KR20160016393A - 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터로, 무기물질계열, 금속물질 계열을 물리적 화학적 전기적 방법으로 미세하게 나노(Nano)입자화 가공된 무기계 바인더와 유기계 바인더를 적절하게 바인딩(Binding) 하여, 전처리 후 제네레이터에 나노 방열코팅함으로써, 에너지효율을 증폭시킬 수 있도록 하였으며, 상기와 같이 나노 방열코팅된 제네레이터를 원동기나 하이브리드 자전거 등의 바퀴축에 설치하여 사용할 수 있도록 하였다.

Description

금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터 {The generator is equipped with a high efficiency using a metal and a non-metallic nanomaterials scooter}

본 발명은 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 에너지효율을 증폭시킬 수 있는 나노소재를 활용한 제너레이터을 바퀴 축에 직접 설치함으로써, 바퀴가 구동되는 동안 발생하는 전기를 축척하여 사용할 수 있도록 한 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터에 관한 것이다.

일반적으로, 전동기 및 발전기 분야에서는 효율 및 파워밀도가 증진된 발전, 회전기를 제공하기 위한 방법을 지속적으로 모색하여 왔다.

여기에 사용된 용어 "모터(motor)"는 전기에너지를 회전운동으로 그리고 회전운동을 전기에너지로 변환시키는 모든종류의 전동 및 발전기를 의미한다.

이같은 기계는 모터, 제너레이터 및 재생모터라고도 불리우는 기기들을 포함한다.

용어 "재생모터"는 여기서 전기모터 또는 제너레이터로 작동될수 있는 기기를 가르킨다.

영구자석, 권취필드(wound field), 인덕션, 가변 자기저항(variable reluctance), 스위치 자기저항(switched reluctance) 및 브러쉬와 브러쉬리스 타입을 포함한 다양한 종류의 모터가 알려져있다.

이들은 전기 유티리티 그리드, 배터리 또는 기타 대체 소스 같은 것에서 공급되는 직류 또는 교류 소스로부터 직접 기동될 수 있다. 선택적으로 이들은 전자 구동회로를 이용하여 합성되는 필수파형을 갖는 전류를 공급받을 수 있다.

어떠한 기계적 소스로부터 생긴 회전에너지도 제너레이터를 구동 할수 있다. 제너레이터의 출력은 직접 장착 또는 컨디션된 사용전자회로에 연결될 수 있다.

선택적으로, 조직에 있어서 다른 기간동안 기계적에너지의 소스 또는 싱크로서의 기능을 하는 기계적 소스에 연결된 기계는 예를들어 4-쿼드런트 조작 가능한 파워 컨디셔닝 회로를 통해 연결함으로서 재생모터로서의 역할을 할수있다.

회전기는 통상적으로 고정자(stator)로서 알려진 고정성분과 회전자(rotor)로서 알려진 회전성분을 갖는다.

상기 회전자와 고정자의 인접면은 그 회전자와 고정자를 연결하는 자기 플럭스가 가로지르는 작은 에어갭에 의해 분리되어 있다.

이 기술분야의 당업자라면 회전기는 하나 이상의 접합된 회전자와 하나 이상의 고정자로 이루어져 있다.

따라서 여기서 회전기와 관련하여 사용되는 용어 "회전자" 및 "고정자"는 1에서 3 또는 그 이상의 범위의 회전자 및 고정자를 의미한다.

사실상 모든 회전기는 통상적으로 방사상(radial) 혹은 축상(axial)에어갭 타입으로 분류될 수 있다.

방사상 에어갭 타입은 회전자와 고정자가 방사상방향으로 분리되어 있으며 회전자의 회전축에 수직방향으로 횡자기 플럭스(traversing magnetic flux)가 향하고 있다.

한편 축상에어갭기기에서는, 회전자와 고정자가 축방향으로 분리되며 프럭스 횡단(flux traversal)이 주로 회전축에 평행하고 축상에어갭기기가 몇몇 적용처에서는 이익적이기는 하나 방사상 에어갭 타입이 보다 널리 사용되며 보다 집중적으로 연구되어 왔다.

몇몇 특정타입을 제외하고는, 모터 및 제너레이터는 일반적으로 한가지 이상 종류의 연질 자성물질을 사용한다.

여기서 "연질자성물질(soft magnetic material)"이란 용이하고도 효율적으로 자화 및 자기소거되는 물질을 의미한다.

각 자화사이클동안 자성물질내에 불가피하게 소산되는 에너지를 히스테리시스 손실 또는 코어 손실이라고 한다.

히스테리시스 손실의 크기는 여기 진폭(excitatation amplitude)와 진동수(frequency) 양자모두의 함수이다.

또한 연질자성물질은 높은 투자율(permeability)와 낮은 자기 보자성(magnetic coercivity)를 나타낸다.

모터 및 제너레이터는 또한 전류담지권취(current-carrying windings)에 의해 둘러싸인 하나이상의 영구자석이나 추가연 질자성 물질에 의해 제공될수 있는 기자력(magnetomotive force)소스를 포함한다.

여기서 "영구자석 물질"은 "경질 자성물질"로도 불리우며 자기 보자성이 크고 자화를 강하게 유지하며 자기 소거에 대하여 저항성이 있는 물질을 의미한다.

모터의 종류에 따라, 상기 영구자성물질 및 연질자성물질을 고정자나 회전자내에 배치시킬 수 있다.

단연, 현재 제조되는 모터의 대부분은 연질자성물질로서 여러등급의 전기강판 또는 모터강판을 사용하며 이들은 하나 이상의 합금원소 특히 Si, P, C 및 Al를 포함하는 Fe합금이다.

진전된 영구자석 물질로 구성된 회전자와 보다 진전된 비정질 금속같은 저손실 연질물질로 만들어진 코어를 갖는 고정자를 갖는 모터 및 제너레이터는 통상의 방사성 에어갭 모터 및 제너레이터와 비교해 볼때 실질적으로 보다 높은 효율 및 파워밀도를 제공할 잠재력이 있으나 이같은 축상 혹은 방사상 에어갭 타입의 기계제조는 그다지 성공적이지 못하였다. 통상의 방사상 에어갭기기에 비정질 물질을 적용하기 위한 종래의 시도는 상업적으로 크게 성공적이지 못하였던 것이다. 종래의 설계는 주로 고정자 및/또는 회전자를 전형적으로는 내외면을 통해 치차로 절단한, 비정질 금속으로 된 코일이다. 원형 라미네이션으로 치환시킴을 포함하였다. 비정질 금속은 통상적으로 설계된 모터에 통상의 철강과 직접 대체하기에는 독특한 자기적 및 기계적 성질 때문에 어려움이 많은 것이다.

예를 들어 미국 특허 4,286,188은 비정질 금속 테입스트립을 단지 코일링함으로써 구성한 중심위치 회전자를 갖는 방사상 에어갭 전기모터에 대하여 개시하고 있다.

이 설계의 고정자는 적절한 고정자 권취를 수용하는 고정자 권취 요홈이 제공된 통상의 라미네이션 적층을 포함하는 통상의 고정자이다.

미국 특허 4,392,073은 중심위치 회전자를 갖는 방사상 에어갭 방전기에 사용하기 위한 고정자에 대하여 개시하고 있으며, 미국 특허 4,403,401은 그 고정자의 제조방법에 대하여 개시하고 있다.

상기 고정자는 비정질 금속 테이프 스트립에 요홈을 형성하고 그 요홈 형성된 비정질 금속테이프를 요홈 형성된 환상체로 나선상 권취한 후 적절한 고정자 권취로 권취시켜 구성된다.

미국 특허 4,211,944는 요홈 형성된 혹은 요홈없는 나선상 권취 혹은 에지-권취된 비정질 리본으로부터 만들어진 라미네이트된 고정자 혹은 회전자 코어를 갖는 방사상 에어갭 전기기기에 대하여 개시하고 있다. 상기 비정질금속 리본사이에는 유전체 물질이 배치되어 이들이 일체 커패시터의 플레이트로서의 기능도 한다.

미국특허 4,255,684는 스트립물질 및 성형가능한 자기복합체, 비정질 금속테이프 및 비정질 플레이트나 이와 유사한 통상의 물질을 이용하여 제조된 모터용 고정자 구조에 대하여 개시하고 있다. 이들 및 다른 종래기술은 제조단가가 고가일뿐아니라 비정질 금속을 사용하여 방사상 에어갭 모터를 제조하기가 어려운 것으로 판명되었다.

여러가지 이유로 인하여, 이들 노력은 그다지 경쟁력이 있지 못하였으며 통상의 Si-Fe 모터에 비하여 그리 경쟁력이 있는 것으로 증명되지 않아 포기 되었다. 그러나 개선된 방사상 에어갭 모터의 잠재적 잇점은 소멸되지 않았다.

현재는, 보다 큰주파수로 작동하는 전기기계들이 불충분한 모터 설계로 인해 코어손실이 현저하게 크기 때문에 고속(즉 높은 rpm)전기 기계는 낮은 폴카운트(pole counts)로 제조되어 왔다. 이는 주로 대부분의 현존하는 모터에 사용되는 물질이 Si-Fe 합금이라는데서 기인한다.

통상의 Si-Fe계 물질에서 400Hz이상의 주파수에서 자장을 변화시킴으로 생기는 손실은 그 물질이 가열되게 하고 가끔은 기기가 수용할 정도의 수단으로도 냉각될수 없을 정도로 가열되게 한다.

고속 기계도구, 항공모터 및 엑튜에이터 및 컴프레샤 드라이브 같은 다양한 응용처는 고속에서, 예를들어 15,000～20,000rpm 정도, 경우에 따라서는 100,000rpm 까지에서도 작동할수 있는 전기 모터를 요구하는 것이다.

지금까지 저손실 물질을 이용하여 쉽게 제조할 수 있는 전기기기를 저단가로 제공하는 것은 아주 어려운 것으로 알려져 있다.

이 분야에서는 저손실 물질의 특성을 충분히 활용하면서 통상의 모터가 갖는 결점을 제거한 고효율 방사상 에어갭 전기 기기의 필요성이 여전히 상존하고 있는 것이다.

이상적으로는, 개선된 모터가 기계적 및 전기적 에너지 형태사이를 고효율로 변환할수 있어 부수적으로 대기 오염을 줄일 수 있으면 보다 좋을 것이다.

상기 모터는 보다 적고, 보다 가벼우며 필요로 하는 토크, 파워 및 속도의 요구에 부응할 것이다.

냉각의 필요성은 감소되며 배터리 파워로 작동하는 모터는 보다 장기간 작동할 것이다.

또한, 전기모터 및 제너레이터 산업은 효율과 출력밀도(powerdensity)가 향상된 모터 및 제너레이터를 제공할 수 있는 방법을 끊임없이 모색해 왔다. 근래 꽤 오랫동안, 슈퍼 영구자석 회전자(permanent super magnet rotors : 예컨대,코발트 희토류(cobalt rare earth) 자석 및 네오디뮴-철-붕소 자석) 및 박막 연질 자석재료로 이루어진 자기코어를 갖는 전자석을 포함하는 고정자를 사용하여 제작된 모터 및 제너레이터는 고전적인 모터 및 제너레이터에 비하여 충분히 높은 효율과 출력밀도를 제공할 수 있는 잠재력(potential)이 있다고 믿어져 왔다. 또한, 박막 연질 자석재료로 이루어진 코어는 자기장 변화에 대하여 전형적인 철 코어 재료(ferrous core materials)에 비하여 훨씬 신속히 반응할 수 있기 때문에, 박막 연질 자석재료로 이루어진 자기코어는 모터와 제너레이터 내에서 훨씬 빠른 전계 절환(field switching)을 가능케 할 수 있는 잠재력을 보유함으로써, 전형적인 철 코어에 비하여 한층 높은 속도와 더욱 향상된 제어력을 갖는 모터 및 제너레이터를 가능하게 한다.

그러나, 지금까지 박막 연질 자석재료로 이루어진 자기코어를 가지며, 쉽게 제조할 수 있는 모터나 제너레이터를 제공하는 것은 매우 어렵다는 것이 입증되었다. 더욱이, 지금까지 알려져 있는 구성(configuration)들은 어떤 유형의 응용에 대해서는 보다 효율적일 수도 있는 이들 재료들의 성능을 완전히 이용하지는 못하였다.

[특허문헌 1] 국내 공개특허 제10-2005-0016294호 (2005년 02월 21일) [특허문헌 2] 국내 공개특허 제10-2014-0025215호 (2014년 03월 04일) [특허문헌 3] 국내 공개특허 제10-2011-0041647호 (2011년 04월 22일) [특허문헌 4] 국내 공개특허 제10-2011-0075874호 (2011년 07월 06일)

본 발명은 무기계열, 금속계열 물질을 물리적 화학적 전기적 방법으로 미세하게 나노(Nano)입자화 가공된 무기계 바인더와 유기계 바인더를 적절하게 바인딩(Binding) 한 후, 제네레이터에 전처리 후 코팅함으로써, 발전 효율 및 파워밀도가 증진된 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터를 제공함에 있다.

본 발명은 고 내열성 나노(Nano)세라믹도료로 코팅된 발전기를 원동기의 뒤축에 설치함으로써, 발전시 발생하는 열을 외부로 방열하여 발전효율을 높일 수가 있도록 한 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터를 제공하는 데에 있다.

본 발명은 나노(Nano)세라믹도료에 의해 발전기의 수명을 연장시킬 수 있도록 하는 데에 있다.

따라서, 본 발명의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의해 모두 달성될 수 있다.

본 발명은 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터는,

무기물질계열, 금속물질 계열을 물리적 화학적 전기적 방법으로 미세하게 나노(Nano)입자화 가공된 무기계 바인더와 유기계 바인더를 적절하게 바인딩(Binding) 한 후, 전처리 후 제네레이터에 나노 코팅한 것을 특징으로 하며,

상기 무기물질계열은 다이아몬드 분말, CNT분말, 그래핀 분말, 흑연분말, 규사분말, 질화붕소 분말, 질화규소 분말, 탄화규소 분말, 알루미나 분말, 지르코이나 분말, 산화 알루미늄 분말 이며,

금속물질 계열은 백금분말, 은 분말, 구리 분말, 알루미늄 분말, 철 분말, 니켈 분말, 주석 분말, 납 분말으로 이들은 물질을 물리적 화학적 전기적 방법으로 나노 상태로 만든 후, 결합체인 졸(Sol)-겔(Gel) 프로세스 무기도료를 무기접착제에 적절히 분산, 반응 시킨 후, 제네레이터에 코팅한 것을 특징으로 한다.

상기 나노 코팅된 제네레이터를 원동기(스쿠터)의 앞축에 설치하여 발전하고, 여기서 발전된 전기는 기존 배터리에 축전되도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터는 다음과 같은 효과를 얻을 수가 있다.

첫째, 무기계열, 금속계열 물질을 물리적 화학적 전기적 방법으로 미세하게 나노(Nano)입자화 가공된 무기계 바인더와 유기계 바인더를 적절하게 바인딩(Binding) 한 후, 발전기에 전처리 후 코팅함으로써, 발전 효율 및 파워밀도가 증진된다.

둘째, 고 내열성 나노(Nano)세라믹도료로 코팅된 발전기를 원동기의 앞축에 설치함으로써, 발전시 발생하는 열을 외부로 방열하여 발전효율을 높일 수가 있다.

셋째, 나노(Nano)세라믹도료에 의해 발전기의 수명을 연장시킬 수가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터의 구성을 간략하게 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 고 내열성 나노(Nano)세라믹도료가 코팅된 제네레이터가 원동기 바퀴에 설치되어 배터리에 축전되는 상태를 나타낸 도면이다.
도 3(a)는 종래 제네레이터를 구성하는 모터 슬롯피치를 나타낸 도면이고, 도 3(b)는 본 발명 슬롯피치를 최소화 하여 극피를 얻은 것을 나타낸 도면이다.

본 발명은 전기모터, 전기 제너레이터, 또는 재생 전기 모터와 같은 장치에서 고정자배열의 부품용 자기코어가 여기에 개시된다. 또한, 고정자 배열과 자기코어를 이용하여 그 고정자 배열을 제조하는 방법 및 장치와 고정자 배열을 이용하여 그 장치를 제조하는 방법도 개시된다.

상기 장치 및 고정자 배열은 연질 박막 자기재료로 이루어진 단일편 자기코어 조합을 갖는 복수개의 독립적인 기동 전자석 어셈블리(energizable electromagnetic assemblies)를 포함한다.

각각의 독립 전자석 어셈블리는 단일편 자기코어의 반대편 끝단에 위치하는 두개의 고정자 극(stator poles)을 결정짓는다. 각각의 단일편 자기코어는 각 독립 전자석 어셈블리와 관련한 두개의 대향 자기 고정자 극(opposite magnetic stator pole)에 대한 전체 자기 복귀 경로(entire magnetic returnpath)를 제공한다.

본 발명의 한 실시예(embodiment)에서, 당해 장치는 반경방향 간극 장치이며, 연질 박막 자기재료로 이루어진 자기코어는 U자형으로서 자기코어의 지주(leg) 끝단에 고정자 극이 위치한다. 이 실시예의 버전 중 하나에는, 연질 박막자기재료가 나노-결정 재료(nano-crystalline material)이다. 본 발명의 또 다른 관점에 따라, 독립 전자석 어셈블 공개특허 10-2005-0016294리는 각각 독립적으로 제거되고 교체될 수 있다.

또한, 당해 장치는 다중 장치일 수 있으며 당해 장치는 SR 장치(switched reluctance device), (교류) 유도 장치(induction device), 또는 영구자석 장치일 수 있다.

본 발명의 또 하나의 실시예에서, 당해 장치는 고주파 장치이다. 이 실시예에서, 이 장치는 어느 일정 범위의 정상 가동 회전 속도로 당해 회전축 주위의 회전을 위해 지원되는 회전자 배열을 포함한다. 상기 회전자 배열은 고정자 극과 자기적으로 상호 작용하기 위한 복수개의 회전자 극을 포함한다. 회전자 극은 원형 경로를 따라 회전축 주위의 회전을 위해 지원된다. 상기 장치는 전자석 어셈블리를 제어하기 위한 스위칭 배열(switching arrangement)을 더 포함한다. 상기 스위칭 배열은 가령 상기 장치가 적어도 정상 가동 회전 속도 범위 내에서 가동되는 동안 전자석 어셈블리의 고정자 극이 최소한 초당 500주기의 주파수로 회전자 배열의 회전자 극과 자기적으로 상호 작용하게 할 수 있도록 배열된다. 본 실시예의 버전 중 하나에서, 회전자 극의 수는 상기 스위칭 배열이 전자석 어셈블리의 고정자 극과 회전자 배열의 회전자 극을 자기적으로 상호 작용하게 만들 수 있는 정도로 충분히 커야 하며, 가령 상기 장치의 분당 회전수에 대하여 초당 주기로 표시되는 상기 장치의 주파수의 비율은 장치가 가동되는 동안에 1/4 보다 크다.

또 하나의 실시예에서, 상기 장치는 반경방향 간극 장치이며 그 전자석 어셈블리는 각 전자석 어셈블리의 고정자 극이 U자형 자기코어의 지주 끝단에 위치하도록 형성된 U자형, 단일편 자기코어를 포함한다. 상기 전자석 어셈블리는 회전자 극의 원형 경로 주위에 위치되어 있다. 각 전자석 어셈블리는 각 전자석 어셈블리의 두개의 고정자극이 서로 인접하고 상기 장치의 회전축과 평행한 선을 따라 하나씩 줄지어 위치되도록 배치된다. 본 실시예의 버전 중 하나에서, 회전자 극은 반대되는 자극성(magnetic polarity)의 회전자 극을 형성하도록 배열된 인접한 영구자석 절편 쌍으로 형성된 회전자 극의 쌍이다. 영구자석 절편의 각 쌍은, 두개의 영구자석 절편을 서로 인접에 위치시키고 상기 장치의 회전축과 평행한 선을 따라 서로 정열 함으로써, 회전자가 장치의 회전축 주위를 회전할 때, 상기 두개의 영구자석 절편들이 그 장치의 회전축 주위의 두 인접한 원형 경로를 결정짓도록 배치된다. 각각의 두 인접 원형 경로는 각 전자석 어셈블리 고정자 극의 상응하는 고정자 극 하나와 마주한다. 이 버전에서, 회전자 배열은 적어도 36쌍의 인접 회전자 극을 포함하고, 고정자 배열은 적어도 48개의 전자석 어셈블리를 포함한다. 고정자 극은 장치의 회전축 쪽으로 안쪽을 향하도록 배열되거나, 혹은 선택적으로 장치의 회전축으로부터 바깥쪽을 향하도록 배열될 수 있다.

본 명세서에는, 연질 박막 자기재료가 기술되어 있다. 당업자들은 자기재료와 관련한 "박막(thin film)" 및 "연질(soft)"이라는 용어의 의미를 매우 잘 알고 있다. 현재 Honeywell사에 의하여 시판되고 있는, 브랜드 명 METGLASS은 연질 박막 자기재료에 대한 상표명이다. "박막"이란 용어는 전통적으로 약 5.08 x 10-3 cm 이하의 두께(즉, 약 2/1000 인치 두께 이하)의 품목(item)을 가리킨다. 그러나 이것은 단순히 근사값일 뿐이며, 좀더 두꺼운 연질 자기재료도 역시 고려된다. "연질"이란 용어는 자극이 고정되어 있는 경질 자기재료와는 반대로 자극(magnetic poles)이 조절(manipulated) 또는 절환(switched) 가능한 재료를 가리킨다.

또한, 금속과 비금속 나노물질은 다양한 기술에 의해 형성될 수 있다. 한가지 바람직한 방법은 상기 설명한 것과 같은 기술을 사용하여 무한 길이의 금속 유리 리본으로 필수 조성물을 최초 캐스팅(casting)하는 단계 및 상기 리본을 감긴 모양 등의 필요한 구성으로 형성하는 단계를 포함한다. 그 이후, 초기 비결정질 재료는 열처리하여 그 안에 나노물질 마이크로구조를 형성한다. 이러한 마이크로구조는 약 100㎚ 미만, 바람직하게는 약 50㎚ 미만, 더 바람직하게는 약 10-20㎚의 평균 크기를 갖는 고밀도 입자가 존재하는 특성이 있다. 상기 입자가 철(iron) 베이

스 합금의 체적의 적어도 50%를 차지하는 것이 바람직하다. 이러한 바람직한 재료는 낮은 코어 손실과 낮은 자기 변형을 갖는다. 또한, 후자의 성질은 상기 재료를 부품을 포함하는 장치의 제도 및/또는 작동에 의해 발생하는 스트레스에 의한 자성 성질의 저하에 덜 영향을 받게 한다. 주어진 합금 내에 나노물질 구조를 생성하는 데 필요한 열처리는 실질적으로 완전히 유리질 마이크로구조를 보존하도록 설계된 열처리에 필요한 것보다 더 높은 온도에서 또는 더 오랜 시간 동안 수행되어야 한다. 본 장치의 구조 자성 요소로 사용에 적절한 대표적인 나노물질 합금이 알려져 있는데, 예를 들면 Yoshizawa에 부여된 미국특허 4,881,989호 및 Suzuki 등에 부여

된 미국특허에 개시되어 있다. 이러한 재료는 히타치 금속(Hitachi Metals)사와 알프스 일렉트릭(Alpselectric)사로부터 입수할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 장치는 저손실의(low-loss) Fe-계 결정질 합금 재료(Fe-based crystalline alloy material)로 구성될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 재료는, 모터에서 통상 사용되고 있는 스틸보다 더 얇은, 즉 대략 125um 보다 얇은 두께를 갖는 스트립 형상을 가질 수 있다. 방향성과 비방향성 재료 모두 사용될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 것과 같이, 방향성 재료는 구성 정자(晶子) 결정(constituent crystallite grains)의 주 결정축이 무작위의 방향성을 갖지 않고 하나 또는 그 이상의 방향을 따라 서로 밀접하게 연관되어 있다. 비방향성 재료가 등방적 반응, 즉 스트립 평면의 어떤 방향으로도 자기적 자극에 대해 동일한 반응을 하는 반면에, 방향성 스트립 재료는 전술한 미세 구조로 인하여 다른 방향에 따른 자기적 자극에 다르게 반응한다. 바람직하게는, 방향성 재료는 본질적으로 주된 자속 방향과 일치하여 자화가 쉽게 일어날 수 있는 방향이 되도록 본 모터에 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 장치를 구성하는데 사용되는 비방향성 Fe-계 결정질 합금 재료는 철과 대략 4~7 중량 퍼센트를 갖는 Si의 합금을 필수적으로 포함하는 것이 바람직하다. 비방향성 합금은 필수적으로 철과 대략 6.5 중량 퍼센트의 Si(이하, F-6.5%Si라 함)를 포함하는 구성을 가지며, 상기 재료를 포함하는 장치의 구성 또는 작동 도중에 발생하는 스트레스에 기인하는 유해한 자속 특성 저하에 의한 영향을 덜 받도록 새츄레이션(saturation) 자기변형의 값이 0이 되지 않는 것이 바람직하다. F-6.5%Si 합금의 한 형태는 일본 동경의 제이에프이 스틸 코퍼레이션(JFE Steel Corporation)에 의해 50과 100um 두께의 자기 스트립(magnetic strips 50 and 100um thick)으로 공급된다(http://www.jfe-steel.co.jp/en/products/ electrical/supercore/index.html 참조) 다스(Das) 등의 미국 특허 4,865,657호와 츄야(Tsuya) 등의 미국 특허 4,265,682호에 개시된 바와 같이, 급속 응결 공정(rapid solidification process)에 의해 제조된 F-6.5%Si 또한 사용될 수 있다.

본 발명의 회전자 조립체의 두 개의 다른 층으로부터 회전자 자석들을 연결한다. 이러한 연결부재 156은 하나의 회전자 자석 152에서 축상으로 인접하는 회전자 자석으로 자속을 유도하는 기능을 수행하며, 이로써 자석에 고침투성의 자속 경로를 제공한다. 결과적으로, 자속이 증대되므로, 동일한 체적의 자석을 사용함으로써 모터 성능을 저하시키지 않고도 모터의 체적을 감소시킬 수 있게 된다.

영구자석, 특히 SmCo, FeNdB와 같은 희토류 자석은 모터의 구성부품 중에서 가장 값비싼 측에 속하므로, 요구되는 영구자석 재료의 양을 최소화하는 것이 강력히 요구되고 있다.

통상, 도 3(a)에 도시된 바와 같이 철심형 코어를 갖는 리니어 모터는 자성 부재인 코어의 치, 슬롯과 영구 자석간의 상호작용으로 인하여 발생하는 코깅력(cogging force)을 가지고 있다.

이러한 코깅력은 모터가 구동할 때 이동자에 진동을 유발시키고 힘의 불균형을 불러일으킨다. 특히 큰 추력을 얻기 위하여 다수의 이동자를 직ㆍ병렬로 배치하는 경우에는 코깅력 또한 매우 커지게 되어 성능에 치명적인 악영향을 끼치게 된다. 정밀 구동이 요구되는 모터의 성능 저하를 불러일으키는 코깅력을 없애기 위하여 치와 슬롯의 크기 및 모양에 변화를 주거나 이동자 사이의 간격에 변화를 주는 등의 방법들이 연구되고 있다. 하지만 기존에 제안된 방법들은 코어의 치와 슬롯의 형상에 변화를 주어 추력을 감소시키는 부작용이 있거나, 코깅력을 없애기 위하여 반드시 다수의 이동자를 일정한 간격으로 배치해야하는 구조상의 단점이 존재한다.

따라서, 본 발명은 도 3(b)에 도시된 바와 같이, 슬롯피치의 갯수를 최소한의 극피치를 얻음으로써, 코깅력의 완전한 제거가 가능해지고 아무리 많은 코어를 직ㆍ병렬로 구비하여도 코깅력이 존재하지 않는 장점을 가진다. 또한 단측식 코어를 양쪽으로 대칭이 되도록 배치한 것과 유사한 모양의 코어(이하 양측식 코어)는 작은 부피의 코어로써 보다 큰 추력 발생이 가능하게 하였다.

또한, 본 발명은 무기물질계열, 금속물질 계열을 물리적 화학적 전기적 방법으로 미세하게 나노(Nano)입자화 가공된 무기계 바인더와 유기계 바인더를 적절하게 바인딩(Binding) 한 후, 전처리 후 제네레이터에 나노 방열도료를 코팅한 것을 원동기나 하이브리드 자전거 등에 설치하도록 하였다.

상기 무기물질계열은 다이아몬드 분말, CNT분말, 그래핀 분말, 흑면분말, 규사분말, 질화붕소 분말, 질화규소 분말, 탄화규소 분말, 알루미나 분말, 지르코이나 분말, 산화 알루미늄 분말 이며,

금속물질 계열은 백금분말, 은 분말, 구리 분말, 알루미늄 분말, 철 분말, 니켈 분말, 주석 분말, 납 분말으로 이들은 물질을 물리적 화학적 전기적 방법으로 나노 상태로 만든 후, 결합체인 졸(Sol)-겔(Gel) 프로세스 무기도료를 무기접착제에 적절히 분산, 반응 시킨 후, 제네레이터에 코팅하였다.

즉, 상기 나노(Nano)방열도료의 주요기능 다음과 같다.

첫째, 방열기능

둘째, 내 식성(산성물질에 의한 부식방지기능)

셋째, 내 알칼리성(알칼리성물질에 의한 부식방지기능)

넷째, 내 화학성(모든 화학물질에 의한 화학반응성 방지기능)

다섯째, 부착강도강화, 신소재개발

여섯째, 절열기능 향상

일곱번째, 열전달기능 향상

상기와 같이 제조된 나노 방열도료를 제너레이터(20)에 코팅하고,이 제네레이터를 원동기(10) 또는 하이브리드 자전거의 뒤축에 설치하여 발전하고, 여기서 발전된 전기는 기존 배터리에 축전되도록 하였다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 원동기(10)의 바퀴 축에 제네레이터(20)를 설치하고, 이 제네레이터(20)에서 발전된 전기는 배터리(30)에 축전하도록 하였다.

상기 코팅두께는 내열성, 내식성 등을 감안하며 특히 충분히 방열할 수 있는 두께를 설정하여 코팅하는 것이 바람직하다.

상기 제네레이터의 설치방법은 배터리가 설치되는 원동기의 안장 하부에 제네레이터를 설치하고, 이 제네레이터의 축에 설치된 스프로킷과, 원동기의 바퀴앞축에 설치되는 스프로킷을 체인으로 연결하여 발전하는 방법과,

상기 제네레이터를 원동기 축에 직렬로 연결하여 발전하는 방법이 있으며,

전기손실을 감안한다면 상기 제네레이터에서 발전되는 전기를 무선충전방식으로 하여도 좋다.

따라서, 본 발명은 무기물질계열, 금속물질 계열을 물리적 화학적 전기적 방법으로 미세하게 나노(Nano)입자화 가공된 무기계 바인더와 유기계 바인더를 적절하게 바인딩(Binding) 하여, 전처리 후 제네레이터에 나노 방열코팅함으로써, 제너레이터의 발전시 발생하는 방열이 우수하여 에너지효율을 증폭시킬 수 있도록 하였다.

이상과 같이 본 발명 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 이용될 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

10 : 원동기(스쿠터) 20 : 제네레이터
30 : 배터리

Claims (4)

1. 저손실 연자성 재료로 이루어진 자기 코어를 포함하고 적어도 하나의 전기 상에 연결되는 고정자 권선으로 권취된 복수의 슬롯을 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체와, 복수의 회전자 폴을 포함하고, 복수의 영구 자석을 구비하며 상기 적어도 하나의 고정자 조립체와의 자기적 상호 작용을 위해 마련되고 배치된 적어도 하나의 자기장 조립체를 포함하며, 저항성 부하에 연결되고 적어도 500 Hz의 주파수에서 전기 출력을 제공하는 것을 특징으로 하는 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터.
2. 무기물질계열, 금속물질 계열을 물리적 화학적 전기적 방법으로 미세하게 나노(Nano)입자화 가공된 무기계 바인더와 유기계 바인더를 적절하게 바인딩(Binding) 한 후, 전처리 후 제네레이터에 나노 코팅한 것을 특징으로 하는 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 무기물질계열은 다이아몬드 분말, CNT분말, 그래핀 분말, 흑면분말, 규사분말, 질화붕소 분말, 질화규소 분말, 탄화규소 분말, 알루미나 분말, 지르코이나 분말, 산화 알루미늄 분말 이며,
   금속물질 계열은 백금분말, 은 분말, 구리 분말, 알루미늄 분말, 철 분말, 니켈 분말, 주석 분말, 납 분말으로 이들은 물질을 물리적 화학적 전기적 방법으로 나노 상태로 만든 후, 결합체인 졸(Sol)-겔(Gel) 프로세스 무기도료를 무기접착제에 적절히 분산, 반응 시킨 후, 제네레이터에 나노 방열코팅한 것을 특징으로 하는 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터.
4. 제2 항에 있어서,
   상기 나노 코팅된 제네레이터를 원동기의 앞축에 설치하여 발전하고, 여기서 발전된 전기는 기존 배터리에 축전되도록 한 것을 특징으로 하는 금속과 비금속 나노물질을 이용한 고효율의 제너레이터가 장착된 스쿠터.

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