KR20190071787A - 전자석 드라이브를 갖춘 자석 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명의 전자석 회전 모터 시스템에서는 홈 디스크에 하나 이상의 영구자석들이 편자 형태로 디스크의 홈 안에 접선방향으로 매립되어 있고, 같은 자극들이 같은 방향을 향하며, 유도코일이나 전자석들은 홈 안의 영구자석들 사이에 접손 방향으로 위치하고, 전자석의 자극 축선이 영구자석의 자극 축선에 평행하며, 코일에 전기가 흐를 때 전자석과 영구자석의 자극들이 서로 반발하여 디스크를 코일 반대쪽으로 회전시키도록 자극들이 배치되어 있다.

Description

전자석 드라이브를 갖춘 자석 모터

본 발명은 전기모터에 관한 것으로, 구체적으로는 전자석 코일 외부의 자속과 영구자석의 상호작용에 의해 구동되는 전기모터에 관한 것이다.

전기모터는 내연기관의 화석연료와 같은 외부소스에 의해서 또는 수소, 핵에너지, 풍력, 태양에너지에서 생기는 전기로 구동된다. 자석으로 구동되는 모터를 개발하려는 수많은 시도가 있어왔고 지금도 계속되고 있다. 자석의 흡인-반발 특성을 이용하는 목적은 직선운동이나 회전운동을 일으키는 메커니즘을 움직이거나 구동하기 위한 것이다. 이런 종래의 시도는 자기장의 포화와 자석을 고정한 금속의 자화나 자석들의 소자현상을 포함한 문제를 갖고 있다.

종래의 시스템중 하나는 철심을 갖춘 전자석들을 반경방향으로 향한 자극을 갖는 디스크 둘레에 원주방향으로 배열하고 영구자석들은 자극을 반경방향으로 하여 디스크에 배열하였다. 영구자석이 솔레노이드에 접근하면서 철심을 당긴다. 영구자석 자극이 전자석 자극과 일치할 때, 전자석에 전류가 공급되어 영구자석의 반발을 유도한다. 이 시스템의 단점은 전류가 전자석에 흐를 때 영구자석의 측면이동이 제한되는데 있다. 그 결과, 근접 이격된 코일이 디스크의 연속회전을 일으켜야만 하여, 전력소비가 많고 전자석들사이에 상호 인덕턴스가 생겨 회전을 방해한다.

발명의 요약

본 발명은 단면이 원형이나 타원형이나 사각형인 전자석 솔레노이드들과 영구자석들이 평행정렬된 구조 외부의 자기장을 이용한다. 솔레노이드 안에 밸브가 있는 솔레노이드 밸브와 비슷하게, 영구자석들이 솔레노이드를 둘러싸거나 그 반대이다. 영구자석들은 간격을 두고 배열되고 그 축선이 디스크의 원주에 접하면서 고정 전자석을 부분적으로 둘러싼다. 영구자석들이 전자석을 둘러쌀 경우 에너지 소비가 줄어든다. 전자석과 영구자석들은 같은 자극들이 같은 방향을 향하고 평행하게 정렬되게 되어있다. 회전하는 디스크에 있는 영구자석들 사이에 차폐재를 배치해 각각의 영구자석의 자기장이 인접 자석의 반대 자극에 연결되지 않고 자체의 N극에서 S극을 향하게 된다. 전자석이 영구자석에 나란히 정렬될 때 각각의 전자석에 전류가 공급되어 동일한 방향으로 영구자석을 반발시켜 디스크를 연속적으로 회전시킨다.

본 발명의 전자석 회전 모터 시스템에서는 홈 디스크에 하나 이상의 영구자석들이 편자 형태로 디스크의 홈 안에 접선방향으로 매립되어 있고, 같은 자극들이 같은 방향을 향하며, 유도코일이나 전자석들은 홈 안의 영구자석들 사이에 접손 방향으로 위치하고, 전자석의 자극 축선이 영구자석의 자극 축선에 평행하며, 코일에 전기가 흐를 때 전자석과 영구자석의 자극들이 서로 반발하여 디스크를 코일 반대쪽으로 회전시키도록 자극들이 배치되어 있다.

다수의 영구자석들과 전자석 코일들을 디스크의 원주 둘레에 배치하여, 전자석 코일들이 교대로 동작하면서 디스크의 원주에 배치된 영구자석들에 힘을 전달하여, 디스크를 연속적으로 회전시킨다. 모터와는 반대로, 단일 자석을 부분적으로 둘러싸면서 편자 모양으로 정렬된 다수의 코일들을 이용해, 디스크의 림 부근에 접선 방향으로 놓인 단일 자석을 반발시켜 디스크를 회전시키는데, 이때 자석의 자극은 코일의 자극들과 평행하다.

본 발명의 전기모터는 원주변을 갖는 디스크, 디스크의 중심 회전축, 디스크의 원주변에 설치되고, 영구자석의 종축선이 영구자석의 S극에서 N극을 향하는 적어도 하나의 영구자석, 제어가능한 전원 및 적어도 하나의 전자석을 포함하고, 전자석 각각이 디스크에 인접해 원주방향으로 배치되고, 전원에서 전기를 받으면 전자석에 N극과 S극이 생성되며, 전자석의 S극에서 N극을 향하는 전자석의 종축선이 영구자석의 종축선과 동일한 원주방향을 향하도록 되어있다.

도 1은 영구자석들이 디스크의 허브와 플랜지에 편자 형태로 원주방향으로 이격되어 매립되어 있고 영구자석의 축선이 디스크의 림에 접해있는 단일홈 디스크의 사시도;
도 2는 장착 아암에 부착된 본 발명의 전자석 솔레노이드의 사시도;
도 3은 2가자 자석들이 배치된 방식을 보여주는 본 발명의 일례의 횡단면도;
도 4는 전자석이 디스크에 닿지 않게 디스크의 홈 안에 위치한 것을 보여주는 본 발명의 모터의 단부도;
도 5a~f는 본 발명의 모터의 영구자석과 전자석의 회전작용을 보여주는 도면들;
도 6은 디스크의 허브와 플랜지에 영구자석들이 원주방향으로 매립되어 있고 자석의 축선들이 디스크의 림에 접해있는 본 발명의 이중홈 디스크의 사시도;
도 7은 디스크의 홈들 내부에 전자석들이 배치되고 디스크의 축이 발전기 헤드에 연결되어 있는 본 발명의 이중홈 디스크의 사시도;
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 사용되는 C형 영구자석의 사시도;
도 9는 C형 영구자석과 전자석의 상호작용을 보여주는 본 발명의 변형례의 사시도;
도 10은 전자석이 C형 영구자석에 닿지 않게 영구자석 안에 완벽히 정렬되어 있는 본 발명의 변형례의 단부도;
도 11은 다수의 디스크들 사이에 C형 영구자석들이 배치되어 있고 전자석들이 이들 영구자석들 내부를 지나도록 일렬로 위치하며 발전기 헤드를 구동하여 전기를 생산하는 본 발명의 변형례의 사시도.

도 1~7을 참조해 설명한다.

단일홈 디스크(3)에 있는 영구자석들(1a~d)이 편자모양으로 배열되고 원주방향으로 모든 극들이 같은 방향을 향하도록 정렬되어 있으며, 전기가 흐를 때 전자석 극들이 영구자석(1)의 극들과 같은 향하도록 전자석 솔레노이드(2a~f)가 정렬되어 있다. 전자석(2a)에 전기가 흐르면, 유도자기장 때문에 영구자석(1a)이 시계방향으로 회전하면서 영구자석(1b)이 전자석 솔레노이드(2b)와 나란히 정렬된다. 영구자석(1a)이 회전하면서 전자석(2a)에서 떨어진 뒤 전자석(2a)의 전류가 끊어지고 영구자석(1b)이 전자석(2b)에 나란히 정렬될 때 전자석(2b)에 전기가 공급된다. 이런 식으로 영구자석(1b)이 시계방향으로 회전하면서 영구자석(1c)이 전자석(2c)에 나란히 정렬된다. 이런 식으로 전류가 교대로 전자석들(2)에 공급되면서 영구자석들이 릴레이 타입 핸드오버 동작을 하도록 전자석(2)이 간격을 두고 있다. 여기서는 편자 형태의 영구자석들(1)이 전자석(2)에서 생기는 자속과의 작용은 최대화하면서 전자석(2)에서 소비되는 전력은 최소화하고 서로 가까이 있는 전자석들의 상호 인덕턴스에 관련된 문제도 없도록 영구자석들이 전자석을 부분적으로 둘러싼다. 디스크(3)의 회전에서 생기는 토크는 디스크의 직경에 좌우된다. 마찬가지로, 디스크(3)의 림에 사용되는 영구자석들(1)과 전자석들(2)의 갯수도 디스크의 직경에 좌우된다. 영구자석들(1)이 편자 형태로 전자석(2)을 부분적으로 둘러싸기 때문에, 전자석(2) 외부의 자속들의 상당량이 영구자석들(1)을 옆으로 움직여 디스크(3)를 회전시키는데 활용된다. 디스크(3)의 림 부근에 영구자석들(1)이 위치해 디스크(3)의 회전관성이 증가하고 디스크(3)의 회전상태를 유지하는데 큰 도움이 된다. 디스크(3)의 축은 회전력을 제공하는 다른 장치의 축에 연결된다.

전자석(2)과 영구자석(1)은 동일한 자극들이 같은 방향을 향하고 서로 나란하면서 디스크(3)의 림에 접하도록 배열되어 있다. 회전 디스크(3)의 영구자석들(1) 사이에 차폐재를 배치하여, 각각의 영구자석(1)의 자기장이 인접 영구자석의 반대 자극에 연결되지 않고 N극에서 S극으로 흐르도록 할 수도 있다.

도 8~11은 본 발명의 다른 실시예로서, N극과 S극이 표시된대로 길이방향으로 배치된 C형 영구자석(7)을 이용한다. 이 영구자석(7)은 디스크(3,4)의 림 가까이에 접선방향으로 매립되어, 영구자석(2)의 자속을 가능한 많이 커버한다. 영구자석(7)의 길이방향의 절개부(8)는 전자석(2)을 고정하는 아암을 수용한다.

본 발명의 모터는 디스크(3,4)의 수동회전에 의해서나 DC 배터리의 도움으로 시동될 수 있다.

디스크(3)를 다층구조로 사용하면 회전토크를 더 일으킬 수 있는데, 이때 디스크의 양쪽 측면의 압흔들(10)에 의해 C형 영구자석(7)이 고정되어 다중홈 드럼이 형성되고, 홈들 사이에 전자석들(2)이 일렬로 배열되고 영구자석(7)의 절개부 사이를 지나며, 드럼이 회전할 때 영구자석은 플랜지 사이에 위치한다. 전자석(2)에 전류가 흐르면 회전이 유도되는데, 이런 전자석들이 영구자석(7)에 대해 반발하면서 회전을 일으키고, 이런 회전이 발전기 헤드(9)를 구동하거나 전기를 생산한다. 한편, 전자석의 자기장의 커버범위를 늘이기 위해 사각형 솔레노이드를 갖춘 U형 영구자석을 사용할 수도 있다.

본 발명의 특징

1. 영구자석 외부의 자속과 전자석 외부의 자속의 평행 상호작용을 이용해 영구자석의 측방향 회전을 더 강화하여 영구자석과 전자석의 단위길이당 디스크 회전력이 강화됨.

2. 영구자석들로 전자석을 부분적으로 둘러싸 양쪽 자석들의 자기장들 사이의 상호작용을 최소화.

3. 솔레노이드를 부분적으로 둘러싸도록 편자 형태로 배열된 다수의 영구자석들에 대한 솔레노이드의 동시적 작용으로 인해 단위 전자석 소비에너지당 회전력 강화.

4. 디스크의 림 부근에 자석들을 배치하여 시스템이 일단 회전을 시작하면 회전관성이 강화됨.

5. 전자석들과 영구자석들 사이에 동일한 전자기력을 유지하면서 디스크의 직경을 늘려, 동일한 전자석 에너지를 소비해도 토크와 전력이 강화됨.

6. 영구자석들을 갖춘 다중홈 디스크들을 적층한 드럼이 전자석 라인들과 상호작용하여 토크와 전력이 강화됨.

7. 시스템의 호전에너지 때문에, 모터가 높은 rpm으로 회전한 뒤에는 모터 회전을 유지하는데 최소의 전자기 에너지가 필요함.

8. 디스크의 림 둘레에 다수의 수동 전자석들을 배치해, 자석들이 지나가면서 전기를 생산함.

9. 영구자석과 전자석 외부의 에너지장으로 인해 화석연료 없이도 모터를 구동할 수 있어 오염도 없음.

10. 이 모터의 고정 전자석 부분들이 회전디스크 및 영구자석들과 비접촉하여 마모와 파손으로 인한 교환이 불필요.

11. 모터의 제조와 조립이 용이하고 크기조절 가능.

이상 설명한 모터에서, 영구자석이 2개 이상이고 영구자석의 S극에서 N극을 향한 종축선들이 동일한 원주방향을 갖도록 디스크에 배치될 수 있다.

이런 전기모터의 영구자석들 사이에 차폐재를 배치할 수도 있다.

또, 전자석 각각이 영구자석 각각과 원주방향으로 불일치하거나 정렬되지 않았을 때 전기가 차단되고, 전자석 각각의 축선이 원주방향으로 영구자석 각각의 축선에 정렬되었을 때 또는 원주방향으로 정렬되는 다른 원주방향 임계치내에 있을 때 전기가 공급되도록 할 수 있다.

또, 영구자석과 전자석의 종축선들이 원주방향으로 서로 정렬되었을 때 영구자석의 종축선과 전자석의 종축선이 서로 평행하지만 다른 평면에 있을 수 있다.

또, 영구자석이 채널을 형성하고, 이 채널은 영구자석의 종축선을 따라 뻗을 수 있다.

이 경우, 전자석이 원주방향으로 정렬되었을 때 채널 안에 위치할 수도 있다.

또는, 이런 채널의 단면이 C형이거나 편자형일 수 있고, 이때 전자석이 사각형일 수 있다.

또, 영구자석의 단면이 영구자석의 종축선에 직각일 수 있다.

또는, 이런 채널이 중심 종축선을 형성하고, 중심 종축선과 전자석의 종축선이 동일 평면에 있을 수도 있다.

또, 전자석이 전자석 채널을 형성하고, 이런 전자석 채널은 전자석의 종축선을 따라 뻗을 수도 있다. 이때, 영구자석들 중의 적어도 하나는 영구자석과 전자석이 원주방향으로 정렬되었을 때 전자석 채널 안에 위치할 수 있다. 또는, 전자석 채널이 전자석의 중심 종축선을 형성하고, 전자석의 중심 종축선과 전자석의 종축선이 동일 평면에 있을 수 있다.

또, 영구자석들의 종축선들이 디스크의 원주변에 접할 수도 있다.

또, 이상 설명한 전기모터가 전자석을 지지하기 위한 적어도 하나의 고정 지지부를 더 포함할 수도 있다.

또, 전자석의 종축선이 디스크에 접할 수도 있다.

또, 전자석이 플랜지나 엔드와셔들과 일체인 중실(中實) 연철심을 포함할 수도 있다.

또, 이상 설명한 전기모터가 영구자석들과 전자석의 정렬을 탐지하는 광학 및/또는 근접 센서를 더 포함할 수도 있다.

또, 영구자석 각각에 대해 자기장이 생기고, 전자석은 전기를 받았을 때 전자기장을 일으키며, 이런 자기장과 전자기장이 상호작용하여 전자석에 대해 영구자석을 측면으로 움직여 디스크를 회전시킬 수도 있다.

또, 전원이 배터리일 수 있다.

또, 본 발명의 전기모터가 디스크의 회전속도를 조절하는 속도제어기를 더 포함할 수도 있다.

또, 전자석을 냉각하는 송풍기가 디스크에 연결될 수도 있다.

또, 전자석 각각이 솔레노이드를 포함할 수도 있다.

또, 전자석이 2개 이상이고, 디스크가 회전하는 순차적인 순서로 이런 2개 이상의 전자석들에 전기가 공급될 수도 있다. 이때, 이런 2개 이상의 전자석들 중의 일부에 전기를 공급해 영구자석들을 반발시키고, 나머지 전자석은 제위치로 당겨지도록 될 수 있다.

또, 영구자석들이 디스크의 원주에 일치되게 휘어질 수도 있다.

본 발명은 이상 설명한 전기모터를 하나 이상 포함하는 전기모터 시스템도 제공하는데, 이 경우 디스크들이 중심축을 공유할 수 있다.

본 발명은 이상 설명한 전기모터의 디스크에 원주방향으로 인접되게 배치된 적어도 하나의 수동 전자석을 포함하는 발전 시스템도 제공하는데, 이때 전자석의 통로로부터 전기를 생산할 수 있다.

본 발명은 이런 시스템이 발전기를 구동하도록 한 발전 시스템도 제공한다.

Claims (31)

1. 원주변을 갖는 디스크;
   상기 디스크의 중심 회전축;
   상기 디스크의 원주변에 설치되고, 영구자석의 종축선이 영구자석의 S극에서 N극을 향하는 적어도 하나의 영구자석;
   제어가능한 전원; 및
   적어도 하나의 전자석;을 포함하는 전기모터에 있어서:
   상기 전자석 각각이 디스크에 인접해 원주방향으로 배치되고, 상기 전원에서 전기를 받으면 전자석에 N극과 S극이 생성되며, 전자석의 S극에서 N극을 향하는 전자석의 종축선이 상기 영구자석의 종축선과 동일한 원주방향을 향하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
2. 제1항에 있어서, 상기 영구자석이 2개 이상이고 영구자석의 S극에서 N극을 향한 종축선들이 동일한 원주방향을 갖도록 디스크에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기모터.
3. 제1항에 있어서, 상기 영구자석들 사이에 배치된 차폐재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전자석 각각이 영구자석 각각과 원주방향으로 불일치하거나 정렬되지 않았을 때 전기가 차단되고, 전자석 각각의 축선이 원주방향으로 영구자석 각각의 축선에 정렬되었을 때 또는 원주방향으로 정렬되는 다른 원주방향 임계치내에 있을 때 전기가 공급되는 것을 특징으로 하는 전기모터.
5. 제4항에 있어서, 상기 영구자석과 전자석의 종축선들이 원주방향으로 서로 정렬되었을 때 영구자석의 종축선과 전자석의 종축선이 서로 평행하지만 다른 평면에 있는 것을 특징으로 하는 전기모터.
6. 제1항 내지 제5항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 영구자석이 채널을 형성하고, 이 채널은 영구자석의 종축선을 따라 뻗는 것을 특징으로 하는 전기모터.
7. 제6항에 있어서, 상기 전자석이 원주방향으로 정렬되었을 때 채널 안에 위치하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 채널의 단면이 C형인 것을 특징으로 하는 전기모터.
9. 제6항 또는 제7항에 있어서, 상기 채널의 단면이 편자형인 것을 특징으로 하는 전기모터.
10. 제9항에 있어서, 상기 전자석이 사각형인 것을 특징으로 하는 전기모터.
11. 제5항 내지 제9항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 영구자석의 단면이 영구자석의 종축선에 직각인 것을 특징으로 하는 전기모터.
12. 제5항 내지 제11항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 채널이 중심 종축선을 형성하고, 중심 종축선과 전자석의 종축선이 동일 평면에 있는 것을 특징으로 하는 전기모터.
13. 제1항 내지 제5항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전자석이 전자석 채널을 형성하고, 이런 전자석 채널은 전자석의 종축선을 따라 뻗는 것을 특징으로 하는 전기모터.
14. 제13항에 있어서, 상기 영구자석들 중의 적어도 하나는 영구자석과 전자석이 원주방향으로 정렬되었을 때 상기 전자석 채널 안에 위치하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
15. 제13항에 있어서, 상기 전자석 채널이 전자석의 중심 종축선을 형성하고, 전자석의 중심 종축선과 전자석의 종축선이 동일 평면에 있는 것을 특징으로 하는 전기모터.
16. 제1항 내지 제15항 중의 어느 하나에 있어서, 영구자석들의 종축선들이 디스크의 원주변에 접하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
17. 제1항 내지 제16항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전자석을 지지하기 위한 적어도 하나의 고정 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
18. 제1항 내지 제17항 중의 어느 하나에 있어서, 전자석의 종축선이 디스크에 접하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
19. 제1항 내지 제18항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전자석이 플랜지나 엔드와셔들과 일체인 중실(中實) 연철심을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
20. 제1항 내지 제19항 중의 어느 하나에 있어서, 영구자석들과 전자석의 정렬을 탐지하는 광학 및/또는 근접 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
21. 제1항 내지 제20항 중의 어느 하나에 있어서, 영구자석 각각에 대해 자기장이 생기고, 전자석은 전기를 받았을 때 전자기장을 일으키며, 상기 자기장과 전자기장이 상호작용하여 전자석에 대해 영구자석을 측면으로 움직여 디스크를 회전시키는 것을 특징으로 하는 전기모터.
22. 제1항 내지 제21항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전원이 배터리인 것을 특징으로 하는 전기모터.
23. 제1항 내지 제22항 중의 어느 하나에 있어서, 디스크의 회전속도를 조절하는 속도제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
24. 제1항 내지 제23항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전자석을 냉각하는 송풍기가 디스크에 연결된 것을 특징으로 하는 전기모터.
25. 제1항 내지 제24항 중의 어느 하나에 있어서, 전자석 각각이 솔레노이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기모터.
26. 제1항 내지 제25항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 전자석이 2개 이상이고, 디스크가 회전하는 순차적인 순서로 상기 2개 이상의 전자석들에 전기가 공급되는 것을 특징으로 하는 전기모터.
27. 제26항에 있어서, 상기 2개 이상의 전자석들 중의 일부에 전기를 공급해 영구자석들을 반발시키고, 나머지 전자석은 제위치로 당겨지는 것을 특징으로 하는 전기모터.
28. 제1항 내지 제27항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 영구자석들이 디스크의 원주에 일치되게 휘어진 것을 특징으로 하는 전기모터.
29. 제1항 내지 제28중의 어느 하나에 따른 전기모터를 하나 이상 포함하는 전기모터 시스템에 있어서:
    상기 디스크들이 중심축을 공유하는 것을 특징으로 하는 전기모터 시스템.
30. 제1항 내지 제28항 중의 어느 하나에 따른 전기모터의 디스크에 원주방향으로 인접되게 배치된 적어도 하나의 수동 전자석을 포함하는 발전 시스템에 있어서:
    상기 전자석의 통로로부터 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.
31. 제29항 또는 제30항의 시스템이 발전기를 구동하는 것을 특징으로 하는 발전 시스템.

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