KR101669984B1 - 돌극형 마그네틱 기어 - Google Patents

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김용재
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조선대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 마그네틱 기어에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 내측 로터 또는 외측 로터, 내측 로터 및 외측 로터의 자석 쌍극 중, 어느 한 극의 자석을 철심을 적층한 돌극으로 대체하여 희토류 영구자석을 사용을 줄일 수 있고, 폴 피스의 형태를 개선하여 공극에 자속을 집중시킴으로써 전달 토크를 향상 및 토크 리플의 저감을 실현할 수 있는 돌극형 마그네틱 기어에 관한 것이다.

Description

돌극형 마그네틱 기어{Salient-pole type magnetic gear}
본 발명은 마그네틱 기어에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 내측 로터 또는 외측 로터, 내측 로터 및 외측 로터의 자석 쌍극 중, 어느 한 극의 자석을 철심을 적층한 돌극으로 대체하여 희토류 영구자석을 사용을 줄일 수 있고, 폴 피스의 형태를 개선하여 공극에 자속을 집중시킴으로써 전달 토크를 향상 및 토크 리플의 저감을 실현할 수 있는 돌극형 마그네틱 기어에 관한 것이다.
마그네틱 기어는 자기력을 이용하여 비접촉식으로 동력을 전달하는 비접촉식 기어 장치로써 물리적인 접촉에 의해 동력을 전달하는 기어에 비해 노이즈 및 진동이 적고, 윤활유 주입이나 보수 점검이 불필요하며, 기계적인 마찰이 없어 안정성과 내구성이 높아 최근 연구가 활발하다.
또한, 마그네틱 기어는 에너지 손실을 경감할 수 있으므로 고효율 구동이 가능하고 신뢰도 및 정확한 피크 토크의 전달이 가능하다.
또한, 최근에는 풍력 터빈, 전기 자동차, 트랜스 미션 등 다양한 산업 전반에 걸쳐 마그네틱 기어의 적용하고자 하는 노력이 있다.
도 1은 일반적인 마그네틱 기어를 보여주는 것이고, 도 2는 일반적인 마그네틱 기어의 수직 단면을 보여주는 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 마그네틱 기어(10)는 크게 내측 로터(11), 외측 로터(12), 내측 로터(11)와 외측 로터(12) 사이에 로터들(11,12)과 이격되어 위치하는 폴 피스 모듈(13)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 내측 로터(11)는 내측 회전자(11b)와 내측 회전자(11b) 외부에 회전축을 중심으로 방사상으로 부착되는 자석(11a)을 포함하고, 상기 외측 로터(12)는 외측 회전자(12a)와 외측 회전자(12a) 내부에 회전축을 중심으로 방사상으로 부착되는 자석(12b)을 포함하며, 상기 폴 피스 모듈(13)은 회전축에 대해 방사상으로 등 간격 이격된 복수 개의 폴 피스(13a)를 포함한다.
또한, 상기 내측 로터(11)와 상기 외측 로터(12)의 자석들은 각각 서로 반대방향(회전축을 향한 방향과 회전축의 반대방향을 향한 방향)으로 자력을 갖는 자석들이 서로 교대로 위치하며, 서로 반대방향의 자력을 갖는 두 개의 자석은 쌍극을 이룬다.
이렇게 상기 로터들(11,12)에 자석을 쌍극으로 배치할 경우 고 토크 출력과 고속 회전이 가능한 기어를 제작할 수 있는 반면, 희토류 영구자석의 사용량이 늘어나므로 제작비용이 높은 단점이 있다.
또한, 상기 폴 피스 모듈(13)이 고정되어 있을 경우, 상기 내측 로터(11)와 상기 외측 로터(12)는 서로 반대방향으로 회전하게 되고, 어떤 로터가 입력 축이 되는지에 따라 감속기 또는 가속기로 이용된다.
또한, 상기 외측 로터(12)는 저속으로 회전하고, 상기 내측 로터(11)는 고속으로 회전하며, 상기 외측 로터(12)의 쌍극수와 상기 내측 로터(11)의 쌍극수는 아래의 수학식 a와 같이 폴 피스들(13a)의 개수를 결정한다.
[수학식 a]
Figure 112014084467491-pat00001
여기서, Ns는 폴 피스들(13a)의 개수, p1은 외측 로터(12)의 쌍극 수, p2은 내측 로터(11)의 쌍극 수를 의미한다.
또한, 도 2를 예로 들면, 외측 로터(12)의 자석의 극수가 42극으로 쌍극 수가 21극이고 내측 로터(11)의 자석의 극수가 4극으로 쌍극 수가 2극이므로 폴 피스들(13a)의 개수는 각 로터의 쌍극 수 21극 및 2극을 더한 23개가 된다.
또한, 마그네틱 기어(10)의 기어비는 아래의 수학식 b와 같이 로터들의 쌍극 수의 비로 결정된다.
[수학식 b]
Figure 112014084467491-pat00002
또한, 마그네틱 기어(10)의 로터들의 속도비는 아래의 수학식 c와 같다.
[수학식 c]
Figure 112014084467491-pat00003
한편, 종래의 마그네틱 기어(1)의 폴 피스(13a)는 수직단면이 중심각은 서로 동일하고 직경은 다른 외측 호(13aa)와 내측 호(13ab), 그리고 외측 호(13aa)와 내측 호(13ab)의 각 일단을 연결하는 직선(13ac) 및 각 타단을 연결하는 직선(13ad)으로 둘러싸인 도형의 형태를 갖는다.
그러나, 종래의 마그네틱 기어(10)는 이러한 폴 피스들(13a)의 형태적인 한계로 인해 외측 로터(12)와 폴 피스 모듈(13) 간, 내측 로터(11)와 폴 피스 모듈(13) 간의 공극에 자속을 집중시킬 수 없어 토크 전달이 낮고 토크 리플이 큰 문제점이 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
1.한국공개특허 제10-2013-0042564호, 자기 기어 장치 및 유지 부재
2.한국공개특허 제10-2014-0013087호, 자기 기어 장치
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 희토류 영구자석의 사용을 줄여 제작단가를 낮출 수 있는 마그네틱 기어를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 목적은 폴 피스의 형상을 최적화하여 공극에 자속을 집중시킴으로써 토크 전달을 향상시키고 토크 리플은 낮게 하여 동력 전달률과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 마그네틱 기어를 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 내측 로터(inner rotor), 상기 내측 로터와 이격되어 구비되는 외측 로터(outer roter) 및 상기 내측 로터와 상기 외측 로터 사이에 위치하고 상기 내측 로터에서 상기 외측 로터로 또는 상기 외측 로터에서 상기 내측 로터로 자속을 전달하는 서로 이격된 복수 개의 폴 피스(pole piece)가 구비되는 폴 피스 모듈을 포함하는 마그네틱 기어로서, 상기 내측 로터 및 상기 외측 로터 중, 적어도 어느 하나의 로터는 표면에는 회전축에 대해 방사상으로 자석과 돌극(salient pole)이 번갈아 적층된 돌극형 로터이며, 상기 각 폴 피스의 단면은, 제1 호(arc), 상기 제1 호와 중심의 위치 및 중심각은 동일하고 내경은 상기 제1 호의 내경보다 작은 제2 호 및 상기 제1 호와 상기 제2 호의 각 일단 및 각 타단 을 연결하는 선으로 둘러싸인 제1 도형과, 상기 제2 호와 중심의 위치 및 내경은 동일하고 중심각은 상기 제2 호의 중심각보다 큰 제3 호, 상기 제3 호와 중심의 위치와 중심각은 동일하고 내경은 상기 제3 호의 내경보다 작은 제4 호 및 상기 제3 호와 상기 제4 호의 각 일단 및 각 타단을 연결하는 선으로 둘러싸인 제2 도형이 결합한 형상을 갖되, 상기 제2 호의 2등분 위치와 상기 제3 호의 2등분 위치는 서로 겹쳐지도록 결합한 형상을 갖고, 상기 제4 호와 상기 제3 호의 수직 거리(이하, '제1 수직거리'라 함)는 아래의 수학식 1과 같이 상기 제4 호와 상기 제1 호의 수직 거리(이하, '제2 수직거리'라 함)에 13.5%보다는 크고 23.5%보다는 작도록 구비되는데, 상기 각 폴 피스와 상기 내측 로터 사이 및 상기 외측 로터 사이에는 각각 내측 공극과 외측 공극이 형성되어 있어 공극으로 자속이 집중되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어를 제공한다.
[수학식 1]
Figure 112016059378272-pat00027

여기서, α는 상기 제1 수직거리이고 Lpr은 상기 제2 수직거리이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 또한 내측 로터(inner rotor), 상기 내측 로터와 이격되어 구비되는 외측 로터(outer roter) 및 상기 내측 로터와 상기 외측 로터 사이에 위치하고 상기 내측 로터에서 상기 외측 로터로 또는 상기 외측 로터에서 상기 내측 로터로 자속을 전달하는 서로 이격된 복수 개의 폴 피스(pole piece)가 구비되는 폴 피스 모듈을 포함하는 마그네틱 기어로서, 상기 내측 로터 및 상기 외측 로터 중, 적어도 어느 하나의 로터는 표면에는 회전축에 대해 방사상으로 자석과 돌극(salient pole)이 번갈아 적층된 돌극형 로터이며, 상기 각 폴 피스의 단면은, 제1 호(arc), 상기 제1 호와 중심의 위치 및 중심각은 동일하고 내경은 상기 제1 호의 내경보다 작은 제2 호 및 상기 제1 호와 상기 제2 호의 각 일단 및 각 타단 을 연결하는 선으로 둘러싸인 제1 도형과, 상기 제2 호와 중심의 위치 및 내경은 동일하고 중심각은 상기 제2 호의 중심각보다 큰 제3 호, 상기 제3 호와 중심의 위치와 중심각은 동일하고 내경은 상기 제3 호의 내경보다 작은 제4 호 및 상기 제3 호와 상기 제4 호의 각 일단 및 각 타단을 연결하는 선으로 둘러싸인 제2 도형이 결합한 형상을 갖되, 상기 제2 호의 2등분 위치와 상기 제3 호의 2등분 위치는 서로 겹쳐지도록 결합한 형상을 갖고, 상기 제4 호의 중심각은 아래의 수학식 2와 같이 하나의 폴 피스를 사이에 둔 두 개의 폴피스의 제1 호들을 연결하는 가상 호의 중심각(이하, '기준각'이라 함)의 40%보다는 크고 50%보다는 작도록 구비되는데, 상기 각 폴 피스와 상기 내측 로터 사이 및 상기 외측 로터 사이에는 각각 내측 공극과 외측 공극이 형성되어 있어 공극으로 자속이 집중되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어를 제공한다.
[수학식 2]
Figure 112016059378272-pat00028

여기서, β는 상기 제4 호의 중심각이고 Np는 상기 폴 피스들의 개수이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 또한 내측 로터(inner rotor), 상기 내측 로터와 이격되어 구비되는 외측 로터(outer roter) 및 상기 내측 로터와 상기 외측 로터 사이에 위치하고 상기 내측 로터에서 상기 외측 로터로 또는 상기 외측 로터에서 상기 내측 로터로 자속을 전달하는 서로 이격된 복수 개의 폴 피스(pole piece)가 구비되는 폴 피스 모듈을 포함하는 마그네틱 기어로서, 상기 내측 로터 및 상기 외측 로터 중, 적어도 어느 하나의 로터는 표면에는 회전축에 대해 방사상으로 자석과 돌극(salient pole)이 번갈아 적층된 돌극형 로터이며, 상기 각 폴 피스의 단면은, 제1 호(arc), 상기 제1 호와 중심의 위치 및 중심각은 동일하고 내경은 상기 제1 호의 내경보다 작은 제2 호 및 상기 제1 호와 상기 제2 호의 각 일단 및 각 타단 을 연결하는 선으로 둘러싸인 제1 도형과, 상기 제2 호와 중심의 위치 및 내경은 동일하고 중심각은 상기 제2 호의 중심각보다 큰 제3 호, 상기 제3 호와 중심의 위치와 중심각은 동일하고 내경은 상기 제3 호의 내경보다 작은 제4 호 및 상기 제3 호와 상기 제4 호의 각 일단 및 각 타단을 연결하는 선으로 둘러싸인 제2 도형이 결합한 형상을 갖되, 상기 제2 호의 2등분 위치와 상기 제3 호의 2등분 위치는 서로 겹쳐지도록 결합한 형상을 갖고, 상기 제1 도형에서 상기 제1 호 및 상기 제2 호를 연결하는 선은 상기 제1 도형의 중심부를 향해 오목한 곡선(이하, '오목 곡선'이라 함)이고, 상기 오목 곡선의 양단을 연결하는 가상선분(이하, '제1 가상 선분'이라 함)의 2등분 위치에서 수직방향으로 상기 오목 곡선까지의 길이(이하, '오목 길이'라 함)는, 상기 오목 곡선의 상기 제1 호 측 일단에서 상기 제4 호에 수직방향으로 연결되는 가상선분(이하, '제2 가상 선분'이라 함)의 2등분 위치에서 수직방향으로 상기 제1 호의 2등분 위치와 상기 제4 호의 2등분 위치를 연결하는 가상선분(이하, '제3 가상 선분'이라 함)까지의 길이의 30%보다는 크고 40%보다는 작도록 구비되는데, 상기 각 폴 피스와 상기 내측 로터 사이 및 상기 외측 로터 사이에는 각각 내측 공극과 외측 공극이 형성되어 있어 공극으로 자속이 집중되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 오목 길이는 아래의 수학식 3에 의해 계산된다.
[수학식 3]
Figure 112016059378272-pat00029

여기서, Dpi는 상기 제4 호의 내경, Dpo는 상기 제1 호의 내경, Np는 폴 피스들의 개수이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 또한 내측 로터(inner rotor), 상기 내측 로터와 이격되어 구비되는 외측 로터(outer roter) 및 상기 내측 로터와 상기 외측 로터 사이에 위치하고 상기 내측 로터에서 상기 외측 로터로 또는 상기 외측 로터에서 상기 내측 로터로 자속을 전달하는 서로 이격된 복수 개의 폴 피스(pole piece)가 구비되는 폴 피스 모듈을 포함하는 마그네틱 기어로서, 상기 내측 로터 및 상기 외측 로터 중, 적어도 어느 하나의 로터는 표면에는 회전축에 대해 방사상으로 자석과 돌극(salient pole)이 번갈아 적층된 돌극형 로터이며, 상기 각 폴 피스의 단면은, 제1 호(arc), 상기 제1 호와 중심의 위치 및 중심각은 동일하고 내경은 상기 제1 호의 내경보다 작은 제2 호 및 상기 제1 호와 상기 제2 호의 각 일단 및 각 타단 을 연결하는 선으로 둘러싸인 제1 도형과, 상기 제2 호와 중심의 위치 및 내경은 동일하고 중심각은 상기 제2 호의 중심각보다 큰 제3 호, 상기 제3 호와 중심의 위치와 중심각은 동일하고 내경은 상기 제3 호의 내경보다 작은 제4 호 및 상기 제3 호와 상기 제4 호의 각 일단 및 각 타단을 연결하는 선으로 둘러싸인 제2 도형이 결합한 형상을 갖되, 상기 제2 호의 2등분 위치와 상기 제3 호의 2등분 위치는 서로 겹쳐지도록 결합한 형상을 갖고, 상기 제4 호와 상기 제3 호의 수직 거리(이하, '제1 수직거리'라 함)는 아래의 수학식 1과 같이 상기 제4 호와 상기 제1 호의 수직 거리(이하, '제2 수직거리'라 함)에 13.5%보다는 크고 23.5%보다는 작도록 구비되고, 상기 제4 호의 중심각은 아래의 수학식 2와 같이 하나의 폴 피스를 사이에 둔 두 개의 폴피스의 제1 호들을 연결하는 가상 호의 중심각(이하, '기준각'이라 함)의 40%보다는 크고 50%보다는 작도록 구비되며, 상기 제1 도형에서 상기 제1 호 및 상기 제2 호를 연결하는 선은 상기 제1 도형의 중심부를 향해 오목한 곡선(이하, '오목 곡선'이라 함)이며, 상기 오목 곡선의 양단을 연결하는 가상선분(이하, '제1 가상 선분'이라 함)의 2등분 위치에서 수직방향으로 상기 오목 곡선까지의 길이(이하, '오목 길이'라 함)는 아래의 수학식 3과 같이 상기 오목 곡선의 상기 제1 호 측 일단에서 상기 제4 호에 수직방향으로 연결되는 가상선분(이하, '제2 가상 선분'이라 함)의 2등분 위치에서 수직방향으로 상기 제1 호의 2등분 위치와 상기 제4 호의 2등분 위치를 연결하는 가상선분(이하, '제3 가상 선분'이라 함)까지의 길이의 30%보다는 크고 40%보다는 작도록 구비되는데, 상기 각 폴 피스와 상기 내측 로터 사이 및 상기 외측 로터 사이에는 각각 내측 공극과 외측 공극이 형성되어 있어 공극으로 자속이 집중되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어를 제공한다.
[수학식 1]
Figure 112016059378272-pat00030

여기서, α는 상기 제1 수직거리이고 Lpr은 상기 제2 수직거리이다.
[수학식 2]
Figure 112016059378272-pat00031

여기서, β는 상기 제4 호의 중심각이고 Np는 상기 폴 피스들의 개수이다.
[수학식 3]
Figure 112016059378272-pat00032

여기서, Dpi는 상기 제4 호의 내경, Dpo는 상기 제1 호의 내경, Np는 폴 피스들의 개수이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 외측 로터는 돌극형 로터이며, 상기 외측 로터:는, 원통형의 외측 회전자; 상기 외측 회전자의 내측 면에 회전축을 중심으로 방사상으로 이격되어 부착되며, 상기 회전축을 향해 자력을 갖는 복수 개의 자석(이하, '외측 자석'이라 함); 및 상기 외측 회전자에 내측 면에 철심이 적층되어 형성되는 것으로 상기 외측 자석들 사이에 각각 구비되는 돌극(이하, '외측 돌극'라 함);을 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 내측 로터는 돌극형 로터이며,상기 내측 로터:는, 원통형의 내측 회전자; 상기 내측 회전자의 외측 면에 회전축을 중심으로 방사상으로 이격되어 부착되며, 상기 회전축의 반대 방향을 향해 자력을 갖는 복수 개의 자석(이하, '내측 자석'이라 함); 및 상기 내측 회전자의 외측면에 철심이 적층되어 형성되는 것으로 상기 내측 자석들 사이에 각각 구비되는 돌극(이하, '내측 돌극'라 함);을 포함한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 외측 로터 및 상기 내측 로터는 각각 돌극형 로터이며, 상기 외측 로터:는, 원통형의 외측 회전자; 상기 외측 회전자의 내측 면에 회전축을 중심으로 방사상으로 이격되어 부착되며, 상기 회전축을 향해 자력을 갖는 복수 개의 자석(이하, '외측 자석'이라 함); 및 상기 외측 자석들 사이에 각각 구비되며, 상기 외측 회전자에 철심이 적층되어 형성되는 돌극(이하, '외측 돌극'라 함);을 포함하고, 상기 내측 로터:는, 원통형의 내측 회전자; 상기 내측 회전자의 외측 면에 회전축을 중심으로 방사상으로 이격되어 부착되며, 상기 회전축의 반대 방향을 향해 자력을 갖는 복수 개의 자석(이하, '내측 자석'이라 함); 및 상기 내측 자석들 사이에 각각 구비되며, 상기 내측 회전자에 철심이 적층되어 형성되는 돌극(이하, '내측 돌극'라 함);을 포함한다.
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또한, 본 발명은 상기 마그네틱 기어를 적어도 두 개 포함하고, 상기 마그네틱 기어들 중, 제1 마그네틱 기어의 출력측 로터는 제2 마그네틱 기어의 입력측 로터에 직결되는 것을 특징으로 하는 멀티플 타입 마그네틱 기어를 더 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 마그네틱 기어; 상기 마그네틱 기어의 내측 로터의 외측에 이격되어 구비되며 복수 개의 폴 피스를 갖는 적어도 하나의 내부 폴 피스 모듈; 및 상기 내부 폴 피스 모듈과 상기 마그네틱 기어의 폴 피스 모듈 사이에 구비되는 적어도 하나의 중간 로터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레이어 타입 마그네틱 기어를 더 제공한다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 마그네틱 기어에 의하면, 외측 로터 또는 내측 로터, 외측 로터 및 내측 로터를 돌극형 로터로 구성하여 희토류 영구자석의 사용을 줄임으로써 제작단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 마그네틱 기어에 의하면, 로터를 돌극형으로 구성하더라도 자석과 돌극의 크기를 조절하여 토크의 저감을 보상해줄 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 마그네틱 기어에 의하면, 폴 피스의 단면 형태에 관한 변수 α,β,γ를 한정하여 공극에 자속을 집중시킬 수 있어 토크 전달을 향상시키고 토크 리플은 낮게 함으로써 동력 전달률과 신뢰성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 멀티플 타입 마그네틱 기어에 의하면, 두 개의 마그네틱 기어를 직결하여 작은 부피로도 큰 토크비를 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 멀티레이어 타입 마그네틱 기어에 의하면, 외측 로터와 내측 로터 사이에 중간 로터를 삽입하여 적은 개수의 자석을 이용하여 큰 토크비를 제공할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 마그네틱 기어를 보여주는 도면,
도 2는 일반적인 마그네틱 기어의 수직 단면을 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네틱 기어를 설명하기 위한 도면,
도 5은 본 발명의 제3 실시예에 따른 마그네틱 기어를 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 마그네틱 기어의 폴 피스 형태를 설명하기 위한 도면,
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 마그네틱 기어의 폴 피스의 형태를 결정하는 변수를 설명하기 위한 도면,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티플 타입 마그네틱 기어를 설명하기 위한 도면,
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레이어 타입 마그네틱 기어를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)는 외측 로터(110), 상기 외측 로터(110)의 내측에 상기 외측 로터(110)와 이격되어 구비되는 내측 로터(120) 및 상기 외측 로터(110)와 상기 내측 로터(120) 사이에 상기 외측 로터(110)와 상기 내측 로터(120)에 각각 이격되어 구비되는 폴 피스 모듈(130)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 폴 피스 모듈(130)이 고정되어 있을 경우, 상기 외측 로터(110)와 상기 내측 로터(120)는 서로 다른 방향으로 회전하며 상기 외측 로터(110)에서 상기 내측 로터(120)로 또는 상기 내측 로터(120)에서 상기 외측 로터(110)로 회전력을 전달한다.
그러나, 상기 외측 로터(110)와 상기 내측 로터(120) 중, 어느 하나의 로터는 고정될 경우, 상기 폴 피스 모듈(130)과 고정되지 않은 다른 하나의 로터가 회전하며 동력을 전달할 수도 있다.
이 경우, 상기 폴 피스 모듈(130)과 회전하는 로터의 회전방향은 동일하다.
또한, 도 3에서는 본 발명의 마그네틱 기어(100)가 원통 회전형의 마그네틱 기어인 것으로 도시하였으나 원판 회전형, 평판 리니어형, 원통 리니어형으로 제작이 가능하다.(예를 들면, 특허문헌 1의 원판 회전형, 평판 리니어형, 원통 리니어형의 형태를 참조할 수 있다.)
또한, 상기 외측 로터(110)는 내측 면에 회전축(c)에 대해 방사상으로 위치하는 자석(112)과 자석들(112) 사이에 돌극(salient pole)이 형성된 돌극형 로터이다.
자세하게는 상기 외측 로터(110)는 원통형의 외측 회전자(111), 상기 외측 회전자(111)의 내측 면에 회전축(c)을 중심으로 방사상으로 이격되어 부착되며, 상기 회전축(c)을 향해 자력을 갖는 복수 개의 자석(112, 이하 '외측 자석'이라 함) 및 상기 외측 자석들(112) 사이에 각각 구비되는 돌극(111a, 이하 '외측 돌극'이라 함)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 외측 돌극(111a)은 상기 외측 회전자(111)의 내측 면에 철심을 적층하여 형성되는 것으로 철극이라고도 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 외측 돌극(111a)이 상기 외측 회전자(111)에 적층되어 형성되는 것으로 설명하였으나 상기 외측 돌극(111a)과 상기 외측 회전자(111)는 일체로 제작될 수 있다.
즉, 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)는 종래의 마그네틱 기어(10)와 비교하여 외측 로터(110)가 쌍극인 자석을 갖지않고 회전축(c)을 향하는 방향으로 착자된 자석만이 구비되므로 영구자석의 양을 줄일 수 있어 제작비용이 저렴한 장점이 있다.
또한, 상기 내측 로터(120)는 내측 회전자(121)와 상기 내측 회전자(121) 외측에 쌍극을 이루며 부착되는 복수 개의 자석(122)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 폴 피스 모듈(130)은 회전 축(c)에 대해 방사상으로 서로 이격된 복수 개의 폴 피스(131)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 폴 피스(131)는 자극편이라고도 하며, 자성체로써 상기 외측 로터(110)에서 상기 내측 로터(120)로 또는 상기 내측 로터(120)에서 상기 외측 로터(110)로 자속을 전달하는 역할을 한다.
또한, 도시하지는 않았으나 상기 폴 피스 모듈(130)은 폴 피스들(131) 간 및 폴 피스(131)와 상기 로터들(110,120)의 자석들 간을 서로 이격되게 유지하는 지지부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 폴 피스들(131)의 개수는 상술한 수학식 a에 의해 결정되며, 기어비는 상술한 수학식 b와 같다.
또한, 상기 폴 피스들(131)과 상기 외측 로터(110) 간에는 외측 공극(outer airgap)이 존재하고 상기 폴 피스들(131)과 상기 내측 로터(120) 간에는 내측 공극(inner airgap)이 존재하며, 이러한 공극들(110a,120a)은 자기 회로에서 저항의 역할을 하는 것으로 자속이 집중되게 된다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 마그네틱 기어(100)는 자석 양의 감소에 비례하여 토크의 감소가 발생한다.
이러한 토크 감소는 상기 외측 자석(112)과 상기 외측 돌극(111a)의 크기를 조절함으로써 보상할 수 있고, 자세하게는 아래의 표1과 같이 상기 외측 자석(112)의 중심각(θ)과 상기 외측 돌극(111a)의 적층폭(L)을 조절함으로써 보상할 수 있었다.

구분
종래의 마그네틱 기어		 중심각(θ)과 적층폭(L)이 조절된 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어
외측 자석의 중심각(deg) 8.6 10

적층폭(mm)		 100
(회전축방향으로의
자석 길이)		 126.6
기어비 10.5 10.5
내측로터의 극수 4
외측로터의 극수 42
폴 피스 개수 23
토크 내측로터 토크(Nm) 18.3 18.3
내측로터 토크리플(%) 4.1 6.2
외측로터 토크(Nm) 193.2 192.9
외측로터 토크리플(%) 0.1 0.2
출력 내측로터(W) 1919.4 1917.5
외측로터(W) 1926.7 1923.9
도 4을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네틱 기어(100a)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)와 비교하여 상기 외측 로터(110)는 쌍극(113)인 자석들을 갖고 상기 내측 로터(110)가 돌극형으로 구성되는 차이가 있다.
자세하게는 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네틱 기어(100a)의 내측 로터(110)는 원통형의 내측 회전자(121), 상기 내측 회전자(121)의 외측 면에 회전축(c)을 중심으로 방사상으로 이격되어 부착되며, 회전축(c)의 반대방향으로 자력을 갖는 복수 개의 자석(123,이하 '내측 자석'이라 함) 및 상기 내측 자석들(123) 사이에 각각 구비되는 돌극(121a, 이하 '내측 돌극'이라 함)을 포함하여 구성된다.
또한, 도 4에 도시한 바와 같이 상기 내측 자석(123)이 두 개로 구성될 경우, 상기 내측 자석들(123) 회전축(c)에 대해 서로 대향하는 방향으로 배치된다.
또한, 본 발명에서는 상기 내측 돌극(121a)이 상기 내측 회전자(121)에 적층되어 형성되는 것으로 설명하였으나 상기 내측 돌극(121a)과 상기 내측 회전자(121)는 일체로 제작될 수 있다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네틱 기어(100a)는 종래의 마그네틱 기어(10)와 비교하여 내측 로터(120)에 구비되는 영구자석의 양을 줄일 수 있어 제작비용이 저렴한 장점이 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 마그네틱 기어(100b)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100) 및 제2 실시예에 따른 마그네틱 기어(100a)와 비교하여 상기 외측 로터(110)와 상기 내측 로터(120)가 각각 돌극형 로터로 구성된다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 마그네틱 기어(100b)의 외측 로터(110)는 상기 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)의 외측 로터와 실질적으로 동일하고, 내측 로터(120)는 상기 제2 실시예에 따른 마그네틱 기어(100a)의 내측 로터와 실질적으로 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
즉, 본 발명의 제3 실시예에 따른 마그네틱 기어(100b)는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 마그네틱 기어들(100,100a)과 비교하여 영구자석의 양을 더욱 줄일 수 있는 장점이 있다.
아래의 표2은 종래의 마그네틱 기어(10)와 본 발명의 실시예들에 따른 마그네틱 기어(100,100a,100b)의 영구자석 면적 및 풀 아웃 토크(pull-out torque,외측 로터의 토크)를 비교한 표이다.
영구자석 면적[㎟] 풀 아웃 토크[Nm]
종래의 마그네틱 기어 6283(100%) 192.8(100%)
본 발명의 제1 실시예 4373(69.6%) 131.3(68.1%)
본 발명의 제2 실시예 5051(80.4%) 125.7(65.1%)
본 발명의 제3 실시예 3141(50%) 96.3(49.9%)
표2을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 마그네틱 기어(100b)는 영구자석의 면적은 가장 적으나 토크가 낮았고, 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네틱 기어(100a)는 자석의 면적 감소는 가장 적었으나 토크가 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)보다 낮았다.
따라서, 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100a)가 면적 감소량 대비 토크 감소량이 가장 적어 동력전달장치로써 사용이 적합함을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)의 내측 로터 토크리플은 6.15%로 상대적으로 낮았으나, 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네틱 기어(100a) 및 제3 실시예에 따른 마그네틱 기어는 내측 로터 토크리플이 각각 11.95%, 56.24%로 높아 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)의 신뢰도가 가장 높았다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 마그네틱 기어들(100,100a,100b)의 폴 피스(131)의 일례를 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 실시예들에 따른 마그네틱 기어들(100,100a,100b)의 폴 피스(131)는 공극에 자속을 집중시킬 수 있는 형상을 갖도록 제작될 수 있다.
도 6을 참조하여 상기 폴 피스(131)의 형상을 자세히 설명하면, 상기 폴 피스(131)는 회전축(c)과 나란한 바 형상으로 그 수직 단면이 제1 도형(131a)과 제2 도형(131b)이 평면상에서 결합한 형상을 갖는다.
또한, 상기 제1 도형(131a)은 곡선인 제1 호(arc,131aa), 상기 제1 호(131aa)와 중심(c)의 위치 및 중심각(θ1)은 동일하고, 내경(d2)이 상기 제1 호(131aa)의 내경(d1)보다 작은 제2 호(131ab), 상기 제1 호(131aa)와 상기 제2 호(131ab)의 각 일단을 연결하는 선(131ac) 및 상기 제1 호(131aa)와 상기 제2 호(131ab)의 각 타단을 연결하는 선(131ad)으로 둘러싸인 평면 도형이다.
다시 말해서, 상기 제2 호(131ab)의 내경 반지름(d2/2)은 상기 제1 호(131aa)의 내경 반지름(d1/2)보다 작고, 곡률은 서로 동일하며, 중심(c)의 위치는 회전축(c)의 위치와 서로 일치한다.
또한, 상기 제1 호(131aa)와 상기 제2 호(131ab)를 연결하는 선들(131ac,131ad)은 상기 제1 도형(131a)의 중심부를 향해 오목한 곡선(이하 '오목 곡선'이라 함)인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 도형(131b)은 상기 제2 호(131ab)와 중심(c)의 위치 및 내경(d2)은 동일하고, 중심각(θ2)은 상기 제2 호(131ab)의 중심각(θ1)보다 큰 제3 호(131ba), 상기 제3 호(131ba)와 중심(c)의 위치 및 중심각(θ2)의 크기는 동일하고, 내경(d3)은 상기 제3 호(131ba)의 내경(d2)보다 작은 제4 호(131bb), 상기 제3 호(131ba)와 상기 제4 호(131bb)의 각 일단을 연결하는 선(131bd) 및 상기 제3 호(131ba)와 상기 제4 호(131bb)의 각 타단을 연결하는 선(131bc)으로 둘러싸인 평면 도형이다.
다시 말해서, 상기 제2 호(131ab)와 상기 제3 호(131ba)의 내경 반지름(d2/2)은 서로 동일하고, 상기 제3 호(131ba)의 내경 반지름(d2/2)은 상기 제4 호(131bb)의 내경 반지름(d3/2)보다 크다.
또한, 상기 제3 호(131ba)와 상기 제4 호(131bb)의 각 단을 연결하는 선들(131bc,131bd)은 직선인 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1 도형(131a)과 상기 제2 도형(131b)은 상기 제2 호(131ab)의 2등분 위치(c1)와 상기 제3 호(131ba)의 2등분 위치(c1)가 서로 겹쳐지도록 평면상에서 결합하여 상기 폴 피스(131)의 단면 형상을 이룬다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 상기 폴 피스(131)의 형태 결정하는 변수를 설명하기 위한 것으로, 상기 폴 피스(131)의 형태를 결정하는 변수는 크게 세 가지이다.
먼저, 도 7을 참조하면, 첫 번째 변수는 상기 제3 호(131ba)와 상기 제4 호(131bb)에 각각 수직인 직선의 거리(α,이하 '제1 수직거리'라 함)이다.
또한, 상기 제1 수직거리(α)는 상기 제4 호(131bb)와 상기 제1 호(131aa)에 각각 수직인 직선의 거리(Lpr',이하 '제2 수직거리'라 함)에 13.5%보다는 크고 23.5%보다는 작다.
즉, 상기 제1 수직거리(α)는 아래의 수학식 1을 만족하도록 설계된다.
Figure 112014084467491-pat00007
다음, 도 8을 참조하면, 두 번째 변수는 상기 제4 호(131bb)의 중심각(β)이다.
또한, 상기 제4 호(131bb)의 중심각(β)은 하나의 폴 피스(131)를 사이에 둔 두 개의 폴 피스(131',131")의 제1 호들(131'aa,131"aa)의 마주보는 끝단을 연결하는 가상 호의 중심각(β',이하 '기준각'이라 함)의 40%보다는 크고 50%보다는 작다.
즉, 상기 제4 호(131bb)의 중심각(β)은 아래의 수학식2와 같이 기준각(β')의 40% 내지 50% 사이의 범위의 각도에서 설계된다.
Figure 112014084467491-pat00008
여기서, 여기서 Np는 상기 폴 피스들의 개수이다.
다음, 도 9를 참조하면, 세 번째 변수는 어느 하나의 오목 곡선(131ac)의 양단을 연결하는 가상선분(ℓ1,이하 '제1 가상선분'이라 함)의 2등분 위치(c2)에서 수직방향으로 상기 어느 하나의 오목 곡선(131ac)까지의 길이(γ,이하 '오목 길이'라 함)이다.
또한, 상기 오목 길이(γ)는 상기 어느 하나의 오목 곡선(131ac)의 상기 제1 호(131aa) 측 일단(131ac')에서 상기 제4 호(131bb)에 수직으로 연결되는 가상선분(ℓ2, 이하 '제2 가상선분'이라 함)의 2등분 위치(c3)에서 수직방향으로 상기 제1 호(131aa)의 2등분 위치(c4)와 상기 제4 호(131bb)의 2등분 위치(c5)를 잇는 가상선분(ℓ3, 이하 '제3 가상선분'이라 함)까지의 길이(γ',이하 '기준 길이')에 30%보다는 크고 40%보다는 작다.
즉, 상기 오목 길이(γ)은 아래의 수학식 3과 같이 상기 기준 길이(γ')의 30% 내지 40% 범위내에서 설계된다.
Figure 112014084467491-pat00009
여기서, Dpi는 상기 제4 호(131bb)의 내경(d3), Dpo는 상기 제1 호(131aa)의 내경(d1), Np는 상기 폴 피스들(131)의 개수이다.
또한, 수학식 3에서 분모는 상기 기준 길이(γ')를 의미하는 것으로 원점(c)를 중심으로 하는 직각 좌표계 상에서 상기 제1 가상선분(ℓ3)을 x축으로 하여 점 c5 및 c4를 지나는 직선과 점 c3 및 c6를 지나는 직선의 교점의 y축 좌표값을 계산하기 위한 식이다. 그러나 상기 기준 길이(γ')은 다양한 방법으로 계산이 가능하다.
아래의 표 3는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)의 폴 피스(131)의 형태를 종래의 마그네틱 기어(100)의 폴 피스(13a)와 같이 일반적인 형상의 폴 피스(13a)로 구성한 경우와 도 6에 도시한 자속 집중형의 폴 피스(131)로 구성하였을 경우 토크를 비교한 표이다.
구분 종래의 폴 피스 형태 자속 집중형 폴 피스 형태

토크		 내측 로터 토크(Nm) 12.5 13.4
내측 로터 토크리플(%) 6.1 3.6
외측 로터 토크(Nm) 131.4 140.8
외측 로터 토크리플(%) 0.1 0.2
표 3에서도 알 수 있듯이 폴 피스(131)를 자속 집중형의 폴 피스로 구성할 경우 토크가 상승함을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티플 타입 마그네틱 기어를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티플 타입 마그네틱 기어(200)는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)가 복수 개 직결로 연결된 형태이다.
또한, 도 10에서는 두 개의 마그네틱 기어(100,100')가 직결된 듀얼 타입의 마그네틱 기어를 도시하였으나 세 개 이상의 마그네틱 기어들이 직결되어 구성될 수 있다.
또한, 듀얼 타입의 경우, 제1 마그네틱 기어(100)의 출력측(110a)이 제2 마그네틱 기어(110')의 입력측(130'a)에 연결된다.
또한, 상기 제1 마그네틱 기어(100)에서 상기 제2 마그네틱 기어(100')로 동력이 전달될 경우 경우에는 감속기로, 상기 제2 마그네틱 기어(100')에서 상기 제1 마그네틱 기어(100)로 동력이 전달될 경우에는 가속기로 동작한다.
또한, 상기 제1 마그네틱 기어(100)의 내측 로터(130)와 외측 로터(110)의 기어비가 1:10이고, 상기 제2 마그네틱 기어(100')의 내측 로터(130')와 외측 로터(110')의 기어비가 1:10일 경우 전체 기어비는 1:100이 되고 토크비도 1:100이 된다.
즉, 종래의 마그네틱 기어(10)를 1:100의 토크비를 갖도록 설계하고자 할 경우, 외측 로터의 쌍극 수가 내측 로터의 쌍극 수보다 100배 많아야 하므로 대형화가 불가피하나, 본 발명의 멀티플 타입 마그네틱 기어(200)는 두 개의 마그네틱 기어를 이용하여 소형으로 고 토크비를 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레이어 타입 마그네틱 기어를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레이어 타입 마그네틱 기어(300)는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)에 내부 폴 피스 모듈(310) 및 중간 로터(320)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 내부 폴 피스 모듈(310)과 상기 중간 로터(320)의 개수에는 한정이 없으며, 원하는 기어비에 따라 설계자가 임의의 개수로 구성할 수 있다. 다만, 상기 내부 폴 피스 모듈(310)과 상기 중간 로터(320)는 쌍을 이루며 구비되어야 한다.
또한, 상기 내부 폴 피스 모듈(310)은 상기 마그네틱 기어(100)의 내측 로터(120)의 외측에 이격되어 구비되며, 복수 개의 내부 폴 피스(311)를 갖는다.
또한, 상기 내부 폴 피스(311)의 형태 역시 자속 집중형의 폴 피스의 형태와 동일하게 변수 α,β,γ를 한정하여 설계될 수 있다.
또한, 상기 중간 로터(320)는 상기 내부 폴 피스 모듈(310)과 상기 폴 피스 모듈(130) 사이에서 상기 내부 폴 피스 모듈(310) 및 상기 폴 피스 모듈(130)과 각각 이격되어 구비된다.
즉, 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티레이어 타입 마그네틱 기어(300)는 상기 내측 로터(120)가 회전하면, 상기 내부 폴 피스 모듈(311)이 상기 중간 로터(320)로 자속을 전달하고, 상기 중간 로터(320)의 자속은 상기 폴 피스 모듈(130)에 의해 상기 외측 로터(110)로 전달되어 회전하는 형태이다.
또한, 도 11에서는 상기 중간 로터(320)를 내측 면 및 외측 면에 자석이 쌍극으로 부착된 로터로 도시하였으나 자석과 돌극을 번갈아 적층한 돌극형 로터로 구성할 수 있고, 이 경우 영구자석 사용량을 줄일 수 있다.
또한, 상기 내측 로터(120)에서 상기 외측 로터(110)를 향해 구동력이 전달될 경우 감속기로, 상기 외측 로터(110)에서 상기 내측 로터(120)를 향해 구동력이 전달될 경우 가속기로 동작한다.
따라서, 본 발명의 멀티레이어 타입 마그네틱 기어(300)에 의하면 종래의 마그네틱 기어(10)가 구현하고자 하는 기어비를 외측 로터(110), 중간 로터(320) 및 내측 로터(120)가 분담하게 되므로 종래의 마그네틱 기어(10)보다 자석의 극수비를 적게 하면서도 원하는 기어비를 구현할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100,100a,100b:마그네틱 기어 110:외측 로터
111:외측 회전자 111a:외측 돌극
112:외측 자석 120:내측 로터
121:내측 회전자 121a:내측 돌극
122:내측 자석 200:멀티플 타입 마그네틱 기어
300:멀티레이어 타입 마그네틱 기어

Claims (12)

  1. 내측 로터(inner rotor), 상기 내측 로터와 이격되어 구비되는 외측 로터(outer roter) 및 상기 내측 로터와 상기 외측 로터 사이에 위치하고 상기 내측 로터에서 상기 외측 로터로 또는 상기 외측 로터에서 상기 내측 로터로 자속을 전달하는 서로 이격된 복수 개의 폴 피스(pole piece)가 구비되는 폴 피스 모듈을 포함하는 마그네틱 기어로서,
    상기 내측 로터 및 상기 외측 로터 중, 적어도 어느 하나의 로터는 표면에는 회전축에 대해 방사상으로 자석과 돌극(salient pole)이 번갈아 적층된 돌극형 로터이며,
    상기 각 폴 피스의 단면은,
    제1 호(arc), 상기 제1 호와 중심의 위치 및 중심각은 동일하고 내경은 상기 제1 호의 내경보다 작은 제2 호 및 상기 제1 호와 상기 제2 호의 각 일단 및 각 타단 을 연결하는 선으로 둘러싸인 제1 도형과,
    상기 제2 호와 중심의 위치 및 내경은 동일하고 중심각은 상기 제2 호의 중심각보다 큰 제3 호, 상기 제3 호와 중심의 위치와 중심각은 동일하고 내경은 상기 제3 호의 내경보다 작은 제4 호 및 상기 제3 호와 상기 제4 호의 각 일단 및 각 타단을 연결하는 선으로 둘러싸인 제2 도형이 결합한 형상을 갖되,
    상기 제2 호의 2등분 위치와 상기 제3 호의 2등분 위치는 서로 겹쳐지도록 결합한 형상을 갖고,
    상기 제4 호와 상기 제3 호의 수직 거리(이하, '제1 수직거리'라 함)는 아래의 수학식 1과 같이 상기 제4 호와 상기 제1 호의 수직 거리(이하, '제2 수직거리'라 함)에 13.5%보다는 크고 23.5%보다는 작도록 구비되는데,
    상기 각 폴 피스와 상기 내측 로터 사이 및 상기 외측 로터 사이에는 각각 내측 공극과 외측 공극이 형성되어 있어 공극으로 자속이 집중되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
    [수학식 1]
    Figure 112016059378272-pat00024

    여기서, α는 상기 제1 수직거리이고 Lpr은 상기 제2 수직거리이다.
  2. 내측 로터(inner rotor), 상기 내측 로터와 이격되어 구비되는 외측 로터(outer roter) 및 상기 내측 로터와 상기 외측 로터 사이에 위치하고 상기 내측 로터에서 상기 외측 로터로 또는 상기 외측 로터에서 상기 내측 로터로 자속을 전달하는 서로 이격된 복수 개의 폴 피스(pole piece)가 구비되는 폴 피스 모듈을 포함하는 마그네틱 기어로서,
    상기 내측 로터 및 상기 외측 로터 중, 적어도 어느 하나의 로터는 표면에는 회전축에 대해 방사상으로 자석과 돌극(salient pole)이 번갈아 적층된 돌극형 로터이며,
    상기 각 폴 피스의 단면은,
    제1 호(arc), 상기 제1 호와 중심의 위치 및 중심각은 동일하고 내경은 상기 제1 호의 내경보다 작은 제2 호 및 상기 제1 호와 상기 제2 호의 각 일단 및 각 타단 을 연결하는 선으로 둘러싸인 제1 도형과,
    상기 제2 호와 중심의 위치 및 내경은 동일하고 중심각은 상기 제2 호의 중심각보다 큰 제3 호, 상기 제3 호와 중심의 위치와 중심각은 동일하고 내경은 상기 제3 호의 내경보다 작은 제4 호 및 상기 제3 호와 상기 제4 호의 각 일단 및 각 타단을 연결하는 선으로 둘러싸인 제2 도형이 결합한 형상을 갖되,
    상기 제2 호의 2등분 위치와 상기 제3 호의 2등분 위치는 서로 겹쳐지도록 결합한 형상을 갖고,
    상기 제4 호의 중심각은 아래의 수학식 2와 같이 하나의 폴 피스를 사이에 둔 두 개의 폴피스의 제1 호들을 연결하는 가상 호의 중심각(이하, '기준각'이라 함)의 40%보다는 크고 50%보다는 작도록 구비되는데,
    상기 각 폴 피스와 상기 내측 로터 사이 및 상기 외측 로터 사이에는 각각 내측 공극과 외측 공극이 형성되어 있어 공극으로 자속이 집중되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
    [수학식 2]
    Figure 112016059378272-pat00025

    여기서, β는 상기 제4 호의 중심각이고 Np는 상기 폴 피스들의 개수이다.
  3. 내측 로터(inner rotor), 상기 내측 로터와 이격되어 구비되는 외측 로터(outer roter) 및 상기 내측 로터와 상기 외측 로터 사이에 위치하고 상기 내측 로터에서 상기 외측 로터로 또는 상기 외측 로터에서 상기 내측 로터로 자속을 전달하는 서로 이격된 복수 개의 폴 피스(pole piece)가 구비되는 폴 피스 모듈을 포함하는 마그네틱 기어로서,
    상기 내측 로터 및 상기 외측 로터 중, 적어도 어느 하나의 로터는 표면에는 회전축에 대해 방사상으로 자석과 돌극(salient pole)이 번갈아 적층된 돌극형 로터이며,
    상기 각 폴 피스의 단면은,
    제1 호(arc), 상기 제1 호와 중심의 위치 및 중심각은 동일하고 내경은 상기 제1 호의 내경보다 작은 제2 호 및 상기 제1 호와 상기 제2 호의 각 일단 및 각 타단 을 연결하는 선으로 둘러싸인 제1 도형과,
    상기 제2 호와 중심의 위치 및 내경은 동일하고 중심각은 상기 제2 호의 중심각보다 큰 제3 호, 상기 제3 호와 중심의 위치와 중심각은 동일하고 내경은 상기 제3 호의 내경보다 작은 제4 호 및 상기 제3 호와 상기 제4 호의 각 일단 및 각 타단을 연결하는 선으로 둘러싸인 제2 도형이 결합한 형상을 갖되,
    상기 제2 호의 2등분 위치와 상기 제3 호의 2등분 위치는 서로 겹쳐지도록 결합한 형상을 갖고,
    상기 제1 도형에서 상기 제1 호 및 상기 제2 호를 연결하는 선은 상기 제1 도형의 중심부를 향해 오목한 곡선(이하, '오목 곡선'이라 함)이고,
    상기 오목 곡선의 양단을 연결하는 가상선분(이하, '제1 가상 선분'이라 함)의 2등분 위치에서 수직방향으로 상기 오목 곡선까지의 길이(이하, '오목 길이'라 함)는,
    상기 오목 곡선의 상기 제1 호 측 일단에서 상기 제4 호에 수직방향으로 연결되는 가상선분(이하, '제2 가상 선분'이라 함)의 2등분 위치에서 수직방향으로 상기 제1 호의 2등분 위치와 상기 제4 호의 2등분 위치를 연결하는 가상선분(이하, '제3 가상 선분'이라 함)까지의 길이의 30%보다는 크고 40%보다는 작도록 구비되는데,
    상기 각 폴 피스와 상기 내측 로터 사이 및 상기 외측 로터 사이에는 각각 내측 공극과 외측 공극이 형성되어 있어 공극으로 자속이 집중되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 오목 길이는 아래의 수학식 3에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
    [수학식 3]
    Figure 112015119468492-pat00026

    여기서, Dpi는 상기 제4 호의 내경, Dpo는 상기 제1 호의 내경, Np는 폴 피스들의 개수이다.
  5. 내측 로터(inner rotor), 상기 내측 로터와 이격되어 구비되는 외측 로터(outer roter) 및 상기 내측 로터와 상기 외측 로터 사이에 위치하고 상기 내측 로터에서 상기 외측 로터로 또는 상기 외측 로터에서 상기 내측 로터로 자속을 전달하는 서로 이격된 복수 개의 폴 피스(pole piece)가 구비되는 폴 피스 모듈을 포함하는 마그네틱 기어로서,
    상기 내측 로터 및 상기 외측 로터 중, 적어도 어느 하나의 로터는 표면에는 회전축에 대해 방사상으로 자석과 돌극(salient pole)이 번갈아 적층된 돌극형 로터이며,
    상기 각 폴 피스의 단면은,
    제1 호(arc), 상기 제1 호와 중심의 위치 및 중심각은 동일하고 내경은 상기 제1 호의 내경보다 작은 제2 호 및 상기 제1 호와 상기 제2 호의 각 일단 및 각 타단 을 연결하는 선으로 둘러싸인 제1 도형과,
    상기 제2 호와 중심의 위치 및 내경은 동일하고 중심각은 상기 제2 호의 중심각보다 큰 제3 호, 상기 제3 호와 중심의 위치와 중심각은 동일하고 내경은 상기 제3 호의 내경보다 작은 제4 호 및 상기 제3 호와 상기 제4 호의 각 일단 및 각 타단을 연결하는 선으로 둘러싸인 제2 도형이 결합한 형상을 갖되,
    상기 제2 호의 2등분 위치와 상기 제3 호의 2등분 위치는 서로 겹쳐지도록 결합한 형상을 갖고,
    상기 제4 호와 상기 제3 호의 수직 거리(이하, '제1 수직거리'라 함)는 아래의 수학식 1과 같이 상기 제4 호와 상기 제1 호의 수직 거리(이하, '제2 수직거리'라 함)에 13.5%보다는 크고 23.5%보다는 작도록 구비되고,
    상기 제4 호의 중심각은 아래의 수학식 2와 같이 하나의 폴 피스를 사이에 둔 두 개의 폴피스의 제1 호들을 연결하는 가상 호의 중심각(이하, '기준각'이라 함)의 40%보다는 크고 50%보다는 작도록 구비되며,
    상기 제1 도형에서 상기 제1 호 및 상기 제2 호를 연결하는 선은 상기 제1 도형의 중심부를 향해 오목한 곡선(이하, '오목 곡선'이라 함)이며, 상기 오목 곡선의 양단을 연결하는 가상선분(이하, '제1 가상 선분'이라 함)의 2등분 위치에서 수직방향으로 상기 오목 곡선까지의 길이(이하, '오목 길이'라 함)는 아래의 수학식 3과 같이 상기 오목 곡선의 상기 제1 호 측 일단에서 상기 제4 호에 수직방향으로 연결되는 가상선분(이하, '제2 가상 선분'이라 함)의 2등분 위치에서 수직방향으로 상기 제1 호의 2등분 위치와 상기 제4 호의 2등분 위치를 연결하는 가상선분(이하, '제3 가상 선분'이라 함)까지의 길이의 30%보다는 크고 40%보다는 작도록 구비되는데,
    상기 각 폴 피스와 상기 내측 로터 사이 및 상기 외측 로터 사이에는 각각 내측 공극과 외측 공극이 형성되어 있어 공극으로 자속이 집중되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
    [수학식 1]
    Figure 112016059378272-pat00033

    여기서, α는 상기 제1 수직거리이고 Lpr은 상기 제2 수직거리이다.
    [수학식 2]
    Figure 112016059378272-pat00034

    여기서, β는 상기 제4 호의 중심각이고 Np는 상기 폴 피스들의 개수이다.
    [수학식 3]
    Figure 112016059378272-pat00035

    여기서, Dpi는 상기 제4 호의 내경, Dpo는 상기 제1 호의 내경, Np는 폴 피스들의 개수이다.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외측 로터는 돌극형 로터이며,
    상기 외측 로터:는,
    원통형의 외측 회전자;
    상기 외측 회전자의 내측 면에 회전축을 중심으로 방사상으로 이격되어 부착되며, 상기 회전축을 향해 자력을 갖는 복수 개의 자석(이하, '외측 자석'이라 함); 및
    상기 외측 회전자에 내측 면에 철심이 적층되어 형성되는 것으로 상기 외측 자석들 사이에 각각 구비되는 돌극(이하, '외측 돌극'라 함);을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내측 로터는 돌극형 로터이며,
    상기 내측 로터:는,
    원통형의 내측 회전자;
    상기 내측 회전자의 외측 면에 회전축을 중심으로 방사상으로 이격되어 부착되며, 상기 회전축의 반대 방향을 향해 자력을 갖는 복수 개의 자석(이하, '내측 자석'이라 함); 및
    상기 내측 회전자의 외측면에 철심이 적층되어 형성되는 것으로 상기 내측 자석들 사이에 각각 구비되는 돌극(이하, '내측 돌극'라 함);을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외측 로터 및 상기 내측 로터는 각각 돌극형 로터이며,
    상기 외측 로터:는,
    원통형의 외측 회전자;
    상기 외측 회전자의 내측 면에 회전축을 중심으로 방사상으로 이격되어 부착되며, 상기 회전축을 향해 자력을 갖는 복수 개의 자석(이하, '외측 자석'이라 함); 및
    상기 외측 자석들 사이에 각각 구비되며, 상기 외측 회전자에 철심이 적층되어 형성되는 돌극(이하, '외측 돌극'라 함);을 포함하고,
    상기 내측 로터:는,
    원통형의 내측 회전자;
    상기 내측 회전자의 외측 면에 회전축을 중심으로 방사상으로 이격되어 부착되며, 상기 회전축의 반대 방향을 향해 자력을 갖는 복수 개의 자석(이하, '내측 자석'이라 함); 및
    상기 내측 자석들 사이에 각각 구비되며, 상기 내측 회전자에 철심이 적층되어 형성되는 돌극(이하, '내측 돌극'라 함);을 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 마그네틱 기어를 적어도 두 개 포함하고,
    상기 마그네틱 기어들 중, 제1 마그네틱 기어의 출력측 로터는 제2 마그네틱 기어의 입력측 로터에 직결되는 것을 특징으로 하는 멀티플 타입 마그네틱 기어.
  10. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항의 마그네틱 기어;
    상기 마그네틱 기어의 내측 로터의 외측에 이격되어 구비되며 복수 개의 폴 피스를 갖는 적어도 하나의 내부 폴 피스 모듈; 및
    상기 내부 폴 피스 모듈과 상기 마그네틱 기어의 폴 피스 모듈 사이에 구비되는 적어도 하나의 중간 로터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티레이어 타입 마그네틱 기어.
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