KR20080107184A - 자석을 이용한 선형 동력장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 자석을 이용한 선형 동력장치에 관한 것이다.

본 발명의 선형 동력장치는, 상자형 하우징과; 하우징 내부에 대향하도록 설치되는 한 쌍의 전자석과; 두 전자석 사이에 위치한 상태에서 전자석의 극성변화에 따라 왕복이동 가능한 영구자석과; 영구자석의 일측단부에 결합된 상태에서 하우징 일측을 관통하여 외부로 연장되는 운동로드와; 하우징 내부 일측에 결합되며, 전자석에 인가되는 전류의 방향을 제어하기 위한 전류제어기(16) 등으로 구성된다.

본 발명은 선형 동력장치는, 수평방향으로 운동자의 역할을 하는 영구자석이 두 전자석에 의해 인력과 척력을 동시에 받기 때문에 강력한 직선 구동력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

전자석, 영구자석, 직선운동, 회전운동, 자극, 자속

Description

자석을 이용한 선형 동력장치{Linear power system using magnets}

도 1은 본 발명 제1실시예 장치의 일부 개방 사시도.

도 2는 본 발명 제1실시예 장치의 내부 구조도.

도 3은 본 발명 장치를 구성하는 전자석과 영구자석을 보인 것으로,

(가)는 좌·우 수평방향의 막대형 전자석과 영구자석의 배치 상태도이고,

(나)는 수직방향 막대형 전자석과 상·하 두 영구자석의 배치 상태도이고,

(다)는 수직방향 막대형 전자석과 상·하 두 영구자석의 배치 상태도이고,

(라)는 말굽형 전자석과 영구자석의 배치 상태도이다.

도 4는 본 발명 장치를 구성하는 실시예 영구자석의 분해 사시도.

도 5는 본 발명 제2실시예 장치를 구성하는 위치감지센서와 근접부재의 결합도.

도 6은 본 발명 제3실시예 장치를 구성하는 스프링의 결합도.

도 7은 본 발명 제4실시예 장치를 구성하는 영구자석의 자기부상용 자석 결합도.

도 8은 회전장치가 결합된 본 발명 제5실시예 장치의 사시도.

((도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명))

11. 하우징 12. 전자석 12A. 받침대

13. 가이드 13A. 스프링 14. 영구자석

14A. 자석프레임 14B. 영구자석부재 14C. 결합부재

15. 운동로드 16. 전류제어기 17. 링크

18. 회전반 H1. 가이드관통공 H2. 자석결합공

H3. 로드결합공 H4. 통공 M,M'. 자석

P. 대향극 R. 근접부재 S. 위치감지센서

W. 바퀴

본 발명은 자석을 이용한 동력장치에 관한 것으로 더 자세하게는, 수평방향을 따라 서로 대향하는 한 쌍의 전자석 사이에 영구자석을 위치시키고, 전자석의 극성을 변화시켜 두 전자석과 각각 대향하는 영구자석의 양 측에 척력과 인력이 동시에 작용하도록 함으로써 영구자석이 효율적으로 왕복 이동할 수 있도록 한, 자석을 이용한 선형 동력장치에 관한 것이다.

가장 오래된 동력장치로는 산업혁명 시 개발된 증기기관을 들 수 있으며, 그 후 원유를 사용하게 되면서 기름과 가스를 원료로 사용하는 내연기관으로 발전되었고, 현재에도 대부분의 차량용 동력장치로는 내연기관이 사용되고 있으나, 내연기관은 그 특성상 폭발음이 클 뿐 아니라, 배기가스를 발생시킨다는 단점이 있기 때문에, 일반적인 산업현장에서의 동력장치로는 극히 제한적으로만 사용되고 있다.

상기와 같은 내연기관의 문제점을 해결한 것이 모터로서, 모터는 전기를 에너지원으로 사용하기 때문에 내연기관에 비하여 소음이 극히 적을 뿐 아니라, 배기가스를 발생시키지 않는 장점이 있기 때문에, 산업현장에서의 동력장치로는 대부분 모터를 사용하는 것이 일반적이다.

상기 모터는, 전기에너지를 기계에너지로 즉, 회전운동으로 바꾸는 변환장치로서, 산업현장의 각종 기계장치들 중에는 회전동력이 아닌 직선동력이 요구되는 경우도 많은 바, 일반적인 모터를 사용하는 할 때에는 회전운동을 직선운동으로 변환시키기 위한 별도의 기계장치가 필요로 되기 때문에, 모터를 포함한 동력장치의 구조가 복잡해질 뿐만 아니라 그 크기도 커지게 됨으로써, 설치공간이 제한될 수도 있게 된다.

따라서, 전기에너지를 직선운동으로 직접 변환시킬 수 있는 선형 모터(linear motor)가 개발되었는데, 선형 모터는 종래의 회전형 모터를 평면상에 펼쳐 놓은 형태로서, 코일과 자석을 직선 상에 배치함으로써 전기에너지를 회전운동으로 바꾸지 않고 직접 직선운동으로 바꾸는 모터로서, 회전운동을 직선운동으로 변환하는 과정이 필요 없기 때문에 효율이 좋은 장점이 있다.

즉, 상기의 선형 모터는, 회전운동을 하는 일반 모터와 달리, 직선 상에서 직접 움직이기 때문에 빠른 동작속도와 정밀한 위치제어가 가능한 모터이다.

상기와 같은 선형 모터를 회전형 모터와 비교하여 볼 때, 회전형 모터는 회전방향으로 무한연속운동을 하는 바, 회전형 모터에 의해 직선 구동력을 발생시키고자 하는 경우에는 링크, 스크류, 체인, 기어 시스템 등 회전운동을 직선운동으로 변환시키기 위한 각종 기계적 변환장치가 반드시 필요하게 되고, 그 결과, 마찰에 의한 에너지의 손실과 소음발생이 필연적인 단점을 갖게 된다.

이에 반하여, 선형 모터는 직선 구동력을 직접 발생시키기 때문에 기계적인 변환장치가 전혀 필요치 않은바, 구조가 단순화되면서 에너지 손실이나 소음이 최소화되거나 발생하지 않게 되는 장점이 있다.

즉, 상기의 선형 모터는, 기구부의 구조가 간단하면서 소형화가 쉽고, 빠른 이동속도, 강한 추력, 정확한 위치 제어 등이 가능할 뿐만 아니라, 구동부의 경우 마찰에 의한 마모가 없기 때문에 소음이 적고 반영구적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 상기와 같은 선형 모터의 제작에는, 고효율 제품의 최적 설계를 위한 전자장 및 방열해석기술, 선형 모터가 결합되는 기계에 적합한 유니트의 구조설계 및 제작기술, 고출력 선형 모터를 위한 전용 드라이버 제작기술, 선형 모터 특성해석을 위한 성능평가기술, 안정된 운전특성을 위한 제어기술 등이 요구되고 있는 반면에, 선형 모터에 관한 국내 기술은 아직 미흡한 수준이며, 이의 운용에도 고도의 노하우가 필요로 될 뿐만 아니라, 가격도 높은 문제가 있다.

상기의 선형 모터 외에, 자석을 이용하여 직선 운동력을 발생시킨 후 이를 회전운동으로 변환하는 장치로는, 국내 공개특허공보 제2001-110871호 및 국내등록실용신안공보 제397052호에 각각 게시되어 있는 "전자석 엔진"을 예로 들 수가 있다.

그런데, 상기 전자의 전자석 엔진은, 실린더의 양 단부에 각각 전자석을 구 비하고 자성체 재질로 이루어진 피스톤을 사용하는 구조로서, 양 단부의 전자석 각각에 전류를 번갈아가면서 인가하여 양 단부의 전자석이 교대로 여자(勵磁)되도록 하는 바, 여자된 일측 전자석만이 자성체인 피스톤에 인력을 작용하게 된다.

즉, 두 전자석이 함께 여자되지 않고 일측 전자석의 자력 즉, 일측 전자석의 인력만을 이용하여 피스톤을 당기기 때문에 직선 구동력을 증가시키는데 한계가 있다.

그리고, 일측으로 이동하는 피스톤에는 관성력이 작용하게 되는 바, 일측의 전자석에 전류가 끊어지면서 타측의 전자석이 여자되어 피스톤을 당기게 되어도 일측으로 이동하였던 피스톤의 관성력에 의해 피스톤이 방향전환된 후 타측으로 움직이게 되는 시간이 더욱 늦어지게 되는 단점이 있다.

또한, 후자의 전자석 엔진은, 상사점에 해당하는 실린더의 일측단부만 전자석을 구비하고, 피스톤으로는 영구자석을 사용한 구조로서, 전자석에 인가되는 전류의 흐름을 연속적으로 바꿔줌으로써, 전자석과 영구자석인 피스톤 사이에 인력과 척력이 번갈아 가면서 작용하도록 하여 피스톤이 왕복 직선운동을 할 수 있도록 한 장치인 바, 전자석과 영구자석이 사용되기 때문에 상기 전자에 비하여 피스톤의 힘이 증가될 수는 있으나, 이 역시 전자석이 일측에만 구비되어 있기 때문에 여전히 충분한 직선 구동력을 얻기 힘든 단점이 있다.

본 발명은, 선형 모터 등을 비롯하여 자석에 의한 직선 구동력을 발생시키는 종래의 선형 동력장치가 가지고 있는 제반 문제점들을 해결하기 위하여 창안된 것 으로, 선형 모터 보다 그 구조가 더욱 단순화되면서 선형 모터와 같이 에너지 손실이나 소음을 거의 발생하지 않고, 종래의 전자석 엔진에 비하여 더욱 강력한 직선 구동력을 얻을 수 있으며, 운동자의 관성력을 가능한 신속히 소멸시킴으로써 운동자의 방향전환 시간을 단축할 수 있을 뿐 아니라, 제작비용이 선형 모터에 비하여 매우 저렴하면서 제작이 비교적 쉬운 선형 동력장치를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은 한 쌍의 전자석과, 두 전자석 사이에 위치하는 영구자석에 의하여 달성된다.

본 발명의 자석을 이용한 선형 동력장치는, 두 전자석에 인가되는 전류의 흐름을 제어함으로써 두 전자석 사이에 위치하는 영구자석이 왕복 이동할 수 있도록 하되, 두 전자석이 영구자석에 대하여 각각 인력과 척력을 동시에 작용하도록 함으로써, 영구자석의 구동력을 증가시키는 동시에 관성력에 의한 방향전환 시간지연을 단축할 수 있도록 함에 기술적 특징이 있다.

본 발명의 장치는, 전자석과 영구자석 사이에 인력과 척력이 동시에 작용하도록 함으로써, 운동자의 역할을 하는 영구자석이 직선 왕복 이동하면서 직선 구동력을 발생할 수 있도록 한 장치로서,

내부공간을 가진 상자형 하우징과; 하우징 내부에서 수평방향을 따라 서로 대향하도록 설치되는 한 쌍의 전자석과; 두 전자석의 대향 방향을 따라 하우징 양 측에 결합되는 바(또는 로드)형 가이드와; 가이드에 의해 관통된 상태에서 두 전자 석 사이에 위치하며, 두 전자석의 여자상태에 따라 두 전자석 사이에서 직선 왕복운동하게 되는 영구자석과; 전자석에 인가되는 전류의 방향을 연속적으로 바꿔주기 위한 전류제어기 등으로 구성되는 바, 각각을 살펴보면 다음과 같다.

설명에 앞서 방향에 대한 혼동을 피하기 위하여, 보는 사람을 기준으로, 전자석은 좌·우측에 각각 배치되고, 영구자석은 좌·우 수평방향으로 왕복 이동하며, 영구자석에서 사람을 향한 방향을 "전방"이라 가정한다.

하우징은, 각종 장치에서 부품들을 보호하는 동시에 본 발명을 구성하는 각종 구성요소들이 안정적으로 조립 결합될 수 있는 내부공간을 제공하는 케이스의 역할을 수행한다.

전자석은, 상기 하우징의 내부공간 좌·우 양 측에 설치된 상태에서 영구자석에 대하여 인력 또는 척력을 동시에 작용함으로써, 영구자석에 의해 직선 운동력이 발생하도록 하는 역할을 하게 되는 바, 서로 대향하는 두 전자석의 각 자극(이하에서는 "대향극"이라함.)이 동일한 극성으로 여자(勵磁)되도록 한 상태에서 두 대향극의 극성이 함께 연속하여 변화하도록 함으로써 영구자석이 왕복 이동을 하게 된다.

가이드는, 상기 두 전자석 사이에 위치하게 되는 영구자석이 수평방향을 따라 안정적으로 왕복 이동할 수 있도록 가이드 역할을 하는 것으로, 영구자석이 움직이는 방향을 따라 하우징의 내부에 결합되는데, 바 또는 로드 등과 같이 횡단면 칫수에 비하여 길이가 상대적으로 긴 형태이다.

그리고, 상기 가이드는 한 본이 결합될 수도 있으나, 영구자석의 안정적인 움직임을 위하여서는 한 쌍 이상으로 구성하는 것이 바람직하다.

영구자석은, 상기 가이드에 의해 관통된 상태에서 한 쌍의 전자석 사이에 위치하게 되며, 전자석의 여자상태에 따라 두 전자석 사이에서 직선 왕복운동을 함으로써 최종적인 직선 운동력을 발생시키는 역할을 하는데, 전자석의 구조에 따라, 하나의 영구자석으로 구성될 수도 있으며, 다수의 작은 영구자석이 결합된 형태일 수도 있다.

그리고, 영구자석이 다수로 구성되는 경우, 전자석과 대향하는 영구자석의 대향면에 있는 각 영구자석의 자극은, 전자석의 대향극에 따라 적절히 배열 결합된다.

전류제어기는, 전자석으로 인가되는 전류의 흐름 방향을 변화시켜주기 위하여 즉, 전자석에 흐르는 전류의 방향을 연속적으로 스위칭 시켜 주는 역할을 하는 것으로, 사이리스터(SCR) 등으로 조합 구성된 전자회로를 그 예로 들 수가 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 자석을 이용한 선형 동력장치는, 전류제어기를 통하여 흐름방향이 연속적으로 변화하게 되는 전류가 전자석에 인가됨으로써, 두 전자석 사이에 위치한 영구자석이 가이드를 따라 수평방향으로 왕복 이동하게 되며, 전류 흐름방향의 전환속도, 전류의 크기 등을 조절함으로써 영구자석의 이동속도를 변화시킬 수 있게 된다.

상기 본 발명의 목적과 기술적 구성을 비롯한 그에 따른 작용 효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 아래의 설명에 의해 명확하게 이해될 것이다.

도 1에 본 발명 제1실시예 장치의 일부 개방 사시도를, 도 2에 본 발명 제1실시예 장치의 내부 구조도를 도시하였는 바, 본 발명의 장치는,

내부공간을 가진 상자형 하우징(11)과;

상기 하우징(11) 내부의 양 측에 수평 방향을 따라 서로 대향하도록 결합되는 한 쌍의 전자석(12)과;

상기 전자석(12)의 대향방향을 따라 하우징(11) 내부에 결합되는 바형 가이드(13)와;

상기 가이드(13)에 의해 관통된 상태에서 한 쌍의 전자석(12) 사이에 위치하며, 전자석(12)의 여자상태에 따라 두 전자석(12) 사이에서 왕복이동 가능한 영구자석(14)과;

상기 영구자석(14)의 일측에 내측단부가 결합되며, 외측단부가 하우징(11) 일측을 관통하여 외부로 연장 노출되는 운동로드(15)와;

상기 하우징(11) 내부 일측에 결합된 상태에서 두 전자석(12)과 전기적으로 연결되며, 두 전자석(12)에 인가되는 전류의 방향을 동시에 제어하는 전류제어기(16) 등으로 구성된다.

이때, 상기 전자석(12)은 하우징(11) 바닥면에 고정 설치되는 받침대(12A) 상부에 결합되는데, 받침대(12A)를 사용하지 않고 다른 방법으로 설치할 수도 있는 바, 두 전자석(12)을 서로 대향하도록 결합할 수만 있으면 된다.

그리고, 전자석(12)은, 도 3에 도시된 바와 같이, 막대형(또는 원기둥형) 자석, 말굽형 자석 등 다양한 형태의 것들이 여러가지 배치 형태로 사용될 수 있으 나, 효율측면에서, 도 3의 (가) 및 (라)에 도시된 바와 같이, 전자석과 영구자석의 대향극 선단면이 서로 마주보도록 배치되어야만 더욱 강력한 인력이나 척력을 얻을 수 있다.

그러나, 도 3의 (나) 및 (다)와 같이 전자석의 대향극 선단면이 영구자석을 향하지 못하고 그 측면이 영구자석을 향하게 되는 경우에는 영구자석에 대한 인력이나 척력이 현저히 떨어지게 된다.

물론, 영구자석의 대향극도 그 선단면이 전자석을 향하도록 배치되어야만 한다.

즉, 도 3의 (나) 및 (다)의 경우 전자석의 대향극이 영구자석을 향하지 못하고 상·하 방향으로 향하는 경우에는 전자석이 영구자석에 대하여 인력이나 척력을 거의 미치지 못하게 된다.

또한, 상기 전자석(12)에서 중요한 점은 서로 대향하는 두 전자석(12)의 자극 즉, 대향극(P)이 서로 동일한 극으로 여자되도록 하여야 한다는 점으로서, 자성의 변화가 없이 고정된 운동자로서 영구자석(14)을 사용하고, 대향하는 두 전자석의 두 대향극(P)이 서로 동일한 극성을 갖도록 두 전자석의 극성을 함께 변화시킴으로써, 영구자석의 왕복이동이 효율적으로 이루어지도록 함에 본 발명의 기술적 특징이 있다.

그리고, 전자석(12)의 구조나 배치 상태에 따라 두 전자석(12) 사이에 위치하게 되는 영구자석(14)의 배열 상태도 달라지게 되는데, 영구자석은 하나 또는 다수개의 작은 영구자석으로 구성될 수도 있으며, 각 전자석 역시 다수의 작은 전자 석으로 구성될 수도 있다.

또한, 가이드(13)를 따라 두 전자석(12) 사이에서 왕복 이동하는 영구자석(14)의 원활한 움직임을 위하여 하우징(11) 내부의 바닥면에서 자유로운 회전 이동이 가능한 바퀴(W)를, 영구자석(14)의 저면에 구비하는 것도 바람직하다.

그리고, 영구자석에는 가이드가 관통 결합하게 되고 중앙부에는 하우징 일측을 관통한 후 외부로 노출되는 운동로드가 구비되어야 하나, 금속재질의 영구자석에 가이드를 관통시키거나 운동로드를 직결하기는 어려운 바, 영구자석(14)을, 금속재질의 영구자석부재와 영구자석몸체가 결합되는 자석프레임으로 구성하는 것도 바람직하다.

이때, 자석프레임은 비자성체로 만들어지는 것이 좋다.

예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 영구자석(14)은,

가이드(13)를 관통시키기 위한 가이드관통공(H1) 다수가 테두리부에 관통 형성되고, 운동로드(15)의 일측단부가 결합되는 로드결합공(H3)이 구비되며, 로드결합공(H3)을 중심으로 그 상·하부에 하나 이상의 자석결합공(H2)이 각각 관통 형성된 자석프레임(14A)과;

상기 자석프레임(14A)의 각 자석결합공(H2)에 삽입 결합되는 다수의 영구자석부재(14B)로 구성될 수도 있는 등, 다양한 구조로의 변경이 가능한 바, 상기 자석결합공(H2)을 자석프레임(14A)의 양 면에 각각 홈(도면 미도시)의 형태로 형성시키고, 양 면의 각 홈에 영구자석부재(14B)를 삽입 결합할 수도 있다.

상기와 같은 영구자석(14)은 서로 대향하는 전자석 사이에서 반복하여 왕복 이동하게 되는 바, 일측 전자석에서 타측 전자석으로 이동 시 전자석의 전류가 바뀌어도 영구자석의 관성력에 전자석과 영구자석이 충돌할 수 있으며, 이러한 충돌이 반복됨으로써 본 발명의 장치를 장기간 사용 시 자석의 특성이 떨어질 수가 있다.

따라서, 상기와 같은 충돌의 문제를 해결하기 위하여, 도 5에 도시된 바와 같이, 전류제어기(16)와 전기적으로 연결되는 광전자센서나 근접센서 등과 같은 위치감지센서(S)를 전자석(12)의 외면 일측에 구비하는 동시에, 영구자석(14)의 이동과 함께 전자석(12)의 위치감지센서(S)에 접근하게 되는 근접부재(R)를 영구자석(14)의 외면 일측에 결합하는 것도 바람직하다.

즉, 예를 들어, 영구자석(14)이 좌측의 전자석으로 이동하여 근접부재(R)가 좌측 전자석의 위치감지센서(S)에 근접하게 되면, 위치감지센서(S)의 신호를 받은 전류제어기(16)가 전자석으로 인가된 전류의 방향을 바꿔줌으로써, 좌측 전자석과 영구자석 사이에 척력이 작용하는 동시에, 우측 전자석과 영구자석 사이에 인력이 작용하도록 하여 영구자석과 전자석의 충돌 전에 영구자석이 방향을 바꿔 우측 전자석측으로 이동하도록 할 수 있게 된다.

그리고, 영구자석이 우측의 전자석으로 이동하여 근접부재(R)가 우측 전자석의 위치감지센서(S)에 접근하게 되면, 영구자석은 동일한 원리에 의하여 좌측 전자석측으로 움직이게 된다.

이때, 상기 근접부재(R)는 바형, 로드형, 블록형 등 그 형태나 구조 및 설치 위치 등에 제한은 없으며, 위치감지센서와 함께 쌍을 이루어 영구자석의 적정 위치 를 검출할 수 있기만 하면 된다.

상기와 같이, 영구자석이 두 전자석 사이를 왕복 이동하는 경우 척력과 인력에 의한 영구자석의 움직임이 안정적이지 못하고 급격하게 이루어질 수 있는 바, 이를 방지하기 위하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 하우징(도면 미도시) 내면과 이에 대향하는 영구자석(14)의 외면 사이의 가이드(13) 외주면에 코일 스프링(13A)을 장착함으로써, 영구자석(14)의 급격한 움직임을 완충할 수 있도록 하는 것도 바람직하다.

이때, 영구자석(14)이 두 전자석(12) 사이의 중앙(C)에 위치하였을 때, 스프링(13A)이 영구자석(14)에 탄성력을 발휘하지 못하도록, 외부힘이 작용하지 않았을 때의 스프링 길이가, 하우징 내면과 영구자석 사이의 거리보다 길지 않도록 즉, 스프링의 일 단부가 영구자석(14) 또는 하우징 내면에서 떨어진 상태가 되도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 각 스프링(13A)의 경우, 하나의 단일 스프링을 사용할 수도 있으나, 스프링에 의해 발휘되는 탄성력이 순차적으로 변화될 수 있도록 탄성계수가 다른 2개 이상의 스프링(13A1)(13A2)을 함께 혼용하는 것도 바람직하다.

그리고, 스프링(13A)은 가이드(13)의 외주면에 결합될 수도 있으나, 별도의 부재를 사용하여 결합될 수도 있는 바, 영구자석이 전자석에 충돌치 않도록 하거나 영구자석과 전자석의 충돌에 의한 충격을 가능한 감소시킬 수 있도록, 영구자석의 이동방향측 각 외면과 이에 대향하는 하우징 내면 사이에 설치될 수만 있으면 그 구조나 결합위치 등은 제한되지 않는다.

상기와 같이 스프링을 장착하는 것은, 전자석과 영구자석 사이에서 동시에 작용하게 되는 인력과 척력에 의해 발생하는 충격을 완화하면서, 그 힘을 탄성에너지로 축적하기 위한 것으로, 영구자석이 타측 전자석에서 일측 전자석으로 이동하는 경우 일측 전자석과 영구자석 간 공극거리가 가까워지면서 영구자석의 운동량이 빠르게 증가하게 되는 바, 이를 스프링의 완충력으로 흡수하여 영구자석의 운동량이 가능한 일정하게 유지되도록 하기 위한 동시에, 일측으로 이동한 영구자석이 타측으로 이동 시, 압축된 일측 스프링의 탄성에너지가 타측으로 이동하게 되는 영구자석의 방향전환 및 초기 운동을 도와줄 수 있도록 하기 위해서이다.

또한, 상기와 같이 스프링을 설치함으로써 영구자석의 왕복거리를 더욱 증가시킬 수도 있게 된다.

그 외에, 상기 영구자석(14)의 하단면에는 바퀴(W)가 구비되는 바, 바퀴의 마찰력에 의한 에너지 손실을 방지하되, 영구자석의 중량을 상쇄시켜 영구자석의 운동 효율성을 최대화할 수 있도록 하기 위하여 영구자석(14)의 저면과, 영구자석(14)의 이동궤적에 대응하는 하우징(11)의 바닥면 각각에, 서로 척력을 갖는 자석을 각각 결합하는 것도 바람직하다.

즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 영구자석(14)과의 영향을 감소시키기 위하여, 영구자석(14)의 저면에 블록 또는 프레임 형태 등의 결합부재(14C)를 고정 결합한 후, 결합부재(14C)의 저면과 영구자석의 이동궤적과 대응하는 하우징(11)의 바닥면에, 서로의 대향면이 동일한 극성을 갖는 자석(M)(M')을 각각 결합할 수도 있다.

이때, 영구자석(14)에 자석프레임(14A)이 사용될 경우에는 결합부재(14C)가 없이 자석프레임(14A)의 저면에 자석(M)이 직결될 수도 있으며, 상기 자석(M)(M')은 전자석 또는 영구자석 중의 어느 하나가 사용될 수 있는 바, 왕복 운동하는 영구자석의 경우에는 전자석보다 영구자석이 더욱 적합할 수 있으나, 하우징의 바닥면에는 영구자석이나 전자석 모두 적합하다.

상기와 같이 구성되는 본 발명 장치가 더욱 효율적으로 가동될 수 있도록 하기 위하여서는 서로 대향하는 자석의 대향면 즉, 서로 척력이나 인력을 작용하게 되는 대향극의 선단면을 제외한 자석의 외면에 자력차단부재(도면 미도시)를 결합하는 것이 바람직한데, 이는, 두 자석 사이에 작용하는 힘의 방향이 왜곡되어 회전력이 발생하면서 자석 간의 인력이나 척력이 감소하게 되는 것을 최소화하기 위해서이다.

그리고, 영구자석(14)이 왕복 이동 시 공기의 저항을 감소시키기 위하여 영구자석(14)에 하나 이상의 통공(도 3의 'H4')을 관통형성시키는 것도 바람직하다.

즉, 자석프레임(14A)과 영구자석부재(14B) 중의 적어도 어느 일측에 통공을 형성시킴으로써 영구자석의 운동에 따른 공기저항을 감소시켜 영구자석의 동작 효율성을 높일 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 선형 동력장치에서는, 영구자석이 두 전자석 사이에서 빠르게 왕복 이동하게 되는 바, 하우징 내부가 밀폐되는 경우 영구자석의 움직임에 따라 하우징 내부에 열이 축적될 수 있으며, 전자석과 전류제어기 등에서도 열이 발생되는 바, 이러한 경우 열에 의해 하우징 내부에 설치된 자석들의 특성이 열화될 수가 있다.

특히, 강력한 자력을 가진 네오디움 영구자석의 경우에는 최고 사용온도가 80∼120°정도로서, 페라이트 자석 등에 비하여 상대적으로 열에 약한 바, 하우징에 내·외부 공기의 순환을 위한 통공이나, 냉각팬, 배출팬 등을 구비하는 것이 바람직하다.

그리고, 두 전자석(12) 사이에서 좌·우로 왕복 이동하는 영구자석이 이동궤적으로부터 상·하 또는 전·후 방향으로 벗어나는 것을 방지하여 주기 위한 역할을 하는 것이 가이드(13)인 바, 이를 위하여서는, 영구자석(14)에 관통 결합하는 가이드(13) 외에도 다양한 구조가 가능하다.

즉, 자동차 엔진의 실린더와 피스톤과 같이, 영구자석의 이동방향과 수직한 영구자석의 단면적과 두 전자석 사이의 공간 단면적을 거의 같도록 할 수도 있고, 영구자석 외면과 하우징 내면을 모노레일식으로 결합할 수도 있는 등, 영구자석이 두 전자석 사이의 영구자석 이동궤적을 벗어나지만 않도록 할 수만 있으면 가이드(13) 외의 구조도 관계 없다.

그 외에, 본 발명의 선형 동력장치는 직선 운동력을 발생시키는 장치이나, 직선 운동력을 발생시킨 즉시 이를 회전운동으로 변환하는 엔진과 같이, 회전운동이 필요로 되는 용도로도 사용할 수 있다.

즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 영구자석(14)에 결합된 상태에서 하우징(11)외부로 노출되는 운동로드(15)의 외측단부에 링크(17)와 회전반(18) 등을 결합함으로써 회전운동장치로 사용할 수도 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 선형 동력장치는 선형 모터에 비하여 그 구조가 비교적 간단하기 때문에 제작비용이 절감될 수 있으며, 운동자 또는 피스톤의 역할을 하는 영구자석이 서로 대향하며 동일한 극성으로 여자되는 두 전자석에 의해 인력과 척력을 동시에 받게 되기 때문에 좀더 강력한 직선 구동력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

그리고, 영구자석과 하우징 사이에 영구자석의 운동량을 흡수할 수 있도록 코일 스프링이 장착됨으로써, 영구자석의 움직임에 대한 변화가 감소되면서 영구자석의 왕복거리가 증가되기 때문에 안정적이면서도 충분한 왕복거리가 필요로 되는 장치에도 사용이 가능하다.

또한, 영구자석의 저면과 하우징 바닥면에 서로 동일한 극성의 자석을 결합하는 경우에는 마찰력에 의한 영구자석의 운동에너지 손실을 감소시켜 더욱 효율 좋은 직선 운동력을 얻을 수 있는 이점이 있다.

Claims (9)

1. 직선 구동력을 얻기 위하여 영구자석과 전자석을 포함하여 구성되는 선형 동력장치에 있어서,

   내부공간을 가진 상자형 하우징(11)과;

   상기 하우징(11) 내부에 수평방향을 따라 서로 대향하도록 결합되는 한 쌍의 전자석(12)과;

   상기 한 쌍의 전자석(12) 사이에 위치하도록 하우징(11) 내부에 결합되며, 전자석(12)의 여자상태에 따라 전자석(12) 사이에서 왕복이동 가능한 영구자석(14)과;

   상기 영구자석(14)의 일측단부에 내측단부가 결합되며, 외측단부가 하우징(11) 일측을 관통하여 외부로 연장되는 운동로드(15)와;

   상기 하우징(11) 내부 일측에 결합되며, 전자석(12)과 전기적으로 연결되어 전자석(12)에 인가되는 전류의 방향을 제어하는 전류제어기(16)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자석을 이용한 선형 동력장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 영구자석(14)의 저면에는,

   상기 하우징(11) 바닥면에서 회전이동 가능한 바퀴(W)가 부가적으로 결합된 것을 특징으로 하는 자석을 이용한 선형 동력장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 한 쌍의 전자석(12)은, 서로 대향하는 대향극(P)끼리 동일한 극성으로 여자되는 것을 특징으로 하는 자석을 이용한 선형 동력장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 영구자석(14)은 하나 이상의 영구자석으로 구성된 것을 특징으로 하는 자석을 이용한 선형 동력장치.
5. 제 1항 또는 제 4항에 있어서, 상기 영구자석(14)은,

   상기 운동로드(15)의 일측단부가 결합되는 로드결합공(H3)이 구비되며, 로드결합공(H3)을 중심으로 그 상·하부에 하나 이상의 자석결합공(H2)이 각각 형성된 자석프레임(14A)과;

   상기 자석결합공(H2)에 삽입 결합되는 영구자석부재(14B)를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자석을 이용한 선형 동력장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 전자석(12)과 영구자석(14)에는,

   상기 전류제어기(16)와 전기적으로 연결되는 위치감지센서(S)와;

   상기 영구자석(14)의 움직임에 따라 위치감지센서(S)에 접근하게 되는 근접부재(R)가 각각 부가적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 자석을 이용한 선형 동력장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 영구자석(14)의 저면과 영구자석(14)의 이동궤적에 대응하는 하우징(11) 바닥면 각각에는,

   서로 척력을 갖는 자석이 부가적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 자석을 이용한 선형 동력장치.
8. 제 1항에 있어서, 상기 영구자석(14)의 이동방향측 각 외면과 이에 대향하는 하우징(12) 내면 사이에는 스프링(13A)이 부가적으로 결합되는 것을 특징으로 하는 자석을 이용한 선형 동력장치.
9. 제 8항에 있어서, 상기 스프링(13A)은,

   탄성계수가 다른 2개 이상의 스프링으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자석을 이용한 선형 동력장치..

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