KR101284482B1 - 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전기에 관한 것으로서, 고정자와 회전자에 포함되는 영구자석이 각각 대응되도록 배치되며, 영구자석의 극성이 반대가 되도록 층별로 배치됨에 따라 영구자석 간에 인력과 척력이 동시에 작용하도록 하여, 발전장치 내의 자속저항이 감소되고, 발전 출력보다 적은 힘으로도 발전장치가 동작함에 따라 발전 효율이 향상되는 효과가 있다.

Description

발전기{Generator}

본 발명은 발전기에 관한 것으로서, 특히 자석의 척력과 인력을 이용하여 자속 저항을 최소화하여 발전 효율을 증가시키는 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 발전기(generator)라 함은 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 장치로서 전자기 유도작용을 이용하여 기전력을 발생시키게 되는데, 이러한 자기장을 만들기 위해서는 강력한 자성체와 기전력을 발생시키는 도전체를 포함하여 구성된다.

이러한 발전기는 자성체로 전자코일이 주로 사용되고 있으나, 소형 발전기에서는 자성체로써 영구자석을 사용한다.

종래의 발전기는 케이스의 내부에 동심원의 영구자석이 배열된 원통형상의 회전자가 내장되어 있고 회전자의 주위에는 금속코일이 감긴 고정자가 회전자의 영구자석과 소정의 간격을 두고 케이스 내주면에 장착되어 커버로 폐쇄되도록 구성된다.

이러한 발전기는 동력원에 의해 회전자가 회전하면 그 외주면에 부착된 영구자석의 N극과 S극이 도전체에 교류의 양과 음의 변화를 주어 기전력을 발생시키게 되므로 전기에너지를 얻게 된다.

그러나, 자력에 의해 회전을 방해하는 힘이 작용하게 되므로, 자력에 의한 저항력으로, 발전 효율이 저하되는 문제가 있다.
그 예로서, 국내특허등록번호 554218호인 “회전력을 이용한 에너지 변환기”는, 영구 자석으로 이루어진 회전자와 자석 배열, 그리고 원통형으로 이루어진 발열 금속 등으로 구성되어 있다.
그러나, 이러한 종래의 장치들은 영구자석으로 이루어진 회전자를 구동시키는데 입력 에너지가 많이 필요하다는 문제점을 가지고 있다. 자속의 이동을 방해하는 힘이 강하게 작용하기 때문에 전력의 생산에 있어 문제점을 갖는다.

본 발명의 목적은 자력을 이용한 발전 시, 자석 간 작용하는 인력과 척력을 이용하여 발전기 내의 자속 저항을 감소시킴으로써 효율적인 발전이 가능한 발전기를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 발전기는 복수의 영구자석을 포함하는 회전자; 상기 회전자에 구비된 영구자석에 대응하는 위치에 영구자석과 코일이 교대로 배치되는 고정자;를 포함하는 발전장치; 상기 발전장치에 연결되어 회전력을 전달하는 모터; 및 상기 모터를 제어하여 상기 발전장치 내의 상기 회전자를 동작시키는 제어부를 포함하고, 상기 고정자는 제 1 층에 상기 영구자석이 배치되고, 제 2 층에 상기 코일이 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전자는 복수의 영구자석이 환형으로 배치된 제 1 회전판; 및 상기 제 1 회전판과 동일한 위치에 상이한 극성을 갖도록 영구자석이 배치된 제 2 회전판을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 발전기는 자속저항을 최소화하여 동작하므로, 작은 힘으로도 회전자가 회전 동작하게 되므로 자속저항으로 인한 손실이 감소되고, 발전 효율이 크게 향상되는 효과가 있다.

또한, 영구자석이 코일과 분리되어 위치하므로 영구자석을 오랜시간 사용할 수 있으므로 유지 보수에 따른 관리의 편의성이 향상되는 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 발전기의 구성이 도시된 블록도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기의 동작 원리를 설명하는데 참조되는 도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기 중 발전장치의 내부 구성이 도시된 단면도이다.
도 4 은 본 발명의 발전장치의 내부 구성이 도시된 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 발전장치의 동작에 따른 원리를 설명하는데 참조되는 도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

도 1 은 본 발명의 일실시예에 따른 발전기의 구성이 도시된 블록도이다.

도 1을 참조하면, 발전기는 발전장치(30), 모터(20), 스위치(40), 외부전원(50) 그리고 발전기 동작 전반을 제어하는 제어부(10)를 포함한다.

또한, 발전기는 축전지(70) 또는 부하(60)에 연결될 수 있다.

발전장치(30)는 회전자와 고정자를 포함하여 모터(20)에 의해 회전자가 회전 동작함에 따라 고정자에 형성된 코일의 유도전기가 발생함에 따라 일정 크기의 전력을 생산한다.

모터(20)는 발전장치(30)에 회전력을 제공한다. 모터(20)는 외부전원(50)으로부터 전원을 공급받아 동작하며, 또한, 발전장치(30)로부터 생성된 전원을 공급받아 동작한다.

스위치(40)는 모터(20)로 공급되는 전원을 스위칭한다.

스위치(40)는 외부전원(50)에 연결되어, 제어부(10)의 제어명령에 따라 스위칭 됨에 따라 모터(20)로 외부전원(50)이 공급되도록 한다.

제어부(10)는 발전기 구동 시, 초기 외부전원(50)이 모터(20)로 공급되도록 스위치(40)를 제어하고, 모터(20)의 동작에 의해 발전장치(30)가 구동된다.

부하(60)는 발전기에 연결되어 발전장치(30)로부터 생성되는 전원을 동작전원으로써 공급받아 동작하는 기기로써, 가전기기, 설비기기 등의 전기를 동작원으로 하는 기기가 포함된다.

축전지(70)는 발전장치(30)로부터 생성된 전력을 축적하여 저장한다(70). 축전지 외에는 발생된 전력을 축적하여 저장하는 저장장치라면 어느 것이나 사용 가능하다.

제어부(10)는 연결되는 부하(60)의 크기에 따라 발전장치(30)가 구동되도록 제어할 수 있으며, 발전장치(30)에서 생성된 전력 중, 부하에서 소비되고 남는 전력에 대하여 축전기(70)에 저장되도록 한다.

제어부(10)는 축전기(70)에 일정량 이상 축전되면, 축전기(70)로부터 부하(60)로 전원이 공급되도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(10)는 초기 기동 시, 외부전원을 배제하고 축전기(70)에 축적된 전원을 이용하여 모터(20)가 구동되도록 할 수 있다.

제어부(10)는 모터(20)의 회전속도를 제어하고, 모니터링 함으로써, 발전장치(30)의 발전량을 제어하고, 발전장치(30)의 동작 상태를 모니터링한다.

도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기의 동작 원리를 설명하는데 참조되는 도이다.

도 2 를 참조하면, 발전장치(30)에의 회전자와 고정자에는 각각 영구자석이 설치된다.

이때, 회전자에 설치되는 자석과, 고정자에 설치되는 자석이 도 2의 a에 도시된 바와 같이 같은 극 끼리 마주하도록 설치되면, 자석 간의 척력이 작용하여 서로 밀어내게 된다.

또한 회전자와 고정자의 자석을 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이 설치하면 자석 간에 인력이 작용하여 서로 끌어당기게 된다.

이때, 각 자석은 회전자와 고정자에 설치되어 고정되고, 회전자는 회전축을 중심으로 원형으로 각각 설치되고 고정자는 외벽면에 원형으로 고정되어 설치되므로 자석의 인력과 척력에 의해 회전자와 고정자가 당기거나 또는 밀어내지는 않는다.

그러나, 모터(20)에 의해 어느 한 방향으로 회전자가 회전하게 되면, 자석 간에 인력과 척력이 번갈아 작용하게 되므로, 상호 밀어내는 힘과 당기는 힘이 상쇄되어, 회전자의 회전에 있어서 자력에 의한 자속 저항이 감소하게 된다.

이때 회전에 의해 코일에는 회전자의 영구자석에 의해 기전력이 발생하고, 상기와 같이 회전에 대한 저항이 감소되므로, 회전자의 회전이 용이해 지고, 고정자에 구비되는 코일에 유도되는 전력이 증가하게 된다.

도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기 중 발전장치의 내부 구성이 도시된 단면도이다.

도 3을 참조하면, 발전장치(30)는 발전장치 중심부에, 모터(20)와 연결되어 모터 회전에 의해 회전동작하는 회전자(110)와, 발전장치의 외벽에 구비되는 고정자(120)를 포함한다.

회전자(110)는 모터의 회전력을 전달하고, 회전자(110) 회전의 중심 축으로 작용하는 회전축(111), 회전축에 연결되고 복수의 층으로 형성되는 복수의 회전판(114, 115), 회전판에 설치되는 복수의 영구자석(112, 113)를 포함한다.

또한, 고정자(120)는 회전자(110)의 회전판과 대응하는 위치에 설치되는 영구자석(112) 및 코일을 포함한다. 이때 영구자석과 코일은 회전판에 대응하며 복수의 층으로 형성된다.

회전자(110)는 복수의 회전판이 구비되고, 각 회전판에 구비되는 영구자석의 배치는 복수의 회전판이 동일하나, 설치되는 영구자석의 방향은 상이하다.

제 1 회전판(114)에 설치되는 영구자석 중 제 1 영구자석(112)은 회전축 방향으로 S극 고정자 방향으로 N극이 되도록 설치된다.

제 2 회전판(115)에는 영구자석 중 제 2 영구자석(113)은 회전축 방향으로 N극 고정자 방향으로 S극이 되도록 설치된다.

이때 제 1 및 제 2 회전판과 같이, 회전자에는 복수의 회전판이 상기와 같이 상이한 영구자석의 배치가 상이하도록 설치된다. 제 2 회전판의 다음은 다시 제1 회전판과 같은 형태로 영구자석이 설치되고, 그 다음 회전판에는 제 2 회전판과 동일한 배치로 영구자석이 설치된다.

한편, 고정자에 설치되는 영구자석 중, 제 1 회전판(114)에 대응하도록 고정자에 설치되는 제 3 영구자석(122)은 제 1 영구자석(112)에 대응하여 척력이 작용하도록 설치된다.

또한, 고정자에는, 제 2 회전판(115)에 대응하는 위치에 코일(123)이 설치된다.

고정자는 각 회전판에 대응하는 위치에, 각각 영구자석 층과, 코일 층이 각각 교대로 설치된다.

이때 코일은 철심을 중심으로 일정 방향으로 감겨 형성되며, 하나의 층에는 적어도 6개의 코일이 배치되고, 각 코일은 상호 연결된다.

제 1 회전판(114)의 제 1 영구자석(112)과, 그에 대응되는 고정자의 제 3 영구자석(122) 사이에는 앞서 설명한 바와 같이 척력이 작용하고, 제 2 회전판(115)의 제 2 영구자석(113)과, 고정자의 코일(123) 간에는 인력이 작용한다.

즉 제 1 회전판이 위치하는 층에는 척력이, 제 2 회전판이 위치하는 층에는 인력이, 그 다음 층에는 다시 척력, 그 다음 층에는 인력이 작용하게 된다.

그에 따라 발전장치 내에서는 자석의 인력과 척력이 동시에 작용하여 밀고 당기는 힘이 상쇄되므로, 자력에 의한 자속저항이 감소한다.

이때, 각각 회전자와 고정자에 설치되는 영구자석의 크기와 영구자석 간의 거리는 일정하며, 회전자와 고정자 간의 간격 또한 일정하게 유지되어, 자력이 고르게 작용하도록 한다.

발전장치 초기 시동 시, 모터(20)가 외부전원을 이용하여 회전 동작하면, 연결된 회전자에 회전력이 작용하여 회전한다.

회전자가 회전 동작하면 회전판의 영구자석 또한 회전하게 되므로, 회전하지 않고 위치가 변경되지 않는 고정자의 경우, 고정자에 설치되는 코일에는 회전자의 영구자석의 자력이 일시 작용한 후, 회전에 의해 영구자석의 위치가 변경되므로 영구자석의 자력이 사라지고 다시 다음 영구자석의 자력이 작용하게 된다.

그에 따라 코일에는 영구자석의 자력에 대한 영향이 사라지는 시점에서 일정 크기의 전류가 발생하게 되고, 이때 코일은 자력을 갖게 된다. 여기서 발생되는 자력에 의해 회전력이 감소될 수 있으나 앞서 설명한 바와 같이 다른 층에 설치되는 영구자석의 척력에 의해 상쇄된다.

복수의 층에 복수 개로 구비되는 코일은 상호 연결되어 일정 크기의 전류를 생성하게 된다.

또한, 제어부(10)는 생성되는 전류가 연결된 부하(60)로 공급되도록 하고, 부하(60)가 존재하지 않거나, 부하(60)에 공급되고 남는 잔여 전류에 대해 축전지(70)에 축적되어 저장되도록 한다.

도 4 은 본 발명의 발전장치의 내부 구성이 도시된 단면도이다.

도 4를 참조하면, 발전장치의 회전판은 각각 도 4의 a와 b와 같이 구성된다.

앞서 설명한 제 1 회전판(114)은 도 4의 와 같이 회전축(111)을 중심으로 환형으로 복수의 영구자석이 설치된다. 이때 각 영구자석 간의 간격은 동일하다.

제 1 회전판(114)에 설치되는 영구자석은 S극이 회전축을 향하고 N극이 고정자를 향하도록 배치된다.

도시되지 않았으나 제 3, 제 5 회전판 또한 제 1 회전판과 동일하게 구성된다.

한편, 제 2 회전판(115)은 도 4의 b에 도시된 바와 같다.

제 2 회전판(115) 또한, 제 1 회전판(114)과 같이 복수의 영구자석이 환형으로 배치된다.

제 2 회전판(115)에 설치되는 영구자석은 회전축 방향으로 N극이, 고정자 방향으로 S극이 배치된다.

이때, 제 1 회전판(114)의 영구자석의 위치와 제 2 회전판의 영구자석의 위치는 동일하다.

즉, 제 1 및 제 2 회전판은 영구자석의 위치가 동일하고, 회전축에 고정되어 설치되므로 그 회전 또한 동일하다. 이때 제 1 회전판(114)의 제 1영구자석은 제 2 회전판(115)의 제 2 영구자석과 동일한 위치에 대응하게 설치되나 그 자석의 극 방향은 상호 반대가 된다.

제 2 회전판(115)은 고정자의 코일에 대응하도록 영구자석이 배치된다. 즉 전술한 제 1 회전판(114)은 고정자의 영구자석에 대응하고, 제 2 회전판(115)은 고정자의 코일에 대응한다.

제 3 , 5 회전판은 제 1 회전판과 같이 고정자의 영구자석에 대응하도록 영구자석이 배치되고, 제 4, 6 회전축은 고정자의 코일에 대응하도록 영구자석이 배치된다.

도 5는 본 발명의 발전장치의 동작에 따른 원리를 설명하는데 참조되는 도이다.

도 5를 참조하면, 회전자가 모터에 의해 회전 동작하면, 전술한 도 4와 같이 회전자의 복수의 회전판에 구비되는 영구자석은 회전하게 되고, 고정자의 각 층별로 영구자석 또는 코일에 대응하게 된다.

이때, 회전자의 영구자석이 회전함에 따라 고정자의 코일에는 제 1 영구자석의 자력이 작용한 후, 다음 영구자석의 자력이 영향을 주게 된다.

회전자의 회전에 의해 코일에 미치는 자력이 계속 변경되므로, 코일에는 일정 크기의 기전력이 발생하게 되고, 복수의 코일이 상호 연결됨에 따라 일정 크기의 전력이 생성된다.

이때 도 5의 a와 같이 회전자가 회전하는 때, 제 1 회전판의 영구자석(132)은 고정자의 영구자석(131)으로부터 일정거리 떨어지게 된다.

한편, 도 5의 b와 같이 회전자의 회전에 다른 제 2 회전판의 영구자석(135)은 고정자의 코일(134)과 일정거리 멀어지게 된다.

이때 코일(134)에는 영구자석(135)에 의한 자력의 영향이 감소하게 되나, 코일과 영구자석(135) 간에는 여전히 당기는 힘이 작용하므로 회전자의 회전 방향과 반대방향으로 힘이 작용하게 된다. 즉 자속 저항이 발생한다.

그러나 앞서 설명한 도 5의 a와 같이 제 1 회전판에서는 영구자석(132)과 고정자의 영구자석(131)이 서로 동일한 극 끼리 마주하고 있으므로 상호 밀어내는 힘이 작용한다.

즉 제 1 회전판에서는 이와 같이 회전판의 모든 영구자석에서 밀어내는 힘이 작용하고 제 2 회전판에서는 모든 영구자석에서 당기는 힘이 동시에 작용하게 된다.

제 1 회전판과 제2 회전판의 영구자석의 위치는 동일하므로 밀어내는 힘과 당기는 힘이 공존하여 상호 상쇄되어 자속저항은 감소된다.

회전자는 자석에 의해 회전이 방해받지 않게 되고, 회전자의 영구자석이 회전함에 따라 코일에 미치는 자력이 계속 변경되므로 코일에는 일정 크기의 전류가 생성되므로, 발전장치는 전력을 생성하게 된다.

따라서, 본 발명은 영구자석을 이용하되, 영구자석의 인력과 척력이 동시에 작용하도록 함으로써, 자력에 의한 저항인 자속저항을 최소화하여 회전자의 회전이 용이해 지므로, 그에 따른 전력 생산이 용이하게 된다.

이상과 같이 본 발명에 의한 발전기를 예시된 도면을 참조로 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명은 한정되지 않고, 기술사상이 보호되는 범위 이내에서 응용될 수 있다.

10: 제어부 20: 모터
30: 발전장치 40: 스위치
50: 외부전원 60: 부하
70: 축전지
110: 회전자 120: 고정자
111: 회전축 112,113,122,131,132: 영구자석
123: 코일

Claims (10)

1. 복수의 영구자석을 포함하는 회전자;
   상기 회전자에 구비된 영구자석에 대응하는 위치에 영구자석과 코일이 교대로 배치되는 고정자;를 포함하는 발전장치;
   상기 발전장치에 연결되어 회전력을 전달하는 모터; 및
   상기 모터를 제어하여 상기 발전장치 내의 상기 회전자를 동작시키는 제어부를 포함하고,
   상기 고정자는 제 1 층에 영구자석이 배치되고, 제 2 층에 코일이 배치되고,
   상기 회전자는 복수의 영구자석이 환형으로 배치된 제 1 회전판; 및
   상기 제 1 회전판과 동일한 위치에 상이한 극성의 영구자석이 배치된 제 2 회전판을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전자는 영구자석이 상기 고정자의 영구자석 및 코일에 대응하는 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 발전기.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전자는 상기 제 2 회전판이 상기 제 1 회전판과 반대 방향으로 영구자석이 배치되는 것을 특징으로 하는 발전기.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 회전판과 상기 제2 회전판은 영구자석의 위치가 동일한 것을 특징으로 하는 발전기.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 회전판의 영구자석과 상기 고정자의 상기 제 1 층에 구비되는 영구자석 간에 척력이 작용하는 것을 특징으로 하는 발전기.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 2 회전판의 영구자석과 상기 고정자의 상기 제 2 층에 구비되는 코일 간에 인력이 작용하는 것을 특징으로 하는 발전기.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전자는 복수의 영구자석이 동일한 간격으로 균일하게 배치되고,
   상기 고정자는 상기 회전자의 상기 복수의 영구자석에 대응하도록 영구자석과 코일이 배치되는 것을 특징으로 하는 발전기.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 발전장치는 상기 모터, 외부에 연결되는 부하, 및 축전지 중 적어도 어느 하나와 연결되어, 생성되는 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 발전기.
10. 삭제

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