KR20170058627A - 전기 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기 모터에 관한 것으로서, 하우징; 상기 하우징에 회전이 자유롭게 설치되고, 회전축을 중심으로 회전될 수 있는 회전자; 상기 회전자를 자력을 이용하여 회전시킬 수 있도록 상기 하우징에 설치되는 고정자; 상기 회전자의 외경에 적어도 하나 이상 설치되는 회전자측 영구자석; 상기 회전자측 영구자석과 이격되어 서로 대향하도록 상기 고정자의 내경에 적어도 하나 이상 설치되는 고정자측 영구자석; 상기 회전자측 영구자석과 상기 고정자측 영구자석 사이에 설치되고, 철심 코어가 상기 고정자측 영구자석과 인력이 작용되도록 상기 철심 코어에 전류의 흐름이 제 1 회전방향으로 이루어지도록 감긴 제 1 코일 및 상기 철심 코어가 상기 고정자측 영구자석과 척력이 작용되도록 상기 철심 코어에 전류의 흐름이 상기 제 1 회전방향과 반대 방향인 제 2 회전방향으로 이루어지도록 감긴 제 2 코일을 이용하여 상기 고정자측 영구자석에서 발생된 자기력선의 형태를 변화시킬 수 있는 이중 코일형 전자석; 및 상기 제 1 코일 및 상기 제 2 코일 중 어느 하나에 선택적으로 전류를 인가하는 스위치부;를 포함할 수 있다.

Description

전기 모터{Electric motor}

본 발명은 전기 모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 1개의 철심 코어에 2개의 코일을 설치하여 고정자측 영구자석의 자력을 극대화할 수 있게 하는 고효율 전기 모터에 관한 것이다.

일반적인 전기 모터의 작동원리는, 브러쉬(brush)를 통해 회전자(rotor)에 전류가 입력되고 그 전류에 의해 유도되는 자기장이 모터의 하우징에 고정 배치된 고정자(stator)와의 반발력을 만들어 내면, 이 반발력에 의해 회전자가 회전하며 동력을 만들어 내는 것이다.

이러한 종래 전기모터는 회전자의 회전시 발생하는 기계적인 마찰과 자기장 생성 및 변환에 따른 코어 손실 등으로 입력된 전력의 상당량이 회전력으로 전환되지 못하고 소모된다.

따라서 오래전부터 이러한 전기모터의 효율을 향상시키기 위해서 회전자와 고정자간의 위치 및 형태를 변경시키거나 부품의 정밀도 등을 향상시키는 노력을 경주해 왔다.

그 몇 가지 예를 들면, 미국특허 5109172호는 내주연에는 고 자속밀도와 고 릴럭턴스를 발생시키고 외주연에는 저 누설자속과 저 릴럭턴스를 발생시키도록 영구자석 구조를 개선하여, 보다 힘이 있고 효율도 크며 같은 크기의 종래 직류모터 보다 소음이 적은 직류모터에 관한 기술이다.

또한, 일본특허 2924122호는 정류자편의 섭동부측면의 내경측의 일부에 요부 단차를 마련하여 몰드 금형내에 설치가 쉽고, 절삭시에는 정류자 외주부의 철부만 얕은 가공을 하도록 하였고, 미국특허 6255754호는 전기자에 의해 발생되는 변화하는 자속이 링을 통과하면 렌쯔의 법칙에 의해 링 내부에 카운터 자속이 생기게 되고 이 커운터 자속이 변화하는 자속에 더해져 결과적으로 전체자속은 일정하하게 되어 영구자석 전기모터의 내부 구성에 적용되는 변화하는 자속에 의해 야기되는 소음과 진동을 줄이게 하였다.

그러나, 이러한 종래의 노력에도 불구하고 아직 전기모터 자체가 가진 입력 대비 출력 효율은 약 80% 정도가 최고인 상황이므로, 기존의 구조로는 더 이상 그 효율 또는 역율을 향상시킬 수 없었던 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 1개의 철심 코어에 2개의 코일을 설치하여 고정자측 영구자석의 자력을 극대화함으로써 입력 대비 출력 효율을 극대화할 수 있고, 전류의 흐름을 제어하는 것이 아니라 코일을 선택적으로 스위칭할 수 있게 하여 전자석의 극성 변화 시간을 획기적으로 단축시키고, 모터에 전류가 인가되지 않더라도 회전축에 브레이킹 포스가 유지되어 별도의 브레이킹 에너지를 인가할 필요 없이 고속 회전 후 급감속을 용이하게 하는 전기 모터를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 사상에 따른 전기 모터는, 하우징; 상기 하우징에 회전이 자유롭게 설치되고, 회전축을 중심으로 회전될 수 있는 회전자; 상기 회전자를 자력을 이용하여 회전시킬 수 있도록 상기 하우징에 설치되는 고정자; 상기 회전자의 외경에 적어도 하나 이상 설치되는 회전자측 영구자석; 상기 회전자측 영구자석과 이격되어 서로 대향하도록 상기 고정자의 내경에 적어도 하나 이상 설치되는 고정자측 영구자석; 상기 회전자측 영구자석과 상기 고정자측 영구자석 사이에 설치되고, 철심 코어가 상기 고정자측 영구자석과 인력이 작용되도록 상기 철심 코어에 전류의 흐름이 제 1 회전방향으로 이루어지도록 감긴 제 1 코일 및 상기 철심 코어가 상기 고정자측 영구자석과 척력이 작용되도록 상기 철심 코어에 전류의 흐름이 상기 제 1 회전방향과 반대 방향인 제 2 회전방향으로 이루어지도록 감긴 제 2 코일을 이용하여 상기 고정자측 영구자석에서 발생된 자기력선의 형태를 변화시킬 수 있는 이중 코일형 전자석; 및 상기 제 1 코일 및 상기 제 2 코일 중 어느 하나에 선택적으로 전류를 인가하는 스위치부;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 고정자측 영구자석은 제 1 폭을 갖고 길이방향으로 길게 형성되는 막대형 영구자석이고, 상기 이중 코일형 전자석은, 상기 철심 코어가 상기 고정자측 영구자석에 직접 접촉되고, 상기 제 1 폭 보다 작은 제 2 폭을 가지며, 길이 방향으로 길게 형성되는 막대형 자성체이며, 상기 제 1 코일은 상기 철심 코어의 측면 중 상기 고정자측 영구자석과 상대적으로 가까운 부분에 시계 방향 또는 반시계 방향으로 감긴 코일 뭉치이고, 상기 제 2 코일은 상기 철심 코어의 측면 중 상기 고정자측 영구자석과 상대적으로 먼 부분에 상기 제 1 코일과 인접되게 설치되고, 상기 제 1 코일의 감긴 방향과 다른 반시계 방향 또는 시계 방향으로 감긴 코일 뭉치일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 코일과 상기 제 2 코일은 그 폭이 제 3 폭으로 서로 동일하고, 상기 제 3 폭은 상기 고정자측 영구자석의 제 1 폭 보다 클 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 고정자측 영구자석과, 상기 회전자측 영구자석은 서로 쌍을 이루어서 상기 회전축을 중심으로 복수개가 등각 배치될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 스위치부는, 상기 회전자측 영구자석의 자력축과 상기 고정자측 영구자석의 자력축이 동일축 선상에 위치되도록 상기 회전자가 회전되면 상기 이중 코일형 전자석의 자력 작용면의 극성이 이와 대응되는 상기 회전자측 영구자석의 극성과 동일해져서 척력이 발생되고, 이웃하는 다른 이중 코일형 전자석의 자력 작용면의 극성은 상기 회전자측 영구자석의 극성과 달라져서 인력이 작용하여 상기 회전자의 회전력을 유도할 수 있도록, 상기 제 1 코일에 전류를 인가하는 동안 상기 제 2 코일에 전류를 단절하고, 상기 제 2 코일에 전류를 인가하는 동안 상기 제 1 코일에 전류를 단절시키는 선택 스위치 회로부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 스위치부는, 상기 이중 코일형 전자석의 상기 제 1 코일에 전류가 인가되고, 상기 제 2 코일에 전류가 단절되면, 상기 이중 코일형 전자석과 이웃하는 다른 이중 코일형 전자석의 제 2 코일에 전류가 인가되고, 제 1 코일에 전류가 단절될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 전기 모터는, 상기 고정자측 영구자석을 상기 하우징에 고정할 수 있도록 상기 고정자측 영구자석을 수용하는 수용홈이 형성되고, 상기 하우징에 고정되는 고정 블록;을 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 고정자측 영구자석은, 상기 하우징에 고정되는 일단부에 N극(S극)이 형성되고, 타단부에 S극(N극)이 형성되도록 상기 하우징의 내벽에 복수개가 등각 배치되고, 상기 이중 코일형 전자석은, 상기 제 1 코일은 전류를 인가하면 상기 고정자측 영구자석과 접촉되는 상기 철심 코어의 일단부에 N극이 형성되고, 타단부에 S극이 형성되도록 설치되고, 상기 제 2 코일은 전류를 인가하면 상기 고정자측 영구자석과 접촉되는 상기 철심 코어의 일단부에 S극이 형성되고, 타단부에 N극이 형성되도록 설치될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 코일과 상기 제 2 코일은, 동일한 크기로 서로 적층되는 적층형, 적어도 어느 하나가 내측 또는 외측에 동심을 이루어서 수용되는 동심형, 코일을 이루는 전선들이 서로 혼합되는 혼합형 중 어느 하나를 선택하여 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 제 1 코일 및 상기 제 2 코일 모두에 전류가 인가되지 않더라도 상기 고정자측 영구자석의 자력이 상기 철심 코어에 자성을 갖게 하여 상기 회전자측 영구자석을 인력에 의해 붙잡아서 회전축에 브레이킹 포스가 작용할 수 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 전기에너지가 영구자석들의 자력을 외부로 방출시켜서 자력을 강화시킬 수 있기 때문에 종래보다 적은 전기에너지로만으로도 많은 회전 운동에너지를 얻어낼 수 있고, 이로 인하여 고효율을 달성할 수 있으며, 제어가 용이하며, 자연적으로 발생되는 브레이킹 포스를 이용할 수 있는 효과를 갖는 것이다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 모터를 나타내는 개념도이다.
도 2는 도 1의 전기 모터의 고정자측 영구자석 및 이중 코일형 전자석을 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 2의 전기 모터의 이중 코일형 전자석의 극성 강화 모드를 나타내는 개념도이다.
도 4는 도 1의 전기 모터의 일례를 나타내는 회로도이다.
도 5는 도 2의 전기 모터의 이중 코일형 전자석의 극성 약화 모드를 나타내는 개념도이다.
도 6는 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 전기 모터를 나타내는 개념도이다.
도 7은 도 6의 전기 모터의 회전축의 제 1 각도 회전시 극성 상태를 나타내는 개념도이다.
도 8은 도 6의 전기 모터의 회전축의 제 2 각도 회전시 극성 상태를 나타내는 개념도이다.
도 9은 도 6의 전기 모터의 고정자측 영구자석 및 이중 코일형 전자석을 나타내는 부품 분해 사시도이다.
도 10는 도 9의 다른 실시예에 따른 이중 코일형 전자석을 나타내는 사시도이다.
도 11은 도 9의 또 다른 실시예에 따른 이중 코일형 전자석을 나타내는 사시도이다.
도 12은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전기 모터를 나타내는 사진이다.
도 13은 도 12의 전기 모터의 고정자측 영구자석 및 이중 코일형 전자석을 나타내는 부품 조립 사진이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 여러 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 실시예들은 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이며, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 오히려 이들 실시예들은 본 개시를 더욱 충실하고 완전하게 하고, 당업자에게 본 발명의 사상을 완전하게 전달하기 위하여 제공되는 것이다. 또한, 도면에서 각 층의 두께나 크기는 설명의 편의 및 명확성을 위하여 과장된 것이다.

명세서 전체에 걸쳐서, 막, 영역 또는 기판과 같은 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 상기 하나의 구성요소가 직접적으로 다른 구성요소 "상에", "연결되어", "적층되어" 또는 "커플링되어" 접촉하거나, 그 사이에 개재되는 또 다른 구성요소들이 존재할 수 있다고 해석될 수 있다. 반면에, 하나의 구성요소가 다른 구성요소 "직접적으로 상에", "직접 연결되어", 또는 "직접 커플링되어" 위치한다고 언급할 때는, 그 사이에 개재되는 다른 구성요소들이 존재하지 않는다고 해석된다. 동일한 부호는 동일한 요소를 지칭한다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.

본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어가 다양한 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들을 설명하기 위하여 사용되지만, 이들 부재, 부품, 영역, 층들 및/또는 부분들은 이들 용어에 의해 한정되어서는 안됨은 자명하다. 이들 용어는 하나의 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 다른 영역, 층 또는 부분과 구별하기 위하여만 사용된다. 따라서, 이하 상술할 제 1 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분은 본 발명의 가르침으로부터 벗어나지 않고서도 제 2 부재, 부품, 영역, 층 또는 부분을 지칭할 수 있다.

또한, "상의" 또는 "위의" 및 "하의" 또는 "아래의"와 같은 상대적인 용어들은 도면들에서 도해되는 것처럼 다른 요소들에 대한 어떤 요소들의 관계를 기술하기 위해 여기에서 사용될 수 있다. 상대적 용어들은 도면들에서 묘사되는 방향에 추가하여 소자의 다른 방향들을 포함하는 것을 의도한다고 이해될 수 있다. 예를 들어, 도면들에서 소자가 뒤집어 진다면, 다른 요소들의 상부의 면 상에 존재하는 것으로 묘사되는 요소들은 상기 다른 요소들의 하부의 면 상에 방향을 가지게 된다. 그러므로, 예로써 든 "상의"라는 용어는, 도면의 특정한 방향에 의존하여 "하의" 및 "상의" 방향 모두를 포함할 수 있다. 소자가 다른 방향으로 향한다면(다른 방향에 대하여 90도 회전), 본 명세서에 사용되는 상대적인 설명들은 이에 따라 해석될 수 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예를 설명하기 위하여 사용되며, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 다른 경우를 분명히 지적하는 것이 아니라면, 복수의 형태를 포함할 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 경우 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 하나 이상의 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.

이하, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들을 개략적으로 도시하는 도면들을 참조하여 설명한다. 도면들에 있어서, 예를 들면, 제조 기술 및/또는 공차(tolerance)에 따라, 도시된 형상의 변형들이 예상될 수 있다. 따라서, 본 발명 사상의 실시예는 본 명세서에 도시된 영역의 특정 형상에 제한된 것으로 해석되어서는 아니 되며, 예를 들면 제조상 초래되는 형상의 변화를 포함하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 모터(100)를 나타내는 개념도이다. 그리고, 도 2는 도 1의 전기 모터의 고정자측 영구자석(M2) 및 이중 코일형 전자석(40)을 나타내는 개념도이다.

먼저, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 모터(100)는, 크게, 하우징(10)과, 회전자(20)와, 고정자(30)와, 회전자측 영구자석(M1)과, 고정자측 영구자석(M2)과, 이중 코일형 전자석(40) 및 스위치부(50)를 포함할 수 있다.

예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 하우징(10)은 주로 제품의 외관을 나타내고, 내부에 상술된 부품들을 수용할 수 있는 일종의 케이스와 유사한 전체적으로 원통형상의 구조체일 수 있다. 따라서, 이러한 상기 하우징(10)은 상술된 부품들을 지지할 수 있는 충분한 강도와 내구성을 갖는 것으로서, 일체형 케이스 또는 각종 프레임 부재들, 예컨대, 수직 부재, 수평 부재, 원판 부재, 패널 및 고정구들을 이용하여 조립될 수 있다. 그러나, 이러한 상기 하우징(10)의 형태나 구조는 도면이나 사진 등에 반드시 국한되지 않고 매우 다양한 형태로 이루어질 수 있다.

또한, 예컨대, 상기 회전자(20)는 상기 하우징(10)에 회전이 자유롭게 설치되는 것으로서, 상기 하우징(10)에 설치된 베어링(미도시)에 의해 양단부가 회전 지지되는 회전축(21)을 중심으로 상기 하우징(10)의 내부에 수용되어 회전이 가능하게 설치될 수 있는 원기둥 형태의 구조체일 수 있다. 그러나, 이러한 상기 회전자(20) 역시 도면이나 사진 등에 반드시 국한되지 않고 매우 다양한 형태로 이루어질 수 있다.

또한, 예컨대, 상기 고정자(30)는 상기 회전자(20)를 자력을 이용하여 회전시킬 수 있도록 상기 하우징(10)의 내벽에 설치되는 구조체로서, 상기 고정자측 영구자석(M2)을 상기 하우징(10)에 설치할 수 있도록 형성된 각종 고정체일 수 있다. 이러한 상기 고정자(30)는 상기 회전자(20)와 대비되는 개념으로 폭넓게 해석될 수 있는 데, 더욱 구체적으로 예를 들면, 상기 하우징(10)도 상기 고정자(30)의 일부로 해석될 수 있고, 후술될 상기 이중 코일형 전자석(40)도 상기 고정자(30)의 일부로 해석될 수 있다.

또한, 예컨대, 상기 회전자측 영구자석(M1)은 상기 회전자(20)의 외경을 따라서 복수개가 배치되는 것으로서, 상기 고정자측 영구자석(M2)와 대향되는 단부의 극성이 예컨대, S극과 N극이 번갈아가면서 교대로 배치되고, 상기 회전자(20)와 함께 회전될 수 있는 영구자석일 수 있다. 이러한 상기 회전자측 영구자석(M1)의 형태는 수평 막대형, 수직 막대형, 원판형, 원기둥형 등 다양한 영구자석들이 모두 적용될 수 있다.

또한, 예컨대, 상기 고정자측 영구자석(M2)는 상기 회전자측 영구자석(M1)과 이격되어 서로 대향하도록 상기 고정자(30)의 내경에 복수개가 배치되는 것으로서, 상기 회전자측 영구자석(M2)와 대향되는, 즉 후술될 상기 이중 코일형 전자석(40)과 대향되는 단부의 극성이 모두 동일하게 고정적으로 배치될 수 있다.

더욱 구체적으로 예를 들면, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 고정자측 영구자석(M2)는 극성이 교대로 배치되는 상기 회전자측 영구자석(M1)과는 달리, 예컨대, 상기 회전자측 영구자석(M2)와 대향되는, 즉 후술될 상기 이중 코일형 전자석(40)과 대향되는 단부의 극성이 모두 N극으로 동일할 수 있다. 물론, 이와는 반대로 단부의 극성이 모두 S극으로 동일할 수도 있다. 그 이유는 후술될 상기 이중 코일형 전자석(40)에 의해 자기력선의 형태를 변경할 수 있기 때문이다. 그러나, 이에 반드시 국한되지 않고, 극성이 번갈아가면서 교대로 배치되는 것도 가능하다.

또한, 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 고정자측 영구자석(M2)과, 상기 회전자측 영구자석(M1)은 서로 쌍을 이루어서 상기 회전축(21)을 중심으로 4개의 쌍이 90도로 등각 배치될 수 있다. 그러나, 이러한 상기 고정자측 영구자석(M2)과, 상기 회전자측 영구자석(M1)의 설치 개수는 6개, 8개, 12개 등 짝수를 이루어서 매우 다양하게 구성될 수 있다.

또한, 예컨대, 상기 이중 코일형 전자석(40)은, 상기 회전자측 영구자석(M1)과 상기 고정자측 영구자석(M2) 사이에 설치되는 것으로서, 철심 코어(41)와, 제 1 코일(C1) 및 제 2 코일(C2)을 포함할 수 있다.

더욱 구제적으로 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 철심 코어(41)는 전자석의 코어로서, 평상시에는 자성을 갖지 않으나 다른 영구자석 또는 코일에 의해 자성을 가질 수 있는 자성체일 수 있다.

또한, 상기 제 1 코일(C1)은 상기 철심 코어(41)가 상기 고정자측 영구자석(M2)과 인력 또는 척력이 작용되도록 상기 철심 코어(41)에 전류의 흐름이 제 1 회전방향으로 이루어지도록 감긴 코일 뭉치일 수 있다.

또한, 상기 제 2 코일(C2)은 상기 제 1 코일(C1) 및 상기 철심 코어(41)가 상기 고정자측 영구자석(M2)과 척력 또는 인력이 작용되도록 상기 철심 코어(41)에 전류의 흐름이 상기 제 1 회전방향과 반대 방향인 제 2 회전방향으로 이루어지도록 감긴 코일 뭉치일 수 있다.

따라서, 상기 이중 코일형 전자석(40)은 이러한 상기 제 1 코일(C1) 및 상기 제 2 코일(C2)을 이용하여 상기 고정자측 영구자석(M2)에서 발생된 자기력선의 형태를 변화시킬 수 있는 일종의 자기력선 변환 장치일 수 있다.

도 3은 도 2의 전기 모터(100)의 이중 코일형 전자석(40)의 극성 강화 모드를 나타내는 개념도이고, 도 4는 도 1의 전기 모터(100)의 회로도이고, 도 5는 도 2의 전기 모터(100)의 이중 코일형 전자석(40)의 극성 약화 모드를 나타내는 개념도이다.

도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 이중 코일형 전자석(40)의 작동 과정을 설명하면, 먼저, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 코일(C1)과 연결되는 제 1 단자(T1)가 상기 스위치부(50)에 의해서 전원(P)과 연결되면 상기 제 1 코일(C1)에 예컨대, 시계 방향의 전류의 흐름이 형성되어 상기 철심 코어(41)에 상기 고정자측 영구자석(M2)의 자기력선을 더욱 강화시키는 방향으로 극성이 형성될 수 있다.

예컨대, 실험적으로 이미 증명된 바와 같이, 1000 가우스(gaus)의 자력을 갖는 1개의 영구자석과 다른 1000 가우스의 자력을 갖는 1개의 영구자석을 서로 합쳐서 전체적인 자력을 측정한다고 해도 자기장의 범위가 넓어질 뿐, 자력의 세기, 즉 자기력선의 밀도는 1000 가우스 정도로 높아지지 않는다.

그러나, 본 발명에서와 같이, 예컨대, 1000 가우스의 상기 고정자측 영구자석(M2)에 상기 이중 코일형 전자석(40)을 합치고 자기력선을 더욱 강화시키는 방향으로 상기 제 1 코일(C1)에 전류를 인가하면, 자기력선의 밀도가 높아져서 2000 가우스, 3000 가우스 등 전류량 또는 전압에 따라 전체적인 자력을 크게 증대시킬 수 있음이 반복된 실험을 통해 확인할 수 있었다.

즉, 상기 고정자측 영구자석(M2)에 상기 철심 코어(41)를 접촉시키면 상기 철심 코어(41)의 표면에서 약 1050 가우스를 얻을 수 있다.

여기서, 상기 고정자측 영구자석(M2)을 제거하고, 24V, 36V, 40V, 48V 전압의 전류를 상기 이중 코일형 전자석(40)에만 인가하면 각각, 800 가우스, 1150 가우스, 1300 가우스, 1500 가우스를 얻을 수 있다.

여기에, 상기 고정자측 영구자석(M2)과 상기 이중 코일형 전자석(40)을 합하여 24V, 36V, 40V, 48V 전압의 전류를 상기 이중 코일형 전자석(40)에 인가하면 각각, 총 2200 가우스, 2400 가우스, 2800 가우스, 3000 가우스를 얻을 수 있었다.

결론적으로, 전자석에 흐르는 전류의 전압을 높이면 전자석에서 발생되는 자력을 높일 수는 있지만 이는 에너지가 많이 소모될 수밖에 없어서 모터의 효율이 떨어질 수 있지만, 본 발명과 같이, 영구자석을 이용하면 추가적인 전기 에너지의 공급이 없이도 전자석에서 발생되는 자력과 영구자석의 자력을 합하여 더 큰 자력을 얻을 수 있기 때문에 모터의 효율을 그만큼 더 높일 수 있음을 확인할 수 있었다.

그러므로, 종래처럼 고정자측에 전자석만을 이용하는 경우 보다, 본 발명과 같이 고정자측에 상기 고정자측 영구자석(M2) 및 이와 결합된 상기 이중 코일형 전자석(40)을 이용하면 상기 고정자측 영구자석(M2)의 자력을 상기 이중 코일형 전자석(40)이 충분히 흡수하여 입력된 전류이 비례로 커지는 자력을 이용할 수 있고, 이를 통해서 고효율의 모터를 구현할 수 있다.

이론적으로 살펴보면, 모터는 자력에 의해 회전하고 일을 하는 데, 영구자석을 같은 모양의 철판을 만들어 밀착시키면 두 개의 영구자석을 포개었을 때와 같은 상태로 자력을 발생한다. 이것은 전자기학에서 말하는 전기영상의 원리에 근거한 것으로서, 철판 내에 역극성의 이미지 마그넷이 존재하기 때문이다. 따라서, 두 개의 자석을 포갠 것과 같으므로 저항의 역수는 높아져서 자력이 증가할 수 있고, 이러한 자력은 동극간 척력, 이극간 인력이 작용하여 이 때의 모든 자력은 인력 또는 척력이 작용하는 부분으로 집중될 수 있다. 이러한 원리에 의해 본 발명은 고정된 영구자석과 이중 코일형 전자석을 이용하여 효율이 100 퍼센트에 근접할 수 있는 이론적인 전기 모터를 후술될 사진과 같이 구현할 수 있었다.

이어서, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 코일(C2)과 연결되는 제 2 단자(T2)가 상기 스위치부(50)에 의해서 전원(P)과 연결되면 상기 제 2 코일(C2)에 예컨대, 반시계 방향의 전류의 흐름이 형성되어 상기 철심 코어(41)에 상기 고정자측 영구자석(M2)의 자기력선을 약화시키는 역극성이 형성될 수 있다.

이러한 역극성의 상기 철심 코어(41)는 상기 회전자측 영구자석(M1)과 훨씬 가깝기 때문에 상기 고정자측 영구자석(M2)에서 발생되는 자기력선을 충분히 변화시켜서 작은 전류만으로도 상기 회전자측 영구자석(M1)에 더욱 큰 영향력을 행사할 수 있다.

또한, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 예컨대, 상기 스위치부(50)는 상기 제 1 코일(C1) 및 상기 제 2 코일(C2) 중 어느 하나에 선택적으로 전류를 인가하는 것으로서, 이를 이용하여 회전력을 발생시킬 수 있다.

한편, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일부 실시예들에 따른 전기 모터(100)는, 상기 고정자측 영구자석(M2)을 상기 하우징(10)에 고정할 수 있도록 상기 고정자측 영구자석(M2)을 수용하는 수용홈(H)이 형성되고, 상기 하우징(10)에 고정되는 고정 블록(60)을 더 포함할 수 있다.

따라서, 이러한 고정 블록(60)을 이용하여 각 부품을 견고하게 고정시키는 것은 물론이고, 상기 고정자측 영구자석(M2)과 상기 이중 코일형 전자석(40) 간에 척력이 발생되더라도 이들을 서로 견고하게 지지할 수 있다.

한편, 도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 예컨대, 상기 스위치부(50)는 상기 회전자측 영구자석(M1)의 자력축과 상기 고정자측 영구자석(M2)의 자력축이 동일축 선상에 위치되도록 상기 회전자(20)가 회전되면 상기 이중 코일형 전자석(40)의 자력 작용면(F)의 극성이 이와 대응되는 상기 회전자측 영구자석(M1)의 극성과 동일해져서 척력이 발생되고, 이웃하는 다른 이중 코일형 전자석(40)의 자력 작용면(F)의 극성은 상기 회전자측 영구자석(M1)의 극성과 달라져서 인력이 작용하여 상기 회전자(20)의 회전력을 유도할 수 있도록, 상기 제 1 코일(C1)에 전류를 인가하는 동안 상기 제 2 코일(C2)에 전류를 단절하고, 상기 제 2 코일(C2)에 전류를 인가하는 동안 상기 제 1 코일(C1)에 전류를 단절시키는 선택 스위치 회로부를 포함할 수 있다.

도 6는 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른 전기 모터(200)를 나타내는 개념도이고, 도 7은 도 6의 전기 모터(200)의 회전축(21)의 제 1 각도 회전시 극성 상태를 나타내는 개념도이고, 도 8은 도 6의 전기 모터(200)의 회전축(21)의 제 2 각도 회전시 극성 상태를 나타내는 개념도이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 고정자측 영구자석(M2)은, 상기 하우징(10)에 고정되는 일단부에 N극(S극)이 형성되고, 타단부에 S극(N극)이 형성되도록 상기 하우징의 내벽에 복수개가 등각 배치되고, 상기 이중 코일형 전자석(40)은, 상기 제 1 코일(C1)은 전류를 인가하면 상기 고정자측 영구자석(M2)과 접촉되는 상기 철심 코어(41)의 일단부에 N극이 형성되고, 타단부에 S극이 형성되도록 설치되고, 상기 제 2 코일(C2)은 전류를 인가하면 상기 고정자측 영구자석과 접촉되는 상기 철심 코어(41)의 일단부에 S극이 형성되고, 타단부에 N극이 형성되도록 설치될 수 있다.

따라서, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 각도 회전시, 상기 스위치부(50)는, 상기 이중 코일형 전자석(40)의 상기 제 1 코일(C1)에 전류가 인가되고, 상기 제 2 코일(C2)에 전류가 단절되면, 상기 이중 코일형 전자석(40)과 이웃하는 다른 이중 코일형 전자석(40)의 제 2 코일(C2)에 전류가 인가되고, 제 1 코일(C1)에 전류가 단절될 수 있다.

이로 인하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 회전자측 영구자석(M1)의 자력축과 상기 고정자측 영구자석(M2)의 자력축이 동일축 선상에 위치되도록 상기 회전자(20)가 회전되면 상기 이중 코일형 전자석(40)의 자력 작용면(F)의 극성이 이와 대응되는 상기 회전자측 영구자석(M1)의 극성과 동일해져서 척력이 발생되고, 이와 동시에 이웃하는 다른 이중 코일형 전자석(40)의 자력 작용면(F)의 극성은 상기 회전자측 영구자석(M1)의 극성과 달라져서 인력이 작용하여 상기 회전자(20)의 회전력을 유도할 수 있고, 이러한 회전력으로 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 각도로 회전되면, 역시 마찬가지로 상기 이중 코일형 전자석(40)의 자력 작용면(F)의 극성이 이와 대응되는 상기 회전자측 영구자석(M1)의 극성과 동일해져서 척력이 발생되고, 이웃하는 다른 이중 코일형 전자석(40)의 자력 작용면(F)의 극성은 상기 회전자측 영구자석(M1)의 극성과 달라져서 인력이 작용하여 상기 회전자(20)의 회전력을 유도할 수 있어서 지속적으로 상기 회전자(20)가 회전될 수 있다.

예컨대, 도 7에서 24V 전압의 전류가 인가될 경우, 6개의 상기 고정자측 영구자석(M2) 및 상기 이중 코일형 전자석(40) 조합들 중에서 3개는 800 가우스의 힘으로 척력이 발생되어 상기 회전자(20)를 회전시키고, 이들 사이에 위치하는 나머지 조합들 3개는 2000 가우스의 힘으로 척력을 발생시켜서 상기 회전자(20)를 고효율 고속으로 회전시키는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다.

또한, 상술된 바와 같이, 상기 제 1 코일(C1) 및 상기 제 2 코일(C2) 중 어느 하나를 선택하여 전류가 인가되는 경우, 회전력이 발생되어 모터가 회전하게 되지만, 상기 제 1 코일(C1) 및 상기 제 2 코일(C2) 모두에 전류가 인가되지 않더라도 상기 고정자측 영구자석(M2)의 자력이 상기 철심 코어(41)에 자성을 갖게 하여 상기 회전자측 영구자석(M1)을 인력에 의해 붙잡아서 상기 회전축(21)에 브레이킹 포스가 작용할 수 있다. 이러한 브레이킹 포스는 전류가 단절되면 자유 회전이 가능한 기존의 모터와는 달리 회전자측과 고정자측 사이에 자력이 형성되어 별도의 에너지 추가가 없이 능동적으로 발생되는 것으로서, 매우 강력하여 이를 이용한 엔진 브레이크나 신속한 동력 차단이 가능하다. 즉, 별도의 브레이크 시스템이나 역전기를 발생시키지 않고도 일종의 자체 브레이크 시스템을 갖을 수 있어서 자동차나, 오토바이, 전기차, 각종 브레이크 기능이 필요한 엔진 등에 매우 유용할 수 있다.

도 9은 도 6의 전기 모터(200)의 고정자측 영구자석(M2) 및 이중 코일형 전자석(40)을 나타내는 부품 분해 사시도이다.

도 9에 도시된 바와 같이, 예컨대, 상기 고정자측 영구자석(M2)은 제 1 폭(W1)을 갖고 길이방향으로 길게 형성되는 막대형 영구자석이고, 상기 이중 코일형 전자석(40)은, 상기 철심 코어(41)가 상기 고정자측 영구자석(M2)에 직접 접촉되고, 상기 제 1 폭(W1) 보다 작은 제 2 폭(W2)을 가지며, 길이 방향으로 길게 형성되는 막대형 자성체일 수 있다.

또한, 예컨대, 상기 제 1 코일(C1)은 상기 철심 코어(41)의 측면 중 상기 고정자측 영구자석(M2)과 상대적으로 가까운 부분에 시계 방향 또는 반시계 방향으로 감긴 코일 뭉치이고, 상기 제 2 코일(C2)은 상기 철심 코어(41)의 측면 중 상기 고정자측 영구자석(M2)과 상대적으로 먼 부분에 상기 제 1 코일(C1)과 인접되게 설치되고, 상기 제 1 코일(C1)의 감긴 방향과 다른 반시계 방향 또는 시계 방향으로 감긴 코일 뭉치일 수 있다.

여기서, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 코일(C1)과 상기 제 2 코일(C2)은 그 폭이 제 3 폭(W3)으로 서로 동일하고, 상기 제 3 폭(W3)은 상기 고정자측 영구자석(M2)의 제 1 폭(W1) 보다 클 수 있다.

따라서, 상기 제 1 코일(C1)과 상기 제 2 코일(C2)의 폭인 제 3 폭(W3)이 상기 고정자측 영구자석(M2)의 제 1 폭(W1) 보다 크기 때문에 상기 철심 코어(41)에 역극성이 발생되더라도 상기 고정자측 영구자석(M2) 방향으로 넘어가는 자기력선을 최대한 차단하여 상기 회전자측 영구자석(M1)과 상기 고정자측 영구자석(M2) 간의 영향력을 최소화할 수 있고, 이로 인하여 최소한의 전류로도 상기 철심 코어(41)에 역극성을 형성할 수 있으며, 이를 통해서 효율을 더욱 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 코일(C1)과 상기 제 2 코일(C2)은, 동일한 크기로 구분되어 서로 적층되는 형태인 적층형(42)일 수 있다. 따라서, 코일의 전체적인 폭을 줄이는 대신 두께를 두껍게 할 수 있다. 그러나, 이에 반드시 국한되지 않는다.

즉, 도 10는 도 9의 다른 실시예에 따른 이중 코일형 전자석(40)을 나타내는 사시도이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 코일(C1)과 상기 제 2 코일(C2)은, 적어도 어느 하나가 내측 또는 외측에 동심을 이루어서 수용되는 동심형(43)일 수 있다. 따라서, 코일의 전체적인 두께를 줄이는 대신 폭을 넓힐 수 있다.

또한, 도 11은 도 9의 또 다른 실시예에 따른 이중 코일형 전자석(40)을 나타내는 사시도이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 코일(C1)과 상기 제 2 코일(C2)은, 코일을 이루는 전선들이 서로 혼합되는 혼합형(44) 중 어느 하나를 선택하여 이루어질 수 있다. 따라서, 코일의 전체적인 부피를 줄일 수 있다.

그러므로, 상술된 도 9, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 설치 공간에 따른 제약이나, 설치되는 영구자석의 개수나, 원하는 스팩이나 효율 등에 따라서 상기 제 1 코일(C1)과 상기 제 2 코일(C2)은 다양한 형태로 이루어질 수 있다.

도 12은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 전기 모터(300)를 나타내는 사진이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 플라이 휠(W)(flywheel)을 장착하고, 모터를 구동시킨 결과, 적은 전류로도 매우 강한 토크로 고속으로 회전할 수 있음을 확인할 수 있었다.

도 13은 도 12의 전기 모터(300)의 고정자측 영구자석(M2) 및 이중 코일형 전자석(40)을 나타내는 부품 조립 사진이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 각각의 코일들은 절연처리되고, 이들 간에 정극성 및 역극성이 정상적으로 구동되는 것을 확인할 수 있었다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

1. 하우징;
   상기 하우징에 회전이 자유롭게 설치되고, 회전축을 중심으로 회전될 수 있는 회전자;
   상기 회전자를 자력을 이용하여 회전시킬 수 있도록 상기 하우징에 설치되는 고정자;
   상기 회전자의 외경에 적어도 하나 이상 설치되는 회전자측 영구자석;
   상기 회전자측 영구자석과 이격되어 서로 대향하도록 상기 고정자의 내경에 적어도 하나 이상 설치되는 고정자측 영구자석;
   상기 회전자측 영구자석과 상기 고정자측 영구자석 사이에 설치되고, 철심 코어가 상기 고정자측 영구자석과 인력이 작용되도록 감긴 제 1 코일 및 상기 철심 코어가 상기 고정자측 영구자석과 척력이 작용되도록 감긴 제 2 코일을 이용하여 상기 고정자측 영구자석에서 발생된 자기력선의 형태를 변화시킬 수 있는 이중 코일형 전자석; 및
   상기 제 1 코일 및 상기 제 2 코일 중 어느 하나에 선택적으로 전류를 인가하는 스위치부;
   를 포함하는, 전기 모터.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 고정자측 영구자석은 제 1 폭을 갖고 길이방향으로 길게 형성되는 막대형 영구자석이고,
   상기 이중 코일형 전자석은,
   상기 철심 코어가 상기 고정자측 영구자석에 직접 접촉되고, 상기 제 1 폭 보다 작은 제 2 폭을 가지며, 길이 방향으로 길게 형성되는 막대형 자성체이며,
   상기 제 1 코일은 상기 철심 코어의 측면 중 상기 고정자측 영구자석과 상대적으로 가까운 부분에 시계 방향 또는 반시계 방향으로 감긴 코일 뭉치이고,
   상기 제 2 코일은 상기 철심 코어의 측면 중 상기 고정자측 영구자석과 상대적으로 먼 부분에 상기 제 1 코일과 인접되게 설치되고, 상기 제 1 코일의 감긴 방향과 다른 반시계 방향 또는 시계 방향으로 감긴 코일 뭉치인, 전기 모터.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 코일과 상기 제 2 코일은 그 폭이 제 3 폭으로 서로 동일하고,
   상기 제 3 폭은 상기 고정자측 영구자석의 제 1 폭 보다 큰, 전기 모터.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 고정자측 영구자석과, 상기 회전자측 영구자석은 서로 쌍을 이루어서 상기 회전축을 중심으로 복수개가 등각 배치되는, 전기 모터.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 스위치부는,
   상기 회전자측 영구자석의 자력축과 상기 고정자측 영구자석의 자력축이 동일축 선상에 위치되도록 상기 회전자가 회전되면 상기 이중 코일형 전자석의 자력 작용면의 극성이 이와 대응되는 상기 회전자측 영구자석의 극성과 동일해져서 척력이 발생되고, 이웃하는 다른 이중 코일형 전자석의 자력 작용면의 극성은 상기 회전자측 영구자석의 극성과 달라져서 인력이 작용하여 상기 회전자의 회전력을 유도할 수 있도록, 상기 제 1 코일에 전류를 인가하는 동안 상기 제 2 코일에 전류를 단절하고, 상기 제 2 코일에 전류를 인가하는 동안 상기 제 1 코일에 전류를 단절시키는 선택 스위치 회로부를 포함하는, 전기 모터.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 스위치부는,
   상기 이중 코일형 전자석의 상기 제 1 코일에 전류가 인가되고, 상기 제 2 코일에 전류가 단절되면, 상기 이중 코일형 전자석과 이웃하는 다른 이중 코일형 전자석의 제 2 코일에 전류가 인가되고, 제 1 코일에 전류가 단절되는, 전기 모터.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 고정자측 영구자석을 상기 하우징에 고정할 수 있도록 상기 고정자측 영구자석을 수용하는 수용홈이 형성되고, 상기 하우징에 고정되는 고정 블록;
   을 더 포함하는, 전기 모터.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 고정자측 영구자석은, 상기 하우징에 고정되는 일단부에 N극(S극)이 형성되고, 타단부에 S극(N극)이 형성되도록 상기 하우징의 내벽에 복수개가 등각 배치되고,
   상기 이중 코일형 전자석은,
   상기 제 1 코일은 전류를 인가하면 상기 고정자측 영구자석과 접촉되는 상기 철심 코어의 일단부에 N극이 형성되고, 타단부에 S극이 형성되도록 설치되고,
   상기 제 2 코일은 전류를 인가하면 상기 고정자측 영구자석과 접촉되는 상기 철심 코어의 일단부에 S극이 형성되고, 타단부에 N극이 형성되도록 설치되는, 전기 모터.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 코일과 상기 제 2 코일은, 동일한 크기로 서로 적층되는 적층형, 적어도 어느 하나가 내측 또는 외측에 동심을 이루어서 수용되는 동심형, 코일을 이루는 전선들이 서로 혼합되는 혼합형 중 어느 하나를 선택하여 이루어지는, 전기 모터.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 코일 및 상기 제 2 코일 모두에 전류가 인가되지 않더라도 상기 고정자측 영구자석의 자력이 상기 철심 코어에 자성을 갖게 하여 상기 회전자측 영구자석을 인력에 의해 붙잡아서 회전축에 브레이킹 포스가 작용하는, 전기 모터.

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