KR102101312B1 - 유도 발전기 및 유도 발전기를 사용하여 전류를 발생시키는 방법 - Google Patents

유도 발전기 및 유도 발전기를 사용하여 전류를 발생시키는 방법 Download PDF

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젯트에프 프리드리히스하펜 아게
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Abstract

본 발명은 영구 자기장(138)을 발생시키기 위한 하나 이상의 영구 자석(130), 영구 자기장(138)을 가이드하기 위한 하나 이상의 역류판(106), 코일(108) 및 스프링 요소(104)를 구비한 유도 발전기(100)에 관한 것으로서, 상기 영구 자석(130) 및 역류판(106)은 영구 자기장(138)에 의해 관통된 에어 갭(140)에 의해 상호 분리되며, 상기 코일(108)은 스프링 요소(104)와 연결되고, 에어 갭(140) 내에 움직일 수 있게 배치되며, 본 발명에 따른 유도 발전기는, 스프링 요소(104)가 코일(108)의 휨에 대응해서, 에어 갭(140) 내부에서의 영구 자기장(138)의 자속에 대해 횡방향으로, 에어 갭(140) 내에서 코일(108)의 진동 운동을 야기하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

유도 발전기 및 유도 발전기를 사용하여 전류를 발생시키는 방법{INDUCTION GENERATOR AND METHOD FOR GENERATING AN ELECTRIC CURRENT USING AN INDUCTION GENERATOR}
본 발명은 유도 발전기 및 유도 발전기를 사용하여 전류를 발생시키기 위한 방법에 관한 것이다.
예를 들어 무선 스위치에서 사용되는, 이미 공지된 전자기 에너지 변환기는 기본적으로 항상 동일한 원리를 이용한다. 영구 자석을 구비한 자기 시스템의 운동 또는 자심 자체의 운동에 의해 자기 회로 내에서 갑작스런 자속 변동이 야기됨으로써, 자심 상에 정적으로 배치된 코일 내에서는 유도 작용에 의해 전기 에너지가 발생한다. 일반적으로, 이들 시스템은 스위칭 과정 동안 자기 회로의 완전한 자기 극성 반전을 이용한다.
공지된 시스템들의 경우, 발전기에서의 높은 잡음 발생을 개선하기 위해, 전환(switching) 과정에서의 마찰 손실 상승과 관련해서, 영구 자석 또는 자심의 충돌시에 손실을 최소화하기 위한 컨셉들이 존재한다. 또한, 효율을 높이기 위해, 변속기를 구비한 회전식 발전기를 이용해서 에너지를 변환하는 것도 가능하다.
독일 공개 특허 출원서 DE 101 12 072 A1호에는, 작동 기구의 운동이 에너지 변환기로 전달될 수 있도록, 레버 장치를 통해 스위칭 요소의 에너지 변환기와 작용 연결되어 있는 작동 기구를 구비한 스위칭 요소가 공개되어 있다. 상기 스위칭 요소에 의해, 에너지 변환기가 작동 기구의 작동을 위해 소비된 기계 에너지의 적어도 일부를 전기 에너지로 변환한다.
이러한 배경에서, 본 발명은 독립 청구항들에 따른 개선된 유도 발전기 및 개선된 전류 발생 방법을 제공한다. 바람직한 실시예들은 종속 청구항들 및 이하의 상세한 설명을 참조한다.
유도 발전기와 관련하여, 전기 에너지는 하기의 관계식들을 토대로 산출된다.
Figure 112015053941169-pct00001
상기 관계식에서:
Ee = 전기 에너지
Em = 기계 에너지
Ev = 손실 에너지
Evm = 기계 손실 에너지
Evmg = 자기 손실 에너지
Eve = 전기 손실 에너지
본원에 소개된 발명 컨셉은, 에너지 변환을 위해 훨씬 더 무거운 자기 시스템 대신 발전기의 코일이 가동되면, 유도 발전기의 효율이 현저히 증가할 수 있다는 인식에 기반한다.
에너지 공식을 보면, 이러한 고찰이 더욱 명확하게 증명된다. 즉, 운동 에너지에 대해 아래의 공식이 성립된다.
Ekin . = 0.5 x m x V2
상기 식에서:
Ekin = 운동 에너지
m = 질량
V = 속도
발전기의 전기 에너지는 아래와 같이 산출된다.
Figure 112015053941169-pct00002
상기 식에서:
Eel. = 전기 에너지
U = 전압
t = 시간
R = 전기 저항
V
Figure 112015053941169-pct00003
U
따라서, 특히 강자성 회로 내 자속 밀도의 정자기적(magnetostatic) 증가는 소정의 정도까지만 가능하다는 사실을 고려할 때, 질량 또는 시간을 증가시키거나 저항을 감소시키는 데 노력하는 대신, 속도 또는 전압을 증가시키는 데 노력을 기울이는 편이 더 합리적인데, 그 이유는 최상의 연자성 재료들의 경우에도 도달할 수 있는 최대 자속 밀도는 단지 약 2.4 T에 불과하기 때문이다. 물론, 자속 밀도 혹은 자기장을 가급적 높게 유지하는 것이 바람직하나, 비용 측면에서는 자속 밀도를 1.8 내지 2.0 T의 범위 내에서 선택하는 것이 합리적일 수 있다(Fe, FeSi).
본 발명의 실시예들에 따르면, 강자성 회로의 상대적으로 무거운 요소, 즉 자기 요소 또는 자심(magnetic core)을 짧은 경로로 가급적 신속하게 가속하고 주기의 마지막에는 가급적 신속하게 감속하는 과정이 생략됨으로써, 전자기 에너지 변환 시 효율이 결정적으로 개선될 수 있다.
본원에 소개된 컨셉에 의해, 그렇지 않다면 충돌 시 쓸모없이 소멸되었을 대부분의 에너지가 변환될 수 있다. 추가로, 잡음 발생이 줄어들 수 있고, 발전기의 수명이 연장될 수 있다. 본원에 소개된 유도 발전기의 높은 효율은 특히, 더 이상 상대적으로 무거운 가동형 자기 시스템의 가속을 위한 힘은 불필요하다는 사실 덕분이다. 부수적인 효과로서, 가동형 부분의 선형 지지 시 기계적 손실 및 상대적으로 낮은 고유 주파수로 인해, 시스템이 실제 진동 스펙트럼 내에서 의도치 않은 공명 진동을 겪으며 에너지를 발생시키게 되어, 무선 스위치에서 의도치 않은 무선 신호의 발생을 유발할 수 있는 위험도 없어진다.
본원에 소개된 접근 방식에 따르면, 자심의 극성을 완전히 반전시키는 것은 불필요하다. 따라서 시스템 비용이 줄어들 수 있는데, 그 이유는 그 외에 자심에 사용되는 재료나 최종 어닐링에 대한 요구 수준이 높지 않기 때문이다. 자기 손실은 감수할 필요가 전혀 없거나, 약간만 감수하면 된다. 본 발명의 실시예들에 따라 형성된 유도 발전기는 효율을 감소시키는 변속기를 필요로 하지 않고, 기계적으로 민감하며 복잡한 구조를 갖지 않으며, 오히려 특히 자립형 무선 시스템용으로 최적인 전기 기계식 에너지 변환기를 결정짓는 모든 기준들을 통합한다. 이러한 기준에는 작은 설치 공간, 높은 에너지 밀도, 높은 효율, 짧은 활성화 경로, 적은 활성화 힘, 적은 잡음 발생, 가급적 일정한 에너지량, 작동 속도와 무관한 기능, 온도 변화에 대한 내구성, 기계적 강인성 그리고 적은 제조 비용이 속한다.
전술한 접근법은 수요 증가에 따라, KNX-RF, ZigBe, Bluetooth Low Energy 또는 W-LAN과 같은 복잡한 무선 프로토콜을 높은 송신 전력으로 수 회 반복하여 구현할 수 있는 자립형 무선 시스템에 부합한다. 이는 매우 효율이 높은 발전기(0.7 내지 2mWs)에 의해서만 가능하다. 공지된 에너지 변환기를 단순히 대형화하는 것만으로는 목표에 도달할 수 없는데, 그 이유는 계속해서 증가하는 작동력 및 치수 그리고 잡음 발생 증가로 인해 전술한 시스템의 조작 가능성이 차단되거나 상당히 어려워지기 때문이다. 이하에서 기술되는 유도 발전기는, 작은 설치 공간에서 큰 에너지 수득률을 필요로 하는 사용 분야에 사용될 수 있다.
영구 자기장을 발생시키기 위한 하나 이상의 영구 자석, 영구 자기장을 가이드하기 위한 하나 이상의 역류판, 코일 및 스프링 요소를 구비한 유도 발전기로서, 영구 자석과, 역류판의 하나 이상의 섹션은 영구 자기장에 의해 관통된 에어 갭에 의해 상호 분리되고, 이때 코일은 스프링 요소와 연결되며, 코일의 하나 이상의 섹션은 에어 갭 내에 움직일 수 있게 배치되는, 본 발명에 따른 유도 발전기는, 스프링 요소가 코일의 휨에 대응해서, 에어 갭 내부에서의 영구 자기장의 자속에 대해 횡방향으로, 에어 갭 내에서 적어도 상기 코일 섹션의 진동 운동을 야기하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
유도 발전기 또는 전기 발전기는, 전자기 유도에 의해 전류 또는 전기 전압을 발생시키도록 형성된 장치이다. 예를 들어 이러한 유형의 유도 발전기는, 예컨대 가속 장치의 스위치-온 및 스위치-오프를 위해 사용되는 자립형 무선 스위치와 함께 사용될 수 있다. 하나 이상의 영구 자석은 예컨대 철, 코발트, 니켈 혹은 페라이트 또는 이들 금속 중 복수의 금속으로 이루어진 합금을 함유할 수 있고, 정자기장, 즉 영구 자기장을 형성하도록 형성될 수 있다. 영구 자석은 일체형으로 형성될 수 있고, 마주 놓인 측면들에 반대의 극, 즉 S극 및 N극을 가질 수 있다. 예를 들어, 영구 자석은 마주 놓인 측면들에 투과성이 높은 재료로 이루어진 극편을 가질 수 있다. 영구 자석의 극성에 상응하게, 일측 극편은 N극을 형성할 수 있고, 타측 극편은 S극을 형성할 수 있다. 이들 극편을 이용하여, 영구 자석에 의해 발생한 자속이 정해진 방식으로 가이드되고 분포될 수 있다. 대안적으로, 영구 자석은 여러 개의 부재로, 예컨대 2개 또는 그 이상의 영구 자석 부재들로 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 각각 독자적인 영구 자석을 나타내는 2개의 영구 자석 요소가 하나의 공통 연결판을 통해 서로 연결될 수 있다. 이때, 2개의 영구 자석 요소는, 일측 영구 자석 요소의 N극 및 타측 영구 자석 요소의 S극이 연결판의 표면에 올려지고, 그에 상응하게 전체 어셈블리가 하나의 U자형 영구 자석을 형성하도록, 상호 간격을 두고 연결판 위에 올려질 수 있다. 이 U자형 영구 자석의 자극 면들(pole face)은 하나의 평면 내에 놓일 수 있고, 진동 운동은 이 평면에 대해 평행하게 수행될 수 있다. 개별 영구 자석 요소들 사이에서 자속을 최적으로 가이드하기 위해, 연결판은 납작한 직사각형 판으로서 형성될 수 있다. 역류판은 재료, 구조 및 치수와 관련하여 연결판과 유사하거나 동일할 수 있고, 자속의 환형 파형을 보장하기 위해 사용될 수 있다. 영구 자석과 역류판은 서로 마주보도록 배치되어 있을 수 있으며, 이 경우 예컨대 2개의 영구 자석 요소의 역류판과 연결판은 이와 같이 형성된 자기 시스템의 상부면 혹은 하부면을 형성한다. 자기 시스템의 구조에 의해 발생한 환형의 자속에 기반하여, 영구 자석은 에어 갭 내에서 반대 방향으로 정렬된 2개의 자속 전류를 가질 수 있다.
코일은, 예컨대 구리로 이루어진 하나 또는 복수의 와이어가 감긴 권선을 구비할 수 있으며, 일 실시예에 따라서는 권선 평면에 대해 평행하게 지지 되도록 그리고 또 다른 한 실시예에 따라서는 권선 평면 내에서 뻗는 회전 축을 중심으로, 하나 이상의 에어 갭 내에 휠 수 있게 지지 되도록 스프링 요소에 연결될 수 있다. 스프링 요소에 의해 가능해진 코일의 진동 운동을 촉발시키기 위해, 유도 발전기의 휨 수단에 의해 코일의 휨이 이루어질 수 있다.
진동 운동은 감쇠된 진동일 수 있는데, 이러한 감쇠된 진동의 강도는 시간이 경과함에 따라 스프링 요소의 독특한 구조 및/또는 비탄성(specific elasticity)에 근거하여 약화되고, 결국에는 소멸한다. 자속 혹은 자속 전류에 대해 횡방향으로 이루어지는 코일의 진동을 통해, 코일의 권선 내에서 교류 전류가 유도될 수 있다. 코일을 지지할 수 있고 코일의 진동 운동을 가능하게 할 수 있는 하나 또는 복수의 스프링 요소가 사용될 수 있다. 스프링 요소는 적절하게 구현된 스프링, 예컨대 가요성 스프링(flexible spring), 비틀림 스프링, 인장 스프링 또는 압축 스프링일 수 있다.
유도 발전기의 일 실시예에 따르면, 영구 자석, 역류판 및 스프링 요소의 일 단부가 유도 발전기의 지지 구조물에 부착될 수 있거나 움직이지 않게 고정될 수 있다. 본 실시예는, 특히 자기 시스템의 상대적으로 무거운 요소들이 정적으로 전류 발생을 위해 사용될 수 있음으로써, 잡음 발생이 최소화될 수 있고, 유도 발전기의 수명이 연장될 수 있다는 장점이 있다. 또한, 유도 발전기의 크기도 더 작아질 수 있는데, 그 이유는 지지 구조물이 무거운 자석의 가속에 의한 하중을 견뎌야 할 필요가 없기 때문이다. 지지 구조물은 유도 발전기의 하우징 또는 하우징의 일 부분일 수 있다. 코일은 스프링 요소에 의해 지지 구조물 및 그와 더불어 영구 자석에 대해 상대 운동을 할 수 있게 지지될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 영구 자석과 역류판은 에어 갭에 의해 상호 분리될 수 있다. 이로써, 영구 자석과 역류판 사이에는 접촉점이 존재할 수 없다. 또한, 코일은 에어 갭 내에 움직일 수 있게 배치될 수 있다. 이때, 전체 코일이 에어 갭 내부에 존재할 수 있다. 스프링 요소는, 코일의 휨에 대응해서, 에어 갭 내부에서의 영구 자기장의 자속에 대해 횡방향으로, 에어 갭 내에서 코일의 진동 운동을 야기하도록 형성될 수 있다. 바람직하게, 진동 운동은 코일의 서로 반대 방향의 선형 운동을 포함할 수 있다.
유도 발전기는, 영구 자기장이 자기장 회로를 형성하고, 이 자기장 회로의 자속이 영구 자석의 제1 극으로부터 에어 갭의 제1 섹션을 거쳐 역류판을 거쳐 흐르고, 에어 갭의 제2 섹션을 거쳐 영구 자석의 제2 극으로 흐르도록 구현될 수 있다. 이때, 코일의 제1 권선 반부는 에어 갭의 제1 섹션에 배치될 수 있고, 코일의 제2 권선 반부는 에어 갭의 제2 섹션에 배치될 수 있다. 이들 권선 반부는 코일의 서로 마주 놓인 측들에 배치될 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 코일의 2개의 권선 반부가 최대로 강한 자기 작용에 노출되도록 보장될 수 있다. 그에 상응하게, 전류 발생시의 높은 효율은 간단한 수단에 의해 성취될 수 있다.
코일의 중심축은, 에어 갭의 제1 섹션 및 제2 섹션에 걸친 자속에 대해 평행하게 또는 거의 평행하게 뻗을 수 있다. 코일의 권선이 코일의 중심축 둘레에 연장됨에 따라, 이 중심축은 권선을 포함하는 코일 권선 평면에 대해 직각으로 정렬될 수 있다. 코일이 자속에 대해 직각으로 정렬됨으로써, 진동 운동을 통해 바람직하게 코일 권선 내 최대 전압이 유도될 수 있다.
또 다른 한 실시예에 따르면, 유도 발전기는, 영구 자기장의 제1 자속 전류를 발생시키기 위한 제1 영구 자석, 제1 자속 전류를 가이드하기 위한 제1 역류판, 영구 자기장의 제2 자속 전류를 발생시키기 위한 제2 영구 자석, 및 제2 자속 전류를 가이드하기 위한 제2 역류판을 구비할 수 있다. 이때, 제1 자속 전류는 제1 자기장 회로 내에서 제1 영구 자석의 제1 극으로부터 에어 갭의 제1 섹션을 거쳐 그리고 제1 역류판을 거쳐 제1 영구 자석의 제2 극으로 흐를 수 있고, 제2 자속 전류는 제2 자기장 회로 내에서 제2 영구 자석의 제1 극으로부터 제2 역류판을 거쳐 그리고 에어 갭의 제2 섹션을 거쳐 제2 영구 자석의 제2 극으로 흐를 수 있다. 특히, 이 경우 코일의 제1 권선 반부는 에어 갭의 제1 섹션 내에 배치될 수 있고, 코일의 제2 권선 반부는 에어 갭의 제2 섹션 내에 배치될 수 있다. 예를 들어 제1 역류판 및 제2 역류판은 각각 U자형으로 구부러진 형태로 형성될 수 있으며, 이 경우 각각의 영구 자석은 U자형 역류판의 일측 레그의 내부면에 놓이고, 타측 레그의 내부면에 의해 덮인다. 따라서, 양측 자속 전류가 재차 개별 자기 시스템 내에서 환형으로 흐를 수 있게 된다. 본 실시예는, 영구 자기장을 형성하기 위해 상호 독립적으로 작동될 수 있는 2개의 자속 전류에 의해 존재하는 용장성(redundancy) 외에, 바람직한 방진(dustproof) 및/또는 수밀(watertightness) 상태에서 유도 발전기의 매우 간단한 밀봉 가능성을 갖는데, 그 이유는 U자형의 역류판이 민감한 코일/스프링 시스템을 거의 완전히 보호하면서 둘러싸므로 제1 역류판과 제2 역류판 사이의 갭만 폐쇄되면 되기 때문이다.
일 실시예에 따르면, 하나 이상의 영구 자석이 코일 내부에 배치될 수 있다. 이때, 코일은 영구 자석에 대해 상대 운동을 할 수 있게 배치될 수 있다. 이러한 영구 자석의 배치를 통해 유도 발전기가 매우 콤팩트하게 구현될 수 있다.
진동 운동을 구현할 수 있도록, 코일은 이 코일의 권선 평면을 통해 뻗는 회전 축을 중심으로 회전 가능하게 지지될 수 있다. 이 경우, 코일이 약간만 휘어지더라도 충분한 전기 에너지를 발생시킬 수 있다.
본 실시예에서는, 영구 자석의 제1 극 섹션에 인접하는 제1 역류판 및 영구 자석의 제2 극 섹션에 인접하는 제2 역류판이 제공될 수 있다. 이들 극 섹션은 영구 자석의 극편들에 의해, 또는 단부 섹션들에 의해 구현될 수 있다. 제1 역류판은 영구 자석의 제1 세로 측면을 따라 연장되는 제1 꺾임부를 구비할 수 있고, 제2 역류판은 제1 세로 측면에 마주 놓인, 영구 자석의 제2 세로 측면을 따라 연장되는 제2 꺾임부를 구비할 수 있다. 이들 세로 측면은 극 섹션들 사이에 뻗은 영구 자석의 중심축에 대해 평행하게 뻗을 수 있다. 제1 에어 갭은 영구 자석과 제1 꺾임부 사이에 있을 수 있고, 제2 에어 갭은 영구 자석과 제2 꺾임부 사이에 있을 수 있다. 이때, 코일의 제1 섹션은 제1 에어 갭 내에 움직일 수 있게 배치될 수 있고, 코일의 제2 섹션은 제2 에어 갭 내에 움직일 수 있게 배치될 수 있다.
전술한 실시예들에서, 유도 발전기의 스프링 요소는 제1 가요성 판 스프링(flexible flat spring) 및 제2 가요성 판 스프링을 구비할 수 있으며, 이들 가요성 판 스프링 사이에서 에어 갭 내에 코일이 진동할 수 있게 지지될 수 있다. 가요성 판 스프링들은 코일의 적합한 진동을 보장하기 위해 경제적이면서 공간 절약적으로 사용될 수 있다. 가요성 판 스프링들에 의해 소위 평행사변형 스프링이 형성될 수 있으며, 이 평행사변형 스프링에 의해 코일은 매우 균일하게 오래 유지되는 진동 상태에 놓일 수 있다. 이로써, 유도 발전기의 효율이 전반적으로 증가할 수 있다.
가요성 판 스프링의 대안으로, 코일의 진동을 발생시키고 유지하는 다른 요소들, 예를 들어 간단한 리프 스프링(leaf spring) 또는 멤브레인도 스프링 요소 내에 또는 스프링 요소로서 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 스프링 요소는 코일들의 전기 접촉을 위한 전기 도체일 수 있다. 이를 위해, 스프링 요소의 일 섹션은, 코일의 진동 운동으로 인해 제공되는 교류 전류의 집전을 위한 접촉 요소를 포함할 수 있다. 이로써, 코일 내에서 유도되는 전기 전류를 전도하기 위한 스프링 요소는 예를 들어 코일과 집전기(current collector) 사이에 삽입될 수 있다. 바람직하게는, 상호 전기 절연된 2개의 스프링 요소가 삽입될 수 있으며, 이들 스프링 요소를 통해 코일이 전기적으로 접촉될 뿐만 아니라 유도 발전기의 지지 구조물에 대해 상대 운동을 할 수 있게 지지될 수도 있다. 예를 들어 코일의 전기 단자들은 2개의 가요성 판 스프링을 통해 전기적으로 접촉될 수 있으며, 이 경우 가요성 판 스프링들은 상호 전기 절연된다. 본 실시예에 의해 설치 공간이 절약될 수 있는데, 그 이유는 별도의 집전기가 없어도 되기 때문이다.
특히, 유도 발전기의 코일은 코어 없이 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 코일이 특히 적은 중량으로 구현될 수 있다. 그럼으로써, 코일은 아주 약간의 저항에 대해서도 매우 빠르게 정지 위치로부터 진동 상태에 놓일 수 있고, 그 진동은 자체적으로 매우 높은 주파수를 가질 수 있는 장점이 얻어진다. 이러한 방식으로 유도 발전기의 효율이 개선될 수 있다.
코일은 코일 홀더에 의해 둘러싸일 수 있다. 코일 홀더는, 지지 구조물에 고정된 스프링 요소의 단부에 마주 놓인, 스프링 요소의 또 다른 단부와 연결될 수 있다. 그럼으로써 스프링 요소의 탄성력이 코일 홀더를 통해 손실 없이 균등하게 코일로 전달될 수 있다. 그와 동시에, 본 실시예는, 예를 들어 스프링 요소 내부에 통합된 접촉자(contact)을 통해 전류를 방출하기 위해, 코일의 권선 내에서 발생 한 전류를 스프링 요소로 전달하는 과정이 간단히 실행될 수 있게 해준다. 코일의 양측에 배치된 가요성 판 스프링들을 스프링 요소로서 사용하는 경우, 예를 들어 코일 홀더는 2개의 돌출부를 구비할 수 있고, 코일 홀더를 고정하기 위해 이들 돌출부 내로 가요성 판 스프링의 각각의 단부가 끼워질 수 있다.
또한, 코일 홀더는 코일을 휘기 위한 작동 요소를 구비할 수 있다. 이 작동 요소는 예를 들어 설형(tongue-shaped) 작동부의 형태로 형성되어, 거기에 작동기가 용이하게 도달할 수 있도록, 그리고 코일이 정지 위치로부터 2개의 상반되는 방향 중 한 방향으로 휠 수 있도록 배치될 수 있다. 작동 요소가 릴리스된 후에 코일의 진동 운동이 개시될 수 있다.
유도 발전기는, 코일의 진동 운동으로 인해 제공되는 교류 전압의 출발 극성을 검출하기 위한 검출 장치를 구비할 수 있다. 출발 극성은, 휨에 후속하는 진동 운동의 초기 방향 및 그와 더불어 코일의 휨 방향에도 좌우된다. 그에 상응하게, 검출 장치는, 코일의 진동 운동으로 인해 제공되는 교류 전류의 초기 방향을 검출하도록 형성될 수 있다. 그럼으로써, 예를 들면 코일이 진동 운동에 대비하기 위해 작동 요소에 의해 반대되는 두 방향 중 어느 방향으로 휘어졌는지 결정될 수 있다. 이러한 방식으로, 유도 발전기의 작동 요소가 어느 방향으로 움직였는지 확인될 수 있다. 이러한 방식으로, 예를 들어 스위치-온 과정과 스위치-오프 과정이 구별될 수 있다.
본 발명은 또한, 영구 자기장을 발생시키기 위한 하나 이상의 영구 자석, 영구 자기장을 가이드하기 위한 하나 이상의 역류판, 코일, 및 스프링 요소를 구비한 유도 발전기를 사용하여 전류를 발생시키기 위한 방법도 제시하며, 이때 영구 자석 및 역류판의 하나 이상의 섹션이 영구 자기장에 의해 관통된 에어 갭에 의해 상호 분리되며, 이때 코일은 스프링 요소와 연결되고, 코일의 하나 이상의 섹션이 에어 갭 내에 움직일 수 있게 배치되며, 상기 방법은 하기의 단계들, 즉,
에어 갭 내부에서의 영구 자기장의 자속에 대해 횡방향으로, 에어 갭 내에서 코일의 하나 이상의 섹션의 진동 운동을 야기하기 위해, 코일을 휘는 단계, 및
코일의 진동 운동에 기반하는 전자기 유도를 이용하여 코일 내에서 전류를 발생하는 단계를 포함한다.
이와 같은 형태의 본 발명에 따른 방법에서도, 본원에 소개된 발명 컨셉이 바람직하게 구현될 수 있다.
첨부된 도면들을 참조하여 실시예들을 통해 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 발전기의 평면도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 유도 발전기의 횡단면도이다.
도 1c는 도 1a에 도시된 유도 발전기의 사시도이다.
도 1d는 도 1a에 도시된 유도 발전기의 분해도이다.
도 2a는 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른 유도 발전기의 평면도이다.
도 2b는 도 2a에 도시된 유도 발전기의 횡단면도이다.
도 3a는 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른 유도 발전기의 평면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 유도 발전기의 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른 유도 발전기의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 유도 발전기를 사용해서 전류를 발생시키기 위한 방법의 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른 유도 발전기의 평면도이며;
도 7은 도 6에 도시된 유도 발전기의 횡단면도이다.
도 8은 도 6에 도시된 유도 발전기의 추가 횡단면도이다.
도 9는 도 6에 도시된 유도 발전기의 추가 횡단면도이다.
도 10은 도 6에 도시된 유도 발전기의 분해도이다.
도 11은 도 10에 도시된 유도 발전기의 조립된 모습을 도시한 도이다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 이하의 설명에서, 상이한 도면에 도시되어 있으면서 유사한 작용을 하는 요소들에 대해 동일하거나 유사한 도면 부호를 사용하며, 이 경우 이들 요소에 대한 반복 설명은 생략한다.
이하의 도면들을 토대로, 본 발명에 따른 유도 발전기의 기본적인 구조를 알 수 있다. 각각의 도면에 기술된 유도 발전기의 예들은 특히 자립형 무선 스위치를 작동시키는 데 사용될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 발전기(100)의 평면도이다. 지지 구조물(102), 스프링 요소(104), 역류판(106), 코일 홀더(110) 내 코일(108) 및 2개의 집전기(112)가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 유도 발전기(100)의 실시예에서, 스프링 요소(104)는 제1 가요성 판 스프링(114) 및 제2 가요성 판 스프링(116)으로 구성되며, 이들 가요성 판 스프링은 각각 코일(108) 및 역류판(106)의 측면에 평행하게 뻗어 있다. 코일(108)은 납작한 직사각형의 권선으로서 형성되어 있으며, 이 권선은 도 1의 도면에서는 역류판(106)에 의해 덮여 있기 때문에 단지 부분적으로만 볼 수 있다. 가요성 판 스프링들(114, 116)에 의해 형성된 스프링 요소(104)의 일 단부(118)는 지지 구조물(102)에 고정되어 있고, 또 다른 단부(120)는 코일(108)을 지지하는 코일 홀더(110)의 2개의 돌출부(122) 내에 끼워져 있다. 이로써, 코일(108)은 단지 간접적으로만 스프링 요소(104)를 통해 지지 구조물(102)과 연결되며, 스프링 요소(104)에 의해 유도 발전기(100) 내에서 움직일 수 있게 혹은 진동할 수 있게 지지된다.
로렌츠 힘(Lorentz force)을 활용하여 코일(108)의 권선 내에 전류 흐름을 발생시키기 위해, 코일(108)은 본 실시예에서 설형으로 형성된 코일 홀더(110)의 작동 요소(124)에 의해 휘어져, 스프링 요소(104)의 도움으로 도 1에서는 볼 수 없는 유도 발전기(100)의 자기 시스템의 자기장 내에서 진동 상태에 놓일 수 있다. 코일 홀더(110)를 통해 코일(108)과 결합된 스프링 요소(104)의 일 섹션이 접촉 요소(126)를 형성하며, 이 접촉 요소를 통해 코일(108) 내에 유도된 전류가 상기 접촉 요소(126)와 연결된 집전기(112)로 흘러가서 그곳에서 탭핑될 수 있다. 집전기(112)는 역류판(106)과 부분적으로 겹쳐지도록 배치된다.
지지 구조물(102)을 통해 유도 발전기(100)가 임의의 물체, 예를 들면 벽에 고정될 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 나사와 같은 적절한 고정 요소들이 사용될 수 있다. 코일(108)의 진동 중에 코일은 움직이는 반면, 지지 구조물(102), 자기 시스템 및 이 자기 시스템에 의해 구현되는 자기 회로는 정지되어 있다. 유도 발전기(100)가 물체에 고정되어 있으면, 코일(108)은 진동 중에 운동을 실행하는 반면, 지지 구조물(102), 자기 시스템 및 상기 물체는 정지되어 있다.
도 1b는 도 1a에 도시된 유도 발전기(100)를 도 1a의 선 B-B를 따라 절단하여 도시한, 본 발명의 일 실시예에 따른 횡단면도이다. 본 도면에서는, 특히 앞에서 이미 언급된 유도 발전기(100)의 자기 시스템(128) 그리고 코일(108)과 관련한 상기 자기 시스템의 배치를 제대로 확인할 수 있다. 자기 시스템(128)은 역류판(106) 및 이 역류판(106)에 마주 놓인 영구 자석(130)으로 구성된다. 본 실시예에서, 영구 자석(130)은 제1 영구 자석 요소(132), 제2 영구 자석 요소(134), 그리고 제1 영구 자석 요소(132)를 제2 영구 자석 요소(134)와 결합하는 연결판(136)으로 형성된다. 제1 영구 자석 요소(132)의 N극과 제2 영구 자석 요소(134)의 S극이 금속 연결판(136)과 접촉됨으로써, 전체 어셈블리는 U자형의 영구 자석(130)을 형성하게 되며, 이와 같은 U자형 영구 자석(130)에서는 제1 영구 자석 요소(132)가 제1 극을 형성하고, 제2 영구 자석 요소(134)가 제2 극을 형성하며, 연결판(136)은 요크를 형성한다. 자기 시스템(128)은 복수의 화살표로 표시된 영구 자기장(138)을 형성한다. 도 1b의 도면에서, 영구 자기장(138)의 자속은 시계 반대 방향으로 흐른다. 영구 자석(130)과 역류판(106) 사이에 있는 에어 갭(140) 내에서는 코일(108)이 제1 가요성 판 스프링(114) 및 제2 가요성 판 스프링(116)에 의해 영구 자기장(138) 내에 움직일 수 있게 지지됨으로써, 코일은 작동 요소에 의해 휘어진 후에, 도 1b에 수평의 화살표로 표시된 상대 운동(142) 시 진동할 수 있다.
도 1b의 도면에서 명확하게 알 수 있듯이, 자기 시스템(128)은 정적으로 구성된다. 즉, 자기 시스템은 실질적으로, 일 측면에서 에어 갭 없이 역류 철판 혹은 연결판(136)에 자기적으로 결합되어 있는 2개의 영구 자석 요소(132, 134)와 제2 역류 철판 혹은 연결판(136)으로 구성되며, 에어 갭(140)에 의해 자기적으로 폐쇄되어 있다. 따라서 에어 갭(140) 내에서는 반대 방향을 향하는 2개의 일정한 자기장 혹은 자속 전류가 발생한다. 에어 갭(140) 내에는, 철심이 없는 코일(108)의 가볍고 납작한 4각형 권선이 존재한다. 코일(108)은 움직일 수 있게 지지되어 있으며, 에어 갭(140)을 따라 실시되는 상대 운동(142)을 완수할 수 있다.
도 1c는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1a에 도시된 유도 발전기(100)의 사시도이다. 여기서는, 스프링 요소(104)에 의해 제공되는, 코일(108)을 위한 지지부를 명확하게 설명한다. 도면에서 볼 수 있듯이, 여기서는 서로에 대해 평행하게 뻗도록 배치되어 있는 2개의 가요성 판 스프링(114, 116)으로 이루어진 지지부가 존재한다. 스프링 요소(104)의 양측 단부 중 일측 단부(118)는 하우징 혹은 지지 구조물(102) 내에 고정되고, 타측 단부(120)는 코일 몸체 혹은 코일 홀더(110)에 고정된다. 이와 같은 평행사변형 구조 덕분에, 제1 스프링(114)과 제2 스프링(116)이 화살표로 표시된 방향(142A, 142B)으로 평행하게 변형될 수 있음으로써, 코일(108)은 거의 평행 운동 내에서 진동의 상대 운동을 완수할 수 있게 되고, 그럼으로써 매우 우수한 진동 몸체를 형성할 수 있게 된다. 이와 같은 컨셉에서의 한 가지 중요한 장점은, 기계적 손실은 단지 -거의 무시할 수 있을 정도인 것으로 간주될 수 있는- 스프링(114, 116) 내 내부 마찰 및 코일(108)의 진동 운동 동안의 공기 저항에 의해서만 형성된다는 것이다. 다만, 모든 유형의 발전기에서 발생하는 코일(108) 내 전기 저항 손실이 상기 기계적 손실에 부가될 뿐이다. 제1 판 스프링(114)과 제2 판 스프링(116)이 서로 전기적으로 절연되기 때문에, 이들 스프링은 동시에 집전의 목적으로 또는 코일(108)의 전기 접속을 위해 사용될 수 있다. 코일(108)의 와이어 단부는 직접적으로뿐만 아니라 추가 접촉 핀에 의해 간접적으로도 또 다른 스프링 단부(120)에 접촉될 수 있다. 제1 단부 영역(118)의 스프링 단부들은 일측 또는 양측에서 스프링 접촉자으로서 구현될 수 있고, 임의의 전자 모듈에 대한 접촉을 매우 간단하게 경제적으로 구현할 수 있다.
도 1d는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1a에 도시된 유도 발전기(100)의 분해도이다. 여기서는 "평행사변형 스프링"으로서 구현된 스프링 요소(104)를 제대로 확인할 수 있다. "평행사변형 스프링"(104)에 의한 코일(108)의 지지가 바람직하기는 하지만, 반드시 필요한 것은 아니다. 코일(108)은 예컨대 간단한 리프 스프링 또는 멤브레인에 의해서도 진동할 수 있게 지지될 수 있다. 비틀림 스프링, 인장 스프링 또는 압축 스프링과 조합된 간단한 회전 지지체 또는 선형 지지체도 가능하다. 이 경우, 집전을 위해 스프링 요소(114, 116), 플렉시블 포일, 미끄럼 접촉자(sliding contact) 또는 와이어가 사용될 수 있다.
이하에서는, 도 1a 내지 도 1d에 도시된, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도 발전기(100)의 기능 방식이 기술된다.
발전기(100)를 작동시키기 위해, 코일 홀더(110)의 설형 작동부(124)가 작동기에 의해 파지되어, 두 방향(142A, 142B) 중 한 방향으로 소정의 거리까지 또는 소정의 힘까지 휘어지다가 갑자기 릴리스된다. 코일(108)은 일정한 자기장(138) 내에서 진동하기 시작하고, 로렌츠 법칙에 따라 상기 코일 내에 전기 에너지가 유도되며, 이 전기 에너지는 2개의 진동 접촉 스프링 혹은 가요성 판 스프링(114, 116)에 의해 전송 모듈에 전력을 공급하기 위해 집전된다. 상호 유도 작용(mutual induction)에 의해, 코일 홀더(110)가 정지하게 될 때까지, 코일(108)의 진동 진폭이 집전기 출력에 따라 감소한다. 스프링 요소(104)의 스프링 상수 및 코일(108)의 중량에 의해 펄스 길이가 제어될 수 있다. 여기서 손실은 실질적으로 진동 중 공기 저항 및 코일(108)의 구리 권선 내 저항 손실로 구성된다. 이와 같은 컨셉에 의해 얻을 수 있는 효율은 65% 내지 80% 사이이다. 에너지 변환기(100)의 자기 시스템(128)의 강자성 회로는 종래의 시스템들과 달리, 자기 이력(magnetic hysteresis)의 일부 영역에서만 이용되기 때문에, 자기 특성에 대해 높은 수준의 요건을 필요로 하지 않으며 시스템 비용을 현저히 감소시킨다. 유도 발전기(100)는 교류 전류를 발생시킨다. 예컨대 제1 반 사인파(half sine)의 극성을 측정하여 방향 검출에 이용할 수 있다. 이로써, 예컨대 "온" 신호 및 "오프" 신호가 발전기(100)의 작동 방향에 따라서, 더 정확하게는 추가의 코딩 접촉자(coding contact) 없이도 발생하여 송신될 수 있다.
앞에서 이미 언급되었고 이하의 도면들에 도시된 것처럼, 에너지 변환기(100)의 자기 시스템(128)은 상이한 방식으로 구성될 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 유도 발전기(100)의 또 다른 한 실시예를 보여준다.
도 2a는 예로 든 유도 발전기(100)의 평면도이다. 본 실시예에 따른 유도 발전기(100)의 상부면은 도 1a에 도시된 대부분과 일치함을 알 수 있으며, 차이점은, 도 2a에 도시된 유도 발전기(100)가 더 좁게 구현되어 있다는 것 그리고 집전기(112)가 역류판(106)과 겹쳐 있지 않다는 것이다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 유도 발전기와, 도 2a 및 도 2b에 도시된 유도 발전기(100) 간의 차이는 특히 도 2b에 도시된 횡단면도를 보면 명확해진다. 본 실시예에서는 영구 자석(130)이 단 하나의 자석으로만 형성되고, 상기 자석은 다른 실시예와 달리 코일(108)의 권선에 대해 평행하게 연장되며, 2개의 극편(200)을 갖는다. 본 실시예에서 자기 회로(128)에는, 2개의 극편(200)을 갖는 더 큰 자석(130)이 각각의 측면에 설치되어 있다. 역류판(106)은 재차 에어 갭(140)에 의해 자기 시스템(128)의 나머지로부터 공간적으로 분리되어 배치되어 있다. 본 실시예에 도시된 구조적 형상에 의해, 영구 자석(130)의 자극면들에서 영구 자기장(138)의 자속의 자속 밀도가 확연하게 증가할 수 있다. 이 자속 밀도는 자석(130)의 자극면들과 극편(200)의 자극면들 사이의 비율로부터 계산된다.
도 3a 및 도 3b는 유도 발전기(100)의 또 다른 한 실시예를 보여준다.
평면도를 통해 볼 때, 도 3a에 도시된 유도 발전기(100)의 실시예는 도 1a에 도시된 실시예와 유사하며, 차이점은, 도 3a에 도시된 유도 발전기(100)에서는 역류판(106)이 집전기(112) 상부에 배치되어 있다는 것이다.
도 3b에 도시된 횡단면도는, 본 실시예에 도시된 유도 발전기(100)가 다른 실시예들과 달리 제3 영구 자석 요소(300) 및 제4 영구 자석 요소(302)를 추가로 가지며, 이들 영구 자석 요소가 역류판(106)과 조합되어 하나의 추가 영구 자석(304)을 형성하는 점을 보여준다. 상기 추가 영구 자석(304)은 에어 갭(140)에 의해 분리되어 영구 자석(130)에 대해 반사 대칭으로 마주 놓이고, 이 영구 자석(130)과 함께 자기 시스템(128)을 형성한다.
도 4는 유도 발전기(100)의 또 다른 한 실시예의 횡단면도이다. 본 실시예에서도, 자기 회로(128)는 영구 자석(130) 및 추가 영구 자석(304)으로 형성되나, 본 실시예에서는 U자형으로 구부러진 2개의 역류판(106)이 사용된다. 영구 자기장(138)은 본 실시예에 상응하게 제1 자속 전류(400) 및 제2 자속 전류(402)로 분할된다. 코일(108)이 본 실시예에서 역류판들(106)의 U자 형상에 의해 형성된 에어 갭(140) 내에 배치됨으로써, 코일(108)의 제1 권선 반부(404)는 제1 자속 전류(400)에 노출되고, 코일(108)의 제2 권선 반부(406)는 제2 자속 전류(402)에 노출된다. 특히 도 4에서 선택된 구조적 형상은, 예컨대 방진 및/또는 수밀의 구현이 요구되는 경우 발전기(100)의 용이한 밀봉을 가능케 한다.
도면들에 도시된 자기 시스템(128)의 구조들 이외에 또 다른 구조들도 물론 가능하다. 중요한 점은, 코일(108)의 권선 반부들(404, 406)이 가급적 강한 자기장(138) 내에서 진동할 수 있다는 것이다. 유도 발전기(100)의 가동형 진동 시스템은 매우 콤팩트하면서도 경량으로 구현된다. 이 경우, 코일(108)은 단지 외부로부터 매우 강한 진동이 있을 때에만 원치 않는 진동 상태로 전환될 수 있다. "잘못된" 무선 신호의 발생을 방지하기 위해, 스위치 하우징 내에서 진동체 혹은 코일(108)이 작동기에 의해 정지 위치 및 최종 위치에서 차단될 수 있다. 또 다른 한 가능성은, 유도된 전압을 측정하여 정해진 레벨을 초과하는 전압 상승만을 스위칭 신호로서 인정하는 것이다.
도 5는 유도 발전기를 사용해서 전류를 발생시키기 위한 방법(500)의 일 실시예에 대한 흐름도이다. 이 방법(500)은, 선행하는 또는 후속하는 도 1a 내지 도 4를 참조해서 상세하게 설명되는 유도 발전기와 연관되어 바람직하게 구현될 수 있다. 단계 502에서는 유도 발전기의 작동 요소의 작동에 의해, 스프링 요소를 이용하여 움직일 수 있게 지지된 코일이 사전 설정된 정도만큼 또는 사전 설정된 힘으로 휘어진다. 그 결과, 코일은 유도 발전기 내에 존재하는 영구 자기장의 자속에 대해 횡방향으로 진동 운동을 실행한다. 단계 504에서는, 코일의 진동 운동에 기반한 전자기 유도에 의해 코일 권선 내에 전류가 유도된다. 적합한 접촉자를 통해, 예를 들어 자립형 무선 스위치를 작동시키기 위한 전류가 탭핑된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른 유도 발전기(100)의 평면도이다. 유도 발전기(100)는 지지 구조물(102), 제1 역류판(106) 및 제2 역류판(606)을 구비한다. 역류판(106, 606)은 지지 구조물(102)에 고정 연결되어 있다. 코일 홀더(110)에 의해 지지된 코일(108)은, 제1 가요성 판 스프링(114) 및 제2 가요성 판 스프링(116)으로 이루어진 스프링 요소에 의해서, 지지 구조물(102) 및 역류판(106, 606)에 대해 상대 운동을 할 수 있게 지지된다. 가요성 판 스프링(114, 116)은 유도 발전기(100)의 서로 마주 놓인 측면들에 배치되어 있다. 역류판(106, 606)은 가요성 판 스프링들(114와 116) 사이에 배치되어 있다. 지지 구조물(102)과 역류판(106, 606)으로 이루어진 어셈블리는 클램프(650)에 의해 조립된다. 클램프(650)는 가요성 판 스프링들(114, 116) 사이의 중앙에 배치되어 있다.
지지 구조물(102)을 통해 유도 발전기(100)가 임의의 물체, 예를 들어 벽에 고정될 수 있다. 이를 위해 적합한 고정 요소, 예를 들어 나사가 사용될 수 있다. 코일(108)이 유도 발전기(100)의 작동 중에 진동 운동을 실행하면, 지지 구조물(102) 및 역류판(106, 606)은 정지되어 있다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따라 도 6에 도시된 유도 발전기(100)를 도 6에 도시된 선 D-D를 따라 절단하여 도시한 횡단면도이다. 본 도면에서는 지지 구조물(102), 역류판(106, 606), 클램프(650) 및 코일 홀더(110)에 의해 지지된 코일(108)을 확인할 수 있다. 역류판들(106과 606) 사이에는 영구 자석(130)이 배치되어 있다. 본 실시예에 따라, 영구 자석(130)은 2개의 선택적 극편(200, 700)을 갖는다. 가요성 판 스프링(116)의 도시된 일측 자유 단부 섹션은 코일(108)의 전기 접촉을 위한 전기 접촉자로서 이용될 수 있다.
영구 자석(130)은 극편들(200과 700) 사이에 배치되어 있다. 영구 자석(130)은 직사각형의 횡단면을 갖는다. 극편들(200, 700)은 판 형태로 형성되어 있고, 서로 마주 놓인 측면들에서 영구 자석(130)에 인접한다. 극편들(200, 700)은 영구 자석(130)의 극 섹션을 형성한다. 본 실시예에 따르면, 제1 극편(200)은 S극으로서 기능하고, 제2 극편(700)은 N극으로서 기능을 한다.
제1 역류판(106)의 중앙 섹션은 제1 극편(200)의, 영구 자석(130) 반대편 표면 위에 놓여 있다. 제1 극편(200)은 예를 들어 중앙에 배치된 융기부를 가지며, 이 융기부는 제1 역류판(106)의 쓰루홀 내에 끼워진다. 그럼으로써, 제1 극편(200)이 제1 역류판(106)에 대해 미끄러져 빠질 가능성이 방지될 수 있다. 제1 역류판(106)의 중앙 섹션의 마주 놓인 단부들에는, 제1 역류판(106)의 짧은 꺾임부 및 제1 역류판(106)의 긴 꺾임부가 인접한다. 상기 짧은 꺾임부와 긴 꺾임부가 동일한 방향으로, 본 실시예에서는 아래 방향으로, 정렬됨에 따라, 제1 역류판(106)는 대략 U자형으로 형성된다. 이들 꺾임부는 제1 역류판(106)의 중앙 섹션에 대해 각각 대략 직각으로,영구 자석(130)을 향해 꺾여 있다. 제1 역류판(106)의 중앙 섹션은 짧은 꺾임부 측에서는 제1 극편(200)의 에지에서 끝나지만, 긴 꺾임부 측에서는 제1 극편(200)의 마주 놓인 에지에 걸쳐서 연장된다. 제1 역류판(106)의 짧은 꺾임부, 즉 본 실시예에서 좌측에 배치된 섹션은 제1 극편(200)의 에지를 따라서 그리고 대략 영구 자석(130)의 에지에 걸쳐서 연장된다. 제1 역류판(106)의 짧은 꺾임부는 제1 극편의 에지에 그리고 영구 자석(130)의 에지에 인접할 수 있다. 제1 역류판(106)의 긴 꺾임부, 즉 본 실시예에서 우측에 배치된 섹션은 제1 극편(200)의 에지를 따라서 그리고 영구 자석(130)의 에지 및 제2 극편(700)의 에지에 걸쳐서 연장된다. 이때, 제1 역류판(106)의 긴 꺾임부는, 중앙 섹션이 제1 극편(200)의 에지 위로 돌출함으로 인해, 극편(200, 700) 및 영구 자석(130)에 대해 이격된다.
제2 역류판(606)의 중앙 섹션은 제2 극편(700)의, 영구 자석(130) 반대편 쪽 표면 위에 놓여 있다. 제2 극편(700)은 예를 들어 중앙에 배치된 융기부를 가지며, 이 융기부는 제2 역류판(606)의 쓰루홀 내에 끼워진다. 그럼으로써, 제2 극편(700)이 제2 역류판(606)에 대해 미끄러져 빠질 가능성이 방지될 수 있다. 제2 역류판(606)의 중앙 섹션의 마주 놓인 단부들에는, 제2 역류판(606)의 짧은 꺾임부 및 제2 역류판(606)의 긴 꺾임부가 인접한다. 이 짧은 꺾임부와 긴 꺾임부가 동일한 방향으로, 본 실시예에서는 아래 방향으로, 정렬됨에 따라, 제2 역류판(606)은 대략 U자형으로 형성된다. 꺾임부들은 제2 역류판(606)의 중앙 섹션에 대해 각각 대략 직각으로 그리고 영구 자석(130) 쪽으로 꺾여 있다. 제2 역류판(606)의 중앙 섹션은 짧은 꺾임부 측에서는 제2 극편(700)의 에지에서 끝나지만, 긴 꺾임부 측에서는 제2 극편(700)의 에지에 걸쳐서 연장된다. 제2 역류판(606)의 짧은 꺾임부, 즉 본 실시예에서 우측에 배치된 섹션은 제2 극편(700)의 에지를 따라서 그리고 대략 영구 자석(130)의 에지에 걸쳐서 연장된다. 제2 역류판(606)의 짧은 꺾임부는 제2 극편(700)의 에지에 그리고 영구 자석(130)의 에지에 인접할 수 있다. 제2 역류판(606)의 긴 꺾임부, 즉 본 실시예에서 좌측에 배치된 섹션은 제2 극편(700)의 에지를 따라서 그리고 영구 자석(130)의 에지 및 제1 극편(200)의 에지에 걸쳐서 연장된다. 이때, 제2 역류판(606)의 긴 꺾임부는, 중앙 섹션이 제2 극편(700)의 에지 위로 돌출함으로 인해, 극편(200, 700) 및 영구 자석(130)에 대해 이격된다.
제1 역류판(106)의 짧은 꺾임부는, 제2 역류판(606)의 긴 꺾임부와 동일한 유도 발전기(100)의 측면에 배치되어 있다. 제1 역류판(106)의 짧은 꺾임부와 제2 역류판(606)의 긴 꺾임부는 서로 부분적으로 겹쳐진다. 제2 역류판(606)의 긴 꺾임부는 대략, 제1 역류판(106)의 중앙 섹션의, 제1 극편(200) 반대편 쪽 표면의 높이까지 연장된다. 제1 역류판(106)의 짧은 꺾임부와 제2 역류판(606)의 긴 꺾임부가 서로 겹쳐지는 영역들은 제1 에어 갭(140)에 의해 상호 분리되어 있다. 코일(108)의 제1 섹션은 제1 에어 갭(140) 내에 배치되어 있다. 제1 에어 갭(140) 쪽을 향하는, 제1 역류판(106)의 짧은 꺾임부의 표면 및 제2 역류판(606)의 긴 꺾임부의 표면은 각각, 제1 에어 갭(140) 내부에서 코일(108)의 제1 섹션의 운동 반경에 매칭되는 곡률을 갖는다. 영구 자석(130)에 의해 발생하는 영구 자기장은 제1 에어 갭(140)을 가로지른다. 제1 에어 갭(140) 내부에서 코일(108)의 제1 섹션의 운동은, 제1 에어 갭(140)을 가로지르는 영구 자기장의 자력선들에 대해 거의 수직으로 실시된다.
제1 역류판(106)의 긴 꺾임부는, 제2 역류판(606)의 짧은 꺾임부와 동일한 유도 발전기(100)의 측면에 배치되어 있다. 제1 역류판(106)의 긴 꺾임부와 제2 역류판(606)의 짧은 꺾임부는 서로 부분적으로 겹쳐진다. 제1 역류판(106)의 긴 꺾임부는 대략, 제2 역류판(606)의 중앙 섹션의, 제2 극편(700) 반대편 쪽 표면의 높이까지 연장된다. 제1 역류판(106)의 긴 꺾임부와 제2 역류판(606)의 짧은 꺾임부가 서로 겹쳐지는 영역들은 제2 에어 갭(740)에 의해 상호 분리되어 있다. 코일(108)의 제1 섹션에 마주 놓인 제2 섹션은 제2 에어 갭(740) 내에 배치되어 있다. 제2 에어 갭(740) 쪽을 향하고 있는, 제1 역류판(106)의 긴 꺾임부의 표면 및 제2 역류판(606)의 짧은 꺾임부의 표면은 각각, 제2 에어 갭(740) 내부에서 코일(108)의 제2 섹션의 운동 반경에 매칭되는 곡률을 갖는다. 영구 자석(130)에 의해 발생하는 영구 자기장은 제2 에어 갭(740)을 가로지른다. 제2 에어 갭(740) 내부에서 코일(108)의 제2 섹션의 운동은, 제2 에어 갭(740)을 가로지르는 영구 자기장의 자력선들에 대해 거의 수직으로 실시된다.
지지 구조물(102)은 제1 역류판(106)의, 제1 극편(200) 반대편 쪽 표면에 평평하게 놓여 있다. 본 실시예에 따르면, 지지 구조물(102)이 돌출부를 가지며, 이 돌출부는 제1 역류판(106)의 쓰루홀 내에 끼워진다. 클램프(650)는 지지 구조물(102)의 외측 표면을 따라서 그리고 제2 역류판(606)의 외측 표면을 따라 연장되며, 제1 후크에 의해 지지 구조물(102)의 돌출부에 마주 놓인 지지 구조물(102)의 홈 내에 끼워지고, 제2 후크에 의해 제2 역류판(606)의 리세스 내에 끼워진다.
코일 홀더(110)는 외주연에 홈이 형성된 직사각형 링으로서 구현되어 있다. 이 홈 내에는, 코일(108)을 형성하는 권선 또는 코일(108)을 형성하는 권선들이 배치되어 있다. 상기 주연 홈에 의해, 코일(108)의 권선 평면이 형성된다. 영구 자석(130)은 코일 홀더(110)에 의해 둘러싸인 코일 홀더(110) 내부 공간 내에 배치되어 있다. 코일(108)의 회전 축은 코일(108)의 권선 평면을 통해, 영구 자석(130)을 가로질러서 뻗는다.
도 7에서 코일(108)은 정지 위치에 도시되어 있다. 이 정지 위치에서는, 코일(108)의 권선 평면에 대해 수직으로 서 있는 코일(108) 중심축이 영구 자석(130)의 극들 사이에 뻗은 영구 자석(130)의 중심축에 대해 약간 기울여져 있다. 코일(108)은 영구 자석(130)에 대해 회전 축을 중심으로 회전할 수 있게 지지되어 있다. 본 실시예에 따르면, 이 회전 축은 역류판(106, 606)의 꺾임부들의 에지 연장부들에 대해 평행하게 뻗는다. 정지 위치로부터 출발해서, 코일(108)은 회전 축을 중심으로 두 방향으로 휘어질 수 있으며, 이로써 영구 자기장으로 인해 전류가 코일(108)의 권선 또는 권선들 내부로 각각 유도된다.
도 8은, 본 발명의 또 다른 한 실시예에 따른, 도 7에 도시된 유도 발전기(100)의 또 다른 횡단면도이다. 코일(108)은 제1 휘어진 위치에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 정지 위치로부터 도 8에 도시된 제1 휘어진 위치에 도달하기 위해, 제1 에어 갭(140) 내에 있는 코일(108)의 제1 섹션은 제2 역류판(606)의 중앙 섹션의 방향으로 이동되었으며, 제2 에어 갭(740) 내에 있는 코일(108)의 제2 섹션은 제1 역류판(106)의 중앙 섹션의 방향으로 이동되었다. 도면에 도시된 제1 휘어진 위치로부터 출발해서, 코일(108)은 진동 운동을 개시할 수 있으며, 이 진동 운동의 출발 운동 방향은 화살표로 표시되어 있다. 유도 발전기(100)는 코일 홀더(110)에 연결되어 있는 작동 요소를 구비할 수 있다. 작동 요소에 의해 작동이 이루어짐으로써, 코일(108)이 제1 휘어진 위치로 이동될 수 있었다. 이때, 코일을 지지하는 가요성 판 스프링(116)이 인장되었다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 7에 도시된 유도 발전기(100)의 또 다른 횡단면도이다. 코일(108)은 제2 휘어진 위치에 도시되어 있다. 도 7에 도시된 정지 위치로부터 도 9에 도시된 제2 휘어진 위치에 도달하기 위해, 제1 에어 갭(140) 내에 있는 코일(108)의 제1 섹션은 제1 역류판(106)의 중앙 섹션의 방향으로 이동되었으며, 제2 에어 갭(740) 내에 있는 코일(108)의 제2 섹션은 제2 역류판(606)의 중앙 섹션의 방향으로 이동되었다. 도면에 도시된 제2 휘어진 위치로부터 출발해서, 코일(108)은 진동 운동을 개시할 수 있으며, 이 진동 운동의 출발 운동 방향은 화살표로 표시되어 있다. 작동 요소가 도 8에 도시된 작동에 비해 반대 방향으로 작동됨으로써, 코일(108)이 제2 휘어진 위치로 이동될 수 있었다. 이때, 코일을 지지하는 가요성 판 스프링(116)이 인장된다.
도 8 또는 도 9에 도시된 휘어진 위치로부터 출발해서, 코일(108)은 가요성 판 스프링(116)에 의해 구동되어 진동 운동을 구현할 수 있으며, 이 진동 운동은 도 8 및 도 9에 화살표로 지시되어 있는 운동 방향으로 교대로 진행한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 6에 도시된 유도 발전기(100)의 분해도이다.
영구 자석(130) 및 극편(200, 700)은 각각 직사각형 판으로서 구현되어 있다. 코일(108)은 직사각형 횡단면을 갖는다. 코일 홀더(110)는 주연 링으로서 구현되어 있으며, 이 링 내부에 영구 자석(130) 및 극편(200, 700)이 배치될 수 있다.
가요성 판 스프링(114, 116)은 각각 U자형으로 구현되어 있다. 지지 구조물(102) 및 코일 홀더(110)는 슬롯 모양의 수용 요소(1061, 1062)를 가지며, 한 편으로는 가요성 판 스프링(114, 116)을 지지 구조물(102)에 고정하고, 다른 한 편으로는 코일 홀더(110)에 고정하기 위해, 이들 수용 요소 내부로 가요성 판 스프링(114, 116)의 섹션들이 삽입될 수 있다. 도 10에서는 가요성 판 스프링(114)을 위한 수용 요소(1061, 1062)만 확인할 수 있다. 가요성 판 스프링(116)을 위한 수용 요소는 도면에 도시된 수용 요소(1061, 1062)에 상응하게 구현되어 있다. 장착된 상태에서, 가요성 판 스프링(114)의 자유 단부들은 가요성 판 스프링(116)의 자유 단부들과 반대 방향을 향하고 있다. 코일(108)은 가요성 판 스프링(114, 116)을 통해 전기 접촉될 수 있다.
장착된 상태에서, 지지 구조물(102)은 제1 역류판(106)의 중앙 섹션에 대해 평행하게 배치된 바닥 플레이트 및 이 바닥 플레이트로부터 직각으로 돌출하는 2개의 측벽을 가지며, 이들 측벽은 장착된 상태에서 역류판(106, 606)을 위한, 그리고 선택적으로는 극편(200, 700) 및 영구 자석(130)을 위한 측방 가이드부를 형성한다. 측벽은 장착된 상태에서 코일 홀더(110) 내부에 뻗어 있다. 측벽은, 회전 샤프트로서 기능을 하는 코일 홀더(110)의 핀(1074)을 수용하기 위한 쓰루홀(1071, 1072)을 구비한다. 코일(108)의 회전 축이 이 쓰루홀들(1071, 1072)을 통과한다.
코일 홀더(110)에는 작동 요소(1080)가 배치되어 있으며, 이 작동 요소를 통해 코일(108)이 자신의 정지 위치로부터 출발하여, 가요성 판 스프링(114, 116)의 복원력에 대항해서 휘어질 수 있다.
본 실시예에 따라, 코일(108)은 축에 의해 회전 지지 되어 있고, 유도 발전기(100)의 작동 중에 축 둘레로 진동하도록 형성되어 있다. 유도 발전기(100)의 자기 시스템은 자석(130)을 구비하여 구성되어 있다. 본 실시예에서 평평한 강철 4각 에지로 구현되어 있는 중간 극편(200, 700)은, 자석(130)의 용적을 절약하기 위한 스페이서(spacer)로서 제공되어 있다. 일 실시예에 따르면, 발전기(100)에는 저렴한 경질 페라이트 자석이 영구 자석(130)으로서 장착될 수 있다. 이 경우에는 중간 극편(200, 700)이 생략될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 10에 도시된 유도 발전기(100)를 장착된 상태에서 보여준다. 가요성 판 스프링(114)을 확인할 수 있으며, 이 스프링의 제1 단부가 코일 홀더(110)의 수용 요소(1062) 내부에 삽입되어 있고, 제1 단부에 마주 놓여 있는 이 스프링의 단부 섹션이 지지 구조물(102)의 수용 요소(1061)를 통과함으로써, 가요성 판 스프링(114)의 제2 단부는 자유롭게 서있게 되고, 전기 접촉자로서 이용될 수 있다.
전술되었고 각각의 도면에 도시되어 있는 실시예들은 단지 예로서 선택된 것일 뿐이다. 다양한 실시예들이 완전히 또는 개별 특징들과 관련해서 서로 조합될 수 있다. 또한, 일 실시예는 또 다른 한 실시예의 특징들에 의해 보완될 수 있다. 일 실시예가 제1 특징과 제2 특징 사이에 "및/또는"이라는 접속사를 포함한다면, 이 실시예는, 그 실시예가 일 실시예에 따라서는 제1 특징뿐만 아니라 제2 특징까지도 구비하고, 또 다른 한 실시예에 따라서는 다만 제1 특징만을 구비하거나 다만 제2 특징만을 구비한 것으로 해독될 수 있다.
100: 유도 발전기
102: 지지 구조물
104: 스프링 요소
106: 역류판
108: 코일
110: 코일 홀더
112: 집전기
114: 제1 가요성 판 스프링
116: 제2 가요성 판 스프링
118: 스프링 요소의 단부
120: 스프링 요소의 추가 단부
122: 코일 홀더의 돌출부
124: 작동 요소
126: 접촉 요소
128: 자기 시스템
130: 영구 자석
132: 제1 영구 자석 요소
134: 제2 영구 자석 요소
136: 연결판
138: 영구 자기장
140: 에어 갭
142a: 스프링 운동 방향
142b: 스프링 운동 방향
200: 극편
300: 제3 영구 자석 요소
302: 제4 영구 자석 요소
304: 추가의 영구 자석
400: 제1 자속 전류
402: 제2 자속 전류
404: 코일의 제1 권선 반부
406: 코일의 제2 권선 반부
500: 전류를 발생시키기 위한 방법
502: 코일을 휘는 단계
504: 전류를 발생시키는 단계
606: 제2 역류판
650: 클램프
700: 제2 극편
740: 제2 에어 갭
1061: 수용 요소
1062: 수용 요소
1071: 쓰루홀
1072: 쓰루홀
1074: 핀
1080: 작동 요소

Claims (15)

  1. 영구 자기장(138)을 발생시키기 위한 하나 이상의 영구 자석(130; 304), 영구 자기장(138)을 가이드하기 위한 하나 이상의 역류판(106), 코일(108) 및 스프링 요소(104)를 구비한 유도 발전기(100)로서, 상기 영구 자석(130; 304) 및 상기 역류판(106)의 하나 이상의 섹션이 영구 자기장(138)에 의해 관통된 에어 갭(140)에 의해 상호 분리되고, 코일(108)이 스프링 요소(104)와 연결되며, 상기 코일(108)의 하나 이상의 섹션이 에어 갭(140) 내에 움직일 수 있게 배치되는, 유도 발전기(100)에 있어서,
    스프링 요소(104)는, 코일(108)의 휨에 대응해서, 에어 갭(140) 내부에서의 영구 자기장(138)의 자속에 대해 횡방향으로, 에어 갭(140) 내에서 코일(108)의 하나 이상의 섹션의 진동 운동을 야기하도록 형성되고,
    영구 자석(130)의 제1 극 섹션(200)에 인접하는 제1 역류판(106) 및 영구 자석(130)의 제2 극 섹션(700)에 인접하는 제2 역류판(606)이 제공되며, 상기 제1 역류판(106)은 영구 자석(130)의 제1 세로 측면을 따라 연장되는 제1 꺾임부를 구비하고, 제2 역류판(606)은 제1 세로 측면에 마주 놓인 영구 자석(130)의 제2 세로 측면을 따라 연장되는 제2 꺾임부를 가지며, 제1 에어 갭(140)은 제1 극 섹션(200)과 제2 꺾임부 사이에 있고, 제2 에어 갭(740)은 제2 극 섹션(700)과 제1 꺾임부 사이에 있으며, 코일(108)의 제1 섹션은 제1 에어 갭(140) 내에 움직일 수 있게 배치되고, 코일(108)의 제2 섹션은 제2 에어 갭(740) 내에 움직일 수 있게 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도 발전기(100).
  2. 제1항에 있어서, 영구 자석(130; 304), 역류판(106) 및 스프링 요소(104)의 일 단부가 유도 발전기(100)의 지지 구조물(102)에 영구 고정되는 것을 특징으로 하는, 유도 발전기(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 영구 자석(130; 304)과 역류판(106)이 에어 갭(140)에 의해 상호 분리되고, 코일(108)이 에어 갭(140) 내에 움직일 수 있게 배치되며, 스프링 요소(104)는, 코일(108)의 휨에 대응해서, 에어 갭(140) 내부에서의 영구 자기장(138)의 자속에 대해 횡방향으로, 에어 갭(140) 내에서 코일(108)의 하나 이상의 섹션의 진동 운동을 야기하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 유도 발전기(100).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 영구 자기장(138)은 자기장 회로를 형성하며, 상기 자기장 회로의 자속은 영구 자석(130; 304)의 제1 극으로부터 에어 갭(140)의 제1 섹션을 거쳐, 역류판(106)과, 에어 갭(140)의 제2 섹션을 거쳐 영구 자석(130; 304)의 제2 극으로 흘러가며, 코일(108)의 제1 권선 반부(404)는 에어 갭(140)의 제1 섹션 내에 배치되고, 코일(108)의 제2 권선 반부(406)는 에어 갭(140)의 제2 섹션 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도 발전기(100).
  5. 제4항에 있어서, 코일(108)의 중심축이 에어 갭(140)의 제1 섹션 및 제2 섹션 내 자속에 대해 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는, 유도 발전기(100).
  6. 제4항에 있어서, 유도 발전기(100)가 영구 자기장(138)의 제1 자속 전류(400)를 발생시키기 위한 제1 영구 자석(130), 제1 자속 전류(400)를 가이드하기 위한 제1 역류판(106), 영구 자기장(138)의 제2 자속 전류(402)를 발생시키기 위한 제2 영구 자석(304) 및 제2 자속 전류(402)를 가이드하기 위한 제2 역류판(606)을 가지며, 상기 제1 자속 전류(400)는 제1 자기장 회로 내에서 제1 영구 자석(130)의 제1 극으로부터 에어 갭(140)의 제1 섹션을 거쳐 그리고 제1 역류판(106)을 거쳐 제1 영구 자석(130)의 제2 극으로 흐르고, 제2 자속 전류(402)는 제2 자기장 회로 내에서 제2 영구 자석(304)의 제1 극으로부터 제2 역류판(606) 및 에어 갭(140)의 제2 섹션을 거쳐 제2 영구 자석(304)의 제2 극으로 흘러가며, 코일(108)의 제1 권선 반부(404)는 에어 갭(140)의 제1 섹션 내에 배치되고, 코일(108)의 제2 권선 반부(406)는 에어 갭(140)의 제2 섹션 내에 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도 발전기(100).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나 이상의 영구 자석(130)은 코일(108) 내부에 배치되는 것을 특징으로 하는, 유도 발전기(100).
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 진동 운동을 구현할 수 있도록 하기 위해, 코일(108)은 상기 코일(108)의 권선 평면을 통해 뻗은 회전 축을 중심으로 회전할 수 있게 지지되는 것을 특징으로 하는, 유도 발전기(100).
  9. 삭제
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스프링 요소(104)는 제1 가요성 판 스프링(114) 및 제2 가요성 판 스프링(116)을 가지며, 상기 가요성 판 스프링들 사이에서 에어 갭(140) 내에 코일(108)이 진동할 수 있게 지지되는 것을 특징으로 하는, 유도 발전기(100).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스프링 요소(104)는 코일(108)의 전기 접촉을 위한 전기 도체인 것을 특징으로 하는, 유도 발전기(100).
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서, 코일(108)은 코어 없이 형성되는 것을 특징으로 하는, 유도 발전기(100).
  13. 제2항에 있어서, 코일(108)은 코일 홀더(110)에 의해 둘러싸이며, 코일 홀더는 스프링 요소(104)의 단부(118)에 마주 놓인, 상기 스프링 요소(104)의 추가 단부(120)와 연결되는 것을 특징으로 하는, 유도 발전기(100).
  14. 제1항, 제2항 및 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 유도 발전기(100)는, 코일(108)의 진동 운동으로 인해 제공되는 교류 전압의 출발 극성을 검출하기 위한 검출 장치를 구비한 것을 특징으로 하는, 유도 발전기(100).
  15. 영구 자기장(138)을 발생시키기 위한 하나 이상의 영구 자석(130; 304), 영구 자기장(138)을 가이드하기 위한 하나 이상의 역류판(106), 코일(108) 및 스프링 요소(104)를 구비한 유도 발전기(100)를 사용해서 전류를 발생시키기 위한 전류 발생 방법(500)으로서, 상기 영구 자석(130; 304) 및 상기 역류판(106)의 하나 이상의 섹션이 영구 자기장(138)에 의해 관통된 에어 갭(140)에 의해 상호 분리되며, 코일(108)은 스프링 요소(104)와 연결되며, 코일(108)의 하나 이상의 섹션이 에어 갭(140) 내에 움직일 수 있게 배치되며,
    영구 자석(130)의 제1 극 섹션(200)에 인접하는 제1 역류판(106) 및 영구 자석(130)의 제2 극 섹션(700)에 인접하는 제2 역류판(606)이 제공되며, 상기 제1 역류판(106)은 영구 자석(130)의 제1 세로 측면을 따라 연장되는 제1 꺾임부를 구비하고, 제2 역류판(606)은 제1 세로 측면에 마주 놓인 영구 자석(130)의 제2 세로 측면을 따라 연장되는 제2 꺾임부를 가지며, 제1 에어 갭(140)은 제1 극 섹션(200)과 제2 꺾임부 사이에 있고, 제2 에어 갭(740)은 제2 극 섹션(700)과 제1 꺾임부 사이에 있으며, 코일(108)의 제1 섹션은 제1 에어 갭(140) 내에 움직일 수 있게 배치되고, 코일(108)의 제2 섹션은 제2 에어 갭(740) 내에 움직일 수 있게 배치되고,
    상기 전류 발생 방법은,
    에어 갭(140) 내부에서의 영구 자기장(138)의 자속에 대해 횡방향으로, 에어 갭(140) 내에서 코일(108)의 하나 이상의 섹션의 진동 운동을 야기하기 위해, 코일(108)을 휘는 단계(502), 및
    코일(108)의 진동 운동에 기반하는 전자기 유도를 이용하여 코일(108) 내에서 전류를 발생시키는 단계(504)를 포함하는, 전류 발생 방법(500).
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