KR20120030999A - 에너지 전환 장치 - Google Patents

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KR20120030999A
KR20120030999A KR1020117027859A KR20117027859A KR20120030999A KR 20120030999 A KR20120030999 A KR 20120030999A KR 1020117027859 A KR1020117027859 A KR 1020117027859A KR 20117027859 A KR20117027859 A KR 20117027859A KR 20120030999 A KR20120030999 A KR 20120030999A
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energy conversion
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radial
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KR1020117027859A
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데이빗 제이. 호츠버그
그레고리 이. 피터슨
Original Assignee
다이나믹 에너지 테크놀러지스, 엘엘씨
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K35/00—Generators with reciprocating, oscillating or vibrating coil system, magnet, armature or other part of the magnetic circuit
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K7/08—Structural association with bearings
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Abstract

에너지 전환 장치는 기계 에너지 및 전기 에너지로부터 선택되는 하나의 형태의 입력 에너지를 정지형 및 가동형 자기 부품을 사용하여 기계 에너지 및 전기 에너지로부터 선택되는 출력 에너지로 전환한다. 정지형 또는 가동형 부품중 하나는 권선이며; 다른 하나는 권선의 반대쪽 단부에 배치되는 2개의 자석들 사이의 가늘고 긴 채널내에 피스톤을 부동 위치로 유지하기 위하여, 반대쪽에 배치된 축방향 자석에서 응답하는 축방향 자기 부품과 방사방향 자기 소스에 응답하는 방사방향 자기 부품을 갖는 복합 자석으로 구성된 피스톤이다.

Description

에너지 전환 장치{ENERGY CONVERSION DEVICE}
본 발명은 2009년 4월 22일자 출원되고 발명의 명칭이 "운동 에너지 전환 장치" 이며 그 모든 내용이 본 발명에 참조인용된 미국 가특허출원 제61/171,641호로부터 우선권을 청구한다.
본 발명은 전기 및/또는 기계 에너지를 입력하고 전기 및/또는 기계 에너지를 출력할 수 있는 에너지 전환 장치에 관한 것이다. 특히, 상기 에너지 전환 장치는 기계 에너지 및 전기 에너지로부터 선택된 한가지 형태의 입력 에너지를 정지형 및 가동형 자기 부품(magnetic component)을 사용하여 기계 에너지 및 전기 에너지로 전환하기 위해 사용된다.
자장을 형성하는 하나의 능동형 부품 및 하나의 수동형 부품을 갖는 토로이달(toroidal) 자기 부품과 같은 적어도 2개의 포개어 넣어진(nested) 자기 부품이 제공되며, 그것으로부터 자장 능동형 부품과 수동형 부품 사이의 상대 운동을 통해 자장의 에너지가 기계 에너지로 전환되거나 또는 그 반대로 기계 에너지가 자장의 에너지로 전환된다. 수동형 부품은 자기 피스톤이고, 능동형 부품은 코일형 전기 권선(winding)이다.
기계 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위해, 걷기, 달리기, 운전, 타이핑, 또는 공기나 물의 이동, 또는 유체의 팽창이나 수축과 같은 운동 에너지의 소스로부터 발생되는 외력은 부동하는(floating) 자석을 권선 또는 코일에 대해 진동하게 한다. 예를 들어 바람, 하이드로, 또는 다른 유동 유체나 기계적 활동으로부터의 기계 에너지는 피스톤과 권선 사이의 상대 운동을 유발시키는데 사용되며; 상기 상대 운동에 의해 발생된 에너지는 권선으로부터 전달되어 배터리나 커패시터와 같은 전기 저장장치에 의해 전기 에너지로 저장된다. 전기 에너지를 기계 에너지로 전환하기 위해, 외부 소스로부터의 전기 에너지는 권선으로 하여금 부동한 자석을 운동시키는 자장을 형성하게 한다. 기계 에너지는 직접 사용되거나 또는 플라이휘일과 같은 기계 에너지 저장장치에 의해 저장된다.
예시적인 하나의 장치에서, 권선이나 코일은 길이방향 축을 한정한다. 2개의 고정된 자석중 길이방향 축의 각각의 단부에 배치되는 하나의 자석은 권선에 대해 이동가능하게 배치되고 길이방향 축을 따라 변위가능한 자기 피스톤상에서 작용한다. 피스톤과 권선 사이의 상대 운동은 수평하거나 수직하며 또는 수평과 수직 사이의 그 어떠한 각도라도 이룰 수 있다.
다른 예시적인 장치에 있어서, 에너지 전환 장치는 방사방향 자기 소스(magentic source)에 의해 한정된 가늘고 긴 채널과, 상기 방사방향 자기 소스와 동축으로 배치된 권선과, 상기 가늘고 긴 채널의 반대쪽 단부의 고정된 위치에서 반대쪽에 배치되는 2개의 축방향 자석과, 그 사이에 배치되는 피스톤을 갖는다. 방사방향의 축방향 자석은 네오디뮴 자석과 같은 희토류 자석이다.
다른 예시적인 장치에 있어서, 수동형 토로이달 부품은 능동형 토로이달 부품 보다 상당히 크다.
또 다른 예시적인 장치에 있어서, 피스톤은 권선이나 코일에 의해 한정된 가늘고 긴 채널내에 피스톤을 부동한 위치로 유지하기 위해 반대쪽에 배치된 축방향 자석에 응답하는 축방향 자기 부품과 방사방향 자기 소스에 응답하는 방사방향 자기 부품을 갖는 복합 자석이다. 상기 반대쪽에 배치된 축방향 자석의 반대쪽 자장은 채널내에 부동 피스톤을 제한하며, 진동의 횟수 및 속도를 증가시킨다. 채널을 한정하는 실린더가 제공되고, 상기 실린더는 권선을 한정하는 토로이달 구리 권선으로 타이트하게 둘러싸인다. 피스톤이 권선을 통과할 때, 그 운동은 권선을 통과하는 전류로 전환되는 운동하는 자장을 발생시킨다.
피스톤을 자유로이 부동하게 하고 피스톤과 실런더 벽 사이의 마찰을 감소시키는 추가적인 자석이 실린더 주위에 형성된다.
첨부의 도면을 참조하여 다른 형상을 배제하지 않고 에너지 전환 장치의 일부 형상이 단지 예로서 서술될 것이다.
도1a는 에너지 전환 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도1b는 다른 에너지 전환 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도2는 내부 자기 부품들이 점선으로 도시된 에너지 전환 장치의 제1실시예의 측면도.
도3은 도2의 선3-3을 따라 취한 에너지 전환 장치의 단면도.
도4는 도3의 선4-4를 따라 취한 도2 및 도3의 에너지 전환 장치의 단면도.
도5는 내부 자기 부품들이 점선으로 도시된 에너지 전환 장치의 제2실시예의 측면도.
도6은 도5의 선6-6을 따라 취한 에너지 전환 장치의 단면도.
도7은 도6의 선7-7을 따라 취한 도5 및 도6의 에너지 전환 장치의 단면도.
도8은 도1 내지 도6의 에너지 전환 장치를 위한 다른 복합 피스톤의 평면도.
도면에는 예시적인 에너지 전환 장치가 상세히 도시되어 있다. 도면은 에너지 전환 장치의 여러 형상들을 나타내고 있지만, 상기 도면은 반드시 그 크기대로 도시되지는 않았으며, 그 형상의 양호한 도시 및 설명을 제공하기 위해 과장되기도 하였다. 여기에 서술된 형상은 완전하지는 않으며, 또는 장치를 하기의 상세한 설명에 서술된 정확한 형태로 제한하지 않는다.
일반화된 에너지 전환 장치(10)를 개략적으로 도시하는 도1a를 참조하여, 에너지 전환 장치의 자기 부품 및 전자기 부품의 배치가 서술될 것이다. 특히, 에너지 전환 장치(10)는 토로이달 권선(14)과 같은 권선과 동축으로 배치된 방사방향 자기 소스(12)를 포함한다. 도시된 예시적인 구조에서, 방사방향 자기 소스(12)는 토로이달 권선(14)을 둘러싼다. 방사방향 자기 소스(12) 및 토로이달 권선(14)은 함께 길이방향 축(16)과 피스톤(20)이 길이방향 축(16)을 따라 왕복동하도록 가늘고 긴 채널(18)을 한정한다. 방사방향 자기 소스(12)는 제1극성을 갖는 외주면(22)과 상기 외주면(22)과는 반대의 극성을 갖는 내주면(24)을 갖는다. 하기에 서술되는 바와 같이, 방사방향 자기 소스(12)는 예를 들어 단일의 가늘고 긴 토로이달형 자석이거나 또는 토로이달 권선(14) 주위에 방사방향으로 배치되는 다수의 막대 형상의 자석이다. 일부 적용에 있어서, 에너지 전환 장치는 방사방향 자기 소스(12)없이 사용될 수도 있다.
피스톤(20)은 제1극성의 제1면(30)과 상기 제1면(30)과는 반대 극성의 제2면(32)을 갖는 디스크형 축방향 자석(28)을 포함한다. 피스톤(20)은 축방향 자석(28)을 둘러싸며 제1극성의 외주면(36)과 상기 극성과는 반대인 제2극성의 내주면(38)을 갖는 토로이달 형상의 방사방향 자석(34)을 부가로 포함한다. 내주면(38)은 축방향 자석(28)의 외주면(40)과 계합한다. 방사방향 자석(34)은 피스톤(20)을 축방향으로 채널(18)의 중앙에 유지하기 위해 방사방향 자기 소스(12)와 상호작용한다. 이것은 힘이 모든 방향으로 거의 동일하기 때문에 방사방향 자기 소스(12)의 내주면(24)이 방사방향 자석(34)의 외주면(36)과 동일한 극성 또는 반대의 극성을 갖는 가의 여부에 따라 발생되지만, 피스톤(20)이 이들 표면이 반대 극성을 가질 경우 힘의 비평형으로 인해 길이방향 축(16)에 대해 경사질 가능성은 낮다.
에너지 전환 장치에 사용된 모든 자석들은 저중량과 조합된 원하는 강도를 제공하기 위해 네오디뮴 자석과 같은 희토류 자석임을 인식해야 한다. 네오디뮴 재료에 대한 다른 선택이 하기에 서술될 것이다.
디스크형 축방향 자석(44)이 채널(18)의 한쪽 길이방향 단부에 배치된다. 축방향 자석(44)은 피스톤(20)의 축방향 자석(28)의 제1면(30)을 향하며 피스톤(20)을 밀어내기(repel) 위해 제1면(30)과 동일한 극성을 갖는 제1면(46)을 갖는다. 축방향 자석(44)은 제1면(46)과 반대쪽에 배치되고 제1면(46)과 반대 극성을 갖는 제2면(48)을 갖는다. 디스크형 축방향 자석(50)은 채널(18)의 다른쪽 길이방향 단부에 배치된다. 축방향 자석(50)은 피스톤(20)의 축방향 자석(28)의 제2면(32)을 향하고 피스톤(20)을 밀어내기 위해 제2면(32)과 동일한 극성을 갖는 면(52)을 갖는다. 축방향 자석(50)은 제1면(52)의 반대쪽에 배치되고 제1면(52)과는 반대 극성을 갖는 제2면(54)을 갖는다.
따라서, 도1a에 도시된 바와 같이, 축방향 자석(44, 50)은 피스톤(20)의 축방향 자석(28)과 협력하고, 방사방향 자기 소스(12)는 외력에 의해 방해받지 않는 한 부동한 피스톤(20)을 채널(18)내의 고정된 위치에 유지하기 위해 피스톤(20)의 방사방향 자석(34)과 협력한다. 또한, 만일 어떤 상황이 자석 부품(12, 44, 또는 50)에 대해 피스톤(20)의 재위치조정을 유발시킨다면, 피스톤(20)상의 순(net) 자기력은 평형된 정지 위치로 복원될 때까지 피스톤(20)상의 중력을 고려하여 피스톤(20)이 길이방향 축(16)을 따라 채널(18)내에서 진동되게 할 것이다. 피스톤(20)이 진동함에 따라, 토로이달 권선(14)은 운동하는 자장으로부터 전기 에너지를 발생시킨다. 피스톤(20)이 채널(18)내에서 자유롭게 부동중이기 때문에, 고형의 베어링면들 사이의 마찰에 대해 에너지가 손실되지 않는다.
에너지 전환 장치(10)는 축방향 자석(50)에 인접하게 배치되는 다른 토로이달 권선(60)을 부가로 포함한다. 토로이달 권선(60)은 피스톤(20)의 진동을 개시키기거나 돕기 위해 피스톤(20)상에 작동하는 힘의 평형을 일시적으로 업셋하도록 선택적으로 작동(energize)된다. 피스톤(20)의 진동은 피스톤(20)으로 하여금 다른 자기 부품(12, 44, 50)에 대해 움직이게 하거나 또는 선택적으로 자기 부품(12, 44, 50)이 피스톤(20)에 대해 운동하게 하는 기계적 동작에 의해 추가적으로 또는 선택적으로 시작되거나 도움받는다. 또한, 피스톤(20)과 토로이달 권선(14) 사이의 상대 운동이 전력의 소스로서 사용되는 토로이달 권선(14)의 전류를 발생시킬 것이다.
도1b는 피스톤(20a) 및 축방향 자석(44a, 50a)이 링 형상인 것을 제외하고는 자기 및 전자기 부품의 배치가 상술한 바와 유사한 다른 일반화된 에너지 전환 장치(10a)를 개략적으로 도시하고 있다. 이 배치에서, 피스톤(20a)은 방사방향 자기 소스(12) 및 토로이달 권선(14)의 외측에 배치되고, 축방향 자석(50a)은 토로이달 권선(60)의 외측에 배치된다. 피스톤(20a)은 링 형상의 내부 방사방향 자석(34a)과 링 형상의 외부 축방향 자석(28a)으로 구성된다. 축방향 자석(44a, 50a)은 축방향 자석(28a)과 상호작용하고, 방사방향 자기 소스(12)는 상술한 도1a의 일반화된 에너지 전환 장치(10)의 유사하게 넘버링된 부품과 동일한 원리에 따라 방사방향 자석(34a)과 상호작용한다.
다수의 토로이달 권선이 제공됨을 인식해야 한다. 출력 전류를 피스톤의 운동의 함수로서 발생시키기 위해 1개 또는 그 이상의 수동형 토로이달 권선이 제공된다. 피스톤의 자장과는 반대인 자장을 발생시키기 위해 하나 이상의 능동형 토로이달 권선이 제공된다. 수동형 토로이달 권선은 능동형 토로이달 권선 보다 상당히 크다. 수동형 토로이달 권선과 상호작용하는 피스톤에 의해 발생된 에너지는 배터리 또는 커패시터와 같은 전기 장치로 전달되어 저장된다. 능동형 토로이달 권선은 수동형 토로이달 권선과 상호작용하는 운동하는 피스톤 자석에 의해 미리 발생된 전기 에너지를 사용한다.
도2 내지 도4를 참조하여 예시적인 제1에너지 전환 장치(10')가 서술될 것이다.
도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 토로이달 권선(14)은 플라스틱과 같은 적절한 비도전성 재료로 형성된 튜브(64) 둘레에 권취되며 그것에 의해 지지된다. 도4에만 도시된 바와 같이, 토로이달 권선(60)도 튜브(64) 둘레에 권선되며 그것에 의해 지지된다. 플라스틱 튜브(64)의 내면(66)은 피스톤(20)을 위한 채널(18)을 한정한다.
도4에 상세히 도시된 바와 같이, 에너지 전환 장치(10')는 에너지 전환 장치(10')의 자기 부품을 위한 폐쇄부(closure)를 형성하기 위해 평탄한 벽(74)에 의해 한쪽 단부가 폐쇄되고 다른 단부에 커버(76)를 부착가능한 실린더 벽(72)을 갖는 외부 하우징(70)을 갖는다. 축방향 자석(44)은 커버(76)에 부착된다. 축방향 자석(50)은 외부 하우징(70)의 내부에서 베이스(74)에 부착된다. 피스톤(20)은 부품들 사이의 마찰로 인한 에너지의 손실을 피하기 위해 토로이달 권선(14)으로부터 떨어져 있는 상태로 도시되었다. 그러나, 피스톤(20)은 피스톤(20)의 양쪽에서 채널(18)의 부분들 사이의 공기 흐름을 제한하기 위해 토로이달 권선(14)의 내경에 비해 상당히 큰 직경을 가질 수 있다. 피스톤(20)의 양측에 생긴 공기 압력이 피스톤(20)의 운동을 방해하는 것을 방지하기 위하여, 하우징(70)은 채널(18)의 양단부로의 공기흐름을 허용하는 도시않은 개구를 가질 수 있다.
토로이달 권선(60)을 작동시키기 위한 와이어(78)(도2 및 도4 참조)는 도4에 도시된 바와 같이 실린더 벽(72)의 간극(80)을 통해 외부 전원(82)으로 신장된다. 전원(82)은 스위치(84)를 통해 토로이탈 권선(60)에 선택적으로 연결되며, 상기 스위치는 피스톤(20)에 일시적인 자기 비평형을 도입하여 피스톤(20)의 진동을 시작시키거나 도울 필요가 있을 때 마이크로프로세서와 같이 자동으로 작동되는 스위치이거나 수동 스위치일 수도 있다. 토로이달 권선(14)에 연결되는 와이어(86)(도2 및 도4 참조)도 마찬가지로 도4에 도시된 바와 같이 실린더 벽(72)의 간극(88)을 통해 전기 부하(90)로 신장된다. 선택적으로, 와이어(86)는 무선 파워 전달 시스템으로 대체될 수도 있다.
에너지 전환 장치(10')는 교류 또는 직류 출력을 제공하도록 형성된다. 전기 부하(90)는 파워를 소비할 수 있는 하나 이상의 전기 장치, 차후 사용을 위해 파워를 저장하는데 사용되는 하나 이상의 저장 장치, 또는 파워 분배 시스템이다. 전기 부하(90)를 위한 예시적인 저장 장치는 배터리, 플라이휘일, 커패시터, 및 전기, 화학, 열, 또는 기계 저장 시스템을 사용하는 에너지를 저장할 수 있는 다른 장치를 포함한다. 전기 부하(90)를 위한 예시적인 전기 장치는 전기 모터, 연료전지, 가수분해 전환 장치, 배터리 충전 장치, 광, 및 가열 요소를 포함한다. 예시적인 파워 분배 시스템 전기 부하(90)는 상주 회로 브레이커 패널(residential circuit breaker panel), 또는 전력 그리드를 포함한다. 상기 전기 부하(90)는 파워를 인버터와 같은 전기 부하(90)에 의해 사용가능한 형태로 전환할 수 있는 중간의 전력 전환 장치도 포함한다.
전원(82) 및 전기 부하(90)는 에너지 전환 장치(10')와 독립적으로 도시되었지만, 상기 상기 전원 및 전기 부하중 어느 하나 또는 모두는 에너지 전환 장치(10')와 합체되거나 어떤 방식으로 에너지 전환 장치(10')에 연결될 수 있다. 특히, 상기 전원 및 전기 부하중 어느 하나 또는 모두는 외부 하우징(70)이나 커버(76)에 선택적으로 부착되거나, 또는 외부 하우징(70)이나 커버(76)에 형성된 격실내에 장착될 수도 있다. 다른 대안으로는 전원(82)이나 전기 부하(90)가 커버(76)에 합체되는 것이다. 또한, 전원(82) 및 전기 부하(90)가 길이방향 축(16)에 대해 접선 방향으로 배치되는 것으로 도시되었지만, 전원 및 전기 부하중 어느 하나 또는 모두는 일부 실행을 위해 길이방향 축(16)을 따라 배치되는 것이 바람직하다. 따라서, 예를 들어 도시되지는 않았지만, 외부 하우징(70)의 원통형 벽(72)은 원통형 배터리처럼 전원(82) 또는 전기 부하(90)의 저장을 위한 격실, 라디오, 또는 광을 제공하기 위해 벽을 넘어 신장되기도 한다. 추가적으로 또는 선택적으로, 커버(76)는 전원 또는 전기 부하를 위한 격실이나 부착 특징부를 가질 수도 있다.
에너지 전환 장치(10')는 방사방향 자기 소스로서 토로이달 권선(14)의 주위에 배치되는 등간격으로 떨어져 있는 6개의 막대 자석(12a-12f)을 사용한다. 외부 하우징(70)의 내벽(92)은 막대 자석의 배열을 원하는대로 떨어져 있는 상태로 유지한다.
따라서, 에너지 전환 장치(10')는 피스톤(20)을 외부 하우징(70)에 삽입하고, 토로이달 권선(14, 60) 및 피스톤(20)을 갖춘 튜브(64)를 외부 하우징(70)내로 미끄러지게 하고, 그후 외부 하우징(70)을 폐쇄하는 커버(76)를 부착함으로써 도4에 도시된 바와 같이 조립된다.
하우징(70)은 에너지 전환 장치(10')를 수평 위치, 수직 위치, 또는 수평 위치 및 수직 위치로 선택적으로 지지하기 위해 필요할 경우 도시않은 적절한 레그 또는 장착 포인트를 갖는다. 만일, 수직으로 배치된 길이방향 축(16)으로 에너지 전환 장치(10')를 작동시키고자 한다면, 피스톤(20)상의 중력을 조정하기 위해 피스톤(20)의 축방향 자기 부품 보다 강한 축방향 자석(50)을 선택하고 피스톤(20)의 축방향 자기 부품 보다 약한 축방향 자석(44)을 선택하는 것이 바람직하다.
도5 내지 도7를 참조하여 예시적인 제2에너지 전환 장치(10")가 서술될 것이다. 에너지 전환 장치(10")는 하기에 서술되는 바를 제외하고는 에너지 전환 장치(10')와 유사하다.
도6 및 도7에 도시된 바와 같이, 토로이달 권선(14)은 내부 하우징(96)의 원통형 벽(94)에 권취되고 그것에 의해 지지된다. 내부 하우징(96)은 적절한 비도전성 재료로 형성된다. 내부 하우징(96)은 원통형 벽(94)의 한쪽 단부를 폐쇄하는 평탄한 벽(98)(도5 및 도6 참조)과, 원통형 벽(94)으로부터 신장되는 환형 플랜지(100)를 갖는다. 내부 하우징(96)의 원통형 벽(94)은 피스톤(20)을 위한 채널(18)을 한정한다. 축방향 자석(44)은 내부 하우징(96)내에서 상기 평탄한 벽(98)에 부착된다.
평탄한 베이스(74')에 연결된 원통형 벽(72')을 갖는 외부 하우징(70")(도7 참조)은 커버(76) 대신에 외부 하우징(70")의 개방 단부가 내부 하우징(96)의 환형 플랜지(100)에 의해 폐쇄되는 점을 제외하고는, 에너지 전환 장치(10')의 외부 하우징(70)(도2 및 도4 참조)과 유사한 방식으로 에너지 전환 장치(10")의 자기 부품을 위한 부분 폐쇄부를 제공한다.
에너지 전환 장치(10")는 6개의 막대 자석 대신에 에너지 전환 장치(10")가 방사방향 자기 소스로서 외부 하우징(70")에 끼워지는 가늘고 긴 토로이달 자석(104)을 사용한다는 점에서 에너지 전환 장치(10")와 상이하다. 또한, 에너지 전환 장치(10")는 에너지 전환 장치(10")를 수평면상에 선택적으로 지지하기 위해 원통형 벽(72")으로부터 신장되는 지지부(106)(도6 참조)를 가짐으로써 에너지 전환 장치(10')와 상이하다. 피스톤(20)상의 중력을 유리하게 이용하도록 설계된 에너지 전환 장치(10')와는 달리, 에너지 전환 장치(10")는 수평면에 대해 0°내지 90°까지 그 어떤 방향으로도 배치될 수 있으며, 필요할 경우 지지부(106)가 생 U될 수 있다. 도시된 바와 같이, 토로이달 권선(60)은 축방향 자석(50)의 주위에 권취된다. 선택적으로, 도시되지는 않았지만 토로이달 권선(60)은 내부 하우징(96)의 원통형 벽(94) 주위나 스풀의 주변에 권취될 수도 있다.
따라서, 에너지 전환 장치(10")는 도7에 도시된 바와 같이 토로이달 자석(104) 및 피스톤(20)을 외부 하우징(70")내로 미끄러지게 하고, 내부 하우징(96)을 외부 하우징(70")에 삽입하고, 그후 환형 플랜지(100)를 외부 하우징(70")에 부착함으로써 조립된다.
에너지 전환 장치(10, 10a, 10', 10")는 발전기, 모터, 펌프, 압축기, 엔진, 또는 전력 변압기로서 사용된다. 변압기로서 사용될 때, 전력은 토로이달 권선(60)에 입력되고, 전력은 토로이달 권선(14)으로부터 출력된다. 발전기로서 사용될 때, 기계적 파워는 축(16)을 따라 외부 하우징(70 또는 70")을 왕복동시킴으로써 입력되고, 전력은 토로이달 권선(14)으로부터 출력된다. 기계적 운동은 예를 들어 해파(ocean wave), 바람, 왕복동 연료 연소 엔진, 또는 수동 동작과 같은 길이방향 축(16)을 따라 하우징을 진동시킬 수 있는 소스에 의해 제공된다. 선택적으로, 피스톤(20 또는 20a)에 기계적 운동이 부여될 수도 있다. 예를 들어, 하우징(70 또는 70")의 양단부는 피스톤을 가로지르는 압력 차이에 의해 피스톤에 운동을 부여하기 위해 피스톤의 한쪽의 채널(18)내로의 공기의 운동을 허용하고 피스톤의 다른쪽에 채널(18)로부터의 공기의 운동을 허용하기 위해 도시않은 개구들을 갖는다. 에너지 전환 장치의 출력은 직류 또는 교류가 되도록 형성될 수 있다.
모터로서 사용될 때는 피스톤(20 또는 20a)의 진동 또는 왕복동 운동 및 외부 하우징(70 또는 70")의 반동 운동을 유발하기 위해, 예를 들어 전력선으로부터의 전력, 태양열, 풍력, 또는 저장된 에너지가 토로이달 권선(60)에 입력되거나 또는 토로이달 권선(14)을 통해 입력된다. 기계적 파워는 피스톤(20 또는 20a)에의 커플링을 통해 또는 선택적으로 외부 하우징(70 또는 70")의 왕복동 운동이나 진동의 사용 또는 하네싱(harnessing)을 통해 하네싱될 수도 있으며, 이것은 피스톤(20 또는 20a)의 운동에 대한 반응으로 발생된다. 펌프 또는 압축기로서 사용될 때는 피스톤(20 또는 20a)이 공기나 다른 유체를 펌핑하거나 또는 유체를 압축하도록, 도시않은 적절한 밸브 통로가 제공된다.
에너지 전환 장치는 상술한 바와 같이 단일 세트의 축방향 자석(50)과, 단일 세트의 토로이달 권선(14 및 60)과, 단일의 방사방향 자기 소스(12)와, 단일의 피스톤(20 또는 20a)을 갖는 단일 스테이지(stage)로서 형성된다. 선택적으로, 도시않은 복합 에너지 전환 장치는 직렬이나 병렬 또는 독립적으로 작동되는 적어도 자신의 피스톤을 각각 갖는 다수의 스테이지를 가질 수도 있다. 다수의 스테이지로 구성되었을 때, 각각의 스테이지는 외부 및 내부 하우징과 같은 부품들을 공유한다. 상기 다수의 스테이지는 예를 들어 길이방향 축(16)을 따라 연속적으로 신장되는 에너지 전환 장치(10, 10a, 10', 또는 10")와 유사한 다수의 스테이지를 가짐으로써 또는 중앙의 에너지 전환 장치(10, 10a, 10', 또는 10")의 주위에 동심으로 배치되는 하나 이상의 링 형상의 에너지 전환 장치(10a)를 가짐으로써 서로 축방향으로 정렬된다. 선택적으로, 다수의 에너지 전환 장치는 전기적으로나 기계적으로 병렬 또는 직렬로 연결될 수도 있다.
도8은 링(124)으로 둘러싸인 다수의 자석 세그먼트(122a-122f)로 형성된 다른 복합 자석(120)을 도시하고 있다. 상기 복합 자석(120)은 앨라배마 버밍햄 거주의 조지 미첼이 소유한 앨라매마 35216 베스타비아 힐스 캐넌 로드 1836 소재의 엔지니어드 컨셉츠에 의해 판매되며 슈퍼마그네트맨(SuperMagnetMan)이라는 이름으로(예를 들어, 부품 넘버 RR0060N, RR0060N, 또는 RR0100S) 판매될 것으로 제안되는 형식의 방사방향 네노디뮴 링 자석이다. 복합 피스톤(120)은 어떤 형태의 에너지 전환 장치(10, 10a, 10', 또는 10")에서도 사용될 수 있다.
본 출원인은 이런 자석들은 아치형의 제1면(128)에 N 극과 같은 제1극을, 아치형의 제2면(130)에 S 극과 같은 반대 극을 제공하는 방사방향 부품을 갖는 반면에, 한쪽 면(126)에 N 극, 도시않은 반대쪽 면에 S 극을 효과적으로 나타내는 축방향 자기 부품을 갖는 성질을 가짐을 실험으로 결정하였다.
특히, 복합 자석(120)은 개별적으로 형성된 후 링(124)으로 조립되는 다수의 자석 세그먼트(122a-122f)를 사용하여 제조된다. 링(124)은 알루미늄으로 구성되며; 외부 원통형 벽(132)과, 상기 자석 세그먼트와 계합하기 위한 적어도 하나의 환형 벽(134)을 갖는다. 환형 벽(134)은 일부 적용에 필요할 때, 복합 자석을 축(shaft)과 같은 다른 부품에 장착시 사용하기 위해 중앙에 위치한 간극(136)을 갖는다. 도1b에 도시된 에너지 전환 장치(10a)에 사용될 때, 간극(136)은 만일 방사방향 자기 소스가 사용된다면 방사방향 자기 소스(12) 및 코일이나 권선(14)을 클리어(clear)하기에 충분히 클 것이다.
예를 들어, 허용가능한 복합 피스톤은 10개의 분리된 N42 직경 자석 세그먼트를 사용하여 제조되었다. 일부 적용에서는 약한 자석 세그먼트를 사용하여 조립하는 것이 용이하기 때문에 N40 또는 N32 세그먼트로 제조된 약한 복합 피스톤이 적절하다. 방사방향 자석의 속도(진동) 및 가우스(Gauss) 강도, 피스톤(120) 자장의 강도 및 길이와 같은 변수들이 최대화될 것이 실험적으로 제안되었다. 방사방향의 제2자석의 추가도 도움이 될 수 있는 것으로 실험으로 나타났다. 그러나, 현재까지 실험으로부터, 최대화를 위한 가장 중요한 변수는 가우스 강도 및 방사방향 자기 강도이며, 따라서 N52 로 제조된 피스톤이 바람직한 것으로 나타났다.
상술한 에너지 저장 장치는 개인용 및/또는 공용 파워 소비를 위해 사용되는 상업용 파워 그리드 또는 하이드로, 핵, 바람, 태양열, 파도, 또는 바와 같은 다른 형식의 전력 발생 그리드에 의해 공급된 거주용의 가정용 퓨즈 패널과 같은 개별적으로 회로화된 시스템에 협력하여 주 입력 및 부 입력을 제공하는 것을 인식할 수 있을 것이다. 상기 장치는 증가된 출력을 제공하기 위해 단일의 독립체(entity)이거나 직렬, 병렬, 또는 독립적으로 유니트로서 조합된 다수의 독립체이다. 상기 장치는 피스톤 운동이 유지될 수 있도록 능동형 토로이드(60)로의 입력 에너지를 계산 및 조절할 수 있는 전기 장치와 협력하여 작동될 수 있다.
상기 장치는 예를 들어 프로그램될 수 있는 전자 제어 모듈과 같은 능동형 토로이드(60)로의 입력 에너지를 계산 및 조절할 수 있는 전기 장치와 협력하여 작동되고, 피스톤 운동이 감속, 정지 및 최소한의 입력 에너지로 능동형 토로이드로 역전될 수 있도록 입력 신호를 판독하고 상기 입력 신호에 기초하여 출력 신호를 발생한다.
피스톤 감속 및 가속을 유도할 수 있고, 피스톤을 그 원하는 속도로 가속시키는데 필요한 원하는 토로이달 에너지를 계산할 수 있고, 능동형 토로이드를 위한 전류 및 전압 입력 신호를 발생할 수 있는 제어 알고리즘이 제공된다. 알고리즘은 입력 신호를 최소로 필요로 하며; 상기 입력 신호는 예를 들어 홀 영향(Hall affect) 센서를 사용하여 수평 자석을 향해 길이방향 축을 따라 피스톤 중간 이동 포인트를 지나 각각 감지되는 3개의 다른 위치에서의 피스톤 이동으로 구성되고, 2개의 시간 주기를 위한 속도 및 감속을 유도하기 위해 3개의 펄스(pulse) 사이의 시간을 계산하고, 피스톤 위치의 함수로서 감속률을 계산하고, 피스톤이 정지될 포인트를 계산하고, 피스톤을 원하는 초기 속도로 가속하는데 필요한 힘을 결정하고, 전류 명령 신호(고정된 전압을 위한)를 발생하고, 피스톤이 그 길이방향 축을 따라 반대 방향으로 이동할 때 가속을 측정하고, 3개의 포인트 사이를 이동하는데 필요로 하는 시간을 측정함으로써 필요로 하는 피스톤 목표 속도를 유지하기 위해 토로이달 파워 레벨을 조정한다.
에너지 전환 장치는 제어 알고리즘과 협력하여 능동형 토로이드로의 입력 에너지를 최소화하도록 적용된다. 제어 알고리즘은 하기 관계, 즉 Ftin > Fp - FMh 를 유지하며, 여기서 상기 Ftin 은 입력 전압 및 전류에 비례하는 피스톤 힘(20)과 반대쪽인 방향에서 능동형 토로이드 힘이고, Fp 는 피스톤 힘이며, FMh 는 그 길이방향 축을 따라 이동하는 피스톤이 수평 자석[자석(50)과 같은]에 접근할 때 감속되고 순간적으로 정지되고 그후 수평 자석(50)의 반발력과 협력하여 상부의 수평 자석(44)을 향해 작용하는 적용된 힘(Ftin )에 의해 미리 결정된 경험적으로 발달되는 비율로 능동형 토로이드(60)에 의해 가속되도록 피스톤 힘(Fp )과는 반대방향인 수평 자석의 힘이다.
정지형 자석 또는 자석들(44, 50)(도7에 도시된 바와 같은)과 협력하여 작용하였을 때, 이들 자석을 포함하는 상기 장치의 길이방향 축은 수평면에 대해 0°내지 90°를 향하고, 그 주 힘 필드가 방사방향 자석으로부터 90°를 향하는 수직의 중간 포인트로부터 미세 거리로 변위될 수 있으며; 상기 자석은 그 필드가 도1 내지 도7의 예시적인 장치에 도시된 바와 같이 방사방향 자석의 수직축을 따라 방사방향 자석과 상호작용하도록 배치된다. 이 자석 또는 자석들은 정지형 방사방향 자석의 내부에 또는 (도시된 바와 같이) 정지형 방사방향 자석의 외부에 배치될 수 있으며, 즉 자석은 링 형식 자석 형상을 사용하여 정지형 방사방향 자석(OD)(외경) 보다 큰 ID(내경)를 갖는다.
상술한 설명은 예시적이며 제한되지 않음을 인식해야 한다. 본 기술분야의 숙련자라면 상술한 바를 참조하여 제공된 실시예 이외의 많은 형상 및 적용이 명백하다. 예를 들어, 피스톤과 권선 사이의 상대 운동은 바람, 하이드로(파도, 전류 또는 수직 강하 에너지)와 같은 기계적 동작 또는 운동중인 물체 또는 튕기는 물체로부터의 기계적 입력에 의해 유발된다. 선택적으로, 에너지 전환 장치는 중간 저장부를 사용하지 않고 토로이드의 전기 출력을 사용할 수 있는 장치 또는 장치들에 파워를 전달할 수도 있다. 이들 장치는 전기 모터, 연료 전지, 가수분해 전환 장치, 배터리 충전 장치, 광, 가열 요소를 포함하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 선택적으로, 피스톤은 운동중인 공기나 물과 같이 피스톤의 표면상에 직접 작용하는 유체나 온도 변화에 응답하여 팽창되거나 수축되는 유체에 의해 직접적으로 변위될 수도 있다.
다른 변형예는 파워를 장치에 직접 제공하거나 또는 장치내의 배터리를 충전하는 포터블 전자 장치내에 에너지 전환 장치를 제공한다. 이런 전환 장치는 에너지 전환 장치의 길이방향 축을 따라 장치를 흔들음으로써 포터블 전자 장치를 운반하는 사람이나 포터블 전자 장치가 운반되는 차량에 의해 장치의 의도적인 또는 부수적인 운동으로부터 파워를 발생한다. 이런 적용을 위해, 에너지 전환 장치는 표준 A, B, 또는 C 배터리와 같은 표준 원통형 배터리에 비례하며, 이런 배터리를 대체하거나 포터블 전자 장치에서 상기 배터리에 직렬로 배치되도록 상기 배터리에 상당할 수 있는 출력 및 입력 특징부를 부가로 갖는다. 선택적으로, 에너지 전환 장치는 2개 이상의 배터리를 대체하도록 비례할 수도 있다. 선택적으로, 재충전 배터리 및 에너지 전환 장치의 조합 시스템은 포터블 전자 장치에의 설치를 위해 자체 재충전 배터리 팩과 합체될 수도 있다. 상기 자체 재충전 배터리 팩은 하나 이상의 종래 배터리를 대체하기 위해 적절한 전기 커넥터에 비례하거나 끼워질 수 있다. 이런 자체 재충전 배터리 팩은 배터리가 충전될 때를 나타내는 인디케이터(indicator) 또는 배터리가 미리 결정된 한계값 이상으로 충전되었을 때만 파워를 배터리로부터 인출하게 하는 제어 시스템을 갖는다.
하나의 형상과 관련하여 도시되거나 서술된 특징부는 다른 형상에 부가되거나 선택적으로 사용된다. 장치의 범위는 상술한 바를 참조하지 않고 결정될 수 있지만, 그 대신 첨부의 청구범위를 참조하여 상기 청구범위에 부여된 전체 등가 범위를 따라 결정되어야만 한다. 미래의 발전은 여기에 서술된 분야에서 발생될 것이며 서술된 시스템 및 방법은 이런 미래의 형상에 합체될 것임이 예측 및 의도된다. 요약하면, 상기 장치는 수정 및 변형이 가능하며 하기의 청구범위에 의해서만 제한되는 것을 인식해야 한다.
본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.
12; 자기 소스 14; 토로이달 권선
18; 채널 20; 피스톤
28; 자석 30; 제1면

Claims (35)

  1. 에너지 전환 장치에 있어서,
    길이방향 축을 한정하는 코일형 전기 권선과,
    상기 길이방향 축을 따라 배치되며 상기 권선에 대해 운동하도록 길이방향 축을 따라 길이방향으로 변위가능한 축방향 자기 부품과 방사방향 자기 부품을 갖는 복합 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 권선의 반대쪽 단부에 인접한 길이방향 축을 따른 위치에 배치되는 한쌍의 고정된 축방향 자석을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 고정된 축방향 자석은 복합 피스톤의 축방향 자기 부품에 반발하는 극면을 각각 나타내는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  4. 제1항에 있어서, 코일형 전기 권선과 동축으로 배치된 방사방향 자석 시스템을 부가로 포함하며, 상기 방사방향 자석은 길이방향 축에 대해 피스톤을 부동시키기 위해 복합 피스톤의 방사방향 자기 부품과 상호작용하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 방사방향 자석 시스템은 복합 피스톤의 방사방향 자기 부품에 반발 극면을 나타내는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 방사방향 자석 시스템은 복합 피스톤의 길이방향 축 주위에 방사방향으로 배치되는 다수의 막대 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 방사방향 자석 시스템은 복합 피스톤의 주위에 배치되는 토로이달 형상의 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 복합 피스톤은 토로이달 형상의 방사방향 자석과, 상기 토로이달 형상의 방사방향 자석내에 배치되는 디스크 형상의 축방향 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 복합 피스톤은 코일형 전기 권선내에 배치되는 디스크 형상의 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 피스톤은 복합 피스톤의 주위에 배치되는 토로이달 형상의 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 복합 피스톤은 코일형 전기 권선의 외부에 배치되는 원통형상의 피스톤을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 복합 피스톤은 토로이달 형상의 방사방향 자석과, 상기 토로이달 형상의 방사방향 자석내에 배치되는 축방향 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 복합 피스톤은 외부 링에 의해 제한되는 방사방향 및 축방향 자장을 발생시키는 다수의 자석 세그먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  14. 제1항에 있어서, 상기 에너지 전환 장치는 펌프, 모터, 발전기, 압축기, 엔진으로부터 선택되는 장치를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  15. 제1항에 있어서, 운동중인 유체로부터의 에너지를 수취하는 기계 에너지 입력 장치를 부가로 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  16. 제1항에 있어서, 기계 에너지를 유체에 부여하는 기계 에너지 출력 장치를 부가로 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 권선에 전기적으로 연결되는 에너지 저장 장치를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  18. 제1항에 있어서, 피스톤에 기계적으로 연결되는 에너지 저장 장치를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  19. 제1항에 있어서, 배터리, 커패시터, 플라이휘일로부터 선택되는 에너지 저장 장치를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  20. 제1항에 있어서, 상기 길이방향 축은 수직으로 배치되는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  21. 제1항에 있어서, 상기 권선 및 자석을 보유하는 하우징을 부가로 포함하며, 상기 하우징은 피스톤이 길이방향 축을 따라 이동할 때 유체가 실린더로부터 변위되도록 비례하는 방사방향 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  22. 제1항에 있어서, 상기 피스톤 변위는 유체 운동, 유체 수축, 유체 팽창중 적어도 하나에 의해 유발되는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  23. 제1항에 있어서, 에너지 전환 장치의 작동을 관리하는 제어 알고리즘을 갖는 제어기를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  24. 제1항에 있어서, 상기 자석은 희토류 자석인 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  25. 제1항에 있어서, 상기 자석의 적어도 하나는 네오디뮴 자석의 다수의 세그먼트로 구성되는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  26. 제1항에 있어서, 다수의 복합 피스톤을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  27. 제1항에 있어서, 상기 피스톤은 N32, N40, N52 중 적어도 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  28. 에너지 전환 장치에 있어서,
    2개의 단부와 상기 단부들 사이의 길이방향 축을 한정하는 원통형 챔버를 갖는 하우징과,
    상기 길이방향 축을 따라 원통형 챔버에 배치되는 코일형 전기 권선과,
    하나의 축방향 자석이 챔버의 각각의 단부에 배치되는 한쌍의 축방향 자석과,
    상기 길이방향 축을 따라 챔버에 배치되는 방사방향 자석 시스템과,
    상기 하우징내에 배치되고 상기 권선에 대해 길이방향 축을 따라 길이방향으로 변위가능한 복합 피스톤을 포함하며,
    상기 복합 피스톤은 축방향 자석에 의해 반발되는 축방향 자기 부품과 상기 방사방향 자석 시스템에 의해 반발되는 방사방향 자기 부품을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  29. 제28항에 있어서, 상기 피스톤 변위는 피스톤에 대한 유체 운동과, 피스톤에 대한 유체 수축과, 피스톤에 대한 유체 팽창과, 권선을 통과하는 전류와, 하우징으로의 직접 기계적 입력 및 피스톤으로의 직접 기계적 입력중 적어도 하나에 의해 유발되는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  30. 제28항에 있어서, 상기 에너지 전환 장치의 작동을 관리하는 제어 알고리즘을 갖는 제어기를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  31. 제28항에 있어서, 상기 자석은 희토류 자석인 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  32. 제28항에 있어서, 상기 복합 피스톤은 토로이달 형상의 방사방향 자석과 상기 토로이달 형상의 방사방향 자석내에 배치되는 축방향 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  33. 제28항에 있어서, 상기 복합 피스톤은 다수의 자석 세그먼트를 포함하고, 각각의 세그먼트는 방사방향 및 축방향 자장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  34. 제28항에 있어서, 상기 다수의 자석 세그먼트는 외부 링에 의해 토로이달 형상으로 제한되는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
  35. 제28항에 있어서, 배터리, 커패시터, 플라이휘일로부터 선택되는 에너지 저장 장치를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 에너지 전환 장치.
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