KR20200018489A - 개선된 자기 클러치 조립체 - Google Patents

Abstract

자기 클러치 조립체는 원주방향으로 이격된 코일 유닛, 로터, 및 상기 로터의 회전을 개시하기 위해 각각의 코일 유닛에 전자기장을 유도하도록 여자 전류를 제어가능하게 공급하는 전기 제어 유닛을 포함한다. 상기 로터는 상기 코일 유닛의 내부에 수용가능한 구동 링, 상기 구동 링과 동심이며 기계적 부하와 연결가능한 종동 링, 구동 링 자석과, 상기 구동 링 자석에 자기적으로 결합된 종동 링 자석으로 구성된 영구자석 쌍, 및 자화 방향이 인접한 종동 링 자석의 자화 방향에 각도 오프셋된 상기 종동 링과 함께 제공된 원주방향으로 이격된 오프셋 자석을 포함한다. 각각의 오프셋 자석의 만곡된 자기장 라인은 기생 역기전력의 발생을 억제하도록 상이한 방향으로 만곡하는 인접한 종동 링 자석의 자기장 라인과 중첩된다.

Description

개선된 자기 클러치 조립체

본 발명은 영구자석 기반의 커플링 분야에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 발명은 발생된 역기전력의 레벨을 감소시키면서, 임의의 직접적 또는 간접적인 연결이 없이 2개의 회전 링의 이동을 제어하도록 설계된 개선된 자기 클러치 조립체에 관한 것이다.

2개의 회전 링 사이의 에어 갭을 가로지르는 힘 및 토크에 대한 마모가 없고 접촉이 없는 전달을 제공하기 위한 몇 가지의 영구자석 기반의 자기 커플링이 종래기술에 공지되어 있다. 각각의 링은 영구자석의 세트를 이송하여, 그 작동 위치에서, 하나의 세트의 모든 북극이 다른 세트의 모든 S극에 대해 작동식으로 근접하도록 배치된다. 이로써, 구동 링 및 종동 링은 영구자석의 힘에 의해 함께 결합되어 동시에 회전할 수 있어, 종동 링에 연결된 샤프트와 같은 동력 전달 요소로부터의 토크를 생성하여, 자기 클러치로서 기능한다.

본 발명의 발명자는, 예컨대 동일 출원인에 의한 WO 2013/140400호 및 GB 1605744.0호에 교시된 바와 같이, 유도 전자기장에 의해 자기 클러치의 구동 링의 회전을 야기하도록 제안하고 있으며, 이는 로터의 자석이 움직일 때 유도되는 자속의 변동으로부터 발생하는 기생 역기전력(parasitic back EMF)을 감소시키도록 구성된다.

WO 2013/140400호는 복수의 원주방향으로 분리된 영구자석으로 구성된 원형 로터와, 상기 로터의 외주를 둘러싸며 영구자석이 통과할 수 있는 공극부로 구성된 복수의 원주방향으로 이격된 고정식 스테이터 코일을 포함하는 브러시리스 DC 모터를 개시한다. 전자기장은 스테이터 코일이 여자될 때 유도되고, 유도 전자기장이 각각의 영구자석의 자기장과 상호작용할 때 로터의 회전이 개시된다. 로터는 기어식 동력 전달 수단에 연결되어 있다.

GB 1605744.0호는, 평면도에서 U자형 구조와, 측면도의 이중 C자형 구조를 갖는 복수의 코일을 포함하는 스테이터를 갖는 유사한 모터를 개시한다.

그러나, 자기적으로 결합된 구동 및 종동 링들로 구성된 로터의 전자기 유도식 회전 동안에, 종동 링의 각각의 영구자석의 자기장은 추가적인 토크-감소 역기전력을 생성하도록 스테이터 코일과 상호작용하는 한편, 종동 링의 영구자석은 소정 시간에 대응하는 스테이터 코일 외부에 위치된다. 이와 같이 추가적으로 생성된 역기전력은 WO 2013/140400호 및 GB 1605744.0호의 장치에 의해 실현되는 역기전력의 감소를 상쇄한다.

본 발명의 목적은 스테이터 코일과의 전자기 유도식 상호작용에 의해 구동 링이 회전가능하지만, 종래기술의 장치보다 상당히 더 낮은 역기전력을 갖는 자기 클러치 조립체를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 설명이 진행됨에 따라 명백해질 것이다.

본 발명은 자기 클러치 조립체(magnetic clutch assembly)로서, 복수의 원주방향으로 이격되고 고정된 에어-코어 스테이터 코일 유닛; 로터로서, 임의의 소정 시간에 상기 코일 유닛 각각의 내부에 복수의 대응하는 원주방향 부분이 수용되도록 적절하게 치수설정된 구동 링; 상기 구동 링에 동심으로 형성되고 상기 복수의 스테이터 코일 유닛 외부에 배치되며, 기계적 부하와 연결가능한 종동 링; 복수 쌍의 원주방향으로 이격된 영구자석으로서, 각각의 상기 쌍은 상기 구동 링과 함께 제공된 제1 영구자석과, 상기 종동 링과 함께 제공되며 상기 제1 영구자석보다 반대의 자화 방향의 제2 영구자석으로 구성되어, 상기 구동 및 종동 링들은 함께 자기식으로 결합되어 동시에 회전할 수 있도록 보장하는, 상기 복수 쌍의 원주방향으로 이격된 영구자석; 및 상기 종동 링과 함께 제공된 복수의 원주방향으로 이격된 오프셋 자석 유닛으로서, 상기 오프셋 유닛 각각은 자화 방향이 인접한 종동 링 자석의 자화 방향에 대해 각도 오프셋된 적어도 하나의 영구자석을 포함하는, 상기 복수의 원주방향으로 이격된 오프셋 자석 유닛을 포함하는, 상기 로터; 및 상기 스테이터 코일 유닛 각각에 전자기장을 유도하도록 여자 전류(energizing current)를 제어가능하게 공급하여, 상기 로터의 회전을 개시하도록 상기 구동 링의 영구자석 각각의 자기장과 상호작용하는 한편, 상기 구동 링의 영구자석이 상기 스테이터 코일 각각의 내부에 순차적으로 도입되도록 구성된 전기 제어 유닛을 포함하는, 자기 클러치 조립체를 제공한다.

상기 오프셋 자석 각각은 상기 인접한 종동 링 자석에 충분히 각도 오프셋되어, 상기 오프셋 자석 각각의 만곡된 자기장 라인이 상기 인접한 종동 링 자석의 자기장 라인과 상기 에어-코어 스테이터 코일 유닛 중 대응하는 하나의 유도된 전자기장 사이의 상호작용으로부터 통상적으로 생기는 기생 역기전력(parasitic back electromotive force)의 발생을 억제하도록 상이한 방향으로 만곡되는 상기 인접한 종동 링 자석의 자기장 라인과 중첩된다.

일 관점에서, 상기 오프셋 자석 각각은 상기 스테이터 코일 유닛 중 대응하는 하나와 반경방향으로 정렬된다. 상기 오프셋 자석 각각은 반경방향으로 정렬된 스테이터 코일 유닛의 인접면으로부터 5 mm 미만의 거리만큼 반경방향으로 분리되어, 토크 발생에 참여할 수 있다.

일 관점에서, 상기 자기 클러치 조립체는 스테이터 코일 유닛들 중 대응하는 하나로부터 반경방향으로 이격된 복수의 원주방향으로 이격된 추가적인 오프셋 자석을 더 포함하며, 상기 추가적인 오프셋 자석 각각은 소정의 종동 링 자석에 대해 충분히 각도 오프셋(angle offset)되어, 상기 추가적인 오프셋 자석 각각의 만곡된 자기장 라인은 상기 오프셋 자석 및 상기 추가적인 오프셋 자석 양자의 집합적인 영향으로 인한 기생 역기전력의 발생을 억제하도록 상이한 방향으로 만곡하는 상기 소정의 종동 링 자석의 자기장 라인과 중첩된다.

- 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 자기 클러치 조립체의 개략적인 평면도이다.
- 도 2는 고정 바닥 플레이트를 도시하는 한편, 외부 링 없이 도시된, 도 1의 자기 클러치 조립체의 상부로부터의 사시도이다.
- 도 3은 도 1의 자기 클러치 조립체의 내부 링에 대한 수직 단면도이다.
- 도 4는 동력 전달 연결부를 나타내는, 도 1의 자기 클러치 조립체의 상부로부터의 사시도이다.
- 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 도 1의 자기 클러치 조립체와 함께 이용되는 전기 제어 유닛의 설계에 대한 개략도로서, 외부 링이 없이 도시된다.
- 도 6은 내부 및 외부 링 없이 도시된, 도 1의 자기 클러치 조립체의 부분 확대도로서, 오프셋 자석과 스테이터 코일 유닛 사이의 근접도를 도시한다.
- 도 7은 에어-코어 스테이터 코일 유닛 없이 그리고 동적 상태에 있는, 도 1의 자기 클러치 조립체의 개략적인 평면도이다.
- 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 클러치 조립체의 개략적인 평면도이다.

도입으로서, 본 발명의 자기 클러치 조립체는 2개의 동심의 회전가능한 링, 즉 제1 구동 링과, 기계적 부하에 연결되어 동력을 제공하는 제2 종동 링을 포함하는 로터를 구비한다. 양자의 링은 복수의 원주방향으로 이격된 영구자석을 지지하며, 구동 및 종동 링의 대응하는 자석은 동시에 회전하도록 반대의 자화 방향으로 제공됨으로써 함께 자기적으로 결합될 수 있다.

본원에서 언급된 바와 같이, "자화 방향(magnetization direction)"은 상대적인 N-S 배열을 고려하는 한편, N극과 S극 사이에서 연장되는 영구자석의 축의 방향이다.

구동 링이 운동을 발생시키는 기계적 장치에 연결된 종래 기술의 자기 클러치 조립체와는 대조적으로, 본 발명의 로터는 구동 링의 외주를 둘러싸는 복수의 원주방향으로 이격된 고정식 에어-코어 스테이터 코일과 상호작용함으로써 회전하게 된다. 전자기장은 스테이터 코일이 여자될 때 유도되고, 유도된 전자기장은 회로터의 회전을 개시하도록 본 발명의 구동 링의 각각의 영구자석의 자기장과 상호작용한다. 로터가 계속 회전하는 한편, 구동 링의 영구자석이 각각의 스테이터 코일의 내부에 순차적으로 도입되어, 전달 시스템으로의 기계적 연결로 인한 마찰 손실을 받지 않고서 토크를 생성한다. 스테이터 코일을 채용하는 예시적인 모터 구조는 본 출원인에 의한 WO 2013/140400호에 기술되어 있다.

전술한 바와 같이, 종동 링의 각각의 영구자석의 자기장은 로터의 회전 동안에 스테이터 코일과 순차적으로 상호작용하여, 구동 링의 회전하는 영구자석과 스테이터 코일의 상호작용으로부터 생기는 자속의 변동을 초래하는 역기전력과 더불어, 역기전력의 추가적인 소스를 생성한다.

종동 링의 영구자석과 자기적으로 결합되는 영구자석으로부터의 각도 오프셋되는 영구자석인 오프셋 자석에 종동 링을 제공함으로써 종동 링의 영구자석과 관련된 역기전력의 추가적인 소스를 상쇄시키는 것을 알게 되었고, 이는 본 발명의 목적이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따라 참조부호 15로 도시된, 본 발명의 자기 클러치 조립체를 평면도로 개략적으로 도시한다.

자기 클러치 조립체(15)는 반경방향으로 이격된 내부 링(3)과 외부 링(6)을 포함하며, 그 양자는 동심이고 중심 샤프트(15)와 동축이다. 원주방향으로 이격된 영구자석(1)은 내부 링(3)에 고정식으로 부착되거나, 또는 달리 내부 링(3)과 함께 제공되고, 원주방향으로 이격된 영구자석(5)은 외부 링(5)에 고정식으로 부착되거나, 또는 달리 외부 링(5)과 함께 제공된다. 영구자석(1, 5)은, 그들의 S극-N극이 링의 원주에 접선방향이 되도록 배향된다. 각각의 링 상의 원주방향으로 이격된 영구자석의 개수는, 링 직경에 따라, 예컨대 3-12개의 자석으로 변경될 수 있다.

내부 링(3)의 자석(1) 및 외부 링(6)의 대응하는 자석(5)으로 구성된 쌍은 반대 자화 방향으로 배치되어, 2개의 링이 자기적으로 결합되어 동시에 회전할 것임을 보장한다. 극들의 상대적인 배향은, 한 쌍의 제1 자석의 자화 방향이 그 쌍의 제2 자석의 자화 방향에 반대인 한, N극이 회전방향으로 지향하고 있거나 또는 S극이 회전방향으로 지향하고 있는지가 중요하지 않다. 자석의 쌍들은 동일한 원주 간격에 의해 이격되는 것으로 도시되지만, 본 발명은 자석의 쌍이 동일하지 않은 원주 간격에 의해 분리될 때 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.

내부 링(3)은, 그 외주가 복수의 원주방향으로 이격된 고정식 에어-코어 스테이터 코일 유닛(2), 예컨대 솔레노이드에 의해 둘러싸임에 따라 구동 링인 것으로 도시되어 있다. 그러나, 본 발명은 외부 링(6)이 구동 링이고 복수의 스테이터 코일 유닛(2)이 외부 링(6)의 외주를 둘러싸도록 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 스테이터 코일 유닛(2)에 전압이 인가될 때, 전자기장이 유도되고, 유도된 전자기장이 내부 링(3)의 인접한 영구자석(1)의 자기장과 상호작용할 때 로터의 회전이 개시되어, 인가된 전압의 극성에 따라 영구자석이 코일 유닛 쪽으로 끌어 당겨지거나, 또는 그로부터 밀어내게 한다.

복수의 원주방향으로 이격된 고정식 에어-코어 스테이터 코일 유닛(2)은, 동력이 추출될 수 있는 중심 샤프트(7)에 대해 반경방향 대칭으로 배열된다. 각각의 스테이터 코일 유닛의 축 또는 긴 치수는 샤프트(7)와 외부 링(6) 사이의 라인을 따라 반경방향으로 연장된다. 각각의 코일 유닛(2)의 에어-코어는 내부 링(3)의 반경방향 치수보다 큰 반경방향 치수를 가짐으로써, 전자기장이 유도될 때 상기 링의 통과를 허용하게 한다. 스테이터 코일 유닛(2)의 개수는 일반적으로 소정의 링 상의 자기적으로 결합된 영구자석의 개수와 동일하지만 반드시 그럴 필요는 없다.

스테이터 코일 유닛(2)의 제어된 여기(energization) 동안에, 구동 내부 링(3)은 복수의 원주방향으로 이격된 롤러(4)에 의해 샤프트(7)와 동축인 원형 경로를 따라 가압된다. 예컨대 각각의 스테이터 코일 유닛(2)과 인접한 영구자석(1) 사이에는 마찰 감소 롤러(4)가 위치되지만, 롤러, 스테이터 코일 및 영구자석의 임의의 다른 배열이 또한 고려된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 스테이터 코일 유닛(2) 및 롤러(4)는 도시된 바와 같이 원형일 수 있는 고정 바닥 플레이트(9) 상에 장착된다.

영구자석(1)은 내부 링(3)에 연결되어 내부 링(3)으로부터 수직으로 연장되어, 스테이터 코일 유닛(2)의 에어-코어에 순차적인 도입을 용이하게 한다. 대안적으로, 영구자석(1)은 임의의 적절한 방식으로 내부 링(3)과 고정되거나, 또는 내부 링(3)과 함께 제공된다. 각각의 스테이터 코일 유닛(2)이 유사하게 형성된 에어-코어 내에 상보적인 직선형 영구자석(1)을 수용하도록 직선형 구성, 즉 하우징의 대응하는 원주방향 단부를 형성하는 2개의 직사각형의 수직으로 배향된 플레이트와, 자기장을 발생시키는 코일이 권취된 플레이트를 상호연결하는 복수의 상이하게 배향된 지지 요소를 갖는 2개의 직사각형을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 다른 형상도 본 발명의 범위 내에 있다. 외부 링의 영구자석(5)은 내부 링의 영구자석(1)과 동일한 단면을 가질 수 있거나 또는 임의의 다른 소망된 단면을 가질 수 있으며, 또한 외부 링과 연결되어 외부 링과 수직으로 연장될 수 있다.

대안적으로, 영구자석은 대응하는 링과 일체로 형성될 수 있다.

내부 링(3)의 단면은 도 3에 도시되어 있다. 바닥 플레이트(9) 위에 고정된 높이에 내부 링(3)을 보유하기 위해, 내부 링(3)의 외부면(14)은 노치와 같은 연속적이고 반경방향 내측으로 형성된 리세스(16)로 형성된다. 중심축(19)으로부터 리세스(16)의 외벽까지의 내부 링(3)의 반경방향 치수는 직경방향으로 대향된 롤러(4) 사이의 간격과 동일하다. 따라서, 롤러(4)에 의해 내부 링(3) 상으로 가해지는 반경방향 압력은, 내부 링이 정지할 때 또는 회전할 때 모두, 바닥 플레이트(9) 위에 내부 링(3)을 지지하기에 충분하다. 외부 링이 내부 링(3)과 자기적으로 결합되기 때문에, 외부 링은 공급 전압이 종료되는 경우에도 바닥 플레이트(9) 위의 고정된 높이에 유지된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 반경방향으로 연장하는 스포크(8)는 샤프트(7)에 연결되어 둘러싸는 허브(12)에 외부 링(6)을 연결하여, 샤프트(7)로부터 동력 전달을 용이하게 한다. 또한, 다른 동력 전달 요소 또는 동력 전달 요소가 채용될 수 있다.

스테이터 코일 유닛(22)을 제어가능하게 여기하여 내부 링(3)을 구동하기 위한 전기 시스템이 도 5에 개략적으로 도시되어 있다. 관형 구성을 갖도록 도시되어 있지만, 다른 방식으로 구성될 수 있는 스테이터 코일 유닛(32)은, 각각의 순간에 각각의 스테이터 코일 유닛에 인가된 전압의 극성 및 레벨을 결정하는, 바람직하지만, 그에 제한되지 않는 전자식 타입의 스위치(33) 시스템을 통해 DC 공급부에 전기적으로 연결된다. 스위치는 구성요소, 바람직하게 소프트웨어와 관련된 마이크로제어기(36)에 의해 제어되어, 각각의 순간에 평균 DC 레벨(예컨대, 펄스 폭 변조(PWM)를 이용하여 DC 공급 전압을 인가함으로써)뿐만 아니라, 각각의 코일 유닛(32)에 인가된 DC 극성(예컨대, DC 접속을 반전시킴으로써)을 결정한다. 각각의 순간에 내부 링(3)의 각도 위치는 센서(34)(예컨대, 광학 센서 또는 홀 효과 센서)의 시스템에 의해 검출된다. 센서 출력은 제어기에 공급되어, 로터의 상태(즉, 각도 위치, 속도 및 가속도)에 따라 스위치를 동작한다.

코일 유닛(32)이 여기될 때, 내부 링의 인접한 영구자석(1)은 원형 경로를 따라 이동한다. 자석은 여기된 코일 유닛(32)의 에어-코어 쪽으로 풀-인(pulled-in)되거나, 또는 권선 내의 전류의 흐름방향을 결정하는 소정의 코일 유닛과 관련된 스위치의 극성, 및 자석의 배향(N-S 또는 S-S)에 따라서, 에어-코어로부터 푸시-아웃(pushed-out)된다. 결국, 상기 스위치의 상태는 센서에 의해 검출된 로터의 각도 위치에 근거하여 제어기에 의해 각 시간에 결정된다. 스위치의 전체 시스템의 적절한 동시 동작 시퀀스 하에서, 내부 링의 연속적인 매끄러운 회전이 회전방향으로 얻어질 수 있다.

도 1을 다시 참조하면, 회전 동안에 스테이터 코일 유닛(2)의 에어-코어 내에 영구자석(1)의 일시적인 도입으로부터 초래하는 자속의 변화로 인해 기생 역기전력이 발생된다. 역기전력의 추가적인 소스는, 소정의 영구자석(5)이 순간적으로 위치되는 외부의 스테이터 코일 유닛(2)과, 관련된 유도된 전자기장과 외부 링(6)의 소정의 영구자석(5)과 관련된 자기장의 상호작용으로부터 생긴다. 소정의 영구자석(5)이 스테이터 코일 유닛(2) 외부에 위치되더라도, N극으로부터 S극으로 만곡하는 자기장 라인은 에어-코어를 통과하여 추가적인 역기전력을 발생시키도록 유도된 전자기장과 상호작용한다.

이러한 추가적인 역기전력은 복수의 원주방향으로 이격된 오프셋 영구자석(10)을 외부 링(6)에 제공함으로써 유리하게 최소화되거나 또는 제거될 수 있다. 대응하는 스테이터 코일 유닛(2)과 반경방향으로 정렬될 수 있는 각각의 오프셋 자석(10)은 하나 이상의 개별적인 자석, 예컨대 도시한 바와 같이 3개를 가지며, 여기서 자화 방향은 서로 자기적으로 결합된 자석(1, 5)의 자화 방향에 각도 오프셋된다. 오프셋 자석(10)이 자기적으로 결합된 종동 링 자석(5)에 비교적 근접함에 따라, 오프셋 자석(10)의 자기장 라인은 종동 링 자석(5)으로부터 유도된 추가적인 역기전력의 효과를 억제하도록 종동 링 자석(5)의 자기장 라인과 중첩될 수 있다.

구동 링 자석(1), 종동 링 자석(5) 및 오프셋 자석(10)은, 그로부터 수직으로 돌출되도록 대응하는 링 구조체에 연결될 수 있지만, 상측방향 또는 하측방향, 혹은 대안적으로 2개의 인접한 아치형 스페이서 사이에 위치되면서 대응하는 링 구조체와 동일 평면 상에 있을 수 있다. 스페이서 또는 연속적인 링 구조체는 강자성 재료, 또는 철과 같은 고 투자율 재료로 제조되어, 회전하는 자석의 자기장의 상호작용과, 그 다음 스테이터 코일의 유도된 전자기장의 상호작용을 초래하는 자속의 변화를 감소시킬 수 있다. 로터의 원주를 따라 스페이서를 정확하게 위치설정하여 자기 유도 척력을 극복하도록 전용의 로봇 장치가 채용될 수 있다.

오프셋 자석(10)의 자화 방향이 도시된 바와 같이 구동 링 자석(5)의 자화 방향으로부터 90도의 각도로 각도 오프셋될 때 우수한 역기전력 억제가 실현될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 오프셋 자석(10)이 종동 링 자석(5)의 자화 방향으로부터 90도 미만, 예컨대 75-90도 또는 45-75도 사이의 각도, 혹은 90도 초과, 예컨대 90-125도 사이의 각도로 각도 오프셋될 때 놀랍게도 효과적인 역기전력 억제가 가능해진다.

또한, 오프셋 영구자석(10)은 유리하게 추가적인 토크의 발생에 기여한다. 각각의 오프셋 자석(10)이 도 6에 도시된 바와 같이 순간적으로 반경방향으로 정렬된 스테이터 코일 유닛(2)의 반경방향 외측면(23)으로부터 5 mm 미만의 거리(D)만큼 반경방향으로 분리되면, 오프셋 자석(10)의 자기장은 외측면(23)으로부터 반경방향 외측으로 연장되는 스테이터 코일 유닛(2)에 의해 발생되는 전자기장의 일부와 상호작용할 수 있다. 오프셋 자석(10)의 자기장과 스테이터 코일 유닛(2)에 의해 발생되는 전자기장 간의 상호 작용은 종동 링에 작용하는 추가적인 토크의 소스이다.

자기 클러치(15)의 회전 동안에, 도 7에 도시된 바와 같이, 외부 링(6)의 영구자석(5)은, 외부 링(6)이 연결되는 부하의 영향으로 인해, 자기적으로 결합되는 내부 링(3)의 대응하는 영구자석(1)으로부터 원주방향으로 오정렬된다. 이러한 동적 상태는 자기 클러치(15)가 휴지 상태에 있고 영구자석(5)이 자기적으로 결합된 대응하는 영구자석(1)과 원주방향으로 정렬될 때 정적 상태와는 대조적이다.

오정렬 동안에, 자석(1, 5)의 상대적 위치는 링(5, 6)의 원주에 대해 접선방향으로 준-선형(quasi-linear) 방식으로 이동될 것이다. 그 결과, 자석(1, 5)은 도시한 바와 같이 원주방향 오프셋(h)에 도달할 것이고, 이는 안정화되어 실질적으로 변화하지 않는다. 오프셋(h)은 부하에 의해 수행된 반대 힘에 의존할 것이다. 적절한 조건 하에서, h는 외부 종동 링(6)이 내부 구동 링(3)과 함께 회전하게 하는데 요구되는 힘에 정비례하여 증가할 것이다.

관심 범위에서, 오프셋(h)은 힘 전달에 대략 정비례하고, h가 너무 크지 않는 한, 구동 링(3)은 링(3, 6)들 간의 임의의 물리적 접촉의 발생 없이 종동 링(6)을 추진할 수 있을 것이다. h의 크기가 자석(1, 5) 사이의 갭의 폭에 접근할 때, 전달된 힘이 떨어진다. 구동 링(3)이 종동 링(6)에 가할 수 있는 최대 힘은 영구자석의 강도 및 기하학적 형상, 자석의 개수뿐만 아니라, 2개의 링(3, 6) 간의 갭에 의존할 것이다.

예 1

역기전력 억제( Back EMF Suppression )

외부 링의 직경이 400 mm이 되도록 구성된 2개의 동심의 반경방향으로 이격된 자기적으로 결합된 링을 포함하는 로터를 갖는, 본 발명의 교시에 따른 자기 클러치 조립체를 포함하는 시험 장치에서 오프셋 자석에 의해 제공되는 역기전력 억제에 대한 효과를 연구하였다. 내부 링의 외주를 둘러싸는 에어-코어 스테이터 코일 유닛을 채용하였다.

6 μΩ의 전기 저항을 갖는 코일은, 50 mm 만큼 이격된 2개의 수직으로 배향된 플레이트를 상호연결하는 지지 요소에 대해 20개의 턴에 의해 균일하게 권취되어 직선형 스테이터 코일 하우징의 대응하는 원주방향 단부에 위치되어, 40 μH의 인덕턴스를 형성하였다. 에어-코어는 50 x 70 x 80 mm의 사이즈로 치수설정했다. 50 x 50 x 80 mm의 사이즈로 각각 치수설정된 6개의 균일하게 이격된 영구자석을 각각의 링에 부착시키는 한편, 내부 링에 부착된 자석을 외부 링에 부착된 대응하는 자석과 반경방향으로 정렬하고 자기적으로 결합하였다. 외부 링에 부착된 자석은 내부 링에 부착된 대응하는 자석으로부터 22 mm만큼 반경방향으로 이격하였다.

로터가 대응하는 속도로 회전하게 하도록 스위치-연결식 전도체(37)(도 5)를 통해 상이한 이산 레벨(discrete levels)로 코일에 전압을 공급하였고, 그 값을 광전 센서 및 오실로스코프에 의해 측정하여, 표 1에 기재하였다. 각각의 대응하는 속도에 대해 생성된 역기전력(BEMF)를 측정하였고, 표 1에 기재하였다.

오프셋 자석 없는 BEMF

RPM	BEMF (V)
500	0.23
1000	0.85
1500	1.55

그 다음, 50 x 50 x 20 mm의 사이즈로 각각 치수설정된 6개의 추가적인 영구자석이 대응하는 자기적으로 결합된 자석으로부터 30도만큼 원주방향으로 이격되도록 외부 링에 부착되었고, 외부 링에 부착된 자석의 자화 방향에 90도만큼 각도 오프셋되었다.

추가적인 오프셋 자석을 구비한 로터가 표 1에 기재된 동일한 속도로 회전하게 하도록 상이한 별개의 레벨에서 코일에 전압을 공급하였다. 각각의 대응하는 속도에 대해 생성된 역기전력(BEMF)를 측정하였고, 표 2에 기재하였다. 증명된 바와 같이, BEMF는 22-26% 범위의 값으로 감소되었다.

오프셋 자석을 갖는 BEMF

RPM	BEMF (V)
500	0.18
1000	0.63
1500	1.15

예 2

추가적인 토크 발생

로터의 오프셋 자석에 의해 제공되는 추가적인 토크 발생의 효과를 예 1에 기재된 동일한 시험 장치에서 연구하였다.

로터가 대응하는 속도에서 회전하게 하도록 상이한 이산 레벨에서 스위치-연결식 전도체(37)(도 5)를 통해 코일에 전류를 공급하였다. 오프셋 자석 없이 제공된 로터에 의해 발생된 토크는 독일의 Burster Praezisionsmesstechnik Gmbh & Co., Gernsbach에서 제조된 토크 센서 모델 8645로 측정하였고, 각각의 전류 레벨에 대해 표 3에 기재하였다.

그 다음, 6개의 오프셋 자석이 외부 링에 연결되어, 이들이 반경방향으로 정렬될 때 단일의 스테이터 코일 유닛의 반경방향 외향면으로부터 2-5 mm 범위의 거리만큼 반경방향으로 분리되었고, 그 후 코일에 동일한 이산 레벨의 전류를 공급하였고, 발생된 대응하는 토크 레벨을 측정하였고, 표 4에 기재하였다. 증명된 바와 같이, 오프셋 자석의 사용의 결과로서 발생되는 토크는 9.3-11.5% 범위로 증가하였다.

오프셋 자석 없이 발생된 토크

Current (A)	Torque ( Nm )
100	21.0
200	41.8
400	86.0

오프셋 자석을 가지고 발생된 토크

Current (A)	Torque ( Nm )
100	23.0
200	46.6
400	94.0

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기 클러치 조립체(25)를 도시한다. 자기 클러치 조립체(25)는 도 1의 자기 클러치 조립체(15)와 동일하지만, 또 다른 세트의 오프셋 자석(20)을 추가한다. 복수의 추가 오프셋 자석(20)은, 오프셋 자석(20)이 대응하는 스테이터 코일 유닛(2)으로부터 약간 이격되어 정렬되는 방식으로 중심 샤프트에 연결되어 둘러싸는 허브에 연결된다. 이에 따라, 단일 종동 링 자석(5)에 대한 역기전력 억제는 오프셋 자석(10)과 오프셋 자석(20) 양자의 집합적인 영향에 의해 가능해진다.

또한, 추가적인 오프셋 자석(20)은 순간적으로 반경방향으로 정렬된 스테이터 코일 유닛(2)의 반경방향 내향면으로부터 5 mm 미만의 거리만큼 반경방향으로 분리되도록 구성될 수 있다. 각각의 추가적인 오프셋 자석(20)의 자기장은 스테이터 코일 유닛으로부터 외측으로 그리고 반경방향 내측으로 연장되는 스테이터 코일 유닛(2)에 의해 발생되는 전자기장의 일부와 상호작용할 수 있다. 추가적인 오프셋 자석(20)의 자기장과 스테이터 코일 유닛(2)에 의해 발생된 전자기장 사이의 상호작용은 종동 링에 작용하는 추가적인 토크의 소스이다.

본 발명의 일부 실시예가 예시로서 설명되었지만, 본 발명은 다수의 수정, 변형 및 개조로 그리고 청구범위로부터 벗어나지 않고서 당업자의 범위 내에 있는 다수의 등가물 또는 대안적인 해결책으로 수행될 수 있음이 명백할 것이다.

Claims (11)

1. 자기 클러치 조립체(magnetic clutch assembly)에 있어서,
   a) 복수의 원주방향으로 이격되고 고정된 에어-코어 스테이터 코일 유닛;
   b) 로터로서,
   i. 임의의 소정 시간에 상기 코일 유닛 각각의 내부에 복수의 대응하는 원주방향 부분이 수용되도록 적절하게 치수설정된 구동 링;
   ii. 상기 구동 링에 동심으로 형성되고 상기 복수의 스테이터 코일 유닛 외부에 배치되며, 기계적 부하와 연결가능한 종동 링;
   iii. 복수 쌍의 원주방향으로 이격된 영구자석으로서, 각각의 상기 쌍은 상기 구동 링과 함께 제공된 제1 영구자석과, 상기 종동 링과 함께 제공되며 상기 제1 영구자석보다 반대의 자화 방향의 제2 영구자석으로 구성되어, 상기 구동 및 종동 링들은 함께 자기식으로 결합되어 동시에 회전할 수 있는, 상기 복수 쌍의 원주방향으로 이격된 영구자석; 및
   iv. 상기 종동 링과 함께 제공된 복수의 원주방향으로 이격된 오프셋 자석 유닛으로서, 상기 오프셋 유닛 각각은 자화 방향이 인접한 종동 링 자석의 자화 방향에 대해 각도 오프셋된 적어도 하나의 영구자석을 포함하는, 상기 복수의 원주방향으로 이격된 오프셋 자석 유닛을 포함하는, 상기 로터; 및
   c) 상기 스테이터 코일 유닛 각각에 전자기장을 유도하도록 여자 전류(energizing current)를 제어가능하게 공급하여, 상기 로터의 회전을 개시하도록 상기 구동 링의 영구자석 각각의 자기장과 상호작용하는 한편, 상기 구동 링의 영구자석이 상기 스테이터 코일 각각의 내부에 순차적으로 도입되도록 구성된 전기 제어 유닛
   을 포함하고,
   상기 오프셋 자석 각각은 상기 인접한 종동 링 자석에 충분히 각도 오프셋되어, 상기 오프셋 자석 각각의 만곡된 자기장 라인이 상기 인접한 종동 링 자석의 자기장 라인과 상기 에어-코어 스테이터 코일 유닛 중 대응하는 하나의 유도된 전자기장 사이의 상호작용으로부터 통상적으로 생기는 기생 역기전력(parasitic back electromotive force)의 발생을 억제하도록 상이한 방향으로 만곡되는 상기 인접한 종동 링 자석의 자기장 라인과 중첩되는,
   자기 클러치 조립체.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 오프셋 자석 각각은 45도 내지 125도 범위의 각도로 상기 인접한 종동 링 자석에 대해 각도 오프셋되는,
   자기 클러치 조립체.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 오프셋 자석 각각은 90°와 실질적으로 동일한 각도로 상기 인접한 구동 링 자석에 대해 각도 오프셋되는,
   자기 클러치 어셈블리.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 오프셋 자석 각각은 상기 스테이터 코일 유닛 중 대응하는 하나와 반경방향으로 정렬되는,
   자기 클러치 조립체.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 오프셋 자석 각각은 반경방향으로 정렬되는 상기 스테이터 코일 유닛의 인접면으로부터 5 mm 미만의 거리로 반경방향으로 분리되어, 토크 발생에 참여하는,
   자기 클러치 조립체.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 스테이터 코일 유닛 각각은 파워를 추출가능한 중심 샤프트에 대해 반경방향 대칭으로 배치되는,
   자기 클러치 조립체.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 스테이터 코일 유닛 중 대응하는 하나로부터 반경방향으로 이격된 복수의 원주방향으로 이격된 추가적인 오프셋 자석을 더 포함하며, 상기 추가적인 오프셋 자석 각각은 소정의 종동 링 자석에 충분히 각도 오프셋되어, 상기 추가적인 오프셋 자석 각각의 만곡된 자기장 라인이, 상기 오프셋 자석 및 상기 추가적인 오프셋 자석 양자의 집합적인 영향으로 인한 기생 역기전력의 발생을 억제하도록 상이한 방향으로 만곡되는 상기 소정의 종동 링 자석의 자기장 라인과 중첩하는,
   자기 클러치 조립체.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 복수의 추가적인 오프셋 자석은 상기 중심 샤프트에 연결되어 둘러싸인 허브에 연결되는,
   자기 클러치 조립체.
   
9. 제6항에 있어서,
   상기 구동 및 종동 링들은 상기 중심 샤프트와 동축인,
   자기 클러치 조립체.
   
10. 제6항에 있어서,
    상기 구동 링과 상기 중심 샤프트를 상호연결하는 동력 전달 연결부(power take-off connection)를 더 포함하는,
    자기 클러치 조립체.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 동력 전달 연결부는 상기 구동 링으로부터 상기 중심 샤프트로 반경방향으로 연장되는 복수의 원주방향으로 이격된 선형 요소로 구성되는,
    자기 클러치 조립체.
    

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