KR910006290B1 - 단극 회전 전기기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

단극 회전 전기기

제1a도는 본 발명에 의한 단극 병축(병軸)의 도체회전형 단극 회전 전기기의 횡단면도.

b도는 a도의 A₁-A₁선 단면도.

제2a도는 제1도에서 도체군을 고정자로한 병축 2극의 단극 다극화 자계 회전형 회전 전기기의 또다른 실시예의 횡단면도.

b도는 a도의 A₂-A₂선 단면도.

제3도는 제2도를 또다르게 변형시킨 회전 전기기의 실시예도.

제4도는 제3도에서 단상 교류 집전 방식의 권선 형태를 나타내는 참고도.

제5a도는 제3도에서 단상 교류 집전의 권선 방식을 적용한 일예도.

b도는 a도를 삼상 교류 집전의 권선 방식으로 적용한 또다른 일예도.

제6도는 본 발명에서 하나의 회전 전기기가 2개 이상의 독립된 발전 및 모터 기능을 가지도록 단일축과 단일 자기회로를 공유한 형태로 양측에 설치된 형태의 일예도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 주계자부재 2, 21 : 대치극부재

3, 31 : 제1,2도체군 41, 42 : 제1,2계철부재

32 : 교류도체군 43, 43a, 43b : 계철 대치극부재

5 : 축

본 발명은 단극 회전 전기기에 관련된 것으로서, 이는 특히 단극 회전 전기기에서 발전자의 도체군을 직류 직렬 접속으로 장설시티는 것이 가능한 단극 회전 전기기(回轉電氣機)에 관한 것이다.

단극 회전 전기기는 고정자(또는 회전자)인 원통자석의 단극 자기회로내에 회전자(또는 고정자)가 배치되어져 있고, 상기 고정자 또는 회전자에는 발전을 위한 발전도체가 자기회로의 입체적 원통 갭 사이에 배치되어져 있다.

또, 이러한 단극 회전 전기기에서 일예로, 회전자측에 장설되는 발전도체군이 자기회로의 입체 공간 갭내에서 직류 직렬 접속으로 일련하여 이어져서 연결시킬때는 자기장이 단극장으로 미치는 공간내에서 일방향으로 도선이 달리다가 다시 역방향으로 리턴되는 것을 반복하는 형태를 필연적으로 이루게 되므로서 발전도체에 발전되는 유기전압의 총량이 0로밖에 될 수 없어 그 직류 직렬 접속이 불가능한 것으로 여겨져 왔다. 그러므로, 상기와 같은 불리함을 고려하여 자기장의 갭 사이에 배치되는 발전자 도체를 단일 가닥 권선으로 장설하고, 이 단일 가닥 권선을 회전 전기기의 자기장 공간을 벗어난 외부에서 슬립링 등으로 직렬 이음하는 수단을 취한다던가 또는 원통형 도체를 개입시켜 직류 발전을 행하거나 또는 모터로서 활용되어 왔다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술에서는 단극 회전 전기기의 구조적 특성에 기인한 상기와 같은 발전자 도체군의 가닥 권선을 날개씩 장설하여 외부에서 직렬 이음하는 등의 복잡한 구성을 탈피하기 어렵고, 특히 자기장 공간내에 장설되는 도체군의 량이나 굵기가 극히 제약될 수 밖에 없어 발전 전압의 크기를 높이는데 불리할 뿐 아니라, 그 설계상의 까다로움에 기인하여 현재에는 단극 회전 전기기가 거의 사장되어진 실정에 있다.

또, 후자의 원통 발전자 도체군의 장설수단에 있어서도 역시 직류 발전 전압의 크기가 제약적일 수 밖에 없고 그 실효치를 양호히 얻을 수 없다는 문제가 있어서 이또한 상용화한 모델이 극히 드물다.

한편, 단극이 아닌 일반적인 회전 전기기에서는 발전 전압의 출력 크기를 소정 크기의 전압 레벨에서 다른 크기의 전압 레벨로 가변하는 등이 별도의 회로적 수단을 등반하지 않고 회전전기기 자체에서 이뤄질 수 없고, 또는 주파수를 소정 주파수의 전압으로부터 다른 주파수 레벨로 변환시키는 등의 작용을 회전 전기기 자체에서 거의 기대할 수 없는 실정에 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 회전 전기기에서 기대할 수 없었던 전압 레벨 또는 주파수 레벨 변환 기능이 회전 전기기 자체어서 성취되면서도 단극 회전 전기기에서의 직류 직렬 접속이 가능토록 되는 단극 회전 전기기 및 그 발전 방식을 제공코져 한 것이다.

본 발명은 특히 단극 자기장내에서 회전자측에 발전자 도체군이 장설되었을때는 이 발전자 도체군은 단극 자기장의 자기회로를 이어주는 대치극부재를 직류 직렬 접속으로 이어지면서 포위하고 있고, 이 대치극부재는 회전자가 회전될 때 자기 접수작용(磁器接受作用)으로 회전체인 발전자 도체군 내에서 정지 상태에 있도록 하므로서, 고정 단극 자기장을 직류 직렬 접속 발전자 도체군이 인위적으로 끊어주는 도체회전형 구성의 단극 회전 전기기 및 그 발전 방식을 그 특징으로 하는 것이다.

본 발명의 또다른 특징은 단극 자기장 내에서 고정자측에 발전자 도체군이 장설되어지고 이 발전자 도체군은 단극 자기장의 자기회로를 이어주는 대치극부재를 직류 직렬 접속으로 포위하고 있고, 이 대치극부재는 단순히 계철 부재로 된 회전자가 회전될 때 자기 접수 작용으로 회전자와 함께 도체군내에서 회전되는 상태로 있도록 하므로서 직류 직렬 접속의 고정된 발전자 도체군을 단극 자기장으로 끊어주는 자계회전형 구성의 단극 회전 전기기 및 그 발전 방식에 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 상기 단극 회전 전기기의 회전자나 고정자에는 일정한 주파수 변환을 위해 자기장 갭 변화를 야기하는 슬로트가 선택적으로 형성되어져 있는 구성의 단극 회전 전기기 및 그 발전 방식에 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 상기 단극 회전 전기기의 발전자 도체군은 서로 독립된 회로로 되는 복수의 발전자 도체군이 배치되어져서 하나의 도체군이 모터 권선으로서 작용할 때 또 다른 도체군은 발전자 도체로서 발전 작용을 행하거나 또는 그 역작용을 행할 수 있고, 또는 상기 독립된 도체군의 어느 하나가 소정 크기의 직류 출력 레벨을 가지면 또다른 도체군은 직류 레벨 크기가 다른 출력을 집전할 수 있도록 구성되는 회전 전기기 및 그 발전 방식에 있다.

본 발명의 또 다른 특징은 상기 단극 회전 전기기가 동축상에 복수개 설치되어 하나의 회전전기기로 되면서 그중 하나가 모터로 작용하면 또다른 하나는 발전기로 되거나 또는 모터로서 상호 작용시킬 수 있는 구성의 회전 전기기 및 그 발전 방식에 있는 것이다.

이하에서 본 발명이 실시예 도면과 함께 상기 여러 유형의 특징과 그밖의 특징들이 보다 상세히 설명되어 질 것이다.

즉, 본 발명에 의한 단극 회전 전기기의 발전 방식은 폐쇄된 입체 내공간에서 자기회로를 이루는 주계자 부재와, 이 주계자부재와 분리도어 자기회로를 이어주는 대치극부재가 직류 직렬 접속의 발전자 도체군에 포위된 상태에서 자기 접수 작용으로 도체 회전형일 때는 고정자로 작용하고, 자계회전형일 때는 회전자로 작용하여 발전출력을 얻어내는 발전방식으로 되어 있다.

또, 상기 발전 방식에 따른 단극 회전 전기기에서 단극 병축의 도체 회전형으로 설계한 회전 전기기의 일예를 제1도와 같이 나타내었다.

여기서는 여자권선(6)이 배치된 원통형 주계자부재(1) 및 발전자 제1도체군(3)에 전면 포위된 링형 대치극부재(2)와, 상기 발전자 및 제1도체군(3)을 일정 부위에 공간고정하며, 자기회로를 이어주는 제1,2계철부재(41,42)로서 자기회로(EC₁)가 구성되어진다.

상기 주계자부재(1)는 그 내부에 주계자대치극(1a,1b,1d)으로 일정한 폐쇄 공간을 이루고 있고, 여기에 상기 대치극부재(2)를 전면 감싼 제1도체군(3)과, 제1,2계철부재(41,42)가 축(5)으로부터의 지지체(51)로 회전자를 이루고 있고 상기 주계자부재(1)는 상대적으로 고정자로 되는 구성이다.

상기 단극 회전 전기기는 도체가 회전되는 도체 회전형으로 설계된 것으로서, 즉 이는 회전축(5)의 지지부재(51)에 고정된 제1도체군(3) 및 이 제1도체군(3)과 상호 연결 고정된 제1,2계철부재(41,42)가 회전자로 되어지고, 상대적으로 주계자부재(1) 및 제1도체군(3)에 포위된 대치극부재(2)는 기계적 구조와 자기접수 작용에 의해서 고장자로 유지되어지는 것이고, 상기 제1도체군(3)에 포위된 대치극부재(2)는 주계자부재(1) 측 1a 대치극→제1도체군(3)→대치극부재(2)→제1,2계철부재(41,42)→주계자부재(1)측 1b,1d 대치극으로 이뤄지는 자기회로(EC₁)에 의해 주계자(1)측에 대치극(1a)과 대치극부재(2)와의 상호 자기 접수 작용으로 고정 유지되어지고, 이 대치극부재(2)를 포위한 제1도체군(3)은 회전자이므로 상기 주계자부재 대치극(1a)과 대치극부재(2) 사이의 자속을 제1도체군(3)의 회전작용으로 끊어므로서 플레밍의 오른속 법칙으로 직류 발생이 가능하게 되는 구성이다.

또, 상기 제1도의 실시예에선 단극의 균등 자기장내에서 제1도체군(3)이 회전되어 지므로서 회전도체로부터의 전력 인출을 위한 단일 조합의 슬립링(Slip ring)등으로 그 전력의 인출이 가능케 되는 것이며, 그 전력 출력 레벨은 회전축(5)의 회전속도에 정비례하게 됨은 공지의 사실이다.

반대로, 도체군(3)은 고정자로 하고 1a 대치극을 분리하여 설계 제작할 수 있음도 가능하다(이하의 제2도(가) 참조).

제1도예의 제1도체군(3)에 의한 도체 회전형의 경우에는 단극 주계자부재(1)에서 제1도체군(3)에 미치는 자기장은 폐쇄된 원통입체 내공간에서 균등 자력이 가해지고, 제1도체군(3)의 도선은 자기장이 미치는 대치극 1a와 대치극부재(2)의 윗면 사이로 이뤄지는 자기장 갭사이를 달리고 있으며, 다시 대치극부재(2)의 자기장이 미치지 않는 저면 부위를 돌아서, 다시 상기 자기장 갭 사이로 진입되어지는 일련의 직류 직렬 접속으로 이어져 있으므로 상기 자기장 갭내에 존재하는 도선은 발전 출력이 얻어지고, 대치극부재(2) 저면 부위측을 돌아가는 도선은 상기 자기장 갭내의 도선에서 발생된 출력을 전기적으로 이음하는 역할을 하여 결과적으로는 도선수 및 도선 굵기 또는 자기장의 세기에 따른 출력 전압을 얻을 수 있으며, 이때는 순수 직류 전압의 발생이 가능케 되는 것이다.

또, 상기 대치극부재(2)는 주계자부재(1)와 함께 자기 접수 작용으로, 일예로 1a는 N극, 2의 윗면은 S극, 2의 측면은 N극, 1b 및 1d는 S극의 형태로 분극이 형성되고 이러한 자극에 의해 대치극부재(2)는 제1도체군(3)에 전면 포위된 상태에서 제1도체군(3)이 축(5)과 함께 회전할때는 정지 상태로 남아 있게 된다.

한편, 제2도의 자계회전형의 단극 회전 전기기에서는 역시 상기 제1도와 동일한 발전 출력을 얻어낼 수 있으며 이때는 제2도체군(31)이 고정자인 주계자부재(1)에 설치되어져서 고정자의 일부를 이루고 있고, 제2도체군(31)은 스립링등을 요하지 않고 직접 외부로 출력 전압을 얻어낼 수 있다.

또, 제2도체군(31) 내부에는 제2대치극부재(21)가 포위딘 상태로 존재하고 있고 제2도체군(31)에 대해 회전축(5)에 고정된 계철 대치극부재(43)가 회전하게 되면 일예로, 주계자부재(1)의 중앙부위 N극, 제2대치극부재(21)의 윗면 S극, 제2대치극부재(21)의 측면 N극, 1b,1d는 S극으로 자기회로가 이어져서 제2대치극부재(21)는 회전축(5)의 회전과 함께 회전되어지고, 자기장내의 고정된 도체군(31)에 대하여 자계가 회전하므로서 발전 출력을 얻어낼 수 있는 것이다.

즉, 제2도는 본 발명의 병축 2극의 단극 다극화 자계회전형 방식인 제2실시예의 단극 회전 전기기를 나타내었다.

여기서는 주계자부재(1)에 제2도체군(31) 자체가 고정설치되어지고, 이 제2도체군(31)이 제2대치극부재(21)를 포위한 상태로 배치되어지며, 회전축(5)에는 링형 계철 대치극부재(43)가 상기 제2대치극부재(21)와 제2도체군(31)을 사이에 두고 대치된 상태로 마주하고 있다.

또, 상기 제2대치극부재(21)와 계철 대치극부재(43)는 주계자부재(1)에 의한 자기회로(EC₁)를 형성하면서 자기 접수 작용으로 회전자로 되고, 상기 제2대치극부재(21)를 전면 포위하여 감싸는 제2도체군(31)과 주계자부재(1)는 고정자로서 되어 있다.

그리고, 이외의 구성은 제1도예와 전적으로 동일하다.

또, 상기 제2도체군(31)으로부터 도선을 인출하여 외부에서 직접 출력 전원을 얻을 수 있는 반면, 제2도체군(31)에 외부 전원을 가할때는 전동기로서의 역할을 이룰수도 있다.

그리고, 상기에서 직류 전압을 집전하는 과정에서 상기 대치극의 공간에 수용되는 직렬 접속의 도체군 단위로 개별적인 외부단자를 인출하여 맥류전류를 얻을 수 있고, 이들 맥류전력은 위상차를 각기 달리하는 맥류전력으로도 인출할 수 있다.

한편, 상기 회전축(5)에 고착된 계철 대치극부재(43)은 제2b도와 같이 제1,2계철 대치극부재(43a,43b)를 형성하여 이들과 제2대치극부재(21)와의 사이의 두 부분에서 슬롯트를 이루어 단극 2극 구성으로 할 수 있고 이때는 주계자부재(1)측→제2대치극부재(21)→제2도체군(31)→제1,2계철 대치극부재(43a,43b)→주계자부재(1b,1d)측으로 자기회로(EC₂)가 이뤄지고, 상기 제1,2계철 대치극부재(43a,43b)가 회전함으로서 상기 슬롯트(45a)에 의한 제2도체군(31)의 발전 유기전압은 직류 맥류로 형성되어지는 것이다.

또, 상기 직류 집전 크기 레벨은 상기 제1,2계철 대치극부재(43a,43b)의 극수 및 회전수에 따라서 좌우되어질 수 있으며 그 극수는 제2b도 및 제3도와 같이 각기 2극 또는 3극 또는 그 이상의 다극을 가진 형태로 될 수도 있으며 이에 상응한 펄스직류 출력을 얻어내는 것이 가능하다.

또, 상기 병축 2극의 단극 다극화 자계 단극 회전 전기기는 제2대치극부재(21)와 상기 제1,2계철 대치극부재(43a,43b)와의 마주하는 공극 사이에 설치된 제2도체군(31)과 함께 별도의 독립된 교류 도체군(32)을 장설할 수도 있고, 또는 제2도체군(31)이 제거된 상태에서 교류 도체군(32)만을 배설할 수도 있으며, 또는 상기 제2도체군(31)을 복수로 배치한 형태로 될 수도 있는 등 다양한 유형을 가질 수 있다.

상기 교류도체군(32)의 경우는 제4도와 같이 제1,2계철 대치극부재(43a,43b)의 외주벽 공간에 제5도 (a)와 같은 통상의 단상 방식의 단상 권선군(20)을 장설하거나, (b)와 같은 삼상 권선권(21)을 장설할 수 있다.

그러므로, 필요에 따라 다상 권선군도 임의로 장설할 수 있음을 알 수 있다. 이때는 단상 권선군(20)의 일측단(20a)으로부터 제1계철 대치극부재(43a)의 외주면상에서 출발하여 제2계철 대치극부재(43b)의 외주면상으로 이어지고, 이 제2계철 대치극부재(43b)로부터는 제1계철 대치극부재(43a)로 연설되어 타측단(20b)으로 배치되는 반복된 구성으로 된다.

또, 삼상일 경우는 제5도(b)와 같이 제1,2계철 대치극부재(43a,43b)의 외주면상에 각기 120°각도의 전기각으로 출발하는 일측단(u,v,w)과 타측단(Ua,Va,Wa)을 갖는 구성으로 된다.

그리고, 다상일 경우는 임의의 적당한 전기각으로 권선 설계하여 배치할 수 있음과 아울러 다양한권선방법이 있을 수 있음을 알 수 있다.

그러므로, 이러한 방식에 있어서는 제2도(a)와 같이 회전축(5)이 회전하면 제2도체군(31)에선 2극의 제1,2계철 대치극부재(43a,43b)와 제2대치극부재(21)내에서 상기 제1,2계철 대치극부재(43a,43b), 제2대치극부재(21)가 동시에 회전하여 자계가 회전되는데 대하여 고정된 도체군에 의해 자속이 절단되므로 단상 교류 또는 다상교류의 집전이 가능케 되는 것이다.

또, 제2도에서 제1,2계철 대치극부재(43a,43b)와 제2대치극부재(21) 사이에 제2도체군(31) 및 교류도체군(32)이 함께 장설된 형태로 될 경우는 제2도체군(31)에 외부에서의 직류를 공급하면, 제1,2계철 대치극부재(43a,43b)가 회전자로서 작용하여 전동작용을 행하므로 이 제1,2계철 대치극부재(43a,43b)의 회전작용과 함께 교류도체군(32)에선 단상 교류 또는 다상 교류가 얻어질 수 있다.

또, 상기 교류도체군(32)에 교류전원을 가하므로 상기 제1,2계철 대치극부재(43a,43b)가 회전케되어 제2도체군(31)으로 직류 집전도 가능케 된다.

한편, 제6도에선 하나의 회전축(5)과 하나의 자속(EC₂)이 흐르는 자기회로상에 두 개의 개별적 발전기 A₁, A₂가 배치되어진 것으로서, 여기서는 A₁이 직류집전용 제2도체군(31)을 포함한 발전기로 되고, A₂는 교류집전용 교류도체군(32)을 포함한 발전기로 될 수도 있고 직류 및 교류, 교류 및 교류발전기 또는 직류 및 교류발전기의 형태로 장설되어질 수 있다. 여기서 주계자측은 제1여자권선 또는 제2여자권선의 선택적 배치도 가능하다.

또, 상기 A₁이 직류용 발전기, A₂는 교류용 발전기일 경우 하나의 발전기로 직류집전과 교류집전이 동시에 이뤄지거나, 또는 소정의 외부 직류 전압을 직류용 발전기측으로 가함에 의해 소정의 교류 집전이 가능케 되는 인버터로 되며, 그 반대로 교류발전기에 교류 입력시는 직류발전기에서 직류 출력을 얻는 것이다.

이외에도, 상기 A₁, A₂가 모두교류용의 발전기로 배치되어 진다면, 2가지 종류의 교류출력(교류레벨 또는 주파수가 같고 다른 임의 유형)을 얻어낼 수 있으며, 예를들어, A₁측은 슬롯트등에 의해 극수가 5로 되고, 50사이클 상용전원을 투입하면, A₂측에는 극소가 6으로서 60사이클의 교류 전원을 얻어내는 주파수 변환기로서 작용가능케 되는 것이다.

이때의 주파수 출력은 주파수 f, 극수 P, 분당회전수 R로 가정하였을 때

로 된다.

따라서 R과 P의 선택으로 주파수는 임의 선택할 수 있음을 알 수 있다. 또, A₁측엔 단상 교류 발전기, A₂측엔 다상 교류발전기를 배설한 것으로 될 때는 A₁측에 외부에서 단상 교류를 인가하면, A₂측에선 다상 교류가 얻어질 수 있게 되고, 또는 그 역으로의 작용이 가능케 되어진다.

이러한 구성의 본 발명은 단극 발전기에서 도체의 직류 직렬 접속이 가능하고 하나의 단극 회전 전기기에서 직류 또는 교류 집전이 가능하면서 용이한 설계변경으로 2종 이상의 직류발전이나 교류발전, 교류

직류, 교류(제1사이클)

교류(제2사이클), 직류(제1크기전압)

직류(제2크기전압) 등의 상호 변환이 다양히 가능케 되는 것이다.

또 이상은 병축형 실시예만을 설명하였으나 이는 이분야 통상의 기술자에 의해 방사형으로도 설계할 수 있음을 알 수 있으며, 이는 본 발명의 기술적 본질을 벗어나는 것은 아니다.

또, 용도상 필요에 의해 여자권선을 직권, 분권, 복권 등의 도체군이 장설되어질 수 있음도 물론이다.

Claims (5)

1. 단극 회전 전기기에 있어서, 균등 자기장을 발생하며 원통내부에 자기회로의 폐쇄공간을 갖는 주계자부재(1)와, 상기 주계자부재(1)와 독립적으로 분리되어 자기회로를 이어주는 대치극부재(2) 및 이 대치극부재(2)를 전면 포위한 상태에서 자기장 갭내로 달리는 직류 직렬 접속 형태의 발전자 도체군(3)와, 발전자 도체군(3)에 고정되어 측면 자기회로를 이어주는 계철부재(41,42) 및, 상기 주계자부재(1)와 자기 접수 작용에 의한 대치극부재(2)는 각기 고정자로 되는 한편, 상기 발전자 도체군(3)과 계철부재(41,42)는 회전자로 되는 구성을 특징으로 하는 단극 회전 전기기.
2. 제1항에 있어서, 상기 주계자부재(1)에는 직류 직렬 접속의 발전자 도체군(31)이 고정 설치되어 있고, 이 발전자 도체군(31)은 자기회로를 이어주는 대치극부재(21)를 전면 포위한 상태로 감싸고 있으며, 회전축(5)에는 계철 대치극부재(43)가 형성되어 있고, 상기 주계자부재(1)와 직류 직렬 접속의 발전자 도체군(31)은 고정자인 반면 계철 대치극부재(43)와의 자기 접수에 의한 제2대치극부재(21)는 회전자로 되는 구성을 특징으로 하는 단극 회전 전기기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 직류 직렬 접속의 발전자 도체군과 동일 입체 공간의 자기장 갭내에는 복수의 직류 또는 교류 집전용 도체군(32)이 독립적으로 장설되어진 구성을 특징으로 하는 단극 회전 전기기.
4. 제3항에 있어서, 하나의 회전축(5)과 하나의 자기회로에 존재하는 단극 회전 전기기가 복수개 설치되어 하나의 단극 회전 전기기를 이루는 구성을 특징으로 하는 단극 회전 전기기.
5. 단극 회전 전기기의 발전 방식에 있어서, 단극 자기장의 내부 자기회로를 갖는 주계자부재와, 이 주계자부재와 분리되어 자기회로를 이어주는 대치극부재가 직류 직렬 접속의 발전자 도체군에 전면 포위된 상태로 배치되어 자기 접수 작용으로 고정자가 될 때는 도체 회전형으로 되고, 회전자가 될때는 자계 회전형으로 되는 방식을 특징으로 하는 단극 회전 전기기의 발전 방식.

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