KR200455028Y1 - 유도전동기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 전동기의 회전자 직경을 크게 하여 관성질량을 증가시켜줌으로써 입력전원을 높여 회전자를 고속으로 회전시키지 않아도 회전토크를 상승시켜줄 수 있도록 한 유도전동기에 관한 것이다.
이를 실현하기 위한 본 고안은 주 몸체를 이루며 내부에 수납공간이 마련되는 하우징; 상기 하우징의 내주면에 고정설치되며 자기장을 발생시키는 고정자; 상기 고정자와 동심원을 이루도록 설치됨과 아울러 중심축 방향으로 설치된 샤프트의 양단이 회전가능하게 베어링결합되며, 상기 고정자의 자기장에 의해 회전하게 되는 회전자;를 포함하되, 상기 회전자는 직경이 800 ~ 1500㎜로 형성되어 상기 회전자의 관성질량을 증가시켜줌에 따라 상승된 회전토크를 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

유도전동기{Induction motor}

본 고안은 유도전동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전자의 직경을 크게 하여 관성질량을 증가시켜줌에 따라 회전토크를 상승시킬 수 있는 유도전동기에 관한 것이다.

일반적으로 전동기(電動機)는 전류가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 기계적인 일로 바꾸는 장치이다. 대부분의 전동기는 회전운동의 동력을 만들지만 직선운동을 생산하기도 한다. 한편, 발전기는 전동기와 반대되는 장치로서 역학적 에너지를 이용하여 전기를 생산한다. 전동기와 발전기는 서로 역할을 바꿔 대신할 수 있다.

전동기는 전원의 종류에 따라 직류전동기와 교류전동기로 분류되며, 교류전동기는 3상 교류용과 단상교류용으로 구분되며 각각에 유도전동기와 동기전동기가 있다. 유도전동기는 전원에 바로 연결이 가능하고 구조가 간단하며 튼튼한데 비해 가격이 싸고 취급이 쉬워 세계적으로 가장 많이 사용되고 있다.

이와 같은 유도전동기는 회전하지 않는 고정자와 회전할 수 있는 회전자로 이루어지며, 고정자 권선에 회전자계를 발생시키기 위한 전류를 공급하면 전자유도에 의하여 회전자 권선에 유도전류가 흘러들고 그에 따라 토크가 발생하여 회전하게 된다.

한편 발전기는 기계적 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로, 기계적 회전에너지의 동력원으로는 물의 위치에너지 차이를 이용한 수력발전이나, 석탄이나 우라늄과 같은 자원을 이용하여 발전하는 화력발전과 원자력 등이 있으며, 최근에는 태양열을 이용한 태양열발전과 풍력을 이용한 풍력발전기 등이 이용되고 있다.

즉 상기의 발전수단에 의해서 발생되는 기전력으로 전기에너지를 생산하고 있으나 발생된 기전력에 비해 더 큰 출력의 전기에너지를 생산하기 위해서는 더 많은 동력원을 필요로 하게 된다. 이 경우 많은 설치비용과 자원이 소요되는 문제점이 있으며, 이에 따라 발전기를 가동시킬 수 있는 대체수단이 요구되고 있다.

본 고안은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 전동기의 회전자 직경을 크게 하여 관성질량을 증가시켜줌으로써 입력전원을 높여 회전자를 고속으로 회전시키지 않아도 회전토크를 상승시켜줄 수 있도록 한 유도전동기를 제공하는데 그 목적이 있다.

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상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 고안의 유도전동기는, 주 몸체를 이루며 내부에 수납공간이 마련되는 하우징; 상기 하우징의 내주면에 고정설치되며 자기장을 발생시키는 고정자; 상기 고정자와 동심원을 이루도록 설치됨과 아울러 중심축 방향으로 설치된 샤프트의 양단이 회전가능하게 베어링결합되며, 상기 고정자의 자기장에 의해 회전하게 되는 회전자;를 포함하되, 상기 회전자는 직경이 800 ~ 1500㎜로 형성되어 상기 회전자의 관성질량을 증가시켜줌에 따라 상승된 회전토크를 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 한다.

이 경우 상기 회전자의 외주면과 상기 고정자의 내주면 사이의 공극은 1.5 ~ 2㎜인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전자의 외주면에는 샤프트를 회전중심으로 복수의 슬롯이 일정각도 이격되게 형성되고, 상기 슬롯에는 복수의 구리막대기가 삽입된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 슬롯은 상기 회전자의 회전방향으로 2 ~ 3°기울어지게 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전자 일측의 동일 샤프트 선상에는 상기 회전자와 일체로 형성되어 함께 회전하면서 상기 회전자의 관성모멘트를 증가시켜주는 플라이휠이 더 구비되는 것을 포함한다.

이상과 같은 구조의 본 고안에 따른 유도전동기는, 회전자의 직경을 크게 형성해줌으로써 상승된 회전토크를 얻을 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 고안에 따른 유도전동기의 분해 사시도,
도 2는 본 고안에 따른 유도전동기의 내부구성도,
도 3은 본 고안에 따른 회전자의 측면도,
도 4는 본 고안에 따른 유도전동기의 사용상태도
도 5는 본 고안에 따른 유도전동기의 다른 사용상태도이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

도 1은 본 고안에 따른 유도전동기의 분해 사시도이고, 도 2는 본 고안에 따른 유도전동기의 내부구성도이며, 도 3은 본 고안에 따른 회전자의 측면도이고, 도 4는 본 고안에 따른 유도전동기의 사용상태도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 고안의 바람직한 일 실시예에 따른 유도전동기(100)는 주 몸체를 이루며 내부에 수납공간이 형성되는 하우징(110)과, 상기 하우징(110)의 내주면에 고정설치되며 전류를 공급받아 자기장을 발생시키는 고정자(120)와, 상기 고정자(120)와 동심원을 이루며 고정자(120)에서 발생하는 자기장에 의해 회전하게 되는 회전자(130)를 포함하여 구성되되, 상기 회전자는 직경(D)이 800 ~ 1500㎜로 형성되어 상기 회전자의 관성질량이 증가함에 따라 상승된 회전토크를 얻을 수 있도록 한 것에 특징이 있다.

이러한 본 고안의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

고정자(120)는 회전자계를 발생시킬 수 있도록 3상권선이 되어 있다. 3상권선에 3상교류를 흘리면 합성자계가 영구자석을 회전시켰을 때와 같이 N, S의 자극이 일정한 방향으로 회전하게 된다. 이 경우 고정자(120)는 회전자계가 1주기간에 반회전하는 4극으로 이루어진다.

회전자(130)는 농형으로, 외주면에는 복수의 슬롯(133)이 샤프트(131)를 회전중심으로 일정간격 이격되게 형성되고, 상기 슬롯(133)에는 복수의 구리막대기(135)가 삽입된 구조로 이루어진다. 이러한 회전자(130)의 외주면은 고정자(120)의 내주면과 소정의 공극(t)(1.5 ~ 2㎜)을 유지하도록 결합됨과 아울러 샤프트(131)의 양단이 회전가능하게 베어링결합되어 고정자(120)의 자기장에 의해 회전하게 된다. 이 경우 상기 슬롯(133)은 회전자(130)의 회전방향으로 2 ~ 3°기울어지게 형성되어 있어 일정 속도로 회전하는 회전자(130)에 가속도가 붙게 된다.

이와 같은 구조의 회전자(130)는 회전 중심축에서 회전하는 질량까지의 거리가 증가하게 되면 회전 관성이 커지게 된다는 이론적으로 볼 때, 회전자(130)의 직경이 커지면 회전 관성이 커지게 되며 이에 따라 샤프트(131)의 회전토크가 상승하게 된다.

참고로, 관성(inertia)이란 정지하고 있는 물체는 계속 정지하고 있으려고 하고 움직이는 물체는 계속 움직이려는 성질을 말한다. 이러한 관성은 질량에 비례하므로 예컨대 가벼운 회전자는 관성이 작고 무거운 회전자(130)는 관성이 커진다.

따라서 가벼운 회전자는 정지 상태에서 벗어나 스타트시의 가속 및 주행 중의 속도의 가감속이 용이하게 되고 반면 회전 관성이 떨어지게 된다. 이와는 반대로 무거운 회전자(130)는 순발력은 떨어지게 되나 지속주에서 회전관성이 커지게 되는 이점이 있다. 이와 같이 회전관성이 커진 회전자(130)는 샤프트(131)의 회전토크를 향상시켜주게 된다.

예를 들면, 회전자(130)는 직경이 800 ~ 1500㎜로 형성됨과 아울러 1800rpm의 속도로 회전시킬 때가 최적의 회전토크를 얻을 수 있게 된다.

즉 상기 회전자(130)의 직경이 800㎜ 이하로 형성될 경우에는 본 고안에서 이루고자 하는 상승된 회전토크를 얻기가 힘들다.

이에 반해, 상기 회전자(130)의 직경이 1500㎜ 이상으로 형성될 경우에는 그렇지 않은 경우에 비해 유도전동기(100)를 초기에 기동시키는데 필요한 기동전류가 많이 필요하게 됨에 따라 비효율적이다.

이상과 같은 구조의 본 고안에 따른 유도전동기의 사용상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 고정자(120)의 3상권선에 평형3상교류전압을 가하면 권선에는 평형3상교류전류가 흐르게 되고, 이러한 권선 주위에는 자속이 발생하게 된다.

각 권선의 합성자속은 시시각각 방향이 변화하는 회전자속이 되며, 이때의 회전자속은 동기속도로 회전하게 된다. 그리고 회전자도체와 회전자속과의 전자유도현상으로 회전자도체에 기전력이 유기되고, 이 유기기전력은 회전자도체에 전류를 흐르게 한다.

이 경우 회전자도체의 전류와 회전자속 사이에는 힘(전자력)이 발생하는데 방향은 회전자속과 같은 방향이다. 이러한 전자력에 의해 회전자(130)는 회전하게 되고, 회전자(130)의 큰 직경에 의해 회전 관성이 커지게 된다. 이에 따라 샤프트(131)는 상승된 회전토크를 얻게 된다.

이와 같은 유도전동기(100)는 도 4에 도시된 바와 같이, 감속기(200) 또는 다양한 연결수단을 선택적인 매개로 연결하여 발전기(300)를 가동시키면 마침내 입력전원 대비 큰 출력(대략 7 ~ 10배)의 전기에너지를 얻을 수 있게 된다.

예를 들면, 정격출력(P)이 37㎾이고 회전자(130)의 반경이 500㎜인 유도전동기(100)를 1800rpm의 회전수(N)로 구동하는 경우 회전토크(T)는,

T = 97400 × P/N = 97400 × 37/1800 = 2000(kg·㎜)가 되고,

이와 같은 회전토크(T)를 이용하여 일례로 3:1의 감속비를 갖는 발전기(300)와 연결하여 가동시키는 경우 3배로 증가한 회전토크에 의해 입력에 비해 큰 출력의 기전력을 발생하게 된다.

여기서, 발전기(300)의 효율을 대략 85%이고 기타 발생되는 저항 등의 손실을 감안하더라도 대략 2 ~ 3배의 전력을 발생시킬 수 있게 된다. 즉 정격출력이 37㎾ 유도전동기(100)를 이용하여 발전기(300)를 가동시킴으로써 약 94㎾의 출력을 얻을 수 있게 된다.

도 5는 본 고안에 따른 유도전동기의 다른 사용상태를 보여주는 도면으로, 도 5를 참조하면, 상기 회전자(130)의 일측 동일 샤프트(131) 선상에는 회전자(130)와 일체로 형성되어 함께 회전하면서 회전자(130)의 관성모멘트를 증가시켜주는 플라이휠(140)이 더 구비된 구조로 이루어질 수 있다.

이와 같은 플라이휠(140)의 구조에 의해 회전자(130)의 관성모멘트가 증가함에 따라 결국 유도전동기(100)와 직렬로 연결되어 가동되는 발전기(300)의 효율을 높여줄 수 있게 된다. 즉 입력대비 큰 출력을 얻을 수 있게 된다.

이상에서는 본 고안을 특정의 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 고안은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 고안의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다.

100 : 유도전동기 110 : 하우징
120 : 고정자 130 : 회전자
131 : 샤프트 133 : 슬롯
135 : 구리막대기

Claims (5)

1. 주 몸체를 이루며 내부에 수납공간이 마련되는 하우징(110);
   상기 하우징(110)의 내주면에 고정설치되며 자기장을 발생시키는 고정자(120);
   상기 고정자(120)와 동심원을 이루도록 설치됨과 아울러 중심축 방향으로 설치된 샤프트(131)의 양단이 회전가능하게 베어링결합되며, 상기 고정자(120)의 자기장에 의해 회전하게 되는 회전자(130); 및
   상기 샤프트(131)의 일측에 일체로 형성되어 상기 회전자(130)와 함께 회전하면서 상기 회전자(130)의 관성모멘트를 증가시켜주는 플라이휠(140);을 포함하여 구성되되,
   상기 회전자(130)의 외주면과 상기 고정자(120)의 내주면 사이의 공극(t)은 1.5 ~ 2㎜이고,
   상기 회전자(130)의 외주면에는 샤프트(131)를 회전중심으로 복수의 슬롯(133)이 일정각도 이격되게 형성되는 한편, 상기 슬롯(133)에는 복수의 구리막대기(135)가 삽입되며,
   상기 회전자(130)는 직경이 800 ~ 1500㎜로 형성되어 상기 회전자(130)의 관성질량을 증가시켜줌에 따라 상승된 회전토크를 얻을 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 유도전동기.
2. 삭제
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4. 제1항에 있어서,
   상기 슬롯(133)은 상기 회전자(130)의 회전방향으로 2 ~ 3°기울어지게 형성된 것을 특징으로 하는 유도전동기.
5. 삭제

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