KR20150123388A - 권선형 가변전압 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 코일이 권취되는 스테이터, 상기 스테이터의 내부에 회전 가능하게 설치되는 로터, 상기 스테이터의 내주면에 복수의 티스들이 배치되고, 상기 티스들에는 각각 코일이 권취되고, 권취되는 상기 코일 중간에 스위치가 결합하고 상기 스위치의 단자의 연결 방향에 따라 유도 전류가 발생되는 코일의 권선수가 조정되는 권선형 가변 전압 발전기가 제공되어, 연결되는 엔진의 rpm에 따라 권선수를 조정하여 전압을 변경시킬 수 있다.

Description

권선형 가변전압 발전기{Coil Type Variable Voltage Generator}

본 발명은 권선형 가변전압 발전기에 관한 것이다.

발전기는 기계적 운동으로부터 가변 자기 플럭스를 생성하여 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환한다. 자기 플럭스의 변화가 패러데이의 법칙에 따라 코일 내에서 전압을 유도한다. 영구자석을 이용하는 발전기는 영구자석 로터를 포함하거나 영구자석 스테이터를 포함하여 권선으로 가변 플럭스를 생성한다.

영구자석 로터를 포함하는 발전기의 경우, 스테이터는 고정되어 있는 부분으로 코일이 권취되는 철심과 철심을 부착하는 프레임으로 이루어져 있고, 로터는 영구자석이 장착된 회전 부분을 칭한다. 스테이터의 내부에서 로터의 회전에 따라 자기장이 변화하면 스테이터에 권취된 코일에 전압이 유도된다.

발전기는 선박의 엔진 등에 연결되어 사용할 수 있는 데, 선박에서 사용되는 엔진은 200rpm 이하의 저속 엔진에서 3000rpm 이상의 고속 엔진까지 다양한 rpm을 가진다. 따라서, 하나의 발전기가 선박에 따라 사용할 수 없는 경우가 발생한다.

대한민국 공개 특허 제10-2012-0003780호 (공개일 : 1999.02.18)

본 발명의 제 1 목적은 모터의 용량에 따라 조절 가능한 가변 전압 발전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제 2 목적은 모터의 rpm에 따라 권선 수를 조정하여 전압을 변경시킬 수 있는 가변 전압 발전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 연결되는 엔진의 rpm에 따라 권선수를 조정하여 전압을 변경시킬 수 있는 가변 전압 발전기를 제공할 수 있다.

일 실시예에 따르면, 코일이 권취되는 스테이터; 상기 스테이터의 내부에 회전 가능하게 설치되는 로터; 상기 스테이터의 내주면에 복수의 티스들이 배치되고, 상기 티스들에는 각각 코일이 권취되고, 권취되는 상기 코일 중간에 스위치가 결합하고 상기 스위치의 단자의 연결 방향에 따라 유도 전류가 발생되는 코일의 권선수가 조정되는 권선형 가변 전압 발전기가 제공된다.

상기 로터는 영구자석이 장착되고 상기 스테이터와 동축으로 설치되어 회전하고, 상기 로터에 결합하는 샤프트가 엔진에 연결되고 상기 엔진의 구동에 따른 운동 에너지가 상기 샤프트로 전달되어 상기 로터를 회전시킬 수 있다.

여기서, 상기 스위치는 2 단자 온/오프 구동하여 2 종류의 권선비로 전압을 조정하거나, 3개 이상의 단자를 구비하여 3종류 이상의 권선비로 전압을 조정할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 고정 자계형 스테이터; 상기 스테이터 내부에 회전 가능하게 설치되는 로터; 상기 로터의 외주면에 복수의 티스들이 배치되고, 상기 티스들에는 각각 코일이 권취되고, 권취되는 상기 코일 중간에 스위치가 결합하고 상기 스위치의 단자의 연결 방향에 따라 유도 전류가 발생되는 코일의 권선수가 조정되는 권선형 가변 전압 발전기가 제공된다.

상기 스테이터는 영구자석이 장착되고 상기 로터가 동축으로 설치되고, 상기 로터에 결합하는 샤프트가 엔진에 연결되고 상기 엔진의 구동에 따른 운동 에너지가 상기 샤프트로 전달되어 상기 로터를 회전시킨다.

본 발명의 일 실시예에 따른 권선형 가변 전압 발전기는 연결되는 모터의 rpm에 따라 간단히 스위치를 조정하여 권선수 비를 조정 출력 전압을 조절할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 권선형 가변전압 발전기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 코일이 감긴 스테이터를 개략적으로 나타낸 도면,
도 3 은 일반적인 발전기의 회로 구성을 나타낸 도면,
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 권선형 가변 전압 발전기의 회로 구성을 나타낸 도면,
도 5 는 도 4의 회로 구성에서 권선비에 따라 스위치 설정을 나타낸 그래프,
도 6 은 도 3의 발전기의 역기전력을 나타낸 그래프,
도 7 은 도 4의 발전기의 역기전력을 나타낸 그래프,
도 8 은 종래의 발전기의 부하회로를 개략적으로 나타낸 도면,
도 9 는 본 발명의 실시예에 따른 발전기의 부하회로를 개략적으로 나타낸 도면,
도 10 은 도 8의 발전기의 토크를 나타낸 그래프,
도 11 는 도 9의 발전기의 토크를 나타낸 그래프,
도 12 은 도 8의 발전기의 부하전압을 나타낸 그래프,
도 13 는 도 9의 발전기의 부하전압을 나타낸 그래프,
도 14 는 도 8의 발전기의 부하 전류를 나타낸 그래프,
도 15 은 도 9의 발전기의 부하 전류를 나타낸 그래프,
도 16 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3 단자 가변 전압 발전기의 회로 구성을 나타낸 도면,
도 17 은 도 16의 발전기의 역기전력을 분석하기 위한 스위치 설정을 나타낸 그래프,
도 18 은 도 16의 발전기의 역기전력을 분석하기 위한 다른 스위치 설정을 나타낸 그래프, 및
도 19 는 도 16의 가변 전압 발전기의 역기전력을 나타낸 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명은 다양한 변경이 가능하고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로, 실시예 들을 아래에서 상세히 설명하고자 한다. 그러나 하기의 실시예들은 본 발명을 특정한 형태로 한정하는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 범위에 포함되는 모든 변경과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해될 수 있다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 본 발명의 실시예들을 도 1 내지 20을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 권선형 가변 전압 발전기의 일부를 나타낸 단면도이다. 도시되는 바와 같이, 도 1은 영구 자석형 이너 로터(inner rotor) 타입의 발전기를 나타낸다. 로터(200)가 스테이터(100)의 내부에 동축으로 설치된다. 스테이터(100)는 내주면에 코일(110)이 권취되는 복수개의 티스(teeth(120))가 형성된다. 로터(200)에는 영구자석(210)이 설치되고, 샤프트(300)가 엔진에 연결되어 엔진의 회전력이 전달되어 로터(200)가 회전된다. 로터(200)의 회전에 따라 영구자석(210)이 회전하며 스테이터(100)에 인가되는 자기장이 변화하게 되고, 스테이터(100)의 코일(110)에 전류가 흐르게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 권선형 가변 전압 발전기에 포함되는 스테이터(100)의 일부를 나타낸 개략도이다. 도시되는 바와 같이, 스테이터(100)에는 내주면에 복수의 티스(120)들이 형성된다. 티스(120)들에는 각각 코일(110)이 권취된다. 코일(120)에는 권선수를 선택할 수 있도록 하는 스위치(130)가 결합한다. 도시된 스위치(130)는 2단자 타입으로 단자(S1,S2)의 연결 방향에 따라 2종류의 권선수 중 하나를 선택할 수 있다. 스위치(130)가 S1에 연결되는 경우와 S2에 연결되는 경우를 비교하면 권선수가 1/2로 줄어드는 것을 알 수 있다. 유도 전압은 자속의 변화 속도와 권선수에 비례하므로 엔진의 rpm에 따라 스위치를 조정하여 권선수를 조정하므로써 출력된 유도 전압을 조정할 수 있다.

도 2에는 2 단자 타입이 도시되었으나 이에 제한되지 않고 3단자 이상은 이하 도 17과 관련하여 설명하기로 한다.

도 1 및 2에는 코일이 스테이터에 권취되고, 자석이 회전하는 회전자 자계형 발전기를 도시하고 있으나, 이에 제한되지 않고, 본 발명의 실시예는 코일이 로터에 권취되고 자석이 스테이터에 장착되는 고정자계형 발전기 역시 포함한다.

도 3 및 4는 역기전력 분석을 위하여 종래의 발전기 회로 구성과 본 발명의 실시예에 따른 회로 구성을 비교하여 나타낸 도면이다. 도 3의 발전기 회로는 각각 16턴, 0.038ohm의 스펙을 가진 권선을 포함한다. 도 4의 발전기 회로는 스위치(S1~S6)에 의해 5:5의 권선비로 선택할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 발전기에 관한 도면으로, 각 권선은 8턴, 0.019ohm의 스펙을 가진다.

도 5의 권선비1이 도시된 그래프는 도 4에서 스위치 S4,S5,S6가 연결되는 경우의 스위칭 설정을 나타낸고, 권선비0.5가 도시된 그래프는 도4에서 스위치 S1,S2,S3가 연결되는 경우의 스위치 설정을 나타낸다.

도 6은 도 3의 발전기 회로 구성을 가지고 구동되는 경우 역기전력을 나타내는 도면으로, 시간에 따라 전압의 위상이 도시된 바와 같아 약 220V의 교류 전압을 보여준다.

도 7은 도 4의 발전기 회로 구성을 가지고 구동되는 경우 역기전력을 분석한 도면으로, 도시되는 바와 같이 스위치 연결에 따라 117V 영역과 235V 영역의 교류 전압 출력을 보여준다.

도 8 은 종래의 발전기의 부하회로를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 9 는 본 발명의 실시예에 따른 발전기의 부하회로를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 9의 실시예에서, S1,S2,S3,S4,S5,S6의 온오프로 권선수의 비를 조정할 수 있다.

도 10 은 도 8의 발전기의 토크를 나타낸 그래프로서, 약 652.66Nm의 토크를 보여준다. 반면에, 도 11 은 도 9의 발전기의 토크를 나타낸 그래프로서, 스위치의 스위칭에 따라 171.21Nm 영역과 653.54Nm영역의 토크를 선택할 수 있다. 실시예의 발전기는 S1,S2,S3를 온 하고 S4,S5,S6를 온하는 경우 171.21Nm의 토크를 보여주고, S1,S2,S3를 온 하고 S4,S5,S6를 오프할 경우, 653.54Nm의 토크를 보여준다.

이에 따른 부하전압은 도 12와 도 13을 통해 확인할 수 있다. 도 12 은 도 8의 발전기의 부하전압을 나타낸 그래프이고, 도 13 는 도 9의 발전기의 부하전압을 나타낸 그래프이다. 도시되는 바와 같이, 도 8의 발전기의 부하 전압은 약 227.11Vrms의 출력을 보여주고, 도 9의 발전기는 스위치의 스위칭에 따라 116.6Vrms 영역과 227.2Vrms 영역 두 출력 영역을 보여준다.

이에 따른 부하전류는 도 14와 도 15를 통해 확인할 수 있다. 도 14는 도 8의 발전기의 부하전류를 나타낸 그래프이고, 도 15 는 도 9의 발전기의 부하전류을 나타낸 그래프이다. 도시되는 바와 같이, 도 8의 발전기의 부하 전류는 약 44.5Arms이고, 도 9의 발전기는 스위치의 스위칭에 따라 22.8Arms 영역과 44.5Arms 영역의 부하 전류를 보여준다.

전술한 실시예들은 2단자 스위치를 채용한 경우를 설명한다. 스위치는 2단자에 한정되지 않고 3개 이상의 단자를 포함하고 따라서 권선수 비를 3개 이상 조정할 수 있다. 3개 이상의 단자를 포함하는 실시예를 이하 도 16 내지 19를 참조하여 설명한다.

도 16 은 본 발명의 다른 실시예에 따른 3 단자 가변 전압 발전기의 회로 구성을 나타낸 도면으로, 10턴, 0.02375ohm의 스펙을 가진 제1권선(A), 3턴, 0.007125ohm의 스펙을 가진 제2 권선(B)과 제3 권선(C)으로의 스위칭을 조절하여 권선비를 조정할 수 있다. 권선비는 10:3:3이다. 도 17과 도 18은 도 16의 발전기의 역기전력을 분석하기 위한 스위치 설정을 각각 도 17은 0.05초에서 0.15초 까지 0.1초 동안 스위치를 연결하는 것이고, 도 18은 0.1초까지 스위치를 오프하는 것을 나타낸다.

도 19 는 도 16의 가변 전압 발전기의 역기전력을 나타낸 그래프이다. 도시되는 바와 같이, 스위칭 조절을 통해 146Vrms, 190.6Vrms, 234Vrms의 범위로 기전력을 조절할 수 있게 된다.

본 발명의 가변 전압 발전기는 간단한 스위칭 동작으로 전압을 손쉽게 변환할 수 있다.

이러한 엔진의 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위해 발전기가 사용된다. 본 발명의 일 실시예는 엔진의 rpm에 따라 조정 가능한 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

100 : 스테이터 110 : 코일
120 : 티스 130 ; 스위치
200 : 로터 210 : 자석
300 : 샤프트

Claims (10)

1. 코일이 권취되는 스테이터;
   상기 스테이터의 내부에 회전 가능하게 설치되는 로터;
   상기 스테이터의 내주면에 복수의 티스들이 배치되고, 상기 티스들에는 각각 코일이 권취되고, 권취되는 상기 코일 중간에 스위치가 결합하고 상기 스위치의 단자의 연결 방향에 따라 상기 코일의 권선수가 조정되는 권선형 가변 전압 발전기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 로터는 영구자석이 장착되고 상기 스테이터와 동축으로 설치되어 회전하는 하는 권선형 가변 전압 발전기.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 로터의 중심축에 샤프트가 결합하고, 상기 샤프트는 엔진에 연결되어 상기 엔진의 구동에 따른 운동 에너지가 상기 샤프트로 전달되어 상기 로터를 회전시키는 권선형 가변 전압 발전기.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 스위치는 2 단자 온/오프 구동하여 2 종류의 권선비로 전압을 조정하는 권선형 가변 전압 발전기.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 스위치는 3개 이상의 단자를 구비하여 3종류 이상의 권선비로 전압을 조정하는 권선형 가변 전압 발전기.
6. 고정 자계형 스테이터;
   상기 스테이터 내부에 회전 가능하게 설치되는 로터;
   상기 로터의 외주면에 복수의 티스들이 배치되고, 상기 티스들에는 각각 코일이 권취되고, 권취되는 상기 코일 중간에 스위치가 결합하고 상기 스위치의 단자의 연결 방향에 따라 유도 전류가 발생되는 코일의 권선수가 조정되는 권선형 가변 전압 발전기.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 스테이터는 영구자석이 장착되고 상기 로터가 동축으로 설치되는 권선형 가변 전압 발전기.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 로터에 결합하는 샤프트가 엔진에 연결되고 상기 엔진의 구동에 따른 운동 에너지가 상기 샤프트로 전달되어 상기 로터를 회전시키는 권선형 가변 전압 발전기.
9. 제 6 항에 있어서,
   상기 스위치는 2 단자 온/오프 구동하여 2 종류의 권선비로 전압을 조정하는 권선형 가변 전압 발전기.
10. 제 6 항에 있어서,
    상기 스위치는 3개 이상의 단자를 구비하여 3종류 이상의 권선비로 전압을 조정하는 권선형 가변 전압 발전기.

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