KR20240072461A - 비회전하는 교류 발전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특히 비회전식 발전기로 구성됨과 더불어 3상 교류를 포함하는 다상의 교류를 생성할 수 있도록 된 비회전식 교류 발전장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 비회전식 교류 발전장치는 상호 위상차를 갖는 다상의 교류를 생성하는 교류 발전장치에 있어서, 서로 다른 위상의 교류를 각각 생성하기 위한 다수의 발전 유니트를 구비하고, 상기 발전 유니트는 봉 형상의 코어 부재와. 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 계자 및, 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제2 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 전기자를 구비하고, 상기 계자와 전기자의 사이에는 자극편이 구비되며, 상기 계자와 자극편의 사이와, 상기 전기자와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며, 상기 다수의 발전 유니트의 각 계자에는 상호 위상차를 갖는 계자 전류가 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

비회전하는 교류 발전장치{Non-Rotation Type AC Electric Generator}

본 발명은 교류 발전장치에 관한 것으로, 특히 비회전식으로 구성됨과 더불어 3상 교류를 포함하는 다상의 교류를 생성할 수 있도록 된 비회전식 교류 발전장치에 관한 것이다.

발전기(Electric generator)는 주로 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치를 칭하는 것으로서, 그 작동방식이나 작동 원리에 따라 직류 발전기, 동기 발전기, 유도 발전기 등으로 구분하여 지칭하기도 한다. 발전기는 기본적으로 전류가 생성되어 출력되는 전기자(電機子)와 자계를 생성하는 계자(界磁)를 구비한다. 발전기는 통상 계자에 직류 전원을 공급하여 자계를 형성하면서, 계자에 대해 전기자를 회전시키거나 전기자에 대해 계자를 회전시키는 방식으로 전기자에 전류의 흐름을 생성한다. 이때 전기자를 회전시키는 방식을 회전 전기자형이라 칭하고, 계자를 회전시키는 방식을 회전 계자형이라 칭한다. 이러한 회전식 발전기에서 전기자나 계자의 회전 구동은 별도의 에너지원에 의해 실행된다. 에너지원으로서는 그 사용 용도에 따라 적절한 것이 채용되는데, 일반적으로 수력, 풍력, 조력 등의 자연 에너지나, 터빈, 엔진, 모터 등의 구동수단이 사용된다.

일반적으로 직류는 전기를 용이하게 저장할 수 있다는 장점이 있는 반면에 승압을 포함하여 고전력화가 어렵다는 단점이 있다. 이에 대하여, 교류는 저장성이 매우 낮은 반면에 승압 및 고전력화가 용이하다는 장점이 있다. 발전기의 하나의 바람직한 적용 방식으로서, 배터리 등의 저장된 직류 전원이나 다른 교류 전원을 이용하여 계자나 전기자를 회전시킴으로써 다양한 교류 전력을 생성하도록 구성된 시스템이 있다. 이러한 전력 시스템 또는 전력 변환 시스템은 병원이나 공장 등과 같이 고전력이 요구되는 산업체의 비상전력수단으로서 많이 사용된다. 또한, 이러한 전력 시스템은 전기를 에너지원으로서 사용하면서 상황에 따라 다양한 구동 토크의 생성이 요구되는 전기 자동차 등에 매우 유용하게 채용될 수 있다.

상기한 종래의 발전기는 전기자나 계자의 회전 구동이 요구된다. 이러한 구성적 특징은 필연적으로 발전기의 구조적, 기계적 복잡성과 더불어 그 제조비용의 증가를 초래한다. 특히, 상기한 구성적 특징은 전기자나 계자가 회전을 할 때 기계적 마찰 등에 의해 다량의 에너지 손실이 발생되므로 발전기의 발전 효율 및 전력 변환 효율을 높이는데 한계가 있게 된다.

대한민국 등록특허 10-1913746호(명칭: 주파수 및 전압 조정이 가능한 교류전력 발생기), 공개특허공보 제10-2014-0078732호(명칭: 전력 변환 장치), 일본 공개특허공보 특개2000-353627호(명칭: 절연 컨버터 트랜스 및 스위칭 전원회로) 등에는 전기자나 계자를 회전시키지 않고 전력변환을 실행하도록 된 장치나 시스템이 소개된 바 있다. 여기서, 등록특허 10-1913746호는 특히 주목할 만하다. 이 특허는 전기자와 계자를 교번적이면 반복적으로 적층하고, 계자에 공급되는 직류 전원의 펄스폭을 듀티 제어함으로써 전기자로부터 얻어지는 교류전원의 주파수 및 전원을 용이하게 조절할 수 있도록 한 것이다.

대한민국 등록번호 제 10-1913746호 (명칭: 주파수 및 전압조정이 가능한 교류 전력 발생기) 대한민국 등록번호 제 10-2014-0078732호 (명칭: 전력 변환 장치) 일본 특계 2000-353627호 (명칭: 절연 컨버터 트랜스 및 스윗칭 전환회로)

본 발명은 전기자나 계자를 회전시키지 않고 교류 전원을 생성함과 더불어, 3상 교류를 포함하는 다상의 교류를 생성할 수 있도록 된 비회전식 교류 발전장치를 제공함에 기술적 목적이 있다.

상기 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 비회전식 교류 발전장치는 상호 위상차를 갖는 다상의 교류를 생성하는 교류 발전장치에 있어서,

서로 다른 위상의 교류를 각각 생성하기 위한 다수의 발전 유니트를 구비하고,

상기 발전 유니트는

봉 형상의 코어 부재와,

전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 계자 및,

전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제2 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 전기자를 구비하고,

상기 계자와 전기자의 사이에는 자극편이 구비되며,

상기 계자와 자극편의 사이와, 상기 전기자와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며,

상기 다수의 발전 유니트의 각 계자에는 상호 위상차를 갖는 계자 전류가 공급되고,

상기 계자(10-1~10-n)는 n개의 계자 중 n/2개의 계자가 제1 계자군을 구성하고, 나머지 n/2개의 계자가 제2 계자군을 구성하되, 기수번째 계자(10-1, 10-3, …, 10-(n-1))가 제1 계자군을 구성하고, 우수번째 계자(10-2,10-4, …, 10-n)가 제2 계자군을 구성하며,

제1 계자군과 제2 계자군은 각각 동기적으로 구동되고, 제1 계자군과 제2 계자군은 상호 교번적으로 구동되어

전체적으로 계자(10-1~10-n)들은 상호 대향하는 방향의 제1 자기장 및 제2 자기장을 형성하게 되고,

제1 계자군과 제2 계자군은 각각 입력단이 상호 직렬로 결선되어, 제1 계자군과 제2 계자군이 각각 하나의 계자 전류 입력에 대하여 직렬로 결선되거나, 제1 계자군과 제2 계자군은 각각 하나의 계자 전류 입력에 대하여 병렬로 결선되며,

계자(10-1~10-n)에 계자 전류를 공급하기 위해 다수의 전류원이 구비되고, 이 전류원에 대응하여 제1 또는 제2 계자군이 다수의 서브 계자군으로 분할되며, 각각의 서브 계자군은 전류원에 대해 각각 직렬 또는 병렬로 결합되고,

계자(10-1~10-n)들의 결선 방식과 이를 위한 전류원의 개수는 교류발전기를 통해 생성하고자 하는 출력 전력량에 따라 선정될 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 코어 부재와 제1 또는 제2 중공부의 사이에 절연재가 추가로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 코어 부재 또는 자극편은 순철로 구성됨과 더불어 열처리가 실행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 계자와 전기자는 복수개 구비되고, 계자와 전기자는 상호 교번적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 전기자는 상호 직렬로 결선되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 비회전식 교류 발전장치는 R상과 S상 및 T상의 교류를 생성하기 위한 제1 내지 제3 발전 유니트를 구비하고, 이들 발전 유니트에 대해 위상차를 갖는 계자 전류를 공급하는 것만으로 3상 교류를 생성할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서는 제1 내지 제3 발전 유니트에 공급하는 계자 전류의 위상을 조정하는 것으로 R상과 S상 및 T상 교류 사이의 위상차를 임의적으로 조정할 수 있고, 또한 각 발전 유니트의 계자와 전기자의 권선비를 조절하는 방법 등으로 R상과 S상 및 T상 교류의 전압을 적절하게 설정할 수 있게 된다.

본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 구성을 효율적으로 설명하기 위한 것이다. 도면에서 일부 구성은
본 발명의 효율적인 이해를 위해 간략화되거나 과장되게 묘사될 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비회전식 교류 발전장치의 구성 예를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 2는 비회전식 교류 발전장치를 구성하는 발전 유니트(100)의 구성을 나타낸 정면도.
도 3은 도 2에 나타낸 발전 유니트(100)의 분리 사시도.
도 4는 순철의 냉각시간에 따른 탈자화 시간 특성을 나타낸 그래프.
도 5는 코어 부재(40)와 자극편(80)을 열처리하는 경우의 시간에 따른 냉각 특성곡선을 나타낸 그래프.
도 6은 발전 유니트(100)와 직류원(110)과의 결선 방식의 일례를 나타낸 구성도,

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 다만 이하에서 설명하는 실시 예는 본 발명의 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 있음을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명은 R상과 S상 및 T상의 3상 교류를 포함하여 다상의 교류를 생성하는 교류 발전장치에 동일하게 적용될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명을 3상 교류 발전장치에 대해 적용한 경우를 예로 들어 설명한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 비회전식 교류 발전장치의 구성 예를 나타낸 사시도이다. 도면에서 비회전식 교류 발전장치는 제1 내지 제3 발전 유니트(100-1~100-3)를 구비한다. 이들 발전 유니트(100-1~100-3)는 각각 R상, S상 및 T상의 교류를 생성하기 위한 것이다. 발전 유니트(100-1~100-3)는 각각 제1 및 제2 입력단(12-1, 12-2)과 제1 및 제2 출력단(22a, 22b)을 구비한다. 이때 제1 및 제2 입력단(12-1, 12-2)은 직류원에 적절하게 결합된다. 발전 유니트(100-1~100-3)와 직류원과의 결합에 대해서는 이후에 보다 구체적으로 설명될 것이다. 또한, 발전 유니트(100-1~100-3)의 제1 출력단(22a)은 중성선(N)에 결합되고, 제2 출력단(22b)으로부터 각각 R상, S상 및 T상의 교류가 출력된다.

도 2는 상기 발전 유니트(100)의 일 구성 예를 나타낸 정면도이고, 도 3은 그 분리 사시도이다. 도면에서 발전 유니트(100)는 베이스 부재(30)와, 이 베이스 부재(30)의 중앙 부분에 결합되는 봉 형상의 코어 부재(40)를 구비한다. 그리고 코어 부재(40)에는 그 외주면을 따라 계자(10: 10-1, 10-2)와 전기자(20: 20-1, 20-2, 20-3)가 교번적으로 적층 또는 결합되어, 발전 유니트(100)는 전체적으로 하나의 비회전식 발전기를 구성한다.

코어 부재(40)는 바람직하게 길이 방향으로 중공(41)이 구비된다. 이 중공(41)은 코어 부재(40)의 내측을 통해 공기가 원활하게 유동될 수 있도록 함으로써 코어 부재(40)에 부적절하게 열 에너지가 축적되는 것을 방지하기 위한 것이다.

계자(10)와 전기자(20)는 각각 절연재가 피복된 전도성 선로(11, 21)가 권취되어 구성된다. 여기서 전도성 선로로서는 예컨대 폴리우레탄(Polyurethane) 동선, 폴리에스테르(Polyester) 동선, 폴리아미드이미드(PAI:Polyamide imide) 동선, 폴리에스테르이미드(Polyester imide) 동선 등이 바람직하게 채용될 수 있다. 계자(10)에는 계자 전류를 공급하기 위한 제1 및 제2 입력단(12: 12-1, 12-2)이 구비된다. 전기자(20)는 제1 및 제2 출력단(22a, 22b)에 대해 직렬로 결합되고, 출력단(22a, 22b)으로부터 유도 전류, 즉 전기자(20)에서 생성되는 R상, S상 또는 T상의 교류 전류가 인출된다. 계자(10)와 전기자(20)의 권선비는 계자 전력과 출력 전력에 따라 적절하게 설정될 것이다. 또한, 본 발명의 다른 구현 예로서, 전기자(20)는 출력단(22a, 22b)에 대해 병렬로 결합되거나, 직렬과 병렬의 혼합 방식으로 결선될 수 있다. 발전 유니트(100)의 입력단(12)과 출력단(22a, 22b)을 위한 결선 방식은 특정한 방식에 한정되지 않는다.

계자(10)와 전기자(20)는 전체적으로 중앙 부분에 중공부(13, 23)가 구비된 원기둥 형상으로 이루어지고, 계자(10-1, 10-2)와 전기자(20-1~20-3)의 내주면에는 바람직하게 각각 절연재(130, 230)가 피복된다. 이 절연재(130, 230)는 계자(10-1, 10-2) 및 전기자(20-1~20-3)와 이들의 중공부(13, 23)를 통해서 삽입되는 코어 부재(40) 사이의 보다 확실한 절연을 위해서 채용된다. 계자(10)와 전기자(20)의 형상은 특정한 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 계자(10)와 전기자(20)는 타원 형상이나 다각형 형상으로 구성될 수 있다. 또한, 계자(10) 및 전기자(20)의 중공부(13, 23) 형상과 코어 부재(40)의 형상은 특정한 것에 한정되지 않는다. 이들은 상호 대응하는 형상으로 이루어져, 코어 부재(40)와 계자(10) 및 전기자(20)가 전체적으로 최대한 근접하게 배치될 수 있도록 구성된다.

제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)는 상호 대향하는 방향의 자기장, 예컨대 제1 계자(10-1)는 제1 자기장을 생성하고 제2 계자(10-2)는 제2 자기장을 생성하도록 구성 또는 결선된다. 이를 위해 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)는 선로(11)의 권취 방향이 서로 반대 방향으로 이루어진다. 또한, 다른 바람직한 구현 예에서 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)는 선로(11)의 권취 방향을 포함하여 실질적으로 동일한 구성으로 이루어지고, 제1 계자(10-1)의 입력단(12-1)으로 공급되는 계자 전류와 제2 계자(10-2)의 입력단(12-2)으로 공급되는 계자 전류의 방향이 서로 반대 방향으로 설정된다. 제1 및 제2 계자(10-1, 10-2)로 계자 전류를 공급하는 전류원으로서는 동일한 것을 채용하거나 서로 다른 것을 채용할 수 있다.

제1 내지 제3 전기자(20-1~20-3)는 실질적으로 상호 동일한 구성으로 이루어짐과 더불어 상호 직렬 또는 병렬로 결합되어 전체적으로는 하나의 전기자로서 작용하게 된다. 본 예에서 제1 내지 제3 전기자(20-1~20-3)는 모두 선로(11)가 동일한 방향으로 권취되고, 제1 전기자(20-1)의 일측 출력단이 연결선(201)을 통해서 제2 전기자(20-2)의 타측 출력단에 전기적으로 결합되면서 제1 전기자(20-1)의 타측 출력단이 연결선(202)을 통해 제3 전기자(20-3)의 일측 출력단에 전기적으로 결합된다. 보다 명확하게 제1 내지 제3 전기자(20-1~20-3)는 동일한 방향의 전기장에 대해 모두 동일한 방향으로 유도 전류의 흐름이 발생되도록 구성 및 결합된다. 그리고 제2 전기자(20-2)의 일측 출력단(22a)과 제3 전기자(20-3)의 타측 출력단(22b)이 발전 유니트(100)의 제1 및 제2 출력단을 구성하게 된다.

본 실시 예는 계자(10-1~10-n)와 전기자(20-0~20-n)를 복수 개 구비하여, 필요에 따라 다양한 교류 전력을 생성할 수 있도록 한 것이다. 그리고, 그 밖의 부분은 상술한 실시 예와 실질적으로 동일하므로, 상기 실시 예와 동일한 부분에는 동일한 참조번호를 붙이고 그 구체적인 설명은 생략한다.

이상으로 본 발명에 따른 실시 예를 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다. 예를 들어 상기 실시 예에 있어서는 발전 유니트(100)를 구성하는 계자(10)와 전기자(20)가 하나씩 순차적으로 교번하여 설치되는 것에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명은 예컨대 2개의 연속된 계자와 1개의 전기자를 교번하여 설치하는 등 다양한 방식으로 변형하여 실시할 수 있다.

또한, 상기 실시 예에서 R상과 S상 및 T상의 교류를 생성하는 각각의 발전 유니트(100-1~100-3)는 다수의 발전 유니트로 구성될 수 있다. 그리고 이때 다수개의 발전 유니트는 그 제1 및 제2 출력단(22a, 22b)이 상호 직렬 또는 병렬로 결합될 것이다.

또한, 상기 실시 예에서는 본 발명을 3상 교류 발전장치에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 다선식 다상 교류 발전장치에 대해 동일한 방식으로 적용하여 실시할 수 있다.

10-1, 10-2: 계자, 20-1~20-3: 전기자,
30: 베이스 부재, 40: 코어 부재,
60: 덮개, 70: 체결부재,
80: 자극편, 90: 절연판,
100-1~100-3: 발전 유니트.

Claims (4)

1. 상호 위상차를 갖는 다상의 교류를 생성하는 교류 발전장치에 있어서,
   서로 다른 위상의 교류를 각각 생성하기 위한 다수의 발전 유니트를 구비하고,
   상기 발전 유니트는
   봉 형상의 코어 부재와,
   전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에
   배치되는 계자 및,
   전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제2 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에
   배치되는 전기자를 구비하고,
   상기 계자와 전기자의 사이에는 자극편이 구비되며,
   상기 계자와 자극편의 사이와, 상기 전기자와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며,
   상기 다수의 발전 유니트의 각 계자에는 상호 위상차를 갖는 계자 전류가 공급되고,
   상기 계자(10-1~10-n)는 n개의 계자 중 n/2개의 계자가 제1 계자군을 구성하고, 나머지 n/2개의 계자가 제2 계
   자군을 구성하되, 기수번째 계자(10-1, 10-3, …, 10-(n-1))가 제1 계자군을 구성하고, 우수번째 계자(10-2,
   10-4, …, 10-n)가 제2 계자군을 구성하며,
   제1 계자군과 제2 계자군은 각각 동기적으로 구동되고, 제1 계자군과 제2 계자군은 상호 교번적으로 구동되어
   전체적으로 계자(10-1~10-n)들은 상호 대향하는 방향의 제1 자기장 및 제2 자기장을 형성하게 되고,
   제1 계자군과 제2 계자군은 각각 입력단이 상호 직렬로 결선되어, 제1 계자군과 제2 계자군이 각각 하나의 계자
   전류 입력에 대하여 직렬로 결선되거나, 제1 계자군과 제2 계자군은 각각 하나의 계자 전류 입력에 대하여 병렬로 결선되며,
   계자(10-1~10-n)에 계자 전류를 공급하기 위해 다수의 전류원이 구비되고, 이 전류원에 대응하여 제1 또는 제2
   계자군이 다수의 서브 계자군으로 분할되며, 각각의 서브 계자군은 전류원에 대해 각각 직렬 또는 병렬로 결합되고,
   계자(10-1~10-n)들의 결선 방식과 이를 위한 전류원의 개수는 교류발전기를 통해 생성하고자 하는 출력 전력량
   에 따라 선정될 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 코어 부재의 중앙 부분에는 길이 방향을 따라 중공이 구비되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 코어 부재와 제1 또는 제2 중공부의 사이에 절연재가 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 코어 부재 또는 자극편은 순철로 구성됨과 더불어 열처리가 실행되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.