KR20090018914A - 단일 자속 경로를 이용한 전기 발생 장치 - Google Patents

단일 자속 경로를 이용한 전기 발생 장치 Download PDF

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KR20090018914A
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테오도르 씨. 애니스
패트릭 제이. 에벌리
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트랜스듀싱 에너지 디바이시스, 엘엘씨
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Abstract

본 발명의 방법 및 장치는 단일 자속 경로에 기반한 회로의 동작을 통해 전기를 발생시킨다. 자화 부재는 자속 경로를 제공한다. 하나 이상의 전기 전도성 코일이 자화 부재 주위에 권취되고, 릴럭턴스 또는 자속 전환 장치는 자속을 제어하는데 사용된다. 자속 전환 장치는 동작시, 자화 부재를 통해 영구 자석의 자속의 극성(방향)의 반전을 야기함으로써 각 코일에서 교류 전류를 유도한다. 자속 전환 장치는 고정식 또는 회전식으로 구성될 수 있다. 고정식 자속 전환 장치의 실시예에서, 두 개 또는 네 개의 릴럭턴스 스위치는 하나 이상의 정지 영구자석(들)의 자속이 자화 부재를 통해 반전되도록 작동한다. 또 다른 실시예에서, 자속 전환 장치는 고투과성 및 저투과성 물질로 구성된 요소를 포함함으로써, 이 요소가 회전할 때 자석의 자속이 자화 부재를 통해 순차적으로 그 극성이 역전된다.

Description

단일 자속 경로를 이용한 전기 발생 장치{ELECTRICITY GENERATING APPARATUS UTILIZING A SINGLE MAGNETIC FLUX PATH}
본 발명은 코일에 전기를 유도하기 위해 하나 또는 복수의 전도 코일이 권취되는 단일 자속 경로를 통해 하나 이상의 영구자석에서 발생된 자속의 극성(방향)이 반복적으로 반전되는 방법 및 장치에 관한 것이다.
관련출원
본 출원은 2006년 4월 17일자로 출원된, 미국 가특허 출원 제60/792,602호; 제60/792,596호; 제60/792,594호; 제60/792,595호, 및 2007년 4월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 제11/735,746호에 대해 우선권을 주장한다. 이들 각 출원의 전체 내용은 참고로 본 명세서에 포함된다.
운동 전기 발전기 또는 교류발전기와 관련된 전자기계 및 전자기 방법은 잘 알려져 있다. 교류발전기 및 발전기는 종종 영구 자석을 이용하며, 통상적으로 EMF(기전력)이 유도되는 회전자, 고정자 및 하나 또는 복수의 코일을 구비한다. 전기 발생과 관련한 물리학은 발전기 방정식 V=∫(v×B)·dl에 의해 설명된다.
높은 보자력, 높은 자속밀도, 높은 기자력(magnetic motive force)(mmf), 및 시간 경과에 따른 자기 강도의 미약한 저하를 갖는 물질로 이루어진 영구 자석이 현재 일반적으로 사용된다. 이 영구자석을 위한 물질의 예로는 세라믹 페라이트 자석(Fe2O3); 사마륨 코발트(SmCo5) 자석; 철, 네오디뮴, 및 붕소의 조합; 및 기타를 들 수 있다.
변압기용 자기경로는 종종 적층된 철 함유 물질로 구성되고, 인덕터는 종종 변압기 및 인덕터를 위한 고 주파수 동작에 사용되는 페라이트 물질을 이용한다. 자기회로 내에서 자기경로로 사용하기 위한 고성능 자기물질은 현재 입수가능하며, 최소한의 와전류(eddy current)를 갖는 자속의 신속한 전환(switching)에 적합하다. 이 같은 자기 물질의 예로는 일본의 히타치(Hitachi)사에서 제조한 FINEMET® 나노결정 코어 물질을 들 수 있다.
Moskowitz의 "영구자석 설계 및 응용 핸드북(Permanent Magnet Design and Application Handbook)(1995)"의 52 페이지에 보면, 자속은 항상 강자성체의 표면에서 직각으로 나오고 들어가는 자속선으로 인식될 수도 있고, 직각으로 회전할 수 없고 직선 또는 곡선으로만 이동하고 최단 거리와 가장 낮은 릴럭턴스 경로를 따르는 자속선으로 인식될 수도 있다.
"릴럭턴스 스위치(reluctance switch)"는 직접적이고 신속한 방식으로 자기 경로의 릴럭턴스(기자력에 대한 저항)를 크게 증가 또는 감소 (통상적으로는 증가)시킬 수 있고 이에 후속하여 이 릴럭턴스를 직접적이고 신속한 방식으로 최초(통상적으로는 낮은)값으로 복원시킬 수 있는 장치이다. 릴럭턴스 스위치는 아날로그 특성을 갖는다. 대조적으로, 오프/온 전기 스위치는 흐르는 전기가 없기 때문에 통상 디지털 특성을 갖는다. 최근 기술에 따르면, 릴럭턴스 스위치는 자속을 갖는다. 릴럭턴스 스위치는 키퍼의 운동으로 인해 공극이 생성되도록 하는 것과 같이 기계적으로, 또는 여러 수단이나 기타 다른 수단에 의해 전기적으로 구현될 수 있다. 한 가지 전기 수단은 자속 경로 주위에 권취되는 제어 코일을 이용하는 것이다. 또 다른 전기 수단은 전기 인가시 릴럭턴스를 변화(통상적으로는 증가)시키는 소정 종류의 물질로 된 자속 경로내에 배치된다. 또 다른 전기 수단은 전도성 전선을 Konrad와 Brudny가 저술한 자기학에 관한 IEEE 회보(2005년 10월, 제41권 10호)의 "실제 공극 길이 계산을 위한 개선된 방법(An Improved Method for Virtual Air Gap Length Computation)"에 기술된 물질속에 삽입하여 공기의 저항으로 증가시키도록 스위치 물질 영역을 포화시키는 것이다.
특허 문헌에서는 전기를 발생시키기 위해 교호 자속 경로(alternate flux paths) 사이의 정지 영구자석으로부터 발생하는 자속을 불균형적으로 분할함으로써 교호 자속 경로의 자속의 양을 변경하도록 고안된 다수개의 구조물이 설명되어 있다. 하나의 자속 경로에서의 자속의 증가와 그에 대응하는 다른 자속 경로에서의 자속의 감소는 코일이 자속 경로 주위에 권취될 때 전기를 유도하기 위한 기반을 제공한다. 이들 구조물에 의해 전기를 발생하는 것과 관련된 물리학은 변압기 방정식 V= -∫dB/dt·ds에 의해 설명된다. 다른 자속 경로에서의 해당 자속 감소/증가를 갖는 특수한 교호 자속 경로를 통해 자속이 증가/감소되도록 하고 이를 반복적으로 수행하도록 하기 위해 다양한 릴럭턴스 스위칭 수단이 이용되어 왔다.
영구 자석의 반대극성 사이에서의 교호 자속 경로를 따라 자속을 전환하는 수단에는 R.J.Radus가 저술한 Enginner's Digest(1963년 7월)에 설명된 자속 전달 원리(flux transfer principle)가 포함되어 있다.
대체로 유사한 기하구조 및 투과성을 갖는 교호 자속 경로들을 제공한 결과, 특수 조건하에서 최초로 선택된 교호 자속 경로 또는 대부분의 자속을 선택한 교호 자속 경로가 동일 릴럭턴스를 가짐에도 불구하고 더 많은 자속과 다른 경로를 보유하는 "우선 자속 경로"로 남아 있게 될 것이다. Moskowitz의 "영구자석 설계 및 응용 핸드북(1995)"의 87 페이지에는, 자속 경로(릴럭턴스 스위치) 주위에 권취되는 코일의 전기 펄싱으로 구성되는 릴럭턴스 스위칭을 통해 영구 자석을 턴온 및 (대부분)턴오프 함으로써 철강을 들어 올리고 해제하기 위한 영구 자석의 산업상 이용과 관련한 이러한 노력이 논의되어 있다.
대략 중심위치에서 대향하는 두 개의 바아 사이에 바아 영구자석(한 자극에서 측정된 자속밀도 = 1000 가우스)이 배치된 채 정사각형으로 함께 배치된 철로 이루어진 네 개의 장방형 바아(상대 투과율=1000)에 대해 실시한 실험결과는 바아 자석에 평행한 단부 바아들 중 하나를 제거하고 재배치함으로써 접촉상태로 남아있던 바아의 나머지 자속이 약 80% 정도임을 보여주었다. 또한, 그 실험 결과, 우선 자속 경로는 그 불균형한 자속 조건이 교호 자속 경로에 전달되기 전에 이용가능한 교호 자속 경로의 약 10배 정도의 릴럭턴스 증가를 거쳐야 한다는 것이 밝혀졌다.
Flynn의 미국특허 제6,246,561호; Patrick등의 미국특허 제6,362,718호; 및 Pedersen의 미국특허 제6,946,928호는 모두 전기(및/또는 기전력)를 발생시키기 위해 교호 자속 경로 사이에서 고정 영구 자석(들)로부터 발생하는 자속의 양을 전 환(분할)하기 위한 방법 및 장치를 개시하고 있다. 이들 특허는 한 쪽 자속 경로에서의 자속 증가와 이에 대응한 다른 자속 경로(들)에서의 자속 감소를 제공한다. 항상 최소한 두 개의 자속 경로가 존재한다.
본 발명은 단일 자속 경로에 기반한 회로 동작을 통해 전기를 발생시키는 방법 및 장치에 관한 것이다. 자화 부재가 자속 경로를 제공한다. 하나 이상의 전도성 코일이 자화 부재 주위에 권취되고, 릴럭턴스 또는 자속 전환 장치가 자속을 제어하는데 사용된다. 자속 전환 장치는 동작시, 자화 부재를 통해 영구 자석의 자속의 극성(방향)의 반전을 야기함으로써 각 코일에서 교류 전류를 유도한다.
본 발명에 따르면, 자속 전환 장치는 고정식(motionless) 또는 회전식(rotary)으로 구성될 있다. 고정식 자속 전환 장치의 실시예에서, 네 개의 릴럭턴스 스위치는 제 1 스위칭 쌍이 개방(릴럭턴스 증가)되도록 하는 한편 또 다른 스위치 쌍이 폐쇄(릴럭턴스 감소)되도록 하는 제어 유닛에 의해 작동된다. 이때, 초기 스위치 쌍은 나머지 스위치 쌍이 개방됨에 따라 폐쇄된다. 이러한 2×2 개방 및 폐쇄 사이클이 반복되고, 이 사이클이 반복됨에 따라 정지 영구자석(들)의 자속은 자화 부재를 통해 극성이 반전됨으로써, 유도 코일에서 전기가 발생된다. 또 다른 고정식 자속 전환 장치의 실시예는 두 개의 릴럭턴스 스위치 및 공기 또는 기타 물질로 된 두 개의 간극(gap)을 사용한다.
대체 실시예에서, 자속 전환 장치는 고투과성 및 저투과성 물질로 구성된 요소를 포함함으로써, 이 요소가 회전할 때 자석의 자속이 자화 부재를 통해 순차적으로 그 극성이 반전된다. 바람직한 실시예에서, 상기 요소는 중심축을 갖는 원통형 요소이며 그 축을 중심으로 회전한다. 이 실린더는 두 개의 하프 실린더(half cylinders)로 분할하는 저투과성 물질로 이루어진 부분을 제외하고 고투과성 물질로 구성된다. 자화 부재 주위에는 적어도 하나의 전도성 코일이 권취됨으로써, 상기 원통형 요소가 회전할 때 전류가 코일에서 유도된다. 이 원통형 요소는 기계적 힘, 전자기계적 힘 또는 다른 힘에 의해 회전될 수 있다.
전류발생 방법은 자화 부재 주위에 전도성 코일이 권취되도록 자화 부재에 이 전도성 코일을 제공하는 단계, 및 자화 부재를 통해 영구 자석의 자속을 순차적으로 역전시켜 코일에 전류를 유도하는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 자기 회로의 개략도이다;
도 2는 고정식 자속 스위치에 기반한 본 발명의 실시예의 사시도이다;
도 3은 본 발명에 따른 정지된 자기 회로의 개략도이다;
도 4는 본 발명에 따른 릴럭턴스 스위치의 상세도이다;
도 5는 공기 또는 다른 물질로 된 간극을 이용하는 본 발명에 따른 대체 고정식 자속 스위치의 상세도이다;
도 6은 본 발명에 따른 회전식 자속 스위치를 이용한 시스템의 상세도이다;
도 7은 본 발명에 따른 회전식 자속 스위치의 상세도이다;
도 8은 두 개의 영구자석과 단일 자속 경로를 이용한 본 발명에 따른 회로의 개략도이다;
도 9는 릴럭턴스 스위치 제어유닛을 포함하는, 도 8의 구성요소를 갖는 자속 전환 장치의 한 가지 가능한 물리적 실시예를 도시한 것이다;
도 10은 본 발명에 따른 상호연결된 전기 발전기의 어레이를 도시한 것이다.
도 1은 고정식 자속 스위치를 이용한 본 발명에 따른 자기 회로의 개략도이다. 이 회로는 영구 자석(102), 단일 자속 경로(104), 전도성 코일(106,108) 및 네 개의 릴럭턴스 스위치(110,112,114,116)를 포함한다. 제어유닛(118)의 제어하에, 릴럭턴스 스위치(112,116)가 폐쇄(릴럭턴스 감소)되는 동안 릴럭턴스 스위치(110,114)는 개방(릴럭턴스 증가)된다. 또한, 릴럭턴스 스위치(112,116)가 개방되는 동안 릴럭턴스 스위치(110,114)는 폐쇄된다. 이러한 2×2 개방 및 폐쇄 사이클이 반복되고, 이 사이클이 반복됨에 따라, 정지 영구자석(102)의 자속은 단일 자속 경로(104)를 통해 극성이 반전됨으로써 전도성 코일(106,108)에 전기가 발생된다. 영구자석(102)의 효율적인 형상은 자극들이 상호 근접하게 되고 자속 스위치와 결합되는 "C" 형태이다. 이 단일 자속은 상호 근접하게 되고 자속 스위치와 결합되는 단부를 갖는 "C" 형태의 자화부재(100)에 의해 지지된다. 금번 실시예 및 다른 실시예에서, 2×2 전환 사이클은 동시에 수행된다. 이와 같이, 제어회로(118)는 상승 시간, 하강 시간, 공명 및 기타 다른 기생 효과를 조절하기 위해 수정-제어 클럭 이송 디지털 카운터, 플립플롭 또는 게이트 패키지 등으로 구현되는 것이 바람직하다. 제어회로의 출력단은 아날로그 또는 디지털 파형을 요구되는 릴럭턴스 스위치로 루팅하기 위해 FET(전계효과 스위치)를 사용하는 것이 바람직하 다.
도 2는 상호간 상대 위치를 보여주는 도 1의 구성요소를 사용한 장치의 한 가지 가능한 물리적 실시예의 사시도이다. 릴럭턴스 스위치(110,112,114,116)는 이하에서 설명되는 바와 같이 서로 다르게 구현될 수도 있지만, 통상적으로는 자속 전환 장치내에 동일한 상대적 위치를 점유하게 될 것이다. 도 3은 고정식 자속 스위치의 상세도이다. 연결부(120,122,124,126)는 고투과성의 강자성체로 이루어져야 한다. 중앙 체적부(128)는 공극을 제공하는 관통공(through-hole)이거나, 유리, 세라믹 또는 기타 다른 저투과성 물질로 충전될 수도 있다. 이와는 달리, 마이스너 효과(Meissner effect)를 보이는 초전도체 또는 기타 다른 구조물이 사용될 수도 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 실시예에서, 릴럭턴스 스위치(110,112,114,116)는 정지동작을 용이하게 하는 고체 상태 구조물로 구현된다. 최근 바람직한 고정식 릴럭턴스 스위치는 Toshiyuki Ueno와 Toshiro Higuchi가 저술한 논문 "Investigation on Dynamic Properties of Magnetic Flux Control Device composed of Lamination of Magnetostrictive Material Piezoelectric Material"(도쿄 대학, 2004년)에 설명되어 있으며, 그 전체 내용은 참고로 본 명세서에 포함되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 이 스위치는 거대 자기변형 재료(GMM)(42), 전기가 인가되는 압전(PZT) 재료(44,46)에 의해 양면에 접합되는 TbDyFe 합금의 적층판으로 구성된다. PZT에 전기가 인가됨으로써 GMM상에 스트레인(strain)이 발생되어 그 릴럭턴스가 증가하게 된다.
현재 계류중인 미국특허 출원 제2006/0012453호에 개시된 장치를 구비하는 다른 장치들이 적용될 수 있고, 상기 미국특허의 전체 내용은 참고로 본 명세서에 포함된다. 이 참고문헌에 개시된 이들 스위치는 자기변형 및 압전 효과의 형태로된 액정 물질의 자전 효과(magnetoelectric(ME) effects)에 기반한다. ME 물질의 특성은, 예컨대 Rye 등의 "Magnetoelectric effect in composites of magnetorestrictive and piezoelectric materials" (전자세라믹 저널, 제8권, 107-1 19 (2002), Filipov 등의 "Magnetoelectric effects at piezoresonance in ferromagnetic-ferroelectric layered composites"(미국 물리학회 회의(2003년 3월) 초록, 및 Chang 등의 "Magneto-band of stacked nanographite rebbons"(미국 물리학회 회의(2003년 3월) 초록에 설명되어 있고, 이들 각 논문의 전체내용 역시 본 명세서에 포함되어 있다.
또 다른 대안은 큐리 온도 이상 및 이하에서 순차적으로 가열 및 냉각되어 (또는 냉각 및 가열되거나 활성적으로 가열 및 냉각되어) 릴럭턴스를 조절할 수 있는 물질을 구비한다. 가돌리늄(gadolinium)은 그 큐리점(Currie point)이 실온 근방이기 때문에 후보물질이다. 고온의 초전도체는 다른 후보물질인데, 이 물질은 실질적으로 큐리점 근방의 온도에서 절연 챔버에서 냉각된다. 이러한 전환 동작을 달성하기 위해 제어유닛과 함께 극초단파 또는 다른 에너지원이 사용될 수 있다. 스위치가 어떻게 견고하게 포함되는지에 따라, 도 4에 도시된 블록 주위에 추가의 팽창-제한 '요크(yokes)'가 필요할 수도 있고 필요하지 않을 수도 있다.
도 5는 공기 또는 다른 물질로 된 간극을 이용하는 본 발명에 따른 대체 고 정식 자속 스위치의 상세도이다. 본 실시예에서는 두 개의 전기 작동식 릴럭턴스 스위치(110,114)와, 두 개의 간극(113,115)을 사용함으로써, 이들 스위치가 정해진 방식으로 작동되면, 자석(102)의 자속은 스위치를 포함하는 스위치 세그먼트들을 따라 차단되고 간극 포함 연결부들을 통해 힘을 받음으로써, 자화 부재(100)를 통해 자속이 반전된다. 두 개의 릴럭턴스 스위치(110,114)의 작동시, 매우 낮은 릴럭턴스 경로를 탐색하는 자속은 (비 활성저하) 릴럭턴스 스위치를 포함하는 최초 경로로 다시 되돌아감으로써, 자화 부재(100)를 통해 자속이 반전된다. 또한, 자속 스위치들은 스위치의 국부영역을 포화시키도록 전자기 작용을 함으로써 릴럭턴스가 공기(또는 간극 물질)의 저항으로 증가되어 본 명세서의 발명의 배경에서와 같이 Kornrad와 Brudny에 의해 설명된 가상 간극이 생성된다.
특히, 본 실시예에 따른 자속 전환 장치는 체적부를 형성하는 간극에 걸쳐 북극 'N'과 남극 'S'가 대향하는 관계로 배치되는 영구 자석을 사용한다. 단부 A 및 B를 갖는 자화 부재는 상기 체적부를 공유하는 간극에 걸쳐 대향관계로 지지되고, 자속 스위치는 네 개의 측면(1-4)을 갖는 체적부에 정지 블록을 포함하되, 이들 네 개 측면중 두 개의 대향면이 각각 N과 S에 연결되고, 나머지 두 개의 대향면은 A와 B에 각각 연결된다. 이 정지 블록은 두 개의 전기 작동식 자속 스위치와 공기 또는 다른 물질로 충전된 두 개의 간극에 의해 구분되는 자화 물질로 구성된다. 자속 스위치와 전기적으로 소통하는 제어유닛은,
a) 측면 1-2 및 3-4를 통해 디폴트 자속 경로를 수동적으로 허용하기 위해
b) 측면 2-3 및 1-4를 통해 자속 경로를 능동적으로 확립하기 위해, 그리고
c) 순차적인 방식으로 a)와 b)를 반복하기 위해, 작동한다.
고정식 자속 스위치에 대한 대안으로서, 2×2 교대 시퀀스를 구현하기 위해 회전식 자속 스위치가 사용될 수도 있다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 자속 간극(132)을 갖는 실린더(130)가 동기 수단(motive means)에 의해 회전된다. 이러한 동작으로 인해 실린더(130)를 구성하는 두 개의 하프 실린더는 자화 부재(136)의 소정 단부가 정지 영구 자석(138)의 자극들 중 하나와 함께 상방으로 쌍으로 형성되는 자속 브리지(즉, "폐쇄" 릴럭턴스 스위칭 상태)를 제공한다. 동시에, 단일 자속 경로 캐리어(136)의 타 단부는 정지 영구 자석(138)의 대향 자극과 함께 쌍으로 형성된다.
도 7은 실린더의 상세도이다. 실린더의 90도 회전을 통해 제 1 자속 브리지는 파손("개방" 릴럭턴스 스위치 상태)되고, 자화 부재(136)의 소정 단부가 정지 영구자석(138)의 대향 자극과 함께 연결되는 제 2 세트의 자속 브리지가 생성된다. 실린더(130)의 완전한 회전을 통해 네 번의 자속 반전이 야기된다. 단일 자속 경로(2) 내에서의 각각의 자속 반전으로 인해, 전류가 전도성 코일(140,142)에서 발생된다. 본 실시예에서는, 실린더(130)가 회전함에 따라 자속 브리지가 제공되기 때문에, 영구 자석(138)의 자극과 자속 경로 캐리어(136)의 단부들과 관련하여 (회전) 실린더(130)의 각각의 하프 실린더 사이에 정확하고 지속적인 간격(spacing)을 유지하는 것이 중요하다.
회전 실린더(130)는 자속 간극(132)에 의해 완전히 분할되는 높은 자기투과성 물질로 이루어진다. 이 회전 실린더를 위한 바람직한 물질로는 히타치사에서 제조한 FINEMET®와 같은 나노결정성 물질이 있다. 이 자속 간극(132)은 낮은 자기 투과성을 보이는 공기, 유리, 세라믹 또는 기타 물질일 수도 있다. 이와는 달리, 마이스너 효과를 보이는 초전도체 또는 기타 다른 구조체가 사용될 수도 있다.
자화 부재(136)의 효율적인 형상은 대향 단부들이 실린더(130)와 동일한 반경으로 만곡되어 있고 회전 실린더(130)와 가장 근접해 있는 "C" 형태이다. 또한, 영구 자석(138) 역시 대향 단부들이 실린더(130)와 동일한 반경으로 만곡되어 있고 회전 실린더(130)와 가장 근접해 있는 "C" 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 제조 및 조립시 고려사항으로서 다른 형상을 취할 수도 있다.
따라서 위에서 지금까지 설명된 실시예는 단일 영구 자석을 이용하고 있지만, 단일 자속 경로를 발생시키면서도 다수의 영구 자석을 이용하는 본 발명에 따른 다른 실시예도 가능하다. 도 8은 두 개의 영구자석과 단일 자속 경로를 이용한 회로의 개략도이다. 도 9는 릴럭턴스 스위치 제어유닛을 포함하는, 도 8의 구성요소를 갖는 자속 전환 장치의 한 가지 가능한 물리적 실시예를 도시한 것이다.
제어유닛(158)의 제어하에, 릴럭턴스 스위치(150,152)는 스위치(154,156)가 가 폐쇄(릴럭턴스 감소)되는 동안 개방(릴럭턴스 증가)된다. 또한, 릴럭턴스 스위치(150,152)는 스위치(154,156)가 ㅍ효율성을개방되는 동안 폐쇄된다. 이러한 2×2 개방 및 폐쇄 사이클이 반복되고, 이 사이클이 반복됨에 따라 정지 영구자석(160,162)은 자화 부재를 통해 자극이 반전되어 전도성 코일(166,168)에서 전기가 발생된다.
본 실시예의 바람직한 구현에 있어서, 자석들은 이들 N극 및 S극이 반전된 상태로 배열된다. 자화 부재는 두 개의 자석 사이에 배치되고, 네 개의 자속 스위치 SW1-SW4가 형성되는데, 두 개는 자화 부재의 각 단부와 각 자석의 자극 사이에 배치된다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 릴럭턴스 스위치는 전술한 구조물로 구현된다.
특이성을 부가하기 위해, 제 1 자석이 북극 및 남극 N1 및 S1을 갖고 있고, 제 2 자석이 북극 및 남극 N2 및 S2 을 가지며 자화 부재는 두 개의 단부 A 및 B를 갖는다고 가정한다. SW1은 N1과 A사이에 배치되고, SW2는 A와 S2 사이에 배치되며, SW3는 N2와 B 사이에 배치되고, SW4는 B와 S1 사이에 배치된다고 가정하면, 제어회로는 SW1 및 SW4를 활성화한 다음 SW2 및 SW3을 활성화하기 위해 작동하고, 이러한 과정을 순차적으로 반복 수행한다. 본 명세서에 설명된 다른 실시예로서, 효율성을 이유로, 자속 전환 동작이 동시에 수행된다.
본 명세서에 설명된 모든 실시예에서, 영구 자석을 위해 사용되는 물질은 자기 조립체 또는 단일 자화 유닛일 수도 있다. 바람직한 영구자석 물질로는 세라믹 페라이트 자석(Fe2O3); 사마륨 코발트(SmCo5); 철, 네오디뮴, 및 붕소의 조합을 들 수 있다. 단일 자속 경로는 높은 자기 투과성을 갖는 물질에 의해 형성되고 와전류를 최소화하도록 구성된다. 이러한 물질은 변압기에서 사용되는 것과 같은 적층 철 또는 스틸 조립체 또는 페라이트 코어일 수도 있다. 바람직한 물질로는 FINEMET®와 같은 나노결정성 물질이 있다. 전도성 코일(들)이 전압, 전류 또는 전 력객체를 충족하기 위해 요구되는 권취수 만큼 단일 자속 경로를 형성하는 재료 주위에 권취된다. 전도성 코일은 통상적이고 표준적인 절연 구리 자석선(전동기 전선)이면 충분하며 허용가능하다. 또한, 초전도 물질이 사용될 수도 있다. 전도성 코일에서 유도되는 전기중 적어도 일부는 스위치 제어유닛으로 궤환될 수 있다. 이러한 동작 모드에서, 시작 전기 펄스는 필요시 화학 전지 또는 태양 전지로부터 제공될 수 있다.
도 2 및 도 6의 실시예에서 자석 및 이 자석에 의해 설명되는 체적부 외부에 놓이는 자속 형성 물질은 직각면에 놓이는 평편한 요소이지만, 자속 경로는 자석 체적부 내부에 배치될 수도 있고 일정 각도로 구성될 수도 있다. 이들 평편한 요소의 물리적 크기는 제조 기술의 장점이나 기타 다른 장점을 얻기 위해 변경될 수도 있다. 예컨대, 도 10은 전압 또는 전류 요건에 따라 직렬, 병렬 또는 직렬-병렬 조합으로 연결가능한 하나 이상의 코일을 각각 갖는 자기 회로의 어레이를 도시한 것이다. 각각의 경우, 자석들은 마이크로전자공학 산업분야에서 공통적인 기술을 이용하여 배치되거나 제조될 수 있다. 만약, 기계식 자속 스위치가 사용되면, 이들 스위치는 MEMs-방식 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 자속 경로는 미리 선택되어 권취 형성된 다음, 도시된 바와 같이 배치되는 것이 바람직하다. 도 9에 도시된 실시예는 최소화(minimization) 및 복제(replication)에 적응성이 있다.

Claims (17)

  1. 자속을 발생시키는 영구 자석;
    자화 부재;
    상기 자화 부재 주위에 권취되는 전기 전도성 코일; 및
    상기 자화 부재를 통해 상기 자석의 자속을 순차적으로 반전시키도록 동작함으로써 상기 코일에서 전류를 유도하는 자속 전환 장치
    를 포함하는 전기 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자속 전환 장치는 다수개의 고정식 고체상태 릴럭턴스 스위치를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 릴럭턴스 스위치는 거대 자기변형 물질(GMM) 및 압전(PZT) 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 영구 자석은 북극단 'N' 및 남극단 'S'가 체적부를 형성하는 간극에 걸쳐 대향 관계로 배열되는 제 1 루프를 형성하고,
    상기 자화 부재는 단부 'A' 및 'B'가 상기 체적부를 공유하는 간극에 걸쳐 대향 관계로 배열되는 제 2 루프를 형성하며,
    상기 자속 전환 장치는,
    a) N을 A와 자기적으로 결합하고 S를 B와 자기적으로 결합하고,
    b) N을 B와 자기적으로 결합하고 S를 A와 자기적으로 결합하고,
    c) 상기 a) 및 b)를 순차적으로 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 자속 전환 장치는,
    네 개의 측면(1-4)을 갖는 체적부에 정지 블록을 포함하며, 이들 네 개 측면중 두 개의 대향면이 각각 N과 S에 연결되고, 나머지 두 개의 대향면은 A와 B에 각각 연결되고, 상기 정지 블록은 네 개의 전기 작동식 자기 릴럭턴스 스위치에 의해 구분되는 자화 물질로 구성되며,
    자속 스위치와 전기적으로 소통하는 제어유닛을 포함하고, 상기 제어유닛은
    a) 측면 1-2 및 3-4를 통해 자속 경로를 확립하고,
    b) 측면 2-3 및 1-4를 통해 자속 경로를 확립하고,
    c) 상기 a) 및 b)을 순차적으로 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 자속 전환 장치는,
    네 개의 측면(1-4)을 갖는 체적부에 정지 블록을 포함하며, 이들 네 개 측면중 두 개의 대향면이 각각 N과 S에 연결되고, 나머지 두 개의 대향면은 A와 B에 각각 연결되고, 상기 정지 블록은 두 개의 전기 작동식 자기 릴럭턴스 스위치와 공기 또는 다른 물질로 충전된 두 개의 간극에 의해 구분되는 자화 물질로 구성되며,
    자속 스위치와 전기적으로 소통하는 제어유닛을 포함하며, 상기 제어유닛은
    a) 측면 1-2 및 3-4를 통해 디폴트 자속 경로를 수동적으로 허용하고,
    b) 측면 2-3 및 1-4를 통해 자속 경로를 능동적으로 확립하고,
    c) 상기 a) 및 b)을 순차적으로 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 자속 전환 장치는 고투과성 및 저투과성 물질로 구성된 요소를 포함함으로써, 상기 요소가 회전할 때 상기 자석의 자속이 상기 자화 부재를 통해 순차적으로 그 극성이 반전되는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 실린더는 두 개의 하프 실린더로 분할되는 저투과성 물질로 이루어진 부분을 제외하고 고투과성 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 요소는 기계적으로 회전하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 요소는 전자기계적으로 회전하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 코일에서 유도되는 전류중 적어도 일부는 상기 자속 전환 장치를 작동하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  12. 제1항에 있어서,
    자속을 반대방향으로 발생시키는 제 1 및 제 2 영구 자석; 및
    상기 자화 부재를 통해 상기 자석의 자속을 순차적으로 반전시키도록 동작함으로써 상기 코일에 전류를 유도하는 다수의 자속 스위치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 자석들은 이들 자석의 N극과 S극이 반전되는 형태로 배치되고;
    상기 자화 부재는 상기 두 개의 자석 사이에 배치되며;
    네 개의 자속 스위치 SW1-SW4가 제공되고, 이들 스위치 중 두 개는 상기 자화 부재의 각 단부와 상기 자석의 자극사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제 1 자석은 북극 및 남극 N1 및 S1을 갖고 있고;
    상기 제 2 자석은 북극 및 남극 N2 및 S2을 갖고 있고;
    상기 자화 부재는 두 개의 단부 A 및 B를 갖고 있으며;
    SW1는 N1과 A 사이에 배치되고;
    SW2는 A와 S2 사이에 배치되고;
    SW3는 N2와 B 사이에 배치되고;
    SW4는 B와 S1 사이에 배치되며;
    a) SW1 및 SW4을 활성화시키고,
    b) SW2 및 SW3를 활성화시키고
    c) 상기 단계 a) 및 b)를 순차적으로 반복 수행하도록 동작하는 제어회로를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 발전기.
  15. 전류를 발생시키는 방법으로서,
    전기 전도성 코일이 자화 부재 주위에 권취도록 상기 자화 부재에 상기 전기 전도성 코일을 제공하는 단계; 및
    상기 자화 부재를 통해 영구 자석의 자속을 순차적으로 반전시켜 상기 코일에 전류를 유도하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 코일에서 유도되는 전류 중 적어도 일부를 사용하여 상기 자화 부재를 통해 상기 영구 자석의 자속을 순차적으로 반전시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 자화 부재를 통해 다수개의 영구자석의 자속을 순차적으로 반전시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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