KR20230068208A

KR20230068208A - 고정축을 이용한 발전장치

Info

Publication number: KR20230068208A
Application number: KR1020210154309A
Authority: KR
Inventors: 선상규
Original assignee: 선상규
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2023-05-17

Abstract

본 발명은 고정축을 이용한 발전장치에 관한 것으로, 상기 스테이터(100)의 상기 슬롯(105)에 의한 공극 자속밀도의 대응 및 전류의 왜곡에 기인하는 코깅토크를 최소화시킴으로써 회전력을 향상하고, 진동과 소음을 현저하게 줄일 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 발전기의 상기 스테이터 코어(101)의 상기 코일권취편(108) 외측단에 상기 팁(109)이 형성되도록 하고, 상기 인너로터(200)가 코어 링(202) 구조 및 +자형태의 지지대로 형성되는 특징을 갖고 상기 아우터로터(30)와 등속으로 회전하여, 회전저항력을 줄여주고, 회전속도를 높여서 원하는 기전력을 얻을 수 있으며, 외부의 동력에너지를 절약하는 연구이다.

Description

고정축을 이용한 발전장치{Power generation device using a fixed shaft}

본 발명은 고정축을 이용한 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스테이터(stator)와 인너 로터(inner rotor) 및 아웃터 로터(outer rotor)를 구성하여 전기차용에서 구동할 수 있는 기술에 관한 것이다.

일반적으로 발전기에서 생성되는 기전력의 크기는 자기장의 세기와 도체의 길이 및 자기장과 도체의 상대속도에 비례한다.

따라서 자기장의 세기를 높이거나 도체를 길게 형성하거나 자기장과 도체의 상대속도를 크게 함으로써 기전력을 높일 수 있다.

통상적으로 자기장과 도체의 상대속도를 크게 하여 기전력을 높이고 있는데, 종래의 발전기는 자성체인 스테이터와 마그넷인 로터를 이용함으로써 회전 토크가 높아서 전기차, 조력, 풍력 및 도로발전과 같이 낮은 토크를 요구하는 경우 원하는 기전력을 얻을 수 없었다.

이에 회전축을 이용한 2개의 로터를 사용하여 원하는 기전력을 얻을 수 있는 발전기가 개발되었으며, 그 일례인 제10-2218794호의 「회전축 이용을 위한 발전기의 스테이터와 인너로터 제조방법」가 도6에 도시되어 있다.

도6의 「회전축 이용을 위한 발전기의 스테이터와 인너로터 제조방법」는 회전자(120)와 내부케이싱(150)을 서로 같은 방향으로 회전시킴으로써 저속회전력에서 기전력을 얻는 구조이고, 장점으로는 자성체인 회전자(120)와 내부케이싱(150)이라는 동시 회전체들 사이에 비자성 복합연성물질로 성형된 고정자(130)의 코어에 권선 코일을 사용하여 상호 간 자기장이 유도되도록 하고, 고정자(130)에게 기전력을 발생시키면서도 서로 붙으려고 붙으려는 힘(attraction)을 제거하고, 코깅현상과 와전류를 억제하며, 발열 억제 효과와 회전 저항을 크게 줄여 발전 효율성을 증가시킬 수 있는 효과가 있다. 그러나 e-mobility 산업에서 회전축을 사용하지 않고 고정축을 사용하는 경우가 많은데 이를 위한 연구이다.

본 발명은 이와 같은 종래의 기술(제10-2218794호의 「회전축 이용을 위한 발전기의 스테이터와 인너로터 제조방법」)을 보완하기 위한 것으로, 그 목적은 발전기의 스테이터 슬롯에 의한 공극자속밀도의 변화 및 전류의 왜곡에 기인하는 코깅토크(Cogging Torque)를 최소화시킴으로써 발전기의 회전력을 향상시키고, 진동과 소음을 현저하게 저감시킬 수 있도록 설계 및 제조가 간단한 전기차용 발전기 스테이터와 인너로터를 제공하는데 있어서 회전축의 이용 대신 고정축을 이용하는 방법을 고안하는 것이다.

본 발명은 고정축을 이용한 발전장치에 관한 것으로, 스테이터 코어는 원형 쟁반형태로써 한 부분에 두께가 얇은 코어 측면부를 성형하고, 스테이터 코어 측면부 중심에는 샤프트를 삽입하기 위한 관통 구를 성형하고, 스테이터 코어 측면부 관통 구는 샤프트과 결합하도록 키 홈을 성형하고, 스테이터 코어 내측 테두리는 원형 코일권취편 지지부를 성형하고, 관통공 성형으로 코어 외측 테두리는 슬롯의 숫자에 따라서 다수의 코일권취편과 팁(Tip)을 성형하고, 인너로터 코어는 2가지의 유형이 적층 된 형태로써 하나는 링(Ling)을 지지하기 위해 안쪽에 +(Cross) 형태의 링 지지부와 링까지 동시에 성형하고, 다른 하나는 링 형태만 갖는 코어를 성형한 후 적층하기 위해 모두 리벳으로 결합한다.

스테이터에 감긴 코일을 외부로 도출하기 위해서 하우징의 측면 지지부재 R과 결합하는 고정축의 내부를 U자 형태로 성형한다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 비자성 복합연성물질로 성형된 스테이터(stator)를 가운데 두고 자성체로 형성된 내측 인너로터(inner rotor) 및 외측 아우터 로터(outer rotor)를 구성하여 동시에 회전함으로써 강한 자기장이 스테이터를 통과하지만, 내측의 인너 로터와 외측의 아우터 로터 사이에 강한 자기장으로 인해서 붙어서 정지하려는 힘(attraction)을 제거함으로써 인너로터와 스테이터 및 아우터로터 간의 코깅현상과 와전류를 해소하고, 종래의 발전기보다 회전저항력을 줄여주고, 회전속도를 높일 수 있어서 원하는 기전력을 얻을 수 있으며, 외부의 회전동력이 크게 필요하지 않아 동력에너지를 절약하는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 발전기 어셈블리를 나타내는 단면도
도 2는 본 발명의 스테이터의 평면도 및 측면도
도 3은 본 발명의 인너로터의 평면도 및 측면도
도 4는 본 발명의 인너로터 코어 결합 평면도
도 5는 본 발명의 U자형 배선인출구가 성형된 고정축의 평면도
도 6은 본 발명의 인너로터와 아우터로터의 마그네트 구성도
도 7은 종래 발명에 따른 회전축 이용을 위한 발전기의 스테이터와 인너로터 제조방법의 평면도

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도 1 내지 도 6을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 발전기의 어셈블리(assembly)를 나타내는 단면도이고, 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 스테이터의 평면도 및 측면도이다.

중심축을 구성하는 고정축(500)과, 상기 고정축(500)의 중간지점의 외주 면에 인너 로터 코어 결합 부재(250)을 이용하여 결합하는 인너로터(200)와, 상기 고정축(500)의 결합한 상기 인너로터(200)의 옆에 고정되도록 결합하는 스테이터(100)와, 상기 고정축(500)의 한 부분 외주 면과 베어링 a(305a)를 이용해서 결합하는 측면 지지부재 L(303a)과, 상기 고정축(500)의 한 부분 외주 면과 베어링 b(305b)를 이용해서 결합하는 측면 지지부재 R(303b)과, 상기 측면 지지부재 R(305b) 및 측면 지지부재 L(305a)의 가장자리가 측면 지지부재결합 나사(304)로 결합하는 아웃터 로터(300)를 구성한다.

상기 스테이터(100)를 구성하는 스테이터 코어(101)는 쟁반형태로써 한 부분에 스테이터 측면부(102)가 성형되고, 상기 스테이터 측면부(102) 중심부에는 상기 고정축(500)을 삽입하기 위한 관통 구(103)가 성형되며, 상기 관통 구(103)에는 관통 구 키 홈(104)이 성형되며, 상기 스테이터 코어(101)의 측면은 코일권취편 지지부(107)로 형성되고, 슬롯(105)의 숫자에 따라서 다수의 슬롯 관통 공(106)을 성형하여 코일권취편(108)과 팁(Tip:109)을 성형한다.

상기 코일권취편(108)과 상기 팁(Tip:109)은 1쌍씩 상기 슬롯(105)을 구성하며 상기 슬롯(105)과 상기 슬롯(105) 사이는 코일(110)이 들어가도록 단절되어 있다.

감긴 상기 코일(110)은 상기 스테이터(100)에 감긴 코일을 외부로 도출하기 위해서 하우징의 측면 지지부재 R(303a)과 결합하는 상기 고정축(500)의 내부를 U자형 배선 인출구(401)로 성형하여 밖으로 인출된다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 인너로터의 평면도 및 측면도이다.

인너로터(200)는 2가지의 유형이 적층 된 형태로써, 인너로터 코어a(201a)는 중공 형태로써 코어 링(202) 형태만 갖도록 관통 공 a(206a) 성형하고, 인너로터 코어 b(201b)는 상기 코어 링(202) 모양에다가 이를 지지하기 위해 안쪽에 +(Cross) 형태의 코어 링 지지부(203)를 남겨놓고 코어 링 지지부 관통 구(204)와 관통 공 b(206b)를 성형한다.

상기 인너로터 코어 a(201a)와 상기 인너로터 코어 b(201b)를 결합하기 위해서는 상기 인너로터 코어 b(201b)를 가운데 두고 상기 인너로터 코어 a(201a)를 양쪽에 붙인 후 리벳(208)으로 적층하여 결합한다.

상기 인너로터 코어 a(201a)와 상기 인너로터 코어 b(201b)는 상기 스테이터 코어(101)와 비례하여 폭을 정하며, 상기 스테이터 코어(101)와의 공극(air gap)은 매우 좁게 구성한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 인너로터 코어 결합 평면도이다.

인너로터 코어 결합 부재(250)는 암컷 결합 부재(251)와 수컷 결합 부재(252)로 구성된다.

상기 암컷 결합 부재(251)와 상기 수컷 결합 부재(252)는 각각 중공의 관통 구(256)가 성형되고,

상기 수컷 결합 부재(252)의 상기 관통 구(256)의 한 부분 내면에는 깊숙하게 베어링(253)이 삽입되어 상기 고정축(500)과 결합하고, 다른 쪽 외주 면에는 수나사 선(255)이 성형되고, 상기 암컷 결합 부재(252)의 내주면은 암나사 선(254)이 성형된다.

따라서 상기 암컷 결합 부재(251)와 상기 수컷 결합 부재(252)로 구성된 상기 인너로터 코어 결합 부재(250)는 상기 코어 링 지지부(203)를 사이에 두고 상기 코어링 지지부 관통구(204)의 좌우측에서 맞물리도록 결합시킨다.

또한, 상기 아웃터 로터(300)는 중공형의 원형 하우징(301)으로 성형하고, 상기 원형 하우징(301)의 내주면에는 다수의 마그네트(302)를 구비하며, 상기 원형 하우징(301)의 측면에는 각각 측면 지지부재 L(303a)과 측면 지지부재 R(303b)을 갖추어 측면 지지부재결합 나사(304)로 결합하며, 상기 측면 지지부재 L(303a)과 상기 측면 지지부재 R(303b)은 베어링 a(305a)과 베어링 b(305b)를 이용하여 상기 고정축(500)과 결합한다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 U자형 배선인출구가 성형된 고정축의 평면도이다.

상기 고정축(500)의 외주 면에는 상기 스테이터 코어(101)를 결합하기 위한 스테이터결합키홈(501)이 성형되고, 내부에는 장(長) 방향으로 상기 U자형 배선인출구(401)가 중공 성형된다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 인너로터와 아우터로터의 마그네트 구성도이다.

본 고안의 작동기능을 보면, 복합연성물질의 부도체로 성형된 상기 스테이터(100)를 가운데 두고 내측에 전도체(傳導體)로 성형된 상기 인너로터(200) 및 외측에 다수의 상기 마그네트(302)로 성형된 상기 아우터로터(300)를 구성하여 동시에 회전함으로써 강한 자기장이 상기 스테이터(100)를 통과하지만, 내측의 상기 인너로터(200)와 외측의 상기 아우터로터(300) 사이에 강한 자기장으로 인해서 붙으려는 힘(attraction)을 제거하여, 상기 인너로터(200)와 상기 스테이터(100) 및 상기 아우터로터(300) 간의 코깅토크 및 와전류를 해소하며, 회전저항력을 줄여주게 되어 외부의 회전동력이 크게 필요하지 않아 동력에너지를 절약하는 기능을 갖도록 한다.

또한, 상기 인너로터(200)와 상기 아우터로터(300)를 모두 다수의 상기 마그네트(302)로 구성하거나, 상기 인너로터(200)를 다수의 마그네트(302)로 구성하면 상기 아우터로터(300)는 전도체(傳導體)로 구성하거나, 상기 인너로터(200)를 전도체(傳導體)로 구성하면 상기 아우터로터(300)는 다수의 상기 마그네트(302)로 구성한다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조로 고정축을 이용한 발전장치에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경 및 다양한 변형 실시 예가 가능할 것이다. 그러므로, 본 발명의 보호 범위는 변화나 변경 예 또는 조절 예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: U자형 배선인출구가 성형된 고정축을 이용한 발전장치의 어셈블리(assembly)
100 : 스테이터(stator) 101 : 스테이터 코어(stator core)
102 : 스테이터 측면부 103 : 중심부 관통구
104 : 관통 구 키 홈(key home) 105 : 슬롯(slot)
106 : 슬롯 관통 공(hole) 107 : 코일권취 편 지지부
108 : 코일권취 편 109 : 팁(Tip) 110 : 코일(coil)
200 : 인너 로터(inner rotor)
201a : 인너 로터 코어a 201b : 인너 로터 코어b
202 : 코어 링(Core Ling) 203 : 코어 링 지지부
204 : 코어 링 지지부 관통 구(hole)
206a : 인너코어b 관통공 206b : 인너코어b 관통공
208 : 리벳(rivet) 209 : 리벳 구멍(livet hole)
250 : 인너 로터 코어 결합 부재
251 : 암컷 결합 부재 252 : 수컷 결합 부재
253 : 베어링 254 : 암나사 선 255 : 수나사 선
256 : 관통 구
300 : 아우터 로터(outer rotor)
301 : 원형 하우징(housing) 302 : 마그네트(magnet)
303a : 측면 지지부재 L 303b : 측면 지지부재 R
304 : 측면 지지부재결합 나사
305a : 베어링 a(bearing a) 305b : 베어링 b(bearing b)
401 : U자형 배선 인출구
500 : 고정축(a fixed shaft)
501 : 스테이터 결합 키 홈 503 : 측면 지지부재 L 키 홈
a : 인너로터를 전도체(傳導體)로 구성하면 아우터로터는 마그네트(magnet)로 구성하는 것
b : 인너로터와 아우터로터를 모두 마그네트(magnet)로 구성하는 것
c : 인너로터는 마그네트(magnet)로 구성하면 아우터로터는 전도체(傳導體)로 구성하는 것

Claims

중심축을 구성하는 고정축(500)과;
상기 고정축(500)의 중간지점의 외주 면에 인너 로터 코어 결합 부재(250)를 이용하여 결합하는 인너로터(200)와;
상기 고정축(500)의 결합한 상기 인너로터(200)의 옆에 고정되도록 결합하는 스테이터(100)와;
상기 고정축(500)의 한 부분 외주 면과 베어링 a(305a)를 이용해서 결합하는 측면 지지부재 L(303a)과;
상기 고정축(500)의 한 부분 외주 면과 베어링 b(305b)를 이용해서 결합하는 측면 지지부재 R(303b); 및
상기 측면 지지부재 R(305b) 및 측면 지지부재 L(305a)의 가장자리가 측면 지지부재결합 나사(304)로 결합하는 아우터로터(300)를 갖도록 형성된 것을 특징으로 하는 고정축을 이용한 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 스테이터(100)를 구성하는 스테이터 코어(101)는 쟁반형태로써 한 부분에 스테이터 측면부(102)가 성형되고, 상기 스테이터 측면부(102) 중심부에는 상기 고정축(500)을 삽입하기 위한 관통 구(103)가 성형되며, 상기 관통 구(103)에는 관통 구 키 홈(104)이 성형되며, 상기 스테이터 코어(101)의 측면은 코일권취편 지지부(107)로 형성되고, 슬롯(105)의 숫자에 따라서 다수의 슬롯 관통 공(106)을 성형하여 코일권취편(108)과 팁(Tip:109)을 성형하는 것과;
상기 코일권취편(108)과 상기 팁(Tip:109)은 1쌍씩 상기 슬롯(105)을 구성하며 상기 슬롯(105)과 상기 슬롯(105) 사이는 코일(110)이 들어가도록 단절되는 것; 및
감긴 상기 코일(110)은 상기 스테이터(100)에 감긴 코일을 외부로 도출하기 위해서 하우징의 측면 지지부재 R(303a)과 결합하는 상기 고정축(500)의 내부를 U자형 배선 인출구(401)로 성형하여 밖으로 인출되는 것을 특징으로 하는 고정축을 이용한 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 인너로터(200)는 2가지의 유형이 적층 된 형태로써, 인너로터 코어a(201a)는 중공형태로써 코어 링(202) 형태만 갖도록 관통 공 a(206a)를 성형하고, 인너로터 코어 b(201b)는 상기 코어 링(202) 모양에다가 이를 지지하기 위해 안쪽에 +(Cross) 형태의 코어 링 지지부(203)를 남겨놓고 코어 링 지지부 관통 구(204)와 관통 공 b(206b)를 성형하는 것과;
상기 인너로터 코어 a(201a)와 상기 인너로터 코어 b(201b)를 결합하기 위해서는 상기 인너로터 코어 b(201b)를 가운데 두고 상기 인너로터 코어 a(201a)를 양쪽에 붙인 후 리벳(208)으로 적층하여 결합하는 것; 및
상기 인너로터 코어 a(201a)와 상기 인너로터 코어 b(201b)는 상기 스테이터 코어(101)와 비례하여 소정의 폭을 정하며, 상기 스테이터 코어(101)와의 공극(air gap)은 매우 좁게 구성하는 것을 특징으로 하는 고정축을 이용한 발전장치.
제1항에 있어서,
인너로터 코어 결합 부재(250)는 암컷 결합 부재(251)와 수컷 결합 부재(252)로 구성되며, 상기 암컷 결합 부재(251)와 상기 수컷 결합 부재(252)는 각각 중공의 관통 구(256)가 성형되는 것과;
상기 수컷 결합 부재(252)의 상기 관통 구(256)의 한 부분 내면에는 깊숙하게 베어링(253)이 삽입되어 상기 고정축(500)과 결합하고, 다른 쪽 외주 면에는 수나사 선(255)이 성형되고, 상기 암컷 결합 부재(252)의 내주면은 암나사 선(254)이 성형되는 것; 및
상기 암컷 결합 부재(251)와 상기 수컷 결합 부재(252)로 구성된 상기 인너로터코어 결합 부재(250)는 상기 코어 링 지지부(203)를 사이에 두고 상기 코어링 지지부 관통구(204)의 좌우측에서 맞물리도록 결합시키는 것을 특징으로 하는 고정축을 이용한 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 아웃터로터(300)는 중공형의 원형 하우징(301)으로 성형하고, 상기 원형 하우징(301)의 내주 면에는 다수의 마그네트(302)를 구비하는 것과;
상기 원형 하우징(301)의 측면에는 각각 상기 측면 지지부재 L(303a)과 상기 측면 지지부재 R(303b)을 갖추어 상기 측면 지지부재결합 나사(304)로 결합하는 것; 및
상기 측면 지지부재 L(303a)과 상기 측면 지지부재 R(303b)은 상기 베어링 a(305a)과 상기 베어링 b(305b)를 이용하여 고정축(500)에 결합하는 것을 특징으로 하는 고정축을 이용한 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 고정축(500)의 외주 면에는 상기 스테이터 코어(101)를 결합하기 위한 머무름 터 결합 키 홈(501)이 성형되는 것; 및
내부에는 장(長) 방향으로 상기 U자형 배선 인출구(401)가 중공 성형되는 것을 특징으로 하는 고정축을 이용한 발전장치.
제1항에 있어서,
본 고안의 작동기능을 보면, 복합연성물질의 부도체로 성형된 상기 스테이터(100)를 가운데 두고 내측에 전도체(傳導體)로 성형된 상기 인너로터(200) 및 외측에 다수의 상기 마그네트(302)로 성형된 상기 아우터로터(300)를 구성하여 동시에 회전함으로써 강한 자기장이 상기 스테이터(100)를 통과하지만, 내측의 상기 인너로터(200)와 외측의 상기 아우터로터(300) 사이에 강한 자기장으로 인해서 붙으려는 힘(attraction)을 제거하여, 상기 인너로터(200)와 상기 스테이터(100) 및 상기 아우터로터(300) 간의 코깅토크 및 와전류를 해소하며, 회전저항력을 줄여주게 되어 외부의 회전동력이 크게 필요하지 않아 동력에너지를 절약하는 기능을 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 고정축을 이용한 발전장치.
제1항에 있어서,
상기 인너로터(200)와 상기 아우터로터(300)를 모두 다수의 상기 마그네트(302)로 구성하는 것과;
상기 인너로터(200)를 다수의 마그네트(302)로 구성하면 상기 아우터로터(300)는 전도체(傳導體)로 구성하는 것; 및
상기 인너로터(200)를 전도체(傳導體)로 구성하면 상기 아우터로터(300)는 다수의 상기 마그네트(302)로 구성하는 것을 특징으로 하는 고정축을 이용한 발전장치.