KR830001998B1 - 제어 자속밀도를 갖는 가변 속도 전기기계장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

제어 자속밀도를 갖는 가변 속도 전기기계장치

제1도는 본 발명을 도시하는 3상모터의 실시예를 도시한 개략도.

제2도는 트리거회로로부터 3상모터의 3개위상들에 대한 스위칭 신호의 시간을 도시한 파형도.

제3도는 본 발명에 의한 3상 4극모터의 권선들을 형태적으로 도시한 도면.

제4도는 본 발명에 의한 제3도의 3상 모터의 권선의 코일을 선형으로 도시한 도면.

제5도는 주권선의 물리적 대응권선과 물리적 대응보조권선의 전류 및 전압특성의 백터도면이다.

본 발명은 모터 및 발전기가 되는 다상전기기계장치에 관한 것이다. 본 발명은 모터를 참조하여 특히 3상모터를 참고로서 설명되었으나 본 발명이 여기에 국한되는 것은 아니다.

현재 공지된 유도모터의 제한성은 회전속도가 교류공급원의 주파수에 의하여 좌우되어지고, 이러한 주파수가 고정되어 있기 때문에, 주파수 변동에 의하여 모터속도를 변화하는 것은 쉬운 것이 아니라는 것이다. 복잡하고 값비싼 회로들은 유도모터의 고정자에 이송되는 교류공급원의 주파수를 변화시키기 위하여 사용되며, 이러한 회로들은 공급원과 모터 권선 사이에 위치한다. 또한 이러한 모터들은 고정자 공급원이 효과적 작동을 하기 위하여 비교적 순수한 사인곡선 파형일 것을 요구한다. 이것을 달성하기

유도모터의 또 다른 단점은 과중한 부하가 걸린 경우에, 모터가 감속함에 따라 과전류가 효르게 되며 모터가 보조장치로 보호되지 않는 한 과전류는 결과적으로 모터가 타버리게끔 한다는 것이다. 이러한 모터들은 모터가 과부하된 경우에 모터손상을 막도록 주행토오크(torque) 비율에 대한 높은 분리토오크를 가져야만 한다. 즉 그 결과로서 자속밀도가 정상 작동동안에 적당치 않은 레벨에서 유지되어야만 한다. 정상 작동동안의 비교적 낮은 자속 밀도는 전위(potential) 입력전압 변동에 의하여 필요하게 된다. 자속밀도가 비교적 낮게 유지되어져야만 하기 때문에 모터 크기는 바람직한 출력을 얻기 위하여 이상적인 모하에서 이론적으로 필요한 것보다 더욱 크게 되어야만 한다.

종래의 유도모하에서 나타난 또 다른 문제는 그들의 작동에서 유래되는 고유의 높은 시동 전류이다. 이것은 그러한 부하들에서 효과적 작동을 위하여 실제적으로 필요한 것보다 낮은 부하들에서 자속밀도가 높아지도록 한다.

또 다른 문제점은 고출력 계수를 제공하도록 그리고 특정상태용으로 필요한 경우에 높은 파괴토오크와 높은 시동 토오트를 동시에 제공하도록 정상적인 부하영역을 효과적으로 통하여 주행하도록 모터를 설계하는 것이다.

본 발명은 고정자 권선과 직렬로 콘덴서를 설치함에 의해서 즉, 직렬회로를 규정지으므로서 전기기계장치의 상술된 단점들을 극복 또는 감소한다. 주권선에 연결된 것은 외부 트리거 공급원으로부터의 신호에 응답하여 작동하며 그리고 반대방향으로 의전류효름을 계속적으로 허용하도록 콘덴서나 주권선을 갖는 스위칭 장치이다.

스위칭 장치와 콘덴서 그리고 권선들은 직류전압원에 의하여 전압이 공급되어지며 그리고 이 전압은 스위칭 장치와 직렬 회로에 의하여 주권선 양단에 클립된 교류구형파로 바뀐다. 교류 구형파의 주파수 변동은 외부 트리거 공급원으로부터 신호의 주파수 변동에 의하여 이루어지며 이러한 신호는 적당하게 양호한 펄스들이 된다.

본 발명의 전기기계장치는 고정자의 자속밀도가 요구된 부하상태에 대하여 적당한 레벨에서 유지되는 시스템을 제공한다. 또한 이러한 시스템은 유도형의 종래 전기 모터에서 허용되는 것에 대하여 요구된 부하상태에 대하여 적당한 진폭에서 유지되는 회전자에서의 전류를 허용하며 그리고 적당한 자기 재료의 주어진 링에 대하여 모터의 토오크 및 마력을 허용한다.

다상 모터에서, 주 다상 고정자 권선은 자기코어(core)상에 권취되며 그리고 이러한 관선은 다수의 권선들을 포함하며 그리고 제각기의 권선들은 단상을 나타낸다. 콘덴서들은 각각의 주권선과 직렬 연결된 콘덴서들과 함께 입력단자에 연결된다.

스위칭 장치는 제각기 위상의 콘덴서 직렬회로와 주권선에 직렬로 연결되며, 이것은 반대방향의 전류흐름을 발생하도록 선정된 주파수에서 양호한 필수를 제공하는 외부 트리거 공급원에 응답하여 작동하며, 콘덴서와 주권선은 교류진압원을 만들도록 전류흐름을 연속적으로 멈추게 한다. 3상 모터에 있어서, 외부신호 공급원은 102°위상차이의 간격으로 제각기 위상을 트리거 하므로서 적당한 3상 공급원을 교류장치에 제공한다. 모터의 속도는 외부 트리거 공급원으로 부터의 펄스 주파수를 변경하므로서 변화된다.

외부 트리거에로의 공급원은 직류 전압이거나 또는 적당히 정류된 종래의 3상 전압 또는 정류된 단상 전압이다.

권선들의 자속발생이 서로에 합쳐지기 때문에 낮은 부하에서, 상호 방사방향으로 인접한 주 및 제어권선으로부터의 총자속밀도가 작게 되고 부하가 증가되면 총자속밀도가 증가되도록 각 위상제어권선과 주권선들은 반대로 권취되어 있으며 각 위상에 대한 권선을 갖는 제어권선이 있다.

자기 재료를 둘러 쌓도록 상기 코어상에 권취된 다상 제어권선은 입력단자에 접속되며 그리고 고정자상에 물리적으로 위치되므로 주권선내의 전류와 그리고 주권선에 방사 방향으로 인접하여 위치된 제어권선의 전류의 백터관계는 부하가 전체 부하를 향하여 증가되므로서 제각기 전류의 벡터적 합이 감소되도록 한다.

콘덴서들은 콘덴서 양단의 전압이 입력전압과 합성되어서 높은 자속밀도 상태에서 낮은 상태로 비선형적 주기적 반복변화하도록 고정자코어의 전압-초(volt-second) 용량이 초과되도록 하는 값을 갖는다. 그러므로 고정자 코어내의 평규 자속 밀도는 극도로 고입력 전류에서 유발되는 극도로 고입력전압에서의 고입력전압의 위험이 없이 높게 유지된다. 이러한 콘덴서들은 비록 회전자가 너무 낮은 임피던스이지만 회전자에 전이되는 에너지의 량을 제한함으로서 회전자 전류는 최적상태가 될 수 있다. 회전자 임피던스는 종래 모터의 것보다 더욱 낮게 만들 수 있으며, 모터 속도가 0에서 유도된 전류가 종래의 것보다 더욱적당하게 만들어질 수 있고, 아직 이러한 전류가 정상모터 작동 속도와 정상 부하에서 적당한 값을 갖는다. 그러므로 본 발명의 모터는 대다수의 적용 또는 주어진 적용의 경우에서 종래의 적당한 값을 갖는다. 그러므로 본 발명의 모터는 대다수의 적용 또는 주어진 적용의 경우에서 종래의 모터보다 더욱 적합하다.

적당한 형태에서, 주고정자 권선과 직렬인 콘덴서를 사용하므로서 그리고 콘덴서의 총 에너지전이의 제한효과에 기인한 낮은 포화 내에서 모터 자기 통로의 작동에 의하여, 고입력 전압들에 의한, 고입력 전류들에서 작동함이 없이 선형 전압의 최적 상태하인 최적 자속밀도에서 모터가 작동할 수 있다는 것이 최종적인 결과다. 다른 말로서, 기계장치내의 입력전류와 자속밀도는 표준유도 및 다른 모터들의 경우에서 처럼 선형 전압의 함수로서 극히 비선형이 아니다. 본 발명은 모터고정자의 자성체가 포화되고

본 발명은 최적 자속밀도를 허용하며, 각 콘덴서 양단의 전압이 통상적으로 라인 전압보다 높으므로(비록 필요하지 않더라도)고정자 코어내의 자속밀도는 진폭의 충분히 넓은 대역에 걸쳐 라인 전압에 무관하게 된다. 또한 각 콘덴서들은 자성체가 포화된 경우에 콘덴서내의 에너지 즉 1/2 CV²만이 각 권선을 통하여 전이될 수 있기 때문에 모터권선을 통하여 효르는 과전류를 방지한다. 콘덴서 양단 전압(즉 1/2 CV²)과 콘덴서값(패리드)에 의하여 제어된 이러한 제한된 에너지전이는 주권선을 통하여 라인으로 부터의 과전류를 방지한다.

그 결과로 교류모터가 속도가변특성을 갖도록 하며, 그리고 최적작동특성 및 곤으률로 입력전압의 넓은 대역에 걸쳐서 작동하게끔 한다. 콘덴서들이 각 반주기동안 주권선을 통하여 전이되는 에너지량을 제한하기 때문에, 모터 연소는 대단히 감소되며 또한 모터 연소는 어떤 구성에서는 정상적으로 가능하지 않다. 모터에 과부하가 걸린 경우에 발생될 모든 것은 모터가 멎는 것이며 모터에 인가되는 입력전력이 대단히 크게 감소되는 것이다. 이것은 직렬 콘덴서들이 평상보다 이들 양단전압이 낮은 전압이므로

3상모터에 있어서, 고정자 코어상에 제공된 제어권선들을 3개의 주권선들의 각각과 콘덴서들에 병렬로 접속되며 그리고 모터에 상당히 큰 시동토오크를 제공한다. 이러한 제어권선들은 일반적으로 주권선들보다 큰 임피던스이므로, 제어권선을 통하는 전류는 예를들어, 유도모터의 주권선들과 비교할 때 비교적 작다.

또한, 입력전압이 증가하고, 또는 모터속도가 증가하여서 제어권선들이 입력전압을 초과하는 후진 e.m.f에 기인하여 발생기 권선으로서 작동하기 시작하기 때문에, 그리고 주권선들에 의하여 얻은 전류를 방해하는 전류를 발생하기 때문에 이들 제어권선들은 입력전류를 제한하도록 작동한다. 물론 이것은 주권선들이 모터에 제1전력 공급원이라는 사실에 의해 가능하다.

방사 방향으로 인접한 권선들은 자속적으로 결합된다. 3상 모터에 있어서 인접한 제어 권선 전류는 부하가 없을 때에는 대응 주권선 전류를 이끌며 대체로 위상내에 있으며, 그리고 부하가 증가함에 따라 위상의 편이가 되며 최대 180°벡터변위로 점차 이끌어간다.

주권선들의 권선과 함께 인접해 있는 제어 권선들은 반대방향으로 감긴다. 저부하에서 총 자속밀도는 낮으며 그리고 부하가 증가하면, 자속밀도는 증가되어 대응 제어 권선의 전류의 벡터직 방향이 변화된다.

주 및 제어권선들은 각각 적어도 두 개의 자극을 한정하며, 주권선의 극(pole)의 중심과 제어권선의 극의 중심은 각 극을 자기적으로 중첩한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 제어권선들의 극들의 중심들은 주권선들의 극들 사이에 물리적으로 위치하므로서, 모터의 시동토오크와 파괴토오크를 증가시킨다. 그러한 경우에 있어서 대응하는 인접주 및 제어권선들의 전류의 전기적 벡터 표시는 변화되지 않는다. 물리적이고 자기적인 변화는 큰 균형을 제공한다. 어떤 경우에 있어서 기계적 슬롯 구성은 물리적이고 연속적인 자기위치가 단지 부분적으로 이루어지는 것을 허용한다.

본 발명의 또 다른 예의 형태에 있어서, 제어권선은 주권선의 외측에 방사방향으로 권취되므로서 주권선과 회전자의 공간은 주권선의 누손 리액턴스를 극소화한다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명을 더욱 상세히 설명하겠다.

제1도는 본 발명의 특성을 갖는 Y회로 구조로 연결된 3상모터를 구성한 개략도이다. 여기에는 일반적으로 자성체의 고정자와 농형회전자를 갖는 농형 형태의 교류 유도모터의 주 고정자 권선의 3개 권선들(10, 12 및 14)이 도시되어 있다. 회전자나 고정자가 도시되지 않으며 모터가 4개의 극(pole)을 갖고 필요하다면 적거나 또는 더 많은 극들이 사용될 수 있다. 주고정자 권선들(10, 12 및 14)은 제3도 및 제4도를 참조하여 설명되는 바와 같이 4개의 극을 제공하며 그리고 여기에는 제각기의 위상들 A, B 및 C

주권선과 콘덴서의 직렬 회로와 연결된 것은 위상 A에 대한 실리콘 제어정류기(24 및 26)와 위상 B에 대한 실리콘 제어정류기(28 및 30) 그리고 위상 C에 대한 실리콘 제어정류기(50 및 52)이다. 각 SCR 양단에는 A위상에서 궤환 다이오드들(54 및 56), B위상에서 (58 및 60) 그리고, 위상 C에서 (62 및 64)가 접속되어 있다.

SCR (26)은 권선(10)과 콘덴서(16)의 직렬 회로에 병렬로 접속되어 있으며 SCR(24)은 이러한 직렬회로와 직렬 연결되어 있다. 동일하게 B위상에서 SCR (30)은 주권선(14)과 콘덴서(16)의 직렬회로에 병렬로 연결되어 있으며 SCR(28)은 이러한 직렬회로에 직렬로 연결되어 있다. C위상에서도, SCR (52)은 주권선(14)과 콘덴서(16)의 직렬회로와 병렬 연결되어 있으며 SCR(50)은 이러한 직렬 회로와 직렬 연결되어 있다.

각 SCR과 직렬연결된 것은 SCR(24)에 대하여 인덕턴스(202), SCR(26)에 대하여 인덕턴스(204), SCR에 대하여 인덕턴스(206), SCR(28)에 대하여 (208), SCR(50)에 대하여 인덕턴스(210) 및 SCR(52)에 대하여 인덕턴스(212)이며 이러한 인덕터들은 SCR을 턴-오프 시키는데 도움이 되도록 작동하며, 이 턴-오프는 하기에서 더 자세히 설명될 것이다.

로직회로(68)에 연결된 트리거 회로(66)에 의하여 A위상에 대하여 구성되는 외부 신호원이 제공된다. 이러한 트리거 회로(66)는 단자들(74 및 76)에서 주권선(10)과 콘덴서(16)의 직렬회로에 접속되어 있다. 로직회로(68)는 트리거 회로(66)의 작동을 제어하여 동일 로직회로와 트리거 회로는 위상 B 및 C들에 각각 제공된다. 어떤 경우에서, 단일 로직회로가 모든 세개의 트리거 회로(68)에 대하여 존재한다. 로직회로(68)는 제너 다이오드(75)와 저항(77)의 직렬회로에 의하여 결정된 직류 공급원에 의하여 구동

도전체들(79 및 81)상의 전압은 고정자 권선과 콘덴서의 직렬회로에 공급되고, 설명된 제어권선과 스위칭 장치에 공급되는 직류전압이다. 직류 공급원은, A위상에서 다이오드들(84 및 86), B위상에서(88과 90) 그리고 C위상에서 (92 및 94)로 구성된 전파정류기에 이송되는 위상들 A, B 및 C로서 표시된 도전체들(78, 80 및 82)로서 표시된 종래의 교류공급으로 부터 얻어진다. 다이오드들에 의하여 결정된 전파정류기로 부터의 출력은 클립된 직류출력이다. 콘덴서(96)는 이 출력에 대한 필터이고 직류출력을 개선한다. 저항(98)은 블리디 저항으로서 모터가 스위치 오프된 경우에 콘덴서(96)를 방전되도록 한다.

제2도에서는 각각 120°위상이 떨어진 규칙적인 세개의 위상을 얻도록 각 위상들의 트리거 회로들이 펄스를 연속적으로 발생시키는 위상 B 및 C에 대한 회로와 위상 A에 대한 로직회로의 시간 파형도가 도시되어 있다. 각 위상에 대한 트리거 공급원으로 부터의 펄스들은 교대로 각 위상의 각 SCR에 인가된다. 그러므로 예를들어 위상 A에서, 펄스들은 제각기 SCR(24와 26)에 교대로 인가된다. 위상 A에 대하여, 도시된 연속파들은 180°편이된 SCR(24)에로의 제1펄스와 SCR(26)에로의 제2펄스이다. B 위상에 대하

트리거 회로(69)은 한쪽의 발진기가 턴온된 경우에 하나의 SCR(24)이 스위치 온되도록 트리거하는 한쌍의 완화 발진기들(상세히 도시되지 않음)로 구성되어 있다. 동시에 제2SCR(26)은 턴-오프된다. 다이오드들(54와 56)은 SCR(24과 26)과 작동되어서 SCR이 스위치 오프된 경우에 전류가 궤환되기 위한 통로를 갖도록 한다. SCR(24 및 26)에서 교류전압의 파형은 각각 정극성 및 부극성 펄스이므로 주권선(10)과 콘덴서(16)의 직렬 회로 양단의 교류 전압은 제각기 구형파이다.

SCR의 스위치 오프는 트리거회로(66)에 의하여 되거나 또는 주권선(10)과 콘덴서(16) 직렬회로에 의하여 된다. 후자의 경우에, 회로는 다음과 같이 작동한다. SCR(24)은 전류가 한 방향으로 흐르도록 하는 트리거 회로(66)에 의하여 도전 상태로 트리거된다. 이러한 상태에서 권선(10)이 포화되는 것을 가정한다. 콘덴서(16)가 정극성으로서 좌측판을 충전하기 시작하므로 권선(16)을 통한 전류는 이 권선에 연관된 자성체가 포화상태에서 이탈될 때까지 감소된다. 이러한 때에, 콘덴서 전압은 직류전원 전압보다

이러한 상태는 트리거 회로(66)가 다시 SCR(24)을 트리거 온할 때까지 계속된다. 직류 전원 전압은 콘덴서(16)의 전압에 가산되므로서 권선(10)과 연관 자성체의 전압-초 용량이 초과되며 그리고 포화상태로 되고 전류는 처음 설명된 바와같이 흐른다. 이러한 주기는 반복된다. 결과적으로 직류 전력전원으로 부터 구동되는 자동 정류 교류 유도모터-변환기이다. 여기에서 사용된 바와 같은 교류전압은 정상 라인 전압과 극성이 주기적으로 변환기 등에 의하여 반전되는 전압을 포함한다.

모터의 속도는 트리거 회로(66)와 위상 B 및 C에 대한 다른 트리거 회로들에 의하여 변화된다. 각 트리거 회로 내측에는 두 개의 트랜지스터들과 각 트리거 회로에 대한 전위차계가 있다. 전위차계의 저항치변화는 트랜지스터 회로의 게이트 바이어스를 변화하므로 이것은 트랜지스터들의 발진 주파수를 바꾼다. 이것은 두 개의 SCR(24과 26)에 대한 펄스비와 두 개의 위상들 B 및 C에 대한 SCR들의 펄스비를 변화시킨다. 모든 전위차계들에 대한 단일 제어를 제공하므로서, 모든 트리거들의 주파수 변화는 동시에 이루어진다. 고정자 양단의 교류 주파수의 변하는 모터 속도를 변화시킨다. 그러므로 가변성 주파수 트리거 신호는 요구된 가변성 속도 모터를 허용할 수 있게끔 한다.

도시된 모터의 작동은 위에서 설명되었다. 간략하게, A 위상에 대하여 스위치들(24과 26)을 통하여 구형파 교류전압이 권선(10)에 인가될 때 콘덴서(16)는 충전되기 시작하며 전류는 권선(10)권 권선(18)을 통하여 흐른다. 회전자 속도와 후진 e. m. f. 가 증가함에 따라 권선(10)의 유효 인덕턴스는 콘덴서(16)와 권선(10)이 작동모우드가 되는 그러한 것이 된다. 다른 말로 하면, 권선 10과 연관된 자성체의 유효 전압-초용량은 상술된 바와 같이 즉 충분히 큰 평균 자속밀도를 유지되는 동안 콘덴서(16)가 주기

제3도를 참조하면, 3상 모터를 구성하는 12군의 코일들의 물리적 상태 위치가 도시되어 있으며 각 위상이 4개의 공극된 코일군들을 가지므로 4극 모터를 만들고 있다. 주권선들의 극들과 코일군들은 숫자들 1, 8A 및 3(제1자기극(magnetic pole)의 위상들 A, B 및 C를 표시함) ; 4, 2 및 6(제2자기극의 위상들 A, B 및 C를 나타냄) ; 7, 5 및 9(제3자기극의 위상들 A, B 및 C를 나타냄) 그리고 7A, 8 및 9A(제4자기극의 위상들 A, B 및 C를 도시함)가 시계방향으로 도시되어 있다. 주권선들의 외측에 방사방향으로 위치한 것은 90°로 주권선극들을 자기적으로 앞서는 자극극을 한정하는 제어권선들이다. 극들의 순서는 주권선들과 제어권선들에 의하여 발생된 회전자계가 동일 방향으로 돌도록 되어있다. 90°자기리드는 약 45°물리적 오프세트와 동등하며 자기리드 효과는 화살표(50)으로 표시한 반시계 방향으로의 권선들을 읽음으로서 설명된다. 물리적으로 도시된 제어권선들의 코일군과 극들은 번호 8A', 3' 및 4'(제1자극의 위상들 A, B 및 C를 도시함) ; 2', 6' 및 7'(제2자극을 나타냄), 5', 9' 및 7A'(제3자극을 나타냄) 및 8', 9A' 및 1'(제4자극을 나타냄)에 의하여 시계 방향으로 도시되어 있다.

주 및 제어권선들의 번호들은 각 권선들의 부분을 구성하는 코일군들의 리드들을 나타내며 여기에는 각 위상의 각 권선들용의 4개의 코일군들이 있다.

주권선의 위상 A와 제어권선의 위상 A'를 구성하는 4개 코일군들의 내부 접속만이 도시되어 있다.

제어권선의 B' 및 C'와 주권선의 위상들 B 및 C의 접속라인은 도시의 명료화를 위하여 도시되지 않았으나 본 분야에서 숙련된 자라면 이들 권선들이 지금 설명될 위상들 A 및 A'에 대한 접속후에 어떻게 연결될 것이라는 것을 용이하게 알 수 있을 것이다.

리드들(1 및 7A) 사이의 주권선을 구성하는 위상 A의 코일군들은 자유리드 7A'를 갖는, 그리고 코일군(106)에 라인(105)에 의하여 접속된, 또한 코일군(104)에 라인(103)에 의하여 접속되며 코일군(102)에 라인(101)에 의하여 접속된 코일군(100)과 접속된다. 예를 들어 각 코일군들은 3코일들을 가지며, 인접 코일군들(100, 102, 104 및 106)은 반대극성으로 권취되었으며 제각기 반대극이 된다. 각 코일군의 3개의 코일들의 각각은 동일극성으로 권취되어 있다. 각 화살표들(107, 108, 1009 및 110)은 각 코일군

위상 A'의 코일군들의 제어권선은 리드들 8A'와 2'사이에 연결된다. 코일군(119)으로 부터 시작하여 라인(120)은 코일군 121을 접속하고 라인(122)은 코일군(121)을 코일군(123)에 접속하고, 라인(124)은 코일군(123)을 코일군(125)에 접속한다. 반대 전류는 화살표(126, 127, 138 및 129)에 의하여 도시된 바와 같이 방사상으로 인접한 권선내에 있으며, 위상 A의 주권선에 대하여 상술된 바와같은 코일군들의 연단 및 리드접속은 제어권선들에 관하여도 존재한다. 라인(120)은 코일군(119)의 연단부(130)와 코일

위상 B는 위상 B의 다른 두 개의 코일군들을 연결하는 라인들을 가진 각 코일군들에 대해 리드들(2)와 (8A) 사이에 한정된다. 제어 권선내의 위상들 B'는 B'의 다른 2개의 코일군들을 연결하는 라인들을 가진 각 코일 군들에 대해 리드들(9A')와 (3')사이에 한정된다. 위상 C는 위상 C의 다른 두 개의 코일군들을 연결하는 라인들을 가진 각 코일군들에 대해 리드들(3)과 (9)사이에 한정된다. 위상 C'는 C'의 각 코일군들에 대해 리드들(4')과 (7')사이에 한정된다. 위상 A와 A'의 코일군들의 접속 설명으로 부터

제3도 및 제4도에 있어서, 자기극들은 주권선들에 대하여 점선들 32A, 32b, 32c 및 32d와 제어권선들에 대하여 34A, 34b, 34c 및 34d로서 도시되어 있다. 제4도는 여러가지 자석극들의 관계와 이러한 극들을 구성하는 코일들의 관계를 선형적으로 도시하고 있다. 화살표(52)는 극들의 보이는 방향을 도시한다. 주권선의 각 극의 중심은 위상 B를 통하여 통과한다. 제어권선 극들의 중심은 권선 B'를 통하여 통과한다. 위상들 C와 A, 그리고 C'와 A' 사이에는 각 극들의 단부들이 있다.

모터의 회전자는 숫자(200)로 도시되어 있으며 고정자내의 주권선들이 회전자(200)에 근접하여 위치되어 주권선의 누설 리액턴스를 감소시키므로서 손실을 극소화한다. 제어권선이 회전자에 근접하여 위치된 경우에는 보다 큰 누설 리액턴스와 낮은 효율이나 시동 토오크와 파괴 토오크는 보다 커진다.

제어권선들의 코일들은 주권선의 권선과 반대방향으로 권취되어 비부하 또는 저부하상에서 주권선과 물리적으로 서로 아래에 위치한 제어권선에 의하여 발생된 자속을 반대이며 발생된 총 네트(net) 자속은 최소화된다. 부하가 증가됨에 따라 제어권선의 전류는 더욱 크게 주권선 전류를 앞서기 시작하며, 역권취효과에 의해서 이것은 그들의 벡터가 가산위치에 다가감에 따라 주 및 제어권선의자속이 증가하게끔 한다.

그러므로, 제3도의 모터에 있어서, 주권선위상과 대응 제어권선 위상의 배열은,

주권선 : ABC ABC ABC ABC

제어권선 : B'C'A' B'C'A' B'C'A' B'C'A'

이다.

하나의 방사 라인상에서 권선들을 통한 전압과 전류의 벡터적 표시는 제5도에서 도시되었다. 그러므로 주권선에서, 위상 A의 전압과 전류가 도시되어 있으며, 제어권선에서는 위상 B'의 전압과 전류가 도시되어 있고, 이들 권선의 물리적 위치는 제각기 반대이다. 벡터(36)는 위상 A의 주권선 양단 전압을 나타내며, 벡터(38)는 무부하에서 위상 A의 권선에서 전류를 나타낸다. 부하가 증가하면 전류벡터(38)는 과부하 위치를 나타내는 위치(40)로 이동한다. 정격부하 위치는 벡터(38)와 (40)사이이며 도시되어 있

이상적인 상황에서 "동상"은 전혀 위상 변위가 없음을 나타내며 모터가 무부하에 근접하여 작동함을 의미한다. 여기서 "동상"을 사용한 의미는 특정 모터 자체에 의존한 보다 넓은 의미로 생각되어야만 할 것이다. 본 발명의 바람직한 형태에 있어서, 이러한 각도는 0°와 60°사이에 있다. 바람직하게 이것은 45°보다 작다. 그것은 무부하에 근접한 것으로 부터 정격부하에 이르는 범위내에서 작동하는 모터의 상태에 대한 것이다. 그러한 모터는 무부하에 근접한 특성과 전부하 특성을 갖는다. 만약 동상 각도가 60°보다 큰 경우에는 무부하 특성이 없어지나 과부하 상태에서 효율성은 개량된다. 예를들어 제5도에서 동상 차이는 무부하에서 67.8°로 도시되어 있다.

제5도의 전류관계에서 도시된 바와 같은 동일한 모터에 관계되는 후자에 나타난 표로부터 볼 수 있는 바와같이 최적효율은 25% 과부하에서 도시되어 있다. 만약 50% 과부하에서 최적효율이 요구되었다면 상기에 규정된 이러한 낮은 부하위상 각도는 67.8°보다 커야 한다.

부하가 증가됨에 따라 I_A와 I_B'사이의 리드(lead) 각도는 위치(46)로 이동하며 상대전류는 위상에서 이탈하기 시작한다. 이러한 각도는 근접하나, 180°에 도달하지 않으므로, 전류 I_A및 I_B'의 벡터합은 감소된다. 이러한 방법으로 모터가 정격부하로 부아되어짐에 따라 모터의 전력계수는 증가된다. 동일한 벡터표시들과 변화들은 다른 인접한 위상들, 즉 B와 C' 및 C와 A'로서 도시되어질 수 있다.

이러한 최적 자속밀도는 제3도 및 제4도에서 도시된 방법으로 위상들 A와 B' B와 C' 그리고 C와 A'의 권선들을 물리적으로 인접하여 위치시킴으로서 그리고 인접권선들 A와 B', B'와 C' 그리고 C와 A'에 의한 연속 순(net) 자속을 발생시키도록 제5도에 연관하여 설명되고 도시된 바와같은 이들 권선내에 전류를 흐르게 함으로서 달성된다.

자속 밀도는 I_A와 I_B'의 벡터위치로 반사된 바와같은 특정 부하 상태에서 최적상태가 된다. 이것은 자례로 특정 부하에 대하여 라인전류를 극소화한다. 그러므로 자속밀도 제어는 결과적으로 특정 부하상태에 대하여 필요한 라인전류를 극소화한다.

비교하자면 표준 코터에서 자속밀도는 부하에 비교적 관계가 없으므로 라인 전류는 부하에 대체로 관계가 없고, 무부하와 전(全) 부하 사이에는 차이가 별로 없다. 그러나 본 발명에서는 자속밀도들은 부하에 크게 영향을 받으므로 낮은 부하점에서는 라인전류들이 감소되고, 그리고 이것은 모터작동영역에 걸쳐서 보다 큰 효율을 제공하며, 단지 정격부하점에만 관한 것이 아니다.

또한 본 발명의 모터는 보다 큰 효율을 가지며 종래의 것에서 가능했던 것보다 더욱 큰 영역에 걸쳐 보다 큰 전력계수를 가지며 또한 요구된 속도가변특성을 갖는다.

모터가 종래의 것에서 가능했던 것보다 큰 효율로서 정격부하 이상에서 작동될 수 있는 것이 발견되었다. 이러한 과부하상태에서, 전류 I_B의 벡터변화는 위치(46)에서 위치(48)로의 변화와 같은 그러한 것이다. 이러한 점에서, I_A와 I_B' 사이의 벡터변위위치는 180°보다 약간 작다.

보다 큰 전력계수와 효율적 작동상태가 얻어진다.

148인치 1파운드의 파괴토크를 갖으며 그리고 정격부하에서 분당 1755 회전되고 230볼트 작동, 1마력 3상완라스 모터, A 18 D 2 모델 F-4427의 도통시키는 테스트에서 다음의 관련 데이타가 얻어졌다. 10마이크로 패러드(μF) 콘덴서는 각 주권선에 직렬로 연결되었다. 낮은 부하에서, 모터출력은 0.057마력이었고 주권선은 510와트의 전력을 소비하였으며 그리고 제어권선은 시스템내로 390와트를 발생하였다. 이것은 35.4%의 전효율을 제공하였다. 0.341마력에서, 주권선은 504와트를 소비하고 보조권선은 시스템내로 174와트를 되돌려 발생하였으므로 76.8% 효율이 얻어졌다. 정격부하에서 주권선은 479와트를 소비하였고 제어권선들은 이들의 상태를 전력발생기가 됨으로 부터 전력소비기로 변환되어서 368와트를 소비하였으므로 전효율을 87.3%이었다. 모터가 1.9마력으로 정격부하이상에서 작동되었으므로 제어권선들은 전력을 증가적으로 소비하며, 효율성은 84.6%가 되었다. 전체적으로 1마력모터는 0.5마력 범위에서 약 2마력까지 종래의 모터보다 개량된 82.1%를 초과하는 효율로 효과적으로 작동하였다. 모터부하가 증가됨에 따라 제어권선들의 전류는 상기에서 나타낸 벡터위치를 바꾼다. 전체적으로 모터의 전력계수는 0.9와 0.97 사이의 영역내에 있었다.

본 발명의 실시예에 있어서, 자계의 대칭성을 개량함에 의하여 모터의 파괴토오크와 시동토오크가 바람직하게 증가됨을 발견하였다. 제3도와 제4도에서 도시된 바와같이 서로 관련된 주 및 제어권선들의 물리적 위치는 3상 4극 모터에서 물리적 그리고 자계적으로 완전한 직각관계를 제공하지 못하였다. 이러한 물리적 직각관계는 제어권선들의 중심이 주권선들의 극들의 사이에 위치되어야 하며 그리고 이러한 목적을 위하여 전기적 30°, 말하자면 물리적 15°로서 서로 관련된 권선을 이동하는 것이 필요하다.

주권선 : ABC ABC ABC ABC

제어권선 : C' A'B'C' A'B'C' A'B'C' A'B'

상기 표시는 권선들 C와 A, C'와 A' 사이의 과장된 공극을 도시하고 있으나 이것은 극들 B와 B'의 중심이 극들의 종단들 사이에 있음을 이해하는데 도움이 된다. 이러한 변화의 효과는 잔유부하의 영역상에 악영향이 없이 시동 토오크와 파괴토오크를 개선하는 것이었다. 시험된 모터에 있어서 다음의 매개변수들이 구해졌다.

라인전압 230V

주권선내의 콘덴서 10마이크로패러드

146인치 파운드 파괴토크 분당 1203 회전에서

시동 토오크 119인치 파운드

폐쇄된 회전자 총전류 19.3A

정격부하=분당 1755 분당 회전에서 36인치파운드=1.033마력

입력전력=857와트

효율 87.3%

전력계수 0.94

모터가 25%의 과부하 상태에서 작동된 경우 모터의 매개변수들은 다음과 같다.

라인전압 230V

주권선내의 콘덴서 10마이크로 패러드

146인치 파운드 파괴토크 분당 1203 회전에서 시동토오크

119인치파운드 폐쇄된 회전자 총전류

19.3A 25%의 과부하=분당 1740회전에서

45인치파운드=1.243마력 입력전력=1056와트

효율 87.8%

전력인수 0.95

발생위상으로부터 구동위상으로의 제어권선의 변환은 약 24인치 파운드에서 발생되었다. 이것은 상술한 비대칭적, 물리적 비전환 모터와 비교된 23%의 시동토오크와 19%의 파괴토오크내의 전반적 증가를 표시한 것이다. 예를들어 2극 또는 6극인 다른 다수의 자극들을 갖는 모터 또는 기계의 다른 예에 있어서 각도 배열 및 벡터표시는 다르게 된다. 또한 최적 벡터위치를 얻도록 모터의 권선들이 이동되는 슬롯의수는 또 다르다. 마찬가지로 기계장치의 다수위상들은 다른 매개변수를 요구한다.

다당 주 고정자 권선의 3코일들이 동심권선 또는 랩(Lap)권선과 같은 종래의 기술 방법으로 고정자 코어상에 물리적으로 권취되는 방법을 설명하는 것은 매우 어렵다. 동일하게 회전자의 구성은 어떠한 적당한 회전자 즉 사용될 수 있는 권취된 회전자로서 도시되어 있지는 않다.

본 발명의 또 따른 실시예에서 예를 들자면 모터는 이중권선들의 이중전압기술에 따라 권취되어진다.

본 발명은 모터가 여기서 설명된 방법으로 재권취되거나 구성되어지는 상태도 가질 수 있다. 그러한 상태에 있어서 표준모터프레임은 표준설계가 존재하는 하에서 작동에 필요한 자성체를 갖는 고정자를 제공한다. 그러나 본 발명에 의해서 재구성 되어지고 정격출력에서 작동하도록 설계되어질 때 유용한 모든 자성체를 사용하는 것이 필요없게 된다. 이러한 예로서 모터는 입력전압에 가산된 콘덴서 양단의 전압이 코어의 전압-초 용량이 초과되어지지 않도록 하며 그리고 코어가 초과 및 비포화상태 사이에서 주기적으로 작동하지 않도록 권취되어져야 될 것이다. 이러한 예로서 자성체가 본 발명에 따라 최대용량으로 사용되어지고 코어의 전압-초 용량이 주기적으로 초과되어진다면, 모터의 모든 정격은 본래 상태보다 높아질 것이며 그리고 이것은 정격출력의 모터가 단지 표준모터보다 좋은 전력계수 및 효율특성을 갖도록 요구되어지고 마력을 증가시키지 않는 특정상태에 대하여서 바람직스럽지 않다. 그러므로 본 발명의 장점은 존재모터가 포화와 비포화 사이에서 주기적으로 작동하도록 본 발명에 따라 재구성되는 것이며 그리고 표준 모터프레임 보다 높은 출력을 제공하며 종래의 것에서 가능했었던 것보다 좋은 전력계수와 보다 높은 효율을 제공하는 것이다.

모터의 작동의 전술된 설명은 작동에 있어서 존재하는 물리적 현상을 최선으로 설명하는 것이며 본 발명의 범위를 어떠한 방법으로든 제한하는 것이 아니고 모터 또는 기계장치의 작동이 보다 좋게 설명되어질 날이 있을 것이라는 것을 이해하여야만 한다.

동상이라는 단어는 주권선과 인접제어권선들 내의 전류들의 벡터위치에 관해서 위에서 설명되어진 것이다. 위상어긋남(out-of-phase)이란 단어는 이들 전류들의 벡터위치 사이의 통상 "동상"으로 부터 변화를 의미한다. 그러므로 각도의 크기 또는 어떠한 제한이 "위상 어긋남"을 규정지어질 벡터위치를 한정하는 것은 아니다.

설명되어진 예에 있어서 주권선과 콘덴서에 의하여 구성된 직렬회로와 제어권선은 구조상태에 있어서 각각 병렬로 접속된다. 본 발명은 직렬회로의 삼각접속에 대하여 작동하며 그리고 병렬 연결된 제어권선에 대하여 작동하며 또한 Y직렬회로와 삼각제어회로의 다른 조합에서도 작동한다.

본 발명의 또 다른 실시에 있어서 제어권선을 갖지 않는 다상모터가 제시되어진다. 이러한 모터에 있어서 효율은 비교적 낮으나 모터와 스위칭장치는 과속상태에서 제로속도로 근접하는 속도가변을 효과적으로 허용한다. 이러한 모터는 제어권선을 갖는 모터가 갖는 자체정류효과를 갖는다.

동일하게 스윗칭장치의 한가지 특성형태가 모터의 권선과 조합으로 설명되어졌으며 스위칭 장치의 또다른 형태들은 기계장치의 권선과 작동하므로서 직류공급원이 가변주파수에서 적당한 교류공급원으로 변화되어지게끔 한다.

본 발명은 설명되고 도시된 모터와 기계장치의 특수한 예에 제한되는 것은 아님을 주지하라. 그러므로 전술된 설명은 단지 설명하기 위한 것이고 어떠한 제한을 갖는 것이 아니다.

Claims (1)

1. 자성체의 코어를 포함하는 고정자와, 회전자와, 상기 코어상에 권취된 각 위상에 대한 권선(10, 12, 14)을 갖고 상기 자성체를 둘러 쌓은 주 다상고정자 권선과, 직류 전압원에 연결되는 다수의 입력단자들(79, 81)과, 다수의 콘덴서들(16)과, 상기 입력단자들에 접속되는 직렬회로와 상기 콘덴서들중 하나와 직렬회로 내에서 각 위상의 주권선을 접속하는 장치로 이루어진 다상 전기기계 장치에 있어서, 직렬 접속된 콘덴서들과 주 다상 고정자의 권선과 함께 상기 다수의 입력단자들에 접속되며 상기 자성체를 둘러 쌓도록 상기 코어에 권취된 각 위상에 대한 권선(18, 20,22)을 갖고, 주권선과 서로 방사상으로인접한 제어권선의 권선을 갖는 다상제어권선과,다상고정자권선의 각 권선용의 스위치들(24, 26, 54, 46)과, 권선양단에 전류가 흐르도록 하는 다상권선의각 권선과 콘덴서 및 트리거 공급원(트리거 공급원은 가변 주파수에서 작동하여 기계 장치의 속도를 바꾼다)과 함깨 작동하는 스위치용의 트리서 공급원을 포함하는 것을 특징으로 하는 제어자속 밀도를 갖는 가변속도 전기 기계장치.

Images