KR950000241B1

KR950000241B1 - 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로 및 자기유도 방법

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Publication number: KR950000241B1
Application number: KR1019900000382A
Authority: KR
Inventors: 배연수
Original assignee: 배연수
Priority date: 1990-01-12
Filing date: 1990-01-12
Publication date: 1995-01-12
Also published as: EP0509993A1; AU6145590A; US5350991A; EP0509993B1; JPH05505089A; KR910015093A; WO1991011051A1; JP2624574B2; DE69017919T2; DE69017919D1

Abstract

내용 없음.

Description

동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로 및 자기유도 방법

제 1 도는 본 발명의 기본적인 회전장치의 자기회로를 나타낸 평면도.

제 2 도는 본 발명의 기본적인 회전장치의 자기회로에서 발생되게 자계의 흐름을 나타낸 평면도.

제 3a, b 도는 본 발명 회전장치의 자기회로도에 대한 다른 실시예.

제 4 도는 본 발명에서 사용되는 스위칭 전원 공급회로도.

제 5 도는 본 발명의 실시예를 나타낸 회전장치의 분해사시도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 회전축 2 : 회전계자

3 : 기계 동력발생용 전기자 4 : 전력발생용 전기자

54 : 유도전자석 6 : 순환도체

10 : 회전장치 11 : 제 1 위상검출판

12 : 제 1광센서 프레임 20 : 위상감지부

21 : 제 2 위상검출판 22 : 제 2 광센서 프레임

25 : 원통계철 26, 28 : 베어링

27, 29 : 하우징 30 : 스위칭회로

31 : 광센서 3a, 3b : 슬롯

3c : 코일 3-1 : 제 1 전기자

3-2 : 제 2 전기자 3-3 : 제 3 전기자

3-4 : 제 4 전기자 4-1 : 제 1 전력발생용 전기자

4-2 : 제 2 전력발생용 전기자 4-3, 4-4 : 전력발생 코일

5-1 : 제 1 유도전자석 5-2 : 제 2 유전자석

5-5 : 제 3 유도전자석 5-6 : 제 4 유도전자석

6-1 : 제 1 순환도체 6-2 : 제 2 순환도체

P1, P2 : 출력선 P3, P4, P5, P6 : 입력선

I1, I2, I3, ... : 인버터 Q1, Q2, Q3, ... : 트랜지스터

a, b, c, ... : 자극편의 중심부근

본 발명은 전기적 에너지를 사용하여 기계적인 회전동력을 발생시키는 동시에 기계적인 회전동역을 전기적인 에너지로 전환되게한 동력발생 및 전력발생용 회전장치에 관한 것으로, 전기적인 에너지로 회전동력을 얻는 경우에는 전기적인 에너지를 자기 에너지로 변환시키고 자력의 흡입력 및 반발력을 이용하여 높은 효율의 기계적인 에너지를 얻게한 회전장치와, 기계적인 에너지에 의해 계자의 자속이 전기자에 유도되어 전기자의 권선과 쇄교하므로써 전기적인 에너지로 전환할 수 있게한 동력 발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로 및 자기유도 방법에 관한 것이다.

지금까지 사용되고 있는 회전기는 전기적인 에너지를 받아 회전동력을 발생시키는 전동기(일명, 모터)와, 기계동력을 받아 전력을 발생시키는 발전기가 있으며, 전동기 및 발전기를 기계적으로 연결하여 구성시킨 전동발전기와, 동일 전기자에 입력과 출력권선을 하여 입력권선측은 전동기로써 동작되고 출력권선측은 발전기로서 동작되도록 한 발전기 전동기 등이 있다.

본 발명의 회전장치의 자기회로의 자극편이 전력을 받아 동력과 전력을 동시에 발생시키는 관점에서 전동기 및 발전기의 자기회로와 다르며, 자극편의 기계동력 발생장치와 전력발생장치가 하나의 자기회로로 구성되어 있다는 관점에서는 전동발전기와 상이하고, 도한 자극편에 기계동력 발생용 전기자와 전력발생용 전기자가 각각 형성된다는 관점에서 발전전동기와는 상이하다.

그러므로, 본 발명의 회전기의 자기 회로는 기능면에서나, 구조면에 있어서 기존의 회전기의 자기회로와 다른 특징을 가지며, 본 발명의 자기회로를 이용한 회전장치는 일정량의 전력의 소모로 기계동력과 전력이 동시에 발생하기 때문에 회전장치에서 발생한 전력을 다시 회전장치의 소모전력으로 전환시킴에 따라 외부의 전기에너지 소모를 극소화시킬 수 있으므로 에너지 절감효과가 뛰어난 특징을 가지게 된다.

본 발명의 목적은 외부의 전원에 의한 기계적인 회전동력을 얻고 기계적인 에너지로서 계자의 자속이 전기자로 유도되게 하여 전기적인 에너지를 얻을 수 있는 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로를 제공하고자 하는 것이다.

다른 목적은 상기 동력발생 및 전력발생용 회전장치에 자기의 흐름을 유도시켜 전기적인 에너지로 변화시킬 수 있는 자기 유도 방법을 제공하고자 하는 것이다. 이와 같은 목적을 달성시키기 위한 본 발명의 특징은, 자계의 흡인력 및 반발력에 의하여 회전하는 회전계자와; 자극편에 다수개의 스롯형의 도체가 형성되고, 코일이 권선된 하나이상의 기계동력 발생용 전기자를 포함하며, 상기 회전계자에 회전자계를 가해주는 기계동력 발생수단과; 도체로 형성되고 상기 회전계자의 회전시 발생되는 자속을 받아들이는 하나이상의 전력발생용 전기자와, 상기 전력발생용 전기자에 권선된 전력발생용 코일이 포함되는 전력발생수단과; 상기 회전계자의 회전위치에 따라 순환되는 자속의 흐름을 제어하는 하나이상의 유도전자석과, 상기 유도전자석에 유기되는 자속을 순환시키기 위한 순환도체(6)를, 포함하는 자속순환 유도수단과; 로 형성되는 동력 발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로에 있는 것이다.

다른 특징은 상기한 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로에 유도되는 자속의 자기유도 방법을 제공하고자 하는 것이다. 이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제 1 도는 본 발명의 기본적인 회전장치를 나타낸 평면도로서, 본 발명은 크게 기계동력 발생수단, 전력 발생수단, 자속순환 유도수단으로 구분된다. 상기 수단들의 중심에는 회전축(1)에 고정된 회전계자(2)가 구성된다.

상기 회전계자(2)는 코일에 의하여 여자되는 전자석 또는 영구자석으로 형성된다. 기계동력 발생수단은 상기 회전계자(2)와, 하나이상의 기계동력 발생용 전기자(3)로 이루어진다.

상기 기계동력 발생용 전기자(3)의 자극편에는 다수개의 스롯형(3a), (3b)의 도체를 만들어 절연을 한다음 코일(3c)을 권선시켜 회전계자(2)에 자계를 가해줄 수 있도록 구성된다.

다수개의 기계동력 발생용 전기자(3)는 각각 동일한 구조를 가지고 대칭적으로 구성된 제 1 전기자(3-1), 제 2 전기자(3-2), 제 3 전기자(3-3), 제 4 전기자(3-4)를 포함한다.

전력 발생수단은 기계적인 회전운동을 하는 상기 회전계자(2)와, 상기 회전계자(2)의 회전시 자속을 유도받아 전력을 발생시키는 하나이상의 전력발생용 전기자(4)로 이루어진다.

다수개의 전력 발생용 전기자(4)의 자극편에는 스롯형 또는 평면으로 만들 수 있고 절연을 한다음 전력 발생용 코일(4-3)이 권선되게 한다. 상기 전력발생용 전기자(4)는 제 1 전력발생 전기자(4-1) 및 제 2 전력발생 전기자(4-2)들이 포함된다.

자속순환 유도수단은 상기한 기계동력 발생수단의 기계동력 발생용 전기자(3)와 하나의 도체로 이루어지고 또한 전력 발생수단의 전력발생용 전기자(4)와도 하나의 도체로 이루어진다.

자속순환 유도수단은 상기한 기계동력 발생용 전기자(3) 및 전력발생용 전기자(4)와 같이 강자성체로 자속순환용 유도전자석(5)이 형성되게 하고 상기 자속 순환용 유도전자석(5)이 각각의 기계동력 발생용 전기자(3)와 전력발생용 전기자(4)와는 권선(5-3), (5-4)을 통하여 연결되게 구성시킨다.

상기 자속순환용 유도전자석(5)에는 제 1 유도전자석(5-1) 및 제 2 유도전자석(5-2)...들이 포함된다. 여기서, 자속순환용 유도전자석(5)은 막대형, 삼각형, 원형, 요철형, T형, H형, Y형으로 형성시킬 수 있다. 또한, 자속순환 유도수단은 상기 자속순환용 유도전자속(5)에 유기되는 자속을 순환시키기 위한 하나이상의 순환도체(6)를 포함한다.

상기 순환도체(6)는 강자성체로 형성되며 제 1 순환도체(6-1), 제 2 순환도체(6-2)들이 포함된다. 이와 같이 본 발명의 회전계자(2)는 회전축(1)를 중심으로 좌, 우가 대칭적으로 구성되며, 우측만을 살펴보면 다음과 같은 구성을 가진다.

즉, 전력 발생수단에 포함되는 전력 발생 전기자(4-1)에 권선된 코일(4-3)에서 출력선(P1)을 인출시켜 상기 코일(4-3)에 자속이 쇄교될 때 유도전력이 발생되게 구성한다. 또한, 자속순환 유도수단을 형성하는 자속순환용 유도전자석의 제 1 유도전자석 및 제 2 유도전자석(5-1), (5-2)에는 코일(5-3), (5-4)이 일정한 방향으로 권선되어 동일 자계가 형성되게 하고 각각의 코일(5-3), (5-4)에서 인출시켜 입력선(P3), (P4)이 되게하여 전력이 공급되게 구성한다. 여기서, 좌, 우가 대칭적으로 1개의 출력선(P1), (P2) 및 2개의 입력선(P3), (P4), 입력선(P5), (P6)을 가지게 된다.

이와 같이 구성된 본 발명에서 회전계자(2)가 영구자석으로 형성되어 있고 180°각에 영구자석의 N극이 위치하고 0°각에 영구자석의 S극이 위치하고 있다고 가정된 상태에서, 입력선(P3), (P4)으로 스위칭 전원이 입력되면 자속순환 유도수단의 자속순환용 제 1 및 제 2 유도전자석(5-1), (5-2)에 권회된 코일(5-3), (5-4)은 여자된다. 이때 유도전자석(5-1), (5-2)에 의해 형성되는 자계를 제 2 도로서 살펴보면 다음과 같다.

제 2 도는 본 발명의 기본적인 회전장치에서 발생되는 자계의 흐름을 나타낸 도면으로서, 제 1 도의 동일한 구성을 간략히 하고 있다.

즉, 코일(5-3), (5-4)은 동일한 방법으로 권선되어 있어 전류가 흐르게 되면 오른나사의 법칙에 의하여 자극편의 중심부근(a)에는 N극이 형성되고 자극편의 중심부근(b)에는 S극이 형성되면 자속순환용 제 1 유도전자석(5-1)의 자극편의 중심부근(c)에 N극이 형성되고 전력발생용 전기자(4)에 일체로 형성된 자속순환용 유도전자석(5-1), (5-2)의 자극편의 중심부근(d)에도 N극이 형성된다.

그리고, 자속순환용 제 1 유도전자석(5-1), (5-2)에 일체로 형성된 전력발생용 전기자(4)의 중심자극편의 중심부근(e) 에는 자극편의 중심부근(d)에 대한 상대적인 S극이 형성된다.

이때 전력발생용 전기자(3-1)와 일체로 형성된 자속순환용 제 1 유도전자석(5-1)의 자극편의 중심부근(c)에는 N극이 형성되어 있는 상태에서 외부 스위칭 전원이 제 1 도의 단자(P11), (P12)를 통하여 슬롯(3)에 권회된 코일(3c)에 전원을 공급시키면 동일 방향으로 권선된 기계발생용 전기자(3-1)의 슬롯들은 오른나사의 법칙에 의하여 자극편의 중심부근(f)에는 N극, 자극편의 중심부근(g)에는 S극이 유도하게 되어, 회전계자(2)의 자극과 동일한 자속에 의하여 회전계자(2)가 반발하게 된다.

따라서, 회전자계(2)는 제 1 전기자(3-1)의 반발력과 전력발생용 전기자(4)의 자극편의 중심부근(e)에서 생기는 S극의 자계에 의한 제 1 전력발생 전기자(4-1)의 흡인력에 의하여 회전하게 된다. 이때 좌측에 도시된 제 3 전기자(3-3)은 회전자계(2)이 반발력을 형성하고 제 2 전력발생 전기자(4-2)에는 N극에 의한 흡인력이 발생된다.

이와 같이 각각의 제 1, 제 3 전기자(3-1), (3-3)에 권회된 코일(3c)에 스위칭 전원을 공급한 후 제 2, 제 4 전기자(3-2), (3-4)에 권회된 코일(3c)에 스위칭 전원을 공급하는 순으로 회전자계(2)에 흡인력과 반발력을 가하여 회전하는 기계동력을 얻게 된다.

이 때 제 1 내지 제 4 전기자(3-1)...(3-4)에 공급되는 전원을 제 1 전기자(3-1), 제 2 전기자(3-2), 제 3 전기자(3-3), 제 4 전기자(3-4)순으로 일정 간격을 두고 공급하여 회전자계(2)를 회전시킬 수도 있다.

이와 같이 회전자계(2)가 회전하면서 생기는 전기적인 에너지를 발생시키는 과정을 살펴보면 다음과 같다. 현재 입력선(P3), (P4)으로 교류전원이 입력된 상태에서 자속순환용 제 1 유도전자석(5-1)에 권선된 코일(5-3)이 여자되어 자극편의 중심부근(a)에는 N극, 자극편의 중심부근(b)에는 S극이 형성되고, 자극편의 중심부근(c)에는 N극이 형성되면, 순환도체(6-1)의 자극편의 중심부근(h)에는 S극이 유기되므로 자속이 N극에서 S극으로 흐르게 되어 자극편의 중심부근(i)을 거쳐 다시 자속순환용 유도전자석(5-1)으로 순환유도된다.

결국, 순환되는 자속은 점선과 같은 화살표 방향으로 흐르게 되어 모든 자속은 전력발생용 전기자(4)의 제 1 전력용 전기자(4-1)의 자극편의 중심부근(j)에 집중되어 흐르게 되고, 이때 회전자계(2)가 회전하여 회전자계(2)의 N극자계가 전력발생용 전기자(4)의 자극편의 중심부근(e)의 S극 자계측으로 자속이 흐르게 되어 모든 자속은 전력발생용 전기자(4-1)의 자극편의 중심부근(j)으로 집중되어 흐르면서 전력 발생용 전기자(4)의 제 1 전력용 전기자(4-1)에 권선된 코일(4-3)에 직각방향으로 자속이 쇄교하므로써 유도기전력을 발생시킨다.

이때 전력발생용 전기자(4)의 자극편의 중심부근(e)의 S극이 높은 자속을 형성할 경우 회전계자(2)의 회전운동을 방해할 수 있으므로 전력발생용 전기자(4)의 자극후단에 공극(Z1), (Z2)을 두어 전력발생용 전기자(4)의 자극편의 중심부근(e)의 S 극에 대한 자속을 임의대로 줄여줄 수 있다.

이와 같이 제 1 전력용 전기자(4-1)에서 유도기전력의 발생시 제 2 전력용 전기자(4-2)에는 반대방향의 유도기전력이 발생되는 것으로 코일(4-3), (4-4)의 출력선(P1), (P2)으로는 상기 유도기전력에 의한 전류가 흐르게 된다.

이를 재논하여 보면 자속순환용 제 1 및 제 2 유도전자석(5-1), (5-2)을 통하여 자속이 흐르는 것으로 제 1 도에서 자속순환용 제 1 및 제 2 유도전자석(5-1), (5-2)의 코일(5-3), (5-4)은 트랜스포머의 1차측이 코일이 되고, 전력발생용 제 1 및 제 2 전기자(4-1)...(4-2)에 권선된 코일(4-3), (4-4)은 트랜스포머의 2차측과 같이되어 유기된 전류가 흐르게 되는 동시에, 회전계자(2)의 회전시 흐르는 자속의 양이 더해져 보다 많은 기전력을 얻게 되고 출력선(P1), (P2)으로 전력을 인출할 수 있게 된다.

제 3a, b 도는 자속순환 유도수단에 포함되는 자속순환용 유도전자석(5)의 구조와, 유기되는 자속을 순환시키기 위한 순환도체(6)의 구조가 변경된 실시예로서, 본 발명의 회전장치의 구동상태도를 나타내고 잇다. 여기서, 기계동력 발생을 위한 제 1, 제 2, 제 3, 제 4전기자(3-1), (3-2), (3-3), (3-4)와, 전력발생을 위한 제 1 전력발생전기자(4-1) 및 제 2 전력발생 전기자(4-2)와, 자속순환을 위한 제 1 유도전자석(5-1) 및 제 2 유도전자석(5-2)와, 순환도체를 형성하는 제 1 순환도체(6-1) 및 제 2 순환도체(6-2)들의 기본적인 구조는 동일하다.

이때의 동작을 살펴보면, 초기에 회전계자(2)의 N극이 0°지점에 위치하고 S극이 180°지점에 위치하고 있을 때 별도로 도시된 회전위상 검출수단(후술함)으로부터 검출된 회전계자(2)의 위상이 제 4 도의 스위칭 전원공급회로에 인가되면 스위칭 전원 공급회로는 회전장치(10)의 기계동력 발생용 전기자(3) 및 자속순환 유도전자석(5)에 전원을 공급시키게 된다.

예를 들어, 첨부도면 제 3a 도에서와 같이 좌측 하단 기계동력 발생용 제 3 전기자(3-3)에는 S극을, 좌측 자속순환용 제 3 유도전자석(5-5)에는 N극이 유도되도록 하고, 우측 상단 기계동력 발생용 제 1 전기자(3-1)에는 N극을, 우측 자속순환용 제 2 유도전자석(5-2)에 S극을 유도시키면 회전계자(2)를 흡인하게 된다.

반대로, 좌측 상단 기계동력 발생용 제 4 전기자(3-4)에 S극을 유도시키고, 우측 하단 기계동력 발생용 제 2 전기자(3-2)를 N극으로 유도시키면 회전계자(2)와 반발하면서 회전운동을 하게 된다. 그리고, 좌측 제 2 전력발생용 전기자(4-2)에는 좌측 자속순환용 제 3 유도전자석(5-5)으로부터 N 극을 유도받은 상태에서, 회전계자(2)의 자속 N극이 좌측 제 2 전력발생용 전기자(4-2)의 S극을 따라 흐르게 되고, 우측 제 1 전력발생용 전기자(4-1) 역시, 우측 자속순환용 제 2 유도전자석(5-2)으로부터 S극을 유도받은 상태에서 회전계자(2)의 자속 S극을 유도받게 됨에 따라 좌측 전력발생용 전기자(4-2)에 권선된 코일(4-4)과 우측 전력발생용 전기자의 코일(4-3)이 자속을 쇄교하므로서 유도기전력을 발생시킨다.

한편, 첨부도면 제 3b도에서와 같이 회전계자(2)의 N극이 회전관성으로 95' 지점에 접근하고, 회전계자(2) S극이 275°지점에 접근하면, 후술하는 회전위상 검출수단은 회전계자(2)의 위상을 검출하여 전원스위칭 회로에서 회전계자(2)가 회전될 수 있도록 각각의 전기자, 유도전자석 등의 전극을 변환시켜, 좌측 화단 기계동작 발생용 제 3 전기자(3-3)에서는 N 극이 유도되도록 하고 좌측 상단 기계동력 발생용 제 4 전기자(3-4)에는 S극이 유도되도록 한다.

반대로, 우측 하단 기계동력 발생용 제 2 전기자(3-2)에서는 N극이 유도되고, 우측 상단 기계동력 발생용 제 1 전기자(3-1)에는 S극이 유도되므로서 회전계자(2)는 계속적으로 회전을 하게 된다.

이와 같이 자속순환용 제 1 및 제 2 유도전자석(5-1), (5-2)은 회전계자(2)의 위상이 약 180°마다 자극이 변하게 되고, 기계동력 발생용 전기자(3)는 회전계자(2)의 위상 이 약 90°마다 자극이 변하도록 되어 있으나 그 각은 조정될 수 있다.

이때, 자속순환용 제 1 및 제 2 유도전자석(5-1), (5-2)은 회전계자(2)의 위상이 약 180°마다 자극이 변해야 하고, 기계동력 발생용 제 1 내지 제 4 전기자들(3-1)...(3-4)은 회전계자(2)의 위상이 90도 변경될 때마다 자극을 변경시키는 스위칭 회로가 필요하며, 이와 같이 위상을 변경시키기 위하여 제 4 도와 같은 스위칭 회로를 사용한다.

즉, 제 4 도는 회전장치에 스위칭 전원을 공급하는 스위칭 회로도의 일례를 나타내고 있는 것으로, 회전계자(2)의 위상이 약 180°마다 자극이 변하도록 스위칭시키고 있는 것이다. 이 회로에서 회전계자(2)의 회전위상을 감지하는 회전계자 위상 감지부(20)는, 포토다이오드(PD) 및 포토트랜지스터(PQ)로 구성된 광센서(31)로 구성되고, 포토다이오드(PD) 및 포토트랜지스터(PQ) 사이에는 회전계자의 축(1)에 연결된 제 1 및 제 2 위상 검출판(제 4 도 참조)의 회전각을 감지하도록 구성한다.

포토트랜지스터(PQ)의 출력측에는 기준전압(Vref)과 비교하는 비교기(CP)와 연결되게 한 후, 출력반전용 인버터(11), (12)를 통하여 노우드(n1), (n2)측으로 2개의 상이한 출력이 공급되게 구성한다.

상기 노우드(n1)측에는 인버터(13)를 통하여 스위칭회로(30)에 연결되게 구성하고, 상기 노우드(n2) 측에는 인버터(14)를 통하여 상기 스위칭 회로(30)와 연결되게 구성한다.

상기 스위칭회로(30)는 본 발명의 회전장치(10) 사이에 스위칭 전원공급용 제 1 및 제 2 스위칭부(T31), (T32)와, 상기 제 1 및 제 2 스위칭부(T31), (T32)와 역구동되는 제 3 및 제 4 스위칭부(T33), (T34)가 포함된다.

각각의 제 1 내지 제 4 스위칭부( T31), (T32), (T33), (T34)은 모든 동일한 구성을 갖고 있는 것으로, 제 1 스위칭부(T31)는 달링톤 트랜지스터(Q1), (Q2)와, 전압분배용 저항(R1), (R2)과, 스위칭 역기전력방지용 다이오드(D1), (D2)로 구성된다. 그리고 제 1 스위칭부(T31)의 트랜지스터(Q1), (Q2)와, 제 2 스위칭부(T32)의 트랜지스터(Q7), (Q8)은 동일한 시점에서 동작되고, 제 3 스위칭부(T33)의 트랜지스터(Q3), ( Q4)와 제 4 스위칭부(T34)의 트랜지스터(Q5), (Q6)은 동일한 시점에서 동작되게 제 3스위칭부 (T33)의 트랜지스터 (Q3), (Q4)와 제 4 스위칭부(T34)의 트랜지스터 (Q5), (Q6)은 동일한 시점에서 동작되게 구성되어 회전장치(10)에 스위칭 펄스전압에 180°위상을 갖고 공급되게 구성한다.

상기 스위칭회로는 회전계자(2)의 위상이 약 180°위상으로 변경될 때마다 자속순환용 제 1 및 제 2 유도전자석(5-1), (5-2)에 가해지는 전류의 흐름이 변하도록 하고 있으며, 기계동력 발생용 제 1 내지 제 4 전가지(3-1)...(3-4)에 회전계자(2)가 90°씩 변경될때마다 공급되는 스위칭 전류는 상기 스위칭 회로(30)를 그대로 용융하여 실시할 수 있다.

이 경우 단지 회전계자 위상감지부(20)에서 감지되는 제 2 위상검출판으로 구성되는 스위칭회로를 제어시켜 달성될 수있고 제 2 위상검출판은 90°마다 광센서로서 검출된다.

이와 같이 구성된 스위칭회로의 회전계자 위상감지부(20)의 비교기(CP1)은 반전입력단자(-)에 인가되는 기준전압(Vref)과 비반전단자(+)에 인가되는 광센서(31)의 비교전압을 비교하게 된다.

광선서(31)은 회전계자의 축에 연결된 제 1 위상검 출판(제 4 도)의 회전각을 감지하여 포토다이오드(PD)의 빛이 저전위상태(L레벨)신호가 인가되고, 제 1 위상검출판에 의하여 포토다이오드(PD)의 빛이 차단되는 경우에는 고전위 상태(H레벨)의 전원(B+)이 인가된다.

현재, 비교기(CP)의 출력이 L레벨 상태라고 가정하면 인버터(I1), (I2)을 통한 L레벨의 상태신호는 인버터(13)에서 재차 반전된 H레벨 상태신호가 되고, 이 상태신호가 제 1 스위칭부(T31) 및 제 2 스위칭부(T32)를 턴온시켜 회전장치(10)에 전류가 흐르도록 한다. 이 때 제 1 스위칭부(31)에 인가되는 H레벨의 상태신호는 트랜지스터(Q1), (Q2)를 턴온시키며, 여기서 다이오드(D1), (D2)는 역기전력을 방지하게 된다.

그리고 인버터(I1)를 통한 H레벨 상태 신호는 인버터(14)를 통하여 L레벨의 상대신호가 되어 제 3스위칭부(T33) 및 제 4 스위칭부 (T34)에 인가되므로 제 3및 제 4스위칭부 (T33), (T34)는 차단상태가 유지된다. 반면에, 비교기(CP)의 출력이 H레벨 상태인 경우에는 인버터(I1), (I2)를 통한 H레벨의 상태신호가 인버터(I3)에서 반전되어 L레벨의 상태신호로 제 1 스위칭부(T31) 및 제 2 스위칭부(T32)에 입력되므로 제 1 및 제 2 수위칭부(T31), (T32)는 차단상태를 그대로 유지하고, 인버터(I1), (I4)를 통한 H레벨의 상태신호가 제 3 스위칭부( T33) 및 제 4 스위칭부(T34)에 입력되어 제 3 및 제 4 스위칭부( T33), (T34)가 동작되어 회전장치(10)에 전류가 흐르게 하는 것으로 상기 제 1 및 제 2 스위칭부의 구동시와는 반대방향의 전류를 회전장치(10)에 공급하게 된다.

상기한 회로들은 회전위상 검출수단에 사용되고 위상감지부(20)가 제 5 도의 제 1 위상검출판의 각도를 감지하는데 사용되는 경우에는 회전계자(2)가 180° 변할 때마다 스위칭되어 공급되는 구형파의 전류를 회전장치(10)내 2개의 입력선(P3)(P4), (P5)(P6)에 교호로 전류를 공급한다.

그리고 상기 위상감지부(20)가 제 5 도의 제 2 위상검출판의 각도를 감지하는데 사용되는 경우에는 회전계자(2)가 90°변할때마다 스위칭되어 공급되는 구형파의 전류를 회전장치(10)내 전기자(3) 각각의 제 1 내지 제 4 전기자에 전류를 교호로 공급되게 된다.

제 5 도는 본 발명의 일실시예를 나타낸 회전장치에 관한 것으로, 회전계자(2)은 코일이 권선된 전자석 또는 영구자석으로 구성되고 중앙이 관통되어 회전축(1)에 삽입된 채로 고정된다. 그리고 상기 회전축(1)에는 회전계자의 위상을 검출하는 제 1 위상검출판(11)과, 제 2 위상검출판(12)이 각각 구성되고, 제 1 위상검출판(11)은 자속순환용 제 1 유도전자석(4-1) 및 제 2 유도전자석(4-1)의 권선된 코일(4-3), (4-4)에 인가되는 전류의 방향을 선택하여 N.S극의 자극이 발생되게 한다.

제 2 위상검출판(12)은 기계 동력 발생용 제 1 전기자 내지 제 4 전기자(3-1)...(3-4)내의 슬롯(3a)들에 권선된 코일(3c)에 흐르는 전류의 공급을 제어하게 된다.

따라서 상기 제 1 및 제 2 위상판(11), (12)의 판둘레에는 원하는 각만큼 판이 절결되게 구성하여 광센서의 투과시간이 조절되게 한다. 그리고 상기 제 1 위상검출판(11)의 좌우에는 광센서가 부착되는 제 1 광센서 프레임(21)이 장설되고, 상기 제 2 위상검출판(12)의 좌우에는 광센서가 부착되는 제 2 광센서 프레임(22)이 장설된다.

상기 제 1 및 제 2 광센서 프레임(21), (22)는 "ㅠ "형으로 형성한다. 여기서, (15)는 전원이 공급되는 전선이다. 따라서 회전위상 검출수단은 상기한 제 1 및 제 2 위상검출판(11), (12)과, 제 1 및 제 2 광센서 프레임(22)과, 광센서 프레임에 부착되는 광센서가 포함된다.

또한 회전축(1)에는 슬립링(13)을 형성하고 상기 슬립링(13)에는 브러시(14)가 접속되게 구성시켜 회전계자(2)내에 여자되는 코일에 흐르는 전류의 방향이 제어되게 구성한다. 원통계철(25)내에 고정되는 전력발생용 전기자(4)는 제 1 전력발생용 전기자(4-1) 및 제 2 전력용발생용 전기자(4-2)로 분리되어 각각 나사(16), (17)로써 고정된다.

물론 상기 전기자(4)에는 각각 전력발생용 코일이 권선되어 있다. 그리고 기계동력 발생용 전기자(3)의 자극편은 슬롯(3a), (3b)형의 도체를 만들어 절연한 후 코일(3c)을 권선하고 원통계철(25)내에 나사로서 고정시킨다.

여기서 기계동력 발생용 전기자(3)는 원통계철(5)내에 대칭적으로 장설되는 제 1 전기자 내지 제 4 전기자들을 포함한다.자속순환용 유도전자석(5)은 상기 기계동력 발생용 전기자(3) 또는 전력 발생용 전기자(4)와 같이 연결된 강자성체로 구성되어(제 1 도 참조) 원통계철(25)내에 고정된다. 여기서 원통계철(25)은 제 1 도의 순환도체(6)가 된다.

이와 같이 원통계철(25)내에 기계동력 발생용 전기자(3), 전력발생용 전기자(4), 자속순환용 유도전자석(5)이 고정되면 회전계자(2)가 중심에 삽입된 후 회전위상 검출수단과 같이 고정되게 한다.

이때 회전축(1)의 좌우에는 베어링(26), (28)이 삽입된 좌, 우 하우징(26), (27)이 결합되어 회전계자(2)의 위치를 고정시킨 후 나사로 체결하면 회전장치(10)가 완성된다. 따라서, 회전장치(10)에 전원이 공급되면, 먼저 회전위상 검출수단에 의하여 회전계자(2)에 따라 회전되는 제 1 위상검출판(11) 및 제 2 위상검출판(12)에 의한 위상검출신호가 제 4 도의 스위칭회로에 공급하게 된다.

상기 스위칭회로에 의하여 전술한 바와 같이 회전계자(2)의 위치에 따라 기계동력 발생용 전기자(3)와, 자속순환용 유도전자석(5)에 자계가 형성되게 한다. 이 자계가 회전계자(2)의 흡인력 및 반발력을 가하여 회전계자가 회전하여 기계적인 동력을 회전축(1)을 통하여 얻게 된다.

또한 자속순환용 유도전자석(5)으로 흐르는 자속과 기계동력 발생시 회전되는 상기 회전계자(2)에서 흐르는 자속이 전력발생용 전기자(4)로 모두 흐르도록 하여 권선된 코일에 직각방향으로 쇄교되어 유도기전력을 발생시키면 기계동력과 동시에 전기를 얻게 된다.

따라서 필요한 에너지를 얻기 위하여 필연적으로 에너지를 소모하여야만 되는 회전장치의 단점을 개선시킨 본 발명에서는 입력대 출력의 비율이 1:1의 에너지 환수율은 아니지만 계자자속의 약 20%를 전기적인 에너지로 환수할 수가 있으며, 에너지 환수로 얻어지는 전력으로 인하여 외부에서 인가되는 전력을 크게 줄일 수가 있다.

이와 같은 장치는 전기자동차의 엔진, 선박엔진, 항공기엔진, 각종 중장비의 엔진 및 제어, 기계의 동력 전달용, 각종의료기기의 제어용 모터, 양수기 가전제품의 회전기, 로봇트제어용 모터, 자기 브레이크 등에 널리 사용할 수가 있다.

본 발명에서 자기유도가 되는 과정을 다시 살펴보면 전원투입시 회전계자(2)가 회전하기 위한 자계를 발생시키기 위하여 현재 회전계자(2)가 위치하고 있는 각을 위상검출수단에 의하여 판단한 후 하나 이상의 동력발생용 전기자(3)와 하나이상의 자속순환용 유도전자석(5)에 전류가 흐르는 방향을 선택하여 전원을 공급하게 된다.

이와 같이 전기자 및 전자석에 전류가 공급되면 전력발생용 제 1 전기자 내지 제 4 전기자(3-1)...(3-4)가 순차적으로 여자되어 회전계자(2)에 흡인력 및 반발력을 가해 회전하는 기계동력을 얻게 된다.

또한 하나 이상의 제 1 내지 제 4 유도전자석(5-1)...(5-4)에 전류가 흐르게 되면 일정한 순환방향으로 증가된 자속과, 상기 회전동력에 의하여 회전하는 회전계자(2)에서 발생되는 자속이 전력발생용 전기자(4)에 집중되어 유도기전력에 의한 전력을 발생시키게 된다.

따라서 제 1 내지 제 4 유도전자석(5-1)...(5-4)과, 상기 유도전자석에 유기된 자속이 흐르는 통로를 형성시키는 제 1 및 제 2 순환도체(6-1)(6-2)에는 자속의 효율을 높이기 위하여 제 2 도와 같이 제 1 내지 제 4 유도전자석(5-1)...(5-4)에 공극(X1...X4)을 두어 자기저항이 발생되게 하여 일정한 방향으로 유도돈 자속이 순환하여 효율을 높일 수가 있다.

또한 제 1 및 제 2 순환도체(6-1), (6-2)에도 공극(Y1...Y5)를 형성시켜 일정한 방향으로 유도되는 자속의 순환효율을 높일 수가 있는 것으로, 상기 공극(X1...X4), (Y1...Y5)는 일정거리만큼 유도전자석 및 도체를 절단시켜 형성할 수가 있다.

또한 상기 공극(X...X4), (Y1...Y5)의 거리에는 비자성체 또는 반자성체를 삽입시켜 공극효율을 높일 수가 있으며 바자성체, 반자성체, 강자성체들을 성층으로 삽입시킬 수도 있다. 그리고 각각의 기계동력 발생용 전기자(4) 및 전력발생용 전기자(4)와 같이 강자성체로 구성되어 자속순환용 유도전자석(5)이 형성되는 것으로 이때에도 자속순환용 유도전자석(5)에 상기와 같은 공극(Z1), (Z2)을 두어 유도된 자속이 순환되는 효율을 높일 수가 있다.

이와 같이 동력발생용 전기자(3), 전력발생용 전기자(4), 자속순환용 유도전자석(5)들은 권선된 코일에 흐르는 전류의 방향에 의하여 자계를 유기시키게 되므로 상기 전기자 및 전자석들은 강자성체 소재로 형성된다. 이때 강자성체의 소재를 규소강판, 페라이트, 퍼몰로이, 아몰퍼스등으로 사용하는 경우에 철심의 투자율을 높여 강한 자기를 유도시킬 수가 있다.

그리고 전력발생용 전기자(4)의 자극편의 중심부근(e)의 S극이 높은 자속을 형성할 경우 회전계자(2)의 회전운동을 방해할 수 있으므로 전력발생용 전기자(4)의 자극후단에도 공극(Z1). (Z2)을 두어 전력발생용 전기자(4)의 자극편의 중심부근(e)의 S극에 대한 자속을 임의대로 줄여줄 수 있다.

또한 전력발생용 전기자(4)의 자극편의 중심부근(e)에는 초전도용 합금이 부착되게 하여 회전계자(2)에서 발생되는 자속을 받아들일 때 누설자속이 생기는 것을 방지하는 동시에 회전계자(2)가 보다 원활하게 회전할 수 있게 된다.

이상에서와 같이 본 발명은 회전장치(10)내에 공급되는 스위칭전원에 의하여 하나 이상의 동력발생용 전기자에서 회전계자를 회전시킬 수 있는 회전계자를 형성시키고, 자속순환용 유도전자석 및 순환도체를 통하여 흐르는 자속과, 상기 회전계자에서 발생되는 자속이 전력 발생용 전기자에 공급되게 하여, 회전동력의 발생과 동시에 전력이 발생될 수가 있는 것으로, 일정량의 전력의 소모로 기계동력과 전력을 동시에 발생시킬 수가 있어 회전장치에서 발생된 전력을 다시 회전장치의 소모전력으로 전환시킴에 따라서 외부의 전기에너지 소모를 극소화시킬 수가 있는 특징을 갖게 된다.

이와 같은 본 발명의 회전장치는 주로 2극 4상 방식으로 기술되어 있으나 2극 삼상 또는 다극을 가지는 회전장치에 그대로 응용할 수 있으며, 이와같은 기술내용은 본 분야에 전문가라면 본 발명을 이용하여 용이하게 변경실시할 수 있다.

Claims

자계의 흡인력 및 반발력에 의하여 회전하는 회전계자와; 자극편에 다수개의 스롯형의 도체가 형성되고, 코일이 권선된 하나이상의 기계동력 발생용 전기자를 포함하며, 상기 회전계자에 회전자계를 가해주는 기계동력 발생수단과; 도체로 형성되고 상기 회전계자의 회전시 발생되는 자속을 받아들이는 하나이상의 전력발생용 전기자와, 상기 전력발생용 전기자에 권선된 전력발생용 코일이, 포함되는 전력발생수단과; 상기 회전계자의 회전위치에 따라 순환되는 자속의 흐름을 제어하는 하나이상의 유도전자석과, 상기 유도전자석에 유기되는 자속을 순환시키기 위한 순환도체를, 포함되는 자속순환 유도수단과; 로 형성되는 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로.
제 1 항에 있어서, 회전계자는, 영구자석 또는 코일에 의하여 여자되는 전자석으로 구성되는 동력발생 및 전력발생 회전장치의 자기회로.
제 1 항에 있어서, 자속순환 유도수단을 구성하는 유도전자석은, 제 1 유도전자석 내지 제 4 유도전자석을 포함하고, 상기 하나이상의 기계동력 발생용 전기자와 하나이상의 전력발생용 전기자에 같이 부착되게 하거나, 하나의 도체로 형성되게한 동력 발생 및 전력발생 회전장치의 자기회로.
제 1 항에 있어서, 하나이상의 전력발생용 전기자에 포함되는 제 1 및 제 2 전력발생자에 권선된 전력발생용 코일에서 출력선을 인출하고, 하나이상의 유도전자석이 포함되는 제 1 및 제 2 유도전자석에 권선된 코일에서 입력선을 인출하며, 제 3 및 제 4 유도전자석에 권선된 코일에서 입력선이 더 인출되게한 동력발생 및 전력발생 장치의 자기회로.
제 1 항에 있어서, 전력발생용 코일을 가지며 강자성체로 형성되는 회전계자의 자속을 받아들이는 제 1 및 제 2 전력발생 전기자들에 자속이 유기되는 측에는 초전도용 합금이 부착되게 상기 전기자들을 구성시킨 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 자속순환 유도수단을 구성하는 제 1 유도전자석 내지 제 4 유도전자석은, 막대형, 삼각형, 원형, 요철형, T형, H형, Y형중 어느 하나로 형성되게 한 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 자속순환 유도수단을 구성하는 제 1 유도전자석 내지 제 4 유도전자석에 자기저항용 공극을 형성시켜 필요한 부분에 자력을 증감시킬 수 있게한 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 자속순환을 유도하는 제 1 및 제 2 순환도체에 자기저항용 공극을 형성시켜 자극의 흐름이 제어되게한 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 자속순환을 유도하는 제 1 및 제 2 순환도체에 자기저항용 공극을 형성시켜 자극의 흐름이 제어되게한 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 전력발생수단인 하나이상의 전력발생용 전기자의 자극후단에 자기저항용 공극을 형성시킨 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로.
제 1 항 또는 제 2 항 또는 제 3 항 또는 제 7 항 또는 제 8 항 또는 제 9 항 또는 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 유도전자석 또는 순환도체에 형성되는 공극에 비자성체, 반자성체, 강자성체들을 성층으로 삽입시켜 자기저항의 효율을 향상시킨 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로.
자계의 흡인력 및 반발력에 의하여 회전하는 회전계자와; 자극편에 다수개의 스롯형의 도체가 형성되고, 코일이 권선된 하나이상의 기계동력 발생용 전기자를 포함하며, 상기 회전계자에 회전자계를 가해주는 기계동력 발생수단과; 도체로 형성되고 상기 회전계자의 회전시 발생되는 자속을 받아들이는 하나이상의 전력발생용 전기자와, 상기 전력발생용 전기자에 권선된 전력발생용 코일이, 포함되는 전력발생수단과; 상기 회전계자의 회전위치에 따라 순환되는 자속의 흐름을 제어하는 하나이상의 유도전자석과, 상기 유도전자석에 유기되는 자속을 순환시키기 위한 순환도체(6)를, 포함되는 자속순환 유도수단;를 가지며, 상기 회전계자의 회전위치를 감지하여 상기 기계동력 발생수단 및 상기 자속순환 유도수단에 스위칭 전원을 공급하기 위한 회전위상 검출수단이 더 포함되게한 동력발생용 회전장치의 자기회로.
제 12 항에 있어서, 회전위상 검출수단은, 포토다이오드 및 포토트랜지스터로 구성되는 광센서와, 광센서의 비교전압 및 기준전압을 비교하는 비교기와, 상기 비교기의 출력에 따라 회전장치에 공급되는 스위칭 전원을 공급하는 스위칭회로와, 로 구성된 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로.
자극편에 스롯이 형성된 후 코일이 권선된 기계동력 발생용 전기자와, 상기 회전계자의 회전시 발생하는 자속을 받아들이는 전력발생 전기자와, 상기 회전계자의 회전위치에 따라 순환되는 자속의 흐름을 제어하는 유도전자석이 원통계철내에 고정부재로서 고정되게 하고, 회전축에 고정된 회전계자와, 상기 회전축에 고정설치된 제 1 및 제 2 위상검출판과, 상기 각각의 제 1 및 제 2 위상검출의 사이에 장설되는 제 1 및 제 2 광센서 프레임이 원통계철내에 삽입될 때 베어링이 장설된 좌우하우징 사이에 결합되어 원통계철내에 삽입되게한 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로.
제 14 항에 있어서, 원통계철은, 자속순환용 순환도체로 형성된 것을 특징으로 하는 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기회로.
제 14 항에 있어서, 코일에 권선된 전자석으로 구성되는 회전계자와, 상기 회전계자의 자극을 변경시키기 위하여 회전축에 형성되는 슬립링과, 상기 슬립링이 접속되어 전류를 가해주는 브러시와, 로 구성된 동력발생 및 전력발생용 회전장치.
전원투입시 현재 회전계자의 위치를 판단하여 동력발생용 전기자와 자속순환용 유도전자석에 전류가 흐르는 방향을 선택하여 전류를 공급하고, 자속순환용 제 1 내지 제 4 유도전자석에 흐르는 자속을 제 1 및 제 2 순환도체를 사용하여 전력발생용 코일에 권선된 전력발생용 제 1 및 제 2 전력발생 전기자에 자속의 흐름이 집중적으로 유기되게한 동력발생 및 전력발생용 회전장치의 자기유도 방법.