크기가 너무 커질 수 있거나 열 관리 시스템이 이 기계가 과열되지 못하게 보호하도록 개선될 수 있다. 그러나, 능동 재료의 고유한 감소는 기계를 너무 크게 하는 비용 또는 기계에 대한 더 효과적인 열 관리 시스템을 구현하는 비용을 상쇄시킨다.

고속 기계와 달리, 개선된 열 관리 방안의 비용을 상쇄하기 위한 전력 전자장치의 크기나 정격의 감소는 없고, 고속 동작과 연관된 손실을 처리하기 위한 전 력 전자장치에서의 크기 및 정격의 증가가 있다. 이때문에 고주파수 정류를 포함하고 다시 일반 선 주파수로 인버팅할 때, 전력 전자장치는 기계에 비해 대략 두세배 정도 비용이 더 든다. 전력 전자장치의 최적화 및 단순화는, 증가된 기계 비용에 대해 균형을 맞출 때, 예컨대 소유의 전체 비용을 실질적으로 감소시킬 수 있다. 예컨대, 전류 파형 왜곡의 감소는 전력 전자장치에서의 손실 및/또는 전기 기계에서의 손실을 감소시킬 수 있다. 또한, 단순화 및 감소된 컴포넌트 수는 예상되는 FIT (Failure In Time) 비율과 연관된 전체적인 시스템 신뢰도를 개선할 수 있다.

일반적으로, 일부 실시예는 고속 원동기, 전기기계 유닛 (예컨대, 고속 영구자석 기계), 및 N개의 3상 수동 정류기 브리지에 전력공급하는 하나의 3상 일차 권선 및 다수의 3상 이차 권선을 갖는 고주파수 (예컨대, 실질적으로 120Hz 기본 주파수 이상) 다상 (6N) 변압기와 함께 사용하기 위한 시스템을 포함한다. 본 실시예는 능동 정류 시스템 또는 기계 고정자 권선에 대한 어떤 수정의 필요성 없이 수동 정류기를 사용하면서 기계의 공극 자속에서 낮은 차수의 고조파 소거를 달성할 수 있다.

고속, 고전력밀도, 높은 극수 시스템 구성에 대한 바람직한 토폴로지는 구동 비용을 최소화하면서 냉각 기술을 포함하여 (이에 한정되는 것은 아님) 반도체에 대한 기술 제한을 해결할 수 있다. 일부 실시예에서, 냉각은 회전자와 고정자 사이의 갭에서 열 전달 유체 (예컨대, 액체, 가스 또는 그 조합)의 축 흐름을 포함할 수 있고, 및/또는 말단 턴 냉각은 열 전달 유체의 흐름을 이용한다. 예로서, 이에 한정되는 것은 아니고, 갭에서의 유체의 실질적인 부분은 메탄, 수소, 질소, 천연가스, 기름 또는 상기 및/또는 다른 유체의 조합을 포함할 수 있고, 이것은 인화성일 수도 있고 아닐 수도 있다. 예컨대, 냉각 시스템은 회전자의 일단 또는 양단에서 말단 턴을 냉각하기 위하여 공극을 통한 강제된 축상 공기 흐름과 독립 공기 커튼을 포함할 수 있다. 이러한 시스템의 예는 2007년 3월 15일에 Saban 등에 의해 공통 발명자와 함께 출원된 발명의 명칭이 "영구자석 전기 기계용 고속, 슬리브형 회전자"인 출원계속중인 미국 가출원 60/895,025에 설명되어 있고, 참조로 여기 병합되어 있다. 일부 예는 갭에서 매체로부터 회전자 및/또는 고정자 컴포넌트들을 절연시키기 위해 이들을 슬리브하기 위한 보호를 포함할 수 있다. 일예에서, 회전자 슬리브는 회전자에 부착되어 함께 회전할 수 있고 회전자의 전체 길이 또는 일부를 연장할 수 있다. 일부 예에서, 고정자 슬리브는 고정자에 부착될 수 있고 일반적으로 고정자를 완전히 절연시킬 수 있다.

일부 실시예는 고정자가 상전류에 존재하는 고조파에 대한 필터로서 작용하도록 인덕턴스, 공극, 및 권선 구성을 제어함으로써 기계 고정자를 필터로서 구성하기 위한 바람직한 토폴로지를 포함한다. 이로 인해 수동 정류기 브리지에 연결하기 전에 기계에 대한 외부 필터의 사용이 감소된다. 이 토폴로지는 상당 극당 단일 코일을 사용하는 것에 기초한 고속 AC 기계 고정자 권선 구성을 포함할 수 있다. 이러한 구성은 기계 전자 설계 동안에 전류/전압 설계 타협안에서 유연성을 확장하면서 기계에 상당한 복잡도와 비용을 추가하지 않고서 N>2 를 경제적으로 달성할 때 이점을 제공할 수 있다.

발전기에서 각각이 전용 M상 전력 전자장치 컨버터 (예컨대, 수동 다이오드 브리지)에 전력공급하는 N개의 M상 권선 집합을 갖는 실시예들은 컨버터측이나 기계측 또는 양측에서 고장시 내결함성 및 연속 동작을 제공할 수 있다. 정격 감소 (de-rating)는 개별 컨버터 블록 및 기계 권선 집합의 크기에 종속할 것이다.

감소된 크기, 무게 및 풋 프린트 (foot print)의 면에서 고속 기계 속성은 전력 전자장치 및 보조 장비측에서 매칭될 수 있다. 시스템 토폴로지는 절연 변압기, 전류 공유 리액터 또는 IPTs (Inter Phase Transformers)가 유연한 범위의 공지의 기능들을 지원하도록 포함될 수 있더라도 이들에 대한 필요성 없이 실질적으로 시스템 절연 및 리던던시를 제공한다.

다수의 실시예들이 설명되었다. 그렇지만, 다양한 수정이 이루어질 수 있음은 물론이다. 예컨대, 개시된 기술의 단계들이 다른 시퀀스로 수행되거나, 개시된 시스템에서의 컴포넌트들이 다른 방식으로 조합되거나, 이 컴포넌트들이 다른 컴포턴트들로 대체된다면, 이로운 결과가 달성될 수 있다. 따라서, 다른 구현예들이 본 명세서의 범위 내에 있다.

Claims

에너지 처리 시스템에 있어서,

표면에 실질적으로 균일하게 분포된 복수의 권선 위치를 갖는 고정자, 및

상기 복수의 권선 위치 사이에서 실질적으로 대칭으로 정렬된 복수의 코일로 형성되어 다수(N) 개의 다중(M) 상(phase) 권선 집합을 형성하도록 연결된 복수의 도체로서, 상기 각 권선에 대해, 상기 코일 각각은 전절 권선 (full pitch winding)을 형성하도록 단일 극(pole)에 걸쳐 있고, N개의 권선 집합 각각은 동작 동안에 제1 주파수 범위 내에서 자속의 고조파 함유량(harmonic content)을 실질적으로 줄이도록 서로에 대해 실질적으로 상쇄(offset)되는 복수의 도체

를 포함하는 전기 기계; 및

상기 N개의 권선 집합 각각에 대응하는 N개의 실질적으로 독립인 모듈을 포함하는 처리 스테이지로서, 상기 N개의 모듈 각각은 상기 대응하는 M개의 권선 각각에 연결하기 위한 M개의 입력 포트, 및 제1 및 제2 출력 포트를 갖고, 상기 N개의 모듈 각각에 대한 상기 제1 및 제2 출력 포트는 전압 버스의 제1 노드 및 제2 노드에 연결가능한 처리 스테이지

를 포함하는, 에너지 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 전기 기계는 선형 기계를 포함하는, 에너지 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 전기 기계는 회전 기계를 포함하는, 에너지 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 전압 버스와 전기 분배 시스템 사이에서 에너지 전달을 허용하기 위한 인터페이스를 더 포함하는, 에너지 처리 시스템.
제4항에 있어서,

상기 전기 분배 시스템은 선박(ship-borne) 전기 분배 시스템을 포함하는, 에너지 처리 시스템.
제5항에 있어서,

상기 선박 전기 분배 시스템은 DC (direct current: 직류) 분배 시스템을 포함하는, 에너지 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 모듈 각각은 필터를 포함하는, 에너지 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 모듈 각각은 브리지 정류기를 포함하는, 에너지 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 모듈 각각은 능동 스위치 매트릭스를 포함하는, 에너지 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 전압 버스는 DC 전압 버스를 포함하는, 에너지 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 고정자는 인접한 권선 위치에 있는 권선들 사이에 복수의 치아(tooth) 구조를 더 포함하고, 상기 복수의 치아 구조 각각은 실질적으로 동일한 크기를 갖는, 에너지 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 복수의 권선 위치 각각은 슬롯을 포함하고, 상기 각 슬롯은 실질적으로 동일한 폭을 갖는, 에너지 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 제1 주파수 범위는 상기 기계에서 기본 전기 주파수의 일 고조파 보다 실질적으로 더 작은 주파수들을 포함하고, 상기 기본 전기 주파수의 고조파 수는 2×M×(N-1)인, 에너지 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 전기 기계는 상기 고정자로부터 갭만큼 이격된 영구자석 회전자를 더 포함하는, 에너지 처리 시스템.
제14항에 있어서,

상기 갭은 동작 동안에 유체로 적어도 부분적으로 채워지는, 에너지 처리 시스템.
제15항에 있어서,

상기 갭 내의 상기 유체의 실질적인 부분은 인화성 유체를 포함하는, 에너지 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 N개의 모듈 각각에 대한 상기 제1 및 제2 출력 포트는 상기 전압 버스의 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 직렬로 연결되는, 에너지 처리 시스템.
제1항에 있어서,

상기 N개의 모듈 각각에 대한 상기 제1 및 제2 출력 포트는 상기 전압 버스의 상기 제1 노드와 제2 노드 사이에 병렬로 연결되는, 에너지 처리 시스템.
전기기계적 에너지 변환을 제공하는 방법에 있어서,

대응하는 복수의 슬롯에 의해 이격된 일련의 치아 구조를 갖는 고정자, 및

상기 복수의 슬롯에서 실질적으로 대칭으로 정렬된 복수의 코일로 형성되어 다수(N) 개의 다중(M) 상(phase) 권선 집합을 형성하도록 연결된 복수의 도체로서, 상기 각 권선에 대해, 상기 코일 각각은 전절 권선 (full pitch winding)을 형성하도록 단일 극(pole)에 걸쳐 있고, N개의 권선 집합 각각은 동작 동안에 제1 주파수 범위 내에서 자속의 고조파 함유량을 실질적으로 줄이도록 서로에 대해 실질적으로 상쇄(offset)되는 복수의 도체

를 포함하는 전기 기계를 제공하는 단계; 및

상기 N개의 권선 집합 각각에 대응하는 N개의 실질적으로 독립인 모듈을 포함하는 처리 스테이지로서, 상기 N개의 모듈 각각은 상기 대응하는 M개의 권선 각각에 연결하기 위한 M개의 입력 포트, 및 제1 및 제2 출력 포트를 갖고, 상기 N개의 모듈 각각에 대한 상기 제1 및 제2 출력 포트는 전압 버스의 제1 노드 및 제2 노드에 연결가능한 처리 스테이지를 이용하여 상기 전기 기계와 상기 전압 버스 사이의 에너지를 처리하는 단계

를 포함하는, 전기기계적 에너지 변환을 제공하는 방법.
제19항에 있어서,

상기 전기 기계를 제2 갯수(N2)의 다중(M) 상 권선 집합을 갖는 제2 전기 기계로 대체하는 단계를 더 포함하되, 상기 각 권선에 대해, 상기 코일 각각은 전절 권선 (full pitch winding)을 형성하도록 단일 극(pole)에 걸쳐 있고, N2개의 권선 집합 각각은 동작 동안에 제2 주파수 범위 내에서 제2 자속의 고조파 함유량을 실질적으로 줄이도록 서로에 대해 실질적으로 상쇄(offset)되는, 전기기계적 에너지 변환을 제공하는 방법.
제20항에 있어서,

상기 처리 스테이지를, 상기 대응하는 M개의 권선 각각에 연결하기 위한 M개의 입력 포트, 및 제1 및 제2 출력 포트를 갖는 N2개의 모듈을 포함하는 제2 처리 스테이지로 대체하는 단계를 더 포함하되, 상기 N2개의 모듈 각각에 대한 상기 제1 및 제2 출력 포트는 상기 전압 버스의 상기 제1 노드 및 제2 노드에 연결가능한, 전기기계적 에너지 변환을 제공하는 방법.