WO2021230496A1 - 비회전식 교류 발전장치 - Google Patents

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WO2021230496A1
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최우희
황난경
유형주
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최우희
황난경
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Definitions

  • the present invention relates to an alternating current generator, and more particularly, to a non-rotating alternating current generator having a plurality of power generation units composed of a non-rotating generator and capable of generating alternating current with high efficiency.
  • the present invention relates to an alternating current generator, and more particularly, to a non-rotating alternating current generator configured to be non-rotating and capable of generating multi-phase alternating current including three-phase alternating current.
  • An electric generator mainly refers to a device that converts mechanical energy into electrical energy, and is also referred to as a DC generator, a synchronous generator, and an induction generator according to its operation method or operating principle.
  • a generator basically includes an armature for generating and outputting current and a field for generating a magnetic field.
  • the generator generates a current flow in the armature by rotating the armature with respect to the field or rotating the field with respect to the armature while forming a magnetic field by supplying DC power to the field.
  • the method of rotating the armature is called a rotating armature type
  • the method of rotating the field is called a rotating field type.
  • a separate energy source As the energy source, an appropriate one is employed depending on the intended use thereof, and in general, natural energy such as hydraulic power, wind power, and tidal power, or driving means such as a turbine, an engine, and a motor are used.
  • direct current has the advantage of being able to easily store electricity, but has a disadvantage in that it is difficult to achieve high power including step-up.
  • alternating current has a very low storability, but has an advantage in that it is easy to increase the voltage and increase the power.
  • a power system or power conversion system is widely used as an emergency power means in industries requiring high power, such as hospitals or factories.
  • such a power system may be very usefully employed in an electric vehicle that uses electricity as an energy source and requires generation of various driving torques depending on circumstances.
  • Korean Patent Registration No. 10-1913746 (Name: AC power generator with adjustable frequency and voltage), Korean Patent Application Laid-Open No. 10-2014-0078732 (Name: Power Conversion Device), Japanese Patent Laid-Open No. 2000-353627 (Name) : Insulation converter transformer and switching power supply circuit), etc., have introduced devices or systems designed to perform power conversion without rotating the armature or field.
  • Patent Registration No. 10-1913746 is particularly noteworthy.
  • the frequency and power of the AC power obtained from the armature can be easily adjusted by repeatedly stacking the armature and the field alternately and controlling the pulse width of the DC power supplied to the field.
  • An object of the present invention is to provide an AC generator capable of generating AC power with high efficiency by including a non-rotating AC power generating unit capable of generating AC power without rotating an armature or a field.
  • Another object of the present invention is to provide a non-rotating AC generator capable of generating AC power without rotating an armature or a field and generating multi-phase AC including three-phase AC.
  • a non-rotational AC generator for realizing the above object is a non-rotating AC generator for generating an alternating current, comprising two or more power generation units disposed adjacent to each other, the power generating unit having a rod shape
  • a first hollow part is formed in the central part as the core member and the electric line are wound, and a second hollow part is formed in the central part along with the magnetic field and the electric line being wound on the outer side of the core member through the first hollow part.
  • the power generation unit is characterized in that it is connected in series or parallel with respect to the input terminal and the output terminal.
  • the non-rotating AC generator according to the first aspect of the present invention for realizing the above object is an AC generator for generating alternating currents of R phase and S phase and T phase having a mutual phase difference, to generate R-phase alternating current a first power generating unit for generating a S-phase alternating current, a second power generating unit for generating an S-phase alternating current, and a third power generating unit for generating a T-phase alternating current, wherein the first to third power generating units have a first output terminal connected to a neutral wire
  • each outputs R-phase, S-phase or T-phase alternating current through the second output terminal, and the first to third power generation units have the first to third power generation units in the central portion with the rod-shaped core member and the electric line wound.
  • a hollow portion is formed, and a second hollow portion is formed in the central portion as well as a field and an electric line disposed on the outside of the core member through the first hollow portion, and is disposed on the outside of the core member through the first hollow portion
  • An armature is provided, and a pole piece is provided between the field and the armature, an insulating plate is disposed between the field and the pole piece and between the armature and the pole piece, and each field of the first to third power generation units is mutually It is characterized in that a field current having a phase difference is supplied.
  • the non-rotating AC generator according to the present invention includes a plurality of power generation units, each of which is disposed adjacent to each other, and an input side and an output side are respectively coupled in series or parallel.
  • Each power generation unit has a structure in which a field and an armature are stacked, and each power generation unit operates synchronously with other power generation units so that a plurality of power generation units functions as one power generation unit.
  • the AC power generator of the present invention provides excellent power generation efficiency by acting synergistically on the magnetic field generated by one power generating unit and acting on another power generating unit.
  • the non-rotating AC generator according to the present invention includes first to third power generation units for generating R-phase, S-phase, and T-phase alternating current, and only supplies field currents having a phase difference to these power generation units. to create a three-phase alternating current.
  • the phase difference between R-phase, S-phase, and T-phase alternating current can be arbitrarily adjusted by adjusting the phase of the field current supplied to the first to third power generation units, and the field and armature of each power generation unit By adjusting the turns ratio of
  • FIG. 1 to 3 are perspective views schematically showing a configuration example of a non-rotating AC generator according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a front view showing the configuration of the power generation unit 100 constituting the non-rotational AC generator.
  • FIG. 5 is an exploded perspective view of the power generation unit 100 shown in FIG.
  • FIG. 6 is a graph showing the demagnetization time characteristics according to the cooling time of pure iron.
  • FIG. 7 is a graph showing a cooling characteristic curve according to time when the core member 40 and the pole piece 80 are heat treated.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing the shape of the magnetic field formed in the power generation unit 100 or the first or second magnetic field.
  • FIG. 9 is a waveform diagram illustrating an example of a field current supplied to the power generation unit 100 and an alternating current output from the power generation unit 100 accordingly.
  • FIG. 10 is a view schematically showing the form of a magnetic field formed in the power generation units (100-1, 100-2) in the non-rotating AC generator shown in FIG.
  • FIG. 11 is a front view showing another configuration example of the power generation unit 100.
  • FIG. 12 is a front view showing the configuration of a non-rotating AC generator according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 and 14 are plan views showing another configuration example of the pole pieces 120 and 140 employed in the non-rotating AC generator.
  • FIG. 15 is a perspective view showing the configuration of a non-rotating AC generator according to a third embodiment of the present invention.
  • 16 is a configuration diagram schematically showing a configuration example of a non-rotating AC generator according to a fourth embodiment of the present invention.
  • 17 is a configuration diagram illustrating an example of a connection method between the power generation unit 100 and the DC source 110 .
  • FIG. 18 is a waveform diagram illustrating an example of a field current supplied to the first to third power generation units 100-1 to 100-3 and a three-phase alternating current output from the AC generator.
  • a first power generation unit 100-1 that generates an R-phase AC among phase AC
  • FIG. 18(b) is a second power generation unit 100-2 that generates an S-phase AC
  • FIG. 18(c) is a T-phase AC
  • a non-rotational AC generator for realizing the above object is a non-rotating AC generator for generating an alternating current, comprising two or more power generation units disposed adjacent to each other, the power generating unit having a rod shape
  • a first hollow part is formed in the central part as the core member and the electric line are wound, and a second hollow part is formed in the central part along with the magnetic field and the electric line being wound on the outer side of the core member through the first hollow part.
  • the power generation unit is characterized in that it is connected in series or parallel with respect to the input terminal and the output terminal.
  • the non-rotating AC generator according to the first aspect of the present invention for realizing the above object is an AC generator for generating R-phase and S-phase and T-phase alternating current having a mutual phase difference, to generate R-phase alternating current a first power generating unit for generating a S-phase alternating current, a second power generating unit for generating an S-phase alternating current, and a third power generating unit for generating a T-phase alternating current, wherein the first to third power generating units have a first output terminal connected to a neutral wire
  • each outputs R-phase, S-phase or T-phase alternating current through the second output terminal, and the first to third power generation units include a rod-shaped core member.
  • a first hollow portion is formed in the central portion as the electric line is wound, and a second hollow portion is formed in the central portion as the electric line is wound and the field disposed on the outside of the core member through the first hollow portion, the first An armature disposed on the outside of the core member through a hollow portion, a pole piece is provided between the field and the armature, an insulating plate is disposed between the field and the pole piece and between the armature and the pole piece, Field currents having a mutual phase difference are supplied to each field of the first to third power generation units.
  • the central portion of the core member is characterized in that the hollow is provided along the longitudinal direction.
  • an insulating material is further disposed between the core member and the first or second hollow part.
  • the insulating plate is characterized in that it is composed of a high elasticity material.
  • the core member or the pole piece is characterized in that the heat treatment is performed while being composed of pure iron.
  • the power generation unit is characterized in that the other power generation unit and the pole piece are integrally configured.
  • the power generation unit is characterized in that the other power generation unit and the insulating plate is integrally configured.
  • a plurality of the field and the armature are provided, and the field and the armature are alternately arranged.
  • the plurality of fields are divided into a first field group and a second field group, and the first field group and the second field group are alternately driven to form a first magnetic field and a second magnetic field, respectively,
  • the first magnetic field and the second magnetic field are characterized in that they have opposite directions.
  • At least one of the power generation units is characterized in that the size is different from the other.
  • the non-rotating AC generator according to the second aspect of the present invention is an AC generator for generating a multiphase alternating current having a mutual phase difference, and includes a plurality of power generation units for generating alternating current of different phases, respectively, The power generation unit and a rod-shaped core member.
  • a first hollow portion is formed in the central portion as the electric line is wound, and a second hollow portion is formed in the central portion as the electric line is wound and the field disposed on the outside of the core member through the first hollow portion, the first An armature disposed outside the core member through a hollow portion, a pole piece is provided between the field and the armature, an insulating plate is disposed between the field and the pole piece, and between the armature and the pole piece, the plurality of It is characterized in that a field current having a mutual phase difference is supplied to each field of the power generation unit.
  • the present invention can be equally applied to an AC generator generating multi-phase alternating current, including R-phase, S-phase, and T-phase three-phase alternating current.
  • multi-phase alternating current including R-phase, S-phase, and T-phase three-phase alternating current.
  • FIGS. 1 to 3 are perspective views illustrating a configuration example of a non-rotating AC generator according to a first embodiment of the present invention.
  • the AC generator according to the present invention is configured with a plurality of power generation units (100: 100-1 to 100-n).
  • 1 to 3 are each one embodiment of the present invention, Figure 1 is two power generation units (100-1, 100-2), Figure 2 is three power generation units (100-1 ⁇ 100-3) 3 shows a case in which there are four power generation units 100-1 to 100-4.
  • the number of power generation units 100 is not limited to a specific value.
  • Each power generation unit 100 is preferably configured in a cylindrical shape. However, the shape of the power generation unit 100 is not limited to a specific one.
  • the power generation unit 100 may be configured in a polygonal column shape including a triangle or a quadrangle. These power generation units 100 are preferably disposed as close to each other as possible within a range in which electric leakage or sparks do not occur between them. And, although not specifically shown in the drawings, the power generation unit 100 has an input terminal and an output terminal electrically connected in series or in parallel. A DC field current is supplied to each power generation unit 100 through an input terminal, and the power generation unit 100 generates and outputs AC power based on this.
  • the power generation unit 100 includes a base member 30 and a rod-shaped core member 40 coupled to a central portion of the base member 30 . And on the core member 40 along the outer peripheral surface of the field (10: 10-1, 10-2) and the armature (20: 20-1, 20-2, 20-3) are alternately stacked or combined, power generation The unit 100 as a whole constitutes one non-rotating generator.
  • the core member 40 is preferably provided with a hollow 41 in the longitudinal direction.
  • the hollow 41 is to prevent improper accumulation of thermal energy in the core member 41 by allowing air to smoothly flow through the inner side of the core member 41 .
  • the field 10 and the armature 20 are each formed by winding conductive lines 11 and 21 coated with an insulating material.
  • the conductive line for example, a polyurethane copper wire, a polyester copper wire, a polyamide imide (PAI) copper wire, a polyester imide copper wire, etc. may be preferably employed.
  • the field 10 is provided with input terminals 12 (12-1, 12-2) for supplying a field current.
  • the armature 20 is coupled in series with respect to the output terminals 22a and 22b, and an induced current, that is, an alternating current generated in the armature 20, is drawn from the output terminals 22a and 22b.
  • the armature 20 is coupled in series with respect to the first and second output terminals 22a, 22b, and the induced current from the output terminals 22a, 22b, that is, the R phase, S phase or T phase generated in the armature 20 An alternating current is drawn.
  • the turns ratio of the field 10 and the armature 20 will be appropriately set according to the field power and the output power.
  • the armature 20 may be coupled in parallel with respect to the output terminals 22a and 22b or may be connected in a mixed manner of series and parallel.
  • a wiring method for the input terminal 12 and the output terminals 22a and 22b of the power generation unit 100 is not limited to a specific method.
  • the field 10 and the armature 20 are generally formed in a cylindrical shape with hollow parts 13 and 23 in the central part, and the fields 10-1 and 10-2 and the armatures 20-1 to 20-3 ) is preferably coated with insulating materials 130 and 230 on the inner circumferential surface, respectively.
  • the insulating materials 130 and 230 are formed between the magnetic fields 10-1 and 10-2 and the armatures 20-1 to 20-3 and the core member 40 inserted through the hollow portions 13 and 23 thereof. It is adopted for more reliable insulation.
  • the shapes of the field 10 and the armature 20 are not limited to specific ones.
  • the field 10 and the armature 20 may be configured in an elliptical shape or a polygonal shape.
  • the shapes of the hollow parts 13 and 23 of the field 10 and the armature 20 and the shape of the core member 40 are not limited to a specific thing. These are formed in a shape corresponding to each other, so that the core member 40, the field 10, and the armature 20 can be disposed as close as possible as a whole.
  • the first field 10-1 and the second field 10-2 have magnetic fields in opposite directions, for example, the first field 10-1 generates a first magnetic field and the second field 10-2 configured or wired to generate a second magnetic field.
  • the winding direction of the line 11 is opposite to each other.
  • the first field 10-1 and the second field 10-2 have substantially the same configuration including the winding direction of the line 11, and the first field 10-1 ), the current direction of the field current supplied to the input terminal 12-1 and the field current supplied to the input terminal 12-2 of the second field 10-2 are set to be opposite to each other.
  • the current source for supplying the field current to the first and second fields 10-1. 10-2 the same or different ones may be employed.
  • the first to third armatures 20-1 to 20-3 have substantially the same configuration and are coupled in series or parallel with each other to act as one armature as a whole.
  • the line 11 is wound in the same direction, and one output end of the first armature 20-1 is connected through the connecting line 201 .
  • the other output terminal of the first armature 20-1 is electrically coupled to one output terminal of the third armature 20-3 through the connection line 202.
  • the first to third armatures 20-1 to 20-3 are configured and coupled to generate an induced current flow in the same direction with respect to an electric field in the same direction.
  • the one output terminal 22a of the second armature 20-2 and the other output terminal 22b of the third armature 20-3 constitute the output terminal or the first and second output terminals of the power generation unit 100 .
  • a magnetic pole piece 80 is provided between the field 10 and the armature 20, respectively.
  • the pole pieces 80 are also provided on the upper side of the armature or the field installed on the uppermost side and the lowest side, that is, the upper side of the second armature 20-2 and the lower side of the third armature 20-3 in this example, respectively.
  • an insulating plate 90 is provided between the pole piece 80 and the field 10 and between the pole piece 80 and the armature 20 , respectively.
  • the cross-sectional shape and size of the pole piece 80 are set to be the same as those of the field (10-1. 10-2) and the armature (20-1 to 20-3).
  • the cross-sectional shape and size of the insulating plate 90 is set larger than that of the field 10 and the armature 20 for stable insulation.
  • the material of the insulating plate 90 is not limited to a specific one. In order to most effectively apply the magnetic field generated by the field 10 to the armature 20, it is necessary to reduce the separation distance between the field 10 and the armature 20 to a minimum or preferably to make them closely contact.
  • the insulating plate 90 prevents leakage current or sparks from being generated between the magnetic field 10 or the armature 20 and the pole piece 80 or between the field 10 and the armature 20 to prevent the magnetic field 10 from being generated. ) and the armature 20 to be as close as possible.
  • a material having a high elastic modulus and excellent impact resistance such as polyethylene terephthalate (PET) is employed as the material of the insulating plate 80 .
  • PET polyethylene terephthalate
  • the core member 40 and the pole piece 80 provide a magnetic path of the magnetic field generated in the field 10, so that the magnetic field generated in the field 10 links the armature 20 as a whole. let it cycle
  • the first and second magnetic fields 10-1 and 10-2 generate a first magnetic field and a second magnetic field each having opposite directions. Accordingly, when the first and second magnetic fields circulate through the core member 40 and the pole piece 80 , the magnetization and demagnetization of the core member 40 and the pole piece 80 are alternately and repeatedly performed. In addition, such magnetization and demagnetization may give an impact to the core member 40 , in particular, the pole piece 80 , thereby causing minute vibration or vibration in the pole piece 80 . When vibration or the like is generated in the core member 40 and the pole piece 80, instantaneous deformation or distortion occurs in the magnetic path circulating through it, resulting in a change in the magnetic field linked to the armatures 20-1 to 20-3.
  • the insulating plate 80 prevents the flow of alternating current generated through the armatures 20-1 to 20-3 from being unnecessarily distorted by minimizing the vibration or vibration of the pole piece 80 with high elasticity.
  • the core member 40 and the pole piece 80 are provided for the smooth flow of the magnetic field generated in the field 10 .
  • a ferromagnetic material preferably silicon steel having high magnetic permeability and low coercive force may be employed.
  • silicon steel has relatively low electrical conductivity, and internal resistance is easily increased by light or heat applied from the outside.
  • the flow of current may be generated by itself in response to the fluctuation of the magnetic field.
  • the electricity of the core member 40 and the magnetic pole piece 80 Heat is generated in inverse proportion to conductivity. That is, there is a problem in that the magnetic energy generated in the field 10 is lost as thermal energy.
  • pure iron is employed as the material of the core member 40 and/or the pole piece 80 .
  • Pure iron has high magnetic permeability and excellent electrical conductivity, but has relatively high coercive force. Since the first and second magnetic fields generated by the first and second magnetic fields 10-1 and 10-2 are alternately applied to the core member 40 and the pole piece 80, demagnetization is as fast as possible for the material of the material. It is required to have a firing time, ie, a low coercive force. According to the research by the present inventors, when pure iron is heated to a certain temperature or more and then cooled slowly, the demagnetization time is shortened in response to the cooling time.
  • FIG. 6 is a graph showing the demagnetization time characteristics according to the cooling time of pure iron.
  • the demagnetization time could be shortened to 1/450 (sec) or less by gradually cooling the temperature of pure iron heated to a certain temperature or more for a sufficient time for 10 hours or more.
  • the cooling time of pure iron is delayed, an additional effect of improving magnetic permeability and electrical conductivity is obtained.
  • the core member 40 and the pole piece 80 are manufactured using pure iron, and then heat treatment is performed.
  • the heat treatment is performed using, for example, a solid fuel such as black coal or white coal, preferably white coal. That is, during the heat treatment, the core member 40 and the pole piece 80 are put in a kiln together with the white coal, and the white coal is burned to heat the core member 40 and the pole piece 80 to 1000 to 1300 degrees or more. And by leaving the core member 40 and the pole piece 80 together at room temperature as it is, the white coal is naturally burned and extinguished, and then the core member 40 and the pole piece 80 are naturally cooled together with the white coal. do.
  • a solid fuel such as black coal or white coal, preferably white coal.
  • FIG. 7 is a graph showing cooling characteristic curves according to time of the core member 40 and the pole piece 80 that are heat-treated through the above-described method. And after the heat treatment is completed, impurities such as white charcoal ash are removed from the core member 40 and the pole piece 40, and finally, rust prevention treatment is performed with oil or the like.
  • the core member 40 is fastened to the base member 30 . Then, while inserting the pole piece 80 and the insulating plate 90 on the outside of the core member 40, sequentially stacking the armatures 20-1 to 20-3 and the magnetic fields 10-1 and 10-2 alternately, , and then the cover 60 and the fastening member 70 are coupled. And finally, by performing a connection between the first to third armatures 20-1 to 20-3 using the connecting wires 201 and 202, the power generation unit 100 is completed.
  • the power generation unit 100 is provided with first and second input terminals 12-1 and 12-2 for supplying a field current, and output terminals 22a and 22b for outputting alternating current.
  • the present power generation unit 100 is driven, the first and second field currents are alternately supplied through the first and second input terminals 12-1 and 12-2 to generate the first field 10-1. and the second field 10-2 are selectively and alternately driven.
  • a field current flows through the line 11 of the first or second field 10-1 or 10-2, a magnetic field is formed in a vertical direction corresponding to the winding direction of the line 11 or the flow direction of the current. do.
  • the first magnetic field and the second magnetic field have the same magnetic field directions. will be opposite each other.
  • the direction in which the magnetic field is formed can be defined by Ampere's right hand screw rules.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing the shape of the magnetic field formed in the power generation unit 100 or the first or second magnetic field.
  • a field current flows through the first or second field 10-1, 10-2 in the power generation unit 100, the first or second field 10-1, 10- In 2), a magnetic field is formed, and the magnetic field thus formed flows through the pole piece 80 and the core 40 . Accordingly, the first or second magnetic field flows through the entire upper and lower sides of the power generation unit 100 as shown in FIG. 8 .
  • the first and second magnetic fields are linked in a vertical direction with respect to the line 21 of the armatures 20-1 to 20-3.
  • a current flow is generated in a predetermined direction corresponding to the direction of the magnetic field and the winding direction of the line 21.
  • the magnitude of the induced current will correspond to the strength of the magnetic field and its change amount.
  • the first or second magnetic field is linked in the armature 20-1 to 20-3 line, and the flow of the induced current corresponds to the alternating first and second magnetic fields so the direction is changed.
  • the frequency of the AC power drawn from the output terminal 22 of the armatures 20-1 to 20-3 is determined by the alternating period of the field current.
  • FIG. 9 is a waveform diagram illustrating an example of a field current supplied to the power generation unit 100 and an alternating current output from the power generation unit 100 accordingly.
  • A is the first field residual supplied to the first input terminal 12-1
  • B is an example of the second field current supplied to the second input terminal 12-2
  • O is the power generation unit 100 ) shows an example of the output AC current output through the output terminals 22a and 22b.
  • the waveform of the output AC current O in FIG. 9 shows one typical example of the AC output output from the alternator, and the output waveform is the current magnitude and pulse width of the first and second field currents A and B. It will be transformed into various forms depending on the
  • the non-rotational AC generator according to the present invention is configured with a plurality of power generation units 100-1 to 100-n.
  • a field current is supplied to each of the input terminals 12-1 and 12-2 of the power generation units 100-1 to 100-n, and an output terminal 22a of the power generation units 100-1 to 100-n is supplied.
  • 22b) are coupled in series or parallel with each other.
  • One or more current sources are coupled to the power generation unit 100 to supply a field current.
  • the first and second fields 10-1 and 10-2 provided in the power generation units 100-1 to 100-n are coupled to a DC source in series or in parallel.
  • a switching means such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) may be provided to alternately drive the first field 10-1 and the second field 10-2 and adjust the alternating period.
  • a pulse width modulation (PWM) control means may be provided to control the pulse width of the current. The supply and control of the first and second field currents through the switching means and the PWM control means are described in detail in Korean Patent Registration No. 10-1913746.
  • the power generation units 100-1 to 100-n are driven synchronously. That is, the first field 10 - 1 and the second field 10 - 2 of each power generation unit 100 are driven with the same alternating cycle.
  • one power generation unit 100 and another power generation unit 100 may have different duty ratios for driving the field 10 within the same driving cycle.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing the flow of the entire magnetic field generated in the non-rotating AC generator, which corresponds to FIG. 1 .
  • the first power generation unit 100-1 and the second power generation unit 100-2 are driven synchronously. That is, the first field 10-1 of the first power generation unit 100-1 and the first field 10-1 of the second power generation unit 100-2 have the same driving section, and the first power generation unit The second field 10-2 of (100-1) and the first field 10-2 of the second power generation unit 100-2 have the same driving section. Accordingly, the magnetic fields generated by the first power generation unit 100-1 and the second power generation unit 100-2 have the same magnetic path. As described above, the first and second power generation units 100-1 and 100-2 are disposed adjacently.
  • the first or second magnetic field generated by the first power generation unit 100-1 and the first or second magnetic field generated by the second power generation unit 100-2 overlap each other, and the first power generation unit 100- 1) and the second power generation unit 100-2 as a whole function as one power generation unit.
  • the individual power generation unit 100 generates an induced current corresponding to a magnetic field generated by the first or second magnetic field 10-1 or 10-2 provided by itself.
  • an induced current is additionally generated by the magnetic field generated by the adjacent power generation unit. That is, in the first and second power generation units 100-1 and 100-2 disposed adjacent to the amount of current generated by the separately installed first and second power generation units 100-1 and 100-2, The amount of induced current generated becomes larger. The increase in the induced current increases as the number of power generation units 100 increases as shown in FIGS. 2 and 3 .
  • FIG. 11 is a front view showing another configuration example of the power generation unit 100 .
  • the core member 40 is fastened to the base member 30, and the core member 40 has a plurality of fields (10-1 to 10-n) and a plurality of armatures (20-0 to 20-n).
  • the insulating plate 80 and the pole piece 90 are alternately laminated and bonded.
  • the armatures 20-0 to 20-n are configured and coupled to generate an induced current in the same direction with respect to the same magnetic field as in FIG. 4 .
  • n/2 fields among n fields constitute a first field group
  • the remaining n/2 fields constitute a second field group.
  • the odd-numbered field (10-1. 10-3, ..., 10-(n-1)) constitutes the first field group
  • the even-numbered field (10-2. 10-4, ..., 10-n) ) constitutes the second field group.
  • the configuration of each field group can be performed by appropriately setting the winding direction of the lines constituting each field as described above, or by appropriately setting the connection method of the field current supplied to these fields.
  • the first field group and the second field group are driven synchronously, respectively, and the first field group and the second field group are driven alternately, so that as a whole, the fields 10-1 to 10-n are driven in opposite directions.
  • a first magnetic field and a second magnetic field are formed.
  • Fields constituting the first field group and the second field group may be wired in various ways.
  • Input terminals of the first field group and the second field group may be connected in series with each other, so that the first field group and the second field group may be connected in series with respect to one field current input, respectively.
  • each of the first field group and the second field group may be connected in parallel with respect to one field current input.
  • a plurality of current sources are provided to supply a field current to the fields 10-1 to 10-n, and the first or second field group is divided into a plurality of sub field groups in correspondence to the current sources, and each The sub field groups may be coupled in series or parallel to the current source respectively.
  • the wiring method of the fields 10-1 to 10-n and the number of current sources for this are not specified, and will be appropriately selected according to the amount of output power to be generated through the alternator.
  • a plurality of fields 10-1 to 10-n and armatures 20-0 to 20-n are provided so that various AC power can be generated as needed.
  • the same reference numerals are attached to the same parts as in the above-described embodiment, and a detailed description thereof is omitted.
  • FIG. 12 is a front view showing the configuration of a non-rotating AC generator according to a second embodiment of the present invention.
  • a plurality of power generation units 100 in this example, the first power generation unit 100-1 and the second power generation unit 100-2, with the lower portion coupled to the single base member 30, The upper portion is coupled to each other by the pole piece (120). That is, the plurality of power generation units 100 constituting the AC generator are integrally coupled through the pole pieces 120 .
  • the pole piece 120 includes a first pole piece part 121 for the first power generation unit 100-1 and a second pole piece part 122 for the second power generation unit 100-2 are integrally coupled to each other. through holes into which the core members 40 of the first and second power generation units 100-1 and 100-2 are respectively inserted into the central portions of the first pole piece 121 and the second pole piece 122 (123) is provided.
  • the pole piece 140 includes a first pole piece 141 for the first power generation unit 100-1, a second pole piece 142 for the second power generation unit 100-2, and a third power generation unit.
  • the third pole piece portion 143 for the unit 100-3 is integrally coupled and configured, and in the central portion of the first to third pole piece portions 141 to 143, the first to third power generation units 100- A through hole 123 into which the core member 40 of 1 to 100-3 is inserted is provided.
  • the shapes of the pole pieces 120 and 140 are not specified, and may be appropriately changed according to the configuration of the AC generator.
  • a plurality of power generation units constituting the AC generator are coupled to each other through the pole pieces. Accordingly, when external vibration or impact is applied, the flow of the power generation unit is minimized.
  • the pole pieces 120 and 140 are mutually coupled through the space between the power generation units 100 , the pole pieces 120 and 140 have the effect of more stabilizing the flow of the magnetic field through the space between the power generation units 100 . can provide And other parts are substantially the same as the above-described embodiment.
  • the non-rotating AC generator includes first to third power generation units 100-1 to 100-3. These power generation units 100-1 to 100-3 are for generating alternating current of R-phase, S-phase, and T-phase, respectively.
  • the power generation units 100-1 to 100-3 have first and second input terminals 12-1 and 12-2 and first and second output terminals 22a and 22b, respectively. At this time, the first and second input terminals 12-1 and 12-2 are properly coupled to a DC source.
  • the combination of the power generation units 100-1 to 100-3 and the DC source will be described in more detail later.
  • the first output terminal 22a of the power generation units 100-1 to 100-3 is coupled to the neutral wire N, and alternating currents of R phase, S phase and T phase are output from the second output terminal 22b, respectively.
  • the non-rotating AC generator is provided with first to third power generation units 100-1 to 100-3 for generating R-phase, S-phase, and T-phase AC, respectively. These power generation units 100-1 to 100-3 are driven by field currents or field pulses having different phases from each other.
  • 18 is a waveform diagram illustrating an example of a field current supplied to the first to third power generation units 100-1 to 100-3 and a three-phase alternating current output from the AC generator.
  • a first power generation unit 100-1 generating an R-phase alternating current among phase alternating currents
  • a ninth (b) is a second power generating unit 100-2 generating an S-phase alternating current
  • FIG. 18(c) is a T-phase alternating current.
  • the three-phase alternating current includes three alternating currents having an R-phase, an S-phase, and a T-phase, and they have a phase difference of 120 degrees from each other.
  • the power generation unit 100 is driven by an input field current or field pulse, and at this time, the frequency and phase of the alternating current generated by the power generation unit 100 depends on the period and phase of the field pulse.
  • first to third power generation units 100-1 to 100-3 for generating alternating currents of R-phase, S-phase, and T-phase are provided. And the phase of the alternating current generated therefrom can be appropriately set by adjusting the phase of the field current or the field pulse supplied to these power generation units.
  • each power generation unit (100-1 to 100-3) outputs from the power generation unit (100-1 to 100-3) through a method of adjusting the turns ratio of the field 10 and the armature 20 It becomes possible to properly set the voltage of the alternating current.
  • FIG. 17 is a configuration diagram illustrating an example of a connection method between the power generation unit 100 and the DC source 110 .
  • the first field 10-1 one side of the first input terminal 12-1 is coupled to the positive (+) terminal of the DC source 110 , and the other side is DC through the first switching unit 120 . It is coupled to the negative (-) end of the circle 110 , and the second field 10-2 has one side with the other end of the second input terminal 12-2 coupled with the positive (+) end of the DC source 110 . It is coupled to the negative (-) terminal of the DC source 110 through the second switching unit 130 . That is, the first field 10 - 1 and the second field 10 - 2 are coupled to the DC source 110 in the reverse direction.
  • field currents are supplied to the first and second fields 10-1 and 10-2 in the reverse direction, and accordingly, the first and second fields 10-1 and 10-2 are generated. Magnetic fields are formed in opposite directions.
  • the first and second switching units 120 and 130 are controlled by a pulse width modulation (PWM) control unit 140 .
  • PWM pulse width modulation
  • the PWM control unit 140 alternately drives the first and second switching units 120 and 130 to alternately drive the first field 10-1 and the second field 10-2, and the second
  • the AC output of the power generation unit 100 is controlled by controlling the pulse widths of the field currents for the first field 10-1 and the second field 10-2, that is, the duty ratio.
  • the PWM control unit 140 drives the first or second switching units 120 and 130 so that a field current flows through the line 11 of the first or second field 10-1, 10-2, the A magnetic field is formed in a vertical direction corresponding to the flow direction of the current of the line 11 .
  • the magnetic field generated by the first field 10-1 is referred to as a first magnetic field
  • the magnetic field generated by the second field 10-2 is referred to as a second magnetic field
  • the first magnetic field and the second magnetic field have the same magnetic field directions. will face each other.
  • the direction in which the magnetic field is formed can be defined by Ampere's right hand screw rules.
  • the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above embodiment and can be implemented with various modifications. For example, in the above embodiment, it has been described that the field 10 and the armature 20 constituting the power generation unit 100 are sequentially installed alternately one by one. However, the present invention may be modified and practiced in various ways, for example, by alternately installing two continuous fields and one armature.
  • the AC generator is configured by combining a plurality of power generation units having the same size and configuration, but in the present invention, as shown in FIG. A combination of the power generation units 150 and 151 can also be preferably applied and implemented.
  • each of the power generation units 100-1 to 100-3 for generating alternating current of R-phase, S-phase, and T-phase may be composed of a plurality of power generation units. And in this case, the plurality of power generation units will have their first and second output terminals 22a and 22b coupled in series or parallel to each other.
  • the present invention has been described with respect to a three-phase AC generator in the above embodiment, the present invention may be applied and implemented in the same manner to a multi-wire type polyphase AC generator.
  • the non-rotating AC generator according to the present invention includes a plurality of power generation units, each of which is disposed adjacent to each other, and an input side and an output side are respectively coupled in series or parallel.
  • Each power generation unit has a structure in which a field and an armature are stacked, and each power generation unit operates synchronously with other power generation units so that a plurality of power generation units functions as one power generation unit.
  • the AC generator of the present invention can provide excellent power generation efficiency by synergizing the magnetic field generated by one power generating unit by acting on another power generating unit.
  • the non-rotating AC generator according to the present invention includes first to third power generation units for generating alternating currents of R-phase, S-phase, and T-phase, and only supplies field currents having a phase difference to these power generation units. to create a three-phase alternating current.
  • the phase difference between R-phase, S-phase, and T-phase alternating current can be arbitrarily adjusted by adjusting the phase of the field current supplied to the first to third power generation units, and the field and armature of each power generation unit By adjusting the turns ratio of

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Abstract

본 발명은 비회전식 발전기로 구성되는 다수의 발전 유니트를 구비하고, 고효율로 교류를 생성할 수 있도록 된 비회전식 교류 발전장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 비회전식 교류 발전장치는 교류 전류를 생성하는 비회전식 교류 발전장치에 있어서, 상호 인접하게 배치되는 2개 이상의 발전 유니트를 구비하고, 상기 발전 유니트는 봉 형상의 코어 부재와, 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 계자 및, 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 전기자를 구비하고, 상기 계자와 전기자의 사이에는 자극편이 구비되며, 상기 계자와 자극편의 사이와, 상기 전기자와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며, 상기 발전 유니트는 입력단과 출력단에 대해 상호 직렬 또는 병렬로 결선되는 것을 특징으로 한다.

Description

비회전식 교류 발전장치
본 발명은 교류 발전기에 관한 것으로, 특히 비회전식 발전기로 구성되는 다수의 발전 유니트를 구비하고, 고효율로 교류를 생성할 수 있도록 된 비회전식 교류 발전장치에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 교류 발전장치에 관한 것으로, 특히 비회전식으로 구성됨과 더불어 3상 교류를 포함하는 다상의 교류를 생성할 수 있도록 된 비회전식 교류 발전장치에 관한 것이다.
발전기(Electric generator)는 주로 역학적 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치를 칭하는 것으로서, 그 작동 방식이나 작동 원리에 따라 직류 발전기, 동기 발전기, 유도 발전기 등으로 구분하여 지칭하기도 한다. 발전기는 기본적으로 전류가 생성되어 출력되는 전기자(電機子)와 자계를 생성하는 계자(界磁)를 구비한다. 발전기는 통상 계자에 직류 전원을 공급하여 자계를 형성하면서, 계자에 대해 전기자를 회전시키거나 전기자에 대해 계자를 회전시키는 방식으로 전기자에 전류의 흐름을 생성한다. 이때 전기자를 회전시키는 방식을 회전 전기자형이라 칭하고, 계자를 회전시키는 방식을 회전 계자형이라 칭한다. 이러한 회전식 발전기에서 전기자나 계자의 회전 구동은 별도의 에너지원에 의해 실행된다. 에너지원으로서는 그 사용 용도에 따라 적절한 것이 채용되는데, 일반적으로 수력, 풍력, 조력 등의 자연 에너지나, 터빈, 엔진, 모터 등의 구동수단이 사용된다.
일반적으로 직류는 전기를 용이하게 저장할 수 있다는 장점이 있는 반면에 승압을 포함하여 고전력화가 어렵다는 단점이 있다. 이에 대하여, 교류는 저장성이 매우 낮은 반면에 승압 및 고전력화가 용이하다는 장점이 있다. 발전기의 하나의 바람직한 적용 방식으로서, 배터리 등의 저장된 직류 전원이나 다른 교류 전원을 이용하여 계자나 전기자를 회전시킴으로써 다양한 교류 전력을 생성하도록 구성된 시스템이 있다. 이러한 전력 시스템 또는 전력 변환 시스템은 병원이나 공장 등과 같이 고전력이 요구되는 산업체의 비상전력수단으로서 많이 사용된다. 또한, 이러한 전력 시스템은 전기를 에너지원으로서 사용하면서 상황에 따라 다양한 구동 토크의 생성이 요구되는 전기 자동차 등에 매우 유용하게 채용될 수 있다.
상기한 종래의 발전기는 전기자나 계자의 회전 구동이 요구된다. 이러한 구성적 특징은 필연적으로 발전기의 구조적, 기계적 복잡성과 더불어 그 제조비용의 증가를 초래한다. 특히, 상기한 구성적 특징은 전기자나 계자가 회전을 할 때 기계적 마찰 등에 의해 다량의 에너지 손실이 발생되므로 발전기의 발전 효율 및 전력 변환 효율을 높이는데 한계가 있게 된다.
대한민국 등록특허 10-1913746호(명칭: 주파수 및 전압 조정이 가능한 교류전력 발생기), 공개특허공보 제10-2014-0078732호(명칭: 전력 변환 장치), 일본 공개특허공보 특개2000-353627호(명칭: 절연 컨버터 트랜스 및 스위칭 전원회로) 등에는 전기자나 계자를 회전시키지 않고 전력변환을 실행하도록 된 장치나 시스템이 소개된 바 있다. 여기서, 등록특허 10-1913746호는 특히 주목할 만하다. 이 특허는 전기자와 계자를 교번적이면 반복적으로 적층하고, 계자에 공급되는 직류 전원의 펄스폭을 듀티 제어함으로써 전기자로부터 얻어지는 교류전원의 주파수 및 전원을 용이하게 조절할 수 있도록 한 것이다.
본 발명은 전기자나 계자를 회전시키지 않고 교류 전원을 생성할 수 있도록 된 비회전식 교류 발전 유니트를 구비하여 고효율로 교류 전원을 생성할 수 있도록 된 교류 발전장치를 제공함에 기술적 목적이 있다.
또한, 본 발명은 전기자나 계자를 회전시키지 않고 교류 전원을 생성함과 더불어, 3상 교류를 포함하는 다상의 교류를 생성할 수 있도록 된 비회전식 교류 발전장치를 제공함에 기술적 목적이 있다.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 비회전식 교류 발전장치는 교류 전류를 생성하는 비회전식 교류 발전장치에 있어서, 상호 인접하게 배치되는 2개 이상의 발전 유니트를 구비하고, 상기 발전 유니트는 봉 형상의 코어 부재와, 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 계자 및, 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 전기자를 구비하고, 상기 계자와 전기자의 사이에는 자극편이 구비되며, 상기 계자와 자극편의 사이와, 상기 전기자와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며, 상기 발전 유니트는 입력단과 출력단에 대해 상호 직렬 또는 병렬로 결선되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 비회전식 교류 발전장치는 상호 위상차를 갖는 R상과 S상 및 T상의 교류를 생성하는 교류 발전장치에 있어서, R상 교류를 생성하기 위한 제1 발전 유니트와, S상 교류를 생성하기 위한 제2 발전 유니트 및, T상 교류를 생성하기 위한 제3 발전 유니트를 구비하고, 상기 제1 내지 제3 발전 유니트는 제1 출력단이 중성선에 결합됨과 더불어, 제2 출력단을 통해 각각 R상, S상 또는 T상 교류를 출력하며, 상기 제1 내지 제3 발전 유니트는 봉 형상의 코어 부재와, 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 계자 및, 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 전기자를 구비하고, 상기 계자와 전기자의 사이에는 자극편이 구비되며, 상기 계자와 자극편의 사이와, 상기 전기자와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며, 상기 제1 내지 제3 발전 유니트의 각 계자에는 상호 위상차를 갖는 계자 전류가 공급되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 비회전식 교류 발전장치는 다수의 발전 유니트를 구비하고, 각 발전 유니트는 상호 인접하게 배치됨과 더불어, 입력측과 출력측이 각각 직렬 또는 병렬로 결합된다. 각각의 발전 유니트는 계자와 전기자가 적층 배치되는 구조를 갖추고, 각 발전 유니트는 다른 발전 유니트와 동기적으로 동작하여 다수의 발전 유니트가 하나의 발전 유니트로서 기능하게 된다. 본 발명의 교류 발전장치는 하나의 발전 유니트에서 생성되는 자기장에 다른 발전 유니트에 작용하여 상승작용을 함으로써 우수한 발전 효율을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 비회전식 교류 발전장치는 R상과 S상 및 T상의 교류를 생성하기 위한 제1 내지 제3 발전 유니트를 구비하고, 이들 발전 유니트에 대해 위상차를 갖는 계자 전류를 공급하는 것만으로 3상 교류를 생성할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서는 제1 내지 제3 발전 유니트에 공급하는 계자 전류의 위상을 조정하는 것으로 R상과 S상 및 T상 교류 사이의 위상차를 임의적으로 조정할 수 있고, 또한 각 발전 유니트의 계자와 전기자의 권선비를 조절하는 방법 등으로 R상과 S상 및 T상 교류의 전압을 적절하게 설정할 수 있게 된다.
본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 구성을 효율적으로 설명하기 위한 것이다. 도면에서 일부 구성은 본 발명의 효율적인 이해를 위해 간략화되거나 과장되게 묘사될 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 비회전식 교류 발전장치의 구성 예를 개략적으로 나타낸 사시도.
도 4는 비회전식 교류 발전장치를 구성하는 발전 유니트(100)의 구성을 나타낸 정면도.
도 5는 도 4에 나타낸 발전 유니트(100)의 분리 사시도.
도 6은 순철의 냉각시간에 따른 탈자화 시간 특성을 나타낸 그래프.
도 7은 코어 부재(40)와 자극편(80)을 열처리하는 경우의 시간에 따른 냉각 특성곡선을 나타낸 그래프.
도 8은 발전 유니트(100)에서 형성되는 자기장의 형태 또는 제1 또는 제2 자기장의 형태를 도식적으로 나타낸 도면.
도 9는 발전 유니트(100)로 공급하는 계자 전류와 그에 따라 발전 유니트(100)에서 출력되는 교류 전류의 일례를 나타낸 파형도.
도 10은 도 1에 나타낸 비회전식 교류 발전장치에서 발전 유니트(100-1, 100-2)에서 형성되는 자기장의 형태를 도식적으로 나타낸 도면.
도 11은 발전 유니트(100)의 다른 구성 예를 나타낸 정면도.
도 12는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비회전식 교류 발전장치의 구성을 나타낸 정면도.
도 13 및 도 14는 비회전식 교류 발전장치에 채용되는 자극편(120, 140)의 다른 구성 예를 나타낸 평면도.
도 15는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 비회전식 교류 발전장치의 구성을 나타낸 사시도.
도 16은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 비회전식 교류 발전장치의 구성 예를 개략적으로 나타낸 구성도.
도 17은 발전 유니트(100)와 직류원(110)과의 결선 방식의 일례를 나타낸 구성도.
도 18는 제1 내지 제3 발전 유니트(100-1~100-3)에 공급되는 계자 전류와, 교류 발전장치에서 출력되는 3상 교류의 일례를 나타낸 파형도로서, 도 18(a)는 3상 교류 중 R상의 교류를 생성하는 제1 발전 유니트(100-1), 도 18(b)는 S상의 교류를 생성하는 제2 발전 유니트(100-2), 도 18(c)는 T상의 교류를 생성하는 제3 발전 유니트(100-3)에 공급되는 계자 전류의 일례를 나타낸 파형도.
상기 목적을 실현하기 위한 본 발명에 따른 비회전식 교류 발전장치는 교류 전류를 생성하는 비회전식 교류 발전장치에 있어서, 상호 인접하게 배치되는 2개 이상의 발전 유니트를 구비하고, 상기 발전 유니트는 봉 형상의 코어 부재와, 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 계자 및, 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 전기자를 구비하고, 상기 계자와 전기자의 사이에는 자극편이 구비되며, 상기 계자와 자극편의 사이와, 상기 전기자와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며, 상기 발전 유니트는 입력단과 출력단에 대해 상호 직렬 또는 병렬로 결선되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적을 실현하기 위한 본 발명의 제1 관점에 따른 비회전식 교류 발전장치는 상호 위상차를 갖는 R상과 S상 및 T상의 교류를 생성하는 교류 발전장치에 있어서, R상 교류를 생성하기 위한 제1 발전 유니트와, S상 교류를 생성하기 위한 제2 발전 유니트 및, T상 교류를 생성하기 위한 제3 발전 유니트를 구비하고, 상기 제1 내지 제3 발전 유니트는 제1 출력단이 중성선에 결합됨과 더불어, 제2 출력단을 통해 각각 R상, S상 또는 T상 교류를 출력하며, 상기 제1 내지 제3 발전 유니트는 봉 형상의 코어 부재와. 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 계자 및, 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 전기자를 구비하고, 상기 계자와 전기자의 사이에는 자극편이 구비되며, 상기 계자와 자극편의 사이와, 상기 전기자와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며, 상기 제1 내지 제3 발전 유니트의 각 계자에는 상호 위상차를 갖는 계자 전류가 공급되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코어 부재의 중앙 부분에는 길이 방향을 따라 중공이 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코어 부재와 제1 또는 제2 중공부의 사이에 절연재가 추가로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 절연판은 고탄력 재질로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코어 부재 또는 자극편은 순철로 구성됨과 더불어 열처리가 실행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발전 유니트는 다른 발전 유니트와 자극편이 일체로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발전 유니트는 다른 발전 유니트와 절연판이 일체로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 계자와 전기자는 복수개 구비되고, 계자와 전기자는 상호 교번적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 전기자는 상호 직렬로 결선되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 복수의 계자는 제1 계자군과 제2 계자군으로 분할되고, 상기 제1 계자군과 제2 계자군은 상호 교번하여 구동되어, 제1 자기장과 제2 자기장을 각각 형성하며, 상기 제1 자기장과 제2 자기장은 상호 대향하는 방향을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발전 유니트 중 적어도 하나는 다른 것과 크기가 다른 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 제2 관점에 따른 비회전식 교류 발전장치는 상호 위상차를 갖는 다상의 교류를 생성하는 교류 발전장치에 있어서, 서로 다른 위상의 교류를 각각 생성하기 위한 다수의 발전 유니트를 구비하고, 상기 발전 유니트는 봉 형상의 코어 부재와. 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 계자 및, 전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 전기자를 구비하고, 상기 계자와 전기자의 사이에는 자극편이 구비되며, 상기 계자와 자극편의 사이와, 상기 전기자와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며, 상기 다수의 발전 유니트의 각 계자에는 상호 위상차를 갖는 계자 전류가 공급되는 것을 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명한다. 다만 이하에서 설명하는 실시 예는 본 발명의 바람직한 구현 예를 예시적으로 나타낸 것으로서, 이러한 실시 예의 예시는 본 발명의 권리 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 그 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형시켜 실시할 수 있음을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명은 R상과 S상 및 T상의 3상 교류를 포함하여 다상의 교류를 생성하는 교류 발전장치에 동일하게 적용될 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위해 본 발명을 3상 교류 발전장치에 대해 적용한 경우를 예로 들어 설명한다
도 1 내지 도 3은 본 발명에 제1 실시 예에 따른 비회전식 교류 발전장치의 구성 예를 나타낸 사시도이다. 본 발명에 따른 교류 발전장치는 다수의 발전 유니트(100: 100-1 ~ 100-n)를 구비하여 구성된다. 도 1 내지 도 3은 각각 본 발명의 하나의 구현 예로서, 도 1은 발전 유니트(100-1, 100-2)가 2개, 도 2는 발전 유니트(100-1~100-3)가 3개, 도 3은 발전 유니트(100-1~100-4)가 4개인 경우를 나타낸 것이다. 본 발명에서 발전 유니트(100)의 개수는 특정한 값에 한정되지 않는다. 각 발전 유니트(100)는 바람직하게 원기둥 형상으로 구성된다. 그러나 발전 유니트(100)의 형상은 특정한 것에 한정되지 않는다. 발전 유니트(100)는 삼각형 또는 사각형 등을 포함하는 다각형의 기둥 형상으로 구성될 수 있다. 이들 발전 유니트(100)는 바람직하게 상호간에 누전이나 스파크가 발생되지 않는 범위 내에서 최대한 인접하게 배치된다. 그리고, 도면에 구체적으로 나타내지는 않았으나, 발전 유니트(100)는 입력단과 출력단이 전기적으로 직렬 또는 병렬로 결선된다. 각 발전 유니트(100)에는 입력단을 통해 직류의 계자 전류가 공급되고, 발전 유니트(100)는 이를 근거로 교류 전력을 생성하여 출력한다.
도 4는 상기 발전 유니트(100)의 일 구성 예를 나타낸 정면도이고, 도 5는 그 분리 사시도이다. 도면에서 발전 유니트(100)는 베이스 부재(30)와, 이 베이스 부재(30)의 중앙 부분에 결합되는 봉 형상의 코어 부재(40)를 구비한다. 그리고 코어 부재(40)에는 그 외주면을 따라 계자(10: 10-1, 10-2)와 전기자(20: 20-1, 20-2, 20-3)가 교번적으로 적층 또는 결합되어, 발전 유니트(100)는 전체적으로 하나의 비회전식 발전기를 구성한다.
코어 부재(40)는 바람직하게 길이 방향으로 중공(41)이 구비된다. 이 중공(41)은 코어 부재(41)의 내측을 통해 공기가 원활하게 유동될 수 있도록 함으로써 코어 부재(41)에 부적절하게 열 에너지가 축적되는 것을 방지하기 위한 것이다.
계자(10)와 전기자(20)는 각각 절연재가 피복된 전도성 선로(11, 21)가 권취되어 구성된다. 여기서 전도성 선로로서는 예컨대 폴리우레탄(Polyurethane) 동선, 폴리에스테르(Polyester) 동선, 폴리아미드이미드(PAI:Polyamide imide) 동선, 폴리에스테르이미드(Polyester imide) 동선 등이 바람직하게 채용될 수 있다. 계자(10)에는 계자 전류를 공급하기 위한 입력단(12: 12-1, 12-2)이 구비된다. 전기자(20)는 출력단(22a, 22b)에 대해 직렬로 결합되고, 출력단(22a, 22b)으로부터 유도 전류, 즉 전기자(20)에서 생성되는 교류 전류가 인출된다. 또는 전기자(20)는 제1 및 제2 출력단(22a, 22b)에 대해 직렬로 결합되고, 출력단(22a, 22b)으로부터 유도 전류, 즉 전기자(20)에서 생성되는 R상, S상 또는 T상의 교류 전류가 인출된다. 계자(10)와 전기자(20)의 권선비는 계자 전력과 출력 전력에 따라 적절하게 설정될 것이다. 또한, 본 발명의 다른 구현 예로서, 전기자(20)는 출력단(22a, 22b)에 대해 병렬로 결합되거나, 직렬과 병렬의 혼합 방식으로 결선될 수 있다. 발전 유니트(100)의 입력단(12)과 출력단(22a, 22b)을 위한 결선 방식은 특정한 방식에 한정되지 않는다.
계자(10)와 전기자(20)는 전체적으로 중앙 부분에 중공부(13, 23)가 구비된 원기둥 형상으로 이루어지고, 계자(10-1, 10-2)와 전기자(20-1~20-3)의 내주면에는 바람직하게 각각 절연재(130, 230)가 피복된다. 이 절연재(130, 230)는 계자(10-1, 10-2) 및 전기자(20-1~20-3)와 이들의 중공부(13, 23)를 통해서 삽입되는 코어 부재(40) 사이의 보다 확실한 절연을 위해서 채용된다. 계자(10)와 전기자(20)의 형상은 특정한 것에 한정되지 않는다. 예를 들어, 계자(10)와 전기자(20)는 타원 형상이나 다각형 형상으로 구성될 수 있다. 또한, 계자(10) 및 전기자(20)의 중공부(13, 23) 형상과 코어 부재(40)의 형상은 특정한 것에 한정되지 않는다. 이들은 상호 대응하는 형상으로 이루어져, 코어 부재(40)와 계자(10) 및 전기자(20)가 전체적으로 최대한 근접하게 배치될 수 있도록 구성된다.
제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)는 상호 대향하는 방향의 자기장, 예컨대 제1 계자(10-1)는 제1 자기장을 생성하고 제2 계자(10-2)는 제2 자기장을 생성하도록 구성 또는 결선된다. 이를 위해 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)는 선로(11)의 권취 방향이 서로 반대 방향으로 이루어진다. 또한, 다른 바람직한 구현 예에서 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)는 선로(11)의 권취 방향을 포함하여 실질적으로 동일한 구성으로 이루어지고, 제1 계자(10-1)의 입력단(12-1)으로 공급되는 계자 전류와 제2 계자(10-2)의 입력단(12-2)으로 공급되는 계자 전류의 전류 방향이 서로 반대 방향으로 설정된다. 제1 및 제2 계자(10-1. 10-2)로 계자 전류를 공급하는 전류원으로서는 동일한 것을 채용하거나 서로 다른 것을 채용할 수 있다.
제1 내지 제3 전기자(20-1~20-3)는 실질적으로 상호 동일한 구성으로 이루어짐과 더불어 상호 직렬 또는 병렬로 결합되어 전체적으로는 하나의 전기자로서 작용하게 된다. 본 예에서 제1 내지 제3 전기자(20-1~20-3)는 모두 선로(11)가 동일한 방향으로 권취되고, 제1 전기자(20-1)의 일측 출력단이 연결선(201)을 통해서 제2 전기자(20-2)의 타측 출력단에 전기적으로 결합되면서 제1 전기자(20-1)의 타측 출력단이 연결선(202)을 통해 제3 전기자(20-3)의 일측 출력단에 전기적으로 결합된다. 보다 명확하게 제1 내지 제3 전기자(20-1~20-3)는 동일한 방향의 전기장에 대해 모두 동일한 방향으로 유도 전류의 흐름이 발생되도록 구성 및 결합된다. 그리고 제2 전기자(20-2)의 일측 출력단(22a)과 제3 전기자(20-3)의 타측 출력단(22b)이 발전 유니트(100)의 출력단 또는 제1 및 제2 출력단을 구성하게 된다.
계자(10)와 전기자(20)의 사이에는 각각 자극편(80)이 구비된다. 또한, 바람직하게는 최상측 및 최하측에 설치되는 전기자 또는 계자, 즉 본 예에서 제2 전기자(20-2)의 상측과 제3 전기자(20-3)의 하측에도 각각 자극편(80)이 구비된다. 그리고, 자극편(80)과 계자(10)의 사이와 자극편(80)과 전기자(20)의 사이에는 각각 절연판(90)이 구비된다. 이때, 바람직하게 자극편(80)의 횡단면 형상 및 크기는 계자(10-1. 10-2) 및 전기자(20-1~20-3)의 그것과 동일하게 설정된다. 또한, 도면에 구체적으로 나타내지는 않았으나 절연판(90)의 횡단면 형상 및 크기는 안정적인 절연을 위해 계자(10) 및 전기자(20)의 그것보다 크게 설정된다,
절연판(90)의 재질은 특정한 것에 한정되지 않는다. 계자(10)에서 생성되는 자기장을 전기자(20)에 가장 유효하게 작용시키기 위해서는 계자(10)와 전기자(20)의 이격 거리를 최소한으로 축소하거나 바람직하게는 이들을 밀착시킬 필요가 있다. 절연판(90)은 계자(10) 또는 전기자(20)와 자극편(80)의 사이, 또는 계자(10)와 전기자(20) 사이에 누설전류가 발생되거나 스파크가 발생되는 것을 방지하여 계자(10)와 전기자(20)를 최대한 근접시킬 수 있도록 하게 된다.
또한, 본 발명의 바람직한 구현 예에서, 절연판(80)의 재질로서는 예컨대 PET(Polyethylene terephthalate) 등과 같이 탄성계수가 높고 내충격성이 우수한 재질이 채용된다. 이후에 설명하는 바와 같이, 코어 부재(40)와 자극편(80)은 계자(10)에서 생성되는 자기장의 자로를 제공하여, 계자(10)에서 생성되는 자기장이 전기자(20)를 전체적으로 쇄교하면서 순환하도록 한다.
상기한 바와 같이, 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)는 각각 서로 대향하는 방향을 갖는 제1 자기장과 제2 자기장을 생성한다. 따라서 이러한 제1 및 제2 자기장이 코어 부재(40)와 자극편(80)을 통해서 순환할 때 코어 부재(40)와 자극편(80)은 자화 및 탈자화가 교번적이면서도 반복적으로 이루어지게 된다. 그리고 이러한 자화 및 탈자화는 코어 부재(40), 특히 자극편(80)에 충격을 주어 자극편(80)에 미세한 떨림이나 진동 등을 유발할 수 있다. 코어 부재(40)와 자극편(80)에 진동 등이 발생되면 이를 통해서 순환하게 되는 자로에 순간적인 변형이나 왜곡이 발생하여 전기자(20-1~20-3)에 쇄교되는 자기장에 변화가 발생하게 되고, 이는 결과적으로 전기자(20-1~20-3)에서 생성되는 유도 전류에 원하지 않는 변화를 발생시킬 수 있다. 절연판(80)은 고탄성으로 자극편(80)의 떨림이나 진동을 잡아주어 이를 최소화함으로써 전기자(20-1~20-3)를 통해 생성되는 교류 전류의 흐름이 불필요하게 왜곡되는 것을 방지하게 된다.
상기한 바와 같이, 코어 부재(40)와 자극편(80)은 계자(10)에서 생성되는 자기장의 원활한 흐름을 위해서 제공된다. 코어 부재(40) 및/또는 자극편(80)의 재질로서는 강자성 물질, 바람직하게는 투자율이 높으면서 보자력은 낮은 규소강이 채용될 수 있다. 다만, 규소강은 전기전도도가 비교적 낮고 외부로부터 가해지는 빛이나 열에 의해 내부 저항값이 용이하게 증가된다. 코어 부재(40)와 자극(80)은 이들을 통해 자로가 형성될 때, 자기장의 변동에 상응하여 자체적으로 전류의 흐름이 발생될 수 있는데, 이때 코어 부재(40)와 자극편(80)의 전기전도도에 반비례하여 열이 발생된다. 즉, 계자(10)에서 생성되는 자기 에너지가 열에너지로 손실되는 문제가 발생한다.
본 발명의 다른 바람직한 구현 예에서, 코어 부재(40) 및/또는 자극편(80)의 재질로서는 순철, 보다 바람직하게는 열처리된 순철이 채용된다. 순철은 투자율이 높고 전기전도도가 우수한 반면에 보자력이 비교적 높다. 코어 부재(40)와 자극편(80)에는 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)에서 생성되는 제1 및 제2 자기장이 교번적으로 가해지므로 그 재질로서는 가급적 빠른 탈자화 시간, 즉 낮은 보자력을 갖는 것이 요구된다. 본 발명자가 연구한 바에 따르면, 순철을 일정 온도 이상으로 가열한 후 서서히 냉각시키게 되면 그 냉각 시간에 대응하여 탈자화 시간(demagnetization time)이 단축된다. 도 6은 순철의 냉각시간에 따른 탈자화 시간 특성을 나타낸 그래프이다. 연구 결과, 일정 온도 이상으로 가열된 순철의 온도를 10시간 이상 충분한 시간 동안 점진적으로 냉각시키게 되면 그 탈자화 시간을 1/450(초) 이하로 단축시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, 이와 더불어 순철의 냉각시간을 지연시키게 되면 투자율과 전기전도도가 보다 향상되는 부수적인 효과가 얻어진다.
본 발명에서는 우선 순철을 이용하여 코어 부재(40)와 자극편(80)을 제조한 후 열처리를 실행한다. 열처리는 예컨대 흑탄이나 백탄 등의 고체 연료, 바람직하게는 백탄을 사용하여 실행한다. 즉, 열처리 시에는 코어 부재(40)와 자극편(80)을 백탄과 함께 가마에 넣고, 백탄을 연소시켜 코어 부재(40)와 자극편(80)을 1000~1300도 이상으로 가열한다. 그리고 코어 부재(40)와 자극편(80)을 그대로 함께 상온에서 방치하여, 백탄이 자연적으로 연소 및 소화되고, 이후 코어부재(40) 및 자극편(80)이 백탄과 함께 자연적으로 냉각되도록 하게 된다. 이와 같이 하게 되면, 백탄이 연소 및 소화되는 과정에서 코어 부재(40) 및 자극편(80)의 온도가 서서히 강하되고, 이후 백탄의 잠열에 의해 코어 부재(40) 및 자극편(80)이 상온으로 냉각될 때까지 상당한 시간이 소요된다. 도 7은 상기한 방법을 통해 열처리되는 코어 부재(40)와 자극편(80)의 시간에 따른 냉각 특성곡선을 나타낸 그래프이다. 그리고 열처리가 종료된 후에는 코어 부재(40) 및 자극편(40)으로부터 백탄 재 등의 불순물을 제거하고, 최종적으로 오일 등으로 녹방지 처리를 실행하게 된다.
도 4 및 도 5에서, 발전 유니트(100)를 조립하는 경우에는 우선 베이스 부재(30)에 코어 부재(40)를 체결한다. 이어 코어 부재(40)의 외측에 자극편(80)과 절연판(90)을 삽입하면서 순차적으로 전기자(20-1~20-3)와 계자(10-1, 10-2)를 교번하여 적층하고, 이후 덮개(60)와 체결 부재(70)를 결합하게 된다. 그리고 최종적으로 연결선(201, 202)을 이용하여 제1 내지 제3 전기자(20-1~20-3) 사이에 결선을 실행함으로써 발전 유니트(100)를 완성하게 된다.
상기 발전 유니트(100)는 계자 전류를 공급하기 위한 제1 및 제2 입력단(12-1, 12-2)과, 교류가 출력되는 출력단(22a, 22b)이 구비된다. 본 발전 유니트(100)를 구동하는 경우에는 상기 제1 및 제2 입력단(12-1, 12-2)을 통해 교번적으로 제1 및 제2 계자 전류를 공급하여 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)를 선택적이면서 교번적으로 구동하게 된다. 제1 또는 제2 계자(10-1, 10-2)의 선로(11)를 통해 계자 전류가 흐르게 되면, 그 선로(11)의 권취 방향 또는 전류의 흐름 방향에 대응하여 수직 방향으로 자기장이 형성된다. 제1 계자(10-1)에 의해 생성되는 자기장을 제1 자기장, 제2 계자(10-2)에 의해 생성되는 자기장을 제2 자기장이라 할 때 제1 자기장과 제2 자기장은 그 자기장 방향이 상호 대향하게 될 것이다. 자기장이 형성되는 방향은 앙페어의 (오른손 방향 나사) 법칙(Ampere's right hand screw rules)으로 정의할 수 있다.
도 8은 발전 유니트(100)에서 형성되는 자기장의 형태 또는 제1 또는 제2 자기장를 도식적으로 나타낸 도면이다. 발전 유니트(100)에서 제1 또는 제2 계자(10-1, 10-2)를 통해 계자 전류가 흐르게 되면, 상기한 앙페어의 법칙에 따라 제1 또는 제2 계자(10-1, 10-2)에서 자기장이 형성되고, 이와 같이 형성된 자기장은 자극편(80)과 코어(40)를 통해 흐르게 된다. 이에 따라 제1 또는 제2 자기장은 도 8에 나타낸 바와 같이 발전 유니트(100)의 상하측을 전체적으로 관통하면서 흐르게 된다. 제1 및 제2 자기장은 전기자(20-1~20-3)의 선로(21)에 대해 수직방향으로 쇄교된다. 그리고 전기자(20-1~20-3)의 선로(21)에는 자기장의 방향과 선로(21)의 권취 방향에 상응하여 일정 방향으로 전류 흐름이 발생된다. 이때 유도 전류의 크기는 자기장의 세기와 그 변화량에 상응하게 될 것이다. 제1 자기장과 제2 자기장이 교번할 때마다 전기자(20-1~20-3) 선로에는 제1 또는 제2 자기장이 쇄교하게 되고, 유도 전류의 흐름은 제1 및 제2 자기장이 교번함에 대응하여 그 방향이 변경된다. 전기자(20-1~20-3)의 출력단(22)으로부터 인출되는 교류 전원의 주파수는 계자 전류의 교번 주기에 의해 결정된다.
도 9는 발전 유니트(100)로 공급하는 계자 전류와 그에 따라 발전 유니트(100)에서 출력되는 교류 전류의 일례를 나타낸 파형도이다. 도 9에서 A는 제1 입력단(12-1)으로 공급되는 제1 계자 잔류, B는 제2 입력단(12-2)으로 공급되는 제2 계자 전류의 일례를 나타낸 것이고, O는 발전 유니트(100)의 출력단(22a, 22b)을 통해 출력되는 출력 교류 전류의 일례를 나타낸 것이다. 도 9에서 출력 교류 전류(O)의 파형은 교류 발전기에서 출력되는 교류 출력의 하나의 전형적인 일례를 나타낸 것으로서, 그 출력 파형은 제1 및 제2 계자 전류(A, B)의 전류 크기와 펄스폭에 따라 다양한 형태로 변형될 것이다.
도 1 내지 도 3에서 본 발명에 따른 비회전식 교류 발전장치는 다수의 발전 유니트(100-1~100-n)를 구비하여 구성된다. 상기한 바와 같이, 발전 유니트(100-1~100-n)의 각 입력단(12-1, 12-2)에는 계자 전류가 공급되고, 발전 유니트(100-1~100-n)의 출력단(22a, 22b)은 상호 직렬 또는 병렬로 결합된다. 발전 유니트(100)에는 계자 전류의 공급을 위해 하나 이상의 전류원이 결합된다. 발전 유니트(100-1~100-n)에 구비되는 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)들은 직류원에 직렬 또는 병렬로 결합된다. 그리고 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)의 교번적인 구동과 그 교번 주기기의 조정을 위해 예컨대 IGBT(Insulated gate bipolar transistor) 등의 스위칭 수단이 구비될 수 있고, 계자 전류의 펄스폭 제어를 위해 PWM(Pulse Width Modulation) 제어수단이 구비될 수 있다. 스위칭 수단과 PWM 제어수단을 통한 제1 및 제2 계자 전류의 공급 및 제어에 대해서는 등록특허 10-1913746호에 상세하게 기술되어 있다.
발전 유니트(100-1~100-n)는 동기적으로 구동된다. 즉, 각 발전 유니트(100)의 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)는 동일한 교번 주기를 갖고 구동된다. 물론, 하나의 발전 유니트(100)와 다른 발전 유니트(100)는 동일한 구동 주기 내에서 계자(10)의 구동을 위한 듀티비가 서로 다르게 설정될 수 있다.
도 10은 비회전식 교류 발전장치에서 생성되는 전체적인 자기장의 흐름을 도식적으로 나타낸 도면으로서, 이는 도 1에 대응하는 것이다. 도면에서 제1 발전 유니트(100-1)와 제2 발전 유니트(100-2)는 동기적으로 구동된다. 즉, 제1 발전 유니트(100-1)의 제1 계자(10-1)와 제2 발전 유니트(100-2)의 제1 계자(10-1)는 동일한 구동 구간을 갖고, 제1 발전 유니트(100-1)의 제2 계자(10-2)와 제2 발전 유니트(100-2)의 제1 계자(10-2)는 동일한 구동 구간을 갖는다. 이에 따라 제1 발전 유니트(100-1)와 제2 발전 유니트(100-2)에서 생성되는 자기장은 동일한 자로를 갖게 된다. 상기한 바와 같이, 제1 및 제2 발전 유니트(100-1, 100-2)는 인접하게 배치된다. 따라서 제1 발전 유니트(100-1)에서 생성되는 제1 또는 제2 자기장과 제2 발전 유니트(100-2)에서 생성되는 제1 또는 제2 자기장은 상호 중첩되어, 제1 발전 유니트(100-1)와 제2 발전 유니트(100-2)는 전체적으로 하나의 발전 유니트로서 기능하게 된다.
개별적인 발전 유니트(100)는 자체적으로 구비되는 제1 또는 제2 계자(10-1, 10-2)에 의해 생성되는 자기장에 상응하는 유도 전류를 생성하게 된다. 그런데, 도 1 및 도 10과 같이, 동기적으로 구동되는 제1 발전 유니트(100-1)와 제2 발전 유니트(100-2)를 인접하게 배치하게 되면, 제1 또는 제2 발전 유니트(100-1, 100-2)는 각각 인접하는 발전 유니트에서 생성되는 자기장에 의해 추가적으로 유도 전류가 생성되게 된다. 즉, 개별적으로 설치되는 제1 및 제2 발전 유니트(100-1, 100-2)에 서 생성되는 전류량에 비해 인접하게 배치되는 제1 및 제2 발전 유니트(100-1, 100-2)에서 생성되는 유도 전류량이 보다 커지게 된다. 이러한 유도 전류의 증가는 도 2 및 도 3과 같이 발전 유니트(100)의 개수가 증가됨에 따라 커지게 된다.
도 11은 발전 유니트(100)의 다른 구성 예를 나타낸 정면도이다. 본 실시 예에서는 베이스 부재(30)에 코어 부재(40)가 체결되고, 코어 부재(40)에는 다수의 계자(10-1~10-n)와 다수의 전기자(20-0~20-n)가 절연판(80)과 자극편(90)을 매개로 교번적으로 적층 결합된다. 이때, 전기자(20-0~20-n)는 도 4와 마찬가지로 동일한 자기장에 대하여 동일한 방향의 유도 전류를 생성할 수 있도록 구성 및 결합된다.
이에 대하여, 계자(10-1~10-n)는 n개의 계자 중 n/2개의 계자가 제1 계자군을 구성하고, 나머지 n/2개의 계자가 제2 계자군을 구성한다. 바람직하게 기수번째 계자(10-1. 10-3, …, 10-(n-1))가 제1 계자군을 구성하고, 우수번째 계자(10-2. 10-4, …, 10-n)가 제2 계자군을 구성한다. 이때 각 계자군의 구성은 상술한 바와 같이 각 계자를 구성하는 선로의 권취 방향을 적절하게 설정하거나, 이들 계자로 공급되는 계자 전류의 결선 방법을 적절하게 설정하는 방법을 통해 실행할 수 있다. 제1 계자군과 제2 계자군은 각각 동기적으로 구동되고, 제1 계자군과 제2 계자군은 상호 교번적으로 구동되어 전체적으로 계자(10-1~10-n)들은 상호 대향하는 방향의 제1 자기장 및 제2 자기장을 형성하게 된다. 제1 계자군과 제2 계자군을 구성하는 계자들은 다양한 방식으로 결선될 수 있다. 제1 계자군과 제2 계자군은 각각 입력단이 상호 직렬로 결선되어, 제1 계자군과 제2 계자군이 각각 하나의 계자 전류 입력에 대하여 직렬로 결선될 수 있다. 또한 제1 계자군과 제2 계자군은 각각 하나의 계자 전류 입력에 대하여 병렬로 결선될 수 있다. 그리고, 계자(10-1~10-n)에 계자 전류를 공급하기 위해 다수의 전류원이 구비되고, 이 전류원에 대응하여 제1 또는 제2 계자군이 다수의 서브 계자군으로 분할되며, 각각의 서브 계자군은 전류원에 대해 각각 직렬 또는 병렬로 결합될 수 있다. 계자(10-1~10-n)들의 결선 방식과 이를 위한 전류원의 개수는 특정되지 않고, 교류발전기를 통해 생성하고자 하는 출력 전력량에 따라 적절하게 선정될 것이다.
본 실시 예는 계자(10-1~10-n)와 전기자(20-0~20-n)를 복수 개 구비하여, 필요에 따라 다양한 교류 전력을 생성할 수 있도록 한 것이다. 그리고, 그 밖의 부분은 상술한 실시 예와 실질적으로 동일하므로, 상기 실시 예와 동일한 부분에는 동일한 참조번호를 붙이고 그 구체적인 설명은 생략한다.
도 12는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 비회전식 교류 발전장치의 구성을 나타낸 정면도이다. 본 실시 예에 있어서 다수의 발전 유니트(100), 본 예에서는 제1 발전 유니트(100-1)와 제2 발전 유니트(100-2)는 하부가 단일의 베이스 부재(30)에 결합됨과 더불어, 상부는 자극편(120)에 의해 상호 결합된다. 즉, 교류 발전장치를 구성하는 다수의 발전 유니트(100)는 자극편(120)을 통해 일체적으로 결합된다.
도 13은 도 1의 교류 발전장치에 채용되는 자극편(120)의 구성을 나타낸 평면도이다. 도면에서 자극편(120)은 제1 발전 유니트(100-1)를 위한 제1 자극편부(121)와 제2 발전 유니트(100-2)를 위한 제2 자극편부(122)가 일체로 결합되어 구성되고, 제1 자극편부(121)와 제2 자극편부(122)의 중앙 부분에는 각각 제1 및 제2 발전 유니트(100-1, 100-2)의 코어 부재(40)가 삽입되는 관통공(123)이 구비된다.
또한, 도 14는 도 2의 교류 발전장치에 채용되는 자극편(140)의 구성을 나타낸 평면도이다. 도 14에서 자극편(140)은 제1 발전 유니트(100-1)를 위한 제1 자극편부(141)와 제2 발전 유니트(100-2)를 위한 제2 자극편부(142) 및 제3 발전 유니트(100-3)를 위한 제3 자극편부(143)가 일체로 결합되어 구성되고, 제1 내지 제3 자극편부(141~143)의 중앙 부분에는 각각 제1 내지 제3 발전 유니트(100-1~100-3)의 코어 부재(40)가 삽입되는 관통공(123)이 구비된다.
본 실시 예에서 자극편(120, 140)의 형상은 특정되지 않고, 교류 발전장치의 구성에 따라 적절하게 변경될 수 있다. 본 실시 예에서 교류 발전장치를 구성하는 다수의 발전 유니트는 자극편을 통해서 상호 결합된다. 따라서, 외부적으로 진동이나 충격이 가해지는 경우에 발전 유니트가 유동되는 것이 최소한으로 방지된다. 또한, 자극편(120, 140)은 각 발전 유니트(100)의 사이 공간을 통해서 상호 결합되므로 자극편(120, 140)은 발전 유니트(100)의 사이 공간을 통한 자기장의 흐름을 보다 안정화하는 효과를 제공할 수 있다. 그리고 그 밖의 부분은 상술한 실시 예와 실질적으로 동일하다.
도 16은 본 발명에 따른 비회전식 교류 발전장치의 구성 예를 나타낸 정면도이다. 도면에서 비회전식 교류 발전장치는 제1 내지 제3 발전 유니트(100-1~100-3)를 구비한다. 이들 발전 유니트(100-1~100-3)는 각각 R상, S상 및 T상의 교류를 생성하기 위한 것이다. 발전 유니트(100-1~100-3)는 각각 제1 및 제2 입력단(12-1, 12-2)과 제1 및 제2 출력단(22a, 22b)을 구비한다. 이때 제1 및 제2 입력단(12-1, 12-2)은 직류원에 적절하게 결합된다. 발전 유니트(100-1~100-3)와 직류원과의 결합에 대해서는 이후에 보다 구체적으로 설명될 것이다. 또한, 발전 유니트(100-1~100-3)의 제1 출력단(22a)은 중성선(N)에 결합되고, 제2 출력단(22b)으로부터 각각 R상, S상 및 T상의 교류가 출력된다.
도 16에서 비회전식 교류 발전장치는 각각 R상, S상 및 T상의 교류를 생성하기 위한 제1 내지 제3 발전 유니트(100-1~100-3)가 구비된다. 이들 발전 유니트(100-1~100-3)는 서로 상이한 위상을 갖는 계자 전류 또는 계자 펄스에 의해 구동된다. 도 18는 제1 내지 제3 발전 유니트(100-1~100-3)에 공급되는 계자 전류와, 교류 발전장치에서 출력되는 3상 교류의 일례를 나타낸 파형도로서, 도 18(a)는 3상 교류 중 R상의 교류를 생성하는 제1 발전 유니트(100-1), 제9(b)는 S상의 교류를 생성하는 제2 발전 유니트(100-2), 도 18(c)는 T상의 교류를 생성하는 제3 발전 유니트(100-3)에 공급되는 계자 전류의 일례를 나타낸 것이다. 또한, 도면에서 RA, SA, TA는 제1 계자(10-1)로 인가되는 계자 전류를 나타내고, RB, SB, TB는 제2 계자(10-2)로 공급되는 계자 전류를 나타낸다. 도 18(d)에 나타낸 바와 같이 3상 교류는 R상과 S상 및 T상을 갖는 3개의 교류를 포함하고, 이들은 상호 120도의 위상차를 가지게 된다. 상술한 바와 같이, 본 발명에서 발전 유니트(100)는 입력되는 계자 전류, 또는 계자 펄스에 의해 구동되고, 이때 발전 유니트(100)에서 생성되는 교류 전류의 주파수와 위상은 계자 펄스의 주기 및 위상에 의해 결정된다. 따라서, 도 18에 나타낸 바와 같이 제1 내지 제3 발전 유니트(100-1~100-3)에 대해 상호 120도의 위상차를 갖는 계자 펄스를 각각 공급하게 되면, 제1 내지 제3 발전 유니트(100-1~100-3)를 통해 RST 3상 교류를 생성할 수 있게 된다.
상기한 실시 예에 있어서는 R상과 S상 및 T상의 교류를 생성하기 위한 제1 내지 제3 발전 유니트(100-1~100-3)가 구비된다. 그리고 이로부터 생성되는 교류 전류의 위상은 이들 발전 유니트에 공급되는 계자 전류 또는 계자 펄스의 위상을 조정하는 것으로 적절하게 설정할 수 있게 된다. 또한, 상기 실시 예에서 각 발전 유니트(100-1~100-3)는 계자(10)와 전기자(20)의 권선비를 조정하는 방식을 통해 그 발전 유니트(100-1~100-3)로부터 출력되는 교류의 전압을 적절하게 설정할 수 있게 된다.
도 17은 발전 유니트(100)와 직류원(110)과의 결선 방식의 일례를 나타낸 구성도이다. 도면에서, 제1 계자(10-1)는 제1 입력단(12-1)의 일측이 직류원(110)의 양(+) 단에 결합됨과 더불어 타측이 제1 스위칭부(120)를 통해 직류원(110)의 부(-) 단에 결합되고, 제2 계자(10-2)는 제2 입력단(12-2)의 타측이 직류원(110)의 양(+) 단에 결합됨과 더불어 일측이 제2 스위칭부(130)를 통해 직류원(110)의 부(-) 단에 결합된다. 즉, 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)는 직류원(110)에 역방향으로 결합된다. 따라서 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)는 역방향을 통해 계자 전류가 공급되고, 이에 따라 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)에서 생성되는 자기장은 상호 대향하는 방향으로 형성된다, 상기 제1 및 제2 스위칭부(120, 130)는 PWM(Pulse Width Modulation) 제어부(140)에 의해 제어된다. PWM 제어부(140)는 제1 및 제 스위칭부(120, 130)를 교번적으로 구동하여 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)를 교번적으로 구동함과 더불어, 제1 계자(10-1)와 제2 계자(10-2)에 대한 계자 전류의 펄스폭, 즉 듀티비를 제어함으로써 발전 유니트(100)의 교류 출력을 제어하게 된다.
PWM 제어부(140)가 제1 또는 제2 스위칭부(120, 130)를 구동하여 제1 또는 제2 계자(10-1, 10-2)의 선로(11)를 통해 계자 전류가 흐르게 되면, 그 선로(11)의 전류의 흐름 방향에 대응하여 수직 방향으로 자기장이 형성된다. 제1 계자(10-1)에 의해 생성되는 자기장을 제1 자기장, 제2 계자(10-2)에 의해 생성되는 자기장을 제2 자기장이라 할 때 제1 자기장과 제2 자기장은 그 자기장 방향이 상호 대향하게 된다. 자기장이 형성되는 방향은 앙페어의 (오른손 방향 나사) 법칙(Ampere's right hand screw rules)으로 정의할 수 있다.
이상으로 본 발명에 따른 실시 예를 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않고 다양하게 변형시켜 실시할 수 있다. 예를 들어 상기 실시 예에 있어서는 발전 유니트(100)를 구성하는 계자(10)와 전기자(20)가 하나씩 순차적으로 교번하여 설치되는 것에 대하여 설명하였다. 그러나 본 발명은 예컨대 2개의 연속된 계자와 1개의 전기자를 교번하여 설치하는 등 다양한 방식으로 변형하여 실시할 수 있다.
또한, 상술한 실시 예에 있어서는 교류 발전장치가 동일한 크기 및 구성을 갖는 다수의 발전 유니트를 조합하여 구성하는 것에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 도 15에 나타낸 바와 같이 서로 크기가 다른 제1 및 제2 발전 유니트(150, 151)를 조합하여 구성하는 것도 바람직하게 적용하여 실시할 수 있다.
또한, 상술한 실시 예에서는 다수의 발전 유니트(100)를 자극편(120, 140)을 통해서 결합하는 것에 대하여 설명하였으나, 발전 유니트(100)는 자극편(120, 140) 이외에 절연판(90)이나 상부 덮개(60)를 통해 결합하는 방식도 바람직하게 채용할 수 있다.
또한, 상기 실시 예에서 R상과 S상 및 T상의 교류를 생성하는 각각의 발전 유니트(100-1~100-3)는 다수의 발전 유니트로 구성될 수 있다. 그리고 이때 다수개의 발전 유니트는 그 제1 및 제2 출력단(22a, 22b)이 상호 직렬 또는 병렬로 결합될 것이다.
또한, 상기 실시 예에서는 본 발명을 3상 교류 발전장치에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 다선식 다상 교류 발전장치에 대해 동일한 방식으로 적용하여 실시할 수 있다.
본 발명에 따른 비회전식 교류 발전장치는 다수의 발전 유니트를 구비하고, 각 발전 유니트는 상호 인접하게 배치됨과 더불어, 입력측과 출력측이 각각 직렬 또는 병렬로 결합된다. 각각의 발전 유니트는 계자와 전기자가 적층 배치되는 구조를 갖추고, 각 발전 유니트는 다른 발전 유니트와 동기적으로 동작하여 다수의 발전 유니트가 하나의 발전 유니트로서 기능하게 된다. 본 발명의 교류 발전장치는 하나의 발전 유니트에서 생성되는 자기장에 다른 발전 유니트에 작용하여 상승작용을 함으로써 우수한 발전 효율을 제공할 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따른 비회전식 교류 발전장치는 R상과 S상 및 T상의 교류를 생성하기 위한 제1 내지 제3 발전 유니트를 구비하고, 이들 발전 유니트에 대해 위상차를 갖는 계자 전류를 공급하는 것만으로 3상 교류를 생성할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에서는 제1 내지 제3 발전 유니트에 공급하는 계자 전류의 위상을 조정하는 것으로 R상과 S상 및 T상 교류 사이의 위상차를 임의적으로 조정할 수 있고, 또한 각 발전 유니트의 계자와 전기자의 권선비를 조절하는 방법 등으로 R상과 S상 및 T상 교류의 전압을 적절하게 설정할 수 있게 된다.

Claims (14)

  1. 교류 전류를 생성하는 비회전식 교류 발전장치에 있어서,
    상호 인접하게 배치되는 2개 이상의 발전 유니트를 구비하고,
    상기 발전 유니트는
    봉 형상의 코어 부재와,
    전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 계자 및,
    전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 전기자를 구비하고,
    상기 계자와 전기자의 사이에는 자극편이 구비되며,
    상기 계자와 자극편의 사이와, 상기 전기자와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며,
    상기 발전 유니트는 입력단과 출력단에 대해 상호 직렬 또는 병렬로 결선되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
  2. 상호 위상차를 갖는 R상과 S상 및 T상의 교류를 생성하는 교류 발전장치에 있어서,
    R상 교류를 생성하기 위한 제1 발전 유니트와,
    S상 교류를 생성하기 위한 제2 발전 유니트 및,
    T상 교류를 생성하기 위한 제3 발전 유니트를 구비하고,
    상기 제1 내지 제3 발전 유니트는 제1 출력단이 중성선에 결합됨과 더불어, 제2 출력단을 통해 각각 R상, S상 또는 T상 교류를 출력하며,
    상기 제1 내지 제3 발전 유니트는
    봉 형상의 코어 부재와,
    전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 계자 및,
    전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 전기자를 구비하고,
    상기 계자와 전기자의 사이에는 자극편이 구비되며,
    상기 계자와 자극편의 사이와, 상기 전기자와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며,
    상기 제1 내지 제3 발전 유니트의 각 계자에는 상호 위상차를 갖는 계자 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코어 부재의 중앙 부분에는 길이 방향을 따라 중공이 구비되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코어 부재와 제1 또는 제2 중공부의 사이에 절연재가 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 절연판은 고탄력 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 코어 부재 또는 자극편은 순철로 구성됨과 더불어 열처리가 실행되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 발전 유니트는 다른 발전 유니트와 자극편이 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발전 유니트는 다른 발전 유니트와 절연판이 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 계자와 전기자는 복수개 구비되고, 계자와 전기자는 상호 교번적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 계자와 전기자는 복수개 구비되고, 계자와 전기자는 상호 교번적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 복수의 전기자는 상호 직렬로 결선되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
  12. 제9항에 또는 제10항에 있어서,
    상기 복수의 계자는 제1 계자군과 제2 계자군으로 분할되고,
    상기 제1 계자군과 제2 계자군은 상호 교번하여 구동되어, 제1 자기장과 제2 자기장을 각각 형성하며,
    상기 제1 자기장과 제2 자기장은 상호 대향하는 방향을 갖는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 발전 유니트 중 적어도 하나는 다른 것과 크기가 다른 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
  14. 상호 위상차를 갖는 다상의 교류를 생성하는 교류 발전장치에 있어서,
    서로 다른 위상의 교류를 각각 생성하기 위한 다수의 발전 유니트를 구비하고,
    상기 발전 유니트는
    봉 형상의 코어 부재와,
    전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제1 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 계자 및,
    전기선로가 권취됨과 더불어 중앙 부분에 제2 중공부가 형성되고, 제1 중공부를 통해 상기 코어 부재의 외측에 배치되는 전기자를 구비하고,
    상기 계자와 전기자의 사이에는 자극편이 구비되며,
    상기 계자와 자극편의 사이와, 상기 전기자와 자극편의 사이에는 절연판이 배치되며,
    상기 다수의 발전 유니트의 각 계자에는 상호 위상차를 갖는 계자 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 비회전식 교류 발전장치.
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