KR20090060999A

KR20090060999A - 진자 운동하는 균형형 회전자를 구비한 왕복 피스톤 기계

Info

Publication number: KR20090060999A
Application number: KR1020097004726A
Authority: KR
Inventors: 도널드 머래이 클루카스
Original assignee: 휘스퍼 테크 리미티드
Priority date: 2006-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2009-06-15
Also published as: EP2094958A1; EP2094958B1; JP2010500856A; EP2094958A4; WO2008018806A1; CA2660472A1; AU2007282235A1; US20100176591A1

Abstract

기계는 실린더(2) 안에서 왕복 운동할 수 있는 하나 이상의 피스톤(1)과, 한 균형형 회전자는 상기 회전자의 운동 축(들)의 일 측면 상에 질량 중심을 구비하고 다른 균형형 회전자는 상기 회전자의 운동 축의 대향 측면 상에 질량 중심을 구비하는, 피스톤의 운동 축에 대하여 횡방향인 축 둘레에 장착된 둘 이상의 균형형 회전자(3c, 3d)와, 상기 피스톤과 회전자 사이의 하나 이상의 커넥팅 부재 또는 메커니즘을 포함하고, 상기 회전자는 상기 피스톤의 왕복 운동과 반대로 운동한다. 상기 기계는 전기 모터 또는 발전기와 같은 전기 기계일 수 있다. 전기 제어 시스템이 피스톤 운동이나 출력 파형을 제어할 수 있다.

피스톤, 균형형 회전자, 진자 운동, 고정자, 커넥팅 로드, CHP 유니트

Description

진자 운동하는 균형형 회전자를 구비한 왕복 피스톤 기계 {A RECIPROCATING PISTON MACHINE WITH OSCILLATING BALANCING ROTORS}

본 발명은 상당한 균형을 이루도록 구성된 왕복 피스톤 기계에 관한 것이다. 일 태양에서 상기 기계는 전기 발전기 또는 교류 발전기를 포함할 수 있다.

일 태양에서 본 발명은 실린더 안에서 왕복 운동할 수 있는 하나 이상의 피스톤과, 피스톤의 운동 축에 대하여 횡방향인 축 둘레로 진자 회전 운동(oscillating rotational movement)하도록 한 쌍으로 장착되고, 그 중 어느 하나가 운동 축의 어느 한 쪽에 질량 중심을 구비하고 다른 하나가 운동 축의 반대 쪽에 질량 중심을 구비하는 한 쌍의 균형형 회전자와, 상기 피스톤과 회전자 사이를 연결하여 상기 회전자가 상기 피스톤의 왕복 운동과 반대로 이동하도록 하는 하나 이상의 커넥팅 부재 또는 메커니즘을 포함하는 기계를 포함한다.

상기 기계는 후술하는 바와 같이 다수의 실린더 기계 또는 단일의 실린더 기계일 수 있다.

상기 기계의 일 태양은 전기 기계이다. 상기 기계는 예를 들어 외연기관이나 내연기관의 피스톤(들)에 의하여 구동되는 발전기를 포함하거나, 예를 들어 펌프나 압축기의 피스톤(들)을 구동시키는 전기 모터를 포함할 수 있다. 그러므로 다른 태양에서 본 발명은 실린더 안에서 왕복 운동할 수 있는 하나 이상의 실린더와, 진자 회전 운동하기 위하여 장착되고, 상기 피스톤의 왕복 운동과 반대로 이동하기 위하여 상기 피스톤에 연결된 균형형 회전자를 포함하는 전기 기계를 포함하며, 하나 또는 두 개의 상기 회전자는 자석이나 권선(winding), 선택적으로 상기 회전자와 관련된 하나의 고정자 또는 고정자들을 포함한다.

상기 기계가 전기 기계, 특히 발전기인 경우의 일 실시예에서, 상기 회전자 각각은 영구 자석이나 전자석을 포함할 수 있고, 상기 기계는 상기 회전자와 관련된 고정자를 포함할 수 있다-상기 회전자의 운동은 상기 고정자에서 기전력을 발생시킨다. 다른 실시예에서 하나의 고정자 또는 고정자들은 영구 자석이나 전자석을 포함할 수 있고, 상기 회전자는 하나의 권선 또는 권선들을 포함한다-상기 회전자의 운동은 상기 회전자 권선(들)에 기전력을 발생시킨다. 고정자가 적은 다른 실시예에서 하나의 회전자는 영구 자석이나 전자석을 포함할 수 있고, 다른 회전자는 하나의 권선이나 권선들을 포함할 수 있다-상기 회전자들 사이에서의 상대적인 운동은 상기 권선 또는 권선들에서 기전력을 발생시킨다.

상기 기계가 전기 기계, 특히 예컨대, 액체나 기체 또는 압축 기체와 같은 유체를 펌핑함으로써 일을 하는 상기 피스톤(들)을 구동시키는 전기 모터인 경우에, 액체나 기체 또는 압축 기체와 같은 유체를 펌핑하는 일을 하며, 일 실시예에서 상기 회전자 각각은 영구 자석이나 전자석을 포함할 수 있고, 상기 회전자의 진자 운동 및 상기 피스톤(들)의 이동을 구동시키기 위하여 하나의 고정자 또는 고정자들에 전압이 가해질 수 있다. 다른 실시예에서 하나의 고정자 또는 고정자들은 영구 자석이나 전자석을 포함할 수 있고 상기 회전자는 상기 회전자와 피스톤(들)의 이동을 구동시키기 위해 전압이 가해지는 하나의 권선이나 권선들을 포함할 수 있다. 고정자가 적은 다른 실시예에서 하나의 회전자는 영구 자석이나 전자석을 동반할 수 있고 다른 회전자는 회전자 및 피스톤의 이동을 구동시키기 위하여 전압이 가해지는 권선을 동반할 수 있다.

본 발명의 이익이나 장점 또는 적어도 본 발명의 실시예의 이익이나 장점이 다음에 상세히 기술되는 특정한 실시예와 관련하여 후속적으로 기술된다.

본 명세서 및 청구항에서 사용된 "발전기"라는 용어는 직류 전력이나 교류 전력 중 하나를 발생시키는 전기 기계를 포함한다.

본 명세서 및 청구항에 사용된 '포함하는(comprising)'이라는 용어는 '적어도 부분적으로 포함하는(consisting at least in part of)'을 의미하고, 즉, 그러한 용어를 포함하는 독립항이 개재된 경우, 각 청구항에서 그러한 용어로 언급되는 형상부는 반드시 존재해야 하고 다른 형상부 또한 존재할 수 있다.

본 발명은 본 발명을 제한하지 않고 예시하는 첨부 도면을 참조하여 기술된다.

도 1은 본 발명 기계의 제1 실시예를 개략적으로 도시하며;

도 2 및 도 3은 본 발명 기계의 제2 실시예를 개략적으로 도시하며;

도 4는 도 2 및 도 3의 실시예와 유사한, 특히 고정자를 포함하는 전기 기계의 실시예를 개략적으로 도시하며;

도 5는 고정자를 포함하는 전기 기계를 일측에서 바라본, 부분적으로 절결된 실시예를 도시하며;

도 6은 도 5에서의 화살표(A)의 방향에서 바라본 도 5의 실시예를 도시하며;

도 7은 도 5 및 도 6의 실시예를 위한 구동 회로를 개략적으로 도시하며;

도 8은 본 발명의 평행한 트윈 실린더 기계를 개략적으로 도시하며;

도 9는 본 발명의 대향하는 두 실린더 기계를 개략적으로 도시하며;

도 10은 본 발명의 대향하는 여섯 개의 실린더 기계를 개략적으로 도시하며;

도 11은 본 발명 기계의 다른 실시예를 도시하며; 그리고,

도 12는 본 발명 기계의 또 다른 실시예를 도시한다.

도 1의 기계는 간략성을 위하여 단일 실린더 기계로서 도시되며, 실린더(2) 안에서 왕복 운동하는 피스톤(1)을 포함한다. 피스톤과 실린더는 예를 들어, 스터링 기관과 같은 열기관 또는 내연기관 또는 냉동 압축기나 공기 압축기나 기체 압축기 같은 압축기 또는 유체 펌프 또는 증기기관의 피스톤 및 실린더일 수 있다. 간략성을 위하여 "기계"라는 용어가 본 명세서에 사용될 것이나, 이 용어는 상기 용도 및 다른 용도에 걸쳐 사용되는 것으로 폭넓게 이해되어야 한다.

두 개의 균형형 회전자(3)가 피스톤의 운동 축에 대하여 횡방향인 축 둘레로 베어링(4)에 장착된다. 상기 피스톤(1) 및 회전자(3)는 커넥팅 로드(6)로 결합된다. 도시된 바와 같이 각 회전자(3)의 질량의 주 부분(major part)은 피봇 축(4)과 반대쪽에 있고, 상기 커넥팅 로드(6)는 다른 쪽에 상기 회전자(3)의 부 부 분(minor part)과 결합된다.

기계의 작동 동안에, 상기 실린더(2) 내의 피스톤(1)의 왕복 선형 운동은 상기 회전자(3)의 진자 회전 이동을 구동시키거나, 상기 회전자(3)의 진자 회전 운동에 의하여 구동되고, 상기 회전자(3)는 상기 피스톤(1)의 운동 방향과 반대로 이동하도록 구성된다. 즉, 상기 피스톤(1)이 도 1의 화살표(P1)의 방향으로 하강 운동하는 동안, 상기 회전자(3)는 화살표(R1)의 방향으로 이동한다. 상기 피스톤이 도 1의 화살표(P2) 방향으로 상승 운동하는 동안 상기 회전자는 화살표(R2) 방향으로 이동한다.

상기 커넥팅 로드(6)는 기계의 평면에서 가요성이 있으나 축 방향으로는 단단할 수 있고, 또는 상기 피스톤 및/또는 상기 회전자(3)에 결합하는 곳에 관절식 조인트를 구비하며, 상기 커넥팅 로드의 작은 회전 운동을 조정할 수 있다.

상기 기계는 실질적으로 동적 균형을 이룰 수 있다. 상기 회전자는 상기 피스톤의 왕복 질량과 실질적으로 균형을 이룰 수 있는 질량 분포를 갖고, 또한 거의 같은 회전 관성 모멘트를 갖도록 형성되어 상기 두 크랭크의 회전 관성이 실질적으로 균형을 이루고 서로 상쇄될 수 있다. 상기 두 회전자와 피스톤의 질량은 균형 모멘트가 깨지지 않도록 실질적으로 동일 평면에 있어야 한다. 상기 두 커넥팅 로드의 회전 관성 모멘트의 총합은 그들의 회전이 반대 방향이기 때문에 영이 될 것이다. 상기 반대 방향으로 회전하는 두 회전자의 레버 아암 길이에 비해 행정이 짧고 고도의 균형에 도달할 수 있다. 또한 반대 방향으로 회전하는 크랭크는 상기 피스톤 관성과 동적 균형을 이루며 동시에 운동하도록 되어 있기 때문에, 상기 피 스톤 운동은 고도의 균형을 유지하면서도 사인파형 운동으로 변하지 않는다. 즉, 피스톤은 엔진의 균형을 희생하지 않고도 비사인파형으로 운동할 수 있다.

전기 발전기 또는 교류 발전기인 기계의 일 실시예에서, 상기 회전자(3)는 자석을, 특히 각 회전자의 곡선형 주연부 둘레에 포함할 수 있고, 고정자(도 1에 도시되지 않음)는 어느 일 측에서 상기 회전자와 협동하여 상기 회전자의 이동이 상기 고정자의 권선에서 기전력을 발생시킬 수 있다. 상기 회전자 자석은 영구 자석 또는 전자석일 수 있고, 상기 권선은 예컨대 브러쉬, 스프링 또는 가요성 와이어를 통해 동력원에 연결될 수 있다. 대안적으로 상기 고정자는 영구 자석이나 전자석을 포함할 수 있고, 상기 회전자는 회전자가 상기 고정자에 대해 이동할 때 기전력이 발생되고 브러쉬, 스프링 또는 가요성 와이어를 거쳐 다시 외부 회로에 연결되는 전류가 발생되는 권선을 동반할 수 있다.

작동 동안 전기 부하가 소실되더라도, 상기 메커니즘의 본질적으로 균형을 이루는 성질에 의하여 상기 기계가 격렬히 진동하는 일은 없다.

상기 기계가 전기 모터이고 피스톤이 예를 들어 펌프나 압축기 내부에서와 같이 구동되는 일 실시예에서, 상기 회전자 각각은 예를 들어 브러쉬, 스프링 또는 가요성 와이어를 거쳐 동력원과 연결된 영구 자석이나 전자석을 포함할 수 있고, 고정자의 권선에 전압을 가하여 상기 회전자를 구동시킬 수 있다. 대안적으로 고정자는 어느 일 측에 각각 영구 자석이나 전자석을 포함하고, 회전자는 상기 회전자와 피스톤을 구동시키기 위하여 전압이 가해지는 권선 또는 권선들을 포함할 수 있다.

도 2 및 도 3에는 반대 방향으로 진자 운동하는 회전자들(3)이 피봇(4)의 공통축 둘레로 진자 운동하는 실시예가 도시된다. 화살표(P1)로 표시된 상기 피스톤(1)의 하강 운동은 회전자(3c) 및 회전자(3d)가 화살표(R2) 및 화살표(R1')의 방향으로 각각 운동하게 하며, 상기 피스톤의 화살표(P2) 방향의 상승 운동은 상기 회전자들이 화살표(R1) 및 화살표(R2')의 방향으로 운동하게 한다.

회전자(3d)가 제거된 엔진을 도시하는 도 3에 도시된 바와 같이, 커넥팅 로드(6a)는 상기 축(4)에 대하여 한 쪽에서 회전자(3c)에 연결되고, 커넥팅 로드(6b)는 상기 축(4)에 대하여 다른 쪽에서 회전자(3c)에 연결된다.[도 3에는 커넥팅 로드(6b)의 단부가 도시되었으나 상기 회전자(3d)는 도시되지 않았다.] 상기 회전자(3c) 및 회전자(3d) 각각은 운동의 공통 축(4) 둘레에서 대칭적으로, 반대 방향으로 균형을 이룬다. 이 실시예에서 상기 회전자는 도시된 바와 같이 상기 축(4) 둘레로 원의 형상이며, 회전자(3c)의 중량 부분(3e)은 회전자의 질량 중심이 상기 축(4)에 대하여 한 쪽에 있도록 하며, 회전자(3d)(도 3에 도시되지 않음)는 상기 축(4)의 대하여 반대쪽에 유사한 중량 부분을 구비한다.

또한, 도 2 및 도 3에 도시된 실시예에서 도시된 바와 같이 커넥팅 로드(6a) 및 커넥팅 로드(6b)는 브릿지부(9)에 연결되고, 상기 브릿지부(9)는 다시 피스톤(1)에 연결된다. 대안적으로 상기 커넥팅 로드(6a) 및 커넥팅 로드(6b)는 [브릿지부(9) 없이] 상기 피스톤(1)에 바로 연결될 수 있다.

전기 발전기의 실시예에서 상기 회전자(3)는 주연부에 영구 자석 또는 전자석 및 둘러싸는 고정자를 포함할 수 있고, 또는 대안적으로 (그러나 덜 바람직하 게) 상기 고정자는 영구 자석 또는 전자석을 포함할 수 있고, 고정자의 플럭스는 상기 회전자의 권선에 의해 차단될 수 있다. 도 4는 도 2 및 도 3의 실시예에서의 고정자(10)가 발전기 또는 교류 발전기로 구성된 것을 도시한다. 바람직한 태양에서 상기 두 회전자(3c, 3d) 자석의 극성은 상기 회전자 자석이 상기 출력 고정자 권선을 지나서 반대 방향으로 회전할 때 각각의 이동하는 자석에 의해 발생되는 기전력의 방향이 출력 권선에서 위상이 같은(in-phase) 연속 전압을 발달시키도록 선택된다. 이는 발전기의 전압을 증가시키고 고정자의 권선을 단순화한다.

다른 실시예에서 두 개의 이동하는 회전자는 브러쉬, 스프링, 가요성 와이어 또는 이와 유사한 것을 통해 출력 커넥터에 연결된 복권(compound wound winding)을 포함할 수 있다.

도 2 및 도 3의 실시예와 유사하고 발전기인 다른 실시예에서 한 회전자는 자석(들)을 포함할 수 있고, 다른 회전자는 기전력이 발생되는 권선을 포함할 수 있다. 대안적으로 자석과 권선의 조합이 각 회전자에 제공될 수 있다. 이 실시예의 이점은 도 4의 도면 부호 10으로 도시된 별개의 둘러싸는 고정자가 필요하지 않고 상기 발전기는 상기 회전자를 둘러싸는 별개의 고정자가 제공되는 것보다 컴팩트한 점이다. 또다른 이점은 상기 발전기의 플럭스 차단 속도가 2배가 되는 것이다.

도 2 내지 도 4의 실시예는 전술한 바와 같이 상기 피스톤을 구동시키는 전기 모터일 수 있다. 상기 회전자 각각은 영구 자석이나 전자석을 포함할 수 있고, 전압이 상기 고정자에 가해져 상기 회전자와 피스톤의 이동을 구동시킬 수 있다. 대안적으로 상기 고정자는 영구 자석 또는 전자석을 포함할 수 있고, 상기 회전자는 권선 또는 권선들을 포함할 수 있고 전압이 상기 회전자에 가해져 상기 회전자와 피스톤을 구동시킬 수 있다. 대안적으로 고정자가 적은 환경에서 하나의 회전자는 영구 자석이나 전자석을 동반할 수 있고, 다른 회전자는 상기 회전자 및 피스톤의 이동을 구동시키기 위하여 전압이 가해지는 권선을 포함할 수 있고, 또는 회전자 각각이 자석 및 권선의 조합을 동반할 수 있다.

도 5에는 한 측면에서 바라본 또다른 실시예가 도시되며, 하나의 회전자가 점선으로 도시되며 고정자(10)가 이등분되었다. 도 6에는 도 5를 화살표(A) 방향으로 바라본 기계가 도시된다. 상기 기계는 도 2 내지 도 4의 기계와 유사하며, 공통의 차축(4)의 둘레로 진자 운동하는 회전자(3c, 3d)를 포함하며, 상기 회전자는 베어링(20)을 거쳐서 상기 차축(4)에 장착된다. 커넥팅 로드(6a)는 상기 차축(4)에 대하여 한 쪽에서 상기 회전자(3c)에 연결되고, 커넥팅 로드(6b)는 상기 차축(4)에 대하여 다른 쪽에서 상기 회전자(3d)(점선으로 도시됨)에 연결된다. 상기 커넥팅 로드(6a 및 6b)는 브릿지부(9)에 연결되고, 상기 브릿지부(9)는 다시 커넥팅 로드(6c)에 연결된다. 상기 기계를 가능한 한 컴팩트하게 만들기 위하여, 이 실시예에서 상기 커넥팅 로드(6a, 6b) 각각은 다른 회전자의 아치형 슬롯(21)을 통해 각각의 회전자에 연결된다. 그리고 상기 커넥팅 로드(6a, 6b) 각각은 상기 고정자(10) 안의 구멍(22)을 통과하고(도 6 참조), 또는 대안적으로 슬롯이 상기 커넥팅 로드 사이의 고정자의 상부를 가로질러 형성될 수 있다. 도 1의 상기 실시예와 같이, 상기 각 회전자의 주 부분(major part)은 상기 회전자의 운동축에 대하여 한 쪽에 곡선형의 주연부를 구비하고, 각 회전자의 다른 쪽에는 상기 커넥팅 로드(6a, 6b)가 피봇 조인트(23)를 경유하여 개별적으로 결합되는 부 부분(minor part)이 구비된다. 상기 회전자(3c, 3d) 각각은 공통의 운동 축(4) 둘레로 대칭적으로, 반대 방향으로 균형을 이룬다. 상기 회전자의 주연 부분에는 영구 자석(또는 대안적으로 전자석)이 포함되며, 상기 기계는 둘러싸는 고정자(10)가 포함된다.

선택적으로 피스톤 및/또는 회전자의 위치 및/또는 운동을 감지하는 하나 이상의 센서가 구비된, 예컨대 마이크로-프로세서를 포함하는 전기 제어 시스템은 예컨대, 피스톤 속도 및/또는 위치와 같은 피스톤 운동을 제어하도록 배열되어, 예를 들어 상기 피스톤이 상기 실린더의 상부에서만 작동하도록 상기 또는 각 피스톤을 제어함으로써, 상기 피스톤을 비사인파형 운동으로 이동하게 하거나 엔진이나 펌프 또는 압축기의 실시예 중의 하나에서 피스톤에 의한 실린더의 유효 능력이나 회전 면적(swept area)을 변화시킬 수 있다. 발전기의 실시예에서 이는 상기 발전기의 전기적 출력의 파형을 제어하거나 바꾸는데 사용될 수 있다.

대체로 상기 피스톤을 필요한 속도로 및/또는 필요한 상사점(TDC) 및/또는 하사점(BDC) 위치까지 이동시키는데 필요한 추력은 다양한 크랭크 각도로 계산된다. 상기 기계의 자기 회로 및 전기 회로는 필요한 힘을 발생시키도록 설계된다.

상기 기계는 예를 들어 스테퍼 기계(stepper machine), BLDC 기계(BLDC machine), 유도 기계(induction machine), 릴럭턴스 기계(reluctance machine), 동기 기계(synchronous machine), 한계각 토크 기계(limited angle torque machine), 서보 기계, 버니어 하이브리드 기계(vernier hybrid machine) 또는 PM 동기 기 계(PM synchronous machine)로서 단상 또는 다상(multiphase)으로 실행될 수 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 실시예의 프로토타입 모터는 2상(two phase) 스테퍼 모터로서 배선되었다. 상기 2상은 도 7에 도시된 바와 같이 두 개의 풀 브릿지를 가로질러 연결된다. 상기 브릿지는 직류 전원에서 공급받는다. 제어 시스템(25)은 H 브릿지를 구동시키고/ 전력을 고정자 권선으로 전환시키는 작동을 하여, 상기 기계의 임의의 듀티 사이클(duty cycle), 드웰 타임(dwell time), 속도, 기동 추력(starting thrust) 및 재생 제동 형상(regenerative braking profile)을 제어한다. 상기 고정자는 네 개의 고정자 자극(26 내지 29)을 구비하며, 2상 스테퍼 모터와 유사하게 배선된다. 상기 설계는 차상 1차 타입(short stator type)이다. 자극 각각은 상기 고정자 포머(stator former)에서 두 슬롯을 덮었다. 회전자 각각은 TDC에서 BDC까지 30°이동하며, 이는 25mm의 행정과 동일하다. 이 프로토타입 기계의 레졸루션(resolution)은 동일한 행정에서 5°또는 4.17mm였다.

상사점

상태 1

상태 2

상태 3

상태 4

상태 5

하사점

정상 작동시, 메커니즘은 상기 상태 3에서 고유의 휴지 위치를 가지며, 하나의 완전한 사이클에서 상기 회전자는 BDC로, 그 후 TDC로 진자 운동한 뒤 상태 3으로 되돌아올 수 있다. 상기 회전자 운동의 행정은 상태 3의 전후로 15°이다.

행정 거리를 제어하기 위하여, 일 모드에서의 사이클이 BDC와 TDC 사이 대신 어느 측면에서나 상태 5와 상태 1 사이로 제한될 수 있다. 이는 상기 행정을 20° 또는 16.7mm로 제한한다. 대안적으로 다른 모드에서 상기 행정 거리는 10°또는 8.35 mm의 행정으로 제한될 수 있다. 상기 프로토타입의 행정 제어에서 달성 가능 한 최소 레졸루션은 10°였다.

또다른 제어 변수는 DC 레벨 또는 바이어스이다. 10°의 행정에서, 상기 고유의 휴지 위치는 상기 다섯 상태 중 임의의 상태에 있을 수 있다. 예를 들어, 상태 1이 고유의 휴지 위치이고, 상기 기계가 그 후 작동시 TDC와 상태 2의 사이를 진자 운동할 수 있다. 대안적으로 상기 고유의 휴지 위치가 상태 2일 때, 그 후 상기 기계는 작동시 10°의 행정을 위하여 상태 1과 상태 3 사이를 진자 운동하거나, 20°의 행정을 위하여 TDC와 상태 5 사이를 진자 운동할 수 있다. 대체로, 상기 고유의 휴지 위치가 상태 2 또는 상태 4일 때, 20°및 10°의 행정 거리가 가능하다. 상기 고유의 휴지 위치가 상태 1 또는 상태 5일 때, 10°의 행정이 가능하다.

상기 피스톤의 비선형 경로나 비사인파형 경로를 얻기 위하여 TDC나 BDC 또는 둘 다에서의 상기 피스톤의 드웰 타임이 제어될 수 있고, 즉, 상기 피스톤은 사다리꼴의 운동 프로파일을 발생시키기 위해 TDC와 BDC에서 중지하도록 제어될 수 있다.

상기 피스톤의 순간적인 위치는 예를 들어 상기 기계 제어기(25)에 피스톤 위치의 입력 신호를 제공하는, 예컨대 인코더와 같은 위치 감지 시스템에 의해 결정될 수 있다. 상기 위치 신호(들)는 필요한 피스톤 운동을 달성하기 위하여 개별 고정자 코일(26 내지 29)을 구동시키는 전력 전기 스위치(S1 내지 S8)로 구동 신호를 발생시키는데 사용될 수 있다. 상기 프로토타입 기계는 변환[고정자 자극의 다른 세트로 전류의 방향을 바꾸기 위하여 스위치(S1 내지 S8)의 작동에 의한 상기 고정자 자극(26 내지 29)을 바꾸는 것]의 순간을 결정하도록 피드백을 제공하는 위치 감지 시스템을 구비한 폐쇄 루프에서 구동되었다. 상기 위치 감지 시스템은 또한 적절한 제어 파라미터(예를 들어-속도 및 드웰)를 얻기 위하여 모듈레이션 레벨 제어를 돕는다. 상기 제어 시스템(25)은 (스테퍼 모터의 마이크로 스테핑과 유사한) 정확한 운동 프로파일을 달성하기 위한 플럭스 형상을 달성하는 고정자 권선을 구동시키기도록 배열될 수 있다. 파형은 비선형일 수 있고, 개별 전력 제어를 통해 필요한 임의의 비선형 운동 형상을 달성할 수 있다.

상기 기계는 대안적으로 상기 피스톤(들)에 의해 구동되는 전기 발전기로 배열될 수 있고, 전기 발전기에서 전력 전기 회로 소자는 피스톤의 위치에 따라 전환되며, 상기 권선에서 발생된 에너지는 추출된다. 에너지는 또한 비전환 방법에 의해서도 추출될 수 있다. 대안적으로, 발생된 전력을 밖으로 내보내기 위하여 적합한 그리드 타이(grid tie) 전자기기를 구비한 임의의 다른 전기 기계로 설계될 수 있다.

상기 전기 기계는 유도 기계 또는 동기 기계로 설계함으로써 임의의 전력 전자 기기 없이 유틸리티 그리드에 연결될 수 있다. 상기 발전기는 상기 피스톤 운동을 비사인파형으로 제어함으로써 비사인파형인 출력 파형을 발생시킬 수 있다.

도 8에는 도 2 및 도 3의 기계를 필수적으로 포함하고, 스터링 엔진에 사용될 수 있도록 상기 기계 한 쌍이 병렬된 평행한 트윈 구조인 트윈-실린더의 실시예가 도시된다. 상기 기계는 실린더(2a) 내부에서 작동하는 배제기(displacer) 또는 배제기(displacer) 또는 피스톤(1a)을 포함하며, 도 2 및 도 3에 관해 기술된 것과 동일한 방법으로 상기 엔진의 작동 동안 서로에 대해 반대로 진자 운동하는 한 쌍의 회전자(3e)에 연결된다. 피스톤(1b)은 실린더(2b) 안에서 작동하며, 반대 방향으로 진자 운동하는 회전자 쌍(3f)에 연결된다. 상기 회전자 쌍(3e, 3f)은 모두 도면 부호 4로 표시된 축(다만,그들의 축은 분리될 수 있음)의 둘레로 진자 운동한다. 상기 회전자 쌍은 기계적 레벨에서 연결되지 않지만 공통의 전기적 출력을 제공하거나 상기 권선으로의 전력 흐름 또는 상기 권선으로부터의 전력 흐름을 전환시키거나 조절하기 위한 마이크로 프로세서 또는 다른 제어 시스템을 거치도록 구성될 수 있다. 대안적으로 상기 기계는 두 개의 피스톤을 구동시키는 전기 모터일 수 있다.

도 9에는 상기 엔진의 대향하는 트윈 실린더의 실시예가 도시된다. 도 2 및 도 3을 참조하여 기술된 바와 같이 피스톤(1a)은 실린더(2a) 안에서 작동하고, 회전자(3c, 3d)를 포함하는 반대 방향으로 진자 운동하는 회전자 쌍과 브릿지부(9)를 통하여 커넥팅 로드(6)를 경유하여 연결된다. 피스톤(1b)은 피스톤(1a)과 대향하여 제 2 실린더(2b) 안에서 작동한다. 커넥팅 부재(11)는 상기 회전자들(3c 및 3d) 사이를 지나 상기 피스톤(1b)을 브릿지 부분(9)에 결합시킨다. 다른 도면 부호는 앞에서와 동일한 부품을 가리킨다.

도 10에는 인접한 세 개의 대향하는 실린더 유니트를 포함하고 각각이 도 9에 관해 기술된 바와 같이 작동하는 여섯 개의 실린더의 실시예가 도시된다. 대향하는 피스톤(1a 및 1b)은 실린더(2a 및 2b) 안에서 작동하며, 브릿지 부분(9a)을 통해 커넥팅 요소(11a)에 의하여 결합되며, 커넥팅 요소(11b)에 의하여 결합된 피 스톤은 유사하게 실린더(2c 및 2d) 안에서 작동하며, 커넥팅 요소(11c)에 의하여 결합된 피스톤은 실린더(2e 및 2f) 안에서 작동한다.

발전기를 포함하는 전기 기계의 모든 실시예에서 매우 바람직하게는 진자 운동하는 각각의 회전자에 있어서, 회전자가 회전하는 축과 피스톤에 연결되는 커넥팅 로드가 회전자에 부착되는 축 사이의 거리가, 회전자의 상기 운동 축과 상기 회전자의 외주연까지의 거리보다 짧아서, 자석 및/또는 권선의 선속도가 상기 피스톤의 선속도보다 크다. 이는 출력 전압을 증가시키고 동시에 동일한 출력 전력에 대하여 출력 전류를 감소시키도록 하며, 더 가볍고 경제적인 회전자 설계를 가능하게 한다.

특히 바람직한 태양에서, 본 발명의 엔진과 발전기는 엔진 및 엔진 배출열이 물이나 공간 가열을 위하여 열교환하는 마이크로 컴바인드 열 및 전력(micro-combined heat and power)(마이크로 CHP) 유니트의 엔진 및 발전기일 수 있다. 특히 마이크로 CHP 유니트는 엔진이 저진동 또는 최소 진동을 하도록 구성될 수 있어서 벽 장착용으로 적합할 수 있다.

본 발명의 또다른 이점은 [고정자(들)을 포함하는] 바람직한 실시예에 통상적인 고정자 적층 구조가 사용될 수 있다는 점이고, 반면에 종래 기술인 선형 교류 발전기 전기 기계에서는 통상적이 않은 고정자 적층 구조가 구비되어, 제조 비용이 증가된다.

도 11 및 도 12에는 간략성을 위하여 단일의 실린더가 개략적으로 도시되며,상기 피스톤(또는 피스톤들) 및 회전자들 사이를 연결하는 대안적인 메커니즘을 포 함하는 본 발명 기계의 실시예가 개략적으로 도시된다. 도 11에서 회전자(14)는 회전자 각각의 주연부 일부에 형성된 기어(15)를 구비하며, 상기 피스톤(1)에 연결된 커넥팅 로드(6)의 어느 한 쪽의 래크(6)에 맞물려서, 상기 피스톤이 화살표(P1)의 방향으로 이동할 때, 상기 회전자는 화살표(R1)의 방향으로 이동하고, 상기 피스톤이 화살표(P2) 방향으로 이동할 때 상기 회전자는 화살표(R2) 방향으로 이동한다.

도 11의 실시예와 유사한 (도시되지 않은) 추가의 실시예에서, 상기 커넥팅 로드와 상기 회전자 사이의 결합은 도시된 래크와 기어에 의하지 않고 마찰 또는 핀치 맞물림에 의한 것일 수 있다. 예를 들어 도 11에 기어(15)를 동반하는 것으로 도시된 상기 회전자의 주연부의 부분들은 상기 커넥팅 로드(6)와 효과적으로 마찰 맞물림 되게 하는 고무나 유사한 합성 물질 또는 임의의 다른 물질의 얇은 층을 동반할 수 있고, 커넥팅 로드의 접촉 표면 또는 접촉 표면들 또한 마찬가지로 이를 동반할 수 있다.

도 12의 실시예에서 상기 피스톤(1) 및 상기 회전자(14)의 사이의 상기 커넥팅 로드(6)는 벨트나 체인 또는 이와 유사한 것(본 명세서에는 편의상 벨트로 기재함)과 같은 네 개의 커넥팅 요소에 의해 연결된다. 특히 벨트(B1 및 B2)는 각각 상기 회전자(14)의 주연부에서 상기 커넥팅 로드(6)의 하부까지 연결되고, 벨트(B3 및 B4)는 상기 회전자의 주연부에서 상기 커넥팅 로드(6)의 상부까지 연결된다. 예를 들어, 상기 피스톤이 상기 회전자를 구동시킬 경우, 상기 피스톤이 화살표(P1)로 표시된 것과 같이 하강 운동하는 동안 벨트(B1 및 B2)는 인장되며, 상기 회전자를 화살표(R1)의 방향으로 피봇시키고, 상기 피스톤(P2)이 상승 운동하는 동안 벨트(B3 및 B4)는 인장되며 상기 회전자를 화살표(R2) 방향으로 이동하도록 한다. 대안적으로 전기 모터에 적용된 경우와 같이 상기 회전자가 상기 피스톤을 구동시키는 경우, 상기 회전자의 화살표(R1) 방향으로의 이동은 벨트(B3 및 B4)를 인장시키고, 상기 피스톤이 화살표(R2) 방향으로 상승 운동하게 하며, 상기 회전자가 그 방향을 역전시키고 화살표(R2)의 방향으로 이동할 때 벨트(B1 및 B2)는 인장되며 상기 피스톤이 화살표(P2)의 방향으로 하강 운동하게 한다.

또는 교류발전기. 이것은 또한 상기 피스톤(들)을 구동시키는 모터로 배열된 도 5 내지 도 7의 실시예에 관하여 예시로서 기술된다.

위에 기술된 모든 실시예에서, 예를 들어 기계적 스프링 또는 스프링들의 편향된 장치(biasing arrangement)는 상기 회전자를 중립의 위치(상기 실린더 안에서 상기 피스톤의 행정 거리의 중간 지점)로 편향시키도록 제공될 수 있다. 스프링 배열은 두 개의 회전자 또는 각 쌍의 회전자 사이에서 작동될 수 있고, 또는 개별적으로 하나 이상의 회전자와 상기 기계의 고정된 (이동하지 않는) 부분 사이에서 작동할 수 있다. 상기 편향된 장치는 상기 기계 고유의 운전 진동수를 생성하도록 구성될 수 있다. 기계적 스프링 배열의 대안으로 상기 편향된 장치는 가스 실린더 또는 이와 유사한 것 또는 자기력을 이용할 수 있다. 대안적으로 상기 스프링, 자석 또는 기체 스프링은 상기 피스톤 또는 피스톤 로드에 작용할 수 있다.

전기 발전기인 기계의 실시예에서, 상기 기계는 파동 에너지 발전기일 수 있다. 상기 피스톤은 다이어프램 또는 파동 운동에 의하여 이동하는 다른 부분에 결 합될 수 있다.

다른 특정 실시예에서, 실린더(들) 안에서 기체가 압축되고(기체에 의하여 일이 행해짐) 후속적으로 기체가 팽창되는(기체에 의하여 일이 행해짐) 용도에서 상기 기계는 전기 모터 및 발전기 모두 일 수 있다. 상기 피스톤(들)이 한 방향으로 이동하는 동안 기체를 압축시키도록, 상기 피스톤(들)을 구동시키기 위한 전력이 상기 기계에 공급될 수 있고, 상기 피스톤(들)이 상기 회전자를 구동시키는 경우 상기 기계는 기체 상의 팽창 동안에 발전기로서 기능할 수 있다.

이상 본 발명과 본 발명의 바람직한 실시예가 기술되었다. 당업자에게 자명한 변경 및 변형이 첨부된 청구항에 한정된 바와 같이 본 명세서의 기술 범위 안에 합체되는 것으로 의도된다.

Claims

기계이며,

실린더 안에서 왕복 운동할 수 있는 하나 이상의 피스톤과;

피스톤의 운동 축에 대하여 횡방향인 축 둘레로 진자 회전 운동하도록 한 쌍으로 장착되고, 그 중 어느 하나가 운동 축의 어느 한 쪽에 질량 중심을 구비하고 다른 하나가 상기 운동 축의 반대 쪽에 질량 중심을 구비하는, 한 쌍의 균형형 회전자들과;

상기 피스톤과 회전자 사이를 연결하여 상기 회전자들이 상기 피스톤의 왕복 운동과 반대로 이동하도록 하는, 하나 이상의 커넥팅 부재 또는 메커니즘을 포함하는, 기계.
제1항에 있어서, 상기 회전자들은 별개의 이격된 축 둘레로 진자 회전 운동을 하도록 장착된, 기계.
제1항에 있어서, 상기 회전자들은 하나의 공통 축 둘레로 진자 회전 운동하도록 장착된, 기계.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 각각은 회전자의 운동 축 둘레에 실질적으로 원형인 주연부를 구비하는, 기계.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 회전자 각각은 상기 회전자의 운동 축의 한 쪽에 곡선형 주연부를 구비하는 주 부분과, 상기 회전자의 운동 축의 다른 쪽에 위치된 부 부분을 포함하는, 기계.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자들의 질량은 실질적으로 동일하며, 합동의 질량 분포가 상기 피스톤(들)의 왕복 질량과 실질적으로 균형을 이루는, 기계.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 및 피스톤(들)의 질량은 실질적으로 동일한 평면에 있는, 기계.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 하나의 커넥팅 부재가 상기 회전자의 운동축 또는 운동축들에 대하여 한 쪽에서 하나의 회전자에 연결되고, 하나의커넥팅 부재가 상기 회전자의 운동축(들)에 대하여 다른 쪽에서 다른 회전자에 연결되는, 기계.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자는 회전자 각각의 주연부에 형성되고 상기 피스톤에 연결된 커넥팅 부재의 어느 한 쪽의 래크와 맞물리는 기어를 구비하는, 기계.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 각 회전자의 주연부는 상기 피스톤의 커넥팅 부재와 마찰 결합하는, 기계.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자는 가요성 커넥팅 요소에 의하여 상기 피스톤의 커넥팅 부재와 결합되는, 기계.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤이 실린더 안에서 행정 거리의 중간 지점에 있는 중립의 위치로 상기 회전자를 편향시키기 위한 편향된 장치를 포함하는, 기계.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계는 단일 실린더 기계인, 기계.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계는 다수 실린더 기계인, 기계
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 기계를 하나 이상 포함하는 다수 실린더 기계.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤(들)은 외연기관 또는 내연기관의 피스톤인, 기계.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤(들)은 열기관의 피스톤인, 기계.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤(들)은 스터링 기관의 피스톤인, 기계.
제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤(들)에 의하여 구동되는 전기 발전기를 포함하는, 기계.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤(들)을 구동시키는 전기 발전기를 포함하는, 기계.
제19항 또는 제20항에 있어서, 상기 하나 이상의 회전자는 자석 또는 권선을 포함하는, 기계.
제21항에 있어서, 상기 회전자 또는 회전자들과 관련된 하나의 고정자 또는 고정자들을 더 포함하는, 기계.
제19항에 있어서, 상기 하나 이상의 회전자는 영구자석이나 전자석을 포함하고, 상기 기계는 상기 회전자 또는 회전자들과 관련된 하나의 고정자 또는 고정자들을 포함하여 상기 회전자(들)의 운동이 상기 고정자(들)에서 기전력을 발생시키는, 기계.
제19항에 있어서, 하나의 고정자 또는 고정자들은 영구자석이나 전자석을 포함하고, 상기 회전자 또는 회전자들은 하나의 권선 또는 권선들을 포함하여 상기 회전자(들)의 운동은 상기 회전자 권선(들)에서 기전력을 발생시키는, 기계.
제19항에 있어서, 하나의 회전자는 영구자석이나 전자석을 포함하고, 다른 회전자는 하나의 권선을 포함하며, 상기 회전자들 사이의 상대적인 운동이 상기 권선 또는 권선들에서 기전력을 발생시키는, 기계.
제20항에 있어서, 하나 이상의 상기 회전자는 영구자석이나 전자석을 포함하고, 상기 회전자(들)의 진자 운동 및 상기 피스톤(들)의 이동을 구동시키기 위하여 하나의 고정자 또는 고정자들에 전압이 가해질 수 있는, 기계.
제20항에 있어서, 하나의 고정자 또는 고정자들은 영구자석이나 전자석을 포함하고, 상기 하나 이상의 회전자는 상기 회전자(들) 및 피스톤(들)의 이동을 구동 시키기 위하여 전압이 가해질 수 있는 하나의 권선을 포함하는, 기계.
제20항에 있어서, 하나의 회전자는 영구자석이나 전자석을 포함하고, 다른 회전자는 상기 회전자(들) 및 피스톤(들)의 이동을 구동시키기 위하여 전압이 가해질 수 있는 권선을 포함하는, 기계.
제20항 또는 제26항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 피스톤(들)은 펌프나 압축기의 피스톤인, 기계.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계는 상기 피스톤(들)을 구동시키고 피스톤 운동의 한 방향으로 상기 피스톤이 이동하는 동안 기체를 압축하도록 배열된 전기 모터 및 상기 기체의 팽창 단계 동안에 피스톤 운동의 다른 방향으로 상기 피스톤(들)이 상기 회전자(들)을 구동시키는 발전기 모두인, 기계.
제19항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 영구자석이나 전자석 또는 권선들이 회전자 각각의 곡선형 주연부 둘레에 장착되는, 기계.
제19항 또는 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 회전자가 회전하는 축과 피스톤에 연결된 커넥팅 부재 또는 커넥팅 기구가 상기 회전자에 부착되는 축 사이의 거리가, 회전자의 상기 운동 축과 상기 회전자의 외주연까지의 거리보다 짧아서, 자석(들) 및/또는 권선(들)의 선속도가 상기 피스톤(들)의 선속도보다 큰, 기계.
제19항에 있어서, 상기 두 회전자는 각각 복수의 권선을 포함할 수 있는, 기계.
제1항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 피스톤 운동을 제어하도록 배열된 전기 제어 시스템을 포함하는, 기계.
제34항에 있어서, 상기 제어 시스템은 피스톤 속도를 제어하도록 배열된, 기계.
제34항 또는 제35항에 있어서, 상기 제어 시스템은 피스톤 위치를 제어하도록 배열된, 기계.
제34항 내지 제36항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 시스템은 피스톤 운동의 상사점 및 하사점 중 어느 하나 또는 모두에서의 상기 피스톤(들)의 드웰 타임을 제어하도록 배열된, 기계.
제34항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 시스템은 피스톤 운 동을 제어하도록 배열되어, 상기 피스톤(들)이 비사인파형 운동을 하게 하는, 기계.
제34항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 다수의 권선을 포함하는 하나의 고정자를 포함하고, 상기 제어 시스템은 상기 고정자 권선들에 공급하는 전력을 제어함으로써 피스톤 운동을 제어하도록 배열된, 기계.
제1항 내지 제38항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 시스템은 피스톤 운동을 제어하도록 배열되어, 상기 피스톤(들)에 의하여 구동되는 전기 발전기로부터 비사인파형의 출력을 발생시키는, 기계.
제1항 내지 제37항 중 어느 한 항에 따른 기계를 포함하는 마이크로 컴바인드 열 및 전력(마이크로 CHP) 유니트.
제38항에 따른 벽에 장착 가능한 마이크로 CHP 유니트.
제1항 내지 제37항 중 어느 한 항의 기계를 포함하는, 파력 전기 에너지 발전기.