KR20130131278A

KR20130131278A - 회전 운동 에너지 변환 시스템

Info

Publication number: KR20130131278A
Application number: KR1020137000239A
Authority: KR
Inventors: 데이비디 제이. 호크버크; 그레고리 이. 피터슨
Original assignee: 다이나믹 에너지 테크놀러지스, 엘엘씨
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2013-12-03
Also published as: EP2577061A2; US20130264828A1; WO2011156377A3; US8456032B2; US20110298217A1; CA2801088A1; MX2012014331A; WO2011156377A2; CN103026062A; US8593007B2; BR112012031120A2

Abstract

본 발명은, 궤도적으로 변위되는 자기적 요소와 상호작용하는 선형으로 변위되는 자기적 요소를 이용하여, 기계적 에너지와 전기적 에너지로부터 선택된 입력 에너지의 하나의 형태, 그리고 기계적 에너지 및 전기적 에너지로부터 선택된 출력 에너지 사이에서 변환하기 위한 회전 운동 에너지 변환 시스템에 관한 것이다.

Description

회전 운동 에너지 변환 시스템{ROTATIONAL KINETIC ENERGY CONVERSION SYSTEM}

관련 출원의 상호 참조

본원은 2010년 6월 7일자로 출원되고 명칭이 "ROTATIONAL KINETIC ENERGY CONVERSION SYSTEM"라는 미국 가특허출원 제 61/352,120 호를 기초로 한 이익 향유를 주장하며, 그 가특허출원의 기재내용 전체는 참조에 의해서 본원에 포함된다. 본원은 2009년 4월 22일자로 출원되고 명칭이 "Kinetic Energy Conversion Device" 인 가명세서 출원 제 61/171,641 호, 그리고 2010년 4월 22일자로 출원되고 명칭이 "Energy Conversion Device"인 국제특허출원 제 PCT/US10/32037 호와 관련된다. 이러한 선행 출원들에서의 모든 개시내용들이 본원에서 참조에 의해서 포함된다.

기술분야

본원 개시내용은 전체적으로 기계적 에너지 및/또는 전기적 에너지를 입력할 수 있고 그리고 전기적 및/또는 기계적 에너지를 출력할 수 있는 에너지 변환 시스템들에 관한 것이다. 특히, 에너지 변환 시스템은 궤도운동(orbiting) 자기적 요소 및 왕복운동 자기적 요소를 이용하여 기계적 에너지 및 전기적 에너지로부터 선택된 입력 에너지의 하나의 형태를 기계적 에너지 및 전기적 에너지로부터 선택된 출력 에너지로 변환하도록 구성되며, 상기 궤도운동 자기적 요소의 기계적 에너지는 이동 유체와 연관된다.

운동 에너지와 전기적 에너지 사이의 변환을 위한 회전 운동 에너지 변환 시스템이 제공되며, 여기에서 궤도운동 자기적 요소는 자기적 피스톤과 같은 왕복운동 자기적 요소와 주기적으로(cyclically) 상호작용하여 그들 사이에서 에너지를 전달한다.

예시적인 시스템은 제 1 길이방향 축과 같은 제 1 축을 따라서 길이방향 프레임에 대해서 왕복가능한 자기적 피스톤, 그리고 상기 자기적 피스톤을 향하여 그리고 상기 자기적 피스톤으로부터 멀리 주기적으로 이동하기 위해서, 제 2 길이방향 축 주위로 궤도운동할 수 있는 작동(actuating) 자석을 포함한다. 특히, 자기적 피스톤은 제 1 길이방향 축을 형성하는 고정형(fixed) 길이방향 프레임과 연관될 수 있을 것이고, 그리고 상기 작동 자석은 제 2 길이방향 축을 형성하고 그 축 주위로 회전하는 회전 프레임과 연관될 수 있을 것이다. 피스톤의 운동과 연관된 왕복 운동 에너지와 작동 자석 및 회전 프레임의 운동과 연관된 회전 운동 에너지 사이의 전환을 위해서, 상기 자기적 피스톤과 작동 자석의 상호작용을 이용할 수 있을 것이다.

제 1 및 제 2 길이방향 축들이 서로에 대해서 수직으로 배열될 수 있을 것이다. 제 1 및 제 2 길이방향 축들이 교차되지 않을 수 있을 것이다. 작동 자석이 자기적 피스톤으로부터 제 2 길이방향 축에 대해서 축방향으로 변위될 수 있을 것이며, 그에 따라 작동 자석의 궤도 경로는 작동 자석이 자기적 피스톤과 접촉하는 것을 피하게 하고 그리고 작동 자석이 주기적으로 자기적 피스톤 근접하게 그리고 그로부터 멀어지게 한다.

그 대신에, 제 1 길이방향 축은 자기적 피스톤이 궤도 경로의 방사상 외측에 위치된 상태에서 작동 자석의 궤도 경로와 동일 평면 상에 존재할 수 있을 것이다.

둘 또는 셋 이상의 자기적 피스톤들이 제 2 길이방향 축 주위로 원주방향을 따라 배치되어, 제 2 길이방향 축 주위의 궤도 경로 내의 작동 자석의 다른 각 위치들에서 작동 자석과 주기적으로 상호작용할 수 있을 것이다. 예를 들어 작동 자석들이 주기적으로 자기적 피스톤의 반대 측부들과 자기적으로 상호작용하게 하기 위해서, 제 2 길이방향 축을 따라서 다른 위치들에서 궤도 경로들을 가지는 2개의 작동 자석들이 제공될 수 있을 것이다. 예를 들어 양쪽 작동 자석들과 주기적으로 상호작용하도록, 2개의 자기적 피스톤들이 작동 자석의 궤도 경로의 반대 측부들 상에 제공될 수 있을 것이다. 유사하게, 복수의 자기적 피스톤들 및 작동 자석들이 제 2 길이방향 축을 따른 그리고 그 주위의 여러 위치들에 제공되어, 복수 스테이지 회전 운동 에너지 변환 장치를 생성할 수 있을 것이다.

자기적 피스톤은 길이방향 프레임과 연관될 수 있고 그리고 길이방향 프레임에 의해서 제 1 길이방향 축을 따라서 왕복하도록 제한될 수 있을 것이다. 특히, 길이방향 프레임이 자기적 피스톤을 둘러싸고, 제 1 길이방향 축을 형성하고, 그리고 자기적 피스톤이 제 1 길이방향 축으로부터 멀리 변위되는 것을 방지하는 챔버일 수 있다. 그 대신에, 길이방향 프레임은 제 1 길이방향 축을 형성하는 액슬(axle)일 수 있고 그리고 자기적 피스톤은 상기 액슬 주위로 배치될 수 있고 그리고 액슬에 의해서 길이방향 축으로부터 멀리 변위되는 것이 방지될 수 있을 것이다. 부가적으로 또는 대안적으로, 자기적 피스톤은 길이방향 프레임에 대해서 고정된 위치들에 배치된 하나 또는 둘 이상의 자석들에 의해서 제 1 길이방향 축을 따라서 왕복운동하도록 제한될 수 있을 것이다. 자기적 피스톤은, 자기적 피스톤의 운동과 연관된 운동 에너지와 권선(winding)이나 코일을 통해서 유동하는 전류와 연관된 전기적 에너지 사이에서 에너지를 변환시키기 위해서 제 1 길이방향 축 주위에 배치된 권선 또는 코일과 연관될 수 있을 것이다. 길이방향 프레임은 자기적 피스톤과 연관된 요소들을 둘러싸는 하우징을 포함할 수 있을 것이다.

작동 자석은 제 2 길이방향 축 주위로 회전될 수 있는 프레임에 부착될 수 있을 것이다. 프레임은, 수평 또는 수직 회전 축, 워터 휘일(water wheel), 팬, 회전식 펌프, 또는 회전식 압축기들 또는 이동 유체의 운동 에너지와 회전 프레임의 회전 운동 에너지 사이의 변환을 가능하게 하는 임의의 다른 회전 장치를 이용하는, 베인들, 프로펠러, 또는 임의의 에어포일 기반의 변형체들을 이용할 수 있을 것이다. 그 대신에, 프레임이 회전 전기식 모터 또는 발전기, 회전식 펌프, 또는 회전식 압축기와 같은 회전 운동 에너지 변환 장치와 연관될 수 있을 것이다.

예를 들어 자기적 피스톤에 접근할 때 자기적 피스톤에 대해서 제 1 자극(pole)을 나타내도록 그리고 자기적 피스톤으로부터 후퇴될 때 자기적 피스톤에 대해서 제 2 자극을 나타내도록, 작동 자석은 제 2 길이방향 축 주위의 궤도 경로에 대해서 접선방향으로 극성화될(polarized tangentially) 수 있을 것이다. 예를 들어 작동 자석이 자기적 피스톤에 접근할 때 그리고 작동 자석이 자기적 피스톤으로부터 후퇴될 때 실질적으로 동일한 자기적 자극이 작동 자석에 대해서 나타나도록, 작동 자석은 제 1 길이방향 축에 대한 방사상 극성화 요소를 가질 수 있을 것이다.

자기적 피스톤은 제 1 길이방향 축에 대한 축방향 극성화 요소를 가질 수 있을 것이고, 그에 따라 자기적 피스톤의 길이방향 경로의 반대 단부들에서의 고정 위치들에서 축방향 단부 자석들과 상호작용할 수 있고, 그에 따라 자기적 피스톤의 운동을 제한할 수 있고 그리고 자기적 피스톤이 길이방향 경로의 중심으로 복귀될 수 있게 작용할 수 있다.

하나의 예시적인 구성에서, 작동 자석이 피스톤을 향해서 회전될 때 작동 자석의 자극이 피스톤의 반대 면의 자극과 동일해지도록 정렬된 자기장들을 가지는 하나 또는 둘 이상의 선형 운동 에너지 변환 장치들과 근접하여 하나 또는 둘 이상의 회전 운동 에너지 변환 장치들이 위치된다. 작동 자석들이 피스톤을 향해서 회전될 때, 작동 자기장이 이동가능한 피스톤 자기장과 상호작용하여 피스톤을 고정형 단부 자석을 향해 가압한다. 작동 자석이 피스톤을 지난 후에, 피스톤 및 고정형 단부 자석의 반대되는 축방향 필드들이 상호작용하고, 그리고 피스톤이 고정형 단부 자석에 의해서 반대 방향으로 가속된다. 동시에, 피스톤이 작동 자석에 의해서 주어진 방향으로 가속되고, 피스톤은 단부 자석에 접근하며, 상기 단부 자석은 피스톤에 힘을 점증적으로 가하여 피스톤이 느려지게 하고 그리고 최종적으로는 운동 방향을 역전시킨다. 이러한 프로세스가 연속적으로 반복되어, 권선 내부에서의 피스톤의 진동을 초래하고, 이는 전기적 에너지를 생산한다. 피스톤은 작동 자석 주파수의 배수로 이송될 수 있다.

도 1은 예시적인 회전 운동 에너지 변환 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 단면선 2-2을 따라서 취한 회전 운동 에너지 변환 시스템의 부분 단면도이다.
도 3은 도 2의 선형 운동 에너지 변환 장치의 복합 피스톤을 통한 확대 단면도이다.
도 4는 도 1 및 2의 회전 운동 에너지 변환 시스템을 채용할 수 있는 예시적인 선형 운동 에너지 변환 장치의 측단면도이다.
도 5는 도 3의 단면선 5-5을 따라서 취한 선형 운동 에너지 변환 장치의 단면 단부도이다.
도 6은 도 4 및 5의 선형 운동 에너지 변환 장치의 분해도이다.
도 7은 다른 예시적인 회전 운동 에너지 변환 시스템의 개략도이다.
도 8은 도 7의 단면선 8-8을 따라서 취한 도 7의 회전 운동 에너지 변환 시스템의 단면도이다.
도 9는 도 7 및 8의 회전 운동 에너지 변환 시스템을 채용할 수 있는 예시적인 선형 운동 에너지 변환 장치의 분해도이다.
도 10은 2개의 패들 타입 유체 구동형 팬들 사이에 배열된 선형 운동 에너지 변환 장치를 포함하는 다른 예시적인 회전 운동 에너지 변환 시스템을 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 11은 작동 자석들의 대안적인 위치들을 도시하고 그리고 선형 운동 에너지 변환 장치를 단면으로 도시한 도 10의 회전 운동 에너지 변환 시스템의 정면도이다.
도 12는 도 11의 단면선 12-12을 따라서 취한 예시적인 유체 구동형 팬을 통한 단면도이다.
도 13은 선형 운동 에너지 변환 장치와 동일 평면 상에 배열된 유체 구동형 팬을 가지는 대안적인 회전 운동 에너지 변환 시스템의 정면도이다.
도 14는 2개의 선형 운동 에너지 변환 장치들 및 6개의 컵들을 가지는 베인 스타일 팬을 포함하는 다른 대안적인 회전 운동 에너지 변환 시스템을 도시한 사시도이다.
도 15는 도 14의 회전 운동 에너지 변환 시스템의 저면도이다.
도 16은 3개의 선형 운동 에너지 변환 장치들 및 6개의 패들들을 가지는 블레이드 스타일 팬을 포함하는 또 다른 대안적인 회전 운동 에너지 변환 시스템을 도시한 정면도이다.
도 17, 도 18 및 도 19는 복수의 회전 운동 에너지 변환 장치 요소 및 복수의 선형 운동 에너지 변환 장치들을 포함하는 다른 회전 운동 에너지 변환 시스템들의 개략도들이다.
도 20은 선형 운동 에너지 변환 장치를 빠른 속도로 구동하기 위해서 기어링 시스템을 채용한 회전 운동 에너지 변환 시스템의 개략도이다.

이하에서는, 단지 예로서 그리고 다른 구성을 포기하지 않으면서, 첨부 도면들을 참조하여 에너지 변환 장치의 일부 구성들에 대해서 설명할 것이다.

도면들을 참조하면, 예시적인 에너지 변환 장치들이 구체적으로 도시되어 있다. 비록 도면들이 에너지 변환 장치들의 대안적인 구성들을 제시하고 있지만, 그 도면들은 반드시 실척일 필요가 없을 것이고 그리고 특정 도면들은 구성의 보다 양호한 묘사 및 설명을 제공하기 위해서 과장될 수 있을 것이다. 본원에 기술된 구성들은 포괄적인 것이 아니고 또는 이하의 구체적인 설명에 개시된 정밀한 형태들로 장치를 제한하기 위한 것이 아니다.

통상적인 회전 운동 에너지 변환 시스템(10)을 개략적으로 도시하고 있는 도 1 및 2를 참조하여, 에너지 변환 시스템(10)의 기계적, 자기적 및 전자기적 요소들의 전체적인 배열이 설명될 것이다. 특히, 도 1 및 2는 예시적인 선형 운동 에너지 변환 장치(100) 및 예시적인 회전 운동 에너지 변환 장치(200)를 가지는 예시적인 회전 운동 에너지 변환 시스템(10)의 개략적인 도시를 제공한다. 예시적인 대안적 운동 및 회전 운동 에너지 변환 장치들이 다른 도면들에 도시되어 있고 그리고 후속하여 설명된다.

도 1 및 2를 계속 참조하면, 선형 운동 에너지 변환 장치(100)는 제 1 길이방향 축(108)을 형성하는 고정형 프레임(104)을 구비한다(도 1 참조). 복합 자기적 피스톤(110)이 기계적 및/또는 자기적 수단에 의해서 제한되어, 도시된 중심 위치 주위로 제 1 길이방향 축(108)을 따라서 왕복운동할 수 있다. 고정형 프레임(104)은 피스톤(110)을 둘러싸는 하우징(112) 뿐만 아니라, 이하에서 설명하는 바와 같이, 하우징(112) 내에서 피스톤(110)을 위치시키기 위해서 피스톤(110)과 상호작용할 수 있는 축방향 단부 자석들(114)(도 2 참조) 및/또는 방사상 측부 자석들(116)(도 2 참조)을 포함할 수 있을 것이다. 고정형 프레임(104)에 대한 부가적인 구성의 상세 사항들 및 대안적인 구성들이 이하에서 설명될 것이다. 고정형 프레임(104)은 복합 자기적 피스톤(110)과 상호작용할 수 있는 코일 또는 도넛형(toroidal) 권선(120)을 구비할 수 있을 것이며, 그에 따라 제 1 길이방향 축(108)을 따른 자기적 피스톤의 진동에 응답하여 권선 내에서 전류를 생성할 수 있을 것이다.

회전 운동 에너지 변환 장치(200)는, 예를 들어 제 2 길이방향 축(208)(도 2 참조)을 형성하는 샤프트(202)에 대해서 장착된, 회전가능한 프레임(204)을 구비하며, 회전가능한 프레임(204)이 상기 제 2 길이방향 축(208) 주위로 회전되도록 제한된다. 회전가능한 프레임(204)은 수력(hydro), 풍력 또는 태양 에너지에 의해 동력을 공급받을 수 있을 것이다. 수력 파워는, 예를 들어 도 10 내지 13에 도시되고 이하에서 설명되는 시스템을 이용하는 것과 같이, 강 유동 또는 호수 및 대양의 파도 작용의 이용에 의해서 구현될 수 있을 것이다. 풍력 파워는, 도 14 내지 16에서 여러 가지로 도시되고 그리고 이하에서 설명되는 바와 같이, "다람쥐 쳇바퀴 장(squirrel cage)" 디자인, 프로펠러 또는 블레이드들, 또는 컵들을 이용하는 것에 의해서 구현될 수 있을 것이다. 태양 파워는, 제어 시스템으로 파워를 공급하기 위해서, 또는 이하에서 설명하는 바와 같이, 풍력이 최적에 미치지 못할 때 부가적 권선들을 선택적으로 동작시키기 위해서, 백업과 같은 보충적 파워 공급부로서 이용될 수 있을 것이다.

회전가능한 프레임(204)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 선형 운동 에너지 변환 장치(100)에 인접한 위치들까지 연장되는 하나 또는 둘 이상의 휘일들(206)을 포함할 수 있을 것이다. 하나 또는 둘 이상의 작동 자석들(210)은 제 2 길이방향 축(208)으로부터 이격되어 회전가능한 프레임(204)의 부분들에 대해서 고정되고, 그리고 회전가능한 프레임(204)이 제 2 길이방향 축(208) 주위로 회전될 때 제 2 길이방향 축(208) 주위의 원형 궤도 경로들(212)(도 1 참조)을 형성한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 회전가능한 프레임(204)이 2개의 작동 자석들(210)을 구비할 수 있을 것이고, 그 작동 자석들 중의 각각의 하나는 선형 운동 에너지 변환 장치(100)의 각 측부 상에 배치되어 반대 측부들과 결합된다. 반대되는 작동 자석들(210)을 제공하는 것은 피스톤(110) 상에서 균형잡힌 힘을 제공하고 그에 따라 피스톤(110)과 고정형 프레임(104)의 요소들 사이의 잠재적인 마찰을 감소시킨다. 피스톤(110)과 선택적으로 또한 상호작용하도록, 부가적인 작동 자석들이 제 2 길이방향 축 주위의 다른 각 위치들에서 제공될 수 있을 것이다. 요소들이, 치수적으로 그리고 자기적 강도에서 그리고 중량적으로, 비례에 따라 확대 또는 축소될 수 있을 것이고, 그에 따라 회전가능한 프레임(204)의 예상되는 회전 속도 범위에 대해서 피스톤(110)의 원활한 진동 또는 왕복을 제공할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 피스톤(110)의 진동 주파수는 자석(210) 또는 자석들의 회전 주파수와 같거나 그보다 클 수 있을 것이다.

회전가능한 프레임(204)은, 후술하는 베인들 또는 유사 장치들의 이용을 통해서, 공기 또는 물과 같은 이동 유체에 의해서 회전될 수 있을 것이며, 그에 따라 이동 유체의 운동 에너지를 포획할 수 있을 것이다. 고정형 프레임(104)이 임의의 통상적인 수단에 의해서 제 2 길이방향 축(208) 및 회전가능한 프레임(204)에 대해서 위치적으로 고정될 수 있다는 것을 추가적으로 이해할 수 있을 것이다. 장치들(100 및 200)의 요소의 보다 명료한 도시를 위해서, 장치들(100 및 200)의 지지 구조에 대해서는 도 1 및 2에서 생략하였다. 사용시에, 회전가능한 프레임(204)이 회전됨에 따라, 작동 자석들(210)이 복합 자기적 피스톤(110)의 범위 내외로 제 2 길이방향 축(208)의 궤도를 따라 운동하고, 그에 따라 복합 자기적 피스톤과 주기적으로 상호작용하고 그리고 고정형 프레임(104)에 대한 피스톤(110)의 진동을 유발한다. 피스톤(110)의 이러한 진동은 도넛형 권선(120) 내에 전류를 생성하고, 그에 따라 회전 운동 에너지 변환 시스템(10)이 이동 유체의 운동 에너지를 회전가능한 프레임(204)의 회전 운동 에너지로 변환할 수 있게 허용하고, 이어서 피스톤(110)의 선형 운동 에너지로 변환할 수 있게 허용하고, 그리고 최종적으로 도넛형 권선(120)을 통한 전류 형태의 전기적 파워로 변환할 수 있게 허용한다.

이동 유체의 운동 에너지의 전기적 파워로의 변환 효율은 회전 운동 에너지 변환 시스템(10) 내에서의 하나의 스테이지로부터 다음 스테이지로의 에너지를 전달하는 것의 효율에 의존할 것이다. 이는, 시스템(10)의 효과적인 동작을 최적화하기 위해서, 모든 요소들에 대해서 적절한 경량의 재료들을 선택함으로써, 그리고 자기적 요소들의 축척을 결정하고(scaling) 그리고 그들의 상대적인 자극 배향들을 선택함으로써, 개선될 수 있을 것이다. 그에 따라, 저중량과 조합된 희망하는 강도(strenth)를 제공하기 위해서, 에너지 변환 시스템(10) 내에서 사용된 자석들 모두가 네오디뮴 자석들과 같은 희토류 자석들일 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그에 따라, 축방향 자기적 요소 및 방사상 자기적 요소를 가지도록 하기 위해서 복합 자기적 피스톤(110)이 제조 또는 선택된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 축방향 자기적 요소는 축방향 단부 자석들(114)과 상호작용하여 피스톤(110)의 운동을 제한할 수 있을 것이고 그리고 고정형 프레임(104) 내의 중앙 위치로 복귀하기 위한 피스톤(110)을 가속할 수 있을 것인 반면, 방사상 자기적 요소는 도넛형 권선(120)과 상호작용하여 전류를 생성할 수 있을 것이다. 축방향 자기적 요소는 또한 작동 자석(210)과 상호작용하는데 사용될 수 있다. 축방향 자기적 요소는 또한 방사상 측부 자석들(116)과 상호작용하여 피스톤의 배치 및 마찰 감소를 도울 수 있을 것이다. 그에 따라, 도 1에 도시된 바와 같이, 축방향 단부 자석들(114)에 의해서 제시된 각각의 면들과 동일한 극성의 축방향 자극들을 효과적으로 나타내도록, 그리고 방사상 측부 자석들(116)에 의해서 제시된 것과 동일한 극성의 방사상 자극들을 효과적으로 나타내도록, 복합 자기적 피스톤(110)이 제조되거나 선택될 수 있을 것이다. 또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 작동 자석들이 피스톤(110)에 접근할 때 피스톤(110)의 방사상 자기적 요소와 동일한 극성의 면들을 효과적으로 나타내도록 그리고 작동 자석들이 그들의 궤도 경로들을 따라서 피스톤을 통과하고 그리고 피스톤으로부터 후퇴될 때 피스톤(110)의 방사상 자기적 요소와 동일한 극성의 면을 효과적으로 나타내도록, 작동 자석들(210)이 선택되고 배향될 수 있을 것이다. 보다 특히, 작동 자석들(210)이 피스톤(110)을 향해서 이동할 때, 피스톤(110)의 상호작용 면들 및 작동 자석들(210)은 서로를 배척하며, 그에 따라 작동 자석(210)이 피스톤(110)에 힘을 가하게 하여 피스톤을 단부 자석을 향해서 이동시킨다. 작동 자석(210)이 피스톤(110)을 지날 때, 피스톤(110)의 반대되는 면들과 작동 자석(210)이 상호작용하기 시작하고 그리고 피스톤(110)은 반대 방향으로 가압된다. 또한 단부 자석들(114)이 피스톤에 작용하여 서행시키고 그리고 최종적으로는 피스톤의 이동 방향을 역전시킨다.

힘들이 피스톤(110)의 희망하는 작용을 생성하기 위해서 균형을 이루도록 각각의 극성들이 선택되기만 한다면, 전술한 구성들에서의 동일한 극성들을 반대되는 극성들로 치환될 수 있을 것이고, 그에 따라 자석(210)이 피스톤(110)을 끌어 당기고 그리고 피스톤을 축방향 단부 자석을 향해서 가속시킬 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

복합 자기적 피스톤(110)에 대한 이러한 복합 자기적 디자인은, 예를 들어, 2개의 동심적으로 배치된 자석들로 이루어진 피스톤을 구성함으로써 제공될 수 있을 것이고, 상기 2개의 자석들 중 하나는 축방향으로 자기화되고 그리고 다른 하나는 방사상으로 자기화되며, 그에 따라 복합 필드를 제공할 수 있을 것이다. 이러한 것은, 도 3에 도시된 바와 같이, 개별적으로 제조되고 그리고 링(124) 내에서 둘러싸이거나, 또는 에폭시 재료에 의해서 함께 체결되는 복수의 자기적 세그먼트들(122a-122h)로 복합 자기적 피스톤(110)을 구성함으로써, 도 3에 도시된 바와 같이 다르게 제공될 수 있을 것이다. 링(124)이 알루미늄을 포함할 수 있고 그리고 외측의 원통형 벽(132) 및 자기적 섹션들과 결합하기 위한 적어도 하나의 환형 벽(134)을 가질 수 있다. 환형 벽(134)은, 일부 적용예들에서 요구될 때, 샤프트와 같은 다른 요소들에 복합 자기적 피스톤(110)을 장착하기 위해서 이용하기 위한 중앙 배치형 개구(136)를 가질 수 있을 것이다.

복합 자기적 피스톤(110)은 미국 알라바마 버밍햄의 George Mizzell 소유의, 1836 Canyon Road, Vestavia Hills, AL 35216 소재의 Engineered Concepts가 판매하고 그리고 예를 들어 부품 번호 RR0060N, RR0090N, 또는 RR0100S 로서 SuperMagnetMan 이라는 명칭으로 판매 주문되는 타입의 방사상 네오디뮴 링 자석일 수 있다. 본원 발명자들은, 그러한 자석들이, 예를 들어 하나의 면(126) 상에서 북극을 효과적으로 나타내도록 그리고 도시하지 않은 반대쪽 면 상에서 남극을 효과적으로 나타내도록 축방향 자기적 요소, 그리고 또한 제 1 원호형 면(128) 상의 북극과 같은 제 1 자극, 및 제 2 원호형 면 표면(130) 상의 남극과 같은 반대되는 자극을 나타내는 방사상 요소를 가지는 성질을 가진다는 것을 실험적으로 확인하였다.

예를 들어, 수용가능한 복합 피스톤(110)은 8개의 개별 등급 N42 직경 자석 세그먼트들을 이용하여 제조된다. 일부 적용예들의 경우에, 보다 더 약한 복합 피스톤이 등급 N40 또는 등급 N32 직경 자석 세그먼트들로부터 적합하게 제조될 수 있을 것인데, 이는 보다 더 약한 자석 세그먼트들을 이용하여 조립하는 것이 보다 더 용이하기 때문이다. 피스톤(110) 자기장의 가우스 강도, 강도 및 길이와 같은 그러한 변수들뿐만 아니라, 방사상 자석의 속도(진동들)가 최대화된다는 것이 실험적으로 제안되었다. 또한, 제 2 방사상 자석의 부가가 도움이 되는 것으로 실험적으로 확인되었다. 그러나, 지금까지의 실험들로부터, 최대화를 위한 가장 중요한 변수들이 가우스 강도 및 방사상 자기적 강도이며, 그에 따라 등급 N52 자석으로부터 제조된 피스톤이 바람직할 수 있다는 것이 확인되었다.

선형 운동 에너지 변환 장치(100')에 대한 추가적인 상세 사항들 및 대안들이 도 4 내지 6에 도시되어 있다. 장치(100')의 고정형 프레임(104)은 플라스틱과 같은 적합한 비-전도성 재료로 형성된 튜브 또는 내측 하우징(140)을 포함하여, 도넛형 권선(120)(도 4 및 5 참조)을 그 주위에서 지지하고 그리고 축방향 단부 자석들(114)의 쌍(도 4 및 6 참조)을 내측 하우징(140)의 각 단부에서 지지한다.

제 2 권선이 채용될 수 있다는 것을 주지하여야 하며, 상기 제 2 권선은, 에너지가 선택적으로 공급되었을 때, 피스톤(110)에 작용하는 힘들의 균형을 일시적으로 깨뜨려서 피스톤(110)의 진동을 개시하거나 보조한다. 피스톤(110)이 다른 자기적 요소들에 대해서 상대적으로 이동하게 하는 기계적 작용에 의해서 피스톤(110)의 진동이 부가적으로 또는 대안적으로 개시되거나 보조될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 대안적으로, 복수의 도넛형 권선들(120)이 제공될 수 있을 것이다. 하나 또는 둘 이상의 수동적인(passive) 도넛형 권선들이 제공되어 피스톤의 운동의 함수로서 출력 전류를 생성할 수 있을 것이다. 하나 또는 둘 이상의 능동형 도넛형 권선들이 제공되어 피스톤의 자기장에 반대되는 자기장을 생성할 수 있을 것이다. 수동적인 도넛형 권선(120)은 능동적인 도넛형 권선 보다 상당히 더 크다. 수동적인 권선은 풍력이 최적에 미치지 못할 때 태양 파워에 의해서 동작될 수 있을 것이다. 수동적인 도넛형 권선과 상호작용하는 피스톤에 의해서 생성된 에너지는 배터리 또는 커패시터와 같은 전기 장치로 전달되고 그리고 저장될 수 있을 것이다. 도시되지 않은 능동적인 도넛형 권선은, 수동적인 도넛형 권선과 상호작용하는 피스톤 자석들을 이동시킴으로써 이전에 생성된 전기 에너지를 이용할 수 있을 것이다.

내측 하우징(140)은 피스톤(110)을 위한 채널(144)을 형성한다. 도넛형 권선(120)은 피스톤의 두께 보다 더 큰 갭을 제공하도록 내측 하우징(140)의 단부들을 향해서 부분적으로만 연장하는 것으로 도시된 바와 같이 크기가 결정될 수 있을 것이고, 그에 따라 피스톤이 단부 자석들(114)에 접근할 때 자기장이 파괴되어, 도넛형 권선(120) 내에서 생성된 전류내의 전기적 스파크를 유발할 수 있다.

고정형 프레임(104)은 상기 내측 하우징(140), 도넛형 권선(120) 및 단부 자석들(114)을 둘러싸는 외측 하우징(142)을 더 포함할 수 있을 것이다. 외측 하우징(142)은 벽(150)(도 4 참조)에 의해서 각 단부가 폐쇄된 원통형 벽(148)을 포함할 수 있을 것이며, 그에 따라 운동 에너지 변환 장치(100')의 자기적 요소들에 대한 외장을 형성할 수 있을 것이다. 축방향 단부 자석들(114)이 벽들(150) 대해서 접하거나 부착될 수 있을 것이다. 도 4-6에서, 요소들 사이의 마찰로 인한 에너지의 손실을 피하기 위해서 피스톤(110)이 내측 하우징(140)으로부터 이격된 것으로 도시되어 있다는 것을 주지하여야 한다. 그러나, 피스톤(110)의 측부들 사이의 공기 유동을 제한하기 위해서, 피스톤(110)이 도넛형 권선(120)의 내측 지름에 대해서 충분히 큰 지름을 가지도록 조화될 수 있을 것이다. 피스톤(110)의 어느 측부 상에서의 공기 압력 누적에 의해서 피스톤(110)의 운동이 방해 받는 것을 방지하기 위해서, 하우징(112)은 피스톤(110)의 각각의 측부들로의 공기 유동을 허용하는 개구부들(146)(도 4 및 6 참조)을 구비할 수 있을 것이다. 또한, 개구부들(146)은 선형 운동 에너지 변환 장치(100')의 내부 요소들의 약간의 냉각을 제공할 수 있을 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 도넛형 권선(120)으로부터 파워를 취하기 위한 와이어들(154)(도 4 참조)이 원통형 벽(148) 내의 개구들(156)을 통해서 외부 파워 공급형 장치, 전력망, 또는 에너지 저장 장치와 같은 전기적 로드(160)까지 연장된다. 프라이밍(priming)이 요구되는 용도들을 위해서 피스톤의 진동을 개시하기 위해서 피스톤(110)으로 일시적인 자기적 불균형을 도입할 필요가 있을 때, 예를 들어 마이크로프로세서에 의해서 자동적으로 작동되거나 또는 수동적으로 작동되는 스위치(166)에 의해서 선택적으로 동작되는, 도넛형 권선(120)을 파워 공급원(164)에 연결하기 위한 와이어들(162)이 제공될 수 있을 것이다. 풍력이 최적치에 미치지 못할 때 마이크로프로세서가 태양 파워에 의해서 동작될 수 있을 것이다. 그 대신에, 와이어들(154 및 162)이 무선 파워 전송 시스템으로 대체될 수 있을 것이다.

선형 에너지 변환 장치(100')가 교류 또는 직류 출력을 제공하도록 구성될 수 있을 것이다. 전기적 로드(160)가 파워를 소비할 수 있는 하나 또는 둘 이상의 전기적 장치들, 추후의 이용을 위해서 파워를 저장하기 위해서 이용되는 하나 또는 둘 이상의 저장 장치들, 또는 파워 분배 시스템일 수 있을 것이다. 전기적 로드(160)를 위한 예시적인 저장 장치들은 배터리들, 플라이휘일들, 커패시터들 및 전기적, 화학적, 열적 또는 기계적 저장 시스템들을 이용하여 에너지를 저장할 수 있는 다른 장치들을 포함한다. 전기적 로드(160)를 위한 예시적인 전기 장치들은 전기 모터들, 연료 전지들, 가수분해(hydrolysis) 변환 장치들, 배터리 충전 장치들, 조명들, 및 가열 요소들을 포함한다. 예시적인 파워 분배 시스템 전기적 로드(160)는 가정용 회로 차단 패널, 또는 전력망을 포함한다. 전기적 로드(160)는 또한 인버터와 같이 전기적 로드(160)에 의해서 이용될 수 있는 형태로 파워를 변환할 수 있는 중간의 전기적 파워 변환 장치 또는 장치들을 포함할 수 있을 것이다.

파워 공급원(164) 및 전기적 로드(160)가 선형 운동 에너지 변환 장치(100')와 독립적인 것으로서 개략적으로 도시되어 있지만, 파워 공급원(164) 및 전기적 로드(160) 중 어느 하나 또는 양자 모두가 소정 방식으로 선형 운동 에너지 변환 장치(100')와 통합되거나 또는 선형 운동 에너지 변환 장치(100')와 연결될 수 있을 것이다. 특히, 그 대신에, 파워 공급원(164) 및 전기적 로드(160) 중 하나 또는 양자 모두가 외측 하우징(142)에 부착될 수 있을 것이고 또는 외측 하우징(142) 상에 형성된 격실 내에 장착될 수 있을 것이다. 또한, 파워 공급원(164) 및 전기적 로드(160)가 제 1 길이방향 축(108)에 대해서 접선방향으로 위치되는 것으로 개략적으로 도시되어 있으나, 일부 구현예들의 경우에 파워 공급원(164) 및 전기적 로드(160) 중 하나 또는 양자 모두가 길이방향 축(108)을 따라서 바람직하게 위치될 수 있을 것이다. 그에 따라, 예를 들어, 도시되지 않았으나, 외측 하우징(142)이 단부 자석들(114) 중 하나를 지나서 연장할 수 있으며, 그에 따라 배터리들, 라디오, 또는 조명과 같은 전기적 로드(160) 또는 파워 공급원(164)의 저장을 위한 격실을 제공할 수 있을 것이다. 부가적으로 또는 대안적으로, 도시되지 않은 제거가능한 커버는 전기적 로드 또는 파워 공급원을 위한 또는 그들의 요소들의 교체를 위한 격실 또는 부착 특징부를 외측 하우징(142)의 일 단부에 구비할 수 있을 것이다. 풍력이 최적에 미치지 못할 때, 라디오 또는 조명이 태양 파워, 배터리들, 또는 전력망으로부터의 파워로 동작될 수 있을 것이다.

외측 하우징(142)은 에어포일 기반의 회전 휘일을 위한 타워와 같은 고정 구조물로 선형 운동 에너지 변환 장치(100')를 선택적으로 장착하기 위한 적절한 다리부들(legs) 또는 장착 지점들을 구비할 수 있을 것이다.

예시적인 선형 에너지 변환 장치(100')는 도 1 및 2에 도시된 방사상 측부 자석들(116)과 같은 방사상 자기적 공급원을 포함하지 않는데, 이는 그러한 방사상 자기적 공급원들의 이용이 적용예에 따라서 선택적이기 때문임을 주지하여야 한다.

이제, 도 7 내지 9를 참조하여, 다른 예시적인 선형 운동 에너지 변환 장치(100")를 설명한다. 장치(100")는 이하에서 설명하는 것을 제외하고 장치(100')와 유사하다. 선형 운동 에너지 변환 장치(100")에서, 복합 자기적 피스톤(110")이 도넛형 권선(120")의 외부에 배치되고, 그리고 링 형상의 축방향 단부 자석들(114")의 쌍(도 7 및 9 참조)이 복합 자기적 피스톤(110")에 대한 작용을 위해서 제공된다.

선형 운동 에너지 변환 장치(100)의 대안적인 예들을 앞서서 설명하였지만, 이제 회전 운동 에너지 변환 장치(200)의 대안적인 예들을 설명하는 도 10 내지 16에 대해 관심을 가지고 설명한다.

도 10 내지 12에 도시된 제 1의 예시적인 회전 운동 에너지 변환 장치(200')는 유동하는 물의 운동 에너지를 회전 운동 에너지로 변환하기 위해서 회전 휘일(220)을 이용한다. 특히, 회전 휘일(220)은 액슬(224)에 장착된 2개의 이격된 디스크 형상의 벽들(222) 그리고 액슬(224)로부터 방사상으로 벽들(222) 사이에서 연장하는 패들들, 베인들 또는 블레이드들(226)과 같은 복수의 유체 저항 표면들을 가진다. 회전 휘일(220)이 이동하는 물 내에 부분적으로 잠겨질 때, 물이 블레이드들(226) 상에 작용하여 워터 휘일의 회전을 유발할 것이다. 작동 자석들(228a)이 각각의 블레이드의 면에 장착될 수 있을 것이다. 그 대신에, 작동 자석들(228b)(도 11 및 12)이 벽들(222) 중 하나의 변에 장착될 수 있을 것이다. 선형 운동 에너지 변환 장치(100)가 벽들(222) 중 하나에 인접한 고정 위치에 장착될 수 있을 것이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 워터 휘일(220)이 회전됨에 따라, 작동 자석들(228a) 및 작동 자석들(228b)이 전기적 파워를 생성하기 위해서 전술한 방식에 따라 선형 운동 에너지 장치(100) 내의 피스톤(110)과 상호작용한다. 도시된 바와 같이, 선형 운동 에너지 장치(100)가 2개의 워터 휘일들(220) 사이에 장착될 수 있고 그리고 양 휘일들로부터 에너지를 수용할 수 있을 것이다.

대안적인 예시적인 회전 운동 에너지 변환 장치(200")가 도 13에 도시되어 있다. 장치(200")는 이하에 기술된 것을 제외하고 장치(200')와 유사하다. 특히, 운동 에너지 변환 장치(200")가 회전 휘일과 동일한 평면 내에 배치된 선형 운동 에너지 장치(100)와 상호작용하도록 디자인된 회전 휘일(220)을 가진다. 이러한 경우에, 작동 자석들(228c)이 블레이드들(226)의 엣지들 상에 위치될 수 있을 것이다. 도시되지 않은 부가적인 회전 휘일이 선형 운동 에너지 장치(100)의 다른 측부 상에 존재하는 도시된 회전 휘일과 동일 평면 상에 제공될 수 있을 것이다. 풍력은 또한 이러한 회전 휘일을 구동할 수 있을 것이다.

다른 대안적인 예시적 회전 운동 에너지 변환 장치(200''')가 도 14 및 15에 도시되어 있다. 장치(200''')는 기둥(post)(232)을 포함하고, 상기 기둥은 다시 유체 저항 장치(238)에 장착되고 그리고, 예를 들어, 건물(234)에 부착된다. 장치는 기둥(232)에 회전가능하게 장착된 회전 프레임(236)을 가진다. 장치(200''')는 기둥(232)으로부터 방사상으로 연장하는 아암들(240)의 단부들 상에 장착된 복수의 블레이드들, 예를 들어 컵들(238)을 가진다. 선형 운동 에너지 장치(100)의 쌍이 기둥 주위의 반대되는 방사상 방향들로 회전 프레임(236)에 근접하여 기둥(232)에 고정적으로 장착된다. 도 15에 도시된 바와 같이, 예를 들어 선형 운동 에너지 장치(100)에 의해서 주기적으로 스위핑(sweep)되도록 하기 위해서 그에 따라 전기적 파워를 생성하기 위한 전술한 방식들에 따라 선형 운동 에너지 장치(100) 내의 피스톤(110)과 상호작용하도록 하기 위해서, 복수의 작동 자석들(242)이 아암들(240)에 장착된다.

또 다른 대안적인 예시적 회전 운동 에너지 변환 장치(200'''')가 도 16에 도시되어 있다. 장치(200'''')는 수직 기둥(254)으로부터 전체적으로 수직으로 연장하는 액슬(252)에 장착된 풍력 저항 베인(250)을 포함하고, 상기 수직 기둥은 다시 지면에 장착될 수 있을 것이다.

장치(200'''')는 액슬(252)로부터 방사상으로 연장하는 아암들(258)의 단부들 상에 장착된 복수의 블레이드들 또는 베인들(256)을 구비한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 아암들(240)이 원통형 막대들일 수 있을 것이다. 그 대신에, 프로펠러들 또는 터빈 블레이드들 또는 임의의 에어포일 구성으로 성형되는 바와 같이, 아암들(258)이 풍력의 일부를 포획하도록 성형될 수 있을 것이다. 3개의 선형 운동 에너지 장치들(100)이 액슬(252) 주위로 원호방향으로 이격된 위치들에서 기둥(254)에 고정적으로 장착된다. 예를 들어 선형 운동 에너지 장치(100)에 의해서 주기적으로 스위핑되도록 하기 위해서 그에 따라 전기적 파워를 생성하기 위한 전술한 방식들에 따라 선형 운동 에너지 장치(100) 내의 피스톤(110)과 상호작용하도록 하기 위해서, 복수의 작동 자석들(260)이 아암들(258)에 장착된다.

이제, 도 17 및 18을 참조하여, 대안적인 회전 운동 에너지 변환 시스템들(10', 10" 및 10''')이 각각 도시되어 있으며, 여기에서 복수의 선형 운동 에너지 변환 장치들(100) 및 회전 운동 에너지 변환 장치들(200)을 이용하여 이동 유체로부터 파워를 획득할 수 있다.

도 17 및 18에 각각 도시된 회전 운동 에너지 변환 시스템들(10' 및 10")에서, 선형 운동 에너지 장치들(100) 및 회전 운동 에너지 변환 장치들(200)이 교호적으로 배치되어, 선형 장치들이 2개의 인접한 회전 장치들로부터 파워를 획득하고 그리고 회전 장치들은 2개의 인접한 선형 장치들로 파워를 제공한다. 회전 운동 에너지 변환 시스템(10')에서 회전 장치들은 동축인 반면, 회전 운동 에너지 변환 시스템(10")에서 회전 장치들은 평행 축을 가지며 선형 장치들은 회전 장치들과 동일 평면 상에 존재한다. 이러한 배향들 사이의 선택은 시스템 장착에 이용될 수 있는 공간의 기하형태 및 유체 유동의 방향 및 성질에 따라서 달라질 수 있을 것이다.

도 19에 도시된 회전 운동 에너지 변환 시스템들(10''')에서, 각각의 선형 운동 에너지 장치(100)가 회전 운동 에너지 장치들(200)의 쌍 사이에 배치되나, 액슬(280) 주위로 독립적으로 회전될 수 있는 서브시스템을 포함한다.

그에 따라, 도 1 내지 16에 도시된 바와 같이, 에너지 변환 시스템이 단일 스테이지로서 구성될 수 있고, 도 17 및 10에 도시된 바와 같이 복수의 독립적인 스테이지들로서 구성될 수 있으며, 또는 도 18에 도시된 바와 같이 복수의 커플링된 스테이지들로서 구성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 복수의 스테이지들로 구성될 때, 개별적인 스테이지들이 외측 또는 내측 하우징들 또는 전기적 장치들과 같은 요소들을 공유할 수 있을 것이다. 하나 또는 둘 이상의 스테이지로부터의 복수의 선형 에너지 변환 장치들이 병렬로 또는 직렬로 또는 기능적으로 독립되어 전기적으로 또는 기계적으로 연결될 수 있을 것이다.

전술한 설명이 예시적인 것이고 제한적이 아님을 이해할 수 있을 것이다. 전술한 설명으로부터, 소위 당업자는 제공된 예들 이외의 많은 구성들 및 적용예들을 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

예를 들어, 전술한 예시적인 구조들에서, 회전 운동 에너지 변환 장치(200)가 이동 유체로부터 파워를 수용하고 그리고 선형 운동 에너지 변환 장치(100)가 해당 에너지를 수용하고 그리고 전기적 파워로 변환하였지만, 장치들(100 및 200) 중 어느 하나에 대한 다른 카테고리의 파워 입력들 및 출력들을 제공하기 위해서 회전 운동 에너지 변환 시스템(10)의 요소들이 변경될 수 있을 것이다. 예를 들어, 선형 운동 에너지 장치(100)가 파워를 공급받을 수 있을 것이고, 그에 따라 도넛형 권선(120)이 피스톤(110)을 구동시켜 회전가능한 프레임 상의 작동 자석들과 상호작용하여 팬을 구동시킬 수 있을 것이다. 대안적으로, 에너지 변환 장치들(100 및 200)이 발전기, 모터, 펌프, 압축기, 엔진, 또는 전기적 파워 변환기로서 이용될 수 있을 것이다.

풍력, 수력(파장, 흐름 또는 수직 낙하 에너지), 또는 이동하거나 튀어오르는 객체들로부터의 기계적 입력과 같은 임의의 기계적인 작용에 의해서 피스톤(110)과 도넛형 권선(120) 사이의 상대적인 운동이 유발될 수 있을 것이다. 대안적으로, 에너지 변환 장치가 중간 저장장치를 이용하지 않고 도넛형의 전기적 출력을 이용할 수 있는 장치 또는 장치들로 파워를 전달할 수 있을 것이다. 이러한 장치는 전기 모터들, 연료 전지들, 가수분해 변환 장치들, 배터리 충전 장치들, 조명들, 및 가열 요소들을 포함하나, 이러한 것으로 제한되는 것은 아니다. 그 대신에, 이동하는 공기 또는 물과 같이 피스톤의 면에 직접적으로 작용하는 유체, 피스톤의 하나의 면에 대해서 팽창하는 가연성 연료, 또는 온도 변화에 응답하여 팽창 또는 수축하는 유체에 의해서, 피스톤이 직접적으로 변위될 수 있을 것이다.

전술한 에너지 저장 장치가, 상업적 전력망으로부터 공급되는 주거 가정용 퓨즈 패널과 같은 개별적인 회로형 시스템 또는 수력, 원자력, 태양, 파동, 또는 개인용 및/또는 공공용 파워 소모를 위해서 이용되는 것과 같은 다른 타입의 전기적 파워 발생 그리드와 협력하여 작동할 수 있고 그리고 그러한 것으로 일차적으로 또는 이차적으로 입력을 제공할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 장치는 단일형 본체(entity) 또는 증가된 출력을 제공하기 위해서 직렬, 병렬 또는 독립적인 유닛으로 조합된 복수형 본체들일 수 있을 것이다. 장치는, 피스톤 운동이 유지되도록 능동적인 도넛체에 대한 입력 에너지를 계산하고 조정할 수 있는 전기적 장치와 협력하여 작동할 수 있을 것이다. 장치는, 능동 도넛형 권선에 대한 입력 에너지를 계산 및 조정할 수 있는 전기적 장치, 예를 들어, 프로그래밍될 수 있는 전자적 제어 모듈과 협력하여 작동될 수 있고, 입력 신호들을 판독할 수 있으며, 그리고 능동적인 도넛형 권선에 대한 최소의 에너지 입력으로 피스톤이 감속되고, 정지되며 그리고 역전되도록 상기 입력 신호들을 기초로 출력 신호들을 생성할 수 있을 것이다.

피스톤 감속 및 가속을 유도할 수 있는 그리고 필요한 속도로 피스톤을 가속하기 위해서 요구되는 필요 도넛형 에너지를 계산하고 그리고 능동 도넛형 권선에 대한 전류 및 전압 입력 신호를 생성할 수 있는 제어 알고리즘이 제공될 수 있을 것이다. 그러한 알고리즘은 3개의 다른 위치들에서의 피스톤의 이동으로 이루어진 입력 신호들을 최소로 요구할 것이며, 예를 들어, 홀 효과 센서들을 이용하는 단계로서, 각각의 감지된 위치가 수평적인 자석을 향해서 길이방향 축을 따라서 피스톤 중간-이동 지점을 지나는, 홀 효과 센서 이용 단계, 2개의 시간 기간들에 대해서 속도 및 감속을 유도하기 위해서 3개의 펄스들 사이의 시간을 계산하는 단계, 피스톤 위치의 함수로서 감속율을 계산하는 단계, 피스톤이 정지하게 될 지점을 계산하는 단계, 희망하는 초기 속도로 피스톤을 가속하는데 필요한 힘을 결정하는 단계, 필요한 도넛형 권선 힘을 계산하는 단계, (고정형 전압에 대한) 전류 명령 신호를 생성하는 단계, 길이방향 축을 따라서 반대 방향으로 피스톤이 이동할 때 가속도를 측정하는 단계 그리고 3개의 지점들 사이의 이동에 필요한 시간을 계산함으로써 필요한 피스톤 목표 속도를 유지하기 위해서 도넛체 파워 레벨을 조정하는 단계를 요구할 것이다.

에너지 변환 장치는, 제어 알고리즘과 협력하여, 능동적인 도넛형 권선으로의 입력 에너지를 최소화하도록 구성될 수 있을 것이다. 제어 알고리즘은 F_tin > F_P-F_Mh의 관계식을 유지할 것이며, 이때 F_tin 은 입력 전압에 비례하는 피스톤(110)의 힘의 방향에 반대되는 방향을 따른 능동적인 도넛형 권선 힘이고, F_P 는 피스톤 힘이며, 그리고 F_Mh 는 피스톤 힘(F_P)에 반대되는 수평 자석의 힘이며, 그에 따라 길이방향 축을 따라서 이동하는 피스톤이 수평 자석에 접근함에 따라, 단부 자석들의 척력과 협력적으로 작용하여, 인가된 힘 F_tin 에 의해서 미리 결정된 실험적으로 얻어진 비율(rate)로, 도넛형 권선(120)에 의해서 감속되고, 순간적으로 정지되며 그리고 이어서 가속된다.

단부 자석과 협력 작용하여, 이들 자석들을 포함하는 이러한 장치의 길이방향 축이 수평 평면에 대해서 0-90도로 배향될 수 있고, 즉 수직 중간-지점으로부터 유한한 거리로 변위될 수 있으며, 그러한 것의 일차적인 힘 필드들은 방사상 자석들로부터 90도로 배향되고, 방사상 자석이 제공되는 적용예들에서, 상기 자석들의 필드들이 방사상 자석들의 수직 축을 따른 방사상 자석들과 상호작용하도록 상기 자석들이 위치된다. 이러한 자석 또는 자석들이 정지형 방사상 자석들(도시된 바와 같음)에 대해서 내부에 또는 정지형 방사상 자석에 대해서 외부에 배치될 수 있으며, 다시 말해서 자석은 링 타입 자석 구성을 이용하는 정지형 방사상 자석 외측 지름 보다 더 큰 내측 지름을 가진다.

본원 개시 내용에서, 예시적인 회전 운동 에너지 변환 시스템이 선형 운동 에너지 변환 장치를 가지는 것으로 설명되었고, 여기에서 도넛형 권선에 의해서 둘러싸인 진동가능한 자기적 피스톤이 고정형 위치(회전 휘일의 회전 축으로부터 오프셋되며, 상기 회전 휘일은, 휘일이 이동 유체에 의해서 회전방식으로 구동될 때, 자석이 피스톤을 주기적으로 통과하도록 그리고 피스톤이 진동하도록, 그에 따라 권선 내에 전류를 유도하도록, 방사상으로 배치된 작동 자석을 가진다)에 제공된다. 상기 휘일은, 예를 들어, 이동하는 물 또는 공기에 의해서 구동되는 회전 휘일 또는 회전 베인들일 수 있을 것이다. 다른 예시적인 시스템에서, 휘일들의 쌍이 선형 운동 에너지 변환 장치의 반대되는 측부들 상에 배치되고, 그 각각은 회일들이 회전될 때 피스톤 상에 자기력들의 균형을 제공하도록 작동 자석 또는 복수의 자석들을 구비한다. 또 다른 예시적인 시스템에서, 복수의 각도적으로 이격된 작동 자석들이 하나 또는 둘 이상의 휘일들 상에 제공된다. 또 다른 예시적인 시스템에서, 복수의 선형 운동 에너지 변환 장치들이 하나 또는 둘 이상의 회전 휘일들에 대해서 각도적으로 이격된 위치들에서 고정적으로 장착되어 회전 휘일 또는 휘일들에 대항하여 균형잡힌 파워 드로우(power draw)를 제공한다.

중요한 것으로서, 시스템은 통상적인 풍력 터빈들보다 더 작은 스케일들로 효과적으로 동작될 수 있고, 그에 따라 가정에서 그리고 소규모 사업장에서 중요한 에너지 옵션이 될 수 있게 한다. 또한, 예를 들어, 보다 큰 회전 및 선형 운동 에너지 장치들을 제조함으로써, 운동 장치들의 복수의 스테이지들을 단일의 물 또는 풍력 구동형 회전 장치에 커플링함으로써, 또는 운동 에너지 변환 시스템을 각각 구비하는 복수의 유닛들을 하나의 기둥 또는 샤프트 상에 배치함으로써, 시스템은 보다 더 큰 설비들로 스케일링될 수 있을 것이다.

전술한 각각의 선형 운동 에너지 변환 장치가 그 디자인 고유의 최적의 속도 범위를 가질 것임을 이해할 수 있을 것이다. 회전 운동 에너지 시스템이 이동 유체의 다양한 속도들에 응답하여 회전될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 이동가능한 유체에 의해서 직접적으로 회전될 수 있는 회전가능한 프레임(200)이, 도 20에 도시된 바와 같이, 연속 가변형 속도 트랜스미션과 같은 기어링(290)의 시스템을 통해서, 선형 운동 에너지 변환 장치의 동작을 위한 최적의 속도로 회전하는 이차 프레임 또는 휘일(292)에 연결될 수 있을 것이다. 작동 자석들(294)이 이차 휘일(292)에 장착될 수 있을 것이고, 그에 따라 선형 운동 에너지 변환 장치(100)는 원하는 비율(rate)로 진동하게 된다. 그 대신에, 풍속이 변화됨에 따라 바람에 대해서 다소 효과적인 표면적을 제공하도록 블레이드들이 회전될 수 있을 것이다. 유사하게, 워터 휘일 또는 풍차와 연관된 선형 운동 에너지 변환 장치들의 수와 배열은, 예를 들어, 작동 자석의 영역을 향해서 또는 그로부터 멀리 선형 운동 에너지 장치들을 이동시키기 위한 메커니즘을 제공함으로써, 변화될 수 있을 것이다. 그 대신에, 유닛들을 유지하는 액슬 또는 자극이 회전 속도를 제한하게 위해서, 클러칭 또는 제동 시스템과 같은, 속도 조정 시스템을 구비할 수 있을 것이다. 그러한 클러칭, 블레이드 선회, 기어링 및/또는 장치 이동 시스템들이 마이크로프로세서에 의해서 자동화될 수 있을 것이고 그리고 구동될 수 있을 것이며 그리고, 소유자의 요구에 따라서, 시스템의 효율을 최적화하도록 또는 파워 출력을 최대화하도록 프로그램될 수 있을 것이다. 마이크로프로세서는 풍력이 최적에 미치지 못할 때 태양 파워에 의해서 동작될 수 있을 것이다.

그 대신에, 시스템이 바람 조건들을 변화시키기 위해서 자체 조정되도록 디자인될 수 있을 것이다. 예를 들어, 컵들 또는 패들들이 바람 조건들의 변화에 응답하여 신축되도록 디자인될 수 있을 것이며, 그에 따라 풍속의 증가에 대한 비선형적 응답을 제공하여 돌풍들 또는 과다한 바람의 영향을 줄일 수 있을 것이다. 예로서, 컵들이 1 내지 3 또는 5도 만큼 아래를 향할 수 있을 것이고, 또는 프로펠러 에어포일들이 약간의 상승을 생성하도록 디자인될 수 있을 것이며, 그에 따라 프로펠러 에어포일들이 바람을 포획하고 그리고 회전되기 시작할 때, 프로펠러 에어포일들 약간 상승할 것이고, 그에 따라 하단부에서의 마찰을 감소시킬 것이나, 프로펠러 에어포일들이 비상할 정도로 큰 상승을 생성하지 않는다. 그 대신에, 블레이드들이 가변 각도들로 디자인될 수 있을 것이며, 그에 따라 하단부 터빈이 1/2도가 되고, 다음 터빈이 1도가 되며, 그 위로는 1.5 내지 2도가 되며, 그리고 기타 등등이 되며, 그에 따라 터빈들이 회전될 때, 각 터빈이 위와 아래의 블레이드들로부터 분리되어 마찰을 줄이고 그리고 속도가 증가되어도 마모를 줄일 수 있게 된다.

하나의 구성과 관련하여 제시되고 또는 설명된 특징들이 다른 구성에 부가될 수 있을 것이고 또는 그 대신에 다른 구성에서 이용될 수 있을 것이며, 그러한 다른 구성에는 전술한 '관련 출원의 상호 참조'에서 언급한 가특허출원 또는 국제특허출원에서 제시되거나 설명된 구성들이 포함된다. 장치의 범위는, 전술한 설명을 참조하지 않고 결정되어야 하나, 그 대신에 첨부된 청구항들을 참조하여 그리고 그러한 청구항들과 균등한 전체 범위를 함께 참조하여 결정되어야 할 것이다. 본원에서 설명된 기술 분야에서 앞으로 개발이 이루어질 수 있다는 것이 예상되고 이해될 것이며, 그리고 개시된 시스템들 및 방법들이 그러한 추후의 구성들로 통합될 수 있을 것이 예상되고 이해될 것이다. 요약하면, 장치가 변경 및 변화될 수 있고 그리고 단지 이하의 청구항들에 의해서만 제한된다는 것을 이해하여야 할 것이다.

본원에서 다른 명시적 기재가 없다면, 모든 용어들이 가장 넓은 합리적 구성 및 일반적인 의미들로서 사용된 것임을 당업자가 이해할 수 있을 것이다. 특히, 청구항이 달리 명시적으로 제한하고 있지 않다면, 단수 관사(예를 들어, "a", 및 "the")의 이용은 하나 또는 둘 이상의 해당 구성요소를 인용하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

10 : 회전 운동 에너지 변환 시스템
100 : 선형 운동 에너지 변환 장치
104 : 고정형 프레임
110 : 복합 자기적 피스톤
112 : 하우징
114 : 축방향 단부 자석
120 : 코일 또는 도넛형 권선
200 : 회전 운동 에너지 변환 장치
202 : 샤프트
204 : 회전가능한 프레임
206 : 휘일
210 : 작동 자석

Claims

운동 에너지와 전기 에너지 사이의 변환을 위한 회전 운동 에너지 변환 시스템이며,
제 1 길이방향 축을 따라 변위가능한 자기적 피스톤과,
상기 제 1 길이방향 축 주위에 배치되는 권선과,
작동 자석이 상기 자기적 피스톤에 정기적으로 힘을 가하여 상기 자기적 피스톤을 상기 제 1 길이방향 축을 따라 진동시켜 상기 권선에 전류 및 전압을 유도함으로써 전기 에너지를 생성하도록, 상기 자기적 피스톤과 주기적으로 상호작용하기 위해 제 2 길이방향 축 주위의 궤도 경로에서 변위가능한 작동 자석을 포함하는,
회전 운동 에너지 변환 시스템.
제1항에 있어서, 복수의 작동 자석을 더 포함하며, 각각의 작동 자석은 상기 자기적 피스톤의 진동에 기여하도록 상기 자기적 피스톤에 주기적으로 자기력을 인가하는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제2항에 있어서, 상기 작동 자석의 적어도 한 쌍은 상기 자기적 피스톤에 균형잡힌 힘을 가하도록 상기 자기적 피스톤의 대향 측부 상에서 상기 제 2 길이방향 축 주위로 궤도운동하는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 길이방향 축은 수직이며 교차하지 않는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제1항에 있어서, 상기 회전가능한 프레임에 커플링되는 기어 시스템 및 상기 기어 시스템에 부착되는 이차 프레임을 더 포함하며, 상기 작동 자석은 상기 이차 프레임에 부착되는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제1항에 있어서, 상기 자기적 피스톤은 상기 작동 자석의 궤도 경로의 방사상 외측에 위치되는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제1항에 있어서, 상기 자기적 피스톤은 상기 작동 자석의 궤도 경로의 평면에 대해 인접한 평면에 위치되는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제1항에 있어서, 복수의 자기적 피스톤을 더 포함하며, 상기 각각의 자기적 피스톤은 상기 제 2 길이방향 축 주위로 다른 각 위치에 배치되는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제 2 길이방향 축 주위로 회전되도록 이동 유체에 의해 구동되는 회전가능한 프레임을 포함하는 회전 운동 에너지 변환 장치로서, 상기 작동 자석이 상기 회전가능한 프레임에 부착되는, 회전 운동 에너지 변환 장치와,
상기 자기적 피스톤을 상기 제 1 길이방향 축을 따라 진동시키는 고정형 프레임을 포함하는 선형 운동 에너지 변환 장치로서, 상기 자기적 피스톤이 상기 고정형 프레임에 수용되는, 선형 운동 에너지 변환 장치
를 더 포함하는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제9항에 있어서, 상기 회전가능한 프레임은 상기 제 2 길이방향 축을 따라 배치되는 액슬과, 상기 액슬에 부착되며 상기 액슬로부터 방사상으로 연장하는 블레이드를 포함함으로써, 상기 회전가능한 프레임은 상기 블레이드에 대한 이동 유체의 작용에 의해 회전 구동될 수 있는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제10항에 있어서, 상기 회전가능한 프레임은, 블레이드, 컵, 베인, 프로펠러, 에어포일로부터 선택된 표면, 또는 이런 표면의 임의의 변형체 또는 조합체를 이용하여 상기 이동 유체에 대한 저항을 제공하고 그리고 상기 회전가능한 프레임을 회전시키기 위한 토크를 인가하는 표면과 부착되는 회전 휘일을 포함하는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제10항에 있어서, 상기 회전가능한 프레임은 복수의 유체 저항 표면을 포함하는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제10항에 있어서, 상기 작동 자석은 유체 저항 표면에 부착되는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제10항에 있어서, 상기 회전가능한 프레임은 상기 액슬에 부착되는 적어도 하나의 휘일을 더 포함하며, 상기 유체 저항 표면은 상기 휘일로부터 연장하는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제9항에 있어서, 상기 고정형 프레임은 상기 권선 및 자기적 피스톤을 둘러싸는 하우징을 포함하는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제9항에 있어서, 상기 고정형 프레임은, 진동 중에 상기 자기적 피스톤의 변위를 제한하기 위해 그리고 상기 자기적 피스톤을 반대 방향으로 가속시키기 위해 상기 자기적 피스톤에 자기력을 가하도록 구성되며 상기 제 1 길이방향 축을 따라 배치되는, 단부 자석의 쌍을 포함하는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제9항에 있어서, 상기 자기적 피스톤은 축방향 자기적 요소 및 방사상 자기적 요소를 포함하는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
운동 에너지와 전기 에너지 사이의 변환을 위한 회전 운동 에너지 변환 시스템이며,
하우징과, 회전가능한 프레임에 수용되며 제 1 길이방향 축을 따라 변위가능한 자기적 피스톤과, 상기 제 1 길이방향 축 주위에서 상기 하우징 내에 배치되는 권선을 포함하는, 고정형 프레임과,
상기 제 1 길이방향 축에 수직이며 제 1 길이방향 축과 교차되지 않는 제 2 길이방향 축 주위로 회전하도록 이동 유체에 의해 구동되는 회전가능한 프레임을 포함하고,
상기 회전가능한 프레임은,
회전 운동 에너지를 상기 회전가능한 프레임에 부여하도록 상기 제 2 길이방향 축으로부터 방사상으로 연장되며 이동 유체와 결합가능한 유체 저항 표면과,
상기 회전가능한 프레임이 회전될 때 제 2 길이방향 축 주위의 궤도 경로를 형성하기 위해 방사상 위치에 부착되는 작동 자석을 포함하며,
상기 작동 자석은, 상기 작동 자석이 상기 자기적 피스톤에 정기적으로 힘을 가하여 상기 자기적 피스톤을 상기 제 1 길이방향 축을 따라 진동시켜 상기 권선에 전류를 유도하도록, 상기 자기적 피스톤과 주기적으로 상호작용하도록 위치설정되는,
회전 운동 에너지 변환 시스템.
제18항에 있어서, 복수의 작동 자석을 더 포함하며, 각각의 작동 자석은 상기 자기적 피스톤의 진동에 기여하도록 상기 자기적 피스톤에 주기적으로 자기력을 인가하는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제18항에 있어서, 복수의 회전가능한 프레임을 더 포함하며, 각각의 회전가능한 프레임은 상기 제 2 길이방향 축 주위로 다른 각 위치에 배치되는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제18항에 있어서, 회전가능한 프레임의 쌍을 더 포함하며, 각각의 회전가능한 프레임은 상기 고정형 프레임의 각각의 측부 상에 배치되는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제18항에 있어서, 상기 회전가능한 프레임은, 블레이드, 컵, 베인, 프로펠러, 에어포일로부터 선택된 표면, 또는 이런 표면의 임의의 변형체 또는 조합체를 이용하여 상기 이동 유체에 대한 저항을 제공하고 그리고 상기 회전가능한 프레임을 회전시키기 위한 토크를 인가하는 표면과 부착되는 회전 휘일을 포함하는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.
제18항에 있어서, 상기 고정형 프레임은, 진동 중에 상기 자기적 피스톤의 변위를 제한하기 위해 그리고 상기 자기적 피스톤을 반대 방향으로 가속시키기 위해 상기 자기적 피스톤에 자기력을 가하도록 구성되며 상기 제 1 길이방향 축을 따라 배치되는, 단부 자석의 쌍을 더 포함하는, 회전 운동 에너지 변환 시스템.