KR20110091003A - 전력 출력이 증가되고 프린지 필드를 구비하지 아니하는 자기 스프링을 구비하는 멀티 전기자 리니어 모터/교류기 - Google Patents

Abstract

왕복축을 따라 인접한 둘 이상의 전기자들을 구비하는 전자기, 왕복동식 리니어 모터 또는 교류기가 개시된다. 전기자들은 왕복축에 평행하게 갭 경로를 따라 선형으로 정렬된다. 자계들은 갭 경로 내에서 왕복한다. 자계들은 각각의 전지가와 결부된 1차 자계를 포함하고, 각각의 1차 자계는 갭 경로를 가로질러 동일한 방향으로 자기 성극을 구비한다. 2차 계자는 중심화 스프링 힘을 제공하고 1차 계자들 사이에 개재된다. 2차 계자는 하나의 전기자의 갭 내로부터 인접한 전기자 코어의 인접한 갭 내까지 축 방향으로 연장된다. 2차 계자는 1차 계자들의 성극에 반대되는 방향으로 자기적으로 극성을 가진다.

Description

전력 출력이 증가되고 프린지 필드를 구비하지 아니하는 자기 스프링을 구비하는 멀티 전기자 리니어 모터/교류기 {MULTIPLE ARMATURE LINEAR MOTOR/ALTERNATOR HAVING MAGNETIC SPRING WITH NO FRINGE FIELDS AND INCREASED POWER OUTPUT}

[0002] 본 발명은 원동기에 의해 구동되거나 부하를 구동하는 전자기-기계 트랜스듀서(transducers)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 왕복동식 리니어 모터 및 왕복동식 리니어 교류기에 관한 것이다.

관련 기술에 관한 서술( Description Of The Related Art )

[0004] 왕복동식 리니어 교류기는 스털링 엔진을 포함하는 다양한 원동기들 중 하나에 의해 구동될 때 전력을 생성하기 위해 사용되고 리니어 모터는 AC 전력 소오스에 의해 파워링될 때 다양한 기계적 부하들을 구동하기 위해 사용된다. 회전하는(rotating) 모터와 같이, 리니어 모터 및 리니어 교류기와 같은 교류기 및 발전기(generator)는 동일한 기본 부품들을 구비한다는 점에서 실질적으로 동일하고 그들의 연결 및 동작 방식에 차이가 있다. 따라서 이들은 집합적으로 리니어 모터/교류기라고 지칭된다.

[0005] 종래 기술은 도 3에 도시되고 미국 등록 특허 4,602,174 및 미국 등록 특허 4,623,808(이들 등록 특허들은 인용에 의하여 본 명세서에 편입된다)에 기술된 유형의 기본적인 리니어 모터/교류기를 포함한다. 종래 기술에 알려진 다양한 구성들로 리니어 모터/교류기가 구성될 수 있지만, 바람직한 구성은 영구 자석들을 운반하는(carry) 액추에이터가 전기자 내에서 왕복축을 따라 왕복하는 축대칭 구성이다. 축과 동심인 원통형 배치로 왕복동식 액추에이터에 영구 자석들이 장착된다. 전기자 코어 및 전기자 코일 또는 권선의 주요 부분은 또한 자석들 주변에서(around) 동심인 원통형 배치로 장착되고 정적으로 유지되도록 프레임에 장착된다. 코어의 나머지는 코어에 의해 형성된 자속 루프를 완성하고(complete) 또한 원통형 배치로 정적인 프레임에 장착된다. 코어의 나머지는 코어의 고저항 자속 경로(high reluctance flux path)에서 선형으로 정렬된 갭들을 형성하기 위해서 코어의 주요 부분으로부터 내측으로 이격된다. 선형으로 정렬된 갭들은 축에 평행하다. 자석들(또는 원형 자석)은 코어 내에 형성된 갭들 내에서 왕복한다. 전기자는 원통형 구성에서 원 주변에 이격된 일련의 개개의 전기자들일 수 있거나 또는 원형 슬롯 내 원형 코일을 구비하는 원형 전기자일 수 있다. 유사하게, 자석들은 원통형 배치 또는 원형 자석에서 나란히 배치된 별개의(discrete) 자석들일 수 있다. 종래 기술에 알려진 다른 대안으로서, 코일은 코어의 레그(leg) 주변에 감길 수 있다. 모든 이러한 대안적인 구성들에 있어서, 코어 내 시변 자속은 코일 내 전류를 유도하고 코일 내 전류는 코어 내 자속을 유도한다. 이들 구성들은 두 인용된 특허들과 U.S. 등록 특허 5,148,066에 도시되고 기술되는데, 상기 미국 등록 특허는 인용에 의하여 본 명세서에 편입된다.

[0006] 도 3은 종래 기술에 따른 리니어 모터/교류기의 기본적인 부품들을 나타낸다. 축대칭 리니어 모터/교류기에 대하여 도 3은 왕복축(10)이 놓이는 평면에서의 그리고 상기 축으로부터 하나의 방사선을 따르는 횡단면도이다. 대향하는 방사선을 따르는 동일한 평면에서의 이들 기본적인 부품들의 횡단면도는 도 3의 거울상이므로 중복 도시하지 아니하였다.

[0007] 도 3을 참조하면, 전기자(12)는 결부된 전기자 코일(14) 및 결부된 코어(16)를 포함한다. 전기자 코일(14)은 축(10)과 동심인 원형 구성으로 감긴다. 코어(16)는 u-자형 주요 부분(18) 및 나머지 부분(20)으로 구성된 저저항 자속 루프를 형성하는데, 이들 양자는 종래 기술에 잘 알려진 바와 같이 철 또는 다른 고 투자율을 가진 물질의 라미네이션(laminations)으로 구성된다. 코어 로프는 한 쌍의 이격된 갭들(22 및 24)을 구비하는데 이들은 왕복축(10)에 평행하고 전기자 권선 슬롯(26)에 의해 서로로부터 분리된다. 갭들(22 및 24)의 각각은 갭(22)을 형성하는 자극면들(28 및 30) 그리고 갭(24)을 형성하는 자극면들(32 및 34)인 두 대향하는 자극면들에 의해 형성된다.

[0008] 갭들(22 및 24)은 축에 평행하게 갭 경로를 따라 선형으로 정렬되고 그 결과 전기자(12)에 결부된 자계(36)가 갭들(22 및 24) 내에서 축 방향으로 왕복할 수 있다. 자계(36)는 왕복가능한 액추에이터(38)에 장착되는데, 상기 액추에이터가 모든 자석들을 운반하여서 자석들이 갭들(22 및 24)의 갭 경로 내에서 왕복할 수 있다. 자계(36)는 자석(36)의 중심 상에 도시된 화살표에 의해 나타낸 바와 같이 바람직하게는 자극면들(28 내지 34)에 수직하게 갭들(22 및 24)을 가로질러 극성을 갖는다. 도 3의 리니어 모터/교류기가 리니어 교류기로서 또는 리니어 모터로서 사용되었는가에 따라서 액추에이터(38)는 원동기 또는 부하(40)에 구동식으로(drivingly) 연결된다. 자석(36)이 갭(22) 및 갭(24) 사이에서 교대로(alternately) 들어가도록 왕복함에 따라서, 자석(36)으로부터 결과되는 코어 내 자속이 교대로 역전된다. 코어를 통한 자속 경로가 전기자 코일을 통해 연장되고 시간에 따라 달라지기 때문에, 코일 내로 EMF가 유도되고 코일 내 전류가 본 기술 분야에서 통상의 기술자에게 잘 알려진 방식으로 자석들에 힘을 가하는 코어 내 자속을 생성한다.

[0009] 앞서 기술한 리니어 모터/교류기 구조들은 리니어 모터/교류기의 많은 어플리케이션들에 대한 적합한 성능을 제공한다. 그러나, 몇몇 어플리케이션들에 대하여, 왕복동식 액추에이터에 스프링 힘이 인가되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 리니어 모터/교류기가 무-피스톤(free-piston) 스털링 엔진에 의해 구동되거나 무-피스톤 스털링 냉각기를 구동하면, 액추에이터의 센터링을 향하는 방향으로 가해진 스프링 힘이 선택된 중심 위치에서 이러한 무-피스톤 기계의 축방향 평균 위치를 유지하기 위해 바람직한데, 이러한 스털링 기계들은 그들의 평균 위치가 명목 중심화된 위치로부터 멀리 드리프트되는 경향이 있기 때문이다. 다른 예시로서, 리니어 모터/교류기의 액추에이터 또는 그 부하 또는 원동기가 스프링을 요하는 공진 시스템(resonant system) 내에서 왕복하는 것이 때때로 바람직하다. 또 다른 예시로서, 액추에이터 및 그 부하 또는 원동기의 왕복이 수직한 성분을 가진다면, 중력을 견디고 액추에이터가 그 평균 위치로부터 왕복(excursion)의 최저 한계(lowest limit)까지 움직이는 것을 막기 위해 액추에이터에 중심화 스프링 힘을 제공하는 것이 때때로 바람직하다.

[0010] 기계적인 스프링들이 이런 목적으로 사용될 수 있거나 사용되어 왔다. 그러나, 기계적인 스프들은 몇몇 해로운 특징들을 가진다. 앞서 인용한 미국 등록 특허 5,148,066는 리니어 모터/교류기 내로 자기 스프링 힘을 도입하는 방식을 개시한다. 상기 특허에 기술된 바와 같이, 한 쌍의 더 작은 2차 계자들이 1차 계자의 대향하는 측들(sides) 상에 배치되고 1차 계자에 반대되게 극성을 가진다. 두 갭들 중 하나를 형성하는 자극면들 사이로부터 2차 계자들 중 하나가 외측으로 연장될 때마다, 이들 2차 계자들은 왕복동식 액추에이터에 중심화 힘이 가해질 수 있도록 한다. 2차 계자가 갭 밖으로 이동할 때에만 중심화 스프링 힘이 액추에이터에 가해지기 때문에, 2차 계자들은 1차 계자로부터 모든 방향으로 그들 각각의 갭들의 외측 에지까지 연장된다. 이런 방식으로 평균 중심화된 위치 주변에서 어떠한 데드 존(dead zone)도 존재하지 아니하는데, 여기서 액추에이터를 그 평균 위치로 복원시키려 하는 액추에이터에 가해진 어떠한 스프링 힘도 존재하지 아니한다. 미국 등록 특허 5,148,066에 도시되고 기술된 세 개의 자석들의 조합은 하나의 갭의 외측 에지로부터 나머지 하나의 갭의 반대편 외측 에지까지 연장된다. 액추에이터가 움직일 때, 하나의 2차 계자가 자극면들 사이에서 갭 밖으로 변위되고 자석의 센터링을 향하는 방향으로 가해지고 갭 밖으로의 변위에 비례하는 크기를 가지는 힘을 야기한다.

[0011] 그러나, 2차 계자들 중 하나가 갭의 외부에서 실질적으로 항상 이동하여 전력 생산 없이 액추에이터에 스프링 힘이 가해질 것이라는 사실로부터 문제들이 야기된다. 본 발명의 의도(purpose), 목적, 기술적 특징이 이러한 문제들을 제거할 것이다. 제1 문제는 2차 계자들이 갭으로부터 밖으로 공기 내로 연장될수록 2차 계자들의 교류기 내 전력 생산에의 기여 또는 모터에서의 모터 구동 전력에의 어플리케이션에 대한 기여가 더욱 더 감소된다는 것이다. 그 이유는 공기가 매우 작은 투자율을 가지고 따라서 2차 계자들로부터의 코어 내 자속이 상대적으로 작기 때문이다. 제2 문제는 갭 내로부터 그 갭으로부터 밖으로 돌출된 위치까지 2차 계자들이 교대로(alternating) 왕복하는 것이 자극면들의 외부에서 시변 자기 프린지 필드를 생성하기 때문에 발생한다. 교번 자기 프린지 필드가 둘러싼 강자성 물질에 커플링되고 저항성 전기 손실을 야기하면서 이들 강자성 물질에 와류(eddy currents)를 유도한다. 부가적으로, 동일한 교번 프린지 필드들이 근처 전도체들에 커플링되고 이것은 상기 전도체들에서의 전류와 간섭된다(interfere).

발명의 간단한 요약( BRIEF SUMMARY OF THE INVENTION )

[0012] 본 발명은 왕복축을 따라 인접한 둘 이상의 전기자들을 구비하는 전자기, 왕복동식 리니어 모터 또는 교류기에 관한 것이다. 액추에이터에 장착된 계자들이 1차 계자들과 2차 계자들을 포함하는데, 각각의 1차 계자는 전기자에 결부되고, 하나의 2차 계자가 상기 1차 계자들 사이에 개재되고 하나의 전기자 코어의 갭 내로부터 인접한 전기자 코어의 인접한 갭 내까지 축 방향으로 연장된다. 각각의 2차 계자가 상기 1차 계자들의 성극에 반대 방향으로 자기적으로 극성을 가진다. 어떠한 프린지 필드도 생성되지 아니하는데, 왕복 동안 갭들 밖으로 공기 내로 연장되기에 어떠한 자석도 충분하지 않기 때문이고, 그리고 2차 계자들은 리니어 모터 교류기의 전력에 기여하는데, 2차 계자들이 인접한 전기자 코어들의 갭들 내에 및 밖으로 항상 왕복하기 때문이다.

[0013] 도 1은 왕복축으로부터 임의의 방사선(radial)을 따라 절단한 본 발명의 바람직한 일 실시예의 방사단면(radial)의 개략도이다.
[0014] 도 2는 액추에이터 배치에 따라서 본 발명에서 가해지는 중심화 힘을 나타내는 그래프이다.
[0015] 도 3은 종래 기술에 따른 리니어 모터/교류기의 방사단면의 개략도이다.
[0016] 도 4는 액추에이터 배치에 따라 본 발명에서 가해지는 중심화 힘의 실제적인 예시를 나타내는 그래프이다.
[0017] 도 5는 왕복축으로부터 임의의 방사선을 따라 절단한 본 발명의 대안적인 일 실시예의 방사단면의 개략도이다.
[0018] 도면에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예를 기술하는 것에 있어서, 간명함을 위하여 특정 용어(specific terminology)에 의지할 것이다. 그러나, 본 발명은 그렇게 선택된 특정 용어로 제한되지 않는 것으로 의도되며, 유사한 목적을 성취하기 위해 유사한 방식으로 작동되는 모든 기술적인 균등물(equivalents)을 각각의 특정 용어가 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들면, 용어 "연결된(connected) 또는 그와 유사한 용어가 종종 사용된다. 이들은 직접적인 연결만으로 한정되지 아니하며, 본 발명이 속한 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 균등한 것이라고 인정되는 다른 회로 요소들을 통한 연결을 포함한다.

[0019] 도 1은 본 발명의 일 실시예에 관련된 전자기, 왕복동식(reciprocating) 리니어 모터 또는 교류기(alternator)의 부품들(components)을 나타낸다. 도 3에서의 하나의 전기자의 방식으로 둘 이상의 전기자(armature)(42 및 44)가 왕복축(axis of reciprocation)을 따라서 서로에 대하여 인접하게 장착된다. 각각의 전기자는 도 3에서의 하나의 전기자와 유사하지만, 본 발명에서는 서로에 대하여 인접하게 장착된 둘 이상의 전기자들이 존재한다. 각각의 전기자는 각각 결부된(associated) 전기자 권선(winding)(46 및 48) 그리고 결부된 코어(50 및 52)를 구비하고, 각각은 저저항 자속 루프(low reluctance magnetic flux loop)를 형성한다. 각각의 코어의 각각의 자속 루프는 축에 평행하게 정렬되고 전기자 권선 슬롯에 의해 분리된 한 쌍의 이격된(spaced) 갭들을 구비한다. 전기자(42)는 갭들(54 및 56)을 구비하고, 전기자(44)는 도 3에서 도시된 방식으로 각각의 갭이 두 대향(opposed) 자극면들에 의해 정의되는, 갭들(58 및 60)을 구비한다. 인접한 전기자들의 갭들은 축에 평행하게 갭 경로를 따라 선형으로(linearly) 정렬되어서 그 결과 계자들(場磁石; field magnets)이 갭 경로를 따라 왕복할 수 있다. 도 1의 실시예는 왕복가능한 액추에이터를 더 구비하는데, 상기 액추에이터는 도 3에 도시된 것과 동일한 방식으로 원동기(prime mover) 또는 부하(load)에 대개 부착되고 왕복축을 따라 왕복한다. 액추에이터 및 그 부하 또는 원동기는 도 1에 도시되지 않았는데 도 1의 크기 감소를 피하기 위함이다. 리니어 모터/교류기에 전형적인 바와 같이, 도 1의 리니어 모터/교류기는 명목 설계 왕복 스트로크(nominal design reciprocation stroke)와 평균 위치(mean position)를 가진다. 스트로크는 액추에이터의 왕복동식 모션의 크기(길이)인데, 피스톤의 상사점으로부터 하사점까지의 변위(displacement)에 유사하다. 액추에이터의 평균 위치 및 이로써 그 계자들의 평균 위치는 액추에이터의 왕복의 극단들(extremes) 사이의 중심이다.

[0020] 두 전기자들(42 및 44)은 인접하다고 기술되는데 이것은 두 전기자들이 나란히(side by side) 그리고 근처에(nearby) 있음을 의미한다. 바람직하게는, 전기자들 및 그 코어들은 그 자극면들에서 접촉되지 아니하며 오히려 그 자극면들 사이에 작은 공간을 가진다. 철의 투자율(permeability)이 공기의 투자율보다 크기가 세자리 수만큼(three orders of magnitude) 더 크기 때문에, 전기자들은 하나의 전기자로부터 다른 하나로의 많은 자기 커플링 없이 매우 가깝게 함께 위치될 수 있거나 또는 바람직하게는 위치된다. 그러나 그들은 서로 접촉할 수 있지만, 이것은 하나의 코어로부터 다른 하나로의 자기 커플링으로부터 야기되는 작은 성능 저하(degradation)을 야기할 것이다. 불필요하게 리니어 모터/교류기의 길이를 연장하도록 그들은 더 떨어져 배치될 수도 있다. 그들 간의 바람직한 거리는 자기 커플링의 저하 최소화 및 리니어 모터/교류기의 길이의 최소화 및 컴팩트함 사이에서의 공학적인 트레이드오프 판단이다.

[0021] 도 1의 리니어 모터/교류기는 도 3의 자석(36)이 왕복하는 방식으로 갭 경로 내 왕복을 위해 액추에이터에 장착된 자계들을 더 구비한다. 도 1의 자계들은 복수의 1차 자계들(62 및 64)을 포함하는데 이들 각각은 전기자들 중 하나에 결부된다. 1차 자계들(62 및 64)의 각각은 그 결부된 코어의 하나의 갭 내로부터 그 결부된 코어의 다른 갭 내까지 축 방향으로 연장된다. 1차 자계들(62 및 64)은 자계들(62 및 64)의 중심에 도시된 화살표들의 방향에 의해서 도시된 바와 같이 갭 경로를 가로질러(across) 같은 방향으로 자기 성극(成極, polarization)을 가진다.

[0022] 1차 계자들(62 및 64) 사이의 2차 계자(66)의 배치는 본 발명에 있어서 매우 중요하다. 1차 계자들(62 및 64)과 마찬가지로, 2차 계자(66) 또한 축 방향으로 연장되고 그리고 갭 경로 내 1차 계자들과 왕복을 위해 액추에이터에 기계적으로 장착된다. 2차 계자(66)는 1차 계자들(62 및 64) 사이에 개재되고(interpose) 그리고 하나의 코어의 갭(56) 내로부터 인접한 코어의 인접한 갭(58) 내까지 연장된다. 중요하게도, 2차 계자(66)는 1차 계자들(62 및 64)의 성극에 반대되는 방향으로 자기적으로 극성을 갖는다.

[0023] 본 발명의 효율성(effectiveness)을 최대화하기 위해서, 자석들의 길이를 축 방향으로 설계하여, 자석들이 갭 에지들까지의 거리들 및 명목 설계 스트로크에 대한 희망되는 관계들을 가지도록 하는 것이 바람직하다. 액추에이터가 그 평균 위치에 있을 때, 각각의 1차 계자의 각각의 축방향으로 대향되는 에지로부터 그 결부된 갭의 가장 가까운 외측 에지까지의 거리가 바람직하게는 명목 설계 스트로크의 절반보다 다소 작다. 이것은 그 설계 스트로크 제한 내에서 액추에이터가 왕복할 때 그들의 결부된 갭들 밖으로 1차 계자들이 왕복하지 않도록 하는 것을 보장한다. 이러한 관계는 갭들의 외측 에지들에서의 프린지 필드들(fringe field)을 방지하고, 자속이 전기자 코일들에 커플링될 수 있는 1차 계자들로부터 코어들까지의 자속을 한정한다(confine).

[0024] 또한 각각의 2차 계자의 축방향 길이는 명목 설계 스트로크보다 더 큰 것이 바람직하다. 이러한 관계는 2차 계자의 에지가 또한 갭 밖으로 움직이지 않고 갭 에지에서 프린지 필드들을 야기하지 아니하도록 보장한다. 이러한 관계는 또한 2차 계자로부터 결과되는 스프링 힘이 액추에이터 변위에 대한 선형 관계를 유지하도록 보장한다. 2차 계자의 에지가 자극면들 사이의 갭 밖으로 움직인다면, 스프링 힘은 실질적으로 및 비-선형으로 감소된다.

[0025] 앞서 기술한 바와 같이 바람직하지는 아니하지만, 인접한 전기자들의 코어들은 상당한(substantial) 거리를 포함하면서 이격되어 배치된다. 2차 계자의 내측 에지들이 갭 밖으로 움직이는 것을 방지하기 위해서, 각각의 2차 계자의 축방향 길이는 명목 설계 스트로크 및 코어들이 이격되어 배치된 거리(다시 말해서 코어들과 그들의 갭들 사이의 거리)의 합보다 다소 커야 한다.

[0026] 코어들에서 시간에 따른 자속 변동을 최대화하기 위해서, 액추에이터가 그 평균 위치에 있을 때 각각의 1차 계자가 그 결부된 코어의 하나의 갭의 실질적으로 중간으로부터 그 결부된 코어의 다른 갭의 실질적으로 중간까지 축 방향으로 연장되는 것이 바람직하다. 2차 계자에 의해 가해진 중심화 힘(centering force)의 크기를 최대화하기 위해서, 실질적으로 축 방향으로 2차 계자가 사이에 개재되는 1차 계자들까지 각각의 2차 계자가 연장되는 것이 바람직하다.

[0027] 갭들을 정의하는 자극면들의 길이를 명목 설계 스트로크보다 약간(a little) 더 길게 만드는 것에 의해서 이러한 관계가 최적으로 성취된다. 전형적으로 자극면들을 10% 더 길게 만드는 것이 가장 바람직하다.

[0028] 본 기술 분야 및 공학 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 바와 같이, 이러한 바람직한 관계들로부터 벗어나는 것(departure)은 성능 저하 또는 악화(deterioration)를 가져오면서 이루어질 수 있다. 작은 벗어남은 단지 작은 영향을 가질 것이지만 큰 벗어남은 큰 영향을 가질 것이다.

[0029] 도 2는 본 발명의 일 실시예에서 액추에이터에 가해진 중심화 자기 스프링 힘을 나타내는 그래프이다. 자석들과 액추에이터가 그들의 평균 위치에서 센터링될 때 스프링 힘은 0이다. 어느 한 왕복 방향으로의 움직임은 액추에이터 및 그것이 운반하는(carries) 자석들의 변위에 비례하는 중심화 스프링 힘을 야기한다.

[0030] 도 4는 전형적인(representative) 변위(Xp)를 가지는 리니어 모터/교류기에 대한 스프링 힘의 유사한 그래프이다. 그래프의 절반만이 도시되는데, 나머지 절반은 동일한 값들을 가지되 항상 자석들의 센터링을 향하여 반대 방향이기 때문이다.

[0031] 본 발명을 리니어 모터/교류기들에 적용하는 것은 도 1에 도시된 바와 같은 하나의 2차 계자를 갖는 두 개의 전기자들로 한정되지 아니한다. 예를 들면, 도 5는 왕복축(78)을 따라 적층된(stacked) 네 개의 전기자들(70, 72, 74 및 76)을 도시한다. 이들 전기자들은 각각 결부된 1차 계자(80, 82, 84 및 86)를 구비하는데 이들은 각각 앞서 기술한 바와 같은 특성(characteristics)을 가진다. 2차 계자(90, 92 및 94)는 1차 계자들(80, 82, 84 및 86) 사이에 개재된다. 본 발명은 기술된 바와 같이 배치된 둘 이상의 인접한 전기자들에 의해 구현될 수 있다. 각각의 경우에, 2차 계자들의 수는 1차 계자들의 수보다 하나 더 작다. 본 발명은 갭 밖으로 공기 내로 왕복하는 단부 자석들 - 인접한 전기자들의 그룹의 단부들(ends)에서 바람직하지 않은 프린지 필드들을 야기함 - 을 구비하지 아니하는데, 2차 계자들만이 1차 계자들 사이에 존재하기 때문이다.

[0032] 본 발명의 중요한 기술적 특징(feature)은 2차 계자(또는 세 개 이상의 전기자들의 경우에 계자들)가 액추에이터 및 자석들의 센터링을 향하여 스프링 힘을 제공할 뿐만 아니라, 모터의 전력에 또는 교류기에서의 전력 생성에 기여한다는 것이다. 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 잘 알려진 바와 같이, 코일에서 생성된 EMF는 코일에 링크된 자속의 변화 속도(rate of change)에 비례한다. 2차 계자의 자극성(magnetic polarity)이 1차 계자의 극성에 반대이기 때문에, 2차 계자는 항상 이웃하는 1차 계자와 같은 방향으로 자속 변화를 야기한다. 예를 들면, 2차 계자가 갭으로 이동할 때, 이웃하는 1차 계자는 갭 밖으로 이동한다. 따라서, 나가는(exiting) 1차 계자로부터의 자속 변화 방향은 들어가는(entering) 2차 계자로부터 결과되는 것과 자속 변화 방향이 같다. 1차 계자의 방향으로의 자속은 감소하고 2차 계자의 대향하는 방향으로의 자속은 증가하는데, 이러한 감소 및 증가는 동시에 일어난다.

[0033] 본 발명의 일 실시예에서 중심화 스프링 힘은 U.S. 5,148,066의 발명에서처럼 중심화 자석이 갭 밖으로 및 공기 내로 왕복하는 리니어 모터/교류기에서의 중심화 스프링 힘만큼 강하지는 않다. 그러나, 본 발명의 2차 계자가 전력 생성에 유의미한(significant) 및 상당한 기여를 할 수 있기 때문에, 본 발명은 더 많은 교류기 또는 모터 전력을 제공한다. 본 발명은 특히 많은 전력이 요구되는 대형, 고전력 모터/교류기들에 대하여 바람직하다. 두 개의 더 작은 전기자들의 사용은 하나의 큰 전기자보다 훨씬 더 작은 모터/교류기의 구성(construction)을 가능하게 한다. 따라서 본 발명은 또한 향상된 종횡비(aspect ratio)를 가지는 다시 말해서 너무 뚱뚱하지 않은 모터/교류기를 결과하는 종횡비를 가진 리니어 모터/교류기의 설계 가능성을 제공하고, 그리고 스털링 엔진(Stirling engine)의 압력 용기(pressure vessel)에 가해지는 스트레스를 감소시키는 더 작은 직경을 부착된 스털링 엔진 원동기가 가질 수 있도록 한다.

[0034] 도면들을 참조한 본 상세한 설명은 원칙적으로 본 발명의 바람직한 실시예들을 기술하기 위해 의도된 것이며 본 발명이 구성 또는 이용될 수 있는 유일한 형태를 나타내도록 의도되지 아니한다. 상세한 설명은 도시된 실시예들과 관련하여 본 발명을 구현하는 설계들, 기능들, 수단(들), 및 방법들을 보인다. 그러나 동일하거나 균등한 기능들 및 피처들이, 상이한 실시예들에 의해서 성취될 수 있고 이들이 본 발명의 사상 및 범주 내에 포함되도록 의도되며 그리고 다양한 변형들이 이하의 청구항들의 범주 또는 본 발명으로부터 벗어남이 없이 채택될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

1. 왕복축을 구비하는 왕복가능한 액추에이터, 명목 설계 스트로크 및 평균 위치를 포함하는 전자기, 왕복동식 리니어 모터 또는 교류기로서,
   상기 리니어 모터 또는 교류기가:
   (a) 상기 왕복축을 따라 인접한 둘 이상의 전기자들
   - 각각의 전기자가 저저항 자속 루프(low reluctance magnetic flux loop)를 형성하는 결부된 전기자 권선 및 결부된 코어를 구비하고,
   각각의 코어가 전기자 권선 슬롯에 의해 분리되고 상기 왕복축에 평행하게 정렬된 한 쌍의 이격된 갭들을 구비하고,
   각각의 갭이 두 대향하는 자극면들에 의해 형성되고,
   상기 전기자들의 갭들이 상기 왕복축에 평행하게 갭 경로를 따라 선형으로 정렬됨 - ; 그리고
   (b) 상기 갭 경로 내에 왕복을 위해 상기 액추에이터에 장착된 계자들(field magnets);을 포함하고
   상기 계자들이:
   (i) 복수의 1차 계자들
   - 각각의 1차 계자는 전기자에 결부되고,
   각각의 1차 계자는 결부된 코어의 하나의 갭 내로부터 결부된 코어의 나머지 하나의 갭 내까지 축 방향으로 연장되고,
   상기 1차 계자들이 상기 갭 경로를 가로질러(across) 동일한 방향으로 자기 성극을 구비함 - ; 그리고
   (ii) 축 방향으로 연장되고 상기 갭 경로 내에서 상기 1차 계자들과 왕복을 위해 기계적으로 장착되는 하나 이상의 2차 계자,
   - 하나의 2차 계자가 상기 1차 계자들 사이에 개재되고 하나의 코어의 갭 내로부터 인접한 코어의 인접한 갭 내까지 축 방향으로 연장되고,
   각각의 2차 계자가 상기 1차 계자들의 성극에 반대 방향으로 자기적으로 극성을 가짐 - ;을 포함하는
   리니어 모터 또는 교류기.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 액추에이터가 평균 위치에 있을 때 각각의 1차 계자의 각각의 축방향으로 대향하는 에지로부터 결부된 갭의 가장 가까운 에지까지의 거리가 상기 명목 설계 스트로크의 절반보다 작아서, 상기 1차 계자들이 결부된 갭들 밖으로 왕복하지 아니하는
   리니어 모터 또는 교류기.
   
3. 제2 항에 있어서,
   각각의 2차 계자의 축방향 길이가 상기 명목 설계 스트로크보다 큰
   리니어 모터 또는 교류기.
   
4. 제3 항에 있어서,
   인접한 전기자들의 코어들이 이격되어 배치되고 각각의 2차 계자의 축방향 길이가 코어들이 이격되어 배치된 거리 및 명목 설계 스트로크의 합보다 큰
   리니어 모터 또는 교류기.
   
5. 제4 항에 있어서,
   상기 액추에이터가 평균 위치에 있을 때 각각의 1차 계자가 결부된 코어의 하나의 갭의 실질적으로 중간으로부터 결부된 코어의 나머지 하나의 갭의 실질적으로 중간까지 축 방향으로 연장되고,
   각각의 2차 계자가 실질적으로 2차 계자가 사이에 개재되는 1차 계자들까지 축 방향으로 연장되는
   리니어 모터 또는 교류기.
   
6. 제5 항에 있어서,
   2차 계자들의 수는 1차 계자들의 수보다 하나가 작은
   리니어 모터 또는 교류기.
   
7. 제6 항에 있어서,
   상기 왕복축을 따라 적층된 세 개 이상의 전기자들 및 1차 계자들이 존재하는
   리니어 모터 또는 교류기.
   
8. 제1 항에 있어서,
   2차 계자들의 수는 1차 계자들의 수보다 하나가 작은
   리니어 모터 또는 교류기.
   
9. 제1 항에 있어서,
   상기 액추에이터가 평균 위치에 있을 때 각각의 1차 계자가 결부된 코어의 하나의 갭의 실질적으로 중간으로부터 결부된 코어의 나머지 하나의 갭의 실질적으로 중간까지 축 방향으로 연장되고,
   각각의 2차 계자가 실질적으로 2차 계자가 사이에 개재되는 1차 계자들까지 축 방향으로 연장되는
   리니어 모터 또는 교류기.

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