KR20120083542A - 저입력 고효율 자력 모터 및 그 응용장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 자력모터는 회전자에 설치된 영구자석의 자력을 손실없이 최대한 이용할수 있는 구조를 제공하고 고정자극의 자성재료를 최적으로 적용하며 최소 반발력의 입력전원을 기준으로 정력전압을 정하여 인가함으로써 저입력 상태에서 고효율로 동작되는 자력모터를 각 산업분야에 다양하게 활용할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 에너지 절감을 통하여 환경오염을 줄일 수 있고 영구자석의 재활용을 통하여 자원을 절감할 수 있으며 발전기로 활용할 경우 에너지 절감은 물론 이를 활용한 배터리에 응용할 수 있어 각 산업 분야에 효과적인 동력원의 제공에 이바지 할 수 있다.

Description

저입력 고효율 자력 모터 및 그 응용장치 {High Efficient Magnetic Motor With Low Input and Application Apparatus}

본 발명은 자력을 이용한 자력 직류모터와 겸용 발전기 및 이를 활용한 배터리에 관한것으로, 보다 상세하게는 자력을 활용하여 회전 토오크를 효율적으로 얻기 위한 직류 전기 장치와 그 응용에 관한 것이다

일반적으로 전동기(모터)는 산업기기와 가전기기등에 이용되는 대표적인 동력 구동장치로서, 교류 모터와 직류모터로 크게 나뉘어지고 있고 기능 및 용도에 따라 다양하게 설계되어 적용되고 있다.

상기 각 모터들은 자기장과 전류와의 상호 작용에 의하여 발생되는 전자장의 힘을 이용하여 운동에너지로 변환함으로써 회전 토오크를 얻고 있다.

자기장 속에 놓여있는 코일에 전류가 흐르면 패러데이 법칙에 의해 일정한 방향으로 움직이려는 힘이 발생하고 이러한 힘을 회전체의 회전 토오크로 작용하도록 설계하면 모터가 되며 모터와 가역적인 원리로 자기장속에서 코일을 회전시키면 전기가 발생하고 이 전기에너지를 활용하게 되면 발전기가 된다. 상기 모터 및 발전기는 기능 및 용도에 따라 다양하게 설계되어 제작되고 있으나, 그 원리는 대부분 전자장의 힘을 이용하고 있으며 그 발생되는 힘을 자력의 힘보다는 회전자와 고정자 사이의 자기장과 전류 상호 작용관계에 의한 힘을 주로 활용하고 잇고 고정자와 회전자 사이에 상호 작용하는 자력의 힘은 릴럭턴스 전동기를 제외하고는 대부분 활용하지 않거나 활용하는 비율이 극히 낮았다.

이러한 전통적인 기술 배경속에서 자력을 효과적으로 활용하기 위한 연구가 진행되어 간헐적으로 특허 등의 출원이 이루어지고 있으나 자력의 효율을 높이기 위한 자력모터와 발전기 및 이를 활용한 장치들에 대한 연구는 아직 저조한 상태이다.

그러나 일부 존재하는 선행기술 중에는 자력을 활용한 모터 또는 발전기가 저입력에서 에너지를 얻을수 있다는 가능성을 보여주고 있으며 향후 연구가 더 진행되어 효율성에 대한 문제점을 극복하고 적극적으로 다양하게 각 산업기기 및 가전기기에 활용되어 에너지를 세이브 해야 할 과제를 남겨두고 있다.

본 발명은 모터 및 발전기에 자력을 효율적으로 이용할 수 있도록 고정자와 , 회전자및 권선 구조를 최적화하고 이에 적합한 전원 공급 방식을 최적화하며 아울러 고정자 자극의 자성재료를 최적으로 적용하여 상기장치의 에너지 이용 효율을 높이는데 목적이 있고, 상기 장치를 배터리에 적용하여 배터리 충전용으로서 활용될 수 있도록 하는데 목적이 있다. 또한 자력을 발생시키는 희토류금속등 영구자석 재료를 재활용하여 자원을 절약하고 환경을 개선하는데 있다.

현재 이용되고 있는 대부분의 모터는 고정자 자극과 회전자 자극의 면이 수직으로 마주보고 축을 중심으로 방사상으로 배치되어 있어 양자극 사이에서 발생되는 자력은 회전축을 중심으로 서로 상쇄되므로 회전 토오크에 효과적인 작용을 못하고 있는 실정이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 선행기술에는 고정자와 회전자의 자극을 경사지게 배치하여 상호 자력이 회전 토오크로서 작용할 수 있도록 하는 방안을 제시하고 있고, 그 자력을 효율적으로 활용하기 위하여 자력의 반발력과 당김력을 활용하는 자력 모터를 제시하고 있다.

그러나 이러한 구조는 자력을 가장 효율적으로 활용할 수 있는 최적의 방안은 제시 못하고 있다.

또한 최근에는 릴럭턴스 스위치드 모터가 이용되고 있으나 릴럭턴스 모터의 경우 회전자는 철심으로 구성하여 고정자극의 계자코일에 일정주기로 전원을 인가하므로써 고정자가 전원에 의해 자력을 발생할 때 회전자를 자력힘으로 당김으로써 회전토오크를 발생시키는 방법을 사용하고 있으나 자극의 배치와 전원공급방법등에 있어서 자력에 대한 이용효율을 최적화 시키지 못하고 있는 실정이다.

본 발명에서는 회전자에 설치된 영구자석과 고정자 자극 사이에 작용하는 자력을 최대한 이용하여 회전자의 영구자석과 고정자의 자극에서 발생되는 자력이 회전토오크로서 최대한 작용 할 수 있도록 각 자극들의 배치구조를 제공한다.

이러한 목적을 위하여 도1에 도시된 바와 같이 고정자(3)자극철심들의 외주면은 회전자(1) 원주면의 접선 방향과 거의 일치되게 배치한다.

또한 회전자의 영구자석(2) 자력도 고정자자극철심단면과 수직으로 작용할 수 있도록 하는 구조로 배치한다.

이러한 배치를 통하여 상호 작용되는 자력은 자극 단면에 대하여 수직으로 작용하게 되고 원주면의 접선과 평행한 방향으로 자력이 작용하게 되어 자력의 힘이 회전자의 회전토오크로 작용할 수 있게되므로 상기와 같은 배치를 통하여 자력이용을 최대화 시킬 수 있게 된다.

본 발명은 공급되는 전원이 계자코일(4)에서 효율적으로 이용될 수 있는 구조를 제공한다. 회전자(1)에 배치되는 각 영구자석(2)의 자력을 최대로 활용하고 고정자극(3)의 계자코일에 공급되는 전원을 최적으로 활용하기 위하여는 우선 고정자극에 권선되는 계자 코일(4)의 권선수와 코일의 굵기를 정하고 최적의 주기로 일정크기의 전압을 갖는 전원을 자극의 극성에 따라 방향을 바꾸어 펄스형태로 공급하여야 한다.

이러한 목적을 위하여는 회전자에 배치되는 각 영구자석(3)들은 그 자체가 갖는 자력의 손실없이 고정자극과의 상호 작용에서 회전토오크로 최대한 작용될 수 있도록 하는 배치 구조를 제공하여야하고, 고정자 자극(3)에 권선되어지는 계자코일(4)은 최소한의 전력으로 모터가 효율적인 회전토오크를 발생할 수 있도록 권선되어지며, 최적의 주기동안 일정크기의 전원을 공급할 수 있는 시스템을 제공하여야 한다.

상기와 같은 구조로 하기 위하여는 먼저 회전자(1)에 설치된 각 영구자석들은 고정자극의 계자코일에 전원이 공급되지 않는 동안에도 고정자극철심과 상호작용되는 자력이 당김력으로 작용하여 회전토오크가 발생할 수 있도록 한다. 그 당김력으로 회전자의 영구자석(2)과 고정자극(3)철심이 도4에서 보듯이 A위치에서 C위치까지 마주 볼 때까지 회전하게 된다.

회전자의 영구자석과 고정자극 철심이 마주 볼 때까지 회전하게 되면 더 이상 회전하지 않게 되는데, 이때 고정자극의 계자코일에 전원을 인가하여 고정자 철심의 자극이 회전자 영구자석과 동일극성을 갖도록 만들어주면 상호 반발력으로 작용하게 되고 인접된 회전자의 영구자석은 극성이 달라 서로 당김력으로 작용되어 회전자는 회전하던 관성으로 인하여 회전토오크를 유지하게 되며 그와 같은 반복동작으로 회전자는 계속 회전하게 된다.

이러한 과정을 통하여 회전자는 계속 회전하게 되는데 이때 가장 중요한 팩터는 고정자극과 회전자 영구자석자극의 상호 자력관계에서 상호 반발할 수 있는 최소의 자력 세기를 구하여 이를 기준으로 계자코일의 권선수ㆍ전류치ㆍ굵기ㆍ회전수ㆍ인가전원의 크기 및 주기를 정해야 한다.

본 발명에서는 자극간 최소 반발력 또는 상호자극간의 자력이 상쇄되는 개념을 도입하여 이를 기준치로하여 자력모터를 설계하므로써 자력모터가 효율적으로 회전할 수 있도록 하고, 회전자에 배치된 영구자석의 자력을 회전토오크로써 손실없이 최대한 활용하고자 하는 것이 본 발명의 기술적 사상이다

본 발명에서는 고정자극의 자력세기를 일정수준으로 만드는데 필요한 입력전원을 최소로 하기 위하여 고정자극의 자성재료는 투자율이 크고 적절한 자속밀도의 자성재료를 활용하는 것이 바람직하다.

또한 자력 모터의 활용용도에 따라 회전자의 영구자석세기와 매칭될수있는 고정자극의 자성재료를 선택하는 것이 바람직하다.

상기 기술사상으로 설계된 본 발명의 자력모터는 다수개의 영구자석(2)이 회전자(1)의 원주면 주위에 N극,S극 교차하여 배치되고 회전자원주변의 접선 방향과 거의 일치되게 다수개의 고정자극(3), 철심이 배치되며 철심에는 계자코일(4)이 권선되며 상기계자코일에 전원이 인가될 때 회전되는 자력식 모터이다.

상기 회전자에 배치되는 영구자석의 자력은 자력선의 방향이 도6의 (9)와 같이 고정자극면에 대하여 수직으로 작용하도록 하고 N극, S극 교번하여 배치한다.

또한 상기 각 고정자극에 권선되는 계자코일(4)은 회전자에 배치된 각 영구자석의 단면과 각 고정 자극단면이 마주보는 동안 상호반발력이 최소 또는 자력이 상호상쇄될수 있도록 자력세기를 정하고 이를 기준으로 코일에 흐르는 전류치와 권선수의 기준을 정한다.

권선되는 코일의 굵기는 상기에서 정한 권선수, 전류치를 기준으로 동일한 회전수에서 동손이 상대적으로 적도록 동선의 굵기를 정하는 것이 바람직하다.

이때 상기 계자코일에 인가되는 전원은 펄스형태의 전압으로 인가하되, 그 주기는 상기 회전자의 각 영구자석과 각 고정자극이 마주보는 구간동안 전원이 공급될 수 있도록 최소주기를 정하고 최소 주기 이상동안 펄스의 형태로 전원이 인가 되는 것이 바람직하다.

이때 공급되는 전원의 극성은 상기 각 영구자석과 각 고정자극들 사이에 최소 반발력이 또는 상호자력이 상쇄될 수 있도록 교번하여 극성을 바꾸어 공급되어지도록한다.

상기에서 자력모터의 정격출력은 사용목적에 따라 높일 수 있게 되는데 상기 기준치에 의하여 설계된 계자코일의 기준굵기보다 코일의 굵기를 크게 정하고 인가되는 전압을 높여 전류를 크게함으로써 정격출력을 높일 수 있다.

또한 상기 자력모터의 사용목적에 따라 사이즈를 효율적으로 정하기 위하여 동손의 감소에 치중하지 않고 전류치를 크게 정하고 권선수를 줄일 수도 있다.

상기의 자력모터가 발전기로 동작 될 수 있는 주기는 자력모터에 인가되는 펄스 형태의 전원이 인가되지 않는 주기동안 가능하거나 별도의 발전코일로서 항시 발전할 수 있다.

펄스 형태의 전원이 인가되지 않는 주기 동안에도 모터는 관성과 입력전원에 의하여 계속 회전하게 되고 회전하는 동안 모터는 가역적으로 발전기 동작을 하게 된다. 효율적으로 전기를 발생할 수 있도록 도8에 도시된 바와 같이 각 고정자극에 별도의 발전코일(12)을 권선할 수도 있고, 별도의 발전코일 없이 고정자극의 권선 코일(4)을 활용하여 발전할 수 있다.

이때 발전기의 사용 목적에 따라 상기 각 코일들은 직렬 또는 병렬로 연결하여 전압을 높이거나 전류를 높이는데 적절히 활용할 수 있게 된다.

상기에서 설명된 자력 모터 및 발전기는 도11에 도시된 구조에 의하여 발전된 전기가 제어기를 통해 배터리(20)에 충전되고 충전된 전기는 공지의 정류기 및 제어기(19)를 통해 상기 자력 모터 및 발전기에 공급되는 구조를 갖으며 배터리 외부에 단자로 연결하여 충전된 전기를 활용할 수 있는 다목적 배터리로 활용 가능하다.

본 발명의 자력모터는 회전자에 설치된 영구자석의 자력을 손실없이 최대한 이용할수 있는 구조를 제공하고 고정자 자극의 자성재료를 최적으로 적용하여 저입력 상태에서 고효율로 동작되는 자력모터로서 각 산업분야에 다양하게 활용될 수 있다.

본 발명은 에너지 절감을 통하여 환경오염을 줄일 수 있고 영구자석의 재활용을 통하여 자원을 절감할 수 있으며 발전기로 활용할 경우 에너지 절감은 물론 이를 활용한 배터리에 응용할 수 있어 각 산업 분야에 효과적인 동력원의 제공에 이바지할 수 있다.

도1은 본 발명은 자력모터의 정면도이다.
도2는 본 발명 자력모터의 동작설명을 위한 자극의 배치도이다.
도3은 본 발명 자력모터의 동작설명을 위한 자극의 배치도이다.
도4는 도2의 동작과정을 나타내기 위한 구체적인 자극의 동작과정 설명도이다
도5는 고정자극의 다른 형상도이다.
도6은 본 발명 자격모터의 회전자 영구자석의 자력방향을 나타낸 도면이다
도7은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 자력모터의 정면도이다
도8은 본 발명 모터 발전기 이용 시 발전 코일에 대한 배치도이다
도9는 본 발명 자력모터의 동작 설명도이다
도10은 릴럭턴스모터의 응용도및 본 발명의 또 다른 자극배치도.
도11은 본 발명자력모터가 배터리로 활용되기 위한 구조도이다.
도12는 본 발명 다중첩 자력모터의 개략도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 구성 및 작용효과를 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 일실시예에 띠른 자력 모터의 정면 개략도이다

이는 본 발명의 핵심인 자기력을 효율적으로 활용하기 위하여 각 회전자의 자극과 고정자극의 구조와 배치에 관한 것이다

도1에 도시된 바와 같이 회전자(1)의 원주면을 따라 영구자석(2)이 배치되고 그 영구자석은 도6에서 보듯이 계철에 설치된 고정자극(3)철심과 마주보며 그 자력의 방향은 고정자극의 수직 단면에 대하여 수직방향(9)으로 작용할 수 있는 구조를 갖으며 N극,S극 교번하여 배치된다. 계철(5)과 연결된 고정자극(3)은 철심으로써 회전자(1) 원주면의 접선 접선방향과 고정자극의 외주면이 거의 일치되게 배치되고 고정자극철심둘레에는 계자코일(4)이 권선되어 있어 전원을 인가할 때 N극,S극 교번하여 자력을 갖게 된다

상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 자력모터는 극수를 2극, 4극, 6극, 8극, 12극등 설계 조건에 따라 변경할 수 있으며, 그 구조를 이중구조, 4중 구조등 중첩하여 다중 구조로 변경가능한데 다중구조로 할 때에는 도1에 도시된 자력모터의 구조에 도7과 같이 배치된 자력모터 구조를 중첩하여 도12에서 보듯이 회전자와 회전축을 동일하게 배치하는 구조로 할 수 있다.

본 발명의 자력모터 동작 과정을 구체적으로 살펴보면 도1과 도4에서 보듯이 회전자의 각 영구자석(2)들은 N극, S극 순서대로 배치된다.

상기 각 영구자석들은 자력을 갖고 있어 계자코일에 전원을 인가하지 않은 상태에서도 고정자극의 철심과 상호 당김력이 작용하므로 각 고정자극의 철심을 향하여 당김작용을 하고 당김작용에 의해 회전자는 도4에서 보듯이 회전하게 된다.

자석의 성질상 당김력작용 시 회전자의 영구자석중심점과 고정자극 철심의 중심점이 일치되려는 성질이 있어 도4에서 보듯이 상기 회전자의 영구자석과 고정자극 철심이 마주보는 위치까지 회전 이동하게 되며 이러한 과정에서 고정자극철심과 회전자 영구자석의 당김력은 회전자 접선 방향과 평행하게 작용하게 되는데 본 발명은 상기와 같이 영구자석의 자력을 손실없이 회전자 접선 방향과 평행하게 작용하도록 하여 회전모멘트로서 최대로 활용하기 위한 구조를 갖는다.

다음 과정은 회전자의 각 영구자석들이 도4의 a_{3 ,} b_{3 ,}c_{3 ,} d_{3 ...}위치로 오게 되면 고정자극 철심과 회전자 영구자석이 마주 보게 되는 위치인데 상호간 서로 당기고 있어 그 이상은 회전할 수 없게 된다.

이때 고정자극철심에 권선되어있는 계자코일(4)에 전원을 인가하되 그 극성은 회전자 영구 자석극성과 동일한 극성이 되도록 하면 상호 반발력 및 관성에 의해 도4의 a_{1 ,}b_{1 ,}c₁ 위치로 다시 움직이기 시작하고 이후 상기의 과정을 동일하게 반복하면서 회전하게 된다

상기 각 계자코일에 인가되는 전원은 각 고정자극 철심이 회전자의 영구자석 자극과 마주보는 시점에 극성이 같아 반발력이 발생할 수 있도록 주기를 정하여 인가하되 그 전압 크기는 회전력이 당김력과 반발력에 의해 최대로 될 수 있도록 정한다.

즉 계자코일에 전원이 인가되어 고정자극과 마주보고 있는 회전자 자극사이에 반발력이 발생하는 동안 옆에 인접한 회전자 자극의 극성은 반대 극성의 자극이므로 전원이 인가된 고정자극과 옆에 인접한 회전자 자극사이에는 당김력으로 작용하게 되어 회전자는 당김력과 반발력에 의해 회전모멘트를 얻게 된다.

자력은 서로 극성이 같을 때 반발력이 작용하는데 각 자력의 크기를 적절한 크기로 정하면 상호간에 자력이 거의 미치지 않는 범위가 있고 이러한 상태가 되면 회전하던 회전자의 각 영구자석은 도4의 A위치에서 C위치로 관성과 당김력에 의해 회전하면서 계속 회전하게 된다.

상기와 같이 상호반발력이 최소 또는 상호자력이 미치지 않는 조건의 계자코일조건과 전압은 다음과 같이 정한다

고정자극의 자력세기기준치는 계자코일의 권선수, 흐르는 전류치에 의하여 결정되므로 회전자 영구자석의 자력세기와의 관계에서 상호간 최소의 반발력 또는 상호자력이 미치지 않는 범위가 될 수 있도록 정한다

본 발명의 자력모터에 권선되는 계자코일은 상기 자력을 발생시킬 수 있는 권선수와 전류치를 기본으로 정하되 동일 회전수에서 상대적으로 동손을 줄일 수 있도록 정하는 것이 바람직하다.

동손을 줄이기 위하여는 권선수를 많게 하고 전류치를 적게하면 동손은 적게하면서 자력의 세기는 동일하게 유지할 수 있게 된다

그러나 권선수가 많아지면 역기전력이 비례하여 커지게 되고 회전수도 작아지므로 동손은 원하는 회전수와의 관계에서 상대적으로 작아질 수 있도록 정하는 것이 바람직하다

권선되는 코일의 굵기는 전동모터의 정격출력을 높이기 위하여 상기에서 정한 기준전압이상의 정격전압이 계자코일에 인가될 때 정격전압에서 권선에 흐르는 정격전류를 기준으로 정하는 것이 바람직하다.

기준전압이상의 정격전압이 인가되면 도1과 같은 구조에서는 자극상호간에 발생하는 반발력이 증가하여 회전모멘트가 역으로 작용하게 되나 도7과 같이 자극의 배치를 도1과 반대로 구성하는 구조에서는 반발력이 클수록 회전방향으로 회전토오크가 커지게 되므로 도1과 도7 구조의 자력모터를 동일회전자, 동일축(x)으로 하고 고정자 자극도 상호연결되어 중첩되는 구조로 하게 되면 특정한 전압크기까지는 회전토오크가 증가되도록 할 수 있는 구조가 된다.

상기특정한 전압을 정격전압으로 정하여 그 정격전압에서 흐르는 전류치를 기준으로 코일의 굵기를 정하는 것도 바람직하다.

계자코일조건이 정하여지면 인가되는 전원의 전압크기, 방향, 주기가 정해져야 하는데 이에 대한 일실시예를 설명하면 다음과 같다

도9에 도시된 일실시예를 설명하면 고정자극과 회전자 영구자석은 각 가로방향길이가 각각 동일하고 동일간격으로 배치되며 영구자석은 N극, S극 순서대로 배치된다.

고정자극과 회전자 영구자석이 m'₁와a'₁, m'₂와b'₁,m'₃와b'₂, m'₄와b'₃ 와 같은 위치에 있을 때 각 계자코일에 t_0', t_2',t_4',t_6' 시점에 전원을 인가하여 각 영구자석 a'_1,b'_1,b'_2,b'₃ 가 각 고정자극 m'₁, m'₂, m'₃, m'₄, 를 벗어나는 시점인 t'_1't'_3't'_5't'_7'에 전원을 차단한다

이때 인가되는 전압의 극성은 각 고정자극과 마주보는 회전자의 각 영구자석의 극성이 동일하게 되도록 정하여 인가한다

이러한 전원의 인가를 통하여 상기 자극간에 최소 반발력이 발생하고 그 기간동안 관성에 의한 회전력과 회전자 영구자석의 자력에 의하여 상기에서 설명한 바와 같이 회전토오크를 받아 회전하게 된다

도2에 도시된 일실시예를 설명하면 각 고정자극(a,b,c,d,e)과 영구자석의 가로방향길이가 각각 동일하되 서로 배치된 상호 간격은 상기 가로방향길이보다 작도록 배치한다. 또한 영구자석의 극성은 N극,S극 순서대로 배치된다.

즉 a'는 N극 b'는S극 c'는 N극 d'는 S극 e'는 N극으로 배치하고 상기 각 영구자석과 마주보는 고정자극의 극성도 계자코일에 인가되는 전원에 따라 N극,S극 교번하여 바뀜으로써 상호반발력과 당김력을 갖도록 한다.

구체적으로 상기 고정자극및 영구자석 a와a' b와b' 마주보는 시점에 a'는N극이고b'는 S극이므로 고정자극a의 극성이 N극 b는 S극이 되도록 도3의 t₀타임에 펄스전압을 인가하게 되면 a와 a',b'와b'사이는 반발력이 작용하고 a'와b'사이는 극이 다르므로 당김력이 작용하게 되어 그 전체의 힘은 회전방향으로 작용하게 되어 회전자는 회전하게 된다 .

그 회전에 의하여 영구자석 a'가 b'위치에 왔을 때 고정자극의 극성이 반대가 되도록 t₁ 시점에 펄스전압의 극성을 바꾸어 계자코일에 인가하면 상기와 같은 작용에 의하여 계속 회전하게 되는데 자력모터의 각 고정자극과 회전자의 각 영구자석들은 상기와 동일한 작용에 의하여 자력의 당김력과 반발력으로 계속 회전하게 되는 것이다.

이때 인가되는 펄스전압의 기준이 되는 크기는 고정자극과 영구자석사이의 자력이 최소의 반발력으로 상호자력이 미치지 않는 크기가 되도록 정한다.

한편 인가되는 펄스전압의 주기는 도3에 도시된 주기보다 짧게 공급할 수도 있다.

이러한 펄스 전압의 조정을 통하여 회전토오크와 회전수를 제어할 수 있게 되는데 이러한 원리는 당업자에게 자명한 기술이므로 설명을 생략한다.

상기에서 기술된 각 실시예는 하나의 실시예에 불과하며 배치되는 고정자극개수와 회전자의 영구 자석개수 그리고 배치간격은 조건에 따라 변경가능하며 인가되는 전압ㆍ펄스주기도 자력손실을 줄이기 위하여 목적에 따라 변경 가능하다.

도7에 도시된 자력모터의 경우는 고정자극(3')과 영구자석(2')사이에 반발력이 클수록 회전방향 회전토오크가 크게 작용하는 구조로서 이때 계자코일(4')에 인가되는 전원의 정격전압크기는 회전자의 영구자석 자력세기보다 더 크도록 정하여 공급할 수도 있다.

펄스의 주기도 양 자극이 마주보는 기간 동안의 주기를 기준으로 좀더 길거나 짧게 조정할 수 있다.

상기의 자력모터는 독립적으로 사용하는 것보다는 도1에 도시되고 설명된 자력모터와 동일 계철(5)과 회전자, 회전축으로 연결하여 도12에서 보는 바와 같이 다중첩자력모터로서 활용하는 것이 바람직하다.

이때 회전자에 배치되는 각 영구자석의 위치는 사용목적에 따라 회전자 외주면상에 동일직선으로 배치하지 않고 어긋나게 배치할 수 있다.

고정자극의 배치는 도5에서 보듯이 회전자 원주면의 접선방향과 고정자극외주면이 거의 일치하게 배치하되 영구자석면과 마주보는 고정자극의 끝단면부분만 상기와 같이 배치하고 계자코일이 권선되는 고정자극 철심은 계철(5)에 대하여 수직방향으로 배치하여 그 모터사이즈를 줄일 수 있다.

본 자력모터를 종래의 릴럭턴스모터에 응용하여 도10에 도시된 바와 같이 기존의 릴럭턴스 모터 구조에 있어서 회전자(1)에 영구자석(17)이 배치되는 구조로 할 수 있다. 동작원리는 본 발명의 자력모터와 동일하고 계자코일(16)에 인가되는 전압의 기준 크기를 영구자석(17)과의 사이에 최소의 반발력으로 작용할 수 있도록 하는데 특징이 있다.

자력모터에서 회전자에 이용된 영구자석의 자력세기는 희토류 금속이 포함된 엔디자석등의 경우 자속밀도가 이천내지 수천 가우스에 달한다.

이러한 영구자석에 대하여 고정자자극(계자 자극)이 최소반발력 또는 상호자력이 미치지 않는 범위의 자력을 생성하기 위하여는 계자자극 철심에 상당이 많은 코일을 권선하거나 강한 전류를 인가하여야 하는데 예를 들면 0.5㎜의 에나멜동선을 4.000회정도 권선하고 1.5A정도의 전류를 인가하여야만 자극간에 상호 반발력으로 밀어내거나 최소한 상호자력을 미치지 않게 된다.

이때 상호자극의 간극이 1㎜이하일 경우 회전자 영구자석 자극과 계자자극의 철심이 서로 당기고 있어 계자자극의 반발력은 더욱 크게 유지하여야 한다.

본 발명의 기술사상은 최소의 입력으로 자극간 자력의 당김력과 반발력에 의한 상호작용에 의해 회전력을 얻기위한 자력모터를 제공하기 위한 것으로서 저입력에서 계자자극과 회전자 영구자석이 서로 반발할 수 있는 기준치 이상의 자력을 얻는 것이 중요하다.

본 발명에서는 계자자극의 재료를 일반적인 순철의 철심을 사용하는 것도 바람직하나 고투자율을 갖고 자기이력손실이 적은 합금을 활용하는 것이 더욱 바람직하다.

일반적으로 알려진 철, 니켈이 함유된 퍼멀로이 합금의 경우 니켈의 함량과 열처리방법에 따라 초기 투자율은 수만정도, 최대 투자율은 수십만 정도까지 만들 수 있고 자속밀도는 1.5테슬러까지 만들 수 있어 저입력전력으로 강한 자장을 얻을 수 있다.

그동안 퍼멀로이 합금은 고가이므로 모터계자자극에는 적용한 예가 없었으나 본 발명에 적합한 계자자극재료로서 활용하게 되면 자력모터의 효율을 크게 올릴 수 있다. 예를 들면 PC라고 불리는 퍼멀로이 합금의 경우 니켈함유량은 70~85%이고 Fe,Cu.Mo을 함유한 합금인데 열처리를 통해 초기투자율은 60.000, 최대투자율은180.000, 포화자속밀도 6.500가우스, 보자력1.2[A/m], 고유저항 0.55이다

여기서 자속밀도를 높이기 위하여 니켈함유량을 조절하면 되므로 자력모터의 용도에 따라 니켈함유량과 열처리 방법을 조절한 퍼멀로이 합금을 계자자극에 이용하면 회전자 자극의 영구자석세기와 상호매칭된 최적의 자력모터를 제공할 수 있게 된다.

예를 들면 PB라고 불리는 퍼멀로이 합금의경우 니켈 함류량은 42~49%이며 초기투자율 4.500 최대투자율 45.000, 포화자속밀도 1.5테슬러 보자력12[A/m ]고유저항0.45정도인데 회전자 자극의 영구자석의 자속밀도를 크게 할 필요가 있을 때에는 상기 예와 같은 퍼멀로리 합금을 쓰는 것이 바람직하다.

상기 예에 의한 퍼멀로이 합금을 본 발명의 계자자극에 활용할 경우 일반철심을 사용한 것보다 계자자극의 코일턴수를 줄일 수 있고 공급되는 전력을 줄여도 원하는 자력의 세기를 얻을 수 있어 자력 모터의 사이즈를 줄이고 저전력으로 출력이 좋은 모터를 제작할 수 있다.

본 발명에서는 계자 자극의 재료를 일반 철심과 퍼멀로이 합금의 예를 들었으나 전자석으로 이용될 수 있는 그 밖의 연자성 재료 중에서 자력모터의 용량, 자력모터의 효율, 제작비용, 사이즈등에 따라 다양하게 활용할 수 있다.

예를 들면 알니코합금자성물질. 페라이트자성물질, 아몰퍼스합금자성물질, 규소강판 등을 용도에 따라 다양하게 선택할 수 있다.

연자성물질을 선택함에 있어 퍼멀로이 합금의 경우 가격이 고가이므로 일반모터에서는 경제성때문에 활용하기 힘들었으나 본 발명의 자력모터에 적용하여 자력을 최대로 활용한 본발명의 자력모터와 발전기는 용도에 따라 경제성이 충분히 있다.

특히 전력소모가 큰 냉동분야, 특수산업분야에 기계동력원으로서 이용하게 될 경우 전력소모를 줄일 수 있고 발전기와 결합하거나 발전기로서 동작 되도록 하여 발전할 경우 자력을 효율적으로 전기로 전환할 수 있어 그 경제성은 현저히 있을 것으로 기대된다.

본 발명자력모터의 회전자 영구자석과 계자 자극간 배치구조는 앞에서 설명하였듯이 회전자 원주면 접선방향으로 하는 것이 바람직하나 자력선이 미치는 자력방향과 계자자극의 배치관계, 계자코일의 권선방법 등을 고려하여 도10에 도시된 바와 같이 회전자축을 중심으로 방사성 구조를 갖는 자극배치에 적용하여도 본 발명의 자력모터로서 충분히 효율적으로 동작 될 수 있다.

본 발명의 자력모터는 가역적으로 동작할 경우 발전기로서 동작 가능한데 본 모터가 효율적인 발전기로서 동작하게 하기 위하여 도8에 도시된 바와 같이 고정자극(3)에 별도의 발전코일(12)을 권선하여 활용할 수 있다.

상기 자력 모터가 계자코일(4)에 의해 발전기로서 동작 가능하게 되는 시점은 모터에 인가되는 펄스전압의 주기에서 전압이 인가되지 않는 시점인 도9의 t'₁ 와 t'₂ 사이 t'₃ 와 t'₄ , t'₅ 와 t'₆ 주기동안에 발전기로서 발전가능하며 이러한 주기에는 모터 계자코일(4)로부터 발전되는 전기를 이용할 수 있다.

발전기의 목적에 따라 상기 각 계자코일등은 직렬, 병렬로 연결하여 전압,전류의 크기를 조정할 수 있다.

상기 자력 모터 발전기는 도11에서 보듯이 배터리와 연결하여 발전되는 전기를 정류회로 및 제어회로(19)를 통하여 충전할 수 있도록 하고 충전된 전기를 활용할 수 있는 구조로 하면 배터리의 재충전 없이 계속하여 전기를 사용할 수 있는 구조의 배터리가 될 수 있다.

이러란 배터리는 사용목적에 따라 모터발전기의 크기와 용량을 정하면 전기자동차, 일반 전자기기, 통신기기들에 활용용도가 다양하다.

본 발명의 자력모터에 설치되는 회전자의 영구자석들은 교체가능한 구조로 설계되어 영구자석의 자력이 미약할 때 교체가능한 구조로 할 수 있다.

그렇게 함으로써 자원을 절약할 수 있고 환경오염도 줄일 수 있게 된다.

1: 회전자 2,2':회전자 영구자석
3,3': 고정자자극 4,4': 계자코일
5: 계철 6,7: 펄스전압
8: 고정자자극의 다른 형상 9: 영구자석의 자력방향
10: 릴럭턴스모터및 본발명 다른형태의 고정자자극 12: 발전코일
17: 릴럭턴스모터 및 본발명 다른형태의 회전자의 영구자석
18: 본발명 자력모터 발전기 19: 정류기 및 제어기
20: 배터리 x: 회전축

Claims (5)

1. 계자코일이 권선되어 있는 다수의 고정자극과, 상기 다수의 고정자극과 마주보며 회전할 수 있는 다수의 영구자석으로 구성되어 있는 회전자와, 상기 계자코일에 일정한 주기로 전원을 공급하는 전원장치를 포함하여 구성된 자력모터에 있어서,
   상기 계자코일에 공급되는 전원의 주기는 상기 고정자극과 대응되는 회전자의 영구자석 자극이 상호 반발할 수 있는 기간 동안만 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 저입력 고효율 자력모터.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 계자코일이 권선되어있는 고정자극은 그 재료가 퍼멀로이 합금인 것을 특징으로 하는 저입력 고효율 자력모터.
3. 제 1항에 있어서, 상기 계자코일은
   상기 자력모터의 동일 회전수에서 상대적으로 동손을 줄일 수 있도록 권선되는 것을 특징으로 하는 저입력 고효율 자력모터.
4. 제 1항에 있어서,
   고정자극에 발전코일을 권선하여 상기 자력모터가 일정 주기 동안은 발전기로 동작되는 것을 특징으로 하는 저입력 고효율 자력모터.
5. 제 4항에 있어서, 상기 자력모터가 발전기로 동작될 때 정류기 및 제어회로를 통하여 배터리에 충전되고 이를 통해 원하는 전압을 얻을 수 있도록 가동되는 것을 특징으로 하는 저입력 고효율 자력모터.
   
   

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