KR102539430B1 - 회전식 dc 변압기 - Google Patents

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KR102539430B1 KR1020210010368A KR20210010368A KR102539430B1 KR 102539430 B1 KR102539430 B1 KR 102539430B1 KR 1020210010368 A KR1020210010368 A KR 1020210010368A KR 20210010368 A KR20210010368 A KR 20210010368A KR 102539430 B1 KR102539430 B1 KR 102539430B1
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Abstract

본 발명은 회전식 DC 변압기에 관한 것으로, 본 발명의 일면에 따른 회전식 DC 변압기는 일측과 타측에 서로 대향되는 영구자석이 각각 삽입되는 고정자, 고정자 내측에 회전 가능하게 설치되며 외면이 도체로 둘러싸인 회전자, 회전자의 외주면에 길이방향을 따라 이격되어 접하는 적어도 하나의 브러시 쌍을 포함하고, 적어도 하나의 브러시 쌍을 통해 회전자에 기설정된 제1 전압 레벨의 DC 전원을 제공함에 따라 회전자가 회전하도록 하는 1차측 브러시그룹 및 회전자의 외주면에 길이방향을 따라 이격되어 접하되 1차측 브러시그룹의 브러시 쌍과 회전자의 길이방향을 따라 이격되는 적어도 하나의 브러시 쌍를 포함하여, 회전자가 회전함에 따른 자기유도현상에 의해 적어도 하나의 브러시 쌍에 유도되는 제1 전압 레벨과는 다른 제2 전압 레벨의 DC 전원을 출력하는 2차측 브러시그룹을 포함한다.

Description

회전식 DC 변압기{ROTATIONAL DC TRANSFORMER}
본 발명은 회전식 DC 변압기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자의 회전 운동을 통해 직류 전압을 변압할 수 있는 회전식 DC 변압기에 관한 것이다.
본 발명은 한국전력공사의 2018년 선정 기초연구개발 과제 연구비에 의해 지원된 것이다(과제번호 : R18XA06-73).
시간에 따른 전압의 극성 변화가 없는 직류(DC) 전압의 변압을 위한 기술로 반도체 소자의 스위칭 동작에 기반을 둔 DC-DC 컨버터 기술이 주로 사용되고 있다. DC-DC 컨버터 기술은 반도체 스위치를 비선형영역에서 동작시켜 높은 효율과 고출력 밀도를 얻을 수 있지만, 스위칭 동작에 의한 전자기 노이즈가 발생하고 열에 취약한 반도체의 특성상 출력밀도를 추가로 개선하기 어렵다는 문제점이 있다.
또한, 브러시 DC 모터와 브러시 DC 발전기를 직렬로 연결하는 방식의 또 다른 DC 변압 기술은, DC 전압을 브러시와 정류자라는 기계식 정류장치를 통해 AC 전압, 전류로 변환시킴에 따른 스위칭 동작이 발생하며, AC/DC 변환 과정에서 리플 전압이 발생하는 문제점이 있었다.
대한민국 특허출원번호 제10-2015-0177843호 미국 특허등록번호 05821659
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 스위칭 동작 없이 회전자의 회전 운동에 의해 DC 전압을 가변할 수 있는 회전식 DC 변압기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 회전식 DC 변압기는 일측과 타측에 서로 대향되는 영구자석이 각각 삽입되는 고정자, 고정자 내측에 회전 가능하게 설치되며 외면이 도체로 둘러싸인 회전자, 회전자의 외주면에 길이방향을 따라 이격되어 접하는 적어도 하나의 브러시 쌍을 포함하고, 적어도 하나의 브러시 쌍을 통해 회전자에 기설정된 제1 전압 레벨의 DC 전원을 제공함에 따라 회전자가 회전하도록 하는 1차측 브러시그룹 및 회전자의 외주면에 길이방향을 따라 이격되어 접하되 1차측 브러시그룹의 브러시 쌍과 회전자의 길이방향을 따라 이격되는 적어도 하나의 브러시 쌍를 포함하여, 회전자가 회전함에 따른 자기유도현상에 의해 적어도 하나의 브러시 쌍에 유도되는 제1 전압 레벨과는 다른 제2 전압 레벨의 DC 전원을 출력하는 2차측 브러시그룹을 포함한다.
본 발명에 따르면 스위칭 동작 없이 회전자의 회전 운동에 의해 DC 전압을 가변할 수 있는 회전식 DC 변압기를 제공하는 효과가 있다.
또한, AC 전압으로의 변환없이 DC 전압을 변압하여 출력전압의 전압 리플이 발생하지 않도록 하는 회전식 DC 변압기를 제공하는 효과를 가진다.
본 발명의 효과는 상기에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 회전식 DC 변압기의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 회전식 DC 변압기의 분해사시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 회전식 DC 변압기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 회전식 DC 변압기의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 회전식 DC 변압기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전식 DC 변압기에 있어서 회전자의 외주면에 배치되는 1차측 브러시그룹과 2차측 브러시그룹을 도시한 도면이다.
도 7a는 도 6의 1차측 브러시그룹의 브러시 쌍이 병렬로 연결된 배선도이다.
도 7b는 도 6의 1차측 브러시그룹의 브러시 쌍이 직렬로 연결된 배선도이다.
도 8a는 도 6의 2차측 브러시그룹의 브러시 쌍이 병렬로 연결된 배선도이다.
도 8b는 도 6의 2차측 브러시그룹의 브러시 쌍이 직렬로 연결된 배선도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것으로서, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며, 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 회전식 DC 변압기는 일단과 타단에 서로 반대 방향으로 착자된 영구자석이 삽입되는 고정자와, 자성체로 이루어지되 외면이 도체로 둘러싸여 고정자의 내측에 회전가능하게 설치되는 회전자와, 회전자의 외주면 일측에서 회전자에 DC 전원을 제공함에 따라 회전자가 회전하도록 하는 1차측 브러시그룹과, 1차측 브러시그룹과 회전자의 길이방향을 따라 이격되어 회전자의 외주면 타측에서 회전자의 회전에 의해 유도되는 DC 전원을 출력하는 2차측 브러시그룹을 포함하여, 스위칭 동작이나 DC/AC 및 AC/DC 로의 변환없이 DC 전원의 변압이 가능하도록 한다.
이에 따라 본 발명의 실시예들에 따른 회전식 DC 변압기는 스위칭 동작에 따른 전자기 노이즈 발생을 방지하여 EMC(Electromagnetic Compatibility) 성능을 향상시킬 수 있으며, DC/AC 및 AC/DC 변환에 의한 전압 리플 현상이 발생하지 않는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 회전식 DC 변압기는 전자기 유도현상을 이용하는 관계로 기존 DC 변압 기술로는 구현할 수 없는 마이크로 혹은 나노 스케일로도 제작 가능하다는 이점을 가진다.
추가적으로, 본 발명의 실시예들에 따른 회전식 DC 변압기는 1차측 브러시그룹과 2차측 브러시그룹에 DC 전압을 인가하여 변압기가 아닌 모터로 동작 가능하며, 본 발명의 실시예들에 따른 회전식 DC 변압기의 회전자를 외부의 기계적인 동력으로 구동하는 경우 1차측 브러시그룹과 2차측 브러시그룹에서 DC 전력을 생성하는 발전기로도 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 회전식 DC 변압기의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 회전식 DC 변압기의 분해사시도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 회전식 DC 변압기의 단면도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 회전식 DC 변압기의 측면도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 회전식 DC 변압기(100)는 일측과 타측에 서로 대향되는 영구자석(13, 15)이 각각 삽입되는 고정자(10)와, 고정자(10)의 내측에 회전 가능하게 설치되며 외면이 도체로 둘러싸인 회전자(20)와, 회전자(20)의 외주면에 길이방향을 따라 이격되어 접하는 적어도 하나의 브러시 쌍(31, 32)을 포함하고, 적어도 하나의 브러시 쌍(31, 32)을 통해 회전자(20)에 기설정된 제1 전압 레벨의 DC 전원을 제공함에 따라 회전자(20)가 회전하도록 하는 1차측 브러시그룹(30)과, 회전자(20)의 외주면에 길이방향을 따라 이격되어 접하되 1차측 브러시그룹(30)의 브러시 쌍(31, 32)과 회전자(20)의 길이방향을 따라 이격되는 적어도 하나의 브러시 쌍(41, 42)을 포함하여, 회전자(20)가 회전함에 따른 자기유도현상에 의해 적어도 하나의 브러시 쌍(41, 42)에 유도되는 제1 전압 레벨과는 다른 제2 전압 레벨의 DC 전원을 출력하는 2차측 브러시그룹(40)을 포함한다.
고정자(10)는 투자율(magnetic permeability)이 높은 탄소강(예를 들어 S45C, S20C)과 같은 자성체로 구성된다.
이에 따라 본 발명의 실시예들에 따른 회전식 DC 변압기를 대용량으로 제작하는 경우, 스위칭 손실이 존재하는 기존 DC/DC 컨버터 기술에 비해 효율측면에서 우수한 변압기를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 있어서 고정자(10)를 지나가는 자속은 시간에 따른 변화가 없는 DC 자속이므로, AC 자속에 의한 철손이 발생하지 않아 비적층 방식으로 제작 가능하다.
이는 기존 변압기나 전기모터의 코어를 지나가는 자속은 시간에 따라 크기가 변화하는 AC 형태로, 이 AC 자속으로 인해 발생하는 철손을 저감하기 위하여 종래의 변압기나 전기모터의 고정자 코어가 얇은 두께를 가지는 전기강판으로 적층되어 제작되어야 하는 것과는 상이하다.
고정자(10)는 중심에 회전자(20)가 설치되는 중공(101)이 길이방향을 따라 관통 형성되고, 외곽에 영구자석(13, 15)이 삽입되는 삽입홀(103)이 길이방향을 따라 관통 형성되며, 중공(101)의 내주면에 삽입홀(103)과 연통하고 백 요크(17)가 삽입되는 요크홈(105)이 형성되는 것일 수 있다.
삽입홀(103)은 고정자(10)의 측면에서 고정자(10)와 회전자(20) 사이에 형성된 공극의 단면적보다 큰 단면적을 가지는 자속 집중 구조로 형성되는 것일 수 있다.
삽입홀(103)은 중공(101)의 외곽에 둘레를 따라 원호 형상으로 길이방향을 따라 관통 형성되며, 중공(101)의 외곽에서 둘레를 따라 일정 간격의 브릿지(107)를 사이에 두고 복수 개 형성되는 것일 수 있다.
다른 예에서 삽입홀은 중공의 외곽에 둘레를 따라 원 현상으로 길이방향을 따라 관통 형성되는 것일 수 있다. 이 경우 고정자가 삽입홀을 기준으로 분리되므로, 본 발명의 실시예들에 있어서 고정자의 삽입홀이 중공의 외곽에 둘레를 따라 원 현상으로 길이방향을 따라 관통 형성되는 회전식 DC 변압기는, 분리된 고정자를 고정하기 위해 고정자의 양측에 각각 설치되는 앤드 플레이트를 더 포함하는 것일 수 있다.
여기서 앤드 플레이트는 볼트 등의 기구물을 이용하여 고정자의 양측에서 고정자와 결합됨에 따라, 삽입홀을 기준으로 분리된 고정자를 고정시키도록 한다.
삽입홀(103)의 일측에서는 고정자(10)의 내주면에서 외주면을 향하는 양의 반경방향으로 자속이 발생되도록 착자된 영구자석(13)이 삽입되고, 삽입홀(103)의 타측에는 고정자(10)의 외주면에서 내주면을 향하는 음의 반경방향으로 자속이 발생되도록 착자된 영구자석(15)이 삽입되는 것일 수 있다.
여기서, 반경방향이란 축대칭인 원통 좌표계에서 축과 수직한 반지름 방향을 의미하는 것으로, 양의 반경방향은 축을 기준으로 원통의 외주를 향하는 방향을 의미하고 음의 반경방향은 양의 반경방향과 반대인 방향을 의미한다.
삽입홀(103)의 일측과 타측에서 각각 삽입된 영구자석(13, 15)은 요크홈(105)에 삽입된 백 요크(17)에 의해 고정되는 것일 수 있다.
요크홈(105)은 길이방향에서 삽입홀(103)을 양측으로 분할하여, 삽입홀(103)의 일측과 타측에 서로 대향되도록 착자된 영구자석(13, 15)이 각각 삽입되도록 한다.
즉 본 발명의 실시예들에 있어서 고정자(10)의 일측과 타측에 각각 삽입되는 영구자석(13, 15)은 회전자(20)의 외주면과 수직한 자속을 발생시키되, 고정자(10)의 일측에 삽입된 영구자석(13)으로부터 회전자(20)의 외주면에 가해지는 자속의 방향과 고정자(10)의 타측에 삽입된 영구자석(15)으로부터 회전자(20)의 외주면에 가해지는 자속의 방향은 서로 반대가 되도록 한다.
고정자(10)의 일측과 타측에 삽입되는 각 영구자석(13, 15)으로부터 회전자(20)의 외주면에 가해지는 자속밀도는 동일한 것일 수 있다.
회전자(20)의 외주면에서 고정자(10)의 일측에 삽입된 영구자석(13)과 대응되는 영역에는 고정자(10)의 일측에 삽입된 영구자석(13)으로부터 발생된 자속이 수직하게 관통하며, 회전자(20)의 외주면에서 고정자(10)의 타측에 삽입된 영구자석(15)과 대응되는 영역에는 고정자(10)의 타측에 삽입된 영구자석(15)으로부터 발생된 자속이 수직하게 관통한다.
회전자(20)는 베어링에 의해 회전 가능하게 지지되는 샤프트(21)와, 샤프트(21)가 삽입되는 샤프트홀이 중심에 형성되며 자성체(soft magnetic)로 이루어진 회전자코어(23)와, 회전자코어(23)의 외주면을 따라 일정 두께로 부착되는 도체(25)를 포함하는 것일 수 있다.
도체(25)는 구리로 구성되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
1차측 브러시그룹(30)에 포함된 브러시 쌍(31, 32)은 회전자(20)의 외주면에서 삽입홀(103)의 일측에서 삽입되는 영구자석(13)의 외곽과 수직 하방으로 대응되는 위치에 접하는 제1 브러시(31)와, 회전자(20)의 외주면에서 제1 브러시(31)와 길이방향을 따라 이격되며 요크홈(105)과 수직 하방으로 대응되는 위치에 접하는 제2 브러시(32)로 구성되는 것일 수 있다.
1차측 브러시그룹(30)의 각 브러시 쌍(31, 32)은 고정자(10)의 일측에 삽입된 영구자석(13)에 의한 자속이 수직하게 관통하는 회전자(20)의 외주면에 접하는 것일 수 있다.
1차측 브러시그룹(30)은 브러시 쌍(31, 32)에 기설정된 제1 전압 레벨의 DC 전원을 제공함에 따라, 고정자(10)의 일측에 삽입된 영구자석(13)에 의한 자속이 수직하게 관통하는 회전자(20)의 외주면에서 회전자(20)의 길이방향의 DC 전류가 흐르도록 하며, 자속과 DC 전류에 의해 회전자(20)에 회전력이 발생하도록 한다.
즉, 1차측 브러시그룹(30)은 고정자(10)의 일측에 삽입된 영구자석(13)에 의한 자속이 수직하게 관통하는 회전자(20)의 외주면에서 길이방향을 따라 이격된 브러시 쌍(31, 32)에 기설정된 제1 전압 레벨의 DC 전원을 제공함에 따라 플레밍 왼손 법칙에 의한 회전력이 회전자(20)에 발생하도록 한다.
2차측 브러시그룹(40)에 포함된 브러시 쌍(41, 42)은 회전자(20)의 외주면에서 길이방향을 따라 1차측 브러시그룹(30)의 제2 브러시(31)와 소정 간격 이격되며 요크홈과 수직 하방으로 대응되는 위치에 접하는 제3 브러시(41)와, 회전자(20)의 외주면에서 제3 브러시(41)와 길이방향을 따라 이격되며 고정자(10)의 타측에 삽입되는 영구자석(15)의 외곽과 수직 하방으로 대응되는 위치에 접하는 제4 브러시(42)로 구성되는 것일 수 있다.
2차측 브러시그룹(40)의 각 브러시 쌍(41, 42)은 고정자(10)의 타측에 삽입된 영구자석(15)에 의한 자속이 수직하게 관통하는 회전자(20)의 외주면에 접하는 것일 수 있다.
즉, 2차측 브러시그룹(40)의 브러시 쌍(41, 42)이 접하는 회전자(20)의 외주면에는 1차측 브러시그룹(30)의 브러시 쌍(31, 32)이 접하는 회전자(20)의 외주면에 가해지는 자속과 반대 방향으로 수직한 자속이 관통하게 된다.
2차측 브러시그룹(40)의 브러시 쌍(41, 42)이 접하는 회전자(20)의 외주면에는 1차측 브러시그룹(30)의 브러시 쌍(31, 32)이 접하는 회전자(20)의 외주면과 반대 방향의 자속이 관통하므로, 1차측 브러시그룹(30)으로부터 제공되는 제1 전압 레벨의 DC 전원에 의해 회전자(20)에 회전운동이 발생하면, 2차측 브러시그룹(40)의 브러시 쌍(41, 42)에는 회전자(20)와 고정자(10)의 타측에 삽입된 영구자석(15)으로부터 발생한 자속 사이의 상대운동에 의한 유도기전력이 발생하여, 2차측 브러시그룹(40)은 적어도 하나의 브러시 쌍(41, 42)에 유도되는 제2 전압 레벨의 DC 전원을 출력할 수 있다.
1차측 브러시그룹(30)에 속하는 적어도 하나의 브러시 쌍(31, 32)과 2차측 브러시그룹(40)에 속하는 적어도 하나의 브러시 쌍(41, 42)은 각각 회전자(20)의 외주 둘레를 따라 배치되는 것일 수 있다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전식 DC 변압기에 있어서 회전자의 외주면에 배치되는 1차측 브러시그룹과 2차측 브러시그룹을 도시한 도면으로, 도 1 내지 6에서는 1차측 브러시그룹(30)에 속한 브러시 쌍(31, 32, 311, 321, 312, 322, 313, 323)의 개수와 2차측 브러시그룹(40)에 속한 브러시 쌍(41, 42, 411, 421, 412, 422, 413, 423)의 개수가 동일한 실시예를 도시하였지만, 이에 한정되는 것은 아니며 1차측 브러시그룹(30)에 속한 브러시 쌍의 개수와 2차측 브러시그룹(40)에 속한 브러시 쌍의 개수는 서로 다를 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예들에 따른 회전식 DC 변압기의 동작을 설명하기 위한 도면으로, 도 5를 참조하면, 1차측 브러시그룹(30)의 브러시 쌍(31, 32)은 회전자(20)의 외주면에 길이방향을 따라 이격되게 접하여 기설정된 제1 전압 레벨의 DC 전원(V1)을 제공함에 따라 회전자(20)의 길이방향으로 DC 전류가 흐르도록 하고, 회전자(20)에는 고정자(10)의 일측에 삽입된 영구자석(13)으로부터 발생한 자속과 1차측 브러시그룹(30)의 브러시 쌍(31, 32)을 통해 인가된 DC 전원에 의한 회전력(Rotating Torque)이 발생하여 회전할 수 있다.
1차측 브러시그룹(30)의 브러시 쌍(31, 32)을 통해 인가된 DC 전원에 의한 회전력으로 회전자(20)가 회전하면, 2차측 브러시그룹(40)의 브러시 쌍(41, 42)에는 회전자(20)의 회전력과 고정자(10)의 타측에 삽입된 영구자석(15)으로부터 발생한 자속에 의한 전자기 유도 현상에 의해 제2 전압 레벨의 DC 전원(V2)을 출력할 수 있다.
고정자(10)의 일측에 삽입된 영구자석(13)으로부터 발생한 자속에 의해 1차측 브러시그룹(30)의 각 브러시 쌍(31, 32)에서 발생하는 유도기전력(Eb1)은 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112021009746238-pat00001
여기서
Figure 112021009746238-pat00002
는 고정자(10)의 일측에 삽입된 영구자석(13)에 의한 회전자(20)의 도체(25)에서의 자속 밀도이고,
Figure 112021009746238-pat00003
는 회전자(20)의 회전운동으로 인한 도체 표면에서의 원주 방향으로의 선속도이고,
Figure 112021009746238-pat00004
은 1차측 브러시그룹(30)의 각 브러시 쌍(31, 32) 사이의 간격이다.
1차측 브러시그룹(30) 전체에서 발생하는 유도기전력(V1)은 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112021009746238-pat00005
여기서, n1은 1차측 브러시그룹(30)에 포함된 브러시 쌍(31, 32)의 전체 개수이고, N1은 1차측 브러시그룹(30)의 병렬 회로수이다.
2차측 브러시그룹(40)의 각 브러시 쌍(41, 42)에 가해지는 유도기전력(Eb2)은 아래의 수학식 3과 같다.
Figure 112021009746238-pat00006
여기서
Figure 112021009746238-pat00007
는 고정자(10)의 타측에 삽입된 영구자석(15)에 의한 회전자(20)의 도체(25)에서의 자속 밀도이고,
Figure 112021009746238-pat00008
는 회전자(20)의 회전운동으로 인한 도체(25) 표면에서의 원주 방향으로의 선속도이고,
Figure 112021009746238-pat00009
은 2차측 브러시그룹(40)의 각 브러시 쌍(41, 42) 사이의 간격이다.
2차측 브러시그룹(40) 전체에서 발생하는 유도기전력(V2)는 아래의 수학식 4와 같다.
Figure 112021009746238-pat00010
여기서 n2은 2차측 브러시그룹(40)에 포함된 브러시 쌍(41, 42)의 전체 개수이고, N2은 2차측 브러시그룹(40)의 병렬 회로수이다.
제1 전압 레벨에 대한 제2 전압 레벨의 비는 아래의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112021009746238-pat00011
상기한 수학식 5를 참조하면, 제1 전압 레벨(V1)에 대한 제2 전압 레벨(V2)의 비율은 제1 브러시(31)와 제2 브러시(32) 사이의 간격(d1)에 대한 제3 브러시(41)와 제4 브러시(42) 사이의 간격(d2)의 비율에 비례하는 것일 수 있다.
제1 전압 레벨(V1)에 대한 제2 전압 레벨(V2)의 비율은 1차측 브러시그룹(30)에 포함된 브러시 쌍(31, 32)의 개수에 대한 2차측 브러시그룹(40)에 포함된 브러시 쌍(41, 42)의 개수의 비율에 비례하는 것일 수 있다.
1차측 브러시그룹(30)의 적어도 하나의 브러시 쌍(31, 32)이 병렬로 연결되는 경우 제1 전압 레벨(V1)에 대한 제2 전압 레벨(V2)의 비율은 1차측 브러시그룹(30)의 병렬회로수(N1)에 비례하는 것일 수 있다.
2차측 브러시그룹(40)의 적어도 하나의 브러시 쌍(41, 42)이 병렬로 연결되는 경우 제1 전압 레벨(V1)에 대한 제2 전압 레벨(V2)의 비율은 2차측 브러시그룹(40)의 병렬회로수(N2)에 반비례하는 것일 수 있다.
이하 도 6 내지 8을 참조하여 1차측 브러시그룹(30)에 속하는 브러시 쌍(311, 321, 312, 322, 313, 323)의 개수 및 연결방식과 2차측 브러시그룹(40)에 속한 브러시 쌍(411, 421, 412, 422, 413, 423)의 개수 및 연결방식에 따른 1차측 브러시그룹(30)으로부터 제공되는 DC 전원의 제1 전압 레벨(V1)과 2차측 브러시그룹(40)에서 출력되는 DC 전원의 제2 전압 레벨(V2)의 관계를 설명하도록 한다.
1차측 브러시그룹에 속하는 브러시 쌍(311, 321, 312, 322, 313, 323)과 2차측 브러시그룹에 속한 브러시 쌍(411, 421, 412, 422, 413, 423)이 각각 모두 병렬로 연결(도 7a, 도 8a)된 경우, 1차측 브러시그룹의 브러시 쌍(311, 321, 312, 322, 313, 323) 사이의 간격(d1)에 대한 2차측 브러시그룹(40)에 속한 브러시 쌍(411, 421, 412, 422, 413, 423) 사이의 간격(d2)의 비에 따라 제1 전압 레벨(V1)에 대한 제2 전압 레벨(V2)의 변압비를 조정할 수 있다.
1차측 브러시그룹의 브러시 쌍(311, 321, 312, 322, 313, 323) 사이의 간격(d1)에 대한 2차측 브러시그룹(40)에 속한 브러시 쌍(411, 421, 412, 422, 413, 423) 사이의 간격(d2)이 동일한 경우, 1차측 브러시그룹에 속하는 브러시 쌍(311, 321, 312, 322, 313, 323)과 2차측 브러시그룹에 속한 브러시 쌍(411, 421, 412, 422, 413, 423)을 각각 직렬 또는 병렬로 연결함에 따라 제1 전압 레벨(V1)을 승압 또는 감압하여 제2 전압 레벨(V2)을 출력할 수 있다.
예를 들어, 1차측 브러시그룹에 속하는 브러시 쌍(311, 321, 312, 322, 313, 323)을 직렬로 연결(도 7b)하고 2차측 브러시그룹에 속한 브러시 쌍(411, 421, 412, 422, 413, 423)을 병렬로 연결(도 8a)하여 제1 전압 레벨(V1)에 1차측 브러시그룹에 속하는 브러시 쌍(311, 321, 312, 322, 313, 323)의 개수(n1=3)를 나눔에 따른 제2 전압 레벨(V2)의 DC 전원이 출력되도록 함에 따라 감압할 수 있다.
또한, 1차측 브러시그룹에 속하는 브러시 쌍(311, 321, 312, 322, 313, 323)을 병렬로 연결(도 7a)하고 2차측 브러시그룹에 속한 브러시 쌍(411, 421, 412, 422, 413, 423)을 직렬로 연결(도 8b)하여 제1 전압 레벨(V1)에 2차측 브러시그룹에 속하는 브러시 쌍(411, 421, 412, 422, 413, 423)의 개수(n2=3)를 곱한 값에 따른 제2 전압 레벨(V2)의 DC 전원이 출력되도록 함에 따라 승압할 수 있다.
고정자(10)의 내측에 회전 가능하게 설치되며 외면이 도체로 둘러싸인 회전자(20)와, 회전자(20)의 외주면에 길이방향을 따라 이격되어 접하는 적어도 하나의 브러시 쌍(31, 32)을 포함하고, 적어도 하나의 브러시 쌍(31, 32)을 통해 회전자(20)에 기설정된 제1 전압 레벨의 DC 전원을 제공함에 따라 회전자(20)가 회전하도록 하는 1차측 브러시그룹(30)과, 회전자(20)의 외주면에 길이방향을 따라 이격되어 접하되 1차측 브러시그룹(30)의 브러시 쌍(31, 32)과 회전자(20)의 길이방향을 따라 이격되는 적어도 하나의 브러시 쌍(41, 42)을 포함하여, 회전자(20)가 회전함에 따른 전자기유도현상에 의해 적어도 하나의 브러시 쌍(41, 42)에 유도되는 제1 전압 레벨과는 다른 제2 전압 레벨의 DC 전원을 출력하는 2차측 브러시그룹(40)을 포함한다.
다시 정리해보면, 본 발명의 실시예들에 따른 회전식 DC 변압기는 일측과 타측에 서로 대향되는 영구자석이 각각 삽입되는 고정자와, 고정자의 내측에 회전 가능하게 설치되며 외면이 도체로 둘러싸인 회전자와, 고정자의 일측에 삽입된 영구자석에 대응되어 회전자의 길이방향을 따라 이격되어 접하는 적어도 하나의 브러시 쌍을 포함하는 1차측 브러시그룹을 포함하여 1차측 브러시그룹의 브러시 쌍에 제1 전압 레벨의 DC 전원을 인가함에 따라 회전자에 회전력을 발생시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 회전식 DC 변압기는 고정자의 타측에 삽입된 영구자석에 대응되어 회전자의 길이방향을 따라 이격되어 접하는 적어도 하나의 브러시 쌍을 포함하는 2차측 브러시그룹을 포함하여 1차측 브러시그룹에서 제공받은 DC 전원에 의해 회전자가 회전할 때 전자기유도현상에 의해 2차측 브러시그룹의 브러시 쌍에 유도되는 제2 전압 레벨의 DC 전원을 출력할 수 있다.
제1 전압 레벨에 대한 제2 전압 레벨의 비는 1차측 브러시그룹에 포함된 브러시 쌍의 브러시간의 간격, 1차측 브러시그룹에 포함된 브러시 쌍의 개수, 1차측 브러시그룹의 병렬회로수, 2차측 브러시그룹에 포함된 브러시 쌍의 브러시간의 간격, 2차측 브러시그룹에 포함된 브러시 쌍의 개수, 2차측 브러시그룹의 병렬회로수를 변경함에 따라 조정 가능하다.
본 발명에 따르면 스위칭 동작이나, AC/DC 및 DC/AC로의 변환 없이 DC 전원의 변압이 가능한 회전식 DC 변압기를 제공하는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따른 회전식 DC 변압기는 1차측 브러시그룹에 포함된 브러시 쌍에 제공되는 제1 전압 레벨 또는 2차측 브러시그룹에 포함된 브러시 쌍과 연결되는 전기적 부하의 크기를 변경함에 따라 회전자의 회전 속도 제어가 가능하므로, 사용자의 필요에 따라 모터로도 활용 가능하다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 회전식 DC 변압기
10 : 고정자
13, 15 : 영구자석
20 : 회전자
30 : 1차측 브러시그룹
40 : 2차측 브러시그룹

Claims (9)

  1. 일측과 타측에 서로 대향되는 영구자석이 각각 삽입되는 고정자;
    상기 고정자 내측에 회전 가능하게 설치되며 외면이 도체로 둘러싸인 회전자;
    상기 회전자의 외주면에 길이방향을 따라 이격되어 접하는 적어도 하나의 브러시 쌍을 포함하고, 상기 적어도 하나의 브러시 쌍을 통해 상기 회전자에 기설정된 제1 전압 레벨의 DC 전원을 제공함에 따라 상기 회전자가 회전하도록 하는 1차측 브러시그룹; 및
    상기 회전자의 외주면에 길이방향을 따라 이격되어 접하되 상기 1차측 브러시그룹의 브러시 쌍과 상기 회전자의 길이방향을 따라 이격되는 적어도 하나의 브러시 쌍를 포함하여, 상기 회전자가 회전함에 따른 자기유도현상에 의해 상기 적어도 하나의 브러시 쌍에 유도되는 상기 제1 전압 레벨과는 다른 제2 전압 레벨의 DC 전원을 출력하는 2차측 브러시그룹;을 포함하는 회전식 DC 변압기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정자는
    중심에 상기 회전자가 설치되는 중공이 길이방향을 따라 관통 형성되고, 외곽에 영구자석이 삽입되는 삽입홀이 길이방향을 따라 관통 형성되며, 상기 중공의 내주면에 상기 삽입홀과 연통하고 백 요크가 삽입되는 요크홈이 형성되는 것
    인 회전식 DC 변압기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 삽입홀의 일측에는 상기 고정자의 내주면에서 외주면을 향하는 양의 반경방향으로 자속이 발생되도록 착자된 영구자석이 삽입되고, 상기 삽입홀의 타측에는 상기 고정자의 외주면에서 내주면을 향하는 음의 반경방향으로 자속이 발생되도록 착자된 영구자석이 삽입되는 것
    인 회전식 DC 변압기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 1차측 브러시그룹에 포함된 브러시 쌍은
    상기 회전자의 외주면에서 상기 고정자의 일측에 삽입되는 영구자석의 외곽과 수직 하방으로 대응되는 위치에 접하는 제1 브러시와, 상기 회전자의 외주면에서 상기 제1 브러시와 길이방향을 따라 이격되며 상기 요크홈과 수직 하방으로 대응되는 위치에 접하는 제2 브러시로 구성되는 것
    인 회전식 DC 변압기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 2차측 브러시그룹에 포함된 브러시 쌍은
    상기 회전자의 외주면에서 길이방향을 따라 상기 제2 브러시와 소정 간격 이격되며 상기 요크홈과 수직 하방으로 대응되는 위치에 접하는 제3 브러시와, 상기 회전자의 외주면에서 상기 제3 브러시와 길이방향을 따라 이격되며 상기 고정자의 타측에 삽입되는 영구자석의 외곽과 수직 하방으로 대응되는 위치에 접하는 제4 브러시로 구성되는 것
    인 회전식 DC 변압기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 전압 레벨에 대한 상기 제2 전압 레벨의 비율은
    상기 제1 브러시와 상기 제2 브러시 사이의 간격에 대한 상기 제3 브러시와 상기 제4 브러시의 간격의 비율에 비례하는 것
    인 회전식 DC 변압기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전압 레벨에 대한 상기 제2 전압 레벨의 비율은
    상기 1차측 브러시그룹에 포함된 브러시 쌍의 개수에 대한 상기 2차측 브러시그룹에 포함된 브러시 쌍의 개수의 비율에 비례하는 것
    인 회전식 DC 변압기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 1차측 브러시그룹의 적어도 하나의 브러시 쌍이 병렬로 연결되는 경우, 상기 제1 전압 레벨에 대한 상기 제2 전압 레벨의 비율은 상기 1차측 브러시그룹의 병렬회로수에 비례하는 것
    인 회전식 DC 변압기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 2차측 브러시그룹의 적어도 하나의 브러시 쌍이 병렬로 연결되는 경우, 상기 제1 전압 레벨에 대한 상기 제2 전압 레벨의 비율은 상기 2차측 브러시그룹의 병렬회로수에 반비례하는 것
    인 회전식 DC 변압기.
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