KR20230137935A

KR20230137935A - Energy efficient induction motor

Info

Publication number: KR20230137935A
Application number: KR1020237027125A
Authority: KR
Inventors: 쿤지몬 테케 피디카일
Original assignee: 팔-케이 다이나믹스 피브이티. 엘티디.
Priority date: 2021-01-09
Filing date: 2021-12-08
Publication date: 2023-10-05
Also published as: ZA202307792B; WO2022149155A1; EP4275267A1; CN116888872A; AU2021418177A1; BR112023013793A2; JP2024502380A; CA3204631A1; MX2023008203A

Abstract

본 발명은 고정자와, 회전 자계(RMF)를 생성하는 주권선(M)과, 및 RMF에 의해 고정자의 주권선(M)에 대해 회전하도록 구성된 회전자를 구비하는 에너지 효율적인 인덕션 모터에 관련된다. 고정자는 회전자의 회전에 의해 하나 이상의 보조 권선(A)들에 유도된 교번 EMF를 산출하는 하나 이상의 보조 권선(A)들을 구비한다. 회전자가 회전 사이클을 완료하는 동안 하나 이상의 보조 권선(A)들에 산출된 교번 EMF는 고정자에 접속된 전자 제어 유닛을 통해 동시에 고정자에 공급되어, 고정자의 주권선(M)에 지속적으로 공급되는 합산 AC 출력을 산출한다.The present invention relates to an energy efficient induction motor having a stator, a main winding (M) generating a rotating magnetic field (RMF), and a rotor configured to rotate relative to the main winding (M) of the stator by the RMF. The stator has one or more auxiliary windings (A) which produce an alternating EMF induced in the one or more auxiliary windings (A) by rotation of the rotor. While the rotor completes a rotation cycle, the alternating EMF produced in one or more auxiliary windings (A) is simultaneously supplied to the stator through an electronic control unit connected to the stator, adding up to a continuous supply to the main winding (M) of the stator. Calculates AC output.

Description

Energy efficient induction motor

본 발명은 일반적으로 에너지 효율적인 인덕션 모터에 관한 것으로, 더 구체적으로는 고정자 권선에서 생성되는 EMF를 수집 및 조작하여 모터를 구동하는 전력 요구치의 대부분을 보충함으로써 동일한 용량을 갖는 종래의 모터에 비해 더 적은 전류를 소비하는 인덕션 모터에 관한 것이다.The present invention relates generally to energy-efficient induction motors, and more specifically to energy-efficient induction motors, by collecting and manipulating the EMF generated in the stator windings to supplement most of the power requirements for driving the motor, thereby reducing the energy consumption compared to a conventional motor of the same capacity. It concerns induction motors that consume current.

에너지 수요의 극적인 증가에 따라, 다양한 분야, 산업 등은 에너지의 지속 가능한(sustainable) 형태의 채택 또는 재생 가능한(renewable) 에너지원의 이용을 추구하고 있다. 이는 생성된 에너지/전력을 관리 및 보존하는 에너지 효율적인 장치의 제공에 대한 수요와 결합되어 에너지 요구치 및 수요와 동등해졌다.With the dramatic increase in energy demand, various fields, industries, etc. are pursuing the adoption of sustainable forms of energy or the use of renewable energy sources. This, combined with the demand for the provision of energy efficient devices that manage and conserve the energy/power generated, has equated energy requirements and demands.

기술의 발전에 따라, 전기 모터는 다양한 응용분야에 주된 구동력으로 산업에 사용되어 왔는데, 이는 에너지 자원들의 과도한 사용을 요구한다. 구체적으로, 삼상(three-phase) 인덕션 모터 등의 인덕션 모터가 산업 및 농업 분야에 주도적으로 사용되고 있는데, 이 모터들은 생산된 전체 에너지의 65%를 소비한다. 이에 따라, 현재 사용되고 있는 표준 모터에 비해 상당한 양의 에너지를 절감하고자 하는 수요가 존재한다. 또한 향상된 효율을 갖는 이러한 모터의 운전비용을 저감시켜 에너지 효율적인 모터를 설계하고자 하는 수요가 존재한다.With the advancement of technology, electric motors have been used in industry as the main driving force for various applications, which requires excessive use of energy resources. Specifically, induction motors, such as three-phase induction motors, are predominantly used in industrial and agricultural fields, and these motors consume 65% of the total energy produced. Accordingly, there is a demand to save significant amounts of energy compared to standard motors currently in use. Additionally, there is a demand to design energy-efficient motors by reducing the operating costs of these motors with improved efficiency.

모터의 입력 전원(input power supply)의 종류와 회전자(rotor)의 종류에 따라 기본적으로 2가지 종류의 인덕션 모터들이 존재한다. 입력 전원의 종류에 기반하여 인덕션 모터는 단상(single-phase) 인덕션 모터와 삼상 인덕션 모터로 분류된다. 회전자의 종류에 기반하여, 인덕션 모터는 농형 모터(squirrel cage motor)와 슬립링 모터(slip ring motor) 또는 권선형(wound type)으로 분류된다.There are basically two types of induction motors depending on the type of motor input power supply and rotor. Based on the type of input power, induction motors are classified into single-phase induction motors and three-phase induction motors. Based on the type of rotor, induction motors are classified into squirrel cage motors and slip ring motors or wound types.

다음은 인덕션 모터의 작동 원리의 예시이다. 인덕션 모터의 고정자 권선(stator winding)에 AC 입력 전원이 공급되면 AC 입력 전원에 의해 고정자 권선 둘레에 교번 자속(alternating flux)이 산출된다. 이 교번 자속은 동기속도(synchronous speed)로 회전한다(revolve). 이 회전하는 자속이 "회전 자계(Rotating Magnetic Field)" (RMF)로 지칭된다.The following is an example of the operating principle of an induction motor. When AC input power is supplied to the stator winding of an induction motor, alternating flux is generated around the stator winding by the AC input power. This alternating magnetic flux rotates at synchronous speed. This rotating magnetic flux is referred to as the “Rotating Magnetic Field” (RMF).

이 고정자 RMF와 회전자 도체(conductor)등 간의 상대속도가 Faraday의 전자기 유도 법칙에 따라 회전자 도체에 유도 EMF를 야기한다. 회전자 도체가 단락 회로를 형성하고(short circuited), 이에 따라 유도 EMF에 기인하여 회전자 전류가 생성된다. 그 작동 기구 때문에 이러한 모터는 인덕션 모터로 지칭된다. 이는 변압기에서 발생되는 작용과 유사하여 인덕션 모터는 회전 변압기로도 지칭된다.The relative velocity between this stator RMF and the rotor conductor causes an induced EMF in the rotor conductor according to Faraday's law of electromagnetic induction. The rotor conductors are short circuited, thereby generating rotor current due to induced EMF. Because of their operating mechanism, these motors are referred to as induction motors. This is similar to the action that occurs in a transformer, so induction motors are also referred to as rotating transformers.

회전자 내의 유도 전류는 또한 그 둘레에 교번 자속을 산출한다. 회전자 자속은 고정자 자속에 뒤쳐진다. 렌츠(Lenz)의 법칙에 의하면 유도된 회전자 전류의 방향은 그 산출의 원인에 대향(oppose)하는 경향을 갖는 방향이다. 회전자 전류의 산출 원인은 회전 고정자 자속과 회전자 간의 상대속도인데, 회전자는 고정자 RMF를 따라 잡으려 노력할 것이다, 이에 따라, 회전자는 상대속도를 최소화하기 위해 고정자 자속과 동일한 방향으로 회전한다. 그러나 회전자는 회전하는 고정자 자속 또는 RMF의 동기속도를 따라잡는 데 성공하지 못할 것이다. 이는 단상 및 삼상 인덕션 모터 양자의 기본 작동 원리이다.The induced current in the rotor also produces alternating magnetic flux around it. The rotor flux lags behind the stator flux. According to Lenz's law, the direction of the induced rotor current is a direction that tends to oppose the cause of its generation. The source of the rotor current is the relative speed between the rotating stator flux and the rotor; the rotor will try to keep up with the stator RMF, so the rotor will rotate in the same direction as the stator flux to minimize the relative speed. However, the rotor will not succeed in keeping up with the synchronous speed of the rotating stator flux or RMF. This is the basic operating principle of both single-phase and three-phase induction motors.

삼상 인덕션 모터에서는, 삼상 전원(three-phase supply)이 고 전류 소비의 균형을 잡는 데 사용된다. 이에 따라 삼상 전원이 3 HP 정격(rating) 이상을 갖는 인덕션 모터를 작동시키는 데 필요하다.In three-phase induction motors, a three-phase supply is used to balance the high current consumption. Accordingly, three-phase power is required to operate an induction motor with a rating of 3 HP or more.

특히 인덕션 모터 등의 전기 모터의 에너지 효율은 집중적으로 연구된 영역이다. 인덕션 모터의 효율을 증가시키면 방대한 양의 에너지를 보존할 수 있다. 인덕션 모터를 설계하는 종래의 설계 접근방법을 사용해서는 산업 효율 표준을 달성하기 어렵다.In particular, the energy efficiency of electric motors such as induction motors is an area of intensive research. Increasing the efficiency of induction motors can conserve vast amounts of energy. Industrial efficiency standards are difficult to achieve using traditional design approaches to designing induction motors.

현재 존재하는 고효율 인덕션 모터에서는, 모터의 작동 효율 향상을 위한 고품질 코어와 권선 소재의 채택으로 설계 변경이 구현된다. 이러한 설계 변경은 비용 효율적이 아니다. 최근, 고품질 소재 대신 다양한 설계 변경들을 통한 전기 모터의 전류 효율을 향상시키고자 하는 노력이 수반되는 에너지 절감 측면에서 현저한 연구 및 투자가 이뤄져 왔다.In existing high-efficiency induction motors, design changes are implemented through the adoption of high-quality core and winding materials to improve the operating efficiency of the motor. These design changes are not cost-effective. Recently, significant research and investment has been made in energy saving, with efforts to improve the current efficiency of electric motors through various design changes in place of high-quality materials.

많은 경우들에, 농형 인덕션 모터가 고정 속도 응용에 선호된다. 그러나 지배적인 권선 손실(winding loss)에 기인하여 최적 효율을 갖는 현재의 인덕션 모터는 상업적으로 제공 불가능하다. 비정질 코어와 구리 회전자 바(bar)들은 효율의 증가를 위해 구현되어 온 다른 해법들이다. 그러나 이러한 해법들은 원가의 전체적 상승으로 귀결되어 산업에 널리 구현할 가능성이 없다.In many cases, squirrel cage induction motors are preferred for fixed speed applications. However, due to the dominant winding loss, current induction motors with optimal efficiency are not commercially available. Amorphous cores and copper rotor bars are other solutions that have been implemented to increase efficiency. However, these solutions are unlikely to be widely implemented in industry as they result in an overall increase in costs.

CN201663527U는 전기 구동 시스템 설계에 관련된다. 전기 포크리프트 교류 구동 시스템은 농형 인덕션 모터이다. 삼상 권선(three-phase winding)은 고정자 내주의 슬롯(slot)에 위치한다. 폐쇄된 회전자가 생성하는 회전 자계 유도가 전류를 생성한다. 전기 포크리프트 교류 구동 시스템의 삼상 권선 공간(space)이 120도 전위차(potential difference)에 따라 배열된다. 회전자 종류는 농형(squirrel-cage) 회전자가 회전자 외부 모서리 슬롯 내의 주조 알루미늄 스트립(strip)으로 형성된 것이다, 정전압 주파수 유추 제어(After constant voltage frequency analogy control)가 정현파(sine wave) 펄스폭 제어(Pulse Width Modulation; PWM)와 (D/A) 반전(inversion)을 위한 DC/AC 인버터를 사용한 후, 전압은 48V이다. 전동기(electromotor)의 기본 주파수는 정현파 기준 전압의 주파수와 동일하다. 교류 전동기에 필요한 부재들이 크게 감소되고, 정기적인 교체를 요구하는 손상되기 쉬운 부품이 없으며, 유지보수가 거의 필요 없다. 현재의 직류 전동기에 비해 이 전동기는 더 효율적이고, 더 견고하며 더 내구성이 좋다.CN201663527U concerns the design of electric drive systems. The electric forklift alternating current drive system is a squirrel cage induction motor. The three-phase winding is located in slots around the inner circumference of the stator. The rotating magnetic field induction produced by the closed rotor generates an electric current. The three-phase winding space of the electric forklift alternating current drive system is arranged according to a 120 degree potential difference. The rotor type is a squirrel-cage rotor in which the rotor is formed from cast aluminum strips within slots at the outer corners of the rotor. After constant voltage frequency analogy control is provided by sine wave pulse width control ( After using a DC/AC inverter for Pulse Width Modulation (PWM) and (D/A) inversion, the voltage is 48V. The fundamental frequency of the electromotor is the same as the frequency of the sinusoidal reference voltage. The components required for an AC motor are greatly reduced, there are no fragile parts requiring regular replacement, and virtually no maintenance is required. Compared to current direct current motors, these motors are more efficient, more robust and more durable.

US4414499A는 인덕션 모터를 위한 개선된 모터 보호 에너지 절감 장치(energy economizer)를 개시한다. 표준적이고 수정되지 않은 AC 인덕션 모터가 전원으로부터 고정자 권선에 접속된 정현파의 각 사이클의 일부를 제어하도록 작동하는 신호 응답 파형 수정기(wave modifier)를 통해 정현파 전원으로부터 전원을 공급 받는(energized) 고정자 권선을 갖는다. 효율 관련 파라미터들에 응답하는 개선된 모터 전류 복조기(demodulator)와 과도한 고정자 권선 유입 전류(inrush current)는 매번 0으로부터 증가하여 파형 수정기를 제어하는 신호를 산출함으로써 변화되는 모터 부하와 전원 변동에 대해 최적의 모터 효율을 유지하고, 이 신호는 또한 위 파형 수정기를 금지하는 모터 보호 회로를 제어함으로써 과도한 입력 전류 조건들과, 과도한 모터 온도, 또는 그 조합으로 손상의 가능성이 있을 때 위 고정자 권선의 전원을 차단한다(deenergize).US4414499A discloses an improved motor protection energy economizer for induction motors. A standard, unmodified AC induction motor has a stator winding energized from a sinusoidal supply through a signal-responsive wave modifier that operates to control a portion of each cycle of the sinusoid connected to the stator winding from the supply. has An improved motor current demodulator that responds to efficiency-related parameters and excess stator winding inrush current increases from zero each time to produce a signal that controls the waveform corrector, optimally adapting to changing motor loads and power fluctuations. In addition to maintaining motor efficiency, this signal also controls the motor protection circuitry, which disables the above waveform corrector to de-energize the upper stator winding when damage is possible due to excessive input current conditions, excessive motor temperatures, or a combination thereof. Deenergize.

US4382223A는 전압 및 주파수 제어 AC 파형 수정기에 관련된다. 표준적이고 수정되지 않은 AC 인덕션 모터가 전원으로부터 고정자 권선에 접속된 정현파의 각 사이클의 일부를 제어하도록 작동하는 신호 응답 파형 수정기를 통해 정현파 전원으로부터 전원을 공급 받는 고정자 권선을 갖는다. 모터의 회전자에 접속된 비교적 작은 AC 발전기를 구비하는 부하 검출 수단이 모터 상의 부하에서의 변동에 따라 변화되는 제어 신호를 산출하여 파형 수정기를 제어함으로써 모터에 걸리는 부하가 증가되면 고정자 권선의 전계 밀도(field density)를 증가시키고 부하가 감소되면 고정자 권선의 전계 밀도를 감소시킨다.US4382223A relates to voltage and frequency controlled AC waveform correctors. A standard, unmodified AC induction motor has a stator winding powered from a sinusoidal power source through a signal-responsive waveform modifier that operates to control a portion of each cycle of the sinusoid connected to the stator winding from the power source. Load detection means including a relatively small AC generator connected to the rotor of the motor produces a control signal that changes according to changes in the load on the motor and controls the waveform corrector, so that when the load on the motor increases, the electric field density of the stator winding increases. (field density) increases and when the load is reduced, the electric field density of the stator winding decreases.

US4864212A는 인덕션 모터에 전원을 공급하는(energizing) 에너지 절약형(energy economizing) AC 전원 제어 시스템을 개시한다. 이는 정현파 전원의 주파수의 2배인 발생빈도(repetition rate)를 가지는 톱니형 제어 신호의 트레인(시퀀스)로 전원을 공급 받아 저속 작동의 가변 빈도에 대한 낮은 고정 빈도에서의 낮은 전력 요구치에 대한 전체 입력 전원(power input)을 감소시키기 위한 에너지의 짧은 버스트(short burst)들을 제공하는 게이트 전극을 갖는 TRIAC을 통해 제어 시스템에 연결된 정현파 전원을 기재하고 있다.US4864212A discloses an energy economizing AC power control system for energizing an induction motor. It is powered by a train (sequence) of sawtooth control signals with a repetition rate that is twice the frequency of the sinusoidal power source, providing overall input power for low power requirements at a low fixed frequency to variable frequency for low speed operation. It describes a sinusoidal power supply connected to a control system via a TRIAC with a gate electrode that provides short bursts of energy to reduce power input.

US4341984A는 직류 전기 모터의 전자 정류(electronic commutation)를 개시한다. 이 직류 전기 모터는 서로 상호연결된 복수의 코일들로 구성되는 고정자와, 특정한 rpm 이하에서의 강제 정류(forced commutation)와 이 rpm 이상에서의 자기 정류(self-commutation)에 응답하는 복수의 게이트 제어 반도체(solid state) 정류기(rectifier)들로 구성되는 고정자를 구비하는데, 이 고정자는 코일들의 분기점(junction)들에 연결되어 어느 정류기가 작동되는지에 따라 고정자 코일들의 분기점으로/으로부터 전류를 선택적으로 전도시킨다. 이는 모터의 회전자의 자극(pole)들로부터 각도상 이격되고 회전자의 회전에 따라 위치가 천이되는 복수의 고정자 자극들을 산출한다. 복수의 트리거 조립체들이 여러 게이트 전극들의 전원 공급을 제어하도록 구비되고, 이 트리거 조립체들의 각각은 그 공진 주파수가 회전자의 회전에 따라 픽업 코일에 대해 이동하는 자기 소자(magnetic element)의 위치에 따라 변동하는 주파수 선택 회로의 일부를 구성하는 픽업 코일을 구비한다. 정현파 발진기가 트리거 조립체의 주파수 선택 회로에 접속되는데, 발진기는 2개의 다른 출력 주파수들 중의 어느 것을 산출하도록 작동되고, 회전자의 회전 속도에 반응하는 전자 스위치는 발진기의 출력 주파수를 선택적으로 변경한다. 이 주파수들 중의 하나가 모든 회전자 위치들에서 트리거 조립체 작동과 신뢰할만한 시동을 위한 진보된 SCR 트리거 타이밍과, 및 매우 저속의 작동을 유도한다. 다른 주파수는 중속 및 고속에서의 가장 효율적인 모터 작동을 위한 SCR 트리거 타이밍을 지연시킨다(retard).US4341984A discloses electronic commutation of direct current electric motors. This direct current electric motor has a stator consisting of a plurality of coils interconnected with each other, and a plurality of gate control semiconductors that respond to forced commutation below a certain rpm and self-commutation above this rpm. It has a stator composed of (solid state) rectifiers, which are connected to the junctions of the coils and selectively conduct current to/from the junctions of the stator coils depending on which rectifier is operated. . This produces a plurality of stator magnetic poles that are angularly spaced apart from the poles of the motor's rotor and whose positions change as the rotor rotates. A plurality of trigger assemblies are provided to control the power supply to various gate electrodes, and each of these trigger assemblies has a resonant frequency that varies depending on the position of a magnetic element that moves relative to the pickup coil as the rotor rotates. and a pickup coil that forms part of a frequency selection circuit. A sinusoidal oscillator is connected to a frequency selection circuit of the trigger assembly, where the oscillator is actuated to produce one of two different output frequencies, and an electronic switch responsive to the rotational speed of the rotor selectively changes the output frequency of the oscillator. One of these frequencies results in trigger assembly operation at all rotor positions, advanced SCR trigger timing for reliable starting, and very low speed operation. Different frequencies retard the SCR trigger timing for most efficient motor operation at medium and high speeds.

US4636702A는 인덕션 모터에 대한 에너지 절감장치가 제어하는 전류 시동 및 보호를 개시한다. 이 문헌은 고정자 권선에 대한 입력 전원의 정현파의 일부를 제어하는 유입 전류 파라미터들에 관련된 전압 펄스를 생성하여 낮은 부하가 걸리는 동안 전류를 감소시키도록 작동하는 샘플 변압기(sample transformer)를 기재하고 있다. 이는 작동의 시동 모드 동안 모터 토크의 최대값을 선택하는 "수동 설정 가능한 수단(manually settable means)"으로 더욱 한정하고 있다.US4636702A discloses current controlled starting and protection of energy saving devices for induction motors. This document describes a sample transformer that operates to reduce current during light loads by generating voltage pulses related to inrush current parameters that control a sinusoidal portion of the input power to the stator winding. It is further defined as a "manually settable means" for selecting the maximum value of motor torque during the start-up mode of operation.

US6489742B2는 제어 요소를 통해 전원(power supply) 및 주전원 전압(mains voltage)으로부터 기존 모터 부하에 대한 전류 공급을 연산 및 최적화하는 디지털 신호 처리기(DSP)를 사용하여 인덕션 모터에 전력을 전달하는 사용 방법을 포함하는 효율 극대화 모터 컨트롤러를 개시한다. 제어 요소는 표준 TRIAC, 전계 효과 트랜지스터(field-effect transistor), 절연 게이트 양극성 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor), 삼사분면(three quadrant) TRIAC 또는 다른 선택 제어 요소를 포함할 수 있다. 모든 모터 사용 조건들에 대한 모터-전류 최적화를 제공하도록 모터 부하 및 다른 모터 파라미터들의 전류 요구치의 디지털 연산 및 모터 제어 피드백이 백만분의 1초 단위로 연산된다. 전류의 모터 부하 요구치의 연산과 이 전류의 공급이 동시에 유효하게 이뤄진다.US6489742B2 describes the use of power delivery to an induction motor using a digital signal processor (DSP) that calculates and optimizes the current supply to the existing motor load from the power supply and mains voltage through a control element. Disclosed is an efficiency maximizing motor controller including: The control element may include a standard TRIAC, field-effect transistor, insulated gate bipolar transistor, three quadrant TRIAC, or other optional control element. Digital calculation of the current requirements of the motor load and other motor parameters and motor control feedback are calculated in millisecond resolution to provide motor-current optimization for all motor usage conditions. Calculation of the motor load demand value of current and supply of this current are effectively carried out simultaneously.

이에 따라, 동일 용량의 어떤 종래 모터에 비해 더 적은 전류를 소비하고, 모터의 구동에 대한 전력 요구치의 대부분(major part)를 보충하기 위해 모터로 생성되는 전력을 효율적으로 수집(harvest)할 수 있는 에너지 효율적인 인덕션 모터에 대한 수요가 존재한다.Accordingly, it consumes less current than any conventional motor of the same capacity and can efficiently harvest the power generated by the motor to supplement the majority (major part) of the power requirements for driving the motor. There is a demand for energy efficient induction motors.

본원의 나머지 부분에 제시되는, 첨부된 도면들을 참조한 전술한 시스템들과 본 발명의 일부 국면(aspect)들 간의 비교를 통해 종래 및 전통적 접근방법들의 한계와 문제점들은 당업계에 통상의 기술을 가진 자에게 자명할 것이다.The limitations and problems of prior and traditional approaches will be understood by those skilled in the art through comparison between some aspects of the present invention and the above-described systems with reference to the accompanying drawings, which are presented in the remainder of the present application. It will be self-evident.

본 발명의 주된 목적은 동일 용량의 종래 모터에 비해 더 적은 전류를 소비하고, 모터 작동의 전력 요구치의 대부분을 보충하며, 입력 전원 요구치를 절충하지 않으면서 어떤 출력 요구치에 대해 삼상(three-phase) AC 주전원(main AC power supply)에 대신하여 단상(single-phase) AC 주전원으로 작동할 수 있는 에너지 효율적인 인덕션 모터를 개발하는 것이다.The main object of the present invention is to consume less current than a conventional motor of the same capacity, to compensate for most of the power requirements of motor operation, and to provide three-phase operation for any output requirement without compromising the input power requirements. The goal is to develop an energy-efficient induction motor that can operate with single-phase AC mains power instead of main AC power supply.

본 발명의 다른 목적은 더 높은 전류 효율의 보장에 가장 적합한, 맞춤형(tailor-made) 고정자 권선 설계에 접속된 전용으로 설계된 전자 모듈을 구비하는 에너지 효율적인 인덕션 모터를 개발하는 것이다.Another object of the present invention is to develop an energy efficient induction motor with specially designed electronic modules connected to a tailor-made stator winding design, most suitable for ensuring higher current efficiency.

본 발명의 또 다른 목적은 에너지 효율적인 인덕션 모터를 개발하는 것인데, 여기서 인덕션 모터의 고정자 권선들은 회전자가 회전 사이클을 완료하는 동안 고정자 권선들에서 생성되는 교번하는(alternating) EMF에 기인하여 합산 전력(resultant power)을 지속적으로 공급 받음으로써, 교번하는 EMF(생성된 EMF)가 모터의 지속적인 작동 동안 공급 전력의 주된 공급원(major source)으로 기능한다.Another object of the present invention is to develop an energy efficient induction motor, in which the stator windings of the induction motor generate a resultant power due to the alternating EMF generated in the stator windings while the rotor completes a rotation cycle. By continuously receiving power, the alternating EMF (generated EMF) serves as the major source of supplied power during continuous operation of the motor.

본 발명의 또 다른 목적은 동일한 출력 요구치의 삼상 모터에 비해 더 낮은 전기적, 자기적, 및 열적 손실을 갖는 단상 인덕션 모터를 설계하는 것이다. 뿐만 아니라 자기적 및 열적 손실이 동일한 출력 요구치의 삼상 모터에 비해 더 적다.Another object of the present invention is to design a single-phase induction motor with lower electrical, magnetic, and thermal losses compared to a three-phase motor of the same output requirements. Additionally, magnetic and thermal losses are lower compared to three-phase motors with the same power requirements.

본 발명의 또 다른 목적은 산업적으로 제조될 수 있고 비용 효과가 높은 에너지 효율적인 인덕션 모터를 설계하여, 광범위한 응용에 대해 산업 및 농업 분야에 널리 사용될 수 있게 하는 것이다.Another object of the present invention is to design an energy-efficient induction motor that can be manufactured industrially and is highly cost-effective, so that it can be widely used in industry and agriculture for a wide range of applications.

적어도 하나의 도면들에 연계하여 도시 및/또는 설명된 바와 같이, 청구항들에 더 완전하게 규정된 바와 같이 동일 용량의 종래 모터에 비해 더 적은 전류를 소비하는 에너지 효율적인 인덕션 모터가 개시된다.As shown and/or described in connection with at least one of the drawings, an energy efficient induction motor is disclosed that consumes less current compared to a conventional motor of the same capacity, as more fully defined in the claims.

에너지 효율적인 인덕션 모터는 고정자(stator)의 주권선(main windings)에 AC 주전원(main AC power supply)을 공급하면 회전 자계(rotating magnetic field; RMF)를 생성하는 주권선을 갖는 고정자와, RMF에 의해 고정자의 주권선에 대해 회전하도록 구성된 회전자(rotor)를 포함한다. 고정자는 회전자의 회전에 의해 추가 권선에 유도되는 교번(alternating) EMF를 산출하는 하나 이상의 추가 권선들을 더 포함한다. 이어서 회전자가 회전 사이클을 완료하는 동안 하나 이상의 추가 권선들에서 산출된 교번 EMF가 고정자에 접속된 전자 제어 유닛(electronic control unit; ECU)을 통해 수집(harvested) 및 조작(manipulated)되고 동시에 고정자의 주권선에 재공급된다. 모터가 부분적으로 발전기로 기능하므로, 이와 같이 회전자의 회전 동안 산출된 에너지가 인덕션 모터의 에너지 요구치의 대부분(major part)을 충족시킨다.An energy-efficient induction motor has a stator with main windings that generate a rotating magnetic field (RMF) when the main AC power supply is supplied to the main windings of the stator, and the RMF It includes a rotor configured to rotate about the main winding of the stator. The stator further comprises one or more additional windings which produce alternating EMF which is induced in the additional windings by rotation of the rotor. The alternating EMF produced in one or more additional windings is then harvested and manipulated through an electronic control unit (ECU) connected to the stator while the rotor completes a rotation cycle, and simultaneously re-supplied to the line. Since the motor partially functions as a generator, the energy produced during rotation of the rotor thus satisfies a major part of the energy requirements of the induction motor.

하나 이상의 추가 권선들에서 산출된 교번 EMF가 ECU에 공급된다. ECU는 AC 주전원의 AC 전압과 하나 이상의 추가 권선들에서 산출된 교번 EMF를 개별 DC 전력들로 변환하는 정류기 회로(rectifier circuit)를 포함한다. 합산(resultant) DC 전력이 개별 AC 전력들의 합산(adding)으로 얻어진다.The alternating EMF generated in one or more additional windings is supplied to the ECU. The ECU includes a rectifier circuit that converts the AC voltage of the AC mains and the alternating EMF generated in one or more additional windings into individual DC powers. The resulting DC power is obtained by adding the individual AC powers.

이어서 합산 DC 전력은 ECU 내의 인버터 회로에 의해 합산 AC 출력(resultant AC output power)으로 변환된다. ECU는 합산 AC 출력의 전압과 주파수를 변동시키도록 구성된 가변 주파수 구동(Variable Frequency Drive; VFD) 제어 모듈을 포함한다.The summed DC power is then converted to resultant AC output power by an inverter circuit within the ECU. The ECU includes a Variable Frequency Drive (VFD) control module configured to vary the voltage and frequency of the summed AC output.

ECU는 또한 합산 AC 출력의 주파수를 AC 주전원의 주파수에 동기시키도록 구성된 주파수 동기화 회로를 포함한다. 이 단계에서 ECU는 분리 스위치를 통해 고정자에 대한 직접적인 AC 주전원의 공급을 차단할 수 있어서, 고정자는 ECU에 의한 합산 AC 출력만을 지속적으로 공급받게 된다.The ECU also includes a frequency synchronization circuit configured to synchronize the frequency of the summed AC output to the frequency of the AC mains. At this stage, the ECU can disconnect the direct AC mains supply to the stator via a disconnect switch, so that the stator is continuously supplied only with the summed AC output by the ECU.

전체적으로 유사한 참조번호들이 유사한 부재들을 지시하는 첨부된 도면들을 참조한 본 발명의 다음 상세한 설명을 읽으면, 본 발명의 이들 및 다른 특징과 이점들을 이해할 수 있을 것이다. These and other features and advantages of the invention will become apparent upon reading the following detailed description of the invention with reference to the accompanying drawings, in which like reference numerals designate like elements throughout.

도 1은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 여러 컴포넌트들과 작동을 보이는 개략도.
도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 고정자의 개략도.
도 3은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 회전자의 개략도.
도 4는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 단자들을 보이는 에너지 효율적인 인덕션 모터의 고정자 권선의 개략도.
도 5는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 고정자 권선 세트에서 생성되는 전력의 그래프.
도 6은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 고정자 권선 세트 내의 자속 분포를 보이는 도면.
도 7은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 전력선 분포를 보이는 도면.
도 8a는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 추가 권선에서 생성되는 전력/에너지를 수집하는 전자 제어 유닛(ECU)의 개략도.
도 8b는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 고정자의 복수의 권선들에서 생성되는 전력/에너지를 수집하는 ECU의 개략도.
도 9는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 부하를 구동할 토크를 산출하도록 전력/에너지 공급을 제어하는 ECU의 개략도.1 is a schematic diagram showing various components and operation of an energy efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 2 is a schematic diagram of a stator of an energy efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the present invention.
3 is a schematic diagram of the rotor of an energy efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic diagram of the stator winding of an energy efficient induction motor showing terminals according to an exemplary embodiment of the invention.
Figure 5 is a graph of the power generated in a set of stator windings according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 6 shows the magnetic flux distribution within a stator winding set according to an exemplary embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing the power line distribution of an energy-efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the present invention.
8A is a schematic diagram of an electronic control unit (ECU) harvesting power/energy generated from additional windings of an energy efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the present invention.
FIG. 8B is a schematic diagram of an ECU that collects power/energy generated in a plurality of windings of the stator of an energy efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the present invention.
9 is a schematic diagram of an ECU that controls power/energy supply to produce torque to drive a load of an energy efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the present invention.

AC 주전원(main AC power supply)이 공급되면 회전 자계(rotating magnetic field (RMF)를 생성하는 주권선(main winding)을 갖는 고정자(stator)와 RMF에 의해 고정자의 주권선에 대해 회전하도록 구성된 회전자(rotor)를 포함하는 개시된 에너지 효율적인 인덕션 모터에서 이하에 설명된 구현예들을 발견할 수 있다. 고정자는 또한, 회전자의 회전에 의해 하나 이상의 추가 권선들에 유도되는 교번(alternating) EMF를 산출하는 하나 이상의 추가적인 권선들을 더 포함한다. 이어서 회전자가 회전 사이클을 완료하는 동안 하나 이상의 추가 권선들에서 산출된 교번 EMF가 수집(harvested) 및 조작되고(manipulated) 동시에 고정자에 접속된 전자 제어 유닛(electronic control unit; ECU)을 통해 고정자의 주권선으로 재공급된다. 모터가 부분적으로 발전기로 기능하므로, 회전자의 회전 동안 이와 같이 산출된 에너지가 인덕션 모터의 에너지 요구치의 대부분(major part)을 충족시킨다.A stator with a main winding that generates a rotating magnetic field (RMF) when supplied with main AC power supply, and a rotor configured to rotate about the main winding of the stator by the RMF. The embodiments described below can be found in the disclosed energy efficient induction motor comprising a rotor, wherein the stator also produces an alternating EMF which is induced in one or more additional windings by the rotation of the rotor. It further comprises one or more additional windings, and then the alternating EMF produced in the one or more additional windings is harvested and manipulated while the rotor completes a rotation cycle, and at the same time is controlled by an electronic control unit connected to the stator. unit (ECU) to the main winding of the stator. Since the motor partially functions as a generator, the energy thus produced during rotation of the rotor satisfies a major part of the energy requirements of the induction motor.

하나 이상의 추가 권선들에서 산출된 교번 EMF는 ECU로 공급된다. ECU는 AC 주전원과 하나 이상의 추가 권선들에서 산출된 교번 EMF의 AC 전압을 개별 DC 전력들로 변환하는 정류기 회로(rectifier circuit)를 포함한다. 개별 DC 전력들을 합산함으로써 합산(resultant) DC 전력이 얻어진다.The alternating EMF generated in one or more additional windings is supplied to the ECU. The ECU includes a rectifier circuit that converts the AC voltage of the alternating EMF produced by the AC mains and one or more additional windings into individual DC powers. By summing the individual DC powers, the resulting DC power is obtained.

이어서 ECU 내의 인버터 회로에 의해 합산 DC 전력이 합산 AC 출력(resultant AC output power)으로 변환된다. ECU는 합산 AC 출력의 전압과 주파수를 변동시키도록 구성된 가변 주파수 구동(Variable Frequency Drive; VFD) 제어 모듈을 포함한다.The summed DC power is then converted into summed AC output (resultant AC output power) by the inverter circuit within the ECU. The ECU includes a Variable Frequency Drive (VFD) control module configured to vary the voltage and frequency of the summed AC output.

ECU는 또한 합산 AC 출력의 주파수를 AC 주전원의 주파수에 동기시키도록 구성된 주파수 동기화 회로를 포함한다. 이 단계에서, ECU는 분리 스위치를 통해 고정자의 AC 주전원의 직접 공급을 차단할 수 있어서 고정자는 ECU에 의한 합산 AC 출력만을 지속적으로 공급 받는다.The ECU also includes a frequency synchronization circuit configured to synchronize the frequency of the summed AC output to the frequency of the AC mains. At this stage, the ECU can disconnect the stator's direct supply of AC mains power via a disconnect switch, so that the stator is continuously supplied only with the summed AC output by the ECU.

하나의 실시예에 따라, ECU는 인덕션 모터에 부하가 걸리면 전압 피크와 전류 피크 간의 시간차를 측정함으로써 전압과 전류의 위상차를 연산하도록 구성된 마이크로프로세서를 포함한다.According to one embodiment, the ECU includes a microprocessor configured to calculate the phase difference between voltage and current by measuring the time difference between the voltage peak and current peak when the induction motor is loaded.

ECU는 복수의 캐패시터들을 포함하는 캐패시터 뱅크(bank)를 구비하는데, 복수의 캐패시터들의 각 캐패시터는 자신의 캐패시턴스 값을 갖는다. 캐패시터 뱅크는 인덕션 모터의 부하의 균형을 잡고 인덕션 모터에 대한 입력 전원과 주전원선(main power line)의 출력 계수(power factor; PF)를 안정화시킨다. 캐패시터 뱅크는 인덕션 모터가 받는 부하의 크기에 기반하여 다른 캐패시턴스의 복수의 캐패시터들을 구비한다. 부하의 크기는 ECU 내의 전류 변압기(current transformer; CT) 코일에 의해 전류 세기(amperage)로 반영된다.The ECU has a capacitor bank including a plurality of capacitors, each of which has its own capacitance value. The capacitor bank balances the load of the induction motor and stabilizes the power factor (PF) of the input power and main power line to the induction motor. The capacitor bank includes a plurality of capacitors with different capacitances based on the size of the load received by the induction motor. The size of the load is reflected as a current intensity (amperage) by the current transformer (CT) coil within the ECU.

ECU는 인덕션 모터의 부하 요구치에 기반하여 인덕션 모터에 전력을 공급하도록 캐패시터 뱅크로부터 캐패시터를 선택하는 스위칭(ON/OFF) 기능을 가능하게 하는 TRIAC을 더 포함한다. ECU는 ECU의 TRIAC을 스위칭함으로써 캐패시터 뱅크로부터 캐패시턴스의 요구값을 합산한다. 부하가 증가되면, 캐패시턴스 값이 증가할 것이다. 부하가 변경되면 ECU는 TRIAC을 스위칭함으로써 캐패시턴스 값을 변경할 것이다.The ECU further includes a TRIAC enabling a switching (ON/OFF) function to select a capacitor from the capacitor bank to power the induction motor based on the load requirements of the induction motor. The ECU sums the required capacitance from the capacitor bank by switching the ECU's TRIAC. As the load increases, the capacitance value will increase. When the load changes, the ECU will change the capacitance value by switching the TRIAC.

하나의 실시예에 따라, TRIAC의 스위칭 기능은 제어 소자로 제어된다. 제어 소자는 ECU 내부 또는 ECU 외부의 어느 하나에 위치한다. 제어 소자는 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 처리기(digital signal processor; DSP), 마이크로프로세서, 또는 네트워크 작동 연산 장치를 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.According to one embodiment, the switching function of the TRIAC is controlled with a control element. The control element is located either inside the ECU or outside the ECU. The control element may include, but is not limited to, a microcontroller, digital signal processor (DSP), microprocessor, or network-operated computing device.

도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 여러 컴포넌트들과 작동을 보이는 개략도이다. 도 1에는, 고정자(102)와 회전자(104)를 포함하는 인덕션 모터(100)와, AC 주전원(106)과, 고정자(102)의 주권선(M)과, 고정자(102)의 하나 이상의 보조 권선(A)들과, 주권선(M)에서 생성된 회전 자계(rotating magnetic field; RMF)(108)와, 하나 이상의 보조 권선(A)들에서 산출된 교번 EMF(110)와, 전자 제어 유닛(electronic control unit; ECU)(112)과, 제어 소자(114)와, 합산 AC 출력(116)과, 및 인덕션 모터(100)의 부하(118)가 도시되어 있다.1 is a schematic diagram showing various components and operation of an energy efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the present invention. In Figure 1, an induction motor 100 including a stator 102 and a rotor 104, an AC main power supply 106, a main winding (M) of the stator 102, and one or more of the stator 102. Auxiliary windings (A), a rotating magnetic field (RMF) 108 generated in the main winding (M), an alternating EMF (110) produced in one or more auxiliary windings (A), and electronic control An electronic control unit (ECU) 112, a control element 114, a summed AC output 116, and a load 118 of the induction motor 100 are shown.

고정자(102)는 주권선(M)과 하나 이상의 보조 권선(A)들을 구비한다. 주권선(M)과 하나 이상의 보조 권선(A)의 개별 종단들은 ECU(112)에 연결된다.The stator 102 has a main winding (M) and one or more auxiliary windings (A). The individual ends of the main winding (M) and one or more auxiliary windings (A) are connected to ECU 112.

AC 주전원(106)을 주권선(M)에 연결하여 입력 전원을 공급하면 고정자(102)의 주권선(M)은 RMF(108)를 생성한다.When the AC main power supply 106 is connected to the main winding (M) to supply input power, the main winding (M) of the stator 102 generates RMF (108).

주권선(M)에서 산출된 RMF(108)에 의해 회전자(104)는 고정자(102)의 주권선(M)에 대해 회전하도록 구성된다. 고정자(102)의 하나 이상의 보조 권선(A)들은 회전자(104)의 회전에 의해 하나 이상의 보조 권선(A)들에 유도되는 교번 EMF(110)를 산출하고 하나 이상의 보조 권선(A)들은 단심 와이어(single-core wire) 또는 다심 와이어(multi-core wire)들을 포함할 수 있다.The rotor 104 is configured to rotate with respect to the main winding (M) of the stator 102 by the RMF (108) calculated from the main winding (M). The one or more auxiliary windings (A) of the stator (102) produce an alternating EMF (110) which is induced in the one or more auxiliary windings (A) by the rotation of the rotor (104) and the one or more auxiliary windings (A) are single-core. It may include single-core wires or multi-core wires.

하나 이상의 보조 권선(A)들에서 산출된 교번 EMF(110)는 이어서 회전자(104)가 회전 사이클을 완료하는 동안 수집 및 조작되고 이와 동시에 고정자(102)에 접속된 ECU(112)를 통해 재공급된다. 인덕션 모터(100)가 부분적으로 발전기로 기능하므로 회전자(104)의 회전 동안 이와 같이 산출된 에너지(교번 EMF 110)는 인덕션 모터(100)의 에너지 요구치의 대부분을 충족시킨다.The alternating EMF 110 produced in one or more auxiliary windings A is then collected and manipulated while the rotor 104 completes a rotation cycle and simultaneously re-directed through an ECU 112 connected to the stator 102. supplied. Since the induction motor 100 partially functions as a generator, the energy thus produced (alternating EMF 110) during rotation of the rotor 104 satisfies most of the energy requirements of the induction motor 100.

고정자(102) 및 회전자(104)에 대한 구성과 작동의 상세들은 도 2, 도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 및 도 7에 연계하여 더 상세히 설명된다.Details of construction and operation of the stator 102 and rotor 104 are described in greater detail in connection with FIGS. 2, 3, 4, 5, 6, and 7.

고정자(102)의 하나 이상의 보조 권선(A)들에서 산출된 교번 EMF(110)가 ECU(112)에 공급된다. ECU(112)는 AC 주전원(106)의 AC 전압과 하나 이상의 보조 권선(A)들에서 산출된 교번 EMF(110)를 개별 DC 전력들로 변환한다. 개별 DC 전력들을 합산함으로써 합산 DC 전력이 얻어진다.Alternating EMF 110 produced in one or more auxiliary windings A of stator 102 is supplied to ECU 112. ECU 112 converts the AC voltage of AC mains 106 and the alternating EMF 110 produced in one or more auxiliary windings (A) into individual DC powers. The summed DC power is obtained by summing the individual DC powers.

이어서 합산 DC 전력이 ECU(112) 내의 회로에 의해 합산 AC 출력(116)으로 변환된다. 이어서 ECU(112)는 합산 AC 출력(116)을 고정자(102)의 주권선(M)에 공급한다. 이에 따라 고정자(102)는 항상 합산 AC 출력(116)만을 공급받는다.The summed DC power is then converted to a summed AC output 116 by circuitry within ECU 112. The ECU 112 then supplies the summed AC output 116 to the main winding M of the stator 102. Accordingly, the stator 102 is always supplied with only the summed AC output 116.

제어 소자(114)는 ECU(112) 기능의 중심(pivotal)이다. 제어 소자(114)는 회전자(104)가 회전하면서 생성하는 필요 토크, 주파수, 및 전력(교번 EMF 110)을 제공함으로써 회전자(104)의 회전과 부하(118)의 구동에 필요한 전력/에너지(RMF 108)의 공급을 제어한다. 제어 소자(114)는 ECU(112) 내부 또는 ECU(112) 외부의 어느 하나에 위치한다. 제어 소자(114)는 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 처리기(DSP), 마이크로프로세서, 또는 네트워크 작동 연산 장치를 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는다.Control element 114 is pivotal to the function of ECU 112. The control element 114 provides the necessary torque, frequency, and power (alternating EMF 110) generated as the rotor 104 rotates, thereby providing the power/energy required to rotate the rotor 104 and drive the load 118. (RMF 108) controls the supply. The control element 114 is located either inside the ECU 112 or outside the ECU 112. Control element 114 may include, but is not limited to, a microcontroller, digital signal processor (DSP), microprocessor, or network-operated computing device.

AC 주전원(106)은 ECU(112)에 전력을 제공하고, 그러면 이는 그 기능을 수행하여 인덕션 모터(100)에 부하를 구동하는데 필요한 출력과 토크를 제공한다. 토크를 전개하는 데 필요한 에너지는 AC 주전원(106)의 주전력선과 회전자(104)의 회전에 의해 고정자(102)의 하나 이상의 보조 권선(A)들에 생성되는 교번 EMF(110)에 의해 집합적으로 제공된다.AC mains 106 provides power to ECU 112, which then performs its function to provide induction motor 100 with the output and torque necessary to drive the load. The energy required to develop torque is collected by the main power line of the AC mains 106 and the alternating EMF 110 generated in one or more auxiliary windings A of the stator 102 by the rotation of the rotor 104. provided as a courtesy.

ECU(112)의 여러 실시예들이 도 8 및 도 9에 연계하여 더 설명된다. 후술하는 바와 같이, ECU(112)는 복수의 기능부와 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 이에 대체하여 또는 이에 추가하여 복수의 ECU들이 인덕션 모터(100)에 사용될 수 있다.Various embodiments of ECU 112 are further described in connection with FIGS. 8 and 9. As will be described later, ECU 112 may include a plurality of functional units and components. Instead of or in addition to this, a plurality of ECUs may be used in the induction motor 100.

도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 고정자의 개략도이다. 도 2에는 고정자(102)가 도시되어 있는데, 이는 프레임 또는 요크(yoke)(202)와, 고정자 코어(204)와, 고정자 슬롯(206)들과, 및 고정자 권선(208)들을 포함한다.Figure 2 is a schematic diagram of a stator of an energy efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the present invention. 2 shows a stator 102, which includes a frame or yoke 202, a stator core 204, stator slots 206, and stator windings 208.

프레임 또는 요크(202)는 조밀한 합금 주철 또는 알루미늄 합금으로 제작되어 고정자(102)의 일체형 부분을 형성한다. 프레임 또는 요크(202)의 주 기능은 인덕션 모터(100)의 다른 정교한 컴포넌트 또는 부품들에 보호 커버를 제공하는 것이다.The frame or yoke 202 is made of dense alloy cast iron or aluminum alloy and forms an integral part of the stator 102. The main function of the frame or yoke 202 is to provide a protective cover for other sophisticated components or parts of the induction motor 100.

고정자 코어(204)는 전기 등급 강철 판재로부터 펀칭된 고정자 슬롯(206)을 포함하는 적층판(lamination)들로 구성된다. 고정자 슬롯(206)들에 구비된 공간은 하나 이상의 권선 와이어들을 포함하는 고정자 권선(208)들을 수용하기에 충분한 크기이다. 관련 국면(aspect)에서, 고정자 슬롯(206)들에 구비된 공간은 종래의 슬롯들보다 더 클 수 있다. 권선 와이어들은 종래의 모터들에 사용되는 것과 같은 절연선이다. 고정자 슬롯(206)들의 크기는 고정자 권선(208)들의 균일한 분포를 위해 조정 및 유지될 수 있다.The stator core 204 is comprised of laminations containing stator slots 206 punched from electrical grade steel sheet. The space provided in the stator slots 206 is of sufficient size to accommodate stator windings 208 including one or more winding wires. In a related aspect, the space provided in the stator slots 206 may be larger than conventional slots. The winding wires are insulated wires like those used in conventional motors. The size of the stator slots 206 can be adjusted and maintained for uniform distribution of the stator windings 208.

고정자 슬롯(206)들에 구비된 공간은 회전자(104)의 회전에 필요한 공급 전원/에너지(RMF 108)를 반송하는 주권선(M)과, 회전자(104)가 회전하면서 하나 이상의 보조 권선(A)들 내에 유도된 전력(교번 EMF 110)을 전송하는 데 사용되는 하나 이상의 보조 권선(A)들을 포함하는 하나 이상의 권선 와이어들의 세트(set)들을 수용하도록 구성된다. 인덕션 모터(100)가 부분적으로 발전기로 기능하므로 회전자(104)의 회전 동안 산출된 에너지(교번 EMF 110)가 인덕션 모터(100)의 에너지 요구치의 일부를 충족시킨다. The space provided in the stator slots 206 is a main winding (M) that conveys the supply power/energy (RMF 108) required for rotation of the rotor 104, and one or more auxiliary windings as the rotor 104 rotates. It is configured to receive sets of one or more winding wires including one or more auxiliary windings (A) used to transmit induced power (alternating EMF 110) in the (A)s. Since the induction motor 100 partially functions as a generator, the energy produced during rotation of the rotor 104 (alternating EMF 110) meets a portion of the energy requirements of the induction motor 100.

또한 고정자(102)는 공기 갭의 균일성을 보정하도록 주의 깊게 가공된 홈(rabbet)들과 보어(bore)를 포함한다. 인덕션 모터(100)의 고정자(102)에 사용되는 축 및 베어링들은 어떤 다른 종래의 인덕션 모터와 유사하다. 적절한 크기의 볼베어링이 회전마찰을 감소시키고 반경방향 및 축방향으로 지지하는 데 사용된다. 고정자 권선(208)들을 냉각시킬 공기의 적절한 순환이 가능하도록 팬(fan)이 구비된다. 인덕션 모터(100)에서 산출되는 열은 전류 소비가 더 적고, 고정자 권선(208)들의 상호 반대 작용, 즉 회전자(104)의 회전에 필요한 전원/에너지(RMF 108) 공급에 해당하는 주권선(M)과, 회전자(104)가 회전하면서 하나 이상의 보조 권선(A)들에서 생성된 전력(교번 EMF 110)의 전송에 해당하는 하나 이상의 보조 권선(A)들에 의하기 때문에 (산출되는 열이) 비교적 적다. 이에 따라, 냉각 팬의 크기 역시 축소될 수 있어 그만큼 에너지가 절감될 수 있다. 베어링들은 축의 단부에 수납되어 프레임 또는 요크(202)에 고정된다.The stator 102 also includes carefully machined rabbets and bores to correct for air gap uniformity. The shaft and bearings used in the stator 102 of the induction motor 100 are similar to those of any other conventional induction motor. Appropriately sized ball bearings are used to reduce rotational friction and provide radial and axial support. A fan is provided to allow adequate circulation of air to cool the stator windings 208. The heat generated from the induction motor 100 consumes less current, and the mutually opposing action of the stator windings 208, that is, the main winding (RMF 108) corresponding to the supply of power/energy (RMF 108) required for rotation of the rotor 104, M) and one or more auxiliary windings (A) corresponding to the transmission of power (alternating EMF 110) generated in one or more auxiliary windings (A) as the rotor 104 rotates (the heat generated is ) Relatively few. Accordingly, the size of the cooling fan can also be reduced, thereby saving energy. Bearings are stored at the end of the shaft and fixed to the frame or yoke 202.

식 Ns = 120f/P에 따라 동기 속도가 주파수에 정비례하고 자극(pole) 수에 반비례하므로 고정자(102)에 필요한 자극들의 수와 권선들의 수는 인덕션 모터(100)의 속도에 기반하여 결정되는데, 여기서 'Ns'는 동기 속도, 'f'는 주파수, 및 'P'는 자극들의 수이다.According to the equation Ns = 120f/P, the synchronous speed is directly proportional to the frequency and inversely proportional to the number of poles, so the number of poles and windings required for the stator 102 is determined based on the speed of the induction motor 100, where 'Ns' is the synchronization rate, 'f' is the frequency, and 'P' is the number of stimuli.

본 발명의 예시적 실시예에 따라, 고정자(102)에는 6개의 자극들에 필요한 전체 24개의 슬롯들이 구비되는데, 도 1에 보인 바와 같이 각 자극은 4개의 슬롯들을 갖는다. 각 슬롯은 회전자(104)의 회전에 필요한 전원/에너지(RMF 108) 공급에 해당하는 주권선(M)과, 회전자(104)가 회전하면서 하나 이상의 보조 권선(A)들에서 생성된 전력(교번 EMF 110)의 전송에 해당하는 하나 이상의 보조 권선(A)들의 2개의 권선 와이어들의 세트를 구비한다. 이 권선들의 개별 종단들은 ECU(112)에 연결된다.According to an exemplary embodiment of the invention, stator 102 is equipped with a total of 24 slots for 6 poles, with each pole having 4 slots as shown in Figure 1. Each slot has a main winding (M) corresponding to the supply of power/energy (RMF 108) required for rotation of the rotor 104, and power generated from one or more auxiliary windings (A) as the rotor 104 rotates. It has a set of two winding wires and one or more auxiliary windings (A) corresponding to the transmission of (alternating EMF 110). The individual terminations of these windings are connected to ECU 112.

도 3은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 회전자의 개략도이다. 도 2에는 강 적층판(steel lamination)들과, 알루미늄 바(304)들과, 회전자 축(306)과, 및 단부 링(end ring; 308)이 도시되어 있다.3 is a schematic diagram of the rotor of an energy efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the present invention. 2 shows steel laminations, aluminum bars 304, rotor shaft 306, and end ring 308.

이 특정한 실시예에서, 회전자(104)는 농형(squirrel cage type) 회전자이다. 회전자(104)는 회전자(104)의 강 적층판(302)들을 분리하는 알루미늄 바(304)들을 갖는 강 적층판(302)들의 원통을 포함한다. 일부 실시예들에서, 회전자(104)는 회전자 축(306)에 평행 또는 거의 평행하게 회전자(104)의 표면에 근접하여 그 표면에 매립된 고 도전율 금속(전형적으로 알루미늄 또는 구리)을 포함할 수 있다. 회전자(104)의 양단에서, 회전자 도체는 회전자 도체와 유사한 소재의 연속적인 단부 링(308)들에 의해 단락된다(short-circuited). 회전자 도체 및 그 단부 링(308)들은 그 자체로 완전한 폐회로를 형성한다.In this particular embodiment, rotor 104 is a squirrel cage type rotor. The rotor 104 includes a cylinder of steel laminates 302 with aluminum bars 304 separating the steel laminates 302 of the rotor 104 . In some embodiments, the rotor 104 has a high-conductivity metal (typically aluminum or copper) embedded in the surface of the rotor 104 adjacent the surface of the rotor 104, parallel or substantially parallel to the rotor axis 306. It can be included. At both ends of the rotor 104, the rotor conductors are short-circuited by successive end rings 308 of a material similar to the rotor conductors. The rotor conductors and their end rings 308 form a complete closed circuit in themselves.

교류가 고정자 권선(208)들을 통해 흐르면, RMF(108)가 산출된다. 이는 회전자 권선들에 전류를 유도하는데, 이는 그 자체의 자계를 산출한다. 고정자가 산출한 자계와 회전자 권선들의 상호작용이 회전자(104) 상에 토크를 산출한다.When alternating current flows through the stator windings 208, RMF 108 is produced. This induces a current in the rotor windings, which produces its own magnetic field. The interaction of the magnetic field produced by the stator and the rotor windings produces torque on the rotor 104.

RMF(108)는 회전자 바(bar)들에 회전자 바들을 흐르기 시작하는 단락 회로 전류를 야기하는 전압을 유도한다. 이 회전자 전류가 고정자(102)의 RMF(108)와 상호작용하는 그 자체의 자기 자계(self-magnetic field)를 생성한다. 회전자 자계는 그 원인인 RMF(108)에 반대하려 시도할 것이다. 이에 따라 회전자(104)는 RMF(108)을 흘리기 시작한다. 회전자(104)가 RMF(108)를 따라 잡는 순간, RMF(108)와 회전자(104) 간에 상대운동이 없으므로 회전자 전류는 0으로 떨어질 것이다. 이와 같이, 회전자(104)가 0의 접선력을 겪으면 회전자(104)가 순간적으로 감속된다. 회전자(104)의 감속 후, 회전자(104)와 RMF(108) 간의 상대운동이 재설정되고 결과적으로 회전자 전류가 다시 유도된다. 이에 따라 회전자(104)를 회전시킬 접선력이 다시 복원되어, 회전자(104)는 다시 RMF(107)을 따라 회전을 시작한다. 이러한 방식으로, 회전자(104)가 RMF(108)의 속도 또는 동기 속도(Ns)보다 더 낮은 일정 속도를 유지한다.RMF 108 induces a voltage in the rotor bars causing a short circuit current that begins to flow through the rotor bars. This rotor current creates its own self-magnetic field which interacts with the RMF 108 of the stator 102. The rotor magnetic field will attempt to oppose its source RMF (108). Accordingly, the rotor 104 begins to flow the RMF 108. As soon as the rotor 104 catches up with the RMF 108, the rotor current will drop to zero since there is no relative motion between the RMF 108 and the rotor 104. In this way, when the rotor 104 experiences zero tangential force, the rotor 104 is momentarily decelerated. After deceleration of the rotor 104, the relative motion between the rotor 104 and the RMF 108 is re-established and consequently the rotor current is again induced. Accordingly, the tangential force to rotate the rotor 104 is restored, and the rotor 104 begins rotating along the RMF 107 again. In this way, rotor 104 maintains a constant speed that is lower than the speed of RMF 108 or synchronous speed Ns.

도 4는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 단자들을 보이는 에너지 효율적인 인덕션 모터의 고정자 권선들의 개략도이다. 도 4에는, 제1 세트의 권선들(M1, M2)의 상(phase) I의 모터 권선 단자(입력 전원 공급)들과, 제2 세트의 권선들(MM1, MM2)의 상 II의 모터 권선 단자(입력 전원 공급)들과, 제3 세트의 권선들(MMM1, MMM2)의 상 III의 모터 권선 단자(입력 전원 공급)들과, 제1 세트의 권선(A1, A2)의 상 I의 모터 권선 단자(교번 EMF 출력)들과, 제2 세트의 권선(AA1, AA2)의 상 II의 모터 권선 단자(교번 EMF 출력)들과, 및 제3 세트의 권선(AAA1, AAA2)의 상 III의 모터 권선 단자(교번 EMF 출력)들을 포함하는 고정자 권선(208)들이 도시되어 있다.Figure 4 is a schematic diagram of the stator windings of an energy efficient induction motor showing terminals according to an exemplary embodiment of the invention. 4 shows the motor winding terminals (input power supply) of phase I of the first set of windings M1, M2 and the motor winding of phase II of the second set of windings MM1, MM2. Terminals (input power supply) and motor windings of phase III of the third set of windings (MMM1, MMM2) terminals (input power supply) of the motor of phase I of the first set of windings (A1, A2) The winding terminals (alternating EMF output) and the motor winding terminals (alternating EMF output) of phase II of the second set of windings (AA1, AA2) and of phase III of the third set of windings (AAA1, AAA2) The stator windings 208 containing the motor winding terminals (alternating EMF output) are shown.

M1 & M2, MM1 & MM2 및 MMM1 & MMM2는 회전자(104)의 회전에 필요한 전원/에너지(RMF 108) 공급에 대응하는 고정자(102)의 각 권선 코일의 2개의 단부들을 지칭한다. A1 & A2, AA1 & AA2 및 AAA1 & AAA2는 회전자(104)가 회전하면서 고정자(102)의 하나 이상의 보조 권선(A)들에 생성된 전력인 교번 EMF(110)의 전송에 대응하는 동일한 세트의 고정자(102)의 개별 권선 코일의 2개의 단부들을 지칭한다. M1 & M2, MM1 & MM2 and MMM1 & MMM2 refer to the two ends of each winding coil of the stator 102 corresponding to supplying the power/energy (RMF 108) required for rotation of the rotor 104. A1 & A2, AA1 & AA2 and AAA1 & AAA2 are the same set corresponding to the transmission of alternating EMF 110, which is the power generated in one or more auxiliary windings A of stator 102 as rotor 104 rotates. refers to the two ends of the individual winding coils of the stator 102.

본 발명의 예시적 실시예에 따른 인덕션 모터(100) 내부의 권선 연결을 다음과 같다.The winding connections inside the induction motor 100 according to an exemplary embodiment of the present invention are as follows.

각각 AC 주전원(106)을 반송하는 M1, MM1 및 MMM1은 ECU(112)에 연결된다. M2, MM2 및 MMM2는 도 4에 보인 바와 같이 성형 연결(star connection)을 형성하도록 함께 연결된다.M1, MM1 and MMM1, each carrying AC mains 106, are connected to ECU 112. M2, MM2 and MMM2 are connected together to form a star connection as shown in Figure 4.

각각 교번 EMF(110)를 반송하는 A1, AA1 및 AAA1은 ECU(112)에 연결된다. A2, AA2 및 AAA2는 도 4에 보인 바와 같이 성형 연결을 형성하도록 함께 연결된다.A1, AA1 and AAA1, each carrying alternating EMF 110, are connected to ECU 112. A2, AA2 and AAA2 are connected together to form a forming connection as shown in Figure 4.

도 5는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 고정자 권선들의 세트에서 생성되는 전력의 그래프이다. 도 5에는 정현파의 그래프가 도시되어 있는데, 여기서 M_s는 회전자(104)를 회전시키도록 고정자(102)의 주권선(M)으로 반송되는 전원/에너지(RMF 108) 공급에 대응하는 정현파를 표현하고, A_s는 회전자(104)의 회전에 의해 고정자(102)의 하나 이상의 보조 권선(A)들에서 생성되는 교번 EMF(110)에 대응하는 정현파를 표현한다.Figure 5 is a graph of the power generated in a set of stator windings according to an exemplary embodiment of the present invention. 5 shows a graph of a sinusoid, where M _s represents a sinusoid corresponding to the supply of power/energy (RMF 108) conveyed to the main winding (M) of the stator 102 to rotate the rotor 104. and A _s represents a sinusoidal wave corresponding to the alternating EMF 110 generated in one or more auxiliary windings A of the stator 102 by rotation of the rotor 104.

도 6은 본 발명에 따른 예시적 실시예의 고정자 권선들의 세트의 자속 분포(flux distribution)를 보이는 개략도이다. 도 6에는 고정자(102)의 주권선(M)에서 산출된 회전 자속(rotating magnetic flux; M1)과 고정자(102)의 하나 이상의 보조 권선(A)들에서 산출되는 교번 자속(alternating flux; A1)이 도시되어 있다.Figure 6 is a schematic diagram showing the flux distribution of a set of stator windings of an exemplary embodiment according to the invention. 6 shows a rotating magnetic flux (M1) calculated from the main winding (M) of the stator 102 and an alternating magnetic flux (A1) calculated from one or more auxiliary windings (A) of the stator 102. This is shown.

회전 자속(M1)은 인덕션 모터(100)의 회전자 축(306)을 구동하기 위한 토크를 제공하도록 고정자(102)의 주권선(M)에서 산출된다. 교번 자속(A1)은 고정자(102)의 하나 이상의 보조 권선(A)들에 교번 EMF(110)를 산출/생성한다. 회전 자속(M1)과 교번 자속(A1)은 위상이 같고 서로 반대방향이다. 이 자속들은 120도 이격되어 분포한다.The rotating magnetic flux (M1) is calculated from the main winding (M) of the stator 102 to provide torque for driving the rotor shaft 306 of the induction motor 100. Alternating magnetic flux (A1) produces/generates alternating EMF (110) in one or more auxiliary windings (A) of stator (102). The rotating magnetic flux (M1) and the alternating magnetic flux (A1) are in phase and in opposite directions. These magnetic fluxes are distributed 120 degrees apart.

도 7은 본 발명의 예시적 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 전력선(power line) 분포를 도시하는 개략도이다. 도 7에는, 입력 전원으로서의 AC 주전원(106)과, ECU(112), 및 생성된 출력으로서의 교번 EMF(110)가 도시되어 있다.Figure 7 is a schematic diagram showing power line distribution of an energy-efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the present invention. 7, the AC mains 106 as the input power source, the ECU 112, and the alternating EMF 110 as the generated output are shown.

도 7에 보인 바와 같이, 하나의 회전은 인덕션 모터(100)의 하나의 완전한 회전을 나타내는 2개의 동일한 세그먼트/섹터들로 분할된다고 가정한다. 회전자(104)가 회전을 시작하는 동안, 이는 AC 주전원(106)(입력 전원)으로부터 전력을 인출하는 동시에 출력으로 교번 EMF(110)을 생성/산출한다.As shown in Figure 7, it is assumed that one rotation is divided into two equal segments/sectors representing one complete rotation of the induction motor 100. While the rotor 104 begins to rotate, it draws power from the AC mains 106 (input power) while simultaneously generating/producing alternating EMF 110 at the output.

도 8a는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 고정자의 추가 권선에서 생성되는 전력/에너지를 수집하는 ECU의 개략도이다. 도 8a에는, 정류기 회로(802), 인버터 회로(804), 가변 주파수 구동(VFD) 제어 모듈(806), 주파수 동기화 회로(808), 분리 스위치(810), 및 마이크로프로세서(812)를 포함하는 ECU(112)가 도시되어 있다.Figure 8A is a schematic diagram of an ECU harvesting power/energy generated from additional windings of the stator of an energy efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the present invention. 8A includes a rectifier circuit 802, an inverter circuit 804, a variable frequency drive (VFD) control module 806, a frequency synchronization circuit 808, a disconnect switch 810, and a microprocessor 812. ECU 112 is shown.

정류기 회로(812)는 AC 주전원(106)의 AC 전압과 고정자(102)의 추가 권선(A)에서 산출된 교번 EMF(110)를 개별 DC 전력들로 변환하는 하나 이상의 정류기들을 포함한다. 개별 DC 전력들을 합산함으로써 합산 DC 전력(814)이 얻어지는데, 이는 이어서 인버터 회로(804)로 공급된다.The rectifier circuit 812 includes one or more rectifiers that convert the AC voltage of the AC mains 106 and the alternating EMF 110 produced in the additional winding A of the stator 102 into discrete DC powers. By summing the individual DC powers, a summed DC power 814 is obtained, which is then supplied to the inverter circuit 804.

인버터 회로(804)는 합산 DC 전력(814)을 합산 AC 출력(116)으로 변환하는 하나 이상의 인버터들을 포함한다.Inverter circuit 804 includes one or more inverters that convert summed DC power 814 to summed AC output 116.

VFD 제어 모듈(806)은 합산 AC 출력(116)의 전압과 주파수를 변동시키도록 구성된다.The VFD control module 806 is configured to vary the voltage and frequency of the summed AC output 116.

주파수 동기화 회로(808)는 합산 AC 출력(116)의 주파수를 AC 주전원(106)의 주파수와 동기시키도록 구성된다. 이어서 합산 AC 출력(116)은 ECU(112)로부터 고정자(102)의 주권선(M)에 공급된다.The frequency synchronization circuit 808 is configured to synchronize the frequency of the summed AC output 116 with the frequency of the AC mains 106. The summed AC output 116 is then supplied from the ECU 112 to the main winding M of the stator 102.

이 단계에서, 분리 스위치(810)가 AC 주전원(106)을 고정자(102)의 주권선(M)에 대해 차단하도록 구성되고, 결과적으로 고정자(102)의 주권선(M)은 지속적으로 합산 AC 출력(116)만을 공급 받는다.At this stage, the disconnect switch 810 is configured to cut off the AC mains 106 to the main winding M of the stator 102, with the result that the main winding M of the stator 102 is continuously connected to the AC mains 106. Only output (116) is supplied.

마이크로프로세서(812)는 인덕션 모터(100)가 부하를 받으면 전압 피크와 전류 피크 간의 시간차를 측정함으로써 전압과 전류의 위상차를 연산한다.When the induction motor 100 receives a load, the microprocessor 812 calculates the phase difference between voltage and current by measuring the time difference between the voltage peak and the current peak.

본 발명의 예시적 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 고정자의 복수의 권선들에서 생성되는 전력/에너지를 수집하는 ECU의 개략도이다. 도 8b에는 구동 회로(812)와, 주파수 제어 회로(818)와, 및 스위치(820)를 포함하는 ECU(112)가 도시되어 있다.This is a schematic diagram of an ECU that collects power/energy generated from a plurality of windings of a stator of an energy efficient induction motor according to an exemplary embodiment of the present invention. FIG. 8B shows an ECU 112 including a driving circuit 812, a frequency control circuit 818, and a switch 820.

구동 회로(816)는 AC 주전원(106)의 AC 전압과 고정자(102)의 복수의 추가 권선(A)들 1-n에서 산출된 교번 EMF(110)를 개별 DC 전력들로 변환하는 정류기 1-n들을 포함한다. 복수의 추가 권선(A)들의 각 추가 권선에서 산출된 교번 EMF(110)는 구동 회로(816)의 해당 정류기로 공급되어 개별 DC 출력들로 변환된다. 예를 들어, 정류기 1은 추가 권선 1에서 산출된 교번 EMF(110)를 개별 DC 전력으로 변환하고, 정류기 2는 추가 권선 2에서 산출된 교번 EMF(110)를 개별 DC 전력으로 변환하며, 정류기 n은 추가 권선 n에서 산출된 교번 EMF(110)를 개별 DC 전력으로 변환하고 이하 마찬가지다.The drive circuit 816 includes a rectifier 1- that converts the AC voltage of the AC mains 106 and the alternating EMF 110 produced in the plurality of additional windings 1-n of the stator 102 into individual DC powers. Includes ns. The alternating EMF 110 produced in each additional winding of the plurality of additional windings A is supplied to the corresponding rectifier of the driving circuit 816 and converted into individual DC outputs. For example, rectifier 1 converts the alternating EMF (110) produced by additional winding 1 into individual DC power, rectifier 2 converts the alternating EMF (110) produced by additional winding 2 into individual DC power, and rectifier n converts the alternating EMF 110 calculated in the additional winding n into individual DC power and the same applies hereinafter.

합산 DC 전력(814)는 개별 DC 전력들을 합산하여 얻어지는데, 이는 이어서 주파수 제어 회로(818)로 공급되어 합산 AC 출력(116)을 산출한다.The summed DC power 814 is obtained by summing the individual DC powers, which is then fed to the frequency control circuit 818 to produce the summed AC output 116.

주파수 제어 회로(818)는 합산 AC 출력(116)의 주파수를 AC 주전원(106)의 주파수에 동기시키도록 구성된다. 합산 AC 출력(116)은 이어서 ECU(112)로부터 고정자(102)의 주권선(M)들로 공급된다. 이 단계에서, 스위치(820)는 고정자(102)의 주권선(M)들에 대해 주전원(106)을 분리하도록 구성되고, 결과적으로 고정자(102)의 주권선(M)들은 지속적으로 합산 AC 출력(116)만을 공급 받게 된다.The frequency control circuit 818 is configured to synchronize the frequency of the summed AC output 116 to the frequency of the AC mains 106. The summed AC output 116 is then supplied from the ECU 112 to the main windings M of the stator 102. At this stage, the switch 820 is configured to disconnect the main power supply 106 to the main windings M of the stator 102, resulting in the main windings M of the stator 102 continuously outputting the summed AC. Only (116) will be supplied.

도 9는 예시적 실시예에 따른 에너지 효율적인 인덕션 모터의 부하를 구동할 토크를 산출하는 전력/에너지 공급을 제어하는 ECU의 개략도이다. 도 9에는, 마이크로컨트롤러(902), 강압 변압기(step-down transformer; 904), 변류기(current transformer; CT) 코일(906), 캐패시터 뱅크(C3, C4, C5)(908), TRIAC(TR1, TR2, TR3, TR4, TR5, TR6)(910), 디지털 아날로그 변환기(digital to analog converter; 912), 및 디스플레이(914)를 포함하는 ECU(112)를 도시한다.9 is a schematic diagram of an ECU that controls power/energy supply to produce torque to drive a load of an energy-efficient induction motor according to an example embodiment. 9, a microcontroller 902, a step-down transformer (904), a current transformer (CT) coil 906, capacitor banks (C3, C4, C5) (908), TRIAC (TR1, It shows an ECU 112 including TR2, TR3, TR4, TR5, TR6) 910, a digital to analog converter (912), and a display 914.

마이크로컨트롤러(902)는 ECU(112) 기능의 중심이다. 마이크로컨트롤러(902)는 회전자(104)를 회전시키는 데 필요한 전력/에너지(RMF 110)를 제어하고, 부하(118)를 구동하도록 회전하는 동안 회전자(104)로 생성된 토크, 주파수, 및 전력을 제어한다. 브리지 정류기(bridge rectifier)(도면에는 도시 안 됨)가 마이크로컨트롤러(902)로의 AC 공급 전압을 마이크로컨트롤러(902)의 작동을 위한 DC 전압으로 변환하는 데 사용된다.Microcontroller 902 is central to the functionality of ECU 112. Microcontroller 902 controls the power/energy (RMF 110) required to rotate rotor 104 and the torque, frequency, and torque generated by rotor 104 during rotation to drive load 118. Control power. A bridge rectifier (not shown in the figure) is used to convert the AC supply voltage to the microcontroller 902 to a DC voltage for operation of the microcontroller 902.

강압 변압기(904)는 전적으로 ECU(112)의 작동만을 위한 전력을 제공한다. 인덕션 모터(100)에 대한 AC 주전원(106)의 주전력선(상; phase)이 ECU(112)이 강압 변압기(904)와 함께 고정자 권선(208)들에 연결되고, AC 주전원(106)의 중립선(neutral line)이 ECU(112)와 함께 인덕션 모터(100)의 단자함(terminal box)에 연결된다.Step-down transformer 904 provides power solely for operation of ECU 112. The main power line (phase) of the AC mains 106 for the induction motor 100 is connected to the stator windings 208 with the ECU 112 and a step-down transformer 904, and the neutral of the AC mains 106 is connected to the stator windings 208 with a step-down transformer 904. A neutral line is connected to the terminal box of the induction motor 100 along with the ECU 112.

전류 감지 변압기(current sensing transformer)의 CT 코일(906)은 입력 전류를 측정하고 전류를 안정시킨다. CT 코일(906)의 출력은 마이크로컨트롤러(902)에 연결된다. 전류 감지 변압기의 입력은 전력선(line)/입력 전압에 연결되어 전류를 감지하고, 전류 감지 변압기의 출력은 마이크로컨트롤러(902)에 연결된다.The CT coil 906 of the current sensing transformer measures the input current and stabilizes the current. The output of CT coil 906 is connected to microcontroller 902. The input of the current sensing transformer is connected to a power line/input voltage to sense current, and the output of the current sensing transformer is connected to the microcontroller 902.

캐패시터 뱅크(908)는 복수의 캐패시터(C3, C4, C5)들을 포함하는데, 복수의 캐패시터(C3, C4, C5)들의 각 캐패시터는 자신의 캐패시턴스 값을 갖는다. 캐패시터 뱅크(908)는 인덕션 모터(100)의 부하(118)의 균형을 잡고 인덕션 모터(100)에 대한 입력 전원과 주전원선의 출력 계수(PF)를 안정시키는 데 사용된다.The capacitor bank 908 includes a plurality of capacitors C3, C4, and C5, where each capacitor of the plurality of capacitors C3, C4, and C5 has its own capacitance value. The capacitor bank 908 is used to balance the load 118 of the induction motor 100 and stabilize the output coefficient (PF) of the main power line and the input power to the induction motor 100.

TRIAC(910)은 인덕션 모터(100)의 부하 요구치에 기반하여 인덕션 모터(100)에 전력을 제공하도록 캐패시터 뱅크(908)로부터 복수의 캐패시터(C3, C4, C5)들 중의 하나의 캐패시터를 선택하는 기능의 스위칭(ON/OFF)을 가능하게 한다. TRIAC의 스위칭 기능은 제어 소자(114)로 제어되는데, 이 경우 이는 마이크로컨트롤러(902)이다. 인덕션 모터(100)가 다른 부하들로 작동되는 동안, 부하 요구치들에 기반하여 TRIAC(910)이 캐패시터 뱅크(908)로부터 필요한 캐패시턴스를 선택한다. TRIAC(910)의 스위칭은 인덕션 모터(100)에 대한 부하와 입력 전류를 제어한다.The TRIAC 910 selects one capacitor among the plurality of capacitors C3, C4, and C5 from the capacitor bank 908 to provide power to the induction motor 100 based on the load requirement of the induction motor 100. Enables function switching (ON/OFF). The switching function of the TRIAC is controlled by control element 114, which in this case is microcontroller 902. While the induction motor 100 is operating with different loads, the TRIAC 910 selects the required capacitance from the capacitor bank 908 based on the load requirements. The switching of the TRIAC (910) controls the load and input current to the induction motor (100).

회전자(104)가 회전을 시작하는 동안, 회전자(104)는 AC 주전원(106)으로부터 전력을 인출하는 동시에 고정자(102)의 하나 이상의 보조 권선(A)들에 교번 EMF(110)를 유도한다. CT 코일(906)로 측정된 전류 소비 및 그 전류가 ECU(112)에 제공된다. 전류는 이어서 부하(118)에 기반하여 TRIAC(910)을 작동시키도록 프로그래밍된 마이크로컨트롤러(902)로 전달되고, 이는 이어서 토크 요구치에 맞추도록 다른 등급들을 갖는 캐패시터 뱅크(908)의 복수의 캐패시터(C3, C4, C5)들 중 특정한 캐패시터를 선택 및 연결하도록 TRIAC(910)을 작동시킨다. 예를 들어, 1 HP 모터에 대해 선택된 캐패시턴스 값은 15 내지 20 μf일 것이다.While the rotor 104 begins to rotate, the rotor 104 draws power from the AC mains 106 and simultaneously induces an alternating EMF 110 in one or more auxiliary windings A of the stator 102. do. Current consumption measured by CT coil 906 and that current is provided to ECU 112. The current is then passed to a microcontroller 902 that is programmed to operate the TRIAC 910 based on the load 118, which in turn connects a plurality of capacitors in the capacitor bank 908 with different ratings to match the torque requirements. The TRIAC (910) is operated to select and connect a specific capacitor among (C3, C4, C5). For example, the capacitance value selected for a 1 HP motor would be 15 to 20 μf.

디지털 아날로그 변환기(912)는 마이크로컨트롤러(902)의 출력이 거기에 제공되는 집적회로(IC)이다. 디지털 아날로그 변환기(912)는 마이크로컨트롤러(902)의 디지털 출력 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 이는 이어서 TRIAC(910)에 제공된다. 이에 따라 TRIAC(910)은 인덕션 모터(100)의 부하(118)를 제어한다. Digital-to-analog converter 912 is an integrated circuit (IC) through which the output of microcontroller 902 is provided. Digital-to-analog converter 912 converts the digital output signal of microcontroller 902 into an analog signal, which is then provided to TRIAC 910. Accordingly, the TRIAC (910) controls the load (118) of the induction motor (100).

예시적 시나리오에 따라, TRIAC(910)은 CT 코일(906)로 측정되는 전류 세기로 반영되는 인덕션 모터(100)가 받는 부하(118)의 양에 기반하여 다른 캐패시턴스를 갖는 캐패시터들을 갖는 캐패시터 뱅크(908)로부터 하나의 캐패시터, 예를 들어 C3을 선택한다.According to an example scenario, TRIAC 910 may be configured to include a capacitor bank ( Select one capacitor, for example C3, from 908).

이 시나리오에 따라, 인덕션 모터(100)가 켜지고 나면 ECU(112)에 구비된 스위칭 TRIAC 1에 의해 캐패시터 C3이 연결되고, 인덕션 모터(100)가 회전을 시작하는 동시에 고정자(102)에 구비된 하나 이상의 보조 권선(A)들에 교번 EMF(110)가 생성된다. 부하(118)가 증가되면 TRIAC 2가 캐패시터 C4를 작동시킨다. 부하가 더 증가되면 TRIAC 3이 캐패시터 C5를 작동시키며 이하 마찬가지다. 이러한 방법으로 인덕션 모터(100)의 부하(118)가 균형을 이룬다.According to this scenario, after the induction motor 100 is turned on, capacitor C3 is connected by switching TRIAC 1 provided in the ECU 112, and at the same time the induction motor 100 starts rotating, the one provided in the stator 102 Alternating EMF 110 is generated in the above auxiliary windings A. As load 118 increases, TRIAC 2 turns on capacitor C4. When the load increases further, TRIAC 3 turns on capacitor C5 and so on. In this way, the load 118 of the induction motor 100 is balanced.

ECU(112)에 구비된 디스플레이(914)는 다른 부하들에서의 인덕션 모터(100)의 전압, 주파수, 및 전력 소비를 보인다.The display 914 provided in the ECU 112 shows the voltage, frequency, and power consumption of the induction motor 100 at different loads.

여러 다른 실시예들에서, ECU(112)는 또한 과부하 보호, 회로 단락 보호, 및 과열 배출 구조(overheat tripping arrangement)를 구비한다.In various other embodiments, ECU 112 also has overload protection, short circuit protection, and an overheat tripping arrangement.

본 발명은 다른 종래의 AC 모터들에 비해 성능에서의 신뢰성 때문에 광범위한 산업 응용을 갖는 에너지 효율적인 인덕션 모터를 제공하므로 유용하다. 에너지 효율적인 인덕션 모터는 전기의 소비를 크게 절감하여 인덕션 모터들을 널리 사용하는 농업 분야, 기관차 분야, 및 다른 산업들에 금전적 이익을 제공한다.The present invention is useful because it provides an energy efficient induction motor that has a wide range of industrial applications due to its reliability in performance compared to other conventional AC motors. Energy-efficient induction motors significantly reduce electricity consumption, providing financial benefits to agricultural, locomotive, and other industries that widely use induction motors.

본 발명의 에너지 효율적인 인덕션 모터는 높은 전류 효율을 보장하도록 맞춤 구성된 고정자 권선 설계와 결합된 전용으로 설계된 전자 모듈을 구현함으로써 더 적은 전류를 소비한다.The energy-efficient induction motor of the present invention consumes less current by implementing a purpose-designed electronic module combined with a custom-configured stator winding design to ensure high current efficiency.

본 발명은 고정자에 구비된 권선의 구현 때문에 동일 용량의 종래 모터에 비해 더 적은 전류를 소비하는 에너지 효율적인 인덕션 모터를 제공하는데, 이 권선은 모터가 회전하는 동안 일정한 EMF(교번 EMF)를 생성할 수 있어서, 모터를 작동시키는 동안 모터의 구동을 위한 적력 요구치의 일부가 충족된다. 개시된 발명은 또한 입력 전원 요구치를 절충하지 않고도 삼상 인덕션 모터 대신 단상 인덕션 모터를 사용할 수 있게 해준다.The present invention provides an energy-efficient induction motor that consumes less current than a conventional motor of the same capacity due to the implementation of the windings provided in the stator, which windings can generate a constant EMF (alternating EMF) while the motor rotates. In this way, while operating the motor, a portion of the power requirements for driving the motor are met. The disclosed invention also allows the use of single phase induction motors instead of three phase induction motors without compromising input power requirements.

또한 개시된 발명을 사용하여 제조된 단상 인덕션 모터는 동일한 출력 요구치에 대한 삼상 인덕션 모터에 비해 더 적은 전기적, 자기적, 열적 손실을 갖는다. 또한 동일한 출력 요구치에 대한 삼상 인덕션 모터에 비해 자기 및 열 손실이 더 적다.Additionally, single-phase induction motors manufactured using the disclosed invention have lower electrical, magnetic, and thermal losses compared to three-phase induction motors for the same output requirements. Additionally, magnetic and thermal losses are lower compared to three-phase induction motors for the same power requirements.

당업계에 통상의 기술을 갖는 자라면 이 명세서에 기재된 위에 인식된 이점 및 다른 이점들이 단지 예시적이고 본 발명의 여러 실시예들의 모든 이점들을 완전히 제시할 것을 의도한 것이 아님을 이해할 것이다.Those of ordinary skill in the art will appreciate that the above-recognized advantages and other advantages described herein are exemplary only and are not intended to exhaustively present all of the advantages of the various embodiments of the invention.

본 발명은 하드웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로 구현될 수 있다. 본 발명은 적어도 하나의 컴퓨터 시스템에 중앙 집중 방식으로, 또는 다른 요소들이 몇 개의 상호연결된 컴퓨터 시스템에 걸쳐 분산된 분산 방식으로 구현될 수 있다. 이 명세서에 기재된 방법을 수행하도록 구성된 컴퓨터 시스템 또는 다른 장치(apparatus/device)들이 적절할 수 있다. 하드웨어 및 소프트웨어의 조합은 컴퓨터 시스템에 로딩 및 실행되면 이 명세서에 기재된 방법을 수행하도록 컴퓨터 시스템을 제어할 수 있는 컴퓨터 프로그램을 갖는 범용 컴퓨터 시스템이 될 수 있다. 본 발명은 다른 기능들 역시 수행하는 집적회로의 일부를 구비하는 하드웨어로 구현될 수 있다. 본 발명은 미디어 렌더링 장치(media rendering device)의 일부를 형성하는 펌웨어로 구현될 수도 있다.The invention may be implemented in hardware or a combination of hardware and software. The invention may be implemented in a centralized manner on at least one computer system, or in a distributed manner with different elements distributed across several interconnected computer systems. Computer systems or other devices configured to perform the methods described herein may be suitable. The combination of hardware and software can result in a general-purpose computer system having a computer program that, when loaded and executed on the computer system, can control the computer system to perform the methods described herein. The invention may be implemented in hardware that includes part of an integrated circuit that also performs other functions. The invention may also be implemented in firmware forming part of a media rendering device.

본 발명은 또한 컴퓨터 프로그램 제품에 내장될 수도 있는데, 이는 이 명세서에 기재된 방법들의 구현을 가능하게 하는 모든 특징들을 포함하여, 컴퓨터 시스템 상에 로딩 및/또는 실행되었을 때 이 방법들을 수행하도록 구성될 수 있다. 이 맥락에서 컴퓨터 프로그램은 정보 처리 능력을 갖는 시스템이 직접 또는 다음: a) 다른 언어, 코드, 또는 표기법(notation)으로의 변환; b) 다른 매체 형태(material form)로의 복제 중의 어느 것 또는 양자 모두에 이어 특정한 기능을 수행하도록 유발하고자 의도하는 명령들의 집합의 어떤 표현, 어떤 언어, 코드, 또는 표기법을 의미한다.The invention may also be embodied in a computer program product, which may include all features enabling implementation of the methods described herein and be configured to perform the methods when loaded and/or executed on a computer system. there is. In this context, a computer program is defined as a system capable of processing information directly or through: a) conversion into another language, code, or notation; b) means any expression, any language, code or notation of a set of instructions intended to cause the performance of a particular function following either or both reproduction in another material form.

이상에서 본 발명의 어떤 실시예들을 참조하여 설명되었는데, 당업계에 통상의 기술을 가진 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 여러 가지 변경들이 이뤄지고 등가물들이 대체될 수 있음을 이해할 것이다. 또한 특정한 상황 또는 소재에 맞추기 위해 그 범위를 벗어나지 않고도 많은 변경들이 이뤄질 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 개시된 실시예에 한정될 것을 의도한 것이 아니며, 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위에 포괄되는 모든 실시예들을 포함할 것이다.Although the present invention has been described above with reference to certain embodiments, those skilled in the art will understand that various changes may be made and equivalents may be substituted without departing from the scope of the present invention. Additionally, many changes can be made without departing from the scope to suit a particular situation or material. Accordingly, the present invention is not intended to be limited to the disclosed embodiments, and the present invention will include all embodiments falling within the scope of the appended claims.

Claims

As an induction motor 100,
The stator (102) generates a rotating magnetic field (RMF) (108) when AC main power (106) is supplied to the main winding (M) of the stator (102);
and a rotor (104) configured to rotate with respect to the main winding (M) of the stator (102) by the RMF (108),
The stator (108) further comprises one or more auxiliary windings (A), wherein rotation of the rotor (104) causes an alternating EMF (110) in the one or more auxiliary windings (A) of the stator (102). An electronic control unit (ECU) connected to the stator 102 induces the alternating EMF 110 generated in the one or more auxiliary windings A while the rotor 104 completes a rotation cycle. It is re-supplied to the main winding (M) of the stator 102 through 112), where the ECU 112:
A rectifier circuit (802) that converts the AC voltage of the AC mains (106) and the alternating EMF (110) produced in the one or more auxiliary windings (A) into individual DC powers, wherein the individual DC powers are summed. the rectifier circuit 802 from which summed DC power 814 is obtained; and
an inverter circuit (804) that converts the summed DC power (814) into a summed AC output (116),
The ECU 112 is configured to supply the summed AC output 116 to the main winding (M) of the stator 102.
Characterized by induction motor (100).

According to paragraph 1,
The stator (102) is constructed of laminates including a plurality of stator slots (206), each stator slot of the plurality of stator slots (206) comprising one or more sets of winding wires, each set of which includes: It includes a main winding (M) and the one or more auxiliary windings (A), wherein the main winding (M) is supplied with power necessary for rotation of the rotor and the one or more auxiliary windings (A) rotate the rotor ( An induction motor (100) that enables transmission of the alternating EMF (110) generated to one or more auxiliary windings (A) by rotation of (104).

According to paragraph 2,
An induction motor (100) wherein the size of the stator slot of the stator is configured to accommodate the one or more auxiliary windings (A), wherein the size is configured to promote uniform distribution of the winding wires.

According to paragraph 2,
An induction motor (100) in which individual ends of the main winding (M) and the one or more auxiliary windings (A) are connected to the ECU (112).

According to paragraph 1,
An induction motor (100) in which the ECU (112) includes a step-down transformer (904) that provides power for operation of the ECU (112).

According to clause 5,
The main power line of the AC main power supply 106 to the induction motor 100 is connected to the step-down transformer 904 of the ECU 11 and the main winding M of the stator 102, where the AC main power supply 106 ) of the induction motor (100) in which the neutral line is connected to the ECU (112) and the terminal box of the induction motor (100).

According to paragraph 1,
An induction motor (100) wherein the ECU (112) includes a variable frequency drive (VFD) control module (806) configured to vary the voltage and frequency of the summed AC output (116).

According to paragraph 1,
The ECU 112 is configured to synchronize the frequency of the summed AC output 116 with the frequency of the AC main power supply 106 and supply the summed AC output 116 to the main winding M of the stator 102. Induction motor (100) having a frequency synchronization circuit (808).

According to clause 8,
The ECU 112 is configured to cut off the AC main power 106 to the main winding (M) of the stator 102 through a disconnect switch 810, where the main winding (M) of the stator 102 An induction motor (100) that continuously receives only the summed AC output (116).

According to paragraph 1,
The ECU (112) includes a microprocessor (812) configured to calculate the phase difference between voltage and current by measuring the time difference between the voltage peak and the current peak when the induction motor (100) is loaded.

According to paragraph 1,
The ECU 112:
A capacitor bank 908 comprising a plurality of capacitors, each capacitor of the plurality of capacitors having its own capacitance value, wherein the load of the induction motor 100 is balanced and the input power to the induction motor 100 is provided. and the capacitor bank 908 that stabilizes the output coefficient (PF) of the main power line; and
Enables ON/OFF switching of the function of selecting one of the plurality of capacitors from the capacitor bank 908 to supply power to the induction motor 100 based on the load requirement of the induction motor 100. TRIAC (910)
Induction motor (100) further provided.

According to clause 11,
An induction motor (100) in which the control element (114) controls ON/OFF switching of the function of the TRIAC (910).

According to clause 12,
The control element 114 is located inside the ECU 112 or outside the ECU 112, where the control element 114 is a microcontroller 902, a digital signal processor (DSP), a microprocessor, or An induction motor 100, which is at least one of the network-operated computing devices.

According to clause 12,
The ECU 112 is provided with a current transformer (CT) coil 906 to control and measure the input current to the induction motor 100 and stabilize the input current, where the output of the CT coil 906 is the Induction motor 100 connected to the control element 114.

According to clause 14,
The capacitor bank 908 includes a plurality of capacitors of different capacitances based on the amount of load 118 received by the induction motor 100, where the amount of load 118 is transferred to the CT coil 906. Induction motor (100) reflected by the measured current intensity.

According to clause 12,
The ECU 112 has a digital-to-analog converter 912 connected to the output of the control element 14 to convert the digital output signal of the control element 114 into an analog signal and then supply it to the TRIAC 910. Induction motor (100).