KR100965311B1 - 동기 축계 전기장치 - Google Patents

Abstract

영구자석 전기장치는 제 1평면부재(9,10) 및 제 2평면부재(3)로 구성되고, 제 1평면부재가 평행하게 배열되고, 제 1 및 2부재가 수직한 공통축에서 서로 상대적으로 회전가능하고 제 1부재(9,10)가 공통축에 동축인 자석(7,8)의 환상 배열을 제공하고 축 자기장이 제 2부재를 통과하고 제 2부재에서 공통축에 동축인 평코일(1)의 제 1환상배열이 제공되고 제 1층에서 연속으로 배열되고 공통축에 동축인 평코일(2)의 제 2환상배열 및 제 2층에서 연속으로 배열되고, 제 2배열의 코일(2)은 제 1배열의 코일(1)에 상대되는 원주방향으로 떨어져 있다.

Description

동기 축계 전기장치{SYNCHRONOUS AXIAL FIELD ELECTRICAL MACHINE}

본 발명은 동기 축계 전기장치에 관한 것이다. 발전기 또는 전동기 같은 영구자석 또는 전자석장치가 그 예이다.

동기 축계 전기장치는 잘 알려져 있고, 예로 발전기의 형태에서, 자석은 전기유도기에 상대적으로 운동하여 운동을 전력으로 전환한다.

많은 다른 구성이 동기 축계 전기장치에서 가능하고, 일반적으로 자석은 고정된 유도코일에 대해서 상대적으로 움직인다. 자석은 회전축에 부착되고, 회전하는 부분은 회전자라 부른다. 유도코일의 고정된 부분은 고정자라 부른다.

동기 축계 전기장치의 전형적인 구성은 영구자석이 방사상의 환상으로 반대 극성의 자석에 인접한 한 쌍의 평행한 연자성 금속 원판 위에 배열된다. 두 원판은 사이에 공기간극이 있는 공통축을 회전하고 한 원판의 자석은 다른 원판의 반대극의 자석에 직접 배열된다. 자속은 자석 사이의 공기간극을 통과하여 자기장을 완성한다.

연자성 금속은 자기장에서 영구적이 아닌 일시적으로 자화되는 금속이다.

고정된 유도코일은 납작하고 두 원판 사이의 공기간극 내에 배열된다. 원판 의 회전은 유도기를 지나는 자기장의 파동을 발생시켜서 전류를 발생시킨다. 실제 고정자에는 인접 자석 사이의 공간과 유사한 폭의 유도코일이 사용된다. 이것의 효과는 코일의 각 측은 반대 방향의 자기장을 경험할 것이다. 전류의 흐름은 한 쪽은 외부로 다른 한 쪽은 내부로 흐른다. 따라서, 전류는 코일 주위를 시계 또는 반시계 방향으로 흐른다. 이는 동기 축계 발전기의 일반적인 형태이다.

회전자 원판내부에서 와전류손실(eddy current losses)을 최소화기 위하여, 회전자내에 제공된 각각의 자석 쌍에 대해 고정자내부의 코일 갯수를 최대화하는 것이 요구된다. 코일 폭이 자석들의 이격거리와 동일해야 하기 때문에, 코일들이 단지 근접하게 배열되면 제공될 수 있는 코일의 갯수는 제한된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 고정자 주위에 코일들을 겹쳐지게 배열하여 한 개 코일의 좌측부가 인접한 코일의 우측부에 대해 위 또는 아래에 배열된다. 그러나, 이러한 코일의 배열은, 제조하기 복잡하고 고정자의 외측면에 형성된 코일들을 지지해야 하기 때문에 코일들을 냉각하기 어려운 문제점들을 가진다.

명백히, 이런 전기장치는 발전기 또는 전동기이고 자석은 회전자 또는 고정자 어느 쪽에도 사용될 수 있다.

전동기의 경우, 이런 전기장치는 미국특허 제 US-A-4 551 645에 다수의 코일 구성예가 도시된다.

본 발명의 목적은 상기 문제점들을 극복하거나 개선한 동기 축계 전기장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 의하면 제 1부재 및 제 1평면부재에 평행한 제 2평면부재로 구성된 동기 축계 전기장치를 제공하고, 제 1 및 2부재는 제 1 및 2 부재의 면에 수직 한 공통축에서 상대적으로 회전하고, 제 1부재는 공통축과 같은 축인 환상의 자석 배열이 제공되고 제 2부재를 통과하는 축 자기장이 제공되고 서로 인접하여 배열된다.

자석은 영구자석 및/또는 전자석이다.

제 1평면부재는 회전자로 구성되고 제 2평면부재는 고정자로 구성된다.

제 1평면부재는 단일부분으로 형성된다. 제 1평면부재는 얇은 구조가 아니다.

제 1 평면부재는 연강과 같은 연자성 재료로 형성된다.

자석 및 코일은 공통축에서 거의 같은 반경에 위치한다.

제 1 평면부재는, 서로 분리되고 동축을 가진 제 1 및 2 판들로 구성된다. 자석들은, 제 1 및 제 2 판들의 서로 마주보는 면위에 제공된다. 제 1 및 2 판은 판들의 주변부에서 서로 고정된다. 제 2 부재는 제 1 및 2판 사이의 공기간극 내에 배열된다.

제 1 및 제 2 평코일 배열들이 지지부재의 마주보는 측면들위에 제공된다. 지지부재는 유리섬유 강화 플라스틱같은 비자성, 비전기유도성 재료로 제조된다. 지지부재는 환상이고 바퀴살들에 의해 축에 연결된다. 선택적으로, 지지부재는 축에 연결되고 냉각공기가 통과하기 위한 구멍들을 가진다.

코일은 에폭시수지와 같은 수지소재내에 배열된다.

한 개이상의 코일층이 제공된다.

각 층의 코일들은, 인접코일의 피치를 층의 수로 나눈 크기만큼 떨어져 있다. 예로, 두 개의 코일층들이 제공되고, 한쪽 층의 코일들이 다른 한쪽 층의 코일들에 대해 인접코일들의 피치의 절반에 해당하는 크기만큼 떨어져 배열된다.

동기 축계 전기장치는 발전기 또는 전동기의 형태이다.

본 발명을 보다 잘 이해하고 명확히 보이기 위해서 아래와 같은 도면이 제공된다.

도 1은 본 발명의 동기 축계 전기장치의 한 실시예의 고정자의 일부분의 평면도.

도 2는 도 1의 선A-A의 단면도.

도 3은 고정자를 형성하는 주축에 부착된 도 1 및 2에 도시된 고정자의 투시도.

도 4는 단순한 표기를 위해서 상판의 일부를 자르고 고정자를 제외한 영구자석 전기장치의 형태의 본 발명에 따른 동기 축계 전기장치의 한 실시예의 회전자의 투시도.

도 5는 단순한 표기를 위해서 회전자의 상판이 일부 잘려진, 도 4의 회전자 및 도 1 내지 3의 고정자가 있는 본 발명의 동기 축계 전기장치의 투시도.

도 6은 직류출력을 위해서 정류된 다상 출력의 발전기로 구성된 동기 축계 전기장치의 한 실시예의 회로도.

도 7은 직류출력을 위해서 정류된 단상 출력의 발전기로 구성된 동기 축계 전기장치의 다른 한 실시예의 회로도.

*부호설명*

1 : 유도코일 9,10 : 평판

3 : 환상체 12 : 스페이서

5 : 주축 7 : 영구자석

도 1 내지 도 5는 회전자에 영구자석이 제공된 발전기 구성 및 영구자석 전기장치를 형성하는 동기 축계 전기장치를 도시한다. 그러나, 장치는 다양하게 수정할 수 있다. 예로, 장치는 쉽게 전동기로 작동할 수 있고 영구자석이 고정자에 사용될 수 있다. 영구자석은 전자석으로 쉽게 대체될 수 있다.

도 1 및 도 2는 유리섬유강화 플라스틱 소재 또는 다른 적합한 비자성 및 비전기유도성 소재의 환상체(3)로 구성된 전기 발전기의 고정자를 도시한다. 환상체(3)의 한 측면에 접합된 단층의 평유도코일(1)은 구리선의 공기 코일이고, 코일(1)은 환상체(3)의 축과 같은 축의 환상으로 구성되어 연속 배열된다. 구리선의 공기 코일의 형태인 평유도코일(2)의 단층은 환상체(3)의 다른 측면에 접합된다. 코일(2)은 코일(1)의 층과 같은 반경의 환상체(3)의 축과 같은 구성으로 연속 배열된다. 환상체(3) 및 코일(1,2)의 층은 에폭시수지 또는 다른 플라스틱 같은 수지소재(4)내에 삽입된다. 수지는 코일을 위치고정하고 보호하며 전기절연기능을 제공한다.

도 1에서 알 수 있듯이, 코일(1,2)들이 형성하는 두 개의 층들은, 코일들의 원주방향 크기의 절반에 해당하는 양만큼 즉, 인접 코일들의 피치를 층들의 갯수로 나눈 크기만큼 원주방향으로 서로 떨어져 배열된다.

필요하면, 고정자는 축면의 얇은 벽에 제공되어 공냉 능력을 저하시키지 않고 코일을 보호하고 고정자를 보강한다.

도 4는 서로 회전하지 않는 판(9,10)과 같은 다수의 스페이서(12)의 주변에 고정된 두 개의 평평한 판(9,10)들로 구성된 회전자를 도시한다. 판(9,10)은 주축(5)의 공통축에 회전가능하게 베어링(11)으로 부착된다. 판(9,10)은 서로 연강(mild steel)과 같은 한 벌의 연자성 재료로 제조된다.

다수의 영구자석(7)은 판(10)에 면한 판(9)에 고정되고, 자석(7)은 주축(5) 주위에 코일(1,2)과 같은 반경의 환상으로 연속으로 배열된다. 자석(7)은 인접 자석과 반대극으로 방사상 배열된다.

같은 다수의 영구자석(8)이 판(10)과 판(9)이 면하여 고정되고, 자석(8)은 코일(1,2) 및 자석(7)에 상응하는 반경으로 주축(5)에 환상으로 연속 배열된다. 자석(8)은 서로 반대 극의 상응하는 자석(7)에 면하는 각 자석(8) 및 인접 자석의 반대 극으로 방사상으로 배열된다. 따라서 자석(7,8)은 고정자에서 축자기장을 생성한다.

도 5는 판(9,10)에 고정된 자석(7,8)들로 형성되는 두 개의 환상 배열들사이에 위치하고 정해진 크기를 가진 공기 간극내에 위치한 코일(1,2)들을 가지고 도 4의 회전자 내에 위치한 도 3의 고정자를 도시한다.

평평한 코일(1,2)들의 구성 및 환상체(3)의 마주보는 면들위에 평평하게 배열된 코일들의 위치에 의해, 코일들이 영구자석(7,8)들과 근접하게 배열되어 공기간격이 최소크기로 유지되며, 각 코일은 냉각을 위한 전체표면이 제공된다. 상기 환상체(3)는, 노출표면에서 열을 방출하여 냉각되는 코일의 냉각능력을 감소시키지 않고 안정적인 크기의 두께를 가질 수 있다.

각 판(9,10)들을 연자성 재료의 단일 구조체로 구성하면, 판(9,10)을 경제적으로 제조할 수 있고 풍력 터빈의 날개와 같은 다른 부품들을 지지하기에 충분히 강하다. 그러나, 판(9,10)들을 단일 구조체로 구성하면, 판들내부에서 와전류 손실(eddy current losses)이 발생한다. 상기 와전류 손실은, 평코일들을 코일들의 원주방향 크기의 절반에 해당하는 양만큼 원주방향으로 서로 떨어져 배열시킨 두 개의 코일층들에 의해 감소된다.

도 1 내지 도 5의 장치는, 인접 자석들사이의 각도분리의 일과 삼분의 일배인 각도분리를 가지는 삼상 장치이다(각도분리는, 회전축에서 측정되고 인접 코일들 또는 자석들의 중심들사이에 형성되는 각도로 정의된다). 따라서, 도시된 실시예에서 열두 개의 코일(1), 열두 개의 코일(2), 열여섯 개의 자석(7)들 및 열여섯 개의 자석(8)들이 있다. 코일(1,2)들은, 코일(1,2)들의 층들사이에서 반대위상을 가지도록 연결된다. 따라서, 제 1 상은 코일(1)이고, 제 2 상은 제 1 상의 코일(1)과 부분적으로 겹치는 코일(2)이며, 제 3 상은 제 1 상의 코일(1)과 근접하고 제 2 상의 코일(2)과 부분적으로 겹치는 또 다른 코일(1)이다. 이런 패턴은, 제 2 상의 코일(2)과 인접하고 제 3 상의 코일(1)과 부분적으로 겹치는 한 코일(2)로 계속된다.

원한다면, 장치는 인접 자석의 각도 분리된 인접 코일의 각도분리의 적절 비율을 선택하여 임의의 상의 수를 만들어 낼 수 있다.

도 1 내지 도 5에 도시되고 위에 설명된 전기장치는 다양한 방법으로 개조 가능하다. 예로, 다수의 장치가 하나 뒤에 다른 하나가 위치하여 공통축에 설치될 수 있다. 더욱이, 장치는 발전기 대신에 전동기로 작동될 수 있다. 또한 영구자석이 전자석을 대체할 수 있다. 더욱이 자석은 고정자에 제공되고 코일은 회전자에 제공될 수 있다. 더욱이, 단일 배열의 자석이 두 개의 코일층들사이에 제공될 수 있고, 한 층의 코일들이 다른 한 층의 코일과 원주방향으로 떨어져 배열된다.

코일 층의 갯수는 제한되지 않는다. 상의 갯수는 인접 코일 및 자석들사이의 각도분리 비율 및 코일층의 갯수를 적절하게 선택하여 정해진다. 이런 경우, 장치는 다상 장치이고, 세 개 이상의 상을 가진다. 그러나 특히 장치가 발전기일 경우 교류출력이 정류되어 직류로 출력된다.

도 6은 발전기의 성상 구조 회로도이다. 이 경우 삼상이고 상의 숫자는 중요하지 않다. 이의 한 예는 상의 수가 코일의 수와 같을 때이다. 동일 상을 가진 코일(1,2)들이 직렬 또는 병렬로 배열된 그룹으로 연결되고 그룹의 교류출력은 다이오드(13)에 의해 정류되어 직류 출력(14)을 만든다.

도 7의 개략도에 의하면, 각 코일(1,2) 또는 동일한 상을 가진 코일 그룹이 직렬 또는 병렬로 연결되고 다른 코일들과 전기적으로 절연된다. 발전기의 교류출력은 브릿지 정류기(15)로 정류되어 직류 출력(14)으로 생산된다. 다수의 정류기로부터 생산된 직류출력들이 서로 연결될 수 있다. 필요한 경우, 도 6에 도시된 정류기의 배열이 이용될 수 있다.

Claims (26)

1. 동기 축계 전기장치에 있어서,

   제 1 평면부재 및 상기 제 1 평면부재와 평행한 제 2 평면부재(3)를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 평면부재들은 상기 제 1 및 제 2 평면부재들과 수직인 공통의 축주위에서 서로 상대회전운동하며, 상기 제 1 평면부재들은 상기 공통의 축과 동축으로 배열되고 상기 제 2 평면부재를 통과하는 축방향 자기장을 제공하며 원형으로 배열된 자석(7,8)들을 가지고, 상기 제 2 평면부재는 상기 공통의 축과 동축으로 배열되며 제 1 층내에서 연속적으로 평평하게 배열된 제 1 원형배열의 코일(1)들 및 상기 공통의 축과 동축으로 배열되며 제 2 층내에서 연속적으로 평평하게 배열된 제 2 원형배열의 코일(2)들을 가지며, 층들의 갯수로 나눈 인접 코일들의 피치에 해당하는 크기만큼 제 2 원형배열의 코일(2)들이 제 1 원형배열의 코일(1)에 대해 원주방향으로 떨어져 배열되는 것을 특징으로 하는 동기 축계 전기장치.
2. 제 1 항에 있어서, 코일(1,2)들의 두 층이 제공되고, 인접 코일들사이의 거리의 절반에 해당하는 크기만큼 한 층의 코일(1)이 다른 한 층의 코일(2)과 떨어져 배열되는 것을 특징으로 하는 동기 축계 전기장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 자석(7,8)들과 코일(1,2)들이 상기 공통의 축으로 부터 동일한 반경방향의 거리에 배열되는 것을 특징으로 하는 동기 축계 전기장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 평면부재는 동축을 가지며 서로 떨어져 배열된 제 1 및 제 2 판(9,10)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 축계 전기장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 자석(7,8)들이 제 1 및 제 2 판(9,10)들의 서로 마주보는 면들에 제공되는 것을 특징으로 하는 동기 축계 전기장치.
6. 제 1 항에 있어서, 코일(1,2)들의 제 1 및 제 2 원형배열들이 제 2 평면부재의 마주보는 측면들위에 제공되는 것을 특징으로 하는 동기 축계 전기장치.
7. 동기 축계 전기장치에 있어서,

   제 1 평면부재 및 상기 제 1 평면부재와 평행한 제 2 평면부재(3)를 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 평면부재들은 상기 제 1 및 제 2 평면부재들과 수직인 공통의 축주위에서 서로 상대회전운동하며, 상기 제 1 평면부재들은 상기 공통의 축과 동축으로 배열되고 상기 제 2 평면부재를 통과하는 축방향 자기장을 제공하며 원형으로 배열된 자석(7,8)들을 가지고, 상기 제 2 평면부재는 상기 공통의 축과 동축으로 배열되며 제 1 층내에서 연속적으로 평평하게 배열된 제 1 원형배열의 코일(1)들 및 상기 공통의 축과 동축으로 배열되며 제 2 층내에서 연속적으로 평평하게 배열된 제 2 원형배열의 코일(2)들을 가지며, 제 2 원형배열의 코일(2)들이 제 1 원형배열의 코일(1)에 대해 원주방향으로 떨어져 배열되고, 근접한 자석(7,8)들의 분리각도에 대한 각각의 배열에서 근접한 코일(1,2)들의 분리각도의 비율이 전기위상의 수와 동일한 것을 특징으로 하는 동기 축계 전기장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 자석(7,8)들과 코일(1,2)들이 상기 공통의 축으로 부터 동일한 반경방향 거리에 배열되는 것을 특징으로 하는 동기 축계 전기장치.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1 평면부재는 동축을 가지며 서로 떨어져 배열된 제 1 및 제 2 판(9,10)들을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 축계 전기장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 자석(7,8)들이 서로 마주보는 제 1 및 제 2 판(9,10)들의 면들에 제공되는 것을 특징으로 하는 동기 축계 전기장치.
11. 제 7 항에 있어서, 코일(1,2)들의 제 1 및 제 2 원형배열들이 제 2 평면부재의 마주보는 측면들위에 제공되는 것을 특징으로 하는 동기 축계 전기장치.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 삭제
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제

Images