KR100597191B1 - 발전기 및 전동기의 회전자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발전기 및 전동기의 회전자에 관한 것으로, 회전자축과 함께 일체로 축회전하는 회전자몸체와, 상기 회전자몸체의 원주방향을 따라 복수조의 N극군과 S극군이 소정간격을 두고 구비되는 자석군과, 상기 회전자몸체의 일측에서 상기 N극군과 S극군이 형성하는 자력선상에 구비되는 자력가속체 및, 상기 N극군과 S극군의 사이에 구비되는 중간자석을 포함하는 구성에 의해, 자속을 증가시켜 발전효율을 높이고 공냉시킬 수 있으며 회전자축을 통한 감전의 위험을 제거할 수 있게 된다.
발전기, 전동기, 자석, 로터, 회전자, 스테이터

Description

발전기 및 전동기의 회전자{A ROTOR FOR GERNERATOR AND MOTOR}
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 발전기 및 전동기를 나타낸 개략적 측단면도,
도 2는 도 1에 도시된 발전기 및 전동기의 회전자를 나타낸 분해사시도,
도 3은 도 2에 도시된 회전플레이트를 나타낸 사시도,
도 4는 도 2에 도시된 회전자를 나타낸 평면도,
도 5와 도 6은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 발전기 및 전동기의 회전자와 그 회전플레이트를 나타낸 평면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 회전자축 150 : 축결합부
151 : 축냉각공 200 : 회전자몸체
210 : 회전체 211 : 회전플레이트
211a : 자석수용공 211b : 분리홈
211c : 제1자석결합부 211d : 제2자석결합부
211e : 냉각공 211f : 가이드공
310 : N극군 311, 312 : 자석체
320 : S극군 321,322 : 자석체
400 : 자력가속체 500 : 중간자석
600 : 조립가이드부재
본 발명은 발전기 및 전동기에 관한 것으로, 특히 발전기 및 전동기의 자석식 회전자에 관한 것이다.
일반적으로, 발전기는 전자기유도작용으로 기전력을 발생시켜 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 기기로, 대부분이 회전기이나 직선운동에 의한 것도 개발되고 있다.
발전기는 자기장을 만들는 자석과 기전력을 발생시키는 도체가 필요하며, 자석과 도체 중 어느 하나가 움직일 수 있도록 구성되어야 한다. 여기서, 도체가 정지하고 자기장이 회전하도록 된 발전기가 회전계자형이고, 회전전기자형은 이와 반대이다.
소형 발전기에는 영구자석이 사용되는 예가 있으나, 일반적으로는 코아에 코일을 감고 이것에 직류를 흐르게 하는 전자석이 사용된다. 이 경우에는 전류를 가감하면 자석의 세기도 가감할 수 있으므로 기전력의 크기를 자유로이 바꿀 수 있다.
한편, 한국등록특허 제373427호에 개시된 자석식 전동기 및 발전기를 보면, 극철심에 방사상 형상의 슬릿을 구비하여 복수의 자석을 착탈하게 삽입할 수 있도록 구성함으로써 고정자와 회전자 사이의 공극부에서 자속을 증가시키거나 조절할 수 있게 되어 있다.
이와 같이 회전자에 영구자석을 삽입시키는 기술이 개시되어 있으나 고속으로 축회전하는 회전자에서 영구자석에 의한 자력선이 초기 설계시와는 다르게 형성될 수 있고, 그로 인해 자속에 영향을 주는 변수를 조절하기가 용이하지 않았다.
또한, 영구자석의 배치에 따라 자속과 자력선이 달라지므로 배치에 대한 지속적인 실험과 연구가 필요한 실정이다.
한편, 발전기의 회전자와 고정자에는 전자기유도현상으로 인해 발열되어 과열되는 문제점이 있었다.
그리고, 회전자축을 전도금속으로 형성할 경우 회전자에 유도되는 전기가 회전자축으로 통전될 수 있는 우려가 있다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 발전기 및 전동기의 회전자가 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 자속을 증가시켜 발전효율을 높이고 공냉시킬 수 있으며 회전자축을 통한 감전의 위험을 제거할 수 있는 발전기 및 전동기의 회전자를 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 발전기 및 전동기의 회전자는, 회전자축과 함께 일체로 축회전하는 회전자몸체; 상기 회전자몸체의 원주방향을 따라 적어도 1조의 N극군과 S극군이 소정간격을 두고 구비되는 자석군 및; 상기 회전자몸체의 일측에서 상기 N극군과 S극군이 형성하는 자력선상에 구비되는 자력가속체;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 본 발명은 상기 N극군과 S극군의 사이에 구비되는 회전자의 반경방향으로 자력선이 형성되도록 N극과 S극이 배치되는 중간자석;을 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 회전자몸체는 상기 N극군과 중간자석의 사이 및 S극군과 중간자석의 사이 중 적어도 어느 하나의 공간에 냉각공이 형성된다.
바람직하게는, 상기 자석군의 N극군은 회전자몸체의 반경방향을 따라 외측으로 N극이 배치되고, S극군은 S극이 배치된다.
바람직하게는, 상기 자석군의 N극군과 S극군은 회전자의 원주방향을 따라 복수개의 자석체가 구비되되, 중간에 위치하는 자석체가 양쪽에 위치하는 자석체보다 자력이 더 세다.
바람직하게는, 상기 회전자몸체에 N극군과 S극군을 이격시키는 분리홈이 형성된다.
바람직하게는, 상기 회전자축의 외측에 절연체로된 축결합부가 형성되고, 상기 축결합부에 냉각공이 형성된다.
바람직하게는, 상기 회전자축은 스테인레스스틸로 형성된다.
바람직하게는, 상기 회전자몸체는 복수개의 회전체가 회전자축의 축방향을 따라 적층되어 구비되고, 상기 회전체는 복수개의 회전플레이트가 회전자축의 축방향을 따라 적층되어 구비된다.
바람직하게는, 상기 각 회전체의 중간자석은 인접한 다른 회전체의 중간자석과 회전체의 원주방향을 따라 서로 반대방향으로 어긋나게 형성된다.
바람직하게는, 본 발명은 상기 복수개의 회전체를 관통하여 구비되는 조립가이드부재;를 더 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 발전기 및 전동기의 회전자의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 발전기 및 전동기의 회전자는, 회전자축(100)과 함께 일체로 축회전하는 회전자몸체(200)와, 상기 회전자몸체(200)의 원주방향을 따라 복수조의 N극군(310)과 S극군(320)이 소정간격을 두고 구비되는 자석군과, 상기 회전자몸체(200)의 일측에서 상기 N극군(310)과 S극군(320)이 형성하는 자력선상에 구비되는 자력가속체(400) 및, 상기 N극군(310)과 S극군(320)의 사이에 구비되는 중간자석(500)을 포함한다.
상기 회전자축(100)은 스테인레스스틸로 형성되어 절연된다. 따라서, 상기 회전자축(100)과 회전자몸체(200)가 통전되지 않게 한다.
상기 회전자축(100)의 외측에는 절연체로 된 축결합부(150)가 형성되어 회전자축(100)과 회전자몸체(200)가 통전되는 것을 이중으로 방지한다.
상기 축결합부(150)에는 다수개의 축냉각공(151)이 형성되어 있다. 상기 축냉각공(151)의 내측벽에 의해 발열면적이 넓어지고 축냉각공(151)으로 공기가 출입하면서 회전자를 냉각시키게 된다.
상기 회전자몸체(200)는 상기 회전자축(100)의 축방향을 따라 적층되어 구비되는 복수개의 회전체(210)로 이루어진다.
상기 회전체(210)는 복수개의 회전플레이트(211)가 회전자축(100)의 축방향을 따라 적층되어 구비된다.
상기 복수개의 회전체(210)는 조립가이드부재(600)가 관통하여 끼워짐으로써 간편하게 조립된다. 즉, 상기 조립가이드부재(600)의 외측 형상이 비대칭형상으로 형성됨과 동시에 상기 회전체(210)의 일측에 상기 조립가이드부재(600)의 외측형상과 동일한 형상의 가이드공(211f)이 형성되어 있다. 따라서, 상기 조립가이드부재(600)의 외측에 상기 가이드공(211f)이 끼워지도록 회전체(210)를 조립하면 회전체(210)들간의 상대위치가 정확하게 끼워질 수 있게 된다.
한편, 상기 회전체(210)들은 서로 동일한 형상으로 형성되되, 도 2에 도시된 바와 같이, 각 회전체(210)에 끼워진 중간자석(500)이 인접한 다른 회전체(210)의 중간자석(500)과 회전체(210)의 원주방향을 따라 서로 반대방향으로 어긋나게 배치된다.
즉, 하나의 회전체(210)는 그 회전체(210)에 구비된 인접하는 다른 회전체(210)와 지그재그로 형성되어 있다. 이는 회전자몸체(200)의 초기 축회전구동을 용이하게 한다.
상기 자석군은 각 회전체(210)를 이루는 다수개의 회전플레이트(211)를 관통하여 끼워진다. 상기 각 회전플레이트(211)에는 자석군을 수용하는 다수개의 자석수용공(211a)이 형성되어 있다.
상기 회전플레이트(211)의 원주방향을 따라 2조의 N극군(310)과 S극군(320)이 소정간격을 두고 구비된다. 즉, 상기 회전플레이트(211)의 가장자리에 원주방향을 따라 2개의 N극군(310)과 2개의 S극군(320)이 서로 극성을 달리하여 교대로 연속하여 소정간격을 두고 결합된다.
따라서, 1개의 N극군(310)에서 인접하는 2개의 S극군(320)으로 나가는 자력선이 형성된다. 이에 2개의 N극군(310)을 구비한 본 실시예에서는 4개의 자력선이 형성된다.
상기 회전플레이트(211)의 일측에는 2개의 N극군(310)과 2개의 S극군(320)이 삽이되는 4개의 자석수용공(211a)이 형성되어 있다.
상기 N극군(310)과 S극군(320)은 회전플레이트(211)의 원주방향을 따라 복수개의 자석체가 구비되되, 중간에 위치하는 자석체(311)가 양쪽에 위치하는 자석체(312) 보다 자력이 더 세다. 즉, 상기 중간에 위치하는 자석체(311)는 양쪽 자석체(312) 보다 더 많은 자석으로 이루어져 있다.
상기 N극군(310)을 이루는 자석체(311)(312)들은 회전자몸체(200)의 반경방향을 따라 외측으로 N극이 배치되고, S극군(320)은 S극이 배치된다.
여기서, N극군(310)으로부터 나온 자력선은 S극군(320)으로 들어간다. 상기 각각의 회전플레이트(211)에는 N극군(310)과 S극군(320)을 이격시키는 분리 홈(211b)이 형성되어 있다. 상기 분리홈(211b)에 의해 N극군(310)과 S극군(320)이 완전하게 분리됨으로써 N극군(310)으로부터 나오고 S극군(320)으로 들어 가는 자력선이 더욱 분명하게 구분되어 형성된다.
상기 각각의 회전체(210)에서 N극군(310)과 S극군(320)의 사이에는 중간자석(500)이 소정간격을 두고 구비된다. 상기 회전플레이트(211)의 일측에는 중간자석(500)이 결합되는 제1자석결합부(211c)가 형성되어 있다.
상기 중간자석(500)은 회전자몸체(200)의 반경방향으로 자력선이 형성되도록 N극과 S극이 배치된다. 즉, 상기 N극군이나 S극군의 자석체와 같이 회전자몸체(200)의 반경방향을 따라 N극과 S극이 배치된다.
상기 중간자석(500)은 회전자몸체(200)의 회전방향을 따라 그 중간자석(500) 보다 나중에 위치하는 자석군의 극성을 따른다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전자몸체(200)의 회전방향을 따라 N극군(310)과 중간자석(500) 및 S극군(320)이 순차적으로 배치된 경우 그 중간자석(500)은 S극군(320)과 동일한 극성을 띠게 배치된다. 따라서, S극군(320)은 S극이 N극 보다 더 바깥쪽에 위치하므로 중간자석(500) 또한 S극이 N극 보다 더 바깥쪽에 위치한다.
여기서, N극군(310)으로부터 나온 자력선은 S극군(320)과 상기 중간자석(500)으로 들어간다. 상기 N극군(310)으로부터 나와 S극군(320)으로 들어가는 자력선은 큰 타원을 형성하는 반면, N극군(310)으로부터 나와 중간자석(500)으로 들어가는 자력선은 그 보다 작은 타원의 자력선을 형성한다.
상기 N극군(310)과 중간자석(500)의 사이 및 S극군(320)과 중간자석(500)의 사이에 냉각공(211e)이 각각 형성된다.
상기 자력가속체(400)는 1쌍의 N극군(310)과 S극군(320)이 형성하는 자력선상에 배치되어 자속을 증가시키는 역할을 한다. 즉, 상기 자력가속체(400)는 회전자몸체(200)의 분리홈(211b) 상에 구비되되, S극군(320)으로부터 나와 N극군(310)으로 들어가는 자력선상에 구비된다. 상기 회전플레이트(211)의 일측에는 상기 자력가속체(400)를 수용하는 제2자석결합부(211d)가 형성되어 있다. 본 실시예에서 상기 제1자석결합부(211c)와 제2자석결합부(211d)는 상기 분리홈(211b)과 연통되어 형성되어 있다.
상기 자력가속체(400)는 다수개의 N극과 S극으로 이루어진 자석체로 S극군(320)쪽으로는 S극이 대향되고, N극군(310)쪽으로는 N극이 대향된다. 이는 상기 회전자몸체(200)의 중심 내측으로는 S극군(320)의 N극과 N극군(310)의 S극이 위치하기 때문이다.
따라서, 상기 N극군(310)으로부터 나오는 자력선은 S극군(320)으로 들어가고, S극군(320)으로부터 나오는 자력선은 자력가속체(400)로 들어가며, 자력가속체(400)로 들어간 자력은 다시 N극군(310)으로 들어가 전체적을 타원형의 자력선을 형성한다. 이와 같이, 상기 자력가속체(400)는 회전자몸체(200)의 내부를 통과하는 자력선상에 구비되어 회전자몸체(200)의 내부에서 자력선이 더욱 선명하게 형성되도록 유도할 뿐아니라 그 자력을 가속시키는 역할을 하게 되는 것이다.
아래의 표는 본 발명의 일실시예에 따른 회전자를 사용한 발전기의 성능을 측정한 결과를 나타낸다.
[표 1]
테스트 결과
NO LOAD R-S 221.7 V 52.4 HZ
S-T 220 V
R-T 220.8 V
6KW LOAD R-S 221.3 V 51.93 HZ
S-T 219.1 V
R-T 220 V
10KW LOAD R-S 222 V 51.86 HZ
S-T 219.5 V
R-T 219.9 V
15KW LOAD R-S 222 V 51.42 HZ
S-T 219 V
R-T 220 V
20KW LOAD R-S 221 V 51.33 HZ
S-T 219.3 V
R-T 219.3 V
여기서, 발전기는 3상 교류/델타-커텍션(DELTA-CONNECTION) 방식이고, 고정자(S)는 50 HZ용이며, 회전자의 길이 216mm, 고정자(S)의 길이 210mm, 고정자(S)의 직경 220mm, 공극 218.3mm 이다. 미설명부호 F는 냉각팬이다.
부하가 없을 때에 비해 부하가 20KW 걸리면 엔진주파수가 약 1HZ 정도 강하(drop)됨을 볼 수 있다.
[표 2]
테스트 결과
NO LOAD R-S 381.8 V 52.4 HZ
S-T 381.6 V
R-T 381 V
13 KW LOAD R-S 379 V 51.27 HZ
S-T 378.7 V
R-T 378.8 V
19 KW LOAD R-S 377.8 V 51.19 HZ
S-T 376.3 V
R-T 376.5 V
여기서, 발전기는 3상 교류/스타-커텍션(STAR-CONNECTION) 방식이고, 고정자(S)는 50 HZ용이며, 회전자의 길이 216mm, 고정자(S)의 길이 210mm, 고정자(S)의 직경 220mm, 공극 218.3mm 이다. 미설명부호 F는 냉각팬이다.
부하가 없을 때에 비해 부하가 19KW 걸리면 엔진주파수가 약 1.2HZ 정도 강하(drop)됨을 볼 수 있다.
도 5와 도 6를 참조하여, 본 발명의 다른 일실시예에 따른 발전기 및 전동기의 회전자를 설명한다.
본 실시예의 회전자는, 회전플레이트(211')의 가장자리에 원주방향을 따라 2개의 N극군(310')과 2개의 S극군(320')이 연속하여 소정간격을 두고 결합되되, 2개의 N극군(310')이 서로 인접하여 구비되고 2개의 S극군(320')도 서로 인접하여 구비된다.
따라서, 1개의 N극군(310')에서 인접하는 1개의 S극군(320')으로 나가는 자력선이 형성된다. 이에 2개의 N극군(310')을 구비한 본 실시예에서는 2개의 자력선이 형성된다.
하나의 자력선을 형성하는 1개의 N극군(310)과 S극군(320)에는 1개의 자력가속체(400)가 각각 구비되어 있다.
상기한 본 발명의 상세한 설명은 첨부된 도면에 따른 바람직한 실시예를 설명한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위는 이에 한정되는 것이 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어남이 없이 다양한 형태로 변형된 것은 본 발명의 범위에 포함된다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 발전기 및 전동기의 회전자에 의하면, 자력선상에 자석을 추가로 배치하여 자속을 증가시켜 발전효율을 높일 수 있고, 냉각공을 형성하여 공냉시킬 수 있으며, 회전자축을 절연재질로 형성하여 감전의 위험을 제거할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 회전자축과 함께 일체로 축회전하는 회전자몸체와;
    상기 회전자몸체의 원주방향을 따라 적어도 1조의 N극군과 S극군이 소정간격을 두고 구비되는 자석군 및;
    상기 회전자몸체의 일측에서 상기 N극군과 S극군이 형성하는 자력선상에 구비되는 자력가속체;를 포함하는 발전기 및 전동기의 회전자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 N극군과 S극군의 사이에 구비되고, 회전자몸체의 반경방향으로 자력선이 형성되도록 N극과 S극이 배치되는 중간자석;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기 및 전동기의 회전자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 회전자몸체는,
    상기 N극군과 중간자석의 사이 및 S극군과 중간자석의 사이 중 적어도 어느 하나의 공간에 냉각공이 형성된 것을 특징으로 하는 발전기 및 전동기의 회전자.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자석군의 N극군은 회전자몸체의 반경방향을 따라 외측으로 N극이 배치되고, S극군은 S극이 배치된 것을 특징으로 하는 발전기 및 전동기의 회전자.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 자석군의 N극군과 S극군은 회전자몸체의 원주방향을 따라 복수개의 자석체가 구비되되, 중간에 위치하는 자석체가 양쪽에 위치하는 자석체보다 자력이 더 센 것을 특징으로 하는 발전기 및 전동기의 회전자.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회전자몸체에 N극군과 S극군을 이격시키는 분리홈이 형성된 것을 특징으로 하는 .
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회전자축의 외측에 절연체로 된 축결합부가 형성되고, 상기 축결합부에 냉각공이 형성된 것을 특징으로 하는 발전기 및 전동기의 회전자.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회전자축은,
    스테인레스스틸로 형성된 것을 특징으로 하는 발전기 및 전동기의 회전자.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회전자몸체는 상기 회전자축의 축방향을 따라 적층되어 구비되는 복수개의 회전체로 이루어지고, 상기 회전체는 복수개의 회전플레이트가 회전자축의 축 방향을 따라 적층되어 구비되는 것을 특징으로 하는 발전기 및 전동기의 회전자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 회전체들은 각 회전체의 중간자석이 인접한 다른 회전체의 중간자석과 회전체의 원주방향을 따라 서로 반대방향으로 어긋나게 배치된 것을 특징으로 하는 발전기 및 전동기의 회전자.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 복수개의 회전체를 관통하여 구비되는 조립가이드부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기 및 전동기의 회전자.
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