KR100787931B1 - 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 발생하는 열을 줄이고, 발생한 열을 신속히 방출할 수 있는 발전기를 제공하고자 한다. 본 발명은, 외부 전력을 공급받아 고정 자계를 발생하는 여자기 고정자; 여자기 고정자 내부에서 회전하며 고정 자계에 의한 제1 유도 전류를 생성하여 출력하는 여자기 회전자; 제1 유도 전류를 정류하는 다이오드; 여자기 회전자와 일체로 회전하면서 정류된 제1 유도 전류를 제공받아 회전 자계를 발생하는 발전기 회전자; 및 발전기 회전자의 외부에 배치되며 회전 자계에 의한 제2 유도 전류 생성하는 발전기 고정자;를 포함하고, 상기 발전기 회전자를 구성하는 권선은 알루미늄 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 발전기를 제공한다. 이에 의해, 발전기 회전자의 권선에서 발생하는 열을 감소시키고 또한 효과적으로 방열시킴으로써, 발전기의 온도 특성이 향상되며 발전 용량도 증가시킬 수 있게 된다.

발전기, 회전자, 권선

Description

발전기{GENERATOR}

본 발명은 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발열 및 방열 특성을 향상시킨 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 발전기는 외력에 의해 구동되어 전기 에너지를 발생한다. 발전기는 회전하는 자기장을 만들기 위한 회전자와, 이 회전자를 전자석으로 만들기 위한 전기를 생성하여 공급하는 여자기와, 회전자의 회전에 의해 유도 전류를 생성하기 위한 고정자 및 회전자를 회전시키기 위한 원동기를 포함하여 이루어진다.

이때, 회전자의 외부에는 회전자와 함께 회전하는 자기장에 의한 유도 전류를 생성하기 위한 고정자가 배치된다.

유도 전류의 생성은 회전자에 가해지는 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 것이기 때문에, 완전한 에너지의 변환은 불가능하며, 에너지 손실에 의해 발열 현상이 일어난다.

이러한 열은 발전기의 동작 특성에 큰 영향을 미치므로, 발전기의 에너지 변환 효율을 향상시키거나, 발전기의 내부 구성요소에 의한 발열량을 줄이거나, 발생한 열에 대해서는 신속한 방열을 행하고자 하는 연구가 계속되어 왔다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 발생하는 열을 줄이고, 발생한 열을 신속히 방출할 수 있는 발전기를 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 외부 전력을 공급받아 고정 자계를 발생하는 여자기 고정자; 여자기 고정자 내부에서 회전하며 고정 자계에 의한 제1 유도 전류를 생성하여 출력하는 여자기 회전자; 제1 유도 전류를 정류하는 다이오드; 여자기 회전자와 일체로 회전하면서 정류된 제1 유도 전류를 제공받아 회전 자계를 발생하는 발전기 회전자; 발전기 회전자의 외부에 배치되며 회전 자계에 의한 제2 유도 전류 생성하는 발전기 고정자;를 포함하고, 회전자를 구성하는 권선은 알루미늄 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 발전기를 제공한다.

또한, 본 발명에 있어서 발전기 회전자에 권취된 권선은 각형의 단면을 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 있어서, 회전자를 구성하는 권선은 절연물질에 의해 피복된 것을 특징으로 하며, 더욱, 절연성 섬유로 이루어진 페이퍼 형태의 절연체를 권취 피복한 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 구성되는 본 발명은, 발전기의 내부 부품, 즉, 발전기 회전자의 권선에서 발생하는 열을 감소시키고 또한 효과적으로 방열할 수 있게 됨으로써, 발전기의 온도 특성이 향상되며 발전 용량도 증가시킬 수 있게 된다.

또한, 발전기 회전자에 권취된 권선의 단면을 각형으로 함으로써, 권선끼리의 마찰력이 증가하여 발전기 회전자의 회전에 의한 원심력에 대해서 권취된 형태를 안정하게 유지할 수 있다.

또한, 권선을 절연물질에 의해 피복함으로써 권선의 절연성을 확실하게 확보할 수 있으므로, 발전기의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

먼저, 본 발명에 따른 발전기에 대한 구조 및 동작에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명에 따른 발전기를 설명하기 위한 것으로서, 발전기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 발전기는 여자기(100) 및 발전기 동체(200)를 포함하여 이루어지고, 발전기를 구동하기 위한 엔진(300)이 연결된다.

도 2는 발전기의 내부 구조를 구체적으로 나타낸 도면이다.

여자기(100)는, 여자기 고정자(10) 및 여자기 회전자(20)를 포함하여 이루어지며, 다시 여자기 고정자(10)는 여자기 고정자용 철심(12)과 여자기 고정자용 권선(14)으로 이루어지며, 여자기 회전자(20)는 여자기 회전자용 철심(22)과 여자기 회전자용 권선(24)으로 이루어진다.

또한, 여자기(100)에는 여자기 고정자용 권선(14)에 직류 전원을 인가하기 위한 전원 단자(16)가 배치된다.

발전기 동체(200)는, 발전기 고정자(40) 및 발전기 회전자(30)를 포함하여 이루어지며, 다시 발전기 고정자(40)는 발전기 고정자용 철심(42)과 발전기 고정자용 권선(44)으로 이루어지고, 발전기 회전자(30)는 발전기 회전자용 철심(32)과 발전기 회전자용 권선(34)으로 이루어진다.

또한, 발전기 동체(200)에는 발전기 고정자용 권선(44)으로부터 출력되는 전력을 인출하기 위한 출력 단자(46)가 배치된다.

또한, 여자기(100)의 여자기 회전자용 권선(24)과 발전기 동체(200)의 발전기 회전자용 권선(34)은 다이오드(52)를 통해 전기적으로 연결되어 있다.

도 3은 상술한 구성을 갖는 본 발명에 따른 발전기의 회로 구성을 나타낸 도면이다. 이어서, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 발전기의 동작을 설명한다.

여자기 고정자(10)는, 내부에 여자기 회전자(20)가 회전축(5)을 중심으로 회전할 수 있는 공간을 구비하며, 이 공간의 외측에는 여자기 고정자용 철심(12)과 이 철심(12)에 권취된 여자기 고정자용 권선(14)을 포함하여 이루어진다. 또한, 여자기 고정자용 권선(14)의 단부는 외부로부터 직류 전원을 공급받기 위하여 (J) 및 (K) 단자를 포함하는 전원 단자(16)에 접속된다.

이에 의해, 직류 전원을 공급받은 여자기 고정자용 권선(14)은 여자기 고정자용 철심(12)에 고정 자계를 형성하게 된다.

여자기 회전자(20)는, 회전축(5)을 중심으로 방사상으로 돌출된 다수의 여자기 회전자용 철심(22)과 이 철심(22)에 권취된 여자기 회전자용 권선(24)을 포함하여 이루어진다. 이러한 여자기 회전자(20)가 회전축(5)과 함께 회전하게 되면, 여자기 회전자용 권선(24)을 따라 제1 유도 전류가 발생하게 되며 이는 권선(24)의 단부를 통해 출력되게 된다.

출력되는 제1 유도 전류는 다이오드(52)에 의해 정류되어 발전기 회전자(30)의 발전기 회전자용 권선(34)으로 흘러들어 간다.

이때, 여자기(100)에서 생성되는 제1 유도 전류는 교류 전류임에 반하여, 발전기 회전자용 권선(34)에서 자계를 형성하기 위해서는 직류 전류가 필요하다. 따라서, 여자기(100)의 여자기 회전자용 권선(24)과 발전기 회전자용 권선(34)의 접속 부분에 정류용 다이오드(52)가 필요하게 된다.

한편, 여자기(100)에서 생성되는 제1 유도 전류를 발전기 동체(200)로 공급하기 위해 직류 전류로 정류하는 과정에서 다이오드(52)에서는 다량의 열이 발생하게 된다. 이러한 열을 신속히 방열하기 위하여, 본 발명에 따른 발전기에서는, 발전기 회전자(30)와 여자기 회전자(20) 사이에 회전축(5)을 중심으로 고정 배치된 링 형상의 부재(도시하지 않음) 등을 더 배치하고, 다이오드(52)를 이 부재 상에 밀착 배치한다.

따라서, 다이오드(52)에 의해 발생하는 열을 링 형상의 부재를 통해 효율적으로 발산시킴으로써, 다이오드(52) 및 발전기의 온도 상승을 방지할 수 있게 된다.

발전기 회전자(30)는 여자기(100)와 동일한 회전축(5) 상에 배치되며, 회전축(5)을 중심으로 방사상으로 돌출된 다수의 발전기 회전자용 철심(32)과 이 철심(32)에 권취된 발전기 회전자용 권선(34)을 포함하여 이루어진다. 발전기 회전자용 권선(34)에는 여자기(100)로부터 출력되는 제1 유도 전류가 흐르게 되며, 이에 의해 발전기 회전자용 철심(32)에 자계를 형성하게 된다.

발전기 고정자(40)는 발전기 회전자(30)가 내부에서 회전축(5)과 함께 회전할 수 있도록 하는 공간을 형성하고 있으며, 이 공간의 외측에는 발전기 회전자용 철심(32)과 이 철심(42)에 권취된 발전기 회전자용 권선(34)을 포함하여 이루어진다.

자계를 형성한 발전기 회전자(30)가 발전기 고정자(40) 내부에서 회전하게 되면, 발전기 고정자(40)의 권선(44)에는 회전하는 자계에 의해 제2 유도 전류가 생성된다. 그리고 생성된 제2 유도 전류는 발전기 고정자용 권선(44)의 단부에 형성된 (U), (V), (W), (N)으로 표시되는 출력 단자(46)를 통해 외부로 흘러나가게 된다.

본 발명의 일 실시예에서는 위와 같은 발전기의 구성을 그대로 이용하면서도 단지 내부 구성 요소의 일부의 재질을 변경시킴으로써, 발전기에 의한 발열량을 줄이고 방열 효과를 상승시키고자 하는 과제를 달성할 수 있었다.

일반적으로는, 발전기 동체(200)를 구성하는 발전기 회전자용 권선(34)의 재질로서, 전기 전도성 및 열 전도성이 우수하고 비교적 가격이 저렴한 구리를 사용 하였다.

하지만, 본 발명에서는 발전기 회전자용 권선(34)의 재질로써 구리를 사용하지 않고, 알루미늄을 이용하였고, 이에 의해 목적하는 과제를 훌륭히 달성할 수 있었으며, 구리 재질의 권선을 이용한 발전기에 비하여 더욱 우수한 성능을 나타냄을 확인하였다.

널리 알려진 바와 같이, 발전기의 발전 성능을 향상시키기 위해서는 발전기 동체(200)의 발전기 회전자(30)에 의해 발생하는 자계의 크기를 크게 하거나, 발전기 회전자(30)의 회전 속도를 높이는 방법이 있다. 그러나 자계의 크기를 크게 하기 위해서는 발전기 회전자용 권선(34)의 회전수를 증가시켜야 하는데, 이는 권취되는 권선(34)의 길이가 증가하여 발전기 회전자(30)의 중량도 증가시키게 되며, 증가된 중량에 의해 발전기 회전자(30)의 회전 속도는 오히려 감소하게 되므로, 실제적인 성능 향상을 기대하기 어렵게 된다. 따라서, 발전기 회전자(30)의 회전 속도를 증가시키는 방법이 바람직하다.

한편, 발전기 회전자(30)의 회전 속도의 증가는 발전기 회전자(30)의 중량을 줄임으로써 실현될 수 있다. 따라서, 발전기 회전자(30)를 구성하는 발전기 회전자용 권선(34)의 재질을 종래의 구리보다 더욱 가벼운 알루미늄으로 변경함으로써, 발전기 회전자(30)의 회전 속도를 향상시킬 수 있었으며, 발전 성능도 향상되었다.

이하에서는 알루미늄을 이용하면서도, 구리보다 향상된 성능을 나타낼 수 있는 원리에 대하여 설명한다.

구리의 전기 전도도는 0.596×10⁶ /cmΩ이고, 알루미늄의 전기 전도도는 0.377×10⁶ /cmΩ으로서, 알루미늄의 전기 전도도는 구리에 대비하여 63.3% 정도이다.

또한, 구리의 열 전도도는 4.01 W/cmK이고, 알루미늄의 열 전도도는 2.37 W/cmK로서, 알루미늄의 열 전도도는 구리에 대비하여 59.1% 정도이다.

또한, 구리의 비중은 9.8이고, 알루미늄의 비중은 2.7로서, 알루미늄의 단위 부피 당 중량은 구리에 대비하여 27.6% 정도이다.

즉, 알루미늄의 비중의 차이에 의해, 발전기 회전자용 권선(34)을 구리에서 알루미늄으로 대체할 경우, 종래에 사용하였던 구리 재질의 권선과 같은 중량의 알루미늄을 이용하게 된다면 이론적으로는 3.6배(27.6%의 역수)의 단면적을 사용할 수 있게 된다는 등식이 성립한다. 따라서, 이 정도의 단면적을 이용하게 된다면 구리에 비하여 59.1%에 해당하는 알루미늄의 열 전도도를 충분히 보상할 수 있을 뿐만 아니라, 오히려 훨씬 우수한 열 전도 성능을 달성할 수도 있게 된다.

즉, 알루미늄으로 권선을 형성할 경우, 구리 권선과 동일한 열 전도 특성을 가질 수 있도록 하기 위해서는, 다음의 계산에 의해, 이론적으로는 약 2배의 단면적만을 필요로 함을 알 수 있다.

알루미늄의 필요 단면적(SQ) = ( (구리의 단면적) / 60% ) × 안전계수(120%)

예를 들어, 발전기 회전자용 권선(34)을 구리로 형성하는 경우 100m²에 대응 하는 단면적이 사용되었다면, 알루미늄에 의해 필요하게 되는 단면적은,

SQ = (100/0.6)×1.2 = 200.

즉, 200m²에 해당하는 단면적만으로도 100m²의 구리에 의한 단면적과 동일한 열 전도 특성을 나타내게 됨을 알 수 있다.

한편, 구리에 비하여 알루미늄은 2배의 단면적이 필요하지만, 이때 사용되는 알루미늄의 중량은, ( 2배 중량 × 알루미늄 대 구리의 중량비(27.6%) )로 계산되어, 약 55.2% 가 된다는 것을 알 수 있다.

따라서, 구리와 동일한 열 전도 특성을 얻도록 하여도, 알루미늄은 구리의 약 절반의 중량을 가지게 되므로, 발전기 회전자(30)의 중량을 대폭 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 발전기 회전자용 권선(34)을 형성하기 위한 비용에 있어서도, 알루미늄은 구리의 중량당 단가에 비해 약 50%이므로, 비용면에서도 결코 비싸지지 않는다는 장점이 있다.

또한, 같은 원리에 의해, 전기 전도 성능에 있어서도, 권선(34)으로 알루미늄을 사용할 경우, 구리와 동일한 성능을 확보하고자 하더라도 회전자의 무게가 감소될 수 있음을 확인할 수 있다. 상세한 비교 설명은 상술한 설명과 유사하므로 생략한다.

이러한 비교에 의하면, 기존의 구리를 알루미늄으로 대체할 경우, 발전기 회전자(30)를 더욱 가볍게 하면서도 발전기 회전자용 권선(34)의 단면적을 더욱 증가 시킬 수 있게 되므로, 발전기 회전자용 권선(34)에 의한 방열 효과가 향상되어 발전기의 온도가 낮아질 수 있게 된다. 따라서, 발열 및 방열에 대하여 발전기의 동작 성능을 안정화시킬 수 있게 되어 발전 성능이 향상된다. 또한, 발전기 회전자용 권선(34)의 단면적의 증가에 의해 발전 용량도 증가시킬 수 있게 된다.

한편, 알루미늄으로 이루어진 발전기 회전자용 권선(34)은 환형 또는 다각형의 단면을 가지며, 바람직하게는 사각형의 단면을 가지며, 장방형의 단면을 갖는 것이 더욱 바람직하다.

발전기에 있어서 발전기 회전자(30)는 고속으로 회전하게 되므로, 권취된 권선에 대한 기계적인 안정성이 요구된다. 따라서, 발전기 회전자용 철심(32)의 권취홈(도시하지 않음)에 치밀하게 권취할 수 있도록 각형의 단면을 갖는 권선을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 발전기 회전자(30)가 고속으로 회전하게 되면, 권취된 권선은 원심력에 의해 권취된 위치로부터 이탈하려고 하는 힘이 발생하는데, 권선을 각형으로 함으로써 권선과 권선, 또는 권선과 철심과의 마찰력을 증가시켜 권취된 원래 위치를 최대한 유지할 수 있도록 한다. 또한, 권선이 각형의 단면을 가짐으로써, 권선이 계단형태를 가지게 되므로 권취 작업이 용이하며, 권선의 단면적이 크므로 권취 회수도 줄일 수 있으며 증가된 단면적에 의한 다양한 효과도 얻을 수 있게 된다.

또한, 알루미늄으로 이루어진 발전기 회전자용 권선(34)은, 절연 물질에 의 해 피복되어 있는 것이 바람직하다. 절연 물질로는 공지된 다양한 물질을 이용할 수 있으나, 본 발명에서는 절연 특성을 갖는 페이퍼 등을 발전기 회전자용 권선에 권취하는 방법을 이용한다. 도 4는 이와 같이 절연 특성을 갖는 페이퍼가 권취된 각형 권선을 나타낸 도면이다. 더욱, 본 발명에서는, 권취하는 페이퍼로서 절연 성능이 우수할 뿐만 아니라 가볍고 저렴한 노맥스 섬유로 제조한 페이퍼를 이용하였다.

이와 같이 발전기 회전자용 권선(34)을 절연 피복함으로써, 회전 자계의 발생량이 증가하여 발전기의 성능이 향상될 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 발전기의 온도 특성을 실험한 결과를 나타낸 표이다. 도 5를 살펴보면, 부하, 전압 및 전류가 일정한 상태에서 시간이 경과함에 따라, 코일 온도 및 동체 온도가 크게 상승하지 않음을 확인할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 발전기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 발전기의 내부 구조를 구체적으로 나타낸 도면.

도 3은 본 발명에 따른 발전기에 대한 회로 구성을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명에 따른 발전기에 있어서, 절연 특성을 갖는 페이퍼가 권취된 각형 권선을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 따른 발전기의 온도 특성을 실험한 결과를 나타낸 표.

Claims (4)

1. 발전기로서,

   외부 전력을 공급받아 고정 자계를 발생하는 여자기 고정자;

   상기 여자기 고정자 내부에서 회전하며 상기 고정 자계에 의한 제1 유도 전류를 생성하여 출력하는 여자기 회전자;

   상기 제1 유도 전류를 정류하는 다이오드;

   상기 여자기 회전자와 일체로 회전하면서 상기 정류된 제1 유도 전류를 제공받아 회전 자계를 발생하는 발전기 회전자; 및

   상기 발전기 회전자의 외부에 배치되며 상기 회전 자계에 의한 제2 유도 전류를 생성하는 발전기 고정자;를 포함하고,

   상기 발전기 회전자를 구성하는 권선은 알루미늄 재질로 이루어지며 각형의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 발전기.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 권선은 절연물질에 의해 피복된 것을 특징으로 하는 발전기.
4. 제3항에 있어서,

   상기 피복은 절연성 섬유로 이루어진 페이퍼 형태의 절연체를 권취 피복한 것을 특징으로 하는 발전기.

Images