KR100373429B1 - 자석식 전동기 및 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자석을 이용한 전동기나 발전기의 성능향상 및 효율성을 향상시킴과 동시에, 공극부의 자속증가를 위하여 자석, 철심의 구조, 치수, 배치등의 연구에 의해 바람직한 전기를 얻을 수 있다.

공극의 자속증가를 위하여, 각극철심에 자석을 삽입하는 방사상의 슬롯을 형성하여 자석이 방사방향이나 축방향으로 길이를 조정할 수 있도록 하고, 특히 자속을 강하게 할 때에는 강한 자석을 슬롯에 삽입하거나 슬롯에 자석을 가득 삽입해서 사용한다. 또, 착탈가능한 구조로 함으로써, 전동기나 발전기의 특성변화를 용이하게 조정할 수 있다. 다음에, 단일한 자석으로는 구조, 자력에 한계가 있어 더욱 공극부의 자석을 강하게 하고자 하는 경우에는 극마다 복수의 자석을 효과적으로 조합하여 사용한다. 또, 약하고 저가의 자석일지라도 축방향의 길이조정이나 빈 공간의 자석철심배치 및 자극의 입체면을 가급적 완전히 활용하여, 강한 자석과 같은 특성이 한층 더 가능해진다.

Description

자석식 전동기 및 발전기{A MAGNET TYPE MOTOR AND GENERATOR}

본 발명은 자석을 사용하여 출력향상이나 조절 및 효율을 향상시킬 수 있는 자극구조를 가진 자석식 전동기 및 발전기에 관한 것이다.

종래로부터, 자석을 이용하는 전동기나 발전기에 있어서는 자석의 배치가 원통형상, 원반형상의 재료에 착자시켜 자석을 형성시키거나 또는 분리된 자석을 원통형상으로 배치하여 사용하기 때문에, 자석 그 자체의 자력에 공극부의 자계가 좌우되어서 그 출력, 효율이 정해지고 있었다.

자원절약, 에너지절약 시대에서는 고효율, 자원절약이 전동기 및 발전기 분야에도 예외없이 강하게 요망되고 있지만, 만족스러운 전동기나 발전기가 아직까지 제안되지 않은 실정이다.

또한 최근 각광을 받고 있는 네온듐자석등으로 대표되는 강력한 자석은 페라이트자석에 비하여 현저하게 비싸고, 용도의 한계가 있음과 동시에 자원에도 한계가 있으므로 문제가 되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기 여러가지 문제점을 감안해서 이루어진 것으로서, 본 발명은 전동기 및 발전기의 회전자와 고정자의 공극부의 자속밀도 향상이 성능향상에 직접 관계된다는 점에 착안하여, ①공극부의 자속증가를 위하여 자석의 배치, ②자속의 공극부로의 집중, ③철심의 형상과 생산성등의 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성시키기 위하여 본 발명에 따른 과제의 해결수단을 다음에 순서대로 설명한다.

①공극부의 자속증가를 위한 자석의 배치

공극부의 자속증가를 위하여 각 극마다 단일자석으로 사용해서 배치하는 경우와 복수의 자석을 조합해서 배치하는 경우가 있다. 우선 단일 자석에 대하여 설명하자면, 각 극 철심에 자석을 삽입하는 방사형상의 슬롯을 형성하여, 자석이 방사방향으로 길이조정 가능하도록 하고, 특히 자속을 강하게 할 때에는 강한 자석이나 상기 슬롯에 자석을 가득 넣어 사용할 수 있도록 한다. 또 착탈가능한 구조로함으로써, 전동기 및 발전기의 특성변경이나 용이하게 조정할 수 있다. 다음에, 단일 자석으로는 구조, 자력에서의 한계가 있고, 또한 공극부의 자력을 강하게 하고자 하는 경우에는 각 극마다 복수의 자석을 사용하거나, 고정자의 축방향 길이보다 길게 하거나, 그 외의 활용가능한 빈 공간를 이용하여 더욱 효과적으로 자속을 증가할 수 있다. 또, 빈 스페이스에 한계가 있는 경우에는 자극의 입체공간을 유효하게 활용하고, 전면 또는 일부면에 자석을 유기적으로 배치하여 공극부에 자속이 집중하도록 하는 것을 가능하게 한다.

②자속의 공극으로의 집중

각 극 철심에 자석을 삽입하는 방사형상의 슬롯을 형성하는 경우, 공극부의 1극당 원주방향 길이에 대하여 슬롯의 방사방향 길이를 길게 하거나, 고정자의 축방향 길이보다 자석을 삽입하는 철심의 길이를 길게함으로써 자신이 지니고 있는 자력보다 강하게 할 수 있다. 즉, 1극당 고정자의 회전자 대치면적보다 자석의 자속발생측면적이 1/2이상이 되도록 축방향 길이를 길게 할 필요가 있다. 이와 같이 하기 위해서는 각극의 철심을 분리구조 또는 기계적으로 필요최소한의 결합으로 한정시키거나, 결합을 비자성체로 하는 등으로 인하여 공극부 이외로 자속이 가능한 한 누설되지 않도록 하는 것이 중요하다. 철심 이외에는 대부분 전부 비자성체의 재료로 감는 것도 한가지 방법이다.

③철심의 형상과 생산성

철심은 통상 양산의 경우, 일체구조가 일반적이다. 그러나,공극부의 자속집중을 한층 효과적으로 하기 위해 각 극 마다 분리구조로 한다. 또, 축방향 길이가다른 회전자와 고정자철심은 일체적으로 생산하는 것은 경제적이지 않고, 분리구조에 의한 개별생산이 반드시 필요하다고 말할 수 있다. 또 자석삽입철심은 일정자계를 위한 권선철심의 규소강판등의 얇고 고가의 재료는 필요로 하지 않으며, 두꺼운 판이나 주물등의 브록재라도 가격적으로도 유리하다.

도 1은 본발명의 일 실시예를 도시한 발전기의 구조도와 종래 발전기의 구조 설명도,

도 2는 본 발명에 있어서 외전형(外轉型)발전기의 자석식회전자의 단면설명도로서, 공극부의 자속집중을 설명하는 6가지 실시예를 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 있어서 내전형(內轉型)발전기의 자석식회전자의 단면설명도로서, 공극부의 자속집중을 설명하는 6가지 실시예를 도시한 도면,

도 4는 본 발명에 있어서 외전형발전기에서 자석식회전자의 분할철심구조의 실시예를 도시한 도면,

도 5는 본 발명에 의한 외전형발전기의 자루형회전자를 형성한 예를 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1,1': 회전자 2: 자석식 회전자

2': 원통형 자석회전자 3,3': 고정자

4,4': 축 5,5': 베어링

6,6': 베어링 지지파이프 7,7': 전원코드

8,8': 엔드 브래킷 10: 외측 프레임

12: 고정자 13,13a,13b: 분할철심

14,14',14a,14b,14c,14d,14a'14b',14a",14b": 자석

15: 축 16,a,b: 비자성공간

17: 공극부 18: 측판

19: 바 N,S:자석의 극성

20: 하우징 21: 비자성체 홀더

22: 고정자 23: 분할철심

24,24',24a,24b,24a',24b',24a",24b": 자석

25: 축 26,a,b: 비자성공간

28: 공극부 30: 분할철심

31: 슬롯 32: 철심절결부

이하, 본 발명의 실시의 형태를 도면을 참조하여 외전형(外轉型)발전기를 예로써 설명한다.

도 1은 외전형(外轉型)발전기로서, 도 1a는 본발명의 자석식 회전자(2)를 가지는 발전기의 단면구조를 도시한 도면이고, 도 1b는 종래의 원통형자석회전자(2')를 가지는 발전기의 단면구조를 도시한 도면이다. 회전자(1)(1')를 외부동력원에 의해 외부에서 구동시키면, 고정자(3)(3')에 감겨 있는 코일의 회전수에 따라 전압이 발생하고, 전기 출력 코드(7)(7')에 저항등 부하를 걸면 전류가 흘러 전력이 공급된다. 코일의 발생전압은 고정자(3)(3')와 회전자(1)와의 공극부 자속밀도에 비례하고, 또 회전수에도 비례한다. 공극부의 자속밀도를 어떻게 높일 것인가가 발전기의 성능향상, 효율향상에 크게 관계되는 점에 착안하여, 본 발명은 특성을 비약적으로 향상시키는 구조를 고안했다. 또, 자석식 회전자(2)(2')의 축방향 길이를 길게 하거나, 발전기내부의 남는 공간을 가급적 활용하여, 값싸고 약한 자석일지라도 자석면적을 크게 함으로써, 회전자(1)(1')외경을 별로 크게 하지 않고도, 강력한 자석을 사용한 것과 동일하게 특성을 비약적으로 향상할 수 있도록 경제적(약1/3)구조를 고안했다.

도 1a 및 도 1b 에 있어서, 1, 1'는 회전자이고, 4, 4'는 축이고, 5,5'는 축(4,4')과 베어링 지지파이프(6,6')사이에 설치된 베어링이고, 8,8'는 엔드 브래킷이고, 13은 분할철심이고, 18은 축판이며, 19는 바이다.

다음에 공극부(17)(28)의 자속밀도 향상대책에 대하여 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 도 2는 외전형발전기, 도3은 내전형(內轉型)발전기의 실시예를 도시한 도면이다. 도 2에 도시한 외전형(外轉型)발전기에 있어서, 회전자재질이 비자성체의 동력전달 외부 프레임(10), 6개의 분할철심(본 예에서는 6분할)(13) 및 6개의 자석(14)으로 구성되어 있다. 이때 자석(14)의 고정자(12) 및 비자성공간(a,b)과 외부프레임(10)과 철심(13)에 걸쳐진 공간(16)은 공기가 비자성체로 구성되어져 있으나, 회전자구성상 철심이나 측판(강자성체로 구성할 수 밖에 없는 경우)의 일부로 이 부분을 구성할 수 밖에 없는 경우도 극력 자속의 누설이 없도록 자기저항을 크게 하여, 자석(14)단부로부터의 자속의 누설을 막는 구성으로 되어 있다. 자석(14)의 반경방향 길이의 2배가 철심(13)의 공극부(17)의 일극당의 원주방향 길이보다 길게 함으로써 자석(14)의 자속보다 공극부(17)의 자속을 크게 할 수 있다. 마찬가지로 외경을 크게 할 수 없는 경우 및 약한 자석(14)으로 강한 공극자속을 얻고자 할 경우 자석철심의 축방향길이를 길게 하거나, 빈 공간을 활용하여 자속의 유효면적을 공극부의 면적보다 크게 함으로써, 말하자면 본 발명의 자속집중효과를 할 수 있어 발전기의 비약적 성능향상에 기여한다. 자석(14)의 극성은 한개의 철심(13)에 대하여 도면에 도시한 바와 같이 같은 극으로 대치하도록 인접하는 2개의 철심(13)에 의해 형성되는 슬릿에 착탈가능하게 철심(13)과의 간격이 거의 없도록 삽입되어 있다. 또 간격이 생기는 경우는 강자성체의 조정판 및 분말형상의 자성체(액상 자성유체여도 된다)로 자기저항을 최소한으로 작게 한다. 이와 관련하여, 비자성 공간(a, b)에 철등의 강자성체 유무에 대한 성능차는 발전기의 일예이지만, 2∼3배의 출력차 데이터가 있다. 있는 경우에는 600W이었던 것이 없는 경우에는 1800W로 향상했다. 또, 공간(16)도 크게 자속집중에 한 역할을 담당하고 있다. 자석부를 착탈가능한 구조로 함으로써, 자력이 같은 것은 반경방향 길이를 변환하고, 길이가 같은 것은 자력의 강도나 축방향 길이를 변화시켜 용이하게 특성변경 및 조정이 가능하도록 되어 있다. 도 2b는 강도가 다른 자석(14a),(14b)를 슬릿에 삽입한 예로서 공극부(17)의 자속분포의 변화 및 자력을 한층 강하게 하는 데 효과적이다. 도 2c는 자석(14')을 슬릿내에 삽입하여 공극부(17)의 자속분포를 균질하게 하는데 효과적이고 단면이 사다리 형상으로 되어 있다. 도 2d는 강도가 같은 자석(14)을 1극당 2매로 늘리고 공극부(17)의 자력향상에 한층 효과적이며, 또 비약적인 성능향상을 기대할 수 있다. 도 2e는 2종류의 자석(14a')으로 공극부(17)의 자계를 결정하고, 자석(14b')으로 자계를 미세 조정한다. 도 2f는 종래의 원통자석으로 본 발명의 자석(14a")(14b")을 조합함으로써, 강력한 공극자계를 기대할 수 있는 구성예이다. 약한 자석을 조합하여 강력한 공극부(17)의 자속을 얻는데 유효하여, 축방향 길이 및 빈 공간등을 조합시키면, 또 경제적이고 뛰어난 자석의 구조를 제공할 수 있다.

도 2a 내지 도 2f 에서 15는 고정자(12)중심에 설치되는 축이다.

도 3a∼도 3f는 내전형(內轉型)발전기를 도시한 도면이지만, 도 2의 외전형(外轉型)발전기의 반전구조로 되어 있어, 기본적으로는 같다.

다시말하면, 내전형 발전기의 단면도를 도시하는 도 3a에 있어서, 회전자재질이 비자성체의 동력전달회전자 비자성체 홀더(21), 6개의 분할철심(23;본 예에서는 6분할) 및 6개의 자석(24)으로 구성되어 있다. 이때 자석의 고정자(22)측 및 비자성체 홀더(21)의 비자성 공간부인 a부 및 b부와 비자성체 홀더(21)와 분할철심(23)사이에 형성된 공간(26)은 공기가 비자성체로 구성되어 있으나 회전자 구성상 철심이나 측판(강자성체로 구성시킬 수 없을 경우)의 일부로서, 이 부분을 구성시킬 수 없는 경우에도 자속의 누설이 거의 없도록 자기저항을 크게 해서, 자석(24) 단부로부터 자속의 누설을 방지하는 구성으로 되어 있다. 자석(24)의 반경방향 길이의 2배가 분할철심(23)의 공극부의 1극당 원주방향의 길이보다 크게 함으로써 자석(24)의 자속보다 공극부(28)의 자속을 크게 할 수 있다. 다시말하면, 본 발명의 자속집중효과가 달성될 수 있는 발전기의 비약적인 성능향상에 이르게 되는 셈이다.

자석(24)의 극성은 한개의 철심(23)에 대하여 도면에 도시한 바와 같이 같은 극에 대치하도록 인접시킨 2개의 철심(23)에 의해 형성되는 슬릿에 착탈가능하게 철심(23)과의 갭(간극)을 발생시키지 않도록 삽입되어 있다.

다시말하면, a부 및 b부에 철 등의 강자성체 유무에 따른 성능차는 발전기의 일례이지만, 2-3배의 출력차가 있다, 강자성체가 비자성 공간부(a,b)에 있을 경우에는 600W였던 것이, 비자성 공간부(a,b)에 강자성체가 없을 경우에는 1800W로 향상되었다. 또, 비자성 공간(26)도 자속집중에 큰 역할을 담당하고 있다.

자석을 착탈가능한 구조로 함으로서, 자력이 같은 것은 반경방향의 길이를 변경하고, 길이가 같은 것은 자력의 세기를 변경해서 용이하게 특성이나 조정이 가능해진다.

도 3b는 강도가 다른 자석(24a,24b)을 슬릿에 넣은 예로서, 공극부(28)의 자속분포의 변화나 자력의 세기를 강하게 하는데 더욱 효과적이다. 도 3c는 공극부(28)의 자속분포를 균등하게 하는데 유효하도록 자석(24')의 단면이 사다리형상으로 되어 있다. 도 3d는 자력의 세기가 같은 자석(24)을 1극당 2매로 증가하고, 공극부(28)의 자력의 세기를 더욱 증가시킬 수 있어 비약적인 성능향상을 기대할 수 있다. 도 3e는 2종류의 자석(24a')(24b')으로 구성된 것으로 자석(24a')에 의해 공극부(28)의 자계를 결정하고, 자석(24b')에 의해 자계의 미세조정을 행한다. 3f는 종래의 원통자석(24b")에 본 발명의 자석(24a")을 조합시킴으로써, 공극부(28)의 강력한 자계를 기대할 수 있는 예이다.

도 3a 내지 도 3f에 있어서 25는 축이고, 20은 하우징이다.

또 설명은 발전기를 예로써 하고 있지만, 같은 기술은 그대로 전동기에도 당연 적용가능한 것은 말할 것도 없다. 또 이 자력집중의 원리는 다른 자석을 사용하여 모든 발전기에 적용가능한 것은 말할 것도 없다. 예를 들면 팬 케이크타입발전기, 리니어 모터, 자석기기 등에 적용가능하다.

도 4는 상술한 외전형 발전기 회전자의 분할철심(30)의 일예로써 평면도를 도시하고 있지만, 고정자와의 공극부에 접하여 슬롯(도면으로는 3개)(31)을 형성하고 있다. 이것은 동기 전동기 및 추력형 프로펠러를 사용하는 풍차발전기 등으로자석회전자를 사용하는 경우, 고가의 복잡한 전자회로를 사용하지 않더라도, 자력으로 기동할 수 있도록 되어 있기 때문에, 간단한 유도전동기등으로 사용되고 있는 자루형 로터 및 권선형 로터를 형성하기 위한 것이다. 기동을 단상도는 다상수도전동기로써 기동시킨다. 기동톨크를 향상시키기 위하여 슬롯(31)의 형상을 여러가지로 변화시켜, 예를들면 깊게 파인 슬롯(31)등 필요에 따라서 대응도 가능하다.

도 5는 도 4a를 사용하여 외전형 발전기의 자루형로터를 형성한 예를 도시한 도면이다. 도 2 및 도 3에 도시한 부분과 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 붙이고 중복되는 설명은 생략한다. 자루형 로터 일부분의 구성은 도 5b 및 도5c와 같이 되어 있고, 알루미늄이나 황동등의 도체로 제작되며 2매의 측판(18)과 복수의 바(19)에 의하여 코오킹 및 다이캐스트등으로 로터의 일체화를 도모하고 있다. 로터 바를 스큐시켜서 기동특성을 개선하거나, 고정자를 스큐시켜서 개선하는 것도 당연히 가능하다. 본 발명의 자석을 축방향으로 신장시킨 경우에 도 5b의 경우, 철심을 측판(18)에서 분단하는 것이 되지만, 도 5c와 같이 측판(18)의 반경방향의 길이를 가능한 작게 하고, 도 5c와 같이 그 단면적을 같게 하여 축방향으로 신장하고, 자석철심의 내주면에 (외전형의 경우 외주면에)자석을 배치하여, 양측으로 연장한 자석으로부터의 자속이 고정자 공극부에 집중하도록, 고정자 단면으로부터의 누설을 방지하기 위해 설치되어 있는 회전자철심의 단차부 (32)에 배치하도록 함으로써 자로(磁路)로의 영향을 작게 하고 있다.

도 6은 도 2f에 도시한 전동기나 발전기등으로 자극배치의 공간에 한계가 있는 경우에, 한정된 자극공간을 효과적으로 활용하여, 입체면의 전면 또는 일부에자석을 유기적으로 배치하고, 공극부에 자속이 최대한 집중하도록 한 실시예이다. 조합 자석은 일부 구조적으로 가능하다면 일체적인 구조로 해도 된다. 예를들면, 자석(14a")과 축방향 자극면에 배치한 자석(14d)을 링형상으로 형성하는 등으로 해서 일체구조로 하여 생산성을 높일 수 있다. 자석(14c)또는 자석(14b")으로 조합시켜서 캡형상으로 해도 된다. 자석(14c)은 자석의 외주부에 배치한 원통형상의 자석으로, 그 외주면에 자속의 자로형성 철심(13a)이 배치되어 있다. 또, 자석(14d)의 외측에 동일한 철심(13b)이 배치되어 있고, 자석(14d)이 효과적으로 동작하도록 하고 있다. 이들 자석은 전부 공극부(28)에 자속이 집중하도록 각 자석극성이 도시한 N,S와 같이 설정 배치되어 있다. 또, 각 자석이 자속의 단락 및 누설 회소가 되도록 비자성공간을 적절하게 형성하는 것은 당연한 수단으로 행해지고 있다.

앞에서 설명한 바와 같이 본 발명은 자석식 회전자의 자석, 철심등의 형상 및 특히 축방향 치수, 배치 및 구성등에 의한 공극부의 자속을 대폭으로 향상시켜, 발전기 및 전동기의 성능과 효율을 비약적으로 향상시키는 기술을 제공할 수 있다. 또, 특히 외형이 제한되어 있는 소형기기나 자극배치공간에 한계가 있는 경우등에는, 저가로 자원적으로 풍부한 페라이트자석등으로 키드류자석으로 대표되는 네오듐등의 강력한 자석과 같은 성능 및 효율을 달성할 수 있는 경제적인 발전기 및 전동기의 획기적인 기술을 제공할 수 있다.

Claims (8)

1. 각 극철심에 단수 또는 복수의 자석을 삽입하는 방사상형상의 슬릿(slit)을 구비하여, 여러가지 형태(또는 길이)의 자석을 설치하여 거리를 변경할 수 있고, 자석을 방사상 또는 축방향으로 설치하기 위해 착탈이 가능하게 하며, 또한 자력이 다른 복수자석의 조합이 가능하도록 하여, 고정자와 회전자 사이인 공극부에서 자속증가 및 그 조절을 할 수 있도록 함으로써 전동기 및 발전기의 출력특성 변경 및 조절을 용이하게 할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 자석식 전동기 또는 발전기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 방사형상 슬릿은 그 축방향 길이가 권선한 고정자 및 회전자의 축방향 길이를 보다 더 길게하고, 고정자와 회전자간 공극부의 자속을 증가한 길이에 비례하여 증가가능하도록 함과 동시에, 그 길이 및 면적차를 수배 크게 취함으로써, 저가의 페라이트자석이라도 네오듐자석만큼의 공극부 자속을 실현가능하도록 한 것을 특징으로 하는 자석식 전동기 및 발전기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 공극부 자속집중을 최대한 발현하도록 상기 슬릿이 한정되어 있는 경우에 상기 각 극에 복수의 자석을 자극의 입체면 전부 또는 일부에 유기적으로 배치한 것을 특징으로 하는 자석식 전동기 및 발전기.
4. 제 1항에 있어서, 공극부의 자속을 발생시키기 위해, 상기 슬릿을 완전히 분리된 분리철심구조로 하고, 또, 공극부 이외로부터의 자속누설을 최소한으로 억제하도록 공극부로부터 축방향으로 밀려나온 부분에 단차를 형성한 것을 특징으로 하는 전자식 전동기 및 발전기.
5. 제 4항에 있어서, 상기 분리철심은 회전자계에 의해 구동시키기 위해 도체부를 형성하기 위하여 슬롯을 형성하고, 자석을 삽입하는 방사형상 슬릿의 축방향 길이가 길 경우에도 회전자 도체부 측판, 권선단말중 어느 하나를 배치가능하도록 함과 동시에, 기동용 회전자가 형성가능하도록 상기 분리 철심의 축방향 단부의 적어도 한쪽을 절결한 것을 특징으로 하는 전자식 전동기 및 발전기.
6. 제 1항에 있어서, 분리철심구조로 자석의 로스를 작게 하기 위하여, 상기 방사형상 슬릿과 자석 사이에 강자성체의 얇은 막·자석분말·자성유체중에서 선택된 1종을 도포한 것을 특징으로 하는 자석식 전동기 및 발전기.
7. 제 1항에 있어서, 상기 고정자, 철심 및 자석이 들어 있는 철심 이외의 부품은 전부가 비자성체로 되어 있는 것을 특징으로 하는 자석식 전동기 및 발전기.
8. 제 1항에 있어서, 상기 고정자, 철심 및 자석이 들어 있는 철심 이외의 부품중 일부가 비자성체로 되어 있는 것을 특징으로 하는 자석식 전동기 및 발전기.