KR102475461B1 - 영구자석을 이용한 전기 에너지 변환 장치 및 시스템 - Google Patents

영구자석을 이용한 전기 에너지 변환 장치 및 시스템 Download PDF

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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/02—Permanent magnets [PM]
    • H01F7/0231—Magnetic circuits with PM for power or force generation

Abstract

유도전류를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 과정에서 영구자석의 자기 에너지를 전기 에너지로 바로 변환하는 1단계 변환 과정만으로 전기 에너지를 추가 공급하여 에너지 효율을 증가시키는, 영구자석을 이용한 전기 에너지 변환 장치 및 시스템이 개시된다. 일 실시예에 따른, 교류 전원이 인가되는 전기 에너지 변환 장치는, 입력측 권선을 포함하는 솔레노이드와 출력측 권선을 포함하는 솔레노이드를 포함하는 복수의 솔레노이드를 포함하고, 상기 복수의 솔레노이드 각각에 포함된 철심이 연결되어 전자속의 폐회로를 구성하는 전기자기 회로부; 영구자속을 발생시키며 상기 전기자기 회로부의 상기 철심들을 상기 영구자속의 이동 통로로서 공유하도록 설치되는 복수의 영구자석; 및 상기 복수의 영구자석을 연결하여, 상기 전기자기 회로부 및 상기 복수의 영구자석을 경유하는 상기 영구자속의 폐회로를 구성하는 영구자속 통로부를 포함하고, 상기 전기자기 회로부는, 상기 교류 전원의 인가에 의해 발생 및 제어되는 전자속에 의해 상기 영구자속의 흐름을 변경한다.

Description

영구자석을 이용한 전기 에너지 변환 장치 및 시스템{Electric energy conversion device and system using permanent magnet}
본 발명은 영구자석을 이용한 전기 에너지 변환 장치 및 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 유도전류를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 과정에서 영구자석의 자기 에너지를 전기 에너지로 변환하여 추가 공급함으로써 에너지 효율을 증가시키는, 영구자석을 이용한 전기 에너지 변환 장치 및 시스템에 관한 것이다.
종래의 영구자석의 자기 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법으로서, 영구자석의 자기 에너지를 역학적 에너지(기계적 에너지)로 변환한 후 다시 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 방법이 통용되었으나, 변환 효율이 떨어지고, 부피 및 소음의 증가와 장치의 마모 등으로 인한 유지 비용의 증가 그리고 수명의 단축으로 경제성이 떨어지는 문제점이 있다. 특히 소형화가 어려우며, 소음과 진동으로 인해 이동형 장치의 내장형 전원생성장치로서 활용하기에는 부적합하다.
국내공개특허공보 제10-2016-0087883호(2016.07.22.)
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 종래의 영구자석의 자기 에너지를 역학적 에너지로 변환하고 다시 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 2단계의 변환 과정에서 자기 에너지를 역학적 에너지로 변환하는 과정을 생략하여, 유도전류를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 과정에서 영구자석의 자기 에너지를 전기 에너지로 바로 변환하는 1단계 변환 과정만으로 전기 에너지를 추가 공급하여 에너지 효율을 증가시키는, 영구자석을 이용한 전기 에너지 변환 장치 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
일 실시예에 따른, 교류 전원이 인가되는 전기 에너지 변환 장치는, 입력측 권선을 포함하는 솔레노이드와 출력측 권선을 포함하는 솔레노이드를 포함하는 복수의 솔레노이드를 포함하고, 상기 복수의 솔레노이드 각각에 포함된 철심이 연결되어 전자속의 폐회로를 구성하는 전기자기 회로부; 영구자속을 발생시키며 상기 전기자기 회로부의 상기 철심들을 상기 영구자속의 이동 통로로서 공유하도록 설치되는 복수의 영구자석; 및 상기 복수의 영구자석을 연결하여, 상기 전기자기 회로부 및 상기 복수의 영구자석을 경유하는 상기 영구자속의 폐회로를 구성하는 영구자속 통로부를 포함하고, 상기 전기자기 회로부는, 상기 교류 전원의 인가에 의해 발생 및 제어되는 전자속에 의해 상기 영구자속의 흐름을 변경한다.
상기 출력측 권선이 감긴 철심의 자기저항이 상기 입력측 권선이 감긴 철심의 자기저항보다 클 수 있다.
상기 출력측 권선이 감긴 철심에는 공극(Air Gap)이 설치될 수 있다.
상기 입력측 권선을 포함하는 솔레노이드에는 추가적인 출력측 권선을 더 포함할 수 있다.
상기 입력측 권선에 전원을 인가하여 생성되는 전자속의 변화를 방해하기 위해 유도되는 유도전류와, 상기 생성되는 전자속에 의한 상기 영구자속의 변화를 방해하기 위해 유도되는 유도전류가, 상기 출력측 권선에 생성될 수 있다.
상기 복수의 영구자석 및 상기 영구자속 통로부를 기준으로, 좌우 대칭으로 두 개의 상기 전기자기 회로부가 설치되고, 이때 각 전기자기 회로부의 입력측 권선을 포함하는 솔레노이드가 상기 복수의 영구자석에 더 가깝게 위치할 수 있다.
상기 출력측 권선이 감긴 철심의 단면적 및 상기 영구자속 통로부의 단면적은, 상기 입력측 권선이 감긴 철심의 단면적 이상일 수 있다.
상기 복수의 영구자석 중 하나에서 발생하여 상기 전기자기 회로부로 흐르는 영구자속의 수는 상기 입력측 권선이 감긴 철심에 생성되는 최대 전자속의 수 이상일 수 있다.
상기 전기자기 회로부는, 입력측 권선을 포함하는 제1 솔레노이드; 제1 출력측 권선을 포함하는 제2 솔레노이드; 및 제2 출력측 권선을 포함하는 제3 솔레노이드를 포함할 수 있다.
상기 전기자기 회로부는, 제1, 2 전기자기 회로부를 포함하고, 상기 복수의 영구자석은, 상기 제1 전기자기 회로부에 연결되는 제1, 2 영구자석과, 상기 제2 전기자기 회로부에 연결되는 제3, 4 영구자석을 포함하며, 상기 제1 영구자석, 상기 제1 전기자기 회로부, 상기 제2 영구자석, 상기 제3 영구자석, 상기 제2 전기자기 회로부 및 상기 제4 영구자석의 순서로 영구자속이 흐르는 영구자속 폐회로가 구성될 수 있다. 이때, 제1 솔레노이드에는, 제3 출력측 권선을 더 포함할 수 있다.
상기 전기자기 회로부는, 제1 입력측 권선을 포함하는 제1 솔레노이드; 제2 입력측 권선을 포함하는 제2 솔레노이드; 및 제1 출력측 권선을 포함하는 제3 솔레노이드를 포함할 수 있고, 이때, 제3 솔레노이드를 기준으로 상기 제1, 2 솔레노이드는 서로 대칭일 수 있으며, 상기 영구자속 통로부의 단면적은, 상기 제3 솔레노이드의 철심 단면적보다 크고, 상기 제1, 2 솔레노이드의 철심 단면적은, 상기 제3 솔레노이드의 철심 단면적의 1/2일 수 있다. 또한, 상기 제3 솔레노이드의 철심 단면적은, 상기 제1, 2 솔레노이드에서 생성되는 최대 전자속으로 포화 자속 상태가 되도록 설정될 수 있다.
본 발명은, 영구자석의 자기 에너지를 역학적 에너지로 변환한 후 다시 전기 에너지로 변환하는 2단계의 변환 과정을 영구자석의 자기 에너지를 전기 에너지로 바로 변환하는 1단계 변환 과정으로 단순화함으로써 불필요한 에너지 손실을 줄여 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 에너지 변환 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 전기 에너지 변환 장치에서 입력측(IN V1)에 전원을 인가하였을 때의 전자속 및 영구자속의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1의 전기 에너지 변환 장치에서 입력측(IN V1)에 도 2의 입력 전원과 180도 위상차를 갖는 전원을 인가하였을 때의 전자속 및 영구자속의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 에너지 변환 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 전기 에너지 변환 장치에서 입력측(IN V1)에 도 4의 입력 전원과 180도 위상차를 갖는 전원을 인가하였을 때의 전자속 및 영구자속의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 전기 에너지 변환 장치를 연결한 시스템의 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 에너지 변환 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 전기 에너지 변환 장치에서 입력측(IN 1, IN 2)에 전원을 인가하였을 때의 전자속 및 영구자속 흐름을 나타낸 도면이다.
도 9은 도 7의 전기 에너지 변환 장치에서 입력측(IN 1, IN 2)에 도 8의 전원과 180도 위상차를 갖는 전원을 인가하였을 때의 전자속 흐름과 영구자속 흐름을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 에너지 변환 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 에너지 변환 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 12는 도 4의 전기 에너지 변환 장치 3기를 활용하여 3상용 전기 에너지 변환 시스템을 구성한 예이다.
도 13은 도 4의 변형예를 나타낸 도면이다.
도 14는 도 13의 (b)를 복수 개 연결한 전기 에너지 변환 장치를 나타낸 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하의 구체적인 실시예를 설명하기에 앞서, 발명의 명확한 이해를 위해 용어를 정의한다. 영구자석의 자기를 전자석(즉, 내부에 철심으로 구성된 솔레노이드)의 자기와 구별하기 위해 영구자기로 표기한다. 그리고, 영구자석의 자속(磁束)을 전자석의 자속(磁束)과 구별하기 위해 영구자석의 자속을 영구자속으로 표기하고, 전자석의 자속을 전자속으로 표기한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 에너지 변환 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 전기 에너지 변환 장치는, 전기자기 회로부(110), 두 개의 영구자석(120, 121), 및 영구자속 통로부(130)를 포함한다.
상기 전기자기 회로부(110)는, 일반적으로 상용되고 있는 변압기와 유사한 형태를 가지며, 적어도 2개의 솔레노이드 내부의 전자속 통로인 철심이 폐회로를 구성한다. 즉, 전자속 철심이 대략 사각형으로 구현되어 상기 전기자기 회로부(110)에서는 전자속 ΦV1이 순환한다. 상기 전기자기 회로부(110)는, 전기적으로 절연된 복권형 구조가 효율적이나, 단권형 구조로도 구성될 수 있다. 본 실시예에서 상기 전기자기 회로부(110)는, 변압을 목적으로 하지 않으므로, 입력측(IN V1)의 권선수와 출력측(OUT V1)의 권선수를 1:1로 동일하게 하고, 구성의 단순화를 위해 내철형(Core Type)으로 표시한다. 그러나 여기에 제한되지 않으며, 입력측(IN V1)의 권선수와 출력측(OUT V1)의 권선수는 서로 상이할 수 있다.
상기 두 개의 영구자석(120, 121)은, 강한 자화 상태를 오래 보존하며 외부로부터 전기 에너지를 공급받지 않아도 안정된 자성을 유지하며 높은 자속 밀도와 보자력이 큰 영구자석이다. 상기 두 개의 영구자석(120, 121) 중 제1 영구자석(120)은, 상기 전기자기 회로부(110)의 상부측 중심에 위치하고, 제2 영구자석(121)은, 상기 전기자기 회로부(110)의 하부측 중심에 위치한다. 이때, 제1 영구자석(120)의 N극이 상기 전기자기 회로부(110)에 마주하고, 제2 영구자석(120)의 S극이 상기 전기자기 회로부(110)에 마주하도록 설치된다.
따라서, 상기 전기자기 회로부(110)의 철심은, 상기 전기자기 회로부(110)의 전자속이 이동하는 이동 통로와 상기 두 개의 영구자석(120, 121)의 영구자속이 이동하는 이동 통로로서의 기능을 동시에 수행한다. 즉, 상기 전기자기 회로부(110) 및 상기 두 개의 영구자석(120, 121)은 자속의 이동을 위해 철심 영역을 공유하는 구조이다. 따라서, 이하에서 설명하는 바와 같이, 상기 전기자기 회로부(110)의 전자속을 제어하여, 영구자속의 흐름을 변경하는 제어를 할 수 있다.
바람직하게, 제1 영구자석(120)은, 제2 영구자석(121)과 동일한 자속밀도 및 보자력을 가지며, 제1 영구자석(120)의 N극에서 방사되는 영구자속의 수는 입력측(IN V1)에서 철심이 포화 자속 상태일 때 생성되는 최대 전자속 수와 동일하거나, 조금 큰 자속 수가 방사되도록 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 영구자속의 폐회로의 자기저항을 고려하여 설정하는 것이 바람직하다. 과도한 영구자속의 수로 상기 전기자기 회로부(110)의 철심 전체가 포화 상태가 되면, 초기 여자전류에 의해 포화 자속 상태가 유지되어 과도한 소비 전류와 열이 발생하게 된다. 그러나 출력측(OUT V1)에 부하가 설정되면 상기 현상은 소멸된다.
본 실시예에서는 두 개의 영구자석(120, 121)을 설치하는 것을 설명하지만, 상부의 하나의 영구자석(120)만을 설치해도 된다. 그러나, 하나의 영구자석(120)만을 설치할 경우, 영구자속의 이동 경로가 길어지고, 이는 곧 폐회로의 자기저항을 커지게 한다. 따라서, 두 개의 영구자석(120, 121)을 직렬 구조로 설치하여, 영구자속은 하나의 영구자석만을 설치할 때와 동일하지만, 철심의 거리는 1/2로 줄어들어 영구자속의 폐회로의 자기저항을 작아지게 하는 효과를 발생시키게 된다.
영구자속 통로부(130)는, 상기 두 개의 영구자석(120, 121)에 연결되어 상기 두 개의 영구자석(120, 121)에서 발생하는 영구자속의 이동 통로를 형성한다. 따라서, 제1 영구자석(120), 전기자기 회로부(110), 제2 영구자석(121) 및 영구자속 통로부(130)는, 영구자속이 순환하는 폐회로를 구성하게 된다. 즉, 영구자속은 ΦN -> ΦN1 -> ΦN 혹은 ΦN - ΦN2 -> ΦN으로 순환한다. 영구자속 통로부(130)는, 철심으로 구성되며, 영구자속의 이동 중에 누설 자속이 생기지 않도록 자기저항을 고려하여 단면적을 충분히 설정한다.
상기 전기자기 회로부(110)의 출력측(OUT V1)의 철심에 공극(Air Gap)을 형성한다. 이 공극을 통해 포화 자속을 방지하고, 자기저항을 높여, 상기 전기자기 회로부(110)의 입력측(IN V1)에 전원이 입력되지 않을 때, 자기저항이 낮은 입력측(IN V1) 경로로 영구자속 ΦN의 전량이 흐르도록 한다. 즉, 입력측(IN V1) 경로의 영구자속의 밀도를 높인다. 다시 말하면, 제1 영구자석(120)에서 발생하는 영구자속 ΦN1의 흐름이 100%이고 ΦN2의 흐름은 0% 상태가 된다. 따라서, 영구자속 ΦN1은 상기 전기자기 회로부(110)의 입력측(IN V1)을 통과하여 제2 영구자석(121)으로 이동하고, 이어서 영구자속 통로부(130)를 거쳐 다시 제1 영구자석(120)으로 이동한다.
출력측(OUT V1)의 철심에 공극(Air Gap)이 없다면, 제1 영구자석(120)에서 발생하는 영구자속 ΦN은 입력측(IN V1)과 출력측(OUT V1)으로 분산되어 흐르게 된다. 본 실시예에서는 입력측(IN V1)에 전원을 입력하지 않을 때 제1 영구자석(120)에서 발생하는 영구자속 ΦN이 전량 입력측(IN V1) 경로로 흐르도록 하기 위해, 출력측(OUT V1)의 철심에 공극(Air Gap)을 형성하는 것이다. 출력측(OUT V1)의 공극(Air Gap)은 출력측(OUT V1)의 자기저항을 입력측(IN V1)에 비해 커지도록 하고, 따라서 영구자속 ΦN이 전량 입력측(IN V1) 경로로 흐르게 된다. 특히, 출력측(OUT V1)의 자기저항을 입력측(IN V1)에 비해 높도록 구성하여 입력측(IN V1)의 철심에 흐르는 영구자속 ΦN1의 흐름을 상승시켜, 전원을 입력하였을 때 입력측(IN V1)의 솔레노이드에서 생성되는 전자속 ΦV1의 최대치와 동일하도록 함으로써 전기 에너지 변환 장치의 효율을 증가시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 전기자기 회로부(110)의 입력측(IN V1)의 철심 단면적(111)과, 출력측(OUT V1)의 철심 단면적(112) 및 영구자속 통로부(130)의 철심 단면적(131)은 동일하거나, 또는 출력측(OUT V1)의 철심 단면적(112) 및 영구자속 통로부(130)의 철심 단면적(131)은, 입력측(IN V1)의 철심 단면적(111)보다 크게 구성되는 것이 적절하다. 출력측(OUT V1)의 철심 단면적(112)이 입력측(IN V1)의 철심 단면적(111)보다 큰 경우, 출력측(OUT V1)에는 단면적의 차이만큼 영구자속 ΦN2의 흐름이 허용된다. 반대로 출력측(OUT V1)의 철심 단면적(112)이 입력측(IN V1)의 철심 단면적(111)보다 작은 경우, 출력측(OUT V1)의 철심 단면적(112)의 포화 자속 용량에 의해 입력측(IN V1)의 전자속 ΦV1과 영구자속 ΦN1의 수용 용량이 축소, 제한된다. 따라서, 출력측(OUT V1)의 철심 단면적(112)은 입력측(IN V1)의 철심 단면적(111)보다 크거나 같도록 구성하는 것이 바람직하다.
입력측(IN V1)에 전원을 인가하기 전에는 입력측(IN V1)은 영구자속 ΦN1으로 포화된다. 즉 영구자속 ΦN은 입력측(IN V1)으로만 흘러, ΦN1 = ΦN 관계가 형성된다. 그러나 입력측(IN V1)에 전원을 인가하고, 입력 전류를 증가시키면 전자속 ΦV1이 증가한다. 따라서, 전자속 ΦV1에 해당하는 양 만큼의 영구자속 ΦN2가 출력측(OUT V1)의 경로로 흐른다. 즉 영구자속의 일부인 ΦN1는 입력측(IN V1)으로 흐르고, 나머지 일부인 ΦN2는 출력측(OUT V1)으로 흐르게 된다. 다시 말하면, 출력측(OUT V1) 영역에 전자속 ΦV1에 대응하는 양 만큼의 영구자속 ΦN2 흐름이 형성되고, 입력측(IN V1) 영역에는 전자속 ΦV1과 영구자속 ΦN1이 각기 영역을 점유하며 공존하게 된다. 계속해서 입력 전류를 높여 입력측(IN V1) 영역이 전자속 ΦV1으로 포화 상태에 이르도록 하면, 영구자속 ΦN1은 0%로 되고, 모든 영구자속은 출력측(OUT V1)의 경로로 흘러, ΦN2 = ΦN 관계가 형성된다.
동일한 철심 내부에서 영구자속과 전자속이 동일한 방향을 향할 때는 자구(磁區)(magnetic domain)의 방향이 동일하게 형성되어 동일한 영역을 공유하여 흐를 수 있지만(도 1의 출력측(OUT V1) 영역), 영구자속과 전자속이 반대 방향으로 흐를 때는 자구의 방향이 서로 반대가 되어 영역을 분할하여 흐르게 된다(도 1의 입력측(IN V1) 영역). 이것은 복수의 영구자석은 상호 동일한 극에서는 척력이 발생하고, 다른 극에서는 인력이 작용하며, 각기 다른 극으로 복수의 영구자석을 직렬 결합하면, 인력이 작용하여 자속의 흐름이 연결되지만, 동일한 극으로 복수의 영구자석을 직렬 결합하면 척력이 작용하여 자속의 흐름이 연결되지 않는 원리와 동일하다. 따라서 영구자속과 전자속이 동일한 방향으로 흐를 때에 비해 상호 반대 방향으로 흐를 때의 철심의 면적은 2배로 확장되는 것이 바람직하다.
입력측(IN V1)의 철심 영역이 포화 상태일 때 포화 자속을 ΦMax라 하면, 입력측(IN V1)에 전원이 인가되지 않은 경우 영구자속 ΦN1 = ΦMax가 된다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1 영구자석(120)의 N극에서 방사되는 영구자속의 수는 입력측(IN V1)에서 철심이 포화 자속 상태일 때 생성되는 최대 전자속 수와 동일하거나, 조금 큰 자속 수가 방사되도록 설정되기 때문이다. 그러나 입력측(IN V1)에 전원이 인가되어 전자속 ΦV1이 생성되고 점차 입력 전류가 증가하면, 입력측(IN V1) 영역에서의 전자속과 영구자속은 서로 반대 방향으로 흐르므로, 전자속의 증가분만큼 영구자속 ΦN1은 감소하게 된다. 즉 ΦMax = 영구자속 ΦN1 + 전자속 ΦV1 상태를 유지하게 된다. 그리고 입력측(IN V1) 영역에서 감소된 영구자속은 출력측(OUT V1)으로 흐르게 된다. 즉, ΦN2 = ΦN - ΦN1이다. 이와 같이, 입력측(IN V1) 영역에서 전자속 ΦV1이 증가함에 따라, 출력측(OUT V1)에는 역전자속 -ΦV1이 형성되고, 또한 출력측(OUT V1) 영역에 영구자속 ΦN2이 증가함에 따라 역영구자속 -ΦN2이 형성되어, 출력측(OUT V1)에 유도 기전력이 발생한다.
코일 양끝에서 발생하는 유도 기전력(E)은 패러데이 법칙(Faraday's law)과 렌츠 법칙(Lenz's law)으로 설명하면, 다음과 같다.
E = -N dΦ/ dt
여기서, N은 코일의 감긴 횟수, dΦ는 자속의 변화, dt는 시간의 변화를 나타낸다. 즉, 유도 기전력(E)은 코일을 통과하는 자속의 시간적 변화율과 감긴 코일의 수에 비례한다는 것을 의미한다.
상기 유도 기전력(E)이 (-)값을 갖는 것은 렌츠의 법칙(Lenz's law)에 의해서 유도 기전력(E)은 자속의 움직임을 방해하려는 방향으로 생성되기 때문이다.
도 1의 전기 에너지 변환 장치에서 출력되는 전기 에너지는 별도의 전원 저장부에 저장되어 다른 전자장치에 활용될 수 있고, 또는 또 다른 전기 에너지 변환 장치의 입력 전원으로서 사용될 수 있다.
도 2는 도 1의 전기 에너지 변환 장치에서 입력측(IN V1)에 전원을 인가하였을 때의 전자속 및 영구자속의 흐름을 나타낸 도면이다. 이때 입력측(IN V1) 전원으로 교류를 활용하는데, 본 실시예에서는 교류 파형의 0~π 영역인 1/2 사이클(Cycle)의 양(+)의 전류를 공급한다.
도 2를 참조하면, 먼저 입력측(IN V1)에 전원을 인가하면, 철심에 권선된 솔레노이드로 전류가 흘러 상부 방향(즉, 시계 방향)으로 전자속 ΦV1이 생성되어 철심을 따라 순환하게 된다(앙페르 법칙).
상기 전자속 ΦV1의 생성은, 전류의 변화를 방해하려는 방향으로 역전자속 -ΦV1이 생성되는 것처럼, 전자기 유도에 의해 출력측(OUT V1) 코일과 쇄교(Magnetic Flux Linkage)하여 제1 유도전류를 생성한다. 즉 렌츠의 변칙에 의해, 시계 방향으로의 전자속의 증가는 해당 시계 방향으로의 전자속을 감소시키려는 방향으로 유도전류를 생성하게 된다.
또한 입력측(IN V1)의 전원 인가로 생성된 상부 방향의 전자속 ΦV1은, 영구자석(120)에 의해 생성된 영구자속 ΦN1의 흐름을 제한하고, ΦN2의 흐름을 증가시키게 된다. 따라서 입력측(IN V1)에 전원이 인가되기 이전의 출력측(OUT V1)으로 흐르는 영구자속 ΦN2에서 전자속 ΦV1 만큼의 영구자속이 증가하게 된다. 출력측(OUT V1)으로 흐르는 영구자속의 증가는, 증분만큼 전류의 변화를 방해하려는 (-)방향(증분에 대해 감소시키려는 방향으로서, ΦN2와 반대 방향)으로 역영구자속 -ΔΦN2이 생성되는 것처럼, 전자기 유도에 의해 출력측(OUT V1) 코일과 쇄교(Magnetic Flux Linkage)하여 제2 유도 전류를 생성한다. 즉 렌츠의 변칙에 의해 영구자속의 증가는 영구자속을 감소시키려는 방향으로 유도전류를 생성하게 된다.
그러므로 출력측(OUT V1)에는, 입력측(IN V1)의 전원 인가로 생성된 전자속 ΦV1에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦV1의 방향으로 유도되는 제1 유도전류와, 전자속 ΦV1 만큼 출력측(OUT V1) 방향으로 증가하는 영구자속 ΦN2의 증가분 ΔΦN2에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역영구자속 -ΔΦN2의 방향으로 유도되는 제2 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면, 다음과 같다.
출력측(OUT V1) 유도전류 = 역전자속(-ΦV1)에 대한 제1 유도전류 + 역영구자속(-ΔΦN2)에 대한 제2 유도전류.
이때, 두 자속 -ΦV1 및 -ΔΦN2은 동일한 방향으로 작용한다. 출력 전압은 입력 전압과 동일하며, 출력 전류는 입력 전류에 영구자석의 역영구자속 -ΔΦN2으로 유도된 전류 분이 추가된다.
본 실시예에서 교류 파형의 전류를 입력측(IN V1)에 공급하는 이유로는 외부에서 가한 자계를 소거해도 자성체에 남는 잔류 자속을 제거하기 위함이다. 즉, 입력측(IN V1)에 양(+)의 전류값을 인가하면, 철심에 권선된 솔레노이드로 전류가 흘러 상부 방향(즉, 시계 방향)으로 전자속 ΦV1이 생성되어 철심을 따라 순환하게 된다. 이때 입력측(IN V1) 전원을 차단하면 철심 내부에 전자속 ΦV1의 일부인 잔류 자속이 남아 있어 처음 상태로 돌아갈 수 없다. 또 다시 양(+)의 전류값을 인가하면 전자속 ΦV1에서 잔류 자속을 제외한 전자속이 추가로 생성된다. 즉, 직류 성분의 전원을 인가와 차단을 반복하는 동안 잔류 자속은 철심 내부에 상시 잔류하게 된다. 이러한 현상은 전자속 ΦV1의 변화량을 축소시켜 상대적으로 영구자속 ΦN1, ΦN2의 변화량을 제한하여 출력측(OUT V1)에 유도되는 전류분를 감소시키게 된다. 따라서 본 실시예에서는 입력측(IN V1)에 교류 파형의 전류를 인가하여 역방향의 전자속을 생성함으로써 잔류 자속을 제거할 수 있다.
도 3은 도 1의 전기 에너지 변환 장치에서 입력측(IN V1)에 도 2의 입력 전원과 180도 위상차를 갖는 전원을 인가하였을 때의 전자속 및 영구자속의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 2의 실시예에서는 교류 파형의 0~π 영역인 1/2 사이클(Cycle)의 양(+)의 전류를 공급하였다면, 도 3을 참조한 본 실시예에서는 교류 파형의 π~2π 영역인 1/2 사이클(Cycle)의 음(-)의 전류를 공급한다.
입력측(IN V1)에 전원을 인가하면 철심에 권선된 솔레노이드에 따라 전류가 흘러 하부 방향(즉, 시계 반대 방향)으로 전자속 ΦV1이 생성되어 철심을 따라 순환하게 된다(앙페르 법칙). 도 2의 실시예와 비교하면, 도 3의 실시예에서 전자속 ΦV1이 흘러가는 방향은 도 2의 실시예와는 반대이다.
전자속 ΦV1의 생성은, 전류의 변화를 방해하려는 방향으로 역전자속 -ΦV1이 생성되는 것처럼, 전자기 유도에 의해 출력측(OUT V1) 코일과 쇄교(Magnetic Flux Linkage)하여 제1 유도전류를 생성한다. 즉 렌츠의 변칙에 의해, 시계 반대 방향으로의 전자속의 증가는 해당 방향으로의 전자속을 감소시키려는 방향으로 유도전류를 생성하게 된다. 도 2의 실시예와 비교하면, 도 3의 실시예에서 제1 유도전류의 방향은 도 2의 실시예와는 반대이다.
또한 입력측(IN V1)의 전원 인가로 생성된 하부 방향의 전자속 ΦV1은 영구자석(120)에 의해 생성된 영구자속 ΦN1의 흐름을 증가시키고, ΦN2의 흐름을 제한하게 된다. 따라서 입력측(IN V1)의 전원 인가 이전의 영구자속 ΦN2에서 전자속 ΦV1만큼의 영구자속이 감소하게 된다. 영구자속의 감소는, 감소분만큼 전류의 변화를 방해하려는 (+)방향(감소분에 대해 증가시키려는 방향으로서, ΦN2와 동일한 방향)으로 영구자속 +ΔΦN2이 생성되는 것처럼, 전자기 유도에 의해 출력측(OUT V1) 코일과 쇄교(Magnetic Flux Linkage)하여 제2 유도전류를 생성한다. 즉 렌츠의 변칙에 의해 영구자속의 감소는 영구자속을 증가시키려는 방향으로 유도전류를 생성하게 된다. 도 3의 실시예에서 제2 유도전류의 방향은 도 2의 실시예와는 반대이다.
그러므로 출력측(OUT V1)에는 입력측(IN V1)의 전원 인가로 생성된 전자속 ΦV1에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦV1의 방향으로 유도되는 제1 유도전류와, 전자속 ΦV1 만큼 출력측(OUT V1) 방향으로 감소하는 영구자속 ΦN2의 감소분 ΔΦN2에 대해 전류의 변화를 방해하려는 영구자속 +ΔΦN2의 방향으로 유도되는 제2 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면, 다음과 같다.
출력측(OUT V1) 유도전류 = 역전자속(-ΦV1)에 대한 제1 유도전류 + 영구자속(+ΔΦN2)에 대한 제2 유도전류.
이때, 두 자속 -ΦV1 및 +ΔΦN2은 동일한 방향으로 작용하고, 출력 전압은 입력 전압과 동일하며, 출력 전류는 입력 전류에 영구자석의 영구자속 +ΔΦN2으로 유도된 전류 분이 추가된다. 도 2의 실시예와 비교하면, 도 3의 유도전류의 방향은 도 2의 실시예와는 반대이다.
도 3을 참조한 실시예에서, 출력측(OUT V1)의 영역에 전자속 ΦV1은 하부에서 상부로(즉, 반시계 방향으로), 영구자속 ΦN2은 상부에서 하부로(즉, 시계 방향으로) 각기 영역을 점유하며 자속의 흐름을 유지하다가, 전자속 ΦV1의 증가로 전자속 ΦV1의 점유를 증가시켜 영구자속 ΦN2의 하부 흐름을 제한하게 된다. 또한 출력측(OUT V1)의 영역이 전자속 ΦV1으로 포화 상태에 이르게 되면 영구자속 ΦN2는 0%로 되는 원리이므로, 출력측(OUT V1)의 철심 영역은 입력측(IN V1) 철심 영역의 1배로 유지하는 것이 바람직하다. 즉 철심 영역이 입력측(IN V1) 혹은 출력측(OUT V1)에 상관없이 동일한 철심 내부에서 영구자속과 전자속이 동일한 방향을 향할 때는 동일한 영역을 공유하여 흐르고, 영구자속과 전자속이 반대 방향으로 흐를 때는 영역을 분할하여 흐르다가 전자속의 점유를 점차적으로 높여 영구자속의 흐름이 0% 상태가 될 때까지 점유를 감소시키며 흐름을 제한하게 된다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 에너지 변환 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하여 설명한 전기 에너지 변환 장치와 비교하여, 도 4를 참조한 본 실시예의 전기 에너지 변환 장치는, 입력측(IN V1)의 경로에 추가적인 출력측(OUT2 V1)을 더 포함한다. 도 4에는 입력측(IN V1)에 전원을 인가했을 때의 전자속 ΦV1의 흐름과 영구자속 ΦN1, ΦN2의 흐름을 나타낸다. 이때 입력측(IN V1) 전원으로 교류를 활용하는데, 본 실시예에서는 교류 파형의 0~π 영역인 1/2 사이클(Cycle)의 양(+)의 전류를 공급한다.
본 실시예에 따르면, 입력측(IN V1)의 전원 인가로 생성된 상부 방향(즉, 시계 방향)의 전자속 ΦV1의 변화를 방해하려는 방향으로 생성된 역전자속 -ΦV1에 해당하는 유도전류를 제1 출력측(OUT1 V1)과 제2 출력측(OUT2 V1)이 서로 양분하게 된다. 또한, 제1 출력측(OUT1 V1)에는 상기 상부 방향의 전자속 ΦV1에 의해 증가된 영구자속 ΔΦN2의 변화를 방해하려는 역영구자속 -ΔΦN2에 의해 유도된 유도전류가 생성되며, 제2 출력측(OUT2 V1)에는 상기 상부 방향의 전자속 ΦV1에 의해 감소된 영구자속 ΔΦN1의 변화를 방해하려는 영구자속 +ΔΦN1에 의해 유도된 유도전류가 추가로 생성된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
제1 출력측(OUT1 V1) 유도전류 = 역전자속(-ΦV1)/2에 대한 제1 유도전류 + 역영구자속(-ΔΦN2)에 대한 제2 유도전류.
제2 출력측(OUT2 V1) 유도전류 = 역전자속(-ΦV1)/2에 대한 제3 유도전류 + 영구자속(+ΔΦN1)에 대한 제4 유도전류.
따라서, 도 1의 전기 에너지 변환 장치에서 입력측(IN V1)에 전원을 인가하였을 때인 도 2와 비교하면, 도 4를 참조한 본 실시예에서는 영구자속 +ΔΦN1에 대한 유도전류가 더 생성된다. 즉, 손실(철분 손실, 히스테리시스 손실, 와전류 손실 등)이 없다고 가정하면, 도 2를 참조한 실시예에서는 입력에 1만큼의 전력을 인가하면 출력에 2만큼의 전력이 생성되는 반면, 도 4를 참조한 실시예에서는 입력에 1만큼의 전력을 인가하면 출력에 3만큼의 전력이 생성된다고 볼 수 있다.
도 5는 도 4의 전기 에너지 변환 장치에서 입력측(IN V1)에 도 4의 입력 전원과 180도 위상차를 갖는 전원을 인가하였을 때의 전자속 및 영구자속의 흐름을 나타낸 도면이다. 도 4의 실시예에서는 교류 파형의 0~π 영역인 1/2 사이클(Cycle)의 양(+)의 전류를 공급하였다면, 도 5를 참조한 본 실시예에서는 교류 파형의 π~2π 영역인 1/2 사이클(Cycle)의 음(-)의 전류를 공급한다. 따라서, 본 실시예는, 하나의 출력측(OUT1 V1)을 갖고 동일한 전원이 인가된 도 3의 실시예와 비교될 수 있다.
도 5를 참조한 실시예의 전기 에너지 변환 장치에서, 입력측(IN V1)의 전원 인가로 생성된 하부 방향(즉, 시계 반대 방향)의 전자속 ΦV1의 변화를 방해하려는 방향으로 생성된 역전자속 -ΦV1에 해당하는 유도전류를 제1 출력측(OUT1 V1)과 제2 출력측(OUT2 V1)이 서로 양분한다. 또한 제1 출력측(OUT1 V1)에는 상기 하부 방향의 전자속 ΦV1에 의해 감소된 영구자속 ΔΦN2의 변화를 방해하려는 영구자속 +ΔΦN2에 의해 유도된 유도전류가 생성되며, 제2 출력측(OUT2 V1)에는 상기 하부 방향의 전자속 ΦV1에 의해 증가된 영구자속 ΔΦN1의 변화를 방해하려는 역영구자속 -ΔΦN1에 의해 유도된 유도전류가 추가로 생성된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
제1 출력측(OUT1 V1) 유도전류 = 역전자속(-ΦV1)/2에 대한 제1 유도전류 + 영구자속(+ΔΦN2)에 대한 제2 유도전류.
제2 출력측(OUT2 V1) 유도전류 = 역전자속(-ΦV1)/2에 대한 제3 유도전류 + 역영구자속(-ΔΦN1)에 대한 제4 유도전류.
따라서 도 3의 실시예와 비교하여, 도 5를 참조한 본 실시예의 경우, 역영구자속 -ΔΦN1에 대한 유도전류가 더 생성된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 전기 에너지 변환 장치를 연결한 시스템의 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 시스템은, 복수의 전기 에너지 변환 장치(610)를 직렬로 연결하는데, 이때 각각의 전기 에너지 변환 장치(610)는, 도 4를 참조하여 설명한, 두 개의 출력측(OUT1 V1, OUT2 V1)을 포함한다. 도 6과 같이 복수의 전기 에너지 변환 장치(610)를 직렬로 연결하면 영구자기의 전기 변환 효율을 높일 수 있다.
도 6의 실시예에서, 전기 에너지 변환 장치(610)에 각종 손실(철분 손실, 히스테리시스 손실, 와전류 손실, 구리 손실 등)이 없다고 가정하면, 입력1(IN 1)부터 입력n(IN n)까지 각각의 입력의 전력을 30, 31, 32,..., 3n-1으로 표시할 수 있고, 각 입력에 대응하는 출력1(OUT 1)부터 출력 n(OUT n)까지의 전력을 31, 32, 33,..., 3n으로 표시할 수 있다. 예를 들어, 첫 번째 전기 에너지 변환 장치의 수용 용량이 10KVA인 경우, 해당 전기 에너지 변환 장치의 출력(OUT 1)은 30KVA에 해당하는 부하를 설정할 수 있다는 의미이다.따라서, 도 6의 직렬로 연결된 복수의 전기 에너지 변환 장치(610)는 입력이 30인 경우 최대 부하시 3n 용량의 전력을 생성할 수 있다. 이때 전기 에너지 변환 장치의 수용 용량에 적합하게 영구자석의 자속밀도, 철심의 면적과 도선의 굵기 등도 함께 고려하여야 한다.
도 6에 도시된 시스템은, 도 4를 참조하여 설명한 전기 에너지 변환 장치(610)들을 직렬로 연결한 예이나 여기에 제한되는 것은 아니며, 도 1을 참조하여 설명한 실시예 및 이하에서 설명하는 실시예의 전기 에너지 변환 장치들을 직렬로 연결하여 구현될 수도 있음을 명확히 한다.
도 6의 전기 에너지 변환 장치(610)들을 직렬로 연결한 예와 별도로 동일한 수용 용량의 복수의 전기 에너지 변환 장치(610)를 피라미드 구조 형식으로 연결 배치할 수 있다. 첫 번째 전기 에너지 변환 장치의 수용 용량이 10KVA인 경우, 해당 출력측에 수용 용량이 10KVA인 3대를 결합하고, 다음 3대의 출력측에 수용 용량이 10KVA인 9대를 결합하는 방식으로 피라미드 구조 형식으로 연결 배치할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 에너지 변환 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 전기 에너지 변환 장치는 내철형(Core type) 구조이고, 도 7을 참조한 본 실시예는 외철형(Shell type) 구조이다. 본 실시예의 외철형 구조가 누설 자속이 적은 장점이 있다. 도 7을 참조한 실시예의 전기 에너지 변환 장치는, 두 개의 전기자기 회로부(710, 720), 4개의 영구자석(731, 732, 733, 734), 및 영구자속 통로부(741, 742)를 포함한다.
제1 전기자기 회로부(710)는, 복권형 구조이고, 제2 전기자기 회로부(720)는 단권형 구조이다. 제1 전기자기 회로부(710)의 상부에는 제1 영구자석(731)의 N극이 마주하고, 하부에는 제2 영구자석(732)의 S극이 마주한다. 제2 전기자기 회로부(720)의 상부에는 제3 영구자석(733)의 S극이 마주하고, 하부에는 제4 영구자석(734)의 N극이 마주한다. 따라서, 제1 영구자석(731), 제1 전기자기 회로부(710), 제2 영구자석(732), 영구자속 통로부(741), 제4 영구자석(734), 제2 전기자기 회로부(720), 제3 영구자석(733) 및 영구자속 통로부(742)는 영구자속의 폐회로를 구성한다.
전기자기 회로부(710, 720)의 출력측(OUT 11, OUT 13, OUT 21, OUT 23) 경로에는 공극(Air gap)이 형성된다. 따라서, 전기자기 회로부(710, 720)의 입력측(IN 1, IN 2) 솔레노이드에 전류가 인가되기 전에는, 출력측(OUT 11, OUT 13, OUT 21, OUT 23) 경로는 상대적으로 자기저항이 커 영구자속 ΦN11, ΦN12, ΦN21, ΦN22의 흐름이 발생하지 않거나 극히 제한적으로 발생하고, 입력측(IN1, IN2)의 경로는 상대적으로 자기저항이 작고 영구자석 N극과 S극 사이의 거리가 최단 거리이기 때문에, 영구자속 ΦN13, ΦN23의 흐름이 증가하여 발생한다. 즉, 영구자속의 대부분이 입력측(IN1, IN2)의 경로로 흐른다.
제1 전기자기 회로부(710)의 입력측(IN 1) 솔레노이드 내부 철심의 단면적과 출력측(OUT 11, OUT 13) 솔레노이드 내부 철심의 단면적은 동일하고, 제2 전기자기 회로부(720)의 입력측(IN 2) 솔레노이드 내부 철심의 단면적 또한 출력측(OUT 21, OUT 23) 솔레노이드 내부 철심의 단면적과 동일한 것이 바람직하다.
입력측(IN 1, IN 2) 솔레노이드에서 생성되는 전자속이 영구자속 ΦN13, ΦN23를 제어할 수 있고, 영구자속의 변화량(ΔΦ)을 증가시켜 많은 유도전류를 생성할 수 있다.
도 8은 도 7의 전기 에너지 변환 장치에서 입력측(IN 1, IN 2)에 전원을 인가하였을 때의 전자속 및 영구자속 흐름을 나타낸 도면이다. 이때 입력측(IN 1, IN 2) 전원으로 교류를 활용하는데, 본 실시예에서는 교류 파형의 0~π 영역인 1/2 사이클(Cycle)의 양(+)의 전류를 활용한다.
도 8를 참조하면, 먼저 복권형인 제1 전기자기 회로부(710)의 입력측(IN 1)에 전원을 인가하면, 철심에 권선된 솔레노이드로 전류가 흘러 상부 방향으로 전자속 ΦIN11, ΦIN12이 생성되어 철심을 따라 순환하게 된다. 즉, 전자속 ΦIN11은 시계 반대 방향으로 흐르고, 전자속 ΦIN12는 시계 방향으로 흐른다. 전자속 ΦIN11, ΦIN12의 생성은, 전류의 변화를 방해하려는 방향으로 역전자속 -ΦIN11, -ΦIN12이 생성되는 것처럼, 전자기 유도에 의해 유도전류를 생성한다.
또한 입력측(IN 1) 전원의 인가로 생성된 상부 방향의 전자속 ΦIN11, ΦIN12은, 제1 영구자석(731)에 의해 생성된 영구자속 ΦN13의 흐름을 방해하고, 영구자속 ΦN11, ΦN12의 흐름을 촉진시키게 된다. 따라서 입력측(IN 1) 전원이 인가되기 이전의 영구자속 ΦN11, ΦN12은, 0(zero)에서 각각 전자속 ΦIN11, ΦIN12만큼의 영구자속이 증가하게 되고, 영구자속의 증가는, 증가분 ΔΦN11, ΔΦN12만큼 전류의 변화를 방해하려는 (-)방향(증가분에 대해 감소시키려는 방향, 즉 ΦN11, ΦN12의 반대 방향)으로 역영구자속 -ΔΦN11, -ΔΦN12이 생성되는 것처럼, 유도전류를 생성한다.
또한 입력측(IN 1) 전원이 인가되기 이전의 영구자속 ΦN13은, 전자속 ΦIN11, ΦIN12만큼의 영구자속이 감소하게 되고, 이러한 영구자속의 감소는, 감소분ΔΦN13만큼 전류의 변화를 방해하려는 (+)방향(감소분에 대해 보상하려는 방향, 즉 ΦN13과 동일한 방향)으로 영구자속 +ΔΦN13이 생성되는 것처럼, 유도전류를 생성한다.
이상과 같은 동작 원리는, 자속의 증가는 이를 감소시키려는 방향으로 유도전류를 생성하고, 자속의 감소는 이를 증가시키려는 방향으로 유도전류를 생성하는 렌츠의 법칙에 의한 것이다.
따라서, 출력측(OUT 11)에는 입력측(IN 1) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦIN11에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦIN11의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(731)에 의해 생성된 영구자속 ΦN11의 증가분 ΔΦN11에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역영구자속 -ΔΦN11의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT 11) 유도전류 = 역전자속(-ΦIN11)에 대한 유도전류의 1/2 + 역영구자속(-ΔΦN11)에 대한 유도전류
또한 출력측(OUT 12)에는 입력측(IN 1) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦIN11, ΦIN12에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦIN11, -ΦIN12의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(731)에 의해 생성된 영구자속 ΦN13의 감소분 ΔΦN13에 대해 전류의 변화를 방해하려는 영구자속 +ΔΦN13의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT 12) 유도전류 = 역전자속(-ΦIN11, -ΦIN12)에 대한 유도전류의 1/2 + 영구자속(+ΔΦN13)에 대한 유도전류
그리고 출력측(OUT 13)에는 입력측(IN 1) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦIN12에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦIN12의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(731)에 의해 생성된 영구자속 ΦN12의 증가분 ΔΦN12에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역영구자속 -ΔΦN12의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT 13) 유도전류 = 역전자속(-ΦIN12)에 대한 유도전류의 1/2 + 역영구자속(-ΔΦN12)에 대한 유도전류
다음으로, 도 8의 제2 전기자기 회로부(720)를 참조하면, 단권형인 제2 전기자기 회로부(720)의 입력측(IN 2)에 최초로 전원을 인가하면, 철심에 권선된 솔레노이드로 전류가 흘러 상부 방향으로 전자속 ΦIN21, ΦIN22이 생성되어 철심을 따라 순환하게 된다. 즉, 전자속 ΦIN21는 시계 반대 방향으로 흐르고, 전자속 ΦIN22는 시계 방향으로 흐른다. 이때 입력측(IN 2)의 전원은 교류 파형의 0~π 영역인 1/2 사이클(Cycle)의 양(+)의 전류를 활용한다.
상기 전자속 ΦIN21, ΦIN22의 생성은, 전류의 변화를 방해하려는 방향으로 역전자속 -ΦIN21, -ΦIN22이 생성되는 것처럼 전자기 유도에 의해 출력측(OUT 21, OUT 22 및 OUT 23)에 유도전류를 생성한다. 그러나, 입력측(IN 2) 경로 상에서 상기 전자속 ΦIN21, ΦIN22의 방향과, 영구자석(734)에서 생성되는 영구자속 ΦN23의 방향은 동일하고, 공극 등에 의해 영구자속 ΦN21, ΦN22의 흐름은 없으므로, 상기 전자속 ΦIN21, ΦIN22의 생성은, 영구자속 ΦN23의 흐름을 유지하고, 영구자속 ΦN21, ΦN22의 흐름에는 영향을 주지 않는다.
이어서, 입력측(IN 2)의 전원으로 교류 파형의 π~2π 영역의 음(-)의 전류가 입력되면, 즉, 도 9의 제2 전기자기 회로부(720)의 자속 흐름이 생기고, 이어서 다시 입력측(IN 2)의 전원으로 교류 파형의 2π~3π 영역의 양(+)의 전류가 입력되면, 도 8에 도시된 바와 같은, 제2 전기자기 회로부(720)의 자속 흐름이 나타난다. 즉, 영구자속 ΦN21, ΦN22의 흐름이 나타난 상태가 된다. 따라서, 이 전원 구간에서, 전자속 ΦIN21, ΦIN22의 생성은, 영구자속 ΦN21, ΦN22의 흐름을 방해한다. 즉, 영구자속 ΦN21, ΦN22는 각각 전자속 ΦIN21, ΦIN22만큼 감소하게 된다. 이러한 영구자속 ΦN21, ΦN22의 감소는, 감소분 ΔΦN21, ΔΦN22만큼 전류의 변화를 방해하려는 (+)방향(감소분에 대해 보상하려는 방향, 즉 ΦN21, ΦN22과 동일한 방향)으로 영구자속 +ΔΦN21, +ΔΦN22이 생성되는 것처럼 유도전류를 생성한다.
또한, 이전의 영구자속 ΦN23(즉, 도 9의 제2 전기자기 회로부(720)의 자속 흐름)은, 전자속 ΦIN21 및 ΦIN22의 합만큼의 영구자속이 증가하게 되고, 영구자속의 증가는 증가분 ΔΦN23만큼 전류의 변화를 방해하려는 (-)방향(증가분에 대해 감소시키려는 방향, 즉 ΦN23의 반대 방향)으로 역영구자속 -ΔΦN23이 생성되는 것처럼 유도전류를 생성한다.
따라서, 출력측(OUT 21)에는 입력측(IN 2) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦIN21에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦIN21의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(734)에 의해 생성된 영구자속 ΦN21의 감소분 ΔΦN21에 대해 전류의 변화를 방해하려는 영구자속 +ΔΦN21의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT 21) 유도전류 = 역전자속(-ΦIN21)에 대한 유도전류의 1/2 + 영구자속(+ΔΦN21)에 대한 유도전류
또한 출력측(OUT 22)에는 입력측(IN 2) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦIN21, ΦIN22에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦIN21, -ΦIN22의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(734)에 의해 생성된 영구자속 ΦN23의 증가분ΔΦN23에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역영구자속 -ΔΦN23의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT 22) 유도전류 = 역전자속(-ΦIN21, -ΦIN22)에 대한 유도전류의 1/2 + 역영구자속(-ΔΦN23)에 대한 유도전류
한편, 출력측(OUT 23)에는 입력측(IN 2) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦIN22에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦIN22의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(734)에 의해 생성된 영구자속 ΦN22의 감소분 ΔΦN22에 대해 전류의 변화를 방해하려는 영구자속 +ΔΦN22의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT 23) 유도전류 = 역전자속(-ΦIN22)에 대한 유도전류의 1/2 + 영구자속(+ΔΦN22)에 대한 유도전류
도 9은 도 7의 전기 에너지 변환 장치에서 입력측(IN 1, IN 2)에 도 8의 전원과 180도 위상차를 갖는 전원을 인가하였을 때의 전자속 흐름과 영구자속 흐름을 나타낸 도면이다. 이때 입력측(IN 1, IN 2) 전원으로 교류를 활용하는데, 본 실시예에서는 교류 파형의 π~2π 영역인 1/2 사이클(Cycle)의 음(-)의 전류를 활용한다. 도 9의 자속 흐름은, 도 8과 같이 입력측(IN 1, IN 2)에 교류 파형의 0~π 영역이 입력된 이후 입력측(IN 1, IN 2)에 다시 교류 파형의 π~2π 영역이 입력되었을 때이다.
도 9를 참조하면, 먼저 복권형인 제1 전기자기 회로부(710)의 입력측(IN 1)에 전원을 인가하면, 철심에 권선된 솔레노이드로 전류가 흘러 하부 방향으로 전자속 ΦIN11, ΦIN12이 생성되어 철심을 따라 순환하게 된다. 즉, 전자속 ΦIN11는 시계 방향으로 흐르고, 전자속 ΦIN12는 시계 반대 방향으로 흐른다. 전자속 ΦIN11, ΦIN12의 생성은, 전류의 변화를 방해하려는 방향으로 역전자속 -ΦIN11, -ΦIN12이 생성되는 것처럼, 전자기 유도에 의해 유도전류를 생성한다.
또한 입력측(IN 1) 전원의 인가로 생성된 하부 방향의 전자속 ΦIN11, ΦIN12은 영구자석(731)에 의해 생성된 영구자속 ΦN13의 흐름을 촉진시키고, 영구자속 ΦN11, ΦN12의 흐름을 방해하게 된다. 따라서 입력측(IN 1) 전원이 인가되기 이전의 영구자속 ΦN11, ΦN12에서 각각 전자속 ΦIN11, ΦIN12만큼의 영구자속이 감소하게 되고, 영구자속의 감소는 감소분 ΔΦN11, ΔΦN12만큼 전류의 변화를 방해하려는 (+)방향(감소분에 대해 보상하려는 방향, 즉 ΦN11, ΦN12와 동일한 방향)으로 영구자속 +ΔΦN11, +ΔΦN12이 생성되는 것처럼, 유도전류를 생성한다.
또한 입력측(IN 1) 전원이 인가되기 이전 영구자속 ΦN13에서 전자속 ΦIN11 및 ΦIN12의 합만큼의 영구자속이 증가하게 되고, 영구자속의 증가는 증가분 ΔΦN13만큼 전류의 변화를 방해하려는 (-)방향(증가분에 대해 감소시키려는 방향, 즉 ΦN13과 반대 방향)으로 역영구자속 -ΔΦN13이 생성되는 것처럼, 유도전류를 생성한다.
따라서, 출력측(OUT 11)에는 입력측(IN 1) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦIN11에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦIN11의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(731)에 의해 생성된 영구자속 ΦN11의 감소분 ΔΦN11에 대해 전류의 변화를 방해하려는 영구자속 +ΔΦN11의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT 11) 유도전류 = 역전자속(-ΦIN11)에 대한 유도전류의 1/2 + 영구자속(+ΔΦN11)에 대한 유도전류
또한, 출력측(OUT 12)에는 입력측(IN 1) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦIN11, ΦIN12에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦIN11, -ΦIN12의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(731)에 의해 생성된 영구자속 ΦN13의 증가분 ΔΦN13에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역영구자속 -ΔΦN13의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT 12) 유도전류 = 역전자속(-ΦIN11, -ΦIN12)에 대한 유도전류의 1/2 + 영구자속(-ΔΦN13)에 대한 유도전류
또한, 출력측(OUT 13)에는 입력측(IN 1) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦIN12에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦIN12의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(731)에 의해 생성된 영구자속 ΦN12의 감소분 ΔΦN12에 대해 전류의 변화를 방해하려는 영구자속 +ΔΦN12의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT 13) 유도전류 = 역전자속(-ΦIN12)에 대한 유도전류의 1/2 + 영구자속(+ΔΦN12)에 대한 유도전류
다음으로, 도 9의 제2 전기자기 회로부(720)를 참조하면, 단권형인 제2 전기자기 회로부(720)의 입력측(IN 2)에 전원을 인가하면, 철심에 권선된 솔레노이드로 전류가 흘러 하부 방향으로 전자속 ΦIN21, ΦIN22이 생성되어 철심을 따라 순환하게 된다. 즉, 전자속 ΦIN21는 시계 방향으로 흐르고, 전자속 ΦIN22는 시계 반대 방향으로 흐른다. 전자속 ΦIN21, ΦIN22의 생성은 전류의 변화를 방해하려는 방향으로 역전자속 -ΦIN21, -ΦIN22이 생성되는 것처럼, 전자기 유도에 의해 유도전류를 생성한다.
또한 입력측(IN 2) 전원의 인가로 생성된 하부 방향의 전자속 ΦIN21, ΦIN22은 영구자석(734)에 의해 생성된 영구자속 ΦN23의 흐름을 방해하고, 영구자속 ΦN21, ΦN22의 흐름을 촉진시키게 된다. 따라서 영구자속 ΦN21, ΦN22는 각각 전자속 ΦIN21, ΦIN22만큼의 영구자속이 증가하게 되고, 영구자속의 증가는 증가분 ΔΦN21, ΔΦN22만큼 전류의 변화를 방해하려는 (-)방향(증가분에 대해 감소시키려는 방향, 즉 ΦN21, ΦN22와 반대 방향)으로 역영구자속 -ΔΦN21, -ΔΦN22이 생성되는 것처럼 유도전류를 생성한다.
또한 입력측(IN 2) 전원이 인가되기 이전의 영구자속 ΦN23에서 전자속 ΦIN21 및 ΦIN22의 합만큼의 영구자속이 감소하게 되고, 영구자속의 감소는 감소분 ΔΦN23만큼 전류의 변화를 방해하려는 (+)방향(감소분에 대해 보상하려는 방향, 즉 ΦN23과 동일한 방향)으로 영구자속 +ΔΦN23이 생성되는 것처럼 유도전류를 생성한다.
따라서, 출력측(OUT 21)에는 입력측(IN 2) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦIN21에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦIN21의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(734)에 의해 생성된 영구자속 ΦN21의 증가분 ΔΦN21에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역영구자속 -ΔΦN21의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT 21) 유도전류 = 역전자속(-ΦIN21)에 대한 유도전류의 1/2 + 역영구자속(-ΔΦN21)에 대한 유도전류
또한, 출력측(OUT 22)에는 입력측(IN 2) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦIN21, ΦIN22에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦIN21, -ΦIN22의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(734)에 의해 생성된 영구자속 ΦN23의 감소분 ΔΦN23에 대해 전류의 변화를 방해하려는 영구자속 +ΔΦN23의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT 22) 유도전류 = 역전자속(-ΦIN21, -ΦIN22)에 대한 유도전류의 1/2 + 영구자속(+ΔΦN23)에 대한 유도전류
또한, 출력측(OUT 23)에는 입력측(IN 2) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦIN22에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦIN22의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(734)에 의해 생성된 영구자속 ΦN22의 증가분 ΔΦN22에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역영구자속 -ΔΦN22의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT 23) 유도전류 = 역전자속(-ΦIN22)에 대한 유도전류의 1/2 + 역영구자속(-ΔΦN22)에 대한 유도전류
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 에너지 변환 장치의 구성을 나타낸 도면이다. 도 10을 참조하여 설명하는 본 실시예의 전기 에너지 변환 장치는, 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명한 내철형 구조 2기를 외철형 방식으로 결합하여 크기와 효율을 향상시켰다.
즉, 본 실시예는 외철형 방식이지만, 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명한 전기 에너지 변환 장치와 비교하여, 전기자기 회로부(1010)의 3개의 솔레노이드 철심 중 중심부의 솔레노이드 철심의 경로에 공극이 형성되는 차이점이 있다. 따라서, 전원 입력이 없을 때, 영구자석(120)에서 발생하는 영구자속은 자기저항이 상대적으로 작은 좌측 솔레노이드 철심과 우측 솔레노이드 철심으로 흐른다.
본 실시예에서 3개의 솔레노이드 철심 중 좌측 철심에 입력측(IN V1) 권선이 감기고, 우측 철심에 입력측(IN V2) 권선이 감긴다. 이때, 좌입력측(IN V1)과 우입력측(IN V2)이 대칭되도록 구성하고, 동일한 파형의 교류를 동시에 입력하는 구조이다. 본 실시예는 입력측(IN V1, IN V2) 교류 전원으로 0~π 영역인 1/2 사이클(Cycle)의 양(+)의 전류를 활용한 경우를 표시한다.
전기자기 회로부(1010)의 입력측(IN V1, IN V2)에 전원을 인가하면 철심에 권선된 솔레노이드로 전류가 흘러 각각 상부 방향으로 전자속 ΦV1, ΦV2이 생성되어 철심을 따라 순환하게 된다. 즉, 전자속 ΦV1은 시계 방향으로 흐르고, 전자속 ΦV2는 시계 반대 방향으로 흐른다. 이때, 영구자속(120, 121)의 전체 영구자속 ΦN은 입력측(IN V1, IN V2) 솔레노이드에서 생성되는 전자속 ΦV1, ΦV2의 합과 동일하거나, 손실범위 내에서 보다 더 크도록 설정한다.
영구자속 통로부(130)의 단면적(131)은, 전기자기 회로부(1010)의 중심부 철심의 단면적(1011) 보다 크도록 구성하는 것이 바람직하다. 그리고 전기자기 회로부(1010)의 우측 및 좌측의 철심의 단면적은, 중심부 철심의 단면적(1011)의 1/2로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 전기자기 회로부(1010)의 중심부 철심의 단면적(1011)은 입력측(IN V1, IN V2) 솔레노이드에서 생성되는 최대 전자속, 즉 ΦV1 및 ΦV2의 합으로 포화 자속 상태가 되도록 구성됨이 적절하다.
입력측(IN V1, IN V2)에 전원을 인가함에 따른 상기 전자속 ΦV1, ΦV2의 생성은, 전류의 변화를 방해하려는 방향으로 역전자속 -ΦV1, -ΦV2이 생성되는 것처럼, 전자기 유도에 의해 유도전류를 생성한다. 또한 입력측(IN V1, IN V2) 전원의 인가로 생성된 상부 방향의 전자속 ΦV1, ΦV2은 영구자석(120)에 의해 생성된 영구자속 ΦN1, ΦN2의 흐름을 방해하고, 영구자속 ΦN3의 흐름을 촉진시키게 된다.
따라서 입력측(IN V1, IN V2) 전원이 인가되기 이전의 영구자속 ΦN3는 0(zero)에서 전자속 ΦV1 및 ΦV2의 합만큼의 영구자속이 증가하게 되고, 영구자속의 증가는 증가분 ΔΦN3만큼 전류의 변화를 방해하려는 (-)방향(증가분에 대해 감소시키려는 방향, 즉 ΦN3와 반대 방향)으로 역영구자속 -ΔΦN3이 생성되는 것처럼, 유도전류를 생성한다.
또한 입력측(IN V1, IN V2) 전원이 인가되기 이전의 영구자속 ΦN1, ΦN2에서 각각 전자속 ΦV1, ΦV2만큼의 영구자속이 감소하게 되고, 영구자속의 감소는 감소분만큼 전류의 변화를 방해하려는 (+)방향(감소분에 대해 보상하려는 방향, 즉 ΦN1, ΦN2와 동일한 방향)으로 영구자속 +ΔΦN1, +ΔΦN2이 생성되는 것처럼, 유도전류를 생성한다.
따라서, 출력측(OUT1 V1, OUT3 V2)에는 입력측(IN V1, IN V2) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦV1, ΦV2에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦV1, -ΦV2의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(120)에 의해 생성된 영구자속 ΦN1, ΦN2의 증가분 ΔΦN1, ΔΦN2에 대해 전류의 변화를 방해하려는 영구자속 +ΔΦN1, +ΔΦN2의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT1 V1) 유도전류 = 역전자속(-ΦV1)에 대한 유도전류의 1/2 + 영구자속(+ΔΦN1)에 대한 유도전류
출력측(OUT3 V2) 유도전류 = 역전자속(-ΦV2)에 대한 유도전류의 1/2 + 영구자속(+ΔΦN2)에 대한 유도전류
또한, 출력측(OUT2 V12)에는 입력측(IN V1, IN V2) 전원의 인가로 생성된 전자속 ΦV1, ΦV2에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역전자속 -ΦV1, -ΦV2의 방향으로 유도되는 유도전류와 영구자석(120)에 의해 생성된 영구자속 ΦN3의 증가분 ΔΦN3에 대해 전류의 변화를 방해하려는 역영구자속 -ΔΦN3의 방향으로 유도되는 유도전류의 합이 출력된다. 이를 정리하면 다음과 같다.
출력측(OUT2 V12) 유도전류 = 역전자속(-ΦV1, -ΦV2)에 대한 유도전류의 1/2 + 역영구자속(-ΔΦN3)에 대한 유도전류
따라서 입력측(IN V1, IN V2) 전원이 2×N으로 입력된다면, 출력측(OUT1 V1, OUT2 V12, OUT3 V2)에서 생성되는 전력은 6×N으로 출력된다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 에너지 변환 장치의 구성을 나타낸 도면으로, 도 10의 전기자기 회로부를 2개로 구성한 예이다. 즉, 도 10의 전기자기 회로부(1010)는, 내철형 구조 2기를 외철형 방식으로 결합하였다면, 도 11을 참조한 본 실시예는 두 개의 전기자기 회로부(1010-1, 1010-2)로 구성되므로 내철형 구조 4기를 이용한 것이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 두 개의 전기자기 회로부(1010-1, 1010-2)의 배치 구조는 동일하고, 영구자속의 폐회로를 구성하기 위해, 제1 전기자기 회로부(1010-1)의 영구자석(120-1, 121-1)과, 제2 전기자기 회로부(1010-2)의 영구자석(120-2, 121-2)의 극성 배치는 서로 반대이다.
본 실시예에서 입력측(IN V11, IN V12, IN V21, IN V22) 전원은 도 10을 참조한 실시예와 마찬가지로 동일한 파형의 교류전원이 동시에 입력된다. 본 실시예에서, 영구자속 ΦN은 도 10의 영구자속 ΦN의 2배로 구성하는 것이 적절하고, 또한 본 실시예에서 각 전기자기 회로부(1010-1, 1010-2)의 중심부의 솔레노이드 철심의 단면적은, 도 10의 중심부의 솔레노이드 철심의 단면적의 2배로 구성되는 것이 적절하다.
본 실시예에서 입력측(IN V11, IN V12, IN V21, IN V22) 전원이 4×N으로 입력된다면, 출력측(OUT11 V11, OUT12 V112, OUT13 V12, OUT21 V21, OUT22 V212, OUT23 V22)에서 생성되는 전력은 12×N으로 출력된다.
도 12는 도 4의 전기 에너지 변환 장치 3기를 활용하여 3상용 전기 에너지 변환 시스템을 구성한 예이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 입력측(IN A, IN B, IN C)은 Y결선 방식으로 입력하고, 출력측(OUT A1, OUT B1, OUT C1)은 Y결선 방식으로 출력되며, 출력측(OUT A2, OUT B2, OUT C2)은 Δ결선 방식으로 출력되도록 구성할 수 있다(Y-Y-Δ 방식). 따라서 용도에 맞게 혼합하여 다양한 방식으로 구성할 수 있는 장점이 있다. 한편, 도 4의 전기 에너지 변환 장치 대신에, 도 10의 전기 에너지 변환 장치를 이용하여 3상용 전기 에너지 변환 시스템을 구성할 수도 있다.
도 13은 도 4의 변형예로서, 도 4에 도시된 전기 에너지 변환 장치의 영구자속 통로부(130)를 최소화한 예이다. 즉, 도 13의 영구자속 통로부(1311)의 길이는, 도 4의 영구자속 통로부(130)의 길이보다 작다. 본 실시예의 영구자속 통로부(1311)는, 강자성체로 자화되는 철심일 수도 있고, 또는 영구자석을 사용할 수도 있다. 이와 같이 길이를 줄이거나, 영구자석으로 교체하여 자기저항을 줄여 누설 자속을 방지하고 영구자속의 흐름을 원활하게 할 수 있고 무게와 부피를 줄여 비용을 감소시킬 수 있다.
도 13의 (a)는 영구자석(120, 121) 및 영구자속 통로부(1311)가 전기자기 회로부(1310)의 내측에 위치하는 반면, 도 13의 (b)는 영구자석(120, 121) 및 영구자속 통로부(1311)가 전기자기 회로부(1320)의 외측에 위치한다. 도 13의 (b)의 경우, 영구자속 ΦN1이 입력측(IN 1) 철심을 경유하는 경우와, 영구자속 ΦN2가 출력측(OUT 2) 철심을 경유하는 경우를 비교하면, 영구자속 ΦN1이 입력측(IN 1) 철심을 경유하는 경우, 이동 거리가 짧다. 따라서, 영구자속을 기준으로 보면 입력측(IN 1) 철심의 경로가 출력측(OUT 2) 철심의 경로보다 더 낮은 자기저항을 유지할 수 있고, 따라서 전자속 및 영구자속의 흐름을 좀더 원활하게 하기 위해 공극(Air Gap)의 길이을 축소시킬 수 있다.
도 14는 도 13의 (b)를 복수 개 연결한 전기 에너지 변환 장치를 나타낸 도면이다. 도 14에 도시된 전기 에너지 변환 장치는, 영구자석(120, 121) 및 영구자속 통로부(1311)를 중심으로 좌우 대칭으로 두 개의 전기자기 회로부(1320-1, 1320-2)가 배치된다. 따라서, 부피와 무게를 최소화면서 입력측(IN 1, IN2)에 교류 전원을 동시에 입력하여 높은 전력 생산 효율의 장점을 가진다. 또한 도 14에 도시된 전기 에너지 변환 장치에서 두 입력측(IN 1, IN2)은 출력측(OUT 1, OUT 4)에 비해 영구자석(120, 121)에 가까이 위치하여 상대적으로 더 낮은 자기저항을 유지하므로 출력측(OUT 1, OUT 4)의 경로에 형성되는 공극의 길이을 축소시켜 전자속과 영구자속의 흐름을 향상시킬 수 있다.
희토류 자석인 네오디뮴(Neodymium Magnet) 자석은 현존하는 자석 중에 가장 강력한 자석이며, 외부 충격과 온도변화에 유의한다면 100년에 약 1% 정도의 자력을 잃을 정도로 반영구적으로 사용할 수 있다. 또한 1982년에 개발되어 제조 방법에 관련된 특허권의 대부분이 존속기간이 만료되어 효력을 상실하였다. 그러나 희토류 자원의 희소성과 생산국의 자원을 무기화하여는 움직임으로 공급상의 어려움이 예상된다. 따라서 전기 에너지 변환 장치 및 시스템을 스마트폰 및 노트북 내장 전원 장치 등 각종 포터블용 상품의 전원 장치로서 활용할 경우, 상술한 영구자석으로서 희토류 자석을 활용하고, 고정적이며 부피 및 무게에 영향이 없는 곳에는 가격도 싸고 공급이 용이한 페라이트계 영구자석(자속밀도가 네오디뮴의 1/3 수준)을 활용할 수 있다.
본 명세서는 많은 특징을 포함하는 반면, 그러한 특징은 본 발명의 범위 또는 특허청구범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 개별적인 실시예에서 설명된 특징들은 단일 실시예에서 결합되어 구현될 수 있다. 반대로, 본 명세서에서 단일 실시예에서 설명된 다양한 특징들은 개별적으로 다양한 실시예에서 구현되거나, 적절히 결합되어 구현될 수 있다. 이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
110, 710, 720, 1010, 1310, 1320 : 전기자기 회로부
120, 121, 731, 732, 733, 734 : 영구자석
130, 741, 742 : 영구자속 통로부
111, 112, 131, 1011 : 단면적

Claims (16)

  1. 삭제
  2. 교류 전원이 인가되는 전기 에너지 변환 장치에 있어서,
    입력측 권선을 포함하는 솔레노이드와 출력측 권선을 포함하는 솔레노이드를 포함하는 복수의 솔레노이드를 포함하고, 상기 복수의 솔레노이드 각각에 포함된 철심이 연결되어 전자속의 폐회로를 구성하는 전기자기 회로부;
    영구자속을 발생시키며 상기 전기자기 회로부의 상기 철심들을 상기 영구자속의 이동 통로로서 공유하도록 설치되는 복수의 영구자석; 및
    상기 복수의 영구자석을 연결하여, 상기 전기자기 회로부 및 상기 복수의 영구자석을 경유하는 상기 영구자속의 폐회로를 구성하는 영구자속 통로부를 포함하고,
    상기 전기자기 회로부는, 상기 교류 전원의 인가에 의해 발생 및 제어되는 전자속에 의해 상기 영구자속의 흐름을 변경하며,
    상기 출력측 권선이 감긴 철심의 자기저항이 상기 입력측 권선이 감긴 철심의 자기저항보다 큰 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 출력측 권선이 감긴 철심에는 공극(Air Gap)이 설치되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  4. 교류 전원이 인가되는 전기 에너지 변환 장치에 있어서,
    입력측 권선을 포함하는 솔레노이드와 출력측 권선을 포함하는 솔레노이드를 포함하는 복수의 솔레노이드를 포함하고, 상기 복수의 솔레노이드 각각에 포함된 철심이 연결되어 전자속의 폐회로를 구성하는 전기자기 회로부;
    영구자속을 발생시키며 상기 전기자기 회로부의 상기 철심들을 상기 영구자속의 이동 통로로서 공유하도록 설치되는 복수의 영구자석; 및
    상기 복수의 영구자석을 연결하여, 상기 전기자기 회로부 및 상기 복수의 영구자석을 경유하는 상기 영구자속의 폐회로를 구성하는 영구자속 통로부를 포함하고,
    상기 전기자기 회로부는, 상기 교류 전원의 인가에 의해 발생 및 제어되는 전자속에 의해 상기 영구자속의 흐름을 변경하며,
    상기 입력측 권선을 포함하는 솔레노이드에는 추가적인 출력측 권선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 입력측 권선에 전원을 인가하여 생성되는 전자속의 변화를 방해하기 위해 유도되는 유도전류와, 상기 생성되는 전자속에 의한 상기 영구자속의 변화를 방해하기 위해 유도되는 유도전류가, 상기 출력측 권선에 생성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  6. 교류 전원이 인가되는 전기 에너지 변환 장치에 있어서,
    입력측 권선을 포함하는 솔레노이드와 출력측 권선을 포함하는 솔레노이드를 포함하는 복수의 솔레노이드를 포함하고, 상기 복수의 솔레노이드 각각에 포함된 철심이 연결되어 전자속의 폐회로를 구성하는 전기자기 회로부;
    영구자속을 발생시키며 상기 전기자기 회로부의 상기 철심들을 상기 영구자속의 이동 통로로서 공유하도록 설치되는 복수의 영구자석; 및
    상기 복수의 영구자석을 연결하여, 상기 전기자기 회로부 및 상기 복수의 영구자석을 경유하는 상기 영구자속의 폐회로를 구성하는 영구자속 통로부를 포함하고,
    상기 전기자기 회로부는, 상기 교류 전원의 인가에 의해 발생 및 제어되는 전자속에 의해 상기 영구자속의 흐름을 변경하며,
    상기 복수의 영구자석 및 상기 영구자속 통로부를 기준으로, 좌우 대칭으로 두 개의 상기 전기자기 회로부가 설치되고,
    이때 각 전기자기 회로부의 입력측 권선을 포함하는 솔레노이드가 상기 복수의 영구자석에 더 가깝게 위치하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  7. 교류 전원이 인가되는 전기 에너지 변환 장치에 있어서,
    입력측 권선을 포함하는 솔레노이드와 출력측 권선을 포함하는 솔레노이드를 포함하는 복수의 솔레노이드를 포함하고, 상기 복수의 솔레노이드 각각에 포함된 철심이 연결되어 전자속의 폐회로를 구성하는 전기자기 회로부;
    영구자속을 발생시키며 상기 전기자기 회로부의 상기 철심들을 상기 영구자속의 이동 통로로서 공유하도록 설치되는 복수의 영구자석; 및
    상기 복수의 영구자석을 연결하여, 상기 전기자기 회로부 및 상기 복수의 영구자석을 경유하는 상기 영구자속의 폐회로를 구성하는 영구자속 통로부를 포함하고,
    상기 전기자기 회로부는, 상기 교류 전원의 인가에 의해 발생 및 제어되는 전자속에 의해 상기 영구자속의 흐름을 변경하며,
    상기 출력측 권선이 감긴 철심의 단면적 및 상기 영구자속 통로부의 단면적은, 상기 입력측 권선이 감긴 철심의 단면적 이상인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  8. 교류 전원이 인가되는 전기 에너지 변환 장치에 있어서,
    입력측 권선을 포함하는 솔레노이드와 출력측 권선을 포함하는 솔레노이드를 포함하는 복수의 솔레노이드를 포함하고, 상기 복수의 솔레노이드 각각에 포함된 철심이 연결되어 전자속의 폐회로를 구성하는 전기자기 회로부;
    영구자속을 발생시키며 상기 전기자기 회로부의 상기 철심들을 상기 영구자속의 이동 통로로서 공유하도록 설치되는 복수의 영구자석; 및
    상기 복수의 영구자석을 연결하여, 상기 전기자기 회로부 및 상기 복수의 영구자석을 경유하는 상기 영구자속의 폐회로를 구성하는 영구자속 통로부를 포함하고,
    상기 전기자기 회로부는, 상기 교류 전원의 인가에 의해 발생 및 제어되는 전자속에 의해 상기 영구자속의 흐름을 변경하며,
    상기 복수의 영구자석 중 하나에서 발생하여 상기 전기자기 회로부로 흐르는 영구자속의 수는 상기 입력측 권선이 감긴 철심에 생성되는 최대 전자속의 수 이상인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  9. 교류 전원이 인가되는 전기 에너지 변환 장치에 있어서,
    입력측 권선을 포함하는 솔레노이드와 출력측 권선을 포함하는 솔레노이드를 포함하는 복수의 솔레노이드를 포함하고, 상기 복수의 솔레노이드 각각에 포함된 철심이 연결되어 전자속의 폐회로를 구성하는 전기자기 회로부;
    영구자속을 발생시키며 상기 전기자기 회로부의 상기 철심들을 상기 영구자속의 이동 통로로서 공유하도록 설치되는 복수의 영구자석; 및
    상기 복수의 영구자석을 연결하여, 상기 전기자기 회로부 및 상기 복수의 영구자석을 경유하는 상기 영구자속의 폐회로를 구성하는 영구자속 통로부를 포함하고,
    상기 전기자기 회로부는, 상기 교류 전원의 인가에 의해 발생 및 제어되는 전자속에 의해 상기 영구자속의 흐름을 변경하며,
    상기 전기자기 회로부는,
    입력측 권선을 포함하는 제1 솔레노이드;
    제1 출력측 권선을 포함하는 제2 솔레노이드; 및
    제2 출력측 권선을 포함하는 제3 솔레노이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 전기자기 회로부는, 제1, 2 전기자기 회로부를 포함하고,
    상기 복수의 영구자석은, 상기 제1 전기자기 회로부에 연결되는 제1, 2 영구자석과, 상기 제2 전기자기 회로부에 연결되는 제3, 4 영구자석을 포함하며,
    상기 제1 영구자석, 상기 제1 전기자기 회로부, 상기 제2 영구자석, 상기 제3 영구자석, 상기 제2 전기자기 회로부 및 상기 제4 영구자석의 순서로 영구자속이 흐르는 영구자속 폐회로가 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 솔레노이드에는, 제3 출력측 권선을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  12. 교류 전원이 인가되는 전기 에너지 변환 장치에 있어서,
    입력측 권선을 포함하는 솔레노이드와 출력측 권선을 포함하는 솔레노이드를 포함하는 복수의 솔레노이드를 포함하고, 상기 복수의 솔레노이드 각각에 포함된 철심이 연결되어 전자속의 폐회로를 구성하는 전기자기 회로부;
    영구자속을 발생시키며 상기 전기자기 회로부의 상기 철심들을 상기 영구자속의 이동 통로로서 공유하도록 설치되는 복수의 영구자석; 및
    상기 복수의 영구자석을 연결하여, 상기 전기자기 회로부 및 상기 복수의 영구자석을 경유하는 상기 영구자속의 폐회로를 구성하는 영구자속 통로부를 포함하고,
    상기 전기자기 회로부는, 상기 교류 전원의 인가에 의해 발생 및 제어되는 전자속에 의해 상기 영구자속의 흐름을 변경하며,
    상기 전기자기 회로부는,
    제1 입력측 권선을 포함하는 제1 솔레노이드;
    제2 입력측 권선을 포함하는 제2 솔레노이드; 및
    제1 출력측 권선을 포함하는 제3 솔레노이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제3 솔레노이드를 기준으로 상기 제1, 2 솔레노이드는 서로 대칭인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 영구자속 통로부의 단면적은, 상기 제3 솔레노이드의 철심 단면적보다 크고,
    상기 제1, 2 솔레노이드의 철심 단면적은, 상기 제3 솔레노이드의 철심 단면적의 1/2인 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제3 솔레노이드의 철심 단면적은, 상기 제1, 2 솔레노이드에서 생성되는 최대 전자속으로 포화 자속 상태가 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 전기 에너지 변환 장치.
  16. 제2항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 전기 에너지 변환 장치를 복수 개 연결한 전기 에너지 변환 시스템.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004088977A (ja) 2002-08-29 2004-03-18 Isao Shimizu 電力増殖装置
KR102020633B1 (ko) 2018-04-30 2019-09-11 주식회사 쎄크 트랜스포머, 이를 구비하는 제너레이터 및 엑스레이 발생장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20120044212A (ko) * 2010-10-27 2012-05-07 김홍일 합성 자속 제어 장치 및 방법
CN103559981B (zh) 2013-11-20 2018-05-22 戴珊珊 交流永磁增益变压装置及其调压控制方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004088977A (ja) 2002-08-29 2004-03-18 Isao Shimizu 電力増殖装置
KR102020633B1 (ko) 2018-04-30 2019-09-11 주식회사 쎄크 트랜스포머, 이를 구비하는 제너레이터 및 엑스레이 발생장치

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