KR20050078514A - 자기유도 현상을 이용한 자기부상 차량 - Google Patents

Abstract

한 방향으로만 직선운동이 가능한 기존의 자기부상 열차의 단점을 보완하고 진보된 형태의 자기부상 평면 운동 시스템을 갖는 고속의 이송 장치인 자기부상 차량을 개발하고자하는 것이 본 발명의 목적이다. 영구자석이 부착된 회전체가 고속으로 회전할 때 전도체와 영구자석 간에 발생하는 부상력을 이용한다는 기능적인 면과, 부상력을 최대한으로 얻을 수 있도록 자기부상 장치를 최적화한다는 구조적인 면을 고안하고자 한다.

강한 자력을 갖는 영구자석과 또 다른 영구자석을 서로 다른 극을 가지며 중심으로부터 일정한 각도를 갖도록 배열하거나, 상기 영구자석 외에 그 이상의 자석을 다수개로 하여 중심으로부터 일정한 각도를 취하여 배열한 제 1 회전체를 가지며, 상기 제 1 회전체와 같은 개수의 영구자석을 같은 배열로 갖고 N극과 S극을 서로 마주보도록 구비한 제 2 회전체를 가지며, 상기 제 1회전체와 제 2 회전체를 서로 마주보도록 고정하는 특징으로 하여, 상기 회전체 사이에 같은 크기와 모양을 갖는 제 1 코일과, 제 2 코일과, 제 3 코일을 서로 근접하게 배치하여 고정체로 사용하고, 각각의 코일의 한쪽 끝은 공통으로 취합하며, 각각의 코일에 순차적으로 전류를 흘려주었을 때 상기 회전체의 영구자석들과 코일 사이에서 상호간에 발생하는 힘을 이용하여 회전체를 회전시키는 특징을 갖는다. 회전체가 회전할 때 이를 방해하려는 견인력이 부상력보다 상대적으로 작아지도록 회전체를 고속 회전시킴으로써 차량을 지면 역할을 하는 전도체로부터 부상시키게 한다. 이와 같이 부상된 자기부상 차량의 자유로운 평면운동을 위하여 또 다른 제 1 코일과 제 2 코일, 제 3코일의 다수의 쌍으로 구성된 솔레노이드를 가지며, 각각의 솔레노이드에 순차적으로 전류를 흘려주었을 때 솔레노이드에서 발생하는 자기장에 의해 도로에 해당하는 전도체에 유도전류가 발생하고, 이러한 전기역학적인 힘에 의하여 자기부상 차량의 평면운동을 가능하게 하는 특징을 갖는다. 이와 같이 본 발명에서 제안된 구조의 자기부상 차량은 별도의 회전 모터가 필요 없이 고속 회전이 가능한 회전체를 가지며, 자유로운 평면 직선운동과 회전운동이 가능하도록 하는 솔레노이드 장치를 갖는다. 이러한 자기부상 차량은 차세대 고속 교통수단으로의 역할을 수행할 수 있으며 반도체 제조라인과 같은 청정 환경에서의 물류 이송장비로서 뛰어난 수행능력을 발휘할 수 있을 것이다.

Description

자기유도 현상을 이용한 자기부상 차량{Magnetic Levitation Planar Transportation Vehicle Using Magnetic Induction}

본 명세서는 엔진과 크랭크축, 그리고 바퀴 등 기존 차량이 가지고 있는 동력 전달 장치를 대신하여 고속으로 회전하는 영구자석 휠을 갖는 자기부상 차량에 대한 것이다. 이는 자기 유도현상을 이용한 것으로 도 4에 도시된 바와 같이 전도체(101)와 영구자석(201)으로 구성된 시스템에서 전도체(101)는 고정자로, 영구자석(201)은 이동자로 표현된다. 고속으로 움직이는 영구자석(201)과 고정되어있는 전도체(101) 사이에는 자기 유도현상이 발생하고 이로 인하여 전도체(101)에 유도전류가 흐르게 된다. 이 때 전도체(101)와 영구자석(201) 사이에는 서로 간에 반발력에 의한 부상력(211)과 견인력(212)이 발생한다. 부상력(211)은 전도체(101)가 고정되어있는 경우 영구자석(201)을 뜨게 하려는 힘이고, 견인력(212)은 영구자석(201)이 움직이는 방향(213)에 반하여 작용하는 힘이다. 영구자석(201)이 고속으로 움직이는 경우, 자석의 움직임을 방해하는 견인력(212)에 비하여 자석을 뜨게 하려는 부상력(211)이 커지게 되고, 자석의 하중보다 큰 부상력(211)이 발생하는 순간 영구자석(201)은 전도체(101)로부터 부상하게 된다.

도 5는 자기 유도현상을 이용한 자기부상 시스템 구성에 대한 개략도를 도시한 것이다. 이동자(203)는 영구자석을 N극(201)과 S극(202)을 교차로 배열하고, 고정자는 구리판이나 알루미늄판과 같은 전도체(101)로 구성한다. 영구자석을 N극(201)과 S극(202)으로 교차 배열하는 것은, 영구자석이 움직일 때 자기장의 변화를 코사인과 같은 주기함수의 형태로 만들기 위함이다. 이러한 주기함수 형태의 자기장은 자석이 움직일 때 도 6에 도시된 바와 같이 시간에 대한 자기장의 변화와 함께 움직이는 길이 방향(213)으로 자기장의 변화를 발생시킨다. 이러한 자기장의 변화가 고속으로 움직이는 이동자(203)를 고정자인 전도체(101)로부터 부상시키게 된다. 자석을 나란하게 나열한 것과 같은 원리를 도 7에 도시된 바와 같이 회전체에 적용할 수 있다. 영구자석 N극(4-a)과 S극(4-b)을 영구자석 하우징(2)의 중심으로부터 일정한 각도를 갖도록 배치하여 회전체를 회전시키면 도 6에 도시된 바와 같은 형태의 자기장의 변화가 발생한다. 이 때 하우징(2)의 중심으로부터 자석의 각도와 자석과 자석 사이의 각도는 각각 120°와 60°를 갖거나, 60°와 30°를 갖는다. 이러한 각도의 자석 배치는 도 6도에 도시된 바와 같이 코사인 형태의 자기장의 변화를 발생시키는데, 각도에 따라서 코사인 함수의 주기가 다르게 된다. 즉, 자석의 각도와 자석과 자석 사이의 각도가 각각 60°와 30°를 갖는 자석 배치는 120°와 60°를 갖는 것에 비하여 코사인 함수의 주기가 2배가 된다.

도 8은 영구자석(32)이 배치된 회전체(31)를 회전시키기 위하여 일반적인 회전모터(30)를 사용한 예를 나타낸다. 전도체로부터의 부상력을 크게 하기 위해서는 사용되는 모터(30)가 고출력을 가져야하므로 자기부상 차량에 적용할 때 상당한 부피를 차지하는 단점이 있다. 따라서 본 발명에서는 도 9에 도시된 바와 같이 전도체(101)와 마주보는 영구자석(4a, 4b)과 별도로 상부에 또 다른 영구자석(3a, 3b)을 결합하고, 그 사이에 U-V-W 공심 코일(5)을 삽입하여 회전모터를 구현한 시스템을 제안한다. 상부자석(3a, 3b)을 추가함으로써 하부자석(4a, 4b) 윗부분과 상부자석(3a, 3b) 아랫부분의 자기장(210)의 세기를 극대화한다. 도 12에 도시된 바와 같이 결선된 U-V-W 코일(5)에 전류를 순차적으로 흘려주었을 때, 영구자석(3a, 3b, 4a, 4b)과 코일(5) 사이에 발생하는 로렌츠의 힘에 의하여 코일(5)은 접선 방향으로 힘을 받게 된다. 이 때 코일(5)을 자기부상 차량의 몸체(100)와 고정하면 상대적으로 영구자석(3a, 3b, 4a, 4b)이 힘을 받아 회전체(1, 2)가 중심으로부터 회전하게 된다. 도 10에 도시된 바와 같이 상부 회전체(1)와 하부 회전체(2)는 축(11)에 의하여 서로 결합되어 있으며, 트러스트 베어링(9)은 코일하우징(8)으로 고정된 코일(5)과 상부 및 하부 회전체(1, 2) 사이에 삽입되어 고속 회전을 유도한다. 전류가 흐를 때 코일(5)에서 발생하는 열은 회전체(1, 2)가 회전하면서 발생하는 바람에 의하여 자연 냉각 된다.

전도체(101)로부터 부상된 자기부상 차량의 평면 운동은 도 11에 도시된 바와 같이 내부에 철심(20a, 20b)을 갖는 솔레노이드(21a, 21b)로 구현된다. U-V-W로 구분되어 구성된 솔레노이드(21a, 21b)에 도 13에 도시된 바와 같이 순차적으로 전류를 흘려주면, 솔레노이드 전체에 있어서 자기장이 코사인의 형태를 갖게 되고, 전도체(101)에서 부상된 차량은 자기유도 현상에 의하여 평면 운동을 하게 된다.

현재까지 자기유도를 이용한 운송장치는 도 1, 도 2, 도 3에 도시된 바와 같이 자기부상 열차가 있으나, 이는 레일 위를 부상하여 한 방향으로만 진행하도록 구현된다. 본 발명에서 제안되는 자기부상 차량은 평면 위를 부상하여 이동하며, 직진 운동 및 회전 운동이 자유로운 특징을 가지고 있다. 고속의 운전이 가능하며, 지면으로부터의 마찰이 없고, 공해 발생이 없어 환경친화적인 특징을 갖는다. 일반적인 운송장치 뿐만 아니라 클린룸 등에서의 물류이송장치로도 적합하여, 반도체 제조 공정에서 탁월한 효과를 발휘할 수 있다.

본 발명에서 제안한 자기부상 차량은 기존의 자기 부상 열차와 달리 평면 운동이 가능하여 일반적인 운송장치로 활용할 수 있도록 고안되었다. 따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 구리나 알루미늄 같은 전도체로 도로를 구성하고 다수의 영구자석으로 구성되어 고속으로 회전하는 회전체를 여러 개 갖춘 자기부상 차량을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 회전체가 저속으로 회전하는 경우에 견인력이 회전체의 회전에 반하여 힘을 발생시켜 회전 속도가 떨어지는 현상이 발생하므로 높은 토크의 회전이 가능한 회전체를 설계 및 제작하여 견인력을 극복하여 고속으로 회전하는 구조를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 회전체를 구동하기 위해서는 회전모터가 필요한데, 회전체의 영구자석 배치를 마주 보도록 병렬로 구성하여 그 사이에 코일을 배치함으로써 별도의 회전 모터를 사용하지 않아 구조를 간단하게 할 수 있고, 높은 토크와 속도를 갖는 회전체를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 부상된 차량이 별도의 솔레노이드를 이용하여, 전도체와 솔레노이드 사이의 자기유도 현상에 의하여 코사인 형태의 자기장의 변화를 발생시켜줌으로써 부상된 차량을 자유롭게 이동할 수 있는 구조를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 자기부상 차량은, 다수의 영구자석을 일정한 간격을 갖도록 배치한 하부 회전체와 이와 마주보는 상부 회전체를 구비함과 동시에, 그 사이에 U-V-W 코일을 삽입하여 순차적으로 전류를 공급함으로써 회전체와 상대적인 회전력을 발생시키도록 함과 동시에, 회전체의 고속 회전을 통해 발생하는 부상력을 이용하여 전도체로부터 부상된 차량을 평면 운동을 구현하기 위하여 몸체에 다수의 솔레노이드를 구비함과 동시에, 이러한 회전체를 몸체에 다수 장착하여, 부상력을 극대화시키고, 원활한 평면운동을 가능하도록 하는 구조를 갖는 것을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 자기부상 차량에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 차량에 사용되는 회전체의 회전모터의 원리를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 차량에 사용되는 회전체의 분해 사시도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 차량의 구성을 나타낸 분해 사시도이다.

도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 자기부상 차량의 본체(100)는, 다수의 영구자석으로 구성된 상부 회전체(1)와 하부 회전체(2)와 그 사이에 코일(5)을 삽입하여 부상을 위한 구동장치로 구성하여 연결부(14)로써 몸체(100)에 다수개 장착하고, 직선 이동과 회전 이동을 위한 철심(20a, 20b) 솔레노이드(21a, 21b) 다수를 몸체에 장착하여 구성한다.

상기 회전체(1, 2)는 그 내부에 N극과 S극을 갖는 영구자석(3a, 3b, 4a, 4b)을 중심으로부터 일정한 간격을 갖도록 교차 배열하여 고정한다.

또한, 상기 회전체(1, 2)는 전도체(101)와 마주보는 하부 회전체(2)와, 하부 회전체(2)의 영구자석(4a, 4b)과 서로 다른 극이 마주보도록 영구자석(3a, 3b)을 배열한 상부 회전체(1)로 구성한다.

또한, 상기 회전체(1, 2)는 상부 회전체(1)와 하부 회전체(2) 사이에 회전력을 전달하기 위하여 U-V-W 코일(5)이 삽입되어 있다.

상기 코일(5)은 그 내부에 원활한 냉각을 위하여 다수의 홈이 파여 있는 방열판이 삽입되어 있다.

또한, 상기 회전체(1, 2)는 상부 회전체(1)와 코일(5)과 하부 회전체(2)의 원활한 회전을 위하여 두개의 트러스트 베어링(9)이 삽입되어 있다.

또한, 상기 회전체(2)는 연결부(14)를 통하여 다수가 몸체(100)에 고정되어, 큰 부상력을 발생시키도록 구성되어있다.

상기 솔레노이드(21a, 21b)는 내부에 다수의 철심(20a, 20b)이 삽입되어 있다.

또한 상기 솔레노이드(21a, 21b)는 자기 유도를 발생시키기 위하여 U-V-W 코일로 이루어져 있다.

또한 상기 솔레노이드(21a, 21b)는 신속한 평면 이동을 위하여 다수개가 몸체에 고정되어 있다.

그러면, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 의한 자기부상 차량의 동작과정을 첨부된 도 11 내지 도 13을 참조하여 더욱 자세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 회전체(1, 2)에 삽입된 U-V-W 코일(5)에 코사인의 형태를 갖도록 전류를 순차적으로 흘려준다.

이 때, 각각의 코일은 한쪽 끝이 서로 연결되어 있으며, 결국 전류를 흘렸을 때 반드시 두 개의 코일에 전류가 흐르게 된다.

도 9에 도시된 바와 같이 자기장(210)이 형성 되어있는 상하 회전체(1, 2)의 영구자석(3a, 3b, 4a, 4b)과 그 사이에서 전류가 흐르는 코일(5)에는 로렌츠 힘이 작용하게 되고, 코일이 접하는 부분에서 플레밍의 왼손 법칙에 의하여 자기장(210)의 방향과 전류 방향의 공통 법선인 회전체(1, 2)의 접선 방향으로 힘이 발생한다.

이 때, 코일(5)이 접하는 부분 외에서 발생하는 힘은 코일이 대칭으로 배열되어있기 때문에 모두 상쇄되고 오직 코일이 접하는 부분에서만 힘이 발생하며, 이 힘은 회전체(1, 2)를 회전시키려는 회전력으로 작용한다.

상기 코일(5)은 연결부(14)를 통하여 몸체(100)에 고정되어 있기 때문에, 상대적으로 회전체(1, 2)가 회전운동을 하며, 도 6에 도시된 바와 같이 회전체(1, 2)와 전도체(101) 사이에서 코사인 형태의 자기장의 변화를 발생시킨다.

이 때, 전도체(101)와 하부 회전체(2)에서 발생하는 자기장의 변화는 도 6에 도시된 바와 같고, 자기부상 차량을 전도체(101)로부터 부상시키려는 부상력(211)과, 회전체의 회전을 방해하려는 견인력(212)이 발생하며, 회전체(1, 2)가 고속으로 회전할수록 도 14에 도시된 바와 같이 견인력(212)에 비하여 부상력(211)이 상대적으로 커지게 되고, 원활한 부상이 이루어지게 된다.

상기 부상력(211)을 극대화하기 위하여 여러 가지 방법이 제기되는데, 상기 회전체(1, 2)와 같이 상하로 병렬 구조를 갖는 것과, 이러한 회전체(1, 2)를 다수개 몸체(100)에 부착하는 것과, 전도성이 좋은 전도체(101)를 지면에 설치하는 것과, 자력이 센 영구자석을 사용하는 것과 회전체(1, 2) 사이에 존재하는 코일(5)의 면적이 최대가 되도록 권선하는 것 등이 있다.

상기 부상된 자기부상 차량(100)의 평면 운동을 위하여, 도 11에 도시된 바와 같이 몸체(100)에 배치되어 부착된 철심(20a, 20b) 솔레노이드(21a, 21b)에 전류를 흘려준다.

이 때, 솔레노이드(21a, 21b)는 자기부상 차량(100)의 전후 이동 방향 구동용 솔레노이드(21b)와 좌우 측면 방향 구동용 솔레노이드(21a)로 각각의 방향에 독립적으로 구성된다.

상기 솔레노이드(21a, 21b)에는 각각 U-V-W 코일이 감겨있으며, 도 12에 도시된 바와 유사하게 각각의 코일의 한쪽 끝이 서로 연결되어 있으며, 결국 전류를 흘렸을 때 반드시 두 개의 코일에 전류가 흐르게 된다.

이 때, 상기 솔레노이드(21a, 21b)에는 도 13에 도시된 바와 같이 각각의 코일에 전류를 흘려주었을 때 코사인 형태의 유동적인 자기장의 변화를 가지며, 전도체(101) 사이에 자기 유도 현상에 의하여 부상된 차량(100)이 직선 운동 및 회전 운동을 구현하게 된다.

이상에서 상세하게 살펴본 바와 같이 본 발명에서 제안하는 자기부상 차량은 한 방향으로만 진행 가능한 자기부상열차의 한계를 극복하여, 지면으로 사용되는 전도체로부터 부상하여 직선 및 회전 운동을 자유롭게 하면서 지면과의 마찰 없이 고속의 이동을 가능하게 하는 시스템으로, 새로운 개념의 교통수단으로 사용할 수 있고, 반도체 제조 라인 등과 같은 청정 환경에서 운송 장비로써 탁월한 성능을 내는 등의 여러 효과를 갖는다.

도 1은 종래의 일 실시예에 따른 자기부상 열차의 작동 원리를 나타낸 도면,

도 2는 종래의 일 실시예에 따른 자기부상 열차의 레일 부분을 나타낸 사시도,

도 3은 종래의 일 실시예에 따른 자기부상 열차의 구조를 나타낸 도면,

도 4는 자기유도 현상의 개념을 나타낸 사시도,

도 5는 자기유도 현상을 이용한 자기부상 시스템을 개략적으로 나타낸 사시도,

도 6은 시간과 자석의 이동 방향에 대한 자기장 변화를 나타낸 그래프,

도 7은 다수의 영구자석을 배치한 회전체의 형태를 나타낸 도면,

도 8은 회전체 구동을 위하여 일반적인 모터를 사용한 예를 나타내는 사시도,

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 차량에 사용되는 회전체의 회전모터의 원리를 개략적으로 나타낸 사시도,

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 차량에 사용되는 회전체의 분해 사시도,

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 차량의 구성을 나타낸 분해사시도,

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 차량의 회전체에 사용되는 코일의 형상과 인가되는 전류의 신호를 나타내는 도면,

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 차량의 추진 장치인 솔레노이드에 전류를 순차적으로 흘렸을 때 발생하는 자기장의 형상을 개략적으로 나타낸 도면,

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 차량의 회전체의 회전속도에 따른 부상력과 견인력의 변화를 나타낸 그래프

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 상부 영구자석 하우징 2 : 하부 영구자석 하우징

3 : 상부 영구자석 4 : 하부 영구자석

5 : U-V-W 코일 9 : 트러스트 베어링

20 : 평면 이동을 위한 철심 솔레노이드 100 : 자기부상 차량 몸체

101 : 전도체 210 : 자기장

211 : 부상력 212 : 견인력

213 : 이동 방향

Claims (4)

1. 높은 전도도를 갖는 전도체를 지면에 깔고, 다수의 회전체를 고속으로 회전하여 전도체와 회전체 사이의 부상력을 이용하여 차량을 지면으로부터 부상시키고 자유로운 평면 및 회전운동을 구현하기 위하여 다수의 솔레노이드를 독립적으로 장착한 추진 장치를 갖는 것을 특징으로 갖는 자기부상 차량
2. 청구항 1에 있어서, 하나의 회전체가 자력이 센 다수의 영구자석을 N극과 S극의 일정한 간격으로 교대로 원형 배치한 하부 구조와, 상기의 하부 구조와 같은 형태를 가지며 하부 구조의 영구자석과 다른 극이 서로 마주보는 상부 구조를 갖고 상부 구조와 하부 구조를 서로 결합한 형태를 갖는 자기부상 차량
3. 청구항 2에 있어서, 회전체의 상부 구조와 하부 구조 사이에 코일을 삽입하여 전류를 흘려 발생하는 힘으로 회전 모터를 구현한 자기부상 차량
4. 청구항 3에 있어서, 회전체의 상부 구조와 하부 구조 사이에 삽입된 다수의 코일에 순차적으로 전류를 흘려주어 상부 및 하부 구조 내에 있는 영구자석과 코일 간의 로렌츠 힘으로부터 회전력을 발생시킴으로써 회전체에 별도의 모터를 부착할 필요가 없는 구조를 갖는 자기부상 차량