KR20130051398A

KR20130051398A - 전자기 장치

Info

Publication number: KR20130051398A
Application number: KR1020120099096A
Authority: KR
Inventors: 스코트 피. 윌킨슨; 마이클 알. 헌덴
Original assignee: 해밀턴 선드스트랜드 코포레이션
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2012-09-07
Publication date: 2013-05-20
Also published as: US20130113222A1; US9300194B2; EP2592728A2; EP2592728B1; ZA201206724B; JP2013102672A; EP2592728A3; CN103107667A; RU2012137168A

Abstract

본 발명에 따르면, 전자기 장치가 제공되고, 상기 전자기 장치는 구멍을 형성하는 고정자와, 고정자 구멍 내에서 회전 가능하고 일련의 자극들을 형성하도록 외부 표면 주위에 배치되는 영구 자석 요소들을 갖는 회전자와, 파워 코일로서, 회전자 회전으로 인해 자극의 제1 부분이 각각의 파워 코일을 통과함에 따라 파워 전류를 발생하도록 구성되는, 파워 코일과, 감지 코일로서, 회전자 회전으로 인해 자극의 제2 부분이 각각의 감지 코일을 통과함에 따라 감지 전류를 발생하도록 구성되는, 감지 코일을 포함한다.

Description

전자기 장치{ELECTROMAGNETIC DEVICE}

연방 정부 연구 진술

본 특허 출원은 2010년 9월 20일의 미 육군 계약 제40096327호에 따라 발명된 주제에 관한 것이다. 미국 정부는 본 발명에 일정한 권리를 가지고 있다.

본원에서 설명되는 주제는 전자기 장치들과 기계들에 관한 것으로, 특히 발전기 또는 모터 회전자의 위치를 결정하기 위한 배열체에 관한 것이다.

가변 속도, 일정 주파수(VSCF, variable-speed, constant-frequency) 발전시스템과 같은 전력 변환 시스템에서, 통상적으로는 비-브러시형 3위상 동기식 발전기(brushless, three-phase synchronous generator)인 발전기가 원동기에 의해 공급되는 가변 속도 원동력을 가변 주파수 교류 전류(AC) 전력으로 변환시키기 위해 발전 모드에서 작동된다. 원동기는 예를 들어, 항공기의 가스 터빈 엔진일 수 있다. 몇몇의 경우에, 발전기에 의해 생성되는 가변 주파수 AC 전력은 정류기로 전송되고, 정류기에서는 상기 AC 전력이 정류되어 직류(DC) 신호로서 DC 링크를 거쳐 인버터로 제공된다. 이후, 인버터는 하나 이상의 AC 로드에 대한 로드 버스(load bus)에 걸친 공급을 위해 일정 주파수 AC 전력으로 DC 링크 상의 DC 신호를 역치시킬 수 있다.

또한, 발전기는 외부 AC 전력 소스에 의해 공급되는 전력을 원동력으로 변환시키기 위해 시동 모드에서 모터로서 작동될 수 있는데, 이러한 원동력은 이후 원동기에 제공되어, 원동기가 자가-유지 속도(self-sustaining speed)에 도달하게 한다. 예를 들면, 시동 모드에서 작동될 때, 발전기는 항공기의 가스 터빈 엔진을 시동하는데 사용될 수 있다.

발전 모드와 시동 모드 양자 모두에서 작동될 수 있는 비-브러시형 동기식 발전기의 일 형태는 영구 자석 발전기(PMG)를 포함한다. 이러한 발전기를 적절히 제어하기 위해, 발전기의 회전자의 위치와 동기식으로 정류를 시간 조절하는 것이 필요하다. 이전에, 이러한 동기화는 홀 효과 센서(Hall Effect sensor)와 같은 위치 센서를 이용하여 달성되었다. PMG의 회전자가 회전하면, 각 홀 효과 센서를 가로지르는 전압은 홀 효과 센서로부터의 출력이 회전자의 위치를 나타내도록 회전자 위치의 함수로서 영(zero)에서 최대값까지 변화한다. 이후, 홀 효과 센서로부터의 출력 신호는 정류기의 스위칭 요소들을 제어하는데 사용된다.

그러나, 이러한 위치 센서의 사용은 위치 센서 자체 및 그와 관련된 전자 장치에 있어서 상당한 비용을 수반하며, 위치 감지 장치를 설치하기 위한 추가의 와이어 및 추가의 조립 단계를 또한 초래한다. 또한, 연산 파라미터(operational parameters)가 이러한 위치 센서들의 정확도를 종종 제한한다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 전자기 장치가 제공되고, 이 전자기 장치는 구멍을 형성하는 고정자와, 고정자 구멍 내에 회전 가능하며, 일련의 자극들을 형성하도록 외부 표면 주위에 배치되는 영구 자석 요소를 갖는 회전자와, 파워 코일로서, 회전자 회전으로 인해 자극의 제1 부분이 각각의 파워 코일을 통과함에 따라 파워 전류(power current)를 발생시키도록 구성되는, 파워 코일과, 감지 코일로서, 회전자 회전으로 인해 자극의 제2 부분이 각각의 감지 코일을 통과함에 따라 감지 전류(sense current)를 발생시키도록 구성되는, 감지 코일을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 전자기 장치가 제공되며, 이 전자기 장치는 구멍을 형성하는 고정자와, 고정자 구멍 내에 회전 가능하고, 일련의 자극들을 형성하도록 외부 표면 주위에 배치되는 영구 자석 요소를 갖는 회전자와, 회전자의 제1 섹션 주위로 고정자 내에 지지 권선되는 파워 코일로서, 회전자 회전으로 인해 자극의 제1 부분이 각각의 파워 코일을 통과함에 따라 파워 전류를 생성하도록 구성되는 파워 코일과, 회전자의 제2 섹션 주위로 고정자 내에 지지 권선되는 감지 코일로서, 회전자 회전으로 인해 자극의 제2 부분이 각각의 감지 코일을 통과함에 따라 감지 전류를 생성하도록 구성되는 감지 코일을 포함한다.

본 발명의 또 하나의 양태에 따르면, 전자기 장치가 제공되며, 이 전자기 장치는 구멍을 형성하는 고정자와, 고정자 구멍 내에 회전 가능하고, 일련의 28개 자극을 형성하도록 외부 표면 주위에 배치되는 영구 자석 요소를 갖는 회전자와, 회전자의 제1 섹션 주위로 고정자 내에 지지 권선되는 파워 코일로서, 회전자 회전으로 인해 적어도 25개의 자극이 각각의 파워 코일을 통과함에 따라 파워 전류를 발생하도록 구성되는, 파워 코일과, 파워 코일로부터 자기적 및 전기적으로 결합 해제되고 회전자의 제2 섹션 주위로 고정자 내에 지지 권선되는 감지 코일을 포함하고, 상기 감지 코일은 회전자 회전으로 인해 나머지 3개의 자극 중 적어도 하나가 각각의 감지 코일을 통과함에 따라 감지 전류를 발생시키도록 구성된다.

이러한 그리고 다른 장점 및 특징들은 도면들을 참조하여 이하의 설명으로부터 더 분명하게 될 것이다.

본 발명으로 간주되는 주제는 명세서의 결론부의 청구항에 특정적으로 지시되고 직접적으로 청구된다. 본 발명의 전술한 특징 및 다른 특징과 장점들은 첨부된 도면과 함께 취해진 후속하는 상세한 설명으로부터 명백해 진다.
도 1은 실시예에 따른 전자기 장치의 축방향 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 전자기 장치의 축방향 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 도 1 및 도 2의 전자기 장치의 파워 및 감지 코일들의 배열을 도시하는 개략도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 도 1 및 도 2의 전자기 장치의 파워 및 감지 코일들을 도시하는 개략도이다.
도 5는 직류(DC) 출력을 생성하기 위한 시스템의 개략도이다.
상세한 설명은 도면을 참조한 예를 통해 장점 및 특징과 함께 본 발명의 실시예들을 설명한다.

도 1 및 도 2와 관련하여, 전자기 장치(10)가 제공된다. 전자기 장치(10)는 하우징 또는 고정자(20), 회전자(30), 파워 코일(50) 그리고 감지 코일(60)을 포함한다. 고정자(20)는 회전자(30)가 회전식으로 배치되는 구멍(21)을 형성한다. 고정자(20)는 주조되거나, 성형되거나, 기계 가공되거나 또는 슬롯(23)을 형성하도록 함께 접합되는 다중 라미네이션으로 형성될 수 있는 몸체(22)를 갖는다. 몸체(22)는 도 1에 도시된 바와 같이 단일 편(24)으로 형성될 수 있거나, 도 2에 도시된 바와 같이 다중 편(25, 26)으로 형성될 수도 있다. 각각의 경우에, 몸체(22)는 몸체(22)를 통하여 종방향으로 연장하도록 형성되는 구멍(21)을 갖는 실질적으로 원통형인 내부 형상을 가질 수 있다. 회전자(30)가 회전자(30)의 중앙 종축을 통하여 연장하는 종축(31)을 중심으로 자유롭게 회전하도록, 회전자(30)는 마찬가지로 실질적인 원통형이며 구멍(21) 내에 끼워 맞춤되는 크기를 갖는다.

회전자(30)는 구멍(21)의 원통형 내부 지향 표면과 대향하는 실질적으로 원통형인 외부 표면(32)을 갖는다. 영구 자석 요소(33)들은 하나 이상의 축 방향 위치에서 회전자(30) 주위에 그리고 이 외부 표면(32) 상에 또는 부근에 배치된다. 영구 자석 요소(33)들은 N극(341, north pole) 및 S극(342, south pole)을 포함하여 일련의 자극(34)을 형성하도록 구성 및 배열되는데, 이러한 자극들은 반복적이고 교호적이고 실질적으로 균일한 시리즈로 배열된다. 실시예들에 따르면, 28개 자극(34)이 회전자(30) 주위에 형성될 수 있다.

파워 코일(50)은 2/3 피치 및 3위상 "Y자형" 연결부(3 phase "wye" connection)로 고정자(20)의 몸체(22)의 슬롯(23) 내에 지지 권선된다. A-위상 파워 코일(501), B-위상 파워 코일(502) 및 C-위상 파워 코일(503)이 존재할 수 있는 파워 코일(50)은 따라서 회전자(30)의 제1 섹션(52) 주위에 형성되는 구역을 함께 둘러싸는 일련의 권선부(51)(즉, 3-위상 권선부들)를 형성한다. 회전자(30)가 구멍(21) 내에서 회전함에 따라, 각각의 자극(34)들은 각각의 파워 코일(50)의 각각의 권선부(51)에 접근한 후 그로부터 멀어진다. 따라서, 이 회전에 의해 생성되는 선속 장(flux field)은 각각의 파워 코일(50)에 교류 전류를 유도한다. 따라서, 파워 코일(50)은 회전자 회전으로 인해 자극(34)의 지속적으로 변화하는 제1 부분이 파워 코일(50) 각각의 권선부(51)의 각각을 통과함에 따라 교류 전류(AC)의 형태로 파워 전류를 생성하도록 구성된다.

또한, 고정자(20)는, 파워 코일(50)로부터 자기적 및 전기적으로 결합 해제되고 격리되며, 파워 코일(50)과 같이 예컨대 2/3 피치 및 델타 또는 3위상 "Y자형" 연결부(2/3 pitch and a delta or 3 phase "wye" connection)로 고정자(20)의 몸체(22)의 슬롯(23) 내에 또한 지지 권선되는 감지 코일(60)을 포함한다. A-위상 감지 코일(601), B-위상 감지 코일(603) 및 C-위상 감지 코일(602)이 존재할 수 있는 감지 코일(60)은 따라서 회전자(30)의 제2 섹션(62) 주위에 형성된 구역을 함께 둘러싸는 일련의 권선부(61)(즉, 3-위상 권선부)를 형성한다. 회전자(30)가 구멍(21) 내에서 회전함에 따라, 각각의 자극(34)은 접근한 후 각각의 감지 코일(60)의 각각의 권선부(61)에서 멀어진다. 따라서 이 회전에 의해 생성되는 선속 장은 각각의 감지 코일(60)에서 교류 전류를 유도한다. 따라서, 감지 코일(60)은 회전자 회전으로 인해 자극(34)의 지속적으로 변화하는 제2 부분이 감지 코일(60) 각각의 권선부(61)의 각각을 통과함에 따라 교류 전류(AC)의 형태로 감지 전류를 생성하도록 구성된다.

감지 코일(60)의 전류 출력을 참조하여, 감지 전류를 유도하는 하나 이상의 자극(34)들의 현재 회전 위치 및/또는 속도가 결정될 수 있다. 또한, 자극(34)이 반복적이고 교호적이고 균일한 시리즈로 배열되기 때문에, 감지 전류를 유도하는 하나 이상의 자극(34)의 현재 위치를 결정하는 것은 회전자(30) 주위의 자극(34) 각각의 현재 위치 그리고 회전자(30)의 현재 회전 위치 및/또는 속도의 효과적인 예측 방법이다. 따라서, 파워 코일(50)의 권선부(51)에 대한 자극(34)의 각각의 위치와 운동 역시 결정될 수 있어, 파워 코일(50)에 의한 AC 출력은 후술되는 바와 같이 매우 정확하고 정밀하게 정류될 수 있다. 파워 코일(50)에 의한 AC 출력을 정류하기 위한 이러한 성능은 다수의 파워 코일(50)을 회전자(30)의 제2 섹션(62)에서 대응하는 수의 감지 코일(60)로 대체함으로써 결정되는 임의의 전력 손실을 대신하는 전자기 장치(10)의 효율적 작동을 제공한다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 회전자(30)의 제1 섹션(52)은 28개 자극(34) 중 적어도 25개를 포함한다. 이러한 25개 자극(34)은 회전자(30)의 회전 동안 지속적으로 변화한다. 회전자(30)의 제2 섹션(62)은 28개 자극(34)의 나머지 3개의 자극 중 적어도 하나를 포함하는데, 이는 마찬가지로 지속적으로 변화한다. 제1 섹션(52)이 28개 자극(34)을 포함하고 제2 섹션(62)이 하나의 자극(34)을 포함하는 경우, 감지 코일(60)은 공극(70, air gap)에 의해 파워 코일(50)에서 분리될 수 있다.

도 3을 참조하여, 전자기 장치(10)의 파워 코일(50) 및 감지 코일(60)의 배열이 설명된다. 도 3에 도시된 바와 같이, A-위상 파워 코일(501)은 30°만큼 C-위상 파워 코일(503)의 권선부(51)에 지연된 일련의 권선부(51)를 형성한다. 유사하게, C-위상 파워 코일(503)의 권선부(51)는 30°만큼 B-위상 파워 코일의 권선부(51)에 지연된다. 감지 코일(60)이 파워 코일(50)과 동위상으로 배치될 수 있도록, 감지 코일(60)은 파워 코일(50)의 전기적인 그리고 극성의 대향 단부들 사이에 형성되는 상기 공극 내에 배치되지만, 이는 후술되는 바와 같이 반드시 필요한 것은 아니다. 감지 코일에 있어서, A-위상 감지 코일(601)은 30°만큼 C-위상 감지 코일(602)의 권선부(61)에 뒤처진 권선부(61)를 형성한다. 유사하게, C-위상 감지 코일(602)의 권선부(61)는 30°만큼 B-위상 감지 코일(603)의 권선부(61)에 뒤처진다.

도 4를 참조하여, 전자기 장치(10)의 감지 코일(60) 및 파워 코일(50)의 대안적 배열이 설명된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 감지 코일(60)은 파워 코일(50)의 위상에 대한 리드 또는 지연 위상 천이(lead or lag phase shift)와 함께 제공될 수 있다. 도 4에서, 이러한 위상 천이는 30°리드 위상 천이로 도시되었지만, 이는 단지 예시적인 것이고 리드 또는 지연 위상 천이가 다양한 정도로 가능하다는 것이 이해돼야 한다. 리드 위상 천이의 경우에, 후술되는 처리 유닛(90)(도 5 참조)이 회전자(30)의 회전 위치 및/또는 회전 속도를 결정하기 위한 추가적인 처리 시간과 함께 제공될 수 있으며, 위상 천이로 인한 추가적인 시간을 설명하도록 프로그래밍될 것이다.

도 5를 참조하면, 직류 전류(DC) 출력을 생성하기 위한 시스템(75)이 제공된다. 시스템(75)은 전술된 전자기 장치(10)를 포함하고, 구동 요소(80), 처리 유닛(90) 및 정류기(100)를 추가로 포함한다. 구동 요소(80)는 회전자(30)의 회전을 구동하기 위해 원동력을 공급하고, 예를 들면, 구동 샤프트가 회전자(30)에 결합되거나 또는 회전자(30)와 일체로 형성되는 가스 터빈 기관일 수 있다. 처리 유닛(90)은 실행 가능 명령들이 저장된 메모리/저장 유닛 및 디지털 신호 처리기(digital signal processor)를 포함할 수 있다. 실행 가능 명령들은 실행되면, 디지털 신호 처리기로 하여금 감지 코일(60)로부터 AC를 수용하게 하고 회전자(30)의 회전 위치 및/또는 속도를 결정하게 한다. 그러나, 이러한 명령들은 하드웨어, 펌웨어 또는 그들의 조합으로 구현될 수도 있다는 것이 이해될 것이다.

정류기(100)는 처리 유닛(90)에 결합되고, 회전자(30)의 결정된 회전 위치 및/또는 속도에 따라 파워 코일(50)의 AC를 직류(DC) 전압의 출력으로 정류하도록 구성된다. 이로 인해, 정류기(100)는 파워 코일(50)로부터 AC를 수용하고, 일련의 트랜지스터들(101)을 포함할 수 있는데, 이러한 트랜지스터들은 각각 A-위상 파워 코일(501), B-위상 파워 코일(502) 및 C-위상 파워 코일(503)에 결합된다. 트랜지스터들(101)은 예를 들면, A-위상 파워 코일(501), B-위상 파워 코일(502) 및 C-위상 파워 코일(503)의 수용된 AC 전류의 피크 값들로부터 DC 출력을 협력 생성하기 위해, 회전자(30)의 결정된 회전 위치 및/또는 속도를 기반으로 적절한 시간에 켜지고 꺼짐으로써 작동한다.

본 발명이 제한된 수의 실시예만이 상세하게 설명되었지만, 본 발명이 이러한 개시된 실시예들로 제한되지 않는다는 것이 쉽게 이해되어야 한다. 오히려, 본 발명은 본 발명의 사상과 범위와 균등하지만, 이전에 설명되지 않은 임의의 변, 대안, 대체물 또는 균등한 배열체를 합체시키도록 수정될 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예들이 설명되었지만, 본 발명의 양태들은 설명된 실시예들 중 일부만을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명은 전술한 설명에 의해 제한되는 것이 아니라, 단지 첨부된 청구항들의 범주에 의해 제한된다.

Claims

전자기 장치이며,
구멍을 형성하는 고정자;
고정자 구멍 내에서 회전 가능하고, 일련의 자극들을 형성하기 위해 외부 표면 주위에 배치되는 영구 자석 요소들을 갖는 회전자;
파워 코일로서, 회전자 회전으로 인해 자극들의 제1 부분이 각각의 파워 코일을 통과함에 따라 파워 전류를 생성하도록 구성되는, 파워 코일; 및
감지 코일로서, 회전자 회전으로 인해 자극들의 제2 부분이 각각의 감지 코일을 통과함에 따라 감지 전류를 생성하도록 구성되는, 감지 코일을 포함하는
전자기 장치.
제1항에 있어서,
감지 코일은 파워 코일로부터 자기적 및 전기적으로 결합 해제되는
전자기 장치.
제1항에 있어서,
감지 코일은 공극에 의해 파워 코일로부터 분리되는
전자기 장치.
제1항에 있어서,
감지 코일은 파워 코일에 대해 30°위상 천이를 갖는
전자기 장치.
전자기 장치이며,
구멍을 형성하는 고정자;
고정자 구멍 내에서 회전 가능하고, 일련의 자극들을 형성하도록 외부 표면 주위에 배치되는 영구 자석 요소들을 갖는 회전자;
회전자의 제1 섹션 주위로 고정자 내에 지지 권선되는 파워 코일로서, 회전자 회전으로 인해 자극의 제1 부분이 각각의 파워 코일을 통과함에 따라 파워 전류를 생성하도록 구성되는, 파워 코일; 및
회전자의 제2 섹션 주위로 고정자 내에 지지 권선되는 감지 코일로서, 회전자 회전으로 인해 자극의 제2 부분이 각각의 감지 코일을 통과함에 따라 감지 전류를 생성하도록 구성되는, 감지 코일을 포함하는
전자기 장치.
제5항에 있어서,
고정자는 다중 세그먼트로 구성되는 고정자 코어를 포함하는
전자기 장치.
제5항에 있어서,
감지 코일은 파워 코일로부터 자기적 및 전기적으로 결합 해제되는
전자기 장치.
제5항에 있어서,
영구 자석 요소는 회전자의 외부 표면 주위에 N극 및 S극의 반복 패턴으로 배열되는
전자기 장치.
제5항에 있어서,
영구 자석 요소는 28개 자극을 형성하도록 배치되는
전자기 장치.
제9항에 있어서,
회전자의 제1 섹션은 28개 자극 중 적어도 25개를 포함하고, 회전자의 제2 섹션은 28개 자극 중 나머지 3개의 자극 중 적어도 하나를 포함하는
전자기 장치.
제5항에 있어서,
감지 코일은 공극에 의해 파워 코일로부터 분리되는
전자기 장치.
제5항에 있어서,
파워 코일은 2/3 피치 및 3 위상 "Y자형" 연결부와 함께 배열되는
전자기 장치.
제5항에 있어서,
감지 코일은 2/3 피치 및 델타 또는 3 위상 "Y자형" 연결부와 함께 배열되는
전자기 장치.
제5항에 있어서,
감지 코일은 파워 코일에 대해 30°위상 천이를 갖는
전자기 장치.
제5항에 있어서,
감지 코일은 파워 코일에 대해 30°리드 위상 천이를 갖는
전자기 장치.
제5항에 있어서,
감지 코일은 파워 코일에 대해 30°지연 위상 천이를 갖는
전자기 장치.
직류(DC) 출력을 생성하기 위한 시스템으로서, 제1항에 따른 전자기 장치를 포함하는, 시스템이며,
회전자의 회전을 구동하기 위한 구동 요소;
감지 전류로부터 회전자의 회전 위치를 결정하기 위해 감지 코일에 결합되는 처리 유닛; 및
결정된 회전 위치에 따라 파워 전류를 정류하기 위해, 파워 코일 및 처리 유닛에 결합되는 정류기를 포함하는
시스템.
제17항에 있어서,
구동 요소는 가스 터빈 엔진을 포함하는
시스템.
제17항에 있어서,
정류기는 협력하여 DC 출력을 생성하기 위해 일련의 트랜지스터들을 포함하는
시스템.
전자기 장치이며,
구멍을 형성하는 고정자;
고정자 구멍 내에서 회전 가능하고 일련의 28개 자극들을 형성하도록 외부 표면 주위에 배치되는 영구 자석 요소들을 갖는 회전자;
회전자의 제1 섹션 주위로 고정자 내에 지지 권선되는 파워 코일로서, 회전자 회전으로 인해 적어도 25개의 자극이 각각의 파워 코일을 통과함에 따라 파워 전류를 발생하도록 구성되는, 파워 코일과,
파워 코일로부터 자기적 및 전기적으로 결합 해제되고 회전자의 제2 섹션 주위로 고정자 내에 지지 권선되는 감지 코일을 포함하고,
상기 감지 코일은 회전자 회전으로 인해 나머지 3개의 자극 중 적어도 하나가 각각의 감지 코일을 통과함에 따라 감지 전류를 발생시키도록 구성되는
전자기 장치.