복수의 선들로 이루어진 고정자 권선을 갖는 전기 기기 document_id A220623031521

교류전기 발전기와 같은 전기기기들 또는 교류발전기(alternator)들이 널리 알려져 있다. 종래의 교류발전기들은 전형적으로 고정자 어셈블리와 교류발전기 하우징에 배치되는 회전자 어셈블리를 포함한다. 상기 고정자 어셈블리는 상기 하우징에 부착되며, 복수의 슬롯들이 형성되어 있는 전체적으로 원통 형상으로 이루어진 고정자 철심(stator core)을 포함한다. 상기 회전자 어셈블리는 전체적으로 원통 형상의 샤프트에 부착된 회전자를 포함하며, 상기 샤프트는 회전가능하게 상기 하우징 내에 장착되며 상기 스테이터 어셈블리와 동축으로 배치된다. 이러한 고정자 어셈블리는 고정자 어셈블리를 감으며 권선을 형성하는 복수의 전선을 포함한다. 상기 고정자 권선들은 직선부들(straight portions)과 루프단부 부분(end loop sections)들로 형성되며, 상기 직선부들은 슬롯들에 위치하고, 상기 루프단부 부분들은 각 위상의 인접한 두 개의 직선 부분을 연결하며 그리고 일정한 다중 위상(예를 들어 3중, 또는 6중) 권선 방식으로 상기 고정자 철심의 슬롯들에 형성된다. 상기 회전자 어셈블리는 모든 형태의 회전자 어셈블리가 가능하며, 일 예로 클로폴(claw-pole) 회전자 어셈블리가 있는데, 상기 클로폴 회전자 어셈블리는 전체적으로 각기 갈고리 모양의 한 손가락 부분이 되는 서로 반대되는 극편들(poles)을 포함하고, 상기 극편들은 전기적으로 대전된 회전자 코일 주위에 배치된다. 상기 회전자 코일은 상기 클로폴의 손가락들 내측에 자기장을 생성한다. 증기 터빈, 가스 터빈. 또는 자동차 내연 기관의 구동 벨트 등과 같은 원동기(prime mover)가 상기 회전자 어셈블리를 회전시키면, 회전자 어셈블리의 자기장이 고정자 권선으로 전달되고, 잘 알려진 바와 같이 교류 전류를 상기 고정자 권선 내에 유도한다. 상기 교류 전류는 전기 장치들에 의해 소비되기 위해 교류 발전기로부터 분배 시스템을 통해 분배되거나, 자동차의 교류 발전기인 경우는, 정류기로 공급되어 정류된 후 충전 시스템을 통해 자동차의 배터리에 저장된다. 이러한 장치의 한 예로, 하이슬롯필(high slot fill) 고정자가 있으며, 상기 하이슬롯필 고정자는 직사각형의 전도체들이 각 슬롯에 적어도 하나의 반경상 행을 이루며 배열되는 것을 특징으로 하고, 모든 형태의 절연체를 포함하는 상기 하이슬롯필 고정자의 폭은 모든 형태의 절연체를 포함하는 직사각형 형태의 중심 슬롯들(core slots)의 폭과 거의 일치한다. 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진자에게 직사각형의 중심 슬롯이라는 용어는 각 모퉁이가 반경이 되는 직사각형 모양 그리고/또는 특별한 형태를 가지고 형성된 슬롯의 내측면의 개구 부분을 포함할 수 있다는 것은 분명하다. 하이슬롯필 고정자들은 유리한 점들이 있는데, 이는 전기적 저항이 작아 방열량이 적고 그리고 종래 기술의 어떤 형태의 고정자들보다 권선당 전력을 더 많이 생성할 수 있게 하여준다는데 기인한다. 하지만, 상기 하이슬롯필 고정자는 불리한 점들이 있는데, 이는 전형적으로 권선들이 비월(interlaced)되기 때문이며, 상기 비월은 전선들이 각 슬롯의 반경부(radial portion)들의 내부와 외부를 교차하는 것이 필요하다는데 기인한다. 이것은 하나의 루프 단부가 제1 슬롯의 반경 깊이(radial depth) 외부에 고정된 직선 부분을 제2 슬롯의 반경 깊이 내부에 고정된 다른 직선 부분에 연결하기 때문이다. 이 도전체는 제2 슬롯의 반경 깊이 외부를 비어 있는 상태로 방치한다. 따라서, 제2 도전체가 상기 제2 슬롯의 반경 깊이 외부에 고정된 직선 부분을 세 번째 슬롯의 반경 깊이 내부로 고정된 직선 부분에 연결시켜야 한다. 이렇게 비월되는 권선들은 상기 철심에 삽입되기 전에 모든 위상의 도전체들을 비월하는 비월 단계, 혹는 U자 형태의 도전체 각각을 연결하는 연결 단계가 필요하다. 따라서, 따라서 고정자에 권선을 설치하는 과정이 더욱 복잡해 진다는 단점이 있다. 이중선 권선(bi-filar winding) 고정자에서, 각 위상 감김(phase turn)은 두 개의 전선들이나 선들을 포함하고, 상기 전선들이나 선들은 병렬로 연결된다. 이중선 구조의 상기 전선의 단면적은 일정한 전기 저항을 가지고, 상기 단면적의 크기는 거의 동일한 전기 저항을 가지는 단일선 구조의 전선의 단면적의 거의 절반 정도이다. 그러므로 이중선 구조의 전선들은 고정자 권선의 단부 권선들(stator winding end turns)에서 구부려지거나 감을 때 구조적으로 훨씬 더 유연하게 된다. 그러나 이중선 권선들은 선들 사이에서의 돌입전류 흐름 때문에 과열될 가능성이 있다. 돌입전류 흐름은 두 개의 선이 서로 다른 양의 속(flux)를 가짐으로 두 개의 선이 링크되는 경우 발생하고 따라서 생성된 전압들이 다르게 된다. 이는 중심 슬롯들에서 제1 선의 직선 부분들이 제2 선의 직선부분들과 상이한 평균 반경상 위치를 가질 때 발생할 수 있으며, 자속 슬롯 누출(magnetic flux slot leakage)이라고 알려진 현상이 존재하게 된다. 상기 자속의 "정상" 경로는 중심 슬롯을 완전하게 일주하는 것이며, 이는 아래쪽으로 반경방향 외측으로 이동하는 것이 일주의 한 부분을 이루고, 이어서 원주방향으로 상기 요크(yoke)를 가로질러 통과한 후에 다시 아래쪽으로 반경방향 내측으로 이동하는 것이 다른 한 부분을 이루는 것이다. 상기 자속의 경로는 자속이 직선 부분들을 일주하면서 그래서 일주하는 중심 슬롯에 위치하는 상기의 모든 직선 부분들을 링크하는 경로이다. 그러나 일부의 자속은 이러한 경로를 단락(short circuit)하면서 상기 요크에 도달하기 전에 미리 슬롯을 가로지르게 된다-이러한 자속의 부분은 슬롯 누속(slot leakage flux)이라고 알려져 있다. 이러한 슬롯 누속은 반경방향의 내측에 위치하는 직선 부분들만 일주하며 그래서 이 부분들만을 링크하는데, 상기 반경방향의 내측은 상기 슬롯 누속이 미리 슬롯을 가로지르는 부분이다. 그러므로 슬롯 누속은 슬롯 안에서 상이한 평균 반경방향 위치들을 갖는 선들로 하여금 상이한 전압을 생성하게 하므로 따라서 돌입전류 흐름을 가지게 한다. 이러한 과열과 돌입전류 흐름은 상기 교류 발전기의 효율을 감소시킨다. 또한, 상기 돌입전류 흐름 문제는 통상의 원주방향의 중심 슬롯의 폭이, 예를 들어 2.6mm 이하, 통상의 고정자 중심 슬롯의 폭보다 더 좁은 하이슬롯필 고정자의 경우 더 확대된다. 이는 자속이 저항이 가장 작은 경로를 통해 흐르는 것을 선호하기 때문이며, 위에서 언급한 "정상" 경로처럼, 자속은 정상적으로 자기가 투과할 수 있는 물질의 경로를 따라 흐른다. 그러나, 중심 슬롯을 통과하는 경로의 자기 저항에 따라, 일부의 자속은 미리 중심 슬롯을 가로지른다. 즉, 중심 슬롯에서 위치하는, 예를 들어 공기나 구리 전선 그리고 절연체 등 비투과 물질의 폭이 증가할수록 자속이 흐르는 것에 대한 자기 저항도 증가하게 된다. 이와 같은 이유로 중심 슬롯의 원주방향 폭이 좁아질수록, 누속 양과 돌입전류 흐름의 양이 더 많아 진다. 고정자가 가지는 위상 수가 3개보다 더 많은 위상(예를 들면 6개)을 가지는 고정자들의 개발이 증가하고 있다. 더 많은 위상 수를 가지는 고정자는 결과적으로 돌입전류 흐름의 문제가 확대되는데, 이는 원주방향 거리는 다른 고정자 철심과 비슷한 크기인 철심에 더 많은 수의 중심 슬롯들을 가지게 되므로 따라서 각 중심 슬롯의 원주방향 폭이 전체적으로 더 좁아지기 때문이다. 그러므로 실선들 사이에서의 돌입전류 흐름의 양을 감소시키면서 이중실선 구조를 사용하는 고정자를 제공하는 것이 바람직하다.