KR20230119793A - 다중 극수 발전기 - Google Patents

Abstract

본 개시의 일 실시예에 의하면, 발전기에 있어서, 외부의 기계적인 에너지에 의하여 회전하는 회전축; 상기 회전축에 중심이 결합되어 상기 회전축과 함께 회전하는 회전자; 상기 회전축의 방향으로 상기 회전자의 외곽을 따라 형성되는 제1 고정자 및 제2 고정자;를 포함하되, 상기 회전자는 복수의 계자권선을 포함하고, 상기 제1 고정자는 미리 설정된 제1 극수의 전기자권선을 포함하고 상기 제2 고정자는 미리 설정된 제2 극수의 전기자권선을 포함하는 다중 극수 발전기 시스템을 제공한다.

Description

다중 극수 발전기{Power Generator with Multiple Pole Number}

본 개시는 서로 다른 두 종류의 극수를 갖는 발전기에 관한 것이다.

이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.

발전기는 기계적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치로서, 일반적으로 기계적 에너지를 전달받은 회전축이 회전함에 따라 회전축에 연동되어 회전하는 회전자와 회전자 주변의 전기자 간의 전자기 상호작용을 이용하여 교류전기를 생성한다.

종래 유도 발전기(induction generator) 또는 동기 발전기(synchronous generator)는 발전기의 회전축이 일정 속도 이상의 회전속도를 유지하여야 발전이 가능하다. 특히, 동기 발전기는 일정한 주파수의 전력을 발전하기 위해서 해당 주파수에 대한 동기속도(synchronous speed)로 발전기 회전축의 기계적 회전속도를 유지하여야 한다. 그러나, 기계적 회전에너지를 생성하는 원동력의 변화 또는 발전기로부터 생산되는 전기를 사용하는 부하의 변동 등과 같은 외란(disturbance)의 발생으로 인하여 발전기 회전축의 회전속도가 변동될 수 있다.

발전기 회전축의 회전속도가 변하게 되면, 발전기의 회전자 주파수와 전기자 주파수가 변하게 되어 회전자와 전기자간의 자기작용(magnetic interaction)이 불안정하게 실행됨으로 인해 발전기로부터 불안정한 전압과 주파수를 갖는 전기가 유도된다는 문제가 있다. 따라서, 발전기 회전축의 회전속도의 변화에도 강건하게(robust) 일정한 주파수의 전력을 발전할 수 있는 발전기의 개발이 요구되고 있다.

일 실시예에 따른 다중 극수 발전기는 발전기에 공급되는 기계적 에너지의 변화로 인하여 회전축의 회전속도가 변화하더라도, 서로 다른 두 종류의 극수에 대응되는 서로 다른 동기속도에 의하여 특정되는 회전속도 범위 내에서 일정한 주파수의 전력을 생성할 수 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 개시의 일 실시예에 의하면, 발전기에 있어서, 외부의 기계적인 에너지에 의하여 회전하는 회전축; 상기 회전축에 중심이 결합되어 상기 회전축과 함께 회전하는 회전자; 상기 회전축의 방향으로 상기 회전자의 외곽을 따라 형성되는 제1 고정자 및 제2 고정자;를 포함하되, 상기 회전자는 복수의 계자권선을 포함하고, 상기 제1 고정자는 미리 설정된 제1 극수의 전기자권선을 포함하고 상기 제2 고정자는 미리 설정된 제2 극수의 전기자권선을 포함하는 다중 극수 발전기 시스템을 제공한다.

일 실시예에 의하면, 다중 극수 발전기는 발전기에 공급되는 기계적 에너지의 변화로 인하여 회전축의 회전속도가 변화하더라도 일정한 주파수의 전력을 생성할 수 있으므로, 회전속도의 변화에 대한 별도의 조치 없이도 전력계통의 신뢰도(power system reliability)를 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 극수 발전기의 종단면 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 극수 발전기의 회전자와 고정자의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 극수 발전기의 2 극수 고정자에 기전력을 유도하는 회전자를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 극수 발전기의 4 극수 고정자에 기전력을 유도하는 회전자를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 극수 발전기가 서로 다른 극수의 고정자에 기전력을 유도하는 과정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따라 일정한 주파수의 전력을 생성하는 다중 극수 발전기를 나타낸 도면이다.

이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 이용해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 개시를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 개시의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 개시에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, i), ii), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례나 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 발명의 설명은 본 발명의 예시적인 실시 형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시 형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.

도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 극수 발전기의 종단면 구조를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 다중 극수 발전기(100)는 회전축(rotation axis, 110), 회전자(rotor, 120), 제1 고정자(first stator, 130) 및 제2 고정자(second stator, 140)를 포함한다.

회전축(110)은 기계적 에너지에 의하여 회전한다. 여기서, 기계적 에너지는 풍력, 수력, 조력, 파력, 증기력 등의 외부 에너지에 의한 것일 수 있다. 예를 들면, 터빈, 풍력 프로펠러, 전동기 등을 이용하여 외부 에너지가 회전축을 회전시키는 기계적 에너지로 변환될 수 있다.

따라서, 회전축(110)은 외부의 기계적 에너지의 변화에 따라 그 회전속도가 가변될 수 있다. 회전자(120)는 중심이 회전축(110)과 결합 및 고정되어, 회전축(110)의 회전에 연동되어 동일한 회전속도로 회전한다.

회전자(120)는 복수의 계자권선(field winding)을 포함한다. 여기서, 복수의 계자권선은 짝수인 양의 정수 개로 구성될 수 있다.

복수의 계자권선은 회전자(120)의 회전방향을 따라서 동일한 간격으로 상호 이격되어 설치된다. 예를 들면, 동일 평면상에 방사형으로 설치된 복수의 계자권선은 어느 하나의 계자권선이 인접한 계자권선과 동일한 각도를 이루도록 설치될 수 있다.

복수의 계자권선은 회전자(120)의 중심으로부터 방사상으로 설치될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 회전축(110)의 길이 방향과 평행한 자속을 생성하도록 설치될 수 있다.

회전자(120)가 미리 설정된 극수(number of poles)를 가지도록 각각의 계자권선에 여자전류가 인가된다. 여기서, 각각의 계자권선에는 서로 다른 여자전류(exciting current)가 독립적으로 인가될 수 있다.

복수의 계자권선은 서로 다른 종류의 자극이 교번되도록 여자전류가 인가된다. 예를 들면, 어느 하나의 계자권선이 N극을 가지면 인접한 계자권선은 S극을 가지도록 여자전류가 인가될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 미리 정해진 개수의 계자권선마다 자극이 교번되도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 회전자(120)에 4 개의 계자권선이 설치된 경우, 인접한 어느 두 계자권선이 모두 N극을 갖고 나머지 두 계자권선이 S극을 갖도록 여자전류를 인가하여 회전자(120)가 2 극수를 가지도록 구성할 수 있다.

복수의 계자권선에는 회전자(120)가 서로 다른 두 종류의 극수를 동시에 갖도록 제1 극수에 관한 제1 여자전류 및 제2 극수에 관한 제2 여자전류 중 적어도 하나 이상의 여자전류가 개별적으로 인가될 수 있다. 예를 들면, 제2 극수와 같은 개수의 계자권선이 있는 경우, 제2 극수에 관한 제2 여자전류를 모든 계자권선에 인가하고, 이와 동시에 제1 극수에 관한 제1 여자전류는 계자권선 중에서 제1 극수에 대응되는 위치의 일부의 계자권선에만 인가할 수 있다.

제1 고정자(130)는 회전자(120)의 회전방향으로 회전자(120)의 외곽에 형성되며, 미리 설정된 제1 극수의 양의 정수 배인 개수의 전기자권선(armature winding)을 포함한다.

제1 극수의 전기자권선은 미리 설정된 제1 극수와 같은 개수로 구성된다. 여기서, 전기자권선은 서로 동일한 간격으로 이격되어 설치된다. 전기자권선은 회전자(120)의 계자권선과의 전자기 상호작용을 위하여 회전자(120)의 회전시 계자권선과 일정한 거리로 마주보는 위치에 설치될 수 있다.

제1 극수의 전기자권선은 인접한 전기자권선과 기준방향이 교대로 배열되도록 직렬로 연결된다.

여기서, 기준방향은 전기자권선의 권선방향일 수 있다. 예를 들면, 전기자권선의 양단 중에서 기준방향을 일단으로, 그 반대방향을 타단이라고 하면, 제1 극수의 전기자권선 중 제1 전기자권선의 타단은 인접한 제2 전기자권선의 타단과 연결되고, 제2 전기자권선의 일단은 제2 전기자권선에 인접한 제3 전기자권선의 일단과 연결되어 하나의 직렬 연결을 형성한다.

회전자(120)가 회전하면, 제1 고정자(130)의 제1 극수의 전기자권선에는 회전자(120)의 복수의 계자권선 중에서 제1 극수에 대응하는 계자권선의 자속(magnetic flux)에 의하여 전압이 유기된다. 여기서, 제1 극수에 대응하는 계자권선의 자속은 제1 여자전류에 의하여 생성된 자속이다.

제2 고정자(140)는 회전자(120)의 회전방향으로 회전자(120)의 외곽에 형성되며, 미리 설정된 제2 극수의 양의 정수 배인 전기자권선을 포함한다.

제2 고정자(140)는 제1 고정자(130)의 외곽으로 설치될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 회전자(120)의 회전축 방향을 기준으로 하여, 서로 다른 어느 두 영역의 외곽에 각각 설치될 수 있다.

제2 극수의 전기자권선은 미리 설정된 제2 극수와 같은 개수로 구성된다. 여기서, 제2 극수는 제1 고정자(130)의 제1 극수와 다른 수로 설정된다.

전기자권선은 서로 동일한 간격으로 이격되어 설치된다. 전기자권선은 회전자(120)의 계자권선과의 전자기 상호작용(electromagnetic interaction)을 위하여 회전자(120)의 회전시 계자권선과 일정한 거리로 마주보는 위치에 설치될 수 있다. 제2 극수의 전기자권선은 인접한 전기자권선과 기준방향이 교대로 배열되도록 직렬로 연결된다.

제1 고정자(130) 및 제2 고정자(140)는 전력계통에 연결되어 전력계통의 주파수로 여자될 수 있다. 제1 고정자(130) 및 제2 고정자(140)에 포함된 전기자권선은 동기속도와 동일한 회전속도의 회전자계를 형성할 수 있다.

회전자(120)가 회전하면, 제2 고정자(140)의 제2 극수의 전기자권선에는 회전자(120)의 복수의 계자권선 중에서 제2 극수에 대응하는 계자권선의 자속에 의하여 전압이 유기된다. 여기서, 제2 극수에 대응하는 계자권선의 자속은 제2 여자전류에 의하여 생성된 자속이다.

발전기의 동기속도는 극수에 따라 달라진다. 동일 조건에서 발전기의 극수가 클수록 발전기의 동기속도는 작아진다. 예를 들면, 4 극기(four-pole machine)인 발전기의 동기속도는 2극기인 발전기의 동기속도보다 더 낮은 분당 회전수를 갖는다.

제1 동기속도 내지 제2 동기속도의 범위 내에서 회전자(120)가 회전하면, 다중 극수 발전기(100)의 제1 고정자(130) 및 제2 고정자(140)에는 동일한 주파수의 전력이 생성된다. 여기서, 제1 동기속도는 제1 극수에 대한 동기속도이고 제2 동기속도는 제2 극수에 대한 동기속도이다.

회전자(120)는 전력변환부를 포함할 수 있다. 여기서, 전력변환부는 회전자(120)의 여자에 필요한 여자전류의 주파수, 위상각 등을 제어할 수 있다. 전력변환부는 인버터(inverter) 및 정류기(rectifier)를 포함할 수 있다.

도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 극수 발전기의 회전자와 고정자의 구조를 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 회전자(200)에는 복수의 계자권선(201)이 설치된다. 4 개의 계자권선(201)은 회전자(200)의 중심으로부터 방사상으로 동일한 간격으로 상호 이격되어 배치된다. 계자권선(201)은 인접한 계자권선과 90 도의 각도를 이루도록 배치된다.

제1 고정자(210)는 회전자(200)의 외곽에 형성되며, 미리 설정된 제1 극수의 전기자권선을 포함한다. 여기서, 제1 극수는 4로 설정되며, 4 개의 전기자권선(212, 214, 216, 218)이 동일한 간격을 갖도록 배치된다. 4 개의 전기자권선(212, 214, 216, 218)은 회전자(200)에 배치된 4 개의 계자권선(201)과 각기 대응되도록 배치될 수 있다.

4 개의 전기자권선(212, 214, 216, 218)은 직렬로 연결된다. 여기서, 전기자권선은 인접한 전기자권선과 기준방향이 교대로 배열되도록 연결된다.

4 개의 전기자권선(212, 214, 216, 218) 중에서 제1 전기자권선(212)의 기준반대방향의 일단은 인접한 제2 전기자권선(214)의 기준반대방향의 일단과 연결되고, 제2 전기자권선(214)의 기준방향의 일단은 인접한 제3 전기자권선(216)의 기준방향의 일단과 연결된다. 제3 전기자권선(216)의 기준반대방향의 일단은 인접한 제4 전기자권선(218)의 기준반대방향의 일단과 연결된다.

제2 고정자(220)는 회전자(200)의 외곽에 형성된다. 여기서, 제2 고정자(220)는 회전자(200)의 외곽에 형성된 제1 고정자(210)의 외곽에 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 회전축 방향으로 회전자의 일부 영역의 외곽에 제1 고정자(210)가 형성되고 나머지 영역의 외곽에 제2 고정자(220)가 형성될 수 있다.

제2 고정자(220) 미리 설정된 제2 극수의 전기자권선을 포함한다. 여기서, 제2 극수는 2로 설정되며, 2 개의 전기자권선(222, 224)이 동일한 간격을 갖도록 배치된다. 2 개의 전기자권선(222, 224)은 회전자(200)에 배치된 4 개의 계자권선 중에서 2 극수에 해당되는 위치의 계자권선와 각기 대응되도록 배치될 수 있다.

2 개의 전기자권선(222, 224)은 직렬로 연결된다. 여기서, 전기자권선은 인접한 전기자권선과 기준방향이 교대로 배열되도록 연결된다. 2 개의 전기자권선(222, 224)중에서 하나의 전기자권선(222)의 기준반대방향의 일단은 인접한 다른 하나의 전기자권선(224)의 기준반대방향의 일단과 연결된다.

도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 극수 발전기의 2 극수 고정자에 기전력을 유도하는 회전자를 나타낸 도면이다.

도 3의 (a)는 2 극수의 회전자(310)를 이용하여 2 극수의 고정자(320)에 포함된 전기자권선(321, 323)에 기전력을 유도하는 과정을 나타낸 도면이다.

도 3의 (a)를 참조하면, 2 극수의 회전자(310)는 고정자(320) 방향의 자속이 형성되는 제1 계자권선(312)과 회전자(310) 방향의 자속이 형성되는 제2 계자권선(314)을 포함한다.

회전자(310)가 회전함에 따라 제1 계자권선(312)이 제1 전기자권선(321)과 가까워지면, 제1 계자권선(312)의 자속으로 인하여 제1 전기자권선(321)의 기준방향으로 기전력(electromotive force)이 유도된다. 그와 동시에, 제2 계자권선(314)의 자속은 제1 계자권선(312)의 자속과 반대방향이므로 제2 전기자권선(323)에는 기준 반대방향으로 기전력이 유도된다.

제1 전기자권선(321)의 기준방향으로 유도된 기전력이 E 이면, 제2 전기자권선(323)에 유도된 기전력은 기준방향으로 -E가 된다. 제1 전기자권선(321)과 제2 전기자권선(323)은 서로 방향을 달리하여 직렬 연결되어 있으므로 전체 고정자(320)의 기전력은 2E가 된다.

회전자(310)가 계속 회전함에 따라 제1 계자권선(312)이 제2 전기자권선(323)과 가까워지면, 제1 계자권선(312)의 자속으로 인하여 제2 전기자권선(323)의 기준방향으로 E의 기전력이 유도된다. 그와 동시에, 제1 전기자권선(321)에는 기준 반대방향으로 E의 기전력이 유도된다. 이 경우, 전체 고정자(320)의 기전력은 -2E가 된다.

도 3의 (b)는 4 극수의 회전자(330)를 이용하여 2 극수의 고정자(340)에 포함된 전기자권선(341, 343)에 기전력을 유도하는 과정을 나타낸 도면이다.

도 3의 (b)를 참조하면, 4 극수의 회전자(330)는 고정자(320) 방향의 자속이 형성되는 제1 계자권선(332) 및 제3 계자권선(336)과 회전자(330) 방향의 자속이 형성되는 제2 계자권선(334) 및 제4 계자권선(338)을 포함한다.

회전자(330)가 회전함에 따라 제1 계자권선(332)이 제1 전기자권선(341)과 가까워지면, 제1 전기자권선(341)의 기준방향으로 E의 기전력이 유도된다. 그와 동시에, 제3 계자권선(336)의 자속은 제1 계자권선(332)의 자속과 동일한 방향이므로 제2 전기자권선(343)에도 기준 방향으로 E의 기전력이 유도된다. 제2 계자권선(334) 및 제4 계자권선(338)의 경우, 고정자(340)에 대응되는 전기자권선이 없으므로 기전력을 유도하지 않는다.

제1 전기자권선(341)과 제2 전기자권선(343)은 서로 방향을 달리하여 직렬 연결되어 있으므로 전체 고정자(340)의 기전력은 0이 된다.

회전자(330)가 계속 회전함에 따라 제4 계자권선(338)이 제1 전기자권선(341)과 가까워지면, 제4 계자권선(338)의 자속으로 인하여 제1 전기자권선(341)에는 기준반대방향으로 E의 기전력이 유도된다. 그와 동시에, 제2 계자권선(334)의 자속은 제4 계자권선(338)의 자속과 동일한 방향이므로 제2 전기자권선(343)에도 기준반대방향으로 E의 기전력이 유도된다. 제1 계자권선(332) 및 제3 계자권선(336)의 경우, 고정자(340)에 대응되는 전기자권선이 없으므로 기전력을 유도하지 않는다.

제1 전기자권선(341)과 제2 전기자권선(343)은 서로 방향을 달리하여 직렬 연결되어 있으므로 전체 고정자(340)의 기전력은 0이 된다.

따라서, 도 3의 (a) 및 도 3의 (b)를 참조하면, 2 극수의 고정자에 기전력을 유도할 수 있는 자속은 동일한 극수인 2 극수의 자속이며, 다른 극수의 자속으로 유도되는 기전력은 0이 됨을 알 수 있다.

도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 극수 발전기의 4 극수 고정자에 기전력을 유도하는 회전자를 나타낸 도면이다.

도 4의 (a)는 2 극수의 회전자(410)를 이용하여 4 극수의 고정자(420)에 포함된 전기자권선(421, 423, 425, 427)에 기전력을 유도하는 과정을 나타낸 도면이다.

도 4의 (a)를 참조하면, 2 극수의 회전자(410)는 고정자(420) 방향의 자속이 형성되는 제1 계자권선(412)과 회전자(410) 방향의 자속이 형성되는 제2 계자권선(414)을 포함한다.

회전자(410)가 회전함에 따라 제1 계자권선(412)이 제1 전기자권선(421)과 가까워지면, 제1 계자권선(412)의 자속으로 인하여 제1 전기자권선(421)의 기준방향으로 E의 기전력이 유도된다. 그와 동시에, 제2 계자권선(414)의 자속은 제1 계자권선(412)의 자속과 반대방향이므로 제3 전기자권선(425)에는 기준 반대방향으로 E의 기전력이 유도된다. 제 2 전기자권선(423) 및 제4 전기자권선(427)은 회전자(410)의 대응되는 위치에 계자권선이 존재하지 않으므로 기전력이 유도되지 않는다.

제1 전기자권선(421)과 제3 전기자권선(425)은 전체 직렬 연결에서 동일한 방향으로 직렬 연결되어 있으므로 전체 고정자(420)에 유도된 전체 기전력은 0이 된다.

회전자(410)가 계속 회전함에 따라 제1 계자권선(412)이 제2 전기자권선(423)과 가까워지면, 제1 계자권선(412)의 자속으로 인하여 제2 전기자권선(423)의 기준방향으로 E의 기전력이 유도된다. 그와 동시에, 제4 전기자권선(427)에는 기준 반대방향으로 E의 기전력이 유도된다. 이 경우, 전체 고정자(420)의 기전력은 0이 된다.

도 4의 (b)는 4 극수의 회전자(430)를 이용하여 4 극수의 고정자(440)에 포함된 전기자권선(441, 443, 445, 447)에 기전력을 유도하는 과정을 나타낸 도면이다.

도 4의 (b)를 참조하면, 4 극수의 회전자(430)는 고정자(440) 방향의 자속이 형성되는 제1 계자권선(432) 및 제3 계자권선(436)과 회전자(430) 방향의 자속이 형성되는 제2 계자권선(434) 및 제4 계자권선(438)을 포함한다.

회전자(430)가 회전함에 따라 제1 계자권선(432)이 제1 전기자권선(441)과 가까워지면, 제1 전기자권선(441)의 기준방향으로 E의 기전력이 유도된다. 그와 동시에, 제3 계자권선(436)의 자속은 제1 계자권선(432)의 자속과 동일한 방향이므로 제3 전기자권선(445)에도 기준 방향으로 E의 기전력이 유도된다. 제2 계자권선(434) 및 제4 계자권선(438)의 경우 제1 계자권선(432)의 자속과 반대 방향이므로, 대응되는 제2 전기자권선(443) 및 제4 전기자권선(447)의 기준 반대방향으로 각각 E의 기전력이 유도된다. 따라서, 고정자(440)의 전체 전기자권선에 유도되는 기전력의 합은 4E가 된다.

회전자(430)가 계속 회전함에 따라 제1 계자권선(432)이 제2 전기자권선(443)과 가까워지면, 제2 전기자권선(443)의 기준방향으로 E의 기전력이 유도된다. 그와 동시에, 제3 계자권선(436)과 대응되는 위치의 제4 전기자권선(447)에도 기준 방향으로 E의 기전력이 유도된다. 제2 계자권선(434) 및 제4 계자권선(438)과 각기 대응되는 제3 전기자권선(445) 및 제1 전기자권선(441)의 기준 반대방향으로 각각 E의 기전력이 유도된다. 따라서, 고정자(440)의 전체 전기자권선에 유도되는 기전력의 합은 -4E가 된다.

따라서, 도 4의 (a) 및 도 4의 (b)를 참조하면, 4 극수의 고정자에는 동일한 극수인 4 극수의 자속이 기전력을 유도할 수 있음을 알 수 있다.

도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 다중 극수 발전기가 서로 다른 극수의 고정자에 기전력을 유도하는 과정을 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 회전자(500)에는 4 개의 계자권선(501, 503, 505, 507)이 방사상으로 배치된다.

제1 고정자(510)는 4 극수에 해당하는 4 개의 전기자권선(512, 514, 516, 518)을 포함하고, 제2 고정자(520)는 2 극수에 해당하는 2 개의 전기자권선(521, 523)을 포함한다.

4 개의 계자권선(501, 503, 505, 507)에는 각각 미리 설정된 여자전류가 인가될 수 있다. 여기서, 여자전류는 계자권선마다 서로 다른 여자전류를 인가할 수 있으며, 계자권선에 여자전류가 인가되면, 해당 여자전류에 의한 자속이 각각 발생한다.

4 개의 계자권선(501, 503, 505, 507) 중 미리 선택된 어느 하나 이상의 계자권선에만 여자전류의 인가가 가능하다. 예를 들면, 계자권선에서 λ1의 자속을 발생시키기 위한 제1 여자전류는 제1 계자권선(501), 제2 계자권선(503), 제3 계자권선(505) 및 제4 계자권선(507)에 인가되고, 계자권선에서 λ2의 자속을 발생시키기 위한 제2 여자전류는 제1 계자권선(501) 및 제3 계자권선(505)에 인가될 수 있다. 결과적으로, 제1 계자권선(501) 및 제3 계자권선(505)에는 제1 여자전류와 제2 여자전류가 동시에 인가되고, 제2 계자권선(503) 및 제4 계자권선(507)에는 제1 여자전류만이 인가될 수 있다.

회전자(500)가 회전함에 따라, 제1 계자권선(501)이 제1 고정자(510)의 제1 전기자권선(512) 및 제2 고정자(520)의 제1 전기자권선(521)에 가까워지면, 제1 여자전류에 의한 λ1의 자속은 4 극수에 해당하는 제1 고정자(510)의 4 개의 전기자권선(512, 514, 516, 518)에 각각 기전력을 유도한다.

2 극수에 해당하는 제2 고정자(520)에서는 제1 계자권선(501)의 λ1 자속에 의하여 제1 전기자권선(521)에 유도된 기전력과, 제3 계자권선(505)의 λ1 자속에 의하여 제2 전기자권선(523)에 유도된 기전력이 서로 상쇄된다. 따라서, 제1 여자전류에 의하여 제2 고정자(520)에 유도되는 기전력의 합은 0이다.

이와 반대로, 제2 여자전류에 의한 λ2의 자속은 2 극수에 해당하는 제2 고정자(520)의 2 개의 전기자권선(521, 523)에 각각 기전력을 유도하고, 제1 고정자(510)의 제1 전기자권선(512) 및 제3전기자권선(516)에 기전력을 유도한다.

제1 고정자(510)의 제1 전기자권선(512) 및 제3전기자권선(516)에 유도된 기전력은 서로 극성이 반대이므로, 제2 여자전류에 의하여 제1 고정자(510)에 유도되는 기전력의 합은 0이다.

결과적으로, 회전자(500)의 4 개의 계자권선(501, 503, 505, 507)에 인가된 제1 여자전류에 의한 4 극수 자속은 제1 고정자(510)에만 기전력을 유도하고, 제2 여자전류에 의한 2 극수 자속은 제2 고정자(520)에만 기전력을 유도한다. 따라서, 제1 여자전류 및 제2 여자전류를 서로 극수를 달리하여 4 개의 계자권선(501, 503, 505, 507)에 인가하면, 서로 다른 두 종류의 극수를 갖는 제1 고정자(510) 및 제2 고정자(520)에서 동시에 발전이 가능하다.

도 6은 본 개시의 일 실시예에 따라 일정한 주파수의 전력을 생성하는 다중 극수 발전기를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 다중 극수 발전기(600)는 회전축(620), 회전자(630), 제1 고정자(640), 제2 고정자(650) 및 전력변환부(660)를 포함한다.

회전축(620)은 외부에너지(610)에 의하여 회전한다. 여기서, 외부에너지(610)는 회전축(620)을 회전시킬 수 있는 기계적 에너지를 회전축(620)에 제공한다. 회전축(620)은 외부에너지(610)의 변화에 따라 그 회전속도가 가변될 수 있다.

회전자(630)는 회전축(620)에 결합되고, 회전자(630)와 동일한 회전속도로 회전한다. 회전자(630)는 중심으로부터 방사상으로 설치된 짝수의 계자권선을 포함한다.

회전자(630)의 계자권선에는 미리 설정된 제1 극수에 관한 제1 여자전류 및 미리 설정된 제2 극수에 관한 제2 여자전류 중 적어도 하나 이상의 전류가 계자권선별로 선택적으로 인가될 수 있다. 여기서, 제1 극수 및 제2 극수는 짝수인 서로 다른 양의 정수이다. 회전자(630)는 제1 극수 및 제2 극수 중 더 큰 값을 갖는 극수의 계자권선을 포함한다. 예를 들면, 제1 극수가 4이고 제2 극수가 2이면 회전자(630)는 4 개의 계자권선을 포함할 수 있다.

제1 고정자(640)는 미리 설정된 제1 극수의 전기자권선을 포함하고, 제2 고정자(650)는 미리 설정된 제2 극수의 전기자권선을 포함한다. 여기서, 전기자권선은 고정자마다 인접 전기자권선과 기준방향이 교대로 배열되도록 연결된 하나의 직렬연결을 구성한다. 예를 들면, 제1 고정자(640)는 4 개의 전기자권선이 기준방향이 교대로 배열되도록 연결된 하나의 직렬연결을 포함하며, 제2 고정자(650)는 2 개의 전기자권선이 기준방향이 교대로 배열되도록 연결된 하나의 직렬연결을 포함할 수 있다.

제1 고정자(640) 및 제2 고정자(650)는 회전자(630)의 외곽을 따라 회전축(620)의 방향으로 서로 다른 영역에 형성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제1 고정자(640) 및 제2 고정자(650)는 회전자(630)의 동일 영역을 둘러싼 위치에, 제1 고정자(640)의 중공에 회전자(630)가 위치하고 제2 고정자(650)의 중공에 제1 고정자(640)가 위치하도록 형성될 수도 있다.

전력계통의 주파수가 60 Hz 인 경우, 발전기는 동기속도로 회전하면 60 Hz의 전력을 출력으로 얻을 수 있다. 여기서, 동기속도는 발전기의 극수 및 계통주파수(를 기초로 정해진다. 예를 들면, 4 극수인 제1 고정자(640)에서는 회전자(630)가 제1 동기속도, 예를 들면, 1800 rpm으로 회전하여야 60 Hz의 전력이 생성되고, 2 극수인 제2 고정자(650)에서는 회전자(630)가 제2 동기속도, 예를 들면, 3600 rpm으로 회전하여야 60 Hz의 전력이 생성된다.

제1 여자전류가 인가된 회전자(630)와 제1 고정자(640)의 경우 4 극수의 유도발전기 구조를 가지며, 제2 여자전류가 인가된 회전자(630)와 제2 고정자(650)의 경우 2 극수의 유도발전기 구조를 가진다. 여기서, 유도기의 2차측 회로인 회전자(630)에 미리 설정된 여자전류가 인가된다.

회전자의 회전각속도가 계통주파수의 각속도보다 느린, 동기 회전속도 이하의 속도로 회전자가 회전하는 경우 유도기는 발전기로 동작할 수 없다. 따라서, 고정자의 회전자계와 동일한 방향으로 회전자를 여자하여 발전기의 동작점을 이동시키면 유도기는 발전기로 동작한다. 예를 들면, 회전자를 (-) rad/s의 교류전류를 이용하여 정상으로 여자하면, 고정자에 각주파수가 rad/s인 교류전력이 전달된다. 여기서, 는 발전하고자 하는 교류전력의 각주파수이고 은 회전자의 기계적인 회전수를 자극수로 환산한 전기 각주파수이다.

고정자에 전달되는 발전전력은 외부에너지에 의한 회전자의 기계적 회전으로부터 전달되는 전력과 회전자의 여자에 의하여 발전기에 공급된 전력의 합과 같다. 따라서, 고정자에서는 전력이 생성되고 회전자에서는 전력이 흡수된다.

반면에, 회전자의 회전각속도가 계통주파수의 각속도보다 빠른, 동기 회전속도 이상의 속도로 회전자가 회전하는 경우 유도기는 발전기로 동작한다. 고정자의 회전자계와 반대 방향으로 회전자를 여자하여 발전기의 동작점을 이동시키면 발전기의 출력값을 조절할 수 있다. 예를 들면, 회전자를 (-) rad/s의 교류전류를 이용하여 역상으로 여자하면, 고정자를 통하여 각주파수가 rad/s인 교류전력이 출력된다.

고정자에 전달되는 발전전력과 회전자에서 출력되는 전력의 합은 회전자의 기계적 회전으로부터 전달되는 전력과 같다. 따라서, 고정자와 회전자 모두에서 전력이 생성된다.

다중 극수 발전기(600)는 2 극수 및 4 극수의 서로 다른 극수를 갖는 2 개의 유도기가 하나의 회전속도로 동시에 동작한다. 2 개의 유도기는 극수에 따라 각기 다른 동기속도를 가지므로, 특정 회전속도는 어느 하나의 유도기 관점에서는 동기속도 이상의 회전속도이고 다른 하나의 유도기 관점에서는 동기속도 이하의 회전속도일 수 있다.

예를 들면, 외부에너지(610)에 따라 회전축(620)이 2000 rpm으로 회전하는 경우, 4 극수인 제1 고정자(640)에 대한 동기 회전속도인 1800 rpm 이상으로 회전하는 경우이므로, 2000 rpm 및 4 극수를 기초로 계산한 각주파수를 갖는 제1 여자전류를 회전자(630)에 역상여자한다. 그러나, 2 극수인 제2 고정자(650)의 경우에는 동기 회전속도인 3600 rpm과 비교하여 낮은 회전속도이므로 2000 rpm 및 2 극수를 기초로 계산한 제2 여자전류를 회전자(630)에 정상여자한다.

다중 극수 발전기(600)의 회전축(620) 및 회전자(630)가 2000 rpm으로 회전하면, 제1 고정자(640) 및 제2 고정자(650) 각각에 60 Hz의 전력이 생성된다. 여기서, 제1 고정자(640)에 대응하는 회전자(630)에서는 전력이 생성되고, 제2 고정자(650)에 대응하는 회전자(630)에서는 전력이 흡수된다. 전력변환부(660)는 동기속도에 따라 회전자(630)로부터 생성 또는 흡수되는 전력을 변환 및 제어하여, 어느 하나의 극수에 대한 회전자(630)로부터 생성된 전력으로 다른 하나의 극수에 대한 회전자(630)를 여자하면 다중 극수 발전기(600)가 일체로 동작 할 수 있다.

외부에너지(610)에 따라 회전축(620)의 회전속도가 4 극수인 제1 고정자(640)에 대한 동기 회전속도인 1800 rpm 내지, 2 극수인 제2 고정자(650)에 대한 동기 회전속도인 3600 rpm의 범위 내에서 증감변동 하는 경우, 회전속도의 변화에 대응하여 회전자(630)가 여자되고, 다중 극수 발전기(600)의 제1 고정자(640) 및 제2 고정자(650)에서 60 Hz를 갖는 전력발전이 가능하다.

이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 다중 극수 발전기
110: 회전축
120: 회전자
130: 제1 고정자
140: 제2 고정자

Claims (7)

1. 발전기에 있어서,
   외부의 기계적인 에너지에 의하여 회전하는 회전축;
   상기 회전축에 중심이 결합되어 상기 회전축과 함께 회전하는 회전자; 및
   상기 회전축의 방향으로 상기 회전자의 외곽을 따라 형성되는 제1 고정자 및 제2 고정자를 포함하되,
   상기 회전자는 복수의 계자권선을 포함하고,
   상기 제1 고정자는 미리 설정된 제1 극수의 양의 정수 배 개수의 전기자권선을 포함하고, 상기 제2 고정자는 미리 설정된 제2 극수의 양의 정수 배 개수의 전기자권선을 포함하는
   다중 극수 발전기.
2. 제1항에 있어서,
   제1 고정자 및 상기 제2 고정자는 동일한 주파수의 전력이 생성되는 다중 극수 발전기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 계자권선은,
   상기 회전자의 회전방향으로 상호 이격되어 설치되고,
   상기 제1 극수에 대한 제1 여자전류 및 상기 제2 극수에 대한 제2 여자전류 중 적어도 하나 이상의 여자전류를 포함하는 여자전류가 인가되는,
   다중 극수 발전기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 고정자는,
   상기 제1 극수의 전기자권선이 인접한 전기자권선과 기준방향이 교대로 배열되도록 연결된 하나의 직렬연결을 포함하고,
   상기 제2 고정자는,
   상기 제2 극수의 전기자권선이 인접한 전기자권선과 기준방향이 교대로 배열되도록 연결된 하나의 직렬연결을 포함하는
   다중 극수 발전기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 극수는 상기 제2 극수보다 큰 값인 다중 극수 발전기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 회전축은,
   상기 외부의 기계적인 에너지의 변화에 따라 가변하는 회전속도로 회전하되,
   상기 회전속도는 상기 제1 극수에 관한 제1 동기속도 내지 상기 제2 극수에 관한 제2 동기속도 범위 내의 회전속도인
   다중 극수 발전기.
7. 제5항에 있어서,
   상기 계자권선은,
   상기 제1 극수와 같은 개수의 계자권선인
   다중 극수 발전기.

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