WO2019078466A1 - 롱형 코일 고정체를 가지는 개량된 고전압 발전기 - Google Patents

롱형 코일 고정체를 가지는 개량된 고전압 발전기 Download PDF

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WO2019078466A1
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김호봉
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김호봉
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Definitions

  • Korean Patent Registration No. 10-0683472 is disadvantageous in that the coil is wound around the bobbin to separate the coil fixed by the thickness of the bobbin and the rotating magnet, Thereby eliminating such a technical problem.
  • Another disadvantage of this prior art is that the stationary coil support plate is fixed to the bottom surface of the coil plate and is fixed, and there is a possibility that the generator may be severely shaken during the rotation operation of the generator. This is because there is a risk that the magnet will come off.
  • Patent Document 1 US2014-0375164 A
  • An object of the present invention is to reduce the size of a generator for ease of movement so as to supply residential use, factory power, building power, and the like, and to use without restriction on the use place or space.
  • a long type high voltage generator comprising a non-magnetic body of a magnet rotating body in which N poles and S pole permanent magnets are inserted alternately at regular intervals along the circumferential direction, And a rotating shaft is fixed to the center of the magnet rotating body through the magnet rotating body;
  • at least three winding coils are inserted at regular intervals along the circumferential direction of the coil fixing body, and the winding coils are wound around the coil winding body at predetermined intervals along the circumferential direction of the coil fixing body,
  • the coils comprise a coil wound without a bobbin and the wound coils are arranged so as to be wholly aligned with each other in a cross section of the winding coils perpendicular to the axial direction of the coil coils;
  • a bearing case including a bearing structure for holding the coil fixing body and supporting the rotation shaft such that the rotation shaft is freely rotatable while the predetermined distance is maintained.
  • the winding coils may further include an insulator formed by epoxy carburizing insulation processing at the periphery of the wound coil.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of a long type high voltage generator according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a cross-sectional view passing through the center of the long type high voltage generator shown in FIG. 1A perpendicular to the longitudinal direction
  • FIG. 3A is a longitudinal cross-sectional view of the coil fixing body included in the long type high voltage generator according to the embodiment
  • FIG. 3B is a cross-sectional view passing through the center of the coil fixing body of FIG. 3A perpendicular to the longitudinal direction
  • Sectional view of the coil fixing body of Fig. 3A and
  • Fig. 3D is a perspective view of the coil fixing body of Fig. 3A.
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of a long type high voltage generator according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a cross-sectional view passing through the center of the long type high voltage generator shown in FIG. 1A perpendicular to the longitudinal direction
  • FIG. 2A is a longitudinal cross-sectional view of the magnet rotating body included in the long type high voltage generator according to the embodiment
  • FIG. 2B is a cross-sectional view passing through the center of the magnet rotating body of FIG. 2A perpendicular to the longitudinal direction
  • FIG. 2D is a perspective view of the magnet rotating body of FIG. 2A.
  • a long type high voltage generator according to the present invention includes a non-magnetic body in which an even number of N pole and S pole permanent magnets 14 are alternately inserted at regular intervals along the circumferential direction And a rotating shaft (8) is fixed to the center of the magnet rotating body (15).
  • the rotary shaft 8 is integrated with the magnet rotary body 15 so that the rotary shaft 8 and the magnet rotary body 15 rotate together.
  • the non-magnetic material used in the magnet rotating body 15 may be a processed ceramic to be described later in more detail.
  • the permanent magnet 14 may be mounted in the insulating member of the magnet rotating body 15.
  • the opposing permanent magnets inserted into the magnet rotating body 15 are arranged so as to have the same pole.
  • the outer pole of the permanent magnet inserted into the magnet rotating body 15 is an S pole so as to face the outer S pole of the permanent magnet inserted into the magnet rotating body 15, The outer pole of the permanent magnet inserted to face the outer N pole of the permanent magnet becomes the N pole.
  • FIG. 6 is a view illustrating a manner in which individual magnets are superposed to form a permanent magnet 14 to be inserted into a magnet rotating body 15 according to the present invention.
  • Representative strong magnets used for the individual magnets include neodymium magnets and samarium cobalt magnets. All of them have a strong magnetic force of 3,000 Gauss or more, but it will be understood by a person skilled in the art that the characteristics such as the temperature characteristics and the intensity are different from each other and the characteristics can be compared and a suitable magnet can be selected according to the application.
  • Neodymium magnets through special machining may be used, but in order to obtain a stronger magnetic force, the present inventors have found that by arranging and compressing several neodymium magnets or samarium cobalt magnets in a thin stainless steel case, as schematically shown in Fig. 6 The obtained magnet was used.
  • FIG. 3A is a longitudinal cross-sectional view of the coil fixing body included in the long type high voltage generator according to the embodiment
  • FIG. 3B is a cross-sectional view passing through the center of the coil fixing body of FIG. 3A perpendicular to the longitudinal direction
  • 3A is a partial cross-sectional perspective view of the coil fixing body of FIG. 3A
  • FIG. 3D is a perspective view of the coil fixing body of FIG. 3A.
  • a high-voltage generator includes a non-magnetic coil fixing body 13 radially arranged to be spaced apart from the magnet rotating body 15 by a predetermined distance, , Wherein at least three winding coils (12) are inserted at regular intervals along the circumferential direction of the coil fixing body (13), and the winding coils (12) include coils wound without a bobbin , And the wound coils are arranged so as to be wholly aligned with each other in the cross section of the winding coils (12) perpendicular to the axial direction of the coil fixing body (13).
  • the three or more wound coil coils 12 may be three wound coil coils, and may be inserted into the coil coils 13 at intervals of 120 degrees along the circumferential direction.
  • the wound coil included in the winding coils 12 may be an insulated coil.
  • various insulators may be used to reach a high voltage without causing a short circuit of the coil.
  • 'insulator' is a term that refers to a nonconductive material that interferes with the movement of electric charge. Even such an insulator can flow a current in an alternating current other than direct current. Since an insulator also has a dielectric constant, if an alternating current is applied, the displacement current or the polarization current flows in proportion to the magnitude of the dielectric constant. The reason why electromagnetic waves can travel into the insulator air is the existence of such a polarization current. In short, an insulator having a very good insulating property refers to a dielectric material having an extremely small dielectric constant.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of an exemplary winding coin body 12 according to the present invention.
  • a quartz glass coating may be applied to the copper wire to prevent the coil from being burned even under a high voltage.
  • the glass- And is an insulating coil 101 which is wrapped around a copper wire and sealed.
  • the polyester mixed material is melted at a high temperature and is coated with a glass coating of at least 0.020 mm to a maximum of 0.135 mm on a copper wire through an extrusion nozzle, so that it is referred to as an optical fiber glass insulation.
  • the insulation coil passed the insulation breakdown test for a small generator coil of 3.3 to 14 kV, and it was tested for a large generator of 25 to 35 kV, 35 to 66 kV, and 66 to 220 kV as well as a medium- It is understood by those skilled in the art that the insulation breakdown test on the coil has also passed and that the insulation coil is suitable for use in the long type high voltage generator according to the present invention.
  • conventionally used copper varnish films of polyester are formed by coating an insulating varnish having various properties according to the use of copper wire having good electrical conductivity and molding it many times at a high temperature.
  • Such a polyester varnish film Has a heat resistance limit of 220 deg. C, and has a disadvantage that the chemical resistance is excellent in oil resistance and solvent resistance, but is insufficient in film scratch resistance and poor in flexibility.
  • the withstand voltage is about 10 kV, and the high-voltage insulation treatment of 10 kV or more requires a separate insulation film. If the thickness of the insulation film is increased, the coil volume becomes too large and an efficient winding method can not be achieved. In order to increase the withstand voltage, the volume of the coil is increased, so it is suitable for low voltage and it is used in winding method of transformer.
  • the glass coating insulation according to the present invention exhibits the characteristics shown in Table 1, so that the cross-sections of the coils are aligned to be hexagonal (a) or square (b)
  • the winding coils 12 are formed through the winding method, the magnetic force lines are not distorted at the time of high-voltage power generation, and a current higher than the rated load current value can be prevented from flowing to the coils when a load is applied to the coils.
  • the winding coils 12 may further include an insulator formed by an epoxy carburization insulator 102 at the periphery of the wound coil. This is because, if a corona is generated between the coil 15 and the magnet rotating body 15 due to a high voltage that may be generated in the insulating coil, the coil may be damaged due to the arc of the coil and the magnet. In order to prevent this, This is because the wound coil needs to be sealed with a mold, for example, a pressurized carburizing insulated mold.
  • Insulating materials that can be used for the high voltage generator of the present invention include the following.
  • the glass laminate is laminated with a thin resin sheet and heated under pressure.
  • the resin is mainly made of thermosetting resin (phenol, epoxy, silicone, polyester, etc.) and various reinforcing materials (paper, cotton fabric, glass fiber fabric, non- , It has high heat resistance, excellent mechanical strength and electric insulation and is widely used as an insulating material, a sheathing material, a reinforcing material, and the like.
  • flame retardant epoxy glass laminate (bakelite) and epoxy plate are typical, and a thin reinforcing sheet of a woven / non-woven form is impregnated with a resin and a thickness chamfering is performed after molding to obtain a desired thickness.
  • the flame-retardant epoxy glass laminate has a volume resistivity of 10-20? Cm and an impact strength of 10 Kgcm / cm or more with an azod or notch.
  • the shielding effect is maintained for a long time, and the mechanical and electrical strength characteristics are excellent.
  • the electrical insulation of the flame-retardant epoxy glass laminate sheet is 100 (KV / mm) or less at low and high pressures, the heat resistance is excellent at 180 degrees Celsius or less, and the abrasion resistance is good.
  • Ceramics are utilized in heat exchangers, solar cells, fuel cells, thermoelectric devices, gas turbines, gas materials, optical materials, piezoelectric devices, semiconductors, and dielectric materials. Electrical insulation can maintain insulation up to 746 kV from low voltage to very high voltage. It has high heat resistance and its tensile strength does not change even at 1400 degrees Celsius. The mechanical strength of the ceramic is excellent, but it is fragile. Despite these drawbacks, ceramics are still in widespread use, and their properties have been continually improved.
  • the use of the insulator may be different depending on the use, and in particular, the application may be different depending on the voltage.
  • Beckrite was used as an insulator up to 3.3 kV to 55 kV, and it is understood that a ceramic can also be used as an insulator in the range of 3.3 kV to 345 kV .
  • the winding coils 12 according to the present invention can be mounted in the insulating member of the coil fixing body 13.
  • Fig. The winding coils 12 as shown exemplarily by the drawings of the coil fixing body 13 shown in Figs. 3 (b) to 3 (d) can be composed of three,
  • the winding coils 12 when the winding coils 12 are connected in three phases of? Or Y, the winding coils 12, which are connected in series according to the number n of the coil fixing bodies 13,
  • the number of the integral members 12 is also n.
  • the output voltage may be 0.75 kV to 120 kV, and if there are three coil fixtures, the output voltage may be 0.75 kV to 180 kV, and if there are four coil fixtures , The output voltage can be 0.75 kV to 240 kV, and if there are 5 coil fixtures, the output voltage can be 0.75 kV to 300 kV.
  • the upper limit of the output voltage may increase by 60 kV as the number of coil fixtures increases by one. It is to be understood, however, that the output voltage according to the number of coil fixing bodies is not necessarily limited to such a range.
  • the number of revolutions of the rotating shaft 1 is not less than 120 RPM (rotations per minute) and not more than 12,600 RPM, so that the rated frequency of the power generated by the long type high voltage generator is 60 Hz to 420 Hz Lt; / RTI >
  • the three or more winding coils 12 may have the same dimensions as each other, and the even number of permanent magnets 14 may have the same dimensions.
  • the length of the outer arc of the permanent magnet 14 may be equal to or greater than the length of the inner arc of the winding coils 12. This is to position the winding coils 12 in the magnetic lines of force generated by the permanent magnets 14 to achieve efficient power generation.
  • FIG. 4A is a longitudinal sectional view showing a state in which the rotating shaft 8, the coil fixing body 13 and the magnet rotating body 15 included in the long type high voltage generator according to the embodiment is assembled.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal direction of the assembled state of FIG. 4A
  • FIG. 4C is a partial cross-sectional perspective view of the assembled state of FIG.
  • FIG. 5A is a longitudinal sectional view showing a state in which the case is further assembled in the assembled state of FIG. 4A
  • FIG. 5B is a sectional view perpendicular to the longitudinal direction of the assembled state of FIG. 5A
  • the high voltage generator according to the present invention is such that the rotating shaft 8 is freely rotatable while the predetermined distance between the magnet rotating body 15 and the coil fixing body 13 is maintained, And a bearing structure (3) for fixing the coil fixing body (13) and supporting the rotating shaft (8).
  • Table 1 and other specific numerical values included in this specification have been demonstrated by a long type high voltage generator according to an embodiment of the present invention to which a test motor is attached.
  • the present invention can be applied to the above- It is possible to reduce the size and weight of the generator.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)

Abstract

본 발명은 길게 늘려진(elongated) 코일 고정체를 가지는 고전압 발전기에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명에 따른 고전압 발전기는, 원주 방향을 따라 일정 간격으로 짝수 개의 N극 및 S극 영구 자석이 교번하여 삽입되어 있는 비자성체의 자석 회전체로서, 상기 자석 회전체의 중심부에는 회전 샤프트가 관통 고정되어 있는, 하나의 자석 회전체; 상기 자석 회전체를 반경 방향으로 포위하되 소정의 이격 거리만큼 이격 배치되는 비자성체의 코일 고정체로서, 상기 코일 고정체의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 3개 이상의 권취 코일체가 삽입되고, 상기 권취 코일체는 보빈(bobbin) 없이 권취된 코일을 포함하며, 상기 코일 고정체의 축방향에 수직인 상기 권취 코일체의 단면에서 상기 권취된 코일은 서로 전체 정렬되도록 배치되는, 하나의 코일 고정체; 및 상기 소정의 이격 거리가 유지된 채 상기 회전 샤프트가 자유로이 회전 가능하도록 상기 코일 고정체를 고정하고 상기 회전 샤프트를 지탱하는 베어링 구조를 포함하는 지지 케이스를 포함한다.

Description

롱형 코일 고정체를 가지는 개량된 고전압 발전기
본 발명은 길이방향으로 길게 늘려진(elongated; 롱형) 코일 고정체를 가지는 고전압 발전기(이하 "롱형 고전압 발전기"라 함)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은, 원주 방향을 따라 일정 간격으로 짝수 개의 N극 및 S극 영구 자석이 교번하여 삽입되어 있는 비자성체의 자석 회전체로서, 상기 자석 회전체의 중심부에는 회전 샤프트가 관통 고정되어 있는, 하나의 자석 회전체; 상기 자석 회전체를 반경 방향으로 포위하되 소정의 이격 거리만큼 이격 배치되는 비자성체의 코일 고정체로서, 상기 코일 고정체의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 3개 이상의 권취 코일체가 삽입되고, 상기 권취 코일체는 보빈(bobbin) 없이 권취된 코일을 포함하며, 상기 코일 고정체의 축방향에 수직인 상기 권취 코일체의 단면에서 상기 권취된 코일은 서로 전체 정렬되도록 배치되는, 하나의 코일 고정체; 및 상기 소정의 이격 거리가 유지된 채 상기 회전 샤프트가 자유로이 회전 가능하도록 상기 코일 고정체를 고정하고 상기 회전 샤프트를 지탱하는 베어링 구조를 포함하는 지지 케이스를 포함하는 롱형 고전압 발전기에 관한 것이다.
종래의 공심형 발전기들은 회전체와 고정체 간의 전자기 상호작용에 의하여 전기를 생산하는바, 철심을 제거함으로써 발전의 고효율을 꾀하는 방식을 취하고 있다.
실제 발전기에 이용되는 코일로는 단순히 전선을 감는 공심형 코일보다도 그 코일의 코어로서 철심을 삽입하여 이용하는 철심형 코일이 많이 이용되어 왔다. 철심은 자기 특성을 지닌 주 성분이 철계의 금속으로 만들어진 것을 지칭한다. 이와 같은 철심 코어는 코일의 인덕턴스를 증가시킬 목적으로 사용된다. 이는 코어의 특성 중 투자율(비투자율)이라는 계수와 관련되어 있는데, 공심형 코일의 경우 그 코어는 공기이므로 μ=1이다. 반면, 철심 코어의 경우에는 μ가 수십 이상이고, 경우에 따라서는 10,000까지 얻을 수 있기 때문에 그 만큼 적은 권취 수, 작은 코일로도 높은 인덕턴스를 얻을 수 있다. 일 예를 들면, 미국 등록특허공보 제5,930,392호에 개시되어 있는 계자형 발전기는 원환형 코어에 코일을 권취한 것을 이용한다.
이에 비하여 공심형 코일은 이를 이용한 영구자석 선형 동기 전동기가 철심형 코일의 것에 비하여 자기적인 공극이 매우 커 추력 밀도가 떨어지는 큰 단점이 있는 반면에 치(teeth)-슬롯 구조가 없어 디텐트력(detent force)이 근본적으로 제거되어 추력 리플이 거의 발생하지 않고 수직력이 작기 때문에 제어 성능이 우수한 장점이 있다.
다만, 공심형 코일에는 지속적인 순환 자기장이 형성되지 않아 이를 이용한 발전기의 전압 강하를 방지하여야 할 필요가 있는데, 저압 발전시에는 공심형 코일의 충전 전압이 낮으므로 전력 부하에 따라 충전 전압이 빠르게 소실되는 전압 강하가 발생한다. 이를 해결하기 위하여, 본 발명에서는 고전압으로 발전함으로써, 코일 부분에 높은 충전 전위를 형성하여 전압 강하를 최소화할 수 있는 방식을 채택하였다.
한편, 한국 등록특허공보 제10-0683472호에 개시된 기술은 코일을 보빈에 감아 그 보빈의 두께만큼 고정된 코일과 회전하는 자석 간의 이격이 발생하여 발전 효율이 떨어지는 단점이 있는데, 본 발명에서는 보빈을 제거함으로써 이와 같은 기술적인 문제점을 해결하였다. 이 선행기술의 또 다른 단점은 고정 코일 지지판을 코일 판 밑면에 돌출시켜 고정하도록 되어 있고 발전기의 회전 운전시에 흔들림이 심하게 발생할 우려가 있으며, 자석을 원판 외측에 설치하여 고속 회전 운전시에 무게 중심이 맞지 않아 자석이 이탈할 우려가 있다는 점이다.
또한, 한국 등록특허공보 제10-2013-002013호에 개시된 기술은 자석 회전판에 자석이 배열되어 있는 판형 발전기에 관한 것인데, 이 판형 발전기의 코일 고정판에 자석과 동일한 개수의 권취 코일이 구비되므로, 그 상세한 설명과 도면들에 나타나 있는 바와 같이, 저압 단상 발전에는 적합하나 고전압 3상 발전에는 부적합하다는 단점이 있다. 이 선행기술의 또 다른 단점은 이 판형 발전기의 저압 발전시에는 종래 공심형 발전기에서와 같이 발전된 전력에 부하를 걸면 부하 전력에 따라 전압 강하가 크게 발생할 우려가 있다는 점이다.
본 발명자는, 이러한 선행기술들의 문제점을 해결함으로써, 고출력으로 전력 에너지를 얻을 수 있고, 발전기를 소형화, 경량화할 수 있는 방안을 담고 있는 본 발명에 따른 구조 및 소재에 관한 상세한 기술 내용을 제공하고자 한다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) US2014-0375164 A
(특허문헌 2) KR10-0683472 B
(특허문헌 3) KR10-0979315 B
본 발명은 주택용, 공장용 전력 및 빌딩 전력 등을 공급할 수 있도록 이동에 용이하고 사용 장소 혹은 공간에 제약을 받지 않는 이용을 위하여 발전기의 소형화를 도모하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로, 발전에 필요한 최소의 치수로 고출력의 전력 생산이 가능하도록, 종래의 발전기와 동일한 용량을 가질 때 그 차지하는 공간은 축소되고, 중량도 감소되는 효율적인 발전기를 제공하는 것을 그 목적으로 하는 것이다.
또한, 본 발명은, 풍력, 태양광, 수력, 화력, 기타 터빈에 의한 회전 구동 에너지 등을 이용한 동일한 발전 조건 하에서 더 많은 전력을 생산할 수 있게 하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 목적을 달성하고, 후술하는 본 발명의 특징적인 효과를 실현하기 위한 본 발명의 특징적인 구성은 하기와 같다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 롱형 고전압 발전기가 제공되는바, 상기 롱형 고전압 발전기는, 원주 방향을 따라 일정 간격으로 짝수 개의 N극 및 S극 영구 자석이 교번하여 삽입되어 있는 비자성체의 자석 회전체로서, 상기 자석 회전체의 중심부에는 회전 샤프트가 관통 고정되어 있는, 하나의 자석 회전체; 상기 자석 회전체를 반경 방향으로 포위하되 소정의 이격 거리만큼 이격 배치되는 비자성체의 코일 고정체로서, 상기 코일 고정체의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 3개 이상의 권취 코일체가 삽입되고, 상기 권취 코일체는 보빈(bobbin) 없이 권취된 코일을 포함하며, 상기 코일 고정체의 축방향에 수직인 상기 권취 코일체의 단면에서 상기 권취된 코일은 서로 전체 정렬되도록 배치되는, 하나의 코일 고정체; 및 상기 소정의 이격 거리가 유지된 채 상기 회전 샤프트가 자유로이 회전 가능하도록 상기 코일 고정체를 고정하고 상기 회전 샤프트를 지탱하는 베어링 구조를 포함하는 지지 케이스를 포함한다.
유리하게는, 상기 권취 코일체에 포함된 상기 권취된 코일은 절연 코일이되, 상기 절연 코일은 구리선 및 상기 구리선 위에 형성된 폴리에스테르 혼합 석영계 유리 피막을 포함하고, 상기 폴리에스테르 혼합 석영계 유리 피막의 두께는 0.020mm 내지 0.135mm일 수 있다.
바람직하게는, 상기 권취 코일체는 상기 권취된 코일의 주변부에 에폭시 침탄 절연 가공에 의하여 형성된 절연체를 더 포함할 수 있다.
유리하게는, 상기 권취 코일체는 상기 코일 고정체의 절연 부재 내에 실장될 수 있다.
바람직하게는, 상기 전체 정렬은, 상기 권취된 코일이 서로 육방정계 또는 정사각정계가 되도록 정렬됨을 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 발전기의 소형화를 통하여 주택용, 공장용 전력 및 빌딩 전력 등을 공급할 수 있도록 이동에 용이하고 사용 공간에 제약을 받지 않는 이용을 도모할 수 있는 효과가 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 발전에 필요한 최소의 치수로 고출력의 전력 생산이 가능해져, 종래의 발전기와 동일한 용량을 가질 때 본 발명의 신규한 발전기는 그 차지하는 공간은 축소되고, 중량도 감소되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 풍력, 태양광, 수력, 화력, 기타 터빈 등에 의한 회전 구동 에너지를 이용한 동일한 발전 조건 하에서 더 많은 전력을 효율적으로 생산할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 실시예의 설명에 이용되기 위하여 첨부된 아래 도면들은 본 발명의 실시예들 중 단지 일부일 뿐이며, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람(이하 “통상의 기술자”라 함)에게 있어서는 발명적 작업이 이루어짐 없이 이 도면들에 기초하여 다른 도면들이 얻어질 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 롱형 고전압 발전기의 길이방향 단면도이고, 도 1b는 길이방향에 수직인 도 1a의 롱형 고전압 발전기의 중심을 지나가는 단면도이며, 도 1c는 도 1a의 롱형 고전압 발전기의 단면 사시도이다.
도 2a는 상기 일 실시예에 따른 롱형 고전압 발전기에 포함되는 자석 회전체의 길이방향 단면도이고, 도 2b는 길이방향에 수직인 도 2a의 자석 회전체의 중심을 지나가는 단면도이며, 도 2c는 도 2a의 자석 회전체의 부분 단면 사시도이고, 도 2d는 도 2a의 자석 회전체의 사시도이다.
도 3a는 상기 일 실시예에 따른 롱형 고전압 발전기에 포함되는 코일 고정체의 길이방향 단면도이고, 도 3b는 길이방향에 수직인 도 3a의 코일 고정체의 중심을 지나가는 단면도이며, 도 3c는 도 3a의 코일 고정체의 부분 단면 사시도이고, 도 3d는 도 3a의 코일 고정체의 사시도이다.
도 4a는 상기 일 실시예에 따른 롱형 고전압 발전기에 포함되는 회전 샤프트, 상기 코일 고정체 및 상기 자석 회전체가 조립된 상태를 나타내는 길이방향 단면도이고, 도 4b는 도 4a의 조립된 상태의 길이방향에 수직인 단면도이며, 도 4c는 도 4a의 조립된 상태의 부분 단면 사시도이다.
도 5a는 도 4a의 조립 상태에 케이스가 더 조립된 상태를 나타내는 길이방향 단면도이고, 도 5b는 도 5a의 조립된 상태의 길이방향에 수직인 단면도이며, 도 5c는 도 5a의 조립된 상태의 부분 단면 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 롱형 고전압 발전기에 포함된 자석 회전체에 삽입될 일 예시적 영구 자석을 구성하기 위하여 개별 자석을 포개는 방식을 나타낸 도면이다.
도 7는 본 발명에 따른 롱형 고전압 발전기에 포함된 권취 코일체를 이루는 권취된 코일이 서로 육방정계 또는 정사각정계가 되도록 정렬된 상태를 도시하는 상기 권취 코일체의 부분 단면도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.
본 발명의 상세한 설명 및 청구항들에 걸쳐, '포함'하다라는 단어 및 그 변형은 다른 기술적 특징들, 부가물들, 구성요소들 또는 단계들을 제외하는 것으로 의도된 것이 아니다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결'되어 있다거나 '접속'되어 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결'되어 있다거나 '직접 접속'되어 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 '~사이에'와 '바로 ~사이에' 또는 '~에 이웃하는'과 '~에 직접 이웃하는' 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
한편, 본 명세서에서 '고전압'은 보통 0.75 kV 이상 66 kV의 전압을 지칭하는 용어로 이용되었으나, 통상의 기술자는 상기 고전압이 반드시 전술한 범위에 국한되어야만 하는 것이 아니라는 점을 이해할 수 있을 것이다.
통상의 기술자에게 본 발명의 다른 목적들, 장점들 및 특성들이 일부는 본 설명서로부터, 그리고 일부는 본 발명의 실시로부터 드러날 것이다. 아래의 예시 및 도면은 실례로서 제공되며, 본 발명을 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 더욱이 본 발명은 본 명세서에 표시된 실시예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
본 명세서에서 달리 표시되거나 분명히 문맥에 모순되지 않는 한, 단수로 지칭된 항목은, 그 문맥에서 달리 요구되지 않는 한, 복수의 것을 아우른다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 통상의 기술자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 롱형 고전압 발전기의 길이방향 단면도이고, 도 1b는 길이방향에 수직인 도 1a의 롱형 고전압 발전기의 중심을 지나가는 단면도이며, 도 1c는 도 1a의 롱형 고전압 발전기의 단면 사시도이다.
도 2a는 상기 일 실시예에 따른 롱형 고전압 발전기에 포함되는 자석 회전체의 길이방향 단면도이고, 도 2b는 길이방향에 수직인 도 2a의 자석 회전체의 중심을 지나가는 단면도이며, 도 2c는 도 2a의 자석 회전체의 부분 단면 사시도이고, 도 2d는 도 2a의 자석 회전체의 사시도이다.
도 1a 내지 1c 및 도 2a 내지 2d를 참조하면, 본 발명에 따른 롱형 고전압 발전기는, 원주 방향을 따라 일정 간격으로 짝수 개의 N극 및 S극 영구 자석(14)이 교번하여 삽입되어 있는 비자성체의 자석 회전체(15)를 포함하는데, 상기 자석 회전체(15)의 중심부에는 회전 샤프트(8)가 관통 고정된다. 회전 샤프트(8)는 자석 회전체(15)와 일체화되어 회전 샤프트(8)와 자석 회전체(15)는 함께 회전한다.
예를 들어, 4개의 교번하는 N극 영구 자석 및 S극 영구 자석(14)이 자석 회전체(15)에 원주 방향을 따라 90도 간격으로 삽입되어 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 자석 회전체(15)에서 비자성체로 이용된 것은 더 상세하게 후술할 가공된 세라믹일 수 있다.
또한, 여기에서 상기 영구 자석(14)은 자석 회전체(15)의 절연 부재 내에 실장될 수 있다. 이때, 자석 회전체(15)에 삽입된 영구 자석(14)들은 그 극이 교번하도록 구성되므로 자석 회전체(15)에 삽입된 대향하는 영구 자석은 각각 동일한 극을 가지도록 배치된다. 예컨대, 자석 회전체(15)에 삽입된 영구 자석의 외측 S극에 대향되도록 자석 회전체(15)에 삽입된 영구 자석의 외측의 극은 S극이 되며, 자석 회전체(15)에 삽입된 영구 자석의 외측 N극을 마주보도록 삽입된 영구 자석의 외측의 극은 N극이 된다.
참고로, 도 6은 본 발명에 따른 자석 회전체(15)에 삽입될 영구 자석(14)을 구성하기 위하여 개별 자석을 포개는 방식을 예시적으로 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 개별 자석(N/S극으로 표시됨)으로 이용되는 대표적인 강자석으로는 네오디뮴 자석과 사마륨코발트 자석이 있다. 이들은 모두 3,000 가우스 이상의 강한 자력을 지니고 있으나, 온도 특성과 강도 등 각각의 특징이 서로 달라 그 특징을 비교하여 용도에 맞춰 적절한 자석을 선택할 수 있다는 점은 통상의 기술자가 이해할 수 있을 것이다.
이 중 네오디뮴 자석은 5,500 가우스 가량의 자력을 발휘하는 가장 강력한 자석인데, 온도 특성이 좋지 않아 섭씨 60도 내지 80도 이상의 온도에서 사용하게 될 경우에는 그 자력이 약해질 수 있다. 다만, 특수한 가공을 통한다면 섭씨 220도의 내열성을 가진 네오디뮴 자석, 즉 고온용 네오디뮴 자석을 활용할 수 있다. 그 반면, 사마륨코발트 자석은 네오디뮴 자석보다 10~20% 약한 2,000 ~ 3,500 가우스의 자력을 지니고 있으나, 그 온도 특성은 우수하여 최대 섭씨 350도의 고온에서도 그 자력을 잃지 않는다.
특수한 가공을 통한 네오디뮴 자석을 사용할 수도 있으나 더 강한 자력을 얻기 위하여, 본 발명자는 도 6에 개략적으로 도시된 바와 같이 여러 네오디뮴 자석 또는 사마륨코발트 자석을 얇은 스테인리스 케이스 내에 서로 포개지도록 배열하여 압축하는 방식으로 얻은 자석을 이용하였다.
다음으로, 도 3a는 상기 일 실시예에 따른 롱형 고전압 발전기에 포함되는 코일 고정체의 길이방향 단면도이고, 도 3b는 길이방향에 수직인 도 3a의 코일 고정체의 중심을 지나가는 단면도이며, 도 3c는 도 3a의 코일 고정체의 부분 단면 사시도이고, 도 3d는 도 3a의 코일 고정체의 사시도이다.
도 1a 및 도 3a 내지 3d를 참조하면, 본 발명에 따른 고전압 발전기는, 상기 자석 회전체(15)를 반경 방향으로 포위하되 소정의 이격 거리만큼 이격 배치되는 비자성체의 코일 고정체(13)를 더 포함하는데, 상기 코일 고정체(13)의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 3개 이상의 권취 코일체(12)가 삽입되고, 상기 권취 코일체(12)는 보빈(bobbin) 없이 권취된 코일을 포함하며, 상기 코일 고정체(13)의 축방향에 수직인 상기 권취 코일체(12)의 단면에서 상기 권취된 코일은 서로 전체 정렬되도록 배치된다.
앞서 설명한 자석 회전체(15)에 삽입된 영구 자석(14)의 개수인 상기 짝수 개는 예컨대 4개, 8개, 12개, 16개, 20개 등일 수 있는데, 이 경우에는 상기 롱형 고전압 발전기는 각각 4극, 8극, 12극, 16극, 20극 등의 발전을 하게 되며, 상기 3개 이상의 권취 코일체(12)는 상기 4극의 경우에 3개, 상기 8극의 경우에 6개, 상기 12극의 경우에 9개, 상기 16극의 경우에 12개, 상기 20극의 경우에 16개일 수 있다.
일 예시로서, 상기 3개 이상의 권취 코일체(12)는 3개의 권취 코일체이며, 상기 코일 고정체(13)에 원주 방향을 따라 120도 간격으로 삽입되어 있을 수 있다.
바람직하게는, 상기 권취 코일체(12)에 포함된 상기 권취된 코일은 절연 가공된 절연 코일일 수 있다. 본 발명에서는 코일 단락의 발생 없이 고전압에 도달하기 위하여 각종 절연체가 이용될 수 있다.
여기에서 '절연체'는 전하의 이동을 방해하는 물질로서, 전류가 흐르지 않는 부도체를 지칭하는 용어이다. 이와 같은 절연체조차도 직류가 아닌 교류에서는 전류가 흐를 수 있다. 절연체도 유전율을 가지고 있기 때문에 교류 전류를 인가하게 되면 미소하게나마 유전율의 크기에 비례하여 변위 전류 혹은 분극 전류가 흐르기 때문이다. 절연체인 공기 중으로 전자기파가 진행할 수 있는 이유가 바로 이와 같은 분극 전류의 존재 때문이다. 요컨대, 절연성이 매우 우수한 절연체는 유전율이 극히 작은 유전체를 일컫는 것이다.
참고로, 도 7는 본 발명에 따른 일 예시적 권취 코일체(12)의 단면도이다.
본 발명에서 상기 절연 코일을 형성하는 한 가지 방안으로서, 구리선에 석영계 유리 피막을 입혀 고전압에도 코일이 소손되지 않도록 할 수 있는데, 이는 폴리에스테르 혼합 광섬유식 유리 절연물을 높은 온도에서 녹여 석영계 유리 피막으로서 구리선에 입혀 밀봉한 절연 코일(101)이다. 여기에서, 폴리에스테르가 혼합된 소재를 고온에서 녹여 압출식 노즐을 통하여 구리선에 최소 0.020mm 내지 최대 0.135mm의 유리 피막을 입히므로 광섬유식 유리 절연이라고 지칭한다. 구리선 위에 형성된 폴리에스테르 혼합 석영계 유리 피막으로써 내구성 및 절연 강도, 기계적 강도, 유연성, 내습성, 내화학성 및 내열성을 도모하여 섭씨 300도에도 그 유리 피막이 파괴되지 않는 것이 장점이다.
이와 같은 유리 절연은 얇은 두께로 코일을 유지하여 실용적으로 권취할 수 있게 할 수 있으므로 그 활용도가 매우 큰바, 66kV의 고전압에 이르기까지 누설 전위가 발생하지 않아 그 절연이 파괴되지 않음이 본 발명자의 실험에 의하여 입증되었다. 그 결과로서, 상기 절연 코일을 형성하는 구리선의 특성과 유리 피막의 두께, 절연 코일의 절연, 저항, 전류, 전압 등의 관계를 나타낸 표는 아래 표 1과 같다.
코 일 종 류
폴리에스테르 혼합 석영계 코일 피막코팅
동 선(㎟) 0.3 0.5 0.8 1.0 1.5 2.0 2.5 3 3.5 4 5 6
동 선 종 류 원형 원형 원형 원형 원형 원형 원형 원형 원형 원형 각형 각형
유리 피막 (㎜) 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050 0.055 0.060 0.065 0.070 0.075
저항값 (Ω/㎞) 257 90 35 22 13.3 10.5 8.00 6.97 5.96 4.95 4.10 3.30
온 도 (°C) 300 230 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300
코일 전류(A) 2 4 6 8 12 14 16 18 20 22 25 28
절연파괴전압(KV) 0.5 ~ 230
코일 턴수(회) 5,000 ~ 55,000
내 경(Ø) 10 15 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70
외 경(Ø) 25 ~ 2000
외경 길이(㎜) 50~100 101~200 201~300 301~400 401~500 501~600 601~700 701~800 801~900 901~1000 1001~1200 1201~1400
권취 폭(㎜) 15 ~ 600
발전전압(KV) 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154
3상 결 선 (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y)
변압기권수비 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1
변압기2차전압(V) 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380
동 선(㎟) 7 8 9 10 15 20 25 30 35 40 45 50
동 선 종 류 각형 각형 각형 각형 각형 각형 각형 각형 각형 각형 각형 각형
유리피막(㎜) 0.080 0.085 0.090 0.095 0.100 0.105 0.110 0.115 0.120 0.125 0.130 0.135
저항값(Ω/㎞) 2.93 2.59 2.25 1.91 1.52 1.15 0.780 0.667 0.554 0.498 0.442 0.386
온 도 (°C) 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300 300
코일 전류(A) 32 36 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85
절연파괴전압(KV) 0.5 ~ 230
코일 턴수(회) 5,000 ~ 55,000
내 경(Ø) 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130
외 경(Ø) 25 ~ 2000
외경길이(㎜) 1401~1600 1601~1800 1801~2000 2001~2200 2201~2400 2401~2600 2601~2800 2801~3000 3001~3200 3201~3400 3401~3600 3601~3800
권취 폭(㎜) 15 ~ 600
발전전압(KV) 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154 3.3~154
3상 결선방법 (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y) (△)~(Y)
변압기권수비 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1 15~405/1
변압기2차전압(V) 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380 220~380
표 1에 나타난 바와 같이 상기 절연 코일은 3.3~14kV의 소형 발전기용 코일에 관한 절연파괴 시험을 통과하였으며, 14~25kV의 중형 발전기는 물론 25~35kV, 35~66kV, 66~220kV의 대형 발전기용 코일에 관한 절연파괴 시험도 통과하였는바, 상기 절연 코일이 본 발명에 따른 롱형 고전압 발전기에서 이용하기에 적합하다는 점을 통상의 기술자는 이해할 수 있을 것이다.
반면에, 종래에 흔히 이용되던 폴리에스테르의 구리선 바니쉬 피막은 전기적 전도율이 좋은 구리선의 용도에 따라 여러 특성을 가진 절연 바니쉬를 피막 처리하여 고온에서 여러 번 성형하여 만들어내는 것인데, 이와 같은 폴리에스테르 바니쉬 피막은 그 내열 한계가 섭씨 220도이고, 내화학성은 내유성과 내용매성이 우수한 반면에 피막흠성이 약하고, 유연성이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 내전압성은 10kV 정도에 그쳐, 10kV 이상의 고전압 절연 처리는 별도의 절연 피막에 의하여야 하고, 절연 피막의 두께를 두껍게 하게 되면 코일 부피도 커지므로 효율적인 권선 방식이 이루질 수 없다는 단점이 있다. 내전압성을 높이기 위해서는 코일의 부피가 커지므로 주로 저전압에 적합하며, 변압기의 권선법에 활용된다.
본 발명에 따른 유리 피막 절연은 표 1의 특성을 보이는바, 도 6에 예시적으로 도시된 바와 같이, 코일의 단면이 서로 육방정계(a) 또는 정사각정계(b)가 되게끔 전체 정렬되도록 하는 권선 방식을 통하여 권취 코일체(12)를 구성하면 고전압 발전시에 자력선이 왜곡되지 않고, 코일에 부하가 걸리는 때에 코일에 정격 부하 전류값보다 높은 전류가 흐르게 되는 것을 방지할 수 있다.
이와 같은 권선 방식을 취하지 않고 통상적인 방식으로 종래의 에나멜 구리선 등을 이용하여 권선용 보빈에 코일을 감으면, 저압 발전시에는 코일 간의 자력선이 왜곡되어 코일에 정격 전류보다 높은 전류가 흐르고 코일 간의 층간 단락이 발생하지 않지만, 고전압 발전시에는 코일 절연이 파괴되고 층간 단락에 의한 합선이 발생하게 된다. 또한, 저압 발전에 있어서도 코일을 정렬하지 않고 권취하는 경우에는 코일 간의 유도기전력으로 인하여 앞서 언급된 바와 마찬가지로 저항에 의한 손실이 발생하게 된다. 요컨대, 저압이나 고전압 모두에 전체 정렬된 권선 방식을 취하는 것이 발전기의 효율을 높일 수 있는 좋은 방안이 된다.
다시 도 7를 참조하면, 상기 권취 코일체(12)는 상기 권취된 코일의 주변부에 에폭시 침탄 절연 가공(102)에 의하여 형성된 절연체를 더 포함할 수 있다. 이는, 절연 코일에서 발생될 수 있는 고전압으로 인하여 자석 회전체(15)와의 사이에서 코로나가 발생되면 코일과 자석의 아크로 인하여 코일에 손상이 가해질 수 있는데, 이를 방지하고 안전한 고전압 발전을 도모하기 위하여 상기 권취된 코일은 몰드(mold), 예컨대 가압침탄 절연처리형 몰드로써 밀봉시켜줘야 할 필요가 있기 때문이다.
본 발명의 고전압 발전기용으로 이용될 수 있는 절연 소재에는 다음과 같은 것들이 있다.
우선, 글래스 적층판은 얇은 수지 시트를 적층하여 가압 가열하는데, 수지는 주로 열경화성 수지(페놀, 에폭시, 실리콘, 폴리에스테르 등)를 사용하고 여기에 다양한 보강재(종이, 면직물, 유리 섬유 직물 및 부직포 등)를 사용하여 높은 내열성 및 뛰어난 기계적 강도 및 전기절연성을 가져 절연재, 단연재, 보강재 등으로 많이 이용된다. 그 중 난연성 에폭시 글래스 적층판(베크라이트, bakelite) 및 에폭시 판재가 대표적이고, 직물/부직포 형태의 얇은 보강 시트에 수지를 함침하고 원하는 두께를 얻기 위한 성형 후에 두께 면취가공을 하기도 한다. 이 난연성 에폭시 글래스 적층판은 체적저항률이 10-20Ω㎝이고, 충격 강도는 아조드, 노치 부착으로 10Kg㎝/㎝이상이며, 그 차폐 효과는 장기간 유지되고, 기계적 전기적 강도 특성이 우수하다. 또한, 난연성 에폭시 글래스 적층판의 전기절연성은 저압 및 고압의 100(KV/㎜) 이하이고, 내열성은 섭씨 180도 이하에서 우수하며, 내마모성이 좋다.
다음으로, 세라믹은 비금속 무기 화합물을 원료로 성형 형상화하여 열처리 공정을 거쳐 만든 제품으로 이용한다. 또한, 세라믹은 비금속 또는 무기질 재료를 고온에서 가공, 성형하여 만든 제품으로서 종류가 다양하며, 이에는 천연 원료를 그대로 사용한 코스 세라믹, 정제하여 가공한 파인 세라믹이 있다. 이와 같은 세라믹의 특성으로는 절연 또는 축전하거나 전기를 통하면 소리를 내거나, 습도, 산소 함유량을 감지하거나, 고열에 잘 견디거나, 가벼우면서도 강도가 높다는 등등의 성질이 있으며, 그 용도는 저전압, 고전압, 초고전압 등의 전기절연체, 자기, 기계, 화학, 광학, 바이오 등 분야에 광범위하게 사용된다.
이와 같은 세라믹은 금속이나 플라스틱과는 달리 상당히 높은 온도가 될 때까지는 용융이나 분해되지 않는다. 달리 말하면, 내열성 혹은 내화성이 탁월하고, 용광로, 우주선의 선미 부분 등의 내열 재료로서 다양한 분야에 활용되고 있다. 이는 앞서 말한 바와 같이 융점이 높고 고온에서 산화되기 어렵고 고온에서 안전하다는 특성을 가지고 있기 때문이다. 세라믹의 전기적 성질로서 도자기나 유리는 전기를 거의 통하지 않기 때문에 절연 재료로서 이용되고 있으며, 적절히 조합하면 금속보다는 전도성이 낮고 절연체보다는 전도성이 높은 재료를 만들 수 있다.
이와 같은 세라믹의 전기적 특성에 의하여 열 교환기, 태양 전지, 연료 전지, 열전 소자, 가스 터빈, 가스 소재, 광학 소재, 압전 소자, 반도체, 유전 등에 활용된다. 전기절연성은 저압에서부터 초고전압의 746kV에 이르기까지 절연성을 유지할 수 있다. 높은 내열성을 가져 섭씨 1400도에서도 그 인장 강도에 변함이 없다. 세라믹의 기계적 강도는 우수하나, 반면 깨지기 쉬운 단점이 있다. 이러한 단점에서도 불구하고 세라믹은 널리 쓰이고 있으며, 계속해서 그 특성이 개량되고 있다.
본 발명의 롱형 고전압 발전기에서 절연체의 사용은 용도별로 달리할 수 있으며, 특히, 전압에 따라 그 용도를 달리할 수 있다. 실제 본 발명자에 의하여 본 발명의 롱형 고전압 발전기의 시험에 3.3kV ~ 55kV까지는 절연체로서 베크라이트가 사용되었는데, 통상의 기술자는 3.3kV ~ 345kV 범위 내에서 세라믹도 절연체로서 사용될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 코일 고정체(13)에서 비자성체로 이용된 것은 절연 파괴 전압이 1500 kV 이하인 가공된 세라믹일 수 있다.
다시 도 3a 내지 3d를 참조하면, 본 발명에 따른 권취 코일체(12)는 상기 코일 고정체(13)의 절연 부재 내에 실장될 수 있다. 도 3b 내지 3d에 도시된 상기 코일 고정체(13)의 도면들로써 예시적으로 도시된 바와 같이 권취 코일체(12)는 3개로 구성될 수 있는바,
본 발명에 따른 롱형 고전압 발전기에 의하여 발생되는 전력이 3상이 되도록 권취 코일체(12)가 △ 또는 Y의 3상으로 결선될 수 있으며, 발생되는 전력이 단상이 되도록 권취 코일체(12)가 단상으로 결선될 수도 있다.
본 발명의 롱형 고전압 발전기의 일 실시예에 따르면, 권취 코일체(12)가 △ 또는 Y의 3상으로 결선되는 경우에, 코일 고정체(13)의 개수 n에 따라서 상당으로 직렬 연결되는 권취 코일체(12)의 개수도 n개가 된다. 예컨대, 코일 고정체가 2개이면, 출력되는 전압은 0.75 kV ~ 120 kV일 수 있으며, 코일 고정체가 3개이면, 출력 전압은 0.75 kV ~ 180 kV일 수 있고, 코일 고정체가 4개이면, 출력 전압은 0.75 kV ~ 240 kV일 수 있으며, 코일 고정체가 5개이면, 출력 전압은 0.75 kV ~ 300 kV일 수 있다. 이 실시예에 따르면, 코일 고정체의 개수가 1개 증가할수록 출력 전압의 상한이 60 kV 씩 증가할 수 있다. 다만, 통상의 기술자는 코일 고정체의 개수에 따른 출력 전압이 반드시 이와 같은 범위로 한정되지 않음을 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서 상기 회전 샤프트(1)의 회전수는 120 RPM(rotations per minute) 이상 12,600 RPM 이하이며, 그 결과 상기 롱형 고전압 발전기에 의하여 발생되는 전력의 정격 주파수는 60Hz 내지 420Hz일 수 있다.
바람직하게는, 상기 3개 이상의 권취 코일체(12)는 서로 동일한 치수를 가질 수 있고, 상기 짝수 개의 영구 자석(14)은, 서로 동일한 치수를 가질 수 있다. 이 경우, 더 바람직하게는, 상기 영구 자석(14)의 외측 호의 길이는 상기 권취 코일체(12)의 내측 호의 길이와 같거나 그보다 더 클 수 있다. 이는, 영구 자석(14)에 의한 자기력선 내에 권취 코일체(12)를 위치시켜 효율적인 발전을 도모하기 위함이다.
도 4a는 상기 일 실시예에 따른 롱형 고전압 발전기에 포함되는 회전 샤프트(8), 상기 코일 고정체(13) 및 상기 자석 회전체(15)가 조립된 상태를 나타내는 길이방향 단면도이고, 도 4b는 도 4a의 조립된 상태의 길이방향에 수직인 단면도이며, 도 4c는 도 4a의 조립된 상태의 부분 단면 사시도이다.
또한, 도 5a는 도 4a의 조립 상태에 케이스가 더 조립된 상태를 나타내는 길이방향 단면도이고, 도 5b는 도 5a의 조립된 상태의 길이방향에 수직인 단면도이며, 도 5c는 도 5a의 조립된 상태의 부분 단면 사시도이다.
도 5a 내지 5c를 참조하면, 자석 회전체(15)와 코일 고정체(13) 간에 상기 소정의 이격 거리가 유지되는 채로 상기 회전 샤프트(8)가 자유로이 회전 가능하도록 본 발명에 따른 고전압 발전기는, 상기 코일 고정체(13)를 고정하고 상기 회전 샤프트(8)를 지탱하는 베어링 구조(3)를 포함한다.
이때, 자석 회전체(15)와 코일 고정체(13) 간의 최소 거리는 0.7mm 이상 15mm 이하인 것이 바람직하다. 권취 코일체(12)와 영구 자석(14)의 거리가 멀어질수록 발전 효율이 떨어지는바, 상기 최소 거리를 줄임으로써 발전기의 소형화와 발전의 효율화를 꾀할 수 있으나, 절연 파괴나 흔들림에 의한 접촉에 의한 운동 에너지 소실을 방지하기 위하여 고속 회전에서의 소음 및 진동이 최소화되도록 회전체의 오차를 ±0.3% 이내로 하는 가공 밸런싱을 수행하고, 자석 회전체(15)와 코일 고정체(13) 간의 최소의 거리를 적절히 확보해야 할 필요가 있다. 이에 본 발명자가 시험 운전을 통하여 선택한 최소의 수치는 상기 0.7mm이다.
다만, 본 발명의 통상의 기술자는 본 발명의 요지에서 벗어나지 않는 범위 내에서 상기 최소 거리를 0.7mm 미만으로 낮추는 시도를 할 수도 있을 것이다.
본 명세서에 포함된 표 1 및 기타 구체적인 수치는 시험용 전동기가 부착된 본 발명의 실시예에 따른 롱형 고전압 발전기에 의하여 실증되었는바, 이와 같이 본 발명은 전술한 실시예들에 걸쳐, 고출력으로 전력 에너지를 얻을 수 있고, 발전기를 소형화, 경량화할 수 있는 효과가 있다.
이로써 얻어지는 본 발명 기술의 이점은, 발전에 필요한 최소의 치수로 고출력의 전력 생산이 가능하도록, 종래의 발전기와 동일한 용량을 가질 때 그 차지하는 공간은 축소되고, 중량도 감소되는 효과를 갖는 발전기를 제공할 수 있다는 점이다.
이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 사람이라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
[부호의 설명]
1: 받침판
2: 제1 본체 금속 지지판
3: 베어링 구조(샤프트 베어링)
4: 내부 절연 지지판
8: 회전 샤프트
11: 절연 케이스
12: 권취 코일체
13: 코일 고정체
14: 영구 자석
15: 자석 회전체
16: 제2 본체 금속 지지판
101: 절연 코일
102: 에폭시 침탄 절연 가공

Claims (8)

  1. 고전압 발전기에 있어서,
    원주 방향을 따라 일정 간격으로 짝수 개의 N극 및 S극 영구 자석이 교번하여 삽입되어 있는 비자성체의 자석 회전체로서, 상기 영구 자석은 상기 자석 회전체의 절연 부재 내에 실장되고; 상기 영구 자석은 복수 개의 네오디뮴 자석 또는 사마륨코발트 자석을 얇은 스테인리스 케이스 내에 서로 포개지도록 배열하여 압축하는 방식으로 구성하며; 상기 자석 회전체의 중심부에는 회전 샤프트가 관통 고정되어 있는, 하나의 자석 회전체;
    상기 자석 회전체를 반경 방향으로 포위하되 0.7mm 이상 15mm 이하의 최소 이격 거리만큼 이격 배치되는 비자성체의 코일 고정체로서, 상기 코일 고정체의 원주 방향을 따라 일정 간격으로 3개 이상의 권취 코일체가 삽입되고, 상기 권취 코일체는 보빈(bobbin) 없이 권취된 코일과 상기 권취된 코일의 주변부에 에폭시 침탄 절연 가공에 의하여 형성된 절연체를 포함하며, 상기 권취된 코일은 절연 코일로서 폴리에스테르 혼합 광섬유식 유리 절연물을 녹여 석영계 유리 피막으로서 0.02mm 내지 0.135mm 두께로 구리선에 입혀 밀봉한 것을 특징으로 하며; 상기 코일 고정체의 축방향에 수직인 상기 권취 코일체의 단면에서 상기 권취된 코일은 서로 전체 정렬되도록 배치되는, 하나의 코일 고정체; 및
    상기 최소 이격 거리가 유지된 채 상기 회전 샤프트가 자유로이 회전 가능하도록 상기 코일 고정체를 고정하고 상기 회전 샤프트를 지탱하는 베어링 구조를 포함하는 지지 케이스를 포함하는 롱형 고전압 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전체 정렬은,
    상기 권취된 코일이 서로 육방정계 또는 정사각정계가 되도록 정렬됨을 포함하는 것을 특징으로 하는 롱형 고전압 발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 권취 코일체는 상기 코일 고정체의 절연 부재 내에 실장되는 것을 특징으로 하는 롱형 고전압 발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 3개 이상의 권취 코일체는 서로 동일한 치수를 가지고,
    상기 짝수 개의 영구 자석은 서로 동일한 치수를 가지는 것을 특징으로 하는 롱형 고전압 발전기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 영구 자석의 외측 호의 길이는 상기 권취 코일체의 내측 호의 길이와 같거나 그보다 큰 것을 특징으로 하는 롱형 고전압 발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 권취 코일체는 3개 이상이고 △ 또는 Y의 3상, 또는 단상으로 결선됨으로써, 상기 롱형 고전압 발전기에 의하여 발생되는 전력은 3상 또는 단상인 것을 특징으로 하는 롱형 고전압 발전기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자석 회전체에 삽입된 상기 영구 자석의 개수인 짝수 n에 따라,
    상기 롱형 고전압 발전기가 n극 발전을 하는 것을 특징으로 하는 롱형 고전압 발전기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회전 샤프트의 회전수는 120 RPM(rotations per minute) 이상 12,600 RPM 이하이며, 상기 롱형 고전압 발전기에 의하여 발생되는 전력의 정격 주파수는 60Hz 내지 420Hz인 것을 특징으로 하는 롱형 고전압 발전기.
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