KR20020024761A

KR20020024761A - 직류 승압 발전기 및 발전 방법

Info

Publication number: KR20020024761A
Application number: KR1020000079953A
Authority: KR
Inventors: 최동식
Original assignee: 최동식
Priority date: 2000-12-21
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2002-04-01

Abstract

본 발명에 따른 직류 발전기는 계자극이 결합된 회전자(rotor)가 전기자가 결합된 고정자(stator) 주위를 회전할 때 계자극이 자전하도록 하여 계자극의 자전과 공전이 동시에 이루어지도록 하고, 전기자 극성과 자극의 극성을 항상 반대가 되도록 하여 전기자 반작용 문제를 해소함으로써 발전 효율을 높이는데 그 목적이 있다. 이와같은 목적의 본 발명은 자속을 발생시키는 하나 이상의 자속발생 수단과, 이 자속발생수단에 대하여 3차원적인 위치 변동에 의하여 자속과 쇄교되도록 구성된 코일을 가진 하나 이상의 기전력 발생수단을 가진 전기발전기에 있어서, 기전력 발생수단은 철심에 코일이 권회된 구조이고, 자속발생수단은 기전력 발생수단과의 위치에 대응하여 연동되는 자석을 갖도록 이루어진다. 또 현실에 코일을 권회하여 만든 기전력 발생수단과, 기전력 발생수단에 자속의 변화를 주기 위하여 기전력 발생수단에 근접되는 자극의 극성을 변화시킬 수 있는 자속발생수단을 구비한 직류발전기를 사용하여 직류를 발전하는 방법에 있어서, 기전력 발생수단에서 발생된 기전력으로 코일에 전류를 흘릴 때, 이 전류에 의하여 발생되는 자속의 극성에 대하여, 가장 가까이에 접근하는 영구자석의 극성이 항상 반대가 되도록 하면서 발전한다

Description

직류 승압 발전기 및 발전 방법{DC step-up generator and generation method}

본 발명은 직류 발전기에 관한 것으로, 전기자를 구성하는 도전체가 계자극에 의해 발생하는 자속을 수직으로 끊음으로써 유도 기전력(Induced Electromotive Force)을 발생시키는 직류 승압 발전기에 관한 것이다.

직류 발전기는 직류 전압을 발생시키기 위한 것으로서, 통산 회전 전기자의 고정 계자권선의 구조를 갖는다. 전기자로부터 출력 전압을 얻기 위하여 슬립 링을 사용하는 대신에 정상적인 정현파(sine wave)의 극성을 단극성의 출력으로 전환시키기 위하여 분할 링(split ring)을 사용함으로써 직류 출력을 얻기 위한 브러쉬가 포함된 슬립 링 장치를 정류자(commutator)라고 한다.

더욱 평탄한 직류 출력을 얻기 위하여 분리된 정류자 출력편을 갖는 여러개의 전기자 권선을 설치하는 것이 일반적이다. 출력은 굵은 선으로 나타낸 것이며, 이는 여러 개의 분리된 권선들에 의하여 발생하는 피크(peak)들로 구성되어 있다. 출력에 여전히 남아있는 작은 출력 변화들을 맥동(ripple)이라고 부르며, 많은 수의 권선(그리고 정류자편)을 사용하는 상용제품에서는 거의 0에 가깝게 맥동이 감소된다.

도1은 종래의 일반적인 직류 발전기를 나타낸 도면이다. 도1에 나타낸 바와 같이, 직류발전기는 크게 전기자(110), 정류자(112), 계자권선(106), 브러쉬(116) 및 브러쉬 고정대(114), 프레임(frame)(102), 샤프트(108)등으로 구성된다.

전기자(110)는 자력선과 쇄교하는 코일이 그 위에 장치된 구조이다. 이는 종단 틀에 삽입된 베어링에 의하여 직류 발전기의 양쪽 끝부분에 매달려 있는 축에 부착되어 있다. 전기자 철심의 단면은 원형이며, 연철로 된 얇은 판으로 성층되어 있다. 전기자 철심의 외부 표면 가장 자리는 코일 권선을 넣기 위하여 흠이 파여져 있으며, 여기에 전기자 코일(106)의 권선이 적절히 지탱된다.

정류자(112)는 발전된 교류를 직류로 변환하며, 고정된 출력 단자를 회전 전기자(110)에 연결시켜 주는 역할을 한다. 일반적으로 정류자는 얇은 운모편에 의해 서로 절연된 쐐기 모양의 다수의 정류자편들로 이루어진다.

브러쉬(116)는 정류자편과 접촉되어 있는데, 전기자 코일(106)에 의해 발생된 전류를 모으며, 전류가 브러쉬 홀더를 통하여 주 단자로 흐르도록 한다. 상술한 정류자편들은 서로 절연되어 있으므로 정류자편과 접촉되어 있는 각 브러쉬군()은 같은 극성의 전류를 모으며, 그 결과 직류가 연속적으로 흐른다. 정류자편을 더욱 가늘게 분할하면 맥동이 더 작게 나타나며, 직류 출력은 더욱 평탄하게 된다.

계자극(영구자석)(104)은 전기자(110)를 통과하는 자계 또는 자속을 만드는데 필요하다. 자기 회로를 이루는데 필요한 최소 계자극의 수는 N극과 S극의 2개이다. 대부분의 상용발전기는 발전기의 속도에 따라 4개 또는 그 이상의 계자극을 갖는다. 발전기의 속도가 느릴수록 같은 출력을 내기 위해서는 더 많은 계자극이 필요하다. 계자극의 수는 항상 짝수가 되어야 하며, 각 조는 N극과 S극으로 이루어진다. 직류발전기에서 계자극(104)의 각 조마다 브러쉬가 필요하다.

이와 같은 종래의 직류발전기는 전기자 계자극의 극과 극 사이의 중간에 위치할 때 새롭게 바뀌는 계자극의 극성에 의한 반작용에 의해 회전속도가 떨어져서 그만큼 발전효율이 떨어진다. 또 종래의 직류 발전기는 단순히 계자극에 의해 만들어지는 자속을 정류자가 회전함으로써 유도 기전력을 발생시키도록 이루어진다. 따라서 출력을 높이기 위해서는 회전 속도를 높이거나 계자극의 수를 증가시켜야 한다.

본 발명에 따른 직류 승압 발전기는 계자극이 결합된 회전자(rotor)가 전기자가 결합된 고정자(stator)주위를 회전할 때 계자극이 자전하도록 하여 계자극이 자전과 공전이 동시에 이루어지도록 하고, 전기자 극성과 자극의 극성을 항상 반대가 되도록 하여 전기자 반작용 문제를 해소함으로써 발전 효율을 높이는데 그 목적이 있다. 이와 같은 목적의 본 발명은 자속을 발생시키는 하나 이상의 자속발생수단과, 이 자속발생수단에 대하여 3차원적인 위치 변동에 의하여 자속과 쇄교되도록 구성된 코일을 가진 하나 이상의 기전력 발생수단을 가진 전기발전기에 있어서, 기전력 발생수단은 철심에 코일이 권회된 구조이고, 자속발생수단은 기전력 발생수단의 위치에 대응하여 연동되는 자석을 갖도록 이루어진다.

또, 철심에 코일을 권회하여 만든 기전력 발생수단과, 기전력 발생수단에 자속의 변화를 주기 위하여 기전력 발생수단에 근접되는 자극의 극성을 변화시킬 수 있는 자속발생수단을 구비한 직류 승압 발전기를 사용하여 직류를 발전하는 방법에 있어서, 기전력 발생수단에서 발생된 기전력으로 코일에 전류를 흘릴 때, 이 전류에 의하여 발생되는 자속의 극성에 대하여, 가장 가까이에 접근하는 영구 자석의 극성이 항상 반대가 되도록 하면서 발전한다.

도1은 종래의 일반적인 직류승압 발전기를 나타낸 도면이다.

도2는 본 발명에 따른 직류 승압 발전기의 적층 구조 가운데 하나의 단충 구조를 나타낸 사시도 이다.

도3은 본 발명에 따른 직류 승압 발전기의 단층 구조의 평단면도이다.

도4는 본 발명에 따른 직류 승압 발전기의 적층 구조를 나타낸 측단면도이다.

도5는 본 발명에 따른 직류 승압 발전기의 회전 동작을 나타낸 단면도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

102 : 금속 프레임 104,206 : 계자극

106 : 계자권선 108,406 : 샤프트

110 : 전기자 112 : 정류자

114 : 브러쉬 고정대 116 : 브러쉬

202 : 프레임 204 : 기어

208 : 톱니 210 : 전기자

212 : 고정자 214 : 회전자

302 : 계자극 304 : 기어 회전축

402,404 : 볼 베어링 408 : 구동 풀리

410 : 종동 풀리 412,414 : 고정 부재

416 : 중앙홀 420 : 계자극 고정 축

502 : 벨트

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 직류 승압 발전기에 바람직한 실시 예를 도2내지 도5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도2는 본 발명에 따른 직류발전기에 적층 구조 가운데 하나의 단층구조를 나타낸 사시도이다.

도2에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 직류 발전기의 단층 구조는 중심에 위치한 원형의 고정자(212)와 그 둘레에 위치한 회전자(214) 고정자(212)의 평면상에 결합되는 전기자(210), 회전자(214)의 평면상에 결합되는 기어(204), 기어(204)에 고정 결합되는 계자극(206)을 포함하여 이루어진다. 회전자(214)는 고정자(212)주변을 회전하도록 이루어지며, 고정자(212)의 외측 면에 형성되는 톱니(208)로 인하여 기어(204)가 회전함으로써 계자극(206)도 함께 회전하도록 이루어진다.

도3을 통하여 본 발명에 따른 직류 발전기의 단층 구조의 구성과 동작을 살펴보면 다음과 같다. 도3은 본 발명에 따른 직류 승압발전기의 단층 구조의 평단면도이다. 도3에 나타낸 바와 같이, 중심에 원반형의 고정자(212)가 형성되고, 이 고정자(212)는 프레임(202)의 상부와 하부의 중앙에 고정되고, 회전자(214)역시 기계적으로 회전이 가능하도록 프레임(202)에 결합된다.

고정자(212)의 평면상에는 60도 각도의 간격으로 6개의 전기자(210)가 방사상으로 설치된다. 전기자(210)의 설치 각도가 60도인 것은 전기자(210)의 수가 6개이므로 이를 균등한 간격으로 배열하기 위해서는 각각 60도(360/6) 각도의 간격으로 설치해야 하기 때문이다. 각각의 전기자(210)는 연철 등의 재질로 된 철심에 코일이 권회되어 이루어진다. 철심의 단면은 원형이다. 고정자(212)의 외측면에는 부분적으로 톱니(208)가 형성된다. 톱니(208)가 형성되는 위치는 모두 여섯 군데로서 이웃한 두 개의 전기자(210) 사이의 중앙에 균등한 간격(60도)으로 형성된다.

회전자(214)는 고정자(212)의 둘레를 회전하도록 이루어진다. 회전자(214)의 평면상에는 60도 각도의 간격으로 기어(gear)(204)가 장착된다. 기어(204)는 고정자(212)의 외측면에 부분적으로 형성된 톱니(208)와 맞물려 일정 각도로 회전한다. 즉, 회전자(214)가 고정자(212) 주위를 회전함에 따라 각각의 기어(212) 주위를 공전한다. 회전자(214)가 회전할 때 고정자(212)의 외측면에 형성된 톱니 부분에 기어(204)가 맞물려 회전하는데, 이 때문에 회전자(204)가 회전하는 동안 기어(204)가 일정 각도씩 자전하게 된다. 즉, 회전자(214)의 회전에 의해 기어(204)의 자전과 공전이 동시에 이루어지는 것이다. 각각의 기어(204)에는 각각 세 개씩의 N극(302a)(302c)(302e)과 S극(302b)(302d)(302f)이 번갈아 형성된 6각형의 계자극(206)이 장착된다.

기어(204)의 톱니 규격과 고정자(212)의 톱니 규격을 적절히 결정함으로써 기어(204)의 자전 각도를 결정할 수 있다. 도3에서, 기어(204)에 장착된계자극(206)은 N극과 S극이 번갈아 형성된 6각형이므로, 기어(204)의 자전 각도를 60도(360/6)가 되도록 하면 회전자(214)가 회전하는 동안 고정자(212)에 설치된 각각의 전기자(210)의 종단면에서는 계자극(206) N극과 S극이 번갈아 대면된다.

또 이웃한 전기자(210)의 종단면에는 서로 다른 극성이 대면된다. 즉, 전기자(210a)에 N극이 대면되면, 이웃한 전기자(210b)에는 S극이 대면된다. 고정자(212)의 평면상에 설치된 전기자 전체로 범위를 확대하여 전기자(210)의 위치와 대면되는 계자극(206)의 극성의 상호관계를 살펴보면 다음과 같다. 고정자(212)의 평면상에서 일직선상에 설치된 전기자들은 하나의 쌍을 이루어 계자극(206)의 서로 다른 극성에 의해 형성되는 자속을 수직으로 끊어 유도 기전력이 발생한다. 예를 들면, 두 개의 전기자(210a)(210d)가 일직선상에 설치되는데, 전기자(210a)의 종단면에 계자극(206a)의 N극이 대면되면 전기자(210d)의 종단면에는 계자극(206d)의 S극이 대면된다. 따라서 계자극(206a)의 N극과 계자극(206d)의 S극 사이에 자속이 발생하고, 회전자(214)의 회전에 의해 전기자(210a)(210d)가 그 자속을 수직으로 끊게되어 전기자(210a)(210d)의 코일에 유도 기전력이 발생한다.

회전자(214)의 자전에 의해 각각의 전기자(210)에 N극과 S극이 번갈아 대면되는 것은 회전자(214)가 회전할 때 기어(204)가 함께 회전하기 때문이다. 기어(204)의 회전은 고정자(212)의 외측면에 형성된 톱니(208)에 의한 것인데, 이 톱니(208)는 고정자(212)의 외측면에 부분적으로 형성되어 있으므로 기어(204)가 고정자(212)에 형성된 톱니(208) 부근에 진행하는 동안에만 기어(204)의 자전이 일어난다. 고정자(212)의 톱니(208)는 이웃한 두 전기자(210) 사이에 중간 위치에 형성되므로, 결과적으로 하나의 전기자(210)의 종단면을 통과한 계자극(206)은 이웃한 다른 전기자(210)의 종단면과 대면하기 전에 60도 각도로 자전하여 이전의 전기자(210)와는 다른 극성으로 다음 전기자(210)와 대면 하게된다.

이와 같은 작용을 전기자(210)의 관점에서 설명하면, 대칭적 위치에 있는 두 개의 계자극(206) 사이의 자속을 끊고 지나간 한 쌍의 전기자(210)가 이웃한 또 다른 대칭적 위치의 두 개의 계자극(206)의 자속을 끊고 지나가는데, 이때 각각의 전기자(210)에 대면되는 계자극(206)의 극성은 항상 동일하다. 따라서 연속적인 유도 기전력의 발생이 된다.

도4는 본 발명에 따른 직류 발전기의 적층구조를 나타낸 측단면도이다. 도4에 나타낸 바와 같이, 프레임(202) 내부에는 적층된 여섯 층의 전기자(210)가 프레임(202)의 중앙 홀(416)을 축으로 하여 고정 부재(414)에 의해 결합된다. 적층된 전기자(210)의 상부면에는 고정자(212)가 결합된다. 도3에서는 본 발명에 따른 직류 발전기의 동작 특성을 설명하기 위하여 고정자(212)의 상부면에 전기자(210)가 설치된 것으로 나타내었으나, 도4에 나타낸 바와 같이 가장 상부에 고정자(212)를 결합하고, 그 아래에 전기자(210)를 적층하여도 무방하다.

전기자(210) 및 고정자(212)의 둘레에는 기어(204) 및 계자극(206)이 고정자(212) 및 전기자(210)와 같은 높이로 적층된다. 적층된 여섯 개의 계자극(206)과 기어(204)는 계자극 고정 축(420)과 결합하여 고정된다. 이 계자극 고정축(420)의 상단부와 하단부는 각각 상부 회전자(214a)와 하부 회전자(214b)에 결합된다. 상부 회전자(214a)와 계자극 고정축(420)의 상단 사이에는 볼베어링(404b)이 삽입되어 기어(204)가 회전할 때의 마찰을 최소화한다. 상부 회전자(214a) 및 하부 회전자(214b)와 프레임(202) 사이에도 볼베어링(402a)(402b)이 삽입되어 회전자(214)가 회전할 때의 마찰을 최소화한다.

하부 회전자(214b)의 하부면에는 종동 풀리(410)가 고정 부재(412)에 의해 고정된다. 이 종동 풀리(412)는 구동풀리(408)와 벨트로 연결되며, 구동풀리(408)가 회전함에 따라 종동 풀리(410)도 함께 회전하게 된다. 구동 풀리(408)는 외부의 동력원으로부터 제공되는 회전 운동을 샤프트(406)를 통해 전달받아 회전한다. 외부로부터 제공되는 회전운동에 의해 풀리(408)(410)가 회전하고, 종동 풀리(410)가 회전함에 따라 상부회전자(214a) 및 하부회전자(214b)도 함께 회전하게 된다. 회전자(214)의 회전에 의한 기어(204)의 공전 및 자전과 그에 따른 유도 기전력 발생 작용은 위에 언급한 도3의 설명에서와 같다.

도5는 본 발명에 따른 직류 발전기의 회전동작을 나타낸 단면도이다. 도5에는 프레임(202)과 구동 풀리(408), 종동 풀리(410), 벨트(502)만을 나타내었다. 도5에 나타낸 바와 같이, 구동 풀리(408)가 회전하면 그 회전 운동이 벨트(502)를 통해 전달되어 종동 풀리(410)를 회전시킨다. 종동 풀리(410)의 회전에 의한 회전자(214)의 회전작용은 위에 언급한 도4의 설명에서와 같다.

본 발명에 따른 직류 승압 발전기는 전기자를 구비하는 고정자 주위를 계자극을 구비하는 회전자가 회전하도록 하고, 이때 계자극이 자전하도록 하여 회전자가 고정자 주위를 회전할 때 계자극의 자전과 공전이 동시에 이루어지도록 함으로써 브러쉬 없이도 승압 발전이 가능하다. 브러쉬가 필요치 않음으로써 스파크와 소음, 발열, 브러쉬 마모에 따른 유지 관리 문제 등이 모두 해결된다. 또 회전자의 회전에 의해 자기부상 효과가 발생하여 베어링과의 마찰에 의한 소음과 발열문제도 해소된다.

Claims

자속을 발생시키는 하나 이상의 자속발생수단과, 이 자속발생수단에 대하여 3차원적인 위치 변동에 의하여 상기 자속과 쇄교되도록 구성된 코일을 가진 하나 이상의 기전력 발생수단을 가진 전기발전기에 있어서,

상기 기전력 발생수단은 철심에 코일이 권회된 구조이고,

상기 자속발생수단은 상기 기전력 발생수단의 위치에 대응하여 연동되는 자석을 가진 것이 특징인 직류 승압 발전기.
청구항1에 있어서,

하나 이상의 상기 기전력 발생수단을 결합하여 고정자를 구성하고,

하나 이상의 상기 자속발생수단을 결합하여 회전자를 구성하되,

상기 회전자는 상기 고정자 주위를 회전하는 공전 프레임과,

상기 공전프레임에 대하여 간헐적으로 자전하는 영구자석을 포함하여 이루어지는 것이 특징인 직류 승압 발전기.
청구항 1에 있어서,

상기 기전력 발생수단은 중심 축에 결합되어 회전되는 철심에 코일이 권회된 것이고, 상기 자속발생수단은 상기 회전자 주위에 설치된 고정프레임과 상기 고정프레임에 설치되어 간헐적으로 회전하는 영구자석을 포함하여 이루어진 것이 특징인 직류 승압 발전기.
청구항2에 있어서,

상기 기전력 발생수단에서 발생된 상기 코일에 전류를 흘릴 때, 이 전류에 의하여 발생되는 자속의 극성에 대하여, 가장 가까이에 접근하는 상기 영구자석의 극성이 항상 반대가 되도록 연동되는 구조인 것이 특징인 직류 승압 발전기.
청구항2에 있어서,

상기 고정자는 상기 기전력 발생수단을 6개 결합하여 구성하고,

상기 회전자는 상기 기전력 발생수단과 대응하는 각도에 설치된 6개의 자속발생수단을 포함하는 것이 특징인 직류 승압 발전기.
청구항2에 있어서,

상기 고정자는 2개이상 짝수의 기전력 발생수단을 결합하여 구성하고,

상기 회전자는 2개이상 자전 영구자석을 포함하여 이루어지는 것이 특징인 직류승압 발전기.
외측면에 적어도 둘 이상의 톱니 군이 간격을 두고 형성되는 제1평판을 갖고, 상기 제1평판의 평면상의 지나는 일직선상의 적어도 하나 이상의 전기자가 결합되는 고정자와;

상기 제1평판의 외경보다 큰 내경을 갖는 고리모양의 제2평판의 평면상에 제1평판에 형성된 톱니와 동일한 규격의 톱니를 갖는 기어가 회전축을 통하여 결합되고, 상기 기어의 외경이 상기 고정자의 외경에 접하도록 이루어지며, 적어도 1쌍이상의 N극과 S극을 갖는 계자극이 상기 기어의 평면상에 상기 기어와 동일한 회전축을 갖도록 결합되어 상기 기어와 함께 회전하도록 이루어지는 회전자를 포함하여 이루어져서;

상기 회전자가 외부로부터 전달되는 동력에 의해 상기 고정자 주위를 회전함으로써 상기 계자극이 상기 고정자 주위를 공전하면서 동시에 일정 각도로 자전하도록 이루어지는 직류 승압 발전기
청구항7에 있어서, 상기 고정자에 구비된 상기 전기자가 n개일 때 상기 고정자의 외측면에 형성되는 상기 톱니군 사이의 간격이 360/n도 각도로 이루어지는 것이 특징인 직류 승압 발전기.
청구항 7에 있어서, 상기 고정자에 구비된 상기 전기자가 n개일 때 상기 계자극이 n/2쌍의 자극을 갖고, 상기 n/2쌍의 각각의 N극과 S극이 서로 번갈아 나타나도록 이루어지는 것이 특징인 직류 승압 발전기
청구항7에 있어서, 상기 고정자에 구비된 상기 전기자가 n개일 때 상기 회전자가 360/n도 만큼 회전하는 동안 상기 기어가 360/n도의 각도만큼 회전하도록 이루어지는 것이 특징인 직류승압 발전기.
청구항 7에 있어서, 상기 전기자와 상기 계자극이 적어도 두 층이상 적층 구조로 이루어지는 것이 특징인 직류승압 발전기
청구항7에 있어서, 상기 프레임이 내면에 철망이 부착된 플라스틱 또는 금속으로 이루어지고, 상기 프레임 내부를 진공 상태로 하거나, 상기 프레임내부를 저분자량 기체로 충전하도록 이루어지는 것이 특징인 직류 승압 발전기
청구항 9에 있어서, 상기 고정자의 위치가 상기 회전자의 위치보다 높게 형성되고, 상기 회전자가 회전할 때 발생하는 인력에 의해 상기 회전자와 상기 고정자의 높이가 같게 되도록 이루어지는 것이 특징인 직류 승압 발전기
철심에 코일을 권회하여 만든 기전력 발생수단과, 상기 기전력 발생수단에 자속의 변화를 주기 위하여 상기 기전력 발생수단에 근접되는 자극의 극성을 변화시킬 수 있는 자속발생수단을 구비한 직류발전기를 사용하여 직류를 발전하는 방법에 있어서, 상기 기전력 발생수단에서 발생된 기전력을 상기 코일에 전류를 흘릴 때, 이 전류에 의하여 발생되는 자속의 극성에 대하여, 가장 가까이에 접근하는 상기 영구자석의 극성이 항상 반대가 되도록 하면서 발전하는 것이 특징인 직류 승압 발전 방법
청구항 14에 있어서, 상기 기전력 발생수단의 극성과 반대되는 영구자석 극성을 만들기 위하여 영구자석을 회전시키는 것이 특징인 직류 승압 발전 방법
청구항 14에 있어서, 상기 기전력 발생수단의 극성과 반대되는 영구자석 극성을 만들기 위하여 영구자석을 간헐적으로 회전시키는 것이 특징인 직류 승압 발전 방법