KR101516389B1

KR101516389B1 - 구동과 전기충전이 동시에 이루어지는 모터발전기

Info

Publication number: KR101516389B1
Application number: KR1020140141959A
Authority: KR
Inventors: 강봉현; 임원욱
Original assignee: ㈜대신산업개발
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2015-05-26
Also published as: CN105765833A; WO2016064015A1

Abstract

본 발명은 구동과 전기충전이 동시에 이루어지는 모터발전기에 관한 것으로, 일면이 개방되고 타면이 막힌 원통형의 케이스(10); 상기 케이스(10)의 중심부에 고정되며, 코일이 권선되어진 내부스테이터(100); 상기 케이스(10)의 내주면에 고정되며, 코일이 권선되어진 외부스테이터(300); 상기 내부스테이터(100)와 외부스테이터(300) 사이에 구비되며, 상기 케이스(10)의 중심축을 중심으로 회전 가능하도록 회전수단(400)이 구비되고, 영구자석(240)이 교차되어 형성되는 회전로터(200); 및 상기 내부스테이터(100) 및 상기 외부스테이터(300)와 연결되는 배터리부(20);로 이루어진다.

Description

구동과 전기충전이 동시에 이루어지는 모터발전기{MOTOR GENERATOR DRIVING AND ELECTRIC CHARGING AT THE SAME TIME}

본 발명은 구동과 전기충전이 동시에 이루어지는 모터발전기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 배터리로부터 전원이 인가되면, 구동대상물을 구동시키고, 이와 동시에 유도전류(전기)가 발생되며, 발생된 전기(유도전류)가 다시 배터리를 충전시키는, 구동과 전기충전이 동시에 이루어지는 모터발전기에 관한 것이다.

우리가 사용하고 있는 전기는 화력발전소 또는 원자력발전소에서 생산되는 것이 대부분이다. 하지만, 화석 연료를 연소시키는 화력발전 방식은 지구 온난화 및 환경문제를 일으키는 이산화탄소를 발생시킨다. 또한, 핵반응을 통해 발전기를 가동시키는 원자력발전 방식은 방사능 누출, 핵폐기물 처리 문제 등 많은 환경 문제들을 대두시키고 있다. 전기를 생산하는 데 따른 문제점들 즉, 화석연료의 고갈 및 환경문제로 인해 전기의 사용 방식 역시 중요해지면서 최근에는 전기 절약 운동이 이루어지고 있으며, 이에 따른 절전형 가전제품들도 등장하고 있다.

현대 사회에서 유용하게 사용하고 있는 모터는 전기에너지를 이용하여 기계적 에너지로 변환하여 구동되는데, 최근에는 전기에너지의 양을 적게 쓰면서, 효율이 높은 모터에 대해 다양한 방식으로 연구되고 있다. 또한, 발전기는 외부 동력원으로부터 기계적 에너지를 전달받아 전기에너지로 변환시키는 장치인데, 역시 기계적 에너지에서 전기에너지로 변환 효율이 좋은 발전기에 대해 많은 연구 및 개발이 계속되고 있는 실정이다.

이와 관련하여, 한국공개특허 제2012-0048796호 ("모터와 발전기가 일체로 형성된 발전장치", 공개일 2012.05.16., 이하 '선행기술')는 발전기와 모터가 일체형으로 이루어진 발전장치에 대해 기재하고 있다. 더욱 상세하게 설명하면, 모터의 구동과 동시에 발전기를 통해 전기를 생산하고, 생산된 전기를 이용하여 다시 모터를 구동하며, 이후 잉여전기는 배터리를 충전하거나, (주)한국전력공사로 보내는 내용이 기재되어 있다. 그러나, 선행기술의 발전장치는 에너지보존의 법칙(에너지가 다른 에너지로 전환될 때, 전환 전후의 에너지 총합은 항상 일정하게 보존된다는 법칙)에 위배되며, 발전기 또는 모터를 단독으로 사용하는 것보다 에너지 변환 효율이 낮다는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 최근에는 에너지보존의 법칙에 위배되지 않으며, 모터의 구동과 동시에 전기를 생산 가능하고, 에너지 변환 효율이 높은 모터발전장치(이하 '모터발전기'라고 지칭함)에 대해 요구되고 있는 실정이다.

한국공개특허 제2012-0048796호 ("모터와 발전기가 일체로 형성된 발전장치", 공개일 2012.05.16.)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 에너지보존의 법칙에 위배되지 않는 범위에서, 모터의 구동과 동시에 전기를 생산하여, 배터리를 충전시킴으로써, 배터리의 방전율을 낮추고 배터리의 사용시간을 늘릴 수 있는 모터발전기를 제공함에 있다.

또한, 본 발명은 마찰에 의한 에너지 손실을 줄여 에너지 변환 효율이 높은 모터발전기를 제공함에 있다.

본 발명은 모터의 구동과 전기충전이 동시에 이루어지는 모터발전기에 관한 것으로, 일면이 개방되고 타면이 막힌 원통형의 케이스(10); 상기 케이스(10)의 중심부에 고정되며, 코일이 권선되어진 내부스테이터(100); 상기 케이스(10)의 내주면에 고정되며, 코일이 권선되어진 외부스테이터(300); 상기 내부스테이터(100)와 외부스테이터(300) 사이에 구비되며, 상기 케이스(10)의 중심축을 중심으로 회전 가능하도록 회전수단(400)이 구비되고, 영구자석(240)이 교차되어 형성되는 회전로터(200); 및 상기 내부스테이터(100) 및 상기 외부스테이터(300)와 연결되는 배터리부(20); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전로터(200)는 상기 내부스테이터(100)의 외측과 일정 간격 이격되어 회전 가능하도록 회전수단(400)이 구비되며, 상기 내부스테이터(100)와 마주보는 면에 영구자석(240)이 교차되어 구비되는 내부로터(210); 상기 외부스테이터(300)의 내측과 일정 간격 이격되어 회전 가능하도록 회전수단(400)이 구비되며, 상기 외부스테이터(300)와 마주보는 면에 영구자석(240)이 교차되어 구비되는 외부로터(220); 및 상기 내부로터(210) 및 외부로터(220) 사이에 전기적 및 전자기적인 영향을 차단하도록 구비되는 분리막(230); 을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내부스테이터(100)는 상기 배터리부(20)로부터 전원을 공급받아 전자기력을 발생시켜, 상기 회전로터(200)를 회전시키며, 상기 외부스테이터(300)는 상기 회전로터(200)의 회전에 의해 전기가 발생되고, 발생된 전기는 상기 배터리부(20)를 충전시키도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 외부스테이터(300)는 상기 배터리부(20)로부터 전원을 공급받아 전자기력을 발생시켜, 상기 회전로터(200)를 회전시키며, 상기 내부스테이터(100)는 상기 회전로터(200)의 회전에 의해 전기가 발생되고, 발생된 전기는 상기 배터리부(20)를 충전시키도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전수단(400)은 볼 베어링 또는 초전도체인 자기베어링 중 선택되는 적어도 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전로터(200)는 상기 케이스(10)의 개방된 부위에 구비되며, 상기 회전로터(200)와 구동대상물(30)을 연결하고, 이물질이 상기 케이스(10)의 내부로 유입되는 것을 방지하는 덮개(500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 모터발전기에 관한 것으로, 에너지보존의 법칙에 위배되지 않고, 모터의 구동과 발전기의 전기 생산이 동시에 이루어지는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 모터발전기는 자기베어링을 사용함으로써, 마찰에 의해 손실되는 에너지를 줄여 에너지 변환 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 모터발전기의 단면도
도 2는 본 발명에 따른 회전로터의 사시도
도 3은 본 발명에 따른 자기베어링이 적용된 모터발전기의 단면도
도 4는 본 발명에 따른 모터발전기의 실시예

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 모터발전기의 단면도이며, 도 2는 본 발명에 따른 회전로터의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 자기베어링이 적용된 모터발전기의 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 모터발전기의 실시예이다.

본 발명은 모터의 구동과 발전기의 전기 생산을 동시에 할 수 있는 양방향 모터발전기에 관한 것이다. 즉, 배터리로부터 전원을 인가시키면, 모터가 구동되고, 이와 동시에 발전기가 작동되어 전기를 생산하며, 생산된 전기는 다시 배터리를 충전한다. 본 발명에서 중요한 점은 에너지보존의 법칙에 위배되지 않고, 모터의 구동과 동시에 전기를 생산하여, 배터리를 충전시킴으로써, 배터리의 방전율을 낮추고 배터리의 사용시간을 늘릴 수 있다는 데에 있다. 또한, 본 발명의 모터발전기는 마찰에 의한 에너지 손실을 줄여 에너지 변환 효율을 높일 수 있는 장점을 가지고 있다.

도1을 참조하여 본 발명의 모터발전기를 설명하면, 전체 외형틀을 형성하는 케이스(10), 상기 케이스(10) 내부에 고정되는 내부 및 외부스테이터(100, 300), 상기 내부 및 외부스테이터(100, 300) 사이에서 회전하도록 구비되는 회전로터(200)로 이루어진다. 또한, 상기 내부 및 외부스테이터(100, 300)는 배터리부(20)와 연결된다. 따라서, 본 발명의 모터발전기는 배터리부(20)로부터 전원이 인가되면, 회전로터(200)가 회전하게 되고, 상기 회전로터(200)의 회전에 의해 전기가 발생되어 배터리부(20)를 다시 충전시키게 된다.

케이스(10)는 일면이 개방되고 타면이 막힌 원통형으로 형성되는데, 일반적으로 사용되는 모터 및 발전기의 외형과 동일한 형상으로 이루어진다. 상부 케이스(10)는 내부에 내부스테이터(100), 회전로터(200) 및 외부스테이터(300)가 구비된다.

상기 내부스테이터(100)는 상기 케이스(10)의 중심부에 고정되며, 상기 외부스테이터(300)는 상기 케이스(10)의 내부면에 고정되어 구비된다. 또한, 상기 내부스테이터(100)와 상기 외부스테이터(300)는 코일이 권선되어 형성된다.

상기 회전로터(200)는 상기 내부스테이터(100)와 외부스테이터(300) 사이에 구비된다.

도2에서 보는 바와 같이, 상기 회전로터(200)는 상기 내부스테이터(100) 및 외부스테이터(300)와 대응되는 면에 영구자석(240)이 교차되어 구비된다. 상기 영구자석(240)은 내부스테이터(100) 또는 외부스테이터(300)의 코일과 반응하여, 전자기력을 발생시켜 회전로터(200)를 회전시키거나, 유도전류를 발생시켜 전기를 생산하는 역할을 한다. 상기 회전로터(200)는 내부로터(210), 외부로터(220) 및 분리막(230)으로 이루어진다. 상기 내부로터(210)는 내부스테이터(100)의 외측에 일정 간격 이격되어 형성되며, 그 사이에 회전수단(400)이 구비된다. 또한, 상기 내부로터(210)는 상기 내부스테이터(100)와 대응되는 면에 영구자석(240)이 교차되어 구비된다. 상기 외부로터(220)는 외부스테이터(300)의 내측에 일정 간격 이격되어 형성되며, 그 사이에 회전수단(400)이 구비된다. 또한, 상기 외부로터(220)는 상기 외부스테이터(300)와 대응되는 면에 영구자석(240)이 교차되어 구비된다. 또한, 상기 분리막(230)은 내부로터(210)와 외부로터(220) 사이에 구비되며, 전자기적인 영향을 차단하는 역할을 하며, 절연성의 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

도1 및 도3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 모터발전기는 상기 내부스테이터(100)와 회전로터(200) 사이, 회전로터(200)와 외부스테이터(300)사이에 회전수단(400)이 각각 구비된다. 상기 회전수단(400)은 회전로터(200)가 원활히 회전되도록 하며, 마찰을 최소한으로 줄여 마찰에 의한 에너지 소모를 줄이는 역할을 한다.

상기 회전수단(400)은 상기 내부스테이터(100), 회전로터(200) 및 외부스테이터(300)가 서로 일정 간격으로 이격시키는 역할을 한다. 상기 회전수단(400)은 회전로터(200)가 회전할 때 외부스테이터(300) 및 내부스테이터(100)와의 마찰을 줄이고 원활하게 회전할 수 있게 하여, 에너지 효율을 높이는 역할을 한다. 또한, 상기 회전수단(400)은 볼 베어링 또는 초전도체인 자기베어링 등을 사용할 수 있는데, 상기 볼 베어링은 내구성이 좋고, 가격이 비교적 저렴하여 널리 사용된다. 반면, 상기 자기베어링은 가격이 고가이고, 높은 기술력이 필요하지만, 마찰에 대한 에너지 손실이 적어 에너지 변환 효율을 높일 수 있는 장점을 가지고 있다. 따라서, 상기 회전수단(400)은 볼 베어링 보다 초전도체인 자기베어링을 사용하는 것이 바람직하다.

도4에서 보는 바와 같이, 모터발전기는 회전로터(200)의 일측면에 구동대상물(30)이 연결된다. 상기 회전로터(200)가 회전하게 되면, 상기 구동대상물(30)도 회전을 통해 구동하게 된다. 상기 구동대상물(30)은 일반적으로 모터와 연결되어 사용하는 자동차 바퀴나 프로펠러, 톱니바퀴 등을 사용할 수 있다.

상기 모터발전기는 일면이 개방되어 있기 때문에, 이물질이 유입될 수도 있다. 이를 방지하기 위해 케이스(10)의 개방된 부위에 덮개(500)가 더 구비될 수도 있다. 상기 덮개(500)는 이물질이 상기 케이스(10)의 내부로 유입되는 것을 방지하는 역할도 하지만, 상기 덮개(500)에 구비된 연결부(510)를 통해 회전로터(200)와 구동대상물(30)을 연결하여, 상기 구동대상물(30)을 구동시킨다. 더욱 상세하게 설명하면, 상기 연결부(510)의 일측은 회전로터(200)와 결합되고, 타측은 구동대상물(30)과 결합된다. 상기 회전로터(200) 및 구동대상물(30)과 연결된 덮개(500)는 회전로터(200)의 회전력을 상기 구동대상물(30)로 전달하여, 상기 구동대상물(30)을 구동시킨다. 또한, 상기 구동대상물(30)이 구동하면서 이물질이 모터발전기 내부로 유입될 수도 있는데, 상기 덮개(500)는 구동 시에 이물질이 모터발전기 내부로 유입되는 것을 방지하는 특징이 있다.

또한, 본 발명의 모터발전기는 상기 케이스(10)와 구동대상물(30) 사이에 실링부(520)가 더 구비될 수도 있다. 상기 실링부(520)는 이물질이 상기 케이스(10)의 내부로 유입되는 것을 방지하는 역할을 하며, 자동차의 주요장치에 오일 및 이물질이 유입되는 것을 방지하는 데에 주로 사용되는 리테이너(Retainer)를 사용할 수 있다.

본 발명의 모터발전기의 구동에 대해 설명하면, 전원이 외부스테이터(300)로 인가되어 내부스테이터(100)에서 전기가 발생되는 방식과, 전원이 내부스테이터(100)로 인가되어 외부스테이터(300)에서 전기가 발생되는 방식으로 나뉜다.

전자의 경우, 배터리부(20)에서 전원이 외부스테이터(300)로 인가되면, 인가된 전원에 의해 외부스테이터(300)와 외부로터(220) 사이에 전자기력이 발생되고, 발생된 전자기력은 회전로터(200)를 회전시킨다. 상기 회전로터(200)가 회전하게 되면, 상기 회전로터(200)와 연결된 구동대상물(30)이 구동되는 동시에 내부로터(210)와 내부스테이터(100)에서 유도전류(전기)가 발생된다. 상기 전기는 상기 내부스테이터(100)에 권선된 코일을 통해 배터리부(20)로 흘러 상기 배터리부(20)를 충전시킨다.

후자의 경우, 배터리부(20)에서 전원이 내부스테이터(100)로 인가되면, 인가된 전원에 의해 내부스테이터(100)와 내부로터(210) 사이에 전자기력이 발생되고, 발생된 전자기력은 회전로터(200)를 회전시킨다. 상기 회전로터(200)가 회전하게 되면, 상기 회전로터(200)와 연결된 구동대상물(30)이 구동되는 동시에 외부로터(220)와 외부스테이터(300)에서 유도전류(전기)가 발생된다. 상기 전기는 상기 외부스테이터(300)에 권선된 코일을 통해 배터리부(20)로 흘러 상기 배터리부(20)를 충전시킨다.

또한, 본 발명의 모터발전기를 자동차에 적용할 경우, 배터리에서 전원이 인가되어 회전로터(200)가 회전되고, 회전로터(200)와 연결된 바퀴(구동대상물 : 30)가 구동하게 된다. 이때 상기 바퀴는 모터발전기의 회전로터(200)의 회전에 의해 구동되고, 바퀴가 구동되는 동시에 상기 회전로터(200)의 회전에 의해 전기가 발생되어 배터리를 다시 충전시킨다. 다만, 상기 배터리는 모터발전기에 의해 충전이 되더라도, 필요할 경우 전기충전소 또는 충전장치를 이용하여 추가로 배터리를 충전시킬 수도 있다. 나아가, 본 발명의 모터발전기는 기존 전기자동차 또는 하이브리드자동차에도 적용 가능하다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

10 : 케이스
20 : 배터리부
30 : 구동대상물
100 : 내부스테이터
200 : 회전로터
210 : 내부로터
220 : 외부로터
230 : 분리막
240 : 영구자석
300 : 외부스테이터
400 : 회전수단
500 : 덮개
510 : 연결부
520 : 실링부

Claims

일면이 개방되고 타면이 막힌 원통형의 케이스(10);
상기 케이스(10)의 중심부에 고정되며, 코일이 권선되어진 내부스테이터(100);
상기 케이스(10)의 내주면에 고정되며, 코일이 권선되어진 외부스테이터(300);
상기 내부스테이터(100)와 외부스테이터(300) 사이에 구비되며, 상기 케이스(10)의 중심축을 중심으로 회전 가능하도록 회전수단(400)이 구비되고, 영구자석(240)이 교차되어 형성되는 회전로터(200); 및
상기 내부스테이터(100) 및 상기 외부스테이터(300)와 연결되는 배터리부(20);로 이루어지되,
상기 회전로터(200)는,
상기 내부스테이터(100)의 외측과 일정 간격 이격되어 회전 가능하도록 회전수단(400)이 구비되며, 상기 내부스테이터(100)와 마주보는 면에 영구자석(240)이 교차되어 구비되는 내부로터(210);
상기 외부스테이터(300)의 내측과 일정 간격 이격되어 회전 가능하도록 회전수단(400)이 구비되며, 상기 외부스테이터(300)와 마주보는 면에 영구자석(240)이 교차되어 구비되는 외부로터(220);
절연성 재료로 이루어지며, 상기 내부로터(210) 및 외부로터(220) 사이에 구비되어, 상기 내부스테이터(100)와 내부로터(210), 상기 외부스테이터(300)와 외부로터(220)에서 발생되는 전자기적인 영향을 차단하는 분리막(230);
상기 케이스(10)의 개방된 부위에 구비되어, 이물질이 상기 케이스(10)의 내부로 유입되는 것을 방지하는 덮개(500);
상기 덮개(500)를 관통하도록 구비되며, 일측은 상기 회전로터(200)와 결합되고 타측은 구동대상물(30)과 결합되어 상기 회전로터(200)와 구동대상물(30)이 연결되고, 상기 회전로터(200)의 회전력을 상기 구동대상물(30)로 전달하는 연결부(510); 를 포함하고,
상기 배터리부(20)에서 전원이 인가되면, 상기 회전로터(200)가 회전되어 상기 구동대상물(30)이 구동되는 동시에, 전기가 발생되고 상기 전기는 상기 배터리부(20)를 충전하는 것을 특징으로 하는 구동과 전기충전이 동시에 이루어지는 모터발전기.
삭제
제1항에 있어서,
상기 내부스테이터(100)는 상기 배터리부(20)로부터 전원을 공급받아 전자기력을 발생시켜, 상기 회전로터(200)를 회전시키며,
상기 외부스테이터(300)는 상기 회전로터(200)의 회전에 의해 전기가 발생되고, 발생된 전기는 상기 배터리부(20)를 충전시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 구동과 전기충전이 동시에 이루어지는 모터발전기.
제1항에 있어서,
상기 외부스테이터(300)는 상기 배터리부(20)로부터 전원을 공급받아 전자기력을 발생시켜, 상기 회전로터(200)를 회전시키며,
상기 내부스테이터(100)는 상기 회전로터(200)의 회전에 의해 전기가 발생되고, 발생된 전기는 상기 배터리부(20)를 충전시키도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 구동과 전기충전이 동시에 이루어지는 모터발전기.
제1항에 있어서,
상기 회전수단(400)은 볼 베어링 또는 초전도체인 자기베어링 중 선택되는 적어도 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구동과 전기충전이 동시에 이루어지는 모터발전기.
삭제