KR102015412B1 - 회전자력베어링을 이용한 풍력발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전자력베어링을 이용한 풍력발전기에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 회전날개가 구비되어 바람에 의해 회전이 이루어지되 부양한 상태에서 회전하도록 하는 회전하우징에 의해 고정하우징 내 코일로 전기가 유도됨에 따라 회전하우징의 회전시에 요구되는 회전력을 최소화함은 물론 회전력 대비 회전량을 최대화하여 코일에 유도되는 전기에너지량을 증대시키는 회전자력베어링을 이용한 풍력발전기에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 내측에 중공부가 형성되고 비자성체 금속재질로 상, 하부가 개방된 원통형상으로 형성되되, 외주면에 상, 하 단차를 두고 N극 또는 S극 중 동일한 자력을 발산하는 한 쌍의 회전부양자석이 형성되며 회전부양자석의 하부측에 N극 또는 S극 중 특정 극성을 가지는 회전자력베어링이 형성되는 회전하우징과; 상기 회전하우징과 일정간격 이격되어 회전하우징을 수용하며 상기 회전하우징의 회전부양자석 형성 위치에 대향되어 회전부양자석과 동일한 극성을 가지는 자력을 발산함에 따라 회전하우징이 자력 간의 척력을 통해 부양가능하도록 하는 고정부양자석이 형성되며 상기 고정부양자석의 하부측 내주면에 회전자력베어링과 대향되는 위치로 N극 또는 S극 중 회전자력베어링과 다른 극성을 가지는 고정자력베어링이 설치되는 고정하우징과; 상기 고정하우징의 상부측에 돌출되는 회전하우징의 돌출부측에 결합되어 바람에 의해 회전가능하도록 유도되어 상기 회전하우징을 회전시키는 회전날개;를 포함하여 이루어지되, 상기 고정자력베어링의 상부, 하부 일측 또는 회전자력베어링과 고정자력베어링 사이에는 회전자력베어링과 고정자력베어링 간 자속변화에 따라 전기가 발생되는 코일이 형성되어 회전하우징의 회전에 따라 고정하우징 일측에 설치되는 축전기로 코일에 유도되는 전기에너지가 축전된다.

Description

회전자력베어링을 이용한 풍력발전기{Wind generator using rotating magnetic force bearing}
본 발명은 회전자력베어링을 이용한 풍력발전기에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 회전날개가 구비되어 바람에 의해 회전이 이루어지되 부양한 상태에서 회전하도록 하는 회전하우징에 의해 고정하우징 내 코일로 전기가 유도됨에 따라 회전하우징의 회전시에 요구되는 회전력을 최소화함은 물론 회전력 대비 회전량을 최대화하여 코일에 유도되는 전기에너지량을 증대시키는 회전자력베어링을 이용한 풍력발전기에 관한 것이다.
일반적으로 발전기를 포함한 각종 회전장치에 필요한 동력은 전동기의 회전작동과 석유 가솔린, 디젤 엔진 등에서 얻어지고 있으며 전동기의 작동에는 전기 에너지가 공급되며 이러한 전기는 수력, 풍력, 화력, 원자력 등에서 발전된 전기를 이용한다.
최근 지구 온난화 방지를 위해 이산화탄소 배출억제 및 화석연료 사용절감 요구가 증대되고, 석탄 및 석유의 무분별한 채광 및 시추로 지구 환경오염이 가속화되고 자동차의 매연으로 인한 미세먼지 증가로 인류의 건강상태가 점차 악화되고 있다.
또한 내연 기관을 사용하는 자동차의 엔진에는 각종 오일과 회전 마찰 감소를 위한 베어링 및 윤활유가 필요하여 폐유로 인한 환경 오염 방지에 많은 비용이 소모되고 있다.
이에 따라 지구 온난화 방지를 위해 탄산가스 배출억제 및 에너지 절감이 요구되면서 회전 작동을 하는 구동장치에 영구자석과 전자석 등을 적용하여 전기를 발생시킴으로써, 구동장치에 이용되는 에너지 절감방법이 다양하게 제안되고 있다.
일예로, 대한민국 공개특허 제10-2017-0011727호에는 외주면에 자성체가 형성되고, 중심축 상에 형성되는 출력축과 일체로 회전하는 출력회전체와, 상기 출력회전체의 외주면으로부터 반경 방향으로 이격되는 동시에 상기 출력회전체의 원주 방향으로 복수개가 이격 배열되고, 외주면에는 상기 출력회전체의 외주면과 인접 위치되는 자성체가 형성되어, 상기 출력회전체의 외주면으로 접근과 멀어짐을 반복하는 형태로 각각 편심 회전하여 상기 출력회전체를 자력에 의해 회전시키는 복수의 구동회전체 및 상기 복수의 구동회전체 중 적어도 어느 하나에 동력원에 의한 회전력을 전달하여 회전시키는 회전입력부를 포함하여 이루어지는 자력을 이용한 동력증폭장치가 제안된 바 있다.
또한 대한민국 공개특허 제10-200900007456호에 의한 "자기식 동력전달장치"는 자력을 통해서 동력 전달하는 경우의 잇점을 유지하면서 동력의 전달효율 및 전달능력을 향상시킬 수 있고, 제조 비용도 절감할 수 있는 자기식 동력전달장치를 개시하고 있고, 대한민국 공개특허 제10-2011-0116983호 "중력과 자력을 이용한 회전동력 발생장치"는 초기에 적은 동력으로 구동모터에 연결된 회전추진대가 부상된 중량체를 위치 이동시켜주는 한 무한히 회전 동력을 얻을 수 있는 방법을 개시하고 있다.
그러나 전술한 선행기술들에 의하면, 자력을 이용한 동력 발생장치는 부품의 수가 많아 구조가 복잡하고 부품 파손시 수리 및 교환이 어려우며 전체 중량이 커 큰 회전속도를 얻는데 한계가 발생되고 자력에 의해 발생되는 회전동력을 에너지 생산에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 회전날개가 구비되어 바람에 의해 회전이 이루어지되 부양한 상태에서 회전하도록 하는 회전하우징에 의해 고정하우징 내 코일로 전기가 유도됨에 따라 회전하우징의 회전시에 요구되는 회전력을 최소화함은 물론 회전력 대비 회전량을 최대화하여 코일에 유도되는 전기에너지량을 증대시키는 회전자력베어링을 이용한 풍력발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 내측에 중공부가 형성되고 비자성체 금속재질로 상, 하부가 개방된 원통형상으로 형성되되, 외주면에 상, 하 단차를 두고 N극 또는 S극 중 동일한 자력을 발산하는 한 쌍의 회전부양자석이 형성되며 회전부양자석의 하부측에 N극 또는 S극 중 특정 극성을 가지는 회전자력베어링이 형성되는 회전하우징과; 상기 회전하우징과 일정간격 이격되어 회전하우징을 수용하며 상기 회전하우징의 회전부양자석 형성 위치에 대향되어 회전부양자석과 동일한 극성을 가지는 자력을 발산함에 따라 회전하우징이 자력 간의 척력을 통해 부양가능하도록 하는 고정부양자석이 형성되며 상기 고정부양자석의 하부측 내주면에 회전자력베어링과 대향되는 위치로 N극 또는 S극 중 회전자력베어링과 다른 극성을 가지는 고정자력베어링이 설치되는 고정하우징과; 상기 고정하우징의 상부측에 돌출되는 회전하우징의 돌출부측에 결합되어 바람에 의해 회전가능하도록 유도되어 상기 회전하우징을 회전시키는 회전날개;를 포함하여 이루어지되, 상기 고정자력베어링의 상부, 하부 일측 또는 회전자력베어링과 고정자력베어링 사이에는 회전자력베어링과 고정자력베어링 간 자속변화에 따라 전기가 발생되는 코일이 형성되어 회전하우징의 회전에 따라 고정하우징 일측에 설치되는 축전기로 코일에 유도되는 전기에너지가 축전된다.
여기서 상기 회전부양자석은 상하부가 개방된 원통형상으로 상부가 하부측보다 직경이 작게 형성되며 수직단면이 라운드지게 형성되는 경사외면을 가지도록 형성되고, 상기 고정부양자석은 상하부가 개방된 원통형상으로 상부가 하부측보다 직경이 크게 형성되며 수직단면이 라운드지게 형성되는 경사내면을 가지도록 형성됨에 따라 상기 회전부양자석의 경사외면와 고정부양자석의 경사내면이 서로 대향 위치된다.
또한 상기 회전부양자석은 경사외면 상에 비대칭돌기가 형성되되 고정부양자석으로부터 제공되는 자력이 비대칭 돌기의 표면에 충돌하면서 발생하는 충돌력에 의해 회전하우징의 일방향 회전이 이루어지도록 구성된다.
아울러 상기 비대칭돌기에는 고정부양자석에서 발산되는 자력이 집중되는 집중홈부가 형성되고 상기 집중홈부의 표면에는 자력을 차단하는 재질로 형성되며, 상기 회전부양자석의 경사외면 상부측 수직면상에는 원호를 따라 다수개의 볼베어링이 형성되어 회전하우징의 요동에 따라 이와 대향되는 고정하우징의 내벽면에 접하는 경우 접촉 마찰에 따른 회전력 감소를 최소화하도록 구성된다.
이와 같은 본 발명의 실시예에 의하면 자력의 밀어내는 성질을 이용하여 회전하우징을 부양시킴에 따라 회전날개로 인해 발생되는 회전 동력을 최소한의 저항으로 회전되도록 하며 회전하우징 및 고정하우징을 통해 발전수단을 구성함으로써 상기 회전하우징의 회전에 따라 코일로 전기가 유도되어 주어지는 바람의 구동력 대비 생산되는 전기에너지량을 최대화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기를 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A' 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 회전부양자석과 고정부양자석 간의 배치모습을 나타내는 저면사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 회전부양자석과 고정부양자석 간의 결합되는 모습을 상부측에서 바라본 결합사시도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전부양자석과 고정부양자석 간의 배치모습을 나타내는 저면사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따라 회전부양자석과 고정부양자석 간의 결합되는 모습을 상부측에서 바라본 결합사시도이다.
도 7은 도 5의 B-B' 단면도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 풍력발전기를 나타내는 사시도이며, 도 2는 도 1의 A-A' 단면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 회전부양자석과 고정부양자석 간의 배치모습을 나타내는 사시도이며, 도 4는 도 3의 결합사시도이다.
도면을 참조하면 본 발명에 따른 풍력발전기(1000)는 내측에 중공부가 형성되고 비자성체 금속재질로 상, 하부가 개방된 원통형상으로 형성되되, 외주면에 상, 하 단차를 두고 N극 또는 S극 중 동일한 자력을 발산하는 한 쌍의 회전부양자석(110)이 형성되며 회전부양자석(110)의 하부측에 N극 또는 S극 중 특정 극성을 가지는 회전자력베어링(120)이 형성되는 회전하우징(100)과, 상기 회전하우징(100)과 일정간격 이격되어 회전하우징(100)을 수용하며 상기 회전하우징(100)의 회전부양자석(110) 형성 위치에 대향되어 회전부양자석(110)과 동일한 극성을 가지는 자력을 발산함에 따라 회전하우징(100)이 자력 간의 척력을 통해 부양가능하도록 하는 고정부양자석(210)이 형성되며 상기 고정부양자석(210)의 하부측 내주면에 회전자력베어링(120)과 대향되는 위치로 N극 또는 S극 중 회전자력베어링(120)과 다른 극성을 가지는 고정자력베어링(220)이 설치되는 고정하우징(200)과, 상기 고정하우징(200)의 상부측에 돌출되는 회전하우징(100)의 돌출부측에 결합되어 바람에 의해 회전가능하도록 유도되어 상기 회전하우징(100)을 회전시키는 회전날개(300)를 포함하여 이루어진다.
여기서 상기 회전하우징(100)은 비자성체 금속재질로 이루어지며 상, 하부가 개방된 원통형상의 회전본체(101) 상에 상, 하 단차를 두고 한 쌍으로 형성되는 회전부양자석(110)과 회전자력베어링(120)이 각각 결합되며, 상기 고정하우징(200)은 비자성체 금속재질로 이루어지며 상, 하부가 개방된 원통형상의 상부고정본체(201)와 플랜지 형상의 하부고정본체(202)로 이루어진다.
아울러 상기 상부고정본체(201)에는 회전부양자석(110)과 대향되는 고정부양자석(210)이 설치되고, 하부고정본체(202)에는 회전자력베어링(120)과 대향되는 위치에 고정자력베어링(220)이 설치된다.
여기서 상기 회전부양자석(110)은 고정하우징(200)의 고정부양자석(210)과 척력이 작용되도록 하여 회전하우징(100)이 부양된 상태에서 회전하도록 함에 따라 회전시 마찰 저항을 최소화하여 회전에 필요한 구동력을 최소화할 수 있다.
아울러 상기 고정부양자석(210)은 회전부양자석(110)의 경사외면(111)과 대향되도록 상부가 하부측보다 직경이 크게 형성되며 수직단면이 라운드지게 형성되는 경사내면(211)을 가지며 이러한 경사외면(111)과 경사내면(211)은 서로 대각선상으로 대향되는 위치에 배치되게 된다.
아울러 본 발명에 따른 회전하우징(100) 및 고정하우징(200)에는 회전자력베어링(120)과 고정자력베어링(220)이 각각 설치되는데, 이러한 회전자력베어링(120)과 고정자력베어링(220)은 서로 다른 극성을 가지며 서로 대향하는 위치에 개방홈(120a, 220a)이 각각 형성되어 자속이 통과하도록 구성된다.
이러한 회전자력베어링(120)과 고정자력베어링(220)은 회전자력베어링(120)이 회전할 경우 자속의 변화가 유도되고 고정자력베어링(220)의 상부측, 하부측 또는 이들 사이에 위치하는 코일(230)에 자속변화에 따른 전자기 유도전류가 발생되게 된다.
이러한 전자기 유도전류는 고정하우징(200)의 일측에 설치되는 축전기(240)에 축전되도록 구성되어 회전하우징(100)의 회전에 따라 축전기(240)로 전기에너지가 축전되게 된다.
한편 상기 회전날개(300)는 회전하우징(100)의 회전력을 부여하기 위해 구비되는데, 이러한 회전날개(300)는 고정하우징(200)의 상부측에 돌출되는 회전하우징(100)의 돌출부측에 결합되어 바람에 의해 회전가능하도록 유도되어 상기 회전하우징(100)을 회전시키도록 구성된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전부양자석과 고정부양자석 간의 배치모습을 나타내는 사시도이고, 도 6은 도 5의 결합사시도이며, 도 7은 도 5의 단면도이다.
도면을 참조하면 본 실시예에 따른 풍력발전기(1000)는 회전부양자석(110)에 비대칭돌기(112)를 형성하여 고정부양자석(210) 간 척력의 불균형을 유도함으로써 회전날개(300)의 회전력으로만 회전하는 전 실시예에 비해 회전력이 보다 증대되게 된다.
즉, 상기 회전부양자석(110)은 경사외면(111) 상에 비대칭돌기(112)가 형성되는데, 이러한 비대칭돌기(112)는 이와 대향 위치되는 고정부양자석(210)으로부터 척력이 작용되되 불균형한 척력 발생에 따라 어느 일측으로 회전이 이루어지게 되는 것이다.
이는 고정부양자석(210)으로부터 발산되는 자력이 비대칭 돌기(112)의 표면에 충돌하면서 충돌력이 발생되는데, 이러한 충돌력이 불균일하게 이루어짐에 따라 어느 일측으로 회전이 이루어지게 되고, 이러한 불균일한 충돌력은 계속하여 발생되므로 회전하우징(100)의 회전력이 보다 증대되게 된다.
이에 따라 상, 하 단차를 두고 형성되는 한 쌍의 회전부양자석(110)과 고정부양자석(210) 간의 척력은 회전하우징(100)을 부양시킴과 동시에 회전하우징(100)을 회전시키는 구동력을 부여하게 된다.
또한 상기 회전부양자석(110)의 비대칭돌기(112)에 고정부양자석(210)에서 발산되는 자력이 집중되는 집중홈부(112a)가 형성되는데, 상기 집중홈부(121a)의 표면에는 자력을 차단하는 재질로 형성할 수 있다.
이러한 자력 차단 재질로는 아연과 같은 패널을 해당 표면에 용접 등을 방법으로 결합시켜 구성할 수 있다.
이러한 집중홈부(112a)의 자력 차단을 통해 집중홈부(112a)측으로 자력이 수집되는 것을 방지하여 회전 구동력을 보다 증대시킬 수 있다.
아울러 상기 회전부양자석(110)의 경사외면(111) 상부측 수직면상에는 원호를 따라 다수개의 볼베어링(113)이 형성될 수 있는데, 이러한 볼베어링(113)은 회전부양자석(110)의 내벽면 상에 베어링홈부(113a)가 마련되고, 해당 베어링홈부(113a)에서 아이들링 가능하도록 수용됨에 따라 회전하우징(100)의 요동에 따라 이와 대향되는 고정하우징(200)의 내벽면에 볼베어링(113)이 접하는 경우 아이들링이 이루어져 마찰력을 최소화하고 이러한 마찰력 최소화는 회전력 감소를 최소화하게 한다.
물론 상기 볼베어링(113)은 회전부양자석(110)에 설치되는 것으로 예시하고 있으나, 경우에 따라 고정부양자석(210)에 설치될 수 있을 것이다.
본 발명은 도면에 도시된 일실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 회전하우징 110: 회전부양자석
120: 회전자력베어링 200: 고정하우징
210: 고정부양자석 220: 고정자력베어링
230: 코일 240: 축전기
300 : 회전날개 1000: 풍력발전기

Claims (5)

  1. 내측에 중공부가 형성되고 비자성체 금속재질로 상, 하부가 개방된 원통형상으로 형성되되, 외주면에 상, 하 단차를 두고 N극 또는 S극 중 동일한 자력을 발산하는 한 쌍의 회전부양자석(110)이 형성되며 회전부양자석(110)의 하부측에 N극 또는 S극 중 특정 극성을 가지는 회전자력베어링(120)이 형성되는 회전하우징(100)과; 상기 회전하우징(100)과 일정간격 이격되어 회전하우징(100)을 수용하며 상기 회전하우징(100)의 회전부양자석(110) 형성 위치에 대향되어 회전부양자석(110)과 동일한 극성을 가지는 자력을 발산함에 따라 회전하우징(100)이 자력 간의 척력을 통해 부양가능하도록 하는 고정부양자석(210)이 형성되며 상기 고정부양자석(210)의 하부측 내주면에 회전자력베어링(120)과 대향되는 위치로 N극 또는 S극 중 회전자력베어링(120)과 다른 극성을 가지는 고정자력베어링(220)이 설치되는 고정하우징(200)과; 상기 고정하우징(200)의 상부측에 돌출되는 회전하우징(100)의 돌출부측에 결합되어 바람에 의해 회전가능하도록 유도되어 상기 회전하우징(100)을 회전시키는 회전날개(300);를 포함하여 이루어지되,
    상기 고정자력베어링(220)의 상부, 하부 일측 또는 회전자력베어링(120)과 고정자력베어링(220) 사이에는 회전자력베어링(120)과 고정자력베어링(220) 간 자속변화에 따라 전기가 발생되는 코일(230)이 형성되어 회전하우징(100)의 회전에 따라 고정하우징(200) 일측에 설치되는 축전기(240)로 코일(230)에 유도되는 전기에너지가 축전되는 것을 특징으로 하며;
    상기 회전부양자석(110)은, 상하부가 개방된 원통형상으로 상부가 하부측보다 직경이 작게 형성되며 수직단면이 라운드지게 형성되는 경사외면(111)을 가지도록 형성되고, 상기 고정부양자석(210)은 상하부가 개방된 원통형상으로 상부가 하부측보다 직경이 크게 형성되며 수직단면이 라운드지게 형성되는 경사내면(211)을 가지도록 형성됨에 따라 상기 회전부양자석(110)의 경사외면(111)와 고정부양자석(210)의 경사내면(211)이 서로 대향 위치되는 것을 특징으로 하며;
    상기 회전부양자석(110)은 경사외면(111) 상에 비대칭돌기(112)가 형성되되 고정부양자석(210)으로부터 제공되는 자력이 비대칭 돌기(112)의 표면에 충돌하면서 발생하는 충돌력에 의해 회전하우징(100)의 일방향 회전이 이루어지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회전자력베어링을 이용한 풍력발전기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 비대칭돌기(112)에는 고정부양자석(210)에서 발산되는 자력이 집중되는 집중홈부(112a)가 형성되고 상기 집중홈부(112a)의 표면에는 자력을 차단하는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전자력베어링을 이용한 풍력발전기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 회전부양자석(110)의 경사외면(111) 상부측 수직면상에는 원호를 따라 다수개의 볼베어링(113)이 형성되어 회전하우징(100)의 요동에 따라 이와 대향되는 고정하우징(200)의 내벽면에 접하는 경우 접촉 마찰에 따른 회전력 감소를 최소화하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 회전자력베어링을 이용한 풍력발전기.
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