KR20100057785A - 코일이 독립적이고, 부품이 모듈형이며 자기베어링이 달린 전자기 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기와 발전기에 관한 것으로, 구체적으로는 구조와 동작이 새로운 전자기 기계에 관한 것이다. 본 발명은 전기모터 기능과, 발전기 기능과, 회전 변압기 기능을 발휘함은 물론, 회전형 기계가 아닌 선형 기계로 작동하기도 한다. 이때 본 발명의 기계는 AC 머신이나 DC 머신으로 동작한다. 이 기계는 움직이는 전자기장을 자석에 결합하여 흡력이나 반발력을 일으킨다.

Description

코일이 독립적이고, 부품이 모듈형이며 자기베어링이 달린 전자기 기계{ELECTROMAGNETIC MACHINE WITH INDEPENDENT REMOVABLE COILS, MODULAR PARTS AND SELF SUSTAINED PASSIVE MAGNETIC BEARING}

본 발명은 전동기와 발전기에 관한 것으로, 구체적으로는 구조와 동작이 새로운 전자기 기계에 관한 것이다.

Tu의 미국특허출원 2004/0135452에 소개된 평면 로터리 발전기는 자력선을 잘라 전류를 유도하기 위한 환상코일과, 나선코일에 평행하게 배향된 디스크형 자극을 구비한다. 이런 환상코일과 자극이 여러개라면, 교대로 배열된다. 환상코일과 디스크형 자극에는 투과재료가 없다. 환상코일이나 디스크형 자극이 외력에 의해 회전하면, 환상코일이 자력선을 지나면서 자력선을 잘라 유도전류를 일으킨다.

Neal의 미국특허출원 2002/0135263는 모터를 만드는데 사용된 고정자용으로 환상 코어를 형성하는 다수의 고정자 아치 구간들을 소개하고 있다. 환상코어에 있는 자극 둘레에 감긴 전선에 전류가 흐를 때 다수의 자기장이 생긴다. 상변화물질로 된 단일체가 도체를 감싸고 고정자 아치구간들을 환상코어 안에서 서로 접촉상태로 고정한다. 이 모터를 이용한 하드디스크 드라이브와, 모터와 하드디스크 드라이브를 제조하는 방법도 소개되어 있다.

Rose의 미국특허 6803691에 소개된 전기기계는 회전축에 설치되고 2개의 측면을 갖는 자성 링형 코어를 갖는다. 이 코어 둘레에 환형으로 감긴 코일은 원주방향으로 배치된다. 코일마다 2개의 측면 다리가 코어 측면을 따라 방사상으로 뻗어있다. 다리 사이사이에 코일이 없는 공간이 존재한다. 브라켓에 달린 2개의 측면 플랜지가 브리지 구조로 연결되어 각각 코일의 양 측면에 접촉한다.

Mohler의 미국특허 6507257에 소개된 양방향 래칭 액튜에이터의 출력축에 하나 이상의 회전자가 고정되어 있는데, 출력축과 회전자는 자성체 하우징 안에 회전 가능하게 설치되고, 이 하우징은 원통형 코일이 설치되어 있고 도전형 엔드캡으로 양쪽이 막혀있다. 엔드캡에 고정자 자극이 설치된다. 회전자에 있는 2개 이상의 서로 반대로 자화된 영구자석들은 비대칭으로 설치되어, 한쪽 측면 가까이에 위치하고 다른쪽 측면의 비자성 공간에 의해 분리된다. 고정자 자극에는 비대칭 자속이 흐르는바, 축방향이 자극의 다른 부분보다 더 두껍다. 회전자가 (회전자 자석들이 축방향으로 자극의 더 높은 도전부와 정렬되어 있는) 중립위치로 흔들리는 것이 방지된다. 따라서, 회전자는 중립위치를 향해 끌리는 2개 위치 중의 하나에 자기적으로 고정된다. 반대 극성의 전류로 코일이 작동되면 회전자가 반대쪽 고정위치를 향해 회전해, 이 위치에서 자기적으로 고정된다.

Mohler의 미국특허 5337030에 소개된 영구자석 브러시레스 토크 액튜에이터의 전자기 코어는 작동되었을 때 기다란 환상 자기장을 일으킬 수 있다. 원통형 코일을 둘러싼 하우징에는 상하부 단부판이 각각 달려있다. 양쪽 단부판에 설치되어 서로를 향해 뻗는 고정자 자극들은 공기간극을 두고 서로 분리되어 있다. 공기간극에 배치된 영구자석 회전자는 단부판 각각에 회전 가능하게 설치된 축에 설치된다. 이 회전자는 2개 이상의 영구자석으로 이루어지는데, 각각의 영구자석은 회전자의 아치 부분을 커버하고 서로 극성이 반대이다. 코일에 전류가 흐르면 자극이 일방향으로 자화되어, 2개의 자극 각각이 회전자의 한쪽 자석은 당기고 다른쪽 자석은 반발시키면서, 출력축에 토크를 발생시킨다. 전류 방향이 바뀌면 토크와 회전자의 회전방향이 반대로 바뀐다. 여기서는 고정자와 회전자를 여러개 조합하여 실시한다.

Kloosterhouse의 미국특허 5191255에 소개된 전자기 모터의 회전자 둘레에는 다수의 자석이 설치되어 있다. 이웃 자석들끼리 바깥쪽을 향한 자극은 서로 반대이다. 회전자 둘레에 하나 이상의 전자석들을 배치하기 때문에, 회전자가 회전하면 회전자에 설치된 자석들이 전자석의 자극 가까이 이동한다. 회전자의 회전에 대해 일정한 위상 관계로 구동회로에 의해 전자석에 전류가 공급되므로, 회전자의 거의 모든 각위치에 대해, 전자석과 회전자에 설치된 자석 사이에 흡력과 반발력이 생겨 회전자를 원하는 방향으로 회전하게 한다. 일정한 각위치로 회전자에 반사물질을 설치한다. 구동회로의 감광소자는 반사물질에서 반사된 빛을 받느냐에 따라 값이 변하는 신호를 일으킨다. 이 신호는 전자석의 구동전류를 일으킬 수 있도록 증폭된다.

Westley의 미국특허 4623809에 소개된 스테퍼모터의 한쌍의 동일한 고정자판은 각각 다수의 자극을 갖고 서로 등을 맞대고 배치되어 자극들이 반대 방향으로 돌출하며, 한쌍의 동일한 고정자 컵 사이에 위치하며, 각각의 고정자 컵에는 다수의 자극들이 안쪽으로 돌출되어 있고, 주변 측벽이 이어져 바깥쪽으로 돌출한 플랜지를 형성한다. 각각의 플랜지의 표면은 고정자판에 접촉하여 저 리럭턴스의 자기경로를 보장한다.

Fawzy의 미국특허 4565938에 소개된 전기기계 장치는 전동기나 발전기로 사용된다. 하우징에는 회전축을 지지하는 베어링이 있다. 디스크형 자석들이 회전축 둘레에 +/-로 교대로 배치되어 회전자를 이룬다. 제1 자극슈우가 자석과 접촉하고, 이곳에서 방사상으로 뻗는 부분이 가상의 자극실을 형성하며, 이 자극실은 제1 극성을 갖는다. 또, 제2 자극슈우가 자석과 접촉하고, 이곳에서 방사상으로 돌출한 부분이 반대 극성의 가상의 자극실을 이룬다. 환상 고정자가 하우징에 설치되고, 이곳에 전선이 감긴다. 이 고정자는 디스크 자석 둘레에 환형으로 배치되어, 제1, 제2 자극슈의 가상의 자극실들이 전선의 일부분을 둘러싸서 원주 방향으로 극성이 반대인 자기장들이 교대로 형성된다. 고정자와 접촉하여 발전기로 작동할 때는 전류를 사용하고 모터로 작동할 때는 전류를 공급하는 수단도 있다.

Fawzy의 미국특허 4459501에 소개된 전기화학 장치는 모터나 발전기로 사용되고, 그 하우징에는 회전축을 지지하는 베어링이 달려있다. 한쌍의 디스크 자석들이 서로 마주보는 면이 극성이 반대가 되도록 회전축에 설치되어 회전자를 형성한다. 제1 자극슈우는 각 자석의 한쪽 면에 접촉하며, 방사상 돌출부는 한쌍의 가상의 자극실을 형성하고, 이들 자극실은 한쪽면에서 동일 극성을 갖는다. 또, 제2 자극슈우가 자석의 다른 면과 접촉하며, 방사상 돌출부는 한쌍의 가상의 자극실을 형성하는데, 역시 접촉면에서 동일 자극을 갖는다. 전선이 감긴 환상 고정자가 하우징에 설치된다. 이 고정자는 디스크 자석 둘레에 배치되고, 제1, 제2 자극슈우의 가상의 자극실들이 전선 일부를 감싸면서 자극이 교대로 배치되는 자기장을 형성한다. 고정자와 접촉하여 발전기로 작동할 때는 전류를 사용하고 모터로 작동할 때는 전류를 공급하는 수단도 있다.

본 발명은 이하 설명되는 목적에 관한 구조적인 이득을 제공한다. 일례로, 본 발명은 전기모터 기능과, 발전기 기능과, 회전 변압기 기능을 발휘함은 물론, 회전형 기계가 아닌 선형 기계로 작동하기도 한다. 이때 본 발명의 기계는 AC 머신이나 DC 머신으로 동작한다. 이 기계는 움직이는 전자기장을 자석에 결합하여 흡력이나 반발력을 일으킨다. 1차 전자석이 일으키는 전자기장은 영구자석이나 전자석인 2차 자석에 결합되고, 이때 1차 자석이나 2차 자석은 회전도 하지 않고 직진운동도 하지 않는 고정자의 일부분으로 기능한다. 본 발명의 특징은, 강자성체이거나 아닌 단일의 평판 스트립을 나선형으로 감아 형성된 새로운 전자석코일에 있다. 본 발명의 다른 특징은, 자기적으로는 서로 절연되면서도 전기적으로는 서로 연결되어 있는 강자성체로 된 코일형 하우징을 이용해 전체 구조를 모듈화함으로써 히스테리시스 효과를 최소화하는데 있다. 본 발명의 또다른 특징은, 영구자석 밑으로 해서 가이드 볼베어링과 강자성체 전자석 코어 사이에 위치하는 알루미늄축 부분을 움직이는 영구자석 때문에 자기베어링이 수동으로 지지되는데 있다. 본 발명의 또다른 특징은, 영구자석 모서리를 45도 정도로 잘라 삼각형으로 만들여 자극면을 연속적인 형상으로 만들고 영구자석 양단부에서 교호적인 자기 엔드이펙트는 피하는데 있다. 본 발명의 다른 특징은 각각의 강자성체 구간의 유도 와전류를 효과적으로 캡처해 전원의 전기회로로 되돌리는데 있다.

본 발명의 주목적은 종래에는 없었던 장점을 발휘하는 장치와 그 용도를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 전자기 밀도가 높은 기계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 정류기의 필요성을 배제하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 일반적인 기계의 효율을 떨어뜨리는 히스테리시스, 열, 방사능 및 와전류에서 생기는 손실을 낮추는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 컴팩트하면서 모듈형 구조를 갖는 회전형 기계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 회전축에서 중심축 내부로 접근할 수 있는 구멍이 뚫린 회전형 기계를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 자가지지 수동 자기베어링을 일체 구조로 하는 회전형-병진형 기계를 제공하는데 있다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 장치의 단면도;
도 2는 베어링세트(20), 베어링 고정걸쇠(15), 설치링(30A), 코일인입링(30C), 자기베어링 알루미늄 곡면(10') 및 정류기(80)를 보여주는 본 발명의 회전축의 측면도;
도 3은 공통링(30B)의 사시도;
도 4는 베어링 고정걸쇠가 분리된 단부의 사시도;
도 5는 연결바의 기단부를 보여주는 베어링 고정걸쇠의 단부도;
도 6은 정류기쪽에서 본 단부 사시도;
도 7은 연결바의 사시도;
도 8은 베어링 고정걸쇠 단부쪽에서 본 설치링에 설치된 2개의 반쪽 코일하우징을 보여주는 사시도;
도 9는 코일하우징과 설치링 사이의 경계를 보여주는 측면 사시도;
도 10은 코일하우징 내부에 설치된 코일을 보여주는 측면사시도;
도 11은 강이나 알루미늄과 같은 비자성체 코어나 자기코어에 감긴 코일와이어나 테이프와 설치면을 이루는 코일을 보여주는 코일하우징의 사시도;
도 12는 코일이 제자리에 설치된 코일하우징의 측면도;
도 13, 14는 정류기 위에 하우징이 설치되어 있는 상태의 사시도;
도 15, 16은 하우징 판의 사시도;
도 17은 코일하우징, 강자성체 코어에 인접한 자석 및 하우징 판 사이의 관계를 보여주는 사시도;
도 18~20은 전자석 코일의 개념도.

도 2는 회전하는 관형 축(10)과 자기베어링 알루미늄 곡면(10')의 측면도로서, 베어링 세트(20), 베어링 고정걸쇠(15), 정류기(80), 설치링(30A) 및 코일인입링(30C)을 볼 수 있다. 도 1에서 하우징(70)은 어댑터(74)를 통해 베어링세트(20)에 설치된다. 하우징(70)이나 축(10)은 다른 회전부재와 함께 고정자 역할을 한다. 도 3은 각각 축(10)에서 별도로 분리될 수 있는 2조각으로 구성된 코일 공통링(30B)의 사시도이다. 한편, 설치링(30A)은 축(10)의 일부분이다. 도 4는 고정걸쇠(15)가 분리된 축(10)의 단부 사시도이다.

도 1에서는 볼 수 없는 것을 고정걸쇠측의 단부도인 도 5에서는 볼 수 있는 것이 연결봉(90)의 기단부(92)인데, 연결봉은 축(10) 내부에서 축선방향으로 뻗어있다. 도 6은 정류기(80)의 단부쪽의 사시도로서, 연결바(90)의 말단부(94)를 보여준다. 도 7은 연결바(90)의 사시도로서, 이곳에서는 기단부(92)와 말단부(94)를 둘다 볼 수 있다. 말단부(94)에서 연결바(90)에 측면 방향으로 돌출된 측면봉(96)은 정류기(80)의 1 구간(82)과 연결바(90) 사이를 왔다갔다하고, 도 6과 같이 나사(84)로 고정된다. 말단부(94)는 측면판(98)에 연결되고, 측면판은 절연랩(99)으로 덮인채 코일인입링(30C)에 고정되는데, 도 2에서 볼 수 있듯이 탭(32)과 나사(34)를 사용해 축(10)의 슬롯(12)을 통해 코일인입링에 고정된다. 나사(36)는 후술하는 것과 같이 코일선을 고정하기 위한 것이다. 봉(96), 판(98) 및 탭(32)을 포함한 연결바(90)는 전자기코일들과 정류기(80) 사이에 필요한 전기경로를 형성한다. 바람직한 실시예에서, 코일(110)은 봉(96), 연결바(90), 판(98)을 통해 정류기로부터 인입링(30C)에 설치된 절연구간이나 탭(32)까지 흐르는 전류와 병렬로 연결된다. 각각의 코일(110)의 일단부는 나사(36)에서 탭(32)에 각각 연결된다. 각각의 코일(110)의 타단부는 정류기(80)에 대한 접지단 역할을 하는 공통링(30B)의 나사에 연결된다.

도 8에 보이는 2개의 코일하우징(100)은 나사공에 조여진 코일하우징 볼트(42)에 의해 설치링(30A)에 설치된다(도 1 참조). 도 9는 코일하우징(100)과 설치링(30A) 사이의 새로운 절치 경계부를 클로즈업으로 보여준다. 코일하우징(100)의 경계면이 설치링(30A)에 맞닿고 다른 2개의 링(30B,30C)에 근접함을 알 수 있다. 도 10은 코일하우징(100) 내부에 설치된 코일(110)을 보여주기 위해 코일하우징의 일부분을 제거한 상태를 보여준다. 도 11은 코일하우징(100)에서 분리된 코일(110)은 물론, 코일(110)이 감긴 코일폼(120)을 보여준다. 여기서, 코일(110)은 공통의 절연전선(112)과 같이 감기지만 금속스트립과 같이 감기기도 하는데, 금속스트립은 두께는 전선(112)의 직경과 같고 폭(W)은 코일(110)의 폭과 같거나 도 11과 같이 강자성 하우징셀의 폭과 같다. 코일(110)의 권선축은 코일하우징(120) 안에 코일을 설치했을 때 본 발명의 전자기 기계의 전자기장의 회전방향에 접하도록 위치한다. 이 관계를 도 12에서 잘 볼 수 있는데, 여기서 코일(110)은 코일하우징(120) 안에 설치되어 있고, 코일하우징(120)은 설치리(30A)에 설치되어 있다. 도면에 보이는 코일하우징(120)은 2개뿐이지만, 실제로는 완전히 조립되었을 때 코일하우징들이 축(110) 둘레를 완전히 둘러싸고 있다.

도 13, 14는 정류기(80)에 씌워진 정류기 하우징(85)을 보여준다. 이 하우징(85)은 정류기(80)의 블레이드와 마찰 접촉하는 와이퍼를 제공한다. 도 15, 16은 도 1의 조립위치에서 보이는 하우징판(70)을 보여주는데, 하우징판(70)은 도 1에 도시된 어댑터(74)를 통해 베어링세트(20)의 외륜에 맞물린다. 도 17은 2개의 원주 자석(50)과 코일하우징(100)의 위치를 보여주기 위해 2개의 원주 판(72)이 제거된 상태의 측면도이다. 회전 자기장의 회전축(5)을 도 17에서 볼 수 있다.

도 18~20은 코일(110)의 다른 예를 보여준다. 이전 코일(110)은 잘 알려진대로 절연전선(112)을 감아서 만들었거나 유연한 절연성 도전 금속스트립을 쌓은 것을 사용하기도 했다. 그러나, 도전성 금속 블록으로 이런 코일(110)을 만들어도 괜찮다는 것이 밝혀졌다. 도 18에 도시된 코일(110)에서 110A 선은 도전경로를 나타내고, 이들 선 사이의 공간은 도전금속 블록에서 잘라내버린 재료를 나타낸다. 이런 구조는 EDM으로 알려진 방전가공법으로 이루어진다. 이 과정에서 EDM을 이용해 구리, 알루미늄, 강철 또는 철과 같은 도전재료의 고체 블록을 잘라내는데, 잘라낸 부위를 도 18에서 볼 수 있다. 잘라내는 작업을 완료하면, 고체 블록이 하나의 코일로 변하는데, 여기서 코일의 권선은 원래의 고체블록의 폭인 W의 폭을 갖는 스트립이다(도 19 참조).

도 19는 본 발명의 기계의 회로에 코일을 연결하기 위한 양극과 음극이 달린 블록의 사시도이다. 도 20은 권선층들을 더 잘 보여주기 위해 도 19에서 일부분을 절개한 사시도이다. 도 19, 20에서는 권선들을 분리하기 위한 틈새가 보이지 않지만, 실제로는 인접 권선들 사이에 틈새가 있고, 이 틈새는 권선 자체의 두께보다 상당히 좁고 전기도금과 같은 전기화학적 공정을 거쳐 절연재로 채워질 수도 있다. 코일하우징(100)도 도 18~20의 코일과 같은 방식으로 구성되는 것이 좋다. 즉, 코일하우징(100)을 EDM 방식으로 구분하여 코일과 같은 구조를 취하면서도 도 8~12에 도시된 형태의 하우징을 유지할 수도 있다. 이런 식으로 코일(110)과 코일하우징(100)을 형성하면 와류손실이 적고 직류와 교류에 대한 저항이 낮으며 크기도 소형화된다는 장점이 있다.

Claims (3)

1. 말단부와 기단부 사이의 중간에 한쌍의 설치링, 공통링, 코일 인입링 및 베어링세트가 설치되는 관형 축으로서, 말단부에 고정걸쇠가 고정되며, 기단부에 정류기가 고정되어 있는 관형 축;
   어댑터에 의해 베어링세트에 고정되는 하우징;
   축 내부에서 축방향으로 뻗는 다수의 연결바;
   연결바의 말단부에 측면으로 돌출되고, 말단부가 측면판에 결합된채 연결봉과 정류기의 구간 사이에서 왔다갔다 하는 다수의 측면봉;
   상기 설치링에 고정되고, 도전재로 된 하나의 평판형 스트립을 나선형으로 꼬아서 형성된 다수의 전자기 코일; 및
   상기 전자기 코일에 인접하여 설치되는 다수의 자석;을 포함하고,
   상기 공통링은 2조각으로 이루어지며, 각각의 조각은 관형 축에서 독립적으로 분리가능한 것을 특징으로 하는 회전 전자기 기계.
2. 제1항에 있어서, 강자성체로 된 코일하우징이 자기적으로 절연된 다수의 구간으로 된 강자성체의 코일하우징이 달린 모듈형 구조로 조립되어, 히스테리시스(hysteresis)가 최소화되는 것을 특징으로 하는 회전 전자기 기계.
3. 제1항에 있어서, 상기 자석들 각각이 날카롭게 절단된 날을 갖고, 이런 날은 연속적인 자극면을 이루고 자석의 양단부에서 교대로 일어나는 자기 엔드이펙트(end effect)를 피해, 강자성체 구간에 생기는 와전류가 전기회로로 되돌아가는 것을 특징으로 하는 회전 전자기 기계.
   

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