KR20240007867A - 비회전식 전력변환장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전력변환 효율을 제고할 수 있도록 구성된 비회전식 전력변환장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 비회전식 전력변환장치는 직류를 다른 전력의 직류 또는 교류로 변환하거나, 교류를 다른 전력의 교류 또는 직류로 변환하는 전력변환장치에 있어서, 자화될 수 있는 재질로 구성되는 코어 부재(220)와, 상기 코어 부재(220)에 결합되는 계자 유니트(10) 및, 상기 코어 부재(220)에 결합되는 전기자 유니트(20)를 포함하여 구성되고, 상기 계자 유니트(20)는 자화될 수 있는 재질로 구성됨과 더불어 중앙 부분에 상기 코어 부재(220)의 삽입을 위한 중공부(12)가 구비되는 원통 형상의 제1 하우징(11)과, 상기 제1 하우징(11)의 내부에 수납되는 제1 코일 부재(15)를 구비하여 구성되며, 상기 전기자 유니트(20)는 링 형상으로 구성됨과 더불어 자화될 수 있는 재질로 구성되는 제2 하우징(22)과, 상기 제2 하우징(22)에 착탈 가능하게 수납되는 제2 코일 부재(21)를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

비회전식 전력변환장치{NON-ROTATION TYPE POWER CONVERTING APPARATUS}
본 발명은 전력변환 효율을 제고할 수 있도록 구성된 비회전식 전력변환장치에 관한 것이다.
전력변환장치는 직류를 다른 전력의 직류 또는 교류로 변환하거나, 교류를 다른 전력의 교류 또는 직류로 변환하는 장치를 말한다. 전력변환장치로서는 다양한 구조의 것이 있다. 이 중에서 계자와 전기자를 적층하여 구성한 비회전식 전력변환장치는 모터 등을 채용하는 다른 전력변환장치에 비하여 높은 전력변환효율을 제공할 수 있다는 점에서 주목받고 있다.
비회전식 전력변환장치에 대해서는 대한민국 등록특허 제10-2332747호(명칭: 비회전식 직류 발전기), 공개특허 제10-2021-0140835호(명칭: 비회전식 교류 발전장치), 공개특허 제10-2021-0141811호(명칭: 전력변환장치) 등에 개시되어 있다. 비회전식 전력변환장치는 기본적으로 각각 코일 형태로 권취된 계자와 전기자를 적층하여 배치한 구성으로 이루어지고, 여기에 계자 전류의 듀티비를 제어하기 위한 제어수단이 구비된다. 제어수단은 원하는 전력에 상응하여 소정의 듀티비를 갖는 계자 전류를 계자에 공급하게 된다. 계자에서는 계자 전류에 상응하여 자기장이 생성되고, 이와 같이 생성된 자기장은 전기자 코일을 쇄교하게 된다. 이에 따라 전기자에서는 자기장의 변화량에 대응하는 유도 전류가 생성되어 외부로 출력되게 된다.
상기한 비회전식 전력변환장치는 계자나 전기자를 회전 구동하기 위한 모터와 같은 물리적인 구동수단이 배제된다. 따라서 기계적인 마찰 등에 의한 물리적인 에너지 손실이 제거되어 전력변환 효율을 제고할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명은 종래에 비해 전력변환 효율을 더욱 제고할 수 있는 비회전식 전력변환장치를 제공함에 기술적 목적이 있다.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 비회전식 전력변환장치는 직류를 다른 전력의 직류 또는 교류로 변환하거나, 교류를 다른 전력의 교류 또는 직류로 변환하는 전력변환장치에 있어서, 자화될 수 있는 재질로 구성되는 코어 부재와, 상기 코어 부재에 결합되는 계자 유니트 및, 상기 코어 부재에 결합되는 전기자 유니트를 포함하여 구성되고, 상기 계자 유니트는 자화될 수 있는 재질로 구성됨과 더불어 중앙 부분에 상기 코어 부재의 삽입을 위한 중공부가 구비되는 원통 형상의 제1 하우징과, 상기 제1 하우징의 내부에 수납되는 제1 코일 부재를 구비하여 구성되며, 상기 전기자 유니트는 링 형상으로 구성됨과 더불어 자화될 수 있는 재질로 구성되는 제2 하우징과, 상기 제2 하우징에 착탈 가능하게 수납되는 제2 코일 부재를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 하우징은 열처리된 순철로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 하우징의 외경은 제1 하우징의 외경과 동등한 크기로 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 하우징의 내측면과 제2 코일 부재의 외측면 사이에 이격 공간이 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 비회전식 전력변환장치는 자화될 수 있는 재질로 구성되고, 중앙 부분에 상기 코어 부재의 삽입을 위한 중공부가 구비되는 원판 형상으로 구성되는 브릿지를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계자 유니트 또는 브릿지는 전기자 유니트와 대향하는 측면에 절연 필름이 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2 하우징의 상부 및 하부에는 제2 코일 부재와 전기적으로 결합되는 단자쌍을 각각 인출하기 위한 인출홈이 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성으로 된 본 발명에 의하면, 비회전식 전력변환장치는 계자 유니트와 전기자 유니트를 구비한다. 계자 유니트는 전기자 유니트의 일측에 밀착되면서 배치된다. 또한 전기자 유니트의 타측에는 브릿지가 밀착되면서 배치된다. 계자 및 전기자 유니트는 모두 하우징을 구비하고, 하우징은 상호 연접되어 코어 부재와 함께 자로를 형성하게 된다. 상기한 비회전식 전력변환장치는 코어 부재와 브릿지, 계자 유니트 및 전기자 유니트에 의해 장치 전체를 순환하는 자로가 형성되고, 이 자로를 통해 계자 유니트에서 생성된 자기장이 전기자를 쇄교하면서 원활하게 순환하게 된다.
도면은 본 발명을 효과적으로 설명하기 위한 것이다. 따라서 보다 효과적인 설명을 위해 일부 구성이 과장되게 묘사되거나 생략될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비회전식 전력변환장치(100)의 요부 구성을 나타낸 구성도.
도 2는 도 1에 나타낸 전력변환장치(100)의 분리 사시도,
도 3은 도 1에서 선 A-A'에 따른 단면 구성을 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 비회전식 전력변환장치(200)의 전체적인 구성의 일례를 나타낸 구성도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 설명한다. 다만, 이하에서 설명하는 실시 예는 본 발명의 하나의 바람직한 구현 예를 예시적으로 나타낸 것으로서, 이러한 실시 예의 예시는 본 발명의 권리 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 그 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비회전식 전력변환장치(100)의 요부 구성을 나타낸 구성도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 전력변환장치(100)의 분리 사시도, 도 3은 도 1에서 선 A-A'에 따른 단면 구성을 나타낸 단면도이다. 도면에서 전력변환장치(100)는 기본적으로 계자 유니트(10)와 전기자 유니트(20)를 구비한다. 계자 유니트(10)는 외부로부터 제공되는 계자 전류에 따라 자기장을 생성하고, 전기자 유니트(20)는 계자 유니트(10)에 의해 생성된 자기장의 변화량에 상응하여 유도 전류를 생성하게 된다.,
계자 유니트(10)는 전기자 유니트(20)와 상호 대향되게 배치된다. 바람직하게 계자 유니트(10)는 전기자 유니트(20)의 일측 또는 양측에 설치된다. 계자 유니트(10)는 중앙 부분에 중공부(111)가 형성된 원통 형상의 하우징(11)을 구비한다. 하우징(11)은 상부에 배치되는 덮개(13)를 구비한다. 덮개(13)를 포함하여 하우징(11)은 전체적으로 자화될 수 있는 재질로 구성된다. 덮개(13)는 하우징(11)의 몸체를 밀봉하면서 설치된다. 하우징(11) 내부에는 코일 부재(15)가 구비된다. 도면에 구체적으로 나타내지 않았으나, 코일 부재(15)는 절연물질이 코팅된 도선이 권취된 구성으로 이루어진다. 코일 부재(15)에는 계자 전류의 공급을 위한 단자쌍(151)이 마련되고, 이 단자쌍(151)은 하우징(10)의 외측으로 인출된다.
본 발명에서 계자 유니트(10)의 구성은 전력변환장치의 동작방식이나 적용 분야에 따라 적절하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 본 예에서는 계자 유니트(10)에 한 개의 코일 부재(15))가 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 계자 유니트(10)에는 2개 이상의 코일 부재가 구비될 수 있다.
또한, 계자 유니트(10)의 상면 및 하면에는 예컨대 테프론 등의 절연 필름(14)이 부착된다. 절연 필름(14)은 계자 유니트(10)와 코일 부재(21) 사이의 보다 효과적인 절연을 위한 것이다. 바람직하게 절연 필름(14)은 전기자 유니트(20)에서 하우징(22)을 제외한 부분, 즉 코일 부재(21)에 대응하는 부분에만 제한적으로 설치된다. 이는 하우징(11)과 절연 필름(14)의 투자율 차이를 고려한 것이다.
전기자 유니트(20)는 코일 부재(21)와 하우징(22)을 구비한다. 코일 부재(21)는 중앙 부분에 중공부(211)가 구비되고, 에나멜 등의 절연물질이 코팅된 도선이 권취된 구성으로 이루어진다. 그리고 코일 부재(21)에는 자기장에 의해 생성된 유도 전류를 외부로 출력하기 위한 단자쌍(212)이 마련된다.
하우징(22)은 자화될 수 있는 재질로 구성된다. 바람직하게 하우징(22)은 열처리된 순철로 구성된다. 순철은 투자율이 높고 전기전도도가 우수하며 보자력이 비교적 높다. 또한 순철은 일정 온도 이상으로 가열한 후 그 냉각시간을 조정함으로써 탈자화 시간(demagnetization time)을 적절하게 설정할 수 있다. 하우징(22)은 계자 유니트(10)에 공급되는 계자 전류의 주파수에 상응하여 탈자화 시간이 적절하게 설정된다.
하우징(22)은 링 형상으로 이루어진다. 바람직하게 하우징(22)의 외경은 계자 유니트(10)의 외경과 동등한 크기로 설정된다. 그리고 하우징(22)의 내경은 코일 부재(21)의 외경과 동등 이상의 크기로 설정된다. 하우징(22)의 두께는 특정되지 않는다. 다만, 본 발명의 바람직한 구현 예에서 하우징(22)의 두께는 원활한 자로의 형성을 위해 예컨대 30mm 이상으로 설정될 수 있다. 하우징(22)의 내부에는 코일 부재(21)가 착탈 가능하게 삽입된다. 하우징(22)과 코일 부재(21)와의 보다 안정적인 절연을 위해 바람직하게 코일 부재(21)의 외주면과 하우징(22)의 내주면 사이에는 소정의 이격 공간(X)이 마련된다. 상기 이격 공간(X)은 코일 부재(21)에서의 열축적을 완화하는 효과를 제공할 수 있다. 하우징(22)의 하부 및 상부에는 코일 부재(21)의 단자쌍(212)을 외측으로 인출하기 위한 인출홈(221, 222)이 각각 마련된다. 인출홈(221, 222)의 크기 및 형상은 특정되지 않는다.
전기자 유니트(20)의 타측에는 브릿지(30)가 밀착되면서 배치된다. 브릿지(30)는 중앙 부분에 중공부(32)가 형성된 원판 형상으로 이루어진다. 브릿지(30)의 지름은 바람직하게 전기자 유니트(20)의 지름과 동등하게 설정되고, 브릿지(30)의 두께는 상하 방향으로의 원활한 자속 투사를 위해 바람직하게 30mm 이하, 보다 바람직하게 10mm로 설정된다. 브릿지(30)는 예컨대 금속 등의 자화될 수 있는 재질로 구성된다. 바람직한 실시 예에서 브릿지(30)는 열처리된 순철로 구성된다. 브릿지(30)의 일측 또는 양측면에는 테프론 등의 절연 필름(33)이 부착된다. 절연 필름(33)은 전기자 유니트(20)의 코일 부재(21)와의 보다 안정적인 절연을 위한 것이다. 또한, 계자 유니트(10)와 마찬가지로 절연 필름(33)은 전기자 유니트(20)에서 하우징(22)을 제외한 부분, 즉 코일 부재(21)에 대응하는 부분에만 제한적으로 설치된다.
브릿지(30)는 계자 유니트(10)로부터 전기자 유니트(20)를 쇄교하면서 형성되는 자기장에 대해 보다 안정적인 자로를 제공하고, 계자 유니트(10)로부터 전기자 유니트(20)로 공급되는 자기장에 대해 일종의 버퍼로서의 기능을 수행한다.
도 4는 본 발명에 따른 비회전식 전력변환장치(200)의 전체적인 구성의 일례를 나타낸 구성도이다. 도면에서 전력변환장치(200)는 베이스 부재(210)에 코어 부재(220)가 체결된다, 코어 부재(220)는 바람직하게 자화될 수 있는 재질로 구성된다. 코어 부재(220)에는 다수의 계자 유니트(10)와 전기자 유니트(20)가 결합된다. 그리고, 이들은 체결부재(230)에 의해 코어 부재(220)에 안정적으로 고정된다.
전기자 유니트(20)의 사이에는 바람직하게 브릿지(30)가 설치된다. 계자 유니트(10)의 사이에 단일의 전기자 유니트(20)가 구비되는 경우 브릿지(30)는 제거될 것이다. 또한, 다른 변형 예에서 전기자 유니트(20)의 사이에는 브릿지(10) 대신에 절연 부재나 진동 흡수를 위한 완충 부재가 구비될 수 있다.
상기 구성에서 계자 유니트(10)는 도시되지 않은 제어수단에 전기적으로 결합된다. 제어수단은 계자 유니트(10)에 계자 전류를 공급하여 계자 유니트(10)를 구동하게 된다. 다수의 계자 유니트(10)는 계자 전류에 대해 직렬 또는 병렬로 결합된다. 또한 일부 적용 예에서 일부의 계자 유니트(10)는 다른 계자 유니트(10)와 상호 교번적으로 구동된다. 계자 유니트(10)에 계자 전류가 공급되면, 계자 유니트(10)에서는 자기장이 생성된다. 상기 전력변환장치(200)의 외주연은 계자 유니트(10)의 하우징(11)과, 전기자 유니트(20)의 하우징(22) 및 브릿지(30)의 연접된 구조에 의해 구성된다. 이들은 모두 자화될 수 있는 재질로 구성된다. 이에 따라 전력변환장치(200)에는 도면에 점선(M)으로 나타낸 바와 같이 코어 부재(220)와 브릿지(30) 및 전기자 유니트(20)와 계자 유니트(10)의 외주연으로 이어지는 자로가 형성된다. 그리고 이러한 자로는 모두 투자율이 높은 재질로 구성된다. 상기 전력변환장치(200)는 전기자 유니트(20)를 쇄교하면서 안정적인 자로가 형성되므로 전력변환장치(200)의 전력변환 효율을 제고할 수 잇게 된다.
이상으로 본 발명에 따른 실시 예를 설명하였다. 그러나 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다.
10: 계자 유니트, 11: 하우징,
12: 중공부, 13: 덮개,
14: 절연 필름, 20: 전기자 유니트,
21: 코일 부재, 22: 하우징,
30: 브릿지, 32: 중공부,
33: 절연 필름, 151: 단자쌍,
211: 중공부, 212: 단자쌍,
212, 222: 인출홈.

Claims (7)

  1. 직류를 다른 전력의 직류 또는 교류로 변환하거나, 교류를 다른 전력의 교류 또는 직류로 변환하는 전력변환장치에 있어서,
    자화될 수 있는 재질로 구성되는 코어 부재와,
    상기 코어 부재에 결합되는 계자 유니트 및,
    상기 코어 부재에 결합되는 전기자 유니트를 포함하여 구성되고,
    상기 계자 유니트는 자화될 수 있는 재질로 구성됨과 더불어 중앙 부분에 상기 코어 부재의 삽입을 위한 중공부가 구비되는 원통 형상의 제1 하우징과, 상기 제1 하우징의 내부에 수납되는 제1 코일 부재를 구비하여 구성되며,
    상기 전기자 유니트는 링 형상으로 구성됨과 더불어 자화될 수 있는 재질로 구성되는 제2 하우징과, 상기 제2 하우징에 착탈 가능하게 수납되는 제2 코일 부재를 구비하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비회전식 전력변환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 하우징은 열처리된 순철로 구성되는 것을 특징으로 하는 비회전식 전력변환장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 하우징의 외경은 제1 하우징의 외경과 동등한 크기로 설정되는 것을 특징으로 하는 비회전식 전력변환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 하우징의 내측면과 제2 코일 부재의 외측면 사이에 이격 공간이 구비되는 것을 특징으로 하는 비회전식 전력변환장치.
  5. 제1항에 있어서,
    자화될 수 있는 재질로 구성되고, 중앙 부분에 상기 코어 부재의 삽입을 위한 중공부가 구비되는 원판 형상으로 구성되는 브릿지를 추가로 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비회전식 전력변환장치.
  6. 제1항 또는 제5항에 있억서,
    상기 계자 유니트 또는 브릿지는 전기자 유니트와 대향하는 측면에 절연 필름이 구비되는 것을 특징으로 하는 비회전식 전력변환장치.
  7. 제1항에 잇어서,
    상기 제2 하우징의 상부 및 하부에는 제2 코일 부재와 전기적으로 결합되는 단자쌍을 각각 인출하기 위한 인출홈이 구비되는 것을 특징으로 하는 비회전식 전력변환장치.
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