KR102399038B1 - 출력전압을 배가시킬 수 있는 비회전식 교류 발생기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 출력전압을 배가시킬 수 있는 비회전식 교류 발생기에 관한 것으로, 직류 전원부(110); 스위칭 신호를 제공하는 제어부(120); 및 교류 출력부(130)를 포함하고, 상기 교류 출력부(130)는 철심(131)과, 자극편(133)과, 상기 직류 전원이 공급되는 계자권선(134,135)과, 상기 자극편(133) 사이의 상기 철심(131)에 권취되어 계자 권선(134,135)에 의한 유도기전력에 의해 상기 교류 전원을 출력하는 전기자 권선(136)을 포함할 수 있고, 상기 교류 출력부(130) 및 상기 직류 전원부(110)사이에 연결되며, 상기 직류 전원부(110)로부터의 직류 전원이 일정하게 상기 교류 출력부(130)로 공급되도록 하여 지속적으로 교류 출력부(130)에서 교류가 출력되도록 전력을 공급하는 역할을 수행하는 파워 서플라이(140)(POWER SUPPLY)가 구비되고, 교류 출력부인 유닛 내부에 적층된 계자권선에 일정 듀티(duty)로 전원을 온/오프(ON/OFF) 해주는 것 만으로 전자의 이동에 의한 자속의 회전으로 기전력을 얻을 수 있고, 전원 공급은 직류(DC)전력을 사용하여, 정해진 듀티(duty)에 의해 전력을 끊어서 공급해주고, 계자에 서로 다른 방향성을 제공해주면서 기존의 회전식 동기발전기가 회전하는 것과 같은 형태의 교번 기전력을 발생시키는 것을 특징으로 한다.

Description

출력전압을 배가시킬 수 있는 비회전식 교류 발생기{Non-Rotation Type Alternating Current Generator Capable of Mulitplying Output Voltage}
본 발명은 출력전압을 배가시킬 수 있는 비회전식 교류 발생기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전원을 끊어주는 것만으로 물리적으로 회전하는 것과 같은 기전력을 얻을 수 있는 구조로 만들어진 출력전압을 배가시킬 수 있는 비 회전식 교류 발생기에 관한 것이다.
전기자동차 뿐만 아니라, 가정의 전력 사용, 건물 등의 비상전력의 사용 등 고효율의 교류전력 발생기의 필요성이 점차 더 커지고 있다.
전기를 사용하는 곳이 많아지면서 안정성과 편리성이 점차 대두되고 있다.
한편, 본 발명의 출원인에 의해 이전에 출원되어 등록된 기술(등록번호10-1913746, 2018년 10월 25일 등록)(발명의 명칭: 주파수 및 전압조절이 가능한 교류전력 발생기)이 개시된 바 있다. 이에 따르면, 비회전식 교류 발생이 가능한 구조가 제시된 바 있으나, 발열량이 많아 효율이 떨어지는 등 여러가지 문제점이 발생된 바 있다.
[선행기술문헌]
(특허문헌 0001) 공개특허공보 제10-2014-0078732호(2014.06.25)
(특허문헌 0002) 일본 공개특허공보 특개2000-353627호(2000.12.19)
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로서, 기존의 회전식 동기발전기의 열, 마찰, 속도, 저항 등의 외력으로 인한 전력손실 및 효율 저하에 따른 문제점과 안정성, 활용성, 친화성 등의 여러 가지 문제점을 해결하고자 회전하지 않는 출력전압을 배가시킬 수 있는 비회전식 교류 발생기를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 교류 전원을 생성하되, 회전하지 않는 구조적인 이점을 활용하여, 전력손실 및 효율 저하에 따른 문제점을 개선하는 출력전압을 배가시킬 수 있는 비회전식 교류발생기를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 출력전압을 배가시킬 수 있는 비회전식 교류전력 발생기는, 직류 전원부(110); 직류전기를 일정 시간, 일정 주기로 전력을 끊어주도록 스위칭 신호를 제공하는 제어부(120); 및 상기 제어부(120) 스위칭 신호에 의해 상기 직류 전원이 교류 전원으로 변환되어 출력되도록 하는 교류 출력부(130)를 포함하고, 상기 교류 출력부(130)는 철심(131)과, 상기 철심(131)의 길이 방향으로 배열된 자극편(133)과, 상기 자극편(133) 사이의 상기 철심(131)에 권취되어 상기 직류 전원이 공급되는 계자권선(134,135)과, 상기 자극편(133) 사이의 상기 철심(131)에 권취되어 계자 권선(134,135)에 의한 유도기전력에 의해 상기 교류 전원을 출력하는 전기자 권선(136)을 포함하는 구조가 적층되어 이루어진 하나의 유닛으로서, 상기 교류 출력부(130) 및 상기 직류 전원부(110)사이에 연결되며, 상기 직류 전원부(110)로부터의 직류 전원이 일정하게 상기 교류 출력부(130)로 공급되도록 하여 지속적으로 교류 출력부(130)에서 교류가 출력되도록 전력을 공급하는 역할을 수행하는 파워 서플라이(140)(POWER SUPPLY)가 구비된 것으로서,
교류 출력부인 유닛 내부에 적층된 계자권선에 일정 듀티(duty)로 전원을 온/오프(ON/OFF) 해주는 것 만으로 전자의 이동에 의한 자속의 회전으로 기전력을 얻을 수 있고, 전원 공급은 직류(DC)전력을 사용하여, 정해진 듀티(duty)에 의해 전력을 끊어서 공급해주고, 계자에 서로 다른 방향성을 제공해주면서 기존의 회전식 동기발전기가 회전하는 것과 같은 형태의 교번 기전력을 발생시키고,
유닛은 하나 이상으로 이루어지며, 각 유닛 별로 스위칭이 가능하고,
유닛의 적층구조에서는, 전자석의 결선을 직,병렬 구조로 진행하게 되면서 압착되는 부분이 양쪽으로 나눠지게 되면서 유닛을 압착시킬 때 한쪽으로 편향되지 않고, 양쪽으로 나눠지면서 압축강도를 일정하게 유지시킬 수 있고, 유닛이 압착될 때, 높이로 작용하게 되던 안선이 다방면으로 나눠지게 되면서 유닛을 압착시킬 때, 더 큰 강도로 압축시킬 수 있게 되어, 결선작업도 더 쉽고 편리해지며, 유닛의 압착으로 인한 합선 문제를 해결하게 된 것을 특징으로 한다.
또한, 교류 출력부인 유닛은 전기자의 갯수가 전자석의 갯수보다 더 많은 구조이며, 최종적으로 적층된 유닛의 총 높이가 압착력의 증대로 인해 서로간에 밀접하게 맞닿아 있도록 하여 컴팩트한 구조를 된 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 유닛을 구성하는 전기자의 높이가 모두 동일한 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 출력전압을 배가시킬 수 있는 교류전력 발생기에 의하면, 회전하지 않는 구조적인 이점을 활용한 교류전력 발생기를 제공함으로써 교류발전기의 효율이 향상되고 고장의 염려가 줄어든 효과가 있다.
또한, 직류 전원을 이용하여 교류 전원을 생성하되, 기존의 회전 운동에너지를 이용한 동기 발전기가 아닌, 안정적이고 출력조절이 간편한 고효율 교류전력 발생기를 제공할 수 있게 된 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 교류전력 발생기를 도시한 블록도이다.
도 2는 종래 기술에 따른 교류전력 발생기 중에서 일부 구성(유닛)을 도시한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 교류전력 발생기를 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 교류전력 발생기의 일부 구성(유닛)들과 종래 일부 구성(유닛)을 비교한 예를 도시한 개략도이다
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 교류전력 발생기의 일부 구성(유닛)과 종래 일부 구성(유닛)의 결선방법의 예를 도시한 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 교번자속에 의한 교류 출력이 가능한 교류 발생기(혹은 발전기) 구조를 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 교번자속에 의한 교류 출력이 가능한 교류 발생기(혹은 발전기)의 유닛의 구조에서 자기장의 방향을 도식적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 유닛의 갯수가 변화하는 모습을 나타낸 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
본 발명의 교류전력 발생기에 관하여 하기와 같이 실시 예를 들어 자세히 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권리범위를 실시 예에 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 실시예는 회전하지 않는 구조적인 이점을 활용한 교류전력 발생기에 관한 것이다.
본 발명의 실시예는 전원을 끊어주는 것만으로 물리적으로 회전하는 것과 같은 기전력을 얻을 수 있는 구조로 만들어진 비 회전식 교류 발생기이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 기술의 교류 발생기는 직류 전원부(110); 직류전기를 일정 시간, 일정 주기로 전력을 끊어주도록 스위칭 신호를 제공하는 제어부(120); 및 상기 제어부(120) 스위칭 신호에 의해 상기 직류 전원이 교류 전원으로 변환되어 출력되도록 하는 교류 출력부(130)를 포함하고, 상기 교류 출력부(130)는 철심(131)과, 상기 철심(131)의 길이 방향으로 배열된 자극편(133)과, 상기 자극편(133) 사이의 상기 철심(131)에 권취되어 상기 직류 전원이 공급되는 계자권선(134,135)과, 상기 자극편(133) 사이의 상기 철심(131)에 권취되어 계자 권선(134,135)에 의한 유도기전력에 의해 상기 교류 전원을 출력하는 전기자 권선(136)을 포함할 수 있다.
이에 비하여 도 3 및 도 4의 본 발명에 의하면, 본 발명의 교류 발생기는 직류 전원부(110); 직류전기를 일정 시간, 일정 주기로 전력을 끊어주도록 스위칭 신호를 제공하는 제어부(120); 및 상기 제어부(120) 스위칭 신호에 의해 상기 직류 전원이 교류 전원으로 변환되어 출력되도록 하는 교류 출력부(130)를 포함하고, 상기 교류 출력부(130)는 철심(131)과, 상기 철심(131)의 길이 방향으로 배열된 자극편(133)과, 상기 자극편(133) 사이의 상기 철심(131)에 권취되어 상기 직류 전원이 공급되는 계자권선(134,135)과, 상기 자극편(133) 사이의 상기 철심(131)에 권취되어 계자 권선(134,135)에 의한 유도기전력에 의해 상기 교류 전원을 출력하는 전기자 권선(136)을 포함할 수 있고, 상기 교류 출력부(130) 및 상기 직류 전원부(110)사이에 연결되며, 상기 직류 전원부(110)로부터의 직류 전원이 일정하게 상기 교류 출력부(130)로 공급되도록 하여 지속적으로 교류 출력부(130)에서 교류가 출력되도록 전력을 공급하는 역할을 수행하는 파워 서플라이(140)(POWER SUPPLY)가 구비된다.
상기 제어부(120)는 일정 주기로 전력을 끊어주도록 스위칭 신호를 제공하는 회전 스위칭부와, 상기 회전 조절부의 신호를 속도로 조절해주는 회전 조절부를 포함할 수 있다.
상기 제어부(120)에 의해 상기 교류 전원의 주파수 및 전압이 간편하게 조절될 수 있다.
상기 교류 출력부(130)는 전기자 권선을 중심으로 상기 계자 권선이 상기 철심의 상, 하부에 각각 권취 될 수 있다.
상기 교류 출력부(130)의 자극편은 상기 계자권선의 최외측과, 상기 계자 권선의 사이와, 그리고 상기 계자 권선과 상기 전기자 권선 사이에 각각 형성될 수 있다.
상기 교류 출력부(130)의 회전하지 않는 구조의 이점으로 인해, 이격거리 오차가 발생하지 않아, 전기의 품질을 향상시킬 수 있으며, 회전하지 않는 안정적인 구조의 이점으로 인해, 회전마찰력 또는 마모, 회전관성에 의한 열문제 등이 개선될 수 있다.
상기 교류 출력부(130)의 철심, 자극편, 권선 및 전기자 권선이 제 1유닛을 구성하고, 상기 제 1유닛, 상기 제 2유닛의 계자 권선에 순차적으로 상기 직류 전원이 공급되어 상기 전기자 권선을 통해 단상 교류 전원이 출력될 수 있다.
상기 제 1유닛과 동일한 구성의 제 2유닛과, 상기 제 1유닛과 동일한 제 3유닛을 더 포함하고, 상기 직류전원이 순차적으로 공급되어 상기 전기자 권선을 통해 삼상 교류 전원이 출력될 수 있다.
도 4를 참조하면, 전기자 (권선)과 전자석(제1 및 제2 계좌 권선을 지칭함)간의 배치를 살펴보면, 종래의 구조(a)는 전자석과 전자석 사이에 제 1 계좌 권선(전자석)(N극<->S극)과 제2 계좌권선(전자석)(S<->N)이 수직으로 적층되어 배치되며, 이러한 구조가 연속적으로 반복된다.
종래 유닛 적층 구조에서는 전자석이 자화 후 탈자가 반복되면서 발생되는 에너지에 의해 열이 발생되면서 발열량이 증대되어 효율이 떨어진다.
즉, 종래 유닛의 적층 구조일 경우, 기자력을 발생시키는 NS 전자석과 SN전자석이 밀착되어 있어, 복사열로 인한 유닛 내부의 열에 의한 온도가 높이 상승하는 경우가 있었다. 때문에, 전원 스위칭의 DUTY 비율을 높이지 못하였으며, 안전을 보장하기 어렵다는 단점이 있었다. 게다가, 이 전자석의 발열이 전기자에도 영향을 끼치게 되면서 출력 전력에도 이상 발생하는 문제점이 있었다. 다시 설명하면, 종래 유닛 구조에서 가장 문제가 되는 부분은 열문제였다. 유닛 내부의 열 때문에 발전기를 오래 가동시킬 때 안전성에 문제가 있었다.
또한, 이전 종래 유닛의 적층 구조에서는 전자석의 갯수가 전기자의 갯수보다 더 많은 구조이다. 하지만 변경된 본 발명의 유닛의 적층 구조는 전기자의 갯수가 전자석의 갯수보다 더 많은 구조를 가지거나 또한 종래와 동일한 갯수의 전기자와 전자석의 적층 구조를 가진 경우에도 최종적으로 적층된 유닛의 총 높이가 압착력의 증대로 인해 서로간에 밀접하게 맞닿아 있도록 하여 컴팩트한 구조를 만들었다는 점에 특징이 있다.
또한, 종래 유닛의 적층 구조는 한 가지로 국한되어, 스위칭 방법에 따라 단상과 3상의 구조가 되었다. 그러나, 본 발명의 유닛의 적층 구조에 따르면, 유닛 별로 스위칭도 가능해진 상태이다.
한편, 본 발명의 유닛의 적층구조에 있어서, 전기자의 높이가 동일해야 한다(필수 조건:유의 법칙(YOO'S LAW).
도 4에서 본 발명의 유닛 적층구조의 일예를 살펴보면, 도 4 (b)는 전기자 사이에 각각 NS 전자석과 SN 전자석을 한개씩 배치한 점에서 적층 구조가 차이가 있다. 이런 유닛 구조에 따르면, 기자력을 발생시키는 NS 전자석과 SN전자석이 쇄교되는 전기자를 사이에 두고 떨어져 있기 때문에 전자석을 탈자 현상으로 인한 열이 분산되어 내부의 열이 한쪽에만 편향되지 않는다. 따라서, 전원 스위칭의 DUTY비율을 일정 비율 이상으로 하였으며, 전자석의 안정적인 스위칭으로 인한 출력의 안정성을 확보할 수 있다. 즉, 도 4 (b)의 구조에서는 이전 도 4(a) 구조에서의 문제를 해결하게 되면서 출력 전력의 안정성을 확보하게 되었다.
또한, 본 발명에서는 유닛을 마감할 때, 종래 유닛과는 다르게(종래 유닛에서는 결선부분의 철편에서 합선이 일어나서 고장이 발생하거나 화재의 위험이 발생하였다) 에폭시 자체로 유닛을 코팅함으로써, 종래 유닛에서의 문제가 개선되었다(제조 방법에서의 차이점).
또한, 종래 유닛(도 2 및 도 4(a) 참조)에서는 일반 에나멜동선 코일을 사용하여 유닛을 제작하면서, 일정 온도(일반 에나멜 동선의 절연이 버티는 온도 섭씨 130도)가 넘어가게 되면서, 에나멜 동선의 절연이 파괴되어 전자석이 합선되고, 그로 인한 저항 값의 변동에 의해 합선된 전자석 쪽으로 전력이 쏠리게 되며, 전력이 쇼트(short)된 쪽으로 무한히 흐르게 된다. 이와 동시에 스파크(spark)로 인한 안전상의 문제가 발생하게 되었다.
본 발명의 유닛 적층 구조에 따르면, 폴리에스테르동선(종래 유닛)을 폴리에스테르이미드 동선으로 변경하여 절연 온도(섭씨 200~220도)가 상승하게 되었다. 따라서, 안정적인 입력 전력과 출력 전력 구조를 가질 수 있게 되었다.
도 4(c)의 유닛의 적층구조는 도 4(b)의 유닛의 적층구조에서 SN 전자석을 제외한 나머지 장치들로 이루어진 다른 실시예의 유닛의 적층 구조이다. 이러한 유닛의 적층 구조도 도 4(a)의 유닛의 적층구조를 개선한 효과가 나타난다.
전력 종류의 변화
도 4(a)의 종래의 유닛의 적층 구조는 열발생의 문제점도 있었지만, AC만 출력이 가능하다. 즉 직류 교류의 교번 자속을 통해 교류의 출력을 얻을 수 있었고, DC 전력을 사용할 경우에는 다이오드를 사용하거나, 인버터를 사용하여 AC를 DC로 변환하는 작업을 한 번 거쳐야 했다.
이에 비해 개선된 도 4(b) 및 도 4(c)의 유닛의 적층구조들에서는, NS와 SN의 전력을 통해 교류를 얻게 되며, SN 전자석의 위치를 NS로 뒤집어 적층하게 되면, DC의 출력을 얻을 수 있다.(DC 전자제품용 DC 발전기로 제작가능하며 소형화가 가능하다).
도 4(d)의 유닛의 적층구조는 도 4(a)의 유닛의 적층구조와 동일하나, 이 구조에서는 유닛의 적층 구조에서의 결선 방법을 달리하였으며(SN NS의 전자석의 위치를 다르게 할 수도 있다), 이에 대한 설명을 이하 계속하기로 한다.
출력 전력의 변화(도 5 참조)
도 4(a)의 종래 유닛 결선방법은 전자석의 결선을 병렬구조로 진행했다. (+)단자로 연결되는 전자석의 안선 부분의 거리감을 줄이기 위해 같은 방향으로, 유닛을 조립하면서 NS 전자석과 SN전자석의 안선이 겹치는 부분의 합선 우려가 컸으며, 유닛이 압착되면서 전체적으로 일정하게 조여져야 질이 좋고, 출력이 더 높아진다(이격거리). 하지만, 안선의 코일의 굵기가 높이로 작용하게 되면서 유닛을 압착시키는 것에 문제가 있었다(압축강도의 차이가 발생)(도 5 참조). 약 1mm 코일의 지름이 유닛의 높이에 영향을 미치게 된다.
이에 비해 본 발명의 실시예에 따른(도 4(d) 참조) 유닛의 적층구조에서는, 전자석의 결선을 직,병렬 구조로 진행하게 되면서 압착되는 부분이 양쪽으로 나눠지게 되면서 유닛을 압착시킬 때 한쪽으로 편향되지 않고, 양쪽으로 나눠지면서 압축강도를 일정하게 유지시킬 수 있게 되었고, 전기의 질이 더 좋아졌다. 게다가, 유닛이 압착될 때, 높이로 작용하게 되던 안선이 다방면으로 나눠지게 되면서 유닛을 압착시킬 때, 더 많은 강도로 압축시킬 수 있게 되어, 출력이 더 높아지게 되었다(이격거리). 이 구조에서는 결선작업도 종래 유닛 구조에서 비해 더 쉽고 편리해졌다.
결선방법은 전자석의 결선을 병렬구조로 진행했다. (+)단자로 연결되는 전자석의 안선 부분의 거리감을 줄이기 위해 같은 방향으로, 유닛을 조립하면서 NS 전자석과 SN전자석의 안선이 겹치는 부분의 합선 우려가 컸으며, 유닛이 압착되면서 전체적으로 일정하게 조여져야 질이 좋고, 출력이 더 높아진다(이격거리). 하지만, 안선의 코일의 굵기가 높이로 작용하게 되면서 유닛을 압착시키는 것에 문제가 있었다(압축강도의 차이가 발생)(도 5 참조). 약 1mm 코일의 지름이 유닛의 높이에 영향을 미치게 된다.
이에 비해 본 발명의 실시예에 따른(도 4(d) 참조) 유닛의 적층구조에서는, 전자석의 결선을 직,병렬 구조로 진행하게 되면서 압착되는 부분이 양쪽으로 나눠지게 되면서 유닛을 압착시킬 때 한쪽으로 편향되지 않고, 양쪽으로 나눠지면서 압축강도를 일정하게 유지시킬 수 있게 되었고, 전기의 질이 더 좋아졌다. 게다가, 유닛이 압착될 때, 높이로 작용하게 되던 안선이 다방면으로 나눠지게 되면서 유닛을 압착시킬 때, 더 큰 강도로 압축시킬 수 있게 되어, 출력이 더 높아지게 되었다(이격거리). 이 구조에서는 결선작업도 종래 유닛 구조에서 비해 더 쉽고 편리해졌다.
입력전력의 변화(도 5 참조)
도 4(a)의 종래 유닛의 병렬 구조는 단 방향 결선으로, 가장 큰 문제는 유닛의 압착으로 인한 합선 문제가 가장 큰 문제였으며, 그에 더하여 전자석 전체가 병렬로 연결되면서 입력 전력과 IGBT 용량에 있어서 한계가 있었다.
이에 비하여 도 4(b)의 본 발명의 실시예의 유닛의 적층 구조에서는, 직병렬 구조의 결선은 다 방향 결선으로, 가장 큰 문제인 유닛의 압착으로 인한 합선 문제를 해결하게 되었으며, 그에 더하여 전자석 전체가 직렬과 병렬로 나뉘어 연결되면서 입력 전력과 IGBT 용량에 있어서, 자유로운 조절이 가능하게 되었다. 입력전압 100V에 대하여 IGBT를 통해 저항을 높일 수 있으므로 예를 들어 종래 입력이 50V가 한계이던 것을 100V로 높일 수 있게 된 것이다. 또한 IGBT의 갯수를 줄일 수 있게 되었다.
도 6을 참조하면, 상기에서 일부 설명되기는 하였지만, 본 발명에서는 교번자속에 의한 교류 출력이 가능한 교류 발생기(혹은 발전기) 구조를 제공하였다, (일명 스마트 전자 발전기 라고도 칭함)(발명자의 성을 기초로 최의 법칙(CHOI'S LAW)이 적용된 것으로도 칭함). 즉, 상기 최의 법칙은 교류 발생기에 적용되는 새로운 법칙이며, 유닛의 구조적인 기술을 이용해 전기자를 적층시켜 출력을 배가시킬 수 있도록 할 수 있음을 나타내는 법칙이다.
도 6에 따른 교류 발생기도 회전식 동기발전기의 전자기 유도 작용을 응용한 것으로, 계자 권선에 전력을 입력시켜 자계가 발생하고 그 자속이 전기자에 쇄교되는 원리는 동일하나, 기존의 회전식 동기발전기의 문제점을 보완할 수 있도록 전원의 스위칭만으로 전자기장을 회전시켜 물리적인 회전과 같거나 더 큰 기전력을 얻을 수 있는 구조다.
도 6의 (b)는 기존의 회전식 동기발전기를 도형화한 그림이다. 동기발전기 (synchronous generator)는 전기로 회전하는 기계동력을 전기 출력으로 변환하는 동기 교류 발전기로서, 정해진 회전속도(rpm)로 운전하여, 일정 주파수의 교류전력을 발생시키는 발전기이다. 지금까지의 동기발전기는 전자기 유도작용을 응용한 것으로, 회전자의 계자권선에 직류전기를 가하면, 계자는 자극이 생기고, 계자가 회전하면서 고정자 권선에 자속이 쇄교되어 교번 기전력을 발생시키는 원리이다. 하지만, 이 회전과정에서 회전저항, 회전마찰, 발열현상, 베어링의 마찰계수 문제, 감속현상, 정밀도 문제 등의 여러 가지의 문제로 인한 출력 저하 문제가 있고, 진동에 의한 소음, 수명단축, 위험성이 있으며, 공간 활용도가 매우 어려운 여러 가지의 애로사항을 갖고 있다.
반면, 도 6의 (a)는 비회전식 교류 발생기기 유닛의 일부를 도형화 한 그림이다. 비회전식 교류 발생기도 마찬가지로 전자기 유도 작용을 응용한 것은 동일하나, 기존의 회전하는 것에 대한 문제점을 보완·해결하고자 만든 발전기로써, 전원의 스위칭만으로 물리적으로 회전하는 것과 같은 기전력을 얻을 수 있는 구조이다. 정지되어있는 비 회전식(정지식) 발전기로 물리적으로는 회전시키지 않고, 유닛 내부에 적층된 계자권선에 일정 듀티(duty)로 전원을 온/오프(ON/OFF) 해주는 것 만으로 전자의 이동에 의한 자속의 회전으로 기전력을 얻을 수 있는 발전기이다.
전원 공급은 직류(DC)전력을 사용하여, 정해진 듀티(duty)에 의해 전력을 끊어서 공급해주고, 계자에 서로 다른 방향성을 제공해주면서 기존의 회전식 동기발전기가 회전하는 것과 같은 형태의 교번 기전력을 발생시키는 발전기이다.
기존의 동기발전기와는 다르게 정지해있기 때문에, 회전과정에서 생기는 회전저항, 회전마찰, 발열현상, 베어링의 마찰계수, 감속현상 등의 문제를 줄일 수 있으며, 회전하면서 생기는 진동, 소음, 수명단축, 위험성에 대한 노출이 없다. 기존의 동기 발전기보다 공간 활용도가 뛰어나며, 동기발전기가 회전할 때보다 자력이 전기자에 쇄교되는 이격거리가 일정하고, 계자권선과 전기자가 밀착되어있기 때문에, 보다 많은 자계를 쇄교 시킬 수 있으며, 적층 되어있는 구조로 인해 계자권선과 계자석의 상하 자극을 동시에 사용하여, 회전식 동기발전기보다 안전하고 질 좋은 전기를 얻을 수 있다. 무엇보다 간단하고 안전한 발전을 할 수 있다는 점이 특이점이다.
도 7은 유닛의 내부의 계자권선과 전기자의 적층부분을 나타낸 그림이다. 계자권선과 전기자를 번갈아 가며, 중공형(내부 원통의 지름의 크기는 가변가능함-중공 지름이 환기구 역할을 하여 냉각기능을 가진 구조임) 코어에 적층시켜 하나의 유닛을 조립할 수 있다. 하지만, 코어의 모양은 중공형에 국한되는 것은 아니고, 내부는 다각형(미도시, 삼각, 사각, 기타 형태) 형태로도 가능할 것이다. 계자와 전기자의 개수는 용량에 알맞게 설계되어야 하며, 유닛 내부의 코어와 계자, 코어와 전기자, 계자와 전기자 사이가 맞닿아 있기 때문에, 절연 부분에 각별히 신경 써야 하며, 코어부분이나 자극편 부분의 절연히 확실하게 되어 있어야 한다. 상기 계자의 제 1계자와 제 2계자의 부분으로 나뉠 경우, 제 1계자에 직류전기를 공급해줄 경우, 제 1계자에는 자극이 생기고, 제 2계자는 작동하지 않는다. 그 다음, 제 2계자에 직류전기를 공급해 줄 경우, 제 2계자에는 자극이 생기고 제 1계자는 작동하지 않는다. 이렇게 계속 교번 자속을 발생시켜 주면서 상기 교번 자속이 전기자에 쇄교되어 교번 기전력이 발생하게 되는 것이다. 동기 발전기의 전자기 유도 작용을 보면, 회전 계자가 회전할 때, 고정자 권선에 N극 S극이 계속 번갈아가면서 자극을 주게 되는 것과 같은 원리이다(도 7의 (a) 및 (b) 참조). 여기서 가장 중요한 것은 유닛의 내부의 제 1계자와 제 2계자가 전기자 하나에 자극을 1:1로 쇄교시키는 것이 아니라, 제 1계자와 제 2계자의 자극이 1:1+α로 쇄교시키기 때문에, 종래의 동기발전기보다 전기자에 더 많은 자극을 준다. 쉽게 종래의 학문을 비교하여 말하자면, 편자기자력을 사용하면서 동시에 감자기자력을 역으로 이용하는 것과 같다고 볼 수 있다. 유닛의 길이는 원하는 용량에 맞춰서 제작하면 된다. 출력용량에 맞는 개수로 적층해야 하며, 결선법에 따라 출력 전압이 달라진다. 출력 전압과 용량이 정해지면 그에 따른 입력 또한 알맞은 용량에 따라 설계가 이루어져야 한다.
도 8은 유닛의 갯수가 변화하는 모습을 나타낸 도면으로서, 도 8을 참조하면, 유닛 내부의 계자와 전기자의 개수는 임의로 정한 것이며, 계자와 전기자의 갯수가 적은 것에서(a) 갯수를 늘려서(b) 유닛을 제작할 수 있으므로 계자와 전기자의 갯수는 제한적인 것은 아니다.
상기 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 비회전식 교류전력 발생기에 의하면, 회전하지 않는 구조적인 이점을 활용한 교류전력 발생기를 제공함으로써 교류발전기의 효율이 향상되고 고장의 염려가 줄어든다.
또한, 직류 전원을 이용하여 교류 전원을 생성하되, 기존의 회전 운동에너지를 이용한 동기 발전기가 아닌, 안정적이고 출력조절이 간편한 고효율 교류전력 발생기를 제공할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
133: 자극편
134,135: 전기자(계자)
136: 전자석

Claims (5)

  1. 출력전압을 배가시킬 수 있는 비회전식 교류전력 발생기에 있어서,
    직류 전원부(110); 직류전기를 일정 시간, 일정 주기로 전력을 끊어주도록 스위칭 신호를 제공하는 제어부(120); 및 상기 제어부(120) 스위칭 신호에 의해 상기 직류 전원이 교류 전원으로 변환되어 출력되도록 하는 교류 출력부(130)를 포함하고, 상기 교류 출력부(130)는 철심(131)과, 상기 철심(131)의 길이 방향으로 배열된 자극편(133)과, 상기 자극편(133) 사이의 상기 철심(131)에 권취되어 상기 직류 전원이 공급되는 계자권선(134,135)과, 상기 자극편(133) 사이의 상기 철심(131)에 권취되어 계자 권선(134,135)에 의한 유도기전력에 의해 상기 교류 전원을 출력하는 전기자 권선(136)을 포함하는 구조가 적층되어 이루어진 하나의 유닛으로서, 상기 교류 출력부(130) 및 상기 직류 전원부(110)사이에 연결되며, 상기 직류 전원부(110)로부터의 직류 전원이 일정하게 상기 교류 출력부(130)로 공급되도록 하여 지속적으로 교류 출력부(130)에서 교류가 출력되도록 전력을 공급하는 역할을 수행하는 파워 서플라이(140)(POWER SUPPLY)가 구비된 것으로서,
    교류 출력부인 유닛 내부에 적층된 계자권선에 일정 듀티(duty)로 전원을 온/오프(ON/OFF) 해주는 것 만으로 전자의 이동에 의한 자속의 회전으로 기전력을 얻을 수 있고, 전원 공급은 직류(DC)전력을 사용하여, 정해진 듀티(duty)에 의해 전력을 끊어서 공급해주고, 계자에 서로 다른 방향성을 제공해주면서 기존의 회전식 동기발전기가 회전하는 것과 같은 형태의 교번 기전력을 발생시키며,
    유닛은 하나 이상으로 이루어지며, 각 유닛 별로 스위칭이 가능하고,
    유닛의 적층구조에서는, 전자석의 결선을 직,병렬 구조로 진행하게 되면서 압착되는 부분이 양쪽으로 나눠지게 되면서 유닛을 압착시킬 때 한쪽으로 편향되지 않고, 양쪽으로 나눠지면서 압축강도를 일정하게 유지시킬 수 있고, 유닛이 압착될 때, 높이로 작용하게 되던 안선이 다방면으로 나눠지게 되면서 유닛을 압착시킬 때, 더 큰 강도로 압축시킬 수 있게 되어, 결선작업도 더 쉽고 편리해지며, 유닛의 압착으로 인한 합선 문제를 해결하게 된 것을 특징으로 하는 출력전압을 배가시킬 수 있는 비회전식 교류전력 발생기.
  2. 제 1 항에 있어서, 교류 출력부인 유닛은 전기자의 갯수가 전자석의 갯수보다 더 많은 구조이며, 최종적으로 적층된 유닛의 총 높이가 압착력의 증대로 인해 서로간에 밀접하게 맞닿아 있도록 하여 컴팩트한 구조를 된 것을 특징으로 하는 출력전압을 배가시킬 수 있는 비회전식 교류전력 발생기.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서, 유닛을 구성하는 전기자의 높이가 모두 동일한 것을 특징으로 하는 출력전압을 배가시킬 수 있는 비회전식 교류전력 발생기.
  5. 제 1 항에 있어서, 유닛의 내부의 제 1계자와 제 2계자가 전기자 하나에 자극을 1:1로 쇄교시키는 것이 아니라, 제 1계자와 제 2계자의 자극이 1:1+α로 쇄교시키기 때문에, 종래의 동기발전기보다 전기자에 더 많은 자극을 주는 것을 특징으로 하는 출력전압을 배가시킬 수 있는 비회전식 교류전력 발생기.

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