KR100319056B1 - 회전기의 자기회로 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 계자 또는 전기자의 자극편(면)을 축에 대하여 평행으로 구성하여 동력 또는 기전력을 얻을 수 있도록 한 에너지 변환 자기회로이다.

본 발명에 의한 장치는 발전기 또는 전동기에 사용되는 자기회로에 있어서,

회전축, 상기 회전축 상에 축의 외주면으로부터 직각방향으로 고정 설치된 다수개의 지지대, 상기 지지대의 일단에 상기 축에 대해 평행으로 각각 설치되어 자계의 흡인력과 반발력에 의해 회전하는 회전자, 상기회전자의 바깥쪽에 이격 설치되어 회전할 때 발생하는 상기 회전자의 교번자속을 유도받아 구형과 기전력을 생성하거나, 전기 에너지를 입력하여 고 토크를 얻을 수 있도록 그 몸체에 코일이 권선된 전기자로 구성된다.

Description

회전기의 자기회로{Magnetic circuit for rotating apparatus}

본 발명은 자계의 흐름이 축을 기준으로 평행구조의 자기회로가 되로록 계자와 전기자의 자극편(면)이 축에 대하여 평행으로 구성하여 동력 또는 구형파기전력을 얻을 수 있는 에너지 변환 자기 회로에 관한 것이다.

지금까지 사용되어온 회전기기 및 동기기는 계자(5) 및 전기자(6)의 자극편 (면)이 축을 가로로 놓았을 때 (축에 대하여 라는 표현을 사용함) 수직(직각)으로 구성되어 있어 자계의 흐름이 계자(5)→전기자(6)→계철[YORK](7)→전기자(6)→계자(5)로의 순환되는 수직형 자기회로로 구성되었다.

도1a는 종래의 축에 대해 자속의 방향이 수직(직각)인 수직형전동기를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도1b는 종래의 수직형전동기의 자계흐름을 나타낸 도면이다.

도1a에 도시된 바와같이, 종래의 장치는 크게는 환형고정자(1)와, 이 환형고정자(1) 내부에서 회전되는 회전자(2)로 구성되어 있다. 환형고정자(1)는 전기자 (6)와 계철[YORK](7)로 구성되며, 회전자(2)는 축(3)과 계자(5) 구성된다.

도1b는 전술한 도1a와는 구성면에 있어 다르게 계자(15)가 바깥쪽에 위치하고,그 내부에 축(13)과 함께 회전하는 전기자(16)가 위치하고 있다.

도1a와 도1b의 자기회로의 구성은 도1b에서 도시되어 있는바와 같이 축에 대하여 수직(직각)으로 자속의 흐름(18)을 이루면서 회전하므로 기전력 신호체계가정현파를 생성하거나, 정현파제어입력에 의한 토크의 발생을 목적으로 하는 자기회로이다.

또한, 도1a에서 알수 있듯이 계자(5)의 자극편이 축에 대하여 수직방향으로 구성되어 회전하기 위해 작용하는 흡인력과 반발력의 자계흐름에 의한 기계적 진동이 종단면으로 작용하므로 축에 상당한 스트레스를 가하게 된다.

특히, 고회전시에 이러한 현상은 특히 더 많은 부담을 주게된다.

기술자는 이러한 문제점을 해결하기 위해 인력(당기는 힘)이 우수한 고강도의 재료개발과 고정도의 기계가공기술에 많은 노력을 투자할 수 밖에 없었고, 그것으로 인한 생산비 증가는 불가피하였다.

그리고, 종래의 수직형 전동기의 자기회로는 다단계의 자계흐름에 따른 자기저항에 의한 자기적 손실과 필요외의 재료에 의한 철손등으로 에너지 손실 및 불필요한 자기회로 구성으로 인한 재료 손실이 유지비 및 생산비의 증가요인으로 작용하였다.

도2a는 종래의 3상전파 정류회로도 이고,도2b는 종래의 3상 발전기에 의한 전압파형도 이며,도2c는 종래의 3상 발전기에 의한 전압파형을 도2a의 정류회로를 통하여 정류시킨 파형도 이다.

도2a 내지 도2c에서 도시된 바와같이 교류파형에서 직류파형(사실상 맥류파형)으로 정류하기 위해서는 다수개의 다이오드(D1∼D6)와 Y결선을 포함하는 복잡한 회로가 요구된다. 그리고, 완전한 직류에 가까운 파형을 얻기 위해서는 고정밀도를 갖는 필터가 다수개 필요하게 된다.

그러나, 사실상 고전압에서 완전한 직류가 어렵기 때문에 고순도의 고전압직류가 요구되는 장치에서는 많은 비용이 요구되었을 뿐 아니라, 고순도의 고전압직류를 얻기 위해 구성되는 각종 소자의 에너지소모가 많았다.

본 발명은 이러한 문제점을 해소하기 위한 것으로 그 목적은 회전자계자나 고정자전기자의(고정자계자와 회전자전기자의 구성도 포함됨) 자극편(면)을 축에 대해(축을 가로로 놓았을 때) 평행으로 구성하여, 계자측의 자속이 축에 대하여 가로(평행)방향으로 순환시키기 위한 자기회로로서 기계적 회전력에 의한 고효율의 구형 파기전력과 전기적 에너지에 의한 구형과 제어전력으로 고토크의 회전력을 얻을 수 있도록 한 회전기의 자기회로를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은, 축과 이 축에 대하여 자극편이 평행으로 구성되도록 회전자와 연결하는 지지대에 프로펠러를 장착시켜 프로펠러가 회전함에 의해 나타나는 공기의 대류적 현상을 이용하여 추진력을 얻거나, 기계적 추진력「풍력」에 의해 구형파기전력을 얻는 자기회로를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은,

다수개의 계자나 다수개의 전기자를 비틀림각을 부여하는 메트릭스[MATRIX] 구조의 자기회로 구성으로 나선형의 자속흐름을 유도하여 기전력발생시 나타나는 전기자 반작용을 줄이는 작용과, 기계동력의 발생시 고속회전력을 얻기위한 자기회로를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은,

한 축상에 계자와 전기자를 다층으로 구성하여 한층은 계자를 여자하는 여자기로 사용하고 다른 한층은 회전기나 동기기로 사용하도록 하는 복합구조의 자기회로를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 자기의 흐름을 계자→전기자→계자로 축에 대하여 가로(평행) 순환시켜 전기자와 전기자 또는 계자와 계자를 자기회로로 연결하는 계철[YORK]를 없애므로써 재료손실을 줄이는 자기회로를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전기자와 전기자(상과 상[Phase])사이 및 계자와 계자사이에 공극의 자기저항을 주어 전기자간 및 계자간에는 자속이 순환되지 않도록 구성하고, 계자의 자속은 반드시 전기자를 따라 회전하여 다가오는 다음의 계자로 자기순환 하도록 유도하여 전기자의 코일에서 순환하는 자속을 쇄교함에 따라 나타나는 구형파기전력의 파형을 얻기 위한 자기회로를 제공함에 있다.

도 1a는 종래의 축에 대하여 자속의 방향이 수직인 수직형 전동기 및 동기기의 개략적으로 나타낸 도면,

도 1b는 종래의 수직형 전동기의 자계흐름을 나타낸 도면,

도 2a는 종래의 3상전파 정류회로도,

도 2b는 종래의 3상발전기에 의한 전압 파형도,

도 2c는 종래의 3상발전기에 의한 전압 파형을 전파 정류시킨 파형도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 4극3상발전기의 개략적 사시도,

도 4a는 본 발명의 일 실시예에 의한 4극3상발전기의 자계파형도,

도 4b,c,d,e는 본 발명의 일 실시예에 의한 3상발전기의 기전력 파형도,

도 5a 및 5b는 도3의 본 발명 발전기의 부하상태도,

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 단상전동기(MOTOR)의 자기흐름을 나타낸 도면,

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 의한 단상전동기의 동작 설명도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

23;축 26;고정자

27;회전자 29;지지대

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 의하면 구형파발전기 또는 구형파전동기용을 사용되는 자기회로에 있어서, 회전축; 상기 회전축상에 축의 외주면으로부터 직각방향으로 고정 설치된 다수개의 지지대; 상기 지지대의 일단에 상기 축에 대해 자극면(편)이 평행으로 각각 설치되어 자계의 흡인력과 반발력에 의해 회전하는 회전자; 상기 바깥쪽에 이격 설치되어 회전할 때 발생하는 상기 회전자(계자)의 자극편(면)으로부터 교번자속을 유도받도록 그 몸체에 코일이 권선된 고정자(전기자);로 구성된 자기회로가 제공된다.

본 발명의 바람직한 특징에 의하면, 회전할 때 발생하는 계자의 교번자속을유도 받도록 C형,U형,I형 또는 비틀림구조의 C형,U형,I형의 전기자로 구성하고, 전기자간 및 계자간에 자기적 순환매체인 계철을 삭제하여 자기저항에 의해 자속의 흐름이 불연속성에 의한 구형파기전력과 구형파 신호발생이 되도록 구성한 구형파 전력발생수단;

본 발명의 바람직한 특징에 의하면 전기자나 계자의 몸체를 스큐(skew) 구조의 비틀림각을 주어 회전시 자속의 흐름이 나선형구조의 자기회로를 구성한 나선형 자속유도수단;

전기에너지로 구형파 교번자속을 일으켜 회전자가 회전하도록 다수개의 전기자와 다수개의 계자로 구성된 회전체와 축에 대하여 회전체를 행으로 여러개 구성하여 요구되는 소요 토크의 량에 따라 병렬운전할 수 있도록 한 기계동력 발생수단;

필요한 위치의 전기자에 권선을 달리 하므로써 나타나는 구형파 기전력의 량적 변화에 따라 위상각 및 위치정보를 얻을 수 있도록 한 위상각 감지수단 및 위치 감지수단;

으로 구성된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 특징은 동일 축상에 계자와 전기자를 다층으로 구성되어 일부층은 회전기로, 다른 일부층을 동기기 또는 구형파발생기로 사용하고, 또다른 일부는 계자를 여자하는 여자기로 사용한 기능 복합형 회전장치의 자기회로가 제공된다.

본 발명의 또 다른 바람직한 특징에 의하면 다수개의 전기자에서 나오는 구형파전력을 단상식으로 집약결선하여 직류전원을 만들어내는 직류전원발생수단을 갖는 회전장치의 자기회로가 더 제공된다.

도 3에 도시된 바와같이, 회전자(27)는 지지대(29)를 통하여 고정되어 있고, 회전자(27)의 자극편은 축(23)에 대해 평행되게 설치되어 있다. 또한, 코일(28)이 권선된 고정자(26)로 축(23)에 대하여 자극편(면)이 평행으로 구성되어 있다.

본 실시예에서는 회전작용에 대한 설명을 하기 위하여 편의상 4극 3상 회전기의 구조로 나타내었다.

따라서, 각각의 고정자(26)들은 60°각도를 유지하면서 6개의 고정자(26)로 구성하고, 도시되지는 않았지만 이 고정자(26)들은 하우징에 의해 고정된다. 회전자(27)는 90°각도를 유지하면서 축(23)에 고정된 지지대(29)의 일단에 설치되어 있다. 회전자의 극성은 각각 도 3에 표시된 바와 같이 인접하는 회전자와 극성이 반대이거나, 도시되지는 않았지만 동일극성으로 배열 구성된다.

상술한 고정자(26)와 회전자(27)의 개수 및 극성의 변경은 설계자 의도에 의해 달라질 수 있다. 또한 축(23)과 회전자(27)과 연결되는 지지대 사이나 지지대에 도시되지는 않았지만 프로펠러를 부착하여 회전자(27)가 회전하면서 일어나는 공기의 대류현상으로 추진력을 얻게 한다.

이러한 구조를 갖는 본 발명에 의한 구형파발전기는 도시되지는 않았지만 외부동력으로 축(23)을 회전시키면 도4a와 같이 회전자계자는 삼각파 자속을 발생시키고, 이 자속은 전기자에 유도되어 코일권선에 도4b,4c,4d와 같은 구형파를 발생시킨다. 물론, 도4a의 삼각파는 본 발명에 의한 장치에서는 메트릭스[MATRIX] 구조의 자기회로 구성과 계자의 전류제어에 의해 만들어 진다.

도 4e는 도4b,4c,4d 파형의 합성파로써 직류전력으로 변환되는 것을 보여주고 있다.

그리고, 상(phase)의 간격과, 계자구조에 의해 정현파도 만들어 진다.

도 5a,5b는 본 발명의 일 실시예에 의한 발전기의 부하상태도를 보여주고 있다.

도 5a에 도시된 바와같이, 4극 3상의 예를 기준으로 설명하면 계자 "가"에서 "라"로 주어 졌을 때, 한 몸체를 이루고 비틀림 구조로 된 전기자(52-1,52-2)는 부하가 걸리지 않을 시는 극성이 나타나지 않으나 부하시에는 자속의 흐름에 반대되는 극성이 유도되는 것이 렌쯔의 법칙에 의한 일반적 이론이다.

그러나, 본 발명에 의하면, 계자 "가"에서 "라"가 외부동력에 의해 계자(가)위에 표시된 화살표 방향으로 회전됨에 따라 계자 "가"가 전기자의 자극편(면)(52-1,52-3)을 빠져나가려할 때에 전기자의 자극편(면) (52-1)에서는 S1이 유도되고, 비틀림구조에 의한 몸체의 전기자의 자극편(면)(52-2)은 N1으로 극성이 유도되면서, 계자 "가"를 당겨 회전을 방해하고, 계자 "나"를 밀어 진행방향으로 회전을 돕게 된다.

이러한 방법에 의하여, 전기자의 작용과 반작용이 함께 일어나는 것이 기존 발전기에서 볼 수 없는 본 발명의 특징적 요소이다.

이때, 계자의 각도는 90℃ 배열 및 필요에 따라 각도를 달리 배열할 수 있다.

도 5b는 계자를 동일극성으로 배열하고, 전기자를 계자와 나란히 배열 구성한 경우로, 외부동력에 의해 계자(가) 위에 표시된 화살표 방향으로 회전시켜 부하를 걸게 되면, 게자 "가"가 전기자의 자극편(면)(53-1,53-3)을 빠져 나가려할 때에 전기자의 자극편(면) (53-1)에서는 S1이 유도되고, 같은 배열구조에 의한 몸체의 전기자의 자극편(면)(53-3)은 N1으로 극성이 유도되면서, 계자 "가"가를 당겨 회전을 방해하고, 계자 "나"에서도 또 다른 전기자의 자극편(면)(52-3,53-4)에 의해 진행을 방해받게 되나, 본 도 5b의 자기회로 용도는 온-오프[on-off]신호를 얻기 위함이므로 에너지가 많이 소모되지 않는다.

도 6은 전술한 도3의 디지털 발전기에서 회전자가 60°간격을 두고 6개 설치된 단상모터에서 고정자의 코일에 전류를 인가하여 전동기로 작동할 때의 자기흐름을 설명하는 도면이고, 도 7은 그것의 동작 설명도이다.

따라서, 도 3과 같은 형태에서 지지대와 회전자만 60°간격으로 더 설치된 구조로써 나선형 자기흐름을 보여주고 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 코일(62)이 권선된 고정자(61)와 회전자(63)를 보여주고 있고,

도 7에서는 고정자(71-1)와 고정자(71-2)의 자극편(면)이 일체의 고정자(71)로써 비틀림(SKEW)각을 주어 나선형 자속을 유도하여 회전자(73)의 회전력이 원활히 일어나도록 구성되어 있음을 나타내고 있다.

즉, 회전자계자(63)의 자속이 공극을 통과하여 고정자전기자의 자극편(61A)에 유도되고, 유도된 자속(65)은 고정자전기자(68)를 따라 다시 회전자계자(67)에이른다. 이와같은 방법으로 반복하므로 나선형 자속에 의한 회전력이 발생한다.

본 발명에 의한 장치는 몇 가지 실시예들을 통하여 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

즉, 발전기에 작용할 경우 기전력 파형이 구형파이므로 직류변환특성이 우수하고 자기회로상의 중복성이 적어 필요 재료만 가공하므로 재료손실이 적으며, 이러한 재료 손실의 최소화는 철손의 극소화와 자기저항의 극소화를 유도하여 에너지 손실을 줄일 수 있다.

또한, 부하시 순작용과 반발작용이 동시에 작용하므로 기계적 에너지의 극소화를 도모할 수 있고, AC에서 DC로의 변환시 손실을 극소화 할 수 있다.

한편, 전동기에 적용한 경우 흡입력과 반발력이 축에 대하여 평행으로 작용하는 회전운동이므로 기계적 진동에 의한 진동파의 흡수가 용이하여 고속회전이 가능하고 스큐(skew) 공간 확보 및 비틀림각이 용이하기 때문에 코킹 토크를 크게 줄 일 수 있다.

Claims (6)

1. 발전기 또는 전동기에 사용되는 자기회로에 있어서,

   회전축;

   상기 회전축상에 축의 외주면으로부터 직각방향으로 고정 설치된 다수개의 지지대;

   상기 지지대의 일단에 자극편이 상기 축에 대해 평행으로 배열되도록 각각 설치되어 자계의 흡인력과 반발력에 의해 회전하는 회전자;

   상기 회전자의 바깥쪽에 이격 설치되어 회전할 때 발생하는 상기 회전자의 교번자속을 유도받도록 그 몸체에 코일이 권선되어 자극편이 회전축과 평행토록 배열된 (고정자) 전기자;

   로 구성된 계자 또는 전기자의 자극편이 축에 대하여 평행구조 또는 스큐 (skew)구조로 된 회전기의 자기회로.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전자는 회전축과 평행한 방향의 자계형성에 의한 힘을 받아 회전하도록 계자의 자극편이 축에 대하여 평행구조 또는 스큐(skew)구조로 된 회전기의 자기회로.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기자는 C형, U형, I형 중 하나인 것을 특징으로 하는 계자 또는 전기자의 자극편이 축에 대하여 평행구조 또는 스큐(skew)구조로 된 회전기의 자기회로.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 축과 회전자 사이에 있는 지지대에 프로펠러가 장착됨을 특징으로 하는 계자 또는 전기자의 자극편이 축에 대하여 평행구조 또는 스큐(skew)구조로 된 회전기의 자기회로.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전자는 회전축과 평행한 방향의 자계형성에 의한 힘을 받아 회전운동을 하여 가로방향 진동을 최소화하는 것을 특징으로 하는 계자 또는 전기자의 자극편이 축에 대하여 평행구조 또는 스큐(skew)구조로 된 회전기의 자기회로.
6. 구형파 발전기 또는 구형파 전동기용으로 사용되는 자기회로에 있어서,

   전기자간 및 계자간에 자기적 순환매체인 계철을 제거하여 자속의 흐름이 불연속성에 의한 구형파 기전력과 구형파 신호발생이 되도록 구성한 구형파 전력 발생수단;

   전기자나 계자의 몸체를 스큐(skew) 구조의 비틀림각을 주어 회전시 자속의 흐름이 나선형구조의 자기회로를 구성한 나선형 자속유도수단;

   전기에너지로 구형파 교번자속을 일으켜 회전자가 회전하도록 다수개의 전기자와 다수개의 계자로 구성된 회전체와 축에 대하여 회전체를 행으로 여러개 구성하여 요구되는 소요 토크의 량에 따라 병렬운전할 수 있도록 한 기계동력 발생수단;

   필요한 위치의 전기자에 권선을 달리 하므로써 나타나는 구형파 기전력의 량적 변화에 따라 위상각 및 위치정보를 얻을 수 있도록 한 위상각 감지수단 및 위치감지수단;

   다수개의 전기자에서 나오는 구형파전력을 단상식으로 집약결선하여 직류전원을 만들어내는 직류전원 발생수단;

   을 갖는 평행구조 또는 스큐(skew)구조로 된 회전기의 자기회로.