KR101817646B1 - 영구자석과 전자석을 구비한 발전기 - Google Patents

영구자석과 전자석을 구비한 발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영구자석과 전자석을 구비한 발전기에 관한 것으로, 영구자석과 전자석을 전후로 위치시켜, 영구자석에서 발생되는 자속과 전자석에서 발생되는 자속이 동일 방향을 향하도록 하여 자속 밀도를 증가시킴으로써, 발전 효율을 향상시킬 수 있는 발전기를 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 발전기는, 영구자석과 전자석이 전후로 배치되어 동일 방향으로 자속을 발생시켜 자속 밀도를 증가시키기 위한 계자; 외부의 동력 발생기에서 발생된 동력에 따라 회전하는 샤프트; 및 상기 샤프트의 회전에 따라 회전하여, 상기 계자에서 발생된 자속에 따라 플레밍의 오른손 법칙에 따른 기전력이 유도되어 교류 전류를 발생시키기 위한 전기자를 포함할 수 있다.

Description

영구자석과 전자석을 구비한 발전기{Electric Power Generator Provided With Permanent Magnet And Electromagnet}
본 발명은 전기를 발생시키기 위한 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 영구자석에서 발생되는 자속과 전자석에서 발생되는 자속이 동일 방향을 향하여 자속 밀도가 증가되도록 영구자석과 전자석을 위치시킴으로써, 발전 효율을 향상시킬 수 있는 발전기에 관한 것이다.
일반적으로, 발전기에는 차량용 발전기, 풍력 발전기, 및 산업용 발전기 등이 있다. 이 중에서 산업용 발전기는 동기 속도로 회전하는 동기 발전기에 속하고, 차량용 발전기는 비동기 속도로 회전하는 비동기 발전기에 속한다. 그리고, 풍력 발전기도 바람 속도에 따라 속도가 일정하지 않기 때문에 비동기 발전기에 속한다.
여기서, 차량용 발전기(일명 '얼터네이터'라고 하는 비동기 발전기)는 고정되어 있는 3상 권선의 전기자(코일)와 회전하는 계자(자석)로 구성되어 있으며, 배터리로부터 계자에 공급되는 계자 전류는 발전기 축에 설치된 슬립링으로 자동 전압 조절기(AVR : Automatic Voltage Regulator)를 통해 공급한다. 이때, 공급된 계자 전류에 의해 여자(勵磁)된 계자를 회전시키면 고정된 3상 권선의 전기자에 플레밍의 오른손 법칙에 따라 유도 기전력이 발생하여 3상 교류 전류가 발생된다. 그러면, 차량용 발전기는 발생된 3상 교류 전류를 다이오드를 이용하여 전파 정류하여 직류 전원을 차량 부하에 공급한다. 여기서, 자동 전압 조절기(AVR)는 자동적으로 출력 전압을 일정한 값으로 유지시키는 장치이다. 이때, 발전기에 사용되는 자동 전압 조절기는 부하, 속도 등의 변동에 대하여 단자 전압의 변동을 검출하여 계자 전류를 제어한다.
그리고, 산업용 발전기(동기 발전기)는 동체 내에 보조 발전기(여자기)가 구비되어 있다. 이때, 보조 발전기는 계자가 고정되어 있고 3상 권선의 전기자가 회전하며, 그에 따라 플레밍의 오른손 법칙에 따라 유도 기전력이 발생하여 3상 교류 발전을 한다. 이렇게 보조 발전기에서 발생된 3상 교류 전류는 다이오드를 통하여 전파 정류되어 직류 전류로 변환된 후 메인 발전기의 계자에 계자 전류로 공급된다. 그리고, 메인 발전기는 회전하는 계자와 고정되어 있는 3상 권선의 전기자로 이루어져 있고, 보조 발전기로부터의 계자 전류에 의해 여자된 계자를 회전시키면 고정된 3상 권선의 전기자에 유도 기전력이 발생하여 3상 교류 전류가 발생된다. 이렇게 메인 발전기에서 발생된 3상 교류 전류는 부하 측에 공급된다.
이때, 영구자석만을 보조 발전기의 계자로 사용하면 효율은 증가되나, 영구자석에서 나오는 자속이 일정하므로 속도 증감 및 부하의 증감 시에 전압 변동의 범위가 커지기 때문에 부하에 악영향을 미치는 단점이 있다. 그리고, 전자석만을 보조 발전기의 계자로 사용하면 계자 전류가 증가되어 효율이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 보조 발전기의 전기자는 회전자로서, 일반적으로 일체형 코아로 구현되며, 분포권(분포 권선)을 사용하므로 슬롯 내 코일 점적율을 증대시키기 어려운 단점이 있고, 코일 엔드 부분이 길기 때문에 임피던스가 증가하여 효율이 저하되는 문제점이 있다.
상기와 같은 종래 기술은 전술한 바와 같은 여러 가지 문제점이 있으며, 이러한 문제점을 해결하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.
따라서, 본 발명은 영구자석과 전자석을 전후로 위치시켜, 영구자석에서 발생되는 자속과 전자석에서 발생되는 자속이 동일 방향을 향하도록 하여 자속 밀도를 증가시킴으로써, 발전 효율을 향상시킬 수 있는 발전기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 발전기는, 영구자석과 전자석이 전후로 배치되어 동일 방향으로 자속을 발생시켜 자속 밀도를 증가시키기 위한 계자; 외부의 동력 발생기에서 발생된 동력에 따라 회전하는 샤프트; 및 상기 샤프트의 회전에 따라 회전하여, 상기 계자에서 발생된 자속에 따라 플레밍의 오른손 법칙에 따른 기전력이 유도되어 교류 전류를 발생시키기 위한 전기자를 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 영구자석과 전자석을 전후로 위치시켜, 영구자석에서 발생되는 자속과 전자석에서 발생되는 자속이 동일 방향을 향하도록 하여 자속 밀도를 증가시킴으로써, 발전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기와 같은 본 발명은, 전기자 코일을 집중권(집중 권선)으로 형성함으로써, 전기자 슬롯 내의 전기자 코일의 점적율을 향상시키고 전기자 코일의 엔드 부분을 줄여 임피던스를 감소시키며 동손을 감소시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 돕기 위한 발전기의 구조도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석과 전자석을 구비한 발전기의 구조도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
그리고, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체의 기재에 있어서 일부 구성요소들을 단수형으로 기재하였다고 해서, 본 발명이 그에 국한되는 것은 아니며, 해당 구성요소가 복수 개로 이루어질 수 있음을 알 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 돕기 위한 발전기의 구조도로서, 샤프트(110)와 계자(120)와 전기자(130)의 구조를 나타내고 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 돕기 위한 발전기는, 외부의 자동 전압 조절기(도면에 도시되지 않음)로부터의 계자 전류에 따라 전자석으로 자화되어 자속을 발생시키기 위한 고정자인 계자(120), 외부의 동력 발생기(도면에 도시되지 않음, 예를 들어 디젤 엔진)에서 발생된 동력에 따라 회전하는 샤프트(110), 및 전기자 코일(133)이 분포권으로 형성되어, 샤프트(110)의 회전에 따라 함께 회전하여, 계자(120)에서 발생된 자속에 따라 플레밍의 오른손 법칙에 따른 기전력이 유도되어 3상 교류 전류를 발생시키기 위한 회전자인 전기자(130)를 포함한다.
여기서, 계자(120)는 고정되어 있는 고정자로서, 돌출 형태의 복수 개(예를 들어, 8개)의 계자 코아 티스(core teeth)(121)와 이러한 계자 코아 티스(121)와 교대로 홈 형태의 복수 개(예를 들어, 8개)의 계자 슬롯(122)이 내측에 형성되어 있는 원형의 계자 코아 백요크(back yoke)(123)로 이루어져 있다. 이때, 계자 코아 슬롯(122)에는 계자 코일(124)이 설치(즉, 계자 코아 티스에 계자 코일이 감겨 있음)되어 있으며, 외부의 자동 전압 조절기로부터 계자 전류가 계자 코일(124)로 인가됨에 따라 계자 코아 티스(121)가 전자석으로 자화되어 자속을 발생시킨다.
그리고, 전기자(130)는 계자(120)의 내측과 샤프트(110)의 외측 사이에 위치하여 샤프트(110)의 회전에 따라 회전하는 회전자로서, 돌출 형태의 복수 개(예를 들어, 24개)의 전기자 코아 티스(131)와 이러한 전기자 코아 티스(131)와 교대로 홈 형태의 복수 개(예를 들어, 24개)의 전기자 슬롯(132)이 외측에 형성되어 있는 원형의 일체형 코아로 이루어져 있다. 이때, 전기자 슬롯(132) 내에는 전기자 코일(133)이 분포권 형태로 설치되어 있고, 샤프트(110)의 회전에 따라 전기자 코일(133)도 회전하여, 계자(120)의 계자 코아 티스(121)에서 발생된 자속에 따라 기전력이 전기자 코일(133)에 유도되어 3상 교류 전류를 발생시킨다.
그런데, 영구자석만을 발전기의 계자(120)로 사용하면, 효율은 증가되나 영구자석에서 나오는 자속이 일정하므로 속도 증감 및 부하의 증감 시에 전압 변동의 범위가 커지기 때문에 부하에 악영향을 미치는 단점이 있다. 그리고, 전자석만을 발전기의 계자(120)로 사용하면, 계자 전류가 증가되어 효율이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 발전기의 전기자(130)는 회전자로서, 일반적으로 일체형 코아로 구현되며, 분포권을 사용하므로 전기자 슬롯(132) 내의 전기자 코일(133)의 점적율을 증대시키기 어려운 단점이 있고, 전기자 코일(133)의 엔드 부분이 길기 때문에 임피던스가 증가하여 효율이 저하되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에서는 영구자석과 전자석을 전후로 위치시켜, 영구자석에서 발생되는 자속과 전자석에서 발생되는 자속이 동일 방향을 향하도록 하여 자속 밀도를 증가시킴으로써, 발전 효율을 향상시킬 수 있으며, 또한 전기자 코일을 집중권으로 형성함으로써, 전기자 슬롯 내의 전기자 코일의 점적율을 향상시키고 전기자 코일의 엔드 부분을 줄여 임피던스를 감소시키며 동손을 감소시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있으며, 이를 도 2를 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석과 전자석을 구비한 발전기의 구조도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기는, 영구자석(230)과 전자석(221, 224)이 전후로 배치되어 동일 방향으로 자속을 발생시켜 자속 밀도를 증가시키기 위한 고정자인 계자(220), 외부의 동력 발생기(도면에 도시되지 않음)에서 발생된 동력에 따라 회전하는 샤프트(210), 및 전기자 코일(243)이 집중권으로 형성되어, 샤프트(210)의 회전에 따라 함께 회전하여, 계자(220)에서 발생된 자속에 따라 플레밍의 오른손 법칙에 따른 기전력이 유도되어 3상 교류 전류를 발생시키기 위한 회전자인 전기자(240)를 포함한다.
여기서, 계자(220)는 자체적으로 자속을 발생시키기 위한 복수의 영구자석(230), 및 복수의 영구자석(230)과 상응하여 전후로 배치되어, 외부의 자동 전압 조절기(도면에 도시되지 않음)를 통하여 인가되는 계자 전류에 따라 자화되어 복수의 영구자석(230)에서 발생되는 자속과 동일 방향으로 자속을 발생시켜 자속 밀도를 증가시키기 위한 복수의 전자석(221, 224)을 포함한다. 이때, 복수의 영구자석(230)에서 발생되는 각 자속과 복수의 전자석(221, 224)에서 발생되는 각 자속이 서로 상응하는 자속끼리 동일 방향을 향하도록 하여 자속 밀도를 증가시키기 위하여, 복수의 영구자석(230)과 복수의 전자석(221, 224)은 각각 상응하여 전후로 일직선상에 위치하는 것이 바람직하며, 또한 복수의 영구자석(230)은 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치되고, 복수의 전자석(221, 224)은 복수의 영구자석(230)에 상응하여 동일 자극으로 자화된다. 이때, 각 전자석(221, 224)에서 발생된 자속이 통과하는 자속통로 면적의 일부분에 각 영구자석(230)이 배치되는 것이 바람직하다. 그리고, 도 2에 도시된 바와 같이 영구자석(230)이 앞쪽(즉, 전기자 측)에 위치하고 전자석(221, 224)이 뒷쪽에 위치(다시 말하면, 영구자석이 전기자와 전자석 사이에 위치)하는 것이 바람직하나, 이와 반대로 위치(즉, 전자석이 전기자와 영구자석 사이에 위치)시킬 수도 있다. 그러나, 반대로 위치시키면 영구자석(230)만을 사용할 때 전자석(221, 224)에 의하여 자속이 일부 차단되어 효율이 저하될 수 있다.
그리고, 전기자(240)는 도 2에 도시된 바와 같이 전기자 코아를 분할형 코아(분할 코아라 함은 하나의 슬롯과 치를 분할하여 권선 후 조립하는 방식을 의미함) 타입으로 구현하거나, 기존 방식과 같이 전기자 코아를 일체형 코아 타입으로 구현할 수 있으며, 전기자 코일(243)을 집중권으로 형성하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 전기자(240)는 전기자 코일(243)을 분포권으로 형성하면, 전기자 슬롯(242) 내의 전기자 코일(243)의 점적율을 증대시키기 어렵고, 전기자 코일(243)의 엔드 부분이 길기 때문에 임피던스가 증가하여 효율이 저하된다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에서는 전기자 코일(243)을 집중권으로 형성함으로써, 전기자 슬롯(242) 내의 전기자 코일(243)의 점적율을 향상(코일 권선 또는 코일경 증대)시키고 전기자 코일(243)의 엔드 부분을 줄여 임피던스를 감소시키며 동손을 감소시켜 발전 효율을 향상시킬 수 있다. 여기서, "동손"이란 저항을 갖는 재료에 전류가 흘렀을 때 발생하는 손실로서, 전류의 제곱과 저항의 곱인 손실이 발생한다.
각 구성 요소의 구조를 좀 더 구체적으로 살펴보면, 계자(220)는 고정되어 있는 고정자로서, 돌출 형태의 복수 개(예를 들어, 8개)의 계자 코아 티스(221)와 이러한 계자 코아 티스(221)와 교대로 홈 형태의 복수 개(예를 들어, 8개)의 계자 슬롯(222)이 내측에 형성되어 있는 원형의 계자 코아 백요크(223)로 이루어져 있다. 이때, 계자 코아 슬롯(222)에는 계자 코일(224)이 설치(즉, 계자 코아 티스에 계자 코일이 감겨 있음)되어 있으며, 외부의 자동 전압 조절기로부터 계자 전류가 계자 코일(224)로 인가됨에 따라 계자 코아 티스(221)가 전자석으로 자화되어 영구자석(230)에서 발생되는 자속과 동일 방향으로 자속을 발생시켜 자속 밀도를 증가시킨다.
그리고, 전기자(240)는 계자(220)의 내측과 샤프트(210)의 외측 사이에 위치하여 샤프트(210)의 회전에 따라 회전하는 회전자로서, 돌출 형태의 복수 개(예를 들어, 12개)의 전기자 코아 티스(241)와 이러한 전기자 코아 티스(241)와 교대로 홈 형태의 복수 개(예를 들어, 12개)의 전기자 슬롯(242)이 외측에 형성되어 있는 원형의 분할형 코아로 이루어져 있다. 이때, 전기자 슬롯(242) 내에는 전기자 코일(243)이 집중권 형태로 설치되어 있고, 샤프트(210)의 회전에 따라 전기자 코일(243)도 회전하여, 계자(220)의 계자 코아 티스(221)에서 발생된 자속에 따라 플레밍의 오른손 법칙에 따른 기전력이 유도되어 3상 교류 전류를 발생시킨다.
한편, 전술한 바와 같은 발전기에서는 예를 들어, 초기 여자의 경우나 최대 부하값의 1/3 미만의 부하가 걸린 경우에는 전자석(221, 224)으로 인가되는 계자 전류가 차단되어 전자석(221, 224)에서 자속이 발생되지 않고 영구자석(230)에서만 자속이 발생되도록 하고, 예를 들어, 최대 부하값의 1/3 이상의 부하가 걸린 경우에는 영구자석(230)에서 자속이 발생될 뿐만 아니라 전자석(221, 224)에 계자 전류가 인가되어 영구자석(230)에서 발생되는 자속과 동일 방향으로 자속이 발생되어 자속 밀도가 증가되도록 할 수도 있다. 이때, 계자 전류의 차단 및 인가는 자동 전압 조절기나 계자 전류 제어부(도 2에 도시되지 않음) 등을 이용하여 구현할 수 있다.
그리고, 전술한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기는 독립적으로 사용될 수도 있으나, 동기식 발전 시스템의 보조 발전기로 사용될 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
210 : 샤프트 220 : 계자
221, 224: 전자석 230 : 영구자석
240 : 전기자

Claims (7)

  1. 영구자석과 전자석이 전후로 배치되어 동일 방향으로 자속을 발생시켜 자속 밀도를 증가시키기 위한 계자;
    외부의 동력 발생기에서 발생된 동력에 따라 회전하는 샤프트; 및
    상기 샤프트의 회전에 따라 회전하여, 상기 계자에서 발생된 자속에 따라 플레밍의 오른손 법칙에 따른 기전력이 유도되어 교류 전류를 발생시키기 위한 전기자
    를 포함하는 산업용 동기 발전기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 계자는,
    자속을 발생시키기 위한 복수의 상기 영구자석; 및
    상기 복수의 영구자석과 상응하여 전후로 배치되어, 외부로부터 인가되는 계자 전류에 따라 자화되어 상기 복수의 영구자석에서 발생되는 자속과 동일 방향으로 자속을 발생시켜 자속 밀도를 증가시키기 위한 복수의 상기 전자석
    을 포함하는 산업용 동기 발전기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 복수의 영구자석과 상기 복수의 전자석은 각각 상응하여 전후로 일직선상에 배치되고,
    각각의 상기 전자석에서 발생된 자속이 통과하는 자속통로 면적의 일부분에, 상응하는 각각의 상기 영구자석이 배치되며,
    상기 복수의 영구자석은 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치되고,
    상기 복수의 전자석은 상기 복수의 영구자석에 상응하여 동일 자극으로 자화되는, 산업용 동기 발전기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석이, 상기 전기자와 상기 전자석 사이에 위치하는, 산업용 동기 발전기.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기자는, 전기자 코일이 집중권(집중 권선)으로 형성된, 산업용 동기 발전기.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기자는, 전기자 코아가 분할형 코아인, 산업용 동기 발전기.
  7. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기자는, 전기자 코아가 일체형 코아인, 산업용 동기 발전기.
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KR102113437B1 (ko) 2019-11-25 2020-05-20 김상중 다극 발전동기
KR102174147B1 (ko) 2019-11-06 2020-11-04 박기봉 부하 수용 능력이 향상된 디젤 발전기

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