KR200214720Y1 - 회전 자장내의 고정 코일을 이용한 동기발전기의 전기발생장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 2개의 간단한 고정 권선 코일 셋(SET)으로 회전 자장을 생성하고, 기존의 슬립 링(SLIP RING)과 브러쉬 어셈블리(BRUSH ASSEMBLY) 또는 익사이터(EXCITER)를 사용하지 않으며 고정자의 적층 규소 강판에 있는 모든 슬롯과 페이즈 와인딩의 균등 배선을 없애고 이로 인한 버트 앤드(BUTT END)부분을 제거함으로써 원가를 절감하고 중량을 감소시킬 수 있도록 한 것이다.

본 고안은 페이즈 와인딩 코일을 갖는 고정자인 동일 형태의 W형 적층 규소 강판 코어와, 2개의 여자 코일을 갖는 동일한 2개의 고정 플라스틱 디스크와, 여자되는 폴이 결합된 1개의 실린드리컬 코어와, 발전기 축에 취부되어 자력선이 순환되도록 하는 2개의 솔리드 스틸 링을 포함하여 이루어진다.

Description

회전 자장내의 고정 코일을 이용한 동기발전기의 전기 발생장치{A generator electric occurrence device using fixed coil in the rotation magnetic field}

본 고안은 회전 자장내의 고정 코일을 이용한 동기발전기의 전기 발생장치에 관한 것으로, 특히 2개의 간단한 고정 권선 코일 셋(SET)으로 회전 자장을 생성하고, 기존의 슬립 링(SLIP RING)과 브러쉬 어셈블리(BRUSH ASSEMBLY) 또는 익사이터(EXCITER)를 사용하지 않으며 고정자의 적층 규소 강판에 있는 모든 슬롯과 페이즈 와인딩의 균등 배선을 없애고 이로 인한 버트 앤드(BUTT END)부분을 제거함으로써 원가를 절감하고 중량을 감소시킬 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 동기 발전기는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 바꾸어 주는 변환장치로서 발전소, 공장 등에 설치하여 일반 전기 에너지를 생산해서 가정용 및 산업용 동력원으로 사용하고 있다.

이와 같은 동기 발전기는 자동차의 전원 공급용에서부터 각종 산업용 기계, 건설 기계 및 기타 여러 분야의 상시 전원 공급과 일반 전기 공급이 불가능한 지역에 대한 국부 전원 공급 또는 일반 전기의 갑작스런 단전에 대비한 비상 전원 공급 등을 위해 필수적으로 사용되고 있다.

종래 발전기의 페이즈 와인딩은 고정자의 적층 규소 강판에 특별한 형태로 만든 수없이 많은 슬롯 내부에 코일을 균등하게 배선하여야 한다.

또한, 종래에는 복잡하고 특별한 형태의 슬롯을 갖는 나선형 시트(SHEET)에 코일을 균등하게 배선하기 위하여 일일이 수 작업으로 압입해야 하는 어려움이 있음은 물론 모든 작업의 대부분이 인력에 의해서만 가능하므로 상당히 많은 노동력이 필요하며, 이에 따라 기존 동기 발전기의 생산은 노동 집약적 작업에 의하므로 생산성이 매우 낮은 문제가 있다.

그리고 페이즈 와인딩 제작과 적층 규소 강판 슬롯의 코일 배선은 과도한 자재 사용을 필요로 하고, 제조공정 또한 인력에 의한 수 작업에 의존해야만 하므로 종래의 동기 발전기는 자동화 설비에 의한 생산이 불가능하여 대량 생산을 할 수 없어 생산 원가를 낮추는데 한계가 있으며, 이는 특히 중소형 동기 발전기 생산의 경쟁력 제고에 어려움을 갖게 된다.

또한, 종래의 동기 발전기의 여자에 의한 자장 형성은 슬립 링과 브러쉬 어셈블리를 통하여 에너자이징(ENERGIZING)되는 회전자의 전자석 셋(SET)에 의한 방법과, 동기 발전기의 동일 축 상에 장착한 소형 발전기인 엑사이터(EXCITER)를 사용하는 브러쉬리스(BRUSHLESS) 방법이 있다.

전자의 슬립 링과 브러쉬 어셈블리를 사용하는 방법은 그 구조상 세심한 주의를 요하는 잦은 정비와 항상 처음 상태와 같은 스파크가 유지되도록 해야만 하는 불편함이 있다.

후자의 익사이터를 사용하는 방법은 또 하나의 소형 발전기를 동일 축 상에 장착해야만 하므로 동기 발전기 제작과 동일한 제조 과정이 필요하고, 이에 따라 과도한 자재사용과 많은 노동력이 소요됨은 물론 축 상의 중량 증가로 축의 직경이 커지게 되고 전체 중량도 상당히 증가하게 된다.

따라서, 이와 같은 종래의 동기 발전기는 다음과 같은 근본적인 문제점이 있다.

페이즈 와인딩 배선을 위한 고정자 적층 규소 강판상에 복잡한 구조의 슬롯이 필요하고, 슬롯에 코일을 압입해야 하는 수작업과 페이즈 와인딩 수 작업에 따른 많은 인원의 노동력이 소요된다.

또한, 과도한 자재 소요와 여자에 필요한 무거운 전자석과 그의 에너자이징을 위한 슬립 링과 브러쉬 어셈블리 또는 익사이터를 사용하는 문제가 있으며, 슬립 링과 브러쉬 어셈블리를 양호한 상태로 유지하기 위하여 세심한 주의를 요하는 잦은 정비가 요구된다.

그리고 동일 축 상에 장착하는 익사이터로 인한 과도한 자재소모 및 과대 노동력 소요와 축을 포함한 전체적인 중량증가에 따른 원가상승을 가져오며, 설비자동화의 어려움으로 인한 대량 생산 불가능과 함께 낮은 생산성으로 생산 원가를 낮추는데 한계가 있다.

또한, 페이즈 와인딩의 과도 발열로 냉각시키기 위한 비경제적인 쿨링 시스템의 장착과 중량 증가를 가져오는 결점이 있으며, 전체 와인딩의 약 40%정도를 차지하는 페이즈 와인딩의 버트-앤드 파트(BUTT-END PART)형성으로 인한 과도한 자재소모 및 중량 증가에 따른 원가상승의 결점이 있었다.

본 고안은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 고안의 목적은, 2개의 간단한 고정 권선 코일 셋으로 자장을 생성케 하고, 슬립 링과 브러쉬 어셈블리를 사용하지 않거나 익사이터를 사용하지 않으며, 고정자의 적층 규소 강판에 페이즈 와인딩을 위하여 필요한 수많은 슬롯을 제거하고, 슬롯에 코일을 하나하나 압입하는 작업배제와 페이즈 와인딩 균등 배선을 제거하고 페이즈 와인딩으로 조성되는 버트-앤드 파트를 제거한 회전 자장내의 고정 코일을 이용한 동기발전기의 전기 발생장치를 제공하는데 있다.

도 1은 발전기축에 2개의 폴이 결합된 실린드리컬 스틸 코어의 정면도

도 2는 도 1의 A-A선 단면도

도 3은 여자 코일이 붙은 기본적인 디스크 2개중 1개에 대한 정면도

도 4는 도 3의 B-B선 단면도

도 5는 2중 3상 발전기의 정면도

도 6은 도 5의 측면도이다

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1:실린드리컬 코어 2:폴

3:발전기 축 4,5:디스크

6,7:일렉트리컬 코일 8:슬롯

9:코어 10:페이즈 와인딩 코일

11-13:에어 갭 14,15:스틸 링

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은, 페이즈 와인딩 코일을 갖는 고정자인 동일 형태의 W형 적층 규소 강판 코어와, 2개의 여자 코일을 갖는 동일한 2개의 고정 플라스틱 디스크와, 여자되는 폴이 결합된 1개의 실린드리컬 코어와, 발전기 축에 취부되어 자력선이 순환되도록 하는 2개의 솔리드 스틸 링을 포함하여 구성함을 특징으로 한다.

본 고안은 동기 발전기가, 여자 효율이 증가되며 자속 손실이 거의 없는 반대로 결선된 2개의 고정 코일에 의해 에너자이징되는 회전 자장에 의해서만 유효 가능하도록 구성함을 특징으로 한다.

본 고안은 상기 페이즈 와인딩 코일이, 각각 독립적으로 설치되어 있어 페이즈 와인딩, 균등 배선이 필요없고, 이에 따라 와인딩의 버트 앤드 부분이 삭제되어 중량이 감소되는 것을 특징으로 한다.

본 고안은 상기 W형 적층 규소 강판 코어가, 각각 독립되어 자장이 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 고안은 2개의 공동 여자 코일이 고정되므로 1쌍이나 그 이상 쌍의 폴을 갖는 실린드리컬 코어의 무게가 감소하도록 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 실시 예를 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 고안의 발전기축에 2개의 폴이 결합된 실린드리컬 스틸 코어의 정면도이고, 도 2는 도 1의 A-A선 단면도를 나타낸 것으로, 폴(2)을 갖는 로터리 솔리드 스틸 실린드리컬 코어(1)가 발전기 축(3)에 장착되어 구성된 것이다.

도 3은 여자 코일이 붙은 기본적인 디스크 2개중 1개에 대한 정면도이고, 도 4는 도 3의 B-B선 단면도를 나타낸 것으로, 2개의 크기와 형태가 같은 둥근 일렉트리컬 코일(6)(7)은 디스크(4)(5)에 취부되며, 상기 디스크(4)(5) 중앙의 원형 구멍은 실린드리컬 코어(1)에 끼울 수 있도록 거의 동일한 크기로 구성되어 있다.

도 5는 2중 3상 발전기의 정면도이고, 도 6은 도 5의 측면도를 나타낸 것으로, 페이즈 와인딩 코일(10)을 코어(9)의 미들 레그에 장착하고, 디스크(4)(5)각각의 슬롯(8)안쪽으로 W형 코어(9)를 끼워 맞춰 구성된 것이다.

도면중 미 설명 부호 11내지 13은 에어 갭이다.

이와 같이 구성된 본 고안의 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 고안은 2개의 폴(2)을 갖는 로터리 솔리드 스틸 실린드리컬 코어(1)가 발전기 축(3)에 장착되고, 도 3내지 도 6에서 2개의 동일한 크기와 형태의 플라스틱 또는 기타 비철 재료로 견고하게 만든 디스크(4)(5)는 본 동기 발전기의 기초가 된다.

또한, 도 4에서 2개의 크기와 형태가 같은 둥근 일렉트리컬 코일(6)(7)이 디스크(4)(5)에 붙는데, 상기 일렉트리컬 코일(6)(7)이 장착된 디스크(4)(5)중앙의 원형 구멍은 실린드리컬 코어(1)에 끼울 수 있도록 거의 동일한 크기로 설정되어 있다.

일반적으로 3상 동기 발전기의 경우 도 3, 도 4와 같이 디스크(4)(5)의 원주에 60도 각도마다 모두 6개의 간단한 동일 형태의 슬롯을 만든다.

도 6의 페이즈 와인딩 코일(10)을 코어(9)의 가운데 큰 미들 레그에 장착한 다음 본 동기 발전기의 고정자인 W형의 적층 규소 강판 코어(9)를 이 슬롯에 맞게 끼운다.

이런 상태에서 6개의 슬롯 밑면 선은 폴(2)의 원호와 상응되는 원호로 되고, 디스크(4)(5) 각각의 슬롯(8)안쪽으로 끼워 맞춘 페이즈 와인딩 코일(10)을 갖는 W형 적층 규소 강판 코어(9)는 이 슬롯의 원호 형태로 구성되므로 에어 갭(11-13)이 형성된다.

이때, 상기 에어 갭(11)(13)의 크기는 상기 에어 갭(12)보다 작으며 일렉트릭 모티브 포오스, 기전력(EMF)은 이의 구성, 형태 및 크기에 따라 달라지게 된다.

주요 구성품의 조립도는 도 6과 같으며, 일렉트리컬 코일(6)(7)을 갖는 기본적인 디스크(4)(5)는 실린드리컬 코어(1)양 끝단에 마주 보게 설치하고, 페이즈 와인딩 코일(10)을 갖는 W형 고정자 코어(9)를 슬롯(8)에 끼워 맞춰 완성한다.

상기 일렉트리컬 코일(6)(7)은 서로 반대로 결선되어 각각 자속을 생성하며, 그들 자속 밀도의 벡터는 실린드리컬 코어(1)를 중심으로 반대가 된다.

즉, 원주 방향에서 스틸 폴(2)로부터의 힘은 각각 바깥방향으로 향하고자 하므로 소실된 자속이 실제로 '0'인 곳에서 강력한 자장을 형성하게 된다.

본 동기 발전기에서 자장의 자력선과 발전기 중심 축은 동일 평면상에 있으나, 기존 동기 발전기는 이들이 수직면으로 위치하게 된다.

본 동기 발전기의 폴(2)은 서로 닮은 꼴 형태로 상호보완적이며, 이는 실린드리컬 코어(1)의 양 끝단에 붙은 스틸 링(14)(15)과 연계되어 자속의 흐름이 닫혀있게 된다.

닮은꼴 형태인 폴의 회전 자장은 페이즈 아이딩 코일(10)에서 기전력 EMF를 유도하며, 회전자의 한번 회전은 각각의 페이즈 와이딩 코일(10)에서 EMF 2개의 풀 웨이브에 해당한다.

3상 동기 발전기에서 3개의 W형 스틸 코어 셋은 코일이 각각 60도 또는 π/3로 이동하는 곳으로부터 1개의 발전기를 구성한다.

각각 독립된 페이즈 와인딩 코일(10)을 갖는 W형 스틸 코어의 다음 3셋(set)은 다른 3상 발전기를 구성하게 된다.

이와 같이 3상 와인딩의 2셋(set)은 1개의 공동 여자 자장을 갖는 2개의 동기 발전기로 구성된다.

여자되는 실린드리컬 코어(1)가 결합된 동기 발전기 축은 여자 코일이 취부된 2개의 동일한 고정 디스크의 중앙 구멍에 일렬로 배치된다.

발전기 자력선이 순환되는 2개의 동일한 솔리드 스틸 링은 여자되는 실린드리컬 코어(1)에 취부된다.

페이즈 와인딩 코일(10)이 붙은 고정자의 W형 적층 철심 코어(9)는 고정된 2개의 기초 디스크에 있는 슬롯에 설치되어 고정된다.

발전기 축의 회전 구동은 2개의 볼 베어링으로 유지하도록 하고, 베어링은 별도 2개의 지지대 위에 설치하며, 고정자의 고정과 에어 갭의 조정이 본 동기 발전기 조립의 마지막 과정이 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 고안은 여자 코일이 취부된 플라스틱 재질의 기본적인 2개의 디스크, 페이즈 코일이 취부된 몇 개의 W형 적층 페이즈 스틸 코어, 몇 개의 폴이 결합된 솔리드 스틸 코어, 발전기 축 끝단에 장착하는 솔리드 스틸 링으로 구성되어 자재 사용 절감 및 노동력의 절감을 통하여 중량이 가벼우면서도 효율이 높고 냉각 조건이 개선된 생산성이 월등히 향상된 발전기의 생산을 가능하게 하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 페이즈 와인딩 코일을 갖는 고정자인 동일 형태의 W형 적층 규소 강판 코어와,

   2개의 여자 코일을 갖는 동일한 2개의 고정 플라스틱 디스크와,

   여자되는 폴이 결합된 1개의 실린드리컬 코어와,

   발전기 축에 취부되어 자력선이 순환되도록 하는 2개의 솔리드 스틸 링을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 회전 자장내의 고정 코일을 이용한 동기발전기의 전기 발생장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 동기 발전기는 여자 효율이 증가되며 자속 손실이 거의 없는 반대로 결선된 2개의 고정 코일에 의해 에너자이징되는 회전 자장에 의해서만 유효 가능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 회전 자장내의 고정 코일을 이용한 동기발전기의 전기 발생장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 페이즈 와인딩 코일이, 각각 독립적으로 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 자장내의 고정 코일을 이용한 동기발전기의 전기 발생장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 W형 적층 규소 강판 코어가, 각각 독립되어 자장이 형성되는 것을 특징으로 하는 회전 자장내의 고정 코일을 이용한 동기발전기의 전기 발생장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 동기 발전기는 2개의 공동 여자 코일이 고정되므로 1쌍이나 그 이상 쌍의 폴을 갖는 실린드리컬 코어의 무게가 감소하는 것을 특징으로 하는 회전 자장내의 고정 코일을 이용한 동기발전기의 전기 발생장치.