KR910006289B1 - 솔레노이드 형 발전기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

솔레노이드 형 발전기

제1도는 본 발명에 의한 발전기의 종 단면도.

제2도는 본 발명에 의한 발전기의 고정자측을 보여주는 것으로서 제1도의 a-a선을 따라 우측에서 관찰한 단면도.

제3도는 본 발명에 의한 발전기의 회전자축을 보여주는 것으로서 제1도의 a-a선을 따라 좌측에서 관찰한 단면도.

제4도는 제1도의 발전기를 복수개로 동일 케이스 내에, 동일축상에 축방향으로 간격지게 설치한 개략적 종 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 발전기 케이스 2 : 축

3 : 고정자 자기 블록 4 : 회전자(계자장치) 자기 블록

5 : 자기 단락 블록 6 : 고정자(전기자) 코일

7 : 계자(회전자) 코일 8 : 회전자 자기 블록 지지체

9 : 냉각용 환풍기 10 : 고정자 자기 블록 지지링

11 : 슬립링(slip ring)과 부러시의 조립체 12 : 계자 코일 입력 전선

13 : 고정자 출력 전선 14 : 축의 단말면

15 : 환풍 개구 16 : 환풍 개구

17 : 베이링 18 : 발전기 설치대

19 : 간격 20 : 회전자

21 : 고정자 22 : 계자 코일 고정용 쐐기

23 : 케이스 캡 24 : 축 고정용 링.

본 발명은 회전자측 코일과 고정자 측 코일이 모두 각각 짧은 단일 솔레노이드 형으로 권선(捲線)된 발전기에 관한 것이며, 또한 상기와 같은 형의 발전기가 복수개로 동축상에 배열된 복합형 발전기에 관한 것이기도 하다.

종래의 발전기에 있어서는 전기자측 코일과 계자측 코일이 모두 축 방향으로 권선되고 특히 전기자 코일에 있어서는 이 축 방향의 길이 만이 기전력(起電力)을 일으키는 유효 길이로 되어 있다. 이 유효 길이를 상당히 길게 하여야만 충분한 기전력을 얻을 수 있는 것인데, 이 유효 길이를 길게 하려면 대형 발전기에 있어서는 축과 축받이의 부담이 커지고, 축과 축받이의 더 높은 성능과 정밀도를 요하게 된다.

또한 종래의 발전기에 있어서는 전기자 코일 및 계자 코일, 또는 최소한 전기자 코일이 지그재그 식으로 왕복식으로 권선되는데, 그 권선 방식이 매우 복잡하다. 따라서, 만약 발전기를 조립하는 작업자가 실수로 잘못된 권선을 수행할 때에는, 발전기에 치명적인 결함을 가져다 주는 것이다.

또한 종래의 발전기에 있어서는 회전자의 철심 질량이 그 구조상 불가피하게 크게 된다. 따라서 회전자 철심을 효과적으로 냉각시키기가 어려우며, 그 결과, 높은 온도에 철심이 유지되는 상태에서 발전기를 장시간 가동시키면, 회전자 코일이 가열되어 회전자 코일의 절연 피막이 손상을 입게되며, 이것은 곧 발전기의 수명 단축을 의미한다. 또한 이러한 회전자 코일의 온도 상승은 회전자 코일의 저항치를 증가시켜서 회전자 코일 저항손을 증가시키며, 이것은 곧 에너지의 낭비 및 발전기의 효율 저하를 의미한다.

또한, 전술한 바와 같이 회전자 철심의 총 질량이 크게 된다는 것은 그 철심의 총 히스테레지스 손과 와류손을 증가시켜, 궁극적으로 에너지의 낭비와 발전기의 효율저하를 초래한다. 또한 회전자 철심의 질량의 과다는 재료의 낭비일뿐 아니라, 발전기 전체의 무게의 증가를 수반하여 취급상 바람직하지 못한 특성을 형성한다.

또한 종래의 발전기에 있어서는 회전자의 철심이 축과 일체로 고정되어 있고, 축은 성층(成層)시킬 수 없는 이유로 인하여 축에서 발생하는 와류손이 크다.

본 발명은 전술한 종래 발전기의 단점들을 극복하기 위하여 구조가 전혀 새로운 발전기를 제공하도록 의도된 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 고정자(전기자) 및 회전자(계자장치)의 코일들이 모두 각각 짧은 단일 솔레노이드 형으로 권선되어 조립시에 권선 착오를 일으킬 염려가 없는 발전기의 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 축이 매우 짧아서, 소형, 및 중형 발전기뿐만 아니라, 대형 발전기 제작에 특히 유리한 구조적 특성을 가진 발전기를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 고정자 및 회전자의 자기 철블록(종래의 발전기의 철심에 해당함)들의 총 질량을 꼭 필요한 양으로 감소시켜, 와류손과 히스테레지스 손이 적은 발전기를 제공하려는 것이다.

본 발명이 또 하나의 목적은 상기 자기철블록들이 서로 집중되지 않고 흩어 지게끔 배열하고, 솔레노이드형 코일들의 노출 부분이 많게끔 배열하고, 또 강력한 원심력 환풍기를 유리한 위치에 설치함으로서, 코일들을 낮은 온도에 유지하여, 코일의 저항손이 적은 효율높은 발전기를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 축이 상기 자기철블록으로 부터 멀리 위치하여, 코일의 영향권 밖에 있으므로서 축내에 와류나 히스테레지스 현상이 나타나지 않는 발전기를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 하나의 목적은 발전용량에 비하여 총 무게가 비교적 가벼워서 취급하기에 편리한 발전기를 제공하려는 것이다. 상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 의한 발전기의 구성은 다음과 같다. 짧은 원통형 케이스내의 원주벽 좌반부에 ㄷ자형의 철블록들을 일정한 균등 간격으로 원주를 따라 고정 설치하되, 이 ㄷ자형 블록들의 슬로트 개구가 축과 평행하게끔 배치하며, 이 철블록들의 사이사이에는 단락 자기 블록을 설치함으로서, ㄷ자형 블록들과 단락 자기 블록들은 교번식으로 케이스 내주벽에 고정되게 하나, 실은 단락 자기 블록을 설치하기 전에, 먼저 설치된 ㄷ자형 블록들의 슬로트내로 출력 코일을 짧은 솔레노이드형으로 단순히 권선한 후에 상기 단락 자기 블록들을 전술한 바와 같이 설치하면 이것이 본 발명에 의한 발전기의 고정자가 되는 것이다. 한편 상기 케이스 내부 공간의 우반부에는 회전자가 설치되는 데, 이 회전자는 축과, 축의 둘레에 고정 설치된 속이찬 또는 중공성의 짧은 원통형의 내열성 고 경도성 합성수시제의 지지체와 이 지지체의 원주면에 방사상으로 배치된 도치형 ㄷ자형 자기철블록들과, 이 자기철블록들 내에 권선된 계자 코일 등으로 구성되며, 한편 고정자의 블록들의 반경방향 내부 공간에는 강력한 합성수지제의 환풍기가 수용되는데, 이 환풍기는 상기 지지체와 동일한 물질로 일체로 성형되어, 환풍기 역할을 하는 한편, 또 상기 지지체의 구조를 보강하는 역할을 한다.

상기 고정자의 회전자의 ㄷ자형 자기 철블록들 및 도치형 ㄷ자형 자기 철블록들은 절연박판으로 나누어져 성층되어있는 데 그 성층 방향은 대체적인 반경방향-축방향인 것으로서 종래의 발전기의 성층 방향과는 직각으로 교차하는 방향인 것이다.

상기 고정자와 회전자에 있어서 고정자의 ㄷ자형 철블록들은 균등한 각도 간격으로 원주면을 따라 설치되며 회전자의 도치형 ㄷ자형 철블록들도 동일한 방식으로 설치하되, 이 두가지 철블록들의 수가 서로 같고, 그 위치들이 서로 일치하고, 상면하는 면의 크기와 모양이 서로 같아야 한다.

이하 첨부 도면을 참조하며, 본 발명의 선호된 실시예를 상세히 설명함으로서, 상기 목적들과, 기타 본 발명의 잇점들이 더 분명해질 것이다.

제1도를 참조하면, 발전기의 케이스(1)에 캡(23)을 착탈 가능하게 부착할 수 있게 되어 있으며, 이 양자가 서로 결합해야만 완전한 발전기 케이스를 형성하고, 이 케이스는 발전기의 축(2)과 동축상에 설치된다.

제1도의 a-a선을 대체적인 중심으로 하여, 그 좌반부에는 고정자가 수용되고 그 우반부에는 회전자가 수용되나, 단 회전자의 환풍기는 좌반부에 위치한다. 제2도에서 21번으로 총칭된 고정자를 설명하면, 고정자의 ㄷ자형 철블록(3)들은 균등한 간격으로 케이스(1)의 내부 원주면과 케이스(1)의 좌측벽에 고정된다. 고정 방법은 볼트(도시되지 않음)등과 같은 체결 수단에 의할 것이다. 운주면 상에 설치된 이 ㄷ자형 철블록(3)들의 슬로트들을 통하여 출력 코일(6)을 단순한 짧은 솔레노이드형으로 권선한다. 다음에는 제2도에 도시된 바와 같이, 상기 출력코일(6)과 측면으로 접촉하게끔 자기 단락 철블록(5)들을 ㄷ자형 철블록(3)들 사이사이에 설치한다. 이 ㄷ자형 블록(3)들과 단락 철블록(5)들은 그 우측면들이 정확히 동일평면상에 위치하며, 또 대체적인 반경방향-축방향으로 성층화되는 데, 이 성층방향은 종래의 발전기의 성층방향과는 직각으로 교차하는 방향인 것이다. 성층방법은 공지된 절연 박판을 사용하여, 공지의 방식으로 리베팅 또는 볼트-너트에 의하여 결속시킨다. 그 재료는 통상적인 규소철을 사용하되, 발전기의 크기에 따라, 규소함량을 적절히 조정할 수 있다. 상기 케이스(1)와 캡(23)의 재질을 와류손과 히스테레지스손을 피하기 위하여 알루미늄등과 같은 비철금속이 선호되나, 자속(磁束)의 외부 방출이 바람직하지 못한 경우에는 철을 사용한다. ㄷ자형 철블록(3)들과 단락철블록(5)들의 부착을 더 견고히 하기 위하여, 지지링(10)을 설치하는데, 이 지지링(10)은 ㄷ자형 철블록(3)들과 단락철블록(5)들의 반경방향 내부 끝에 부착되게끔 설치되며, 이 지지링(10)의 재질을 내열성이 높고, 경도가 높은 합성수지(예를들면 폴리이미드)를 사용한다. 이상에서 설명한 바와 같이 고정자(21)는 ㄷ자형 철블록(3), 출력코일(6), 단락 철블록(5), 지지링(10) 등을 케이스(1)의 좌반부에 부착 수용시킴으로서 이루어진다.

제3도에서 20번으로 총칭한 회전자는 케이스(1)의 대체적인 우반부에 수용되는데, 이 회전자(20)는 축(2)에 동축형으로 고정 설치된다. 즉 축(2)에는 지지체(8)가 고정설치되어 축(2)과 함께 회전할 수 있게 되어 있으며, 이 지지체(8)의 좌측에는 강력한 구조의 환풍기(9)가 지지체(8)와 일체로 형성되어 고정자(21)의 내부에 수용되어 있다. 상기 한풍기(9)는 발전기의 각 주요 부분을 냉각시키는 역할을 할 뿐만 아니라, 지지체(8)의 부착 상태를 보강하는 역할을 한다. 즉 환풍기(9)가 축 방향으로 길게 연장되어 있기 때문에, 지지체(8)가 좌우로 흔들리는 것을 방지한다. 지지체(8)의 원주면에는 도치형 ㄷ자형 철블록(4)들이 방사상으로 지지체(8)상에 설치된다. 이 도치형 ㄷ자형 철블록(4)들의 수는 고정자(21)의 ㄷ자형 철블록(3)들의 수와 동일하며 이 두가지 철블록들은 서로 대향하는 위치에 균등간격으로 설치된다. 본 발명의 현 실시예에서는 ㄷ자형 철블록(3)들과 도치형 ㄷ자형 철블록(4)들의 수가 7개씩으로 되어 있으나, 여건에 따라 그 수를 적절히 변경할 수 있다.

지지체(8)의 원주면에 방사상으로 설치된 도치형 ㄷ자형 철블록(4)들의 슬로트에는 계자 코일(7)이 짧은 솔레노이드형으로 단순하게 권선된다. 상기 지지체(8) 및 환풍기(9)의 재료는 내열성과 경도가 높은 합성수지(예를들면 폴리이미드 또는 폴리페닐렌)로 만들어 짐으로서, 도치형 ㄷ자형 철블록(4)을 지지체(8)의 원주상에 볼트(도시되지 않음) 등으로 고정시키고, 또 그 슬로트에 계자 코일(7)을 권선하면, 상기 도치형 ㄷ자형 철블록(4)들은 상당히 견고하게 될 것이나, 그럼에도 불구하고 도치형 ㄷ자형 철블록(4)들의 부착 상태가 충분히 견고하지 못하고 우려될 경우에는 앵글(angle)형 원호형 부재(도시되지 않음)들을 도치형 ㄷ자형 블록(4)들의 사이사이에 부착하여 블록(4)들의 부착 상태를 보강할 수 있다. 이때 이 앵글형 원호형 부재들은 블록(4)들의 사이사이에 끼워서 지지체(8)를 성형함에 있어서는 그 재료의 절감을 위하여 지지체(8)를 중공성으로 성형하고 그속에 지지벽들을 구비시킬 수 있다. 특히 폴리이미드를 사용하는 경우에는 그 성형 방법이 압력소결이기 때문에 이러한 내벽 구비형 중공성 성형이 불가피할 것이다. 또 이러한 중공성 성형은 발전기의 총 무게를 감소시키는데 기여한다.

계자 코일(7)을 도치형 ㄷ자형 블록(4)의 슬로트내에 권선한 후, 남은 슬로트 입구에는 쐐기(22)를 압입 고정한다. 이 쐐기(22)는 내열성과 경도가 높은 합성수지(예를들면 폴리이미드), 또는 경도가 높은 목재로 만들어지며, 이 쐐기(22)의 설치 목적은 계자 코일(7)의 단순한 위치 유지수단인 동시에, 또 계자 코일(7)이 작동시에 축방향으로 출력을 받을 때, 계자 코일(7)의 이탈을 방지할 뿐만 아니라, 또 이하 본 발명의 작용을 설명할 때, 후술하는 바와 같은 다른 목적이 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 축(2)상에 지지체(8), 환풍기(9), 도치형 ㄷ자형 철블록(4), 계자 코일(7), 쐐기(22)들을 고정 설치함으로서, 회전자(20)를 형성하며, 이 회전자(20)는 대체로 케이스(1)의 우반부에 수용되어 있다(제1도 및 제3도 참조). 상기 도치형 ㄷ자형 철블록(4)들은 대체적인 반경방향-축방향(종래의 성층방향과 직교하는 방향)으로 성층되어 있으며, 이블록(4)들의 재료, 성층방법, 결속방법 등은 고정자(21)의 ㄷ자형 철블록(3)의 경우와 동일하다.

케이스(1)의 단면 두께는 제1도의 a-a선 부근에서 단턱이 형성되어, 고정자(21) 설치부위는 케이스의 두께가 더 두껍고 회전자 수용 부위는 케이스의 두께가 얇다. 이렇게 구성시킨 목적은 케이스(1)로 하여금 그 두꺼운 부분으로서 ㄷ자형 철블록(3)들과 단락블록(5)들을 더 견고히 지탱하게 하며, 회전자(20)의 수용 부위의 얇은 케이스 두께에 의하여 회전자(20)의 회전에 필요한 간격(19)를 제공하게 하기 위한 것이다.

미설명 부호 11은 슬립링(slip ring)과 부러시의 조립체를 표시하는 것으로서 이것은 회전하는 계자 코일(7)에 입력 전류를 공급하는 이동 접촉부를 나타내는 것으로서, 공지된 것이기 때문에, 개략적으로 표시하였다. 미설명 부호 12는 계자 코일(7)에 입력 전류를 공급하는 도선이다. 미설명 부호 13은 고정자에서 생산된 전력을 부하에 송전하기 위한 출력 도선이다. 미설명 부호 14는 축(2)의 단말 면인데 이것의 기능에 관해서는 이하 본 발명에 의한 발전기의 작용을 설명할 때에 우술할 것이다. 미설명 부호 15 및 16은 냉각용 공기의 환풍을 위하여 케이스(1)의 좌우 측벽에 형성된 개구들이다. 미설명 부호 17은 축(2)을 회전가능하게 받혀주는 베어링이다. 미설명 부호 18은 발전기의 설치대이다. 미설명 부호 24는 축(2)과 함께 회전하는 경도 높은 링인데, 이것의 기능에 관여하는 후술할 것이다.

제4도는 전술한 바와 같은 발전기 여러개를 동일 케이스내에 동축상에 축방향으로 간격지게 설치한 복합형 발전기인데, 후술하는 바와 같이 그 용도나 목적이 여러 가지 임으로, 고정자의 철블록이나, 회전자의 철블록의 위치들을 정확하게 도시한 것이 아니고, 다만 그 개략적 윤곽만을 보여주는 것이다.

이하 본 발명에 의한 솔레노이드형 발전기의 작용에 간하여 설명할 것이다. 먼저 축(2)에 설치된 회전자(20)를 외부의 동력에 의해 회전시키면서 동시에 도선(12)을 통하여 브러시-슬립링(11)의 이동접촉부를 거쳐 계자 코일(7)내로 직류 전류를 흘려보내면, 회전자(20)의 도치형 ㄷ자형 철블록(4)이 자화(磁化)된다. 이때, 예를들어, 제1도에 도시된 바와 같이 회전자의 철블록(4)들과 고정자의 ㄷ자형 철블록(3)이 서로 정면으로 상면(相面)하는 위치에 있다면, 회전자의 철블록(4)이 자화되어 있기 때문에, 그와 상면한 고정자의 ㄷ자형 철블록(3)도 자화된다. 이렇게 고정자의 ㄷ자형 철 브록이 자화되는 과정에서, 회전자의 철블록(4)의 자속들은 대체로 반경방향으로 연장된 형태로 일정한 극(極)을 갖고서 고정자의 출력코일(6)을 좌측방향을 가로 건너게 되며, 또 동시에 고정자의 ㄷ자형 철블록(3)이 자화될 때 발생하는 자속들은 상기 회전자 철블록의 자속과는 반대극을 가지고서 우측으로(즉 반대방향으로) 이동하여 출력코일(6)을 직각으로 가로 건너기 때문에 상기 반대극의 두가지 자속들은 출력코일(6)내에 동일 방향으로 기전력을 일으킨다. 그 결과 자기 회로는 회전자의 철블록(4)과 고정자의 ㄷ자형 철블록(3)의 내부를 연속적으로 연결하는 4각 루프형 회로가 된다. 이때 계자 코일(7)내에 직류 전류가 전과 동일하게 흐르는 상태에서, 회전자가 회전하여 회전자의 철블록(4)이 단락 철블록(5)과 상면하는 위치로 이동하면, 자기회로는 회전자의 철블록(4)과 단락블록(5)를 연결하는 4각 루프를 형성하게 되며, 이 과정에서, 회전자 철블록(4)의 자속들은 반대방향으로 출력 코일(6)을 직각으로 가로 건너서, 전술한바와는 반대방향으로 기전력을 일으키며, 또 이때, 동시에 상기 고정자축 ㄷ자형 철블록(3)은 자기(磁氣)를 상실하게 되는데 이 상실하는 과정에서, 전술한것과는 반대 방향으로(제1도에서 우측으로) 자속이 이동하여 출력코일(6)을 직각으로 가로 건너는 것과 같은 효과가 발생하여, 역시 전술한 것과는 반대 방향으로 기전력을 일으킨다. 이와 같이 하여, 회전자의 계자 코일(7)내에 직류 전류가 흐르는 상태에서 회전자가 회전하면, 출력코일(6)내에는 단상(單相)의 교류 전류가 발생한다. 이 발전기의 주파수는 블록의 수와 회전자의 회전속도에 비례하여 결정된다. 이 출력교류 전압의 파형은, 예를 들어, 회전자 철블록(4)이 고정지의 ㄷ자형 철블록(3)을 향해 접근하여, 갈때에는 정의 또는 부의 전압이 발생하고 자속의 이동이 신속히 증가하여, 자속의 이동이 가장 많은 위치에서, 전압 파형의 정점을 이루고, 회전자의 철블록이 고정자의 ㄷ자형 철블록(3)과 완전히 일치하게 상면하면, 전압은 영(0)으로 떨어진다. 다시 회전자 블록(5)으로 접근해 가면 상기와는 반대방향의 기전력이 발생하며, 그 반대극의 전압의 정점은 자속의 이동량이 가장 많은 위치에서 형성되고, 회전자의 철블록(4)이 단락블록(5)과 완전히 일치되게 상면하면, 그 반대극의 전압 즉 반대 기전력은 영(0)으로 떨어진다.

이하 본 발명에 의한 솔레노이드형 발전기의 리액턴스(reactance)에 관하여 설명할 것이다.

먼저 무부하 상태에서의 리액턴스를 설명하면, 무부하 상태에서, 즉 출력 코일에 부하를 걸지 않은 상태에서, 계자 코일(7)에 직류 전류를 공급하고, 회전자를 회전시키면, 고정자의 ㄷ자형 철블록(3)과 단락 철블록(5) 및 회전자의 철블록(4)등의 자속들이 출력코일(6)과 기계코일(7)을 직각으로 왕복 횡단하게 된다. 이때 출력코일(6)은 회로가 연결되어 있지 않으므로 영향을 받지 않는다. 계자 코일(7)은 영향을 받는데, 예를들어, 첫 반(半) 사이클 동안에 계자 코일(7)의 전류가 방해되는 방향으로 영향을 받았다면, 다음 반 사이클 동안에는 계자 코일(7)의 전류가 촉진되는 방향으로 영향을 받을 것이다. 따라서, 계자 코일(7)내의 전류에는 약간의 기복(리플-ripple)이 발생할뿐, 정(正)의 영향과 부(負)의 영향을 서로 상쇄하면, 이 리액턴스는 거의 없는 셈이다. 한편 블록들 상호간의 자기동력학적 상호작용의 측면을 살펴보면, 회전자의 철블록이 고정자의 ㄷ자 철블록을 향해 접근할때에는 서로 당기는 힘이 발생하여 회전자의 회전력을 촉진시키고, 멀어져 락때에는 회전자의 회전을 방해하는 힘을 발생하여, 이것도 기복형태의 영향이다. 실은, 고정자의 ㄷ자형 철블록 바로 옆에 단락 철블록(5)이 위치하고 있으므로, 회전자의 철블록을 중심으로 하여 양쪽에서 고정자의 ㄷ자형 철블록과 단락 철블록이 각각 당기는 힘을 발휘함으로, 자기적 상호작용에 의한 리액턴스는 매우 약한 기복형태일뿐, 그 정의 영향과 부의 영향을 서로 상쇄하면, 리액턴스는 거의 없는 것이다. 따라서, 무부하 상태에서의 동력 소모는, 기계적 마찰손, 풍손, 계자 코일의 저항손, 고정자의 히스테레지스손, 고정자의 와류손 등과 같은 부수적인 요소로 구성된다.

다음에, 출력코일(6)에 부하를 연결하여, 출력코일(6)에 전류가 흐르는 경우에는 리액턴스가 달라진다. 예를 들어, 회전자의 도치형 ㄷ자형 철블록(4)이 단락블록(5)으로 부터 고정자의 ㄷ자형 블록(3)을 향해 접근해 갈때에는, 계자 코일(7)내의 전류 방향과는 반대되는 전류가 출력코일(6)내에 발생하여, 회전자의 도치형 ㄷ자형 블록(4)의 자극성 상충하는 자장이 고정자의 ㄷ자형 블록(3)내에 형성되어, 회전자의 철블록(4)으로 부터의 자속들이 출력코일(6)을 횡단하는 것을 방해하게 되고 따라서, 출력코일(6)내의 피크(peak) 전압이 제한당한다. 그러나, 회전자의 철블록(4)이 고정자의 ㄷ자형 철블록(3)과 정면으로 상면하는 위치에 오면, 출력코일(6)내의 전압은 영(0)으로 떨어지고 전류의 흐름도 순간적으로 정지한다(사실은 반대극의 전압으로 즉시 바뀐다).

이것은 이싯점에서는 회전자의 철블록(4)의 자속들이 모두 출력코일(6)을 결국 횡단하여 ㄷ자형 철블록(3)이 순응하는 방향으로 자화된 순간을 의미한다.

그러나 이 출력 코일(6)에 흐르는 전류가 계자 코일(7)에 미치는 영향은 매우 적으나, 단 상기 무부하 상태에서 보다 다른 점은, 이 리액턴스가 단순한 기복의 상태가 아닌, 전반적인 제한성을 띈다는 것이다. 그러나 이때 계자 코일(7)내에 흐르는 전류에 미치는 상기 제한적인 리액턴스는 그 크기가 매우 적은 것이다.

한편 블록들 상호간의 자기역학적 리액턴스를 살펴 보면, 회전자의 철블록(4)이 고정자의 단락철블록(5)으로 부터 ㄷ자형 철블록(4)을 향해 접근하면서 회전하는 순간에는, 출력코일 내에 발생하는 전류로 인하여, 고정자의 ㄷ자형 철블록(3)에는 회전자의 츨블록(4)을 배척하는(접근을 방해하는) 자장이 형성되고, 한편 단락철블록(5)에는 회전자의 철블록(4)을 당기는 자장이 발생하여 회전자의 회전이 방해를 받게 된다.

회전자의 철블록(4)이 고정자의 ㄷ자형 철블록(3)과 정면으로 상면하는 위치를 지나, 단락철블록(5)을 향해 회전하면, 그때 출력코일(6)내에 발생하는 전류의 방향은 반대로 바뀌어서 다시 또 고정자의 ㄷ자형 철블록(3)과 단락철블록(5)은 회전자의 회전을 방해하는 방향으로 자장을 형성한다.

위와 같은 자기 동력학적인 방해 요소를 극복하고 회전자를 회전시켜야만 출력코일(6)내에 기전력이 발생하고 전류가 흐를 수 있는 것이다. 이러한 리액턴스는 무용한 것이 아니라 오히려 회전자의 운동 에너지가 전력 에너지로 바뀌는 과정인 것이다.

이상과 같이 자기 동력학적인 과정에서 블록들 간에는 인력과 백척력이 거의 동시에 작용하나(즉 ㄷ자형 철 블록(3)이 배척력을 발휘하면, 단락철블록(5)은 동시에 인력을 발휘하여 회전자의 히전을 방해함), 이 두가지 힘은 축방향으로는 회전자의 회전중 서로 상쇄되나 이 인력과 배척력은 결과적으로 축방향으로 다소 기복을 일으킨다. 즉 전체 회전자가 축방향으로 당겨지거나 밀리는 일이 순간순간에 약간씩 발생할 것이다. 이렇게 축(2)이 제1도의 좌측으로 힘을 받을 때에는 축(2)의 단말면(14)이 축(2)의 축방향 이동을 저지하며, 반대로 우측으로 축(2)이 힘을 받을 때에는 링(24)이 저지 기능을 발휘한다. 이러한 작용에 관련된 부분들(면 14) 및 그대향면, 및 링(240 및 그 회전 접촉부분)은 잘 열처리되고 그리스 공급홈이 형성되어 있어야 한다.

이하 환풍 작용에 관하여 간단히 설명하고자 한다. 지지체(8)이 부착 상태를 강력이 보강하고 있는 환풍기(9)는 그 구조가 원심작용에 의하여 강력한 냉각 기능을 발휘한다. 더구나 각 철블록들은 각자 서로 간격져 있고 코일은 일정간격으로 노출된 부분이 많으므로(제2도, 및 제3도) 통풍개구(15,16)들을 통하여 효과적으로 각 부분들을 냉각시킬 수 있다. 그 결과 계자 코일 및 출력코일의 저항을 감소시켜 저항손을 줄이고, 상기 코일들의 수명을 연장할 수 있다. 축(2)의 둘레에는 지지체(8)와 환풍기(9)가 상당히 큰 공간을 점유하고 있어서, 축(2)은 철블록들과 코일들로부터의 자기 영향을 거의 받지 않으며, 따라서, 축에서 발생할 수 있는 히스테레지스손과 와류손을 제거할 수 있다.

케이스(1)와 켑(23)은 스트레이(stray) 자속에 의한 히스테레지스손을 피하기 위하여 비 자성 금속을 사용하는 것이 선호되나, 그러나, 스트레이 자속의 외부 방출이 바람직하지 못한 경우에는 철로서 만들어야 한다.

전술한 바와 같은 자기동력학적 작용의 일부로서 코일들이 좌우로 힘을 박을 때에는 단락철블록(5)에 의하여 출력코일(6)의 이탈이 방지되며, 또 쐐기(22)에 의하여 계자 코일(7)의 이탈이 방지된다. 쐐기(22)의 또 하나의 기능은 다음과 같은 것이다. 즉 계자 코일(7)에 직류 전류가 흐르면, 고정자의 ㄷ자형 블록(3)들은 항상 그 전류의 영향을 받는다. 이러한 현상은 회전자가 회전할 때, 회전자의 철블록(4)의 자속이 출력코일(6)을 횡단하는데에 불리한 영향을 준다. 따라서 쐐기(22)는 계자 코일(7)을 고정자의 철블록(3,5)들로부터 되도록 멀리 유지하는 역할을 한다.

이하 본 발명의 제2실시예를 설명할 것이다. 이 제2실시예는 전술한 제1실시예와 꼭 같으나, 단, 계자 코일(7)과 쐐기(22)를 제거하고, 또 회전자의 도치형 ㄷ자형 철블록(3)대신에 그와 모양이 꼭 같은 영구 자석을 사용하였다는 점이다. 이 영구자석의 재료로는 페라이트(qerrite)를 압력 소결법으로 성형하여 사용하거나, 금속제 영구자석을 사용할 수 있다.

상기 제1실시예와 제2실시예에 있어서, 모두 고정자와 회전자의 블록수가 서로 동일하고 위치가 서로 일치하는 한, 그수에는 제한이 없다.

또한 제1실시예에 있어서는, 종래의 발전기에서 처럼, 출력 코일(6)의 출력의 일부를 정류시켜 계자 코일(7)에 공급하는 분권(分捲) 발전기의 형태로 할 수도 있는 것은 물론이다.

또한 상기 제1 및 제2실시예에 있어서, 고정자와 회전자를 상호 교환하여, 고정자의 블록들과 코일을 회전자의 지지체로 옮기고, 회전자의 블록들과 계자 코일을 고정자측으로 옮겨, 출력을 회전자에게 이끌어내고, 계자 자속을 고정자에서 공급할 수도 있다.

제4도는 전술한 바와 같은 제1 및 제2실시예의 발전기를 동일 케이스내에 동축상에 축방향으로 간격지게 여러개 설치한 것인데, 이 도면은 개략적인 윤곽만을 보인 것이며, 정확한 도면이 아니다. 이러한 복합 발전기의 목적은 그 복수개의 발전기를 모두 직렬로 연결하여, 전압을 높이는데 사용하거나, 또는 각 발전기의 위상을 다르게 하여, 그것을 정류시킨 후 병렬로 연결하여, 보충적 과정을 거치게 함으로서 리플이 거의 없는 직류전류를 공급하거나, 또는 동일 케이스내의 각 발전기의 주파수가 서로 다르게 하여, 여러가지 주파수의 전류를 각각 인출하거나, 또는 그 밖에 여러가지 용도가 있을 것이다. 상기 리플이 거이 없는 직류 전류를 공급하는 경우에는 제4도의 발전기를 사용하면, 보통 정류시에 사용되는 대형 커패시터의 사용을 생략할 수 있어서 유리하다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 짧은 솔레노이드형 발전기는, 제작시에 코일의 권선 착오를 범할 염려가 없고 축이 매우 짧아서 중형 및 대형 발전기로서 적합하고, 철심의 총 질량이 감소되어 와류손과 히스테레지스손이 매우 적고, 코일을 낮은 온도에 유지하여 코일의 저항손을 줄이므로서, 발전기의 효율이 개선되고, 발전기 축내에 와류나 히스테레지스 현상이 발생하지 않고, 또 발전기의 용량에 비하여, 무게가 비교적 가벼워서 취급하기에 편리한 효과를 성취하는 것이다.

이상에서 본 발명을 그 실시예에 입각하여 설명하였으나, 첨부된 청구 범위에서 정의한 본 발명의 범위에서 이탈하지 않는 한도내에서 상기 실시예에 여러 가지 수정과 변경을 가할 수 있다는 것을 이해해야 할 것이다.

Claims (9)

1. 축(2)상에 짧은 원통형 케이스가 설치되며 상기 원통형 케이스는 케이스(1) 자체와 원판형 캡(23)을 볼트등과 같은 체결수단으로 결합시켜 구성되며, 상기 케이스(1)은 그 대체적인 좌반부가 대체적인 중앙 부위에서 단턱을 이루어 더 두껍게 형성되고, 그 대체적인 우반부는 더 얇게 형성되어 있으며, 케이스(1)의 상기 두꺼운 부분의 좌측벽과 원주내면에는 복수개의 ㄷ자형 자성 금속블록(3)들이 일정한 균등 간격으로 볼트등과 같은 체결수단에 의하여 고정 설치되며, 상기 ㄷ자형 자성 금속 블록(3)의 슬로트를 통하여 출력 코일(6)이 짧은 솔레노이드형으로 단순히 권선되며, 상기 ㄷ자형 자성 금속 블록(3)의 사이사이에는, 출력 코일(6)을 지지하고 자기 단락 회로를 형성하기 위한 자성 금속으로 만든 평판형의 단락 블록(5)이 상기와 동일한 체결 수단에 의해 고정 설치되며 단락 블록(5)의 우측면은 ㄷ자형 블록의 우측끝과 일치시키며, 상기 ㄷ자형 블록(3)과 단락 블록(5)의 반경방향 내부 단말들을 연결하여 이들의 부착상태를 보강하기 위한 지지링(10)이 상기와 같은 체결수단에 의하여 고정 설치됨으로서 상기 발전기의 고정자(21)를 형성하며, 상기 발전기의 회전자(20)를 수용하기 위한 얇은 벽을 가진 케이스(1)의 우반부에 해당하는 축(2)의 부위에는 축과 함께 회전가능하게끔 짧은 원통형의 지지체(8)가 고정 설치되며, 상기 고정자(21)의 내부 공간에 해당하는 곳에는 상기 지지체(8)와 동일한 물질로 구성되고 지지체(8)와 일체로 구성되어, 지지체(8)의 고정상태를 보강하는 동시에 강력한 냉각 작용을 하는 원심환풍기(9)가 수용되며, 상기 지지체(8)의 원주면 상에는 도치형 ㄷ자형 자성 금속 블록(4)들이 방사상으로 상기와 동일한 체결수단에 의하여 고정되되 이 도치형 ㄷ자형 자성 금성 블록(4)들은 고정자의 ㄷ자형 블록(3)들과 같은 수로 그와 대향하게끔하고, 그 대향하는 면의 면적이 서로 같게하며, 상기 도치형 ㄷ자형 자성 금속 블록(4)읠 슬로트를 통하여 계자 코일(7)이 짧은 솔레노이드형으로 단순히 권선되며, 상기 슬로트의 입구에는 계자 코일(7)을 지지하기 위한 쐐기(22)가 압입됨으로서, 이로서 상기 발전기의 회전자(20)를 형성하며, 상기 고정자의 ㄷ자형 블록(3) 및 단락 블록(5)들의 우측면과, 상기 회전자의 도치형 ㄷ자형 블록들 및 쐐기(22)들의 좌측면 사이에는 최소한 공기 갭(gap)이 주어지며, 케이스의 양쪽 측벽에는 환풍개구(15,16)들이 구비되며, 고정자의 상기 블록(3,5)들과 회전자의 블록(4)들은 방사상으로 배열되어, 동종 블록들간에 서로 원주방향으로 상당한 간격을 형성하고, 이에 따라, 그 간격에 해당하는 부위에는 출력코일(6)과 계자 코일(70의 노출 부분이 많이 형성되어 있으며, 발전기 가동시 자기 동력학적 작용에 의하여 축(2)이 좌우로 출력을 받을 때 축(2)의 축방향 이동을 방지하기 위하여, 축(2)의 단말면(14) 및 그 대향면과, 축고정용링(24)이 구비되며, 그 관련 부위는 잘 열처리 되고 그리고 공급홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 발전기.
2. 제1항에 있어서, 상기 자성 금속블록(3,4,5)들은 대체적인 반경방향-축방향(종래의 발전기의 철심의 성층방향과 직교하는 방향)으로 성층화되어 절연박판들로 구성되며, 각 블록은 통상의 리베팅 또는 기타 방식으로 결속되고 그 재료는 통상의 규소철이나, 기타 자성금속으로 구성되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 발전기.
3. 제1항에 있어서, 상기 지지체(8)와 환풍기(9)와 지지링(10)은 내열성과 경도가 높은, 비자성 비전도성의 합성수지 물질로 만들어지며, 상기 지지체(8) 및 환풍기(9)가 점유하는 공간이 상당히 커서, 상기 자성 금속 블록(3,4,5)들로부터의 자기적 영향이 축(2)에 거의 미치지 못하게 하여, 축(2)내의 와류손과 히스테레지스손을 대체로 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 발전기.
4. 제3항에 있어서, 상기 지지체(8)는 보강성 내벽을 구비하는 중공성 원통체로 성형되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 발전기.
5. 제1항에 있어서, 상기 쐐기(22)는 경도가 높은 목재나, 또는 내열성과 경도가 높은 비자성, 비도전성 합성수지 물질로 만들어지는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 발전기.
6. 제1항에 있어서, 회전자의 계자 코일(7)과 쐐기(22)를 제거하고, 도치형 ㄷ자형 금속 자기 블록(4) 대신에 그와 모양이 꼭 같은 영구자석을 사용하며, 이 영구자석은 페라이트를 압력소결법으로 성형한 영구 자석이나, 또는 금속 영구자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 발전기.
7. 제1항에 있어서, 상기 고정자와 회전자의 기능을 상호 교환하여, 상기 출력코일(6)과 단락 블록(5)들을 회전자의 지지체(8)에 이전설치하고, 상기 계자 코일(7)과 쐐기(22)를 고정자 측에 이전 설치함으로서 이루어지는 솔레노이드형 발전기.
8. 제1항에 있어서, 회전자의 도치형 ㄷ자형 금속 자성 블록(4)들의 고정상태를 보강하기 위하여 앵글형 원호형 부재를 그 블록(4)들의 사이사이에 삽입고정할 수 있는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 발전기.
9. 동일 케이스내에 동일 축상에 솔레노이드형 발전기를 복수개 배열한 솔레노이드형 발전기의 복합체로서, 상기 각 솔레노이드형 발전기는 하나의 고정자(21)와 하나의 회전자(20)와 하나의 원심 환풍기(9)로서 구성되며, 상기 고정자(21)는 상기 케이스의 내주벽에 일정한 균등한 간격으로 고정된 ㄷ자형 자성블록(3)들과, 상기 ㄷ자형 자성블록(3)들의 슬로트를 통하여 짧은 솔레노이드형으로 권선된 출력코일(6)과, 상기 출력코일(6)을 지지하고 자기 단락회로를 형성하기 위하여 상기 ㄷ자형 자성블록(3)들 사이사이에 교번식으로 설치된 평판형의 자기단락 블록(5)들과, 상기 ㄷ자형 블록(5)들과 상기 단락 블록(5)들의 고정상태를 보강하기 위한 지지링(10) 등으로 구성되며, 상기 회전자(20)는 상기 축에 동축형으로 고정설치되고 보강내벽을 갖인 짧은 원통형 지지체(8)와, 상기 지지(8)의 원주면에 일정간격을 두고 고정설치되는 도치형 ㄷ자형 자성블록(4)들과, 상기 도치형 ㄷ자형 자성블록 (4)들의 슬로트를 통하여 짧은 솔레노이드형으로 권선된 계자 코일(7)과, 상기 계자 코일(7)을 지지하기 위해 상기 도치형 ㄷ자형 자성블록(4)들의 입구에 압입되는 쐐기(22)들로 구성되는 것을 특징으로 하는 솔레노이드형 발전기의 복합체.

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