KR20120016994A - 이중 고정자를 가지는 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동심 이중원을 이루는 내원과 외원에 등간격으로 설치된 고정자 철심에 코일이 감겨진 고정자와; 상기 고정자의 내원과 외원 사이에서 상기 내원과 외원의 동심원을 형성하면서 자극을 교번하는 자석이 등간격으로 설치된 회전자와; 상기 고정자의 각 코일에 독립 연결되어 생산된 전기를 직류로 변환시키는 A/D 변환기로 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기에 관한 것이다.
본 발명에 의하여 작은 공간에서 많은 전력을 생산할 수 있고 코일 로스와 자력 부하를 최소화시키는 이중 고정자를 가지는 발전기가 제공되는 이점이 있다.

Description

이중 고정자를 가지는 발전기{coaxial double stator type generator}

본 발명은 동심 이중원을 이루는 내원과 외원에 등간격으로 설치된 고정자 철심에 코일이 감겨진 고정자와; 상기 고정자의 내원과 외원 사이에서 상기 내원과 외원의 동심원을 형성하면서 자극을 교번하는 자석이 등간격으로 설치된 회전자와; 상기 고정자의 각 코일에 독립 연결되어 생산된 전기를 직류로 변환시키는 A/D 변환기로 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 발전기는 고정자 코일로 이루어진 고정자에 자석으로 이루어지는 회전자를 돌려 전기를 생산하는 장치이다.

발전기는 제한된 발전기의 내부 구조를 최대 효율이 발생되도록 설계하는 것이 주된 설계의 목적으로, 개발되는 발전기의 관심은 이점에 집중되어지곤 한다.

종래의 일반적인 발전기로는 3상 발전기가 있다.

도체와 교차하는 자속이 변화하면 전자 유도 작용에 의하여 도체에는 기전력이 발생된다. 발전기는 이 원리를 이용한 것인데, 회전 운동에 의하여 코일에 연속적으로 전압이 발생하도록 시킨다.

발전기는 자력의 발생원이 되는 자석을 고정하고 그 내부에서 코일을 회전시켜서 자력을 발생하는 회전 자석형과, 코일을 고정하고 그 가운데서 자석을 회전시켜서 자력을 발생하는 회전 계자형의 두 가지가 있다. 회전 전기자형은 직류 발전기에, 회전 계자형 교류 발전기에 쓰이는데, 어느 것이나 코일에는 모두 기전력이 발생한다.

그런데, 종래기술방식에 의하면 3상 발전기의 경우 각 상의 결선을 위하여 발전기 내부에 점프 코일이 형성되어지므로 발전기 내부 공간을 충분히 활용하지 못하여 발전기의 효율이 낮은 문제점이 있다.

또한, 고정자 철심이 회전자 자석에 붙을려고 하는 성질인 자력 부하가 크고, 공간의 효율적인 배치에 연구 필요성이 여전히 대두되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발전기 내부 공간을 최대한 활용하여 전기 생산 효율을 상승시키며, 코일 로스와 자력 부하를 최소화시키는 이중 고정자를 가지는 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 내원과 외원으로 구분되는 동심 이중원을 이루며, 코일이 감겨진 고정자 철심(이하 '고정자 코일')을 등간격으로 형성시킨 고정자와; 자극을 교번하는 자석이, 상기 고정자의 내원과 외원 사이에서, 상기 고정자와 동심원을 형성하면서 등간격으로 설치된 회전자와; 상기 고정자의 각 코일에 독립 연결되어 생산된 전기를 직류로 변환시키는 A/D 변환기로 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기를 기술적 요지로 한다.

여기서 상기 고정자 코일은 내원에 4개, 외원에 8개로 형성되며 상기 회전자는 4개의 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정자 코일은 내원에 4개, 외원에 8개로 형성되며 상기 회전자는 8개의 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기로 되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 고정자 코일은 내원에 6개, 외원에 12개로 형성되며 상기 회전자는 10개의 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정자 코일은 내원에 6개, 외원에 10개로 형성되며 상기 회전자는 20개의 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정자는 상기 회전자 자석에 대면하는 철심의 폭은 좁고 길이는 길게 형성시켜 상기 철심의 회전자 자석에 대한 자력 결합 부하를 최소화시키고, 상기 철심의 양측 주변에는 스테인레스 재질의 커버를 결합시켜 자력 결합 부하가 없이 회전자 자석의 자속을 중심 철심 측으로 최대한 유도시키는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기로 되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 이중 고정자를 가지는 발전기는 내부를 진공 상태로 형성시키는 발전기 커버로 하우징 되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기로 되는 것이 바람직하다.

상기한 본 발명에 의하여 작은 공간에서 많은 전력을 생산할 수 있고 코일 로스와 자력 부하를 최소화시키는 이중 고정자를 가지는 발전기가 제공되는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 평면 구조도
도 2는 본 발명의 측면 구조도
도 3과 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예의 구조도
도 5는 종래기술방식의 자속 흐름도
도 6은 본 발명의 자속 흐름도
도 7은 본 발명의 고정자 코일에 연결된 정류 회로도
도 8은 본 발명의 고정자 철심 사시도
도 9는 회전자 자석에 대면하는 면을 정면으로 하였을 때, 고정자 철심의 정면도
도 10은 상기 도 9의 측단면도
도 11은 상기 도 9의 평단면도
도 12는 도 11에서의 자속 흐름을 도시한 구성도
도 13은 도 10에서의 자속 흐름을 도시한 구성도
도 14는 고정자 철심의 자력 부하를 도시한 구성도
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예의 평면 구조도

이하 도면을 참조하여 본 발명에 관하여 살펴보기로 하며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 발명을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

이하의 도 1은 본 발명의 평면 구조도이며, 도 2는 본 발명의 측면 구조도이며, 도 3과 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예의 구조도이며, 도 5는 종래기술방식의 자속 흐름도이며, 도 6은 본 발명의 자속 흐름도이며, 도 7은 본 발명의 고정자 코일에 연결된 정류 회로도이며, 도 8은 본 발명의 고정자 철심 사시도이며, 도 9는 회전자 자석에 대면하는 면을 정면으로 하였을 때, 고정자 철심의 정면도이며, 도 10은 상기 도 9의 측단면도이며, 도 11은 상기 도 9의 평단면도이며, 도 12는 도 11에서의 자속 흐름을 도시한 구성도이며, 도 13은 도 10에서의 자속 흐름을 도시한 구성도이며, 도 14는 고정자 철심의 자력 부하를 도시한 구성도이며, 도 15는 본 발명의 또 다른 실시예의 평면 구조도이다.

발전기는 도체와 교차하는 자속이 변화하면 전자 유도 작용에 의하여 도체에는 기전력이 발생되는 원리를 이용한 것인데, 회전 운동에 의하여 코일에 연속적으로 전압이 발생하도록 시킨다.

발전기는 자력의 발생원이 되는 자석을 고정하고 그 내부에서 코일을 회전시켜서 자력을 발생하는 회전 자석형과, 코일을 고정하고 그 가운데서 자석을 회전시켜서 자력을 발생하는 회전 계자형(도체가 정지하고 자기장이 회전하는 방식)의 두 가지가 있다.

본 발명은 상기 회전 계자형 발전기로서, 전기자(이하, '고정자'로 통일 함)를 고정하고 자석(이하, '회전자'로 통일 함)을 회전시켜 발전시키는 방식으로서, 고정자와 회전자의 효율적인 공간 배치를 제공한다.

도 1과 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명은 고정자 코일로 구성되는 고정자(20)와 자석으로 구성되는 회전자(10)로 구성된다.

특히, 상기 본 발명의 고정자(20)는 등간격으로 코일이 감겨진 고정자 철심(이하 '고정자 코일')을 형성시킨 특징을 가진다.(이하, 편의상 내원에 형성된 고정자 코일을 내원, 외원에 형성된 고정자 코일을 외원이라 함)

본 발명의 회전자(10)는 상기 고정자(20)의 내원(220)과 외원(210) 사이에서 상기 고정자 코일과 동심원을 형성하면서 자석이 등간격으로 자극을 교번하면서 설치된다.

본 발명의 이와 같은 구성에 의하면 회전자(10)의 1회전에 대해서 고정자(20) 내원(220)과 외원(210)에서 동시에 전기가 생산되는 특징이 형성된다.

본 발명에서 상기 고정자(20)의 각 고정자 코일은 각각 독립적으로 도 7과 같은 A/D 변환기에 연결되어 정류되는 특징을 가진다.

따라서, 본 발명의 고정자(20)에서 생산되는 전기에너지는 도 7에 도시된 바와 같이 상기 고정자(20)의 각 고정자 코일에 연결되어 생산된 전기를 직류로 변환시키는 A/D 변환기에 의하여 직류로 변환되어 출력되며, 이러한 전기 에너지의 저장은 축전지를 통하면 될 것이다.

이는 종래기술방식의 발전기가 각 고정자 코일이 삼상 코일로 연결되어 3상의 전원을 생산하는 것과 구분되는 특징이다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면 좁은 발전기 내부 공간을 최대한 이용하게 되며, 회전자(10) 자석에서 원심의 내외측으로 방사되는 자속선을 모두 발전에 이용하게 되어 자기에너지 효율성이 높아지는 이점이 있다.

또한, 종래기술방식과 비교하여 볼 때, 종래기술방식이 자석수를 많게 하고 코일은 3상 배열에 의하여 제한되는데 비하여, 본 발명은 코일의 배열 수를 증가시킬 수 있어 자석수를 절약할 수 있는데, 발전기의 생산에 있어서 자석의 수급비용이 큰 것을 감안하면 저가의고효율 발전기를 제공할 수 있게 된다.

또한, 종래기술은 3상 배열에 의하여 고정자 코일 철심이 하나로 되어 크기 때문에 자석이 바뀌는 순간 고정자 코일 철심에 자속이 전달되는 속도가 늦어지고 자석의 세기도 적게 형성되어 발전 효율이 작다.

이에 비하여 본 발명은 고정자 코일 크기가 작아서 자속 변환이 빠르므로 효율이 상승된다.

본 발명은 상기한 바와 같이 내원과 내원에서 철심이 자속의 경로를 형성시켜 주어 발전 효율을 상승시키고 있다.

이러한 기능을 더욱 강화시키기 위하여 본 발명은 상기 고정자 철심(212)에 또 다른 형태적 특징을 가진다.

즉, 본 발명의 상기 고정자 철심(212)은 상기 회전자(10) 자석에 대면하는 철심의 폭은 좁고 길이는 길게 형성시켜, 상기 철심의 회전자 자석에 대한 자력 결합 부하를 최소화시키고, 상기 철심의 양측 주변에는 스테인레스 재질의 커버(211)를 결합시킨다.

도 8은 상기와 같이 구성되는 고정자 철심(212) 중 하나의 사시도이며, 도 9는 상기 회전자(10) 자석에 대면하는 면을 정면으로 하였을 때, 고정자 철심 중 하나의 정면도이며, 도 10은 상기 도 9의 측단면도이며, 도 11은 상기 도 9의 평단면도이다.

도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이 본 발명의 고정자 철심(212)은 회전자(10) 자석에 대하여 좁고 긴 형태로 구성하여 마치 회전자(10) 자석이 회전될 때 회전자(10) 자석의 표면을 스케닝하듯 지나가도록 구성한다.

또한, 상기 철심의 주변에는 스테인레스 재질의 커버(211)를 덮어 회전자(10) 자석의 대면 면적을 증가시켜 준다.

이와 같은 구성에 의하면, 도 13에 도시된 바와 같이 상기 고정자 철심(212)과 회전자(10) 자석간의 끌어 당기는 회전 부하는 철심의 폭이 좁으므로로 최소화 되고, 상기 회전자(10) 자석에서 발산되는 자속은 도 12에 도시된 바와 같이 상기 스테인레스 재질의 커버(211)에 따라 철심으로 안내되어 자속의 집중 효율은 상승된다.

즉, 스테인레스 재질의 커버(211)는 자석에 붙지 않는 성질이 있으므로 회전자(10) 자석에 부하를 발생시키지 않으면서 자속만 안내시키므로 고정자 코일(213)의 중심으로 자속이 집중되게 하여, 발전 부하는 최소화되면서 발전 효율은 상승되는 고정자가 제공되게 된다.

본 발명은 이에 더하여 상기 이중 고정자를 가지는 발전기의 내부를 진공 상태로 형성시키는 발전기 커버로 하우징시킨다.

즉, 본 발명의 이중 고정자를 가지는 발전기는 내부가 진공상태가 되도록 유지하여 회전 공기 저항을 축소시키고, 발열을 감소시켜 발전 효율을 더 크게 상승시키게 된다.

이상과 같이 구성되는 본 발명에 의하면 내원과 외원에 조립되는 고정자 철심이 규격화되어 단품 결합되므로 종래의 3상 발전기와 달리 고정자 코일의 결선을 위한 코일의 점프가 불필요하므로 코일 로스가 발생되지 않으며, 고정자 철심에 감겨진 코일에서 회전자 자석을 대면하는 부분이 스테인레스 커버에 의하여 덮어져 자속유도 효율이 상승되고, 철심의 폭이 좁아 자력 부하가 축소되는 이점이 발생된다.

또한, 고정자를 규격화시켜 최대 효율이 발생되는 갯수를 발전기 내부에 포설시킬 수 있는 이점이 있다.

[실시예1]

도 1에 도시된 상기 본 발명의 실시예를 살펴보면 상기 본 발명에서 상기 고정자 코일은 내원(220)에 4개, 외원(210)에 8개로 형성되며, 상기 회전자(10)는 4개의 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기를 구성할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하면, 4개의 자석이 1회전 하는 동안 고정자 코일 12개의 발전에 기여하므로 총 48회의 발전이 이루어진다.

이는 내원(220)에 고정자 코일이 없는 종래기술방식이 총 32회의 발전(설명 보충)이 이루어지는 것에 비하여 효율이 크게 상승된 것이다.

한편 내원(220)의 고정자 코일은 도 1에서 보여지는 바와 같이 고정자 코일 철심이 서로 인접하여 형성되므로 도 5에 도시된 종래기술방식과 같이 내원의 고정자 코일이 없을 때 보다 자기 저항이 줄어드는 이점이 있다.

즉, 내원(220)의 고정자 코일에서 발전에 기여한 자속은 내원의 고정자 코일 철심을 따라 인접하는 회전자 자석으로 연결되므로, 공간적 이격이 도 5 종래기술방식에 비하여 매우 작아지므로 자속의 원할한 연결이 이루어지게 되어 잔류 자속에 의한 내부 소음이나 온도 상승의 문제를 크게 개선시킬 수 있는 효과가 있다.

[실시예2]

도 3은 상기 실시예 1의 발전적 실시예로서 상기 고정자 코일은 내원에 4개, 외원에 8개로 형성되며 상기 회전자(10)는 8개의 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기를 구성할 수 있다.

실시예2는 동심원상에 배치될 수 있는 공간적 여유에 따라 자석의 수를 늘린 것이며 이에 따라 회전자 1회전당 총 96회의 발전이 이루어진다.

[실시예3]

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예로서 상기 고정자 코일은 내원에 6개, 외원에 12개로 형성되며, 상기 회전자(10)는 10개의 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기를 들 수 있다.

실시예 3에서는 1회전당 180회의 발전이 이루어지는데, 이와 같이 발전기가 커질 수록 공간의 활용성이 좋아져서 발전양이 증대되는 효과가 있으며,. 내원에서 각 자속의 안내가 긴밀해지므로 큰 발전기의 구성도 용이해지는 이점이 생긴다.

[실시예4]

본 발명은 또한, 도 15에 도시된 바와 같이 상기 고정자 코일은 내원(220)에 6개, 외원(210)에 10개로 형성되며, 상기 회전자(10)는 20개의 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기를 구성할 수 있다.

이와 같은 구성에 의하면 내원과 외원에 동일 규격의 고정자를 형성시키면서 최대 밀집 배열시킬 수 있는 이중 고정자를 가지는 발전기를 제공하는 특징이 형성된다.

이상 본 발명의 설명을 위하여 도시된 도면은 본 발명이 구체화되는 하나의 실시예로서 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 요지가 실현되기 위하여 다양한 형태의 조합이 가능함을 알 수 있다.

따라서 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

10 : 회전자 20 : 고정자
210 : 외원 220 : 내원
211 : 스테인레스 커버 212 : 고정자 철심
213 : 고정자 코일

Claims (7)

1. 내원과 외원으로 구분되는 동심 이중원을 이루며, 코일이 감겨진 고정자 철심(이하 '고정자 코일')을 등간격으로 형성시킨 고정자와;
   자극을 교번하는 자석이, 상기 고정자의 내원과 외원 사이에서, 상기 고정자와 동심원을 형성하면서 등간격으로 설치된 회전자와;
   상기 고정자의 각 코일에 독립 연결되어 생산된 전기를 직류로 변환시키는 A/D 변환기로
   구성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기.
2. 제1항에 있어서
   상기 고정자 코일은 내원에 4개, 외원에 8개로 형성되며
   상기 회전자는 4개의 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기.
3. 제1항에 있어서
   상기 고정자 코일은 내원에 4개, 외원에 8개로 형성되며
   상기 회전자는 8개의 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기.
4. 제1항에 있어서
   상기 고정자 코일은 내원에 6개, 외원에 12개로 형성되며
   상기 회전자는 10개의 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기.
5. 제1항에 있어서
   상기 고정자 코일은 내원에 6개, 외원에 10개로 형성되며
   상기 회전자는 20개의 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기.
6. 제1항 또는 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 고정자는
   상기 회전자 자석에 대면하는 철심의 폭은 좁고 길이는 길게 형성시켜 상기 철심의 회전자 자석에 대한 자력 결합 부하를 최소화시키고,
   상기 철심의 양측 주변에는 스테인레스 재질의 커버를 결합시켜 자력 결합 부하가 없이 회전자 자석의 자속을 중심 철심 측으로 최대한 유도시키는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기.
7. 제6항에 있어서 상기 이중 고정자를 가지는 발전기는
   내부를 진공 상태로 형성시키는 발전기 커버로 하우징 되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자를 가지는 발전기.

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