KR100701536B1 - 로터리 장치의 제어 시스템 - Google Patents

Abstract

회전장치를 제어하기 위한 시스템에 있어서,

상기 시스템은 제어장치 및 로터리 장치로 구성되며, 이는 스태터와 로우터를 갖고, 여기서 제어장치는 로터리 장치의 회전을 제어하기 위해 로터리 장치와 연결되어 있으며, 상기 제어장치는 로우터가 단일 방향으로 회전하도록 유도하는 극성의 자기장을 형성하기 위하여 상기 장치의 적어도 하나의 가압코일에 정기적으로 전압을 가하는데 적합하며, 상기 제어장치는 전압이 가해진 가압코일로부터 발생하는 힘이 아닌 인력 및 척력이 단일 방향으로 로우터의 회전을 유도하는 합력을 생성시킬 때 상기 가압코일에 전압을 가하지 않기 위해 스위치 오프되는 것을 특징으로 하는 회전 장치를 제어하기 위한 시스템.

Description

로터리 장치의 제어 시스템 {A SYSTEM FOR CONTROLLING A ROTARY DEVICE}

본 발명은 토크(torque)를 발생시키는데 사용되는 모우터 및 전기를 발생시키는데 사용하는 제너레이터(generator)에 관한 것이다.

종래 전기 모우터는 스태터(stator)와 로우터(rotor)로 구성된다.

전기 모우터의 작동은 콘덕터(conductor)에 의해 생긴 전류가 자기장을 생성하고 코일 와이어(wire)와 같이 전자기에서의 전류의 방향은 같은 극은 밀어내고 다른 극은 끌어당기는 자극의 위치를 결정한다.

일반적으로, 상기 필드(field)의 구조로 불리우는 상기 스태터는 모우터에서 지속적인 자기장을 형성한다.

일반적으로, 상기 자기장은 필드 자석으로 불리는 영구 자석에 의해 형성되고 상기 로우터 주위로 동일한 공간 간격으로 위치한다.

일반적으로, 상기 로우터 또는 전기자(armature)는 자기장 및 북 또는 남극을 생성키 위해 전압을 가할 수 있는 균일한 간격의 코일로 구성된다.

상기 가압된 코일을 유지함으로서, 상기 로우터와 스태터의 상호 작용하는 자기장은 로우터의 회전하게 만든다.

확실히 회전이 단일 방향으로 발생하기 위해서, 일반적으로 정류기는 상기 코일에 흐르는 전류의 방향을 변화시키기 위해 상기 로우터 코일의 와인딩 (winding)에 연결되어 있다.

상기 전류의 방향이 역전되지 못하면, 로우터는 한 방향으로 회전하고 완전한 1회전을 하기 전에 방향을 바꾼다.

상기 설명한 것이 DC 모우터의 전형이다. AC 모우터는 정류기를 가지고 있지 않은데 이는 교류는 전류의 방향을 독립적으로 역전시키기 때문이다.

인덕션(induction) 모우터와 같은 일반적인 AC 모우터에서, 상기 로우터는 외부 전기 공급원과 직접적인 관련은 없다. 교류는 스태터의 코일장 주위로 흐르고 회전하는 자기장을 형성한다. 이러한 회전 자기장은 다른 자기장을 생성하는 로우터에서 전류를 유도한다.

상기와 같이 로우터에서 유도된 자기장은 로우터에 회전을 야기하는 스태터의 자기장과 상호 작용을 한다.

사실상, 전기 제너레이터는 전기 모우터의 반대이다. 스태터 또는 로우터의 코일에 전기를 공급하는 대신, 로우터나 전기자가 원동기에 의해 생성된 물리력에 의해 회전하는 것이다.

효과면에서, 제너레이터는 기계에너지를 전기에너지로 변화시키는 것이다.

본 발명은 종래 로터리 장치와 비교하여 향상된 효율성을 가지고 작동되는 향상된 로터리 장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 전기 및/또는 기계에너지를 발생시킬 수 있는 로터리 장치 의 제어 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명에서 제공되는 로터리 장치의 제어 시스템에 있어서, 상기 시스템은 제어장치 및 로터리 장치를 포함하고 있으며, 이는 스태터와 로우터를 포함하고, 여기서 제어장치는 로터리 장치의 회전을 제어하기 위해 로터리 장치와 연결되어 있으며, 상기 제어장치는 로우터가 단일 방향으로 회전하도록 유도하는 극성의 자기장을 형성하기 위하여 상기 장치의 적어도 하나의 가압코일(energising coil)에 정기적으로 전압을 가하는데 적합하며, 상기 제어장치는 전압이 가해진 가압코일로부터 발생한 힘이 아닌 인력 및 척력이 단일 방향으로 로우터의 회전을 유도하는 합력 (resultant force)을 생성시킬 때 상기 가압코일에 전압을 가하지 않기 위해 스위치 오프된다.

바람직하게는, 상기 제어장치는 인력 및 척력으로부터의 상기 합력이 반대방향으로 로우터를 회전시키는 역할을 하는 동안 가압코일에 전압을 가하기가 적합하여야 한다. 여기서, 상기 가압코일에 의해 가해지는 힘은 합력을 이겨낸다.(합력보다 크다.)

바람직하게 상기 제어장치는 합력이 0이 되기 전에 가압코일에 전압을 제거하기 위해 스위치 오프(switch off)하는데 적합하여야 한다.

바람직하게 상기 제어장치는 합력이 0이 되기 전의 시간동안 가압코일에 전압을 제거하기 위해 스위치를 오프하고, 상기 합력이 0이 되기 전에 역기전력(back EMF)이 상기 로우터가 단일 방향으로 회전토록 추진하는데 적합하여야 한다.

바람직하게 상기 합력은 역기전력에서 생긴 힘을 배제한다.

상기 가압코일은 로우터의 완전한 회전의 예정된 각에 의해 상기 제어장치를 통해 전압이 가해지는 것이 적합하다.

선택적으로 상기 가압코일은 모우터의 매 회전의 예정된 시간주기마다 제어장치에 의해 전압이 가해지는 것이 적합하다.

바람직하게 상기/각각의 가압코일은 로우터가 단일 회전(주기)동안 여러 번 전압이 가해지는 것이 적합하다.

상기/각각의 또는 적어도 하나의 가압코일은 상기 합력이 로우터에 반대방향으로 힘을 작용시킬 때마다 전압이 가해지는 것이 적합하다.

상기/각각의 또는 적어도 하나의 가압코일은 제어장치에 의한 주기적 펄스(pulse)에 의해 가압된다.

바람직하게는, 상기 주기적 펄스는 모두 동일 신호(sign)이다.

상기/각각의 또는 선택된 하나의 가압코일은 상기 합력이 반대방향일 때마다 전압이 가해지고 이는 합력이 0에서 최고치로 및 역으로 0으로 변하는 상기 시간보다 짧은 시간으로 일어난다.

구체적으로, 상기 스태터는 적어도 하나의 가압코일을 가지고 있다.

상기 로우터는 자기장을 발생시킬 수 있는 적어도 하나의 자기장 발생수단을 가지고 있으며, 상기 자기장은 한 방향으로 로우터를 회전하는 힘을 작용하기 위해 전압이 가해질 때 상기/각각의 가압코일에 의해 발생되는 자기장과 상호 작용을 한다.

바람직하게는 상기/각각의 가압코일은 자기장 발생 수단을 끌거나 밀기 위한자기적 상호작용수단을 포함한다.

다른 실시예로서 상기 자기적 상호작용수단은 자기장 발생수단을 끌는데 적합한 것으로 한다.

상기 자기적 상호작용수단은 철체(ferrous body) 또는 자기체를 끌어당길 수 있는 다른 물질체룰 포함한다.

상기 자기장 발생수단은 영구 자석일 수 있다.

상기 자기적 상호작용수단은 철심 또는 영구 자석일 수 있다.

바람직하게는 상기 자기장 발생수단은 영구 자석 또는 자기체를 끌어당길 수 있는 군을 포함한다.

바람직하게는 상기 스태터는 로우터 주위에 균일하게 위치한 대다수의 가압코일임을 포함한다.

바람직하게는 각각의 가압코일은 전자석이다.

바람직하게는 상기 또는 각각의 가압코일은 이 코일을 통한 자기적 상호작용수단을 포함한다.

바람직하게는 상기 로우터는 다수의 균일하게 위치한 자기장 발생수단을 포함한다.

구체적으로 상기 로우터는 다수의 균일하게 위치한 영구 자석을 포함한다.

상기 균일하게 위치한 영구 자석은 모두 동일한 극일 수 있다.

상기 균일하게 위치한 자기장 발생수단은 자석을 시뮤레이팅한(simulating) 전압을 가할 수 있는 코일일 수 있다.

바람직하게는 상기 자기장 발생수단의 극은 모두 동일하다.

가압코일을 전압을 가함으로서 생성되는 상기 자기극은 자기장 발생수단의 극과 동일하다.

선택적인 실시예로서, 상기 가압코일에 극의 선택적 패턴이 제공된다.

다른 실시예로서, 영구 자석의 선택적 패턴이 로우터에 제공된다.

본 발명의 실시예로서, 상기 스태터는 다수의 자기속 발생수단을 포함한다.

상기 스태터의 자기장 발생수단은 영구 자석일 수 있다.

바람직하게는 상기 로우터는 다수의 가압코일 및 정류기를 포함한다.

상기 로우터는 전기자일 수 있고 상기 스태터는 필드 와인딩(field winding)일 수 있다.

바람직하게는 상기 로우터 자기장 발생수단은 DC 또는 AC 전류가 되는 외부 동력공급에 의해 전압이 가해진다.

상기 스태터 자기적 상호작용수단은 AC 또는 DC 전류로 작동하는 코일에 의해 전압이 가해진다.

하나의 실시예로서, 상기 스태터는 상기 로우터의 자기장 발생수단에 의해 유도된 전류를 갖는 적어도 하나의 유도코일을 포함한다.

상기/각각의 유도코일은 상기/각각의 가압코일과 분리될 수 있다.

또한, 상기/각각의 유도코일은 가압코일일 수 있다.

상기/각각의 가압코일은 출력회로에 연결됨는 것이 적합하며 여기서 상기/각 각의 가압코일에서 유도된 전류는 출력회로로 나온다.

교환 회로도는 상기 유도코일에서 유도된 전류를 정류하는데 적합한 것이 바람직하다.

상기 정류는 상기 또는 각각의 가압코일이 동력공급에 의해 전압이 가해지기 직전에 일어나는 것이 바람직하다.

바람직하게는 출력회로에서 출력된 전류는 전기장치를 작동시키는데 이용되는 것이 적합하다.

바람직하게는 가압코일에 전압을 가하여 전류가 발생하지 않을 때 상기/각각의 가압코일을 연결하는데 적합한 상기 제어장치는 전환회로(switching circuit)를 포함한다.

바람직하게는 상기 제어장치는 스위칭회로를 제공한다.

상기 제어장치는 로터리 스위치일 수 있다.

상기 로터리 스위치는 상기/각각의 자기장 발생수단과 연합되어진 적어도 하나의 접촉부을 가지고 있다.

바람직하게는 상기 로터리 스위치는 상기 로터리의 영구 자석과 정렬된 적어도 하나의 접촉부을 가지고 있다.

상기 로터리 스위치는 자기장 발생수단의 수와 동일한 수의 접촉부을 가지고 있다 ; 상기 바람직한 형태에서 자석이 된다.

상기/각각의 접촉부는 수직의 높이을 달리하는 폭을 갖는다.

바람직하게는 상기 로터리 스위치는 수직으로 이동할 수 있는 조절 가능한 브러쉬(brush)을 포함한다.

바람직하게는 상기 접촉부는 상부 말단에서 하부 말단으로 갈수록 폭이 점점 가늘어진다.

상기 로터리 스위치 및 로터리는 동축의 중심축에 위치한다.

상기 로터리 스위치 및 로터리는 공동의 축에 올려져 있다.

바람직하게는 상기 로우터 스위치는 로우터에서 챔버(chamber)를 분리하여 올려져 있다.

하나의 실시예에 따르면, 각각의 가압코일은 전압이 가해질 때 인접한 자기장 발생수단을 밀어내는 것이 적합하여야 한다.

각각의 가압코일은 각 주기의 예정된 시간동안만 역기전력에 의해 전압이 가해지는 것이 적합하여야 한다.

바람직하게는 상기 예정된 시간은 가압코일의 전류가 스위치가 끊어진 후에 발생하는 것이다.

상세한 실시예에 따르면, 상기/각각의 가압코일은 로우터의 자기장 발생수단을 끌어당기는 것이 적합하다.

본 발명은 상기 설명한 시스템을 완성하는 많은 다양한 구성요소를 예상하고 있다. 예를 들면, 전류, 전압, 발생한 자기장, 로우터/스태터에 자극의 수는 모두 변화되고 따라서 가압코일의 스위칭 타이밍에 영향을 미친다.

상기 로우터 장치는 상기 로우터/전기자 또는 그 반대보다 많은 수의 스태터/필드 와인딩상에 발생된 자극을 갖는다.

하나의 실시예에 따르면, 상기의 극의 수는 동일하다.

바람직하게는, 제어장치에 의해 제어되는 상기 가압코일의 스위칭은 생성된 역기전력의 영향을 최대화하는 것이 적합하다.

바람직하게는, 상기 가압코일은 최소 단속시간(duration)의 펄스된 전류를 효과적으로 제공하는 것이다. 상기 단속시간은 로우터의 회전을 유지하고 토크 또는 전류의 원하는 출력을 생성하기에 충분하다.

본 발명의 바람직한 실시예는 첨부된 도면의 참고예를 통해 설명될 것이다.

도 1은 로우터 장치의 정단면도를 나타낸다. 그러므로 본 발명의 첫 번째 실시예와 일치되어 조절된다 ;

도 2는 도 1에서 나타난 제어장치의 평면도이다 ;

도 3은 도 1에서 나타난 제어장치의 측면도이다 ;

도 4a는 본 발명의 첫 번째 실시예에 따른 로우터 장치의 제어 시스템의 설계도이다 ;

도 4b는 도 4a에 나타낸 로우터 장치의 설계도이다 ;

도 5는 도 4a에 나타낸 시스템의 영구 자석 M1의 위치각에 따른 힘의 대표 그래프이다 ;

도 6은 도 4a에 나타낸 시스템의 각각의 영구 자석의 각운동에 따른 입력 전류의 4개의 그래프를 나타낸다 ;

도 7은 도 4a의 시스템에서 나타낸 로우터 장치의 각 코일의 입력 전류에 따 른 입력 전압의 대표 그래프이다 ;

도 8은 본 발명의 두 번째 실시예에 따라 영구자석을 포함한 로우터 및 단일 가압코일을 포함하는 스태터의 이동각에 따른 순수한 자기인력의 변화를 나타낸 설계 다이어그램이다 ;

도 9는 본 발명의 두 번째 실시예에 따라 이동각에 따른 자기장의 대표 그래프이다 ;

도 10은 본 발명의 두 번째 실시예에 따라 영구자석의 이동각에 따른 유도된 인덕션의 대표 그래프이다.

도 11은 본 발명의 두 번째 실시예에 따라 영구자석의 이동각에 따른 유도된 인덕션 전자기력의 더욱 상세한 대표 그래프이다.

도 4a에 나타난 본 발명의 첫 번째 실시예에 의하여, 시스템은 각각에 90도로 균일하게 위치한 4개의 영구자석 M1, M2, M3, M4을 포함하는 로우터(11)를 구성된다.

상기 시스템은 각각 120도에 분리되어 위치한 3개의 전자석 가압코일 A, B, C로 구성된 스태터(12)를 포함한다.

각 코일 A, B, C는 공급전압 54볼트와 스위치 RS1, RS2, RS3을 가진 회로로 연결된다.

각 접촉부 RS1, RS2, RS3는 인접한 접촉부와 90도로 분리되어 위치한 접촉부 14, 15, 16, 17을 가지는 로우터 스위치(13)의 부분이다.

로우터 스위치(13)는 접촉부 브러쉬(18),(19)를 제공하고 로우터(11)과 동축 또는 동일한 축인 축(20)위에 올려져 있다.

각각의 접촉부 14, 15, 16, 17은 수직측면(21)으로 구성된 2개의 비편형 측면을 가진 특히, 사다리꼴로 배열되어 있고 상부(23)에서 하부(24)까지 바깥쪽으로 경사진 경사측면(22)으로 배열되어 있다.

상기 결과는 각각의 접촉부가 상부에서 하부(24)까지 움직이는 폭을 증가시킨다.

브러쉬(18)는 브러쉬(19)가 기저(base)와 계속적으로 접촉하는 동안 접촉부 14, 15, 16, 17와 관련하여 수직으로 이동할 수 있다.

도 1은 한 벌의 4개의 접촉부 14, 15, 16, 17를 갖는 로터리 스위치(13)을 나타내는 것이지만 도 4a에서 나타낸 3개의 코일 스태터 때문에 실제로 바람직하게는 축(20)위에는 3개의 접촉 디스크가 있게 된다.

각 접촉디스크는 코일 A, B, C중 하나와 각각 접촉부를 가져야 하지만 다른 디스크에 대해 각 브러쉬는 개별적으로 30도 및 60도로 오프셋(offset)되어 있다.

도 1부터 도 4a에 나타난 시스템의 작동 설명은 하기에서 될 것이다.

상기 자석 M1, M2, M3, M4는 도 4a에 나타난 대로 초기에는 코일 A의 한쪽 말단의 반대에 자석 M1이 정렬된다면, 자석 M1과 M4중 하나가 이와 반대로 평행하게 배열될 때마다 상기 영구 자석이 이를 지나친 후 예정된 시간동안 코일 A에 전압이 가해진다.

도 6에서 나타난 대로 코일 A는 로터리 스위치(13)를 통해 전기적 연결이 되 는 접촉부 RS1에 의해 전압이 가해진다.

상기는 브러쉬(18)과 접촉하여 정렬되어 있는 접촉부(14)에서 (17)중 하나에 의해 발생한다. 상기 시간에 전류는 동력원 VA에서 충당되고 브러쉬(18)이 더 이상 접촉부(14)에서 (17)중 하나와 접촉하지 않을 때까지 충당된다.

첫 번째 실시예의 3개의 코일과 4개의 극의 배열에서, 브러쉬는 각 접촉부의 폭이 로우터(11)의 회전의 12분 51분 50초에 밀접한 각각의 스위치 RS1, RS2 및 RS3에 충분한 곳에서 수직위치로 이동되는 것이 바람직하다. 상기 시간 후에 스위치 RS1에서 RS3은 개방되고 전류는 코일 A에서 C중 어느 하나에도 더 이상 전달되지 않는다. 각 코일의 전류가 끊어질 때 역기전력는 코일 A에서 C 각각에 유도되고 상기 Z로 표시한 역기전력는 접촉부 RS1에서 RS3이 개방된 후에 추가적인 작은 주기의 시간 동안 각 코일에서 유지되는 전류를 발생시킨다.

상기 방식의 코일 A에서 C를 스위칭함에 있어서, 전류가 지속적으로 코일 A에서 C로 전달된다면 로우터(11)은 스태터에 필요한 양보다 적은 입력 전류로 회전이 유도될 수 있다.

하기 표 1은 5도에서 30도 사이의 자석의 이동각에 따른 자석 M1에서 M4의 위치각에 따라 로우터(13)상의 합력을 나타낸다.

표 1

M1	5°CC	10°CC	15°CC	20°CC	25°CC	30°CC
M2	25°CW	20 CW	15 CW	10 CW	5°CW	0°
M3	55°CW	50°CW	45°CW	40°CW	35°CW	30°CW
M4	35°CW	40 CC	45°CC	50°CC	55 CC	60
RF	CC	CC	0	CW	CW	0

상기와 같이 로우터(13)의 자석이 어느 한 시간에 5도 회전될 때 로우터 상의 합력은 힘을 반시계 방향으로 5도에서 15도 사이에서 힘을 시계방향으로 15도에서 30도로 변화시킨다.

0도, 15도 및 30도에서, 로우터 상의 합력은 0이 되므로 만일 로우터의 영구 자석이 상기 방위중 하나와 평행하게 배열되는 경우에는 로우터를 시계 또는 반시계 방향으로 회전하게 하는 합력이 없게 된다.

도 5에서 나타난 바와 같이, 로우터의 이동각에 대한 로우터에 적용되는 합력 크기의 도표는 30도의 주기를 갖는 사인(sinusoidal) 곡선을 나타낸다.

로우터의 360도 회전에 있어서, 로우터는 합력의 변화가 12주기로 일어난다.

표 1 및 도 5에 나타낸 것은 만일 추가적인 힘이 시계 또는 반시계 방향으로 상기 로우터를 회전시키도록 하지 않는다면 상기 로우터는 어느 방향으로도 계속적으로 회전하지 않는다.

만일 로우터가 시계방향으로 회전하도록 하려면 상기 힘은 로우터의 전체 360도 회전 중 0도에서 15도, 30도에서 45도, 60도에서 75도 등에서 발생하는 반시계방향의 합력을 극복해야 한다.

코일 A에서 C의 각각은 철심을 포함하기 때문에 상기 코일이 각각의 자석에서 순수 자기 인력에 전압이 가해지지 않을 때에도, 상기 철심은 각각의 자석 M1에서 M4에서 가장 가까운 철심의 방향으로 움직이도록 한다.

상기 자석이 철심과 반대가 될 때마다, 상기 자기인력은 최고가 되고 시계 또는 반시계방향으로 로우터를 움직이는 상기 자석에 의한 힘은 없게 된다. 이와 같이 자석이 인접한 철심사이의 중간에 위치할 때, 합력은 0이 되어 상기 자석에 의해 어느 방향으로 회전하도록 로우터에 미치는 합력이 없게 된다.

도 5 및 표 1에서 나타난 바와 같이, 만일 자석 M1이 시계방향으로 5도 움직이면 자석 M1을 반시계 방향으로 끌어당기기 위해 코일 A와 자석 M1사이에는 자연적으로 인력이 존재한다. 만일 다른 자석에 의해 미치는 합력이 연구자석 M1과 코일 A의 철심사이의 인력을 극복하기에 충분하다면, 상기 로우터는 시계방향으로 움직이는 것이 계속 유지된다.

그러나 표 1에서 나타난 바와 같이, 다른 자석 M2에서 M4의 위치각은 전체적으로 반시계방향의 합력을 야기한다.

합력을 극복하는데 있어서, 자석 M1에 대해 동일 극성을 갖는 코일 A의 극 X를 생성하는 것이 필수적이고 이로서 코일 A로부터 M1을 밀어낸다.

도 5에 나타난 바와 같이, 코일 A와 M1사이의 자기의 척력강도는 반시계방향으로 로우터를 추진하는 합력을 극복하기에 충분하다.

전류는 자석 M1의 15도 이동각에서 코일에 미치나 바람직하게는 코일 A가 자석 M1의 이동각 12도 51분 50초에서만 전압이 가해지는 것이다. 상기 이동각의 주기에 코일 A에 흐르는 전류에 의해서, 자석 M1의 이동각이 0도에서 15도사이에 일어나는 반시계방향의 합력을 극복하기 위해 최소량의 전류가 코일 A에 흐른다.

코일 A에 흐르는 전류가 상기 시간보다 오래동안 흐른다해도 상기, 시간에 흐르는 전류에 의해서 역기전력는 코일 A에 의해 자석 M1에 미치는 합력을 더하게 되는 코일 A에 유도된다.

매 번 자석 M1에서 M4 중 하나가 코일 A와 0도에서 정렬될 때, 코일 A는 상기 자석의 이동각 12도 51분 50초에서 전압이 가해진다. 그러므로, 도 6에서 나타난 바와 같이, 코일 A에 흐르는 전류는 0도에서 12도 51분 50초, 90도에서 102도 51분 50초, 180도에서 192도 51분 50초, 270도에서 282도 51분 50초 일 때 끝나게 된다.

유사한 스위칭 형태가 코일 B 및 X에 적용된다. 예를 들어, 코일 B는 자석 M2가 30도에서 42도 51분 50초로 이동할 때 전압이 가해진다. 마찬가지로, 코일 C는 자석 M3가 60도에서 72도 51분50초로 이동시 전압이 가해진다.

바람직하게는 상기 로우터는 230 mm의 직경을 가지며, 각 코일은 6.8ohms의 저항을 갖는다.

도 7은 코일저항 6.8ohms 및 230mm의 직경의 4극 로우터일 때 입력 전류에 대한 출력전압의 대표 그래프이다.

코일을 스위칭하는 정확한 시간 순서는 로터리 장치와 제어장치의 파라미터에 따라 달라진다.

따라서, 입력 전압의 변화에 의해 코일 저항과 각 코일의 전체 입력회로의 임피던스(impedence)는 코일이 작동되어 지는 지속시간동안 변화된다.

사실상 상기 코일에 스위칭의 시간순서는 변화될 수 있는 많은 요인이 있으 며, 몇가지를 아래에서 요약하기로 한다.

스태터

상기 스태터 철심의 구성에 사용되는 물질, 스태터 철심의 물리적 크기, 부분, 형태 뿐만아니라 다수의 스태터 철심 및 상기의 위치에 대한 다양한 변화를 포함한다.

로우터

물리적 크기와 자기력 및 로우터에 포함된 분극화된 영구 자석체, 동일한 위치와 공간, 모든 영구 자석체의 양극성의 이용, 또는 영구 자석체의 선택적 양극성 이용.

스태터 코일

스태터 코일에 위치하는 코일의 물리적 크기, 구리, 은, 알루미늄 등과 같이 코일을 감는데 사용된는 와이어의 종류. 원, 사각, 삼각, 직사각 등과 같은 와이어를 삼는 형태나 부분; 코일층과 횟수는 필수 ohms 저항 및 코일에 의한다; 코일 홀더에 감는 방법, 단일 와인딩, 이중 와인딩, 동일방향으로 이중 와인딩, 역방향으로 이중 와인딩, 좌에서 우로 또는 그 역으로, 인터우븐(interwoven) 와인딩, 상기 예는 단일 코일 홀드에 감는 것이다.

로우터의 속도

로우터의 속도는 작접(입력) DC 전류의 길이(끄고 키는 시간) 및/또는 상기 스태터 코일을 공급하는데 사용되는 공급 전압의 조절을 통해 제어될 수 있다.

본 시스템에서 다른 변화가 가능하며 다음을 포함한다 :

a. 상기 코일은 일련적으로, 평행으로 또는 일련하여 평행하게 연결될 수 있다.

b. 영구 자석의 북/남의 배열은 영구 자석이 파료한 수만큼 로우터에서 사용될 때 스태터에 사용되는 위치하는 스태터 코일의 반드시 짝으로 될 필요는 없다. 더 나아가, 상기 남북 배열에서 스태터 코일에 공급되는 DC 전류의 방향은 동시에 진행되어야 하고, 스태터 코일에 필요한 자기장은 스태터 코일, 철심의 말단에 대해 유사한 극성이여야 함을 의미하며, 이는 영구 자석과 접하고 있다.

c. 사용하는 영구자석은 모두 동일한 극성일 때, 로우터내의 영구 자석의 수는 로우터에서 배치함에 있어서 충분한 공간이 있을 정도로 사용된다.

d. 상기 영구 자석간의 공간은정확하여야 하고, 만일 다른 것과 너무 가까운 경우 상기 직접 DC 전류는 덜 효율적으로 되고, 너무 먼 경우에는 완전한 전위를 얻을 수 없다.

e. 영구 자석과 스태터 코일의 철심의 유사한 여러가지 조합이 가능하며 다음에 한정되는 것은 아니다 :

i. 로우터내에 3개의 자석, 1개에서 3개의 스태터 코일을 사용할 수 있다.

ii. 로우터내에 5개의 영구 자석, 1개에서 5개의 스태터 코일을 사용할 수 있다.

iii. 로우터내에 9개의 영구 자석, 1개에서 3개 또는 9개의 스태터 코일을 사용할 수 있다.

iv. 상기 출력은 각 조합으로 변화된다.

v. 로우터가 영구자석을 같은 수 또는 다른 수로 포함하는지 여부와 관계없이 상기 스태터는 단지 하나의 스태터 코일 및 스태터 철심으로 작동되고 여전히 높은 효율성이 있으나 전체 출력은 감소한다.

f. 상기 스태터와 로우터는 나무, 플라스틱, 동 및 유사한 비자성 물질과같은 비자성 물질로 만들어져야 한다.

비록 스위칭이 기계적 로타리 스위칭에 의해 바람직한 형태로 이루어져도 이는 또한, 고체상의 전자기술 또는 다른 스위칭 장치에 의해 수행된다.

상기 코일에 시간의 길이는 물리적 길이비율이다. 상기 브러쉬는 로터리 스위치의 전도성 부분 및 비전도성 부분과 접촉한다.

상기 비율은 진동수 또는 1초당 비율로 언급된다.

상기 로터리 장치에 의해 생성된 출력은 동시에 기계적 및 전기적이거나 주로 전기적 또는 주로 전기적일 수 만도 있다. 이와 같은 이유는 두 번째 실시예에서 언급되어 설명되어 질 것이고 스태터는 철심의 단일 가압코일을 포함하고 로우터는 단일 영구 자석을 포함한다.

상기 로우터 영구 자석이 시계방향으로 수동에 의해 매우 천천히 회전할 때 로우터 영구 자석과 스태터 철심 사이에 자연적인 자기 인력이 발생하는 지점을 결정하는 것이 가능하다.

상기 영구 자석의 상승 구간은 도 8에 도시된 A 지점에 도달할 때 상기 자연적 자기 인력은 시작되고 상기 영구 자석의 중심이 철심(30)에 반대되는 B지점에 정렬될 때까지 더욱더 증가한다.

만일 상기 영구 자석이 B지점과 떨어져서 회전되는 경우, 상기 NMA는 지점 B에서 최고가 될 것이며 영구 자석의 하강 구간이 C 지점에 도달할 때까지 점차로 최고치로부터 감소하고 소멸된다.

상기 로우터가 지속적인 속도로 시계방향으로 움직이고 오실로스코프 (oscilloscope)가 스태터 코일에 접촉될 때, 도 9에서 도시한 지점 A와 지점 B 사이 및 지점 B와 지점 C사이의 영구 자석의 운동을 관찰할 수 있다.

유도된 유도곡선은 오실로스코프상 분명하고 상기 유도된 인덕션(induction)은 사인파동곡선(31)을 만든다. 더 나아가, 상기 지점 A와 지점 B 사이의 유도된 인덕션은 이 순간에 음으로 가는 유도된 인덕션이고 지점 B와 지점 C사이의 유도된 인덕션은 이 순간에 양으로 가는 유도된 인덕션이다.

또한, 음으로 가는 및 양으로 가는 유도된 유도곡선은 정확하게 일치하나 서로 각각은 반대이다.

영구자석이 사이파동곡선(31)의 0도에서 스태터 코일의 음으로 가는 인덕션을 유도하기 시작할 때, 상기 유도된 인덕션은 0이다. 90도에서 사인파동곡선의 정도는 상기 유도된 인덕션이 최고치가 되고 그후 0으로 돌아가는데 이는 영구자석이 지점 B와 평행으로 배열하거나 사인파동곡선이 180도일 때, 상기 영구자석이 지점 B와 평행배열에서 멀어지기 시작하거나 사인파동곡선이 180도에서 멀어질 때이다.

상기 영구자석이 지점 B와의 정렬이 멀어지기 시작하거나 지점 C를 향해 움직일 때, 바로 양으로 가는 유도된 인덕션은 사인파동곡선이 180도일 때 처음에는 0이 되고 사인파동곡선이 270도에서 최고치가 되며 사인파동곡선이 360에서 0으로 돌아온다.

0도 및 360도의 사인파동곡선은 지점 A의 0도 및 지점 C의 360도에서의 사인파동곡선과 반드시 동일하지 않다.

지점 A와 C는 로우터 영구자석의 자력과 스태터 철심의 부분 및/또는 형태에 의해 결정된다.

사인파동곡선에서 0도와 180도 사이의 음으로 가는 유도 인덕션은 스태터 코일 및 반대 극성을 갖는 철심에 전자기력을 발생시킨다.

도 10에서 도시한 대로, 상기 로우터와 접하는 철심의 말단은 이 순간 영구자석과 반대의 극성을 갖게된다.

사인파동곡선에서 180도와 360도 사이의 양으로 가는 유도 인덕션은 스태터 코일 및 동일한 극성의 철심에서 전자기력을 발생시키는데 로우터와 접하는 철심의 말단은 이 순간 영구자석과 동일한 극성을 갖게된다.

영구자석이 지점 A에 도달할 때 영구자석과 스태터 철심사이의 자연적인 자기인력은 최소치가 되고 지점 B를 향해 움직이기 시작한다. 또한, 유도된 인덕션이 지점 A와 지점 B의 임의의 곳이 되는 사인파동곡선 0도에서 발생하기 시작할 때 상기 자연적 자기인력은 이미 증기된다.

상기 영구자석이 사인파동곡선의 0도에 있고 지점 B 또는 사인파동곡선 180도로 움직일 때, 상기 스태터 코일에서 음으로 가는 유도된 인덕션은 스태터 철심에 전자기력(전자기장)을 발생시키는데 로우터와 접하는 철심의 말단은 상기 영구 자석과 반대되는 극성을 가지게 되고 사인파동곡선이 0도에서 제로 효과가 되며 사인파동곡선이 90도에서 최고효과 된다. 그리고 사인파동곡선이 180도에서 제로효과로 돌아간다.

상기 영구자석은 지점 B에서 정렬된다. 상기 자기인력은 거리에 비례하고 이는 A에서 지점 B로 갈수록 점차로 증가한다. 상기 스태터 철심은 지점 B에서 고정되고 정지되어 있다. 따라서, 이는 지점 B를 향해 움직이는 영구자석이 된다.

예를 들어, 만일 상기 스테터 철심이 반대극의 영구자석이 아니라 동일한 강도의 양극화된 영구 자석체라고 하면, 상기 설명한 거리 요인 때문에 상기 자기인력은 적어도 4배 이상 커진다.

더 나아가, 상기와 같은 것은 자극의 남과 북의 배열 사이의 자기력이 두배가 되기 때문에 발생한다. 그러므로, 상기 스태터 코일에 유도된 인덕션이 상기 로우터와 접하는 스태터 철심의 말단에서 반대극을 가진 전자기력을 발생시킬 때, 상기 영구 자석과 로우터에 접하는 철심사이의 자기인력은 상당히 증가된다.

상기 증가는 사인파동의 0도에서 90도에서 시작되며 상기 효과는 사인파동곡선 90도에서 180에서 돌아가 감소한다.

도 10은 0도에서 180도 사이에서, 반대극(33)을 가진 로우터와 접하는 스테터 철심 말단에서 전자기력을 생성하는 자연적인 자기인력과 유도된 인덕션의 합성곡선을 나타낸다. 180도에서 360도 사이에서는 스태터 철코일과 같은극(34)의 로우터를 나타낸다.

영구자석이 지점 B에서 정렬되고 직류가 지점 B에서 시작하는 짧은 시간에만 공급될 때, 상기 직류는 영구 자석과 로우터와 접하는 스태터 철심의 말단 사이에서의 자연적 자기인력을 극복하기에 충분하게 작용된다. 상기 스태터 코일에 공급된 직접적인 DC 전류는 로우터외 접하는 철심에서 같은 극을 생성하고 이것이 영구 자석을 지점 B에서 지점 C로 밀어낸다.

그러므로, 상기 자연적 자기인력은 로우터와 접하는 스태터 철심의 같은 극 때문에 자연적 자기척력을 변화시킨다.

상기 "온(on)"시간의 길이는 자연적 자기인력을 극복하기에 충분하고 상기 하강구간은 자연적 자기인력이 끝나는 지점 C에 도달할 때까지 계속된다. 그러나, 영구자석에 의해 생성되는 상기 스태터 코일의 양으로 가는 유도된 인덕션은 사인파동곡선의 180도 또는 지점 B 및 그 순간 제로에서 시작되는 같은 극의 영구 자석을 생성하면서 상기 스태터 또는 로우터와 접하는 철심 말단에 전자기력을 생성한다. 사인파동곡선의 270도에서는 최고치가 되고 사인파동곡선의 360도에서는 0으로 떨어진다. 다른 의미로 사인파동곡선 270도에서는 상기 힘은 최고치의 척력이고 스태터 코일의 유도된 인덕션은 로우터의 속도에 의존한다. 로우터 속도변화의 효과는 도 11의 곡선(35)에 나타나 있다.

도 11에서 도시된 바와 같이, 로우터의 속도와 관계없이 상기 스태터 코일의 유도된 인덕션은 사인파동곡선의 270도 일 때 최고치가 된다.

상기 온 시간은 유도된 인덕션이 사인파동곡선의 360도 및 지점 C 아래에서 전자기척력이 이르게 하기에 충분히 큰 지점으로 돌아가도록 한다. 그러므로, 상기 로우터 속도가 클수록 입력 DC 전류의 온 시간은 짧아지는 것은 상기 설명한 스태 터 코일의 고도로 유도된 인덕션 때문이다. 상기 "온" 시간이 스위치 오프될 때, 이를 "컷오프(cut-off)" 지점이라 한다. 상기 컷오프 지점에서부터 사인파동곡선의 360도 까지 상기 반발력은 상기 설명한 스태터 코일의 유도된 인덕션 역기전력에 의해 생성된다.

상기 온 시간동안, 지점 B의 스태터 철심과 영구 자석 사이에서 발생된 자기척력은 합성된 척력으로서 나타난다. 상기 힘의 몇은 영구 자석의 자연적 자기 반발력에 의해 발생되고 몇몇은 스태터 코일에 공급된 입력 DC 전류에 의해 발생된다. 그러므로, 만일 상기 스태터 코일의 입력 DC 전류에 의해 발생한 유도된 자기력이 같은 극을 갖는 영구자석의 자기력과 일치되게 되면 그 즉시 상기 온 시간과 컷오프 지점 사이의 반발력의 절반은 스태터 코일의 입력 DC 전류에 의해 공급되어 상기 유도된 자기력의 상호작용만큼 영구 자석의 자연적 자기반발력으로부터 발생되는 것이다.

상기 스태터 코일에 공급된 입력 DC 전류는 자기 반발력을 발생시키고 지점 A 및 지점 C사이의 전체 이동에 대한 전 시스템의 외부 입력이다.

전체 입력은 다음으로 요약할 수 있다 :

a. 지점 A에서 B사이에 상기 스태터 코일에 유도된 인덕션에 의해 발생된 합성 자연적 자기반발력 및 전자기력.

b. 온 시간 및 컷오프 지점에서 로우터와 접하는 스태터 철심과 영구자석 사이의 상기 합성 자기반발력.

c. 컷오프 지점과 지점 C 사이의 전자기 반발력(상기 성명한 유도 인덕션 참 조).

d. 도 11의 그늘진 부분으로 나타낸 역기전력에 의해 발생하는 전자기 반발력.

본 발명의 다른 실시예에 따라서, 상기 스태터는 각각에 대해 180도로 위치한 2개의 코일과 상기 로우터는 120도로 분리되어 위치한 4개의 영구자석으로 되어 있다.

하기 표 2에서 보는 바와 같이, 0도에서 30도 사이에서, 합력은 로우터를 반시계방향으로 돌린다. 30도에서 합력은 0이고 30도에서 90도 사이에 합력은 시계방향이 된다. 90도에서 120도 사이에 합력은 반시계 방향이다. 이는 로우터의 360도 회전을 통해 3번 반복되는 완전한 주기로 완성된다.

표 2

M1	5°C	10°CC	15°CC	20°CC	25°CC	30°CC
M2	55 CW	50 CW	45 CW	40 CW	35 CW	30 CW
M3	65 CC	70 CC	75 CC	80 CC	85 CC	90
M4	CC	CC	CC	CC	CC	0

상기 극과 코일의 배열에 따라, 만일 로우터를 시계방향으로 움직이도록 하려면, 전류는 반시계 방향일 때마다 반시계 방향의 힘을 극복하기 위하여 스태터의 코일에 공급될 필요가 있다. 그러나 상기 설명한 바와 같이 상기 합력이 반시계 방향인 동안 전 주기에서 코일에 전압을 가하기 위해서 전류가 코일에 공급될 필요는 없다.

이를 보다 용이하고 쉽게 설명하면, 상기 실시예는 스태터상의 로우터와 코일로 한정된다. 그러나, 만일 영구자석이 적합한 자극을 발생키 위해 저압이 가해지는 코일로 대체된다고 하여 본 발명에 따른 기본 개념이 변하는 것은 아니다.

유사하게는, AC 로터리 장치에 있어서 회전하는 자기장은 스태터 와인딩 및 상기 로우터/전기자의 와인딩에 의해 발생되는데, 이는 한 방향의 모우터의 회전을 유지하기 위해 필요한 전류량을 감소시키고 단일 방향의 모우터의 회전을 유지하는 역기전력의 영향을 최대화하기 위해 스위칭될 수 있다.

또한 상기 원칙은 자기장을 발생하기 위해 코일에 전압을 가하는 제너레이터에 적용된다. 이러한 상황에서는 상기 코일은 단일 방향의 회전을 유지하고 단일 방향의 로우터/전기자의 회전을 유지하려는 경향의 역기전력의 영향을 극대화하기 위해 충분한 시간 동안 스위치 온 된다.

상기 개념을 이용하여, 동시에 기계적 및 전기적인 출력을 발생할 수 있다. 스태터 코일 와인딩에서 발생하는 전류는 출력으로 이용될 수 있고, 마찬가지로 로우터에 의해 발생한 토크는 기계적 출력에 공급되는데 이용될 수 있다. 이와 같이 하나의 또는 여러 형태의 출력이 이용될 수 있다.

Claims (17)

1. 회전장치를 제어하기 위한 시스템에 있어서,

   상기 시스템은 제어장치 및 로터리 장치로 구성되며, 이는 스태터와 로우터를 갖고, 여기서 제어장치는 로터리 장치의 회전을 제어하기 위해 로터리 장치와 연결되어 있으며, 상기 제어장치는 로우터가 단일 방향으로 회전하도록 유도하는 극성의 자기장을 형성하기 위하여 상기 장치의 적어도 하나의 가압코일에 정기적으로 전압을 가하는데 적합하며, 상기 제어장치는 전압이 가해진 가압코일로부터 발생하는 힘이 아닌 인력 및 척력이 단일 방향으로 로우터의 회전을 유도하는 합력을 생성시킬 때 상기 가압코일에 전압을 가하지 않기 위해 스위치 오프되는 것을 특징으로 하는 회전 장치를 제어하기 위한 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어장치는 상기 인력 및 척력으로부터의 합력이 반대방향으로 로우터를 회전시키는 동안 적어도 하나의 가압코일에 전압을 가하기가 적합하며, 상기 적어도 하나의 가압코일에 의해 가해지는 힘은 상기 합력보다 큰 것을 특징으로 하는 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제어장치는 상기 합력이 0이 되기 전에 가압코일로의 입력 전류를 스위치 오프하게 되는 것을 특징으로 하는 시스템.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 제어장치는 상기 합력이 0이 되기 전의 시간동안 적어도 하나의 가압코일에 스위치 오프하고, 상기 합력이 0이 되기 전에 역기전력이 상기 로우터가 단일 방향으로 회전토록 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 가압코일은 모우터의 완전한 회전의 예정된 하나 또는 그 이상의 각에 의해 상기 제어장치를 통해서 전압이 가해지는 것을 특징으로 하는 시스템.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 가압코일은 로우터의 매 회전의 하나의 또는 그 이상의 예정된 시간동안 제어장치에 의해 전압이 가해지는 것을 특징으로 하는 시스템.
7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 적어도 하나의 가압코일은 로우터가 단일 회전동안 한번 이상 전압이 가해지는 것을 특징으로 하는 시스템.
8. 제 7 항에 있어서, 적어도 하나의 가압코일은 상기 합력이 로우터에 반대방향으로 힘을 작용시킬 때마다 전압이 가해지는 것을 특징으로 하는 시스템.
9. 제 8 항에 있어서, 적어도 하나의 가압코일은 제어장치에 의한 주기적 펄스에 의해 전압이 가해지는 것을 특징으로 하는 시스템.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 주기적 펄스는 모두 동일한 신호임을 특징으로 하는 시스템.
11. 제 10 항에 있어서, 적어도 하나의 가압코일은 상기 합력이 단일 방향에 대하여 반대방향일 때마다 전압이 가해지고 이는 합력이 0에서 최고치로 변하는 상기 예정된 시간보다 짧은 시간으로 일어남을 특징으로 하는 시스템.
12. 제 11 항에 있어서, 로우터는 자기장을 발생시킬 수 있는 적어도 하나의 자기장 발생수단을 가지고 있으며, 상기 자기장은 한 방향으로 로우터를 회전하는 힘을 작용하기 위해 전압이 가해질 때 상기 가압코일에 의해 발생되는 자기장과 상호 작용을 하는 것을 특징으로 하는 시스템.
13. 제 12 항에 있어서, 가압코일은 자기장 발생 수단을 끌거나 밀기 위한 자기적 상호작용수단을 포함함을 특징으로 하는 시스템.
14. 제 13 항에 있어서, 자기적 상호작용수단은 상기 또는 가압코일의 철심을 포함하고 자기장 발생수단은 적어도 하나의 영구 자석을 포함하는 것을 특징으로 하 는 시스템.
15. 제1항에 있어서, 상기 제어장치를 스위치 오프하고 상기 가압코일을 출력에 연결하는 스위칭 회로를 포함함으로서 상기 가압 코일상의 유도전류가 이용되는 것을 특징으로 하는 시스템.
16. 제1항에 있어서, 상기 제어장치는 로터리 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 로터리는 높이에 의해 변화하는 단면의 폭을 갖는 접촉부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.

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