KR20060083886A - 저 토크형 발전기자기회로 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 저 토크발전기의 자기회로로서 고정자 계철(yoke) 내의 원주면 및 회전자 외주면에 다극단상과 다극다상결선이 되도록 다수개의 자속유도용 Y돌기형·T돌기형철심(pole core)을 결합하고 자속유도용 Y돌기형·T돌기형 철심의 자극편(pole piece)양단 후면에 공극(air gap)으로 자기저항을 형성시켜 계자로부터 유도된 자속은 순환되지 않으면서 전기자에서 발생한 회전반발 자속만 순환되도록 자기회로를 구성하기 위하여 자속순환용 Y돌기형·T돌기형·T돌기형·S돌기형철심(pole core)을 고정자 계철(yoke) 내주면 및 회전자 외주면에 연결시켜 회전반발력을 제어하도록 구성한 자기회로이다.

따라서 전기자반작용을 줄이기 위한 한 방법으로서 외부의 기계적에너지소모를 절약할 수 있다.

토크발전기, 자기회로, 계철, 공극, 자속, 고정자

Description

저 토크형 발전기자기회로{Low torque type alternator Magnetic Circuit}

도1a는 종래의 고 토크발전기의 자기회로(돌기형)도,

도1b는 종래의 고 토크발전기의 자기회로(슬롯형)도,

도2a는 종래의 회전기를 전동기용도로 사용할 경우 입력파형도,

도2b는 종래의 회전기를 발전기용도로 사용할 경우 입력파형도,

도3a는 LENZ'S의 법칙의 반발설명도,

도3b는 LENZ'S의 법칙의 흡인설명도,

도4a는 본 발명의 저 토크발전기자기회로의 반발자속 순환원리도,

도4b는 본 발명의 저 토크발전기자기회로의 흡인자속 순환원리도,

도5a는 본 발명의 저 토크 돌기형 발전기의 자기회로도,

도5b는 본 발명의 저 토크 슬롯형 발전기의 자기회로도,

도6a는 본 발명의 저 토크 돌기형발전기의 토크제어용자기회로도,

도6b는 본 발명의 토크제어용자기회로를 제어하기 위한 인버터도,

도6c는 본 발명의 발전기 토크제어를 위한 스위칭순서도,

도7a는 본 발명의 저 토크 회전 전기자형 자기회로도,

도7b는 본 발명의 실시예의 구성도,

본 발명은 강자성체(ferromagnetic substance)로 저 토크형 발전기 자기회로를 구성하여 발전할 때 발생하는 회전 반발력을 줄이기 위한 것으로 보다 상세하게는 고정자 계철(yoke) 내의 원주면 및 회전자 외주면에 다극단상과 다극다상결선이 되도록 다수개의 자속유도용 Y돌기형·T돌기형철심(pole core)을 결합하고 자속유도용 Y돌기형·T돌기형 철심의 자극편(pole piece)양단 후면에 공극(air gap)으로 자기저항을 형성시켜 계자로부터 유도된 자속은 순환되지 않으면서 전기자에서 발생한 회전반발 자속만 순환되도록 자기회로를 구성하기 위하여 자속순환용 Y돌기형·T돌기형·T돌기형·S돌기형철심(pole core)을 고정자 계철(yoke) 내주면 및 회전자 외주면에 연결시켜 회전반발력을 제어하도록 구성한 저 토크형 발전기 자기회로에 관한 것이다.

지금까지 사용되어온 회전기의 자기회로는 토크를 어떻게 높일 것인가? 에 초점을 맞추어 연구하고 개량되어 왔다.

고 토크의 회전기는 회전동력을 얻기 위한 효율은 높지만 반대로 전력을 출력하는 발전기(alternator)로서의 용도에서는 고 토크가 전기자 반작용으로 나타나 회전력을 감쇄시키게 된다.

특히 부하상태에 따라 전압보상을 하기 위하여 계자전류를 높일 경우 계자자속이 커지게 되고 커진 계자자속이 전기자에 유도되어 전기자에 감긴 코일에서는 높은 기전력을 만들게 된다. 이 기전력은 부하를 거쳐 다시 전기자로 돌아와 전기자를 자화시켜 회전자자속과 반발에 의한 충돌 및 흡인에 의한 견인으로 회전력을 방해하게 된다.

회전동력이 멈추지 않게 하기 위해서는 더 많은 에너지소모가 필요하며 상호반발토크에 의한 소음진동 및 에너지소모에 의한 환경 파괴 등으로 손실이 크게 작용하게 된다.

따라서 저 토크형 발전기 자기회로가 연구되고 개발되어야 하는 이유이다.

본 발명은 이러한 문제점을 해소하기 위한 것으로 그 목적은 렌즈의 법칙에 의해 발생하는 발전기자기회로의 회전동력감쇄현상을 줄이기 위함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 고정자자속과 회전자자속사이에서 일어나는 상호반발 및 견인토크를 줄임으로서 회전자의 경량화 및 정속도 회전을 유지하기 위한 에너지소모를 줄이기 위함이 목적이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 특징에 의하면 고정자 계철(yoke) 내의 원주면 및 회전자 외주면에 다극단상과 다극다상결선이 되도록 철심으로 구성한 자속유도용 Y돌기형·T돌기형 철심(pole core)을 결합하고 상기 자속유도용 Y돌기형·T돌기형 철심의 자극편(pole piece)양 끝단 후면에 계자로부터 유도 된 자속이 흐르지 않도록 일정한 간격의 공극(air gap)으로 자기저항을 형성시킨 상태에서 별도의 복수개구조로 구성된 자속순환용 Y돌기형·T돌기형·I돌기형·J돌기형·S돌기형철심(pole core)을 고정자 계철(yoke) 내주면 및 회전자 외주면에 연결시켜 회전반발력을 줄이도록 구성한 상(phase)3중돌기형 발전기자기회로;

자속유도용 Y돌기형·T돌기형 철심의 자극편(pole piece)양 끝단 후면에 공극(air gap)의 자기저항을 형성시킨 상태에서 별도의 다수개구조로 구성된 자속순환용 Y돌기형·T돌기형·I돌기형·J돌기형·S돌기형철심(pole core)을 고정자 계철(yoke) 내주면 및 회전자 외주면에 다수 개의 3중 돌기와 다수개의 슬롯돌기로 구성하여 연결시켜 회전반발력을 줄이도록 구성한 슬롯형발전기자기회로;

자속유도용 Y돌기형 철심은 H형·O형·U형·역U형의 공극을 형성시킨 자기회로.

자속순환용 Y돌기형·T돌기형·I돌기형·J돌기형·S돌기형철심(pole core)에 회전반발과 회전유도를 위한 제어코일을 권선하여 부하에 의한 토크를 제어하도록 구성한 저 토크 발전기 자기회로가 제공된다.

이러한 구성에 대하여 그 원리와 작용을 설명하면 다음과 같다. 도 1a와 도 1b는 고전적인 고 토크형 회전기의 자기회로를 도시한 것으로 도1a는 돌기형을 도 1b는 슬롯형을 소개하고 있다.

도 1에서 제시한 고 토크형 회전기의 자기회로는 편의상 4극3상을 기준으로 하였으며 돌기형 회전기의 자기회로를 중심으로 설명하면 다음과 같다.

먼저 도 1의 고 토크형 회전기 자기회로의 결선을 3상 결선하여 U상·V상·W 상으로 구분결선하고 전류를 입력하면 고 토크형 회전기로 작용하고 반대로 외부의 회전동력을 이용하여 회전시킨 후 U상·V상·W상의 결선에서 출력전력을 부하로 이용하면 부하에 의한 고 토크의 회전력반발현상이 발생한다.

보다자세하게는 도 2a에서 고 토크형 회전기의 자기회로를 전동기 용도로 사용할 경우 회전동력을 얻기 위한 전원입력파형을 설명하고 있고 도 2b는 고 토크형 회전기의 자기회로를 발전기 용도에서의 기전력 출력파형을 설명하고 있다.

도 2a와 도 2b에서 제시한 바와 같이 용도에 따라 파형이 반대로 형성됨을 알 수 있다. 그러므로 동력발생용도(전동기)와 전력발생용도 (발전기)의 자기회로는 용도에 맞도록 연구개발(R&D)되어야 한다는 필요성을 제시하고 있다.

도 3은 종래의 고 토크형 회전기의 자기회로를 발전용도로 적용할 경우 발전에 대한 전기자의 극 변환을 설명하기위한 LENZ'S의 법칙으로 도 3a를 이용하여 설명하면 스위치(2)를 ON한 상태에서 자석(magnet)(1)을 코일(3)에 "가" 방향으로 다가가면 자석의 자속(6)이 코일(3)에 작용하여 기전력이 발생하고 이 기전력은 부하 저항(4)에 의해 전류가 발생하여 "다" 방향으로 전류가 흐르면서 자석(magnet)(1)의 진행을 방해하는 자속(7)을 발생시켜 자석(1)에 대하여 반발력이 유도되고, 자석(magnet)(1)을 "나" 방향으로 코일(3)에서 멀어지면 도 3b에서와 같이 전류는 "라" 방향으로 방향을 바꾸어 흐르므로 자석(magnet)(1)이 코일(3)로부터 멀어지지 않도록 흡인력자속(8)이 유도된다.

이러한 연속적인 현상을 교류계(5)를 통하여 교류발전현상을 관찰할 수 있다.

이러한 고전적 발전원리는 자속을 변화시키기 위하여 계자를 좌, 우 또는 상, 하 및 회전운동을 시킬 경우 전기자에서 발생된 기전력에 의해 만들어진 교번자속의 극성이 계자의 운동을 간섭하게 된다. 결국 고전적 발전원리는 계자자속과 전기자자속이 서로 상호 간섭이라는 구조로 구성되어 있으므로 발전을 위해서는 지속적이면서 막대하게 에너지를 소모하여야만 가능했다.

그러나 도 4는 본 발명의 원리를 설명한 것으로 도4a의 반발력토크를 설명하기 위한 설명도에 따라 설명을 하면 스위치(2)를 ON한 상태에서 자석(magnet)(1)이 "가" 방향으로 접근하면 강자성체로 적층 구성된 전기자의 자극편전단(6)에 자속(16)이 유도되고 이렇게 유도된 자속에 의해 철심(10)이 자화되어 철심(10)에 감긴 코일(3)이 자속을 쇄교하게 되면 코일(3)에 기전력이 생성된다. (LENZ'S의 법칙과 동일한 작용)

이렇게 생성된 기전력은 전기회로의 부하저항(4)에 의해 "다" 방향으로 흐르는 전류가 생성되어 철심(10)에는 자석(magnet)(1)의 변화를 방해하려는 방향으로 자속(17,18)이 유도되는데 이 자속(17, 18)의 일부는 자석(magnet)(1)에 작용하여 반발자속(17)에 의해 반발력이 형성되지만 다른 일부의 자속은 자속순환용 Y돌기형·T돌기형·I돌기형·J돌기형·S돌기형철심(pole core)(12)을 따라 순환되므로 종래의 발전기보다 반발력이 약화된다.

도 4b는 흡인력토크를 설명하기 위한 설명도로써 그 내용 스위치(2)를 ON한 상태에서 자석(magnet)(1)이 "나" 방향으로 움직이면 강자성체로 적층 구성된 전기자의 자극편전단(6)에 일부의 흡인자속(20)이 유도되어 자석(1)을 잡아당기지만 자 속순환용 Y돌기형·T돌기형·I돌기형·J돌기형·S돌기형철심(pole core)(12)으로부터 유도된 흡인자속(21) 때문에 자석을 흡인하는 흡인력은 많이 약화된다. 이렇게 약화된 반발력과 흡인력은 발전기자기회로를 형성함에도 저 토크를 형성하므로 기전력은 변화가 없으면서 회전력감쇄현상만 줄이게 된다.

본 발명의 특징적 요소는 계자의 자속과 전기자의 자속이 서로 충돌과 견인을 줄일 수 있도록 자속을 순환시킬 수 있는 자기회로를 구성함이 종래의 발전원리와 구분된다.

도 5는 이러한 원리적용을 위한 실시예의 교류발전기 자기회로로 도 5a는 저 토크 돌기형 발전기의 자기회로이고 도5b는 저 토크 슬롯형 발전기의 자기회로를 제시하고 있다.

도 6a는 본 발명의 저 토크 돌기형 발전기를 제어하기 위하여 입력전류를 인가하기 위한 코일을 권선한 경우를 도시한 것이며,

도 6b는 본 발명의 저 토크 돌기형 발전기를 제어하기 위한 인버터도 이고 도 6c는 인버터제어를 위한 스위칭순서도이다.

도 7a는 직류발전기의 회전전기자자기회로 구성 예를 도시하고 있고, 도 7b는 저 토크 직류기와 저 토크 교류발전기 및 회전동력발생 장치와의 결합된 구성을 도시한 것으로 그 구체적인 설명은 다음과 같다.

동일 축상에 장치된 도 7a에 제시된 저 토크형 직류발전기용도의 회전전기자자기회로(73)를 여자기(21)용도로 사용하여 직류전원(72)을 여자기계자(74)에 인가한 상태에서 회전발생장치(33)로 회전동력을 일으키면 저 토크직류발전기자기회로 (73)에서 교번기전력이 발생하고 이 교번기전력을 정류기(79)를 통과시켜 직류전원을 만든 다음에 직류전원공급코일(75)을 통하여 회전계자(76)에 직류전원이 인가되도록 하면 도 3에서 제시한 자기회로(32)에 의해 대 출력의 기전력이 만들어 진다.

본 발명의 저 토크회전기의 자기회로는 선형구조에도 응용될 수 있으며 전원을 생산하기 위한 전용자기회로로 전기를 필요로 하는 어떤 용도에도 적용이 가능하다.

본 발명의 저 토크회전기의 자기회로는 고 토크가 가지고 있는 고 효율의 회전동력은 얻을 수 없으나 발전용도의 전기자 반작용을 줄일 수 있어 에너지절감효과가 뛰어나기 때문에 전기의 생산단가를 줄일 수 있다.

본 발명의 저 토크회전기의 자기회로는 발전용도에서 반발 및 견인작용에 의한 소음과 진동을 줄일 수 있고 저 토크특성에 맞는 경량소재를 선택하여 적용할 수 있으므로 가공성과 운반성이 용이하여 제작단가를 줄일 수 있다.

본 발명의 저 토크회전기의 자기회로는 회로구성의 특징상 냉각 단면적이 크기 때문에 고 부하로 발생하는 발열제어가 용이한 효과가 있다.

Claims (4)

1. 고정자 계철(yoke) 내의 원주면 및 회전자 외주면에 다극단상과 다극다상결선이 되도록 철심으로 구성한 자속유도용 Y돌기형·T돌기형 철심(pole core)을 결합하고 상기 자속유도용 Y돌기형·T돌기형 철심의 자극편(pole piece)양 끝단 후면에 계자로부터 유도된 자속이 흐르지 않도록 일정한 간격의 공극(air gap)으로 자기저항을 형성시킨 상태에서 별도의 복수개구조로 구성된 자속순환용 Y돌기형·T돌기형·I돌기형·J돌기형·S돌기형철심(pole core)을 고정자 계철(yoke) 내주면 및 회전자 외주면에 연결시켜 회전반발력을 줄이도록 구성한 상(phase)3중돌기형 발전기자기회로.
2. 자속유도용 Y돌기형·T돌기형 철심의 자극편(pole piece)양 끝단 후면에 공극(air gap)의 자기저항을 형성시킨 상태에서 별도의 다수개구조로 구성된 자속순환용 Y돌기형·T돌기형·I돌기형·J돌기형·S돌기형철심(pole core)을 고정자 계철(yoke) 내주면 및 회전자 외주면에 다수 개의 3중 돌기와 다수개의 슬롯돌기로 구성하여 연결시켜 회전반발력을 줄이도록 구성한 슬롯형발전기자기회로.
3. 제 1항에 있어서, 자속유도용 Y돌기형 철심은 H형·O형·U형·역U형의 공극 을 형성시킨 자기회로.
4. 제 1항에 있어서, 자속순환용 Y돌기형·T돌기형·I돌기형·J돌기형·S돌기형철심(pole core)에 회전반발과 회전유도를 위한 제어코일을 권선하여 부하에 의한 토크를 제어하도록 구성한 저 토크 발전기 자기회로.

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