KR20190060836A

KR20190060836A - 토크 증폭 장치

Info

Publication number: KR20190060836A
Application number: KR1020197013360A
Authority: KR
Inventors: 에이멘 딜론
Original assignee: 에이멘 딜론
Priority date: 2016-10-15
Filing date: 2016-10-20
Publication date: 2019-06-03
Also published as: US9559564B1; AU2016426165A1; BR112019007528A2; JP2020501478A; EA037927B1; CN109845069A; WO2018071048A1; MX2019004209A; EP3526881A1; CN109845069B; KR102124733B1; EP3526881A4; EA201990969A1

Abstract

토크 증폭 장치는 회전자, 회전자 자석 세트, 고정자 자석 세트 및 레버와 크랭크 부재의 어셈블리를 포함한다. 상기 회전자는 프레임에 장착되며, 상기 회전자 자석 세트는 상기 회전자를 중심으로 직경 방향으로 서로 반대편에 설치된다. 상기 회전자는 축 방향으로 연결된 전기 모터에 의해 회전되어 상기 회전자 자석을 통해 상기 회전자의 주위에 회전 자기장을 형성한다. 상기 고정자 자석 세트는 상기 회전자로부터 소정의 거리만큼 이격되고 상기 회전자에 대응하도록 반지름 방향으로 구비된 외측 가이드 상에 슬라이딩 가능하도록 설치된다. 상기 고정자 자석 세트는 상기 회전자 자석 내에서 생성되는 상기 회전 자기장에 대한 응답으로 왕복 운동을 하며, 직경 방향으로 서로 반대편에 설치되며 서로 반대 방향으로 왕복 운동을 하는 제1 고정자 자석 및 제2 고정자 자석을 포함한다. 상기 레버는 상기 고정자 자석 각각에 연결되어 크랭크 부재를 회전 시키도록 구성되되, 상기 제1 고정자 자석과 반대편에 구비된 제2 고정자 자석은 상기 크랭크 부재를 회전시켜 상기 전기 모터로부터의 토크를 증폭하고 증폭된 토크를 상기 크랭크 부재에 전달한다.

Description

토크 증폭 장치

본 발명은, 일반적으로, 동력원으로부터 생성된 토크를 증가시킬 수 있는 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 동력 전달 기어에 작동 가능하게 결합된 강력한 영구 자석을 사용하여 토크를 증폭하는 토크 증폭 장치에 관한 것이다.

토크 증폭기는 회전 샤프트의 토크를 증폭 할 수 있는 기계 장치이다. 토크 증폭기는 다양하게 응용될 수 있다. 예를 들어, 토크 증폭기는 증기 기관, 연소 기관 및 전기 모터의 토크를 증폭하는 데 사용된다. 오늘날에는, 토크 증폭기에는 몇 가지 유형이 있다. 토크 증폭기의 유형의 예로는 마찰 기반 토크 증폭기, 기어 기반 토크 증폭기, 유압 토크 증폭기 및 전기 토크 증폭기가 있다.

토크 증폭기 설계의 일례에 따르면, 토크 증폭기는 한 쌍의 병렬 및 동축 구동 디스크를 포함한다. 한 쌍의 구동 디스크는 회전 동력원에 의해 제1 토크로 반대 방향으로 구동된다. 회전 동력원의 예로는 연소 기관 및 유도 전동기가 있다. 또한, 한 쌍의 구동 디스크는 마찰식 클러치 디스크를 통해 연결 샤프트에 기계적으로 결합된다. 연결 샤프트는 한 쌍의 구동 디스크의 회전축과 동일한 회전축상에서 회전하도록 구성된다. 연결 샤프트는 마찰식 클러치 디스크의 마찰력에 의해 결정되는 제2 토크로 회전한다. 마찰식 클러치 디스크의 마찰력은 제2 토크가 제1 토크보다 크도록 조절될 수 있다. 토크 증폭기는 토크를 증폭하기 위해 상기 마찰력을 사용하기 때문에, 토크 증폭기에 입력된 에너지의 일부는 마찰에 의해 발생한 열로써 손실된다. 그 결과, 토크 증폭기는 대체로 에너지 비효율적이다. 또한, 토크 증폭기는 확장성(scalability )이 부족하다.

따라서, 종래 기술에 따른 토크 증폭기는 몇 가지 한계가 있다. 종래 기술에 따른 토크 증폭기에서는 입력된 에너지의 상당량이 마찰로 인해 발생하는 열로써 손실된다. 그 결과, 종래 기술에 따른 토크 증폭기는 연료를 비효율적으로 소비한다. 또한, 종래 기술에 따른 토크 증폭기는 확장성이 부족하다.

따라서, 마찰로 인해 손실되는 에너지를 최소화할 수 있는 개선된 토크 증폭기에 대한 기술이 필요하다. 또한, 확장가능한(scalable) 토크 증폭기에 대한 기술이 필요하다.

본 명세서에 개시된 토크 증폭 장치는 전술한 문제점을 해결한다.

일 실시예에서, 상기 크랭크 부재는 마이터 베벨 기어 어셈블리의 베벨 기어이다. 일 실시예에서, 상기 마이터 베벨 기어 어셈블리는 상기 베벨 기어에 대해 수직으로 구비되고 상기 베벨 기어에 비스듬히 결합되어 상기 베벨 기어로부터 회전 운동을 수신하는 출력 베벨 기어를 더 포함한다. 일 실시예에서, 상기 출력 베벨 기어는 베벨 샤프트에 결합되고, 상기 베벨 샤프트의 일단부에 고정적으로 부착된 제1 스퍼 기어는 연결 샤프트의 일단부에 고정적으로 부착된 제2 스퍼 기어를 통해 상기 토크를 전달한다. 일 실시예에서, 상기 연결 샤프트는 벨트 드라이브를 통해 교류 발전기에 연결된 출력축을 구동하도록 구성된다.

일 실시예에서, 상기 벨트 드라이브는 상기 연결 샤프트의 타단에 부착된 제1 구동 풀리를 상기 출력 샤프트의 일단에 부착된 제2 구동 풀리에 연결하여, 상기 증폭된 토크를 출력 샤프트에 전달한다. 일 실시예에서, 상기 외측 가이드는 직선형 슬라이더 가이드 또는 만곡형 슬라이더 가이드 중 하나이다. 일 실시예에서, 상기 직선형 슬라이더 가이드 및 상기 만곡형 슬라이더 가이드 각각은 마찰 방지 슬라이더 가이드이다. 일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 고정자 자석 및 적어도 두 개의 회전자 자석은 영구 자석 및 전자석 중 하나이다. 일 실시예에서, 토크 증폭 장치는 상기 각 고정자 자석과 상기 외측 가이드 사이에 구비되어 상기 고정자 자석을 외측 가이드에 부착하고, 상기 고정자 자석을 상기 외측 가이드를 따라 마찰없이 슬라이딩하게 하는 자성 홀더를 더 포함한다.

도 1은 토크 증폭 장치를 예시한 사시도.
도 2a는 토크 증폭 장치를 예시한 평면도.
도 2b는 도 2a에 도시된 토크 증폭 장치의 X-X를 따른 단면을 예시한 측단면도.
도 3은 도 2a에 도시된 토크 증폭 장치의 Y-Y를 따른 단면을 예시한 단면도.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 본 발명은 그 사상 또는 본질적인 특성을 벗어나지 않고 다른 특정 형태로 구현될 수 있다. 설명될 실시예들은 모든 면에서 단지 예시적인 것으로서 본 발명은 실시예로 한정되지 않는다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 설명보다는 첨부된 청구 범위에 의해 정해진다. 청구항의 등가물의 의미 및 범위 내의 모든 변형은 그 범위 내에 포함된다.

도 1은 토크 증폭 장치(100)를 도시한 사시도이다. 토크 증폭 장치(100)는 회전자(101), 회전자 자석 세트(102), 고정자 자석 세트(103) 및 레버(104)와 크랭크 부재(105)의 어셈블리를 포함한다. 회전자(101)는 프레임(106) 상에 장착되고, 회전자 자석(102)은 회전자(101)를 중심으로 회전자(101)의 직경 방향으로 반대편에 배치된다. 회전자(101)는 회전자(101)에 축 방향으로 연결된 전기 모터(107)에 의해 회전되어 회전자(101) 주위에 회전 자기장을 생성한다 입력 구동을 제공하는 전기 모터(107)는, 예를 들어, 정격 전력이 0.37 kw(킬로와트) 및 1500 rpm(분당 회전수) 인 단상 AC 모터이다. 고정자 자석(103)은 회전자(101)의 반경 방향을 따라 구비된 외측 가이드(108) 상에 회전자(101)로부터 소정의 거리만큼 이격되어 슬라이딩 가능하게 설치된다.

고정자 자석(103)은 회전하는 회전자 자석(102)에 의해 발생하는 회전 자계에 응답하여 왕복 운동을 하되, 직경 방향으로 제2 고정자 자석(103b)과 대향하는 제1 고정자 자석(103a) 은 제2 고정자 자석(103b)의 왕복 운동과 반대 방향으로 왕복 운동을 한다. 레버(104)는 각 고정자 자석(103)에 연결되어 크랭크 부재(105)를 회전시키고, 제1 고정자 자석(103a) 및 대향 배치된 제2 고정자 자석(103b)은 크랭크 부재(105)를 회전시켜 전기 모터(107)로부터의 토크를 증폭하여 크랭크 부재(105)에 전달한다. 전달된 토크는 도 2A 내지 도 3에서 설명되는 바와 같이, 교류 발전기(alternator)(109)를 구동하는데 사용된다

원칙적으로, 토크 증폭 장치(100)는 고정자 측 및 회전자 측의 영구 자석을 사용하여 동력을 발생시킨다. 기본적으로, 종래의 시스템에서, 고정자는 발전기의 고정 부분을 의미하고, 회전자는 발전기의 회전 부분을 의미한다. 회전자가 회전하면 고정자의 자속을 차단하고 추가 에너지 원을 사용하여 전력을 생성하다. 그러나, 토크 증폭 장치(100)에서, 고정자 자석(103)은 용어의 의미대로 고정자 자석(103)으로 불릴 수 없다. 여기서, 토크 증폭 장치(100)의 경우, 0°(도), 90°, 180° 및 270°에서 피스톤 왕복 운동을 하는 고정자 자석(103)의 직선 운동은 회전자(101)에 장착된 회전 샤프트의 자기장을 차단하는 강력한 자기장을 발생시킨다. 고정자 자석(103)의 직선 왕복 운동은 회전자 자석(102)의 극성의 연속적인 변화로 인한 자기 인력 및 척력에 의해 발생되어 동력을 발생시킨다. 여기서, 회전자 자석(102)과 고정자 자석(103)의 정렬 및 고정자 자석(103)의 왕복 운동은 실제 전기 모터(107)로부터 공급되는 토크를 효과적으로 증폭시키는 크랭크 부재(105)를 회전시킨다.

도 2a는 토크 증폭 장치(100)를 예시한 평면도이며, 도 2b는 도 2a에 도시된 토크 증폭 장치(100)의 X-X를 따른 단면을 예시한 측단면도이다. 도 1에 도시된 회전자(101), 회전자 자석(102) 및 고정자 자석(103) 은 커버 부재(110) 내에 고정된다. 프레임(106)은 6 각형 플레이트(111) 및 6 각형 플레이트(111)의 측면에 인접하는 구멍에 삽입된 연장 로드(elongate rods)(112)를 포함한다. 토크 증폭 장치(100)는 베이스 플레이트(113) 상에서 지지되고, 베이스 플레이트(113)는 주로 토크 증폭 장치(100)의 벌크 중량을 지지하는 프레임(106)을 지지한다. 교류 발전기(109)는 토크 증폭 장치(100)에 대해 축 방향으로 구비되어 증폭된 토크를 수신한다.

일 실시예에서, 크랭크 부재(105)는, 예를 들어, 마이터 베벨 기어 어셈블리(miter bevel gear assembly)(201)의 베벨 기어(105)이다. 일 실시예에서, 마이터 베벨 기어 어셈블리(201)는 베벨 기어(105)에 수직하게 구비되고 비스듬히 결합되어 베벨 기어(105)의 회전 운동을 수신하는 출력 베벨 기어(output bevel gear)(114)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 출력 베벨 기어(114)는 베벨 샤프트(115)에 결합되고, 베벨 샤프트(115)의 일단에 고정적으로 부착된 제1 스퍼 기어(116a)는 연결 샤프트(117)의 일단에 고정적으로 부착된 제2 스퍼 기어(116b)를 통해 연결 샤프트(117)에 토크를 전달한다. 일 실시예에서, 연결 샤프트(117)는 벨트 드라이브(119)를 통해 교류 발전기(109)에 결합된 출력 샤프트(118)를 구동하도록 구성된다. 일 실시예에서, 벨트 드라이브(119)는 연결 샤프트(117)의 타단에 부착된 제1 구동 풀리(120a)를 출력 샤프트(118)의 일단에 부착된 제2 구동 풀리(120b)에 연결하여, 증폭된 토크를 출력 샤프트(118)에 전달한다.

도 2b를 참조하면, 일 실시예에서, 외측 가이드(108)는 예를 들어, 직선형 슬라이더 가이드 또는 만곡형 슬라이더 가이드이다. 일 실시예에서, 직선형 슬라이더 가이드 및 만곡형 슬라이더 가이드는 각각 마찰 방지 슬라이더 가이드이다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 고정자 자석(103) 및 적어도 두 개의 회전자 자석(102)은 영구 자석 및 전자석 중 하나이다. 도 2b는 회전자(101) 및 회전자(101) 주위에 장착된 회전자 자석(102)을 도시한다. 도 2b는, 도 2a에 도시 된 바와 같이, 커버 부재(110) 내측에 장착된 고정자 자석(103)을 도시한다. 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 고정자 자석(103)은 슬라이딩 가이드웨이 세트 또는 외측 가이드(108) 상에 구비된다. 일 실시예에서, 자성 홀더(121)는 각 고정자 자석(103)과 외측 가이드 (108) 사이에 구비되어 고정자 자석(103)을 외측 가이드(108)에 부착하고 고정자 자석(103)이 외측 가이드 (108)를 따라 마찰없이 슬라이딩되도록 한다.

회전자(101) 또는 회전자 샤프트는 예를 들어 단면적이 15×6 mm(밀리미터)인 12 개의 영구 네오디뮴 철 붕소 자석(neodymium iron boron magnets)을 보유한다. 회전자 샤프트는 비자성 스테인레스 스틸로 제조되며 딥 그루부 레이디얼 볼 베어링(deep groove radial ball bearings)에 의해 지지된다. 고정자 자석(103)을 구비한 고정자 섹션은, 예를 들어 단면적이 6.7×15 mm 인 4 개의 영구 네오디뮴 철 붕소 자석들을 포함하며, 커버 부재(110) 또는 고정자 프레임의 내주에 90도의 각도로 배치된다. 고정자 자석(103)은 용이한 슬라이딩을 위해 고정자 프레임에 고정된 마찰 방지 선형 가이드 상에 장착된다. 회전자 자석(102)은 다른 회전자 자석(102)의 극성이 N-S-N-S 또는 북-남-북-남이도록 배열된다.

구성의 예시

구성 요소 단위 수량

회전자 직경 mm 60

회전자 길이 mm 200

회전자 마그네틱 크기 mm 6×15×60

회전자의 자석 수 Nos 12

에어 갭 mm 6

슬라이딩 자석 크기 mm 6.7×15×120

슬라이딩 스트로크 mm 40

구성 요소 단위 수량

슬라이딩 자석의 수 mm 4@90도

자성체 Nd Feb-네오디뮴 철 보란

입력 구동 모터 kW 0.37/200V/50Hz, 단상 입력

속도 RPM 1500

도 3은 도 2b에 도시된 토크 증폭 장치(100)의 Y-Y를 따른 단면을 예시한 단면도이다. 본 명세서에 개시된 토크 증폭 장치(100)는 자기장을 발생시키는 비접촉식 장치이다. 고정자 커버 부재(110)의 내 주연 상에 구비된 4개의 영구 자석 또는 고정자 자석(103)은 회전자(101) 상에 장착된 영구 자석 또는 회전자 자석(102)에 의해 생성된 자기장에 의해 왕복 운동을 한다. 고정자 자석(103)의 왕복 운동은 자기(102)의 극성의 연속적인 변화로 인한 자기 인력과 자기 척력에 의해 유발된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 고정자 자석(103)의 왕복 운동은 레버(104)와 크랭크 부재(105)를 포함하는 크랭크/레버 기구(crank and lever mechanism)을 통해 마이터 기어 박스(201a) 내의 회전 운동으로 변환된다.

마이터 기어 박스(201a)는 크랭크 부재(또는 베벨 기어(105)) 및 출력 베벨 기어(114)를 포함하며, 도 2a에 도시 된 바와 같이 연결 샤프트(117)를 통해 출력 샤프트(118)를 구동한다. 베벨 기어들(105) 및 출력 베벨 기어(114)를 포함하는 제2 마이터 기어 박스(201b)는 고정자 자석(103)의 왕복 운동을 수신하기 위해 제1 마이터 기어 박스(201b)에 대향하도록 구비되어, 순 토크(net torque)를 더 향상시킨다. 출력 샤프트(118)는 교류 발전기(109) 또는 출력 발전기에 연결된다. 마이터 기어 박스(201)와 스퍼 기어(116a, 116b)의 기어비는 출력 토크가 입력 토크보다 크도록 조정되며, 이것은 파워가 증폭된다는 것을 의미한다. 이렇게 생성된 증폭된 파워는 산업용 또는 가정용 기기에 사용된다.

전술한 설명은 본 발명의 예시적인 실시예를 포함한다. 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하였지만, 당해 기술 분야의 당업자는 본 명세서는 예시적인 것이며, 다양한 다른 대안, 개조 및 수정이 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있음을 유의하여야 한다. 단순히 특정 순서로 방법의 단계를 나열하거나 번호를 매기는 것은 해당 방법의 단계 순서에 대한 제한을 구성하지 않는다. 전술한 설명에서 제시된 교시의 이점을 취하는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자는 본 발명의 많은 변형 및 다른 실시예를 착안하게 될 것이다. 본 명세서에서 특정 용어가 사용될 수 있지만, 이들은 제한의 목적이 아닌 일반적이고 설명적인 의미로만 사용된다. 따라서, 본 발명은 본 명세서에 설명된 특정 실시예로 한정되지 않는다.

Claims

프레임에 장착된 회전자;
축 방향으로 연결된 전기 모터에 의해 회전되는 상기 회전자를 중심으로 직경 방향으로 서로 반대편에 설치되어 상기 회전자의 주위에 회전 자기장을 형성하는 회전자 자석 세트;
상기 회전자로부터 소정의 거리만큼 이격되고 상기 회전자에 대응하도록 반지름 방향으로 구비된 외측 가이드 상에 슬라이딩 가능하도록 설치되며, 상기 회전자 자석 내에서 생성되는 상기 회전 자기장에 대한 응답으로 왕복 운동을 하며, 직경 방향으로 서로 반대편에 설치되며 서로 반대 방향으로 왕복 운동을 하는 제1 고정자 자석 및 제2 고정자 자석을 포함하는 고정자 자석 세트; 및
상기 고정자 자석 각각에 연결되어 크랭크 부재를 회전 시키도록 구성되되, 상기 제1 고정자 자석과 반대편에 구비된 제2 고정자 자석은 상기 크랭크 부재를 회전시켜 상기 전기 모터로부터의 토크를 증폭하고 증폭된 토크를 상기 크랭크 부재에 전달하는 레버
를 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 증폭 장치.
제1항에 있어서,
상기 크랭크 부재는 마이터 베벨 기어 어셈블리의 베벨 기어인 것을 특징으로하는 토크 증폭 장치.
제2항에 있어서,
상기 마이터 베벨 기어 어셈블리는 상기 베벨 기어에 대해 수직으로 구비되고 상기 베벨 기어에 비스듬히 결합되어 상기 베벨 기어로부터 회전 운동을 수신하는 출력 베벨 기어를 더 포함하는 토크 증폭 장치.
제3항에 있어서,
상기 출력 베벨 기어는 베벨 샤프트에 결합되고, 상기 베벨 샤프트의 일단부에 고정적으로 부착된 제1 스퍼 기어는 상기 토크를 연결 샤프트의 일단부에 고정적으로 부착된 제2 스퍼 기어를 통해 전달하는 토크 증폭 장치.
제4항에 있어서,
상기 연결 샤프트는 벨트 드라이브를 통해 교류 발전기에 연결된 출력축을 구동하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 토크 증폭 장치.
제5항에 있어서,
상기 벨트 드라이브는 상기 연결 샤프트의 타단에 부착된 제1 구동 풀리를 상기 출력 샤프트의 일단에 부착된 제2 구동 풀리에 연결하여, 상기 증폭된 토크를 출력 샤프트에 전달하는 것을 특징으로 하는 토크 증폭 장치.
제1항에 있어서,
상기 외측 가이드는 직선형 슬라이더 가이드 또는 만곡형 슬라이더 가이드 중 하나인 것을 특징으로 하는 토크 증폭 장치.
제7항에 있어서,
상기 직선형 슬라이더 가이드 및 상기 만곡형 슬라이더 가이드 각각은 마찰 방지 슬라이더 가이드인 것을 특징으로 하는 토크 증폭 장치.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 고정자 자석 및 적어도 두 개의 회전자 자석은 영구 자석 및 전자석 중 하나인 토크 증폭 장치.
제1항에 있어서,
상기 각 고정자 자석과 상기 외측 가이드 사이에 구비되어 상기 고정자 자석을 외측 가이드에 부착하고, 상기 고정자 자석을 상기 외측 가이드를 따라 마찰없이 슬라이딩하게 하는 자성 홀더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 토크 증폭 장치.