KR20120114539A - 과학 교재용 자기부상 추진장치 - Google Patents

과학 교재용 자기부상 추진장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 구동 모터(15)의 회전력에 의해 진행하는 추진부(10)와, 이 추진부가 진행하는 레일부(20) 및, 상기 추진부(10)의 모터에 제공되는 동력을 생성하는 동력발생부(30)를 포함하여 구성되고; 상기 추진부는 회전축에 축 결합되는 원반형 회전체(12a 내지 12c)를 포함하여 구성되고, 상기 레일부는 상기 회전체가 접촉해서 회전하면서 진행하는 상호 평행하게 연장되는 일측 및 타측 레일선(21a,21b)를 포함하여 구성되며; 상기 일측 레일선(21a)과 타측 레일선(21b)은 상부가 일극성부(211)로 형성되고, 하부가 이극성부(212)로 형성되며, 상기 일측 레일선과 타측 레일선 사이의 공간에 위치되는 회전체(12a 내지 12c)는 상부가 일극성부(121)로 형성되고, 하부가 이극성부(122)로 형성되는 것을 특징으로 하는 과학 교재용 자기부상 추진장치를 제공한다.
본 발명에 따른 과학 교재용 자기부상 추진장치를 이용해서 실험을 수행하면, 장치의 조립 및 동작을 통해 자기부상의 원리 및 태양열에 의한 장치의 동작 원리를 시각적으로 용이하게 이해할 수 있게 된다.

Description

과학 교재용 자기부상 추진장치{MAGNETIC LEVITATION TRAIN}
본 발명은, 자기부상 열차에 적용된 원리를 용이하게 이해할 수 있도록 된 과학 교재용 자기부상 열차에 관한 것으로, 특히 장치의 조립 및 동작을 통해 자기부상의 원리 및 태양열에 의한 장치의 동작 원리를 시각적으로 용이하게 이해할 수 있도록 된 과학 교재용 자기부상 추진장치에 관한 것이다.
일반적으로, 유년기 학생을 대상으로 하는 과학 교재가 다양하게 개발되고 있다. 이러한 과학 교재는 그 제작 및 동작이 간단해야 하며, 또한 제작 및 동작 동안 시각적으로 그 과학 교재가 제시하려 하는 원리를 명확히 이해할 수 있도록 구성되어야 한다.
자석은 양극과 음극을 갖고, 같은 극끼리는 반발하며, 다른 극끼리는 잡아당기는 현상을 나타낸다. 이러한 자기 현상은 현재 자기부상열차 분야에서 활용되고 있다. 한편, 일반적인 자기부상열차는 전자석에 의해 발생된 자기력으로 레일에서 낮은 높이로 부상해서 바퀴를 사용하지 않고 직접 차량을 추진시켜 달리는 열차를 말한다. 기존 전기철도는 바퀴와 레일의 마찰을 통해서 차량을 전진시키는 방식을 취하고 있기 때문에 속도가 빨라질 경우 바퀴가 레일에 밀착되지 않고 공전하는 경향이 있어, 그보다 더 빠르게 주행하기가 힘들어 더 빠른 속도를 내기 위해 개발한 것이 자기부상열차이다.
현재, 상기 자기부상열차에 적용된 자기 현상을 용이하게 이해할 수 있도록 된 과학 교제에 대한 요구가 있다.
또한, 전 세계적인 화석연료 고갈문제로 인해, 태양광 및 풍력 등의 재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 재생에너지에 대한 이해가 보다 대중화되기 위해서, 정부는 초중고생의 미래형 교육과정에 녹색성장 내용을 반영토록 하고 있다.
따라서, 현재, 학생들의 미래형 교육과정에서 사용할 재생에너지 관련 과학 교제에 대한 요구가 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 장치의 조립 및 동작 과정을 통해 자기부상의 원리 및 태양열에 의한 장치의 동작 원리를 시각적으로 용이하게 이해할 수 있도록 된 과학 교재용 자기부상 추진장치의 제공을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 추진장치의 부상 및 추진을 용이하게 하는 자석 배치 구조가 채용된 과학 교재용 자기부상 추진장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 제작 과정 및 동작을 통해, 태양광 및 풍력 등의 신재생 에너지를 이용해서 동력을 발생시키는 원리를 용이하게 이해할 수 있도록 하는 과학 교재용 자기부상 추진장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 구동 모터(15)의 회전력에 의해 진행하는 추진부(10)와, 이 추진부가 진행하는 레일부(20) 및, 상기 추진부(10)의 모터에 제공되는 동력을 생성하는 동력발생부(30)를 포함하여 구성되고;
상기 추진부는 회전축에 축 결합되는 원반형 회전체(12a 내지 12c)를 포함하여 구성되고, 상기 레일부는 상기 회전체가 접촉해서 회전하면서 진행하는 상호 평행하게 연장되는 일측 및 타측 레일선(21a,21b)를 포함하여 구성되며;
상기 일측 레일선(21a)과 타측 레일선(21b)은 상부가 일극성부(211)로 형성되고, 하부가 이극성부(212)로 형성되며,
상기 일측 레일선과 타측 레일선 사이의 공간에 위치되는 회전체(12a 내지 12c)는 상부가 일극성부(121)로 형성되고, 하부가 이극성부(122)로 형성되는 것을 특징으로 하는 과학 교재용 자기부상 추진장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 상기 일측 레일선(21a) 상의 일단부 및 타측 레일선(21b)의 타단부에는 상기 추진부(10)의 진행 방향 전환을 위한 방향전환부(23)가 형성되며, 상기 방향전환부(23)는, 일측 또는 타측 레일선(21a,21b)의 타측 또는 일측 레일선(21b,21a)과 대향하는 표면으로부터 타측 또는 일측 레일선(21b,21a)을 향해 돌출한 아크릴 등의 절연체의 돌출부(23a) 또는 절연체 부분(23b)로 형성되는 것을 특징으로 하는 과학 교재용 자기부상 추진장치를 제공한다.
본 발명에 따른 과학 교재용 자기부상 추진장치를 이용해서 실험을 수행하면, 장치의 조립 및 동작을 통해 자기부상의 원리 및 태양열에 의한 장치의 동작 원리를 시각적으로 용이하게 이해할 수 있게 된다.
또한, 태양광 및 풍력 등의 신재생 에너지를 이용해서 동력을 발생시키는 원리를 용이하게 이해할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 과학 교재용 자기부상 추진장치의 분해 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 과학 교재용 자기부상 추진장치의 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 과학 교재용 자기부상 추진장치의 정면도,
도 4는 자석으로 구현될 수 있는 원반형 회전체와 레일선의 배치 관계를 나타낸 개략적인 측면도,
도 5는 레일선 상에서의 원반형 회전체의 진행 과정을 설명하는 개략적인 도면,
도 6은 본 발명의 일례에 따른 레일선 상에서의 원반형 회전체의 진행 과정을 설명하는 개략적인 도면,
도 7은 본 발명의 다른 예에 따른 레일선 상에서의 원반형 회전체의 진행 과정을 설명하는 개략적인 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
[실시예]
도 1은 본 발명에 따른 과학 교재용 자기부상 추진장치의 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 과학 교재용 자기부상 추진장치의 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 과학 교재용 자기부상 추진장치의 정면도이다.
본 발명에 따른 자기부상 추진장치(100)는, 모터의 회전력에 의해 진행하는 추진부(10)와, 이 추진부가 진행하는 레일부(20) 및, 상기 추진부(10)의 모터에 제공되는 동력을 생성하는 동력발생부(30)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 추진부(10)는, 바디(11)와, 이 바디(11)에 대해서 축 회전 가능하게 고정된 회전체(12) 및 이 회전체(12)을 회전시키는 구동 모터(15)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 바디(11)는 목재, 플라스틱 또는 종이 등의 판재로 구현될 수 있으며(본 실시예에 있어서는 하드보드지를 이용하여 구성되며); 상호 연결할 수 있는 제1 및 제2바디(11a,11b)를 포함하여 구성된다.
또한, 상기 회전체(12)는, 원반형 또는 링 형의 제1 내지 제3회전체(12a 내지 12c)을 포함하여 구성된다. 한편, 이러한 회전체는 자석으로 구현될 수 있다. 또한, 제1회전체(12a)는 축 핀 및 지지판 등의 축 결합 수단에 의해 상기 제1바디(11a)의 바닥면 전방부에 축 결합된다. 또한, 제2회전체(12b)는 축 핀 및 지지판 등의 축 결합 수단에 의해 제1바디(11a)와 제2바다(11b)의 연결단부(11c)에 축 결합된다. 또한, 제3회전체(12c)는 축 핀 및 지지판 등의 축 결합 수단에 의해 제2바디(11a)의 바닥면 후방부에 축 결합된다.
즉, 아크릴 재질의 지지판 상에 회전체(12)를 위치시키고, 축 핀을 하부에서 상부로 관통시켜서 바디(11)의 바닥면 하부에 결합시킴으로써, 회전체(12)가 바디(11)의 하면에서 축 핀을 중심으로 축 회전 가능하게 된다.
또한, 제1바디(11a)의 바닥면 상부의 전방부에는 상기 제1회전체(12a)와 대향하는 위치에 상기 모터(15)가 구비되며, 이 모터의 회전 축(15a)은 제1회전체(12a)의 축 핀에 축 결합된다. 따라서, 모터(15)가 회전하면, 회전 축(15a)에 축 결합된 제1회전체(12a)가 축 회전하게 된다.
한편, 상기 회전체(12a 내지 12c)는 바디(11)의 바닥면과 접하는 상부가 일극성부(121: 예를 들어, N극성)로 형성되고, 바닥면으로부터 이격된 하부가 이극성부(122: 예를 들어, S극성)로 형성된다.
여기서, 상기 레일부(20)는 길이방향으로 연장되는 일측 레일선(21a)과, 이 일측 레일선(21a)과 이격해서 평행하게 연장되는 타측 레일선(21b) 및, 일측 및 타측 레일선을 가로질러 연결하는 연결선(22)을 포함하여 구성된다. 더욱이, 일측 및 타측 레일선(21a, 21b)은 길이방향으로 연장되는 자석(통상의 줄 자석으로 형성할 수 있음)으로 형성된다.
또한, 상기 일측 레일선(21a)과 타측 레일선(21b)의 간격 h는 상기 회전체(12)의 직경을 고려해서, 회전체(12)의 직경보다 큰 간격으로 형성한다. 또한, 상기 레일부(20)는 도면에 있어서는 설명을 용이하게 하기 위해서 직선형으로 도시하고 있지만, 곡선형, 폐곡선형 또는 개방선 형태로 형성될 수도 있다.
한편, 상기 일측 및 타측 레일선(21a,21b)은, 상부가 일극성부(211: 예를 들어, N극성)로 형성되고, 하부가 이극성부(212: 예를 들어, S극성)로 형성된다.
또한, 상기 일측 레일선(21a) 상의 일단부(도 1 중 좌측 단부) 및 타측 레일선(21b)의 타단부(도 1 중 우측 단부)에는 추진부(10)의 진행 방향 전환을 위한 방향전환부(23)가 형성된다. 이러한 방향전환부(23)는, 일측 또는 타측 레일선(21a,21b)의 타측 또는 일측 레일선(21b,21a)과 대향하는 표면으로부터 타측 또는 일측 레일선(21b,21a)을 향해 돌출한 아크릴 등의 절연체의 돌출부(23a) 또는 절연체 부분(23b)로 형성될 수 있다.
한편, 상기 돌출부는, 예를 들어 아크릴 재질의 부재를 일측 또는 타측 레일선의 대향하는 표면에 접착시킴으로써 형성될 수 있다. 또한, 상기 절연체 부분은 일측 또는 타측 레일선의 대향하는 표면을 절개하여 아크릴 재질로 매립함으로써 형성될 수 있다.
도 1 및 도 3에 있어서는 일측 레일선(21a) 상의 일단부에 절연체의 돌출부(23a')가 형성되고, 타측 레일선(21b)의 타단부에 절연체의 돌출부(23a)가 형성된 상태가 도시되고 있다.
또한, 도 3에 있어서는, 일측 및 타측 레일선(21a,21b)의 일극성부(211)를 덮으로면서 돌출부가 일측 및 타측 레일선(21a,21b) 간의 공간부로 돌출된 상태가 도시되고 있다.
여기서, 동력발생부(30)는 지지대를 매개로, 제1바디(11a)의 상부에 구비되는 제1태양전지(31a)와, 제2바디(11b)의 상부에 구비되는 제2태양전지(31b)로 구성된다. 또한, 제1 및 제2태양전지(31a,b)의 하면에는, 정류회로, 스위칭 회로 등의 모터 제어를 위한 회로가 PCB판 형태로 인쇄된 제어부(32)가 부착되어 상기 태양전지와 일체로 형성된다. 한편, 상기 태양전지(31a,b)와 제어부(32) 및 구동 모터는 도시 생략된 배선으로 연결된다.
이러한 태양전지는 태양빛의 에너지를 전기에너지로 바꾸는 것으로, P형 반도체 및 N형 반도체의 2종류의 반도체를 사용해 전기를 일으킨다. 태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생한다. 발생된 전하들은 P, N극으로 이동하며 이 현상에 의해 P극과 N극 사이에 전위차가 발생하며 이때, 태양전지에 부하(예를 들어, 구동 모터)를 연결하면 전류가 흐르게 된다.
또한, 상기 동력발생부(30)는 통상의 일회용 또는 충방전 건전지를 포함한 그 밖의 전지로 구성될 수 있다.
한편, 회전체(12)와 레일의 위치관계는 도 4에 나타낸 바와 같이, 회전체의 하부인 이극성부(122)가 일측 및 타측 레일선(21a,21b)의 상부인 일극성부(211)와 인력이 작용하도록 하며, 일측 및 타측 레일선(21a,21b)의 하부인 이극성부(212)와 척력이 작용하도록 된다.
따라서, 원반형 회전체가 일측 및 타측 레일선(21a,21b) 사이의 공간 상에 위치될 때, 상기 이극성부(122)는 일측 또는 타측 레일선(21a,21b)의 상부인 일극성부(211)에 붙게 된다. 또한, 이 상태에서 레일선의 이극성부(212)로부터 척력을 받게 됨에 따라, 원반형 회전체는 지면으로 낙하하지 않게 된다. 도 3에 있어서는 상기 이극성부(122)가 타측 레일선(21b)의 상부인 일극성부(211)에 붙는 상태가 도시되고 있다.
이에 따라, 상기 구동 모터(15)의 회전축이 회전함에 따라, 회전체(12a)가 타측 레일선(21b) 상에서 회전하면서 진행하게 된다. 여기서, 상기 제1회전체(12a)는 모터에 의해 회전됨에 따라 주동 회전체가 되고, 제2 및 제3회전체(12b,c)는 주동 회전체의 회전에 따라 추진체가 진행함에 따라 레일선 상에서 회전하므로 종동 회전체가 된다.
도 5는 레일선 상에서의 회전체(12)의 진행 과정을 설명하는 개략적인 도면으로, 길이방향으로 연장된 타측 레일선(21b) 상에 제1 내지 제3회전체(12a 내지 12c)가 부착된 상태가 도시되고 있다.
이 상태에서, 구동 모터에 의해 제1회전체(12a:주동 회전체)가 반시계방향으로 회전하면, 제1 내지 제3회전체(12a 내지 12c) 및 이 회전체를 포함하는 추진부(10)는 도면 중 하방향으로 전진하게 된다.
또한, 구동 모터에 의해 제1회전체(12a:주동 회전체)가 시계방향으로 회전하면, 제1 내지 제3회전체(12a 내지 12c) 및 이 회전체를 포함하는 추진부(10)는 도면 중 상방향으로 후퇴하게 된다.
도 6은 본 발명의 일례에 따른 레일선 상에서의 원반형 회전체의 진행 과정을 설명하는 개략적인 도면으로, 타측 레일선(21b)의 타측 단부에 돌출부(23a)가 형성된 상태가 도시되고 있다.
이 상태에서 구동 모터에 의해 제1회전체(12a:주동 회전체)가 타측 레일선(21b) 상에서 반시계방향으로 회전하면, 제1 내지 제3회전체(12a 내지 12c) 및 이 회전체를 포함하는 추진부(10)는 도면 중 하방향으로 전진하게 된다(도 6의 (a) 참조).
그리고, 추진부의 전진 중 제1회전체(12a)가 절연체의 돌출부(23a)와 접하게 되면, 타측 레일선(21b)의 일극성부로부터 떨어지면서 인력은 해제됨에 따라, 제1회전체(12a)는 타측 레일선(21b)으로부터 이탈하게 된다(구체적으로는, 레일선(21b)의 상부의 일극성부(211)로부터 이탈하게 된다).
이때, 상기 돌출부(23a)와 대향하는 일측 레일선(21a)의 일극성부(211)는 제1회전체(12a)의 이극성부(122)에 인력을 작용함에 따라, 반시계방향으로 회전하고 있는 제1회전체(12a)의 이극성부(122)가 붙게 된다.
이에 따라, 반시계방향으로 회전하고 있는 제1회전체(12a)는 타측 레일선(21b) 상에서 반시계방향으로 계속 회전하게 되고, 이에 따라 제1 내지 제3회전체(12a 내지 12c) 및 이 회전체를 포함하는 추진부(10)는 도면 중 상방향으로 후퇴하게 된다(도 6의 (b) 참조). 이때, 제2 및 제3회전체(12b,12c)는 여전히 타측 레일선(21b) 상에 위치하게 되어, 회전 방향이 시계방향 회전으로 변경된다.
한편, 상기 일측 레일선(21a)의 일측 단부에도 돌출부(23a')가 형성되어 있음에 따라, 상기 전후진은 계속적으로 반복되며, 이에 따라 추진체는 레일선 상에서 왕복운동할 수 있게 된다.
도 7은 본 발명의 다른 예에 따른 레일선 상에서의 원반형 회전체의 진행 과정을 설명하는 개략적인 도면으로, 일측 레일선(21a)의 일측 단부에 절연체 부분(23b)이 형성된 상태가 도시되고 있다.
이 상태에서 구동 모터에 의해 제1회전체(12a:주동 회전체)가 타측 레일선(21b) 상에서 반시계방향으로 회전하면 제1 내지 제3회전체(12a 내지 12c) 및 이 회전체를 포함하는 추진부(10)는 도면 중 하방향으로 전진하게 된다(도 7의 (a) 참조).
그리고, 추진부의 전진 중 제1회전체(12a)가 절연체 부분(23b)과 접하게 되면, 타측 레일선(21b)의 일극성부와의 접촉이 해제됨에 따라 타측 레일선으로부터의 인력은 해제되고, 제1회전체(12a)는 타측 레일선(21b)으로부터 이탈하게 된다(구체적으로는, 레일선(21b)의 상부의 일극성부(211)로부터 이탈하게 된다).
이때, 상기 절연체 부분(23b)과 대향하는 일측 레일선(21a)의 일극성부(211)는 제1회전체(12a)의 이극성부(122)에 인력을 작용함에 따라, 반시계방향으로 회전하고 있는 제1회전체(12a)의 이극성부(122)가 붙게 된다.
이에 따라, 반시계방향으로 회전하고 있는 제1회전체(12a)는 타측 레일선(21b) 상에서도 계속적으로 반시계방향으로 회전하게 되고, 이에 따라 제1 내지 제3회전체(12a 내지 12c) 및 이 회전체를 포함하는 추진부(10)는 도면 중 상방향으로 후퇴하게 된다(도 6의 (b) 참조). 이때, 제2 및 제3회전체(12b,12c)는 여전히 타측 레일선(21b) 상에 위치하게 되어, 시계방향으로 회전하게 된다.
한편, 상기 일측 레일선(21a)의 일측 단부에도 절연체 부분(23b')이 형성되어 있음에 따라, 상기 전후진은 계속적으로 반복되며, 이에 따라 추진체는 레일선 상에서 왕복운동할 수 있게 된다.
10 - 추진부, 11 - 바디,
12 - 회전체, 15 - 모터,
20 - 레일부, 30 - 태양전지.

Claims (2)

  1. 구동 모터(15)의 회전력에 의해 진행하는 추진부(10)와, 이 추진부가 진행하는 레일부(20) 및, 상기 추진부(10)의 모터에 제공되는 동력을 생성하는 동력발생부(30)를 포함하여 구성되고;
    상기 추진부는 회전축에 축 결합되는 원반형 회전체(12a 내지 12c)를 포함하여 구성되고, 상기 레일부는 상기 회전체가 접촉해서 회전하면서 진행하는 상호 평행하게 연장되는 일측 및 타측 레일선(21a,21b)를 포함하여 구성되며;
    상기 일측 레일선(21a)과 타측 레일선(21b)은 상부가 일극성부(211)로 형성되고, 하부가 이극성부(212)로 형성되며,
    상기 일측 레일선과 타측 레일선 사이의 공간에 위치되는 회전체(12a 내지 12c)는 상부가 일극성부(121)로 형성되고, 하부가 이극성부(122)로 형성되는 것을 특징으로 하는 과학 교재용 자기부상 추진장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 일측 레일선(21a) 상의 일단부 및 타측 레일선(21b)의 타단부에는 상기 추진부(10)의 진행 방향 전환을 위한 방향전환부(23)가 형성되며,
    상기 방향전환부(23)는, 일측 또는 타측 레일선(21a,21b)의 타측 또는 일측 레일선(21b,21a)과 대향하는 표면으로부터 타측 또는 일측 레일선(21b,21a)을 향해 돌출한 아크릴 등의 절연체의 돌출부(23a) 또는 절연체 부분(23b)로 형성되는 것을 특징으로 하는 과학 교재용 자기부상 추진장치.

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