WO2011122726A1 - 자기력 평형 전기발생장치 - Google Patents

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WO2011122726A1
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magnet
magnet body
power
rotor
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PCT/KR2010/002162
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유병수
유영실
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Ryu Byung-Sue
Yu Young-Sil
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    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the present invention relates to an electric generator using a tapered cone-shaped permanent magnet, a shape specifically designed to induce a useful magnetic force balance, and in particular, magnetic repulsion using a tapered cone-shaped permanent magnet and magnetic attraction of the power generation core unit and power generation magnet.
  • the gap between power core unit and power magnet can be adjusted according to the wind power to improve power generation efficiency and parts life, as well as to manufacture products.
  • the present invention relates to a magnetic force balance electric generator that enables economic feasibility.
  • the electric generator means a device composed of a rotor that rotates by an externally acting force, a fixed structure that supports the rotor, and an electricity generator that generates electricity when the rotor rotates.
  • a certain amount of oil needs to be periodically injected, and damage to the bearing due to contamination of foreign matters has been a chronic problem.
  • 1 is a sectional view showing the structure of the power generator.
  • the disclosed power generation device is named as a variable electricity generator of a wind power generator, and includes a magnet group 11 composed of a plurality of magnets installed at a lower end of the rotor 10 rotating by wind power, and the magnet group 11.
  • the terminal unit 50 is configured to determine and connect the power generation core units 21 connected to the power storage unit 40 according to the wind speed sensed by the wind speed detection unit 30.
  • variable electricity generation device has the advantage that the wind power can be used more efficiently by changing the power generation environment according to the wind strength.
  • the magnet and the core unit must maintain a distance of about 1 mm.
  • the spacing between the bars is maintained by the steel ball bearings 61 installed between the rotor and the fixed structure.
  • the replacement by the burn out of the bearing is required.
  • the present invention has been made in consideration of the above problems, and an object of the present invention is to use a repulsive force of two magnets having a tapered cone shape and a attraction force generated between a power generating magnet and a power generating core unit, and a rotating magnet is a predetermined distance from the power generating block.
  • a repulsive force of two magnets having a tapered cone shape and a attraction force generated between a power generating magnet and a power generating core unit and a rotating magnet is a predetermined distance from the power generating block.
  • Still another object of the present invention is to provide a magnetic force balance electric generator that can significantly increase the efficiency of power generation by adjusting the distance between the power generation core unit and the power generation magnet according to the wind strength.
  • Magnetic force balance electric generator of the present invention to achieve the object as described above and to perform the problem for eliminating the conventional defects is a rotor that rotates by an external force;
  • a fixed structure having a fixed shaft rotatably supporting the rotor;
  • a rotating magnet coupled to the fixed shaft so as to be movable along the fixed shaft, and coupled to the rotor to rotate together with the rotor;
  • a power generation block installed on the fixed structure so as to be spaced apart from the rotating magnet in a vertical lower portion of the rotating magnet;
  • a first magnet installed along an edge of the rotating magnet;
  • a second magnet disposed along an edge of the power generating block and magnetically spaced apart from the power generating block by generating a repulsive force in pairs with the first magnet;
  • a plurality of generating magnets installed in the rotating magnet and rotating around a fixed axis when the rotating magnet is rotated;
  • a plurality of power generation core units installed in the power generation block so as to be positioned below the power generation magnets and generating electricity
  • the gap adjusting means is hinged to the fixed structure to rotate around the hinge axis by an external force; It consists of a connection mechanism for connecting the reaction lever and the rotating magnet to pull the rotating magnet to the lower side when the reaction lever rotates.
  • the first magnet and the second magnet is configured in the shape of a tapered cone of the light receiving narrow.
  • the power generation core unit may be configured as a wind power generator for generating electricity by reacting by the power generation magnets.
  • the rotating magnet maintains a constant interval range at the top of the power generation block.
  • the stronger the external force applied to the rotor the smaller the spacing by bringing the power generating magnet and the power core unit closer. in F increases in proportion to and increases the amount of power generated. In relatively weak winds, the magnet is separated from the power core unit. Since the amount of power generated is reduced in proportion to, it is possible to provide an electric generator having a power generation efficiency that is suitable for the wind speed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional variable electricity generation device
  • Figure 2 is a front view showing the structure of the magnetic force balanced power generation apparatus according to a preferred embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a front view showing the main structure of the magnetic force balanced power generation apparatus shown in FIG.
  • FIG. 4 is a plan view showing a binding structure of a rotor and a rotor magnet according to the present invention
  • FIG. 5 is a plan view of a rotating magnet according to the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view of a first magnet and a second magnet according to the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view of a power generation block according to the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view of a power generation coil unit according to the present invention.
  • FIG. 9 is a front view showing the structure of the gap adjusting means according to the present invention.
  • reaction lever 212 connecting mechanism
  • Figure 2 is a front view showing the structure of the magnetic force balanced power generation apparatus according to a preferred embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a front view showing the main structure of the magnetic force balanced power generation device shown in Figure 2
  • Figure 4 is a circuit according to the present invention 5 is a plan view showing a binding structure of an electron and a rotating magnet
  • FIG. 5 is a plan view of a rotating magnet according to the present invention
  • FIG. 6 is a perspective view of a first magnet and a second magnet according to the present invention
  • FIG. 8 is a plan view of the power generation block according to the present invention
  • FIG. 8 shows a perspective view of the power generation coil unit according to the present invention.
  • Magnetic force balance electric generator of the present invention the rotor 110, the fixed structure 120, the rotating magnet body 130, the power generation block 140, the first magnet 150, the second magnet ( 160, the power generation magnets 170, and the power core unit 180 is composed of.
  • the rotor 110 is rotated by an external force, and the external force applied to the rotor may correspond to wind power, hydraulic power or steam pressure, or pressure generated during the operation of the device (eg, brake pressure).
  • the magnetic force balance electricity generator of this embodiment has a structure most suitable for wind power.
  • the fixed structure 120 rotatably supports the rotor 110 and has an upright fixed shaft 121.
  • the rotating magnet body 130 is coupled to the fixed shaft 121 so as to be movable along the fixed shaft 121, and is bound via the rotor 110 and the binding rod 111 to the rotor 110 and It is installed to rotate together.
  • the binding rod 111 is composed of a plurality, the plurality of binding rods 111 are arranged in a circular arrangement around the fixed shaft 121, and the rotating magnet body from the bottom of the rotor 110 ( Extends through 130). According to the binding rods 111 of the structure, when the rotor 111 rotates, the rotating magnet body 130 that is bound by the rotor 111 and the binding rod 111 is connected to the fixed shaft 121.
  • the power generation block 140 is installed on the fixed structure 120 so as to be spaced apart from the rotating magnet body 130 in the vertical lower portion of the rotating magnet body 130 is configured to provide a space in which the power generation core unit 180 is installed.
  • the first magnet 150 is installed on the rotating magnet body 130 and generates a repulsive force in response to the second magnet 160 to maintain the rotating magnet body 130 is spaced apart from the power generation block 140. It is.
  • the first magnet 150 is made of a circular-ring structure extending along the edge of the rotating magnet body 130, preferably a trumpet-shaped tapered cone shape.
  • the second magnet 160 is installed in the power generation block 140, and reacts with the first magnet 150 to generate repulsive force.
  • the second magnet 160 has a structure of a circular-ring extending along the edge of the power generation block 140, preferably a trumpet-shaped taper cone shape.
  • the rotating magnet body 130 spaced apart from the power generation block 140 by repulsive force is trying to shift the side direction. This can be prevented naturally, it is possible to reduce the load applied to the fixed shaft 121 or the binding rod 111.
  • FIG. 3 has a structure installed such that the S poles of the first and second magnets 150 and 160 face each other. Is shown.
  • the power generation magnet 170 is composed of a plurality, the plurality of power generation magnets 170 are installed to have a circularly arranged structure around the fixed shaft 121 to the rotating magnet body 130 to rotate the rotor 110 It is configured to rotate around the fixed shaft 121.
  • the plurality of power generating magnets 170 are disposed to alternately polarize opposite power generating magnets 170 for alternating current generation. For example, in the case of the power generation magnets 170 disposed on both sides of the power generation magnet 170 in which the N pole is disposed downward, the S pole is disposed downward.
  • the power generation core unit 180 is composed of a plurality, the plurality of power generation core unit 180 is installed to have a circular arrangement structure around the fixed shaft 121 in the power generation block 140.
  • each power core unit 180 is composed of a coil wound on the outside of the core in which a number of silicon steel sheets are built and is disposed to be located in the vertical lower portion of the power generating magnet 170, the rotating magnet body 130 is rotated When the N pole and the S pole of the power generation magnets 170 alternately pass through the upper portion of the power generation core unit 180, an alternating magnetic flux is generated to induce electricity by inducing a voltage in the coil of the power generation core unit 180. Will be created.
  • the power generation core unit 180 as described above is stored in the power storage unit 200 by converting the electricity produced by being connected to the power storage unit 200 through the voltage adjusting unit 190 to direct current electricity.
  • the voltage adjusting unit 190 changes the irregular voltage generated from the plurality of power generation core units 180 to a predetermined voltage or more, and transmits it to the power storage unit 200.
  • the rotating magnet body 130 can rotate stably while maintaining a constant distance from the power generation block 140 without a bearing.
  • Equation 1 the repulsive force generated between the first and second magnets by using Equation 1 is expressed as follows.
  • Equation 3 where m a1 and m a2 are the strengths of the magnetic poles of the generator magnet and the magnetized generator core, and r a is the distance between the generator magnet and the generator core unit.
  • the present invention includes a magnet having a strength of magnetic force greater than that of the first and second magnets 150 and 160, and at the same time, the gap between the first and second magnets r r .
  • the gap (r a ) between the power generation magnet 170 and the power generation core unit 180 is configured to be larger.
  • the rotating magnets 130 are magnetically spaced by the repulsive force of the first and second magnets.
  • the magnetic force generated between the power generation magnet 170 and the power generation core unit 180 is greater than the repulsive force at a certain position, so that the rotating magnet body 130 is no longer away.
  • the table is a simple numerical comparison for the sake of explanation, the unit for each hypothesized value is omitted, and in calculating the repulsive force and attraction force, k in Equations 2 and 3 is a constant having a constant value, respectively, was 1 .
  • the rotating magnet body 130 and the power generation block 140 that is, the closer the distance between the two magnets, the greater the repulsive force than the rotating magnet body 130 is the power generation block 140
  • the magnetic force equilibrium position that is not completely attached to the magnetic force is equal to the repulsive force and the attraction force is maintained in a stable state, the magnetic force when the rotating magnet body 130 is further away from the power generation block 140
  • the increase in the repulsive force to prevent the rotating magnet body 130 is further away.
  • the first magnet 150 and the second magnet 160 generating the repulsive force extend along the edges of the rotating magnet 130 and the power generation block 140 and are continuously formed when the rotating magnet 130 is rotated.
  • the repulsive force is generated, the power generation magnet 170 and the power generation core unit 180 for generating a manpower is composed of a plurality, the vibration may occur in the rotating magnet body 130 due to the discontinuity of the attraction force.
  • the power generation core unit 180 of the present invention is installed in the power generation block 140 to have a two-row structure.
  • the two-row structure is installed in the power generation block 140 so that the power generation core unit 180 of any one row has a circular arrangement around the fixed shaft 121, the circular array of power generation core unit 180 It means a structure in which the power core unit 180 ⁇ of another row is disposed inside.
  • both the power generation core unit 180 ⁇ of the inner row and the power generation core unit 180 of the outer row are installed to be located at the vertical lower portion of the power generating magnet 170.
  • a gap adjusting means 210 for controlling the electrical output by adjusting the interval between the rotor magnet 130 and the power generation block 140.
  • FIG. 9 is a front view showing the structure of the gap adjusting means according to the present invention.
  • the gap adjusting means 210 lowers the rotating magnet body 130 so that the power generating magnet 170 and the power core unit 180 are close when a strong external force acts on the rotor 110.
  • a weak external force acts on the electron 110
  • the power generation magnet 170 and the power core unit 180 are separated by repulsive force so that power generation suitable for wind speed is achieved.
  • the gap adjusting means 210 for this is composed of a reaction lever 211 and the connection mechanism (212).
  • the reaction lever 211 is installed so that the center portion is hinged to the fixed structure 120 to rotate around the hinge shaft 2112, one side end is provided with a pocket 2111 for receiving external force, the other end Is connected to the rotating magnet body 130 by the connection mechanism (212).
  • the coupling mechanism 212 pulls down the rotating magnet 130 and lowers the interval between the rotating magnet 130 and the power generation block 140.
  • the connecting rod 2121 extending from the other end of the reaction lever 211 to the inside of the fixed structure 120, one end is hinged to the fixed structure 120 is rotated, but the rotating magnet body 130 and The control rod 2122 and a rope 2124 connecting the control rod 2122 and the connecting rod 2121 via the roller 2123 provided in the fixed structure 120.
  • the connecting mechanism 212 pulls the rope 2124 through the connecting rod 2121, and the rotating magnet 130 as the control rod 2122 rotates. By lowering) the rotating magnet body 130 is lowered.
  • the angle at which the reaction lever 211 rotates around the hinge shaft 2112 increases as the wind power increases, and the rotating magnet body 130 descends in proportion to the rotation angle.
  • the distance also increases, so that the distance r between the power generating magnet and the power coil unit becomes smaller. Since is increased, the amount of electricity produced in proportion to the wind power can be increased.
  • the rotating magnet body 130 is raised by the repulsive force generated between the first magnet 150 and the second magnet 160, in the magnetic force balance position where the repulsive force and the attraction is balanced It rotates while maintaining a stable state again.

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Abstract

본 발명은 자기력 평형 전기발생장치에 관한 것으로, 외부의 힘에 의해 회전하는 회전자; 상기 회전자를 회전가능하게 지지하는 고정축을 갖는 고정구조물; 상기 고정축을 따라 이동가능하도록 고정축에 결합되고, 회전자와 결속되어 회전자와 함께 회전하는 회전자석체; 상기 회전자석체의 수직 하부에서 회전자석체와 이격되도록 고정구조물에 설치된 발전블록; 상기 회전자석체의 가장자리를 따라 설치된 제1 자석; 상기 발전블록의 가장자리를 따라 설치되며 제1 자석과 쌍을 이루어 척력을 발생시킴으로써 회전자석체를 발전블록으로부터 자기 이격시키는 제2 자석; 상기 회전자석체에 설치되며, 회전자석체의 회전시 고정축을 중심으로 회전하는 다수개의 발전자석들; 및 상기 발전자석의 수직하부에 위치하도록 발전블록에 설치되어 발전자석의 회전시 발전자석에 반응하여 전기를 발생시키는 다수개의 발전코아유닛들로 구성되어 척력과 인력의 조화를 통하여 베어링의 사용없이도 발전자석과 발전코아유닛의 사이간격을 일정하게 평형 유지시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

자기력 평형 전기발생장치
본 발명은 유용한 자기력 평형을 유도하기 위하여 특별히 고안된 형상인 테이퍼 콘 형상의 영구자석을 이용한 전기발생장치에 관한 것으로, 특히 테이퍼 콘형의 영구자석을 이용한 자기 척력과 발전코아유닛과 발전자석의 자기 인력을 이용하여 발전코아유닛과 발전자석의 간격을 일정하게 유지시키면서, 바람의 세기에 따라 발전코아유닛과 발전자석의 사이간격이 조절되게 함으로써 발전 효율 및 부품 수명을 획기적으로 개선함은 물론 제품의 제작에 경제성 확보 가능하도록 한 자기력 평형 전기발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 전기발생장치라 함은 외부에서 작용하는 힘에 의해 회전하는 회전자와, 상기 회전자를 지지하는 고정구조물과, 상기 회전자의 회전시 전기를 발생시키는 전기발생부로 구성된 장치를 의미하는 것으로써, 회전자를 지지하기 위해 사용되는 베어링의 경우, 일정량의 오일을 정기적으로 주입해 주어야 하는가 하면, 이물질의 오염에 의한 베어링의 훼손 등은 그동안의 고질적인 문제였다.
또한 풍력을 외력으로써 사용하는 풍력발전장치에 있어서,
Figure PCTKR2010002162-appb-I000001
이러한 수식에 걸맞는 풍력에너지 발전을 위해서는 전기적 결선 조절 장치를 해주어야 하는 등의 어려운 측면이 있고, 이를 위한 부품의 복잡성과 전기부품의 소손 등이 문제점으로 있어왔다. 특히, 발전 장치에 있어 풍속의 세제곱에 비례하는 에너지를 다루어야하는 풍력의 경우가 가장 난이도가 높은 전기발생장치였던 것이다.
한편, 본 출원인은 기존 수직형 풍력발전장치가 풍력을 충분히 활용하지 못하고 있는 점을 고려하여 새로운 구조의 발전장치를 개발한 바 있으며, 이 발전장치는 한국 등록특허공보 제0743475호에 개시되어 있다.
도 1은 상기 발전장치의 구조를 나타낸 단면도를 도시하고 있다.
상기 개시된 발전장치는 풍력발전기의 가변형 전기발생장치로 명명되어 있으며, 풍력에 의해 회전하는 회전자(10)의 하단부에 설치된 다수개의 자석들로 이루어진 자석군(11)과, 상기 자석군(11)을 구성하는 자석들과 동심원의 배치구조를 갖도록 고정구조물(20)에 설치되어 회전자(10)의 회전시 자석들에 의해 반응하여 전기를 생산하는 다수개의 코아유닛(21)들과, 풍속의 크기를 감지하는 풍속감지부(30)와, 코아유닛(21)에 의해 생산된 전기를 저장하는 축전부(40)와, 상기 각각의 코아유닛(21)들과 축전부(40)를 전기적으로 연결함과 더불어 풍속감지부(30)에 의해 감지되는 풍속에 따라 축전부(40)와 연결되는 발전코아유닛(21)들을 결정하여 연결시키는 단자부(50)로 구성되어 있다.
이러한 구조의 가변형 전기발생장치는 바람의 세기에 따라 발전환경을 변화시킴으로써 풍력을 보다 효율적으로 활용할 수 있는 이점을 가지고 있다.
그러나 규소 강판에 코일을 감아 놓은것으로 이루어진 코아유닛과 발전자석의 상호 반응에 의하여 전기가 발생되도록 하기 위해서는 발전자석과 코아유닛이 약 1㎜ 전후의 사이간격을 유지해야만 함에도 불구하고, 자석과 코아유닛의 사이간격은 회전자와 고정구조물의 사이에 설치된 강구 베어링(61)에 의해 유지되는 바, 효율적이고 정확한 간격을 유지하기 위해서는 사용되는 베어링에 정기적으로 윤활유를 공급해주어야 하는 번거로움이 있으며, 특히 사용 중 베어링의 소손에 의한 교체가 요구되는 문제점을 가지고 있었다.
더욱이, 발전 코일의 조작에 따르는 접점 소손등의 문제점을 제품의 수명과 결부지어 왔었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 테이퍼 콘 형상인 두 자석의 척력과, 발전자석과 발전코아유닛 사이에 발생되는 인력을 이용하여 회전자석체가 발전블록으로부터 일정거리 이격된 평형상태를 유지할수 있도록 함으로써 별도의 강구 베어링을 사용하지 않고도 발전코아유닛과 발전자석의 사이간격을 유지할수 있으며, 이로 인하여 베어링의 교체등에 따른 번거로움 및 유지 비용증가를 해소할 수 있는 테이퍼 콘형 자석을 응용한 자기력 평형 전기발생장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 바람의 세기에 따라 발전코아유닛과 발전자석의 사이 간격이 조절되게 함으로써, 발전의 효율을 획기적으로 높일 수 있는 자기력 평형 전기발생장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 자기력 평형 전기발생장치는 외부의 힘에 의해 회전하는 회전자; 상기 회전자를 회전가능하게 지지하는 고정축을 갖는 고정구조물; 상기 고정축을 따라 이동가능하도록 고정축에 결합되고, 회전자와 결속되어 회전자와 함께 회전하는 회전자석체; 상기 회전자석체의 수직 하부에서 회전자석체와 이격되도록 고정구조물에 설치된 발전블록; 상기 회전자석체의 가장자리를 따라 설치된 제1 자석; 상기 발전블록의 가장자리를 따라 설치되며 제1 자석과 쌍을 이루어 척력을 발생시킴으로써 회전자석체를 발전블록으로부터 자기 이격시키는 제2 자석; 상기 회전자석체에 설치되며, 회전자석체의 회전시 고정축을 중심으로 회전하는 다수개의 발전자석들; 상기 발전자석의 수직하부에 위치하도록 발전블록에 설치되어 발전자석의 회전시 발전자석에 반응하여 전기를 발생시키는 다수개의 발전코아유닛들; 및 외부의 힘에 의해 반응하여 회전자석체를 이동시킴으로써 회전자석체와 발전블록의 사이간격을 조절하여 발전자석들과 발전코아유닛들의 사이간격을 조절함으로써 전기생산량을 가변시키는 간극 조절수단으로 구성된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 간극 조절수단은 고정구조물에 힌지결합되어 외부의 힘에 의해 힌지축을 중심으로 회전하는 반응레버; 상기 반응레버의 회전시 회전자석체를 아래쪽으로 잡아당기도록 반응레버와 회전자석체를 연결하는 연결기구로 구성된다.
한편, 상기 제1 자석과 제2 자석은 상광하협의 테이퍼 콘 형상으로 구성되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 외부의 힘은 풍력으로써, 회전자가 풍력을 받아 회전하고, 이때 발전코아유닛들이 발전자석들에 의해 반응하여 전기를 발생하는 풍력발전장치로 구성될 수 있다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 두 테이퍼 콘형 자석들 간에 발생하는 척력과, 발전코아유닛들과 발전자석들 간에 발생하는 인력을 이용하여 회전자석체가 발전블록의 상부에서 일정한 간격범위를 유지한 채로 회전자와 함께 회전되게 함으로써, 별도의 베어링을 사용하지 않아 유지보수의 편의성을 제공할 수 있게 되었고, 또 베어링에 의해 발생되는 저항에 의한 에너지의 손실을 감소시킬 수 있게 되었다.
또한, 회전자에 가해지는 외부의 힘이 강해질수록 발전자석과 발전코아유닛을 근접시킴으로써 간격이 적어지게 되고, 따라서
Figure PCTKR2010002162-appb-I000002
에서
Figure PCTKR2010002162-appb-I000003
에 비례하여 F가 커지며 발전량을 증가시키고, 상대적으로 약한 바람에서는 발전자석이 발전코아유닛으로부터 이격되게 함으로써
Figure PCTKR2010002162-appb-I000004
에 비례하여 발전량을 감소시키게 되므로, 풍속에 걸맞는 발전효율을 갖는 전기발생장치를 제공할 수 있게 되었다.
즉,
Figure PCTKR2010002162-appb-I000005
에서
Figure PCTKR2010002162-appb-I000006
의 삼차원에 맞는 발전 장치를 위하여
Figure PCTKR2010002162-appb-I000007
의 3차원 구도를 대응시키는 장치가 가능하게 된 것이다. 여기서 E:발전에너지 ,
Figure PCTKR2010002162-appb-I000008
는 효율,
Figure PCTKR2010002162-appb-I000009
는 공기 밀도, A는 바람을 받는 단면적, v는 풍속, vc는 풍속에 따르는 발전코아에 대한 발전자석의 상대 속도, r은 발전코아와 발전자석 간의 거리이다.
도 1 은 종래의 가변형 전기발생장치의 구조를 나타낸 단면도,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기력 평형 발전장치의 구조를 나타낸 정면도,
도 3 은 도 2에 도시된 자기력 평형 발전장치의 요부구조를 나타낸 정면도,
도 4 는 본 발명에 따른 회전자와 회전자석체의 결속구조를 나타낸 평면도,
도 5 는 본 발명에 따른 회전자석체의 평면도,
도 6 은 본 발명에 따른 제1 자석과 제2 자석의 사시도,
도 7 은 본 발명에 따른 발전블록의 평면도,
도 8 은 본 발명에 따른 발전 코일유닛의 사시도,
도 9 는 본 발명에 따른 간극 조절수단의 구조를 나타낸 정면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(111) : 회전자 (120) : 고정구조물
(121) : 고정축 (130) : 회전자석체
(140) : 발전블록 (150) : 제1 자석
(160) : 제2 자석 (170) : 발전자석
(180) : 발전코아유닛 (210) : 간극 조절수단
(211) : 반응레버 (212) : 연결기구
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기력 평형 발전장치의 구조를 나타낸 정면도를, 도 3은 도 2에 도시된 자기력 평형 발전장치의 요부구조를 나타낸 정면도를, 도 4는 본 발명에 따른 회전자와 회전자석체의 결속구조를 나타낸 평면도를, 도 5는 본 발명에 따른 회전자석체의 평면도를, 도 6은 본 발명에 따른 제1 자석과 제2 자석의 사시도를, 도 7은 본 발명에 따른 발전블록의 평면도를, 도 8은 본 발명에 따른 발전 코일유닛의 사시도를 도시하고 있다.
본 발명의 자기력 평형 전기발생장치는 회전자(110)와, 고정구조물(120)과, 회전자석체(130)와, 발전블록(140)과, 제1 자석(150)과, 제2 자석(160)과, 발전자석(170)들과, 발전코아유닛(180)들로 구성되어 있다.
상기 회전자(110)는 외부의 힘을 받아 회전하는 것으로, 회전자에 가해지는 외부의 힘으로는 풍력이나 수력 또는 증기압 또는 장치의 작동과정에서 발생되는 압력(예컨대 브레이크압력) 등이 해당될 수 있으며, 본 실시예의 자기력 평형 전기발생장치는 풍력에 가장 적합한 구조를 가지고 있다.
상기 고정구조물(120)은 회전자(110)를 회전가능하게 지지하는 것으로, 직립된 고정축(121)을 구비하고 있다.
상기 회전자석체(130)는 고정축(121)을 따라 이동가능하도록 고정축(121)에 결합되고, 회전자(110)와 결속봉(111)을 매개로 하여 결속되어 회전자(110)와 함께 회전하도록 설치된다.
한편, 상기 결속봉(111)은 다수개로 구성되며, 다수개의 결속봉(111)들은 고정축(121)을 중심으로 원형배열된 구조로 배치됨과 더불어 회전자(110)의 저면으로부터 회전자석체(130)를 관통하도록 연장된다. 이러한 구조의 결속봉(111)들에 의하면, 회전자(111)의 회전시 회전자(111)와 결속봉(111)을 매개로 하여 결속된 회전자석체(130)는 고정축(121)을 중심으로 회전하게 되며, 제1,2 자석(150,160)의 사이에 발생하는 척력이나, 발전자석(170)과 발전코아유닛(180) 사이에 발생하는 인력 그리고 후술될 간극 조절수단(210)에 의하여 이동이 요구될 경우, 고정축(121)을 따라 상하방향으로 자유롭게 이동하게 된다.
상기 발전블록(140)은 회전자석체(130)의 수직 하부에서 회전자석체(130)와 이격되도록 고정구조물(120)에 설치되어 발전코아유닛(180)들이 설치되는 공간을 제공하도록 구성된다.
상기 제1 자석(150)은 회전자석체(130)에 설치되며, 제2 자석(160)과 반응하여 척력을 발생시킴으로써 회전자석체(130)가 발전블록(140)으로부터 이격된 상태를 유지토록 하는 것이다. 이러한 제1 자석(150)은 회전자석체(130)의 가장자리를 따라 연장되는 원형-링의 구조로 이루어지며, 바람직하게는 나팔모양으로써 상광하협의 테이퍼 콘 형상으로 이루어진다.
상기 제2 자석(160)은 발전블록(140)에 설치되며, 제1 자석(150)과 반응하여 척력을 발생시키는 것이다. 이러한 제2 자석(160)은 발전블록(140)의 가장자리를 따라 연장되는 원형-링의 구조로 이루어지며, 바람직하게는 나팔모양으로써 상광하협의 테이퍼 콘 형상으로 이루어진다.
상기와 같이 제1 자석(150)과 제2 자석(160)을 테이퍼 콘 형상으로 구성하게 되면, 척력에 의해 발전블록(140)으로부터 자기 이격되는 회전자석체(130)가 측면 방향을 어긋나려 하는 것을 자연적으로 방지할 수 있게 되어 고정축(121)이나 결속봉(111)에 가해지는 부하를 경감시킬 수 있게 된다.
한편 상기 제1 자석(150)과 제2 자석(160)은 척력이 발생하도록 하기 위하여 동일한 극성이 마주하도록 설치되며, 도 3에는 제1,2 자석(150,160)의 S극이 마주하도록 설치된 구조가 도시되어 있다.
상기 발전자석(170)은 다수개로 구성되며, 다수개의 발전자석(170)들은 회전자석체(130)에 고정축(121)을 중심으로 원형배열된 구조를 갖도록 설치되어 회전자(110)의 회전시 고정축(121)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 이때 다수개의 발전자석(170)들은 교류 발전을 위하여 이웃하는 발전자석(170)들이 서로 반대의 극성이 교번되게 배치된다. 예컨대, N극이 아래쪽을 향하도록 배치된 발전자석(170)의 양측에 배치되는 발전자석(170)들의 경우 S극이 아래를 향하도록 배치된다.
상기 발전코아유닛(180)은 다수개로 구성되며, 다수개의 발전코아유닛(180)들은 발전블록(140)에 고정축(121)을 중심으로 원형배열된 구조를 갖도록 설치된다. 한편 각각의 발전코아유닛(180)은 여러개의 규소강판들이 내장된 코아의 외측에 코일을 감아 놓은 것으로 구성되며 발전자석(170)의 수직 하부에 위치하도록 배치되어, 회전자석체(130)가 회전할 때, 발전자석(170)들의 N극과 S극이 발전코아유닛(180)의 상부를 교대로 지나감으로써, 교번자속이 발생하여 발전코아유닛(180)의 코일에 전압이 유기됨으로써 전기를 생성하게 된다.
상기와 같은 발전코아유닛(180)들은 전압조정부(190)를 통하여 축전부(200)와 연결되어 생산된 전기를 직류 전기로 변환하여 축전부(200)에 저장하게 된다. 또한 전압조정부(190)는 다수개의 발전코아유닛(180)들로부터 생성되는 불규칙한 전압을 일정 전압 이상으로 바꾸어 축전부(200)로 전달하게 된다.
한편, 발전자석(170)들과 발전코아유닛(180)들에 의해 전기가 발생되는 과정에서 발전자석(170)들과 발전코아유닛(180)들의 사이에는 인력이 발생하게 되며, 이러한 인력과 제1,2 자석(150,160)에 의해 발생되는 척력의 자기력 평형을 통하여 회전자석체(130)가 베어링 없이도 발전블록(140)과 일정한 간격을 유지한 채로 안정적으로 회전할 수 있게 된다.
통상적으로, 두 자석간의 자력의 세기는 쿨롱의 법칙(Coulomb's law)이 적용되며, 쿨롱의 법칙은 통상 아래와 같은 수식1에 의해 표현된다.
Figure PCTKR2010002162-appb-I000010
---------- 수식1
한편, 상기 수식1을 이용하여 제1,2 자석들 간에 발생하는 척력을 다음과 같은 식으로 표현하고,
Figure PCTKR2010002162-appb-I000011
---------- 수식2, (여기서 mr1,mr2는 제1,2 자석의 자극의 세기이고, rr은 제1,2 자석들의 사이간격임)
상기 수식1을 이용하여 발전자석과 발전코아유닛 사이에 발생하는 인력을 다음과 같은 식으로 표현할 경우,
Figure PCTKR2010002162-appb-I000012
---------- 수식3, (여기서 ma1,ma2는 발전자석과 자화된 발전코아유닛의 자극의 세기이고, ra은 발전자석과 발전코아유닛의 사이간격임)
상기 mr1 = mr2 < ma1 = ma2이었을 때, rr < ra 의 조건을 유지하게 되면, 회전자석체(130)는 발전블록(140) 상의 일정 위치에서 자기적으로 평형 상태에 놓이게 되어 안정된 상태를 유지하게 된다.
위와 같은 조건을 만족시키기 위하여 본 발명은 발전자석(170)이 제1,2 자석(150,160)들 보다 큰 자력의 세기를 갖는 자석으로 이루어지고, 동시에 제1,2 자석의 사이간격(rr) 보다 발전자석(170)과 발전코아유닛(180)의 사이간격(ra)이 크도록 구성된다.
상기와 같이 제1,2 자석(150,160)들 그리고 발전자석(170)들과 발전코아유닛(180)들을 배치하게 되면, 제1,2 자석의 척력에 의해 자기 이격되는 회전자석체(130)가 발전블록(140)으로부터 멀어지려 할 경우, 일정 위치에서는 발전자석(170)과 발전코아유닛(180)의 사이에 발생되는 인력이 척력 보다 커지게 되므로 회전자석체(130)는 더 이상 멀어지지 못하고 평형 상태를 유지하여 안정된 상태를 유지하게 되며, 본 발명은 이러한 상태를 자기력 평형이라 하였다.
한편 mr1, mr2, ma1, ma2, rr, ra가 위와 같은 조건을 만족하면서 각각의 값이 아래의 표와 같다고 가정할 경우, 회전자석체와 발전블록의 사이거리 변화에 따른 척력과 인력은 아래의 표1과 같이 변경된다.
표 1
Figure PCTKR2010002162-appb-T000001
한편 상기 표는 설명을 위하여 단순 수치상의 비교를 나타낸 것이므로 각각의 가정된 값에 대한 단위는 생략하였으며, 척력과 인력을 계산함에 있어서 수식2,3의 k는 일정한 값을 갖는 상수이므로 각각 1로 하였다.
상기 표에서 볼 수 있는 바와 같이, 회전자석체(130)와 발전블록(140) 즉, 두 자석간의 사이간격이 가까워질수록 척력이 인력 보다 크므로 회전자석체(130)는 발전블록(140)에 완전히 붙지 못하고 자기 이격되고, 척력과 인력이 같아지는 자기력 평형 위치에서 회전자석체(130)는 안정된 상태를 유지하게 되며, 회전자석체(130)가 발전블록(140)으로부터 보다 멀어지게 되면 인력이 척력 보다 증가되어 회전자석체(130)가 더 이상을 멀어지는 것을 방지하게 되는 것을 알 수 있다.
한편, 척력을 발생시키는 제1 자석(150)과 제2 자석(160)은 회전자석체(130)와 발전블록(140)의 가장자리를 따라 연장된 구조로써 회전자석체(130)의 회전시 연속적으로 척력을 발생시키게 되지만, 인력을 발생시키는 발전자석(170)과 발전코아유닛(180)은 다수개로 구성되므로, 인력의 불연속으로 인해 회전자석체(130)에 진동이 발생될 수 있다.
이에 본 발명의 발전코아유닛(180)은 2열 구조를 갖도록 발전블록(140)에 설치된다. 여기서 2열 구조라 함은 어느 한열의 발전코아유닛(180)들이 고정축(121)을 중심으로 원형배열된 구조를 갖도록 발전블록(140)에 설치되고, 이처럼 원형배열된 발전코아유닛(180)들의 내측에 또 다른 한 열의 발전코아유닛(180`)들이 배치된 구조를 의미하는 것이다. 이때 내측열의 발전코아유닛(180`)과 외측열의 발전코아유닛(180) 모두는 발전자석(170)의 수직 하부에 위치하도록 설치된다.
한편, 회전자(110)에 작용하는 외부의 힘에 따라 회전자석체(130)와 발전블록(140)의 사이간격을 조절하여 전기생산량을 조절하는 간극 조절수단(210)이 더 포함되는 것이 바람직하다.
도 9는 본 발명에 따른 간극 조절수단의 구조를 나타낸 정면도를 도시하고 있다.
상기 발전자석(170)에 의해 반응하여 전기를 발생시키는 발전코아유닛(180)의 경우, 발전자석(170)과 근접할수록 보다 많은 양의 전기를 생산하게 되고, 그 반대로 발전자석(170)과 멀어질수록 보다 적은 양의 전기를 생산하게 된다. 이에 상기 간극 조절수단(210)은 회전자(110)에 강한 외부의 힘이 작용할 경우에는 발전자석(170)과 발전코아유닛(180)이 근접하도록 회전자석체(130)를 하강시키고, 반대로 회전자(110)에 약한 외부의 힘이 작용할 경우에는 발전자석(170)과 발전코아유닛(180)이 척력에 의해 멀어지도록 하여 풍속에 걸맞는 발전이 이루어지도록 하는 것이다.
이를 위한 상기 간극 조절수단(210)은 반응레버(211)와 연결기구(212)로 구성된다.
상기 반응레버(211)는 중앙부가 고정구조물(120)에 힌지결합되어 힌지축(2112)을 중심으로 회전하도록 설치되며, 일측단부에는 외부의 힘을 받기 위한 포켓(2111)이 구비되고, 타측단부는 연결기구(212)에 의하여 회전자석체(130)와 연결된다.
상기 연결기구(212)는 반응레버(211)가 외부의 힘에 반응하여 회전할 경우, 회전자석체(130)를 잡아당겨 하강시킴으로써 회전자석체(130)와 발전블록(140)의 사이간격을 조절하는 것으로, 반응레버(211)의 타측단부로부터 고정구조물(120)의 내측으로 연장되는 연결봉(2121)과, 상기 고정구조물(120)에 일단이 힌지결합되어 회전하되 회전자석체(130)와 결속된 제어봉(2122)과, 상기 고정구조물(120) 내에 구비된 롤러(2123)를 경유하여 제어봉(2122)과 연결봉(2121)을 연결하는 로프(2124)로 구성된다.
이러한 연결기구(212)는 외부의 힘에 의해 반응레버(211)가 회전할 경우, 연결봉(2121)을 통해 로프(2124)를 잡아당기게 되고, 이때 제어봉(2122)이 회전하면서 회전자석체(130)를 잡아당김으로써 회전자석체(130)를 하강시키게 된다.
따라서 상기 외부의 힘이 풍력일 경우, 풍력이 강해질수록 반응레버(211)가 힌지축(2112)을 중심으로 회전하는 각도는 증가하게 되며, 회전각도에 비례하여 회전자석체(130)가 하강하는 거리 또한 증가하게 되고, 따라서 발전자석과 발전코일 유닛의 간격 r이 작아짐으로
Figure PCTKR2010002162-appb-I000013
은 증가되므로 풍력에 비례하여 생산되는 전기량을 증가시킬 수 있게 된다.
즉,
Figure PCTKR2010002162-appb-I000014
에서
Figure PCTKR2010002162-appb-I000015
의 삼차원에 맞는 발전 장치를 위하여
Figure PCTKR2010002162-appb-I000016
의 3차원 구도를 대응시키는 장치가 가능하게 된 것이다. 여기서 E:발전에너지 ,
Figure PCTKR2010002162-appb-I000017
는 효율,
Figure PCTKR2010002162-appb-I000018
는 공기 밀도, A는 바람을 받는 단면적, v는 풍속, vc는 풍속에 따르는 발전코아에 대한 발전자석의 상대 속도, r은 발전코아와 발전자석 간의 거리이다.
반면 풍력이 약해질 경우, 회전자석체(130)는 제1 자석(150)과 제2 자석(160)의 사이에서 발생되는 척력에 의해 상승하게 되며, 척력과 인력이 평형을 이루는 자기력 평형 위치에서 다시 안정된 상태를 유지하며 회전하게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims (4)

  1. 외부의 힘에 의해 회전하는 회전자(110);상기 회전자(110)를 회전가능하게 지지하는 고정축(121)을 갖는 고정구조물(120);상기 고정축(121)을 따라 이동가능하도록 고정축(121)에 결합되고, 회전자(110)와 결속되어 회전자(110)와 함께 회전하는 회전자석체(130);상기 회전자석체(130)의 수직 하부에서 회전자석체(130)와 이격되도록 고정구조물(120)에 설치된 발전블록(140);상기 회전자석체(130)의 가장자리를 따라 연장되게 설치된 제1 자석(150);상기 발전블록(140)의 가장자리를 따라 연장되게 설치되며 제1 자석(150)과 쌍을 이루어 척력을 발생시킴으로써 회전자석체(130)를 발전블록(140)으로부터 자기 이격시키는 제2 자석(160);상기 회전자석체(130)에 설치되며, 회전자석체(130)의 회전시 고정축(121)을 중심으로 회전하는 다수개의 발전자석(170)들;상기 발전자석(170)의 수직하부에 위치하도록 발전블록(140)에 설치되어 발전자석(170)의 회전시 발전자석(170)에 반응하여 전기를 발생시키는 다수개의 발전코아유닛(180)들; 및 외부의 힘에 의해 반응하여 회전자석체(130)를 이동시킴으로써 회전자석체(130)와 발전블록(140)의 사이간격을 조절하여 발전자석(170)들과 발전코아유닛(180)들의 사이간격을 조절함으로써 전기생산량을 가변시키는 간극 조절수단(210)으로 구성된 것을 특징으로 하는 자기력 평형 전기발생장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 간극 조절수단(210)은,
    상기 고정구조물(120)에 힌지결합되어 외부의 힘에 의해 힌지축을 중심으로 회전하는 반응레버(211); 상기 반응레버(211)의 회전시 회전자석체(130)를 아래쪽으로 잡아당기도록 반응레버(211)와 회전자석체(130)를 연결하는 연결기구(212)로 구성된 것을 특징으로 하는 자기력 평형 전기발생장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 자석(150)과 제2 자석(160)은 상광하협의 테이퍼 콘 형상인 것을 특징으로 하는 테이퍼 콘형 자석을 응용한 자기력 평형 전기발생장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부의 힘은 풍력인 것을 특징으로 하는 자기력 평형 전기발생장치.
PCT/KR2010/002162 2010-04-01 2010-04-08 자기력 평형 전기발생장치 WO2011122726A1 (ko)

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