KR101758103B1 - 그래핀 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 그래핀 전동기에 관한 것으로써, 더욱 상세히 설명하면 전기자 권선이나 회전자에 있어서 권선에 그래핀을 직접형성하여 전기적 저항이 낮아서 효율이 높은 것을 특징으로 하는 그래핀 전동기에 관한 것이다.

Description

그래핀 전동기 {Graphene electric motor}

본 발명은 그래핀 전동기에 관한것으로써, 더욱 상세히 설명하면 전동기의 권선을 그래핀과 금속의 접합구조로 구성함으로써 권선의 저항값이 매우 낮아 출력효율이 높은 것을 특징으로 하는 고효율 그래핀 전동기에 관한 것이다.

일반적으로 전동기는 회전자계를 만드는 계자와 회전자계에 의해 회전하는 회자자로 구성되며, 유도 전동기의 회전자는 구조에 따라 농형과 권선형으로 나뉘고, 회전자는 철심에 결합시키는 도체는 구리막대(또는 알루미늄막대)와 단락환으로 구성된다.

한편, 종래의 전동기에 있어서, 고효율화는 최적 설계와 고급 자재 사용 등으로 기기 각부에 대한 손실을 최소화하는데 역점을 두고 있었다.

즉, 동손을 줄이기 위해 권선의 동량 및 철심의 철량을 증가시켜 전류밀도를 낮추고, 철손을 줄이기 위해 순철 및 규소강 등 보자력이 적은 재료로써 얇은 두께로 만든 후 이를 여러 장 포갠 성층철심을 사용하며, 표류부하손을 줄이기 위해 고정자와 회전자 사이의 공극과 각 슬롯수의 최적화 및 절연성능을 개선하며 기계손을 줄이기 위해 베어링 엄선 및 그 윤활구조를 개선하고 냉각팬 등의 기구를 최적화하는 것이다.

상기와 같이 기기의 최적 설계와 고급 자재 사용은, 실질적으로 표준대비 5~10%의 효율 상승을 이룩하고 있다.

그러나 이같은 방법은, 효율 개선에 한계가 있을 뿐만 아니라, 기기의 부피가 커지고 제품의 생산원가도 40%이상 높아져 사용자의 초기 투자비용을 증가시키는 문제점을 안고 있다.

따라서 일반적인 전동기의 경우 자계를 만드는 권선은 대부분 전기가 잘 흐르는 구리등 동선에 의해 제작되며 이는 전기저항을 줄임으로써 열로 발생되는 손실을 줄이고 효율을 높이고자 함이다.

본 발명에서는 구리보다 전기 저항이 낮은 그래핀과 금속 접합구조를 활용함으로써 기존의 전동기보다 더 높은 효율의 전동기를 보여주고 있다.

대한민국 특허출원번호 제2014-0192647호 "영구자석 전동기의 회전자 구조"

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 드론이나 전기차에 활용되는 전동기는 가볍고 효율이 높아야 하는데 기존의 구리를 동선으로 활용할 경우 이러한 문제를 해결하는데 거의 한계에 다다른 상태이다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 전동기에 있어서, 구리보다 전기 전도도가 10배이상 뛰어난 그래핀을 금속과 접합구조로 동선을 제작함으로써 손실을 줄이고 효율은 더 높은 전동기를 보여주고 있다.

상기와 같은 과제의 해결수단으로 본 발명은 전동기에 있어서, 구리보다 전기 전도도가 10배이상 뛰어난 그래핀을 금속과 접합구조로 동선을 제작함으로써 손실을 줄이고 효율은 더 높은 전동기를 보여주고 있다. 특히 그래핀과 알루미늄이나 마그네슘 접합형태로 제작할 시 가벼고 효율이 높은 전동기 제작이 가능하게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 그래핀과 금속 접합구조의 동선을 활용함으로써 효율이 높고 무게가 가벼운 전동기를 발명함이다.

그래핀은 구리보다 전기전도도가 10배이상 높다. 이는 전기저항이 낮다는 뜻으로 그래핀과 금속 접합구조의 권선은 수식 P = I²R 에 의해 전기저항이 낮아서 동손이 작게되고 효율은 입력에서 손실을 감한 값이므로 손실이 줄어듦으로써 효율이 높게 되는 것은 자명한 사실이다. 또한 열의 발생이 적으므로 냉각팬을 구동하는 손실도 줄일 수 있으며 열에 의한 전동기 소손도 줄일수 있는 효과가 있다.

만일 가벼운 금속과 그래핀 접합구조의 권선을 활용하거나 그래핀만으로 권선을 제작할 경우 기존의 구리를 이용한 전동기보다 무게가 가볍고 효율이 높은 전동기 제작이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명 전동기의 영구자석이 배치된 회전자의 평면도.
도 2는 본 발명 전동기의 전기자를 도시해 보인 사시도.
도 3는 본 발명 전동기 전기자 권선을 확대해 보인 사시도.
도 4는 본 발명 농형 유도전동기 회전자를 도시해 보인 사시도.
도 5는 본 발명 그래핀-금속의 접합상태를 확대 도시해 보인 예시도.

상기와 같은 목적 및 효과를 달성하기 위하여 본 발명은 이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 전동기의 영구자석이 배치된 회전자의 평면도이고 도 2는 본 발명 전동기의 전기자를 도시해 보인 사시도이다.

본 발명 전동기(1)는 회전자(11)의 중앙에 회전축이 삽입되고 내측과 외측에 영구자석(2)이 서로 흡인력이 발생하도록 상호배치 되며 그 사이에 원통형의 전기자(3)가 놓이게 되며 회전자(11)의 각에 따라 전기자(3)의 자계가 상호 변환되어 회전하는 원리이다.

본 발명 전동기(1)는 4개의 영구자석(2)이 배치되었지만 그 이상의 극수도 당연이 가능하다.

도 2에서 도시한 전기자(3)는 철심이 없는 형태의 전기자(3)로써 드론 등에 활용이 가능하도록 철심을 없애고 권선의 무게를 줄인 형태이다.

권선 또한 구리보다 가벼운 알루미늄등의 재질로 이루어진 금속층(7)과 그래핀층(6)을 겹겹이 접합시킨 형태로써 원통형의 절연체에 판형의 그래핀 권선(5)을 자계가 발생하도록 일정한 패턴모양으로 전기적으로 결합시킨다.

상기 그래핀 권선(5)은 금속판으로 이루어진 금속층(7)과 그래핀으로 이루어진 그래핀(6)층을 층층이 접합시킨후 일정한 모양으로 절단하여 원통형으로 제작이 가능하다.

또는, 금속과의 접합구조 없이 원통형의 절연고분자물질과 그래핀을 겹겹이 접합시켜 전기자(3)를 제작할 수도 있다.

그래핀 권선(5)의 끝부분은 금속핀에 의해 각층의 권선이 상호 전기적으로 연결될 수 있도록 한다.

전기자(3) 원통의 권선은 외부의 전원과 연결되어 회전각에 따라 자계의 방향을 제어하게 된다.

상기 전기자(3)의 중앙에는 회전축이 삽입되는 회전공이 형성되어 회전자(4)의 회전이 가능하도록 한다.

도 3은 본 발명 전동기 전기자 권선을 확대해 보인 사시도이다.

종래의 전동기에 있어서, 철심에 감아서 자계를 생성하는 권선은 보통 구리 동선을 사용하나 이는 구리 고유의 저항으로 인하여 열이 발생하게 되고 이는 동손의 손실로 인하여 효율을 떨어뜨리게 된다.

본 발명에서는 전동기 권선을 그래핀과 금속의 접합구조로 함으로써 전기저항을 낮추어 효율을 높이고자 함이다.

따라서 금속층과 그래핀층이 겹겹이 접합되어 그래핀 권선(5)으로 제작함으로써 전동기의 효율을 높일 수 있다.

도 5는 권선을 구성하기위해 그래핀-금속이 겹겹이 형성되어 샌드위치 형태로 제작된 판형의 권선으로 이를 확대한 모습이다.

기존의 구리만 활용한 권선에 비해 그래핀 권선(5)은 전기저항이 낮아서 열의 발생이 적고 동손이 작으므로 전동기의 효율을 증대시킨다.

열의 발생은 냉각에 필요한 냉각팬을 구동하게 되고 이는 또 다른 손실을 초래한다.

또한 열에 의해 절연이 파괴되어 권선이 타버림으로써 전동기 손상을 가져오기도 한다.

그래핀 권선(5)을 활용한 전동기(1)는 전기저항이 낮으므로 열의 발생이 적어서 이러한 현상을 방지 하는 효과가 있다.

샌드위치 형태의 그래핀 권선(5)은 우리에게 잘 알려진 CVD(화학증기 증착법)에 의해 기판위에 촉매층인 니켈또는 구리같은 얇은 금속층을 만들고 고온에서 메탄수소가스를 투입하여 탄소가 촉매층에 녹아들어가거나 격자사이를 비집고 들어 가도록 한다. 이런 과정후에 냉각하여 촉매층을 제거하면 금속 그래핀이 나온다. 이를 여러겹으로 겹친후 일정한 패턴으로 절단하여 권선을 제작할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명 농형 유도전동기 회전자를 도시해 보인 사시도이다.

유도 전동기의 회전자(4)는 도체막대(8)와 단락환(9)으로 결합되어 적층철심속에 내장되는데 종래에는 대부분 구리 동선이나 알루미늄선에 의해 제작된다.

본 발명에서는 그래핀-금속을 형성시킨 도체막대(8)와 단락환(9)이 그래핀으로 연결되어 전기 저항을 낮춘 것을 특징으로 하여 열의 발생이 적고 효율이 높은 유도 전동기 회전자개발이 가능하다.

현재의 기술로는 그래핀과 금속의 결합에 있어서 전기적 저항이 높은편이다. 본 발명에서는 유도전동기의 회전자의 제조방법에 있어서 도체막대(8)가 관형으로 제작되며 단락환(9)은 홈을 파서 관형의 도체막대(8)에서 내부 구멍과 홈이 상호 연결되어 그래핀층이 이를 통하여 서로 연결된다.

따라서 그래핀과 그래핀 사이에 별도의 금속 연결없이 그래핀만으로 전기적 연결이 가능해서 전기저항이 낮은 그래핀 회전자제작이 가능하다.

이 또한 CVD(화학증기 증착법)에 의해 그래핀층을 도체막대(8) 내부에 형성시키고 단락환(9)의 홈에도 형성되게 하여 한번에 제작할 수 있다.

일반적으로 금속기판위에 그래핀을 합성한후 원하는 기판으로 옮기는 전사작업에서 찢어지거나 구겨지는 손상문제가 많이 발생하고 있다. 본 발명에서는 이러한 옮기는 전사작업 과정 없이 직접 회전자도체에 그래핀층(6)을 형성함으로써 전기 전도도가 높은 회전자를 만들 수 있게 된다.

1: 전동기 2: 영구자석
3: 전기자 4: 농형 회전자
5: 그래핀 권선 6: 그래핀층
7: 금속층 8: 도체막대
9: 단락환 10: 홈
11: 회전자

Claims (3)

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3. 도체막대(8)는 가운데가 비어있는 관형으로 제작되고 단락환(9)에는 홈이 파여져 관형의 도체막대 내부구멍과 홈이 상호 연결되도록 한상태에서 그래핀층(6)을 형성하여 접합부위 없이 하나의 그래핀층(6)으로 형성 연결되는 것을 특징으로 하는 그래핀 전동기.
   

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