KR100990160B1 - 기전력 안정화 영구자석 발전기 - Google Patents

기전력 안정화 영구자석 발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 안정화된 기전력을 출력하는 영구자석 발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 원동기의 회전속도에 감응하여 기전력을 안정적으로 출력하고, 기전력의 파형도 정현파에 근접하게 안정시키는 기전력 안정화 영구자석 발전기에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은, 전기자 권선이 감긴 고정자(110)를 내주면에 구비한 케이스(100)와, 회전샤프트(200)에 고정되어 케이스(100)의 내부에 장착되는 회전자(200), 를 포함하여 구성되는 기전력 안정화 영구자석 발전기에 있어서, 상기 회전자(200)는, 동일 극성을 갖는 복수 개의 일극 영구자석(221)을 첨두에서 배면 방향으로 갈수록 넓어지게 하고 고정자(110)의 축방향 길이에 맞게 형성한 후에 외주면에 둘레 방향을 따라 고정한 고정 회전자(220); 및 상기 일극 영구자석(221)과 동일한 형태로 형성하되 상기 일극 영구자석(221)과는 다른 동일 극성을 갖는 복수 개의 타극 영구자석(231)을 첨두가 배면 방향을 향하게 하여 외주면을 따라 둘레 방향으로 고정하여서, 일극 영구자석(221) 및 타극 영구자석(231)이 서로 간격(d)을 두고 치합되게 하고, 상기 회전샤프트(200)의 축방향을 따라 가이드되어(213, 236) 전후 이동가능하게 한 원심분리 회전자(230);을 포함하여 구성된다.

Description

기전력 안정화 영구자석 발전기{PERMANENT MAGNET GENERATOR FOR STABILIZING ELECTROMOTIVE FORCE}
본 발명은 안정화된 기전력을 출력하는 영구자석 발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 원동기의 회전속도에 감응하여 기전력을 안정적으로 출력하고, 기전력의 파형도 정현파에 근접하게 안정시키는 기전력 안정화 영구자석 발전기에 관한 것이다.
발전기는 풍력, 수력, 화력, 원자력 등의 자연계 에너지를 기계적에너지로 변환하는 원동기에 축결합되어서 원동기의 기계적에너지를 전기적에너지로 변환하며, 일반적으로 원동기에 축결합된 회전자의 회전 자속을 회전자의 외주면에 공극(孔隙)을 두고 고정된 고정자에 쇄교(鎖交)시켜 기전력을 생성한다.
그리고, 소형 발전기는 계자 권선을 대신한 영구자석을 회전자에 장착하여 고정자에 감긴 전기자 권선에 회전 자속을 쇄교시키도록 구성되며, 이때 종래에는 N극 및 S극의 영구자석을 회전자의 외주면을 따라 교호적으로 배치하여, 전기자 권선을 N극과 쇄교시킨 후에 S극과 쇄교시키는 과정을 반복하여 정현파에 가까운 기전력을 발생시킨다.
하지만, 종래 발전기는 N극과 S극이 축방향을 따라 경계를 이루고 경계부분에는 일정한 이격 거리를 두고 있어서, N극과 S극의 사이에서 쇄교되는 자속은 급변하게 되며, 이에 따라 유기되는 기전력도 정현파를 이루지 못하고 왜곡되었다. 결국, 정현파를 이루지 못한 유기 기전력은 고조파 성분을 많이 포함하게 되는 데, 이때 포함된 고조파 성분은 전기자 권선에서의 동손을 유발하여 발전 효율을 저하시키고, 유기 기전력을 공급받는 부하기기에도 악영향을 끼치게 되는 문제점을 유발하였다. 즉, 원하는 정현파의 기전력으로 변환되어야 할 에너지의 일부가 효율 저하 및 악영향만 끼치는 고조파 성분으로 변환되는 것이다.
또한, 전기자 권선의 코일이 자극(N극 또는 S극)과 마주하며 지나갈 때에는, 지나가는 내내 균일한 자속으로만 쇄교하게 되므로, 이때에도 정현파의 기전력을 발생시킬 수 없게 된다.
즉, 종래 발전기에서 자극에 의한 자속 분포를 원주면을 따라 도시하게 되면 자극 사이의 빈 공간에서 급격하게 변동되는 구형파에 가깝게 되어서, 유기되는 기전력을 정현파로 만들 수 없는 문제점이 있었던 것이다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래에는, 여러개의 권선을 고정자의 외주면을 따라 분산시킨 후에 직렬로 연결하여 정현파에 가까운 기전력을 얻을 수 있었으나, 이러한 권선 방법은 매우 복잡하여 소형 발전기에 적용하기 어려웠다.
한편, 유기 기전력은 회전자의 회전속도에 따라 변동되므로, 일정한 기전력을 생성하기 위해 종래에는 회전자에 축결합된 원동기의 속도를 일정하게 유지시키는 방법을 채용하였었다.
하지만, 풍력이나 수력을 이용하는 소형 발전기에서 원동기의 속도를 일정하게 유지시키기 위한 제어수단을 설치한다는 것은, 발전기 설치 비용 및 설치 공간의 확보 면에서 비경제적이어서 그러한 제어수단 사용하지 못하고, 다만, 과발전을 방지하기 위해 원동기와 축결합을 해제하는 구성으로 대체하여 왔다. 이는 풍력이나 수력을 제대로 활용하지 못하는 결과를 초래하여 발전 효율을 저하시켰다
따라서 본 발명의 목적은, 회전자의 자극에 의한 자속을 단절 없이 연속적으로 이어지게 하여, 고정자의 전기자 권선에서 발생되는 유기 기전력을 정현파에 가깝게 할 수 있는 기전력 안정화 영구자석 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 원동기에서 전달받는 회전력이 변동되더라도 간단한 구성을 부가하여 일정한 범위의 기전력을 발생시킬 수 있는 기전력 안정화 영구자석 발전기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 전기자 권선이 감긴 고정자(110)를 내주면에 구비한 케이스(100)와, 영구자석을 외주면에 구비하며 원동기에 의해 회전하는 회전샤프트(210)에 고정되어 케이스(100)의 내부에 장착되는 회전자(200), 를 포함하여 구성되는 기전력 안정화 영구자석 발전기에 있어서, 상기 회전자(200)는, 동일 극성을 갖는 복수 개의 일극 영구자석(221)을 정면 방향의 첨두에서 배면 방향으로 갈수록 넓어지게 하고 고정자(110)의 축방향 길이에 맞게 형성한 후에 외주면에 둘레 방향을 따라 고정한 고정 회전자(220); 및 상기 일극 영구자석(221)과 동일한 형태로 형성하되 상기 일극 영구자석(221)과는 다른 동일 극성을 갖는 복수 개의 타극 영구자석(231)을 첨두가 배면 방향을 향하게 하여 외주면을 따라 둘레 방향으로 고정하여서, 일극 영구자석(221) 및 타극 영구자석(231)이 서로 간격(d)을 두고 치합되게 하고, 상기 회전샤프트(210)에 외삽되는 가이드관(233)를 구비하며, 축방향을 따라 장돌기 형태로 이루어지는 가이드돌기(213)를 상기 회전샤프트(210)의 외주면에 조성하고 축방향을 따라 장요홈 형태로 이루어지는 가이드장요홈(236)을 상기 가이드관(233)의 내주면에 형성하여 상기 가이드돌기(213)가 상기 가이드장요홈(236)에 끼워진 상태로 상기 회전샤프트(210)의 축방향을 따라 가이드되어 전후 이동가능하게 한 원심분리 회전자(230);를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
상기 일극 영구자석(221)과 타극 영구자석(231)은, 평면상으로 펼친 형태가 이등변삼각형으로 형성되게 할 있음을 특징으로 한다.
상기 회전샤프트(210)의 회전 속도가 클수록 정면 방향으로 이동되게 하는 원심분리 가동부(300, 300')가 정면 끝단에 장착되어서, 상기 회전샤프트(210)의 회전 속도가 커질수록 원심분리 회전자(220)가 고정자(110)의 내부로부터 점차 이탈되게 할 수 있음을 특징으로 한다.
또한, 축방향을 따라 가이드공(211)을 구비한 중공관 형태로 상기 회전샤프트(210)를 형성하고, 정면측 끝단에 가압원판(241)을 구비한 전후진샤프트(240)를 상기 회전샤프트(210)의 중공(212)에 내삽한 후에, 상기 가이드공(211)을 통해 끼워지는 고정핀(234)으로 상기 원심분리 회전자(230)를 상기 전후진샤프트(240)의 배면측 끝단에 고정하고, 상기 원심분리 가동부(300, 300')는, 상기 가압원판(241)을 축방향을 따라 전후 이동시키게 할 수 있음을 특징으로 한다.
또한, 상기 전후진샤프트(240)는, 정면측 끝단에 구비된 가압원판(241)을 인장(引張)형의 탄성체(242)로 상기 회전샤프트(210)의 정면측 끝단에 탄지시키거나, 아니면, 배면측 끝단을 상기 회전샤프트(210)의 중공(212)에 내삽되는 인장형 탄성체(242A) 또는 압축형 탄성체(242B)로 배면측 방향으로 탄지시키며, 상기 원심분리 가동부(300)는, 상기 회전샤프트(210)의 정면측 외주면에 고정되는 지지대(310)와; 절곡된 바(bar)의 형태로 형성되며, 절곡된 내측면이 회전샤프트(210)의 축방향을 향하게 하고 배면측 끝단을 상기 가압원판(241)의 배면에 걸리게 한 상태에서 절곡 부위를 상기 지지대(310)의 끝단에 힌지(322) 결합한 원심 회동바(320); 를 포함하여 구성되게 할 수 있음을 특징으로 한다.
또한, 상기 원심분리 가동부(300')는, 전후진샤프트(240)의 회전 속도(RPM)를 감지하는 회전속도계(330); 상기 회전속도계(330)에서 감지된 회전 속도에 따라 상기 가압원판(241)을 전후 이동시키는 가압원판이동조절부(340);를 포함하여 구성게 할 수 있음을 특징으로 한다.
따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명은, 회전자에 구비되는 N극 자석 및 S극 자석을 간격을 두고 서로 치합되는 형태로 배치하여서, 전기자 권선에 쇄교되는 자속이 단절 없이 연속적으로 이어지게 하므로, 정현파에 가까운 기전력을 유기시킬 수 있어서 발전 효율을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은, N극 자석 및 S극 자석 중에 어느 하나 자석(타극 영구자석)에 의한 쇄교자속을 회전력의 크기에 따라 가감할 수 있어서, 원동기에 의한 회전력이 변동되더라도 일정한 범위의 값을 갖는 기전력을 공급하므로, 과전력 공급에 의한 전기자 권선의 파손 및 부하기기의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은, 회전샤프트(210)에 따라 회전을 하되 내부 중공에 끼워져 회전샤프트(210)의 축방향으로 가이드되는 전후진샤프트(240)를 원심분리 회전자(230)에 고정하므로, 원심분리 회전자(230)의 이동을 위한 구성을 전후진샤프트(240)의 끝단에 간단하게 장착할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기전력 안정화 영구자석 발전기의 사시도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 있어서, 회전자(200)의 분리 사시도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기전력 안정화 영구자석 발전기의 분리 사시도.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기전력 안정화 영구자석 발전기의 측면 단면도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기전력 안정화 영구자석 발전기의 측면 단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 있어서, 회전자에 구비된 영구자석을 평면상으로 펼친 도면.
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서, 영구자석의 간격을 다르게 형성한 영구자석을 평면상으로 펼친 도면.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에서 탄성체를 회전샤프트(210)의 배면측에 장착할 수 있음을 보여주는 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 첨부된 도면들에서 구성에 표기된 참조번호는, 다른 도면에서도 동일한 구성을 표기할 때에 가능한 한 동일한 참조번호를 사용하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기전력 안정화 영구자석 발전기의 사시도이다.
상기 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발전기는, 고정자 및 회전자의 사이에 이루어지는 전자기 유도에 의해 기전력을 발생시키는 케이스(100)를 갖추고, 회전자의 회전샤프트(210)가 상기 케이스(100)를 축방향으로 관통하게 하며, 회전샤프트(210)의 배면측 끝단에 원동기(미도시)를 고정하여 회전력을 전달받게 하고, 회전샤프트(210)의 정면측 끝단에는 원심분리 가동부(300)를 장착하여 회전력의 크기에 따라 유기 기전력을 가감할 수 있게 구성된다.
여기서, 상기 원동기(미도시)는 본 발명을 풍력발전기에 적용될 경우에 팬블레이드 어셈블리로 구성될 수 있고, 수력발전기에 적용될 경우에 수차로 구성될 수 있는 것과 같이 원동력을 얻는 방식에 맞게 구성된다.
이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 세부 구성들을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 있어서, 회전자(200)의 분리 사시도이고,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 기전력 안정화 영구자석 발전기의 분리 사시도이고,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기전력 안정화 영구자석 발전기의 측면 단면도로서 원심분리 회전자(230)를 이동시키기 전의 측면도(a)와 이동시킨 후의 측면도(b)이다.
상기 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명은 고정자(110)를 내주면에 구비한 케이스(100)와, 영구자석(221, 231)을 구비하며 케이스(100)의 내부에 회전 가능하게 장착되는 회전자(200)와, 회전자(200)의 정면측 끝단에 장착되는 원심분리 가동부(300), 를 포함하여 구성된다.
상기 케이스(100)는, 원통형의 몸체를 갖추며, 전기자 권선이 감긴 고정자(110)가 내면을 따라 원주방향으로 고정되고, 배면은 회전축의 중심에 회전축 관통구(132)를 구비한 뒤판(130)으로 막혀있고, 정면은 회전축의 중심에 회전축 관통구(123)를 구비한 정면커버(120)로 폐구할 수 있게 구성된다.
여기서, 상기 정면커버(120)는, 후술하는 원심분리 회전자(230)가 회전축 방향으로 이동할 수 있는 여유공간을 마련하기 위하여 원통형의 원심분리 회전자 수용부(121)를 구비하며, 상기 원심분리 회전자 수용부(121)의 배면측 외주면에 플랜지(124)를 조성하여 상기 케이스(100)의 몸체 정면에 볼트체결(125)하여 고정되고, 정면에는 회전축의 중심에 회전축 관통구(123)를 구비한 판으로 막혀있다.
그리고, 상기 회전축 관통구(123, 132)에는 베어링(122, 131)이 끼워져 있어서, 후술하는 회전자(200)의 회전샤프트(210)를 베어링(122, 131)의 내부로 관통시켜 케이스(100)에 회전 가능하게 지지한다.
상기 고정자(110)는, 후술하는 영구자석(221, 231)의 자속에 쇄교하도록 배치되는 전기자 코일이 감겨 있어서, 영구자석(221, 231)이 회전샤프트(210)를 중심으로 회전하면 쇄교 자속에 의한 기전력을 발생시켜 외부로 공급한다.
상기 회전자(200)는 회전축이 되는 회전샤프트(210)와, 회전샤프트(210)에 고정되는 고정 회전자(220)와, 회전축 방향으로 전후 이동가능하도록 회전샤프트(210)에 장착되는 원심분리 회전자(230)를 포함하여 구성된다.
상기 회전샤프트(210)는 중공관 형태로 형성되며, 케이스(100)의 내부에 수용될 때에 후방측이 케이스(100)의 뒤판(130) 베어링(131)을 관통하고 전방측이 케이스(100)의 정면커버(120) 베어링(122)을 관통하여 상기 베어링(131, 122)에 의해 회전 가능하게 지지된다. 또한 상기 회전샤프트(210)에서 후술하는 원심분리 회전자(230)의 이동범위에 해당되는 부분에는 축방향을 따라 장공 형태의 가이드공(211)과 장돌기 형태의 가이드돌기(213)을 조성하고, 정면측 부분에는 축방향을 따라 장요홈(214)을 조성하고, 정면측 끝단의 외주면에 수나사(215)를 조성한다.
상기 고정 회전자(220)는, 상기 회전샤프트(210)의 외경보다는 큰 직경를 갖는 원통형으로 형성되어 상기 회전샤프트(210)에 외삽된 상태로 상기 회전샤프트(210)에 고정되는 제1 자석지지관(222)과; 동일 극성을 갖고 첨두에서 배면 방향으로 갈수록 넓어지게 형성되며 상기 제1 자석지지관(222)의 외주면의 둘레방향을 따라 고정되어서 상기 제1 자석지지관(222)의 둘레방향을 따라 보면 나사산이 연속된 형태로 배치되는 복수개의 일극 영구자석(221); 을 포함하여 구성된다.
따라서, 상기 일극 영구자석(221)은 고정자(110)와 공극(孔隙, G)을 두고 마주하는 형태로 배치되는 것이다. 상기 복수개의 일극 영구자석(221)의 형태를 살펴보면, 평면상으로 펼쳐보면 이등변삼각형의 형태로 형성되며, 첨부가 정면을 향하고 밑변이 배면을 향하게 된다. 이때, 상기 제1 자석지지관(222)의 축방향 길이는 상기 일극 영구자석(221)의 축방향 길이의 절반 미만으로 하여서, 후술하는 제2 자석지지관(232)이 상기 제1 자석지지관(222)에 접근하더라도 후술하는 타극 영극자석(231)이 상기 일극 영구자석(221)에게 근접하여 치합될 수 있게 한다.
여기서, 상기 일극 영구자석(221)의 축방향 길이는 상기 고정자의 축방향의 길이에 맞게 제작되며, 이등변삼각형으로 설명하면 그 높이가 상기 고정자의 축방향이 길이와 맞게 제작되는 것이다. 따라서, 후술하는 타극 영구자석(221)이 전방측으로 이동하여 상기 일극 영구자석(221)로부터 멀어지면, 타극 영구자석(221)에 의한 쇄교 자속이 감소하게 된다.
상기 원심분리 회전자(230)는, 상기 제1 자석지지관(222)과 동일한 형태로 형성되어 상기 회전샤프트(210)에 외삽되되 상기 제1 자석지지관(222)보다는 정면 방향으로 치우치게 외삽되는 제2 자석지지관(232)과; 상기 일극 영구자석(221)과 동일한 형태를 갖고 상기 제2 자석지지관(232)의 외주면을 따라 둘레 방향으로 배치되어 고정되되 첨두 방향이 배면 방향을 향하게 하여 배치 고정되며, 극성이 상기 일극 영구자석(221)과는 다른 극성을 갖는 복수 개의 타극 영구자석(231)과; 상기 제2 자석지지관(232)의 내부측 부분에 해당되는 회전샤프트(210)에 밀착되게 외삽되어 회전샤프트(210)의 축방향을 따라 가이드되어 전후 이동가능하게 장착되며 상기 제2 자석지지관(232)과 고정되는 가이드관(232); 을 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 타극 영구자석(231)은 상기 일극 영구자석(221)을 N극의 외주면을 갖도록 형성하면 타극 영구자석(231)의 외주면을 S극으로 형성하는 것이며, 제2 자석지지관(232)을 제1 자석지지관(222)과 동일하게 형성하여 서로 근접하게 되면 상기 일극 영구자석(231)과 간격(d)을 두고 치합되며, 그 간격(d)은 원심분리 회전자(230)의 이동거리에 따라 결정된다.
여기서, 상기 원심분리 회전자(230)는 상기 고정 회전자(220)와 같이 회전샤프트(210)의 회전에 따라 회전하며, 동시에 회전샤프트(210)의 축방향을 따라 이동가능하게 구성되며, 이를 위해 본 발명의 실시예에서는, 상기 회전샤프트(210)의 가이드돌기(213)에 끼워지는 가이드장요홈(236)을 상기 가이드관(233)의 내주면에 조성하여서, 상기 원심분리 회전자(230)가 상기 회전샤프트(210)을 따라 가이드되어 축방향으로 이동하되 회전방향을 가이드돌기(213)가 가이드장요홈(236)에 끼워진 상태를 유지하여 회전샤프트(210)의 회전에 따라 같이 회전하게 한다.
또한, 상기 원심분리 회전자(230)는 회전샤프트(210)의 내부 중공(212)에 끼워지는 전후진샤프트(240)에 견고하게 고정된다.
상기 전후진샤프트(240)는, 전방 끝단에 원판 형태의 가압원판(241)을 구비한 봉의 형상을 갖고, 후방 끝단에 상하로 관통하는 관통구(244)를 구비하며, 상기 회전샤프트(210)의 중공(212)에 내삽된다. 여기서, 상기 전후진샤프트(240)를 전후진 시켜도 상기 가압원판(241)이 전방측으로 노출된 상태를 유지하고 상기 관통구(244)는 회전샤프트(210)에 조성된 가이드공(211)의 범위 내를 벗어나지 아니하도록 장착된다. 즉, 상기 원심분리 회전자(230)의 가이드관(232)에 핀삽입구(235)를 조성하고, 상기 핀삽입구(235), 가이드공(211) 및 관통구(244)를 관통하는 고정핀(234)를 끼워 놓아서, 원심분리 회전자(230)를 전후진샤프트(240)에 고정한 상태로 가이드공(211)을 따라 이동할 수 있게 한다. 이때, 상기 고정핀(234)는 상기 가이드공(211)에도 걸친 상태이므로, 원심분리 회전자(230)는 가이드공(211)의 범위 내에서만 이동 가능하다.
한편, 상기 가압원판(241)은 인장(引張)형의 탄성체(242)에 의해서 상기 회전샤프트(210)의 정면측 끝단면에 탄성지지되어서, 배면측 방향으로 당겨지게 된다. 본 발명의 실시예에서는, 상기 탄성체(242)를 인장형 스프링으로 구성한 후에 일단을 상기 가압원판(241)의 배면에 고정하고(241a) 타단을 상기 회전샤프트(210)의 정면측 끝단면에 체결너트(243)로 고정하였다. 여기서, 상기 체결너트(243)는 후술하는 원심분리 가동부(300)의 원통관(311)을 고정하기 위한 구성이기도 하다. 또한, 후술하는 원심분리 가동부(300)를 상기 회전샤프트(210)의 정면 끝단에 설치하기 위하여, 상기 가압원판(241)을 상기 전후진샤프트(240)와 분리하여 제작하고 결합시에는 상기 가압원판(241)을 상기 전후진샤프트(240)의 정면 끝단에 볼트로 고정하도록(245, 245a) 구성하였다..
상기 원심분리 가동부(300)는, 상기 회전샤프트(210)의 정면측 끝단부에 외삽되는 원통관(311)에 복수개의 가지 형태로 경사지게 뻗어나가는 지지대(310)와; 절곡된 바의 형태로 형성되어 절곡된 내측면이 회전샤프트(210)의 축방향을 향하게 배치된 상태에서 절곡 부위가 상기 지지대(310)의 끝단에 힌지(322)결합되는 원심 회동바(320); 를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 지지대(310)는 원통관(311)의 외주면을 따라 복수개로 마련되며 정면을 향하면서 점차 벌어지는 형태를 갖게 된다.
상기 원심 회동바(320)는 회전샤프트(210)가 회전하지 아니할 때에는 대체로 정면을 향하며 뻗어나가고 후방측 끝단이 회전샤프트(210)를 향하여 절곡된 걸림편(321)이 마련되게 형성되는 구성이며, 이때, 상기 걸림편(321)이 상기 가압원판(241)의 배면에 걸쳐지게 된다. 그리고, 상기 지지대(310)에는 걸림편(321)에 걸리는 처짐방지돌기(312)를 마련하여서 상기 원심 회동바(320)가 하방으로 처지는 것을 방지한다.
한편, 원통관(311)의 내주면에는 축방향을 따라 장돌기(311a)을 조성하고, 상기 장돌기(311a)에 끼워지는 장요홈(214)을 회전샤프트(210)에 조성하여서, 상기 장돌기(311a)와 장요홈(214)의 결합에 의해 상기 회전샤프트(210)의 회전에 따라 상기 원심분리 가동부(300)도 회전할 수 있게 하였다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제1 실시예에서 원심분리 가동부(300)의 동작에 의한 발전 기전력의 변동에 대해 살펴보면 다음과 같다.
원동기(미도시)의 회전력에 의해서 회전샤프트(210)가 회전하게 되면, 원심 회동바(320)도 회전하여 원심력을 받게 되므로, 원심 회동바(320)의 정면 끝단이 회전축에서 멀어지는 형태로 벌어지게 되며, 이에 따라 걸림편(321)이 가압원판(241)을 정면방향으로 밀어낸다.
결국, 가압원판(241)의 전진 이동에 의해서 원심분리 회전자(230)도 정면 방향으로 이동하므로, 일극 영구자석(211)과 타극 영구자석(231)의 간격(d)이 멀어지게 되고 고정자(110)에 내삽된 형태로 있던 타극 영구자석(231)이 점차 이탈하게 되어서, 원심분리 회전자(230)에 고정된 타극 영구자석(231)이 고정자(110)로부터 빠져나오게 된다. 이는, 타극 영구자석(231)에 의해 고정자(110)에게 쇄교되는 자속의 량을 감소시켜서 고정자에서 발전되는 기전력도 낮추게 된다.
즉, 본 발명에 따르면 원동기(미도시)에 의해 회전력이 약할 때에는 쇄교자속을 크게 하고 회전력이 강할 때에는 쇄교자속을 감소시켜서, 고정자에서 발전되는 기전력을 큰 변동 없이 일정하게 유지시킬 수 있다.
일반적인 발전기의 가동을 살펴보면, 부하기기(미도시)를 가동시키기 위한 기전력은 일정한데, 풍력발전기에서와 같이 회전력의 변동이 심한 경우에는 풍력의 세기에 따라 회전력이 크게 변동되므로 발전되는 기전력도 심하게 변동할 수밖에 없어서 과전력 발전에 의한 전기 부품의 파손 우려가 발생할 수 있지만, 본 발명에 따르면 회전력에 감응하여 기전력을 일정하게 하므로, 이러한 우려를 해소할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 기전력 안정화 영구자석 발전기의 측면 단면도이다.
상기 도 5에 도시된 제2 실시예에 따르면, 회전속도계(330) 및 가압원판이동조절부(340)로 원심분리 가동부(300')를 구성하였으며, 제1 실시예에 탄성체(242)를 구비하지 아니한다.
여기서, 상기 회전속도계(330)는 가압원판(241)의 회전 속도(RPM)를 감지하여 회전샤프트(210)의 회전 속도값를 측정한다.
그리고, 상기 가압원판이동조절부(340)는 측정한 회전 속도값에 따라 가압원판(241)을 회전축 방향으로 전진 혹은 후진시킨다. 이를 위해 가압원판(241)의 정면에 베어링(342)을 설치하여 가압원판(241)를 회전가능하게 로드(341)에 연결하고, 상기 가압원판이동조절부(340)가 상기 로드(341)를 회전축 방향으로 밀거나 아니면 당기도록 구성한다.
즉, 상기 가압원판이동조절부(340)는, 회전 속도값이 커지면 상기 로드(341)를 당기고 회전 속도값이 낮아지면 상기 로드(341)를 밀어서, 가압원판(241)을 회전축 방향으로 전진시키거나 아니면 후진시키는 것이며, 상기 로드(341)를 실린더(미도시)의 내부에 이어지게 하여 유압모터(미도시)로 전후진시키는 유압기기, 아니면, 상기 로드(341)를 전후진시킬 수 있는 스테핑모터(stepping motor, 미도시)로 구성될 있으나, 본 발명은 유압기기나 스텝핑모터에 한정되는 것은 아니다.
이와 같이 구성됨에 따라, 본 발명의 제2 실시예는, 동력장치인 가압원판이동조절부(340)를 사용하여 전력을 소모하지만, 탄성체(242) 및 원심분리 가동부(300)로 가압원판(241)을 이동시키는 제1 실시예보다는 정밀한 회전 속도값에 따라 가압원판(241)의 이동량을 정확하게 조절할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기전력 안정화 영구자석 발전기에서, 회전자에 구비된 영구자석을 평면상으로 펼친 도면이다. 상기 도 6에서는, 고정자(110)의 권선을 3상 권선으로 구성하고, 편의상 하나의 3상 쌍(R, S, T)만 도시하였다. 여기서 도 6의 (a)는 회전샤프트(210)의 회전속도가 작은 상태이고 도 6의 (b)는 회전샤프트(210)의 회전속도가 큰 상태이다.
상기 도 6을 참조하면, 복수 개의 일극 영구자석(221)들이 간격(D1)을 두고 제1 자석지지관(222)에 배치되고 아울러 복수 개의 타극 영구자석(231)들이 간격(D1)을 두고 제2 자석지지관(232)에 배치되며, 제2 자석지지관(232)이 이동하기 전에는 일극 영구자석(221)들과 타극 영구자석(231)들이 간격(d1)을 두고 서로 치합된 형태로 맞물려 있다(도 6의 a). 여기서, 영구자석(221, 231)들의 간격(D1)은 영구자석(221, 231)의 밑변 길이와 동일하게 하였다.
그리고, 회전자(200)가 회전하여 일극 영구자석(221)들과 타극 영구자석(231)들이 회전하면, 고정자(110)의 권선(R, S, T)에는 일극 영구자석(221)들과 타극 영구자석(231)들의 전체 자속이 쇄교된다. 이때, 각 권선(R, S, T) 코일이 지나가면서 쇄교되는 자속은 일극 영구자석(221)의 자속이 커지면서 동시에 타극 영구자석(231)의 자속이 감소하거나, 아니면, 영구자석(221)의 자속이 감소하면서 동시에 타극 영구자석(231)의 자속이 감소하게 된다. 또한, 일극 영구자석(221)과 타극 영구자석(231)의 사이에서는 일극 영구자석(221)에 의한 자속이 끝남과 동시에 타극 영구자석(231)에 의한 자속이 쇄교된다.
따라서, 종래에는 자극을 직사각형으로 형성함에 따라 일극에서 타극으로 넘어갈 때에 자속변화가 급변하여 권선(R, S, T)에 유기되는 기전력의 파형이 정현파로 되지 않았으나, 본 발명에 따르면 일극 영구자석(221)에서 타극 영구자석(231)으로 넘어갈 때에 연속적인 자속변화가 이루어져서 유기 기전력의 파형이 정현파에 가깝게 된다. 결국, 본 발명은 종래에 비해 고조파 성분을 최소화할 수 있어서, 고조파 성분에 의한 전력손실을 줄일 수 있다.
또한, 도 6의 (b)는 회전샤프트(210)의 회전속도가 증가하여서 원심분리 회전자(230)가 고정 회전자(220)로부터 멀어진 상태로서, 자극 사이의 간격(d2)이 도 6의 (a)에서 간격(d1) 보다 커지고 이에 따라 타극 영구자석(231)에 의한 쇄교자속이 감소하게 되므로, 유기 기전력이 감소하게 되어 회전속도가 변동하더라도 유기 기전력의 크기를 안정되게 유지할 수 있다. 이때에도, 일극과 타극 사이에 떨어진 부분이 발생할 수 있으나, 코일에 쇄교되는 자속은 일극 영구자속(221)에 의해서 종래에 비해 양호한 파형을 유지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 있어서, 영구자석의 간격을 좁게 형성한 회전자를 평면상으로 펼친 도면이다. 여기서 도 7의 (a)는 회전샤프트(210)의 회전속도가 작은 상태이고 도 7의 (b)는 회전샤프트(210)의 회전속도가 큰 상태이다.
즉, 나사산 형태로 배열되는 일극 영구자석(221) 간의 간격(D2)은 상기 도 6의 실시예에서의 간격(D1)보다 작게 하고, 타극 영구자석(231) 간의 간격(D2)도 동일하게 하여서, 일극 영구자석(221)과 타극 영구자석(231) 간의 간격(d3)을 도 6의 실시예보다 작게 한 것이다.
따라서, 하나의 자극에 의해 코일에 가해지는 자속이 도 6의 실시예보다 더욱 짧게 한 자극 간의 간격(D2)에서만 이루어져서, 도 6의 실시예보다 더욱 안정된 기전력을 공급할 수 있다. 더욱이, 회전속도가 증가하여 도 7의 (b)와 같이 된 상태를 보면, 코일이 일극 영구자석(221)에서 타극 영구자석(232)으로 넘어갈 때에 단절됨 없이 이어지게 한다.
한편, 타극 영구자석(232)의 최대 이동거리는, 최대로 이동하더라도 고정자(110)에 의해 쇄교될 수 있도록 축방향 길이보다 짧게 하였다. 본 발명의 실시예에서는 타극 영구자석(232)의 최대 이동거리를 타극 영구자석(232)의 축방향 길이의 2/3정도로 하였으며, 이와 같은 이동거리는 회전샤프트(210)에 조성되는 가이드공(211)의 길이를 조절하여 이루어진다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에서 탄성체를 회전샤프트(210)의 배면측에 장착할 수 있음을 보여주는 도면이다.
즉, 상기 도 8에 도시된 실시예를 참조하면, 탄성체가 전후진샤프트(240)의 가압원판(241) 측에 장착되는 것이 아니라, 원동기(미도시)가 장착되는 회전샤프트(210)의 배면측 중공(212)에 에 장착된다.
구체적으로, 도 8(a)의 실시예에서 탄성체(242A)는, 회전샤프트(210)의 배면측 중공(212)에 내삽되어 일단을 전후진샤프트(240)의 배면측 끝단에 고정시키고(245) 타단을 회전샤프트(210)의 배면측 끝단에 고정시켜서(250A) 장착되는 것이며, 이때, 상기 탄성체(242A)는 인장형 스프링으로 구성된다.
또한, 도 8(b)의 실시예에서는, 회전샤프트(210)의 배면측 중공(212) 부분을 정면측보다는 직경을 크게 하여 중공(212) 내에서 단턱지게 한 후에 탄성체(242B)를 내삽하여 정면측이 탄턱에 걸리게 하는 형태로 장착된다. 아울러, 전후진샤트프(240)의 배면측 끝단에서 배면 방향으로 연장되는 봉(246)을 형성하고, 상기 봉(246)을 탄성체(242B)에 내삽시킨 후에 상기 봉(246)의 배면측 끝단을 상기 탄성체(242B)의 배면측 끝단에 고정한다(246A, 246B). 이때, 상기 탄성체(242B)는 압축형 스프링으로 구성된다.
즉, 본 발명은, 전후진샤프트(240)가 배면측 방향으로 탄성력을 받도록 구성함에 있어서, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 탄성체(242)를 전후진샤프트(240)의 전방측에 장착할 수도 있으나, 상기 도 8에 도시된 실시예처럼 회전샤프트(210)의 중공(212)에 내삽할 수 있는 탄성체(242A, 242B)를 마련하여 전후진샤프트(240)의 후방측에 장착할 수 있음을 보여준다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
100 : 케이스 110 : 고정자 120 : 정면커버
121 : 원심분리 회전자 수용부 122 : 베어링
123 : 회전축 관통구 124 : 플랜지 125 : 볼트
130 : 뒤판 131 : 베어링 132 : 회전축 관통구
200 : 회전자
210 : 회전샤프트 211 : 가이드공 212 : 중공
213 : 가이드돌기
220 : 고정 회전자 221 : 일극 영구자석 222 : 제1 자석지지관
230 : 원심분리 회전자 231 : 타극 영구자석 232 : 제2 자석지지관
233 : 가이드관 234 : 고정핀 235 : 핀삽입구
236 : 가이드장요홈 240 : 전후진샤프트 241 : 가압원판
242 : 탄성체 243 : 체결너트 244 : 관통구
300 : 원심분리 가동부 310 : 지지대 311 : 원통관
312 : 처짐방지돌기
320 : 원심 회동바 321 : 걸림편 322 : 힌지
330 : 회전속도계 340 : 가압원판이동조절부

Claims (6)

  1. 전기자 권선이 감긴 고정자(110)를 내주면에 구비한 케이스(100)와, 영구자석을 외주면에 구비하며 원동기에 의해 회전하는 회전샤프트(210)에 고정되어 케이스(100)의 내부에 장착되는 회전자(200), 를 포함하여 구성되는 기전력 안정화 영구자석 발전기에 있어서,
    상기 회전자(200)는,
    동일 극성을 갖는 복수 개의 일극 영구자석(221)을 첨두에서 배면 방향으로 갈수록 넓어지게 하고 고정자(110)의 축방향 길이에 맞게 형성한 후에 상기 회전샤프트(210)를 축으로 외주면에 둘레 방향을 따라 배치하여 상기 회전샤프트(210)에 고정시킨 고정 회전자(220); 및
    상기 일극 영구자석(221)과 동일한 형태로 형성하되 상기 일극 영구자석(221)과는 다른 동일 극성을 갖는 복수 개의 타극 영구자석(231)을 첨두가 배면 방향을 향하게 하여 외주면을 따라 둘레 방향으로 고정하여서, 일극 영구자석(221) 및 타극 영구자석(231)이 서로 간격(d)을 두고 치합되게 하고, 상기 회전샤프트(210)에 외삽되는 가이드관(233)를 구비하며, 축방향을 따라 장돌기 형태로 이루어지는 가이드돌기(213)를 상기 회전샤프트(210)의 외주면에 조성하고 축방향을 따라 장요홈 형태로 이루어지는 가이드장요홈(236)을 상기 가이드관(233)의 내주면에 형성하여 상기 가이드돌기(213)가 상기 가이드장요홈(236)에 끼워진 상태로 상기 회전샤프트(210)의 축방향을 따라 가이드되어 전후 이동가능하게 한 원심분리 회전자(230);
    를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 기전력 안정화 영구자석 발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 일극 영구자석(221)과 타극 영구자석(231)은,
    평면상으로 펼친 형태가 이등변삼각형으로 형성되는 것임을 특징으로 하는 기전력 안정화 영구자석 발전기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 회전샤프트(210)의 회전 속도가 클수록 정면 방향으로 이동되게 하는 원심분리 가동부(300, 300')가 정면 끝단에 장착되어서, 상기 회전샤프트(210)의 회전 속도가 커질수록 원심분리 회전자(220)가 고정자(110)의 내부로부터 점차 이탈되게 하는 것임을 특징으로 하는 기전력 안정화 영구자석 발전기.
  4. 제 3항에 있어서,
    축방향을 따라 가이드공(211)을 구비한 중공관 형태로 상기 회전샤프트(210)를 형성하고, 정면측 끝단에 가압원판(241)을 구비한 전후진샤프트(240)를 상기 회전샤프트(210)의 중공(212)에 내삽한 후에, 상기 가이드공(211)을 통해 끼워지는 고정핀(234)으로 상기 원심분리 회전자(230)를 상기 전후진샤프트(240)의 배면측 끝단에 고정하고,
    상기 원심분리 가동부(300, 300')는, 상기 가압원판(241)을 축방향을 따라 전후 이동시키는 것임을 특징으로 하는 기전력 안정화 영구자석 발전기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전후진샤프트(240)는,
    정면측 끝단에 구비된 가압원판(241)을 인장(引張)형의 탄성체(242)로 상기 회전샤프트(210)의 정면측 끝단에 탄지시키거나, 아니면, 배면측 끝단을 상기 회전샤프트(210)의 중공(212)에 내삽되는 인장형 탄성체(242A) 또는 압축형 탄성체(242B)로 배면측 방향으로 탄지시키며,
    상기 원심분리 가동부(300)는,
    상기 회전샤프트(210)의 정면측 외주면에 고정되는 지지대(310)와; 절곡된 바(bar)의 형태로 형성되며, 절곡된 내측면이 회전샤프트(210)의 축방향을 향하게 하고 배면측 끝단을 상기 가압원판(241)의 배면에 걸리게 한 상태에서 절곡 부위를 상기 지지대(310)의 끝단에 힌지(322) 결합한 원심 회동바(320); 를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 기전력 안정화 영구자석 발전기.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 원심분리 가동부(300')는,
    전후진샤프트(240)의 회전 속도(RPM)를 감지하는 회전속도계(330);
    상기 회전속도계(330)에서 감지된 회전 속도에 따라 상기 가압원판(241)을 전후 이동시키는 가압원판이동조절부(340);
    를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 기전력 안정화 영구자석 발전기.
KR1020100022770A 2010-03-15 2010-03-15 기전력 안정화 영구자석 발전기 KR100990160B1 (ko)

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