KR102437835B1 - 교류발전장치 - Google Patents

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김철수
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Abstract

본 발명은 교류발전장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 교류발전장치는, 모터의 구동에 따라 고정부 내측에 배치된 회전부가 회전하여 3상교류전원을 생성하는 전원생성부, 모터의 구동을 위한 제1 전원을 제공하는 제1 배터리부, 회전부에 자력 형성을 위한 제2 전원을 제공하는 제2 배터리부, 3상교류전원 중 제1 상전원을 정류하여 제1 배터리부를 충전하는 제1 충전부, 3상교류전원 중 제2 상전원을 정류하여 제2 배터리부를 충전하는 제2 충전부, 3상교류전원 중 제3 상전원을 출력하는 출력 단자, 제1 전원의 공급을 제어하여, 모터의 구동을 제어하는 모터 제어부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 비교적 간단한 구조와 높은 효율로 장시간 교류 전원을 공급할 수 있다.

Description

교류발전장치{AC generator}
본 발명은 구동 방식과 발전 구조를 효율적으로 개선하여 장시간 교류 전원을 공급할 수 있는 교류발전장치에 관한 것이다.
교류발전장치는 역학적 에너지를 교류 형태의 전기 에너지로 전환하여 교류 기전력을 발생시키는 장치이다. 교류발전장치에는 단상 발전식과 3상 발전식이 있으며, 발전소에 있는 장치는 거의 3상 발전식이다.
일반적인 교류발전장치는 회전자와, 회전자의 외측에 형성되는 고정자 권선 등으로 구성되어, 회전자의 회전에 따라 회전자의 자력과 고정자 권선이 상호 작용하면서 전류를 유도하는 방식을 사용한다.
교류발전장치에서 사용하는 역학적 에너지의 근원은 터빈엔진, 터빈 또는 수치를 통해 떨어지는 물, 내부 연소 엔진, 바람 터빈, 태양 에너지, 압축 공기 등이 있으며, 이러한 역학적 에너지를 사용하는 교류발전장치는 대부분 대형으로 구조도 복잡하다.
한편, 야외에서 레저나 스포츠를 즐기는 인구가 증가하면서, 야외에서 전기 기기의 사용을 위한 소형 교류발전장치의 사용도 증가하고 있다. 그런데, 이러한 소형 교류발전장치는 유류를 사용하는 엔진을 이용하여 소음이 심하거나, 파워뱅크와 같이 배터리에 충전된 직류 전원으로부터 교류 전원을 생성하기 때문에 효율이 높지않아 장시간 사용도 어렵다.
따라서, 비교적 간단한 구조로 소형 제작이 가능하면서, 소음도 적고 효율이 높아 장시간 사용 가능한 교류발전장치를 고려해 볼 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 구동 방식과 발전 구조를 개선하여 높은 효율로 장시간 교류 전원을 공급할 수 있는 교류발전장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 교류발전장치는, 모터의 구동에 따라 고정부 내측에 배치된 회전부가 회전하여 3상교류전원을 생성하는 전원생성부, 상기 모터의 구동을 위한 제1 전원을 제공하는 제1 배터리부, 상기 회전부에 자력 형성을 위한 제2 전원을 제공하는 제2 배터리부, 상기 3상교류전원 중 제1 상전원을 정류하여 상기 제1 배터리부를 충전하는 제1 충전부, 상기 3상교류전원 중 제2 상전원을 정류하여 상기 제2 배터리부를 충전하는 제2 충전부, 상기 3상교류전원 중 제3 상전원을 출력하는 출력 단자, 및 상기 제1 전원의 공급을 제어하여, 상기 모터의 구동을 제어하는 모터 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 교류발전장치는, 상기 제1 배터리부를 냉각하여 과열을 방지하는 제1 냉각부, 및 상기 제1 배터리부에서 출력되는 전압을 변경하여, 상기 제1 냉각부의 동작 전압으로 제공하는 제1 DC/DC 컨버터와, 상기 제2 배터리부를 냉각하여 과열을 방지하는 제2 냉각부, 및 상기 제2 배터리부에서 출력되는 전압을 변경하여, 상기 제2 냉각부의 동작 전압으로 제공하는 제2 DC/DC 컨버터를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전원생성부의 발전 상태 및 동작 상태와 관련된 정보를 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있으며, 상기 모터로는 BLDC(Brushless Direct Current) 모터를 사용할 수 있고, 상기 회전부는 수은 슬립링을 통해 상기 제2 전원을 공급받을 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 배터리부의 충방전 및 동작 상태와 관련된 정보를 각각 표시하는 제1 및 제2 디스플레이를 더 포함할 수 있으며, 상기 배터리부의 충방전 및 동작 상태와 관련된 정보를 표시하는 표시부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 모터 제어부에 상기 제1 전원을 공급하거나 공급을 차단하는 제1 스위치, 및 상기 회전부에 상기 제2 전원을 공급하거나 공급을 차단하는 제2 스위치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 전원생성부, 상기 제1 및 제2 배터리부, 상기 제1 및 제2 충전부, 상기 모터 제어부, 및 상기 출력 단자를 수용하며, 이동용 바퀴가 부착되는 본체; 및 상기 본체에 부착되며, 선택적으로 상하로 이동되어 길이 조정이 가능한 손잡이부를 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 배터리부는 상기 본체에 탈부착이 가능하도록 결합될 수 있다.
본 발명에 따르면, 배터리부 전원을 구동원으로 사용하고, 생성한 전원의 일부로 다시 배터리부를 충전하는 구조의 교류발전장치를 제공하여, 장시간 교류 전원을 공급할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 교류발전장치는 BLDC 모터와 수은 슬립링 등을 사용하여, 발전 효율이 높으며, 수명도 길어 유지 보수 비용이 낮고, 가동시 소음도 매우 적다. 또한, 본 발명에 따른 교류발전장치는, 이동식이나 고정식으로 사용할 수 있어, 자연재해 지역, 산간 오지, 사막 지역 등과 같은 곳에서 주 전원이나 비상 전력용으로 사용할 수 있으며, 전기자동차용 발전기나, 기타 민수용, 산업용, 군용 등과 같은 다양한 분야에서 사용할 수 있다. 그리고, 발전부를 병렬로 연결하여 사용함으로써, 제공되는 전력의 크기도 증가시킬 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 교류발전장치의 구성에 대한 설명에 참조되는 도면,
도 3 및 도 4는 도 1에 도시한 전원생성부의 외형을 나타낸 도면,
도 5는 전원생성부에서 발전부의 단면을 나타낸 도면,
도 6은 전원생성부에서 수은 슬립링 부분을 확대하여 나타낸 도면, 그리고
도 7은 복수의 발전부를 사용하는 경우에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 경우, 어떤 구성요소에 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에" 또는 "~에 이웃하는" 등과, 어떤 구성요소가 다른 구성요소로 신호를 "전송한다" 와 같은 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 교류발전장치의 구성에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 교류발전장치(100)는 전원생성부(110), 제1 충전부(140), 제2 충전부(145), 제1 배터리부(150), 제2 배터리부(155), 모터 제어부(160), 제1 DC/DC 컨버터(170), 제2 DC/DC 컨버터(175), 제1 냉각부(180), 제2 냉각부(185), 제1 스위치(190), 제2 스위치(193), 및 출력 단자(195)를 포함할 수 있다.
이와 같은 구성요소들은 실제 응용에서 구현될 때 필요에 따라 2 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나, 혹은 하나의 구성요소가 2 이상의 구성요소로 세분되어 구성될 수 있다.
전원생성부(110)는 3상교류전원을 생성하며, 도 2에 도시한 바와 같이, 3상교류전원 중 R-N 상전원은 제1 충전부(140)에 공급하고, S-N 상전원은 제2 충전부(145)에 공급한다. 그리고, T-N 상전원은 출력 단자(195)로 공급하여, 출력 단자(195)를 통해 교류 전원을 공급할 수 있다.
제1 충전부(140)는 전원생성부(110)에서 공급받은 교류 전원을 정류하여 제1 배터리부(150)를 충전하고, 제2 충전부(145)는 전원생성부(110)에서 공급받은 교류 전원을 정류하여 제2 배터리부(155)를 충전한다.
제1 배터리부(150)와 제2 배터리부(155)는 각각 충방전이 가능한 배터리 모듈 및 보호 회로 등을 구비하며, 충전된 전원을 공급할 수 있다. 제1 배터리부(150)와 제2 배터리부(155)에는 각각 충방전 및 동작 상태와 관련된 정보 등을 표시할 수 있는 디스플레이(미도시)가 배치될 수 있다.
모터 제어부(160)는 전원생성부(110)에 구비된 모터의 구동을 제어한다. 전원생성부(110)에 구비된 모터는, 모터 제어부(160)의 제어에 따라, 제1 배터리부(150)이 전원이 공급되어 구동이 제어된다.
제1 DC/DC 컨버터(170)는 제1 배터리부(150)의 출력 전압을 변환시켜 제1 냉각부(180)의 구동 전압으로 제공하고, 제2 DC/DC 컨버터(175)는 제2 배터리부(155)의 출력 전압을 변환시켜 제2 냉각부(185)의 구동 전압으로 제공한다.
제1 냉각부(180)는 제1 배터리부(150)를 냉각시켜 제1 배터리부(150)의 과열을 방지하고, 제2 냉각부(185)는 제2 배터리부(155)를 냉각시켜 제2 배터리부(155)의 과열을 방지한다.
제1 스위치(190)는 제1 배터리부(150)에서 출력되는 전원을 모터 제어부(160)에 공급하거나 공급을 차단하며, 제2 스위치(193)는 제2 배터리부(155)에서 출력되는 전원을 전원생성부(110)에 공급하거나 공급을 차단한다.
제1 및 제2 스위치(190, 193)는 외부 기기의 제어에 따라 동작하도록 구성할 수 있다. 이를 위해, 외부 장치와 무선이나 유선 통신을 위한 통신 인터페이스를 제공하는 통신부(미도시)를 더 설치할 수 있다. 통신부는 무선 통신을 위해, 이동 통신망을 통해 무선 신호를 송수신하기 위한 모듈, 무선 인터넷 접속을 위한 모듈, 및 근거리 통신을 위한 모듈 등을 구비할 수 있다.
출력 단자(195)는 220V 전기 콘센트나, 기타 다양한 형태의 콘센트를 포함할 수 있다. 출력 단자(195)를 통해, 교류발전장치(100)는 다양한 전기 기기에 전원을 공급하는 용도로 사용할 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 3상교류전원을 생성하여, 3상교류전원 중 제1 및 제2 상전원은 내부 배터리 충전 등에 사용하고, 나머지 제3 상전원은 출력 전원으로 제공할 수 있다.
도 3 내지 도 6은 도 1에 도시한 전압생성부에 대한 설명에 참조되는 도면이다. 도 3 및 도 4는 전압생성부의 외형을 나타내며, 도 5는 전압생성부에서 발전부의 단면을 나타낸 도면이고, 도 6은 전압생성부에서 수은 슬립링 부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4을 참조하면, 전원생성부(110)는 모터(115) 및 발전부(120)를 포함할 수 있다.
모터(115)로는 BLDC 모터(Brushless Direct Current motor)를 사용하며, 모터 제어부(160)의 제어에 따라, 제1 배터리부(150)이 전원이 공급되어 모터(115)의 구동이 제어된다. BLDC 모터는 브러시가 없어 접촉 부분이 사라지므로, 수명이 길고 효율이 높으며 소음이나 발열이 적다.
발전부(120)는, 도 5에 도시한 바와 같이, 원통형 케이스에 고정되어 권선이 감겨진 고정부(121)와, 모터(115)의 구동축에 회전축(125)이 연결되어 모터(115)의 구동에 따라 고정부(121)의 내측에서 회전하는 회전부(123)를 구비한다. 회전부(123)에도 권선이 감겨지며, 전원공급단자(129a, 129b)를 통해 공급되는 전원을 수은 슬립링(127)을 통해 전달받아 자장을 형성하여, 고정부(121)에 전기적으로 연결된 전원출력단(130)을 통해 3상교류전원을 출력할 수 있다.
고정부(121)와 회전부(123)의 권선수 변화 등에 따라 교류출력전압, 주파수를 변경할 수 있으므로, 사용 목적에 따라 적절한 권선수 고정부(121)와 회전부(123)를 제작하여 사용할 수 있다.
그리고, 발전부(120)에는 발전 상태나 동작 상태와 관련된 정보 등을 표시하는 표시부(130)가 설치될 수 있다.
도 6은 전압생성부에서 수은 슬립링 부분을 확대한 도면이다.
도 6을 참조하면, 전원생성부(110)는 슬립링(slipring)으로 수은 슬립링(127)을 사용한다. 슬립링은 로터리커넥터 등으로도 불리는 전기/기계적 부품으로써, 360도 회전하는 장비에 전기적 전원과 신호라인을 공급할때 전선이 꼬여서 끊어지지 않게 전달 가능한 일종의 회전 커넥터이다.
수은 슬립링(127)은 액체 금속인 수은을 접점 매개체로 사용하여, 회전시 소음이 거의 없으며, 접촉 저항도 매우 적다. 또한, 수은 슬립링(127)은 마모가 없어서 반영구적인 수명의 내구성과 높은 신뢰성을 보유하고 있다. 수은 슬립링(127)은 회전부(123)의 회전축(125) 바깥 위치에 장착되므로 유지 보수도 용이하다. 전원공급단자(129a, 129b)와 수은 슬립링(127)을 통해 연결된 도선(131a, 131b)은 회전축(125) 내에 형성된 공동을 통해 회전부(123)의 권선에 연결되어, 전원을 공급한다.
이와 같이 낮은 접촉 저항을 갖는 수은 슬립링(127)의 사용으로 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
도 7은 복수의 발전부를 사용하는 경우에 대한 설명에 참조되는 도면이다.
도 7을 참조하면, 복수의 발전부(220a, 220b, 220c)를 병렬로 연결하여 사용할 수 있다. 이 경우, 출력 전압은 동일하지만 전류의 세기를 증가시킬 수 있다. 도면에는 3개의 발전부(220a, 220b, 220c)를 도시하고 있지만, 병렬로 사용할 수 있는 발전부의 개수는 이보다 적거나 많을 수 있다.
복수의 발전부(220a, 220b, 220c)를 병렬로 연결하여 사용하는 경우. 한개의 발전부(220a)에만 모터(215)가 설치되고, 나머지 발전부(220b, 220c)는 벨트나 체인 등과 같은 동력전달수단(235, 236)을 통해 모터(215)의 구동력을 전달받아, 3개의 발전부(220a, 220b, 220c)의 회전부가 동일한 방향과 같은 속도로 회전할 수 있다. 이에 따라, 3개의 발전부(220a, 220b, 220c)의 발전시 출력 전압, 파형, 위상은 거의 동일한 상태를 유지하게 되므로, 3개의 발전부(220a, 220b, 220c)에서 출력되는 중성선(N), R, S, T 상의 출력선을 각각 연결하여 사용할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 교류발전장치(100)는, 자연재해 지역, 산간 오지, 사막 지역 등과 같은 곳에서 주 전원이나 비상 전력용으로 사용할 수 있으며, 전기자동차용 발전기나, 기타 민수용, 산업용, 군용 등과 같은 다양한 분야에서 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 교류발전장치(100)는 고정식으로 사용할 수도 있고, 이동식으로 사용할 수도 있다. 이동식으로 사용하는 경우, 캐리어 타입 등으로 구성하여 원하는 장소로 이동시켜 전원을 공급할 수 있다. 캐리어 타입으로 구성하는 경우, 하부에 이동형 바퀴가 부착된 본체에 교류발전장치(100)를 탑재시키고, 본체의 일면에는 선택적으로 상하로 이동되는 길이 조정이 가능한 손잡이를 부착할 수 있다.
본 발명에 따른 교류발전장치(100)는, 제1 및 제 2 배터리부(150, 155)를 탈부착이 가능하게 결합할 수 있도록 구성함으로써, 충방전 성능이 떨어지는 경우, 제1 및 제2 배터리부(150, 155)만을 교체하여 사용할 수 있다. 또한, 새로운 배터리 기술을 활용한 새로운 배터리셀이나 더 많은 용량을 갖는 배터리셀로 제1 및 제2 배터리부(150, 155)를 교체하여 사용할 수도 있다. 그리고, 사용 목적에 따라 발전부의 사용 개수를 증가시켜 공급하는 전력량을 증가시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 교류발전장치는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성에 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기한 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
그리고, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.
110 : 전원생성부 140 : 제1 충전부
145 : 제2 충전부 150 : 제1 배터리부
155 : 제2 배터리부 160 : 모터 제어부
170 : 제1 DC/DC 컨버터 175 : 제2 DC/DC 컨버터
180 : 제1 냉각부 185 : 제2 냉각부
190 : 제1 스위치 193 : 제2 스위치
195 : 출력 단자

Claims (10)

  1. 모터의 구동에 따라 고정부 내측에 배치된 회전부가 회전하여 3상교류전원을 생성하는 전원생성부;
    상기 모터의 구동을 위한 제1 전원을 제공하는 제1 배터리부;
    상기 제1 배터리부를 냉각하여 과열을 방지하는 제1 냉각부;
    상기 제1 배터리부에서 출력되는 전압을 변경하여, 상기 제1 냉각부의 동작 전압으로 제공하는 제1 DC/DC 컨버터;
    상기 회전부에 자력 형성을 위한 제2 전원을 제공하는 제2 배터리부;
    상기 제2 배터리부를 냉각하여 과열을 방지하는 제2 냉각부;
    상기 제2 배터리부에서 출력되는 전압을 변경하여, 상기 제2 냉각부의 동작 전압으로 제공하는 제2 DC/DC 컨버터;
    상기 3상교류전원 중 제1 상전원을 정류하여 상기 제1 배터리부를 충전하는 제1 충전부;
    상기 3상교류전원 중 제2 상전원을 정류하여 상기 제2 배터리부를 충전하는 제2 충전부;
    상기 3상교류전원 중 제3 상전원을 출력하는 출력 단자; 및
    상기 제1 전원의 공급을 제어하여, 상기 모터의 구동을 제어하는 모터 제어부를 포함하며,
    상기 회전부는 상기 회전부의 회전축 외측에 장착된 수은 슬립링을 통해 상기 제2 전원을 공급받으며, 상기 제2 전원이 공급되는 전원공급단자와 상기 수은 슬립링을 통해 연결된 도선은 상기 회전부의 회전축 내에 형성된 공동을 통해 상기 회전부의 권선에 연결되어 상기 제2 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 교류발전장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전원생성부의 발전 상태 및 동작 상태와 관련된 정보를 표시하는 표시부를 더 포함하는 교류발전장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 모터는 BLDC(Brushless Direct Current) 모터인 것을 특징으로 하는 교류발전장치.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배터리부의 충방전 및 동작 상태와 관련된 정보를 각각 표시하는 제1 및 제2 디스플레이를 더 포함하는 교류발전장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 모터 제어부에 상기 제1 전원을 공급하거나 공급을 차단하는 제1 스위치; 및
    상기 회전부에 상기 제2 전원을 공급하거나 공급을 차단하는 제2 스위치를 더 포함하는 교류발전장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전원생성부, 상기 제1 및 제2 배터리부, 상기 제1 및 제2 충전부, 상기 모터 제어부, 및 상기 출력 단자를 수용하며, 이동용 바퀴가 부착되는 본체; 및
    상기 본체에 부착되며, 선택적으로 상하로 이동되어 길이 조정이 가능한 손잡이부를 더 포함하는 교류발전장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 배터리부는 상기 본체에 탈부착이 가능하도록 결합되는 것을 특징으로 하는 교류발전장치.

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