KR101443274B1 - 파형 왜형율이 향상된 교류 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테이터 내주연에서 회전하는 로터의 형상변화를 통해 스테이터 내주연과 로터의 표면 간의 공극을 비균일하게 형성하여 공극의 자속변화가 정현적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 고조파 성분을 최소화해 결과적으로 파형 왜형율이 향상되는 파형 왜형율이 향상된 교류 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수의 플레이트가 적층 및 접합된 스테이터와, 상기 스테이터의 내주연과 일정 간격을 유지하면서 회전하는 로터 및 상기 로터에 배치되는 계자권선을 포함하여 발전하는 교류 발전기에 있어서, 상기 로터는 그 외주연을 따라 로터의 반지름보다 상대적으로 작은 반지름을 갖는 곡면부가 중심부로부터 대칭되는 위치에서 각각 형성되어 적어도 한 쌍 이상 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

파형 왜형율이 향상된 교류 발전기{Alternator For Improved Distortion Factor}

본 발명은 스테이터 내주연에서 회전하는 로터의 형상변화를 통해 스테이터 내주연과 로터의 표면 간의 공극을 비균일하게 형성하여 공극의 자속변화가 정현적으로 이루어질 수 있도록 함으로써 고조파 성분을 최소화해 결과적으로 파형 왜형율이 향상되는 파형 왜형율이 향상된 교류 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 교류 발전기는 병원이나 은행 및 각종 빌딩 등에서 상용 전력이 정전되었을 때를 대비하여 비상용으로 구비된다. 또한, 교류 발전기는 화석연료를 에너지원으로 하는 내연기관인 디젤엔진을 이용하여 구동되며 생산된 전력을 정전 시 각종 전력 설비로 공급하게 된다.

이러한 교류 발전기는 통상 전기자가 고정되고 자계가 회전하게 되는 회전계자형이 사용되는 것으로 그 구조를 살펴보면 코일이 권선되어 있는 고정자와, 이 고정자의 내부에 회전 가능하게 수용되는 회전자로 구성된다.

상기 고정자는 다수의 자성 강판을 적층하여 만들어진 고정자 코어와, 이 고정자 코어에 원주방향으로 배열된 복수의 슬롯과, 복수의 슬롯에 감겨진 복수의 코일을 구비한다.

그리고 상기 회전자는 상기 고정자와 마찬가지로 다수의 자성 강판을 대략 원통형상이 되도록 적층하여 만들어져서 상기 고정자의 중공부에 일정간격 이격된 상태로 끼워지는 회전자 코어와, 이 회전자 코어에 원주방향으로 배열된 복수의 영구자석 매입홀과, 각 영구자석 매입홀에 끼워져 매설되는 복수의 영구자석을 구비하며, 회전축은 상기 회전자의 중심에 형성된 중공부에 압입되어 회전자와 연동된다. 이때 상기 회전자 코어에는 근래 들어 영구자석보다는 전자석이 사용되기도 한다.

이와 같이 형성된 교류 발전기는 디젤엔진으로부터 동력을 전달받아 상기 회전축을 회전시키게 되며, 이에 따라 연동하여 회전하는 회전자의 표면에 배치된 영구자석 또는 전자석과 상기 고정자에 권선된 전기자 코일의 상호 작용으로 유도되는 기전력을 통해 교류 전원을 얻게 되는 것이다.

이러한 교류 발전기는 회전자에 설치되는 영구자석 또는 전자석의 설치위치 및 그 형상에 따라 고정자 슬롯에 권선된 전기자코일에 유도되는 기전력 파형에 많은 고조파 성분이 포함될 수 있다. 즉, 기전력에 의해 출력되는 정현파의 찌그러짐을 발생시키게 되는 고조파가 발생하는 것이다.

뿐만 아니라, 통상의 발전기는 고장자의 내주연과 회전자의 표면 사이의 간격이 균일하게 형성됨에 따라 회전자의 회전에 따른 공극의 자속변화가 비정현적으로 형성되기 때문에 유도 기전력의 파형이 왜곡되어 비정현적인 전압 파형이 생성되는 문제점이 있다.

상술한 바와 같이 고조파의 발생 내지 비정현적인 전압 파형은 발전기를 평가하기 위한 파형 왜형율의 적정 기준치를 만족시키기 못하게 되고, 발전기의 진동과 소음을 일으키는 원인이 되어 결과적으로 발전기의 발전 효율을 저하시키게 되며, 발전기는 물론 발전기와 연결된 변압기에도 영향을 미치는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제1001030호

본 발명은 상기한 발전기에 있어 발생하는 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 스테이터 내주연에서 회전하는 로터의 형성변화를 통해 스테이터의 내주연과 로터의 표면 간의 공극이 비균일하게 형성되게 하여 공극의 자속변화가 정현적으로 이루어지게끔 함으로써, 파형 왜형율의 기준치를 만족시킬 수 있는 파형 왜형율이 향상된 교류 발전기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명의 파형 왜형율이 향상된 교류 발전기는 복수의 플레이트가 적층 및 접합된 스테이터와, 상기 스테이터의 내주연과 일정 간격을 유지하면서 회전하는 로터 및 상기 로터에 배치되는 계자권선을 포함하여 발전하는 교류 발전기에 있어서, 상기 로터는 그 외주연을 따라 로터의 반지름보다 상대적으로 작은 반지름을 갖는 곡면부가 중심부로부터 대칭되는 위치에서 각각 형성되어 적어도 한 쌍 이상 구성되는 것이 특징이다.

이때 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 로터는 그 단면이 십자형 단면 구조를 가지며, 상기 곡면부는 상기 로터의 각 끝단의 일측 및 타측에 각각 형성되는 것이 특징이다.

본 발명에 따른 파형 왜형율이 향상된 교류 발전기는 고조파의 발생을 최소화하며, 스테이터 내주연에서 회전하는 로터의 형상변화를 통해 스테이터 내주연과 로터의 표면 간의 공극을 비균일하게 형성하여 공극의 자속변화가 정현적으로 이루어지도록 함으로써 전압 파형의 정현파가 일그러짐 없도록 하여 파형 왜형율의 기준치를 만족시킬 수 있는 효과가 있다.

그리고, 이러한 파형 왜형율이 향상됨에 따라 효율이 향상되고 발전기의 구동 시 진동 및 소음을 최소화하며 수명을 연장하는 등 결과적으로 고품질의 전력을 생산함으로써 제품의 신뢰도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 교류 발전기의 스테이터와 로터를 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 교류 발전기의 스테이터와 로터를 나타내는 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 교류 발전기의 로터를 설명하기 위한 사시도.

이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 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.

도 1은 본 발명에 따른 교류 발전기의 스테이터와 로터를 나타내는 사시도이며, 도 2는 본 발명에 따른 교류 발전기의 스테이터와 로터를 나타내는 단면도고, 도 3은 본 발명에 따른 교류 발전기의 로터를 설명하기 위한 사시도이다.

본 발명은 병원이나 은행 및 각종 빌딩 등에 사용 전력이 정전되었을 때를 대비하여 비상용으로 구비되는 교류 발전기에 관한 것으로, 로터(20)의 형상변화를 통해 파형 왜형율을 개선할 수 있는 회전 계자형 교류 발전기를 제공하는 것이 특징이다.

이러한 파형 왜형율이 향상된 교류 발전기는 도 1에 도시된 바와 같이 스테이터(10)와 로터(20) 및 샤프트(30)를 포함하여 구성된다.

상기 스테이터(10)는 복수의 플레이트를 원통 형상이 되도록 적층 결합한 것으로 내주연에는 원주 방향을 따라 복수의 슬롯(100)이 형성된다.

상기 복수의 슬롯(100)에는 도면에 도시된 바 없으나 전기자 코일이 권선되어 이하에서 설명하는 로터(20)의 계자권선(210)과의 상호 작용을 통해 전기자 코일에 유도되는 기전력으로 교류 전원이 생성되는 것이다.

이때, 유도되는 기전력의 파형은 자계의 극성에 의해 교번됨으로 정현파로 출력된다.

한편, 상기 로터(20)는 상기 스테이터(10)의 중공부(110)에 위치하되, 상기 스테이터(10)의 내주연과 일정 간격의 공극(40)을 유지하면서 회전하는 것으로 발전기의 회전축인 샤프트(30)가 결합됨으로써 회전력이 부여된다.

상기 샤프트(30)는 화석연료 등을 에너지원으로 하는 내연기관인 디젤엔진과 연결되어 회전력을 제공받아 회전하게 되며, 상기 로터(20)로 전달하게 된다.

본 발명에 있어 상기 로터(20)는 코어 외부 표면에 복수의 영구자석이 장착된 표면 부착형으로 구성되거나, 코어 내부에 복수의 영구자석이 매설되어 설치되는 매입형으로 구성될 수 있다.

그러나, 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이 로터(20)에 계자권선(210)이 장착되고 상기 계자권선(210)에 여자 전류를 공급하여 자성을 갖는 구조의 계자코일 발전 방식을 예로 설명한다.

상기 로터(20)는 그 단면이 기본적으로 원형을 취하게 되는데, 계자권선(210)이 장착될 수 있도록 적어도 두 쌍 이상의 장착홈(220)이 형성됨으로써 도 3에 도시된 바와 같이 십자형 구조를 가질 수 있으며, 이러한 장착홈(220)에는 각각 계자권선(210)이 감겨진다.

이때, 상기 계자권선(210)에 부여되는 여자 전류는 외부의 직류 전원에서 슬립링(미도시)을 통하여 공급되는데, 이러한 직류 전원은 상기 로터(20)와 샤프트(30)를 공유하는 직류발전기(여자기)가 구비되어 이로부터 생산되는 직류 전원이 공급되는 것일 수 있다.

또는 상기 여자 전류는 교류에서 직접 정류기를 통하여 직류로 변환된 직류전원이 공급되는 것일 수 있다.

일 예로 도면에 도시된 바 없으나, 상기 로터(20)에 결합되는 샤프트(30)의 후단에는 여자기 로터가 장착되어 하나의 샤프트(30)를 통해 상기 로터(20)는 물론 여자기 로터가 나란히 동축을 이루며 회전 가능하도록 구성될 수 있다.

이 경우 상기 여자기 로터는 여자기용 전기자권선이 장착되며, 정류기가 상기 샤프트(30) 상에 설치됨에 따라 여자기 로터로부터 발생되는 3상의 교류 전원을 정류기를 통해 직류로 변환하고 별도의 공급선을 이용하여 상기 로터(20)의 계자권선(210)으로 공급하도록 구성된다.

본 발명에서는 일 예로써 상술한 여자 전류의 공급 방식을 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 여자전류의 공급 방식은 공지기술 등을 통해 다양하게 구성될 수 있는 바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

한편, 상기 로터(20)의 철심에는 원주 방향을 따라 복수의 슬롯(200)이 형성되는 바, 상기 슬롯(200)에는 구리 재질을 포함한 봉 형상의 도체를 삽입하고 이 도체의 양끝단을 단락환으로 단락시킨 구조로 제동권선(Damper Winding, 50)을 구성하게 된다.

이러한 제동권선(50)은 발전기의 부하변동에 따른 맥동으로 인해 운전중 각속도가 일정하지 않게 되어 발전기의 상차각도가 평균부하에서의 상차각을 중심으로 맥동하는 고조파가 발생하여 발전중인 전기계통에 간섭을 일으켜 부하전력 계통에 저질의 전기를 공급하게 되고 로터(20)에 이상 진동 현상이 발생되는 것을 방지하기 위한 것이다.

이에 맥동하는 고조파를 제거하고자 발전기의 상차각 변동에 따라 제동권선(50)에 전류를 감지하여 그 변동량에 따라 계자자속의 유도 자속량을 변화시켜 상기 현상의 원인인 맥동 고조파를 최소화하게 되는 것이다.

이에 따라 발전기의 제동제어(Braking Control)가 원활해지게 되며 발전기의 로터에 발생하는 이상 진동 현상을 방지할 수 있게 된다.

한편, 본 발명에서는 상술한 로터(20)의 형상 변화를 통해 파형 왜형율을 개선시키도록 구성된 것이 특징이다.

구체적으로, 상기 스테이터(10)의 내주연과 로터(20)와의 공극(40) 사이가 균일하게 형성됨에 따라 상기 로터(20)의 회전 시 공극(40)의 자속변화가 비정현적으로 되어 기전력 파형이 왜곡되었다.

본 발명에서는 상술한 파형 왜곡을 방지하기 위하여 상기 로터(20)의 외부 표면에 형상 변화를 줌으로써, 공극(40)의 자속변화를 정현적으로 출력하게 되고, 기전력 파형이 정현파를 취하도록 하며 결과적으로 파형 왜형율을 개선하도록 하는 것이다.

이에 상기 로터(20)는 도 2에 도시된 바와 같이 그 외주연을 따라 로터(20)의 반지름(R1)보다 상대적으로 작은 반지름(R2)을 갖는 곡면부(230)가 형성된다.

이는 스테이터(10)의 내주연과 로터(20) 표면과의 공극(40) 사이를 비균일하게 하여 공극(40)의 자속변화를 정현적으로 출력하기 위함이다.

여기서, 상기 로터(20)는 샤프트(30)에 의한 회전 시, 상기 곡면부(230)에 의해 편심이 작용하지 않도록 중심부로부터 대칭되는 위치에서 각각 한 쌍 이상 형성됨이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 상기 곡면부(230)는 도 2에 도시된 바와 같이 십자형 단면 구조를 갖는 로터(20)에서 각 끝단의 일측 및 타측에 형성되도록 함으로써 총 네 쌍이 구성되도록 한다.

이와 같이 본 발명에 따른 로터(20)는 상술한 곡면부(230)의 형상에 의해 스테이터(10)의 내주연과의 공극(40) 사이가 균일하지 않게 되는 것이며, 로터(20)의 회전에 따른 공극(40)의 자속변화를 정현적으로 함으로써 고조파 성분을 최소화하고 정현파에 근접한 파형을 출력하여 결과적으로 파형 왜형율이 개선될 수 있는 것이다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

10 : 스테이터 20 : 로터
30 : 샤프트 40 : 공극
50 : 제동권선 110 : 중공부
210 : 계자권선 220 : 장착홈
230 : 곡면부

Claims (2)

1. 원형의 링 형상을 갖는 플레이트가 복수로 적층되어 중공부가 형성되며, 내주연에는 원주 방향을 따라 복수의 슬롯이 형성되는 스테이터;
   상기 스테이터의 중공부에 위치하되 상기 스테이터의 내주연과 일정 간격의 공극을 유지하면서 회전하는 로터;
   상기 로터에 회전력을 전달하는 샤프트; 및
   상기 샤프트의 후단에서 샤프트를 공유하면서 상기 로터와 나란히 동축을 이루며 회전하며, 여자기용 전기자 권선이 장착되며 정류기가 상기 샤프트 상에 설치됨에 따라 회전에 의해 발생되는 3상의 교류 전원을 상기 정류기를 통해 직류로 변환하여 직류전원을 생산하고 이를 공급선을 통해 상기 로터로 공급하도록 하는 여자기 로터;를 포함하되,
   상기 로터는 그 단면이 원형을 가지되 상호 대향하는 위치에 두 쌍의 장착홈이 구성되어 4 부위에 각각 끝단부가 형성되며, 상기 장착홈에는 상기 여자기 로터로부터 생산되는 직류전원이 부여되어 극성이 교번되는 계자권선이 권취되고,
   상기 로터의 철심에는 원주 방향을 따라 복수의 슬롯이 형성되며 상기 슬롯에는 봉 형상의 도체를 삽입하고 상기 도체의 양끝단을 단락환으로 단락시킨 구조를 갖는 제동권선이 구성되며,
   상기 로터의 각 끝단부는 상기 로터의 반경을 갖는 그 중심으로부터 멀어질수록 상대적으로 그 반경이 작아지도록 구성되는 곡면부가 형성되어 상기 스테이터의 내주연과 로터 표면과의 공극 사이를 비균일하게 하여 공극의 자속변화를 정현적으로 출력하는 것을 특징으로 하는 파형 왜형율이 향상된 교류 발전기.
2. 삭제

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