KR20020085117A - 직류 모터-발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 직류 모터-발전기는, 2개 이상의 제1자극과 제2자극이 반지름 방향으로 간격을 가지고 원둘레에 배열되어 있고, 축을 중심으로 회전하는 회전자와, 상기 제1자극과 제2자극 사이에 위치하고 하나 이상의 모터 전기자와 하나 이상의 발전기 전기자가 배열된 고정자와, 상기 회전자가 상기 고정자에 대하여 회전될 수 있도록 회전자 축과 고정자를 지지하는 케이스가, 상기 모터 전기자들에 공급되는 전원의 공급을 제어하는 전기제어부를 포함하여 이루어진다.

Description

직류 모터-발전기{DC Motor-Generator}

본 발명은 직류 모터-발전기에 관한 것으로, 특히 모터와 발전기의 구성요소들을 하나의 고정자와 회전자에 설치하여 효율을 좋게 한 모터-발전기에 관한 것이다.

직류모터와 직류발전기를 결합한 모터-발전기 세트는 비상전원인 바테리의 직류전원을 모터에 연결하고 모터의 축을 직류발전기 축으로 연결하여 직류 발전을 하게 하여 무정전 직류 전원공급 장치로 사용되고 있다. 교류 전원을 공급하기 위하여는 직류 발전기 대신에 교류 발전기를 직류 모터 축에 연결한다.

종래의 모터-발전기 세트는 종래의 직류 모터와 종래의 직류 발전기를 축으로 연결한 구조를 가지고 있어서 그 효율이 매우 낮고, 소음이 많으므로 요즈음은 주로 반도체 소자를 사용하여 바테리 전원을 소요되는 전압으로 직접 변환하고 있다.

직류 모터와 직류 발전기에는 정류자가 있어서 소음과 스파크의 원인이 되고 있었으나, 반도체 제어소자를 이용하여 위상 위치에 대하여 전류를 스위칭하여 줌으로서 정류자 없는 직류 회전기기들이 제작되고 있다.

특히 최근에는 강력한 자석의 발명으로 인하여 계자 권선이 없는 영구 자석을 이용한 직류기기들이 많이 개발되어 사용되고 있다.

그러나 아직 직류기기에서 전기자 반작용에 의한 부작용은 문제로 되고 있다.

본 발명에서는 전기자 반작용을 감소시키고 모터와 발전기를 하나의 회전자와 고정자에 구성하여 효율을 증대시킨 모터-발전기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 따른 직류 모터-발전기는, 2개 이상의 제1자극과 제2자극이 반지름 방향으로 간격을 가지고 원둘레에 배열되어 있고, 축을 중심으로 회전하는 회전자와, 상기 제1자극과 제2자극 사이에 위치하고 하나 이상의 모터 전기자와 하나 이상의 발전기 전기자가 배열된 고정자와, 상기 회전자가 상기 고정자에 대하여 회전될 수 있도록 회전자 축과 고정자를 지지하는 케이스가, 상기 모터 전기자들에 공급되는 전원의 공급을 제어하는 전기제어부를 포함하여 이루어진다.

모터 전기자와 발전기 전기자는 서로 번갈아 가며 설치되고, 모터 전기자와 발전기 전기자의 수는 자극 수와 동수로 하면 좋다.

제1자극과 제2자극은 영구자석으로 형성되고 모터전기자 및 발전기 전기자는 철심에 코일을 감아서 형성한다.

본 발명에 따른 직류-직류 변환 방법은 모터 전기자에 전류를 공급하여 회전자에설치된 제1자극과 제2자극이 끌려오도록 하고, 제1자극과 제2자극이 모터 전기자에 근접한 후에는 관성에 의한 회전을 방해하지 아니하도록 모터 전기자에 공급하는 전류를 차단하는 방식으로 모터 전기자에 전류를 공급함으로써 회전자를 회전시키고, 발전기 전기자에서 발생되는 기전력은 전기자 코일을 서로 직렬 또는 병렬로 연결하여 직류를 출력시키는 방법이다.

도 1은 본 발명의 12극 직류 모터-발전기를 설명하기 위한 단면도이다.

도 2는 도1의 II-II 절단선에 의한 단면도이다.

도 3은 본 발명의 24극 직류 모터-발전기를 설명하기 위한 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 직류 모터-발전기를 사용한 전원공급장치의 회로도이다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 직류 발전기의 바람직한 실시예를 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저 도1 및 도2는 본 발명에 따른 직류 모터-발전기의 단면을 나타낸 것이다.

본 모터-발전기는 회전자와 고정자, 전기제어부 및 케이스를 가지고 있다.

회전자는 2개 이상의 제1자극(23)과 제2자극(26)이 반지름 방향으로 간격을 가지고 원둘레에 배열되어 있고, 회전축(10)을 중심으로 회전하도록 설치된다. 이 실시예에서 회전자는 제1자극(23)이 외측에 부착된 내측판(21)과 제2자극(26)이 내측에 부착된 외측판(24)이 결합수단(22)으로 결합되고 또 회전축(10)과 일체로 결합되어 있다. 결합수단(22)은 볼트나 리베터 등을 이용하거나 용접 등으로 영구 결합시켜도 된다. 제1자극과 제2자극은 이해를 돕기 위하여 표면에 대하여 돌출 되게 부착된 것으로 도시되어 있지만 실제는 표면과 같은 평면으로 함몰되게 형성하는 것이 좋다. 제1자극과 제2자극의 자속통로는 내측판(21)과 외측판(24)으로 이루어진다. 제1자극과 제2자극은 N 극과 S 극 또는 S 극과 N 극으로 하여도 되고, 전자석으로 형성하여도 되지만 영구자석을 사용하는 것이 구조를 단순화 할 수 있으므로 편리하다. 제1자극과 제2자극은 서로 대향하여 마주 보도록 배열하는 것이 좋지만 서로 어긋나게 배열하여도 된다. 고정자의 관성 모멘트를 크게 하기 위하여 훌라이휠을 부착하여도 되고, 자로를 형성하는 내측판과 외측판의 질량을 크게 하여도 된다.

회전축(10)은 케이스에 베어링(12)으로 결합된다. 이 베어링은 여러 가지 종류의 것을 사용할 수가 있지만 마그네트 베어링을 사용하면 마찰력을 더욱 감소시킬 수 있어서 효율을 높일 수 있다.

고정자((30)는 케이스에 결합수단(36)으로 결합되며 이 결합수단 역시 리베터나 볼트 또는 용접 등으로 일체로 고정 결합된다. 이 고정자에는 모터용 전기자(31, 32)와 발전기용 전기자(33) 코일들이 설치된다. 이 코일들에는 전류의 변화가 있으므로 변압기용 철심 즉 규소강판 적층 철심을 사용하는 것이 좋다. 모터용 전기자 코일의 개수나 발전기용 전기자 코일의 개수는 제1자극 또는 제2자극과 같은 수로 하여도 되지만 서로 다르게 하는 것이 좋고, 바람직하기로는 자극 수보다 적은 것이 좋으며 도1에서 보인 바는 자극수 12개에 전기자 수는 10개로 설계되어 있다. 또 도3에서 보인 바와 같이, 자극수 24개에 전기자 수는 20개, 자극수 36에 전기자수 30 등으로 설계될 수도 있다. 모터 전기자와 발전기 전기자는 서로 번갈아 가며 설치되는 것이 좋다. 모터 전기자와 발전기 전기자의 수는 상기 제1자극수와 동수로 하는 좋지만 서로 다르게 하여도 된다.

모터 전기자 코일들은 각기 코일에 개별적으로 전류를 온/오프 할 수 있도록 전기제어부의 스위칭 회로에 연결된다. 또 발전기 전기자의 코일들은 출력시킬 전압과 전류의 크기에 따라 직렬연결 또는 병렬연결을 할 수 있으며 이것 역시 전기제어부의 스위칭회로에 연결된다.

전기제어부(40)는 케이스 또는 고정자에 부착되어 있으며, 논리회로와 회전자의 위치를 검출하기 위한 위치검출센서(35) 및 스위칭 회로를 가지고 있다. 위치검출센서(35)는 광센서소자 또는 마크네트 검출소자, 일반적인 위치검출센서를 사용한다. 스위칭회로는 모터 전기자에 흐르는 전류의 크기와 타이밍을 회전자의 위치에 따라 제어하기 위하여 전자 제어 스위칭 회로를 사용한다. 발전기 전기자의 출력을 제어하기 위한 스위칭회로도 각각의 전기자 코일을 직렬 또는 병렬로 연결하기 위하여 전자 스위치들을 사용한다. 출력 전압을 높이기 위하여는 10개의 전기자 코일을 전부 직렬로 연결하면 되고 전압은 낮고 전류를 크게 공급하기위하여는 모두 병렬로 연결하면 된다, 그 중간으로 하려면 두 개씩 병렬로 하거나 다섯 개를 병렬로 연결하거나 하면 된다.

이렇게 구성된 본 직류 모터-발전기가 직류-직류 변환을 하는 동작을 설명한다.

먼저 전기제어부에서 하나의 모터 전기자 코일에 일정한 짧은 시간 동안 전류를 흘려주어 전기자 코일에 자극이 형성되게 하고, 다른 인접한 모터 전기자 코일에 먼저 것과는 반대 방향의 전류를 흘려서 자극이 형성되게 한다. 이때 하나의 자극의 극성 방향은 회전자에 설치된 자극과는 반대 방향의 극성을 가지도록 전류의 방향을 정하고 다른 인접한 모터 전기자에서 형성되는 자극의 방향은 먼저 것과는 반대되는 방향의 극성이 형성되게 한다. 그래서 하나의 모터 전기자 코일에서 발생된 자극과 회전자의 자극이 서로 당키고, 다른 인접한 전기자에서 발생된 자극이 회전자에 형성된 자극과 서로 밀어서 회전자에 큰 토르크를 가하여 회전되게 한다.

회전자가 회전되어 반대되는 자극끼리 서로 최단거리로 가까워지면 그 흡인력은 회전자의 회전을 오히려 억제하는 방향으로 작용하므로 이렇게 되기 전에 하나의 모터 전기자의 전류를 차단하고, 또 다른 인접한 전기자에서 발생된 자극이 회전자에 형성된 다른 자극을 밀어서 회전을 억제하는 방향으로 힘이 작용하지 아니하도록 다른 인접한 전기자에 공급되는 전류도 차단한다. 회전자와 고정자에는 많은 모터 전기자와 회전자 자극이 있으므로 다른 하나의 모터 전기자와 또 다른 인접한 전기자에 위에서 설명한 방법대로 전류를 흘려서 흡인력과 척력을 발생시켜 회전자를 회전시키는 토르크를 만들어 준다. 그래서 연속적인 토르크가 발생되어 회전자가 계속 회전하게 된다. 또 관성력에 의하여 토르크의 진동이 편균화되어 원활한 회전이 될 수 있게 된다.

회전자의 자극수와 고정자의 전기자 코일 수를 달리함으로써, 하나의 전기자 코일에 자속 발생이 없는 동안에도 다른 전기자 코일에서 흡인력 또는 척력을 발생시킬 수가 있음으로 좀더 원활한 회전력을 얻을 수도 있다.

이때 전기제어부는 회전자의 각속도와 위상각을 검출하여 최적의 위상각에서 모터 전기자 코일에 흘려줄 전류의 타이밍을 결정한다. 이러한 위상각과 각속도의 검출은 위상각검출센서의 신호를 논리회로에서 계산하여 얻을 수 있다.

발전기 전기자에서는 회전자가 회전하면 같은 방향의 자속과 쇄교하게 됨으로 같은 방향의 기전력이 연속적으로 발생된다. 그 기전력의 형태는 맥류 형태를 가지게 되고, 여러 개의 발전기 전기자 코일에서 유기하는 기전력이 합쳐지면 질 좋은 직류가 만들어 질 수 있다.

발전기 전기자 코일에는 항상 같은 방향의 전류가 흐르므로 전기자 반작용이 감소되고 인닥턴서에 의한 기전력의 감소도 줄어들게 된다.

도4는 이상 설명한 본 발명의 직류 모터-발전기를 이용하여 무정전 전원을 공급하는 회로를 개략적으로 보인 것이다.

이 회로는 바테리(1)와 연결된 자동스위치(2)를 거처 직류 모터-발전기(3)가 연결되고, 직류 모터-발전기의 출력이 자동전압조절기(4)를 거처 출력포트(5)로 출력 되도록 연결되어 있다.

자동스위치(2)는 전류의 흐름을 바꾸어 주기 위한 것이며, 바테리와 직류 모터-발전기와를 연결하거나, 자동전압조절기와 연결할 수 있게 한다. 또 자동스위치(2)는 자동전압조절기와 직류 모터-발전기를 연결할 수도 있다.

자동전압조절기(4)는 발전기의 출력을 소정의 전압으로 조절하여 출력포트에 내보내는 기능을 한다.

이렇게 구성된 회로의 동작은 다음과 같다.

먼저 바테리의 전원이 직류 모터-발전기에 연결되면 발전기 측에서 발생되는 전압이 자동전압조정기를 통하여 출력포트로 출력된다.

출력 측의 부하가 갑자기 없어지면, 관성에 의하여 모터-발전기는 계속 발전을 하고 있음으로 그 출력은 자동스위치(2)에 의하여 바테리로 보내어져서 바테리를 충전시킨다. 자동전압조절기에서 자동스위치로 보내어지는 전압이 바테리 전압보다 크게 되면 직류 모터-발전기 측으로 전력이 이동하게 되고, 관성에너지가 없어질 때까지 모터-발전기가 스스로 회전하게 된다.

이때 만약 직류 모터-발전기가 입력 보다 큰 출력을 발전할 수가 있다면 바테리를 제거하여도 모터-발전기는 계속 동작할 수 있으며, 바테리를 연결하여 놓으면 바테리가 충전될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 직류 모터-발전기에서는 발전기 전기자에 같은 방향의 전류가 흐르므로 리액턴스의 영향을 감소시킬 수가 있고, 부러쉬가 필요 없으며, 전기자 반작용에 의한 자속의 분포 변화와 같은 현상이 감소되어 결국 발전 효율을 높이는 효과가 있다.

Claims (17)

1. 2개 이상의 제1자극과 제2자극이 반지름 방향으로 간격을 가지고 원둘레에 배열되어 있고, 축을 중심으로 회전하는 회전자와,

   상기 제1자극과 제2자극 사이에 위치하고 하나 이상의 모터 전기자와 하나 이상의 발전기 전기자가 배열된 고정자와,

   상기 회전자가 상기 고정자에 대하여 회전될 수 있도록 회전자 축과 고정자를 지지하는 케이스가,

   상기 모터 전기자들에 공급되는 전원의 공급을 제어하는 전기제어부를 포함하는 직류 모터-발전기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1자극과 제2자극은 서로 대향하여 마주 보도록 배열된 것이 특징인 직류 모터-발전기
3. 제1항에 있어서,

   상기 모터 전기자와 발전기 전기자는 서로 번갈아 가며 설치되는 것이 특징인 직류 모터-발전기
4. 제3항에 있어서,

   상기 모터 전기자와 발전기 전기자의 수는 상기 제1자극수와 동수인 것이 특징인 직류 모터-발전기
5. 제3항에 있어서,

   상기 모터 전기자와 발전기 전기자의 수는 상기 제1자극수와 같지 아니한 것이 특징인 직류 모터-발전기
6. 제1항에 있어서,

   상기 제1자극은 N 극이고, 제2자극은 S 극인 것이 특징인 직류 모터-발전기
7. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1자극, 제2자극, 모터 전기자, 및 발전기 전기자는 각각 12개씩인 것이 특징인 직류 모터-발전기
8. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1자극, 제2자극, 모터 전기자, 및 발전기 전기자는 각각 24개씩인 것이 특징인 직류 모터-발전기
9. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1자극, 제2자극, 모터 전기자, 및 발전기 전기자는 각각 36개씩인 것이 특징인 직류 모터-발전기
10. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서,

    상기 제1자극과 제2자극은 영구자석으로 형성되는 것이 특징인 직류 모터-발전기
11. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서,

    상기 모터 전기자 및 발전기 전기자는 철심에 코일을 감아서 형성한 것이 특징인 직류 모터-발전기
12. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서,

    상기 고정자는 상기 케이스와 일체로 형성되고, 상기 회전자는 상기 케이스에 대하여 베어링으로 회전할 수 있도록 결합되는 것이 특징인 직류 모터-발전기
13. 제12항에 있어서,

    상기 베어링은 마그네트 베어링인 것이 특징인 직류 모터-발전기
14. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서,

    상기 전기제어부는 회전자의 위상각을 검출하기 위하여 포토센서를 이용하는 전자회로로 구성되는 것이 특징인 직류 모터-발전기
15. 제1항 내지 제6항의 어느 한 항에 있어서,

    상기 전기제어부는 회전자의 위상각을 검출하기 위하여 마그네트 센서를 이용하는 전자회로로 구성되는 것이 특징인 직류 모터-발전기
16. 2개 이상의 제1자극과 제2자극이 일정한 간격을 두고 배열된 회전자와,

    상기 제1자극과 제2자극 사이 간격에 위치하고 하나 이상의 모터 전기자와 발전기 전기자가 배열된 고정자를 이용하여 직류를 입력시켜서 직류를 발전하는 직류-직류 변환 방법에 있어서,

    고정자에 설치된 하나의 모터 전기자에 전류를 공급하여 회전자에 설치된 하나의 제1자극과 제2자극이 끌려오도록 흡인력을 발생하고, 다른 인접한 모터 전기자에 반대 방향의 전류를 흘려서 반대 극성의 자속을 발생시켜 회전자에 설치된 다른 인접한 제1자극과 제2자극이 밀려서 멀어지도록 척력을 발행시켜서, 결국 흡인력과 척력이 같은 방향의 토르크를 발생시키도록 하는 과정을 각각의 모터 전기자에 반복하여 회전자를 회전시키면서,

    발전기 전기자에서 발생되는 기전력은 전기자 코일을 서로 직렬 또는 병렬로 연결하여 직류를 출력시키는 것이 특징인 직류-직류 변환 방법
17. 모터 부분과 발전기 부분을 가진 모터-발전기의 모터 입력 측에 외부 직류 전원을 연결하고,

    모터-발전기의 발전기 출력 측에 자동 전압 조절기를 연결하고, 자동전압조절기의하나의 출력에는 부하를 연결하고,

    자동전압조절기의 다른 하나의 출력단자에는 모터-발전기의 모터측 입력을 연결하여서 된 전원공급 장치.