KR101192483B1 - 스위칭 코일구조를 갖는 단극 전동발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동발전기에 관한 것으로, 구체적으로는 회전권선 코일이 전자식으로 스위칭되는 회전식 전자기기계에 관한 것이다. 본 발명은 고정자 사이의 공간에 자기장을 만드는 영구자석을 제공하는 한쌍의 고정자; 자기장 안에 회전 가능하게 설치되는 강자성체의 환상형 회전자; 및 전선을 감아서 형성된 코일 여러개로 이루어지고 회전자에 감기는 다수의 권선;을 포함하고, 코일들이 스위치를 통해 서로 연결되고 스위치는 각각의 권선내 코일들을 직렬연결하거나, 병렬연결하거나, 절연시킴으로써, 회전자의 회전에 의해 출력전압과 출력전류를 생산하는 회전식 전자기 발전기와 전동기를 제공한다.

Description

스위칭 코일구조를 갖는 단극 전동발전기{MONOPOLE FIELD ELECTRIC MOTOR-GENERATOR WITH SWITCHABLE COIL CONFIGURATION}

본 발명은 전동발전기에 관한 것으로, 구체적으로는 회전권선 코일이 전자식으로 스위칭되는 회전식 전자기기계에 관한 것이다.

Tu의 미국특허출원 2004/0135452에 소개된 평판형 회전발전기의 나선형 코일은 자력선을 가로지르면서 전류를 일으키고, 이 코일에 디스크형 자석이 평행하게 배치되어 있다. 나선형 코일과 디스크형 자석 여러개를 교대로 배열한다. 이런 코일과 자석에는 투과성 재료가 제공되지 않는다. 코일이나 자석이 외력에 의해 회전하면, 코일이 자력선을 가로지르면서 유도전류를 일으킨다.

Neal의 미국특허출원 2002/0135263에 소개된 고정자의 여러 아치구간들은 모터를 만드는데 사용되는 고정자의 환형 코어를 형성한다. 환형 코어의 자극에 감긴 전선에 전류가 흐를 때 다수의 자기장이 생성된다. 단일체로 된 상변화 물질이 도체를 감싸서 고정자의 아치구간을 서로 접촉하게 한다. 모터를 사용하는 하드디스크 드라이버와, 모터와 하드디스크 드라이버를 만드는 방법도 소개되었다.

Rose의 미국특허 6803691에 소개된 전동기는 회전축 둘레에 자기투과성 링 모양의 코어가 설치된다. 코어에 코일을 감고, 코어 양쪽을 따라 반경 방향으로 튀 어나온 2개의 사이드 레그가 코어마다 달려있다. 사이드레그 사이에는 코일이 없는 공간이 존재한다. 브래킷의 첫번째와 두번째 사이드 플랜지들을 브리지 구조로 코일 양측면에 접하게 한다.

Mohler의 미국특허 6507257에 소개된 양방향 래칭 액튜에이터는 출력축에 하나 이상의 회전자를 고정한다. 축과 회전자는 자기적 도전 하우징 안에서 회전하도록 설치되고, 하우징 안에 원통형 코일이 설치되어 있으며, 엔드캡으로 닫는다. 엔드캡에 고정자가 설치된다. 회전자는 서로 반대로 자화되는 2개 이상의 영구자석을 갖는데, 이들은 비대칭 설치되어 한쪽은 인접 설치되고 다른쪽은 비자기 공간에 의해 분리된다. 고정자는 비대칭 도전성을 갖는바, 자극의 다른 부분에 비해 축방향이 두툼하다. 회전자가 중립위치로 회동하는 것이 방지되는데, 중립위치에서는 회전자 자석들이 고정자 자극의 높은 도전부와 축방향으로 정렬된다. 따라서, 이 회전자는 중립위치를 향해 당겨지는 위치에 자기적으로 고정된다. 반대 극성의 전류를 코일에 흐르게 하면 회전자가 반대 위치로 회전하고, 이 위치에서 자기적으로 고정된다.

Mohler의 미국특허 5337030에 소개된 영구자석 브러시리스 토크 액튜에이터는 전류가 흐를 때 타원형 자기장을 형성할 수 있는 전자석 코어로 이루어진다. 원통형 코일 밖에 하우징이 있고, 그 상하단에 엔드플레이트가 있다. 양쪽 엔드플레이트에 설치된 고정자 자극들은 공기간극에 의해 서로 분리되어 있다. 공기간극에 영구자석 회전자를 배치해 축에 설치하고, 축은 엔드플레이트에 회전 가능하게 설치된다. 회전자의 영구자석은 2개 이상으로, 각각 회전자의 아치 부분을 덮고 극성은 서로 반대이다. 코일에 일방향으로 전류를 흐르게 하면 2개 자극들 각각이 회전자의 한쪽 자석은 당기고 다른쪽 자석은 반발시켜 출력축에 토크를 일으킨다. 전류의 방향을 바꾸면 토크와 회전자의 회전 방향이 반대로 된다.

Kloosterhouse의 미국특허 5191255에 소개된 전자석 모터의 회전자 둘레에 여러개의 자석이 설치되어 있다. 인접 자석들의 바깥을 향한 자극은 서로 반대이다. 하나 이상의 전자석을 회전자 둘레에 인접 배치하여, 회전자가 회전하면 회전자에 설치된 자석들이 전자석의 자극 부근에 있도록 한다. 회전자의 모든 각도에서 전자석과 회전자의 자석의 자극들 사이에 인력과 척력이 작용해 회전자를 원하는 방향으로 회전시키도록 특정한 위상관계로 전자석에 전류를 공급한다. 회전자에 반사물질을 설치한다. 구동회로에 있는 감광소자는 반사물질에서 반사된 빛을 받는지 여부에 따라 값이 변하는 신호를 발생시킨다. 이 신호가 증폭되어 전자석에 전류를 흐르게 한다.

Westley의 미국특허 4623809에 소개된 스테퍼모터 하우징의 자극 구조는 한쌍의 동일한 고정자 판을 포함하는데, 고정자판마다 여러개의 자극을 가진채 서로 앞뒤로 배치되고 자극들은 양방향으로 돌출하며, 한쌍의 동일한 고정자 컵 사이에 고정자판이 배치되며, 각각의 고정자컵에는 뒷벽에서 안쪽으로 돌출한 자극들이 여러개 있고, 원주벽에는 바깥쪽으로 돌출한 플랜지가 달려있다. 각각의 플랜지 표면은 고정자판의 표면과 접촉하여 자기저항을 낮춘다.

Fawzy의 미국특허 4565938에 소개된 전기기계 장치는 모터나 발전기로 사용된다. 회전축을 지지하는 베어링이 하우징에 설치되고, 자극이 교대로 배치되게 축 에 자석을 설치하여 회전자를 형성한다. 이 장치의 첫번째 자극슈는 자석과 접촉하는데, 자석의 반경방향으로 돌출한 일부분이 가상의 자극챔버를 형성한다. 또, 두번째 자극슈가 자석과 접촉하는데, 이 자석에서 반경방향으로 돌출한 일부분은 극성이 다른 가상의 자극챔버를 형성한다. 환형 고정자를 하우징에 설치하고, 그 위에 코일을 감는다. 고정자는 디스크 자석 둘레에 환형으로 위치하여, 2개의 자극 슈의 가상 자극챔버가 코일의 일부분을 둘러싸게 하되, 극성이 다른 자기장이 교대로 형성된다. 이 장치를 모터로 작동시키도록 전류를 공급하거나 발전기로 사용할 때 전류를 끌어내도록 고정자와 전기적으로 접촉하는 수단을 제공한다.

Fawzy의 미국특허 4459501에 소개된 전기기계 장치는 모터나 발전기로 사용되고, 하우징의 베어링에 회전축이 지지된다. 한쌍의 디스크 자석의 마주보는 면은 극성이 서로 반대이다. 이 자석을 서로 마주보게 회전축에 설치하여 회전자를 구성한다. 첫번째 자극슈는 자석의 한쪽면과 접촉하고, 그 일부분은 반경방향으로 돌출하여 한쌍의 가상 자극챔버를 형성하는데, 자극챔버의 극성은 자석면과 같은 극성을 띤다. 또, 두번째 자극슈가 자석의 다른 면과 접촉하되 그 일부분은 반경방향으로 돌출하여 한쌍의 가상의 자극챔버를 형성하며, 그 극성은 다른 면의 극성과 같다. 하우징에 설치된 환형 고정자에 코일이 감긴다. 고정자는 디스크 자석을 둘러싸면서 가상의 자극 챔버들이 코일의 일부분을 둘러싸고 자극의 극성은 교대로 배치되게 한다. 발전기로 사용할 때 전류를 끌어내거나 모터로 사용할 때 전류를 공급하도록 고정자와 접촉하는 수단이 있다.

위의 특허들을 검토해본 결과 모터와 발전기 양쪽으로 기능하는 회전 전자석 장치를 생각하게 되었다. Neal의 특허에서는 아치형 구간이 달린 환형 코어를, Fawzy에서는 N-N과 S-S 극들끼리 서로 마주보고, Tu의 특허에서는 N-S, S-N 극들끼리 마주보면서 코일을 반경방향으로 감으며, Rose의 특허에서는 환형 코어에 코일을 차례로 감고 N-N, S-S 끼리 마주보게 영구자석을 배치했음을 볼 수 있었다. 그러나, 본 발명과 같이, 극성이 서로 반대인 단극 영구자석 자기장들에 전자석이 잠기는 회전 전자석장치는 전혀 언급되지 못하고 있다.

요 약

본 발명은, 고정자 사이의 공간에 자기장을 만드는 영구자석을 제공하는 한쌍의 고정자; 자기장 안에 회전 가능하게 설치되는 강자성체의 환상형 회전자; 및 전선을 감아서 형성된 코일 여러개로 이루어지고 회전자에 감기는 다수의 권선;을 포함하고, 코일들이 스위치를 통해 서로 연결되고 스위치는 각각의 권선내 코일들을 직렬연결하거나, 병렬연결하거나, 절연시킴으로써, 회전자의 회전에 의해 출력전압과 출력전류를 생산하는 회전식 전자기 발전기를 제공하는 것을 주목적으로 한다.

본 발명에 따른 발전기에서, 각 권선내 모든 코일들을 직렬연결하여 출력전압을 최대화하거나, 병렬연결하여 출력전류를 최대화하거나, 2개의 코일을 직렬연결함과 동시에 2개 코일을 병렬연결하여 출력전압과 출력전류를 선택하는 것이 바람직하다.

또, 출력전압과 출력전류를 정류자를 통해 출력단자에 공급하거나, 출력전류 센서를 스위치에 연결해 일정 출력전류를 내도록 출력전류 센서가 스위치를 조절하거나, 출력전압 센서를 스위치에 연결해 일정 출력전압을 내도록 출력전압 센서가 스위치를 조절하도록 하는 것이 좋다.

본 발명은 또한, 고정자 사이의 공간에 자기장을 만드는 영구자석을 제공하는 한쌍의 고정자; 자기장 안에 회전 가능하게 설치되는 강자성체의 환상형 회전자; 및 전선을 감아서 형성된 코일 여러개로 이루어지고 회전자에 감기는 다수의 권선;을 포함하고, 코일들이 스위치를 통해 서로 연결되고 스위치는 각각의 권선내 코일들을 직렬연결하거나, 병렬연결하거나, 절연시킴으로써, 회전자를 선택한 속도와 토크로 회전시키도록 입력전압과 입력전류의 범위를 조절하는 회전식 전자기 전동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 전동기에 있어서, 각 권선내 모든 코일들을 직렬연결하여 출력 회전속도를 최소화하거나, 병렬연결하여 출력 회전속도를 최대화하거나, 소정 갯수의 코일의 연결을 끊어 출력토크를 선택하거나, 각 권선내 2개의 코일을 직렬연결함과 동시에 2개 코일을 병렬연결하여 출력속도를 선택할 수 있다. 또, 출력전압과 출력전류를 입력단자로부터 정류자를 통해 회전자에 공급하는 것이 바람직하다. 이런 전동기에 있어서, 회전속도 센서를 회전자와 스위치에 연결해 일정 출력속도와 토크를 내도록 회전속도 센서가 스위치를 조절하도록 하면 바람직하다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.

도 1은 권선의 코일들이 회전자에 감겨있는 상태의 본 발명에 따른 장치의 단면도;

도 2~3은 코일의 연결관계를 보여주는 회전자의 권선의 회로도;

도 4는 본 발명에 따른 스위치의 회로도;

도 5는 본 발명에 따른 발전기의 블록도;

도 6은 본 발명에 따른 전동기의 블록도;

회전식 전자기장치의 고정자(152)에 디스크형 영구자석들이 평행하게 떨어져 지지되어 있는데, 영구자석 각각에 다수의 자석구간(146)이 동일 평면상에 서로 떨어져 있다. 이들 자석구간(146)에서 N극은 N극끼리, S극은 S극끼리 마주보도록 쌍을 이루어 배치된다(도 1 참조). 고정자(152)에 지지되는 축(144)에 자기투과성 회전자(140)가 설치되어 축과 함께 회전한다. 회전자(140)에는 다수의 코일(148)이 환상으로 감겨있고, 이런 코일은 각각의 권선(148')의 일부분이다. 코일(148) 각각에 전기가 흐르도록 전류공급 정류자가 회전자에 맞닿는다.

"자석"이라고도 하는 영구자석은 고정자(152) 사이의 공간에서 자기장을 일으킨다. 강자성체 회전자(140)는 자기장 안에서 회전하도록 설치된다. 회전자에 여러개의 권선(148')을 감고, 권선(148')마다 다수의 코일(148)을 갖는데, 코일은 권선을 이루는 전선을 1회전 이상 감은 것을 말한다. 코일(148)은 "스위치"라 하는 스위칭망을 통해 서로 연결되지만, 이런 스위치도 도 4와 같이 여러개의 전자스위치로 이루어진다. 스위치는 회전자에 위치하고, 각각의 코일이 하나의 권선(148')에서 도 2와 같이 직렬 연결되거나, 도 3과 같이 병렬 연결되거나, 직렬도 병렬로 도 접점이 이루어지지 않았을 때는 절연되도록 구성된다. 이들 스위치가 도 4와 같이 전자식이기 때문에, 한쪽 스위치는 직렬연결에 사용되고 다른 스위치는 병렬연결에 사용된다. 코일(148)을 절연해야 할 때는 직병렬 스위치 어느 것도 구성되지 않는다.

본 발명의 장치를 발전기로 사용할 때는, 각 권선(148')내의 모든 코일(148)을 직렬로 연결하여 출력전압을 최대로 한다. 또, 각 권선내의 2개 이상의 코일(148)을 직렬 연결함과 동시에 2개 이상의 코일을 병렬연결하면, 출력 전압과 전류를 선택할 수 있다. 전술한 바와 같이, 출력 전압과 전류는 정류자를 통해 출력단자로 보내지는 것이 바람직하다. 물론 정류자를 통해 스위치를 제어할 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 출력 전압/전류 센서를 스위치에 연결하여, 부하상태에 따라 출력전압이나 출력전류가 일정하도록 스위치를 조절한다.

본 발명의 장치를 전동기로 사용할 때는, 일정 속도와 토크로 회전자를 회전시키는 범위의 입력전압과 입력전류를 받도록 스위칭한다. 각 권선내 모든 코일(148)을 직렬 연결하면 출력 회전속도가 최소화되고, 병렬 연결하면 출력 회전속도가 최대화된다. 코일(148)의 연결을 끊으면 출력토크를 선택할 수 있다. 또, 2개 이상의 코일을 직렬연결함과 동시에 2개 이상의 코일을 병렬연결하면, 출력축 회전속도를 선택할 수 있다.

발전기와 마찬가지로, 입력전압과 입력전류는 입력단자에서 정류자를 거쳐 회전자로 공급되는 것이 바람직하다. 발전기처럼, 회전속도 센서를 회전자와 스위 치에 연결하고, 스위치를 조절하여 출력 속도와 토크를 선택한다(도 6 참조).

Claims (14)

1. 고정자 사이의 공간에 자기장을 만드는 영구자석을 제공하는 한쌍의 고정자;

   자기장 안에 회전 가능하게 설치되는 강자성체의 환상형 회전자; 및

   전선을 감아서 형성된 코일 여러개로 이루어지고 회전자에 감기는 다수의 권선;을 포함하고,

   상기 코일들이 스위치를 통해 서로 연결되고 스위치는 각각의 권선내 코일들을 직렬연결하거나, 병렬연결하거나, 절연시킴으로써, 회전자의 회전에 의해 출력전압과 출력전류를 생산하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 발전기.
2. 제1항에 있어서, 각 권선내 모든 코일들을 직렬연결하여 출력전압을 최대화하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 발전기.
3. 제1항에 있어서, 각 권선내 모든 코일들을 병렬연결하여 출력전류를 최대화하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 발전기.
4. 제1항에 있어서, 각 권선내 2개의 코일을 직렬연결함과 동시에 2개 코일을 병렬연결하여 출력전압과 출력전류를 선택하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 발전기.
5. 제1항에 있어서, 출력전압과 출력전류를 정류자를 통해 출력단자에 공급하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 발전기.
6. 제1항에 있어서, 출력전류 센서를 스위치에 연결해, 일정 출력전류를 내도록 출력전류 센서가 스위치를 조절하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 발전기.
7. 제1항에 있어서, 출력전압 센서를 스위치에 연결해, 일정 출력전압을 내도록 출력전압 센서가 스위치를 조절하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 발전기.
8. 고정자 사이의 공간에 자기장을 만드는 영구자석을 제공하는 한쌍의 고정자;

   자기장 안에 회전 가능하게 설치되는 강자성체의 환상형 회전자; 및

   전선을 감아서 형성된 코일 여러개로 이루어지고 회전자에 감기는 다수의 권선;을 포함하고,

   상기 코일들이 스위치를 통해 서로 연결되고 스위치는 각각의 권선내 코일들을 직렬연결하거나, 병렬연결하거나, 절연시킴으로써, 회전자를 선택한 속도와 토크로 회전시키도록 입력전압과 입력전류의 범위를 조절하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 전동기.
9. 제8항에 있어서, 각 권선내 모든 코일들을 직렬연결하여 출력 회전속도를 최소화하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 전동기.
10. 제8항에 있어서, 각 권선내 모든 코일들을 병렬연결하여 출력 회전속도를 최대화하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 전동기.
11. 제8항에 있어서, 각 권선내의 소정 갯수의 코일의 연결을 끊어 출력토크를 선택하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 전동기.
12. 제8항에 있어서, 각 권선내 2개의 코일을 직렬연결함과 동시에 2개 코일을 병렬연결하여 출력속도를 선택하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 전동기.
13. 제8항에 있어서, 출력전압과 출력전류를 입력단자로부터 정류자를 통해 회전자에 공급하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 전동기.
14. 제8항에 있어서, 회전속도 센서를 회전자와 스위치에 연결해, 일정 출력속도와 토크를 내도록 회전속도 센서가 스위치를 조절하는 것을 특징으로 하는 회전식 전자기 전동기.

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