KR102542504B1 - 에너지 변환 장치 - Google Patents

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Abstract

에너지 변환 장치가 제공된다. 상기 에너지 변환 장치는, 내경면에 원주 방향으로 이격 배열되는 제1 영구 자석을 구비하는 외부 고정자; 상기 외부 고정자의 반경 방향 내측에 마련되되, 상기 제1 영구 자석과 동일한 자계 방향을 가지는 제2 영구 자석 및 제1 금속 치(teeth)가 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루는 제1 컨시퀀트 폴 구조를 가지는 내부 고정자; 및 상기 외부 고정자 및 상기 내부 고정자 사이에 샌드위치되되, 제3 영구 자석 및 제2 금속 치가 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루는 제2 컨시퀀트 폴 구조를 가지는 회전자를 포함할 수 있다.

Description

에너지 변환 장치{Device for Converting Energy}
본 발명은 에너지 변환 장치에 관련된 것으로 보다 구체적으로는, 삼중 자속 변조를 가지는 에너지 변환 장치에 관련된 것이다.
최근 연구는 저속 및 높은 토크를 가지며 직접 구동 가능한 전기 기계의 개발에 포커싱되어 있다. 이것은 무거운 기계식 기어박스와 이들의 빈번한 유지 보수를 피하기 위함이다. 버니어(Vernier), 자속 스위칭 및 자속 반전 기계와 같은 자속 변조 기계들은 종종 자기 기어 효과(magnetic gearing effect)라고 불리는 특수한 작동 원리로 인하여 저속에서 높은 토크를 생성하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 자속 변조 기계들은 직접 구동 어플리케이션에 대한 강력한 후보가 된다.
일반적으로, 버니어 기계는 회전자 및 회전자에 구비되는 영구자석으로 구성되며, 그 자속은 고정자 치에 의하여 변조된다. 반면, 자속 스위칭 기계 및 자속 반전 기계는 고정자에 영구자석을 구비하며, 그 자속은 회전자 치에 의하여 변조된다. 이러한 기계는 하나의 소스에서만 자속을 변조하므로, 단일 자속 변조 기계로 불린다.
여기서, 단일 자속 변조를 갖는 버니어 기계는 1963년에 릴럭턴스 기계로 도입되었고, 이후, 1995년에는 PM 기계로 도입되었다. 버니어 기계는 저속에서 높은 토크 밀도로 인하여 최근 몇 년 동안 상당한 주목을 받고 있다.
하지만, 버니어 기계는 높은 토크 밀도를 생성하지만, 낮은 역률(power factor)의 한계가 있어, 기계를 구동하는데 필요한 인버터의 용량이 증가하게 된다.
이에, 버니어 기계의 몇 가지 새로운 토폴로지(topology)가 제안되었다. 이러한 토폴로지의 목적은 버니어 기계의 토크 밀도 또는 역률을 개선하는 것이다. 또한, 토크 밀도를 개선하기 위해, 이중 고정자 버니어 기계도 제안되었다. 그리고 버니어 기계의 역률을 개선하기 위해 몇가지 다른 토폴로지도 제안되었다. 코일 피치(coil pitch)가 2인 버니어 기계가 논의되어 역률이 크게 향상되었다. 이중 고정자 스포크 유형 버니어 기계는 높은 토크 밀도와 높은 역률을 생성하는 것으로 알려져 있으며, 문헌에서 광범위하게 논의되었다.
PM 폴 페어(pole pairs)가 일반 PM 동기기보다 버니어 기계에서 상당히 높다는 것은 잘 알려져 있다. 따라서, 자석 부피당 더 높은 토크를 생성하는 여러 개의 컨시퀀트-폴 버니어 기계도 제안되었다. 높은 토크 밀도 컨시퀀트 폴 버니어 기계가 최근 발표되었다. 이것은 더 낮은 자석 부피로 더 높은 토크를 생성한다. 또한, Halbach PM 컨시퀀트 폴 버니어 머신이 제안되었다. 그리고 자속 장벽을 가지는 컨시퀀트 폴 스포크형 버니가 기계가 분석되었다.
단일 자속 변조기이기도 한 자속 스위칭 기계는 1955년 처음 발표되었으며, 이것은 스위치 릴럭턴스 기계와 PM 기계의 장점을 결합한 이후 엄격하게 연구되었다. 그것의 작동 원리는 문헌에서 다른 방법을 사용하여 정교화되고 분석되었다. 자속 스위칭 기계는 기존 PM 기계에 비해 최대 50% 더 높은 토크를 생성할 수 있음을 보여준다.
토크 밀도를 높이기 위해 몇 가지 새로운 자속 스위칭 토폴로지가 제시되었다. 대체 자속 브릿지가 있는 자속 스위칭 기계는 높은 극비(pole ratio) 자속 스위칭 기계에서 높은 토크 밀도를 달성하기 위해 제시되었다. 또한, 내부 공간을 활용하기 위해 분할된 고정자 자속 스위칭 기계도 제시되었다. 이 기계에서 영구 자석은 외부 고정자에서 별도의 내부 고정자로 이동된다.
또한, 자석 부피를 줄이기 위해, C-코어 고정자, E-코어 고정자 및 컨시퀀트 폴 자속 스위칭 기계도 제시되었다.
기본적으로 버니어와 자속 스위칭 기계의 중첩인 컨시퀀트 폴 스포트 어레이 자속 변조 기계는 높은 토크 밀도를 달성하기 위해 제시되었다.
최근에는 버니어 기계의 토크 밀도를 향상시키기 위해 새로운 이중 고정자 버니어 기계가 제안되었다. 버니어 기계와 기존의 동기기가 중첩된 이중 고정자 버니어 기계가 제안되었다. 이는, 단일 회전자 버니어 기계에 비해 더 높은 토크 밀도를 생성한다. 이 기계를 추가로 개발하면서 저 비용 고 토크 밀도 컨시퀀트 폴 버니어 기계가 제안되었다. 이러한 종래의 기계는 이중 자속 변조로 인해 높은 토크 밀도를 생성하였다. 이는 두 개의 PM 소스(고정자 PM 및 회전자 PM)의 자속이 변조되었기 때문이다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 삼중 자속 변조를 가지는 에너지 변환 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 에너지 변환 장치를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 변환 장치는, 내경면에 원주 방향으로 이격 배열되는 제1 영구 자석을 구비하는 외부 고정자; 상기 외부 고정자의 반경 방향 내측에 마련되되, 상기 제1 영구 자석과 동일한 자계 방향을 가지는 제2 영구 자석 및 제1 금속 치(teeth)가 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루는 제1 컨시퀀트 폴 구조를 가지는 내부 고정자; 및 상기 외부 고정자 및 상기 내부 고정자 사이에 샌드위치되되, 제3 영구 자석 및 제2 금속 치가 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루는 제2 컨시퀀트 폴 구조를 가지는 회전자를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 외부 고정자는 내경 측에서 원주 방향으로 배열되는 고정자 치 및 상기 고정자 치에 마련되는 전기자 권선을 더 구비할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 삼중 자속 변조를 위하여 하기의 방정식 1 내지 방정식 3을 만족할 수 있다.
[방정식 1]
P = Zrpm - Zist
[방정식 2]
P = Zispm - Zrt
[방정식 3]
P = Zospm - Zrt
여기서, 상기 P, Zrpm, Zist, Zispm, Zospm 및 Zrt는 각각, 상기 전기자 권선의 폴 페어 수, 상기 제3 영구 자석의 폴 페어 수, 상기 제1 금속 치의 폴 페어 수, 상기 제2 영구 자석의 폴 페어 수, 상기 제1 영구 자석의 폴 페어 수 및 상기 제2 금속 치의 폴 페어 수를 나타낸다.
일 실시 예에 따르면, 상기 P는 1의 절대값을 가질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 삼중 자속 변조는 상기 제1 금속 치에 의한 상기 제3 영구 자석의 자속 변조, 상기 제2 금속 치에 의한 상기 제2 영구 자석의 자속 변조 및 상기 제2 금속 치에 의한 상기 제1 영구 자석의 자속 변조로 이루어질 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 영구 자석과 상기 제2 영구 자석은 동일한 개수로 구비될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제3 영구 자석은 상기 제2 영구 자석보다 더 많은 개수로 구비될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제3 영구 자석과 상기 제2 영구 자석의 형성 개수 차이는 1일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 영구 자석은 상기 회전자와 마주하는 상기 고정자 치의 단부에 구비될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 치와 상기 제2 금속 치는 동일한 금속 재질로 이루어지되, 철(iron)을 포함하는 금속 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 내경면에 원주 방향으로 이격 배열되는 제1 영구 자석을 구비하는 외부 고정자; 상기 외부 고정자의 반경 방향 내측에 마련되되, 상기 제1 영구 자석과 동일한 자계 방향을 가지는 제2 영구 자석 및 제1 금속 치(teeth)가 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루는 제1 컨시퀀트 폴 구조를 가지는 내부 고정자; 및 상기 외부 고정자 및 상기 내부 고정자 사이에 샌드위치되되, 제3 영구 자석 및 제2 금속 치가 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루는 제2 컨시퀀트 폴 구조를 가지는 회전자를 포함할 수 있다.
이와 같이, 삼중 자속 변조(triple flux modulation)를 가짐으로써, 역 기전력(back EMF) 및 토크 밀도(torque density)를 증가시킬 수 있는 에너지 변환 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 에너지 변환 장치는 저속에서 높은 토크를 필요로 하는 풍력 발전기의 버니어 기계로 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치에서 오직 회전자에 영구 자석을 구비하는 외부 에어 갭 자속 밀도의 파형이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치에서 오직 회전자에 영구 자석을 구비하는 외부 에어 갭 자속 밀도의 고조파 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치에서 오직 외부 고정자에 영구 자석을 구비하는 외부 에어 갭 자속 밀도의 파형이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치에서 오직 외부 고정자에 영구 자석을 구비하는 외부 에어 갭 자속 밀도의 고조파 스펙트럼이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치를 설명하기 위한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치에서 오직 회전자에 영구자석을 구비하는 외부 에어 갭 자속 밀도의 파형이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치에서 오직 회전자에 영구자석을 구비하는 외부 에어 갭 자속 밀도의 고조파 스펙트럼이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치에서 오직 외부 고정자에 영구자석을 구비하는 외부 에어 갭 자속 밀도의 파형이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치에서 오직 외부 고정자에 영구자석을 구비하는 외부 에어 갭 자속 밀도의 고조파 스펙트럼이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 외부 고정자(110), 내부 고정자(120) 및 회전자(130)를 포함하여 형성될 수 있다.
외부 고정자(110)는 내부 고정자(120) 및 회전자(130)의 일측에 마련될 수 있다. 예를 들어, 외부 고정자(110)는 내부 고정자(120) 및 회전자(130)의 반경 방향 외측에 마련될 수 있다.
외부 고정자(110)는 내부 고정자(120)와 함께 회전자(130)에 회전력을 제공할 수 있다. 이를 위해, 외부 고정자(110)는, 내측에 중공을 포함하는 원통 형상으로 구비될 수 있다. 이에 따라, 외부 고정자(110)의 내측 중공에는 내부 고정자(120) 및 회전자(130)가 인입될 수 있다. 회전자(130)는 외부 고정자(110) 및 내부 고정자(120)로부터 제공되는 회전력에 의해 회전할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 외부 고정자(110)는 제1 영구 자석(111)을 구비할 수 있다. 제1 영구 자석(111)은 외부 고정자(110)의 내경면에 구비될 수 있다. 이때, 제1 영구 자석(111)은 복수 개로 구비될 수 있다. 이러한 복수 개의 제1 영구 자석(111)은 외부 고정자(110)의 내경면에 원주 방향으로 이격 배열될 수 있다.
제1 영구 자석(111)은 후술되는 내부 고정자(120)에 구비되는 제2 영구 자석(121)과 동일한 자계 방향을 가질 수 있다. 이와 같이, 동일한 자계 방향을 가지는 제1 영구 자석(111)과 제2 영구 자석(121)은 후술되는 회전자(130)에 구비되는 제3 영구 자석(131)을 이들 사이로 끌어당기게 되고, 이에 따라, 제3 영구 자석(131)을 구비하는 회전자(130)가 회전하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 영구 자석(111)은 내부 고정자(120)에 구비되는 제2 영구 자석(121)과 동일한 개수로 구비될 수 있다. 이때, 제1 영구 자석(111)은 회전자(130)에 구비되는 제3 영구 자석(131)보다 상대적으로 적은 개수로 구비될 수 있다. 예를 들어, 제1 영구 자석(111)은 회전자(130)에 구비되는 제3 영구 자석(131)보다 1개 적은 개수로 형성될 수 있다.
한편, 외부 고정자(110)는 고정자 치(teeth)(112)를 더 구비할 수 있다. 고정자 치(112)는 복수 개로 구비될 수 있다. 이러한 복수 개의 고정자 치(112)는 외부 고정자(110)의 내경 측에서 원주 방향으로 배열될 수 있다. 이때, 서로 이웃하는 고정자 치(112) 사이는 고정자 슬롯(113)으로 정의될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 고정자 치(112)는 제1 영구 자석(111)과 동일한 개수로 구비될 수 있다. 이에 따라, 복수 개의 제1 영구 자석(111) 각각은 복수 개의 고정자 치(112) 각각에 마련될 수 있다. 보다 상세하게, 하나의 제1 영구 자석(111)을 기준으로 볼 때, 제1 영구 자석(111)은 회전자(130)와 마주하는 고정자 치(112)의 단부에 구비될 수 있다.
제1 영구 자석(111)은 고정자 치(112)의 단부에서 깊이 방향으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 고정자 치(112)의 단부에는 제1 영구 자석(111)의 두께와 동일한 높이를 가지는 장착홈이 구비될 수 있으며, 제1 영구 자석(111)은 이러한 장착홈에 장착될 수 있다.
이에 따라, 복수 개의 제1 영구 자석(111)이 원주 방향으로 배열되어 있는 외부 고정자(110)의 내경면은 단차 없는 원형 곡면으로 이루어질 수 있다.
외부 고정자(110)는 전기자 권선(115)을 더 포함할 수 있다. 전기자 권선(115)은 회전자(130)가 회전할 수 있도록 회전 운동 자계(magnetic field)를 생성할 수 있다. 전기자 권선(115)은 각각의 고정자 치(112)에 마련될 수 있다.
상기 전기자 권선(115)은 인가 받는 전류의 상(phase)에 따라 그룹핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 전기자 권선(115)에 2개의 극 쌍수를 가지는 A, B, C의 3 상이 인가되는 경우, 상기 전기자 권선(115)은 제1 전기자 권선(A+, A-), 제2 전기자 권선(B+, B-) 및 제3 전기자 권선(C+, C-)으로 그룹핑될 수 있다.
이때, 특정 고정자 치(112)에는 이종 그룹의 전기자 권선(115)이 형성될 수 있다. 또한, 특정 고정자 치(112)에는 동일한 그룹의 전기자 권선(115)이 형성될 수도 있다.
내부 고정자(120)는 외부 고정자(110)의 반경 방향 내측에 마련될 수 있다. 내부 고정자(120)의 외부 고정자(110)의 내측에 형성되어 있는 중공이 인입될 수 있다. 이를 위해, 내부 고정자(120)는 외부 고정자(110)보다 직경이 작은 원통 형상으로 구비될 수 있다.
또한, 내부 고정자(120)의 내측에는 중공이 형성될 수 있다. 이에 따라, 내부 고정자(120)는 샤프트(140)의 외주면에 축 결합할 수 있다. 이때, 샤프트(140)의 외주면과 내부 고정자(120)의 내경면 사이에는 원활한 상대 회전을 지지하기 위한 베어링(160)이 구비될 수 있다.
또한, 샤프트(140)의 외주면 길이 방향 일측에는 샤프트(140)와 회전자(130)를 연결시키기 위한 원반 형태의 플레이트(150)가 체결될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 외부 고정자(110) 및 이의 중공에 인입되는 내부 고정자(120) 사이에는 회전자(130)가 개재되어 샌드위치 구조를 이룰 수 있는데, 이에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 내부 고정자(120)는 제1 컨시퀀트 폴(consequent pole) 구조를 가질 수 있다.
상기 제1 컨시퀀트 폴 구조는 제2 영구 자석(121) 및 제1 금속 치(122)가 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루어질 수 있다.
여기서, 제2 영구 자석(121)은 제1 영구 자석(111)과 동일한 자계 방향을 가질 수 있다. 또한, 제2 영구 자석(121)은 제1 영구 자석(111)과 동일한 개수로 구비될 수 있다. 그리고 제2 영구 자석(121)은 회전자(130)에 구비되는 제3 영구 자석(131)보다 상대적으로 적은 개수로 구비될 수 있다.
예를 들어, 제2 영구 자석(121)은 회전자(130)에 구비되는 제3 영구 자석(131)보다 1개 적은 개수로 구비될 수 있다. 일례로, 제1 영구 자석(111)과 제2 영구 자석(121)은 12개로 구비될 수 있고, 제3 영구 자석(131)은 13개로 구비될 수 있다.
하지만, 이는 일례일 뿐, 제1 영구 자석(111), 제2 영구 자석(121) 및 제3 영구 자석(131)은 전술한 상관 관계를 만족하는 다양한 개수로 구비될 수 있음은 물론이다.
여기서, 제1 영구 자석(111)과 제2 영구 자석(121)은 동일한 자계 방향을 가짐에 따라, 회전자(130)에 구비되는 제3 영구 자석(131)을 이들 사이로 당겨주게 된다.
이때, 제1 영구 자석(111)과 제2 영구 자석(121)이 동일한 자계 방향을 가짐에 따라, 이들 사이를 통과한 제3 영구 자석(131)이 다시 뒤로 당겨지는 문제가 발생될 수 있다. 이 경우, 내부 고정자(120)에 구비되는 제2 영구 자석(121)과 회전자(130)에 구비되는 제3 영구 자석(131)의 개수 차이가 1일 때, 제1 영구 자석(111)과 제2 영구 자석(121)을 통과한 제3 영구 자석(131)이 뒤로 다시 당겨지는 힘이 최소화될 수 있다.
한편, 제2 영구 자석(121)과 함께 원주 방향으로 교번하여 배열되어 제1 컨시퀀트 폴 구조를 이루는 제1 금속 치(122)는 제2 영구 자석(121)의 형성 개수에 대응되는 개수로 구비될 수 있다. 제1 금속 치(122)는 제2 영구 자석(121)과 원주 방향으로 서로 밀착될 수 있다. 이를 통하여, 제1 금속 치(122)는 제2 영구 자석(121)을 지지할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 금속 치(122)는 금속 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 금속 치(122)는 철(iron)을 포함하는 금속 재질로 이루어질 수 있다.
계속해서, 도 1 및 도 2를 참조하면, 회전자(130)는 외부 고정자(110)의 반경 방향 내측에 마련될 수 있다. 또한, 회전자(130)는 내부 고정자(120)의 반경 방향 외측에 마련될 수 있다. 즉, 회전자(130)는 외부 고정자(110)와 내부 고정자(120) 사이에 샌드위치될 수 있다.
회전자(130)는 내측에 중공이 형성된 원통 형상으로 구비될 수 있다. 이때, 회전자(130)의 직경은 외부 고정자(110)의 직경보다 작고 내부 고정자(120)의 직경보다 클 수 있다. 이에 따라, 회전자(130)는 외부 고정자(110)의 내측에 형성되어 있는 중공이 인입될 수 있다. 또한, 회전자(130)의 내측에 형성되어 있는 중공에는 내부 고정자(120)가 인입될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 외부 고정자(110)와 내부 고정자(120) 사이에 회전자(130)가 샌드위치된 구조로 이루어질 수 있다.
회전자(130)는 제2 컨시퀀트 폴 구조를 가질 수 있다. 상기 제2 컨시퀀트 폴 구조는 제3 영구 자석(131) 및 제2 금속 치(132)가 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제3 영구 자석(131)은 동일한 개수로 구비되는 제1 영구 자석(111) 및 제2 영구 자석(121)보다 상대적으로 많은 개수로 구비될 수 있다.
예를 들어, 제3 영구 자석(131)은 외부 고정자(110)에 구비되는 제1 영구 자석(111)보다 1개 많은 개수로 구비될 수 있다. 또한, 제3 영구 자석(131)은 내부 고정자(120)에 구비되는 제2 영구 자석(121)보다 1개 많은 개수로 구비될 수 있다.
일례로, 제3 영구 자석(131)은 13개로 구비될 수 있으며, 이에 따라, 제1 영구 자석(111)과 제2 영구 자석(121)은 12개로 구비될 수 있다. 즉, 제3 영구 자석(131)과 제2 영구 자석(121)의 형성 개수 차이는 1일 수 있다. 이에 따라, 제1 영구 자석(111)과 제2 영구 자석(121)에 의해 당겨져 이들 사이를 통과한 제3 영구 자석(131)이 동일한 자계 방향을 가지는 제1 영구 자석(111)과 제2 영구 자석(121)에 의해 다시 뒤로 당겨지는 힘이 최소화될 수 있다.
한편, 제3 영구 자석(131)과 함께 원주 방향으로 교번하여 배열되어 제2 컨시퀀트 폴 구조를 이루는 제2 금속 치(132)는 제3 영구 자석(131)의 형성 개수에 대응되는 개수로 구비될 수 있다. 제2 금속 치(132)는 제3 영구 자석(131)과 원주 방향으로 서로 밀착될 수 있다. 이를 통하여, 제2 금속 치(132)는 제3 영구 자석(131)을 지지할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제2 금속 치(132)는 제1 금속 치(122)와 동일한 금속 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제2 금속 치(132)는 철(iron)을 포함하는 금속 재질로 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 서로 동일한 자계 방향을 가지는 제1 영구 자석(111) 및 제2 영구 자석(121)을 각각 구비하는 외부 고정자(110)와 내부 고정자(120), 그리고 외부 고정자(110)와 내부 고정자(120) 사이에 샌드위치되며 제3 영구 자석(131)을 구비하는 회전자(130)를 포함하며, 이를 통하여, 삼중 자속 변조(triple flux modulation)를 가질 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 역 기전력(back EMF) 및 토크 밀도(torque density)를 증가시킬 수 있으며, 이를 통하여, 저속에서 높은 토크를 필요로 하는 예컨대, 풍력 발전기의 버니어 기계로 적용될 수 있다.
여기서, 상기 삼중 자속 변조는 내부 고정자(120)에 구비되는 제1 금속 치(122)에 의한, 회전자(130)에 구비되는 제3 영구 자석(131)의 자속 변조, 회전자(130)에 구비되는 제2 금속 치(132)에 의한, 내부 고정자(120)에 구비되는 제2 영구 자석(121)의 자속 변조 및 회전자(130)에 구비되는 제2 금속 치(132)에 의한, 외부 고정자(110)에 구비되는 제1 영구 자석(111)의 자속 변조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 에너지 변환 장치(100)는 이러한 삼중 자속 변조를 위하여 하기의 방정식 1 내지 방정식 3을 만족할 수 있다.
[방정식 1]
P = Zrpm - Zist
[방정식 2]
P = Zispm - Zrt
[방정식 3]
P = Zospm - Zrt
여기서, 상기 P, Zrpm, Zist, Zispm, Zospm 및 Zrt는 각각, 전기자 권선(115)의 폴 페어 수, 제3 영구 자석(131)의 폴 페어 수, 제1 금속 치(122)의 폴 페어 수, 제2 영구 자석(121)의 폴 페어 수, 제1 영구 자석(111)의 폴 페어 수 및 제2 금속 치(132)의 폴 페어 수를 나타낸다. 이때, P는 1의 절대값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 3개의 영구자석 기자력(PM MMF) 소스를 가질 수 있다. 여기서, 3개의 영구자석 기자력 소스는 외부 고정자(110)에 구비되는 제1 영구 자석(111), 내부 고정자(120)에 구비되는 제2 영구 자석(121) 및 회전자(130)에 구비되는 제3 영구 자석(131)일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 3개의 영구자석 기자력 소스 모두는 내부 고정자(120)에 제공되는 제1 컨시퀀트 폴 구조 및 회전자(130)에 제공되는 제2 컨시퀀트 폴 구조에 의해 생성되는 퍼미언스(permeance) 변화에 의하여 변조될 수 있다.
이러한 삼중 자속 변조를 확인하기 위하여, 각각의 영구자석 기자력 소스의 개별 자속 변조를 분석하였다.
도 3은 오직 회전자에 영구자석을 구비하는 에너지 변환 장치의 에어 갭(air gap) 자속 밀도를 보여주며, 도 4는 이때 생성되는 고조파(harmonic) 스펙트럼을 보여준다.
회전자에 구비되는 13개의 영구 자석 폴 페어의 자속은 내부 고정자에 구비되는 12개의 치에 의해 변조되고, 이에 따라, 에너지로 활용되는 첫 번째 고조파가 생성된다. 이에 따라, 상기 방정식 1을 만족한다. 그러므로, 회전자의 폴 페어(pole pairs)와 내부 고정자의 치의 수는 권선 폴 페어(P = 절대값 1)와 동일한 고조파를 생성하기 위하여 선택된다.
첫 번째 고조파는 권선 폴 페어와 동일하고 외부 고정자에 구비되는 전기자 권선에서 역 기전력을 유도하기 때문에 중요하다. 첫 번째 고조파의 값을 증가시키면, 에너지 변환 장치의 역 기전력(back EMF)가 증가하여, 에너지 변환 장치의 토크가 증가하게 된다. 따라서, 회전자에 구비되는 영구 자석의 자속이 변조된다. 이러한 첫 번째 고조파는 외부 고정자에 구비되는 전기자 권선에서 역 기전력을 유도한다.
또한, 내부 고정자에 구비되는 12개의 영구 자석 폴 페어의 자속은 회전자에 구비되는 13개의 돌출된 금속 치를 통하여 변조되고, 에어 갭 자속 밀도에서 고조파가 생성된다. 이에 따라, 상기 방정식 2를 만족한다. 생성되는 고조파는 외부 고정자에 구비되는 전기자 권선에서 동일한 주파수의 역 기전력을 유도한다.
도 5는 오직 외부 고정자에 영구자석을 구비하는 에너지 변환 장치의 에어 갭(air gap) 자속 밀도를 보여주며, 도 6은 이때 생성되는 고조파(harmonic) 스펙트럼을 보여준다.
외부 고정자에 구비되는 12개의 영구 자석 폴 페어의 자속은 회전자에 구비되는 13개의 치에 의해 변조되고, 이에 따라, 상기 방정식 3을 만족한다. 이 경우, 첫 번째 고조파가 생성되며, 이는, 외부 고정자에 구비되는 12개의 영구 자석 폴 페어의 자속 또한 변조되고 외부 고정자에 구비되는 전기자 권선에서 역 기전력을 유도하는 것을 보여준다.
이와 같이, 방정식 1 내지 방정식 3을 만족함으로써, 3개의 영구 자석 기자력 소스, 즉, 회전자에 구비되는 영구 자석(제3 영구 자석), 내부 고정자에 구비되는 영구 자석(제2 영구 자석) 및 외부 고정자에 구비되는 영구 자석(제1 영구 자석) 모두 변조된다. 그러므로, 상기 3개의 영구 자석 기자력 소스를 모두 구비하는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 삼중 자속 변조를 가지는 것으로 볼 수 있다.
이와 같은 삼중 자속 변조로 인해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)의 역 기전력 및 토크 밀도는 증가될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 예를 들어 저속에서 높은 토크를 필요로 하는 풍력 발전기의 버니어 기계로 적용될 수 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100; 에너지 변환 장치
110; 외부 고정자
111; 제1 영구 자석
112; 고정자 치
113; 고정자 슬롯
115; 전기자 권선
120; 내부 고정자
121; 제2 영구 자석
122; 제1 금속 치
130; 회전자
131; 제3 영구 자석
132; 제2 금속 치
140; 샤프트
150; 플레이트
160; 베어링

Claims (10)

  1. 내경면에 원주 방향으로 이격 배열되는 제1 영구 자석을 구비하는 외부 고정자;
    상기 외부 고정자의 반경 방향 내측에 마련되되, 상기 제1 영구 자석과 동일한 자계 방향을 가지는 제2 영구 자석 및 제1 금속 치(teeth)가 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루는 제1 컨시퀀트 폴 구조를 가지는 내부 고정자; 및
    상기 외부 고정자 및 상기 내부 고정자 사이에 샌드위치되되, 제3 영구 자석 및 제2 금속 치가 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루는 제2 컨시퀀트 폴 구조를 가지는 회전자;를 포함하되,
    상기 외부 고정자는 내경 측에서 원주 방향으로 배열되는 고정자 치 및 상기 고정자 치에 마련되는 전기자 권선을 더 구비하며,
    삼중 자속 변조를 위하여 하기의 방정식 1 내지 방정식 3을 만족하고,
    [방정식 1]
    P = Zrpm - Zist
    [방정식 2]
    P = Zispm - Zrt
    [방정식 3]
    P = Zospm - Zrt
    여기서, 상기 P, Zrpm, Zist, Zispm, Zospm 및 Zrt는 각각, 상기 전기자 권선의 폴 페어 수, 상기 제3 영구 자석의 폴 페어 수, 상기 제1 금속 치의 폴 페어 수, 상기 제2 영구 자석의 폴 페어 수, 상기 제1 영구 자석의 폴 페어 수 및 상기 제2 금속 치의 폴 페어 수를 나타내며,
    상기 P는 1의 절대값을 가지는, 에너지 변환 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 삼중 자속 변조는 상기 제1 금속 치에 의한 상기 제3 영구 자석의 자속 변조, 상기 제2 금속 치에 의한 상기 제2 영구 자석의 자속 변조 및 상기 제2 금속 치에 의한 상기 제1 영구 자석의 자속 변조로 이루어지는, 에너지 변환 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 영구 자석과 상기 제2 영구 자석은 동일한 개수로 구비되는, 에너지 변환 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제3 영구 자석은 상기 제2 영구 자석보다 더 많은 개수로 구비되는, 에너지 변환 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제3 영구 자석과 상기 제2 영구 자석의 형성 개수 차이는 1인, 에너지 변환 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 영구 자석은 상기 회전자와 마주하는 상기 고정자 치의 단부에 구비되는, 에너지 변환 장치.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 금속 치와 상기 제2 금속 치는 동일한 금속 재질로 이루어지되, 철(iron)을 포함하는 금속 재질로 이루어지는, 에너지 변환 장치.
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