KR101396522B1 - 회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기 - Google Patents

회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기에 관한 것으로 특히, 수개의 계자권선을 구비하고 풍력에 의해 회전하는 날개에 의해 회전하거나 또는 클러치를 통해 단속적으로 연결되는 전동기의 회전력에 의해 회전되며 고정자 측에 설치된 영구자석들의 자력에 의해 전기에너지를 발생시키는 회전자와; 상기 회전자 축의 양단부에 각각 설치되어 회전자가 마찰 없이 회전하도록 하는 한 쌍의 제 1 베어링과; 상기 회전자 축의 일단부에 설치된 아이들 베어링과 소정 면적을 갖고 지면에 고정 설치되는 지지판의 일단부 상면 사이에 설치되어 회전자와 지지판 사이가 일정간격을 유지하도록 지지해 주는 회전자 지지봉과; 와셔 형상을 갖고 상기한 한 쌍의 제 1 베어링의 외측에 각각 고정 설치되어 회전자와 고정자 본체 사이가 일정간격을 유지하도록 하되, 일측 판재에는 정해진 간격을 두고 천공된 브러쉬 장착공의 내측에는 상기 회전자의 계자권선 단부와 전기적으로 접촉되는 슬립링들이 각각 설치되며 상기 브러쉬 장착공에는 슬립링들과 탄력적으로 접촉되는 브러쉬들이 착탈 가능하게 결합된 형태를 갖는 한 쌍의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재와; 상기한 한 쌍의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재의 외측과 고정자 본체의 양단 내면 사이에 설치되어 고정자 본체가 마찰 없이 회전하도록 하는 한 쌍의 제 2 베어링과; 원통형의 고정자 본체 내면에 수개의 영구자석이 정해진 간격을 두고 고정 설치된 구성을 갖고 상기한 한 쌍의 제 2 베어링의 외측에 회전 가능하게 설치되어 회전자와 반대방향으로 회전하며 회전자의 계자권선에 회전자계가 형성되도록 하는 회전형 고정자와; 상기 지지판의 타단부 상면에 고정 설치된 상태에서 제어부를 통해 공급되는 상용전원 또는 태양전지 전원전압에 의해 구동되어 상기 고정자의 회전에 필요한 동력을 발생시켜 주는 고정자 구동모터와; 상기 고정자 구동모터의 동력을 고정자 측에 전달하는 모터동력 전달수단과; 상기 회전자의 회전수를 검출하여 제어부로 전달하는 회전수감지센서와; 상기 회전수감지센서에 의해 검출되는 회전자의 회전수에 대응하여 고정자 구동모터의 회전수를 제어하여 회전자의 계자권선에서 항상 정해진 주파수의 일정전압이 출력되도록 하는 제어부와; 상기 슬립링 및 브러쉬들을 통해 출력되는 회전자의 발전전압을 정류하여 밧데리를 충전시키거나 또는 다른 부하로 공급해 주는 발전전압 처리부;로 구성한 것을 특징으로 한다.
따라서, 회전자와 고정자가 상호 간섭없이 원활히 회전되며 최대전력을 발전시킬 수 있으며, 또한 적은 동력에도 큰 회전력을 갖게 되어 발전효율을 더욱더 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발전기 자체의 상품성과 신뢰도를 대폭 향상시킬 수 있다.

Description

회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기{Generator corotating rotator and stator}
본 발명은 회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 회전자 축에 풍력에 의해 회전되는 날개를 설치하거나, 또는 다른 전동기의 회전축에 클러치를 통해 연결하고, 수개의 영구자석이 구비된 고정자는 별도의 모터에 의해 회전될 수 있도록 구성하되, 회전자 축과 고정자 본체 사이에는 다단으로 베어링을 설치하여 회전자와 고정자가 상호 간섭없이 원활히 회전되며 최대전력을 발전시킬 수 있도록 발명한 것이다.
통상 교류발전기에는 회전계자형이 많은데, 이 경우 고정된 쪽에는 철심에 슬롯을 여러 개 만들고, 그 슬롯 속에 도체를 넣는다. 영구자석으로 된 자극(磁極)이 회전할 경우, 자극 N ·S가 통과할 때마다 교류의 양(陽)과 음(陰)의 변화를 1회 완료한다.
즉, 영구자석으로 된 자극이 매초 1회의 속도로 회전할 때는 도체에 얻어지는 기전력의 주파수는 1㎐이나, 회전자의 자극 수를 4극, 6극,… 으로 증가시켰을 경우를 생각하면, 1회전 할 때마다 기전력의 변화는 2회, 3회,… 완료한다.
일반적으로 극수 p인 회전자를 매초 n 회전시킬 때 얻어지는 교류의 주파수는 f=pn/2라는 관계가 되는데, 한국에서의 전력용 교류의 주파수는 60㎐이기 때문에, 2극 발전기를 사용할 경우에는 매초 60회전의 속도로 회전자를 돌리지 않으면 안 된다.
한편, 발전기의 회전속도에는 원동기 측으로부터 요청되는 수치가 있는데, 증기터빈에 의할 때는 고속도로 하는 편이 증기를 효과적으로 사용할 수 있고, 수차(水車)에 의할 때는 저속도로 하는 편이 수차의 효율이 좋다.
터빈 발전기에서는 보통 극수를 2로 하여 고속도(매분 3,000 또는 3,600회전)로 운전하고, 수차 발전기에서는 매분 수백 회전으로, 특히 저 낙차일 경우는 매분 200회전 이하의 저속도로 할 때도 있으며, 보통의 교류발전기는 3상교류(三相交流)를 얻을 수 있게 되어 있대, 이 경우에는 고정자의 도선 전체를 셋으로 나누고, 그것을 2극분의 고정자 내주(內周) 길이의 1/3씩 옮겨서 배치해 둔다.
3상 교류발전기는 계자코일을 회전시키는 것으로 여기에 직류를 흐르게 하여, 단자(端子)를 축(軸)에 장치한 슬립링(slip ring)에 연결하고, 링 위에 장치한 브러시에 직류전원을 연결한다. 직류전원에 직류발전기를 연결한 것을 여자기(勵磁機)라 한다.
또한, 계자권선(界磁捲線)과 정류기 및 정류기용 3상전원 모두를 회전자 쪽에 수용하는 방식이 있으며, 이것을 브러시 없는 교류발전기 즉, 무브러시 교류발전기라고 하는데, 슬립링이나 브러시가 없기 때문에 브러시가 마모된다거나 교환할 필요가 없어 보수하기가 쉬우며, 이 경우, 계자코일의 전류를 조절하려면 3상 발전기 쪽의 작은 계자코일의 전류를 조절한다.
일반적으로 3상 교류발전기는 용량이 큰 것이 많고, 큰 전력계통의 전력공급원으로 되어 있으며, 여기서 용량이란 3상의 각 권선에 발생할 수 있는 전압과 흘릴 수 있는 전류의 곱의 3배이며, 볼트암페어(VA)라는 단위로 나타낸다.
최대급의 용량은 터빈 발전기에서는 수십만 kVA이고, 수차발전기의 경우는 십여만 kVA이며, 이와 같이 발전기가 크면 치수와 무게도 커지기 때문에, 전기적으로나 기계적으로 최고급에 속하는 기술에 의하지 않으면 만들 수 없다.
한편, 최근에는 화석연료 대체효과가 매우 크고, 낙도 등의 낙후 지역에 경제성 있는 전력 보급이 가능하며, 풍향이 우수한 해안 및 산간지역에 설치함으로써 국내 토지이용을 합리화할 수 있고, 대규모 규모로 조성하면 관광자원으로 활용이 가능한 특성을 갖는 풍력발전기(wind power generator, 風力發電機)가 널리 사용되고 있다,
이와 같은 풍력발전기는 날개, 변속장치, 발전기로 이루어진 구성을 갖고 바람의 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 장치로서, 불어오는 바람은 풍력발전기의 날개를 회전시키게 되고, 이때 생긴 날개의 회전력으로 전기를 생산하여 우리가 사용하게 되는 것이며, 구체적으로 풍력발전기는 날개, 변속장치, 발전기의 세 부분으로 구성되어 있다.
이때, 날개는 바람에 의해 회전되어 풍력에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 장치이고, 변속장치는 날개에서 발생한 회전력이 중심 회전축을 통해서 변속기어에 전달되어 발전기에서 요구되는 회전수로 높여서 발전기를 회전시키며, 발전기는 날개에서 발생한 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환하는 장치이다.
이와 같은 풍력발전기는 풍속이 세고, 풍차가 클수록 더 많은 풍력 에너지를 생산할 수 있기 때문에 풍력발전기의 발전량은 바람의 세기와 풍차의 크기에 의존하고 있으며, 또한 높이가 높아질수록 바람이 세게 불기 때문에 높은 곳의 발전기가 낮은 곳의 발전기보다 크고 발전량도 많고, 풍력으로 발전하려면 평균 초속 4m/s 이상으로 부는 바람이 필요하다.
즉, 종래 풍력발전기는 고정자 측은 고정된 상태에서 회전자만 회동시키는 구성으로 되어 있어 평균 초속 4m/s 이하로 바람이 불어 올 경우 발전 자체가 이루어지지 않는 문제점이 있다.
1. 대한민국 등록특허공보 10-1020104호(2011년 02월 28일) 2. 대한민국 공개특허공보 10-2012-0130616호(2012년 12월 03일)
본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 회전자 축에 풍력에 의해 회전되는 날개를 설치하거나, 또는 다른 전동기의 회전축에 발전기의 회전자 축을 클러치를 통해 연결하고, 수개의 영구자석이 구비된 고정자는 별도의 모터에 의해 회전될 수 있도록 구성하되, 회전자 축과 고정자 본체 사이에는 다단으로 베어링을 설치하여 줌으로써 회전자와 고정자가 상호 간섭없이 원활히 회전되며 최대전력을 발전시킬 수 있어 발전기 자체의 발전효율을 대폭 향상시킬 수 있는 회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 회전자 및 고정자 구동모터 축에 관성모멘트를 부가시켜 주기 위한 중량체인 플라이 휠을 구비시켜 줌으로써 적은 동력에도 큰 회전력을 갖게 되어 발전효율을 더욱더 향상시킬 수 있는 회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 수개의 계자권선을 구비하고 풍력에 의해 회전하는 날개에 의해 회전하거나 또는 클러치를 통해 단속적으로 연결되는 전동기의 회전력에 의해 회전되며 고정자 측에 설치된 영구자석들의 자력에 의해 전기에너지를 발생시키는 회전자와; 상기 회전자 축의 양단부에 각각 설치되어 회전자가 마찰 없이 회전하도록 하는 한 쌍의 제 1 베어링과; 상기 회전자 축의 일단부에 설치된 아이들 베어링과 소정 면적을 갖고 지면에 고정 설치되는 지지판의 일단부 상면 사이에 설치되어 회전자와 지지판 사이가 일정간격을 유지하도록 지지해 주는 회전자 지지봉과; 와셔 형상을 갖고 상기한 한 쌍의 제 1 베어링의 외측에 각각 고정 설치되어 회전자와 고정자 본체 사이가 일정간격을 유지하도록 하되, 일측 판재에는 정해진 간격을 두고 천공된 브러쉬 장착공의 내측에는 상기 회전자의 계자권선 단부와 전기적으로 접촉되는 슬립링들이 각각 설치되며 상기 브러쉬 장착공에는 슬립링들과 탄력적으로 접촉되는 브러쉬들이 착탈 가능하게 결합된 형태를 갖는 한 쌍의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재와; 상기한 한 쌍의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재의 외측과 고정자 본체의 양단 내면 사이에 설치되어 고정자 본체가 마찰 없이 회전하도록 하는 한 쌍의 제 2 베어링과; 원통형의 고정자 본체 내면에 수개의 영구자석이 정해진 간격을 두고 고정 설치된 구성을 갖고 상기한 한 쌍의 제 2 베어링의 외측에 회전 가능하게 설치되어 회전자와 반대방향으로 회전하며 회전자의 계자권선에 회전자계가 형성되도록 하는 회전형 고정자와; 상기 지지판의 타단부 상면에 고정 설치된 상태에서 제어부를 통해 공급되는 상용전원 또는 태양전지 전원전압에 의해 구동되어 상기 고정자의 회전에 필요한 동력을 발생시켜 주는 고정자 구동모터와; 상기 고정자 구동모터의 동력을 고정자 측에 전달하는 모터동력 전달수단과; 상기 회전자의 회전수를 검출하여 제어부로 전달하는 회전수감지센서와; 상기 회전수감지센서에 의해 검출되는 회전자의 회전수에 대응하여 고정자 구동모터의 회전수를 제어하여 회전자의 계자권선에서 항상 정해진 주파수의 일정전압이 출력되도록 하는 제어부와; 상기 슬립링 및 브러쉬들을 통해 출력되는 회전자의 발전전압을 정류하여 밧데리를 충전시키거나 또는 다른 부하로 공급해 주는 발전전압 처리부;를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 회전자 축과 고정자 구동모터의 회전축에는 관성모멘트를 부가시키기 위해 1개 또는 2개의 플라이 휠을 설치한 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 모터동력 전달수단의 일 실시 예는, 일측이 개구된 컵 형상을 갖고 개구된 주연부가 상기 고정자 본체의 일단부에 일체로 결합되며, 중심점에는 상기 고정자 구동모터의 축이 연결된 형태를 갖는 원통체를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 모터동력 전달수단의 다른 실시 예는, 상기 고정자 본체의 일측 외면에 링 기어가 설치되고, 상기 고정자 구동모터의 축에 고정된 피니언 기어가 상기 링 기어에 맞물리도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모터동력 전달수단의 또 다른 실시 예는, 상기 고정자 본체의 일측 외면에 링 기어가 설치되고, 상기 고정자 구동모터의 축에 고정된 피니언 기어와 상기 링 기어 사이에는 체인을 설치한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 모터동력 전달수단이 링 기어와 피니언 기어의 치차 맞물림 구성을 갖거나, 또는 링 기어와 피니언 기어 사이에 체인을 설치한 구성을 가질 경우, 상기 회전자 축의 타단부에도 아이들 베어링을 설치하고, 상기 아이들 베어링과 소정 면적을 갖고 지면에 고정 설치되는 지지판의 타단부 상면 사이에도 회전자와 지지판 사이가 일정간격을 유지하도록 지지해 주는 회전자 지지봉을 더 설치한 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기에 의하면, 회전자 축에 풍력에 의해 회전되는 날개를 설치하거나, 또는 다른 전동기의 회전축에 발전기의 회전자 축을 클러치를 통해 연결하고, 수개의 영구자석이 구비된 고정자는 별도의 모터에 의해 회전될 수 있도록 구성하되, 회전자 축과 고정자 본체 사이에는 다단으로 베어링을 설치하여 줌으로써 회전자와 고정자가 상호 간섭없이 원활히 회전되며 최대전력을 발전시킬 수 있으며, 또한 회전자 및 고정자 구동모터 축에 관성모멘트를 부가시켜 주기 위한 중량체인 플라이 휠을 구비시켜 줌으로써 적은 동력에도 큰 회전력을 갖게 되어 발전효율을 더욱더 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 발전기 자체의 상품성과 신뢰도를 대폭 향상시킬 수 있는 등 매우 유용한 발명인 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예 중 임펠러가 설치된 발전기의 개략 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예 중 전동기와 연결된 발전기의 개략 단면도.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예가 적용된 발전기의 개략 단면도.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예가 적용된 발전기의 개략 단면도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예 및 그에 따른 작용효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예 중 임펠러가 설치된 발전기의 개략 단면도를 나타낸 것이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예 중 전동기와 연결된 발전기의 개략 단면도를 나타낸 것이며, 도 3은 본 발명의 다른 실시 예가 적용된 발전기의 개략 단면도를 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예가 적용된 발전기의 개략 단면도를 나타낸 것이다.
이에 따르면 본 발명은,
수개의 계자권선을 구비하고 풍력에 의해 회전하는 날개(1)에 의해 회전하거나 또는 클러치(21)를 통해 단속적으로 연결되는 전동기(2)의 회전력에 의해 회전되며 고정자(10) 측에 설치된 영구자석(102)들의 자력에 의해 전기에너지를 발생시키는 회전자(3)와;
상기 회전자 축(31)의 양단부에 각각 설치되어 회전자(3)가 마찰 없이 회전하도록 하는 한 쌍의 제 1 베어링(4)과;
상기 회전자 축(31)의 일단부에 설치된 아이들 베어링(5)과 소정 면적을 갖고 지면에 고정 설치되는 지지판(6)의 일단부 상면 사이에 설치되어 회전자(3)와 지지판(6) 사이가 일정간격을 유지하도록 지지해 주는 회전자 지지봉(7)과;
와셔 형상을 갖고 상기한 한 쌍의 제 1 베어링(4)의 외측에 각각 고정 설치되어 회전자(3)와 고정자 본체(101) 사이가 일정간격을 유지하도록 하되, 일측 판재(8)에는 정해진 간격을 두고 천공된 브러쉬 장착공(81)의 내측에는 상기 회전자(3)의 계자권선 단부와 전기적으로 접촉되는 슬립링(82)들이 각각 설치되며 상기 브러쉬 장착공(81)에는 슬립링(82)들과 탄력적으로 접촉되는 브러쉬(83)들이 착탈 가능하게 결합된 형태를 갖는 한 쌍의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재(8)와;
상기한 한 쌍의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재(8)의 외측과 고정자 본체(101) 양단 내면 사이에 설치되어 고정자 본체(101)가 마찰 없이 회전하도록 하는 한 쌍의 제 2 베어링(9)과;
원통형의 고정자 본체(101) 내면에 수개의 영구자석(102)이 정해진 간격을 두고 고정 설치된 구성을 갖고 상기한 한 쌍의 제 2 베어링(9)의 외측에 회전 가능하게 설치되어 회전자(3)와 반대방향으로 회전하며 회전자(3)의 계자권선에 회전자계가 형성되도록 하는 회전형 고정자(10)와;
상기 지지판(6)의 타단부 상면에 고정 설치된 상태에서 제어부(14)를 통해 공급되는 상용전원(AC) 또는 태양전지(17) 전원전압에 의해 구동되어 상기 고정자(10)의 회전에 필요한 동력을 발생시켜 주는 고정자 구동모터(11)와;
상기 고정자 구동모터(11)의 동력을 고정자(10) 측에 전달하는 모터동력 전달수단(12)과;
상기 회전자(3)의 회전수를 검출하여 제어부(14)로 전달하는 회전수감지센서(13)와;
상기 회전수감지센서(13)에 의해 검출되는 회전자(3)의 회전수에 대응하여 고정자 구동모터(11)의 회전수를 가감 제어하여 회전자(3)의 계자권선에서 항상 정해진 주파수의 일정전압이 출력되도록 하는 제어부(14)와;
상기 슬립링(82) 및 브러쉬(83)들을 통해 출력되는 회전자의 발전전압을 정류하여 밧데리를 충전시키거나 또는 다른 부하로 공급해 주는 발전전압 처리부(15);를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 회전자 축(31)과 고정자 구동모터(11)의 회전축에는 관성모멘트를 부가시키기 위해 1개 또는 2개의 플라이 휠(16)을 설치한 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 모터동력 전달수단(12)의 일 실시 예는,
일측이 개구된 컵 형상을 갖고 개구된 주연부가 상기 고정자 본체(101)의 일단부에 일체로 결합되며, 중심점에는 상기 고정자 구동모터(11)의 축이 연결된 형태를 갖는 원통체(121)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 모터동력 전달수단(12)의 다른 실시 예는,
상기 고정자 본체(101)의 일측 외면에는 링 기어(122)가 설치되고, 상기 고정자 구동모터(11)의 축에 고정된 피니언 기어(123)가 상기 링 기어(122)에 맞물리도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모터동력 전달수단(12)의 또 다른 실시 예는,
상기 고정자 본체(101)의 일측 외면에는 링 기어(122)가 설치되고, 상기 고정자 구동모터(11)의 축에 고정된 피니언 기어(123)와 상기 링 기어(122) 사이에는 체인(124)을 설치한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 모터동력 전달수단(12)이 링 기어(122)와 피니언 기어(123)의 치차 맞물림 구성을 갖거나, 또는 링 기어(122)와 피니언 기어(123) 사이에 체인(124)을 설치한 구성을 가질 경우,
상기 회전자 축(31)의 타단부에도 아이들 베어링(5)을 설치하고, 상기 아이들 베어링(5)과 소정 면적을 갖고 지면에 고정 설치되는 지지판(6)의 타단부 상면 사이에도 회전자(3)와 지지판(6) 사이가 일정간격을 유지하도록 지지해 주는 회전자 지지봉(7)을 더 설치한 것을 특징으로 한다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명 발전기의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 일 실시 예가 적용된 발전기는 크게 도 1 및 도 2와 같이, 회전자(3)와 한 쌍의 제 1 및 제 2 베어링(4)(9), 아이들 베어링(5), 지지판(6), 회전자 지지봉(7), 한 쌍의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재(8), 회전형 고정자(10), 고정자 구동모터(11), 모터동력 전달수단(12), 회전수감지센서(13), 제어부(14), 발전전압 처리부(15) 및 상용전원(AC) 또는 태양전지(17)를 포함하는 것을 주요기술 구성요소로 한다.
이때, 상기 회전자(3)는 도시 생략한 수개의 계자권선을 구비하고 도 1과 같이 풍력에 의해 회전하는 날개(1)가 설치되거나, 또는 도 2 와 같이 클러치(21)를 통해 다른 전동기의 회전축에 직결되는 형태를 갖고, 풍력 또는 전동기(2)의 동력에 의해 회전되며 고정자(10) 측에 설치된 영구자석(102)들의 자력에 의해 전기에너지를 발생시키는 기능을 수행하게 된다.
또, 상기한 한 쌍의 제 1 베어링(4)은 각각 상기 회전자 축(31)의 양단부에 설치되어 회전자(3)가 풍력이나 전동기(2)의 동력에 의해 회전할 때 마찰 없이 원활히 회전하도록 하는 기능을 수행하게 된다.
또한, 상기 회전자 지지봉(7)은 상기 회전자 축(31)의 일단부에 설치된 아이들 베어링(5)과 소정 면적을 갖고 지면에 고정 설치되는 지지판(6)의 일단부 상면 사이에 설치되어 회전자(3)와 지지판(6) 사이가 일정간격을 유지하도록 지지해 주는 기능을 수행하게 된다.
이때, 상기 회전자 축(31) 일단부에 하나의 아이들 베어링(5)을 설치하고 이 아이들 베어링(5)과 지지판(6) 사이에 하나의 회전자 지지봉(7)만 설치하여도 회전자 축(31)의 타측이 지지판(6) 측으로 처지지 않는 이유는, 후술하는 모터동력 전달수단(12)이 일측이 개구된 컵 형상을 갖고 개구된 주연부가 상기 고정자 본체(101)의 일단부에 일체로 결합되고, 중심점에는 후술하는 고정자 구동모터(11)의 축이 연결된 원통체(121) 형상을 갖기 때문이다.
또, 상기한 한 쌍의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재(8)는 내경이 제 1 베어링(4)의 외경과 같고 외경은 제 2 베어링(9)의 내경과 같은 와셔 형상을 갖는 것으로, 이와 같은 한 쌍의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재(8)은 각각 상기한 한 쌍의 제 1 베어링(4)의 외측에 고정 설치되어 회전자(3)와 고정자 본체(101) 사이가 일정간격을 유지하도록 하는 기능을 수행하게 된다.
이때, 상기한 한 쌍의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재(8) 중 일측의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재(8)에는 정해진 간격을 두고 브러쉬 장착공(81)을 천공하고, 상기 브러쉬 장착공(81)의 내측에는 상기 회전자(3)의 계자권선 단부와 전기적으로 접촉되는 슬립링(82)들을 각각 설치하며, 상기 브러쉬 장착공(81)에는 슬립링(82)들과 탄력적으로 접촉되는 브러쉬(83)들이 착탈 가능하게 결합하여 회전자(3)의 계자권선에서 출력되는 전압을 상기 슬립링(82)과 브러쉬(83)들을 통해 발전전압 처리부(15)로 전달시킬 수 있도록 한다.
또한, 상기한 한 쌍의 제 2 베어링(9)은 상기한 한 쌍의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재(8)의 외측과 고정자 본체(101) 양단 내면 사이에 설치하여 상기 고정자 본체(101)가 고정자 구동모터(11)에 의해 회전될 때 마찰 없이 원활히 회전하도록 하는 기능을 수행하게 된다.
또, 상기 고정자(10)는 원통형의 고정자 본체(101) 내면에 수개의 영구자석(102)이 정해진 간격을 두고 고정 설치된 구성을 갖고 상기한 한 쌍의 제 2 베어링(9)의 외측에 회전 가능하게 설치되어 제어부(14)의 출력신호에 부응하여 회전하는 고정자 구동모터(11)의 회전력에 대응하는 회전속도로 회전자(3)와 반대방향으로 회전하며 회전자(3)의 계자권선에 회전자계가 형성되도록 하는 기능을 수행하게 된다.
또한, 상기 고정자 구동모터(11)는 상기 지지판(6)의 타단부 상면에 고정 설치되어 제어부(14)를 통해 공급되는 상용전원(AC) 또는 태양전지(17) 전원전압 및 제어신호에 대응하는 속도로 회전하며 상기 고정자(10)의 회전에 필요한 동력을 발생시켜 주는 기능을 수행하게 된다.
이때, 상기 고정자 구동모터(11)를 구동시키는데 필요한 전압으로는 상용전원(AC)을 사용할 수도 있고, 태양전지(17) 전압을 사용할 수도 있는데, 이와 같은 상용전원(AC)과 태양전지(17) 전압 중 한전에서 공급하는 상용전원(AC)을 사용하게 되면 불필요한 전력 사용으로 인해 발전기 자체의 전력발생 효율이 저하될 우려가 있을 뿐만 아니라 불필요한 경제적 손실을 가져올 수 있으므로, 낮에 빛에너지를 전기에너지로 변환시켜 밧데리에 지속적으로 충전시켜 주는 기능을 갖는 태양전지(17)를 발전기 주변에 설치하여 저렴한 비용으로 운용되는 상기 태양전지(17)에서 출력되는 전력을 상기 고정자 구동모터(11)를 구동시키는데 필요한 전압으로 사용하는 것이 더 바람직하다.
한편, 상기 모터동력 전달수단(12)은 상기 고정자 구동모터(11)의 동력을 고정자(10) 측에 전달하는 기능을 수행하는 것으로, 그의 구체적인 실시 예로는 다음과 같은 구성을 제시하는 바이다.
상기한 모터동력 전달수단(12)에 대한 첫 번째 실시 예로는 도 1 및 도 2와 같이, 일측이 개구된 컵 형상을 갖는 원통체(121)의 개구부 주연부를 기 고정자 본체(101)의 일단부에 일체로 결합하고, 중심점에는 상기 고정자 구동모터(11)의 축이 연결하여 고정자 구동모터(11)의 동력이 상기 모터동력 전달수단(12)으로 설치된 원통체(121)를 통해 고정자(10)에 직접 전달될 수 있도록 한 것이다.
또, 상기 모터동력 전달수단(12)의 두 번째 실시 예로는 도 3과 같이, 상기 고정자 본체(101)의 일측 외면에는 링 기어(122)를 설치하고, 상기 고정자 구동모터(11)의 축에는 상기 링 기어(122)와 치차 결합되는 피니언 기어(123)를 설치하여 고정자 구동모터(11)의 동력이 피니언 기어(123)와 링 기어(122)를 통해 고정자 본체(101)에 전달될 수 있도록 한 것이다.
또한, 상기 모터동력 전달수단(12)의 세번째 실시 예로는 도 4와 같이, 상기 고정자 본체(101)의 일측 외면에는 링 기어(122)를 설치하고, 상기 고정자 구동모터(11)의 축에는 피니언 기어(123)를 설치하되, 상기 링 기어(122)와 피니언 기어(123) 사이에는 체인(124)을 설치하여 고정자 구동모터(11)의 동력이 피니언 기어(123)와 체인(124) 및 링 기어(122)를 통해 고정자 본체(101)에 전달될 수 있도록 한 것이다.
한편, 상기한 모터동력 전달수단(12)에 대한 실시 예들 중 도 1 및 도 2와 같이 원통체(121) 형상을 갖는 경우는 지지판(6)에 일체로 고정 치한 고정자 구동모터(11)의 축과 고정자(10) 사이에 원통체(121)를 직접 설치한 구조를 가지므로 전술한 바와 같이, 상기 회전자 축(31) 일단부에 하나의 아이들 베어링(5)을 설치하고 이 아이들 베어링(5)과 지지판(6) 사이에 하나의 회전자 지지봉(7)만 설치하여도 회전자 축(31)의 타측이 지지판(6) 측으로 처지지 않고 원활히 회전하는 형태를 갖는다.
그러나, 상기 모터동력 전달수단(12)을 도 3과 같이 링 기어(122)와 피니언 기어(123)의 치차 맞물림 구성을 갖거나, 또는 도 4와 같이 링 기어(122)와 피니언 기어(123) 사이에 체인(124)을 설치한 구성을 가질 경우, 상기 회전자 축(31)의 타측이 자중 등에 의해 처질 우려가 있으므로, 이 경우에는 상기 회전자 축(31)의 타단부에도 아이들 베어링(5)을 설치하고, 상기 아이들 베어링(5)과 소정 면적을 갖고 지면에 고정 설치되는 지지판(6)의 타단부 상면 사이에도 회전자(3)와 지지판(6) 사이가 일정간격을 유지하도록 지지해 주는 회전자 지지봉(7)을 더 설치하여 주는 것이 바람직하다.
또, 상기 회전수감지센서(13)는 상기 회전자 축(31)의 일측부에 설치하여 회전자의 회전수를 전기적인 신호로 검출한 다음 제어부(14)로 전달하는 기능을 수행하게 된다.
또한, 상기 제어부(14)에서는 상기 회전수감지센서(13)를 통해 검출되는 회전자(3)의 회전수를 확인하고 상기 고정자 구동모터(11)의 회전수를 가감 제어하여 회전자(3)의 계자권선에서 항상 정해진 주파수(예를 들어 60㎐)를 갖고 일정전압(예를 들어 110V 또는 220V 등)이 출력되도록 하게 된다.
즉, 만약 풍력이 약하거나 전동기(2)의 회전수가 정해진 회전수보다 낮아 회전자(3)의 회전수가 원하는 회전수를 갖지 못할 경우에는 상기 고정자(10)의 회전수가 상대적으로 높아지도록 고정자 구동모터(11)의 회전수를 증가시키고, 이와 반대로 회전자(3)의 회전수가 정해진 회전수보다 높을 경우에는 고정자(10)의 회전수가 상대적으로 낮아지도록 고정자 구동모터(11)의 회전수를 감소시켜 주는 방식으로 제어하여 회전자(3)의 계자권선에서 항상 정해진 주파수를 갖는 일정전압이 출력되도록 제어하게 된다.
예를 들어 상기 회전자(3)와 고정자(10)가 각각 초당 60회의 회전수를 가질 때 60㎐의 주파수를 갖는 220V의 교류전압이 발전되도록 설계된 경우인데, 풍력 등이 약하여 회전수감지센서(13)를 통해 검출되는 회전자(3)의 회전수가 40회일 경우 상기 제어부(14)는 고정자(10)의 회전수가 80회를 갖도록 고정자 구동모터(11)의 회전수를 증가시켜 주는 제어를 실시하게 되는 것이다.
또, 상기 발전전압 처리부(15)는 상기 슬립링(82) 및 브러쉬(83)들을 통해 출력되는 회전자(3)의 발전전압을 정류하여 도시 생략한 밧데리를 충전시켜 주거나 또는 다른 부하로 직접 또는 정류시켜 공급해 주는 기능을 수행하게 된다.
한편, 상기 회전자(3) 및 고정자(10)는 크게 중량이 나가지 않는 구조를 갖고 있어 풍력이나 전동기를 통해 회전자(3)가 회전하도록 하거나, 고정자 구동모터(11)를 통해 고정자(10)가 회전되도록 할 때, 전력 등의 소모가 많이 들게 될 뿐만 아니라 빠르게 회전수를 증가시키기 어려울 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 상기 회전자 축(31)과 고정자 구동모터(11)의 회전축에 1개 또는 2개의 플라이 휠(16)을 설치하여 중량을 부가시켜 줌으로써 회전자(3) 및 고정자 구동모터(11)에 계속해서 회전을 지속하려고 하는 성질인 관성모멘트를 부가시켜 줄 수 있도록 하였다.
상술한 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기한 실시 예 및 특허청구범위에 기재된 내용만으로 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
1 : 날개
2 : 전동기 21 : 클러치
3 : 회전자 31 : 회전자 축
4 : 제 1 베어링
5 : 아이들 베어링
6 : 지지판
7 : 회전자 지지봉
8 : 간격유지겸 슬립링 설치용 판재 81 : 브러쉬 장착공
82 : 슬립링 83 : 브러쉬
9 : 제 2 베어링
10 : 회전형 고정자 101 : 고정자 본체
102 : 영구자석
11 : 고정자 구동모터
12 : 모터동력 전달수단 121 : 원통체
122 : 링 기어 123 : 피니언 기어
124 : 체인
13 : 회전수감지센서
14 : 제어부
15 : 발전전압 처리부
16 : 플라이 휠
17 : 대양전지

Claims (6)

  1. 수개의 계자권선을 구비하고 풍력에 의해 회전하는 날개에 의해 회전하거나 또는 클러치를 통해 단속적으로 연결되는 전동기의 회전력에 의해 회전되며 고정자 측에 설치된 영구자석들의 자력에 의해 전기에너지를 발생시키는 회전자와;
    상기 회전자 축의 양단부에 각각 설치되어 회전자가 마찰 없이 회전하도록 하는 한 쌍의 제 1 베어링과;
    상기 회전자 축의 일단부에 설치된 아이들 베어링과 소정 면적을 갖고 지면에 고정 설치되는 지지판의 일단부 상면 사이에 설치되어 회전자와 지지판 사이가 일정간격을 유지하도록 지지해 주는 회전자 지지봉과;
    와셔 형상을 갖고 상기한 한 쌍의 제 1 베어링의 외측에 각각 고정 설치되어 회전자와 고정자 본체 사이가 일정간격을 유지하도록 하되, 일측 판재에는 정해진 간격을 두고 천공된 브러쉬 장착공의 내측에는 상기 회전자의 계자권선 단부와 전기적으로 접촉되는 슬립링들이 각각 설치되며 상기 브러쉬 장착공에는 슬립링들과 탄력적으로 접촉되는 브러쉬들이 착탈 가능하게 결합된 형태를 갖는 한 쌍의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재와;
    상기한 한 쌍의 간격유지겸 슬립링 설치용 판재의 외측과 고정자 본체의 양단 내면 사이에 설치되어 고정자 본체가 마찰 없이 회전하도록 하는 한 쌍의 제 2 베어링과;
    원통형의 고정자 본체 내면에 수개의 영구자석이 정해진 간격을 두고 고정 설치된 구성을 갖고 상기한 한 쌍의 제 2 베어링의 외측에 회전 가능하게 설치되어 회전자와 반대방향으로 회전하며 회전자의 계자권선에 회전자계가 형성되도록 하는 회전형 고정자와;
    상기 지지판의 타단부 상면에 고정 설치된 상태에서 제어부를 통해 공급되는 상용전원 또는 태양전지 전원전압에 의해 구동되어 상기 고정자의 회전에 필요한 동력을 발생시켜 주는 고정자 구동모터와;
    상기 고정자 구동모터의 동력을 고정자 측에 전달하는 모터동력 전달수단과;
    상기 회전자의 회전수를 검출하여 제어부로 전달하는 회전수감지센서와;
    상기 회전수감지센서에 의해 검출되는 회전자의 회전수에 대응하여 고정자 구동모터의 회전수를 제어하여 회전자의 계자권선에서 항상 정해진 주파수의 일정전압이 출력되도록 하는 제어부와;
    상기 슬립링 및 브러쉬들을 통해 출력되는 회전자의 발전전압을 정류하여 밧데리를 충전시키거나 또는 다른 부하로 공급해 주는 발전전압 처리부;를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전자 축과 고정자 구동모터의 회전축에는 관성모멘트를 부가시키기 위해 1개 또는 2개의 플라이 휠을 설치한 것을 특징으로 하는 회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터동력 전달수단은,
    일측이 개구된 컵 형상을 갖고 개구된 주연부가 상기 고정자 본체의 일단부에 일체로 결합되며, 중심점에는 상기 고정자 구동모터의 축이 연결된 형태를 갖는 원통체를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터동력 전달수단은,
    상기 고정자 본체의 일측 외면에 링 기어가 설치되고, 상기 고정자 구동모터의 축에 고정된 피니언 기어가 상기 링 기어에 맞물리도록 한 것을 특징으로 하는 회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 모터동력 전달수단은,
    상기 고정자 본체의 일측 외면에 링 기어가 설치되고, 상기 고정자 구동모터의 축에 고정된 피니언 기어와 상기 링 기어 사이에는 체인을 설치한 것을 특징으로 하는 회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기.
  6. 청구항 4 또는 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모터동력 전달수단이 링 기어와 피니언 기어의 치차 맞물림 구성을 갖거나, 또는 링 기어와 피니언 기어 사이에 체인을 설치한 구성을 가질 경우,
    상기 회전자 축의 타단부에도 아이들 베어링을 설치하고, 상기 아이들 베어링과 소정 면적을 갖고 지면에 고정 설치되는 지지판의 타단부 상면 사이에도 회전자와 지지판 사이가 일정간격을 유지하도록 지지해 주는 회전자 지지봉을 더 설치한 것을 특징으로 하는 회전자 및 고정자 동시 회전형 발전기.
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