KR100246655B1 - 동기머신 - Google Patents

Abstract

본 발명은 n개의 극과 다수의 영구자석으로 구성된 필드를 포함하는 동기머신에 관한 것이다. 상기 영구자석의 개수는 n-1개이며 원주방향으로 자화됨과 동시에 회전운동축에 경사지게 정렬되어 있다.

Description

[발명의 명칭]

동기머신

[발명의 상세한 설명]

[기술분야]

본 발명은 권선전기자에 대하여 자화된 영구자석으로 구성된 계자를 회전시킴으로써 전력이나 토크를 발생시킬 수 있는 동기머신(synchronous machine)에 관한 것이다.

[기술배경]

종래의 직류발전기나 직류전동기 또는 동기발전기나 동기전동기는 크게 전기 자회전형과 계자회전형의 두 부류로 나뉘어질 수 있으며, 계자회전형에 속하는 많은 케이스에 있어서 영구자석이 사용되고 있다. 그러한 것들 중에서 어느 것도 계자의 자극수와 전기자 극의 수는 1:1 또는 1:2와 같은 정수비이다. 또한, 계자극과 같은 영구자석은 전기자코일에 대하여 직각방향으로 자화되고, 자체적으로 회전한다. 자극에 인접한 자장을 원하는 값에 가깝게 만들기 위해서는 자극의 형상과 공기간극 및 기타 여러 가지에 대하여 고려하여야 한다.

예를 들면, 종래의 직류발전기 또는 동기발전기에 있어서, 계자극과 같은 영구자석이 전기자의 상대회전방향에 대하여 직각방향으로 자화되기 때문에 자극과 전기자 극이 서로 대향할 때 가장 큰 인력이 발생되지만, 반면에 자극사이의 골에서 인력이 갑자기 감소하기 때문에 강력한 코깅(cogging)이 전기자의 회전방향으로 발생한다. 그러므로, 전기자의 회전이 원활하게 수행될 수 없고, 이러한 코깅을 극복하기 위하여 강력한 회전토크를 필요로 하는 단점이 있다.

본 발명의 목적은 작은 입력으로 큰 출력이 제공될 수 있는, 즉 큰 코깅토크로 인하여 회전이 원활하지 않아 역학적 입력에 비하여 발전효율이 낮다고 하는 종래의 발전기나 전동기에서의 상기 문제점을 제거함으로써 높은 작동효율을 얻을 수 있는 동기발전기나 동기전동기를 제공하는 것이다.

[발명의 개시]

본 발명의 동기머신은 n개의 극(n은 정수)을 갖는 전기자와 n-1개의 극을 갖는 계자 자석을 포함하고, 상기 계자 자석은 자화방향이 전기자 또는 계자극의 회전방향의 순방향 또는 역방향과 일치하는 다수의 영구자석으로 구성되며, 영구자석이 회전운동축에 대해 경사져 자화되도록 상기 다수의 영구자석을 배열시키므로써, 전기자와 계자극을 서로를 향하여 이동시켜 작동이 실행될 수 있다.

전기자 극의 수가 n(n은 정수)개이고, 계자를 구성하는 영구 자석의 개수가 n-1개이므로 영구자석과 전기자의 이러한 한 쌍의 극만이 직접 서로를 향할 수 있지만, 그 순간에 다른 쌍은 그렇게 대향할 수 없다. 또한, 영구자석의 극이 상기 영구자석으로 구성된 계자의 회전운동축에 대하여 경사지게 되므로, 짝지어진 극들의 사이에 발생된 실제 인력은 서로 대향하는 한 쌍의 극의 전후에 걸쳐서 교차하는 각도의 범위내에서 급격히 변하지 않는다.

[도면의 간단한 설명]

도면은 본 발명의 일 실시예로서의 회전계자형 발전기를 도시한다.

제1도는 전체 단면도이며,

제2도는 전기자 코어의 정면도이고,

제3도는 9개의 극을 갖는 권선 전기자의 구체적인 실시예를 도시하며,

제4도는 계자를 구성하는 영구자석의 정면도이며,

제5도는 자석의 자화상태를 도시하는 부분 확대도이고,

제6도는 측정상태를 도시하는 회로도이며,

제7도는 회전속도를 변화시킬 때 부하에 의한 발전 전압과 전류 및 토크를 도시하는 특성그래프이다.

[발명의 양호한 실시예]

이하, 상기 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

제1도에 있어서, 1은 베어링(3)에 의해 회전가능하게 지지되며 회전측(2)이 그 속을 관통하는 중공 고정축(1)을 도시한다.

고정축(1)상에는 제2도에 도시된 바와 같이 그 위에 형성된 9개의 극(본실시예에서 n=9)을 갖는 전기자 코어(4)가 고정되며, 각각의 상기 극(n₁내지 n₉)에는 코일이 감겨 있다.

제3도는 홀수의 극의 경우에 권선 방법을 도시한다. A 상의 권선 및 접속선은 실선(―)으로, B 상에 있는 것은 파선(----)으로, 그리고 C 상에 있는 것은 일점쇄선(―·―·―)으로 나타낸다.

한 상이 세개의 권선으로 형성되면, 9개의 극(n₁내지 n₉)이 3×3으로 커버된다. 제1도의 단면도에서, 전기자 코일은 5로 도시되어 있다.

계자가 회전축(2)상에 고정된 회전 프레임(6)상에 형성될 수 있도록, 복수개의 영구자석(7)이 상기 전기자 코어(4)의 극(4a)의 외주에 인접하게 위치하도록 고정된다.

영구자석(7)은 제4도 및 제5도에 도시된 바와 같이 N과 S극이 내면상에 교대로 위치하는 방식으로 배치되고, 제5도에 도시된 바와 같이 원통형의 회전축 또는 중심선에 대하여 경사져서 자화된다.

영구자석(7)의 극의 수는 n-1=9-1=8이며, 따라서, 8개의 극을 갖는 계자가 형성된다. 그러므로, 영구자석의 극과 전기자 코어(4)의 극(n₁내지 n₉)의 사이에는 그 중의 한 쌍만이 서로 대향할 수 있으며, 이 때 다른 극은 그렇게 대향하여 위치할 수 없다.

또한, 영구자석(7)의 극이 상기 영구자석(7)으로 구성된 계자의 회전운동축에 대해 경사져 있기 때문에, 짝지어진 극들의 사이에 발생된 실질적인 인력은 상기 서로 대향하는 한쌍의 극의 전후에 걸쳐서 교차하는 각도의 범위내에서 급격히 변하지 않는다.

예를 들면, 계자를 구성하는 어떤 영구자석(7)의 S극이 제3도의 n₁의 위치를 통과할 때, 짝지어진 극들 사이의 인력이 약해지고, 척력이 영구자석(7)의 다음위치(n₂)와 N극인 영구자석(7)의 다른 극의 사이에서 더욱 더 발생하므로, 실제 인력에서의 감소가 상쇄된다.

따라서, 이것은 한 쌍의 극이 서로 직접적으로 대향하는 경우에 더욱 밀접한 관계를 제공하므로써, 계자를 구성하는 영구자석(7)의 극에 의하여 발생된 전기자코어(4)의 인력에 있어서의 갑작스런 변화로 인한 코깅 토크의 진동이 매우 작게된다.

또한, 제6도의 회로도에서 도시된 바와 같이, 코일(5)이 각각 하나의 단부에서 서로 연결되어 Y 결선을 형성한다.

상기 코일의 다른 단부가 두개의 다이오드 , 즉 D_1a와 D_1b, D_2a와 D_2b, 및 D_3a와 D_3b의 사이의 중간지점과 각각 접속된 반면에, 상기 D_1a, D_2a와 D_3a그리고 상기 D_1b, D_2b와 D_3b는 공통선을 통하여 각각 결합 접속되고, 부하(R)가 공통선과 접속된다.

따라서, 한 방향의 전류만이 상기 부하(R)를 통하여 흐를 수 있는 직류발전기가 얻어진다.

또한, 상술한 바와 같이 계자를 구성하는 영구자석의 극의 기울기는 그것이 자극을 향하기 전과 후에 전기자 극(4)에서 발생된 자속밀도변화를 감소시킨다. 그래서, 코일(5)에 발생된 전류는 거의 균일하게 되는 것을 알 수 있고, 그 결과로서 그 속에 포함된 리플전압도 감소될 수 있다.

제7도는 전압계(V)와 전류계(A)가 제6도에 도시된 바와 같이 발전기에 접속하고 부하저항(R)을 0, 10, 100, 470, 1000 및 무한 오옴으로 할 때 회전축(2)의 회전수에 대응하는 발전 전압과 전류 및 회전 토크를 도시한다.

한편, 이 실험에서 외경이 39.4mm인 전기자 코어와, 계자를 구성하는 내경이 40mm인 영구자석과, 0.16mm의 절연구리선으로 140회 감은 코일(5) 및, 9.3오옴의 권선 저항을 사용하였다.

또한, 본 발명에서 회전하는 물체 또는 회전자는 계자를 구성하는 외측의 영구자석(7) 대신에 그 내부에 있는 전기자일 수도 있으며, 이 경우에 있어서, 전력을 발생시키기 위하여 종래의 브러싱(brushing) 수단이 사용될 수 있다.

상기 설명이 단지 발전기에 한정되었지만, 발전기와 전동기가 구조적으로 동일하기 때문에, 본 발명이 전동기에도 적용될 수 있음은 말할 나위도 없다.

[산업상 이용가능성]

본 발명에 따르면, 계자회전형 발전기의 계자를 구성하는 다수의 영구자석의 자화방향을 계자 자석 또는 전기자의 회전방향과 일치시킴으로써, 또한 상기 회전 운동축에 대하여 상기 다수의 영구자석의 자화된 극을 경사지게 함으로써, NS자기통로가 길게 되어 N극과 S극 사이의 자계분포가 확대된다. N극과 인접한 S극 사이를 교차하는 위치에서, 코깅토크는 N극의 인력과 S극의 척력이 서로 상쇄되므로 감소한다. 또한, 전기자 극의 개수가 n개이므로, 계자를 형성하는 영구자석의 개수가 n-1이고, 한쌍의 전기자 극과 자극만이 서로 직접 대향할 수 있어서 코깅토크의 감소에 기여한다.

그래서, 코깅손실이 최소화될 수 있다.

손실이 작은 정적유도트랜지스터(SIT) 등이 정류기 소자로서 사용되면, 손실을 더욱 감소시킬 수 있다. 영구자석이 사용되므로, 여기 전류 손실도 없다.

한편, 전기자 코일을 교차하는 자속 밀도가 그 피크영역에서 편평하게 되고 넓어지므로, 파형이 거의 부등변사각형으로 되어 전류가 다이오드를 통하여 직류로 전환될 대, 전환효율이 우수하다.

즉, 본 발명의 동기머신은 역학적 및 전기적 에너지 손실이 매우 작을 뿐만 아니라, 작은 입력으로 큰 출력을 공급할 수 있다는 점에서 우수하다.

Claims (1)

1. n(정수)개의 극을 갖는 전기자와 다수의 영구자석으로 구성된 계자를 구비하는 동기머신에 있어서, 상기 영구자석은 개수가 n-1개이며, 원주방향으로 자화됨과 동시에 회전운동축에 경사지게 정렬된 것을 특징으로 하는 동기머신.