KR20130016634A

KR20130016634A - 강자성유체를 자심재료로 사용한 토로이드 교류 및 직류발전기.

Info

Publication number: KR20130016634A
Application number: KR1020110078687A
Authority: KR
Inventors: 강보선
Original assignee: (주)네코
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2013-02-18

Abstract

본 발명은 투자율이 높아 자기력을 모아 자속밀도를 높게하는 특성이 있는 강자성체 합금을 나노입자로 제조하여 콜로이드 상태로 안정 분산시킨 다음 침전이나 응집현상이 발생되지 않도록 계면활성제 그리고 오일과 혼합시켜 강자성유체로 제조하여 유체밀봉체에 넣은 후 외부면에 코일을 구성시켜 케이스 내부면에 도너츠형인 토로이드 형태로 구성시켜 상.하단부에서 회전자석을 회전시키면 앙페르의 오른손법칙이 적용되어 코일의 전류가 흐르는 방향으로 유도자기장이 외부로 표출되지 않고 원형으로 내부에만 형성되어 발생된 기전력을 외부부하에 연결하여도 회전자석과 자속저항이 발생되지 않아 회전축을 회전시키는 외부 동력에너지의 소모량이 커지지 않는 발전기로 제작이 가능한 강자성유체를 자심재료로 사용한 토로이드 교류 및 직류발전기.

강자성유체, 유체밀봉체, 회전자석, 코일, 전기폭발법, 계면활성제, 오일, 나노입자, 토로이드 코어, 교류발전기, 직류발전기.

Description

강자성유체를 자심재료로 사용한 토로이드 교류 및 직류발전기. {Toroid AC and DC generator using ferromagnetic substance fluid as a part of magnetic core}

본 발명은 회전자석의 회전에 의해 자속의 시간적 변화율에 의해서 코일에 유도기전력을 발생시키는 발전기에 관한 것이다.

종래의 발전기들이 사용하던 자심재료는 고체인 금속으로서 자석이 가까이 오면 순간적으로 자화가 되고, 자석이 멀어지면 동시에 자화 능력을 잃어버리도록 잔류자속밀도와 보자력이 극히 낮은 금속을 사용하여 히스테리시스 손실을 최소화시키는 연철, 규소강판, 퍼멀로이 등의 금속제를 사용하여 회전자석의 자속밀도를 코어중심부에 집중시켜 발전효율을 극대화되도록 하였다. 그러나, 발생된 전력으로 외부 전기용품을 가동시키면 코일에 부하전류가 발생되어 고정된 자심코어와 회전자석간의 자속저항이 커져서 발전기 회전축을 돌리는 외부 동력에너지의 소모량이 커지는 것을 배경기술로 한다.

＜종래의 문헌정보＞

문헌 1: 전기자기학 (동일출판사)

문헌 2: 전기전자공학 (태영문화사)

문헌 3: 발전기의 이론과 실제 (흥릉과학사)

기존의 발전기들은 잔류자속밀도와 보자력이 작으며, 저항률과 자기포화값이 크며, 투자율이 높고 일정하며, 기계적.전기적으로 안정되어 있는 금속을 소재로 제작한 자신코어에 코일을 감아 코일 중심부의 자속밀도를 높여 사용하였다.

그러나, 고정된 금속소재의 자심재료들은 회전자석들의 자기장에 의해 인력이 발생되어 회전자석을 붙잡으려고 하며, 발생된 전력을 외부 부하에 연결하면 부하의 크기에 비례하여 회전자석체의 회전축을 회전시키는 외부 동력에너지의 소모량은 더욱 더 커지는 문제점을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기한 기존 발전기들이 사용하여 왔던 자심재료들이 지닌 단점을 보완하고자, 본 발명의 강자성유체를 자심재료로 사용한 토로이드 교류 및 직류발전기는 두가지 방안으로 과제를 해결하고자 하였다.

첫 번째는 고투자율의 강자성체 합금을 전기폭발법을 사용하여 나노입자로 제조하여 계면활성제 그리고 오일과 혼합하여 액체상태의 강자성유체로 제조하여 과제 해결수단으로 하였다.

두 번째는 제조한 강자성유체를 유체밀봉체에 넣어 봉한 후 외부면에 코일을 구성시켜 도너츠형태인 토로이드형으로 발전기케이스 내부 공간에 장착시켜 과제 해결수단으로 하였다.

상기한 첫 번째 과제 해결수단에 의해서는 액체상태인 강자성유체에 혼합된 액체는 모든 액체가 그렇듯이 양이온과 음이온으로 대전된 쌍극자로서 자석을 가까이 근접시켜 움직이면 쌍극자는 자기장의 영향을 받아 회전운동을 시작한다. 이 스핀전자의 회전에 의해 형성된 자기장은 고체금속을 사용한 코어처럼 코어의 내부자기장이 반대로 형성되어 외부자석에 의한 실제자기장 H_i 는 외부자기장에 의해 생성된 자기장 H_o에서 금속코어 내부에서 반감되는 자기장 H_d 를 빼주어야 되므로 금속코어에 작용하는 실제적인 자기장은 H_i = H_o - H_d 의 식이 적용되어,

B = μ_o (H_o - H_d ) + M

의 식이 성립되어 코어에 형성되는 자속밀도가 작아지지만, 강자성유체에 가한 자기장은 반감되는 내부자기장이 없으므로 강자성유체에 작용하는 실제적인 자기장은 H_i = H_o - O 의 식이 적용되어,

B = μ_o (H_o - O) + M

의 공식이 성립되어 발전기 효율을 높일 수 있다.

상기한 두 번째 과제 해결수단인 강자성유체 외부면에 코일을 감아 토로이드형태로 구성시키면 회전자석의 회전에 의해서 회전자석과 대면하고 있는 코일에 플레밍의 오른손법칙이 적용되어 유도기전력을 발생시키며, 외부 부하에 연결시 기존 의 발전기들처럼 코일에 부하전류가 발생되어 플레밍의 왼손법칙이 작용하여 자속저항에 의해 발전기 회전축을 회전시키는 외부 동력에너지의 소모량이 부하의 크기와 비례하여 커지지 않고, 발생된 부하전류에 의한 자기장은 코일에 흐르는 전류의 방향에 의해서,

B = K* (I/R)

의 공식과 같은 앙페르의 오른손법칙이 적용되어 자기장이 외부로 표출되지 않고 토로이드형태로 구성한 강자성유체 내부에서 원형으로 형성되어 자속저항이 발생되지 않아 발생된 전력을 외부 부하에 연결하여도 자속저항이 없으므로 외부 동력에너지의 소모량이 증가되지 않는 효과가 있는 강자성유체를 자심재료로 사용한 토로이드 교류 및 직류발전기.

본 발명인 강자성유체를 자심재료로 사용한 교류 및 직류발전기를 첨부된 도면을 참고로 하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 고정용돌출부(3)를 형성시킨 하단부케이스(1) 내부 공간의 중심부에 베어링(5A)를 삽입하고, 구부리기 쉬운 프라스틱소재의 튜브형태인 유체밀봉체(18)에 본 발명의 발명자가 별도로 특허출원한 특허명칭 "강자성유체 및 그 제조방법"의 특허내용과 같이 강자성합금을 전기폭발법에 의해 강자성합금 나노입자로 제조하여 계면활성제 그리고 오일과 혼합한 강자성유체(19)를 주입하여 봉입한 다음, 미리 제작한 일정한 횟수로 감은 다수의 코일(20)의 중심부에 강자성유체 밀봉체(18)가 구성되도록 끼워 넣은 다음, 보빈(13)의 내부공간에 원형을 이루도록 외부 연결코일(16)을 코일연결공간(15)으로 빼낸 후 하단부케이스(1) 내부공간에 삽입하고, 양단부에 핀홈(7A,7B)이 형성된 회전축(6)에 회전자석고정체(9)를 끼운 다음 핀(8A,8B)으로 고정시킨 다음, 상.하부에 다수의 회전자석(12)이 장착된 회전자석체(10A,10B)를 상.하부 회전자석(12)이 같은극끼리 대면하도록 끼운 다음, 회전자석체 고정볼트(11)로 고정시켜 베어링(5A)에 맞추어 하단부케이스(1)에 삽입하고, 외부연결코일(16)에 외부단자(17)를 연결한 다음, 회전축(6)을 상단부케이스(2)내부에 장착된 베러링(5B)에 맞추어 끼워 케이스고정볼트(4)로 체결하여 완성시키는 것을 특징으로 하는 발전기로서, 교류발전기로 제작시에는 도면 제 2도 도시한 바와 같이 회전자석체(10A,10B)에 회전자석(12)들을 N극,S극을 번갈아 장착하여 상.하회전자석체(10A,10B)의 회전자석(12)들이 서로 같은 극이 대면되도록 장착시켜 S극형성부(22)와 N극형성부(23)에 의해 코일에 발생하는 전류는 부호 26,27처럼 발생하여 도면 제4도에 도시한 것처럼 하단부에 형성된코일(21A)에 S극과 접하면 부호28A, N극이 접하면 부호29A 방향으로 전류가 흐르고, 상단부에 형성된코일(21B)에 S극이 접하면 부호28B, N극이 접하면 부호29B와 같은 방향으로 기전력이 발생되어 쇄교하는 자속의 변화가 발생되도록 하여 교류전류를 발생시키는 발전기로 제작하고, 직류발전기로 제작시에는 첨부된 도면 제3도와 제6도에 도시한 바와 같이, 상.하부에 형성된 코일(21A,21B)에 회전자석(12)들의 N극만 대면하도록 구성시켜 하단부코일(21A)에는 부호32A처럼 발전기 외부측면으로 전류가 흐르고 상단부코일(21B)에는 부호32B처럼 발전기 회전축쪽으로 전류가 흘러 상단부는 부호26, 하단부는 부호27처럼 일정한 방향의 전류가 발생되며 코일(20)에 유도된 기전력에 의해 발생하는 자기장은 부호25 방향으로 형성되어, 첨부된 도면 제7도에 도시한 바와 같이 부호33처럼 자석에 회전에 의해 발생하는 플레밍의 오른손법칙이 발생된 전력을 부하에 연결하면 기존에 발전기들은 부호34와 같이 부하전류에 의해 플레밍의 왼손법칙이 발생되어 회전자석과의 자속저항이 발생되어 발전기 회전축을 회전시키기가 힘들어지지만, 본 발명의 제작방법에 의해 제작된 교류 및 직류발전기는 회전축을 회전시키면 부호35와 같이 플레밍의 오른손법칙에 의해 유도전류가 발생하지만, 부하에 연결시 코일에 흐르는 부하전류에 의해 발생되는 자기장은 부호36처럼 앙페르의 오른손법칙의 형태로 발생하여 토로이드형태의 강자성유체 내부로만 자기장이 형성되어 회전자석과의 자속저항이 발생되지 않으므로, 본 발명에 의한 발전기에 발생되는 전기에너지를 부하에 연결하여도 회전축을 회전시키는 외부 동력에너지는 커지지 않는 것을 특징으로 하는 강자성유체를 자심재료로 사용한 토로이드 교류 및 직류발전기를 제공한다.

제 1도는 본 발명에 따른 토로이드 교류 및 직류발전기의 측단면도.

제 2도는 본 발명에 따른 토로이드 교류발전기의 전류 및 자기장 형성도.

제 3도는 본 발명에 따른 토로이드 직류발전기의 전류 및 자기장 형성도.

제 4도는 본 발명에 따른 토로이드 교류발전기의 전류발생을 나타낸 단면도.

제 5도는 본 발명에 따른 토로이드 교류 직류발전기의 코일구성 방법을 나타낸 단면도.

제 6도는 본 발명에 따른 토로이드 직류발전기의 전류발생을 나타낸 단면도.

제 7도는 본 발명에 따른 토로이드 교류 및 직류발전기에 적용되는 플레밍, 앙페르 법칙을 나타낸 모식도.

＜주요부분에 대한 부호의 설명＞

1. 하단부케이스: 내부에 발전을 위한 부속품을 구성시키는 기판.

2.상단부케이스: 내부에 발전을 위한 부속품을 구성시키는 기판.

3.고정용돌출부: 상.하 케이스를 체결시키기 위한 고정볼트 구성부분.

4.고정볼트: 상.하 케이스를 체결시키는 볼트.

5A,5B.베어링: 회전축을 고정 및 회전이 용이하도록 하는 베어링.

6.회전축: 회전자석체를 장착시키어 회전이 가능하도록 하는 회전기판.

7A,7B.핀홈: 회전자석고정대를 회전축에서 상하이동을 못하도록하는 핀을 장착시키는 홈.

8A,8B.핀: 회전자석고정대가 상하이동이 안되도록 고정시키는 부품.

9.회전자석고정대: 회전자석체를 고정시키기 위한 기판.

10A,10B.회전자석체: 다수의 회전자석을 원형을 이루며 고정시키는 기판.

11.회전자석체고정볼트: 회전자석체를 회전자석고정대와 체결시키는 볼트.

12.회전자석: 코일에 기전력을 발생시키는 자석.

13.보빈: 코일을 고정시키기 위한 기판.

14.보빈뚜껑: 코일이 노출되지 않도록 하는 보빈의 뚜껑.

15.코일연결공간: 코일을 직렬 또는 병렬연결시 코일을 연결하기 위한 공간.

16.외부연결코일: 외부로 발생된 전력을 내보내는 코일.

17.외부단자: 외부연결코일을 고정시키는 단자.

18.유체밀봉체: 액체상태의 강자성유체가 세어나오지 않도록 하는 튜브.

19.강자성유체: 강자성합금을 분산시킨 액체상태인 자성체.

20.코일: 회전자석에 의해 기전력을 발생시키는 동선.

21A.21B: 강자성유체의 상하부에 형성되는 코일.

22. S극영역부분: 회전자석의 S극이 위치한 부분.

23. N극영역부분: 회전자석의 N극이 위치한 부분.

24.회전자석 진행방향: 회전자석의 회전방향.

25.강자성유체 내부 자기장방향: 코일에 의해 발생되는 자기장의 방향.

26.축방향전류: 축방향으로 들어가는전류.

27.외부방향전류: 외부쪽으로 나오는전류.

28A.28B.S극영역부분의 전류방향: 코일이 S극과 접하였을 때에 흐르는 전류 방향.

29A.29B.N극영역부분의 전류방향: 코일이 N극과 접하였을 때에 흐르는 전류방향.

30.N자장 형성부: 코일과 회전자석의 N극이 접하는 부분.

31.S자장 형성부: 코일과 회전자석의 S극이 접하는 부분.

32A.32B: 상하부 코일의 전류방향: 강자성유체 상.하부분에 위치한 코일이 회전자석과 접하여 발생되는 전류의 방향.

33.플레밍의 오른손법칙: 회전방향, 자기장, 전류의 방향을 나타낸 그림.

34.플레밍의 왼손법칙:코일에 부하전류가 흐르면 발생되는 힘,자기장,전류의 방향을 나타낸 그림.

35.플레밍의 오른손법칙: 토로이드발전기의 회전자석 회전방향,자기장,전류의 방향을 나타낸 그림.

36.앙페르의 오른손법칙: 토로이드발전기의 코일에 부하전류가 발생시 힘,자기장,전류의 방향.

Claims

본 발명에 사용되는 코어는 구부리기 쉬운 플라스틱 소재의 튜브형태인 유체밀봉체(18)에 강자성합금을 전기폭발법에 의해 강자성 나노입자로 제조하여 계면활성제 그리고 오일과 혼합한 액체상태인 강자성유체(19)를 주입하여 양단을 봉한 다음, 그 외부면에 일정한 횟수로 감은 다수의 코일(20)중심부에 끼워 넣은 다음, 보빈(13)의 내부공간에 원형을 이루도록 삽입하여 코어 역할을 하는 강자성 유체밀봉체(18)가 토로이드 형태가 되도록 하여 제작한 것을 특징으로 하는 강자성유체를 자심재료로 사용한 토로이드 교류 및 직류발전기.
제 1항에 있어서, 토로이드 형태를 이루고 있는 강자성유체(19)에 자석을 근접시키면 액체인 강자성유체(19)에 발생되는 실제적인 자속밀도는,

B = μ_o (H_o- O) + M

의 공식과 같이 발생되어 자속밀도가 높아지는 것을 특징으로 하는 강자성유체를 자심재료로 사용한 토로이드 교류 및 직류발전기.
제 1항에 있어서, 토로이드 형태를 이루고 있는 강자성유체 내부에서 발생하는 자기장은 앙페르의 법칙 공식이 적용되어,

B = K* (I/R)

의 공식과 같이 원형을 이루면서 형성되는 것을 특징으로 하는 강자성유체를 자심재료로 사용한 토로이드 교류 및 직류발전기.