KR101818323B1 - 발전 시스템 - Google Patents

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KR101818323B1
KR101818323B1 KR1020160010058A KR20160010058A KR101818323B1 KR 101818323 B1 KR101818323 B1 KR 101818323B1 KR 1020160010058 A KR1020160010058 A KR 1020160010058A KR 20160010058 A KR20160010058 A KR 20160010058A KR 101818323 B1 KR101818323 B1 KR 101818323B1
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Abstract

본 발명은 정역회전을 이용하여 발전 효율을 향상시키고, 코일 구조를 회전 운동에 최적화시켜 코깅 토크를 저감시키는 발전 시스템을 제공한다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은, 하나의 회전축을 중심으로 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 절연 보드 유닛과 자석부가 구비되는 발전 시스템에 있어서, 회전 운동 에너지를 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛에 전달하는 회전축; 상기 회전축과 상기 절연 보드 유닛을 연결하여 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛이 서로 반대 방향으로 회전하도록 하는 베벨 기어부; 상기 회전축을 회전 중심으로 하고 상기 베벨 기어부와 상기 절연 보드 유닛을 연결하는 베어링부; 중심이 상기 회전축과 연결되어 상기 회전축의 회전 방향과 같은 방향으로 회전하고 소정의 코일 패턴이 형성된 제1 절연 보드 유닛, 상기 베어링부에 연결되어 회전력을 전달받아 상기 회전축의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하고 소정의 코일 패턴이 형성된 제2 절연 보드 유닛을 포함하는 한 쌍의 절연 보드 유닛과 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛을 사이에 두고 마주보며 설치되는 한 쌍의 케이스에 각각 설치되는 제1 자석부 및 제2 자석부로 이루어지는 자석부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이를 통해, 회전축에서 발생하는 회전이 발전 수단에서 정역회전 형태로 안정적으로 구현될 수 있도록 할 수 있고, 별도의 장치를 구비하지 않고도 자석 사이에 배치되는 코일부의 권선 구조를 변경함으로써 코깅 토크를 저감시킬 수 있고, 효율적으로 회전 운동에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있어서 최종적으로 전력을 효율적으로 생성할 수 있다.

Description

발전 시스템{POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명은 발전 시스템에 관한 것으로서, 자세하게는 정역회전을 이용하여 발전 효율을 향상시키고, 코일 구조를 회전 운동에 최적화시켜 코깅 토크를 저감시키는 발전 시스템에 관한 발명이다.
전기 또는 전자 시스템에 필요한 전원을 효율적으로 공급하기 위해서 소모되는 에너지를 활용하는 장치에 대한 개발이 최근에 이루어지고 있다.
즉, 전기 또는 전자 시스템에서 소모되는 비전기적 특성의 에너지원을 전기 에너지로 변환하고 이러한 전기 에너지를 바로 사용하거나 배터리 등에 저장하여 활용하는 기술 개발이 이루어지고 있다.
일반적으로 전기를 발생시키는 발전 장치는, 회전 운동 등의 운동 에너지나 위치 에너지 등을 전기 에너지를 바꾸기 위해서 운동 에너지 발생 수단과 자석을 일정한 구조로 설계하는데, 특히 회전 운동 등의 운동 에너지를 안정적이면서도 최대한의 효율로 전기 에너지로 변환시키기 위해, 회전에 따른 자속 변화량이 최대가 되도록 하면서도 회전 운동이 안정적으로 이루어질 수 있도록 하는 기술 개발이 연구되고 있다.
다만, 안정적인 회전 운동을 구현하기 위한 발전기 장치의 구조에 대한 개발이 미진한 상태이고, 특히 안정적으로 자속을 극대화시키기 위한 구조를 제시하고 있는 종래 기술은 찾아볼 수 없다. 즉, 이러한 상황에서 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 안정적이면서도 고효율로 변환시킬 수 있는 발전기 장치의 개발이 요구되고 있다고 할 것이다.
또한, 일반적으로 발전 장치에는 자석부가 배치되고 자석부 중심에 회전부가 회전할 때 자석공극으로 인해서 코깅 토크가 발생할 수 있는데, 이러한 코깅 토크는 발전 효율을 저해하는 요소로 작용한다.
이러한 상황에서, 상기 코깅 토크를 저감시키는 기술 개발이 이루어지고 있는데, 종래 기술인 한국공개특허 제2009-0096672호 발명인 '발전기'는 적층규소강판을 적용한 스테이터에 대응하는 로터의 회전 시에 나타나는 코깅 토크 현상을 제거하기 위해, 코일함을 비자성체로 제작하는 것을 기술적 특징으로 개시하고 있다.
그러나 상기 종래 기술은 코깅 토크를 제거하기 위해서 코일함을 비자성체로 형성하는 것만 언급하고 있을 뿐, 코일함을 비자성체로 형성함에 따른 단점인 자속 감소에 대한 해결책은 제시하고 있지 않다.
즉, 코일함을 비자성체로 형성함에 따라 코깅 토크는 제거 또는 저감될 수 있으나 그로 인해서 발전기의 발전 효율이 저감될 수 있고, 결론적으로 발전기의 성능이 향상되지 못하는 단점이 있다.
따라서 코깅 토크를 저감시키면서도 이러한 종래 기술의 단점을 보완할 수 있는 발전 장치 또는 모터 장치의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
또한, 종래의 발전기는 철심에 코일을 감고 주위에 자석을 두어 전력을 발생시키는 원리인데, 이 때 적용되는 철심의 부피 및 무게가 필요에 따라 상당히 커질 수 있다는 점, 철심으로 인해 손실되는 자속이 발생한다는 점에서 그 한계점이 있다.
따라서, 상기와 같은 종래 발전기들의 문제점을 효과적으로 해결할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.
한국공개특허 제2009-0096672호
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 실시예에 따르면 정역회전을 이용하여 발전 효율을 향상시키고, 코일 구조를 회전 운동에 최적화시켜 코깅 토크를 저감시키는 발전 시스템을 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 발전 시스템은, 하나의 회전축을 중심으로 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 절연 보드 유닛과 자석부가 구비되는 발전 시스템에 있어서, 회전 운동 에너지를 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛에 전달하는 회전축; 상기 회전축과 상기 절연 보드 유닛을 연결하여 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛이 서로 반대 방향으로 회전하도록 하는 베벨 기어부; 상기 회전축을 회전 중심으로 하고 상기 베벨 기어부와 상기 절연 보드 유닛을 연결하는 베어링부; 중심이 상기 회전축과 연결되어 상기 회전축의 회전 방향과 같은 방향으로 회전하고 소정의 코일 패턴이 형성된 제1 절연 보드 유닛, 상기 베어링부에 연결되어 회전력을 전달받아 상기 회전축의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하고 소정의 코일 패턴이 형성된 제2 절연 보드 유닛을 포함하는 한 쌍의 절연 보드 유닛과 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛을 사이에 두고 마주보며 설치되는 한 쌍의 케이스에 각각 설치되는 제1 자석부 및 제2 자석부로 이루어지는 자석부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 베벨 기어부는, 상기 회전축 상에 형성되어 상기 회전축을 회전 중심으로 하여 회전하는 제1 베벨 기어, 상기 제1 베벨 기어와 맞물리어 회전하고 상기 제1 베벨 기어의 회전 방향과 수직 방향으로 회전하는 제2 베벨 기어, 상기 제2 베벨 기어와 맞물리어 상기 제1 베벨 기어의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하는 제3 베벨 기어로 이루어지고, 상기 제3 베벨 기어는, 상기 베어링부에 형성되어 회전력을 제공하여 상기 베어링부에 연결된 상기 제2 절연 보드 유닛이 상기 제1 절연 보드 유닛의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절연 보드 유닛은, 상기 제1 절연 보드 유닛과 제2 절연 보드 유닛이 소정의 간격을 가지고 서로 마주보며 반대 방향으로 회전하도록 이루어지거나, 상기 제1 절연 보드 유닛과 제2 절연 보드 유닛 사이에 소정의 윤활 유체가 구비되어 상기 제1 절연 보드 유닛과 제2 절연 보드 유닛이 서로 마주보며 반대 방향으로 회전하도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절연 보드 유닛 각각에는, 복수 개의 코일 패턴 유닛과, 하나 이상의 도선과, 상기 도선과 연결된 하나 이상의 단자가 형성되고, 상기 코일 패턴 유닛은, 상기 중심 방향을 향하는 소정의 기준선을 중심으로 대칭 형상을 이루고, 서로 마주 보는 코일 각 부분에 발생하는 전류 방향이 반대가 되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코일 패턴 유닛 각각은, 상기 절연 보드 유닛의 중심에서 바깥 방향으로 갈수록 면적이 증가하거나, 상기 소정의 기준선을 중심으로 인접한 다른 코일 패턴 유닛 방향으로 갈수록 면적이 증가하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛은, 복수 개로 구비되고, 상기 제1 절연 보드 유닛에 형성된 코일 패턴 유닛이 가지는 상기 소정의 기준선이, 인접하는 상기 제2 절연 보드 유닛에 형성된 코일 패턴 유닛 사이의 중심에 위치하도록 설치되고, 다른 한 쌍의 절연 보드 유닛에 포함되고 상기 제2 절연 보드 유닛에 인접하여 설치되는 제3 절연 보드 유닛에 형성된 코일 패턴 유닛 사이의 중심에, 상기 제2 절연 보드 유닛에 형성된 코일 패턴 유닛이 가지는 상기 소정의 기준선이 위치하도록 설치되며, 상기 복수 개의 절연 보드 유닛에 포함되는 각 절연 보드 유닛은, 각 절연 보드가 발생시키는 기전력의 위상이 서로 다르도록, 회전 시작 위치가 서로 다르게 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 시스템은, 하나의 회전축을 중심으로 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 절연 보드 유닛과 자석부가 구비되는 발전 시스템에 있어서, 회전 운동 에너지를 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛에 전달하는 회전축; 상기 회전축과 상기 절연 보드 유닛을 연결하여 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛이 서로 반대 방향으로 회전하도록 하는 베벨 기어부; 상기 회전축을 회전 중심으로 하고 상기 베벨 기어부와 상기 절연 보드 유닛을 연결하는 베어링부; 중심이 상기 회전축과 연결되어 상기 회전축의 회전 방향과 같은 방향으로 회전하고 소정의 코일 패턴이 형성된 제1 절연 보드 유닛, 상기 베어링부에 연결되어 회전력을 전달받아 상기 회전축의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하고 소정의 코일 패턴이 형성된 제2 절연 보드 유닛을 포함하는 한 쌍의 절연 보드 유닛과 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛을 사이에 두고 서로 마주보며 설치되는 한 쌍의 자석부를 포함하고, 상기 자석부는, 상기 회전축을 중심으로 가지며 상기 절연 보드 유닛을 감싸는 형상으로 이루어진 원기둥 형상의 제1 케이스 내주면에 복수 개의 제1 자석 유닛이 소정 간격을 두고 형성된 제1 자석부와, 상기 제1 케이스 중심을 그 중심으로 가지며, 상기 절연 보드 유닛에서 상기 중심 방향으로 소정 간격을 두고 설치되는 고정된 원기둥 형상의 제2 케이스 외주면에 복수 개의 제2 자석 유닛이 소정 간격을 두고 형성된 제2 자석부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코일 패턴 유닛 각각은, 상기 제2 자석부 방향에 형성된 부분이 상기 제1 자석부 방향으로 갈수록 면적이 증가하거나 상기 소정의 기준선을 중심으로 인접한 다른 코일 패턴 유닛 방향으로 갈수록 면적이 증가하고, 상기 절연 보드 유닛의 중심을 향하는 상기 제1 자석 유닛의 모서리, 상기 제1 케이스 중심을 향하는 상기 제2 자석 유닛의 모서리 및 상기 코일 패턴 유닛의 패턴 시작부는 동일 반경 상에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 발전 시스템은, 회전축에서 발생하는 회전이 발전 수단에서 정역회전 형태로 안정적으로 구현될 수 있도록 할 수 있다.
또한, 별도의 장치를 구비하지 않고도 자석 사이에 배치되는 코일부의 권선 구조를 변경함으로써 코깅 토크를 저감시킬 수 있고, 효율적으로 회전 운동에너지를 전기 에너지로 변환시킬 수 있어서 최종적으로 전력을 효율적으로 생성할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 발전 시스템은 그 구조상 많은 공간을 차지하지 않으므로, 고전력을 필요로 하는 소형 발전기에 적용될 수 있다는 장점을 가진다.
또한, 본 발명에 따른 발전 시스템은 종래 발전기와 달리 코일이 권선되는 철심을 구성으로 하지 않으므로, 철심으로 인한 자속 유출을 최소화할 수 있어서 고효율의 전력을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 상술한 효과들로 제한되지 않는다. 언급되지 않은 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템의 전체 구성을 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템의 전체 구성을 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 시스템의 절연 보드 유닛과 자석부를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 시스템의 절연 보드 유닛에 형성되는 코일 패턴 유닛을 도시한 개략도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 시스템의 복수 개의 절연 보드 유닛에 형성되는 코일 패턴 유닛을 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전 시스템의 절연 보드 유닛에 형성되는 코일 패턴 유닛을 도시한 개략도이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
한편, 본 명세서 전체에서 사용되는 '~부' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. '~부' 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들로 분리되거나, 다른 '~부'와 통합되는 형태로 제공될 수 있다.
본 명세서에서 어떤 구성이 다른 구성에 '연결'된다는 의미는 반드시 두 구성이 직접적으로 연결되는 것뿐만 아니라, 또 다른 구성이 매개되어 간접적으로 연결되는 것까지 포함한다. 본 명세서에서 공지된 구성에 대한 일반적인 내용에 관한 설명은 본 발명의 요지를 흐르지 않기 위해 생략될 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 대해 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명한다.
먼저 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템의 전체 구성에 대해 도 1 및 도 2를 기초로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템의 전체 구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템의 전체 구성을 도시한 단면도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은, 하나의 회전축을 중심으로 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 절연 보드 유닛과 자석부가 구비되는 발전 시스템이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은 한 쌍의 절연 보드 유닛(200), 회전축(400), 베벨 기어부(500) 및 베어링부(600)를 포함한다.
한 쌍의 절연 보드 유닛(200)은, 제1 절연 보드 유닛(200-2)과 제2 절연 보드 유닛(200-1)을 포함한다. 제1 절연 보드 유닛(200-2)과 제2 절연 보드 유닛(200-1)은 소정의 간격을 가지며 근접해서 설치될 수 있다.
또한, 제1 절연 보드 유닛(200-2)과 제2 절연 보드 유닛(200-1) 사이의 공간에는 윤활 성분을 가지는 유체로 채워질 수 있는데, 이러한 윤활 성분의 유체는 두 절연 보드 유닛이 고속으로 회전할 때 발생할 수 있는 코깅 토크를 감쇄시키는 기능을 수행한다.
또한, 제1 절연 보드 유닛(200-2)은 중심이 회전축(400)과 연결되어 회전축(400)의 회전 방향과 같은 방향으로 회전하고 소정의 코일 패턴이 형성되어 있다. 소정의 코일 패턴에 대해서는 도 2를 기초로 추후에 기술한다.
또한, 제2 절연 보드 유닛(200-1)은 베어링부(600)에 연결되어 회전력을 전달받아 회전축(400)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하고 소정의 코일 패턴이 형성되어 있다. 즉, 제2 절연 보드 유닛(200-1)은 제1 절연 보드 유닛(200-2)과 회전 방향이 반대인데, 이는 제2 절연 보드 유닛(200-1)이 제1 절연 보드 유닛(200-2)과 같은 회전축(400)을 가지면서도 결합된 베어링부(600)의 작용으로 회전축(400)의 회전으로 인해 회전을 하지 않게 되고, 이후에 기술할 베벨 기어부(500)의 동작을 통해 반대 방향으로 회전할 수 있다.
또한, 회전축(400)은 회전 운동 에너지를 한 쌍의 절연 보드 유닛(200)에 전달하고, 절연 보드 유닛(200)의 회전의 중심 역할을 수행한다.
또한, 베벨 기어부(500)는, 회전축(400)과 절연 보드 유닛(200)을 연결하여 제1 절연 보드 유닛(200-2)과 제2 절연 보드 유닛(200-1)이 서로 반대 방향으로 회전하도록 하는 역할을 수행한다.
즉, 베벨 기어부(500)는 서로 반대 방향으로 회전하는 것이 필요한 두 절연 보드 유닛(200-1, 200-2)에 각각 다른 방향의 회전력이 제공되도록 한다.
구체적으로 베벨 기어부(500)는 제1 베벨 기어(510), 제2 베벨 기어(530)와 제3 베벨 기어(550)를 포함하여 실시될 수 있다.
제1 베벨 기어(510)는 회전축(400) 상에 결합되어 형성되는데, 회전축(400)을 회전 중심으로 하여 회전하는 기어 부분이다. 즉, 제1 베벨 기어(510)는 회전 운동 에너지가 전달되는 회전축(400)의 회전 방향과 같은 방향으로 회전한다.
또한, 제2 베벨 기어(530)는 제1 베벨 기어(510)와 맞물리어 회전하는데, 제1 베벨 기어(510)의 회전 방향과 수직 방향으로 회전한다. 즉 제2 베벨 기어(530)는 제1 베벨 기어(510)의 회전 평면과 수직인 평면상에서 회전이 이루어지도록 하는 기어이다. 이러한 제2 베벨 기어(530)는 후술할 제3 베벨 기어(550)의 회전 방향을 결정하기 위해 구비된다.
또한, 제3 베벨 기어(550)는 제2 베벨 기어(530)와 맞물리어 회전하는 기어 부분인데, 상기 제2 베벨 기어(550)의 작용으로 인해 제1 베벨 기어(510)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전한다.
또한, 제3 베벨 기어(550)는 베어링부(600)에 형성되어 회전력을 제공하는데, 베어링부(600)에 연결된 제2 절연 보드 유닛(200-1)이 제1 절연 보드 유닛(200-2)의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하도록 하는 기능을 수행한다.
따라서, 제1 절연 보드 유닛(200-2)은 회전축(400)에 직접 연결된 상태에서 회전축과 같은 방향으로 회전하고, 제2 절연 보드 유닛(200-1)은 상기의 베벨 기어부(500) 및 베어링부(600)의 작용으로 인해서 회전축(400)을 회전 중심으로 하되, 회전 방향은 제1 절연 보드 유닛(200-2)과 반대 방향으로 회전을 하게 된다. 이러한 동작을 통해 제1 절연 보드 유닛(200-2)과 제2 절연 보드 유닛(200-1)은 고속의 회전에서도 안정적인 정역회전이 이루어질 수 있게 되며, 시간당 회전수에 비례하는 자속 발생량을 안정적으로 극대화할 수 있다.
또한, 두 절연 보드 유닛(200-1, 200-2)은 근접한 거리를 두고 설치되는데 이는 자속 발생량을 극대화하고 코깅 토크 발생을 최소화하기 위함이다. 그리고 근접한 거리 공간에는 윤활 유체로 채워질 수 있는데 이 또한 두 절연 보드 유닛(200-1, 200-2)의 회전에 따른 자속 발생량을 극대화하고 코깅 토크 발생을 최소화하기 위함이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은 케이스와 자석부를 더 포함할 수 있는데, 이에 대해서는 도 2를 기초로 이하에서 상세히 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 케이스(130)는 한 쌍의 절연 보드 유닛(200)을 사이에 두고 마주보는 면을 가지는데, 각 면의 내부면 또는 외부면에 자석부가 설치된다. 이러한 상태에서 한 쌍의 절연 보드 유닛(200)은 서로 반대 방향으로 회전을 하게 되고, 케이스(130)에 설치된 자석과의 작용으로 발전이 이루어지게 된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 시스템은 두 개의 케이스와 자석부를 더 포함할 수 있는데 이에 대해서는 도 3 내지 도 5를 기초로 이하에서 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 시스템의 절연 보드 유닛과 자석부를 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 시스템의 절연 보드 유닛에 형성되는 코일 패턴 유닛을 도시한 개략도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 시스템의 복수 개의 절연 보드 유닛에 형성되는 코일 패턴 유닛을 도시한 개략도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 시스템은, 제1 자석부(10), 회전축(400), 절연 보드 유닛(200), 제2 자석부(30)를 포함한다.
또한, 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 자석부(10)는 고정된 원기둥 형상의 제1 케이스(100)의 내주면에 복수 개의 제1 자석 유닛(10-1, 10-2...)이 소정 간격을 두고 형성된다.
또한, 회전축(400)은 제1 케이스(100) 중심에 위치하고 회전 운동 에너지를 전달하는 기능을 수행한다.
또한, 절연 보드 유닛(200)은 회전축(400)과 연결되어 회전 운동 에너지를 전달 받는다.
또한, 절연 보드 유닛(200)은 상기에서 살펴본 바와 같이 제1 절연 보드 유닛(200-2) 및 제2 절연 보드 유닛(200-1)을 포함하는 한 쌍으로 이루어질 수 있고, 제1 자석부(10)와 소정 간격을 두고 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 제2 자석부(30)는 제1 케이스(100) 중심을 그 중심으로 가진다.
즉, 제2 자석부(30)는, 절연 보드 유닛(200)에서 중심 방향으로 소정 간격을 두고 설치되는 고정된 원기둥 형상의 제2 케이스(300) 외주면에 복수 개의 제2 자석 유닛(30-1, 30-2...)이 소정 간격을 두고 형성될 수 있다.
또한, 상기 절연 보드 유닛(200)에는, 복수 개의 코일 패턴 유닛(20)이 형성될 수 있다. 또한, 절연 보드 유닛(200)에는, 하나 이상의 도선이 형성될 수 있고, 상기 도선과 연결된 하나 이상의 단자가 형성될 수 있다.
이러한 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)은 전자기유도 현상에 따른 전력 발전을 위해 절연 보드(200)에 형성되는 것이고, 도선 및 단자는 상기 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)을 통해 생성된 전류를 배터리 또는 여러 가지 부하에 전달하기 위해 구비되는 것이다.
또한, 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)은, 중심 방향을 향하는 소정의 기준선(C)을 중심으로 대칭 형상을 이루는 것을 특징으로 한다. 이렇게 서로 대칭 형상으로 코일 패턴이 형성됨에 따라, 대칭 형상을 가지는 한 쌍의 코일 사이에서는 자력 상쇄가 일어나며, 이로 인해 코깅 토크가 저감될 수 있는 것이다.
즉, 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)은, 서로 마주 보는 코일 각 부분에 발생하는 전류 방향이 반대가 되도록 형성되므로, 위에서 설명한 바와 같이 전류가 반대로 형성되는 한 쌍의 코일 부분 사이에 자력 상쇄가 일어나게 되며 이를 통해 결론적으로 코깅 토크가 저감될 수 있다.
또한, 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...) 각각은, 제2 자석부(30) 방향에 형성된 부분이 제1 자석부(10) 방향으로 갈수록 면적이 증가하는 형태로 형성된다. 즉, 회전축(400)을 중심으로 제1 케이스(100) 방향으로 갈수록 각 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)의 패턴은 면적이 증가하는 형태로 형성된다.
또한, 각 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)은 소정의 기준선(C)을 중심으로, 인접한 다른 코일 패턴 유닛 방향으로 갈수록 면적이 증가하도록 형성될 수 있다. 즉, 소정의 기준선(C)을 중심으로 하여 좌우 방향으로 중심 각도가 증가하는 방향으로 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)의 면적이 증가하는 형태로 형성될 수 있다.
위에서 설명한 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)의 형상을 통해서, 단위 면적당 자속을 많이 받으면서도, 마주 보는 코일 부분이 대칭적이고 전류 방향이 반대로 됨에 따라 코깅 토크의 원인이 되는 상쇄 효과도 동시에 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 시스템은, 제1 케이스(100) 중심을 향하는 제1 자석 유닛(10-1, 10-2...)의 모서리, 제1 케이스(100) 중심을 향하는 제2 자석 유닛(30-1, 30-2...)의 모서리 및 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)의 패턴 시작부는 동일 반경 상에 위치하는 것을 특징으로 한다.
즉, 제1 자석 유닛(10-1, 10-2...)의 모서리 부분은 제1 자석 유닛(10-1, 10-2...)의 자력 유출 또는 유입이 시작되는 부분으로, 이러한 자력선의 방향과 제2 자석 유닛(30-1, 30-2...)의 자력 유출 또는 유입이 시작되는 부분(자력선 방향) 및 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)의 패턴 시작부는 같은 선상(단면인 원의 반지름 상에 위치)에 위치하여야 자속의 유출 없이 최대 전력 및 코깅 토크를 효과적으로 저감시킬 수 있다.
또한, 절연 보드 유닛(200)은 PCB(Printed Circuit Board) 형태로 구비될 수 있다. 즉, 인쇄 회로 기판 형태로 절연 보드 유닛(200)가 형성되면 코일 패턴을 구성하기 편리하며 기존 철심에 코일을 권선하거나 형성하는 데에서 발생할 수 있는 단점(코깅 토크 저감의 어려움 및 자속의 유출 등)을 효과적으로 개선시킬 수 있다.
또한, 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)은, 절연 보드 유닛(200)의 일면에 형성되거나 또는 비아홀(via hole)을 관통하는 권선 타입으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, PCB에 형성되는 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)은, 패턴 형태로 PCB의 일면 또는 양면 또는 삽입된 일체형으로 구비될 수 있음은 물론이고, PCB에 비아홀을 형성한 다음 이를 관통하는 방식(권선 방식)으로 구비될 수 있다.
이러게 PCB에 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)을 형성시키면, 기존 철심에 코일 형성하는 방식보다 대량 생산 및 정량화 용이성 측면에서 유리함을 가진다.
또한, 한 쌍의 절연 보드 유닛(200-1, 200-2)은 복수 개로 구비될 수 있고, 각각의 절연 보드 유닛이 회전축을 중심으로 적층되는 형태로 이루어질 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 하나의 절연 보드 유닛(200)에 형성된 코일 패턴 유닛이 가지는 소정의 기준선이, 인접하는 다른 한 쌍의 절연 보드 유닛의 하나의 절연 보드 유닛에 형성된 코일 패턴 유닛 사이의 중심에 위치하도록 설치될 수 있다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이 복수 개의 절연 보드 유닛은 평행하게 소정 간격을 유지하면서 적층될 수 있는데, 적층시킬 때 인접하는 절연 보드 유닛에 형성된 코일 패턴 유닛이 단순히 겹치도록 배치하는 것이 아니라, 발전 효율이 극대화(유출되는 자속이 없도록)되도록 인접하는 코일 패턴 유닛 사이에 해당 코일 패턴 유닛이 위치하도록 설계하는 것이 바람직하다.
다시 말해, 도 5에 도시된 바와 같이, 여러 쌍의 절연 보드 유닛을 이루는 복수 개의 절연 보드 유닛 각각은 같은 형태로 제작되나, 하나의 절연 보드 유닛에 형성된 코일 패턴 유닛(20a-1, 20a-2) 사이에, 다른 하나의 절연 보드 유닛에 형성된 코일 패턴 유닛(20b-1)에 위치하도록 시작 위치를 변경시켜 적층하는 구조를 택할 수 있다.
또한, 복수 개의 절연 보드 유닛 각각은, 각 절연 보드 유닛이 발생시키는 기전력의 위상이 서로 다르도록, 회전 시작 위치가 서로 다르게 설치된 각 절연 보드 유닛을 포함할 수 있다. 즉, 위에서도 설명한 바와 같이 최대 효율의 전력을 발생시키기 위해서 인접하는 절연 보드 유닛의 코일 패턴 유닛과 일부만 중첩되도록 절연 보드 유닛을 배치시킬 수 있다.
또한, 복수 개의 코일 패턴 유닛은, 하나의 코일 패턴 유닛의 패턴 종료부와 이웃하는 다른 하나의 코일 패턴 유닛의 패턴 시작부가 전기적으로 연결되도록 설치한다. 즉, 하나의 절연 보드 유닛에 설치되는 복수 개의 코일 패턴 유닛은 서로 전기적으로 연결되어, 발생하는 전류가 연결되어 흐르도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 시스템은, 제1 자석부(10)와 제2 자석부(30)가 설치되는 제1 케이스(100) 및 제2 케이스(200)가 회전축(400)에 연결되어 회전 운동 에너지를 전달 받아 회전하도록 실시될 수 있다.
즉, 상기에서 설명한 실시예와 달리 코일 패턴 유닛이 형성된 절연 보드 유닛이 회전하는 방식이 아니라, 자석부가 코일 패턴 유닛을 중심으로 회전하도록 설계될 수 있다. 즉, 자석부(10, 30)가 형성된 제1 케이스(100) 및 제2 케이스(300)가 회전축(400)에 연결되어 회전을 하고, 고정된 절연 보드 유닛(200)에 형성된 코일 패턴 유닛(20-1, 20-2...)이 회전하는 자석부(10, 30)와의 작용으로 전력을 발생시킨다.
다만, 이러한 변형 실시예에서도 상기 실시예에 동일한 발전 효율을 얻을 수 있음은 물론이다.
상기 본 발명의 실시예에 따른 발전 시스템을 통해 발전된 전력의 실험 결과는 아래와 같다.
코일 패턴 유닛(20-1)은 동선으로 선정하였다. 또한, 절연 보드 유닛(200)을 이루는 절연 보드 유닛은 하나로 하였고, 코일 패턴 유닛은 하나로만 실험을 수행하였다.
또한, 동선 지름은 0.2mm로 하였고 이를 통해 측정한 저항값은 57옴이고, 측정 전압은 1V였다. 그리고 측정 전류는 0.01A이었다.
상기 실험 결과를 볼 때, 하나의 절연 보드 유닛(200-1) 및 하나의 코일 패턴 유닛(20-1)으로만 실험을 수행하였는데도 상기와 같은 전압 및 전압이 측정되었으므로, 복수 개의 절연 보드 유닛 및 복수 개의 코일 패턴 유닛을 통해서는 보다 큰 전력이 생성될 수 있음을 알 수 있다.
또한, 절연 보드 유닛(200-1)에 형성된 코일 패턴 유닛의 형태 및 복수 개의 절연 보드 유닛의 시작점 위치 배치를 통해 코깅 토크가 저감될 수 있는 동시에 자속 유출을 최소화할 수 있다.
마지막으로 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전 시스템의 코일 패턴 유닛에 대해 도 6을 기초로 이하에서 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전 시스템의 절연 보드 유닛에 형성되는 코일 패턴 유닛을 도시한 개략도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전 시스템은 절연 보드 유닛에 형성되는 코일 패턴 유닛이 상기 설명한 일 실시예에 따른 코일 패턴 유닛과 상이한 형상을 가진다. 다만, 이러한 패턴을 통해서도 일 실시예에 따른 발전 시스템과 동일한 효과를 달성할 수 있음은 물론이다.
그 이유는 기본적으로 코일이 지그재그 형태로 형성되면서도 서로 대칭하는 한 쌍의 코일 부분에 발생하는 전류 방향이 반대가 되도록 하면서 코깅 토크의 원인이 되는 요인이 상쇄되는 효과가 근본적으로 같기 때문이다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 전류 방향이 반대인 코일 부분 사이는 인접 또는 접촉되는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 코깅 토크 현상을 저감시키기 위해서 코일 패턴 유닛(20-1)의 형상을 지그재그 형태로 하면서도, 전류 흐름이 반대가 되는 부분들 사이를 근접시키거나 접촉시킴으로서 코킹 토크 방생을 저감시키는 동시에 전력 발전 효율도 증가시킬 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이 코일 패턴 유닛(20-1)의 형상은 복수 개의 코일선이 인접하거나 겹쳐져서 형성되는 것이 바람직하다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속하는 것임을 이해하여야 한다. 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
10-1, 10-2 : 제1 자석부 20-1, 20-2 : 코일 패턴 유닛
30-1, 30-2 : 제2 자석부
100 : 제1 케이스 130 : 케이스
200 : 절연 보드 유닛
200-1 : 제2 절연 보드 유닛 200-2 : 제1 절연 보드 유닛
300 : 제2 케이스 400 : 회전축
500 : 베벨 기어부 510 : 제1 베벨 기어
530 : 제2 베벨 기어 550 : 제3 베벨 기어
600 : 베어링부

Claims (8)

  1. 하나의 회전축을 중심으로 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 절연 보드 유닛과 자석부가 구비되는 발전 시스템에 있어서,
    회전 운동 에너지를 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛에 전달하는 회전축;
    상기 회전축과 상기 절연 보드 유닛을 연결하여 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛이 서로 반대 방향으로 회전하도록 하는 베벨 기어부;
    상기 회전축을 회전 중심으로 하고 상기 베벨 기어부와 상기 절연 보드 유닛을 연결하는 베어링부;
    중심이 상기 회전축과 연결되어 상기 회전축의 회전 방향과 같은 방향으로 회전하고 소정의 코일 패턴이 형성된 제1 절연 보드 유닛,
    상기 베어링부에 연결되어 회전력을 전달받아 상기 회전축의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하고 소정의 코일 패턴이 형성된 제2 절연 보드 유닛을 포함하는 한 쌍의 절연 보드 유닛과
    상기 한 쌍의 절연 보드 유닛을 사이에 두고 마주보며 설치되는 한 쌍의 케이스에 각각 설치되는 제1 자석부 및 제2 자석부로 이루어지는 자석부를 포함하고,
    상기 절연 보드 유닛 각각에는, 복수 개의 코일 패턴 유닛과, 하나 이상의 도선과, 상기 도선과 연결된 하나 이상의 단자가 형성되고,
    상기 코일 패턴 유닛은, 상기 중심 방향을 향하는 소정의 기준선을 중심으로 대칭 형상을 이루고, 서로 마주 보는 코일 각 부분에 발생하는 전류 방향이 반대가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베벨 기어부는,
    상기 회전축 상에 형성되어 상기 회전축을 회전 중심으로 하여 회전하는 제1 베벨 기어,
    상기 제1 베벨 기어와 맞물리어 회전하고 상기 제1 베벨 기어의 회전 방향과 수직 방향으로 회전하는 제2 베벨 기어,
    상기 제2 베벨 기어와 맞물리어 상기 제1 베벨 기어의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하는 제3 베벨 기어로 이루어지고,
    상기 제3 베벨 기어는, 상기 베어링부에 형성되어 회전력을 제공하여 상기 베어링부에 연결된 상기 제2 절연 보드 유닛이 상기 제1 절연 보드 유닛의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하도록 하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 한 쌍의 절연 보드 유닛은,
    상기 제1 절연 보드 유닛과 제2 절연 보드 유닛이 소정의 간격을 가지고 서로 마주보며 반대 방향으로 회전하도록 이루어지거나,
    상기 제1 절연 보드 유닛과 제2 절연 보드 유닛 사이에 소정의 윤활 유체가 구비되어 상기 제1 절연 보드 유닛과 제2 절연 보드 유닛이 서로 마주보며 반대 방향으로 회전하도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 코일 패턴 유닛 각각은,
    상기 절연 보드 유닛의 중심에서 바깥 방향으로 갈수록 면적이 증가하거나, 상기 소정의 기준선을 중심으로 인접한 다른 코일 패턴 유닛 방향으로 갈수록 면적이 증가하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 한 쌍의 절연 보드 유닛은, 복수 개로 구비되고,
    상기 제1 절연 보드 유닛에 형성된 코일 패턴 유닛이 가지는 상기 소정의 기준선이, 인접하는 상기 제2 절연 보드 유닛에 형성된 코일 패턴 유닛 사이의 중심에 위치하도록 설치되고,
    다른 한 쌍의 절연 보드 유닛에 포함되고 상기 제2 절연 보드 유닛에 인접하여 설치되는 제3 절연 보드 유닛에 형성된 코일 패턴 유닛 사이의 중심에, 상기 제2 절연 보드 유닛에 형성된 코일 패턴 유닛이 가지는 상기 소정의 기준선이 위치하도록 설치되며,
    상기 복수 개의 절연 보드 유닛에 포함되는 각 절연 보드 유닛은,
    각 절연 보드가 발생시키는 기전력의 위상이 서로 다르도록, 회전 시작 위치가 서로 다르게 설치되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  7. 하나의 회전축을 중심으로 서로 반대 방향으로 회전하는 한 쌍의 절연 보드 유닛과 자석부가 구비되는 발전 시스템에 있어서,
    회전 운동 에너지를 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛에 전달하는 회전축;
    상기 회전축과 상기 절연 보드 유닛을 연결하여 상기 한 쌍의 절연 보드 유닛이 서로 반대 방향으로 회전하도록 하는 베벨 기어부;
    상기 회전축을 회전 중심으로 하고 상기 베벨 기어부와 상기 절연 보드 유닛을 연결하는 베어링부;
    중심이 상기 회전축과 연결되어 상기 회전축의 회전 방향과 같은 방향으로 회전하고 소정의 코일 패턴이 형성된 제1 절연 보드 유닛,
    상기 베어링부에 연결되어 회전력을 전달받아 상기 회전축의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하고 소정의 코일 패턴이 형성된 제2 절연 보드 유닛을 포함하는 한 쌍의 절연 보드 유닛과
    상기 한 쌍의 절연 보드 유닛을 사이에 두고 서로 마주보며 설치되는 한 쌍의 자석부를 포함하고,
    상기 자석부는,
    상기 회전축을 중심으로 가지며 상기 절연 보드 유닛을 감싸는 형상으로 이루어진 원기둥 형상의 제1 케이스 내주면에 복수 개의 제1 자석 유닛이 소정 간격을 두고 형성된 제1 자석부와,
    상기 제1 케이스 중심을 그 중심으로 가지며, 상기 절연 보드 유닛에서 상기 중심 방향으로 소정 간격을 두고 설치되는 고정된 원기둥 형상의 제2 케이스 외주면에 복수 개의 제2 자석 유닛이 소정 간격을 두고 형성된 제2 자석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 코일 패턴 유닛 각각은, 상기 제2 자석부 방향에 형성된 부분이 상기 제1 자석부 방향으로 갈수록 면적이 증가하거나 상기 소정의 기준선을 중심으로 인접한 다른 코일 패턴 유닛 방향으로 갈수록 면적이 증가하고, 상기 절연 보드 유닛의 중심을 향하는 상기 제1 자석 유닛의 모서리, 상기 제1 케이스 중심을 향하는 상기 제2 자석 유닛의 모서리 및 상기 코일 패턴 유닛의 패턴 시작부는 동일 반경 상에 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
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