KR102233200B1

KR102233200B1 - 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템

Info

Publication number: KR102233200B1
Application number: KR1020200082389A
Authority: KR
Inventors: 성홍현
Original assignee: 한산전력 주식회사
Priority date: 2020-07-03
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2021-03-29

Abstract

본 발명은 고정프레임 사이에 지지되는 회전축에 구동모듈이 연결되며, 상기 구동모듈은 회전축에 연결되는 로터의 양 측면둘레 및 이에 대응되는 고정프레임의 내측면 둘레를 따라 고정자영구자석과 회전자영구자석을 경사지면서 그 대응면이 서로 평행하도록 배치하고, 상기 로터의 원주방향 둘레를 따라 발전부영구자석을 배치할 때 상기 발전부영구자석에 대응토록 고정프레임의 내측에 지지되는 보빈브라켓을 통하여 발전기코일이 각각 배치되는 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템에 관한 것이다.

Description

구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템{Power Generation System with rotor which including driving module}

일반적으로 전기 모터는, 전기적인 에너지를 사용하여 자기장과 전류를 운반하는 도체의 상호작용을 통해 기계적인 에너지를 생산한다.

그리고, 전자기 수단에 의한 전기적 에너지의 기계적 에너지로의 변환은 1821년 영국 과학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)에 의해 처음 입증되었고 이후 헨드릭 로렌츠(Hendrik Lorentz)의 작업에 의해 계량화되었다.

또한, 자기장은 전자와 같은 전기 전하 캐리어가 공간 또는 전기 도체 내를 움직일 때 생성되고, 움직이는 전하 캐리어(전류)에 의해 생성되는 자속선의 기하학적 형상은 정전기장에서 속선의 형상과 유사하다.

더하여, 자속은 특히 철 및 니켈과 같은 일부 예외를 제외하고 대부분의 금속을 영향을 받지 않거나 거의 없이 통과하며, 이 두 금속과 이들을 포함하는 합금 및 혼합물은 자속선이 집속되어 있기 때문에 강자성체로 알려져 있다.

그리고, 가장 큰 자장 강도 또는 자속 집속을 갖는 영역은 자극으로 알려져 있다.

또한, 전통적인 전기 모터에서, 단단히 감싸진 전류 수송 물질로 이루어진 중앙 코어는 전류가 인가되면 (고정자로 알려진) 자석의 고정된 극들 사이에서 고속으로 스핀하거나 회전하는 (회전자로 알려진) 자극을 생성하고, 중앙코어는 전형적으로 회전자와 함께 회전할 샤프트와 결합된다.

계속하여, 발전기는 전자기 유도 원리에 기초하며, 도전 물질이 자기장을 통과할 때 (또는 반대의 경우도 마찬가지), 전류가 그 물질을 통해 흐르기 시작하며,이러한 전자기 효과는 움직이는 도체에 전압 또는 전류를 유도하는 것이다.

이와같은 기술과 관련되어 종래의 특허 제947172호에 발전기 일체형 영구자석 모터의 기술이 제시되고 있으며 그 구성은 도1에서와 같이, 수량에 무관하게 동력주축(10)상에서 자유롭게 회전하는 제1번 회전자(20)와 동력주축(10)에 일체로 장착된 제2번 회전자(30)를 설치하되 두 회전자의 자극사이는 적절히 공간을 두고 서로 대향하여 척력을 발생하도록 배치하고 두 회전자에 각각 독립된 래칫을 설치하여 이 척력과 래칫의 상호 작용에 두 회전자가 동일 방향으로 회전하는 구조로서 이들 래칫은 좌회전과 우회전이 각각 선택 가능하도록 제1번 회전자(20)에는 제1번 회전자용 래칫(21, 22)과 래칫 폴(23)을 구비하고 제2번 회전자(30)에는 제2번 회전자용 래칫(31, 32)과 래칫 폴(33)을 구비함과 함께 두 회전자의 원주를 따라 발전코일(40)을 고정 배치하여 두 회전자의 회전에 의해 기전력을 발생하며 부하 변동에 의한 회전력의 변화를 보정하기 위한 전기식 회전력 제어기(45)를 장착함과 함께 최초 정지 시에 기동을 하고 기동 후 원하는 회전력을 얻기 위한 기동 겸 기계식 회전력 제어기(15)에 의한 동작을 하는 구조로서 동력주축(10)과 제1번회전자(20)와 제1번 회전자용 래칫(21, 22)과 래칫 폴(23) 그리고 제2번회전자(30)와 제2번 회전자용 래칫(31, 32)과 래칫 폴(33) 그리고 발전코일(40)과 전기식 회전력 제어기(45)와 기계식회전력 제어기(15)를 포 함하는 모든 구성품과 이 구성품을 수용하여 손상을 막는 보호 외함(50)으로 구성된다.

그러나, 상기와 같은 영구자석 모터는, 일정 제1번 회전자(20)와 제2번 회전자(30)의 사이에서 방향전환하면서 회전하여 기전력을 발생시키는 구성으로 마찰부가 증가하여 간섭의 문제가 발생되는 단점이 있는 것이다.

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 마찰부와 간섭을 최소화 하여 구동모듈의 효율을 극대화 하도록 하고, 구동부의 단순화로 유지보수시 소요시간을 최소화 하도록 하는 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템을 제공하는데 있다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 이격되는 고정프레임 사이에 베어링을 통하여 지지되는 회전축에 구동모듈이 연결되며, 상기 구동모듈은 회전축에 연결되는 로터의 양 측면둘레 및 이에 대응되는 고정프레임의 내측면 둘레를 따라 고정자영구자석과 회전자영구자석을 경사지면서 그 대응면이 서로 평행하도록 돌출된 상태로 배치하고, 상기 로터의 원주방향 둘레를 따라 발전부영구자석을 배치할 때 상기 발전부영구자석에 대응토록 고정프레임의 내측에 지지되는 보빈브라켓을 통하여 발전기코일이 각각 배치되는 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템을 제공한다.

그리고, 상기 로터의 양측면에 각각 설치되는 회전자영구자석이 로터의 내측에 연결되는 회전자차폐판에 연결되는 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템을 제공한다.

또한. 상기 고정프레임에는 고정자영구자석에 접촉되는 고정자차폐판이 더 구비되는 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템을 제공한다.

더하여, 상기 고정자영구자석 및 회전자영구자석의 측면을 감싸도록 보조차폐판이 더 구비되고, 고정자영구자석 및 회전자영구자석은 서로 다른 원주에 복수개가 각각 배치되는 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템을 제공한다.

계속하여, 상기 고정자영구자석 및 회전자영구자석은, 근접하는 각 영구자석의 상면에서의 최대높이 및 최소높이 차이가 전체높이의 1/2이 되도록 설치되고, 간격은 1mm이하가 되도록 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템을 제공한다.

그리고, 상기 고정프레임에 설치되는 고정자영구자석중 적어도 일부는 고정자전자석으로 대체토록 되고, 상기 고정프레임에 형성되는 장착홀을 통하여 장착되는 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템을 제공한다.

더하여, 상기 고정자전자석은, 컨트롤러에 연결되며, 상기 회전축은 스타트모터에 연결되어 감지센서에 의해 측정되는 회전수를 제어토록 설치되는 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템을 제공한다.

또한, 상기 회전자영구자석이 N극을 형성할 때 이에 대응되는 고정자영구자석이 N극을 형성하는 구성, 상기 회전자영구자석이 N 및 S극을 교대로 형성할 때 이에 대응되는 고정자영구자석은 S극 및 N극을 교대로 형성하는 구성중에서 선택되는 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템을 제공한다.

그리고, 상기 각 모듈을 지지하는 회전축은 커플러를 통하여 복수개가 동시에 연결되는 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템을 제공한다.

또한, 상기 차폐판은, 스틸재가 사용되며, 상기 영구자석은 원형 또는 사각형상을 갖도록 설치되는 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템을 제공한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 마찰부와 간섭을 최소화 하여 구동모듈의 효율을 극대화 하도록 하고, 구동부의 단순화로 유지보수시 소요시간을 최소화 하도록 하는 효과가 있는 것이다.

도1은 종래의 영구자석 모터를 도시한 개략도이다.
도2 내지 도4는 각각 본 발명에 따른 발전모듈을 도시한 사시도 및 분해도와 측면도이다.
도5는 본 발명에 따른 발전모듈의 동작상태도이다.
도6 및 도7은 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 보조차폐판이 구비된 발전모듈의 분해도 및 측면도이다.
도8은 본 발명에 따른 발전모듈의 영구자석 및 전자석의 배치상태도이다.
도9는 본 발명에 따른 영구자석의 설치상태를 도시한 개략도이다.
도10은 본 발명에 따른 발전모듈의 연결상태도이다.
도11은 본 발명에 따른 발전모듈을 도시한 요부 개략도이다.
도12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 발전모듈을 도시한 개략도이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 도5와 같이 이격되는 고정프레임(110) 사이에 베어링(131)을 통하여 지지되는 회전축(130)에 구동모듈(200)이 연결된다.

이때, 도7에서와 같이 상기 구동모듈(200)은 회전축(130)에 연결되는 로터(210)의 양 측면둘레 및 이에 대응되는 고정프레임(110)의 내측면 둘레를 따라 고정자영구자석(230)과 회전자영구자석(250)을 경사지면서 그 대응면이 서로 평행하도록 돌출된 상태로 배치된다.

계속하여, 도12와 같이 본 발명의 고정자영구자석(230)과 회전자영구자석(250)은 고정자영구자석 및 회전자영구자석은 로터(210) 및 고정프레임의 서로 다른 원주에 복수개가 각각 배치되어도 좋다.

또한, 도7과 같이 상기 로터(210)의 원주방향 둘레를 따라 발전부영구자석(310)을 배치할 때 상기 발전부영구자석에 대응토록 고정프레임(110)의 내측에 지지되는 보빈브라켓(330)을 통하여 발전기코일(350)이 각각 배치된다.

그리고, 상기 로터(210)의 양측면에 각각 설치되는 회전자영구자석(250)이 로터(210)의 내측에 연결되는 회전자차폐판(251)에 연결되어도 좋다.

또한. 상기 고정프레임(110)에는 고정자영구자석(230)에 접촉되는 고정자차폐판(231)이 더 구비되어도 좋다.

이때, 상기 고정자차폐판(231) 및 회전자차폐판(251)은 회전자영구자석 및 고정자영구자석과 실질적으로 동일한 부피를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

더하여, 상기 고정자영구자석 및 회전자영구자석의 측면을 감싸도록 보조차폐판(270)이 더 구비되어도 좋다.

계속하여, 도9와 같이 상기 고정자영구자석 및 회전자영구자석은, 근접하는 각 영구자석의 상면에서의 최대높이 및 최소높이 차이가 전체높이의 1/2이 되도록 설치되면서 간격(c)은 1mm이하가 되도록 설치된다.

그리고, 도3과 같이 상기 고정프레임에 설치되는 고정자영구자석중 적어도 일부는 고정자전자석(280)으로 대체토록 되고, 상기 고정프레임에 형성되는 장착홀(118)을 통하여 장착된다.

더하여, 상기 고정자전자석은, 컨트롤러(400)에 연결되며, 도2와 같이 상기 회전축은 스타트모터(410)에 연결되면서 일측에 감지센서(430)가 연결되어 측정되는 회전축의 회전수를 제어토록 설치된다.

또한, 도8과 같이 상기 회전자영구자석이 N극을 형성할 때 이에 대응되는 고정자영구자석이 N극을 형성하는 구성, 상기 회전자영구자석이 N 및 S극을 교대로 형성할 때 이에 대응되는 고정자영구자석은 S극 및 N극을 교대로 형성하는 구성중에서 선택된다.

그리고, 도10과 같이 상기 각 구동모듈을 지지하는 회전축은 클러치 기능을 갖는 커플러(470)를 통하여 복수개가 동시에 연결되어도 좋다.

더하여, 상기 차폐판은, 스틸재를 사용하며, 상기 영구자석은 원형 또는 사각형상을 갖도록 설치되는 것이 바람직하며, 상기 전자석은 페라이트코아에 전기자코일이 권취되는 것이 바람직하다.

도11에서와 같이 상기 고정자영구자석(230) 및 회전자영구자석(250)은, 고정프레임 및 로터의 표면에서 돌출되면서 최대의 표면적을 갖도록 경사지게 절단토록 설치된다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 본 발명의 동작을 설명한다.

도2 내지 도12에서 도시한 바와같이 본 발명은, 이격되는 고정프레임(110) 사이에 베어링(131)을 통하여 지지되는 회전축(130)에 구동모듈(200)이 연결되어 초기 START는 스타트모터의 힘으로 회전 하지만 고정자영구자석과 회전자영구자석의 인력 및 척력으로 인하여 가속이 되어 스타트모터의 회전수 보다 회전자의 로터의 회전수가 높게 나오게 된다.

이때, 상기 구동모듈(200)은 회전축(130)에 연결되는 로터(210)의 양 측면둘레 및 이에 대응되는 고정프레임(110)의 내측면 둘레를 따라 고정자영구자석(230)과 회전자영구자석(250)을 경사지면서 그 대응면이 서로 평행하도록 돌출된 상태로 배치된다.

즉, 로터의 양측에 고정자영구자석이 각각 설치되면서 이에 대응토록 고정프레임에 회전자영구자석이 설치되어 컴팩트한 구성으로 자기장을 밀도를 높혀 효율적인 발전이 가능하게 된다.

이때, 상기 영구자석은, 고정자영구자석이 네오디뮴 자석이 N극 이면, 회전자영구자석의 네오디뮴 자석도 N극으로 하여 동일한 극으로 통일하여, 서로 척력이 작용 되도록 하고, 고정자영구자석의 네오디뮴 자석의 S극 이면, 회전자영구자석의 네오디뮴 자석도 S극으로 하여 동일한 극으로 통일시켜 서로 척력이 작용 되도록 한다.

또한, 상기 로터(210)의 원주방향 둘레를 따라 발전부영구자석(310)을 배치할 때 상기 발전부영구자석에 대응토록 고정프레임(110)의 내측에 지지되는 보빈브라켓(330)을 통하여 발전기코일(350)이 각각 배치된다.

그리고, 상기 로터(210)의 양측면에 각각 설치되는 회전자영구자석(250)이 로터(210)의 내측에 연결되는 회전자차폐판(251)에 연결되어 자석 간에 인력을 제거토록 한다.

또한. 상기 고정프레임(110)에는 고정자영구자석(230)에 접촉되는 고정자차폐판(231)이 더 구비되면 차폐효과를 더욱 상승시키게 된다.

이때, 상기 차폐판은 S극 하단에 연결될 때 그 두께에 따라 자기장에 영향을 주게되고, 즉 S극의 자력이 차폐판으로 빠져나가 N극의 자력이 증가되는 현상이 발생되어 두께가 두꺼울 수록 자기장의 편차가 줄어들게 된다.

계속하여, 상기 고정자영구자석 및 회전자영구자석은, 근접하는 각 영구자석의 상면에서의 최대높이 및 최소높이 차이가 전체높이의 1/2이 되도록 설치되고, 간격(c)은 1mm이하가 되도록 설치된다.

이때, 상기 자석사이의 간격은 자석과 자석 사이에서 발생되는 S극성의 인력에 의해 코깅토크가 발생되는 문제점이 발생되나 실험결과 1mm이하의 간격에서는 극성의 형성없이 가우스도 발생도 억제되었다.

더하여, 상기 근접하는 각 영구자석의 상면에서의 최대높이 및 최소높이 차이가 전체높이의 1/2이 되도록 설치하면 상기 영구자석 사이에서 발생되는 자장의 영향을 최소화 하게 된다.

즉, 상기 높이가 높을 수록 옆 자석의 하단이 S극 영향을 받아 N극의 자기장이 감소하면서 회전방향에 미치는 자기장이 높아지고, 상기 높이가 낮을 수록 옆 자석의 하단에 S극 영향이 적어 N극의 자기장이 증가하면서 회전방향에 미치는 자기장이 낮아지게 된다.

이때, 상기 회전방향에 자기력을 증가 시키면서 최대의 표면적을 유지하기 위한 최적의 경사 각도는 14~15°를 유지하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 고정프레임에 설치되는 고정자영구자석중 적어도 일부는 고정자전자석(280)으로 대체토록 되고, 상기 고정프레임에 형성되는 장착홀(118)을 통하여 장착함으로써 작업성을 향상시키게 된다.

이때, 상기 고정자전자석(280)은 코일에 자기장을 주기적으로 발생시켜 회전자가 균일하게 회전토록 하면서 회전수의 조절이 가능하게 된다.

더하여, 상기 고정자전자석은, 컨트롤러(400)에 연결되어 전원공급의 조절로 회전수의 조절이 가능하게 된다.

즉, 상기 회전축은 스타트모터(410)에 연결되거나 전자석의 동작으로 감지센서(430)에 측정되는 회전축의 회전수를 제어토록 한다

또한, 상기 회전자영구자석이 N극을 형성할 때 이에 대응되는 고정자영구자석이 N극을 형성하는 구성, 상기 회전자영구자석이 N 및 S극을 교대로 형성할 때 이에 대응되는 고정자영구자석은 S극 및 N극을 교대로 형성하는 구성중에서 선택되며, 사용조건에 따라 다양하게 선택할 수 있게 된다.

그리고, 상기 각 모듈을 지지하는 회전축은 클러치 기능을 갖는 커플러(470)를 통하여 복수개가 동시에 연결되어도 좋다.

더하여, 상기 차폐판은, 스틸재를 사용하는 것이 바람직하며, 영구자석의 부피에 대응되는 부피를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 영구자석은 원형 또는 사각형상을 갖도록 설치되는 것이 바람직하며, 이는 균일한 자장의 형성이 가능하기 때문이다.

도11에서와 같이 상기 고정자영구자석(230) 및 회전자영구자석(250)은, 고정프레임 및 로터의 표면에서 돌출되면서 최대의 표면적을 갖도록 경사지게 절단토록 설치되어 최대의 자장형성이 가능토록 하면서 로터의 회전시 돌출되는 고정자영구자석에 의해 바람을 형성시켜 냉각효과의 구현이 가능토록 되는 것이다.

그리고, 도12에서와 같이 고정자영구자석 및 회전자영구자석은 서로 다른 원주에 복수개가 각각 배치되어 대응되는 자석의 갯수를 증가시켜 자속을 증대토록 한다.

이상과 같이 본 발명은 구동모듈과 발전부가 분리되면서 하나의 회전축에 일체형으로 연결되고 별도의 브러쉬가 필요없는 구성으로 내구성과 효율이 상승되는 것이다.

110...고정프레임 130...회전축
200...구동모듈 210...로터
250...회전자영구자석 350...발전기코일
400...컨트롤러 410...스타트모터
470...커플러

Claims

이격되는 고정프레임 사이에 회전가능토록 지지되는 회전축이 설치되어 구동모듈이 연결되며,
상기 구동모듈은, 회전축에 연결되는 로터의 양 측면둘레 및 이에 대응되는 고정프레임의 내측면 둘레를 따라 고정자영구자석과 회전자영구자석을 경사지면서 그 대응면이 서로 평행하도록 배치하고,
상기 로터의 원주방향 둘레를 따라 발전부영구자석을 배치할 때 발전부영구자석에 대응토록 고정프레임의 내측에 지지되는 보빈브라켓을 통하여 발전기코일이 각각 배치되어 고정자영구자석과 회전자영구자석의 상호 작용으로 회전축이 회전하면서 발전부영구자석과 발전기코일에 기전력을 발생시키도록 설치되며,
상기 로터의 양측면에 각각 설치되는 회전자영구자석이 로터의 내측에 연결되는 회전자차폐판에 연결되고,
상기 고정프레임에는 고정자영구자석에 접촉되는 고정자차폐판이 더 구비되며,
상기 고정자영구자석 및 회전자영구자석의 측면을 감싸도록 보조차폐판이 더 구비되고,
상기 고정자영구자석 및 회전자영구자석은 서로 다른 원주에 복수개가 각각 배치되며,
상기 고정자영구자석이 고정프레임의 원주방향에 형성되는 복수개의 장착홀에 설치될 때 상기 고정자영구자석중 적어도 일부는 고정자전자석으로 대체되고,
상기 고정자전자석은 전원을 공급하는 컨트롤러가 연결되며,
상기 회전축은 스타트회전력을 전달하는 스타트모터에 연결되면서 일측에 회전수를 제어토록 감지센서가 연결되고,
상기 고정자영구자석 및 회전자영구자석은, 근접하는 각 영구자석의 상면에서의 최대높이 및 최소높이 차이가 전체높이의 1/2이 되도록 설치되면서 간격은 1mm이하가 되도록 배치되며,
상기 고정자영구자석 및 회전자영구자석은, 고정프레임 및 로터의 표면에서 돌출되면서 최대의 표면적을 갖도록 14~15°의 경사각도로 절단되는 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 회전자영구자석이 N극을 형성할 때 이에 대응되는 고정자영구자석이 N극을 형성하는 구성, 상기 회전자영구자석이 N 및 S극을 교대로 형성할 때 이에 대응되는 고정자영구자석은 S극 및 N극을 교대로 형성하는 구성중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 구동모듈 내장형 회전자를 갖는 발전시스템.
제1항에 있어서, 상기 구동모듈은 복수개가 구비되고, 상기 구동모듈을 지지하는 회전축이 커플러를 통하여 연결될 때 복수개의 구동모듈이 동시에 연결되는 것을 특징으로 하는 구동모듈 회전축이 회전자가 연결되는 발전시스템.