KR20230020400A - 복수의 고정자를 구비하는 발전기 - Google Patents

Abstract

발전기는 중심 축에 대해 동축으로 및 동심으로 배치되는 회전자 및 복수의 고정자를 포함한다. 제1 고정자는 상기 회전자의 둘레에 동심으로 및 인접하게 제공되고, 상기 회전자 및 상기 제1 고정자는 회전자-고정자 에어갭에 의해 분리되어 있고, 제2 고정자는 상기 제1 고정자의 둘레에 동심으로 및 인접하게 제공되고, 상기 제1 및 제2 고정자는 고정자-고정자 에어갭에 의해 분리되어 있다. 상기 회전자는 복수의 자극을 제공하거나 발생시키도록 구성되는 복수의 자극 구조체를 포함하고, 상기 자극 구조체의 각각의 방사상으로 외부 표면은 상기 외부 표면과 상기 중심 축 사이의 평균 거리 미만인 평균 곡률 반경을 갖고 만곡된다. 상기 회전자-고정자 에어갭은 그에 따라 원주형으로 거리가 변화하여, 최단 거리가 상기 자극 구조체의 각각의 원주형의 중심에 있고 최장 거리는 상기 자극 구조체의 각각의 원주형의 단부에 있다. 상기 고정자-고정자 에어갭은 균일한 두께로 되어 있다.

Description

복수의 고정자를 구비하는 발전기

본 발명은 통상적으로 발전기에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 하나의 회전자와 복수의 고정자를 구비하는 발전기에 관한 것이다.

출원인은 발전기의 기본 설계가 수 년 동안 변화되지 않고 있음에 주목한다. 대부분의 발전기는 회전자와 고정자를 가지며, 여기에서 고정자는 회전자, 또는 이들 2개의 부품의 다른 회전식 조합을 둘러싸서 전기를 발생시킨다.

대부분의 경우에, 고정자에는 회전자가 수반되고, 고정자는 자계를 가이드하여 자기 회로를 완성하도록 그리고 하나의 극에서 다른 극으로 이동할 때 자계를 완전히 사용하도록 리턴 경로(return path)(종종 백 아이언(back-iron)이라고 지칭됨)를 갖는다. 당업계에서의 사상은 (방사상의 에어갭 머신에서) 고정자의 축방향으로 바깥쪽으로 리턴 경로를 갖는 것이다. 연구가 행해져 왔고, 많은 혁신 및 발명이 발전기의 효율을 최적화 및 향상시키려고 시도한다. 이들 시도의 대부분은 당업계의 지배적인 사상에 의해 가이드되며, 이는 회전자가 회전자로부터 고정자로 및 고정자를 통해 방출하는 자계를 생성하고, 리턴 경로를 통해 리턴하여, 자계의 폐쇄 회로를 형성함으로써 자계 루프를 완성하는 것을 나타낸다.

이러한 사상은 효과가 있으며 수년 동안 효과적으로 사용되어 왔다. US2007/0138896호는 전기 머신, 특히 2개의 회전자 및 2개의 고정자를 구비하는 릴럭턴스 모터를 개시하며; 이 릴럭턴스 모터는 2개의 고정자 사이에 자기 결합이 없거나 최소가 되도록 2개 고정자를 서로 격리시키는 기능을 하는 에어갭을 가지고 있다. 이 모터는 또한, 모터 회전자가 더 높은 토크를 가질 수 있도록 회전자를 향한 일방향 자속을 조장하는 바이어스 자석 디바이스를 구비한다. 에어 갭과 영구 자석은 자계를 한 방향으로 제공하고 고정자의 자계가 함께 연결되지 않도록 함께 작동한다.

다른 종래 기술 문헌은 CA2541286호이다. 이 문헌은 동축으로 이격되어 있는 2개의 고정자를 개시한다.

출원인은 위에서 언급한 특허 및 선행 기술이 효과적으로 예시하는 바와 같이 시도가 있어 왔으며, 발전기의 구성을 개선하고 그러한 발전기의 성능을 개선할 필요가 있음을 항상 오랜 세월 동안 느껴 왔다는 점에 주목한다. 선행 기술 시도의 주요 약점은 자계에 있는 큰 잠재력을 완전히 실현하거나 활용하지 못한다는 것이다.

본 출원인은 복수의 고정자를 구비하고 자계의 방사형 특성을 사용하여 상업적 이익을 가져오는 저렴한 비용으로 향상된 전력 출력을 발생시키는 발전기를 원한다.

따라서, 본 발명은 회전자 및 복수의 고정자를 포함하는 발전기를 제공하며:

상기 회전자 및 상기 복수의 고정자는 중심 축에 대해 동축으로 및 동심으로 배치되고;

상기 회전자는 상기 복수의 고정자의 방사상으로 안쪽으로 제공되며;

상기 복수의 고정자 중 제1 고정자는 상기 회전자의 둘레에 동심으로 및 인접하게 제공되고, 상기 회전자 및 상기 제1 고정자는 회전자-고정자 에어갭에 의해 분리되어 있으며;

상기 복수의 고정자 중 제2 고정자는 상기 제1 고정자의 둘레에 동심으로 및 인접하게 제공되고, 상기 제1 및 제2 고정자는 고정자-고정자 에어갭에 의해 분리되어 있으며;

상기 회전자는 복수의 자극을 제공하거나 발생시키도록 구성되는 복수의 자극 구조체를 포함하고;

상기 자극 구조체의 각각의 방사상으로 외부 표면은 상기 외부 표면과 상기 중심 축 사이의 평균 거리 미만인 평균 곡률 반경을 갖고 만곡되며, 상기 회전자-고정자 에어갭은 그에 따라 원주형으로 거리가 변화하여, 최단 거리가 상기 자극 구조체의 각각의 원주형의 중심에 있고 최장 거리는 상기 자극 구조체의 각각의 원주형의 단부에 있으며;

상기 고정자-고정자 에어갭은 균일한 두께로 되어 있다.

회전자-고정자 에어갭에서, 최장 거리 대 최단 거리의 비는 30:1 내지 2:1, 더욱 구체적으로 20:1 내지 5:1, 더욱 구체적으로 15:1 내지 10:1, 및 더욱 구체적으로 14:1 내지 13:1의 범위일 수 있다. 실제 치수는 발전기의 전체 크기에 의해 결정될 수 있지만, 최장 거리는 대략 135mm이고 최단 거리는 적어도 5mm일 수 있다.

각각의 자극 구조체의 원주 중심에서의 최단 거리는 5mm 내지 50mm일 수 있다. 각각의 자극 구조체의 원주 단부들에서의 최장 거리는 30mm 내지 150mm일 수 있다.

고정자-고정자 에어갭은 회전자-고정자 에어갭의 최단 거리보다 짧을 수 있다. 고정자-고정자 에어갭은 적어도 0.25mm일 수 있고, 더욱 구체적으로는 적어도 2mm일 수 있다.

발전기는 백철을 포함할 수 있다. 백 아이언은 리턴 경로를 제공하고 회전자의 자극으로부터 자기 회로를 폐쇄하는 데 도움을 줄 수 있다. 백 아이언은 복수의 고정자 둘레, 즉 가장 바깥쪽 고정자 둘레에 제공될 수 있다. 회전자와 가장 바깥쪽 고정자 사이에 위치한 고정자(들)이 중간 고정자이고; 2-고정자 발전기에는 하나의 중간 고정자(첫 번째 고정자)만 있고, 3-고정자 발전기에는 2개의 중간 고정자가 있는 식이다.

복수의 고정자는 아래의 목적 중 하나 이상을 수행할 수 있다:

단일 고정자 발전기보다 회전자에 의해 생성된 자계를 더 완벽하게 활용한다.

단일 고정자만의 권선에 비해 복수의 고정자의 권선에서 더 나은 파형을 생성한다. 본 명세서의 문맥에서, "더 나은 파형"은 단일 고정자에 의해 생성된 것보다 더 사인파형, 더 낮은 고조파 및/또는 더 평활한 것을 의미할 수 있다.

복수의 고정자 내의 권선은 병렬로 서로 연결될 수도 있다.

발전기는 단 2개의 고정자만 포함할 수도 있다. 발전기는 3개의 고정자 또는 3개 보다 많은 고정자를 포함할 수도 있다.

발전기는 복수의 고정자의 존재 및 구성의 결과로 파형 수정 회로를 사용하지 않고 0.8% 미만의 총 고조파 왜곡을 갖는 사인파 출력 파형을 생성할 수 있으며, 이는 우수하고 놀라운 기술적 결과일 수 있다.

본 발명은 회전자로부터 효율적으로 방사되는 자계를 완전히 활용하는 새로운 방법을 제공할 수 있다. 종래 기술의 설계에서, 회전자로부터의 자계는 고정자로 외부로 방출된 다음 리턴 경로로 방출된다. 리턴 경로는 자계를 회전자의 다음 극으로 되돌려 보낸다. 이 종래 기술 구성은 괜찮아 보일 수 있으며, 적어도 1 세기 동안 교육 받았던 문화와 기술의 교시로 인해 다른 고정자가 필요하지 않은 것처럼 보일 수 있다. 제안된 발명에 따라 2개 이상의 고정자를 포함하는 것은 언뜻 보기에 더 많은 회전자를 추가하지 않고 첫 번째 고정자에 인접한 두 번째(또는 세 번째 등)를 추가하는 것이 오히려 이상하게 보일 수 있다. 이러한 종래 기술 특허 설계는 자계 특성의 잠재력을 완전히 포착하지 못할 수 있다.

매우 유리한 자계의 다른 가치 있는 특성은 반대 극성의 2개의 자석, 예를 들어, 더 작은 에어갭에서 고정자에서 발생하는 것처럼 북극이 남극을 직면할 때 양쪽의 자계 강도가 증가하고 일부에서는 크기가 두 배가 될 수도 있다. 이 효과는 더 큰 변화율을 초래하고 그에 따라 높은 레벨의 전압 발생을 초래한다.

본 발명은 더 많은 인접 고정자를 포함함으로써 자계의 잠재력을 더 완전히 포착할 수 있으며; 이러한 고정자는 서로 동심으로 중첩할 수 있으며 모두 회전자에 대해 동심이다. 회전자는 고정자 내부에서 회전할 수 있어 인접한 고정자를 통해 자계를 방출하여 다음 고정자(들)로 방출할 수 있다.

본 발명에 따르면, 복수의 고정자를 구비하고 자계의 방사형 특성을 사용하여 상업적 이익을 가져오는 저렴한 비용으로 향상된 전력 출력을 발생시키는 발전기를 제공한다.

본 발명은 이제 첨부하는 도면을 참조하여 예로서 더 설명될 것이다.
도면에서,
도 1은 본 발명에 따르는 발전기의 제1 실시예의 개략적인 횡단면도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 발전기의 제2 실시예의 개략적인 횡단면도이다.
도 3은 도 1의 발전기의 제1 고정자의 전압 출력의 파형을 도시하는 도면이다.
도 4는 도 1의 발전기의 제2 고정자의 전압 출력의 파형을 도시하는 도면이다.

본 발명의 예시적인 실시예의 이하의 설명이 발명의 인에이블시키는 사상으로서 제공된다. 관련 기술 분야에서 숙련된 기수를 가진 자는, 본 발명의 유리한 결과를 얻으면서 기재되어 있는 예시적인 실시예에 대해 변경이 행해질 수 있음을 인식할 것이다. 본 발명의 기재되어 있는 바람직한 이익의 일부는 다른 특징을 이용하지 않고 예시적인 실시예의 특징의 일부를 선택함으로써 얻어질 수 있음은 또한 명백하다. 따라서, 당해 기술 분야에서 숙련된 기술을 가진 자는 예시적인 실시예에 대한 수정 및 각색이 가능하며, 특정 환경에서는 바람직할 수도 있고 본 발명의 일부인 것으로 인식할 것이다. 그러므로, 예시적인 실시예의 이하의 설명은 본 발명의 원리의 예시로서 제공될 뿐 제한하고자 하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따르는 발전기(100)의 제1 실시예를 도시한다. 발전기(100)의 밀접한 관련이 있는 부분만이 예시되어 있고, (베어링, 차축, 프레임, 입력 드라이브, 출력 와이어링 등 같은) 더 많은 공통 부분들은 예시되지 않지만 발명의 일부를 형성할 수도 있음을 당해 기술 분야에서 숙련된 기술을 가진 자는 이해할 것이다.

발전기(100)는 중심 축(111) 둘레로 회전하도록 장착되는 중앙 회전자(110)를 구비한다. 회전자(110)는 복수의 자극(예컨대, N-S-N-S)를 제공하거나 발생시키도록 구성된 복수의 자극 구조체(112)를 구비한다. 각각의 자극 구조체(112)는 영구 자석 또는 전자석일 수 있는 자석 요소(113)를 구비한다. 이 예에서는, 4개의 자극 구조체(112)가 존재하며, 따라서 발전기(100)는 4극 머신이다. 각각의 자극 구조체(112)는 회전자 슈(shoe)의 형태일 수도 있다.

각각의 자극 구조체(112)는 아치형의 방사상으로 외부 표면(114)을 구비한다. 외부 표면(114)의 곡률 반경은 외부 표면(114)으로부터 중심 축(111)까지의 거리보다 작다. 이것은 외부 표면(114)이 사용 시에 그리는 변위 아치보다 외부 표면(114)이 더욱 공격적인 곡률을 갖는 것을 의미한다.

발전기(100)는 복수의 고정자(120, 130)를 구비한다. 이 예시적인 실시예에서는, 발전기는 2개의 고정자, 즉 내부 고정자(120) 및 외부 고정자(130)를 구비한다. 내부 고정자(120)는 회전자(110)의 방사상으로 바깥쪽으로 인접해 있고, 내부 고정자(120) 및 회전자(110)는 회전자-고정자 에어갭(116, 118)에 의해 분리되어 있다. 외부 고정자(130)는 내부 고정자(120)의 방사상으로 바깥족으로 인접해 있고, 고정자들(120, 130)은 고정자-고정자 에어갭(122)에 의해 분리되어 있다. 고정자들(120, 130)은 중심 축(111) 및 회전자(110) 둘레에 동축으로 및 동심으로 배치되고; 회전자(110)는 고정자들(120, 130)의 방사상으로 안쪽으로 또는 내부에 배치된다.

자극 구조체(112)의 외부 표면(114)의 아치형 성질을 고려해볼 때, 회전자-고정자 에어갭(116, 118)은 외부 표면(114)의 전체 길이에 전반에 걸쳐 균일하지 않다. 더욱 구체적으로는, 회전자-고정자 에어갭(116, 118)은 내부 고정자(120)까지의 거리에 따라 원주형으로 변화하며, 여기에서 최단 거리(118)는 자극 구조체(112)의 원주형의 중심에 있고, 최장 거리(116)는 자극 구조체(112)의 원주형의 단부에 있다.

그에 반해서, 고정자-고정자 에어갭(122)은 균일한 두께로 되어 있다. 더욱이, 고정자-고정자 에어갭(122)은 회전자-고정자 에어갭(116, 118)의 최단 거리(118) 보다도 더 짧고 회전자-고정자 에어갭(116, 118)의 최장 거리(116)보다는 상당히 짧다.

발전기(100)는 각각의 자극 구조체(112)에 의해 발생되는 자계를 위한 자기 리턴 경로를 제공하도록 제2 고정자(130) 둘레에 백 아이언(back-iron)(132)을 구비한다.

도 2는 3개의 고정자(120, 130, 210)를 포함하는 발전기(200)의 제2 실시예를 예시한다. 이 발전기(200)와 제1 발전기(100) 간의 주요한 차이는 제2 고정자(130)의 방사상으로 바깥쪽으로 인접해 있는 제3 고정자(210)의 포함이다. 제2 및 제3 고정자(130, 210)는 제1 및 제2 고정자(120, 130) 간의 (제1) 고정자-고정자 에어갭(122)보다 짧거나 또는 같을 수 있는 제2 고정자-고정자 에어갭(212)에 의해 분리되어 있다.

발전기(200)는 여전히 백 아이언(132)을 구비하고 있지만 백 아이언이 제3 고정자(210) 둘레에 있다.

테스트 및 시뮬레이션 시에, 출원인은 제2 고정자(130)(및 선택적으로 추가의 고정자들)의 추가가 아래의 두 가지 주요 장점을 갖는 것을 발견하였다:

- 고정자(120, 130, 210)는 동일한 회전자(110)로부터 더 많은 전력을 발생시키고;

- 발생된 전력의 파형이 더 낮은 고조파를 갖는다 즉, 단일 고정자에 의해 발생된 것보다 더욱 순수한 사인파에 가깝다. 이것은 각각의 단일 고정자(120, 130 210)가 낮은 고조파 전압 출력을 발생시킬 수도 있음을 말해준다.

첫 번째 장점에 관하여, 출원인은 더 많은 고정자들(120, 130, 210)이 회전자(110)에 의해 발생된 더 많은 유효 자계를 "소비하거나" 이용하는 것으로 추측한다. 시뮬레이션 시에, 제2 고정자(130)는 특별한 의미가 있었던 제1 고정자(120)에 의해 발생된 것보다 약 80% 더 많은 전력을 발생시켰다. 그러나, 이것은 증가된 머신 복잡성의 비용에 접근한다.

출원인은 2-3개의 고정자가 최고의 상황일 수도 있는 것, 즉, 2-3개의 고정자가 전력 발생 및 머신 복잡성/비용 간의 최적의 보상(payoff)을 제공할 수도 있는 것으로 추측한다. 더 많은 (4개 이상의) 고정자가 여전히 약간의 추가의 전력을 발생하지만, 수익 체감의 법칙은 그렇게 많은 고정자들을 실행 가능하게 만들지 않을 수도 있다. 더욱 구체적으로는, 제1 고정자(120)는 (적어도 700V 미만의 낮은 전압에서) 전력을 발생시키고, 제2 고정자(130)는 제1 고정자(120) 및 제3 고정자(210)(발전기(200)의 경우)보다 더 많은 전력을 발생시키고, 제2 고정자(130)보다 더 많은 전력이지만 제2 고정자(130)에서 제3 고정자(210)로의 발전 증가율은 작지만(예를 들어, 제1 고정자에서 제2 고정자로의 증가 미만) 충분하며, 이것이 여전히 의미 있을 수도 있고 발전기 성능과 경제성을 향상시킨다. 더욱이, 출원인은 발전기(100, 200)(또는 더 많은 고정자를 갖는 것)의 역률이 더 많은 고정자가 추가되면 감소하지만, 이것은 개선되거나 허용 가능한 수준으로 수정될 수 있다는 점에 주목했다.

발전기(100)의 또 다른 이점은 회전자 관련 손실이 추가로 발생할 수 있는 다중 회전자, 다중 고정자 머신에 비해 회전자(110)가 하나만 있기 때문에 회전자(110)와 관련된 회전 손실 및 자계 발생 손실이 한 번만 발생한다는 것이다. 또 다른 이점은 다중 고정자(12, 130, 210)에 대해 하나의 회전자(110)가 있고, 발생된 전력이 단일 고정자에 의해 발생된 전력보다 몇 배 더 크다는 것이다.

일부 실시예에서는, 회전자-고정자 에어갭(116, 118)은 자극 구조체(112)의 중간점에서(달리 말하면, 최단 거리(118)에서) 적어도 5mm일 수 있고, 자극 구조체(112)의 2개의 단부에서(최장 거리(116)에서) 35mm로 균일하게 증가한다.

고정자(120, 130, 210)는 내부 표면과 외부 표면에 대해 전체적으로 균일한 원주 형상을 갖는 원통 형상이다. 고정자(120, 130, 210)가 서로 동심으로 중첩되고 각각의 고정자-고정자 에어갭(122, 212)에 의해 분리되기 때문에, 고정자-고정자 에어갭(122, 212)은 전체 원주 둘레에서 균일하고 0mm로부터 150mm까지의 범위일 수 있다. 사인파 모양으로 변화하는(또는 거의 사인파 모양으로 변화하는) 파형이 회전자(110) 및 회전자-고정자 에어갭(116, 118)의 형상에 의해 자동으로 생성되어 고정자(120, 130, 210)를 통해 전파되기 때문에 출력 파형을 사인파가 되도록 조작하기 위해 고정자-고정자 에어갭(122, 212)의 자속을 형성할 필요가 없을 수도 있다. 일부 실시예에서, 고정자-고정자 에어갭(122, 212)은 적어도 0.25mm일 수 있고, 약 2mm일 수도 있다.

당업계에서 숙련된 기술을 가진 자에게는 고정자(120, 130, 210)가 고정자에 공통인 다수의 특징들: 톱니 및 슬롯에 수용되는 권선을 구비한 슬롯을 포함하는 것이 명백할 것이다. 회전자(110)에 의해 발생되는 자계에 의해 전류가 권선에 유도된다. 회전자(110)로부터의 자계가 복수의 dpodjroq(116, 118, 122,212) 및 고정자(120, 130, 210)을 통과하기 때문에, 자계가 감소될 수도 있고 약해지기도 한다.

각각의 고정자(120, 130, 210)는 강성을 제공하고 톱니와 슬롯을 한정하는 고정자 본체를 포함할 수 있다. 고정자 본체는 마그네타이트 및 바인더(binder)를 포함할 수 있는 마그네타이트 재료로 제조될 수 있다. 마그네타이트 재료는 미세하게 분쇄된 마그네타이트의 형태일 수 있으며, 수지와 결합되고 경화될 수도 있다. 이것은 회전자(110)에 의해 발생된 자계의 정도가 내부 고정자(120)를 통과하여 다른 고정자(130, 210)와 상호작용하는 것을 허용할 수도 있다. 이러한 증가된 자계는 회전자(110)가 회전함에 따라 이것이 고정자(120, 130, 210)에 대한 자계의 변화율을 증가시켜, 발전기(100, 200)에서 가장 바깥쪽 고정자(130, 210)로서 위치하는 고정자라고 하더라도 영향을 받게 된다는 것을 나타낸다. 고정자-고정자 에어갭(122, 212)이 더 작을 때, 즉 약 10mm 미만의 범위에 있는 경우에, 효과가 확대될 수 있다. 이 효과는 인접한 고정자(120, 130, 210)에서 발생한다.

도 3 내지 도 4는 제1 및 제2 고정자(120, 130)의 권선에서 각각 유도되거나 발생되는 전압 파형(300, 400)을 도시한다. 이 구성에서, 고정자-고정자 에어갭(122)은 5mm이다. 발전기(100)는 800A 전류 및 60A 전계 전류를 갖는 전류 급전을 채용한다.

출원인은 내부 고정자(120) 다음의 고정자(130, 210)에서 자계 강도 또는 결합을 증가시키는 방법 및 기술이 있을 수 있다고 추측한다. 예를 들어, 회전자(110)로부터의 자계가 에어갭(116, 118, 122, 212) 및 고정자(120, 130, 210)를 통과할 때 회전자(110)로부터의 자계를 증가시키는 또 다른 방법은 고정자(120, 130, 210) 상의 폐쇄 회로 내에 2차 권선을 가지는 것이고; 이러한 2차 권선은 고정자(120, 130, 210)의 상부 섹션에 위치할 수 있으며, 여기서 고정자(120, 130, 210) 내에서 1차 발전 권선과 격리된다. 이들 2차 고정자 권선에는 전류 입력이 없을 수 있다. 이들 2차 권선의 구조적 특징은 이들 2차 권선이 고정자 본체에 전체적으로 내장될 수 있고, 자계의 변화율이 변화하고 이들 2차 권선과 연결됨에 따라 전류 흐름이 생성되고 이로 인해 자계가 발생되어 전기 강(steel)에 의해 확대되고 이 자계는 동일한 고정자의 슬롯에 있는 발전 권선으로 바깥쪽으로 방출되고 고정자 에어갭(122, 212)을 통해 인접한 고정자(130, 210)로 바깥쪽으로 방출된다.

하나 이상의 고정자(120, 130, 210)가 완전히 수지와 혼합된 마그네타이트로 제조될 때, 마그네타이트가 자계도 또한 확대할 수 있다. 동일한 두께의 경우 마그네타이트 재료는 전기 강보다 더 나은 방사상의 자기 분산을 갖는다. 이들 권선은 고정자(120, 130, 210)의 원주를 전체적으로 둘러쌀 수 있다.

자계 챌린지(challenge)를 증가시키기 위한 다른 실시예는 1차 발전 권선이 고정자(120, 130, 210)의 본체에 완전히 내장되도록 하는 것이고; 이 구조는 고정자(120, 130, 210)를 만들기 위한 기본 재료로 전기 강일 수 있다. 고정자(120, 130, 210)를 만들기 위한 재료는 또한 수지와 혼합된 마그네타이트 재료일 수 있다.

고정자 본체를 전기 강으로 만드는 재료의 일 실시예에서, 전계를 증가시키기 위해 권선의 표면에 결합된 마그네타이트의 표면층과 함께 발전 권선을 매립한다. 미세하게 연마된 마그네타이트는 더 높은 전계의 특성을 가지며 이를 사용하면 고정자 권선의 동작 전계를 증가시킬 수 있다. 이 실시예에서, 고정자(120, 130, 210)는 권선이 고정자(120, 130, 210) 내부에 있게 되므로 권선을 위치시키기 위한 슬롯을 갖지 않을 수도 있다. 2차 권선은 모든 고정자 내에 있을 수도 있고; 이들 2차 권선은 내부 인접 고정자(120)에 대해 방사상으로 안쪽으로 그리고 인접한 외부 고정자(210)에 대해 바깥쪽으로 그리고 가장 바깥쪽 고정자(210)의 리턴 경로(132)로 자계를 발생시키기 위해 고정자(130) 내에 있을 수도 있다.

고정자(120, 130, 210)의 전기 강철 구조물에 내장된 1차 발전 권선은 또한 자계를 방사상으로 내부의 인접한 고정자(120, 130)에 대해 안쪽으로, 그리고 인접한 외부 고정자(130, 210)에 대해 바깥쪽으로 그리고 리턴 경로를 향해 방출할 수도 있다. 리턴 경로(132)는 증가된 자계용의 카터(carter)에 충분한 투자율을 갖게 할 수 있도록 더 크게 만들어질 수 있다. 이 실시예에서 발생할 수 있는 챌린지는 고정자 권선의 냉각이다. 이 실시예에서의 냉각은 고정자(120, 130, 210) 내로 수냉식으로 효과적으로 처리될 수 있다. 고정자에 내장된 1차 권선과 고정자(120, 130, 210)에 내장된 2차 권선은 동일한 고정자(120, 130, 210)에 위치할 수 있고/있거나 표면적으로 부착되거나 마그네타이트로 매립될 수 있다.

위에서 언급한 바와 같이, 일부 실시예에서, 특히 고정자(120, 130, 210)의 구조적/본체 부분에 대해 마그네타이트 재료의 사용이 적절할 수 있다. 고정자-고정자 에어갭(122, 212)은 작을 수 있고: 약 0 mm 내지 약 10 mm의 크기 범위 내, 예를 들어 5 mm일 수 있다. 고정자-고정자 에어갭(122, 212)이 작기 때문에, 고정자(120, 130, 210)를 냉각시키기 위한 공기의 흐름이 감소될 수 있고 따라서 냉각이 효과적이지 않을 수도 있다.

재료로서의 미세한 마그네타이트는 양호한 열적인 특성을 갖는다. 수지와 혼합된 마그네타이트 재료는, 테스트 작업 중에, 마그네타이트가 다수의 전기 재료보다 훨씬 빠르게 주변 환경으로 열을 방출하는 것이 발견되었다. 마그네타이트도 천천히 뜨거워진다. 전기 응용 분야에 사용하기 위한 마그네타이트 재료는 여러 가지 유리한 특성이 있으며; 마그네타이트의 용도 중 하나는 발전기이다.

리턴 경로(132)는 더 큰 두께를 갖고 더 커질 수 있다. 두께 측면에서 리턴 경로(132)의 크기는 본 발명의 특징적인 특징 중 하나일 수 있다. 종래의 설계 및 최신 기술과 비교하여, 본 발명의 리턴 경로(132)는 항상 최신 기술의 리턴 경로보다 더 두꺼울 수도 있고, 자계가 약해지더라도 더 많은 고정자가 추가되어 리턴 경로(132)가 여전히 두껍게 만들어질 수 있다. 리턴 경로(132)가 더 두껍게 만들어지면, 발전기(100)는 더 많은 전력을 발생시킬 수 있게 된다.

기본적인 종래 기술의 발전기에서, 즉 단일 중심 회전자와 회전자 주위에 단일 고정자가 있고 어떠한 파형 보정 회로도 없는 경우, 출력 파형의 전압 고조파가 높아질 수 있다. 본 개시내용에서, 발전기(100)는 더욱 평활한 전압 파형, 따라서 회전자(110)에 대한 더욱 평활한 토크, 회전자(110)와 내부 고정자(120) 사이의 더욱 평활한 에어갭 자속 밀도의 예상치 못한 다소 놀라운 기술적 결과를 제공하고, 또한 고정자(120, 130) 사이에 더욱 평활한 에어갭 자속 밀도를 제공한다. 이러한 평활 기술적 결과는 발전기(200)의 모든 후속 고정자(210)에 적용될 수도 있다.

발전기(100)의 장점은 고조파 왜곡이 낮다는 것이다. 발전기는 1% 미만의 THD(총 고조파 왜곡)를 가질 수 있고 약 0.8% 또는 그 미만의 THD를 가질 수 있다. 회전자-고정자 에어갭(116, 188)의 최단 거리(118)가 적어도 35mm이고 최장 거리(116)가 75mm이고, 고정자-고정자 에어갭이 10mm이고 원주 방향으로 균일한 특정 실시예에서, 이 실시예에서, 발전기(100)는 0.8% 미만의 THD를 갖는 출력 파형을 생성하였다. 고조파에 대한 표준 요구 사항은 발전에 대해 8% 미만이며, 따라서 이 발전기(100)는 추가적인 파형 수정 또는 성형 회로 없이 이 임계값 미만이었다.

이 낮은 THD는 더 많은 전류를 생성하기 위해 발전기를 보다 적극적으로 구성할 수 있는 기회를 제공한다 - 일반적으로 THD를 높이는 방식이지만 이는 허용 가능한 THD 임계값 미만으로 고조파 왜곡을 유지하면서 8% 제한에 접근하고 더 많은 전력을 추출하기 위해 수행될 수 있다. 이 실시예에서, 두 개의 고정자는 모두 저전압 고조파를 발생시킨다. 저전압 고조파는 전류의 증가가 더 많은 전력을 발생하고 경제적 이익을 증가시켜 경제적인 성공을 낳는다는 점에서 막대한 경제적 이익을 제공할 수도 있다. 이 저-고조파 이점은 기존의 선행 기술의 발전기의 높은 수준의 고조파 제한을 해결한다.

주목해야 할 또 다른 점은 외부 고정자(130)가 내부 고정자(120)보다 더 큰 반경을 갖고, 따라서 톱니 및 톱니에 권선을 제공하기 위한 더 큰 영역을 갖는다는 것이다. 이것은 발전에 도움이 될 수 있다. 고정자의 크기가 커질수록 전체적인 표면적의 증가로 인한 전압 발생도 증가한다. 따라서 더 큰 반경을 갖는 고정자가 더욱 많이 추가될수록 위상당 권수가 같더라도 더 많은 전압이 발생한다. 이것은 또한 더 나은 경제적 이익을 창출하고 경제적 성공을 가져온다.

이 발전기(100)의 동작 방법은 발전기가 고객 또는 그리드(grid)의 상이한 조건에 적합하도록 상이한 모드에서 동작할 수 있다는 것일 수도 있다. 두 고정자(120, 130)는 온로드(on-load)로 동작될 수 있다. 이와 달리, 발전기(100)는 내부 고정자(120)가 오프로드로 동작되고 외부 고정자(130)가 온로드로 동작되는 경우, 즉 수요가 적은 경우에 동작될 수도 있다. 내부 고정자(120)는 전력 출력이 외부 고정자(130)에서 여전히 저전압 고조파를 가질 수 있는 경우 자계를 완화할 수 있다. 오프로드로 동작하도록 고정자(120)를 선택하는 이유는, 700V 이상의 더 높은 전압에서 고정자는 반경 크기로 인해 다른 모든 고정자에 비해 가장 적은 양의 전력을 발생시키기 때문이다. 고정자 중 하나가 오프로드라는 사실은 전압 고조파 측면에서 전력 품질에 영향을 미치지 않는다. 환언하면, 고정자(120) 중 하나를 오프로드로 동작하는 경우에도, 온로드로 동작하는 다른 고정자(130)는 여전히 양호하거나 낮은 THD 특성을 갖는다. 따라서, 고정자(120) 중 하나가 오프로드이더라도 다른 고정자(130)에 대한 고정자(120)의 존재 또는 근접만으로도 여전히 기술적 효과를 제공한다. 기존의 하나의 회전자와 하나의 고정자 설계에 비해, 하나의 고정자를 3개 또는 2개의 고정자를 합친 것만큼 크게 만들더라도, 다중 고정자 설계가 저전압 고조파의 기술적 효과로 인해 비교적 더 나은 성능을 나타낸다.

내부 고정자(120)를 오프로드로 동작시킨 결과, 회전자(110)의 회전에 반대되는 기계적 효과와 다른 고정자(130)로부터의 코깅 토크(cogging torque)가 감소됨으로써 발전기(100)의 동작이 보다 원활하고 개선될 수 있다. 임의의 다른 고정자(130, 210)는 전력 수요를 위해 조정된 오프로드로 동작될 수도 있다. 외부 고정자(130, 210)는 또한 전력 수요를 고려하여 오프로드 동작에 선호되지 않을 수도 있다. 이 실시예는 발전기(100, 200)의 일부 동작 유연성을 제공한다. 낮은 고조파의 이러한 특징적인 특징은 종래 기술에서 비교적 높은 레벨의 고조파에 의해 생성된 제한을 해결할 수 있다. 발전기(100, 200)는 유연하게 동작할 수 있으며, 이에 의해 적어도 하나의 고정자는 온로드로 동작하는 동안 다른 고정자(들)는 오프로드로 동작하거나 적어도 하나의 고정자는 오프로드에서 동작하는 동안 다른 고정자(들)는 온로드로 동작하여, 여전히 낮은 고조파 전압을 발생한다. 이러한 동작 모드는 발전기(100, 200)의 원활한 동작을 개선시킬 수 있다.

발전기(100, 200)는 지지 구조(도시 생략)를 가질 수 있다. 지지 구조는 모든 고정자(120, 130, 210)에 대한 단일 백 아이언(132)만을 포함할 수 있다. 최외각 고정자(130, 210)와 다른 모든 고정자(120, 130)가 고정자(120, 130, 210)를 강화시키도록 가로질러 타이-바(tie-bar)로 지지될 수 있어, 임의의 움직임에 대해 고정자를 함께 고정한다. 이러한 고정자(120, 130, 210)에 사용될 수 있는 타이-바는 원하는 강도로 되도록 10.9의 구조적 강철 등급을 포함할 수 있다.

중간 고정자(120, 130)를 지지하는 또 다른 방법은 비자성 및 비전도성 재료를 타이-바의 형태로 지지 구조로서 사용하는 것인데, 이는 권선까지의 경로에 대한 자계 흐름 방향에 영향을 주지 않고 원하지 않는 자기 간섭이 발생하지 않는다.

이 제안된 발전기(100)는 하나의 회전자와 인접한 다중 고정자를 구비하며, 단일 회전자로 더 많은 전력을 생성하는 간단한 해결방안이다. 발전기(100)의 특징적인 특징은 다중 고정자이다. 적어도 두 개의 고정자가 있을 수 있다. 이 제안된 발명은 단일 회전자로 더 많은 전력을 생성하는 방법에 대한 새로운 방법을 제시하고, 그렇게 함으로써 본 발명은 저고조파 특성의 우월성과 함께 기술을 실질적으로 개선하고 본 발명에 기술적 의의를 부여한다. 더 큰 크기의 외부 고정자, 고정자의 표면적의 적분 및 두 고정자가 서로 마주볼 때 자계의 최대 2배가 되는 요인의 시너지 효과; 이러한 요인들은 함께 작용하여 이 발전기(100)에 대한 전압 출력을 증가시킨다.

일부 실시예에서, 리턴 경로는 선행 기술 발명보다 최대 10배 더 두꺼울 수도 있다. 동일한 크기의 회전자의 경우, 본 발명을 위한 최적화된 리턴 경로는 최적화된 기존 설계보다 적어도 1.5배 더 두꺼울 수 있다. 이 백 아이언(종종 리턴 경로라고도 지칭함)은 두께가 적어도 2mm일 수 있다. 리턴 경로가 두껍게 만들어지면, 발전기는 동일한 자계 전류 및 동일한 고정자 전류를 유지하더라도 더 많은 전력을 생산할 수 있지만, 리턴 경로의 두께가 증가하면 발전기는 더 많은 전압을 발생시켜 더 많은 전력을 생산한다. 이것은 상당히 놀라운 기술적 결과이며 매우 유리하므로, 더 두꺼운 리턴 경로는 발전기(100)의 구별되는 특징일 수 있다. 발전기(100)의 경우, 리턴 경로는 항상 본 발명의 가장 바깥쪽 고정자에 위치한다. 리턴 경로는 두 번째 또는 가장 바깥쪽 고정자보다 두꺼울 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예는 본 발명이 다중 고정자와 하나의 회전자를 가지므로 발전기에 다중 고정자와 더미 고정자와 함께 하나의 회전자가 있는 실시예에 있다. 다르게 말하면, 발전기는 복수의 고정자에 덧붙여서 더미 고정자를 더 포함할 수 있고, 복수의 고정자와 동심으로 배치되고, 더미 고정자는 동작 권선을 갖지 않는 것을 특징으로 한다.

조항들

1. 다중 고정자를 구비하는 발전기로서, 발전기는 발전기의 가장 안쪽 부분으로서의 회전자를, 회전자와 가장 안쪽 고정자 사이의 에어 갭이 회전자 극의 외부 표면의 중간 지점에서 최소 10mm인 적어도 2개의 동심원 고정자와 함께 구비하며, 에어 갭은 회전자 극의 두 단부에서 적어도 50mm까지 균일하게 증가하고, 인접한 고정자 사이의 에어 갭은 2개의 인접한 고정자의 원주의 전체 둘레에서 적어도 (제로) 0mm이다.

2. 조항 1에 따르는 발전기로서, 각각의 중간 고정자는 고정자 지지용 백 아이언으로서 전기 강의 얇은 층을 가지며, 여기서 백 아이언의 두께는 적어도 2mm이다.

3. 조항 1에 따르는 발전기로서, 인접한 외부 고정자의 톱니는 회전자와 가장 바깥쪽 고정자 사이에 있는 중간 고정자의 지지를 위해 선행하는(인접한) 고정자의 후면에 결합된다.

4. 조항 1에 따르는 발전기로서, 10.9 등급의 구조용 강재를 포함하는 타이 로드(tie-rod)가 회전자와 가장 바깥쪽 고정자 사이의 중간 고정자의 지지를 위해 사용된다.

5. 조항 1에 따르는 발전기로서, 회전자와 가장 바깥쪽 고정자 사이에 위치하는 중간 고정자의 지지 구조로서 비자성 및 비전도성 재료가 사용된다.

6. 조항 1에 따르는 발전기로서, 고정자들 사이의 에어갭은 고정자의 원주의 전체 둘레에서 5mm이다.

7. 조항 1에 따르는 발전 방법으로서, 내부 고정자(S1)와 외부 고정자(S2) 사이의 에어갭은 5mm이고, 이 에어갭은 0.8% 미만의 더 낮은 고주파를 갖는 평활한 사인 파형을 발생시킨다.

8. 조항 1에 따르는 발전 방법으로서, 적어도 하나의 고정자의 권선은 미세하게 분쇄된 마그네타이트에 또는 마그네타이트가 전계를 증가시키는 수지와 혼합된 마그네타이트에 매립된다.

9. 조항 1에 따르는 발전기의 발전 방법으로서, 적어도 하나의 고정자는 다음 권선 중 하나를 갖는데:

고정자의 발전 권선에서 분리된 고정자의 상부 섹션에 2차 권선이 있고, 2차 권선에는 전류가 입력되지 않지만 강재에 의해 확대되는 회전자 운동에 의해 자계를 발생하여 회전자 자계에 더해지며; 또는

여기에서 발전 권선은 전기 강재 고정자 구조에 완전히 매립되어, 강재 구조물에 의해 확대되는 더 많은 자계를 발생하고 수냉식이 고정자를 냉각하는 데 사용된다.

10. 조항 1에 따르는 발전기로서, 리턴 경로에는 고정자 상으로의 자계를 증가시키도록 마그네타이트가 페이스트(pasted)된다

11. 조항 1에 따르는 발전기로서, 중간 고정자의 고정자의 후면 상에 있는 강재의 얇은 층에는 마그네타이트가 페이스트된다.

12. 조항 1에 따르는 발전기에서의 발전 방법으로서, 회전자에 가장 가까운 고정자는 오프로드로 동작되고, 회전자의 회전에 대한 부정적인 기계적 영향 및 다른 고정자로부터의 코깅 토크가 감쇠된다.

13. 조항 1에 따르는 발전기에서의 발전 방법으로서, 회전자와 가장 바깥쪽 고장자 사이의 중간 고정자 중 적어도 하나는 오프로드로 동작되고 모든 다른 고정자는 온로드로 동작된다.

14. 다중 고정자를 구비하는 발전기로서, 발전기는 발전기의 가장 안쪽 부분으로서의 회전자를, 갖는 회전자와 가장 안쪽 고정자 사이에 회전자-고정자 에어갭이 있는 회전자와 방사상으로 위치하는 적어도 2개의 동심의 고정자와 함께 구비하며, 인접한 고정자 사이에 고정자-고정자 에어갭이 있다.

Claims (18)

1. 회전자 및 복수의 고정자를 포함하는 발전기로서:
   상기 회전자 및 상기 복수의 고정자는 중심 축에 대해 동축으로 및 동심으로 배치되고;
   상기 회전자는 상기 복수의 고정자의 방사상으로 안쪽으로 제공되며;
   상기 복수의 고정자 중 제1 고정자는 상기 회전자의 둘레에 동심으로 및 인접하게 제공되고, 상기 회전자 및 상기 제1 고정자는 회전자-고정자 에어갭에 의해 분리되어 있으며;
   상기 복수의 고정자 중 제2 고정자는 상기 제1 고정자의 둘레에 동심으로 및 인접하게 제공되고, 상기 제1 및 제2 고정자는 고정자-고정자 에어갭에 의해 분리되어 있으며;
   상기 회전자는 복수의 자극을 제공하거나 발생시키도록 구성되는 복수의 자극 구조체를 포함하고;
   상기 자극 구조체의 각각의 방사상으로 외부 표면은 상기 외부 표면과 상기 중심 축 사이의 평균 거리 미만인 평균 곡률 반경을 갖고 만곡되며, 상기 회전자-고정자 에어갭은 그에 따라 원주형으로 거리가 변화하여, 최단 거리가 상기 자극 구조체의 각각의 원주형의 중심에 있고 최장 거리는 상기 자극 구조체의 각각의 원주형의 단부에 있으며;
   상기 고정자-고정자 에어갭은 균일한 두께로 되어 있는, 발전기.
2. 제1항에 있어서, 상기 최장 거리 대 상기 최단 거리의 비율은 30:1 내지 2:1의 범위 내에 있는, 발전기.
3. 제1항에 있어서, 상기 자극 구조체의 각각의 원주형 중심에서의 상기 최단 거리는 5 내지 50 ㎜인, 발전기.
4. 제1항에 있어서, 상기 자극 구조체의 각각의 원주형 단부에서의 상기 최장 거리는 30 내지 150 ㎜인, 발전기.
5. 제1항에 있어서, 상기 최장 거리는 135 ㎜이고, 상기 최단 거리는 적어도 5 ㎜인, 발전기.
6. 제1항에 있어서, 상기 고정자-고정자 에어갭은 상기 회전자-고정자 에어갭의 상기 최단 거리보다 더 짧은, 발전기.
7. 제1항에 있어서, 리턴 경로를 제공하고 상기 회전자의 상기 자극으로부터 자기 회로를 폐쇄시키는데 도움을 주도록 구성되는 백 아이언(back-iron)을 포함하며, 상기 백 아이언은 상기 복수의 고정자 둘레에 환언하면, 가장 바깥쪽 고정자 둘레에 제공되는, 발전기.
8. 제7항에 있어서, 상기 복수의 고정자는 상기 복수의 고정자의 개별 고정자로부터의 고조파에 비해 상기 복수의 고정자 내의 권선으로부터의 더 낮은 고조파를 갖는 더 나은 출력 파형을 형성하도록 함께 동작하는, 발전기.
9. 제1항에 있어서, 상기 복수의 고정자의 존재 및 구성의 결과, 파형 정형 회로를 사용하지 않고 0.8% 미만의 전체 고조파 왜곡을 갖는 사인 출력 파형을 생성하는, 발전기.
10. 제1항에 있어서, 상기 고정자-고정자 에어갭은 적어도 0.25 ㎜인, 발전기.
11. 제7항에 있어서, 상기 백 아이언은 적어도 2 ㎜ 두께인, 발전기.
12. 제1항에 있어서, 적어도 3개의 고정자, 즉, 상기 제1 고정자, 중간 고정자인 상기 제2 고정자, 및 상기 제2 고정자 둘레에 동심으로 제공되어 제2 고정자에 인접한 가장 바깥쪽 고정자인 제3 고정자를 포함하고, 상기 제2 및 제3 고정자는 제2 고정자-고정자 에어갭에 의해 분리되어 있는, 발전기.
13. 제1항에 있어서, 상기 제2 고정자의 톱니는 지지를 위해 상기 제1 고정자의 후면에 결합되는, 발전기.
14. 제1항에 있어서, 인접한 고정자들 사이에 지지를 위해 제공되는 강재를 포함하는 타이 로드(tie-rod)를 포함하는, 발전기.
15. 제1항에 있어서, 인접한 고정자들 사이의 지지 구조로서 사용되는 비자성 및 비전도성 재료를 포함하는, 발전기.
16. 제1항에 있어서, 상기 복수의 고정자에 덧붙여서 및 상기 복수의 고정자와 동심으로 배치되는 더미(dummy) 고정자를 더 포함하고, 상기 더미 고정자는 동작 권선을 갖지 않는 것을 특징으로 하는, 발전기.
17. 제1항에 기재되어 있는 발전기를 동작시키는 방법으로서:
    복수의 고정자의 모두가 온로드로 동작되거나;
    상기 복수의 고정자 중 하나를 제외하고 모두가 온로드로 동작되고 상기 복수의 고정자 중 하나가 오프로드로 동작되는, 발전기를 동작시키는 방법.
18. 제16항에 기재되어 있는 발전기를 동작시키는 방법으로서, 상기 더미 고정자는 오프로드로 동작되는, 발전기를 동작시키는 방법.

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