KR102602617B1 - 로렌츠힘의 감소를 통한 고효율 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 로렌츠힘의 감소를 통한 고효율 발전기는 고정자와 회전자를 포함하는 발전기에서 자기장을 발생키는 자석과 유도기전력을 발생시키는 코일을 회전자가 아닌 고정자에 설치하여 자기회로를 만들고 상기 자기회로를 열고 닫아 자기선속을 변화시켜 유도기전력을 발생시킴으로써 로렌츠힘이 감소되어 발전기의 효율을 높일 수 있도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

로렌츠힘의 감소를 통한 고효율 발전기{HIGH EFFICIENCY GENERATOR BY REDUCING LORENTZ'S FORCE}

본 발명은 고정자와 회전자를 포함하는 발전기에서 자기선속의 변화에 의해 발생하는 로렌츠힘을 줄여 발전기의 효율을 높일 수 있도록 하는 로렌츠힘의 감소를 통한 고효율 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자기장을 발생키는 자석과 유도기전력을 발생시키는 코일을 회전자가 아닌 고정자에 설치하여 자기회로를 만들고 상기 자기회로를 열고 닫아 자기선속을 변화시켜 유도기전력을 발생시키되, 유도기전력에 의한 로렌츠힘을 최소화하여 발전기의 효율을 높일 수 있도록 하는 로렌츠힘의 감소를 통한 고효율 발전기에 관한 것이다.

발전기는 전기를 얻는 장치로서, 최근 제베크 효과에 의한 열기전력이나 태양광에 의해 전기가 생성되는 태양광발전 등 다양한 방식이 시도되고 있으며 산업적으로 중요성이 대두되고 있지만, 오래 전부터 역학적 에너지를 이용한 발전기가 전통적으로 주를 이루고 있다.

역학적 에너지를 이용한 발전기에서는 에너지 보존 법칙이 유효한 한, 전기를 지속적으로 만들어 내기 위해서는 순환 가능한 어떤 역학적 운동이 필요한데, 대부분의 경우 원운동이 이에 해당한다.

즉, 발전기에서는 지속적으로 순환가능한 원운동을 발생시키기 위해 자석 혹은 전자석의 N극으로부터 S극 방향으로 자기장이 형성되어 있고, 그 사이에 외부 힘에 의해 회전할 수 있는 코일이 자기장 하에 설치된다. 코일 즉 코일이 권취되어 있는 회전자가 외부에서 가해지는 돌림힘에 의해 강제 원운동을 하면, 코일 내 자유전자는 코일의 회전방향을 따라 전류를 형성한다. 자기장 안에 있는 전류가 받는 로렌츠힘은 자기장과 전류에 수직인 방향, 즉 코일의 양 끝 방향으로 작용하여 기전력을 만든다. 회전자의 회전 방향이 바뀌면 코일에 유도되는 기전력의 부호만 바뀔 뿐 나머지 물리적 상황은 같다. 따라서, 코일의 양단에 접촉수단을 매개하여 전선을 연결하면 이 장치는 교류발전기로서 작동하게 된다.

이와 같이 역학적 에너지를 이용한 발전기에서는 전기를 발생하는 방법으로, 자기장을 발생시키는 수단을 고정하고 코일을 회전시키거나, 이와 반대로 코일을 고정하고 자기장을 발생시키는 수단을 회전시켜 기전력을 획득할 수 있다.

위 두가지 방법 모두 코일이 놓여있는 자기장하에서 코일과 쇄교되는 자력선속에 변화를 주면 전자기유도에 의하여 전기가 발생하는데, 그 발생되는 기전력 E는 패라데이 법칙에 따라 아래 수식과 같이 표현될 수 있다.

여기서 N은 코일의 감긴 수, Φ은 코일이 에워싼 면을 통과하는 자기선속, t는 시간을 나타낸다.

그런데, 자기장 속에서 움직이는 도체는 반드시 맴돌이 전류(Eddy current; Foucault current)가 발생하고, 이 맴돌이 전류는 전자기 상호작용에 의하여 이동방향과 반대방향으로 로렌츠힘을 받는다. 이 로렌츠힘은 발전기에서 에너지 소비의 주된 요인이기도 하다.

따라서 발전기의 효율을 높이기 위해서 로렌츠힘을 최소화시킬 필요가 있다.

국내특허공개공보 제10-2011-0036288호(2011년04월07일 공개)

본 발명은 상기한 사정을 감안하여 발명한 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 자기장을 발생키는 자석 즉 계자와 기전력을 발생시키는 코일 즉 전기자를 일체화하여 고정한 상태의 자기회로를 만들고 상기 자기회로를 열고 닫아 자기선속을 변화시킴으로써, 발전기의 구성을 단순화 하면서도 로렌츠힘을 최소화하여 발전기의 효율을 높일 수 있도록 하는 로렌츠힘의 감소를 통한 고효율 발전기를 제공하고자 함에 있다.

이하 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구체적 해결 수단에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 로렌츠힘의 감소를 통한 고효율 발전기는, N극과 S극을 갖는 자성체로 이루어지고, 상기 자성체의 양단이 소정간격 대향되어 이격공간을 형성하여 상기 N극과 S극 사이의 이격공간에 자기장을 형성하는 고정자; 상기 N극과 S극 사이의 이격공간에 회전가능하게 배치되어 상기 고정자와 함께 자기회로를 형성하고, 주기적인 회전에 따라 상기 N극과 S극 사이의 자기선속량을 변화시키는 회전자; 상기 고정자의 외측에 권취되어, 상기 회전자의 회전에 따라 변화되는 자기선속량에 대응하여 기전력을 유도하는 전자기 유도코일;을 포함하여 이루어져, 자기장을 형성하는 자성체와 기전력을 유도하는 전자기 유도코일이 고정자에 고정설치되어, 고정자에서 주 자속을 형성함과 아울러 기전력을 유도하도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 회전자는 강자성체판으로 형성되는 철심이 복수 적층되고, 상기 철심들 사이에 절연체가 배치되며, 자기회로내 회전자의 회전방향의 역방향으로 작용하는 로렌츠힘을 나타내는 F=BIL에서 값이 되도록 설치되어 로렌츠힘을 억제할 수 있도로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 본 발명은 역학적 에너지를 이용한 발전기기에서 자기장을 형성하는 자성체와 기전력을 유도하는 전자기 유도코일을 고정자에 고정설치함으로써 발전기의 구조를 단순화 할 수 있고, 회전자의 회전시 발생되는 와전류에 의하여 회전자의 회전방향과 역방향으로 발생하는 로렌츠힘(F=BIL, B는 자기장의 세기, I는 자기장내 도체에 흐르는 전류, L은 자기장 내부를 지나는 도체의 길이)을 로 최소화 하여 발전기의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고효율 발전기의 개요도,
도 2는 본 발명에 따른 회전자의 구성도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작원리를 상세하게 설명함에 있어서 관련된 공지기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 로렌츠힘의 감소를 통한 고효율 발전기의 개요도를 나타낸다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 고효율 발전기는 주 자속을 발생시키는 고정자(10)와 상기 고정자(10)에 의해 형성되는 자기회로를 열고 닫아 고정자(10)서 발생되는 자기선속량에 변화를 주는 회전자(20) 및 상기 고정자(10)의 외측에 권취되어, 상기 고정자(10)에서 발생되는 자기선속량의 변화에 따라 유도 기전력을 발생시키는 전자기 유도코일(30)을 포함하여 이루어져 있다.

상기 고정자(10)는 폐루프형으로 형성되고 그 중단 일부가 소정 간격 이격되게 절단되어 절단된 양단이 서로 대향되게 배치됨으로써 절단된 양단 사이에 이격공간이 형성된다. 또한 상기 고정자(10)는 자성체로 이루어져 절단된 양단 중 일단에는 N극이 형성되고 다른 일단에는 S극이 형성된 것이다. 이와 같은 고정자(10)는 영구자석 또는 전자석으로 형성할 수 있다.

상기 고정자(10)의 절단된 양단 사이에 형성되는 이격공간에는 회전자(20)가 설치된다. 상기 회전자(20)는 외부로부터 역학적 힘을 받아 고정자(10)에 의해 형성되는 자기회로를 열고 닫아 고정자(10)에서 발생되는 자기선속량에 변화를 줌으로써 전자기 유도현상을 발생시키는 역할을 한다.

특히, 회전자(20)는 얇은 강자성체판(21)들 사이마다 절연체(22)를 매개시켜 복수층으로 적층한 성층철심으로 형성하되 적층방향을 고정자(10)의 자력선에 평행이 되게 형성하고 외형은 회전시 고정자(20)의 자기선속을 변화시켜 전자기 유도코일(30)에서 사인파형의 전자기를 유도전력을 형성할 수 있는 곡률을 갖는 캠형태로 형성함이 바람직하다.

또한, 와전류는 성층철심의 두께에 비례하므로 두께를 작게 하고 여러겹 겹쳐서 사용함이 바람직하다.

전자기 유도코일(30)은 전자기 유도코일(30)의 내부에 인가되는 자기장에 변화를 줄 때 전자기 유도현상에 의하여 전압을 생성하기 위한 것이다.

이와 같이 본 발명은 역학적 에너지를 이용한 발전기기에서 자기장을 형성하는 자성체 즉 고정자(20)와 기전력을 유도하는 전자기 유도코일(30)이 회전체에 설치되지 않고 고정자(20)에 고정설치되어 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 고효율 발전기의 작용에 대하여 설명한다.

도시된 바와 같이 전자기 유도코일(30)이 자성체 즉 고정자(20)에 고정설치되고, 회전자(20)가 상기 고정자(10)의 절단된 양단 사이에 형성되는 이격공간에 설치된 상태에서 회전자(20)를 주기적으로 회전시키면 상기 회전자(20)는 고정자(20) 및 전자기 유도코일(30)에 의해 형성되는 자기 회로를 주기적으로 열고 닫게 된다.

이때 자기회로를 열고 닫는 회전자는 강자성체로 성층절연하고 회전자의 회전방향의 역방향으로 작용하는 로렌츠힘을 나타내는 F=BIL에서 값이 되도록 설치함으로써 와전류에 의하여 역방향으로 발생하는 로렌츠힘을 최소로 억제할 수 있는 것이다.

이와 같이 본 발명에 따른 고효율 발전기에 의하면, 회전자에 전자기 유도를 위한 코일이 설치되지 않음으로써 구조가 간단하고 전자기 유도시 로렌측힘을 받지 않게 되어 와전류를 줄일 수 있게 되어 고효율의 발전기를 구현할 수 있는 것이다.

상기 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.

10 -- 고정자,
20 -- 회전자,
21 -- 강자성체판,
22 -- 절연체,
30 -- 전자기 유도코일

Claims (2)

1. N극과 S극을 갖는 자성체로 이루어지고, 상기 자성체의 양단이 소정간격 대향되어 이격공간을 형성하여 상기 N극과 S극 사이의 이격공간에 자기장을 형성하는 고정자;
   상기 N극과 S극 사이의 이격공간에 회전가능하게 배치되어 상기 고정자와 함께 자기회로를 형성하고, 주기적인 회전에 따라 상기 N극과 S극 사이의 자기선속량을 변화시키도록 이루어지되, 강자성체판으로 형성되는 철심이 복수 적층되고, 상기 철심들 사이에 절연체가 배치되며, 자기회로내 회전자의 회전방향의 역방향으로 작용하는 로렌츠힘을 나타내는 F=BIL에서 값이 되도록 설치되어 로렌츠힘을 억제할 수 있도록 이루어진 회전자;
   상기 고정자의 외측에 권취되어, 상기 회전자의 회전에 따라 변화되는 자기선속량에 대응하여 기전력을 유도하는 전자기 유도코일;을 포함하여 이루어져,
   자기장을 형성하는 자성체와 기전력을 유도하는 전자기 유도코일이 고정자에 고정설치되어, 고정자에서 주 자속을 형성함과 아울러 기전력을 유도하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 로렌츠힘의 감소를 통한 고효율 발전기.
   
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