KR100963745B1 - 회전 코어형 전동 및 발전 장치 - Google Patents

Abstract

이 발명은, 영구자석과 코어를 함께 회전시킴으로써 와류손과 히스테리시스손을 제거할 수 있으며, 규소강판을 적층하여 사용할 필요 없이 투자율이 높은 철을 그대로 이용할 수 있기 때문에 구조상으로도 간결하게 제작할 수 있는, 회전 코어형 전동 및 발전 장치에 관한 것으로서,

회전되는 코어 조립체와, 상기한 코어 조립체와 서로 조립되어 있으며 회전되지 않고 고정되는 코일 조립체로 이루어지며,

상기한 코어 조립체는, 비자성체인 코어 고정판과, 상기한 코어 고정판의 외주면에 장착되어 있는 영구자석과, 상기한 영구자석의 외주면과 일정한 간격을 두고서 외부에 설치되어 있는 코어로 이루어지며,

상기한 코일 조립체는, 부도체인 코일 프레임과, 상기한 코일 프레임의 내측에 감겨져 있는 코일을 포함하여 이루어진다.

코어 조립체, 코일 조립체, 코일 프레임, 전동기, 발전기

Description

회전 코어형 전동 및 발전 장치{Motor or Generator having rotational core}

이 발명은 전동기 또는 발전기 분야에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 영구자석과 코어를 함께 회전시킴으로써 와류손과 히스테리시스손을 제거할 수 있으며, 규소강판을 적층하여 사용할 필요 없이 투자율이 높은 철을 그대로 이용하기 때문에 구조상으로도 간결하게 제작할 수 있는, 회전 코어형 전동 및 발전 장치에 관한 것이다.

일반적으로 영구자석형 동기 전동기/발전기는 회전자(rotor)와 고정자(stator)로 구성되어 있으며, 상기한 회전자로서는 영구자석을 사용하며, 상기한 고정자로서는 주로 규소강판 적층 코어를 사용한다. 상기한 규소강판 적층 코어는 고정되어 있고 영구자석이 회전을 하는 구조를 갖는 기존의 영구자석형 동기 전동기/발전기는, 회전시에 규소강판에서 발생하는 와류손(eddy current loss)과 히스테리시스손(hysterisis loss)으로 인하여, 회전중인 영구자석을 멈추게 하는 힘 즉 드래그포스(drag force)가 발생하게 됨으로써 외부전원을 차단하게 되면 회전되고 있던 영구자석이 점차적으로 멈추게 된다. 와류손과 히스테리시스손이 클수록 로터 인 영구자석의 회전이 빨리 멈추게 되므로, 이와 같은 손실을 줄이기 위하여 규소강판을 아주 얇게 적층해서 사용하고 있다.

이와 같은 기존의 영구자석형 동기 전동기/발전기의 와류손과 히스테리시스손을 줄이는 데는 한계가 있는 문제점이 있다.

하지만, 와류손(eddy current loss)과 히스테리시스 손(hysterisis loss)이 어느 정도 존재한다고 하더라도, 전동기/발전기가 볼베어링을 가지고 있고, 공기중에서 회전하는 경우에는, 그 손실은 볼베어링의 마찰손실과 공기 저항에 의한 풍손에 비해서 볼때 아주 적기 때문에 즉 무시할 수 있는 정도의 량이기 때문에 아무런 문제가 없다.

그러나, 전동기/발전기에 볼베어링이 사용되지 않고, 공중에 부양되어 진공중에서 회전하는 경우에는 상황이 달라진다.

일반적으로 초전도 플라이휠 에너지 저장장치는 고온의 초전도체를 이용하여 진공중에서 플라이휠을 부양시켜 기계적 마찰과 공기의 마찰이 없는 상태에서 플라이휠을 회전시켜 에너지를 저장하게 되는데, 상기한 플라이휠의 회전운동과 관련되어 영구자석형 동기 전동기/발전기가 많이 사용되고 있다.

상기한 초전도 플라이휠 에너지 저장장치는 플라이휠을 지정된 속도로 회전시킨 후 전원 입력이 차단된 상태에서 플라이휠의 회전하는 속도에 따라 에너지가 저장되어 있게 되는데, 어떠한 이유로 인하여 플라이휠의 회전속도가 감소하게 되면 에너지가 점점 줄어들게 들고 회전속도도 감소하게 된다.

이와 같이 플라이휠의 회전속도가 감소하면서 에너지가 줄어드는 원인중에서 도 가장 큰 원인이 바로 플라이휠과 연결되어 있는 영구자석형 동기 전동기/발전기의 와류손과 히스테리시스손 때문이다.

또한, 기존의 영구자석형 동기 전동기/발전기는 규소강판을 적층하여 사용하기 때문에 제작이 복잡해지는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 영구자석과 코어를 함께 회전시킴으로써 와류손과 히스테리시스손을 제거할 수 있는 회전 코어형 전동 및 발전 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 규소강판을 적층하여 사용할 필요 없이 투자율이 높은 철을 그대로 이용할 수 있기 때문에 구조상으로 간결하게 제작할 수 있는 회전 코어형 전동 및 발전 장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 회전되는 코어 조립체와, 상기한 코어 조립체와 서로 조립되어 있으며 회전되지 않고 고정되는 코일 조립체로 이루어지며, 상기한 코어 조립체는, 비자성체인 코어 고정판과, 상기한 코어 고정판의 외주면에 장착되어 있는 영구자석과, 상기한 영구자석의 외주면과 일정한 간격을 두고서 외부에 설치되어 있는 코어로 이루어지며, 상기한 코일 조립체는, 부도체인 코일 프레임과, 상기한 코일 프레임의 내측에 감겨져 있는 코일을 포함하여 이루어진다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 다른 구성은, 회전되는 코어 조립체와, 상기한 코어 조립체와 서로 조립되어 있으며 회전되지 않고 고정되는 코일 조립체로 이루어지며, 상기한 코어 조립체는, 휠축의 주변에 설치되어 있는 비자성체의 고정용 지그와, 상기한 고정용 지그의 내주면에 장착되어 있는 영구자석과, 상기한 영구자석의 내주면과 일정한 간격을 두고서 휠축에 설치되어 있는 코어와, 상기한 코일 조립체는, 부도체인 코일 프레임과, 상기한 코일 프레임의 내측에 감겨져 있는 코일을 포함하여 이루어진다.

이 발명의 구성 및 다른 구성은, 상기한 코어는 적층하지 않은 철을 사용하면 바람직하다.

이 발명의 구성 및 다른 구성은, 상기한 코일 프레임은 코어와 영구자석의 사이에 설치되면 바람직하다.

이 발명의 구성 및 다른 구성은, 상기한 코어와 영구자석은 동일한 속도로 회전되면 바람직하다.

이 발명은, 영구자석과 코어를 함께 회전시킴으로써 와류손과 히스테리시스손을 제거할 수 있으며, 규소강판을 적층하여 사용할 필요 없이 투자율이 높은 철을 그대로 이용할 수 있기 때문에 구조상으로도 간결하게 제작할 수 있는, 효과를 갖는다.

이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.

도 1은 이 발명의 일실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치의 구성도이고, 도 2는 이 발명의 일실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치의 코어 조립체의 구성도이고, 도 3은 이 발명의 일실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치의 코일 조립체의 구성도이다.

도 1 내지 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치의 구성은, 회전되는 코어 조립체와, 상기한 코어 조립체와 서로 조립되어 있으며 회전되지 않고 고정되는 코일 조립체로 이루어진다.

상기한 코어 조립체는, 비자성체인 코어 고정판(300)과, 상기한 코어 고정판(300)의 외주면에 장착되어 있는 영구자석(200)과, 상기한 영구자석(200)의 외주면과 일정한 간격(D)을 두고서 외부에 설치되어 있는 코어(100)를 포함하여 이루어진다.

상기한 코어(100)는 영구자석(200)에 의해 포화 되지 않도록 하여 누설에 의한 손실을 줄일 수 있도록 일정한 두께(d) 이상이 되어야 한다. 상기한 코어(100)는 기존의 규소 강판 적층형태로도 구성이 가능하지만, 투자율이 좋은 철을 적층하지 않는 것이 제작상 더 용이하다.

상기한 코어(100)와 영구자석(200)은 일정한 간격(D)을 두고 설치되며, 코어 고정판(300)에 의해 기구적으로 일체화됨으로써 코어 고정판(300)이 휠축(도시되지 않음)에 장착되어 회전되는 경우에 코어(100)와 영구자석(200)도 동일한 속도로 회전되는 구조로 이루어진다.

상기한 코어 고정판(300)은 비자성체로 이루어진다.

상기한 코일 조립체는, 부도체인 코일 프레임(500)과, 상기한 코일 프레임(500)의 내측에 감겨져 있는 코일(400)을 포함하여 이루어진다.

상기한 코일(400)은, 기존의 전동기 또는 발전기에서와 같이 코어(100)에 감겨져 있는 것이 아니라, 코어(100)와 분리되어 있는 부도체인 코일 프레임(500)에 감겨져 있는 구조로 이루어진다.

상기한 코일 프레임(500)은 코어(100)와 영구자석(200)의 간격(D)의 사이에 설치되는 구조로 이루어진다.

상기한 구성에 의한, 이 발명의 일실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치의 작용은 다음과 같다.

코일 프레임(500)에 감겨져 있는 코일(400)에 전류가 흐르게 됨으로써 자기력이 발생하게 되면, 영구자석(200)으로부터 발생되는 자기력과의 상호작용에 의하 여 코어 고정판(300)이 회전하게 됨으로써 전동기의 역할을 하게 된다.

이러한 전동기로서의 동작원리와는 달리, 코어 고정판(300)이 외력에 의해 회전됨으로써 코어 고정판(300)에 장착되어 있는 영구 자석(200)이 회전하게 되면, 영구자석(200)으로부터 발생되는 자기장의 변화가 코일 프레임(500)에 감겨져 있는 코일(400)에 영향을 미치게 되어 코일(400)에 전류가 흐르게 됨으로써 발전기의 역할을 하게 된다.

상기한 바와 같은 전동기 또는 발전기의 역할을 하는 과정에서, 만약 코어(100)가 고정되어 있는 상태에서 코어(100)의 내측에 설치되어 있는 영구자석(200)이 회전한다고 하면 와류손과 히스테리시스손에 의한 드래그포스(drag force)가 발생하고 이를 통하여 회전속도가 점차적으로 감소하게 되는데, 코어(100)와 영구자석(200)이 같은 속도로 회전되면 드래그포스(drag force)가 발생하지 않게 됨으로써 회전 속도가 감소하지 않게 된다.

도 4는 이 발명의 일실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치가 플라이휠에 설치되어 있는 모습을 나타낸 사시도이다.

도 4에 도시되어 있는 바와 같이 플라이휠(600)의 내부에 코어 조립체와 코일 조립체가 조립되며, 고온의 초전도체를 이용하여 진공중에서 플라이휠(600)을 부양시켜 기계적 마찰과 공기의 마찰이 없는 상태에서 플라이휠(600)을 회전시켜 에너지를 저장하게 된다.

도 5는 이 발명의 다른 실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치의 코어 조립체의 단면 구성도이다.

도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 다른 실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치의 코어 조립체의 구성은, 휠축(600)의 주변에 설치되어 있는 고정용 지그(700)와, 상기한 고정용 지그(700)의 내주면에 장착되어 있는 영구자석(200)과, 상기한 영구자석(200)의 내주면과 일정한 간격(D)을 두고서 휠축(600)에 설치되어 있는 코어(100)를 포함하여 이루어진다.

상기한 코어(100)는 영구자석(200)에 의해 포화되지 않도록 하여 누설에 의한 손실을 줄일 수 있도록 일정한 두께(d) 이상이 되어야 한다. 상기한 코어(100)는 기존의 규소 강판 적층형태로도 구성이 가능하지만, 투자율이 좋은 철을 적층하지 않고 그대로 사용하는 것이 제작상 더 용이하다.

상기한 코어(100)와 영구자석(200)은 일정한 간격(D)을 두고 설치되며, 고정용 지그(700)에 의해 기구적으로 연결됨으로써 휠축(600)이 회전되는 경우에 코어(100)와 영구자석(200)도 동일한 속도로 회전되는 구조로 이루어진다.

상기한 고정용 지그(700)는 비자성체로 이루어진다.

이와 같이 휠 축(600)에 영구자석(200)과 코어(100)가 함께 고정되어 같은 속도로 회전하게 되면 기존에 코어에서 발생하던 손실이 전혀 발생하지 않게 되어 이상적인 전동기 또는 발전기의 구성이 가능하다.

상기한 구성에 의한, 이 발명의 다른 실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치의 작용은 다음과 같다.

코일 프레임에 감겨져 있는 코일에 전류가 흐르게 됨으로써 자기력이 발생하게 되면, 영구자석(200)으로부터 발생되는 자기력과의 상호작용에 의하여 고정용 지그(700)가 회전하게 되고, 고정용 지그(700)와 연결되어 있는 휠축(600)이 회전 됨으로써 전동기의 역할을 하게 된다.

이러한 전동기로서의 동작원리와는 달리, 휠축(600)이 외력에 의해 회전됨으로써 고정용 지그(700)에 장착되어 있는 영구 자석(200)이 회전하게 되면, 영구자석(200)으로부터 발생되는 자기장의 변화가 코일 프레임에 감겨져 있는 코일에 영향을 미치게 되어 코일에 전류가 흐르게 됨으로써 발전기의 역할을 하게 된다.

상기한 바와 같은 전동기 또는 발전기의 역할을 하는 과정에서, 만약 코어(100)가 고정되어 있는 상태에서 코어(100)의 외측에 설치되어 있는 영구자석(200)이 회전한다고 하면 와류손과 히스테리시스손에 의한 드래그포스(drag force)가 발생하고 이를 통하여 회전속도가 점차적으로 감소하게 되는데, 코어(100)와 영구자석(200)이 같은 속도로 회전되면 드래그포스(drag force)가 발생하지 않게 됨으로써 회전 속도가 감소하지 않게 된다.

이상에서 본 발명은 초전도 플라이휠 에너지 저장장치와 같이 휠이 진공중에서 공중에 부양하여 마찰 없이 회전하는 경우 회전속도가 감소하는 에너지 손실의 대부분을 차지하고 그 양이 상당히 커서 적용하기 곤란한 문제를 해결하였다. 또한 손실을 줄이기 위하여 코어 재질로써 규소강판을 아주 얇게 적층하여 사용하던 것을 투자율이 큰 일반 철을 사용 가능하게 하고 얇게 적층하여 사용할 필요가 없음으로써 가공 및 조립이 용이하며 비용절감에도 획기적인 기여를 할 수가 있다. 이를 통하여 전력산업용 초전도 플라이휠 에너지 저장장치의 손실 감소로 인해 에너지 저장효율이 상당히 높아질 수 있는 결정적인 역할을 할 수 있다.

도 1은 이 발명의 일실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치의 구성도이다.

도 2는 이 발명의 일실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치의 코어 조립체의 구성도이다.

도 3은 이 발명의 일실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치의 코일 조립체의 구성도이다.

도 4는 이 발명의 일실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치가 플라이휠에 설치되어 있는 모습을 나타낸 사시도이다.

도 5는 이 발명의 다른 실시예에 따른 회전 코어형 전동 및 발전 장치의 단면 구성도이다.

Claims (5)

1. 회전되는 코어 조립체와, 상기한 코어 조립체와 서로 조립되어 있으며 회전되지 않고 고정되는 코일 조립체로 이루어지며,

   상기한 코어 조립체는, 비자성체인 코어 고정판과, 상기한 코어 고정판의 외주면에 장착되어 있는 영구자석과, 상기한 영구자석의 외주면과 일정한 간격을 두고서 외부에 설치되어 있는 코어로 이루어지며,

   상기한 코일 조립체는, 부도체인 코일 프레임과, 상기한 코일 프레임의 내측에 감겨져 있는 코일을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전 코어형 전동 및 발전 장치.
2. 회전되는 코어 조립체와, 상기한 코어 조립체와 서로 조립되어 있으며 회전되지 않고 고정되는 코일 조립체로 이루어지며,

   상기한 코어 조립체는, 휠축의 주변에 설치되어 있는 비자성체의 고정용 지그와, 상기한 고정용 지그의 내주면에 장착되어 있는 영구자석과, 상기한 영구자석의 내주면과 일정한 간격을 두고서 휠축에 설치되어 있는 코어와,

   상기한 코일 조립체는, 부도체인 코일 프레임과, 상기한 코일 프레임의 내측에 감겨져 있는 코일을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전 코어형 전동 및 발전 장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기한 코어는 적층하지 않은 철을 그대로 사용하는 것을 특징으로 하는 회전 코어형 전동 및 발전 장치.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기한 코일 프레임은 코어와 영구자석의 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 회전 코어형 전동 및 발전 장치.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기한 코어와 영구자석은 동일한 속도로 회전되는 것을 특징으로 하는 회전 코어형 전동 및 발전 장치.

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