KR100749866B1 - 정지(靜止)식 전자(電磁) 발전기 - Google Patents

Abstract

가동부 없는 전자 발전기(10,130,150,170)는 영구 자석(12,154,174) 및 제1 및 제2 자로(18,20)를 포함하는 자성 코어(16,132,156)를 포함한다. 제1 입력 코일 (26,166) 및 제1 출력 코일(29,135,152,178)은 상기 제1 자로(18)의 일부 주위에 연장되어 있지만, 제2 입력 코일(28,138,168) 및 제2 출력 코일(30,135,153,178)은 상기 제2 자로(20)의 일부 주위에 연장되어 있다. 입력 코일(26,28,138,168)에는 제2 출력 코일(29,30,135,152,153,178)에서 유도 전류 펄스를 제공하도록 펄스가 교대로 가해진다. 입력 코일(26,28,138,166,168) 각각을 통한 전류 구동은 상기 입력 코일이 주위에 연장되어 있는 자로 내에서 영구 자석(12,154, 174)으로부터의 자속 레벨을 감소시킨다.

Description

정지(靜止)식 전자(電磁) 발전기{Motionless electromagnetic generator}

본원은 2000년 9월 6일자 출원된 선출원되고 동시 계속중인 미국 출원 제09/ 656,313호에 대한 우선권의 이점을 주장한 것이다.

본 발명은 가동부 없이 전력을 생성하는 데 사용되는 자석(magnetic) 발전기에 관한 것이며, 보다 구체적으로 기술하면, 작동시, 입력 코일을 통한 입력 전력의 외부 인가 없이 전력을 생성할 수 있는 능력을 지닌 그러한 장치에 관한 것이다.

특허 문헌에는 다수의 자석 발전기가 언급되어 있는 데, 각각의 자석 발전기는 영구 자석, 상기 영구 자석의 외부에 있는 2개의 자로(magnetic path)로서, 각각의 자로가 상기 영구 자석의 양 극 사이에 연장되어 있는 2개의 자로, 자속이 상기 2개의 자로 각각을 따라 교대로 흐르게 하기 위한 스위칭 수단, 및 상기 장치 내에서의 자기장의 변화에 의해 전류가 흐르게 유도되게 하는 하나 또는 그 이상의 출력 코일을 포함한다. 이같은 장치는, 비록 자기장 생성원이 고정되어 있더라도, 도체 내의 전류가 변하는 자기장 내에서 유도된다는 것을 나타내는 패러데이의 법칙(Faraday' Law)의 확대 해석(extension)에 따라 작동한다.

영구 자석의 양 극 사이에서 2개의 자로 중 어느 하나를 따라 압도적으로 흐 르게 하기 위한 자속의 스위칭 방법은 「1963년 7월 23일자 알.제이. 레이더스 명의로 엔지니어 다이제스트에 실린 "자속 전이" 원칙(a "flux transfer" principle by R. J. Radus in Engineer's Digest, July 23, 1963)」으로서 언급되어 있다. 이러한 원칙은, 자석 발전기의 구성에서 사용되지 않지만, N 및 S 극 중 어느 한 단부에서 강력한 자력을 가하고 다른 한 단부에서 매우 낮은 자력을 가하는 데 사용된다. 이러한 효과는 극편(14)의 기다란 형태 주위에 연장되어 있는 하나 또는 그 이상의 제어 권선을 통해 전류를 구동시킴으로써 전기적으로 야기될 수도 있고 키퍼 운동(keeper movement)에 의해 역학적으로 야기될 수도 있다. 이러한 효과를 사용하는 여러 장치들은 미국 특허 제3,165,723호, 제3,228,013호, 및 제3,316,514호에 언급되어 있는 데, 이들 특허는 본원에 병합되어 있다.

자석 발전기의 개발을 향한 다음 단계는 본원에 병합되어 있는 미국 특허 제3,368,141호에서, 한 코어에 대하여 제1 및 제2 권선을 가지는 트랜스와의 조합을 이루는 영구 자석을 포함하는 장치로서, 교류 전류가 상기 코어에서 자속 방향의 변화를 유도할 때, 상기 영구 자석으로부터의 자속이 상기 전류에 기인하여 상기 코어를 통한 자속에 의해 취해진 방향과 대응하는 경로를 통해 자동으로 향하게 하기 위해 자속의 2가지 경로가 상기 영구 자석의 각각의 극으로부터 상기 코어의 어느 한 단부로 안내되는 장치로서 언급되어 있다. 이같은 방식으로, 상기 자속은 강화된다. 이러한 장치는 전형적인 유도성 부하형 교류 회로의 역률을 개선시키는 데 사용된다.

기타 특허에는 하나 또는 그 이상의 출력 코일로부터의 전류가 발전기의 보 다 종래의 방식으로 부하를 구동시키는 데 사용가능하게 되는 것으로서 언급되게 하는 자석 발전기가 언급되어 있다. 예를 들면, 본원에 병합되어 있는 미국 특허 제4,006,401호에는 영구 자석 및 코어 부재를 포함하는 전자 발전기가 언급되어 있는 데, 이러한 전자 발전기에는 상기 코어 부재 내의 자석으로부터 흐르는 자속이 상기 코어 부재 상의 권선에서 교류 전류를 생성하도록 스위칭함으로써 신속하게 교호된다. 상기 장치는 영구 자석 및 상기 자석의 N 및 S 극 사이의 2개의 분리된 자속 회로 경로를 포함한다. 상기 회로 경로 각각은 상기 회로 경로를 교대로 개방 및 폐쇄하여 상기 코어 부재상의 권선에서 교류 전류를 생성하게 하기 위한 2개의 스위칭 수단을 포함한다. 상기 스위칭 수단 각각은 상기 회로 경로를 교차하는 스위칭 자기 회로를 포함하는 데, 상기 스위칭 자기 회로는 코어를 지니며, 상기 코어를 통해 상기 영구 자석에 이르기까지 연장되어 있는 상기 회로 경로를 포화시키기 위한 자속을 유도하도록 구동된다. 이같은 코일을 구동시키기 위한 전력은 계속 인가되는 형태의 교류 전류원의 출력으로부터 직접 획득된다. 그같은 전류원의 사용을 필요로 하지 않는 전자 발전기가 필요하다.

본원에 병합되어 있는 미국 특허 제4,077,001호에는 자석 발전기 또는 dc/dc 변환기가 언급되어 있는 데, 이같은 자석 발전기 또는 dc/dc 변환기는 일정 간격으로 이격된 극을 지니는 영구 자석 및 상기 자석의 극 사이에 연장되어 있는 영구 자기장을 포함한다. 가변 자기 저항 코어는 상기 자석에 고정된 관계에 있는 상기 자기장에 배치되고 상기 코어의 자기 저항은 상기 자기장의 힘의 선 패턴이 이동되게 하도록 변화된다. 출력 도체는 상기 자석에 고정된 관계에 있는 상기 자기장에 배치되고 전압이 상기 도체에서 유도되게 하기 위해 영구 자기 힘의 이동선에 의해 절단되도록 위치된다. 상기 자속은 상기 코어의 여러 부분 주위에 연장되어 있는 스위칭 코일에 의해 교호 경로 사이로 스위칭되는 데, 플립플롭의 출력에 의해 구동되는 한쌍의 트랜지스터에 의해 이같은 스위칭 코일 사이로 전류의 흐름이 교호된다. 상기 플립플롭의 입력은 조정가능한 주파수 발진기에 의해 구동된다. 이같은 구동 회롱 대한 전력은 부가적인 개별 전원을 통해 공급된다. 그같은 전원의 사용을 필요로 하지 않는 자석 발전기가 필요하다.

본원에 병합되어 있는 미국 특허 제4,904,926호에는 자기장의 운동을 사용하는 다른 한 자석 발전기가 언급되어 있다. 상기 장치는 각각의 단부에서 베이스를 지니는 자기 도통 영역을 정의하는 전기 권선을 포함하며, 상기 권선은 상기 권선으로부터의 유도 전류 제거를 위한 요소를 포함한다. 상기 발전기는 2극 자석을 더 포함하는 데, 각각의 극은 제1 및 제2 극을 지니며, 상기 제1 극은 자기 도통 영역의 한 베이스와의 자기 전달(magnetic communication)을 이룬다. 상기 발전기는 제3 극 자석을 더 포함하는 데, 상기 제3 극 자석은 상기 2극 전자석의 제1 극 중간에 배향되어 있고, 상기 제3 극 자석은 자기 도통 영역의 축에 대하여 실질적으로 가로지르는 자기축을 지니며, 상기 제3 극 자석은 상기 도통 영역에 가장 가깝고 상기 2극 전자석의 제1 극과의 자기 인력 관계(magnetic attractive relation-ship)를 이루는 극을 지니는 데, 상기 2극 전자석의 제1 극은 동일한 극이다. 또한 상기 발전기에는 권선 형태를 이루고 있으며 상기 전자석의 자기 극성을 순환적으로 역전시키기 위한 요소가 포함되어 있다. 이같은 역전 수단에 의해, 상기 전자석 의 자기 극성에서의 순환적 변화를 통해, 상기 제3 극 자석의 가장 가까운 극 및 상기 전자석의 제1 극 사이의 자기 인력 관계와 연관된 자속선이 대응적으로 역전함으로써, 상기 2극 전자석의 각각의 제1 극 사이로 스윙(swing)하는 자속선과 같은, 자기 도통 영역을 가로지르는 와이핑 효과(wiping effect)를 야기시키고, 그럼으로써, 상기 출력 권선 내에서의 전자 운동을 유도하고 결과적으로는 상기 출력 권선 내에서의 전류 흐름을 생성한다.

본원에 병합되어 있는 미국 특허 제5,221,892호에는 자기축을 정의하는 극을 지니는 자기 포위체(magnetic envelop)를 포함하는 직류 전류 자속 압축 트랜스( direct current flux compression transformer)의 형태를 이루고 있으며 상기 축에 대한 극 대칭을 이루는 한 패턴의 자속선을 특징으로 하는 자석 발전기가 언급되어 있다. 상기 자속은 상기 코어에 대하여 역학적으로 고정되어 있는 제어 요소를 사용하여 상기 자기 포위체에 대하여 공간적으로 이동된다. 더욱이, 또한 상기 자기 포위체에 대하여 역학적으로 고정되어 있는 유도 요소가 제공된다. 상기 유도 요소에 대한 자속의 공간적 이동은 전류의 흐름을 야기시킨다. 더욱이, 자속 밸브, 결과적으로는 유도 요소를 가로지르는 각각 향상되고 감소된 자기 저항의 시간 영역 패턴을 생성하도록 상기 자기 저항의 변화를 제공하는 자속 밸브가 제공된다.

기타 특허에는 상기 자속의 이동을 야기시키기 위해 초전도 요소를 사용하는 장치가 언급되어 있다. 이같은 장치는 초전도 구조가 초전도 위상에 대한 전이에 처함에 따라 상기 초전도 구조의 내부로부터의 자속의 축출을 언급하는 마이스너 효과(Meissner effect)에 따라 작동된다. 예를 들면, 본원에 병합되어 있는 미국 특허 제5,011,821호에는 영구 자석의 N 및 S 극에 의해 생성되는 자기장에 배치되는 한다발의 도체를 포함하는 전력 생성 장치가 언급되어 있다. 상기 자기장은 상기 한다발의 도체를 통해 한쌍의 초전도 재료 박막에 의해 전후로 이동된다. 상기 한쌍의 박막 중 하나가 초전도 상태에 있지만, 나머지 하나는 비-초전도 상태에 있다. 상기 상태들이 상기 2개의 박막 사이에서 순환적으로 역전되기 때문에, 상기 자기장은 상기 한다발의 도체를 통해 전후로 편향된다.

본원에 병합되어 있는 미국 특허 제5,327,015호에는 초전도 재료로 제조된 튜브, 상기 튜브의 한 단부에 대하여 장착된 자속 생성원, 상기 튜브를 따라 장착된 자속을 차단하기 위한 코일과 같은 수단, 및 상기 튜브에 대하여 장착된 초전도도체의 온도를 변화시키기 위한 수단을 포함하는 전기 펄스 생성 장치가 언급되어 있다. 상기 튜브가 점진적으로 초전도 상태로 됨에 따라, 자기장이 상기 튜브 내에 트랩( trap)되어 상기 차단 수단에서 전기 펄스를 생성한다. 초전도 상태의 역전은 제2 펄스를 생성시킨다.

위에서 언급되어 있는 특허를 받은 장치 중 어떠한 것도 자속의 경로를 바꾸는 데 사용되는 역전 수단에 전력을 공급하기 위해 상기 장치 내에서 생성된 전력 의 일부를 사용하지 않는다. 따라서, 종래의 로터리 발전기와 같이, 이같은 장치는 이같은 자석 발전기 중 하나의 역전 수단을 구동시키는 전력 또는 종래의 로터리 발전기의 회전자를 구동시키는 토크의 형태를 이룰 수 있는 정상 전력 입력을 필요로 한다. 그러나, 전기 발전기의 자석 부분에 대한 필수 기능은 정확한 타이밍에 따라 자기장을 스위칭할 정도로 간단하다. 가장 종래의 자석 발전기 용도에 있어서 는, 영구 자석의 자기장을 무시(override)하는 데 사용되는 코일에서 자기장을 생성하는 전압이 코일을 가로질러 스위칭되기 때문에, 상당량의 전력이 상기 스위칭 수단에 전력을 공급하도록 상기 발전기에 공급되어야 하는 데, 이는 상기 발전기의 효율을 감소시킨다.

특히 미국 뉴욕 소재의 존 윌리 및 선에 의해 출판된 로버트 씨. 오핸들리 저 현대 자성 재료, 원리 및 용도 제456-468면(Robert C. O'Handley in Modern Magnetic Materials, Principles and Applications, John Wiley & Sons, New York, pp. 456-468)에 의해 언급되었던 자성 재료의 최근 발전으로, 자속의 신속한 스위칭에 특히 매우 적합한 나노크리스탈린(nanocrystalline) 자성 합금이 제공되고 있다. 이같은 합금은 주로 결정체, 입자 또는 미소결정체로 이루어져 있으며, 이들 각각은 수 나노미터의 적어도 1차원을 지닌다. 나노크리스탈린 재료는 비정질 합금을 가열 처리함으로써 만들어질 수 있는 데, 상기 비정질 합금은 나노크리스탈린 재료에 대한 전구체(precursor)를 형성하고, 이에 대한 구리와 같은 불용성 원소가 대량의 결정핵생성(nucleation)을 촉진시키는 데 추가되고, 이에 대한 니오븀 또는 탄탈륨 카바이드와 같은 안정된 내화성 합금 재료가 입자 성장을 억제하기 위해 추가된다. 나노크리스탈린 합금 덩어리의 대부분은 약 2-40㎚의 치수를 지니는 무작위로 분포된 미세결정체로 이루어져 있다. 이같은 미소결정체는 비정질상으로부터 결정핵이 생성 및 성장되고, 불용성 원소는 미소결정체 성장 과정 동안 거부된다. 자기 용어에서는, 각각의 미소결정체가 단일 영역 입자이다. 남아있는 나노크리스탈린 합금 덩어리는 약 1㎚의 두께를 지니는 입자 경계의 형태를 이루는 비정질상 으로 이루어져 있다.

특히 유용한 특성을 지니는 자성 재료는 제로(0)에 가까운 자왜(Magneto-striction) 및 비교적 강력한 자왜와 아울러, 양호한 역학적 힘 및 부식 저항을 지니는 비정질 Co-Nb-B(코발트-니오븀-붕소) 합금으로부터 형성된다. 이같은 재료를 어닐처리하는 공정은 상기 재료에서 형성되는 미소결정체의 크기를 변화시키도록 변경될 수 있고, 그 결과 DC 보자력(coercivity)에 강력한 영향을 준다. 또한 나노크리스탈라이트(nanocrystallite)의 석출로 다른 비정질 합금의 AC 성능이 개선된다.

기타 자성 재료는 철이 풍부한 비정질 및 나노크리스탈린 합금을 사용하여 형성되는 데, 이같은 합금은 일반적으로 코발트를 기재로 하는 합금보다 큰 자화를 보여준다. 그같은 재료는 예를 들면, Fe-B-Si-Nb-Cu(철-붕소-실리콘-니오븀-구리) 합금이다. 철이 풍부한 비정질 합금의 투자율(permeability)이 상기 철이 풍부한 비정질 합금의 비교적 큰 자왜 레벨에 의해 제한되고, 그같은 비정질 합금으로부터의 나노크리스탈린 재료의 형성으로 이러한 자왜 레벨이 극적으로 감소됨으로써, 용이한 자왜가 선호된다.

또한, 영구 자석에 대한 재료의 개발에 있어서, 특히, 희토류 원소를 함유하는 재료의 개발에 있어서의 발전이 이루어져 왔다. 그같은 재료는 사마륨 코발트( SmCo₅)를 포함하는 데, 이는 공지된 재료의 비자화에 대한 가장 높은 저항을 지니는 영구 자석 재료를 형성하는 데 사용된다. 기타 자성 재료는 예를 들면, 철, 네오디 뮴, 및 붕소의 조합을 사용하여 만들어진다.

본 발명의 제1 목적은 자석 발전기의 작동 동안 외부 전원에 대한 필요성이 해소되는 자석 발전기(magnetic generator)를 제공하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은 자속 경로가 자속 경로 방향을 바꾸도록 자기장을 제압할 필요성 없이 자속 경로가 바뀌어지게 하는 자석 발전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 제3 목적은 전기 생성이 부품의 가동 없이 달성되게 하는 자석 발전기를 제공하는 것이다.

본 발명의 장치에서, 영구 자석으로부터의 자속 경로는 자기장의 제압을 필요로 하지 않는 방식으로 스위칭된다. 더욱이, 자동 개시형 반복 스위칭은 상기 장치 내의 교호 자기 경로 사이로 상기 영구 자석으로부터의 자속을 스위칭하는 데 사용되는 데, 상기 반복 스위칭을 작동시키기 위한 전력은 낮은 전력 레벨을 사용하는 것으로 알려져 있는 부품으로 이루어져 있는 제어 회로를 통해 제공된다. 자동 스위칭을 사용하는 경우에는, 상기 발전기의 작동 동안 외부 전원에 대한 필요성이 해소되는 데, 배터리와 같은 개별 전원은 단지 상기 발전기의 시동시 매우 짧은 시간 동안에만 사용된다.

본 발명의 제1 실시예에 의하면, 영구 자석, 자성 코어, 제1 및 제2 입력 코일, 제1 및 제2 출력 코일, 및 스위칭 회로를 포함하는 전자 발전기가 제공된다. 상기 영구 자석은 양 단부에 자극을 지닌다. 상기 자성 코어는 상기 영구 자석의 양 단부 사이에, 주위에 상기 제1 입력 및 출력 코일이 연장되어 있는 제1 자로( magnetic path), 및 주위에 제2 입력 및 출력 코일이 연장되어 있는 제2 자로를 포함한다. 상기 스위칭 회로는 상기 제1 및 제2 입력 코일을 통해 교대로 전류를 구동시킨다. 상기 제1 입력 코일을 통해 구동되는 전류에 의해 상기 제1 입력 코일이 상기 제1 자로 내의 영구 자석으로부터 자속 집중을 저지하는 자기장을 생성한다. 상기 제2 입력 코일을 통해 구동되는 전류에 의해 상기 제2 입력 코일이 상기 제2 자로 내의 영구 자석으로부터 자속의 집중을 저지하는 자기장을 생성한다.

본 발명의 다른 한 실시예에 의하면, 자성 코어, 복수개의 영구 자석, 제1 및 제2의 복수개의 입력 코일, 복수개의 출력 코일, 및 스위칭 회로를 포함하는 전자 발전기가 제공된다. 상기 자성 코어는 한쌍의 일정 간격으로 이격된 플레이트로서 각각의 플레이트가 중심 애퍼튜어(central aperture)를 지니는 한쌍의 일정 간격으로 이격된 플레이트, 및 상기 일정 간격으로 이격된 플레이트 사이에 연장되어 있는 제1 및 제2의 복수개의 포스트(post)를 지닌다. 상기 영구 자석 각각은 상기 한쌍의 일정 간격으로 이격된 플레이트 사이에 연장되어 있다. 각각의 영구 자석은 양 단부에 자극을 지니는 데, 상기 영구 자석 모두의 자기장은 공통 방향으로 연장하도록 정렬되어 있다. 각각의 입력 코일은 상기 일정 간격으로 이격된 플레이트 내의 한 플레이트 일부 주위에서 포스트 및 영구 자석 사이에 연장되어 있다. 출력 코일은 각각의 포스트 주위에 연장되어 있다. 상기 스위칭 회로는 상기 제1 및 제2의 복수개의 입력 코일을 통해 교대로 전류를 구동시킨다. 상기 제1의 복수개의 입력 코일 내의 각각의 입력 코일을 통해 구동되는 전류는 상기 제1의 복수개의 포스트 내의 각각의 포스트의 각각의 측면 상의 영구 자석으로부터 상기 제1의 복수개 의 포스트 내의 각각의 포스트 내에서의 자속 증가를, 그리고 상기 제2의 복수개의 포스트 내의 각각의 포스트의 각각의 측면 상의 영구 자석으로부터 상기 제2의 복수개의 포스트 내의 각각의 포스트 내에서의 자속 감소를 야기시킨다. 상기 제2의 복수개의 입력 코일 내의 각각의 입력 코일을 통해 구동되는 전류는 상기 제1의 복수개의 포스트 내의 각각의 포스트의 각각의 측면상의 영구 자석으로부터 상기 제1의 복수개의 포스트 내의 각각의 포스트 내에서의 자속 감소를, 그리고 상기 제2의 복수개의 포스트 내의 각각의 포스트의 각각의 측면 상의 영구 자석으로부터 상기 제2의 복수개의 포스트 내의 각각의 포스트 내에서의 자속 증가를 야기시킨다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 대한 제1 형태에 따라 형성된 자석 발전기 및 관련 전기 회로를 부분적으로 보여주는 개략적인 정면도이다.

도 2는 도 1의 관련 전기 회로에 내재하는 스위칭 및 제어 회로에 대한 제1 형태를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 3은 도 2의 회로 내에서 생성되는 구동 신호를 보여주는 그래프이다.

도 4는 도 1의 관련 전기 회로에 내재하는 스위칭 및 제어 회로에 대한 제2 형태를 개략적으로 보여주는 도면이다.

도 5는 도 3의 회로 내에서 생성되는 구동 신호를 보여주는 그래프이다.

도 6a는 도 1의 장치 내의 제1 구동 신호를 보여주는 그래프이다.

도 6b는 도 1의 장치 내의 제2 구동 신호를 보여주는 그래프이다.

도 6c는 도 1의 장치 내의 입력 전압 신호를 보여주는 그래프이다.

도 6d는 도 1의 장치 내의 입력 전류 신호를 보여주는 그래프이다.

도 6e는 도 1의 장치 내의 제1 출력 전압 신호를 보여주는 그래프이다.

도 6f는 도 1의 장치 내의 제2 출력 전압 신호를 보여주는 그래프이다.

도 6g는 도 1의 장치 내의 제1 출력 전류 신호를 보여주는 그래프이다.

도 6h는 도 1의 장치 내의 제2 출력 전류 신호를 보여주는 그래프이다.

도 7은 입력 전압의 함수로서, 도 1의 장치 내에서 측정된 출력 전압을 보여주는 그래프이다.

도 8은 입력 전압의 함수로서, 도 1의 장치 내의 측정 장치로부터 계산된 성능 계수를 보여주는 그래프이다.

도 9는 본 발명의 제1 실시예에 대한 제2 형태를 보여주는 단면도이다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 대한 제1 형태에 따라 형성된 자석 발전기를 보여주는 평면도이다.

도 11은 도 10의 자석 발전기를 보여주는 정면도이다.

도 12는 본 발명의 제2 실시예에 대한 제2 형태에 따라 형성된 자석 발전기를 보여주는 평면도이다.

도 1은 영구 자석(12)을 포함하여 상기 자석(12)의 N극(14)으로부터 자속 경로 코어 재료(16) 내에서 외측으로 이동하는 자속의 입력선을 공급하도록 본 발명의 제1 실시예에 따라 형성된 전자 발전기(10)를 부분적으로 보여주는 개략적인 정면도이다. 상기 자속 경로 코어 재료(16)는 우측 자로(right magnetic path; 18) 및 좌측 자로(left magnetic path; 20)를 형성하도록 배치되는 데, 상기 자로 모두는 상기 자석(12)의 N극(14) 및 S극(22) 사이의 외측으로 연장된다. 상기 전자 발전기(10)는 스위칭 및 제어 회로(24)에 의해 구동된다. 상기 스위칭 및 제어 회로( 24)는 우측 입력 코일(26) 및 좌측 입력 코일(28)을 통해 교대로 전류를 구동시킨다. 이러한 입력 코일(26,28) 각각은 상기 코어 재료(16)의 일부 주위에 연장되어 있는 데, 상기 우측 입력 코일(26)은 우측 자로(18)의 일부를 에워싸고 있으며 상기 좌측 입력 코일(28)은 상기 좌측 자로(20)의 일부를 에워싸고 있다. 우측 출력 코일(29)은 또한 상기 우측 자로(18)의 일부를 에워싸고 있는 반면에, 좌측 출력 코일(30)은 상기 좌측 자로(20)의 일부를 에워싸고 있다.

본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 상기 스위칭 및 제어 회로(24) 및 상기 입력 코일(26,28)은, 우측 입력 코일(26)이 여자될 경우, N 자극이 상기 우측 입력 코일(26)의 좌측단(31), 즉, 상기 영구 자석(12)의 N극(14)에 가장 가까운 단부에 존재하고, 좌측 입력 코일(28)이 여자될 경우, N 자극이, 또한, 상기 영구 자석(12 )의 N극(14)에 가장 가까운 단인 상기 좌측 입력 코일(28)의 우측단(32)에 존재하도록 배열된다. 따라서, 상기 우측 입력 코일(26)이 자화될 경우, 상기 영구 자석( 12)으로부터의 자속은 상기 우측 입력 코일(26)을 통해 연장되지 않게 된다. 마찬가지로, 좌측 입력 코일(28)이 자화될 경우, 상기 영구 자석(12)으로부터의 자속은 상기 좌측 입력 코일(28)을 통해 연장되지 않게 된다.

따라서, 상기 우측 입력 코일(26)을 통한 전류 구동이 상기 우측 자로(18) 내에서의 상기 영구 자석(12)로부터의 자속 집중을 저지하기 때문에, 이러한 자속 중 적어도 일부는 상기 좌측 자로(20)로 이동된다고 이해될 것이다. 반면에, 상기 좌측 입력 코일(28)을 통한 전류 구동이 상기 좌측 자로(20) 내에서의 상기 영구 자석(12)으로부터의 자속 집중을 저지하기 때문에, 이러한 자속 중 적어도 일부는 상기 우측 자로(18)로 이동된다.

도 1의 예에서, 상기 입력 코일(26,28)이 상기 영구 자석(12)의 N극으로부터 연장되어 있는 상기 코어(16)의 일부를 따라 배열되어 있으며 상기 영구 자석(12)의 N극의 양측 상에 배치되어 있지만, 상기 입력 코일(26,28)은 상기 영구 자석(12 )의 S극으로부터 연장되어 있는 상기 코어(16) 중 일부를 따라 배열되어 있으며 상기 영구 자석(12)의 S극의 양측 상에 교대로 배치되는 것이 용이한 데, 상기 입력 코일(26,28)이, 여자될 경우, 상기 영구 자석(12)의 S극 방향을 가리키는 S극을 지니는 자기장을 형성하도록 배선되어 있다고 이해될 것이다. 일반적으로, 상기 입력 코일(26,28)은 자성 코어를 따라 N극과 같은 제1 극을 형성하는 영구 자석의 한 단부의 양측 상에 배열되어 있는 데, 상기 입력 코일은 상기 영구 자석의 제1 극 방향을 가리키는 제1 극의 극성에 대한 자기장을 생성하도록 배열되어 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 상기 입력 코일(26,28)은 상기 코어 재료(16)가 포화될 정도로 많은 전류로 결코 구동되지 않는다. 포화 상태로의 상기 코어 재료(16)의 구동이 의미하는 것은 입력 전류의 차후 증가가 자속의 대응 변화를 초래시키지 않고서도 생길 수 있고, 결과적으로는 입력 전력이 낭비될 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 방식으로, 본 발명의 장치는 각각의 자로의 양 단부 중 한 부분이 자속 흐름을 차단하도록 포화 상태로 구동되게 하는 미국 특허 제4, 000,401호의 장치를 능가하는 입력 전력의 효율적인 사용에 관한 이점을 제공한다. 상기 전자 발전기(10)에서, 상기 입력 코일(26,28) 내의 전류 흐름에 대한 스위칭은 상기 자로(18,20) 중 한 자로에서의 자속 흐름을 촉진하는 동안, 나머지 자로에서의 자속 흐름을 중지시킬 정도로 충분할 필요가 없다. 상기 전자 발전기(10)는 자속 패턴의 변화에 따라 작동하지만, 이는 한 측으로부터 다른 한 측으로 완전히 스위칭될 필요가 없다. 이러한 배치는, 상기 출력 코일(29,30) 내에서 전력을 생성하기 위해 상기 입력 코일(26,28) 내의 전력을 사용하는 효율에 관해서는,상기 입력 코일이 여자될 때 영구 자석으로부터의 자속이 상기 입력 코일을 통해 구동되도록 상기 입력 코일 및 상기 입력 코일을 구동시키는 회로를 배치하는 변형예보다 우수하다는 것이 실험을 통해 알려졌다. 이러한 본 발명의 배치는 여자된 코일을 통해 자속이 구동되게 하는, 예를 들면, 미국 특허 제4,077,001호에 개시된 선행 기술의 방법을 능가하는 상당한 이점을 제공한다.

또한, 본 발명의 배치는, 자속이 2개의 교호 자속 경로 각각을 에워싸고 있는 단지 단일의 입력 코일(26,28)만을 사용하여 상기 교호 자속 경로(18,20) 사이로 스위칭되기 때문에 미국 특허 제3,368,141호 및 제4,077,001호의 선행 기술의 배치를 능가하는 이점을 지닌다. 미국 특허 제3,368,141호 및 제4,077,001호의 배치 각각은 상기 자로 각각에 2개의 입력 코일을 필요로 한다. 이러한 본 발명의 이점은 하드웨어를 단순화시킨다는 점에서 그리고 전력 변환 효율을 증가시킨다는 점에서 획기적인 것이다.

상기 우측 출력 코일(29)은 정류기 및 필터(33)에 전기적으로 접속되어 있는 데, 상기 정류기 및 필터(33)는 레귤레이터(regulator; 34)를 통해 구동되는 출력을 지니고, 상기 레귤레이터(34)는 전위차계(potentiometer; 35)의 사용을 통해 조정가능한 출력 전압을 지닌다. 선형 레귤레이터(34)의 출력은 다시 입력으로서 감지 및 스위칭 회로(36)에 제공된다. 시동(start up) 상태에서, 상기 감지 및 스위칭 회로(36)는 상기 스위칭 및 제어 회로(24)를 외부 전원(38)에 접속시키는 데, 상기 외부 전원(38)은, 예를 들면, 시동 배터리이다. 상기 전자 발전기(10)가 적절하게 시동된 다음에, 상기 감지 및 스위칭 회로(36)는 레귤레이터(34)로부터 이용가능한 전압이 미리 결정된 레벨에 이르렀다는 것을 감지함으로써, 상기 스위칭 및 제어 회로(24)에 입력된 전력은 상기 외부 전원(38)으로부터 레귤레이터(34)의 출력으로 스위칭된다. 이같은 스위칭이 생긴 다음에는, 상기 전자 발전기(10)가 외부 전력의 인가 없이 계속 작동한다.

상기 좌측 출력 코일(30)은 정류기 및 필터(40)에 전기적으로 접속되어 있는 데, 상기 정류기 및 필터(40)의 출력은 레귤레이터(42)에 접속되어 있으며, 상기 레귤레이터(42)의 출력 전압은 전위차계(43)에 의해 조정된다. 상기 레귤레이터(42 )의 출력은 또한 외부 부하(44)에 접속되어 있다.

도 2는 상기 스위칭 및 제어 회로(24)에 대한 제1 형태를 개략적으로 보여주는 도면이다. 발진기(50)는 플립플롭(54)의 클럭 입력을 구동하는 데, 상기 플립플롭(54)의 Q 및 Q' 출력은 구동기 회로(56,58)를 통해 접속되어 FET(60,62)에 전력을 공급하기 때문에, 상기 입력 코일(26,28)은 교대로 구동된다. 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 상기 FET(60,62)를 통해 상기 코일(26,28)에 인가된 전압(V)은 상기 감지 및 스위칭 회로(36)의 출력으로부터 획득된다.

도 3은 도 2의 FET(60,62)의 게이트를 구동시키는 신호를 보여주는 그래프인 데, FET(60)의 게이트를 구동시키는 신호의 전압은 선(64)으로 표시되어 있으며, FET(62)를 구동시키는 신호의 전압은 선(66)으로 표시되어 있다. 상기 코일(26,28 ) 모두는 양(+)의 전압으로 구동된다.

도 4는 상기 스위칭 및 제어 회로(24)에 대한 제2 형태를 개략적으로 보여주는 도면이다. 이같은 형태에서, 발진기(70)는 플립플롭(72)의 클럭 입력을 구동시키는 데, 상기 플립플롭(72)의 Q 및 Q' 출력은 원-샷(one-shot; 74,76)에 대한 트리거로서의 역할을 하도록 접속되어 있다. 상기 원-샷(74,76)의 출력은 또한 구동기 회로(78,80)를 통해 접속되어 FET(82,84)를 구동시키기 때문에, 상기 입력 코일 (26,28)은 폭면에서 상기 플립플롭(72)의 Q 및 Q' 출력보다 짧은 펄스로 교대로 구동된다.

도 5는 도 4의 FET(82,84)의 게이트를 구동시키는 신호를 보여주는 그래프인 데, FET(82)의 게이트를 구동시키는 신호의 전압은 선(86)으로 표시되어 있으며, FET(84)의 게이트를 구동시키는 신호의 전압은 선(88)으로 표시되어 있다.

도 1을 다시 참조하면, 단지 자속의 레벨이 상기 우측 자로(18)에서 변화할 경우에만 상기 우측 출력 코일(29)에서 전력이 생성되며, 단지 자속의 레벨이 상기 좌측 자로(20)에서 변화할 경우에만 상기 좌측 출력 코일(30)에서 전력이 생성된다. 그러므로, 특정한 자속 발전기 배치에 대하여 자속에서의 가장 빠른 실제 변화를 제공하는 펄스의 폭을 결정한 다음에, 이러한 펄스 폭이 도 3에 도시된 신호를 제공하도록 도 2의 장치 중 상기 발진기(50)의 주파수를 변화시킴으로써, 또는 이러한 펄스 폭이 보다 낮은 발진기 주파수에서 도 5의 신호에 의해 제공되도록 도 4의 원-샷(74,76)에 대한 시정수를 변화시킴으로써 이러한 펄스 폭을 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 방식으로, 상기 입력 코일은 필요한 만큼 오래 온(on) 상태로 방치되지 않는다. 상기 입력 코일들 중 어느 하나가 자속 방향의 변화를 야기시키는 데 필요한 만큼 오랜 시간 동안 온 상태로 방치될 경우, 상기 입력 코일의 내열을 통해 대응하는 출력 코일에서의 추가적인 전력 생성 없이 전력이 소비된다.

상기 입력 코일(26,28)에 전력을 제공하도록 상기 스위칭 및 제어 논리부를 구동시키고 외부 부하(44)를 구동시키기 위한 전력을 생성하기 위해 도 1의 발전기로서 형성된 적절한 전자 발전기를 결정하기 위한 실험이 여러 번 수행되어 왔다. 이러한 실험에서 사용된 배치에서는, 상기 입력 코일(26,28)이 18-게이지(gauge) 구리 도선의 40권수(turn)를 지녔으며, 상기 출력 코일(29,30)은 18-게이지 구리 도선의 450권수를 지녔다. 상기 영구 자석(12)은 화살표(89)의 방향에서의 40㎜(상기 영구 자석의 N극 및 S극 사이가 1.575 인치임)의 높이, 화살표(90)의 방향에서의 25.4㎜(1.00 인치)의 폭, 및 나머지 방향에서의 38.1㎜(1.50 인치)의 깊이를 지녔다. 상기 코어(16)는 화살표(89)의 방향에서의 90㎜(3.542 인치)의 높이, 화살표 (90)의 방향에서의 135㎜(5.315 인치)의 폭 및 70㎜(2.756 인치)의 깊이를 지녔다. 상기 코어(16)는 자석(12)을 수용하기 위한 화살표(89)의 방향에서의 40㎜(1.575 인치)의 높이, 및 화살표(90)의 방향에서의 85㎜(3.346 인치)의 폭을 지닌 중심 구멍을 지녔다. 상기 코어(16)는 상기 코어 재료 상에 출력 코일(29,30) 및 입력 코 일(26,28)의 권선을 수용하기 위해 선(92)에서 결합되는 2개의 "C"형 절반부로 제조되었다.

상기 코어 재료는 METGLAS 자성 합금 2605SA1로서 허니웰(Honeywell)사에 의해 판매되고 있는 철을 기재로 한 적층형 자성 합금이었다. 상기 자석 재료는 철, 네오디뮴, 및 붕소의 조합이었다.

상기 입력 코일(26,28)은 87.5KHz의 발진기 주파수에서 구동되었는 데, 상기 발진기 주파수는 도 2에 도시된 바와 같이 구성된 스위칭 제어 회로를 사용하여 최적 효율을 야기시키도록 결정되었다. 이러한 주파수는 11.45 마이크로초의 지속기간을 갖는다. 예를 들면, 상기 플립플롭(54)은, 상기 FET(60,62) 중 하나를 구동시키는 각각의 펄스가 11.45 마이크로초의 지속기간을 갖기 위해, 그리고 각각이 FET로 또한 분리되는 순서 펄스가 또한 11.45 마이크로초 마다 분리되기 위해, 상기 발진기로부터 입력된 클럭 신호의 상승 구간에 따라 세트 및 리세트되도록 배치된다.

도 6a 내지 도 6h는 75 볼트의 인가된 입력 전압에 따라 작동하는 동안 도 1 및 도 2의 장치 내에서 동시에 발생한 신호를 보여주는 그래프이다. 도 6a는 상기 우측 입력 코일(26)의 구동을 위해 도통하는 FET(60)를 구동시키는 제1 구동 신호( 10)를 보여주는 도면이다. 도 6b는 상기 좌측 입력 코일(28)의 구동을 위해 도통하는 FET(62)를 구동시키는 제2 구동 신호(102)를 보여주는 도면이다.

도 6c 및 도 6d는 배터리 전원으로부터 FET(60,62) 모두를 구동시키는 전류와 관련된 전압 및 전류 신호를 보여주는 도면이다. 도 6c는 전압(V)의 레벨(104) 을 보여주는 도면이다. 상기 배터리의 공칭 전압이 75볼트이었지만, 감쇠하는 과도 신호(106)는 상기 FET(60,62) 중 하나가 도통하도록 스위치 온될 때마다 이러한 전압 상에 중첩된다. 이러한 과도 신호의 특정 형태는 상기 배터리의 내부 저항과 아울러 상기 자석 발전기(10)의 다수의 특징에 의존한다. 마찬가지로, 도 6d는 상기 배터리 전원으로부터 FET(60,62) 모두에 흐르는 전류(106)를 보여주는 도면이다. 상기 신호(104,106)가 FET(60,62) 모두에 흐르는 전류의 효과를 나타내기 때문에, 과도 스파이크(transient spike)는 11.45 마이크로초 씩 떨어져 있다.

도 6e 내지 도 6h는 상기 출력 코일(29,30)에서 측정된 전압 및 전류 레벨을 보여주는 도면이다. 도 6e는 우측 출력 코일(29)의 전압 출력 신호(108)를 보여주는 도면이지만, 도 6f는 좌측 출력 코일(30)의 전압 출력 신호(110)를 보여주는 도면이다. 예를 들면, 상기 우측 출력 코일(29)의 출력 전류 신호(116)는 상기 좌측 입력 코일(28)에서의 전류 펄스가 상기 우측 자로(18)를 통해 자속을 보내도록 턴온될 경우에 야기되는 제1 과도 스파이크(112), 및 상기 우측 입력 코일(26)이 턴온되고 상기 좌측 입력 코일(28)이 턴오프될 경우에 야기되는 제2 과도 스파이크( 114)를 포함한다. 도 6g는 상기 우측 출력 코일(29)의 전류 출력 신호(116)를 보여주는 도면이지만, 상기 도 6h는 상기 좌측 출력 코일(30)의 전류 출력 신호(118)를 보여주는 도면이다.

도 7은 10V에서 75V까지 변하는 입력 전압의 8가지 레벨 및 상기 전자 발전기(10)를 사용하여 측정된 출력 전력을 보여주는 그래프이다. 상기 발진기 주파수는 87.5KHz로 유지되었다. 측정 지점은 표시점(120)으로 표시되어 있지만, 곡선( 122)은 최소 제곱 적합도(least squares fit)를 사용하여 다항 회귀(polynomial regression) 분석에 의해 초래된 것이다.

도 8은 도 7에 도시된 측정 지점 각각에 대하여 입력 전력에 대한 출력 전력의 비로서 정의되는 성능 계수를 보여주는 도면이다. 각각의 측정 지점에서, 상기 출력 전력이 상기 입력 전력보다 상당히 높았다. 측정된 전압 및 전류 레벨을 사용하여 각각의 데이터 지점에서 실제의 전력 측정값이 계산되었고, 그 결과치는 신호의 지속기간으로 평균화되었다. 이같은 측정값은 Textronic THS730 디지털 오실로스코프를 사용하여 측정된 RMS 전력과 일치한다.

상기 전자 발전기(10)가 포화되지 않은 훨씬 높은 전압 및 전류로 작동할 수 있었지만, 상기 입력 전압은 사용되고 있는 스위칭 회로의 전압 제한 때문에 75 볼트로 제한되었다. 관련 기술에 숙련된 자라면 이러한 용도에서 더 높은 전압을 조종할 수 있는 스위칭 회로에 대한 부품이 용이하게 입수가능하다는 점을 이해할 것이다. 입력 전류가 140mA이고, 입력 전력이 14와트이며, 결과적인 출력 전력이 12mA의 평균 출력 전류 및 4000볼트의 평균 출력 전압에서 두개의 출력 코일( 29,30) 각각에 대하여 48와트일 때 100볼트의 입력 전압에서의 작동을 설명하기 위해 실험적으로 측정된 데이터를 추정의 기초로 삼았다. 이것이 의미하는 것은 상기 출력 코일(29,30) 각각에 대하여, 성능 계수가 3.44이었다는 것을 의미한다.

4000볼트의 출력 전압이 몇몇 용도에 필요할 수는 있지만, 상기 출력 전압은 또한 상기 전자 발전기(10)의 배치에 대한 간단한 변경을 통해 변화될 수도 있다. 상기 출력 전압은 출력 권선의 권선수를 감소시킴으로써 용이하게 감소된다. 만약 이같은 권선수가 450에서 12로 감소된다면, 상기 출력 전압은 106.7로 강하되고, 결과적으로는 출력 전류가 각각의 출력 코일(29,30)에 대하여 0.5암페아까지 증가된다. 이러한 방식으로, 상기 출력 전력에의 상당한 변화를 주지 않고 상기 출력 코일(29,30)의 권선수를 변화시킴으로써 상기 전자 발전기의 출력 전류 및 전압이 변화될 수 있는 데, 그 대신에, 상기 출력 전력은 상기 입력 전류에 의해 결정되고, 상기 입력 전류는 상기 스위칭 과정 동안 왕복되는 자속의 양을 결정한다.

도 8에서 도시되어 있으며 모두가 1보다 상당히 큰 성능 계수는 상기 출력 코일(29,30) 각각에서 측정된 출력 전력 레벨이 상기 입력 코일(26,28) 모두를 구동시키는 대응하는 입력 전력 레벨보다 상당히 컸다는 것을 나타낸다. 그러므로, 상기 전자 발전기(10)는 도 1을 참조하여 위에서 언급된 바와 같이 자기 작동 형태로 형성될 수 있다는 것은 자명한 것이다. 도 1의 예에서, 전력 생성 과정을 개시하기 위한 외부 전원(38)으로부터의 짧은 전력 인가는 별도로 하고, 상기 입력 코일(26,28)의 구동에 필요한 전력은 상기 우측 출력 코일(29) 내에서 전개되는 전력으로부터 전적으로 획득된다. 만약 단일 출력 코일(29,30)에서 생성되는 전력이 상기 입력 코일(26,28)을 구동시키기에 충분하지 않다면, 부가적인 부하(126)가 상기 입력 코일(26,28)을 구동시키기 위한 전력을 생성하는 데 사용되는 상기 출력 코일 (29)에서 생성된 전력으로 구동되도록 추가될 수 있다. 반면에, 상기 출력 코일( 29,30) 각각은 예를 들면, 상기 입력 코일(26,28) 중 하나가 (도 2에 도시된) 상기 FET(60)에 전압(V)을 제공하지만, 나머지 출력 코일이 이러한 전압을 상기 FET(62)에 제공하는 경우에 입력 코일 전력 요구량 중 일부를 구동시키는 데 사용될 수 있 다.

열역학적 고려에 관해서 유념해야 하는 점은 상기 전자 발전기(10)가 작동하고 있을 때 개방형 시스템이 열역학적 평형을 이루고 있지 않다는 점이다. 상기 시스템은 상기 영구 자석의 자속으로부터 정적 에너지를 받는다. 상기 전자 발전기( 10)가 부가적인 에너지 입력 없이 자체적으로 스위칭되기 때문에, 상기 시스템의 열역학적 작용은 그의 환경으로부터, 이 경우에는 상기 영구 자석 내에 저장된 자속으로부터 에너지를 받아 수집 및 소비하는 개방형 소비 시스템이다. 상기 전자 발전기(10)의 계속된 작용은 상기 영구 자석의 탈자기화를 야기시킨다. 사마륨 코발트 재료 또는 철, 네오디뮴, 및 붕소를 포함하는 재료와 같은 희토류 원소를 포함하는 자성 재료의 이용이 본 발명에서는 바람직한 데, 그 이유는 그같은 자성 재료가 이같은 용도에서 비교적 긴 수명을 지니기 때문이다.

따라서, 본 발명에 따라 작용하는 전자 발전기는 영구 운동 기계로서가 아니라 오히려 영구 자석으로부터 방출된 자속이 상기 장치에 전력을 공급하고 외부 부하에 전력을 공급하는 데 사용되는 전기로 변환되게 하는 시스템으로서 간주되어야 한다. 이는 다수개의 연료봉이 외부 부하를 구동시키기 위한 전기의 생성을 위해 물을 가열하려고 하는 연쇄 반응을 유지하는 데 사용되게 하는 원자로를 포함하는 시스템과 유사하다.

도 9는 본 발명의 제1 실시예에 대한 제2 형태에 따라 형성된 전자 발전기( 130)를 보여주는 단면도이다. 이러한 전자 발전기(130)는 일반적으로, 플라스틱 보빈(136)이 상기 코어(132)의 레그(leg; 137) 상에 배치되기 전에 상기 출력 코일( 135) 각각이 상기 보빈(136)상에 감겨질 수 있게 하는, 선(134)을 따라 결합되는 2개의 절반부로 상기 전자 발전기(10)의 자성 코어(132)가 형성되는 것만 아니라면, 구성 및 작용 면에서 본 발명의 제1 형태에 따라 형성된 전자 발전기(10)와 유사하다. 도 9는 또한 입력 코일(138)의 교대 배치를 보여주는 도면이다. 도 1의 예에서, 입력 코일(26,28) 모두는 상기 자성 코어(16)의 상측 부분에 배치되었고, 이들 코일(26,28)은 상기 코일(26,28)의 내측 단부(31,32)에 N극을 지니는 자기장을 확립하도록 구성되는 데, 이들 N 자극은 결과적으로 N 자극을 지니는 영구 자석(12)의 단부(14)에 가장 가깝게 위치한다. 도 9의 예에서는, 제1 입력 코일(26)이 도 1을 참조하여 위에서 언급된 바와 같지만, 제2 입력 코일(28)은 상기 영구 자석(12)의 S극(140)에 인접 배치된다. 이러한 입력 코일(138)은 이의 내측 단부(142)에서 S 자극을 확립함으로써, 입력 코일(138)이 턴온될 경우, 상기 영구 자석(12)으로부터의 자속이 상기 좌측 자로(20)로부터 떨어져서 상기 우측 자로(18) 내로 향하게 하도록 구성된다.

도 10 및 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 대한 제1 형태에 따라 형성된 전자 발전기(150)를 보여주는 도면인 데, 도 10은 그의 평면도이고, 도 11은 그의 정면도이다. 이러한 전자 발전기(150)는 각각의 모서리에 있는 출력 코일(152,153), 및 출력 코일 사이의 각각의 측면을 따라 연장되어 있는 영구 자석(154)을 포함한다. 자성 코어(156)는 상측 플레이트(158), 하측 플레이트(160), 및 각각의 출력 코일(152,153) 내에 연장되어 있는 정사각형의 포스트(162)를 포함한다. 상기 상측 플레이트(158) 및 상기 하측 플레이트(160)는 중심 애퍼튜어(central aperture; 164)를 포함한다.

상기 영구 자석(154) 각각은 상기 상측 플레이트(158)에 대하여, N극과 같은 동일 극으로 배향되어 있다. 8개의 입력 코일(166,168)은 상기 상측 플레이트(158)주위에서 출력 코일(152,153) 및 영구 자석(154) 사이의 위치에 배치되어 있다. 각각의 입력 코일(166,168)은 상기 상측 플레이트(158)에 인접한 자석(154)의 자극에 대하여 동일한 극성을 갖는 인접한 영구 자석(154)에 가장 가까운 단부에 자극을 형성하도록 배열되어 있다. 따라서, 상기 입력 코일(166)은 상기 인접한 출력 코일 (152)로부터 상기 영구 자석(154)의 자속 방향을 전환하도록 스위치 온되는 데, 이러한 자속 방향은 상기 출력 코일(153)을 통한 자로로 전환된다. 이때, 상기 입력 코일(168)은 상기 인접한 출력 코일(153)로부터 상기 영구 자석(154)의 자속 방향을 전환하도록 스위치 온되는 데, 이러한 자속 방향은 상기 출력 코일(152)을 통한 자로로 전환된다. 따라서, 상기 입력 코일은 제1 그룹의 입력 코일(166) 및 제2 그룹의 입력 코일(168)을 형성하는 데, 이같은 제1 및 제2 그룹의 입력 코일은 상기 단일 입력 코일(26,28)에 대하여 도 1을 참조하여 위에서 언급된 방식으로 교대로 여자된다. 상기 출력 코일은 코일(152) 내에서 동시에 발생하는 제1 펄스열로 그리고 코일(153) 내에서 동시에 발생하는 제2 펄스열로 전류를 생성한다.

따라서, 입력 코일(166)을 통한 전류 구동은 출력 코일(153)을 통해 연장되는 정사각형의 포스트(162) 내에서의 상기 영구 자석(154)으로부터의 자속 증가 및 출력 코일(152)을 통해 연장되는 정사각형의 포스트(162) 내에서의 상기 영구 자석 (154)으로부터의 자속 감소를 야기시킨다. 반면에, 입력 코일(168)을 통한 전류 구 동은 출력 코일(153)을 통해 연장되는 정사각형의 포스트(162) 내에서의 상기 영구 자석(154)으로부터의 자속 감소 및 출력 코일(152)을 통해 연장되는 정사각형의 포스트(162) 내에서의 영구 자석(154)으로부터의 자속 증가를 야기시킨다.

도 10 및 도 11의 예가 상기 상측 플레이트(158)를 따라 배치된 입력 코일( 166,168) 모두를 보여주고 있지만, 이들 입력 코일(166,168) 중 일부가 일반적으로 도 9에 도시된 방식으로 상기 하측 플레이트(160) 주위에 교대로 배치될 수 있는 데, 한 입력 코일(166,168)이 영구 자석(154) 및 출력 코일(152,153) 내에서 연장되는 인접한 포스트(162) 사이의 각각의 자기 회로 내에 존재하며, 각각의 입력 코일(166,168)은 상기 인접한 영구 자석(154)의 가장 인접한 극과 동일한 자극을 지니는 자기장을 생성하도록 배치되어 있다고 이해될 것이다.

도 12는 상측 플레이트(172) 및 유사한 하측 플레이트(도시되지 않음)가 환형 형상이지만, 출력 코일(178)을 통해 연장되어 있는 영구 자석(174) 및 포스트 (176)가 원통형인 것 외에는, 도 10 및 도 11을 참조하여 언급된 본 발명의 제2 실시예에 대한 제1 형태와 유사한 본 발명의 제2 실시예에 대한 제2 형태(170)를 보여주는 평면도이다. 입력 코일(180)은 도 9 및 도10을 참조하여 위에서 언급된 바와 같이 배향 및 스위칭된다.

도 12가 4개의 영구 자석, 4개의 출력 코일 및 8개의 입력 코일을 보여주고 있지만, 위에서 언급된 원리는 서로 다른 개수의 요소를 갖는 전자 발전기에 적용될 수 있다고 이해될 것이다. 예를 들면, 그같은 장치는 2개의 영구 자석, 2개의 출력 코일, 및 4개의 입력 코일을 지니거나 또는 6개의 영구 자석, 6개의 출력 코 일, 및 12개의 입력 코일을 지니도록 형성될 수 있다.

본 발명에 의하면, 자성 코어용으로 사용된 재료가 나노크리스탈린(nanocry-stalline) 합금이고, 변형적으로는 비정질 합금인 것이 바람직하다. 상기 재료는 적층 형태를 이루고 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 코어 재료는 코발트-니오븀-붕소 합금 또는 철을 기재로 한 자성 합금이다.

또한, 본 발명에 의하면, 상기 영구 자석은 희토류 원소를 함유하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 상기 영구 자석 재료는 사마륨 코발트 재료 또는 철, 네오디뮴, 및 붕소의 조합이다.

지금까지 어느 정도 상세하게 언급된 본 발명의 바람직한 형태 및 실시예로 본 발명이 설명되었지만, 이러한 설명은 단지 예로써 제공되었을 뿐이며 부품의 조합 및 배치를 포함하는 구성, 제조, 및 사용의 세부에 대한 여러가지의 변경이 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고서도 구현될 수 있다고 이해될 것이다.

Claims (26)

1. 양 단부에 자극(14,22,140)을 지니는 영구 자석(12,154,174);

   상기 영구 자석(12,154,174)의 양 단부 사이에 제1 및 제2 자로(18,20)를 포함하고, 폐루프를 포함하는 자성 코어(16,132,156)로서,

   상기 폐루프 내에 상기 영구 자석(12,154,174)이 연장되어 있으며,

   상기 폐루프의 양 측면에 인접하고 상기 폐루프를 포함하는 자성 코어(16,132,156)의 내측면에 대하여 상기 영구 자석(12,154,174)의 양 단부가 배치되어 있는 자성 코어(16,132,156);

   상기 제1 자로(18)의 일부 주위에 연장되어 있는 제1 입력 코일(26,166);

   상기 제2 자로(20)의 일부 주위에 연장되어 있는 제2 입력 코일(28,138,168);

   제1 전기 출력을 제공하기 위해 상기 제1 자로(18)의 일부 주위에 연장되어 있는 제1 출력 코일(29,135,152,178);

   제2 전기 출력을 제공하기 위해 상기 제2 자로(20)의 일부 주위에 연장되어 있는 제2 출력 코일(30,135,153,178); 및

   상기 제1 및 제2 입력 코일(26,28,138,166,168)을 통해 전류를 교대로 구동시키는 스위칭 회로(24)로서,

   상기 제1 입력 코일(26,166)을 통해 구동되는 전류에 의해 상기 제1 입력 코일(26,166)이 상기 제1 자로(18) 내에서의 상기 영구 자석(12,154,174)으로부터의 자속 집중을 저지하는 자기장을 생성하고,

   상기 제2 입력 코일(28,138,168)을 통해 구동되는 전류에 의해 상기 제2 입력 코일(28,138,168)이 상기 제2 자로(20) 내에서의 상기 영구 자석(12,154,174)으로부터의 자속 집중을 저지하는 자기장을 생성하는 스위칭 회로(24)를 포함하는 전자 발전기(10,130,150,170).
2. 제1항에 있어서,

   상기 영구 자석(12,154,174)의 제1 극이 상기 폐루프의 제1 측면에 인접 배치되고,

   상기 제1 및 제2 입력 코일(26,28,138,166,168)이 상기 폐루프의 제1 측면을 따라 배치되며,

   상기 제1 입력 코일(26,166)을 통해 구동되는 전류에 의해 상기 제1 입력 코일(26,166)이 상기 영구 자석(12,154,174)에 인접한 상기 제1 입력 코일(26,166)의 한 단부에 상기 제1 극을 지니는 자기장을 생성하고,

   상기 제2 입력 코일(28,138,168)을 통해 구동되는 전류에 의해 상기 제2 입력 코일(28,138,168)이 상기 영구 자석(12,154,174)에 인접한 상기 제2 입력 코일(28,138,168)의 한 단부에 상기 제1 극을 지니는 자기장을 생성하는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
3. 제1항에 있어서, 상기 자성 코어(16,132,156)가 나노크리스탈린(nanocrystalline) 자성 합금으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
4. 제3항에 있어서, 상기 나노크리스탈린 자성 합금은 코발트-니오븀-붕소 합금인 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
5. 제3항에 있어서, 상기 나노크리스탈린 자성 합금은 철을 기재로 한 합금인 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
6. 제1항에 있어서, 상기 자성 코어(16,132,156) 내에서의 자속 밀도의 변화가 상기 자성 코어(16,132,156)를 자기 포화(magnetic saturation) 상태로 구동시키지 않고 발생하는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
7. 제1항에 있어서,

   상기 스위칭 회로(24)는 제1 펄스열에 응답하여 상기 제1 입력 코일(26,166)을 통해 전류를 구동시키고,

   상기 스위칭 회로(24)는 상기 제1 펄스열 내의 펄스와 교호하는 제2 펄스열에 응답하여 상기 제2 입력 코일(28,138,168)을 통해 전류를 구동시키며,

   상기 제1 및 제2 펄스열 내의 펄스는 11.5 밀리초보다 길지 않은 지속기간을 갖는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
8. 제1항에 있어서, 상기 영구 자석(12,154,174)은 희토류 원소를 함유하는 재료로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
9. 제8항에 있어서, 상기 영구 자석(12,154,174)은 사마륨 코발트로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
10. 제8항에 있어서, 상기 영구 자석(12,154,174)은 철, 네오디뮴, 및 붕소로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
11. 제1항에 있어서, 상기 제1 출력 코일(29,135,152,178)에서 유도된 전력의 일부가 상기 스위칭 회로(24)의 구동을 위한 전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
12. 제11항에 있어서, 상기 스위칭 회로(24)는 시동 과정 동안 외부 전원(38)에 의해 그리고 상기 시동 과정 이후의 작동 동안 상기 제1 출력 코일(29,135,152,178)에서 유도된 전력에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
13. 제1항에 있어서,

    상기 영구 자석(12)의 제1 극(14)은 상기 폐루프의 제1 측면에 인접 배치되고,

    상기 영구 자석(12)의 제1 극(14)과 반대인 제2 극(140)이 상기 폐루프의 제2 측면에 인접 배치되며,

    상기 제1 입력 코일(26)은 상기 폐루프의 제1 측면을 따라 배치되고,

    상기 제2 입력 코일(138)은 상기 폐루프의 제2 측면을 따라 배치되며,

    상기 제1 입력 코일(26)을 통해 구동되는 전류에 의해 상기 제1 입력 코일(26)이 상기 영구 자석(12)에 인접한 상기 제1 입력 코일(26)의 한 단부에 상기 제1 극을 지니는 자기장을 생성하고,

    상기 제2 입력 코일(138)을 통해 구동되는 전류에 의해 상기 제2 입력 코일(138)이 상기 영구 자석(12)에 인접한 상기 제2 입력 코일(138)의 한 단부에 상기 제2 극을 지니는 자기장을 생성하는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
14. 제1항에 있어서, 상기 제1 출력 코일(29,135,152,178)에서 유도된 전력의 일부는 상기 스위칭 회로(24)의 구동을 위한 전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
15. 제14항에 있어서, 상기 스위칭 회로(24)는 시동 과정 동안 외부 전원(38)에 의해 그리고 상기 시동 과정 이후의 작동 동안 상기 제1 출력 코일(29,135,152,178)에서 유도되는 전력에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
16. 양 단부에 자극(14,22,140)을 지니는 영구 자석(12,154,174);

    상기 영구 자석(12,154,174)의 양 단부 사이에 제1 및 제2 자로(18,20)를 포함하는 자성 코어(16,132,156);

    상기 제1 자로(18)의 일부 주위에 연장되어 있는 제1 입력 코일(26,166);

    상기 제2 자로(20)의 일부 주위에 연장되어 있는 제2 입력 코일(28,138,168);

    제1 전기 출력을 제공하기 위해 상기 제1 자로(18)의 일부 주위에 연장되어 있는 제1 출력 코일(29,135,152,178);

    제2 전기 출력을 제공하기 위해 상기 제2 자로(20)의 일부 주위에 연장되어 있는 제2 출력 코일(30,135,153,178); 및

    상기 제1 및 제2 입력 코일(26,28,138,166,168)을 통해 전류를 교대로 구동시키는 스위칭 회로(24)로서,

    상기 제1 입력 코일(26,166)을 통해 구동되는 전류에 의해 상기 제1 입력 코일(26,166)이 상기 제1 자로(18) 내에서의 상기 영구 자석(12,154,174)으로부터의 자속 집중을 저지하는 자기장을 생성하고,

    상기 제2 입력 코일(28,138,168)을 통해 구동되는 전류에 의해 상기 제2 입력 코일(28,138,168)이 상기 제2 자로(20) 내에서의 상기 영구 자석(12,154,174)으로부터의 자속 집중을 저지하는 자기장을 생성하는 스위칭 회로(24)를 포함하며,

    상기 제1 출력 코일(29,135,152,178)에서 유도된 전력의 일부가 상기 스위칭 회로(24)의 구동을 위한 전력을 제공하는 전자 발전기(10,130,150,170).
17. 제16항에 있어서, 상기 스위칭 회로(24)는 시동 과정 동안 외부 전원(38)에 의해 그리고 상기 시동 과정 이후의 작동 동안 상기 제1 출력 코일(29,135,152,178)에서 유도된 전력에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(10,130,150,170).
18. 한쌍의 일정 간격으로 이격된 플레이트(158,160)를 포함하는 자성 코어(156)로서, 각각의 일정 간격으로 이격된 플레이트(158,160)가 중심 애퍼튜어(164), 및 상기 일정 간격으로 이격된 플레이트(158,160) 사이에 연장되어 있는 제1 및 제2의 복수 개의 포스트(162,176)를 포함하는 자성 코어(156);

    상기 한쌍의 일정 간격으로 이격된 플레이트(158,160) 사이에 그리고 상기 복수개의 포스트(162,176) 내의 인접한 포스트(162,176) 사이에 개별적으로 연장되어 있는 복수개의 영구 자석(154,174)으로서,

    복수개의 영구 자석(154,174) 내의 각각의 영구 자석(154,174)이 양 단부에 자극을 지니며,

    복수개의 영구 자석(154,174) 내의 모든 영구 자석(154,174)이 공통 방향을 지니는 자기장을 생성하도록 배향되어 있는 복수개의 영구 자석(154,174);

    제1 및 제2의 복수개의 입력 코일(166,168)로서, 제1 및 제2의 복수개의 입력 코일(166,168) 내의 각각의 입력 코일(166,168)이 상기 일정 간격으로 이격된 플레이트(158,160) 내의 한 플레이트(158,160)의 일부 주위에서 상기 복수개의 포스트(162,176) 내의 하나의 포스트(162,176) 및 상기 복수개의 영구 자석(154,174) 내의 하나의 영구 자석(154,174) 사이에 연장되어 있는 제1 및 제2의 복수개의 입력 코일(166,168);

    전기 출력을 제공하기 위해 상기 제1 및 제2의 복수개의 포스트(162,176) 내의 각각의 포스트(162,176) 주위에 연장되어 있는 출력 코일(152,153,178);

    상기 제1 및 제2의 복수개의 입력 코일(166,168)을 통해 전류를 교대로 구동시키는 스위칭 회로(24)로서, 상기 제1의 복수개의 입력 코일(166,168) 내의 각각의 입력 코일(166,168)을 통해 구동되는 전류가 상기 제1의 복수개의 포스트(162,176) 내의 각각의 포스트(162,176)의 각각의 측면 상의 영구 자석(154,174)으로부터 상기 제1의 복수개의 포스트(162,176) 내의 각각의 포스트(162,176) 내에서의 자속 증가를, 그리고 상기 제2의 복수개의 포스트(162,176) 내의 각각의 포스트(162,176)의 각각의 측면 상의 영구 자석으로부터 상기 제2의 복수개의 포스트(162,176) 내의 각각의 포스트(162,176) 내에서의 자속 감소를 야기시키고, 상기 제2의 복수개의 입력 코일(166,168) 내의 하나의 입력 코일을 통해 구동되는 전류가 상기 제1의 복수개의 포스트(162,176) 내의 각각의 포스트(162,176)의 각각의 측면 상의 영구 자석(154,174)으로부터 상기 제1의 복수개의 포스트(162,176) 내의 각각의 포스트(162,176) 내에서의 자속 감소를, 그리고 상기 제2의 복수개의 포스트(162,176) 내의 각각의 포스트(162,176)의 각각의 측면 상의 영구 자석(154,174)으로부터 상기 제2의 복수개의 포스트(162,176) 내의 각각의 포스트(162,176) 내에서의 자속 증가를 야기시키는 스위칭 회로(24)를 포함하는 전자 발전기(150,170).
19. 제18항에 있어서,

    각각의 입력 코일(166,168)은 상기 자성 코어(156)를 통한 자로의 일부 주위에서 상기 입력 코일(166,168)에 인접한 영구 자석(154,174)의 양 단부 사이에 연장되어 있고,

    상기 자로는 상기 입력 코일(166,168)에 인접한 자성 코어(156) 내의 한 포스트(162,176)를 통해 연장되어 있으며,

    상기 입력 코일(166,158)을 통한 전류 구동에 의해 상기 입력 코일(166,168)이 상기 자로 내에서의 자속 집중을 저지하는 자기장을 생성하는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(150,170).
20. 제18항에 있어서, 상기 스위칭 회로(24)는 시동 과정 동안 외부 전원(38)에 의해 그리고 상기 시동 과정 이후의 작동 동안 상기 제2 출력 코일(152,153,178)에서 유도된 전력에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(150,170).
21. 제18항에 있어서, 상기 자성 코어(156)는 나노크리스탈린(nanocrystalline) 자성 합금으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(150,170).
22. 제21항에 있어서, 상기 나노크리스탈린 자성 합금은 코발트-니오븀-붕소인 것을 특징으로 하는 전자 발전기(150,170).
23. 제21항에 있어서, 상기 나노크리스탈린 자성 합금은 철을 기재로 한 합금인 것을 특징으로 하는 전자 발전기(150,170).
24. 제18항에 있어서, 상기 영구 자석(154,174)은 희토류 원소를 함유하는 재료로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(150,170).
25. 제24항에 있어서, 상기 영구 자석(154,174)은 사마륨 코발트로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(150,170).
26. 제24항에 있어서, 상기 영구 자석(154,174)은 철, 네오디뮴, 및 붕소로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 전자 발전기(150,170).

Images