KR101746330B1 - 영구자석 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구자석 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자석과 페라이트 코어를 서로 마주보게 한 상태에서 내측의 자석을 회전시켜 전력을 생산함과 동시에 히스테리시스 손과 와류를 최소화하도록 하는 영구자석 발전기에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 페라이트 코어에서 발생되는 히스테리시스 손을 최소화할 수 있어서 전력 생산과정에서 열이 나는 문제를 해결할 수 있고, 알루미늄과 같은 가벼운 금속재질로 생산이 가능하여 무게를 줄이면서도 견고한 장치를 만들 수 있는 효과가 있다.

Description

영구자석 발전기{POWER GENERATOR WITH MINIMUM HYSTERESIS LOSS}

본 발명은 영구자석 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자석과 페라이트 코어를 서로 마주보게 한 상태에서 내측의 자석을 회전시켜 전력을 생산함과 동시에 히스테리시스 손과 와류를 최소화하도록 하는 영구자석 발전기에 관한 것이다.

발전기는 외부의 힘으로 자석을 회전시켜 전기를 생산하는 장치이며, 전동기는 이와 반대로 전기의 힘으로 축을 회전시켜 운동에너지를 발생시키는 장치이다.

발전기와 전동기는 투입되는 에너지와 생산되는 에너지가 반대이지만, 에너지의 변환 또는 생성 원리는 동일하다.

통상적으로 발전기는 코일이 감겨있는 페라이트 코어를 외곽에 배치하고, 내부의 회전체에 자석을 설치하여 자속의 변화에 따른 기전력으로 코일에 전류가 유도되도록 한다. 전동기는 전류를 코일에 흘리고, 페라이트 코어와 대응되는 위치에 설치된 자석이 전류의 흐름에 의해 발생한 자기력에 의해 회전하도록 한다.

이러한 기본적인 원리에 따라 구현된 발전기 또는 전동기에서 회전자의 회전력을 증대시키고, 전기 에너지의 사용량을 최소화시키거나 운동 에너지의 발생량을 최대화시키기 위한 개선된 구조가 개시된다.

도 1은 종래기술에 따른 전동기의 구조를 나타낸 사시도이며, 도 2는 도 1의 A-A' 방향의 단면도이다.

종래기술의 전동기는 전체를 지지하는 두 개의 지지대(100), 상기 지지대의 중앙에 정착된 회전축(130), 상기 회전축에 연결된 회전판(120)과 상기 회전판의 가장자리에 장착되는 S 및 N극 영구자석(110, 112)들로 이뤄지는 회전자, 코어 철심(170)과 코일(172)로 이루어지는 고정자, 영구자석(200, 210), 제1 및 제2 브러쉬(150, 152), 제1 브러쉬를 접속시키기 위한 브러쉬 스위치(160), 추(190), 제1 및 제2 브러쉬로 전원을 공급하는 배터리(180)를 구비한다.

먼저, 원통 형상의 회전축(130) 및 상기 회전축의 양단면에 연결된 회전자 베어링축(140)이 양쪽 지지대(100)의 중앙에 설치되어 있다. 또한, 상기 제1 브러쉬(150) 및 제2 브러쉬(152)가 상기 회전축의 측면에 접한 소정의 위치에 서로 대향되어 배치된다.

회전축의 측면에 회전판(120)이 부착되며, 회전판의 원주면의 가장자리에 적어도 하나 이상의 영구자석(110, 112)들이 부착된다. 회전판의 일측면의 가장자리에는 적어도 하나 이상의 S극 영구자석(110)들이 서로 일정거리 이격되어 부착되며, 또한 상기 S극 영구자석들이 설치되는 회전판의 대향면에 N극 영구자석(112)들이 부착된다. 따라서, 회전자는 회전판과 다수개의 N극 영구자석 및 S극 영구자석의 쌍들로 이루어지며, 상기 N극 영구자석과 S극 영구자석은 상기 회전판의 원주면의 가장자리의 소정 위치에 서로 대향 되는 상태로 장착된다.

전술한 구성을 갖는 회전판 및 영구자석들로 이루어지는 회전자는 회전추가 회전함에 따라 함께 회전하게 된다. 그리고 회전자의 회전에 따라 영구 자석이 코어 철심에 끌려가는 힘을 받게 되고, 회전자는 더욱 가속화되어 회전할 수 있다.

그러나 이러한 구조를 사용하는 경우, 영구자석과 코일을 금속으로 제작하게 되는데, 자속의 변화에 따라 발생하는 히스테리시스 손에 의해 구조물에 변형이 생기고, 열이 발생하게 된다. 자석이나 코일에 발생한 열에 의해 구성요소가 파손되는 경우가 생기고, 고속으로 회전하는 장치가 파손되면서 사고가 발생하는 문제점이 있었다.

KR 20-0392771 Y1

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 자석의 양극과 대응되는 위치에 페라이트 코어의 돌출부를 위치시키고, 회전체에 설치된 자석과 페라이트 코어의 위치를 최대한 근접시켜 회전력을 증가시키면서 히스테리시스 손을 최소화할 수 있는 영구자석 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 회전체에 설치되는 자석의 양극을 회전체의 가운데 중심축에 대해서 약간 어긋나게 배치하여 회전력에 반대되는 역기전력이 생기는 것을 최소화할 수 있는 영구자석 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 두 개의 고정판(302)과; 상기 고정판(302)의 사이 공간에 회전축(306)에 의해 회전가능하게 고정되는 회전체(304)와; 상기 회전체(304)의 가장자리에 배치되는 복수의 자석(308)과; 상기 고정판(302)의 사이 공간에서 상기 회전체(304)의 회전반경 외곽에 설치되는 ㄷ자 모양의 복수의 페라이트 코어(310)와; 상기 페라이트 코어(310)의 가운데에 감겨지는 코일(312)과; 상기 코일(312)과 전기적으로 연결된 전선(314);을 포함하며, 상기 자석(308)은 상기 회전축(306)과 평행한 방향으로 N극과 S극이 배치되며, 상기 N극과 S극은 상기 ㄷ자 모양의 페라이트 코어(310)의 양측 말단의 돌출부와 각각 대응되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 회전체(304)가 회전함에 따라 상기 자석(308)이 상기 페라이트 코어(310)와 가장 근접했을 때, 상기 자석(308)과 상기 페라이트 코어(310) 사이의 거리는 1㎜ 내지 3㎜의 범위내에 있는 것을 특징으로 한다.

상기 자석(308)의 N극과 S극은 상기 회전축(306)에 대해서 소정의 각도(θ)만큼 어긋난 상태로 배치되며, 상기 소정의 각도(θ)는 1˚ 내지 5˚인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 페라이트 코어에서 발생되는 히스테리시스 손을 최소화할 수 있어서 전력 생산과정에서 열이 나는 문제를 해결할 수 있고, 알루미늄과 같은 가벼운 금속재질로 생산이 가능하여 무게를 줄이면서도 견고한 장치를 만들 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 전동기의 구조를 나타낸 사시도.
도 2는 도 1의 A-A' 방향의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발전기의 구조를 나타낸 사시도.
도 4는 도 3의 발전기의 구성요소를 분리한 상태를 나타낸 분해사시도.
도 5는 도 3의 발전기의 내부 구조를 나타낸 단면도.
도 6과 7은 다른 실시예에 따른 회전체의 구조를 나타낸 사시도.
도 8은 다른 실시예에 따른 발전기의 구조를 나타낸 단면도.
도 9는 자석의 배치 상태를 나타낸 단면도.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 "영구자석 발전기"(이하, '발전기'라 함)를 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발전기의 구조를 나타낸 사시도이며, 도 4는 도 3의 발전기의 구성요소를 분리한 상태를 나타낸 분해사시도, 도 5는 도 3의 발전기의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 발전기(300)는 종래기술에서와 같이, 좌우측에 평행하게 설치된 고정판(302)의 사이 공간에 자석(308)이 부착된 상태에서 회전하는 회전체(304)를 설치하여 외측의 코일(312)에서 전류가 유도되도록 하는 구조를 갖는다.

본 발명에서는 자석(308)의 회전을 이용하여 페라이트 코어(310)의 자속 변화를 발생시키고, 이를 통해 전류를 생산하는 전력발생수단에 대해서 규정하지만, 같은 원리이면서 반대 작용을 이용하는 운동수단(모터, 전동기 등)에도 적용할 수 있다. 따라서 본 발명의 핵심적인 특징을 갖는 전동장치에 대해서도 본 발명의 원리가 동일하게 적용된다.

회전체(304)는 양측의 고정판(302)에 회전축(306)이 베어링 등으로 회전가능하게 고정된다. 회전체(304)는 가운데 회전축(306)을 중심으로 방사상으로 대칭이 되는 형태로 만들어진다. 도 3에 도시된 것과 같이 정삼각형일 수 있으며, 이외에도 정사각형이나 원형, 기타 다양한 모양이 될 수 있다. 본 발명에서는 정삼각형의 회전체(304)를 기본으로 하여 설명하지만, 이에 한정되지 않는다.

회전체(304)의 가장자리에는 자석(308)이 부착된다. 자석(308)은 영구자석으로서, 회전축(306)과 평행한 방향으로 N극과 S극이 배치되도록 한다. 즉 두 개의 고정판(302) 중에서 하나에 가까운 쪽에는 N극, 반대쪽에는 S극이 위치하도록 한다.

회전체(304)의 회전반경 외곽에는 약간의 거리를 두고 페라이트 코어(310)가 설치된다. 페라이트 코어(310)도 회전체(304)와 같이 두 개의 고정판(302) 사이에 설치되는데, 페라이트 코어(310)는 움직이지 않고 고정되어 있다. 페라이트 코어(310)는 회전축(306)을 중심으로 방사상으로 대칭되게 설치하는 것이 바람직하며, 회전체(304)가 회전하면서 자석(308)이 서로 근접할 수 있도록 같은 평면 위에 설치한다.

페라이트 코어(310)는 ㄷ자 모양으로 제작하며, 양측 말단의 돌출부가 회전체(304)의 자석(308)과 대응되는 위치에 오도록 한다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 자석(308)의 N극과 S극이 페라이트 코어(310)의 ㄷ자의 돌출부와 대응되도록 한다. 그리고 N극과 S극 사이의 공간은 페라이트 코어(310)의 ㄷ자의 가운데와 대응되도록 한다.

페라이트 코어(310)는 양측의 ㄷ자 돌출부가 회전체(304)의 가운데에 있는 회전축(306)을 향하고, 가운데 ㄷ자 연결부가 회전축(306)의 반대쪽을 향하도록 배치된다. 따라서 회전체(304)의 가장자리에 부착된 자석(308)은 회전체(304)의 회전과 함께 돌아가면서 복수의 페라이트 코어(310)와 순차적으로 접근하게 된다. 자석(308)이 접근했다가 멀어지는 페라이트 코어(310)에는 자속의 변화가 생기게 되고, 이로 인해서 유도기전력이 발생한다.

자석(308)이 회전체(304)와 함께 회전하면서 복수의 페라이트 코어(310)와 순차적으로 근접했다가 멀어지는데, 가장 근접했을 때의 거리는 수 ㎜에서 수십 ㎜ 정도가 되도록 하는 것이 가장 바람직하다. 통상적으로는 1㎜ 내지 3㎜의 범위에서 이격되도록 한다.

페라이트 코어(310)의 가운데에는 코일(312)을 감는다. 코일(312)은 페라이트 코어(310)에 발생하는 자속의 변화에 따라 전류를 발생시킨다. 코일(312)에서 유도된 전류는 코일(312)에 전기적으로 연결된 전선(314)을 따라서 축전지(316)에 전달된다. 축전지(316)는 발전기(300)에서 발생된 전력을 저장한다.

회전체(304)의 회전에 따라 페라이트 코어(310)의 가운데에 감겨진 코일(312)에 생성되는 전류를 외부로 유도하기 위한 구성(브러시, 접점 등)은 기존 발전장치나 전동장치에 사용되는 것과 동일하므로, 본 발명에서는 상세하게 설명하지 않는다.

한편, 도 6과 7은 다른 실시예에 따른 회전체의 구조를 나타낸 사시도이다.

앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 사용되는 회전체(304)는 다양한 형상으로 제작되는데, 정삼각형 외에도 방사상으로 다리가 뻗은 바람개비형 회전체(330)나, 원형 회전체(340)일 수 있다.

특히 원형 회전체(340)의 경우에는 회전하는 원판의 가장자리에 복수의 자석(308)이 부착되는데, 자석(308) 사이에 공간이 생기지 않도록 밀찰시키는 것이 중요하다. 밀착된 복수의 자석(308)이 페라이트 코어(310)와 근접하여 회전하면서 안정적인 전류의 생산이 가능해진다.

한편, 도 8은 다른 실시예에 따른 발전기의 구조를 나타낸 단면도이다.

전술한 실시예에서는 가운데 회전하는 회전체(304)의 외곽에 자석(308)과 마주보는 하나의 페라이트 코어(310)를 설치하였는데, 도 8에 도시된 실시예에서는 페라이트 코어(310)의 외곽에 추가로 자석(320)을 설치하여 사용한다.

회전체(304)의 측면에 ㄷ자 모양의 브라켓(318)을 서로 마주보게 두 개를 설치한다. 그리고 브라켓(318)의 끝에 추가 자석(320)을 설치한다. 그리고 기존에 설치된 페라이트 코어(310)에 추가로 페라이트 코어(322)를 설치하고, 코일(312)을 감아준다.

즉, ㄷ자 모양의 페라이트 코어(310)에 같은 모양의 추가 페라이트 코어(322)를 맞대고, ㄷ자의 가운데 부분을 하나의 코일(312)로 감아서 결합시킨다. 회전체(304)의 중심을 향하고 있는 페라이트 코어(310)의 양측 돌출부는 회전체(304)에 부착된 자석(308)과 대응되며, 브라켓(318)의 끝에 설치된 자석(320)은 추가로 설치된 페라이트 코어(322)의 돌출부와 대응된다. 이로 인해 자석(308)과 페라이트 코어(310)의 수가 두 배로 늘어나면서 발전량 또는 운동량이 늘어나게 된다.

한편, 도 9는 자석의 배치 상태를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 자석(308)은 회전체(304)의 가장자리에 회전축(306)의 방향과 평행하게 N극과 S극이 배치되도록 하는 것이 기본 구조이다. 그러나 실제로는 회전체(304)를 부드럽게 회전시키고, 역기전력의 발생을 최소화하기 위해서는 회전축(306)의 방향과 자석(308)의 배치 방향을 약간 어긋나게 할 필요가 있다.

이를 위해서 도 9에 도시된 바와 같이, 회전체(304)의 표면에 부착되는 자석(308)의 양극이 회전축(306)에 대해서 일정한 각도(θ)만큼 틀어지도록 배치한다. 이것은 회전체(304)가 정삼각형이거나 바람개비형, 원형 등 다양한 형태일 때에도 동일하게 적용된다.

자석(308)의 배치되는 각도(θ)는 1˚ 내지 5˚ 정도가 되도록 하는 것이 바람직하다. 그리고 배치되는 각도를 어긋나게 하는 것은 자석(308)이 아니라 페라이트 코어(310)일 수도 있다. 즉, 자석(308)의 양극과 페라이트 코어(310)의 양측 돌출부가 서로 1˚ 내지 5˚의 각도만큼 틀어지도록 배치함으로써 역기전력을 최소화할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

300 : 발전기 302 : 고정판
304, 330, 340 : 회전체 306 : 회전축
308, 320 : 자석 310, 322 : 페라이트 코어
312 : 코일 314 : 전선
316 : 축전지 318 : 브라켓

Claims (3)

1. 두 개의 고정판(302)과;
   상기 고정판(302)의 사이 공간에 회전축(306)에 의해 회전가능하게 고정되는 회전체(304)와;
   상기 회전체(304)의 가장자리에 배치되는 복수의 자석(308)과;
   상기 고정판(302)의 사이 공간에서 상기 회전체(304)의 회전반경 외곽에 설치되는 ㄷ자 모양의 복수의 페라이트 코어(310)와;
   상기 페라이트 코어(310)의 가운데에 감겨지는 코일(312)과;
   상기 코일(312)과 전기적으로 연결된 전선(314);을 포함하며,
   상기 회전체(304)가 회전함에 따라 상기 자석(308)이 상기 페라이트 코어(310)와 가장 근접했을 때, 상기 자석(308)과 상기 페라이트 코어(310) 사이의 거리는 1㎜ 내지 3㎜의 범위내에 있으며,
   상기 자석(308)의 N극과 S극은 상기 회전축(306)에 대해서 1˚ 내지 5˚의 각도(θ)만큼 어긋난 상태로 배치되며,
   상기 N극과 S극은 상기 ㄷ자 모양의 페라이트 코어(310)의 양측 말단의 돌출부와 각각 대응되는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는, 영구자석 발전기.
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