KR101964069B1 - 구동토크가 개선된 다단발전기 - Google Patents

Abstract

중심회전축과 연결되어 외부동력으로 회전하는 회전자 및 상기 회전자의 원통면 외부를 둘러싸도록 형성된 고정자가 다단으로 형성된 것을 포함하는 다단발전기에 있어서, 상기 고정자는, 상기 원통면을 둘러싸는 폐루프로 형성되되, 상기 폐루프를 균일하게 분할하여 형성된 다수개의 고정자 권선코어; 상기 분할된 다수 개의 고정자 권선코어의 각 경계부에서 내부 공간을 향해 일정크기로 돌출되도록 형성된 다수 개의 고정자 코어돌극; 및 상기 고정자 권선코어에 권선되어 발전전압을 발생시키는 고정자 권선; 을 포함하며, 상기 회전자는 상기 고정자 코어돌극과 일정한 간극을 가지고 원통형으로 형성되며, 상기 원통형 표면에 상기 중심회전축으로부터 일정한 사이 각 간격을 가지고, 이웃하는 극과 서로 반대 극으로 형성되도록 배열된 다수개의 영구자석; 을 포함하며, 상기 회전자는 각 단의 영구자석의 배열이 전 단과 일정 각도로 틀어지도록 회전되어 장착되는 것을 특징으로 한다.

Description

구동토크가 개선된 다단발전기{Multi-stage power generator with improved driving torque}

본 발명은 구동토크가 개선된 다단발전기에 관한 기술이다.

석유 에너지 고갈 및 환경오염 문제가 대두됨에 따라, 전기 에너지에 대한 필요성이 점차 확대되고 있다. 이에 따라 에너지를 변환하는 발전기에 대한 중요성 또한 증가하고 있다.

전자기 유도에 의한 기전력의 방향은 도체에 영구 자석을 움직이는 방향 및 영구 자석의 극성에 의하여 결정되는데, 렌쯔의 법칙과 플레밍의 오른손 법칙은 이러한 전자기 유도에 의한 기전력의 방향을 판단하는 방법으로 사용된다.

유도 기전력의 방향에 있어서, 렌쯔의 법칙은 유도 기전력은 코일을 통한 자속이 증가하게 될 때 이것을 감소시키는 방향으로, 감소하게 될 때 증가시키는 방향으로 발생해서 유도 전류가 흐른다고 정의하고 있다. 즉, 유도기전력은 자속의 변화를 방해하는 방향에 생기게 됨을 의미한다.

발전기는 이와 같은 전자기 유도의 성질을 이용한 것이다. 발전기는 다양한 에너지원으로부터 발생되는 운동 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 기기로서, 전술한 바와 같은 전자기 유도 작용을 이용하여 기전력을 발생시키게 된다.

일반적인 발전기는 자석 또는 코일을 기계적으로 회전시켜 전기를 발생시키게 되고, 자기 유도 철심에 감긴 코일에는 전자 유도에 의해 발생한 역전류가 흐르게 된다. 이러한 발전기는 역기전력에 의한 와전류손, 히스테리시스손 등에 의한 전류 손실, 과부하, 열손실에 의한 발전기의 훼손 등으로 인하여 전력 생산 효율성이 떨어지는 요인을 가지게 된다.

이 중 영구자석 발전기는, 높은 에너지 밀도를 가지고 있는 희토류 자성체의 발견으로 인하여 보다 경량화, 소형화가 가능해 지고, 보다 높은 효율을 가질 수 있는 등의 장점 때문에 최근 다양한 용도로 사용되고 있다.

특히, 영구자석형 발전기는 최근 네오디움 합금 계열과 같은 고밀도 에너지를 갖는 희토류계 영구자석의 사용으로 높은 운전 효율과 높은 출력 밀도를 갖게 되며, 일반적인 유도기 및 동기기에 비해 구조면에서 단순하여 제작이 용이하다는 장점을 갖는다.

또한, Gear box가 불필요하여 신뢰성이 향상된다. 따라서, 풍력터빈과 발전기를 직접 연결하는 시스템에서 발생하는 어려움을 해결하는 대안으로 영구자석형 발전기가 우월한 지위를 가질 수 있다.

영구자석을 발전기에 사용함으로써, 문제가 되는 부분은 구동토크이다. 이는 발전기가 풍력터빈과 직접 연결했을 때 높은 구동토크를 가질 경우 바람의 cut-in speed에서 풍력터빈의 기동을 제한하기 때문이다. 영구자석 발전기의 구동토크는 코깅 토크(Cogging torque), 히스테리시스 토크(Hysteresis torque) 및 발전기의 베어링 마찰을 이기기 위해 필요한 토크를 포함하며, 코깅 토크가 특히 구동토크의 대부분을 차지하게 된다.

이에 따라, 기동 및 구동토크를 줄이기 위해 코깅 토크를 저감할 수 있는 발전기의 구조가 필요하다.

일반적으로 발전기는 고정자와 회전자로 구성되며, 회전자를 영구자석으로 형성한 경우, 고정자에 동선으로 권선을 하여 발전전력을 출력하게 된다. 이러한 발전기의 고정자 권선을 형성하는 고정자 코어와 상대적 운동을 하는 회전자 영구자석의 상호 작용에 의하여 코깅 토크(Cogging Torque)가 발생한다. 이러한 코깅 토크는 회전자와 고정자 사이에 발생하는 자기력의 일종으로, 불균등하게 자기력이 분포하게 됨에 따라 회전 시 소음 및 진동을 유발하게 되며 발전기의 성능 및 효율저하에 영향을 미칠 수 있다.

본 발명 기술에 대한 배경기술로는 대한민국 등록특허공보 KR10-0908126 B1호에 서 코킹토크를 줄일 수 있는 매입형 영구자석 전동기에 대한 구성이 게시된 바 있다.

대한민국 등록특허공보 KR10-0908126 B1호(매입형 영구자석 전동기의 회전자)

본 발명은 회전자에 형성된 영구자석과 고정자의 권선 코어 간에 작용되는 인력이 서로 상쇄되도록 구성되어 기동토크가 개선된 다단발전기의 구조를 제공하는 것이다.

또한, 영구자석에서 고정자코어로 형성되는 자기회로에서 발생되는 자속에 의해 생성되는 전자유도에 의한 자속의 방향은 이웃하는 고정자권선이 서로 반대 방향으로 생성되도록 형성되어 상쇄됨으로써, 부하전류의 증가에 따라 입력토크가 크게 증가되지 않는 구동토크가 개선된 다단발전기의 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 중심회전축과 연결되어 외부동력으로 회전하는 회전자 및 상기 회전자의 원통면 외부를 둘러싸도록 형성된 고정자가 다단으로 형성된 것을 포함하는 다단발전기에 있어서, 상기 고정자는, 상기 원통면을 둘러싸는 폐루프로 형성되되, 상기 폐루프를 균일하게 분할하여 형성된 다수개의 고정자 권선코어; 상기 분할된 다수 개의 고정자 권선코어의 각 경계부에서 내부 공간을 향해 일정크기로 돌출되도록 형성된 다수 개의 고정자 코어돌극; 및 상기 고정자 권선코어에 권선되어 발전전압을 발생시키는 고정자 권선; 을 포함하며, 상기 회전자는 상기 고정자 코어돌극과 일정한 간극을 가지고 원통형으로 형성되며, 상기 원통형 표면에 상기 중심회전축으로부터 일정한 사이 각 간격을 가지고, 이웃하는 극과 서로 반대 극으로 형성되도록 배열된 다수개의 영구자석; 을 포함하며, 상기 회전자는 각 단의 영구자석의 배열이 전 단과 일정 각도로 틀어지도록 회전되어 장착되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 하나의 단을 제외하고 각 단의 나머지 단의 회전자 영구자석과 코어돌극 간에 작용하는 인력이 서로 상쇄되어 기동 시 적은 기동토크로 회전자를 회전시킬 수 있는 효과를 가진다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 발전기에서는 전체 원통환 코어에는 유도전류에 의한 자속은 대부분 상쇄되고 영구자석에 의한 자속만 존재하게 되며, 이에 따라 부하전류가 증가하더라도 회전자를 구동하기 위한 입력토크의 증가가 크지 않게 되어 효율이 개선될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동토크가 개선된 다단발전기에서 한 단에 대한 단면 구조를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 자속의 경로를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 5단으로 형성된 구동토크가 개선된 다단발전기의 측면 투시도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 회전자에 12개의 영구자석이 배치되고, 고정자에는 4개의 코어돌극을 가진 발전기가 5단으로 형성된 다단발전기에서 각 단의 고정자와 회전자의 배치 구조를 도시한 것이다.
도 5는 도 4에서 각 단의 코어돌극과 영구자석과의 작용되는 힘의 방향을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 회전자에 12개의 영구자석이 배치되고, 고정자에는 4개의 코어돌극을 가진 발전기가 5단으로 형성된 또 다른 실시 예를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전자가 12개의 영구자석으로 형성되고, 고정자가 4개의 권선코어로 형성된 5단 발전기 2개의 유닛에서 각 고정자권선의 회로 연결 예를 도시한 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것이 아니다.

이하 본 발명의 구현에 따른 구동토크가 개선된 다단발전기의 제조방법에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시 예에서는 영구 자석이 자력의 한계상 대용량 발전기의 구현이 곤란하다는 문제 및 풍력을 이용한 저속 구동력으로 고전압 및 대용량을 구현하기 용이하도록 발전기를 다단으로 형성된다.

또한, 영구자석 발전기의 기동토크는 코깅 토크(Cogging torque), 히스테리시스 토크(Hysteresis torque) 및 발전기의 베어링 마찰을 이기기 위해 필요한 토크를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에서는 기동토크를 줄이기 위해 회전자 자석과 고정자의 코어 상호 작용에 의한 코깅토크를 포함한 구동토크를 저감할 수 있는 발전기의 구조를 제공하는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동토크가 개선된 다단발전기에서 한 단에 대한 단면 구조를 도시한 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 구동토크가 개선된 다단발전기는 중심회전축(19)과 연결되어 외부동력으로 회전하는 원통형 회전자(10) 및 상기 회전자의 원통면 외부를 둘러싸도록 폐루프로 형성된 고정자가 다단으로 형성된 것을 특징으로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동토크가 개선된 다단발전기의 고정자는 상기 원통면을 둘러싸는 폐루프로 형성되되, 상기 폐루프를 균일하게 분할하여 형성된 다수개의 고정자 권선코어(21, 22, 23, 24), 상기 분할된 다수 개의 고정자 권선코어의 각 경계부에서 내부 공간을 향해 일정크기로 돌출되도록 형성된 다수 개의 고정자 코어돌극(25, 26, 27, 28) 및 상기 4개의 고정자 코어돌극(25~28)에 의해 구분된 고정자 권선코어(21, 22, 23, 24)에 권선되어 발전전압을 발생시키는 고정자권선(W1, W2, W3, W4)을 포함한다.

조립 시에는 제1 내지 4 고정자 권선코어(21, 22, 23, 24)를 외부로 둘러싸는 고정자 권선(W1, W2, W3, W4)이 장착되며, 상기 제1 내지 4 고정자 권선코어(21, 22, 23, 24)의 사이에는 고정자 코어돌극(25, 26, 27, 28)이 결합되어 전체적으로 폐루프 구조 형상으로 조립된다.

본 발명의 바람직한 일 실시 예에서 상기 고정자 권선코어가 전체적으로 조립된 페회로 구조는 토로이드형 원통환 형상으로 형성될 수 있다.

상기 고정자 권선코어(21, 22, 23, 24)의 내부 공간에는 상기 고정자 코어돌극(25, 26, 27, 28)과 일정한 간극을 가지고 원통형 형상의 회전자(10)가 형성된다.

상기 회전자(10)는 원통면 표면에 중심회전축으로부터 일정한 사이 각 간격을 가지고, 이웃하는 영구자석과 서로 반대 극으로 형성되도록 배열된 다수개의 영구자석(M1, … Mn)과, 원통형의 중심부에 외부동력원까지 연장되어 형성되며, 외부동력원에 의해 회전되는 중심회전축(19)을 포함한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전자(10)의 표면에는 12개의 영구자석이 일정 각도 간격으로 내장되어 형성된다.

도 2는 도 1의 자속의 경로를 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 회전자의 제1 영구자석(M1)의 N극에서 나온 제1 자속(Φ1)은 자기저항이 적은 경로인 제1 고정자 코어돌극(25)을 통하여 제1 고정자 권선코어(21)를 거쳐서 제2 고정자 코어돌극(26)에서 제4 영구자석(M4)의 S극으로 이동하고, 또한, 제1 영구자석(M1)의 N극에서 나온 제4 자속(Φ4)은 제1 고정자 코어돌극(25)을 통하여 제4 고정자 권선코어(24)를 거쳐서 제4 고정자 코어돌극(28)에서 제10영구자석(M10)의 S극으로 이동한다.

즉, 제1 영구자석(M1)에서 발생한 자속은 제1 고정자 권선코어(21)와 제4 고정자 권선코어(24)를 통하여 반으로 나뉘어 이동하게 된다.

한편, 제1 영구자석(M1)에서 제4 영구자석(M4) 및 제10 영구자석(M10)으로 형성된 제1, 4자속(Φ1, Φ4)에 의하여 제1 고정자 권선(W1) 및 제4 고정자권선(W4)에 전자유도에 의한 유도전압이 발생하고 전류가 흐르게 되면서 이 유도전류에 의해 상기 제1, 4 자속(Φ1, Φ4)과 반대방향의 자속(Φw1, Φw4)이 발생한다.

상기 제1 고정자권선 (W1) 및 제4 고정자권선(W4)의 유도전류에 의한 자속(Φw1, Φw4)은 자기저항이 적은 원통환 코어의 내부를 통하여 대부분 흐르게 되고, 그 방향은 서로 반대가 되어 서로 상쇄되는 효과가 있다.

마찬가지로 제2 고정자권선(W2)의 유도전류에 의한 자속(Φw2)과 제3 고정자권선(W3)의 유도전류에 의한 자속(Φw3)도 각각 그 방향이 반대가 되어 서로 상쇄된다.

즉, 각 고정자권선에 의해 유도전류로 발생된 대부분의 자속 경로는 자기저항이 적은 원통환 코어를 회전하며 그 합은 '0'가 된다.

결과적으로 전체 원통환 코어에는 유도전류에 의한 자속은 대부분 상쇄되고 영구자석에 의한 자속만 존재하게 되며, 부하전류가 증가하더라도 회전자를 구동하기 위한 입력토크의 증가가 크지 않게 되어 효율이 개선될 수 있다.

즉, 유도전류에 의해 발생된 자속이 서로 상쇄되도록 형성되기 때문에 부하전류 증가에 따른 렌쯔의 힘의 증가가 감소되어 회전자를 회전시키는 외부 동력원의 입력 토크가 개선될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 다단발전기에서 각 단의 고정자 코어돌극(25, 26, 27, 28)의 단면적은 원통환 권선코어(21, 22, 23, 24)의 단면적 보다 크게 형성된 것을 특징으로 하며, 원통환 고정자 권선코어(21, 22, 23, 24)의 단면적은 자속이 포화되지 않을 정도의 범위에서 최대한 작게 형성한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 원통환 고정자 권선코어(21, 22, 23, 24)를 둘러싸는 고정자권선(W1, W2, W3, W4)의 권선면적을 증가시켜 출력을 증가시킨다

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 5단으로 형성된 구동토크가 개선된 다단발전기의 측면 투시도를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 외부 동력원으로부터 회전하는 다단으로 형성된 회전자와 다단으로 형성된 고정자로 형성되며, 상기 각 단의 회전자는 회전자의 표면에는 일정 간격으로 다수개의 영구자석(M)이 이웃과 반대되는 극으로 배치되고, 상기 고정자는 고정자 권선코어(23, 24)에 다수개의 고정자권선(W3, W4)이 배치되고 각 고정자권선 사이에는 내부 공간으로 일부분이 돌출되도록 형성된 고정자 코어돌극(25, 26)이 형성된 것을 특징으로 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동토크가 개선된 다단발전기는 회전자와 고정자가 각각 5단(a ~ e)으로 형성되며, 각 단의 고정자는 각 단별로 동일한 구조로 형성되고, 각 단의 회전자는 12개의 영구자석의 배열이 각 단별로 일정 각도로 틀어지도록 회전되어 하나의 회전축(19)에 의해 고정되도록 장착된다.

또한, 회전자의 영구자석 중심과 마주보는 고정자 코어돌극 중심의 위치가 한 단에서만 일치되도록 정위치 된다. 이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 구동토크가 개선된 다단발전기는 기동토크와 코깅토크가 저감되도록 개선되는 효과를 가진다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 영구자석의 개수, 고정자권선의 개수, 단수는 다양하게 조합될 수 있으나 영구자석 개수와 고정자권선의 개수는 배수의 관계를 갖는 것을 특징으로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 회전자에 12개의 영구자석이 배치되고, 고정자에는 4개의 고정자 권선코어를 가진 발전기가 5단으로 형성된 다단발전기에서 각 단의 고정자와 회전자의 배치 구조를 도시한 것이다.

도 4를 참조하면, 각 단에는 회전중심축을 중심으로 30°의 간격으로 균일하게 원형으로 12개의 영구자석(M1 ~ M12)이 회전자의 표면에 내장된다.

1단 위치(a)에서는 회전자의 영구자석(M4)의 중심과 고정자 코어돌극(26)의 중심이 마주보는 위치에서 정위치 되도록 배치되며, 그 다음 단의 회전자의 영구자석은 각 단별 순차적으로 각 6°씩으로 틀어지도록 회전되어 배치된다. 또는 제5단 중 어느 한 단에서는 회전자의 영구자석(M4)의 중심과 마주보는 고정자 코어돌극(26)의 중심이 마주보는 위치에서 정위치 되도록 배치되며, 그 다음 단의 회전자의 영구자석은 각 단별 순차적으로 각 6°씩 틀어지도록 회전되어 배치된다.

즉, 2단(b)은 제1단으로부터 6°, 3단(c)은 12°, 4단(d)은 18°, 5단(e)은 24° 만큼 틀어지도록 회전되어 배치된다.

도 5는 도 4에서 각 단의 코어돌극과 영구자석과의 작용되는 힘의 방향을 도시한 것이다.

도 5를 참조하면, 2단(b)과 5단(e), 3단(c)과 4단(d)은 코어 돌 극의 영구자석 간의 인력이 서로 반대가 되어 회전축에 작용하는 상대각도의 합이 '0'이 된다.

따라서 기동 시에 인력은 제1단에서만 작용하게 되고 나머지 단에서는 힘의 평형이 이루어져 적은 외부의 동력으로도 회전자를 기동시킬 수 있게 된다.

표 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 5단으로 형성된 구동토크가 개선된 다단발전기의 회전자 영구자석의 배치각의 관계를 나타낸 것이다.

표 1을 참조하면, 회전자에 12개의 영구자석이 배치되고, 고정자에는 4개의 고정자 권선코어를 가진 발전기가 5단으로 형성된다. 회전자는 12개의 영구자석이 균일하게 배치되며 각 영구자석은 중심점으로부터 사이 각이 30° 간격으로 배치된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 각 단에서 전단과 틀어진 각은 회전자에 배치된 각 영구자석의 사이 각을 전체 단수로 나눈 값의 각도로 형성되는 것을 특징으로 한다.

즉, 각 단은 첫째 단으로부터 회전자에 배치된 각 영구자석의 사이 각을 전체 단수로 나눈 값의 각도만큼씩 증가시키면서 회전자를 배치한다

예를 들어 표 1을 참조하면, 5단으로 구성할 경우 회전자의 틀어진 회전각도는 30°/5단 = 6°/단으로 산출되어 각 단을 전단보다 6도씩 틀어지도록 회전시켜서 회전축에 고정 배치한다.

이때 제1단에서 0°, 90°, 180°, 270°도 위치에서 회전자 영구자석의 중심과 고정자의 코어돌극의 중심의 위치가 일치하게 되며, 제2단 내지 제5단에서는 회전자 영구자석 중심과 고정자의 코어돌극 중심의 위치가 일치하는 곳이 형성되지 않은 것을 특징으로 한다.

표 1 및 도 5를 참조하면, 제2단은 제5단과, 제3단은 제4단과 서로 상쇄되는 방향으로 힘이 작용하여 상대각도의 합이 '0'이 되어 힘의 평형이 이루게 된다.

따라서, 적은 기동 토크로 회전자를 회전시킬 수 있게 된다.

종래와 같이 각 단의 회전자의 영구자석을 고정자의 코어돌극과 일치하도록 배치하게 되면, 모든 단에서 회전자의 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 작용하며 몇 배 더 많은 기동토크가 필요하게 된다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 회전자에 12개의 영구자석이 배치되고, 고정자에는 4개의 고정자 권선코어를 가진 발전기가 5단으로 형성된 또 다른 실시 예를 도시한 것이다.

도 4의 실시 예에서는 회전자의 영구자석이 각 단에서 전단과 틀어진 각은 회전자에 배치된 각 영구자석의 사이 각을 전체 단수로 나눈 값의 각도로 형성된다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시 예에서는 회전자의 영구자석이 각 단에서 전단과 틀어진 각은 각 코어돌극들이 중심회전축으로부터 배치된 사이 각을 전체 단수로 나눈값의 각도로 형성되는 것을 특징으로 한다.

예를 들면, 도 6을 참조하면, 회전자가 12개의 영구자석으로 형성되고, 고정자가 4개의 권선코어로 형성된 5단 발전기의 경우, 각 코어돌극의 사이 각은 90° 간격으로 배치된다.

이에 따라 각 단의 틀어진 각은 90°/5단 = 18°로 구성할 수 있다. 이 경우 각 단의 틀어진 각을 6°로 형성한 예와 단 순서만 다르고, 전체 단을 통하여 회전자의 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 상쇄되는 작용 효과는 동일하게 된다.

도 6의 A는 각 단이 전 단과 18°씩 틀어진 각으로 배치된 구조이고, B는 각 단이 전 단과 6°씩 틀어진 각으로 배치된 구조를 도시한 것이다.

도 6을 참조하면, 도 B의 2단은 도 A의 3단, B의 3단은 도 A의 5단, B의 4단은 도 A의 2단, B의 5단은 도 A의 4단 구조와 동일하게 형성된다.

표 2는 본 발명의 또 다른 실시 예인 12개의 영구자석, 4개의 권선코어를 갖는 3단 발전기에서 기동토크를 개선한 회전자 영구자석의 배치 관계를 나타낸 것이다.

표 2를 참조하면, 회전자가 12개의 영구자석으로 형성되고, 고정자가 4개의 권선코어로 형성된 3단 발전기의 경우, 제1단은 0°, 90°, 180°, 270°도 위치에서 회전자 영구자석의 중심과 고정자의 코어돌극의 중심의 위치가 일치하게 되며, 제2단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 10° 틀어진 각으로 배치되고, 제3단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 20° 틀어진 각으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

이 경우 1단에서는 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 존재하게 되나, 2단 및 3단에서는 상대각도의 합이 0이 되어, 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 상쇄된다.

표 3은 본 발명의 또 다른 실시 예인 12개의 영구자석, 4개의 권선코어를 갖는 4단 발전기에서 기동토크를 개선한 회전자 영구자석의 배치 관계를 나타낸 것이다.

표 3을 참조하면, 회전자가 12개의 영구자석으로 형성되고, 고정자가 4개의 권선코어로 형성된 4단 발전기의 경우, 제1단은 0°, 90°, 180°, 270°도 위치에서 회전자 영구자석의 중심과 고정자의 코어돌극의 중심의 위치가 일치하게 되며, 제2단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 7.5° 틀어진 각으로 배치되고, 제3단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 15° 틀어진 각으로 배치되며, 제4단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 22.5° 틀어진 각으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

이 경우 1단에서는 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 존재하게 되며, 2단 및 4단에서는 상대각도의 합이 0이 되어, 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 상쇄된다. 한편, 제3단은 코어돌극이 영구자석 사이의 중간 위치에 배치하게 되어 인력이 상쇄된다.

표 4는 본 발명의 또 다른 실시 예인 12개의 영구자석, 4개의 권선코어를 갖는 6단 발전기에서 기동토크를 개선한 회전자 영구자석의 배치 관계를 나타낸 것이다.

표 4를 참조하면, 회전자가 12개의 영구자석으로 형성되고, 고정자가 4개의 권선코어로 형성된 6단 발전기의 경우, 제1단은 0°, 90°, 180°, 270°도 위치에서 회전자 영구자석의 중심과 고정자의 코어돌극의 중심의 위치가 일치하게 되며, 제2단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 5° 틀어진 각으로 배치되고, 제3단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 10° 틀어진 각으로 배치되며, 제4단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 15° 틀어진 각으로 배치되고, 제5단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 20° 틀어진 각으로 배치되고, 제6단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 25° 틀어진 각으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

이 경우 1단에서는 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 존재하게 되며, 2단 및 6단, 3단 및 5단에서는 상대각도의 합이 0이 되어, 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 상쇄된다. 한편, 제4단은 코어돌극이 영구자석 사이의 중간 위치에 배치하게 되어 인력이 상쇄된다.

본 발명의 또 다른 실시 예에서는 표 4의 6단 설계의 발전기 유닛 구성 시 실제 구성은 4번째 단을 제외하고 1, 2, 3, 5, 6단을 구비한 5단으로 구성할 수 있다.

표 5는 본 발명의 또 다른 실시 예인 12개의 영구자석, 4개의 권선코어를 갖는 10단 발전기에서 기동토크를 개선한 회전자 영구자석의 배치 관계를 나타낸 것이다.

표 5를 참조하면, 회전자가 12개의 영구자석으로 형성되고, 고정자가 4개의 권선코어로 형성된 10단 발전기의 경우, 제1단은 0°, 90°, 180°, 270°도 위치에서 회전자 영구자석의 중심과 고정자의 코어돌극의 중심의 위치가 일치하게 된다. 제2단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 3° 틀어진 각으로 배치되고, 제3단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 6° 틀어진 각으로 배치되며, 제4단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 9° 틀어진 각으로 배치되고, 제5단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 12° 틀어진 각으로 배치되고, 제6단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 15° 틀어진 각으로 배치되며, 제7단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 18° 틀어진 각으로 배치되고, 제8단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 21° 틀어진 각으로 배치되며, 제9단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 24° 틀어진 각으로 배치되고, 제6단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 27° 틀어진 각으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

이 경우 1단에서는 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 존재하게 되며, 2단과 10단, 3단과 9단, 4단과 8단, 5단과 7단에서는 상대각도의 합이 0이 되어, 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 상쇄된다. 한편, 제6단은 코어돌극이 영구자석 사이의 중간 위치에 배치하게 되어 인력이 상쇄된다.

본 발명의 또 다른 실시 예에서는 표 5의 10단 설계의 발전기 유닛 구성 시 실제 구성은 6째 단을 제외하고 1, 2, 3, 4, 5, 7, 8, 9, 10단을 구비한 9단으로 구성할 수 있다.

표 6은 본 발명의 또 다른 실시 예인 12개의 영구자석, 6개의 권선코어를 갖는 6단 발전기에서 기동토크를 개선한 회전자 영구자석의 배치 관계를 나타낸 것이다.

표 6을 참조하면, 회전자가 12개의 영구자석으로 형성되고, 고정자가 6개의 권선코어로 형성된 6단 발전기의 경우, 제1단은 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300° 위치에서 회전자 영구자석의 중심과 고정자의 코어돌극의 중심의 위치가 일치하게 된다.

표 6을 참조하면, 제2단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 5° 틀어진 각으로 배치되고, 제3단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 10° 틀어진 각으로 배치되며, 제4단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 15° 틀어진 각으로 배치되고, 제5단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 20° 틀어진 각으로 배치되고, 제6단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 25° 틀어진 각으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

이 경우 1단에서는 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 존재하게 되며, 2단과 6단, 3단과 5단에서는 상대각도의 합이 0이 되어, 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 상쇄된다. 한편, 제4단은 코어돌극이 영구자석 사이의 중간 위치에 배치하게 되어 인력이 상쇄된다.

본 발명의 또 다른 실시 예에서는 표 6의 6단 설계의 발전기 유닛 구성 시 실제 구성은 4째단을 제외하고 1, 2, 3, 5, 6단을 구비한 5단으로 구성할 수 있다.

표 7은 본 발명의 또 다른 실시 예인 6개의 영구자석, 6개의 권선코어를 갖는 6단 발전기에서 기동토크를 개선한 회전자 영구자석의 배치 관계를 나타낸 것이다.

표 7을 참조하면, 회전자가 6개의 영구자석으로 형성되고, 고정자가 6개의 권선코어로 형성된 6단 발전기의 경우, 제1단은 0°, 60°, 120°, 180°, 240°, 300°도 위치에서 회전자 영구자석의 중심과 고정자의 코어돌극의 중심의 위치가 일치하게 된다. 제2단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 10° 틀어진 각으로 배치되고, 제3단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 20° 틀어진 각으로 배치되며, 제4단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 30° 틀어진 각으로 배치되고, 제5단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 40° 틀어진 각으로 배치되고, 제6단의 회전자의 영구자석은 제1단보다 50° 틀어진 각으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

이 경우 1단에서는 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 존재하게 되며, 2단과 6단, 3단과 5단에서는 상대각도의 합이 0이 되어, 영구자석과 고정자의 코어돌극 사이에 인력이 상쇄된다. 한편, 제4단은 코어돌극이 영구자석 사이의 중간 위치에 배치하게 되어 인력이 상쇄된다.

본 발명의 또 다른 실시 예에서는, 표 7의 6단 설계의 발전기 유닛 구성 시 실제 구성은 4째단을 제외하고 1, 2, 3, 5, 6단을 구비한 5단으로 구성할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에서는 회전자 각 단을 모듈형태로 구분하여 조립함으로써, 단수 증가에 대한 유연성을 제공할 수도 있다.

또한, 5단을 일체형 모듈로 구성하여, 각 모듈을 조립함으로써, 조립성을 개선할 수도 있다.

예를 들면, 출력 증가를 위하여, 5단을 하나의 유닛으로 형성하고, 상기 유닛을 다단으로 형성하여 다단의 유닛으로 다단발전기를 구성할 수 있다

또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 발전기의 제1단과 마지막 단은 회전자 고속 회전 시 안정성 확보를 위한 베어링 체결부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자에서 한 단의 고정자권선에서 출력되는 전압위상은 동일하므로 직렬, 병렬 자유롭게 연결할 수 있다.

예를 들면, 각 단에서 고정자권선을 직렬로 연결하여 큰 전압을 이용할 수도 있고, 고정자권선을 병렬로 연결하여 전류를 크게 할 수도 있다.

한편, 이웃하는 단 사이의 전압위상은 각각 다르기 때문에 병렬로 직접 연결할 수 없다. 이웃하는 단과는 정류 후, 필요한 전압 전류에 따라 직렬 또는 병렬로 연결한다.

즉, 전압 위상이 동일한 단의 전기자 권선은 직렬로 연결하고, 위상이 다른 단의 전기자권선은 정류 후에 병렬 또는 직렬로 연결하는 것을 특징으로 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다단발전기에서 4개의 권선코어로 형성된 5단 발전기를 하나의 유닛으로 구성할 때, 2개의 유닛으로 형성된 고정자권선의 회로 연결 예를 도시한 것이다.

도 7에서 U2-5-3의 의미는, U2는 유닛의 번호를 나타낸 것이고, 5는 단수, 3은 권선번호를 나타낸 것이다.

도 7을 참조하면, 각 단의 유닛 1과 유닛 2의 고정자권선(1, 2, 3, 4)을 모두 직렬로 연결하고, 정류회로를 거쳐서 직류전원으로 변환한 다음, 상기 변환된 각 단의 직류전원들을 병렬로 연결하여 출력전원으로 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시 예에서는 하나의 고정자권선을 독립된 전원으로 취급하여 다양한 출력의 조합을 구성할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 하나의 단을 제외하고 각 단의 나머지 회전자 영구자석과 코어돌극 간에 작용하는 인력이 서로 상쇄되어 기동 시 적은 구동토크로 회전자를 회전시킬 수 있는 효과를 가진다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 다단 발전기에서는 전체 원통환 코어에는 유도전류에 의한 자속은 대부분 상쇄되고 영구자석에 의한 자속만 존재하게 되며, 이에 따라 부하전류가 증가하더라도 회전자를 구동하기 위한 입력토크의 증가가 크지 않게 되어 효율이 개선될 수 있다.

10: 회전자
21 ~ 24: 고정자 권선코어
25 ~ 28: 고정자 코어돌극
a, ⅰ: 1단
b, ⅱ: 2단
c, ⅲ: 3단
d, ⅳ: 4단
e, ⅴ: 5단
M1 ~ Mn: 영구자석
W1 ~Wn: 고정자권선

Claims (12)

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4. 중심회전축과 연결되어 외부동력으로 회전하는 회전자가 다단으로 형성되고 상기 회전자의 원통면 외부를 둘러싸도록 형성된 고정자가 다단으로 형성된 것을 포함하는 다단발전기에 있어서,
   상기 고정자는,
   상기 원통면을 둘러싸는 폐루프로 형성되되, 상기 폐루프를 균일하게 분할하여 형성된 다수개의 고정자 권선코어;
   상기 분할된 다수 개의 고정자 권선코어의 각 경계부에서 내부 공간을 향해 일정크기로 돌출되도록 형성된 다수 개의 고정자 코어돌극; 및 상기 고정자 권선코어에 권선되어 발전전압을 발생시키는 고정자 권선; 을 포함하며,
   상기 회전자는 상기 고정자 코어돌극과 일정한 간극을 가지고 원통형으로 형성되며, 상기 원통형 표면에 상기 중심회전축으로부터 일정한 사이 각 간격을 가지고, 이웃하는 극과 서로 반대 극으로 형성되도록 배열된 다수개의 영구자석; 을 포함하는 것을 특징으로 하되, 상기 회전자는 각 단의 영구자석의 배열이 순차적으로 전 단과 일정 각도 차이로 틀어지도록 회전되어 장착되는 것을 특징으로 하며,
   상기 회전자의 다수 개의 영구자석 중, 제1 영구자석(M1)에서 제4 영구자석(M4) 및 제10 영구자속(M10)으로 형성된 제1, 4 자속(Φ1, Φ4)에 의하여, 상기 고정자권선 중, 제1 고정자권선(W1) 및 제4 고정자권선(W4)에 유도전압이 발생하고 상기 제1 고정자권선(W1) 및 제4 고정자권선(W4)의 유도전류에 의한 자속(Φw1, Φw4)은 폐회로가 형성되어 자기저항이 적은 고정자 권선코어의 내부를 통하여 흐르게 되고, 그 방향은 서로 반대가 되어 서로 상쇄되는 것을 특징으로 하되,
   상기 다단중 어느 한 단에서만 상기 회전자의 영구자석의 중심과 마주보는 고정자 코어돌극의 중심이 마주보는 위치에서 일치되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 구동토크가 개선된 다단발전기.
   
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11. 제4항에 있어서,
    상기 회전자와 고정자를 다단으로 형성하여 하나의 유닛으로 형성하고, 상기 유닛을 다단으로 형성하여 구성한 것을 특징으로 하는 구동토크가 개선된 다단발전기.
    
12. 제4항에 있어서,
    상기 다단발전기는 전압 위상이 동일한 단의 고정자권선은 직렬로 연결하고, 위상이 다른 단의 고정자권선은 정류 후에 직렬 또는 병렬로 연결하는 것을 특징으로 하는 구동토크가 개선된 다단발전기.

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