KR20200030515A - 자전거 발전기용 회전자 및 이를 이용한 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자전거용 발전기에 사용되는 회전자와 이를 적용한 발전기에 관한 것이다. 상기 회전자의 자기회로부(30)는 회전축(a)의 둘레 방향을 따라 교호로 배치되는 제1자석(401)과 제2자석(402)을 포함한다. 제1자석과 제2자석의 극성은 회전축(a)의 축방향을 따라 서로 반대방향으로 배열되며, 제1자석 및 제2자석의 축방향 일측에는 자기회로를 구성하는 강자성체의 자심(50)이 설치되고, 제1자석 및 제2자석의 축방향 타측은 림과 마주한다.

Description

자전거 발전기용 회전자 및 이를 이용한 발전기{A Rotor for a Bicycle Generator and a Generator Using the Same}

본 발명은 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자전거용 발전기에 사용되는 회전자와 이를 적용한 발전기에 관한 것이다.

와전류란 금속도체 중에서 자속이 변화할 때 발생하는 기전력에 의해 금속도체 상에 흐르는 소용돌이 모양의 전류를 말한다. 와전류에 의한 전력 손실을 와전류손 이라고 하며, 열손실로 되어 금속도체의 온도를 상승시키기도 한다. 이러한 와전류에 의해 생기는 힘은 전력량계나 전동차에서 전기 브레이크에 이용하고 있다.

강자성체(ferromagnetic substance, 强磁性體)란, 외부에서 강한 자기장을 걸어주었을 때 그 자기장의 방향으로 강하게 자화된 뒤 외부 자기장이 사라져도 자화가 남아 있는 물질을 말한다. 이런 경우 물질을 이루는 각각의 원자가 하나의 자석과 같다. 철(Fe)은 대표적인 강자성체이다.

비 자성체(non-magnetic material, non-magnetic substance, 非磁性體)는 자성이 약한 물질 또는 전혀 자성을 갖지 않는 물질을 이른다. 후술할 상자성 물질을 포함한다. 비투자율은 1에 가까운 값이며, 자계에 의해 거의 힘을 받지 않는다.

상자성체(paramagnetic substance, 常磁性體)는 자기장(磁氣場) 안에 넣으면 자기장 방향으로 자화(磁化)하고, 자기장이 제거되면 자화하지 않는 물질이다. 알루미늄이나 주석, 백금, 이리듐 등이 이에 속한다. 자화되는 크기는 주위의 자기장의 크기에 비례하며, 자화되는 정도는 자화율로 표현한다. 자화율은 온도에 반비례하여 커지는데 이를 큐리의 법칙(Curie's Law)이라고 한다.

한편 특허문헌 1과 같이, 종래에는 알루미늄 재질의 자전거 림 가까이에 회전자를 설치하고 회전자 주변에 자석들을 부착하되 N극과 S극이 번갈아 배치되도록 함으로써, 자전거 림을 회전시킬 때 회전자 주변의 자석의 자속에 의해 자전거 림 상에 와전류가 발생하고, 이러한 와전류에 의해 발생하는 자기작용에 의해 다시 회전자 주변의 자석이 이끌리도록 함으로써 림을 회전시킴에 따라 무접촉 방식으로 회전자를 회전시키고, 이렇게 와전류를 발생시키는 데에 사용된 회전자 주변의 자석이 회전하는 점을 이용하여, 자석 주변에 코일권선을 둠으로써, 코일권선에 전류가 유도되도록 하는 발전기가 개발되었다.

그러나 이와 같은 구조의 발전기는 와전류를 유도하기 위해 회전자에 부착된 자석을 통해 기전력이 유도되며 부하를 구동하여 부하전류에 의한 제동력이 작용하므로, 발전 과정에서 손실된 에너지 이상으로 회전력의 손실을 가져오게 되는 슬립 현상(회전자의 속도가 림의 속도를 크게 따라가지 못하는 현상)이 발생한다.

또한 와전류를 유도하기 위해 회전자에 부착된 자석을 이용하여 전류를 유도하기 때문에, 회전자에 부착된 자석이 림에 가까이 배치되어야 하고, 이것이 공간적 제약으로 작용하게 되어, 발전에 필요한 자로의 형성을 유도하기 위해 사용되는 코어를 사용할 수 없게 된다. 즉 회전자 주변의 공간적 제약으로 인해 코어를 설치할 수 없고, 이로 인해 회전자에 부착된 자석에 의해 형성되는 자로는 코어가 없으므로 공기 중에서 크게 손실되므로, 충분한 발전량을 내지 못한다.

이에 특허문헌 2 내지 4에 개시된 바와 같이 와전류에 의해 회전하는 자석과 별도로 발전을 위해 필요한 자석을 설치하여 발전 효율을 높인 발전기가 개발되었다. 이러한 구조의 발전기는 특허문헌 1의 발전기에 비해 발전 효율을 상당히 향상시키었고, 다양한 재질의 자전거 림에 모두 적용할 수 있다는 장점이 있었다. 그러나 특허문헌 2 내지 4의 회전자에 적용된 탄성 재질의 커버는 전체적으로 외부로 노출되므로, 그 내부에 수용된 자석을 견고하게 지지하지 못한다는 문제가 있었다. 또한 탄성 재질의 커버의 형상 유지력을 확보하기 위해서는, 그만큼 커버의 두께가 두껍게 설계되어야 하는데, 이는 자석과 상자성체인 림 간의 거리를 더 멀게 만들고, 결과적으로 림의 와전류 발생량을 낮추는 원인이 된다.

또한 최근 자전거와 함께 사용되는 전자기기가 다양해짐에 따라, 여전히 보다 높은 발전 효율이 요구되고 있다.

등록특허공보 제1690387호 등록특허공보 제1550172호 등록특허공보 제1758463호 등록특허공보 제1825714호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 회전자의 회전관성모멘트를 최소화하면서도 와전류 유도와 이에 따른 비접촉 회전을 더욱 빠르게 일으킬 수 있는 비접촉식 발전기의 회전자 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 이러한 구조가 적용된 회전자를 적용하여 발전 효율을 더욱 높인 자전거용 비접촉식 발전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 회전 운동하는 물체(80)와 마주하며 설치되는 비접촉식 발전기의 회전자(1)를 제공한다. 상기 회전 운동하는 물체(80)는 자전거 휠의 림(80) 부분이고, 상기 림(80)은 알루미늄 재질을 포함하는 상자성체일 수 있다.

상기 회전자(1)는, 자기회로부(30); 및 상기 자기회로부(30)를 수용하며 상기 자기회로부(30)와 함께 회전하는 하우징(10);을 포함한다. 자기회로부(30)는 상기 림(80)에 와전류를 일으키는 자기회로를 형성하고, 하우징(10)은 상기 자기회로부(10)를 보호한다. 하우징(10)은 자기장이 통과하는 재질을 포함한다.

상기 자기회로부(30)는, 복수 개의 자석(40); 및 상기 자석(40)에 접하여 자기회로의 경로를 제공하는 자심(50);을 포함한다. 자심(50)은 강자성체를 포함한다. 이에 따라 상기 자심(50)은 자기회로의 경로를 제공함과 함께, 상기 자석(40)과 인력으로 부착되어 복수 개의 자석(40)을 고정하는 기능을 함께 하게 된다.

상기 복수 개의 자석(40)은, 회전자(1)의 회전축(a)의 제1방향을 바라보는 제1극면(43)과, 상기 회전축(a)의 제1방향의 반대 방향인 제2방향을 바라보는 제2극면(44)을 포함하는 제1자석(401); 및 회전자(1)의 회전축(a)의 제1방향을 바라보는 제2극면(44)과, 상기 회전축(a)의 제1방향의 반대 방향인 제2방향을 바라보는 제1극면(43)을 포함하는 제2자석(402);을 포함한다.

상기 제1자석(401)과 제2자석(402)은 회전축(a)의 둘레 방향을 따라 교호로 배치된다.

상기 자심(50)은, 상기 제1자석(401)의 제2극면(44) 및 상기 제2자석(402)의 제1극면(43)과 접하여 자기회로를 구성하는 강자성체 재질의 제1환형부(51)를 포함한다.

이에 따라 공기 중에 형성되는 자기장은 제1자석(401)의 제1극면(43) 및 상기 제2자석(402)의 제2극면(44) 사이의 구간에 집중된다.

상기 운동하는 물체(80)가 상기 제1자석(401)의 제1극면(43) 및 상기 제2자석(402)의 제2극면(44)과 마주하여, 상기 제1자석(401)의 제1극면(43)과 상기 제2자석(402)의 제2극면(44) 사이의 자기 회로 영역이 상기 운동하는 물체(80)와 중첩된다.

상기 회전자에 따르면, 회전축의 제2방향 쪽의 자기회로는 강자성체인 제1환형부(51)에 의해 구성되므로 자속 손실이 거의 없고, 자석(40)에 의한 자기장이 회전 운동하는 상자성 물체(80)인 림에 집중된다. 따라서, 그만큼 림에 발생하는 와전류의 양이 많아지며, 결과적으로 회전자의 회전력은 더 커지게 된다.

상기 자심(50)은: 회전자(1)의 회전축(a)에 대해 이격된 위치에서 반경 방향으로 연장되는 상기 제1환형부(51); 상기 제1환형부(51)의 내측 가장자리에서 회전축(a)의 제1방향으로 연장되는 제1 중앙통벽(52); 및 상기 회전축(a)과 결합되는 축홀(56);을 포함한다. 이에 따라 상기 자석(40)의 내주면(42)은 상기 제1중앙통벽(52)에 의해 지지되고, 회전축(a)의 제2방향을 바라보는 상기 제1자석(401)의 제2극면(44) 및 상기 제2자석(402)의 제1극면(43)은 상기 제1환형부(51)에 의해 지지된다.

또한 상기 자석(40)의 외주면(41)은 상기 하우징(10)에 의해 지지된다.

이처럼 본 발명은, 자석(40)의 자기회로를 구성하는 강자성체의 자심(50)이 하우징(10)과 협동하여 자석(40)을 고정하므로, 자기회로를 구성하는 구조와 자석(40)을 고정하는 구조가 일체로 구현될 수 있고, 자석(40)을 고정하기 위한 구조가 간편하면서도 견고하다.

이와 더불어, 서로 인접하는 제1자석(401)과 제2자석(402)의 호방향 측면(45)은 상호 접하도록 하면, 간단한 형상의 자심(50)과 하우징(10)만으로 복수 개의 자석(40)을 견고하게 지지하며 고정하는 것이 가능하다.

상기 자심(50)은, 상기 제1 중앙통벽(52)에서 반경 방향으로 내향 연장되는 제2 환형부(53); 및 상기 제2환형부(53)의 내측 가장자리에서 회전축(a) 방향으로 연장되는 제2 중앙통벽(54);을 더 포함하고, 상기 하우징(10)은, 상기 제2 중앙통벽(54)의 내주면으로 삽입되는 중심부재(73)를 포함한다.

이에 따르면 강도가 높은 강자성체의 자심(50)이 하우징(10)을 지지하게 되므로, 하우징(10)을 상대적으로 경량의 합성수지 재질로 구성하여 전체적인 회전자의 회전관성모멘트를 줄일 수 있고, 이에 따라 림(80)의 회전속도가 느리더라도 회전자(1)의 회전을 충분히 유도할 수 있다.

한편, 상기 제1자석(401)의 제1극면(43) 및 상기 제2자석(402)의 제2극면(44)은 하우징(10)의 커버면부재(71)에 의해 커버되고, 상기 제1자석(401)의 제1극면(43) 및 상기 제2자석(402)의 제2극면(44)과, 상기 커버면부재(71) 사이에는 탄성재(60)가 개재된다. 따라서 커버면부재(71)로 자석(40)을 보호하고, 탄성재(60)로 자석(40)에 가해지는 외부의 충격을 완화시킬 수 있다.

상기 탄성재(60)에는 상기 커버면부재(71) 방향으로 돌출되는 돌기(62)가 마련되고, 상기 커버면부재(71)에는 상기 돌기(62)가 관통되는 돌기홀(72)이 마련되어 있어서, 상기 돌기(62)가 상기 돌기홀(72)을 관통하여 상기 커버면부재(71)보다 더 돌출된다.

이에 따르면, 림(80)이 회전자(10)에 부딪히더라도, 탄성 재질의 돌기(62)가 림(80)과 부딪히며 충격을 충분히 흡수할 수 있고, 림(80)의 운동량이 돌기(62)를 통해 회전자(1)에 전달되어 회전자(1)의 회전을 더 촉진할 수 있다. 그러면서도 상대적으로 자기 형상을 유지하기 어려운 탄성재(60)의 형상을 커버면부재(71)가 유지해주므로, 탄성재(60)와 커버면부재(71)의 두께를 그만큼 줄일 수 있어, 결과적으로 림의 와전류 발생량을 더 높일 수 있다.

본 발명의 회전자 구조에 따르면, 자심으로 자기회로를 구성하면서도 자석을 포함하는 회전자 전체를 견고하게 지지하므로, 하우징을 보다 경량으로 구성하여 회전자의 회전관성모멘트를 최소화할 수 있다.

또한 자석과 림 간의 거리를 그만큼 가깝게 배치하면서도, 자석에 가해질 수 있는 충격을 충분히 흡수하여 자석을 포함하는 회전자의 파손을 방지할 수 있고, 림이 회전자에 부딪히더라도 림의 회전력이 회전자에 전달되어 회전자가 멈추는 현상을 방지할 수 있다.

아울러 위와 같은 기능을 발휘하면서도, 회전자를 보다 경량으로 구성하고 회전자와 림의 거리를 가깝게 배치할 수 있어, 상기 회전자를 발전기에 적용하면 그만큼 발전 효율을 더 높일 수 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명에 따른 회전자의 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 회전자가 조립된 상태에서 반을 절개한 단면을 나타낸 단면 사시도이다.
도 3은 도 2의 단면을 나타낸 도면이다.
도 4는 회전자의 자기회로부의 분해 사시도이다.
도 5는 도 4의 자기회로부가 조립된 상태의 측면도와 그 사시도이다.
도 6은 도 5의 자기회로부가 림에 가까이 설치된 상태에서 자기회로와 와젼류가 형성되는 양상을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 회전자가 설치된 발전기가 자전거에 설치된 상태를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

본 발명에 따른 자전거용 무접촉 발전기에 적용되는 회전자(1)는 하우징(10)과 자기회로부(30)를 포함한다. 하우징(10)은 자기회로부(30)를 수용하고, 자기회로부(30)와 일체로 회전한다.

[하우징]

회전자(1)는 키가 낮은 원기둥 형태의 외관을 가지며, 이러한 외관은 하우징(10)에 의해 규정된다. 하우징(10)은 속이 빈 원기둥 형태이며, 바디하우징(20)과 커버하우징(70)을 포함한다.

바디하우징(20)은 원판 형태의 베이스부재(21)와 링 형상의 통형벽(23)을 포함한다. 베이스부재(21)의 중심에는 회전축(a)이 체결되는 축홀(22)이 형성되어 있다. 회전축(a)과 축홀(22)은 D컷이 되어 있어, 회전자(1)의 회전력이 회전축(a)에 확실히 전달될 수 있다. 물론 축홀(22)과 회전축(a)의 결합 강도를 확보하기 위해, 축홀(22) 주변의 베이스부재(21)에는 두툼하게 살이 붙어 있으며, 살은 도시된 바와 같이 하우징의 내부 공간 쪽으로 붙어 있을 수 있다.

베이스부재(21)는 회전축(a)을 기준으로, 반경 방향으로 연장되는 원반 형태이고, 통형벽(23)은 상기 베이스부재(21)의 반경 방향 외측 단부에서 회전축(a)의 축방향과 나란한 제1방향으로 연장되는 실린더 형상이다. 이에 따라 바디하우징(20)은 회전축(a)의 제1방향(도 3에서 도면 상 우측 방향)을 향해 개방된 형상을 이루게 된다.

회전축(a)은 제2방향(도 3에서 도면 상 좌측 방향)에서 제1방향으로 상기 축홀(22)에 압입된다.

바디하우징(20)의 통형벽(23)의 제1방향 쪽 단부의 내측 가장자리에는 단턱(24)이 형성된다.

단턱(24)에는 원반 형태의 커버하우징(70)이 끼워져 고정된다. 즉 커버하우징(70)은 상기 바디하우징(20)의 개방 부위를 덮어 하우징(10)의 내부 공간을 규정하게 된다.

커버하우징(70)은, 원반 형태의 커버면부재(71)와, 상기 커버면부재(71)의 중심부에서 회전축(a)의 제2방향 쪽으로 연장되는 원기둥 형태의 중심부재(73)를 구비한다. 따라서 외부에서 보았을 때 중심부재(73)는 외부로 노출되지 않으며, 바디하우징(20)와 커버하우징(70)이 전체적으로 하키 퍽과 같이 키가 작은 원통 형상을 규정하게 된다.

중심부재(73)의 제2방향 단부의 중심에는 회전축(a)이 끼워지는 축홀(74)이 마련된다. 상기 축홀(74)은 중심부재(73)를 관통하지 않는 홈 형태로 형성되고, D컷이 되어 있으며, 상기 바디하우징(20)의 축홀(22)과 D컷의 방향이 정렬된다. 따라서 D컷의 회전축(a)은 상기 하우징(10)의 두 축홀(22, 74)에 모두 결합된다.

후술할 자기회로부(30)가 강도 높은 강자성체 재질을 포함하므로, 하우징(1)은 상대적으로 경량의 합성수지 재질로 제작되더라도 전체적인 회전자(1)의 강성을 유지할 수 있다. 물론 회전축(a) 역시 자기회로부(30)의 강자성체 재질 부분에도 축 결합되어 전체적인 축 결합력을 높일 수 있다.

[자기회로부]

상기 하우징(10)의 내부에는 자기회로부(30)가 설치된다. 자기회로부(30)는 자기장을 발생시키는 복수 개의 자석(40)과, 상기 자석(40)에 부착되어 자기회로를 구성하는 강자성체 재질의 자심(50)을 포함할 수 있다.

복수 개의 자석(40)은 동일한 형태의 제1자석(401)과 제2자석(402)을 포함한다. 자석은 제1극면(43)과 제2극면(44)을 포함한다. 제1극면(43)은 S극과 N극 중 어느 한 극이고, 제2극면(44)은 S극과 N극 중 나머지 한 극일 수 있다.

제1자석(401)은 제1극면(43)이 회전축(a)의 제1방향을 향하도록 배치되고, 제2극면(44)이 회전축(a)의 제2방향을 항햐도록 배치된 자석을 지칭하고, 제2자석(402)은 제1극면(43)이 회전축(a)의 제2방향을 향하도록 배치되고, 제2극면(44)이 회전축(a)의 제1방향을 항햐도록 배치된 자석을 지칭한다. 즉 제1자석과 제2자석은 서로 극성이 반대로 향하도록 배향된다.

복수 개의 자석(40)은, 제1자석(401)과 제2자석(402)이 회전축(a)의 둘레를 따라 원주 방향으로 교호로 배열되는 형태로, 회전자(1)에 설치된다. 실시예에서는 3개의 제1자석(401)과 3개의 제2자석(402)이 교호로 배치된 구조가 예시되어 있다. 그러나 그 개수는 이에 한정되지 아니하며 원주의 길이 등을 고려하여 변경 가능하다.

각 자석(40)은 도시된 바와 같이 직사각형의 단면이 회전축(a)을 기준으로 원호 방향으로 60도만큼 회전하여 형성되는 입체도형의 형상일 수 있다. 자석(40)은 회전축의 축방향을 대향하며 바라보는 제1극면(43)과 제2극면(44)을 포함한다. 자석(40)에서 회전축에 가까이 배치된 내주면(42)과 회전축으로부터 멀리 배치된 외주면(41)은 호 형상의 곡면을 가진다. 그리고 자석(40)의 원주 방향으로 배치되는 호방향 측면(45)은 직사각형의 표면을 가진다. 상기 자석(40)들은 호방향 측면(45)이 서로 접하도록 설치된다. 물론 각 자석들은 서로 간격을 두고 설치되는 것도 가능하다. 다만 본 발명의 실시예와 같이 자석(40) 간의 호방향 측면(45)이 서로 접하도록 설치하면 자석(40)들을 지지하기 위한 별도의 구조물 없이 자석(40)들을 하나의 링 형상과 같이 제작하는 것이 가능하다.

상기 자석(40)들이 회전축(a)의 제2방향을 바라보는 면, 즉 제1자석(401)의 제2극면(44)과 제2자석의 제1극면(43)에는 자심(50)이 설치된다. 자심(50)은 강자성체 재질로 제작되어 자기회로의 자기 경로를 구성한다. 이에 따라 N극인 제2자석의 제1극면(43)에서 S극인 제1자석(401)의 제2극면(44)에 이르는 자기 경로에서 자속의 손실이 거의 없게 된다.

상기 자심(50)은 회전축(a)으로부터 반경 방향으로 이격된 위치에서 반경 방향으로 연장되는 형상의 제1환형부(51)를 포함한다. 제1환형부(51)는 도넛 형태의 평판 형상이다. 제1환형부(51)는 상기 제2자석의 제1극면(43) 및 제1자석(401)의 제2극면(44)과 대응하는 면적을 가지며, 제2자석의 제1극면(43) 및 제1자석(401)의 제2극면(44)에 자력 흡착된다.

상기 자심(50)은 상기 제1환형부(51)의 내측 가장자리에서 회전축(a)의 제1방향으로 연장되는 제1 중앙통벽(52)을 더 구비한다. 상기 제1중앙통벽(52)은 상기 자석의 회전축(a) 방향 두께의 1/2 정도만큼 연장된다. 자속이 집중되는 제2자석(402)의 제1극면(43) 및 제1자석(401)의 제2극면(44)은 상기 제1환형부(51)와 접하지만, 상기 제2자석(402)의 제1극면(43) 및 제1자석(401)의 제2극면(44)과 인접한 내주면(42) 부근에도 약하게나마 자속이 존재할 수 있는데, 상기 제1 중앙통벽(52) 부분은 이러한 부분의 자속의 자기회로 경로를 제공할 수 있다. 또한 제1중앙통벽(52)의 외주면은 상기 자석(40)의 내주면(42)에 접하며 자석(40)을 지지한다.

아울러 상기 자석(40)과 자심(50)은 도시된 바와 같이 하우징(10) 내부에 수용된다. 자기회로부(30)가 하우징(10)에 수용된 상태에서, 자심의 제1 환형부(51)는 바디하우징(20)의 베이스부재(21)에 접하며 지지되고, 자석(40)의 외주면(41)은 바디하우징(20)의 통형벽(23)의 내주면에 접하며 지지된다.

복수 개의 자석(40)의 내주면(42)은 자심(50)의 제1 중앙통벽(52)에 의해 지지되고, 외주면(41)은 하우징(10)에 의해 지지된다. 즉 자석(40)은 반경 방향으로는 제1 중앙통벽(52)과 통형벽(23)에 의해 지지된다.

상기 자심(50)의 제 1중앙통벽(52)의 회전축(a)의 제1방향 측 단부에는 반경 방향으로 내향 연장되는 제 2환형부(53)가 마련된다. 제2 환형부(53)에는 자심(50)의 전체적인 강성은 유지하되 자심(50)의 질량을 낮추기 위해 도시된 바와 같이 타공이 형성될 수 있다.

상기 제2 환형부(53)의 내측 가장자리에는, 회전축(a)의 제2방향으로 연장되는 제2 중앙통벽(54)이 마련된다. 제2중앙통벽(54)은 원통 형상을 이룬다.

상기 제2중앙통벽(54)의 내주면에는 커버하우징(70)의 중심부재(73)가 끼워질 수 있다. 즉 제2중앙통벽(54)의 내주면과 중심부재(73)의 외주면은 서로 압입되며 접할 수 있다.

상기 제2중앙통벽(54)의 회전축(a)의 제2방향 쪽 가장자리에는 반경 방향으로 내향 연장되는 제3 환형부(55)를 포함한다. 제3 환형부(55)의 중심은 회전축(a)이 삽입되는 축홀(56)이 마련된다. 축홀(56)은 D컷이 되어 있으며, 다른 축홀(22, 74)과 정렬되어 있어서, 회전축(a)은 상기 축홀들(22, 56, 74)에 끼워질 수 있다.

회전축(a)은 가령 철(Fe) 등의 강자성체 금속 재질인 자심(50)과 결합된다. 또한 상기 자심(50)은 제1 중앙통벽(52)과 제2중앙통벽(54)의 형상으로 인해 기하학적 측면에서도 강성이 매우 우수하다. 아울러 자심(50)은 제1환형부(51)에 의해 바디하우징(20)과도 견고히 결합되고, 제2중앙통벽(54)에 의해 커버하우징(70)과도 견고히 결합된다.

즉 자심(50)은 하우징(10) 내부에 수용되면서 전체적인 회전자(1)의 강성을 지지하는 뼈대의 기능을 하고, 자석(40)에 흡착되어 자기회로를 구성함으로써 자속의 손실을 최소화하며, 하우징(10)과 함께 복수 개의 자석(40)을 견고하게 지지할 수 있다.

이에 따라, 회전자(1)의 전체적인 강성은 충분히 확보하면서도, 부품 수를 줄일 수 있고, 상대적으로 경량의 하우징(10)으로 자석(40)을 보호할 수 있다.

도 5를 참조하면, 앞서 설명한 본 발명의 자기회로부(30)는 축방향(a)의 제1방향으로 연장되는 자기회로를 복수 개 구성한다. 6개의 자석(40)으로 구성되는 자기회로부(30)의 자기회로는 6개 형성된다.

회전축(a)의 제2방향 쪽 단부의 자기회로는 강자성체인 자심(50) 내에 형성되므로 자속의 손실이 거의 없다. 따라서 자석(40)보다 회전축(a)의 제1방향(즉 도 5의 도면 상 우측)에 형성되는 자기장의 강도는 그만큼 강하게 된다.

도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 자석(40)은 움직이는 상자성체 재질의 자전거 림(80)에 접하지 아니하면서도 가까이 설치될 수 있다. 그리고 림(80)의 회전축(b)과 회전자의 회전축(a)은 평행하게 배치될 수 있다.

그러면 상기 운동하는 물체, 즉 림(80)이 상기 제1자석(401)의 제1극면(43) 및 상기 제2자석(402)의 제2극면(44)과 마주하여, 상기 제1자석(401)의 제1극면(43)과 상기 제2자석(402)의 제2극면(44) 사이의 자기 회로 영역이 상기 운동하는 물체(80)와 중첩된다.

이처럼 강한 자기장이 회전 운동하는 림(80)에 인가되면, 상자성체의 림(80)에는 더 많은 양의 와전류가 발생한다. 와전류는 다시 상자성체의 림(80)에 자기력을 발생시키며, 이러한 자기력이 자석(40)의 자기장과 상호작용하여 자석(40)을 포함하는 회전자(1)를 회전시킨다.

회전자(1)를 기준으로 상기 림(80)의 대향부에는 발전기(90)가 설치될 수 있다. 따라서 회전자(1)의 회전은 발전기(90)를 회전시킬 수 있다.

[충격 흡수 구조]

자전거의 림은 그 회전축(b)에 대해 완전히 수직을 이루는 진원이 아니고 약간의 출렁임 형상이 있을 수 있다. 아울러 상자성체인 알루미늄 림의 제작 과정에서도 림의 일부에는 내부에 철과 같은 강자성체를 포함할 수 있다. 따라서 자전거의 림(80)과 회전자(1)는, 림의 출렁임 형상, 또는 림의 강자성체 부분과 회전자 내부의 자석 간의 인력에 의해, 서로 부딪힐 수 있다. 그리고 이러한 부딪힘은 휠의 회전마다 반복될 수 있다.

만약 자석(40)이 직접 림(80)에 부딪히거나 커버하우징(70)이 림(80)에 직접 부딪히면 자석(40)이나 하우징(10)이 파손될 우려가 있고, 아울러 회전하던 회전자(1)의 회전이 멈추거나 회전속도가 줄어들어, 결과적으로 발전이 원활하게 이루어지지 않을 우려가 있다.

이에 본 발명에서는 커버하우징(70)과 자석(40)들 사이에 평판 형상의 탄성재(60)를 개재한다. 즉 상기 제1자석(401)의 제1극면(43) 및 상기 제2자석(402)의 제2극면(44)은 하우징(10)의 커버면부재(71)에 의해 커버되고, 상기 제1자석(401)의 제1극면(43) 및 상기 제2자석(402)의 제2극면(44)과, 상기 커버면부재(71) 사이에는 탄성재(60)가 개재되며, 이에 따라 상기 자석(40)은 탄성재(60)로 덮여 보호된다.

탄성재(60)는 중앙이 뚫린 평판 형상의 평탄링(61) 부위를 포함한다. 평탄링(61)은 상기 커버면부재와 자석(40) 사이에 개재되고, 평탄링(61)의 반경방향 외측 가장자리는 단턱(24)에 맞춰질 수 있다. 그리고 커버면부재(71)의 반경방향 외측 가장자리가 상기 평탄링(61)의 가장자리를 압박하며 단턱(24)에 끼워져 고정될 수 있다. 평탄링(61)의 중앙부로는 상기 커버하우징(70)이 중심부재(73)가 관통하게 된다.

상기 탄성재(60)의 평탄링(61)에는 상기 커버면부재(71) 방향으로 돌출되는 돌기(62)가 마련된다. 그리고, 상기 커버면부재(71)에는 상기 돌기(62)가 관통되는 돌기홀(72)이 마련된다. 상기 돌기(62)는 상기 돌기홀(72)을 관통하여 상기 커버면부재(71)보다 더 돌출된다.

이러한 구조에 따르면 탄성재(60)를 얇게 설계하더라도, 탄성재(60)보다 높은 강성을 가지는 커버하우징(70)이 탄성재(60)를 견고하게 붙잡아 지지하므로, 커버면부재(71)를 사용하지 않을 때와 대비하여, 커버하우징(70)과 탄성재(60)를 합친 두께를 더욱 얇게 할 수 있다. 이에 따라 자석(40)과 림(80)을 더 가까이 배치할 수 있고, 이는 와전류에 의해 발생하는 회전자의 회전운동을 더 강하게 유도할 수 있다.

그러면서도 돌기(62)는 커버하우징(70)보다 더 돌출되어 림(80)과 더 가까이 배치되므로, 림(80)이 회전자(1)와 부딪히게 되더라도 돌기(62)에 부딪히게 된다. 그리고 그 충격은 탄성 재질의 돌기(62)에 전달되고 흡수된다. 그리고 돌기(62)를 포함하는 탄성재(60)는 고무와 같이 마찰력이 높은 재질이므로, 회전하던 림(80)이 회전자(1)에 부딪히게 되는 경우, 림의 회전력이 회전자(1)에 기계적으로 전달되어, 오히려 회전자(1)의 회전 속도를 더 높일 수 있는 결과를 가져온다.

돌기(62)는, 도시된 바와 같이 발전기(90)와 회전자(1)를 설치하였을 때, 림(80)과 마주할 것이라 예상되는 부위에 위치에 마련된다. 상기 돌기(62)는 도시된 바와 같이 짧은 나선의 형상일 수 있으나 형상이 이에 한정되는 것은 아니다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

10: 하우징
20: 바디하우징
21: 베이스부재
22: 축홀
23: 통형벽(원통)
24: 단턱
30: 자기회로부
40: 자석
401: 제1자석
402: 제2자석
41: 외주면
42: 내주면
43: 제1극면
44: 제2극면
45: 호방향 측면
50: 자심(강자성체)
51: 제1 환형부
52: 제1 중앙통벽(원통)
53: 제2 환형부
54: 제2 중앙통벽(원통)
55: 제3 환형부
56: 축홀
60: 탄성재
61: 평탄링
62: 돌기
70: 커버하우징
71: 커버면부재
72: 돌기홀
73: 중심부재
74: 축홀
80: 림
90: 발전기
a: 회전자의 회전축
b: 림의 회전축

Claims (5)

1. 운동하는 물체(80)와 마주하며 설치되는 비접촉식 발전기의 회전자(1)로서,
   상기 회전자(1)는, 자기회로부(30); 및 상기 자기회로부(30)를 수용하며 상기 자기회로부(30)와 함께 회전하는 하우징(10);을 포함하고,
   상기 자기회로부(30)는, 복수 개의 자석(40); 및 상기 자석(40)에 접하여 자기회로의 경로를 제공하는 자심(50);을 포함하며,
   상기 복수 개의 자석(40)은,
   회전자(1)의 회전축(a)의 제1방향을 바라보는 제1극면(43)과, 상기 회전축(a)의 제1방향의 반대 방향인 제2방향을 바라보는 제2극면(44)을 포함하는 제1자석(401); 및
   회전자(1)의 회전축(a)의 제1방향을 바라보는 제2극면(44)과, 상기 회전축(a)의 제1방향의 반대 방향인 제2방향을 바라보는 제1극면(43)을 포함하는 제2자석(402);을 포함하고,
   상기 제1자석(401)과 제2자석(402)은 회전축(a)의 둘레 방향을 따라 교호로 배치되며,
   상기 자심(50)은, 상기 제1자석(401)의 제2극면(44) 및 상기 제2자석(402)의 제1극면(43)과 접하여 자기회로를 구성하는 강자성체 재질의 제1환형부(51)를 포함하고,
   상기 운동하는 물체(80)가 상기 제1자석(401)의 제1극면(43) 및 상기 제2자석(402)의 제2극면(44)과 마주하여, 상기 제1자석(401)의 제1극면(43)과 상기 제2자석(402)의 제2극면(44) 사이의 자기 회로 영역이 상기 운동하는 물체(80)와 중첩되는 것을 특징으로 하는 회전자.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 자심(50)은:
   회전자(1)의 회전축(a)에 대해 이격된 위치에서 반경 방향으로 연장되는 상기 제1환형부(51);
   상기 제1환형부(51)의 내측 가장자리에서 회전축(a)의 제1방향으로 연장되는 제1 중앙통벽(52); 및
   상기 회전축(a)과 결합되는 축홀(56);을 포함하고,
   상기 자석(40)의 내주면(42)은 상기 제1중앙통벽(52)에 의해 지지되고, 상기 자석(40)의 외주면(41)은 상기 하우징(10)에 의해 지지되는 회전자.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   서로 인접하는 제1자석(401)과 제2자석(402)의 호방향 측면(45)은 상호 접하는 회전자.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 자심(50)은,
   상기 제1 중앙통벽(52)에서 반경 방향으로 내향 연장되는 제2 환형부(53); 및
   상기 제2환형부(53)의 내측 가장자리에서 회전축(a) 방향으로 연장되는 제2 중앙통벽(54);을 더 포함하고,
   상기 하우징(10)은:
   상기 제2 중앙통벽(54)의 내주면으로 삽입되는 중심부재(73)를 포함하는 회전자.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1자석(401)의 제1극면(43) 및 상기 제2자석(402)의 제2극면(44)은 하우징(10)의 커버면부재(71)에 의해 커버되고,
   상기 제1자석(401)의 제1극면(43) 및 상기 제2자석(402)의 제2극면(44)과, 상기 커버면부재(71) 사이에는 탄성재(60)가 개재되며,
   상기 탄성재(60)에는 상기 커버면부재(71) 방향으로 돌출되는 돌기(62)가 마련되고, 상기 커버면부재(71)에는 상기 돌기(62)가 관통되는 돌기홀(72)이 마련되어 있어서, 상기 돌기(62)가 상기 돌기홀(72)을 관통하여 상기 커버면부재(71)보다 더 돌출되는 회전자.

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