KR20010001564A - 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템에 관한 것으로서, 상호 소정 간격으로 이격배치된 다수의 U자형 철심(1)의 공통 외주에 코일(2)이 권취된 고정자; 상기 다수의 U자형 철심(1) 각각의 상부에 소정 거리의 공극(7)을 갖도록 이격구비된 이동자(6); 상기 이동자(6)의 일측에 구비된 장방형의 철심(3); 및 상기 철심(3)의 외주면에 상기 이동자(6)의 선형이동 방향을 따라 권취된 2차 코일(4)을 포함하여 구성되어, 상기 1차 코일(2)에의 전류 인가시 상호유도 현상에 의해 상기 2차 코일(4)에 기전력이 유기됨으로써, 기존의 횡자속형 추진시스템의 구조를 그대로 이용하면서도 비접촉 전원공급이 가능하기 때문에, 종래의 비접촉 전원공급장치에 비해 추가하기 쉽고 비용도 적게 드는 효과가 있어서, 자기 부상 열차, 엘리베이터, 항만 크레인 및 기타 선형 추진 시스템에 응용가능한 유용한 발명이다.

Description

비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템 { A non-contact power feed system of traverse flux machine }

본 발명은 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 기존의 횡자속 추진시스템을 그대로 이용하면서도 추진시스템의 이동자 측에 비접촉 방식으로 전원을 공급할 수 있도록 한 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템에 관한 것이다.

횡자속형 추진시스템이란 자기부상열차, 엘리베이터, 항만 크레인 기타 기계장치에 필요한 선형운동을 제공하기 위한 장치로서, 이때 운동에 필요한 힘을 선형 이동 방향을 횡으로 가로지르는 자속에 의한 자력으로부터 얻는 장치를 말한다.

도 1은 일반적인 횡자속형 추진시스템의 개략적인 구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 상기 도 1의 고정자 구성만을 도시한 것으로서, 상호 소정 간격으로 이격배치된 다수의 U자형 철심(1)의 공통 외주에 코일(2)이 권취된 고정자; 및 상기 다수의 U자형 철심(1) 각각의 상부에, 상기 철심(1)으로부터 소정 거리의 공극(7)을 갖도록 이격구비된 이동자(6)를 포함하여 구성되어 있었다.

종래의 기술은 상기와 같이 구성된 횡자속형 추진시스템은 상기 이동자 측에 필요한 전원을 공급하고자 할 경우, 케이블(cable)이나 버스바(bus bar) 등을 이용하여 접촉식으로 전원을 공급하고 있다. 그러나, 접촉식 전원공급은 구조적으로 복잡하고 마찰로 인한 고장이 발생하기가 쉽다는 문제점이 있었.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 별도의 장치 없이 종래의 구성을 그대로 사용하면서도 비접촉식 방식으로 시스템의 이동자에 전원을 공급할 수 있도록 하는 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템을 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.

도 1은 일반적인 단순 횡자속형 추진시스템의 개략적인 구성을 도시한 사시도이고,

도 2는 상기 도 1의 고정자 구성만을 도시한 것이고,

도 3은 본 발명에 따른 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템의 전체 모습을 도시한 사시도이고,

도 4는 도 3의 구성 중에서 고정자 및 전원공급장치 부분만을 따로 도시한 사시도이고,

도 5는 도 3의 구성 중에서 전원공급장치 및 이동자 부분만을 따로 도시한 사시도이고,

도 6a 내지 도 6e는 도 3에 사용된 구성요소들을 각각 개별적으로 도시한 것이고,

도 7은 횡자속형 추진시스템이 선형이동을 위한 추진력을 얻은 원리를 도시한 것이고,

도 8a는 도 3의 이동자에 인가되는 여자전류의 파형을 이동자의 위치별로 구분 도시한 것이고,

도 8b는 인가되는 여자전류에 의해 도 3의 고정자 철심(1) 및 장방형 철심(3)에 생성되는 자속 Φ₁의 파형을 도시한 것이고,

도 8c는 도 3의 2차 코일(4)에 유기되는 기전력 e 의 파형을 도시한 것으로서,

도 8d는 인가되는 여자전류에 의해 도 3의 고정자 철심(1)과 이동자 철심(6)에 생기는 쇄교자속 Φ₂의 파형을 도시한 것이고,

도면 8e는 생성된 자속에 의해 도 3의 이동자에 작용하는 추진력 F를 도시한 것이고,

도 9는 본 발명에 따른 비접촉 전원공급장치를 이용한 전원공급 원리를 도시한 것이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 고정자 철심 2 : 고정자 코일(1차 코일)

3 : 장방형 철심 4 : 2차 코일

5 : 비접촉 전원공급장치 6 : 이동자

7 : 비접촉 전원공급장치와 고정자 사이의 공극

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템은, 외주면을 따라 코일이 권취되되, 상호 소정 거리 이격배치된 다수의 고정자; 상기 고정자로부터 소정 거리 이격구비되되, 상기 코일에의 전류 인가시 생성되는 자속에 의해 선형이동하는 다수의 이동자; 및 상기 고정자로부터 소정 거리 이격구비되어 상기 이동자와 동일 평면상에 구비되되, 상기 전류 인가된 코일과의 상호 유도현상에 의해 기전력을 발생시키는 전원공급수단을 포함하여 구성되되, 상기 전원공급수단은, 상기 이동자 이동 방향으로 장축이 형성된 장방형 철심; 및 상기 철심의 외주에 권취된 코일을 포함하여 구성되는 것에 그 특징이 있는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템은, 상기 이동자를 선형이동시키기 위해 상기 고정자에 권취된 코일에 정현파의 여자전류를 인가할 경우, 상호유도 작용에 의해 상기 전원공급수단의 철심에 역시 정현파의 자속이 생성되고 이로부터 상기 전원공급수단의 코일에 기전력이 유기됨으로써, 상기 이동자 측에 필요한 전원을 공급할 수 있게 되는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템에 대한 일 실시예의 구성 및 동작에 대해 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템의 전체 모습을 도시한 사시도이고, 도 4는 도 3의 구성 중에서 고정자 및 전원공급장치 부분만을 따로 도시한 사시도이고, 도 5는 도 3의 구성 중에서 전원공급장치 및 이동자 부분만을 따로 도시한 사시도로서, 본 발명에 따른 비접촉 전원공급장치(5)는, 종래 횡자속형 추진 시스템의 이동자(6)의 일측에 장방형의 철심(3)을 구비하고, 그 외주면에는 선형이동 방향을 따라 2차 코일(4)을 권취하여 구성됨으로써, 그 하부에 위치한 상기 고정자 철심(1) 및 고정자 1차 코일(2)과 함께, 공극(7)을 갖는 변압기를 형성하도록 되어 있다.

상기 고정자 철심(1)의 굵기는 도 3에 도시된 바와 같이 τ_p이며, 상기 고정자 철심(1) 상호간의 거리 역시 τ_p이다.

도 6a 내지 도 6e는 도 3에 사용된 구성요소들을 개별적으로 도시한 것으로서, 도시된 순서대로 각각 U자형 철심(1), 고정자 1차 코일(2), 장방형 철심(3), 2차 코일(4), 이동자(6)이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템의 동작에 대해, 그 작동원리를 도시한 도 7 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 7은 횡자속형 추진시스템이 선형이동을 위한 추진력을 얻은 원리를 도시한 것으로서, 도면에서와 같이 상기 고정자 철심(1)과 상기 이동자 철심(6)이 동일축상으로부터 소정 거리 어긋나 있을 때 상기 고정자 코일(2)에 여자전류 I 를 흘려주면 상기 고정자 철심(1)과 상기 이동자 철심(6)을 따라 자속 Φ₂가 생긴다.

이에 따라, 상기 이동자 철심(6)은 상기 자속으로 인한 자기 저항을 최소로 하는 방향, 즉 상기 고정자 철심(1)의 위치와 상기 이동자 철심(6)의 위치가 동일축 상에 일치하려는 방향으로 추진력 F 를 받아 선형이동하게 된다.

그러나, 일단 상기 고정자 철심(1)의 위치와 상기 이동자 철심(6)의 위치가 일치하게 되면 자기 저항이 최소가 되므로 이때 추진력 F는 '0(zero)'이 되고, 상기 이동자 철심(6)이 이 위치를 지나 더 이동하게 되면 자기 저항이 다시 증가하기 때문에, 여자전류 I 를 계속 공급하면 오히려 제동력이 발생하게 된다.

따라서, 상기 이동자(6)를 한 방향으로만 계속 추진시키기 위해서는, 상기 고정자 철심(1)과 상기 이동자 철심(6)이 동일축 상에 위치했을 때 여자전류 I 의 공급을 중단해야 한다.

도 8a는 상기 이동자(6)의 위치에 따른 공급 여자전류의 파형을 도시한 것으로서, 이동자를 한 방향으로만 추진시키기 위해서는 시간(t) 혹은 위치(x)의 0∼τ_p구간에서 여자전류 I를 인가하다가 τ_p∼ 2τ_p구간에서는 여자전류 I 를 차단하고, 2τ_p∼ 3τ_p구간에서 다시 여자전류 I 를 인가하는 과정을 반복하여야 한다.

도 8d는 인가되는 여자전류에 의해 상기 고정자 철심(1)과 상기 이동자 철심(6)에 생기는 자속 Φ₂의 파형을 도시한 것으로서, 0 과 τ_p의 위치에서는 여자전류 I 가 0이므로 자속 또한 0이 되고, 두 위치의 사이 구간(0∼τ_p)에서는 자기 저항과 여자전류 I 의 값에 따라 도면과 같은 파형이 나타난다.

도면 8e는 상기 이동자(6)의 추진력 F를 도시한 것으로서, 일반 릴럭턴스(reluctance) 전동기에서와 마찬가지로 0과 τ_p의 위치에서는 추진력 F 가 0이고, (1/2)τ_p위치에서 가장 큰 추진력이 발생한다.

상기에서와 같이 여자전류 I를 인가하면 상기 비접촉 전원공급장치(5)의 2차 코일(4)에는 소정 크기의 기전력이 유기되는바, 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 9에 도시된 바와 같이, 상기 고정자와 상기 비접촉 전원공급장치(5)는 상기 고정자 코일(2)이 1차 코일이 되고, 상기 비접촉 전원공급장치(5)의 코일(4)이 2차 코일이 되되, 상호 공극(7)을 가진 변압기를 형성한다.

따라서, 상기 이동자(6)를 추진시키기 위해 고정자 1차 코일(2)에 도 8a에 도시된 바와 같은 정현파의 여자전류 I 를 인가하면, 고정자 철심(1)과 상기 비접촉 전원공급장치의 장방형 철심(3)을 통해 시간에 따라 변화하는 자속 Φ₁이 생기며, 이때 그 파형은 도 8b에 도시된 바와 같이 여자 전류의 파형과 동일하다.

일단 자속이 생성되면, 변압기의 원리에 의해 상기 2차 코일(4)에 기전력 e 가 유기되며, 이에 의해 상기 이동자(6)에 전원공급이 가능하게 된다.

도면 8c는 상기 2차 코일(4)에 유기되는 기전력 e의 파형을 도시한 것으로서, 아래의 식과 같이 자속 Φ₁을 미분하여 얻은 값이다.

, 단, N 은 상기 2차 코일(4)의 권선수

한편, 상기 비접촉 전원공급장치의 장방형 철심(3)의 경우에는, 그 길이를 길게 형성하여 위치에 관계없이 변압기의 자기저항이 일정하도록 하였으므로, 상기에서 설명한 바와 같은 비접촉 전원공급의 원리를 이해하는데 있어서 상기 이동자(6)의 운동을 전혀 고려할 필요가 없게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템은, 기존의 횡자속형 추진시스템의 구조를 그대로 이용하면서, 단지 이동자에 길이가 긴 장방형의 철심(3)과 2차 코일(4)을 설치하는 것만으로 비접촉 전원공급이 가능하기 때문에, 종래의 비접촉 전원공급장치에 비해 추가하기 쉽고 비용도 적게 드는 효과가 있어서, 자기 부상 열차, 엘리베이터, 항만 크레인 및 기타 선형 추진 시스템에 응용가능한 유용한 발명이다.

Claims (4)

1. 외주면을 따라 코일이 권취되되, 상호 소정 거리 이격배치된 다수의 고정자;

   상기 고정자로부터 소정 거리 이격구비되되, 상기 코일에의 전류 인가시 생성되는 자속에 의해 선형이동하는 다수의 이동자; 및

   상기 고정자로부터 소정 거리 이격구비되어 상기 이동자와 동일 평면상에 구비되되, 상기 전류 인가된 코일과의 상호유도 현상에 의해 기전력을 발생시키는 전원공급수단을 포함하여 구성되는 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 전원공급수단은,

   상기 이동자 이동 방향으로 장축이 형성된 장방형 철심; 및

   상기 철심의 외주에 권취된 코일을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 고정자는 U자형 철심인 것을 특징으로 하는 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 이동자는 상기 U자형 철심의 양 끝단을 가로지르도록 형성된 막대형 철심인 것을 특징으로 하는 비접촉 전원공급이 가능한 횡자속형 추진시스템.