KR20230028165A - 자력회전장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 자력회전장치는 회전축; 상기 회전축에 관통된 상태로 고정 설치되며, 복수 개의 육각형 타입을 갖는 복수 개의 영구자석이 상기 회전축의 원주방향으로 감싸도록 제작된 원형 프레임을 포함하는 원통형 회전홀더; 상기 원통형 회전홀더에 일정 간격으로 형성된 복수 개의 중공 내에 위치하는 복수 개의 전자석; 및 상기 복수 개의 전자석이 여자(勵磁)되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

자력회전장치{magnetic rotating device}

본 발명은 BLDC 전동기에 사용되는 자력회전장치에 관한 것이다.

일반적으로 전자모터로 불리고 있는 것은 전류를 흐르게 해서 전자력에 의해 회전구동력을 얻는 것으로, 전기에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 전자동력장치이다.

전자모터는 비교적 효율이 높고, 취급이 쉬운데다가 제어성도 좋다. 전원만 있으면 어디에서도 손쉽게 사용할 수 있고, 대출력의 것으로부터 소형의 것까지 만들 수 있는 데다가, 여러 가지 특성을 갖는 여러 가지 형식의 것이 있으며, 용도가 넓고, 가정에서 공장까지 광범위하게 사용되고 있다.

전자모터의 동작원리는 고전적인 전자력에 기초한 것이다. 즉, 자계중에서 자계와 직각방향으로 전류를 흐르게 하면, 플레밍의 왼손법칙에 의해 자계의 방향과 전류의 방향의 각각에 직각방향으로 힘이 작용한다.

이 힘을 중 심축 둘레의 일정방향의 회전력이 되도록 자계와 전류의 상대적인 방향 관계를 동일하게 유지하도록 전류의 방향을 순차회전에 따라 전환하도록 하면, 동일방향으로의 회전이 계속된다는 것이다.

이러한 전자모터의 종류로는, 플레밍의 왼손법칙을 이용한 DC브러쉬모터와, 로터에 계자, 스테이터에 전기자 권 선을 설치하고, 홀센서, 보통 포토 다이오드(photo diode)를 이용하여 권선의 전류방향을 결정함으로써 브러쉬 형의 모터와 같은 특성을 갖도록 하는 브러쉬리스 직류모터(Brushless DC Motor; "BLDC"라고도 함)와, 변압기의 구조와 완전히 동일하며 1차측과 2차측이 분리되는 유도전동기(Induction Motor)와, 공기와 철은 자속을 흘리는 데 있어서 6000배의 차이를 보이고 이 원리를 이용하는 릴럭턴스 모터(Reluctance Motor)와, 스테핑모터 (Stepping Motor), 그리고 초음파 모터(Ultrasonic Motor), 직선 운동을 하는 리니어 모터(Linear Motor) 등 여러 가지 종류가 있으며, 각각 다른 특성과 용도를 갖고 있다.

한편, BLDC 전동기는 회전자측에 영구자석이 부착되어 자석에 의햐여 여자를 수행하는 동기 전동기의 일종이며, 기존 DC전동기에 비하여 보수 성이 우수하고 소음이 적고 속도제어가 용이하며 영구자석에 의한 자기 적 에너지 밀도가 높아 효율이 좋기 때문에 광학기기, 의료기기, 컴퓨터 주변기기 등에 널리 사용되고 있다.

BLDC 전동기는 구성방식에 따라 원판형(Axial type) 및 원통형(Radial type)으로 나눌 수 있으며, 원통형은 외전형(Outer-rotor type)과 내전형 (Inner-rotor)으로 나눌 수 있다. 일반적으로 회전자측은 계자자속을 만들어주기 위한 영구자석과 자속의 경로를 구성해주기 위한 회전자 철심 부로 구성된다.

원판형 전동기는 회전율을 저감시킬 필요가 있는 곳에서 많이 사용되 고 내전형은 외전형에 비하여 회전자의 외경이 작아지므로 관성모멘트를 작게 할 수 있어 제어상 용이하고 구조를 비교적 간단하게 구성할 수 있고 비교적 민감한 제어성이 요구되는 곳에 사용되고 외전형은 모터 내측에 회전자계를 형성하고 관성모멘트가 크고 정속도에 유리한 특징을 갖는다.

이에 본 발명은 있으며, 자성의 회전체와 전자석을 간단한 구조로 브러쉬가 필요 없어 견고하고, 유지 및 보수가 거의 필요없으며, 생산 단가가 저렴한 자력회전장치를 개시하고자 한다.

등록특허공보 제10-0816421호

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래의 문제점을 해결할 수 있는 자력 회전장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자력을 이용한 회전장치는 회전축; 상기 회전축에 관통된 상태로 고정 설치되며, 복수 개의 육각형 타입을 갖는 복수 개의 영구자석이 상기 회전축의 원주방향으로 감싸도록 제작된 원형 프레임을 포함하는 원통형 회전홀더; 상기 원통형 회전홀더에 일정 간격으로 형성된 복수 개의 중공 내에 위치하는 복수 개의 전자석; 및 상기 복수 개의 전자석이 여자(勵磁)되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 전자석은 상기 원통형 회전홀더의 일부 또는 전부에 직간접적으로 가해지는 외부 에너지를 받아 상기 회전축과 상기 원통형 회전홀더를 회전시킬 수 있도록 원주 방향을 따라 적어도 하나 이상이 설치되는 것을 특징으로 한다.

일 실싱예에서, 상기 제어부는 복수 개의 전자석 중 위치가 대칭되는 임의의 한쌍을 여자(勵磁)되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 원통형 회전홀더는 내부에 복수의 영구자석이 원주방향으로 일정간격 이격배치되고, 인접한 영구자석은 서로 다른 극성을 갖는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 영구자석은 육각형 형상이며, 양 끝단이 72°, 74°, 76°, 78°, 80° 중 어느 하나의 각을 갖는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 영구자석은 양 끝단이 기울기에 따라 자석 폭이 서로 다른 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 영구자석은 희토류(NdFeB)이며, 최대에너지적(20~50 MGOe), 잔류 자속밀도(1.1~1.45 T), 보자력(11~30 kOe)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자력을 이용한 회전장치는 초기 구동력의 동력 손실이 적어 고효율의 회전 토크(torque)를 발생시킬 수 있으며, 자성의 회전체와 전자석을 간단한 구조로 브러쉬가 필요 없어 견고하고, 유지 및 보수가 거의 필요없으며, 생산 단가가 저렴한 모터 및 발전기를 제공할 수 있다는 이점이 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 기본 개념을 설명하기 위한 도면으로, 도 1은 2개의 막대형 자석이 같은 극, 예컨대 N극이 서로 인접되게 수직방향으로 배치된 경우를 나타낸 예이고, 도 2는 2개의 막대형 자석이 같은 극, 예컨대 N극이 서로 인접되면서 서로 일정한 각도로 경사지게 배치된 경우를 나타낸 예이고, 도 3은 3개의 막대형 자석이 서로 동일한 극이 인접하게 배치된 경우를 나타낸 예이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자력회전장치의 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자력회전장치의 정면도이다.
도 6은 계자극 각도, 자석폭에 따른 코깅토크평균 변화를 나타낸 실험 결과 표이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다. 이하에서 설명하는 실시예는 본 발명의 하나의 바람 직한 구현예를 나타낸 것으로서, 이러한 실시예의 예시는 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 발명은 그 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양하게 실시할 수 있고, 이는 당업자에게 용이하게 이해 될 수 있는 것이다.

이하, 첨부된 도면들에 기초하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자력 회전장치를 보다 상세하게 설명하도록 한다.

먼저, 본 발명의 자력회전장치를 설명하기에 앞서, 본 발명의 기본 개념을 간략하게 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 개념을 설명하기 위한 예시도로서, 도 1은 2개의 막대형 자석이 같은 극, 예컨대 N극이 서로 인접되게 수직방향으로 배치된 경우를 나타낸 예시도로서, 도면에서 상측 자석의 N극에서 생성되는 자력을 A라 하고, 하측 자석의 N극에서 생성되는 자력을 A'라 하면, A와 A'는 서로 방향이 180도의 차이를 갖기 때문에 상측 및 하측 자석은 각각 B, B' 방향으로 힘을 받게 된다.

다음으로, 도 2는 2개의 막대형 자석이 같은 극, 예컨대 N극이 서로 인접되면서 서로 일정한 각도로 경사지게 배치된 경우를 나타낸 예시도로서, 도 2에서도 도 1과 마찬가지로 상측 자석의 N극에서 생성되는 자력을 A라 하고, 하측 자석의 N극에서 생성되는 자력을 A'라 하면, 이때 상측 및 하측 자석은 C방향으로 척력을 받게 된다.

즉, 자석 간에 미치는 척력 및 인력은 각 자석에서 생성되는 자력의 벡터합으로 해석될 수 있다.

다음으로, 도 3은 3개의 막대형 자석이 서로 동일한 극이 인접하게 배치된 경우를 나타낸 예시도로서, 상측 막대형 자석 과 중간 막대형 자석은 N극이 인접하게 배치되고, 중간 막대형 자석과 하측 막대형 자석은 S극이 인접하게 배치 되어 있다.

특히, 3개의 막대형 자석은 상호 일직선이 아닌 일정 경사각을 갖도록 배치되어 있다.

여기서, 도 3에서는 상측의 막대형 자석에 의해 중간 막대형 자석이 C1의 벡터힘으로, 하측의 막대형 자석에 의해 중간 막대형 자석이 C2의 벡터힘으로 척력을 받게 된다.

따라서, 도 3의 경우에는 중간 막대형 자석이 도 2의 하측 막대형 자석에 비하여 대략 2배의 척력을 받게 된다.

한편, 도 2에 있어서는 상측 및 하측 자석의 어느 한 극으로부터 방출되는 자력만을 이용하게 되므로 자력을 효율적으로 사용하는데 불리함이 있다. 또한, 상측의 자석으로서 전자석을 사용하는 경우에는 불필요한 전력 소모가 발생된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자력회전장치의 측면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자력회전장치의 정면도이고, 도 6은 계자극 각도, 자석폭에 딸느 코깅토크평균 변화를 나타낸 실험 결과 표이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자력회전장치(100)는 회전축(110)과, 회전축(110)과 연결된 원통형 회전홀더(120)와, 상기 원통형 회전홀더(120)의 중공부에 위치하는 복수 개의 전자석(130) 및 전자석(130)를 자화 및 자화강도를 조절하는 제어부(140)를 포함한다.

상기 회전축(110)은 후술하는 원통형 회전홀더(120)와 결합된 구성으로, 원통형 회전홀더와 전자석 간의 발생하는 인력 또는 척력으로 인하여 회전하는 구성일 수 있다.

다음으로, 원통형 회전홀더(120)는 상기 회전축(110)에 관통된 상태로 고정 설치되며, 복수 개의 육각형 타입을 갖는 복수 개의 영구자석이 상기 회전축(110)의 원주방향으로 배열되도록 제작된 원형 프레임을 포함하는 구성일 수 있다.

다음으로, 복수 개의 전자석(130)는 상기 원통형 회전홀더(120)에 형성된 중공부 내에 위치하며, 후술하는 제어부(140)의 전원 인가신호에 기초하여 상기 원통형 회전홀더 내이 영구자석과 다른 극성 또는 동일 극성을 갖도록 자화되는 구성일 수 있다.

한편, 복수 개의 전자석(130)은 회전축 대비 15도 ~ 20도 경사지게 배치될 수 있다.

다음으로, 제어부(140)는 상기 전자석(130)이 여자(勵磁)되도록 제어하는 구성일 수 있다.

이하에서는 각 구성의 구조 및 동작을 보다 상세하게 설명하도록 한다.

먼저, 원통형 회전홀더(120)는 원통형 프레임(121), 복수 개의 영구자석(122)을 포함한다.

상기 원통형 프레임(121)은 복수 개의 영구자석(122) 각각이 원주방향으로 일정간격 이격 배치되도록 수용할 수 있는 수용공간을 포함할 수 있다.

또한, 원통형 프레임(121)은 전자석이 배치될 수 있는 짝수 개의 중공부를 포함한다.

상기 복수 개의 영구자석 각각은 상기 원통형 프레임(121)에 형성된 수용공간에 삽입되며, 인접한 영구자석은 서로 다른 극성으로 배치된다. 가령, SN극-NS극, NS극-SN …형태로 배치된다.

그리고 영구자석의 수만큼 원주각을 균등하게 배분하여 배치된다.

한편, 복수 개의 영구자석은 육각형으로 제작되며, 양 끝단은 경사각을 갖는다. 양 끝단이 72°, 74°, 76°, 78°, 80° 중 어느 하나의 각을 포함한다.

상기 영구자석은 희토류(NdFeB)이며, 최대에너지적(20~50 MGOe), 잔류 자속밀도(1.1~1.45 T), 보자력(11~30 kOe)의 재원을 갖는 구성일 수 있다.

즉, 원주면에 대하여 수직방향이 아닌 일정한 경사각을 갖는다. 이에 따라 영구자석의 양 끝단은 원주면에 대하여 경사지게 배치된다.

이하에서는 영구자석이 경사지게 배치되는 이유를 간략하게 설명하도록 한다.

2개의 막대형 자석이 같은 극, 예컨대 N극이 서로 인접되게 수직방향으로 배치된 경우, 상측 자석의 N극에서 생성되는 자력을 A라 하고, 하측 자석의 N극에서 생성되는 자력을 A'라 하면, A와 A'는 서로 방향이 180도의 차이를 갖기 때문에 상측 및 하측 자석은 각각 B, B' 방향으로 힘을 받게 된다.

또한 2개의 막대형 자석이 같은 극, 예컨대 N극이 서로 인접되면서 서로 일정한 각도로 경사지게 배치된 경우, 상측 자석의 N극에서 생성되는 자력을 A라 하고, 하측 자 석의 N극에서 생성되는 자력을 A'라 하면, 이때 상측 및 하측 자석은 C방향으로 척력을 받게 된다. 즉, 자석간에 미치는 척력 및 인력은 각 자석에서 생성되는 자력의 벡터합으로 해석될 수 있다.

따라서, 영구자석에 척력 및 인력을 발생시키는 힘이 가해질 경우, 원통형 회전홀더(120)는 상술한 척력 및 인력의 크기에 비례하는 회전속도 및 회전토크를 제공받을 수 있다.

여기서, 복수 개의 영구자석은 예컨대 네오디뮴 등의 히토류계 영구자석과 같이 5,000 가우스 이상의 강력한 자력을 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 물론, 영구자석의 재질 등도 특정한 것 에 한정되지 않는다.

다음으로, 전자석(130)은 원통형 회전홀더(120)의 중공부 내에 배치되며, 후술하는 제어부(140)의 전원 전류 인가에 맞춰 자화되는 구성이다. 상기 전자석(130)은 2개의 다른 자극(N, S)을 발생한다.

다음으로, 제어부(140)는 전원(미도시)의 인가로 작동되며, 전자석(130)에 연결되어 전자석의 자화력을 제어하기 위한 것이다.

또한, 제어부(140)는 회전감지센서(미도시)의 감지신호에 기초하여 전원 전류를 전자석으로 인가하는 구성일 수도 있다.

한편, 상기 제어부(140)는 소정의 타이밍으로 전자석으로 전원 전류를 인가하고, 전자석(130)에 순차적으로 보내는 여자(勵磁)로 원통형 회전홀더(120)에 회전력을 부여하게 된다.

여기서, 회전축(110)은 양단 내측 중심에서 베어링을 매개로 회전 가능하게 설치되는 구성일 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 자력회전장치는 초기 구동력의 동력 손실이 적어 고효율의 회전 토크(torque)를 발생시킬 수 있으며, 자성의 회전체와 전자석을 간단한 구조로 브러쉬가 필요 없어 견고하고, 유지 및 보수가 거의 필요없으며, 생산 단가가 저렴한 모터 및 발전기를 제공할 수 있다는 이점이 있다.

전술된 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 자력회전장치
110: 회전축
120: 원통형 회전홀더
130: 전자석
140: 제어부

Claims (7)

1. 회전축;
   상기 회전축에 관통된 상태로 고정 설치되며, 복수 개의 육각형 타입을 갖는 복수 개의 영구자석이 상기 회전축의 원주방향으로 감싸도록 제작된 원형 프레임을 포함하는 원통형 회전홀더;
   상기 원통형 회전홀더에 일정 간격으로 형성된 복수 개의 중공 내에 위치하는 복수 개의 전자석; 및
   상기 복수 개의 전자석이 여자(勵磁)되도록 제어하는 제어부를 포함하는 자력회전장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 전자석는
   상기 원통형 회전홀더의 일부 또는 전부에 직간접적으로 가해지는 외부 에너지를 받아 상기 회전축과 상기 원통형 회전홀더를 회전시킬 수 있도록 원주 방향을 따라 적어도 하나 이상이 설치되는 것을 특징으로 하는 자력회전장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는
   복수 개의 전자석 중 위치가 대칭되는 임의의 한쌍을 여자(勵磁)되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 자력회전장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 원통형 회전홀더는
   내부에 복수의 영구자석이 원주방향으로 일정간격 이격배치되고, 인접한 영구자석은 서로 다른 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 자력회전장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 영구자석은
   육각형 형상이며, 양 끝단이 72°, 74°, 76°, 78°, 80° 중 어느 하나의 각을 갖는 것을 특징으로 하는 자력회전장치.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 영구자석은
   양 끝단이 기울기에 따라 자석 폭이 서로 다른 것을 특징으로 하는 자력회전장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 영구자석은 희토류(NdFeB)이며, 최대에너지적(20~50 MGOe), 잔류 자속밀도(1.1~1.45 T), 보자력(11~30 kOe)인 것을 특징으로 하는 자력회전장치.

Images