KR101898102B1 - 자성 디바이스 - Google Patents

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KR101898102B1
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제레미 엥
마르틴 마르슈너 본 헬름라이히
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에스이에이치 리미티드
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Abstract

자성 디바이스는 적어도 하나의 고정자(1, 1')와 적어도 하나의 병진이동기(2)를 포함하며, 상기 병진이동기(2)는 병진이동기의 이동 방향(6)으로 상기 고정자(1, 1')에 대해 이동가능하고, 상기 병진이동기의 이동 방향(6)은 상기 고정자(1, 1') 쪽으로 배향되고, 상기 적어도 하나의 고정자(1, 1')와 상기 병진이동기는 축을 따라 배열되고, 상기 자성 디바이스는 제어 디바이스를 포함하며, 상기 제어 디바이스는 상기 자성 디바이스가 동작할 때 상기 고정자와 상기 병진이동기 사이에 생성된 힘에 대해 상기 병진이동기와 상기 고정자 사이의 거리(r > 0)(r은 0을 초과한다)를 제어하는 디바이스를 포함하며, 상기 병진이동기(2)는 선형 병진이동기 운동 축을 따라 상기 병진이동기의 이동 방향(6)으로 상기 고정자(1, 1')에 대해 이동가능하고, 상기 적어도 하나의 고정자(1, 1')와 상기 병진이동기(2)는 상기 병진이동기의 이동축을 따라 배향된다.

Description

자성 디바이스{magnet device}
본 발명은, 적어도 하나의 고정자 자석과 적어도 하나의 병진이동기(translator) 자석을 포함하며, 상기 병진이동기는 병진이동기의 이동 방향으로 상기 고정자에 대하여 이동가능하고, 상기 병진이동기의 이동 방향은 상기 고정자 쪽 방향으로 배향되며, 상기 병진이동기는 구동 액슬(driving axle)에 더 연결된, 자성 디바이스(magnetic device)에 관한 것이다.
본 발명의 자성 디바이스의 응용 분야는 자성 드라이브(magnetic drive)로, 발전기로, 또는 가해지는 외부 힘에 대항하여 작용하는 힘을 생성하는 저항 디바이스로 사용하는 것을 포함한다. 자성 드라이브로 사용하는 경우에, 구동 액슬은 역학적 일(mechanical work)을 수행할 수 있다.
종래 기술에 따르면, 자성 드라이브는 자기 다이폴(magnetic dipole)을 사용하는 원리에 기초한다. 척력과 인력을 작동(activating)시키는 것에 의해, 병진이동기는 고정자 자석에 대하여 이동하게 된다. 이 운동은 병진이동기의 지향된 선형 운동 또는 회전 운동 또는 고정자를 지나 지향되는 병진이동기의 발진 운동(oscillating movement)으로 구성될 수 있다. 병진이동기 자석의 후자의 유형의 운동에 기초하는 종래 기술에 따른 자성 드라이브는, 병진이동기와 고정자 자석들이 적어도 최종 위치에서 서로 접촉하는 것을 특징으로 한다. 종래 기술에 따른 자성 드라이브에서는 단부 위치에 있는 병진이동기와 고정자는 하나의 자석으로 작용하여, 고정자와 병진이동기를 분리시키는데 고에너지 입력이 요구된다.
JP2006325381은, 2개의 고정자들 사이에 이동가능한 적어도 하나의 병진이동기를 구비하고, 상기 병진이동기의 이동축은 상기 고정자를 통해 연장해 있는, 자성 디바이스를 개시한다. 병진이동기의 운동은 고정자에 제공된 스페이서 요소(spacer element)에 의해 제한(restricted)된다. 이 스페이서 요소는 전력 발전기에 의해 생성된 잡음 및 예를 들어 고정자와 병진이동기 사이의 접촉에 의해 생성된 기계적 잡음을 감소시키는 역할을 한다.
JP2006345652는 자석을 통해 구동되는 니들(needle)의 운동을 제어하는 디바이스를 기술한다. 여기서 니들의 운동이 자석에 의해 생성된 힘에 대하여 제어되는 것이 아니다.
US20060049701은 병진이동기의 운동축이 고정자를 통해 연장하지 않는 자성 디바이스를 개시한다. 병진이동기는 고정자를 따라 측방향으로 이동되어, 병진이동기와 고정자 사이의 합성 힘(resulting force)이 병진이동기의 운동과 평행하지 않게 된다. 병진이동기와 고정자 사이의 합성 힘에 대하여 병진이동기의 운동이 제어되지 않는 것임에도 불구하고, US20060049701에 개시된 디바이스는, 병진이동기의 운동에 대해 힘이 배향되는 것으로 인해, 후술되는 디바이스보다 상당히 더 낮은 효율을 가지고 있다.
JP2010104078은 병진이동기의 운동이 스페이서 요소에 의해 제어되는 자성 디바이스를 기술한다. 상기 스페이서 요소는 고정자와 병진이동기 사이의 힘에 영향을 주지 않는 방식으로 형성된다.
R0126256은, 후술되는 자성 디바이스와는 달리, 병진이동기의 운동을 제어하는 제어 디바이스를 구비하지 않는 자성 디바이스에 관한 것이다.
JP2002335662는 병진이동기의 운동을 제어하는 임의의 제어 디바이스를 전혀 포함하지 않는 자성 디바이스를 개시한다.
본 발명의 과제는 종래 기술에 따라 알려진 전자석 모터보다 효율이 더 높은 것을 특징으로 하는 자성 디바이스, 특히 자성 드라이브, 발전기, 또는 저항 요소를 제공하는 것에 있다.
간략화를 위하여, 병진이동기 자석은 아래에서 병진이동기라고 언급되는 반면, 고정자 자석은 고정자라고 언급된다.
본 발명에 따라, 자성 디바이스에 제어 디바이스를 포함하며, 상기 제어 디바이스는, 자성 디바이스가 동작할 때, 고정자와 병진이동기 사이의 합성 힘에 대하여, 병진이동기로부터 고정자까지의 거리(r > 0)(r은 0보다 더 크다)를 제어하는 디바이스를 포함하며, 상기 병진이동기는 선형 병진이동기의 운동 축을 따라 병진이동기의 운동 방향으로 고정자에 대해 이동가능하고, 상기 적어도 하나의 고정자와 상기 병진이동기는 상기 병진이동기의 운동 축을 따라 배향되는 것에 의해 더 높은 효율이 달성된다.
상기 병진이동기와 상기 고정자가 본 발명에 제공된 바와 같이 거리( r > 0)만큼 이격되어 있는 경우, 병진이동기와 고정자는 하나의 자석으로 작용하는 것이 방지될 수 있다.
본 명세서의 구성에서, 거리(r)는 고정자를 향하는 병진이동기의 면과 병진이동기를 향하는 고정자의 면 사이의 최소 거리로 정의된다.
상기 고정자와 상기 병진이동기는 자성 부재와 상기 자성 부재를 커버하는 층 또는 분리기를 포함할 수 있고, 상기 자성 부재 또는 분리기는 고정자의 자성 부재와 병진이동기의 자성 부재 사이에 접촉이 일어나는 것을 방지하여, 고정자와 병진이동기 사이의 거리(r)가 0인 경우, 고정자의 자성 부재와 병진이동기의 자성 부재는 서로 접촉하지 않는다.
제어 디바이스는 또한 거리(r)를 자석의 순간적 특성(temporary properties)의 함수로 만들 수 있다. 한편으로, 자석의 순간적 특성은 열 변형(heat strain)과 같은 외부 영향으로 인해 변할 수 있고, 다른 한편으로, 이 특성은 추가적인 제어 디바이스에 의해 제어될 수 있다. 자기장의 전계 강도와 자석의 배향은, 예를 들어, 종래 기술에 따른 방법에 의해 제어될 수 있다. 본 개시 내용에 의해 수립된 바와 같이, 선택된 물질과 이들 물질의 조합이 또한 자석의 특성에 영향을 미친다.
본 발명의 자성 디바이스의 일부인 제어 디바이스는 적어도 하나의 고정자의 자석과 적어도 하나의 병진이동기의 자석의 특성과 전술된 영향을 고려하여 거리(r)를 제어할 수 있다.
시험 시설(trial installation)에서 최소 거리(r)는 1.0 내지 2.0 mm이었다. 시험 시설은 거리가 연속적으로 조절가능하여, 시험이 1.0 내지 2.0 mm의 모든 거리에 대해 수행되는 방식으로 구성될 수 있다.
병진이동기와 고정자가 배열되어 있는 축은 다각형이거나 또는 곡선 부분과 직선 부분을 구비할 수 있다.
수립된 개시 내용에 따라, 고정자와 병진이동기는, 이들이 접촉하는 경우, 또한 짧은 시간 동안만, 또는 이들 사이의 거리가 단지 충분히 작은 경우, 하나의 자석으로 작용하여서, 병진이동기의 발진 운동을 얻기 위해서는, 고정자로부터 병진이동기를 분리하는데 추가적인 분리 에너지가 요구될 수 있다. 본 명세서에 개시된 본 발명의 또 다른 과제는 본 발명의 자성 디바이스가 동작할 때 고정자와 병진이동기가 서로 접촉하지 않아서, 수립된 개시 내용에 따라, 자성 디바이스의 동작 동안 하나의 자석으로 작용하지 않는 것을 보장하는 것을 특징으로 하는 자성 디바이스를 제공하는 것에 있다. 이것으로 병진이동기가 고정자로부터 멀어지는 방향으로 이동할 때 상기 추가적인 분리 에너지가 요구되지 않게 된다.
본 발명은 본 발명의 자성 디바이스를 사용하지 않을 때 병진이동기와 고정자 사이에 접촉을 배제한다.
자성 드라이브로 사용된 경우, 자성 디바이스는, 움직이도록 설정되어 병진이동기 경로를 따라 병진이동기의 가변 가속을 보상하는 원심 질량에 연결될 수 있다. 일례로서, 종래 기술에 따른 플라이휠이 본 명세서에 언급된다.
본 발명에 따른 자성 디바이스는 적어도 하나의 고정자 및 상기 고정자에 대해 이동될 수 있는 병진 이동기를 포함한다. 본 발명의 자성 디바이스의 하나의 매우 효율적인 실시예는 2개의 고정자 및 상기 2개의 고정자들 사이에 이동가능하게 장착된 병진이동기를 포함한다. 드라이브가 직렬로 배열되는 경우, 본 발명의 자성 디바이스는 복수의 고정자(n = 1, 2, 3, ...) 및 상기 고정자들 사이에 이동가능하게 장착된 n-1개의 병진이동기를 포함할 수 있다.
본 발명의 자성 디바이스의 실시예는 적어도 하나의 고정자, 바람직하게는, 예를 들어, 축의 중심에 배치된 2개의 고정자 및 적어도 하나의 병진이동기, 바람직하게는 상기 고정자의 양쪽에 축에 배치된 2개의 병진이동기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 자성 디바이스는 본 발명에 따른 또 다른 자성 디바이스 및/또는 종래 기술에 따른 자성 디바이스와 조합될 수 있다.
고정자에 대해 병진이동기의 운동은 발진 운동일 수 있다.
병진이동기는 고정자에 대해 항상 발진한다. 병진이동기의 운동은 고정자와 병진이동기 사이에 자기 다이폴에 의해 생성된 인력와 척력에 의해 발생된다.
자성 드라이브로 본 발명의 자성 디바이스를 사용하면 병진이동기가 발진 운동을 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
병진이동기의 발진 운동은 또한 기계적인 구속력(mechanical constraining force)을 행사하는 시스템에 의해 일어날 수 있다. 병진이동기를, 크레인 메커니즘(crank mechanism)과 같은 기계적인 구속력을 행사하는 시스템에 결합하는 것에 의해, 병진이동기의 발진 운동의 진폭을 제한하는 것이 가능하다.
기계적인 구속력을 행사하는 시스템은 상이하거나 또는 동일할 수 있는 자기장 강도와 병진이동기의 운동에 대한 영향을 밸런싱(balance)할 수 있다. 후술되는 본 발명은 상이한 전계 강도를 가지는 자석 또는 동일한 전계 강도를 가지는 자석을 사용한 시험 디바이스를 사용하는 시험에 기초한다. 시험 디바이스를 동작시키는데 동일한 전계 강도를 가지는 자석을 사용하여 실험하는 것이 실용적(positive)이었다.
기계적인 구속력을 행사하는 시스템은 병진이동기를 최종 위치로 더 이동시키게 하여, 하나의 고정자와 병진이동기 사이의 인력 및 하나의 고정자와 병진이동기에 사이의 척력에 대해 병진이동기를 최근접 고정자의 자기장에서 벗어나게 이동시킬 수 있다.
본 발명의 자성 디바이스가 저항 요소로 사용되는 경우, 병진이동기는 한정된 시간 기간 동안 고정자와 한정된 거리에 유지된다.
이하 설명은 추가적인 자기장(J)을 생성하는, 자기장(H)에 의해 야기된 물질의 자성 분극(magnetic polarization) 또는 자화(magnetization)의 생성을 처리한다. 나아가, 병진이동기의 최종 운동 위치에서 병진이동기로부터 고장자까지의 거리가 결정될 수 있고; 고정자와 병진이동기 사이의 인력과 척력은 이 위치에서 최대이다.
아래에 제시된 개요는 본 발명의 범위를 제한하려고 의도된 것이 전혀 아니며, 본 명세서에 설명된 주제를 더 잘 이해하기 위하여 제공된 것일 뿐이다.
아래에서는, 자성 드라이브가 고려되는데, 상기 자성 드라이브는 하나의 축을 따라 배열된 2개의 고정자 및 상기 2개의 고정자들 사이에 축을 따라 이동가능하게 장착된 병진이동기를 포함한다. 고정자와 병진이동기는 상기 축에 대해 대칭이도록 구성된다.
강자성 코어는 추가적인 자기장(M)을 생성하는, 자기장(H)을 통해 자기 여기(magnetic excitation)에 의해 자화된다. 자기장(M) 및 자기장(H)은 자기장(B)을 생성하고, 수식 수식에 있는 모든 자기장은 서로 관련된다.
자기장, 자화, 및 자기 유도(magnetic induction)는 일반적으로 수식(1.1)으로 표현될 수 있다.
B = μ 0 H + J (1.1),
여기서 J는
J = μ 0 M (1.2).
수식(1.1) 및 수식(1.2)을 조합하면 다음 결과를 산출한다:
B = μ 0 (H + M) (1.3).
볼륨 자화율(volume magnetic susceptibility)은 다음 관계식에 의해 한정된다:
M =χ v × H (1.4),
이는 자기 유도를 자기장의 강도와 자화를 곱한 것으로 산출하며,
B = μ 0 H + J = μ 0 (1 + χ v ) H (1.5)
또는
B = μ 0 μ r H = μH (1.6),
여기서,
- μ 0 = 4π× 10-7 H/m (Henry per meter)는 공간의 투자율(magnetic permeability)이다,
- χ v 는 물질의 볼륨 투자율이다,
- μ r = 1 + χ v 는 물질의 상대 투자율이다,
- μ = μ 0 × μ r 는 물질의 절대 투자율이다,
- B는 테슬라(tesla)(T) 단위로 표현된 자기 유도이다
- H는 단위 미터(meter)당 암페어(ampere)(A/m) 단위로 표현된 자기장이다
- J는 테슬라(T) 단위로 표현된 자화이다
- M은 단위 미터당 암페어(A/m)로 표현된 단위 볼륨당 자기 다이폴 모멘트이다.
아래에서는, 자성 코어를 가지는 원통형 스트랜드형 코일이 고려되며, 원통형 형상은 비오 사바르의 법칙(law of Biot and Savart)에 따라 간략화된다.
O 는 원통형 코일의 중심이고 (Ox)는 축이고, 축(Ox)에 있는 점 M(x)에서 자기 유도는 다음과 같다:
Figure 112014033105214-pct00001
-
Figure 112014033105214-pct00002
는 축(Ox)의 단위 벡터이다
- μ는 강자성 코어의 절대 투자율이다
- N은 전체 권선(winding)의 개수이다
- L = 2α는 미터(m) 단위의 코일의 길이이다
- R은 미터(m) 단위의 코일의 내부 반경이다
- I는 코일 내 암페어(A) 단위로 표현된 전류 밀도이다
자극 단부(magnetic pole end)(x = -α 및 x = +α)에서, 테슬라에 따른 유도 자기장의 강도는 다음과 같이 정의된다:
Figure 112014033105214-pct00003
수식(1.6)에 기초하여, 우리는 단위 미터당 암페어 단위로 표현된 전자석의 극에서 자기장의 강도를 유도할 수 있다:
Figure 112014033105214-pct00004
,
A/m 단위의 자기 다이폴 모멘트는 수식(1.4.) 및 수식(1.6.)을 초래한다:
Figure 112014033105214-pct00005
마지막으로, 자기 다이폴 모멘트는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112014033105214-pct00006
V = πR 2 L 은 전자석 코어의 볼륨으로 알려져 있다.
알려진 길버트 모델(Gilbert model)에 따라 자기 다이폴은 2개의 자하(magnetic charge)(+q m 및 -q m)에 대응하고, 상기 다이폴은 거리(L)만큼 분리되어 있다. 양(positive)의 자하는 N 극과 연관된 반면, 음(negative)의 자하는 S 극과 연관된다.
자기 다이폴 모멘트는 S 극으로부터 N 극 쪽으로 배향된다.
Figure 112014033105214-pct00007
여기서,
· q m 은 암페어미터(A.m) 단위로 전자석의 자극의 사이즈이다,
· L은 미터(m) 단위로 2개의 자극 사이의 거리이다.
수식(2.5) 및 수식(2.6)을 조합하는 것에 의해, 다음 수식이 얻어진다:
Figure 112014033105214-pct00008
여기서,
- q m 은 암페어미터(A.m) 단위로 전자석의 자극의 사이즈이다,
- χ v 는 물질의 볼륨 자화율(susceptibility)이다,
- N은 전체 권선의 개수이다,
- L = 2α는 미터(m) 단위의 코일의 길이이다,
- R은 미터(m) 단위의 코일의 내부 반경이다,
- I는 암페어(A) 단위의 코일 내 전류 밀도이다.
아래에서는, 일 축에 배열된 3개의 전자석을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 전자석은 이동가능하지 않아서 아래에서 고정자라고 언급되는, 본 발명의 자성 드라이브의 일 실시예가 설명된다. 고정자는 축에 배열되어 있고 거리(d)만큼 서로 이격되어 있다. 본 명세서에서, 고정자는 다음 파라미터에 의해 충분히 특징지어진다.
- N s 는 고정자를 형성하는 코일의 권선의 개수이다;
- L s 는 미터(m) 단위의 고정자의 길이이다;
- R s 는 미터(m) 단위의 고정자를 형성하는 코일의 반경이다;
- I s 는 암페어(A) 단위로 고정자를 형성하는 코일 내 전류 밀도이다;
- χ vs 는 고정자의 강자성 코어의 볼륨 자화율이다; 및
-
Figure 112014033105214-pct00009
는 2개의 고정자들 사이의 거리이다.
제 3 자석이 2개의 고정자들 사이에 2개의 고정자들에 의해 한정된 축에 이동가능하게 배치된다. 제 3 자석은 아래에서 병진이동기로 언급되고, 다음 파라미터에 의해 충분히 특징지어진다.
- N t 는 병진이동기를 형성하는 권선의 개수이다;
- L t 는 미터(m) 단위의 병진이동기의 길이이다;
- R t 는 미터(m) 단위의 병진이동기를 형성하는 코일의 반경이다;
- I t 는 암페어(A) 단위의 병진이동기를 형성하는 코일 내 전류 밀도이다;
- χ vT 는 병진이동기의 강자성 코어의 볼륨 자화율이다; 및
- δ = d - L s - L t 는 2개의 고정자들 사이를 이동할 때 병진이동기에 의해 커버된 거리이다.
고정자는 자극의 절대 값은 동일하지만 생성된 유도 자기장은 반대 방향으로 배향된 d.c. 소스(+I s 및 -I s )에 전기적으로 연결된다.
고정자와 병진이동기의 분극은 아래에 합성 힘 조건에 의해 기술되는 인력과 척력에 기초하여 병진이동기의 운동을 달성하기 위해 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 도 1 및 도 2에서 분간할 수 있는 방식으로 선택된다.
도 1에 따라 고정자와 병진이동기의 분극으로부터 초래되는 힘 조건은 아래에서 계산된다. 도 1에 도시된 병진이동기의 분극은 "음의" 분극이라고도 언급되며, 이는 자기 다이폴 모멘트
Figure 112014033105214-pct00010
가
Figure 112014033105214-pct00011
방향으로 배향되는 것을 의미한다.
수식(2.5)에 기초하여, 다음이 성립한다:
Figure 112014033105214-pct00012
길버트 모델을 참조하면, 자하의 상호작용으로 인해, 자석들 사이에 생성된 자성 힘은 자기 다이폴의 극성에 근접해 발생하는 것으로 가정된다. 자극들 사이에 상호작용 힘은 수식(3.3)으로 한정된다.
Figure 112014033105214-pct00013
여기서,
· q i 는 자극의 강도이고,
· r 은 자극들 사이의 거리이다.
고정자와 병진이동기 사이에 상호작용 결과 병진이동기에 힘이 작용한다. 이 결과 힘이 (Ox) 축에 평행하게 및
Figure 112014033105214-pct00014
방향으로 (도 1에서 좌측으로부터 우측으로) 배향된다.
δ= r 1 + r 2 = d - L s - L t 를 고려하면, 고정자들 사이에 병진이동기의 운동에 의해 커버되는 거리는,
Figure 112014033105214-pct00015
이고,
여기서,
Figure 112014033105214-pct00016
는 축(Ox)에서 병진이동기 중심의 위치이다. 알려진 길버트 모델을 사용하여, 합성 힘은 자극들 사이에 8개의 상호작용을 추가하는 것에 의해 계산될 수 있다.
만약 -q s1 ⇔ +q t 인 경우, 거리 L s + r 1 에 걸쳐 좌측 고정자와 병진이동기 사이에 인력 상호작용은,
Figure 112014033105214-pct00017
에 의해 한정된다.
-q s1 ⇔ -q t : 척력 상호작용, 거리는 L s + r 1 이다.
Figure 112014033105214-pct00018
+q s1 ⇔ +q t : 척력 상호작용, 거리는 r 1 이다:
Figure 112014033105214-pct00019
+q s1 ⇔ -q t : 인력, 거리는 r 1 + L t 이다:
Figure 112014033105214-pct00020
만약 + q s2 ⇔ +q t 인 경우, 거리 L t + r 2 에 걸쳐 우측 고정자와 병진이동기 사이에 척력 상호작용은,
Figure 112014033105214-pct00021
에 의해 한정된다.
+q s2 ⇔ -q t : 인력, 거리는 r 2 이다:
Figure 112014033105214-pct00022
-q s2 ⇔ +q t : 인력, 거리는 L s + r 2 + L t 이다:
Figure 112014033105214-pct00023
-q s2 ⇔ -q t : 척력, 거리는 r 2 + L s 이다:
Figure 112014033105214-pct00024
병진이동기에 작용하는 합성 힘은 모든 상호작용의 벡터 함으로 정의된다:
Figure 112014033105214-pct00025
여기서,
·
Figure 112014033105214-pct00026
는 병진이동기의 위치를 한정한다
· δ = d - L s - L t 는 병진이동기에 의해 커버되는 거리를 한정한다
Figure 112014033105214-pct00027
더욱이, 도 2에 도시된 병진이동기와 고정자의 분극으로부터 초래되는 힘이 계산된다. 도 2에 도시된 병진이동기의 분극은 "양의" 분극이라고도 언급되고, 이는 자기 다이폴 모멘트
Figure 112014033105214-pct00028
가
Figure 112014033105214-pct00029
방향으로 배향되는 것을 의미한다.
수식(3.1) 및 수식(3.2)을 조합하면 수식(3.2')이 된다:
Figure 112014033105214-pct00030
병진이동기가 도 1에 따라 분극되면
Figure 112014033105214-pct00031
은 고정자와 병진이동기 사이에 상호작용으로부터 초래되는 힘이 되고, 병진이동기가 도 2에 따라 분극되면
Figure 112014033105214-pct00032
는 유사한 힘이 되므로, 2개의 극들 사이에 상호작용에 관해 다음 관계식이 한정된다:
이는,
Figure 112014033105214-pct00034
를 의미한다.
만약
- N x 는 병진이동기 또는 고정자를 형성하는 코일의 권선의 개수이다,
- L x 는 미터 단위(m)의 고정자 또는 병진이동기의 길이이다,
- R x 는 미터 단위(m)의 고정자 또는 병진이동기의 반경이다,
- I x 는 병진이동기 또는 고정자를 형성하는 코일 내에 암페어 단위(A)의 전류 세기이다,
- χ vX 는 고정자 또는 병진이동기의 강자성 코어의 자화율이다,
- 고정자 #1는 분극되어,
Figure 112014033105214-pct00035
이 적용된다,
- 고정자 #2는 분극되어,
Figure 112014033105214-pct00036
이 적용된다고 하면,
다음 수식이 도 1에 도시된 조건에 적용된다.
Figure 112014033105214-pct00037
여기서,
·
Figure 112014033105214-pct00038
는 병진이동기의 자기 다이폴 모멘트의 방향이다
Figure 112014033105214-pct00039
. 이 방향은 병진이동기 내 a.c. 전압(I t )에 의해 결정된다.
-
Figure 112014033105214-pct00040
는 자극 강도이다,
-
Figure 112014033105214-pct00041
는 병진이동기 위치이다,
- δ = d - L s - L t 는 병진이동기에 의해 커버되는 거리이다,
-
Figure 112014033105214-pct00042
는 고정자들 사이에 미리 설정된 거리이다.
전자석이 동일한 길이라면, 즉, L s = L t = L이라면, 수식(3.6)은 다음과 같이 간략화될 수 있다:
Figure 112014033105214-pct00043
아래 설명에서는, 간략화를 위하여, 자석의 자극 강도는 상수인 것으로 가정되지만, 실제, 자기 유도 자기장(Ox)은 병진이동기가 고정자들 사이에 이동할 때 발생한다.
수식(4.1a)이 적용된다.
Figure 112014033105214-pct00044
여기서,
-
Figure 112014033105214-pct00045
는 병진이동기가 위치(Xt)에 도달하였을 때 위치(x)에서 (Ox) 축 상의 총 유도 자기장이다,
-
Figure 112014033105214-pct00046
는 위치(x)에서 (Ox) 축 상의 제 1 고정자의 유도 자기장이다,
-
Figure 112014033105214-pct00047
는 위치(x)에서 (Ox) 축 상의 제 2 고정자의 유도 자기장이다.
-
Figure 112014033105214-pct00048
는 위치(X t )에서 (Ox) 축 상의 병진이동기의 유도 자기장이다.
자기 유도 자기장의 사이즈는 수식(2.1)에 의해 한정되었고, 이로부터 제 1 고정자와 병진이동기 사이에 자기 유도 자기장의 사이즈가 유도될 수 있다.
Figure 112014033105214-pct00049
여기서,
- x 는
Figure 112014033105214-pct00050
이 계산된 축(Ox) 상의 위치이다,
- x' 는
Figure 112014033105214-pct00051
이 계산된 축(0 2 X) 상의 위치이다,
- x" 는
Figure 112014033105214-pct00052
이 계산된 축(Tx) 상의 위치이다.
만약
Figure 112014033105214-pct00053
이고
및 변수 변화
Figure 112014033105214-pct00054
를 적용하면,
Figure 112014033105214-pct00055
는 다음과 같이 표현될 수 있다:
Figure 112014033105214-pct00056
(Ox) 축에서, 유도 자기장은 자기 다이폴 모멘트와 동일한 방향으로 배향된다.
Figure 112014033105214-pct00057
여기서.
-
Figure 112014033105214-pct00058
는 축(Ox)의 방향으로 단위 벡터이고,
-
Figure 112014033105214-pct00059
는 병진이동기의 자기 다이폴 모멘트의 방향이라는 것을 고려하면, 이것은 다음을 산출한다:
Figure 112014033105214-pct00060
.
이 방향은 병진이동기 내 a.c. 전압(I t )의 방향에 의해 결정된다. 수식(1.4), 수식(1.6), 및 수식(2.5)을 조합하면, 다음과 같다:
Figure 112014033105214-pct00061
다음을 적용하면:
Figure 112014033105214-pct00062
수식(3.6)은
Figure 112014033105214-pct00063
으로 변환되고,
여기서,
-
Figure 112014033105214-pct00064
는 병진이동기의 위치이다,
- δ = d - L s - L t 는 병진이동기의 운동에 의해 커버되는 거리이다,
-
Figure 112014033105214-pct00065
는 고정자의 중심들 사이의 거리이다.
자극 강도는 제 1 고정자에 대해 수식(4.4a), 제 2 고정자에 대해 수식(4.4b), 및 병진이동기에 대해 수식(4.4c)을 사용하여 계산된다. 자극 강도의 계산은 수식(4.2a) 및 수식(4.2b)을 사용하여 자극에서 총 자기 유도 자기장의 계산을 포함한다.
수식(4.5)은 고정자들 사이에 병진이동기의 위치에 따른 함수이다. 병진이동기에 작용하는 합성 힘은 제 1 고정자와 병진이동기 사이의 척력 및 제 2 고정자와 병진이동기 사이의 인력으로 구성된다. 상기 힘들 각각의 종속성은 첨부된 도 3a, 도 3b, 도 3c에 도시된다.
상기 수학적 설명은, 고정자에 대해 병진이동기의 특정 위치에서의 인력 및 고정자와 병진이동기의 극성을 역전한 후의 척력은 상이한 크기라는 것을 또한 보여준다.
본 발명의 자성 디바이스는 고정자 또는 병진이동기의 분극이 병진이동기에 작용하는 힘을 생성하여 이 병진이동기를 이동시키게 하는 것에 기초한다.
본 발명의 자성 디바이스의 일 실시예는 영구 자석으로 형성된 고정자와 전자석으로 형성된 병진이동기를 포함할 수 있다.
자성 드라이브로서 이 실시예에 따라 본 발명의 자성 디바이스를 사용하면, 하나의 단점은 병진이동기를 전원(power supply)에 연결하는 케이블의 적어도 일부 부분이 이동된다는 것에 있다. 그러나, n = 1, 2, 3, ..개의 고정자 및 상기 고정자들 사이에 배치된 n-1개의 병진이동기를 사용하면, 병진이동기가 전자석이라는 것으로 인해, n-1개의 병진이동기의 극성은 n개 미만의 고정자들로 변하게 된다.
본 발명의 자성 디바이스의 또 다른 실시예에서 고정자는 전자석일 수 있는 반면, 병진이동기는 영구 자석이다.
자성 드라이브로서 본 발명의 자성 디바이스를 사용하면, 이 실시예는 고정 자석인 고정자가 전원에 연결되는 것을 특징으로 한다. 이것은 전원과 고정자를 연결하는 케이블이 이동되지 않는 잇점을 제공한다. 그러나, n = 1, 2, 3, ..개의 고정자 및 상기 고정자들 사이에 배치된 n-1개의 병진이동기를 사용하면, 고정자는 전자석이라는 것으로 인해, n개의 고정자의 극성은 n-1개를 초과하는 병진이동기로 변하게 된다.
고정자와 병진이동기는 전자석 또는 영구 자석일 수 있다.
저항 요소로 사용하는 경우, 적어도 하나의 고정자와 병진이동기는 영구 자석이다. 이 경우에, 고정자의 운동은 고정자와 병진이동기의 동일한 부호의 극성들 사이에 척력을 작용하는 것에 의해 제한된다.
본 발명의 자성 디바이스의 가능한 실시예에서, 고정자는 여러 개별 고정자 자석으로 구성될 수 있고 및/또는 병진이동기는 여러 개별 병진이동기 자석으로 구성될 수 있다.
개별 자석은 바람직하게는 개별 자기장을 중첩하는 것에 의해 고정자와 병진이동기 사이에 더 큰 인력과 척력을 생성할 수 있는 방식으로 배치된다.
제어 디바이스는 고정자와 병진이동기 사이에 배치된 스페이서 요소 및/또는 병진이동기의 운동을 억제하는 기계적인 구속력을 행사하는 시스템을 포함할 수 있다.
스페이서 요소는 고정자 및/또는 병진이동기의 자극 변화 및/또는 고정자 또는 병진이동기의 자극 강도의 변화에 의해 작동되는 스위치를 포함할 수 있다.
제어 디바이스는 거리 및/또는 시간 측정 디바이스를 포함할 수 있고, 고정자 및/또는 병진이동기의 분극 및/또는 고정자 및/또는 병진이동기의 전계 강도는 고정자에 대해 병진이동기의 위치 및/또는 상기 제어 디바이스를 사용하는 시간 기간에 따라 변할 수 있다.
본 발명의 자성 디바이스의 일 실시예는 고정자에 대해 병진이동기의 위치를 제어하는 적어도 하나의 제어 디바이스를 포함한다. 이 제어 디바이스는, 측정 방법, 구체적으로 종래 기술에 따라 거리 및 위치 측정 방법에 의하여, 선택적으로 고정자에 대하여 병진이동기의 위치를 측정하고, 선택적으로 고정자에 대해 병진이동기의 위치에 기초하여 고정자와 병진이동기의 분극을 결정하는, 위치 측정 디바이스에 연결된다.
제어 디바이스는 병진이동기의 특정 위치를 측정하는 것으로 제한되지 않는 것임은 물론, 병진이동기가 특정 위치에 도달하였는지 여부를 결정하는 것으로 제한되지도 않는다. 제어 디바이스는 병진이동기의 위치 또는 임의의 위치에서의 병진이동기의 속도를 측정하는 위치 또는 속도 측정 디바이스와 같은 추가적인 디바이스를 포함할 수 있다.
병진이동기의 위치 및 임의의 위치에서의 속도를 측정하면, 특히 병진이동기의 속도가 높아서 병진이동기가 고정자로부터 특정 거리에서 느려져야 할 때 또는 가속되어야 할 때 고정자로부터 한정된 거리에서 병진이동기의 운동을 제어하는데 유리할 수 있다.
병진이동기의 위치는 고정자에 대해 병진이동기의 위치를 측정하는 것만으로는 결정되지 않는다. 병진이동기의 위치는 임의의 기준 점에 대하여 결정될 수 있다.
본 발명의 자성 디바이스의 또 다른 실시예는, 병진이동기가, 크랭크샤프트와 같은, 기계적 구속력을 행사하는 시스템에 연결되어 있고, 상기 시스템은 병진이동기와 고정자 사이의 거리를 유지하면서 병진이동기의 운동, 보다 정확하게는 병진이동기의 운동 진폭을 제어하는 것을 특징으로 한다. 기계적 구속력을 행사하는 시스템은, 휠과 같은, 본 발명의 자성 디바이스에 의해 구동되는 요소에 연결되거나 이 구동되는 요소로 형성될 수 있다.
병진이동기의 선형 운동의 경우, 고정자에 있는 개별 고정자 자석 및/또는 병진이동기에 있는 개별 병진이동기 자석은 병진이동기의 이동 방향에 평행하게 배향된 축 주위에 및 다각형을 나타내는 라인을 따라 배열될 수 있다.
병진이동기의 이동 방향 및 각 자기장에 의해 작용하는 인력 및 척력은 서로 평행하다.
병진이동기의 회전 운동의 경우, 고정자에 있는 개별 고정자 자석 및/또는 병진이동기에 있는 개별 병진이동기 자석은 병진이동기의 이동 방향에 평행하게 배향된 축 주위에 및 다각형을 나타내는 라인을 따라 배열될 수 있다.
병진이동기의 이동 방향 및 각 자기장에 의해 작용하는 인력과 척력은 서로 평행하다.
병진이동기는 가이드 유닛에 의하여 고정자에 대해 이동가능하게 장착될 수 있고, 상기 가이드 유닛의 가이드 액슬은 2개의 인접한 개별 고정자 자석들 사이 영역에 있는 고정자 및 2개의 인접한 개별 병진이동기 자석들 사이 영역에 있는 병진이동기와 교차한다.
가이드 유닛이 본 발명에 따라 배열될 때, 각 개별 자석의 자기장은 가이드 유닛의 존재에 의해 교란되지 않는다.
고정자 및 병진이동기 사이에 연장하는 볼륨은, 상기 병진이동기가 고정자에 대해 최대 먼 거리(d)에 위치될 때, 진공일 수 있다.
본 발명에 따라 감소된 공기압의 영역 또는 진공을 생성하는 것에 의해, 병진이동기의 운동에 작용하는 공기 저항이 감소된다. 진공을 생성하기 위하여, 본 발명의 자성 디바이스는 공기-밀폐된 하우징 내에 배치되고, 구동 액슬, 전력 케이블 등은 상기 하우징을 통해 연장한다.
도 1 및 도 2는 본 명세서에 사용되는 모든 변수와 자성 드라이브(20)로서 본 발명의 자성 디바이스의 일 실시예를 도시하는 도면.
도 3a 내지 도 3c는 병진이동기의 위치로부터 고정자까지의 거리에 따라 병진이동기에 작용하는 힘의 크기에 관한 그래프.
도 4 및 도 5는 자성 드라이브로서 본 발명의 자성 디바이스의 또 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 6은 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 유사한 자성 드라이브로서 본 발명의 자성 디바이스의 또 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 7은 자성 드라이브로서 본 발명의 자성 디바이스의 또 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 8은 구동되는 샤프트에 의하여 여러 자성 드라이브의 가능한 결합을 도시하는 도면.
도 9 내지 도 11은 자성 드라이브로서 본 발명의 자성 디바이스의 또 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 12는 저항 요소로서 본 발명의 자성 디바이스의 또 다른 실시예를 도시하는 도면.
도 13은 본 발명의 자성 디바이스의 또 다른 실시예의 사시도.
도 14는 도 13에 도시된 실시예의 저면도와 동일한 평면도.
도 15는 도 13 내지 도 14에 주어진 본 발명의 실시예의 측단면도.
도 16은 도 13 내지 도 15에 주어진 실시예의 유한 요소 방법 시뮬레이션(Finite Element Method simulation)에 사용되는 요소의 배열을 도시하는 도면.
도 17 내지 도 18은 유한 요소 방법 시뮬레이션의 결과를 도시하는 도면.
도 19 내지 도 20은 유한 요소 방법 시뮬레이션에 관한 것을 도시하는 도면.
도 1 및 도 2는 본 명세서에 사용되는 모든 변수와 자성 드라이브(20)로서 본 발명의 자성 디바이스의 일 실시예를 도시한다. 자성 드라이브(20)는 병진이동기(2) 및 이 병진이동기(2)에 대해 측방향으로 배치된 고정자(1, 1')를 포함한다. 고정자(1, 1')와 병진이동기는 병진이동기(3)의 구동 액슬을 따라 도 1 및 도 2에 예시적으로 도시된 실시예에서 축을 따라 배향된 전자석이다. 고정자(1, 1')와 병진이동기(2)의 다이폴 모멘트는 상기 축에 평행하다.
병진이동기(2)의 교대 분극을 제공하기 위하여, 상기 병진이동기(2)는 전력 케이블(11)을 통해 a.c. 전력 소스(미도시)에 연결된 반면, 각 고정자(1, 1')는 추가적인 전력 케이블(11)을 통해 d.c. 소스(미도시)에 연결된다.
병진이동기(2)의 분극은, 좌측 고정자(1)를 향하는 병진이동기(2)의 극성이 좌측 고정자(1)의 더 가까운 극성과 동일한 방식으로 분극되어, 좌측 고정자(1)와 병진이동기(2) 사이에 척력(13)을 작용하게 하고; 우측 고정자(1')를 향하는 병진이동기(2)의 극성은 우측 고정자(1')의 더 가까운 극성과는 상이하게 분극되어, 우측 고정자(1')와 병진이동기(2) 사이에 인력(12)을 작용하게 하도록 선택된다. 인력(12) 및 척력(13)의 힘은 병진이동기(2)에 작용하고 도 1에 도시된 바와 같이, 좌측으로부터 우측으로, 병진이동기의 이동 방향(6)으로 병진이동기(2)를 운동시키는 합성 힘을 야기하며, 이 병진이동기의 이동 방향(6)은 고정자(1') 쪽으로 배향된다. 병진이동기(2)의 분극을 변경한 후 병진이동기의 이동 방향(6)으로 병진이동기(2)의 운동은 도 2에 도시된다.
자성 드라이브(20)가 동작할 때, 병진이동기(2)는 고정자(1)에 대해 제로(zero)를 초과하는 거리(r)에 항상 위치된다. 이 특징(청구항 1의 특징부 참조)에 의하여 본 발명의 자성 드라이브(20)를 동작시킬 때 병진이동기(2)와 고정자(1, 1')들 중 하나 사이에 접촉이 일어나는 일이 배제될 수 있다. 거리(r)는 서로 향하는 병진이동기(2)의 극성 단부와 각 고정자(1, 1')의 극성 단부 사이의 거리로 한정된다.
좌측으로 병진이동기의 이동 방향(6)으로 병진이동기(2)의 선형 운동의 경우, 상기 병진이동기(2)는 위치(16)에 도달한다. 이 위치(16)는 병진이동기(2)의 선형 운동의 최종 위치이고, 병진이동기(2)와 좌측 고정자(1) 사이의 거리는 최소 한정된 거리(r2)에 대응하는 반면, 병진이동기와 우측 고정자(1') 사이의 거리는 최대 한정된 거리(r1)에 대응하는 것을 특징으로 한다. 거리(r1 및 r2)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 우측으로부터 좌측으로 병진이동기(2)의 후속 운동을 수행하기 위해 병진이동기(2)의 분극을 변경한 후, 병진이동기(2)와 좌측 고정자(1)의 동일한 부호의 극성들 사이에 생성된 척력은 최대 크기로 되는 방식으로 한정된다.
거리(r)는 제어 유닛에 의해 미리 설정되고, 상기 제어 유닛은 전자석인 병진이동기(2)의 분극을 변경한다. 병진이동기(2)가 위치(16)에 도달하면, 병진이동기(2')의 극성이 변경되어, 병진이동기(2)는 도 1에 도시된 이동 방향과는 반대쪽 이동 방향으로 이동된다. 고정자(1, 1')의 분극을 변경하는 것에 의해, 병진이동기(2)와 좌측 고정자 사이에 척력이 작용하는 반면, 병진이동기(2)와 우측 고정자(1') 사이에는 인력이 작용하고, 상기 힘은 한정된 에너지 레벨을 구비하여, 병진이동기(2)를 도 2에 도시된 바와 같이 우측으로부터 좌측으로 이동하게 한다.
고정자(1)는 지지부 구성(15)에 의하여 고정자 지지부(14)에서 지지된다.
병진이동기(2)는 도 1에 도시된 실시예에서 병진이동기(2)의 가이드 유닛(7)으로도 기능하는 구동 액슬(3)에 연결된다. 가이드 유닛(7)의 가이드 액슬(8)은 병진이동기의 이동 방향(6)과 평행하다. 가이드 액슬(8)은 고정자(1, 1')와 병진이동기(2)를 통해 연장하며, 고정자(1, 1')와 병진이동기(2)의 각 자기장은 가이드 액슬(8)의 존재에 의해 교란되지 않는다.
고정자(1, 1') 사이에 볼륨은 진공이다. 상기 진공을 달성하기 위해, 자성 드라이브(20)는 하우징(미도시) 내에 배치된다.
도 3a에 배치된 그래프는, 병진이동기(2)가 도 1에 도시된 바와 같이 이동할 때 병진이동기(2)와 좌측 고정자(1) 사이에 척력(13)의 종속성을 도시한다. 도 3a에서 뿐만아니라 도 3b 및 도 3c에서, 각 고정자(1, 1')로부터 병진이동기(2)의 거리는 x-축에 표시된 반면, 병진이동기(2)와 고정자(1, 1') 사이에 작용하는 힘은 y-축에 표시된다. 도 3a, 도 3b, 및 도 3c에 배치된 그래프는 본 명세서에 개시된 수식 및 이하 가정에 기초하여 계산하는데 기초를 이룬다:
- μRs1 = μRs2 = μRt = 100
- Ns1 = Ns2 = Nt = 40
- Rs1 = Rs2 = Rt = 0.02m
- Ls1 = Ls2 = Lt = 0.04m
- Is1 = Is2 = It = 1A
- 병진이동기의 연장(run)은 δ = 0.04m이다.
위치 X t = 0.04m에서, 병진이동기(2)는 좌측 고정자(1)와 접촉할 수 있다. 도 3a에서 그래프의 y-값은 0에 점점 더 가까이 도달한다. 척력(13)은 거리(ε)에서 최대값에 도달한다. 병진이동기(2)의 위치(16)는 바람직하게는 병진이동기(2)의 제로점이 인접한 고정자(1, 1')의 제로점으로부터 거리(εmin)만큼 이격되는 방식으로 가이드 유닛에 의해 선택된다.
도 3b에서 그래프는 도 1에 도시된 바에 따라 병진이동기(2)와 우측 고정자(1') 사이의 거리에 인력(13)이 종속하는 것을 도시한다. 일반적으로, 인력(13)은 병진이동기(2)가 우측 고정자(1')에 점점 더 가까워질 때 증가한다.
도 3c는 도 3a 및 도 3b에 있는 그래프로부터 초래되는 그래프를 도시한다. 도 3c에 있는 그래프는 고정자(1, 1')들 사이에 병진이동기(2)의 위치에 따라 척력(13)과 인력(12)의 발생으로부터 초래되는 힘 조건을 도시하며, 합성 힘 조건은 운동(3)의 축과 평행한 도 1 및 도 2를 참조하여 축에 평행하다.
도 4 및 도 5는 자성 드라이브(20)로서 본 발명의 자성 디바이스의 또 다른 실시예를 도시하며, 상기 실시예는 도 1 및 도 2에서 도시된 것과 유사하다. 도 2에 도시된 실시예와는 달리, 도 3에 도시된 상기 추가적인 실시예에서, 병진이동기(2)의 분극은 병진이동기(2)의 운동 동안 동일한 반면, 고정자(1, 1')의 분극은 변한다.
도 6은 도 4에 도시된 실시예와 유사한 실시예를 도시하며, 상기 실시예는 도 4에 도시된 실시예와 달리 2개의 가이드 유닛을 포함한다. 고정자(1, 1')와 병진이동기(2) 사이에 작용하는 자기장은 가이드 유닛(7)에 의해 교란되지 않아서, 도 4에 도시된 실시예에 비해 잇점을 제공한다.
도 7은 본 발명의 자성 드라이브(20)의 또 다른 실시예를 도시하며, 여기서 병진이동기(2)의 운동은 회전식이다. 자성 드라이브(20)는 구동 액슬(3) 및 병진이동기 회전축 주위에 원(10)으로 및 이에 직각으로 배치된 4개의 세그먼트-형상의 개별 병진이동기 자석(5)을 포함한다. 개별 병진이동기 자석(5)은 가이드 유닛을 통해 구동 액슬(3)에 기계적으로 연결되어, 상기 개별 병진이동기 자석(5)은 병진이동기(2)를 형성한다. 개별 병진이동기 자석(4)들 사이 영역에는 4개의 균일한 세그먼트-형상의 개별 고정자 자석(4)이 배치되고, 상기 개별 고정자 자석(4)은 기계적인 결합(미도시)에 의하여 고정자(1)를 형성하도록 연결된다.
상기 개시 내용에 따라, 서로 향하는 개별 고정자 자석(4) 및 개별 병진이동기 자석(5)의 극성은 동일한 부호이거나 또는 상이한 부호이다.
병진이동기(2)의 운동이 회전식인 경우, 병진이동기는, 자성 드라이브(20)가 동작할 때 고정자로부터 항상 이격되고, 개별 병진이동기 자석(5)의 회전 이동 방향(6)은 개별 고정자 자석(4) 쪽으로 항상 배향된다.
도 8은 본 발명의 제 1 자성 드라이브(20)를 본 발명의 또 다른 자성 드라이브(20')에 결합한 것을 도시한다. 자성 드라이브(20, 20')의 기계적인 결합은 디스크 중심(18)에 대해 회전하도록 지지된 디스크(17)를 통해 달성된다. 기하학적 이유 때문에, 로드(rod)(19)는 디스크(17)와 각 자성 드라이브(20, 20') 사이에 제공되고, 상기 로드의 일 단부는 디스크 중심(18)에 대해 편심 위치에서 디스크(17)에 연결되고, 다른 단부는 각 자성 드라이브(20, 20')에 힌지 연결된다.
자석 드라이브(20, 20')는 디스크 중심(18)에 대해 고정된 위치에 장착되고, 자성 드라이브(20, 20')에 의해 생성된 선형 운동은 디스크(17)에 회전 운동을 생성한다. 편심 위치에 로드(19, 19')를 배열하는 것에 의해, 자성 드라이브(20, 20')의 병진이동기(2)(도 8에 미도시)의 선형 운동이 기계적으로 제어된다.
도 9 내지 도 11은 여러 개별 고정자 자석(4)이 고정자(1, 1')에 배열되고 여러 개별 병진이동기 자석(5)이 병진이동기(2)에 배열된 것을 특징으로 하는 자성 드라이브의 일 실시예, 및 병진이동기(2)와 고정자(1, 1')의 상세도를 도시한다.
도 9는 전술된 바로부터 도 9 내지 도 11에 도시된 자성 드라이브의 실시예를 도시한다. 자성 드라이브는 축(9)을 따라 배치된 2개의 고정자(1, 1')를 포함한다. 나아가, 2개의 가이드 유닛(7)이 배열되고, 상기 가이드 유닛(7)은 고정자(1, 1')들 사이에서 병진 이동기를 지지하여 상기 고정자(1, 1')에 대해 이동될 수 있게 한다. 병진이동기(2)는 고정자(1, 1')를 통해 구동 요소(미도시)로 연장하는 구동 액슬(3)에 더 연결된다. 지지부 구성(15)은 구동 액슬에 대한 지지부로도 기능한다.
도 10은 도 9 내지 도 11에 도시된 본 발명의 자성 드라이브의 실시예의 고정자(1)의 측면도를 도시한다. 고정자(1)는 구동 액슬(3) 주위에 회전 대칭적으로 배치된 5개의 개별 고정자 자석(4)을 포함한다. 개별 고정자 자석(4) 각각은 개별 병진이동기 자석(5)과 대향하여 배치된다.
도 11은 병진이동기(2)의 측면도를 도시한다. 병진이동기(2)는 다각형(10)을 따라 도면 평면에 수직인 구동 액슬(3) 주위에 회전 대칭적으로 배치된 여러 개별 병진이동기 자석(5)을 포함한다. 개별 병진이동기 자석(5)은, 한편으로는, 구동 액슬에 배치되고, 다른 한편으로는, 병진이동기 베어링(22)에 의하여 병진이동기 지지부(21)에 배치된다. 병진이동기 베어링(22)은 가능한 한 작은 단면 영역을 각각 구비하는 웹(web)이다.
도 12는 저항 요소로서 본 발명의 자성 드라이브의 또 다른 실시예를 도시한다. 기본적으로, 이 구조는 전술된 실시예의 구조와 유사하지만, 고정자(1, 1')는, 병진이동기(2)의 극성과 고정자(1, 1')의 극성 사이에 척력(13)이 작용하는 방식으로 병진이동기(2)에 대해 분극되어 있다. 따라서 병진이동기(2)는 구동 액슬(3)을 통해 작용하는 힘에 의해 가속될 때 고정자(1, 1')들 사이의 거리를 따라 변위(displaced)될 수 있다.
도 13은 본 발명의 자성 디바이스의 또 다른 실시예의 사시도를 도시한다. 자성 디바이스는 2개의 병진이동기(2)들 사이에 배치된 고정자(1)를 포함하며, 상기 고정자(1)와 병진이동기(2)는 하우징을 형성하는 지지 구조(15) 내에 배치된다. 구동 액슬(3)은 상기 지지 구조 외부에 위치된다. 고정자(1)와 병진이동기(2)는 병진이동기의 운동 방향(6)을 결정하는 축(9)을 따라 배치된다.
병진이동기(2)는 2개의 가이드 유닛(7) 상에 장착되어 이에 의해 지지되며, 가이드 액슬(8)은 병진이동기의 이동 방향(6)과 평행하게 배향된다. 가이드 유닛(8)은 병진이동기(2)와 고정자(1) 사이의 자기장과 간섭하지 않도록 병진이동기(2)에 대해 측방향으로 배치된다.
가이드 유닛(8)은 지지 구조(15)에 의해 지지된다.
도 13에 도시된 자성 디바이스는 본질적으로 적절한 전술된 특성의 것을 구비한다. 병진이동기(2)는 N45 등급(grade)의 자석이다. 고정자(1)는 자성 코어(22)와 상기 코어(22) 주위에 감긴 코일(23)을 포함하는 전자석이다.
도 14는 도 13에 도시된 본 발명의 자성 디바이스의 저면도에 대응하는 평면도를 도시한다. 도 13을 참조하여 설명된 디바이스의 특성은 본질적으로 도 14에서 볼 수 있다.
도 14에서, 축(9)을 따라 병진이동기(2)와 고정자(1) 및 구동 액슬(3)의 위치를 볼 수 있다.
고정자(1)는 고정자 지지부(14)에 의하여 지지 구조(15)에 장착된다. 고정자(1)의 코어(22)는 지지 구조(15)로부터 돌출하게 축(9)의 방향으로 연장하여, 고정자(1)와 병진이동기(2) 사이의 자기장은 고정자 지지부(14)에 의해 간섭되지 않는다.
병진이동기(2)를 가이드 유닛(7)에 장착하는 병진이동기 지지부(24)의 형상은, 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게는 명백한 모멘텀 변형(momentum strain), 및 특히 병진이동기(2)의 발진 운동에 의해 야기된 발진 힘에 적응된다.
도 15는 도 13 및 도 14에 도시된 자성 디바이스의 단면도를 도시한다. 전술된 특성에 더하여, 계산 영역(21)을 볼 수 있다; 이 영역에서, 자기장 강도 곡선은 유한 요소 방법(FEM)을 사용하여 결정되었다. 계산을 더 용이하게 하기 위해, 계산 영역(21)은 하나의 대칭 절반부(symmetric half)만을 커버하며; 도 15에서 대칭축은 축(9)에 대응한다. FEM 계산 결과(도 17 및 도 18 참조)는 아래 문단에서 더 설명된다.
도 16은 FEM 계산이 수행된 대칭 절반부의 상세도를 도시한다. 대칭축은 다시 축(9)에 대응한다. 병진이동기(2)의 대칭 절반부는 도 16에서 볼 수 있다.
고정자(1)는 코어(22)와 코일(23)을 포함한다; 다시, 각 대칭 절반부를 볼 수 있다.
도 16에서, 또 다른 계산 영역(21)이 보인다.
도 17 및 도 18에서 FEM 시뮬레이션의 결과가 도시된다. FEM 계산은 고정자가 90A 전자석이고 병진이동기(2)는 1,050 kA/m의 N45 등급의 영구 자석이라는 가정에 기초한다.
도 17에서, 병진이동기(2)와 고정자의 위치 사이의 거리(r)은 1.00 mm이다. 고정자(1)와 병진이동기(2) 사이의 척력(13)은 병진이동기(2)에 작용하는 병진이동 힘의 큰 부분을 구성하는 반면, 병진이동기(2')의 운동은 병진이동기(2')와 고정자(1) 사이의 인력(12)에 의해 야기된다.
도 18은 병진이동기(2)들이 고정자(1)로부터 동일한 거리에 위치될 때 FEM 시뮬레이션의 결과를 도시한다.
도 19는 시험 디바이스에서 측정된 병진이동 힘을 FEM 시뮬레이션에 기초하여 계산된 병진이동 힘과 비교하는 그래프를 도시한다. 두 경우에, 고려되는 병진이동기는 1,050.0 kA/m의 영구 자석이었다. 계산을 위해, 고정자에는 90A의 에너지가 공급되었다. 시뮬레이션을 위해, 고정자에는 9A의 에너지가 공급되었고, 획득된 값은 90A에 대해 추론(extrapolated)되었다.
도 19에 도시된 그래프는 전술된 이론 및 측정에 기초한 시뮬레이션이 본질적으로 일치한다는 것을 명확히 보여준다.
도 20은 상이하게 자화된 영구 자석인 병진이동기의 병진이동 힘을 비교하며, 상기 병진이동 힘은 전술된 이론에 기초하여 FEM 시뮬레이션에 의하여 계산된 것이다. 그래프의 y-축은 병진이동 힘의 계산된 값을 도시하는 반면, x-축은 병진이동기의 위치를 도시한다. 도 20에 있는 그래프는 고정자에 9A의 에너지가 공급되고 90A에 대해 추론될 때 병진이동기로 사용된 영구 자석의 자화의 영향을 도시한다. 이 그래프는 다른 곡선의 일반 코스(course)를 도시하는 곡선 "시뮬레이팅된 힘 [N]"을 포함한다. 곡선 "시뮬레이팅된 힘 [N]"은 도 19에도 포함된다.
1 : 고정자
2 : 병진이동기
3 : 구동 액슬
4 : 개별 고정자 자석
5 : 개별 병진이동기 자석
6 : 병진이동기의 운동 방향
7 : 가이드 유닛
8 : 가이드 액슬
9 : 축
10 : 다각형
11 : 전력 케이블
12 : 인력
13 : 척력
14 : 고정자 지지부
15 : 지지부 구성
16 : 고정자의 위치
17 : 디스크
18 : 디스크의 중심
19,19' : 로드
20,20' : 자성 드라이브
21 : 계산 영역
22 : 코어
23 : 코일

Claims (12)

  1. 적어도 하나의 고정자와 적어도 하나의 병진이동기를 포함하는 자성 디바이스로서, 상기 병진이동기는 병진이동기의 이동 방향으로 상기 고정자에 대해 이동가능하고, 상기 병진이동기의 이동 방향은 상기 고정자 쪽으로 배향되고, 상기 적어도 하나의 고정자와 상기 병진이동기는 축을 따라 배열되는, 자성 디바이스에 있어서,
    상기 자성 디바이스는 제어 디바이스를 포함하며, 상기 제어 디바이스는 상기 자성 디바이스가 동작중 일 때 상기 고정자와 상기 병진이동기 사이에 생성된 힘에 대해 상기 병진이동기와 상기 고정자 사이에 거리(r>0)를 제어하며, r은 양수이고, 상기 병진이동기는 선형 병진이동기 운동 축을 따라 상기 병진이동기의 이동 방향으로 상기 고정자에 대해 이동가능하며, 상기 적어도 하나의 고정자와 상기 병진이동기는 상기 병진이동기의 이동축을 따라 배향되고,
    상기 고정자와 상기 병진이동기 사이에 생성된 힘에 기초하여 제어 유닛에 의해 최소 거리 r이 한정되고, 상기 병진이동기의 위치 Xt에서 상기 병진이동기에 작용하는 힘이 최대치가 되며, 상기 병진이동기에 작용하는 힘은 다음의 관계식:
    Figure 112018057532106-pct00090

    에 의해 정의되는데, 여기서,
    - qs1a (Xt ) 및 qs1b (Xt )는 상기 고정자의 자극(磁極) 강도이고,
    - qta (Xt ) 및 qtb (Xt )는 상기 병진이동기의 자극 강도이고,
    -
    Figure 112018057532106-pct00091
    는 상기 병진이동기의 위치(Xt)이고,
    - Ls 는 상기 고정자의 길이이고,
    - Lt 는 상기 병진이동기의 길이이며,
    - μ0 는 공간의 투자율(magnetic permeability)로, μ0 = 4π× 10-7 H/m 이고,
    - δ는 병진이동기의 이동에 의해 커버되는 거리인,
    자성 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고정자에 있는 개별 고정자 자석 또는 상기 병진이동기에 있는 개별 병진이동기 자석은 상기 병진이동기의 이동 방향과 평행하게 배향된 다각형 축을 중심으로 다각형을 나타내는 라인을 따라 배열되는, 자성 디바이스.
  3. 제1항에 있어서, 상기 병진이동기는 적어도 하나의 가이드 유닛에 의하여 상기 고정자에 대해 이동가능하게 장착되고, 상기 가이드 유닛의 가이드 액슬은 2개의 인접한 개별 고정자 자석들 사이의 영역에서 상기 고정자와 교차하고 2개의 인접한 개별 병진이동기 자석들 사이의 영역에서 상기 병진이동기와 교차하는, 자성 디바이스.
  4. 제1항에 있어서, 상기 고정자에 대한 상기 병진이동기의 운동은 발진 운동인, 자성 디바이스.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고정자는 영구 자석인 반면, 상기 병진이동기는 전자석인, 자성 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 고정자는 전자석인 반면, 상기 병진이동기는 영구 자석인, 자성 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고정자와 상기 병진이동기는 영구 자석 또는 전자석인, 자성 디바이스.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제어 디바이스는 상기 고정자와 상기 병진이동기 사이에 위치될 수 있는 스페이서 요소를 포함하는, 자성 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제어 디바이스는 상기 병진이동기의 운동에 기계적 구속력을 행사하는 시스템을 포함하는, 자성 디바이스.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제어 디바이스는 상기 고정자에 대한 병진이동기의 위치에 따라 상기 고정자 또는 상기 병진이동기, 또는 상기 고정자 및 상기 병진이동기의 분극 또는 전계 강도를 변경할 수 있는 거리 측정 디바이스를 포함하는, 자성 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 제어 디바이스는 시간 기간에 따라 상기 고정자 또는 상기 병진이동기, 또는 상기 고정자 및 상기 병진이동기의 분극 또는 전계 강도를 변경할 수 있는 시간 측정 디바이스를 포함하는, 자성 디바이스.
  12. 제1항에 있어서, 상기 병진이동기가 상기 고정자로부터 최대 거리(d)에 위치될 때 상기 고정자와 상기 병진이동기 사이에 연장하는 볼륨은 진공인, 자성 디바이스.
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