KR20240038104A

KR20240038104A - 에너지 효율적인 전동기-발전기

Info

Publication number: KR20240038104A
Application number: KR1020247007429A
Authority: KR
Inventors: 티. 케이 쿤지몬.
Original assignee: 팔-케이 다이내믹스 인크.
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2022-08-03
Publication date: 2024-03-22
Also published as: EP4381592A1; US20230044966A1; CN118020239A; WO2023012825A1; AU2022322189A1; CA3227921A1

Abstract

본 발명은 고정자(102), 회전 자계(RMF)(108)를 생성하는 고정자(102)의 주권선(M), 및 RMF(108)에 의해 고정자(102)의 주권선(M)에 대해 회전하도록 배치된 회전자(104)를 포함하는 에너지 효율적인 발전기-전동기(100)에 관련된다. 고정자(102)는 회전자(104)의 회전에 의해 교번 EMF(110)를 생성하는 제1 추가 권선(F)과 교번 EMF(112)를 생성하는 제2 추가 권선(E)을 더 포함한다. 교번 EMF(110) 및 교번 EMF(112)들은 고정자(102)에 접속된 전자 제어 유닛(ECU)(116)을 통해 수집되어 각각 발전기-전동기의 동작과 전기적 부하를 구동하는 전력을 공급하기 위한 전력을 지속적으로 공급한다.

Description

에너지 효율적인 전동기-발전기

이 명세서로 개시되는 시스템 및 방법은 일반적으로 발전기로도 기능하는 에너지 효율적인(energy efficient) 유도 전동기(induction motor)에 관한 것으로, 더 구체적으로는 고정자 권선(stator winding)들에서 생성되는 EMF를 수집 및 조작(harvesting and manipulating)함으로써 전동기-발전기(motor-generator)를 구동하는 전력 요구치의 대부분을 보충하고 또한 전기적 부하를 구동할 전력을 공급함으로써 동일 용량의 종래의 전동기에 비해 더 적은 전력을 소비하는 에너지 효율적인 전동기-발전기에 관한 것이다.

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.

기술의 발전에 따라, 전기 전동기는 다양한 응용분야에 주된 구동력으로 산업에 사용되어 왔는데, 이는 에너지 자원들의 과도한 사용을 요구한다. 구체적으로, 삼상(three-phase) 유도 전동기 등의 유도 전동기가 산업 및 농업 분야에 주도적으로 사용되고 있는데, 이 전동기들은 생산된 전체 에너지의 65%를 소비한다. 이에 따라, 현재 사용되고 있는 표준 전동기에 비해 상당한 양의 에너지를 절감하고자 하는 수요가 존재한다. 또한 향상된 효율을 갖는 이러한 전동기의 운전비용을 저감시켜 에너지 효율적인 전동기를 설계하고자 하는 수요가 존재한다.

전동기의 입력 전원 공급의 종류와 회전자(rotor)의 종류에 따라 기본적으로 2가지 종류의 유도 전동기들이 존재한다. 입력 전원 공급의 종류에 기반하여 유도 전동기는 단상(single-phase) 유도 전동기와 삼상 유도 전동기로 분류된다. 회전자의 종류에 기반하여, 유도 전동기는 농형 전동기(squirrel cage motor)와 슬립링 전동기(slip ring motor) 또는 권선형(wound type)으로 분류된다.

다음은 유도 전동기의 동작 원리의 예시이다. 유도 전동기의 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.

이 고정자 RMF와 회전자 도체(conductor) 등 간의 상대속도가 패러데이(Faraday)의 전자기 유도 법칙에 따라 회전자 도체에 유도 전동력(electromotive force; EMF)를 야기한다. 회전자 도체가 단락 회로를 형성하고(short circuited), 이에 따라 유도 EMF에 의해 회전자 전류가 생성된다. 그 작동 기구 때문에 이러한 전동기는 유도 전동기로 지칭된다. 이는 변압기에서 발생되는 작용과 유사하여 유도 전동기는 회전 변압기로도 지칭된다.

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 유도 전동기 양자의 기본 동작 원리이다.

삼상 유도 전동기에서는, 삼상 전원(three-phase supply)이 고 전력 소비의 균형을 잡는 데 사용된다. 이에 따라 삼상 전원이 3 HP 정격(rating) 이상을 갖는 유도 전동기를 작동시키는 데 필요하다.

특히 유도 전동기 등의 전기 전동기의 에너지 효율은 집중적으로 연구된 영역이다. 유도 전동기의 효율을 증가시키면 방대한 양의 에너지를 보존할 수 있다. 유도 전동기를 설계하는 종래의 설계 접근방법을 사용해서는 산업 효율 표준을 달성하기 어렵다.

현재 존재하는 고효율 유도 전동기는 전동기의 작동 효율 향상을 위한 고품질 코어와 권선 소재를 포함한다. 이러한 설계 변경은 비용 효율적이 아니다. 최근, 고품질 소재 대신 다양한 설계 변경들을 통한 전기 전동기의 전류 효율을 향상시키고자 하는 노력이 수반되는 에너지 절감 측면에서 현저한 연구 및 투자가 이뤄져 왔다.

많은 경우들에, 농형 유도 전동기가 고정 속도 응용에 선호된다. 그러나 지배적인 권선 손실(winding loss)에 기인하여 최적 효율을 갖는 현재의 유도 전동기는 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.

전기 전동기는 (팬(fan), 펌프 등) 가변 토크(variable-torque) 부하, (왕복 압축기, 컨베이어, 스크류 등) 고정 토크(constant-torque) 부하, (전동공구(machine tool) 등) 고정 출력 부하를 제한 없이 포함할 수 있는 다른 종류의 전기적 부하들을 구동하는 발전기로 사용된다. 이 전기적 부하들을 구동하는 에너지 출력은 불규칙하여 출력 제한, 토크 및 속도 한도, 및 전류 및 전압 한도에 따라 영향을 받는다. 특히 발전기 속도가 전형적인 전동기 속도에 비해 매우 낮은 경우에는, 토크 요건을 충족시키기 위해 발전된 전력보다 더 높은 출력 정격(power rating)을 갖는 전동기가 요구된다. 뿐만 아니라 발전기-전동기의 토크는 발전기-전동기의 크기와 종류에 의해 제한될 수 있다. 이에 따라 발전기 토크보다 더 높은 연속 토크를 갖는 전동기 종류가 선택되어야 한다. 현재의 전류 및 전압 한도를 해결하기 위해서는, 부하 하에서라도 원하는 전압을 생성할 수 있는 주어진 모터 종류의 적절한 권선(winding)이 선택되어야 한다.

전동기의 발전기로의 전통적인 사용서는 기계 에너지가 전기 에너지로 변환된다. 이 변환은 기계적 손실, 결합 손실(coupling loss), 전기적 손실, 열적 손실, 및 자기 손실 등 몇 가지 손실들에 관련된다. 이에 따라 유도 전동기는 전술한 손실들에 기인하여 일반적으로 극히 낮은 출력(power output)을 가지므로 실제적 응용에 있어서 유도 전동기는 발전기로 거의 사용되지 않는다. 영구자석을 구비하는 유도 전동기는 비교적 더 높은 효율을 갖지만 그 출력은 여전히 어떤 응용들에는 부적절하다.

이에 따라 이상의 문제점들을 감안하여, 동일 용량의 어떤 종래 전동기에 비해 더 적은 전류를 소비하고, 전동기의 구동에 대한 전력 요구치의 대부분(major part)를 보충하기 위해 전동기로 생성되는 전력을 효율적으로 수집(harvest)하고 또한 전기적 부하를 구동하는 전력을 공급할 수 있는 에너지 효율적인 유도 전동기에 대한 수요가 존재한다.

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.

본 발명의 주된 목적은 단상(single-phase) 또는 다상(multi-phase) AC 전원의 어느 것으로부터 전력을 받을 수 있는 에너지 효율적인 발전기-전동기를 개발하는 것이다. 발전기가 기능적으로 전기적 부하를 구동하는 한편 전동기가 기능적으로 전기적 부하를 지원한다. 이 발전기-전동기는 회생 발전(regeneration)에 의해 입력 전력 요구치의 대부분을 보충한다.

본 발명의 다른 목적은 더 높은 전류 효율의 보장에 가장 적합한, 맞춤형(tailor-made) 고정자 권선 설계에 접속된 전용으로 설계된 전자 제어 모듈을 구비하는 에너지 효율적인 전동기-발전기를 개발하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 에너지 효율적인 전동기-발전기를 개발하는 것인데, 여기서 유도 전동기의 고정자 권선들은 회전자가 회전 사이클을 완료하는 동안 고정자 권선들에서 생성되는 교번(alternating) EMF에 의해 합산 전력(resultant power)을 지속적으로 공급받음으로써, 교번 EMF(생성된 EMF)가 전동기의 지속적인 작동 동안 공급 전력의 주된 공급원(major source)으로 기능한다.

본 발명의 또 다른 목적은 에너지 효율적인 전동기-발전기를 개발하는 것인데, 여기서 회전자가 회전 사이클을 완료하는 동안 고정자 권선에서 생성하는 교번 EMF에 의해 전기적 부하가 합산 전력을 지속적으로 공급 받는다.

본 발명의 또 다른 목적은 산업적으로 제조될 수 있으며 가성비가 높아 전기적 출력과 기계적 출력이 필요한 응용분야들에 광범위하게 사용될 수 있는 에너지 효율적인 전동기-발전기를 설계하는 것이다.

적어도 하나의 도면들에 연계하여 도시 및/또는 설명된, 동일 용량의 종래의 전동기에 비해 더 적은 전력을 소비하는 에너지 효율적인 발전기-전동기가 개시된다.

이 발전기-전동기는 주 AC 전원이 고정자(stator)의 주권선(main winding)에 공급되면 회전 자계(rotating magnetic field; RMF)를 형성하는 고정자와, RMF에 의해 고정자의 주권선에 대해 회전하도록 배치된 회전자(rotor)를 구비한다. 고정자는 2개의 추가 권선들을 더 포함한다. 재공급 EMF 권선으로도 지칭되는 제1 보조 권선은 회전자의 회전에 의해 재공급 EMF 권선에 유도되는 교번(alternating ) 전동력(electromotive force; EMF)을 산출한다. 그러면 재공급 EMF 권선 내에 산출된 교번 EMF가 고정자에 접속된(interfaced) 전자 제어 유닛(electronic control unit; ECU)을 통해 수집(harvested), 조작(manipulated)되어 고정자의 주권선에 재공급된다(fed back). 회전자의 회전 동안 이와 같이 산출된 에너지는 발전기-전동기의 동작에 필요한 에너지 요구치의 대부분(major part)을 충족시킨다. 전기적 부하 EMF 권선으로도 지칭되는 제2 추가 권선은 회전자의 회전에 의해 전기적 부하 EMF 권선 내에 유도되는 교번 EMF를 산출한다. 전기적 부하 EMF 권선에서 산출된 교번 EMF는 고정자에 접속된 ECU를 통해 수집되어 전기적 부하에 전력을 공급한다. 회전자의 회전 동안 이와 같이 산출된 에너지는 전기적 부하를 구동하는 에너지 요구치를 충족시킨다.

본 발명의 이들 및 다른 특징과 이점들은 전체적으로 유사한 참조번호들이 유사한 부분들을 가리키는 첨부 도면들과 함께 이하의 본 발명의 상세한 설명을 읽으면 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 에너지 효율적인 발전기-전동기의 블록도.
도 2는 도 1의 에너지 효율적인 발전기-전동기의 작동의 블록도.
도 3은 에너지 효율적인 발전기-전동기의 고정자의 개략도.
도 4는 에너지 효율적인 발전기-전동기의 회전자의 개략도.
도 5는 본 발명에 따른 에너지 효율적인 발전기-전동기의 작동 방법의 흐름도를 도시한다.

다음에 설명되는 구현예들을 개시된 에너지 효율적인 발전기-전동기에서 찾아볼 수 있다, 이 발전기-전동기는 주 AC 전원이 고정자의 주권선(M)에 공급되면 회전 자계(RMF)를 생성하는 주권선(M)을 구비하는 고정자와, RMF에 의해 고정자의 주권선(M)에 대해 회전하도록 배치된 회전자를 포함한다. 고정자는 2개의 추가 권선들, 즉 제1 추가 권선(F) 및 제2 추가 권선(E)을 더 포함한다. 권선(M, F, E)들의 각각은 단일한 또는 복수의 코일로 다층으로(multi-layered) 구성될 수 있다. 각 코일은 단일 코어 또는 다중 코어 와이어들로 구성될 수 있다.

재공급 EMF 권선(F)으로도 지칭되는 제1 추가 코일(F)은 회전자의 회전에 의해 재공급 EMF 권선(F)에 유도되는 교번 전동력(EMF)을 산출한다. 그러면 회전자의 회전 사이클의 완료 동안 재공급 EMF 권선(F)에서 산출된 교번 EMF가 고정자에 접속된 전자 제어 유닛(ECU)을 통해 수집 및 조작되고 이와 동시에 고정자의 주권선(M)에 재공급된다. 회전자의 회전 동안 이와 같이 산출된 에너지는 발전기-전동기의 동작에 필요한 에너지 요구치의 대부분을 충족시킨다.

ECU는 재공급 모듈, 제어 모듈, 및 재공급 EMF 권선(F)에서 산출된 교번 EMF를 회수하는 입력 모듈을 포함한다. ECU의 정류 회로(rectifier)는 AC 전원으로부터의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고, 그러면 이는 제어 모듈에 공급된다. 재공급 EMF 권선(F)에서 산출된 교번 EMF는 교번 EMF의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 제어 모듈에 DC 전력을 공급하는 재공급 모듈로 공급된다.

제어 모듈은 주 AC 전원과 재공급 모듈의 입력 전압들을 조합하여 합산 DC 전력을 생성하는 ECU의 컴포넌트이다. 제어 모듈은 재공급 모듈로부터의 입력 전압 값을 발전기-전동기의 원하는 작동 전압과 비교(check~ against)한다. 이에 따라 제어 모듈은 주 AC 전원으로부터 얻어진 전력으로부터의 나머지 전압을 가산한다.

제어 모듈로부터의 합산 DC 전력은 입력 모듈로 공급된다. 입력 모듈은 합산 DC 전력을 합산 AC 전력으로 변환하고, 합산 AC 전력을 필터링하여 고정자의 주권선(M)에 공급한다.

전기적 부하 EMF 권선(E)으로도 지칭되는 제2 추가 권선(E)은 회전자의 회전에 의해 전기적 부하 EMF 권선(E)에 유도되는 교번 EMF를 산출한다. 전기적 부하 EMF 권선(E)에서 산출되는 교번 EMF는 이어서 고정자에 접속된 ECU를 통해 수집되어 전기적 부하에 전력을 공급한다. 회전자의 회전 동안 이와 같이 산출된 에너지가 전기적 부하를 구동할 에너지 요구치의 대부분을 충족시킨다. 이 전기적 부하는 발전기-전동기(100)을 사용하여 구동될 수 있는 저항성, 유도성, 또는 용량성 부하, AC, DC, 또는 맥동(pulsating) 부하, 또는 이 부하들의 어떤 조합을 제한 없이 포함할 수 있다. 발전기-전동기(100)의 다른 구성 역시 다양한 응용들에 대해 다른 출력을 산출하는 데 사용될 수 있다.

ECU는 제어 모듈, 출력 모듈, 및 전기적 부하 EMF 권선(E)에서 산출되는 교번 EMF를 수집하는 전기적 부하 모듈을 포함한다. 제어 모듈은 출력 모듈과 통신하여 출력 모듈의 다른 컴포넌트 및 회로들을 제어한다. 전기적 부하 EMF 권선(E)에서 산출되는 교번 EMF는, 전기적 부하 EMF 권선(E)에서 산출되는 교번 EMF의 AC 전력을 캐패시터 뱅크(capacitor bank), (예를 들어 이중층 구리 캐패시터 등의) 슈퍼캐패시터, 또는 전하를 보유하는 어떤 장치를 제한 없이 포함할 수 있는 배터리를 충전 및 트리거링(trigger)시키는 DC 전력으로 변환하는 출력 모듈로 공급됨으로써, 전기적 부하에 전원을 공급하는(power) 전기적 출력을 제공하는 전기적 부하 모듈에 전력을 공급한다.

도 1은 본 발명에 따른 에너지 효율적인 발전기-전동기의 블록도이다. 도 1에는 고정자(102) 및 회전자(104), 주 AC 전원(106), 고정자(102)의 주권선(M), 고정자(102)의 제1 추가 권선(F) 및 제2 추가 권선(E), 주권선(M)에서 생성되는 회전 자계(RMF)(108), 제1 추가 권선(F)에서 산출되는 교번 EMF(110), 제2 추가 권선(E)에서 산출되는 교번 EMF(112), 기계적 부하(114), 정류 회로(118)를 포함하는 전자 제어 유닛(ECU)(116), 재공급 모듈(120), 제어 모듈(122), 입력 모듈(124), 출력 모듈(126), 및 전기적 부하 모듈(128)을 구비하는 발전기-전동기(100)가 도시되어 있다.

발전기-전동기(100)는 주 AC 전원(106)이 고정자(102)의 주권선에 제공되면 회전 자계(RMF)(108)를 생성하는 주권선(M)을 포함하는 고정자(102)와, 이 RMF(108)에 의해 고정자(102)의 주권선(M)에 대해 회전하도록 배치된 회전자(104)를 구비한다. 고정자(102)는 2개의 추가 권선들, 즉 제1 추가 권선(F) 및 제2 추가 권선(E)을 포함한다. 권선(M, F, E)들의 각각은 단일 또는 복수의 코일들의 다층으로 구성된 권선들이 될 수 있다, 각 코일은 단일 코어 와이어 또는 다중 코어 와이어로 구성될 수 있다,

재공급 EMF 권선(F)로도 지칭되는 제1 추가 권선(F)은 회전자(104)의 회전에 의해 재공급 EMF 권선(F)에 유도되는 교번 EMF(110)를 산출한다. 회전자(104)으 회전 사이클의 완료 동안 재공급 EMF 권선(F)에서 산출된 교번 EMF(110)는 고정자(102)에 접속된 ECU(116)를 통해 수집 및 조작되고 이와 동시에 고정자(102)의 주권선(M)에 재공급된다. 회전자(104)의 회전 동안 이와 같이 산출된 에너지는 발전기-전동기(100)의 요구치의 상당한 부분을 산출한다.

ECU(116)는 재공급 모듈(120), 제어 모듈(122), 및 재공급 EMF 권선(F)에서 생성된 교번 EMF(110)를 수집하는 입력 모듈(124)을 포함한다. 정류 회로(118)는 주 AC 전원(106)으로부터의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고, 그러면 이는 제어 모듈(122)로 공급된다. 재공급 EMF 권선(F)에서 산출된 교번 EMF(110)는 교번 EMF(110)으로부터의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하여 제어 모듈(122)로 공급하는 재공급 모듈(120)로 공급된다.

제어 모듈(122)은 주 AC 전원(106)과 재공급 모듈(120)의 전압들을 조합하여 합산 DC 전력을 생성하는 ECU(116)의 컴포넌트이다. 제어 모듈(122)은 재공급 모듈(120)로부터의 입력 전압을 발전기-전동기(100)의 원하는 작동 전압과 비교한다. 이에 따라 제어 모듈(122)은 주 AC 전원(106)으로부터 얻어진 전력으로부터의 나머지 전압을 가산한다.

제어 모듈(122)로부터의 합산 DC 전력이 입력 모듈(124)로 공급된다. 입력 모듈(124)은 합산 DC 전력을 합산 AC 전력으로 변환하고, 이 합산 AC 전력을 필터링하여 고정자(102)의 주권선(M)에 공급한다.

전기적 부하 EMF 권선(E)으로도 지칭되는 제2 추가 권선(E)은 회전자(104)의 회전에 의해 전기적 부하 EMF 권선(E)에 유도되는 교번 EMF(112)를 산출한다. 전기적 부하 EMF 권선(E)에서 산출되는 교번 EMF(112)는 이어서 고정자(102)에 접속된 ECU(116)를 통해 수집되어 전기적 부하에 전력을 공급한다. 회전자의 회전 동안 이와 같이 산출된 에너지가 전기적 부하를 구동할 에너지 요구치를 충족시킨다.

ECU(116)는 제어 모듈(122), 출력 모듈(126), 및 전기적 부하 EMF 권선(E)에서 산출되는 교번 EMF(112)를 수집하는 전기적 부하 모듈(128)을 포함한다. 제어 모듈(122)은 출력 모듈(126)과 통신하여 출력 모듈(126)의 다른 컴포넌트 및 회로들을 제어한다. 전기적 부하 EMF 권선(E)에서 산출된 교번 EMF(112)는 전기적 부하 EMF 권선(E)에서 산출된 교번 EMF(112)의 AC 전력을 배터리를 충전 및 트리거링시키는 DC 전력으로 변환하는 출력 모듈(126)로 공급됨으로써, 전기적 부하에 전원을 공급하는 전기적 출력을 제공하는 전기적 부하 모듈(128)에 전력을 공급한다.

도 2는 도 1의 에너지 효율적인 발전기-전동기의 고수준 작동(high-level operation)을 도시한다. 도 2에는 재공급 모듈(120)이 도시되어 있는데, 이는 필터링 회로(202), 정류 회로(204), 및 평형 회로(balancing circuit; 206)를 포함할 수 있다. 또한 제어 모듈(122)이 도시되어 있는데, 이는 입력 제어 모듈(208), 컨트롤러 유닛(210), 및 스위칭 회로(212)를 포함할 수 있다. 입력 모듈(124)는 인버터(214), 전류 제한 회로(216), 주파수 제어 유닛(218), 및 필터링 회로(220)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 출력 모듈(126)은 정류 회로(222), 스위칭 회로(224), 필터링 회로(226), 용량성 회로(capacitive circuit; 228), 트리거링 회로(230), 배터리(232), 및 과부하 방지 회로(234)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 전기적 부하 모듈(128)은 충전 회로(236)와 전기적 출력(238)을 포함할 수 있다.

ECU(116)는 재공급 모듈(120), 제어 모듈(122), 및 재공급 EMF 권선(F)에서 산출된 교번 EMF(110)를 수집하는 입력 모듈(124)을 포함한다.

재공급 모듈(120)은 필터링 회로(202), 정류 회로(204), 및 평형 회로(206)를 더 포함한다. 필터링 회로(202)는 재공급 EMF 권선(F)에서 산출된 교번 EMF(110)를 안정화시킨다. 필터링 회로(202)로부터의 출력은 교번 EMF(110)의 AC 전력을 DC 전력 또는 전압으로 변환하는 정류 회로(204)에 공급된다. 정류 회로(204)로부터의 DC 전력 또는 전압은 평형 회로(206)에 공급된다. 평형 회로(206)는 정류 회로 회로(204)로부터의 DC 전력 또는 전압 출력을 안정화 또는 유지시킨다. 재공급 모듈(120)로부터의 DC 전력 또는 전압 출력은 제어 모듈(122)로 공급된다.

제어 모듈(122)은 입력 제어 모듈(208), 컨트롤러 유닛(210), 및 스위칭 회로(212)를 포함한다. 입력 제어 모듈(208)은 제어 모듈(122)에 대한 동작 전압을 제공하고 입력 전압 또는 제어의 어떤 급속한 변동을 제어한다. 또한 입력 제어 모듈(208)은 전류, 전압, 및 다른 역률(power factor)을 제한 없이 포함하는 하나 이상의 전기적 파라미터들에 요동이 있을 때 입력 전압을 유지한다. 제어 모듈(122)은 재공급 모듈(120)의 출력을 받아 재공급 모듈(120)의 출력 내의 어떤 오류를 감지한다. 어떤 오류가 감지되면 제어 모듈(122)은 이 오류를 해결하고 재공급 모듈(120)로부터의 입력을 제어한다.

컨트롤러 유닛(210)은 펌웨어(firmware)로 구현될 수 있고, 제어 모듈(122)의 작동을 담당한다. 컨트롤러 유닛(210)은 처음에 하나 이상의 명령들을 스위칭 회로(212)에 제공한다. 컨트롤러 유닛(210)의 주 기능은 스위칭 회로(212)의 스위칭 작용의 타이밍을 제어하고 입력 모듈(124)에 대한 적절히 원하는 전압을 유지하는 것이다. 이 원하는 전압은 주 AC 전원(106)로부터의 입력 전압과 재공급 에너지 입력인 교번 EMF(110)의 비교에 의해 제공된다. 이 전압이 캡처되어(captured) 컨트롤러 유닛(210)에 의해 비교된다. 어떤 실시예들에서는, ECU(116)의 모든 기능들이 컨트롤러 유닛(210)으로 제어될 수 있다.

스위칭 회로(212)는 입력 모듈(124)를 구동한다. 스위칭 회로(212)는 평형 회로(206)로부터의 재공급으로서의 교번 EMF(110)를 입력들 중의 하나로 수신한다. 스위칭 회로(212)에 대한 다른 입력은 라인 입력(line input) 또는 주 AC 전원(106)으로부터의 입력 전압이다.

스위칭 회로(212)는 평형 회로(206)로부터의 출력 전력을 수신한다. 평형 회로(206)로부터의 이 출력 전력은 발전기-전동기(100)의 동작에 충분하지 않다. 그러므로 컨트롤러 유닛(210)은 발전기-전동기(100)의 적절한 동작을 위해 입력 제어 모듈(208)로부터 필요한 나머지 전력을 수신한다.

컨트롤러 유닛(210)은 입력 제어 모듈(208)로부터의 나머지 전력을 발전기-전동기(100)의 동작을 위해 스위칭 회로(212)에 가산한다. 2개의 입력 전력들, 즉 평형 회로(206)로부터의 입력 전력과 입력 제어 모듈(208)로부터의 나머지 전력의 합산 후 발전기-전동기(100)의 동작에 원하는 전력이 컨트롤러 유닛(210)의 도움으로 스위칭 회로(212)로부터 전달된다.

컨트롤러 유닛(210)은 평형 회로(206)로부터의 전력의 값을 발전기-전동기(100)의 동작에 필요한 전력의 원하는 값과 비교한다. 나머지 전력은 입력 제어 모듈(208)로부터 가산된다. 전력의 원하는 값에 도달하고 나면 스위칭 회로(212)가 입력 모듈(124)의 인버터(214)로 스위칭된다.

입력 모듈(124)은 인버터(214), 전류 제한 회로(216), 주파수 제한 회로(218),및 필터링 회로(220)를 포함하는 발전기-전동기(100)의 입력 섹션이다. 스위칭 회로(212)는 인버터(214) 및 주파수 제한 회로(218)를 통해 입력 모듈(124)을 구동한다.

인버터(214)는 입력 모듈(124)의 컴포넌트이다. 인버터(214)는 제어 모듈(122)로부터 입력 DC 전압을 받아 DC 전압을 AC 전압 또는 발전기-전동기(100)의 동작을 위한 전원으로 변환한다. 컨트롤러 유닛(210)은 인버터(214)의 스위칭을 제어 또는 안내한다.

전류 제한 회로(216)는 인버터(214)로부터의 과전류를 제한한다. 주파수 제한 회로(218)는 발전기-전동기(100)의 동작을 위해 필요한 주파수 범위를 제공한다. 주파수 제한 회로(218)는 또한 이 주파수 범위를 요동 없이 유지한다.

필터링 회로(220)는 유도성-용량성 LC 필터를 포함한다. 필터링 회로(220)는 전압을 필터링 또는 전압 내의 고조파(harmonics)를 제거하여 발전기-전동기(100)의 동작을 위한 숭수한 AC 전원을 고정자(102)에 공급한다.

ECU(116)는 제어 모듈(122), 출력 모듈(126), 및 전기적 부하 EMF 권선(E)에서 산출된 교번 EMF(112)를 수집하는 전기적 부하 모듈(128)을 포함한다.

출력 모듈(126)는 정류 회로(222), 스위칭 회로(224), 필터링 회로(226), 용량성 회로(228), 트리거링 회로(230), 배터리(232), 및 과부하 보호 회로(234)를 포함한다.

정류 회로(222)는 전기적 부하 EMF 권선(E)에서 산출된 교번 EMF(112)의 AC 전력 또는 전압을 DC 전력 또는 전압으로 변환한다.

스위칭 회로(224)는 정류 회로(222)로부터의 정류된 출력을 수신한다. 어떤 실시예들에서, 스위칭 회로(224)는 요구되는 일정한 DC 전압이 스위칭 회로(224)에 입력으로 제공될 때만 작동될 수 있다. 발전기-전동기(100)의 속도의 변동이 부하에 영향을 미칠 수 있으므로, 스위칭 회로(224)가 일정한 전압을 유지하는 데 사용된다.

필터링 회로(226)는 생성된 DC 출력을 순수한 DC 전력으로 필터링한다.

용량성 회로(228)는 DC 입력 전압을 저장하고, 용량성 회로(228)가 충분한 에너지를 가질 때 트리거링 회로(230)를 통해 배터리(232)를 트리거링한다. 용량성 회로(228)의 목적은 저장된 에너지를 공급함으로써 배터리를 충전하는 것이다. 배터리(232)는 에너지를 저장한다.

트리거링 회로(230)는 저전압 및 과전압 조건들의 판단에 기반하여 배터리(232)를 트리거링함으로써 발전기-전동기(100)의 보호를 촉진한다. 예를 들어 저전압 조건 동안, 트리거링 회로(230)가 배터리(232)에 접속(engage)되어 에너지를 제공한다. 과전압 조건 동안 트리거링 회로(230)는 배터리(232)를 분리한다(disconnects or disengages).

과부하 보호 회로(234)는 과부하 조건 동안 작동한다. 과부하 보호 회로(234)는 과전류 또는 고온을 감지하고 이에 따라 과부하 조건으로부터 회로의 보호를 트리거링한다. 또한 과부하 보호 회로(234)는 충전 회로(236)을 과충전으로부터 보호하고 배터리(232)의 회로 단락(short circuit)을 방지한다.

전기적 부하 모듈(128)은 충전 회로(236)와 전기적 출력(238)을 포함한다. 충전 회로(236)는 정상 전압으로 배터리(232)를 충전한다. 전기적 출력(238)은 전기적 부하가 연결될 출력 섹션이다.

도 3은 본 발명에 따른 에너지 효율적인 발전기-전동기의 고정자(102)의 개략도이다. 도 3에는, 고정자(102)가 프레임 또는 요크(yoke)(302), 고정자 코어(304), 고정자 슬롯(206), 및 고정자 권선(308)을 포함하는 것으로 도시되어 있다.

프레임 또는 요크(302)는 고정자(102)의 일체적 부분을 형성한다. 프레임 또는 요크(302)의 주된 기능은 발전기-전동기(100)의 다른 복잡한 컴포넌트 또는 부품들에 대한 보호 커버를 제공하는 것이다.

고정자 코어(304)은 고정자 슬롯(306)을 포함하는 철심(lamination)들로 구성된다. 고정자 슬롯(306)들의 각각에 구비된 공간은 하나 이상의 권선 와이어들의 세트(set)들을 포함하는 고정자 권선(308)을 수용하기 위해 종래의 슬롯보다 약간 더 크다. 권선 와이어는 절연 와이어이고 당업계에 통상의 기술을 가진 자에게 알려진 어떤 종류의 절연 와이어가 될 수 있다. 고정자 슬롯(306)의 크기는 고정자 권선(308)의 균일한 분포를 위해 조정 및 유지될 수 있다. 고정자(102)의 슬롯, 자극(pole), 및 권선들의 수는 소정의 파라미터들이거나, 어떤 실시예들에서는 변경 가능하거나 의도한 응용분야에 기반하여 변동될 수 있다.

고정자 슬롯(306)들에 구비된 공간은 회전자(104)를 회전시키는 전력/에너지(RMF 108)를 반송하는 주권선(M)과 2개의 추가 권선(F, E)들을 포함하는 권선 와이어의 하나 이상의 세트들을 수용하기 위해 종래의 슬롯들보다 약간 더 큰데, (2개의 추가 권선들 중) 제1 추가 권선(F)은 회전자(104)가 회전하는 동안 제1 추가 권선(F)에 유도되는 전력(교번 EMF 110)의 전송에 사용되고, 제2 추가 권선(E)은 회전자(104)가 회전하는 동안 제2 추가 권선(E)에 유도되는 전력(교번 EMF 112)의 전송에 사용된다.

또한 고정자(102)는 일정한 공기 갭을 유지하기 위해 가공 홈(machined rabbet) 및/또는 보어(bore)를 포함할 수 있다. 발전기-전동기(100)의 고정자(102)에 사용되는 축과 베어링들은 당업계에 통상의 기술을 가진 자에게 알려진 어떤 종류의 것이 될 수 있다. 적당한 크기의 볼베어링이 회전마찰을 감소시키고 반경방향 및 축방향 부하들을 지지하는 데 사용될 수 있다. 고정자 권선(308)을 냉각시키기 위한 공기의 적절한 순환을 가능하게 하도록 팬(fan)이 구비된다. 더 적은 전력 소비와 고정자 권선(308)의 상호 반대되는 동작, 즉 회전자(104)를 회전시키는 전력/에너지(RMF 108)의 공급을 담당하는(corresponding) 주권선(M)과 회전자(104)가 회전하는 동안 각각 교번 EMF(110)과 교번 EMF(112)의 전송을 담당하는 2개의 추가 권선(F, E)들 때문에 발전기-전동기(100)에서 산출되는 열은 비교적 적다. 이에 따라 냉각 팬의 크기도 축소될 수 있음으로써 이에 따른 일부 에너지를 절감한다. 베어링들은 축의 단부에 수납되어 프레임 또는 요크(302)에 고정된다.

다음 식에 따라 동기 속도(synchronous speed)가 주파수에 정비례하고 자극들의 수에 반비례하므로, 고정자(102)의 자극들의 수와 권선들의 수는 발전기-전동기(100)의 속도에 기반하여 결정될 수 있는데

Ns = 120 f / P

여기서 Ns는 동기 속도, f는 주파수, 그리고 P는 자극들의 수이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 고정자(102)는 6개의 자극들에 필요한 대로 전체 24개의 슬롯들을 구비하는데, 각 자극이 4개의 슬롯들을 갖는다. 각 슬롯은 3개의 권선 와이어들을 구비하는데, 회전자(104)의 회전을 위한 전력/에너지(RMF 108)를 담당하는 주권선(M), 회전자(104)의 회전 동안 제1 추가 권선(F) 내에 유동되는 전력(교번 EMF 110)의 전송을 담당하는 제1 추가 권선(F), 및 회전자(104)의 회전 동안 제2 추가 권선(E) 내에 유동되는 전력(교번 EMF 112)의 전송을 담당하는 제2 추가 권선(E)이다. 이 권선들의 각 단말 단부들은 ECU(116)에 연결된다.

도 4는 에너지 효율적인 발전기-전동기의 회전자(104)의 개략도이다. 도 4에서 회전자(104)는 철심(lamination; 402), 세퍼레이터(separator; 404), 회전자 축(406), 및 단부 링(end rings 408)을 포함하는 것으로 도시되어 있다.

이 특정한 실시예에서, 회전자(104)는 농형(squirrel cage type) 회전자이다. 회전자(104)는 회전자(104)의 철심(402)들을 분리하는 세퍼레이터(404)와 함께 철심(402)들의 원통을 포함한다. 일부 실시예들에서, 회전자(104)는 회전자 축(406)에 평행 또는 거의 평행하고 회전자(104)의 표면에 근접하여 그 표면에 매립된 알루미늄, 구리, 페라이트(ferrite), 철 또는 다른 어떤 소재를 제한 없이 포함하는 고전도성 소재 또는 금속을 포함할 수 있다. 회전자(104)의 양단에서, 회전자 도체들이 회전자 도체들의 그것과 유사한 소재의 연속 단부 링(408)들에 의해 단락 회로를 형성한다. 회전자 도체와 그 단부 링(408)들은 그 자체로 완전한 폐회로를 형성한다.

교류가 고정자 권선(308)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.

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.

도 5는 본 발명에 따른 에너지 효율적인 발전기-전동기(100)의 작동 방법의 흐름도이다. 도 5에는 에너지 효율적인 발전기-전동기(100)의 작동 방법(500)의 흐름도가 도시되어 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 단계 502에서 주 AC 전원(106)에 따라 고정자(102)의 주권선(M)을 사용함으로써 회전 자계(RMF)가 생성되는데, 여기서 고정자(102)는 전자 제어 유닛(ECU)(116)에 접속된다.

발전기-전동기(100)는 주 AC 전원(106)이 고정자(102)의 주권선(M)에 제공되면 회전 자계(RMF)(108)를 생성하는 주권선(M)을 포함하는 고정자(102)를 구비한다.

단계 504에서, RMF(108)에 따라 회전자(104)가 고정자(102)의 주권선(M)에 대해 회전한다. 고정자(102)는 2개의 추가 권선들, 즉 제1 추가 권선(F) 및 제2 추가 권선(E)을 포함한다. 권선(M, F, E)들의 각각은 단일한 또는 복수의 코일들을 갖는 다층으로 구성된 권선들이 될 수 있다. 각 코일은 단일 코어 와이어 또는 다중 코어 와이어들로 구성될 수 있다,

단계 506에서, 회전자(104)의 회전에 따라 고정자(102)의 제1 추가 권선(F) 내에 교번 EMF(110)가 유도된다.

그러면 전기적 부하 EMF 권선(F) 내에 산출된 교번 EMF(112)가 고정자(102)에 접속된 ECU(116)를 통해 수집되어 전기적 부하에 전력을 공급한다.

단계 508에서, 회전자(104)의 회전 사이클 동안 제1 추가 권선(F) 내에 유도된 교번 EMF(110)가 고정자(102)의 주권선(M)에 재공급된다.

그러면 회전자(104)의 회전 사이클 동안 재공급 EMF 권선(F) 내에서 산출된 교번 EMF(110)가 고정자(102)에 접속된 ECU(116)를 통해 수집 및 조작되고 이와 동시에 고정자(102)의 주권선(M)에 재공급된다.

회전자(104)의 회전 동안 이와 같이 산출된 에너지는 발전기-전동기(100)의 에너지 요구치의 상당 부분을 산출한다.

단계 510에서, 회전자(104)의 회전에 따라 고정자(102)의 제2 추가 권선(E) 내에 교번 EMF(112)가 유도된다.

그러면 전기적 부하 EMF 권선(E) 내에 산출된 교번 EMF(112)는 고정자(102)에 접속된 ECU(116)를 통해 수집되어 전기적 부하에 전력을 공급한다.

단계 512에서, 제2 추가 권선(E) 내에 유도된 교번 EMF(112)가 ECU(116)를 통해 수집되어 전기적 부하(128)에 전력을 공급한다.

그러면 전기적 부하 EMF 권선(E)에서 산출된 교번 EMF(112)가 고정자(102)에 접속된 ECU(116)를 통해 수집되어 전기적 부하에 전력을 공급한다. 회전자(104)의 회전 동안 이와 같이 산출된 에너지는 전기적 부하를 구동할 에너지 요구치를 충족시킨다.

본 발명의 전동기-발전기는 다른 종래의 AC 모터들에 비해 성능에서의 신뢰성 때문에 광범위한 산업 응용을 갖는 에너지 효율적인 전동기-발전기를 제공하므로 유용하다. 에너지 효율적인 전동기-발전기는 전기의 소비를 크게 절감하여 인덕션 모터들을 널리 사용하는 농업 분야, 기관차 분야, 및 다른 산업들에 금전적 이익을 제공한다.

본 발명의 에너지 효율적인 전동기-발전기는 높은 전력 효율을 보장하도록 맞춤 구성된 고정자 권선 설계와 결합된 전용으로 설계된 전자 모듈을 구현함으로써 더 적은 전력을 소비한다.

본 발명은 고정자에 구비된 권선의 구현 때문에 동일 용량의 종래 모터에 비해 더 적은 전력을 소비하는 에너지 효율적인 전동기-발전기를 제공하는데, 이 권선은 모터가 회전하는 동안 일정한 EMF(교번 EMF)를 생성할 수 있어서, 모터를 작동시키는 동안 모터의 구동을 위한 전력 요구치의 일부가 충족된다. 개시된 전동기-발전기는 또한, 전원 공급 요구치를 절충하지 않고도 삼상 인덕션 모터 대신 단상 인덕션 모터를 사용할 수 있게 해준다.

본 발명은 전동기가 회전하는 동안 한정된(definite) EMF(교번 EMF)를 생성할 수 있는 고정자에 구비된 권선의 구현 때문에 전기적 부하를 구동할 전력을 공급하는 데 사용되는 에너지 효율적인 단상 또는 다상 발전기-전동기를 제공한다. 이에 따라 본 발명 발전기-전동기는 기계적 및 전기적 부하 양자를 산출할 수 있는 단일한 시스템을 포함한다.

또한, 단상 또는 (예를 들어 삼상 등) 다상 유도 전동기가 영구자석을 사용하여 구축될 수 있고 더 낮은 전기적, 자기적, 및 열 손실을 갖는다.

뿐만 아니라, 에너지 효율적인 발전기-전동기는 더 적어진 컴포넌트 수를 가짐으로써 신뢰성의 향상과 단일한 시스템 내에 통합된 전기적 및 기계적 발전기 덕분에 공간 절감 설계가 가능하다.

에너지 효율적인 발전기-전동기는 또한 낮은 열 및 기계적)진동, 마찰) 손실 덕분에, 그리고 낮은 고조파 덕분에 단순한 냉각 시스템 설계를 갖고, 에너지 효율적인 발전기-전동기의 관련 전기 시스템의 설계가 더 간단하다.

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.

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.

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.

이상의 명세서에서, 본 발명의 특정한 실시예들이 설명되었다. 그러나 당업계에 통상의 기술을 갖는 자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고도 여러 가지 변형과 변경들이 이뤄질 수 있음을 이해할 것이다. 이에 따라 이 명세서와 도면들은 한정적이 아니라 예시적 의미로 간주되어야 하며, 이러한 모든 변경들은 본 발명의 범위 내에 포함될 것을 의도한 것이다.

Claims

고정자(102)의 주권선(M)에 주 AC 전원이 제공되면 회전 자계(RMF)(108)를 생성하도록 구성된 상기 주권선(M)을 포함하는 상기 고정자(102);
상기 고정자(102)에 접속된 전자 제어 유닛(ECU)(116); 및
상기 회전 자계(108)에 의해 상기 고정자(102)의 주권선(M)에 대해 회전하도록 배치된 회전자(104)를 구비하고,
상기 고정자(102)가 제1 추가 권선(F) 및 제2 추가 권선(E)을 더 구비하고, 상기 회전자(104)의 회전이 상기 고정자(102)의 상기 제1 추가 권선(F) 내에 교번 EMF(110)를 유도하며, 상기 회전자(104)의 회전 사이클 동안 상기 제1 추가 권선(F) 내에 유도된 상기 교번 EMF(110)가 상기 고정자(102)의 주권선(M)에 재공급되고,
상기 회전자(104)의 회전이 상기 고정자(102)의 상기 제2 추가 권선(E) 내에 교번 EMF(112)를 유도하며, 상기 제2 추가 권선(E) 내에 유도된 상기 교번 EMF(110)가 상기 고정자(102)에 접속된 상기 전자 제어 유닛(116)을 통해 전기적 부하에 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 발전기-전동기(100).
제1항에 있어서,
상기 고정자(102)가 복수의 고정자 슬롯(306)들을 포함하는 철심을 구비하고, 상기 복수의 고정자 슬롯(306)들 중의 각 고정자 슬롯이 하나 이상의 권선 와이어의 세트들을 구비하고, 상기 각 세트가 주권선(M), 제1 추가 권선(F), 및 제2 추가 권선(E)을 포함하는 발전기-전동기(100).
제1항에 있어서,
상기 전자 제어 유닛(116)이 상기 제1 추가 권선(F) 내에 유도된 상기 교번 EMF(110)을 수신하도록 구성된 재공급 모듈(120)을 구비하고, 상기 재공급 모듈(120)이 상기 교번 EMF(110)의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하는 발전기-전동기(100).
제3항에 있어서,
상기 재공급 모듈(120)이 상기 제1 추가 권선(F) 내에 유도된 상기 교번 EMF(110)를 안정화시키도록 구성된 필터링 회로를 구비하는 발전기-전동기(100).
제3항에 있어서,
상기 재공급 모듈(120)이 상기 교번 EMF(110)의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 구성된 정류 회로(204)를 구비하는 발전기-전동기(100).
제5항에 있어서,
상기 재공급 모듈(120)이 상기 정류 회로(204)로부터의 DC 전력을 안정화시키도록 구성된 평형 회로(206)를 구비하는 발전기-전동기(100).
제3항에 있어서,
상기 전자 제어 유닛(116)이 주 AC 전원(106)을 DC 전력으로 변환하도록 구성된 정류 회로(118), 및 상기 정류 회로(118)로부터의 DC 전력과 재공급 모듈(120)로부터의 DC 전력을 조합하여 합산 DC 전력을 생성하도록 구성된 제어 모듈(122)을 더 구비하는 발전기-전동기(100).
제7항에 있어서,
상기 제어 모듈(122)이 상기 재공급 모듈(120)에 연결된 입력 제어 모듈(208)을 구비하고, 상기 입력 제어 모듈(208)이 상기 제어 모듈(122)에 입력 전압을 제공하고 전류, 전압, 또는 역률 중의 적어도 하나의 요동에 의한 상기 제어 모듈(122)로의 상기 입력 전압의 변동을 제어하도록 구성되는 발전기-전동기(100).
제8항에 있어서,
상기 제어 모듈(122)이 컨트롤러 유닛(210) 및 스위칭 회로(212)를 더 구비하고, 상기 컨트롤러 유닛(210)이 상기 스위칭 회로(212)에 하나 이상의 명령들을 제공하여 상기 스위칭 회로(212)의 스위칭 작용의 타이밍을 제어하고 상기 입력 모듈(124)의 적절하게 바람직한 전압을 유지하는 발전기-전동기(100).
제9항에 있어서,
상기 스위칭 회로(212)가 평형 회로(206)로부터의 출력을 받고, 상기 컨트롤러 유닛(210)이 상기 입력 제어 모듈(208)로부터 필요한 나머지 전력을 받는 발전기-전동기(100).
제10항에 있어서,
상기 컨트롤러 유닛(210)이 상기 발전기-전동기(100)의 동작을 위해 상기 입력 제어 모듈(208)로부터의 나머지 전력을 상기 스위칭 회로(212)에 가산하고, 상기 평형 회로(206)로부터의 출력과 상기 입력 제어 모듈(208)로부터의 나머지 전력의 합산 후 상기 발전기-전동기(100)를 위한 원하는 전력이 상기 컨트롤러 유닛(210)의 도움으로 상기 스위칭 회로(212)로부터 전달되는 발전기-전동기(100).
제1항에 있어서,
상기 전자 제어 유닛(116)이 상기 주 AC 전원(106)으로부터의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 구성된 정류 회로(118), 상기 제1 추가 권선(F) 내에 유도된 상기 교번 EMF(110)를 받아 상기 교번 EMF(110)의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하도록 구성된 재공급 모듈(120), 상기 정류 회로(118) 및 상기 재공급 모듈(120)로부터 DC 전력을 받아 상기 주 AC 전원(106) 및 상기 재공급 모듈(120)로부터의 입력 전압들을 조합하여 합산 DC 전력을 생성하도록 구성된 제어 모듈(122), 및 상기 제어 모듈(122)로 생성된 합산 DC 전력을 받도록 구성된 입력 모듈(124)을 구비하며, 상기 입력 모듈(124)이 합산 DC 전력을 합산 AC 전력으로 변환하고, 필터링하여 상기 합산 AC 전력을 상기 고정자(102)의 주권선(M)에 공급하는 발전기-전동기(100).
제12항에 있어서,
상기 입력 모듈(124)이 상기 제어 모듈(122)로부터의 DC 전력을 AC 전압으로 변환하도록 구성된 인버터(214)를 구비하는 발전기-전동기(100).
제13항에 있어서,
상기 입력 모듈(124)이 인버터(214)로부터의 과전류를 제한하는 전류 제한 회로(216)를 구비하는 발전기-전동기(100).
제14항에 있어서,
상기 입력 모듈(124)이 상기 발전기-전동기(100)의 동작에 필요한 주파수 범위를 제공하는 주파수 제어 회로(218)를 구비하고, 상기 주파수 제어 회로(218)가 요동을 억제하면서 상기 주파수 범위를 유지하는 발전기-전동기(100).
제15항에 있어서,
상기 입력 모듈(124)이 유도성-용량성 LC 필터를 포함하는 필터링 회로(220)를 구비하고, 상기 필터링 회로(220)가 전압 내의 고조파를 필터링하여 상기 발전기-전동기(100)의 동작을 위한 순수한 AC 전원을 상기 고정자(102)에 제공하는 발전기-전동기(100).
제12항에 있어서,
상기 전자 제어 유닛(116)이 상기 제2 추가 권선(E)에 유도된 교번 EMF(112)를 받아 상기 교번 EMF(112)의 AC 전력을, 배터리를 충전 및 트리거링하여 전력을 공급하는 DC 전력으로 변환하도록 구성된 출력 모듈(126)을 더 구비하는 발전기-전동기(100).
제17항에 있어서,
상기 출력 모듈(126)이 정류 회로(222), 스위칭 회로(224), 필터링 회로(226), 용량성 회로(228), 트리거링 회로(230), 배터리(232), 및 과부하 보호 회로(234)를 구비하는 발전기-전동기(100).
제18항에 있어서,
상기 정류 회로(222)가 상기 제2 추가 권선(E)에서 산출된 상기 교번 EMF(112)의 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고, 상기 스위칭 회로(224)가 상기 정류 회로(222)로부터 DC 전력을 받아 일정한 전압을 유지하는 발전기-전동기(100).
제19항에 있어서,
상기 필터링 회로(226)가 상기 생성된 DC 전력을 순수한 DC 전력으로 필터링하는 발전기-전동기(100).
제20항에 있어서,
상기 용량성 회로(228)가 상기 필터링 회로(226)로부터의 상기 순수한 DC 전략을 저장하고, 저전압 및 과전압 조건의 판단에 기반하여, 상기 트리거링 회로(230)를 통해 상기 배터리(232)를 트리거링하는 발전기-전동기(100).
제21항에 있어서,
상기 저전압 조건 동안 상기 트리거링 회로(230)가 상기 배터리(232)에 접속하여 에너지를 제공하고, 상기 과전압 조건 동안 상기 트리거링 회로(230)가 상기 배터리(232)와 분리되는 발전기-전동기(100).
제18항에 있어서,
과전류 또는 고온을 감지하면 상기 과부하 보호 회로(234)가 상기 과부하 조건으로부터의 상기 발전기-전동기(100) 회로의 보호를 트리거링하는 발전기-전동기(100).
제17항에 있어서,
상기 전자 제어 유닛(116)이 상기 배터리로부터 공급되는 전력을 받아 상기 전기적 부하에 전력을 공급하는 전기적 출력을 제공하도록 구성되는 전기적 부하 모듈(128)을 더 구비하는 발전기-전동기(100).
제24항에 있어서,
상기 전기적 부하 모듈(128)이 충전 회로(236)와 전기적 출력(238)을 구비하고, 상기 충전 회로(236)가 요구되는 전압으로 배터리(232)를 충전하고 상기 전기적 부하가 상기 전기적 출력(238)에 연결되는 발전기-전동기(100).
주 AC 전원(106)에 따라 고정자(102)의 주권선(M)을 사용함으로써 회전 자계(RMF)(108)를 생성하고, 상기 고정자(102)가 전자 제어 유닛(ECU)(116)에 접속되는 단계와;
상기 회전 자계(108)에 따라 상기 고정자(102)의 상기 주권선(M)에 대해 회전자(104)를 회전시키는 단계와;
상기 회전자(104)의 회전에 따라 상기 고정자(102)의 제1 추가 권선(F)에 교번 EMF(110)를 유도하는 단계와;
상기 회전자(104)의 회전 사이클 동안 상기 제1 추가 권선(F) 내에 유도된 상기 교번 EMF(110)를 상기 고정자(102)의 주권선(M)에 재공급하는 단계와;
상기 회전자(104)의 회전에 따라 상기 고정자(102)의 제2 추가 권선(E)에 교번 EMF(112)를 유도하는 단계와; 및
상기 고정자(102)에 접속된 상기 전자 제어 유닛(116)을 통해 상기 고정자(102)의 제2 추가 권선(E)에 유도된 상기 교번 EMF(112)를 수집하여 전기적 부하에 전력을 공급하는 단계를
포함하는 방법.