KR20210157840A - 세차운동을 이용한 동력 획득 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

팽이와 같은 회전 강체에 작용하는 힘을 중력에 비해 매우 크게 할 수 있는 자력을 이용하고, 이로써 기존의 중력과 갈음하여 혹은 더하여 회전강체가 자력에 의해 쓰러지도록 작용하는 힘에 따른 큰 토오크를 발생시켜 세차운동을 일으키도록 하고, 이런 세차운동 혹은 세차운동을 야기하는 토오크를 이용하여 세차운동과 같은 회전방향의 회전 동력을 얻을 수 있도록 하는, 세차운동을 이용한 동력 획득 방법 및 그에 적합한 장치가 개시된다.
본 발명에 따르면 회전체의 회전축이 쓰러지는 방향으로 큰 힘을 작용시킬 수 있도록 하고, 이를 이용하여 회전체에 발생하는 세차운동도 매우 큰 토오크에 의해 이루어지도록 함으로써 이런 세차 운동을 일으키는 토오크를 상황과 필요에 따라 유용하게 이용할 수 있게 된다.

Description

세차운동을 이용한 동력 획득 방법 및 장치{power acquiring method and apparatus using precession}

본 발명은 자력 및 회전체를 이용한 동력 획득 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자석을 가진 회전체를 이용하여 세차 운동 동력을 얻을 수 있는 동력 획득 방법 및 장치에 관한 것이다.

세차운동(precessional motion)은 팽이와 같은 회전체가 자전 회전중에 회전축이 중력 방향으로 부터 벗어나 기울어져도 회전체 무게 중심이 중력에 의해 그대로 하강하여 땅에 닿게 되는 것이 아니고, 기울어진 상태에서 회전축의 지면과 닿은 끝단에서 수직한 가상의 중심축을 기준으로 회전하게 되는 운동을 의미하며, 한편으로 팽이의 회전축이 지향하는 방향이 바뀌는 운동을 의미한다.

도1을 참조하여 이런 세차운동이 단기적으로 마찰력과 같은 운동에너지나 각운동량 소모 요인이 없이 안정적으로 이루어지고 있는 상태에서 볼 때, 팽이의 자전에 의한 각운동량은 L=Iw이며, 팽이의 자전축(자전 회전축)이 수직 중심과 각도 파이(φ)만큼 이격되면, 각운동량의 변화는 dL=Lsinφ*dθ, 세차운동의 각속도 Ωp는 dθ/dt이고 이는 팽이에 대한 토오크 T를 Lsinφ로 나눈 값과 같으며, 세차운동을 일으키는 팽이에 대한 토오크 T는 팽이에 대한 중력에 의한 토오크 τ와 같다.

이를 정리하면 아래 식이 얻어질 수 있다.

Ωp = dθ/dt = T/Lsinφ

^T = ^Ωp × ^L

이때, ^T는 토오크 백터, ^Ωp는 세차운동의 각속도 백터, ^L는 팽이의 각운동량 백터이다.

즉, 팽이에 작용하는 힘으로 팽이 무게 중심에 작용하는 중력이 있고, 이 중력에 의해 팽이에 작용하는 토오크 백터 ^τ는 팽이 회전축에서 지면과 닿는 하단에서 팽이 무게 중심까지의 변위백터 ^r과 지면과 수직한 중력 백터 mg^k의 백터곱에 의해 세차운동 평면에 놓이며, 변위 백터 및 중력 백터와 모두 수직한 백터가 된다. (^τ = ^r × mg^k ) 그리고 토오크의 크기 τ는 mg * rsinφ가 된다.

그런데, 팽이에 작용하는 토오크 백터는 수평방향이므로 팽이 무게 중심은 더 이상 땅쪽으로 낙하하지 않고, 세차운동 평면에서 팽이 회전축 하단에서 수직으로 세워지는 세차축을 중심으로 회전운동을 계속하게 된다.

이런 팽이의 세차운동에 의한 각속도 Ωp는 mgr/Iw이고 이때 mg는 팽이에 대한 중력, r은 회전축 하단에서 팽이 무게중심까지의 거리, I는 팽이의 자전운동에서의 관성모먼트, w는 팽이의 회전각속도이다. (Ωp = mgr/Iw )

이러한 회전 강체의 세차운동은 고전역학을 통해서도 잘 알려지고 설명되고 있다.

이런 상황에서 세차운동의 각속도는 일반적인 강체 회전의 범주에서 중력에 비례하는 것이며, 중력은 우주의 기본 힘 가운데 가장 작은 것으로 항성이나 행성과 같은 질량이 매우 큰 천체가 아닌 한 커지기 어렵고, 세차운동의 각속도도 커지기 어렵다는 특징이 있다.

따라서, 세차운동을 일으키는 힘도 팽이와 같은 작은 질량의 물체에 대해 매우 작게 되며, 이런 작은 힘을 이용하는 동력 장치는 현실적으로 유용성이 떨어진다. 즉, 회전하는 강체의 이런 세차운동을 강하게 일으키고, 이런 세차운동에 의한 동력을 획득하고 이용하는 것은 매우 어려웠다.

대한민국특허공개 10-1993-0703045 대한민국특허등록 10-1776353 대한민국특허공개 10-2012-0128262

본 발명은, 통상의 회전체의 세차운동을 일으키는 중력에 비해 회전체에 큰 힘을 회전체가 쓰러지는 방향으로 작용시킴으로써 회전체에 발생하는 세차운동도 매우 큰 힘에 의해 이루어지도록 하고, 이런 세차 운동을 일으키는 힘을 유용하게 사용할 수 있도록 크게 할 수 있는 세차운동을 이용한 동력 획득 방법 및 그에 적합한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 세차운동을 이용한 동력 획득 방법은, 팽이와 같은 회전 강체에 작용하는 힘을 중력에 비해 매우 크게 할 수 있는 자력을 이용하고, 이로써 기존의 중력과 갈음하여 혹은 더하여 회전강체가 자력에 의해 쓰러지도록 작용하는 힘에 따른 큰 토오크를 발생시켜 세차운동을 일으키도록 하고, 이런 세차운동 혹은 세차운동을 야기하는 토오크를 이용하여 세차운동과 같은 회전방향의 회전 동력을 얻는 것을 특징으로 한다.

본 발명 방법에서 자력을 이용하기 위해 회전강체에 자석을 설치하고, 회전강체가 설치되는 틀에도 자석을 설치할 때, 이들 자석에 의한 자력의 방향은 회전강체의 회전축을 쓰러뜨리는 방향이 되도록 하며, 이런 자력의 방향은 중력의 방향과 같은 것이 바람직하지만, 자력이 중력에 비해 충분히 클 경우, 중력에 방향에 구애되지 않을 수 있다.

이때, 회전강체의 회전축이 쓰러지는 방향은 회전강체가 자전 및 세차 회전을 할 수 있도록 회전축의 일단이 틀에 회전가능하게 고정되면서 설치될 때 틀의 세차 회전축 한 단부 방향에서 반대 단부 방향으로 회전축의 자유단이 이동하는 방향으로 생각할 수 있으며, 중력이 작용하는 지면에 설치할 때에는 회전강체 회전축의 자유단이 위에서 아래를 향하도록 회전이동하는 운동방향을 의미한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의, 세차운동을 이용한 동력 획득 장치는, 자석을 가진 회전강체와, 자이로스코프와 유사하게 상기 회전강체를 일정 자세 혹은 일정 범위의 자세로 잡아줄 수 있는 틀과, 상기 회전강체의 자전방향의 회전력을 줄 수 있는 자전동력 공급장치와, 상기 회전강체에 작용하여 상기 회전강체를 쓰러지게 하는 방향으로 자력이 미치도록 하는 자계발생부재를 구비하며,

상기 틀은 상기 회전강체를 하나 이상 잡아줄 수 있는 것이며, 잡은 상태에서 회전강체의 자전과 세차 각운동(세차 회전)이 자유롭게 이루어질 수 있고, 상기 자전동력 공급장치는 상기 회전강체가 자전 및 세차 각운동을 하는 상태에서도 자전동력을 공급할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 자석을 가진 회전강체는 회전강체가 자체가 자석으로 형성된 것도 가능하며, 비자성체인 회전강체 부분에 상부와 하부에 다른 극성을 띄도록 자석을 결합시킨 것일 수 있다.

본 발명에서 회전강체는 회전축을 중심으로 대칭을 이루는 원형 평단면을 가지는 것이 바람직하며, 회전강체의 회전축 하단은 전기 모터의 회전축과 결합되고, 전기모터는 틀의 세차 회전축과 함께 회전하도록 고정 설치되며, 세차 회전축의 슬립링과 같은 회전 구동시에도 전기를 공급할 수 있는 전기공급수단에 의해 전기를 공급받는 것일 수 있다.

이때, 회전강체의 회전축은 전기모터의 회전축과 결합할 때 세차 회전축에 대한 경사 각도가 일정 범위에서 변위될 수 있도록 결합되는 것일 수 있다.

이때, 회전강체는 복수 개가 틀의 세차 회전축을 중심으로 같은 중심각으로 이격 배열된 것일 수 있고, 특히 세차 회전축을 기준으로 대칭적으로 배열될 수 있다.

본 발명에서 자계발생부재는 상기 틀에서 상기 회전강체의 상부 자극과 같은 극성을 가지는 자극이 대향하도록 설치되는 자석과 상기 틀에서 상기 회전강체의 하부 자극과 다른 극성을 가지는 자극이 대향하도록 설치되는 자석 가운데 적어도 하나를 구비하여 이루어지는 것일 수 있다.

본 발명에 따르면 회전체의 회전축이 쓰러지는 방향으로 큰 힘을 작용시킬 수 있도록 하고, 이를 이용하여 회전체에 발생하는 세차운동도 매우 큰 토오크에 의해 이루어지도록 함으로써 이런 세차 운동을 일으키는 토오크를 상황과 필요에 따라 유용하게 이용할 수 있게 된다.

도1은 팽이의 세차운동 개념을 설명하기 위한 개념도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세차운동을 이용한 회전 동력 획득장치를 나타내는 사시도,
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 세차운동을 이용한 회전 동력 획득장치를 나타내는 사시도,
도4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 세차운동을 이용한 회전 동력 획득장치를 나타내는 측면도이다.

이하 도면을 참조하면서 구체적 실시예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세차운동을 이용한 회전 동력 획득 장치를 나타낸다.

여기서, 수직한 방향으로 설치된 세차 회전축(8)을 가지고 세차 회전축을 설치할 수 있도록 이루어지는 틀(미도시)이 존재한다. 세차 회전축(8)에는 회전축과 함께 회전하는 회전강체 설치틀이 고정된다. 회전강체 설치틀에는 전기 모터(9)가 설치된다. 전기 모터(9)는 복수 개가 세차 회전축(8)을 둘러싸듯이 배열된다. 각 전기 모터의 회전축에는 대략 그라인더 숫돌 형태의 원판형 혹은 원기둥형으로 중심을 관통하는 회전축을 가진 회전강체(2)가 결합된다.

회전강체(2)는 복수 개, 여기서는 5개가 틀의 세차 회전축(8)을 중심으로 같은 중심각(72도)으로 이격 배열된다. 물론 실시예에 따라서는 더 많은 숫자가 배열될 수 있으며, 짝수인 경우, 세차 회전축을 기준으로 대칭적으로 배열될 수 있다. 통상적으로 회전강체의 숫자를 늘리면 각 회전강체(2)에 작용하는 세차 회전축(8)을 중심으로 하는 세차 회전력이 비례하여 증가하므로 동력 획득 장치의 필요에 따라 적절한 회전강체의 수를 정할 수 있다. 그리고, 내연기관 자동차의 실린더 수를 4기통으로 하는 것보다 8기통으로 하여 팽창행정을 시간에 따라 균분하면 차량 회전이 더 안정적이 되듯이 세차 회전축을 중심으로 하는 배열의 대칭성이 더 커져서 세차 회전도 더 안정적인 상태로 이루어질 수 있다.

전기모터(9)는 외부에서 세차 회전축, 회전강체 설치틀을 거쳐 전력을 공급받아 회전될 수 있다. 따라서 세차 회전축(8)에는 회전강체가 세차 회전축을 중심으로 세차 회전운동을 할 때에도 끊이지 않고 전력을 공급받을 수 있도록 전기 모터와 연결되는 슬립링과 같은 전기 공급 수단이 구비될 수 있으며, 이렇게 회전축을 통해 회전되는 전기장치에 전기를 공급하기 위한 구조는 기존에 잘 알려진 것이므로 그 구체적 설명은 생략하기로 한다.

전기모터(9)의 회전축은 여기서 외측 위쪽을 바라보도록 설치된다. 즉, 위에서 볼 때에는 방사상으로 설치되고, 측방에서 볼 때에는 세차 회전축과 예각을 이루도록 설치된다. 일반적인 세차운동 실험모형에서 흔히 보이는 자이로스코프 구성과 같이 전기모터의 회전축과 회전강체의 회전축은 위를 바라보는 성분 없이 순전히 외측을 방사상으로 향하도록 하는 것은 여기서는 회전강체가 주변 자석에 의한 자계를 통한 힘을 받을 수 없게 하므로 포함하지 않는 것으로 한다. 전기 모터는 세차 회전축에 별도의 회전강체 설치틀 없이 바로 고정되는 것일 수도 있지만 설치의 편의를 위해 여기서는 세차 회전축에 회전강체 설치틀을 고정하고, 여기에 전기 모터를 고정하고 있다. 크게 볼 때 세차 회전축과 회전강체 설치틀도 회전강체가 자전 및 세차 회전 가능하게 설치되기 위한 전체 틀의 일부를 구성하는 것이라고 전체 틀에 포함시켜 볼 수 있다.

여기서 전기모터의 회전축과 회전강체의 회전축은 일체형으로 완전히 고정되어 함께 회전하게 된다. 한편, 회전강체 설치틀의 중심축도 전기모터의 회전축, 회전강체의 회전축과 같은 방향을 지향할 수도 있고, 전기모터와 회전강체 설치틀도 전기모터의 회전축과 회전강체이 회전축 관계처럼 서로 완전히 고정되는 것일 수도 있지만, 회전강체 설치틀의 중심축은 단순히 외측을 향하고, 전기모터가 그와 연결된 회전강체 설치틀의 중심축이 지나는 수직평면 내에서 회전강체 설치틀의 중심축과 일정한 각도 범위에서 움직일 수 있도록 회전강체 설치틀과 전기모터는 회전가능하게 연결된 것일 수도 있다.

회전강체는 회전축(자전축)을 가진 원판형 혹은 원기둥형이라고 할 때 원판 혹은 원기둥은 자체가 자석이거나, 상면과 하면의 극성이 다르게 자석을 부착하여 이루어진 것일 수 있다. 여기서는 원기둥의 상면이 n극 원기둥의 하면이 s극을 이룬다고 상정한다.

이런 구성을 위해 회전강체(2)에 별도 자석을 부착시켜 자극을 가지는 회전강체를 형성할 때, 회전강체의 상면과 하면은 편평한 면을 이루고, 그 위에 고리나 원판 형태의 편평한 자석을 부착할 수 있고, 하나의 고리형 혹은 원판형 자석을 형성하는 것이 어려운 경우, 대략 일정 중심각으로 자른 조각피자와 같은 부채꼴이면서 상, 하면이 다른 극성을 가진 부분자석 쉘(shell)으로 만들고, 이 부분자석 쉘들을 회전강체의 회전축 주변으로 배열하는 방식으로 자석을 가진 회전강체를 만들 수 있다.

여기서 세차 회전축(8)은 하나의 큰 틀 내에 회전 가능하게 설치되는 것이라고 볼 수 있고, 틀에는 위족에 아래를 향해 n극성을 띤 면이 오도록 큰 자석이 일종의 자계발생수단(1)으로 설치된다. 마찬가지로, 틀에는 아래족에 위를 향해 n 극성을 띤 면이 오도록 큰 자석이 일종의 자계발생수단(3)으로서 설치된다.

틀 상부 큰 자석의 하면의 n극과 회전강체(2)의 원판의 상면의 n극이 서로 마주보게 되며, 서로 척력을 작용시킨다. 반대로 틀 하부 큰 자석의 상면의 n극과 회전강체의 원판의 하면의 s극이 서로 마주보게 되며, 서로 인력을 작용시킨다.

틀에 설치된 이들 큰 자석은 고정된 것이므로 이들에 의한 자계 속에서 회전강체는 중력과 함께 중력보다 훨씬 큰 자력에 의해 대략 중력 방향으로 즉, 아래쪽으로 누르는 힘, 회전강체(2)의 회전축이 쓰러지게 하는 방향의 힘을 받는다.

회전강체(2)가 전기모터(9)의 구동에 의해 회전하고 있다면 중력과 자력에 의해 외적 힘을 받는 회전강체(2)는 이들 외적 힘으로 인해 토오크를 받게 되는데, 회전강체의 무게 중심이 하강하도록 하는 토오크 없이 세차 회전을 하도록 하는 토오크를 받아 세차 회전축(8)을 중심으로 하는 세차 운동을 하게 된다.

이때, 토오크는 세차 운동 이론에 따라 아래 식으로 표현될 수 있다.

T=dL/dt=Lsinφ×Ωp=│^r1×^H1+^r2×^H2 │ (식 1)

여기서, L는 영구자석을 가진 회전강체(2)의 각운동량이며, 가동 초기에 전기 모터(9)에 의해 얻어져 보존되는 값이고, Ωp는 세차 운동의 각속도(각주파수)로 T/Lsinφ에 해당하는 값이며, ^r1은 척력 백터 ^H1(4)의 세차운동의 축(8)으로 부터 팔의 변위(6) 백터이고, ^r2는 인력 백터 ^H2(5)의 상기 세차운동의 축(8)으로 부터 팔의 변위(7) 백터이고,φ는 세차운동의 축과 각운동량 방향 사이의 각도, │~│는 ~의 크기를 나타낸다.

위의 식 1에 따르면, 위, 아래 고정 링 영구자석과 같은 자계발생수단(1,3)의 적용은, 중력이 팽이와 같은 각운동량을 가진 회전강체에 토크를 발생시키는 같은 방법으로, 자석을 가진 회전강체(2)에 작용하는 토크를 발생시킨다는 것이다. 뉴턴의 고전법칙에 따르면, 토크는 각운동량의 변화율과 같다. 각운동량 보존의 법칙에 의거, 각운동량의 크기의 절대 값은 고정되어 있으며, 따라서 토크는 회전강체의 각운동량의 크기가 아니라 방향만을 변화시켜 세차운동을 발생시킨다. 쉽게 풀어 쓰자면, 중력의 작용이 팽이와 같은 회전강체의 각운동량과 작용하여 토크 즉 회전력에 의한 세차운동을 발생시키는 것처럼, 자력이 자석을 가진 회전강체의 각운동량과 결합하여 토크 즉 회전력에 의한 세차운동을 발생시킨다.

이상에서 물리학적으로 설명하였다면, 이번엔 현상적으로 설명하자면, 자석을 가진 회전강체(2)의 회전에 의한 반중력 또는 반자력 방향 효과로 수직력 즉, 중력 또는 자력에 의한 무게중심의 아래쪽으로의 움직임은 없어지고, 대신에 수평방향으로 작용하는 회전력이 세차운동으로 발현된 것이다ㆍ

결국, 위, 아래에 고정된 영구자석들로 이루어진 자계발생수단(1,3)과 자석을 포함하는 회전강체(2)에 의해 세차운동의 동력이 얻어진다.

이때, 세차 회전축(8)은 외부 장치와 연결되어 세차 회전축이 토오크를 받으면 이에 의해 외부 장치를 통해 이 토오크에 의한 회전력을 얻고, 사용할 수 있다.

한편, 이런 외부 장치의 이용과 내부적인 마찰 등은 본 발명의 세차 운동 시스템 혹은 동력 획득 장치에서의 세차 회전축을 중심으로 하는 회전강체의 세차 회전을 약화시킬 수 있으며, 이를 보상하기 위해 회전강체의 자전 회전력을 주기적으로 혹은 상태에 따라 보강시키는 것이 필요할 수 있다.

이런 회전강체(2)의 자전 회전력의 보강은 회전강체의 회전축과 결합된 자전동력공급장치인 전기모터(9)에 의해 이루어진다. 전기모터의 전력은 이미 앞서 언급하듯이 세차 회전축(8)에 설치되는 슬립링과 같은 회전체 전력전달 구조를 이용하여 외부로부터 이루어질 수 있다.

따라서, 미시적으로 볼 때 회전강체(2)는 일정 범위에서 자전 각운동량이 변동될 수 있으며, 회전강체이 세차 운동 각운동량도 일정 범위에서 변동되는 양상을 보일 수 있다. 그리고, 회전강체 설치틀의 중심축과 회전강체 회전축이 이루는 각도가 변동가능하게 형성된 앞서 언급한 실시예에서는 이들 사이의 각도도 일정 범위에서 변동될 수 있다.

회전강체(2)는 가동 초기에 전기 모터(9)에 의해 회전이 개시되며, 외부 요인이 없는 한 아이디얼하게는 각운동량 보존의 법칙에 의해 자전 각운동량을 유지한다. 각운동량의 효과적 보존을 위해 회전강체와 전기 모터는 회전축이 자기베어링을 이용하여 설치될 수 있다.

도3은 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다.

이 실시예는 도2의 실시예와 기본적으로 적용되는 원리는 동일하지만 회전강체(11, 12, 13, 14)가 세차 회전축(19)의 길이 방향으로 다층으로 구성된다. 앞서의 도2의 실시예에서 회전강체 복수 개가 수평하게 세차 회전축을 둘러가면서 배열함으로써 복수 회전강체에 대해 발생하는 토오크를 배열된 회전강체수에 비례하여 증가시키는 것과 같이 여기서는 도2의 실시예와 같은 평면에서의 복수 회전강체의 배열을 다층으로 구성하여 복수 층의 평면에서 각 평면마다 복수 회전강체(11, 12, 13, 14)의 배열이 이루어지도록 하였다.

도3에서는 회전강체 배치 개념만을 위주로 도시하여 명확히 도시되지 않지만, 각 층의 평면에서 세차 회전축(19)과 회전강체 설치틀과 전기모터(10)와 자석을 가진 회전강체의 배치, 결합의 방식은 완전히 동일하게 이루어질 수 있다.

가령, 여기서도 회전강체는 5개가 전체 틀의 세차 회전축을 중심으로 같은 중심각(72도)으로 이격 배열된다. 그리고, 상하로 세차 회전축 길이 방향을 따라 4개의 층에서 각 평면마다 5개의 회전강체가 설치되므로, 전체적으로 회전강체 20개의 토오크에 해당하는 토오크를 발생시키고, 각 토오크의 방향은 모두 같이 세차 회전축을 같은 방향으로 회전시키도록 작용하게 한다.

전기모터(10)는 외부에서 세차 회전축(19), 회전강체 설치틀을 거쳐 전력을 공급받아 회전되고, 전기 모터에 전력을 공급하기 위해 세차 회전축에는 슬립링과 같은 전기 공급 수단이 구비된다.

단, 여기서는 회전강체(11, 12, 13, 14)의 자전용 회전축은 외측 하강하는 방향을 바라보도록 설치된다. 이런 경우에도 세차 회전축(19)과 회전강체 회전축이 이루는 경사각도가 같다면 세차 회전을 위한 토오크는 같은 방향으로 발생할 수 있다.

여기서도 회전강체는 회전축(자전축)을 가진 원판형, 원기둥형 혹은 회전 링형이라고 할 때 원판 혹은 원기둥, 회전 링은 자체가 자석이거나, 상면과 하면의 극성이 다르게 자석을 부착하여 이루어진 것일 수 있다.

단, 여기서는 상하로 인접한 회전강체 사이에 상호작용하는 자력을 고려할 필요가 있다. 즉, 전체 틀의 상부와 하부에 설치된 큰 자석과 같은 자계발생수단 외에 상대적으로 상, 하층에 설치된 자석을 가진 회전강체 사이에서도 자력이 작용하며, 이 자력도 회전강체의 토오크 발생에 영향을 끼치게 된다.

틀 상부 및 하부에 큰 자석이 설치되고 상부의 큰 자석의 하면이 n극성을, 하부의 큰 자석의 상면도 n극성을 띤다고 상정하면, 상부의 큰 자석 아래의 제일 위층인 제4층의 회전강체의 상면은 n극, 회전강체이 하면이 s극을 이루게 된다. 이로써 자계발생수단에 의해 회전축이 아래로 쓰러져 세차 회전축과 접근하도록 쓰러지는 방향의 자력을 받는다. 이 자력은 수평 방향의 토오크를 발생시키고, 이 토오크는 회전강체가 세차 회전축을 중심으뢰 세차 회전하도록 하는 동인이 된다.

그 아래의 제2층의 회전강체의 상면도 n극, 하면은 s극을 가지므로, 제2층의 회전강체에는 회전강체의 회전축을 위로 세우는 방향의 자력이 영향을 미치게 되고, 이에 따른 토오크는 제1 층의 회전강체에 의해 발생하는 토오크와 같은 방향이 되도록 하기 위해(세차 회전축이 같은 방향으로 돌도록 하기 위해) 제4층의 회전강체와 서로 반대되는 자전방향을 가지도록 한다.

이런 방식으로 그 아래의 제2층 회전강체(12) 및 제1층의 회전강체(11)의 자극 방향과 자전 방향을 설정할 수 있으며, 결과적으로 모든 층의 회전강체에 대해 발생하는 토오크가 세차 회전축(19)을 같은 방향으로 돌도록 회전력을 더하는 구성이 되도록 한다. 가령, 여기서는 제2층의 회전강체(12) 및 제1층의 회전강체(11)도 상면이 n측, 하면이 s극이 되도록 구성하되, 제2층의 회전강체(12)의 회전방향은 제4층의 회전강체(14)의 회전방향과 같고, 제1층의 회전강체(11)의 회전방향은 제3층의 회전강체(13)의 회전방향과 같도록 한다.

결국, 제1, 3층의 회전강체에 결합된 전기모터(10)의 회전방향과 제2, 4층의 회전강체에 결합된 전기모터(10)의 회전방향은 서로 반대가 되도록 하여, 도3에서처럼, 상하 연속하여 여러 층으로 배치된 자석을 가진 각층 회전강체들(11, 12, 13, 14)이 세차회전축(19)을 중심으로 같은 방향의 세차운동 하도록 한다.

전체 틀에 설치된 큰 자석과 각 회전강체의 자석의 자계를 디자인하여 토크 계산식을 단순화할 수 있다고 보면, 회전강체에 의해 발생한 토크는 다음 식과 같다.

T=(L1+L2+L3+L4)sinφ×Ωp=│^r×(5^H1+5^H2+5^H3+5^H4)│

여기서, L1, L2, L3, L4는 각각 1, 2, 3, 4층의 회전강체들(11, 12, 13, 14)에 의해 합산된 각운동량이며, 가동 초기 전기모터(10)들의 가동에 의해 얻어지는 값들이고, Ωp는 토크에 의한 세차운동의 각속도(각주파수)이며, ^r는 회전강체들 (11, 12, 13, 14)의 세차 회전축(9)으로 부터 팔의 변위(8) 백터이고, ^Hi는 각각의 회전강체(11, 12, 13, 14)에 작용하는 자계에 의한 인력과 척력들에 의한 합산된 자력 백터이고, 5는 이 실시예에서의 각 층마다의 개별 회전강체의 숫자를 의미하고, φ는 세차운동의 축과 각운동량 방향 사이의 각도, │~│는 ~의 크기를 나타낸다.

각 층에 있는 각각의 회전강체(11, 12, 13, 14)에 작용하는 자력은 큰 자석에 의한 자력과 서로 상,하에 위치하는 회전강체간의 인력 및 척력의 합산으로 얻어지며, 각운동량을 가지고 회전하는 회전강체에 토크를 발생시키는 효과를 갖고 있다. 뉴턴의 고전법칙에 따르면, 토크는 각운동량의 변화율과 같다. 외부 요인이 없는 경우, 각운동량 보존의 법칙에 따라 각운동량의 크기(절대값)은 고정되어 있다면 토크는 각운동량의 크기가 아니라 방향을 변화시켜 세차운동을 일으키도록 발생된다.

여기서도 회전강체와 전기모터 회전축은 마찰 등에 이한 소모를 막기 위해 자기베어링을 이용하여 거치되도록 할 수 있다.

도4는 본 발명의 또다른 실시예를 나타낸다. 도3의 실시예처럼 여기서도 도2의 실시예와 기본적으로 적용되는 원리는 동일하지만 도3의 실시예와 같이 회전강체가 세차 회전축의 길이 방향으로 다층으로 구성된다.

따라서, 도2의 실시예와 같은 평면에서의 복수 회전강체의 배열을 2개 층으로 구성하여 각 층의 평면에서 각 평면마다 복수 회전강체의 배열이 이루어지도록 하였다.

도4에서도 각 층의 평면에서 세차 회전축과 회전강체 설치틀과 전기모터와 자석을 가진 회전강체의 배치, 결합의 방식은 완전히 동일한 방식으로 이루어질 수 있다.

전기모터는 외부에서 세차 회전축, 회전강체 설치틀을 거쳐 전력을 공급받아 회전되고, 전기 모터에 전력을 공급하기 위해 세차 회전축에는 슬립링과 같은 전기 공급 수단이 구비된다.

단, 여기서는 도3의 실시예와 달리, 상층의 회전강체의 자전용 회전축은 외측 하강하는 방향을 바라보도록 설치되고, 하층의 회전강체의 자전용 회전축은 외측 상승하는 방향을 바라보도록 설치된다.

이런 경우에도 세차 회전축과 회전강체 회전축이 이루는 경사각도가 같다면 세차 회전을 위한 토오크는 같은 방향, 같은 크기로 발생할 수 있다.

여기서도 회전강체는 회전축(자전축)을 가진 원판형, 원기둥형 혹은 회전 링형이라고 할 때 원판 혹은 원기둥, 회전 링은 자체가 자석이거나, 상면과 하면의 극성이 다르게 자석을 부착하여 이루어진 것일 수 있다.

여기서도 상하로 인접한 회전강체 사이에 상호작용하는 자력을 고려할 필요가 있다. 즉, 전체 틀의 상부와 하부에 설치된 자석과 같은 자계발생수단 외에 상대적으로 상, 하층에 설치된 자석을 가진 회전강체 사이에서도 자력이 작용하며, 이 자력도 회전강체의 토오크 발생에 영향을 끼치게 된다. 단, 도3의 실시예와 달리 회전강체의 지향 방향을 달리하여 상하 자석간의 거리가 보다 가까워지고, 자력이 보다 효과적으로 작용하도록 하고 있다.

틀 상부 및 하부에 자석이 설치되고 상부의 자석의 하면이 s극성을, 하부의 자석의 상면도 s극성을 띤다고 상정하면, 상부의 자석 아래의 위층인 회전강체의 상면은 s극, 회전강체이 하면이 n극을 이루게 된다. 이로써 자계발생수단에 의해 회전축이 아래로 쓰러져 세차 회전축과 접근하도록 쓰러지는 방향의 자력을 받는다. 이 자력은 수평 방향의 토오크를 발생시키고, 이 토오크는 회전강체가 세차 회전축을 중심으뢰 세차 회전하도록 하는 동인이 된다.

아래층의 회전강체의 상면도 n극, 하면은 s극을 가지므로, 아래층의 회전강체에는 회전강체의 회전축을 위로 세우는 방향의 자력이 영향을 미치게 되고, 이에 따른 토오크는 위층의 회전강체에 의해 발생하는 토오크와 같은 방향이 되도록 하기 위해(세차 회전축이 같은 방향으로 돌도록 하기 위해) 위층의 회전강체와 서로 반대되는 자전방향을 가지도록 한다.

결과적으로 모든 층의 회전강체에 대해 발생하는 토오크가 세차 회전축을 같은 방향으로 돌도록 회전력을 더하는 구성이 되도록 한다. 따라서 도3의 실시예에서처럼, 상하 층으로 배치된 자석을 가진 회전강체들이 세차회전축을 중심으로 같은 방향의 세차운동 하도록 한다.

이상에서는 한정된 실시예를 통해 본 발명을 설명하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것일 뿐 본원 발명은 이들 특정의 실시예에 한정되지 아니한다.

따라서, 당해 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명을 토대로 다양한 변경이나 응용예를 실시할 수 있을 것이며 이러한 변형례나 응용예는 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

1, 3 : 자계발생수단
2 : 회전강체
4 : 척력 H1
5 : 인력 H2
6 : 척력 H1(4)의 세차운동의 축(8)으로 부터 팔의 길이
7 : 인력 H2(5)의 세차운동의 축(8)으로 부터 팔의 길이
8, 19 : 세차 회전축
9, 10 : 전기 모터
11 : 1층 회전강체(반시계방향 스핀)
12 : 2층 회전강체(시계방향 스핀)
13 : 3층 회전강체(반시계방향 스핀)
14 : 4층 회전강체(시계방향 스핀)
18 : 각 회전강체구의 세차 회전축(19)으로부터의 팔의 길이

Claims (10)

1. 회전축 방향으로 서로 다른 자극을 가지는 자석을 포함하는 회전강체와, 자이로스코프와 유사하게 상기 회전강체를 일정 자세 혹은 일정 범위의 자세로 잡아줄 수 있는 틀과, 상기 회전강체의 자전방향의 회전력을 줄 수 있는 자전동력 공급장치와, 상기 회전강체에 작용하여 상기 회전강체를 쓰러지게 하는 방향으로 자력이 미치도록 하는 자계발생부재를 구비하며,
   상기 틀은 상기 회전강체의 회전축과 경사를 이루면서 상기 회전강체를 하나 이상 잡아줄 수 있는 세차 회전축을 구비하여, 상기 회전 강체를 잡은 상태에서 상기 회전강체는 자전과 함께 세차 각운동(세차 회전)이 자유롭게 이루어질 수 있고, 상기 자전동력 공급장치는 상기 회전강체가 자전 및 세차 각운동을 하는 상태에서도 자전동력을 공급할 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 세차운동을 이용한 동력 획득 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전강체는 상기 회전강체가 자체가 자석으로 형성된 것이거나, 비자성체인 회전강체 부분에 상부와 하부에 다른 극성을 띄도록 자석을 결합시킨 것임을 특징으로 하는 세차운동을 이용한 동력 획득 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전강체는 회전축을 중심으로 대칭을 이루는 원형 평단면을 가지며,
   상기 회전강체의 회전축 하단은 상기 자전동력 공급장치로서의 전기 모터의 회전축과 결합되고,
   상기 전기모터는 상기 틀의 세차 회전축과 함께 회전하도록 고정 설치되며, 상기 세차 회전축에는 상기 세차 회전축이 회전 구동시에도 상기 전기모터에 전기를 공급할 수 있는 전기공급수단이 구비된 것을 특징으로 하는 세차운동을 이용한 동력 획득 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전강체의 회전축은 상기 자전동력 공급장치로서의 전기모터의 회전축과 결합할 때 상기 세차 회전축에 대한 경사 각도가 일정 범위에서 변위될 수 있도록 결합되는 것임을 특징으로 하는 세차운동을 이용한 동력 획득 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 회전강체는 복수 개가 상기 세차 회전축과 수직한 하나의 평면 내에 상기 세차 회전축을 둘러가면서 같은 중심각으로 이격 배열된 것임을 특징으로 하는 세차운동을 이용한 동력 획득 장치.
6. 제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 회전강체는 복수 개가 상기 세차 회전축과 수직한 복수 개의 평면에 배분 설치되는 것을 특징으로 하는 세차운동을 이용한 동력 획득 장치.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 복수 개의 평면에 배분 설치되는 상기 회전강체는 상기 평면 중 서로 인접한 평면에 설치되는 회전강체끼리는 회전축이 지향하는 방향은 같고, 회전 방향은 반대인 것을 특징으로 하는 세차운동을 이용한 동력 획득 장치.
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 복수 개의 평면에 배분 설치되는 상기 회전강체는 상기 평면 중 서로 인접한 평면에 설치되는 회전강체끼리는 회전축이 지향하는 방향은 서로 다르되 상기 세차 회전축과의 사이각의 절대치는 같고, 회전 방향(자전 방향)은 반대인 것을 특징으로 하는 세차운동을 이용한 동력 획득 장치.
9. 회전 강체에 작용하는 자력을 중력에 비해 크게 할 수 있도록 자계형성을 위한 수단을 설치하고, 중력과 갈음하여 혹은 중력에 더하여 상기 회전강체가 자력에 의해 쓰러지도록 작용하는 힘에 따른 토오크를 발생시켜 상기 토오크에 의한 세차운동을 일으키도록 하고,
   상기 세차운동 혹은 상기 세차운동을 야기하는 토오크를 이용하여 상기 세차운동과 같은 회전방향의 회전 동력을 얻는 것을 특징으로 하는 세차운동을 이용한 동력 획득 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 자력을 이용하기 위해 상기 회전 강체에 자석을 설치하고, 상기 회전 강체가 설치되는 틀에도 상기 회전강체의 자석과 작용할 별도 자석을 설치할 때, 상기 자석과 상기 별도 자석에 의한 자력의 방향은 상기 회전 강체의 회전축을 쓰러뜨리는 방향이 되도록 하며,
    상기 자력의 방향은 중력의 방향과 같도록 하는 것을 특징으로 하는 세차운동을 이용한 동력 획득 방법.

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