KR20220147648A - 비접촉식 전력 전송 및 모티브 디바이스 - Google Patents

Abstract

정지부로부터 이동부에 비접촉식으로 전력을 공급하는 비접촉식 전기 모션 장치는, 도체와 중공 공간을 둘러싼 자화 가능한 외벽을 포함하며, 상기 자화 가능한 외벽은 레일을 형성하는 세로 단면에 에어 갭, 상기 스테이터 및 상기 중공 공간을 형성하는 불연속성을 가진다. 이동부는 상기 레일을 따라 주행할 수 있도록 상기 중공 공간 내에 맞는 슈 또는 슬라이더를 가지고 있으며, 무버는 통과할때 임의의 특정 위치에서 비접촉식으로 상기 에어갭을 채운다. 상기 에어갭이 닫힌 상태에서 자화 가능한 외벽을 통해 자기회로가 형성되고 슈 또는 슬라이더를 통과한다. 상기 무버는 닫힌 자기회로로부터 전류가 유도될 수 있는 코일을 갖는다.

Description

비접촉식 전력 전송 및 모티브 디바이스

이 출원은 미국 특허법 35 USC 제119(e)에 따른 우선권의 이익을 주장한다. 2020년 2월 27일에 출원된 미국 가 특허출원(U.S. Provisional Patent Application) 제62/982,085호로, 그 내용이 통합된 본 명세서 전체를 참조한다.

본 발명은 일반적으로 전기 공급원에서 전기 부하로 전력을 전달하기 위한 시스템에 관한 것으로, 특히 소스와 부하 사이에 상대적인 모션이 있는 경우, 보다 상세하게는 모티브 디바이스, 예를들어 모션이 회전식 보다는 오히려 선형 또는 회전식에 더한 선형, 그리고 더 나아가 정밀한 모션이 필요한 모티브 디바이스 (motive device)의 개선된 비접촉식 전력 전달 시스템에 관한 것이다.

선형 모션 전기 시스템은 특히 산업 자동화 시스템에 적용할 수 있다.

이러한 시스템은 일반적으로 제품 부품을 하나 이상의 스테이션으로 전달하는데 사용되는 이동 소자(moving element)를 포함한다. 각 스테이션에서는 특정 제조 공정이 제품 부품에 적용된다. 현대의 자동화 시스템은 달성 가능한 최소 시간까지 제조 및 배송하는 시간을 줄이기 위해 매우 빠르고 정밀한 운송 시스템을 사용한다. 이를 위해, 매우 정밀한 위치 확인 시스템이 사용된다. 가공할 제품 부품은 위치 결정 시스템에 의해 구동되는 이동 캐리지 상에 배치된다.

다양한 센서와 작동기(actuator)의 작동을 위해 이동 캐리지(moving carriage)에 전력을 공급해야 하는 경우가 많다. 첫 번째 예에서, 이동 캐리지는 모터가 트랙의 일부인 선형 모터에 장착되거나, 또는 캐리지에 고정된 모터에 의해 이동된다. 또 다른 예에서, 캐리지의 위치를 제어하기 위해 위치 인코더가 필요하며, 일반적으로 위치 인코더 및/또는 캐리지에는 전원 공급이 필요하다. 또 다른 예에서, 회전 및 선형 모션이 모두 존재하도록 제품 부품을 원하는 방향으로 향하도록 회전 테이블이 필요할 수 있다.

이동 캐리지에 전력을 공급하기 위해, 일반적으로 케이블 체인에 배열될 수 있는 플렉시블 케이블이 사용된다. 고속 이동이 필요할 때마다 이러한 케이블 어셈블리는 캐리지의 움직임에 부정적인 영향을 미치는 진동을 유발할 수 있고, 고장이 발생할 수 있다. 일부 시스템에서는 슬라이딩 브러시가 전기 에너지를 전달하는데 사용된다. 브러시는 수명이 제한되고 전기적 소음이 발생하므로 브러시의 사용이 상대적으로 느린 시스템으로 제한된다.

케이블 체인과 브러시는 비용을 증가시키고 시스템의 신뢰성을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 비접촉식이며 브러시 또는 유연한 이동 케이블이 필요하지 않은 이동 캐리지에 전력을 공급할 수 있는 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.

Divan 등에 의한 특허 제5,341,280호는 마찰이나 플렉시블 케이블의 이동없이 이러한 비접촉 전력 전달 시스템을 개시하고 있다. 고강도의 교류 전류가 정적 도체에 흐르고, 자기 코어(magnetic core)가 정적 도체를 따라 미끄러지는 이동 소자의 슬라이드에 고정되어, 이동 소자가 유도에 의해 전력을 모을 수 있다. 이 솔루션의 단점은 에너지를 모으는 데 사용되는 자기 코어의 무게는 상대적으로 높고 캐리지의 최대 달성 가능한 가속도를 감소시킨다는 것이다.

본 발명은 정지부(static part)로부터 이동부(moving part)에 비접촉적으로전력을 사용할 수 있는 비접촉식 전기 모션 장치를 제공하는 것이다.

본 실시예에 따른 시스템은 스테이터부(stator part) 및 적어도 하나의 무버(mover)를 포함한다.

스테이터(stator)에서 강자성 물질의 긴 중공 프로파일은 원하는 선형 경로를 따라 배치된다. 선형 경로는 임의의 폐쇄형 또는 개방형일 수 있다. 상기 긴 프로파일 단면은 바람직하게는 직사각형 형상으로, 상측에 개구부가 형성되어 있고, 중간 위치에 있는 것이 바람직하다. 상당한 단면 크기의 두 개의 전기 전도체가 개구부의 양측에 있는 중공 프로파일의 내부로 흐른다. 이 두 도체에는 반대 방향 또는 위상으로 고강도 교류 전류가 흐른다.

경로를 따라 이동할 수 있는 무버(mover)는 코일이 감겨 있는 강자성 물질로 만들어진 코어를 포함한다. 코어 형상은 프로파일 개구부에 삽입되고 스테이터 프로파일과 접촉하지 않고 경로를 따라 미끄러진다. 이동자가 경로를 따라 미끄러지면 코어는 코어의 양쪽에 있는 스테이터 도체 주위에 작은 공극이 있는 2개의 자기 회로를 닫는다. 이러한 자기 회로에서 유도된 플럭스는 코어의 무버 코일을 가로지르며, 무버 코일로 전력을 유도한다. 그런 다음 전력은 무버와 스테이터 간의 전기적 접촉 없이 무버에서 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 정지부(static part)로부터 이동부(moving part)에 비접촉적으로 전력을 사용할 수 있는 비접촉식 전기 모션 장치가 제공될 수 있으며, 이 장치는,

단면의 스테이터가 적어도 두 개의 도체를 둘러 싸고 있는 자화 가능한 외 벽과 중공 공간을 포함하며, 상기 자화 가능한 외벽은 적어도 하나의 에어갭을 형성하는 불연속성을 가지며, 상기 불연속성은 상기 스테이터를 두 개의 하프 스테이터로 분리하며, 상기 스테이터 및 세로 부분의 중공 공간은 레일을 형성하는 스테이터;

상기 레일을 따라 주행하기 위해 상기 중공 공간(hollow space) 내에 맞게 구성된 제1 부분을 가지며, 각각의 상기 스테이터 하프들(halves) 및 상기 제1 부분 각각에서 상기 자화 가능한 외벽을 통해 자기 회로(magnetic circuit)를 형성하고 상기 에어 갭을 닫기 위해 통과 시 임의의 위치에서 상기 에어갭을 거의 닫으며, 상기 닫힌 자기 회로로부터 전류가 유도되는 코일을 포함하는 무버;를 포함하여 구성된다.

하나의 실시예에서, 적어도 두 개의 도체는 상기 스테이터 하프들(stator halves) 각각에 각각으로 위치하며, 상기 도체들은 각각 반상(anti-phase)으로 교류 전류를 전달하도록 구성된다.

하나의 실시예에서, 상기 무버는 상기 닫힌 자기회로를 형성하기 위해 상기 스테이터를 따라 연속적인 위치로 상기 스테이터를 따라 이동하도록 구성되며, 상기 위치들의 다른 위치에 개방된 자기회로가 있게 된다.

하나의 실시예에서, 에어갭의 길이는 스테이터를 따라 종방향으로 연장된다.

하나의 실시예에서, 에어갭의 높이는 자화 가능한 외벽의 두께이다.

하나의 실시예에서, 자기 회로는 두 개의 자기 회로와 두 개의 에어갭을 포함하며, 상기 자기 회로 각각은 스테이터의 절반 주위에 연장되고, 제1 에어갭을 통해 상기 무버의 제1 부분으로 이동하며, 제2 에어갭을 통해 스테이터의 절반으로 되돌아 가며, 상기 무버는 무버의 현재 위치에서 양쪽 에어갭을 채운다.

하나의 실시예에서, 상기 무버는 적어도 하나의 휠, 또는 휠 및 슬라이더, 또는 두 개의 휠 또는 두 개 이상의 휠 또는 휠 및 슬라이더의 다른 조합을 포함한다.

하나의 실시예에서, 상기 무버는 상기 코일에 유도된 상기 전류로부터 구동되는 모터를 포함한다.

하나의 실시예에서, 복수의 무버는 하나의 스테이터에 삽입된다.

하나의 실시예에서, 각 무버는 모션 위치 센서들을 포함하며, 상기 센서들로부터의 피드백에 기초하여 중앙 컨트롤러(central controller)로부터 상기 스테이터를 따라 이동하도록 무선으로 제어된다.

하나의 실시예에서, 상기 스테이터는 갠트리 브리지(gantry bridge)이고, 상기 무버는 갠트리 브리지 상에 장착된다.

본 제2 실시예에 따르면, 비접촉식 전기 모션 장치는 레일과 무버를 포함하며, 상기 레일은 중공이며 개방된 갭을 가지고 있으며, 상기 무버는 상기 중공 내에 있는 슈(shoe) 및 상기 개방된 갭을 통해 연장되는 넥(neck)을 가지며, 상기 무버는 상기 레일을 따라 이동하도록 구성되며, 상기 레일은 적어도 하나의 전류 운반 도체를 둘러 싸서 자화 가능하며, 상기 무버도 자화 가능하며 상기 슈를 통해 자기 회로를 형성하기 위해 통과할때 상기 개방된 갭을 닫으며, 상기 무버는 상기 자기 회로로부터 전류를 유도하기 위한 상기 슈 주위의 코일을 더 포함하여, 상기 이동부(moving part)를 위해 온-보드 전력을 비접촉적으로 제공한다.

달리 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및/또는 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 기재된 방법과 유사하거나 동등한 재료가 본 발명의 실시예의 실시 또는 시험에 사용될 수 있으나, 예시적인 방법 및/또는 재료에 대해서는 이하에서 설명한다. 상충하는 경우에는 정의를 포함한 특허명세서는 통제할 것이다. 또한, 재료, 방법 및 예는 예시적인 것일 뿐 반드시 제한하려는 의도는 아니다.

본 발명의 일부 실시예들은 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 예시적으로만 설명된다. 이제 도면을 구체적으로 참조하여, 표시된 세부 사항은 본 발명의 실시예들에 대한 예시적인 논의의 목적 및 예에 의한 것임을 강조한다. 이와 관련하여, 도면과 함께 취해진 설명은 본 발명의 실시예들이 어떻게 실시될 수 있는지 당업자에게 명백하게 한다.
도면에서:
도 1은 Divan 등에 의한 선행기술 특허 제5,341,280호의 도 4를 참고로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 실시예의 간략화된 개략도이다.
도 3은 도 2의 A선에 의해 정의된 평면에서 도 2의 실시예의 간략화된 단면도이다.
도 4는 도 2의 B선에 의해 정의된 평면에서 도 2의 실시예의 간략화된 단면도이다.
도 5는 여러 개의 캐리지(carriages)가 본 발명에 따른 실시예들에 따른 하나의 폐쇄 루프스테이터 상에 있으며 비접촉 전력을 수확하는 멀티 캐리지 시스템의 간략화된 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예들에 따른 스테이터 도체들내로 고 전류 세기로 구동하는데 사용되는 변압기의 간략화된 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 변압기의 1차측으로 고전력 구동이 어떻게 전류를 흘려 보내는지를 보여주는 간략한 모식도이며, 또한 변압기의 2차측을 통해 스테이터 도체들 내로 고전력 전류를 흘려보내는 방법을 나타낸 것이다.
도 8은 이동 전기 케이블을 사용한 일반적인 유형의 오버헤드 크레인에 대한 간략화된 개략도이다.
도 9는 전기 케이블을 이동시키지 않고 본 발명의 실시 예들에 따라 구현된 오버헤드 크레인의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스테이터 및 무버의 간략화된 단면 개략도이다.

본 발명은 일반적으로 전원으로부터 전력을 전기 부하로 전달하기 위한 시스템에 관한 것으로, 특히 소스와 부하 사이에 상대적인 모션이 있는 경우, 보다 상세하게는 개선된 비접촉식 전력 전달 시스템에 관한 것으로, 예를 들어 모션이 회전식 보다는 선형 또는 회전식에 더한 선형인 경우, 그리고 정밀도 모션이 필요한 경우이다.

본 실시예들은 정지부(static part)로부터 이동부(moving part)에 비접촉적으로 전력을 이용할 수 있는 비접촉식 전기 모션 장치(contactless electrical motion apparatus)를 제공할 수 있다. 단면에 자화 가능한 외벽으로 구성된 스테이터는 도체와 중공 공간을 둘러싸며, 자화 가능한 외벽은 에어 갭을 형성하는 불연속부를 갖는다. 스테이터 및 중공 공간은 세로 단면에 레일을 형성한다. 이동부는 레일을 따라 주행할 수 있도록 중공 공간 내에 맞는 슈 또는 슬라이더를 가지고 있으며, 무버는 통과할 때 임의의 특정 위치에서 비접촉식으로 에어 갭을 채운다. "비접촉식 충전"이라는 용어는 무버의 재료가 거의 스테이터의 벽에 닿을 정도까지 에어갭을 채우지만 실제로 닿지 않아 훨씬 작은 에어 갭이 남아 있다는 것을 의미한다. 그러나 에어 갭의 종횡비는 상당히 감소시키기 위해 변경되고 실행 가능한 자기회로가 형성된다. 에어갭이 효과적으로 닫힌 상태에서 자화 가능한 외벽을 통해 자기 회로가 형성되고 슈(shoe) 또는 슬라이더(slider)를 통과한다. 상기 무버는 폐쇄된 자기 회로로부터 전류가 유도될 수 있는 코일을 갖고 있다.

본 발명의 일부 실시예를 보다 잘 이해하기 위하여, 먼저 도 1에 도시된 바와 같이 공지된 장치의 구성 및 작동을 참조한다.

도 1은 Divan 등에 의한 미국특허 제5,341,280호에 의해 설명한 선행기술을 도시하고 있다.

1차 변환기(38)은 전기 전도체(electrical conductors)(40)에 전류를 구동한다. 전기 전도체(40)는 리턴부가 있는 이동 경로를 따라 설정된다. 두 개의 자기 코어(56, 58)는 전류 도체를 양방향으로 감싸면서 도체와 접촉하지 않고 경로를 따라 미끄러진다. 권선(winding)(52)는 두 개의 자기 코어에 감겨 있고, 권선단 (winding ends)(46)에서 전력을 사용할 수 있다.

자기 코어는 이동 소자에 고정되어 있다. 종래의 설계 규칙에 따르면, 자기 코어의 중량은 이동 소자에 공급되는 전력의 파워에 비례한다. 상당한 전력이 필요할 때마다 움직이는 소자 무게의 일부인 설계 중량은 최대 가속도를 제한한다.

긴 경로가 필요할 때마다 도체 지지 구조물을 사용해야 한다. 이러한 구조물들은 이동 코어들을 가로지를 수 있으며, 에어 갭들은 코어들내에 제공되어야 한다. 에어 갭을 가능한 한 작게 만들기 위해, 이 구조물들은 얇은 프로파일을 갖도록 설계되어야 한다. Divan 등은 다자인(특허 US 5,341,280의 도 7 및 도 8)를 제안하고 있으며, 이 설계로 인해 상대적으로 비용이 많이 들고 구조가 취약하다.

Divan의 실시예에서, 전기 전도체(40)은 야외에 있다. 충분한 효율을 얻기 위해, 전도체(40)에 높은 주파수의 전류가 필요하다. 그리고 야외에서 흐르는 고 강도(high intensity) 및 고주파 전류는 바람직하지 않게 강한 전기 방사선을 발생시키며, 근처에 있는 다른 장비에 방해가 될 수 있다.

이하에서 설명하는 본 실시예에서, 비접촉 전력 시스템(CPS)이 설명된 바와 같이, 무버에 가해지는 가중치의 양이 감소되고, 전체적인 구성이 단순화될 수 있으며, 전기 방사선의 양과 그에 따라 간섭의 범위가 최소화될 수 있다.

명확성을 위해 다음 설명은 CPS의 바람직한 방향을 나타내지만 CPS는 필요한 동작에 적합한 임의의 방식으로 지정할 수 있다.

본 발명의 적어도 하나의 실시예를 상세히 설명하기 전에, 본 발명이 반드시 하기 설명 및/또는 도면들 및/또는 실시예에서 제시하는 구성 요소 및/또는 방법의 구성 및 배열에 대한 적용에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다. 본 발명은 다른 실시예를 사용할 수 있거나 다양한 방법으로 실행 또는 수행될 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 비접촉식 전력 시스템(CPS)의 일 실시예의 간략화된 사시도가 도시되어 있다. CPS(200)는 스테이터(201, 203a, 203b) 및 적어도 하나의 무버(202, 204, 205)를 포함한다. 무버는 정의된 원하는 경로를 따라 미끄러질 수 있다. 정의된 경로는 예를 들어 직선, 곡선 및 원형일 수 있다.

스테이터는, 바람직하게는 라미네이트된, 철 또는 전기 강(electric steel)과 같은 자화 가능한 재료의 긴 프로파일(201)을 포함한다. 긴 프로파일(201)은 벽 내에 중공 내부를 둘러싸는 직사각형 중공 형상의 단면과 상면에 개구 또는 갭 (206)을 가지며, 갭의 높이는 벽의 두께이다. 긴 프로파일(201)은 전체 이동 경로를 따라 연장되고 이동을 위한 트랙을 정의할 수 있다. 도 2에는 스테이터의 짧고 직선적인 부분만이 도시되어 있다. 도 2에는 직선 모양이 나타나 있지만, 임의의 곡선 형상 또는 원형 형상을 이용하여 무버의 원하는 경로를 따라 갈 수 있음을 이해해야 한다.

스테이터 내에서, 두 개의 큰 도체(203a, 203b)는 개구부 각각의 측면에 배치된다. 교류 전류는 도체(203a, 203b)에서 반대 방향 또는 위상(phases)으로 흐른다.

무버는 수직부 또는 넥(204)과 수평부(205)를 포함하며, 둘 다 적층된 전기 강과 같은 자성 재료로 만든다. 코일은 수직부(204)의 베이스에 감겨져서 슈(202)를 형성할 수 있다. 무버는 스테이터의 내부에 포함된 슈와 함께, 긴 프로파일 (201)의 개구부(206) 내부의 경로를 따라 미끄러진다.

도 3을 참조하면, 도 2의 CPS 단면은 도 2의 점선(A)에 의해 정의된 평면에 도시되어 있다. 이 도면에서, 무버 코어 어셈블리(205, 204)가 어떻게 2개의 자기 회로(301a, 301b)를 형성하는지를 알 수 있다. 자성 물질로 이루어진 코어(204)의 수직부는 자속을 위한 경로를 공급한다. 자기회로(303a)는 스테이터(stator) 내에서 자유로이 이동할 수 있도록 횡단해야 하는 작은 에어갭(air gap)(303a, 302)을 제외하고는 고투과성 자성재료에서 작동한다. 대칭적으로, 자기 회로(303b)는 마찬가지로, 작은 에어캡(303b, 302)을 제외하고, 고투과성 자성 재료에 설치된다. 도체(203a)의 전류는 단면도를 벗어나 자기 회로(301a)에서 시계 반대 방향으로 흐르는 플럭스를 생성한다. 대칭적으로, 도체(203b)의 전류는 단면 평면으로 들어가서 자기 회로(301b)에서 시계 방향으로 흐르는 플럭스를 생성한다.

코어의 수직부(204)의 내부에는 양 플럭스가 동일한 방향으로 주행하여 주변 코일(202)에 전원을 유도한다. 전력은 스테이터와 전기적으로 접촉하지 않고 무버에서 사용할 수 있다.

도 2의 CPS의 추가 단면도인 도 4를 참조한다. 이는 도 2의 점선(B)로 정의된 평면이다. 단면의 평면은 무버를 포함하지 않은 수준에서 나타낸 것이다. CPS의 효율을 위해, 스테이터의 인덕턴스는 낮을 수 있다. 도 4에서, 긴 프로파일(201)은 두개의 도체(203a, 203b) 주변에 자기 회로 (401)를 생성하는 것을 볼 수 있다. 그러나, 자기 회로(401)에 의해 둘러싸인 총 전류는 널(null)인데, 그 이유는 203a, 203b에 흐르는 전류가 동일하고, 방향 또는 위상이 반대이기 때문이다. 그 결과, 회로 내의 플럭스는 널(null)이고, 203a, 203b에 의해 형성된 회로의 인덕턴스는 매우 낮기 때문에, 이들 도체에서는 비교적 높은 주파수로 고전류를 구동할 수 있어, 상당한 전력이 무버로 전달될 수 있다.

또 다른 측면에서, 자기 회로(401)는 도체(203a, 203b) 주위에 실드를 형성하여, 실질적으로 CPS 외부로 자기장이 방사되지 않도록 한다. 이를 통해 전기적 간섭에 민감한 다른 시스템에 근접하거나 이와 함께 CPS를 사용할 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 CPS를 이용하여 유리하게 구현될 수 있는 멀티 캐리지 시스템(500)의 간략화된 다이어그램이다.

위에서 설명한 프로파일(201)과 유사한 긴 프로파일을 포함하고 도 2의 도체(203a, 203b)와 유사한 밀폐형 도체를 갖는 CPS 스테이터(501)는 폐쇄형 루프 패스를 따라 배치된다. 교류 전류는 전원 공급 장치(504)에 의해 스테이터 도체에서 구동된다. 스테이터(501)를 따라 5개의 독립 무버(501a~501d)가 미끄러지기 쉽게 삽입된다. 각 무버는 스테이터에 의해 정의된 트랙을 따라 미끄러지며, 베어링 또는 휠(도시되지 않음)에 의해 유도될 수 있다. 각 무버는 위에서 설명한 바와 같이 스테이터로부터 전력을 수집한다. 각 무버는 503a ~ 503d로 표시된 자체 모터에 의해 추진되며, 이는 수집된 전력을 사용하여 구동된다. 무버 모터는 회전식 또는 선형식으로 사용할 수 있다. 각 무버는 또한 무버의 위치를 제어하는 모터 컨트롤러를 포함하며, 컨트롤러는 CPS에 의해 전원이 공급된다. 하나의 예에서, 모터 컨트롤러(motor controller)제어기는 중앙 컨트롤러(central controller)와 무선 통신하고, 각 무버(mover)의 위치 및 속도는 중앙 컨트롤러에 의해 제어된다.

종래 기술의 기존 다중 캐리지 시스템은 각각에 대한 개별 위치 제어를 가지며, 모터와 다수의 드라이버를 사용하여 각 드라이버가 스테이터의 작은 부분을 제어한다. 각 캐리지의 이동을 제어하기 위해 중앙 컨트롤러는 캐리지에 근접한 스테이터 부분의 드라이버를 활성화한다.

그러나 이러한 기존의 다중 캐리지 시스템은 많은 수의 드라이브를 포함하고 있기 때문에 매우 비싸고 매우 복잡한 소프트웨어가 필요하다. 본 발명의 실시예들의 CPS에 의해 구동되는 멀티 캐리지 시스템 스테이터 전체가 단일 유닛으로 구동될 수 있기 때문에 발명은 훨씬 낮은 비용으로 구현될 수 있다.

도체(203a, 203b)에서 요구되는 고강도 AC 전류를 구동하기 위해 변압기를 사용할 수 있다. 도 6을 참조하면, 이러한 변압기(transformer)(600)의 단면이 도시되어 있다. 변압기(600)는 두 개의 야외 볼륨(open air volumn)(604a, 604b)을 둘러싸는 두 개의 자기 회로(603a, 603b)를 형성하는 자기 코어(602)를 갖는다. 회전수 N을 갖는 1차 코일 (601)은 두 자기 회로에 공통되는 자기 코어의 중간 부분에 감겨 있다. CPS 스테이터의 2개의 도체(203a, 203b)는 각각 야외 볼륨(604a, 604b)의 나머지 공간을 관통한다.

도 7을 참조하면, 변압기(600)를 파선으로 둘러싸서 표시한다. 도체(203a, 203b)는 변압기를 가로지르는 형태로 도시되며, 변압기를 횡단한 후 그 단부는 연결 도체(703)에 의해 연결된다. 스테이터 긴 프로파일의 일부는 704로 도시한다. 이 부분 위치에서 두 도체(203a, 203b)는 변압기(600)을 가로지르기 위해 긴 프로파일을 통과한다. 변압기(600)를 가로지른 후 그들의 끝단(705a, 705b)은 도체(703)에 의해 전기적으로 연결된다.

각각 706a와 706b로 표시된 도체(203a, 203b)의 타단은 도체(702)에 의해 전기적으로 연결된다. 도 7에서, 이들 타단이 스테이터(704)의 동일한 부분에 도시되어 있다. 이는 도 5에서와 같이 스테이터가 폐로를 형성하는 경우이다. 스테이터가 폐로를 형성하지 않을 때마다 도체(203a, 203b)의 단부에는 접속부(702)가 인가된다.

최종적으로, 양쪽 끝단에서 함께 연결된 두개의 도체(203a, 203b)는 변압기(600)를 관통하는 전기 전도체의 단일 폐쇄 루프를 구성한다. 이 폐쇄 루프는 변압기(600)의 1 회전 단락된 2차 코일을 구성한다. 변압기의 법칙에 따르면, 전류(I)가 N 회전 1차 코일(601)에 흐르면 전류(NxI)는 1회전 단락된 2차 코일에 흐르고 따라서 도체(203a, 203b)로 흐른다.

따라서, 변압기(600)에 의해 스테이터 도체(203, 203b)에 고강도의 전류가 흐를 수 있다. 이는 CPS 스테이터 도체에 고강도의 전류를 구동하기 위해 일반적으로 이용 가능한 AC 전원공급장치(701)의 사용을 허용한다.

매우 긴 경로가 필요할 때마다 CPS 스테이터는 각 섹션이 도 6 및 도 7을 참조하여 위에서 설명한 바와 같이 자체 전원 공급 장치를 가지는 여러 섹션으로 분할될 수 있다.

다른 예시적인 응용에서, 본 발명의 실시예에 따른 CPS는 오버헤드 크레인 또는 갠트리에서 유리하게 구현될 수 있으므로 따라서 이동 케이블의 필요성이 제거된다.

도 8에는 공장 환경에서 자주 발견될 수 있는 바와 같이 일반적으로 인식되는 오버헤드 갠트리의 개략도가 도시되어 있다. 빔(803)은 양쪽 끝단에 2개의 벽(801, 802)에 고정된다. 크레인 컨트롤러 (807)는 휠, 기어, 모터 및 전기 컨트롤러를 포함한다. 크레인 제어기(807)는 전기 모터(804)에 의해 빔(803)을 따라 미끄러질 수 있다. 크레인 몸체에 메달리는 후크(805)는 취급 대상물을 메달리게 고정하기 위해 제공된다. 후크 수직 위치는 모터(809)에 의해 제어된다. 핸드 컨트롤러(808)는 크레인의 수동 작동을 위해 제공된다. 플레시블 케이블(806)은 컨트롤러와 모터에 전력을 연결하는데 사용된다.

도 8에 개략적으로 나타난 바와 같이, 케이블(806)은 보통 구부러지거나 감겨져 있고, 코일은 빔을 따라 미끄러질 수 있는 슬라이더에 고정되어 크레인 컨트롤러를 자유롭게 움직일 수 있다. 크레인이 집중적으로 사용될 때마다 케이블(806)의 이동은 슬라이딩 요소에 먼지가 침착되어 마찰이 증가할 수 있다. 또한 크레인 반복 사용으로 인한 크레인(806)의 접기 및 펼치기는 케이블 고장을 초래하여 크레인 손상, 운전 불가능 및 위험한 작동이 발생할 수 있다.

도 9에는 본 발명의 실시예들에 따른 CPS를 사용한 크레인 구현을 개략적으로 도시되어 있다. 오버헤드 크레인은 케이블(806)을 사용하지 않는 것을 제외하고 도 8과 동일한 구성을 가지며, 빔(903)은 본 발명의 실시예들에 따른 CPS 스테이터를 포함하고, CPS 도체들에 전류를 구동하기 위해 전류 발생기(906)를 부가한다.

크레인 컨트롤러는 CPS에 의해 통전되고 크레인의 이동을 제어하며, 따라서 CPS 구현은 크레인의 보다 안정적이고 안전한 작동성을 제공한다. 또한, 유지 보수 비용이 절감된다.

CPS의 다른 많은 응용 프로그램이 당업자에게 명백할 것이며 전기 전력이 움직이는 소자에 비접촉으로 전달되는 것을 생각할 수 있다.

도 10을 참조하여 본 발명에 따른 CPS의 대안적인 실시예의 개략적인 단면도를 보여 준다. CPS(1000)는 스테이터(1003)과 적어도 하나의 무버(1001)를 포함한다. 상기 무버(1001)는 바퀴(1002a~1002c)에 의해 스테이터(1003) 위를 주행할 수 있다. 스테이터는 단면에 수직인 방향으로 연장되어 이동 경로를 정의한다. 이 경로는 임의의 곡선 유형일 수 있다.

스테이터는 바람직하게는 적층된 철 또는 전기강과 같은 자화 가능한 재료의 두 개의 긴 프로파일(1004a, 1004b)을 포함한다. 상기 긴 프로파일(1004a, 1004b)은 각각 장방형의 중공 캐비티(1006a, 1006b)를 형성한다. 이러한 두 개의 긴 프로파일(1004a, 1004b)은 스테이터(1003)에 위치하여 이들의 캐비티(1006a, 1006b)가 서로 마주보도록 이격되어 무버에 고정된 단 프로파일부(1008)의 이동이 가능하도록 배치된다. 긴 프로파일(1006a, 1006b)은 무버의 전체 이동 경로를 따라 연장되고, 짧은 프로파일(1008)은 무버의 범위에서 짧은 경로를 따라 연장된다.

스테이터 내부에서, 두개의 대형 도체(1005a, 1005b)가 캐비티(1006a, 1006b) 각각 내부에 배치된다. 교류전류는 도체(1005a, 1005b)에서 각각 반대 상으로 흐른다.

무버에는 되도록이면 적층된 자화 가능한 재료로 만들어진 짧은 프로파일 부분(1008)이 부착된다. 상기 두개의 긴 프로파일(1004a, 1004b)과 프로파일 부분 (1008)은 넓은 면적의 좁은 에어 갭(1007a ~ 1007d)을 제공하도록 형성된다.

코일(1009)은 프로파일 부분(2008)의 중간 부분에 감겨 있다.

도 10의 실시예에 따른 CPS는 아래에 설명한 바와 같이 기능을 한다.

무버가 없는 위치에서 두개의 긴 프로파일(1004a, 1004b)는 이들 사이의 간격이 크기 때문에 매우 높은 저항성을 가진 자기 회로(1011)(사각형 점선)를 형성한다. 또한, 전기 전도체(1005a, 1005b)에 흐르는 두 전류는 AC의 경우 반대 방향 또는 반대 위상이며, 역 방향의 플럭스를 유도하므로, 스테이터(103)의 인덕턴스가 매우 낮으며, 스테이터 외부에서 방출되는 전자기 라디에이션는 무시할 수 있다.

이동부(moving part)가 갭을 매우는 위치에서, 각 도체(1005a, 1005b) 주위에 두개의 자기 회로(1010a, 1010b)가 형성되어 있다. 전류에 의해 유도된 2개의 자속은 코일(1009)의 내부에서 동일한 방향으로 주행하여 코일(1009)의 전력을 유도한다. 따라서 전력은 무버에서 사용할 수 있다. 예를 들어, 전기 모터가 상기 무버에 장착되어 상기 무버를 구동할 수 있다. 다른 전기 또는 전자 장치들은 인코더, 디지털 통신 인터페이스, 디지털 입력 출력 등과 같은 무버 상에 사용될 수 있다.

"포함", "포함", "포함" 및 "가짐"이라는 용어는 "포함하지만 이에 제한되지 않음"을 의미한다.

"구성"이란 "포함하고 한정한다"는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 단수 형태 "하나", "한개" 및 "상기"는 문맥이 명확하게 달리 지시하지 않는 한 복수 참조를 포함할 수 있다.

명료함을 위해, 본 발명의 특정 특징이 개별 실시예의 문맥은 또한 단일 실시예에서 조합하여 제공될 수 있고 본 설명은 그러한 실시예가 여기에 명시적으로 기재된 것처럼 해석되어야 한다. 반대로, 간결함을 위해 단일 실시예의 맥락에서 설명된 본 발명의 다양한 특징은 또한 개별적으로 또는 임의의 적절한 하위 조합으로 제공될 수 있거나 본 발명의 임의의 다른 설명된 실시예에 대한 수정으로서 적합할 수 있고 본 설명은 이러한 개별 실시예, 하위 조합 및 수정된 실시예가 여기에 명시적으로 설명된 것처럼 해석되어야 한다. 다양한 실시예와 관련하여 설명된 특정 특징은 실시예가 이러한 요소 없이 작동하지 않는 경우를 제외하고는 이러한 실시예의 필수 특징으로 간주하지 않는다.

본 발명이 특정 실시예와 관련하여 설명되었지만 많은 대안, 수정 및 변형이 당업자들에게 명백할 것이 분명할 것이다. 따라서, 그것은 첨부된 청구항들의 정신과 넓은 범위에 속하는 모든 대안, 수정 및 변형을 수용하기 위한 것이다.

본 명세서에 언급된 모든 출판물, 특허 및 특허 출원은 여기에 있다. 각각과 동일한 범위 내에서 명세서에 참조함으로써 그 전체를 통합한다. 개별 간행물, 특허 또는 특허 출원은 본 명세서에 참조에 의해 통합되도록 구체적으로 그리고 개별적으로 표시된다. 또한, 본 출원의 인용 또는 참조 식별은 그러한 참조가 본 발명의 선행기술로서 이용 가능하다는 것을 인정하는 것으로 해석되지 않는다. 섹션 표제를 사용하는 한, 반드시 제한하는 것으로 해석해서는 안 된다. 또한, 본 출원의 모든 우선 순위 문서는 전체 참조에 의해 본 문서에 통합된다.

Claims (12)

1. 정지부(static part)로부터 이동부(moving part)에 비접촉적으로 전력을 사용하는 비접촉식 전기 모션 장치로서,
   단면의 스테이터가 적어도 두 개의 도체를 둘러 싸고 있는 자화 가능한 외 벽과 중공 공간을 포함하며, 상기 자화 가능한 외벽은 적어도 하나의 에어갭을 형성하는 불연속성을 가지며, 상기 불연속성은 상기 스테이터를 두 개의 하프 스테이터로 분리하며, 상기 스테이터 및 세로 부분의 중공 공간은 레일을 형성하는 스테이터;
   상기 레일을 따라 주행하기 위해 상기 중공 공간 내에 맞게 구성된 제1 부분을 가지며, 각각의 상기 스테이터 하프들(halves) 및 상기 제1 부분 각각에서 상기 자화 가능한 외벽을 통해 자기 회로를 형성하고 상기 에어 갭을 닫기 위해 통과 시 임의의 위치에서 상기 에어갭을 거의 닫으며, 상기 닫힌 자기 회로로부터 전류가 유도되는 코일을 포함하는 무버;를 포함하는, 비접촉식 전기 모션 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 두 개의 도체는 상기 스테이터 하프들 각각에 각각으로 위치하며, 상기 도체들은 각각 반상(anti-phase)으로 교류전류를 전달하도록 구성된 비접촉식 전기 모션 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 무버는 상기 닫힌 자기회로를 형성하기 위해 상기 스테이터를 따라 연속적인 위치로 상기 스테이터를 따라 이동하도록 구성되며, 상기 위치들의 다른 위치에 개방된 자기회로가 있는, 비접촉식 전기 모션 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 에어 갭의 길이는 상기 스테이터를 따라 종방향으로 연장된, 비접촉식 전기 모션 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 에어 갭의 높이는 상기 자화 가능한 외벽의 두께인 비접촉식 전기 모션 장치.
6. 상기 이전 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 회로는 두 개의 자기 회로와 두개의 에어갭을 포함하며,
   상기 자기 회로 각각은 상기 스테이터의 절반 주위에 연장되고,
   제1 에어갭을 통해 상기 무버의 제1 부분으로 이동하며, 제2 에어갭을 통해 상기 스테이터의 상기 절반으로 되돌아 가며,
   상기 무버는 상기 무버의 현재 위치에서 상기 에이 갭의 양쪽을 채우는, 비접촉식 전기 모션 장치.
7. 상기 이전 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 무버는 적어도 하나의 휠을 포함하는, 비접촉식 전기 모션 장치.
8. 상기 이전 청구항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 무버는 상기 코일에 유도된 상기 전류로부터 구동되는 모터를 포함하는, 비접촉식 전기 모션 장치.
9. 상기 이전 청구항들중 어느 한 항에 있어서, 복수의 무버는 하나의 스테이터에 삽입되는, 비접촉식 전기 모션 장치.
10. 제9항에 있어서, 각 무버는 모션 위치 센서들을 포함하며, 상기 센서들로부터의 피드백에 기초하여 중앙 제어기로부터 상기 스테이터를 따라 이동하도록 무선 제어되는, 비접촉식 전기 모션 장치.
11. 상기 이전 청구항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 스테이터는 갠트리 브릿지(gantry bridge)이며 상기 무버는 상기 갠트리 브릿지 상에 장착되는, 비접촉식 전기 모션 장치.
12. 레일과 무버를 포함하며,
    상기 레일은 중공(hollow)이며 개방된 갭을 가지고 있으며,
    상기 무버는 상기 중공 내에 있는 슈(shoe) 및 상기 개방된 갭을 통해 연장되는 넥(neck)을 가지며,
    상기 무버는 상기 레일을 따라 이동하도록 구성되며,
    상기 레일은 적어도 하나의 전류 운반 도체를 둘러 싸서 자화 가능하며,
    상기 무버도 자화 가능하며 상기 슈를 통해 자기 회로를 형성하기 위해 통과할때 상기 개방된 갭을 닫으며,
    상기 무버는 상기 자기 회로로부터 전류를 유도하기 위한 상기 슈 주위의 코일을 더 포함하여, 상기 이동부를 위해 온-보드 전력을 비접촉적으로 제공하는, 비접촉식 전기 모션 장치.

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