KR102357860B1 - 직류 발전기 및 직류 전동기로 작동하는 장치 - Google Patents

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Abstract

직류 발전기 및 직류 전동기로 작동하는 장치가 게시된다. 두 개의 영구자석들(101, 102)이 축과 함께 회전할 수 있도록 설치되고, 이 영구자석들의 둘레의 바깥쪽에 한 코일(201)이 설치되고, 두 개의 2차전지들(301, 302)이 이 코일에 연결된다. 이 2차전지들을 사용하지 않고 축이 회전하면, 이 회전하는 영구자석들에 의해서 이 2차전지들이 충전된다. 이 코일에 전류가 흐르게 하는 한 장치(501)가 설치되고, 이 2차전지들이 이 코일에 전류를 공급하기 위해 사용된다. 이 코일에 발생하는 역기전력(back-emf)을 이용하여 이 2차전지들이 충전된다.

Description

직류 발전기 및 직류 전동기로 작동하는 장치
본 발명은 직류 발전기 및 직류 전동기로 작동하는 장치에 관련된 것이다. 구체적으로는 두 개의 영구자석들이 축과 함께 회전할 수 있게 설치되고, 한 코일이 이 영구자석들의 둘레의 바깥쪽에 설치되고, 두 개의 2차전지들이 이 코일에 연결된다. 이 2차전지들을 사용하지 않고 축이 회전하면, 이 회전하는 영구자석들에 의해서 이 2차전지들이 충전된다. 이 코일에 전류가 흐르게 하는 한 장치가 설치되고, 이 2차전지들이 이 코일에 전류를 공급하기 위해 사용된다. 이 코일에 발생하는 역기전력(back-emf)을 이용하여 이 2차전지들이 충전된다.
한 릴레이(relay)를 이용하는 한 전자 회로에서 스위치로 사용되는 한 트랜지스터가 이 릴레이의 한 단자에 연결되고 이 트랜지스터가 한 배터리의 음극 쪽에 연결된다. 이 릴레이에 이 배터리가 연결되고 차단되면 이 배터리의 전압보다도 더 높은 전압이 순간적으로 이 릴레이에 발생된다. 이 발생된 높은 전압이 스위치로 사용되는 이 트랜지스터를 손상시킨다. 이 문제를 해결하기 위해서 한 다이오드(diode)가 이용되는데, 이 다이오드의 애노드(anode)가 이 배터리의 음극 쪽에 연결된 이 릴레이의 한 단자에 연결되고 이 다이오드의 캐소드(cathode)가 이 배터리의 양극 쪽에 연결된 이 릴레이의 다른 단자에 연결된다. 이렇게 하여 이 릴레이에 발생하는 전기가 이 다이오드의 애노드에서 캐소드로 흐른다. 다르게 설명하면, 이 배터리의 음극 쪽에서 차단된 이 릴레이의 단자에 순간적으로 높은 전압이 발생하여서 이 배터리의 양극 쪽에 연결된 이 릴레이의 단자에서 전자들(electrons)이 이 다이오드의 캐소드쪽에서 애노드쪽으로 흘러서 이 릴레이로 흐른다. 이 릴레이에 발생된 높은 전압은 이 릴레이에 이 배터리가 연결되고 차단되어서 발생되는 역기전력(back-emf)이다.
한 배터리가 한 코일에 연결될 때, 전자들(electrons)이 이 배터리의 음극에서 이 배터리의 양극으로 흐른다. 이 코일이 이 배터리의 음극에서 차단될 때, 전자들은 이 배터리의 음극에서 더 이상 이 코일로 흐르지 않고, 전자들은 계속하여 이 배터리의 양극으로 흐르고, 코일의 자력에 의해서 코일 안의 전자들은 계속하여 앞으로 이동한다. 이 코일 안에서 전자들이 이 배터리의 음극에서 차단된 단자 쪽으로부터 사라지기 시작한다. 따라서, 이 배터리의 양극에 연결된 쪽에 있는 전자들의 수와 이 배터리의 음극에서 차단된 쪽에 있는 전자들의 수는 다르고 그 차이가 변한다. 두 쪽의 전자들의 수의 차이는 커지다가 그러고 나서 작아진다. 이 코일 안에서 발생하는 전자들의 수의 차이가 역기전력(back-emf)이다. 이 역기전력은 점점 커지고 두 쪽의 전자들의 수의 차이가 가장 클 때(즉, 전자들이 이 코일의 반에만 있을 때)에 절정이 된다. 그러고 나서 점점 작아지면서 없어진다.
한 2차전지(2차전지-1)가 한 코일에서 차단될 때, 이 코일에 발생하는 역기전력(back-emf)에 의해서 이 코일의 전압이 순간적으로 이 2차전지-1의 전압보다 더 높아진다. 이 2차전지-1의 양극과 음극이 모두 이 코일의 두 단자들에서 차단되면, 순간적으로 이 코일이 하나의 전원(power source)이 되고 이 2차전지-1의 음극에서 차단된 단자(B 단자)가 양극이 되고 이 2차전지-1의 양극에서 차단된 단자(A 단자)가 음극이 된다. 전자들(electrons)이 다른 2차전지(2차전지-2)의 양극에서 이 코일의 B 단자로 흐를 수 있고 그 반대로는 흐를 수 없고 그리고 전자들(electrons)이 이 코일의 A 단자에서 이 2차전지-2의 음극으로 흐를 수 있고 그 반대로는 흐를 수 없으면, 그러면 전자들(electrons)이 이 2차전지-2의 양극에서 음극으로 흘러서 이 2차전지-2가 충전된다.
이렇게 하여, 이 코일에 발생하는 역기전력에 의해서 이 코일이 작동하고, 이 2차전지-1의 전력소모가 줄어들고, 이 2차전지-2가 충전된다.
US 6 777 838 B2 (17. 08. 2004)은 기존의 영구자석 전동기의 출력을 증가시키는 방법을 게시한다. 증가된 출력은 작동 중에 영구자석의 자장을 더 철저히 활용하여서 얻어진다. 이 장치는 전동기 외부에 있고 따라서 전동기 자체를 수정할 필요가 없다. 포토인터럽터, 홀 효과 센서, FET 그리고 두 세트의 배터리들이 역기전력을 활용하기 위해서 사용된다. 한 전자석에 역기전력이 발생할 때에, 전자들이 한 세트의 배터리의 양극 단자에서 이 전자석의 한 단자로 흐르고 그리고 이 전자석의 다른 단자에서 다른 세트의 배터리의 양극 단자로 흐른다.
WIPO WO 2015/142084 A1(2015. 09. 24) (KR 10-1733373 B1 (2017. 05. 08))에서는, 한 2차전지의 음극이 한 전자석의 단자에서 차단된다. 이 2차전지의 음극이 이 전자석에서 차단될 때, 이 전자석으로 흐른 전자들은 이 2차전지의 양극으로 계속하여 흐른다. 이 전자석에 발생하는 역기전력에 의해서 한 캐퍼시터에 있는 전자들이 이 전자석으로 흐르고 또한 이 2차전지의 양극에서 전자들이 이 캐퍼시터와 이 전자석으로 흐른다. 이 전자석으로 흐른 전자들은 이 2차전지의 양극으로 계속하여 흐른다.
본 발명의 목적은 두 개의 영구자석들과 한 코일과 두 개의 2차전지들을 이용하여 축을 회전시키고 이 코일에 발생하는 역기전력을 이용하여 이 2차전지들의 전력소모를 줄이는데 있다. 또한 이 2차전지들을 사용하지 않고 축이 회전하면, 이 회전하는 영구자석들에 의해서 이 2차전지들을 충전하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은
두개의 영구자석들이 축과 함께 회전할 수 있도록 설치되는데, 제1 영구자석의 N극이 축을 대면하고 제2 영구자석의 S극이 축을 대면하고;
한 코일이 상기 영구자석들의 둘레의 바깥쪽에 설치되고;
제1 2차전지와 제2 2차전지가 이 코일에 연결되는데, 제1 다이오드의 캐소드가 제1 2차전지의 양극에 연결되고 제1 다이오드의 애노드가 이 코일의 한 단자 A에 연결되고, 제2 다이오드의 캐소드가 이 코일의 한 단자 B에 연결되고 제2 다이오드의 애노드가 제1 2차전지의 음극에 연결되고, 제3 다이오드의 캐소드가 제2 2차전지의 양극에 연결되고 제3 다이오드의 애노드가 이 코일의 B 단자에 연결되고, 제4 다이오드의 캐소드가 이 코일의 A 단자에 연결되고 제4 다이오드의 애노드가 제2 2차전지의 음극에 연결되고;
한 회전부품이 축에 설치되는데, 포토인터럽터들의 빛을 반복적으로 통과시키고 차단시키도록 구성되고;
이 코일에 전류가 흐르게 하는 한 장치가 설치되는데, 제1 2차전지의 양극과 이 코일의 A 단자가 제1 P channel FET로 연결되고, 이 코일의 B 단자와 제1 2차전지의 음극이 제1 N channel FET로 연결되고, 제2 2차전지의 양극과 이 코일의 B 단자가 제2 P channel FET로 연결되고, 이 코일의 A 단자와 제2 2차전지의 음극이 제2 N channel FET로 연결되고,
이 회전부품에 의해서 한 포토인터럽터의 빛이 통과될 때에 한 FET가 ON이 되게 구성되고, 이 회전부품에 의해서 이 포토인터럽터의 빛이 차단될 때에 이 FET가 OFF가 되게 구성되고,
제1 영구자석이 이 코일의 한 측면 L을 대면하기 시작하는 위치에서 이 코일에 전류가 흐르도록 제1 P channel FET와 제1 N channel FET가 ON이 되게 구성되고,
제2 영구자석이 이 코일의 L 측면을 대면하기 시작하는 위치에서 이 코일에 전류가 흐르도록 제2 P channel FET와 제2 N channel FET가 ON이 되게 구성되고,
이 회전부품이 회전하면서 아래의 과정(routine) A와 과정 B가 교대로 실행되는데,
과정 A: ① 제1 P channel FET와 제1 N channel FET가 모두 ON이 될 때 제1 2차전지에 의해서 이 코일이 작동되고,
② 제1 P channel FET와 제1 N channel FET가 모두 OFF가 되고,
이 코일에 발생하는 역기전력(back-emf)에 의해서 전자들(electrons)이 제2 2차전지 양극에서 이 코일의 B 단자로 흐르고 그리고 또한 이 코일의 A 단자에서 제2 2차전지의 음극으로 흐르고,
제1 영구자석이 이 코일의 L 측면을 대면하는 동안에 이 과정 A가 반복되고,
과정 B: ① 제2 P channel FET와 제2 N channel FET가 모두 ON이 될 때 제2 2차전지에 의해서 이 코일이 작동되고,
② 제2 P channel FET와 제2 N channel FET가 모두 OFF가 되고,
이 코일에 발생하는 역기전력에 의해서 전자들(electrons)이 제1 2차전지의 양극에서 이 코일의 A 단자로 흐르고 그리고 또한 이 코일의 B 단자에서 제1 2차전지의 음극으로 흐르고,
제2 영구자석이 이 코일의 L 측면을 대면하는 동안에 이 과정 B가 반복되는 장치를 포함한다.
본 발명은 두 개의 영구자석들과 한 코일과 두 개의 2차전지들을 이용하여 축을 회전시키고 이 코일에 발생하는 역기전력을 이용하여 이 2차전지들의 전력소모를 줄일 수 있다. 또한 이 2차전지들을 사용하지 않고 축이 회전하면, 이 회전하는 영구자석들에 의해서 이 2차전지들이 충전된다. 본 발명은 전기차, 전기비행기, 전기배, 전기자전거, 드론, 등의 다양한 분야에서 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직류 발전기로 작동하는 한 장치를 나타내는 사시도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 직류 발전기 및 직류 전동기로 작동하는 한 장치를 나타내는 사시도이다.
도 3는 포토인터럽터(photointerrupter)들의 빛을 반복적으로 통과시키고 차단시키기 위해 사용되는 한 회전부품을 나타내는 도면이다.
도 4는 한 코일에 전류가 흐르게 하는 장치의 전자 회로도이다.
본 발명의 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직류 발전기로 작동하는 한 장치를 나타내는 사시도이다.
도 1에 보이는 것처럼, 2개의 영구자석들(101, 102)이 축과 함께 회전할 수 있도록 설치되고, 회전축은 도시되지 않은 베어링에 결합되어 회전할 수 있도록 설치된다. 영구자석-1,2(101, 102)가 180°의 간격으로 설치되는데, 영구자석-1(101)의 N극이 축을 대면하고, 영구자석-2(102)의 S극이 축을 대면한다. 한 코일(201)이 이 영구자석들(101, 102)의 둘레의 바깥쪽에 설치되고, 이 코일은 도시되지 않은 고정수단에 의해 고정된다.
두 개의 2차전지들(301, 302)가 이 코일에 연결되는데, 다이오드-1(11)의 캐소드가 2차전지-1(301)의 양극에 연결되고 다이오드-1의 애노드가 이 코일의 한 단자 A에 연결되고, 다이오드-2(12)의 캐소드가 이 코일의 한 단자 B에 연결되고 다이오드-2의 애노드가 2차전지-1의 음극에 연결되고, 다이오드-3(21)의 캐소드가 2차전지-2(302)의 양극에 연결되고 다이오드-3의 애노드가 이 코일의 B 단자에 연결되고, 다이오드-4(22)의 캐소드가 이 코일의 A 단자에 연결되고 다이오드-4의 애노드가 2차전지-2의 음극에 연결된다.
축이 시계 방향으로 회전하면, 영구자석-1(101)이 이 코일(201)의 한 측면 L을 대면할 때 2차전지-2(302)가 충전되고 영구자석-2(102)가 이 코일(201)의 L 측면을 대면할 때 2차전지-1(301)이 충전된다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 직류 발전기 및 직류 전동기로 작동하는 한 장치를 나타내는 사시도이다. 도 3는 포토인터럽터(photointerrupter)들의 빛을 반복적으로 통과시키고 차단시키기 위해 사용되는 한 회전부품을 나타내는 도면이다. 도 4는 한 코일에 전류가 흐르게 하는 장치의 전자 회로도이다.
도 2에 보이는 것처럼, 한 회전부품(401) 이 축에 설치되고, 도시되지 않은 고정수단에 의해 고정된다. 이 코일에 전류가 흐르게 하기 위해서 포토인터럽터들과 다른 전자부품들을 사용하는 한 장치(501)가 사용된다.
이 회전부품(401)은 빛을 25°의 간격을 통과시키고 25°의 간격을 차단시키는 과정을 3번 반복하고, 그후 빛을 210°의 간격을 차단시킨다.
이 회전부품(401)은 2차전지-1(301)의 양극을 이 코일(201)의 A 단자에 연결하고 차단하기 위해서 사용되고, 2차전지-1(301)의 음극을 이 코일(201)의 B 단자에 연결하고 차단하기 위해서 사용되고, 2차전지-2(302)의 양극을 이 코일(201)의 B 단자에 연결하고 차단하기 위해서 사용되고, 2차전지-2(302)의 음극을 이 코일(201)의 A 단자에 연결하고 차단하기 위해서 사용된다.
영구자석-1(101)이 이 코일(201)의 L 측면을 대면할 때에 이 회전부품에 의해서 포토인터럽터-1(13)의 빛이 통과되고, 그러고 나서 포토인터럽터-1(13)의 빛이 차단되게 포토인터럽터-1(13)이 설정된다.
영구자석-2(102)가 이 코일(201)의 L 측면을 대면할 때에 이 회전부품에 의해서 포토인터럽터-2(23)의 빛이 통과되고, 그러고 나서 포토인터럽터-2(23)의 빛이 차단되게 포토인터럽터-2(23)가 설정된다.
한 장치(501)는 이 코일(201)의 전류의 방향을 교대로 변경해서 이 코일(201)에 전류가 흐르게 한다. 도 4에서 보이는 것처럼, 영구자석-1(101)이 이 코일(201)의 L 측면을 대면하면, 포토인터럽터-1(13)의 빛이 통과되고, P channel FET-1(14)과 N channel FET-1(15)이 ON이 되고, 전자들(electrons)이 2차전지-1(301)의 음극으로부터 2차전지-1(301)의 양극으로 흐르고 이 코일(201)이 작동한다. 그러고 나서 잠시 후에 포토인터럽터-1(13)의 빛이 차단되면, P channel FET-1(14)과 N channel FET-1(15)이 OFF가 되고 전자들이 2차전지-1(301)의 음극으로부터 2차전지-1(301)의 양극으로 흐르지 않는다. 이때 이 코일(201)에 역기전력(back-emf)이 발생하여 전자들이 2차전지-2(302)의 양극으로부터 2차전지-2(302)의 음극으로 흐른다. 영구자석-1(101)이 이 코일(201)의 L 측면을 대면하는 동안에 위의 과정이 3번 반복된다. 영구자석-2(102)가 이 코일(201)의 L 측면을 대면하면, 포토인터럽터-2(23)의 빛이 통과되고, P channel FET-2(24)와 N channel FET-2(25)가 ON이 되고, 전자들(electrons)이 2차전지-2(302)의 음극으로부터 2차전지-2(302)의 양극으로 흐르고 이 코일(201)이 작동한다. 그러고 나서 잠시 후에 포토인터럽터-2(23)의 빛이 차단되면, P channel FET-2(24)와 N channel FET-2(25)가 OFF가 되고 전자들이 2차전지-2(302)의 음극으로부터 2차전지-2(302)의 양극으로 흐르지 않는다. 이때 이 코일(201)에 역기전력이 발생하여 전자들이 2차전지-1(301)의 양극으로부터 2차전지-1(301)의 음극으로 흐른다. 영구자석-2(102)가 이 코일(201)의 L 측면을 대면하는 동안에 위의 과정이 3번 반복된다.
도 2에 보이는 것처럼, 영구자석-1(101)이 이 코일(201)의 L 측면을 대면할 때, 2차전지-1(301)이 방전되어 이 코일(201)에 전류가 흐른다. 이 코일(201)에 발생하는 역기전력에 의해서 이 코일(201)에 전류가 흐르고 2차전지-2(302)가 충전된다. 이 코일(201)에 전류가 흐르는 동안에 영구자석들이 시계 방향으로 회전하여 영구자석-2(102)가 이 코일(201)의 L 측면을 대면한다.
영구자석-2(102)가 이 코일(201)의 L 측면을 대면할 때, 2차전지-2(302)가 방전되어 이 코일(201)에 전류가 흐른다. 이 코일(201)에 발생하는 역기전력에 의해서 이 코일(201)에 전류가 흐르고 2차전지-1(301)이 충전된다. 이 코일(201)에 전류가 흐르는 동안에 영구자석들이 시계 방향으로 회전하여 영구자석-1(101)이 이 코일(201)의 L 측면을 대면한다.
이와 같이 두개의 2차전지들(301, 302)을 이용하고 이 코일(201)의 전류의 방향을 교대로 변경하여서 영구자석들이 계속하여 회전하고, 이 코일에 발생하는 역기전력에 의해서 이 2차전지들이 충전된다.
본 발명은 여기에서 설명된 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
101 : 영구자석-1 102 : 영구자석-2
201 : 코일
301 : 2차전지-1
302 : 2차전지-2
401 : 회전부품
501 : 장치
11 : 다이오드-1 12 : 다이오드-2
13 : 포토인터럽터-1
14 : P channel FET-1 15 : N channel FET-1
21 : 다이오드-3 22 : 다이오드-4
23 : 포토인터럽터-2
24 : P channel FET-2 25 : N channel FET-2

Claims (4)

  1. 두개의 영구자석들이 축과 함께 회전할 수 있도록 설치되는데, 제1 영구자석(101)의 N극이 축을 대면하고 제2 영구자석(102)의 S극이 축을 대면하고;

    한 코일(201)이 상기 영구자석들의 둘레의 바깥쪽에 설치되고;

    두 개의 2차전지가 이 코일에 연결되는데, 제1 다이오드(11)의 캐소드가 제1 2차전지(301)의 양극에 연결되고 제1 다이오드의 애노드가 이 코일의 한 단자 A에 연결되고, 제2 다이오드(12)의 캐소드가 이 코일의 한 단자 B에 연결되고 제2 다이오드의 애노드가 제1 2차전지의 음극에 연결되고, 제3 다이오드(21)의 캐소드가 제2 2차전지(302)의 양극에 연결되고 제3 다이오드의 애노드가 이 코일의 B 단자에 연결되고, 제4 다이오드(22)의 캐소드가 이 코일의 A 단자에 연결되고 제4 다이오드의 애노드가 제2 2차전지의 음극에 연결되고;

    한 회전부품(401)이 축에 설치되는데, 포토인터럽터들(13, 23)의 빛을 반복적으로 통과시키고 차단시키도록 구성되고;

    이 코일에 전류가 흐르게 하는 한 장치(501)가 설치되는데, 제1 2차전지의 양극과 이 코일의 A 단자가 제1 P channel FET(14)로 연결되고, 이 코일의 B 단자와 제1 2차전지의 음극이 제1 N channel FET(15)로 연결되고, 제2 2차전지의 양극과 이 코일의 B 단자가 제2 P channel FET(24)로 연결되고, 이 코일의 A 단자와 제2 2차전지의 음극이 제2 N channel FET(25)로 연결되고,

    이 회전부품에 의해서 이 포토인터럽터들의 빛이 통과될 때에 이 FET들이 ON이 되게 구성되고, 이 회전부품에 의해서 이 포토인터럽터들의 빛이 차단될 때에 이 FET들이 OFF가 되게 구성되고,

    제1 영구자석이 이 코일의 한 측면 L을 대면하기 시작하는 위치에서 이 코일에 전류가 흐르도록 제1 P channel FET와 제1 N channel FET가 ON이 되게 구성되고,

    제2 영구자석이 이 코일의 L 측면을 대면하기 시작하는 위치에서 이 코일에 전류가 흐르도록 제2 P channel FET와 제2 N channel FET가 ON이 되게 구성되고,

    이 회전부품이 회전하면서 아래의 과정(routine) A와 과정 B가 교대로 실행되는데,

    과정 A: ① 제1 P channel FET와 제1 N channel FET가 모두 ON이 될 때 제1 2차전지(301)에 의해서 이 코일이 작동되고,
    ② 제1 P channel FET와 제1 N channel FET가 모두 OFF가 되고,
    이 코일에 발생하는 역기전력(back-emf)에 의해서 전자들(electrons)이 제2 2차전지(302) 양극에서 이 코일의 B 단자로 흐르고 그리고 또한 이 코일의 A 단자에서 제2 2차전지(302)의 음극으로 흐르고,
    제1 영구자석이 이 코일의 L 측면을 대면하는 동안에 이 과정 A가 반복되고,

    과정 B: ① 제2 P channel FET와 제2 N channel FET가 모두 ON이 될 때 제2 2차전지(302)에 의해서 이 코일이 작동되고,
    ② 제2 P channel FET와 제2 N channel FET가 모두 OFF가 되고,
    이 코일에 발생하는 역기전력에 의해서 전자들(electrons)이 제1 2차전지(301)의 양극에서 이 코일의 A 단자로 흐르고 그리고 또한 이 코일의 B 단자에서 제1 2차전지(301)의 음극으로 흐르고,
    제2 영구자석이 이 코일의 L 측면을 대면하는 동안에 이 과정 B가 반복되는 것을 포함하는 직류 발전기 및 직류 전동기로 작동하는 장치.
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