KR20080063747A - 자기조절 영구자석 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구자석 발전기에 관한 것으로, 교류전류 발전기에 있어서, 회전 자기장을 발생시키는 영구자석 수단과, 상기 회전 자기장 내에서 상기 영구자석 수단에 인접한 전기자 수단과, 상기 전기자 수단 상에서 부하에 연결된 제1 권선 및 용량성 부하에 연결되고, 상기 전기자 상의 상기 제1 권선을 벗어난 범위에 위치하는 제2 권선을 포함하는 구성을 마련한다.

부하, 권선, 발전기, 전기자, 영구자석

Description

자기조절 영구자석 발전기 {SELF-REGULATED PERMANENT MAGNET GENERATOR}

본 발명은 발전기에 관한 것으로, 특히 자기조절 영구자석 발전기에 관한 것이다.

전자기유도(electromagnetic induction) 현상은 페러데이(Faraday)에 의하여 발견되어 1831년 11월 24일 영국학술원(Royal Society)에서 논문으로 발표되었다. 발명자들은 즉시 여러 가지 디자인의 자전기(magneto-electric) 기계를 개발하기 시작했다. 그 결과, 1832년에, 도체를 통한 전류의 흐름이 자기장을 생성하는 것으로 알려지게 되었다. 역선(lines of force)의 개념이 세워지고, 영구자석의 장(field) 내에서 와이어 코일의 회전이 와이어에 전압을 발생시키는 원인이 되는 것으로 알려지게 되었다.

전기 발전기가 장(field) 시스템 및 코일 시스템의 두 부분을 포함하거나, 장(field) 시스템 및 와이어 시스템의 두 부분을 포함한다는 것은 일반적으로 알려진 지식이다. 여기에서, 초기 기계의 장(field) 시스템은 간단하거나 복잡한 영구자석으로 구성되고, 코일 시스템 또는 와이어 시스템에서는 전기가 발생한다. 두 시스템의 상대운동이 필수적이지만, 자석 또는 코일 운동은 서로 연관성이 없고, 두 가지 유형 모두 축조되어 이용되고 있다.

페러데이가 실험으로 증명한 후에, 첫 번째 자전기 기계가 1832년 파리에서 공학자 이폴리트 피크시(Hippolyte Pixii)에 의하여 전시되었다. 이러한 기계에서, 장자석(field magnet)이 코일에 대하여 축으로 선회하였다. 상기 기계는 수동으로 조작되었고, 단지 운전 모형에 불과했지만 페러데이의 원리에 따라 축조된 최초의 실용적인 발전기였다. 상업적인 규모의 첫 번째 발전기는 E.M.Clarke에 의한 것이었다. 1830년대에, 그는 런던에서 과학 기자재의 제작자로 상업에 종사하고 있었다. Clarke의 디자인은 코일이 자석 측면과 동일한 평행선에서 회전하는 것으로 이전 디자인과는 달랐다. Clarke는 다른 형태의 권선으로 실험한 첫 번째 인물인 것으로 보여졌고, 그는 이용자들의 요구에 부응하도록 출력을 변화시킬 수 있다는 것을 곧 깨달았다.

1855년 4월 11일 덴마크의 쇠렌 요르트(Soren Hjorth)는 "개선된 자전기 배터리"(an improved magneto-electric battery)에 대하여 영국에서 특허를 등록(British patent no. 806)받았다. 상기 기계는 전기발전기로, 그것의 주된 여자(main excitation)가 전자석에서 파생하는 것으로 묘사되었다. 요르트(Hjorth)는 전자석 장 시스템(electromagnet field system)에서 획득할 수 있는 장점, 예를 들어, 자기장의 세기를 변화시킬 수 있다는 것을 인식했다. 그의 특허에서 첨부한 도면에는 직렬코일을 적재하는 회전 디스크가 양쪽 전자석 사이에서 회전하도록 만들어지고, 이에 영구자석이 더해져 초기 여자(initial excitation)를 공급하는 기계 가 개시되었다.

1866년 12월에, 폰 시멘스(E. W. Von Siemens)가 영구 자석을 이용하지 않고 역학적에너지로부터 전기에너지로의 변환을 설명하는 논문을 베를린 과학 아카데미에 투고했다. 1867년 2월에, 그의 동생 찰스 시멘스(Charles Siemens)는 런던에 있는 영국학술원에 논문 내용을 전달했고, 자가 여자 원리(self excitation principle)를 증명하도록 수동으로 구동되는 모델의 발전기를 전시했다.

오늘날, 엄밀한 연속전류를 생성할 수 있는 첫 번째 발전기는 제노브 그람(Zenobe Gramme)에 의해 건조된 것으로 생각되어 진다. 1873년 무렵에, 그람 컴퍼니(Gramme Company)는 공개적인 실험을 위한 기계를 잉글랜드 웨스트민스트에 있는 시계타워에 공급했다. 1874년 무렵에, 그람의 발전기(Gramme's dynamos)는 적어도 두 척의 프랑스 해군 선박 및 몇 척의 러시아 해군 선박에서 이용되었다.

따라서, 종래 전기발전기의 연혁은 영구자석 장 시스템의 이용에서 전자기 자가 유도 발전기의 이용으로까지 나아간다. 이러한 발달의 이유는 동조 발전기, 즉, 일정한 회전속력 교류 발전기가 영구자석 상에 위치된 래드(lad)에 반비례하여 전압을 생산하는 영구자석의 장(field)에 의해 여자된다(excited)는 것이다. 부하가 증가함에 따라 출력전압은 떨어진다. 영구자석 교류 동조 발전기의 이러한 단점은 교류 발전기의 상업적 이용을 제한하는 것이다. 종래기술에서 배울 수 있는 발전기, 즉, 전자석을 이용하여 계자(field excitation)하는 발전기는 집전 고리(slip rings) 또는 정류자(commutator)에 의해 전기적으로 연결된 회전하는 권선(wiring)을 구비해야 한다. 이러한 집전 고리 또는 정류자, 및 그들에 연관된 브 러시는 마모되어 정지할 수밖에 없다. 그러한 고리 및 정류자는 대체되거나 유지되어야 한다. 그것들은 본 발명과 대비하여 종래 기술에서 극복될 수 없다는 문제점을 제공한다.

고정된 회전속력에서 동작하는 발전기에 의해 교류전력이 생산된다. 이러한 발전기는 자기장을 관통하는 권선을 운전하여 패러데이의 법칙(Faraday's lay)에 따라 전류의 흐름을 유도한다. 전류의 흐름을 유도하는 자기장 및 상기 자기장을 관통하는 도체의 속도가 일정한 경우에, 발전기에서 생산된 전압은 상기 발전기 상에 위치된 부하의 직접적인 함수일 것이다. 상기 부하의 증가에 따라, 출력전압은 교류회로의 작용을 예측하는 잘 알려진 전기법칙에 따라 감소할 것이다.

상기 자기장이 일정하게 동작하는 교류전류 발전기에서 영구자석의 운동에 따라 생성된다면, 주된 장(field)의 자기장 세기는 일정하고, 발전기의 전압출력은 발전기 출력 도처에 위치된 부하에 반비례할 것이다. 부하에 대한 이러한 전압출력의 반비례 관계는 영구자석이 동조 교류전류 발전기에서 주된 장(field)을 제공하는 것을 어렵게 할 것이다. 영구자석 발전기는 주된 장을 제공하는 영구자석을 적재한 발전기의 회전부에 전기적 연결을 요구하지 않기 때문에 간편하고 신뢰할 만하다.

본 발명자는 부하가 증가함에 따른 발전기의 전압강하와 같은 오래된 문제점을 방지하도록 가변하는 전기적 부하에서 등속으로 동작하는 영구자석 교류전류 발전기에 대한 어떤 종래기술도 알지못하였다.

대부분의 전기적 부하는 적절한 동작을 위하여 전압조절을 요구하는 전자장 치를 포함한다. 영구자석 교류전류 발전기는 근본적으로 고정된 자기장으로 인하여 조절된 출력전압을 제공하는데 어려움이 있다. 종래기술은 자기장을 생성하도록 이용된 발전기의 일부분이 전자석으로 이루어지며, 자기장의 세기(field strength)가 주된 발전기 상에 위치된 부하 조건에 따른 전자적 또는 자기적 피드백 회로에 의해 변할 수 있는 전압 조절된 권계(wound field) 발전기에 대해 기술되어 있다.

이러한 권계 발전기는 전압을 조절하는 다양한 수단에 의존한다. 예를 들어, 교류전류 발전기는 전자석 권선의 자기장 세기를 변화시키는 것으로 전압 조절을 제공할 수 있다. 전자석 권선은 발전기의 출력 전역에 걸친 부하에 따라 야기되는 전기자 반작용을 보상하기 위한 발전기의 주된 장을 제공한다. 이것은 외부의 전자 또는 자기(magnetic) 전압 조정기를 이용하는 피드백 회로를 통하여 이루어질 수 있다. 이러한 전압 조정수단은 전기기계 디자인 기술분야의 당업자에게 잘 알려져 있다. 또한, 상기 종래기술은 주된 권선에서 약 90°만큼 떨어져 위치된 여자 권선(excitation wiring)의 사용을 개시하고 있다. 이러한 여자 권선은 전압 증가에 의해 주된 부하에 반응하고, 주된 자기장을 증가시키며, 그에 따라 발전기의 전역에 걸쳐 부하 증가에 따른 리액턴스를 보상한다. 또한, 종래기술에서 주된 권선이 외부의 무브러시 발전기 장(brushless generator field)을 관통하는 것으로 잘 알려져 있고, 그것은 부하 증가를 보상하기 위해 주된 장 세기를 증가시키는 효과를 갖는다.

본 발명은 영구자석 발전기에 관한 것으로, 주된 회전 자기장이 영구자석에 의해 제공된다. 부하는 전기자의 주변에 감긴 주된 권선에 연결되고, 상기 전기자에는 제1 권선에서 90° 만큼 벗어나고, 용량성 부하에 연결된 제2 권선이 더 제공된다. 전체 부하가 제1 권선의 전역에 걸쳐 적용될 경우에, 상기 용량성 부하의 값은 제2 권선의 리앤턴스가 제1 권선의 리액턴스를 상쇄하도록 선택된다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 발전기를 개략적으로 도시한 단면도.

영구자석(101)은 축(103) 상에서 화살표(105)에 의해 표시된 방향으로 회전한다. 고리모양 전기자(107)는 영구자석(101)의 둘레를 원통형으로 감싼다. 상기 전기자(107) 및 영구자석(101)은 환형체(109)를 정의한다.

상기 전기자(107)에는 제1 권선(113)을 포함하는 제1 권선 슬롯(111)이 설치되어 있다. 상기 제1 권선(113)은 전기적 로드인 부하(115)에 병렬로 연결되어 있다.

상기 전기적 부하(115)는 적합한 작동을 위해 제어된 전압을 필요로 하는 임의의 장치일 수 있다.

상기 전기자(107)에는 제1 권선(113)에서 90°만큼 벗어난 제2 권선 채 널(117)이 더 장착되고, 제2 권선(119)이 수용된다. 상기 제2 권선(119)은 용량성 부하(121)에 병렬로 연결된다.

상기 용량성 부하(121)의 값은 용량성 부하(121) 및 제2 권선(119)에 의해 발생된 리액턴스(reactance)가 전기적 부하(115) 및 제1 권선(113)에 의해 형성된 회로에서 발생된 리액턴스에 직접 비례하도록 선택된다.

본 발명의 제1 및 제2 권선(113, 119)의 각각은 단상 또는 다상(multi phase) 권선일 수 있다. 상기 제2 권선(119)이 다상 권선인 경우에, 상기 용량성 부하(121)는 다상 용량성 부하일 수 있다.

도시하지 않았지만, 영구자장은 상기 영구자석(101)에 의해 생성되고, 제1 권선(113) 및 제2 권선(119)에 전압을 인가하는 전기자(107) 주위를 회전한다. 전체 부하가 연결된 경우에, 상기 용량성 부하(121)는 충분한 전기용량을 구비하여 부하(115)로부터 생성된 전기자 리액턴스와 동일한 전기자 리액턴스를 제공한다.

본 발명에서 부하가 연결되지 않은 경우에, 회전하는 영구자석(101) 및 용량성 부하(121)에 연결된 제2 권선(119)에 의해 발생된 여자(excitation)의 벡터 합은 제1 권선(113)에 걸쳐 발전기의 공칭(nominal) 출력 전압을 생성할 것이다.

상기 부하(115)가 제1 권선(113)에 걸쳐 연결된 경우에, 상기 제1 권선(113)의 리액턴스는 제2 권선(119) 및 용량성 부하(121)의 리액턴스에 의해 상쇄될 것이다. 상기 제2 권선(119)은 제1 권선(113)에서 대략 90°정도로 벗어나 있어 제2 권선(119)의 리액턴스는 제1 권선(113) 상의 부하에 직접적으로 비례할 것이다.

그 결과, 본 발명에 따른 상기 영구자석 교류발전기의 전압 출력은 부하의 연결 유무 또는 전체 부하가 연결되더라도 상대적으로 일정하다. 이에 따라, 본 발명은 임의의 권계(wound field)에 연결된 외부 안정기를 이용하지 않고 영구자석 동기 교류 등속 발전기의 전압 조절을 달성한다.

상기 발명자는 본 발명이 종래의 교류 정전압 발전기에서 진보한 것이라고 믿는다. 상기 발명자의 관점에서, 그 신규한 결과는 권계(wound field)를 이용하는 것 없이 등속 영구자석 발전기로부터 조절된 출력전압을 제공한다는 것이다. 따라서, 상술한 개략적 예시가 본 발명의 바람직한 실시 예의 일반적인 경우를 제시할지라도, 본 발명은 상기 특정 실시 예에 제한되지 않고, 첨부한 청구항과 그에 대한 등가물의 범위에 의해서 제한되어야 한다.

본 발명은 자기조절 영구자석 발전기에 관한 것이다. 그 응용 분야로는 동력을 필요로 하는 다양한 분야, 예를 들어, 선박, 시계 또는 전기장치 등에 이용되는 것을 들 수 있다.

Claims (4)

1. 교류전류 발전기에 있어서,

   a) 회전 자기장을 발생시키는 영구자석 수단;

   b) 상기 회전 자기장 내에서 상기 영구자석 수단에 인접한 전기자 수단;

   c) 상기 전기자 수단 상에서 부하에 연결된 제1 권선; 및

   d) 용량성 부하에 연결되고, 상기 전기자 상의 상기 제1 권선을 벗어난 범위에 위치하는 제2 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
2. 제 1 항에 있어서,

   전체 부하가 상기 제1 권선에 걸쳐 적용될 경우에, 상기 용량성 부하의 전기자 리액턴스는 제1 권선의 전기자 리액턴스와 동일한 것을 특징으로 하는 발전기.
3. 제 1 항에 있어서,

   전체 부하가 상기 제1 권선에 걸쳐 적용되고, 상기 벗어난 범위가 90°인 경우에, 상기 용량성 부하의 전기자 리액턴스는 상기 제1 권선의 전기자 리액턴스와 동일한 것을 특징으로 하는 발전기.
4. 제 1 항에 있어서,

   전체 부하가 상기 제1 권선에 걸쳐 적용되고, 상기 벗어난 범위가 90°이며, 상기 자기장이 일정한 각속도로 회전할 경우에, 상기 용량성 부하의 전기자 리액턴스는 상기 제1 권선의 전기자 리액턴스와 동일한 것을 특징으로 하는 발전기.

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