KR20120094392A - 축 방향 자속 영구자석형 발전기 - Google Patents

축 방향 자속 영구자석형 발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 축 방향 자속 영구자석형 발전기에 관한 것으로서, 수용공간이 마련된 케이스와, 상기 수용공간에 상기 케이스와 상호 간 회전가능하게 설치된 축부와, 상기 케이스와 상기 축부에 상호 대향되게 설치되는 것으로 다수의 영구자석들을 포함하는 계자와, 상기 계자에 의해 전기를 발생시키는 다수의 코일들을 포함하는 전기자 및 상기 영구자석들 또는 상기 코일들이 선택적으로 설치되는 요크부를 구비하는 발전기에 있어서, 요크부는 철과 규소가 소정의 중량비로 조성된 규소 박판 스트립을 와인딩하고 함침제로 함침 고정하여 형성된다.
이러한 축 방향 자속 영구자석형 발전기에 의하면 발전기의 코어 및 슬롯을 생략함으로써 전체적인 발전기의 중량 및 크기를 감소시킬 수 있고, 영구자석에서 발생하는 자기장에너지를 코일에 효율적으로 수용할 수 있으며, 발전기의 코일 체적 밀도를 증가시켜 발전량을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

축 방향 자속 영구자석형 발전기{Axial Flux Permanent Magnet generator}
본 발명은 축 방향 자속 영구자석형 코어리스, 슬롯리스 발전기에 관한 것으로, 요크부를 철판 대신 규소강판이 링 형상으로 중첩된 링 코어를 적용하여 철손을 감소시켜 발전효율을 높일 수 있는 축 방향 자속 영구자석형 발전기에 대한 것이다.
일반적인 풍력발전에서는 프로펠러의 회전동작을 발전기의 고정축에 전달함으로써 회전에너지를 전기 에너지로 변환하고 있다. 발전기로부터의 출력은 전력계통에 접속되거나, 또는 배터리에 모아서 필요할 때에 전력으로 사용한다.
발전기의 종류에는 여러 가지 종류가 있는 데 계자(field magnet)용으로 영구자석을 사용하는 타입 중 그 구조적인 면이 다른 두 가지 타입의 발전기를 차례로 설명한다.
원통 모양 로터(rotor)의 바깥쪽 둘레에 스테이터(stator)가 배열되는 레이디얼 갭(radial gap) 타입의 발전기는 복수의 영구자석이 로터의 원주를 둘러싸는 방향으로 배열되고, 영구자석의 자극은 방사형으로 향하고, 스테이터가 영구자석과 마주보도록 배열되어 있다. 스테이터는 로터를 향하는 면에서 여러 개의 이 모양을 갖는 철심에 코일이 감겨진 구조를 하고 있다. 이러한 철심을 이용함으로써, 로터의 자극으로부터 발생하는 자속을 코일로 통과시킬 수 있어 모터의 경우에는 큰 토크를, 발전기의 경우에는 큰 전압을 생성할 수 있다.
그러나, 철심의 이용은 코깅 토크(cogging torque)나 철심의 히스테리시스 손실에 기초하는 손실 토크(loss torque)를 발생시켜서, 개시 토크(initial torque)를 커지게 한다는 문제가 있다. 철심을 제거하면 그러한 문제가 제거될 수 있지만, 자기효율이 낮아지게 되기 때문에 레이디얼 갭 타입의 발전기에서는 큰 출력을 얻을 수 없는 단점이 있다.
또한, 레이디얼 갭 타입을 적용한 풍력발전기에서 발전기를 수납하는 나셀(Nacelle)이 커지면 그 만큼 프로펠러가 바람을 받는 면적이 줄어들게 되어 프로펠러의 회전력이 저하된다. 즉, 발전기가 대형화되면 될수록 풍력발전에 있어서의 효율이 떨어지는 단점이 있다.
다른 한가지 타입으로는 원방형 로터와 축 방향으로 대향하도록 스테이터가 배열되는 액시얼 갭(axial gap) 타입의 발전기가 있다.
액시얼 갭 타입의 발전기는 케이스부에 철판으로 형성된 요크부가 일체화되도록 부착되고, 요크부의 표면상에 복수의 영구자석이 배열되며, 스페이서를 통해서 고정축 방향으로 상하 배열된다. 영구자석은 요크들의 어느 하나에 배열되어도 되지만, 두 요크들 모두의 표면에 영구자석을 배열하면 자기효율이 높아진다. 요크들의 사이에는 전기자가 배치되고, 전기자는 다수의 코일들이 수용되는 베이스에 고정되어 스테이터을 구성하며 고정축에 고정된다. 고정축은 하우징에 의해 베어링을 통해서 회전 가능하게 지지된다.
이러한 구조는 자극의 면을 크게 하여 철심을 이용하지 않고도 출력을 크게 할 수 있고, 희토류 금속 중 하나인 네오디뮴(Neodymium)과 철(Fe), 보론(B)의 금속 화합물인 네오디뮴 자석(Nd-Fe-B)을 이용하면 철심에 의한 자기포화의 문제가 없기 때문에, 그 성능을 충분히 살려서 고출력의 회전기계로 사용할 수 있는 장점이 있다.
그러나 상술한 바와 같은 발전기의 스테이터는 대부분 코어와 전기자코일로 구성되며 로터와 요크에 자석을 배열하고 자석이 만드는 자속과 전류의 상호 전자력을 이용하여 구성함으로써 전체적으로 영구자석형 발전기의 무게가 증가하고 길이가 커지며 그 폭의 단축화에 제한이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 코어리스 또는 슬롯리스형 발전기는 주형용 에폭시 수지화합물과 전기자로 작용하는 코일이 일체형으로 구성되어 슬롯 및 코어가 생략된 구조를 갖는다.
그러나 상기의 코어리스 또는 슬롯리스형 발전기는 전기자코일이 배열되는 요크가 철판으로 형성되어 있어 철손으로 인한 발전기의 효율을 떨어뜨리는 단점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 발전기의 영구자석과 전기자코일이 설치되는 요크를 철판 구조 대신 규소강판이 링 형상으로 중첩된 구조를 적용하여 철손을 감소시키고 발전효율을 높일 수 있는 축 방향 자속 영구자석형 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기는 수용공간이 마련된 케이스와, 상기 수용공간에 상기 케이스와 상호 간 회전가능하게 설치된 축부와, 상기 케이스와 상기 축부에 상호 대향되게 설치되는 것으로 다수의 영구자석들을 포함하는 계자와, 상기 계자에 의해 전기를 발생시키는 다수의 코일들을 포함하는 전기자 및 상기 영구자석들 또는 상기 코일들이 선택적으로 설치되는 요크부를 구비하는 발전기에 있어서, 상기 요크부는 철과 규소가 소정의 중량비로 조성된 규소 박판 스트립을 와인딩하고 함침제로 함침 고정 고정하여 형성된다.
상기 케이스는 상기 축부를 중심으로 회전가능하게 상기 축부에 결합되고, 상기 축부는 상기 다수의 코일들이 환상으로 배열 고정된 고정판과 상기 고정판을 지지하는 고정축을 포함하며, 상기 요크부의 일 측면에 상기 다수의 코일들의 배열 패턴과 동일한 패턴으로 다수의 영구자석들이 교번되게 배열되고 타 측면은 상기 다수의 영구자석들이 상기 전기자를 향하도록 상기 케이스의 내측에 설치된다.
상기 케이스는 상기 축부를 중심으로 회전가능하게 상기 축부에 결합되고, 상기 축부는 상기 수용공간에 설치되는 고정판과 상기 고정판을 지지하는 고정축을 포함하며, 상기 요크부는 상기 고정판에 설치되는 고정요크부와 상기 케이스에 설치되는 회전요크부를 포함하고, 상기 고정요크부에는 상기 다수의 코일들이 상기 고정축을 중심으로 환상으로 배열 고정된 전기자가 설치되며, 상기 회전요크부의 일 측면에는 상기 다수의 코일들의 배열 패턴과 동일한 패턴으로 상기 다수의 영구자석들이 교번되게 배열되고 타 측면에는 상기 다수의 영구자석들이 상기 전기자를 향하도록 상기 케이스의 내측에 설치된다.
상기 축부는 상기 수용공간에 설치되는 회전판과 상기 회전판을 상기 케이스를 중심으로 회전되게 하는 회전축을 포함하고, 상기 요크부는 상기 회전판에 설치되는 회전요크부와 상기 케이스에 설치되는 고정요크부를 포함하며, 상기 회전요크부의 상면과 저면에는 각각 상기 다수의 영구자석들이 상기 회전축을 중심으로 환상으로 교번되게 배열되고, 상기 고정요크부의 일 측면에는 상기 다수의 영구자석들의 배열 패턴과 동일한 패턴으로 상기 다수의 코일들이 환상으로 배열된 전기자가 설치되고 타 측면은 상기 전기자가 상기 회전요크부를 향하도록 상기 케이스의 내측에 설치된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기는 고정축과, 상기 고정축의 길이방향과 직교하는 방향으로 상기 고정축에 결합되고 다수의 코일들이 환상으로 배열된 전기자가 고정되는 고정판을 포함하는 스테이터와;
상기 스테이터를 수용할 수 있는 수용공간이 마련되고 상기 고정축에 회전가능하게 결합된 케이스와, 일 측면에는 상기 다수의 코일들의 배열 패턴과 동일한 패턴으로 다수의 영구자석들이 교번되게 배열되고 타 측면은 상기 다수의 영구자석들이 상기 고정판의 상부 및 하부에서 각각 마주보도록 상기 케이스에 설치된 회전요크부를 포함하는 로터를; 구비하며, 상기 회전요크부는 철과 규소가 소정의 중량비로 조성된 규소 박판 스트립을 와인딩하고 함침제로 함침 고정하여 형성된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기는 고정축과, 상기 고정축의 길이방향과 직교하는 방향으로 상기 고정축에 고정된 고정판과, 상기 고정판의 상부에 다수의 코일들이 상기 고정축을 중심으로 환상으로 배열 고정된 전기자와, 상기 전기자의 하부에 결합된 고정요크부를 구비하는 스테이터와; 상기 스테이터를 수용할 수 있는 수용공간을 갖고 상기 고정축에 회전가능하게 결합된 케이스와, 일 측면에는 상기 다수의 코일들의 배열 패턴과 동일한 패턴으로 다수의 영구자석들이 교번되게 배열되고 타 측면은 상기 다수의 영구자석들이 상기 전기자를 향하도록 상기 케이스에 설치된 회전요크부를 포함하는 로터를 구비하며, 상기 고정요크부 및 회전요크부는 철과 규소가 소정의 중량비로 조성된 규소 박판 스트립을 와인딩하고 함침제로 함침 고정하여 형성된다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기는 회전축과, 상기 회전축의 길이방향과 직교하는 방향으로 상기 회전축에 고정된 회전판과, 상기 회전판에 다수의 영구자석들이 상기 회전축을 중심으로 환상으로 교번되게 배열된 회전요크부를 포함하는 로터와; 상기 로터가 회전가능하게 장착될 수 있는 수용공간이 마련된 케이스와, 상기 다수의 영구자석들이 배열된 패턴과 동일한 패턴으로 다수의 코일들을 환상으로 배열된 전기자와 결합되고, 상기 전기자가 상기 회전요크부를 향하도록 상기 케이스의 수용공간에 각각 설치되는 고정요크부를 포함하는 스테이터를; 구비하며, 상기 회전요크부 및 상기 고정요크부는 철과 규소가 소정의 중량비로 조성된 규소 박판 스트립을 와인딩하고 함침제로 함침 고정하여 형성된다.
본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기에 의하면 발전기의 코어 및 슬롯을 생략하여 코깅 토크를 감소시키고, 영구자석 및 코일이 설치되는 요크부를 링 형상으로 중첩된 규소강판을 적용하여 이용하여 철손을 감소시켜 발전기의 발전효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기의 제1실시 예를 나타내 보인 분리사시도이고,
도 2는 도 1에 도시된 축 방향 자속 영구자석형 발전기의 단면도이며,
도 3은 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기의 구성요소인 요크부를 나타내보인 사시도 이고,
도 4는 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기의 제2실시 예를 나타내 보인 단면도이며,
도 5는 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기의 제3실시 예를 나타내 보인 단면며,
도 6은 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기의 회전요크부 및 고정요크부에 적용된 롤 형 규소강판과 종래의 철판을 비교실험한 결과는 나타낸 시험성적서이고,
도 7은 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기의 회전요크부 및 고정요크부에 적용된 롤 형 규소강판과 종래의 적층형 철판을 비교실험한 결과 및 시험장비를 나타낸 시험성적서이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기를 더욱 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2에는 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기의 제1실시 예가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 발전기(1)는 코어가 생략되고 계자(25)가 전기자(13)의 외측에서 회전되는 아우터-로터(outer-rotor) 방식의 발전기가 적용된 스테이터(10)와 로터(20)를 포함하여 이루어진다.
스테이터(10)는 고정축(11)과, 다수의 코일(13a)들로 이루어진 전기자(13)가 고정된 고정판(12)을 구비한다.
고정판(12)은 고정축(11)을 중심으로 고정축(11)의 길이방향과 직교하는 평면상에 고정축(11)의 원주방향으로 다수의 코일(13a)들을 상호 중첩되지 않도록 인접 배열하고, 각 코일(13a)들을 수지화합물을 통해 고정한 판으로 고정축(11)에 고정되어 있다.
상기의 고정판(12)에 고정된 전기자(13)의 각 코일(13a)들은 영구자석(22)의 자기력선속 밀도 변화에 의해 유도되는 전류가 흐를 수 있도록 전선을 나선형으로 여러 번 감은 형태로 형성되며 각 측면을 상호 맞닿도록 배열할 시 환 형태를 이루도록 상부로부터 하부로 갈수록 폭이 작아지는 형태로 형성된다.
고정판(12)은 원형의 고정 틀에 다수의 코일(13a)들의 각 측면이 상호 맞닿도록 환 상으로 배열하고 수지화합물을 주입하여 형성된다. 즉, 각 코일(13a)들을 수지화합물로 몰딩하여 수지화합물에 의해 코일(13a)들이 유동하지 않도록 전기자(13)를 고정하는 것이다.
도면에 도시된 바와는 다르게 고정판(12)에는 코일(13a)의 체적밀도를 증가시키기 위하여 각 코일(13a)들을 소정의 각도로 기울인 상태로 상호 중첩되게 배열시킬 수도 있다.
로터(20)는 스테이터(10)의 외측을 감싸도록 형성된 케이스(21)와, 자기장을 형성하는 다수의 영구자석(22)들과, 영구자석(22)들이 부착배열되는 회전요크부(23)를 포함하는 계자(24)를 구비한다.
케이스(21)는 스테이터(10)를 수용할 수 있는 수용공간이 마련되어 있고, 고정축(11)에 회전가능하게 결합되어 있으며, 상호 결합가능한 플랜지를 갖는 제1케이스(21a)와 제2케이스(21b)를 포함하여 이루어져 있다.
제1케이스(21a) 및 제2케이스(21b)는 폐쇄된 하부와 개방된 상부를 갖는다. 그리고 내부에는 각각 중공이 마련되어 있고, 상호 결합시킬 수 있는 제1플랜지 및 제2플랜지가 상부에 각각 마련되어 있다.
제1케이스(21a)와 제2케이스(21b)는 도시된 바와 같이 나사결합될 수도 있고, 이와는 다르게 용접결합될 수도 있다.
제1케이스(21a)의 중앙 부분에는 고정축(11)이 삽입될 수 있는 삽입홀이 형성되어 있고, 삽입홀에 삽입된 고정축(11)에 회전가능하게 지지하는 베어링부재가 설치되어 있으며, 제2케이스(21b)의 중앙부분에는 고정축(11)의 상단과 접촉되지 않도록 내측으로부터 외측으로 돌출형성된 돌출부가 마련되어 있다.
여기서 고정축(11)이 제1케이스(21a) 및 제2케이스(21b)의 반경 방향과 직교하는 방향으로 설치되어 있으므로 고정판(12)에 고정된 전기자(13)는 제1케이스(21a) 및 제2케이스(21b)의 반경 방향과 평행한 평면상에 위치하게 된다.
한편, 도면에 도시된 바와는 다르게 제2케이스(21b)의 돌출부에는 고정축(11)에 안정적으로 지지되어 회전될 수 있도록 고정축(11)를 삽입시킬 수 있고, 고정축(11)과 돌출부 사이에 회전을 용이하게 하는 베어링부재가 더 구비될 수도 있다.
도 3을 참조하면, 회전요크부(23)는 강자성을 갖는 재질로 이루어지며 바람직하게는 규소가 함유된 박판을 고정축(11)의 반경보다는 크고 케이스(21)의 반경보다는 작은 크기의 중공이 형성되게 말아놓은 것으로 원판형상으로 형성되어 있다. 상호 중첩되게 말아진 규소 박판은 원판형상을 유지하도록 함침제로 함침하여 형성된다.
회전요크부(23)는 고정판(12)에 배열된 각 코일(13a)들을 통과하는 자기장의 세기 즉, 자기력선속을 강화시킬 수 있다.
회전요크부(23)의 상면 또는 저면에는 상호 다른 극성을 갖는 다수의 영구자석(22)들이 접착제(에폭시계, 아크릴계)에 의해 영구자석(22)의 극성이 고정축(11)의 길이 방향과 평행한 방향을 향하도록 원주방향을 따라서 부착되어 있고, 원주방향으로 인접한 영구자석(22)끼리는 극성이 반대로 되도록 배열되어 있다.
회전요크부(23)에 배열되는 영구자석(22)들은 특별한 제한이 없으며 공지의 것을 이용할 수 있다. 바람직하게는, 희토류 원소를 포함하는 소위 희토류 금속화합물로 된 네오디뮴 자석(Nd-Fe-B Magnet), 사마륨 자석(Sm-Co Magnet)을 포함하는 희토류 자석을 사용할 수 있으며, 더욱 바람직하게는 자원적으로 풍부한 네오디뮴(Nd)와 철(Fe)를 사용하므로 가격 면에서 사마륨 자석보다 저렴한 네오디뮴 자석을 사용하는 것이 좋다.
회전요크부(23)에 배열된 영구자석(22)이 만드는 자극의 수는 회전요크부(23)를 대형화시켜 많은 수로 늘리는 것이 가능하지만, 4극 이상 더욱 바람직하게는 48극 이하가 좋다. 전기자(13)의 코일(13a) 수는 자극의 수와 비교하여, 단상의 경우에는 1:1의 비율을 갖고, 3상 교류의 경우에는 4:3, 2:3, 8:9, 10:9, 10:12, 12:15, 16:9, 20:12 등이 채택될 수 있다.
또한, 단상의 경우 바람직하게는 각 코일(13a)이 원주 상 이웃하는 코일과 반대방향으로 감겨서 직렬로 접속되는 것이 좋고, 3상의 경우 바람직하게는 원주방향으로 코일(13a)들을 2개씩 걸러서 직렬로 접속시킨 3쌍의 3상 권선으로 하는 것이 좋다.
회전요크부(23)는 영구자석(22)들이 고정판(12)의 상부 및 하부에서 각각 마주보도록 제1케이스(21a)의 내측 바닥면과 제2케이스(21b)의 내측 상면에 각각 고정결합되어 있다.
한편, 도면에 도시된 바와는 다르게 고정판(12)을 복수의 단으로 고정축(11)에 고정하고 각 고정판(12)의 상,하부에 회전요크부(23)를 복수의 단으로 배열할 수도 있다.
도 4에는 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기의 제2실시 예가 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 발전기(2)는 스테이터(100)와 로터(200)를 구비한다.
스테이터(100)는 고정축(110)에 고정된 고정판(120)과, 고정판(120)에 설치된 전기자(130)와, 전기자(130)의 하부에 위치하는 고정요크부(140)를 구비한다.
전기자(130)는 다수의 코일(131)들을 상호 중첩되지 않도록 환상으로 배열고정시킨 것을 고정축(110)에 설치한 것으로, 고정축(110)을 중심으로 고정축(110)의 길이방향과 직교하는 평면상에 설치되어 있다.
여기서, 각 코일(131)들은 전선을 나선형으로 여러 번 감은 형태로 형성되며 각 측면을 상호 맞닿도록 배열할 시 환상으로 배열되도록 상부로부터 하부로 갈수록 폭이 작아지는 형태로 형성된 것이 적용되었다.
전기자(130)는 원형의 고정자 틀에 다수의 코일(131)들의 각 측면이 상호 맞닿도록 환상으로 배열하고 수지화합물을 주입하여 형성된다.
고정요크부(140)는 강자성을 갖는 재질로 이루어지며 바람직하게는 규소가 함유된 박판을 고정축(110)의 반경보다는 크고 케이스(210)의 반경보다는 작은 크기의 중공이 형성되게 말아놓은 것으로 원판형상으로 형성되어 있다.
로터(200)는 케이스(210)와 영구자석(230)들과 회전요크부(220)를 포함하는 계자(240)를 구비한다.
케이스(210)는 스테이터(100)를 수용할 수 있는 수용공간이 마련되어 있고, 고정축(110)에 회전가능하게 결합되어 있으며, 상호 결합가능한 플랜지를 갖는 제1케이스(211)와 제2케이스(212)를 포함하여 이루어져 있다.
제1케이스(211) 및 제2케이스(212)는 폐쇄된 하부와 개방된 상부를 갖는다. 그리고 내부에는 각각 중공이 마련되어 있으며 상호 결합시킬 수 있는 제1플랜지 및 제2플랜지가 상부에 각각 마련되어 있다. 케이스(210)는 제1플랜지 상부에 제2플랜지가 얹혀진 상태로 결합되어 스테이터(100)를 감싸게 된다.
회전요크부(220)는 스테이터(100)의 고정요크부(140)와 구조, 형상, 재질 및 크기가 동일한 것이 사용된다. 회전요크부(220)의 상면 또는 저면에는 상호 다른 극성을 갖는 다수의 영구자석(230)들이 접착제(에폭시계, 아크릴계)에 의해 다수의 영구자석(230)들의 극성이 상면 또는 저면과 직교하는 방향을 향하도록 원주방향을 따라서 부착되어 있다.
회전요크부(220)는 원주방향으로 인접한 영구자석(230)끼리 극성이 반대로 되도록 배열하였으며, 환상으로 배열된 영구자석(230)들이 전기자(130)의 상면을 바라보도록 제2케이스(212)의 천장면에 고정결합된다.
회전요크부(220)에 배열되는 영구자석(230)들은 특별한 제한이 없으며 전술한 바와 같은 희토류 자석을 적용하는 것이 바람직하다.
도 5에는 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기의 제3실시 예가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 발전기(3)는 회전자가 고정자의 내측에서 회전되는 이너-로터(inner-rotor) 방식이 적용된 로터(300)와 스테이터(400)를 구비한다.
로터(300)는 회전축(310)과, 회전축(310)의 길이방향과 직교하는 평면상에 고정된 회전판(320)과, 회전판(320)의 가장자리에 다수의 영구자석(340)들이 설치되는 회전요크부(330)를 포함하는 계자(350)를 구비한다.
회전요크부(330)는 회전판(320)의 가장자리에 반경 방향으로 연장된 형태로 고정설치되고 상,하부에 각각 상호 다른 극성을 갖는 영구자석(340)이 교번되게 배열되어 있다.
회전요크부(330)는 강자성을 갖는 재질로 이루어지며 바람직하게는 규소가 함유된 박판을 회전축(310)의 반경보다는 크고 후술 되는 스테이터(400)의 케이스(410)의 반경보다는 작은 크기의 중공이 형성되게 말아놓은 것으로 원판형상으로 형성되어 있다.
스테이터(400)는 케이스(410)와, 케이스(410)의 수용공간에 설치되는 고정요크(420)를 구비한다.
케이스(410)는 제1케이스(411)와 제2케이스(412)가 결합 된 것으로, 로터(300)를 수용할 수 있는 수용공간이 마련되어 있다. 케이스(410)는 상술한 본 발명의 제1 및 제2실시 예에서 설명한 케이스(21, 210)와 동일한 것이 적용되었으므로 중복설명은 생략한다.
제1케이스(411) 및 제2케이스(412)에는 회전요크(330)와 동일한 재질, 구조, 형상 및 크기를 갖는 고정요크부(420)가 설치되어 있다.
고정요크부(420)의 일 측면에는 다수의 코일(431)들을 환상으로 상호 인접되게 배열고정시킨 전기자(430)가 설치되어 있으며, 케이스(410)에 로터(300)가 장착될 시 전기자(430)가 회전요크부(330)에 마련된 영구자석(340)들의 상면 및 저면에 각각 위치하도록 케이스(410)에 고정설치되어 있다.
상술한 바와 같은 회전요크부 및 고정요크부는 무방향성 전기강판 모재투입단계, 가공단계, 권철단계, 열처리단계, 형상교정단계, 진공함침단계, 건조단계, 검수단계를 거쳐 제조된다.
모재투입단계는 제강단계로서 철에 규소와 불순물을 적정량 부가하여 주조하는 단계이다. 여기서, 규소는 강의 비저항을 높여주어 철손 특성을 현저하게 개선시키는 원소로서 일반적으로 대략 2.95 ~ 3.5중량%가 철과 타 불순물에 혼합된다. 본 발명에서는 철 97.2중량%에 규소 2.6중량% 및 알루미늄 0.2중량%가 혼합된 것을 적용하였다.
가공단계는 정해진 규격에 맞게 주조된 규소강판을 얇은 두께(0.35mm)로 잘라 박판형 스트립을 제조하는 단계이고, 권철 단계는 가공단계에서 제작된 규소 박판 스트립이 중첩되게 롤 형태로 권취하는 단계로서 정해진 내경과 외경에 맞게 권취하는 과정을 거친다. 권철 단계를 통해 회전요크부의 크기 및 형태가 결정된다.
열처리 단계에서는 850℃에서 대략 240분 동안 비치하고, 시간당 ±100℃씩 온도의 변화를 주며, 400℃에서 공냉과정을 거친 다음 질소를 투입한다.
형상교정단계에서는 롤 형상으로 권취된 규소 박판 스트립의 상단과 하단이 평평하도록 형상을 교정하는 과정을 거친다.
진공함침단계에서는 형상교정단계를 거친 롤 형상의 규소 박판을 함침제가 용액화된 함침액에 대략 1시간 동안 침전시켜 박판들 사이로 함침액이 침투되게 진공함침하는 과정을 거친다.
건조단계에서는 함침액에 침전된 롤 형상의 규소 박판 스트립을 170℃에서 대략 12시간 동안 건조시키는 과정을 거친다.
검수단계에서는 정해진 치수에 맞게 제작되었는지를 검사하는 단계를 거친다.
이하에서는 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 축방향영구자석형 발전기의 회전요크 및 고정요크에 적용된 롤 형 규소강판과 종래의 요크부에 사용되는 철판에 대한 비교실험을 한국생산기술연구원에 의뢰한 결과를 참조하여 설명한다.
실험에 사용된 장비는 "IronLoss & Hysteresis Characteristic Analyzer"이고, 실험조건은 0.8Ｔ(자속밀도)에서 50㎐, 60㎐로 각각 철손과 상대 투자율에 대한 측정을 실시하였으며 측정결과는 도 6 및 도 7에 나타냈다.
여기서, 실험대상인 SMPL #1은 도 7의 4에 "Iron Loss & Hysterisis Characterstic Analyzer" 시험 장비 및 Test SMPLS에 도시된 바와 같이 Ring-core 외경 209.3㎜, 내경 124.3㎜, 높이 5.76㎜를 갖는 종래의 철판이고, SMPL #2는 Ring-core 외경 255.8㎜, 내경 159.7㎜, 높이 8㎜를 갖는 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기의 회전요크 및 고정요크에 사용된 롤 형 규소강판이다.
도 6을 참조하면서, SMPL #1과 SMPL #2을 비교하면 먼저, 철손(Iron Loss)은 SMPL #1이 50㎐에서 54.476W/kg이고, SMPL #2는 50㎐에서 0.24214W/kg로 SMPL #2가 대략 225배 더 작고 또한, SMPL #1이 60㎐에서 76.756W/kg이고, SMPL #2는 60㎐에서 0.31989W/kg로 SMPL #2가 SMPL #1 보다 대략 240배 더 작은 것을 알 수 있다.
한편, 상대 투자율(relative permeability)은 SMPL #1이 50㎐에서 143.9388μr이고 SMPL #2는 50㎐에서 39921.34μr로 SMPL #2가 SMPL #1 보다 대략 277배 크고 또한, SMPL #1이 60㎐에서 122.7412μr이고, SMPL #2는 60㎐에서 36760.68μr로 SMPL #2가 SMPL #1 보다 대략 300배 큰 것을 알 수 있다.
측정결과에 의하면 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기의 고정요크 및 회전요크에 적용된 롤 형 규소강판 즉, SMPL #2는 종래의 적층형 철판 즉, SMPL #1보다 철손이 225배 내지 240배 작은 것을 알 수 있어 요크부에서 발생하는 철손을 비약적으로 감소시킬 수 있고, SMPL #1보다 상태 투자율이 277배 내지 300배 크므로 영구자석에서 발생하는 자속이 요크에 설치되는 전기자로 용이하게 통과시킬 수 있어 발전기의 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 6의 시험결과 2와 도 7의 3에는 SMPL #1과 SMPL #2의 Hysterisis Curve가 각각 도시되어 있다. 일반적으로 히스테리시스 곡선(hysterisis curve)은 자성 물질에서 이력 현상으로 형성되는 물리적 양들의 고리 모양의 폐곡선으로서 폐곡선의 면적이 클수록 이력 손실이 큰 특징이 있다. 여기서 이력 손실은 자성 물질에서 이력 현상 때문에 생기는 에너지 손실을 의미한다.
시험결과 2에 따르면 SMPL #1은 자기장세기(H)가 대략 -5000H ~ +5000H로 변화하는 과정에서 자속밀도가 -800B ~ +800B로 변화하는데 반하여, SMPL #2는 자기장의 세기가 대략 -17.5H ~ +17.5H의 변화에도 자속밀도(B)가 SMPL #1과 동일하게 작용하는 것을 알 수 있다. 즉, SMPL #1보다 대략 285배 작은 자기장 세기로도 SMPL #1이 갖는 자속밀도를 가질 수 있는 효과가 있다.
또한, 도 6c의 시험결과 3에는 SMPL #1과 SMPL #2의 폐곡선 면적을 비교하는 그래프가 도시되어 있다.
도시된 바와 같이 SMPL #1에 적용된 1000H스케일로 SMPL #1과 SMPL #2의 히스테리시스 곡선을 비교하면, SMPL #2의 폐곡선은 SMPL #1의 면적보다 비약적으로 작은 선형태로 나타나는 것을 알 수 있다. 즉, SMPL #1의 폐곡선 면적은 SMPL #1의 폐곡선 면적보다 매우 작으므로 이력손실적인 측면에서 SMPL #1보다 월등히 앞선다는 것을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 축 방향 자속 영구자석형 발전기는 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.
10,100,400 : 스테이터
20,200,300 : 로터
11, 110 : 고정축
12 : 고정판
13 : 코일
21,210,410 : 케이스

Claims (7)

  1. 수용공간이 마련된 케이스와, 상기 수용공간에 상기 케이스와 상호 간 회전가능하게 설치된 축부와, 상기 케이스와 상기 축부에 상호 대향되게 설치되는 것으로 다수의 영구자석들을 포함하는 계자와, 상기 계자에 의해 전기를 발생시키는 다수의 코일들을 포함하는 전기자 및 상기 영구자석들 또는 상기 코일들이 선택적으로 설치되는 요크부를 구비하는 발전기에 있어서,
    상기 요크부는 철과 규소가 소정의 중량비로 조성된 규소 박판 스트립을 와인딩하고 함침제로 함침 고정시킨 것을 특징으로 하는 축 방향 자속 영구자석형 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는 상기 축부를 중심으로 회전가능하게 상기 축부에 결합되고,
    상기 축부는 상기 다수의 코일들이 환상으로 배열 고정된 고정판과 상기 고정판을 지지하는 고정축을 포함하며,
    상기 요크부의 일 측면에 상기 다수의 코일들의 배열 패턴과 동일한 패턴으로 다수의 영구자석들이 교번되게 배열되고 타 측면은 상기 다수의 영구자석들이 상기 전기자를 향하도록 상기 케이스의 내측에 설치된 것을 특징으로 하는 축 방향 자속 영구자석형 발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 케이스는 상기 축부를 중심으로 회전가능하게 상기 축부에 결합되고,
    상기 축부는 상기 수용공간에 설치되는 고정판과 상기 고정판을 지지하는 고정축을 포함하며,
    상기 요크부는 상기 고정판에 설치되는 고정요크부와 상기 케이스에 설치되는 회전요크부를 포함하고,
    상기 고정요크부에는 상기 다수의 코일들이 상기 고정축을 중심으로 환상으로 배열 고정된 전기자가 설치되며,
    상기 회전요크부의 일 측면에는 상기 다수의 코일들의 배열 패턴과 동일한 패턴으로 상기 다수의 영구자석들이 교번되게 배열되고 타 측면에는 상기 다수의 영구자석들이 상기 전기자를 향하도록 상기 케이스의 내측에 설치된 것을 특징으로 하는 축 방향 자속 영구자석형 발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 축부는 상기 수용공간에 설치되는 회전판과 상기 회전판을 상기 케이스를 중심으로 회전되게 하는 회전축을 포함하고,
    상기 요크부는 상기 회전판에 설치되는 회전요크부와 상기 케이스에 설치되는 고정요크부를 포함하며,
    상기 회전요크부의 상면과 저면에는 각각 상기 다수의 영구자석들이 상기 회전축을 중심으로 환상으로 교번되게 배열되고,
    상기 고정요크부의 일 측면에는 상기 다수의 영구자석들의 배열 패턴과 동일한 패턴으로 상기 다수의 코일들이 환상으로 배열된 전기자가 설치되고 타 측면은 상기 전기자가 상기 회전요크부를 향하도록 상기 케이스의 내측에 설치된 것을 특징으로 하는 축 방향 자속 영구자석형 발전기.
  5. 고정축과, 상기 고정축의 길이방향과 직교하는 방향으로 상기 고정축에 결합되고 다수의 코일들이 환상으로 배열된 전기자가 고정되는 고정판을 포함하는 스테이터와;
    상기 스테이터를 수용할 수 있는 수용공간이 마련되고 상기 고정축에 회전가능하게 결합된 케이스와, 일 측면에는 상기 다수의 코일들의 배열 패턴과 동일한 패턴으로 다수의 영구자석들이 교번되게 배열되고 타 측면은 상기 다수의 영구자석들이 상기 고정판의 상부 및 하부에서 각각 마주보도록 상기 케이스에 설치된 회전요크부를 포함하는 로터를; 구비하며,
    상기 회전요크부는 철과 규소가 소정의 중량비로 조성된 규소 박판 스트립을 와인딩하고 함침제로 함침 고정시킨 것을 특징으로 하는 축 방향 자속 영구자석형 발전기.
  6. 고정축과, 상기 고정축의 길이방향과 직교하는 방향으로 상기 고정축에 고정된 고정판과, 상기 고정판의 상부에 다수의 코일들이 상기 고정축을 중심으로 환상으로 배열 고정된 전기자와, 상기 전기자의 하부에 결합된 고정요크부를 구비하는 스테이터와;
    상기 스테이터를 수용할 수 있는 수용공간을 갖고 상기 고정축에 회전가능하게 결합된 케이스와, 일 측면에는 상기 다수의 코일들의 배열 패턴과 동일한 패턴으로 다수의 영구자석들이 교번되게 배열되고 타 측면은 상기 다수의 영구자석들이 상기 전기자를 향하도록 상기 케이스에 설치된 회전요크부를 포함하는 로터를 구비하며,
    상기 고정요크부 및 회전요크부는 철과 규소가 소정의 중량비로 조성된 규소 박판 스트립을 와인딩하고 함침제로 함침 고정시킨 것을 특징으로 하는 축 방향 자속 영구자석형 발전기.
  7. 회전축과, 상기 회전축의 길이방향과 직교하는 방향으로 상기 회전축에 고정된 회전판과, 상기 회전판에 다수의 영구자석들이 상기 회전축을 중심으로 환상으로 교번되게 배열된 회전요크부를 포함하는 로터와;
    상기 로터가 회전가능하게 장착될 수 있는 수용공간이 마련된 케이스와, 상기 다수의 영구자석들이 배열된 패턴과 동일한 패턴으로 다수의 코일들을 환상으로 배열된 전기자와 결합되고, 상기 전기자가 상기 회전요크부를 향하도록 상기 케이스의 수용공간에 각각 설치되는 고정요크부를 포함하는 스테이터를; 구비하며,
    상기 회전요크부 및 상기 고정요크부는 철과 규소가 소정의 중량비로 조성된 규소 박판 스트립을 와인딩하고 함침제로 함침 고정시킨 것을 특징으로 하는 축 방향 자속 영구자석형 발전기.
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