KR20210084583A - 2개의 고정자 및 회전자로 구성된 전력 발전기 - Google Patents

2개의 고정자 및 회전자로 구성된 전력 발전기 Download PDF

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KR20210084583A
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Abstract

중심축에 대해 동축 및 동심으로 배치되는 회전자 및 복수의 고정자를 포한하는 전력 발전기. 내부 에어갭에 의해 분리되는 회전자의 반경 방향 내측으로 제공되는 내부 고정자 및 외부 에어갭에 의해 분리되는 회전자의 반경 방향 외측으로 제공되는 외부 고정자가 있다. 회전자는 복수의 자극을 가지는 자기장을 제공하거나 생성하도록 구성된 복수의 자극 구조물을 포함한다. 회전자는 단면 두께가 균일하지 않고; 회전자의 내부 표면은 극 구조물에서 내측으로 돌출하며, 내부 에어갭은 그것이 극 구조물에서 반경 방향으로 더 짧고 극 구조물 사이에서 더 긴 것과 같이 불균일하고; 그리고 회전자의 외부 표면은 극 구조물에서 외측으로 돌출하며, 외부 에어갭은 그것이 극 구조물에서 반경 방향으로 더 짧고 상기 극 구조물 사이에서 더 긴 것과 같이 불균일하다.

Description

2개의 고정자 및 회전자로 구성된 전력 발전기
본 발명은 전력 발전기에 관한 것으로서, 구체적으로 고정자-회전자-고정자 구성의 2개의 고정자 및 회전자를 가지는 전력 발전기에 관한 것이다.
종래 기술의 전력 발전기에서, 일반적으로 단일 회전자와 단일 고정자가 제공된다. 잘 알려진 바와 같이, 회전자는 자기장을 발생시키고 회전하며 회전하는 자기장은 정지된 상태를 유지하는 고정자에 제공된 권선에서 전류를 유도한다. 이 구성에서, 회전자로부터의 자기장은 오직 한 방향, 즉 반경 방향 안쪽으로만 또는 반경 방향 바깥쪽으로만 고정자로 향한다.
발명자는 이중-고정자, 단일 회전자 구성의 발전기를 알고 있다. US6297575는 회전자로부터의 자기장 소스가 두 고정자 사이에 위치하고 이들 고정자가 상호 작용하는 공통 자기장 소스 인 3층 구조를 개시한다. 본 발명은 발전기 기능 또는 모터 기능 또는 모터 및 발전기 기능의 조합을 수행하기 위해 상기 구조를 사용하는 것을 목표로 한다.
그러나, US6297575의 개시 내용에는 에어갭에 대한 기술적인 사항이 없다. 이 유닛이 전력 발전기로서 가동될 때, 에어갭의 영향과 그들의 상호 작용에 대해 고려하지 않은 것으로 보인다. 이 발명은 특히 에어갭이 전력 생산 파라미터에 중요할 수 있기 때문에 전기를 생산하는 것과 관련하여 상이한 층 사이의 에어갭을 보지 않는다. 본 발명자는 이것이 US6297575의 단점이라고 믿고 이를 해결하고자 한다.
본 발명은 발전된 전력의 성능 및 품질을 향상시키기 위해 에어갭을 최적화하지 않는 상기 언급된 단점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 전력 발전기에 따르면, 회전자 및 복수의 고정자를 포함하고, 상기 회전자 및 상기 복수의 고정자는 중심축에 대해 동축 및 동심으로 배치되고; 상기 복수의 고정자는 상기 회전자의 반경 방향 내측으로 제공된 내부 고정자를 포함하고, 상기 내부 고정자 및 상기 회전자는 내부 에어갭에 의해 분리되며; 상기 복수의 고정자는 상기 회전자의 반경 방향 외측으로 제공된 외부 고정자를 포함하고, 상기 외부 고정자 및 상기 회전자는 외부 에어갭에 의해 분리되며; 상기 내부 및 외부 고정자 각각은 내부에 전류가 유도되도록 구성된 각각의 권선을 가지고; 상기 회전자는 상기 권선에서 전류를 유도하도록, 사용 중에, 구성된 복수의 자극을 가지는 자기장을 제공하거나 생성하도록 구성된 복수의 자극 구조물을 포함하며; 그리고 상기 회전자는 단면 두께가 균일하지 않고: 상기 회전자의 내부 표면은 상기 극 구조물에서 반경 방향 내측으로 돌출하며, 따라서 상기 내부 에어갭은 상기 극 구조물에서 반경 방향으로 더 짧고 상기 극 구조물 사이에서 반경 방향으로 더 길다는 점에서 불균일하고; 그리고 상기 회전자의 외부 표면은 상기 극 구조물에서 반경 방향 외측으로 돌출하며, 따라서 상기 외부 에어갭은 상기 극 구조물에서 반경 방향으로 더 짧고 상기 극 구조물 사이에서 반경 방향으로 더 길 수 있다.
본 발명은 발전된 전력의 성능 및 품질을 향상시키기 위해 에어갭을 최적화하지 않는 상기 언급된 단점을 해결할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른, 회전자와 2개의 고정자를 포함하는 전력 발전기의 개략적인 단면도를 나타낸다;
도 2는 도 1의 전력 발전기의 단면의 확대도를 나타낸다;
도 3은 도 1의 발전기의 개략적인 자속 밀도 히트맵을 나타한다;
도 4는 도 1의 발전기의, 임계치를 가지는, 개략적인 자속 밀도 히트맵을 나타낸다;
도 5는 도 1의 발전기의 내부 고정자와 회전자 사이의 자속 밀도 그래프를 나타낸다;
도 6은 도 1의 발전기의 외부 고정자와 회전자 사이의 자속 밀도 그래프를 나타낸다;
도 7은 도 1의 발전기의 내부 고정자의 위상 전압 그래프를 나타낸다;
도 8은 도 1의 발전기의 외부 고정자의 위상 전압 그래프를 나타낸다;
도 9는 도 1의 발전기의 내부 고정자의 위상 전류 그래프를 나타낸다;
도 10은 도 1의 발전기의 외부 고정자의 위상 전류 그래프를 나타낸다;
도 11은 도 1의 발전기의 내부 고정자의 토크 그래프를 나타낸다;
도 12는 도 1의 발전기의 회전자의 토크 그래프를 나타낸다; 그리고
도 13은 도 1의 발전기의 외부 고정자의 토크 그래프를 나타낸다.
도 1-2는 본 발명에 따른 전력 발전기(줄여서 단순히 "발전기")(100)를 나타낸다. 발전기(100)는 반경 방향 내부 중심의 중심축과 반경 방향 외부 표면의 백 아이언(104)을 정의하는 중심축(102)을 가진다. 발전기(100)는 또한 베어링, 축, 프레임, 입력 드라이브, 출력 와이어링 등과 같이, 일반적으로 발전기에 공통적인 많은 특징을 가지며, 도시되지 않았지만 그들이 본 발명의 일부를 형성할 수 있음이 당업자에 의해 이해될 것이다.
발전기(100)는 내부 고정자(110), 중간 회전자(120), 그리고 외부 고정자(130)를 가진다. 이들은 발전기(100)의 3개의 동심 "층(layers)"으로 생각될 수 있다. 회전자(120)와 고정자(110, 130)는 중심축에 대해 동축이다. 내부 고정자(110)는 회 전자(120)의 반경 방향 내측으로 제공되고, 내부 고정자(110) 및 회전자(120)는 내부 에어갭(112)에 의해 분리된다. 외부 고정자(130)는 회전자(120)의 반경 방향 외측으로 제공되고, 외부 고정자(130) 및 회전자(120)는 외부 에어갭(132)에 의해 분리된다.
내부 및 외부 고정자(110, 130) 각각은 전류가 유도되도록 구성된 각각의 권선(114, 134)을 가진다. 상응하여, 회전자(120)는, 사용 중에 권선(114, 134)에 전류를 유도하도록 구성된 복수의 자극(magnetic poles)을 가지는 자기장을 제공하거나 생성하도록 구성된 복수의 자극 구조물(122, 124)를 포함한다. 각 자극은 내장된 필드 권선(124)을 가지는 자성체(122)를 포함할 수 있으며, 따라서, 자극 구조물(122, 124)은 이 예에서 전자기적이다(다른 예에서는, 영구 자석일 수 있음). 회전자(120)는 자극 구조물(magnetic pole structures)(122, 124) 사이에 구조적인 지지를 제공하도록 중간 지지 구조물(126)를 포함한다.
회전자(120)는 일반적으로 환형(annular)이지만, 균일하지는 않으며; 보다 구체적으로, 회전자(120)는 균일한 단면 두께를 가지지 않는다. 이것은 발전기(100)의 확대된 부분을 나타내는 도 2에서 더욱 명확해질 수 있다. 회전자(120)의 내부 표면은 극 구조물(122, 124)에서 반경 방향 내측으로 돌출되고, 따라서 내부 에어갭(112)은 극 구조물(122, 124)에서 반경 방향으로 더 짧다는 점에서 불균일하다(화살표 112.1로 표시됨). 내부 에어갭(112)은 극 구조물(122, 124) 사이에서, 즉 중간 구조물(126)에서-또는 반경 방향상으로 정렬된-반경 방향으로 더 길다 (화살표 112.2로 표시됨).
외부 에어갭(132)은 내부 에어갭(112)보다 평균, 더 넓고/반경 방향으로 길지만 유사한 구성을 가진다. 보다 구체적으로, 회전자(120)의 외부 표면은 극 구조물(122, 124)에서 반경 방향 외측으로 돌출되므로, 외부 에어갭(132)은 극 구조물(122, 124)에서 반경 방향으로 더 짧고(화살표 132.1로 표시됨) 중간 구조물(126)의 극 구조물(122, 124) 사이에서 반경 방향으로 더 긴(화살표 132.1로 표시됨) 점에서 불균일하다.
거리는 표 1에 표시된 다음 범위에 있을 수 있다.
Characteristic Range
Shortest distance (112.1) of inner airgap (112) 5 - 50 mm
Longest distance (112.2) of inner airgap (112) 10 - 90 mm
Shortest distance (132.1) of outer airgap (132) 20 - 100 mm
Longest distance (132.2) of outer airgap (132) 30 - 165 mm
자성체(122)의 형상은 자속 밀도(magnetic flux density)를 나타내는 도 3에서도 명확하다. 자성체(122)는 편평한 내부 표면(중심축과 동심이고, 그로부터 등거리로 이격되는, 보다 통상적인 아치형으로 만곡된 내부 표면에 비해 내부 돌출부로 간주됨)을 가진다. 즉, 자성체(122)의 내부 표면은 사용시, 내부 표면에 의해 형성된(described) 변위 호(displacement arc)보다 작은 변위 호를 가진다.
유사하게, 자성체(122)의 외부 표면은 보다 통상적인 지속적으로-만곡된 외부 표면이 가지는 것보다 더욱 만곡된다(또는 더 작은 곡률 반경을 가진다); 이것은 자성체(122)의 외부 표면에 의해 형성된 변위 호보다 더 타이트한 곡률로서 바깥쪽 돌출부로 간주된다.
발명자는 발전기(100)의 시뮬레이션 및 테스트를 수행했다. 시뮬레이션의 결과는 도 3-11에 요약되어 있다. 시뮬레이션의 특정 파라미터는 표 2에 제공된다.
Characteristic Value
Type of Analysis Current feeding analysis
Field current 150 A
Turns per phase 12
Skewing angle 0°
Damper winding Without damper winding
Speed in RPM 1500 RPM
Slot wedge material Non-Magnetic
Inner airgap (112) 35mm at shortest distance (112.1),
75 mm at longest distance (112.2)
Outer airgap (132) 90mm at shortest distance (132.1),
117.5 mm at longest distance (132.2)
Coil pitch 6 slots
Field turns/pole 250
Core length 640 mm
Back iron (104) 35 mm lamination sheet + 20 mm structural steel
발전기(100)의 장점 중 하나는 수정, 조절 또는 정류 회로를 필요로 하지 않고 낮은 총 고조파 왜곡(THD)으로 전기 출력 (즉, 출력의 전압 및 전류 특성)을 발생시킨다는 점이다.
도 3-4는 사용중인 발전기(100)의 자속 밀도 히트맵(202, 204)을 나타낸다. 도 5-11은 발전기(100)의 특성의 다양한 그래프(206-224)를 나타낸다:
그래프(206)는 내부 고정자(110)와 회전자(120) 사이의 자속 밀도를 나타낸다.
그래프(208)는 외부 고정자(130)와 회전자(120) 사이의 자속 밀도를 나타낸다.
그래프(210)는 내부 고정자(110)의 위상 전압을 나타낸다.
그래프(212)는 외부 고정자(130)의 위상 전압을 나타낸다.
그래프(214)는 내부 고정자(110)의 위상 전류를 나타낸다.
그래프(216)는 외부 고정자(130)의 위상 전류를 나타낸다.
그래프(220)는 내부 고정자(110)의 토크를 나타낸다.
그래프(222)는 회전자(120)의 토크를 나타낸다; 그리고
그래프(224)는 외부 고정자(130)의 토크를 나타낸다.
그래프(206-224)의 특정 값은 직접 관련이 없을 수 있지만, 그래프(206-224)의 모양은 관련이 있으며, 다양한 출력 특성의 상대적인 부드러움을 나타낸다.
본 발명자는 본 발명이 다른 장점 및 특징을 가질 수 있음을 특히 언급한다. 회전자(120)의 내부 표면과 외부 표면의 자기장이 활용된다. 내부 에어갭(112)에서 FFT 이후의 자속 판독값은 0.3T와 0.99T 사이일 수 있고, 외부 에어갭(132)에서는 0.2T와 0.95T 사이일 수 있다.
기존 발전기 설계에서, 고조파(harmonics)는 전류 증가에 따라 증가한다; 그러나, 본 발전기(100)의 설계에서, 고조파 측면에서 생산된 전력의 품질이 좋다는 점에서 좋은 결과가 도출된다. 이 실시예에서, 내부 고정자(110)의 전류가 일정하게 유지될 때, 외부 고정자(130)(특히, 외부 고정자(130)의 권선(134))의 전류가 특정 지점까지 증가할 때 (기존 발전기 설계에 비해) 고조파가 감소하고, 내부 에어갭(112)은 그의 최단 거리에서 15mm로부터 55mm까지의 범위이고 그의 최장 거리에서 55mm로부터 95mm까지의 범위이며 외부 에어갭(132)은 그의 최단 거리에서 25mm로부터 55mm까지의 범위이고 그의 최장 거리에서 60mm로부터 120mm까지의 범위이며 외부 고정자(130)의 전류를 높이고 내부 고정자(110)의 전류를 일정하게 유지할 때, 개선점은 외부 고정자 전압의 고조파 및 총 고조파 왜곡이 적어도 0.44%까지 감소한다는 것이다.
이 시점부터, 외부 고정자(130)의 전류가 증가함에 따라 고조파가 증가하기 시작한다. 내부 고정자(110) 및 외부 고정자(130)의 전류가 모두 증가하면, 고조파 및 총 고조파 왜곡 비율이 내부 고정자(110) 및 외부 고정자(130) 모두에서 감소한다. 고조파의 감소는 외부 고정자(130)에서 더 크다. 반면에, 외부 고정자(130)에서 전류가 감소하면, 외부 고정자(130)의 고조파가 증가하여 기존 설계와 반대된다. 이 모든 것은 내부 고정자(110)의 전류가 일정한 값(정격 전류)으로 유지될 때 발생한다. 외부 고정자의 정격 전류의 절반에서, 고조파는 정격 전류에서보다 높다. 내부 고정자(110) 및 외부 고정자(130) 모두의 전류가 증가할 때, 내부 고정자(110) 및 외부 고정자(130) 모두에서 고조파와 총 고조파 왜곡 비율이 감소하고, 내부 에어갭(112)이 그의 최단 거리에서 25mm로부터 65mm까지의 범위이고 그이 최장 거리에서 45mm로부터110mm까지의 범위이며 외부 에어갭(132)은 그의 최단 거리에서 65mm로부터 110mm까지의 범위이고 그의 최장 거리에서 94mm로부터 140mm까지의 범위이며 내부 고정자(110) 및 외부 고정자(130) 모두의 전류를 높일 때, 내부 고정자(110) 및 외부 고정자(130) 모두의 고조파 및 총 고조파 왜곡은 적어도 4 % 감소된다.
다른 유익한 실시예는 외부 고정자(130)가 전력의 품질을 손상시키지 않으면서 종래에 설계된 전력 발전기의 전류 흐름보다 훨씬 더 높은 전류에서 가동될 수 있다는 것이다. 전류는 비교적 기존의 설계 값의 100% 이상으로 증가될 수 있으며 이는 소비자에게 공급되는 전력의 품질을 손상시키지 않고 출력을 증가시킨다. 전류가 50% 증가할 때 전체 고조파는 외부 고정자(130)에서 0.88%까지 증가한다. 외부 고정자(130)의 전류는 여전히 최대 100%까지 증가될 수 있으며, 이는 외부 고정자에서 전체 고조파의 3% THD 한계에 접근하는 고조파 전류의 100 % 증가 및 고조파에 대한 국제적으로 허용되는 표준이 3%인 IEEE519 표준에서, 전력 발전기의 전압 고조파 측면에서 품질을 손상시키지 않고 발전기(100)의 성능을 향상시킬 것이다. 외부 고정자(130)는 구성을 변경함 없이 정확한 품질 수준에서 훨씬 더 많은 전력을 생산할 수 있다.
고조파 표준은 외부 고정자(130)에 대한 당면한 문제(immediate challenge)는 아니지만, 내부 고정자(110)는 외부 고정자(130)에 비해 반대 방식으로 반응한다. 내부 고정자(110)에 대한 고조파는 전류의 증가에 따라 증가할 수 있는 반면 외부 고정자(130)의 고조파는 이 레벨에서 외부 고정자(130)의 전류가 증가함에 따라 감소할 수 있다. 이는 내부 고정자(110) 및 외부 고정자(130) 모두에 대한 전류가 증가할 때까지의 경우인데, 이는 예상되지 않은 일이며, 내부 에어갭(112)은 그의 최단 거리에서 25mm로부터 85mm까지의 범위이고 그의 최장 거리에서 65mm로부터 100mm까지의 범위이며 외부 에어갭(132)은 그의 최단 거리에서 35mm로부터 55mm까지의 범위이고 그의 최장 거리에서 63mm로부터 120mm까지의 범위이며 내부 고정자(110)의 전류가 감소될 때, 내부 고정자(110) 및 외부 고정자(130) 모두에서 고조파와 총 고조파가 적어도 3 % 감소된다.
내부 고정자(110)는 전류가 증가될 때 고조파도 증가한다는 점에서 기존 발전기와 동일한 방식으로 반응한다. 내부 고정자(110)는 저전압용으로 설계될 수 있고, 외부 고정자(130)는 고전류에서 고전압용으로 동시에 그리고 동일한 구성으로 설계될 수 있다. 이러한 작동 구성에서, 내부 고정자(110)는 총 전기 발전기 출력의 13%만큼 낮게 기여할 수 있고, 외부 고정자는 전기 출력 전력의 87%를 기여할 수 있다. 외부 고정자(130)의 전류가 특정 지점 이상으로 증가되면 내부 고정자(110)의 고조파가 감소하고; 즉, 외부 고정자(130)의 전류가 +100% 증가되면 내부 고정자(110)의 고조파가 10 % 감소하므로, 고조파가 허용 가능한 표준 내에 있는 최적의 작동 지점은 더 높은 전류에서 외부 고정자(130)를 작동하는 것임을 보여줄 수 있다. 이 작동은 더 큰 도체가 더 많은 전류를 전달하기 위해 외부 고정자(130)에 사용될 수 있도록 외부 고정자(130)가 더 커질 것을 요구한다. 내부 고정자(110)는 또한 더 큰 도체를 수용하기 위해 더 크게 만들어질 수 있다. 내부 고정자(110)가 오프라인이고, 외부 고정자(130)가 부하 상태일 때, 외부 고정자 고조파는 변하지 않는 놀라운 결과가 있다.
두 개의 에어갭(112, 132)이 있다는 사실은 두 개의 자극의 분산 층(dispersion layers of the magnetic poles)이 이용될 수 있음을 의미한다. 따라서, 이 배열은 회전자(120)의 두 표면 모두가 전력을 생산하기 위해 이용될 수 있게 한다. 자극 구조물(122, 124)의 양면에서 자기장을 이용하는 것이 본 발명의 장점일 수 있다. 이전에 이용되지 않은 이 자기장은 종래의 설계에서 회전자 표면 샤프트에 부착된 표면에 있으며, 이 자기장은 이용되는 다른 표면과 기술적으로 동일한 크기 및 동일한 속성이다. 기존의 설계에서, 발전기가 하나의 회전자와 하나의 고정자를 가지므로 자석 극의 다른 표면이, 이용되는 표면의 모든 특성을 가지더라도, 이 다른 표면이 이용되지 않는 상황에 이르도록 한다.
에어갭(112, 132) 및 자속은 발전기(100)에 의해 생산된 전력의 성능과 품질에 영향을 미치기 때문에 중요한 역할을 할 수 있다. 내부 에어갭(112)은 극의 중심에서 5mm와 50mm 사이에 있을 수 있고 극 끝에서 10mm와 90mm 사이로 증가하며 외부 에어갭(132)은 극의 중심에서 20mm와 100mm 사이에 있을 수 있고 극 끝에서 35mm와 165mm 사이로 증가한다. 내부 고정자와 회전자의 자극 사이의 내부 에어갭(112)의 중간 점에서 판독되는 FFT Br 값(magnetic flux)은 0.3T 및 0.99T일 수 있고 외부 에어갭(132)의 경우 0.2T와 0.95T 사이일 수 있다. 외부 에어갭(132)의 증가, 자속 판독 값은 내부 에어갭(112)의 것에 비해 매우 낮을 수 있다. 낮은 자속 판독 값은 저전압 발생을 초래한다.
이러한 저전압 발생을 해결하기 위해, 외부 고정자(130)의 직경/크기가 증가될 수 있는데, 더 많은 권선(134)에 의해 그리고 외부 고정자 슬롯 크기(깊이)를 증가시키는 것에 의해 전압을 증가시키고 더 큰 크기의 도체를 사용하거나 더 많은 권선을 사용한다. 자기장이 외부 에어갭(132)까지 먼 거리를 이동하더라도, 외부 고정자(130)의 전체 크기는 낮은 자속 밀도를 보충한다. 내부 고정자(112)는 저전압을 발생시킬 수 있고 외부 고정자(130)는 이 발전기(100)의 성능 및 플렉시빌러티(flexibility)를 향상시키는 더 높은 전압을 발생시킬 수 있다. 발전기(100)는 내부 고정자(110)와 외부 고정자(130) 둘 다에 더 높은 전압을 발생시킬 수 있고, 두 고정자(110, 130)는 고정자의 더 높은 전압과 비교할 때 거의 발전기를 저하시키는 것과 같은 저전압을 발생시킬 수 있다. (저전압은 일반적으로 1000V 미만의 전압으로 간주되고 고전압은 1000V 초과의 전압으로 간주된다.) 저전압과 고전압을 비교하면 구성을 변경하지 않고도 저전압에 비해 더 많은 전력을 발생시킬 수 있다. 이 설계는 낮은 연료비 사용, 특히 풍력, 수력 및 지열과 같은 재생 에너지에 적용하기에 더욱 적합할 수 있다.
발전기(100)는 훨씬 더 높은 레벨의 전류를 발생시킬 수 있고 따라서 그 크기에 맞는 많은 전력을 발생시킬 수 있는 저전압 고조파에 기초하여 상업적 성공을 위한 많은 특성을 가질 수 있다. 가격이 적당하고 더 나은 품질의 전력에 대한 필요성이 오랫동안 느껴져 왔다. 이 실시예는 충족되지 않은 시장 요구에 대한 솔루션을 제공한다. 이러한 레벨의 전력 품질은 전기 사용자 및 전력의 전송 및 분배를 위해 많은 경제적이고 안전한 이점을 제공한다. 또한 고조파에 민감한 전기 장비에 이점을 제공한다. 높은 레벨의 전력 출력은 종래의 발전기에 비해 전력/질량(kW/kg) 비율을 더 높이도록 한다. 발전기(100)의 이러한 능력은 cents/kW 측면에서 자본 지출 비용을 감소시킨다. 낮은 고조파는 두 고정자(110, 130) 및 단일 회전자(120)의 존재가 함께 상승 작용하여 저전압 고조파의 발생에 영향을 미치는 예기치 않은 우수한 효과이다.
외부 고정자(130)의 전류가 증가될 때, 단일 고정자의 전류가 증가되면 고조파도 증가하는 기존의 발전기와 대조적으로 내부 고정자(110) 및 외부 고정자(130)의 고조파는 감소한다. 다른 대조되는 우월한 효과는 내부 고정자(110)가 부하 상태이고 외부 고정자(130)가 부하를 받을 때, 발전기(100)로의 입력 전력이 눈에 띄게 감소한다는 것이다. 내부 고정자(110)와 외부 고정자(130) 모두의 전류를 증가시킬 때, 두 고정자(110, 130)에 대한 전압 고조파는 계속 감소한다.
< 절 >
1. 두 고정자 사이에 회전자가 있는 3층 전력 발전기로서 내부 고정자와 자극 회 전자의 내부 표면 사이의 에어-갭이 극의 중앙에서 5mm와 50mm 사이이고 극의 끝에서 10mm와 90mm 사이로 증가하며 회전자의 외부 표면과 외부 고정자의 내부 표면 사이의 에어-갭은 극의 중앙에서 20mm와 100mm 사이이고 극의 끝에서 35mm와 130mm 사이로 증가하며 내부 고정자와 회전자의 자극 사이의 내부 에어-갭의 중간 점에서 판독되는 FFT Br 값(자속)은 0.3T 및 0.7T 판독 값이고 회전자의 자극의 외부 표면과 외부 고정자의 내부 표면 사이에 있는 외부 에어-갭은 0.2T와 0.6T 사이이다.
2. 제1절에 따른 전력 발전기에서 개선점은 비슷한 전력 출력을 위해 회전자가 종래의 회전자보다 작다는 점이다.
3. 제1절에 따른 전력 발전기에서 개선점은 고정자가 종래의 고정자보다 크기가 더 크다는 점이다.
4. 제1절에 따른 전력 발전기에서 내부 에어-갭은 극의 중앙에서 5mm와 50mm 사이이고 극의 끝에서 10mm와 90mm 사이로 증가하며 외부 고정자 에어-갭은 극의 중심에서 20mm와 100mm사이이고 극의 끝에서 35mm와 130mm 사이로 증가하며 외부 고정자에서만 전류가 증가함에 따라 외부 고정자의 고조파가 감소하는 개선점이 있다.
5. 제1절에 따른 전력 발전기에서 내부 에어-갭은 극의 중앙에서 5mm와 50mm 사이이고 극의 끝에서 10mm와 90mm 사이로 증가하며 외부 고정자 에어-갭은 극의 중심에서20mm와 100mm 사이이고 극의 끝에서 35mm와 130mm 사이로 증가하며 외부 고정자의 정격 전류 지점으로부터만 전류가 증가함에 따라 내부 고정자의 고조파가 감소하는 개선점이 있다.
6. 제2절에 따른 전력 발전기에서 개선점은 고정자 권선이 나선형 형태로 다른 것 위에 감겨 있다는 점이다.
7. 제1절에 따른 세-전력 발전기는 더 높은 전류로 외부 고정자를 가동하고 정확한 고조파 레벨을 계속 유지하는 것을 특징으로 한다.
8. 제1절에 따른 3층 전력 발전기는 내부 고정자가 저전압을 발생시킬 수 있고 외부 고정자는 더 높은 전압을 발생시키거나 둘 다 고전압을 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
9. 제1절에 따른 3층 전력 발전기에 있어서 제1항에 따른 V 전력 발전기에 있어서, 내부 에어갭은 그의 최단 거리에서 5mm로부터 50mm이고 그의 최장 거리에서 10mm로부터 95mm이며; 외부 에어갭은 그의 최단 거리에서 20mm로부터 140mm이고 그의 최장 거리에서 30mm로부터 165mm이다.
본 발명은 회전자 및 복수의 고정자를 포함하는 전력 발전기를 제공하는데;
상기 회전자 및 상기 복수의 고정자는 중심축에 대해 동축 및 동심으로 배치되고;
상기 복수의 고정자는 상기 회전자의 반경 방향 내측으로 제공된 내부 고정자를 포함하고, 상기 내부 고정자 및 상기 회전자는 내부 에어갭에 의해 분리되며;
상기 복수의 고정자는 상기 회전자의 반경 방향 외측으로 제공된 외부 고정자를 포함하고, 상기 외부 고정자 및 상기 회전자는 외부 에어갭에 의해 분리되며;
상기 내부 및 외부 고정자 각각은 내부에 전류가 유도되도록 구성된 각각의 권선을 가지고;
상기 회전자는 상기 권선에서 전류를 유도하도록, 사용 중에, 구성된 복수의 자극을 가지는 자기장을 제공하거나 생성하도록 구성된 복수의 자극 구조물을 포함하며; 그리고
상기 회전자는 단면 두께가 균일하지 않고:
상기 회전자의 내부 표면은 상기 극 구조물에서 반경 방향 내측으로 돌출하며, 따라서 상기 내부 에어갭은 상기 극 구조물에서 반경 방향으로 더 짧고 상기 극 구조물 사이에서 반경 방향으로 더 길다는 점에서 불균일하고; 그리고
상기 회전자의 외부 표면은 상기 극 구조물에서 반경 방향 외측으로 돌출하며, 따라서 상기 외부 에어갭은 상기 극 구조물에서 반경 방향으로 더 짧고 상기 극 구조물 사이에서 반경 방향으로 더 길다는 점에서 불균일하다.
다르게 말하면, 각 자극 구조물의 외부 표면은 그것이 형성하는 변위 호보다 더 과격한 곡률 - 또는 더 작은 곡률 반경 - 을 가질 수 있다. 각 자극 구조물의 내부 표면은 편평하거나 적어도 그것이 형성하는 변위 호보다 더 부드러운 곡률 - 또는 더 큰 곡률 반경 - 을 가질 수 있다.
전력 발전기는 오직 하나의 회전자 및 정확히 두 고정자를 가질 수 있다.
전력 발전기는 백-아이언(back-iron)을 포함할 수 있다. 백-아이언은 리턴 경로를 제공하고 외부로 방사되는 회전자의 자기장으로부터 자기 회로를 폐쇄하는 데 도움을 줄 수 있다. 백-아이언은 외부 고정자 주위에 제공될 수 있다. 자기 회로를 완성하기 위해 외부 고정자와 내부 고정자에 복귀 경로가 있을 수 있다. 내부 복귀 경로는 내부 고정자의 내부 표면에 설치될 수 있고 외부 복귀 경로는 외부 고정자의 외부 표면에 위치할 수 있다.
본 발명의 이점은 회전자에 의해 발생된 자기장이 회전자의 내부(내부 고정자에 의해) 및 회전자의 외부(외부 고정자에 의해)에 모두 이용된다는 것이 특히 언급될 수 있다. 이것은 자기장을 전류로 더욱 효율적으로 변환할 수 있도록 한다.
외부 에어갭은, 평균적으로, 내부 에어갭보다 반경 방향으로 더 길거나 더 넓을 수 있다. 내부 에어갭은 그의 반경 방향으로 최단 지점에서 5 ~ 50mm일 수 있다. 내부 에어갭은 그의 반경 방향으로 최장 지점에서 10 ~ 95mm일 수 있다. 외부 에어갭은 그의 반경 방향으로 최단 지점에서 20 ~ 100mm일 수 있다. 외부 에어갭은 그의 반경 방향으로 최장 지점에서 30 ~ 165mm일 수 있다.
내부 고정자는 그의 권선을 수용하기 위해 그것의 반경 방향 외측 표면에 톱니를 포함할 수 있다. 따라서 권선은 회전자의 반경 방향 내부 표면에 근접하고, 반대편에 있을 수 있다.
외부 고정자는 그의 권선을 수용하기 위해 그것의 반경 방향 내부 표면에 톱니를 포함할 수 있다. 따라서 권선은 회전자의 반경 방향 외부 표면에 근접하고, 반대편에 있을 수 있다.
내부 및 외부 고정자의 각각의 톱니는 동일하거나 반경 방향으로 정렬될 수 있으며: 그 대신에, 내부 및 외부 고정자의 각각의 톱니가 동일하지 않거나 반경 방향으로 정렬되지 않을 수 있다.
회전자는 일정하거나 연속된 원주 방향으로 연장되는 회전자를 제공하기 위하여 인접한 자극 구조물 사이에 중간 지지 구조물을 포함할 수 있다. 지지 구조물은 자기장을 전도하거나 높이기 위해 철 재료일 수 있다. 대신, 지지 구조물은 자기장 단락을 방지할 수 있는 비철 재료일 수 있다.
내부 고정자는 전체적으로 원형의 외부 표면을 제공한다. 따라서, 내부 에어갭은 (내부 고정자의 외부 표면에 의해 제공되는) 그의 내부 경계에서 대체로 균일하지만 (회전자의 내부 표면에 의해 제공되는) 그의 외부 경계에서 대체로 불균일할 수 있다.
외부 고정자는 전체적으로 원형 내부 표면을 제공한다. 따라서, 외부 에어갭은 (외부 고정자의 내부 표면에 의해 제공되는) 그의 외부 경계에서 대체로 균일하지만 (회전자의 외부 표면에 의해 제공되는) 그의 내부 경계에서 대체로 불균일할 수 있다.
불균일 에어갭의 장점은 더 좋거나 더 바람직한 출력 파형(output waveforms)을 제공할 수 있다는 것이다. 이는 더욱 부드러운 파형, 더 적은 코깅(cogging) 및/또는 더 적은 고조파 왜곡 등을 포함할 수 있다.
100: 내부 고정자 112: 내부 에어갭
120: 회전자 130: 외부 고정자
132: 외부 에어갭

Claims (15)

  1. 회전자 및 복수의 고정자를 포함하고,
    상기 회전자 및 상기 복수의 고정자는 중심축에 대해 동축 및 동심으로 배치되고;
    상기 복수의 고정자는 상기 회전자의 반경 방향 내측으로 제공된 내부 고정자를 포함하고, 상기 내부 고정자 및 상기 회전자는 내부 에어갭에 의해 분리되며;
    상기 복수의 고정자는 상기 회전자의 반경 방향 외측으로 제공된 외부 고정자를 포함하고, 상기 외부 고정자 및 상기 회전자는 외부 에어갭에 의해 분리되며;
    상기 내부 및 외부 고정자 각각은 내부에 전류가 유도되도록 구성된 각각의 권선을 가지고;
    상기 회전자는 상기 권선에서 전류를 유도하도록, 사용 중에, 구성된 복수의 자극을 가지는 자기장을 제공하거나 생성하도록 구성된 복수의 자극 구조물을 포함하며; 그리고
    상기 회전자는 단면 두께가 균일하지 않고:
    상기 회전자의 내부 표면은 상기 극 구조물에서 반경 방향 내측으로 돌출하며, 따라서 상기 내부 에어갭은 상기 극 구조물에서 반경 방향으로 더 짧고 상기 극 구조물 사이에서 반경 방향으로 더 길다는 점에서 불균일하고; 그리고
    상기 회전자의 외부 표면은 상기 극 구조물에서 반경 방향 외측으로 돌출하며, 따라서 상기 외부 에어갭은 상기 극 구조물에서 반경 방향으로 더 짧고 상기 극 구조물 사이에서 반경 방향으로 더 길다는 점에서 불균일한 전력 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전자는 평균 또는 중간의 곡률 반경을 가지고 상기 극 구조물 사이의 반경 방향 내부 및 외부 표면은 상기 평균 곡률 반경과 동심인 곡률 반경을 가지는 전력 발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 각각의 자극 구조물의 외부 표면은 그것이 형성하는 변위 호보다 더 작은 곡률 반경을 가지며; 그리고
    상기 각각의 자극 구조물의 내부 표면은 그것이 형성하는 변위 호보다 더 큰 곡률 반경을 가지는 전력 발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외부 에어갭은, 평균적으로, 상기 내부 에어갭보다 반경 방향으로 더 길거나 더 넓은 전력 발전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 내부 에어갭은 그의 반경 방향으로 최단 지점에서 5 ~ 50mm인 전력 발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 내부 에어갭은 그의 반경 방향으로 최장 지점에서 10 ~ 95mm인 전력 발전기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 외부 에어갭은 그의 반경 방향으로 최단 지점에서 20 ~ 100mm인 전력 발전기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 외부 에어갭은 그의 반경 방향으로 최장 지점에서 30 ~ 165mm인 전력 발전기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 회전자는 일정하거나 연속된 원주 방향으로 연장되는 회전자를 제공하기 위하여 인접한 자극 구조물 사이에 중간 지지 구조물을 포함하는 전력 발전기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 내부 고정자는 전체적으로 원형의 외부 표면을 제공하고 상기 내부 에어갭은 상기 내부 고정자의 상기 외부 표면에 의해 제공되는 그의 내부 경계에서 대체로 균일하지만 상기 회전자의 상기 내부 표면에 의해 제공되는 그의 외부 경계에서 대체로 불균일한 전력 발전기.
  11. 제1항에 있어서, 상기 외부 고정자는 전체적으로 원형 내부 표면을 제공하고 상기 외부 에어갭은 상기 외부 고정자의 상기 내부 표면에 의해 제공되는 그의 외부 경계에서 대체로 균일하지만 상기 회전자의 상기 외부 표면에 의해 제공되는 그의 내부 경계에서 대체로 불균일한 전력 발전기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 내부 에어갭은 그의 최단 거리에서 15mm로부터 55mm까지이고 그의 최장 거리에서 55mm로부터 95mm까지이며:
    상기 외부 에어갭은 그의 최단 거리에서 25mm로부터 55mm까지이고 그의 최장 거리에서 60mm로부터 120mm까지이며; 그리고
    상기 외부 고정자의 전류를 증가시키고 상기 내부 고정자의 전류를 일정하게 유지할 때, 상기 외부 고정자의 전압의 총 고조파 왜곡이 적어도 0.44%로 감소되는 전력 발전기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 내부 에어갭은 그의 최단 거리에서 25mm로부터 65mm까지이고 그의 최장 거리에서 45mm로부터 110mm까지이며다;
    상기 외부 에어갭은 그의 최단 거리에서 65mm로부터 110mm까지이고 그의 최장 거리에서 94mm로부터 140mm까지이며; 그리고
    상기 내부 고정자와 상기 외부 고정자 모두의 전류를 증가시킬 때, 상기 내부 고정자와 상기 외부 고정자의 고조파 및 총 고조파 왜곡이 적어도 4% 감소되는 전력 발전기.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 내부 에어갭은 그의 최단 거리에서 25mm로부터 85mm까지이고 그의 최장 거리에서 65mm로부터 100mm까지이며;
    상기 외부 에어갭은 그의 최단 거리에서 35mm로부터 55mm까지이고 그의 최장 거리에서 63mm로부터 120mm까지이며; 그리고
    상기 내부 고정자의 전류가 감소될 때, 상기 내부 고정자와 외부 고정자 모두에서 고조파 및 총 고조파 왜곡이 적어도 3% 감소되는 전력 발전기.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 내부 에어갭은 그의 최단 거리에서 5mm로부터 50mm까지이고 그의 최장 거리에서 10mm로부터 95mm까지이며; 그리고
    상기 외부 에어갭은 그의 최단 거리에서 20mm로부터 140mm까지이고 그의 최장 거리에서 30mm로부터 165mm까지인 전력 발전기.
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