KR20200030646A - 브리지 일체형 폴 피스를 갖는 마그네틱 기어 - Google Patents

브리지 일체형 폴 피스를 갖는 마그네틱 기어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네틱 기어에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 로터들 사이에 위치하는 폴 피스들의 하단을 브리지로 연결하여 일체형으로 제작함으로써 폴 피스들 간의 지지강도를 개선할 수 있고, 효율을 향상시킬 수 있는 브리지 일체형 폴 피스를 갖는 마그네틱 기어에 관한 것이다.

Description

브리지 일체형 폴 피스를 갖는 마그네틱 기어{Magnetic gear having bridge integrated pole pieces}
본 발명은 마그네틱 기어에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 로터들 사이에 위치하는 폴 피스들의 하단을 브리지로 연결하여 일체형으로 제작함으로써 폴 피스들 간의 지지강도를 개선할 수 있고, 효율을 향상시킬 수 있는 브리지 일체형 폴 피스를 갖는 마그네틱 기어에 관한 것이다.
마그네틱 기어는 자기력을 이용하여 비접촉식으로 동력을 전달하는 비접촉식 기어 장치로써 물리적인 접촉에 의해 동력을 전달하는 기어에 비해 노이즈 및 진동이 적고, 윤활유 주입이나 보수 점검이 불필요하며, 기계적인 마찰이 없어 안정성과 내구성이 높아 최근 연구가 활발하다.
또한, 마그네틱 기어는 에너지 손실을 경감할 수 있으므로 고효율 구동이 가능하고 신뢰도 및 정확한 피크 토크의 전달이 가능하다.
또한, 최근에는 풍력 터빈, 전기 자동차, 트랜스 미션 등 다양한 산업 전반에 걸쳐 마그네틱 기어의 적용을 확대하고자 하는 노력이 있다.
도 1은 종래의 마그네틱 기어를 보여주는 것이고, 도 2는 종래의 마그네틱 기어의 분해도를 보여주는 것이고, 도 3은 도 1의 A-A' 단면을 보여주는 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 종래의 마그네틱 기어(10)는 크게 내측 로터(11), 외측 로터(12), 내측 로터(11)와 외측 로터(12) 사이에 로터들(11,12)과 이격되어 위치하는 폴 피스 모듈(13)을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 내측 로터(11)는 내측 요크(11b)와 내측 요크(11b) 외부에 회전축을 중심으로 방사상으로 부착되는 자석(11a)을 포함하고, 상기 외측 로터(12)는 외측 요크(12a)와 외측 요크(12a) 내부에 회전축을 중심으로 방사상으로 부착되는 자석(12b)을 포함하며, 상기 폴 피스 모듈(13)은 회전축에 대해 방사상으로 등 간격 이격된 복수 개의 폴 피스(13a)를 포함한다.
또한, 상기 내측 로터(11)와 상기 외측 로터(12)의 자석들은 각각 서로 반대방향(회전축을 향한 방향과 회전축의 반대방향을 향한 방향)으로 자력을 갖는 자석들이 서로 교대로 위치하며, 서로 반대방향의 자력을 갖는 두 개의 자석은 쌍극을 이룬다.
또한, 상기 폴 피스 모듈(13)이 고정되어 있을 경우, 상기 내측 로터(11)와 상기 외측 로터(12)는 서로 반대방향으로 회전하게 되고, 어떤 로터가 입력 축이 되는지에 따라 감속기 또는 가속기로 이용된다.
또한, 상기 외측 로터(12)는 저속으로 회전하고, 상기 내측 로터(11)는 고속으로 회전하며, 상기 외측 로터(12)의 쌍극수와 상기 내측 로터(11)의 쌍극수는 아래의 수학식 a와 같이 폴 피스들(13a)의 개수를 결정한다.
[수학식 a]
Figure pat00001
여기서, Ns는 폴 피스들(13a)의 개수, p1은 내측 로터(11)의 쌍극 수, p2은 외측 로터(12)의 쌍극 수를 의미한다.
한편, 상기 폴 피스들(13a)은 회전축(c)에 나란한 축 방향(c')으로 복수 개의 박판(13aa)이 접합되어 바 형태로 제작되고, 마그네틱 기어의 구조상 일측 단부들은 자유 단부로써 서로 이격되어 있다.
즉, 종래의 폴 피스들(13a)은 폴 피스들(13a) 간에 지지되는 장치가 없으므로 지지강도가 약하여 거리가 일정하게 유지되지 못하는 단점이 있으며 이러한 단점은 동력전달의 이상 혹은 불가, 정해진 기어비 특성을 나타내지 못하는 등의 문제로 직결된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로 본 발명의 목적은 폴 피스들 간의 지지강도를 향상시키고 효율을 높일 수 있는 마그네틱 기어를 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 내측 로터(Inner rotor), 상기 내측 로터와 이격되어 구비되는 외측 로터(outer roter) 및 상기 내측 로터와 상기 외측 로터 사이에서 상기 내측 로터 및 상기 외측 로터와 각각 이격되어 위치하고 상기 내측 로터에서 상기 외측 로터로 또는 상기 외측 로터에서 상기 내측 로터로 자속을 전달하는 복수 개의 폴 피스(pole piece)가 방사상으로 구비되는 마그네틱 기어로서, 상기 폴 피스들의 하단은 호 형의 브리지로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어를 제공한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 폴 피스들 각 사이에는 이웃한 폴 피스들 간의 기계적인 강도를 보강해주는 지지체가 삽입된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 폴 피스들 중, 특정 폴 피스들의 사이에는 폴 피스들 간의 상대적인 위치를 유지해주는 지지체가 삽입될 수 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 지지체의 높이는 상기 폴 피스들의 높이보다 낮다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 지지체는 상기 지지체와 이격되어 떠 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 지지체는 티타늄 또는 스테인리스강이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 폴 피스들과 상기 브리지들은 서로 일체로 연결되어 하나의 브리지 일체형 폴 피스로 제공되고, 상기 브리지 일체형 폴 피스는 회전축의 길이방향으로 복수의 브리지 일체형 폴 피스 박판이 서로 접합되어 제작된다.
본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.
먼저, 본 발명의 마그네틱 기어에 의하면 폴 피스들의 하단을 브릿지로 연결하여 일체형으로 제작함으로써 폴 피스들 간의 간격을 일정하게 유지할 수 있고, 지지강도를 향상시킬 수 있으며 추가로 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 마그네틱 기어에 의하면, 폴 피스들 사이 공간에 지지체를 삽입하여 기계적인 강도를 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 마그네틱 기어에 의하면, 폴 피스들 사이에 지지체가 삽입되는 형태를 변경함으로써 기계적인 강도는 향상시키면서도 지지체 손실을 줄여 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 마그네틱 기어를 보여주는 도면,
도 2는 종래의 마그네틱 기어의 분해도,
도 3은 도 1의 A-A' 단면을 보여주는 도면,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어를 보여주는 도면,
도 5는 도 4의 B-B' 단면을 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어의 폴 피스를 보여주는 도면,
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네틱 기어를 보여주는 도면,
도 8은 도 7의 C-C' 단면을 보여주는 도면,
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 마그네틱 기어의 수직단면을 보여주는 도면,
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 마그네틱 기어의 수직단면을 보여주는 도면,
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 마그네틱 기어의 수직단면을 보여주는 도면,
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 마그네틱 기어의 수직단면을 보여주는 도면이다.
본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.
이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
[제1 실시예]
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어를 보여주는 도면, 도 5는 도 4의 B-B' 단면을 보여주는 도면, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어의 폴 피스를 보여주는 도면이다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)는 내측 로터(110), 상기 내측 로터(110)를 감싸며 상기 내측 로터(110)와 이격되어 구비되는 외측 로터(120) 및 폴 피스(130)를 포함하여 이루어진다.
상기 내측 로터(110)와 상기 외측 로터(120)는 각각 입력측 로터 또는 출력측 로터로 동작이 가능하며 도 1 및 도 2에서 보인 종래의 마그네틱 기어(10)의 내측 로터(11) 및 외측 로터(12)와 실질적으로 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.
상기 폴 피스(130)는 상기 내측 로터(110)와 상기 외측 로터(120) 사이에서 상기 내측 로터(110) 및 상기 외측 로터(120)와 각각 이격 되어 구비되며, 회전축을 중심으로 방사상에 복수 개로 구비된다.
또한, 상기 폴 피스들(130)의 하단은 호 형의 브리지(140)로 연결된다.
즉, 상기 폴 피스들(130) 각 사이는 상기 브리지(140)로 연결된다.
또한, 상기 폴 피스들(130)과 상기 브리지(140)는 일체로 제작되며 도 6에 도시한 바와 같이 상기 폴 피스들(130)은 하나의 브리지 일체형 폴 피스(150)로 제작된다.
즉, 상기 브리지 일체형 폴 피스(150)는 원통의 외측에 길이 방향으로 복수 개의 치가 방사상으로 형성된 기어 형태를 갖는다.
또한, 상기 브리지 일체형 폴 피스(150)는 회전축 방향으로 복수의 브리지 형성 폴 피스 박판(131)이 접착되어 제작된다.
이렇게 상기 폴 피스들(130)이 브리지 일체형 폴 피스(150)로 제작될 경우 회전 방향으로 폴 피스들(130) 간의 간격을 일정하게 유지할 수 있고, 지지강성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
한편, 도 1 내지 도 3에 도시한 종래의 마그네틱 기어(10)의 경우 외측 로터 토크가 9.92[Nm], 영구자석 와전류 손실이 53.03[W], 철손이 23.68[W]로 효율은 97.69[%]인 반면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)는 간격을 일정하게 유지하고 지지강성을 향상시키면서도 외측 로터 토크 8.05[Nm], 영구자석 와전류 손실 31.97[W], 철손 23.11[W]로 효율이 98.24[%]로 나타나 종래의 마그네틱 기어(10)보다 효율이 약 0.55[%] 향상된 것을 확인하였다.
[제2 실시예]
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네틱 기어를 보여주는 도면, 도 8은 도 7의 C-C' 단면을 보여주는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네틱 기어(200)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)와 비교하여 내측 로터(110), 외측 로터(120) 및 브리지 일체형 폴 피스(150)의 구성은 실질적으로 동일하며, 지지체(160)가 더 포함되는 것에 차이가 있다.
상기 지지체(160)는 상기 브리지 일체형 폴 피스(150)의 각 폴 피스(130a,130b)들 사이에 삽입된다.
이는 상기 브리지 일체형 폴 피스(130)를 구성하는 각 박판(131)들이 회전 방향으로 서로 미끄러져 분리되지 않도록 강도를 향상시키는 기능을 수행한다.
또한, 상기 지지체(160)의 높이(브리지의 상면에서의 높이)는 상기 폴 피스(130)의 높이와 동일하다.
즉, 상기 지지체(160)는 상기 폴 피스들(130) 사이 공간(도 5의 도면부호 'a'참조) 전체가 채워지도록 삽입된다.
또한, 상기 지지체(160)는 티타늄 또는 스테인리스강일 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 실시예에 따른 미그네틱 기어(200)는 상기 지지체(160)가 티타늄일 경우 외측 로터 토크가 8.04[Nm]이고 영구자석 와전류 손실 31.98[W], 철손 23.11[W] 이외에 지지체 손실 8.95[W]가 존재하여 전체적인 효율은 97.79[%]으로 나타나 본 발명의 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어(100)보다는 효율이 낮았으나 폴 피스들 간의 접합 강도는 매우 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 종래의 마그네틱 기어(10)보다 효율이 높은 장점이 있다.
또한, 상기 지지체(160)을 스테인리스강(본 발명에서는 'SUS 304'를 이용함)으로 구비할 경우, 외측 로터 토크가 7.84[Nm], 영구자석 와전류 손실 31.32[W], 철손 22.87[W], 지지체 손실 22.87[W]로 나타나 전체 효율은 96.92[%]로 종래의 마그네틱 기어(10)의 효율 97.69[%]대비 미미한 효율저하를 보였으나 폴 피스들 간의 접합 강도를 매우 향상시킬 수 있으므로 사양에 따라 이용이 가능하다.
[제3 실시예]
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 마그네틱 기어의 수직단면을 보여주는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 마그네틱 기어(300)는 본 발명의 제2 시예에 따른 마그네틱 기어(300)와 비교하여 지지체(161)의 높이(h2)가 폴 피스(130)의 높이(h1)보다 낮다.
이러한 지지체(161)의 구조는 폴 피스들 간의 접합 강도는 향상시키면서도 지지체 손실은 저감하기 위한 것으로 지지체(161)가 티타늄일 경우, 외측 로터 토크 8.02[Nm], 영구자석 와전류 손실 31.90[W], 철손 23.10[W], 지지체 손실 2.33[W]으로 전체 효율이 지지체 손실 저감으로 98.10[%]로 나타나 본 발명의 제2 실시예에 따른 마그네틱 기어(200)보다 효율이 높은 것을 알 수 있었다.
또한, 지지체(161)가 스테인리스강일 경우 외측 로터 토크 7.95[Nm], 영구자석 와전류 손실 31.62[W], 철손 22.97[W], 지지체 손실 5.83[W]으로 전체 효율이 97.90[%]로 나타나 지지체(161)가 티타늄일 경우 보다는 효율이 낮았으나 종래의 마그네틱 기어(10)보다는 효율이 높았다.
[제4 실시예]
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 마그네틱 기어의 수직단면을 보여주는 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 마그네틱 기어(400)는 본 발명의 제3 실시예에 따른 마그네틱 기어(300)와 비교하여 상기 지지체(161)가 모든 폴 피스들(130) 사이에 구비되는 것이 아니라 특정 폴 피스들 사이에만 구비되는 형태이다.
예를 들면, 상기 폴 피스들(130)이 형성하는 공간 들 중, 하나의 공간의 건너 뛰면서 번갈아 지지체(161)가 구비된다.
이 경우 지지체(161)에 의한 손실을 더욱 효과적으로 줄일 수 있어 효율을 높일 수 있다.
실제 상기 지지체(161)를 티타늄으로 구비하였을 경우, 외측 로터 토크 8.02[Nm], 영구자석 와전류 손실 31.90[W], 철손 23.10[W], 지지체 손실 1.16[W]으로 전체 효율이 98.17[%]로 나타났으며, 상기 지지체(161)를 스테인리스강으로 구비하였을 경우, 외측 로터 토크 7.98[Nm], 영구자석 와전류 손실 31.76[W], 철손 23.04[W], 지지체 손실 2.90[W]으로 전체 효율이 98.07[%] 나타났다.
즉, 본 발명의 제4 실시예에 따른 마그네틱 기어(400)가 본 발명의 제3 실시예에 따른 마그네틱 기어(300) 보다 지지체에 의한 손실이 줄어 전체 효율이 향상되는 것을 알 수 있다.
[제5 실시예]
도 11은 본 발명의 제5 실시예에 따른 마그네틱 기어의 수직단면을 보여주는 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 마그네틱 기어(400)는 도 9에 도시한 본 발명의 제3 실시예에 따른 마그네틱 기어(300)와 비교하여 지지체(162)는 브리지(140)의 상면으로부터 공간(b)을 이격되어 있다.
다시 말해서, 상기 지지체(162)는 각 폴 피스들의 사이에서 폴 피스들의 상단을 서로 지지한다.
이 경우 상기 지지체(162)가 티타늄으로 구비될 경우, 외측 로터 토크 8.02[Nm], 영구자석 와전류 손실 31.92[W], 철손 23.11[W], 지지체 손실 2.83[W]으로 전체 효율이 98.07[%]로 나타났으며, 상기 지지체(162)를 스테인리스강으로 구비하였을 경우, 외측 로터 토크 7.91[Nm], 영구자석 와전류 손실 31.62[W], 철손 23.03[W], 지지체 손실 7.11[W]으로 전체 효율이 97.82[%]로 나타났다.
즉, 본 발명의 제5 실시예에 따른 마그네틱 기어(400)는 본 발명의 제3 실시예에 따른 마그네틱 기어(300)와 비교하여 효율이 미세하게 낮았으나 종래의 마그네틱 기어와 비교하여 효율이 매우 높았다.
[제6 실시예]
도 12는 본 발명의 제6 실시예에 따른 마그네틱 기어의 수직단면을 보여주는 도면이다.
도 12를 참조하면 본 발명의 제6 실시예에 따른 마그네틱 기어(600)는 본 발명의 제5 실시예에 따른 마그네틱 기어(500)와 비교하여 지지체(162)가 모든 폴 피스들(130) 사이에 구비되는 것이 아니라 특정 폴 피스들 사이에만 구비되는 형태이다.
예를 들면, 상기 폴 피스들(130)이 형성하는 공간 들 중, 하나의 공간의 건너 뛰면서 번갈아 지지체(162)가 구비될 수 있다.
이 경우 본 발명의 제5 실시예에 따른 마그네틱 기어(500)와 비교하여 지지체 손실을 줄일 수 있다.
실제 상기 지지체(162)가 티타늄으로 구비될 경우, 외측 로터 토크 8.03[Nm], 영구자석 와전류 손실 31.92[W], 철손 23.11[W], 지지체 손실 1.41[W]으로 전체 효율이 98.16[%]로 나타났으며, 상기 지지체(162)를 스테인리스강으로 구비하였을 경우, 외측 로터 토크 7.97[Nm], 영구자석 와전류 손실 31.77[W], 철손 23.07[W], 지지체 손실 3.56[W]으로 전체 효율이 98.03[%]로 나타났다.
즉, 본 발명의 제6 실시예에 따른 마그네틱 기어(600)는 지지체 손실을 줄일 수 있으므로 본 발명의 제5 실시예에 따른 마그네틱 기어(500)보다 효율이 향상됨을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
100,200,300,400,500,600:마그네틱 기어
110:내측 로터 120:외측 로터
130:폴 피스 140:브리지

Claims (7)

  1. 내측 로터(Inner rotor), 상기 내측 로터와 이격되어 구비되는 외측 로터(outer roter) 및 상기 내측 로터와 상기 외측 로터 사이에서 상기 내측 로터 및 상기 외측 로터와 각각 이격되어 위치하고 상기 내측 로터에서 상기 외측 로터로 또는 상기 외측 로터에서 상기 내측 로터로 자속을 전달하는 복수 개의 폴 피스(pole piece)가 방사상으로 구비되는 마그네틱 기어로서,
    상기 폴 피스들의 하단은 호 형의 브리지로 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴 피스들 각 사이에는 이웃한 폴 피스들 간의 기계적인 강도를 보강해주는 지지체가 삽입되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 폴 피스들 중, 특정 폴 피스들의 사이에는 폴 피스들 간의 기계적인 강도를 보강해주는 지지체가 삽입되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 지지체의 높이는 상기 폴 피스들의 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 지지체는 상기 지지체와 이격되어 떠 있는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 지지체는 티타늄 또는 스테인리스강인 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 폴 피스들과 상기 브리지들은 서로 일체로 연결되어 하나의 브리지 일체형 폴 피스로 제공되고,
    상기 브리지 일체형 폴 피스는 회전축의 길이방향으로 복수의 브리지 일체형 폴 피스 박판이 서로 접합되어 제작되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 기어.
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