KR20020052923A - 교류 전동 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교류 전동 발전기에 관한 것으로, 전동기가 구동하면서 발생되는 유도 전기를 뽑아 쓸 수 있는 전동기와 발전기가 일체형인 교류 전동 발전기를 제공하기 위해서, 고정자의 슬롯에 전동용 권선과 더불어 발전용 권선을 함께 삽입하여 전동용 권선에 공급되는 전원으로 회전자를 회전시켜 동력을 얻고, 회전자가 발전용 권선 주위를 회전함으로 발전용 권선으로 유도되는 전기를 인출할 수 있는 교류 전동 발전기를 제공한다. 그리고, 고정자의 슬롯에 전동용 권선을 먼저 내설한 다음, 전동용 권선이 내설된 슬롯에 발전용 권선을 내설하는 것이 바람직하며, 전동용 권선과 발전용 권선 사이는 서로 절연된다.

Description

교류 전동 발전기{AC motor generator}

본 발명은 교류 전동기를 구동하는 과정에서 발생되는 유도 전기를 뽑아 사용할 수 있는 교류 전동 발전기에 관한 것이다.

일반적인 발전기는 코일과 자석을 포함한다. 먼저 기계적인 에너지 예컨대, 화력이나 수력으로 회전력을 얻고 이 회전력으로 회전축에 달려있는 자석을 회전시켜서 자석 주위에 있는 코일이 받는 자기장의 세기가 계속적으로 변화도록하여 코일에 전류가 유도되도록 만든 것이다. 즉, 발전기는 기계에너지를 전기에너지로 바꾸는 장치이다.

반면에 전동기는 발전기와 똑같이 코일과 자석을 포함한다. 코일에 전류가 흐르므로 인하여 전류에 의한 자기장이 생겨서 이것이 원래의 자기장과의 상호작용으로 힘이 생기는데, 이 힘으로 축을 회전시킨다. 즉, 전동기는 전기에너지를 기계에너지로 바꾸는 장치이다.

전동기는 소형에서 초대형에 이르기까지 예컨대, 가정용 선풍기, 드라이기, 믹서기, 냉장고, 에어콘, 모든 공장 기계에 이르기까지 전기에 의한 동력을 얻는 모든 장치와 기계에 쓰인다. 소형은 영구자석사이에 코일이 있고 이 코일이 회전축을 구성한다. 중대형은 회전축에 영구자석이 달려 있고 자석이 회전하게 되는 주위에 코일을 여러개 배치시켜서 연속적으로 힘을 받도록 되어 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 전동기에 공급되는 전기에너지는 회전자를 돌리는 기계에너지로 소모되지만, 발전기와 마찬가지로 회전자가 돌면서 자기 유도에 의한 유도 기전력이 별도로 생성되는 점에 주목하여, 전동기가 구동하면서 발생되는 유도 전기를 뽑아 쓸 수 있는 전동기와 발전기가 일체형인 교류 전동 발전기를 제공하는 데 있다.

도 1은 본 발명에 따른 교류 전동 발전기를 보여주는 블록도이다.

도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 유도형 교류 전동 발전기를 보여주는 개략적인 회로도이다.

도 3은 도 2의 유도형 교류 전동 발전기를 보여주는 분해 사시도이다.

도 4는 도 3의 고정자의 슬롯에 전동용 권선과 발전용 권선이 내설된 상태를 보여주는 평면도이다.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 동기형 교류 전동 발전기를 보여주는 개략적인 회로도이다.

도 6은 도 5의 동기형 교류 전동 발전기를 보여주는 분해 사시도이다.

도 7은 도 6의 고정자 슬롯에 전동용 권선과 발전용 권선이 내설된 상태를 보여주는 평면도이다.

도 8 내지 도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고정자의 슬롯에 전동용 권선과 발전용 권선이 내설된 상태를 보여주는 평면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *

10, 110 : 회전자 13, 113 : 회전축

15, 115 : 성층철심 19, 119 : 농형권선

20, 120 : 고정자 21, 121 : 회전자공

23, 123 : 슬롯 24, 124 : 코아

25, 65, 75, 85 : 전동용 권선 26, 126 : 절연지

27, 67, 77, 87 : 발전용 권선 30, 130 : 전원 공급부

40, 140 : 전원 인출부 100, 200 : 교류 전동 발전기

117 : 계자극 150 : 여자기

상기 목적을 달성하기 위하여, 고정자의 슬롯에 전동용 권선과 더불어 발전용 권선을 함께 삽입하여 전동용 권선에 공급되는 전원으로 회전자를 회전시켜 동력을 얻고, 회전자가 발전용 권선 주위를 회전함으로 발전용 권선으로 유도되는 전기를 인출할 수 있는 교류 전동 발전기를 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시 양태에 있어서, 고정자의 슬롯에 먼저 전동용 권선을 내설한 다음, 전동용 권선이 내설된 슬롯에 발전용 권선을 함께 내설하는 것이 바람직하며, 전동용 권선과 발전용 권선 사이에는 절연지가 개재된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자한다.

도 1은 본 발명에 따른 교류 전동 발전기(100)를 보여주는 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 교류 전동 발전기(100)는 회전자(10), 고정자(20), 전원 공급부(30) 및 전원 인출부(40)를 포함한다. 고정자(20)에는 전동용 권선(25)과 발전용 권선(27)이 함께 내설되며, 전동용 권선(25)은 전원공급부(30)와 연결되고, 발전용 권선(27)은 전원 인출부(40)와 연결된다. 전원공급부(30)는 예컨대, 3상교류전원을 공급하고, 전원인출부(40)는 3상교류전원을 인출한다.

따라서, 고정자의 전동용 권선(25)에 흐르는 3상교류전원에 의해 발생되는 회전 자기장과, 이 회전 자기장에 의해 회전자(10)에 발생되는 유도 전류와의 상호작용에 의해 발생되는 회전력으로 회전자(10)가 회전하게 된다. 더불어 회전자(10)가 회전하면서 발전용 권선(27)에 유도 전압을 유기시켜 전원인출부(40)로 3상교류전원이 인출된다.

즉, 본 발명에 따른 교류 전동 발전기(100)는 전원공급부(30)로부터 공급되는 전원을 공급받아 회전자(10)를 돌려 동력을 얻는 점에서 교류 전동기의 역할을 수행하고, 동시에 회전자(10)가 고정자(20) 주위를 회전하면서 전기를 발전하는 점에서 교류 발전기의 역할도 함께 수행한다.

본 발명의 구체적인 제 1 실시예에 따른 유도형 교류 전동 발전기(100)를 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 교류 전동 발전기(100)는 유도 전동기에 발전기로서의 역할을 함께 수행할 수 있도록 개량한 것이다. 이때, 제 1 실시예에 따른 교류 전동 발전기(100)에서는 고정자(20)에만 전원이 접속되어 있고, 회전자(10)는 유도에 의하여 동작한다.

회전자(10)는 회전축(13)에 압착된 성층철심(15)위에 피복되지 않은 동봉이나 알루미늄의 주물을 슬롯 속에 넣어 농형권선(19)이 형성되어 있다.

고정자(20)는 회전자(10)가 내부에 일정 간격을 두고 설치되도록 회전자공(21)이 중앙을 관통하여 형성되고 회전자공(21)의 둘레에 다수개의 슬롯(23)이 형성된 복수의 강판을 회전자(10)의 축선방향을 따라 절연적층하여 형성되는 코아(24)와, 코아의 슬롯(23)에 내설되는 권선(26)을 포함한다. 권선(26)은 전동용 권선(25)과 발전용 권선(27)을 포함하며, 슬롯(23)에 권선(26)을 내설하기 전에 제 1 절연지(28)를 먼저 슬롯(23)에 내설한 다음 전동용 권선(25)과 발전용 권선(27)을 차례로 내설한다. 물론, 전동용 권선(25)과 발전용 권선(27) 사이에는 제 2 절연지(29)가 개재된다.

본 발명의 실시예에서는 코아의 슬롯(23)에 전동용 권선(25)과 발전용 권선(27)이 함께 내설되며, 전동용 권선(25)을 먼저 내설한 다음 제 2 절연지(29)를 개재한 상태에서 발전용 권선(27)이 내설된다. 즉, 회전자(10)를 중심으로 가까운쪽에 발전용 권선(27)이 배치되고, 먼쪽에 전동용 권선(25)이 배치된다. 이와 같이 전동용 권선(25) 앞에 발전용 권선(27)을 배치한 이유는, 회전자(10)에 가까울수록 세기가 강한 유도 전기를 회전자(10)로부터 인출할 수 있기 때문이다.

한편, 코아의 슬롯(23)에 전동용 권선(25)과 발전용 권선(27)이 내설될 때, 3상의 각 상이 1개의 권선인 예는 없으며 적어도 몇 개의 권선을 사용하기 때문에, 코아의 슬롯(23)수는 24, 36, 48, 64 등이며 많은 것은 수백에 달한다. 각 상의권선은 공간에서 120°씩 이동시켜서 배치한다. 권선으로는 지름이 0.025mm 내지 3.2mm의 둥근 구리선이 일반적으로 사용된다.

그리고, 코아의 슬롯(23)에 권선(26)을 결선하는 방법에 따라서 2극, 4극, 6극, 8극, 10극, 12극의 회전자계를 만들 수 있으며, 극수가 많을수록 회전자기장의 속도가 늦어지며, 이에 따라서 회전자는 저속도로 회전한다. 권선(26)을 결선하는 방법으로는 성형결선(star-connection, Y-connection) 방법과 델타결선(delta-connection) 방법이 이용된다.

예컨대, 전동용 권선(25)을 3상 4극으로 결선한 경우에, 발전용 권선(27) 또한 3상 4극으로 결선할 수도 있지만, 바람직하게는 전동용 권선(25)의 극보다는 많은 극으로 결선하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 동일한 극으로 전동용 권선(25)과 발전용 권선(27)을 결선한 경우, 교류 전동 발전기(100)가 구동하는 과정에서 많은 열이 발생하는 데 반하여 전동용 권선(25)의 극보다는 많은 극으로 발전용 권선(27)을 결선한 경우에 발생되는 열을 최소화하면서 3상 인출 전원의 인출을 극대화할 수 있다.

한편, 권선(26)을 결선하는 방법과, 권선(26)을 결선하는 방법에 따라 다양한 회전자계를 형성한다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 당연히 알 수 있는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 유도형 교류 전동 발전기(100)의 동작 상태를 설명하면, 고정자의 전동용 권선(25)에 3상교류전원을 공급하면 3상교류전원에 의해 발생되는 회전 자기장과, 이 회전 자기장에 의해 회전자(10)에 발생되는 유도 전류와의 상호작용에 의해 발생되는 회전력으로 회전하게 된다. 더불어 회전자(10)의 회전으로 발전용 권선(27)으로 유도되는 유도 전류는 발전용 권선(27)으로 인출된다. 물론, 전동용 권선(25)에 공급되는 3상교류전원에 비하여 약한 3상교류전원이 발전용 권선(27)을 통하여 인출된다.

한편, 인출되는 3상교류전원에서 단상 전력을 필요로 할 때는 세 개의 리이드선 중 두 개의 리이드선만을 사용하고, 성형결선이면 중성점과 리이드선 하나만을 사용한다. 2상을 필요로 하면 3상에서 2상권선으로 전환하면 된다.

다음으로 본 발명의 구체적인 제 2 실시예에 따른 동기형 교류 전동 발전기(200)를 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 교류 전동 발전기(200)는 동기 전동기에 발전기로서의 역할을 함께 수행할 수 있도록 개량한 것이다. 이때, 제 2 실시예에 따른 동기형 교류 전동 발전기(200)는 고정자(120)쪽은 전술된 유도형 교류 전동 발전기와 동일한 구조를 갖지만, 회전자(110)는 직류 여자되는 자극을 갖는다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 교류 전동 발전기(200)는 회전자(110), 고정자(120), 전원 공급부(130) 및 전원 인출부(140)를 포함한다. 고정자(120)에는 전동용 권선(125)과 발전용 권선(127)이 함께 내설되며, 전동용 권선(125)은 전원공급부(130)와 연결되고, 발전용 권선(127)은 전원 인출부(140)와 연결된다. 전원공급부(130)는 예컨대, 3상교류전원을 공급하고, 전원인출부(140)는 3상교류전원을 인출한다.

따라서, 고정자의 전동용 권선(125)에 흐르는 3상교류전원에 의해 발생되는회전 자기장과, 이 회전 자기장에 의해 회전자(110)에 발생되는 유도 전류와의 상호작용에 의해 발생되는 회전력으로 회전하게 된다. 그 회전속도가 동기속도보다 약간 낮은 점에 이르렀을 때, 회전자(110)를 직류전원으로 직류여자하면 회전자(110)상에 고정자극(definite magnetic pole)이 발생한다. 회전자(110)에 발생한 자극과 고정자(120)에 발생한 회전 자극 사이에는 자기적인 인력이 작용해서 결합하게 되면 회전자(110)는 회전자계와 동일한 속도로 회전을 계속한다. 또한, 직류여자된 회전자(110)에서 발생되는 자기장이 발전용 권선(127)을 절단하게 되므로 발전용 권선(127)에 유도 전압이 유기되어 전원인출부(140)로 3상교류전원이 인출된다.

즉, 제 2 실시예에 따른 동기형 교류 전동 발전기(200)는 전원공급부(130)로부터 공급되는 전원을 공급받아 회전자(110)를 돌려 동력을 얻는 점에서 교류 전동기의 역할을 수행하고, 동시에 회전자(110)가 고정자(120) 주위를 회전하면서 전기를 발전하는 점에서 교류 발전기의 역할도 함께 수행한다.

도 6 및 도 7을 참조하여 제 2 실시예에 따른 동기형 교류 전동 발전기(200)를 좀더 상세히 설명하면, 회전자(110)는 회전축(113)에 압착된 성층철심(115)위에 피복되지 않은 동봉이나 알루미늄의 주물을 슬롯 속에 넣어 농형권선(119)이 형성된 농형 회전자로서, 직류전동기의 계자극과 비슷한 돌출 계자극(117)을 가지고 있다. 계자극(117)은 직류전원을 공급받아 직류여자된다. 예컨대, 계자극(117) 위에 권선한 계자 코일은 극성이 교대로 발생하도록 직렬로 결선하여 회전축(113) 상에 취부한 슬립 링(112; slip ring)을 통해서 외부로 리이드선을 뽑는다.계자극(117)은 소형 직류 발전기 또는 브러시가 없는 여자기(150; brushless exciter)에 의하여 공급되는 직류전원에 의하여 여자된다.

통상적인 동기 전동기의 경우 직류 발전기를 전동기의 회전축에 부착하여 회전자계를 여자시킨다. 한편, 회전자(110)로서 전술된 농형 회전자 이외에, 성층철심에 3상권선이 내설된 권선형 회전자나, 영구자석이 내설된 회전자로 구현할 수도 있다.

고정자(120)는 전술된 제 1 실시예에 따른 유도형 교류 전동 발전기의 고정자 구조와 동일하기 때문에 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 실시예에 따른 교류 전동 발전기(200)의 동작 상태를 설명하면, 고정자의 전동용 권선(125)에 3상교류전원을 공급하면 3상교류전원에 의해 발생되는 회전 자기장과, 여자기(150)에 의해 직류여자된 회전자(110)와의 상호작용에 의해 발생되는 회전력으로 회전자(110)를 회전시켜 동력을 얻는다. 더불어, 직류여자된 회전자(110)의 회전으로 발생되는 유도 전류는 발전용 권선(127)으로 인출한다. 물론, 전동용 권선(125)에 공급되는 3상교류전원에 비하여 약한 3상교류전원이 발전용 권선(127)을 통하여 인출된다.

한편, 인출되는 3상교류전원에서 단상 전력을 필요로 할 때는 세 개의 리이드선 중 두 개의 리이드선만을 사용하고, 성형결선이면 중성점과 리이드선 하나만을 사용한다. 2상을 필요로 하면 3상을 2상권선으로 전환하면 된다.

본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에서는 고정자의 슬롯에 전동용 권선과 발전용 권선을 함께 내설하였지만, 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 전동용 권선과 발전용 권선을 교대로 내설할 수도 있다. 도 8은 전동용 권선(65) 한 다발에 발전용 권선(67) 한 다발이 교대로 슬롯(23)에 내설된 상태를 도시하고 있고, 도 9는 전동용 권선(75) 두 다발에 발전용 권선(77) 두 다발이 교대로 슬롯(23)에 내설된 상태를 도시하고 있고, 도 10은 전동용 권선(85) 세 다발에 발전용 권선(87) 세 다발이 교대로 슬롯(23)에 내설된 상태를 도시하고 있다. 이때, 권선 한 다발이 한 슬롯에 내설된다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 예컨대, 본 발명의 실시예 교류 전동 발전기는 중대형으로, 고정자에 전동용 권선과 발전용 권선을 내설되고, 자석에 대응되는 부분이 회전자를 구성하지만, 반대로 소형의 경우 고정자에 자석을 배치하고 회전자에 전동용 권선과 발전용 권선을 내설하여 교류 전동 발전기를 구현할 수도 있다. 이때, 회전자에 내설된 발전용 권선을 통하여 전기를 인출할 수 있다.

따라서, 본 발명의 구조를 따르면 고정자의 슬롯에 전동용 권선과 더불어 발전용 권선을 함께 삽입하여 전동용 권선에 공급되는 전원으로 회전자를 회전시켜 동력을 얻고, 회전자가 발전용 권선 주위를 회전함으로 발전용 권선으로 유도되는 전기를 인출하여 사용함으로써, 에너지 효율을 높일 수 있다.

그리고, 와류로 작용할 수 있는 회전자에서 발생되는 유도 전기를 발전용 권선을 통하여 인출함으로써, 회전자의 안정적인 회전을 유도할 수 있는 장점도 있다.

Claims (6)

1. 회전자와;

   상기 회전자가 내부에 일정 간격을 두고 설치되도록 회전자공이 중앙을 관통하여 형성되고, 상기 회전자공의 둘레에 다수개의 슬롯이 형성된 코아와, 상기 코아의 슬롯에 내설되며 전원을 공급받아 상기 회전자를 회전시키는 전동용 권선과, 상기 코아의 슬롯에 내설되며 상기 회전자가 회전하면서 유도되는 전기를 인출하는 발전용 권선을 포함하는 회전자; 및

   상기 전동용 권선과 발전용 권선을 절연하는 절연지;를 포함하는 것을 특징으로 하는 교류 전동 발전기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 코아의 슬롯에 상기 전동용 권선과 발전용 권선이 함께 내설된 것을 특징으로 하는 교류 전동 발전기.
3. 제 2항에 있어서, 상기 회전자를 중심으로 가까운쪽에 상기 발전용 권선이 배치되고, 먼쪽에 전동용 권선이 배치되는 것을 특징으로 하는 교류 전동 발전기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 코아의 슬롯에 상기 전동용 권선과 발전용 권선이 교대로 내설된 것을 특징으로 하는 교류 전동 발전기.
5. 제 1항에 있어서, 상기 회전자는 농형, 권선형, 자계형 회전자인 것을 특징으로 하는 교류 전동 발전기.
6. 제 1항 내지 제 5항의 어느 한 항에 있어서, 상기 코아의 슬롯에 상기 전동용 권선이 3상 n극(n:자연수)으로 결선된 경우, 상기 발전용 권선은 적어도 3상 n극 이상으로 결선된 것을 특징으로 하는 교류 전동 발전기.