KR20080082209A

KR20080082209A - 플라이휠 구동장치

Info

Publication number: KR20080082209A
Application number: KR1020070022718A
Authority: KR
Inventors: 김창숙
Original assignee: 김창숙
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2008-09-11
Also published as: KR100882853B1; WO2008108575A1

Abstract

본 발명은 회전자내 플라이휠의 회전방향에 대하여 자력이 증감되도록 다수 개의 영구자석을 원형으로 배열하여 이루어진 영구자석과, 영구자석의 대향면에 원형으로 설치되어 회전하는 영구자석에 인력 및 척력을 발생시키도록 전기에 의해 그 극성이 변경되도록 하며 영구자석의 대향면에 영구자석의 2배수로 구성한 전자석과, 영구자석과 동일한 주기로 회전하여 전자석에 대향하는 영구자석과는 반대 극성의 자력이 인가되도록 하고, 전자석에 인접한 전자석에는 동일극성의 자력이 인가되도록 전자석의 외부에 연결된 정류자를 포함하여 이루어지므로, 가능한 한 유도기전력을 발생시키는 코일의 양을 적게 사용할 수 있고, 이 유도기전력에 인력 및 척력을 공급하는 영구자석의 자력에 의해 가속력을 구할 수 있는 것으로 플라이휠 구동장치가 대형화될수록 보다 적은 힘으로 고속의 회전력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

플라이휠 구동장치{A DRIVING DEVICE FOR A FLYWHEEL}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠의 구동장치를 개략적으로 나타낸 내부 평면도.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 회전자 내에 설치된 영구자석의 배열상태를 나타낸 배열상태도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치에 전원을 공급하는 정류자를 개략적으로 나타낸 내부 사시도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전자석의 외관을 나타낸 사시도.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 2개의 정류자와 하나의 플라이휠 구동장치를 축으로 연결한 상태를 나타낸 동작상태도.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치에서 전자석과 영구자석의 힘의 작용을 설명하기 위한 동작상태도.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 2개의 정류자와 1개의 플라이휠 구동장치를 연결한 상태를 나타낸 평면도.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치의 사용상태를 나타낸 일부 사시도.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치를 이용하여 운송수단을 구동하는 상태를 나타낸 사용상태도.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따라 플라이휠 구동장치를 이용하여 기차 등을 구동하는 상태를 나타낸 사용상태도.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치를 이용하여 산업기계 및 중장비 등에 채용한 상태를 나타낸 사용상태도.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치를 이용하여 선박을 구동하는 상태를 나타낸 사용상태도.

도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치를 이용하여 비행기를 구동하는 상태를 나타낸 사용상태도.

본 발명은 플라이휠 구동장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 관성모멘트가 큰 플라이휠을 회전시키기 위한 구동장치에 관한 것으로 특히 일정한 반지름(R)과 질량(M)을 가진 플라이휠을 원주(P)에서 작은 여러 개의 힘(영구자석 및 전자석)의 인력과 척력을 이용하여 플라이휠을 고속으로 회동시켜 얻어지는 에너지를 전기생산, 모터, 자동차, 전동차, 선박, 항공기의 구동 등에 활용할 수 있는 플라이휠 구동장치에 관한 것이다.

일반적인 플라이휠은 소형 모터, 유도 전동기, 발전기 등의 내부 부품을 이루고 있으며, 대형으로는 발전소 등의 구동장치로써 널리 사용되고 있다. 그러나, 플라이휠의 크기가 대형화될수록 그 비효율성이 증가하게 된다.

적은 힘으로 플라이휠을 회전시키는 것이 바람직하나 플라이휠이 대형화되면 될수록 관성모멘트는 증가하지만, 이에 따라 마찰력도 증가하며 필요한 유도코일의 양이 증대될 뿐만 아니라 영구자석의 양도 증대되어 제조원가만 높이는 결과를 초래하고 있어 실사용에 응용되지 못하는 문제점이 있다.

따라서, 가능한 한 유도기전력을 발생시키는 코일의 양을 적게 사용하고 이 유도자기에 인력 및 척력을 공급하는 영구자석의 자력에 의하여 가속력을 낼 수 있도록 할 필요성이 있다.

또한, 유도기전력과 영구자력의 인력 및 척력을 조절하기 위한 수단을 통해 자력과 가속력을 극대화시키기 위해 유도자기와 영구자기력과 영구자력이 가능한 한 직교되는 위치에 놓이게 함으로써 이로 인한 플라이휠에 가해지는 동력을 극대화시킬 필요성도 있다.

또한, 유도기전력과 영구자력에 의해 발생하는 인력 및 척력으로 플라이휠이 회전할 때 자력에 의하여 방해를 최대한 적게 받도록 하여 그 효율을 극대화시킬 필요성도 있다.

따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하고 전술한 필요성을 충족시키기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 유도기전력과 영구자력, 즉 자속의 변화에 의하여 회전하는 플라이휠에 가속력이 부가되게 하여 적은 힘으로도 커다란 힘을 발휘할 수 있는 플라이휠의 구동장치를 제공하는 데에 있는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 유도기전력과 영구자석에 의한 자력이 가능한 한 직교되는 위치에 놓이도록 함으로서, 유도기전력과 영구자력의 인력 및 척력을 조절하고, 자력과 가속력을 극대화시킬 수 있도록 구성한 플라이휠 구동장치를 제공하는 데에 있는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 플라이휠의 회전시 영구자석에 의한 자극과 전자석의 자극에 의한 방해 현상을 최소화하여 회전 가속력을 증가시킬 수 있는 플라이휠의 구동장치를 제공하는 데에 있는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 플라이휠 구동장치는 회전자내 플라이휠의 회전방향에 대하여 자력이 증감되도록 다수 개의 영구자석을 원형으로 배열하여 이루어진 영구자석과, 영구자석의 대향면에 원형으로 설치되어 회전하는 영구자석에 인력 및 척력을 발생시키도록 전기에 의해 그 극성이 변경되도록 하며 영구자석의 대향면에 영구자석의 2배수로 구성한 전자석과, 영구자석과 동일한 주기로 회전하여 전자석에 대향하는 영구자석과는 반대 극성의 자력이 인가되도록 하 고, 전자석에 인접한 전자석에는 동일극성의 자력이 인가되도록 전자석의 외부에 연결된 정류자로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠의 구동장치를 개략적으로 나타낸 내부 평면도이다.

도 1을 참조하여 보면, 일정한 길이의 반지름(R)과 질량(M)을 가진 플라이휠 구동장치(10)를 원주(P)에서 작은 여러 개의 힘(영구자석 및 전자석)의 인력과 척력을 이용하여 플라이휠 구동장치(10)를 고속으로 회전시키는 것이다. 플라이휠 구동장치(10)의 중심은 회전축(2)에 의해 고정되고, 원주(P)의 둘레를 따라 다수개의 영구자석(12-1, 12-2, ...12-n)이 설치되어 있다. 이 영구자석(12-1, 12-2, ...12-n)은 회전하도록 구성되며, N극과 S극을 각각 교대로 배치하여 구성한다. 그리고, 대향면에 구성된 다수개의 유도자석 즉 전자석(A1, A2, ..., A2n)은 영구자석(12-1, 12-2, ...12-n)의 2배의 개수로 설치한다. 전자석(A1, A2, ..., A2n)은 유도코일을 권선한 철심으로 이루어져 있으며 전기 공급시 2중 권선하고, 각각 2개의 정류자(50a, 50b)에 각각 그 극성을 반대로 연결하여 N극과 S극이 번갈아 나타나도록 구성한다. 전자석(A1, A2, ..., A2n)의 N극과 S극을 제어하기 위하여 2개의 정류자(50a, 50b)를 설치한다. 또한, 이때, 플라이휠 구동장치(10)와 2개의 정류자(50a, 50b)는 그 회전수가 일치하여야 하며, 이를 위해 플라이휠 구동장치(10)의 축의 직경과 각각의 정류자(50a, 50b)의 직경은 동일하게 구성하고, 정류자(50a, 50b)와 플라이휠 구동장치(10)가 함께 오차없이 회전하도록 제어하기 위하여 각각 체인 또는 타이밍 벨트(51a, 51b)로 연결하여 회전시킨다.

회전축(2)에 설치된 풀리(4)에 연결된 정류자(50a, 50b)는 전기를 공급하는 도넛 형태의 전원공급수단(11 : 도 5 참조)으로부터 카본(13)을 통해 전기를 공급받는다. 카본(13)은 정류자편 개수의 1/4 개수를 동일 간격으로 배치한다. 예컨대, 카본(13)은 정류자편이 16개인 경우에는 90°각도로 4개 배열하고, 정류자편이 32개인 경우에는 45°각도로 8개 배열하며, 정류자편이 8개인 경우에는 180°각도로 2개 배열하여 구성한다. 그리고, 카본(13)은 상기 정류자편의 상부면에 그 형상과 같은 형상, 즉, 호 형태로 구성하며, 전원공급수단(11)과 연결하여 구성한다. 그리고, 카본(13)을 회전시키면, 전원공급수단(11) 및 카본(13)을 통해 출력된 전류가 교대로 각각의 정류자편에 공급되도록 정류자편에 접촉되어 구성된다. 한편, 카본(13)은 회전하지만, 카본과 전기적으로 접촉된 정류자(50a, 50b)는 고정되어 있는 상태를 유지한다.

전원공급수단(11)은 각각의 정류자(50a, 50b)의 내측에 도넛 형태로 각각 하나씩 구성되어 있다. 회전축(2)에는 풀리(4)가 고정되어 벨트(5)를 통하여 동력기기인 발전기(6)를 구동하도록 구성되어 있으며, 발전기 이외의 장치로 자동차와 같은 운반기기에 연결될 수도 있다.

그리고, 플라이휠 구동장치(10)의 영구자석(12-1, 12-2, ..., 12-n)의 대향면에는 다수개의 전자석(A1, A2, ..., A2n)이 형성된다. 전자석(A1, A2, ..., A2n)과 영구자석(12-1, 12-2, ..., 12-n)의 인력 및 척력에 의하여 내측의 대향면에 구 성된 영구자석(12-1, 12-2, ..., 12-n)이 회전함으로써 플라이휠 구동장치(10)에 동력이 발생하게 되며, 외측에 고정된 전자석(A1, A2, ..., A2n)은 고정된 상태를 유지한다.

도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 일실시예에 따른 회전자 내에 설치된 영구자석의 배열상태를 나타낸 배열상태도이다.

도 2a 내지 도 2d를 참조하여 보면, 상기 영구자석(12-1, 12-2, ..., 12-n)중 어느 하나의 영구자석의 배열상태가 도시되어 있으며, 특히 도 2a 및 도 2b는 동일한 실시예를 나타내며, 각각 정면도와 측면도를 나타낸다. 도 2a 및 도 2b의 실시예는 일정한 크기의 영구자석(12-1, 12-2, ..., 12-n)이 배열되어 있으며, 그 영구자석(12-1, 12-2, ..., 12-n) 중 어느 하나의 영구자석(12-1)을 살펴보면, 중심에 위치한 중심자석(J4)과 중심자석(J4)의 주변에 위치한 다수의 주변자석(J1, J2, J3, J5, J6, J7)으로 구성되며, 각각의 자석(J1, J2, ..., J7)의 자력을 나타내는 단위인 가우스량은 각각 상이하며, 중심에 위치한 중심자석(J4)을 중심으로 그 자력이 대칭을 이룬다. 이는 플라이휠 구동장치(10)를 고속으로 회전시키기 위하여 그 자력을 일정하게 평행상태를 유지시켜 그 회전력을 극대화시키기 위한 것이다. 이때, 중심에 배치되는 자석(J4)의 자력을 가장 크게 설정한다.

한편, 영구자석(12-1, 12-2, ..., 12-n) 중 어느 하나를 예로 들면 하나의 영구자석(12-1, 12-2, ..., 12-n)을 7개의 각각 그 자력에 차이가 있는 자석을 붙여 구성하고 영구자석은 중심을 기준으로 하여 그 자력이 순차 증가하는 크기로 맨 우측의 자석(J1)은 1000가우스, 그 옆의 자석(J2)는 2000가우스, 다시 그 옆의 자 석(J3)은 3000가우스와 같이 순차적으로 높이며 중심에 있는 자석(J4)은 5000가 될 수 있으며, 다시 중심으로부터 우측에 있는 3개의 자석(J5, J6, J7)은 각각 3000, 2000, 1000 가우스로 중심자석(J4)를 기준으로 대칭되게 구성할 수 있다.

도 2c 및 도 2d의 실시예는 그 자력의 크기가 같거나 다른 종류의 자석을 계단형태로 구성하여 그 플라이휠 구동장치(10)의 회전방향에 따라 자석의 중심으로부터 그 주변으로 갈수록 자석(B1, B2, ..., Bm)의 자력이 감소되도록 구성한 것이다. 이와 같이 층이 지도록 구성하였으므로 중앙의 자석(B4)을 제외하고 그 주변의 자석(B1, B2, B3, B5, B6, B7)은 같은 가우스량을 가지도록 구성하여도 전자석(A1, A2, ..., A2n)에 상호 미치는 가우스량은 그 단부로 갈수록 작아지도록 구성한 것이다. 이때, 상기 1개의 극편내에 설치하는 자력이 높은 중심자석과 같은 극성으로 다수 개를 대칭되게 배치하되, 상기 중심자석(J4)에서 약한자력을 갖는 보조자석(J1, J2, J3, J5, J6, J7)쪽으로 바람직하게는 2° 내지 45° 경사를 두어 자력충돌을 예방하도록 구성한다.

한편, 도 2c 및 도 2d에 도시된 실시예, 즉, 그 계단형태로 구성한 각각의 자석에 대해서도 도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예와 마찬가지로 각각의 주변자석(B1, B2, B3, B5, B6, B7)의 가우스량을 다르게 구성하여도 전자석(A1, A2, ..., A2n)에 미치는 가우스량은 중심에서 주변으로 갈수록 줄어들게 된다. 즉, 도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예와 도 2c 및 도 2d에 실시된 실시예는 제조공정의 편이에 따라 그 특징을 결합하여 제조할 수 있다. 예컨대, 각각 다른 자력을 갖는 자석을 각각 구해서 접합하는 것은 그 재료를 각각 구해서 이를 접합해야 하지만, 도 2c 및 도 2d의 실시예는 동일한 소재를 가공하여 제조할 수 있으며, 또한, 또는 동일한 또는 각각 다른 자력을 갖는 재질의 자석을 계단형태로 붙여 구성할 수도 있다.

이때, 중심자석(B4, J4)과 주변자석(J1, J2, J3, J5, J6, J7, B1, B2, B3, B5, B6, B7)의 폭은 동일하게 구성하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치에 전원을 공급하는 정류자를 개략적으로 나타낸 내부 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전자석의 외관을 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 2개의 정류자와 하나의 플라이휠 구동장치를 축으로 연결한 상태를 나타낸 동작상태도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치에서 전자석과 영구자석의 힘의 작용을 설명하기 위한 동작상태도이다.

도 3 내지 도 6을 참조하여 보면, 먼저, 도 3은 전자석이 8개인 경우이며, 따라서, 영구자석은 4개가 설치되어 구성된다. 한편, 설명의 편의를 위해 영구자석(12-1, 12-2, 12-3, 12-4)은 좌측으로부터 제1 내지 제4 영구자석(12-1, 12-2, 12-3, 12-4)으로 각각 칭하기로 하고, 전자석(A1~A8)은 좌측으로부터 각각 제1 내지 제8 전자석(A1~A8)으로 칭하기로 한다. 이와 같이 8개의 전자석(A1~A8)으로 구성되는 정류자(50a, 50b)에는 8개의 정류자편(50-1~50-8)으로 구성된 정류자(50a, 50b)를 사용한다. 그리고, 전술한 바와 같이 8개로 구성된 정류자편에는 그 위상차가 180°각도로 2개 배열하여 구성한다.

도 4에는 전자석(A1~A8) 중 제1 전자석(A1)이 도시되어 있다. 제1 전자석(A1)은 유도코일을 권선한 철심(14)으로 이루어져 있으며 전기 공급시 N극과 S극 이 번갈아 나타나도록 하기 위하여 유도코일을 권선시에 2개의 선을 함께 권선하여 각각 4개의 단자(T1, T2, T3, T4)를 형성한다. 그 번호에 대응하여 제1 내지 제4 단자(T1, T2, T3, T4)로 각각 칭하기로 한다. 이때, 제1 단자(T1)와 제2 단자(T2)가 유도코일의 동일선이며, 제3 단자(T3)와 제4 단자(T4)가 유도코일의 동일선이다.

도 5에서는 전자석이 16개 설치된 경우이며, 전술한 바와 같이 2개의 정류자(50a, 50b)가 사용되었고 전자석에 대응하여 정류자편(50-1~50-16)도 각각 16개씩 설치한다. 정류자(50a, 50b)의 다수의 정류자편(50-1~50-16)을 각각 제1 내지 제16 정류자편(50-1~50-16)으로 칭하기로 한다.

먼저, 제1 전자석(A1)의 제1 단자(T1)와 제2 단자(T2)가 2개의 정류자(50a, 50b) 중 하나의 정류자(50a)(이후, 제1 정류자라 칭함)의 제1 정류자편(50-1)에 연결된다. 그리고, 제1 전자석(A1)의 제3 단자(T3)와 제4 단자(T4)가 나머지 정류자(50b)(이후, 제2 정류자라 칭함)의 제1 정류자편(50-1)에 연결된다. 2개의 정류자(50a, 50b) 중 어느 하나에서 각각의 카본(13-1, 13-2, 13-3, 13-4)의 위상차는 90°가 되도록 배치한다. 그리고, 2개의 각각의 정류자(50a, 50b) 간의 각각의 카본(13-1, 13-2) 간의 위상차는 45°, 135°, 225°또는 315°의 위상차가 난다. 그리고, 카본(13-1, 13-2, 13-3, 13-4)을 각각 그 번호에 따라 제1 카본 내지 제4 카본(13-1, 13-2, 13-3, 13-4)이라고 칭한다.

그리고, 각각의 정류자(50a, 50b)는 정류자편(50-1~50-16)에 공급되는 전원공급수단(11) 배선시에 극성을 반대로 하여 제1 정류자(50a)에 의해 연결되는 전자 석(A1~A16)이 N극의 특성을 가지면, 제2 정류자(50b)에 의해 연결되는 각각의 전자석(A1~A16)이 S극의 특성을 갖도록 반대로 배선한다. 반대로 제1 정류자(50a)에 의해 연결되는 전자석(A1~A16)이 S극의 특성을 가지면, 제2 정류자(50b)에 의해 연결되는 각각의 전자석(A1~A16)은 N극의 특성을 갖도록 반대로 배선한다. 이때는 회전자인 영구자석(12-1, 12-2, ...12-n)의 극배치도 반대로 순서를 바꾼다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 제1 단자(T1)를 제1 정류자(50a)의 제1 정류자편(50-1)에 연결하고, 제2 단자(T2)를 제1 정류자(50a)의 전원공급수단(11)에 전기적으로 연결된 스냅링(11-1)에 연결한다. 마찬가지로 제1 정류자(50a)의 제2 내지 제16 전자석(A2~A16)도 각각의 제1 정류자(50a)의 정류자편(50-2~50-16) 및 스냅링(11-1)에 각각 연결하여 제1 정류자(50a)와 전기적으로 연결되는 전자석(A1~A16)에는 N극이 인가되도록 구성한다. 그리고, 제3 단자(T3)를 제2 정류자(50b)의 전원공급수단(11)에 연결된 스냅링(11-1)에 연결하고, 제4 단자(T4)를 제2 정류자(50b)의 제1 정류자편(50-1)에 연결한다. 마찬가지로 제2 정류자(50b)의 제2 내지 제16 전자석(A2~A16)도 각각의 제2 정류자(50b)의 스냅링(11-1) 및 정류자편(50-2~50-16)에 각각 연결하여 제2 정류자(50b)와 전기적으로 연결되는 전자석(A1~A16)에는 S극이 인가되도록 구성한다.

여기서는, 앞서 설명한 바와 같이 설명의 편이를 위하여 제1 정류자(50a)가 연결되는 전자석(A1~A16)이 N극성으로 자화되도록 만들고, 제2 정류자(50b)가 연결되는 전자석(A1~A16)이 S극성으로 자화되도록 만든다고 가정하여 설명하기로 한다.

이와 같이 제1 정류자(50a)에서 회전하는 카본(13-1, 13-2, 13-3, 13-4)의 제1 카본(13-1)이 제1 정류자편(50-1)의 위에 오면 제1 전자석(A1)이 N극성을 갖는 전자석이 되고, 아울러 제1 정류자(50a)의 제2 카본(13-2)에 의해서는 제4 정류자편(50-4)과 연결된 제5 전자석(A4)이 N극성이 된다. 그리고, 제9 전자석(A9)및 제 13 전자석(A13)이 N 극성을 가지게 된다.

그리고, 동일시점에서 제2 정류자(50b)에의해서는 제3 전자석(A3)과 제7 전자석(A7), 제11 전자석(A11) 및 제15 전자석(A15)이 S극의 특성을 지니게 된다. 그러나, 앞서 설명한 것은 카본(13-1, 13-2)과 정류자편(50-1~50-8)이 정확하게 일치하는 경우에 대한 설명일 뿐이며, 실질적으로 빠르게 회전하는 카본(13-1, 13-2)과 정류자편(50-1~50-8)이 정확하게 일치하는 경우는 극히 짧은 시간으로 끝나며 대부분의 경우에 있어서, 카본(13-1, 13-2)은 정류자편(50-1~50-8)들 중 어느 인접한 2개의 정류자편(50-1~50-8)에 걸쳐있게 된다. 도면에서는 설명의 편의를 위하여 카본(13-1, 13-2, 13-3, 13-4)이 정류자편(50-1~50-16)보다 작게 표현하였지만, 실제 구성에 있어서는 카본(13-1, 13-2, 13-3, 13-4)이 정류자편(50-1~50-16)과 그 크기가 동일하거나, 각각의 정류자편(50-1~50-16)을 구분하는 절연체의 두께의 2배까지는 더 폭을 넓게 구성할 수 있다.

다시 겹쳐지는 경우에 대하여 설명하기 위하여 도 6에 도시된 상태에서 카본(13-1, 13-2)이 1°내지 44° 회전하였다고 가정하자. 여기서, 그 범위를 1°내지 44°로 한정하였지만, 이는 정류자편(50-1~50-8) 사이를 구분지어 절연시키는 절연체의 두께 등을 감안하기 위한 것이며, 이론적으로라면, 0°초과하는 어떤 각도 및 45°미만의 어떤 각도 이내에서도 유효하다고 볼 수 있다.

한편, 정류자편이 1°내지 44° 회전하면, 제1 정류자(50a)에서 제1 카본(13-1)은 제1 정류자편(50-1) 및 제2 정류자편(50-2) 위에 놓이게 되며 제1 정류자편(50-1) 및 제2 정류자편(50-2)에 연결된 제1 전자석(A1)과 제2 전자석(A2)을 N극으로 자화시킨다. 마찬가지로, 제2 카본(13-2)에 의해서는 제5 전자석(A5) 및 제6 전자석(A6)이 N극으로 자화되고, 제3 카본(13-3)에 의해서는 제9 전자석(A9) 및 제10 전자석(A10)이 N극으로 자화되며, 제4 카본(13-4)에 의해서는 제13 전자석(A4) 및 제14 전자석(A5)이 N극으로 자화된다.

한편, 동일 시각 제2 정류자(50b)에서는 제1 카본(13-1), 제2 카본(13-2), 제3 카본(13-3) 및 제4 카본(13-4)에 의해 각각, 제3 전자석(A3) 및 제4 전자석(A4), 제7 전자석(A7) 및 제8 전자석(A8), 제11 전자석(A11) 및 제12 전자석(A12), 제15 전자석(A15) 및 제16 전자석(A16)이 S극으로 자화된다. 이때, 각각의 전자석(A1~A16)은 원형 형태로 배열되므로 제1 전자석(A1)부터 제16 전자석(A16)까지 각각 그 극성을 순서대로 배열하면, NNSSNNSSNNSSNNSS극이 배열된 상태가 된다. 이때, 각각의 정류자(50a, 50b) 및 플라이휠 구동장치(10)가 대략 22.5°회전하면, SNNSSNNSSNNSSNNS극으로 변하게 된다. 따라서, 전자석의 내측에 배치된 영구자석(12-1 내지 12-4 ; 이 경우에는 4개의 영구자석을 배치 해야함)에 척력과 인력에 의해 회전하게 된다. 그리고, 각각의 정류자(50a, 50b)는 플라이휠 구동장치(10)의 회전에 대응하여 회전하며 그 속도를 조절할 수 있다.

그리고, 이는 2개의 정류자(50a, 50b)를 연결하는 회전축(2-2, 2-3)과, 플라이휠 구동장치(10)를 연결하는 회전축(2-1)의 원주의 길이가 같도록 구성하여 각각 의 정류자(50a, 50b)와 플라이휠 구동장치(10)의 회전수가 일치하도록 구성한다.

도 6에서 보면, 앞서 설명한 바와 같이 각각의 정류자(50a, 50b)가 전자석(A1, A2, ..., A2n)의 극성을 바꿔주는 역할을 한다. 정류자(50a, 50b)는 전자석(A1, A2, ..., A2n) 및 영구자석(12-1, 12-2, ..., 12-n)을 포함하는 플라이휠 구동장치(10)의 회전축(2-1)과 각각의 정류자(50a, 50b)의 회전축과 함께 동일한 주기로 회전한다. 따라서, S극성을 갖는 걸로 가정한 제1 영구자석(12-1)과 대향면에 위치한 제1 전자석(A1)에 S극성이 인가되고, 그 대향면과 시계방향으로 인접한 위치에 있는 제2 전자석(A2)에 N극이 인가되면, 제3 전자석(A3)도 N극이 되며, 제4 전자석(A4) 및 제5 전자석(A5)은 S극이 된다. 이때, 제1 영구자석(12-1)과 대향면에 위치한 제1 전자석(A1)과 시계 반대방향으로 인접한 제2n 전자석(A2n)에 의해 척력이 작용되고, 그 대향면과 시계방향으로 인접한 위치에 있는 제2 전자석(A2)과 제3 전자석(A3)에 의해서는 인력이 작용하여 회전하게 된다. 마찬가지로, 제2 영구자석(12-2), 제3 영구자석(12-3) 및 제4 영구자석(12-4)에도 동일한 원리에 척력 및 인력이 작용하고 이에 의해 회전하게 된다.

특히 플라이휠(1)의 원주 대면에 고정된 전자석(A1, A2, ..., A2n)에만 전원이 공급되어 영구자석(12-1, 12-2, ..., 12-n)들이 회전하므로 적은 소비전력으로 플라이휠 구동장치(10)를 회전시킬 수가 있다. 또한, 플라이휠 구동장치(10)의 회전은 중심축(2)에서의 동력에 의한 회전이 아니고, 원주측에서 발생하는 자력에 의한 힘(원주에서 직각방향으로 작용하는 힘)이기 때문에 적은 힘으로도 커다란 플라이휠 구동장치(10)를 회전시킬 수가 있다.

자력의 힘은 직교하는 방향에서 제일 크고 거리의 제곱에 반비례하므로 가능한 한 전자석(A1, A2, ..., A2n)과 영구자석(12-1, 12-2, ..., 12-n)의 거리(간격)을 적게 할 필요가 있다. 본 발명에서는 자력의 힘을 직교하는 방향으로 받게 하기 위하여 영구자석(12-1, 12-2, ..., 12-n) 극편마다 각각 다른 자극으로 구성된 제1 영구자석(12-1) 및 제2 영구자석(12-2)으로 구성되어 있고, 제1 영구자석(12-1)의 경우 원주에 다수 개의 영구자석(J1, J2, ..., J7)(B1, B2, ..., B7)이 그 중심을 기준으로 플라이휠 구동장치(10)의 회전방향 쪽으로 점차 강한 자력을 공급하도록 구성되고, 그후 점차 감소되는 자력(도 3a 내지 도 3d 참조)을 공급하도록 구성되어 있다.

한편, 전술한 정류자는 IC 스위칭소자를 이용하여 각각의 전자석에 공급되는 전류를 스위칭해서 스위칭된 전류를 공급할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 2개의 정류자와 1개의 플라이휠 구동장치를 연결한 상태를 나타낸 평면도이다.

도 7을 참조하여 보면, 각각의 정류자(50a, 50b)를 연결하는 회전축(2-2, 2-3)과 플라이휠 구동장치(10)와 일체로 연결된 회전축(2-1)의 직경 및 그 원주의 길이를 동일하게 구성하고 이를 체인 또는 타이밍벨트(51)로 연결하였다. 도 1에서의 체인(51a, 51b)과 같이 플라이휠 구동장치(10)에 각각 연결하여 동일한 주기로 회전할 수 있도록 구성할 수도 있으며, 도 5 및 도 7과 같이 체인(51)을 삼각형의 형태로 구성하고, 각각의 정류자(50a, 50b)의 카본(13-1, 13-2, 13-3, 13-4)과 동일하게 연결하는 회전축(2-2, 2-3)과 플라이휠 구동장치(10)와 일체로 연결된 회전 축(2-1)의 직경 및 그 원주의 길이를 동일하게 구성하고 이를 체인(51)으로 연결하였다.

따라서, 정류자(50a, 50b)가 플라이휠 구동장치(10)의 회전에 대응하여 그 극성을 대응하여 변경시켜 줄 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치의 사용상태를 나타낸 일부 사시도이다.

도 8을 참조하여 보면, 플라이휠 구동장치(10)를 2개 붙여서 연결한다. 이때, 내부의 영구자석(12-1, 12-2, ..., 12-n)은 상호 교대로 N극 S극을 배치하였으며, 또한, 대응하여 전자석(A1, A2, ..., A2n)도 변경되므로, 다른 장치 없이도 2개의 플라이휠 구동장치(10)를 붙여 사용할 수 있다. 이때, 사용되는 정류자(50a, 50b)를 각각 그 극성을 달리하여 배선하면 2개의 플라이휠 구동장치(10)를 2개의 정류자로 제어할 수도 있다.

다시 2개가 결합된 플라이휠 구동장치(10)를 하나의 축에 다수 개의 쌍을 연결한다. 도면에는 두쌍의 플라이휠 구동장치(10)만 도시되어 있지만, 다수 개의 쌍을 연결하여 그 구동력을 증강시킬 수 있다. 이와 같이 동작하는 플라이휠 구동장치(10)의 회전에 의해 발생하는 에너지를 회전축(2-1)을 축으로 하여 그 회전력을 부하(40)로 전달하게 된다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치를 이용하여 운송수단을 구동하는 상태를 나타낸 사용상태도이다.

도 9를 참조하여 보면, 도 9는 플라이휠 구동장치(10) 2개를 겹쳐서 구성하 며, 앞서 설명한 바와 같이 영구자석 부분이 서로 겹쳐질 수 있으므로 쉽게 부착하여 구성할 수 있다. 따라서, 이와 같이 2개를 붙여 구성하며, 그 차지하는 공간은 감소시키고, 구동력을 높인 2개의 플라이휠 구동장치(10)에서 발생한 동력을 차축, 즉 회전축(2), 트랜스미션(72), 축기어(74) 및 드라이브 샤프트(76)를 통해 바퀴(78)까지 전달한다. 바퀴(78)로 전달된 동력을 이용하여 자동차(70)를 구동한다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 일실시예에 따라 플라이휠 구동장치를 이용하여 기차 등을 구동하는 상태를 나타낸 사용상태도이다.

도 10a 및 도 10b를 참조하여 보면, 도 10a 및 도 10b는 기차를 구동하기 위한 2가지의 실시예를 나타낸다. 먼저, 도 10a는 전술한 바와 마찬가지로 발전기(6)에서 발생한 전력을 이용하여 다수개의 플라이휠 구동장치(10)를 구동하여 기차(80a)를 구동시킨다. 한편, 여분의 전력은 베터리(30)에 저장하고, 플라이휠 구동장치(10)를 사용할 수 없는 비상상황이 발생하면, 배터리(30)를 이용하여 모터(32)를 초기에 시동하고 이 모터(32)를 이용하여 기차(80a)를 구동시킬 수도 있다.

도 10b는 모터를 이용하여 고성능 배터리(30)에 전력을 저장하고 이 배터리(30)를 이용하여 다수의 플라이휠 구동장치(10)를 구동한다. 이와 같이 구동되는 플라이휠 구동장치(10)에 의해 기차(80b)가 구동된다.

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치를 이용하여 산업기계 및 중장비 등에 채용한 상태를 나타낸 사용상태도이다.

도 11을 참조하여 보면, 도 11은 일반적인 이동수단이 아닌 중장비 등에 채 용한 실시예를 나타내고 있다. 즉, 발전기(6)에 의해 생성된 전기가 배터리(30)에 저장되고 이 배터리(30)에 저장된 전기를 이용하여 다수의 플라이휠 구동장치(10)를 구동하게 된다. 플라이휠 구동장치(10)에서 발생된 동력은 트랜스미션(34)을 통해 중장비(90)의 바퀴까지 전달되어 중장비(90)를 구동하게 된다. 전술한 플라이휠 구동장치(10)는 굴착기, 불도저, 페로다, 크레인, 탱크로리, 트레일러, 트렉터, 로우더, 지게차 등의 모든 중장비에 적용할 수 있다.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치를 이용하여 선박을 구동하는 상태를 나타낸 사용상태도이다.

도 12를 참조하여 보면, 도 12는 플라이휠 구동장치(10)를 선박(100)에 적용한 예이다. 선박(100)은 각각의 플라이휠 구동장치(10-1, 10-2)에 의해 만들어진 동력을 중심축(2)을 통해 기어(102)로 전달하고 이 기어(102)로 전달된 동력은 동력샤프트(104)를 통해 스크류(106)까지 전달되어 스크류(106)가 회전하게 된다. 이때 플라이휠 구동장치(10-1, 10-2)를 2열로 세로로 각각 배열한 것은 충분한 동력을 얻기 위한 것이다. 도면에서는 2개의 플라이휠 구동장치(10-1, 10-2)를 나란히 세로로 배열하였지만, 더 큰 동력을 발생시키기 위하여 더 많은 플라이휠 구동장치를 나란히 배열할 수 있음을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

또한, 플라이휠 구동장치(10-1, 10-2)를 선박에 적용할 때, 플라이휠 구동장치(10-1, 10-2)를 수면에 대하여 직각으로 장착하는 것이 바람직하다. 플라이휠 구동장치(10-1, 10-2)를 수직으로 장착하는 이유는 플라이휠의 회전에 의해 수직으로 서려는 자정 능력이 있기 때문에 풍랑에 강한 이점이 있다.

도 13a 및 도 13b는 본 발명의 일실시예에 따른 플라이휠 구동장치를 이용하여 비행기를 구동하는 상태를 나타낸 사용상태도이다.

도 13a 및 도 13b를 참조하여 보면, 도 13a 및 도 13b는 플라이휠 구동장치(10)를 비행기에 적용한 예이다. 비행기(110)는 플라이휠 구동장치(10)에서 발생된 동력을 회전축(2)을 통해 프로펠러(112)로 전달하여 비행기(110)의 날개에 구성된 엔진과 같은 역할을 하게 된다. 따라서, 프로펠러(112)와 날개에 의해 양력이 발생하고 그 양력에 의해 비행기가 비행할 수 있게 된다. 한편 비행기의 날개 엔진을 대체하여 플라이휠 구동장치(10)를 설치하였지만, 비행기 후미의 중앙엔진을 대체할 수도 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명은 유도기전력을 발생시키는 다수의 전자석과 다수의 영구자석의 자력에 의해 가속력을 얻을 수 있는 것으로 플라이휠 구동장치가 대형화될수록 보다 적은 힘으로 고속의 회전력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 전자석과 영구자석의 인력 및 척력을 조절하기 위한 수단을 강구하여 자력이 가속력으로만 사용할 수 있어 자력의 세기를 극대화시킬 수가 있는 것으로 전기의 생산, 자동차, 중장비, 기차, 선박, 모터, 항공기 등의 구동 등 각종 기계에 널리 활용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 플라이휠 구동장치는 그 효율을 높여 청정연료인 전기를 이용할 수 있으므로 운반기계 등에 널리 사용할 수 있는 효과가 있다.

Claims

회전자내 플라이휠의 회전방향에 대하여 다수 개의 영구자석을 원형으로 배열하여 이루어진 영구자석과;

상기 영구자석의 대향면에 환형으로 설치되어 상기 회전하는 영구자석에 인력 및 척력을 발생시키도록 전기에 의해 그 극성이 변경되도록 하며 상기 영구자석의 대향면에 상기 영구자석의 2배수로 구성한 전자석과;

상기 영구자석과 동일한 주기로 회전하며, 상기 다수의 전자석과 전기적으로 연결되어 상기 전자석에 대향하는 상기 영구자석과는 반대 극성의 자력이 인가되도록 하고, 상기 전자석에 인접한 전자석에는 동일극성의 자력이 인가되도록 상기 전자석의 외부에 연결된 정류자를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 전자석에 각각 N극성으로 자화시키는 정류자와 S극성으로 자화시키는 정류자로 구분하여 구성하고, 상기 플라이휠 구동장치의 회전축의 직경과 각각의 상기 정류자의 회전축의 직경은 동일하게 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제2항에 있어서,

상기 정류자의 회전축과 상기 플라이휠 구동장치의 회전축을 체인 또는 타이밍벨트로 연결하여 동일 주기로 회전하도록 하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제1항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 정류자는,

상기 정류자의 회전축의 외곽에 도넛 형태로 형성되어 전원을 공급받아 이를 다시 정류자에 공급하는 전원공급수단과;

상기 전원공급수단의 외곽에 도넛 형태를 상기 전자석의 갯수와 동일한 갯수로 구분하여 절연시켜 호 형태로 설치되고, 상기 전원공급수단과는 절연되게 구성되어 회전하지 않도록 구성된 다수의 정류자편과;

상기 전원공급수단의 상부면에 전기적으로 연결되어 구성되며, 상기 정류자편에 회전하면서 전기적으로 접촉시켜 구성하고, 동일 형상으로 상기 정류자편 개수의 1/4 개수를 동일 간격으로 그 상부에 배치하여 상기 플라이휠 구동장치와 동일 주기로 회전시켜 구성하는 카본으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제4항에 있어서,

상기 전자석은 N극과 S극이 번갈아 나타나도록 하기 위하여 유도코일을 권선시에 2개의 선을 함께 권선하며, 그 극성을 변경하기 위하여 상호 연결된 2개의 단자를 어느 하나의 정류자편에 연결하고, 다른 상호 연결된 다른 2개의 단자를 다른 하나의 정류자편에 반대로 연결하여 상기 정류자편에 대응하여 N극과 S극이 교호적으로 나타나도록 구성한 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제4항에 있어서,

상기 카본은 호 형태로 구성되고, 상기 정류자편의 크기와 일치하거나 또는 각각의 정류자편을 구분하는 절연체 두께의 2배 미만으로 그 호의 폭을 넓게 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제4항에 있어서,

상기 플라이휠 구동장치는 전자석의 강도, 영구자석 자력의 세기 또는 영구자석 및 전자석의 개수 중 어느 하나를 조절하여 그 속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제4항에 있어서,

상기 전자석에 전기를 공급하는 카본이 상기 인접한 2개의 전자석에 접촉하여 상기 카본과 접한 2개의 전자석은 같은 극성으로 자화되며, 상기 카본과 접하지 않은 인접한 양측의 2개의 전자석은 다른 극성으로 자화되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 영구자석은 자력이 높은 중심자석을 중앙에 배치하고 그 주변에 자력이 낮으며 상기 중심자석과 같은 극성의 다수의 보조자석은 중심자석을 기준으로 대칭되게 배치하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제9항에 있어서,

상기 보조자석은 중심자석과 상기 전자석에서 멀어지는 방향으로 2도 내지 45도 경사를 두어 자력충돌을 예방하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제9항 또는 제10항에 있어서,

상기 중심자석과 상기 보조자석은 그 폭을 동일하게 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제11항에 있어서,

상기 주변자석의 폭을 상기 중심자석의 폭보다 더 넓게 구성하는 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 플라이휠 구동장치의 상기 영구자석 부분이 자동으로 붙도록 2개를 맞대어 구성하여 동력을 향상시킨 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제1항 또는 제9항에 있어서,

상기 영구자석에 고정되는 다수개의 중심자석 및 주변자석은 각각의 자력의 크기가 중심에서 최대가 되고 외곽으로 갈수록 그 자력의 크기가 점차 줄어들도록 구성한 것을 특징으로 하는 플라이휠 구동장치.
제2항에 있어서,

상기 전자석에 각각 N극성으로 자화시키는 정류자와 연결되는 권선과, S극성으로 자화시키는 정류자와 연결되는 권선으로 구분하여 2중 권선으로 서로 역방향으로 권선하고, 가운데 철심이 삽입되어 고정되게 한 것을 특징으로 하는 플라이휠의 구동장치.
제1항 내지 제3항, 제5항 내지 제10항, 또는 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,

다수의 플라이휠 구동장치에서 발생한 동력을 동일 축상에 연결된 회전축을 통해 상기 동력을 이용하는 장치에 전달하는 것을 특징으로 하는 플라이휠의 구동장치.
제16항에 있어서,

상기 동력을 이용하는 장치는 모터, 자동차, 중장비, 기차, 비행기, 선박 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라이휠의 구동장치.
제1항에 있어서,

상기 정류자는 IC 스위칭소자를 이용하여 각각의 전자석에 공급되는 전류를 스위칭하는 것을 특징으로 하는 플라이휠의 구동장치.
제17항에 있어서,

상기 선박에 플라이휠 구동장치를 설치하는 경우 수직으로 설치하는 것을 특징으로 플라이휠의 구동장치.