KR102048601B1 - 향상된 영구 자석 자속밀도를 갖는 개선된 dc 전기 모터/발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일반적으로 새롭고 개선된 전기 모터/발전기에 관한 것으로, 특히 전자기 모터로부터 회전 운동을 발생시키거나 전자기학적 또는 기하학적 구성에 의해 자기력을 집속시켜서 회전 운동으로부터 전력을 생성하는 개선된 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

향상된 영구 자석 자속밀도를 갖는 개선된 DC 전기 모터/발전기{AN IMPROVED DC ELECTRIC MOTOR/GENERATOR WITH ENHANCED PERMANENT MAGNET FLUX DENSITIES}

본 출원은 2012년 3월 20일자로 출원된 "An Improved Electric Motor Generator"라는 제목의 미국 가출원 일련번호 61/613,022의 우선권을 주장하며, 그 내용 전체가 본원에 참조로 포함된다. 본 출원은 또한 2013년 3월 20일 출원된 "AN IMPROVED DC ELECTRIC MOTOR WITH ENHANCED PERMANENT MAGNET FLUX DENSITIES"라는 제목의 미국 출원과 관련되며, 그 내용 전체가 본원에 참조로 포함된다.

본 발명은 일반적으로 새롭고 개선된 전기 모터/발전기에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 전자기 모터로부터 회전 운동을 발생시키거나 회전 운동 입력으로부터 전력을 생성하는 개선된 시스템 및 방법에 관한 것이다.

전기 모터는 전기적인 에너지를 사용하여 매우 일반적으로는 자기장과 전류를 운반하는 도체의 상호작용을 통해 기계적인 에너지를 생산한다. 전자기 수단에 의한 전기적 에너지의 기계적 에너지로의 변환은 1821년 영국 과학자 마이클 패러데이(Michael Faraday)에 의해 처음 입증되었고 이후 헨드릭 로렌츠(Hendrik Lorentz)의 작업에 의해 계량화되었다.

자기장은 전자와 같은 전기 전하 캐리어가 공간 또는 전기 도체 내를 움직일 때 생성된다. 움직이는 전하 캐리어(전류)에 의해 생성되는 자속선의 기하학적 형상은 정전기장에서 속선의 형상과 유사하다. 자속은 특히 철과 니켈과 같은 일부 예외를 제외하고 대부분의 금속을 영향을 받지 않거나 거의 없이 통과한다. 이 두 금속과 이들을 포함하는 합금 및 혼합물은 자속선이 집속되어 있기 때문에 강자성체로 알려져 있다. 가장 큰 자장 강도 또는 자속 집속을 갖는 영역은 자극으로 알려져 있다.

전통적인 전기 모터에서, 단단히 감싸진 전류 수송 물질로 이루어진 중앙 코어는 전류가 인가되면 (고정자로 알려진) 자석의 고정된 극들 사이에서 고속으로 스핀하거나 회전하는 (회전자로 알려진) 자극을 생성한다. 중앙 코어는 전형적으로 회전자와 함께 회전할 샤프트와 결합된다. 샤프트는 회전 기계에서 기어나 바퀴를 구동하고 및/또는 회전 운동을 직선운동으로 변환하는데 사용될 수 있다.

발전기는 보통 1831년 마이클 패러데이에 의해 발견된 전자기 유도 원리에 기초한다. 패러데이는 (구리와 같은) 도전 물질이 자기장을 통과할 때 (또는 반대의 경우도 마찬가지), 전류가 그 물질을 통해 흐르기 시작한다는 것을 발견했다. 이러한 전자기 효과는 움직이는 도체에 전압 또는 전류를 유도한다.

회전형 교류발전기/발전기 및 선형(linear) 교류 발전기와 같은 현재의 파워 생성 장치들은 패러데이의 발견에 의지해 파워를 생성한다. 사실, 회전형 발전기는 기본적으로 매우 큰 자석 내부 주위에 매우 많은 양의 와이어 스피닝(wire spinning)을 갖는다. 이런 상황에서 와이어 코일은 (고정자로 불리는) 고정 자석에 대해 움직이기 때문에 아마추어라고 불린다. 전형적으로, 움직이는 컴포넌트는 아마추어라고 하고, 고정된 컴포넌트는 고정자 또는 고정자들이라고 한다.

오늘날 사용되는 모터 및 발전기들은 정현 시변(time varying) 전압을 생성하거나 사용한다. 이 파형은 이 장치들의 동작에 고유한 것이다.

대부분의 종래의 모터들, 즉 선형 및 회전형 모터들 모두에서, 적절한 극성을 갖는 충분한 파워가 적절한 시간에 각 극 부분에서 반발력(또는 흡인력)을 공급하도록 펄스로 출력되어 특별한 토크를 생성한다. 종래의 모터에서는 어느 주어진 순간에 코일 극의 일부분만이 활발하게 토크를 공급한다.

종래의 모터에서는 주어진 토크/마력을 생성하기 위해서는 충분한 크기의 펄스 전류가 인가되어야 한다. 이때 마력의 출력과 효율은 설계, 전기 입력 파워 및 손실의 함수이다.

종래의 발전기에서 전류는 회전자가 회전할 때 생성된다. 생성된 파워는 자속 강도, 도체 크기, 극편의 개수 및 RPM 속도의 함수이다. 그러나 출력은 종래 전기 모터에서 보이는 것과 동일한 손실을 갖는 정현 출력이다.

한편, 종래 선형 모터/발전기는 절단되어 개방되거나 감싸지지 않은 전형적인 전기 모터/발전기로서 시각화될 수 있다. "고정자"는 알루미늄 또는 구리로 만들어진 평판 코일 트랙 형태로 배열되고 선형 모터의 "프라이머리(primary)"로 알려져 있다. "회전자"는 "세컨더리(secondary) "로 알려진 이동형 플랫폼 형태를 갖고 있다. 전류가 스위치 온되면, 세컨더리는 자기장에 의해 지지되고 추진되는 프라이머리를 지나서 미끄러진다. 선형 발전기는 동일한 방식으로 동작하나 기계적인 파워가 힘을 공급해 회전자 또는 세컨더리가 자기장을 지나칠 수 있게 한다.

전통적인 발전기 및 모터에서, 펄스형 시변 자기장은 원치 않는 효과와 손실, 즉, 철 히스테리 손실, 역기전력, 역전압(inductive kickback), 와전류, 돌입전류, 토크 리플, 열 손실, 코깅, 브러시 손실, 브러시드 설계에서 높은 마모, 전류(轉流, commutation)) 손실, 및 영구 자석의 자성 흔들림(magnetic buffeting)을 야기한다. 많은 예에서, 이런 효과를 해소하기 위해 기계적인 전류((轉流)를 대신해 복잡한 제어기들이 사용된다.

영구자석을 사용하는 모터와 발전기에서, 자속밀도를 증가시켜 더 효율적인 동작을 이루는 것이 바람직하다. 오늘날 사용되는 대부분의 영구자석 모터/발전기들은 네오디뮴 자석과 같은 영구자석에 의존한다. 이 자석들은 인간이 만든 자석 물질 중 가장 강한 것들이다. 산업과 고비용에 대한 전략적 가치 때문에 이 자석의 획기적인 물질 성분에 의존하지 않고, 또는 특수 목적의 형상과 크기를 갖는 고밀도 자석을 제조하지 않고 자속밀도를 증가시키는 것이 바람직하다.

모터 또는 발전기에서, 일부 에너지 형태는 회전자의 회전 및/또는 운동을 구동한다. 에너지가 더 희소하고 비싸지므로, 에너지 비용을 줄이기 위한 더 효율적인 모터와 발전기가 필요하다.
(특허문헌 1) US6664689 B
(특허문헌 2) US4388547 B
(특허문헌 3) US7554241 B

본 발명의 목적은, 이들 및 다른 문제들에 대응하여, 영구자석 조작에 의해 자속밀도를 증가시키는 방법 및 시스템을 포함하여 본 출원에 개시된 다양한 실시예들을 제시하는 데에 있다. 특히, 자속밀도보다는 저비용에 기초해 선택될 수 있는, 시판되는 형상 또는 크기를 사용하여 자속밀도를 증가시키는 방법 및 시스템을 제공하는데 있다. 또한 증가된 자속 밀도로 코어에 결합된 코일/들을 자석 어셈블리로 이동시켜 기계적인 파워를 생성하거나 코일들이 증가된 자속밀도로 자석 어셈블리를 통해 기계적으로 힘을 받을 때 전기 출력 파워를 생성하는 방법을 제공하는데 있다. 일부 양태들에서, 자속선들은 자석 실린더 또는 자석 어셈블리 내에서 영구 자석 또는 전자석의 구성에 의해 생성 및 증가되고 소정 장소에서 빠져나갈 때까지 자석 실린더 또는 자석 어셈블리 내에 갇혀있다.

본 발명에 따르면, 일부 실시예들에서 전압을 생성하는 방법 또는 시스템은, 예를 들어, 다음일 수 있다:

DC 전기 전압을 생성하는 시스템은 자석 실린더의 원주 부분 주변에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 자계 집속 영역을 생성하는 수단, 종축 샤프트가 회전할 때 코일 세그먼트가 상기 집속 영역으로 이동하도록 상기 코일 세그먼트를 상기 종축 샤프트에 결합하는 수단, 상기 자계 집속 영역 내 상기 복수의 자속력이 압축될 때 상기 코일 세그먼트에서 전압을 생성하는 수단; 및 상기 코일 세그먼트로부터 상기 전압을 제거하는 수단에 의해 특징지어진다.

상술한 시스템은 또한 자석 실린더의 추가 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 추가 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 추가 자계 집속 영역을 생성하며, 상기 추가 자계 집속 영역은 상기 자계 집속 영역으로부터 방사상으로 떨어진 곳에 위치하는 수단, 상기 종축 샤프트가 회전할 때 추가 코일 세그먼트가 상기 추가 집속 영역으로 이동하도록 상기 추가 코일 세그먼트를 상기 종축 샤프트에 결합하는 수단, 상기 자계 집속 영역 내 상기 복수의 자속력이 압축될 때 상기 추가 코일 세그먼트에서 추가 전압을 생성하는 수단, 및 상기 코일 세그먼트로부터 상기 전압을 제거하는 수단에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상술한 시스템은 또한 상기 자석 실린더로부터 종방향으로 떨어져 위치하는 추가 자석 실린더의 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 추가 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 추가 자석 실린더 내에서 추가 자계 집속 영역을 생성하는 수단, 상기 종축 샤프트가 회전할 때 상기 추가 코일 세그먼트가 상기 추가 집속 영역으로 이동하도록 상기 추가 실린더 내에 위치한 추가 코일 세그먼트를 종축 샤프트에 결합하는 수단, 상기 추가 자계 집속 영역 내 복수의 자속력이 압축될 때 상기 추가 코일 세그먼트에서 추가 전류를 생성하는 수단, 및 상기 추가 코일 세그먼트로부터 상기 추가 전압을 제거하는 수단에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상술한 시스템은 또한 상기 추가 자석 실린더의 추가 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속하여 제2 추가 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 제2 추가 자계 집속 영역을 생성하고, 상기 제2 추가 자계 집속 영역은 상기 추가 자계 집속 영역으로부터 방사상으로 떨어져 위치하는 수단, 상기 종축 샤프트가 회전할 때, 상기 제2 추가 코일 세그먼트가 상기 제2 추가 집속 영역으로 이동하도록 상기 추가 실린더 내에 위치한 제2 추가 코일 세그먼트를 상기 종축 샤프트에 결합하는 수단, 상기 제2 추가 자계 집속 영역 내 상기 복수의 자속력이 압축될 때 상기 제2 추가 코일 세그먼트에서 제2 추가 전압을 생성하는 수단, 및 상기 제2 추가 코일 세그먼트로부터 상기 제2 추가 전압을 제거하는 수단에 의해 더 특징지어질 수 있다.

또한, 기계적인 파워를 생성하는 시스템 또는 장치가 있을 수 있다. 예를 들어: 샤프트의 방사상 운동을 발생하는 시스템은 자석 실린더의 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 자계 집속 영역을 생성하는 수단, 코일 세그먼트를 상기 자계 집속 영역으로 방사상으로 이동하는 수단, 전류를 상기 코일 세그먼트에 인가하여 상기 자계 집속 영역 내에 상기 복수의 자속력을 변경하는 수단, 상기 코일 세그먼트에 반발 자기력을 생성하여 상기 코일 세그먼트를 상기 자계 집속 영역 밖으로 이동하는 수단, 및 상기 코일 세그먼트가 상기 집속 영역 밖으로 이동할 때, 상기 샤프트가 방사상으로 회전하도록 상기 코일 세그먼트를 종축 샤프트에 결합하는 수단에 의해 특징지어진다.

상술한 시스템은 상기 자석 실린더의 추가 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 추가 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 추가 자계 집속 영역을 생성하고, 상기 추가 자계 집속 영역은 상기 자계 집속 영역으로부터 방사상으로 떨어져 위치하는 수단, 추가 코일 세그먼트를 상기 추가 자계 집속 영역으로 방사상으로 이동하는 수단, 추가 전류를 상기 추가 코일 세그먼트에 인가하여 상기 추가 자계 집속 영역 내에서 상기 복수의 자속력을 변경하는 수단, 상기 추가 코일 세그먼트에 추가 반발 자속력을 생성하여 상기 추가 코일 세그먼트를 상기 추가 집속 영역 밖으로 이동시키는 수단, 및 상기 추가 코일 세그먼트가 상기 추가 집속 영역 밖으로 이동할 때, 상기 코일 세그먼트가 상기 방사 샤프트 회전에 기여하도록 상기 추가 코일 세그먼트를 상기 종축 샤프트에 결합하는 수단에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상술한 시스템은 또한 상기 자석 실린더로부터 종방향으로 떨어져 위치하는 추가 자석 실린더의 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 추가 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 추가 자계 집속 영역을 생성하는 수단, 추가 코일 세그먼트를 상기 추가 자계 집속 영역으로 방사상으로 이동시키는 수단, 추가 전류를 상기 추가 코일 세그먼트에 인가하여 상기 추가 자계 집속 영역 내에서 상기 복수의 추가 자속력을 변경하는 수단, 상기 추가 코일 세그먼트에 추가 반발 자속력을 생성하여 상기 추가 코일 세그먼트를 상기 추가 자계 집속 영역 밖으로 이동시키는 수단, 및 상기 추가 코일 세그먼트가 상기 추가 집속 영역 밖으로 이동할 때, 상기 추가 코일 세그먼트가 상기 방사 샤프트 회전에 기여하도록 상기 추가 코일 세그먼트를 상기 종축 샤프트에 결합하는 수단에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상술한 시스템은 또한 상기 추가 자석 실린더의 추가 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 제2 추가 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 제2 추가 자계 집속 영역을 생성하고, 상기 제2 추가 자계 집속 영역은 상기 추가 자계 집속 영역으로부터 방사상으로 떨어져 위치하는 수단, 제2 추가 코일 세그먼트를 방사상으로 상기 제2 추가 자계 집속 영역으로 이동시키는 수단, 제2 추가 전류를 상기 제2 추가 코일 세그먼트에 인가하여 상기 제2 추가 자계 집속 영역 내에서 상기 복수의 자속력을 변경하는 수단, 상기 제2 추가 코일 세그먼트에 제2 추가 반발 자기력을 생성하여 상기 제2 추가 코일 세그먼트를 상기 제2 추가 집속영역 밖으로 이동시키는 수단, 및 상기 제2 추가 코일 세그먼트가 상기 제2 추가 집속 영역 밖으로 이동할 때, 상기 제2 추가 코일 세그먼트가 상기 방사 샤프트 회전에 기여하도록 상기 제2 추가 코일 세그먼트를 상기 종축 샤프트에 결합하는 수단에 의해 더 특징지어질 수 있다.

또한 개시된 상기 집속 영역을 생성하는 수단은 종방향이 샤프트의 종축에 평행한 종축을 갖고, 종방향 자석의 극들이 상기 샤프트의 종축을 가로지르도록 자석 실린더 내 상기 종방향 자석을 위치시키는 수단, 제1 횡방향 자석의 극들이 상기 샤프트의 종축과 평행하도록 상기 자석 실린더 내에 상기 제1 횡방향 자석을 위치시키는 수단, 및 상기 제2 횡방향 자석의 극들이 상기 샤프트의 종축과 평행하고 유사하게 분극된 자극들이 모두 한 영역을 향하게 해 상기 자계 집속 영역을 생성하도록 상기 자석 실린더 내에 제2 횡방향 자석을 위치시키는 수단에 의해 더 특징지어질 수 있는 시스템을 포함할 수 있다.

상술한 시스템은 또한 상기 집속 수단이 상기 자석 실린더 내에 위치한 제1 자석, 및 상기 자석 실린더 내에 위치한 제2 자석을 포함하고, 상기 제1 및 제2 자석들의 유사하게 분극된 자극들이 한 영역을 향하게 해 상기 자계 집속 영역을 생성하는 것에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상술한 시스템은 또한 상기 집속 수단이 상기 자석 실린더 내에 위치한 제3 자석을 포함하고, 상기 제1, 제2 및 제3 자석의 유사하게 분극된 자극들이 한 영역을 향하게 해 상기 자계 집속 영역을 생성하는 것에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상술한 시스템은 또한 상기 집속 수단이 상기 자석 실린더 내에 추가 자석들을 위치시켜, 상기 제1, 제2, 제3 자석 및 상기 추가 자석의 유사하게 분극된 자극들은, 상기 복수의 추가 자석들의 분극된 자극들이 한 영역을 향하게 해 상기 자계 집속 영역을 생성하게 하는 것에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상술한 시스템은 또한 상기 집속 수단이 상기 자석 실린더 내에 위치하여 상기 자계 집속 영역을 생성하는 전자기 자석에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상기 시스템은 또한 상기 자석 실린더 내에 위치한 제1 자석, 상기 자석 실린더 내에 위치한 제2 자석, 상기 제1 자석을 상기 제2 자석에 결합시키고 상기 제1 및 제2 자석 사이에 위치하는 철 코어, 상기 철 코어를 감싸는 도전성 물질, 및 상기 도전성 물질에 전류를 인가하여 자계 집속 영역을 생성하는 수단에 의해 더 특징지어질 수 있다.

또한 DC 전압 생성하는 방법 청구항들이 개시된다. 그러한 DC 전압을 생성하는 방법은 자석 실린더의 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 자계 집속 영역을 생성하는 단계, 코일 세그먼트를 종축 샤프트에 결합시켜 상기 종축 샤프트가 회전할 때 상기 코일 세그먼트가 상기 집속 영역으로 이동되게 하는 단계, 상기 자계 집속 영역 내에서 상기 복수의 자속력이 압축될 때, 상기 코일 세그먼트에서 전압을 생성하는 단계, 및 상기 코일 세그먼트로부터 상기 전압을 제거하는 단계에 의해 특징지어진다.

상기 청구항들의 방법들은 상기 자석 실린더의 추가 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 추가 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 추가 자계 집속 영역을 생성하고, 상기 추가 자계 집속 영역은 상기 자계 집속 영역으로부터 방사상으로 떨어져 위치하는 단계, 상기 종축 샤프트가 회전할 때, 상기 추가 코일 세그먼트가 상기 추가 집속 영역으로 이동하도록 상기 추가 코일 세그먼트를 상기 종축 샤프트에 결합하는 단계, 상기 자계 집속 영역 내 상기 복수의 자속력이 압축될 때 상기 추가 코일 세그먼트에서 추가 전압을 생성하는 단계, 및 상기 추가 코일 세그먼트로부터 상기 추가 전압을 제거하는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상기 청구항들의 방법들은 또한 상기 자석 실린더로부터 종방향으로 떨어져 위치하는 추가 자석 실린더의 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 추가 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 추가 자석 실린더 내에서 추가 자계 집속 영역을 생성하는 단계, 상기 종축 샤프트가 회전할 때 상기 추가 코일 세그먼트가 상기 추가 집속 영역으로 이동하도록 상기 추가 실린더 내에 위치한 추가 코일 세그먼트를 종축 샤프트에 결합하는 단계, 상기 추가 자계 집속 영역 내 복수의 자속력이 압축될 때 상기 추가 코일 세그먼트에서 추가 전압을 생성하는 단계, 및 상기 추가 코일 세그먼트로부터 상기 추가 전압을 제거하는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상기 청구항들의 방법들은 또한 상기 추가 자석 실린더의 추가 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속하여 제2 추가 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 제2 추가 자계 집속 영역을 생성하고, 상기 제2 추가 자계 집속 영역은 상기 추가 자계 집속 영역으로부터 방사상으로 떨어져 위치하는 단계, 상기 종축 샤프트가 회전할 때, 상기 제2 추가 코일 세그먼트가 상기 제2 추가 집속 영역으로 이동하도록 상기 추가 실린더 내에 위치한 제2 추가 코일 세그먼트를 상기 종축 샤프트에 결합시키는 단계, 상기 제2 추가 자계 집속 영역 내에서 상기 복수의 자속력이 압축될 때 상기 제2 추가 코일 세그먼트에서 제2 추가 전압을 생성하는 단계, 및 상기 제2 추가 코일 세그먼트로부터 상기 제2 추가 전압을 제거하는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

또한, 다음과 같은 DC 기계적 파워를 생성하는 방법들이 있을 수 있다: 샤프트의 방사상 운동을 발생하는 방법은 자석 실린더의 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 자계 집속 영역을 생성하는 단계, 코일 세그먼트를 상기 자계 집속 영역으로 방사상으로 이동시키는 단계, 상기 코일 세그먼트에 전류를 인가하여 상기 자계 집속 영역 내에 복수의 자속력을 변경하는 단계, 상기 코일 세그먼트에 반발 자기력을 생성하여 상기 코일 세그먼트를 상기 자계 집속 영역 밖으로 이동시키는 단계, 및 상기 코일 세그먼트가 상기 집속 영역 밖으로 이동할 때 상기 샤프트가 방사상으로 회전하도록 상기 코일 세그먼트를 종축 샤프트에 결합하는 단계에 의해 특징지어진다.

상기 청구항들의 방법들은 상기 자석 실린더의 추가 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 추가 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 추가 자계 집속 영역을 생성하고, 상기 추가 자계 집속 영역은 상기 자계 집속 영역으로부터 방사상으로 떨어져 위치하는 단계, 추가 코일 세그먼트를 상기 추가 자계 집속 영역으로 방사상으로 이동시키는 단계, 추가 전류를 상기 추가 코일 세그먼트에 인가하여 상기 추가 자계 집속 영역 내에서 상기 복수의 자속력을 변경하는 단계, 상기 추가 코일 세그먼트에 추가 반발 자속력을 생성하여 상기 추가 코일 세그먼트를 상기 추가 집속 영역 밖으로 이동시키는 단계, 및 상기 추가 코일 세그먼트가 상기 추가 집속 영역 밖으로 이동할 때, 상기 코일 세그먼트가 상기 방사 샤프트 회전에 기여하도록 상기 추가 코일 세그먼트를 상기 종축 샤프트에 결합하는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상기 청구항들의 방법들은 상기 자석 실린더로부터 종방향으로 떨어져 위치하는 추가 자석 실린더의 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 추가 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 추가 자계 집속 영역을 생성하는 단계, 추가 코일 세그먼트를 상기 추가 자계 집속 영역으로 방사상으로 이동시키는 단계, 추가 전류를 상기 추가 코일 세그먼트에 인가하여 상기 추가 자계 집속 영역 내에서 상기 복수의 추가 자속력을 변경하는 단계, 상기 추가 코일 세그먼트에 추가 반발 자속력을 생성하여 상기 추가 코일 세그먼트를 상기 추가 자계 집속 영역 밖으로 이동시키는 단계, 및 상기 추가 코일 세그먼트가 상기 추가 집속 영역 밖으로 이동할 때 상기 추가 코일 세그먼트가 상기 방사 샤프트 회전에 기여하도록 상기 추가 코일 세그먼트를 상기 종축 샤프트에 결합하는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상기 청구항들의 방법들은 상기 추가 자석 실린더의 추가 원주 부분 주위에 유사하게 분극된 자속력을 집속시켜 제2 추가 적층된 복수의 유사하게 분극된 자속력을 포함하는 제2 추가 자계 집속 영역을 생성하고, 상기 제2 추가 자계 집속 영역은 상기 추가 자계 집속 영역으로부터 방사상으로 떨어져 위치하는 단계, 제2 추가 코일 세그먼트를 방사상으로 상기 제2 추가 자계 집속 영역으로 이동시키는 단계, 제2 추가 전류를 상기 제2 추가 코일 세그먼트에 인가하여 상기 제2 추가 자계 집속 영역 내에서 상기 복수의 자속력을 변경하는 단계, 상기 제2 추가 코일 세그먼트에 제2 추가 반발 자기력을 생성하여 상기 제2 추가 코일 세그먼트를 상기 제2 추가 집속 영역 밖으로 이동시키는 단계, 및 상기 제2 추가 코일 세그먼트가 상기 제2 추가 집속 영역 밖으로 이동할 때, 상기 제2 추가 코일 세그먼트가 상기 방사 샤프트 회전에 기여하도록 상기 제2 추가 코일 세그먼트를 상기 종축 샤프트에 결합하는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 집속 영역을 생성하는 방법이 있을 수 있다: 상기 청구항들의 방법들에서 상기 집속시키는 단계는 종방향이 샤프트의 종축에 평행한 종축을 갖고, 종방향 자석의 극들이 상기 샤프트의 종축을 가로지르도록 자석 실린더 내 상기 종방향 자석을 위치시키는 단계, 제1 횡방향 자석의 극들이 상기 샤프트의 종축과 평행하도록 상기 자석 실린더 내에 제1 횡방향 자석을 위치시키는 단계, 및 상기 제2 횡방향 자석의 극들이 상기 샤프트의 종축과 평행하고 유사하게 분극된 자극들이 모두 한 영역으로 향하게 하여 상기 자계 집속 영역을 생성하도록 상기 자석 실린더 내에 제2 횡방향 자석을 위치시키는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상기 청구항들의 방법들에서, 상기 집속시키는 단계는 상기 자석 실린더 내에 제1 자석을 위치시키는 단계, 및 상기 자석 실린더 내에 제2 자석을 위치시키고, 상기 제1 및 제2 자석들의 유사하게 분극된 자극들이 한 영역을 향하게 하여 상기 자계 집속 영역을 생성하는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상기 청구항들의 방법들에서, 상기 집속시키는 단계는 상기 자석 실린더 내에 제3 자석을 위치시키고, 상기 제1, 제2 및 제3 자석의 유사하게 분극된 자석 극들이 한 영역을 향하게 해 상기 자계 집속 영역을 생성하는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상기 청구항들의 방법들에서, 상기 집속시키는 단계는 상기 자석 실린더 내에 제4 자석을 위치시켜, 상기 제1, 제2, 제3 자석 및 제4 자석의 유사하게 분극된 자극들이 한 영역을 향하게 해 상기 자계 집속 영역을 생성하게 하는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상기 청구항들의 방법들에서, 상기 집속시키는 단계는 상기 자석 실린더 내에 제5 자석을 위치시키고, 상기 제1 자석, 제2 자석, 제3 자석, 제4 자석 및 제5 자석의 유사하게 분극된 자극들이 한 영역을 향하게 해 상기 자계 집속 영역을 생성하는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상기 청구항들의 방법들에서, 상기 집속시키는 단계는 상기 자석 실린더 내에 추가 자석들을 위치시키고, 제1 자석의 유사하게 분극된 자극들 및 상기 복수의 추가 자석들의 상기 분극된 자극들이 한 영역을 향하게 해 상기 자계 집속 영역을 생성하는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상기 청구항들의 방법들에서, 상기 집속시키는 단계는 상기 자석 실린더 내에 전자기 자석을 위치시켜 상기 자계 집속 영역을 생성하게 하는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상기 청구항들의 방법들에서, 상기 집속시키는 단계는 상기 자석 실린더 내에 제1 자석을 위치시키는 단계, 상기 자석 실린더 내에 제2 자석을 위치시키는 단계, 상기 제1 및 제2 자석들 사이에 철 코어를 위치시키는 단계, 상기 철 코어 주위에 도전성 물질을 위치시키는 단계, 및 상기 도전성 물질에 전류를 인가하여 자계 집속 영역을 생성하는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

상기 청구항들의 방법들에서, 상기 집속시키는 단계는 상기 자석 실린더 내에서 하나 이상의 철 코어들 또는 유사한 금속들을 위치시켜 상기 자계 집속 영역의 생성을 돕는 단계에 의해 더 특징지어질 수 있다.

여기에서 제시된 일부 양태에서, 비맥동 또는 비정현 DC 전류가 코일 도체의 각 가닥에 로렌츠 힘을 생성하는 파워 단자에 인가된다. 이 힘은 진폭의 변동 또는 출력 파워의 중단이 없이 회전 허브의 전체 회전을 통해 지속적으로 인가된다. 자기 흡인 또는 반발을 제공하는 자극 조각들이 없고, 따라서 자극이 반전 과정에 있는 동안 토크 리플, 극성 반전, 또는 파워 출력 중단이 없어 전통적인 모터보다 더 효율적인 출력을 생성한다.

본 발명의 실시예의 일부 양태들이 발전기로 사용되면, 비맥동 또는 비정현 DC 전류가 파워 단자들에서 생성된다. 코일 도체의 각 가닥에서 그리고 모든 코일들에 걸쳐 받는 로렌츠 힘은 출력 전류 흐름을 유도한다. 이 출력은 회전자 허브의 전체 회전을 통해 진폭 변동, 극성 반전, 또는 출력 파워의 중단이 없이 지속적으로 공급된다. 자기 흡인 또는 반발을 제공하는 자극 조각들이 없어 전통적인 발전기들보다 더 효율적으로 전류 출력을 생성한다.

본 발명의 일부 양태는 철 히스테리시스 손실, 역기전력, 역전압, 와전류, 돌입전류, 토크 리플, 열손실, 코깅, 브러시 손실, 스파킹(sparking), 브러시드 설계에서 높은 마모, 전류 손실 및 영구 자석의 자성 흔들림을 포함해 상술한 전통적인 발전기들 및 모터들의 원치 않는 효과 및 손실들을 감소시키거나 제거한다.

이들 및 다른 특징들과 이점들은 첨부된 도면과 결부된 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명확하게 이해될 것이다.

도면들은 본 발명의 유일한 양태를 나타내도록 의도된 것이 아님을 주목하는 것이 중요하다.

도 1은 철 코어를 갖는 실린더 내 및 주위에서 자속 경로의 대표적인 "평면" 부분을 도시한 토로이달(toroidal) 자석 실린더의 단면도이다.
도 2a는 도 1의 토로이달 자석 실린더의 등각투상된 부분 단면도이다.
도 2b는 실린더 내에서 생성된 평면 자기장 또는 자속 벽을 도시한 도 1a의 토로이달 자석 실린더의 상세 부분 단면도이다.
도 3은 회전자 허브 어셈블리의 개념화된 등각투상도이다.
도 4는 회전자 어셈블리에 위치한 코일을 갖는 회전자 허브 어셈블리의 개념화된 등각투상도이다.
도 5는 파워 단자들 및 분할된 단일 슬립 링 브러시 어셈블리 구성을 설명하는 회전자 허브 어셈블리를 사용한 전기 모터/발전기 어셈블리의 개념화된 횡단면도이다.
도 6은 도 5의 전기 모터/발전기 어셈블리의 개념화된 종단면도이다.
도 7은 코일들의 일부와 도 5의 전기 모터/발전기와 함께 사용될 수 있는 슬립 링 세그먼트들 사이의 결합 시스템에 대한 일 실시예를 도시한 횡단면도이다.
도 8a는 자석 링의 등각투상도이다.
도 8b는 자석 링의 다른 실시예의 일부에 대한 상세 등각투상도이다.
도 8c는 자석 링의 다른 실시예의 일부에 대한 상세 등각투상도이다.
도 8d는 자석 링의 다른 실시예의 일부에 대한 상세 등각투상도이다.
도 9a는 자석 실린더 코일 어셈블리에 대한 등각투상된 분해도이다.
도 9b는 도 9a의 조립된 자석 실린더 코일 어셈블리에 대한 등각투상도이다.
도 9c는 모터/발전기 어셈블리 내에 위치한 도 9a의 조립된 자석 실린더 코일 어셈블리에 대한 종단면도이다.
도 9d는 자석 실린더 코일 어셈블리의 다양한 코일들과 전기적으로 결합된 브러시 시스템을 보여주는 도 9c의 모터/발전기 어셈블리 내에서 도 9a의 조립된 자석 실린더 코일 어셈블리에 대한 종단면도이다.
도 10a는 코일 세그먼트가 활성 상태(energized state)에 있지 않은 경우 다른 모터/발전기 어셈블리의 단면도이다.
도 10b는 코일 세그먼트가 활성상태에 있는 경우 도 10a의 모터/발전기 어셈블리의 단면도이다.
도 11a는 다른 조립된 자석 실린더 코일 어셈블리에 대한 등각투상도이다.
도 11b는 다른 모터/발전기 어셈블리 내에 위치한 도 10a의 조립된 자석 실린더 코일 어셈블리에 대한 등각투상된 종단면도이다.
도 11c는 도 10b의 모터/발전기 어셈블리 내 도 10a의 조립된 자석 실린더 코일 어셈블리의 종단면도이다.
도 11d는 자석 실린더 코일 어셈블리의 다양한 코일들과 전기적으로 결합된 브러시 시스템을 보여주는 도 10b의 모터/발전기 어셈블리 내에서 도 10a의 조립된 자석 원통형 코일 어셈블리에 대한 종단면도이다.
도 12는 모터/발전기 어셈블리 내에 위치한 다른 자석 실린더 코일 어셈블리에 대한 종단면도이다.
도 13a 및 13b는 본 개시 내에서 논의된 다양한 자석 실린더들에서 종래의 자석을 대체하여 사용될 수 있는 하이브리드 전자석 자석 어셈블리를 나타낸다.

컴포넌트들, 신호들, 메시지들, 프로토콜들, 및 배열들의 상세한 예들이 본 개시를 단순하게 하도록 아래에서 설명된다. 이들은 물론 단지 예일 뿐이며, 청구범위에 기술된 내용으로부터 발명을 제한하려고 의도된 것이 아니다. 잘 알려진 구성요소들은 불필요하게 본 발명을 흐리지 않도록 하기 위해 상세한 설명 없이 제시되었다. 대부분의 부분에서 본 발명의 완전한 이해를 얻는데 불필요한 상세 내용들은 관련 기술분야의 당업자의 기술에 포함되는 만큼 생략되었다. 제어 회로, 파워 서플라이, 또는 본원에서 설명된 일부 컴포넌트들 또는 구성요소들에게 파워를 제공하는데 사용된 회로에 대한 세부사항들은 관련 기술분야의 당업자의 기술에 포함되는 만큼 생략되었다.

상, 하, 탑(top), 바텀(bottom), 시계 방향 또는 반시계 방향과 같은 방향들이 본 개시에서 논의되는 경우, 그러한 방향들은 단지 도시된 도면들과 도면의 컴포넌트들의 지향(orientation)에 대한 참조 방향을 제공함을 의미한다. 그 방향들은 임의의 결과적인 발명 또는 실제 용도에 사용되는 실제 방향을 의미하는 것으로 읽혀서는 안 된다. 어떤 경우라도 그 방향들이 청구범위를 제한하거나 청구범위에 어떠한 의미를 주는 것으로 읽혀서는 안 된다.

오늘날 사용되는 대부분의 모터와 발전기들은 교류(AC)라고 하는 정현 시변 전압을 필요로 하거나 생성한다. 직류가 사용되면, 직류는 먼저 반전되고 펄스로 출력되어 AC 파형을 복제하여 원하는 전류 또는 기계적 출력을 생성할 것이다. 본 발명의 일부 실시예들에서 교류를 생성하거나 사용하지 않는 대신, 정류 또는 전류(轉流)의 필요 없이 비정현 직류를 직접 생성하거나 사용한다. 이는 교류 손실을 제거하는 결과를 가져오고, 입력 또는 출력 파워를 더 효율적으로 사용하는 결과를 가져온다. 그러나 본 발명의 일부 양태들은 정류된 A/C 전류를 수용할 수 있고, 따라서 입력 파워 서플라이의 위상변화에 "둔감"할 수 있다. 따라서 단순한 정류된 단일 위상, 두 위상, 세 위상의 파워 등 모두가 구성에 따라 입력 파워로 사용될 수 있다.

이제 도 1을 참조하면, 실린더 내 및 주위에서 대표적인 평면 자속 경로들(101)을 도시한 토로이달 자석 실린더(100)의 일 실시예에 대한 단면도가 도시되어 있다. 이들은 대표적인 실례들이다; 실제 자속 경로는 실린더 내 자석들의 물질 설계 및 특정 구성에 따라 달라진다. 자석 실린더(100)는 외부 실린더 벽(102) 및 내부 실린더 벽(104)을 포함한다. 외부 실린더 벽(102) 및 내부 실린더 벽(104)은 복수의 자석들로 이뤄질 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같은 횡단면도에서 외부 실린더 벽(102)은 자석(106a, 106b, 106c) 등과 같은 개별 자석들을 포함하는 복수의 자석(106)을 포함한다. 유사하게, 내부 실린더 벽(104)은 개별 자석들(108a, 108b)을 포함하는 복수의 자석(108)들로 이루어질 수 있다. 자석 실린더 또는 자석 어셈블리 내에서는 (또는 마주해서는) 자석들의 단 하나의 극성만이 사용됨을 주목해야 한다.

일부 실시예들에서, 외부 벽(102)과 내부 벽(104) 사이에 위치한 중앙 철 코어(110)가 존재할 수 있으나, 강도, 와전류의 감소, 냉각 채널 등과 같은 설계 사항들을 고려할 때 다른 코어 물질들이 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 복수의 자석(106) 및 자석들(108)은 네오디뮴, 알니코(alnico) 합금, 세라믹 영구자석 또는 전자석과 같은 임의의 적절한 자성 물질로 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 복수의 자석들 각각에서 각 자석(106a 또는 108a)은 1"x 1"x 1" 치수를 갖는다. 자석 또는 전자석의 정확한 개수는 요구되는 자기장 강도 또는 기계적 구성에 따라 달라질 수 있다. 도시된 실시예들은 일부 시판되는 자석들을 기초로 자석들을 배열하는 유일한 방법이다. 특히 자석들이 이러한 특수 목적으로 제조될 수 있는 경우 - 다른 배열들도 가능하다.

복수의 자석들(106 및 108)이 외벽(102) 및 내벽(104)에 배열되어 실린더(100)를 형성하는 경우, 자속선(101)은 도 1에 도시된 자속선에 의해 개념적인 방식으로 나타내진 특별한 패턴을 형성할 것이다. 자속선(101)의 실제 형상, 방향, 및 지향은 내부 보유된 링의 사용, 물질 성분 및 구성과 같은 요인들에 종속된다. 예를 들어, 외벽상의 자석(106a)으로부터의 자속선(112a)은 실린더(100) 주위의 자석 면으로부터 수직 방식으로 자석의 북극에서부터 흘러나와 개구단(114)를 통해 되돌아간 다음, 철 코어(110)을 통해 흐르다가 남극을 포함하는 자석(106a)의 면으로 되돌아간다. 유사하게, 외벽(102) 상의 자석(106b)으로부터 나온 자속선(112b)은 실린더(100) 주위의 자석 면으로부터 수직 방식으로 자석의 북극에서부터 흘러나와 개구단(114)를 통해 되돌아간 다음, 철 코어(110)을 통해 흐르다가 남극을 포함하는 자석(106b)의 면으로 되돌아간다. 명확하게 하기 위해 몇 가닥의 자속선(112)만이 도시되었지만, 복수의 자석들에서 연속한 각 자석은 유사한 자속선을 생성할 것이다. 따라서, 복수의 자석들(106)에서 각각 연속된 자석별 자속력은 자석 실린더(100)의 개구단(114 또는 116)에 있는 자석들에 도달될 때까지 복수의 자석(106)에서 각 연속된 자석 디스크에 대해 이와 같은 자속선 또는 패턴(112)을 따르는 경향이 있다.

자석(106c)과 같이 실린더(100)의 반대측에 있는 자석들은 실린더(100) 주위의 자석 면으로부터 수직 방식으로 자석의 북극으로부터 흘러나와 반대편 개구단(116)으로 되돌아간 다음, 철 코어(110)를 통해 흐르다 남극을 포함하는 자석(106c)의 면으로 되돌아가는 경향을 보이는, 외벽(102) 상의 자석(106c)으로부터 나오는 자속선(112c)을 생성하는 경향이 있다. 명확하게 하기 위해 실린더(100)의 반대편에 몇 가닥의 자속선(112)만이 도시되었지만, 복수의 자석들에서 연속된 각 자석은 유사한 자속선을 생성할 것이다.

일부 실시예들에서 내벽(104) 또한 자속선(118)을 생성한다. 예를 들어, 내벽(104) 상의 자석(108a)으로부터 나온 자속선(118a)은 철 코어(110)를 통해 내벽(104) 주위에서 자석면으로부터 수직 방식으로 북극으로부터 흘러나와, 남극을 포함하는 자석(108a)의 면으로 내벽(104)의 반경 방향의 중심을 통해 되돌아 가는 경향이 있다. 유사하게, 내벽(104) 상의 자석(108b)으로부터 나온 자속선(118b)은 철 코어(110)를 통해 내벽(104) 주위에서 자석면으로부터 수직 방식으로 북극으로부터 흘러나와, 내벽(104)의 반경 방향의 중심을 통해 남극을 포함하는 자석(108b)의 면으로 되돌아 가는 경향이 있다.

복수의 자석(108)에서 각 연속된 자석별 자속력은 자석 실린더(100)의 개구단(114 또는 116)에 도달될 때까지 복수의 자석(108)에서 각 연속된 자석에 대해 이와 같은 자속선 또는 패턴(118)을 따르는 경향이 있다. 따라서, 실린더(100) 내벽(104)의 자석들에 의해 생성된 자속은 실린더 중심을 통해 빠져나가고 실린더 외부에 있는 반대 극으로 되돌아가는, 방해 받지 않는 경로를 갖는다.

일부 실시예들에서, 자속선들(112 및 118)은 적층 효과를 확장하는 경향이 있고, 외부 자석 실린더의 구성은 자속선들(110)의 대부분 또는 전부가 실린더(100)의 개구단들(114 및 116) 밖으로 흐르도록 자석 실린더(100)에서 자석들의 자속선(101)을 조정한다.

종래 구성에서, 자석의 반대 극들은 보통 종방향으로 정렬된다. 따라서 자속선들은 자석들의 표면을 "끌어안거나" 밀착하여 따를 것이다. 따라서, 종래의 파워 생성/이용 장비를 사용하는 경우, 이 역선(lines of force)들에 작용할 수 있도록 간격(clearance)이 보통 매우 촘촘해야 한다. 유사한 자극들을 실린더(100)의 중앙(120)에 대해 방사상으로 정렬함으로써, 자속선들(112 및 118)은 자석 실린더(110)의 중심을 통과하여 자석 표면으로부터 수직으로 방사되는 것처럼 적층되는 경향이 있다. 이러한 구성은 코일과 자석 실린더(100) 사이에 더 큰 공차를 허용한다.

일부 실시예에서, 철 코어(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 대표적인 자속 패턴(101)을 생성하면서 내벽(104)으로부터 방사상으로 동일한 거리에 있도록 자석 실린더(100)의 중심(120)에 대해 동심으로 위치한다. 자기장 또는 자속선은 철 코어(110)까지 끌리고 철 코어에 접근할수록 압축된다. 그런 다음 자기장은 실린더 및 출구점 전체에 걸쳐 확장하는 철 코어를 둘러싼 일련의 "자속 벽”으로 시각화될 수 있는 것으로 설정될 수 있다.

도 2a을 참조하면, 자석 실린더 내에 위치한 중앙 철 코어(110)를 갖는 토로이달 자석 실린더(100)의 개념화된 등각투상도가 도시되어 있다. 도 2b는 철 코어(110)와 함께 자석 실린더(100)의 내부 공동(124) 내에서 생성된 평면 자기장 또는 자속 벽(122)를 도시한 토로이달 자석 실린더(100)의 세부 부분도이다. 이는 대표적인 예들로, 실제 자속벽(122)은 물질 설계와 구성에 따라 다르다.

도 1, 2a 및 2b에 제시된 실린더(100)는 철 코어가 그 벽의 빈 부분에 동심으로 위치하는 경우 일부 자석 실린더의 기본적인 자속선 또는 경로를 나타내도록 개념화되었다. 실질적인 관점에서, 코어 또는 회전자 어셈블리는 코어(110)를 자석 실린더(100) 내에 위치시킨다.

도 3을 참조하면, 철 코어(132), 회전자 허브(134) 및 샤프트(136)를 포함하는 회전자 어셈블리(130)의 일 실시예에 대한 등각투상도가 도시되어 있다. 철 코어(132)는 상술한 코어(110)와 유사하다. 철 코어(132) 및 회전자 허브(134)는 당해 기술분야에서 알려진 종래의 체결 방법을 사용해 샤프트(136)에 체결된다. 일부 실시예에서, 회전자 허브(134)는, 예를 들어, 와전류의 생성을 제거하기 위해 비철물질로 구성될 수 있다. 자석 실린더(100)와 조립된 경우, 자석 실린더(도 3에 도시되지 않음)의 내벽(104)에서 횡단(transverse) 슬롯(162) (도 3에 도시되지 않음)은 코어(132) 및 일부 회전자 허브(134)가 자석 실린더(100)의 내벽(104)을 통과해 내부 공동(124) (도 2b 참조)으로 확장되게 한다.

일부 실시예에서 횡단 슬롯(162)을 통과하는 누설 자속은 회전자 허브(134)의 주변장치에 일련의 혹은 복수의 자석들(138)을 내장함으로써 감소되거나 제거될 수 있다. 복수의 자석들(138)은 실린더(100) (도 3에 도시되지 않음)의 실린더 자석(106)과 유사한 지향을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 자석들(138)은 회전자 어셈블리(130)와 함께 움직일 것이다.

다른 실시예들에서, 철 코어(132)는 함께 체결되어 완전한 링 또는 코어를 만드는 둘 이상의 세그먼트들(140a 및 140b)로 구성될 수 있다. 이러한 구성은 복수의 코일이 종래의 형태로 만들어져 링 세그먼트에 추가되도록 하는 장점을 가질 수 있다.

도 4는 코어(132)가 코어 세그먼트(140a) 및 코어 세그먼트(140b)를 포함하는 회전자 어셈블리(130)에 대한 등각투상도를 도시한 것이다. 단일 코어(142a)는 코어 세그먼트(140a) 주변에 위치한다. 일부 실시예들에서, 도 5에 도시된 복수의 코일들(142)이 있을 수 있다.

도 5는 자석 실린더(100) 및 회전자 허브(134)를 통합한 전기 모터/발전기 어셈블리(150)의 일 실시예에 대한 횡단면도이다. 도 6은 전기 모터/발전기 어셈블리(150)의 종단면도이다. 모터/회전자 어셈블리(150)는 자석 실린더(100) 및 회전자 허브(134)와 같이 상술한 컴포넌트들과 유사한 컴포넌트들을 사용할 수 있다. 도 7은 복수의 코일(142)에서 개별 코일간 현재의 경로에 대해 추가 세부사항을 도시한 전기 모터/발전기 어셈블리(150)의 일 실시예에 대한 횡단면도이다. 도 7에 도시된 코일들은 직렬로 연결되었으나 직렬 또는 병렬 연결의 임의 결합이 가능하다. 부가적인 브러시 위치들이 설계요구 또는 기준에 따라 추가될 수 있다.

도시된 실시예에서, 모터/발전기 어셈블리(150)는 종축 샤프트(152)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 종축 샤프트(152)는 철 및 철과 유사한 자기적 성질을 갖는 페라이트 화합물로 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 페라이트 화합물 또는 분말은 절연 액체, 윤활유, 모터 오일, 젤, 또는 광물유와 같은 점성 물질에 부유할 수 있다.

일부 실시예들에서, 자기 실린더(100) 및 종축 샤프트(152)에 구조적인 지지를 제공하는 외측 케이싱 또는 하우징(154)이 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 하우징(154)은 임의의 물질, 합금 또는 요구된 구조적 강도를 갖는 화합물로 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 비철 물질이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 종축 샤프트(152) 및 하우징(154) 또는 유사한 지지 구조물 사이의 마찰을 감소시키기 위해 외부 베어링(156) (도 6)이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하우징(154)은 기부(base, 158)에 결합되어 하우징(154)에 대한 구조적 지지를 제공할 수 있다.

도 1a, 1b, 및 2에 대해 도시된 바와 같이, 토로이달 자석 실린더(100)는 외벽(102)을 형성하는 복수의 외부 자석(106) 및 내벽(104)을 형성하는 복수의 내부 자석(108)을 포함할 수 있다. 추가적으로, 복수의 측면 외부 자석(106) (도 5 및 6 참조)을 포함하는 제1 측벽(170) 및 반대 편 측벽(172)이 있을 수 있다.

일부 실시예들에서, 상술한 코어(132)는 종축(176) 주위에 동심원으로 그리고 자석 실린더(100)의 내부 공동(124) 내에 위치할 수 있다. 상술한 바와 같이, 자석 실린더(100)의 내벽(104) 내에 형성된 횡단 슬롯(162)은 회전자 허브(134)의 일부가 내부 공동(124) 내에 위치하게 한다. 회전자 허브(134)는 또한 자석 실린더(100)의 내부 공동(124) 내에 위치하는 코어(132)와 결합된다.

코일(148a)과 같은 복수의 코일들(148)은 코어(132) 주위에 방사상으로 위치하여 코일 어셈블리(182)를 형성한다. 코일 어셈블리(182)에서 각 개별 코일(178a)은 구리 (또는 유사한 합금) 와이어와 같은 도체로 만들어질 수 있고 당해 기술분야에 알려진 종래의 권선 기술을 사용해 구축될 수 있다. 일부 실시예들에서, 개별 코일들(178a)은 본질적으로 개별 코일(178a)이 코어(132)에 확보되게 하는 크기의 중심 개구부를 갖는 코일 코어(도시되지 않음)의 주위에 권선되는 형상의 원통형일 수 있다.

복수의 코일들(142) 중 특정 수의 코일들이 도 5 및 7에 도시되어 있지만, 모터/발전기 어셈블리의 파워 요구에 따라 임의의 수의 코일들이 코어 어셈블리(182)를 조립하는데 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 복수의 슬립 링 세그먼트들(184)이 코일 어셈블리(182)에서 개별 코일들(142a)을 전기적으로 직렬로 서로 연결한다. 코일 연결, 슬립 링들 및 브러시 투입/픽업 포인트들의 다른 구성들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예들은 두 개의 세그먼트되지 않은 슬립 링들과 병렬로 연결된 코일들을 사용할 수 있다.

일부 실시예들에서, 슬립 링 세그먼트들(184)은 케이싱(154) 내에 위치하여 코일 어셈블리(182) 내 복수의 코일들(142)에 전류를 공급할 수 있는 복수의 브러시들(186, 188) (도 6)을 통해 전류원과 전기적으로 통신한다. 일부 실시예들에서, 브러시(186)는 정(positive) 브러시일 수 있고, 브러시(188)는 부(negative) 브러시일 수 있다. 일부 실시예들에서, 유도 결합 또한 파워를 코일로 전달하거나 그 반대로 전달하는데 사용될 수 있다.

“모터 모드”인 경우, 전기적 파워는 파워 단자들(190 및 192)에 적용되고, 복수의 코일들(142) 중 일부 코일들은 자석 실린더(100)를 통과해 이동해서 도 2b와 관련해 상술한 자속 벽과 유사한 "자속 벽"을 단지 "보기"만 한다. 복수의 코일들(142)은 실질적으로 코어(132) 내 자속의 방향에 의해 영향을 받지 않으므로, 복수의 코일들은 실린더(100) 전체를 통해 "오른손 법칙"에 따라 움직인다. 그러나 복수의 코일들(142) 중 일부 코일들이 자석 실린더(100) 자체의 밖에 있으면서 개방 세그먼트(194)를 통해 이동하는 짧은 시간 동안, 이들은 또한 생성되고 있는 토크에 기여할 수 있다. 이 천이 기간 동안, 자속은 이제 자속 실린더 내 자속력과 반대 방향에 있고 자석 실린더(100)의 외벽까지의 경로상에 있는 코어(132)를 떠난다. 따라서 복수의 코일들(142)의 각 코일은 반대 극성을 갖고 공급되어 토크에 기여한다.

부 브러시(188)를 위한 접촉 영역에서, 전류는 두 경로로 분할되어, 한 경로는 자석 실린더(100) 자체 내 복수의 코일들을 통해 되돌아가고, 다른 경로는 개방 세그먼트(194)에 위치한 코일들을 통과한다. 따라서 복수의 코일들(142) 중 개별 코일들은 도 7에 도시된 정확한 극성을 갖고 자동적으로 공급된다.

발전기 모드에서, 복수의 코일들(142)이 종축 샤프트(152)의 회전 결과로 자석 실린더(100)를 통과해 이동하는 경우, 자석 실린더 내 코일들은 (도 2b와 관련해 논의된) "자속 벽"을 보기만 한다. 이들은 코어 내 자속 방향의 영향을 받지 않을 수 있고, 따라서 코일들은 자석 실린더(100)를 통과하는 이동과정을 통해 파워를 생성한다. 그러나 이들이 실린더(100) 자체 밖에 있으면서 개방 세그먼트(194)를 통과하여 이동하는 짧은 시간 동안, 코일들은 또한 생성되고 있는 파워에 기여할 수 있다. 코일들이 개방 세그먼트(194)에 있는 이 천이기간 동안, 자속은 이제 자석 실린더(100)의 외벽들(102, 104, 170 및 172)까지의 경로상에 있지만 자석 실린더 내 자속력과 반대 방향에 있는 철 코어(132)를 떠난다. 따라서 코일 어셈블리(182)는 또한 설계 필요에 따라 사용될 수 있는 사용가능한 파워를 생산할 수 있다.

회로에서 개방 세그먼트 코일을 제거해야 한다면, 다이오드 정류기를 각 코일의 일측에 추가하여 전류 흐름을 특정 방향으로 제한할 수 있다.

잘 알려진 바와 같이, 거의 모든 종래의 자석들은 자극을 갖는다. 자극은 보통 자석의 두 영역 각각에 있고, 보통 북극과 남극으로 지정되며, 자기장 또는 자속밀도가 가장 강하다. 도 8a 내지 도 8d는 자석 링 또는 실린더에서 사용되어 (북극 또는 남극과 같은) 하나의 자극에 대한 집속된 자속밀도를 생성할 수 있는 전형적인 영구자석들의 조합을 도시한 것이다. 그러한 자석들은 전통적인 자석, 전자석 또는 본 출원에서 이후 논의되는 전기-영구자석 하이브리드일 수 있다. 부가적으로, 철, 철 분말 또는 다른 자석 물질이 증가된 자속 밀도 및 집속(도시되지 않음)을 위한 실린더 코어 영역에 추가될 수 있다.

상술한 바와 같이 자석 실린더(100)를 사용하기 보다, 대안적인 자석 링 또는 실린더(200)는 도 8a에 도시된 것과 같이 단일 행의 자석들로 이뤄질 수 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 자석(202a)과 같이, 복수의 자석들(202)의 유사한 극들(예를 들어 남극들) 모두가 안쪽으로 향한다. 그러한 자석 링(200)은 모터 또는 발전기에 사용될 수 있지만, 자기장 또는 자속 밀도의 강도 (그러므로 모터 또는 발전기)는 복수의 자석들(202) 중 개별 자석들(202a)의 강도에 주로 종속될 것이다.

도 8b는 자석 링의 일부(210)에 대한 등각투상도를 도시한 것으로, 그 일부(210)는 자석(212) 및 자석(214)를 포함한다. 자석 링이 도 8b에 도시된 바와 같이 "V"의 단면 형상을 갖고 유사한 극이 서로 마주보도록 자석(212) 및 자석(214)를 위치시키는 것은 개별 자석들의 강도가 동일하게 있더라도 목(throat)에서 자기장 또는 자속 밀도의 강도를 증가시킨다. 본 발명의 목적을 위해, 그러한 구성은 "2x" 자석 실린더 어셈블리로 알려질 수 있고, 용어 "x"는 자석 표면적 (및 반드시는 아니지만 사용된 자석의 수) 당 자속 밀도의 대략적인 증가를 나타낸다. 그러한 구성은 선택된 극 출구 영역(211)에서 자속 밀도를 약 2배 증가시킬 수 있다. "V"자를 접거나 압축하는 것은 자속밀도를 더 집속시키지만 출구 영역(211)을 더 작게 한다.

도 8c는 자석 링의 일부(220)에 대한 등각투상도이며, 그 일부(220)는 자석(222), 자석(224) 및 자석(226)을 포함한다. 자석 링이 도 8c에 도시된 것처럼 "U"의 단면 형상을 갖게 하고, 각 자석의 유사한 극들이 안쪽을 향하도록 자석(222), 자석(224) 및 자석(226)을 위치시키는 것은 개별 자석들의 강도가 동일하게 있더라도 자기장 또는 자속 밀도의 강도를 증가시킨다. 본 발명의 목적을 위해, 그러한 구성은 "3x" 개념 자석 실린더 어셈블리로 알려질 수 있다. 그러한 구성은 선택된 극 출구 영역(221)에서 자속 밀도를 약 3배 증가시킬 수 있다. "U"자를 접거나 압축하는 것(즉, 자석(224)를 자석(222)쪽으로 이동)은 자속 밀도를 더 집속시키지만 출구 영역(221)을 더 작게 한다.

도 8d는 자석 링의 일부(230)의 등각투상도이며, 그 일부(230)는 자석 (232), 자석 (234), 자석 (236), 자석 (238), 및 자석 (240) (도 8d에서 보이지 않음)을 포함한다. 자석(232)을 자석(234)의 반대편에 위치시켜 그들의 유사한 극들이 서로 마주 보게 하고, 자석(236)을 자석(238)의 반대편에 위치시켜 그들의 유사한 극들이 서로 마주 보게 한다. 즉, 자석들(236 내지 238)의 모든 남극들이 안쪽을 향하게 한다. 또한, 자석(240)은 자석들(232 내지 238)에 의해 형성된 "튜브"의 배면에 위치되어 도 8d에 도시된 열린 상자 형상 또는 육면체를 생성한다. 본 발명의 목적을 위해, 그러한 구성은 "5x" 개념 자석 실린더 어셈블리로 알려질 수 있다. 그러한 구성은 선택된 극 출구 영역(231)에서 자속밀도를 약 5배 증가시킬 수 있다. 상자 영역을 접거나 압축하는 것(예를 들어, 자석들을 236에서 238쪽으로 이동)은 자속밀도를 더 집속시키지만 출구 영역(231)을 더 작게 한다.

간결하고 명확하게 하기 위해, 상술한 바와 동일하거나 유사한 부분 또는 컴포넌트들에 대한 설명은 여기에서 반복되지 않을 것이다. 다음의 설명과 함께 상술한 단락들을 참조하면 다른 실시예들에 대한 완전한 이해가 이뤄질 것이다.

도 9a 내지 9d에는 자기장 또는 자속선을 집속시켜 모터 또는 발전기의 효율을 개선하는 다른 실시예 또는 3x 설계가 제시되어 있다. 도 9a는 자석 실린더 코일 어셈블리(300)의 등각투상된 분해도이다. 도 9b는 조립된 자석 실린더 코일 어셈블리(300)의 등각투상도이다. 도 9c는 모터/발전기 어셈블리(350) 내 조립된 자기 실린더 코일 어셈블리(300)의 종단면도이다. 도 9d는 자석 실린더 코일 어셈블리의 다양한 코일과 전기적으로 결합되는 브러시 시스템을 보여주는 모터/발전기 어셈블리(350) 내 조립된 자석 실린더 코일 어셈블리(300)의 종단면도이다. 토로이달 실린더 당 4개의 브러시가 도시되었지만, 실제 브러시의 개수는 마모 및 허용 전류(current carrying capacity)와 같은 잘 알려진 공학적 요인들에 따라 달라진다.

도 9a 및 9b는 향상된 자속 토로이달 코어 자석 실린더 어셈블리(300)를 도시한 것이다. 일부 양태에서, 실린더 어셈블리(300)의 많은 컴포넌트들은 상술한 바와 같이 향상된 자석 실린더 개념을 사용해 조립된다. 하나의 극(즉, 북극 또는 남극)만 사용되고 자석 실린더(300)의 길이와 폭 전체를 통해 집속됨을 주목해야 한다.

일부 실시예들에서, 도체에 감싸진 코일 어셈블리(310)는 철, 철 분말 합성물 또는 다른 자석/비자석 코어 물질로 구성될 수 있는 코어(312)를 포함한다. 구리 와이어와 같은 도전성 물질(314)이 코어(312)를 감싸 하나 이상의 코일을 형성한다. 따라서 코일 어셈블리(310)는 하나 이상의 코일 세그먼트들로 구성될 수 있다. 특히 브러시리스 설계에서, 다수의 코일 세그먼트들은 시스템 공급 전압을 변경하지 않고 직병렬 연결의 조합을 달리하여 코일 세그먼트들을 선택적으로 연결함으로써 속도를 제어하게 한다. 예를 들기 위해, 코일 어셈블리(310)의 일부 실시예들은 다수의 출력 속도 또는 출력 파워를 내는 직-병렬 연결의 다수의 가능한 조합을 허용하는 스물 네 개("24")의 코일 세그먼트들을 포함할 수 있다. 지속적으로 변하는 속도 또는 토크 조건이 요청되면, 입력 전압들이 그에 따라 조정될 수 있고, 필요하다면 코일 세그먼트들간 직병렬 연결에 대한 단순한 중계 또는 스위칭되는 단계적 제어와 결합하여 조정될 수 있다. 코일 어셈블리(310)는 일반적으로 내부의 종축 자석 실린더(315)가 코일 어셈블리의 중앙 개구(316)를 미끄러져 통과하게 하는 링 형상이다.

도시된 바와 같이, 내부 자석 실린더(315)는 북극이 방사상으로 바깥쪽으로 향하고 종축(302)을 가로지르는 일련의 또는 복수의 자석들(318)을 포함한다. 따라서 조립된 경우, 복수의 자석들(318)의 북극들은 코일 어셈블리(310)의 코어(312)를 마주볼 것이다. 제1 면 또는 제1 단 자석 링 어셈블리(320)는 코일 어셈블리(310)의 다음에 위치한다. 일부 실시예들에서, 제1 면 자석 링 어셈블리(320)는 방사 패턴으로 배열된 복수의 자석들(322)을 포함하고, 복수의 자석들 중 각 자석(322a)의 극들은 일반적으로 종축(302)과 평행한 형태로 정렬된다. 도시된 바와 같이, 복수의 자석들(322)의 북극들은 코어(312) 또는 코일 어셈블리(310)를 향해 안쪽으로 향한다.

일부 실시예들에서, 제2 면 또는 제2 단 자석 링 어셈블리(330)는 방사 패턴으로 배열된 복수의 자석들(332)을 포함하고, 복수의 자석들 중 각 자석(332a)의 극들은 일반적으로 종축(302)과 평행한 형태로 정렬된다. 도시된 바와 같이, 복수의 자석들(332)의 북극들은 코일 어셈블리(310)를 향해 안쪽으로 향한다.

조립된 경우, 도 8a 내지 8d에 관한 논의로부터 코일 어셈블리(300)가 3x 자속 집속기 설계를 사용해 자속력 강도 또는 자기장을 집속하는 것은 명백하다.

도 9c는 자석 실린더(300)을 통합하는 전기 모터/발전기 어셈블리(350)의 일 실시예에 대한 종단면도이다. 모터/발전기 어셈블리(350)는 자석 실린더(100) 및 회전자 허브(134)와 같은 상술한 컴포넌트들과 유사한 컴포넌트들을 사용할 수 있다.

구체적인 실시예에서, 모터/발전기 어셈블리(350)는 종축 샤프트(352)를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 종축 샤프트(352)는 철, 강철, 또는 철과 유사한 자석 특성을 갖는 페라이트 화합물로 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 종축 샤프트(352)는 페라이트 화합물 또는 분말을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 페라이트 화합물 또는 분말은 절연 액체, 윤활유, 모터 오일, 젤, 또는 광물유와 같은 점성 물질에 부유하여 와전류 및 자석 히스테리시스를 감소시키거나 제거할 수 있다.

일부 실시예들에서, 자기 실린더(300) 및 종축 샤프트(352)에 구조적인 지지를 제공하는 외측 케이스 또는 하우징(354)이 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 하우징(354)은 임의의 물질, 합금 또는 요구된 구조적 강도를 갖는 화합물로 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 비철 물질이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 외부 베어링(도시되지 않음)은 종축 샤프트(352)와 하우징(354) 또는 유사한 지지 구조물 사이의 마찰을 줄이는데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하우징(354)은 기부(도시되지 않음)에 결합되어 하우징(354)에 대한 구조적 지지를 제공할 수 있다.

도 9c에 도시된 바와 같이, 자기 실린더(300)는 자석 어셈블리 (예를 들어, 자석 종축 실린더(315), 제1 면 자석 링(320), 및 제2 면 자석(330))가 정지된 토로이달 코일 어셈블리(310)를 갖는 회전자로 동작한다는 점에서 3x 브러시리스 어셈블리일 수 있다. 이 구성은 코일 세그먼트들을 사용하는 이점이 있으며, 그 코일 세그먼트들의 도체 리드는 전압 입력을 변경하면서 직-병렬 조합을 간단하게 스위칭함으로써 단계 속도 제어를 허용하고, 모터/발전기 출력에 대한 무단 속도제어(stepless control)가 필요한 한 위치(도시되지 않음)로 옮겨질 수 있다.연결 허브(317)는 자석 실린더(315)를 종래 방식으로 샤프트(302)에 결합한다.

도 9d는 3x 집속 브러시드(brushed) '측벽' 브러시 어셈블리로서의 자석 실린더(300)를 도시한 것이다. 이 어셈블리는 하기 도 11a 내지 11d에 도시된 모듈러 어셈블리(500)로 쉽게 통합될 수 있다. 일부 실시예들에서, 모듈러 어셈블리(500)는 큰 설계 변동없이 다른 기계적 또는 전기적 출력 선택에 있어서 큰 유연성을 허용하는 볼트업 (bolt up) 모듈러 어셈블리일 수 있다. 공학적 요구와 설계를 고려해 최대 개수의 자석 실린더 및 코일 어셈블리가 결정된다.

도 10a 및 10b를 참조하면, 자기장 또는 자속선(401)을 집속시켜 모터 또는 발전기(450)의 효율을 개선하는 다른 실시예 또는 3x 설계가 제시되어 있다. 도 10a는 코일 세그먼트(410a)가 활성 상태가 아닌 모터/발전기 어셈블리(450) 내 조립된 자석 실린더 코일 어셈블리(400)에 대한 종단면도이다. 도 10b는 코일 세그먼트(410a)가 활성 상태일 때 (즉, 전류/전압이 도전성 물질(414)을 통과해 이동할 때) 모터/어셈블리(450)에 대한 종단면도이다.

향상된 자속 토로이달 코어 자석 실린더 어셈블리(400)는 내부 병렬 자석 실린더(315)가 측면 자석 링 어셈블리(420 및 430)의 외부에 위치하는 것을 제외하면 코어 자석 실린더 어셈블리(300)와 유사하다.

일부 실시예들에서, 도체에 감싸진 코일 어셈블리(410)는 상술한 코어(312)와 유사한 철, 철 분말 합성물 또는 다른 자석/비자석 코어 물질로 구성될 수 있는 코어(412)를 포함한다. 도전성 물질(314)과 유사한 도전성 물질(414)은 코어(412)를 감싸 코일 세그먼트(410a)와 같은 하나 이상의 코일들 또는 코일 세그먼트들을 형성한다. 따라서, 코일 어셈블리(410)는 코일 어셈블리(310)와 관련해 논의된 것처럼 하나 이상의 코일 세그먼트들로 구성될 수 있다.

코일 어셈블리(410)는 일반적으로 연결 허브(417)가 코일 어셈블리(410)를 종축 샤프트(452)에 결합하도록 링 형상을 갖는다. 일부 실시예들에서, 연결 허브는 슬립 링(도시되지 않음) 또는 부싱(419)에 결합될 수 있다.

도시된 바와 같이, 외부 자석 실린더(415)는 북극이 코어(412) 및 종축(402)을 향해 방사상으로 안쪽으로 향하는 일련의 또는 복수의 자석들(418)을 포함한다. 제1 면 자석 링 어셈블리(420)는 코일 어셈블리(410)의 다음에 위치한다. 일부 실시예들에서, 제1 면 자석 링 어셈블리(420)는 방사 패턴으로 배열된 복수의 자석들(422)을 포함하고, 복수의 자석들 중 각 자석(422a)의 극들은 일반적으로 종축(402)과 평행한 형태로 정렬된다. 도시된 바와 같이, 복수의 자석들(422)의 북극들은 코어(412)를 향해 안쪽으로 향한다.

일부 실시예들에서, 제2 면 자석 링 어셈블리(430)는 방사 패턴으로 배열된 복수의 자석들(432)을 포함하고, 복수의 자석들 중 각 자석(432a)의 극들은 일반적으로 종축(402)과 평행한 형태로 정렬된다. 도시된 바와 같이, 복수의 자석들(432)의 북극들은 코어(412)를 향해 안쪽으로 향한다.

구체적인 실시예에서, 모터/발전기 어셈블리(450)는 종축 샤프트(452)를 갖는다. 일부 실시예들에서, 종축 샤프트(452)는 상술한 종축 샤프트(352)와 유사할 수 있다.

일부 실시예들에서, 코일 어셈블리(410) 및 종축 샤프트(452)에 대한 구조적 지지를 제공하는 (상술한 하우징(354)과 유사한) 외측 케이싱 또는 하우징(454)이 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 외부 베어링(도시되지 않음)은 종축 샤프트(452)와 하우징(454) 또는 유사한 지지 구조물 사이의 마찰을 줄이는데 사용될 수 있다.

도 10a 및 10b에 도시된 바와 같이, 자기 실린더(400)는 자석 실린더 어셈블리(400) (예를 들어, 외부 자석 링(414), 제1 면 자석 링(420), 및 제2 면 자석(430))가 회전자로 동작하는 토로이달 코일 어셈블리(410)를 갖는 고정자로 동작한다는 점에서 3x 브러시리스 어셈블리일 수 있다.

도 10a는 코일에 대한 활성화 이전에 3x 자석 실린더 어셈블리부에서 대표적인 자속 경로를 도시한 것이다. 전류가 코일 세그먼트(410a)에 흐르면, 도 10a의 영구 자석 자속선(401)은 코일 세그먼트(410a) 외부로 힘을 받아 도 10b에 도시된 바와 같이 자석 링과 코어 또는 코일 세그먼트(410a) 사이의 남은 공간에서 압축된다. 그런 다음 로렌츠 힘은 모터의 경우 회전을 일으키는 회전자에 인가되고, 발전기의 경우 전류 흐름을 유도한다. 인가된 힘 또는 형성된 전압/전류 흐름은 로렌츠 힘 계산에 의해 나타내진다.

모터에서, 힘은 테슬라 단위의 자속 밀도 x 암페어 x 미터 단위의 도체 길이와 같다. 발전기에서 전압은 테슬라 단위의 자속 밀도 x 속도 x 미터 단위의 도체 길이와 같다. 본 출원에서 제시된 모든 구성에서 이 기본적인 계산들이 사용된다.

도 11a 내지 11d를 참조하면, 각 모듈이 자기장 또는 자속선을 집속시켜 모터 또는 발전기의 효율을 개선하는 3x 설계를 사용하는 다른 모듈러 실시예가 제시되어 있다. 도 11a는 조립된 자석 실린더 코일 어셈블리(500)의 등각투상도이다. 도 11b는 모터/발전기 어셈블리(550) 내 조립된 자석 실린더 코일 어셈블리(500)에 대한 종단면 등각투상도이다. 도 11c는 모터/발전기 어셈블리(550) 내 조립된 자석 실린더 코일 어셈블리(500)의 종단면도이다. 도 11d는 자석 실린더 코일 어셈블리의 다양한 코일들과 전기적으로 결합된 예시적인 브러시 시스템을 보이는 모터/발전기 어셈블리(550) 내 조립된 자석 실린더 코일 어셈블리(500)에 대한 종단면도이다.

도 11a 내지 11b는 향상된 자속 토로이달 코어 자석 실린더 어셈블리(500)을 도시한 것이다. 일부 양태에서, 실린더 어셈블리(500)의 많은 컴포넌트들은 상술한 바와 같이 향상된 자석 실린더 개념을 사용해 조립된다. 자석 어셈블리(500)는 (후술하는 것처럼 반전된 일부 극성들을 갖는) 단일 실린더 어셈블리로서 및 공통 샤프트 상에 종방향으로 조립된 (상술한) 세 개의 자석 실린더들(100)이다.

일부 실시예들에서, 도체에 감싸진 코일 어셈블리들(510a 내지 510c)은 상술한 코어(312)와 유사한 코어들(512a 내지 512c)을 포함한다. 코어들(512a 내지 512c)은 철, 철 분말 합성물 또는 다른 자석/비자석 코어 물질로 형성될 수 있다. 구리 와이어 같은 도전성 물질들(514a 내지 514c)은 개별적으로 코어들(512a), 코어(512b), 및 코어(512c)을 감싸 각 코일 어셈블리(512a 내지 512c)에 대한 하나 이상의 코일 세그먼트들을 형성한다. 상술한 바와 같이, 각 코일 어셈블리(510a 내지 510c)에서 다수의 코일 세그먼트들은 시스템 공급 전압을 변경하지 않고, 직렬 및 병렬 연결의 조합을 달리하여 코일 세그먼트들을 선택적으로 연결함으로써 속도 제어를 허용한다.

코일 어셈블리들(510a 내지 510c)은 일반적으로 내부 자석 실린더들(514a 내지 514c)이 종축(502)에 대해 고리모양으로 위치하게 하는 링 형상이다. 허브(516a 내지 516c)와 같은 복수의 허브들은 종축 샤프트(552)를 내부 자석 실린더들(515a 내지 515c)에 결합시킨다.

도시된 것처럼, 내부 자석 실린더들(515a 내지 515c)은 각각 자극들이 종축(502)에 수직하게 방사상으로 정렬되도록 위치하는 일련의 또는 복수의 자석들(518)을 포함한다. 제1 면 자석 링 어셈블리(520)는 코일 어셈블리(510a)의 다음에 위치한다. 일부 실시예들에서, 제1 면 자석 링 어셈블리(520)는 방사 패턴으로 배열된 복수의 자석들(522)을 포함하고, 복수의 자석들 중 각 자석의 극들은 일반적으로 (상술한 링 어셈블리(320)과 유사한) 종축(502)과 평행한 형태로 정렬된다. 도시된 바와 같이, 복수의 자석들(522)의 북극들은 코어(512a)를 향해 안쪽으로 향한다.

일부 실시예들에서, 제2 면 자석 링 어셈블리(530)는 방사 패턴으로 배열된 복수의 자석들(532)을 포함하고, 복수의 자석들 중 각 자석(532a)의 극들은 일반적으로 종축(502)과 평행한 형태로 정렬된다. 도시된 바와 같이, 도 11c 및 11d에서, 복수의 자석(532)들의 북극들은 코어(512c)를 향해 안쪽으로 향한다.

도 11c 및 11d에 도시된 바와 같이, 자기 실린더(500)는 종방향으로 서로 이격되고 동일한 샤프트(552) 및 종축(502)을 공유하는 "자석 실린더들" (500a, 500b, 및 500c)을 포함할 수 있다. 자석 실린더(500)의 실시예에서, 개별 자석 실린더들(500a, 500b 및 500c)은 자극을 서로 엇갈리게 한다. 예를 들어, 자석(515a)의 북극은 코어(512a)를 향해 바깥쪽으로 향한다. 그러나 자석(515b)의 북극은 코어(512b)로부터 멀어지는 안쪽을 향한다. 유사하게, 자석(515c)의 북극은 코어(512c)를 향해 바깥쪽을 향한다. 이 패턴은 자석 실린더 어셈블리(500)에 더 많은 개별 자석 실린더들이 추가되는 경우 계속될 것이다.

달리 설명하면, 개별 자석 실린더(500a)의 경우, 코어(512a)에 의해 채워진 공간은 자석들(522), 자석들(515a) 및 자석 링(524)의 자석들을 위치시키는 것으로부터 "북극" 극성으로 채워진 자력을 갖는다. 한편, 개별 자석 실린더(500b)의 경우, 코어(512b)에 의해 채워진 공간은 자석 링(524)의 자석들, 자석들(515b) 및 자석 링(526)의 자석들을 위치시키는 것으로부터 "남극" 극성으로 채워진 자력을 갖는다. 한편, 개별 자석 실린더(500c)의 경우 코어(512c)에 의해 채워진 공간은 자석 링(526)의 자석들, 자석들(515c) 및 자석 링(532)의 자석들을 위치시키는 것으로부터 "북극" 극성으로 채워진 자력을 갖는다.

일부 실시예들에서, 종축 샤프트(552)는 철, 강철, 또는 철과 유사한 자기적 성질을 갖는 페라이트 화합물로 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 종축 샤프트(552)는 페라이트 화합물 또는 분말을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 페라이트 화합물 또는 분말은 절연 액체, 윤활유, 모터 오일, 젤, 또는 광물유와 같은 점성 물질에 부유하여 와전류 및 자석 히스테리시스를 감소시키거나 제거할 수 있다.

일부 실시예들에서, 자기 실린더(500) 및 종축 샤프트(552)에 구조적인 지지를 제공하는 외측 케이싱 또는 하우징(554)이 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 하우징(554)은 임의의 물질, 합금 또는 요구된 구조적 강도를 갖는 화합물로 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 비철 물질이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 외부 베어링(도시되지 않음)은 종축 샤프트(552)와 하우징(554) 또는 유사한 지지 구조물 사이의 마찰을 줄이는데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하우징(554)은 기부(도시되지 않음)에 결합되어 하우징(554)에 대한 구조적 지지를 제공할 수 있다.

이 예에서, 자석 실린더(500a 내지 500c)는 자석 어셈블리(예를 들어, 자석 링 또는 실린더(515), 제1 면 자석 링(520) 및 제2 면 자석(530))는 정지된 토로이달 코일 어셈블리(510)를 갖는 회전자로 동작한다는 점에서 3x 집속 및 브러시리스 어셈블리를 포함한다. 이 구성은 코일 세그먼트들을 사용하는 이점이 있으며, 그 코일 세그먼트들의 도체 리드는 전압 입력을 변경하면서 직병렬 조합을 간단하게 스위칭함으로써 단계 속도 제어를 허용하고, 모터/발전기 출력에 대한 무단 속도제어가 요청되는 단일 위치(도시되지 않음)로 옮겨질 수 있다.

도 12는 향상된 자속 자석 실린더(600)를 통합하는 전기 모터/발전기 어셈블리(650)의 일 실시예에 대한 종단면도이다. 모터/발전기 어셈블리(650)는 코일 어셈블리(610)과 같은 상술한 컴포넌트들과 유사한 컴포넌트들을 사용할 수 있다. 일부 양태에서, 자석 실린더 어셈블리(600)의 많은 컴포넌트들은 상술한 바와 같이 향상된 자석 실린더 개념을 사용해 조립된다.

일부 실시예들에서, 도체에 감싸진 코일 어셈블리(610)는 상술한 코어(312)와 유사한 코어(612)를 포함한다. 구리 와이어와 같은 도전성 물질(614)이 코어(612)를 감싸 하나 이상의 코일 세그먼트들(610a)를 형성한다. 코일 어셈블리(610)는 일반적으로 링 형상이고, 차례로 샤프트(652)에 결합될 수 있는 연결 허브 또는 슬링 링 어셈블리(617)에 결합될 수 있다.

도시된 것처럼, 향상된 자속 토로이달 자석 실린더 어셈블리(600)는 세 개의 U-형상의 자석 실린더들(680, 682, 및 684)을 포함하고, 각 U 형상의 실린더의 개방단면은 코어(612) 또는 코일 어셈블리(610)을 향한다. U-형상의 자석 실린더들 각각은 일련의 또는 복수의 자석들(618)을 포함하고, 각 자석의 북극은 "U" 공간을 향해 안쪽으로 향한다. 따라서 조립되면, 복수의 자석들(618)의 북극들은 코어(612)를 향해 자석들의 자장을 집속시킨다.

코일 어셈블리(600)는 9x 자속 집속기 설계(세 개의 3x 집속기들)를 사용한다. 따라서, 조립된 (650) 모터/발전기는 9x의 자계 집속을 갖고, 전류를 주거나 수집하는 전형적인 DC 브러시들(619)(네 개가 도시되었지만, 공학적인 요인에 따라 임의의 개수가 사용될 수 있다)을 사용한다. 이 특정 실시예에서, 토로이달 코일 어셈블리(610)는 슬립 링 어셈블리(642)에 연결되는 회전자로 동작한다. 9x 자석 실린더 또는 링 어셈블리는 고정자로 동작한다. 도체들에 작용하는 자속밀도가 클수록, 모터 또는 발전기 모드에서의 로렌츠 출력이 증가한다.

구체적인 실시예에서, 모터/발전기 어셈블리(650)는 상술한 샤프트(352)와 유사한 종축 샤프트(652)를 갖는다.

일부 실시예들에서, 자기 실린더(600) 및 종축 샤프트(652)에 구조적인 지지를 제공하는 외측 케이싱 또는 하우징(654)이 있을 수 있다.

도 13a 내지 도 13b는 상술한 자석 실린더들의 일부 양태로 통합되어 자기장을 집속시킬 수 있는 하이브리드 전자석 자석 어셈블리(700)를 도시한 것이다. 또한, 철 코어 또는 유사한 물질들도 자석 실린더들과 함께 사용되어 상술한 것처럼 자기장을 집속할 수 있다.

일부 실시예들에서, 자석 어셈블리(700)는 철 코어(714)의 어느 한쪽 단에 위치하는 적어도 둘 이상의 시판 영구자석들(710 및 712)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 실린더 형상이 선택되었지만, 어느 형상이라도 임의의 적절한 구성으로 구축될 수 있다.

도 13a는 하이브리드 자석 어셈블리(700)의 개념적인 자속선(716)을 도시한 것이다. 당업자는 정렬된 자석 영역의 일부가 자속선들(716)이 영구자석의 극면들(pole faces)을 빠져나가는데 기여하지만, 대부분은 코어의 측벽들(718)로 누설될 것임을 알 수 있다.

도 13b는 전류를 수송하는 나선형으로 감싸진 도전성 물질(720)을 갖는 하이브리드 자석 어셈블리(700)를 도시한다. 도시된 바와 같이, 도체(720)는 모든 자속선들(716)을 가두고 집속시켜 영구 자석들에 의해 정렬되지 않은 임의의 자기 영역들을 정렬시킨다. 이와 같은 추가는 종래의 철 코어 코일보다 더 낮은 암페어턴(ampere turn)에서 더 강한 자속 출력이 생성되게 한다.

따라서 그러한 "하이브리드" 자석 어셈블리는 또한 상술한 자석 실린더들에서 자속력선의 집속을 돕는데 사용될 수 있다.

요약하면, 다양하게 개시된 실시예들의 일부 양태들은 다음의 장점을 제공할 수 있다.

종래의 브러시 정류 또는 PWM 제어기 모터/발전기들과는 달리, 본 발명의 양태에 따른 코일들은 영구 자기장과 계속 접촉하고 따라서 불변(non-varying) 연속 토크 또는 출력을 생성한다.

본 발명의 일부 양태들은 직접 DC 전류를 생성 및 사용하기 때문에 복잡한 PWM 구동 및 제어기들, 정류자들 등 (및 관련 손실들)이 필요하지 않다.

주어진 부하에 대한 자동 속도 조절이 필요한 경우, 복잡한 위치 지시가 필요하지 않다. 훨씬 간단한 RPM 지시 및 가변 전압/전류 관계가 필요한 모든 것이다.

자석 실린더/영구 자석을 사용하는 단일 극의 자석 어셈블리 개념을 사용하면, 달리 달성할 수 없는, 극히 강한 자기장이 전력을 소모하지 않고 생성된다.

유도된 전류 흐름에 의해 역기전력장이 생성되지만, 자석 실린더 및 코어 설계에 의해 코일의 움직임을 방해하는 직접적인 충격은 없다.

코어 상의 두 포인트만이 히스테리시스 손실을 경험하고 회전 당 두 번만 경험하므로 철 히스테리시스 손실은 본질적으로 제거된다.

와전류 손실은 코어가 자속선에 대해 수직으로 움직이지 않기 때문에 본질적으로 제거된다.

코깅 역시 코어 힘이 균형을 이루고 모든 방향에서 동일하므로 본질적으로 제거된다.

코일에서 구리 권선의 철 100%로 이루어진 큰 철 덩어리를 포화시킬 필요가 없기 때문에 돌입전류가 거의 없고, 로렌츠 힘의 이점을 사용하므로, 종래의 모터/발전기들에서처럼 구리 권선의 낭비가 없다.

상승 및 하강 정현파형으로부터 역전압이 제거된다.

다른 DC 모터처럼 토크의 반전은 단순히 입력 극성들의 반전이다.

본 발명의 실시예들에 대한 상술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이것은 본 발명을 정확한 형태로 개시되는 것으로 한정하거나 제한하도록 의도되지 않는다. 다양한 결합예, 변형예 및 변경예들이 상기 교시에 비추어 가능하다. 교환된 컴포넌트들을 포함하는 설명되지 않은 실시예들도 여전히 본 발명의 범위 내에 포함된다. 본 발명의 범위는 이러한 상세한 설명에 의해 한정되지 않으며 오히려 여기에 첨부된 청구항들에 의해 한정되는 것으로 의도된다.

Claims (31)

1. 전기 모터로서,
   종축(176) 주위에 위치된 부분 자기 토로이달 실린더(100); 및
   상기 종축(176) 주위에 위치된 코일 어셈블리(182)
   를 포함하고,
   상기 부분 자기 토로이달 실린더(100)는
   종 방향 또는 축 방향 길이를 갖는 외부 자기 실린더 벽(102),
   내부 자기 실린더 벽(104),
   제1 반경 방향 길이를 갖는 제1 자기 측벽(170), 그리고
   제2 반경 방향 길이를 갖는 제2 자기 측벽(172)
   을 포함하고,
   상기 외부 자기 실린더 벽(102), 내부 자기 실린더 벽(104), 제1 자기 측벽(170) 및 제2 자기 측벽(172)은 내부 공동(124)을 형성하고, 상기 내부 공동(124)에 대면하는 그들과 대응한 자극을 가지고,
   외부 자기 실린더 벽(102)의 종 방향 길이는 제1 자기 측벽(170)의 제1 반경 방향 길이 또는 제2 자기 측벽(172)의 제2 반경 방향 길이보다 길며,
   상기 코일 어셈블리(182)는
   상기 내부 공동(124) 내에 부분적으로 위치된 코어(110, 132), 그리고
   상기 코어(110, 132) 주위에 반경 방향으로 배치된 복수의 코일
   을 포함하고,
   상기 코일 어셈블리(182)는 상기 부분 자기 토로이달 실린더(100)에 대하여 회전하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
2. 전기 모터로서,
   종축(176) 주위에 위치된 부분 자기 토로이달 실린더(100); 및
   상기 종축(176) 주위에 위치된 코일 어셈블리(182)
   를 포함하고,
   상기 부분 자기 토로이달 실린더(100)는
   종 방향 또는 축 방향 길이를 갖는 외부 자기 실린더 벽(102),
   내부 자기 실린더 벽(104),
   제1 반경 방향 길이를 갖는 제1 자기 측벽(170), 그리고
   제2 반경 방향 길이를 갖는 제2 자기 측벽(172)
   을 포함하고,
   상기 외부 자기 실린더 벽(102), 내부 자기 실린더 벽(104), 제1 자기 측벽(170) 및 제2 자기 측벽(172)은 내부 공동(124)을 형성하고, 상기 내부 공동(124)에 대면하는 그들과 대응한 자극을 가지고,
   상기 코일 어셈블리(182)는
   상기 내부 공동(124) 내에 부분적으로 위치된 코어(110, 132), 그리고
   상기 코어(110, 132) 주위에 반경 방향으로 배치된 복수의 코일
   을 포함하고,
   단면에서의 상기 코어(110, 132)는 종축에 평행한 제1 길이가 종축을 가로지르는 코어(110, 132)의 제2 길이보다 크고,
   상기 코일 어셈블리(182)는 상기 부분 자기 토로이달 실린더(100)에 대하여 회전하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
3. 제1항에 있어서, 단면에서의 상기 코어(110, 132)는 종축에 평행한 제1 길이가 종축을 가로지르는 코어(110, 132)의 제2 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 전기 모터.
4. 제2항에 있어서, 상기 외부 자기 실린더 벽(102)의 종 방향 길이는 상기 제1 자기 측벽(170)의 제1 반경 방향 길이보다 길거나 또는 상기 제2 자기 측벽(172)의 제2 반경 방향 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 전기 모터.
5. 제1항에 있어서, 상기 코어(110, 132)를 상기 종축(176)을 따라 종 방향으로 위치되는 종축 샤프트(152)에 연결하는 회전자 허브(134)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
6. 제1항에 있어서, 상기 부분 자기 토로이달 실린더(100) 내에 형성된 횡단 슬롯(162) 및 상기 횡단 슬롯(162)을 통한 누설 자속을 감소시키기 위해 상기 횡단 슬롯(162)에 인접하게 위치된 복수의 자석을 더 포함하는, 전기 모터.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서, 상기 부분 자기 토로이달 실린더(100)는 적어도 하나의 영구 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
9. 제1항에 있어서, 상기 부분 자기 토로이달 실린더(100)는 적어도 하나의 전자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터.
10. 직류 전압을 생성하는 방법으로서,
    외부 자기 실린더 벽(102), 내부 자기 실린더 벽(104), 제1 자기 측벽(170) 및 제2 자기 측벽(172)에 의해 형성된 내부 공동(124) 내에 자계 집속 영역을 형성하는 단계,
    상기 자계 집속 영역 내에 코어(110, 132)의 일부분을 위치시키는 단계,
    코일(148)을 상기 코어(110, 132)에 연결하는 단계,
    종축 샤프트(152)가 회전할 때 상기 코일(148)이 상기 자계 집속 영역 내로 이동되도록 상기 코어(110, 132)에 연결된 종축 샤프트(152)를 회전하는 단계,
    상기 자계 집속 영역을 통해 이동함에 따라 상기 코일(148)에 전압을 발생시키는 단계, 그리고
    상기 코일(148)로부터 전압을 제거하는 단계
    를 포함하며,
    상기 내부 공동(124)에 대면하는 그들과 대응한 자극을 가지는 각각의 벽 및 상기 외부 자기 실린더 벽(102)은 제1 자기 측벽(170)의 제1 반경 방향 길이 또는 제2 자기 측벽(172)의 제2 반경 방향 길이보다 큰 종 방향 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 종축 샤프트(152)의 반경 방향 운동을 생성하는 방법에 있어서,
    외부 자기 실린더 벽(102), 내부 자기 실린더 벽(104), 제1 자기 측벽(170) 및 제2 자기 측벽(172)에 의해 형성된 내부 공동(124) 내에 자계 집속 영역을 형성하는 단계,
    상기 자계 집속 영역 내에 코어(110, 132)의 일부분을 위치시키는 단계,
    코일(148)을 상기 코어(110, 132)에 연결하는 단계,
    상기 코일(148)을 상기 자계 집속 영역으로 방사상으로 이동시키는 단계,
    상기 코일(148)이 자계 집속 영역 내에 있을 때 전류를 상기 코일(148)에 인가하여 상기 코일(148)을 이동시키기 위해 상기 코일(148) 상에 반발 자기력을 생성하는 단계, 그리고
    상기 코일(148)이 이동함에 따라 상기 종축 샤프트(152)가 반경 방향으로 회전하도록 종축 샤프트(152)에 상기 코일(148)을 결합시키는 단계
    를 포함하며,
    상기 내부 공동(124)에 대면하는 그들과 대응한 자극을 가지는 각각의 벽 및 상기 외부 자기 실린더 벽(102)은 제1 자기 측벽(170)의 제1 반경 방향 길이 또는 제2 자기 측벽(172)의 제2 반경 방향 길이보다 큰 종 방향 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제10항에 있어서, 단면에서의 상기 코어(110, 132)는 종축에 평행한 제1 길이가 종축을 가로지르는 코어(110, 132)의 제2 길이보다 큰 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제10항에 있어서, 상기 내부 공동(124)에 인접한 횡단 슬롯(162)에 근접한 복수의 자석을 위치시킴으로써 상기 자계 집속 영역으로부터의 누설 자속을 감소시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 삭제
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