KR20150076747A

KR20150076747A - 선형 발전기

Info

Publication number: KR20150076747A
Application number: KR1020130165298A
Authority: KR
Inventors: 황원우; 최성희; 정태석
Original assignee: 에스티엑스조선해양 주식회사
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2015-07-07

Abstract

본 발명은, 가진력이 작용하는 주진동체에 고정된 일단 및 이의 반대단을 갖는 케이스; 상기 케이스와 연결된 일단 및 이의 반대단을 갖고, 상기 가진력이 상기 주진동체에 작용할 때 상기 케이스의 내부에서 상기 가진력이 작용하는 방향을 따라 직선왕복운동을 수행하는 코일 조립체; 및 상기 코일 조립체와 연결된 일단 및 상기 주진동체와 연결된 반대단을 갖고, 상기 가진력이 상기 주진동체에 작용할 때 상기 코일 조립체의 내부에서 상기 코일 조립체와 역위상으로 직선왕복운동을 수행하는 영구자석 조립체;를 포함하는 선형 발전기를 제공한다.

Description

선형 발전기{LINEAR GENERATOR}

본 발명은 선형 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 진동체에 가해지는 가진력(excitation force)을 에너지원으로 하여 작동하는 선형 발전기에 관한 것이다.

기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환하는 발전기의 한 유형으로 선형 발전기가 알려져 있다. 선형 발전기는 교번하는 영구자석의 N극과 S극 및 이들 사이에 위치하는 폴슈를 갖는 이동자와, 권선된 코일을 갖는 고정자를 포함하는데, 이동자가 고정자의 내부에서 직선왕복운동을 하면 고정자의 코일에 기전력이 발생하게 된다. 이동자의 양단은 한 쌍의 내연기관의 피스톤과 직접 연결되어 있고, 이로 인해 이동자는 내연기관들의 작동시 직선왕복운동을 하게 된다. 이러한 선형 발전기의 일 예가 한국공개특허 제10-2009-0040616호(리니어발전기 시스템)에 개시되어 있다.

한편, 가진력(excitation force)을 받아 지속적으로 진동하는 진동체가 여러 산업분야에 존재한다. 예컨대, 선박에 탑재된 메인 엔진 및 디젤 발전기에서는 피스톤의 직선왕복운동 및 크랭크 축의 회전운동이 주기적으로 일어나는데, 이로 인해 상기 메인 엔진 및 디젤 발전기에서는 가진력이 발생하게 된다. 그리고 상기 가진력으로 인해 메인 엔진과 디젤 발전기는 지속적으로 진동한다.

가진력을 받아 진동하는 진동체에 취해지는 조치는 공진 회피 설계나 동흡진기 설치와 같이 상기 진동체의 진동 방지를 위한 것이 주를 이룬다. 공진 회피 설계는 가진력의 가진 주파수의 범위를 벗어난 고유 주파수를 갖도록 진동체를 설계하는 것인데, 이러한 경우 진동체의 진동이 감소하게 된다. 그리고 동흡진기 설치는 가진 주파수와 동일한 고유 주파수를 갖는 동흡진기를 진동체에 설치하는 것인데, 이러한 경우 동흡진기가 진동체를 대신하여 진동하기 때문에 진동체의 진동이 방지된다.

그러나 공진 회피 설계나 동흡진기 설치와 같은 조치는 진동체의 진동을 감소시키는데 그친다. 따라서 위와 같은 조치가 취해지더라도 진동체에 가해지는 가진력은 그대로 버려지게 된다.

상술한 바와 같이 종래의 선형 발전기에서는 이동자의 이동을 위해 내연기관이 마련되어야 하는 문제와, 이 내연기관의 작동을 위해 연료가 사용되어야 하는 문제가 발생한다. 그리고 가진력을 받아 진동하는 진동체에서는 가진력이 그대로 버려지는 문제가 발생한다.

따라서 본 발명은 진동체에 가해지는 가진력을 에너지원으로 사용함으로써 위와 같은 종래의 문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 선형 발전기를 제공하고자 한다.

상기 코일 조립체의 일단은 스프링을 통해 상기 케이스의 반대단과 연결되고, 상기 코일 조립체의 반대단은 자유단으로 이루어진다.

상기 영구자석 조립체의 일단은 스프링을 통해 상기 코일 조립체의 일단과 연결되고, 상기 영구자석 조립체의 반대단은 스프링의 통해 상기 주진동체와 연결된다.

상기 코일 조립체의 일단과 반대단을 연결하는 측면은 상기 케이스로부터 떨어져 있고, 상기 영구자석 조립체의 일단과 반대단을 연결하는 측면은 상기 코일 조립체로부터 떨어져 있다.

이와 달리, 상기 코일 조립체의 일단과 반대단을 연결하는 측면은 베어링을 매개로 상기 케이스와 연결되고, 상기 영구자석 조립체의 일단과 반대단을 연결하는 측면은 베어링을 매개로 상기 코일 조립체와 연결될 수도 있다.

상기 주진동체로는 선박의 메인 엔진 또는 디젤 발전기가 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 선형 발전기는 주진동체에 가해지는 가진력에 의해 작동하기 때문에 종래의 내연기관 및 이에 공급되는 연료를 필요로 하지 않는다.

또한, 본 발명에 따른 선형 발전기에서는 코일 조립체 및 영구자석 조립체 모두가 역위상 모드로 직선왕복운동을 수행하기 때문에 영구자석 및 폴슈를 갖는 이동자만이 직선왕복운동을 수행하는 종래의 선형 발전기에서보다 발전 효율이 좋다.

또한, 본 발명에 따르면 주진동체에 가해지는 가진력이 코일 조립체 및 영구자석 조립체의 진동 에너지로도 변환되기 때문에 주진동체의 진동이 감소하는 효과도 발생한다.

또한, 본 발명에 따른 선형 발전기는 수직 방향의 가진력을 받는 주진동체 뿐만 아니라 수평 방향의 가진력을 받는 주진동체에도 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 선박의 메인 엔진 및 디젤 발전기에 가해지는 가진력이 전기 에너지로 변환될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 선형 발전기를 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 선형 발전기의 변형예를 도시한 것이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 선형 발전기가 갖는 코일 조립체 및 영구자석 조립체의 위상을 표시한 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 선형 발전기의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야할 것이다.

본 발명에 따른 선형 발전기(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 상하 방향으로 가진력을 받는 주진동체(10)의 상면에 설치되어 상기 가진력을 전기 에너지로 변환하는 것으로서, 케이스와 코일 조립체와 영구자석 조립체를 포함한다.

상기 케이스는 선형 발전기(100)의 외곽을 형성하는 부재로서, 내부공간을 갖는 원통 형태로 마련된다. 케이스는 하단(112)과, 상단(114)과, 측면(116)을 포함한다. 케이스의 하단(112)은 개구를 갖고, 주진동체(10)에 고정된다. 이때, 케이스의 하단(112)과 주진동체(10) 사이에는 탄성 마운트(14)가 개재되는데, 이는 주진동체(10)로부터 케이스로 전달되는 진동을 최소화하기 위함이다. 케이스의 측면(116)은 상기 하단(112)과 상단(114)을 연결한다.

상기 코일 조립체는 케이스의 내부공간에 위치하는 부재로서, 내부공간을 갖는 원통 형태로 마련된다. 코일 조립체는 하단(122)과, 상단(124)과, 측면(126)을 포함한다. 코일 조립체의 하단(122)은 개구를 갖고, 자유단으로 구성된다. 코일 조립체의 상단(124)은 상하 방향으로 압축되거나 늘어나는 제1스프링(142)에 의해 케이스의 상단(114)과 연결되어 있다. 코일 조립체의 측면(126)은 상기 하단(122)과 상단(124)은 연결하고, 상하 방향으로 나열된 3상 코일들(128)을 내면에 가지며, 케이스의 측면(116)과 떨어져 있다. 이와 같은 코일 조립체는 주진동체(10)에 가진력이 가해질 때 상하 방향으로 직선왕복운동을 수행하게 된다.

상기 영구자석 조립체는 코일 조립체의 내부공간에 위치하는 부재로서, 원통 형태로 마련된다. 영구자석 조립체는 하단(132)과, 상단(134)과, 측면(136)을 포함한다. 영구자석 조립체의 상단(134)은 상하 방향으로 압축되거나 늘어나는 제2스프링(144)에 의해 코일 조립체의 상단(124)과 연결되어 있다. 그리고 영구자석 조립체의 하단(132)은 상하 방향으로 압축되거나 늘어나는 제3스프링(146)에 의해 베이스(12)와 연결되어 있다. 상기 베이스는 주진동체(10)의 상면에 고정된 것이다. 영구자석 조립체의 측면(136)은 상기 하단(132)과 상단(134)을 연결하고, 상하 방향을 따라 번갈아 위치하는 영구자석의 N극(138a) 및 S극(138b)을 외면에 가지며, 코일 조립체의 측면(126)과 떨어져 있다. 상기 N극(138a)과 S극(138b) 사이에는 폴슈(138c)가 마련되어 있다. 이와 같은 영구자석 조립체는 주진동체(10)에 가진력이 가해질 때 상하 방향으로 직선왕복운동을 수행하게 된다.

주진동체(10)에 가진력이 가해질 때, 코일 조립체와 영구자석 조립체는 다양한 위상차 모드로 직선왕복운동을 할 수 있다. 예컨대, 어떤 조건에서는 코일 조립체와 영구자석 조립체가 0도의 위상차(동일위상 모드)로 직선왕복운동을 하게 되고, 어떤 조건에서는 0도와 180도 사이의 위상차로 직선왕복운동을 하게 되며, 어떤 조건에서는 도 3에 도시된 바와 같이 180도의 위상차(역위상 모드)로 직선왕복운동을 하게 된다. 그런데, 이러한 여러 위상차 모드들 중 선형 발전기(100)의 발전 효율을 가장 좋게 하는 것은 역위상 모드이다. 따라서 코일 조립체와 영구자석 조립체의 직선왕복운동이 역위상 모드를 갖게 하면 좋다.

코일 조립체와 영구자석 조립체가 역위상 모드로 직선왕복운동을 하기 위해서는 코일 조립체 및 영구자석 조립체의 고유 주파수가 주진동체(10)에 가해지는 가진력의 가진 주파수와 일치하는 조건, 즉 공진 조건이 충족되어야 한다. 따라서 상기 선형 발전기(100)에서는 스프링들(142, 144, 146)의 탄성계수와, 코일 조립체의 질량과, 영구자석 조립체의 질량이 상기 공진 조건을 충족하도록 적절히 조절된다.

이상과 같은 선형 발전기(100)가 주진동체(10)에 설치된 상태에서 상기 주진동체(10)에 상하 방향으로 가진력이 가해지면, 코일 조립체와 영구자석 조립체는 역위상 모드로 직선왕복운동을 수행한다. 즉, 코일 조립체가 최상단 위치로 이동하는 동안 영구자석 조립체는 최하단 위치로 이동하고, 코일 조립체가 최하단 위치로 이동하는 동안 영구자석 조립체는 최상단 위치로 이동한다. 그리고 이러한 과정이 수행되는 동안 코일 조립체의 3상 코일(128)에는 기전력이 유도되고, 유도된 기전력은 전력 변환기(150)로 보내진다.

종래에는 선형 발전기의 작동을 위해 내연기관 및 상기 내연기관으로 공급되는 연료가 필요하였다. 그러나 본 발명에서는 선형 발전기(100)가 주진동체(10)에 가해지는 가진력에 의해 작동하기 때문에 내연기관 및 이에 공급되는 연료가 불필요하다.

또한, 종래의 선형 발전기에서는 코일을 갖는 고정자가 고정된 채 영구자석 및 폴슈를 갖는 이동자만이 직선왕복운동을 수행하였다. 그러나 본 발명에 따른 선형 발전기(100)에서는 코일 조립체 및 영구자석 조립체 모두가 역위상 모드로 직선왕복운동을 수행한다. 따라서 본 발명에 따른 선형 발전기(100)는 종래의 선형 발전기보다 우수한 발전 효율을 갖는다.

또한, 본 발명에 따르면 주진동체(10)에 가해지는 가진력이 코일 조립체 및 영구자석 조립체의 진동 에너지로도 변환되기 때문에 주진동체(10)의 진동이 감소하는 효과도 발생하게 된다.

한편, 주진동체(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 수직 방향으로 작용하는 가진력을 받을 수도 있으나, 도 2에 도시된 바와 같이 수평 방향으로 작용하는 가진력을 받을 수도 있다. 예컨대, 선박에는 메인 엔진 및 디젤 발전기가 탑재되는데, 이 메인 엔진 및 디젤 발전기는 수평 방향으로 작용하는 가진력을 받는다.

가진력이 수평 방향으로 작용하면 코일 조립체 및 영구자석 조립체는 수평 방향으로 직선왕복운동을 수행하여야 하므로, 코일 조립체 및 영구자석 조립체를 지지하면서 이 조립체들의 직선왕복운동을 허용하기 위한 수단이 필요하다. 이에, 가진력을 수평 방향으로 받는 주진동체(10)에 설치될 경우, 선형 발전기(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 제1베어링(162) 및 제2베어링(164)을 더 포함한다.

제1베어링(162)은 코일 조립체를 지지하면서 코일 조립체의 직선왕복운동을 허용하기 위한 것으로서, 케이스의 측면(116)과 코일 조립체의 측면(126) 사이에 개재된다. 이러한 제1베어링(162)은 케이스의 측면(116)에 고정되어도 좋고, 코일 조립체의 측면(126)에 고정되어도 좋다.

제2베어링(164)은 영구자석 조립체를 지지하면서 영구자석 조립체의 직선왕복운동을 허용하기 위한 것으로서, 코일 조립체의 측면(126)과 영구자석 조립체의 측면(136) 사이에 개재된다. 상기 제2베어링(164)은 코일 조립체의 측면(126), 더욱 구체적으로는 3상 코일들(128) 사이에 고정되는 것이 좋다.

이상과 같은 선형 발전기(100)는 선박의 디젤 발전기와 같이 일정한 가진 주파수의 가진력을 받는 주진동체(10)에 설치되는 것이 좋다. 이러한 경우, 주진동체(10)가 작동하는 내내 코일 조립체와 영구자석 조립체가 역위상 모드로 직선왕복운동을 수행하기 때문에 선형 발전기(100)가 최고의 발전 효율을 발휘할 수 있게 된다.

상기 선형 발전기(100)는 선박의 메인 엔진과 같이 변화하는 가진 주파수의 가진력을 받는 주진동체(10)에 설치될 수도 있다. 다만, 이러한 경우에는 코일 조립체 및 영구자석 조립체의 고유 주파수가 주진동체(10)에 가장 긴 시간 동안 가해지는 가진 주파수와 일치하는 조건이 충족되도록 스프링들(142, 144, 146)의 탄성계수, 코일 조립체의 질량 및 영구자석 조립체의 질량이 설정된다.

예컨대, 선박의 메인 엔진은 선박의 출발시나 도착시와 같은 특수한 경우 이외에는 거의 일정한 rpm으로 작동하는데, 이 rpm에서 메인 엔진에 가해지는 가진 주파수와 코일 조립체 및 영구자석 조립체의 고유 주파수가 일치하도록 상기 스프링들(142, 144, 146)의 탄성계수, 코일 조립체의 질량 및 영구자석 조립체의 질량이 설정된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.

10 : 주진동체 100 : 선형 발전기
112 : 케이스 하단 114 : 케이스 상단
116 : 케이스 측면 122 : 코일 조립체 하단
124 : 코일 조립체 상단 126 : 코일 조립체 측면
128 : 3상 코일 132 : 영구자석 조립체 하단
134 : 영구자석 조립체 상단 136 : 영구자석 조립체 측면
138a : N극 138b : S극
138c : 폴슈 142, 144, 146 : 스프링
150 : 전력 변환기 162, 164 : 베어링

Claims

가진력이 작용하는 주진동체에 고정된 일단 및 이의 반대단을 갖는 케이스;
상기 케이스와 연결된 일단 및 이의 반대단을 갖고, 상기 가진력이 상기 주진동체에 작용할 때 상기 케이스의 내부에서 상기 가진력이 작용하는 방향을 따라 직선왕복운동을 수행하는 코일 조립체; 및
상기 코일 조립체와 연결된 일단 및 상기 주진동체와 연결된 반대단을 갖고, 상기 가진력이 상기 주진동체에 작용할 때 상기 코일 조립체의 내부에서 상기 코일 조립체와 역위상으로 직선왕복운동을 수행하는 영구자석 조립체;를 포함하는 선형 발전기.
제1항에 있어서,
상기 코일 조립체의 일단은 스프링을 통해 상기 케이스의 반대단과 연결되고, 상기 코일 조립체의 반대단은 자유단으로 이루어진 선형 발전기.
제2항에 있어서,
상기 영구자석 조립체의 일단은 스프링을 통해 상기 코일 조립체의 일단과 연결되고, 상기 영구자석 조립체의 반대단은 스프링의 통해 상기 주진동체와 연결된 선형 발전기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일 조립체의 일단과 반대단을 연결하는 측면은 상기 케이스로부터 떨어져 있고, 상기 영구자석 조립체의 일단과 반대단을 연결하는 측면은 상기 코일 조립체로부터 떨어져 있는 선형 발전기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일 조립체의 일단과 반대단을 연결하는 측면은 베어링을 매개로 상기 케이스와 연결되고, 상기 영구자석 조립체의 일단과 반대단을 연결하는 측면은 베어링을 매개로 상기 코일 조립체와 연결된 선형 발전기.
제5항에 있어서,
상기 주진동체는 선박의 메인 엔진 또는 디젤 발전기인 선형 발전기.