KR20080108603A - 자석 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 자석을 이용하는 모터를 제작하는 것이다. 모터는 자서과 고투자율 물질(2)이 존재하는 로터와 스테이터로 구성된다. 상기 스테이터는 엇갈리는 방식으로 배열되며, 로터의 자석(3)에 점점 가까워지면서 로터의 인력을 생성하고, 회전을 발생시키는 자극을 갖는 자석(1)으로 형성된다. 축을 중심으로 회전할 때, 스테이터의 종단을 감싸는 로터의 다양한 자석(3)이 모터를 생성할 것이다. 이는 자전거에서 토크를 가속시키기 위해 사용된다.

Description

자석 모터{MAGNETIC MOTOR}

본 발명은 모터의 기술적 섹터에 대한 것이며, 더 세부적으로는 자석 모터에 대한 것이다.

영구 자석으로 구성된 로터를 갖고, 전기 전류가 흐르는 권선을 포함하는 스테이터를 갖는 모터가 존재하며, 이러한 타입의 모터에서는 자성 물질(자석)을 갖는 부분은 단 한 부분인 것이 일반적이며, 이러한 부분은 일반적으로 로터에 위치한다. 또한 회전 토크(rotation torque)를 생성하기 위해, 로터와 스테이터 모두에 자석을 갖는 장치가 존재하며, 본원의 장치는 이러한 두 번째 타입의 것을 형성한다. 그 밖의 다른 예를 언급하자면, 특허 JP56110483과 EP256132을 인용할 수 있겠다.

자기 쉴드(magnetic shield)는 자석의 자장을 끌어당김으로써, 동작한다. 본원과 대부분 일치하는 특허는 JP56110483인데, 여기서 자기 쉴드는 자석으로 끌리기 때문에, 로터가 스테이터로부터 멀어질 때보다는 로터가 스테이터에 접근할 때, 스테이터의 경사진 자석이 로터의 경사진 자석을 끌어당기고, 쉴드를 끌어당긴다. 이러한 방식으로는, 자기 쉴드가 스테이터 자석의 자기장으로부터 탈출할 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해, 본원에 의해 제공되는 이점은, 로터가 가속도를 갖고 마 지막 최상부 자석에 도달하여, 자기 쉴드의 인력(attraction)을 극복할 수 있도록, 엇갈리는 형태로 복수 개의 자석을 갖고, 로터가 항상 상기 로터에 가장 가깝게 끌어 당겨지는 스테이터 극(pole)을 갖는 스테이터를 생성할 수 있다는 것이다. 스테이터로 첫 번째로 들어가는 로터의 극과 상기 스테이터 종단의 극이 반대 극성 부호를 가질 경우(즉 서로 끌어당기는 경우), 또는, 로터에 가장 가까운 모든 스테이터의 자석에서 나타나는 극과 로터의 극이 동일한 극성 부호를 가질 경우(즉, 서로 밀치는 경우), 둘 이상의 자석을 포함하는 그룹에 관련된 회전이 존재하지 않을 수 있기 때문에, 극의 올바른 배열이 필수적이다.

특허 JP56110483에서, 스테이터와 맞닿는 로터 자석에는 단지 하나의 자극(magnetic pole)만이 존재하는 것처럼 보인다. 왜냐하면 로터 자석이 스테이터로 들어갈 때, 2개의 자극이 존재하는 경우, 척력을 유발할 것이기 때문이다. 또한, 로터 자석에 2개의 극이 존재하는 경우, 자기 쉴드는 가장 가까운 자석의 자장을 끌어당기기 때문에, 경사진 자기 쉴드는 스테이터로 끌어당겨지는 극을 덮을 것이다.

극의 배열이 변화되는 경우, 가장 가까운 그이 동일한 부호의 극성을 가질 때, 하나의 자석이 또 다른 자석에 대하여 회전할 수 없다.

특허 JP56110483의 회선의 방향이 반대인 경우, 본원에서 언급되는 바와 같이, 로터가 자성 필드 존을 통과하면서, 2개의 자극을 갖는 스테이터의 표면이 스테이터의 대칭 축에 평행하도록 위치할 필요가 있다. 로터에 대하여 반대 극성을 가지며, 로터가 끌어당겨지고, 나머지 스테이터 종단에 가장 가까운 스테이터 극은 로터에 의해 그려지는 원의 접선에 평행인 표면에 위치할 필요가 있는데, 왜냐하면, 이러한 표면이 경사져 있는 경우, 상기 나머지 종단에 위치하는 반대 극이 더 낮기 때문에, 상기 반대 극으로의 어떠한 인력도 존재하지 않기 때문이다.

모터를 제작하기 위해, 고정된 스테이터와, 상기 스테이터 둘레를 회전 운동하는 로터가 요구된다. 전통적인 배열에서, 로터는 자신의 샤프트를 중심으로 회전하고, 스테이터 부품은 가까운 영역에 위치된다. 그러나 로터와 스테이터에 자석이 배치되고, 자석이 자장을 투사한다는 사실이 고려되는 경우, 로터 자석/부품 자석을 갖는 스테이터로 들어갈 때 회전을 가능하게 하는 최적의 방법이 찾아질 필요가 있다. 가장 바람직한 방법은 로터 부품이 스테이터를 중심으로 동심원을 그리면서, 그리고 최상부 자석(top magnet)을 갖는 스테이터 종단과 더 밀접하게 체결하면서, 스테이터의 대칭축에 평행하는 평면의 동일한 축에서 회전하는 것이다. 이때, 스테이터는 프리즘형 구조이다(도 6). 이러한 배열은, 로터와 스테이터 간의 가장 바람직한 자기 상호작용(magnetic interaction) 표면을 이용하여 회전을 생성하지만, 반면에, 다른 배열은 상기 상호작용의 회전 토크를 절반으로 감소시킨다. 따라서 이는 로터와 스테이터에 자석을 갖는 자석 모터의 제작을 다루는 본원 발명의 가장 중요한 이점 중 하나이다.

자석은 상기 자석들 간의 특정 간격에서의 자기 상호작용을 생성하는 자장을 투사한다. 2개의 자석이 서로 가까이 있는 경우, 이들의 자장은 함께 합쳐지고, 이들이 떨어져 있는 경우만큼의 동일한 효과를 갖지 않는다. 이러한 이유로, 특허 JP56110483의 발명과 같이, 동일한 평면 상에 복수 개의 스테이터 자석을 갖는 모 터를 제작하는 것은, 스테이터가, 자장이 더 이상 상호작용하지 않을 충분한 간격만큼 이격되어, 매우 긴 로터 샤프트와 다른 평면에 배열되는 경우를 제외하고는 실현가능하지 않다. 본원 발명에서 제공되는 이점은 모터에 단 하나의 스테이터 블록만 제작하기 위한 자석의 배열이다. 모터를 더 소형으로 제작하고자 하는 의도를 갖는다면, 스테이터가 프리즘형일 필요가 있다. 이로 인해서, 몇 개의 스테이터 사이에 위치하는 회전을 무효화하는 바람직하지 않는 부가물이 피해지고, 로터의 샤프트를 확장시킬 필요성이 제거된다.

본 발명의 장치의 목적은, 에너지의 그 밖의 다른 형태를 필요로 하지 않고, 자석의 에너지만을 이용하여 회전을 생성하기 위함이다. 본 발명의 장치는 스테이터와 로터로 구성되는데, 로터와 스테이터 사이에서 발생하는 자석의 인력으로 인한 회전을 위해 필요한 힘을 공급하는 자석이 상기 스테이터와 로터에 존재한다.

로터:

상기 로터는, 스테이터를 형성하는 물질에 따라서, 고투자율(high magnetic permeability)의 물질이나 자석을 홀로 포함하거나, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 로터 내에 위치하는 자석은 아암(arm) 상에서 로터의 샤프트를 중심으로 회전하여, 원을 그릴 수 있다. 상기 자석은 경사각을 갖거나, 또는 많은 경사를 지니지 않을 수 있고, 스테이터에 가장 가까운 종단에서 컷(cut)을 가질 수 있다. 덧붙이자면, 자석의 일부 면은 고투자율의 물질로 차폐될 수 있으며, 이는 상기 자석을 다른 영역으로 재-방향 설정하고, 이에 따라서 자성 회로(magnetic circuit)가 폐쇄될 때, 너무 많은 자장이 빠져나가는 것을 방지한다.

차폐되지 않은 자석의 면과 스테이터 사이에서 존재하는 자석의 인력으로 인해 로터의 운동이 발생된다. 로터의 자석이 차폐되지 않은 경우, 스테이터에 더 밀접하게 회전하는 로터의 자극과 상기 스테이터 간에 상호작용이 발생한다.

로터의 부품은 어떠한 자석도 없이, 고투자율의 물질에 의해서만 생성될 수 있다. 왜냐하면, 이러한 고투자율의 물질은 스테이터를 형성하는 자석에 대한 매우 높은 인력을 갖기 때문이다.

스테이터:

상기 스테이터는 자석과 고투자율 물질의 그룹을 포함하거나, 또는 자석을 홀로 포함한다.

그룹을 형성하는 상기 자석은 장방형, 또는 링형일 수 있고, 로터를 마주보는 측부 상에서 앵글 컷(angle cut)을 가질 수 있으며, 이들 사이에서, 그리고 스테이터의 대칭축에 관련하여, 약간 날카로운 경사각을 가질 수 있다.

인력 모드(attraction mode)에서, 상기 자석은, 최대 경계, 또는 최상부 자석(top magnet)까지 각각의 자석의 바깥쪽 극이 스테이터 축으로부터 점점 더 멀어지고, 로터 부품에는 점점 더 가까워지는 어긋난 배열(staggered arrangement)로 꽤 밀접하고 평행하게 배치되며, 이때, 상기 최대 경계, 또는 최상부 자석의 다음에는, 고투자율의 물질로 만들어진 쉴드가 위치하여, 스테이터 블록의 하나의 종단에서 자장이 외부로 흐르는 것을 상쇄시킬 수 있다. 결과적으로, 스테이터의 하나의 종단이 하나의 극을 나타내며, 나머지 하나의 종단이 반대 극을 나타내지만, 상기는 자기 쉴드로 차폐되어 있다. 자기 쉴드의 적정한 기하학적 형태에 의해, 자장을 모든 자석 및 스테이터의 반대 극으로 다시 향하게 하여, 자성 회로(magnetic circuit)가 폐쇄되게 하는 것이 가능해진다. 스테이터의 자성 회로를 더 바람직하게 폐쇄하기 위해, 고투자율의 물질이, 종단 자석으로부터 스테이터의 축을 따라 더 뻗어있을 수 있거나(도 1), 또는 대안적으로, 또 다른 자기 쉴드가 상기 종단에 위치할 수 있고(도 2), 이로 인해서, 스테이터 종단에서 서로 다른 영역을 갖는 2개의 자기 쉴드를 가질 수 있다. 덧붙이자면, 자기 쉴드가 스테이터의 가장 큰 면의 자장을 충분하게 차폐하지 않는 경우, 또는 로터 자석을 차폐하기를 원하지 않는 경우, 한번 통과한 로터를 밀어내기 위해, 자기 쉴드에 매우 가까이 얇은 자석이 위치될 수 있다.

로터가 회전으로부터 멀어지면서 스테이터의 종단을 통과하여 들어갈 때, 반발(repulsion)을 알아채는 것을 방지하기 위해, 로터 부품 운동 영역으로부터 가장 먼 스테이터 자석이 약간 경사지게 배치될 수 있다.

어긋나게 배열된 스테이터 자석이 축 자성 방향(axial magnetization direction)을 갖는 경우, 로터를 바라보는 측은 스테이터 축에 평행인 표면 상에서 2개의 자극을 갖거나(도 2), 또는 이러한 표면이 경사진 경우(도 1), 로터에 가장 가까운 극은 로터로 끌리는 극이다.

스테이터 내의 복수 개의 자석의 그룹이 로터 가속(rotor acceleration)을 야기한다. 로터 운동이 발생할 수 있는 한 가지 방식은, 자석/로터 부품이 더 작은 표면 영역을 가지며 스테이터로 들어가는 로터의 측과 동일한 자극을 나타내는 종단을 통과하여 스테이터로 들어갈 때 발생하는 것이다. 자기 쉴드와 로터에 가장 가까운 최상부 자석의 마지막 극으로의 자기적 인력이 존재하기 때문에, 상기 자석은 최상부 자석과 다른 종단의 자기 쉴드 쪽으로 끌리고, 스테이터 종단에서의 자장을 흡수하는 자기 쉴드를, 가장 큰 표면 영역으로 통과된 후, 상기 로터는 스테이터와 더 이상 자기적 상호작용을 하지 않고, 이에 따라서, 회전 토크가 생성될 수 있다.

로터의 회전 방향은 로터 인력의 방향에 따라 좌우된다. 이러한 이유로, 몇개의 도면이 자기 쉴드 존에 먼저 들어가는, 반대 방향으로의 로터 회전을 보여준다(도 3 및 4). 예들 들어 도 3은 경사도의 각도만큼 기울어진 자석이 스테이터에서 사용되는 경우, 로터는 우선 자기 쉴드 쪽으로 끌리고, 그 후, 최상부 자석의 반대 극으로 끌리는 것을 도시한다.

스테이터를 형성하는 또 다른 수단은 자석만 사용하는 것이다. 동일한 특성을 갖는 자석이 앞서 언급된 바와 같이, 어긋나게 배치된다. 즉, 인력 모드에서 꽤 평행하고, 서로 가깝고, 로터 부품에 대한 이들 간의 간격은 점점 작아져서, 스테이터 축에 평행인 앵글 컷을 갖는 경사 및 상호작용 표면을 갖고, 최상부 자석으로 갈수록 점점 증가되는 것을 보여준다. 그 후, 하나의 자석, 또는 자석의 그룹은 회상부 자석과 척력 모드로 배치되거나(도 5), 또는 대안적으로, 최상부 자석 옆에서 점점 감소하는 경사진 자석이 배치되거나, 두 가지의 조합으로 배치될 수 있다. 이러한 방식으로, 스테이터의 최상부 자석을 통과할 후, 로터는 밀어내질 수 있고, 따라서, 회전 토크가 생성된다. 이러한 변형예에서, 차폐되지 않은 로터가 스테이터 종단 중 하나를 통과하여 들어가고, 최상부의 자석으로 가속되며, 이러한 최상부를 통과하는 운동이 발생할 때, 스테이터의 다른 종단에 위치하는 다른 자석이 로터에 대한 척력을 유발할 것이다. 이러한 운동은, 자기 상호작용, 선 인력, 후 척력을 이용하여, 발생한다.

생성될 로터와 2가지 타입의 스테이터를 정의한 후, 2가지 요소의 레이아웃이 설명될 필요가 있다. 로터의 자장(flux)을 스테이터로 적절하게 입장시키고, 너무 만세지 않은 척력을 주의하거나, 최적의 자기 상호작용(magnetic interaction)을 갖는 표면을 갖기 위한 가장 바람직한 방법은, 로터 부품이 스테이터의 대칭 축에 평행하는 평면으로 회전하면서, 최상부 자석을 갖는 스테이터 종단을 에워쌀 것을 필요로 한다(도 6). 명백하게 보임에도 불구하고, 이러한 로터와 스테이터 간의 배열은 매우 중요한데, 왜냐하면, 이들은 자장을 투사하는 자석이기 때문이다. 덧붙이자면, 스테이터 간의 자장의 증가를 피하기 위해, 모터를 형성하기 위해 사용되는 스테이터 블록의 개수가 감소될 수 있다. 이러한 이유로, 일반적으로 단 하나의 프리즘 형태 스테이터가 모터에 위치한다. 더 전통적인 모터의 배열은 샤프트를 중심으로 회전하는 로터 부품과, 상기 회전에 가까운 횡방향 영역 상에 위치하는 스테이터 블록으로 구성되는 것이다(도 7). 로터가 스테이터에 적정하게 들어가기 위해, 톱니처럼 어긋난 방식으로 배열되는 경사진 자석이 필요하며, 로터에 끌리는 자석 극은 로터에 더 가까이에서 보일 필요가 있다.

스테이터와 로터가 단 하나의 극만을 보여주는 자석을 이용하는 경우처럼 동일한 자석이 아닐지라도, 스테이터는 로터를 더 가까이에서 바라보는 2개의 자극을 필요로 한다. 이들은 로터의 양 측부 상에서 배열되며(도 8), 이는 종단 쉴드로의 인력을 야기한다.

도 1 - 스테이터는 각도 커팅을 갖고, 점점 커지도록 형성되어 있다. 자기 쉴드를 형성하는 고투자율 물질(2)은 가장 넓은 표면 영역을 갖는 면 상에 위치한다. 자기 쉴드는 대칭 축을 따라서 다른 스테이터 종단을 향해 뻗어 있다. 로터는 고투자율 물질(2)에 의해 차폐되는 자석을 갖는다.

도 2 - 스테이터 자석(1)이 각도 커팅을 갖지 않는다. 스테이터의 양 종단 상에서, 자기 쉴드를 형성하는 고투자율 물질(2)이 존재한다. 가장 넓은 표면 영역을 갖는 자기 쉴드 옆에서, 얇은 자석(4)이 존재한다. 로터 자석(3)은 차폐되지 않았다.

도 3 및 4 - 차폐되지 않고, 먼저 자기 쉴드 물질(2)이 위치하는 종단으로 들어가며, 스테이터 자석(1)에게 끌리는 로터 자석(3)이 도시되어 있다.

도 5 - 자석(1)은 척력 모드에서 경사져서 최상부 자석 쪽으로 점점 커지고, 경사진 자석(5), 또는 자석(6) 쪽으로는 점점 작아지게 배열되어 있다.

도 6 - 로터 부품이 스테이터의 대칭 축에 평행인 평면으로 회전하여, 최상부 자석을 갖는 스테이터 종단을 에워싼다.

도 7 - 스테이터 자석(1)은 각도 커팅을 갖지만, 로터에게 점점 더 다가간 다. 자기 쉴드를 형성하는 물질(2)은 최상부 자석의 옆에 위치한다. 로터 자석(3)은 자신의 아암을 나선형으로 배치한다.

도 8 - 스테이터 자석(1)은, 로터 부품(7)의 양 측부 상에서 점점 가까워지도록 배열되는 단 하나의 극을 보여준다. 스테이터 자석(1)은 로터 부품(7)을 최상부 자석과 자기 쉴드를 형성하는 물질(2) 쪽으로 끌어당긴다.

자석(3)을 갖는 로터 및 단일 스테이터를 갖는 모터가 제작된다(도 2). 상기 스테이터를 제작하기 위해, 에디 전류(eddy current)를 피하기 위해, 자석(1)은, 인력 모드(attraction mode)에서, 약간의 간격을 두고 이격되어, 평행하게 배치되며, 스테이터 축의 양 측부 상에서 점점 더 커져서, 로터 부품의 회전에 가장 가까운 자석인 최대 경계, 또는 최상부 자석(top magnet)까지의 2개의 서로 다른 표면 영역의 종단을 갖는 프리즘 형태를 형성한다. 이 최상부 자석 가까이에서, 고투자율 물질로 만들어진 자기 쉴드(2)가 스테이터의 마지막 자극과 마주보도록 평행하게 배치되어, 스테이터의 이 종단으로부터의 자장의 유출을 감소시킬 수 있다. 축 자성 방향(axial magnetization direction)을 보여주는 자석(1)이 사용되는 경우, 표면에 2개의 자극을 갖는 면이 로터 자석(3)을 바라보도록 배열되고, 로터 부품이 끌리는 극이 자기 쉴드와 최상부 자석에 가깝도록 배치된다(도 1).

로터는 자석(3)과 고투자율의 물질(2)을 포함할 수 있다. 자석과 쉴드 물질 간의 간격은 변할 수 있다. 또한 로터는 차폐되지 않은 자석(3)만으로 구성될 수 있지만, 스테이터와 로터를 형성하는 축 자성 방향을 갖는 자석이 존재하는 경우, 스테이터 자석(1)으로 처음 들어가는 로터 자석(3)의 극은, 로터가 통과되는 종단과 동일한 극성을 갖는 극, 그리고 나머지 스테이터 종단에 가장 가까이 위치하는 반대 극성을 갖는 최상부 자석의 극이 끌리는 극이다.

로터 자석(3)의 경사도에 따라서, 여러 다른 방향의 회선이 존재할 수 있다. 도 1 및 2에서, 예를 들어, 로터 자석(3)은, 상기 로터 자석(3)이 회전 시 처음 통과하는 최소한의 표면 영역을 가지면서, 스테이터 종단에 대하여 약간 기울어져 있다. 대안적으로, 도 3 및 4에서 도시되는 바와 같이, 로터 자석(3)의 제 1 극이 자기 쉴드의 종단을 통과하고, 다른 스테이터 종단에 가장 가까운 최상부 자석의 반대 극으로 끌린다. 이를 위해, 로터를 향하는 스테이터의 2개의 자극을 갖는 표면이 스테이터의 대칭 축에 평행일 필요가 있다. 일반적으로, 로터에 의해 그려지는 원의, 자기 쉴드의 포인트에서의 접선에 평행일 필요가 있다. 왜냐하면 이러한 표면이 경사진 경우에는, 어떠한 인력도 존재하지 않기 때문이다.

로터 부품은, 프리즘 형태의 스테이터 둘레에 동심원을 그리는 동일한 샤프트에 대하여 회전할 수 있는 아암에 배치된다. 상기 로터 부품은, 스테이터의 하나의 종단보다 다른 하나의 종단에서 최상부 자석에 더 밀접하게 배치되고, 모터에서 단지 스테이터의 대칭 축에 평행하는 평면으로 회전함으로써, 스테이터를 에워싼다.

오늘날, 모터는 원하는 대로 완전히 동작하지 않는다. 미래에는, 보다 자율적인 회전을 촉진하는 자석의 추출 파워(exact power)뿐 아니라, 소자 화(demagnetize)되지 않도록 자석이 가질 수 있는 로드(load)의 정도가 발견될 수 있다. 덧붙이자면, 모터는 온도의 증가를 나타낸다.

현재는, 자율적인 모터로서 동작하지 않기 때문에, 회전 토크를 돕는 장치로 구성될 것이다. 로터를 스테이터 자석 위로 통과시키는 것이 어렵고, 이는 도움이 필요하다. 이러한 이유로, 자전거의 페달링(pedalling)에서 사용될 수 있는 장치가 형성된다. 프로세스는 실제로 페달에 의해 도움을 받는다. 걸리는 시간 동안, 회전에서의 제동(break)이 발견된 후, 매우 느린 회전에서의 하드 회전 토크(hard rotation torque)가 얻어질 수 있다.

Claims (3)

1. 로터(rotor)와 스테이터(stator)에서 자석과 고투자율 물질(high permeability material, 2)로 형성되는 자석 모터(magnetic motor)에 있어서, 이때, 스테이터 축은 로터 축에 직교하는 원의 접선이며,

   상기 로터는 하나 이상의 자석(3)으로 형성되며, 이때, 고투자율 물질(2)이 상기 고투자율 물질(2)은 자석(3)이 스테이터에 접근할 때, 스테이터의 종단과 동일한 자극성을 띄는, 단 하나의 자극만을 갖는 자석의 면 옆에 위치하며, 스테이터를 바라보는 면은 2개의 자극을 갖고,

   모터에는 하나 이상의 스테이터가 존재하며, 상기 스테이터는 상기 단 하나의 자극을 갖는 면으로부터 끌어 당겨지는 자석(1)으로 형성되어, 스테이터 축에 대하여 어긋난 구조(staggered structure)를 형성하고, 상기 자석(1)은, 스테이터 축에서 점점 멀어지고, 로터에 점점 가까워지며, 하나의 자극을 갖는 면에 평행하는 고투자율 물질(2) 옆에 위치하는 종단 자석이 로터에 가장 가까운 어긋난 라인(staggered line) 상에서, 로터를 바라보는 2개의 자극을 갖는 면을 갖는 것을 특징으로 하는 자석 모터.
2. 제 1 항에 있어서, 로터를 바라보는 스테이터 자석(1)의 면은 스테이터 축에 평행인 면 상에 2개의 자극을 갖는 것을 특징으로 하는 자석 모터.
3. 제 1 항에 있어서, 로터 자석(3) 및 스테이터 자석(1)의 단 하나의 자극을 갖는 면은, 상기 자석들이 서로 완전히 마주보지 않을 때, 가장 가까운 자극 상에서 동일한 자극성을 갖는 것을 특징으로 하는 자석 모터.

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