KR20090090996A - 동기식 전기 장치 - Google Patents

Abstract

모터구동형-휠(motorized-wheel) 모터 또는 풍력 발전소의 저속 발전기와 같이 특정하게 사용될 수 있는 동기식 저속 전기 장치가 개시된다.

상기 장치는 다상 코일 그룹을 갖는 고정자를 포함하며, 각각의 코일은 개별 톱니 상에 위치되며 이들 그룹의 코일들은 상반되게 접속된다. 각각의 코일 그룹의 코일들의 수는 3, 5, 7, ...이며 상 코일 그룹들의 수, 고정자 톱니의 수 및 회전자 극 쌍들의 수는 특정 관계식에 의해 관련된다.

Description

동기식 전기 장치{SYNCHRONOUS ELECTRIC MACHINE}

본 발명은 전기 엔지니어링, 특히 전기 장치에 관한 것으로, 자동차(vehicle)를 구동시키기 위한 모터구동형-휠(motorized-wheel) 저속 하이-토크 모터들, 풍력 발전소들(wind-driven power plant) 및 댐이없는(damless) 수력 발전소(hydroelectric power plant) 등을 위한 엘레베이터들, 자동차 시동-발동기들 및 저속 발동기들을 구동시키는 모터들에 사용될 수 있다.

3-상 발전기는 공지되어 있으며(USSR 발명자의 증명서 No.43071), 3상 발전기의 고정자는 극 쌍(pole pairs)의 3배 보다 작은 수의 톱니 및 각각의 제 2 톱니 상에 교대로 위치된 고전압 동심의 와인딩으로 구성된다. 이러한 엔지니어링 방안의 단점은 와인딩이 각각의 톱니 상에 위치되지 않고 각각의 제 2 톱니 상에 위치된다는 것이다. 결과적으로, 시간-기전력 관계는 높은 하모닉 콤포넌트들의 광범위한 스펙트럼을 제공하여 발전기의 진동-및-음향 인덱스들이 악화되고 공급선과 평행한 동작이 방지된다. 그 밖에, 고정자 극 철 및 고정자 와인딩 구리는 비적기적으로(non-optimally) 사용된다.

3상 와인딩을 갖는 고정자 및 교번-극성 극을 갖는 활성 회전자를 포함하는 동기식 모터(USSR 발명자의 증명서 SU No.1345291)가 공지되어 있으며, 동일한 상 의 고정자 와인딩 코일들은 극들 상에 위치되어, 360도 전기각만큼 이동되고 상반되게 접속된다.

동일한 상의 코일들 사이에서 360도-전기각 이동은 이러한 모터의 매우 광범위한 시간-기전력 관계의 하모닉 성분을 만들어 모터의 진동-및-음향 인덱스들을 악화시켜, 추가적인 전력 손실을 유도하고 효율성에 영향을 미친다.

본 발명의 목적은 증가된 효율성, 허용가능한 진동-및-음향 인덱스들 및 각각의 코일이 개별 톱니 상에 위치되는 고정자(전기자)의 효율적인 코일 와인딩을 특징으로 하는 동기식 전기 장치를 고안하는 것이다.

상기 목적은 상 코일 그룹들의 수(d), 고정자 톱니 수(Z) 및 회전자 극 쌍의 수(p) 간의 하기 관계식을 관찰함으로써 본 발명에 따라 얻어진다.

p/d = k (1)

여기서, k는 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5로, 양의 정수 또는 0.5씩 차가 나는 수이며,

1< Z/p <4 (2)

이 경우, Z/p≠2 이고 고정자 코일-그룹 코일들의 수 λ=3,5,7...는 3 이상인 양의 홀수이다.

식(1)에서 주어진 k가 정수인 경우, 각각의 상의 코일 그룹들의 와인딩들은 순서대로(accordantly) 접속되며, k가 0.5씩 차가 나는 정수인 경우, 각각의 상의 코일 그룹들의 와인딩들은 상반되게(oppositely) 접속된다. 이러한 관계가 관찰될 때, 각각의 코일 그룹들에서 유도되는 기전력은 기하학적으로 증가된다. 이러한 관계에서 편차가 발생하는 경우, 기전력은 차감되며, 장치의 유효 전력의 손실이 수반된다.

식(1)은 하기의 것들의 달성을 가능케 한다.

전기 장치의 발전기 동작 모드에서: 동일한 상의 모드 코일 그룹들에서 동일한 상의 전압 및 전류;

발전기 동작 모드에서: 인덕터 극들을 기준으로 동일한 상의 각각의 그룹의 코어들의 동일한 위치.

식(2)는 고정자 톱니의 수와 2가 아닌(not equal) 것으로 제공되는 회전자 극 쌍의 수 간의 관계식의 경계를 규정한다. Z=2·p인 경우, 회전자의 각각의 극의 축과 고정자의 각각의 톱니 축이 직선일 때, 고정자를 기준으로한 회전자의 위치는 매우 안정하다. 이러한 위치로부터 전기 장치를 제거하기 위해, 상당한 양의 에너지 소모가 요구된다.

동시에, 가장 최적의 방안은 상기 식을 이용하여 2에 근사하게, 특히 식(3)을 기초로 전기 장치를 만드는 것이다:

p = 4·λ·d/3 (3)

이는 가장가까운 정수로 반올림된다.

기술적 결과는 시간-기전력 관계식의 높은 하모닉 콤포넌트들의 진폭들의 실질적 감소에 있으며, 이는 높은 하모닉 콤포넌트들에 의해 야기되는 추가 전력 손실부의 감소 및 적어도 2 내지 4% 만큼 전기 장치의 효율성 증가를 유도한다.

도 1은 본 발명에 따른 동기식 전기 장치의 활성 부분의 실시예를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 동기식 전기 장치의 활성 부분의 실시예를 나타내는 도면으로, 고정자의 코일 그룹들은 직렬로 연결된다.

코어가 3-상 와인딩(2)을 보유하며 18개의 고정자 코어 톱니 개수를 가지는 전자 장치의 실시예를 나타내는 도 1을 참조하며, 여기서 A, B 및 C는 상을 나타내며 0은 중립점이며, 상은 도체(5)에 의해 평행하게 접속되는 2개의 코일 그룹들(3, 4)로 구성된다. 회전자 극의 수 p=8이며 극들은 회전자 요크(7)에 고정되는 16개의 교류-극성 영구 자석들(6)에 의해 형성된다. 회전자 요크(7)는 기계가공(machining)에 의해 고투자율(high-permeability) 구성 스틸(constructional steel)(예를 들어, 스틸(10))의 주조 또는 단조(forging)로부터 구성될 수 있다. 자화 역전 주파수들이 10 내지 15Hz 보다 낮다면, 톱니(1)를 구성하는 고정자 코어 및 요크(8)는 회전자 요크(7)처럼 구성될 수 있다. 상기 주파수의 값이 더 크다면, 고정자 코어는 전기 스틸 시트들로부터 삽입되어야 하며, 삽입 방향은 전기 장치의 회전 축과 평행하다. 고정자 코어를 제조하는 비용을 줄이기 위해, 이를 분말화된 자기적으로 연성인 물질로 예를 들면 프세싱(pressing)에 의해 제조하는 것이 가능하다.

고정자 와인딩(2)의 코일들은 코일틀들(formers) 절연 또는 고정자 코어의 각각의 톱니(1)의 톱니 절연에 따라 와인딩 와이어(예를 들면, 에나멜(enameled) 구리 와이어)로 와인딩된다. 전기(오믹) 손실을 감소시키기 위해, 코일 그룹 또는 전체 상은 연속 와이어로 와인딩될 수 있다. 와인딩(2)의 와인딩 기술을 단순화시키고 자동화시키기 위해, 고정자 코어는 조각(split)으로 구성될 수 있다, 즉, 톱니(1) 및 요크(8)는 분리되어 구성될 수 있으며, 와인딩(2)이 톱니(1) 상에 와인딩된 다음 톱니(1)는 요크(8)에 고정된다. 와인딩 작업 완료 후에, 절연의 전기 세기를 개선하고 이에 대한 신뢰성을 강화시키기 위해, 와인딩에는 바니쉬(varnish) 또는 콤파운드가 칠해진다.

최대-진폭 기전력을 얻기 위해, 그룹 코일들의 수 λ=3이어야 한다. 시간-기전력 관계식의 높은 하모닉 콤포넌트들을 제어하기 위해, λ=5 또는 7의 코일들의 수를 갖는 그룹들을 구성하는 것이 바람직하다. 코일 그룹의 인접한 코일들은 반대 극성의 회전자 극들 아래에 대부분 위치됨에 따라 대향되게 접속될 수 있다.

장치는 하기와 같이 동작한다. 각각의 영구 자석(6)의 자속(magnetic flux)은 에어 갭, 가장 근접한 고정자 톱니(1), 고정자 요크(8), 다음 고정자 톱니(1) 에어 갭 및 다음 영구 자석(6)을 통과하고 회전자 요크(7)에서 폐쇄된다. 모터 모드에서, ac 전압이 전기 장치의 고정자 와잉딩(2)의 각각의 상의 단자들에 인가되고, 와인딩을 통해 전류가 흘러 고정자의 회전 기자력이 설정된다. 전류가 흐름에 따라, 영구 자석(6)의 주요 자속을 갖는 와인딩(2)의 자속의 힘 상호작용이 이루어진다. 고정자 기자력파가 이동함에 따라, 회전자가 회전하고 극(6)의 자속은 하나의 톱니에서 다음 톱니로 이동하고, 이렇게 함으로써, 톱니 사이의 슬롯들에 위치 되는 와인딩(2)의 도체들의 정면부들(face parts)에서 기전력이 유도된다. 기전력의 값은 극들의 자속 값 및 회전자의 회전 속도와 관련된다. 회전자가 회전함에 따라, 동기식 장치는 부하(lode)에 기계 에너지를 부여한다. 발전기 모드에서, 동기식 장치의 회전자는 기계 에너지(예를 들어, 풍차돌리기(windmill))의 외부 소스에 의해 회전시 예를 들면 벨트 드라이브 풀리(pulley)에 의해 회전자에 인가되는 토크를 갖게 설정된다. 영구-자석 필드가 회전자와 함께 이동함에 따라, 이는 기전력이 유도되는 고정자-와인딩 도체들에서 차단된다. 따라서 얻어지는 전기 에너지가 부하로 전송된다.

고정자 와인딩(1)이 dc-대-dc 인버터로부터 공급될 때, 모터 모드에서 동기식 장치의 효과적 동작을 보장하도록 회전자 위치 피드백이 도입된다는 것을 주목해야 한다. 예를 들어, 터닝 방향에 가장 근접한 지자기관측망(intermagnet) 갭의 축에 가까운 코일-그룹 중심 톱니 축이 2개 상의 매 순간에 센서에 의해 3-상 와인딩에서 활성화되며, 코일 그룹의 활성화 극성은 터닝 방향 다음에 있는 자석으로 톱니가 유인되게 한다. 이러한 2개 상의 톱니는 정확히는 최대 기전력에 의해 활성화되는 톱니이다. 홀 센서가 회전자 위치 센서의 감지 부재로서 사용될 때, 이는 고정자와 고정자 측면에 있는 회전자 사이에 위치되어, 톱니의 왕관들 사이에서 주요 작동하는 에어 갭에서 직접적으로 회전자 영구 자석들과 면한다. 회전자 위치 센서를 위한 추가의 자기 시스템이 고안될 필요가 없다. 이는 하기의 것을 가능케한다:

● 추가의 자기 시스템 부재로 인해 설계가 간단해진다;

● 파워 영구 자석들의 자기장이 사용되기 때문에 사용되는 홀 센서들의 감도에 대한 요구사항이 적다 ;

● 영구-자석 필드의 트루 프론트(true front)가 작업 갭에서 연장됨에 따라 보다 정확한 상 스위칭 순간을 제공한다;

● 센서들에 대해 보다 높은 동작 안정성을 보장한다;

● 제조 및 진단시 수행되는 모니터링 동작이 간단해진다.

센서들의 이러한 위치는 전기자 반작용 필드(armature reaction field)가 개별 코일에 의해 채택되는 각각의 톱니에서 집중되게 작용하기 때문에 가능하게 구성된다. 결과적으로, 이러한 전기자 반작용 필드는 종래의 톱니 구역에서 보다 작으며 슬롯들의 슬릿 영역에 집중된다. 이는 슬릿의 축에 수직이며 홀 센서의 최소 감도 방향으로 하나의 톱니에서 인접한 톱니로 방향설정된다. 따라서, 센서는 전기자 반작용 필드에 특정하게 응답하지 않아, 신뢰성있는 동작 및 평활한 회전의 보증된 조건을 제공한다.

회전자 인덕터의 극들은 종래의 동기식 장치와 같은 여자 와인딩(excitation winding)을 포함함으로써 구성될 수 있다는 것을 주목해야 한다.

계산에 따라, 3-상 고정자 와인딩을 포함하는 전기 장치의 최적의 실행 예들이 하기에 주어진다(하기 표 참조)

	1	2	3	4
Z	18	27	30	36
λ	3	3	5	3
d	2	3	2	4
p	8	12	13	16

예 2(표 참조)에 따른 본 발명의 실시예에서, 9kg의 모터 중량에서 40N·m의 길게 전개된 스톱 토크(stop long-developed torque) 값 및 92%의 최대 효율이 얻어진다. 회전자의 최대 회전 속도는 70r/min이다.

Claims (8)

1. 동기식 저속 전기 장치로서,

   다상(polyphase) 코일 와인딩을 갖는 고정자를 포함하며,

   각각의 코일은 개별 톱니 상에 위치되며, 상 그룹의 상기 코일들은 대향되게 접속되며 회전자 인덕터의 극들은 교번-극성 영구 자석들에 의해 형성되며,

   고정자 코일-그룹 코일들의 수는 λ=3, 5, 7, ...로 양의 정수이며, 이는 3 이상이며, 상 코일 그룹들의 수(d), 고정자 톱니의 수(Z) 및 회전자 극 쌍의 수(p)는 하기 식

   1 <Z/p<4 와 관련되며,

   여기서, Z/p ≠ 2 이며,

   p/d=k 이며,

   여기서, k=1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5...로 양의 정수 또는 0.5씩 차가 나는 수이며, k가 정수일 때, 각각의 상의 코일 그룹들의 와인딩들은 순서대로(accordantly) 접속되며, k가 0.5씩 차가 나는 정수일 때, 각각의 상의 코일 그룹들의 와인딩들은 상반되게(oppositely) 접속되는, 동기식 저속 전기 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전자 인덕터 극들은 여자 와인딩(excitation winding)을 보유하는 것을 특징으로 하는 동기식 저속 전기 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 회전자 극 쌍들의 수는 정수에 가깝게 하기 식

   p = 4·λ·d/3

   이 반올림됨에 따라 설정되는 것을 특징으로 하는 동기식 저속 전기 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 고정자 상에 위치되는 홀 효과에 따른 이들의 동작에 따르는 회전자 각 위치 센서들을 포함하며, 이들의 감지 부재들은 상기 고정자를 면하는 것을 특징으로 하는 동기식 저속 전기 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 코일 그룹들은 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 동기식 저속 전기 장치.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 코일 그룹들은 병렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 동기식 저속 전기 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 회전자 인덕터는 상기 고정자를 중심으로 내부에 위치되는 것을 특징으로 하는 동기식 저속 전기 장치.
8. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 회전자 인덕터는 상기 고정자를 중심으로 외부에 위치되는 것을 특징으로 하는 동기식 저속 전기 장치.

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