KR20160105783A - 자기 결합 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 로터리 샤프트 및 제2 로터리 샤프트의 결합을 위한 조정 가능한 자기 결합 어셈블리에 관한 것이고, 자기 결합 어셈블리는 중심샤프트와 각각의 제1 샤프트 및 제2 샤프트에 연결 가능한 제1 및 제2 로터리 허브, 중심 샤프트에 연결되는 제1 및 제2 회전 가능한 인덕터 로터를 포함하며, 인덕터 로터들은 제2 로터리 허브에 연결되는 회전 가능한 중심 자석 로터 및 위치 결정기구에 의해 중심 샤프트를 따라 축 방향으로 이동 가능하도록 및 중심 샤프트에 회전 가능하도록 구성되고 제1 및 제2 회전 가능한 인덕터 로터들 사이 중심방향으로 배열된다. 어셈블리는 제1 및 제2 회전 가능한 인덕터 로터들에 결합되는 위치 결정기구를 더 포함하고 저마다의 인덕터 로터 및 자석 로터 사이의 축 거리를 조정하도록 인덕터 로터들을 선택적으로 이동시키도록 형성된다.

Description

자기 결합 어셈블리{MAGNETIC COUPLING ASSEMBLY}

본 발명은 제1 로터리 샤프트(first rotary shaft) 및 제2 로터리 샤프트(second rotary shaft)를 결합하기(coupling) 위한 자기 결합 어셈블리(magnetic coupling assembly)에 관한 것이다.

예를 들어 구동(drive) 또는 모터 샤프트(motor shaft)인, 제1 샤프트를, 예를 들어 부하(load) 또는 기계 샤프트(machine shaft)인, 제2 샤프트에 결합하기 위한 자기 결합 어셈블리 들은 이와 같이 알려져 있다. 자기 결합 어셈블리는, 각 자석 로터(magnet rotor)는 영구적인 자석들(permanent magnets)의 각각(respective)의 세트(set)를 가지는, 두 자석 로터를 포함할 수 있다. 알려진 자기 결합 어셈블리의 각 자석 로터는 자석 로터와는 별개로 이격된 적어도 하나의 전자기 인덕터 로터(electromagnetic inductor rotor)와 조합(associated)된다. 토크(Torque)는, 부하 샤프트와 접촉되는 구동 샤프트 없이, 구동 샤프트의 속도에 대하여 감소된 부하 샤프트의 속도로, 제1 샤프트로부터 제2 샤프트로 전달될 수 있다.

종래의 자기 결합들의 결점들(disadvantages)이 감소된 자기 결합 어셈블리를 제공하는 것은 본 발명의 목적이다.

작고(compact), 신뢰성이 높으며(reliable), 효과적이고(efficient), 설치(install)가 쉬우며 및/또는 상대적으로 낮은 유지비를 가진 자기 결합 어셈블리를 제공하는 것은 본 발명의 다른 목적이다.

적어도 하나의 목적들은 제1 로터리 샤프트 및 제2 로터리 샤프트의 결합을 위한 자기 결합 어셈블리로 달성될 수 있으며, 자기 결합 어셈블리는

- 제1 샤프트에 연결 가능한 제1 로터리 허브(first rotary hub);

- 제2 샤프트에 연결 가능한 제2 로터리 허브(second rotary hub);

- 제1 로터리 허브에 또는 일부에 연결되는 중심 샤프트(central shaft);

- 중심 샤프트에 연결되는 제1 및 제2 회전 가능한 인덕터 로터(first and a second rotatable inductor rotor), 인덕터 로터들은 위치 결정기구(positioning mechanism)에 의해 중심 샤프트를 따라서 축 방향으로 이동 가능하도록 및 중심 샤프트에 의해 회전되도록 구성됨;

- 영구적인 자석들의 세트를 포함하는 회전 가능한 중심 자석 로터, 중심 자석 로터는 자석 로터 및 인덕터 로터들 사이의 토크를 전달하기 위한 제1 및 제2 회전 가능한 인덕터 로터 사이의 중심쪽으로 배열되고 제2 로터리 허브에 연결됨;

- 자석 로터 및 각각의 인덕터 로터들 사이의 축 방향 거리(axial distances)를 조정하도록 인덕터 로터들을 선택적으로 움직이도록 구성되고 제1 및 제2 회전 가능한 인덕터 로터들에 결합되는 위치 결정기구;

를 포함한다.

본 발명의 실시예들에서, 제1 샤프트는 모터 샤프트이고 제2 샤프트는 부하(기계) 샤프트인 반면, 다른 실시예에서 제1 샤프트는 부하 샤프트이고 제2 샤프트는 모터 샤프트이다. 이러한 실시예들에서 세 개의 로터 배열(rotor arrangement)은 중심 자석 로터에서 각 자석의 전방 및 후방 측들에 노출된(exposed) 두 개의 인덕터 로터들과 함께, 매우 효과적인 방법으로 사용할 수 있는 자기력(magnetic power)의 이용들 만들 수 있다. 본 발명의 실시예들에서, 주어진 자석 배열을 위한 샤프트들 사이에서 전달될 수 있는 토크는 상당히 증가될 수 있다.

본 발명의 실시예들에서, 결합 어셈블리는 오직 제1 및 제2 샤프트들 상에 지지된다(supported). 예를 들어 부하 샤프트 지지인, 더 이상 지지가 필요치 않기 때문에, 어셈블리는 매우 다른 상태들(situations)에서 이용될 수 있고, 결합 어셈블리의 융통성(versatility)은 증가된다.

일반적으로, 샤프트의 무게를 추가하는 것 및/또는 샤프트의 단부에 대한 무게를 돌출시키는(overhanging) 것은 그 샤프트의 임계 주파수를 줄인다.

만약 샤프트의 임계 주파수(critical frequency)가 샤프트의 작동 속도 범위(operating speed range)로 줄어든다면, 매우 높은 진동들은 아마 및 매우 바람직하지 않다.

많은 산업의 상태들에서, 모터는 부하 샤프트 보다 더 강한, 더 큰 직경(diameter) 샤프트를 가진다. 본 발명의 실시예들에서, 위치 결정기구는 모터 샤프트 상에 장착되도록 디자인될 수 있다. 그러므로 무게가 모터 샤프트에 먼저 추가되어서 진동의 위험을 감소될 수 있다. 또한, 본 발명의 위에서-언급된 실시예들이 두 개의 인덕터 로터들 및 두 개의 자석 로터들을 가지는 종래의 결합 어셈블리에 비해 상대적으로 가벼운 무게일 수 있어서 이러한 실시예들에서의 임계 주파수 상태는 더 회피될 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 로터 어셈블리들에 대한 위치 결정기구의 특별한 배열은 하중 샤프트로부터 자석 로터의 무게중심(centre of gravity)으로 상대적으로 적은 거리를 제공한다. 배열은 임계 주파수 문제의 가능성도(issues) 역시 줄일 수 있다.

공기 갭들의 조정은 구동 샤프트 및 모터 샤프트가 회전하지 않을 시 정지모드에서 또는 두 샤프트들의 회전 동안 수행 될 수 있다. 중심 로터 및 인덕터 로터들의 면들 사이에서 (변화하는(varying))축 방향 거리들을 조정함으로써 또는, 다시 말해서, 중심 로터 및 인덕터 로터들 사이의 공기 갭을 조정함으로써, 회전하는 부하 샤프트의 속도는 제어될 수 있다.

또한, 단일 자석 로터(single magnet rotor)를 이용함으로써, 알맞은 결합(suitable coupling)을 달성하도록 자기 물질(magnetic material)의 제한된 볼륨(limited volume)만을 요구하는, 낮은-무게(low-weight) 및 작은 구조(compact construction)는 이뤄질(attained) 수 있다. 이는 결합 어셈블리의 쉬운 취급(handling) 및/또는 설치를 위해 허용한다. 제한된 수의 부품들(limited number of parts)을 이용하는 것의 더 나은 이점은 일반적인 구조가 더 튼튼(robust)하고 더 적은 유지를 필요로 할 수 있다. 또한 위치 결정기구는, 예를 들어 부하 매칭(load matching)의 경우에(구동 및 하중의 속도는 미리 정의된(predefined) 요구들과 매치됨), 쉬운 조작을 허용한다.

다른 실시예에 따른 위치 결정기구는 제1 로터리 허브로 베어링(bearing)을 통해 장착된다. 이러한 위치 결정기구는, 심지어 로터들이 회전하는 동안에도, 고정 유지(remains stationary)된다. 다른 실시예들에서, 위치 결정기구는, 예를 들어 바닥 상에 지지되는 받침대(pedestal) 또는 프레임인, 지면에 장착된다. 이러한 실시예에서 결합 어셈블리의 전체 길이는 심지어 더 줄어들 수 있다.

본 발명의 실시예들에서 위치 결정기구는 중심 자석 로터와 공기 갭을 변화시키기(vary) 위하여 축 방향으로 일제히(in unison) 및 반대하는(in opposing) 방향으로 제1 및 제2 회전 가능한 인덕터 로터들을 이동시키도록 구성된다. 이러한 방법으로 개별적인 인덕터 로터들에 의해 야기되는 위치 결정기구의 부분들 상에 가해지는 반대하는 축 방향 힘(axial forces)은, 공기 갭들이 동일하기만 하면(so long as), 본질적으로 동일할 것이고, 그래서 위치 결정기구 상의 합성력은 매우 작다. 본 발명의 실시예들에서, 합성력(resultant force)은 인덕터들이, 무거운 전기 또는 수력 엑추에이터들과 같은 추가적인 수단들을 이용하는 것 없이, 바람직한 위치들로 수동으로 이동되는 레벨로 나사형 스핀들기구(threaded spindle mechanism)에 의해 감소된다.

본 발명의 실시예에서, 위치 결정기구는, 축 방향으로 제1 인덕터 로터를 오직 대체하도록(displace) 배열된 제1 베어링, 예를 들어 트러스트 베어링(axial position) 또는 쓰루 아웃 베어링(throw out bearing)을, 통하여 제1 인덕터 로터의 축 방향 위치(axial position)를 제어하고, 축 방향의 반대로 제2 인덕터 로터를 오직 대체하도록 배열된 베어링, 예를 들어 트러스트 베어링 또는 쓰루 아웃 베어링을, 통하여 제2 인덕터 로터의 축 방향 위치를 제어하도록 구성된다. 이러한 실시예에서 각각의 제1 및 제2 베어링 상의 축 방향 힘은 하나의 인덕터 로터에 의해 생성되는 축 방향 힘으로 제한되어서 베어링들의 마모(wear)는 최소로 유지될 수 있다.

다른 실시예에서, 제1 및 제2 베어링들은 일반적인 나사형 스핀들(threaded spindle)에 의해 연결된다. 일반적인 스핀들은 이러한 스핀들은 모터-조력 조작을 위한 모터 및/또는 수동 조작(manual operation)을 위한 핸들 또는 레버와 같은, 엑추에이터(actuator)에 의해 회전적으로 구동될 수 있다. 엑추에이터는 공기압(pneumatic) 또는 수력(hydraulic) 엑추에이터, 모터, 예를 들어 전기 모터 등일 수 있다. 다른 실시예에서 전기 모터는 스테퍼 모터(stepper motor)를 포함한다. 스테퍼 모터는 스테퍼 모터로 통합되는(integrated) 모터 컨트롤러(motor controller)에 의해 제어될 수 있고, 모터 컨트롤러는 오버롤 어셈블리 컨트롤러(overall assembly controller)에 연결된다. 다른 실시예에서, 그러나, 스테퍼 모터는 중심 컨트롤러에 의해서만 제어된다.

모터 컨트롤러는 적어도 하나의 인덕터 로터 및 자석 로터의 온도의 제1 센서 신호 표현(first sensor signal representative)을 생성하도록 배열되는 온도 센서에 연결 될 수 있다. 온도가 미리 정의 된 한계점(predefined threshold)을, 예를 들어 섭씨 150도를 초과(exceeds)할 때, 어셈블리 컨트롤러(assembly controller)는 어셈블리의 조작, 예를 들어 구동 샤프트 정지를, 바꿀 수 있고, 및/또는 모터 컨트롤러는, 예를 들어 그것의 최대 갭 위치들로 로터들의 이동 또는 의해, 스테퍼 모터의 조작을 바꿀 수 있다.

대안적으로 또는 추가적으로, 모터 컨트롤러는 결합 어셈블리의 하나 이상의 부품들의 진동 레벨(vibration level)의 제2 센서 신호 표현을 생성하도록 배열된 진동 센서(vibration sensor)에 연결될 수 있다. 진동 레벨이 미리 정의된 진동 레벨 한계점을 초과할 때, 모터 컨트롤러는, 예를 들어 로터들의 사이에서 갭 거리를 증가시킴으로써, 스테퍼 모터의 조작을 바꿀 수 있고 그에 의해 토크의 양은 감소되어서 진동의 레벨은 줄어들 수 있다.

위치 결정 어셈블리의 부품들 상에 스트레스(stress)를 더 줄이기 위해 및/또는 공기 갭들의 쉽고 매끄러운(smooth) 진동을 제공하기 위해, 결합 어셈블리는 반대되는 축 방향들로 두 인덕터 로터들을 동시에 대체하도록 배열되는 두 개 이상의 스핀들들을 포함할 수 있다.

다른 실시예에서, 어셈블리는 위치 결정기구를 제어하기 위한, 예를 들어 스핀들들을 회전시키기 위한 (전기 스테퍼 모터와 같은) 전기 모터를 제어하기 위한, 제어 유닛을 포함한다. 이런 식으로 제어 유닛은 각각의 인덕터 로터들 및 자석 로터 사이의 축 방향 거리를 조절함으로써 제1 로터리 샤프트의 속도에 대해 제2 로터리 샤프트의 속도를 바꾼다.

인덕터 로터는, 예를 들어 강철(steel) 또는 철(iron)인, 자기 물질(magnetic material)이 뒤에 있는(backed by) 예를 들어 구리(copper), 알루미늄(aluminium), 또는 놋쇠(brass) 같은 비-자기 전기적인 전도성 물질(non-magnetic electrically conductive material)을 포함한다. 다른 물질들 및 구성들도 이용될 수 있다.

본 발명의 실시예들에서 인덕터 로터들은 최소의 힘들로 이동하는 능력, 중심 샤프트와 동심(concentric) 및 스퀘어 관계(square relationship)로 남아있는 능력, 정확한 위치 결정을 달성하는 능력을 가지지만, 동시에 그것들은 토크를 전달하고 축 방향 자석 부하들을 겪는다. 본 발명의 몇몇 실시예들에서 이용되는 볼 스프라인 디자인(ball spline design)은 비틀림 하중(torsional loading) 덕분에 낮은 마찰력(friction)을 가지고, 축 방향들로 실질적으로 자유-실행하며(free-running), 모든 반대되는 상황들 동안 인덕터 로터들로 페이스 런-아웃(face run-out) 및 좋은 동심(good concentricity)을 제공한다. 그러나, 다른 디자인들은 유사한 이점들을 제공하고 볼 스프라인 디자인과 같이 동일한 오버롤(overall) 기능들을 성취한다.

본 명세서에 개시되어 있음.

본 발명의 다른 이점들, 특징들 및 상세한 설명들은 그것의 몇몇 바람직한 실시예들의 아래의 설명을 기반으로 밝혀진다. 참조는 첨부하는 도면들에 설명으로 이루어진다.
도 1은 모터 및 부하 사이에서 연결되는, 자기 결합 어셈블리의 일 실시예의 사시 측면도이다.
도 2는 도 1의 자기 결합 어셈블리의 실시예의 사시의 분해 측면도이다.
도 3a, 3b 및 3c는 자기 로터 어셈블리 없는, 도 1 및 도 2의 자기 결합 어셈블리의 부품들의 더욱 상세한 분해도이다.
도 4는 자기 로터 및 인덕터 어셈블리들 없이 도 1 내지 도 3의 자기 결합 어셈블리의 부품의 더욱 상세한 분해도이다.
도 5는 작은 공기 갭 위치에서 인덕터 로터들과, 도 1 내지 4의 실시예의 측면도이다.
도 6은 큰 공기 갭 위치에서 인덕터 로터들과, 도 5의 측면도이다.
도 7은 도 6의 선 A-A를 따르는 자기 결합 어셈블리의 실시예의 길이방향 단면도이다
도 8 및 도 9는 자기 결합 어셈블리의 다른 실시예의 사시 측면도이다.

본 명세서의 전체에 걸쳐서 참조가 "a" 베어링일 시, 이러한 참조는 두 개 이상의 베어링(요소들) 또는 베어링 어셈블리를 포함하는 것으로 의도된다.

도 1 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 결합 어셈블리(1)의 실시예를 도시한다. 자기 결합 어셈블리는 구동 모터(2), 예를 들어 전기 모터의, 인풋 샤프트(input shaft; 4)에 의해(본 원에서 또한 구동 샤프트 또는 모터 샤프트(4)와 같이 참고됨), 및 부하의, 예를 들어 펌프 또는 유사한 장치의, 아웃풋 샤프트(output shaft; 5)에 의해(본 원에서 부하 샤프트 또는 기계 샤프트) 지지된다. 자기 결합 어셈블리는, 기본적인 비 접촉 방법(essentially contactless manner)으로 구동 샤프트(4)의 회전 속도(rotational speed)로부터 감소된 속도에서, 부하 샤프트(5)의 회전 속도를 제어하도록 구성된다.

자기 결합 어셈블리(1)에서 공차(clearance)는 아웃풋 샤프트(5) 및 인풋 샤프트(4) 사이에 존재해서 그것들은 이러한 샤프트들 사이의 임의의 지점에서 물리적 연결이 기본적으로 존재하지 않는다. 공차는 동력(power)을 전달 및 회전시키도록 두 샤프트들을 허용하는 반면 그것들이 기계적인 결합들에 의해 연결되는 경우 발생할 수 있는 진동 없이 정렬을 약간 벗어난다. 위치 결정기구는 이러한 공차의 유지가 가능하도록 본 원에서 기술된다.

구동 샤프트(4) 및 부하 샤프트(5)는 각각의 자기 결합 어셈블리(1)의 부하 측 허브(load side hub; 27) 및 모터 측 허브(motor side hub; 13)로 연결된, 예들 들어 상에 조립된(assembled), 예를 들어 각각의 클램핑 슬리브들(clamping sleeves; 14, 28) 또는 유사한 결합 장치들의 수단을 통해, 해제 가능(releasably)하다.

자기 결합 어셈블리(1)는 동시에(synchronously) 회전되는 일반적인 중심 샤프트에 연결되는 두 개의 인덕터 로터들(21, 22)을 가지는 인덕터 어셈블리(20)를 포함한다. 또한 자기 결합 어셈블리(1)는 자석 로터 어셈블리(10)를 포함한다. 자석 로터 어셈블리(10)는 모터 구동 샤프트에(또는, 부하 샤프트에) 결합되는 반면 두 인덕터 로터들(21, 22)은 다른 샤프트에 부착된다.

자석 로터 어셈블리(10)는 중심 자석 로터(central magnet rotor; 11)를 위한 지지 로터(support rotor; 16) 및 두 개의 인덕터 로터들 사이에서 중심쪽으로 배열된 단일 자석 로터(11)를 가진다. 보다 상세하게, 자석 로터(11)는 지지 로터(16)로 많은 수의 연결 바들(a number of connection bars; 15)과 연결되는 반면, 지지 로터(16) 부하 측 허브(27)에 부착된다. 이러한 구조는 자석 로터(11) 내의 중심 개구(central opening; 83)를 통해 연장하는(extending), 중심 스프라인 샤프트(80) 주위에서 자유롭게 회전하는 중심 자석 로터(11)를 허용한다. 개구(83)은 회전하는 스프라인 샤프트(80)에 대해 회전하도록 자석 로터(10)를 허용하기 위하여 스프라인 샤프트(80)의 직경보다 큰 직경을 가진다.

자석 로터(11)는 로터의 외부 경계선(outer circumference) 근처에 위치되고 교차하는 남쪽/북쪽 패턴(alternating north/south pattern) 내에 축 방향 외부 쪽으로 직면하는(axially outward facing) 폴들(poles)으로 채워진(loaded), 많은 수의 영구적인 자석들(12)을 수용한(contains)다. 특정한 실시예에서 자석 로터 구조의 목적은 비-자기 물질을 이용하는 대신에(in place) 자석들을 고정하고, 자기 비틀림(magnetic torsional) 및 축 방향 힘(axial forces)과 원심 구조의 힘(centrifugal structural forces)을 고려하여 자석들을 지지하는 것이다. 로터는 원심력(centrifugal force) 원인을 위하는 것 보다는(in place for) 그것들을 고정하도록 자석들의 주변 주위에 배열될 수 있다.

영구적인 자석들은 저마다의 인덕터 로터들(21, 22)로부터 공기 갭들에 의해 이격된다. 제1 및 제2 샤프트의 회전은 제1 및 제2 샤프트들 사이의 어떠한 직접적인(direct) 기계적 연결 없이 자기 작용(magnetic action)에 의한 다른 샤프트들의 회전의 결과이다. 보다 상세하게, 토크는 인덕터 로터들 및 자석 로터 및 그에 의한 렌츠의 법칙(Lenz's law)을 통해 제1 및 제2 샤프트 사이에서 전달될 수 있다.

자기 결합 어셈블리(1)의 중심 스프라인 샤프트(80)는 모터 측 허브(13)에 연결된다. 하나 이상의 스프라인 부싱(spline bushings; 81a, 81b)과 조합된(in combination) 스프라인 샤프트(80)는 선형 동작 베어링(linear motion bearing)을 구성한다. 선형 동작 베어링은 스프라인 샤프트(80)를 따라서 낮은 마찰 선형 동작이 가능한 반면 부싱들로 동시에 토크를 전달하도록 샤프트(80)를 허용한다. 특정 실시예에서 스프라인 샤프트(80)는 샤프트의 길이를 따라서 많은 수의 길이 방향 그루브들(longitudinal grooves; 81)을 가진다. 스프라인 샤프트(80)의 그루브들은, 스프라인 부싱들(81a, 81b) 및 스프라인 샤프트(80) 사이의 각도 대응(angular correspondence)을 유지하는, 두 정합(mating) 스프라인 부싱들(볼 스프라인(ball spline) 또는 유사한 것) 내의 그루브들과 맞물린(mesh)다. 다시 말해서, 스프라인 부싱들(81a, 81b)은 축 방향으로(즉, 샤프트를 따라 길이 방향) 실질적으로 자유롭게 이동될 수 있는 반면에 스프라인 샤프트의 회전로 스프라인 부싱들에 전달된다.

인덕터 어셈블리(20)의 인덕터 로터들(21, 22)은 자체적으로-지지하는(self-supporting), 각각 자기 물질(철 또는 강철; 22, 26)이 뒤에 있는, 바람직하게 전도성 링(conductive ring; 24,25)의 모양인, 자기 전기적인 전도성 물질(구리, 알루미늄, 놋쇠 등)을 포함한다. 각각의 인덕터 로터들(21, 22)은 저마다의 허브들(85a, 85b)의 이용들 통해 스프라인 부싱들(81a, 81b) 중 저마다의 하나에 부착된다. 스프라인 부싱들(81a, 81b)은 토크를 전달하는 동안, 즉 스프라인 샤프트(80)가 움직이지 않을 때 및 스프라인 샤프트(80)의 회전 동안 둘 모두, 스프라인 샤프트(80)를 따라서 축 방향(P축)으로 미끄러지도록(slid) 인덕터 로터들을 허용한다. 스프라인 샤프트(80)의 회전은 동시에 회전하는 인덕터 로터(21, 22)들을 야기한다.

인덕터 로터들(21, 22)은 중심 자석 로터(11)로부터 실질적으로 동일한 축 거리(즉, 공기 갭들과 동일하게 도시되는)로 배열될 수 있다. 각각의 인덕터 로터(21, 22) 및 중심 자석 로터(10) 사이의 거리는 위치 결정기구를 이용하여 조정될 수 있다. 위치 결정기구(40)는

선택적으로 인덕터 로터들(21, 33)의 물질 및 중심 자석 로터(10) 사이의 공기 갭(도 6, 공기 갭 a2)을 넓히기 위해 더욱 떨어지게 인덕터 로터(21, 22)들을 이동시키거나 공기 갭들(도 5, 공기 갭 a1, 여기서 a2>a1)을 좁히도록 서로를 향해서 인덕터 로터들(21, 22)을 움직이도록 형성된다.

갭 조정은 (자기적 전도선(철, 강철 등) 물질 및 전기-전도성(electro-conductive, 구리, 알루미늄 등 물질을 포함하는 인덕터 로터들) 인덕터 로터들과 상호 작용하는(interacting) 자속 필드(magnetic flux field)의 세기를 변화시키고 이러한 자기장 세기의 변화는 두 개의 로터 어셈블리들(10, 20) 사이의 회전력(토크)의 변화에 결과이다. 이러한 연속적으로 조정 가능한 토크 제어는 회전 부하의 속도 제어를 허용한다. 예를 들어, 인덕터 로터들 및 자석 로터 사이의 속도 및 자석 로터 및 인덕터 로터들의 반대되는 면들 사이의 공기 갭들의 총량(amount of the air gaps)의 차이는 상대적인 속도 및/또는 공기 갭 변화들과 같은 예측 가능하고(predictable) 매끄럽게 연결되는 두 로터 어셈블리들(10, 20) 사이의 힘(또는 토크)을 생산할 수 있다. 인덕터 로터의 속도가 모터 속도에 따라 고정되면, 위치 결정 기구(40)는 자석 로터 및 각각의 두 인덕터 로터들 사이의 공기 갭을 변화시킴으로써 간단히 회전 부하의 속도를 제어할 수 있다.

각각의 인덕터 로터(21, 22) 및 자석 로터(10) 사이의 축력은 로터들 사이의 상대적인 속도 및 공기 갭에 관하여 변한다. 심지어 정지 상태에서 각각의 인덕터 로터 및 중심 자석 로터 사이의 축력은 상당하다. 이러한 이류로, 위치 결정기구(40)는 정확하게 제어되도록 부하의 속도를 허용하는 모든 작동 조건들에서 자석 로터(10)에 대하여 정확하게 인덕터 로터들(21, 22) 둘을 고정하고 위치시키는 것이 가능하다.

위치 결정기구(40)는 모터 샤프트(4)를 받기 위한 모터 허브(13)가 수용되는 중심 개구(58)를 가지는 지지 플레이트들(46, 47)을 포함한다. 제1 스핀들(55) 및 제2 스핀들(56)을 회전되게 지지하기 위한 베어링(90) 중 두 개의 베어링 리테이너들(bearing retainers)은 지지 플레이트(46)에 부착된다. 각각의 스핀들들(55, 56)은 회전하는 저마다의 스핀들들(55, 56)을 야기할 수 있는 구동 체인(driving chain; 48)과 연동되는 기어 요소(gear element 52,53)를 제공한다.

도 4를 참조하여 체인은 회전하는 구동 요소(rotating drive element; 59)에 부착되는 구동 기어 휠(driving gear wheel; 57) 및 다른 기어 휠들(49, 50, 51)을 따라서 안내된(guided)다. 구동 체인(48)은 회전하는 구동 요소(59)에 의해 두 방향들(방향 R1)으로 구동될 수 있다. 방향 내로 회전하는 구동 요소(59)는 동일한 방향으로 동시에 회전하는 두 스핀들(55, 56)을 야기한다.

구동 요소(59)는 스테퍼 모터(41)에, 예를 들어 알맞은 전력원(voltage source; 도면에서는 미 도시된)에 연결되도록 터미널(42)을 가지는 전기 스테퍼 모터(electric stepper motor)에, 연결되는 각 전달 요소(angle transmission element; 44)에 연결된다. 스텝퍼 모터(41)는 제어 유닛, 예를 들어 마이크로 컨트롤러(microcontroller), 컴퓨터, 또는 유사한 장치에 의해 제어될 수 있고, 예를 들어 구동 부하의 바람직한 속도를 겪는(subject to)하는, 구동 요소(59)를 구동시킬 수 있다. 구동 요소(59)를 구동하기 위한 모터(또는 모터를 위한 대안)에 추가적으로, 핸들(도면에서는 미도시된)은 수동으로 스핀들을 회전하도록 제공될 수 있다.

각각의 스핀들들(55, 56)에는 내부의 왼쪽 나사산 부분(left hand screw thread portion; 60) 및 오른쪽 나사산 부분(right hand screw thread portion; 61)이 제공된다. 나사산 부분(60)은 축 방향(P축, 도 2)에서 인덕터 로터(22)를 이동시키도록 배열되는 반면 나사산 부분(61)은 반대되는 축 방향으로 인덕터 로터(21)를 이동시키도록 배열된다. 각각의 스핀들(55, 56)의 나사산 부분들(60, 61)은 저마다의 플랜지 너트들(flange nuts; 91a, 91b)의 내부 나사산 부분들에 맞물린다(engage). 플랜지 너트들(91a, 91b)은 저마다의, 위치 결정 플레이트들(92a, 92b)의 개구들(36) 내에 부착된다. 그러므로, 스핀들(55, 56)의 회전은 반대하는 축 방향들로 이동하도록 위치 결정 플레이트들을 생성하고, 즉 위치 결정 플레이트들은 서로를 향하거나 서로로부터 떨어지게 이동된다.

위치 결정 플레이트(92a) 및 허브(85b) 사이의 베어링, 예를 들어 쓰루 아웃 베어링(throw out bearing 94)은, 배열되어서 허브(85b) 및 인덕터 로터(21)은 위치 결정 플레이트(92a)에 대하여 회전할 수 있다. 유사하게, 위치 결정 플레이트(92b) 및 허브(85a) 사이에서 다른 베어링, 예를 들어 쓰루 아웃 베어링(95)은, 배열된다. 베어링(95)은 스프라인 샤프트(80) 주위에 고르게 분포된(evenly distributed) 세 개의 축 로드들(axial rods; 30) 및 슬라이드 베어링(slide bearing; 37)에 연결된다. 각각의 축 로드들 중 일 단부는 슬라이드 베어링(37)에 부착되는 반면 각각의 로드의 다른 단부는 허브(85a)에 부착된다. (도 3) 개구들(98)을 통해 축 방향으로 연장하는 로드(30)는 스프라인 부싱(81b)에 제공되어서 로드들은 축 방향으로 왕복하는 방법으로 이동될 수 있다. 이러한 방법에서 허브(85b) 및 인덕터 로터(22)는 위치 결정 플레이트(92b)에 대하여 회전할 수 있는 반면 위치 결정 플레이트는 인덕터 로ㅊ터(22)의 축 이동을 허락한다. 보다 상세하게, 쓰루 아웃 베어링의 내측은 회전 가능한 인덕터 로터(22)에 부착되는 반면, 쓰루 아웃 베어링의 외측은 비-회전식 위치 결정메커니즘에 부착된다. 스핀들들(55, 56)의 오른쪽/왼쪽 나사산 부분들의 회전은 정지 위치에, 예를 들어 베어링(90)의 위치, 대해 반대 방향들로 동일하게 이동하는 두 개의 쓰루 아웃 베어링들(94, 95)을 야기하고, 결과적으로 공기 갭들은 중심 자석 로터의 양 측면들 상에 동일하게 접촉하거나 연장한다.

이러한 배열은 하나의 인덕터 로터에 의해 생성되는 축력으로 각각의 쓰루-아웃 베어링 상에 가해지는 축력을 제한한다. 다른 이점은, 쓰루-아웃 베어링 힘이 대략 동일한 크기(magnitude)와 반대 방향들로 되어있기 때문에, 두 개의 쓰루-아웃 베어링(94,95) 상에 축력 사이의 오직 차이인, 베어링(90) 상의 축 방향 힘이 작은 것이다.

위에서 언급된 실시예들에서 위치 결정기구(40)는 모터 허브(13)에 장착된다. 다른 실시예들에서 위치 결정 기구는 지면, 예를 들어 바닥 상에 지지된 프레임에, 직접적으로 또는 간접적으로 장착된다. 위치 결정 기구는 기본적으로 동일하다. 지면 상에 위치 결정 기구를 지지하는 것의 이점은 인덕터 어셈블리의 길이의 단축(shortening) 및 경량화이다.

도면들에서 도시된 결합 어셈블리의 실시예에서 결합 어셈블리는 모터 샤프트(4) 및 부하 샤프트(5)에 의해 완전히 지지된다. 대부분의 경우에, 더 이상 지지물들은 필요하지 않다. 부하 샤프트가 자석 로터 어셈블리의 무게를 지지할 수 없으면, 단순한 샤프트 지지물(shaft support)이 필요할 수 있다. 이러한 샤프트 지지물은 결합 어셈블리의 작동 또는 디자인에 영향을 주지 않는다. 또한 엑추에이터(즉, 모터(41), 체인(48), 스핀들들(55, 56) 및 베어링들(94, 95))는 자기 결합 어셈블리에 완전히 통합될 수 있고, 결합 어셈블리를 위한 플러그 앤 플레이 기능(plug-and-play capabilities)을 활성화한다.

도 8 및 도 9는 자기 결합 어셈블리의 다른 실시예를 도시한다. 일찍이 도 1 내지 도 7에서 기술된 실시예들에 상응하는 이러한 실시예는 위치 결정 기구의 가동하도록 구성되는 엑추에이터를 제거한다. 이러한 실시예의 엑추에이터는 전기 모터(100), 예를 들어 스테퍼 모터를 포함한다. 엑추에이터는 제1 피어 휠(101), 제2 기어 휠(102) 및 기어 요소들(휠들; 103, 104)를 포함한다. 제1 기어 휠(101)은 중심 쪽으로 배열된 제2 기어 휠(102) 위에 맞물린다. 제2 기어 휠은 중심 스핀들 샤프트(80)의 주위에서 자유로이 회전되게 배열된다. 기어 요소들(103, 104)은 저마다의 스핀들들(55, 56)에 장착된다. 기어 요소들(103, 104)는 중심, 제2 기어 휠(102)과 맞물리는 관계에 있다. 전기 모터의 작동에 의해 반대 회전 방향으로 회전하는 스핀들들(55, 56)을 야기한다.

본 발명은 본 원에서 기술된 것에 대하여 실시예들을 제한하는 것은 아니다. 청구된 권리는 오히려 많은 변형 및 개조가 예상될 수 있는 범위 내에서, 다음의 청구 범위에 의해 결정된다.

1 : 자기 결합 어셈블리
2 : 구동 모터
4 : 인풋 샤프트
5 : 아웃풋 샤프트
5 : 부하 샤프트
10 : 자석 로터 어셈블리
11 : 중심 자석 로터
12 : 영구 자석
13 : 모터 측 허브
14 : 클램핑 슬리브
16 : 지지 로터
20 : 인덕터 어셈블리
21 : 인덕터 로터
22 : 인덕터 로터
24 : 전도성 링
25 : 전도성 링
27 : 부하 측 허브
28 : 클랩핑 슬리브
40 : 위치 결정기구
55 : 스핀들
56 : 스핀들
80 : 스프라인 샤프트
81 : 그루브
81a : 스프라인 부싱
81b : 스프라인 부싱
83 : 개구

Claims (18)

1. - 제1 샤프트에 연결 가능한 제1 로터리 허브;
   - 제2 샤프트에 연결 가능한 제2 로터리 허브;
   - 상기 제1 로터리 허브에 또는 부분에 연결되는 중심 샤프트;
   - 상기 중심 샤프트에 연결되는 제1 및 제2 회전 가능한 인덕터 로터, 상기 인덕터 로터들은 상기 중심 샤프트에 의해 회전되도록 및 위치 결정기구에 의해 상기 중심 샤프트를 따라서 축 방향으로 이동할 수 있도록 형성됨;
   - 영구 자석들의 세트를 포함하는 적어도 하나의 회전 가능한 중심 자석 로터, 상기 중심 자석 로터는 상기 제2 로터리 허브에 연결되고 상기 인덕터 로터들 및 상기 자석 로터 사이의 토크를 전달하기 위한 상기 제1 및 제2 회전 가능한 인덕터 로터 사이에 중심 방향으로 배열됨;
   - 상기 제1 및 제2 회전 가능한 인덕터 로터들에 연결되고 저마다의 상기 인덕터 로터들 및 자석 로터 사이의 축 거리를 조정하도록 상기 인덕터 로터들을 선택적으로 이동하도록 형성됨;
   을 포함하는,
   제1 로터리 샤프트 및 제2 로터리 샤프트의 결합을 위한 자기 결합 어셈블리.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 위치 결정기구는 상기 제1 로터리 허브로 베어링 또는 베어링 어셈블리를 통해서 장착되는, 어셈블리.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 위치 결정기구는 지면으로, 연결, 예를 들어 고정 또는 장착되는, 어셈블리.
   
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 위치 결정기구는 상기 중심 자석 로터와 공기 갭을 변화시키기 위하여 축 방향으로 일제히 및 반대하는 방향으로 제1 및 제2 회전 가능한 인덕터 로터들을 이동시키도록 구성되는, 어셈블리.
   
5. 제 1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 위치 결정기구는 축 방향으로 상기 제1 인덕터 로터를 오직 대체하도록 배열되는 제1 베어링을, 예를 들어 쓰러스트 베어링 또는 쓰루 아웃 베어링을, 통해 상기 제1 인덕터 로터의 축 위치를 제어하도록, 및 반대 축 방향으로 상기 제2 인덕터 로터를 오직 대체하도록 배열되는 제2 베어링을, 예를 들어 쓰러스트 베어링 또는 쓰루 아웃 베어링을, 통해 상기 제2 인덕터 로터의 축 위피를 제어하도록 형성되는, 어셈블리.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 베어링의 내부 부분은 상기 인덕터 로터에 연결되고 상기 베어링의 비-회전 가능한 외부 부분은 상기 위치 결정기구에 연결되는, 어셈블리.
   
7. 제 5항 또는 6항에 있어서,
   상기 제1 및 상기 제2 베어링들의 비-회전 가능한 외부 부분들은 엑추에이터에 의해 회전 가능하게 구동되는 일반적인 스핀들에 연결되는, 어셈블리.
   
8. 제 7항에 있어서,
   상기 스핀들은 상기 중심 샤프트에 대해 비-회전하는 고정 축 방향으로 상기 스핀들을 고정하는 베어링 어셈블리(45, 90)에 의해 지지되는, 어셈블리.
   
9. 제 7항 또는 8항에 있어서,
   상기 위치 결정기구가 형성되어서, 상기 스핀들의 회전은 상기 두 인덕터 로터들의 동일한 및 반대하는 축 방향 이동을 야기하는, 어셈블리.
   
10. 제 1항 내지 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    반대하는 축 방향들로 두 인덕터 로터들을 동시에 대체하도록 배열하는 둘 이상의 스핀들들을 포함하는, 어셈블리.
    
11. 제 7항 내지 10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 엑추에이터는 하나 이상의 스핀들들을 구동하기 위한 전기 모터를 포함하는, 어셈블리.
    
12. 제 11항에 있어서,
    상기 전기 모터는 스테퍼 모터 및 상기 스테퍼 모터와 통합되는모터 컨트롤러를 포함하고,
    여기서, 바람직하게, 상기 모터 컨트롤러는 적어도 하나의
    - 적어도 하나의 상기 인덕터 로터 및 상기 자석 로터의 온도의 제1 센서 신호 표현을 생성하도록 배열되는 온도 센서;
    - 상기 결합 어셈블리의 하나 이상의 부분들의 진동 수준의 제2 센서 신호 표시를 생성하도록 배열되는 진동 센서;
    와 연결되고, 상기 모터 컨트롤러는 적어도 하나의 상기 제1 및 상기 제2 센서 시그널의 의존으로(dependence) 상기 스테퍼 모터의 작동을 제어하는, 어셈블리.
    
13. 제 1항 내지 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 상기 인덕터 로터들 및 상기 자석 사이의 축 거리를 조정함으로써 상기 제1 로터리 샤프트의 속도에 대하여 상기 제2 로터리 샤프트의 속도를 변화시키도록 형성되는 제어 유닛을 포함하는, 어셈블리.
    
14. 제 1항 내지 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 인덕터 로터는, 뒤에 자기 물질, 예를 들어 철 또는 강철이 있는, 비-자기 전기 전도성 물질, 예를 들어 구리, 알루미늄 또는 놋쇠을 포함하는, 어셈블리.
    
15. 제 1항 내지 14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 중심 자석 로터는 상기 모터 또는 부하 샤프트에 부착되고, 상기 로터로부터 상기 샤프트로 토크를 전달하도록 배열되고, 상기 두 인덕터 로터들은 다른 샤프트에 부착되고 상기 인덕터 로터들로부터 다른 샤프트로 토크를 전달하도록 배열되는, 어셈블리.
    
16. 제 1항 내지 15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 위치 결정기구를 작동시키도록 형성되는 엑추에이터를 포함하는, 어셈블리.
    
17. 제 16항에 있어서,
    상기 엑추에이터는 상기 위치 결정기수에 가까이 위치되고 레버에 의해 상기 위치 결정기구에 연결되는, 어셈블리
    
18. 제 1항 내지 17항 중 어느 항 항에 있어서,
    영구 자석들을 포함하는 각각의 회전 가능한 자석 로터, 둘, 셋 이상의 회전 가능한 자석 로터들을 포함하는, 어셈블리.

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