KR20100003427U - 다극 다상을 갖춘 교류 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강자성체를 가진 자석 원판을 이용하여 전기를 생산하는 다극 다상 교류 발전기에 관한 것이다.

고유가 에너지 위기 속에서 종래 발전기의 구조를 변경하여, 동력을 사용하는 화력발전소, 수력, 원자력뿐만 아니라, 전기자동차, 상업빌딩, 일반가정에서도 손쉽게 설치할 수 있는 저비용 고효율 발전기를 구현하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 종래 발전기(100) 고정자(전기자)(110)가 횡축인 것을 종축(210)으로 변경하였고, 종래 회전자(자석)(120)의 자기장 방향이 단방향에서 상하좌우방향으로 자기력선이 미치게 하였고, 자극과 코일을 허브를 통해 대향하여 설치하였으며, 이것은 앙페르의 법칙 및 플레밍 오른손 법칙에 따라 발전기의 원리가 코일과 연결되어 있는 자기력선의 수 또는 자속이 변화할 때 코일에 전압이 유도되는 현상을 응용한 다극 다상의 발전기이다. 본 발전기는 종래의 발전기처럼 회전계자형(도3)과 회전전기자형(도8)처럼 구분하여 설명할 수 있지만, 일반적으로 회전계자형 발전기를 많이 사용한다는 점에서 본 발명에 대한 지식을 가진자의 이해를 돕기 위해 회전계자형 12극 6상 발전기를 도면에 표시하였다.

본 발명의 특징은 종래발전기와 비교할 때 2극을 기준 단상발전기 6대 용량, 3상 발전기 2대 용량에 해당하는 전기량을 생산할 수 있으며, 종래발전기와 같은 용량으로 설계시 발전기의 크기는 더욱 작게 할 수 있다는 장점이 있다. 즉 역으로 얘기를 하면 종래발전기와 크기가 같다고 할 때는 3상 발전기 기준으로 2배 이상의 용량의 전기를 생산할 수 있으며, 이것은 표준화력 500MW급 기준으로 보일러 1개에 2대의 발전기를 갖추는 효과를 가지므로 GW급 발전기 설계에도 적용 가능하며, 또한 별도의 변경을 하지않고도 수평, 수직으로 설치가 용이하여, 용량에 따른 소형화가 가능하므로, 전기자동차의 풍력발전충전시스템, 대형건물 옥상에 설치하는 보조발전풍력시스템, 일반가정에서의 소형풍력발전시스템, 소형 수력발전 시스템에도 응용가능하다.

발전기, 교류, 자석, 회전전기자형, 회전계자형

Description

다극 다상을 갖춘 교류 발전기{AC(Alternating Current) Generator with multipole and multiphase}

본 발명은 자계를 형성하는 강자성체의 자석과, 코일에 의해 전류가 유기되어 전기를 생산하는 전기자를 갖춘 다극 다상의 교류 발전기에 관한 것이다.

최근에 고유가로 인한 경제위기설과, 화석연료의 자원부족문제가 고효율, 고용량에너지설비로의 전환을 요구하고 있다. 발전기의 동력원으로는 원자력, 수력, 화력, 풍력, 조력, 지열 등이 있으며, 향후에는 풍력, 수력, 원자력 등 저비용동력을 위주로 전기생산이 이루어질 것으로 전망이 되며, 화력발전 또한 연료절감을 위한 대용량 발전기로의 전환이 불가피 할 것으로 예견된다. 그러나 종래의 발전기는 자기력선을 사용하는데 있어서 단방향의 자석을 사용하는 것이 일반적이다. 이에 본 발명은 상하좌우 자기력선을 사용하여 모든 동력원에서 종래의 발전기보다 2배 이상의 출력을 낼 수 있는 고효율, 고용량 발전기를 개발하는데 그 목적이 있다.

종래의 발전기는 원통 모양의 분할된 자석을 가진 회전자 계자를 가지고, 철심에 코일을 감아 하프 코일로 하여 슬롯에 삽입하고, 3상인 경우 120도 간격으로 대향으로 설치된 1쌍의 코일을 가지고 전기를 생산하게 된다. 하지만 본 발명의 회전계자형 발전기는 분할된 원판형 자석을 가지고, 상하좌우 자기력선을 코일에 미치게 하여 종래의 발전기보다 2배 이상의 전력생산이 가능하게 하고. 용량에 따른 소형화 및 대형화를 가능하게 하여, 여러 분야에서 고효율 고용량 발전기를 쉽게 설치할 수 있는 고효율 다극다상 교류 발전기를 개발하는데 그 목적이 있으며, 본 발명의 발전기 및 부속품들은 종래 발전기와 원리가 비슷하여, 통상 해당 발명에 대한 전문적인 기술을 가진 자의 실시를 위하여 필요한 경우에는 변경이 가능하다.

저비용 고효율, 고용량 발전기를 구현하는데 있어서 본 발명의 회전계자형 발전기는 부채꼴 모양의 철심에 양면으로 홈을 설치하여, 코일을 홈과 홈 사이에 감고, 첫 코일의 끝과 다음 코일의 시작을 연결하여 분포권으로 설치한다. 1쌍의 코일은 180도 간격으로 대향 설치하게 되며, 종래 발전기에서 3상이 설치된다고 할 때 본 발명의 발전기는 상하 6상이 설치되는 것이다. 여기서 자기력선수와 면적과의 비례관계는 Φ(자속 또는 자기력선수)∝A(면적)이고, 자기력선수만 기준으로 할 때 원통형 면적은 2πrl이고, 원판형 면적은 2πr²(상하면적)일때 전 면적을 기준으로 원통형의 r과 l의 길이 비를 1:2로 가정하면, 면적은 원통형이 2배가량 크지만, 전기생산량은 2배가 되지 못한다. 즉 예를 들면 원통형을 절반으로 잘라서 원판형을 만든다고 할 때, 원판형은 상하의 자력선을 사용하나, 원통형은 원둘레의 한 단면만을 사용하기 때문에 코일 권수와 길이의 영향을 고려하지 않는다면 본 발명의 발전기는 상하로 전기를 생산하는 전기자 권선을 갖추고 있어서, 종래의 발전기보다 전기를 생산하는데 있어서 유리한 이점이 있다. 그리고 실질적으로는 종래발전기의 원통형 자석보다 자석의 크기를 절반 이상 줄일 수 있고, 다극 다상을 사용한다는 점에서 적은 동력으로 대용량의 전기생산이 가능하며, 전압에 미치는 코일 권수, 길이, 자기력선 수 모두를 고려할 때 수십KW 부터 GW급 발전기까지 다양하게 설계를 할 수 있다는 것이 특징이라 할 수 있다.

본 발명의 발전기는 원판형이므로 코일과 자석의 크기를 얼마로 하는가에 따라 용량증가 또는 축소가 가능하며, 이것은 고층빌딩 옥상에 설치하는 수평형 풍력발전, 전기자동차 지붕에 설치하는 풍력발전 충전시스템, 소형수력발전시스템에 사용되는 소형 발전기뿐만 아니라, 화력, 원자력 등 대형발전기 설계에도 응용가능하고, 종래발전기처럼 중권 및 파권, 슬립 링의 설치 여부에 따라 저전압 대용량, 고전압 대용량, 직류발전기로의 전환도 가능한 저비용 고효율, 고용량 발전시스템이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시 예에 대한 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 회전 계자형 발전기(200)에 대한 사시도이다.

상하로 고정자(전기자)(210)가 고정자 고정 허브(11) 및 고정자 고정부(12)에 의해 고정되어있고, 가운데는 회전자 고정 허브(21)에 의해 회전자(자석)(220)가 샤프트(201)에 고정되며, 이러한 허브들의 역할은 고정 및 통로역할을 하게 되는 것이다. 즉 고정자 고정 허브는 전류가 지나나가는 통로, 회전자 고정 허브는 자기력선이 지나가는 통로이다. 좌우로는 냉각 존(203)이 존재하며, 냉매로서는 종래의 발전기처럼 바람, 물, 가스등 다양한 방법으로 냉각이 가능하며, 대형발전기인 경우에는 고정자 권선 내부에도 냉각 존이 존재하기도 한다. 그리고 베어링(202)에 연결되어 회전자를 동력에 의해 회전시켜주는 샤프트(201)가 있으며, 본체는 본체 고정연결부(204)에 의해 고정되어있다.

도 4는 본 발명의 전기자 권선의 배열방법에 대한 개략도이다.

도시한 바와 같이 180도 대향 배치된 전기자 권선(210)을 1개 조로하여 좌우기준 120도 각도로 3개가 설치되어 3상을 구성하며, 코일권선들은 고정프레임(13) 및 고정허브(11)로 본체에 고정하게 되며, 고정프레임 및 고정허브의 역할은 분할된 권선들을 고정하는 역할 이외에 코일 간 전류의 흐름을 연결하는 통로가 되는 것이다.

도 5는 본 발명의 회전자(자석)의 배열방법에 대한 개략도이다.

본 개략도는 이해를 돕기 위해 영구자석을 기준으로 배치하였으며, 전자석을 사용할 경우에는 계자권선을 상하좌우 4극을 기준으로 두 개조의 계자권선이 필요하게 된다. 영구자석은 원형 원판을 분할하여, 상하로 자화를 시켜 극을 만들고, 자석고정허브(21)에 극 수를 교차하여 대향으로 설치하게 되면 그림과 같이 되며, 도면을 기준으로 하면 상하좌우 12극이 존재하는 것이다. 분할된 자석(220)은 좌우 극이 상반되게 교차하여 고정프레임(22)에 의해 고정시켜 허브(21)에 연결하고, 허브를 샤프트에(201) 고정한 다음 샤프트는 베어링(202)에 의해 본체에 고정하게 된다. 이때 고정프레임은 비 자성체 물질을 사용하며, 허브는 자성체 물질을 사용하여 좌우 자기력선은 단절하고, 대향으로 설치된 자석들은 허브를 통해 자기력선이 미칠 수 있도록 하였다.

도 6은 본 발명의 코일 권선 방향 및 권선의 고정방법에 대한 도면이다.

종래의 발전기처럼 본 발명의 발전기도 얇은 규소강판으로 적층 된 철심 외곽에 코일을 감아 하프 코일로 하여 슬롯에 삽입시킨 다음 고정프레임에 고정할 수 있도록 되어있다(도면생략). 코일 권선 방향(1)은 N극에서 시작하여 첫 코일의 끝과 다음 코일의 시작을 계속 연결하게 되면, S극 측으로 코일이 나오게 되며, 전류는 S극 측에서 나와서 N극 측으로 들어가게 된다. 코일 권선 고정프레임(13a,13b) 내부에는 소선(14a)과 소선이 지나가는 통로(14b)와 소선과 코일을 연결하는 접합부(17), 상하 프레임 고정 및 좌우 권선을 차폐해주는 차폐부(15a, 15b), 코일 권선 완충을 위해 탄성체를 삽입한 권선 고정부(16a, 16b), 프레임을 본체에 고정할 수 있는 볼트체결 홈(18)이 있다. 이것은 하나의 실시 예이며, 통상 본 발명에 대한 전문적인 지식을 가지고 실시를 위하여 필요할 때는 여러 모양으로 변경이 가능하다.

도 7은 본 발명의 자기력선 방향 및 전류방향을 도시한 도면이다.

도시한 바와 같이 자기력선 방향(3)은 N극에서 S극으로 표시되어 있지만, 실질적으로는 전기자권선(210)에 미치는 자기력선은 N극을 기준 자석(220)의 상부 및 하부의 코일로 가서 코일 S극을 통하여 자석 S극으로 와서 자석 S극에서 허브를 통해 N 극으로 통하게 되며, 이때 코일에 전류가 발생하여 전류의 방향(2)은 S극에서 나와서 N극으로 들어가게 된다. 그러나 상하로 분리된 코일의 자기력선방향과 전류방향은 항상 반대가 된다. 즉 종래의 발전기는 단방향의 자기력선을 사용하였다면, 본 발명의 발전기는 상하좌우 방향의 자기력선을 사용한다는 점에서 차별화가 된다.

도 8은 본 발명의 회전 전기자형 발전기의 사시도 이다.

회전 전기자형은 회전 계자형과 반대로 설치되어, 고정자는 자석(220)이고 회전자는 전기자(210)로 구성된 것이 다르다.

본 발명에 대한 발전기는 통상 본 발명에 대한 전문적인 지식을 가진자가 실시를 위하여 필요할 경우에는 언제든지 변경이 가능하다. 그리고 코일의 결선방법에 따라 상하, 좌우 결선도 가능하고, 발전기 용량에 따른 파권, 중권도 가능하며, 자석의 배열도 2극에서 2n(n=1,2,3...)극까지 변경이 가능하여, 코일권선 및 자석극수에 따라 다극 다상이 되는 것이다. 그리고 1개 조의 전기자 권선에는 몇 개의 코일권선이 포함될 수 있으며, 이러한 코일권선들은 소선과 접합하여 1개 조로 이루게 되며, 1개 조의 전기자 권선은 1개의 상을 이루게 되는 것이다. 본 발명의 발전기의 소형화를 위해 영구자석을 회전자로 사용할 시에는 희토류자석과 같이 보자력이 큰 자석을 선택하는 것이 바람직하며, 회전자 계자를 사용할 시에는 계자권선을 배열함에 있어서 상하, 좌우로 분명히 구분하여 분리시키기 위해 비 자성체 물질을 삽입시킨다. 그리고 전기자 권선에 강자성체인 얇은 규소강판을 적층 하여, 강판 사이마다 홈을 만들어 코일을 감을 수 있도록 하는 것은 와전류손 및 히스테리손을 방지하기 위함이며, 도 3에서 도시한 냉각방식은 히트파이프 원리를 이용한 간접냉각방식을 도시하였으며, 이것은 회전손실을 감소시키기 위함이다.

도 1은 일반적인 회전 계자형 발전기의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 회전 계자형 발전기의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 회전 계자형 발전기의 사시도 이다.

도 4는 본 발명의 전기자 권선의 배열방법에 대한 개략도이다.

도 5는 본 발명의 회전자(자석)의 배열방법에 대한 개략도이다.

도 6은 본 발명의 코일권선 방향 및 권선의 고정방법에 대한 도면이다.

도 7은 본 발명의 자기력선 방향 및 전류방향을 도시한 도면이다.

도 8은 본 발명의 회전 전기자형 발전기의 사시도 이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

210 : 전기자 220 : 자석

201 : 샤프트 202 : 베어링

203 : 냉각 존 204 : 본체고정 연결부

11 : 고정자 고정허브 12 : 고정자 고정부

13 : 전기자 권선 고정 프레임

21 : 회전자 고정허브 22 : 자석 고정 프레임

Claims (1)

1. 축을 중심으로 전기자 철심에 코일을 감고 원주방향으로 다수 분할배치되어, 상하로 고정되어있는 고정자(전기자);

   축을 중심으로 강력한 자계를 형성하는 자석을 원주방향으로 N극과 S극으로 분할 교차배치되어 상하 전기자 권선 사이 축에 고정되는 회전자(자석);

   축 원주방향으로 회전시켜서, 상하 자기력선을 이용하여 상하로 고정된 코일에 유기 기전력을 발생시켜 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 다극 다상 교류발전기

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