KR101106719B1

KR101106719B1 - 영구자석을 이용한 발전기

Info

Publication number: KR101106719B1
Application number: KR1020100030898A
Authority: KR
Inventors: 양성식
Original assignee: 천복기계 (주)
Priority date: 2010-04-05
Filing date: 2010-04-05
Publication date: 2012-01-18
Also published as: KR20110111695A

Abstract

본 발명의 목적은 대형 발전기나 전동기를 간단하게 생산할 수 있게 함은 물론, 대형 발전기에서도 자속을 간단하게 조정할 수 있게 하여 출력을 조정할 수 있게 한 영구자석을 이용한 발전기를 제공함에 있다. 이러한 본 발명은 회전자와 고정자를 포함하여 구성되고, 상기 회전자에 설치되는 자석들을 적어도 2개 이상을 적층 구성하여 된 것을 특징으로 한다.

Description

영구자석을 이용한 발전기{Generator utilizing permanent magnets}

본 발명은 영구자석을 이용한 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대형 발전기나 전동기를 간단하게 생산할 수 있게 함은 물론 대형 발전기에서도 자속을 쉽게 조정할 수 있게 하여 출력을 조정할 수 있게 한 영구자석을 이용한 발전기에 관한 것이다.

발전기의 전압을 발생시키는 것은, 자속은 일정히 하여 놓고 자석에 의한 극수가 변화하지 않는다는 가정 하에서 극수와 자석수를 같게 하던지 극수의 1/2만큼 자석수를 줄여서 극수를 만들어서 사용하였고 상당 권회수 즉, 슬롯(slot)당 권회수를 변화시켜 발생전압을 조정하여 발전기 또는 전동기의 출력을 조정하였다. 이를 첨부된 도 1과 도 2를 참조하여 더 자세히 설명한다.

도 1은 자극수와 영구자석 개수를 같이하여 만든 종래의 표준 90극 발전기의 고정자와 회전자의 결합상태를 나타낸 도면이고, 도 2는 자극수가 영구자석 개수의 2배로 하여 만든 90극의 발전기의 고정자와 회전자의 결합상태를 나타낸 도면이다.

도 1과 도 2에는 환형의 고정자(10)가 도시되어 있다. 이 고정자(10)는 내측면을 따라 일정 간격으로 형성된 권선슬롯(12)들을 구비하는 환형의 고정자철심(11)을 구비한다. 권선슬롯(12)에는 코일(14)이 설치되어 있다. 이 코일(14)에서 ⓧ가 된 것은 코일(14)에 전류가 흘러 들어가는 것을, ⊙는 코일(14)에 전류가 흘러 나오는 것을 나타낸다. 이 권선슬롯(12)들 사이 코일이 감기는 부분(16)은 전류의 흐름에 따라 N극과 S극이 교대로 바뀐다.

고정자(10) 내측으로 회전자(20)가 설치되어 있다. 이 회전자(20)는 영구자석(21)을 끼우기 위한 90개의 자석슬롯(22)들이 형성되어 있는 회전자 철심(23)을 구비하고, 자석슬롯(22)들에는 영구자석(21)들이 각각 삽입되어 있다. 영구자석(21)은 도 1에 나타낸 바와 같이 고정자(10)의 극수와 동일하게 90개가 전체 자석슬롯(22)에 장착되어 다극 저속회전 영구자석 발전기를 구성할 수 있다. 이 경우 권선슬롯(12)의 수, 자석슬롯(22)의 수 및 영구자석(21)의 수는 모두 90개가 각각 표준개수이다.

경우에 따라 도 2에 나타낸 바와 같이 자석슬롯(22) 1개씩을 교대로 비워두고 총 45개의 영구자석(21)을 각각 설치하여 다극 저속회전 영구자석 발전기를 구성할 수 있다. 이 경우 권선슬롯(12)의 수와 자석슬롯(22)의 수는 90개가 표준개수이고, 영구자석(21) 수는 45개가 표준개수이다.

이러한 것은 회전자를 회전시켜 발전하느냐, 아니면 전원을 공급하여 회전자를 회전시키느냐의 차이만 있을 뿐, 전동기에서도 회전자와 고정자의 배치 구조는 도 1과 도 2에 나타낸 바와 같다.

도 1과 도 2에 나타낸 바와 같은 종래의 다극 저속회전 영구자석 발전기 또는 전동기에서 출력을 조정하기 위해서는 슬롯(slot)당 권회수를 변화시켜 출력을 조정하였다. 즉, 자석의 개수에 변화를 주어 출력을 조정하게 되는데, 이는 소형 발전기에서나 가능하다. 즉, 대형 발전기에서는 자석의 개수를 조정하기 어렵다.

특히, 대형 영구자석 발전기의 생산을 위해서는 에너지가 큰 자석을 사용하여야 하는데, 자석 상호간의 흡인력 및 반발력으로 인하여 자극 구성이 어려웠다. 즉, 자극 사이의 흡인력이나 반발력이 크게 되어 자석의 부착 및 분리시 상당히 큰 힘을 필요로 함으로서 자속의 조정은 어렵다는 문제가 있다.

결과적으로 대형 발전기나 전동기에서는 자극 구성이 어려워 자속의 조정은 현실적으로 불가능하며, 출력 세기의 조정은 더욱 힘들다고 하는 문제가 있다.

본 발명의 목적은 대형 발전기나 전동기를 간단하게 생산할 수 있게 함은 물론, 대형 발전기에서도 자속을 간단하게 조정할 수 있게 하여 출력을 조정할 수 있게 한 영구자석을 이용한 발전기를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 원주방향을 따라 일정 각도 간격으로 자석슬롯들이 형성되어 있는 회전자철심과 상기 회전자철심의 원주방향을 따라 N극과 S극의 자극을 교대로 형성할 수 있게 상기 자석슬롯들에 삽입되는 영구자석들을 구비하여 구성된 다극 저속회전 영구자석의 회전자; 및 상기 회전자와 대향 배치되고 원주방향을 따라 일정 각도 간격으로 권선슬롯들이 형성된 고정자철심과 상기 권선슬롯에 장착된 다상 고정자 권선을 가지는 고정자를 포함하여 구성되고, 상기 자석슬롯들에 삽입 설치되는 영구자석은 적어도 2개 이상을 적층하여 구성되고, 그 적층된 상태로 각 자석슬롯에 삽입 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 자석슬롯들에 삽입 설치되는 적층된 영구자석은 회전자의 축 방향을 따라 다열을 이루게 설치된 것을 특징으로 한다.

상기 자석슬롯들과 상기 권선슬롯은 같은 개수의 표준 개수로 형성되고, 상기 자석슬롯에 적층된 상태로 삽입 설치되는 영구자석의 적층개수를 조정함으로서 출력이 조정되도록 한 것을 특징으로 한다.

상기 발전기의 출력을 줄이기 위하여 원주방향을 따라 균등 각도로 배치되는 자석슬롯들에서 영구자석을 제거하되, 상기 제거되는 영구자석은 적층된 영구자석 중 하측에 위치하는 영구자석만을 제거하고, 그 제거된 공간에는 비철금속이나 충진재를 삽입 설치하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 자석슬롯들에서 제거되는 영구자석은 적층된 영구자석 중에서 하층의 영구자석을 1개씩 교대로 제거하여, 하층 전제 자석 중 1/2만을 제거한 것을 특징으로 한다.

상기 회전자와 고정자를 내장하기 위한 외부 케이싱과 상기 외부 케이싱의 외측에서 상기 회전자를 회전시킬 수 있게 상기 회전자의 축에 설치하여 상기 회전자를 회전시키도록 한 회전 손잡이 및 상기 회전 손잡이를 회전시킴에 의해 발생되는 전기를 축전할 수 있게 상기 외부케이싱에 내장되는 축전지를 더 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 영구자석을 적층하여 각 슬롯에 적층된 상태로 삽입 설치함으로 대형 발전기의 생산이 가능한 효과가 있다. 또한, 적층된 영구자석에서 하층의 자석을 교대로 제거함에 의해 대형 발전기에서도 쉽게 자속을 조정할 수 있어 출력을 조정할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 자극수와 영구자석 개수를 같이하여 만든 종래의 표준 90극 발전기의 고정자와 회전자의 결합상태를 나타낸 도면이고,
도 2는 자극수가 영구자석 개수의 2배로 하여 만든 90극의 발전기의 고정자와 회전자의 결합상태를 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 90극 발전기의 고정자와 회전자의 결합상태를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 3표시의 발전기에서 출력을 줄이기 위한 변형예를 나타낸 도면임.
도 5는 도 3 또는 도 4표시의 발전기의 구조를 나타낸 측단면도이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 90극 발전기의 고정자와 회전자의 결합 상태를 나타낸 도면이고,
도 7은 도 6표시의 발전기에서 출력을 줄이기 위한 변형예를 나타낸 도면이고,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전기의 구조를 나타낸 측단면도이고,
도 9는 본 발명에 따른 발전기의 적용된 예를 나타낸 도면이고,
도 10은 도 9표시를 측면에서 보아 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.

본 발명은 주로 다극 저속의 영구자석 발전기 또는 전동기를 대용량으로 생산할 경우 적용한다.

이러한 본 발명은 각각의 자석슬롯들에 삽입 설치되는 영구자석을 적어도 2개 이상을 적층하여 구성하고, 그 적층된 상태로 각 자석슬롯에 삽입 설치하여 대형 영구자석 발전기를 생산하는 발명이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 90극 발전기의 회전자(120)에 설치된 영구자석(121a,121b,121c)들을 3층으로 적층하여 구성하고, 3층으로 적층하여 구성된 상태 그대로 각각의 자석슬롯(122)에 삽입 설치하여 대형 영구자석 발전기를 만든다. 즉, 하나의 자석슬롯(122)에 3층으로 적층된 영구자석(121a,121b,121c)을 삽입 설치하여 구성된다. 고정자(110)는 종래 기술과 동일하다.

대형 발전기의 힘이나 출력 조정을 위하여 회전자(120)의 동적균형이 허용하는 범위 내에서 적층된 자석수를 조정할 수 있다. 즉, 자석슬롯(122)에 적층된 상태로 삽입 설치되는 영구자석(121a,121b,121c)의 적층개수를 조정함으로서 출력을 조정한다.

이 경우 자석슬롯(122)과 권선슬롯(112)은 같은 개수의 표준 개수로 형성하고, 자석슬롯(122)에 삽입 설치되는 영구자석의 적층된 개수를 달리함으로서 출력을 조정한다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 원주방향을 따라 균등 각도로 배치되는 자석슬롯(122)들에서 영구자석(121a,121b,121c)을 제거하되, 상기 제거되는 영구자석은 적층된 영구자석 중 하측에 위치하는 영구자석만을 제거한다. 즉, 적층된 영구자석 중에서 하층의 영구자석을 1개씩 교대로 제거하여, 즉 하층 전제 자석 중 1/2만을 제거하여 출력을 조정한다.

따라서, 회전자(120)의 자석슬롯(122)들에는 영구자석은 항상 삽입 설치되어 있는 상태가 된다. 즉, 제거되는 영구자석은 적층된 자석 중에서 하층의 자석만이 제거됨에 의해 회전자(120)와 고정자(110)의 극수는 그대로 유지된다.

또한, 하층의 영구자석이 제거된 공간에는 비철금속이나 충진재를 삽입 설치하여 발전기 회전시 흔들림을 막는다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 적층된 자석에서 하층의 자석을 제거하여 자석슬롯에 삽입 설치하기 위해서는 자극철심을 넣은 후 그 사이에 적층된 자석을 끼워서 밀어 넣고, 스큐링으로 자기저항을 균일하도록 스큐시킨 후 고정한다.

도면 부호 (124)는 자극 고정볼트를 나타낸 것이다. 이 자극 고정볼트(124)는 자극 고정볼트 구멍(125)(도 3참조)에 결합된다. 또한, 도면부호(126)는 스큐링을 나타낸 것이고, 도면 부호(123)는 회전자(120)를 회전시키기 위한 축을 나타낸 것이다.

도 6에 나타낸 바와 같이, 하나의 자석슬롯(122)에 적층 설치되는 영구자석(121a,121b)은 2층으로 적층하여 자석슬롯(122)에 삽입 설치할 수도 있다.

본 발명은 설계에 따라 대형 발전기나 전동기를 만들기 위하여 여러 층의 자석을 구성한 발명이다.

도 7에 나타낸 바와 같이, 2층으로 적층된 영구자석 중에서 하층의 자석만을 제거하여 출력을 조절할 수 있다. 각 자석슬롯(122)에 2층으로 적층되어 삽입 설치되는 영구자석 중에서 하층의 영구자석을 1개씩 교대로 제거하여, 즉 하층 전제 자석 중 1/2만을 제거하여 출력을 조정한다.

도 8에 나타낸 바와 같이, 원주방향으로 자석만으로 필요 자속이 얻어지지 않을 때에는 회전자의 축 방향으로 적층된 영구자석 수를 늘려서 필요 자속을 얻을 수 있다. 즉, 상기 자석슬롯(122)들에 삽입 설치되는 적층된 영구자석을 회전자의 축 방향을 따라 다열(a1,a2,a3)을 이루게 설치할 수 있다. 이 경우 대형 영구자석 발전기의 생산이 가능하다.

도 9와 도 10에 나타낸 바와 같이, 상기 회전자(120)와 고정자(110)는 외부 케이싱(202)에 내장되고, 상기 외부 케이싱(202)의 외측에서 상기 회전자(120)를 회전시킬 수 있게 상기 회전자(120)의 축(123)에 회전 손잡이(204)를 설치하여 상기 회전자(120)를 회전시키도록 함에 의해 전기를 발생시킬 수 있게 한다. 이때, 발생되는 전기를 축전하기 위한 축전지(206)를 외부 케이싱(202)에 내장되게 설치하여, 이동을 편리하게 함으로 장소에 구애받지 않고 전기를 생산하여 축전한 상태로 사용할 수 있다.

110 - 고정자 120 - 회전자
121a,121b,121c - 영구자석 122 - 자석슬롯

Claims

원주방향을 따라 일정 각도 간격으로 자석슬롯들이 형성되어 있는 회전자철심과 상기 회전자철심의 원주방향을 따라 N극과 S극의 자극을 교대로 형성할 수 있게 상기 자석슬롯들에 삽입되는 영구자석들을 구비하여 구성된 다극 저속회전 영구자석의 회전자; 및 상기 회전자와 대향 배치되고 원주방향을 따라 일정 각도 간격으로 권선슬롯들이 형성된 고정자철심과 상기 권선슬롯에 장착된 다상 고정자 권선을 가지는 고정자로 이루어진 영구자석을 이용한 발전기에 있어서,
상기 자석슬롯들에 삽입 설치되는 영구자석은 적어도 2개 이상을 적층하여 구성됨과 아울러 그 적층된 상태로 각 자석슬롯에 삽입 설치되어 구성되고,
적층된 영구자석이 자석슬롯들에 삽입되어 구성되는 회전자와 상기 고정자를 내장하기 위한 외부 케이싱;
상기 외부 케이싱의 외측에서 상기 회전자를 회전시킬 수 있게 상기 회전자의 축에 설치하여 상기 회전자를 회전시키도록 한 회전 손잡이; 및
상기 회전 손잡이를 회전시킴에 의해 발생되는 전기를 축전할 수 있게 상기 외부케이싱에 내장되는 축전지를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 발전기.
제1항에 있어서, 상기 자석슬롯들에 삽입 설치되는 적층된 영구자석은 회전자의 축 방향을 따라 다열을 이루게 설치된 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 발전기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자석슬롯들과 상기 권선슬롯은 같은 개수의 표준 개수로 형성되고,
상기 자석슬롯에 적층된 상태로 삽입 설치되는 영구자석의 적층개수를 조정함으로서 출력이 조정되도록 한 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 발전기.
제3항에 있어서, 상기 영구자석의 적층개수를 조정하여 출력을 줄일 수 있도록, 원주방향을 따라 균등 각도로 배치되는 자석슬롯들에서 영구자석을 제거하되, 제거되는 영구자석은 적층된 영구자석 중 하측에 위치하는 영구자석만을 제거하고, 그 제거된 공간에는 비철금속이나 충진재를 삽입 설치하여 구성된 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 발전기.
제4항에 있어서, 상기 자석슬롯들에서 제거되는 영구자석은 적층된 영구자석 중에서 하층의 영구자석을 1개씩 교대로 제거하여, 하층 전제 자석 중 1/2만을 제거한 것을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 발전기.
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