KR20110121293A - 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 또는 수력에 의해 축이 회전함에 따라 전기를 생산하는 발전기에 관한 것으로, 자속을 발생시키는 회전체를 고정체의 양측에 배열하여 부하가 변동하더라도 축에 걸리는 힘의 변화가 거의 없도록 함에 따라 바람 또는 물의 세기가 약하더라도 발전이 가능해질 수 있도록 한 것이다.
이를 위해, 하우징(1)과, 상기 하우징의 내부에 고정 설치되어 코일(3)이 감겨지며 회전축(4)이 관통되게 설치되는 고정판(2)과, 상기 고정판(2)의 하부에 위치되게 회전축(4)에 고정되며 N,S극이 상호 어긋나게 복수 개의 자석(5)이 고정된 제1회전체(6)와, 상기 고정판(2)의 상부에 위치되게 회전축(4)에 고정되며 제1회전체(6)에 고정된 자석(5)의 극성과 다른 극성을 띠게 복수 개의 금속체(7)가 고정된 제2회전체(8)로 구성하여 제1,2회전체(6)(8)에 고정된 자석(5) 및 금속체(7)의 극성이 서로 반대가 되어 자력이 발생된 상태에서 회전하면서 전력을 생산하는 것을 특징으로 한다.

Description

발전기 {The Generator}

본 발명은 풍력 또는 수력에 의해 축이 회전함에 따라 전기를 생산하는 발전기에 관한 것으로써, 좀더 구체적으로는 자속을 발생시키는 회전체를 고정체의 양측에 배열하여 부하가 변동하더라도 축에 걸리는 힘의 변화가 거의 없도록 함에 따라 바람 또는 물의 세기가 약하더라도 발전이 가능해질 수 있도록 하는 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 발전기(generator)라 함은 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 장치로서 전자기 유도작용을 이용하여 기전력을 발생시키게 되는데, 이러한 자기장을 만들기 위해서는 강력한 자성체와 기전력을 발생시키는 도전체가 구성요소로써 필요하다.

이러한 발전기의 자성체로 전자코일이 주로 사용되고 있으나, 풍력 또는 수력발전에 사용되는 발전기는 그 규모가 소형이기 때문에 자성체로써 영구자석을 사용하기도 한다.

도 1은 종래 풍력발전에 사용되는 발전기를 나타낸 분해 사시도이고, 도 2는 발전기의 구성 중 회전자를 나타낸 사시도로써, 케이스(10)의 내부에 동심원의 영구자석(25)이 배열된 원통형상의 회전자(20)가 내장되어 있고 상기 회전자(10)의 주위에는 금속코일이 감긴 고정자(30)가 회전자(20)의 영구자석(25)과 소정의 간격을 두고 케이스(10) 내주면에 장착되어 커버(11)로 폐쇄되어 있다.

상기한 구성 중 회전자(20)는 얇은 두께의 규소강판을 연속적으로 타발하여 적층한 원통형의 적층철심(21)에 회전축(22)이 그 중심부를 관통되게 삽입되어 있고 상기 적층철심(21)의 외주면에는 영구자석(25)이 원주방향으로 일정한 간격을 두고 부착되어 있는데, 이 때 영구자석(25)은 제작상의 이유로 제작 가능한 최대 크기가 제한되므로 회전자(20)의 규모에 따라 여러 개의 영구자석(25) 세그먼트들을 연이어 부착하는 것이 일반적이다.

이와 같이 여러 개의 영구자석 세그먼트를 연이어 설치할 경우, 영구자석의 N극과 S극이 상, 하 교차되도록 연이어 부착하여 하나의 열을 만들고, 이러한 열을 다수개 배열하되 서로 인접된 열은 같은 극성의 자석이 위치되도록 조립함으로써, 축방향으로는 동일 극성끼리 연이어 부착되고 원주방향으로 다른 극성끼리 간격을 두고 부착된 형태를 보여준다.

전술한 구성을 갖는 발전기는 풍력이나 수력 등의 동력원에 의해 회전자가 회전하면 그 외주면에 부착된 영구자석의 N극과 S극이 도전체에 교류의 양과 음의 변화를 주어 기전력을 발생시키게 되므로 전기에너지를 얻게 된다.

한편, 상기한 풍력 및 수력발전용 발전기는 최근 석유 등의 화석연료가 점진적으로 고갈됨에 따라 천연자원인 풍력이나 수력을 통한 대체에너지에 대한 개발이 활발해짐에 따라 그 효용가치가 높아지고 있다.

그러나 이러한 종래의 발전기는 무부하상태에서 회전자와 고정자의 사이에 자력이 발생되고 있어 회전 시 큰 힘(torque)을 필요로 하므로 풍력 또는 수력이 큰 상태에서만 전력의 생산이 가능한 결점을 갖는다.

즉, 바람의 세기가 약하거나, 물의 흐름이 약한 상태에서는 회전자와 고정자 사이에 존재하는 자력에 의해 회전자가 고정된 회전축이 회전되지 않으므로 전력을 생산할 수 없는 치명적인 결함을 나타내게 된다.

또한, 회전자가 회전하면서 극성이 반복적으로 변환되는 과정에서 잔류자속이 남게 되므로 부하로 작용되고, 이에 따라 발전기의 작동 시 많은 열이 발생되므로 소손되는 치명적인 결함을 갖고 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로써, 발전기의 획기적인 구조 개선으로 코일이 감긴 고정판의 양측에 회전축에 고정되는 제1,2회전체를 배치하되, 상기 제1,2회전체에 고정되는 자성체의 극성을 상호 달리하여 회전축이 적은 힘으로 회전되면서 전기에너지를 생산할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 하우징과, 상기 하우징의 내부에 고정 설치되어 코일이 감겨지며 회전축이 관통되게 설치되는 고정판과, 상기 고정판의 하부에 위치되게 회전축에 고정되며 N,S극이 상호 어긋나게 복수 개의 자석이 고정된 제1회전체와, 상기 고정판의 상부에 위치되게 회전축에 고정되며 제1회전체에 고정된 자석의 극성과 다른 극성을 띠게 복수 개의 금속체가 고정된 제2회전체로 구성하여 제1,2회전체에 고정된 자석 및 금속체의 극성이 서로 반대가 되어 자력이 발생된 상태에서 회전하면서 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 발전기가 제공된다.

본 발명은 고정판의 양측에 위치하는 제1,2회전체에 서로 다른 극성이 마주보도록 자석 및 금속체를 각각 고정하여 회전축이 회전할 때 고정판에 N극과 S극의 자속이 연속적으로 통과됨에 따라 순방향의 전류가 흐르도록 하므로 자속의 손실을 최소화할 수 있게 되고, 이에 따라 영구자석과 전자석의 특성을 살려 영구자석에 전자석 코일을 감으면 전자석의 자속의 직진성을 이용하여 자속의 손실을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 고정판의 양측에 위치하는 제1,2회전체를 회전시키면서 전기를 생산하므로 전자석에서 발생하는 열을 줄일 수 있어 전자석 용량의 증대가 가능해지게 되므로 효율의 증대를 꾀할 수 있게 된다.

한편, 자속을 발생하는 제1,2회전체가 회전축에 동시에 고정되어 함께 회전하면서 전기를 생산하므로 부하변동에 따라 회전축에 걸리는 힘의 변화가 거의 없게 되므로 적은 풍량이나 물의 흐름에도 회전축이 회전하면서 전기를 생산할 수 있게 되는 효과를 얻게 된다.

도 1은 종래 풍력발전에 사용되는 발전기를 나타낸 분해 사시도
도 2는 발전기의 구성 중 회전자를 나타낸 사시도
도 3은 본 발명의 구성을 나타낸 종단면도
도 4는 본 발명의 제1회전체를 나타낸 평면도
도 5는 본 발명의 제2회전체를 나타낸 평면도

이하, 본 발명을 일 실시예로 도시한 도 3 내지 도 5를 참고하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 구성을 나타낸 종단면도이고 도 4는 본 발명의 제1회전체를 나타낸 평면도이며 도 5는 본 발명의 제2회전체를 나타낸 평면도로써, 본 발명은 하우징(1)의 내부에 코일(3)이 감겨지고 회전축(4)이 관통되게 설치되는 고정판(2)이 고정 설치되어 있고 상기 고정판(2)의 하부에는 도 4에 나타낸 바와 같이 N,S극이 상호 어긋나게 복수 개의 자석(5)이 고정된 제1회전체(6)가 회전축(4)에 고정되게 설치되어 있으며 상기 고정판(2)의 상부에는 도 5에 나타낸 바와 같이 제1회전체(6)에 고정된 자석(5)의 극성과 다른 극성을 띠게 복수 개의 금속체(7)가 고정된 제2회전체(8)가 회전축(4)에 고정되게 설치되어 있다.

이 때, 상기 제1회전체(6)에 극성이 지그재그로 배치되게 고정되는 자석(5)을 영구자석 또는 전자석으로 하여도 되지만, 영구자석에 코일(9)을 감아 전자석의 기능이 부여되도록 하는 것이 보다 효과적이다.

상기 제1회전체(6)의 영구자석에 감겨진 코일(9)에 전원을 인가하기 위해 본 발명의 일 실시예에서는 도 3에 나타낸 바와 같이 영구자석에 감긴 코일(9)을 회전축(4)의 내부를 통해 슬립 링(10)에 각각 연결하여 상기 슬립 링(10)이 전원 공급봉(11)에 설치된 브러시(12)와 접속되도록 구성하였다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 3과 같이 하우징(1)의 내부에 코일(3)이 감긴 고정판(2)을 설치함과 동시에 상기 고정판(2)의 상, 하부에 위치하는 회전축(4)에 제1,2회전체(6)(8)를 각각 고정하면 영구자석에 감겨진 코일(9)에는 전원 공급봉(11)에 설치된 브러시(12)를 통해 전원이 공급되므로 전자석 기능을 띠게 되며, 고정판(2)에 감긴 코일(3)에도 전원이 인가된다.

이러한 상태에서 풍력 또는 수력에 의해 회전축(4)이 회전하면 제1,2회전체(6)(8)에 각각 고정된 자석(5) 및 금속체(7)의 극성이 도 3에 나타낸 바와 같이 상호 반대 극성(N, S극)을 띠고 있어 순방향의 전류가 흐르게 되므로 자속의 손실을 최소화할 수 있게 된다.

즉, 제1회전체(6)에 고정되는 자석(5)을 영구자석으로 하고 상기 영구자석의 외주면에 전원이 인가되는 코일(9)을 감아 전자석을 구성함으로써 전자석이 갖는 자속의 직진성을 이용하여 자속의 손실을 최대한 줄이게 되므로 약한 바람이나, 조류에 의해서도 회전축이 회전하면서 전기를 생산할 수 있게 된다.

또한, 전자석이 구비된 제1회전체(6)가 회전할 때 전자석에서 발생하는 열을 외부로 신속하게 방출하게 되므로 전자석의 용량을 최대로 적용할 수 있게 되므로 발전기의 효율을 극대화할 수 있게 되는 것이다.

본 발명의 기술사상은 상기한 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 전술한 실시예들은 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다.

또한, 본 발명의 기술분야에서 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양하게 변화하여 실시할 수 있음은 이해 가능한 것이다.

1 : 하우징 2 : 고정판
3, 9 : 코일 4 : 회전축
5 : 자석 6 : 제1회전체
7 : 금속체 8 : 제2회전체
10 : 슬립 링 12 : 브러시

Claims (5)

1. 하우징(1)과, 상기 하우징의 내부에 고정 설치되어 코일(3)이 감겨지며 회전축(4)이 관통되게 설치되는 고정판(2)과, 상기 고정판(2)의 하부에 위치되게 회전축(4)에 고정되며 N,S극이 상호 어긋나게 복수 개의 자석(5)이 고정된 제1회전체(6)와, 상기 고정판(2)의 상부에 위치되게 회전축(4)에 고정되며 제1회전체(6)에 고정된 자석(5)의 극성과 다른 극성을 띠게 복수 개의 금속체(7)가 고정된 제2회전체(8)로 구성하여 제1,2회전체(6)(8)에 고정된 자석(5) 및 금속체(7)의 극성이 서로 반대가 되어 자력이 발생된 상태에서 회전하면서 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 발전기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1회전체(6)에 고정되는 자석(5)이 영구자석인 것을 특징으로 하는 발전기.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1회전체(6)에 고정되는 자석(5)이 전자석인 것을 특징으로 하는 발전기.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1회전체(6)에 고정되는 자석(5)을 영구자석으로 하고 상기 영구자석에 전원이 인가되는 코일(9)을 감아 구성한 것을 특징으로 하는 발전기.
   
5. 청구항 1, 청구항 3, 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1회전체(6)에 고정된 자석(5)을 영구자석으로 하고 각 영구자석에 감긴 코일(9)을 회전축(4)의 내부를 통해 슬립 링(10)에 각각 연결하여 상기 슬립 링(10)이 전원 공급봉(11)에 설치된 브러시(12)와 접속되도록 구성된 것을 특징으로 하는 발전기.

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