KR101783687B1 - 자기결합을 이용한 가변속 동력전달장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 자기결합을 이용한 가변속 동력전달장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모터와 부하의 동력연결에 자기결합 방식을 이용하여 전동기(모터)로 구동되는 부하의 가변속 운전을 용이하게 하기 위한 가변속 동력전달장치에 관한 것이다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
자기결합(Magnetic Coupling)을 통한 모터와 부하의 동력연결 방식을 적용함으로써 전자기적 방법으로 영구자석의 자력을 조절하여 전동기로 구동되는 부하의 회전속도를 자유자재로 조절할 수 있는 수단을 제공하여 전동기로 구동되는 시스템의 전력사용을 최소화 하며, 간단한 구조로 설치 및 유지보수 비용을 최소화할 수 있다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
자기결합(Magnetic Coupling)을 통한 모터와 부하의 동력연결 방식을 적용함으로써 전자기적 방법으로 영구자석의 자력을 조절하여 전동기로 구동되는 부하의 회전속도를 자유자재로 조절할 수 있는 수단을 제공하여 전동기로 구동되는 시스템의 전력사용을 최소화 하며, 간단한 구조로 설치 및 유지보수 비용을 최소화할 수 있다.
Description
본 발명은 자기결합을 이용한 가변속 동력전달장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모터와 부하의 동력연결에 자기결합 방식을 이용하여 전동기(모터)로 구동되는 부하의 가변속 운전을 용이하게 하기 위한 가변속 동력전달장치에 관한 것이다.
모터에 의해 구동되는 부하의 운전속도를 제어하는 방법으로는 전기식 방식과 기계식 방식으로 크게 나누어 볼 수 있다.
전기적인 방식으로는 인버터를 이용하는 방식이 있다.
인버터는 전동기에 공급하는 전압과 주파수를 변환시켜 속도를 제어하는 장치인데 전력 변환 과정에서 교류를 직류로 변환하는 컨버터 회로를 거치고 이를 다시 필요한 전압과 주파수로 변환하기 위한 인버터 회로를 거쳐 전동기에 전력을 공급하게 된다.
이러한 인버터방식은 기존 유도전동기를 간단하게 제어할 수 있고, 넓은 범위에서 무단계 가변속운전이 가능하며, 정밀한 속도제어가 가능하다는 등의 장점이 있으나, 설치비가 많이 들고, 내구성이 유체커플링에 비하여 낮으며, 유지보수가 어려운 등의 단점이 있다.
기계적인 방식으로는 유체커플링을 이용하는 방식이 있다.
유체커플링은 유체를 매개로 하여 입력축의 회전력을 출력축에 전달하는 동력전달요소이다. 즉, 유체커플링은 유체를 매개로 하는 동력전달 방식의 특성 때문에 충격과 비틀림 진동을 흡수하고 과부하 시 슬립(slip)을 일으켜 원활한 동력전달을 구현한다.
이러한 유체커플링 방식은 유체동력전달장치이므로 커플링의 마모가 없고, 내구성이 우수하며, 대용량에서 설치비가 경제적이라는 장점이 있으나, 저속시 동력손실이 크고(70%속도시:동력전달효율65%, 60%속도시:동력전달효율52%), 유체커플링에서 발생하는 손실(열) 을 냉각하기 위한 냉각장치 필요하며, 유체커플링 자체의 불규칙한 Slip에 따라 정밀한 속도제어가 어렵다는 단점이 있다.
본 발명에서 해결하려는 과제는 다음과 같다.
전동기(모터)로 구동되는 부하의 가변속 운전을 통해 전력낭비를 최소화하고, 운전속도를 자유자재로 조절하며, 설치 및 유지보수 비용을 절감하고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여,
중심에 부하축(110)이 결합되어 부하(100)와 연결되는 부하디스크부(120); 중심에 구동축(210)이 결합되어 모터(200)와 연결되는 구동디스크부(220)를 포함하여 구성되고,
상기 부하디스크부(120)는 강자성체이며 하단면에 다수의 부하디스크극(121a,121b,121c,...)과 도체수용슬롯(121ab,121bc,...)이 교번적으로 방사형을 이루며 형성된 부하디스크(121), 금속도체로서 상기 도체수용슬롯에 결합되어 폐회로를 형성하는 유도전류코일(123)을 포함하여 형성되되,
상기 유도전류코일(123)은 상기 도체수용슬롯(121ab,121bc,...)에 대응하여 구비되는 다수의 슬롯도체(123ab,123bc,...), 상기 슬롯도체(123ab,123bc,...)의 중심부를 향하는 일측단부에 접합되는 내주도체(123r), 상기 슬롯도체(123ab,123bc,...)의 타단부에 접합되는 외주도체(123s)를 포함하여 형성되며,
상기 구동디스크부(220)는 비자성체이며 중심이 구동축(210)과 결합된 비자성디스크(1226), 영구자석(223)과 자화철심(224)에 제어전류코일(225)이 권선된 전자석이 구비되는 요크(221)를 포함하여 형성되되,
상기 요크(221)는 강자성체이며 방사형으로 배열되어 하단면이 비자성디스크(1226) 상단면과 결합된 다수의 폴(221a,221b,221c,...), 상기 각 폴(221a,221b,221c,...)에 의해 구분되는 자석수용셀(221ab,221bc,...)을 포함하여 형성되고,
상기 각 자석수용셀(221ab,221bc,...)에 하나 이상의 영구자석 및 하나 이상의 전자석이 구비되며,
부하디스크극(121a,121b,121c,...)의 하단면은 부하자기결합면(122a,122b,122c,...), 방사형 폴(221a,221b,221c,...)의 상단면은 구동자기결합면(222a,222b,222c,...)으로서 부하디스크부(120) 하단에 구동디스크부(220)가 배치되되,
상기 부하자기결합면(122a,122b,122c,...)과 구동자기결합면(222a,222b,222c,...) 사이에 소정의 공극(air-gap)이 형성되도록 하여,
상기 제어전류코일(225)의 전류를 제어함으로써 동력전달속도를 조절함을 특징으로 하는 자기결합을 이용한 가변속 동력전달장치를 제시한다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
자기결합(Magnetic Coupling)을 통한 모터와 부하의 동력연결 방식을 적용함으로써 전자기적 방법으로 영구자석의 자력을 조절하여 전동기로 구동되는 부하의 회전속도를 자유자재로 조절할 수 있는 수단을 제공하여 전동기로 구동되는 시스템의 전력사용을 최소화 하며, 간단한 구조로 설치 및 유지보수 비용을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 부하디스크부(120)를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 구동디스크부(220)를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 가변속 동력전달장치 분해도.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 가변속 동력전달장치 투시도 및 결합도.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따라 부하디스크부(120)와 구동디스크부(220)가 결합된 단면도.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 결합모드에서 한 셀의 동작원리를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 비결합모드에서 한 셀의 동작원리를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 결합모드(상측 도면) 및 비결합모드(하측 도면)에서의 전체적인 동작원리를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 구동디스크부(220)를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 가변속 동력전달장치 분해도.
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 가변속 동력전달장치 투시도.
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 결합모드에서의 전체적인 동작원리를 나타낸 도면.
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 결합모드에서 한 셀의 동작원리를 나타낸 도면.
도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 결합모드(상측 도면) 및 비결합모드(하측 도면)에서의 전체적인 동작원리를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 구동디스크부(220)를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 가변속 동력전달장치 분해도.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 가변속 동력전달장치 투시도 및 결합도.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따라 부하디스크부(120)와 구동디스크부(220)가 결합된 단면도.
도 6은 본 발명의 제1실시예에 따른 결합모드에서 한 셀의 동작원리를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 비결합모드에서 한 셀의 동작원리를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 결합모드(상측 도면) 및 비결합모드(하측 도면)에서의 전체적인 동작원리를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 구동디스크부(220)를 도시한 도면.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 가변속 동력전달장치 분해도.
도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 가변속 동력전달장치 투시도.
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 결합모드에서의 전체적인 동작원리를 나타낸 도면.
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 결합모드에서 한 셀의 동작원리를 나타낸 도면.
도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 결합모드(상측 도면) 및 비결합모드(하측 도면)에서의 전체적인 동작원리를 나타낸 도면.
이하, 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 한 동일한 참조부호를 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.
본 발명을 먼저 요약하면 다음과 같다.
즉, 중심에 부하축(110)이 결합되어 부하(100)와 연결되는 부하디스크부(120);
중심에 구동축(210)이 결합되어 모터(200)와 연결되는 구동디스크부(220)를 포함하여 구성되고,
상기 부하디스크부(120)는,
강자성체 재질의 부하디스크(121)를 포함하여 형성되고,
상기 구동디스크부(220)는,
비자성체이며 중심이 구동축(210)과 결합된 비자성디스크(1226),
영구자석(223)과 자화철심(224)에 제어전류코일(225)이 권선된 전자석이 구비되는 요크(221)를 포함하여 형성되되,
상기 요크(221)는,
강자성체이며 방사형으로 배열되어 하단면이 비자성디스크(1226) 상단면과 결합된 다수의 폴(221a,221b,221c,...),
상기 각 폴(221a,221b,221c,...)에 의해 구분되는 자석수용셀(221ab,221bc,...)을 포함하여 형성되고,
상기 각 자석수용셀(221ab,221bc,...)에 하나 이상의 영구자석 및 하나 이상의 전자석이 구비되며,
부하디스크극(121a,121b,121c,...)의 하단면은 부하자기결합면(122a,122b,122c,...),
방사형 폴(221a,221b,221c,...)의 상단면은 구동자기결합면(222a,222b,222c,...)으로서,
부하디스크부(120) 하단에 구동디스크부(220)가 배치되되,
상기 부하자기결합면(122a,122b,122c,...)과 구동자기결합면(222a,222b,222c,...) 사이에 소정의 공극(air-gap)이 형성되도록 하여,
상기 제어전류코일(225)의 전류를 제어함으로써 동력전달속도를 조절함을 특징으로 하는 자기결합을 이용한 가변속 동력전달장치에 관한 것이다.
본 발명에 있어 상하좌우 등의 방향지시는 첨부된 도면을 기준으로 설명하기 위한 것이므로 발명의 구성과는 관계없음을 미리 밝혀둔다. 즉, 부하디스크부(120)가 하단에 구동디스크부(220)가 배치되는 구조를 기준으로 설명하나 이는 상대적인 위치관계이므로, 상기 배치는 구동디스크부(220)가 상부, 부하디스크부(120)가 하부에 위치하는 것과 같이 바뀔 수 있는 것이고, 도 4와 같이 축이 가로로 놓일 경우 부하디스크부(120)가 우측, 구동디스크부(220)가 좌측에 배치되는 등 유동적인 것인 바, 절대적인 위치구성을 한정하는 것이 아니다.
(동작원리)
도 5 내지 7을 참조하여 본 발명에 사용되는 동작원리를 먼저 설명한다.
설명의 편의를 위해 상기 각 극(혹은 추후 설명하는 폴)을 a, b, c 등으로 부호 정의할 때, 각 극(혹은 폴) 사이의 슬롯(혹은 셀, 자석 등)은 ab(a와 b폴 사이), bc(b와 c폴 사이) 등으로 부호 정의함을 밝혀둔다. 그 예시는 다음과 같다.
제1도체수용슬롯(121ab) 및 제1슬롯도체(123ab) : 제1부하극(121a)과 제2부하극(121b) 사이에 위치
제2도체수용슬롯(121bc) 및 제2슬롯도체(123bc) : 제2부하극(121b)과 제3부하극(121c) 사이에 위치
제1자석수용셀(221ab), 제1영구자석(223ab), 제1자화철심(224ab) 및 제1전류제어코일(225ab) : 제1폴(221a)과 제2폴(221b) 사이에 위치
제2자석수용셀(221bc), 제2영구자석(223bc), 제2자화철심(224bc) 및 제2전류제어코일(225bc) : 제2폴(221b)과 제3폴(221c) 사이에 위치
이 때, 각 부하자기결합면(122a,122b,122c,...)을 통칭해서 부하자기결합면(122), 각 구동자기결합면(222a,222b,222c,...)을 통칭하여 구동자기결합면(222), 각 영구자석(223ab,223bc,...)을 통칭하여 영구자석(223), 각 자화철심(224ab,224bc,...)을 통칭하여 자화철심(224), 각 제어전류코일(225ab,225bc,...)을 통칭하여 제어전류코일(225)이라 한다.
또한 도면에 표시된 ⊙와 ⓧ의 기호는 전류 흐름 방향을 표시하는 것으로서 다음과 같이 정의한다.
⊙ : 도면 기준으로 지면을 뚫고 나오는 방향
ⓧ : 도면 기준으로 지면을 뚫고 들어가는 방향
도 5를 참조하면 본 발명의 동작을 위한 기본적인 구성은 다음과 같다.
도면 상단의 강자성체인 부하디스크(121)와, 부하디스크(121) 중앙 하단에 유도전류가 흐를 수 있는 제1슬롯도체(123ab)와, 제1슬롯도체(123ab) 양측면에 강자성체 돌출부인 제1부하극(121a) 및 제2부하극(121b)이 구비되어 부하디스크부(120)를 구성한다.
각 부하극(121a,121b)의 하단에 강자성체인 제1폴(221a) 및 제2폴(221b)이 배치되되, 폴(221a,221b)의 상단면인 구동자기결합면(222a,222b)이 부하극(121a,121b)의 하단면인 부하자기결합면(122a,122b)과 소정의 공극(air-gap)을 두도록 한다. 각 폴(221a,221b)의 하단면은 비자성체인 비자성디스크(226)와 접합되고, 두 폴(221a,221b) 사이에 제1영구자석(223ab), 제1자화철심(224ab), 제1제어전류코일(225ab)이 구비된다. 제1영구자석(223ab)의 양극은 각 폴(221a,221b)에 접합되고, 제1영구자석(223ab) 하단에 제1자화철심(224ab)의 양단이 각 폴(221a,221b)에 접합되어, 제1자화철심(224ab)에 제1제어전류코일(225ab)이 권선된다.
상기와 같이 제1부하극(121a)과 제2부하극(121b) 사이 및 제1폴(221a)과 제2폴(221b) 사이의 구조는 제2부하극(121b)과 제3부하극(121c) 사이 및 제2폴(221b)과 제3폴(221c) 사이에서 반복된다. 특히 각 폴(221a,221b,221c,...) 사이의 구성 일체를 자석수용셀(221ab,221bc,...)로 정의하며, 제1자석수용셀(221ab)은 제1영구자석(223ab), 제1자화철심(224ab), 제1제어전류코일(225ab)을 포함한 구성을 의미한다.
본 발명은 자화철심(224)과 제어전류코일(225)로 구성되는 전자석이 구비되어, 제어전류코일(225)의 전류를 제어함으로써 동력전달속도를 조절할 수 있다.
제1자석수용셀(221ab)에서 제1제어전류코일(225ab)의 전류 흐름에 따른 동작은 다음과 같다.
- 비결합상태 -
전자석의 제어전류코일(225)에 흐르는 전류를 한 폴(221)에 접합된 영구자석(223)의 극과 전자석의 자화철심(224)의 극이 반대로 형성되도록 제어할 경우 자속은 부하자기결합면(122)과 구동자기결합면(222) 사이의 공극(air-gap)에 형성된 상자성체인 공기보다 강자성체로 흐르려는 성질이 강하므로 영구자석(223)과 자화철심(224) 사이에 폐자로(closed-magnetic circuit)를 형성한다.(비결합경로)
즉 도 7을 참조하면, 제1폴(221a)에 제1영구자석(223ab)의 S극이 접합되는 경우, 제1자화철심(224ab)의 제1폴(221a)에 접합되는 극이 N극으로 형성되도록 제1제어전류코일(225ab)의 전류 방향을 제어한다.(제1자화철심(224ab)의 상부 도선은 ⓧ, 하부 도선은 ⊙) 이 때 자속의 경로는 다음과 같다.
비결합경로: 제1영구자석(223ab)의 N극 → 제2폴(221b) → 제1자화철심(224ab)의 S극 → 제1자화철심(224ab)의 N극 → 제1폴(221a) → 제1영구자석(223ab)의 S극
따라서 부하자기결합면(122a,122b)과 구동자기결합면(222a,222b) 사이에 자기결합이 형성되지 않으므로, 부하디스크부(120)와 구동디스크부(220)는 비결합상태(magnetically decoupled condition)가 된다.
- 결합상태 -
전자석의 제어전류코일(225)에 흐르는 전류를 한 폴(221)에 접합된 영구자석(223)의 극과 전자석 자화철심(224)의 극이 같게 형성되도록 제어할 경우 자속은 부하자기결합면(122)과 구동자기결합면(222) 사이의 공극(air-gap)을 관통하게 되어 영구자석(223)과 부하디스크(121) 사이(결합경로1) 및 자화철심(224)과 부하디스크(121) 사이(결합경로2)에 폐자로를 형성한다.
즉 도 6을 참조하면, 제1폴(221a)에 제1영구자석(223ab)의 S극이 접합되는 경우, 제1자화철심(224ab)의 제1폴(221a)에 접합되는 극이 S극으로 형성되도록 제1제어전류코일(225ab)의 전류 방향을 제어한다.(제1자화철심(224ab)의 상부 도선은 ⊙, 하부 도선은 ⓧ) 이 때 자속의 경로는 다음과 같다.
결합경로1: 제1영구자석(223ab)의 N극 → 제2폴(221b) → 제2구동자기결합면(222b) → → 공극 → 제2부하자기결합면(122b) → 제2부하극(121b) → 부하디스크(121) → 제1부하극(121a) → 제1부하자기결합면(122a) → 제1구동자기결합면(222a) → 제1폴(221a) → 제1영구자석(223ab)의 S극
결합경로2: 제1자화철심(224ab)의 N극 → 제2폴(221b) → 제2구동자기결합면(222b) → → 공극 → 제2부하자기결합면(122b) → 제2부하극(121b) → 부하디스크(121) → 제1부하극(121a) → 제1부하자기결합면(122a) → 제1구동자기결합면(222a) → 제1폴(221a) → 제1자화철심(224ab)의 S극
이렇게 형성된 폐자로에 의해 제1슬롯도체(123ab)에 유도전류가 흐른다.(⊙방향) 또한 제2부하자기결합면(122b)는 S극, 제1부하자기결합면(122a)는 N극이 형성되는 전자석 역할을 하게 된다. 따라서 부하자기결합면(122a,122b)과 구동자기결합면(222a,222b) 사이에 자기결합이 형성된다.
이와 같은 원리로 부하디스크부(120)와 구동디스크부(220)는 자기결합상태(magnetically coupled condition)가 된다.
상기 전류흐름을 제어하기 위한 제어장치(미도시)가 본 발명에 추가로 구비될 수 있고, 일반적인 전자석의 작동 원리와 같으므로 제어 방법, 전류 흐름에 따른 전자극 방향 등에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이상의 동작 원리를 토대로 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.
본 발명의 제1실시예는 단면형 실시예로서, 일직선 상에 중심축을 갖는 하나의 구동디스크부(220)와 하나의 부하디스크부(120)가 마주하여 자기결합되는 형태이며, 도 1 내지 8에 도시되어 있다. 제1실시예에서 상기 비자성디스크(226)는 구동디스크부(220)의 바닥면을 이루는 비자성디스크(1226)이며, 이는 도 2에서 확인할 수 있다.
본 발명의 제2실시예는 양면형 실시예로서, 일직선 상에 중심축을 갖는 하나의 구동디스크부(220)와 두 개의 부하디스크부(120,120')로 구성되어, 구동디스크부(220)의 양면에 부하디스크부(120)와 서브부하디스크부(120')가 마주하여 자기결합되는 형태이며, 도 9 내지 13에 도시되어 있다. 제2실시예에서 상기 비자성디스크(226)는 구동디스크부(220)의 중심폴을 이루는 비자성디스크(2226)이며 이는 도 9에서 확인할 수 있다.
(
제1실시예
)
본 발명인 자기결합을 이용한 가변속 동력전달장치는 크게 부하디스크부(120)와 구동디스크부(220)로 구성된다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 부하디스크부(120)를 도시한 도면이다. 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 부하디스크부(120)는 부하(100)와 연결되는 부하축(110)이 중심에 결합되고, 부하디스크(121), 유도전류코일(123)을 포함하여 형성된다.
상기 부하디스크(121)는 강자성체이며 일면에 다수의 부하디스크극(121a,121b,121c,...)과 도체수용슬롯(121ab,121bc,...)이 교번적으로 방사형을 이루며 형성된다. 즉, 도 1.을 기준으로 부하디스크(121)의 평평한 면을 아랫면이라 할 때, 윗면에 부하디스크 중심부(121z)를 기준으로 방사형으로 돌출된 부하디스크극(121a,121b,121c,...)이 형성된다. 상기 돌출된 각 부하디스크극(121a,121b,121c,...) 사이에 형성되는 홈이 도체수용슬롯(121ab,121bc,...)이 된다. 따라서 부하디스크(121)의 축을 z방향이라 하여 부하디스크(121)의 상하를 뒤집은 채 측면(x방향 또는 y방향)에서 바라보면 도 5의 상단에 위치한 부하디스크(121)와 같이 돌출부와 홈이 교번적으로 형성된다. 즉, 부하디스크(121)의 외주를 따라 돌출부인 제1부하극(121a), 홈인 제1도체수용슬롯(121ab), 돌출부인 제2부하극(121b), 홈인 제2도체수용슬롯(121bc), 돌출부인 제3부하극(121c), ... 이와 같은 구조가 반복된다.
유도전류코일(123)은 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 도체수용슬롯에 결합되어 폐회로를 형성하는 금속도체로서 외부 자기장에 의한 유도전류가 흐르며, 다수의 슬롯도체(123ab,123bc,...), 내주도체(123r) 및 외주도체(123s)로 구성된다.
슬롯도체(123ab,123bc,...)는 상기 각 도체수용슬롯(121ab,121bc,...)에 대응하여 구비되도록 방사형으로 놓인 직선 도체로서, 각 슬롯도체(123ab,123bc,...)의 중심부를 향하는 일측단부에 원형의 내주도체(123r)가 접합되고, 각 슬롯도체(123ab,123bc,...)의 타단부에 원형의 외주도체(123s)가 접합되어 바퀴형태의 폐회로를 형성한다.
앞서 동작원리 설명에서 언급했듯이 유도전류코일(123)은 자기결합모드에서 공극을 관통하여 형성된 자기장에 의해 유도전류가 흐르게 되어 슬롯도체(123ab,123bc,...) 주위로 자속경로를 형성하게 된다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 구동디스크부(220)를 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 구동디스크부(220)는 비자성디스크(1226)와 요크(221)로 구성된다.
비자성디스크(1226)는 비자성체로서 중심이 구동축(210)과 결합되며, 구동디스크부(220)의 바닥면을 이룬다.
요크(221)는 영구자석(223)과 자화철심(224)에 제어전류코일(225)이 권선된 전자석이 구비되는 부분으로, 강자성체 재질인 다수의 폴(221a,221b,221c,...)로 형성된다. 상기 각 폴(221a,221b,221c,...)은 비자성디스크 중심부(221z)를 기준으로 방사형으로 배열되어 하단면이 비자성디스크(1226) 상단면과 결합된다.
상기 각 폴(221a,221b,221c,...)에 의해 구분되는 영역을 자석수용셀(221ab,221bc,...)이라 하며, 각 자석수용셀(221ab,221bc,...)에는 하나 이상의 영구자석(223) 및 하나 이상의 전자석(224,225)이 구비된다.
본 실시예에는 제1자석수용셀(221ab)을 기준으로(도 6 참조) 자석수용셀 상단에 제1영구자석(223ab)의 S극이 제1폴(221a)에, N극이 제2폴(221b)에 접합되고, 제1영구자석(223ab) 하단에 전자석, 즉 양단이 폴(221a,221b)에 접합된 제1자화철심(224ab) 및 철심에 권선된 제1제어전류코일(225ab)이 위치한다.
다만 상기 영구자석과 전자석의 상하 위치관계는 도 14와 같이 바뀔 수 있으며, 같은 동작원리가 적용되므로, 전자석과 영구자성의 위치관계 및 수량을 한정하지 않음을 미리 밝혀둔다.
부하디스크극(121a,121b,121c,...)의 하단면은 부하자기결합면(122a,122b,122c,...), 방사형 폴(221a,221b,221c,...)의 상단면은 구동자기결합면(222a,222b,222c,...)으로서, 일정한 자속 경로가 형성될 수 있도록 평평한 절단면으로 형성함이 바람직하다.
부하디스크부(120) 하단에 구동디스크부(220)가 배치되되,
상기 부하자기결합면(122a,122b,122c,...)과 구동자기결합면(222a,222b,222c,...) 사이에 소정의 공극(air-gap)이 형성되도록 한다. 이와 같이 결합된 부하디스크부(120) 및 구동디스크부(220)의 외주를 따라 본 구조를 평면상에 도시한 것이 도 5와 8이다.
도 8을 참조하면, 각 자석수용셀(221ab,221bc,...)에 양 극이 요크의 폴(221a,221b,221c,...)에 결합되어 구비되는 영구자석(223ab,223bc,...)은 다수의 폴 중 어느 한 폴에 결합되는 두 영구자석의 극이 같도록 마주하여 배치한다. 즉, 제2폴(221b)에 결합되는 제1영구자석(223ab)과 제2영구자석(223bc)이 S극을 마주하여 결합되도록 배치되며, 제3폴(221c)에 결합되는 제2영구자석(223bc)과 제3영구자석(223cd)은 N극을 마주하여 결합되도록 배치된다. 이는 각 영구자석에 의해 형성되는 자속경로가 부하디스크극(121a,121b,123c,...)을 향하거나 또는 전자석의 자화철심(224ab,225bc,...)을 향하게 하기 위한 설계이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 가변속 동력전달장치 분해도이고, 도 4는 투시도 및 결합도이다. 도 3의 좌측에서부터 모터(200)와 구동축(210) 및 구동디스크부(220)가 결합되어 일체로 회전하고, 도 3의 우측에서부터 부하(100)와 부하축(110), 하우징(130), 부하디스크부(120), 하우징제2면(132), 베어링(140)이 결합되어 일체로 회전한다. 상세하게는 하우징(130)의 제1면(131) 중심에 부하축(110)이 결합되고, 하우징제1면(131) 좌측에 부하디스크부(120)가 결합된다. 하우징제2면(132) 중심에 베어링(140)이 구비되어 관통하는 구동축(210)을 지지한다.
즉, 도 4의 투시도(좌측)를 참조하면, 모터(200)의 구동속도(Vs)로 구동축(210)에 의해 구동디스크부(220)가 회전한다. 이 때 제어전류코일(225)의 전류를 결합모드로 제어할 경우 구동자기결합면(222)과 부하자기결합면(122)에서 자기결합하게 되어 구동디스크부(220)가 회전함에 따라 부하디스크부(120)도 회전하게 된다. 다만, 그 속도는 물리적으로 완전 결합된 것이 아닌 유체커플링과 같이 슬립이 발생하여 모터속도보다 떨어지게 된다. 도 8을 참조하면, 구동디스크부(220)의 회전속도 Vs에 대해 부하디스크부(120)의 회전속도는 Vs(1-s)가 된다.(s는 슬립)
각 자석수용셀(221ab,221bc,...) 당 제어전류코일(225ab,225bc,...)의 전류 제어를 개별적으로 하게 되면 구동자기결합면(222)과 부하자기결합면(122)에서 자기결합세기를 조절할 수 있다.
예를 들어 모든 자석수용셀(221ab,221bc,...)의 전자석이 결합모드로 동작하도록 제어전류코일(225ab,225bc,...)의 전류를 일정방향으로 흐르게 할 경우 모든 구동자기결합면(222a,222b,222c,...)과 부하자기결합면(122a,122b,122c,...)이 자기결합하게 되어 슬립이 덜 발생하게 된다(s1). 따라서 구동속도 Vs에 근접한 Vs(1-s1)의 속도로 부하를 회전시킬 수 있다.
또한 결합모드로 동작 중인 자석수용셀(221ab,221bc,...) 중 일부(221bc)의 전자석이 비결합모드로 동작하도록 제어전류코일(225bc)의 전류를 결합모드와 반대방향으로 흐르게 할 경우 해당 셀(221bc)의 구동자기결합면(222b,222c)과 부하자기결합면(122b,122c)의 자기결합이 해제되어 슬립이 더 발생하게 된다(s2, 이 때 s1<s2). 따라서 구동속도 Vs보다 훨씬 느린 Vs(1-s2)의 속도로 부하를 회전시킬 수 있다.
반면에 모든 자석수용셀(221ab,221bc,...)의 전자석이 비결합모드로 동작하도록 제어전류코일(225ab,225bc,...)의 전류를 결합모드와 반대방향으로 흐르게 할 경우 모든 구동자기결합면(222a,222b,222c,...)과 부하자기결합면(122a,122b,122c,...) 사이 자기결합이 해제되어 더 이상 모터(200)의 회전력이 부하디스크부(120)로 전달되지 않고, 부하(100)의 회전은 정지하게 된다.
다시 정리하면, 모터 회전속도 Vs, 부하 회전속도 Vs(1-s)라 할 때
모터(200), 구동축(210), 구동디스크부(220) : 일체로 Vs의 속도로 회전
부하(100), 부하축(110), 부하디스크부(120), 하우징(130), `
(
제2실시예
)
본 발명의 다른 실시예로 부하디스크부(120), 구동디스크부(220) 및 상기 부하디스크부(120)와 동일한 구조로 상하반전된 서브부하디스크부(120')를 더 포함하여 구성된다. 다만, 상기 서브부하디스크부(120')는 도 1의 (c)와 같이 중심에 구멍(120h')이 형성되어 구동축(210)이 관통하게 된다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 구동디스크부(220)를 도시한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 구동디스크부(220)는 비자성디스크(2226)와 요크(221)로 구성된다.
상기 비자성디스크(2226)는 비자성체로서 중심이 구동축(210)과 결합되며, 직경이 부하디스크(121)의 직경보다 작게 형성되어 구동디스크부(220)의 중심을 이룬다.
요크(221)는 영구자석(223)과 자화철심(224)에 제어전류코일(225)이 권선된 전자석이 구비되는 부분으로, 강자성체 재질인 다수의 폴(221a,221b,221c,...)로 형성된다. 상기 각 폴(221a,221b,221c,...)은 비자성디스크 중심부(221z)를 기준으로 방사형으로 배열되어 내측면이 비자성디스크(2226) 외측면과 결합된다.
상기 각 폴(221a,221b,221c,...)에 의해 구분되는 영역을 자석수용셀(221ab,221bc,...)이라 하며, 각 자석수용셀(221ab,221bc,...)에는 하나 이상의 영구자석(223) 및 하나 이상의 전자석(224,225)이 구비된다. 바람직하게는 도 12,13과 같이 두개의 영구자석(223,223')과 그 사이 하나의 전자석(224,225)으로 구비될 수 있다.
본 실시예에는 제1자석수용셀(221ab)을 기준으로(도 13 참조) 자석수용셀 상단에 제1영구자석(223ab)의 S극이 제1폴(221a)에, N극이 제2폴(221b)에 접합되고, 자석수용셀 하단에 제1서브영구자석(223ab')의 S극이 제1폴(221a)에, N극이 제2폴(221b)에 접합되며, 두 영구자석(223ab,223ab') 사이에 전자석, 즉 양단이 폴(221a,221b)에 접합된 제1자화철심(224ab) 및 철심에 권선된 제1제어전류코일(225ab)이 위치한다.
다만 상기 영구자석과 전자석의 상하 위치관계 및 수량이 바뀌어도 같은 동작원리가 적용되므로 이를 한정하는 것은 아니다.
부하디스크극(121a,121b,121c,...)의 하단면은 부하자기결합면(122a,122b,122c,...),
서브부하디스크극(121a',121b',121c',...)의 상단면은 서브부하자기결합면(122a',122b',122c',...),
방사형 폴(221a,221b,221c,...)의 상단면은 구동자기결합면(222a,222b,222c,...),
방사형 폴(221a,221b,221c,...)의 하단면은 서브구동자기결합면(222a',222b',222c',...)으로서, 일정한 자속 경로가 형성될 수 있도록 평평한 절단면으로 형성함이 바람직하다.
부하디스크부(120) 하단에 구동디스크부(220)가 배치되고, 구동디스크부(220) 하단에 서브부하디스크부(120')가 배치된다. 이 때,
상기 부하자기결합면(122a,122b,122c,...)과 구동자기결합면(222a,222b,222c,...) 사이에 소정의 공극(air-gap)이 형성되며,
상기 서브부하자기결합면(122a',122b',122c',...)과 서브구동자기결합면(222a',222b',222c',...) 사이에 소정의 공극(air-gap)이 형성되도록 한다. 이와 같이 결합된 부하디스크부(120), 구동디스크부(220) 및 서브부하디스크부(120)의 외주를 따라 본 구조를 평면상에 도시한 것이 도 12이다.
도 12를 참조하면, 각 자석수용셀(221ab,221bc,...)에 양 극이 요크의 폴(221a,221b,221c,...)에 결합되어 구비되는 영구자석(223ab,223bc,...,223ab',223bc',...)은 다수의 폴 중 어느 한 폴에 결합되는 네 개의 영구자석의 극이 같도록 마주하여 배치한다. 즉, 제2폴(221b)에 결합되는 제1영구자석(223ab), 제1서브영구자석(223ab'), 제2영구자석(223bc) 및 제2서브영구자석(223bc')이 S극을 마주하여 결합되도록 배치되며, 제3폴(221c)에 결합되는 제2영구자석(223bc), 제2서브영구자석(223bc'), 제3영구자석(223cd) 및 제3서브영구자석(223cd')은 N극을 마주하여 결합되도록 배치된다. 이는 각 영구자석에 의해 형성되는 자속경로가 상쇄되지 않도록 하기 위한 설계이다.
도 10은 본 발명의 제2실시예에 따른 가변속 동력전달장치 분해도이고, 도 11는 결합투시도이다. 도 10의 좌측에서부터 모터(200)와 구동축(210), 구동디스크부(220)가 결합되어 일체로 회전하고, 도 10의 우측에서부터 부하(100)와 부하축(110), 하우징(130), 부하디스크부(120), 서브부하디스크부(120'), 하우징제2면(132), 베어링(140)이 결합되어 일체로 회전한다. 상세하게는 하우징(130)의 제1면(131) 중심에 부하축(110)이 결합되고, 하우징제1면(131) 좌측면에 부하디스크부(120)가 결합된다. 하우징제2면(132) 우측면에 서브부하디스크부(120')가 결합되고, 하우징제2면(132) 중심에 베어링(140)이 구비되어 관통하는 구동축(210)을 지지한다.
즉, 도 11의 투시도를 참조하면, 모터(200)의 구동속도(Vs)로 구동축(210)에 의해 구동디스크부(220)가 회전한다. 이 때 제어전류코일(225)의 전류를 결합모드로 제어할 경우 구동자기결합면(222)과 부하자기결합면(122) 및 서브구동자기결합면(222')과 서브부하자기결합면(122')에서 자기결합하게 되어 구동디스크부(220)가 회전함에 따라 부하디스크부(120)와 서브부하디스크부(120')도 회전하게 된다. 다만, 그 속도는 물리적으로 완전 결합된 것이 아닌 유체커플링과 같이 슬립이 발생하여 모터속도보다 떨어지게 된다. 도 12를 참조하면, 구동디스크부(220)의 회전속도 Vs에 대해 부하디스크부(120) 및 서브부하디스크부(120')의 회전속도는 Vs(1-s)가 된다.(s는 슬립)
각 자석수용셀(221ab,221bc,...) 당 제어전류코일(225ab,225bc,...)의 전류 제어를 개별적으로 하게 되면 구동자기결합면(222)과 부하자기결합면(122) 및 서브구동자기결합면(222')과 서브부하자기결합면(122')에서 자기결합세기를 조절할 수 있다. 상세한 제어 방법은 제1실시예와 같은 원리이나, 도 13과 같이 구동자기결합면(222)과 부하자기결합면(122)에서의 결합과 같이 동작하는 서브구동자기결합면(222')과 서브부하자기결합면(122')에서의 결합이 추가된다. 따라서 제어전류코일(225ab,225bc,...)의 전류를 방향을 개별 제어하여 부하 회전속도를 조절하게 된다.
본 발명은 다음과 같은 효과를 발휘한다.
자기결합(Magnetic Coupling)을 통한 모터와 부하의 동력연결 방식을 적용함으로써 전자기적 방법으로 영구자석의 자력을 조절하여 전동기로 구동되는 부하의 회전속도를 자유자재로 조절할 수 있는 수단을 제공하여 전동기로 구동되는 시스템의 전력사용을 최소화 하며, 간단한 구조로 설치 및 유지보수 비용을 최소화할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
100 : 부하
110 : 부하축
120 : 부하디스크부
121 : 부하디스크
121a : 제1부하극
121ab : 제1도체수용슬롯
121b : 제2부하극
121bc : 제2도체수용슬롯
121c : 제3부하극
122 : 부하자기결합면
122a : 제1부하자기결합면
122b : 제2부하자기결합면
122c : 제3부하자기결합면
123 : 유도전류코일
123ab : 제1슬롯도체
123bc : 제2슬롯도체
123r : 내주도체
123s : 외주도체
130 : 하우징
131 : 하우징제1면
132 : 하우징제2면
140 : 베어링
200 : 모터
210 : 구동축
220 : 구동디스크부
221 : 요크
221a : 제1폴
221ab : 제1자석수용셀
221b : 제2폴
221bc : 제2자석수용셀
221c : 제3폴
222 : 구동자기결합면
222a : 제1구동자기결합면
222b : 제2구동자기결합면
222c : 제3구동자기결합면
223 : 영구자석
223ab : 제1영구자석
223bc : 제2영구자석
224 : 자화철심
224ab : 제1자화철심
224bc : 제2자화철심
225 : 제어전류코일
225ab : 제1제어전류코일
225bc : 제2제어전류코일
226 : 비자성디스크
1226 : 단면형 실시예의 비자성디스크
2226 : 양면형 실시예의 비자성디스크
110 : 부하축
120 : 부하디스크부
121 : 부하디스크
121a : 제1부하극
121ab : 제1도체수용슬롯
121b : 제2부하극
121bc : 제2도체수용슬롯
121c : 제3부하극
122 : 부하자기결합면
122a : 제1부하자기결합면
122b : 제2부하자기결합면
122c : 제3부하자기결합면
123 : 유도전류코일
123ab : 제1슬롯도체
123bc : 제2슬롯도체
123r : 내주도체
123s : 외주도체
130 : 하우징
131 : 하우징제1면
132 : 하우징제2면
140 : 베어링
200 : 모터
210 : 구동축
220 : 구동디스크부
221 : 요크
221a : 제1폴
221ab : 제1자석수용셀
221b : 제2폴
221bc : 제2자석수용셀
221c : 제3폴
222 : 구동자기결합면
222a : 제1구동자기결합면
222b : 제2구동자기결합면
222c : 제3구동자기결합면
223 : 영구자석
223ab : 제1영구자석
223bc : 제2영구자석
224 : 자화철심
224ab : 제1자화철심
224bc : 제2자화철심
225 : 제어전류코일
225ab : 제1제어전류코일
225bc : 제2제어전류코일
226 : 비자성디스크
1226 : 단면형 실시예의 비자성디스크
2226 : 양면형 실시예의 비자성디스크
Claims (3)
- 중심에 부하축(110)이 결합되어 부하(100)와 연결되는 부하디스크부(120);
중심에 구동축(210)이 결합되어 모터(200)와 연결되는 구동디스크부(220)를 포함하여 구성되고,
상기 부하디스크부(120)는,
강자성체 재질의 부하디스크(121)를 포함하여 형성되고,
상기 구동디스크부(220)는,
비자성체이며 중심이 구동축(210)과 결합된 비자성디스크(1226),
영구자석(223)과 자화철심(224)에 제어전류코일(225)이 권선된 전자석이 구비되는 요크(221)를 포함하여 형성되되,
상기 요크(221)는,
강자성체이며 방사형으로 배열되어 하단면이 비자성디스크(1226) 상단면과 결합된 다수의 폴(221a,221b,221c,...),
상기 각 폴(221a,221b,221c,...)에 의해 구분되는 자석수용셀(221ab,221bc,...)을 포함하여 형성되고,
상기 각 자석수용셀(221ab,221bc,...)에 하나 이상의 영구자석 및 하나 이상의 전자석이 구비되며,
부하디스크극(121a,121b,121c,...)의 하단면은 부하자기결합면(122a,122b,122c,...),
방사형 폴(221a,221b,221c,...)의 상단면은 구동자기결합면(222a,222b,222c,...)으로서,
부하디스크부(120) 하단에 구동디스크부(220)가 배치되되,
상기 부하자기결합면(122a,122b,122c,...)과 구동자기결합면(222a,222b,222c,...) 사이에 소정의 공극(air-gap)이 형성되도록 하여,
상기 제어전류코일(225)의 전류를 제어함으로써 동력전달속도를 조절함을 특징으로 하는 자기결합을 이용한 가변속 동력전달장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 부하디스크부(120)는,
강자성체이며 하단면에 다수의 부하디스크극(121a,121b,121c,...)과 도체수용슬롯(121ab,121bc,...)이 교번적으로 방사형을 이루며 형성된 부하디스크(121),
금속도체로서 상기 도체수용슬롯에 결합되어 폐회로를 형성하는 유도전류코일(123)을 포함하여 형성되되,
상기 유도전류코일(123)은,
상기 도체수용슬롯(121ab,121bc,...)에 대응하여 구비되는 다수의 슬롯도체(123ab,123bc,...),
상기 슬롯도체(123ab,123bc,...)의 중심부를 향하는 일측단부에 접합되는 내주도체(123r),
상기 슬롯도체(123ab,123bc,...)의 타단부에 접합되는 외주도체(123s)를 포함하여 형성되며,
각 자석수용셀(221ab,221bc,...)에 구비되는 영구자석(223ab,223bc,...)은 양 극이 요크의 폴(221a,221b,221c,...)에 결합되되,
다수의 폴(221a,221b,221c,...) 중 어느 한 폴(221b)에 결합되는 두 영구자석(223ab,223bc)은 같은 극이 마주하도록 배치되어,
상기 각 제어전류코일(225ab,225bc,...)에 흐르는 전류를 제어함으로써
부하디스크부(120)와 구동디스크부(220)의 자기 결합(magnetic coupling) 정도에 따른 동력전달속도를 조절함을 특징으로 하는 자기결합을 이용한 가변속 동력전달장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 부하디스크부(120)와 동일한 구조로 상하반전된 서브부하디스크부(120')를 더 포함하여 구성되고,
상기 비자성디스크(1226)는 비자성체이며 직경이 부하디스크(121)의 직경보다 작은 비자성디스크(2226)로서,
외측면은 상기 다수 폴(221a,221b,221c,...)의 중심부를 향하는 내측면과 결합되어,
부하디스크극(121a,121b,121c,...)의 하단면은 부하자기결합면(122a,122b,122c,...),
서브부하디스크극(121a',121b',121c',...)의 상단면은 서브부하자기결합면(122a',122b',122c',...),
방사형 폴(221a,221b,221c,...)의 상단면은 구동자기결합면(222a,222b,222c,...),
방사형 폴(221a,221b,221c,...)의 하단면은 서브구동자기결합면(222a',222b',222c',...)으로서,
부하디스크부(120) 하단에 구동디스크부(220)가 배치되고,
구동디스크부(220) 하단에 서브부하디스크부(120')가 배치되되,
상기 부하자기결합면(122a,122b,122c,...)과 구동자기결합면(222a,222b,222c,...) 사이에 소정의 공극(air-gap)이 형성되며,
상기 서브부하자기결합면(122a',122b',122c',...)과 서브구동자기결합면(222a',222b',222c',...) 사이에 소정의 공극(air-gap)이 형성되도록 하여,
상기 각 제어전류코일(225ab,225bc,...)에 흐르는 전류를 제어함으로써
부하디스크부(120)와 구동디스크부(220)의 자기 결합(magnetic coupling) 정도에 따른 동력전달속도를 조절함을 특징으로 하는 자기결합을 이용한 가변속 동력전달장치.
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| KR1020160005458A KR101783687B1 (ko) | 2016-01-15 | 2016-01-15 | 자기결합을 이용한 가변속 동력전달장치 |
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