KR102551042B1 - 하이브리드 여자 방식의 발전기 - Google Patents

하이브리드 여자 방식의 발전기 Download PDF

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KR102551042B1 KR1020220142205A KR20220142205A KR102551042B1 KR 102551042 B1 KR102551042 B1 KR 102551042B1 KR 1020220142205 A KR1020220142205 A KR 1020220142205A KR 20220142205 A KR20220142205 A KR 20220142205A KR 102551042 B1 KR102551042 B1 KR 102551042B1
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Abstract

본 발명은 하이브리드 여자 방식의 발전기에 관한 것이다. 본 발명의 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기는 영구 자석형 계자와 권선형 계자를 이용하여 하이브리드 여자기를 구성한다. 하이브리드 여자기는 영구 자석형 계자에서 생성된 자기장의 방향과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 권선형 계자로 계자 전류를 인가하여 주발전기의 발전 전압을 제어한다. 본 발명에 의하면, 하이브리드 여자기의 영구 자석형 계자를 활용하여 발전기 효율을 증대시키고, 권선형 계자를 활용하여 기존의 발전기 특성을 갖도록 유선의 제어 방식을 활용할 수 있다.

Description

하이브리드 여자 방식의 발전기{HYBRID EXCITATION GENERATOR}
본 발명은 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로 여자기의 계자 부분에 영구 자석형 계자와 권선형 계자를 병렬로 사용하는 하이브리드 형태의 여자기를 적용하여 발전기 효율 개선과 기존 발전기의 제어 특성을 갖도록 하는 하이브리드 여자 방식의 발전기에 관한 것이다.
대부분의 산업용 및 건물용 비상 발전기는 디젤 엔진을 동력원으로 전기를 발생시키는 동기 발전기로서, 권선형 여자기와 자동 전압 조정기(Automatic Voltage Regulator : AVR)를 결합한 형태가 가장 일반적으로 적용되어 있다.
이러한 권선형 여자기는 여자기에 남아있는 잔류 자속에 의해 초기 교류 전압을 형성하고, 자동 전압 조정기(AVR)로부터 여자기의 계자 전류를 공급받아서, 교류 전압을 발전하고, 다이오드 정류기를 통해서 여자기의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 주발전기의 계자 권선으로 공급한다. 이에 주발전기는 계자 권선으로 공급된 직류 전압을 통해 발전시에 필요한 계자 자속을 발생하게 된다. 자동 전압 조정기(AVR)는 주발전기의 출력 전압에서 전력을 공급받는다. 자동 전압 조정기(AVR)는 발전기의 출력 전압을 제어하기 위해, 여자기의 계자 전류를 제어하게 된다.
이러한 동기 발전기는 주발전기와 여자기의 코일의 손실 예를 들어, 동손, 철손 등과, 자동 전압 조정기(AVR)의 발전 전압 사용에 따른 손실 등이 발생하게 되며, 이로 인하여 발전기 시스템의 전체 효율이 감소하는 단점이 있다. 또한, 여자기의 잔류 자속이 존재해야만 정상 동작이 가능하며, 잔류 자속은 시간 및 환경에 따라 소멸될 수 있으며 이러한 경우, 발전 전압은 형성되지 않는다.
이에 비하여 여자기를 영구 자석형 여자기로 대체하게 되면, 기존의 권선형 여자기에 비해 효율을 개선시킬 수 있고, 잔류 자속의 소멸에 따른 문제를 해결할 수 있다. 영구 자석형 여자기는 기존 권선형 여자기의 여자기 계자 부분을 영구 자석으로 대체하는 것으로, 영구 자석이 가지고 있는 자력에 의해 여자기의 교류 전압을 발전하며 마찬가지로 여자기의 교류 전압은 다이오드 정류기를 통해서 주발전기 계자에 연결되어 계자 자속을 발생하게 된다.
그러나 영구 자석형 여자기는 여자기 전기자에서 발생되는 출력 전압이 일정하여 발전기의 계자 전류를 조절하기 어려우므로, 발전기 내부에서 발전기의 계자 전류를 제어하기 위한 전류 제어기가 필수적이다. 특히, 내장형 전류 제어기는 발전기 출력 전압의 직접적인 검출이 어려워 외부 제어기를 통해 발전기 전압 제어를 위한 계자 전류 지령치를 받아야 한다. 이 때, 내장형 전류 제어기는 회전자에 부착되어 회전하게 되므로, 유선 방식이 아닌 무선 통신 방식을 사용해야만 한다. 이에 회전하는 소자에 통신으로 명령을 전달하는 것은 불안정한 제어 발생의 요소가 크다는 단점이 있다. 즉, 통신 거리 및 환경에 따른 제한을 받으며, 특히 발전기는 진동을 발생하는 장치로 제어 소자에 영향을 줄 수 있다.
또한 영구 자석으로만 이루어진 여자기의 계자는 높은 발전기 효율 특성을 가지게 되지만, 부하 변동과 주파수 변동에 대해서 여자기의 전기자에서 발생되는 교류 전압이 변동하게 되므로, 주발전기에서 필요한 계자 자속을 만들기 위한 계자 전류의 변동폭이 크다. 즉, 제어 범위가 크다는 것은 소자의 구성 및 원할한 제어에 어려움이 있으며, 다양한 발전기의 용량에 적용하기 어렵다.
한국 공개특허공보 제10-2012-0119233호(공개일 2012년 10월 31일) 한국 공개특허공보 제10-2020-0014600호(공개일 2020년 02월 11일) 한국 등록특허공보 제10-2293663호(공고일 2021년 08월 26일) 한국 등록특허공보 제10-1417509호(공고일 2014년 07월 21일)
본 발명의 목적은 영구 자석형 계자와 권선형 계자를 이용하는 하이브리드 형태의 여자기를 적용하는 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 여자기의 계자를 영구 자석형 계자와 권선형 계자로 구비하여 발전기 효율을 개선하기 위한 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 영구 자석형 계자와 권선형 계자를 이용하는 하이브리드 형태의 여자기를 적용하여 발전기 제어 특성을 유지할 수 있도록 하는 하이브리드 여자 방식의 발전기를 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위한, 본 발명의 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기는 영구 자석형 계자와 권선형 계자를 이용하여 하이브리드 형태의 여자기를 구성하는데 그 한 특징이 있다. 이와 같은 본 발명의 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기는 하이브리드 여자기의 영구 자석 계자를 활용하여 발전기 효율을 증대시키고, 권선형 계자를 활용하여 기존의 발전기 특성을 갖도록 유선의 제어 방식을 활용할 수 있다.
이 특징에 따른 본 발명의 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기는, 계자로 구성되는 제1 회전자와, 전기자로 구성되는 제1 고정자를 포함하는 주발전기; 전기자로 구성되는 제2 회전자와, 상호 병렬로 형성된 영구 자석형 계자와 권선형 계자로 구성되는 제2 고정자를 포함하여 상기 제2 회전자로부터 교류 전원을 생성하여 출력하는 하이브리드 여자기; 상기 제2 회전자로부터 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 제1 회전자로 공급하는 제1 정류기; 및 상기 제1 고정자로부터 출력되는 발전 전압을 받아서 상기 제2 고정자로 계자 전류를 공급하고, 상기 영구 자석형 계자에서 생성된 자기장의 방향과 동일한 방향으로 상기 권선형 계자에 계자 전류를 인가하여 상기 제2 회전자에서 생성되는 교류 전압을 증가시키고, 반대 방향으로 인가하여 상기 제2 회전자에서 생성되는 교류 전압을 감소시켜서 상기 발전 전압을 제어하는 제어기를 포함한다.
이 특징에 있어서, 상기 하이브리드 여자기는, 상기 영구 자석형 계자의 자석 N극과 상기 권선형 계자 코일의 양극 단자, 상기 영구 자석형 계자의 자석 S극과 상기 권선형 계자 코일의 음극 단자가 서로 마주보고 코어의 원을 기준으로 같은 직경 선상과 동일한 각도로 배치된다.
이 특징에 있어서, 상기 제어기는, 상기 제1 고정자로부터 출력하는 발전 전압을 직류 전원으로 변환하여 상기 권선형 계자로 출력하는 제2 정류기; 및 상기 권선형 계자의 계자 전류를 상기 영구 자석형 계자의 자기장 방향과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 인가되도록 스위칭하는 스위칭 전류 회로를 포함한다.
이 특징에 있어서, 상기 영구 자석형 계자는 상기 주발전기의 계자 권선에 필요한 계자 자속을 생산하고, 상기 권선형 계자는 상기 주발전기의 발전 전압을 제어한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 하이브리드 여자 방식의 발전기는 여자기의 계자에 영구 자석형 계자와 권선형 계자를 활용하여 하이브리드 여자기를 구성함으로써, 영구 자석형 계자를 활용하여 발전기 효율을 증대시키고, 권선형 계자를 활용하여 기존의 발전기 제어 특성을 갖도록 할 수 있다.
또 본 발명의 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기는 영구 자석형 계자와 권선형 계자가 병렬로 사용되므로, 영구 자석형 계자를 이용하여 계자 자속을 제어하고, 권선형 계자를 이용하여 여자기 전기자에서 발생되는 교류 전압의 제어가 가능하다.
또 본 발명의 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기는 영구 자석형 계자의 자속 방향은 정해져 있고, 권선형 계자의 자속 방향 및 계자 전류를 조절하여 영구 자석으로 형성된 자속의 양이 조절 가능하므로, 권선형 계자를 통해 여자기 전기자에서 발생되는 교류 전압의 제어가 가능하고, 이로 인해, 기존의 동기 발전기에 적용된 내장형 전류 제어기 및 무선 통신이 필요없다.
또한 본 발명의 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기는 영구 자석형 계자를 주요 자속원으로 사용하면서 영구 자석형 계자에서 발생되는 자속의 양을 권선형 계자가 조절해 주는 역할 만을 담당하기 때문에, 권선형 계자에 필요한 계자 전류가 줄어들어 소량의 코일로도 구성이 가능하고, 기존 대비 저항의 감소 및 계자 전류가 축소되는 구조로 동손의 감소가 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기의 구조를 나타내는 도면,
도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 여자기의 상세한 구조를 나타내는 도면,
도 3a 및 도 3b은 도 2에 도시된 영구 자석형 계자와 권선형 계자의 자속 흐름을 상세히 나타내는 도면들, 그리고
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기의 동작 시퀀스를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 서술하는 실시예로 인해 한정되어지는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 구성 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어진 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기는 여자기 계자에 영구 자석형 계자와 권선형 계자를 구비하는 하이브리드 여자기를 포함하고, 이를 통해 하이브리드 여자기의 영구 자석 계자를 활용하여 발전기 효율을 증대시키고, 권선형 계자를 활용하여 기존의 발전기 제어 특성을 갖도록 유선의 제어 방식을 활용할 수 있다.
이하 첨부된 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기(100)는 여자기의 계자 부분에 영구 자석형 계자(122a)와 권선형 계자(122b)를 구비하고, 영구 자석형 계자(122a)와 권선형 계자(122b)를 병렬로 사용하는 하이브리드 형태의 여자기 즉, 하이브리드 여자기(120)를 구비하고, 이를 통해 발전기 효율 개선과 기존의 발전기 제어 특성을 유지하도록 한다.
이를 위해 본 발명의 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기(100)는 본체(102), 회전축(104), 주발전기(110), 하이브리드 여자기(120), 제1 정류기(130) 및 제어기(140)를 포함한다.
구체적으로, 주발전기(110)는 제1 고정자(112) 및 제1 회전자(114)를 포함한다. 주발전기(110)는 본체(102)의 내부 중앙에 전후 방향으로 연장 형성되는 회전축(104)이 구비된다. 회전축(104)은 본체(102)에 회전 가능하게 설치된다.
제1 회전자(114)는 하나의 계자로 구비되어 본체(102)에 회전 가능하게 설치된 회전축(104)에 고정되어 회전되고, 본체(102)에 고정된 제1 고정자(112)와 자기적으로 결합된다.
제1 고정자(112)는 하나의 전기자로 구비되어 제어기(140)와 전기적으로 연결되고, 제1 회전자(114)는 하이브리드 여자기(120)의 제2 회전자(124)와 전기적으로 연결된다. 제1 회전자(114)와 제2 회전자(124) 사이에는 제1 정류기(130)가 구비된다.
하이브리드 여자기(120)는 제2 고정자(122 : 122a, 122b)와 제2 회전자(124)를 포함한다. 제2 고정자(122)는 2개의 계자 즉, 영구 자석형 계자(122a)와 권선형 계자(122b)로 구성되고, 본체(102)에 고정된다. 영구 자석형 계자(122a)와 권선형 계자(122b)는 제어기(140)에 대해 병렬로 연결된다. 영구 자석형 계자(122a)와 권선형 계자(122b)는 회전축(104)의 길이 방향에 따라 서로 마주보게 배치된다. 제2 회전자(124)는 하나의 전기자로 구성되어 제1 정류기(130)와 전기적으로 연결되고, 제2 고정자(122)와 자기적으로 결합된다. 따라서 제1 및 제2 회전자(114, 124)는 회전축(104)에 고정되어 본체(104)에 대해 회전된다. 이러한 하이브리드 여자기(120)는 하나의 전기자 즉, 제2 회전자(124)에 대해 2개의 계자 즉, 영구 자석형 계자(122a)와 권선형 계자(122b)가 배치된다.
제1 정류기(130)는 예를 들어, 복수 개의 다이오드들을 구비하는 다이오드 정류기로, 하이브리드 여자기(120)의 제2 회전자(124)로부터 출력되는 교류 전원을 정류하여 직류 전원으로 변환하고, 직류 전원을 주발전기(110)의 제1 회전자(114)로 공급한다.
그리고 제어기(140)는 예를 들어, 자동 전압 조정기(AVR), 컨트롤러 등으로 구비되어, 본체(102)의 외부에 설치된다. 제어기(140)는 주발전기(110)의 제1 고정자(112)와 하이브리드 여자기(120)의 제2 고정자(122) 사이에 구비되어 제1 고정자(112)로부터 주발전기(110)의 발전 전압을 공급받고, 제2 고정자(122)로 하이브리드 여자기(120)의 계자 전류를 출력한다. 이에 하이브리드 여자기(120)는 제어기(140)로부터 계자 전류를 공급받아서 교류 전압을 발전하고, 하이브리드 여자기(120)의 교류 전압은 제1 정류기(130)를 통해 주발전기(110)의 계자 권선 즉, 제1 회전자(114)에 연결되어 발전 시, 필요한 계자 자속을 발생한다.
제어기(140)는 주발전기(110)의 제1 고정자(112)로부터 출력되는 발전 전압을 받아서 하이브리드 여자기(120)의 제2 고정자(122)로 계자 전류를 공급한다. 이때, 제어기(140)는 영구 자석형 계자(122a)에서 생성된 자기장의 방향과 동일한 방향으로 권선형 계자(122b)에 계자 전류를 인가하여 제2 회전자(124)에서 생성되는 교류 전압을 증가시키고, 반대 방향으로 인가하여 제2 회전자(124)에서 생성되는 교류 전압을 감소시켜서 주발전기(110)의 발전 전압을 제어한다.
이 실시예의 제어기(140)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 정류기(142)와 스위칭 전류 회로(144)를 포함한다. 제2 정류기(142)는 다이오드 정류기로 구비되고, 스위칭 전류 회로(144)는 복수 개의 스위칭 소자(Q1 ~ Q4)를 포함하는 브리지 회로로 구비된다. 제2 정류기(142)는 제1 고정자(112)로부터 출력하는 발전 전압을 직류 전원으로 변환하여 제2 고정자(112)의 권선형 계자(122b)로 출력한다. 스위칭 전류 회로(144)는 제2 고정자(112)의 권선형 계자(122b)의 계자 전류를 영구 자석형 계자(122a)의 자기장 방향과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 인가되도록 스위칭한다.
따라서 본 발명의 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기(100)는 영구 자석형 계자(122a)에서 생성된 자기장의 방향과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 권선형 계자(122b)에 계자 전류를 인가하여 제2 회전자(124)에서 생성되는 교류 전압을 증가 또는 감소시켜서 주발전기(110)의 발전 전압을 제어한다.
도 2는 도 1에 도시된 하이브리드 여자기의 상세한 구조를 나타내는 도면이고, 도 3a 및 도 3b은 도 2에 도시된 영구 자석형 계자와 권선형 계자의 자속 흐름을 상세히 나타내는 도면들이다.
도 2 내지 도 3b를 참조하면, 본 발명의 하이브리드 여자기(120)는 제2 고정자(122) 즉, 여자기 계자가 영구 자석형 계자(122a)와 권선형 계자(122b)의 두 개의 형태로 구성되며, 제2 회전자(124) 즉, 여자기 전기자는 하나로 구성된다. 이때, 하나의 여자기 전기자(124)에 각각 절반씩 영구 자석 형태와 권선 형태의 두 개의 여자기 계자(122)가 존재한다.
여기서 영구 자석형 계자(122a)는 교류 전원을 생산하고, 권선형 계자(122b)는 제어 역할을 담당한다. 즉, 영구 자석형 계자(122a)는 주발전기(110)의 계자 권선에 필요한 계자 자속을 생산하고, 권선형 계자(122b)는 영구 자석형 계자(122a)의 자력을 보충하거나 상쇄시키는 역할을 하여 주발전기(110)로부터 출력되는 발전 전압의 제어가 가능하게 한다. 영구 자석형 계자(122a)로 인해 발생되는 여자기 전기자(124)의 교류 전원은 최대치로 제어없이 주발전기(110)의 계자로 인가되었을 시에는 발전기 출력 전압이 높게 형성된다.
또 종래의 영구 자석형 여자기에서는 여자기 전기자에서 발생되는 전류 제어를 통해 발전기 출력 전압을 제어하였지만, 본 발명에서는 권선형 계자(122b)를 통해 제어가 가능하다. 즉, 권선형 계자(122b)에 영구 자석형 계자(122a)에서 생성된 자기장의 방향과 동일하게 계자 전류를 인가하면, 여자기 전기자(124)에서 생성되는 교류 전압은 증가하고, 반대로 인가하면, 여자기 전기자(124)에서 생성되는 교류 전압은 감소한다.
이는 자속을 형성하는 여자기 계자가 2개이고, 이에 대응하여 마주보게 배치된 여자기 전기자에 적용 시에만 가능하다. 그 이유는 계자의 자속 증폭 및 상쇄를 하기 위해서는 서로 상호 작용을 해야하기 때문이다. 쉽게 말해, 자속의 방향에 따라 전류의 방향은 바뀐다. 본 발명에서의 영구 자석형 계자(122a)의 자속 방향은 정해져 있는 것으로, 병렬로 구성된 권선형 계자(122b)의 자속 방향 및 계자 전류를 조절하여 영구 자석으로 형성된 자속의 양이 조절 가능하다. 여자기 전기자(124)는 여자기 계자(122)의 자속의 양에 따라 교류 전압이 결정되는데 이러한 원리로 영구 자석을 사용하더라도 권선형 계자(122b)를 통해 여자기 전기자(124)에서 발생되는 교류 전압의 제어가 가능하다. 이는 기존의 동기 발전기에 적용된 내장형 전류 제어기 및 무선 통신이 필요없으며, 영구 자석으로 인한 효율 증대 효과 및 종래의 발전기 제어 시스템의 유지가 가능하다.
또 발전기 효율에 미치는 손실은 크게 풍손, 철손, 동손으로 볼 수 있다. 각 여자기와 발전기에서 풍손과 같은 기계손을 제외하면, 대부분의 손실은 여자기와 발전기의 권선에서 발생하는 동손과 코어에서 발생하는 철손으로 표현될 수 있다. 여기서 철손은 고정손이라고도 표현되며, 대부분의 발전기에서 발생하는 철손은 같다고 봐도 무방하다.
이에 발전기 효율을 높이기 위해서는 동손에서 발생하는 손실을 줄여야 가능한데, 동손은 '전류의 제곱승 * 코일의 저항'으로도 표현된다. 따라서 코일의 권선 저항과 흐르는 전류를 최소한으로 구성해야 효율이 증대된다고 할 수 있다. 이에 영구 자석을 사용하면, 코일에서 발생하는 동손이 줄어 들어 효율을 높이기 위한 방법으로 사용되어진다. 주발전기(110)를 제외한 코일로 이루어진 부분은 영구 자석형 계자(122a)와 함께 구성된 권선형 계자(122b) 및 여자기 전기자(124)이다.
기존의 권선형 계자로만 구성된 형태에 비해 본 발명의 하이브리드 계자 형태는 권선형 계자(122b)에 필요한 계자 전류가 줄어든다. 이는 영구 자석형 계자(122a)를 주요 자속원으로 사용하면서 영구 자석형 계자(122a)에서 발생되는 자속의 양을 권선형 계자(122b)가 조절해 주는 역할 만을 담당하기 때문에, 소량의 코일로도 구성이 가능하고, 기존 대비 저항의 감소 및 계자 전류가 축소되는 구조로 동손의 감소가 가능하다.
또한 여자기 계자(122)로 인한 여자기 전기자(124)에서 발생하는 교류 전압은 영구 자석형으로만 이루어진 계자에서는 일정하게 발생되지만 영구 자석형 계자(122a)와 권선형 계자(122b)가 함께 이루어진 하이브리드 구조에서는 교류 전압의 변동이 가능하다.
이러한 제어 형태는 여자기 계자 부분(122)의 제어가 가능하며 여자기 전기자(124)에서 발생하는 교류 전압의 조절이 가능하기 때문에 내장형 전류 제어기가 불필요하며, 그로 인해 여자기 전기자(124)에서 발생하는 전류의 범위가 축소될 수 있다. 여자기 전기자(124)의 출력은 '전압 * 전류'로, 전압과 전류는 동일한 출력에서 반비례 관계이다. 여자기 전기자(124)에서 발생하는 출력은 궁극적으로 제1 정류기(130)를 거쳐 정류하여 주발전기(110)의 계자에 필요량 만큼 인가해주는 것으로 여자기 계자(122)에서 입력되는 자속의 제어가 가능하면, 여자기 전기자(124)에서 발생하는 전압의 양이 변화될 수 있다. 이는 결국 여자기 전기자(124)에서 발생하는 전류 제어가 아닌 전압 제어로 하이브리드 여자기(120)에서 발생하는 출력을 생성할 수 있다. 즉, 여자기 전기자(124)는 회전하는 부위의 제어가 아니므로 무선 통신으로 제어할 필요성이 없어지며, 영구 자석을 사용하되 하이브리드 형태의 여자 방식을 적용하여 기존 발전기의 제어 방식을 유지할 수 있다.
이 실시예에서, 하이브리드 여자기(120)의 구조는 하나의 전기자(124)에 영구 자석형과 권선형의 두개의 계자(122 : 122a, 122b)가 배치되고, 영구자석형 계자(122a)와 권선형 계자(122b)사이에는 간격유지슬리브(122c)를 삽입고정하여 영구 자석형과 권선형의 두개의 계자(122 : 122a, 122b)의 간격을 고정 유지하게 된다. 즉, 하이브리드 여자기(120)는 도 2에 도시된 바와 같이, 정면을 기준으로 좌측에는 영구 자석형 계자(122a)가 배치되며, 우측에는 권선형 계자(122b)가 배치된다. 배치 시, 영구 자석형 계자(122a)의 자석 N극과 권선형 계자(122b) 코일의 양극(+) 단자, 자석 S극과 코일의 음극(-) 단자가 서로 마주볼 수 있도록 코어의 원을 기준으로 같은 직경 선상에 배치해야 한다. 그 이유는 영구 자석형의 경우, 자력이 N극에서 S극으로 흐르며, 권선형의 경우, 양극(+) 단자에서 음극(-) 단자로 흐르기 때문이다. 코어의 원의 형상을 기준으로 360도 내에 배치된다고 가정했을 때, 각도의 위치는 동일해야만 일정한 자력을 생성할 수 있다.
이에 영구 자석형 계자(122a)와 권선형 계자(122b)는 제2 고정자(122)로 자기장은 그대로 있으며, 운동 에너지 즉, 여자기 전기자(124)의 회전에 의해 전기 에너지가 발생한다. 여기서 영구 자석형 계자(122a)는 엔진에 의해 회전함에 따라 여자기 전기자(124)에 전기 에너지가 발생되며, 회전 방향에 의해 자력은 N극에서 S극으로 흐른다. 영구 자석의 자력 흐름은 자력 방향의 기준이 되며, 영구 자석형 계자(122a)를 기준으로 권선형 계자(122b)에 양극(+) 단자에서 음극(-) 단자로 계자 전류를 흘러보내주게 되면, 동일한 자력 방향을 갖게 되므로, 자기장의 세기가 양의 방향으로 커지고, 권선형 계자(122b)를 음극(-) 단자에서 양극(+) 단자로 계자 전류를 흘러보내면, 영구 자석형 계자(122a)의 방향과 반대로 음의 방향으로 작아지므로, 기존 영구 자석이 가지고 있는 자기장의 세기보다 작아져서 여자기 전기자(124)에 기전력을 발생시킨다.
따라서 영구 자석형 계자(122a)를 사용하더라도 권선형 계자(122b)에 흐르는 계자 전류의 방향을 바꿔주면, 자기장의 제어가 가능하며, 여자기 전기자(124)의 기전력의 크기를 제어할 수 있다. 이는 곧 주발전기(110)의 제1 회전자(114)에 계자 전류의 제어가 가능하다고 할 수 있다.
그리고 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기의 동작 시퀀스를 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기(100)는 발전기가 가동하게 되면, 제2 고정자(122)의 영구 자석형 계자(122a)의 자기장에 의해 제2 회전자(124)에 전기 에너지(Vex)가 발생된다. 그리고 제1 정류기(130)를 거쳐서 직류(Vdc)로 변환되어 제1 회전자(114)에 입력되고 이를 통해 제1 고정자(112)로 발전 전압(Vgen)을 발생시킨다.
이렇게 발생된 제1 고정자(112)의 발전 전압(Vgen)은 제어기(140)에 전달되어 제2 정류기(142)를 거쳐 직류(Vdc)로 변환되어 제2 고정자(122)의 권선형 계자(122b)에 입력되고(Vfe) 이를 통해 발전 전압(Vgen)을 제어한다.
이때, 발전 전압(Vgen)이 목표 전압보다 작을 경우에는 제2 고정자(122)의 권선형 계자(122b)에 영구 자석형 계자(122a)의 자력 방향과 동일하게 계자 전류를 흘려서 발전 전압(Vgen)을 상승시키고, 목표 전압보다 높을 경우에는 영구 자석형 계자(122a)의 자력 방향과 반대로 계자 전류를 흘려서 발전 전압(Vgen)을 하강시켜서 발전 전압(Vgen)을 제어한다. 이를 위해 양방향 형태의 스위칭 전류 회로(144)는 제2 고정자(122)의 권선형 계자(122a)의 계자 전류의 인가 방향을 영구 자석형 계자(122a)의 자력 방향과 동일 또는 반대로 전환되도록 스위칭된다.
이상에서, 본 발명에 따른 하이브리드 여자 방식의 동기 발전기의 구성 및 작용을 상세한 설명과 도면에 따라 도시하였지만, 이는 실시예를 들어 설명한 것에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능하다.
100 : 동기 발전기
102 : 본체
104 : 회전축
110 : 주발전기
112 : 제1 고정자
114 : 제1 회전자
120 : 하이브리드 여자기
122 : 제2 고전자
122a : 영구 자석형 계자
122b : 권선형 계자
122c : 슬리브
124 : 제2 회전자
130 : 제1 정류기
140 : 제어기
142 : 제2 정류기
144 : 스위칭 전류 회로

Claims (4)

  1. 하이브리드 여자 방식의 발전기에 있어서:
    계자로 구성되는 제1 회전자와, 전기자로 구성되는 제1 고정자를 포함하는 주발전기;
    전기자로 구성되는 제2 회전자와, 상호 병렬로 형성된 영구 자석형 계자와 권선형 계자로 구성되는 제2 고정자를 포함하여 상기 제2 회전자로부터 교류 전원을 생성하여 출력하는 하이브리드 여자기;
    상기 제2 회전자로부터 출력되는 교류 전원을 직류 전원으로 변환하여 상기 제1 회전자로 공급하는 제1 정류기; 및
    상기 제1 고정자로부터 출력되는 발전 전압을 받아서 상기 제2 고정자로 계자 전류를 공급하고, 상기 영구 자석형 계자에서 생성된 자기장의 방향과 동일한 방향으로 상기 권선형 계자에 계자 전류를 인가하여 상기 제2 회전자에서 생성되는 교류 전압을 증가시키고, 반대 방향으로 인가하여 상기 제2 회전자에서 생성되는 교류 전압을 감소시켜서 상기 발전 전압을 제어하는 제어기를 포함하고,

    상기 하이브리드 여자기는,
    상기 영구 자석형 계자의 자석 N극과 상기 권선형 계자의 코일의 양극 단자,
    상기 영구 자석형 계자의 자석 S극과 상기 권선형 계자의 코일의 음극 단자가 서로 마주보고 코어의 원을 기준으로 같은 직경 선상과 동일한 각도로 배치되며,
    상기 영구 자석형 계자와 상기 권선형 계자는 회전축의 길이방향을 따라 서로 마주보게 배치되고,

    상기 제어기는,
    상기 제1 고정자로부터 출력하는 발전 전압을 직류 전원으로 변환하여 상기
    권선형 계자로 출력하는 제2 정류기; 및
    상기 권선형 계자의 계자 전류를 상기 영구 자석형 계자의 자기장 방향과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 인가되도록 스위칭하는 스위칭 전류 회로를 포함하고,
    상기 영구자석형 계자와 권선형 계자 사이에는 간격유지용 슬리브를 삽입 고정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 여자 방식의 발전기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 영구 자석형 계자는 상기 주발전기의 계자 권선에 필요한 계자 자속을 생산하고, 상기 권선형 계자는 상기 주발전기의 발전 전압을 제어하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 여자 방식의 발전기.
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