KR101136817B1 - 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기에 관한 것이다.
영구자석의 흡인력을 최소화하여 발전효율을 향상시키기 위한 본 발명의 실시 예에 따르면, 외력에 의해 회전하는 회전축과, 상기 회전축에 회전중심을 이루도록 수직으로 끼워지며 영구자석이 부착된 회전자와, 상기 회전자의 외측에 평행하도록 위치하며 권선된 코어가 부착된 고정자를 포함하여 구성되는 영구자석 발전기에 있어서, 상기 회전축에는 길이방향으로 가이드키가 형성되고, 상기 회전자에는 상기 가이드키가 삽입되는 가이드홈이 형성되어, 상기 회전자가 회전축의 가이드키를 따라 이동 가능하게 끼워지고, 상기 회전자는 영구자석의 하방 일부분이 코어의 상방 일부분과 마주하도록 위치하되, 상기 회전축의 하부에는 상기 회전자를 탄성 지지하는 탄성부재가 구비되어져, 상기 회전축의 회전량에 따라 상기 회전자가 이동하면서 상기 영구자석과 코어의 마주하는 평행면이 가변되는 것을 기술적 요지로 한다.
상기와 같이 구성되고 작용하는 본 발명은, 영구자석과 코어의 일부분만이 마주하도록 하여 상기 영구자석의 흡인력을 최소화할 수 있으며, 일정 회전력 이하의 약한 외력으로도 회전자를 회전시킬 수 있게 되므로 발전 효율이 향상되는 장점이 있다.

Description

이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기{PERMANENT MAGNET GENERATOR USING MOVING TYPE ROTOR}

본 발명은 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전력에 따라 회전자가 유동되도록 하여 흡인력에 의한 브레이크 현상을 최소화시켜 발전효율을 향상시키는 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 영구자석 발전기라 함은 영구자석을 써서 필요한 자기력선속을 얻는 발전기를 말하는 것으로, 회전자에는 영구자석이 부착되고 고정자에는 권선된 코어가 부착되는데, 상기 회전자를 기계적 힘을 이용하여 회전시킴으로써 상기 고정자의 코일에 유기 기전력을 발생시켜 전력을 생산하게 된다.

이러한 영구자석 발전기는 타 방식의 발전기에 비해서 효율이 높고 소형화가 가능하다는 이점을 제공하였다.

상기와 같은 기존의 영구자석 발전기는 회전력이 작은 곳에서 발전을 할 경우, 발전기의 회전축을 체인이나 기아 등 동력전달장치에 종속시켜 발전시키거나 전자석을 이용해 외부 전원으로 자력을 발생시켜 발전하였다.

하지만 이 경우, 동력전달장치에 동력을 전달하거나 전자석에 자력을 발생시키기 위해 외부의 전력을 소모하게 되므로 발전량에 비하여 효율성이 떨어지는 문제점이 있었다.

따라서 발전기의 전압을 증가시키기 위해서는 전압공식 V=4.44fNΦ[V]에서 주파수(f)를 높이던지, 권선수(N)를 높이던지, 자속(Φ)을 높이던지 해야 한다. 그러나 위와 같은 경우로 인해서 발전을 위한 회전수가 작으면 주파수(f)가 작아져서 권선수(N)나 자속(Φ)을 높여야 하는데, 권선수(N)가 많아지면 저항이나 리액턴스가 커져서 전압 강하가 많아지므로, 결국 자속(Φ)을 크게 해야만 한다.

이러한 이유로 자속을 크게 즉, 발생 자속을 키우려면, 휘토류 자석을 사용하더라도 자석의 크기가 커져야만 하는데, 이처럼 자석이 커지게 되면 그 자석을 취급하는데 어려움이 발생하게 된다. 즉, 자석을 자화시키는 에너지가 커져야 하며 서로의 인력(흡인력)으로 인해서 회전자에 부착하는 작업이 상당히 힘들게 되고, 분리시에도 상당한 힘을 필요로 하게 되므로, 결과적으로 발전기 제작 공정시 등간격을 유지하기가 어려운 난제가 발생하게 된다.

특히 풍력과 같은 자연의 바람을 이용하여 전력을 생산하는 풍력발전기의 경우, 풍속이 약할 때에는 회전자에 부착된 영구자석이 고정자의 코어를 강하게 흡인하여 브레이크 현상으로 인해 상기 회전자가 전혀 회전하지 않거나 미약하게 회전하게 되므로, 일정 풍속 이하의 약한 바람에서는 전력을 생산할 수 없게 되는 문제점이 있었다.

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 회전자의 회전력을 저하시키는 영구자석의 흡인력을 최소화하여 발전효율을 향상시킬 수 있도록 하는 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기를 제공하는 것이다.

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외력에 의해 회전하는 회전축과, 상기 회전축에 회전중심을 이루도록 수직으로 끼워지며 영구자석이 부착된 회전자와, 상기 회전자의 외측에 평행하도록 위치하며 권선된 코어가 부착된 고정자를 포함하여 구성되는 영구자석 발전기에 있어서, 상기 회전축에는 길이방향으로 가이드키가 형성되고, 상기 회전자에는 상기 가이드키가 삽입되는 가이드홈이 형성되어, 상기 회전자가 회전축의 가이드키를 따라 이동 가능하게 끼워지고, 상기 회전자는 영구자석의 하방 일부분이 코어의 상방 일부분과 마주하도록 위치하되, 상기 회전축의 하부에는 상기 회전자를 탄성 지지하는 탄성부재가 구비되어져, 상기 회전축의 회전량에 따라 상기 회전자가 이동하면서 상기 영구자석과 코어의 마주하는 평행면이 가변되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시 예에 따르면, 상기 회전축의 상부에는 상기 회전자의 상방 이동을 제한하는 걸림턱이 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시 예에 따르면, 상기 회전축과 탄성부재 사이에는 상기 회전자의 회전을 용이하게 하는 판베어링이 구비되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시 예에 따르면, 상기 탄성부재는 일정한 탄성력을 가지는 스프링으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시 예에 따르면, 상기 탄성부재는, 공기압에 의해 길이가 가변되는 공기압실린더와, 상기 공기압실린더 내의 공기압을 조절하는 전자밸브와, 상기 전자밸브를 통해 흡입 및 흡출되는 공기가 저장되는 공기압탱크와, 권선을 통해 유기되는 전류량을 측정하는 변류기와, 상기 변류기에 유기되는 전류의 크기에 따라 상기 전자밸브의 ON/OFF를 제어하는 제어기를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 구성되고 작용하는 본 발명은, 영구자석과 코어의 일부분만이 마주하도록 하여 상기 영구자석의 흡인력을 최소화할 수 있으며, 일정 회전력 이하의 약한 외력으로도 회전자를 회전시킬 수 있게 되므로 발전 효율이 향상되는 장점이 있다.

또한, 일정 회전력 이상으로 회전속도가 증가하고 발전기의 부하가 증가하게 되면, 영구자석과 권선에서 발생하는 자력과 전자력의 상호 흡인에 의해 회전자가 하방으로 이동하면서 영구자석과 코어의 평행면이 최대가 되므로 발전 용량 또한 최대로 자동 조절되는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기의 내부단면도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기의 내부측면도.
도 3은 본 발명의 작동 실시 예에 따른 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기의 내부측면도.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 작동 원리를 도시하는 개념도.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기의 내부측면도.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 보다 상세히 설명하도록 한다. 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부된 도면에 의거한 다음의 바람직한 실시 예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

또한, 하기 설명에서 구체적인 회로의 구성소자 등과 같은 특정 사항들 없이도, 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기의 내부단면도이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기의 내부측면도이다.

도 3은 본 발명의 작동 실시 예에 따른 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기의 내부측면도이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 작동 원리를 도시하는 개념도이다.

첨부된 도면을 참조한 본 발명은 크게, 외력에 의해 회전하는 회전축(200)과, 상기 회전축(200)에 회전중심을 이루도록 수직으로 끼워지며 영구자석(440)이 부착된 회전자(400)와, 상기 회전자(400)의 외측에 평행하도록 위치하며 권선(640)된 코어(620)가 부착된 고정자(600)를 포함하여 구성되는데, 이러한 일반적인 구성은 해당 기술분야에서 자명한 것에 해당하므로 상세한 설명은 생략하고, 하기에서는 본 발명의 특징적인 구성에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 상기 회전축(200)에는 길이방향으로 가이드키(220)가 형성되고, 상기 회전자(400)에는 상기 가이드키(220)가 삽입되는 가이드홈(420)이 형성되는 것이 바람직한데, 이러한 구조로 인해 상기 회전자(400)가 회전축(200)의 가이드키(220)를 따라 이동 가능하게 끼워지게 된다.

그리고 상기 회전자(400)는 영구자석(440)의 하방 일부분이 코어(620)의 상방 일부분과 마주하도록 위치하게 되는데, 이때 상기 회전축(200)의 하부에는 상기 회전자(200)를 탄성 지지하는 탄성부재가 구비되는 것이 바람직하다.

이와 같은 구조의 본 발명은 영구자석(440)과 코어(620)의 평행하는 면이 일부분만 마주하게 되어 상기 영구자석(440)의 흡인력을 최소화할 수 있게 되므로, 일정 회전력 이하의 약한 외력에서도 회전자(400)가 회전되도록 하여 발전 효율이 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 상기 회전축(200)의 회전량에 따라 상기 회전자(400)가 이동하면서 상기 영구자석(440)과 코어(620)의 마주하는 평행면이 가변되는데, 도 3을 참조하면 알 수 있듯이 회전축(200)의 회전량이 증가하게 되면 상기 회전자(400)가 하방으로 이동하면서 영구자석(440)과 코어(620)의 평행면이 최대가 되어 발전 용량 또한 최대로 자동 조절되는 것이다.

즉, 일정 회전력 이상으로 회전속도가 증가하게 되면 발전기의 부하도 증가하게 되는데, 도 4를 참조하면 알 수 있듯이 영구자석(440)과 권선(640)에서 발생하는 자력과 전자력의 상호 흡인에 의해 회전자(400)가 하방으로 이동하면서 영구자석(440)과 권선(640)된 코어(620)의 평행면도 증가하여 유기되는 전류도 점점 증가하게 되는 것이다.

여기서 상기 회전축(200)의 상부에는 상기 회전자(400)의 상방 이동을 제한하는 걸림턱(300)이 형성되는 것이 바람직하며, 상기 걸림턱(300)을 통해 영구자석(440)과 코어(620)의 마주하는 최소 평행면을 주변환경에 따라 적절히 조절할 수 있게 된다. 즉, 일정 전압 이상의 발전을 원할 경우에는 상기 영구자석(440)과 코어(620)의 평행면을 증가시켜 원하는 크기의 발전을 수행할 수 있게 되는 것이다.

그리고 상기 회전축(200)과 탄성부재 사이에는 상기 회전자(400)의 회전을 용이하게 하는 판베어링(500)이 구비되는 것이 바람직한데, 상기 회전자(400)는 판베어링(500)을 통해 상기 탄성부재와 직접 접촉되지 않고 회전하게 되므로 회전자()의 회전에 의해 탄성부재가 손상되는 것을 방지할 수 있게 된다.

첨부된 도 2,3에서는 상기 탄성부재가 스프링(800)으로 이루어지는데, 이때 상기 스프링(800)은 회전축(200)이 회전하지 않을 때에는 회전자(400)를 원래의 위치, 즉 회전자(400)가 걸림턱(300)에 걸리는 위치로 밀어낼 수 있도록 충분한 탄성력을 가져야 한다. 여기서 상기 탄성부재는 스프링(800)에 한정되지 않으며, 일정한 탄성력을 가지면서 본 발명의 구성에 적용될 수 있는 것이라면 어느 것이든 무방하다.

이러한 탄성부재의 다른 실시 예를 살펴보면 첨부된 도 5의 구성과 같다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기의 내부측면도이다.

도 5를 참조한 탄성부재는, 공기압에 의해 길이가 가변되는 공기압실린더(920)와, 상기 공기압실린더(920) 내의 공기압을 조절하는 전자밸브(950,960)와, 상기 전자밸브(950,960)를 통해 흡입 및 흡출되는 공기가 저장되는 공기압탱크(940)와, 권선(640)을 통해 유기되는 전류량을 측정하는 변류기(970)와, 상기 변류기(970)에 유기되는 전류의 크기에 따라 상기 전자밸브(950,960)의 ON/OFF를 제어하는 제어기(980)를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 구성의 탄성부재는, 권선(640)을 통해 전류가 유기되면 변류기(970)를 통해 전류량을 측정하게 되는데, 이때 제어기(980)에서는 측정된 전류량의 크기에 따라 도시된 상승 전자밸브(950) 또는 하강 전자밸브(960)를 제어하여 공기압실린더(920) 내의 공기압을 조절하게 된다.

특히 상기 제어기(980)를 통해 공기압실린더(920)가 가변되는 길이를 언제든지 제어할 수 있기 때문에 필요한 크기의 전압을 손쉽게 조절하여 전력을 생산할 수 있게 된다.

그리고 도시하고 있지는 않으나, 상기 영구자석과 권선된 코어는 그 위치가 서로 바뀌어, 고정자에 영구자석이 부착되고 회전자에 권선된 코어가 부착될 수 있음은 물론이며, 이러한 구성 역시 상술한 바와 같은 동일한 효과를 가지게 된다.

전술한 내용은 후술할 발명의 청구범위를 더욱 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 특징과 기술적 장점을 다소 폭넓게 상술하였다. 상술한 본 발명의 개념과 특정 실시 예는 본 발명과 유사 목적을 수행하기 위한 다른 형상의 설계나 수정의 기본으로서 즉시 사용될 수 있음이 해당 기술분야의 숙련된 사람들에 의해 인식되어야 한다.

또한 상기에서 기술된 실시 예는 본 발명에 따른 하나의 실시 예일 뿐이며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상의 범위에서 다양한 수정 및 변경이 가능할 것이다. 이러한 다양한 수정 및 변경 또한 본 발명의 기술적 사상의 범위 내라면 하기에서 기술되는 본 발명의 청구범위에 속한다 할 것이다.

200: 회전축 220: 가이드키
300: 걸림턱 400: 회전자
420: 가이드홈 440: 영구자석
500: 판베어링 600: 고정자
620: 코어 640: 권선
800: 스프링 920: 공기압실린더
950: 상승 전자밸브 960: 하강 전자밸브
970: 변류기 980: 제어기

Claims (5)

1. 외력에 의해 회전하는 회전축과, 상기 회전축에 회전중심을 이루도록 수직으로 끼워지며 영구자석이 부착된 회전자와, 상기 회전자의 외측에 평행하도록 위치하며 권선된 코어가 부착된 고정자를 포함하여 구성되는 영구자석 발전기에 있어서,
   상기 회전축에는 길이방향으로 가이드키가 형성되고, 상기 회전자에는 상기 가이드키가 삽입되는 가이드홈이 형성되어, 상기 회전자가 회전축의 가이드키를 따라 이동 가능하게 끼워지고,
   상기 회전자는 영구자석의 하방 일부분이 코어의 상방 일부분과 마주하도록 위치하되, 상기 회전축의 하부에는 상기 회전자를 탄성 지지하는 탄성부재가 구비되되
   상기 탄성부재는,
   공기압에 의해 길이가 가변되는 공기압실린더와,
   상기 공기압실린더 내의 공기압을 조절하는 전자밸브와,
   상기 전자밸브를 통해 흡입 및 흡출되는 공기가 저장되는 공기압탱크와,
   권선을 통해 유기되는 전류량을 측정하는 변류기와,
   상기 변류기에 유기되는 전류의 크기에 따라 상기 전자밸브의 ON/OFF를 제어하는 제어기를 포함하여 구성되어,
   상기 회전축의 회전량에 따라 상기 회전자가 이동하면서 상기 영구자석과 코어의 마주하는 평행면이 가변되는 것을 특징으로 하는 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 회전축의 상부에는 상기 회전자의 상방 이동을 제한하는 걸림턱이 형성되는 것을 특징으로 하는 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 회전축과 탄성부재 사이에는 상기 회전자의 회전을 용이하게 하는 판베어링이 구비되는 것을 특징으로 하는 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 탄성부재는 일정한 탄성력을 가지는 스프링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이동식 회전자가 구비된 영구자석 발전기.
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