KR20130127420A - 자기 작동식 왕복 운동형 모터 및 역 자기 스위칭을 이용하는 방법 - Google Patents

Abstract

자기 작동식 왕복 운동형 모터는 자기 액추에이터를 왕복 운동되게 구동하기 위한 영구 자석의 저장 에너지 및 전자기장을 이용한다. 변환 메카니즘은 작업 물체를 작동시키기 위해 자기 액추에이터의 왕복 운동을 회전 운동을 변환한다. 중앙 섹션 둘레에 감겨진 와이어의 코일을 구비한 관형 중앙 섹션을 가지는 비강자성 스풀을 포함하는 솔레노이드는 전원 및 스위칭 메카니즘으로 연결된다. 자기 액추에이터는 이의 각각의 단부에서 관형 샤프트를 내부에 배치된 영구 자석을 가진다. 스위칭 메카니즘은 교대로 영구 자석들을 밀고 당기도록 솔레노이드의 단부들에서 자극을 스위칭한다. 샤프트는 솔레노이드의 중앙 섹션을 통하여 왕복운동식으로 수용된다. 제어 메카니즘은 자기 액추에이터에 의해 회전가능하게 작동되는, 출력 샤프트 및 상기 자기 액추에이터를 구동하기 위해 상기 솔레노이드의 극성을 스위칭하도록 상기 스위칭 메카니즘을 상호연결한다.

Description

자기 작동식 왕복 운동형 모터 및 역 자기 스위칭을 이용하는 방법 {MAGNETICALLY ACTUATED RECIPROCATING MOTOR AND PROCESS USING REVERSE MAGNETIC SWITCHING}

관련 출원에 대한 교차-참조

본 출원은 2011년 7월 5일에 출원된 미국 특허 출원 제 13/176,603호 및 2010년 7월 8일에 출원된 미국 특허 출원 제 12/832,928호의 이익을 주장한다.

기술 분야

본 발명의 분야는 일반적으로 출력 샤프트 또는 크랭크샤프트에 전력을 제공하기 위한 구동 메카니즘을 이용하는 왕복 운동형 모터에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 자기 액추에이터를 왕복 운동시키기 위해 영구 자석의 자기적 척력 및 인력이 이용되는 상술된 모터에 관한 것이다. 더욱 더 상세하게는, 본 발명은 액추에이터를 교대로 밀거나 당기도록 축방향으로 하전된 솔레노이드를 이용함으로써 액추에이터의 방향에서의 변화가 얻어지는 상술된 모터에 관한 것이다.

왕복 운동형 모터는 실질적으로 모든 이용가능한 운반 모드 및 전 세계 도처에 모든 타입의 전력 공급 요구에 대해 사용되어 왔고 계속적으로 사용되었다. 일반적으로, 왕복 운동형 모터는 실린더 내에 미끄럼가능하게 배치된 피스톤을 가지며 크랭크샤프트와 같은 출력 샤프트를 회전하도록 실린더 내부에서 하나 또는 양 방향들로 피스톤을 구동하기 위해 구동력을 이용한다. 가장 통상적으로 이용된 왕복 운동형 모터는 내연 기관이다. 전형적인 내연 기관은 운동 또는 전력을 생산하도록 크랭크샤프트를 구동하기 위해 내부에서 왕복 운동하는 피스톤을 각각 가지는 일련의 실린더를 포함한다. 공기 및 연료는 피스톤 챔버 내에서 조합되고, 피스톤의 상부에 의해 실린더 내부에 형성되고, 피스톤을 하방으로 구동하는 폭발적인 구동력을 제공하기 위해 스파크 플러그로부터의 스파크에 의해 점화된다. 연료 및 공기는 흡입 밸브를 통하여 피스톤 챔버 내로 공급되고, 연소 후 배기 공기는 배기 밸브를 통하여 외부로 강제한다. 연료/공기 점화 시퀀스의 적절한 성능을 얻도록, 밸브 작동 메카니즘은 적절한 시간에 흡입 및 배기 밸브들을 개방 및 폐쇄하여야 한다. 상대적으로 높은 엔진 작동 속도에 의해, 이러한 프로세스는 매우 빠른 속도로 발생한다. 이들의 연장된 사용에 의해, 엔진의 작동 특성들을 개선하기 위한 이들의 이용 초기 이후 내연 기관은 미국 및 대부분의 산업화된 국가에서의 집중된 노력의 대상이다. 이러한 노력에도 불구하고, 내연 기관은 오일로부터 제조된 가솔린 및 다른 제품들과 같은, 연료의 상대적인 비효율적 이용에 대해 널리 알려져 있으며, 대부분의 도시 및 마을에 존재하는 공기 오염 문제점들에 대해 상당히 기여한다. 이와 같이, 내연 기관의 계속된 사용은 지구의 제한된 천연 자원에 대한 상당한 사용 및 인간 건강에 대한 실질적인 위협으로서 다수의 사람들에 의해 인정된다.

다른 타입의 왕복 운동형 장치가 또한 널리 알려진다. 예를 들면, 전자기 왕복 운동형 엔진은 실린더 내부에 피스톤을 운동하고 출력 샤프트를 회전하기 위한 구동력으로서 전자기력을 이용한다. 이 같은 엔진에 대해 전형적인 구성은 실린더 내의 왕복 운동에서 피스톤을 구동하기 위해 필요한 전자기력을 제공하도록 전류에 의해 작동되는 실린더 둘레에 배치되는 복수의 전자석을 포함한다. 이러한 타입의 전자기 엔진이 전자석에 전력을 제공하도록 다소 큰 전원을 가져야 하고 엔진을 작동하기 위해 요구된 방식으로 전자석으로 전류를 제공하도록 복잡한 제어 메카니즘을 통상적으로 요구한다. 이러한 및 다른 실제 이유에 대해, 전자기 왕복 운동형 엔진은 일반적으로 매우 잘 수용되지 않는다.

실린더 내부에서 피스톤을 왕복 운동하도록 이용되는 다른 전력의 소스는 영구 자석 내에 저장된 자기 에너지이다. 널리 알려진 바와 같이, 자석들 중 하나 또는 둘다가 이동하는 것이 허용되는 경우, 두 개의 자석의 동일한 극성 단부들이 서로 근처에 배치될 때, 두 개의 자기장들의 척력이 자석을 밀어낼 것이고 역으로, 두 개의 자석들의 반대 극성 단부들이 서로 근처에 배치될 때 자기장의 인력이 자석을 서로를 향하여 끌어 당기게 될 것이다. 왕복 운동형 모터를 위한 구동력으로서 영구 자석들을 이용하는 공지된 장점은 이러한 자석들로부터 이용가능한 에너지가 상대적으로 일정하고 긴 작동 수명을 제공할 수 있다. 그러나, 실린더 내부에서 피스톤을 왕복 운동되게 구동하기 위한 영구 자석을 이용하도록, 첫번째로 영구 자석으로 피스톤을 끌어당기기 위해 상이한 극성의 장점을 이용하고 이어서 영구 자석으로부터 떨어지게 피스톤을 구동하도록 유사한 극성의 장점을 이용하는 메카니즘이 제공되어야 한다. 자연적으로, 이는 적절한 시간에 매우 신속한 방식으로 이루어져야 한다. 전자기력과는 대조적으로, 영구 자석을 이용할 때 극성을 신속하게 변화시킬 수 있는 어려움이 이전에는 전기의 발생 또는 운동의 목적에 대해 출력 샤프트를 회전하도록 실린더 내에서 피스톤이 왕복 운동하기 위한 구동력으로서 영구 자석의 장점을 이용하기 위한 능력이 실질적으로 제한되었다.

수년에 걸쳐, 피스톤 또는 다른 작동 장치를, 하나의 크기 또는 다른 크기로, 왕복 운동시키기 위한 구동력으로서 영구 자석을 이용하는 다양한 왕복 운동형 장치가 특허되었다. 예를 들면, 페치(Pecci)에 대한 미국 특허 제 3,676,719호는 동심 카운터보어 내에 위치된 전자기 솔레노이드를 가지는 전자기 모터를 공개하며, 상기 솔레노이드는 내부 슬리브를 중심으로 배치되는 코일 및 코일의 단부에 전자기 절연 단부벽을 가진다. 철 함유 금속 코어는 내부 슬리브 내에서 미끄럼가능하게 수용되고 구동 샤프트를 회전하도록 전자기력에 반응하여 왕복 운동한다. 키니스키(Kiniski)에 대한 미국 특허 제 3,811,058호는 미리결정된 극성을 가지며 실린더 챔버 내에 미끄럼가능하게 배치된 자기 재료로 제조된 피스톤을 가지는 개방-바닥 실린더를 포함하는 왕복 운동 장치를 공개한다. 실린더 아래 엔진 블록에 회전가능하게 장착된 디스크는 실린더의 개방 바닥과 직면하는 표면상에 동일한 극성의 하나 이상의 영구 자석을 가져서 그 사이에서의 척력이 실린더 챔버 내에서 피스톤이 왕복운동하도록 디스크의 회전이 영구 자석과 피스톤이 주기적으로 정렬된다. 호워드(Howard)에 대한 미국 특허 제 3,967,146호는 서로 직면하는 동일한 극을 가지는 배치된 영구 자석 및 자석들의 동일한 전극들 사이에서 정렬되게 이동할 때 자기 척력 작용 및 인력 작용을 반복적으로 일으키는 자석 들 사이에 배치되는 자속 필트 억제기를 가지는 자기 운동 전환 모터를 공개한다. 자석은 주 출력 샤프트로서, 공통 구동 샤프트에 연결되는 크랭크샤프트에 연결된 피스톤 로드들을 왕복 구동한다. 블라록크(Blalock)에 대한 미국 특허 제 4,317,058호는 실린더의 외측 단부에 배치되는 전자석 및 그 안에 왕복 운동되게 배치되는 영구 자기 피스톤을 구비한 비강자성 실린더를 가지는 전자기 왕복 운동 기관을 공개한다. 전자석을 전력 소스에 상호 연결하는 스위칭 장치는 전자석이 실린더 내에서 피스톤이 왕복 운동하는 전기장을 일으킨다. 터너(Turner)에 대한 미국 특허 제 4,507,579호는 비 자기 실린더 내에 미끄럼가능하게 배치된 자기 피스톤을 가지는 왕복 피스톤 전기 모터를 공개하는데, 비자기 실린더는 피스톤 로드에 의해 피스톤에 연결된 크랭크샤프트를 구동하도록 실린더 내부에서 피스톤을 왕복 운동하도록 전기적으로 작동되는 비자기 실린더의 단부 둘레에 감싸여진 와이어 코일을 가진다. 기포드(Gifford)에 대한 미국 특허 제 5,457,349호는 피스톤 내에 장착된 고정 자석을 가지는 왕복 운동형 전자-자기 엔진을 공개하는데, 상기 피스톤은 원통형 벽 내에 반지름방향으로 장착되는 순차적으로 통전된 전자석을 단속적으로 당기고 밀어낸다. 컴퓨터화된 제어 메카니즘은 피스톤을 왕복 운동시키고 회전가능한 크랭크샤프트를 구동하기 위한 전자석의 타이밍(timing)을 조절한다. 하티(Harty) 등에 대한 미국 특허 제 6,552,450호는 피스톤을 가지는 왕복 운동형 엔진을 공개하는데, 피스톤은 피스톤 및 실린더가 연결된 대향되는 전자석들에 의해 구동되는, 실린더 내에서 왕복 운동되게 배치된다. 극성 스위칭 메카니즘은 피스톤을 왕복 운동하도록 극성을 스위칭한다. 부틀러(Butler)에 대한 미국 특허 제 7,557,473호는 전자석을 포함하는 전자기 왕복 운동형 엔진을 공개하며, 대향하는 자극들이 크랭크샤프트에 연결된 이동 프레임의 어느 한 단부 상에 장착된 영구 자석들 사이에 배치된다. 자기 인력 및 척력은 프레임을 왕복 운동하고 크랭크샤프트를 회전시키기 위해 사용된다.

이전에 공개되거나 현재 이용가능한 영구 자석 왕복 운동 모터와 관련된 주 단점들 중 하나는 실린더 내에서 피스톤을 왕복 운동하게 구동되도록 극성을 스위칭하기 위한 메카니즘이 하나 또는 둘 이상의 전자석을 일반적으로 이용하며, 하나 또는 둘 이상의 전자석은 전자석과 전원을 상호 연결하는 스위칭 메카니즘을 사용한다. 영구 자석으로 또는 영구 자석으로부터 멀어지는 피스톤을 왕복 운동하도록 전자석의 이용에 의한 중요한 문제는 영구 자석의 힘 필드는 전자석의 철심에 강하게 부착된다는 것이다. 이러한 강한 자기 인력은 자기 척력이 영구 자석과 철심 사이의 인력을 극복하는 것이 매우 어렵게 하여(불가능한 것은 아니지만), 자기 스위칭에 반응하여 피스톤을 왕복 운동하는 것이 필요한 척력 단계(인력 작용/척력 작용의)를 제거한다. 영구 자석과 철심 사이의 강한 자기 인력이 극복될 수 있는 경우, 전자석을 위한 에너지의 과도한 양을 요구한다. 다른 디바이스들은 피스톤을 왕복 운동하기 위해 필요한 힘을 제공하도록 피스톤 상의 자석을 주기적으로 당기거나 밀도록 영구 자석들을 가지는 부재를 회전시키거나 피봇하기 위한 전기 모터 또는 다른 원동기를 이용한다. 자연적으로, 외부 원동기의 사용은 자기 작동식 왕복 운동형 모터의 에너지 효율 및 이에 따라 이 같은 모터들의 주 장점들 중 하나를 실질적으로 감소한다. 현재 이용가능한 자기 작동식 왕복 운동형 모터들과 관련되는 다른 주요 단점은 스위칭 메카니즘들이 일반적으로 다소 복잡하고 고장 또는 작동 중단된다.

따라서, 요구되는 것은 액추에이터를 왕복 운동되게 이동하고 출력 샤프트를 회전가능하게 구동하도록 피스톤-형 자기 액추에이터를 주기적으로 당기고 밀도록 극성을 스위칭하기 위한 개선된 메카니즘을 가지는 개선된 자기 작동식 왕복 운동형 모터이다. 개선된 왕복 운동형 모터는 영구 자석과 철심 사이의 과잉 인력을 회피하도록 자기 액추에이터를 영구 자석을 향하여 또는 영구 자석으로부터 멀리 당기고 밀도록 철심 전자석을 이용하지 않을 것이다. 왕복 운동형 모터는 실린더 내에 배치되는 피스톤을 왕복 운동되게 구동하도록 인력 위치로부터 척력 위치까지 영구 자석을 왕복 운동하도록 원동기 등에 의존하지 않아야 한다. 바람직한 왕복 운동형 모터는 작동하기에 간단하고 이동하는 구성요소들의 제한된 개수를 요구하고 제조하기에 상대적으로 비싸지 않아야 한다. 바람직한 왕복 운동형 모터는 크랭크샤프트 또는 회전력을 생성하는 다른 출력 샤프트에 연결되어 운송 수단 운동 및 전력 발생을 포함하는 매우 다양한 왕복 운동하는 모터 사용으로 적용 가능하다.

본 발명의 자기 작동식 왕복 운동형 모터는 문제점들을 해결하고 위에서 설명된 장점들을 제공한다. 즉, 본 발명은 단부들 각각에 영구 자석을 가지는 세장형 자기 액추에이터를 왕복 운동식으로 이동하기 위해 전자기력을 제공하도록 솔레노이드를 이용하는 새롭고 개선된 왕복 운동형 모터를 공개하며, 전자기력의 극성이 자기 액추에이터를 왕복 운동하고 출력 샤프트를 구동하기 위해 교번된다. 솔레노이드의 코일은 제 위치에 고정되게 홀딩되는 비철 스풀 둘레에 감겨진다. 액추에이터의 하나 또는 둘 이상의 샤프트들은 솔레노이드에 의해 척력이 발생되는 자기 액추에이터의 영구 자석들 중 하나에 반응하여 스풀 내부에서 선형으로 이동하고 반면 다른 영구 자석은 솔레노이드를 향하여 당겨진다. 본 발명의 자기 작동식 왕복 운동형 모터는 전자석을 이용하지 않으며, 결과적으로 전자석의 철심에 이끌리는 영구 자석들과 관련된 문제점을 제거하며, 이는 자기 액추에이터의 손실 효율 및 심지어 정적(non-movement)을 초래할 수 있다. 솔레노이드는 액추에이터를 왕복 운동하고 출력 샤프트를 구동하도록 자기 액추에이터의 영구 자석들을 자기적으로 밀고 당기도록 극성을 신속하게 교번한다. 본 발명의 자기 작동식 왕복 운동형 모터는 피봇, 회전 또는 그렇지 않으면 자기 액추에이터를 왕복 운동식으로 구동하도록 인력 위치로부터 척력 위치로 영구 자석을 이동하기 위해, 원동기 등과 같은, 전력의 외부 소스에 의존하지 않는다. 새로운 왕복 운동형 모터는 작동하기가 상대적으로 간단하고 제한된 개수의 이동 구성요소들을 요구하고, 상대적으로 제조하기에 저렴하다. 본 발명의 자기 작동식 왕복 운동형 모터는 크랭크샤프트에 연결하여 운송 수단 운동(육지, 공중 또는 수중에 의해) 및 발전을 포함하는, 매우 다양한 왕복 운동형 모터 사용에 적용가능한 회전 전력을 생성한다.

본 발명의 하나의 일반적인 양태에서, 자기 작동식 왕복 운동형 모터는 프레임, 프레임에 의해 고정되게 지지되는 솔레노이드, 솔레노이드에 통전하기 위해 솔레노이드에 전기적으로 연결되는 전력의 소스, 솔레노이드 및 전력의 소스를 전기적으로 상호연결하는 스위칭 메카니즘, 솔레노이드의 전자기장에 반응하여 솔레노이드에 대해 왕복 운동하는 자기 액추에이터, 출력 샤프트에 부착된 플라이휠과 같은 작업 대상물을 회전하도록 자기 액추에이터의 왕복 운동을 변환하기 위한 자기 액추에이터에 작동되게 연결되는 메카니즘 및 스위칭 메카니즘의 타이밍 및 작동을 제어하기 위한 스위칭 메카니즘과 출력 샤프트를 상호 연결하는 메카니즘을 포함한다. 일 실시예에서, 프레임은 챔버를 한정하고 솔레노이드는 챔버 내에서 프레임에 의해 지지된다. 다른 실시예에서, 프레임은 본 발명의 모터를 실질적으로 둘러싸는 하우징이다. 솔레노이드는 제 1 단부, 반대쪽의 제 2 단부, 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 배치되는 관형 중앙 섹션을 구비한 스풀 및 중앙 섹션 둘레에 감겨진 와이어의 코일을 가진다. 스풀의 중앙 섹션은 자기 액추에이터의 일 부분이 관통하여 왕복 운동하는 일반적인 개방 센터를 가진다. 스풀은 하나 또는 둘 이상의 비철자성 재료로 제조된다. 전자석과 달리, 본 발명의 솔레노이드는 철자성 심을 가지지 않는다. 솔레노이드는 제 1 통전 상태에서 제 1 단부에 제 1 극성 및 제 2 단부에 제 2 극성을 가지고 제 2 통전 상태에서 제 1 단부에 제 2 극성 및 제 2 단부에서 제 1 극성을 가지도록 구성된다. 스위칭 메카니즘은 제 1 통전 상태와 제 2 통전 상태 사이에서 솔레노이드를 교번적으로 스위칭한다. 자기 액추에이터는 제 1 단부 및 제 2 단부를 구비한 세장형 샤프트, 샤프트의 제 1 단부에 제 1 영구 자석 및 샤프트의 제 2 단부에 제 2 영구 자석을 가진다. 샤프트는 코일의 개방형 센터 내에서 왕복 운동되게 수용된다. 제 1 영구 자석은 제 1 극성 및 제 2 극성 중 하나인 액추에이터 극성으로 자기적으로 하전되는 솔레노이드의 제 1 단부를 향하여 배치된 일 단부를 가진다. 제 2 영구 자석은 또한 액추에이터 극성으로 자기적으로 하전되는 솔레노이드의 제 2 단부를 향하여 배치되는 단부를 가진다. 바람직한 일 실시예에서, 작업 대상물을 회전하도록 자기 액추에이터의 왕복 운동을 변환하기 위한 메카니즘은 제 1 출력 샤프트 및 제 2 출력 샤프트를 가진다. 바람직한 일 실시예에서, 스위칭 메카니즘의 작동 및 타이밍을 제어하기 위한 제어 메카니즘이 제 1 출력 샤프트에 부착된다. 플라이휠 또는 다른 작업 대상물이 제 2 출력 샤프트에 부착될 수 있다.

일 실시예에서, 샤프트는 관형 챔버를 가지며, 제 1 영구 자석은 샤프트의 제 1 단부로부터 관형 챔버 내로 연장하는 내향 단부를 구비한 제 1 연장 부재를 가지며 제 2 영구 자석은 샤프트의 제 2 단부로부터 관형 챔버 내로 연장하는 내향 단부를 구비한 제 2 연장 부재를 가진다. 제 1 연장 부재의 내향 단부는 샤프트의 관형 챔버 내에서 제 1 연장 부재와 제 2 연장 부재 사이에 갭을 형성하도록 제 2 연장 부재의 내향 단부와 공간 이격된 관계로 배치된다.

바람직한 일 실시예에서, 자기 액추에이터는 샤프트의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 관형 챔버를 형성하는 하나 또는 둘 이상의 벽들을 구비한 세장형 관형 샤프트를 가진다. 제 1 영구 자석은 샤프트의 제 1 단부에서 관형 챔버 내부에 배치되고 제 2 영구 자석은 샤프트의 제 2 단부에서 관형 챔버 내부에 배치된다. 이러한 실시예에서, 영구 자석들 둘다가 관형 샤프트 내부에 완전히 실질적으로 배치되며, 갭이 제 1 영구 자석의 제 2 단부와 제 2 영구 자석의 제 1 단부를 분리한다. 상기 실시예에서와 같이, 솔레노이드의 단부들의 극성을 스위칭하는 역 자기 스위칭이 원하는 작업을 생산하도록 자기 액추에이터를 왕복 운동식으로 구동하게 된다. 이러한 구성은 본 발명의 모터의 성능을 개선한다는 것을 알게 되었다.

일 실시예에서, 스위칭 메카니즘의 작동 및 타이밍을 제어하는 제어 메카니즘은 제 1 출력 샤프트와 회전하도록 제 1 출력 샤프트에 부착된 캠이다. 다른 실시예에서, 제어 메카니즘은 한 쌍의 스플릿 디스크 및 한 쌍의 솔리드 디스크를 가지는 스플릿 정류자이며, 디스크들 각각이 디스크 인슐레이터에 의해 분리된다. 배터리 등과 같은, 전력의 소스로부터 입력 전력을 수용하는 스위치는 중실형 디스크들과 작동되게 결합되고 출력 전력을 솔레노이드로 지향되는 스위치가 스플릿 디스크들과 작동되게 결합된다. 스플릿 및 중실형 디스크들의 회전은 원하는 역 자기 스위칭을 제공한다. 다른 실시예에서, 제어 메카니즘은 자기 액추에이터를 구동하는 역 자기 스위칭을 제공하는 방식으로 전력의 소스로부터 솔레노이드로 전력을 전달하도록 하프 브리지 구동기, 버스 트랜지스터 및 사용자 인터페이스에 작동가능하게 연결되는 제어 유닛을 포함하는 전자 구동 조립체이다.

상술된 바와 같이, 솔레노이드는 통전될 때 축방향으로 하전된 전자기장을 제공하도록 스풀의 중앙 섹션 둘레에 감져진, 와이어, 바람직하게는 얇은 에나멜-기반 절연 커버링을 구비한 구리 와이어로 구성된 코일을 포함한다. 코일은 자기 액추에이터가 관통하여 왕복 운동하는 개방 센터를 가지는 관형 중앙 섹션에 의해 한정된 길이 방향 축선을 가진다. 자기 액추에이터의 샤프트는 코일의 길이 방향 축선과 축방향 정렬되는 길이 방향 축선을 가진다. 바람직한 실시예에서, 샤프트의 각각의 단부에서 영구 자석은 샤프트 및 코일 둘다의 길이 방향 축선과 축방향으로 정렬된다. 영구 자석들 각각은 양 자석들에 대해 동일한 액추에이터 극성을 가지는데, 액추에이터 극성은 두 개의 자석들 사이에 배치된 솔레노이드 코일을 향하여 축방향으로 지향된다. 코일이 통전될 때, 코일은 솔레노이드의 두 개의 단부들에서 대향되는 자기 극성, 제 1 극성 및 제 2 극성을 생성한다. 솔레노이드의 각각의 단부에서 극성은 각각의 대향하는 영구 자석의 액추에이터 극성을 향하여 지향된다. 작동시, 스위칭 메카니즘은 자기 액추에이터의 단부들에서 자석들을 교번적으로 밀어 내고 당기도록 솔레노이드의 단부들에서 극성을 주기적으로 스위칭한다. 하나의 영구 자석이 솔레노이드의 각각의 단부로 당겨질 때, 다른 영구 자석은 솔레노이드의 각각의 단부에 의해 밀려진다. 이러한 교번적으로 밀어내고 당기는 작용은 모터를 위한 원하는 작업 출력을 얻도록, 플라이휠과 같은, 작업 대상물이 작동하도록 자기 액추에이터를 왕복 운동한다. 바람직한 실시예에서, 캠, 스플릿 정류자, 전자 구동 조립체 또는 유사한 제어 메카니즘은 출력 샤프트에 연결되고 자기 액추에이터를 왕복 운동하게 구동하고 모터를 작동시키는 역 자기 스위칭을 위해 필요한 타이밍을 제공하기 위해 스위칭 메카니즘과 작동가능하게 상호 작용한다. 출력 샤프트에 의해 작동될 수 있거나 작동되지 않을 수 있는 다른 제어 메카니즘은 스위칭 메카니즘을 작동하고 역 자기 스위칭 타이밍을 제공하기 위해 이용될 수 있다.

따라서 본 발명의 주요 양태는 위에서 논의된 장점들을 제공하고 현재 이용가능한 자기 전력 인가식 왕복 운동형 모터와 관련된 단점들 및 제한을 극복하는 역 자기 스위칭을 이용하여 자기 작동식 왕복 운동형 모터를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 중요한 양태는 출력 샤프트를 구동하기 위해 그리고 전기를 발생하기 위해, 운송 수단을 추진하기 위해 또는 펌프를 구동하기 위해 또는 다른 모터 사용을 위해 각각의 단부에 영구 자석을 가지는 세장형 자기 액추에이터를 왕복 운동하도록 전자기력을 이용하는 자기 작동식 왕복 운동형 모터를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 중요한 양태는 영구 자석과 전자석의 철심 사이의 인력을 제거하도록 전자석을 이용하지 않는 자기 액추에이터 상에 장착된 한 쌍의 대향되게 위치된 영구 자석들을 교번적으로 당기고 밀어내도록 전자기력을 이용하는 자기 작동식 왕복 운동형 모터를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 양태는 주위에 솔레노이드 코일이 감겨지는 비철 스풀 내부에 선형적으로 배치되는 샤프트를 가지는 자기 액추에이터를 왕복 운동되게 구동하도록 전자기력을 제공하기 위해 솔레노이드를 이용하는 자기 작동식 왕복 운동형 모터를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 하나의 양태는 자기 액추에이터를 자기적으로 왕복 운동하고 출력 샤프트를 구동하기 위해 필요한 자기 스위칭을 제공하기 위해 원동기 등의 이용을 요구하지 않는 자기 작동식 왕복 운동형 모터를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 및 다른 양태 및 장점들은 후술되는 바람직한 실시예의 첨부된 도면 및 설명을 참조하여 더 상세하게 설명될 것이다. 여기서 설명된 바와 같이, 본 발명은 청구항들에 의해 현재 설명되고 이해되는 형태, 구성, 작동 모드 및 프로세스들의 조합의 신규한 특징들 내에 있다.

본 발명을 실시하기 위해 현재 고려된 바람직한 실시예들 및 최상의 모드들을 설명하는 도면에서:
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따라 구성된 자기 작동식 왕복 운동형 모터의 측면도이며;
도 2는 도 1의 라인 2-2을 통해 취해진 도 1의 자기 작동식 왕복 운동형 모터의 정면의 횡단면도이며;
도 3은 도 1의 자기 작동식 왕복 운동형 모터의 평면도이며;
도 4는 하우징 없이 도시된 도 1의 자기 작동식 왕복 운동형 모터의 측면도이며;
도 5는 도 4의 라인 5-5를 통하여 취해진 도 4의 자기 작동식 왕복 운동형 모터의 정면의 횡단면도이며;
도 6은 솔레노이드의 축방향으로 하전된 전자기장을 향하여 지향된 S 극성을 가지는 자극을 구비한 영구 자석들이 위치된 완전한 작동 사이클을 통과하는 모터를 보여주는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 일련의 연결된 자기 작동식 왕복 운동형 모터들의 정면도이며;
도 7은 솔레노이드의 축방향으로 하전된 전자기장을 향하여 지향된 N 극성을 가지는 자극을 구비한 영구 자석들이 위치된 완전한 작동 사이클을 통과하는 모터를 보여주는 본 발명의 일 실시예에 따라 구성된 일련의 연결된 자기 작동식 왕복 운동형 모터들의 정면도이며;
도 8은 본 발명의 자기 작동식 왕복 운동형 모터가 이용된 커넥팅 로드 커넥터 및 자기 액추에이터의 일 실시예의 측면도이며;
도 9는 도 8의 라인 9-9을 통하여 취해진 도 8의 커넥팅 로드 커넥터 및 자기 액추에이터의 측면의 횡단면도이며;
도 10은 본 발명의 자기 작동식 왕복 운동형 모터가 이용된 자기 액추에이터의 제 1 실시예의 측면도이며;
도 11은 도 10의 라인 11-11을 통하여 취해진 도 10의 자기 액추에이터의 측면의 횡단면도이며;
도 12는 도 10의 자기 액추에이터의 측방향 분해 사시도이며;
도 13은 본 발명의 자기 작동식 왕복 운동형 모터의 바람직한 실시예가 이용된 솔레노이드의 측방향 분해 사시도이며;
도 14는 도 1에 도시된 본 발명의 자기 작동식 왕복 운동형 모터의 실시예의 커넥팅 로드 조립체 및 자기 액추에이터의 측면도이며;
도 15는 도 14에 도시된 커넥팅 로드 조립체 및 자기 액추에이터의 측방향 분해 사시도이며;
도 16은 본 발명의 자기 작동식 왕복 운동형 모터의 바람직한 일 실시예에서 사용된 솔레노이드를 위한 전기 시스템의 개략도이며;
도 17은 본 발명의 자기 작동식 왕복 운동형 모터가 이용된 자기 액추에이터의 바람직한 실시예의 측면도이며;
도 18은 도 17의 라인 18-18을 통하여 취해진 도 17의 자기 액추에이터의 측면의 횡단면도이며;
도 19는 도 17의 자기 액추에이터의 측방향 분해 사시도이며;
도 20은 정지 판들에 장착된 스위칭 메카니즘을 구비한 제 1 출력 샤프트에 장착된 상태로 도시된 본 발명의 모터와 함께 이용하기 위한 스플릿 정류자 제어 메카니즘의 측면도이며;
도 21은 제 1 출력 샤프트 없이 도시된 도 20의 스플릿 정류자 제어 메카니즘의 정면도이며;
도 22는 정지 판들 없이 도시된 도 21의 스위칭 메카니즘 및 스플릿 정류자 제어 메카니즘의 측면도이며;
도 23은 전력의 소스 및 솔레노이드에 전기적으로 커플링된 상태로 도시된 도 22의 스플릿 정류자 제어 메카니즘을 위에서 바라본 사시도이며;
도 24는 본 발명의 모터와 함께 사용하기 위한 전자 구동 조립 제어 메카니즘의 개략도이다.

본 발명의 독자의 이해를 용이하게 하도록 동일한 요소들에 동일한 도면 부호들이 주어진 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들이 아래에서 설명된다. 동봉된 내용 및 도면들은 단지 바람직한 실시예들을 설명하며 단지 본 발명을 구성하는 수 개의 가능한 방법들을 나타낸다. 특정 구성요소들, 재료들, 구성들 및 용도들이 도시되었지만, 본 명세서에서 설명되고 첨부된 도면들에서 구성요소들에 대한 그리고 상기 구성요소들의 구성에 대한 다수의 변형예가 본 명세서에서 제시된 본 발명의 범위 및 기능을 변경하지 않고 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 예를 들면, 본 명세서에서 제공된 도면들 및 설명은 주로 단일 모터에 관한 것이지만, 이는 단지 본 공개를 단순화하는 목적을 위한 것이고 본 발명이 다수의 모터들이 원하는 작업 대상물을 제공하기 위해 함께 이용될 수 있도록 제한되지 않는다는 것을 당업자가 용이하게 이해될 것이다.

구성요소들로부터 제조되고 본 발명의 바람직한 실시예들에 따라 구성된 자기 작동식 왕복 운동형 모터는 도면들에서 일반적으로 도면부호 "10"으로 도시된다. 도 1 내지 도 3에서 최상으로 도시된 바와 같이, 본 발명의 모터(10)는 일반적으로 내부에 챔버(14)를 형성하는 프레임(12), 프레임(12)에 의해 고정되게 지지되는 축방향으로 하전된 전자기 솔레노이드(16), 솔레노이드(16)를 통하여 왕복 운동되게 배치되는 피스톤-형 자기 액추에이터(18), 솔레노이드(16)를 작동하도록 구성된 스위칭 메카니즘(20), 솔레노이드(16)에 전력을 공급하는 전력의 소스(22)(도 16에 도시됨) 및 도면들에서 도시된 플라이휠과 같은, 작업 대상물(26)을 작동하도록 자기 액추에이터(18)의 왕복 운동을 변환하도록 자기 액추에이터(18)에 연결되는 왕복 운동형 변환 메카니즘(24)을 포함한다. 작업 대상물(26)은 펌프, 발전기, 운송 수단 또는 유용한 작업을 수행하기 위한 다른 기계적 장치에 연결될 수 있다.

아래에서 더 상세하게 설명된 바와 같이, 모터(10)의 작동 동안 솔레노이드(16)는 자기 액추에이터(18)를 왕복 운동시키도록 그리고 작업 대상물(26)을 회전하도록 자기 액추에이터(18) 상에, 제 1 영구 자석(28) 및 제 2 영구 자석(30)으로서 표시된, 영구 자석들을 자기적으로 밀어내거나 당기기 위해 솔레노이드(16)의 반대쪽 단부들에 반대 자극들을 구비한 축방향으로 하전된 자기장을 제공하기 위해 통전된다. 바람직한 일 실시예에서, 프레임(12)은 본 발명의 모터(10)의 남아 있는 구성요소들을 실질적으로 또는 완전히 둘러싸는 하우징으로서 구성된다. 그러나, 내연 기관과 달리, 메카니즘을 포함하는 연소 가스들 또는 다른 압력이 자기 액추에이터(18)를 왕복 운동되도록 모터(10)에서 이용되지 않을 때 프레임(12)이 밀봉되고 둘러싸여진 챔버(14)를 제공하도록 구성되는 것이 필요하지 않다. 대신, 본 발명의 모터(10)는 자기 액추에이터(18)를 왕복 운동시키도록 그리고 작업 대상물(26)을 구동하도록 축방향으로 하전된 솔레노이드(16)와 영구 자석들(28/30) 사이에 자기 척력 및 인력을 이용한다. 바람직하게는, 챔버(14) 내의 자기 액추에이터(18)의 이동이 모터(10)에 의해 생성된 전력의 손실을 감소하도록 최소 마찰량을 달성되도록 프레임(12), 솔레노이드(16) 및 자기 액추에이터(18)가 공동으로 구성된다. 본 발명의 모터(10)가 모터의 작동을 위해 가솔린 또는 다른 화석 연료 기반 에너지 소스들을 이용하지 않기 때문에, 모터(10)는 이러한 제한된 자원들의 이용을 요구하지 않거나 내연 기관의 널리 알려진 문제점인 오염 배기물을 발생한다.

비록 프레임(12)이 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 솔리드 벽을 가질 수 있고 모터(10)의 다른 구성요소들을 완전히 둘러쌀 수 있지만, 이러한 구성은 필요하지 않으며 사실 다양한 중량 및 제조 비용 고려에 의해 바람직하지 않을 수 있다. 동봉된 프레임(12)의 주 목적은 안전 목적들, 즉 모터(10)와 접촉될 수 있는 다른 장비에 대한 손상 또는 사람들에 대한 부상을 회피하기 위한 것이다. 원하는 경우, 자기 액추에이터(18) 및 왕복 운동하는 변환 메카니즘(24)이 완전히 노출될 수 있다. 솔레노이드(16) 및 자기 액추에이터(18)는 일반적인 선형 방향으로 자기 액추에이터(18)의 운동을 지향하도록 공동으로 구성되어서 가능한 많은 힘이 작업 대상물(26)을 작동하도록(즉, 플라이휠을 회전하도록) 왕복 운동하는 변환 메카니즘(24)을 제공하도록 한다. 본 발명의 모터(10)가 자기 액추에이터(18)의 왕복 운동을 위해 압축 가스들의 팽창에 의존하지 않기 때문에, 프레임(12)은 본 발명의 목적을 달성하도록 다수의 상이한 방식들로 구성될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에서 프레임(12)은 일반적으로 개방 케이지 또는 슬리브형 구성으로 구성된다. 아래에서 설명된 바와 같이, 솔레노이드(16) 및 영구 자석들(28/32)에 의해 발생된 자기력에 의해, 프레임(12)은 알루미늄, 세라믹, 탄소 섬유, 플라스틱, 열가소성 수지(나일론 및 폴리플루오로에틸렌과 같은), 탄소 합성물 및 다양한 비-자기 재료들과 같은, 비철자기 재료로 이루어질 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에서, 프레임은 델린(Delrin)(등록상표)로 제조된다. 당업자에 의해 용이하게 이해되는 바와 같이, 프레임(12)은 다양하게 상이한 크기들 및 원형, 정사각형, 직사각형, 또는 타원형 횡단면을 가지는 것을 포함하는 형상들로 구성될 수 있다.

상술된 바와 같이, 모터(10)의 솔레노이드(16)는 반대쪽 단부들에서 반대 극성을 구비한 극들을 가지는 축방향으로 하전된 전자기장을 제공하도록 구성된다. 종래 기술의 자기 작동식 전자기 모터와 달리, 모터(10)의 솔레노이드(16)는 전자석이 아니고 철 또는 철-기반 심을 가지지 않는다. 스위칭 메카니즘(20) 및 전력의 소스(22)와 협력하여, 솔레노이드(16)는 전력을 생성하고, 운송 수단을 추진하거나 다른 유용한 작업을 수행하도록 자기 액추에이터(18)가 작업 대상물(26)을 왕복 운동시키고 작동하기 위해 자기 액추에이터(18)의 영구 자석들(28/30)을 교번적으로 자기적으로 당기고 밀어 내도록 구성된다. 주로 자기 액추에이터(18) 상의영구 자석들(28/30)의 강한 자기장에 의해, 전자석의 사용이 영구 자석들(28/30)과 전자석의 철심 사이에 존재하는 강한 인력에 의해 왕복 운동하도록 자기 액추에이터(18)의 성능이 상당히 감소한다는 것을 본 발명의 발명가가 알아내었다. 이러한 강한 인력은 영구 자석들(28/30) 중 하나가 전자석에 확실히 당겨지는 것을 초래하여 이에 따라 자기 액추에이터 왕복 운동의 임의의 변화를 제거하거나 극복하기 위해 전력의 소스(22)로부터 너무 많은 에너지를 요구하여 모터(10)가 실용적이 되기에 비효율적이 될 것이다.

바람직한 일 실시예에서, 도 10 내지 도 13에 최상으로 도시된 바와 같이 솔레노이드(16)는 일반적인 디스크형 제 1 단부 섹션(40) 및 일반적인 디스크형 제 2 단부 섹션(42)을 가지는 스풀(38)의 관형 중앙 섹션(36) 둘레에 감겨지는 와이어(34)로 형성된 코일(32)을 포함한다. 스풀(38)의 중앙 섹션(36)은 관형 개방 센터(44)를 형성하고 모터(10)의 작동 동안 솔레노이드(16)에 의해 자기적으로 작용할 때 이 개방 센터를 통하여 자기 액추에이터(18)의 일 부분이 아래에서 설명되는 바와 같이 수용되고 왕복 운동한다. 코일(32)의 와이어(34)는 자기 액추에이터(18)의 영구 자석(28/30)을 교번적으로 당기고 밀어내는 축방향으로 하전된 자기장을 제공하도록 중앙 섹션(36) 둘레에 감겨진다 코일(32)은 도 16에 도시된 바와 같이 스위칭 메카니즘(20)의 하나 또는 둘 이상의 스위치들을 경유하여 전력의 소스(22)에 전기적으로 연결되는, 도 13에 최상으로 도시된 바와 같은, 제 1 와이어 단부(46) 및 제 2 와이어 단부(48)를 가진다. 스풀(38)의 단부 섹션들(40/42)은 프레임(12)에 대해 고정된다. 일 실시예에서, 단부 섹션들(40/42)이 모터(10) 내에 솔레노이드(16)를 고정되게 위치되는 프레임(12)의 섹션에 부착되거나, 연결되거나 일체화된다. 원하는 경우, 프레임(12)이 단지 솔레노이드(16)를 고정하고 둘러싸도록(완전히 또는 부분적으로) 하는 방식으로 구성될 수 있어, 자기 액추에이터(18)를 노출된 상태가 된다.

바람직한 실시예에서, 코일(32)용 와이어(34)는 얇은 층의 절연 코팅을 가지는, 에나멜 코팅된 자석 와이어와 같은, 절연 전기 전도성 구리 와이어이다. 원하는 전자기장을 제공하도록 와이어의 게이지 및 길이는 모터(10)의 특정 적용을 위해 제작될 것이 필요할 것이다. 일 실시예에서, 발명가는 약 0.75 인치의 외경 및 1.50 인치의 길이를 가지는 중앙 섹션(36) 둘레에 층당 약 76번의 턴(turn)을 가지는 약 22개 층의 와이어를 제공하도록(총 1,386 턴에 대해) 24 게이지 와이어의 약 144 피트를 이용하였다. 당업자에 의해 용이하게 인정되는 바와 같이, 코일 형상들 및 와이어 크기들의 매우 다양한 상이한 조합들은 솔레노이드(16)를 위해 이용될 수 있으며, 더 큰 게이지의 와이어(34)는 더 많은 전류를 허용하며, 이는 더 큰 영구 자석(28/30)이 요구되지만, 더 많은 열을 생성한다. 솔레노이드(16)의 스풀(38)은 자기 액추에이터(18)의 영구 자석들(28/30) 및 통전된 솔레노이드(16)에 의해 생성된 자기장과의 간섭을 회피하도록 비강자성 재료로 제조되어야 한다. 바람직한 일 실시예에서, 스풀(38)은 델린(Delrin)(등록상표) 또는 다른 열가소성 재료로 제조된다. 일 실시예에서, 스풀(38)은 약 2.00 인치의 전체 길이를 가지며 이의 단부 섹션들(40/42)이 각각 약 0.25 인치의 두께 및 약 2.00 인치의 직경을 가진다. 이러한 실시예에서, 개방 센터(44)를 형성하는 중앙 섹션(36)은 약 0.63 인치의 내경을 가지며, 개방 센터를 통하여 자기 액추에이터(18)의 일 부분이 수용되어 스풀(38)의 제 1 단부 섹션(40) 및 제 2 단부 섹션(42)에서 또는 그 근처에서 교번 자기 극성에 반응하여 왕복 운동한다.

아래에서 더 상세하게 설명된 바와 같이, 모터(10)의 스위칭 메카니즘(20)은 도 6 및 도 7에서 도시된 바와 같이, 제 1 통전 상태(54) 및 제 2 통전 상태(56)를 제공하도록 교번 방식으로 솔레노이드(16)의 제 1 단부(50) 및 제 2 단부(52)에서 극성을 스위칭하도록 구성된다. 제 1 통전 상태(54)에서, 솔레노이드(16)의 제 1 단부(50)는 제 1 자기 극성(58)(N으로서 도시된)을 가지게 되며 솔레노이드(16)의 제 2 단부(52)는 제 2 자기 극성(60)(S로서 도시된)을 가지게 된다. 제 2 통전 상태(56)에서, 솔레노이드(16)의 제 1 단부(50)는 제 2 자기 극성(60)에 있게 되며 솔레노이드(16)의 제 2 단부(52)는 제 1 자기 극성(58)에 있게 된다. 아래에서 액추에이터 극성(61)(58 또는 60 중 하나가 되는)으로서 지칭되는, 이의 일 단부의 자기 극성을 향하는 솔레노이드가 일반적으로 솔레노이드(16)의 제 1 단부(50) 및 제 2 단부(52)를 향하여 지향되도록 양 영구 자석들(28/30)이 위치될 것이다. 스위칭 메카니즘(20)은 솔레노이드의 제 1 통전 상태(54)와 솔레노이드의 제 2 통전 상태(56) 사이에서 신속하게 스위칭될 때, 솔레노이드(16)의 단부들(50/52)에서 자기 극성은 도 6 및 도 7에서의 작동의 시퀀스에서 도시된 바와 같이 영구 자석들(28/30)을 자기적으로 끌어당기고 밀어내도록 그리고 솔레노이드(16)에 대해 자기 액추에이터(18)를 왕복 운동시키도록 영구 자석들(28/30)의 대향 단부의 액추에이터 극성(61)(58 또는 60)과 대응하는 관계(예를 들면 이와 동일하거나 이와 반대)에 있게 될 것이다. 도 6에서, 액추에이터 극성(61)은 S이고 도 7에서, 액추에이터 극성(61)은 N이다. 당업자에 의해 용이하게 알 수 있는 바와 같이, 상술된 바와 같이 제 1 자기 극성 및 제 2 자기 극성들이 서로 대향되고(요구된 바와 같이 끌어 당기고 밀어내도록) 양 영구 자석들(28/30)은 동일한 액추에이터 극성(61)을 가져서 솔레노이드(16)의 단부들을 향하여 직면하는 한 제 1 자기 극성(58) 및 제 2 자기 극성(60)이 대향될 수 있다.

상술된 바와 같이, 본 발명의 자기 액추에이터(18)는 그것과 솔레노이드(16)와 프레임(12) 사이의 최소 양의 마찰을 가지고 내부에서 왕복 운동하도록 솔레노이드(16) 및 챔버(14) 내부에 협력하여 수용되기 위한 크기를 가지며 구성되어야 한다. 바람직한 일 실시예에서, 자기 액추에이터(18)는 도 8 및 도 9에서 최상으로 도시된 바와 같이, 제 1 단부(64)에서 제 1 영구 자석(28) 및 제 2 단부(66)에서 제 2 영구 자석(30)을 가지는 세장형 관형 샤프트(62)를 포함한다. 샤프트(62)는 두 개의 영구 자석들(28/30)를 상호 연결하고 원하는 공간 이격 관계로 두 개의 영구 자석들을 유지한다. 샤프트(62)의 외경은 도 9에 최상으로 도시된 바와 같이, 스풀(38)의 중앙 섹션(36)에 의해 형성된 개방 센터(44) 내부에 슬라이드가능하게 수용되기 위한 크기를 가지며 구성되며, 따라서 자기 액추에이터(18)가 솔레노이드(16)에 대해 자유롭게 왕복 운동할 수 있고 작업 대상물(26)을 작동시킬 수 있다. 제 1 영구 자석(28)은 제 1 단부(68) 및 제 2 단부(70)를 가지며 제 2 영구 자석(30)은 제 1 단부(72) 및 제 2 단부(74)를 가진다. 제 1 영구 자석(28)의 제 2 단부(70)는 샤프트(62)의 제 1 단부(64)에 있으며 제 2 영구 자석(30)의 제 1 단부(72)는 샤프트(62)의 제 2 단부(66)에 있다. 영구 자석들(28/30)은 이러한 구성요소들을 위해 이용된 재료에 대해 적절할 수 있는 바와 같이 샤프트(62)에 부착되거나 그렇지 않은 경우 샤프트(62)와 연결될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 제 1 영구 자석(28) 및 제 2 영구 자석(30)은 희토류 자석들이고, 희토류 자석들은 이들의 개선된 자기 성능 및 지속성이 알려진다. 회토류 자석들은 본 발명의 왕복 운동형 모터(10)의 작동에 대해 원하는 특성을 제공하는 것으로 알려져 있다. 바람직한 일 실시예에서, 영구 자석들(28/30)은 이들의 축선을 통하여 자기적으로 하전되는 미국 펜실베이니아 제이미슨(Jamison)의 K&J 마그네틱스로부터 입수가능한 그레이드 N42 네오디뮴 자석들(NdFeB)이다. 대안적으로, 사마륨 자석(SmCo)로서 알려진 것과 같은 다른 회토류 자석들은 본 발명의 모터(10)와 함께 이용될 수 있다. 위에서 확인된 희토류 자석들의 타입 모두가 적어도 일반적으로 다양하고 상이한 크기들 및 형상들로 제조되도록 적용가능하고 일반적으로 더 높은 온도에서 부식 및 산화 내성이 되고 안정되는 것이 알려져 있다. 자기 액추에이터(18)의 샤프트(62)는 매우 다양하고 상이한 재료로 제조될 수 있다. 비록 샤프트(62)가 델린(등록상표)과 같은 열가소성 재료를 포함하는 비강자성 재료로 제조될 수 있으며, 바람직한 실시예에서, 샤프트(62)는 열처리 강 등과 같은, 철 함유 재료로 제조된다. 샤프트(62)를 위해 철 재료를 이용하는 것은 솔레노이드(16) 및 영구 자석들(28/30)의 자기장들을 솔레노이드(16)의 중앙을 향하여 내측으로 당기는 것을 초래하는 자기적 장점을 제공한다. 이러한 자기장들을 내측으로 당김으로써 자기 액추에이터(18)의 행정에 걸쳐 더 강하고 더 균일한 자기 풀(pull)/푸시(push) 효과를 초래하며 이는 모터(10)의 작동 및 출력을 개선한다. 바람직하게는, 샤프트(62)는 어떠한 불균일한 표면들도 제거하고 매끄러운 외부표면을 제공하도록 그라인딩되고 마무리되어 수풀(38)의 중앙 섹션(36)의 내측 표면과 샤프트(62) 사이의 마찰을 감소시킨다.

솔레노이드(16)와 같이, 샤프트(62)의 단부들에서 영구 자석들(28/30)은 축방향으로 하전되지만 정반대로 하전되지 않는다. 솔레노이드(16)의 교번적인 통전 상태들(54/56)에 반응하여 자기 액추에이터(18)의 필요한 인력 및 척력을 얻도록, 제 1 영구 자석(28)의 제 2 단부(70)에서 자기 극성 및 제 2 영구 자석(30)의 제 1 단부(72)에서 자기 극성이 모두 동일하여야 하며(즉, 양 단부들(70/72)에서의 액추에이터 극성(61)이 제 1 극성(58) 또는 제 2 극성(60)이어야 한다) 따라서 영구 자석들(28/30) 중 하나가 솔레노이드(16)의 각각의 단부(50/52)에 당겨질 것이며 반면 다른 영구 자석(28/30)이 솔레노이드(16)의 각각의 단부(50/52)에 의해 밀려지게 될 것이다. 예를 들면, 도 6에서 액추에이터 극성(61)은 S이고 도 7에서 액추에이터 극성이 N이다. 도 6 및 도 7에서 일련의 모터의 좌측으로부터 제 2 모터(10)에서 도시된 바와 같이, 제 1 통전 상태(54)에서 솔레노이드(16)에 의해 제 1 영구 자석(28)은 솔레노이드(16)에 당겨지고 반면 제 2 영구 자석(30)이 솔레노이드(16)에 의해 밀려진다. 도 6 및 도 7에서 일련의 모터들의 우측으로부터 제 2 모터(10)에 도시된 바와 같이, 솔레노이드(16)가 제 2 통전 상태(56)에 있을 때 제 1 영구 자석(28)은 솔레노이드(16)에 의해 밀려지고 반면 제 2 영구 자석(30)은 솔레노이드(16)에 의해 당겨진다. 제 1 통전 상태(54) 및 제 2 통전 상태(56) 사이에서 솔레노이드(16)를 교번시키도록, 스위칭 메카니즘(20)에 의해 수행된 솔레노이드(16)의 단부들(50/52)의 극성(58/60)의 스위칭이 전기를 발생시키고 운송 수단을 추진시키고 펌프를 가압하고 또는 다양한 다른 작업 대상물을 수행하기 위해 플라이휠을 회전하는 것과 같이 작업 대상물(26)을 작동하도록 고정된 솔레노이드(16)(프레임(12)에 의해 고정되는)에 대해 자기 액추에이터(18)를 왕복 운동시킬 것이다.

샤프트(62)는 도 9, 도 11, 도 12, 및 도 15에서 도시된 바와 같이 중실형 부재일 수 있으며, 중공형 관형 부재는 샤프트(62)의 내부 벽 또는 벽들에 의해 형성된 내부 관형 챔버(76)를 가진다. 일 실시예에서, 샤프트(62)의 관형 부재(76)는 도 9에 최상으로 도시된 바와 같이, 제 1 영구 자석(28) 및 제 2 영구 자석(30)의 각각의 중앙 통공(78)과 정렬된다. 바람직한 일 실시예에서, 샤프트(62)는 적어도 제 1 단부(64) 및 제 2 단부(66)에 관형 챔버(76)를 가지며 영구 자석들(28/30)은 중실형이고 각각 연장 부재로서, 제 1 영구 자석(28)에 대해 제 1 연장 부재(80) 및 제 2 영구 자석(30)에 대해 제 2 연장 부재(82)로서 도시되며, 제 1 연장 부재 및 제 2 연장 부재는 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 샤프트(62)의 단부들(64/66)에서 관형 챔버(76) 내로 연장한다. 이러한 실시예에서, 샤프트(62)의 제 1 단부(64) 및 제 2 단부(66)에서 관형 챔버(76)는 각각 제 1 연장 부재(80) 및 제 2 연장 부재(82)를 수용하기 위한 크기 및 구성을 가진다. 연장 부재들(80/82)은 제 1 영구 자석(28) 및 제 2 영구 자석(30)의 각각의 단부들(70/72)에 부착될 수 있거나 상기 각각의 단부들에 연결될 수 있거나 각각의 단부들과 일체로 이루어질 수 있다. 연장 부재들(80/82)은 단부들(70/72)과 동일한 극성(58/60)을 가진다 바람직한 실시예에서, 제 1 연장 부재(80)는 내향 단부(84)를 가지며 제 2 연장 부재(82)는 내향 단부(86)를 가지며 내향 단부들은 서로를 향하여 내측으로 배치되며, 즉 제 1 연장 부재(80)의 내향 단부(84)는 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 샤프트(62)의 관형 챔버(76) 내부에 갭(88)을 형성하기 위한 방식으로, 제 2 연장 부재(82)의 내향 단부(86)를 향하여 지향된다. 연장 부재들(80/82)의 내향 단부들(84/86) 사이에 갭(88)을 구비한 구성이 본 발명의 모터(10)의 이러한 실시예에 대해 최상의 성능을 제공한다는 것을 발명가가 알아내었다. 연장 부재들(80/82)의 길이 및 모터(10)에 대해 최적 성능을 제공하는 갭(88)의 결과적인 길이가 영구 자석들(28/30)의 크기 및 세기를 포함하는 다양한 특성들 및 솔레노이드(16)의 자기장에 종속할 것이다. 대안적인 일 실시예에서(도면들에서 도시되지 않은), 연장 부재들(80/82)은 서로를 향하여 완전히 연장될 수 있어 갭(88)이 없거나, 자석(28/30)이 심지어 단일 피스일 수 있다.

위에서 설명된 바와 같이, 자기 액추에이터(18)는 작업 대상물(26)을 회전하고 원하는 작업 목적을 수행하기 위해 자기 액추에이터(18)의 선형 왕복 운동을 변환하기 위한 왕복 운동 변환 메커니즘(24)에 작동되게 연결된다. 바람직한 실시예에서, 자기 액추에이터(18)의 제 2 단부(28)는 도 8, 도 9 및 도 14 및 도 15에서 최상으로 도시된 바와 같이, 왕복 운동 변환 메커니즘(24)에 부착된다. 도면들에 도시된 실시예에서, 왕복 운동 변환 메커니즘(24)은 제 2 영구 자석(30)의 제 2 단부(74)에서 커넥팅 로드 커넥터(90), 커넥팅 로드(92) 및 크랭크 샤프트(94)를 포함하는 전형적인 피스톤/크랭크샤프트 배열체를 포함한다. 커넥팅 로드 커넥터(90)는 연결 로드(92)가 자기 액추에이터(18)에 대해 피봇하도록 하기 위해 커넥팅 로드(92)의 제 1 단부(100)에서 통공(98) 내에 수용되는 커넥팅 핀(96)에 의해 제 2 영구 자석(30)의 제 2 단부(74)에 고정되게 부착되는 피봇 브래킷이다. 커넥팅 로드(92)의 제 2 단부(102)는 크랭크샤프트(94)에 부착되는 클램프 부재(104)를 포함한다. 도 2, 도 3 및 도 5에 최상으로 도시된 바와 같이, 크랭크샤프트(94)는 제 1 출력 샤프트(106) 및 제 2 출력 샤프트(108)를 가진다. 바람직한 일 실시예에서, 제 1 출력 샤프트(106)는 자기 액추에이터(18)를 왕복 운동하도록 제 1 자기 상태(54)와 제 2 자기 상태(56) 사이에서 솔레노이드를 변경하도록 스위칭 메커니즘(20)의 타이밍/작동을 제어하기 위한, 일반적으로 110으로서 도시된, 제어 메커니즘을 지지하거나 이에 부착된다. 이러한 실시예에서, 제 2 출력 샤프트(108)는 작업 대상물(26)에 연결되어 회전한다 당업자에게 상당히 친숙한 바와 같이, 적절한 부싱 베어링들, 너트들 및 다른 장치들은 작업 대상물(26)을 제 2 출력 샤프트(108)로 고정하기 위해 이용되어야 하여서 자기 액추에이터(18)에 연결되는 커넥팅 로드(92)의 왕복 운동에 의해 크랭크샤프트(94)의 회전을 초래하는, 제 2 출력 샤프트(108)의 회전이 본 발명의 모터(10)의 기능 및 유용한 수명을 보장하도록 필요한 바와 같이 작업 대상물(26)을 회전한다. 또한 당업자에게 알려진 바와 같이, 다양한 다른 구성들은 자기 액추에이터(18)의 선형 왕복 운동을 작업 대상물(26)(예를 들면 플라이휠)의 원하는 회전 운동으로 변환하기 위한 왕복 운동 변환 메커니즘(24)으로서 사용하기에 적절하다.

위에서 설명된 바와 같이, 크랭크샤프트(94)의 제 1 출력 샤프트(106)는 자기 액추에이터(18)의 왕복 운동을 얻기에 필요한 솔레노이드(16)의 역 자기 스위칭의 타이밍을 제어하기 위해 이용되는 제어 메커니즘(110)에 연결된다. 제어 메커니즘(110)과 스위칭 메커니즘(20) 사이의 상호 작용은 제 2 영구 자석(30)의 제 1 단부(72)의 액추에이터 극성(61) 및 제 1 영구 자석(28)의 제 2 단부(70)의 액추에이터 극성(61)을 향하여 지향된 솔레노이드(16)의 단부들(50/52)의 극성을 역전하는 자기 스위칭을 제공한다. 본 발명의 왕복 운동형 모터(10)의 바람직한 실시예에서, 제어 메카니즘(110)은 자기 액추에이터(18)를 왕복 운동하기에 필요한 역 극성 작동을 제공하도록 적절하게는 스위칭 메커니즘(20)을 작동하도록 제 1 출력 샤프트(106)와 함께 회전하는 캠(112)이다. 제어 메커니즘(110)이 크랭크샤프트(94)의 제 1 출력 샤프트(106)에 직접 연결되기 때문에, 외부 에너지 소스 또는 원동기는 본 발명의 왕복 운동형 모터(10)를 포함하는, 자기 작동식 왕복 운동형 모터들 모두에 필수적인 극성 역전을 제공하는 것이 필요하다. 캠(112)이 왕복 운동할 때, 제 1 통전 상태(54)와 제 2 통전 상태(56) 사이에서 솔레노이드(16)를 신속하게 스위칭하기 위해 스위칭 메커니즘(20)이 작동되게 접촉된다.

본 발명의 모터(10)의 바람직한 실시예에서, 전력의 소스(22)는 솔레노이드(16)를 통전하도록 솔레노이드(16)의 코일(32)에 직접 전류를 제공하며 솔레노이드(16)의 제 1 단부(50) 및 제 2 단부(53)에서 교번하는 제 1 극성(58) 및 제 2 극성(60)을 제공하는 전자기장을 생성한다. 바람직하게는, 제 1 와이어 단부(46) 및 제 2 와이어 단부(48)는 스위칭 메커니즘(20)을 경유하여 재충전가능한 배터리(전력의 소스(22)로서)에 연결한다. 재충전가능한 배터리는 모터(12) 및/또는 다른 소스들(예를 들면, A/C 전력, 태양, 바람 등)로부터의 전기의 발생에 의해 충전될 수 있다. 스위칭 메카니즘(20)은 2 행정 자기력 모터(10)를 생산하도록 캠(112)의 운동에 의해 작동될 수 있는 도 16에서 114 및 116로서 도시된, 한 쌍의 단일 당김 이중 쓰로우 스위치들을 이용한다. 축방향으로 하전된 솔레노이드(16)의 역 자기 스위칭은 작업 목적을 달성하도록 상술된 바와 같이 자기 액추에이터(18)를 왕복 운동하고 이용되는 작업 대상물(24)을 회전하도록 축방향으로 하전된 영구 자석들(28/30)과 관련하여 작동한다. 온/오프 스위치(118)는 모터(10)의 작동을 시작하고 중단하기 위해 사용된다.

도 6 및 도 7에 최상으로 도시된 바와 같이, 자기 액추에이터(18)는 반대쪽 단부들에서 영구 자석들(28/30)을 위한 왕복 운동하는 지지 구조물을 형성한다. 프레임(12)은 스위칭 메커니즘(20)을 경유하여 전력의 소스(22)에 의해 통전될 때, 프레임(12)은 축방향으로 하전된 전자기장을 생성하는 솔레노이드(16)를 고정되게 지지한다. 영구 자석들(28/30)은 각각 영구 자석들(28/30)과 상호 연결되는 샤프트(62)의 반대쪽 단부들(64/66)에서 왕복 운동하는 영구 자석들(28/30) 사이에 고정되게 위치되는 솔레노이드(16)를 향하여 북극(N) 또는 남극(S)과 같은 공통 액추에이터 극성(61)을 지향한다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 일 실시예에서 솔레노이드(16)를 향하여 지향되는 영구 자석들(28/30)의 액추에이터 극성(61)은 제 1 극성(N)이고 다른 실시예에서 솔레노이드(16)를 향하여 지향되는 영구 자석들(28/30)의 액추에이터 극성(61)은 S이다. 비록 영구 자석들(28/30)의 액추에이터 극성(61)이 N 또는 S인지가 특히 중요하지 않지만, 이들의 자석 극성이 동일할 수 있고 N 또는 S 배향에서 고정되어 스위칭 메커니즘(20)이 자기 액추에이터(18)를 왕복 운동하고 원하는 작업 목적을 제공하도록 작업 대상물(22)을 작동할 수 있는 역 자기 스위칭을 제공할 수 있다.

도 17 내지 도 19에 도시된, 본 발명의 바람직한 실시예에서, 샤프트(62)는 도 19에 최상으로 도시된 바와 같이, 샤프트(62)의 하나 또는 둘 이상의 벽(77)들의 내부 표면에 의해 형성된 내부 관형 챔버(76)를 가지는 관형 부재(75)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 영구 자석들(28/30)은 중실형이고 도 18에 도시된 바와 같이, 전체적으로 또는 적어도 실질적으로 샤프트(62)의 관형 챔버(76) 내부에 배치된다. 실제로, 이러한 실시예는 연장 부재들(80/82)을 영구 자석들(28/30)로 대체하거나 영장 부재들과 영구 자석들을 조합하여 샤프트(62)의 단부들(64/66) 각각을 넘어 연장하는 영구 자석들(28/30)의 양이 거의 없거나 실질적으로 없다. 적어도 샤프트(62)의 제 1 단부(64) 및 제 2 단부(66)를 향하여 관형 챔버(76)는 제 1 영구 자석(28) 및 제 2 영구 자석(30) 각각을 수용하는 크기 및 형상을 가진다. 제 1 영구 자석(28)의 제 1 단부(68)는 제 2 영구 자석(30)의 제 2 단부(72)와 같이, 액추에이터 극성(61)이 있게 되는, 동일한 극성(58/60)을 가진다. 제 1 영구 자석(28)의 제 2 단부(70)는 제 2 영구 자석(30)의 제 1 단부(74)와 동일한 극성(58/60)을 가진다. 도 11 및 도 12의 실시예에서 제 1 연장 부재(80)의 내향 단부(84)였던 제 1 영구 자석(28)의 내향 단부(84)는 샤프트(62)의 관형 챔버(76) 내부의 갭(88)을 형성하도록, 도 11 및 도 12의 실시예에서 제 2 연장 부재(82)의 내향 단부(86)였던 제 2 영구 자석(30)의 내향 단부(86)를 향하여 지향되고 이 내향 단부에 대해 공간 이격된다. 이러한 구성이 본 발명의 모터(10)를 위한 최상의 성능을 제공한다는 것을 본 발명가가 발견하였다. 모터(10)에 대한 최적 성능을 제공하는 갭(88)의 결과적인 길이 및 샤프트(62) 내부의 영구 자석들(28/30)의 길이는 솔레노이드(16)의 자기장 및 영구 자석들(28/30)의 크기 및 세기를 포함하는 다양한 특성에 의존할 것이다. 이러한 실시예의 자기 액추에이터(18)는 도 10 내지 도 12에 도시된 실시예의 샤프트(62)의, 이 샤프트로부터 외측으로 연장하는, 단부들(64/66)에 위치된 대형-크기의 영구 자석들(28/30)을 가지는 비용 및 중량을 제거한다. 샤프트의 단부들(64/66)에서 또는 그 근처에, 실질적으로 전체적으로 샤프트(62) 내부에 영구 자석들(28/30)의 위치설정이 최하 비용으로 모터(10)를 위한 개선된 성능을 제공한다는 것을 발명가가 발견되었다.

위에서 설명된 실시예에서, 캠(112)은 자기 액추에이터(18)를 왕복 운동하기 위해 요구된, 솔레노이드(16)의 단부들(50/52)의 극성을 역전시킴으로써, 역 자기 스위칭의 작동 및 타이밍을 제어하는 제어 메카니즘(110)으로서 이용된다. 대안적인 일 실시예에서, 제어 메카니즘(110)은 도 20 내지 도 23에서 도시된 스플릿 정류자(120)와 같은, 정류자이다. 캠(112)과 마찬가지로, 스플릿 정류자(120)는 자기 액추에이터(18)의 왕복에 반응하여 출력 샤프트와 함께 회전하도록 도 20에 도시된 바와 같이 제 1 출력 샤프트(106)에 장착되거나 부착되고 스위칭 메커니즘(20)과 작동되게 결합되어 솔레노이드(16)의 단부들(50/52)의 극성을 역전하는 역 자기 스위칭을 제공한다. 도 20 및 도 21에 도시된 실시예에서, 스위칭 메커니즘(20)이 장착되거나 그렇지 않으면 일 실시예에서 프레임(12)에 고정되게 장착되는 플라이휠 장착판(124)에 장착되거나 부착되거나 이 장착판과 일체형인 스위치 장착판(122)에 부착된다. 제어 메커니즘(110)은 정지형 장착판들(122/124) 상의 스위칭 메커니즘(20)에 관해, 왕복 변환 메커니즘(24) 및 자기 액추에이터(18)의 왕복 운동의 결과로서 회전하는, 제 1 출력 샤프트(106)와 함께 회전한다. 스위칭 메커니즘(20)과 협동적으로 결합되는, 제어 메커니즘(110)의 회전은 역 자기 스위칭을 제공한다. 도시된 실시예에서, 제 1 출력 샤프트(106)는 스플릿 정류자(120)의 중앙을 통하여, 도 21 및 도 23에 최상으로 도시된, 중앙 개구(126)를 통하여 수용되고 스플릿 정류자(120)는 제 1 출력 샤프트(106) 상으로 클램핑되거나 그렇지 않으면 결합되는 도 20 및 도 22에 최상으로 도시된 바와 같이, 스플릿 정류자(120)의 반대쪽 측부들 상에 제 1 클램프 메커니즘(128) 및 제 2 클램프 메커니즘(130)을 포함한다.

도 20 내지 도 23에 도시된 실시예의 스플릿 정류자(120)는 도 22 및 도 23에서 136a, 136b 및 136c로서 도시된, 디스크 절연체(136)에 의해 분리되는 제 1 중실형 디스크(134a) 및 제 2 중실형 디스크(134b)로서 도시된, 한 쌍의 중실형 디스크(134)들 및 제 1 스플릿 디스크(132a 및 132b)로서 도시된, 한 쌍의 스플릿 디스크(132)들을 포함한다. 제 1 단부 절연체(138)는 제 1 클램프 메커니즘(128)으로부터 제 1 스플릿 디스크(132a)을 분리하고 제 2 단부 절연체(140)는 도 22에 최상으로 도시된 바와 같이, 제 2 클램프 메커니즘(130)으로부터 제 2 중실형 디스크(134b)를 분리한다. 스플릿 디스크들(132a/132b) 각각은 스플릿 디스크들(132a/132b)의 단부들을 분리하도록 그 안에 배치된 스플릿 절연체(144)를 구비한 스플릿 정류자(120)의 각각의 측부 상에 스플릿 섹션(142)을 가진다. 일 실시예에서, 스플릿 디스크(136)들 및 중실형 디스크(138)들 둘다 구리로 제조된다. 종래 기술에 널리 알려진 바와 같이, 다양한 다른 전기 전도 재료는 디스크들(136/38)을 위해 이용될 수 있다. 또한, 위에서 설명된 것을 포함하는 다양한 절연 재료는 디스크 절연체(136), 제 1 단부 절연체(138), 제 2 단부 절연체(140) 및 스플릿 절연체(144)를 위해 이용될 수 있다. 도 23에 최상으로 도시된, 장착 브래킷들(146 및 148)은 스위치 장착판(122)에 스위치들(114/116) 각각에 장착된다.

스플릿 정류자(120)와 연관되는 자기 극성 관계들 및 전기 연결은 도 22 및 도 23에서 최상으로 도시된다. 도 22는 중실형 디스크(134)들 및 스플릿 디스크(132)들의 자기 극성들 사이의 관계의 일 실시예를 보여준다. 도 23은 배터리와 같은 전력의 소스(22)로부터 SPDT 스위치(114)로 스플릿 정류자(120)로의 전류 입력 및 출력 샤프트들(106/108)을 회전하는 자기 액추에이터(18)를 왕복가능하게 구동하기 위한 자기 스위칭을 제공하는 솔레노이드(16)에 대한 전류 출력을 보여준다.

다른 대안적 실시예에서, 제어 메커니즘(110)은 전자 구동 조립체(150)이며, 이를 위해 예시적인 하나의 개략도가 도 24에 도시된다. 본 명세서에서 설명된 다른 제어 메커니즘(110)과 마찬가지로, 전기 구동 조립체(150)는 전력의 소스(22)로부터의 전력을 수용하고 이 전력을 자기 액추에이터(18)를 왕복 운동되게 구동하기 위해 요구되는 역 자기 스위칭을 제공하는 방식으로 솔레노이드(16)에 전달하도록 구성된다. 전방 패널 제어기(VFD/LED)를 위한 사용자 인터페이스(156) 및 제어 유닛(152)으로의 데이터 인터페이스를 위한 버스 트랜지스터(154)로 무선으로 또는 유선으로 연결되는 제어 유닛(152)은 전자 구동 조립체(150)를 제어하는 데이터 프로세싱 및 동일한 작업들을 제공하도록 마이크로프로세서 등으로 구성된다. 제어 유닛(152)은 도 24에 도시된 바와 같이 전압이 어느 한 방향으로 로드를 가로질러 인가되도록 하는 전자 회로를 포함하는, 하프 브리지 드라이버(158)와 협동되게 결합되고 하프 브리지 드라이버(158)를 제어하기 위해 사용되는 출력 센서(162) 및 입력 센서(160)로부터 전자 신호들을 수신하여 프로세싱한다. 제어 유닛(152)은 무선 또는 유선 연결되는 하프 브리지 드라이버(158)와 소통한다. 일 실시예에서, 하프 브리지 드라이버(158)는 DC 전력을 AC 전력으로 변환하는 인버터이다. 전자 구동 조립체(150)는 또한 적절하게 구성된 커패시터(164), 다이오드(166) 및 절연된-게이트 바이폴라 트랜지스터들 또는 고 효율 및 신속 스위칭을 위해 알려진 IGBT들과 같은 트랜지스터(168)들을 포함한다. 위에서 설명된 예시적인 전자 구동 조립체(150)는 이전에 설명된 스플릿 정류자(120) 대신 이용된다. 스플릿 정류자(120)에 대한 전자 구동 조립체(150)의 하나의 장점은 전자 구동 조립체(150)가 에너지 손실을 나타내는 스파킹을 제거하며 그렇지 않으면 원하는 작업 출력을 제공하도록 시스템에서 이용될 수 있다.

사용 중, 솔레노이드(16)의 단부들(50/52)에서 제 1 극성(58) 및 제 2 극성(60)의 주기적 스위칭은 제 1 영구 자석(28)의 제 1 단부(70)를 향하여 축방향으로 하전된 전자기장을 생성하고 제 2 영구 자석(30)의 제 2 단부(72)는 프레임(12)(솔레노이드(16) 및 크랭크샤프트(94)를 고정되게 지지함) 및 솔레노이드(16)에 대해 자기 액추에이터(18)를 왕복 운동하도록 영구 자석들(28/30)을 교번적으로 밀어내고 끌어당길 것이다. 자기 액추에이터(18)의 왕복 운동은 연결 로드(92)에 의해 크랭크샤프트(94)를 회전가능하게 구동하고, 크랭크샤프트는 솔레노이드(16)의 역 자기 스위칭을 위해 필요한 타이밍을 제공하는 스위칭 메커니즘(20)을 작동하도록 크랭크샤프트(94)의 제 1 출력 샤프트(106)에서 제어 메커니즘(110)과 회전가능하게 결합하며 스위칭 메카니즘은 솔레노이드(16)의 ㅇ한역 자기 스위칭에 대해 필요한 타이밍을 제공하고 제 2 출력 샤프트(108)에서 작업 대상물(26)을 회전한다. 이와 같이, 본 발명의 자기적으로 작동되는 왕복 운동형 모터(10)는 자기 액추에이터(18)의 왕복 운동을 위한 필요한 극성 시프팅을 제공하도록 어떠한 외부 전력 소스 또는 원동기를 요구하지 않아서, 펌프, 발전기 또는 운송 수단을 작동하기 위한 것과 같이, 본 모터를 작업 출력을 얻기에 더 효율적이고 유용하게 한다. 본 발명의 왕복 운동형 모터(10)의 사용은 현재 이용가능한 왕복 운동형 모터들과 연관된 에너지 요구 및 오염물을 제거한다.

본 발명의 하나 또는 둘 이상의 특정 형태들이 본명세서에서 도시되고 설명되었지만, 본 발명이 이와 같이 제한되지만 본 발명의 사상 및 범위로부터 이탈하지 않으면서 설계 및 재료들에서의 다양한 변형예 및 재배열을 허용한다는 것을 당업자에게 용이하게 명백할 것이다. 특히, 본 명세서에서 설명된 임의의 치수 관계에 대한 변형 및 본 발명이 조립, 재료들, 크기, 형상 및 용도에서의 변형이 이루어질 수 있다는 것에 주목하여야 한다. 예를 들면, 본 발명의 목적을 완수하기 위해 동일한 함수 구성요소들로 대체될 수 있는 본 명세서에서 설명된 다양한 구성요소들이 있다.

Claims (20)

1. 자기 작동식 왕복 운동형 모터로서,
   프레임;
   상기 프레임에 의해 고정되게 지지되는 솔레노이드로서, 상기 솔레노이드는 제 1 단부 및 반대쪽으로 지향되는 제 2 단부를 가지며, 상기 솔레노이드는 제 1 통전 상태에서 상기 제 1 단부에서 제 1 극성 및 상기 제 2 단부에서 제 2 극성 그리고 제 2 통전 상태에서 상기 제 1 단부에서 상기 제 2 극성 및 상기 제 2 단부에서 상기 제 1 극성을 가지도록 구성되는, 솔레노이드;
   상기 솔레노이드를 통하여 왕복 운동되게 배치되는 자기 액추에이터로서, 상기 자기 액추에이터는 상기 샤프트의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 관형 챔버를 형성하는 하나 또는 둘 이상의 벽들을 구비한 세장형 관형 샤프트, 상기 샤프트의 상기 제 1 단부에서 상기 관형 챔버 내부에 배치되는 제 1 영구 자석 및 상기 샤프트의 상기 제 2 단부에서 상기 관형 챔버 내부에 배치되는 제 2 영구 자석을 가지며 상기 제 1 영구 자석은 상기 제 1 극성 및 상기 제 2 극성 중 하나인 액추에이터 극성으로 자기적으로 하전되는 상기 솔레노이드의 상기 제 1 단부를 향하여 배치되는 단부를 가지며, 상기 제 2 영구 자석은 상기 액추에이터 극성으로 자기적으로 하전되는 상기 솔레노이드의 상기 제 2 단부를 향하여 배치되는 일 단부를 가지는, 자기 액추에이터;
   작업 대상물을 회전시키도록 상기 자기 액추에이터의 왕복운동을 회전 운동으로 변환하기 위해 상기 작업 대상물과 상기 자기 액추에이터를 작동되게 상호 연결하는 수단;
   상기 솔레노이드를 전자기적으로 통전하도록 구성되는 전력의 소스;
   상기 제 1 통전 상태와 상기 제 2 통전 상태 사이에서 상기 솔레노이드를 교번적으로 스위칭하기 위해 상기 전력의 소스와 상기 솔레노이드를 전기적으로 상호 연결하는 스위칭 수단; 및
   상기 솔레노이드에 대해 상기 자기 액추에이터를 왕복 운동되게 구동하도록 그리고 상기 작업 대상물을 회전시키도록 상기 제 1 통전 상태와 상기 제 2 통전 상태 사이에서 상기 솔레노이드를 스위칭하도록 상기 스위칭 수단의 작동 및 타이밍을 제어하기 위해 상기 스위칭 수단과 작동되게 결합되는 제어 수단을 포함하는,
   자기 작동식 왕복 운동형 모터.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 솔레노이드는 중앙 섹션 둘레에 감겨지는 와이어의 코일을 가지는 스풀을 포함하며, 상기 센터 섹션은 일반적인 개방 센터를 가지며, 상기 자기 액추에이터는 상기 코일의 상기 개방 센터 내에 왕복 운동되게 수용되는,
   자기 작동식 왕복 운동형 모터.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 자기 액추에이터의 상기 샤프트는 상기 중앙 섹션의 상기 개방 센터 내에 왕복 운동되게 수용되는,
   자기 작동식 왕복 운동형 모터.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 스풀은 제 1 단부 섹션 및 제 2 단부 섹션을 더 포함하며, 상기 중앙 섹션이 상기 제 1 단부 섹션과 상기 제 2 단부 섹션 사이에 배치되며, 상기 제 1 단부 섹션 및 상기 제 2 단부 섹션의 각각이 상기 프레임에 의해 고정되게 지지되는,
   자기 작동식 왕복 운동형 모터.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 솔레노이드의 상기 스풀은 강자성 심을 구비하지 않는 하나 또는 둘 이상의 비강자성 재료로 제조되는,
   자기 작동식 왕복 운동형 모터.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 변환 수단은 상기 제어 수단을 작동하기 위해 상기 자기 액추에이터의 왕복 운동의 결과로서 회전하고 상기 제어 수단과 작동되게 연결되도록 상기 자기 액추에이터에 작동되게 연결되는 적어도 제 1 출력 샤프트를 포함하는,
   자기 작동식 왕복 운동형 모터.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 변환 수단은 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지는 커넥팅 로드 및 상기 제 1 출력 샤프트 및 제 2 출력 샤프트를 형성하는 크랭크샤프트를 더 포함하고, 상기 커넥팅 로드의 상기 제 1 단부는 상기 자기 액추에이터에 피봇식으로 부착되고, 상기 커넥팅 로드의 상기 제 2 단부는 상기 크랭크샤프트에 부착되고 상기 크랭크샤프트를 회전하도록 구성되고, 상기 제 2 출력 샤프트는 상기 작업 대상물을 회전하도록 상기 작업 대상물에 연결되는,
   자기 작동식 왕복 운동형 모터.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어 수단은 캠인,
   자기 작동식 왕복 운동형 모터.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어 수단은 정류자인,
   자기 작동식 왕복 운동형 모터.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 정류자는 한 쌍의 스플릿 디스크들, 한 쌍의 중실형 디스크들 및 상기 스플릿 디스크들 및 상기 중실형 디스크들 각각을 분리하는 디스크 절연체를 포함하는,
    자기 작동식 왕복 운동형 모터.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어 수단은 전자 구동 조립체인,
    자기 작동식 왕복 운동형 모터.
    
12. 자기 작동식 왕복 운동형 모터로서,
    프레임;
    상기 프레임에 의해 고정되게 지지되는 솔레노이드로서, 상기 솔레노이드는 제 1 단부, 반대쪽으로 지향되는 제 2 단부, 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이의 중앙 섹션 및 상기 중앙 섹션 둘레에 감겨지는 와이어의 코일을 가지며, 상기 중앙 섹션은 이를 관통하는 일반적인 개방 센터를 가지며, 상기 솔레노이드는 제 1 통전 상태에서 상기 제 1 단부에서 제 1 극성 및 상기 제 2 단부에서 제 2 극성 그리고 제 2 통전 상태에서 상기 제 1 단부에서 상기 제 2 극성 및 상기 제 2 단부에서 상기 제 1 극성을 가지도록 구성되는, 솔레노이드;
    상기 솔레노이드를 통하여 왕복 운동되게 배치되는 자기 액추에이터로서, 상기 자기 액추에이터는 상기 샤프트의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 관형 챔버를 형성하는 하나 또는 둘 이상의 벽들을 구비한 세장형 관형 샤프트, 상기 샤프트의 상기 제 1 단부에서 상기 관형 챔버 내부에 배치되는 제 1 영구 자석 및 상기 샤프트의 상기 제 2 단부에서 상기 관형 챔버 내부에 배치되는 제 2 영구 자석을 가지며, 상기 샤프트는 상기 중앙 섹션의 상기 개방 센터 내에서 왕복 운동되게 수용하고, 상기 제 1 영구 자석은 상기 제 1 극성 및 상기 제 2 극성 중 하나인 액추에이터 극성으로 자기적으로 하전되는 상기 솔레노이드의 상기 제 1 단부를 향하여 배치되는 단부를 가지며, 상기 제 2 영구 자석은 상기 액추에이터 극성으로 자기적으로 하전되는 상기 솔레노이드의 상기 제 2 단부를 향하여 배치되는 단부를 가지는, 자기 액추에이터;
    작업 대상물을 회전하도록 상기 자기 액추에이터의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위해 상기 작업 대상물과 상기 자기 액추에이터를 작동되게 상호 연결하기 위한 수단;
    상기 솔레노이드를 전자기적으로 통전하도록 구성되는 전력의 소스;
    상기 제 1 통전 상태와 상기 제 2 통전 상태 사이에서 상기 솔레노이드를 교번적으로 스위칭하기 위해 상기 전력의 소스와 상기 솔레노이드를 전기적으로 상호 연결하는 스위칭 수단; 및
    상기 제 1 출력 샤프트에 연결되고 상기 솔레노이드에 대해 상기 자기 액추에이터를 왕복 운동되게 구동하여 상기 작업 대상물을 회전하기 위해 상기 제 1 통전 상태와 상기 제 2 통전 상태 사이에서 상기 솔레노이드를 스위칭하도록 상기 스위칭 수단의 작동 및 타이밍을 제어하기 위해 상기 스위칭 수단과 작동되게 결합되는 제어 수단을 포함하는,
    자기 작동식 왕복 운동형 모터.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 솔레노이드는 상기 제 1 단부에서 제 1 단부 섹션 및 상기 제 2 단부에서 제 2 단부 섹션을 구비한 스풀을 포함하며, 상기 중앙 섹션은 상기 제 1 단부 섹션과 상기 제 2 단부 섹션 사이에 배치되며, 상기 제 1 단부 섹션 및 상기 제 2 단부 섹션 각각은 상기 프레임에 의해 고정되게 지지되는,
    자기 작동식 왕복 운동형 모터.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 솔레노이드의 상기 스풀은 강자성 심을 구비하지 않는 하나 또는 둘 이상의 비강자성 재료로 제조되는,
    자기 작동식 왕복 운동형 모터.
    
15. 제 12 항에 있어서,
    상기 변환 수단은 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지는 커넥팅 로드 및 상기 제 1 출력 샤프트 및 제 2 출력 샤프트를 형성하는 크랭크샤프트를 더 포함하며, 상기 커넥팅 로드의 상기 제 1 단부는 상기 자기 액추에이터에 피봇식으로 부착되고, 상기 커넥팅 로드의 상기 제 2 단부는 상기 크랭크샤프트에 부착되고 상기 크랭크샤프트를 회전하도록 구성되며, 상기 제 2 출력 샤프트는 상기 작업 대상물에 연결되어 상기 작업 대상물을 회전시키도록 구성되는,
    자기 작동식 왕복 운동형 모터.
    
16. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어 수단은 캠인,
    자기 작동식 왕복 운동형 모터.
    
17. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어 수단은 정류자인,
    자기 작동식 왕복 운동형 모터.
    
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 정류자는 한 쌍의 스플릿 디스크들, 한 쌍의 중실형 디스크들 및 상기 스플릿 디스크들 및 상기 중실형 디스크들을 분리하는 디스크 절연체를 포함하는,
    자기 작동식 왕복 운동형 모터.
    
19. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어 수단은 전자 구동 조립체인,
    자기 작동식 왕복 운동형 모터.
    
20. 자기 작동식 왕복 운동형 모터로서,
    프레임;
    상기 프레임에 의해 고정되게 지지되는 솔레노이드로서, 상기 솔레노이드는 제 1 단부, 반대쪽으로 지향되는 제 2 단부, 상기 솔레노이드의 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에 배치되는 관형 중앙 섹션을 구비한 수풀 및 상기 중앙 섹션 둘레에 감겨지는 와이어의 코일을 가지며, 상기 중앙 섹션은 이를 관통하는 일반적인 개방 센터를 가지며, 상기 스풀은 강자성 심을 가지지 않는 하나 또는 둘 이상의 비 강자성 재료로 제조되며, 상기 솔레노이드는 제 1 통전 상태에서 상기 제 1 단부에서 제 1 극성 및 상기 제 2 단부에서 제 2 극성 그리고 제 2 통전 상태에서 상기 제 1 단부에서 상기 제 2 극성 및 상기 제 2 단부에서 상기 제 1 극성을 가지도록 구성되는, 솔레노이드;
    상기 솔레노이드를 통하여 왕복 운동되게 배치되는 자기 액추에이터로서, 상기 자기 액추에이터는 상기 샤프트의 제 1 단부와 제 2 단부 사이에 관형 챔버를 형성하는 하나 또는 둘 이상의 벽들을 가지는 세장형 관형 샤프트, 상기 샤프트의 상기 제 1 단부에서 상기 관형 챔버 내부에 배치되는 제 1 영구 자석 및 상기 샤프트의 상기 제 2 단부에서 상기 관형 챔버 내부에 배치되는 제 2 영구 자석을 가지며, 상기 샤프트는 상기 중앙 섹션의 상기 개방 센터 내에 왕복 운동되게 수용되며, 상기 제 1 영구 자석은 상기 제 1 극성 및 상기 제 2 극성 중 하나인 액추에이터 극성으로 자기적으로 하전되는 상기 솔레노이드의 상기 제 1 단부를 향하여 배치되는 단부를 가지며, 상기 제 2 영구 자석은 상기 액추에이터 극성으로 자기적으로 하전되는 상기 솔레노이드의 상기 제 2 단부를 향하여 배치되는 단부를 가지는, 자기 액추에이터;
    작업 대상물을 회전하도록 상기 자기 액추에이터의 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하기 위한 상기 작업 대상물과 상기 자기 액추에이터를 작동가능하게 상호연결하는 수단으로서, 상기 변환 수단은 제 1 단부 및 제 2 단부를 가지는 연결 로드 및 제 1 출력 샤프트 및 제 2 출력 샤프트를 형성하는 크랭크샤프트를 포함하며, 상기 연결 로드의 상기 제 1 단부는 상기 자기 액추에이터에 부착되고 상기 연결 로드의 상기 제 2 단부는 상기 자기 액추에이터의 왕복 운동시 상기 크랭크샤프트를 회전하도록 상기 크랭크샤프트에 부착되며, 상기 제 1 출력 샤프트 및 상기 제 2 출력 샤프트 각각은 상기 크랭크샤프트의 회전 운동의 결과로서 회전하도록 구성되며, 상기 제 2 출력 샤프트는 상기 작업 대상물을 회전하도록 상기 작업 대상물에 연결되는, 수단;
    상기 솔레노이드에 전자기적으로 통전하도록 구성되는 전력의 소스;
    상기 제 1 통전 상태 및 상기 제 2 통전 상태 사이에 상기 솔레노이드를 교번적으로 스위칭하기 위해 상기 전력의 소스와 상기 솔레노이드를 전기적으로 상호연결하는 스위칭 수단; 및
    상기 솔레노이드에 대해 상기 자기 액추에이터를 왕복가능하게 구동하고 상기 작업 대상물을 회전하도록 상기 제 1 출력 샤프트의 회전시 상기 제 1 통전 상태와 상기 제 2 통전 상태 사이에서 상기 솔레노이드를 스위칭하도록 상기 스위칭 수단의 작동 및 타이밍을 제어하기 위해 상기 제 1 출력 샤프트에 연결되고 상기 스위칭 수단에 작동되게 결합되는 제어 수단으로서, 상기 제어 수단은 캠, 정류자 및 전자 구동 조립체를 포함하는 제어 수단을 포함하는,
    자기 작동식 왕복 운동형 모터.

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