KR20180011681A

KR20180011681A - 가변 다중 브러시를 지닌 직류전동발전 장치

Info

Publication number: KR20180011681A
Application number: KR1020160094397A
Authority: KR
Inventors: 주남식; 나필찬
Original assignee: 나필찬; 주남식
Priority date: 2016-07-25
Filing date: 2016-07-25
Publication date: 2018-02-02
Also published as: KR101878443B1

Abstract

본 발명은 다중 브러시를 지닌 직류전동발전 장치에 있어서: 하우징(10); 상기 하우징(10)의 내주면 일측에 고정되고, 제1자극(21)과 제2자극(22)으로 자계를 형성하는 고정자(20); 상기 고정자(20)의 내측에 회전 가능하게 장착되고, 코일(33)과 통전되는 정류자편(35)을 구비하는 회전자(30); 및 상기 하우징(10)의 내주면 타측에 회동 가능하게 장착되고, 정류자편(35)에 접촉하는 제1브러시그룹(41)과 제2브러시그룹(42)을 구비하는 브러시블록(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 회전자와 고정자 간의 상대적인 각도 변동을 통하여 속도-토크의 정격 범위를 다변화하는 운전을 구현하므로 전동발전 장치의 응용범위 확대를 위한 설계 유연성을 제고하는 효과가 있다.

Description

가변 다중 브러시를 지닌 직류전동발전 장치{DC motor generator apparatus having variable multiple brushes}

본 발명은 직류전동발전 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 회전자 브러시 블록과 고정자 필드 자기장 간의 상대적인 각도 변동을 구현할 수 있는 가변 다중 브러시를 지닌 직류전동발전 장치에 관한 것이다.

통상 전동발전기는 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 철도 차량, 직류-교류 전원장치 등에 활용되지만 플라이휠 에너지 저장장치, 풍력 발전장치, 태양열 에너지 장치 등과 같은 신재생 에너지 시스템에서 에너지 변환을 위한 중요 기능을 담당하기도 한다. 향후 전동발전 장치의 용용범위를 확대하기 위해서는 기능성 제고를 위한 핵심적 설계 요소의 도입이 요구된다.

직류전동발전 장치, 특히 브러시 방식의 것과 관련되어 한국 공개특허공보 제2008-0031814호(선행문헌 1), 일본 공개특허공보 평11-069858호(선행문헌 2) 등의 선행기술문헌을 참조할 수 있다.

선행문헌 1은 다수개의 브러쉬와, 각기 다수개의 브러쉬 중 하나를 수용하는 공간을 가지며 브러쉬 홀더 표면을 따라서 연장하는 2개의 돌출부를 가지는 다수개의 브러쉬 홀더 및, 브러쉬 홀더의 돌출부 중 하나를 수용하고 다수개의 날개부 쌍과 하나의 표면을 가지는 기저판을 포함한다. 이에, 간단하고 저렴한 방식으로 과부하 전류를 제어하고 진동을 감소하는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 다수의 브러시를 가진 모터와, 이 다수의 브러시에 접속된 복수의 통전 회로와, 이 복수의 통전 회로의 일부에 설치한 스위치 수단과, 전기 모터의 회전수를 검출하는 회전 수 검출 수단과, 이 회전수 검출 수단의 결과를 토대로 전기 스위치 수단을 ON/OFF제어하는 비교 제어 수단을 구비한다. 이에, 간단한 제어로 모터 회전수를 임의로 설정하고 유지하는 효과를 기대한다.

다만, 상기한 선행문헌에 의하면 제어의 가변성과 효율성을 기대할 여지는 있으나, 브러시 방식 전동발전 장치를 기반으로 설계 유연성을 높이기에 근본적인 한계를 드러낸다.

1. 한국 공개특허공보 제2008-0031814호 "전동발전기의 브러쉬 홀더 조립체 및 제법" (공개일자 : 2008.04.11.) 2. 일본 공개특허공보 평11-069858호 "モ-タ制御回路" (공개일자 : 1998.03.09.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 회전자 브러시 블록과 고정자 필드 자기장 간의 상대적인 각도 변동을 통하여 속도-토크의 정격 범위를 다변화하는 운전을 구현할 수 있는 가변 다중 브러시를 지닌 직류전동발전 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 다중 브러시를 지닌 직류전동발전 장치에 있어서: 하우징; 상기 하우징의 내주면 일측에 고정되고, 제1자극과 제2자극으로 자계를 형성하는 고정자; 상기 고정자의 내측에 회전 가능하게 장착되고, 코일과 통전되는 정류자편을 구비하는 회전자; 및 상기 하우징의 내주면 타측에 회동 가능하게 장착되고, 정류자편에 접촉하는 제1브러시그룹과 제2브러시그룹을 구비하는 브러시블록;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 회전자는 각각 180˚로 대향하는 티스에 권취된 코일을 각각 180˚로 대향하는 정류자편에 독립적으로 연결한 병렬 회로로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 브러시블록은 동일한 규격의 브러시를 인접하는 정류자편에 중첩적으로 접촉하고, 회전자의 극성을 제1브러시그룹과 제2브러시그룹으로 분할하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 브러시블록은 고정자의 자계 경계에 설정된 기준점에 대한 회전자의 극성 경계에 설정된 가동점 간의 상대적 위치를 변동하도록 제어수단을 구비하는 특징으로 한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 제어수단은 고정자에 전원을 인가하여 가변적 자계를 형성하기 위한 여자부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 회전자와 고정자 간의 상대적인 각도 변동을 통하여 속도-토크의 정격 범위를 다변화하는 운전을 구현하므로 전동발전 장치의 응용범위 확대를 위한 설계 유연성을 제고하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치를 종단면으로 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 장치를 평면 상태로 나타내는 모식도
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 장치의 주요부를 확대한 구성도
도 5는 본 발명에 따른 장치의 다양한 작동 상태를 나타내는 모식도
도 6은 본 발명의 변형예에 따른 장치를 나타내는 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 다중 브러시를 지닌 직류전동발전 장치에 관하여 제안한다. DC 모터를 기반으로 발전 기능을 구현하는 전동발전기를 요체로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 다중 브러시는 통상적인 2개의 브러시를 초과하는 3개 이상의 브러시를 의미한다.

본 발명에 따른 하우징(10)은 후술하는 고정자(20)와 회전자(30)를 수용하는 원통형 구조이다. 도 1과 같이 고정자(20)는 샤프트(15)를 개재하여 하우징(10) 상에 회전 가능하게 지지된다.

본 발명에 따르면 제1자극(21)과 제2자극(22)으로 자계를 형성하는 고정자(20)가 상기 하우징(10)의 내주면 일측에 고정되는 구조이다. 고정자(20)의 제1자극(21)과 제2자극(22)은 영구자석을 기본적 구성으로 하지만 이에 한정되지 않는다. 도 1에서 제1자극(21)은 회전자(30)의 우측에 대향하는 N극으로 예시하고, 제2자극(22)은 회전자(30)의 좌측에 대향하는 S극으로 예시한다. 도 5를 참조하면 고정자(20)의 제1자극(21)과 제2자극(22)이 하우징(10)의 내주면에서 대략 180˚ 범위에 걸쳐 대향하는 상태를 나타낸다.

또, 본 발명에 따르면 코일(33)과 통전되는 정류자편(35)을 구비하는 회전자(30)가 상기 고정자(20)의 내측에 회전 가능하게 장착되는 구조이다. 회전자(30)는 코어(31)의 티스(32)에 코일(33)을 권취한 구조로서 고정자(20)의 제1자극(21)과 제2자극(22)에 대향한 상태로 회전된다. 도 1에서 코어(31)의 상측으로 정류자편(35)이 배치된 상태를 예시하고, 도 2에서 20개의 정류자편(35)이 샤프트(15)와 동심으로 배치된 상태를 예시한다. 티스(32)와 동일한 수량으로 구비되는 정류자편(35)은 각각의 티스(32)에 권취된 코일(33)로 전원을 투입한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 회전자(30)는 각각 180˚로 대향하는 티스(32)에 권취된 코일(33)을 각각 180˚로 대향하는 정류자편(35)에 독립적으로 연결한 병렬 회로로 구성되는 것을 특징으로 한다. 도 3을 참조하면, 180˚로 이격된 부호 32-1의 티스에 권취된 코일(33)은 내측단에서 180˚로 대향하는 정류자편(35)에 연결되고 외측단에서 상호 연결되어 독립적 회로를 구성한다. 부호 32-2, 부호 32-3 등에 권취된 코일(33)도 동일한 방식으로 독립적 회로를 구성하므로, 회전자(30)의 코일(33)은 전체적으로 병렬 회로로 연결되는 구조를 나타낸다. 도 3에서 채색되지 않은 부호 32-1 티스의 코일(33)은 도 4에서 부호 35-1의 정류자에 브러시가 접촉하지 않아 비활성화된 상태를 나타낸다.

또, 본 발명에 따르면 정류자편(35)에 접촉하는 제1브러시그룹(41)과 제2브러시그룹(42)을 구비하는 브러시블록(40)이 상기 하우징(10)의 내주면 타측에 회동 가능하게 장착되는 구조이다. 도 1에서 고정자(20)의 상측에 브러시블록(40)이 배치된 상태를 예시한다. 도 2에서 제1브러시그룹(41)과 제2브러시그룹(42)은 각각 4개의 브러시를 방사상으로 구비한 상태를 예시한다. 각각의 브러시는 내측단에서 일련의 정류자편(35)와 긴밀하게 접촉하고 외측단에서 탄성체(43)에 의하여 설정된 접촉압력을 유지한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 브러시블록(40)은 동일한 규격의 브러시를 인접하는 정류자편(35)에 중첩적으로 접촉하고, 회전자(30)의 극성을 제1브러시그룹(41)과 제2브러시그룹(42)으로 분할하는 것을 특징으로 한다. 도 4에서 단락을 방지하도록 비성활화 중인 부호 35-1을 제외한 18개의 정류자편이 각각 제1브러시그룹(41) 및 제2브러시그룹(42)에 의한 12개 브러시와 접촉된 상태를 예시한다. 이에, 각각의 브러시는 하나의 정류자편(35)에 한정되지 않고 이웃하는 정류자편(35)과 중첩적으로 접촉하여 통전의 신뢰성을 높인다.

이와 같은 구성에 의하면, 브러시블록(40)의 브러시 및 정류자편(35)의 접촉면적이 증대되어 단위면적당 전류밀도가 저감되므로 불꽃방전의 감소에 의한 내구성 및 수명을 연장을 기대할 수 있다. 브러시와 정류자편(35)의 도전성을 다소 낮추더라도 내마모성 증대를 도모할 수 있기 때문에 브러시 교환주기를 길게 하여 마치 베어링과 유사하게 교체를 배제한 전동발전 장치를 구현할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 브러시블록(40)은 고정자(20)의 자계 경계에 설정된 기준점(25)에 대한 회전자(30)의 극성 경계에 설정된 가동점(45) 간의 상대적 위치를 변동하도록 제어수단(50)을 구비하는 특징으로 한다. 도 5에서 제1자극(21)과 제2자극(22)의 경계 지점인 상단에 기준점(25)이 설정되고 제1브러시그룹(41)과 제2브러시그룹(42)의 경계 지점에 가동점(45)이 설정된 상태를 예시한다. 가동점(45)은 브러시블록(40)의 회동에 연동하여 도 5(a) 내지 도 5(e)에 나타내는 바와 같이 위치 변동이 가능하다.

도 5(a)는 가동점(45)이 반시계방향(CCW)으로 67˚ 회동된 상태로서 저속 고토크의 정격으로 정방향 회전을 구현하고, 도 5(b)는 가동점(45)이 동일 방향으로 127˚ 회동된 상태로서 고속 저토크의 정격으로 정방향 회전을 구현한다. 도 5(b)는 도 5(a)에 비하여 고정자(20)의 자극(21)(22)에 대응한 코일(33)의 자계 범위가 증대된다. 도 5(c)는 가동점(45)이 시계방향(CW)으로 53˚ 회동되어 역방향의 저속 고토크 정격을 구현하고, 도 5(d)는 동일 방향으로 113˚ 회동되어 역방향의 고속 저토크 정격을 구현한다. 반면, 도 5(e)는 기준점(25)과 가동점(45)이 일치하므로 고정자(20)의 자계와 회전자(30)의 자계에 의하여 상호 인력만 작용하기 때문에 정지된 상태를 유지한다.

이때, 제어수단(50)은 구동부(54), 검출부(56), 제어부(58) 등으로 구성된다. 구동부(54)는 하우징(10)의 외면에 브러시블록(40) 및 가동점(45)의 회동을 유발하도록 설치된다. 검출부(56)는 기준점(25)에 대한 가동점(45)의 회동 각도를 검출하도록 설치된다. 제어부(58)는 마이크로프로세서, 메모리, 입출력인터페이스를 탑재한 마이컴 회로로 구성된다.

본 발명의 장치를 철도 차량에 적용한 작동예로서, 제어부(58)는 차량의 출발 시점에서 도 5(a)처럼 가동점(45)을 변경하여 저속 고토크 운전모드를 실행하고, 차량의 정상속도에서 도 5(b)의 고속 저토크 운전모드를 실행하고, 차량의 제동과 정지 시점에서 도 5(e)의 정지 모드를 실행한다. 이에 더하여, 제어부(58)는 회전자(30)를 발전기로 작용하는 회생제동을 실행할 수 있다.

본 발명의 변형예로서, 상기 제어수단(50)은 고정자(20)에 전원을 인가하여 가변적 자계를 형성하기 위한 여자부(52)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 여자부(52)는 고정자(20)의 제1자극(21)과 제2자극(22)을 영구자석 대신 코일로 구성하고 외부의 전원을 인가하도록 구성된다. 이와 같이 구성되면 용도에 따라 자계의 세기를 증감하기 용이하고 기준점(25)의 위치변동도 가능하다. 이에, 부하 조건에 대응하는 신속하고 정확한 회전 특성을 발휘할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 하우징 15: 샤프트
20: 고정자 21: 제1자극
22: 제2자극 25: 기준점
30: 회전자 31: 코어
32: 티스 33: 코일
35: 정류자편 40: 브러시블록
41: 제1브러시그룹 42: 제2브러시그룹
43: 탄성체 45: 가동점
50: 제어수단 52: 여자부
54: 구동부 56: 검출부
58: 제어부

Claims

다중 브러시를 지닌 직류전동발전 장치에 있어서:
하우징(10);
상기 하우징(10)의 내주면 일측에 고정되고, 제1자극(21)과 제2자극(22)으로 자계를 형성하는 고정자(20);
상기 고정자(20)의 내측에 회전 가능하게 장착되고, 코일(33)과 통전되는 정류자편(35)을 구비하는 회전자(30); 및
상기 하우징(10)의 내주면 타측에 회동 가능하게 장착되고, 정류자편(35)에 접촉하는 제1브러시그룹(41)과 제2브러시그룹(42)을 구비하는 브러시블록(40);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 가변 다중 브러시를 지닌 직류전동발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 회전자(30)는 각각 180˚로 대향하는 티스(32)에 권취된 코일(33)을 각각 180˚로 대향하는 정류자편(35)에 독립적으로 연결한 병렬 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 가변 다중 브러시를 지닌 직류전동발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 브러시블록(40)은 동일한 규격의 브러시를 인접하는 정류자편(35)에 중첩적으로 접촉하고, 회전자(30)의 극성을 제1브러시그룹(41)과 제2브러시그룹(42)으로 분할하는 것을 특징으로 하는 가변 다중 브러시를 지닌 직류전동발전 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 브러시블록(40)은 고정자(20)의 자계 경계에 설정된 기준점(25)에 대한 회전자(30)의 극성 경계에 설정된 가동점(45) 간의 상대적 위치를 변동하도록 제어수단(50)을 구비하는 특징으로 하는 가변 다중 브러시를 지닌 직류전동발전 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 제어수단(50)은 고정자(20)에 전원을 인가하여 가변적 자계를 형성하기 위한 여자부(52)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 가변 다중 브러시를 지닌 직류전동발전 장치.