KR970011504B1 - 영구 자석의 반발력으로 개선된 기능을 갖는 전동기 - Google Patents

Abstract

요약없슴

Description

영구 자석의 반발력으로 개선된 기능을 갖는 전동기

이때, 상기의 스템핑 모터는 그 회전력이 향상에 따라 높은 효율성을 얻기 위해서는 기구적 구조에 기인하는 일정한 한계가 제약 요건으로 작용한다는 문제점을 포함한다.

따라서, 순차적으로 반발 및 흡입력의 반복 작동에 따라 회전 동력의 크기가 충분히 확대될 수 있도록 배려되어야 한다.

상기의 필요 사항을 만족시키기 위하여 본 발명에서는 영구 자석의 전자석 극성을 순차적으로 바꾸어 줌으로써 자력선 분포에 의한 벡터합점의 이동을 유발시켜 반발, 흡입력에 따른 회전력이 동시에 작동될 수 있음에 착안되었다.

제1도는 본 발명에 따른, 고정자와 회전자의 구성을 도시한 사시도.

제2도는 제1도의 회로 구성도를 도시한 예시도.

제3도는 원통형 영구 자석의 내주면 자력선 분포와 회전자가 중심점이 아닌 곳에 위치할 경우에 회전자 막대 영구 자석이 이동되는 설명도.

제4도는 원통형 영구 자석의 내주면 중심점에 회전자가 위치하고, 선택적 전자석 코일에 전원을 인가할 경우 회전자 막대 영구 자석이 이동되는 설명도.

제5도는 제4도에서 다른 전자석 코일을 선택하여 전원을 인가할 경우 회전자 막대 영구 자석이 이동되는 설명도.

제6도는 본 발명의 다른 실시예에 의한 전자석 고정자의 정면도.

제7도에서 제16도까지는 본 발명의 작용 효과를 설명하기 위한 예시도로써,

제7도는 평판 영구 자석에 등방향 성층철심을 적층한 것에 코일을 감은 형태이고,

제8도는 원통형 영구 자석 안쪽 부분의 자계분포 상태도.

제9도는 원통형 영구 자석 안쪽에 원통형 철심을 적층한 상태에서 안쪽 부분의 자계분포 상태도.

제10도는 원통형 영구 자석에 원통형 철심을 적층한 형태의 모터 회로도.

제11도는 등방향 성층철심만에 코일을 감은 상태도.

제12도의 (A)는 철심만에 코일을 감아 전류를 변화시켰을 때 기자력 변화 현황도.

(B)는 평판자석에 철심을 적층하고 코일을 감아 전류를 변화시켰을 때 기자력 변화 현황도.

제13도는 원통형 철심판에 코일을 감은 모터의 회로도.

제14도의 (A)는 원통형 철심만에 의한 모터에서 전류의 변화에 대한 기자력 변화 및 토오크 변화도.

(B)는 원통형 영구 자석에 원통형 철심을 적층한 상태의 모터에서 전류에 대한 기자력 변화 및 토오크 변화도.

제15도의 (A)와 (B) 및 (C),(D),(E)는 원통형 영구 자석의 벡터합점의 이동 관계를 도시해 보인 설명도.

제16도의 (A)와 (B) 및 (C)는 전자석 고정자 코일에 흐르는 스위칭 전류를 설명하기 위한 예시 및 회로도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 영구자석2 : 전자석 고정자

3 : 전자석 코일4 : 회전자

5 : 막대 영구 자석

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은 원통형 영구 자석과 ; 상기 영구 자석의 내/외주면이 각각 반대될 수 있도록 동일 극성으로 착자되며, 착자된 내주면으로 동일 등분 간격의 상호 대향되도록 설치 고정되어 전자석 코일이 권취된 복수개의 전자석 고정자와 ; 상기 전자석 고정자의 중심점에 위치하여 막대 영구 자석이 고정된 회전자를 구비하되, 상기 막대 영구 자석의 돌출된 바깥면 극성이 원통형의 영구 자석 내주면 극성과 동일 극성을 유지토록 하며, 원통형의 영구 자석 외주면 극성과 동일 극성은 회전자와 인접되는 부분에 형성시키어 전자석 코일의 극성 변화에 따라 자력선 분포가 변화되게 함을 특징으로 한다.

이때, 고정자와 회전자를 상호 바꾸어 설치할 수 있는 있음도 물론이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

제1도는 본 발명에 따른 고정자와 회전자의 구성을 도시한 사시도이며, 제2도는 제1도의 회로 구성도를 도시한 예시도인바, 본 발명에 의하면 원통형의 영구 자석(1)을 제공함에 있어, 그 내주면이 동일 극성으로 착자되게 하며, 그 반대면인 외주면은 상기의 반대 극성을(예컨대 내주면이 N극이며, 외주면은 S극으로, 혹은 이와 정반대의 극성으로) 착자되게 한다.

이때, 착자된 영구 자석(1)의 내주면으로는 동일 등분 간격으로 상호 대향되게 설치 고정되어 전자석 코일(3)이 권취되는 복수개의 전자석 고정자(2)가 마련되는 것이고, 상기 전자석 고정자(2)의 중심점에 위치하여 막대 영구 자석(5)이 일측면으로 고정되는 회전자(4)가 구비된다.

따라서, 상기 막대 영구 자석(5)의 돌출된 바깥면 극성이 원통형의 영구 자석(1) 내주면 극성과 동일 극성을 유지(즉, 영구 자석의 내주면이 N극이면, 이와 가까이에 위치하는 막대 영구 자석의 선단부 역시 N극)토록 하며, 이와 반대로 원통형의 영구 자석(1) 외주면 극성과 동일 극성은 회전자(4)와 인접되는 부분에 형성되도록 한다.

제3도는 원통형 영구 자석의 내주면 자력선 분포와 회전자가 중심점이 아닌 곳에 위치할 경우에 회전자 막대 영구 자석이 이동되는 설명도인바, 원통형 영구자석(1)의 내주면 공간내 자력선 분포는 점선으로 표시된 바와 같으며, 그 형성된 자력 분포에서 막대 영구 자석(5)을 고정한 회전자(4)를 원의 중심점이 아닌 임의의 위치에 놓을 경우에 회전자(4)축은 회전하여 일점 쇄선과 같은 위치로 막대 영구 자석(5)이 이동된다.

제4도는 원통형 영구 자석의 내주면 중심점에 회전자가 위치하고, 선택된 전자석 코일에 전원을 인가할 경우 회전자 막대 영구 자석이 이동되는 설명도인바, 예컨대 3a, 3b, 3c의 전자석 코일이 설치되어 있을 경우에 3a, 3b의 전자석 코일에만 선택적으로 전원을 인가시키면 전자석 코일의 전류 작용에 의하여 자력선 분포는 점선에서와 같고, 막대 영구 자석(5)이 고정된 회전자(4)가 원의 중심점에 위치할 경우 일정 쇄선의 위치를 따라 이동됨을 확인할 수 있다.

한편, 제5도는 제4도에서 다른 전자석 코일을 선택하여 전원을 인가할 경우 회전자 막대 영구 자석이 이동되는 설명도로써, 3b, 3c의 전자석 코일에만 전류를 인가시킬 경우 원통형 영구 자석(1)의 내주면 자력선 분포는 점선과 같고, 따라서 회전자(4) 막대 영구 자석(5)이 일점 쇄선의 방향으로 이동된다는 점이다.

상기에서와 같이, 3a, 3b, 3c의 전자석 코일 극성이 순차적으로 바뀌어짐에 따라 회전자는 계속적으로 회전이 이루어지며, 제4도에서와 같은 전자석 코일의 극성이 되면 3a 전자석 N극과 회전자(4) 막대 영구 자석(5)의 N극과의 서로 반발되어 3b 전자석 쪽으로 반드시 돌아가게 된다.

상기의 원인으로는 자력선 분포에 의한 회전자(5) 막대 영구 자석(5)의 반발력 방향에 기인한다.

이와 같은 본 발명은 막대 영구 자석(5)이 회전하는 순간 3b 전자석의 S극과 회전자(4) 막대 영구 자석(5)의 N극은 상호 흡입력이 발생되어 보다 더 힘차게 회전될 수 있는 것이다.

따라서, 3a 전자석 앞쪽의 회전자(5) 막대 영구 자석(5)은 상기의 회전력에 따라 3b 전자석의 앞쪽으로 높이게 된다는 것이다.

또한, 제5도에서와 같은 전자석 코일의 극성이 되면 3b 전자석의 N극 때문에 회전자(5)의 막대 영구 자석(5)N극은 반발력에 의해 밀려나게 되는데, 이와 동시에 3c 전자석의 극성이 S극으로 됨으로 회전자(5) 막대 영구 자석(5)의 N극을 끌어당기는 힘을 줌으로 회전자(4)는 더욱 더 힘차게 회전하게 되며, 3a, 3b, 3c의 전자석 극성이 순차적으로 바꾸어지면 회전자(4)는 계속 회전하게 된다.

보다 상세하게 본 발명의 작용상태 원리를 설명하면, 제7도에서와 같이 평판 영구 자석의 N극쪽 면에 성층철심을 적층하고 코일을 감아 전류를 흘려주면 A쪽은 N극성으로 나타나고 B쪽은 S극성으로 나타나게 된다. 동시에 영구 자석의 자력선은 솔레노이드 코일내 임의의 점에 놓인 점자극이 나사 잔행방향으로 이동한다는 원리에 의해 방향이 90°로 구부러져서 영구 자석의 자력선과 전자력의 자화선이 합하여 모두 B쪽에서 A쪽으로 향하는 자회선이 되므로 A부분의 자력 세기는 철심에만 코일을 감아 전류를 흘렸을 때의 자력세기보다 크게 나타난다.

그러나 B쪽 부분은 전자력의 S극성과 영구 자석의 N극성과의 작용에 의해 자화선의 루프가 형성되므로 B쪽 단의 전자력의 세기는 약하게 나타난다.

제8도와 같이 원통형 내면을 N극성으로 하고 외면을 S극성으로 착자한 원통형 영구 자석 안쪽 부분의 중심점은 N극성의 반대극성에 가까운 극성 성격을 갖게 된다. 상기 이러한 원통형 영구 자석의 내부에 막대 자석의 S극을 축에 고정시킨 회전자 축은 자계의 중성점(여기서는 원통형 내부 중심점과 같음)이외 임의의 위치에 놓이면 막대자석 N극은 자계의 중성점 위치에 가까이 회전 이동하게 된다.

상기 원통형 영구 자석 내면에 순철을 원통형으로 넣어 제9도와 같이 만들어도 회전자 축을 중성점 이외 임의의 위치에 놓으면 막대자석 N극은 중성점에 가까이 회전 이동한다.

원통형 영구 자석 안쪽에 원통형 철심을 설치한 상태에서 제10도와 같이 코일을 감아 코일 A그룹, B그룹, C그룹에 순차적으로 전류를 흘려 주면(A그룹에 전류가 흐를 때, B그룹, C그룹은 전류가 흐르지 않고 B그룹에 전류가 흐를 때, A그룹, C그룹은 흐르지 않고 C그룹에 전류가 흐를 때, A그룹, B그룹은 전류가 흐르지 않게 함) 순차적으로 자화 되멸 자화된 자화선 방향은 제10도와 같이 갑극에서 을극쪽으로 향하는 자화선이 만들어 졌다가 병극에서 갑극쪽으로 향하는 자화선이 만들어지고 또 을극에서 병극쪽으로 향하는 자화선이 만들어지면서 원통형 영구 자석에서 나온 자력선의 방향을 90°로 회전하여 돌아가게 하므로 을극에 나타나는 N극성은 영구 자석의 자력과 코일의 전자력이 합하여 나타나므로 더욱 강한 자력의 작용을 하게되나 갑극에서는 자력이 다소 적게 나타날 수 있다.

또, 코일그룹에 전류를 순차적으로 흐르게 할 때 전류가 흐르게 되는 코일그룹 부분에서는 영구 자석 안쪽 벽면에서 나와 중심점으로 향하는 자력선이 없어지므로 원통형의 기하학적 중심점이 자기의 중심점이 되지 않는다. 또 갑극은 S극성의 작용을 하고 을극은 N극성의 작용을 하므로 원통형 내부 자계의 벡터합인 자기의 중성점은 갑극의 앞쪽이 된다. 이러한 상태에서 막대자석이 고정된 회전자 축을 원통형 중심 위치에 설치하면 회전자 막대자석 N극성은 갑극쪽으로 회전하게 될 것이다.

이때 회전력의 크기는,

① 고정자코일 그룹에 전류가 흐를 때 전자유도작용에 의해 고정자 자극단에 N극성 S극성이 형성되고 N극(을극)에서는 회전자 영구 자석 N극성을 반발하고 고정자 S극(갑극)에서는 회전자 영구 자석 N극성을 흡입하므로 회전자 축을 회전하게 하는 힘이 생긴다.

② 고정자코일 1그룹에 의한 전자력 때문에 원통형 영구 자석 안쪽 중앙부분의 자력평형이 깨지므로 원통형 영구 자석 내부자계의 벡터합인 자기의 중성점이 갑극 앞쪽으로 이동하므로 회전자 축은 회전하게 하는 힘이 생긴다.

상기한 2가지의 힘이 합하여 져서 작용하므로 원통형 영구 자석을 설치하지 않는 철심만의 전자석 의해 회전자 영구 자석을 회전하게 하는 힘보다 큰 회전력이 나타나리라고 본다.

제7도에 따른 실시예

U : 영구 자석과 성층철심이 접하지 않는 부분(안쪽 부분)

V : 영구 자석과 성층철심이 접하지 않는 부분(바깥쪽 부분)

제11도는 제12도의 (A)실험 장치 및 회로도

제7도는 (B)실험 장치 및 회로도

등방향 철심

가로 30mm, 세로 10mm, 두께 0.5mm, 장수 35장

코일

굵기 0.45mm, 권회수 510회, 저항값 4.8

훼라이트 평판 연구 자석

가로 30mm, 세로 10mm, 두께 5mm

자석세기 40,000가우스

① 실험장치 A와 B에 같은 전력의 전기를 공급할 때 즉, 인가전압과 전류의 크기를 같이 하였을 때 실험 장치 B상태가 A보다 기자력의 세기가 크게 나타났으나 전류가 점점 증가함에 따라 오히려 실험장치 A가 커졌음을 알게 되었다.

② 실험장치 B의 S극성 기자력은 전류의 증가에 따라 약간 감소하다 다시 증가 하지만 N극쪽 보다 적게 나타났다.

③ 전자석의 극단이 영구 자석 극성과 철심 전자석의 극성이 같게 나타나는 쪽은 자력의 세기가 크게 나타났지만 영구 자석 극성과 철심 전자석의 극성이 다르게 나타나는 쪽은 적게 나타났다.

④ 실험장치 B의 측정값은 U부분과 V부분의 차가 모두 커 각각 측정하였으나 기자력 크기는 평균값으로 하였다.

⑤ 실험 과정에서 온도의 변화에 대한 저항값 등의 특성 변화 관계는 고려하지 않았다.

제13도는 (C)실험장치 및 회로도이고, 제10도는 (D)실험장치 및 회로도이다. 원통형 영구 자석의 내경 50mm, 원통형 영구 자석의 내경 이용 반지름 6mm, 원통형 영구 자석 높이 6mm, 원통형 영구 자석 세기 55,000가우스, 회전자 영구 자석의 반지름 방향 길이 4mm. 회전자 영구 자석의 세기 50,0000가우스. 원통형 철심은 성층철심이 아니고 순철에 가까운 SK40을 공작기로 깎아서 만들었으며 (C)실험장치로, (D)실험장치의 철심 재료와 코일 등을 특성이 가급적 같도록 노력하였다.

① 회전자 축을 돌려주는 저울눈금의 크기는 실험결과 표 D의 값들이 표 C의 값들보다 크게 나타났다.

② 실험장치 C에서 전류의 변화에 대하여 N극과 S극의 자력 세기는 같은 값의 크기로 나타나리라 생각하였으나 S극쪽의 자력 세기가 약간 큰 값으로 나타났다.

③ 실험장치 표 D값들에 의하면 흡입력을 내게하는 S극성의 자력세기는 반발력을 내게하는 N극성의 자력 세기보다 작게 나타나지만 반발력을 내게하는 N극성 바로 밑에서 반발력 세기의 크기보다 흡입력을 내게하는 S극성 바로 밑에서 흡입력 세기의 크기가 크게 나타났다.

따라서, 본 발명에 의한 동력 발생 장치는 상호 대향 위치의 전자석 극성이 순차적으로 바꾸어지면서 앞의 자력선 분포에 의한 회전력과 반발 및 흡입력에 의한 회전력이 함께 작용함으로 회전 동력은 더욱 증가되어 보다 향상된 효율성을 구현할 수 있다.

본 발명은 동력 발생 장치에 관한 것으로, 특히 원통형의 영구 자석과, 상기 영구 자석의 내주면에 위치하여 상호 대향되도록 설치된 복수개의 전자석 고정자를 이용하여 그 중심점에 위치하는 회전자에 벡터합점의 이동에 따른 임의적인 회전력을 부여함으로 순차적이고도 효율성이 우수한 회전력의 발생이 구현될 수 있는 영구 자석의 반발력으로 개선된 기능을 갖는 전동기를 제공함에 있다

발명이 속하는 기술 분야 및 그 분야의 종래 기술

일반적으로, 순차적인 회전력을 발생시키기 위한 동력 발생 장치인 전동기의 하나로써 스텝핑 모터가 개시되어 있다.

상기 스템핑 모터의 가장 전통적인 구동 방법은, 이른바 펄스 입력에 작동하는 일종의 디지틀 전동기 방식의 채택으로 회전각도, 회전 속도는 입력된 펄스의 수나, 펄스 반복 레이트에 비례하여 정/역 방향을 구동된다는 것이다.

Claims (1)

1. 원통형 영구 자석과 ; 상기 영구 자석의 내/외주면이 각각 반대될 수 있도록 동일 극성으로 착자되며, 착자된 내주면으로 동일 등분 간격의 상호 대향되게 설치 고정되도록 전자석 코일이 권취된 복수개의 전자석 고정자와 ; 상기 전자석 고정자의 중심점에 위치하여 막대 영구 자석이 고정된 회전자를 구비하되, 상기 막대 영구 자석의 돌출된 바깥면 극성이 영구 자석의 내주면 극성과 동일 극성을 유지토록 하며, 영구 자석의 외주면 극성과 동일 극성은 회전자와 인접되는 부분에 형성시키어 전자석 코일의 극성 변화에 따라 자력선 분포가 변화되게 함을 특징으로 하는 영구 자석의 반발력으로 개선된 기능을 갖는 전동기.