KR100630323B1

KR100630323B1 - 고효율 전기모터의 구조

Info

Publication number: KR100630323B1
Application number: KR1020050001647A
Authority: KR
Inventors: 조정원; 조종현
Original assignee: 조정원; 조종현
Priority date: 2005-01-07
Filing date: 2005-01-07
Publication date: 2006-10-02
Also published as: KR20060081179A

Abstract

본 발명의 전기모터는, 실린더 형태의 내부를 이루는 하우징; 상기 하우징 내부에 수납되며 회전가능한 기둥형의 회전자; 상기 회전자의 중심에 고정되어 회전자의 회전력을 외부로 추출하는 샤프트축; 서로 등각도로 이격되어 상기 하우징의 벽면에 고정되는 것으로서, 그 두 자극면 중 어느 한 자극면은 상기 하우징의 중심부를 향하도록 자화된 적어도 2개 이상의 하우징 영구자석; 상기 하우징 영구자석과 인접했을 때 서로 인력(引力) 또는 척력(斥力)을 미치도록 자화된 것으로서 상기 회전자 표면에 고정되는 적어도 2개 이상의 회전자 영구자석; 상기 하우징 영구자석의 두 자극면 중 하우징 중심부를 향하는 자극면에 대응하게 상기 하우징 영구자석 및 상기 회전자 영구자석 사이에 배치되고 상기 하우징에 고정되는 것으로서, 주입되는 전류 방향에 따라 상기 하우징 영구자석의 자기력선과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 자기력선을 생성할 수 있는 전자석; 상기 전자석에 공급되는 전류를 제어하는 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고효율 전기모터의 구조{A STRUCTURE OF HIGH EFFICIENT ELECTRIC MOTOR}

도 1은 종래의 고효율 모터 도면.

도 2는 본 발명의 추측되는 배경 원리를 설명한 도면.

도 3은 본 발명의 기본적인 실시예를 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 기본적인 실시예의 회전을 단계적으로 설명한 도면.

도 5 및 도 6은 상기 실시예에 대한 전류 파형을 도시한 도면.

도 7은 척력을 이용한 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면.

도 8은 회전자 영구자석수가 줄어든 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면.

도 9는 상기 도 8의 실시예의 회전을 단계적으로 설명한 도면.

도 10은 상기 실시예에 대한 전류 파형을 도시한 도면.

도 11 및 도12는 회전자 영구자석이 기울어져 한쪽이 돌출된 본 발명의 또 다른 실시예를 설명한 도면.

도 13은 필드강화 영구자석이 부착된 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면.

도 14는 상기 필드강화 영구자석의 작동 방식을 단계적으로 설명한 도면.

도 15는 외곽의 하우징이 회전하는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도 면.

도 16은 다수 개의 링으로 구성된 하우징으로 가진 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면.

도 17은 열 단위로 서로 엇갈리게 고정된 회전자 영구자석을 구비한 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 도면.

본 발명은 고효율 전기모터의 구조에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는 영구자석 및 전자석간의 반발력을 이용하여 입력 대비 출력 효율이 향상된 고효율 전기모터의 구조에 관한 것이다.

잘 알려져 있듯이, 일반적인 전기 모터의 작동원리는, 브러쉬(brush)를 통해 회전자(rotor)에 전류가 입력되고 그 전류에 의해 유도되는 자기장이 모터의 하우징에 고정 배치된 전기자(stator)와의 반발력을 만들어 내면, 이 반발력에 의해 회전자가 회전하며 동력을 만들어 내는 것이다.

이러한 종래 전기모터는 회전자의 회전시 발생하는 기계적인 마찰과 자기장 생성 및 변환에 따른 코어 손실 등으로 입력된 전력의 상당량이 회전력으로 전환되지 못하고 소모된다.

따라서 오래전부터 이러한 전기모터의 효율을 향상시키기 위해서 회전자와 고정자간의 위치 및 형태를 변경시키거나 부품의 정밀도 등을 향상시키는 노력을 경주해 왔다.

그 몇 가지 예를 들면, 도 1a에 도시된 미국특허 5109172호는 내주연에는 고 자속밀도와 고 릴럭턴스를 발생시키고 외주연에는 저 누설자속과 저 릴럭턴스를 발생시키도록 영구자석 구조를 개선하여, 보다 힘이 있고 효율도 크며 같은 크기의 종래 직류모터 보다 소음이 적은 직류모터에 관한 기술이다.

일본특허 2924122호는 정류자편의 섭동부측면의 내경측의 일부에 요부 단차를 마련하여 몰드 금형내에 설치가 쉽고, 절삭시에는 정류자 외주부의 철부만 얕은 가공을 하도록 하였고, 미국특허 6255754호는 전기자에 의해 발생되는 변화하는 자속이 링을 통과하면 렌쯔의 법칙에 의해 링 내부에 카운터 자속이 생기게 되고 이 커운터 자속이 변화하는 자속에 더해져 결과적으로 전체자속은 일정하게 되어 영구자석 전기모터의 내부 구성에 적용되는 변화하는 자속에 의해 야기되는 소음과 진동을 줄이게 하였다.

도 1b에 도시된 미국특허 6194799호는 비교적 낮은 회전 속도에서 고전력 대 하중비를 가지는 직류 영구자석 전기모터로서 직류영구자석 모터 내에서 영구자석 물질의 이용을 증가시키는 수단을 제공하여, 비교적 낮은 회전 속도에서 모터 전력을 증가시키도록 구동되는 큰 직경의 평면 회전자를 제공함과 동시에 공랭을 제공하여 과도한 노이즈와 과열 그리고 내부 공기압 손실 등을 제거하였다.

하지만, 이러한 종래의 노력에도 불구하고 아직 전기모터 자체가 가진 입력 대비 출력 효율은 약 80% 정도가 최고인 상황이므로, 본 발명은 이러한 종전의 전기모터 구조에 있어서 새로운 방식을 채용하여 그 효율 또는 역율을 향상시키고자 하는 목적으로 개발되었다.

전술한 것처럼 본 발명은 전기모터의 효율을 향상시키고자 하는 것으로서, 구체적으로는 2개의 영구자석과 그 사이에 배치된 전자석의 인력 및 척력을 제어하여 입력 대비 출력 효율이 향상된 새로운 전기모터의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 전기모터는, 실린더 형태의 내부를 이루는 하우징; 상기 하우징 내부에 수납되며 회전가능한 기둥형의 회전자; 상기 회전자의 중심에 고정되어 회전자의 회전력을 외부로 추출하는 샤프트축; 서로 등각도로 이격되어 상기 하우징의 벽면에 고정되는 것으로서, 그 두 자극면 중 어느 한 자극면은 상기 하우징의 중심부를 향하도록 자화된 적어도 2개 이상의 하우징 영구자석; 상기 하우징 영구자석과 인접했을 때 서로 인력(引力) 또는 척력(斥力)을 미치도록 자화된 것으로서 상기 회전자 표면에 고정되는 적어도 2개 이상의 회전자 영구자석; 상기 하우징 영구자석의 두 자극면 중 하우징 중심부를 향하는 자극면에 대응하게 상기 하우징 영구자석 및 상기 회전자 영구자석 사이에 배치되고 상기 하우징에 고정되는 것으로서, 주입되는 전류 방향에 따라 상기 하우징 영구자석의 자기력선과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 자기력선을 생성할 수 있는 전자석; 상기 전자석에 공급되는 전류를 제어하는 스위치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 회전자 영구자석은 모두 3개로서 서로 120°간격으로 상기 회전자 표면에 고정되고, 상기 하우징 영구자석은 모두 합쳐서 3의 배수개이거나 상기 회전자 영구자석이 모두 4개로서 서로 90°간격으로 상기 회전자 표면에 고정되고, 상기 하우징 영구자석은 모두 합쳐서 4의 배수개일 수 있다.

또한, 상기 회전자 영구자석은 판상형으로서 상기 회전자 표면에 대비해 볼 때 비스듬하게 기울어져 고정되어 판상형 측면이 타 측면보다 더욱 돌출된 것일 수 있다..

또한, 상기 회전자의 회전방향을 기준으로 상기 회전자 영구자석의 후방에 배치되고, 상기 회전자 영구자석의 표면이 가진 극성과 동일한 극성을 가진 자화면이 상기 회전자 표면의 접선 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 자기장을 분출하는 필드강화 영구자석을 추가로 포함하는 구조도 가능하다.

상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석은 서로 동일한 방향으로 자화되어 인접했을 때 서로 인력을 미치는 경우, 상기 전자석에 전류가 공급되어 만들어지는 자기력선은, 상기 전자석에 최근접해 있던 회전자 영구자석이 상기 회전자의 회전에 의해 소정 거리 이상 멀어질 때까지 상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석의 자기력선을 상쇄시키는 방향으로 생성되고, 상기 회전자의 회전에 의해 상기 전자석에 또 다른 회전자 영구자석이 소정 거리 이상 근접해오면 이 전자석에 전류 공급을 중단하여 제거되는 방식으로 작동할 수 있다.

상기에서 상기 회전자의 회전에 의해 상기 전자석에 또 다른 회전자 영구자석이 소정 거리 이상 근접해오면 상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석의 자기 력선이 도리어 강화시키는 방향으로 생성되는 것도 가능하다.

상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석은 서로 반대 방향으로 자화되어 인접했을 때 서로 척력을 미치는 경우, 상기 전자석에 전류가 공급되어 만들어지는 자기력선은, 상기 회전자의 회전에 의해 상기 전자석에 회전자 영구자석이 소정 거리 이상 근접해오면 상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석의 자기력선을 상쇄시키는 방향으로 생성되고, 상기 전자석에 최근접해 있던 회전자 영구자석이 상기 회전자의 회전에 의해 소정 거리 이상 멀어질 때까지 상기 전자석에 전류 공급을 중단하여 제거되는 방식으로 작동할 수 있다.

상기에서 전자석에 최근접해 있던 회전자 영구자석이 상기 회전자의 회전에 의해 소정 거리 이상 멀어질 때까지 상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석의 자기력선을 강화시키는 방향으로 생성되는 것도 가능하다.

상기 샤프트축에는 회전 관성을 부여하기 위한 플라이휠이 추가적으로 부착될 수 있으며, 상기 하우징은 다수 개의 링 형태이고 상기 하우징 영구자석, 전자석 및 회전자 영구자석들도 이에 대응하도록 다수 개로 이루어진 것일 수 있다.

또는 상기 회전자를 둘러싸는 회전자 영구자석들 열(列)단위로 인접한 회전자 영구자석 열과 서로 엇갈리게 회전자 영구자석이 회전자에 고정되어 회전자가 좀 더 부드럽게 회전하도록 구성하는 것도 가능하다.

상기 하우징 영구자석 및 전자석 중 적어도 어느 하나는 하우징 내벽이나 외벽에 고정된다.

본 발명은 또한, 실린더 형태의 내부를 이루며 회전가능한 하우징; 상기 하 우징 내부에 수납되며 인접한 지지수단에 고정되는 기둥형의 고정자; 상기 하우징의 중심부에 고정되어 하우징의 회전력을 외부로 추출하는 샤프트축; 서로 등각도로 이격되어 상기 하우징의 벽면에 고정되는 것으로서, 그 두 자극면 중 어느 한 자극면은 상기 하우징의 중심부를 향하도록 자화된 적어도 2개 이상의 하우징 영구자석; 상기 하우징 영구자석과 인접했을 때 서로 인력(引力) 또는 척력(斥力)을 미치도록 자화된 것으로서 상기 고정자 표면에서 상기 전자석 하부에 고정되는 적어도 2개 이상의 고정자 영구자석; 상기 하우징 영구자석의 두 자극면 중 하우징 중심부를 향하는 자극면에 대응하게 상기 하우징 영구자석 및 상기 고정자 영구자석 사이에 배치되도록 상기 고정자에 고정되는 것으로서, 주입되는 전류 방향에 따라 상기 하우징 영구자석의 자기력선과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 자기력선을 생성할 수 있는 전자석; 상기 전자석에 공급되는 전류를 제어하는 스위치;를 포함하여 하우징이 회전하는 형태도 가능하다. .

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 대해서 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 전기모터가 가진 특징을 설명할 수 있는 기술적인 배경을 도시한 것이다. 하지만, 이하에서 설명되는 이론은 본 발명자가 예상하는 것일 뿐, 본 발명이 이 이론에만 국한되는 것은 아니다.

도 2a에서, 일반적인 두 영구자석이 서로 대향한 경우, 두 자석 사이에는 도시된 것과 같은 자기력선이 생긴다. 또한 자기력선의 방향에 있어서 만약 대향하는 두 극(pole)이 서로 다른 극이라면 두 극 사이에는 인력(引力)이 발생하여 서로 끌 어당기지만, 서로 같은 극이라면 두 극 사이에는 척력(斥力)이 발생하여 서로 밀어낸다는 것은 잘 알려진 상황이다.

도 2b는 전술한 두 영구자석(210-A, 210-B)이 자기장 세기(B1)만큼 인력을 발생시켜 서로 끌어당기는 상황에서, 그 사이에 코일로 감은 솔레노이드형 전자석(220)을 삽입하는 과정을 도시한 것이다. 삽입되는 전자석(220)은 스위치(SW)가 온(on) 되면 도시된 것처럼 두 영구자석(210-A, 210-B)의 대향면에 척력을 일으키는 방향, 즉 B1과는 반대방향으로 유도 자기장(B2)을 발생시키는 것으로서, 이러한 자기력선 방향은 알려진 것처럼 권선이 감긴 방향과 전류의 주입 방향에 의해 결정되는 것이다.

도 2c는 전술한 전자석(220)이 두 영구자석 사이에 삽입된 후의 상태를 도시한 것이다. 삽입된 전자석의 스위치(SW)를 닫으면 예상한 대로 두 영구자석과 척력을 일으키는 방향으로 자기력선이 발생하므로 어느 정도 시간이 지난 후에 그 중심부에는 영구자석과 전자석으로부터 각각 발생한 자기력선이 서로 상쇄되는 상쇄공간이 나타난다. 즉, 전자석의 중심부 전체, 또는 적어도 그 중심의 일부는 자기력선이 존재하지 않게 되며 따라서 인력이나 척력을 느끼지 못하는 영역인 상쇄공간이 만들어진다.

하지만, 이 전자석(220)의 외경 바깥 부분에는 여전히 인력이 존재하는 상태이다.

따라서 상기 도 2c의 상태에서 영구자석들(210-A, 210-B)은 마주보는 중심부에서는 서로를 끌어당기지 못하고 때로는 전자석에 의한 척력을 느껴 서로 비껴나 고자 하는 경향마저 있는 반면에, 전자석의 좌우 측면에서는 강한 인력을 느끼는 상황이므로, 전자석과의 관계에서 서로의 중심이 약간이라도 어긋나면 곧 바로 현재 상태를 이탈해서 좌우의 인력에 의해 움직이게 된다. 즉, 도 2c는 영구자석들이 항상 좌우로 움직일 가능성이 존재하는, 불안정한 준안정 상태(metastable state)는 상태라 할 수 있다. 따라서 이 때는 조금만 힘을 주어도 영구자석들 중 하나는 좌우로 움직이게 된다.

또한 삽입된 전자석의 자기장 세기(B2)가 전자석 중심부의 적어도 일부분에 위아래 배치된 영구자석의 자기력선을 무력화시킨 상쇄공간을 만들 정도의 소정 크기 이상이 되면, 두 영구자석이 서로 끌어당기는 자기장 세기(B1)가 아무리 크더라도 도 2c와 같은 준안정 상태, 즉 조금이라도 중심이 어긋나면 좌우의 힘에 의해 언제든지 움직일 수 있는 상태가 항상 만들어진다는 것이다.

본 발명은 이러한 상황을 이용하여 고효율의 모터 구조를 신규로 개발한 것이다.

도 3은 본 발명의 모터에 대한 기본적인 실시예를 나타낸 도면으로서, 도 3a는 그 외관에 대한 사시도이고 도 3b는 도 3a의 A-A'에 대한 단면도이다.

모터(300)는 내부가 빈 실린더형의 하우징(302) 내부에 회전가능한 원기둥형의 회전자가 수납되고 이 회전자의 중심에 고정되어 회전자를 상기 하우징에 회전가능하도록 지지하는 샤프트축(306)이 있는 것으로서, 이는 일반적인 모터와 동일, 유사하다.

실린더형인 하우징(302)은 일반적인 강철이나 스테인레스 또는 주철 등 내부 구성을 단단하게 결속할 수 있는 재료로 만들어지며, 전기적, 자기적 성질때문에 특별히 그 재료적 구성이 제한되지는 않는다.

또한 하우징(302) 내부 벽면에는 그 원주를 돌아가며 영구자석(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)들이 고정 배치되어 있는데, 이는 일반적인 강자성 재료로 만들어지며 그 예로는 철계(Fe), 니켈(Ni) 또는 코발트(Co) 등의 산화물 및 그 합금들이 있다.

도면에는 동일한 구성을 가진 총 8개의 영구자석이 도시되어 있으나 이 갯수는 단순한 예시일 뿐이며, 적어도 2개 이상의 하우징 영구자석이면 본 발명에 적용가능하다. 또한 이 영구자석들은 서로 등각도로 이격되어 상기 하우징의 벽면에 고정되는 것이다.

상기 영구자석들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)의 자화 방향은 모두 동일하며 자기장 방향이 상기 하우징의 중심으로 향하도록 구성된다. 즉, 상기 영구자석들 중 하나인 영구자석 1에 예시적으로 도시된 것처럼, 상기 영구자석들은 하우징의 회전 중심점을 향한 면이 모두 N극으로 자화되고 동시에 하우징의 바깥면을 향하는 면은 모두 S극으로 자화된 상태일 수 있다. 또한 도시된 것과 반대로 중심점을 향한 면이 S극, 그 반대면이 N극으로 자화된 상태 역시 가능한데, 이하에서는 설명의 일관성을 위해 도시된 상태인, 중심점을 향한 면이 N극, 그 반대면이 S극인 상태만을 예로 들어 설명한다.

상기 중심부에는 회전가능한 기둥형의 회전자(304)가 있으며 이 회전자의 중심에는 샤프트축(shaft axis, 306)이 고정되어 회전자와 함께 회전하도록 구성되어 있다.

상기 회전자(304)의 표면에는 영구자석들(A, B, C, D, E, F, G, H)들이 고정 부착되어 있다. 이하에서는 구분을 위해, 하우징 벽면에 배치된 영구자석들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)을 “하우징 영구자석”으로, 회전자(304) 표면의 영구자석들(A, B, C, D, E, F, G, H)을 “회전자 영구자석”이라 칭한다.

도 3에 도시된 실시예에서 상기 회전자 영구자석들의 자화 방향은 상기 하우징 영구자석의 자화 방향과 일치한다. 즉, 예로서, 회전자 영구자석 A에 도시된 바와 같이 하우징의 중심부를 향한 면은 N극으로, 그 반대면은 S극으로 자화되는 등이다. 이처럼 회전자 영구자석과 하우징 영구자석은 그 자화방향들이 일치하면 두 영구자석은 서로 인력을 미치게 된다.

상기 회전자 영구자석들(A, B, C, D, E, F, G, H)은 상기 회전자(304)가 회전함에 따라 함께 회전함은 당연한 일이다.

상기 하우징 영구자석의 갯수는 상기 회전자 영구자석 갯수의 정수배로 구성된다.

예를 들면, 상기 회전자 영구자석이 모두 3개로서 서로 120°간격으로 상기 회전자 표면에 고정되면, 상기 하우징 영구자석은 모두 합쳐서 3의 배수개로서 가령 3개, 6개, 9개 또는 12개 등으로 구성될 수 있다. 또 다른 예로, 상기 회전자 영구자석이 모두 4개로서 서로 90°간격으로 상기 회전자 표면에 고정된다면, 상기 하우징 영구자석은 모두 합쳐서 4개, 8개 또는 12개 등이 되는 것이다.

상기 하우징 영구자석의 두 자극면 중 하우징 중심부를 향하는 자극면에 대응하게 전자석(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)이 배치되는데, 이는 상기 하우징 영구자석 표면상에 고정되거나 또는 도시되지 않은 고정장치를 이용하여 상기 하우징 자체에 고정된다. 따라서 전자석들은 하우징 영구자석과 회전자 영구자석 사이에 배치된 형태이다.

또한 이 전자석은 하우징 영구자석의 자극면에 일대일로 대응되게 배치되고 이에 주입되는 전류 방향에 따라 상기 하우징 영구자석의 자기력선과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 자기력선을 생성할 수 있는 것이다.

상기 전자석(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18)들은, 한 예로서, 보빈 등에 구리선을 감은 솔레노이드 형태의 전자석일 수 있다. 또한, 그 자기력선 발생을 위한 전류 공급은 모두 한꺼번에 동일한 위상을 가진 전류를 공급할 수도 있지만, 그 일부를 나누어 별도로 전류를 공급함으로써 인접한 전자석들끼리 회전자의 회전에 따라 시차를 두고 자기장이 생성되도록 할 수도 있다. 가령, 전자석들(11, 13, 15, 17)은 A그룹으로, 나머지 전자석들(12, 14, 16, 18)은 B 그룹들로 분류하여 서로 별도로 전류를 공급하는 등이다.

또한 전원은 동일하지만 상기 A 그룹 전자석들은 모두 스위치 1(SW1)을 통해 전원을 공급받고, 상기 B 그룹 전자석들은 모두 스위치 2(SW2)를 통해 전원을 공급받도록 할 수도 있다. 또한 도시된 구성에서 전자석들에 공급되는 공급되는 전력은 모두 직류전원이지만, 정류 다이오드와 교류 전원의 조합을 사용할 수도 있음은 평균적 지식을 가진 자라면 손쉽게 변형할 수 있는 일이다. 또한 후술하는 실시예 중 일부에서는 교류 펄스파를 전원으로 사용할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예로서, 도 3c처럼 하우징 영구자석들(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)은 하우징(302)의 외벽면에도 고정될 수 있다. 이처럼 하우징 영구자석들이 하우징의 외벽면에 고정되는 경우에도 그 내부의 자석들과 자력을 교환하는 것이 가능하기 때문이다. 이 경우 영구자석만 외벽에 고정되고 전자석은 내벽에 고정되는 변형예도 가능하다.

또한, 도 3c에 도시된 회전자 영구자석(11)에서 보듯이, 본 발명의 자석들 모두는 하우징이나 회전에 대응하도록 곡면으로 굽은 자석(curved magnet)형태를 가질 수도 있다.

또한, 샤프트축(306)은 도 3a처럼 하우징(302)에 회전가능한 상태로 조립되어 내부 회전자의 회전력을 외부로 전달하는 역할을 수행하는 것이 일반적이지만, 도 3d처럼 하우징(316)에 직접 샤프트축(314)이 걸쳐지는 것이 아니라 하우징과는 별도로 외부에 구성된 지지수단(312)에 걸쳐진 형태로 회전하는 것도 가능함은 물론이다. 하우징(316)은 그 하부에 별도의 지지수단(318)에 의해 고정된다. 또한, 예시된 도면에는 회전력을 추출하는 샤프트축 양단에 기어(320, gear)가 결합된 형태를 보여주고 있다.

상기 회전자의 단면은 회전 운동을 위해 원형에 가까운 형태를 갖고 있으나, 이하의 회전자 영구자석이 고정되는 함몰부 또는 돌출부 때문에 반드시 원형이라고는 할 수 없다.

즉, 도 3e처럼 회전자(304-A)는 그 단면의 전체적인 형태가 원형적으로 대칭인 기둥형태로서 그 표면에는 함몰부 또는 돌출부 형태의 영구자석을 고정시키기 위한 영구자석 고정부(310)가 형성되어 있는 형태를 가지는 것으로 충분하다. 만 약, 3개의 회전자 영구자석을 가지는 형태라면 회전자(304-B)는 도 3f와 같은 형태가 될 것이다.

또한, 도 3g처럼 회전자(304-C) 표면에 특별한 고정부가 없어 회전자 단면이 완전 원형인 형태도 가능한데, 이 경우 회전자 영구자석들은 회전자 표면에 접착제나 나사 등으로 고정될 수 있다.

도 3h는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것으로서, 다수 개의 편(片) 또는 굽은 바가 하우징(302-A)을 형성하는 경우를 도시한 것이다. 따라서 본 발명에서 하우징이 실린더형이라 지칭되는 것은 반드시 한 개의 단품(one piece)으로만 이루어진 원통형만을 의미하는 것은 아니라, 내부에 실린더 형상의 회전 공간을 만들어 줄 수 있는 것이면 어떤 형태이든 가능한 것이다. 이하에서는 이처럼 내부에 실린더형 회전공간을 만들어주는 모양들을 모두 포함시켜 하우징이라 통칭한다.

이하에서는 도 3b의 실시예를 대표적으로 이용하여 본 발명 모터의 회전원리를 설명한다.

도 4는 도 3의 모터가 회전하는 과정을 설명하기 위해서 그 단면도 중 약 10시 방향부터 2시 방향의 상황만을 확대한 도면이다. 도시되지 않은 나머지 자석들도 모두 동일한 현상을 겪는다.

도 4a는 모든 전자석들에 전기를 주입하지 않은 초기 상태를 나타낸 것이다.

전자석에 전기를 주입하지 않았으므로 전자석은 자기적으로 아무런 영향을 미치지 않으며, 따라서 화살표로 표시된 자기력선이 하우징 영구자석으로부터 회전자 영구자석을 향하여 작용하므로, 두 영구자석 그룹들은 서로를 강하게 당기는 안 정화 상태이다. 즉, 이 상태에서는 아무런 회전이 발생하지 않는다.

도 4b는 도 4a 이후에 전자석들 모두에 전류를 공급하여 그 상하의 영구자석간 존재하던 인력을 상쇄시키는 방향으로 자기장을 발생시키는 상황을 나타낸 것이다. 상쇄되는 힘은 점선 화살표로서, 이는 전술한 스위치를 온(on)시킴으로써 형성된다.

전자석들에 전기를 공급하여 도 4b의 상태가 되는 경우에 대해 전자석 중 하나인 전자석 11을 예로 들어 설명하면, 전자석 11은 그 중간에 상쇄 공간을 만들게 되며, 따라서 그 하부에 배치된 회전자 영구자석 A는 그 상부의 하우징 영구자석1 및 전자석 11과의 관계에서 중심이 약간만 어긋나도 좌우 어느 한 쪽으로 움직이고자 하는 준안정 상태가 된다.

도 4b 상태에서 회전자에 힘을 가하여 가령 시계 방향으로 회전시키면, 상기 준안정 상태는 무너지면서 도 4c처럼 회전자가 시계 방향으로 약간 회전하는 상태가 된다.

도 4c가 되면, 원래 위치에서 시계 방향으로 약간 회전한 회전자 영구자석 들은 이번에는 하우징 영구자석 2의 N극으로부터 당기는 인력(F1)과 영구자석1의 인력(F2)을 동시에 느끼면서 도 4d처럼 영구자석 1과 영구자석 2 사이의 정중앙 위치, 즉 두 힘이 균형을 이루는 위치로 회전하여 그 위치에서 고정되려고 할 것이다.

하지만, 회전자가 어느 정도 질량을 가진 존재라서 관성을 가진다면 회전 방향으로 계속 회전하려고 할 것이므로, 가령 회전자 영구자석 A는 하우징 영구자석 1과 2의 경계선을 넘어 영구자석 2쪽으로 조금 더 접근하는 상황이 발생할 것이다.

도 4e처럼 경계선을 어느 정도 넘어선 상황에서 전자석들에 공급되던 전류를 오프 시키면, 전자석 중간에 생성되어 있던 상쇄 공간이 급속히 사라지면서 하우징 영구자석의 인력(F3)이 회전자 영구자석에 다시 미치게 될 것인데, 이 힘은 가장 인접한 회전자 영구자석에 가장 강하게 미치게 될 것이다. 가령, 회전자 영구자석 A가 하우징 영구자석 2로부터 가장 강한 인력을 느끼게 되는 것인데, 이와 동시에 하우징 영구자석 1로부터의 인력(F2)이 회전자 영구자석 A에 미치는 영향이 거리가 멀어짐에 따라 급격히 감소할 것이므로 결국 회전자 영구자석 A는 하우징 영구자석 2가 끌어당기는 힘에 의해 도 4f처럼 하우징 영구자석 2 하부에 위치할 때까지 회전을 계속하게 된다.

도 4f의 상태는 도 4a때와 동일한 상황이며 그 다음 회전부터는 회전자의 관성 운동에 의해 다시 도 4c와 같은 상태가 되며 전기적인 상황도 전술한 방식과 동일하게 이루어진다.

결국 이러한 운동들이 연속적으로 계속되면 본 발명의 모터 회전자는 회전하게 되는 것이다.

상기 작동방식에서 가장 주목할 점은 서로 끌어당기는 두 영구자석간의 인력을 중간에서 차단해주는 전자석에 공급되는 전류량이 그리 크지 않은 상태에서 상기 회전 운동이 가능하다는 것이다. 이는 전술한 것처럼 전자석에 자기장의 상쇄 공간을 만들어 줄 정도의 크기의 전류만 공급해주면 불안정한 준안정 상태에 놓인 회전자가 좌우측의 영구자석이 가진 인력을 회전력에 이용하기 때문이다.

이러한 이유로 인해 본 발명은 실제 소비되는 전력 대비 회전에 따른 출력 효율이 높아진 고효율 모터를 실현시킬 수 있게 된 것이다.

도 5는 상기 실시예에서 공급되는 전류의 위상 대비 회전자의 회전각도를 나타낸 것이다. 회전각은 라디안 단위로 π(180°)까지 나타내었다.

최초에 회전자가 적어도 π/8까지 회전할 때까지는 스위치는 온(ON) 되어, 전자석들에는 모두 상쇄공간을 만들기 위한 전류가 공급된다. 즉, 각 전자석에 최근접해 있던 회전자 영구자석이 회전자의 회전 관성에 의해 멀어질 때 전자석에 만들어지는 자기력선은 상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석의 자기력선 방향과 반대 방향이 되어 상쇄 공간을 형성하는 것이다.

π/8(22.5°)까지 또는 그 이상 회전자가 회전하는 것은 전술한 도 4d에서 도 4e상태로 넘어가는 단계인데, 이 때 전자석에 가해졌던 전류를 모두 오프시키고 관성 및 새로운 인력에 의해 자동적으로 회전하는 단계를 π/4 (45°)회전까지 거치도록 한다.

그 다음 π/4까지 회전하면, 각 구성요소들의 위치는 모두 최초 상태와 동일하게 되므로 다시 동일하게 전자석들에 전류를 공급하여 그 후의 π/4만큼 회전시킨다. 이런 방식으로 총 2π(360°)를 회전시키는데 나머지 과정은 동일하므로 상세 설명은 생략한다.

전술한 각도값들은 8개의 동일한 자석군들이 각각 45°간격으로 균등하게 펼쳐진 8-폴드(fold) 인 도시된 실시예에서 적용되는 것으로서, 그 밖에 만약 6개의 자석군이라면 60°를 등간격으로 자석군이 배치될 것이며, 4개의 자석군이면 90° 를 간격으로 하여 배치될 것이다. 따라서 전술한 회전운동의 각도들은 대응하는 상황에 따라서 얼마든지 변형 가능한 것이다.

결론적으로 본 발명에서는 360°를 균등하게 나누는 자석 배치 형태를 가진 어떠한 형태의 변형예라도 모두 그 회전 원리는 동일하며, 이는 상호 인력을 작용하는 두 영구자석 사이에서 전자석이 상쇄공간을 만드는 방법으로 가능해지는 것이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것으로서, 이번에는 가령 전술한 8-폴드 자석군 배치의 경우, 각 전자석들에 공급되는 전류파형이 π/4를 기준으로 교류 펄스파가 제공되도록 하는 것이다.

교류 펄스파가 제공되는 경우, 최초에 회전자가 π/8까지 회전할 때까지 스위치1 및/또는 스위치2는 온 되어 각 전자석에 모두 상쇄공간을 만드는 것은 전술한 실시예들과 동일하거나 유사하다.

그 다음 π/8 회전 후에는 전류 펄스 방향을 바꾸어 앞에서와는 반대 방향으로 자기력선이 발생하도록 한다. 즉, 이 자기력선 방향은 영구자석들간의 인력과 동일한 방향이므로 각 영구자석들의 인력에 더해져 인력이 강화되는 효과를 가져온다.

따라서, 종전 실시예에서는 회전자 회전시 후속되는 회전자 영구자석이 π/8 회전을 넘어 새로이 진입할 때 하우징 영구자석으로만 끌어당기는 것이었지만, 이번 실시예에서는 전자석의 인력까지 이에 가세하도록 하는 것이다.

전술한 실시예에서 회전자에 좀 더 강한 회전 관성을 부여하는 플라이휠(fly wheel) 등을 샤프트축에 추가적으로 부착할 수 있음은 물론이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실싱예를 도시한 것으로서, 전술한 실시예들과는 달리 영구자석들이 서로 척력을 작용하도록 배치되어 있다. 즉, 확대된 원 내부를 살펴보면 영구자석들의 N극이 서로 마주보고 있으며 그 사이에 전자석이 배치된 형태이다.

이러한 배치는 종전과는 다른 구성이므로 그 작동방식에 대해 도 7b 내지 도 7d를 참조하여 설명한다.

도 7b의 상태에서는 영구자석 사이에 배치된 전자석에 전류가 공급되어 상쇄공간을 만들고 따라서 회전자 영구자석A와 그 상부의 대응하는 하우징 영구자석 1간에는 척력이 느껴지지 못하는 상태이다. 하지만, 두 영구자석간에 중심이 약간이라도 어긋나면 상쇄공간 좌우의 척력이 강하게 작용하는, 매우 불안정한 준안정 상태에 놓여 있는 상황이다.

도 7c에서 회전자가 시계 방향으로 약간 회전하면 이를 전후하여 전자석에 공급되던 전류를 끊는다. 그러면 회전자 영구자석A는 하우징 영구자석1로부터 강한 척력을 느끼기 시작하면서 그 힘에 의해 시계방향으로 더욱 회전하게 된다.

도 7d에서 회전자가 좀 더 많이 회전하여 회전자 영구자석H가 하우징 영구자석 1 하부에 진입해 들어오며 이 때 다시 전자석을 온 시켜 상쇄공간을 만듦으로써 영구자석1에 의해 회전자 영구자석 H의 진입이 방해받지 않도록 한다.

그 다음 단계는 다시 회전자 영구자석 H가 영구자석 A처럼 회전하는 것이고 이것이 연속적일 때 회전자는 관성 및 척력에 의해 계속 회전하게 되는 것이다.

따라서 본 실시예는 두 영구자석간 척력이 작용할 때도 회전이 가능한 실시예를 보여주고 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것으로서, 이번에는 하우징에 고정되는 영구자석 및 전자석은 모두 8개가 배치된 형태인 반면에 회전자 영구자석은 그 반수인 4개로서 90°간격으로 구성을 가진 모터(700)의 단면을 도시한 것이다. 역시 회전자와 하우징에 배치된 영구자석들은 서로 인력을 느끼는 같은 방향으로 배치되어 있다.

도 9는 도 8의 모터(700)가 움직이는 과정을 나타낸 도면들이다.

먼저 도 9a에서, 스위치 1에 전류 펄스를 흘려 A 그룹의 전자석들에 타원형 파선으로 그려진 상쇄공간을 만들 자기장이 형성되도록 한다.

그 상태에서 회전자(704)에 외부적인 힘을 가해 화살표 방향으로 회전시킨 상태가 도 9b이다. 도 9b에서, 최초에 A그룹에 속한 회전자 영구자석들은 지나온 하우징 영구자석이 당기는 힘은 상쇄 공간에 의해 크게 느끼지 못하는 반면에 회전방향 전방에 위치한 하우징 영구자석들이 당기는 힘을 강하게 느끼기 시작한다.

도 9c처럼 좀 더 회전이 진행된 상태가 되면, 회전자 영구자석들에 대해 회전방향 전방에 위치한 하우징 영구자석의 인력이 더욱 강해짐에 반해 지나온 영구자석들이 미치는 영향은 더욱 작아지므로 이 때부터는 관성력보다는 이 인력에 의해 회전자가 나머지 회전을 수행하여 도 9d와 같이 45°만큼 회전을 완료한다.

도 9d가 되면, 스위치 1을 오프하여 그에 연결된 전자석들에 공급되던 전류를 중단하고, 그 대신 스위치 2를 온시켜 이번에는 그룹 B에 속한 전자석들이 상쇄 공간을 형성하도록 한다. 그러면, 회전자에 부착된 회전자 영구자석은 관성 및 B그룹에 속한 하우징 영구자석이 형성한 상쇄공간에 의해 다시 회전하면서 전술한 도 9a 내지 도 9d의 과정을 다시 한 번 거쳐 90°회전을 완료하게 될 것이다. 90°회전 이후에는 다시 도 9a의 상태가 반복된다.

이러한 회전이 계속되면, 상쇄공간을 만들 정도의 전기력만으로 회전자는 계속적인 회전을 할 수 있게 된다.

도 9e는 전술한 스위치 1과 스위치 2의 온/오프에 따라 공급되는 전류 펄스를 회전각도에 대비해 그룹별로 나타낸 것이다.

도시된 상황에서는 주기가 π/2(90°)인 펄스파가 가해지는데, 처음 π/4(45°)회전 동안은 스위치 1만 온 되어 그에 연결된 전자석들에만 상쇄공간이 형성된다. π/4(45°)만큼 회전하면 스위치1은 오프되고 그 다음 π/2(90°)회전까지는 스위치2가 온 되어 그에 연결된 전자석에 전류가 공급되면서 계속적인 회전운동을 유도하는 것이다.

도 10은 도 9의 실시예에 대한 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로서, 전류 공급에 있어서 전술한 실시예와는 달리 두 스위치(SW1, SW2)가 교대로 온/오프를 반복하도록 구성된 것이다.

이에 대해 설명하면, 처음 π/4 회전 동안은 스위치 1에 연결된 전자석들에만 상쇄공간을 만들도록 하지만, 그 다음 π/2 회전중에는 스위치1은 여전히 온 된 상태에서 그에 반대방향의 전류를 공급하여 상기 전자석들에 반대방향의 자기장이 발생되도록 한다. 이러한 반대 방향 자기장은 인력을 가진 영구자석들에 더해지는 강한 인력을 발생시키고자 하는 것이다. 즉, π/4 회전 이후에는 전자석이 영구자석들과 동일한 방향의 자기장을 만들도록 하여 회전해서 진입하는 회전자 영구자석들을 좀 더 강하게 끌어당기도록 구성한 것이다.

또한 스위치 2와 연결된 전자석들은 스위치 1에 연결된 전자석들과 위상만 반대로 한 전류가 공급되어, 처음 π/4 회전 동안은 강한 인력을 유지하도록 하고 그 다음 π/2 회전중에는 상쇄공간을 만들도록 하는 것이다.

이렇게 되면, 두 그룹의 전자석들이 교대로 상쇄공간을 만드는 척력과 회전에 의해 새로이 진입하는 회전자 영구자석을 끌어줄 인력을 만들어내므로 한 층 강한 힘의 회전토크를 발생시킬 수 있다.

도 11a는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것으로서, 이번에는 회전자 영구자석이 종전과는 달리 대응하는 전자석 및 하우징 영구자석에 대해 기울어지게 배치된 모터(1000)를 도시한 것이다.

도 11a의 실시예가 가지는 가장 큰 특징은, 회전자의 회전방향으로 회전자 영구자석이 비스듬하게 돌출됨으로써, 이 부분으로의 인력을 극대화했다는 것이다. 이를 좀 더 상세하게 설명하기 위해서 도 11b를 참조하면, 돌출된 회전자 영구자석의 오른쪽 부분에 걸리는 하우징 영구자석의 인력은 왼쪽 인력보다 강하고 밀집되어 있으므로 회전자는 준안정 상태에서 회전 방향으로 움직이고자 하는 경향이 형성된다. 이 상태에서 회전자에 힘을 가해 시계 방향으로 회전시키면 전술한 실시예들보다 좀 더 쉽게 인력에 의한 회전력이 발생할 것이다.

회전이 좀 더 진행되어 도 11c의 상태가 되면, 화살표로 그려진 인력들(F1, F2)이 회전자 영구자석 A에 작용한다. 이 순간에 하우징 영구자석1이 회전자 영구자석을 끄는 인력(F1)이 하우징 영구자석2가 끄는 인력(F2)과 거의 동일하므로 이 때는 회전 관성력으로 계속적인 회전을 수행하는, 가장 회전력이 약할 때이다.

하지만, 회전이 좀 더 진행되어 도 11d가 되면 이제는 회전자 영구자석A가 느끼는 하우징 영구자석2가 이끄는 인력(F2)은 하우징 영구자석1이 이끄는 인력(F1)보다 더 크게 되어 나머지 회전을 수행하게 된다. 또한 이 때 회전자 영구자석H가 12시 방향으로 진입하므로 상쇄공간을 만들던 전자석 1의 전류 공급을 중단하는 것은 전술한 실시예들과 동일하다.

이러한 도 11의 실시예는 전술한 것처럼, 회전 방향으로 회전자 영구자석이 기울어져 돌출되어 있으므로, 그 부분으로 더 많은 인력을 받아 좀 더 쉽게 준안정 상태를 무너뜨리고 회전할 수 있다는 장점을 가진다.

나아가, 도 11에서 전자석에 공급되는 전류량을 증가시켜 전자석들에서 발생하는 자기장을 더 크게 하면, 이 자기장은 그 상부의 영구자석에 대해 상쇄공간을 만들면서 동시에 회전자 영구자석들에 척력을 작용시킬 수도 있다. 이 경우 이 척력에 의해 회전방향으로 회전자 영구자석들이 밀리면서 회전자의 회전운동이 더욱 강화되는 효과를 추가적으로 가질 수도 있다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것으로서, 이번에는 회전자 영구자석의 수가 하우징 영구자석 및 전자석에 비해 반으로 줄어든 모터(1100)를 도시한 것이다. 이는 전술한 도 8 내지 도 10에서 설명한 것과 동일하거나 유사한 효과를 얻기 위한 실시예이다.

따라서 공급되는 전류의 위상도 전술한 도 9e 및 도 10과 동일/유사한 형태이며 그 효과도 동일하다. 다만, 회전자 영구자석이 회전 방향으로 돌출되어 있으므로 회전력이 상승하는 효과를 가져오는 것은 전술한 도 11의 실시예와 유사하다.

도 13은 본 발명의 또 다른 실시예를 나타낸 것으로서, 상기 도 12의 회전자 구조에서 회전자 영구자석 후방에 필드강화용 영구자석(1210)이 추가된 모터(1200)의 단면 형태를 나타낸 것이다. 이 필드강화용 영구자석은 회전자의 회전시에 회전자 영구자석이 이미 지나쳐온 전자석과 반발하는 방향으로 극성을 가져 회전자 영구자석 후방에서 회전력을 강화시키는 역할을 수행하는 것이다.

이는 상기 회전자의 회전방향을 기준으로 상기 회전자 영구자석의 후방에 배치되고, 도시된 것처럼 상기 회전자 영구자석의 표면이 가진 극성과 동일한 극성을 가진 자화면이 상기 회전자 표면의 접선 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 자기장을 분출하도록 구성되어 있다.

간략화된 도 14를 참조하여 상기 필드강화용 영구자석의 기능을 상세히 설명한다.

도 14a는 회전 시작전에 상기 자석들간의 자기력선 상태를 모식적으로 나타낸 것으로서, 상기 필드강화용 영구자석(1210)은 도시된 것처럼 자화된 것이다.

회전이 어느 정도 진행되어 도 14b의 상태가 되면, 이 필드강화용 영구자석의 위치가 도시된 것처럼 전자석의 상쇄공간 하부에 진입하게 되고, 전자석과의 거리가 매우 가까운 상태이므로 전자석이 만드는 자기력선과 서로 반발하는 상태가 된다. 따라서 이 반발력에 의해 상기 단계에서의 회전이 좀 더 강한 토크를 얻도록 하는 역할을 수행하는 것이다.

이러한 필드강화용 영구자석은 반드시 도 12에 도시된 실시예와 결합되는 것은 아니며 기타 나머지 실시예들과 결합되어 사용가능함은 당연한 일이다.

도 15는 회전자가 고정자 외부에 존재하는, 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것이다.

도 15에서는, 외부 하우징(1410)이 회전자 역할을 수행하고 회전자의 중심부에는 원통형의 고정자(1405)가 고정되어 있다. 즉, 실린더 형태의 내부를 이루며 회전가능한 하우징(1410)과 이 하우징 내부에 수납되며 적어도 하나 이상의 지지수단(1402, 1403)에 고정되는 기둥형의 고정자(1405)가 도시된 것이다. 또한 상기 하우징(1410)의 중심부에 고정되어 하우징의 회전력을 외부로 추출하는 샤프트축(1480)이 하우징에 형성되어 있고, 서로 등각도로 이격되어 상기 하우징의 벽면에 고정되는 것으로서 그 두 자극면 중 어느 한 자극면은 상기 하우징의 중심부를 향하도록 자화된 적어도 2개 이상의 하우징 영구자석(1420)이 도시되어 있다.

상기 하우징 영구자석(1420)과 인접했을 때 서로 인력(引力) 또는 척력(斥力)을 미치도록 자화된 것으로서 상기 고정자(1405) 표면에 고정되는 적어도 2개 이상의 고정자 영구자석(1440)과, 상기 하우징 영구자석(1420) 및 상기 고정자 영구자석(1440) 사이에 배치되도록 상기 고정자(1405)에 고정되는 것으로서 주입되는 전류 방향에 따라 상기 하우징 영구자석의 자기력선과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 자기력선을 생성할 수 있는 전자석(1430)이 배치되는데, 이 실시예의 작동방식에 대해서 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.

즉, 회전하는 하우징(1410)은 그 일 단부가 샤프트축(1480)과 체결되거나 일체형으로 만들어지며 회전가능하도록 베어링(1470)등을 사이에 두고 지지수단(1401, 1402)에 의해 지지된다.

하우징의 오른쪽 단부는 개방되어 있으며 그 내부로는 고정자(1405)가 삽입되는데, 고정자 표면에는 고정자 영구자석(1440)과 그 상부의 전자석(1430)이 고정되어 있다. 전자석(1430)은 외부의 전원부와 전선(1460)에 의해 전기적으로 연결되어 있으며, 고정자(1405)는 적어도 한 개 이상의 지지수단(1402, 1403)에 의해 고정되며 회전하지 않는다.

상기 하우징(1410) 내벽 또는 외벽에는 이 고정자 자석들에 대응하는 영구자석(1420)이 부착되어 있는 상태이다.

따라서 상기 하우징 영구자석과 고정자 영구자석간에는 서로 인력 또는 척력을 미치는 상태로 자화되어 있고 그 사이의 전자석이 전술한 실시예에서처럼 하우징의 회전 각도에 동기하여 온/오프를 반복함으로써 하우징이 회전하고 그에 따라 하우징 단부의 샤프트축도 함께 회전하게 된다.

도 15의 실시예는 전술한 실시예들처럼 전자석이 양쪽의 영구자석 사이에 배치된 형태이므로 역시 동일한 역학 작용에 의해 회전한다. 다만, 회전 주체가 하우징 자체라는 것이 특이한 점이다.

도 16은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것으로서, 이번에는 다수 개의 링(ring)들이 하우징 역할을 수행하는 경우를 나타낸 것이다.

이를 좀 더 상세히 설명하면, 도 16의 하부에 도시된 개념도처럼, 링 형상을 가진 하우징(1540, 이하 링 하우징이라 한다) 다수 개가 일정 각도로 이격된 단단한 바(bar, 1590)들로 서로 결착되고, 바의 단부는 다시 지지수단(1501, 1502) 내부에 고정된다. 또한, 각 링 하우징(1540)의 내벽면에는 소정 각도만큼 이격된 다수 개의 영구자석(1510) 및 전자석(1520)들이 고정되어 있다.

링 하우징 중심부에는 회전자(1580)가 삽입되며 회전자 표면에는 영구자석(1530)이 고정되는데 이러한 구성과 작동방식은 전술한 실시예들과 동일하다.

따라서, 도 16에 도시된 실시예는 서로 분할된 링 하우징들이 각각 별개로 영구자석들을 가지며 그에 대응하는 회전자 자석들도 모두 분할된 형태이므로, 특히 전자석이 보빈에 감긴 코일인 경우에 전자석 형태를 용이하게 만들 수 있다는 장점을 가진다.

도 17은 전술한 도 16의 실시예에 대한 개량 형태로서, 회전자(1710)상에 고정되는 회전자 영구자석들이 회전자의 원주 방향을 기준으로 한 열(列) 단위로 인접한 열끼리 서로 엇갈리게 배치된 형태를 가진 모터(1700)에 관한 것이다.

회전자만 도시된 도 17a와 모터의 단면도를 나타낸 도 17b를 바탕으로 이를 좀 더 상세히 설명하면, A열에 속한 영구자석(A-1, A-2..)와 B열에 속한 영구자석(B-1, B-2,..)들은 화살표 방향에서 바라보았을 때 도시된 것처럼 서로 엇갈리게 배치되어 있는 형태이며, 하우징 자석들은 전술한 실시예들처럼 엇갈리지 않게 배치되도록 구성되어 있는 것이다.

이러한 구성은 일반적인 연소 엔진의 4기통이나 6기통 엔진의 움직임과 유사한 원리를 이용하고자 하는 것으로서, 회전자의 회전시에 A열 영구자석들에 의한 회전력이 하우징 자석들 사이를 회전 통과할 때 연속적이지 못해서 회전이 부드럽지 못할 때 B열에 속한 영구자석들이 강한 회전력을 가지므로 이러한 보조적인 도움에 의해 회전자가 전체적으로 부드럽게 회전하도록 구성된 것이다.

본 발명은 고효율 전기모터에 관한 것으로서, 사이에 위치한 전자석이 영구자석들간의 인력을 적절한 타이밍으로 조절하여 회전력을 얻어내는 고효율 모터에 관한 것이다.

공급되는 전기에너지가 모두 모터 회전자의 회전을 위해서만 소모되던 종래 모터와는 달리, 본 발명의 모터에서는 전기에너지가 영구자석들간의 인력을 조절하는 조절 신호로만 사용되고 동력의 대부분은 이 영구자석들간의 인력에서 비롯되므로 종래보다 좀 더 적은 전기에너지로 동일하거나 좀 더 많은 회전 운동에너지를 얻어낼 수 있게 된다.

이러한 본 발명의 기술적 사상과 특징을 이해한 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 실시예들로부터 다양한 변형예를 손쉽게 생각해 낼 수 있을 것이다. 가령, 하우징의 곡면에 맞게 제작된 곡면 영구자석을 사용하거나 또는 영구자석이나 전자석의 모양을 변형시켜 좀 더 극대화된 인력을 이용하거나 또는 전자석에 발생하는 열을 용이하게 방출시키기 위해서 추가적인 냉각장치를 부착하는 등인데 이러한 단순한 변형들은 모두 이하의 청구범위에 포함되는 변형들이다.

따라서 본 발명의 권리범위는 이하의 청구범위로 정해져야 한다.

Claims

실린더 형태의 내부를 이루는 하우징;

상기 하우징 내부에 수납되며 회전가능한 기둥형의 회전자;

상기 회전자의 중심에 고정되어 회전자의 회전력을 외부로 추출하는 샤프트축;

서로 등각도로 이격되어 상기 하우징의 벽면에 고정되는 것으로서, 그 두 자극면 중 어느 한 자극면은 상기 하우징의 중심부를 향하도록 자화된 적어도 2개 이상의 하우징 영구자석;

상기 하우징 영구자석과 인접했을 때 서로 인력(引力) 또는 척력(斥力)을 미치도록 자화된 것으로서 상기 회전자 표면에 고정되는 적어도 2개 이상의 회전자 영구자석;

상기 하우징 영구자석의 두 자극면 중 하우징 중심부를 향하는 자극면에 대응하게 상기 하우징 영구자석 및 상기 회전자 영구자석 사이에 배치되고 상기 하우징에 고정되는 것으로서, 주입되는 전류 방향에 따라 상기 하우징 영구자석의 자기력선과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 자기력선을 생성할 수 있는 전자석;

상기 전자석에 공급되는 전류를 제어하는 스위치;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서, 상기 회전자 영구자석은 모두 3개로서 서로 120°간격으로 상기 회전자 표면에 고정되고, 상기 하우징 영구자석은 모두 합쳐서 3의 배수개인 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서, 상기 회전자 영구자석은 모두 4개로서 서로 90°간격으로 상기 회전자 표면에 고정되고, 상기 하우징 영구자석은 모두 합쳐서 4의 배수개인 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서, 상기 회전자 영구자석은 모두 4개로서 서로 90°간격으로 상기 회전자 표면에 고정되고, 상기 하우징 영구자석은 모두 합쳐서 8개인 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서, 상기 회전자 영구자석은 판상형으로서 상기 회전자 표면에 대비해 볼 때 비스듬하게 기울어져 고정되어 판상형 측면이 타 측면보다 더욱 돌출된 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서, 상기 회전자의 회전방향을 기준으로 상기 회전자 영구자석의 후방에 배치되고, 상기 회전자 영구자석의 표면이 가진 극성과 동일한 극성을 가진 자화면이 상기 회전자 표면의 접선 방향과 실질적으로 동일한 방향으로 자기장을 분출하는 필드강화 영구자석을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서, 상기 전자석은 솔레노이드형 전자석인 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서,

상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석은 서로 동일한 방향으로 자화되어 인접했을 때 서로 인력을 미치며,

상기 전자석에 전류가 공급되어 만들어지는 자기력선은,

상기 전자석에 최근접해 있던 회전자 영구자석이 상기 회전자의 회전에 의해 소정 거리 이상 멀어질 때까지 상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석의 자기력선을 상쇄시키는 방향으로 생성되고,

상기 회전자의 회전에 의해 상기 전자석에 또 다른 회전자 영구자석이 소정 거리 이상 근접해오면 이 전자석에 전류 공급을 중단하여 제거되는 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서,

상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석은 서로 동일한 방향으로 자화되어 인접했을 때 서로 인력을 미치며,

상기 전자석에 전류가 공급되어 만들어지는 자기력선은,

상기 전자석에 최근접해 있던 회전자 영구자석이 상기 회전자의 회전에 의해 소정 거리 이상 멀어질 때까지 상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석의 자기력선을 상쇄시키는 방향으로 생성되고,

상기 회전자의 회전에 의해 상기 전자석에 또 다른 회전자 영구자석이 소정 거리 이상 근접해오면 상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석의 자기력선을 강화시키는 방향으로 생성되는 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서,

상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석은 서로 반대 방향으로 자화되어 인접했을 때 서로 척력을 미치며,

상기 전자석에 전류가 공급되어 만들어지는 자기력선은,

상기 회전자의 회전에 의해 상기 전자석에 회전자 영구자석이 소정 거리 이상 근접해오면 상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석의 자기력선을 상쇄시키는 방향으로 생성되고,

상기 전자석에 최근접해 있던 회전자 영구자석이 상기 회전자의 회전에 의해 소정 거리 이상 멀어질 때까지 상기 전자석에 전류 공급을 중단하여 제거되는 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서,

상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석은 서로 반대 방향으로 자화되어 인접했을 때 서로 척력을 미치며,

상기 전자석에 전류가 공급되어 만들어지는 자기력선은,

상기 회전자의 회전에 의해 상기 전자석에 회전자 영구자석이 소정 거리 이상 근접해오면 상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석의 자기력선을 상쇄시키는 방향으로 생성되고,

상기 전자석에 최근접해 있던 회전자 영구자석이 상기 회전자의 회전에 의해 소정 거리 이상 멀어질 때까지 상기 하우징 영구자석 및 회전자 영구자석의 자기력선을 강화시키는 방향으로 생성되는 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서, 상기 샤프트축에는 회전 관성을 부여하기 위한 플라이휠이 추가적으로 부착되는 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서, 상기 하우징은 다수 개의 링 형태이고 상기 하우징 영구자석, 전자석 및 회전자 영구자석들도 이에 대응하도록 다수 개로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기모터.
제13항에 있어서, 상기 회전자를 둘러싸는 회전자 영구자석들 열(列)단위로 인접한 회전자 영구자석 열과 서로 엇갈리게 회전자 영구자석이 회전자에 고정된 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서, 상기 하우징 영구자석 및 전자석 중 적어도 어느 하나는 하 우징 내벽에 고정되는 것을 특징으로 하는 전기모터.
제1항에 있어서, 상기 하우징 영구자석 및 전자석 중 적어도 어느 하나는 하우징 외벽에 고정되는 것을 특징으로 하는 전기모터.
실린더 형태의 내부를 이루며 회전가능한 하우징;

상기 하우징 내부에 수납되며 인접한 지지수단에 고정되는 기둥형의 고정자;

상기 하우징의 중심부에 고정되어 하우징의 회전력을 외부로 추출하는 샤프트축;

서로 등각도로 이격되어 상기 하우징의 벽면에 고정되는 것으로서, 그 두 자극면 중 어느 한 자극면은 상기 하우징의 중심부를 향하도록 자화된 적어도 2개 이상의 하우징 영구자석;

상기 하우징 영구자석과 인접했을 때 서로 인력(引力) 또는 척력(斥力)을 미치도록 자화된 것으로서 상기 고정자 표면에서 상기 전자석 하부에 고정되는 적어도 2개 이상의 고정자 영구자석;

상기 하우징 영구자석의 두 자극면 중 하우징 중심부를 향하는 자극면에 대응하게 상기 하우징 영구자석 및 상기 고정자 영구자석 사이에 배치되도록 상기 고정자에 고정되는 것으로서, 주입되는 전류 방향에 따라 상기 하우징 영구자석의 자기력선과 동일한 방향 또는 반대 방향으로 자기력선을 생성할 수 있는 전자석;

상기 전자석에 공급되는 전류를 제어하는 스위치;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터.