KR20230105038A - 방사형 단방향 전류 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 방사형 단방향 전류 모터는 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌지 않고 항상 일정한 방향으로 흐름으로서, 코일 및 철심에서 발생하는 손실이 감소함으로서 효율이 높아지게 되는 것이다.

Description

방사형 단방향 전류 모터 {Radial type unidirectional current motor}

본 발명은 자기장의 방향이 반지름 방향인 방사형 모터로서, 더욱 상세하게는 영구자석과 직류 전류를 사용하는 방사형 모터에 관한 것이다.

종래의 모터는 자기장의 방향에 따라, 자기장의 방향이 축 방향인 축 방향 모터와 자기장의 방향이 반지름 방향인 방사형 모터로 구분할 수 있다.

또한, 사용하는 전기의 종류에 따라서 직류 모터와 교류 모터로 구분을 할 수 있다.

또한, 종래의 모터는 고정자와 회전자 모두가 전류에 의하여 자기장이 형성되는 유도 모터와, 영구자석을 이용하는 영구자석 모터로 구분을 할 수 있다.

이와 같은 종래의 모든 모터는 사용하는 전류의 종류와 관계없이, 코일에 흐르는 전류의 방향이 규칙적으로 변하는 구조이다.

종래의 모터는 사용하는 전기의 종류에 따라서 교류 모터와 직류 모터로 구분을 할 수 있다.

교류 모터의 경우에는 교류 전기의 위상에 따라서 모터의 코일에서 흐르는 전류의 방향이 바뀌게 된다.

또한, 직류 모터의 경우에도 정류자와 브러시에 의하여 모터의 코일에서 흐르는 전류의 방향이 바뀌게 된다.

이와 같이, 코일에서 흐르는 전류의 방향이 모터가 1회전 하는 동안 적어도 1번 이상 바뀌게 된다.

이는 3,000 RPM의 경우, 1분에 코일에 흐르는 전류의 방향이 적어도 3,000번 이상 변하는 것으로, 이로 인하여 열이 발생하고 이는 모터의 효율을 떨어트리는 큰 원인이 되고 있다.

이와 같이 종래 모터의 효율을 떨어트리는 손실의 종류를 구체적으로 구분하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 종래 모터의 효율을 떨어트리는 손실의 종류를 구분하여 보이기 위한 것으로서, 여기서 보이는 바와 같이 종래 모터의 효율을 떨어트리는 손실의 종류는 코일에서 발생하는 동 손실과 철심에서 발생하는 철 손실과 기계적인 손실로 구분 할 수가 있다.

코일에서 발행하는 동 손실은 사용하는 전기가 직류인 경우에 발생하는 직류 동 손실이 있으며, 이는 코일의 재료인 동 자체가 가지는 고유 저항에 의한 손실을 말한다.

그러나, 사용하는 전기가 교류인 경우에는 상기의 코일 자체의 고유저항에 의한 손실 이외에도 많은 추가적인 동 손실이 발생한다.

이와 같은 교류 동 손실로는 표피효과(skin effect)에 의한 손실과 근접효과(proximity effect)에 의한 손실과 회전 전류(circulating current)에 의한 손실을 들 수 있다.

상기의 표피효과에 의한 손실이란, 도선에 교류 전류가 흐를 때 도선의 바깥쪽으로 전류가 쏠리는 현상에 의해 도선 단면의 일부만이 사용되어지고, 이에 따라서 저항이 커지고 열이 발생함으로서 발생하는 손실이다.

이러한 현상은 전류 방향의 변동이 많아질수록 커진다.

또한, 근접효과에 의한 손실이란, 여러 가닥의 도선에 교류 전류가 흐르게 되면 도선 주위에 자기장이 생기고, 이 자기장이 인접한 도선에 흐르는 전류를 한쪽으로 몰리게 함으로서 저항이 커져 발생하는 손실이다.

또한, 회전 전류에 의한 손실이란, 도선에 흐르는 전류의 방향이 바뀔 때 인접한 도선에 회전 전류가 발생하는 현상으로 발생하는 손실이다

철심은 코일에 흐르는 전류에 의하여 발생하는 자기장에 의하여 자화가 되며, 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌면 철심은 반대의 극성으로 자화가 되는데, 이때 철심에서 발생하는 손실을 히스테리시스 손실(hysteresis loss)이라 한다.

또한 철심에는 도선에 흐르는 전류의 방향이 바뀜에 따라서 유도 전류가 흐르게 되며, 이 유도 전류 또한 방향이 바뀜에 따라서 와류 전류의 형태로서 열을 발생시키는 손실로서 나타나는데, 이를 와전류 손실이라 한다.

이와 같이, 종래의 모터는 코일에 흐르는 전류의 방향이 끊임없이 바뀜으로서, 전류의 방향이 바뀌지 않으면 발생하지 않을 추가적인 손실이 많이 발생함을 알 수 있다.

본 발명의 목적은 이와 같은 추가적으로 발생하는 손실을 줄임으로서 효율이 높은 모터를 제공하는 것이다.

상기의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 방사형 단방향 전류 모터는 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌지 않고 항상 같은 방향으로 흐르게 하는 것을 특징으로 한다.

이를 위하여, 계자에 구비되는 영구자석의 극성은 도 3에서 보이는 바와 같이 방사형의 단극으로 구성된다.

그리고, 계자는 전기자(30)를 기준으로 내측과 외측에 일정한 간격을 두고 2개가 구비되며, 내측 계자 영구자석(21)과 외측 계자 영구자석(11)의 극성은 서로 같은 극성이 마주보는 형태로 구비된다.

본 발명에 따른 방사형 단방향 전류 모터는 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌지 않고 항상 같은 방향으로 흐름으로서, 전류의 방향 변동으로 인한 동 손실과 히스테리시스 철 손실과 와 전류 손실이 발생하지 않음으로서 효율이 높고 열의 발생이 적게 된다.

또한, 철심을 사용할 필요가 없어서 경량화가 가능하며, 종래의 직류 모터에서 사용하는 정류자와 브러시가 필요 없으며, 또한 종래의 BLDC 모터에서 사용하는 컨트롤러가 필요 없어서 구조가 간단해진다.

도 1은 본 발명에 의한 방사형 단방향 전류 모터의 주요 부위를 보여주는 사시도,
도 2는 종래의 모터에서 발생하는 에너지 손실을 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명에 의한 방사형 단방향 전류 모터의 주요 부위를 보여주는 분해사시도,
도 4는 본 발명에 의한 방사형 단방향 전류 모터의 전기자를 설명하기 위한 부분 투과 사시도,
도 5는 본 발명에 의한 방사형 단방향 전류 모터의 전기자에 구비되는 외측 전기자 영구자석과 내측 전기자 영구자석의 관계를 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명에 의한 방사형 단방향 전류 모터의 회전 원리를 설명하기 위한 부분 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다.

도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시 예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다.

그 결과, 도해의 다양한 변경, 예를 들면 제조방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다.

따라서, 실시 예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.

따라서 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것도 아니다.

도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다.

본 발명에서는 전기를 투입하여 회전에너지를 발생시키는 모터에 대하여 규정하지만, 같은 원리이면서 반대로 회전 에너지를 전기로 변환시키는 발전기에도 적용할 수 있다.

따라서, 본 발명의 핵심적인 특징을 갖는 발전기에 대해서도 본 발명의 원리가 동일하게 적용되며, 권리 또한 동일하게 적용된다. .

본 발명에 의한 방사형 단방향 전류 모터는 코일에 흐르는 전류의 방향이 바뀌지 않고 항상 일정한 방향으로 흐름으로서, 코일 및 철심에서 발생하는 손실이 감소함으로서 효율이 높아지게 되는 것이다.

이를 위하여 본 발명에 의한 방사형 단방향 전류 모터는 도 3에서 보이는 바와 같이 2개의 계자와 1개의 전기자로 구성되어진다.

2개의 계자는 원통형의 영구자석으로서 방사형의 단극으로 자화된 것을 특징으로 한다.

그러나, 상기의 원통형의 영구자석은 다수의 영구자석으로 이루어질 수도 있다.

상기의 계자는 도 3에서 보이는 바와 같이 전기자(30)를 기준으로 전기자의 내측에 위치하는 내측 계자(20)와 전기자의 외측에 위치하는 외측 계자(10)로 구성되어지며, 서로 같은 극을 마주하고 위치한다.

그러나, 상기와 같이 내측 계자(20)와 외측 계자(10)가 서로 같은 극을 마주하고 위치하면 그 사이에는 자기장이 상쇄되어 자기장의 세기가 약해지게 된다.

이와 같이 계자의 자기장이 상쇄되는 것을 막기 위하여, 전기자에는 도 5에서 보이는 바와 같이 방사형의 단극으로 자화된 원통형의 영구자석 2개가 서로 같은 극성을 마주하며 내측과 외측에 구비되며, 이렇게 내측에 위치하는 내측 전기자 영구자석(32)과 외측에 위치하는 외측 전기자 영구자석(31)은 도 4에서 보이는 바와 같이 전기자 구조체(33)에 의하여 고정되어진다.

상기의 전기자 영구자석 또한 다수의 영구자석으로 이루어질 수도 있다.

그리고, 도 3과 도 4에서 보이는 바와 같이 코일(35)은 상기의 전기자 영구자석을 감싸며 전기자 구조체(33)에 한 방향으로 감긴다.

또한, 외측 계자 영구자석(11)의 극성과 외측 전기자 영구자석(31)의 극성은 서로 다른 극성이 마주하게 구성되어져야 하며, 내측 계자 영구자석(21)의 극성과 내측 전기자 영구자석(32)의 극성 또한 서로 다른 극성이 마주하게 구성되어져야 한다.

이렇게 함으로서, 코일에 작용하는 자기장의 세기가 감소하는 것을 방지할 수 있다.

도 6은 본 발명에 의한 방사형 단방향 전류 모터가 회전하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 6에서 보이는 바와 같이 코일(35)과 외측 전기자 영구자석(31)과 내측 전기자 영구자석(32)이 일체가 되어 전기자를 이루고, 이 전기자는 외측 계자 영구자석(11)과 내측 계자 영구자석(21) 사이에 위치하게 된다.

이때, 외측 계자 영구자석(11)과 외측 전기자 영구자석(31) 사이에는 아래로 향하는 자기장(41)이 생성되며, 그 사이에 위치한 코일(35)에 전류가 흐르면 이 코일은 시계 방향의 힘(42)을 받게 된다.

또한, 내측 계자 영구자석(21)과 내측 전기자 영구자석(32) 사이에는 위로 향하는 자기장(41)이 생성되며 그사이에 위치한 코일(35)에 전류가 흐르면 이 코일 또한 시계 방향의 힘(42)을 받는다.

따라서, 코일에 흐르는 전류의 방향이 변하지 않아도 한 방향으로 회전할 수 있음을 알 수 있다.

10 : 외측 계자
11 : 외측 계자 영구자석
20 : 내측 계자
21 : 내측 계자 영구자석
30 : 전기자
31 : 외측 전기자 영구자석
32 : 내측 전기자 영구자석
33 : 전기자 구조체
35 : 코일
40 : 전류의 방향
41 : 자기장의 방향
42 : 힘의 방향

Claims (1)

1. 방사형의 단극으로 자화된 원통형의 영구자석을 포함하여 구성되는 내측 계자와;
   상기의 내측 계자와는 일정한 간격을 두고 내측 계자의 외측에 구비되며, 방사형의 단극으로 자화된 원통형의 영구자석을 포함하여 구성되는 외측 계자와; 방사형의 단극으로 자화된 원통형의 외측 전기자 영구자석과, 상기 외측 전기자 영구자석의 내측에 일정한 간격을 두고 구비되는 방사형의 단극으로 자화된 원통형의 내측 전기자 영구자석과, 상기의 외측 전기자 영구자석과 내측 전기자 영구자석을 견고히 결합시키는 전기자 구조체와, 상기 외측 전기자 영구자석과 내측 전기자 영구자석을 감싸며 한 방향으로 감긴 코일을 포함하여 구성되는 전기자를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 방사형 단방향 전류 모터.

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