KR20210047294A

KR20210047294A - 전기기계식 배터리

Info

Publication number: KR20210047294A
Application number: KR1020217001919A
Authority: KR
Inventors: 조나단 포레스트 가버; 프랭크 레빈슨; 안드레 아담스
Original assignee: 스핀렉트릭스, 인코포레이티드
Priority date: 2018-07-06
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2021-04-29
Also published as: JP7160494B2; CN112913125A; EP3818624A1; JP2021530948A; US20210296961A1; US11641140B2; EP3818624A4; WO2020010017A1

Abstract

본 발명은, 함께 회전자 조립체를 이루는, 환상 플라이휠 내로 혼입되는 영구 자석의 단일 극-쌍 할바흐 어레이, 능동 제어 하에 "이중-리프트" 인력 자기 부상자를 사용하여 회전자 조립체를 부상시키기 위한 수단, 및 할바흐 어레이의 프린지장과의 상호작용에 의해 회전하는 회전자 조립체를 능동적으로 안정화하기 위한 수단을 포함하는 전기기계식 배터리에 관한 것이다.

Description

전기기계식 배터리

관련 출원

본 출원은 2018년 7월 6일자로 출원된 미국 가특허 출원 제62/694,853호의 이익을 주장하며, 이 출원은 본 명세서에 완전히 기술된 것처럼 도면을 포함하여 완전히 포함된다.

기술분야

본 발명은 운동 에너지 - 운동의 기계적 에너지의 형태로 전기 에너지를 저장하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

전기 에너지의 생성을 위한 화석 연료의 사용으로부터 탈피하는 일반적 경향은 다수의 경로를 취해 왔다. 태양력, 풍력, 및 조력과 같은 중요한 재생가능 에너지원은 에너지 수요와 연계되지 않는 에너지를 간헐적으로 일시적으로 제공한다. 이를 완화하는 일 접근법은 간헐적 에너지원의 저장을 용이하게 하는 배터리의 개발이었다.

전기화학적 에너지 저장은 한계를 가진다: 주요 관심사는 이러한 배터리의 수명 주기 및 비용이다. 이어서, 물론, 제조 중에 사용되는 독성 재료의 문제가 있다. 전기기계식 배터리에는 에너지-저장 플라이휠, FES, 또는 단순히 플라이휠이라고 통상적으로 명명되는 것이 들어간다.

전기기계식 배터리는 실질적으로 불활성인 표준 축조 재료인 영구 자석, 일반 금속, 중합체 복합체 등으로 이루어진다. 최근의 일 설계 반복에서, 전기기계식 배터리는 자석의 주상(columnar) 할바흐 어레이(Halbach array), 할바흐 자기장의 중심에 있는 고정자(stator), 할바흐 어레이에 커플링된 플라이휠을 포함하며, 여기에서 플라이휠이 움직여 에너지를 저장한다. 가능한 한 많은 마찰 저항의 공급원을 최소화하기 위해, 고속 회전 부품은 진공 챔버 내에 위치시킨다. 할바흐 자석 어레이를 포함하는 플라이휠의 예는 문헌[Merritt, et al., Halbach Array Motor/Generators - A Novel Generalized Electric Machine]에서 확인할 수 있다.

이 구성에서, 전기기계식 배터리는 현재의 전기화학적 배터리에 비해 우월할 수 있다. 예를 들어, 대부분의 내연 기관의 전력 밀도의 수배이고 현재 최상의 전기화학적 배터리의 전력 밀도의 100배인 5 - 10 kW/kg의 전력 밀도를 달성할 수 있다. 그리고 에너지 회수의 효율은 전형적인 전기화학적 배터리의 효율을 능가할 수 있다.

아마도 가장 흥미롭게, 전기기계식 배터리에 대한 수명 주기는 사실상 무한이며, 10년 초과의 지속적인 충전/방전 주기의 추정값이 자주 홍보되고 있다. 이는 전기기계식 배터리가, 전술한 간헐적 전원에 대한 저장 완화를 제공함에 부가하여, 위상(phase) 및 부하-정합(load-matching) 응용, 전력 레벨링(power leveling), 및 전력 변환(power conditioning)과 같이 매우 많은 신속 충전/방전 주기를 가질 수 있는 저장 응용에 이용되는 것 또한 가능하게 한다.

그러나 전기기계식 배터리에 문제가 없는 것은 아니다.

부상 비-접촉 전기기계식 배터리의 근본적인 일 문제는 언쇼 정리(Earnshaw's Theorem)에 의해 설명되며, 이는 독자적으로 3차원에서 중력에 대항하여 물체를 안정하게 부상시킬 수 있는 자석의 가능한 정적 구성이 존재하지 않음을 입증한다. 시스템이 수동적으로 안정함(즉, 중재하는 능동 제어 없이 안정함)을 보장하기 위한 노력의 일환으로, 선행 기술에서 다수가 언쇼 정리의 한계를 우회하기 위해 플라이휠의 역학적 운동을 사용하여 이 한계를 다루고자 시도하였다.

대신에, 본 발명은 매우 적은 전력을 사용하여 플라이휠 시스템을 능동적으로 부상시키고 안정화하기 위한 저-비용 최신 계산(low-cost modern computation)을 이용한다. 이러한 신규의 능동형 안정화 시스템은 현재의 능동형 안정화 시스템의 기생 전력 소모(parasitic power drain)를 실질적으로 방지하고, 요구되는 영구 자석의 세트를 최소화하며, 공정 중에, 고가이고 정밀하게 균형을 이루는 플라이휠에 대한 필요성을 제거한다.

최신 대량-제조 기술로도, 제작된 플라이휠 회전자는 전형적으로 불균형을 나타내며, 이는 제조-후 균형화 공정에 의해 보정되어야 한다. 이 공정의 제거는 제조를 신속하게 하고 비용을 감소시킬 수 있다.

추가로, 고속 회전에 의해 발생하는 응력 하에, 플라이휠을 이루는 실제 재료가 비-이상적 방식으로 변형될 수 있다. 실제 재료가 노화됨에 따라, 이러한 변형은 회전하는 회전자의 관성 중심 및 축의 이동을 야기함으로써 잠재적으로 막대한 불균형 힘을 생성할 수 있다. 작은 불균형이라도 회전자 재료에 반복 피로(cyclic fatigue)를 유도하거나, 수명을 제한하거나, 에너지 저장 용량을 감소시키거나, 돌발 고장을 야기할 수 있다.

플라이휠이 그의 관성축(고정된 기하축과는 대조적으로) 주위로 회전하는 것이 가능하다면, 시간 경과에 따른 응력의 변화로 인해 관성축의 위치가 변동될 수 있다고 해도, 이러한 불균형 힘이 완화될 수 있다.

전형적인 자기 베어링(magnetic bearing)은, 비접촉식이지만, 내재적으로 기하축 불균형 힘을 제거하지 않으며, 복잡하고, 고가이며, 전력-소비적일 수 있다. 자기 부상 또한 방사상 불안정성(radial instability)의 근원일 수 있다. 수동형 자기 베어링을 채택하는 플라이휠, 및 연계된 회전자 불안정성의 개시는 미국 특허 제7,876,010호에서 확인할 수 있으며, 이는 도면을 포함하여 원용에 의해 본 명세서에 완전히 포함된다.

요약하면, 플라이휠에서의 균형-관련 현상은 궁극적으로 고가의 정밀 제조, 에너지 저장 용량의 저하, 및 유지 또는 보수를 통해 보정해야 하는 재료 노화 효과로 인한 사용 수명 감소를 부과한다. 이러한 심각한 한계는 모두 관성 회전축이 아니라 기하학적으로 정의된 축 주위로 회전하는 선행 기술의 플라이휠로부터 유래된다.

본 기술 분야에서는 회전자 위의 인력쌍 및 회전자 아래의 척력쌍과 같은 능동형 및 수동형 자석의 조합을 사용하는 Z-축 자기 부상 구성의 다양한 조합이 오랫동안 채택되어 왔다. 어느 것도 본 발명의 신규한 자기 부상 시스템에 의해 제공되는 단순성 및 유용성을 달성하지 못했다.

플라이휠 기술의 추가의 제한은 고속 플라이휠 회전자를 진공 중에 작동시킬 필요성에 관련된다. 에너지 저장 플라이휠은 매우 고속에서 작동한다. 대부분의 이러한 플라이휠의 주변부의 속도는 공기 중의 음속의 수배이다. 회전자가 공기 중에서 고속으로 작동할 때, 공기역학적 마찰 및 충격파 현상에 에너지가 손실된다. 이러한 손실을 방지하기 위해서는 에너지 저장 플라이휠이 진공 중에 작동해야 한다는 것이 본 기술분야에 오랫동안 공지되어 있다.

능동적 수단 없이 장기간 동안 진공을 유지하는 것은 어렵다. 복합체 매트릭스 재료와 같은 축조 재료는 진공 환경을 빠르게 저하시키는 정도로 기체를 방출할 수 있다. 이러한 기체 방출을 완화하기 위해 능동형 진공 펌프를 부착하는 것이 본 기술분야에서는 통상적이다. 이러한 펌프는 에너지 저장 플라이휠 시스템에 비용, 예정된 유지, 및 예정되지 않은 휴지기를 부가한다. 갑작스러운 진공 펌프 고장은 돌발 플라이휠 고장을 야기할 수 있다. 일반적으로, 그들은 에너지 저장 플라이휠의 사용 수명을 감소시킨다.

부가적인 진공 저하는 진공 장벽을 통한 관통으로부터 발생할 수 있으며, 이러한 관통은 전력 및 신호 전도체 및 방열 구성요소를 위해 필요하다. 변동되는 열 부하 하에 밀봉 치수의 열기계적 변화로 인해, 방열은 특히 어려운 진공 밀봉 문제를 제기한다. 열적으로 유도된 이러한 치수 변화는 연장된 사용 중에 금속 진공 밀봉을 파손한다. 엘라스토머 밀봉이 통상적으로 사용되지만, 이들은 진공 환경 내로 기체의 확산을 가능하게 하여 펌프와 같은 능동 진공 유지 조치를 필요로 한다.

회전자의 할바흐 어레이와 같은 자석의 회전은 통상적으로 상기 회전장 내에 침지될 수 있는 전도성 구성요소 내에 전류를 유도한다. 이는 회전자를 불안정화하고, 제어 시스템 효율성을 저하시키며, 와전류 가열로서의 에너지 소산으로 인해 에너지 저장 효율을 감소시킬 수 있다. 본 발명은 자기적 투과성인 구성요소를 사용하는 자기 차폐를 통해 이러한 한계를 완화할 수 있다.

전술한 내용은 본 발명에 의해 극복되는 에너지 저장 플라이휠 기술분야에서의 몇몇 심각한 한계를 제한 없이 예시한다.

요약

본 발명에 따른 플라이휠은,

적어도 하나의 회전자 조립체를 포함하며, 이는 그의 질량 분포에 의해 결정되는 바와 같이 실질적으로 그의 관성축 주위로 회전함으로써, 정밀 회전자 중심화 또는 균형에 대한 필요성을 제거하고, 상기 결정적인 유용성은,

고정된 기하축 주위의 회전을 부과하지 않으면서 정적 방사상 안정성을 가진 신규의 이중-리프트 인력 자기 부상 시스템(double-lift attractive magnetic levitation system), 및

회전자 평행이동(translation) 및/또는 경사와 더불어, 효율적인 전자 감쇠 기능성을 통해 차동기(sub-synchronous) 불안정성의 제거를 제공하기 위한, 이전까지는 활용되지 않았던 단극성 원통형 단일 극-쌍 할바흐 자기 어레이의 자기 특징부를 채택하는 신규의 제어 시스템에 의해 가능해지고;

임의로, 신규의 열 전달 수단을 추가로 포함하며, 이에 의해 플라이휠 고정자 조립체 내에 발생한 열이 플라이휠의 진공 외함의 관통 없이 외부 환경으로 수송되고;

임의로, 자기적 투과성인 차폐를 추가로 포함하며, 이는 자기장을 격리하고 그렇지 않다면 플라이휠의 작동을 저하시킬 이러한 장의 유해 상호작용을 방지하고;

서로 직교하는(orthogonal) 축 X, Y, 및 Z 내의 회전자 위치 센서를 추가로 포함하며;

계산 수단을 추가로 포함하며, 이는 센서 데이터를 받고, 제어 계산을 수행하며, 제어 이펙터에 동력을 공급하고;

적어도 하나의 고정자를 추가로 포함하며, 이는 단극성 원통형 할바흐 자석 어레이와 조합하여, 전기 에너지의 회전 운동 에너지로의 가역적 전환을 실행함과 더불어 회전자 위치 및 안정성 제어 이펙터의 배치를 제공하도록 배치된 전자기 코일을 갖고;

외부 환경과 접속하는 전자 수단을 추가로 포함하며;

외함 및 기계적 프레임워크를 추가로 포함하며, 이는 함께 기계적 지지, 저압 환경, 및 상기 외함에 대해 외부 환경에 고정된 지지체에 플라이휠 조립체를 마운팅하기 위한 수단을 제공한다.

본 발명의 이들 요소는 하기 더욱 상세하게 논의된다.

이중-리프트 자기 부상 시스템: 도 1d는 인력 부상자 자석 조립체의 잠재적인 일 구성을 제한 없이 개략적으로 도시하며, 이는 내측 링 자석(217), 외측 링 자석(216), 전자기 제어 코일(218), 및 자기적 투과성인 구성요소(215)로 이루어지고, 조립체는 국소 중력 벡터에 직각으로 위치된다. 화살표는 링 자석(216 및 217)의 대향 자기 극성을 표시한다. 조립체는 자기적 투과성인 구성요소(219)에 인력을 가하며, 이는 회전자 조립체(나타내지 않음) 상에 마운팅된다.

본 발명에서, 이러한 일 조립체는 회전자의 상위부에 채택되는 반면에, 다른 것은 회전자의 하위부에, 실질적으로 회전자의 관성 중심 주위에 채택된다. 중요하게, 양자 모두의 조립체는 회전자(나타내지 않음)에 고정된 그들 각각의 자기 구성요소 상에서 위로 리프팅된다. 수직 회전자 위치가 감지되고 적어도 하나의 조립체 내의 제어 코일(218)에 동력이 공급되어 영구 자석에 의해 제공되는 총 리프팅 힘을 회전자의 중량과 정합되도록 조정하며, 이에 의해 회전자가 부상한다.

작동 중에, 링 자석(216 및 217)에 의해 발생하는 자속은 자기적 투과성인 외함(215)을 통해 전도되고 자유 공간 내에서, 또는 부분적으로 자기 구성요소(219)를 통해 복귀한다. 동력이 공급되는 경우, 전자기 제어 코일(218)은 링 자석(216 및 217) 사이의 영역에서 외함(215)의 자기 포화를 변화시킴으로써 자기 회로 내의 자속을 조정한다. 이는 조립체에 의해 자기 회전자 구성요소(219) 상에 가해지는 자기 인력의 정도를 제어한다. 자석 치수, 재료, 및 강도는 일반적으로 자석(216 및 217)이 자기 회로에 대략 동일한 자기 에너지를 기여하도록(상향 자속이 하향 자속과 동일함) 선택된다. 단지 하나의 자석을 제한 없이 포함하는, 2개 이외의 자석으로 적합한 자기 회로가 달성될 수 있음이 당업자에게 자명할 것이다.

작동 중에, 전자기 제어 코일(218)에 동력이 공급되어(Z-축 회전자 위치 센서 및 적합한 계산, 예컨대 PID 제어 루프에 반응하여) 조립체의 인력을 조정함으로써 회전자를 부상 중에 유지한다.

이러한 이중 리프트 부상 구성의 추가의 태양은 부상자 자석이 회전자에 부여하는 작은 안정화 중심화 힘이다.

본 발명의 신규성은 회전자 안정성을 제어하기 위한 프린지장(fringing field)의 사용이다. 도 1b에 도시된 바와 같은 프린지장은 방해요소 또는 무용한 부수현상으로 간주되어 왔다. 본 발명은 이러한 장을 채택하여 프린지장 내에 위치하는 전자기 코일과의 상호작용에 의해 회전자 위치설정을 실행한다. 할바흐 어레이의 중심 영역 내의 균일한 단극성 자기장은 회전축에 직각인 회전자 변위를 실행하기 위해 채택할 수 없다. 어레이의 프린지장은 제어가능한 전자석에 의한 작용을 받아 회전자를 안정화할 수 있는 구성요소를 나타낸다.

전자기 제어 코일은 도 2에서 요소(12 및 14)와 같이 배치된다. 그렇게 배치된 이들 코일은, 전류에 의해 동력이 공급되는 경우, 각각의 프린지장(18 및 19)과 그들의 상호작용을 통해 회전자 조립체에 힘을 가한다. 동력을 공급하는 전류 극성에 따라 상기 힘은 양성 또는 음성일 수 있다. 프린지장의 복잡성으로 인해, 상기 장과 제어 코일 사이의 상세한 상호작용은, 제한 없이, 실험적 측정에 의해, 모델링에 의해, 또는 그의 조합에 의해 유도될 수 있다.

회전자 위치의 방사상 교란이 감지된다. 제어 코일에 의해 발생하는 힘은 회전하는 프린지장과 상호작용하여 방사상 위치의 측정된 불안정성을 감쇠시킬 수 있다.

전체적으로, 회전자 위치의 제어는 하기를 제한 없이 포함한다:

a. 진정수의 회전에 걸쳐, 회전자의 근사 질량 중심(approximate center of mass) 위에 하나 및 아래에 다른 하나인 2개의 측정 위치에서 회전자의 평균 기하 위치를 측정한다. 약한 중심화 힘으로 인해, 이들 측정 및 계산은 측정 위치에서의 회전의 관성 중심을 근사한다.

b. 상위 및 하위 관성 중심의 운동을 맵핑하고 그들의 속도를 계산한다.

c. 이들 속도를 감쇠시키기에 적절한 제어 코일 전류를 계산한다(가변 전자 감쇠기(variable electronic damper)).

d. 상위 및 하위 관성 중심의 속도가 작은 한, 회전자는 주로 그의 관성축 주위의 안정한 회전을 유지할 것이다.

발열은 선행 기술에 따라 축조된 플라이휠에 다른 한계를 부과한다. 고정자 권선(winding) 내의 줄 가열 손실(I²R, 또는 저항 가열 손실)은 빠른 에너지 충전 또는 방전 조건 하의 발열에 대한 주요 기여요인이다. 플라이휠 진공 환경은 열 수송을 복잡하게 할 수 있다.

본 발명에서, 고정자 조립체는 외함을 포함하며, 그 안에는 회전자 제어 코일 및 모터/발전기 코일이 배치된다. 고정자 외함은 고정자 내에 담지되는 구성요소를 위한 기계적 지지 및 진공 격리를 제공할 수 있다. 고정자 외함은 또한 발열 고정자 구성요소에 접촉하여 외부 환경으로의 대류성 열 수송을 회복하는 적합한 유전성 유체(기체 또는 액체)를 함유할 수 있다. 고정자 조립체는 외부 플라이휠 외함의 적어도 하나의 내측 표면의 적어도 일부에 열적으로 연결된다. 상-변화 재료를 유전성 유체로 사용하는 것은 대류성 열 수송을 크게 향상시킬 수 있다.

논의

본 상세한 설명 및 첨부된 청구범위에 관하여, 본 발명의 임의의 태양을 단수형태로 지칭하는 것은, 복수형태를 포함하는 것이 의도되지 않음이 문맥으로부터 명시적으로 언급되거나 분명하게 명확하지 않는 한, 복수형태를 포함하며 그 역 또한 성립한다는 것이 이해된다. 예를 들어, 단수형태로 "센서"를 지칭하는 것은 2개 이상의 센서를 포함한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 근사의 임의의 용어, 예컨대, 제한 없이, 부근, 약, 대략, 실질적으로, 본질적으로 등은 근사의 용어에 의해 수식되는 단어 또는 구문이 정확하게 기재된 것일 필요가 없고 기재된 설명으로부터 어느 정도 변동될 수 있음을 의미한다. 설명이 변동될 수 있는 정도는 얼마나 큰 변화가 도입될 수 있는지, 그리고 근사의 용어에 의해 수식되지 않은 단어 또는 구문의 특성, 특징, 및 역량을 수식된 버전이 여전히 가지는 것으로 당업자가 인식하는지에 의존할 것이다. 일반적으로, 그러나 전술한 내용에 유의하면서, 근사의 단어에 의해 수식되는 본 명세서의 수치 값은, 달리 명시적으로 언급되지 않는 한, 언급된 값으로부터 ±15% 만큼 변동될 수 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "바람직한", "바람직하게", "더욱 바람직하게", "현재 바람직하게" 등의 사용은 본 특허 출원의 출원 시점에 그들이 존재하는 바와 같은 선호도를 지칭한다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, 관련 문헌에서 간혹 "모터-발전기"로서 지칭되고, 또한 간혹 "플라이휠"로서 지칭되는 "전기기계식 배터리"는, 고속으로 회전하는 회전자 조립체 내에 에너지를 저장하고 회전자가 감속함에 따라 그 에너지를 전기 에너지로서 방출하는 장치를 지칭한다. 이러한 배터리의 이전의 구현은 미국 특허 제5,705,902호, 제6,566,775호, 제6,858,962호, 제7,679,247호에 밝혀져 있으며, 이들 각각은 본 명세서에 완전히 기술된 것처럼 도면을 포함하여 원용에 의해 포함된다. 이들 및 다른 간행물에는 고속으로 회전함으로써 에너지를 저장하여 플라이휠이 감속함에 따라 궁극적으로 전기 에너지로 전환하도록 제조된 플라이휠에 커플링되는 할바흐 어레이의 용도가 상세하게 기재되어 있다. 그러므로, 할바흐 어레이 전기기계식 배터리의 기본 요소 전부를 본 명세서에 나열하는 것이 필요하다고 생각되지 않으며, 이는 인용된 참고문헌과 더불어 다수의 다른 특허 참고문헌 및 기술 논문으로부터 그러한 것을 용이하게 얻을 수 있기 때문이다. 본 발명의 중요성은 극도로 낮은 비용의 에너지를 사용하고, 실질적으로 그의 관성 회전축 주위로 회전하는 조립체를 안정화하며, 배터리의 에너지 저장 및 전환 효율, 단일 충전 수명, 및 전체적 작동 수명을 최대화하여 전기기계식 배터리의 회전하는 조립체를 안정화하기 위한 그의 신규의 기술의 사용에 있다.

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "회전자 조립체" 또는 "회전자"는 적어도 하기 요소를 포함하는 축조물을 지칭한다:

a. 표준 xyz 좌표계의 z-축을 따라 수직으로 배치된 주상 단일 극-쌍 할바흐 어레이(5)(도 1b). 본 개시의 목적상 할바흐 어레이의 이러한 배치는 "수직 주상 어레이"로서 지칭된다. 할바흐 어레이는 어레이의 전체 중심 아래로 관통구(through-hole)를 가진다.

b. 할바흐 어레이에 커플링된 환상(annular) 플라이휠(8)(도 2). 본 명세서에서 플라이휠은 일반적으로 허용되는 정의를 가지며, 즉, 회전하는 질량에 기계적 에너지가 저장되는 회전하는 디스크, 원통의 휠이다. 본 발명의 목적상, 플라이휠을 구성하는 질량은 할바흐 어레이에 직접 커플링될 수 있거나 플라이휠에 저장되는 에너지를 증가시키기 위해 플라이휠의 주 질량이 하나 이상의 스페이서 만큼 플라이휠의 회전축으로부터 외향으로 변위될 수 있다. '스페이서'는 플라이휠의 질량에 비교하여 상대적으로 경량인, 플라이휠의 질량을 할바흐 어레이에 연결하는 방사상 부재를 지칭한다. 스페이서는 할바흐 어레이를 플라이휠 질량에 연결하는 복수의 스포크, 막대, 또는 바 중의 하나일 수 있다. 대안에서, 스페이서는 상대적으로 경량인 재료의 중실형 링을 포함할 수 있으며, 여기에서 링의 내측 반경은 링의 표면이 할바흐 어레이의 외측 에지와 인접하고 이에 커플링되는 것을 가능하게 하고 링의 외측 반경은 플라이휠 질량과 인접하고 이에 커플링되는 것을 가능하게 한다.;

c. 관상(tubular) 고정자(10)(도 2)는, 할바흐 어레이(5)의 관통구 내에 배치된다. 고정자(10)는 할바흐 어레이의 내측 벽에 접촉되지 않으며; 오히려, 고정자의 2개 단부는 인용된 현존 문헌에 그렇게 기재된 바와 같이 배터리를 둘러싸는 프레임워크 또는 하우징의 상부 및 하부 표면에 커플링된다. 고정자는 권선(11)(도 2)을 포함하며, 이는 당업계에 그렇게 통상적으로 공지되고 지칭되는 바와 같이 단상, 이상, 삼상, 또는 더 높은 권선을 포함할 수 있다. 현재 바람직한 것은 삼상 권선이다.

도 1a: 단일 극-쌍 할바흐 어레이의 코어 내의 균일한 자기장
도 1b: 주상 단일 극-쌍 할바흐 어레이의 단부에서의 "프린지장"의 개략도
도 1c: 관용적인 수직-축 플라이휠 서스펜션, 관용적인 플라이휠 회전자, 그의 지지 베어링, 및 그의 기하 회전축 및 관성 회전축의 개략적 단면도를 나타낸다. 도시된 플라이휠 및 베어링은 기하형태 및 질량 분포에 있어서 이론적으로 완전하고 이상적이다. 회전자(201)는 베어링(202)에 의해 방사상으로 지지되고 스러스트 베어링 조립체(204)에 의해 중력에 대항하여 지지되는 액슬(203) 상에서 회전한다. 도면은 완전한 균형의 조건 및 불완전한 균형의 2개 조건을 도시한다. 이상적인 경우에, 기하 회전축(205)은 관성 회전축에 정합되며, 이는 액슬(203) 및 그의 연결된 회전자(201)와 동일선형이고 완전히 중심에 있으며 동축이고, 이들은 모두 200의 Z-축에 평행하다. 도시된 제1 불균형의 경우에, 질량 분포 불균질성(단면도의 좌측 회전자 절반 상에 더 큰 질량)은 관성 회전축(206)이 더이상 기하 회전축(205)과 동일선형이지 않음을 야기하였다(명확성을 위해 변위가 과장됨). 질량 분포 불균질성이 순수하게 방사상이고 회전자에 대해(Z-축에 대해) 수직으로 정확하게 그의 Z-축 중간점에서 회전자(201)를 이등분하는 수평 평면에 대해 대칭이기 때문에 관성축 및 기하축 양자 모두는 평행하게 유지한다. 제2 불균형의 경우는 도면에 도시된 순간에 회전자가 그의 좌측면 및 그의 상위 절반 상에 더 많은 질량을 가짐으로써 변위된 경사 관성축(207)(다시 명확성을 위해 변위가 과장됨)을 유발하도록 비대칭 질량 분포를 가진 회전자(201)를 도시한다. 기하축(205) 및 관성축(207)은 평행하지도 않고, 회전자(201) 내에서 심지어 본질적으로 교차하지도 않는다.
도 1d: 인력 부상자 조립체의 예, 본 도면은 내측 링 자석(217), 외측 링 자석(216), 전자기 제어 코일(218), 및 강자성 하우징(215)으로 이루어진 부상자 자석 조립체의 일례의 단면도를 개략적으로 도시하며, 조립체는 좌표계(200)의 XY 평면에 대해 평행하게 위치되고 회전자 관성축(206)에 대해 위치된다. 화살표는 링 자석(216 및 217)의 자기 극성을 표시한다. 인력을 받은 회전자(나타내지 않음)가 부상하도록 상기 부상자 자석 조립체에 의해 제어가능하게 인력을 받는 자기 회전자 구성요소가 도시된다. 외함, 자석, 및 제어 코일의 조립체가 정지 프레임(나타내지 않음)에 고정되고 자기 구성요소(219)에 인력을 가하며, 이는 회전자 조립체(나타내지 않음) 상에 마운팅된다.
도 2: 프린지장 상호작용의 예
도 3: 광학적 폐색 방사상 위치 측정(Optical Occlusion Radial Position Measurement)의 예
도 4: 이중-리프트 구성의 예
도 5: 리프트를 조정하기 위한 제어 코일을 가진 이중-리프트 구성의 예
도 6: 광학적 폐색 수직 위치 측정(Optical Occlusion Vertical Position Measurement)의 예
도 7: 할바흐 어레이에 인접한 플라이휠 질량
도 8: 자기 서브시스템 차폐의 예

본 명세서에 사용되는 바와 같이, "할바흐 어레이"는 당업계에 공지되고 이해되는 바와 같은 영구 자석의 특수 배열을 지칭하며, 여기에서 자석은 외부에 대한 자기장을 본질적으로 해제하면서 배열의 관통구 내측의 자기장을 증강한다. 주상 할바흐 어레이의 상면도를 도 1a에 나타낸다. 약술하면, 자석 위의 화살표는 자기장의 방향을 도시하며, 참여하는 각각의 자석에 대해 화살표 머리는 N극을 나타내고 화살표의 꼬리는 S극을 나타낸다. 본 발명의 목적상, 어레이의 코어 관통구 내로 자기장을 편향시키고 주상 어레이 외부의 임의의 자기장을 본질적으로 제거하기 위해 어레이를 구성한다. 도 1a 및 도 1b에 파선에 의해 표시된 관통구 내의 자기장은 도면에 표시된 바와 같이 완전히 방향성이다. 특기할만한 것은 어레이의 관통구 내의 자기장이 단향성(unidirectional)이고 균일하다는 사실이다. 주상 어레이를 생성하기 위해 사용된 영구 자석의 수를 증가시킴으로써 균일성을 미세-조정할 수 있으며, 사실상 임의의 수의 자석을 사용할 수 있고, 이러한 주상 할바흐 어레이는 본 발명의 범위 내에 있지만 12개의 영구 자석이 현재 바람직하다. 주상 할바흐 어레이의 관통구 내의 자기장은 균일하지만, 어레이의 각각의 단부에서의 자기장은 불균일하며, 그곳에서의 자기장은 방사상 및 종방향(또는 본 발명의 경우에서와 같이 할바흐 어레이가 수직으로 위치하는 경우에 "수직") 구성요소(도 1b) 양자 모두를 나타낸다. 할바흐 어레이 자기장의 이러한 단부 부분을 이하 "프린지장"으로서 지칭한다.

본 발명의 이러한 태양의 핵심은 2개의 고정된 코일이며, 하나는 할바흐 컬럼의 하나의 단부 또는 그 부근에 위치하고 다른 하나는 할바흐 컬럼의 다른 하나의 단부 또는 그 주변에 위치한다. 코일은 할바흐 어레이의 2개의 프린지장과 상호작용할 수 있도록 배치된다. 따라서, 전술한 상호작용이 가능한 한, 코일은 관통구 내의 어느 곳에나 위치할 수 있다. 그러나, 도 2에 나타낸 제1 코일(12)이 할바흐 어레이(5)의 상부 에지(15)에 인접하여 배치되고 제2 코일(14)이 할바흐 어레이(5)의 하부 에지(7)에 인접하여 배치되도록, 2개의 코일이 고정자(10)의 양쪽 단부에 내부에 배치되는 것이 현재 바람직하다(도 2). 알 수 있는 바와 같이, 코일은 적어도 부분적으로 할바흐 어레이(5)의 상부 프린지장(18) 및 하부 프린지장(19) 내에 존재한다.

회전자 및 고정자 요소에 부가하여, 본 발명의 전기기계식 배터리는 센서를 포함하며, 그의 기능은 회전자 조립체가 부상할 때 회전자 조립체의 방사상 위치의 변화를 검출하는 것이다. 물론, 센서는 회전자 조립체가 부상하지 않을 때 그것의 방사상 위치를 검출할 수 있을 것이지만, 그러한 것은 본 발명에 중요하지 않다. 부상할 때의 회전자 조립체의 위치를 검출하는 것에 부가하여, 센서는 회전자 조립체가 부상하고 회전할 때 그것의 위치의 변화를 검출할 수 있다. 사실, 본 발명의 이러한 태양에 현재 가장 중요한 것은 센서의 이러한 마지막 기능이다. 전기기계식 배터리에서, 플라이휠은 종종 극도로 고속으로 회전한다. 따라서, 회전할 때 배터리의 다양한 부품의 고유 공진 주파수 및 플라이휠이 회전하는 높은 속도는 배터리에 대한 부정적 효과, 예컨대, 제한 없이, 피로 및 축조 재료 고장을 유발할 수 있다. 본 발명의 이러한 태양은 이러한 유해 사건을 최소화하고 잠재적으로 제거한다.

일단 센서가 회전자 조립체의 방사상 위치의 변화를 검출했으면, 그것은 그 정보를 그것과 통신하는 제어기에 전송하고, 제어기는 결국 적어도 부분적으로 프린지 자기장(fringe magnetic field) 내에 있는 코일을 통해 전류를 지향(direct)함으로써 그러한 자기장과 상호작용하고 회전자 조립체 상에 반발력을 생성한다.

사실상 임의의 방식의 센서가 상기 목적에 사용될 수 있고 임의의 모든 이러한 센서가 본 발명의 범위 내에 있지만, 센서가 광원 및 광 강도 변화 검출기를 포함하는 것이 현재 바람직하다. 할바흐 어레이(5)의 상면도인 도 3에 이를 나타낸다. 광의 일부는 할바흐 어레이(5)에 의해 저지되고 광의 일부는 수직 에지(45)를 통과하여 검출기(55) 상에 충돌하는 방식으로 할바흐 어레이(5)의 수직 에지(45)를 향해 광원(40)이 지향된다. 할바흐 어레이(5)가 그의 바람직한 축 정렬을 벗어나 회전하는 경우, 검출기(55)가 관찰하는 광의 양이 변동될 것이다. 검출기(55)에 의해 관찰되는 광의 양의 변화는 제어기(나타내지 않음)에 전달되며, 이어서 이는 상기 기술된 바와 같은 그의 기능을 수행한다. 도 3은 할바흐 어레이(5)의 본체에 지향되는 광원을 나타내지만 플라이휠의 임의의 에지 또는 회전자 조립체의 다른 부분이 사용된다면 센서/제어기 쌍은 동일하게 잘 작동할 것이며, 이러한 것은 명백하게 본 발명의 범위 내에 있다. 임의의 광원이 사용될 수 있지만, 광원은 LED인 것이 현재 바람직하며, 이는 저가이고 작동 수명이 길며 최소의 열을 발생시킨다.

본 발명의 추가의 태양은 회전자 조립체의 부상을 미세-조정하는 것에 관한 것이다. 그렇게 하기 위한 신규의 기전의 부가된 이익은 회전자 조립체를 그의 종방향(수직) 회전축 상에 중심화하는 것에 대한 수동형 긍정적 효과이다. 본 발명의 이러한 태양은 영구 자석의 적어도 2개의 조립체를 사용한다. 자석의 2개 초과의 조립체를 사용하는 경우에 논의된 기술이 어떻게 적용될 것인지는 하기 논의로부터 자명할 것이지만, 본 상세한 설명은 단지 자석의 2개의 조립체의 사용인 현재 바람직한 실시 형태에만 관한 것일 것이다. 하기 논의는 부상 자석의 각각의 조립체의 하나의 자석이 회전자 조립체에 고정되는 실시 형태를 참조하지만, 그것은 회전자에 자석이 고정되지 않도록 구성된 부상 자석 조립체의 적어도 하나의 조립체 중 하나를 도시하는 도 1f의 부상 자석 조립체를 개시하며 이에 동일하게 적용된다.

도 4에서는, 극성의 관용적인 화살표 도시를 사용하여 자석(70, 71, 72, 및 73)의 극성을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 자석 쌍(70 및 71) 및 자석 쌍(72 및 73)은 양자 모두 인력 모드이다. 자석의 쌍들은 양자 모두 종축(longitudinal axis)에 직각이며, 즉, 회전자 조립체(50)의 근사 관성 회전축(77)이다. 회전자의 방사상 축의 CG 주위의 토크 균형을 달성하기 위해 주의하면서, 이들은 회전자 조립체(50)의 단부들 사이의 임의의 곳에 위치될 수 있을 것이나, 그들은 회전자 조립체(50)의 중력 중심(CG)(79)으로부터 등거리에, 한 쌍은 CG 위에 그리고 한 쌍은 CG 아래에 위치하는 것이 현재 바람직하다. 인력 모드에서 영구 자석의 2개의 쌍에 의해 발생하는 자기력은 회전자 조립체(50)를 그의 스포크/플라이휠과 함께 부상시키기에 충분하도록 선택된다.

회전자 조립체/플라이휠의 중량을 상쇄하기 위한 자석의 사용은 당업계에 오랫동안 공지되어 있다. 그러나 수직-축 플라이휠에 통상적으로 사용되는 구성은, 본 기술분야에서는 척력 어레이가 바람직하거나 회전자의 상부 부근에 인력 어레이가 사용되는 반면에, 하부에 있는 2차 어레이는 전체적으로 부재하거나 척력으로 상호작용하도록 구성된다는 점에서, 본 발명의 것과는 상이하다. 이와 관련된 문제는 척력 모드에 있을 때 자석이 방사상으로 발산한다는 점이며; 즉, 그들은 서로를 한쪽으로 또는 다른쪽으로 밀어낸다. 전기기계식 배터리에 관하여, 이러한 내재적인 발산 경향은 회전자 조립체의 회전축 주위에서 회전자 조립체의 안정성을 달성하고 유지하는 부가적인 방법을 필요로 한다. 일반적으로, 회전자 조립체 안정성은 회전자 질량 균형에 엄격한 제약(constraint)을 부과하여 불균형 힘을 제한한다. 이어서, 이는 더 고가인 회전자 제조 절차를 요구한다. 그렇다고 해도, 회전자 질량 분포는 작동 중에 종종 변화한다는 것이 주지되어 있다. 단기간에, 회전-가속 중에 회전자가 불균일하게 팽창함에 따라 회전자 질량 분포가 변화할 수 있다. 장기간에 걸쳐, 높은 회전 속도에서 방사상 및 원주방향 응력에 장기적으로 노출됨으로 인해 회전자 재료가 크리프(creep)함에 따라 회전자 질량 분포가 변화할 수 있다. 부가적으로, 회전 응력 하에 제한된 재료 고장의 결과로서 회전자 질량 분포가 갑자기 변화할 수 있다. 선행 기술과는 대조적으로, 본 발명은 이러한 한계를 극복할 수 있다.

도 4를 참조하면, 자석(72) 및 자석(73)은 인력 모드이도록 설정되고, 자석(70 및 71)도 그러하다. 수직 안정성을 달성하기 위해 능동적으로 조정되어야 하는 인지 비용에서, 이 구성은 발산력을 최소화한다. 상위 쌍 및 하위 쌍 사이의 극의 방향을 뒤집는 것은, 본 발명의 기능에 필요한 것은 아니지만, 더 원격 거리로부터 생각할 때 부상 자기 세트에 의해 도입되는 순 자기장이 서로 효과적으로 균형을 이루게 할 수 있다.

양자 모두 인력 모드로 작용하는 2개의 부상자를 채택함으로써, 각각의 부상자는 본 명세서에서 회전자 상의 "중심화"로서 지칭되는 수동형 방사상 중심화 힘을 가하며, 따라서 척력 부상자에서 내재적인 방사상 발산 효과에 대한 보상을 요구하지 않는다. 약한 방사상 회복력은 회전자 조립체와 인접한 정지 구조 사이의 큰 방사상 틈새를 허용하며, 이는 방사상 제약 없이 순수하게 그의 관성 질량 분포에 따라 회전하는 회전자로부터 유발되는 것에 근사하는 회전을 가능하게 한다. 이러한 향상된 틈새는 결국 회전-가속/회전-감속 불균일 변형, 재료 노화, 및 국소 미세구조 고장으로 인한 회전자 조립체/플라이휠 질량 분포의 변화를 수용한다. 부가적으로, 인력 모드의 부상 자석의 2개의 쌍은 하드웨어 생성 및 조립체의 개발에 대해 본질적으로 동일한 특징을 나타내며 제어 소프트웨어 설계를 단순화할 수 있다. 부상 자석의 양자 모두의 쌍이 인력 모드인 "이중-리프트" 설계의 이들 및 다른 이점은 본 명세서의 논의 및 대안적 서스펜션 시스템의 단점에 대한 지식에 기초하여 당업자에게 명백해질 것이다.

자석 지지 요소(77)가 L-형이고 L의 다리가 아랫쪽을 향하여 면하며 자석 지지 요소(78)로부터 상향인 돌출부와 정렬되는 것 또한 본 발명의 태양이다. 자석 지지 요소(77 및 78)는 그들의 지지 기능을 수행하기에 충분한 강도의 임의의 재료로 축조될 수 있지만, 높은 자기 투과성의 재료로 자석 지지 요소(77 및 78)를 축조하는 것이 현재 바람직하다. 이러한 재료의 제한 없는 예는 강철과 같은 강자성 재료일 것이다. 이는 도 1f의 요소(215 및 219)에 동일하게 적용가능하다. 강철 요소가 사용되는 경우, 자석 자체에 의해 형성되는 "링" 및 요소(77)의 L-형 부분을 포함하는 자석 지지 요소 및 요소(77)의 L-형 부분을 포함하는 자석 지지 요소 및 요소(78)의 상향으로 면하는 부분이 연속적인 자속의 순환을 위한 경로를 생성하며, 이는 자석의 근처에서 자기장을 강화하는 역할을 함으로써 자석들 사이의 인력을 향상시켜 부상을 추가로 용이하게 한다.

상기 이점을 산출하기 위해, 본 발명의 이중-리프트 설계는 본 발명의 회전자 조립체/플라이휠의 수직 부분의 능동 제어를 요구한다. 이는 도 5에 나타낸 제어 코일(90 및 91)의 포함에 의해, 그리고 도 1f의 제어 코일(218)에 의해 수행된다. 도 5에서, 제어 코일은 정지 자석(71 및 73)에 인접하여 위치된다. 제어기(나타내지 않음)는 센서와 통신하며, 이는 부상된 회전자 조립체의 수직 위치의 변화를 검출하고 그 위치 데이터를 제어기에 전달하며, 이어서 이는 제어 코일(90 및 91)을 통해 전류를 지향하여 자석(70 및 71)과 자석(72 및 73) 사이의 자기장 강도를 변경하여 회전자 조립체(50)의 수직 위치에 영향을 준다. 다수의 제어 알고리듬, 예를 들어, PID 제어기가 적합하다.

회전자 조립체(50)의 수직 위치의 변화를 검출하기 위한 센서는 회전자 조립체(50)의 방사상 발산을 검출하기 위한 센서와 유사하다. 다시, 하기 기재된 결과를 달성할 임의의 유형의 센서를 사용할 수 있으며 이는 본 발명의 범위 내에 있다. 그러나 센서가 광원 및 광 강도 변화 검출기를 포함하는 것이 현재 바람직하다. 이를 도 6에 나타낸다. 광의 일부는 회전자 조립체(50)에 의해 저지되고 광의 일부는 상부 표면(15)을 통과하여 광원(100)으로부터 회전자 조립체(50)의 다른 측면 상에 위치하는 검출기(105) 상에 충돌하는 방식으로 광원(100)이 상부 표면(15) 또는 회전자 조립체(50)의 에지를 향해 지향된다. 회전자 조립체(50)가 그의 현재 위치로부터 상향 또는 하향으로 이동하는 경우, 검출기(105)가 관찰하는 광의 양이 변동될 것이다. 검출기(105)에 의해 검출되는 광의 양의 변화는 제어기에 전달되며, 이어서 이는 상기 기술된 바와 같은 그의 기능을 수행한다. 도 6은 회전자 조립체(50)의 상부 표면을 가로질러 지향되는 광원을 나타내지만, 부상된 회전자 조립체(50)의 하부 표면을 가로질러 트레이닝될 광원에 대해 그것은 동일하게 허용가능하며 본 발명의 범위 내에 있다. 전과 같이, 임의의 광원이 사용될 수 있지만 광원은 LED인 것이 현재 바람직하다.

회전자 조립체의 방사상 변위를 제어하기 위한 수단을 포함하는 이전에 기재된 장치에 부가하여 회전자 조립체/플라이휠을 부상시키기 위한 상기 이중-리프트 기전이 기재되지만, 방사상 변위 제어 없이 이중-리프트 기전이 사용될 수 있고 그 결과는 능동형 수동 위치 제어만을 가진 장치인 것이 가능하며 본 발명의 태양임에 유의해야 한다.

본 발명의 전기기계식 배터리의 플라이휠은 적어도 2개의 별개의 방식으로 회전자 조립체에 첨부될 수 있다. 플라이휠 질량은 할바흐 어레이와 인접하고 이에 직접 연결될 수 있다. 언급된 바와 같이, 플라이휠(8)이 할바흐 어레이(5)와 인접하고 이에 직접 결합된 도 7에 이를 나타낸다. 대안에서, 플라이휠(8)의 질량은 회전자 조립체(50) 및 할바흐 어레이(5)로부터 방사상으로 약간의 거리에 별도의 환상 링을 포함할 수 있다. 플라이휠(8)이 할바흐 코어로부터 분리되고 스페이싱 요소(110)를 사용하여 회전자 조립체(50)에 부착된 도 2에 이를 나타낸다. 스페이싱 요소는 단순히 스포크, 예컨대 자동차 또는 자전거 타이어와 같이 허브에 연결된 휠의 임의의 방식에서 확인되는 것들일 수 있다. 반면에, 스페이싱 요소는 중실형 축조물일 수 있으며, 여기에서 스페이싱 요소의 내측 반경은 회전자 조립체의 표면과 완전히 인접하고 스페이싱 요소의 외측 반경은 플라이휠 질량의 내측 표면과 완전히 인접한다. 물론, 회전자 조립체를 플라이휠에 연결하기 위한 다른 스페이싱 요소가 본 명세서의 개시에 기초하여 당업자에게 자명할 것이며, 모든 이러한 대안적 스페이싱 요소는 본 발명의 범위 내에 있다.

본 발명의 다른 태양은 전기기계식 배터리 내의 유해 자기장 상호작용을 약화시키기 위한 장치이다. 본 발명의 것과 같은 전기기계식 배터리는 영구 자석 및 전자석을 사용하여 강력한 자기장을 생성하며 이는 서로 간섭할 수 있다. 예를 들어, 플라이휠-기반 전기기계식 배터리의 모터/발전기에 사용되는 자기장은 수직 위치에 대해 상기 기재된 것들과 같은 시스템을 위해 생성되는 자기장과 간섭할 수 있다. 이러한 간섭을 약화시키기 위해, 자기장이 배제되거나, 적어도 그의 강도가 그 위치에서 경감되기를 원하는 위치와 자기장 사이에 자기적 투과성인 재료로 제조된 요소를 개재할 수 있다. 투과성 요소는 자속에 선호되는 경로를 제공함으로써 전체 전기기계식 배터리 시스템의 다른 요소에 유해한 영향을 줄 수 있는 잔류 자기력을 경감시킨다. 고도로 자기적 투과성인 임의의 유형의 재료를 사용할 수 있지만, 재료가 강자성이고 적어도 2000의 자기 투과성을 가지는 것이 현재 바람직하다. 이는 시스템의 모든 요소의 안정한 작동을 향상시킬 것으로 예상된다. 이러한 요소를 도 8에 나타낸다.

도 8은 이중-리프트 영구 자석 쌍(70 및 71 및 72 및 73)을 가진 회전자 조립체(50)를 나타낸다. 할바흐 어레이(5)의 상부 표면(150)과 이중 리프트 자석 쌍(72 및 73) 사이에는 환상 요소(160)가 위치한다. 마찬가지로, 할바흐 어레이(5)의 하부 표면(151)과 이중 리프트 자석 쌍(70 및 71) 사이에는 환상 요소(161)가 위치한다. 고정자(10)가 회전자 조립체(50)의 양자 모두의 단부로부터 돌출되고 전체 전기기계식 배터리를 포함하는 하우징의 상부 및 하부 표면(나타내지 않음)에 부착되는 것을 가능하게 하도록 요소들은 환상이다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 환상 요소(160 및 161)는 영구 자석(70, 71, 72, 및 73)에 의해 생성된 자기장을 할바흐 어레이(나타내지 않지만 도 2 참조)에 의해 생성된 프린지장(18 및 19)으로부터 격리한다. 이어서 이는 자기장들 사이의 간섭 및 회전자 조립체(50)의 안정성에 대한 임의의 수반되는 부정적 효과를 완화한다.

인용된 선행 기술

미국 특허 제7,876,010호

미국 특허 제7,679,247호

미국 특허 제6,858,962호

미국 특허 제6,566,775호

미국 특허 제5,705,902호

Merritt, Bernard T, RF Post, Gary R Dreifeurst, and DA Bender. "Halbach Array Motor/Generators-A Novel Generalized Electric Machine." Halbach Festschrift Symposium, February 3, 1995.

Shafai, Beale, S Beale, P LaRocca, and E Cusson. "Magnetic Bearing Control Systems and Adaptive Forced Balancing." Control Systems, IEEE 14, no. 2 (1994): 4-13.

Claims

하기를 포함하는, 전기기계식 배터리:
회전자 조립체로서,
a. 중심 관통구(through-hole)를 정의하며, 상위 단부, 하위 단부, 및 본질적으로 평면인 상부 및 하부 표면을 가지는, 영구 자석의 수직 주상(columnar) 단일 극-쌍 할바흐 어레이(Halbach array)로서, 여기에서 평면인 상부 및 하부 표면은 주상 어레이의 종축(longitudinal axis)에 직각이고, 여기에서 할바흐 어레이는 중심 관통구 내에 실질적으로 균일한 단향성(unidirectional) 자기장을 가지며 그의 상부 및 하부 표면에 방사상 및 수직 구성요소를 가진 불균일한 프린지 자기장(fringe magnetic field)을 갖는, 할바흐 어레이,
b. 회전자 조립체에 커플링된 환상(annular) 플라이휠,
c. 할바흐 어레이의 관통구 내에 배치되며 실질적으로 어레이의 종축 상에 중심이 있는 고정자(stator),
d. 고정자 내에 배치된 권선(winding),
e. 할바흐 어레이의 상위 단부에 있는 코일 및 하위 단부에 있는 코일로서, 여기에서 코일은 프린지 자기장과 상호작용하는, 코일
을 포함하는 회전자 조립체;
회전자 조립체가 부상할 때 회전자 조립체의 방사상 위치의 변화를 검출하는 센서;
센서로부터 방사상 위치 데이터를 수용하면 코일을 통해 전류를 지향하여 회전자 조립체의 방사상 위치에 영향을 주는, 센서와 통신하는 제어기.
제1항에 있어서,
센서가,
회전자 조립체에 의해 빔의 일부가 차단되도록 회전자 조립체의 종방향 에지에 광의 빔을 지향하는 광원; 및
광원으로부터 회전자 조립체의 대향 측면 상에 위치하는 검출기로서, 여기에서 검출기는 회전자 조립체의 방사상 위치의 변화로 인한 회전자 조립체의 종방향 에지를 통과하는 광의 양의 변화를 감지하고 그 정보를 제어기에 전송하는, 검출기;
를 포함하는, 전기기계식 배터리.
제2항에 있어서,
광원이 발광 다이오드(LED: light emitting diode)인, 전기기계식 배터리.
제1항에 있어서,
영구 자석의 적어도 2개의 조립체를 포함하며, 각각의 조립체는 회전자 조립체를 둘러싸는 프레임워크에 고정적으로 커플링되고, 각각의 조립체의 자석(들)은 회전자 조립체 상에 부상력을 가하도록 배치되는, 전기기계식 배터리.
제4항에 있어서,
자석의 각각의 조립체가 회전자 조립체의 종축에 직교하며(orthogonal);
자석의 하나의 조립체는 회전자 조립체의 중력 중심 위에 배치되고 자석의 다른 하나의 조립체는 회전자 조립체의 중력 중심 아래에 배치되며,
여기에서 영구 자석의 조립체는, 부가적으로 회전자 조립체의 중심화에 수동적으로 영향을 주면서, 중력에 대항하여 회전자 조립체를 부상시키기에 충분한 자기력을 발생시키는, 전기기계식 배터리.
제5항에 있어서,
자석의 조립체가 회전자 조립체의 중력 중심 위 및 아래에 등거리로 배치되는, 전기기계식 배터리.
제6항에 있어서,
자석의 2개의 조립체가 사용되는, 전기기계식 배터리.
제7항에 있어서,
자석의 2개의 조립체의 각각의 자석이 회전자 조립체에 대해 동심원인 링 자석인, 전기기계식 배터리.
제8항에 있어서,
제어 코일이 프레임워크에 고정적으로 커플링된 조립체 중 적어도 하나에 자기적으로 커플링되는, 전기기계식 배터리.
제4항에 있어서,
회전자 조립체가 부상할 때 회전자 조립체의 수직 위치의 변화를 검출하는 센서;
센서로부터 위치 데이터를 수용하면 제어 코일을 통해 전류를 지향하여 회전자 조립체의 수직 위치에 영향을 주는, 센서와 통신하는 제어기;
를 포함하는, 전기기계식 배터리.
제10항에 있어서,
센서가,
광의 빔이 회전자 조립체에 의해 부분적으로 차단되도록, 부상한 회전자 조립체의 상부 표면을 가로지르며 이에 실질적으로 평행하게, 또는 하부 표면을 가로지르며 이에 실질적으로 평행하게 광의 빔을 지향하는 광원;
부상한 회전자 조립체를 통과하는 광의 양의 변화를 감지하고 그 정보를 제어기에 전송하는 검출기;
를 포함하는, 전기기계식 배터리.
제11항에 있어서,
광원이 발광 다이오드(LED)인, 전기기계식 배터리.
제1항에 있어서,
환상 플라이휠이 회전자 조립체에 직접 커플링되는, 전기기계식 배터리.
제1항에 있어서,
환상 플라이휠이 하나 이상의 스페이싱 요소에 의해 회전자 조립체에 커플링되는, 전기기계식 배터리.
제1항에 있어서,
배터리가 공기-밀폐 하우징 내에 배치되는, 전기기계식 배터리.
제1항에 있어서,
공기-밀폐 하우징 내에 진공이 생성되는, 전기기계식 배터리.
제1항에 있어서,
고정자 권선 내에 생성되는 열이 공기-밀폐 하우징의 적어도 하나의 내측 표면에 수송되는, 전기기계식 배터리.
제1항에 있어서,
고도로 자기적 투과성인 구성요소가 프린지장을 다른 자기장과의 상호작용으로부터 격리하는, 전기기계식 배터리.
제1항에 있어서,
회전자 조립체가 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 아라미드 섬유, 실리카 섬유로부터 선택된 적어도 하나의 축조 재료를 포함하며,
여기에서 상기 축조 재료는 복합체 재료의 형태로 배치되는, 전기기계식 배터리.
제19항에 있어서,
상기 복합체 재료가 진공 환경에서의 이용을 위해 선택된 매트릭스 재료를 포함하는, 전기기계식 배터리.
하기를 포함하는, 전기기계식 배터리:
회전자 조립체로서,
a. 중심 관통구를 정의하며, 상위 단부, 하위 단부, 및 본질적으로 평면인 상부 및 하부 표면을 가지는, 영구 자석의 수직 주상 단일 극-쌍 할바흐 어레이로서, 여기에서 평면인 상부 및 하부 표면은 주상 어레이의 종축에 직각이고, 여기에서 할바흐 어레이는 중심 관통구 내에 실질적으로 균일한 단향성 자기장을 가지며 그의 상부 및 하부 표면에 방사상 및 수직 구성요소를 가진 불균일한 프린지 자기장을 갖는, 할바흐 어레이,
b. 회전자 조립체에 커플링된 환상 플라이휠,
c. 할바흐 어레이의 관통구 내에 배치되며 실질적으로 어레이의 종축 상에 중심이 있는 고정자,
d. 고정자 내에 배치된 권선
을 포함하는 회전자 조립체;
영구 자석의 적어도 2개의 조립체로서, 각각의 조립체는 회전자 조립체를 둘러싸는 프레임워크에 고정적으로 커플링되고, 각각의 조립체의 자석(들)은 회전자 조립체 상에 부상력을 가하도록 배치되는, 조립체;
여기서 자석의 각각의 조립체는 회전자 조립체의 종축에 직교하게 배치되고; 그리고
자석의 하나의 조립체는 회전자 조립체의 중력 중심 위에 배치되고 자석의 다른 하나의 조립체는 회전자 조립체의 중력 중심 아래에 배치되며,
여기에서 a. 영구 자석의 조립체는, 부가적으로 회전자 조립체의 중심화에 수동적으로 영향을 주면서, 회전자 조립체를 부상시키기에 충분한 자기력을 발생시킴.
제21항에 있어서,
자석의 조립체가 회전자 조립체의 중력 중심 위 및 아래에 등거리로 배치되는, 전기기계식 배터리.
제21항에 있어서,
자석의 2개의 조립체가 사용되는, 전기기계식 배터리.
제23항에 있어서,
자석의 2개의 조립체의 각각의 자석이 회전자 조립체에 대해 동심원인 링 자석인, 전기기계식 배터리.
제24항에 있어서,
제어 코일이 프레임워크에 고정적으로 커플링된 조립체 중 적어도 하나에 자기적으로 커플링되는, 전기기계식 배터리.
제25항에 있어서,
회전자 조립체가 부상할 때 회전자 조립체의 수직 위치의 변화를 검출하는 센서;
센서로부터 위치 데이터를 수용하면 제어 코일을 통해 전류를 지향하여 회전자 조립체의 수직 위치에 영향을 주는, 센서와 통신하는 제어기;
를 포함하는, 전기기계식 배터리.
제26항에 있어서,
센서가,
광의 빔이 회전자 조립체에 의해 부분적으로 차단되도록, 부상한 회전자 조립체의 상부 표면을 가로지르며 이에 실질적으로 평행하게, 또는 하부 표면을 가로지르며 이에 실질적으로 평행하게 광의 빔을 지향하는 광원;
부상한 회전자 조립체를 통과하는 광의 양의 변화를 감지하고 그 정보를 제어기에 전송하는 검출기;
를 포함하는, 전기기계식 배터리.
제27항에 있어서,
광원이 발광 다이오드(LED)인, 전기기계식 배터리.
제21항에 있어서,
환상 플라이휠이 회전자 조립체에 직접 커플링되는, 전기기계식 배터리.
제29항에 있어서,
환상 플라이휠이 하나 이상의 스페이싱 요소에 의해 회전자 조립체에 커플링되는, 전자기 배터리.
제21항에 있어서,
배터리가 공기-밀폐 하우징 내에 배치되는, 전기기계식 배터리.
제21항에 있어서,
공기-밀폐 하우징 내에 진공이 생성되는, 전기기계식 배터리.
제21항에 있어서,
고정자 권선 내에 생성되는 열이 공기-밀폐 하우징의 적어도 하나의 내측 표면에 수송되는, 전기기계식 배터리.
제21항에 있어서,
회전자 조립체가 탄소 섬유, 유리 섬유, 현무암 섬유, 아라미드 섬유, 실리카 섬유로부터 선택된 적어도 하나의 축조 재료를 포함하며,
여기에서 상기 축조 재료는 복합체 재료의 형태로 배치되는, 전기기계식 배터리.
제34항에 있어서,
상기 복합체 재료가 진공 환경에서의 이용을 위해 선택된 매트릭스 재료를 포함하는, 전기기계식 배터리.
제21항에 있어서,
고도로 자기적 투과성인 구성요소가 부상자 자기장을 다른 자기장과의 상호작용으로부터 격리하는, 전기기계식 배터리.
하기를 포함하는, 전기기계식 배터리:
회전자 조립체로서,
a. 중심 관통구를 정의하며, 상위 단부, 하위 단부, 및 본질적으로 평면인 상부 및 하부 표면을 가지는, 영구 자석의 수직 주상 단일 극-쌍 할바흐 어레이로서, 여기에서 평면인 상부 및 하부 표면은 주상 어레이의 종축에 직각이고, 여기에서 할바흐 어레이는 중심 관통구 내에 실질적으로 균일한 단향성 자기장을 가지며 그의 상부 및 하부 표면에 방사상 및 수직 구성요소를 가진 불균일한 프린지 자기장을 갖는, 할바흐 어레이,
b. 회전자 조립체에 커플링된 환상 플라이휠,
c. 할바흐 어레이의 관통구 내에 배치되며 실질적으로 어레이의 종축 상에 중심이 있는 고정자,
d. 고정자 내에 배치된 권선
을 포함하는 회전자 조립체;
기하 회전축에 대해 회전자 조립체를 약하게 제약(constrain)하거나, 완전히 비제약하는, 수단.
제37항에 있어서,
기하 회전축에 대해 회전자 조립체 회전을 약하게 제약하거나, 완전히 비제약하는 것을 가능하게 하는 수단이,
적어도 약한 방사상 중심화를 나타내는 적어도 2개의 제어가능한 자기 조립체에 의한 회전자 조립체 부상을 포함하는, 전기기계식 배터리.
제37항에 있어서,
기하 회전축에 대해 회전자 조립체 회전을 약하게 제약하거나, 완전히 비제약하는 것을 가능하게 하는 수단이,
a. 할바흐 어레이 프린지 자기장에 작용하는 제어 코일을 채용하는 회전자 안정화를 포함하는, 전기기계식 배터리.