KR20170046619A - 공해를 발생하지 않고 화석연료를 사용하지 않으며 24시간 연속적으로 전기에너지를 생산하는 방법 - Google Patents

공해를 발생하지 않고 화석연료를 사용하지 않으며 24시간 연속적으로 전기에너지를 생산하는 방법 Download PDF

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Abstract

전동기와, 다상 발전기와, 정류기와, 2차 전지와, 인버터와, 컨트롤러로 구성을 하는데, 전동기와 다상 발전기는 연결대로 하여 기계적으로 연결하고, 다상 발전기와 정류기, 2차 전지, 인버터, 컨트롤러, 전동기는 전기적으로 연결을 하며, 다상 발전기의 출력구성은 다상 발전기의 개별권에서 생산되는 전기에너지의 순시값과 순시누적값은 전동기에서 소모하는 순시값과 순시누적값보다 적지만, 다상 발전기에서 개별권에서 생산되는 전기에너지의 순시누적값을 합산한 전체누적값은 전동기에서 소모하는 순시누적값을 합산한 전체누적값보다 많게 구성을 하면, 공해를 발생하지 않고, 화석연료를 사용하지 않고 24시간 연속적으로 전기에너지를 생산한다.

Description

공해를 발생하지 않고 화석연료를 사용하지 않으며 24시간 연속적으로 전기에너지를 생산하는 방법{HOW TO PRODUCE ELECTRICITY 24 HOURS A DAY WITHOUT POLLUTION AND FOSSIL FUEL}
본 발명은 공해를 발생하지 않고 화석연료를 사용하지 않으며 24시간 연속적으로 전기에너지를 생산하는 구성 및 방법에 관한 것으로,
더욱 상세하게는 이차 전지에서 전동기에 전기에너지를 공급하면 전동기가 회전하며, 동시에 전동기와 기계적으로 연결한 다상 발전기(등록특허 10-1384596호, 공개특허 10-2016-0108263호)가 회전을 진행하면서 출력을 발생하는데,
다상 발전기의 출력구성을
전동기의 소비전력보다 다상 발전기의 출력을 많게 구성하여,
출력의 일부는 2차 전지와 전동기에 전력을 공급하는 동시에,
출력의 일부를 화력발전소의 발전기와 병렬운전하여 화력발전소의 발전기에 연결된 부하에 전기에너지를 공급하는 것으로,
그에 대한 구성과 방법에 관한 것이다.
도 1은 화력발전소를 간략하게 도시한 것으로 보일러, 터빈 그리고 펌프 및 송풍기로 구성을 하며, 보일러는 화석연료를 연소하면서 발생하는 열로 물을 고압증기로 변환시키고, 고압증기는 터빈과 기계적으로 연결한 발전기를 회전시켜 전지에너지를 획득하는 것이며, 펌프와 송풍기는 증기 등을 이송하는 것이다.
지식경제부의 전력산업정책연구사업에서 저탄소 녹색성장 시대에 적합한 화력발전 가치사슬 구축방안 연구과제 최종보고서의 요약문(2010,09)에 의하면,
화력발전은 향후 2~30년간 전세계(국내 포함) 발전 설비 용량의 60% 이상을 차지할 것으로 예상을 한다.
이처럼 증가하는 화력발전소는 각종 포털검색에 의하면, 화석연료의 소각에서 터빈을 구동하기까지의 효율은 30%정도이며, 발전기의 효율은 70%정도로 화력발전소의 운전효율은 21%이며, 더욱이 생산한 전기에너지의 4%를 화력발전소의 필수적인 장비인 순환펌프, 송풍기를 구동하는 전동기에 사용하며, 또한 소각과정에서 각종 공해를 발생하고 있는 것으로, 결론적으로 화력발전소는 전기에너지를 생산하기 위한 필수조건으로 전기에너지와 화석연료를 소모하는 것으로, 17%의 효율로 전기에너지를 생산하며 공해를 발생하고 있다.
등록특허 10-1155124호 등록특허 10-1218474호 등록특허 10-1342481호 등록특허 10-1384596호 공개특허 10-2016-0108263호
전기에너지를 획득하기 위하여, 전기에너지와 화석연료를 동시에 사용하면서 공해를 발생하는 종합효율이 17%인 화력발전소의 문제점을 해결하는 것으로 공해가 없고, 화석연료를 사용하지 않고 전기에너지를 24시간 연속적으로 생산하여 화력발전소와 병렬운전하는 것이 해결하고자 하는 과제이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서,
전기에너지를 회전에너지로 변환하는 전동기(10)와, 전동기의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 다상 발전기(20)와, 다상 발전기(20)가 생산하는 교류전기를 직류로 변환하는 정류기(30)와, 변환된 직류의 전기에너지를 축적하며, 동시에 직류로 출력하는 2차 전지(40)와, 2차 전지(40)에서 출력하는 직류전기를 교류로 변환하는 인버터(50)와, 인버터(50)에 의하여 변환된 교류전기를 제어하는 컨트롤러(60)로 구성을 하는데,
전동기(10)와 다상 발전기(20)는 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결하고, 다상 발전기(20)와 정류기(30), 정류기(30)와 2차 전지(40), 2차 전지(40)와 인버터(50), 인버터(50)와 컨트롤러(60), 컨트롤러(60)와 전동기(10)는 전기적으로 연결을 하며,
다상 발전기(20)의 출력구성은
다상 발전기(20)의 개별권에서 생산되는 전기에너지의 순시값과 순시누적값은 전동기(10)에서 소모하는 순시값과 순시누적값보다 적지만,
다상 발전기(20)에서 개별권에서 생산되는 전기에너지의 순시누적값을 합산한 전체누적값은 전동기(10)에서 소모하는 순시누적값을 합산한 전체누적값보다 많게 구성하는 것을 특징으로 한다.
또한, 컨트롤러(60)는 다상 발전기(20)와 정류기(20)와 2차 전지(40)와 인버터(50)에 의하여 발생하는 전기에너지를 이자 전지(40)와 전동기(10)에 공급하고 잔여분의 전기에너지는 부하에 공급하는 것, 즉 화력발전소의 발전기와 병렬운전하는 것을 특징으로 한다.
또한, 정류기(30)는 다상 발전기(20)의 개별권으로 권선한 발전코일뭉치와 동일한 수량으로 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 공해를 발생하지 않고 화석연료를 사용하지 않으며 24시간 연속적으로 전기에너지를 생산한다.
도 1 : 화력발전소의 간략한 구성도와 본 발명의 과제를 설명하는 도면
도 2 : 본 발명에서 용어에 관한 도면,
도 3 : 본 발명의 구성도
도 4~7 : 3상 발전기의 입력과 출력에 대하여 설명하는 도면
도 8~11 : 3상 전동기의 입력과 출력에 대하여 설명하는 도면
도 12~17 : 다상 발전기에서 입력과 출력에 대하여 설명하는 도면
도 18~20 : 전동기의 소비전력보다 다상 발전기의 출력을 적게 하는 구성과 방법(제 1 실시예)
도 21~24 : 전동기의 소비전력보다 다상 발전기의 출력을 적게 하는 구성과 방법(제 2 실시예)
도 25~28: 전동기의 소비전력보다 다상 발전기의 출력을 많게 하는 구성과 방법(제 3 실시예)
도 29 : 본 발명의 과제인 화력발전에서 생산하는 전기에너지와 병렬운전하는 방법(제 4 실시예)
도 1b는 본 발명의 개념을 설명하는 도면이다.
도 1b에서 전동기(10)와 다상 발전기(20)는 연결대(15)에 의하여 기계적으로 연결되여 있는 형상으로 2차 전지(40)는 전동기(10)에 전원을 공급하면 전동기(10)와 다상 발전기(20)가 구동을 한다. 이때에 다상 발전기(20)의 출력인 ①의 전기에너지는, 2차 전지(40)와 전동기(10)에게 ②의 전기에너지 공급하고, 잔여분인 ③의 전기에너지를 부하, 즉 화력발전소와 병렬운전하는 것을 표현하는 도면으로 본 발명의 범위는 점선부분이며, 간략하게 서술하면,
다상 발전기(20) 출력① = 전동기 소모전력② + 부하공급 전기에너지③이다.
즉, 본 발명에 있어서 다상 발전기(20)의 출력①은 전동기 소모전력②보다 많아야, 본 발명의 과제를 이룰 수 있다.
따라서, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 서술하기 이전에
1. 본 발명에서 회전에너지를 얻으려고 전동기를 사용하는 목적을 설명하고,
각각의 도면을 참조하여,
2. 본 발명에 한정하여 사용하는 용어를 서술하고,
3. 본 발명의 구성도에 대하여 설명을 하고,
4. 다상 발전기(20)의 출력을 전동기(10)의 소모전력보다 많게 하는, 다상 발전기(20)의 구성에 대하여 설명한 다음에,
5. 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 실시예를 통하여 상세하게 서술한다.
1. 본 발명에서 회전에너지를 얻으려고 전동기를 사용하는 목적을 설명한다.
본 발명의 과제중 일부는 공해를 발생하지 않으며, 전기에너지를 획득하는 것으로, 전동기는 화석연료를 사용하는 화력발전소와 같이 복잡한 설비를 구현하지 않아도 간편하게 회전에너지를 얻을 수 있으며,
또한, 전동기는 지식경제부 고시 제2009-317호(2009.12.11)의 표 1에서 3상 유도전동기의 최저소비효율(%)을 규격별로 명시하였으며, 효율은 평균 90%이다.
즉, 본 발명에 필수적인 회전에너지를 발생하는 기기를 사용함에 있어서,
상기에서 서술한 바와 같이 화석연료를 이용하는 약 30%의 저효율의 회전에너지 설비 또는 내연기관을 이용하지 않고, 효율이 평균 90%정도이며, 공해를 전혀 발생하지 않는 전동기를 사용하는 것이다.
이상으로 본 발명에서 회전에너지를 얻으려고 전동기를 사용하는 목적을 설명을 하였다.
다음으로 2. 본 발명에 한정하여 사용하는 용어를 서술한다.
도면에는 도시하지 않았지만, 다상 발전기(20)의 출력은 1회전을 기준으로 산출하는데, 1회전 동안, 1개의 상(출력) 중에서, 각각의 지점에 대한 순시값을 연결하여 파형으로 도시하는 것을 순시누적값이라 하고, 각각의 순시누적값을 합산하는 것을 전체누적값(예를 들어 각각의 상에서 출력하는 크기가 다르면 합산을 하여야하나, 설명을 간단하게 하기 위하여 그의 크기가 동일한 것으로 하여, 3상일 경우에는 3개의 순시누적값이 발생하므로 순시누적값*3이 전체누적값이고, 13상일 경우에는 13개의 순시누적값이 발생하므로 순시누적값*13이 전체누적값임)이라고 한다. 즉, 본 발명에서는 누적값을 순시누적값과 전체누적값으로 구분한다.
참고로, 다상 발전기(20)는 순시적으로 입력 회전에너지를 출력 전기에너지로 변환하는 과정에서 손실(동손 등)에 의하여 감소하기 때문에 출력 전기에너지의 순시값과 순시누적값은 손실되는 크기만큼 감소한다.
이와 같이 순시적으로 입력보다 출력이 손실에 의하여 감소하는 것을, 통상적으로 "자연의 법칙" 또는 "물리의 법칙" 또는 "에너지 보존의 법칙" 또는 "열역학 제1, 2 법칙" 등 다양하게 표현하기도 하며,
참고로, 에너지 보존의 법칙은 발전기가 개발되기 이전인 1842년에 독일의 로버트 마이어(Robert Meyer)가 에너지 보존의 법칙을 발표하였고. 발전기는 40년 후인 1882년에 웨스팅하우스(Westinghouse)사에 의하여 출력이 3개인 교류발전기(3상 발전기)가 상업화되었으며, 출력이 3개인 발전기(3상 발전기)가 국내에 도입된 시기는 1898년이며, 현재까지도 전 세계적으로 공급방식을 3상으로 한정하였기에 출력이 3개인 발전기를 주로 사용하고 있다.
따라서, 본 발명에서도 상기에서 서술한 바와 같이, 다상 발전기(20)도 입력 회전에너지보다 출력 전기에너지가 손실 등에 의하여 순시값과 순시누적값이 적어지는 것은 문제점으로 제기하지 않지만,
각각의 순시누적값을 합산한 전체누적값이 입력 회전에너지보다 적어지면, 공해를 발생하지 않으며 24시간 연속적으로 전기에너지를 생산하는 방법인 본 발명의 과제를 이룰 수 없으므로,
전체누적값인 출력 전기에너지가 입력 회전에너지보다 적어지는 것을,
본 발명에서의 문제점을 해결하기 위한 "추가의 문제점"으로 제기를 하고,
이 추가의 문제점을 해결한 다음에, 본 발명의 문제점을 해결하기로 한다.
상기와 같이 에너지 보존법칙, 자연의 법칙 등을 설명하는 목적은,
본 발명에서 해결하고자 하는 과제로,
다상 발전기의 출력구성을 전동기의 소비전력보다 다상 발전기의 출력을 많게 구성하여,
전동기의 소비전력보다 각각의 순시누적값은 적어지지만 순시누적값을 합산한 전체누적값을 많게 하여,
출력의 일부는 전동기에 공급하고,
나머지의 잉여전력을 부하에 공급하는 것이므로,
발명을 실시하기위한 구체적인 내용에 대하여 이해를 돕고자 설명하는 것이다.
도 2중, 도 2a에서 전동기(4000)에 전기에너지를 공급하면 전동기는 전기에너지를 회전에너지로 변환하여 회전축을 회전시키고 발전기(5000)는 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 과정을 설명하는 것으로 현상태를 본 발명에서는 무부하 전기에너지라고 하며,
도 2b는 발전기(5000)가 부하에 전기에너지를 공급하는 형상으로 이때에 전동기(4000)는 추가의 전기에너지를 공급받아 이를 회전에너지로 변환하여 발전기에 공급하고 발전기는 추가의 회전에너지를 공급받은 만큼 부하에 추가의 전기에너지를 공급하며, 본 발명에서는 이를 부하전기에너지라 하고, 이후에서부터는 특별히 서술하지 않는 한 무부하 전기에너지는 제외하고 부하 전기에너지(이하에서부터는 "전기에너지라"함)를 기준으로 설명하며, 도 18 이후부터 구분하여 설명하기로 한다. 이상으로 본 발명에 한정하여 사용하는 용어를 서술하였다.
다음으로 3. 본 발명의 구성도에 대하여 설명을 한다.
도 3은 본 발명의 구성도이며, 도 3a는 구성에 대한 단선도면이며, 도 3b는 기기의 배치도이다.
도 3a, b에서, 전기에너지를 회전에너지로 변환하는 전동기(10)와, 전동기의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 다상 발전기(20)와, 다상 발전기(20)가 생산하는 교류전기를 직류로 변환하는 정류기(30)와, 변환된 직류의 전기에너지를 축적하며, 동시에 직류로 출력하는 2차 전지(40)와, 2차 전지(40)에서 출력하는 직류전기를 교류로 변환하는 인버터(50)와, 인버터(50)에 의하여 변환된 교류전기를 제어하는 컨트롤러(60)로 구성을 하는데,
전동기(10)는 전류가 흐르는 도체가 자기장에서 받는 힘을 이용하여 전기 에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치로, 전원의 종류에 따라 직류 전동기와 교류 전동기로 분류되며, 교류 전동기는 다시 3상 교류용과 단상 교류용으로 구분하는 것으로 설명은 3상 유도전동기로 하며, 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이며,
연결대(15)는 전동기(10)와 다상 발전기(20)을 기계적으로 회전축을 연결하여 일체화하는 것으로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 비중이 낮은 비금속으로 하는 것이며,
다상 발전기(20)는 등록특허 10-1384596호, 공개특허 10-2016-0108263호로,
등록특허 10-1384596호는,
비금속 재질로서 회전축에 부착되며, 동일한 높이를 갖는 복수개의 영구자석을 외측면에 일정한 간격으로 하여 부착하는 회전자와, 상기 회전자의 회전반경 외측과 일정 간격의 공극을 유지하는 비금속 재질로서, 몸체 내부에 상기 영구자석의 수보다 적어도 하나 많은 개수의 슬롯을 포함하고 각 슬롯 내부에 개별적으로 권선한 발전코일뭉치를 실장하여, 발전기의 수직선 상을 2등분하여 형성되는 좌측의 자력과 우측의 자력이 서로를 상쇄하도록 하는 고정자와, 상기 고정자 외측에 발전코일뭉치의 수량과 동일한 갯수로 부착되며, 상기 발전코일뭉치와 입력단자를 연결하고, 고정자 커버에 부착된 부스바와 출력단자를 연결하는 정류장치를 포함하여 구성되는 특징이 있고,
상기 고정자는 개별적으로 권선한 복수개의 발전코일뭉치의 코일 단면적 직경을 소정 배수로 축소하고, 그 대신 코일의 권선수를 소정 배수로 증가시켜 부착하는 특징이 있고,
동일한 회전축에 일정한 위상각을 유지하며 다상 직류 발전기를 복수개 설치하는 특징이 있고,
발전코일뭉치끼리의 결선을 직렬, 병렬 또는 직,병렬로 하여 부스바에 연결하는 특징이 있고,
부스바끼리 결선을 직렬, 병렬 또는 직,병렬로 하는 특징이 있으며,
공개특허 10-2016-0108263호는
비자성체이며 비금속 재질로서, 회전축에 부착되며, 가로(W), 세로(H1), 높이(L)를 갖는 복수개의 자석에서, 세로(H1)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하여, 외측면에 일정한 간격으로 하여 부착하는 회전자와, 상기 회전자의 회전반경 외측에 일정 간격의 공극을 유지하고, 비자성체이며 비금속 재질로서, 가로(W), 세로(H2), 높이(L)의 슬롯과, 각 슬롯 내부에 실장하는 개별권으로 권선한 발전코일뭉치에서, 세로(H2)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하고, 슬롯의 단면적 축소로 인하여 확보되는 고정자의 빈공간에 일정한 갯수의 슬롯을 포함하고, 그 슬롯 내부에 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 실장하는 고정자에, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치에 대응하는 정류기를 구성하며, 그 고정자를 감싸는 고정자 커버로 구성하는 특징이 있고,
발전기의 수직선상을 2등분 하여 형성되는 좌측의 자력과 우측의 자력이 서로를 상쇄하도록, 몸체 내부에 상기 자석의 수보다 적어도 하나 많은 갯수로 슬롯을 포함하여, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 구성하는 특징이 있고,
상기 고정자 커버에 부착되며, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치에 대응하는 정류기와 부스바를 실장하는 정류기박스로 구성하는 특징이 있고,
개별권 홀더를 사용하는 특징이 있고,
동일한 회전축에 일정한 위상각을 유지하며 다상 직류 발전기를 복수개 설치하는 특징이 있고,
정류기박스 내에서 발전코일뭉치들의 결선을 직렬, 병렬 또는 직,병렬로 하여 부스바에 연결한 후, 부스바들의 결선을 직렬, 병렬 또는 직,병렬로 하는 특징이 있는 것으로,
청구항을 포함하여, 이하에서부터 "다상 발전기(20)"라고 서술하면 전술한 특징을 포함하는 것으로 하고,
그에 대한 상세한 설명은 등록특허 10-1384596호와 공개특허 10-2016-0108263호의 명세서로 대신하기로 하되,
다상 발전기(20)의 출력은 전동기(10)의 소비전력보다 많게 구성하며,
정류기(30)는 브릿지 다이오드를 이용하여 교류를 직류(맥류)로 변환하는 것으로 다상 발전기(20) 출력의 개소와 동일하게 하여야 하며,
2차 전지(40)는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 기기로 연 축전지, 리튬이온전지등 다양하며, 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이며,
인버터(50)는 반도체로 구성하여 직류를 교류로 변화하면서 동시에 주파수를 설정하는 기기로 정격주파수는 국가마다 다르나 한국은 60Hz를 채택하고 있으므로 우선 60Hz로 설정하는 것으로 하되, 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이며,
컨트롤러(60)는 반도체와 반도체 스위치들로 구성한 것으로 전동기(10)의 소비전력과 다상 발전기(20)의 출력을 비교함과 동시에, 전동기(10)의 소비전력보다 다상 발전기(20)의 출력이 적으면 전동기(10)에 전력을 차단하여 2차 전지(40)의 방전을 보호하고, 전동기(10)의 소비전력보다 다상 발전기(20)의 출력이 많으면 다상 발전기(20)에서 생산하는 전기에너지를 2차 전지(40)와 전동기(10)에 공급하면서 동시에 잉여의 전기에너지를 외부의 부하에 공급하도록 구성하며,
변압기(70)는 상호 유도 원리를 이용하여 교류 전압을 더 높이거나 낮추는 데 사용되는 기기로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이며,
전동기(10)와 다상 발전기(20)는 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결하고, 다상 발전기(20)와 정류기(30), 정류기(30)와 2차 전지(40), 2차 전지(40)와 인버터(50), 인버터(50)와 컨트롤러(60), 컨트롤러(60)와 전동기(10)는 전기적으로 연결한 구성도이다.
이상으로 3. 본 발명의 구성도에 대하여 설명을 하였다.
다음으로 4. 다상 발전기(20)의 출력을 전동기(10)의 소모전력보다 많게 하는, 다상 발전기(20)의 구성과 방법에 대하여 설명을 한다.
상기의 설명을 쉽게 이해하기 위하여,
도 4, 5, 6, 7에서 3상 발전기의 입력과 출력에 대하여 설명을 하고,
도 8, 9, 10, 11에서 3상 유도전동기의 입력과 출력에 대하여 설명을 하고,
도 12, 13, 15, 16, 17에서 다상 발전기의 입력과 출력에 대하여 설명을 한 다음에,
다상 발전기(20)의 출력을 전동기(10)의 소모전력보다 많게 하는, 다상 발전기(20)의 구성과 방법에 대하여 설명을 하는데, 설명하는 방법으로,
도 18, 19, 20에서 제 1실시예를 실시하여 다상 발전기(20)의 출력과 전동기(10)의 소모전력을 산출하여 다상 발전기(20)의 출력이 전동기(10)의 소모전력보다 적으면 본 발명의 과제를 이룰 수 없으므로,
도 21, 22, 23, 24에서 제 2실시예를 실시하여 다상 발전기(20)의 출력과 전동기(10)의 소모전력을 산출하고, 또다시 다상 발전기(20)의 출력이 전동기(10)의 소모전력보다 적으면 본 발명의 과제를 이룰 수 없으므로,
도 25, 26, 27, 28,에서 제 3실시예를 실시하여 다상 발전기(20)의 출력이 전동기(10)의 소모전력보다 많아지게 하는 방법, 즉 다상 발전기(20)의 구성에 대하여 설명하기로 한다.
먼저, 도 4, 5, 6, 7에서 3상 발전기의 입력과 출력에 대하여 설명을 한다.
도 4~7은 3상 발전기에 관한 것으로, 상기에 대한 설명은 광범위하므로,
본 발명에서는,
3상 발전기는 입력값인 회전에너지(합성토크)와 출력값인 전기에너지(생산전력)에 대하여만 설명하기로 하며, 참고로 회전에너지는 토크이며, 단위는 N.m으로, 전기에너지는 입력 또는 출력으로, 단위는 W로 표기하며 이를 혼용하여 사용하기로 하며, 이하에서부터 설명한다.
발전기란, 전기에너지(W)가 생산되는 파형에 따라서 변화하는 동일한 크기인 자장의 세기(A/m)로 회전자를 억제하기 때문에, 이에 대응하는 회전에너지(N.m)를 공급하여야, 전기에너지(W)를 생산하는 기기로, 이를 더욱 간략하게 설명하면,
출력의 교류 전기에너지(W)와 동일한 입력의 회전에너지(N.m)와 동일한 자력(A/m)을 소모하는 기기이며, 이를 다시 서술하면, 후술하지만 출력의 교류 파형을 순시적으로 합산한 출력값(순시값) 만큼 회전에너지(N.m)와 자력(A/m)을 소모하는 기기로,
이를 3상 발전기를 예로 들어, 서술하면, 발전기의 출력은 120도 위상의 차이로 N극과 S극에 의하여 3개의 교류 파형을 생산하는데, 입력인 회전에너지(N.m)와 자력(A/m)은 3개의 교류 파형을 순시적으로 합산한 출력값(순시값)이며, 회전에너지(N.m)와 자력(A/m)는 단위는 다르지만 동일한 크기이므로 회전에너지(N.m)만 사용하기로 하며, 참고로, 입력 값인 회전에너지 (N.m)와 출력값인 전기에너지(W)를 산출하는데 효율은 100%로 가정하여 설명하며, 효율에 대한 적용은 이하 실시예에서부터 적용하여 설명하기로 한다.
도 4는 최신자동차공학시리즈 중 첨단자동차 전기전자 5장 3절 3항(156쪽)의 3상 전파정류에서 인용한 것으로,
3상 발전기에서 3상 전파정류 브릿지회로에 관한 도면으로, 그에 내용은 직류(맥류)로 변환된 후의 3상이 합성된 직류(맥류)의 크기를 설명하는 도면이나,
본 발명에 한정하여 도면은 인용하되 일부분을 수정 변경하여 도시하였으며,본 도면을 설명하는 목적은 3상 발전기에서 입력과 출력을 산출하는 것을 쉽게 이해기 위하여 설명하는 것으로, 이하에서부터 설명한다.
도 4는 3상 발전기를 Y결선과 △결선으로 구분하여 Up=1V, R=1Ω, I=1A일 때에 Y결선에서는 3개의 120도의 위상차가 있는 U, V, W의 교류를 3상 브릿지 다이오드를 이용하여 1개의 직류 전압으로, △결선에서는 3개의 120도의 위상차가 있는 U, V, W의 교류를 3상 브릿지 다이오드를 이용하여 1개의 직류 전류로 표기하는 것으로, 각각의 등가회로를 참고하면 Y결선에서는 전압과 전류는 90도 지점에서는 순시값이 1.5V와 1A 그리고 300도 지점에서는 순시값이 1.72V와 0,86A로 산출되며, △결선에서는 전압과 전류는 90도 지점에서는 1V와 1.5A 그리고 300도 지점에서는 0.86V와 1.72A로 산출된다.
이는 30도 마다 반복되므로 이를 반복하여 연결하여 교류는 3개의 파형을 중첩하고, 직류는 1개의 파형으로 하여 1회전 동안의 누적값을 파형으로 도시하되,Y결선에서는 전압의 파형으로 △결선에서는 전류의 파형으로 도시하였다.
본 도면을 설명하는 목적은, 본 발명에서 필요한 입력 회전에너지와 출력 전기에너지의 순시값, 순시누적값과 전체누적값을 산출하기 위함이다.
3개의 출력이 120도의 위상의 차가 있는 3상 발전기는,
Y결선에서 전압과 전류는
90도 지점에서는 순시값이 1.5V와 1A로 순시 출력값은 1,5W
300도 지점에서는 순시값이 1.72V와 0,86A로 순시 출력값은 1,4792W이고,
△결선에서 전압과 전류는
90도 지점에서는 순시값이 1V와 1.5A로 순시 출력값은 1.5W
300도 지점에서는 순시값이 0.86V와 1.72A로 순시 출력값은 1.4792W
로 산출된다. 상기 설명을 표 1로 정리하며,
구 분 Y결선 △결선
지 점 90도 300도 90도 300도
전압(V) 1.5 1.72 1 0.86
전류(A) 1 0.86 1.5 1.72
전력(W)= 전압 * 전류 1.5 1.4792 1.5 1.4792
등가회로를 참조하여 각상별의 전력과 합성 전력을 표 2에 산출하여 정리한다.
구 분 Y결선 △결선
지 점 90도 300도 90도 300도
U상 전력(W) 1V*1A=1W 0.86V*0,86A=0.7396W 1V*1A=1W 0.86V*0,86A=0.7396W
V상 전력(W) 0.5V*0.5A=0.25W 0V*0V=0W 0.5V*0.5A=0.25W 0V*0V=0W
W상 전력(W) 0,5V*0.5A=0.25W 0.86V*0,86A=0.7396W 0,5V*0.5A=0.25W 0.86V*0,86A=0.7396W
소계(W) 1.5W 1.4792W 1.5W 1.4792W
표 1과 표 2를 비교하여 설명하면, Y결선과 △결선은 전압과 전류의 크기는 각각 다르지만, 순시출력인 전기에너지(W)는 동일하다는 설명이다.
도 5는 도 4를 인용하여 변경한 도면으로, 개별권으로 권선을 한 3개의 출력을 120도의 위상의 차가 있도록 구성한 3상 발전기로,
각개의 개별권이 Up=1V, R=1Ω, I=1A일 때에 출력되는 교류의 3개 파형을 중첩하여 도시한 것이며, 합성 전압인 직류는 각개의 개별권으로 분리가 되어, 합성 직류전압을 산출할 수 없기에 도시를 할 수 없으나,
3개의 U, V, W의 각각의 등가회로에서 순시값의 출력을 산출하면,
90도에서 U상의 순시값은 1V와 1A로 1W이며 V상의 순시값은 0.5V와 0,5A로 0.25W이며 W상의 순시값은 0.5V와 0,5A로 0.25W로 산출되고,
300도에서 U상의 순시값은 0.86V와 0.86A로 0.7396W이며 V상의 순시값은 0V와 0A로 0W이며 W상의 순시값은 0.86V와 0.86A로 0.7396W로 산출되며 각각의 순시값의 소계는 1.5W와 1.4792W로, 이를 표 3으로 정리한다.
구 분 3상 개별권
지 점 90도 300도
U상 전력(W) 1V*1A=1W 0.86V*0,86A=0.7396W
V상 전력(W) 0.5V*0.5A=0.25W 0V*0V=0W
W상 전력(W) 0,5V*0.5A=0.25W 0.86V*0,86A=0.7396W
소계(W) 1.5W 1.4792W
도 6은 도 4를 인용하여 변경한 도면으로, 정류기를 부착한 개별권으로 권선을 한 3개의 출력을 120도의 위상의 차가 있도록 구성한 3상 발전기로,
정류기를 부착한 각개의 개별권이 Up=1V, R=1Ω, I=1A일 때에 출력되는 직류의 3개 파형을 중첩하여 도시한 것이며, 합성 전압인 직류는 정류기를 부착한 각개의 개별권으로 분리가 되어 합성 직류전압을 산출할 수 없기에 도시를 할 수는 없으나,
3개의 U, V, W의 각각의 등가회로에서 순시값의 출력을 산출하면,
90도에서 U상의 순시값은 1V와 1A로 1W이며 V상의 순시값은 0.5V와 0,5A로 0.25W이며 W상의 순시값은 0.5V와 0,5A로 0.25W로 산출되고,
300도에서 U상의 순시값은 0.86V와 0.86A로 0.7396W이며 V상의 순시값은 0V와 0A로 0W이며 W상의 순시값은 0.86V와 0.86A로 0.7396W로 산출되며 각각의 순시값의 소계는 1.5W와 1.4792W로, 이를 표 4로 정리한다.
구 분 정류기를 부착한 3상 개별권
지 점 90도 300도
U상 전력(W) 1V*1A=1W 0.86V*0,86A=0.7396W
V상 전력(W) 0.5V*0.5A=0.25W 0V*0V=0W
W상 전력(W) 0,5V*0.5A=0.25W 0.86V*0,86A=0.7396W
소계(W) 1.5W 1.4792W
표 1, 2, 3, 4를 비교하여 설명하면, 3개의 출력이 120도의 위상차가 있는 3상 발전기는 Y결선, △결선, 개별권 또는 개별권에 정류기를 부착하여도 순시값은 동일하다는 것을 설명하기 위함이다.
도 7은 본 발명에 한정하여 3상 발전기의 입력과 출력을 산출하는 도면으로,
도 7a는 도 4, 5, 6과 표 1, 2 ,3, 4의 90도에서의 순시값과 300도에서의 순시값을 누적한 출력 그래프(순시누적값)이며,
도 7b는 "A"부분의 확대도이다,
도 7a에서 90도 지점의 순시 출력값은 0.25W+0.25W+1W=1.5W로 최고치이며,
300도 지점에서 순시 출력값은 0.7396W+0W+0.7396W=1.4792W로 최저치이며,
도면의 복잡성을 감안하여 2개소만 산정하였을 뿐이며, 도 7b의 확대도를 참조하면 30도의 위치에서 순시 출력값이 1.5W의 최고치로, 다음의 30도 위치에서 순시 출력의 최저값이 1.4792W로, 30도 마다 최고치와 최저치가 반복된다.
도 7c는 입력과 출력을 정리한 도면으로,
전술한 바와 같이, 발전기는 출력 전기에너지(W)와 입력의 회전에너지(N.m)와 자력의 세기(A/m)는 동일한 것(효율 100%)이므로,
출력 전기에너지는,
90도에서 1,5(W)로, 300도에서 1.4792(W)로, 평균값은 1.4896(W)로,
입력인 자력의 세기는 90도에서 1.5(A/m)로, 300도에서 1.4792(A/m)로 평균값은 1.4896(A/m)로,
입력인 회전에너지는 90도에서 1,5(N.m)로, 300도에서 1.4792(N.m)로 평균값은 1.4896(N.m)로 표기하여야 하나,
이는 상전압이 1V, 상전류는 1A, 부하는 1Ω으로 산정하였으므로,
이 후에서부터는,
입력 또는 출력 전압(V)은 a라는 상수를 사용하여 aV로,
입력 또는 출력에서 전기에너지(W)는 a라는 상수를 사용하여 a(W)로,
입력 또는 출력에서 자력의 세기(A/m)는 H라는 상수를 사용하여 H(A/m)으로,
입력 또는 출력에서 회전에너지(N.m)는 T라는 상수를 적용하여 T(N.m)으로 사용하며, 도 7c로 정리하고, 이를 표 5로 정리한다.
지 점 90도
(순시 최대값)		 300도
(순시 최소값)		 360도 평균값
(1회전 순시 평균값)
입력 : 회전 순시에너지(N.m) 1.5T 1,4792T (1.5+1.4792)/2=1.4896T
자력의 세기(A/m) 1.5H 1.4792H (1.5+1.4792)/2=1.4896H
출력 : 순시 출력값(W) 1.5a 1.4792a (1.5+1.4792)/2=1.4896a
도 7d는 본 발명에서 평균값을 산출하는 방법을 도시하는 것이다.
3상은 최고치가 6회 최저치가 6회 발생하여,
평균값은 [(1.5*6)+(1.4792*6)]/12=1.4896이 되며,
도시한 공식에 의하여 평균값을 산출하면 (1.5+1.4792)/2=1.4896으로 동일하며, 이는 도 7c와 표 5에서 산출한 평균값이 동일하다.
이후의 실시예에서 적용할 7상 발전기와 13상 발전기 혹은 다상(n상)발전기는 최고값과 최저값이 동일하면 평균값은 3상 발전기와 동일하다는 것을 설명하는 것이다.
상기와 같이 평균값에 대하여 설명하는 목적은,
발전기는 출력하는 전기에너지의 파형에 따라 특성상 리플 즉, 최고치와 최저치가 발생하는데, 최고치와 최저치의 크기가 동일하면 발전코일의 상수에 관계없이, 즉 3상 발전기와 다상(n상) 발전기는 평균값이 동일하여 발전기에 회전에너지를 공급하는 공급원, 본 발명에서는 전동기이므로 전동기의 입력값이 동일하다는 것을 설명하기 위한 것이다.
도 7e, 7f는 본 발명에 한정하여 입력과 출력을 구분하여 설명하는 도면으로
본 발명을 간단하게 이해하기 위하여 작성한 도면이다.
도 7e에 도시한 그래프를 본 발명에 한정하여 다음과 같이 서술한다.
"1회전 동안에 평균 1.4896T(N.m)의 회전에너지를 3상 발전기에 공급한다."
도 7f에 도시한 그래프를 본 발명에 한정하여 다음과 같이 서술한다.
"1회전 동안에 A면적이며 h폭의 출력이 3개 발생한다."
본 설명은 본 발명에서 발전기, 전동기 또는 발전동기를 1회전을 기준으로 설명하는 것이므로 도 7e와 도 7f를 종합하여 다시 서술하면,
"3상 발전기에 평균 1.4896T(N.m)의 회전에너지를 공급하면, A*h의 출력이 3개 발생하며, 전체 누적값은 (A*h)*3=3Ah 이다." 라고 표현한다.
참고로 상기의 표현은
1. 각각의 출력이 동일하다는 조건이며,
2. 효율을 100%로 가정하여 설명하였으며,
3. 무부하 회전에너지를 제외한 표현이며,
이하의 실시예에서(도 18~29) 부터 각각의 출력은 동일하다는 조건하에 효율과 무부하 회전에너지를 적용하여 설명하기로 한다.
이상으로 3상 발전기의 입력과 출력에 대하여 설명하였으며, 3상 발전기의 출력은 3상 전원으로, 이하에서부터는 3상 발전기의 출력과 3상 전원을 특별히 구분하지 않는 한 동일한 내용으로 하며, 이하에서부터 전동기에 대하여 설명한다.
도 8, 9, 10, 11은 전동기에 관한 것으로, 설명을 간단히 하기 위하여 3상 유도전동기(이하에서부터는 전동기라 함)로 설명을 한다.
우선, 3상 유도 전동기에 대하여 본 발명에 한정하여 간략하게 설명한다.
3상 유도 전동기는 입력인 교류 전기에너지(W)의 파형에 따라서 변화하는 자장의 세기(A/m)로 회전자를 유도하여 출력인 회전에너지(N.m)로 변환하는 기기로,
이를 다시 서술하면, 3상 유도 전동기는 발전기에서 생산하는 120도 위상의 차이로 N극과 S극에 의하여 3개의 교류 파형 공급하면, 3개의 교류 파형을 순시적으로 합산한 출력값(순시값)이 출력인 회전에너지(N.m)와 자력(A/m)의 순시값이며,
전동기 또한, 회전에너지(N.m)와 자력(A/m)는 단위는 다르지만 동일한 크기이므로 회전에너지(N.m)만 사용하기로 한다.
도 8, 9, 10, 11은 네이버 구글등 각종 포털검색한 자료를 도시한 것이며,
도 11은 입력과 출력을 구분한 것으로 이하에서부터 설명한다.
도 8a는 3상 유도 전동기를 도시한 것으로 균일환을 내장한 회전자(10)에 고정자(20)는 120도의 위상각으로 R, S, T에 권선코일(21)을 권선한 형상이며,
도 8b는 권선코일(21)을 전개한 상태로 R상은 R과 R'로 S상은 S와 S'로 T상은 T와 T'로 표시하였으며,
도 8c는 전술한 3상 발전기에서 교류 전원으로 각상에 120도의 위상차이로 전동기에 전기에너지를 공급하는 형상이며,
도 8d는 각각의 R, S, T의 권선 코일이 1a(W)를 소모하면 R과 R', S와 S', T와 T'의 권선 코일은 자력의 세기 1H(A/m)과 회전에너지 1T(N.m)가 형성된다는 것을 표현하는 도면이며,
도 8e는 유도 전동기의 회전자를 중심으로 R과 R', S와 S', T와 T'의 권선 코일에 각각 자력의 세기 1/2H(A/m)과 회전에너지 1/2T(N.m)가 형성되어 회전자를 유도하여 회전자가 회전하는 형상을 표현한 것으로, 도면에는 권선코일 전체로 형성되는 것으로 도시하였으나, 이는 교류 전기에너지(W)의 파형에 따라서 형성되는 것이다.
도 9와 10은 회전에너지의 크기에 따라 회전자가 유도되는 위치를 설명하는 것으로 도 9a-1, 9b-1, 9c-1, 10a-1, 10b-1, 10c-1은 입력 소모전력 W(watt)와 출력인 회전 에너지 T(N.m)와 자력의 세기 H(A/m)를 도시하고, 도 9a-2, 9b-2, 9c-2, 10a-2, 10b-2, 10c-2는 이를 정리하여 도시하였으며, 도 9a-3, 9b-3, 9c-3, 10a-3, 10b-3, 10c-3은 교류 전원의 파형에 의하여 변화하는 회전 에너지 T(N.m)의 크기에 따라, 유도된 회전자의 위치를 도시한 도면으로, 상세한 설명은 생략하고, 10c-1에 대하여 설명한다. 10c-1은 1회전 하였을 때에 교류 전원의 파형과 회전에너지의 파형을 도시한 것으로 120도의 위상차로 R, S, T에 입력 전기에너지를 공급하면 출력으로 회전에너지가 발생하는 그래프를 도시한 것이다.
도 11은 전동기에서 입력과 출력의 산출을 쉽게 이해하기 위한 도면으로,
도 11a는 도 8, 9, 10에서 30도 마다 순시 입력값과 순시 출력값을 누적한 입,출력 그래프로 순시 입력값은 전압의 파형으로 도시하였으며(전술한 바와 같이 전압의 파형을 근거로 출력의 파형을 작성하므로 동일하게 취급함),
도 11b는 "A"부분의 확대도이다,
도 11a에서 0도 지점의 순시 출력값은 0.25W+0.25W+1W=1.5W로 최고치이며,
30도 지점에서 순시 출력값은 0.7396W+0W+0.7396W=1.4792W로 최저치로, 도 11b의 확대도를 참조하면 30도의 위치에서 순시 출력값이 1.5W의 최고치로, 다음의 30도 위치에서 순시 출력의 최저값이 1.4792W로, 30도 마다 최고치와 최저치가 반복된다.
도 11c는 입력과 출력을 정리한 도면으로,
전술한 바와 같이, 발전기는 출력의 교류 전기에너지(W)와 입력의 회전에너지(N.m)와 자력 의세기(A/m)는 동일한 것으로,
순시 출력값은 30도에서 1,5(W)로 60도에서 1.4792(W)로 평균값은 1.4896(W)로, 순시 자력의 세기는 30도에서 1.5(A/m)로 60도에서 1.4792(A/m)로 평균값은 1.4896(A/m)로, 순시 입력값은 30도에서 1,5(N.m)로 60도에서 1.4792(N.m)로 평균값은 1.4896(N.m)로 표기하여야 하나, 이는 상전압이 1V, 상전류는 1A, 부하는 1Ω으로 산정하였으므로, 이 후에서부터는 순시 결과값에 상수를 적용하여 도 11c로 정리하고, 이를 표 6으로 정리한다.
지 점 30도
(순시 최대값)		 60도
(순시 최소값)		 380도 평균값
(1회전 순시 평균값)
입력 : 순시 입력값(W) 1.5a 1.4792a (1.5+1.4792)/2=1.4896a
자장의 세기(A/m) 1.5H 1.4792H (1.5+1.4792)/2=1.4896H
출력 : 회전 순시에너지(N.m) 1.5T 1.4792T (1.5+1.4792)/2=1.4896T
도 11d와 도 11e는 본 발명에 한정하여 입력과 출력을 구분하여 설명하는 도면으로
도 11d에 도시한 그래프를 본 발명에 한정하여 다음과 같이 서술한다.
"1회전 동안에 전동기에 A면적이며 h폭의 입력을 3개 즉, (A*h)*3=3Ah를 공급한다."
도 11e에 도시한 그래프에서 평균값을 표 6에 서술한 30도와 60도의 2개소로 평균값을 산정하였는데 12개소에서 최대값과 최소값이 교번으로 발생하므로 12개소를 적용하여 평균값을 산정하면 [(1.5*6)+(1.4792*6)]/12=1.4896T(N.m)으로 동일하며, 본 발명에 한정하여 다음과 같이 서술한다.
"1회전 동안에 평균 1.4896T(N.m)의 회전에너지를 발생한다."
본 발명의 설명은 발전기, 전동기의 1회전을 기준으로 설명하는 것이므로 도 11d와 도 11e를 종합하여 다시 서술하면,
"전동기에 A*h의 입력을 3개 즉, (A*h)*3=3Ah를 공급하면, 평균 1.4896T(N.m)의 회전에너지를 발생한다." 라고 표현한다.
도 7d에서 발전기가 3상일 때에는 최대값이 3*2로 6회, 최소값이 3*2로 6회로 총 12회의 리플이 발생하여 평균값을 산정하였으나, 도 11f는 발전기가 7상일 경우에 평균값을 산출한 것을 도시한 것이며, 도 11g는 발전기가 13상일 때에 경우에 평균값을 산출한 것을 도시한 것으로 평균값은 동일한 1,4896T(N.m)이다.
이를 후술하지만, 이하의 실시예에 적용하여 설명하면, 다상 발전기에서, 전동기는 다상 발전기에 회전에너지를 공급하는데 다상 발전기의 출력개소에 관계없이 1.4896T(N.m)를 공급하면 발전기는 다상에서 출력이 발생한다는 것을 설명하기 위함이다.
전술한 도 7c를 참조하여,
상기와 같이 전동기에 대하여 평균값에 대하여 설명하는 목적은,
전동기는 입력인 전기에너지의 파형에 따른 특성상 6회의 리플 즉, 최고치와 최저치가 각 6회씩 발생하는데, 최고치와 최저치의 크기가 동일하면 1회전 동안에 리플의 회수에 관계없이, 즉 본 발명에서는 전동기의 부하인 발전기를 3상, 7상,13상을 적용하여 리플이 각 6회, 14회, 26회로 3상은 최고치 6회 최저치 6회, 7상은 최고치 14회 최저치 14회, 13상은 최고치 26회 최저치 26회가 발생하나 그에 대한 평균값이 동일하여 입력인 전기에너지의 소모가 동일하다는 것을 설명하기 위한 것이다.
참고로 상기의 표현은
1. 효율을 100%로 가정하여 설명하였으며,
2. 이하의 실시예에서 부터는 효율을 적용하여 설명한다.
이상으로 3상 유도전동기에 대하여 설명하였으며, 이하에서부터 다상 발전기에 대하여 설명을 하는데 상세한 설명은 등록특허 10-1384596호, 공개특허 10-2016-0108263호로 대신하고 필요한 부분만 부분적으로 설명하기로 한다.
도 12, 13, 14, 15, 16, 17은 개별권으로 권선한 다상발전기에 관한 것으로,
도 12a, b는 발전기에서 회전억제저항 관한 것이며, 본 발명에 한정하여 가로를 W, 세로를 H, 높이를 L로 표기한다. 따라서 단면적은 가로*세로로 W*H이며, 체적(부피)는 가로*세로*높이로 W*H*L로 표기한다. 또한, 특허등록 10-1155124호 10쪽 104줄과 도9-10에서 자석의 폭(본 발명에서는 가로 W)과 발전코일뭉치의 폭(본 발명에서는 가로 W)이 동일할 때에 부하공급시 회전저항의 시간이 가장 적다고 서술하였으며, 본 발명에서도 발전코일뭉치의 가로 W와 자석의 가로 W는 동일한 것으로 한다.
도 12a에서 회전자(100)에 부착한 가로 W, 세로 H1, 높이 L의 자석, 즉 W*H1*L 체적(부피)인 자석(126)이 형성하는 자력을 b라하고, 일정한 길이와 일정한 단면적의 코일이 복수개로 이루어진 발전코일뭉치(132)은 가로 W, 세로 H2, 높이 L, 즉 W*H2*L 체적인 발전코일뭉치(132)을 L이라 하고, 회전자의 자석(126)이 v의 각속도로 회전을 하면, 발전코일뭉치(132)에서는 e(V)=blv의 유도기전력을 형성하고, 미도시 하였지만 회전자(100)를 회전시키는 전동기는 Pin=P1+P2의 무부하소비전력을 소비하고 있는 것, 즉, W*H1*L체적(부피)인 자석(126)이, W*H2*L 체적인 발전코일뭉치(132)에 대하여 각속도 v로 이동하면, blv의 유도기전력이 형성되고, 각속도 v의 소비전력은 Pin이며, 크기는 P1+P2이다. 이때에 발전기 효율은 Pout/Pin으로 0/P1+P2로 분모가 0(zero)이므로 효율은 0이다.
도 12b는 발전기에서 회전억제저항을 산출하는 도면으로,
도 12b에서 W*H1*L체적(부피)인 자석(126)이, W*H2*L 체적인 발전코일뭉치(132)에 대하여 각속도 v로 이동하면, blv의 유도기전력이 형성되고, 각속도 v의 소비전력은 Pin이며, 크기는 P1+P2이나, W*H2*L 체적인 발전코일뭉치(132)에 부하를 연결하면 E*i의 출력, 즉 Pout이 발생하며, 이때 도체에 흐르는 전류에 의하여 W*H2*L 체적인 발전코일뭉치(132)에는 자력이 발생하고, 이 자력이 회전자의 자석(126)에 대하여 회전을 억제하는 회전억제저항이 발생하며, 본 발명에서는 이러한 회전억제저항을 GF라고 한다.
즉, GF는 b*i*l의 크기 만큼 발생하며 GF를 유지하기 위한 전동기의 소비전력을 P3로 입력은 Pin=P1+P2+P3이고, 발전기 출력 Pout은 E*i다. 이때에 발전기 효율은 Pout/Pin으로 E*i/P1+P2+P3이나, 공개특허 10-2016-0108263호에서 도 2,3의 도면과 설명을 참조하면, P1+P2의 소비전력은 회전자의 중량과 공기저항 및 베어링의 마찰력에 따라서 가변하고, 본 실험 결과에 의하면 단독운전 전력 P1과 무부하운전 전력 P2의 합은 전부하 소비전력의 8~15%를 점유하므로, GF의 변화와 동일하게 전동기의 P3가 변화하여 발전기의 효율이 변화한다고 할 수 있으므로, 본 발명에서는 GF와 P3를 동일하게 취급하기로 하며, 참고로 GF는 발전코일뭉치(132)와 자석(126)이 일직선상에 위치하는 지점이 가장 크게 작용한다, 즉 최대의 회전억제저항이 발생한다.
따라서, 이하에서부터는 발전기의 효율을 Pout/Pin으로 산출하되, 전동기의 입력인 Pin을 P3만 적용하여 GF로 하고, Pout은 E*i 또는 blv로 산출하기로 한다.
즉, 본 발명에서 발전기의 효율 산출은 E*i/GF 또는 blv/GF로 하기로 한다.
도 12c, d, e는 본 발명에서 효율을 증가시키는 기본 개념이다.
본 개념은 자석(126)의 단면적(W*H1)과 발전코일뭉치(132)의 단면적(W*H2)이 변화하여도, 자석(126)의 체적(W*H1*L)과 발전코일뭉치(132)의 체적(W*H2*L)이 동일하면, 발전기의 출력 E*i와 전동기의 입력 GF는 동일하다는 것을 설명하는 도면이다.
도 12c에서
단면적은 W*H2이고, 체적은 W*H2*L인 발전코일뭉치(132A)에,
단면적은 W*H1이고, 체적은 W*H1*L인 자석(126A)이,
각속도 v로 이동하면,
발전기출력은 E*i이고, 전동기입력은 GF이며, 발전기효율은 E*i/GF이다.
도 12d에서
단면적은 1/2W*H2이고, 체적은 1/2W*H2*2L=W*H2*L인 발전코일뭉치(132B)에,
단면적은 1/2W*H1이고, 체적은 1/2W*H1*2L=W*H1*L인 자석(126B)이,
각속도 v로 이동하면,
발전기출력은 E*i이고, 전동기입력은 GF로 발전기효율은 E*i/GF이다.
도 12e에서
단면적은 1/4W*H2이고, 체적은 1/4W*H2*4L=W*H2*L인 발전코일뭉치(132C)에,
단면적은 1/4W*H1이고, 체적은 1/4W*H1*4L=W*H1*L인 자석(126C)이,
각속도 v로 이동하면,
발전기출력은 E*i이고, 전동기입력은 GF로 발전기효율은 E*i/GF로,
도 12c, d, e를 표 7로 정리한다.
구 분 자석의 체적 발전코일뭉치의 체적 출력 회전억제
저항(입력)		 효율 비고
도 11c W*H1*L W*H2*L E*i GF E*i/GF
동일
도 11d 1/2W*H1*2L = W*H1*L 1/2W*H2*2L = W*H2*L E*i GF E*i/GF
도 11e 1/4W*H1*4L = W*H1*L 1/4W*H2*4L = W*H2*L E*i GF E*i/GF
도 12c, d, e를 종합하여 간략하게 서술하면,
발전코일뭉치(132)의 동일한 새로 H2에서, 가로 W가 일정배수로 감소하여, 단면적 W*H2는 일정배수로 감소하지만, 높이 L이 동일한 일정배수로 증가하면, 체적 W*H2*L은 동일하여, 코일의 연장길이와 중량이 동일하고,
자석(126)의 동일한 새로 H1에서, 가로 W가 일정배수로 감소하여, 단면적 W*H1는 일정배수로 감소하지만, 높이 L이 동일한 일정배수로 증가하면, 체적 W*H1*L은 동일하여, 자력 b와 자석의 중량이 동일하여, 가속도 v로 이동하면, 출력 E*i와 입력 GF는 동일하다는 표현이다.
도 12c를 참고하면 GF는 발전코일뭉치(132)와 자석(126)이 일치하는 지점에서 최대로 발생한다고 서술하였다.
따라서, 각각의 실시예에서 후술하지만, 도 12b, c, d, e를 종합하여 간략하게 본 발명의 개념을 다시 정리하면,
발전코일뭉치(132)는 동일한 새로 H2에서, 가로 W가 일정배수로 감소하면, 단면적 W*H2는 일정배수로 감소하지만, 고정자에서 슬롯과 발전코일뭉치(132)를 설치하는 일정한 면적에서, 발전코일뭉치(132)의 단면적 감소로 인하여 확보되는 공간에, 동일한 규격의 슬롯과 발전코일뭉치(132)를 일정배수로 추가로 설치할 수 있으며, 높이 L이 동일한 일정배수로 증가하면, 체적 W*H2*L은 동일하여, 코일의 연장길이와 중량이 동일하지만, 일정배수로 증가하는 발전코일뭉치(132)에 비례하여 발전기의 출력은 증가하고,
자석(126)은 동일한 새로 H1에서, 가로 W가 일정배수로 감소하면, 단면적 W*H1는 일정배수로 감소하지만, GF는 발전코일뭉치(132)와 자석(126)이 일치하는 지점에서 최대로 발생하므로 자석(126)의 수량은 변동이 없이 유지하고, 높이 L이 동일한 일정배수로 증가하면, 체적 W*H1*L은 동일하여, 자력 b와 자석의 중량이 동일하고, GF도 동일하여, 각속도 v로 이동하여도, 출력 E*i는 증가하고, 입력 GF는 동일하다는 표현이다.
참고로, 도 12을 설명하는 이유는 도 13에 인용을 하기 위함이다.
도 13은 다상 발전기에서 효율을 적용하여 표현하는 도면이다.
발전기의 효율을 증가시키기 위하여 현재도 많은 연구가 진행중이며,
본 발명에서는 발전기의 효율을 70%로 적용하기로 하고,
상기에서 서술하였듯이, 본 발명에 한정하여, 도 7f를
"1회전 동안에 A면적이며 h폭의 출력이 3개 발생한다."라고 표현하였으며,
본 발명의 설명은 발전기, 전동기 또는 발전동기는 1회전을 기준으로 설명하는 것이므로 도 7e와 도 7f를 종합하여 다시 서술하면,
"3상 발전기에 평균 1.4896T(N.m)의 회전에너지를 공급하면, A*h의 출력이 3개 발생하며, 전체 누적값은 (A*h)*3=3Ah 이다." 라고 표현하였다.
도 13a-1에서
단면적은 W*H2이고, 체적은 W*H2*L인 발전코일뭉치(132A)에,
단면적은 W*H1이고, 체적은 W*H1*L인 자석(126A)이,
회전에너지 T(N.m)을 소모하며 각속도 v로 시간 t간 이동하면,
도 13a-2의 표현을
회전에너지 T(N.m)를 공급하면 A*h=Ah의 출력이 발생하는데 효율이 70%로,
"(A*h)*0.7=0.7Ah의 출력이 발생한다."
도 13b-1에서
단면적은 1/2W*H2이고, 체적은 1/2W*H2*2L=W*H2*L인 발전코일뭉치(132B)에,
단면적은 1/2W*H1이고, 체적은 1/2W*H1*2L=W*H1*L인 자석(126B)이,
회전에너지 T(N.m)을 소모하며 각속도 v로 시간 1/2t간 이동하면,
도 13b-2의 표현을
회전에너지 T(N.m)를 공급하면 1/2A*2h=Ah의 출력이 발생하는데 효율이 70%로,
"(1/2A*2h)*0.7=0.7Ah의 출력이 발생한다."
도 13c-1에서
단면적은 1/4W*H2이고, 체적은 1/4W*H2*4L=W*H2*L인 발전코일뭉치(132C)에,
단면적은 1/4W*H1이고, 체적은 1/4W*H1*4L=W*H1*L인 자석(126C)이,
회전에너지 T(N.m)을 소모하며 각속도 v로 시간 1/4t간 이동하면,
도 13c-2의 표현을
회전에너지 T(N.m)를 공급하면 1/4A*4h=Ah의 출력이 발생하는데 효율이 70%로,
"(1/4A*4h)=0.7Ah의 출력이 발생한다."
참고로, 도 13a-2의 출력은 A*0,7h=0.7Ah, 13b-2의 출력은 1/2A*1,4h=0.7Ah, 13c-2의 출력은 1/4A*2.8h=0.7Ah로 동일하며, 이를 표 8로 정리한다.
구 분 도 13a-2 도 13b-2 도 13c-2 비 고
1개의 출력 누적값 A*0.7h=0.7Ah 1/2A*1.4h=0.7Ah 1/4A*2.8h=0.7Ah 동 일
도 14는 개별권으로 권선한 다상 발전기(20)의 전기에너지(출력)에 관한 도면으로,
도 14a는 개별권을 3개로 배열한 다상 발전기(20)로, 정상운전상태에서 회전자가 일정속도 v로 회전을 하는 상태이며, 도 14b는 1회전 동안에 1개의 파형을 도시한 것으로, 도 14b를 본 발명에서 설명하면,
"(A*h)=Ah의 출력이 3개 발생하는데 효율을 70%로 적용하면"
"(A*h)*0.7=0.7Ah의 출력이 3개 발생한다."
도 14c는 개별권을 7개로 배열한 다상 발전기(20)로, 정상운전상태에서 회전자가 일정속도 v로 회전을 하는 상태이며, 도 14d 1회전 동안에 1개의 파형을 도시한 것으로, 도 14d를 본 발명에서 설명하면,
"(1/2A*2h)=Ah의 출력이 3개 발생하는데 효율을 70%로 적용하면"
"(1/2A*2h)*0.7=1/2A*1.4h=0.7Ah의 출력이 7개 발생한다."
도 14e는 개별권을 13개로 배열한 다상 발전기(20)로, 정상운전상태에서 회전자가 일정속도 v로 회전을 하는 상태이며, 도 14f 1회전 동안에 1개의 파형을 도시한 것으로, 도 14f를 본 발명에서 설명하면,
"(1/4A*4h)=Ah의 출력이 13개 발생하는데 효율을 70%로 적용하면"
"(1/4A*4h)*0.7=1/4A*2.8h=0.7Ah의 출력이 13개 발생한다."
참고로, 표 8에서 서술하였듯이 3종류 출력의 크기는 동일하다는 설명이다.
도 15는 다상 발전기(20)의 입력인 회전에너지와 출력인 전기에너지 그리고 전체 누적값을 설명하는 도면으로, 다상 발전기(20)는 비자성체이며 비금속 재질로서, 회전축에 부착되며, 가로(W), 세로(H1), 높이(L)를 갖는 복수개의 자석으로 구성하는 회전자와, 비자성체이며 비금속 재질로서, 가로(W), 세로(H2), 높이(L)의 슬롯과, 각 슬롯 내부에 실장하는 개별권으로 권선한 발전코일뭉치로 이루어지는 고정자와, 그 고정자를 감싸는 고정자 커버로 구성하되, 발전기의 수직선상을 2등분 하여 형성되는 좌측의 자력과 우측의 자력이 서로를 상쇄하도록, 몸체 내부에 상기 자석의 수보다 적어도 하나 많은 갯수로 슬롯을 포함하여, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 구성한 것으로,
도 15a는 개별권을 3개로 배열한 다상 발전기(20)로, 일정속도 v로 회전하는 상태의 도면이며,
도 15b는 1회전 동안에 3개의 전압 파형과 평균 1.4896a(W)의 합성출력을 도시한 것이며,
도 15c는 "A"를 확대한 도면으로, 3개의 위상차이는 360/3도와 합성출력의 최대값은 1,5a(W)로 최소값은 1.4792a(W)로 평균값은 1.4896a(W)를 도시한 도면이며,
도 15d는 입력으로 합성출력의 평균값과 크기가 동일한 1.4896T(N.m)의 회전에너지가 1회전 동안 공급하는 형상이며,
도 15e는 A*0.7h의 전기에너지를 3개 생산하는 형상으로
도 15d와 15e를 종합하여 서술하면,
"효율이 70%이며 출력이 3개인 3상 발전기에
평균 1.4896T(N.m)의 회전에너지를 공급하면,
(A*h)*0.7=0.7Ah의 출력이 3개 발생하며, 전체 누적값은 0.7Ah*3=2.1Ah 이다."
도 16은 개별권을 7개로 배열한 다상 발전기(20)의 입력인 회전에너지와 출력인 전기에너지 그리고 전체 누적값을 설명하는 도면으로, 다상 발전기(20)는 비자성체이며 비금속 재질로서, 회전축에 부착되며, 가로(W), 세로(H1), 높이(L)를 갖는 복수개의 자석에서, 세로(H1)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하여, 외측면에 일정한 간격으로 하여 부착하는 회전자와, 상기 회전자의 회전반경 외측에 일정 간격의 공극을 유지하고, 비자성체이며 비금속 재질로서, 가로(W), 세로(H2), 높이(L)의 슬롯과, 각 슬롯 내부에 실장하는 개별권으로 권선한 발전코일뭉치에서, 세로(H2)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하고, 슬롯의 단면적 축소로 인하여 확보되는 고정자의 빈공간에 일정한 갯수의 슬롯을 포함하고, 그 슬롯 내부에 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 실장하는 고정자와 그 고정자를 감싸는 고정자 커버로 구성을 하며, 발전기의 수직선상을 2등분 하여 형성되는 좌측의 자력과 우측의 자력이 서로를 상쇄하도록, 몸체 내부에 상기 자석의 수보다 적어도 하나 많은 갯수로 슬롯을 포함하여, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 구성하였으며,
도 16a는 개별권을 7개로 배열한 다상 발전기(20)로, 일정속도 v로 회전하는 상태의 도면이며,
도 16b는 1회전 동안에 7개의 전압 파형과 평균 1.4896a(W)의 합성출력을 도시한 것이며,
도 16c는 "B"를 확대한 도면으로, 7개의 위상차이는 360/7도와 합성출력의 최대값은 1,5a(W)로 최소값은 1.4792a(W)로 평균값은 1.4896a(W)를 도시한 도면이며,
도 16d는 입력으로 합성출력의 평균값과 크기가 동일한 1.4896T(N.m)의 회전에너지가 1회전 동안 공급하는 형상이며,
도 16e는 1/2A*1.4h의 전기에너지를 7개 생산하는 형상으로
도 16d와 16e를 종합하여 서술하면,
"효율이 70%이며 출력이 7개인 7상 발전기에
평균 1.4896T(N.m)의 회전에너지를 공급하면,
(1/2A*2h)*0.7=0.7Ah의 출력이 7개 발생하며, 전체 누적값은 0.7Ah*7=4.9Ah이다."
도 17은 개별권을 13개로 배열한 다상 발전기(20)의 입력인 회전에너지와 출력인 전기에너지 그리고 전체 누적값을 설명하는 도면으로, 다상 발전기(20)는 비자성체이며 비금속 재질로서, 회전축에 부착되며, 가로(W), 세로(H1), 높이(L)를 갖는 복수개의 자석에서, 세로(H1)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하여, 외측면에 일정한 간격으로 하여 부착하는 회전자와, 상기 회전자의 회전반경 외측에 일정 간격의 공극을 유지하고, 비자성체이며 비금속 재질로서, 가로(W), 세로(H2), 높이(L)의 슬롯과, 각 슬롯 내부에 실장하는 개별권으로 권선한 발전코일뭉치에서, 세로(H2)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하고, 슬롯의 단면적 축소로 인하여 확보되는 고정자의 빈공간에 일정한 갯수의 슬롯을 포함하고, 그 슬롯 내부에 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 실장하는 고정자와 그 고정자를 감싸는 고정자 커버로 구성을 하는데, 발전기의 수직선상을 2등분 하여 형성되는 좌측의 자력과 우측의 자력이 서로를 상쇄하도록, 몸체 내부에 상기 자석의 수보다 적어도 하나 많은 갯수로 슬롯을 포함하여, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 구성하였으며,
도 17a는 개별권을 13개로 배열한 다상 발전기(20)로, 일정속도 v로 회전하는 상태의 도면이며,
도 17b는 1회전 동안에 13개의 전압 파형과 평균 1.4896a(W)의 합성출력을 도시한 것이며,
도 17c는 "C"를 확대한 도면으로, 13개의 위상차이는 360/13도와 합성출력의 최대값은 1,5a(W)로 최소값은 1.4792a(W)로 평균값은 1.4896a(W)를 도시한 도면이며,
도 17d는 입력으로 합성출력의 평균값과 크기가 동일한 1.4896T(N.m)의 회전에너지가 1회전 동안 공급하는 형상이며,
도 17e는 1/4A*2.8h의 전기에너지를 13개 생산하는 형상으로
도 17d와 17e를 종합하여 서술하면,
"효율이 70%이며 출력이 13개인 13상 발전기에
평균 1.4896T(N.m)의 회전에너지를 공급하면,
(1/4A*4h)*0.7=0.7Ah의 출력이 13개 발생하며, 전체누적값은 0.7Ah*13=9.1Ah이다."
상기에서 설명한 도 15, 16, 17에 입력과 출력을 표 9로 정리한다.
구분 효율이 70%인 다상 발전기

출력
 출력 수량 3 7 13
1개의 순시누적값 0.7Ah 0.7Ah 0.7Ah
전체 누적값 2.1Ah 4.9Ah 9.1Ah
입력 회전에너지 T(N.m) 평균값 1.4896
이상으로 다상 발전기의 입력과 출력에 대하여 설명을 하였다. 상기에서 서술하였듯이 다상 발전기(20)는 가로(W), 세로(H1), 높이(L)를 갖는 복수개의 자석에서, 세로(H1)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하여, 외측면에 일정한 간격으로 하여 부착하는 회전자와, 상기 회전자의 회전반경 외측에 일정 간격의 공극을 유지하고, 비자성체이며 비금속 재질로서, 가로(W), 세로(H2), 높이(L)의 슬롯과, 각 슬롯 내부에 실장하는 개별권으로 권선한 발전코일뭉치에서, 세로(H2)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하고, 슬롯의 단면적 축소로 인하여 확보되는 고정자의 빈공간에 일정한 갯수의 슬롯을 포함하고, 그 슬롯 내부에 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 실장하는 고정자와 그 고정자를 감싸는 고정자 커버로 구성을 하는데, 발전기의 수직선상을 2등분 하여 형성되는 좌측의 자력과 우측의 자력이 서로를 상쇄하도록, 몸체 내부에 상기 자석의 수보다 적어도 하나 많은 갯수로 슬롯을 포함하여, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 구성을 반복할수록 동일한 입력에서 전체누적값은 증가한다.
이하에서부터, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 서술하는데,
도 18~20은 전동기의 소비전력보다 다상 발전기의 출력을 많게 하는 본 발명의 제 1 실시예에 대하여 설명하고,
도 21~24은 전동기의 소비전력보다 다상 발전기의 출력을 많게 하는 본 발명의 제 2 실시예에 대하여 설명하고,
도 25~28은 전동기의 소비전력보다 다상 발전기의 출력을 많게 하는 본 발명의 제 3 실시예에 대하여 설명하고,
도 29 본 발명의 과제인 화력발전에서 생산하는 전기에너지와 병렬운전하는 제 4 실시예를 설명한다.
또한, 실시예에 대하여 서술하기 이전에 우선, 전동기와 발전기 그리고 정류기, 2차전지, 인버터, 무부하 전기에너지 그리고 변압기에 대하여 적용하는 효율에 대해 서술한다.
상기에서 서술한 기기들의 효율은 각각의 제조사마다 상의하고,
또한, 효율의 적용에 따라서 결과치가 상의하므로,
각각의 기기들에 효율을 제시하기는 어려움이 있다.
그러나, 다상 발전동기의 결과에 대한 결과치를 제시하여야 본 발명의 과제에 대한 결과를 산출할 수 있으므로,
전동기와 발전기는 효율을 각각 70%로 적용하고, 정류기, 축전지와 인버터 그리고 무부하 전기에너지를 종합하여 효율을 80%로 적용하고, 변압기는 효율을 90%로 적용하기로 한다.
예를 들면, 전동기는 "a(W)"의 전기에너지를 회전에너지로 변환하는 과정에서 손실이 30%가 발생하고, 발전기는 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 과정에서 30%의 손실이 발생하여,
발전기에서 생산하는 전기에너지는 a(W)*0.7*0.7=0.49a(W)로 표시하며,
2차 전지와 인버터 그리고, 도 2에서 서술한 무부하 전기에너지를 종합하여 20%의 손실이 발생하여 0.49a(W)*0.8=0.392a(W)로,
변압기는 10%의 손실이 발생하여 0.392a(W)*0.9=0.3528a(W)로,
즉 초기 입력은 a(W)이나 에너지의 변환과정에서 손실로 인하여 0.3528a(W)의 출력이 발생하는 것으로, 이는 순시값 및 순시 누적값에 대한 결과이며, 전체 누적값에 대하여는 실시예에서 후술하기로 하며, 적용하는 효율에 대하여 표 10으로 정리한다.
구 분 전동기 발전기 정류기,2차전지,인버터
,무부하 전기에너지		 변압기 종합효율
적용효율 70% 70% 80% 90% 0.7*0.7*0.8*0.9=35.28%
참고로, 전동기는 90% 이상의 초고효율을 목표로 국가적으로 막대한 지원 아래 각각의 제조사에서 많은 투자와 연구가 진행중에 있으며,
본 발명에 적용하는 다상 발전기는 효율을 증가시키기 위하여,
특허등록 10-1155124호 14~15쪽에 서술하였듯이 전동뭉치에서 고정자의 전동코일을 연속적으로 여자시킴을 방지하고,
특허등록 10-1384596호 17쪽에 서술하였듯이 자력이 서로 상쇄하도록 배열을 하며,
특허등록 10-1342481호 3쪽 7행에 서술하였듯이 고정자를 비자성체이며 비금속인 재질을 사용하고,
특허등록 10-1218474호 10쪽에 서술하였듯이 회전자를 비중이 1.1~1.3인 비자성체이며 비금속인 재질을 사용하여 중량을 감소시켰다.
그리고 정류기, 축전지, 인버터, 변압기도 효율을 증가시키기 위하여, 많은 지원으로 제조사들의 많은 투자와 연구가 진행중에 있으며,
이하에서부터 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 서술한다.
도 18, 19, 20은 전동기의 소비전력보다 다상 발전기의 출력을 많게 하는 제 1 실시예이다.
도 18a는 제 1실시예의 구성도로, 전기에너지를 회전에너지로 변환하는 전동기(10)와, 전동기의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 다상 발전기(20)와, 다상 발전기(20)가 생산하는 교류전기를 직류로 변환하는 정류기(30)와, 변환된 직류의 전기에너지를 축적하며, 동시에 직류로 출력하는 2차 전지(40)와, 2차 전지(40)에서 출력하는 직류전기를 교류로 변환하는 인버터(50)와, 인버터(50)에 의하여 변환된 교류전기를 제어하는 컨트롤러(60)로 구성을 하는데,
전동기(10)와 다상 발전기(20)는 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결하고, 다상 발전기(20)와 정류기(30), 정류기(30)와 2차 전지(40), 2차 전지(40)와 인버터(50), 인버터(50)와 컨트롤러(60), 컨트롤러(60)와 전동기(10)는 전기적으로 연결을 한다. 이때에,
전동기(10)는 전류가 흐르는 도체가 자기장에서 받는 힘을 이용하여 전기 에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치로, 전원의 종류에 따라 직류 전동기와 교류 전동기로 분류되며, 교류 전동기는 다시 3상 교류용과 단상 교류용으로 구분하는 것으로 설명은 3상 유도전동기로 하며, 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이 바람직하며,
정류기(30)는 브릿지 다이오드를 이용하여 교류를 직류(맥류)로 변환하는 것으로 다상 발전기(20) 출력의 개소와 동일하게 하여야 한다.
2차 전지(40)는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜는 기기로 연 축전지, 리튬이온전지등 다양하며, 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이 바람직하며,
인버터(50)는 반도체로 구성하여 직류를 교류로 변화하면서 동시에 주파수를 설정하는 기기로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이 바람직하며,
연결대(15)는 전동기(10)와 다상 발전기(20)을 기계적으로 회전축을 연결하여 일체화하는 것으로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 비중이 낮은 비금속으로 하는 것이 바람직하며,
변압기(70)는 상호 유도 원리를 이용하여 교류 전압을 더 높이거나 낮추는 데 사용되는 기기로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이 바람직하며,
다상 발전기(20)는 비자성체이며 비금속 재질로서, 회전축에 부착되며, 가로(W), 세로(H1), 높이(L)를 갖는 복수개의 자석으로 구성하는 회전자와, 비자성체이며 비금속 재질로서, 가로(W), 세로(H2), 높이(L)의 슬롯과, 각 슬롯 내부에 실장하는 개별권으로 권선한 발전코일뭉치로 이루어지는 고정자와, 그 고정자를 감싸는 고정자 커버로 구성하되, 발전기의 수직선상을 2등분 하여 형성되는 좌측의 자력과 우측의 자력이 서로를 상쇄하도록, 몸체 내부에 상기 자석의 수보다 적어도 하나 많은 갯수로 슬롯을 포함하여, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 구성을 하는데 본 도면에서는 출력을 3개로 구성을 하였으며,
도 18b는 전동기(10)와 다상 발전기(20)은 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결한 측면도이다.
도 18c는 본 발명의 기동 순서도로, 컨트롤러(60)는 2차 전지(40)의 정상일 경우에 직류전기를 교류로 변환하는 인버터(50)에 전기에너지를 공급하고, 인버터는 직류전기를 교류로 변환하여 전동기(10)에 전기에너지를 공급하면 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결한 다상 발전기(20)를 구동을 하여 전기에너지를 발생하는데, 교류전기를 직류로 변환하는 정류기(30)를 거처, 변환된 직류의 전기에너지를 축적하며, 동시에 직류로 출력하는 2차 전지로, 2차 전지에서 출력하는 직류전기를 교류로 변환하는 인버터와, 인버터에 의하여 변환된 교류전기를 제어하는 컨트롤러에 의하여 전동기와 외부의 부하에 전기에너지를 공급하는데,
컨트롤러(60)는 전동기의 소모전력과 다상 발전기의 출력을 비교하여,
전동기의 소모전력보다 다상 발전기의 출력이 적을 경우에는 컨트롤러에 내장한 스위치를 차단하여 전동기를 정지시키고,
전동기의 소모전력보다 다상 발전기의 출력이 많을 경우에는 컨트롤러에 내장한 스위치를 연결하여 전동기와 외부의 부하에 전기에너지를 공급하는 것으로, 본 도는 기동을 시작하였다.
도 19a는 전동기(10)와 다상 발전기(20)는 연결대(15)로 하에 기계적으로 연결된 상태로 일정속도 v로 회전하는 정상운전 상태로 전동기는 입력인 전기에너지를 회전에너지로 변환하는 상태이며, 다상 발전기(20)는 회전에너지를 전기에너지로 변환하여 출력을 발생하는 것으로,
도 19b는 전동기(10)의 입력으로 전동기는 Ah*3=3Ah의 전기에너지를 소모하는 것이며,
도 19c에서 전동기의 출력과 동시에 발전기의 입력으로 평균 1,4896T(N.m)의 회전에너지를 발생하며,
도 19d는 출력이 3개인 다상 발전기(20)의 출력으로 전동기와 다상 발전기의 효율을 각각 70%로 적용하여 출력 1개에 대한 순시누적값은 (A*h)*0.7*0.7=0.49Ah 이며, 전체누적값은 0.49Ah*3=1.47Ah이며,
도 19를 종합하여 서술하면 전동기(10)와 출력이 3개소인 다상 발전기(20)를 연결대(15)로 하에 기계적으로 연결된 상태로 일정속도 v로 회전하면, 전동기(10)는 3Ah의 전기에너지를 소모하며, 출력이 3개소인 다상 발전기(20)는 1.47Ah의 전기에너지를 생산하는 것으로, 결과치로 서술하면 다상 발전기(20)에서 출력을 3개로 구성하면 1.53Ah의 전기에너지를 소모하는 결과가 발생하며, 이를 표 11로 정리한다.
구 분 출력이 3개인 다상 발전기
입력 전기에너지 3Ah
출력 전기에너지(전체누적값) 1.47Ah
전기에너지 생산량 -
결 과 전기에너지 소모기기
도 20은 제 1 실시예에 의하여 전기에너지의 흐름도를 도시한 도면이다.
컨트롤러(60)는 2차 전지(40)의 정상일 경우에 직류전기를 교류로 변환하는 인버터(50)에 전기에너지를 공급하고, 인버터는 직류전기를 교류로 변환하여 3Ah의 전기에너지를 전동기(10)에 전기에너지를 공급하면 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결한 다상 발전기(20)를 구동을 하여 1.47Ah의 전기에너지를 발생하는데,
컨트롤러(60)는 전동기(10)의 소모전력과 다상 발전기(20)의 출력을 비교하여, 전동기(10)의 소모전력보다 다상 발전기(20)의 출력이 적으므로 이차 전지(40)의 방전을 방지하기 위하여 내장한 스위치를 차단하여 전동기를 정지하였다.
즉, 전기에너지를 획득하기 위하여, 전기에너지와 화석연료를 동시에 사용하면서 공해를 발생하는 종합효율이 17%인 화력발전소의 문제점을 해결하는 것으로 화력발전소와 병렬운전하는 것이 해결하고자 하는 과제이나, 다상 발전기(20)의 출력을 3개소로 구성하면 전동기의 소모전력보다 다상 발전기의 출력이 1.53Ah 적어 본 과제를 해결할 수 없는 추가의 문제점이 발생하였다.
도 21, 22, 23, 24는 전동기의 소비전력보다 다상 발전기의 출력을 많게 하는 것으로 제 1 실시예의 문제점을 해결하기 위한 제 2 실시예로,
도 21은 전기에너지를 회전에너지로 변환하는 전동기(10)와, 전동기의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 다상 발전기(20)와, 다상 발전기(20)가 생산하는 교류전기를 직류로 변환하는 정류기(30)와, 변환된 직류의 전기에너지를 축적하며, 동시에 직류로 출력하는 2차 전지(40)와, 2차 전지(40)에서 출력하는 직류전기를 교류로 변환하는 인버터(50)와, 인버터(50)에 의하여 변환된 교류전기를 제어하는 컨트롤러(60)로 구성을 하는데,
전동기(10)와 다상 발전기(20)는 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결하고, 다상 발전기(20)와 정류기(30), 정류기(30)와 2차 전지(40), 2차 전지(40)와 인버터(50), 인버터(50)와 컨트롤러(60), 컨트롤러(60)와 전동기(10)는 전기적으로 연결을 한다. 이때에,
전동기(10)는 전류가 흐르는 도체가 자기장에서 받는 힘을 이용하여 전기 에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치로, 전원의 종류에 따라 직류 전동기와 교류 전동기로 분류되며, 교류 전동기는 다시 3상 교류용과 단상 교류용으로 구분하는 것으로 설명은 3상 유도전동기로 하며, 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이 바람직하며,
정류기(30)는 브릿지 다이오드를 이용하여 교류를 직류(맥류)로 변환하는 것으로 다상 발전기(20) 출력의 개소와 동일하게 하여야 한다.
2차 전지(40)는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜는 기기로 연 축전지, 리튬이온전지등 다양하며, 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이 바람직하며,
인버터(50)는 반도체로 구성하여 직류를 교류로 변화하면서 동시에 주파수를 설정하는 기기로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이 바람직하며,
연결대(15)는 전동기(10)와 다상 발전기(20)을 기계적으로 회전축을 연결하여 일체화하는 것으로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 비중이 낮은 비금속으로 하는 것이 바람직하며,
변압기(70)는 상호 유도 원리를 이용하여 교류 전압을 더 높이거나 낮추는 데 사용되는 기기로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이 바람직하며,
다상 발전기(20)는 비자성체이며 비금속 재질로서, 회전축에 부착되며, 가로(W), 세로(H1), 높이(L)를 갖는 복수개의 자석에서, 세로(H1)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하여, 외측면에 일정한 간격으로 하여 부착하는 회전자와, 상기 회전자의 회전반경 외측에 일정 간격의 공극을 유지하고, 비자성체이며 비금속 재질로서, 가로(W), 세로(H2), 높이(L)의 슬롯과, 각 슬롯 내부에 실장하는 개별권으로 권선한 발전코일뭉치에서, 세로(H2)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하고, 슬롯의 단면적 축소로 인하여 확보되는 고정자의 빈공간에 일정한 갯수의 슬롯을 포함하고, 그 슬롯 내부에 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 실장하는 고정자와 그 고정자를 감싸는 고정자 커버로 구성을 하는데,
발전기의 수직선상을 2등분 하여 형성되는 좌측의 자력과 우측의 자력이 서로를 상쇄하도록, 몸체 내부에 상기 자석의 수보다 적어도 하나 많은 갯수로 슬롯을 포함하여, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 구성한 것으로, 본 도면에서는 출력을 7개로 구성을 하였으며,
도 21b는 전동기(10)와 다상 발전기(20)은 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결한 측면도이다.
도 21c는 본 발명의 기동 순서도로, 컨트롤러(60)는 2차 전지(40)의 정상일 경우에 직류전기를 교류로 변환하는 인버터(50)에 전기에너지를 공급하고, 인버터는 직류전기를 교류로 변환하여 전동기(10)에 전기에너지를 공급하면 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결한 다상 발전기(20)를 구동을 하여 전기에너지를 발생하는데, 교류전기를 직류로 변환하는 정류기(30)를 거처, 변환된 직류의 전기에너지를 축적하며, 동시에 직류로 출력하는 2차 전지로, 2차 전지에서 출력하는 직류전기를 교류로 변환하는 인버터와, 인버터에 의하여 변환된 교류전기를 제어하는 컨트롤러에 의하여 전동기와 외부의 부하에 전기에너지를 공급하는데, 다상 발전기(20)의 출력개소와 동일한 수량으로 정류기(30)를 설치하여야 하며
컨트롤러는 전동기의 소모전력과 다상 발전기의 출력을 비교하여,
전동기의 소모전력보다 다상 발전기의 출력이 적을 경우에는 컨트롤러에 내장한 스위치를 차단하여 전동기를 정지시키고,
전동기의 소모전력보다 다상 발전기의 출력이 많을 경우에는 컨트롤러에 내장한 스위치를 연결하여 전동기와 외부의 부하에 전기에너지를 공급하는 것으로, 본 도는 기동을 시작하였다.
도 22a는 전동기(10)와 다상 발전기(20)는 연결대(15)로 하에 기계적으로 연결된 상태로 일정속도 v로 회전하는 정상운전 상태로 전동기는 입력인 전기에너지를 회전에너지로 변환하는 상태이며, 다상 발전기(20)는 회전에너지를 전기에너지로 변환하여 출력을 발생하는 것으로,
도 22b는 전동기(10)의 입력으로 전동기는 Ah*3=3Ah의 전기에너지를 소모하는 것이며,
도 22c에서 전동기의 출력과 동시에 발전기의 입력으로 평균 1,4896T(N.m)의 회전에너지를 발생하며,
도 22d는 출력이 7개인 다상 발전기(20)의 출력으로 전동기와 다상 발전기의 효율을 각각 70%로 적용하여 출력 1개에 대한 순시누적값은 1/2A*0.96h=0.49Ah 이며, 전체누적값은 0.49Ah*7=3.43Ah이다.
도 22를 종합하여 서술하면 전동기(10)와 출력이 7개소인 다상 발전기(20)를 연결대(15)로 하에 기계적으로 연결된 상태로 일정속도 v로 회전하면, 전동기(10)는 3Ah의 전기에너지를 소모하며, 출력이 7개소인 다상 발전기(20)는 3.43Ah의 전기에너지를 생산하는 것으로, 결과치로 서술하면 다상 발전기(20)에서 출력을 7개로 구성하면 3.43Ah-3Ah=0.43Ah의 전기에너지를 생산하는 결과가 발생하며, 이를 표 12로 정리한다.
구 분 출력이 7개인 다상 발전기
입력 전기에너지 3Ah
출력 전기에너지(전체누적값) 3.43Ah
전기에너지 생산량 0.43Ah
결 과 전기에너지 생산기기
그러나, 본 발명은 전기에너지를 획득하기 위하여, 전기에너지와 화석연료를 동시에 사용하면서 공해를 발생하는 종합효율이 17%인 화력발전소의 문제점을 해결하는 것으로 화력발전소와 병렬운전하는 것이 해결하고자 하는 과제이므로, 발전기의 병렬운전 조건에 관하여 서술하면,
1. 정격 전압이 같을 것(무효순환전류의 흐름 방지),
2. 위상이 일치할 것(동기화 전류 흐름),
3. 정격 주파수가 같을 것(난조의 원인)등,
크게 3가지 요건이 충족하여야 병렬운전이 가능하며, 우선 위상을 일치하게 하고 주파수를 같게 하여야 한다. 참고로, 정격주파수는 국가마다 상이하며, 한국은 정격주파수를 60Hz로 규정하고 있다.
도 23은 위상을 일치하게 하고 주파수를 같게 하는 것으로, 도 22d의 출력이 7개인 다상 발전기(20)의 전체누적값은 7*0.49Ah=3.43Ah을, 정류기(30)로 직류로 변환한 후, 2차 전지(40)를 거처 인버터(50)에서 3상(R, S, T)으로 변환하는 과정을 진행하여야 3상 선로에 병렬로 연결할 수 있으므로, 전술한 바와 같이 정류기, 축전지 그리고 인버터의 효율을 80%로 적용하기로 하였으므로,
전체 누적값 3.43Ah*0.8로 2,744Ah이며, 이를 R, S, T상으로 3등분 하여 반올림하여 2.744Ah/3≒0.915Ah로 이를 표 13으로 정리한다.
구 분 출력이 7개인 다상 발전기
입력 전기에너지 3Ah
출력 전기에너지(전체누적값) 3.43Ah
정류기, 2차전지, 인버터 변환후
출력 전기에너지(전체누적값)		 2.744Ah
전기 생산량 -
결 과 전기에너지 소모기기
도 24는 제 2 실시예의 결과에 의하여 전기에너지의 흐름도를 도시한 도면으로, 컨트롤러(60)는 2차 전지(40)의 정상일 경우에 직류전기를 교류로 변환하는 인버터(50)에 전기에너지를 공급하고, 인버터는 직류전기를 교류로 변환하여 3Ah의 전기에너지를 전동기(10)에 전기에너지를 공급하면 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결한 다상 발전기(20)를 구동을 하여 3.43Ah의 전기에너지를 발생하는데,
본 발명의 과제를 해결하기 위하여, 위상을 일치하게 하고 주파수를 같게 하려고 정류기(30)로 직류로 변환한 후, 2차 전지(40)를 거처 인버터(50)에서 3상(R, S, T)으로 변환하는 과정에서 손실이 20% 발생하여, 출력이 7개인 다상 발전기(20)의 전체누적값 3.43Ah*0.8로 2,744Ah이며, 이를 R, S, T상으로 3등분 하여 반올림하여 2.744Ah/3≒0.915Ah로 되며,
전동기(10)의 소모전력 3Ah이고 출력이 7개소인 다상 발전기(20)의 전체누적값은 2.744Ah로, 컨트롤러(60)는 전동기(10)의 소모전력과 출력이 7개소인 다상 발전기(20)의 출력을 비교하여, 전동기의 3Ah의 소모전력보다 다상 발전기의 출력이 3Ah-2.744Ah=0.256Ah적으므로 2차 전지(40)의 방전을 방지하기 위하여 컨트롤러에 내장한 스위치를 차단하여 전동기가 정지하였다.
즉, 전기에너지를 획득하기 위하여, 전기에너지와 화석연료를 동시에 사용하면서 공해를 발생하는 종합효율이 17%인 화력발전소의 문제점을 해결하는 것으로 화력발전소와 병렬운전하는 것이 해결하고자 하는 과제로, 다상 발전기(20)의 출력을 7개소로 구성을 하였으나, 전동기(10)의 소모전력보다 다상 발전기(20)의 출력이 0.256Ah 적어 본 과제를 해결할 수 없는 추가의 문제점이 또다시 발생하였다.
도 25, 26, 27, 28은 전동기의 소비전력보다 다상 발전기의 출력을 많게 하는 것으로 제 2 실시예의 문제점을 해결하기 위한 제 3 실시예로,
도 25는 전기에너지를 회전에너지로 변환하는 전동기(10)와, 전동기의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 다상 발전기(20)와, 다상 발전기(20)가 생산하는 교류전기를 직류로 변환하는 정류기(30)와, 변환된 직류의 전기에너지를 축적하며, 동시에 직류로 출력하는 2차 전지(40)와, 2차 전지(40)에서 출력하는 직류전기를 교류로 변환하는 인버터(50)와, 인버터(50)에 의하여 변환된 교류전기를 제어하는 컨트롤러(60)로 구성을 하는데,
전동기(10)와 다상 발전기(20)는 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결하고, 다상 발전기(20)와 정류기(30), 정류기(30)와 2차 전지(40), 2차 전지(40)와 인버터(50), 인버터(50)와 컨트롤러(60), 컨트롤러(60)와 전동기(10)는 전기적으로 연결을 한다. 이때에,
전동기(10)는 전류가 흐르는 도체가 자기장에서 받는 힘을 이용하여 전기 에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치로, 전원의 종류에 따라 직류 전동기와 교류 전동기로 분류되며, 교류 전동기는 다시 3상 교류용과 단상 교류용으로 구분하는 것으로 설명은 3상 유도전동기로 하며, 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이 바람직하며,
정류기(30)는 브릿지 다이오드를 이용하여 교류를 직류(맥류)로 변환하는 것으로 다상 발전기(20) 출력의 개소와 동일하게 하여야 한다.
2차 전지(40)는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시켜는 기기로 연 축전지, 리튬이온전지등 다양하며, 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이 바람직하며,
인버터(50)는 반도체로 구성하여 직류를 교류로 변화하면서 동시에 주파수를 설정하는 기기로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이 바람직하며,
연결대(15)는 전동기(10)와 다상 발전기(20)을 기계적으로 회전축을 연결하여 일체화하는 것으로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 비중이 낮은 비금속으로 하는 것이 바람직하며,
변압기(70)는 상호 유도 원리를 이용하여 교류 전압을 더 높이거나 낮추는 데 사용되는 기기로 본 발명에서는 특별히 한정하지는 않으나 효율이 증가한 것을 사용하는 것이 바람직하며,
다상 발전기(20)는 비자성체이며 비금속 재질로서, 회전축에 부착되며, 가로(W), 세로(H1), 높이(L)를 갖는 복수개의 자석으로 구성하는 회전자와, 비자성체이며 비금속 재질로서, 가로(W), 세로(H2), 높이(L)의 슬롯과, 각 슬롯 내부에 실장하는 개별권으로 권선한 발전코일뭉치로 이루어지는 고정자와, 그 고정자를 감싸는 고정자 커버로 구성하되, 발전기의 수직선상을 2등분 하여 형성되는 좌측의 자력과 우측의 자력이 서로를 상쇄하도록, 몸체 내부에 상기 자석의 수보다 적어도 하나 많은 갯수로 슬롯을 포함하여, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 구성을 하는데 출력을 7개로 구성한 다상 발전기(20)를 비자성체이며 비금속 재질로서, 회전축에 부착되며, 가로(W), 세로(H1), 높이(L)를 갖는 복수개의 자석에서, 세로(H1)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하여, 외측면에 일정한 간격으로 하여 부착하는 회전자와, 상기 회전자의 회전반경 외측에 일정 간격의 공극을 유지하고, 비자성체이며 비금속 재질로서, 가로(W), 세로(H2), 높이(L)의 슬롯과, 각 슬롯 내부에 실장하는 개별권으로 권선한 발전코일뭉치에서, 세로(H2)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하고, 슬롯의 단면적 축소로 인하여 확보되는 고정자의 빈공간에 일정한 갯수의 슬롯을 포함하고, 그 슬롯 내부에 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 실장하는 고정자와 그 고정자를 감싸는 고정자 커버로 구성을 하는데,
발전기의 수직선상을 2등분 하여 형성되는 좌측의 자력과 우측의 자력이 서로를 상쇄하도록, 몸체 내부에 상기 자석의 수보다 적어도 하나 많은 갯수로 슬롯을 포함하여, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 구성한 것으로, 본 도면에서는 출력을 13개로 구성을 하였으며, 다상 발전기(20)의 출력개소와 동일한 수량으로 정류기(30)를 설치하여야 하며,
도 25b는 전동기(10)와 다상 발전기(20)은 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결한 측면도이다.
도 25c는 본 발명의 기동 순서도로, 컨트롤러(60)는 2차 전지(40)의 정상일 경우에 직류전기를 교류로 변환하는 인버터(50)에 전기에너지를 공급하고, 인버터는 직류전기를 교류로 변환하여 전동기(10)에 전기에너지를 공급하면 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결한 다상 발전기(20)를 구동을 하여 전기에너지를 발생하는데, 교류전기를 직류로 변환하는 정류기(30)를 거처, 변환된 직류의 전기에너지를 축적하며, 동시에 직류로 출력하는 2차 전지로, 2차 전지에서 출력하는 직류전기를 교류로 변환하는 인버터와, 인버터에 의하여 변환된 교류전기를 제어하는 컨트롤러에 의하여 전동기와 외부의 부하에 전기에너지를 공급하는데,
컨트롤러는 전동기의 소모전력과 다상 발전기의 출력을 비교하여,
전동기의 소모전력보다 다상 발전기의 출력이 적을 경우에는 컨트롤러에 내장한 스위치를 차단하여 전동기를 정지시키고,
전동기의 소모전력보다 다상 발전기의 출력이 많을 경우에는 컨트롤러에 내장한 스위치를 연결하여 전동기와 외부의 부하에 전기에너지를 공급하는 것으로, 본 도는 기동을 시작하였다.
도 26a는 전동기(10)와 출력을 13개로 구성한 다상 발전기(20)는 연결대(15)로 하에 기계적으로 연결된 상태로 일정속도 v로 회전하는 정상운전 상태로 전동기는 입력인 전기에너지를 회전에너지로 변환하는 상태이며, 다상 발전기(20)는 회전에너지를 전기에너지로 변환하여 출력을 발생하는 것으로,
도 26b는 전동기(10)의 입력으로 전동기는 Ah*3=3Ah의 전기에너지를 소모하는 것이며,
도 26c에서 전동기의 출력과 동시에 발전기의 입력으로 평균 1,4896T(N.m)의 회전에너지를 발생하며,
도 26d는 출력이 13개인 다상 발전기(20)의 출력으로 전동기와 다상 발전기의 효율을 각각 70%로 적용하여 출력 1개에 대한 순시누적값은 1/4A*1.96h=0.49Ah 이며, 전체누적값은 0.49Ah*13=6.37Ah이다.
도 26을 종합하여 서술하면 전동기(10)와 출력이 13개소인 다상 발전기(20)를 연결대(15)로 하에 기계적으로 연결된 상태로 일정속도 v로 회전하면, 전동기(10)는 3Ah의 전기에너지를 소모하며, 출력이 13개소인 다상 발전기(20)는 6.37Ah의 전기에너지를 생산하는 것으로, 결과치로 서술하면 다상 발전기(20)에서 출력을 13개로 구성하면 6.37Ah-3Ah=3.37Ah의 전기에너지를 생산하는 결과가 발생하며, 이를 표 14로 정리한다.
구 분 출력이 13개인 다상 발전기
입력 전기에너지 3Ah
출력 전기에너지(전체누적값) 6.37Ah
전기에너지 생산량 3.37Ah
결 과 전기에너지 생산기기
그러나, 본 발명은 전기에너지를 획득하기 위하여, 전기에너지와 화석연료를 동시에 사용하면서 공해를 발생하는 종합효율이 24%인 화력발전소의 문제점을 해결하는 것으로 화력발전소와 병렬운전하는 것이 해결하고자 하는 과제이므로, 발전기의 병렬운전 조건에 관하여 서술하면,
1. 정격 전압이 같을 것(무효순환전류의 흐름 방지),
2. 위상이 일치할 것(동기화 전류 흐름),
3. 정격 주파수가 같을 것(난조의 원인)등,
크게 3가지 요건이 충족하여야 병렬운전이 가능하며, 우선 위상을 일치하게 하고 주파수를 같게 하여야 한다. 참고로 한국은 60Hz를 정격주파수로 적용하고 있다.
도 23은 위상을 일치하게 하고 주파수를 같게 하는 것으로, 도 22d의 출력이 13개인 다상 발전기(20)의 전체누적값 13*0.49Ah=6.37Ah을, 정류기(30)로 직류로 변환한 후, 2차 전지(40)를 거처 인버터(50)에서 3상(R, S, T)으로 변환하는 과정을 진행하여야 3상 선로에 병렬로 연결할 수 있으므로, 전술한 바와 같이 정류기, 축전지 그리고 인버터의 효율을 80%로 적용하기로 하였으므로,
전체 누적값 6.37Ah*0.8로 5.096Ah이며, 이를 R, S, T상으로 3등분 하여 반올림하여 5.096Ah/3≒1.699Ah로 이를 표 15로 정리한다.
구 분 출력이 13개인 다상 발전기
입력 전기에너지 3Ah
출력 전기에너지(전체누적값) 6.37Ah
정류기, 2차전지, 인버터 변환후
출력 전기에너지(전체누적값)		 5.096Ah
전기에너지 생산량 5.096Ah-3Ah=2.096Ah
결 과 전기에너지 생산기기
도 28은 제 3 실시예의 결과에 의하여 전기에너지의 흐름도를 도시한 도면으로, 컨트롤러(60)는 2차 전지(40)의 정상일 경우에 직류전기를 교류로 변환하는 인버터(50)에 전기에너지를 공급하고, 인버터는 직류전기를 교류로 변환하여 3Ah의 전기에너지를 전동기(10)에 전기에너지를 공급하면 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결한 다상 발전기(20)를 구동하여 (1/4A*1.69h)*13=6.37Ah의 전기에너지를 발생하며,
본 발명의 과제를 해결하기 위하여, 위상을 일치하게 하고 주파수를 같게 하려고 정류기(30)로 직류로 변환한 후, 2차 전지(40)를 거처 인버터(50)에서 3상(R, S, T)으로 변환하는 과정에서 손실이 20% 발생하여 전체누적값 6.37Ah*0.8로 각각의 순시누적값은 5.096Ah/3≒1.699Ah이며 전체누적값 5.096Ah를 컨트롤러(60)에 공급하는데,
컨트롤러(60)는 전동기(10)의 소모전력과 출력이 13개소인 다상 발전기(20)의 출력을 비교하여, 전동기의 3Ah의 소모전력보다 다상 발전기의 출력이 5.096Ah-3Ah=2.096Ah 많으므로 컨트롤러에 내장한 스위치를 연결하여 3Ah의 전기에너지는 전동기(10)에 공급하고, 2.096Ah의 전기에너지는 부하에 공급하는데 이를 R, S, T상으로 3등분 하여 반올림하여 2.096Ah/3≒0.699Ah로 되며, 3Ah의 전기에너지를 공급받는 전동기(10)는 24시간 연속적으로 운전을 진행한다.
즉, 전기에너지를 획득하기 위하여, 전기에너지와 화석연료를 동시에 사용하면서 공해를 발생하는 종합효율이 17%인 화력발전소의 문제점을 해결하는 것으로 화력발전소와 병렬운전하는 것이 해결하고자 하는 과제로, 다상 발전기(20)의 출력을 13개소로 구성을 하였더니, 전동기(10)의 소모전력보다 다상 발전기(20)의 출력이 2.096Ah 많아, 전동기(10)는 24시간 연속적으로 운전을 진행하여 본 과제를 해결할 수 있으며, 이를 표 16으로 정리한다.
구분 ①번
3상전동기 공급		 ②번
다상발전기 출력		 ③번
인버터 출력		 ④번
부하 공급량
R 1Ah
1/4A*1.96h*13=6.37Ah
 1.699Ah 0.699Ah
S 1Ah 1.699Ah 0.699Ah
T 1Ah 1.699Ah 0.699Ah
소계 3Ah 6.37Ah 5.097Ah 2.097Ah
도 29는 본 발명의 과제인 화력발전에서 생산하는 전기에너지와 병렬운전하는 제 4 실시예이다.
본 도면은 화력발전소에서 생산하는 전기에너지와 병렬운전하는 방법에 관한 것으로, 전술한 바와 같이 병렬운전의 조건으로 정격전압을 동일하게 하여야 하는 것으로 변압기를 사용하여 정격전압을 화력발전소에서 생산하는 전기에너지의 정격전압과 동일하게 하는 것으로 전동기(10)의 소모전력보다 다상 발전기(20)의 출력이 2.096Ah 많은 ④번의 전기에너지는 변압기의 효율을 90%로 적용하기로 한 것으로 변압하는 과정에서 10%의 손실이 발생하여 화력발전소에서 생산하는 전기에너지에 병렬로 연결하되,
다상 발전기(20)에서 24시간 연속적으로 공급하는 전기에너지는 ⑤번의 2.096Ah*0.9=1.887Ah를 공급하는 것이며, 본 설명은 변압기를 사용하여 정격전압을 동일하게 하는 것으로 설명을 하였으나 변압기를 사용함으로 인하여 손실이 발생하므로 다상 발전기(20)에서 정격전압을 동일하게 하는 것이 바람직하다.
참고로, 상기의 표 10에서 적용한 효율이 실제의 효율과 차이가 있어,
전동기(10)의 소모전력보다 다상 발전기(20)의 출력이 적어지면 본 발명의 과제를 이룰 수가 없다.
그러나, 이때에는 다상 발전기(20)를 비자성체이며 비금속 재질로서, 회전축에 부착되며, 가로(W), 세로(H1), 높이(L)를 갖는 복수개의 자석에서, 세로(H1)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하여, 외측면에 일정한 간격으로 하여 부착하는 회전자와, 상기 회전자의 회전반경 외측에 일정 간격의 공극을 유지하고, 비자성체이며 비금속 재질로서, 가로(W), 세로(H2), 높이(L)의 슬롯과, 각 슬롯 내부에 실장하는 개별권으로 권선한 발전코일뭉치에서, 세로(H2)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하고, 슬롯의 단면적 축소로 인하여 확보되는 고정자의 빈공간에 일정한 갯수의 슬롯을 포함하고, 그 슬롯 내부에 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 실장하는 고정자와 그 고정자를 감싸는 고정자 커버로 구성을 하는데,
발전기의 수직선상을 2등분 하여 형성되는 좌측의 자력과 우측의 자력이 서로를 상쇄하도록, 몸체 내부에 상기 자석의 수보다 적어도 하나 많은 갯수로 슬롯을 포함하여, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 구성하고 다상 발전기(20)의 출력개소와 동일한 수량으로 정류기(30)를 설치하면,
전동기(10)의 소모전력보다 다상 발전기(20)의 출력이 많아진다.
즉, 상기에서 서술한 실시예를 반복하여 전동기(10)의 동일한 소비전력으로 다상 발전기(20)는 더욱 많은 전기에너지를 생산하도록 하여야 하며,
또한, 더욱 많은 전기에너지가 필요한 경우에도 상기에서 서술한 구성과 방법을 시행하여야 한다.
상기의 실시예에서 설명한 바와 같이, 전기에너지를 획득하기 위하여, 전기에너지와 화석연료를 동시에 사용하면서 공해를 발생하는 종합효율이 17%인 화력발전소의 문제점을 해결한 것으로 공해가 없고, 화석연료를 사용하지 않고 24시간 전기에너지를 생산하여 화력발전소와 병렬운전하는 과제를 달성하였다.
앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시 예를, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.
본 발명은 공해를 발생하지 않으며 24시간 연속적으로 전기에너지를 생산하는 방법으로 전기에너지가 필요한 장소에 사용할 수 있다.
10 : 전동기, 15 : 연결대, 20 : 다상 발전기, 30 : 정류기,
40 : 2차 전지, 50 : 인버터, 60 : 컨트롤러 70 : 변압기

Claims (4)

  1. 전기에너지를 회전에너지로 변환하는 전동기(10)와, 전동기의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 다상 발전기(20)와, 다상 발전기(20)가 생산하는 교류전기를 직류로 변환하는 정류기(30)와, 변환된 직류의 전기에너지를 축적하며, 동시에 직류로 출력하는 2차 전지(40)와, 2차 전지(40)에서 출력하는 직류전기를 교류로 변환하는 인버터(50)와, 인버터(50)에 의하여 변환된 교류전기를 제어하는 컨트롤러(60)로 구성을 하는데,

    전동기(10)와 다상 발전기(20)는 연결대(15)로 하여 기계적으로 연결하고, 다상 발전기(20)와 정류기(30), 정류기(30)와 2차 전지(40), 2차 전지(40)와 인버터(50), 인버터(50)와 컨트롤러(60), 컨트롤러(60)와 전동기(10)는 전기적으로 연결을 하며,

    다상 발전기(20)의 구성은
    비자성체이며 비금속 재질로서, 회전축에 부착되며,
    가로(W), 세로(H1), 높이(L)를 갖는 복수개의 자석으로 구성하는 회전자와,
    비자성체이며 비금속 재질로서, 가로(W), 세로(H2), 높이(L)의 슬롯과,
    각 슬롯 내부에 실장하는 개별권으로 권선한 발전코일뭉치로 이루어지는 고정자와,
    그 고정자를 감싸는 고정자 커버로 구성하되,
    발전기의 수직선상을 2등분 하여 형성되는 좌측의 자력과 우측의 자력이 서로를 상쇄하도록, 몸체 내부에 상기 자석의 수보다 적어도 하나 많은 갯수로 슬롯을 포함하여, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 구성하며,

    다상 발전기(20)의 출력구성은,
    다상 발전기(20)의 개별권에서 생산되는 전기에너지의 순시값과 순시누적값은 전동기(10)에서 소모하는 순시값과 순시누적값보다 적지만,

    다상 발전기(20)에서 개별권에서 생산되는 전기에너지의 순시누적값을 합산한 전체누적값은 전동기(10)에서 소모하는 순시누적값을 합산한 전체누적값보다 많게 구성하는 것을 특징으로 하는,

    공해를 발생하지 않고 화석연료를 사용하지 않으며 24시간 연속적으로 전기에너지를 생산하는 방법
  2. 제 1항에 있어서,
    다상 발전기(20)는 비자성체이며 비금속 재질로서, 회전축에 부착되며, 가로(W), 세로(H1), 높이(L)를 갖는 복수개의 자석에서,
    세로(H1)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하여, 외측면에 일정한 간격으로 하여 부착하는 회전자와,
    상기 회전자의 회전반경 외측에 일정 간격의 공극을 유지하고, 비자성체이며 비금속 재질로서, 가로(W), 세로(H2), 높이(L)의 슬롯과, 각 슬롯 내부에 실장하는 개별권으로 권선한 발전코일뭉치에서,
    세로(H2)는 동일하게 유지하고, 가로(W)를 일정배수로 감소하고, 높이(L)를 일정배수로 증가하고,
    슬롯의 단면적 축소로 인하여 확보되는 고정자의 빈공간에 일정한 갯수의 슬롯을 포함하고,
    그 슬롯 내부에 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 실장하는 고정자와 그 고정자를 감싸는 고정자 커버로 구성을 하는데,
    발전기의 수직선상을 2등분 하여 형성되는 좌측의 자력과 우측의 자력이 서로를 상쇄하도록, 몸체 내부에 상기 자석의 수보다 적어도 하나 많은 갯수로 슬롯을 포함하여, 개별권으로 권선한 발전코일뭉치를 구성하는 것을 특징으로 하는,
    공해를 발생하지 않고 화석연료를 사용하지 않으며 24시간 연속적으로 전기에너지를 생산하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    컨트롤러(60)는 다상 발전기(20)와 정류기(20)와 2차 전지(40)와 인버터(50)에 의하여 발생하는 전기에너지를 2차 전지(40)와 전동기(10)에 공급하고 잉여분의 전기에너지를 부하에 공급하는 것을 특징으로 하는,
    공해를 발생하지 않고 화석연료를 사용하지 않으며 24시간 연속적으로 전기에너지를 생산하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    정류기(30)는 다상 발전기(20)의 개별권으로 권선한 발전코일뭉치와 동일한 수량으로 하는 것을 특징으로 하는,
    공해를 발생하지 않고 화석연료를 사용하지 않으며 24시간 연속적으로 전기에너지를 생산하는 방법.
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KR102535113B1 (ko) 2022-08-26 2023-05-30 원제영 이차전지 충전시스템 및 방법

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