WO2015115694A1 - 동축 마그네틱 기어 - Google Patents

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WO2015115694A1
WO2015115694A1 PCT/KR2014/001513 KR2014001513W WO2015115694A1 WO 2015115694 A1 WO2015115694 A1 WO 2015115694A1 KR 2014001513 W KR2014001513 W KR 2014001513W WO 2015115694 A1 WO2015115694 A1 WO 2015115694A1
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WO
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stator
permanent magnet
magnet
permanent magnets
magnetic
Prior art date
Application number
PCT/KR2014/001513
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English (en)
French (fr)
Inventor
장정환
신호민
Original Assignee
동아대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K49/00—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes
    • H02K49/10—Dynamo-electric clutches; Dynamo-electric brakes of the permanent-magnet type
    • H02K49/102—Magnetic gearings, i.e. assembly of gears, linear or rotary, by which motion is magnetically transferred without physical contact

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic gear that transmits power in a non-contact manner, and more particularly, an inner shaft and an outer shaft provided with permanent magnets on each of the inner and outer sides of the magnetic pole pieces are coaxially installed so that the torque of one of the shafts is changed to the other shaft.
  • a coaxial magnetic gear configured to transmit and rotate in opposite directions to each other.
  • the mechanical gear device has a structure in which power is transmitted by contact, and thus, frequent replacement is required due to noise, vibration, mechanical wear, etc. due to friction, and it has caused system uncertainty due to breakage due to overload. .
  • FIG. 7973441 has proposed a coaxial magnetic gear having a non-contact structure in which a rotor of an input side and an output side are positioned on the same axis and the power transmission unit is physically separated.
  • Figure 1 schematically shows the structure of such a coaxial magnetic gear of the US patent, wherein the coaxial magnetic gear has two rotors (1 and 2) that rotate in opposite directions and a pole piece (3) that causes magnetic field modulation (pole) -piece), the permanent magnet (4) is attached to the yoke surface of the inner and outer rotor (1 and 2) to generate a magnetic field.
  • an object of the present invention is to change the magnetization direction of the permanent magnet of the rotor, the magnetic flux leakage between the rotor and the stator by arranging the permanent magnet between the magnetic pole pieces of the rotor Minimization of the motor, thereby providing a high torque coaxial magnetic gear having a high transmission torque and capable of using a small amount of permanent magnets in the same size.
  • Coaxial magnetic gear for achieving the above object, a plurality of magnetic pole pieces made of a magnetic material is arranged in the circumferential direction at intervals and a ring-shaped stator to cause magnetic field modulation (modulation);
  • An inner rotor installed coaxially inside the stator and having a plurality of permanent magnets arranged along the circumferential direction on an outer circumferential surface thereof;
  • the magnet group of the outer rotor includes a first permanent magnet having a magnetizing direction radially inward, a second permanent magnet disposed on both sides of the first permanent magnet, and a magnetizing direction facing the first permanent magnet. It is characterized by including a permanent magnet.
  • the permanent magnet is preferably installed between the pole pieces of the stator.
  • a coaxial magnetic gear comprising: a hollow cylindrical stator in which a plurality of pole-pieces of magnetic material are arranged at intervals along an axial direction to generate magnetic field modulation; A cylindrical inner linear mover installed coaxially inside the stator and linearly moving along an axial direction, the plurality of permanent magnets being arranged along the axial direction on an outer circumferential surface thereof; Coaxially installed on the outer side of the stator to move linearly along the axial direction in the opposite direction to the inner linear mover, a plurality of magnet groups consisting of three permanent magnets on the inner circumferential surface is arranged at regular intervals along the axial direction A hollow cylindrical outer linear mover; The magnet group of the outer linear mover includes a first permanent magnet having a magnetizing direction radially inward, a second permanent magnet disposed at both sides of the first permanent magnet, and a magnetizing direction facing the first permanent magnet. It is characterized by including a permanent magnet.
  • Coaxial magnetic gear a plurality of magnetic pole pieces made of a magnetic material is arranged in a direction along one direction with a plate-shaped stator to generate a magnetic field modulation;
  • a first linear mover installed parallel to one side of the stator and linearly moving and having a plurality of permanent magnets arranged along one direction on a surface facing the stator; It is installed side by side on the other side of the stator to move linearly in the opposite direction to the first linear mover, a plurality of magnet groups consisting of three permanent magnets on the surface facing the stator arranged at regular intervals along one direction
  • a second linear mover in the form of a plate;
  • the magnet group of the second linear mover includes a first permanent magnet having a magnetizing direction toward the stator, a second permanent magnet disposed on both sides of the first permanent magnet and a magnetizing direction facing the first permanent magnet. It is characterized by including a permanent magnet.
  • the coaxial magnetic gear according to the present invention is composed of three permanent magnets each having a magnetizing direction of ⁇ ⁇ ⁇ on a rotor or a linear mover, and a magnet group having a magnetic flux concentrating structure is arranged at regular intervals, and between magnetic pole pieces of the stator. Permanent magnets are arranged in the to have an improved flux-focused structure, thereby obtaining a better power transmission performance.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a coaxial magnetic gear according to the prior art.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a coaxial magnetic gear according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a coaxial magnetic gear according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the coaxial magnetic gear according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a coaxial magnetic gear according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the coaxial magnetic gear according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the coaxial magnetic gear is a magnetic field modulation in which a plurality of magnetic pole pieces 11 made of magnetic material are arranged at intervals along the circumferential direction.
  • a stator 10 having a ring shape and a coaxially installed inside the stator 10 to rotate, and an inner rotor 20 having a plurality of permanent magnets 21 arranged on an outer circumferential surface thereof in a circumferential direction;
  • the magnet group 31 of the outer rotor 30 has a first permanent magnet (31a) toward the stator 10 toward the stator 10, the magnetization direction toward the inner circumferential surface magnetization direction, the first permanent magnet ( The second permanent magnet 31b and the third permanent magnet 31c which are disposed on both sides of 31a and whose magnetization direction is directed toward the first permanent magnet 31a, are included.
  • the stator 10 has a structure in which a plurality of pole-pieces made of ferromagnetic materials are arranged at regular intervals along the circumferential direction, and the pole pieces 11 are the inner rotor.
  • the permanent magnet 21 of the 20 and the magnet groups 31 of the outer rotor 30 interact with each other to cause magnetic field modulation to transfer the rotational force of the inner rotor 20 to the outer rotor 30.
  • the gear acts to transmit the rotational force of the outer rotor 30 to the inner rotor 20.
  • the inner rotor 20 is rotatably installed inside the stator 10, and a plurality of permanent magnets 21 are arranged on an outer circumferential surface facing the stator 10.
  • the permanent magnets 21 of the inner rotor 20 are installed in a structure in which the magnetization direction is arranged in the radial direction inward and those radially outward are alternately arranged.
  • the outer rotor 30 is installed coaxially with the stator 10 and the inner rotor 20 on the outside of the stator 10, a pair of first, second and third permanent magnets (31a, 31b, 31c)
  • the magnet group 31 is formed of a structure arranged at regular intervals along the circumferential direction.
  • the magnet group 31 is inserted into a concave slot formed at regular intervals on the inner circumferential surface of the outer rotor 30, and as described above, the magnet groups 31 of the outer rotor 30 are centered.
  • the magnetization direction of the first permanent magnet 31a of the radial direction inward, the second permanent magnet 31b and the third permanent magnet 31c disposed on both sides of the first permanent magnet 31a is tangent in the magnetizing direction Direction toward the first permanent magnet 31a in the center.
  • the magnet group 31 is configured as described above, three permanent magnets have a magnetic flux concentration structure, and thus the magnetic flux leakage through the gap between the stator 10 and the outer rotor 30 can be greatly reduced. .
  • the first, second, and third permanent magnets 31a, 31b, and 31c are arranged in line with each other, and the width W 1 of the first, second, and third permanent magnets 31a, 31b, and 31c is illustrated in FIG. 1.
  • the magnetization direction has a size smaller than the width (W 0 ) formed by the permanent magnet 4 facing radially inward and the permanent magnet 4 radially outward, thereby reducing the amount of permanent magnet used.
  • W 0 width
  • the coaxial magnetic gear of the present invention as described above operates as follows.
  • the inner rotor 20 or the outer rotor 30 When power is transmitted to the inner rotor 20 or the outer rotor 30 by the driving source, the inner rotor 20 or the outer rotor 30 rotates, the permanent magnet 21 of the inner rotor 20 ) Or the magnetic field of the magnet group 31 of the outer rotor 30 is modulated by the magnetic pole pieces 11 of the stator 10 to generate harmonic components corresponding to the extreme constants of the rotor of the counterpart, respectively.
  • the generated harmonic components rotate by generating torque in opposite directions with respect to the magnetic pole piece 11 located in the center through interaction with the magnetic field generated by the opposite rotor 20 or 30, respectively.
  • the gear ratio is determined by the maximum number of rotors, and they rotate at different speeds.
  • Figure 3 shows a second embodiment of the coaxial magnetic gear according to the present invention
  • the configuration of the coaxial magnetic gear of the inner rotor 20 and the outer rotor 30 is the same as the first embodiment described above.
  • a permanent magnet 12 having a magnetization direction radially inward is further installed between the plurality of magnetic pole pieces 11 formed on the stator 10, and thus, the magnetic pole pieces 11 are disposed between the magnetic pole pieces 11. The difference is that it fills the space.
  • the magnetic flux leakage can be further reduced, thereby improving the torque.
  • a plurality of magnetic pole pieces 11 are arranged at regular intervals, and a permanent magnet 12 is disposed between each magnetic pole piece 11 to completely fill the space between the magnetic pole pieces 11.
  • one permanent magnet 12 is disposed between two pole pieces 11 to form a pole piece group 13, and a plurality of pole pieces 13 are circumferentially arranged. It may be arranged arranged at regular intervals.
  • the permanent magnets 12 of the magnetic pole pieces group 13 are all magnetized in a radially inward direction.
  • Table 1 below shows the embodiments of the coaxial magnetic gear according to the present invention as described above, and the torque generated from the inner rotor 20 and the outer rotor 30 of the conventional coaxial magnetic gear shown in FIG. The result calculated by the analysis is shown.
  • Comparative Example 1 shows the inner rotor torque and the outer rotor torque in the conventional coaxial magnetic gear shown in Figure 1
  • Examples 1 to 3 are the first and second embodiments of Figures 2 to 4 Inner rotor torque and outer rotor torque in the coaxial magnetic gear according to the embodiment and the third embodiment are shown.
  • Example 1 Example 2
  • Example 3 Inner rotor torque (Nm) 4.84 (100%) 5.70 (117.8%) 6.65 (137.4%) 6.50 (134.3%)
  • Outer rotor torque (Nm) 26.63 (100%) 31.14 (116.9%) 36.09 (135.5%) 35.45 (133.1%)
  • a magnet group 31 composed of three permanent magnets is formed on the outer rotor 30, and a permanent magnet 12 is formed between the magnetic pole pieces 11 of the stator 10. In this case, it can be seen that a higher torque can be obtained than before.
  • the above-described embodiments of the coaxial magnetic gear of the present invention illustrate a structure in which the inner rotor 20 and the outer rotor 30 transmit power while rotating in opposite directions in each of the inner and outer sides of the stator 10.
  • a plurality of magnetic pole pieces 111 (pole-pieces) made of magnetic material in the hollow cylindrical stator 110 are arranged at intervals along the axial direction to cause magnetic field modulation.
  • a cylindrical inner linear mover 120 having a plurality of permanent magnets 121 arranged in the axial direction inside the stator 110 is installed to linearly move along the axial direction, and an inner circumferential surface outside the stator 110.
  • the coaxial magnetic gear has a structure in which a plurality of magnet groups 131 are arranged at a predetermined interval along the axial direction so that the hollow cylindrical linear linear mover 130 linearly moves along the axial direction. It may be.
  • the coaxial magnetic gear of this fourth embodiment also has a magnet group 131 of the outer linear mover 130 on both sides of the first permanent magnet 131a, the magnetizing direction of which is radially inward, and the first permanent magnet 131a.
  • the second permanent magnet 131b and the third permanent magnet 131c are disposed and have a magnetizing direction toward the first permanent magnet 131a.
  • a permanent magnet 112 is disposed between the magnetic pole pieces 111 of the stator 110 and the magnetization direction is radially inward.
  • the magnetic field of the permanent magnet of the linear mover 120 or 130 is modulated by the magnetic pole piece 111 of the stator 110.
  • the generated harmonic components generate thrust in opposite directions with respect to the magnetic pole pieces 111 located in the center through interaction with the magnetic field generated by the opposite linear movers 130 or 120, respectively.
  • the linear motion when any linear mover 120 or 130 moves in the axial direction, the magnetic field of the permanent magnet of the linear mover 120 or 130 is modulated by the magnetic pole piece 111 of the stator 110.
  • FIG. 6 illustrates a coaxial magnetic gear according to a fifth embodiment of the present invention, in which the stator 210 and the two linear movers 220 and 230 having a flat plate structure are arranged in opposite directions. It is configured to move linearly.
  • the coaxial magnetic gear of the fifth embodiment includes a stator 210 having a flat plate shape in which a plurality of magnetic pole pieces 211 made of magnetic material are arranged at intervals along one direction to generate magnetic field modulation;
  • a first linear mover 220 installed parallel to one side of the stator 210 and linearly moving and having a plurality of permanent magnets 221 arranged along one direction on a surface facing the stator 210;
  • a plurality of magnet groups installed side by side on the other side of the stator 210 and linearly moving in a direction opposite to the first linear mover 220 and having three permanent magnets on a surface facing the stator 210 ( 231 includes a second linear mover 230 in the form of a plate that is arranged at regular intervals along one direction.
  • the magnet group 231 of the second linear mover 230 has a first permanent magnet 231a having a magnetizing direction toward the stator 210 and the first permanent magnet 231a. It is disposed on both sides of the magnetizing direction has a magnetic flux concentrated structure including a second permanent magnet 231b and a third permanent magnet 231c toward the first permanent magnet (231a) side.
  • the magnetization direction is disposed toward the first linear mover 220 toward the permanent magnet 212 is further improved magnetic flux concentration structure.
  • stators 110 and 210 of the fourth and fifth embodiments have a structure in which permanent magnets 112 and 212 are formed between the magnetic pole pieces 111 and 211, as in the stator 10 illustrated in FIG. 4.
  • a structure in which a plurality of pole piece groups 13 in which one permanent magnet 12 is disposed between two pole pieces 11 is arranged at regular intervals may be applied.
  • the coaxial magnetic gear according to the present invention is composed of three permanent magnets 31, 131, and 231 having a magnetizing direction of ⁇ ⁇ ⁇ on the outer rotor 30 or the linear movers 130 and 230, respectively.
  • Magnet groups 31, 131, and 231 having a magnetic flux concentrating structure are arranged at regular intervals, and the permanent magnets 12, 112, and 212 between the magnetic pole pieces 11, 111, and 211 of the stators 10, 110, and 210. ) Is arranged to have a more improved flux-focused structure has the advantage of obtaining a better power transmission performance.
  • the coaxial magnetic gear of the present invention can be applied to a power transmission device for transmitting power.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dynamo-Electric Clutches, Dynamo-Electric Brakes (AREA)

Abstract

본 발명은 높은 전달 토크를 가지며 동일 크기 대비 소량의 영구자석을 사용할 수 있는 고 토크의 동축 마그네틱 기어에 관한 것으로, 본 발명에 따른 동축 마그네틱 기어는, 자성체로 된 복수개의 자극편이 원주방향을 따라 간격을 두고 배열되어 자계 변조(modulation)를 일으키는 링 형태의 고정자와; 상기 고정자의 내측에 동축상으로 설치되어 회전하며, 외주면에 복수개의 영구자석이 원주방향을 따라 배열되어 있는 내측 회전자와; 상기 고정자의 외측에 동축상으로 설치되어 상기 내측 회전자와는 반대방향으로 회전하며, 내주면에 3개의 영구자석으로 이루어진 복수개의 자석그룹이 원주방향을 따라 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 링 형태의 외측 회전자를 포함하며; 상기 외측 회전자의 자석그룹은 착자방향이 반경방향 내측을 향하는 제1영구자석과, 상기 제1영구자석의 양측에 배치되며 착자방향이 상기 제1영구자석 쪽을 향하는 제2영구자석 및 제3영구자석을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

동축 마그네틱 기어
본 발명은 비접촉 방식으로 동력을 전달하는 마그네틱 기어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자극편의 내측과 외측 각각에 영구자석을 구비한 내축과 외축이 동축상으로 설치되어 어느 한 축의 토크를 다른 한 축으로 전달하여 서로 반대방향으로 회전하도록 구성된 동축 마그네틱 기어에 관한 것이다.
일반적으로 기계식 기어 장치는 접촉에 의해 동력이 전달되는 구조를 가지므로 마찰에 의한 소음 및 진동, 기계적 마모 등으로 인하여 잦은 교체가 필요할 뿐만 아니라 과부하에 따른 이 부러짐 등으로 인하여 시스템의 불확실성을 초래하여 왔다.
이러한 문제를 해결하고자 미국 등록특허 제7973441호에서는 입력 측과 출력 측의 회전자가 동일 축 상에 위치하여 동력 전달부가 물리적으로 떨어진 비접촉 구조를 가지는 동축 마그네틱 기어가 제안되었다. 도 1은 이러한 미국 등록특허의 동축 마그네틱 기어의 구조를 개략적으로 나타낸 것으로, 동축 마그네틱 기어는 서로 반대방향으로 회전하는 2개의 회전자(1 및 2)와 자계 변조를 일으키는 자극편(3)(pole-piece)으로 구성되어 있으며, 내,외측 회전자(1 및 2)의 요크 표면에는 영구자석(4)이 부착되어 자계를 발생시킨다.
그러나 이와 같은 종래의 마그네틱 기어는 동력 발생부가 서로 비접촉 구조를 가지므로 고정부와 양쪽 회전자 사이에는 공극이 존재하게 되고, 이로 인한 누설자속의 발생으로 인해 기계식 기어에 비해 낮은 전달 토크를 가지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 회전자의 영구자석의 착자 방향을 변화시키고, 고장자의 자극편 사이에 영구자석을 배치하여 회전자와 고정자 간의 자속 누설을 최소화하고, 이로써 높은 전달 토크를 가지며 동일 크기 대비 소량의 영구자석을 사용할 수 있는 고 토크의 동축 마그네틱 기어를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따른 동축 마그네틱 기어는, 자성체로 된 복수개의 자극편이 원주방향을 따라 간격을 두고 배열되어 자계 변조(modulation)를 일으키는 링 형태의 고정자와; 상기 고정자의 내측에 동축상으로 설치되어 회전하며, 외주면에 복수개의 영구자석이 원주방향을 따라 배열되어 있는 내측 회전자와; 상기 고정자의 외측에 동축상으로 설치되어 상기 내측 회전자와는 반대방향으로 회전하며, 내주면에 3개의 영구자석으로 이루어진 복수개의 자석그룹이 원주방향을 따라 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 링 형태의 외측 회전자를 포함하며; 상기 외측 회전자의 자석그룹은 착자방향이 반경방향 내측을 향하는 제1영구자석과, 상기 제1영구자석의 양측에 배치되며 착자방향이 상기 제1영구자석 쪽을 향하는 제2영구자석 및 제3영구자석을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서 상기 고정자의 자극편들 사이에 영구자석이 설치됨이 바람직하다.
본 발명의 다른 한 형태에 따른 동축 마그네틱 기어는, 자성체로 된 복수개의 자극편(pole-piece)이 축방향을 따라 간격을 두고 배열되어 자계 변조를 일으키는 중공의 원통형의 고정자와; 상기 고정자의 내측에 동축상으로 설치되어 축방향을 따라 직선 운동하며, 외주면에 복수개의 영구자석이 축방향을 따라 배열되어 있는 원통형의 내측 선형이동자와; 상기 고정자의 외측에 동축상으로 설치되어 상기 내측 선형이동자와는 반대방향으로 축방향을 따라 직선 운동하며, 내주면에 3개의 영구자석으로 이루어진 복수개의 자석그룹이 축방향을 따라 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 중공의 원통형의 외측 선형이동자를 포함하며; 상기 외측 선형이동자의 자석그룹은 착자방향이 반경방향 내측을 향하는 제1영구자석과, 상기 제1영구자석의 양측에 배치되며 착자방향이 상기 제1영구자석 쪽을 향하는 제2영구자석 및 제3영구자석을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 한 형태에 따른 동축 마그네틱 기어는, 자성체로 된 복수개의 자극편이 일방향을 따라 간격을 두고 배열되어 자계 변조를 일으키는 평판 형태의 고정자와; 상기 고정자의 일측에 나란하게 설치되어 직선 운동하며, 고정자와 마주보는 면에 복수개의 영구자석이 일방향을 따라 배열되어 있는 제1선형이동자와; 상기 고정자의 다른 일측에 나란하게 설치되어 상기 제1선형이동자와는 반대방향으로 직선 운동하며, 상기 고정자와 마주보는 면에 3개의 영구자석으로 이루어진 복수개의 자석그룹이 일방향을 따라 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 평판 형태의 제2선형이동자를 포함하며; 상기 제2선형이동자의 자석그룹은 착자방향이 고정자 쪽을 향하는 제1영구자석과, 상기 제1영구자석의 양측에 배치되며 착자방향이 상기 제1영구자석 쪽을 향하는 제2영구자석 및 제3영구자석을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 동축 마그네틱 기어는 회전자 또는 선형이동자에 착자방향이 각각 →↓← 로 된 3개의 영구자석으로 구성되어 자속 집중형 구조를 갖는 자석그룹이 일정한 간격으로 배열되고, 고정자의 자극편 사이에 영구자석이 배치되어 더욱 향상된 자속 집중형 구조를 가짐으로써 더욱 우수한 동력전달 성능을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 따른 동축 마그네틱 기어의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 첫번째 실시예에 따른 동축 마그네틱 기어의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 두번째 실시예에 따른 동축 마그네틱 기어의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 세번째 실시예에 따른 동축 마그네틱 기어의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 네번째 실시예에 따른 동축 마그네틱 기어의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다섯번째 실시예에 따른 동축 마그네틱 기어의 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 동축 마그네틱 기어의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
참고로 이하의 도면에서 자석에 표시된 화살표는 착자방향을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 첫번째 실시예에 따른 동축 마그네틱 기어의 단면도로, 이 실시예의 동축 마그네틱 기어는 자성체로 된 복수개의 자극편(11)이 원주방향을 따라 간격을 두고 배열되어 자계 변조(modulation)를 일으키는 링 형태의 고정자(10)와, 상기 고정자(10)의 내측에 동축상으로 설치되어 회전하며 외주면에 복수개의 영구자석(21)이 원주방향을 따라 배열되어 있는 내측 회전자(20)와, 상기 고정자(10)의 외측에 동축상으로 설치되며 내주면에 3개의 영구자석으로 이루어진 복수개의 자석그룹(31)이 원주방향을 따라 일정한 간격을 두고 배열되어 상기 내측 회전자(20)와는 반대방향으로 회전하는 링 형태의 외측 회전자(30)를 포함한 구성으로 이루어진다.
여기서, 상기 외측 회전자(30)의 자석그룹(31)은 내주면에 착자방향이 반경방향 내측을 향하는, 즉 고정자(10) 쪽을 향하는 제1영구자석(31a)과, 상기 제1영구자석(31a)의 양측에 배치되며 착자방향이 상기 제1영구자석(31a) 쪽을 향하는 제2영구자석(31b) 및 제3영구자석(31c)을 포함한다.
상기 고정자(10)는 강자성체(ferromagnetic material)로 이루어진 복수개의 자극편(11)(pole-piece)들이 원주방향을 따라 일정한 간격으로 배열된 구조로 이루어져, 상기 자극편(11)들이 상기 내측 회전자(20)의 영구자석(21)과 상기 외측 회전자(30)의 자석그룹(31)들과 상호 작용하여 자계 변조를 일으킴으로써 내측 회전자(20)의 회전력을 외측 회전자(30)로 전달하거나, 외측 회전자(30)의 회전력을 내측 회전자(20)로 전달하는 기어 작용을 한다.
상기 내측 회전자(20)는 고정자(10)의 내측에 회전 가능하게 설치되며, 상기 고정자(10)와 마주보는 외주면에 복수개의 영구자석(21)들이 배열된다. 상기 내측 회전자(20)의 영구자석(21)들은 착자 방향이 반경방향 내측을 향하는 것들과 반경방향 외측을 향하는 것들이 교대로 배열된 구조로 설치된다.
상기 외측 회전자(30)는 고정자(10)의 외측에 고정자(10) 및 내측 회전자(20)와 동축상으로 설치되며, 제1,2,3영구자석(31a, 31b, 31c)의 쌍으로 이루어진 자석그룹(31)들이 원주방향을 따라 일정 간격으로 배열된 구조를 갖는다. 상기 자석그룹(31)은 외측 회전자(30)의 내주면에 일정 간격으로 형성되는 오목한 슬롯(slot) 내측에 삽입되며, 전술한 것과 같이 상기 외측 회전자(30)의 자석그룹(31)들은 가운데의 제1영구자석(31a)의 착자방향이 반경방향 내측으로 향하며, 제1영구자석(31a)의 양측에 배치되는 제2영구자석(31b) 및 제3영구자석(31c)은 착자방향이 접선방향으로 가운데의 제1영구자석(31a) 쪽을 향하게 된다. 이와 같이 자석그룹(31)을 구성하면, 3개의 영구자석들이 자속 집중형 구조를 갖게 되어 고정자(10)와 외측 회전자(30) 사이의 틈새를 통한 자속 누설을 대폭 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
상기 제1,2,3영구자석(31a, 31b, 31c)들은 서로 연접하여 일렬로 배열되며, 제1,2,3영구자석(31a, 31b, 31c)들이 이루는 폭(W1)은 도 1에 도시된 것과 같이 착자방향이 반경방향 내측을 향하는 영구자석(4)과 반경방향 외측을 향하는 영구자석(4)이 이루는 폭(W0)보다 작은 크기를 갖도록 되어 영구자석의 사용량을 절감하면서 더욱 우수한 회전 토크를 제공할 수 있는 이점이 있다.
상기와 같은 본 발명의 동축 마그네틱 기어는 다음과 같이 작동한다.
구동원에 의해 내측 회전자(20) 또는 외측 회전자(30)에 동력이 전달되어 내측 회전자(20) 또는 외측 회전자(30)가 회전하게 되면, 내측 회전자(20)의 영구자석(21) 또는 외측 회전자(30)의 자석그룹(31)의 자계가 고정자(10)의 자극편(11)에 의해 변조되어 각각 상대방의 회전자의 극상수에 해당하는 고조파 성분을 발생시킨다. 발생된 고조파 성분은 각각 반대편 회전자(20 또는 30)에 의해 발생된 자계와의 상호작용을 통하여 가운데에 위치한 자극편(11)을 기준으로 서로 반대 방향으로 토크가 발생하여 회전하게 되며, 각각의 회전자가 갖는 극상수에 따라 기어비가 결정되어 서로 다른 속도로 회전한다.
도 3은 본 발명에 따른 동축 마그네틱 기어의 두번째 실시예를 나타낸 것으로, 이 실시예의 동축 마그네틱 기어는 내측 회전자(20) 및 외측 회전자(30)의 구성은 전술한 첫번째 실시예와 동일하다. 다만, 이 두번째 실시예의 동축 마그네틱 기어는 고정자(10)에 구성된 복수개의 자극편(11) 사이사이에 착자방향이 반경방향 내측을 향하는 영구자석(12)이 더 설치되어 자극편(11) 사이의 공간을 메우도록 된 점에서 차이가 있다.
이와 같이 고정자(10)의 자극편(11) 사이에 착자방향이 반경방향 내측을 향하는 영구자석(12)이 설치되면, 자속 누설을 더욱 감소시킬 수 있어 토크를 더욱 향상시킬 수 있는 작용효과가 있다.
이 두번째 실시예에서는 복수개의 자극편(11)들이 일정한 간격으로 배치되고, 각각의 자극편(11) 사이마다 영구자석(12)이 배치되어 자극편(11) 사이의 공간을 완전히 메웠지만, 도 4에 도시된 세번째 실시예와 같이 2개의 자극편(11) 사이에 하나의 영구자석(12)이 배치되면서 자극편 그룹(13)을 형성하고, 이 자극편 그룹(13)이 복수개가 원주방향으로 일정한 간격을 두고 배열되어 구성될 수도 있다. 물론, 이 실시예에서 상기 자극편 그룹(13)의 영구자석(12)들은 모두 착자방향이 반경방향 내측을 향한다.
아래의 표 1은 전술한 본 발명에 따른 동축 마그네틱 기어의 실시예들과 도 1에 도시된 기존의 동축 마그네틱 기어의 내측 회전자(20)와 외측 회전자(30)에서 발생하는 토크를 유한요소해석을 통해 산출한 결과를 나타낸다. 아래의 표 1에서 비교예 1은 도 1에 도시된 기존의 동축 마그네틱 기어에서의 내측 회전자 토크 및 외측 회전자 토크를 나타내고, 실시예 1~3은 도 2 내지 도 4의 첫번째 실시예와 두번째 실시예 및 세번째 실시예에 따른 동축 마그네틱 기어에서의 내측 회전자 토크 및 외측 회전자 토크를 나타낸다.
표 1
비교예 1 실시예 1 실시예 2 실시예 3
내측 회전자 토크(Nm) 4.84(100%) 5.70(117.8%) 6.65(137.4%) 6.50(134.3%)
외측 회전자 토크(Nm) 26.63(100%) 31.14(116.9%) 36.09(135.5%) 35.45(133.1%)
유한요소해석 결과 도 3에 도시된 두번째 실시예의 동축 마그네틱 기어에서 내측 회전자 토크와 외측 회전자 토크가 최대인 것으로 확인되었으며, 세번째 실시예의 동축 마그네틱 기어가 그 다음으로 높은 토크를 출력하는 것으로 확인되었다.
이와 같은 유한요소해석 결과를 통해, 외측 회전자(30)에 3개의 영구자석으로 이루어진 자석그룹(31)이 구성되고, 고정자(10)의 자극편(11) 사이에 영구자석(12)이 구성될 경우에 기존보다 더욱 높은 토크를 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
한편 전술한 본 발명의 동축 마그네틱 기어의 실시예들은 고정자(10)의 내측과 외측 각각에서 내측 회전자(20) 및 외측 회전자(30)가 서로 반대방향으로 회전하면서 동력을 전달하는 구조를 예시하고 있으나, 도 5에 도시한 것과 같이 중공의 원통형의 고정자(110)에 자성체로 된 복수개의 자극편(111)(pole-piece)이 축방향을 따라 간격을 두고 배열되어 자계 변조를 일으키고, 상기 고정자(110)의 내측에 복수개의 영구자석(121)이 축방향을 따라 배열되어 있는 원통형의 내측 선형이동자(120)가 축방향을 따라 직선 운동하도록 설치되며, 상기 고정자(110)의 외측에는 내주면에 복수개의 자석그룹(131)이 축방향을 따라 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 중공의 원통형의 외측 선형이동자(130)가 축방향을 따라 직선 운동하도록 설치된 구조로 동축 마그네틱 기어가 구성될 수도 있다.
이 네번째 실시예의 동축 마그네틱 기어 역시 상기 외측 선형이동자(130)의 자석그룹(131)이 착자방향이 반경방향 내측을 향하는 제1영구자석(131a)과, 상기 제1영구자석(131a)의 양측에 배치되며 착자방향이 상기 제1영구자석(131a) 쪽을 향하는 제2영구자석(131b) 및 제3영구자석(131c)으로 구성된다.
그리고, 상기 고정자(110)의 자극편(111) 사이에는 착자방향이 반경방향 내측을 향하는 영구자석(112)이 배치된다.
이와 같이 구성된 동축 마그네틱 기어는 어느 한 선형이동자(120 또는 130)가 축방향으로 이동하면, 이 선형이동자(120 또는 130)의 영구자석의 자계가 고정자(110)의 자극편(111)에 의해 변조되어 고조파 성분을 발생시키고, 발생된 고조파 성분은 각각 반대편 선형이동자(130 또는 120)에 의해 발생된 자계와의 상호작용을 통하여 가운데에 위치한 자극편(111)을 기준으로 서로 반대 방향으로 추력이 발생하여 직선 운동하게 된다.
그리고 도 6은 본 발명의 다섯번째 실시예에 따른 동축 마그네틱 기어를 나타낸 것으로, 이 실시예의 동축 마그네틱 기어는 평판 구조로 이루어진 고정자(210)와 2개의 선형이동자(220, 230)가 서로 반대 방향으로 직선 운동하도록 구성된다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 이 다섯번째 실시예의 동축 마그네틱 기어는 자성체로 된 복수개의 자극편(211)이 일방향을 따라 간격을 두고 배열되어 자계 변조를 일으키는 평판 형태의 고정자(210)와; 상기 고정자(210)의 일측에 나란하게 설치되어 직선 운동하며, 고정자(210)와 마주보는 면에 복수개의 영구자석(221)이 일방향을 따라 배열되어 있는 제1선형이동자(220)와; 상기 고정자(210)의 다른 일측에 나란하게 설치되어 상기 제1선형이동자(220)와는 반대방향으로 직선 운동하며, 상기 고정자(210)와 마주보는 면에 3개의 영구자석으로 이루어진 복수개의 자석그룹(231)이 일방향을 따라 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 평판 형태의 제2선형이동자(230)를 포함한다.
전술한 다른 실시예들과 마찬가지로 상기 제2선형이동자(230)의 자석그룹(231)은 착자방향이 고정자(210) 쪽을 향하는 제1영구자석(231a)과, 상기 제1영구자석(231a)의 양측에 배치되며 착자방향이 상기 제1영구자석(231a) 쪽을 향하는 제2영구자석(231b) 및 제3영구자석(231c)을 포함하는 자속 집중형 구조를 갖는다.
또한 상기 고정자(210)의 자극편(211) 사이에는 착자방향이 제1선형이동자(220) 쪽을 향하는 영구자석(212)이 배치되어 더욱 향상된 자속 집중 구조를 갖는다.
상기 네번째 실시예와 다섯번째 실시예의 고정자(110, 210)는 자극편(111, 211) 사이사이에 영구자석(112, 212)이 구성된 구조를 갖지만, 도 4에 예시된 고정자(10)와 같이 2개의 자극편(11) 사이에 하나의 영구자석(12)이 배치된 자극편 그룹(13)이 복수개가 일정한 간격을 두고 배열된 구조가 적용될 수도 있을 것이다.
상술한 것과 같이 본 발명에 따른 동축 마그네틱 기어는 외측 회전자(30) 또는 선형이동자(130, 230)에 착자방향이 각각 →↓← 로 된 3개의 영구자석(31, 131, 231)으로 구성되어 자속 집중형 구조를 갖는 자석그룹(31, 131, 231)이 일정한 간격으로 배열되고, 고정자(10, 110, 210)의 자극편(11, 111, 211) 사이에 영구자석(12, 112, 212)이 배치되어 더욱 향상된 자속 집중형 구조를 가짐으로써 더욱 우수한 동력전달 성능을 얻을 수 있는 이점이 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
본 발명의 동축 마그네틱 기어는 동력을 전달하는 동력전달장치에 적용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 자성체로 된 복수개의 자극편(11)이 원주방향을 따라 간격을 두고 배열되어 자계 변조(modulation)를 일으키는 링 형태의 고정자(10)와;
    상기 고정자(10)의 내측에 동축상으로 설치되어 회전하며, 외주면에 복수개의 영구자석(21)이 원주방향을 따라 배열되어 있는 내측 회전자(20)와;
    상기 고정자(10)의 외측에 동축상으로 설치되어 상기 내측 회전자(20)와는 반대방향으로 회전하며, 내주면에 3개의 영구자석으로 이루어진 복수개의 자석그룹(31)이 원주방향을 따라 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 링 형태의 외측 회전자(30)를 포함하며;
    상기 외측 회전자(30)의 자석그룹(31)은 착자방향이 반경방향 내측을 향하는 제1영구자석(31a)과, 상기 제1영구자석(31a)의 양측에 배치되며 착자방향이 상기 제1영구자석(31a) 쪽을 향하는 제2영구자석(31b) 및 제3영구자석(31c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 마그네틱 기어.
  2. 자성체로 된 복수개의 자극편(11)이 원주방향을 따라 간격을 두고 배열되어 자계 변조(modulation)를 일으키며, 상기 고정자(10)의 자극편(11)들 사이에 영구자석(12)이 설치되는 링 형태의 고정자(10)와;
    상기 고정자(10)의 내측에 동축상으로 설치되어 회전하며, 외주면에 복수개의 영구자석(21)이 원주방향을 따라 배열되어 있는 내측 회전자(20)와;
    상기 고정자(10)의 외측에 동축상으로 설치되어 상기 내측 회전자(20)와는 반대방향으로 회전하며, 내주면에 3개의 영구자석으로 이루어진 복수개의 자석그룹(31)이 원주방향을 따라 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 링 형태의 외측 회전자(30)를 포함하며;
    상기 외측 회전자(30)의 자석그룹(31)은 착자방향이 반경방향 내측을 향하는 제1영구자석(31a)과, 상기 제1영구자석(31a)의 양측에 배치되며 착자방향이 상기 제1영구자석(31a) 쪽을 향하는 제2영구자석(31b) 및 제3영구자석(31c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 마그네틱 기어.
  3. 제2항에 있어서, 상기 고정자(10)는 2개의 자극편(11) 사이에 하나의 영구자석(12)이 배치된 자극편 그룹(13)이 복수개가 원주방향으로 일정한 간격을 두고 배열되어 구성된 것을 특징으로 하는 동축 마그네틱 기어.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 고정자(10)의 영구자석(12)은 모두 착자방향이 반경방향 내측을 향하는 것을 특징으로 하는 동축 마그네틱 기어.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자석그룹(31)의 제1,2,3영구자석(31a, 31b, 31c)은 서로 연접하여 일렬로 배열되는 것을 특징으로 하는 동축 마그네틱 기어.
  6. 자성체로 된 복수개의 자극편(111)(pole-piece)이 축방향을 따라 간격을 두고 배열되어 자계 변조를 일으키는 중공의 원통형의 고정자(110)와;
    상기 고정자(110)의 내측에 동축상으로 설치되어 축방향을 따라 직선 운동하며, 외주면에 복수개의 영구자석(121)이 축방향을 따라 배열되어 있는 원통형의 내측 선형이동자(120)와;
    상기 고정자(110)의 외측에 동축상으로 설치되어 상기 내측 선형이동자(120)와는 반대방향으로 축방향을 따라 직선 운동하며, 내주면에 3개의 영구자석으로 이루어진 복수개의 자석그룹(131)이 축방향을 따라 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 중공의 원통형의 외측 선형이동자(130)를 포함하며;
    상기 외측 선형이동자의 자석그룹(131)은 착자방향이 반경방향 내측을 향하는 제1영구자석(131a)과, 상기 제1영구자석(131a)의 양측에 배치되며 착자방향이 상기 제1영구자석(131a) 쪽을 향하는 제2영구자석(131b) 및 제3영구자석(131c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 마그네틱 기어.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고정자(110)의 자극편(111)들 사이에 영구자석(112)이 설치되는 것을 특징으로 하는 동축 마그네틱 기어.
  8. 제7항에 있어서, 상기 고정자(110)는 2개의 자극편(111) 사이에 하나의 영구자석(112)이 배치된 자극편 그룹이 복수개가 축방향으로 일정한 간격을 두고 배열되어 구성된 것을 특징으로 하는 동축 마그네틱 기어.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 고정자(110)의 영구자석(112)은 모두 착자방향이 반경방향 내측을 향하는 것을 특징으로 하는 동축 마그네틱 기어.
  10. 자성체로 된 복수개의 자극편(211)이 일방향을 따라 간격을 두고 배열되어 자계 변조를 일으키는 평판 형태의 고정자(210)와;
    상기 고정자(210)의 일측에 나란하게 설치되어 직선 운동하며, 고정자(210)와 마주보는 면에 복수개의 영구자석(221)이 일방향을 따라 배열되어 있는 제1선형이동자(220)와;
    상기 고정자(210)의 다른 일측에 나란하게 설치되어 상기 제1선형이동자(220)와는 반대방향으로 직선 운동하며, 상기 고정자(210)와 마주보는 면에 3개의 영구자석으로 이루어진 복수개의 자석그룹(231)이 일방향을 따라 일정한 간격을 두고 배열되어 있는 평판 형태의 제2선형이동자(230)를 포함하며;
    상기 제2선형이동자(230)의 자석그룹(231)은 착자방향이 고정자(210) 쪽을 향하는 제1영구자석(231a)과, 상기 제1영구자석(231a)의 양측에 배치되며 착자방향이 상기 제1영구자석(231a) 쪽을 향하는 제2영구자석(231b) 및 제3영구자석(231c)을 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 마그네틱 기어.
  11. 제10항에 있어서, 상기 고정자(210)의 자극편(211)들 사이에 영구자석(212)이 설치되는 것을 특징으로 하는 동축 마그네틱 기어.
  12. 제11항에 있어서, 상기 고정자(210)는 2개의 자극편(211) 사이에 하나의 영구자석(212)이 배치된 자극편 그룹이 복수개가 일방향으로 일정한 간격을 두고 배열되어 구성된 것을 특징으로 하는 동축 마그네틱 기어.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 고정자(210)의 영구자석(212)은 모두 착자방향이 제1선형이동자(220) 쪽을 향하는 것을 특징으로 하는 동축 마그네틱 기어.
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