KR101062154B1

KR101062154B1 - 발전기

Info

Publication number: KR101062154B1
Application number: KR1020090088235A
Authority: KR
Inventors: 김경식; 김경화
Original assignee: 김경화; 김경식
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2011-09-05
Also published as: KR20110030207A

Abstract

본 발명은 고효율 발전기를 개시하며, 상기 고효율 발전기는 자석을 포함하는 유도 코어와 코일을 포함하는 회전자가 외부 회전력에 의하여 회전하여 유도기전력에 의한 정현파 교류 전류를 출력하는 제너레이터, 상기 제너레이터의 상기 유도 코어와 상기 회전자 중 어느 하나와 조립되어 회전되며 상기 정현파 교류 전류가 회전되는 표면에 형성된 두 개의 브러쉬 전극에 공급되는 구성을 갖는 브러쉬, 및 상기 브러쉬의 각 브러쉬 전극과 면 접촉하는 한 쌍의 유도 전극을 포함하며 상기 유도 전극으로 유입되는 상기 정현파 교류 전류를 직류로 변환하여 출력하는 출력 장치를 포함한다.

Description

발전기{ELECTRIC POWER GENERATOR}

본 발명은 발전기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유도 코어와 회전자가 서로 반대 방향으로 회전하는 듀얼 코어 구조를 갖도록 개선시켜서 발전 용량을 증대시킨 고효율 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 발전기는 코어(Core)를 가지며 영구자석 또는 전자석을 설치하고 유도코일을 포함하는 회전자를 회전시키는 구조를 갖는다.

상술한 구조에서, 코어는 회전자(Rotor Core)와 고정자(Stator Core)를 포함하며, 회전자의 회전에 의하여 자기장의 변화가 발생되고, 자기장 변화는 렌쯔(Lenz)의 법칙에 의한 유도기전력을 발생시키며, 유도기전력에 의하여 회전자에 설치되는 유도 코일에 전류의 흐름이 발생된다.

상술한 원리로 일반적인 발전기는 전기를 생성하여 제공한다.

최근 친환경 발전 기술의 개발이 촉진되고 있으며, 대표적 친환경 발전 기술 분야에 풍력 발전기가 포함될 수 있으며, 풍력 발전기는 바람에 의해서 발전기가 구동되는 것이다.

상기한 풍력 발전기 등에 이용되는 일반적인 발전기는 코어를 이루는 회전자와 고정자 중 회전자의 풍력에 의하여 발전기의 회전자를 회전시켜서

일반적인 종래의 발전기는 코어를 이루는 회전자와 고정자 중 회전자만 회전되는 구조를 가지며, 발전기의 효율은 전적으로 회전자의 회전력과 주기에 의존된다.

보다 효율성 있는 발전기는 발전량을 증가시킬 수 있으므로, 고효율을 갖는 발전기의 제시가 소망되고 있다. 그러나, 회전자만 회전하는 일반적인 발전기는 그 구조적 한계로 인하여 발전 효율을 증가시키는데 어려움이 있다.

이를 해결하고자 본 출원인은 "개량형 풍력발전기"를 대한민국 특허출원 제2006-138550호로 개시한 바 있으며, 대한민국 특허출원 제2006-138550호는 유도체의 회전 방향과 회전자 축에 연결된 수평 회전 날개인 프로펠러의 회전 방향이 서로 반대되도록 하여 고효율의 개량형 풍력 발전기를 제공한 것이다.

그러나, 대한민국 특허출원 제2006-138550호는 대용량의 풍력발전기를 위한 것이며, 이를 소용량의 발전 시스템을 구성하기에는 어려움이 있다. 그러므로, 소용량에도 적용될 수 있는 간단한 구조를 가지면서 고효율성을 갖는 발전기의 제시가 필요한 실정이다.

본 발명은 제너레이터에 포함되는 유도 코어와 회전자가 서로 반대 방향으로 회전함에 따라 유도기전력에 의한 자력선의 합이 커져서 발전량이 개선되는 고효율 발전기를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명은 정현파 교류의 주기를 증가시켜서 발전 효율을 개선함으로써 안정된 전류를 생성할 수 있는 고효율 발전기를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 고효율 발전기는, 자석을 포함하는 유도 코어와 코일을 포함하는 회전자가 외부 회전력에 의하여 회전하여 유도기전력에 의한 정현파 교류 전류를 출력하는 제너레이터, 상기 제너레이터의 상기 유도 코어와 상기 회전자 중 어느 하나와 조립되어 회전되며 상기 정현파 교류 전류가 회전되는 표면에 형성된 두 개의 브러쉬 전극에 공급되는 구성을 갖는 브러쉬, 및 상기 브러쉬의 각 브러쉬 전극과 면 접촉하는 한 쌍의 유도 전극을 포함하며 상기 유도 전극으로 유입되는 상기 정현파 교류 전류를 직류로 변환하여 출력하는 출력 장치를 포함한다.

여기에서, 상기 제너레이터의 상기 유도 코어와 상기 회전자는 서로 반대 방향으로 회전함이 바람직하다.

그리고, 상기 출력 장치는, 상기 한 쌍의 유도 전극에 포함되는 제 1 유도 전극을 구비하며 제 1 단자를 통하여 상기 제 1 유도 전극으로 공급되는 상기 정현파 교류 전류를 출력하는 제 1 유도 모듈, 상기 한 쌍의 유도 전극에 포함되는 제 2 유도 전극을 구비하며 제 2 단자를 통하여 상기 제 2 유도 전극으로 공급되는 상기 정현파 교류 전류를 출력하는 제 2 유도 모듈, 상기 제 1 유도 모듈과 상기 제 2 유도 모듈로부터 정현파 교류 전류를 공급받고 상기 정현파 교류 전류를 직류 전압으로 변환하여 출력하는 AC/DC 변환기, 및 상기 AC/DC 변환기에서 출력되는 상기 직류 전압을 충전 및 평활한 후 외부에 공급하는 콘덴서를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 AC/DC 변환기와 상기 콘덴서는 동일 기판에 실장됨이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 고효율 발전기는, 일방향으로 회전력을 제공하는 회전력 제공 수단, 상기 회전력 제공 수단으로부터 전달되는 상기 회전력을 정방향과 역방향 회전력으로 각각 독립적으로 제공하는 회전력 변환 장치, 자석을 포함하는 유도 코어와 코일을 포함하는 회전자가 서로 조립되어 회전하고 상기 회전자는 상기 정방향 회전력에 의하여 정방향 회전하며 상기 유도 코어는 상기 역방향 회전력에 의하여 역방향 회전하고 상기 회전자에 유도기전력이 작용되어 정현파 교류 전류를 출력하는 제너레이터, 상기 제너레이터의 상기 유도 코어와 상기 회전자 중 어느 하나와 조립되어 회전되며 상기 정현파 교류 전류가 회전되는 표면에 형성된 두 개의 브러쉬 전극에 공급되는 구성을 갖는 브러쉬, 및 상기 브러쉬의 각 브러쉬 전극과 면접촉하는 한 쌍의 유도 전극을 포함하며 상기 유도 전극으로 유입되는 상기 정현파 교류 전류를 직류로 변환하여 출력하는 출력 장치를 포함한다.

여기에서, 상기 회전력 제공 수단은 모터, 풍력이나 수력에 의하여 회전력이 발생되는 장치 또는 인력에 의하여 회전력을 제공하는 장치 중 어느 하나를 포함할 수 있다.

그리고, 상기 회전력 변환 장치는, 상기 제너레이터의 상기 회전자와 결합하 는 메인 샤프트와 동일 축에 결합되는 메인 기어 및 메인 풀리 및 상기 메인 샤프트와 평행하게 구성되는 보조 샤프트에 결합되는 보조 기어 및 보조 풀리를 포함할 수 있으며, 상기 메인 기어와 상기 보조 기어는 서로 회전 방향이 반대가 되도록 치차 결합되고, 상기 보조 풀리는 상기 보조 기어의 회전에 동기하여 상기 보조 기어와 동일 방향으로 회전되며, 상기 메인 풀리는 상기 메인 샤프트의 회전으로부터 독립되고 상기 보조 풀리와 벨트로 결합됨으로써 상기 보조 풀리와 동일한 방향으로 회전되고, 상기 보조 풀리는 상기 제너레이터의 상기 유도 코어에 회전력을 전달할 수 있다.

여기에서, 상기 메인 샤프트와 상기 메인 풀리는 정수 배의 회전비를 가짐이 바람직하다.

여기에서, 상기 AC/DC 변환기와 상기 콘덴서는 동일 기판에 실장될 수 있다.

본 발명에 의하여, 제너레이터의 유도 코어와 회전자가 서로 반대 방향으로 회전함에 따라 기전력에 의한 자력선의 합이 커져서 발전기의 발전량이 개선되고 정현파 교류의 주기가 증가되어서 발전 효율이 증가될 수 있어서, 안정된 전류를 생성할 수 있는 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

본 발명에 따른 고효율 발전기는 도 1과 같이 실시될 수 있으며, 도 1의 실시예는 케이스(10) 내에 발전을 위한 부품들이 실장되는 구성을 갖는다. 여기에서, 케이스(10)는 플라스틱이나 FRP(Fiberglass Reinforced plastics, 이하 'FRP'라 함) 또는 금속 재질로 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예는 메인 샤프트(12)에 회전력을 제공하기 위한 회전력 제공 수단의 구성이 필요하며, 도 1의 실시예에는 상기 회전력 제공 수단으로서 모터(M)가 예시되고 있다.

상술한 바와 같이 예시된 모터(M)는 메인 샤프트(12)에 결합되고, 모터(M)의 회전력이 메인 샤프트(12)로 제공되며, 메인 샤프트(12)는 모터(M)로부터 제공되는 회전력에 의하여 일 방향으로 회전된다.

메인 샤프트(12)는 모터(M)뿐만 아니라 자신과 결합 가능한 다른 수단에 의하여 회전력을 제공받을 수 있으며, 다른 수단의 일예로서 풍력이나 수력에 의하여 회전하는 프로펠러나 인력에 의하여 회전되는 손잡이 달린 디스크나 레버와 같은 것들이 제시될 수 있다.

메인 샤프트(12)에 회전력을 제공하는 수단은 상기 예시한 것들 외에도 제작자의 의도에 따라서 다양하게 실시될 수 있으나, 안정된 전류를 생성하기 위해서는 메인 샤프트(12)가 일 방향으로 정속으로 회전할 수 있는 회전력을 제공하는 수단이 구성됨이 바람직하다.

한편 케이스(10)에는 메인 샤프트(12)와 보조 샤프트(14)가 구성되며, 메인 샤프트(12)에는 메인 기어(20)와 메인 풀리(22)가 구성되고, 보조 샤프트(14)에는 보조 기어(24)와 보조 풀리(26)가 구성된다. 여기에서 메인 기어(20), 메인 풀리(22), 보조 기어(24) 및 보조 풀리(26)는 메인 샤프트(12)로 전달되는 회전력을 후술되는 제너레이터(30)로 정방향 및 역방향 회전력으로 변환하여 전달하기 위한 것이다.

메인 샤프트(12)는 케이스(10)의 외부에서 내부로 관통하여 후술되는 베어링(16)에 의하여 회전이 지지되도록 설치되며, 보조 샤프트(14)는 메인 샤프트(12)와 평행하면서 메인 샤프트(12)가 관통한 케이스(10)의 내벽에 회전이 지지되도록 고정된다. 보조 샤프트(14)는 케이스(10)의 내벽에 설치가능한 통상적인 브라켓에 의하여 회전이 보장되도록 고정될 수 있으며, 이는 당업자라면 용이하게 실시할 수 있는 기술이므로 구체적인 도시와 그에 대한 설명은 생략한다.

메인 기어(20)와 메인 풀리(22)는 서로 떨어지게 메인 샤프트(12)에 구성된다.

여기에서, 메인 기어(20)는 메인 샤프트(12)와 결합하여서 메인 샤프트(12)의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전되도록 구성된다. 이하, 메인 샤프트(12) 및 메인 기어(20)의 회전 방향을 정방향이라 하고, 메인 샤프트(12) 및 메인 기어(20)와 같은 방향으로 회전하는 것은 정방향 회전이라 한다.

그리고, 메인 풀리(22)의 구성은 도 2를 참조하여 설명될 수 있으며, 도 2를 참조하면 메인 풀리(22)의 중앙에는 메인 샤프트(12)에 결합된 베어링(23)이 구성된다. 이에 따라서 메인 풀리(22)는 메인 샤프트(12)로부터 회전력을 전달받지 않고, 베이링(23)은 내측의 메인 샤프트(12)와 외측의 메인 풀리(22)가 서로 독립적인 방향으로 회전되는 것을 지지한다. 즉, 메인 풀리(22)는 베어링(23)의 지지에 의하여 메인 샤프트(12)의 회전 방향과 반대로 회전한다. 메인 풀리(22)에 회전력이 전달되는 구조는 후술하며, 이하, 메인 풀리(22)의 회전 방향을 역방향이라 하고, 메인 풀리(22)와 같은 방향으로 회전하는 것은 역방향 회전이라 한다.

그리고, 설명되지 않은 부호 32는 고정핀이며, 고정핀(32)은 메인 풀리(22)와 후술되는 제너레이터(30)의 유도 코어(30b)를 결합하는 구성 요소이며, 메인 풀리(22)에 중심을 기준으로 일정한 각도를 유지하여 둘 이상 설치될 수 있고, 도 2는 서로 90°의 방사각을 갖도록 정렬된 4 개의 고정핀(32)들이 설치된 것을 예시 한다.

한편, 보조 샤프트(14)에는 보조 기어(24)와 보조 풀리(26)가 서로 떨어지게 구성되며, 보조 기어(24)는 메인 샤프트(12)에 결합된 메인 기어(20)가 배치된 위치에 정렬되고, 보조 풀리(26)는 메인 샤프트(12)에 구성된 메인 풀리(22)가 배치된 위치에 정렬된다. 보조 기어(24)와 보조 풀리(26)는 보조 샤프트(14)에 결합되며, 서로 동일한 방향으로 회전된다. 그리고, 메인 풀리(22)와 보조 풀리(26)는 벨트(28)로써 회전력을 전달하며, 이를 위하여 메인 풀리(22)와 보조 풀리(26)에는 벨트(28)를 가이드하기 위한 홈(예를 들어, 벨트(28)의 단면에 대응되는 "V" 홈)이 형성될 수 있고, 여기에 설치되는 벨트(28)는 회전력을 정확히 전달하기 위하여 텐션이 조절됨이 바람직하다. 상술한 벨트(28)를 이용한 메인 풀리(22)와 보조 풀리(26) 간의 결합은 통상적인 방법이므로, 이에 대한 보다 구체적인 설명은 생략한다.

그리고, 메인 기어(20)와 보조 기어(24)의 단부에 구성되는 기어(도시되지 않음)는 서로 치차 결합하며, 메인 기어(20)와 보조 기어(24) 간의 회전비는 통상적으로 단부에 형성된 기어 수의 비례 관계로 결정된다.

그리고, 보조 풀리(26)와 메인 풀리(22) 간의 회전비는 이들의 반지름에 의하여 결정되는 원주면의 길이의 비례 관계로 결정된다.

즉, 상술한 메인 기어(20), 메인 풀리(22), 보조 기어(24) 및 보조 풀리(26)의 결합 관계에 있어서, 메인 기어(20)는 정방향 회전을 하고, 보조 기어(24), 보조 풀리(26) 및 메인 풀리(22)는 역방향 회전을 한다. 그리고, 메인 샤프트(12) 또 는 메인 기어(20)와 메인 풀리(22) 간의 회전 비는 메인 기어(20)와 보조 기어(24) 간의 기어 수의 비례 관계와 메인 풀리(22)와 보조 풀리(26) 간의 원주면의 길이의 비례 관계에 의하여 결정될 수 있다.

한편, 메인 샤프트(12)에는 메인 기어(20)와 메인 풀리(22)에 이어서 제너레이터(30)가 구성된다.

제너레이터(30)는 메인 샤프트(12)에 결합하여 정방향 회전하는 회전자(30a)와 역방향 회전하는 유도 코어(30b)를 포함한다.

회전자(30a)는 전류의 유도를 위한 코일을 포함하며, 유도 코어(30b)는 자석을 포함한다. 회전자(30a)에 포함된 코일은 통상적인 방법으로 구현되는 것으로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하고, 유도 코어(30b)의 자석도 종래의 고정자에 설치된 것과 실질적으로 동일한 방법으로 구성되는 것으로 이에 대한 구체적인 설명도 생략한다.

회전자(30a)와 유도 코어(30b)는 서로 반대 방향으로 회전한다. 즉, 회전자(30a)는 메인 샤프트(12)의 회전에 동기되어 회전되며, 유도 코어(30b)는 메인 풀리(22)의 회전에 동기되어 회전된다. 여기에서 회전자(30a)는 메인 샤프트(12)에 결합되어 회전되고, 유도 코어(30b)는 메인 풀리(22)에 고정핀(32)으로 결합되어 회전되며, 후술되는 베어링(42)에 의하여 회전이 지지된다.

메인 샤프트(12)와 메인 풀리(22) 간의 회전비가 1 : 1로 설정된 경우, 회전자(30a)의 정회전 속도와 유도 코어(30b)의 역회전 속도는 벡터의 극성이 반대이고 절대값은 동일하다.

유도 코어(30b)가 고정된 경우와 유도 코어(30b)가 본 발명의 실시예와 같이 회전되는 경우에 대한 회전자(30a)의 상대 속도를 분석한다.

회전자(30a)의 정회전 속도와 유도 코어(30b)의 역회전 속도가 동일하며 방향이 반대인 것으로 가정하면, 유도 코어(30b)가 고정된 경우보다 유도 코어(30b)가 회전되는 경우 회전자(30a)의 유도 코어(30b)에 대한 상대 속도는 2 배이다. 이는 회전자(30a)에서 유도되는 정현파 교류의 파형 주기가 2배 증가하는 결과와 특정 회전 각도를 기준으로 발생되는 기전력에 의한 자력선의 합이 2배 증가하는 결과를 얻을 수 있다. 상술한 유도 코어(30b)와 회전자(30a)가 회전됨에 따른 유도기전력의 작용 메카니즘은 후술한다.

한편, 회전자(30a)의 코일에는 유도 코어(30b)의 자석의 자기장에 의하여 유도된 전류가 흐르고, 이 전류는 브러쉬(40)로 전달된다.

브러쉬(40)는 양단의 베어링(42, 44)과 같이 메인 샤프트(12)에 설치되며, 베어링(42)은 메인 샤프트(12) 상에 설치되어서 유도 코어(30b)의 회전을 지지하고, 베어링(44)은 메인 샤프트(12)의 단부에 설치되어서 케이스(10)의 내벽에 대한 메인 샤프트(12)의 회전을 지지한다.

브러쉬(40)는 메인 샤프트(12)와 결합되어 정방향 회전을 하고, 표면에 두 개의 브러쉬 전극(46, 48)이 형성된다. 브러쉬 전극(46, 48)은 브러쉬(40)의 표면에 서로 이격되어 구성되며, 제너레이터(30) 내의 회전자(30a)에 구성되는 코일의 양단에 각각 연결되어서 서로 독립적인 전극을 이루고, 도전성 금속 박막 링 또는 도전성 금속 와이어 링으로 구성될 수 있다.

상술한 브러쉬 전극(46, 48)이 형성된 위치에 정렬되어 유도 모듈(50, 52)이 구성되고, 유도 모듈(50, 52)는 일단에 각각 유도 전극(54, 56)이 구성된다. 그리고, 유도 전극(54)의 단부는 브러쉬 전극(46)과 면 접촉을 이루고, 유도 전극(56)의 단부는 브러쉬 전극(46)과 면 접촉을 이룬다. 유도 전극(54, 56)은 도전성 금속 재질의 박막으로 구성될 수 있으며, 회전되는 브러쉬 전극(46, 48)과 면 접촉을 계속 유지할 수 있도록 탄성을 갖도록 구성됨이 바람직하다.

그리고, 유도 모듈(50, 52)에는 단자(58, 59)가 각각 형성되며, 유도 전극(54)과 단자(58)는 별도의 전선을 이용하여 전기적으로 연결되거나 또는 도전성 재질의 유도 모듈(50) 자체에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 그리고, 유도 전극(56)과 단자(59)도 별도의 전선 또는 도전성 재질의 유도 모듈(50)에 의하여 전기적으로 연결될 수 있다. 상술한 바와 같이 브러쉬(40)와 유도 모듈(50, 52)이 구성됨으로써 브러쉬(40)의 브러쉬 전극(46, 48)으로 공급되는 전기는 각자에 해당되는 유도 전극(54, 56) 및 단자(58, 59)로 전달될 수 있다.

유도 모듈(50)은 케이스(10)의 내벽에 별도의 브라켓 또는 조립 부재를 이용하여 고정될 수 있으며, 단자(58, 59)는 유도 모듈(50)에 형성되는 홈에 삽입되는 도전성 나사 및 그를 지지하는 와셔와 같은 부재 또는 전선의 단부를 고정할 수 있는 부재로 구성될 수 있다.

케이스(10)의 내벽 또는 외벽의 소정 위치에 기판(60)이 구성될 수 있고, 본 발명의 도 1의 실시예는 케이스(10)의 내벽에 기판(60)이 조립된 상태를 예시한다. 기판(60)에는 AC/DC 변환기(62)와 콘덴서(64) 및 출력 단자(66)를 구비하며, 유도 모듈(50)의 단자(58, 59)에 연결된 전선이 기판(60) 상의 소정 포트에 솔더링과 같은 전기적 결합 방법으로 연결될 수 있다. AC/DC 변환기(62)는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 것이며, 콘덴서(64)는 출력되는 직류 전압을 충전하면서 출력이 안정화될 수 있도록 평활하는 역할을 한다.

그리고, 기판(60)에는 실장되는 부품들을 전기적으로 연결하기 위한 패턴 또는 점퍼가 구성될 수 있으며, 콘덴서(64)에서 평활된 직류 전압이 출력단자들(66)로 출력되는 구성을 갖는다. 출력단자들(66) 중 하나는 양극 전압을 출력하는 단자이고 다른 하나는 음극 전압을 출력하는 단자에 해당되며, 이들은 기판(60)으로부터 외부로 인출될 수 있도록 케이스(10)를 관통하여 외부로 인출되는 구성을 가질 수 있다.

도 1과 같이 구성되는 본 발명에 따른 고효율 발전기는 도 3의 등가 회로로 표현될 수 있다.

즉, 모터(M)와 같은 외부 구동 수단에 의하여 제너레이터(30)가 작동되며, 제너레이터(30) 내의 유동 코어(30b)와 회전자(30a)가 서로 반대 방향으로 회전하면 정현파 교류 전압이 발생되며, 정현파 교류 전압은 AC/DC 컨버터(62)로 입력되어서 직류 전압으로 변환되어 출력되고, AC/DC 컨버터(62)에서 출력되는 직류 전압은 콘덴서(64)에 충전되는 한편 평활되며, 콘덴서(64)에 충전된 전압은 출력 전압으로 출력단자들(66)을 통하여 출력된다.

상술한 도 1 내지 도 3과 같이 본 발명에 따른 고효율 발전기가 구성될 수 있으며, 상술한 구성에 의하여 모터(M)와 같은 회전력 제공 수단으로부터 회전력이 전달되면, 메인 샤프트(12), 메인 기어(20), 회전자(30a) 및 브러쉬(40)는 정방향 회전하고, 보조 기어(24), 보조 풀리(26), 메인 풀리(22) 및 유도 코어(30b)는 역방향 회전을 한다.

즉, 회전자(30a)는 모터(M)로부터 제공되는 회전력 그대로 정방향 회전되고, 그에 대응되는 유도 코어(30b)는 보조 기어(24), 보조 풀리(26), 메인 풀리(22)들에 의하여 회전 방향과 회전력이 조절되어 역방향 회전된다.

상술한 메카니즘에 따라 회전 방향과 회전 속도가 결정된 회전자(30a) 및 유도 코어(30b)의 회전에 의하여 자기장의 영향에 의한 유도기전력이 제너레이터(30)에 발생되고, 유도기전력에 의한 정현파 교류 전류가 회전자(30a)로부터 브러쉬(409)의 각 브러쉬 전극(46, 48)로 전달된다.

브러쉬 전극(46, 48)로 공급되는 정현파 교류 전류는 유도 전극(54, 56), 유도 모듈(50, 52), 단자(58, 59) 및 그에 연결된 전선을 통하여 기판(60)의 AC/DC 컨버터(62)로 전달된다. 그 후 AC/DC 컨버터(62)는 정현파 교류 전류를 일정한 전압을 갖는 직류 전압으로 변환하여 콘덴서(64)로 인가하고, 콘덴서(64)는 상술한 바와 같이 직류 전압을 평활 및 충전하고 자신에 연결된 출력 단자(66)를 통하여 정전압을 출력한다.

본 발명에 따른 고효율 발전기의 교류 정현파 발생기에 대하여 도 4 내지 도 6을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 도 4 내지 도 6은 유도 코어(30b)와 회전자(30a)의 위치에 따른 유도 현상을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 따른 고효율 발전기는 서로 반대 방향으로 회전자(30a)와 유도 코어(30b)가 회전하여 전기를 발전함에 따라 상대 회전력과 정현파 교류 전류의 극성 변환 주기에 의하여 발전 효율 개선이 설명될 수 있다.

교류 전류의 발전 방식은 도 4를 참조하여 설명될 수 있다. 도 4에서 a 내지 h는 회전자(30a)의 회전을 표시한 것이다. 그리고, 도 4에서 A 내지 H는 유도 코어(30b)의 회전을 표시한 것이며 후술되는 설명에 이용된다.

먼저, 유도 코어(30b)가 고정된 상태의 경우와 같은 일반적인 정현파 교류 전류 발생을 위한 유도기전력의 발생에 대하여 설명한다.

균일 자계 내에 있는 회전자(30a)의 코일이 등각속도 원운동을 할 때(매 초마다 회전 각도가 일정할 때) 45°를 회전하면 회전자(30a)의 코일은 상당히 많은 비율로 자력선을 자른다. 45°를 더 회전하여서 90° 지점에 도달하면, 회전자(30a)의 코일에 작용하는 유도기전력은 가장 크게 발생한다.

회전자(30a)의 코일이 90° 지점을 통과하면, 유도기전력은 점점 감소하여 출발점인 0°로부터 180°로 회전하였을 때 유도기전력은 전혀 없다. 자력선과 나란하게 회전자(30a)의 코일이 움직이는 순간이므로 자력선이 전혀 잘리지 않기 때문에 유도기전력이 형성되지 않는다.

유도기전력은 회전자(30a)의 코일이 180°지점을 통과한 뒤부터는 다시 점점 커지며 회전자(30a)의 코일이 270°지점에 도달하면 90°지점 때와 같이 최대가 되고 315°지점을 통과하여 0°지점의 원상태에 이르게 되면 점점 감소하여 다시 0이 된다.

0°지점부터 180°지점에 도달할 때까지 생성되는 유도기전력은 양(+)의 극성으로 정의할 수 있고(플레밍의 오른손 법칙으로 알 수 있음), 180°지점부터 0°지점에 도달할 때까지 생성되는 유도기전력은 음(-)의 극성으로 정의할 수 있다.

이상과 같이 회전자(30a)의 코일이 일정 속도로 계속 회전하면서 자기장에 의한 유도기전력에 의한 전류 파형이 계속 얻어질 수 있다. 이러한 교류 전류를 정현파(sine wave) 교류 전류라고 하며, 통상의 교류의 대표적인 특성이다.

상술한 교류 발생 특성에 기초하여 본 발명에 따른 실시예는 유도 코어(30b)와 회전자(30a)가 서로 다른 방향으로 회전하면서 발전 효율과 안정성을 증가시키도록 실시되며, 회전자(30a)는 a 위치에서 h 위치로 순차적으로 회전되며, 유도 코어(30b)는 A 위치에서 H 위치로 순차적으로 회전된다.

이를 참조하면, 본 발명에 따른 실시예는 제너레이터(30)의 유도 코어(30b)가 45°회전하면, 외부에 설치된 모터(M)(또는 수동적인 힘) 및 각각의 기어(20, 24)나 벨트(28)에 결합된 풀리(22, 26) 등으로 인하여 메인 샤프트(12)를 포함한 회전자(30a)가 유도 코어(30b)에 대하여 상대적으로 역방향 회전 운동을 한다.

회전자(30a)와 유도 코어(30b)의 회전 속도의 절대 값이 동일한 경우, 제너레이터(30)의 회전자(30b)가 45°위치로 이동하면 상대적으로 유도 코어(30b)도 역방향의 45° 위치로 이동하므로, 결과적으로 유도 코어(30b)가 고정된 경우의 90°위치에 놓이는 것과 동일한 효과를 얻으며, 이때 자력선에 의한 유도기전력은 가장 크게 발생한다.

그리고, 그 후 자력선은 점차 감소하고 제너레이터(30)의 회전자(30b)가 90 °위치로 이동하면 상대적으로 유도 코어(30b)도 역방향의 90° 위치로 이동하므로, 결과적으로 유도 코어(30b)가 고정된 경우의 180°위치에 놓이는 것과 동일한 효과를 얻으며, 이때 자력선에 의한 유도기전력은 없어진다.

제너레이터(30)의 회전자(30b)가 다시 45°위치로 더 이동하면 상대적으로 유도 코어(30b)도 역방향의 45° 위치로 더 이동하므로, 결과적으로 유도 코어(30b)가 고정된 경우의 270°위치에 놓이는 것과 동일한 효과를 얻으며, 이때 자력선에 의한 유도기전력은 가장 크게 발생한다.

그 후 자력선은 점차 감소하고 제너레이터(30)의 회전자(30b)가 90°위치로 이동하면 상대적으로 유도 코어(30b)도 역방향의 90° 위치로 이동하므로, 결과적으로 유도 코어(30b)가 고정된 경우의 180°위치에 놓이는 것과 동일한 효과를 얻으며, 이때 자력선에 의한 유도기전력은 없어진다.

이후 상대적인 각도의 각 지점에 따라서 유도기전력이 상술한 메카니즘을 반복하면서 변화된다.

구체적으로, 90°지점을 통과한 후부터는 유도기전력이 다시 점점 커지며 135°지점에 도달하면 상대적 회전각도가 45°지점일 때와 같이 자력선의 합이 최대가 되고 135°지점을 통과하면 점점 감소하다가 180°지점에 이르면 유도기전력은 전혀 없게 된다.

다시 상대적 회전각도가 180°지점을 통과한 뒤부터는 유도기전력이 점점 커지며 상대적 회전각도가 225°지점에 이르게 되면 유도기전력에 의한 자력선의 합이 다시 최대가 된다.

상대적 회전각도가 225°지점을 통과하면 유도기전력은 점점 감소하여 270°지점에서 유도기전력은 또 다시 전혀 없게 된다. 270°지점을 통과하면 다시 유도기전력은 점점 커지며 상대적 회전각도가 315°지점에서 유도기전력에 의한 자력선의 합이 최대가 되고 이 지점을 통과하여 0°지점에 도달하게 되면 유도기전력은 전혀 없게 된다.

그리고 상대적 회전각도 0°지점부터 90°지점까지는 유도기전력에 의한 자력선의 합이 나오는 방향(플레밍 오른손 법칙으로 정의되는 나오는 방향) 즉 양(+)의 방향이고, 상대적 회전각도 90°지점에서 180°지점으로 이동하는 동안은 유도기전력에 의한 자력선의 합이 들어가는 방향(플레밍 오른손 법칙으로 정의되는 들어가는 방향) 즉 음의 (-방향)으로 발생한다.

이는 반복적으로 상대적 회전각도 180°지점부터 270°지점까지 역시 유도기전력에 의한 자력선의 합이 나오는 방향 즉 양(+)의 방향이 되며, 다시 상대적 회전각도 270°지점부터 시작하여 360°지점까지는 유도기전력에 의한 자력선의 합이 들어가는 방향 즉 음(-)의 방향으로 발생한다.

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 고효율 발전기에서 생성되는 파형을 설명한다.

즉, 통상의 교류 발전방식에서 1회 진동으로 인한 정현파(sine wave)는 0°지점에서 180°지점까지 유도기전력이 나오는 방향(+방향)과, 180°지점에서 시작하여 360°지점까지 유도기전력이 들어가는 방향(-방향)으로 발생한다.

이러한 일반 발전방식의 정현파(sine wave) 교류는 도 7와 같이 1회 진동에 따른 +방향, -방향이 1회 발생한다.

이와 대비하여 본 발명에 따른 고효율 발전기는 도 8과 같이 동작될 수 있으며, 도 8과 같이 1회 진동에 따른 정현파(sine wave) 교류가 +방향, -방향이 각 2회의 주기로 하여 발생한다.

즉 유도 코어(30b)의 자석의 양측 극과 회전자(30a)의 유도용 코일이 서로 역방향(상대적 역 회전 방향)으로 각각 회전함에 의하여, 제너레이터(30)의 유도 코어(30b)가 1회 회전함에 정현파 교류의 파형이 2회 변환하는 주기로 된다.

그러므로 상대적 회전 각도의 선상에서 기전력에 의한 자력선의 합이 가장 크게 발생함을 알 수 있으며, 상대적 회전각도로 계속하여 회전 운동을 하면 이러한 기전력에 의한 자력선의 합을 가지는 새로운 정현파(sine wave) 교류전기 파형이 계속 얻어지는 것이다.

즉 유도체 자석에 의한 자기장에 대해 회전자의 유도기전력의 크기는 자기장 내의 코일의 회전 속도가 빠르게 됨에 따라서 유도기전력의 세기가 크게 발생되며, 또한 유도체의 1회 회전에 대해 2주기의 교류 신호를 생성하기 때문에 주기가 빨라짐에 따라서 발전 전류의 안정성을 확보할 수 있다. 즉, 고효율의 발전이 보장될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 하기의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고효율 발전기의 실시예를 나타내는 조립도이다.

도 2는 도 1의 메인 풀리의 구성을 나타내는 평면도이다.

도 3은 도 1의 등가 회로도이다.

도 4 내지 도 6은 유도 코어(30b)와 회전자(30a)의 위치에 따른 유도 현상을 설명하기 위한 도면이다.

도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 고효율 발전기에서 생성되는 파형을 설명하기 위한 도면이다.

Claims

자석을 포함하는 유도 코어와 코일을 포함하는 회전자가 외부 회전력에 의하여 회전하여 유도기전력에 의한 정현파 교류 전류를 출력하는 제너레이터;

상기 제너레이터의 상기 유도 코어와 상기 회전자 중 어느 하나와 조립되어 회전되며 상기 정현파 교류 전류가 회전되는 표면에 형성된 두 개의 브러쉬 전극에 공급되는 구성을 갖는 브러쉬; 및

상기 브러쉬의 각 브러쉬 전극과 면접촉하는 한 쌍의 유도 전극을 포함하며, 상기 유도 전극으로 유입되는 상기 정현파 교류 전류를 직류로 변환하여 출력하는 출력 장치를 포함하며,

상기 출력 장치는,

상기 한 쌍의 유도 전극에 포함되는 제 1 유도 전극을 구비하며 제 1 단자를 통하여 상기 제 1 유도 전극으로 공급되는 상기 정현파 교류 전류를 출력하는 제 1 유도 모듈;

상기 한 쌍의 유도 전극에 포함되는 제 2 유도 전극을 구비하며 제 2 단자를 통하여 상기 제 2 유도 전극으로 공급되는 상기 정현파 교류 전류를 출력하는 제 2 유도 모듈;

상기 제 1 유도 모듈과 상기 제 2 유도 모듈로부터 정현파 교류 전류를 공급받고 상기 정현파 교류 전류를 직류 전압으로 변환하여 출력하는 AC/DC 변환기; 및

상기 AC/DC 변환기에서 출력되는 상기 직류 전압을 충전 및 평활한 후 외부에 공급하는 콘덴서를 포함하는 발전기.
제 1 항에 있어서,

상기 제너레이터의 상기 유도 코어와 상기 회전자는 서로 반대 방향으로 회전하는 발전기.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 AC/DC 변환기와 상기 콘덴서는 동일 기판에 실장되는 발전기.
일방향으로 회전력을 제공하는 회전력 제공 수단;

상기 회전력 제공 수단으로부터 전달되는 상기 회전력을 정방향과 역방향 회전력으로 각각 독립적으로 제공하는 회전력 변환 장치;

자석을 포함하는 유도 코어와 코일을 포함하는 회전자가 서로 조립되어 회전하고 상기 회전자는 상기 정방향 회전력에 의하여 정방향 회전하며 상기 유도 코어는 상기 역방향 회전력에 의하여 역방향 회전하고 상기 회전자에 유도기전력이 작용되어 정현파 교류 전류를 출력하는 제너레이터;

상기 제너레이터의 상기 유도 코어와 상기 회전자 중 어느 하나와 조립되어 회전되며 상기 정현파 교류 전류가 회전되는 표면에 형성된 두 개의 브러쉬 전극에 공급되는 구성을 갖는 브러쉬; 및

상기 브러쉬의 각 브러쉬 전극과 면접촉하는 한 쌍의 유도 전극을 포함하며, 상기 유도 전극으로 유입되는 상기 정현파 교류 전류를 직류로 변환하여 출력하는 출력 장치;를 포함하는 발전기.
제 5 항에 있어서,

상기 회전력 제공 수단은 모터, 풍력이나 수력에 의하여 회전력이 발생되는 장치 또는 인력에 의하여 회전력을 제공하는 장치 중 어느 하나를 포함하는 발전기.
제 5 항에 있어서, 상기 회전력 변환 장치는,

상기 제너레이터의 상기 회전자와 결합하는 메인 샤프트와 동일 축에 결합되는 메인 기어 및 메인 풀리; 및

상기 메인 샤프트와 평행하게 구성되는 보조 샤프트에 결합되는 보조 기어 및 보조 풀리;를 포함하며,

상기 메인 기어와 상기 보조 기어는 서로 회전 방향이 반대가 되도록 치차 결합되고,

상기 보조 풀리는 상기 보조 기어의 회전에 동기하여 상기 보조 기어와 동일 방향으로 회전되며,

상기 메인 풀리는 상기 메인 샤프트의 회전으로부터 독립되고 상기 보조 풀리와 벨트로 결합됨으로써 상기 보조 풀리와 동일한 방향으로 회전되고,

상기 보조 풀리는 상기 제너레이터의 상기 유도 코어에 회전력을 전달하는 발전기.
제 7 항에 있어서,

상기 메인 샤프트와 상기 메인 풀리는 정수 배의 회전비를 갖는 발전기.
제 5 항에 있어서, 상기 출력 장치는,

상기 한 쌍의 유도 전극에 포함되는 제 1 유도 전극을 구비하며 제 1 단자를 통하여 상기 제 1 유도 전극으로 공급되는 상기 정현파 교류 전류를 출력하는 제 1 유도 모듈;

상기 한 쌍의 유도 전극에 포함되는 제 2 유도 전극을 구비하며 제 2 단자를 통하여 상기 제 2 유도 전극으로 공급되는 상기 정현파 교류 전류를 출력하는 제 2 유도 모듈;

상기 제 1 유도 모듈과 상기 제 2 유도 모듈로부터 정현파 교류 전류를 공급받고 상기 정현파 교류 전류를 직류 전압으로 변환하여 출력하는 AC/DC 변환기; 및

상기 AC/DC 변환기에서 출력되는 상기 직류 전압을 충전 및 평활한 후 외부에 공급하는 콘덴서;를 포함하는 발전기.
제 9 항에 있어서,

상기 AC/DC 변환기와 상기 콘덴서는 동일 기판에 실장되는 발전기.