KR20060039942A - 결합된 자석에 의한 전력 발전 - Google Patents

Abstract

발전기는, 적어도 하나의 코일(82, 84)에 대하여 함께 이동하여 코일에 전기신호를 발생하는 상호 이격된 복수의 자석(62, 64)을 가진다. 동일한 길이와 그 사이의 동일한 간격을 가지는 동일한 수의 자석 및 코일이 사용되는 것이 바람직하다. 연속적인 자석을 서로에 대해 자기 대치 상태로 배향하여, 이동하는 축을 따라 연속적인 자석으로부터의 자기장이 자석 사이의 지점에서 서로 실질적으로 상쇄되도록 함으로써, 전력 출력이 상당히 증대될 수 있다.

Description

결합된 자석에 의한 전력 발전{ELECTRICAL POWER GENERATION BY COUPLED MAGNETS}

본 발명은 가동 자석(moving magnet)에 의한 전력 발전에 관한 것이다.

도전성 코일을 관통하여 자석을 이동시키는 것은 코일에 전류를 발생시키는 기전력을 유도한다. 자석이 왕복 운동에 의해 전후로 이동하게 되면, 코일에서의 전류 흐름의 방향은 각각의 연속적인 가로이동(traverse)에 대해 반전되어 AC 전류를 생성한다.

하나 이상의 코일을 관통하여 왕복하는 자석의 이동을 이용하는 몇몇 발전 시스템이 개발되어 왔다. 예를 들어, 미국특허 제4,260,901호에서, 수역(body of water)에서의 파동 운동은 부유물이 상하로 이동하게 하며, 이것은 자석 경로의 양단부에 배치된 한 쌍의 코일 사이에서 가동 자석에 대하여 왕복 운동을 부여한다. 미국특허 제5,347,186호에서는, 희토류(rare earth) 자석 및 코일이 서로에 대해 전후로 이동하도록 위치되어 있다. 파동 작용에 의해서와 같이, 자석은 고정되어 있고 코일은 자석에 대하여 상하로 이동할 수 있게 하거나, 공기 압력에 의해서와 같이, 코일은 고정되어 있고 자석은 코일에 대해 이동할 수 있게 하거나, 혹은, 조깅하는 사람(jogger)에 의해 운반하는 것과 같이, 코일 하우징이 흔들리거나 진동 할 수 있게 하여, 코일과 함께 가동 자석의 왕복 운동을 발생시킨다. 이 특허의 도 10A에서는, 서로에 대해 극성 대치(polar opposition) 상태인 한 쌍의 자석이 틸트 부표(tilt buoy)의 진자 아암(pendulum arm)의 양쪽에 연결되어 있고, 부표가 수직일 때, 각 자석을 넘어서 각각의 코일이 위치되어 있다. 부표를 전후로 수직이동(tilt)시키는 파동 작용에 응답하여, 아암이 부표에 대해 선회(pivot)하여 자석이 대향하는 코일을 교대로 진입 및 진출하게 되어, 코일에 전류를 발생시킨다. 각 자석은 하나의 각각의 코일만 관통하여 이동한다.

미국특허 제5,818,132호에서는, 수명이 긴 손전등, 알람 시스템, 일반적인 전력원을 입수할 수 없는 장소에 위치된 통신장치와 같은 응용제품에 전력을 공급하기 위하여, 그리고, 걷거나 뛰는 동안에 구두 뒤꿈치에서의 힘과 같은 상대적으로 높은 파워의 반복적인 힘을 위하여, 가동 자석은 적어도 2개의 상호 이격된 코일의 각각을 관통하는 양방향 선형이거나 선형에 근접한 운동으로 제한되어 있다. 이 특허의 도 11B는 미국특허 제5,347,186호의 도 10A와 유사하며, 두 특허의 발명자는 동일하다. 이 특허의 도 15에서는, 3개의 가동 자석이 서로에 대해 그리고 마지막 자석에 대해 모두 극성 대치 상태에 의해 튜브 내에 놓여져 있고, 다수의 코일은 튜브의 외부를 따라 이격되어 있다. 각 코일은 코일 출력을 합성하여 최종 DC 출력을 생성하는 회로로 가는 한 쌍을 출력을 가진다. 자석은 서로 연결되어 있지 않지만, 그 극성 대치 상태로 떨어져 있다.

통상, 코일 내의 변화하는 자기장(코일 축에 대해 수직으로 얻어짐)에 응답하여 전기신호가 발생한다. 본 발명자에 의해 파악된 바와 같이, 가장 높은 자기장 기울기는 자석의 단부에 위치하고, 작은 또는 제로 기울기만 그 중간에 위치하여, 자석이 통과하는 코일의 비교적 작은 부분에서만 상당한 발전이 일어나기 때문에, 전통적인 왕복 자석 발전기는 비효율적이다. 또한, 임의의 주어진 시간에서 자기장 기울기가 거의 없거나 전혀 없는 코일 부분은 코일의 전체 저항성 손실(ohmic loss)에 여전히 기여한다. 따라서, 가동 자석으로 향하는 코일에 대한 에너지의 많은 양은 유용한 전기 출력을 생성하지 못한다.

본 발명은 가동 자석 에너지의 더 많은 부분이 전력으로 변환되도록 하는 새로운 발전기 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다. 이것은 복수의 상호 이격된 자석이 적어도 하나의 코일, 바람직하게는 복수의 코일에 대해 함께 이동하도록 속박되어, 교대로 증가 및 감소하는 자기장이 생성되어 코일에 전기신호를 발생하도록 함으로써 달성된다.

구체적인 실시예에서는, 공통의 축을 따라 실질적으로 동일한 길이 및 간격을 가지는 동일한 수의 자석 및 코일이 사용된다. 자석들이 자성이 서로 반대가 되도록 배향(orientation)되어 유사한 장(field)을 발생하면, 축에 평행한 장의 성분은 연속적인 자석 사이의 위치에서 상쇄될 것이며, 이에 따라, 자석이 코일에 대해 이동하면, 큰 자기장 차분과 그 결과 발생하는 높은 전압 출력을 생성한다. 개별 코일로부터의 출력은 합성되어 최종 발전기 출력을 생성한다.

자석은 왕복 선형 이동과 같은 각종 운동을 위해 배치될 수 있다. 자석과 관련 지지 구조 사이에 과도하게 낮은 마찰 경계면을 제공하기 위하여, 0.01 미만의 정적 마찰계수와 10 센티푸아즈(centipoise) 미만의 점도(viscosity)를 갖는 자성유체(ferrofluid) 또는 다른 윤활유가 사용될 수 있다.

발전기는 배터리 충전기, 휴대전화기, 환경 센서, 신호 송신기 및 손전등 등의 각종 동작 시스템에 전력을 공급하기 위해 사용될 수 있다. 동작 시스템은 배터리를 충전하는 발전기에 의해 배터리로 동작되거나, 발전기에 의해 실시간으로 동작될 수 있다.

발명의 이러한 그리고 그 외의 특징 및 이점은 첨부 도면과 함께 이루어지는 구체적인 실시예에 대한 아래의 상세한 설명으로부터 당업자에게 명확해질 것이다.

도 1은 관련 자기장 라인을 예시한 일반적인 영구 자석의 평면도이고,

도 2는 코일을 관통하는 자석의 이동시의 순차적인 단계를 도시하는 단순화된 단면도이고,

도 3은 도 2의 자석의 이동으로부터 생성된 전압 출력을 예시하는 그래프이고,

도 4는 본 발명에 따라, 공통 자기 편극(common magnetic polarization)에 의해 함께 결합되어 한 쌍의 코일을 관통하여 이동하는 한 쌍의 자석의 순차적인 이동을 예시하는 단면도이고,

도 5는 도 4의 자석 이동에 의해 생성된 전압 출력을 예시하는 그래프이고,

도 6은 자성이 서로 반대가 되도록 결합되어 한 쌍의 코일을 관통하여 이동하는 한 쌍의 자석의 순차적인 이동을 예시하는 단면도이고,

도 7a 및 7b는 자석과 코일 사이의 두 개의 상이한 간격에 대해 도 6의 자석 이동에 의해 생성된 전압 출력을 예시하는 그래프이고,

도 8은 공통 편극 및 자기 대치가 혼합된 5개의 자석이 대응하는 수의 코일을 관통하여 이동함으로써 생성되는 전압 출력을 예시하는 그래프이고,

도 9는 다수의 상이한 가동 자석 구성에 의해 생성되는 상대 전력 출력을, 사용된 자석의 수의 함수로서 예시하는 그래프이고,

도 10은 본 발명에 따라 발전기에 의해 전원이 공급되는 배터리 충전기를 갖는 환경 센서/송신기의 개략도이고,

도 11 내지 도 13은 모두 본 발명에 따라 전원이 공급되는 휴대전화기, 손전등 및 부유선광 장치(floatation device)의 분리된 도면이고,

도 14는 코일을 둘러싼 자석을 갖는 본 발명의 다른 실시예의 단면도이다.

N 및 S로 각각 나타낸 북극 및 남극을 갖는 일반적인 영구 자석(2)이 도 1에 예시되어 있다. 도면에 도시된 자기장 라인(8)에 의해 표시된 바와 같이, 자석은 극에 인접한 영역(4 및 6)에서 자석에 대해 외부에서 작용하는 최대 밀도를 갖는 자기장을 발생한다. 자석 축과 평행한 자석 이동을 갖는 선형 발전기에 의한 발전을 위해서는, 자기장의 작용 부분이 자석 축과 평행한 성분이다.

도 3과 함께, 도 2는 자석(12)이 통과하는 코일(10)에서의 전기신호의 발생을 예시한 것이다. 자석이 통과할 때, 자석은 코일에 전압을 유도하고, 코일 회로가 폐회로가 되면, 전류를 발생한다. 유도된 전압은 코일을 관통하는 축 방향으로 의 전체 자속(magnetic flux)의 변화율에 비례하며, 전체 축 방향 자속은 방향성 자기장과 코일에 의해 포위된 영역과의 곱(product)을 코일의 길이에 걸쳐 적분함으로써 계산될 수 있다.

도 2의 a에는, 자기장의 가장 우측 부분이 코일에 막 진입하기 시작하는 위치인 코일(10)의 외부 및 좌측에 자석(12)이 도시되어 있다. 이것은 도 3의 영역(14)에 해당하며, 자석이 코일을 통과할 때, 코일에서 전압을 따라간다. 이 시점에는, 전압이 거의 또는 전혀 발생되지 않는다.

도 2의 b에서는, 자석이 일부는 코일의 내부이지만 일부는 여전히 코일의 외부인 위치로 우측으로 이동하게 된다. 자석이 이 위치로 이동하면, 코일 내부의 최종 축 방향 자속 벡터가 변화하여 전압을 유도하며, 이 전압은 자속 증가율이 최대인 지점에서 최대값(도 3의 16)에 도달한다. 그 다음, 도 2의 c에 도시된 코일 내부의 중앙 지점까지 자석이 우측으로 이동을 계속하면, 자석의 양 단부에서의 코일 내부의 자속 변화율은 서로 상쇄되므로, 발생된 전압은 제로(도 3의 지점(18))로 하강한다. 자석이 일부는 코일의 내부이고 일부는 코일의 우측 외부인 도 2의 d에 예시된 바와 같은 위치로 우측으로 이동을 계속하면, 발생된 전압은 음의 최소값(20)으로 계속 하강한다. 이 위치는 도 2의 b에 해당하는 방향과 반대인 벡터 방향으로의 최대 자속 변화율에 해당한다. 마지막으로, 자석이 코일을 우측으로 탈출하여 도 2의 d에 도시된 위치로 계속 이동하여 나오면, 자속이 전체적으로 코일로부터 제거될 때, 발생된 전압이 제로(도 3의 22)로 복귀한다.

이 종류의 선형 발전기로부터의 출력 전력 P는 관계식 P=V²/R을 따르며, 여기서, V는 유도된 전압이고 R은 코일 저항이다. 그러나, 설명된 발전기는 비교적 비효율적이다. 이것은, 자속에서 상당한 축 방향 차분을 생성하지 않는 자석 조각 상의 코일 부분이 유도된 전압에 대해 중요하게 기여하지 않지만, 여전히 코일의 저항성 손실에는 기여하기 때문이며, 또한, 이 자석 조각을 상당한 자속 차분을 갖는 동일 중량의 다른 조각처럼 이동하기 위해서는 동일한 전력 입력이 요구되기 때문이다.

본 출원인은 다수의 자석을 함께 결합하고 다수의 코일을 관통하여 직렬로 이동시킴으로써, 자석의 이동에 병행하는 시간에 걸쳐 최종 자속 차분을 증가시키도록 하여 이 문제에 대처한다. 이 새로운 접근법의 일 구현예가 도 4에 예시되어 있다. 단순화시키기 위하여, 이 예에서는 두 개의 자석과 두 개의 코일만 예시되어 있지만, 통상 그 수가 더 많은 것이 바람직하며, 주요 제약사항은 공간의 한정이다. 도 4의 a에는, 각 자석이 도 2의 하나의 자석(12)의 길이의 절반인 한 쌍의 자석(24a 및 24b)이, 각 코일이 도 2의 하나의 코일(10)의 권선 수의 절반이며 길이도 절반인 두 개의 코일(26a 및 26b)을 관통하여 이동하기 시작하는 것이 도시되어 있다. 자석(24a 및 24b)은 이 두 자석이 양 단부에 접착된 비자성 로드(28) 등에 의해 함께 지지되며, 다수의 다른 기계적 결합기구가 사용될 수 있다. 자석과 코일은 동일한 길이이며 동일한 간격으로 분리되는 것이 바람직하다. 개별 코일 출력이 합산되어 그 유도된 전압이 서로 동일 위상이 아니면, 이것은 전체 출력을 떨어뜨 리지만, 필요하다면, 동일하지 않은 길이 및/또는 간격이 사용될 수 있다.

두 자석(24a, 24b)이 공통 편극 배향(common polarization orientation)인 상태가 도시되어 있으며, 편극 화살표(30a 및 30b)에 의해 표시된 바와 같이, 북극은 그 우측 단부이고 남극은 좌측 단부이다. 자석은 도 4의 a에서 코일(26a, 26b)의 좌측에 도시되어 있으며, 도 4의 b에서, 두 자석이 각각의 코일과 정렬되어 있는 중앙 위치에서는 전압을 막 유도하기 시작하고 있으며, 도 4의 c에서, 두 코일의 외부 우측의 위치에서는, 발생된 전압이 제로(zero)로 완화된다.

도 5는 공통 편극 배향을 갖는 5개의 이격 및 결합된 자석이 통과하는 코일에서 유도된 전압을 도시한 것이다. 도 3을 작도하기 위하여, 자석에서 약 975 가우스(Gauss)의 자기 강도를 가지며 직경이 2.54cm이고 길이가 2.79cm인 하나의 세라믹 자석이 4.45cm 직경의 코일과 함께 사용되었고, 도 5의 도면을 얻기 위하여, 연속적인 자석 사이에 2.54cm의 간격을 갖는 유사한 개별 자석과 유사한 코일이 사용되었다. 공통 극성 배향을 갖는 5개의 자석은 5개의 박스(32)에 의해 그래프 하부에 표시되어 있고, 각각의 자기 편극 화살표(34)는 모두 동일한 방향을 지시하고 있다.

5개의 결합된 자석은 코일을 통과할 때, 도 3에서 얻어진 피크에 필적하는 종단 전압(end voltage)(36 및 38)의 절대값과, 더 작은 절대값의 중간 피크를 갖는 5개의 양(positive) 및 5개의 음(negative)의 교류 피크 전압을 생성하였다.

자석 중에서 하나가 코일을 넘어서 이동하더라도, 코일 내부의 잔여 자속의 존재로 인해 전체 전력 출력이 제한되었다고 생각된다. 이것은 공통 편극 벡터를 갖는 연속적인 자석으로 인한 것이므로, 자석 사이의 축을 따라, 하나의 자석의 남극 단부로 진입하는 자속은 다음 자석의 북극 단부를 떠나는 자속과 방향이 동일하였다. 두 자석으로부터 축과 평행한 자속 성분은 이 영역에서 부가적이었으므로, 자석이 코일을 통과할 경우에 전체 자속 차분을 감소시켰던 자석 사이의 축을 따라 제로가 아닌 자속이 생성되었고, 이에 따라, 유도될 수 있었던 전압을 제한하였다.

이 제한은, 서로에 대해 자기 대치 상태인 연속적인 자석을 편극 방향이 대향하도록 배향함으로써, 본 발명의 또 다른 실시예에 의해 극복된다. 이러한 시스템은 또다시 두 개의 자석 및 두 개의 코일만으로 단순화된 경우에 대해 도 6에 예시되어 있다. 이 도면의 자석(40a, 40b)은 도 4의 자석(24a, 24b)과 유사하지만, 대향하는 극성 화살표(42a, 42b)로 표시된 바와 같이, 대향하는 자기 배향(magnetic orientation)을 하고 있다. 이전과 같이, 양 단부에서 두 자석과 접착된 비자성 로드(44), 또는 다른 간편한 결합 기구에 의해 직렬로 이동하도록 자석이 결합된다. 도 4의 코일(26a, 26b)과 유사한 한 쌍의 코일(46a, 46b)이 설치되며, 또한, 자석과 동일한 길이 및 상호 간격을 가지는 것이 바람직하다. 일 단부로부터 다른 단부로 코일을 관통하여 전진하도록 결합된 자속의 이동은 도 6에 예시되어 있다.

도 7a는, 도 5의 궤적(trace)을 발생하기 위해 사용된 시스템과 유사하지만, 반대로 향하는 연속적인 편극 벡터(50)를 갖는 자석 기호(48)에 의해 표시된 바와 같이, 서로에 대해 연속적인 자기 대치 상태인 5개의 자석을 갖는 5개의 자석 시스템에서 발생된 전압의 궤적이다. 자기 배향이 모두 동일한 방향일 경우에 얻어지는 5개의 양 및 5개의 음의 피크 전압이 아니라, 3개의 양 및 3개의 음의 전압 피크만 실현되었다. 좌우의 종단 전압 피크(52 및 54)는 자기 배향이 공통된 도 5의 시스템에서의 최대 종단 전압 피크과 진폭이 유사하다. 그러나, 중간 피크는 도 5보다 작지 않은 더 큰 전압 레벨을 나타내었다. 이것은, 대향하는 편극 때문에 필수적으로 제로로 "리셋(reset)"되는 연속 자석간의 축방향 자속으로서, 잔여 자속이 자석 사이에 남아 있는 공통 자기 배향 시스템의 경우보다, 자석이 코일을 통과할 경우에 더 큰 자속 차분을 생성하는 연속 자석간의 축방향 자속으로 인한 것으로 생각된다. 두 개의 종단 피크(52 및 54)는 첫 번째 코일에 진입하는 선두 자석과, 마지막 코일을 빠져나오는 마지막 자석에 해당하는 반면, 4개의 중간 피크는 5개의 연속적인 자석 사이의 4개의 자속 리셋 지점으로 인한 것이다. 도 7a의 시스템에 대한 최대 전압의 값은 도 3 및 5의 시스템에 대한 최대 전압을 적당한 양만큼 초과하지만, 전압의 제곱에 대한 출력 전력의 의존성으로 인해 상당히 더 큰 출력 전력이 된다.

도 7b는, 도 7a와 동일한 시스템이지만, 연속적인 자석 사이의 간격이 절반만큼 1.27cm로 감소된 시스템에 대해 얻어진 전압 출력을 도시한 것이다. 전압 레벨에 상응하여 더 높은 전력 출력을 갖는 더 큰 전압 레벨이 얻어졌다.

연속적인 자석을 서로에 대해 자기 대치 상태로 배치하여 추가되는 장점은 도 8에 극명하게 예시되어 있으며, 도 8은, 도 7b에 대한 시스템과 동일하지만, 대향하는 극성 벡터가 아니라 공통 극성 벡터를 가지는 두 개의 연속 자석(56 및 58)을 지닌 시스템에서 달성되는 전압 출력을 도시한 것이다. 두 개의 공통 편극 자석 사이의 영역에 해당하며 현저하게 감소된 값을 갖는 중간 피크(60)를 제외하고는, 도 7b에 대한 결과와 유사한 결과가 얻어졌다.

대향하는 자화 극성과 직렬로 이동하는 더 많은 수의 자석 쌍방의 결과로서 얻어질 수 있는 장점이 도 9에 예시되어 있으며, 도 9에서, 상대 전력 출력(relative power output)은 각종 시스템에 대한 자석 수의 함수로서 그려져 있다. 각 시스템은 도 3, 5, 7a, 7b 및 8에서와 같이 동일한 타입의 동일한 수의 자석 및 코일을 사용하였다. 일부 결과는 측정되었고(meas.) 나머지는 계산되었다(calc.). 도면에 표시된 바와 같이, 자석 및 코일 사이의 1.27cm 및 2.54cm 쌍방의 간격은 대향하는(anti) 자기 편극을 갖는 자석에 대해 사용되었고, 공통 또는 평행한(para) 자기 배향을 갖는 시스템과, 공통 배향을 가지며 중간에 틈이 없는 동일한 수의 자석이 사용된 "단일 스택(single stack)"과도 비교되었다. 하나의 자석 및 하나의 코일의 전력 출력을 기본으로 이용하여, 5개의 자석과, 1.27cm 및 2.54cm의 간격을 갖는 대향하는 자화 시스템에 대해서는 약 37 및 33의 상대 전력 출력이 각각 측정된 반면, 동일하지만 각각 6개의 자석을 갖는 시스템에 대해서는 약 57 및 51의 상대 전력 출력이 계산되었다. 따라서, 대향하는 편극을 갖는 시스템에서 여분의 자석 및 코일을 추가하는 것은 추가된 양의 하드웨어를 초과하여 전력 출력을 증가시키게 됨을 알게 되었다.

본 발명은 많은 수의 응용을 가지며, 정지된 코일에 대해 자석을 이동시키거나, 정지된 자석에 대해 코일을 이동시키거나, 또는 이 두 방법에 의해 이용될 수 있다. 후자의 타입의 왕복 시스템은 원격 송신 기능을 갖는 배터리 전원 공급형 환 경 센서로서 도 10에 예시되어 있다. 한 쌍의 영구 자석(62 및 64)은 자성 로드(66)에 의해 서로 결합되어 직렬로 이동하며, 자석은 서로에 대해 자기 대치 상태로 배향되어 있다. 인접한 가동 자석(62 및 64)에 대해 각각 축방향으로 극성 대치 상태인 튜브의 양 단부에 종단 자석(70 및 72)을 갖는 중공 튜브(hollow tube)로서 예시된 비자성 지지 구조체(68) 내부에 자석이 수납되어 있다. 서로 마주보는 가동 자석과 종단 자석의 단부는 동일한 자기 극성이므로, 가동 자석이 종단 자석에 접근하면, 가동 자석의 운동 에너지는 위치 에너지로 변환되고, 그 다음으로, 가동 자석이 종단 자석으로부터 반발하면, 다시 운동 에너지로 돌아간다. 자석은 자성유체(ferrofluid)와 같은 윤활유의 도움으로 튜브를 따라 이동하는 것이 바람직하다. 자성유체는 액체 운반체에 분산된 미세하게 나누어진 자기 또는 자화가능 입자의 분산제이다. 자성유체의 전파와 관련된 특허의 개요는 미국특허 제6,056,889호에서 제공된다.

튜브로 둘러싸인 내부의 자성유체는 자석(62 및 64)의 극으로 자연적으로 끌어 당겨져서 각 자석의 단부의 극 주위에 방울(74, 76 및 78, 80)을 형성한다. 이것은, 수평 위치로부터 멀어지는 튜브의 틸트 이동 또는 수평으로의 튜브 이동 중 어느 하나에 응답하여 자석(62, 64)이 튜브 내에서 자유롭게 이동하게 하는 극도로 낮은 마찰 윤활유를 제공한다.

대표적으로 구리(copper)인 한 쌍의 도전성 코일(82, 84)은 튜브 주위로 감겨 있으며, 자석(62, 64)과 동일한 거리만큼 서로 이격되어 있다. 튜브에 대한 자석의 이동은 앞서 설명한 바와 같이, 코일에서 전류를 발생한다. 결합된 자석(62, 64)은 종단 자석(70, 72) 사이에서 전후로 왕복하여, 코일(82, 84)에 AC 전류를 발생한다. 도 10에 예시된 실시예에서, 코일(82, 84)의 전류는 브릿지 정류기(86 및 88)에 의해 각각 정류되어, 각각의 배터리(90 및 92)를 충전한다. 배터리는 함께 연결되어, 온도, 압력, 가스, 방사선 등의 하나 이상의 환경 조건을 검출할 수 있는 환경 센서(94)에 전원을 공급한다. 센서를 원격지에서 설정하기 위하여, 검출된 조건에 관한 정보를 송신하기 위한 송신기(96)가 구비될 수 있으며, 송신기는 배터리(90 및 92)가 오프(off) 상태에서도 동작한다. 이와 달리, 센서(94) 및 송신기(96)는, 배터리(90 및 92)를 제거함으로써, 코일(82 및 84) 또는 브릿지 회로(86 및 88)의 출력으로부터 직접 실시간으로 동작할 수 있다.

휴대전화기, 손전등 및 부유선광 장치로의 본 발명의 응용이 도 11, 12 및 13에 각각 예시되어 있다. 도 11은 사람의 셔츠 주머니나 벨트 클립에 둘 수 있는 휴대전화기(98)를 도시한 것이다. 도 10에 예시된 것과 같은 발전기/배터리 충전기(100)는 휴대전화기(98) 내부에서 지지되므로, 전화기가 사용자의 셔츠 주머니에 바로 세워져서 보관되거나 벨트 클립에 지지되고 있을 때에는 일반적으로 수평으로 배향되어 있다. 걷거나 먹을 때와 같은 통상적인 활동에 의해 전화기가 약간 이동하여 발전기 내부의 자석이 전후로 왕복하게 되며, 이것은 내부 배터리를 충전하여 전화기를 동작시킬 것이다.

도 12는 휴대형 손전등에 적용될 때의 본 발명을 예시한 것이다. 앞서 설명한 것과 같이, 결합된 자석, 코일 및 종단 자석으로 구성된 발전기(102)는 손전등 하우징(104) 내부에 설치되어 있으며, 조명용 전구(106)는 일 단부가 전구 접촉부 (108)에 지지됨과 동시에, 전구에 접근하기 위해 나사로 분리될 수 있는 투명판(110)을 통해 빛을 출사한다. 앞서 설명한 다른 실시예에서와 같이, 발전기(102)는, 전구 접촉부(108)와 회로로 접속된 배터리(114)를 충전하는 브릿지 회로(112)에 의해 정류되는 AC 출력을 제공한다. 또한, 실시간으로 손전등 동작을 원한다면, 배터리가 제거될 수 있으며, 본 발명의 임의의 응용에서는, AC 신호로부터 바로 동작하기를 원한다면, 브릿지 회로가 제거될 수 있다.

파동 작용에 의해 동작되는 발전기에 본 발명을 응용한 것이 도 13에 예시되어 있다. 이 시스템은, 비상 송신기, 수중 케이블용 중계국이나, 다른 방법으로는 입수할 수 없는 전기 전원을 필요로 하는 기타의 해양 응용제품에 전원을 공급하기에 유용하다. 예시된 실시예에서는, 물(118) 위에 떠다니는 부유 링(116)의 형태로 발전기가 설치되어 있다. 링은 관 형상이고, 함께 결합되어 직렬로 이동하는 복수의 자석(120, 122, 124)을 실장하고 있으며, 연속적인 자석은 서로에 대해 극성 대치 상태이다. 임의의 종단 자석(126, 128)이 설치되거나, 가동 자석(120, 122, 124)이 중단되지 않고 링 주위를 자유롭게 돌아다니게 할 수 있다. 간략함을 위하여 도시되지 않은 코일은 가동 자석의 경로를 따라 분포될 것이며, 길이 및 간격이 자석과 일치하는 것이 바람직하다. 관련된 정류기 회로, 배터리 및 동작 시스템(도시되지 않음)도 설치될 수 있으며, 관련된 장치는 자석의 이동에 따라 생성되는 전기신호에 의해 동작한다. 또한, 링은 공기 중에 부양되게 할 수 있으며, 바람의 작용에 의해 동작할 수 있다.

발전기의 물리적 구성에 관한 많은 상이한 변형이 가능하다. 예를 들어, 도 14는 결합된 자석이 코일의 내부보다는 코일의 외부에 배치되어 있는 변형을 예시한 것이다. 복수의 링 형상 자석(130, 132, 134)은 비자성 지주(strut)(136)에 의해 함께 결합되어, 단면으로 도시되어 있는 코일(138, 140, 142) 위로 이동한다. 코일은 자석이 그 위로 슬라이딩하는 비자성 굴대(mandrel)의 내부에 감길 수 있으며, 함께 접속되어 누적 출력을 제공한다.

본 발명을 위한 바람직한 자성유체 윤활유는 대략 10 센티푸아즈(cp) 미만, 실제로는 2 cp 미만의 점도를 가지며, 0.0008-0.0012 범위의 극도로 낮은 정적 마찰 계수를 달성한다. 이것과 그 외의 적당한 자성유체 조성물은 본 출원인에 의해2002년 2월 19일에 출원되고 본 발명의 양수인인 Innovative Technology Licensing, LLC에 양도된 "자성유체 베어링을 갖는 발전기(Electrical Generator with Ferrofluid Bearings)"으로 명명된 계류중인 특허출원번호 제10/078,724호에서 논의되고 있다. 상기 출원의 내용은 참조를 위해 여기에 포함된다.

조성물은, 한 성분이 Ferrotec(USA) Corporation의 EFH1 경광유(light mineral oil) 자성유체이고, 이소파라핀산(isoparaffinic acid)의 2 내지 4개의 성분으로부터 24시간 동안 흔들어서 혼합한 혼합물을 포함한다. 이소파라핀산의 적당한 원료는 Exxon Mobil Chemical 주식회사의 Isopar 6 및 Isopar M 탄화수소 유체이다. 또한, Ferrotec(USA) 주식회사의 EMG 805 등의, 약 0.02에 이르는 정적 마찰 계수를 갖는 다른 자성유체와, 약 0.01의 정적 마찰 계수와 약 5cp의 점도를 갖는 물 기반(water-based)의 자성유체와 같이, 희석되지 않은 EFH1 자성유체는 매우 낮은 마찰을 달성하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 몇몇 실시예가 도시되고 설명되었지만, 많은 변형 및 대안적인 실시예가 당업자에게 발생할 것이다. 따라서, 본 발명은 후술하는 청구범위에 의해서만 한정될 것을 의도한 것이다.

Claims (35)

1. 공통 축을 따라 분포된 상호 이격된 복수의 도전체(82, 84)와,

   상기 축을 따라 상기 도전체에 대하여 함께 이동하도록 배치된 상호 이격된 복수의 자석(62, 64)

   을 포함하며,

   상기 복수의 자석 중 적어도 일부는 상기 복수의 도전체에 자기적으로 근접하게 이동 가능하고, 상기 도전체에 대한 상기 자석의 이동은 상기 도전체에 전기신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 발전기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 도전체는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
3. 제 2 항에 있어서, 동일한 수의 상기 자석과 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 자석 및 코일은 상기 축을 따라 실질적으로 동일한 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 발전기.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 자석들 사이의 간격은 상기 코일들 사이의 간격과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 발전기.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 자석은 상기 코일 내부에서 상기 코일에 대하여 이동하도록 배치된 것을 특징으로 하는 발전기.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 자석은 상기 코일의 외부에서 상기 코일에 대하여 이동하도록 배치된 것을 특징으로 하는 발전기.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 축을 따라 연속적인 자석들은 자성이 서로 반대가 되도록 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 발전기.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 자석들은 상기 축과 평행한 연속적인 자석들로부터의 자기장이 상기 자석들 사이의 위치에서 서로 실질적으로 상쇄되는 유사한 자기장(8)을 발생시키는 것을 특징으로 하는 발전기.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 자석은 영구 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 축은 실질적으로 선형인 것을 특징으로 하는 발전기.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 자석은 상기 축을 따라 상기 도전체에 대해 왕복 선형 운동을 하도록 배치된 것을 특징으로 하는 발전기.
13. 제 1 항에 있어서, 상기 축은 원형인 것을 특징으로 하는 발전기.
14. 제 1 항에 있어서, 상기 자석을 위한 지지 구조체(68)와, 상기 자석과 상기 지지 구조체 사이에 저마찰 윤활유를 제공하는 자성유체(74, 76, 78, 80)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
15. 제 1 항에 있어서, 상기 자석을 위한 지지 구조체(68)와, 상기 자석과 상기 지지 구조체 사이의 윤활유(74, 76, 78, 80)를 더 포함하며,

    상기 윤활유는 0.01 미만의 정적 마찰계수 및 10 센티푸아즈 미만의 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 발전기.
16. 제 1 항에 있어서, 상기 도전체들은 각자의 전기신호가 합성되도록 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 발전기.
17. 제 1 항에 있어서, 상기 전기신호에 의해 전원이 공급되도록 접속된 동작 시스템(86, 88, 90, 92)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
18. 제 17 항에 있어서, 상기 동작 시스템은 배터리 충전기(86, 88, 90, 92), 휴대 전화기(98), 환경 센서(94), 신호 송신기(96) 또는 손전등(104)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
19. 제 17 항에 있어서, 상기 동작 시스템은 배터리에 의해 동작되며, 상기 배터리(90, 92)는 상기 전기신호에 의해 재충전되도록 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 발전기.
20. 제 17 항에 있어서, 상기 도전체는 상기 전기신호가 상기 동작 시스템에 실시간으로 전원을 공급하도록 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 발전기.
21. 적어도 하나의 도전성 코일(82, 84)과,

    상기 적어도 하나의 코일에 대해 함께 이동하도록 속박되어 있는 상호 이격된 복수의 자석(62, 64)

    을 포함하며,

    상기 자석이 상기 적어도 하나의 코일에 대해 이동하면, 교대로 증가 및 감소하는 자기장이 상기 적어도 하나의 코일에 생성되어 상기 적어도 하나의 코일에 전류를 발생시키는 것을 특징으로 하는 발전기.
22. 제 21 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 코일은 상호 이격된 복수의 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 코일 및 자석은 공통 축을 따라 배치된 것을 특징으로 하는 발전기.
24. 제 23 항에 있어서, 상기 코일의 길이 및 코일들 사이의 간격은 상기 자석의 길이 및 자석들 사이의 간격과 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 발전기.
25. 제 22 항에 있어서, 상기 코일들은 각자의 전기신호가 합성되도록 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 발전기.
26. 제 21 항에 있어서, 연속적인 자석들은 자성이 서로 반대가 되도록 배향되어 있는 것을 특징으로 하는 발전기.
27. 제 26 항에 있어서, 상기 자석들은 자석의 이동 방향과 평행한 연속적인 자석들로부터의 자기장이 상기 자석들 사이의 위치에서 서로 실질적으로 상쇄되는 유사한 자기장(8)을 발생시키는 것을 특징으로 하는 발전기.
28. 제 21 항에 있어서, 상기 자석을 위한 지지 구조체(68)와, 상기 자석과 상기 지지 구조체 사이에 저마찰 윤활유를 제공하는 자성유체(74, 76, 78, 80)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
29. 제 21 항에 있어서, 상기 자석을 위한 지지 구조체(68)와, 상기 자석과 상기 지지 구조체 사이의 윤활유(74, 76, 78, 80)를 더 포함하며,

    상기 윤활유는 0.01 미만의 정적 마찰계수 및 10 센티푸아즈 미만의 점도를 갖는 것을 특징으로 하는 발전기.
30. 제 21 항에 있어서, 상기 전류에 의해 전원이 공급되도록 접속된 동작 시스템(86, 88, 90, 92)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
31. 제 30 항에 있어서, 상기 동작 시스템은 배터리 충전기(86, 88, 90, 92), 휴대 전화기(98), 환경 센서(94), 신호 송신기(96) 또는 손전등(104)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기.
32. 상호 이격된 복수의 도전성 코일(82, 84) 내부에 자기장(8)을 생성하는 단계와,

    상기 자기장을 서로 교대로 증가 및 감소시켜 상기 코일에 전류를 발생시키는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전방법.
33. 제 32 항에 있어서, 상기 자기장은 제로가 아닌 자기장 값과 실질적으로 제로인 자기장 값 사이에서 반복되는(alternate) 것을 특징으로 하는 발전방법.
34. 제 32 항에 있어서, 상기 전류를 합성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전방법.
35. 제 32 항에 있어서, 상기 전류에 의해 동작 시스템(86, 88, 90, 92)에 전원을 공급하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 발전방법.

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