KR20120010231A - 자기 베어링 구조물을 이용하는 운송 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

자기 베어링 구조물(100)을 사용하는 운송 방법 및 시스템이 개시된다. 한 양상에서, 짐을 운반하기 위한 장치는 자속원(104) 및 자기화가능 구조물(220)에 대하여 상기 자속원(104)의 위치를 제어하도록 구성된 제어기(225)를 포함한다. 자속원(104)은 상반되는 극성을 갖는 제1 상단 부분 및 제1 하단 부분을 포함한다. 제1 부분들은 자기화가능 구조물(220)의 제1 측면으로부터 수평으로 간격을 두고 떨어져 있다. 자속원은 상반되는 극성을 갖는 제2 상단 부분 및 제2 하단 부분을 더욱 포함한다. 제2 부분들은 자기화가능 구조물의 제2 측면으로부터 수평으로 간격을 두고 떨어져 있다. 제2 측면은 제1 측면에 대향한다. 제1 및 제2 상단 부분은 자기화가능 구조물의 상단 부분으로 자기적으로 끌리고 제1 및 제2 하단 부분은 자기화가능 구조물의 하단 부분으로 자기적으로 끌린다.

Description

자기 베어링 구조물을 이용하는 운송 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR TRANSPORTATION USING A MAGNETIC BEARING STRUCTURE}

관련 출원의 상호-참조

본 출원은 35 U. S. C. § 119(e)에 따라 가출원 61/163,778 (2009.03.26. 출원, 참조문헌으로 수록됨)의 우선권을 주장한다. 본 출원은 또한 미국 특허 7,617,779; 3,569,804; 및 6,977,451과 관련되며, 이들 문헌 또한 참조문헌으로 수록된다.

배경

분야

본 발명은 일반적으로 자기 베어링 구조물을 이용하는 운송 방법 및 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 일반적으로 운송을 위하여 짐(load)을 공중부양시키는 것에 관한 것이다.

개요

한 양상에서, 짐을 운반하기 위한 장치는 자속원(source of magnetic flux) 및 자기화가능 구조물(magnetizable structure)에 대하여 상기 자속원의 위치를 제어하도록 구성된 제어기를 포함한다. 자속원은 상반되는 극성을 갖는 제1 상단 부분(first upper portion) 및 제1 하단 부분(first lower portion)을 포함한다. 제1 부분들은 자기화가능 구조물의 제1 측면(first side)으로부터 수평으로 간격을 두고 떨어져 있다. 자속원은 상반되는 극성을 갖는 제2 상단 부분 및 제2 하단 부분을 더욱 포함한다. 제2 부분들은 자기화가능 구조물의 제2 측면으로부터 수평으로 간격을 두고 떨어져 있다. 제2 측면은 제1 측면에 대향한다. 제1 및 제2 상단 부분은 자기화가능 구조물의 상단 부분으로 자기적으로(magnetically) 끌리고 제1 및 제2 하단 부분은 자기화가능 구조물의 하단 부분으로 자기적으로 끌린다.

도면의 간단한 설명
도 1A는 레일에 대하여 기부에(基部, proximally) 위치한 관형 자기 베어링 구조물을 포함하는 시스템의 투시도이다.
도 1B는 자기장을 나타내는 복수의 자계선(magnetic field line)을 보여주는 도 1A 시스템의 횡-단면도이다.
도 2A는 제어 코일을 갖는 관형 자기 베어링 구조물을 포함하는 시스템의 정면도이다.
도 2B는 수평 위치선정 시스템(horizontal positioning system)의 기능 블록 다이어그램이다.
도 2C는 수신된 센서 데이터에 기초하여 제어 코일에 전류를 제공하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 레일에 대하여 기부에 위치한 자기 베어링 구조물이 있는 운송수단(vehicle)을 포함하는 시스템의 횡-단면도이다.
도 4는 각기둥형(prismatic) 자기 베어링 구조물을 포함하는 시스템의 횡-단면도이다.
도 5는 다수의 자석이 있는 자기 베어링 구조물을 포함하는 시스템의 횡-단면도이다.
도 6은 두 개의 자석이 있는 자기 베어링 구조물을 포함하는 시스템의 횡-단면도이다.

상세한 설명

이하의 상세한 설명은 본 발명의 특정한 구체적인 양상에 관한 것이다. 그렇지만, 본 발명은 예를 들면 청구항에 의해 정의되고 보호되는 것과 같이, 다른 다양한 방식으로 구체화될 수 있다. 본 명세서의 양상들은 다양한 형태로 구체화될 수 있으며, 본 명세서에 개시된 구체적인 구조, 기능, 또는 이들 둘 모두는 단지 예시적인 것이라는 것이 명백하다. 본 명세서의 시사에 기초하여, 해당 기술분야의 통상의 기술자들은 본 명세서에 개시된 양상이 임의의 또 다른 양상으로 독립적으로 실시될 수 있으며 이러한 양상들의 둘 또는 그 이상이 다양한 방식으로 결합될 수 있음을 이해할 것이다. 예를 들면, 본 명세서에 제시된 임의 수의 양상들을 사용함으로써, 장치가 실시될 수 있거나 또는 방법이 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 제시된 하나 이상의 양상에 추가하여 또는 이를 대신하여 또 다른 구조, 기능, 또는 구조 및 기능을 사용함으로써, 이러한 장치가 실시될 수 있거나 또는 이러한 방법이 실시될 수 있다. 유사하게, 본 명세서에서 개시된 방법은 컴퓨터-판독 가능한 저장 매체로부터 회수된 지시사항을 실시하도록 구성된 하나 또는 그 이상의 컴퓨터 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 컴퓨터-판독 가능한 저장 매체는 일정한 시간 간격 동안 데이터 또는 지시사항과 같은 정보를 저장하고, 상기 정보는 상기 시간 간격 동안 컴퓨터에 의해 판독될 수 있다. 컴퓨터-판독 가능한 저장 매체의 예는 메모리, 예를 들면 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM), 및 기억장치(storage), 예를 들면 하드 드라이브, 광 디스크, 플래시 메모리, 플로피 디스크, 자기 테이프, 종이 테이프, 및 펀치 카드가 있다.

도 1은 레일(120)에 대하여 기부에(基部, proximally) 위치한 관형 자기 베어링 구조물(100)을 포함하는 시스템(10)의 투시도이다. 자기 베어링 구조물(100)은 내부 셸(106)과 외부 셸(102) 사이에 자속원(104)을 포함한다. 한 구체 예에서, 외부 셸(102)은 C-형 횡단면을 가지며 내부 셸(106) 주위에 동심으로 위치하며, 상기 내부 셸(106)은 유사하게 C-형 횡단면을 갖는다. 내부 셸(106) 및 외부 셸(102) 둘 모두는 바람직하게는 자기화가능 재료, 예를 들면 철(iron) 또는 강철(steel)로 제조된다. 셸(102, 106)은 자속원(104)의 자속을 자기 베어링 구조물(100)의 내부 및 외부 경계를 따라 유도하여 자속원(104)의 자속을 함유하고 집중하는 것을 돕는다.

자기 베어링 구조물(100)과 레일(120) 사이의 자기적 인력 때문에, 자기 베어링 구조물(100)은 레일(120)에 접촉하지 않고 짐(load)을 지지할 수 있다. 도 3과 관련하여 더욱 설명되는 바와 같이, 이러한 자기 베어링 구조물(100)은 운송수단에 대한 중력에 반대되는 공중부양 힘을 제공하여서 운송수단이 레일을 따라 이동함에 따른 마찰을 감소시키기 위하여 사용될 수 있다.

한 구체 예에서, 자속원(104)은 단일의 영구자석을 포함한다. 영구자석은 희토류 자석(rare earth magnet), 사마륨-코발트 자석(samarium-cobalt magnet), 알니코 자석(alnico magnet) 및 네오디뮴 자석(neodymium magnet)을 포함한다. 영구자석을 사용함으로써 베어링(100)이 전력원을 요구하지 않으면서 "항상 작용하는(always on)" 공중부양 힘을 제공하는 것을 가능하게 한다. 또 다른 구체 예에서, 자속원(104)은 하나 또는 그 이상의 영구자석 및/또는 하나 또는 그 이상의 전자석을 포함할 수 있다. 한 구체 예에서, 자속원(104)은 균등하게 방사 방향으로 자기화되며, 이에 따라 외부 셸(102)과 접촉하는 자속원(104)의 가장자리 표면은 한 가지 극성을 띠며, 내부 셸(106)과 접촉하는 자속원(104)의 가장자리 표면은 반대 극성을 띤다. 자속원(104)은 본드 자석(bonded magnet)일 수 있다. 한 구체 예에서, 본드 자석은 열가소성 수지에 의해 결합된 자성 분말(magnetic powder)을 포함하여서 주입 몰드, 압축, 또는 가요성(flexible) 자석을 형성한다. 자성 분말은 바람직한 방향으로 배열될 수 있으며 한편 수지는 액상이며 경화될 때 수지에 의해 상기 바람직한 방향에서 유지될 수 있다. 본드 자석(bonded magnet)이 사용되어 표류 자속(stray flux), 예를 들면 자기 베어링(10)의 바람직한 경계 바깥으로 방출되는 자속을 최소화할 수 있다.

도 1B는 복수의 자계선(190)을 보여주는 도 1A 시스템의 횡-단면도이다. 비록 단지 6개의 자계선(190)이 제시되지만, 자기장은 연속 장이며, 더 많은 또는 더 적은 자계선(190)이 자기장을 나타내기 위해 사용될 수 있음이 이해될 것이다. 외부 셸(102)은 레일(120)의 돌출부에 대하여 기부에 위치한 제1 끝단(152) 및 제2 끝단(154)을 포함한다. 또한 내부 셸(106)은 레일(120)의 돌출부에 대하여 유사하게 기부에 위치한 제1 끝단(162) 및 제2 끝단(164)을 포함한다. 한 구체 예에서, 자속원(104)은 자속원(104)에서 시작하고 끝나는 복수의 자계선(190)에 의해 제시되는 자기장을 발생한다. 외부 셸(102)은 각각의 자계선(190)을 외부 셸(102)을 따라 제1 끝단(152) 또는 제2 끝단(154)까지 유도하며 여기서 상기 자계선은 외부 셸(102)과 레일(120) 사이의 간격을 횡단한다. 각각의 자계선(190)은 레일(120)을 통하여 계속되며 레일(120)과 내부 셸(106)의 제1 끝단(162) 또는 제2 끝단(164) 사이의 간격을 횡단함으로써 레일(120)을 빠져나간다. 내부 셸(106)은 각각의 자계선(190)을 내부 셸(106)을 따라 유도하며 각각의 자계선(190)은 자속원(104)으로 돌아가 끝난다. 자속원(104)의 극성에 따라, 이러한 순서는 역전될 수 있다.

한 구체 예에서, 축 방향(레일(120)을 따르는 방향)에서의 베어링(100)의 길이는 셸의 반경 두께(radial thickness)보다 더 크다. 외부 셸(102)과 내부 셸(106) 사이의 가장 낮은 자기저항(reluctance) 통로가 베어링(100)과 레일(120) 사이의 간격을 통해 레일(120)을 관통함에 따라, 이러한 구성이 비-정지 자속(non-suspensive flux)을 최소화하고 표류 자속(stray field)을 감소시킨다.

내부 셸과 외부 셸의 제1 끝단과 제2 끝단 사이에 위치한 도 1에 도시된 레일(120)은 I-형 횡단면을 갖는다. 또 다른 구체 예에서, 또 다른 형태도 사용 가능하다. 한 구체 예에서, 자기 베어링(100)에 접촉하지 않고 제1 끝단(152, 154)과 제2 끝단(162, 164) 사이의 간격들 사이에 들어맞도록 레일(120)은 충분히 좁다. 레일(120)은 공기부양에 부가하여 추진력(propulsion)을 허용하도록 하는 임의의 축방향 길이(axial length)일 수 있다.

한 구체 예에서, 레일(120)은 강철 또는 철과 같은 자기화가능 재료를 포함한다. 또 다른 구체 예에서, 레일(120)은 자성 재료(magnetic material)를 포함한다. 베어링(100)은 레일(120)을 "포획 및 구속"할 수 있는데 왜냐하면 자기 베어링 구조물(100)의 임의 수직 움직임이 자속원(104)에 의해 발생하는 자기력에 의해 제한되어서 이로 인하여 자계선(190)의 길이를 최소화하는 경향이 있기 때문이다.

한 구체 예에서, 레일(120)은 게이지(gauge)에 의해 분리된 실질적으로 평행한 적어도 두 개의 레일을 포함하며, 각각의 레일은 웹(web)에 의해 분리된 머리(head) 및 발(foot)을 갖는 일반적으로 I-형 프로파일을 갖는다. 한 구체 예에서, 레일(120)은 표준 또는 국제 게이지 레일을 포함하며, 예를 들면 게이지는 약 1,435 mm이다. 게이지는 1,435 mm 보다 더 작거나 더 클 수 있다. 한 구체 예에서, 레일(120)은 플랜지 휠(flanged wheel)이 레일의 머리를 따라 얹혀 가는 것을 허용한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 구체 예는 현존하는 레일 기술 및 또 다른 차량(rolling stock)과 조화될 수 있다.

도 2A는 제어 코일(225)을 갖는 관형 자기 베어링 구조물(200)을 포함하는 시스템의 정면도이다. 자기 베어링 구조물(200)은 내부 셸(206)과 외부 셸(202) 사이의 자속원(204)을 포함한다. 도 1의 시스템(10)과 관련하여 앞서 설명한 바와 같이, 베어링(200)이 레일(220)을 "포획 및 구속"할 수 있다. 이하에서 추가로 설명하듯이, 제어 코일(225)의 제어 전류(control current)는 자속의 양을 변화시키고 그에 따라 자속원(204)과 레일(220) 사이의 간격의 각 측면에 부과되는 힘을 변화시켜서, 마찰력(lateral force)이 생성 또는 제어되고 접촉이 회피된다.

수평 위치선정 시스템(210)은 제어기, 프로세서, 또는 또 다른 회로를 포함할 수 있으며, 레일(220)에 대하여 베어링(200)을 수평적으로 중앙에 오도록 구성될 수 있다. 수평 위치선정 시스템(210)은 센서(290) 및 제어 코일(225)을 포함하거나 또는 이들과 작동적으로(operatively) 연결될 수 있다. 제어 코일(225)은 코일(225) 내에 자속을 발생하는 전류를 인가할 수 있다. 따라서, 제어 코일(225)은 전자석으로서 작동하며, 이는 전류를 자속으로 전환시킨다. 발생된 자속은 도 1B에 대하여 앞서 설명한 자기장 쪽으로 바이어스(bias)되며, 이에 따라 차등 자속 제어(differential flux control)를 통하여 자기 베어링 구조물(200)에 수평 힘을 제공한다. 이에 따라, 제어 코일(225)에 의해 발생한 바이어스 자속을 자속원(104)에 의해 발생한 자속에 첨가함으로써, 자속의 양이 차등적으로 조절된다. 도 1B에 도시된 바와 같이, 레일과 외부 셸(102) 사이의 간격(187) 내에서의 자속 방향과, 레일과 내부 셸(106) 사이의 간격(188) 내에서의 자속 방향은 서로 반대 방향인데 왜냐하면 이는 자속원의 극성 및 방향 때문이다. 따라서, 각 코일에 대한 코일 감기(coil winding)의 방향이 알려지거나 또는 정해지면, 하나 이상의 제어 코일(225)이 직렬 또는 병렬로 사용되어서 동일 방향에서의 알짜 마찰력(net lateral force)을 적절하게 생성할 수 있다.

제어 코일(225)을 통한 전류의 제어를 통하여, 수평 위치선정 시스템(210)은 레일(220)에 베어링(200)을 수평적으로 중앙에 위치시킬 수 있다. 한 구체 예에서, 수평 위치선정 시스템(210)은 자속원(204)과 레일(220) 사이의 수평 인력을 균형맞춤으로써 자속원(204)과 레일(220) 사이의 일정한 전체 공간 간격을 유지한다. 특히, 자기적 인력이 각각의 셸(202, 206)의 양쪽 끝단을 레일(220) 쪽으로 밀기 때문에, 제어의 효율성이 강화된다. 한 구체 예에서, 수평 위치선정 시스템(210)은 레일(220)의 양쪽 측면에서 자속을 균일화하도록 작동한다.

수평 위치를 결정하기 위하여, 하나 또는 그 이상의 센서(290)가 사용될 수 있다. 센서(290)는 센서(290)로부터 대상물까지 또는 미리 정해진 참조 포인트까지의 거리를 나타내는 센서 데이터를 생성할 수 있다. 예를 들면, 센서(290)는 레일(220)에 대하여 자기 베어링 구조물(200)의 수평 위치를 나타내는 센서 데이터를 생성할 수 있다. 센서(290)는 유도성 근접 센서(inductive proximity sensor), 정전용량형 변위 센서(capacitive displacement sensor), 또는 레이저 거리측정기(laser rangefinder)를 포함할 수 있으며, 여기에 제한되는 것은 아니다. 한 구체 예에서, 센서(290)는 빛 또는 청각 신호(acoustic signal)를 방출하며 복귀 장(returned field)에서의 변화를 측정한다. 또 다른 구체 예에서, 센서(290)는 또한 센서(290)로부터 대상물까지의 거리의 변화율을 나타내는 센서 데이터를 생성할 수 있다. 예를 들면, 센서(290)는 자기 베어링 구조물(200)이 얼마나 빨리 레일(220)에 접근하는지를 나타내는 센서 데이터를 생성한다. 센서(290)는 도플러-기초 센서(Doppler-based sensor)를 포함할 수 있다. 한 구체 예에서, 센서(290)는 빛 또는 청각 신호를 방출하며 복귀 신호의 파장의 변화를 측정한다.

한 구체 예에서, 수평 위치선정 시스템(210)에 의해 제공되는 제어 코일(225)에 의해 인가되는 전류는 센서(290)에 의해 결정되는 수평적 위치에 기초한다. 한 구체 예에서, 전류는 선형 방정식에 기초하여 증폭되며 여기서 전류는 센서(290)에 의해 표시되는 거리에 선형적으로 비례한다. 또 다른 구체 예에서, 전류는 역 이차 방정식(inverse quadratic equation)에 기초하여 증폭되며 여기서 전류는 센서(290)에 의해 표시되는 거리의 제곱의 역에 비례한다. 또 다른 구체 예에서, 전류는, 레일(220)의 반대쪽 측면 상의 두 개의 센서에 의해 표시되는 거리의 차이에 대하여 선형적으로, 또는 비-선형적으로 비례한다. 제공되는 전류에 적어도 부분적으로 기초하는 센서(290)로부터의 측정치에 전류가 적어도 부분적으로 기초하기 때문에, 수평 위치선정 시스템(210)은 이러한 피드백 상황에서 효율적으로 수행하기 위한 서보 드라이브(servo drive)를 포함할 수 있다. 일반적으로, 서보 드라이브(servo drive)는 제어 시스템으로부터 명령 신호를 수신하며, 신호를 증폭하며, 그리고 전류를 전송하여 명령 신호에 비례하는 움직임을 생성한다.

한 구체 예에서, 제어 코일(225)은 외부 셸(202)에 감긴다. 또 다른 구체 예에서, 제어 코일(225)은 내부 셸(206)에 감긴다. 또 다른 구체 예에서, 다중 제어 코일이 외부 셸(202) 및 내부 셸(206) 중 적어도 하나에 감길 수 있다. 예를 들면, 한 구체 예에서, 제1 제어 코일이 외부 셸(202)에 감기며 제2 코일이 내부 셸(206)에 감긴다. 제어 코일(225)은 전기 절연 재료에 의해 외부 셸(202), 자속원(204), 및 내부 셸(206)로부터 물리적으로 이격된다.

도 2B는 한 구체 예에 따르는 수평 위치선정 시스템(210)의 기능 블록 다이어그램이다. 수평 위치선정 시스템(210)은 레일(220)에 대한 베어링(200)의 수평적 위치를 나타내는 센서(290)로부터의 신호를 수신한다. 제어기(212)는 센서(290)로부터의 신호를 프로세싱하여 제어 코일(225)에 제공할 적절한 교정 전류(correcting current)를 결정한다. 제어기(212)는 배터리 또는 그 밖의 다른 전류원과 같은 전원(216)을 제어한다(그리고 상기 전원에 의해 전원을 공급받을 수 있다). 제어기(212)는 전원(216)을 제어하여 제어 코일(225)에 전류를 제공한다. 한 구체 예에서, 수평 위치선정 시스템(210)은 센서(290)로부터 수신되는 신호에 기초하는 적절한 전류를 결정하기 위한 알고리즘을 저장하기 위한 메모리(214)를 포함한다.

제어기(212)는 범용 프로세서(general purpose processor), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor, DSP), 주문형 집적 회로 (application specific integrated circuit, ASIC), 현장 프로그램가능 게이트 어레이 (field programmable gate array, FPGA) 또는 또 다른 프로그램가능 논리 소자(programmable logic device), 디스크리트 게이트(discrete gate) 또는 트랜지스터 논리, 디스크리트 하드웨어 부품, 또는 본 명세서에서 개시된 작동을 수행하도록 고안된 이들의 임의의 적절한 결합일 수 있다. 제어기(212)는 또한 컴퓨팅 소자의 결합, 예를 들면 DSP와 마이크로프로세서, 복수의 마이크로프로세서, DSP 코어와 결합된 하나 또는 그 이상의 마이크로프로세서, 또는 임의의 또 다른 이러한 구성들의 결합으로서 수행될 수 있다.

제어기(212)는 하나 또는 그 이상의 버스(buses)를 통하여 연결되어 메모리(214)로부터 오는 정보를 읽거나 메모리(214)에 정보를 기록할 수 있다. 제어기(214)는 부가적으로, 또는 택일적으로, 메모리, 예를 들면 프로세서 레지스터를 함유할 수 있다. 메모리(214)는 멀티-레벨 계층적 캐쉬(multi-level hierarchical cache)를 포함하는 프로세서 캐쉬를 포함할 수 있으며, 여기서 서로 다른 레벨은 서로 다른 용량 및 접근 속도를 갖는다. 메모리(214)는 또한 랜덤 액세스 메모리(RAM), 또 다른 휘발성 기억 장치, 또는 비-휘발성 기억 장치를 포함할 수 있다.

도 2C는 제어 코일에 전류를 제공하기 위한 방법(270)을 나타내는 흐름도이다. 예를 들면 방법(270)이 도 2B의 수평 위치선정 시스템(210)에 의해 수행되는 것이 바람직하다. 방법(270)은 수평적 위치를 나타내는 센서 데이터를 수신하여 블록(271)에서 시작한다. 한 구체 예에서, 센서 데이터는 센서로부터 대상물 또는 미리 정해진 참조 포인트까지의 거리를 나타낸다. 예를 들면, 한 구체 예에서, 센서 데이터는 레일에 대한 자기 베어링의 수평적 위치를 나타낸다. 한 구체 예에서, 센서 데이터는 센서로부터 대상물까지의 거리의 변화율을 나타낸다. 예를 들면, 한 구체 예에서, 센서 데이터는 자기 베어링 구조물이 레일에 얼마나 빨리 접근하는가를 나타낸다. 또 다른 구체 예에서, 센서 데이터는 다중 센서로부터의 데이터를 포함하며, 이들 각각은 거리를 나타내거나 또는 거리의 변화율을 나타낸다.

그 다음, 블록(272)에서, 센서 데이터가 미리 정해진 한계값(threshold) 보다 더 큰 거리 또는 속도를 나타내는지 여부를 결정한다. 예를 들어, 이러한 결정은 도 2B의 제어기(212)에 의해 수행된다. 한 구체 예에서, 미리 정해진 한계값은 0(zero)일 수 있다. 거리 또는 속도가 미리 정해진 한계값 보다 작은 경우, 방법(200)은 블록(273)으로 이동하며 여기서 방법(200)은 미리 정해진 시간 동안 정지한다. 블록(272 및 273)을 포함함으로써, 방법(270)은 에너지 비효율적일 수 있거나 또는 잉여 저크(jerk)를 유발할 수 있는 계속적인 조정을 수행하지 않는다.

센서 데이터가 미리 정해진 한계값보다 더 큰 거리 또는 속도를 나타내는 것으로 결정된 경우, 방법(200)은 블록(274)으로 이어지며, 여기서 수신된 센서 데이터에 대응하는 전류가 결정된다. 예를 들면, 이러한 결정은 도 2B의 제어기(212)에 의해 수행될 수 있다. 한 구체 예에서, 전류는 선형 방정식에 기초하여 증폭되며 여기서 전류는 센서에 의해 표시되는 거리에 선형적으로 비례한다. 또 다른 구체 예에서, 전류는 역 이차 방정식(inverse quadratic equation)에 기초하여 증폭되며 여기서 전류는 센서에 의해 표시되는 거리의 제곱의 역에 비례한다. 또 다른 구체 예에서, 전류는, 레일의 반대쪽 측면 상의 두 개의 센서에 의해 표시되는 거리의 차이에 대하여 선형적으로, 또는 비-선형적으로 비례한다. 또 다른 구체 예에서, 전류는 룩-업 테이블(ook-up table)에 기초하여 증폭된다. 이러한 룩-업 테이블은 예를 들면 도 2B의 메모리(214)에 저장될 수 있다. 한 구체 예에서, 전류는 센서에 의해 표시되는 속도에 비례하여 결정된다. 또 다른 구체 예에서, 전류는 센서에 의해 표시되는 거리 및 속도에 기초하여 결정된다.

블록(275)으로 이어져서, 결정된 전류는 하나 또는 그 이상의 제어 코일에 제공된다. 전류는 예를 들면 도 2B의 제어기(212)에 의해 제어되면서 전원(216)에 의해 제공될 수 있다. 제어 코일에 제공되는 전류는 제어 코일 내 자속을 발생시킬 수 있으며 이에 따라 도 1B에 대하여 앞서 설명한 자기장을 바이어스시켜 수평 힘을 제공하고 베어링을 레일에 대하여 수평적으로 중앙에 위치시킨다. 일부 구체 예에서, 결정된 전류는 0(zero)일 수 있다. 예를 들면, 외부 힘의 부존재하에서 자기 베어링이 레일에 대하여 중앙에 위치할 때, 결정된 전류는 0 일 수 있다.

블록(275) 이후에, 방법(270)은 블록(271)으로 되돌아가서 반복된다. 따라서 방법(270)은 센서 데이터에 기초하여 전류를 연속적으로 제공한다. 한 구체 예에서, 수평 위치선정 시스템(210)은 자기 베어링을 레일에 대하여 계속하여 중앙에 위치시킨다.

도 3은 레일(320, 322)에 대하여 기부에 위치한 자기 베어링 구조물(310, 312)에 연결된 짐(360)을 갖는 운송수단(330)을 포함하는 시스템(30)의 횡-단면도이다. 단일 레일이 아닌 두 개의 레일을 사용함으로써, 레일에 대한 운송수단의 회전이 방지될 수 있다. 운송수단은 제1 레일(320)에 대하여 기부에 위치한 제1 베어링(310), 및 제2 레일(322)에 대하여 기부에 위치한 제2 베어링(312)을 포함한다. 베어링(310, 312)은 운송수단(330) 및 짐(360)에 대하여 작용하는 중력에 상반되게 작용하는 정지력(suspensive force) 또는 공중부양력(levitative force)을 제공하여, 레일에 따른 마찰을 감소시킨다. 베어링(310, 312)은 하나 또는 그 이상의 지지 구조물(362)에 의해 짐(360)에 부착된다. 베어링은 용접, 스크루, 또는 또 다른 고정 기술에 의해 부착될 수 있다.

하나 또는 그 이상의 위치 센서 및 하나 또는 그 이상의 제어 코일을 포함하는 수평 위치선정 시스템(도시되지 않음)은 베어링을 수평적으로 중앙에 위치하도록 유지할 수 있으며 그에 따라 베어링은 레일과 접촉하지 않으며, 또한 마찰을 감소시킨다. 한 구체 예에서, 수평 위치선정 시스템은 하나 또는 그 이상의 전류를 각각 인가하기 위하여 구성된 하나 또는 그 이상의 제어 코일을 포함하여 도 2에 대하여 앞서 설명된 바와 같은 수평 힘을 제공한다.

한 구체 예에서, 상기 시스템은 미국 특허 출원 12/048,062에 개시된 바와 같이 비대칭 공간 간격(air gap)을 사용할 수 있으며, 상기 문헌은 그 전체가 참조문헌으로 수록된다. 한 구체 예에서, 베어링(310, 312)과 레일(320, 322) 사이의 내부 간격(380)은 베어링(310, 312)과 레일(320, 322) 사이의 외부 간격(382)과 서로 다른 크기이다. 따라서, 운송수단(330)이 수평적으로 교체되면, 베어링 중 단지 하나가 레일과 접촉할 것이다.

시스템(30)이 수직 방향의 힘을 제공하는 베어링 및 수평 힘을 제공하는 수평 위치선정 시스템을 포함할 수 있는 한편, 시스템(30)은 레일(320, 322) 방향으로의 추진력을 제공하는 엔진을 또한 포함할 수 있다. 따라서, 시스템(30)에는 6 자유도(six degrees of freedom)가 제공될 수 있다. 한 구체 예에서, 엔진은 운송수단(330)에 연결된 전통적인, 바퀴 구동 엔진을 포함할 수 있다. 또 다른 구체 예에서, 엔진은 미국 특허 출원 12/048,062 또는 미국 특허 7,617,779에 개시된 바와 같은 리니어 모터(linear motor)를 포함할 수 있으며, 상기 문헌은 그 전체가 참조문헌으로 수록된다.

비록 단지 두 개의 베어링(310, 312)이 도 3에 도시되었지만, 운송수단 또는 시스템이 다양한 배치의 독립적인 추가 베어링을 포함할 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들면, 베어링은 대략 운송수단의 4곳의 코너에 위치될 수 있다. 또 다른 예로서, 운송수단의 축 길이와 유사한 대략적인 축 길이(axial length)를 갖는 베어링이 운송수단의 각 측면에 위치될 수 있다. 한 구체 예에서, 베어링을 갖는 다중 운송수단이 하나 또는 그 이상의 바퀴구동 또는 공중부양 엔진에 의해 밀리거나 당겨질 수 있다.

바퀴구동 카트와 상반되게, 도 3의 운송수단(330)과 같은 공중부양 플랫폼의 몇몇 장점은, 또 다른 여럿 중에서, 기계 부품의 마모 감소, 발생하는 불필요한 열의 감소, 및 소음 감소이다. 혼성 공중부양 시스템(hybrid levitation system)은 감소된 마찰로 인하여, 종래 시스템에 비하여 더욱 우수한 에너지 효율적인 가능성을 갖는다. 본 발명의 한 구체 예는 하나 이상의 자기 베어링을 포함하는 메그레브 시스템(MagLev system)을 포함한다.

도 4는 각기둥형 자기 베어링 구조물(400)을 포함하는 시스템(40)의 횡-단면도이다. 자기 베어링 구조물(400)이 관형이 아니라, 오히려 프리즘(prism)과 같은 모양이라는 점에서 시스템(40)은 앞서 설명한 구체 예들과 다르다. 비록 직사각 프리즘이 도 4에 도시되어 있지만, 또 다른 모양도 사용될 수 있다. 예를 들어, 한 구체 예에서, 자기 베어링 구조물(400)의 횡단면이 삼각형(triangular)이다. 한편, 시스템(40)의 구조 및 기능은 앞서 설명한 도 2의 시스템(20)과 마찬가지일 수 있다. 자기 베어링 구조물(400)이 프리즘형이기 때문에, 베어링(400)은 운송수단에 더욱 쉽게 부착될 수 있거나 또는 더욱 쉽게 축적될 수 있다. 프리즘형 구조가 일반적으로 평평한 표면을 갖기 때문에, 자속원의 생성이 단순화될 수 있으며 제어 코일이 더욱 쉽게 설치될 수 있다.

도 5는 자기 베어링 구조물(500)을 포함하는 또 다른 시스템(50)의 횡-단면도이다. 자속원(504)이 한쪽 극은 외부 셸(502)에 대면하고 다른 한쪽 극은 내부 셸(506)에 대면하도록 배열된 복수의 자석(504)을 포함한다는 점에서, 시스템(50)은 앞서 설명한 구체 예와는 다르다. 자석(504) 사이에, 유리, 나무, 수지, 또는 공기와 같은 비-자기화가능 물질(515)이 있으며, 이는 제어 와인딩(control winding)의 배치를 위한 더 많은 공간 및 잠재적으로 적절한 위치를 제공한다. 한편, 시스템(50)의 구조 및 기능은 앞서 설명한 도 2의 시스템(20)과 마찬가지일 수 있다. 자기 베어링 구조물(500)이 단일 자석이 아니라 복수의 자석(504)을 포함하기 때문에, 자속원(504)은 저비용일 수 있다. 그렇지만, 복수의 자석(504)들이 너무 멀리 떨어져 있는 경우, 자계선이 레일(520)을 통하는 대신에 비-자기화가능 재료를 통하여 빠져나가서 공중부양력을 감소시킬 수 있다.

도 6은 두 개의 자석을 갖는 자기 베어링 구조물을 포함하는 시스템의 횡-단면도이다. 자기 베어링 구조물(600)은 레일(620)의 어느 한쪽 측면에 배치된 두 개의 자석(604a, 604b)을 포함하는 자속원 및 지지 구조물(630)을 포함한다. 자석(604a, 604b)은, 각 자석(604a, 604b)의 상단이 어느 한 극성을 띠며 각 자석(604a, 604b)의 하단이 다른 극성을 띠도록 배치된다. 한 구체 예에서, 지지 구조물(360)은 자석(604a, 604b)의 위치를 서로에 대하여 고정시킨다. 다른 한편, 시스템(60)의 구조 및 기능은 앞서 설명한 도 2의 시스템(20)과 마찬가지일 수 있다. 자기 베어링 구조물(600)이 단지 두 개의 자석을 갖기 때문에, 제품이 단순화될 수 있으며 비용이 감소될 수 있다. 그렇지만, 자계선이 레일(620)을 통하는 대신에 왼쪽 자석(604a)의 왼쪽으로 또는 오른쪽 자석(604b)의 오른쪽으로 빠져나갈 수 있으며 이에 따라 공중부양력을 감소시킬 수 있다.

한 구체 예에서, 레일에 대하여 기부에 위치한 자속원은 수직 방향에서 좁을 수 있거나 또는 레일 쪽으로의 좁은 돌출부를 포함하여서 자기저항(reluctance) 변화로 인한 수직적 대체(displacement)에 대한 저항을 제공할 수 있다.

비록 앞선 설명이 다양한 구체 예에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들을 개시하였으나, 통상의 기술자들은 여러 가지 생략, 치환, 및 형태의 변화, 그리고 제시된 장치 및 공정의 상세사항이 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 실현될 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (28)

1. 다음을 포함하는 자속원:
   상반되는 극성을 갖는 제1 상단 부분 및 제1 하단 부분, 여기서 제1 부분들은 자기화가능 구조물의 제1 측면으로부터 수평으로 간격을 두고 떨어져 있으며; 그리고
   상반되는 극성을 갖는 제2 상단 부분 및 제2 하단 부분, 여기서 제2 부분들은 자기화가능 구조물의 제2 측면으로부터 수평으로 간격을 두고 떨어져 있으며, 여기서 상기 제2 측면은 상기 제1 측면과 대향하며, 상기 제1 및 제2 상단 부분은 자기화가능 구조물의 상단 부분으로 자기적으로(magnetically) 끌리고 상기 제1 및 제2 하단 부분은 자기화가능 구조물의 하단 부분으로 자기적으로 끌리며; 및
   자기화가능 구조물에 대하여 상기 자속원의 위치를 제어하도록 구성된 제어기;
   를 포함하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
2. 청구항 1 에 있어서, 상기 자속원은, 하나 또는 그 이상의 영구자석, 비-자기화가능 스페이서(spacer)에 의해 분리된 복수의 자속원, 본드 자석(bonded magnet), 및 균일하게 방사상으로 자기화된 자석 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
3. 청구항 1 에 있어서, 상기 자속원의 내부 표면에 부착된 내부 자속 가이드; 및 상기 자속원의 외부 표면에 부착된 외부 자속 가이드;를 더욱 포함하며, 상기 내부 및 외부 자속 가이드는 자기화가능 재료를 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
4. 청구항 3 에 있어서, 각각의 자속 가이드는 자속원에 의해 발생된 자속을 집중시키도록 구성됨을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
5. 청구항 1 에 있어서, 상기 제어기는 상기 자속원에 의해 발생된 자속을 바이어스하기 위해 전류를 인가하도록 구성된 제어 코일을 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
6. 청구항 1 에 있어서, 상기 제어기는
   상기 자속원의 부분 중 적어도 하나의 수평적 위치를 나타내는 센서 데이터를 발생하도록 구성된 하나 또는 그 이상의 센서; 및
   상기 센서 데이터에 기초한 전류를 제공하도록 구성된 회로;
   를 더욱 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
7. 청구항 6 에 있어서, 상기 센서 중 적어도 하나는 자속원과 자기화가능 구조물 사이의 간격 거리를 결정하도록 구성됨을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
8. 청구항 6 에 있어서, 상기 전류는 자기화가능 구조물의 양쪽 측면에 자속을 균일화시키도록 구성됨을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
9. 청구항 6 에 있어서, 상기 전류는 바이어스 자속을 발생시켜 자속원에 의해 발생된 자속을 증가 또는 감소시킴을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
10. 청구항 1 에 있어서, 자기화가능 구조물을 따라 추진력을 제공하도록 구성된 엔진을 더욱 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
11. 청구항 1 에 있어서, 다음을 포함하는 추가적인 자속원을 더욱 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치:
    상반된 극성을 갖는 추가적인 제1 상단 부분 및 추가적인 제1 하단 부분, 여기서 추가적인 제1 부분들은 추가적인 자기화가능 구조물의 제1 측면 상에서 상기 추가적인 자기화가능 구조물로부터 수평으로 간격을 두고 떨어져 있으며; 및
    상반되는 극성을 갖는 추가적인 제2 상단 부분 및 추가적인 제2 하단 부분, 여기서 추가적인 제2 부분들은 상기 추가적인 자기화가능 구조물의 제2 측면 상에서 상기 추가적인 자기화가능 구조물로부터 수평으로 간격을 두고 떨어져 있으며, 여기서 상기 제2 측면은 상기 제1 측면과 대향하며, 상기 상단 부분들은 상기 추가적인 자기화가능 구조물의 상단 부분으로 자기적으로 끌리고 상기 하단 부분들은 상기 추가적인 자기화가능 구조물의 하단 부분으로 자기적으로 끌리며, 여기서 상기 자기화가능 구조물과 상기 추가적인 자기화가능 구조물은 수평으로 간격을 두고 떨어져 있음.
12. 청구항 11 에 있어서, 상기 자속원에 연결된 짐(load)을 포함하며, 상기 자속원은 상기 자기화가능 구조물 주위에 대한 짐의 회전을 억제함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
13. 청구항 1 에 있어서, 상기 자속원은, 상기 자속원의 수직 대체에 대한 억제를 제공하도록 구성된, 자기화가능 구조물 쪽으로의 복수의 돌출부를 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
14. 청구항 1 에 있어서, 짐(load)을 자기화가능 구조물에 따라서 유도하도록 구성된 하나 또는 그 이상의 플랜지 휠(flanged wheel)을 더욱 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
15. 청구항 1 에 있어서, 상기 제1 상단 부분은 자속을 제1 측면에서 상기 자기화가능 구조물의 상단 부분으로 주입하도록 구성되며, 상기 제2 상단 부분은 자속을 제2 측면에서 상기 자기화가능 구조물의 상단 부분으로 주입하도록 구성되며, 상기 자속은 상기 자기화가능 구조물 내에서 하단 부분으로 수직으로 유도되며, 상기 자속의 적어도 일부는 제1 측면에서 상기 자기화가능 구조물의 하단 부분을 통하여 제1 하단 부분으로 되돌아가며, 상기 자속의 적어도 일부는 제2 측면에서 상기 자기화가능 구조물의 하단 부분을 통하여 제2 하단 부분으로 되돌아감을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 장치.
16. 자속원의 제1 상단 부분 및 자속원의 제1 하단 부분을 자기화가능 구조물의 제1 측면으로부터 수평으로 간격을 두고 떨어져 위치시키는 단계, 여기서 제1 부분들은 상반된 극성을 가짐;
    자속원의 제2 상단 부분 및 자속원의 제2 하단 부분을 자기화가능 구조물의 제2 측면으로부터 수평으로 간격을 두고 떨어져 위치시키는 단계, 여기서 제2 부분들은 상반된 극성을 가지며, 상기 제2 측면은 상기 제1 측면과 대향하며, 상기 제1 및 제2 상단 부분은 자기화가능 구조물의 상단 부분으로 자기적으로 끌리고 상기 제1 및 제2 하단 부분은 자기화가능 구조물의 하단 부분으로 자기적으로 끌리며; 및
    자기화가능 구조물에 대하여 상기 자속원의 위치를 제어하는 단계;
    를 포함하는, 자속원을 제어하는 방법.
17. 청구항 16 에 있어서, 상기 자속원은, 하나 또는 그 이상의 영구자석, 비-자기화가능 스페이서(spacer)에 의해 분리된 복수의 자속원, 본드 자석(bonded magnet), 및 균일하게 방사상으로 자기화된 자석 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는, 자속원을 제어하는 방법.
18. 청구항 16 에 있어서, 상기 위치를 제어하는 단계는 자속원에 의해 발생된 자속을 바이어스하는 전류를 발생하는 단계를 포함함을 특징으로 하는, 자속원을 제어하는 방법.
19. 청구항 16 에 있어서, 상기 위치를 제어하는 단계는 자속원의 부분 중 적어도 하나의 수평적 위치를 감지하는 단계 및 상기 감지에 기초하는 전류를 제공하는 단계를 포함함을 특징으로 하는, 자속원을 제어하는 방법.
20. 청구항 19 에 있어서, 상기 수평적 위치를 감지하는 단계는 자속원과 자기화가능 구조물 사이의 간격 거리를 결정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는, 자속원을 제어하는 방법.
21. 청구항 16 에 있어서, 상기 위치를 제어하는 단계는 자기화가능 구조물의 양쪽 측면에서 자속을 균일화하는 단계를 포함함을 특징으로 하는, 자속원을 제어하는 방법.
22. 자속을 발생하기 위한 제1 상부 수단;
    자속을 발생하기 위한 제1 하부 수단, 여기서 상기 제1 상부 수단 및 상기 제1 하부 수단은 자기화가능 구조물의 제1 측면으로부터 수평으로 간격을 두고 떨어져 위치하며, 상기 제1 상부 수단과 상기 제1 하부 수단은 상반된 극성을 가짐;
    자속을 발생하기 위한 제2 상부 수단;
    자속을 발생하기 위한 제2 하부 수단, 여기서 상기 제2 상부 수단 및 상기 제2 하부 수단은 자기화가능 구조물의 제2 측면으로부터 수평으로 간격을 두고 떨어져 위치하며, 상기 제2 상부 수단과 상기 제2 하부 수단은 상반된 극성을 가지며, 상기 제2 측면은 상기 제1 측면과 대향하며, 상기 제1 및 제2 상부 수단은 자기화가능 구조물의 상단 부분으로 자기적으로 끌리고 상기 제1 및 제2 하부 수단은 자기화가능 구조물의 하단 부분으로 자기적으로 끌어 당겨짐; 및
    자기화가능 구조물에 대하여 자속을 발생하기 위한 수단의 위치를 제어하기 위한 수단;
    을 포함하는, 짐을 운반하기 위한 시스템.
23. 청구항 22 에 있어서, 상기 자속을 발생하기 위한 수단은, 하나 또는 그 이상의 영구자석, 비-자기화가능 스페이서(spacer)에 의해 분리된 복수의 자속원, 본드 자석(bonded magnet), 및 균일하게 방사상으로 자기화된 자석 중 적어도 하나를 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 시스템.
24. 청구항 22 에 있어서, 상기 위치를 제어하기 위한 수단은 제어기 회로를 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 시스템.
25. 청구항 22 에 있어서, 상기 위치를 제어하기 위한 수단은 자속원에 의해 발생된 자속을 바이어스하기 위한 전류를 발생하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 시스템.
26. 청구항 22 에 있어서, 상기 위치를 제어하기 위한 수단은 자속원의 부분 중 적어도 하나의 수평적 위치를 감지하기 위한 수단 및 상기 감지에 기초하는 전류를 제공하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 시스템.
27. 청구항 26 에 있어서, 상기 수평적 위치를 감지하기 위한 수단은 자속원과 자기화가능 구조물 사이의 간격 거리를 결정하기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 시스템.
28. 청구항 22 에 있어서, 상기 위치를 제어하기 위한 수단은 자기화가능 구조물의 양쪽 측면에 자속을 균일화시키기 위한 수단을 포함함을 특징으로 하는, 짐을 운반하기 위한 시스템.

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