KR20090004012U - Afpm발전기 원리를 응용한 전기자동차용 풍력발전기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 에이에프피엠 발전기 원리를 응용한 전기자동차용 풍력발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기자동차에 소형화된 고효율의 풍력발전기를 부착하여 자동차의 외형에 크게 변화를 주지않고, 주행시 주행풍으로 발전하여 전기를 이용하거나 축전지에 충전을 함으로써, 자동차의 출력을 증가하고 축전지 사용시간을 연장시켜 자동차의 주행속도를 높임과 함께 주행거리를 연장할 수 있는 에이에프피엠 발전기 원리를 응용한 전기자동차용 소형의 고효율 풍력발전기에 관한 것이다.

본 고안에 따르면 축에 수직으로 베어링에 의해 지지 되어 있는 AFPM 발전기 회전자(41)에는 다수의 바람받이 날개(42)가 부착되어 회전자와 함께 회전하게 되어 있다. 자동차의 주행으로 발생 되는 주행풍이 주행풍 유입구(43)로 압축되어 들어오면 그 힘으로 회전자가 회전되어 전기가 발생 되고 발생 된 전기는 통상의 전류전압 조정기(17)를 거쳐서 안정화된 후에 통상의 축전지(16)에 전기를 공급하여 주행중에 충전을 하거나, 직접 전기자동차 전동기(18)에 전기를 공급할 수 있는 시스템으로 구성된다. 이 시스템에서 발전 부분의 크기를 높이와는 상관없이 수평으로 키우거나 감소할 수 있어, 자동차와 같이 수직으로의 크기에 제한받는 좁은 공간에 설치하는데 크게 제한을 받지 않는 것을 특징으로 하는 AFPM발전기 원리를 응용한 전기자동차용 풍력발전기가 제공된다 .

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Description

AFPM발전기 원리를 응용한 전기자동차용 풍력발전기{Wind generator applied principle of AFPM generator for electric car}

본 고안은 자동차용 풍력발전기에 관 한 것으로, 특히 풍력을 전기적 에너지로 변환하는 풍력발전기에서 약한 힘으로도 발전 효율을 높힐 수 있어, 상대적으로 소형화하여 전기자동차에 적용이 용이하도록 한 풍력을 이용한 발전 시스템에 관한 것이다. 일반적으로 풍력발전기는 전기로 구동되는 자동차,스쿠터,또는 자전거 등의 전기기계에 적용할 수 있고, 바람이 많은 지역에서는 가정에 설치하여 보조적인 역할로 적용할 수 있다. 풍력발전기는 풍력을 기계적인 회전력으로 변환하는 변환장치와 회전력을 전달하는 전달장치, 그 전달 장치에 의해 전달되는 회전력을 전기적인 에너지로 변화하는 발전장치로 구성되어 있다.

상기 변환장치,전달장치 및 발전장치의 특성에 따라 풍력을 전기적으로 변화하는 효율이 결정된다. 종래 풍력발전기는 풍력을 기계적인 회전력으로 변화하는 장치의 형상을 특징화하여, 풍력이 낮을 시에도 회전력을 얻기 위하여 바람받이 날개를 경량 대형화하거나, 전달장치의 효율을 높히거나, 발전장치의 특성을 향상시키는 방향으로 발전하였으나, 현재 소형화가 되지않아 좁은 공간의 자동차에는 적용이 되지않고 대형 고정식 발전기로 사용되고 있다. 자동차 분야에서는 화석연료 의 고갈과 환경 문제로 신에너지의 활용이 요구되어, 충전식 축전지를 사용하는 전기자동차나 연료전지를 사용하는 자동차 등이 개발되었으나 1회 충전으로 주행거리가 너무 짧아 실용성과 경제성이 없어 대중화가 되지않고 있다. 1회 충전으로 현재 주행보다 장시간 주행이 가능하고, 고속화가 가능한 전기자동차의 고성능 축전지 개발이 요구되고 있다. 최근에는 중간 단계로 화석연료와 전기를 겸용하는 하이브리드 전기자동차가 생산되고 있어나 역시 환경 문제를 가지고 있다. 현재 개발되고 있는 메탄올연료전지나,수소연료전지, 리튬폴리머전지 등의 각종 전지들이 전기자동차용 전기공급원으로 사용되려면 장수명, 소형, 고성능, 고효율화가 되어 경제성과 실용성이 충족되어야 한다. 경제성과 실용성이 있는 전지가 사용되더라도 충전용일 경우 별도로 충전을 해야하고, 연료전지일 경우 연료의 보충이 되어야 하는 근본문제가 있다. 별도의 전기 보충 없이 주행중에 보충하거나 전기를 공급할 수 있는 시스템을 자동차에 갖추게 되면 획기적인 주행시간의 연장과 고속화가 가능하다.

공기 중에서 자동차가 주행을 하면 속도에 따라 다른 큰 풍력이 발생 된다. 발생된 풍력을 잘 이용하면 소형으로도 높은 전력을 생산할 수 있는 고성능의 풍력발전이 가능하다. 주행시 발생 되는 풍력이 크기 때문에 소형의 고효율 풍력발전기가 가능하여, 현재의 자동차 외관을 크게 변경하지 않고 내부에 장착할 수가 있다.

현재까지 풍력발전기의 예로는 등록특허공보 10-0371218호, 10-0348392호 20-0405620호, 20-0304643호에 기재되어 있으며, 이를 참조하여 종래 풍력발전기 가지는 문제점에 대하여 설명하면 다음과 같다.

상기 등록 특허상의 풍력발전기는 도 3과 같은 종래발전기를 그대로 이용하고 있다. 종래발전기는 고정자와 회전간에 서로 끌어당기는 인력 작용을 극복할 수 있는 회전력을 얻기 위하여, 커다란 바람받이 날개를 달아야 하는 풍력발전시스템으로, 소형화하여 자동차에 장착하기는 구조상의 문제점이 있다. 20-0304643 실용실안특허 상에는 AFPM발전기를 이용하는 풍력발전시스템의 제안으로, 발전기 자체는 소형화하여 낮은 풍력에도 전기를 좀더 효율적으로 생산할 수는 있어나, 수직으로 날개를 달아야하기 때문에 전체시스템을 소형화하여 자동차 내부에 장착하기는 어려운 구조상의 문제점이 있다

상기에 제안된 특허상 풍력발전기의 발전 방법으로는 발전용량이 높아질수록 바람받이 날개를 크게 하여야 하기에, 전체 시스템의 부피가 커져야 하는 문제점이 있다. 현재 제안된 방법의 대부분은 바람을 어떻게 효율적으로 활용하느냐 하는 기계적인 문제에 국한되고 있고, 최근에 AFPM 발전기를 이용하여 적은 힘으로도 발전기의 발전 효율을 높이고, 발전기를 소형화하는 방안들이 제안되고 있으나, 전체적인 시스템의 소형화에 대한 방안은 제안이 되지않고 있다. 본 고안은 AFPM발전기의 원리를 응용하여 고정자 회전자 간의 자화에 의한 인력을 최대한 억재하여 적은 힘으로도 회전자가 회전되도록 하였다. 전체 시스템의 소형화를 위해 바람받이 날개를 회전자에 직접 붙여, 별도의 전달 장치를 없도록 하여, 시스템의 무게를 감소하 고 크기가 작게 되도록 하였다. 특히 자동차가 주행중에 받게 되는 풍압과 풍속을 한쪽 방향으로 유도 압축하는 주행풍 유입구를 회전축 중식으로 한쪽 회전 날개에만 전달 되도록 하여 회전이 한 방향으로 원할하게 되도록 하였다. 전체적인 시스템을 소형화하여, 자동차 내부에 부착하거나 외부에 부착하여도 부착이 용이하고, 크기에 의한 바람의 저항이 크게 일어나지 않도록 하였다.

도 3의 종래발전기 구성도에 있어서, 회전자(31)의 자석과 고정자(32)의 코어(규소강판:34) 간에 자화에 의한 인력이 발생 되어, 고정자가 회전자를 잡아당기기 때문에, 약한 바람으로는 회전자가 회전을 할 수가 없다. 인력을 능가하기 위해서는 바람받이 날개를 크게 해야만 하는 구조상의 문제점으로, 자동차나 다른 전기운반장치의 전원으로 사용하기가 어렵고, 산업 및 가정용으로 사용하기 위한 고정식 풍력발전기에 있어서, 적은 힘으로 회전자 회전이 어렵기 때문에 바람이 세게 부는 날에만 전기를 사용할 수 밖에 없는 문제점이 있다. 최근의 AFPM발전기를 이용한 고정식 풍력발전 시스템(20-0304643)의 고안으로, 발전기의 소형화는 가능하나 바람을 받아 돌아가는 회전 날개를 수직으로 부착하는 구조로 인해, 전체 시스템의 소형화는 불가능하여 자동차에 부착하여 발전기로 사용하기는 어렵다.

상기의 문제점을 개선한 본 고안은 AFPM발전기 원리를 응용하여, 코일 권선이 삽입되는 고정자 상,하 원판을 비자성체(스테인레스,수지)로 하고, 코일 권선의 코어 역시 비자성체로 하거나 코어 없이 코일을 감은 권선으로 한다. 종래 발전기 코일 권선의 코어는 규소강판으로 되어 자석이 코어 위를 통과하면 자화되어 코일 권선에 자장을 인가하여 전기를 발생하지만, 인력이 발생 되어 회전자의 회전을 어렵게 한다. 코일 권선에 규소강판의 코어가 없으면 권선 내부로 자력이 통하지를 않아 발전이 잘 되지않는다. 이를 해결하기 위해 본 고안에서는 비자성체로 된 회전자 상,하 원판에 수개의 자력이 강한 자석을 서로 N,S극이 마주보도록 부착하여 코어없는 권선 상하면에 일정한 간극을 가지고 회전하도록 하였다. 권선의 코어가 없어도 마주보며 집속된 강한 자력이 코일 권선에 강한 자장을 유도하여 전기가 발생된다. 이렇게 하여 풍력을 회전력으로 변환할 때 비자성체의 고정자와 강한 자력을 가진 자석이 부착된 회전자 간에는 자화에 의한 인력이 발생치 않아, 적은 풍력으로도 쉽게 회전자가 회전을 하여 전기를 발생한다. 또한 바람받이 날개를 회전자에 직접 부착하므로 인해 별도의 연결장치가 필요 없어, 장치가 간소화되어 무게와 크기를 줄일 수 있도록 하였다. 본 고안의 시스템을 키워 발전용량을 높힐려면 바람받이 날개의 크기를 수직으로는 크게 높이지 않고 수평으로 키우는 것으로 가능하다. 그리고 자동차 주행속도에 따라 발생 되는 풍력을 한쪽 방향으로 유도 압축하여 사용함으로 인해 고속회전이 가능하도록 하고, 부수적으로 고정자에 부착된 코일 권선에 발생되는 열을 냉각시켜 뒤로 배출이 되도록 하였다.

종래의 발전기는 고정자 회전자 간에 자화에 의한 인력 발생으로, 자석의 힘이 크면 클수록 인력이 커지기 때문에 인력을 극복하고 회전하기 위해서는 힘이 더 많이 들어가고, 풍력발전기의 경우 바람받이 날개가 커져야 하므로 소형화가 어려운데 본 고안의 발전시스템을 이용하면 자화에 의한 인력이 발생치 않는 구조로 되 어 있어 힘이 적게 들기 때문에 바람받이 날개를 소형화하여도 회전이 되기 때문에 전체 시스템이 소형화되고, 날개를 회전자에 직접 붙이므로 인해 구조의 간소화 및 소형화가 가능하다. 자동차의 주행으로 전기가 발생 되면 주행중에 축전지에 충전을 하는 보조전원으로 사용할 수가 있어 축전지를 별도로 충전하지 않고서도 장시간 사용이 가능할 뿐만 아니라, 직접 전원으로 전동기에 전원를 공급하여 자동의 힘과 주행속도를 높힐 수가 있다. 이런 결과로 전기자동차의 취약점인 짧은 주행거리와 고속 주행의 어려움을 극복하여, 전기자동차의 대중화를 앞당길 수가 있으며 환경 개선에도 크게 기여하는 효과도 있다

상기와 같이 구성되는 본 고안을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 고안의 AFPM발전기 원리를 응용한 전기자동차용 풍력발전기의 전체를 도시한 상태도 이고, 도 4는 도 1의 발전부위 작동상태를 나타낸 평면도이다. 이에 도시한 바와같이 도 4에서 자동차가 주행을 하게 되면 주행풍 유입구(14,43)로 압축된 바람이 들어와, AFPM 발전기의 회전자(11,41)에 부착되어 있는 바람받이 날개(42)를 회전시킨다. 회전자의 회전에 의해 발전된 직류전기는 통상의 전류전압조정기(17)를 거쳐 안정화된 후 축전지(16)에 공급되어 충전을 하거나 전동기(18)에 바로 공급되어 전원으로 사용되는 체계로 된다.

자동차에 장착이 쉽게 될려면 도 1의 발전 부위 크기가 장착부위의 위치에 따라 조정이 쉽게 되어야 하는데, 이를 결정하는 것은 AFPM발전기의 특성에 좌우된다.

도 2는 본 고안의 AFPM발전기 원리를 응용한 발전부위 단면도이다. 여기서 고정자(21,21-1)는 2장의 비자성체 원판으로 상,하부로 일정한 간극을 가지고 축(27)에 고정 지지되고, 이 고정자의 상,하판 원판 간극 속에 코일 권선이 장착된다. 코일권선에 자장의 유도가 잘 되도록 코일권선이 장착되는 부위의 고정자 상,하면을 절단하여 코일권선 양면이 자석에 직접 노출되도록 하였다.

이 고정자는 비자성체 재질로 만드는데 이는 회전자(22.22-1)에 부착된 자석(23,23-1)에 의해 자화되어 인력이 발생되는 것을 방지하기 위한 것으로, 알루미늄이나 스테인레스, 수지 등의 비자성 재질로 이루어진다. 코일권선의 코어역시 비자성체(알루미늄,스테인레스,수지)재질로 하거나, 코어 없는 권선으로 만들어 장착한다. 회전자(22,22-1)는 내부를 축(27)에 베어링(26,26-1)으로 연결 지지시키고, 외부는 바람받이 날개(25)와 고정지지 된다. 이 회전자에 부착된 영구자석(23.23-1)은 일정한 넓이를 가진 것으로, 서로 N,S극이 마주보게 아래위 회전자 원판에 부착하는데, 위에서 아래로 향하는 극이 모두다 N극이면 아래에서 위로 보는 극은 모두 S극이 되도록 배열을 한다. N,S극의 위치를 아래위로 바꾸어도 상관은 없다.

그리고 회전자의 상,하 원판의 자석이 붙지 않는 여분은 잘라내어 무게가 감소 되도록 하였다. 회전자(22,22-1)는 고정자 및 외피와 일정한 간극을 유지하면서 회전를 한다. 회전자 끝단은 코일 권선에 발생되는 열을 냉각할 수 있는 바람이 통하도록 밀봉하지 않고 그냥 두었으며 바람받이 날개에 의하여 부분적으로 지지 되도록 하였다. 바람받이 날개(25) 역시 비자성체로 하였고, 약간의 기울기를 주어 회전하면서 양력에 의해 회전자가 위로 밀려 올라가 하중를 상쇄시켜, 회전이 원할 하게 되도록 하였다. 외피(24) 역시 비자성체로 자화에 의한 회전자 회전에 방해가 되지않도록 하였고 축(27)에 고정 지지 되도록 하였다.외피 바깥에는 자화된 얇은 철판을 붙여 회전자의 자석이 외부의 자성체에 의하여 영향을 받지 않도록 하였다. 발생된 전기는 축(27)의 중앙부로 인입된 전선을 통하여 발전부위 바깥에 있는 통상의 전압전류 조정기(17)로 공급되어 축전지 충전이나 전동기 전원으로 사용되도록 하였다.

도 1은 본 고안의 AFPM발전기 원리를 응용한 전기자동차용 풍력발전기의 전체를 도시한 상태도

도 2는 본 고안의 AFPM발전기 원리를 응용한 발전부위 단면도

도 3은 종래 발전기 원리를 도시한 상태도

도 4는 도 1의 작동 상태를 나타낸 평면도

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

10은 AFPM발전기 고정자

11은 회전 날개가 부착된 AFPM 발전기의 회전자

12는 AFPM발전기 회전축

13은 비자성체 외피

14는 주행풍 유입구

15는 주행풍 배출구

16은 전기자동차에 사용되는 통상의 축전지

17은 통상의 전압 전류조정기

18은 전기자동차 통상의 전동기

21,21-1은 코일권선이 장착된 고정자

22,22-1은 자석의 N극과 S극이 마주 보며 부착된 회전자

23(N극),23-1(S극) 회전자에 부착된 자석

24는 비자성체 외피

25는 회전자에 부착된 바람받이 날개

26,26-1은 회전자를 축에 연결 지지하는 베어링

27은 축

31은 종래발전기 회전자

32는 종래발전기 고정자

33은 종래발전기 코일

34는 종래발전기 고정자 코어철심

35는 종래발전기 축

41은 본 고안의 바람받이 날개가 부착된 AFPM발전기 회전자

42는 본 고안의 AFPM 발전기 회전자에 붙어있는 바람받이 날개

43은 본 고안의 AFPM발전기 회전자를 회전케 하는 주행풍 유입구

44는 본 고안의 AFPM발전기의 회전자를 회전케 한 후 주행풍이 빠져나가는 출구

Claims (2)

1. AFPM발전기 원리를 응용하여 고정자와 회전자의 지지체 원판과 코일권선의 코어를 비자성체로 하고 코어가 없는 코일 권선으로 하여 자화되지 않는 코일권선이 장착된 고정자를 중간에 두고, 그 상,하면에 일정한 간극을 가지고 자력이 강한 N,S극의 자석이 마주 보며 부착된 회전자를 갖는 구조로 되어, 회전시 자화에 의한 인력이 발생 되지않아 회전자가 낮은 풍속에서도 회전이 수월하게 되는 구조로 된 것을 특징으로 하는 것
2. 자동차 및 다른 좁은 부위에 설치가 용이하도록 시스템의 크기 간소화 및 경량화를 위해 별도의 변환장치나 연결장치 없이 바람받이 날개가 회전자에 수평방향으로 직접 부착이 되고, 수직방향의 크기는 변화없이 수평으로의 크기 조정만으로 시스템의 크기 와 발전용량의 조정이 가능한 것을 특징으로 하는 것.

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