KR20020074149A - 회전 가능한 관성 모터 - Google Patents

Abstract

관성모터(17)는 부드럽게 조합된 원형 운동을 이용한 것으로서, 웨이트(9)의 원형 운동을 운송수단(8)을 전진 구동시키는 단방향성의 추진력으로 변환시키는 것이다. 아마츄어에 위치된 웨이트(9)가 아마츄어의 중심으로부터 반경경로를 따라 트랙으로 안내되어진다. 상기 웨이트(9)의 위치는 솔레노이드(C₁,C₂,C₃,C₄)에 의하여 전자기적으로 제어된다. 상기 솔레노이드(C₁,C₂,C₃,C₄)는 아마츄어의 축에 선형 추진력을 변환되는 방식으로 원형경로를 따라 스테이션(13)에서 전류화 또는 비전류화된다.

Description

회전 가능한 관성 모터{Rotational inertial motor}

통상적으로 트랜스미션을 통하는 지표면과 마찰 접촉하는 휠을 채용한 운송수단을 추진시키기 위한 종래의 모터는 동력전달장치를 통하는 구동축을 포함한다.

운송수단을 추진시키는 에너지원은 지표면에 지탱될 수 있는 힘을 제공하고, 지표면과의 마찰력으로 운송수단을 가속시키는 작용을 하게 한다.

선택적인 방안으로서, 제트 또는 로켓 모터는 일방향의 고속 추진을 위하여 유체를 에너지원으로 사용하고 있다.

운송수단을 추진시키는 상기 제트 또는 로켓은 마찰력을 극복하기 위하여 추진력 이동을 이용하거나 반대방향으로의 추진력을 얻게함으로써, 추진력 손실의 반발을 일으킨다.

프로펠러 구동형 운송수단은 외부 유체에 추진력을 분배시키도록 프로펠러를회전시키는 구동축을 이용한 혼합형 기술 방법이다. 반응에서 보면, 유체의 운동 방향과 반대를 이루는 방향으로 운송수단이 이동하게 된다.

관성모터는 운송수단의 구성요소중 추진력의 내부 이송에 의한 순간운동을 유도한다.

추진력이 내부 구성요소에 분배됨에 따라, 운송수단의 리마인더는 반대방향의 추진력을 얻게 되는 반응을 한다.

미국특허 5,685,196은 운송수단이 앞으로 전진운동하기 위한 추진력을 분배하도록 질량이 운송수단의 운동방향과 반대로 가속되는 선형시스템을 제공한다.

지표면에 대한 앵커링(anchoring)은 운송수단이 초기위치에서 진동하고 복귀하는 것을 방지한다. 그 결과는 운송수단의 저키(jerky) 전진운동을 초래한다.

상기 5,685,196 특허의 도 1C는 전자기 버젼으로 제안되어 있다.

상기 5,685,196 특허의 도 5A와 도 5B는 회전형 적용예를 보여주고 있다.

도면에서 웨이트(50)은 액튜에이터와 스프링에 의하여 또는 디스크(91)상에 장착된 홈을 갖는 실린더(90)에 의하여 전진하게 된다.

이러한 예에서, 상기 웨이트(50)는 그 중심으로 회전되고, 웨이트의 중력 중심이 접선방향을 따라 이동하는 것이지 반경방향으로 이동하지 않는다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 내부구조의 조직화된 운동에 의하여 운송수단에 운동력을 제공할 수 있도록 한 관성 모터에 관한 것이다. 특히, 원형 운동에 따른 운동에너지를 선형 운동에 따른 운동 에너지로 변환시킬 수 있는 모터에 관한 것이다.

도 1은 극좌표의 계에서 이동하는 질량을 설명하기 위하여 이용된 좌표를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 회전자 및 고정자를 나타내는 평면도.

도 3은 회전자 및 고정자에 대한 솔레노이드 플런져의 위치를 나타낸다.

도 4는 플런져를 갖는 솔레노이드의 팽창된 위치를 나타내는 부분도.

도 5는 플런져를 갖는 솔레노이드의 수축된 위치를 나타내는 부분도.

도 6은 하나의 플런져의 위치를 설명하기 위한 회전자의 개략도.

본 발명은 기존의 관성 모터의 한계를 극복하기 위하여, 더욱 부드럽게 조합된 원형 운동을 이용하여, 웨이트(weights)의 원형 운동을 운송수단이 전진운동하도록 단일방향성의 추진력으로 변환시킬 수 있도록 한 것이다.

운송수단의 진동을 방지하기 위하여 운송수단의 후퇴를 방지하는 래칫 메카니즘을 제공한다. 구동하는 웨이트의 원형 운동으로 인하여, 추진력을 균등화시키며 운송수단을 전진시킬 수 있다.

본 발명의 관성 모터는 아마츄어(armature)를 일정한 각속도의 회전 상태로 유지시키는 동력원을 포함한다. 웨이트는 아마츄어상에 위치하여, 아마츄어의 중심으로부터 반경방향의 경로로 운동하는 것을 제한하는 트랙으로 안내되어진다.

각각의 반경방향 트랙을 지나는 상기 웨이트의 위치는 자가 여자(勵磁) 제너레이터와 유사한 고정형 자계(stationary field)에 의하여 전류가 흐르게 되는 제너레이터 코일로부터 발전된 솔레노이드에 의하여 전자기적으로 조절되어진다.

바람직한 구현예로서, 상기 솔레노이드(solenoid)는 원형의 경로를 따라서 스테이션(stations)에서 전류가 흐르거나 흐르지 않게 된다. 이는 아마츄어의 축에 최대 선형 추진력을 전달하는 방법으로 가능하게 작동한다. 조절 가능한 웨이트의 수는 상기와 같은 방법에 의거 조절되어진다.

이러한 목적을 달성하기 위한 일구현예로서, 4개의 웨이트가 설치될 수 있다.

어떠한 진동운동으로부터 운송수단을 구속하기 위하여 래칫이 운송수단의 휠에 연결되어, 단지 일방향으로만 이동되도록 한다.(유사하게는, 본 발명이 지상용 운송수단에 설치되지 않은 경우, 래칫은 항공우주용 운송수단인 로켓 또는 항공기용 제트엔진 및 프로펠러 엔진에 보완적으로 제공 가능하다.)

본 발명가는 이러한 래칫이 본 발명의 실질적인 구성요소가 아니고, 래칫이 없는 경우도 바람직한 구현예임을 신뢰할 수 있지만, 래칫의 부재가 본 발명의 실시예를 위한 본질적인 특징이 아니라는 입장을 상기 구현예로 구성하지 않았다.

본 발명은 도면과 관련하여 쉽게 설명될 수 있다.

본 발명의 관성 드라이브 유니트는 장치의 내부에서 회전하는 질량의 반경방향 가속도를 갖는 길이방향 요소에 대한 장치의 반작용을 이용한 것이다.

특히, 본 발명은 원형 운동으로 구동된 질량의 내부 반경방향 가속도를 선형경로쪽으로 향하게 함에 따라, 장치의 내부 구성중 회전축으로부터 일정거리 떨어져서 수직방향으로 장치를 이동시킬 수 있는 반응력이 생성된다.

반작용력을 위한 이론적인 원리는 도 1에 나타낸 바와 같고, 도면에는 관성 좌표계 x-y의 중심 o으로부터 거리 r에서 질량 m을 갖는 지점의 가속도가 묘사되어 있다. 중심 o에서 질량 m까지의 벡터는 다음과 같은 극좌표로 표현된다.

굵은 문자체는 벡터를 나타내고, 굵은 라틴체는 조합벡터를 나타낸다.

이러한 극좌표는 증감이 없는, 다시말해서 관성 프레임(frame)과 같은 것으로서, 모양이 없는 회전의 좌표계를 갖는 것과 혼동되지 않아야 한다. r은 벡터r의 크기이다.

시간에 관한 미분은 으로 주어지는 바,v는 질량의 벡터속도를, ω는 0에 대한 질량의 스칼라 각속도를, 6은 0에 대한 질량의 회전방향에서 r(또는 p)와 직각을 이루는 조합벡터이다.

이러한 사실로부터가 따르게 되는 바, 여기서 θ는 r과 x축을 기준으로 하는 길이방향간의 각도 크기를 나타내고,

시간에 대한 재미분을 하면 질량의 벡터 가속도는 다음과 같은 식으로 표현된다.

여기서, a는 스칼라 반경방향 가속도이고, α는 스칼라 각속도이다.

이러한 네 개의 가속도는 대체로 각각 반경방향 가속도, 구심력의 가속도, 콜리오리스 가속도, 각속도로 명명된다.

상기 각각의 가속도는 명확한 반발력 F=-ma를 발생시키는 바, 여기서 마이너스 표시는 회전 시스템에서 반발력으로 감지된 가속도를 의미한다.

따라서, 관성력으로 불리는 것은 각각 반경방향 가속력, 원심력, 콜리오리스력, 각속도력으로 표현되어진다.

하나의 구현에 사용된 종래 기술은 a와 v는 제로이고, 그것의 효과를 위한 ω과α에 의존되어진다.

본 발명은 반경방향 가속도력 a와 콜리오리스력 2vω(질량의 반경방향 운동에 의한 힘)에 의존한다.

바람직한 구현예로서, 상기 관성 드라이브 유니트(1)는 다수개의 구성요소를 갖는다.

도 2에서 보는 바와 같이, 고정자(3)가 축(5)에 고정되어, 회전자(7)의 회전이 가능하게 된다.

C₁,C₂,C₃및 C₄로 표시된 네 개의 솔레노이드가 회전자에 부착되어 있다.

상기 고정자와 회전자는 원형의 형상으로서, 축에 대하여 동축을 이루고, 축의 중심라인에 대하여 수직을 이루는 평면상에 놓이게 된다.

상기 네 개의 솔레노이드는 축으로부터 노출됨과 함께 서로 90°로 배열된다.

상기 솔레노이드의 갯수는 그 밖의 수도 가능하고, 일정한 다각형의 각 코너를 형성하며 축에 대하여 대칭적을 배열되도록 한다. 예를들어, 5개의 솔레노이드는 5각형으로 배열되고, 6개는 육각형으로 배열시킨다.

각각의 솔레노이드는 솔레노이드의 전자석코일(11)을 통하는 전류에 반응하여 솔레노이드의 축을 따라 이동되도록 한 플런져(9)를 포함한다.

18개의 고정자 코일을 포함하는 고정형 자장코일 어셈블리(13)가 고정자(3)상에 위치되어, 전자기 유도에 의하여 솔레노이드 전자석에 동력을 제공한다.

컴퓨터 콘트롤 유니트(15)가 고정형 자장코일 어셈블리(13)의 각 코일과 연결되어진다.

상기 관성 드라이브 유니트(1)의 일구현예는 표면(14)상을 구르는 휠(10)을 갖는 운송수단과 연결하는데 있다. 상기 휠은 래칫(12)에 의하여 일방향으로만 강제구동되는 휠이다.

작동면에서 보면, 상기 관성 드라이브 유니트(IDU)는 고정형 자장코일 어셈블리(11)의 자장 코일 모두에 전류가 통하게 하고, 모터(17)에 의하여 로터(7)가 축(5)에 대한 회전력을 생성하도록 컴퓨터 컨트롤 시스템(15)을 설정하게 된다.

바람직하기로는, 상기 모터는 고정자(3) 축의 중심선에 위치하지만, 도면의 명확성을 위하여 다른 구현예로서, 구동벨트(19)의 작동으로 로터가 구동되는 것으로 도시하였다.

각속도ω의 속도로 회전자(7)가 한 번 구동되면, 자장 코일(11)에 전류가 흐르게 되고, 제너레이터 코일(13)은 전압을 발생하게 되며, 솔레노이드의플런져(C,C,C,C)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 회전자(5)의 축에 대하여 가장 근접하게 위치된다.

상기 솔레노이드는 단지 제너레이터 코일상의 부하이다.

질량이 내부로 가속되어 내부쪽 위치로 이동하고자 할 때, 소정 위치에 솔레노이드 플런져를 고정시키는 전자석의 자기력은 원심력과 코리올리의 힘이다.

도 4에서, 솔레노이드 플런져(C₁)는 P₁의 내부위치까지 당겨지기 전에 솔레노이드 플런져가 지닌 질량의 중심 위치인 P₂를 통하여 가로지르는 두 개의 라인을 갖는다.

플런져중 어떤 것이 내부쪽으로 당겨지기 전에 상기 IDU의 중력 중심은 축의 중심 라인에 위치하게 되고, 플런져의 총웨이트가 내부로 당겨질 경우에도 IDU의 중력 중심은 마찬가지이다.

바람직하기로는, 상기 회전자(3)의 축에 대한 자장 코일중 어느 하나를 전류가 흐르지 않게 할 수 있다.

자장코일의 비전류화는 관성모터가 치환되는 것을 이용하여 운송수단의 중력 중심의 방향을 결정한다.

이는 제너레이터 코일이 해당 자장 코일 지점에서 전압을 발생시키는 것을 중지시키고, 솔레노이드(C₁)의 코일로 전류가 흐르는 것을 차단하며, 솔레노이드 플런져가 가속되는 것을 허용하며, v=ωr로 표현되는 선형속도를 얻게 하는 바; 여기서 V=선형속도; r=회전자의 축으로부터 솔레노이드 플런져의 순간반경; ω=회전자의 각속도를 나타낸다.

실린더에 의하여 안내됨과 함께, 솔레노이드 플런져(C₂)의 움직임 거리는 회전자의 축으로부터 외부쪽 반경방향으로 솔레노이드 실린더의 이송 중심선을 따라 또는 솔레노이드 플런져가 도 4에 도시한 바와 같이 회전축으로부터 가능한 지점인 P₂에 도달할 때까지 어느 지점에서 측정된다.

제너레이터 코일이 솔레노이드(C₁)과 관련된 자계코일을 지난 후, 다음의 자계코일의 자장으로 들어가고, 상기 제너레이터 코일은 전압흐름/전류흐름을 솔레노이드 코일로 유도하는 바, 유일한 부하가 솔레노이드 플런져(C₁)를 도 5에 도시한 바와 같이 원심 또는 콜리오리스 힘과 상반되는 지점(P₁)으로 후퇴하게 한다.

축의 중심에 관한 관성모멘트의 결과, 솔레노이드 플런져(C₁)의은 감소하고, 회전자의 평면내에서 일정하게 유지된며, 상기 IDU의 중력 중심은 솔레노이드 플런져의 질량 중심을 향하여 변위되어진다.

이는 질량의 각도 모멘텀의 변화를 초래하고, 구심력 가속도를 감소시키는 콜리오리스력과 원심력을 제공하는 플런져의 질량에 의존하는 반응 토크를 발생시킨다.

여기서 서로에 관한 플런져의 운동 조합을 설명한다.

회전자가 연속적으로 회전함과 함께, 안쪽에 위치하는 솔레노이드(C₂)는 비전류 자장 코일에 근접하여 회전하게 되어, 솔레노이드(C₂)의 플런져가 상기 솔레노이드의 플런져(C₁)와 동일한 방법으로 이동되도록 한다.

이러한 결과 오퍼레이터가 활성화의 순서를 변화시킴을 선택할 때까지, 각 솔레노이드는 동일한 위치로 이동한다.

솔레노이드/피스톤의 조합 및 어떠한 갯수도 어떠한 회전자의 회전각도에서 어떠한 조건으로도 활성화시킬 수 있다.

예를들어, 본 발명의 바람직한 구현예는 다음의 크기와 매개변수값을 갖는다:

축을 포함하는 고정자(3)와 다른 필수적인 정적구성요소가 약 80mm의 직경을 갖는데 그 특징이 있고, 플런져의 질량(m)은 약 0.5Kg 정도이며; 각속도ω는 2000rpm, 즉 33.33rps이다.

네 개의 솔레노이드를 포함하는 상기 회전자(7)와 다른 필수적인 구성요소는 상술한 바와 같이 약 160mm의 반경을 갖는다, 질량(m)은 4.55Kg이다.

전술한 관성 드라이브 유니트(IDU)의 동작은 컴퓨터 제어 시스템이 모든 자계코일이 전류가 흐르게 되고 회전자(7)가 종래의 모터의 이용에 따라 고정자(5)의 축의 중심선에 위치한 축을 중심으로 회전하기 시작하도록 설정된 경우에 동작을 시작한다. 상기 회전자(7)는 초기에 33.33rps의 특정 각속도로 움직인다.

상기 전자석이 자화되면, 솔레노이드의 플런져(C₁,C₂,C₃,C₄)는 원심력(관성프레임의 외측에서 관측됨)에 대항하여 회전자의 축에 가장 근접한 위치 P₁에 고정된다.

상기 고정자(3)의 축에 대한 자계 코일중 하나가 전류가 흐르지 않게 되면, 제너레이터 코일이 자계코일지점에서 전압을 발생시키는 것을 차단하고, 솔레노이드(C₁)에 전류흐름을 차단하며, 솔레노이드의 해당 플런져의 가속이 가능하게 된다.

웜심력의 크기는 회전자의 축으로부터 외부방향으로 7017.0N이다.

제너레이터 코일이 솔레노이드(C₁)과 관련된 자계코일을 지난 후, 다음의 자계코일의 자장으로 들어가고, 상기 제너레이터 코일은 전압흐름/전류흐름을 솔레노이드 코일로 유도하는 바, 유일한 부하가 솔레노이드 플런져(C₁)를 가속하여, 원심 력(관성프레임의 외측에서 관측됨)과 상반되는 지점(P₁)으로 후퇴하게 한다.

상기 솔레노이드의 플런져는 7017.078N에 대항하여 P₁으로 후퇴되고, 중력 중심(CG)와 IDU의 질량(플런져의 마이너스 질량)은 솔레노이드의 플런져의 질량 중심으로 이동한다.

자계코일의 전류화 시점은 회전자의 각속도와 구심력에 의존하는 플런져의 선형속도에 의존한다.

예를들어, 솔레노이드 플런져 이송이 초당 10mm이면, 그 거리는 설정된 힘을 달성하기 위하여 가장 효과적으로 선택되고, 다음으로

솔레노이드 플런져에 관한 중력 중심을 이동시키기 위하여 솔레노이드를 재결합시킴이 필요한 경우, 해당 솔레노이드에 전압은 시간전에 1초동안 단락되어진다.

도 6은 본 장치의 중력 중심 운동을 쉽게 이해되도록 도시된 것이다.

솔레노이드 플런져(A로 지시된 바와 같이)가 회전자의 중심으로부터 미리 설정된 거리 L로 변위되면, 그 결과로 일정한 크기의 구심력이 생성된다. 이때의 힘은 0에서 회전자의 축상의 반반력을 발생시킨다.

운송수단의 운동을 담당하는 축은 상기 반반력에 반응하여 이동하여, 본 장치의 중력 중심의 변동을 발생시킨다.

솔레노이드가 비자화되고 플런져가 지점B에 거리L로 이동함과 함께, 중력 중심은 솔레노이드 위치와 동일한 방향으로 이동한다.

플런져의 변동에 반응하여 운송수단이 이동하는지는 축상의 다른 힘에 의하여 결정된다.

도 2에 도시된 래칫 메카니즘(12)은 도 7에 보다 상세하게 나타내었다. 상기 래칫은 단지 일방향으로 이동시키도록 운송수단을 제어하는데 사용될 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명가는 운송수단의 운동은 전체 유니트에 작용하는 관성력, 콜리오리스력 및 구심력간의 평형에 의하여 조절되므로, 래칫이 필수적인 것은 아니라고 사료된다. 관성력이 유니트의 중력 중심보다 나은 점은 정지상태를 유지시키는 것으로 여겨진다.

반면에, 구심력/콜리오리스력이 운송수단에 영향을 주는 관성력을 초과하는 경우, 중력 중심은 웜심력/콜리오리스력과 상반되는 방향으로(솔레노이드 코일에 의하여 발생된 전자기력의 결과로서) 변위된다.

도 7은 운송수단의 샤시(21)의 운동 방향을 억제하는데 사용하는 래칫 메카니즘을 보여주는 도면으로서, 래칫에 브라켓(23)으로 장착된다.

매카니즘의 휠에 대한 래칫 부착의 상세한 점은 당분야의 통상의 지식을 가진자에게 널리 알려져 있다.

특히, 래치 또는 도그(25)가 운송수단 휠의 회전방향을 억제하기 위한 운송수단 휠 축(29)에 락킹되어 있는 기어(27)와 맞물린다.

본 발명을 특정한 구현예로서 설명하였지만, 청구항에 따른 범위를 벗어나지 않는 한 상기 구현예에만 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

Claims (6)

1. 에너지원을 갖는 모터,

   상기 모터에 의하여 축에 대하여 회전하되, 상기 축에 대하여 회전 주기를 갖는 아마츄어,

   상기 아마츄어상에 위치하며, 축으로부터 외부로 반경방향을 이루며 연장되는 다수의 트랙(tracks),

   상기 다수의 트랙중 하나에 얹혀지는 다수개의 웨이트(weight),

   상기 트랙상의 웨이트를 이동시키는 다수개의 드라이버,

   상기 드라이버가 트랙을 따라 상기 웨이트의 반경방향 위치를 이동시키도록 하는 상기 드라이버용 하나 이상의 콘트롤러를 포함하는 운송수단용 관성 추진 장치에 있어서,

   상기 콘트롤러는 각각의 웨이트를 상기 아마츄어의 회전 주기와 비례하거나 동일한 주기를 갖는 일정한 사이클로 반경방향으로 이동시키고,

   상기 웨이트의 운동은 사이클의 적어도 일부분 동안 미리 설정된 방향으로 상기 축에 정미(正味)력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 회전 가능한 관성 모터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 각 드라이버는 상기 콘트롤러중 하나에 의하여 결정된 전류를 갖는 솔레노이드를 포함하고, 상기 전류는 상기 트랙중 하나를 따라 웨이트중 하나가 운동하게 하는 것을 특징으로 하는 회전 가능한 관성 모터.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 각 콘트롤러는 하나 이상의 마커(markers)의 출현을 감지하는 센서를 포함하고, 상기 마커는 상기 아마츄어의 축과 동축을 이루는 링의 미리 설정된 위치에 위치되며, 상기 콘트롤러가 드라이버가 웨이트를 위한 미리 설정된 위치중 하나로 웨이트를 이동시키도록 제어하고, 상기 각 미리 설정된 위치는 상기 마커의 위치와 고정된 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 회전 가능한 관성 모터.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 사이클은 웨이트의 운동이 미리 설정된 방향외에 다른 방향으로 일어나도록 상기 축에 정미력을 발생시키는 사이클의 적어도 일부분 동안 운송수단의 운동을 저지하도록 작동하는 운동 리스트레이너(restrainer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 가능하 관성 모터.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 사이클은 웨이트의 운동이 미리 설정된 방향외에 다른 방향으로 일어나도록 상기 축에 정미력을 발생시키는 사이클의 적어도 일부분 동안 운송수단의 운동을 저지하도록 작동하는 운동 리스트레이너(restrainer)를 더포함하는 것을 특징으로 하는 회전 가능하 관성 모터.
6. 제 3 항에 있어서, 상기 사이클은 웨이트의 운동이 미리 설정된 방향외에 다른 방향으로 일어나도록 상기 축에 정미력을 발생시키는 사이클의 적어도 일부분 동안 운송수단의 운동을 저지하도록 작동하는 운동 리스트레이너(restrainer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 가능하 관성 모터.