유성기어드 모터 및 발전기

유성기어드 모터 및 발전기{PLANETARY GEARED MOTOR AND DYNAMO}

본 발명은, 기어 전달 기구(gear 傳達機構)와 직류 모터(直流 motor)의 조합에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기어 기구와 조합하는데 가장 적당한 신규의 형상과 성능 및 기능을 가지는 2극 DC모터 및 유성기어 기구(遊星gear 機構)를 이용하여 전기자 반작용(電機子 反作用; armature reaction)에 의한 역방향 토크를 경감시킨 발전기(發電機)를 제공하는 것이다.

종래의 기어드 모터(geared motor)라고 부르는 기술은, 일본국 공개특허 특개2001-5425호에 나타나 있는 바와 같이 모터의 회전축과 기어 기구를 연결시키고, 서로의 케이싱을 나사 고정한 것이다.

또는, 일본국 공개특허 특개2003-314634에 나타나 있는 바와 같이, 모터부와 기어 기구부가 나누어 배치되어 모터의 회전축에 의하여 연결되고, 모터부와 기어 기구부를 하나의 케이싱 내에 분할하여 지지한 기술이다.

또 모터부의 영구자석(永久磁石)의 회전에 의하여 N극과 S극이 교대 로 철심 슬롯(鐵心 slot)에 접근하여 영구자석의 자속(磁束)을 철심에 통과시키므로, 코깅 토크(cogging torque)에 더하여 코일에 역기전력을 만들어 역방향 토크를 가하고 있다.

또한 코일 양단에 발생하는 N극과 S극을 교대로 바꿈으로써 회전력을 만들므로, 코일에 흐르는 전류의 방향을 반전시킬 필요가 있어 코일의 자기유도(自己誘導)에 의하여 역기전력을 생기게 하고 있고, 전류의 반전 마다 코일에 흐르는 전류가 도중에서 끊겨 그 온/오프 마다 높은 서지 전압(serge 電壓)이 발생되어, 회전이 빠르면 빠른 만큼 강한 전자파를 코일이 만들어 내고 있다. 이러한 직류의 반전정류(反轉整流) 마다, 회전력이 발생하지 않는 데드 포인트(dead point)가 생기게 되어 회전이 고르지 못한 원인이 되고, 따라서 시동 위치에도 제한이 생기게 된다. 이러한 서지 전압이나 코깅 토크나 데드 포인트는, 직류 모터의 전기자로부터 발생하는 전자음(電磁音)을 야기하고 있다.

또한 종래의 모터는, 회전자와 고정자의 위치관계가 한정되고 고정된 것이므로, 회전축을 모터 기구 내부에서 자유로운 위치 및 각도로 설계할 수 없어, 모터의 회전 토크를 필요로 하는 기계장치 전체의 기능 및 그 형상이나 접속사용방법이 자연히 한정된 것 이었다.

또한 기어드 모터라고 부르는 기술은, 일본국 특허공개2003-314634에 나타나 있는 바와 같이, 토크를 늘리기 위하여, 모터 회전축과 기어 기구를 조합시킴으로써 회전수를 가변시켜서 모터의 토크를 조정하는 것을 목 적으로 하는 모터의 회전속도를 조정하여 토크 전달을 하는 기구이므로, 자연히 모터부와 기어부의 양쪽 부피를 필요로 하는 것이다.

종래의 유성기어를 이용한 발전기라고 부르는 기술은, 일본국 특허공개2005-287215에 나타나 있는 바와 같이, 유성기어 기구를 증속기(增速機)로서 이용한 것으로서, 발전기의 회전속도를 증가시켜 유도 기전압(誘導 起電壓)을 올리는 것을 목적으로 하고 있으므로, 전류를 흘려 유도 기전력이 발생할 경우, 발전기의 회전부하(回轉負荷)인 전기자 반작용에 의한 역방향 토크는, 증속회전비(增速回轉比)에 정비례하여 증가하는 것으로 되어 있다.

(해결하고자 하는 과제)

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 첫 번째는, 직류 모터의 회전자와 고정자의 종래의 관계를 재검토하여, 본 발명이기 때문에 가능하게 되는 회전자와 고정자의 가장 효율이 좋은 자기작용(磁氣作用)이 있는 공극(空隙)을 가능한 한 크게 만드는 방법을 실현시켜, 그 확대시킨 공극에 기어 등의 기구를 장치할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 두 번째는, 모터와 기어 기구가 모터의 회전축에 의하여 연결되어 각각의 두개의 구성요소로 이루어져 있는 기어드 모터의 형상을 일신하여, 기어 기구 중의 하나의 기어를 모터의 로터(rotor)로 하는 것을 실현시켜, 모터와 기어 기구를 하나의 구성으로서 컴팩트화 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 세 번째는, 본 발명의 모터의 특징을 살려, 모터의 설치나 사용장소, 목적 등에 맞추어 회전자와 전기자의 위치관계를 자유롭게 하여, 회전 효율에 큰 영향을 끼치지 않고 회전축을 자유로운 위치나 각도로 가변시키거나 또한 같은 전압에서 회전속도의 변속 등을 할 수 있게 하는 것 등, 자유로운 모터 설계를 가능하게 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 네 번째는, 유성기어 기구를 이용한 종래의 발전기에서는 해결되지 않고 있는 증속회전비에 정비례하는 역방향 토크의 경감이다.

(과제해결수단)

본 발명은 슬롯이 없는 환상철심 코어(環狀鐵芯 core)에 토로이달 코일(toroidal coil)이 감긴 전기자를 사용하고, 이 전기자 코어 내경에 대하여 작은 회전 지름인 2극의 인너 마그네트 로터(inner magnet rotor)를 고속회전 시킨다고 하는 단순구조이다.

따라서 이 회전 지름이 작은 로터와 환상(環狀)의 전기자의 사이는 큰 공극이 되지만, 그 공극을 이용하여 비자성재(非磁性材)라면 기어 등의 기계장치를 설치하는 것이 가능하게 된다.

한 예로서 유성기어 감/증속기인 경우, 작은 회전 지름의 태양기어(太陽 gear) 자체에 영구자석을 설치하면, 모터의 인너 로터로서 태양기어를 직접 고속회전 시킬 수 있고, 유성기어(遊星 gear)가 모터로서의 회전기능을 가지므로, 종래의 기어드 모터의 크기로부터 모터 부분을 뺀 크기의 공간을 절약한 기어드 모터가 된다.

본 발명의 작은 회전 지름의 인너 마그네트 로터는, 그 회전 중에 반드시 전기자 스테이터(電機子 stator)의 중심에 위치할 필요는 없고, 그 위치나 회전축의 각도를 시시각각 변화시켜도 좋다.

인너 마그네트 로터의 회전축 길이방향으로 회전 지름을 바꾸고, 전기자 스테이터와 인너 마그네트 로터를 상대적으로 이동시켰을 경우, 동일한 직류전압으로 그 회전수를 가변시킬 수 있다.

본 발명의 2극 DC모터의 회전방법은, 2극 마그넷 로터의 자극(磁極)에 대하여 회전각을 가진 N극 S극의 2극이 전기자 스테이터의 180도 대각에 생기게 하여, 2극 마그넷 로터에 대하여 항상 회전 토크를 생기게 한 2극의 회전 자계(回轉磁界)에 의한다.

이 회전방법으로는, 어느 위치로부터라도 시동시킬 수 있어 데드 포인트가 없는 원활한 회전을 얻을 수 있다.

토로이달 코일에는 입력단자를 통하여 직류를 공급하여 회전시키지만, 이 경우 코일에는 직류가 방향을 바꾸지 않고 흐른다. 즉, 코일에 흐르는 전류의 온/오프가 없는 상태이고, 따라서 서지 전압의 발생이 없으므로 전자파의 발생이 매우 적다. 이에 따라, 종래의 모터의 코일로부터 발생하는 전자음도 매우 적다.

본 발명의 2극 DC모터의 전기자 스테이터와 큰 공극을 가지는 작은 인너 마그네트 로터와의 관계를 고려하면, 전기자 스테이터의 형상은 타원, 삼각, 사각 또는 다각형 등이더라도 좋다. 설치장소나 디자인 등에 제한이 없고 다용도인 본 발명의 특징을 살린 모터가 과제해결수단에 제공된다.

본 발명의 첫 번째는, 슬롯이 없는 환상철심 코어와, 상기 환상철심 코어의 전체 원주 둘레에 동일한 방향에 동일한 간격의 회전각도로 감긴 짝수 개의 코일로 이루어지고, 상기 짝수 개의 코일의 감긴 선 양단을 모두 직렬로 결선하고, 그 각 결선부위가 전력입력용 입력단자가 되는 전기자 스테이터와, 자극 선단의 회전 지름과 환상철심 코어 내주 사이에 공극을 가지고, 회전축과 직교하는 막대 모양 자석의 자계 또는 판자 모양 자석의 자계를 가지는 2극의 인너 마그네트 로터를 구비하고, 상기 전기자 스테이터의 입력단자의 하나와 그 180도 대각에 있는 입력단자에 직류전압을 상기 2극의 인너 마그네트 로터의 회전에 동기시켜서 회전방향으로 순차적으로 도중에서 끊기지 않고 공급하는 것을 특징으로 하는 DC모터다.

또, 상기 DC모터에 있어서, 상기 전기자 스테이터의 슬롯이 없는 환상철심 코어가, 원형, 타원형, 삼각형, 사각형 또는 다각형의 형상을 한다.

또, 상기 DC모터에 있어서, 상기 2극의 인너 마그네트 로터의 회전축을, 상기 슬롯이 없는 환상철심 코어의 형상중심으로부터 편심시켰다.

또, 상기 DC모터에 있어서, 상기 2극 인너 마그네트 로터를, 회전축 길이방향으로 그 자극 선단의 회전 지름을 바꾸었다.

또, 상기 DC모터에 있어서, 상기 로터의 회전 자극의 지름과 상기 슬롯이 없는 환상철심 코어의 내경의 비가, 61.80339%이하이다.

또, 상기 DC모터에 있어서, 상기 전기자 스테이터와 상기 2극의 인너 마그네트 로터와의 공극에, 유성기어 기구를 설치한다.

또, 상기 DC모터에 있어서, 상기 유성기어 기구는, 태양기어와, 상기 태양기어의 외측에서 상기 태양기어와 맞물리는 유성기어와, 상기 유성기어를 둘러싸고 상기 유성기어와 맞물리는 내측 기어로 이루어지고, 상기 내측 기어의 외주 또는 측면에 동심원으로 상기 전기자 스테이터를 설치함과 아울러, 상기 유성기어는, 상기 2극의 인너 마그네트 로터를 내부에 일체로 설치한 유성기어이거나 또는 상기 2극의 인너 마그네트 로터를 측면에 일체로 설치한 유성기어이거나 또는 상기 2극의 인너 마그네트 로터로 이루어지는 유성기어이다.

상기 유성기어의 태양기어에 설치되는 마그넷 로터를 구비하고, 상기 유성기어 캐리어에 마그넷 로터의 자극과 대향하는 코일이 설치되고 또한 그 코일은 유성기어의 자전축이 그리는 공전에 의하여 회전하는 유성기어 캐리어에 고정 배치되고, 상기 유성기어 캐리어를 회전시킴으로써 상기 태양기어에 설치한 마그넷 로터를 회전시켜서 상기 코일에 기전력을 생기게 하는 발전기.

도1은, 본 발명의 2극 DC모터의 작용을 나타내는 도면이다.

도2는, 도1의 보충 설명도이다.

도3은, 본 발명의 유성기어 기구와 2극 DC모터의 정면도이다.

도4는, 도3의 측면으로부터 본 단면도이다.

도5는, 본 발명의 2극 인너 마그네트 로터의 배치 및 종류를 나타내는 도면으로서, 그 중에 좌측은 측면도이고 우측은 정면도이다.

도6은, 본 발명의 2극 인너 마그네트 로터의 배치 및 종류를 나타내는 도면으로서, 그 중에 좌측은 측면도이고 우측은 정면도이다.

도7은, 본 발명의 2극 인너 마그네트 로터의 배치 및 종류를 나타내는 도면으로서, 그 중에 좌측은 측면도이고 우측은 정면도이다.

도8은, 본 발명의 2극 인너 마그네트 로터의 배치 및 종류를 나타내는 도면으로서, 그 중에 좌측은 측면도이고 우측은 정면도이다.

도9는, 본 발명의 유성기어 기구와 2극 DC모터의 응용 정면도이다.

도10은, 도9의 보충 설명도이다.

도11은, 본 발명의 2극 인너 마그네트 로터의 배치 및 종류를 나타내는 도면으로서, 그 중에 좌측은 측면도이고 우측은 정면도이다.

도12는, 본 발명의 2극 인너 마그네트 로터의 배치 및 종류를 나타내는 도면으로서, 그 중에 좌측은 측면도이고 우측은 정면도이다.

도13은, 본 발명의 유성기어 기구와 2극 DC모터의 응용 정면도이다.

도14는, 도13의 보충 설명도이다.

도15는, 2극 인너 마그네트 로터의 응용작용을 설명하는 단면도이다.

도16은, 2극 인너 마그네트 로터의 응용작용을 설명하는 단면도이다.

도17은, 타원형상의 전기자 스테이터의 정면도이다.

도18은, 유성기어드 발전기의 구성을 나타내는 도면으로서, 좌측은 측면도이고 우측은 정면도이다.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

1, 1A, 1B, 1C, 1D 2극 인너 마그네트 로터

2 환상철심 코어

3 토로이달 코일

4, 4A, 4B, 4C, 4X, 4Y, 4Z 단자

5 중심

6 태양기어

7 유성기어

8 내측 기어

9 유성기어 샤프트

10 캐리어

11 회전축

[발명을 실시하기 위한 최선의 형태]

도1은, 본 발명의 형태의 기본이 되는 2극 DC모터의 전기자 스테이터(電機子 stator)와 마그넷 로터(magnet rotor)의 관계를 나타내는 도면이다. 슬롯이 없는 환상철심 코어(2)에 정렬하여 감긴 토로이달 코일(3) 12개가 전체 원주 둘레에 동일한 간격으로 배치되어, 각각 직렬로 결선되고, 그 결선부를 전력의 입력단자(4)로 하여 고리 모양으로 닫힌 토로이달 코일(3)을 형성하고 있다.

회전 토크의 발생은, 토로이달 코일(3)의 복수의 결선부분의 입력단자 중에, 2극 인너 마그네트 로터(bipolar inner magnet rotor)(1)의 회전축에 직교하는 자석의 자계(磁界)에 있어서 자극(磁極)에 대하여 회전방향으로 회전각을 가지는 범위 안에 있는 전기자 스테이터의 입력단자의 하나, 본 도면에서는 입력단자4와 180도 대각(對角)에 있는 입력단자(4X)에 직류전압을 공급하고, 순차적으로 회전방향에 있는 입력단자(4A)와 입력단자(4Y), 입력단자(4B)와 입력단자(4Z)와 같은 식으로 2극 인너 마그네트 로터(1)의 회전에 동기시켜 도중에서 끊기지 않고 공급하여, 직류에 의하여 전기자 스테이터에 180도 대각으로 2극의 회전 자계를 만들어 회전시킨다.

도2는, 2극 인너 마그네트 로터(1A)가 판자 모양 영구자석의 자계를 가지는 것에 의하여 회전 토크의 발생을 나타낸 것이다. 또한 토로이달 코일(3)에 대한 입력방법을 보다 알기 쉽게 하기 위하여, 한 예로서 2극 인너 마그네트 로터(1A)가 전원과 접속되고 입력단자4와 입력단자(4X)로 접점을 통하여 입력되고 있는 상태가 도면에 표현되어 있다.

전원은 직류전원이고, 입력단자(4X)에 플러스 전압, 입력단자4에 마이너스 전압이 공급되고 있지만, 전체 원주 둘레에 동일한 방향으로 감겨 폐쇄되어 있는 토로이달 코일(3)에는, 입력단자(4X)로부터 직류전류가 좌우로 나뉘어 오른쪽으로 감긴 나선과 왼쪽으로 감긴 나선으로 흐르고 입력단자4까지 흘러 전원에 어스 된다.

슬롯이 없는 환상철심 코어(2)는 입력단자(4X)와 입력단자(4)의 위치에서 2등분된 반원호의 대응하는 극을 마주 보게 한 전자석이 되어, N극과 S극이 180도 대각에 생기게 되고, 그 누설자속(漏泄磁束)은 2극 인너 마그네트 로터(1A)의 자극과 이어져, 본 도면에서는 2극 인너 마그네트 로터(1A)에 좌회전의 토크를 생기게 하고 있다.

2극 인너 마그네트 로터(1A)가 가지는 회전각은 본 도면에서는 90도로 되어 있지만, 회전방향으로 회전각 30도에서 다음의 입력단자 4Y와 4A로 입력위치가 전환된다. 이 때 2극 인너 마그네트 로터(1A)는, 회전각 90도로부터 60도까지의 회전 토크를 유지한 채로, 다음의 입력단자(4Z)와 입력단자(4B)에 입력이 있을 때 까지의 회전각 30도의 범위에서 회전을 계속한다.

즉, 2극 인너 마그네트 로터(1A)에 대하여, 전기자 스테이터의 토로이달 코일(3)이 만들어 내는 회전에는 데드 포인트가 없다. 회전 중에, 대략 일정하게 한 방향의 토크를 유지한 채로, 매우 원활한 회전을 함과 아울러, 전기자 스테이터의 토로이달 코일(3)에 흐르는 직류전류는 중간에 끊기지 않으므로, 토로이달 코일(3)에 대한 전압의 온/오프에 의한 서지 전압도 발생하지 않는다.

이 회전 토크를 발생시키는 방법을, 브러시 코뮤테이터(brush commutator)로 하여도 좋고, 또 회전위치 검출센서와 전자 릴레이(電子 relay)에 의하여 하여도 좋다.

도3은, 본 발명의 유성기어드 모터(遊星geared motor)의 정면도이다. 태양기어(6)에 본 발명의 2극 인너 마그네트 로터(1)의 영구자석이 일체로 설치되어 있고, 유성기어(7) 4개가 태양기어(6)와 맞물려 지지되어 있다. 유성기어(7)의 개수는 한 예이다. 유성기어(7)는 캐리어(10)에 의하여 회전할 수 있도록 지지되고, 내측 기어(8)와 유성기어(7)의 맞물림으로 공전(公轉)할 수 있도록 지지되어 있다. 내측 기어(8)의 외주에 슬롯이 없는 환상철심 코어(2)에 정렬하여 감긴 토로이달 코일(3)이 한 예로서 12개 감겨 있고, 입력단자(4)가 12개 설치되어 있다. 태양기어(6)의 회전력의 발생방법은 본 발명의 2극 DC모터와 같은 방법에 의한다.

도4는, 본 발명의 유성기어드 모터의 측면으로부터 본 단면도이다. 단면으로부터도 알 수 있는 바와 같이, 태양기어(6), 유성기어(7), 내측 기어(8), 캐리어(10)가, 본 발명의 2극 DC모터의 특징인 도5에 나타나 있는 바와 같은 슬롯이 없는 환상철심 코어(2)와 토로이달 코일(3)로 구성된 전기자 스테이터와 2극 인너 마그네트 로터(1)의 공극을 이용하여 설치되어 있어서, 모터부와 기어 기구부가 나뉘어져 있는 종래의 기어드 모터보다 훨씬 소형이고 얇은 구조로 되어 있다.

도6은, 본 발명의 2극 인너 마그네트 로터(1B)가, 회전 지름에 있어서 환상철심 코어(2)의 내경에 대하여 자극 선단(先端)의 회전 지름이 황금분할비의 크기를 가진 것이다. 환상철심 코어(2)와 2극 인너 마그네트 로터(1B)의 자기(磁氣)가 서로 끌어 당기는 힘에 의한 회전에 대한 영향의 측정결과로부터 유도된 비율이다.

도7은, 판자 모양 자석의 자계를 가지는 2극 인너 마그네트 로터(1A)가, 상기한 황금분할비에 의한 회전 지름으로 설치된 것이다.

2극 인너 마그네트 로터(1A)와 2극 인너 마그네트 로터(1B)는, 도5 및 도8에 나타나 있는 2극 인너 마그네트 로터(1) 및 2극 인너 마그네트 로터(1C)보다 힘의 모멘트가 크고 회전속도가 느리므로, 저속 고토크의 사용에 어울린다.

한 예로서, 도6에 나타나 있는 막대 자석 모양 자계의 2극 인너 마그네트 로터(1B)의 회전 지름이 80mm이고, 슬롯이 없는 환상철심 코어(2)의 내경 130mm, 두께 10mm, 깊이 40mm인 환상철심에, 0.5mm 지름의 에나멜 동선이 250회 감긴 토로이달 코일(3) 12개를 전체 원주 둘레에 균등하게 설치한 본 발명의 2극 DC모터에, 회전위치 검출센서와 전자 릴레이에 의해 도1 및 도2의 설명에서 나타낸 대로의 입력방법에 의하여 직류 24볼트를 공급하여 2극 인너 마그네트 로터(1B)를 지지한 축에 0.066Nm의 회전부하를 걸어 회전 테스트를 하여 다음의 계측결과를 나타냈다.

회전부하 0.066Nm, 회전수 1400rpm, 입력전력 24V, 0.45A, 소비전력 10.8W였다.

따라서 도9 및 도10에 나타나 있는 바와 같이, 한 예로서 유성기어드 모터의 캐리어에, 2극 인너 마그네트 로터(1B) 또는 2극 인너 마그네트 로터(1A)를 일체로 설치한 유성기어 증속기 등으로의 사용이 바람직하다.

도9 및 도10은, 캐리어(10)에 본 발명의 2극 인너 마그네트 로터(1B) 또는 2극 인너 마그네트 로터(1A)의 영구자석이 일체로 설치되어 있고 유성기어(7) 4개가 지지되어 있다. 유성기어(7)의 개수는 한 예이다. 유성기어(7)는 캐리어(10)에 의하여 회전할 수 있도록 지지되고, 내측 기어(8)와 유성기어(7)의 맞물림으로 공전할 수 있도록 지지되어 있다. 내측 기어(8)의 외주에 슬롯이 없는 환상철심 코어(2)에 정렬하여 감긴 토로이달 코일(3)이 한 예로서 12개 감겨 있고, 입력단자(4)가 12개 설치되어 있다. 캐리어(10)의 회전력의 발생방법은 본 발명의 2극 DC모터와 같은 방법에 의한다.

도11 및 도12는, 막대자석의 자계를 가지는 2극 인너 마그네트 로터(1) 혹은 판자 모양 자석의 자계를 가지는 2극 인너 마그네트 로터(1C)를, 슬롯이 없는 환상철심 코어(2)의 중심(5)으로부터 편심된 위치에 설치한 도면이다.

본 발명의 특징인 환상철심 코어(2)와 2극 인너 마그네트 로터(1) 혹은 2극 인너 마그네트 로터(1C)의 공극도 한 쪽으로 치우치게 되어, 전기자의 중심(5)에도 비자성재로 이루어지는 기어 등의 기계장치를 설치할 수 있는 형상이 된다.

한 예로서, 도11에 나타나 있는 막대자석 모양 자계의 2극 인너 마그네트 로터(1)의 회전 지름 33mm, 슬롯이 없는 환상철심 코어(2)의 내경 130mm, 두께 10mm, 깊이 40mm인 환상철심에, 0.5mm 지름의 에나멜 동선이 250회 감긴 토로이달 코일(3) 12개를 전체 원주 둘레에 균등하게 설치한 본 발명의 2극 DC모터에, 회전위치 검출센서와 전자 릴레이에 의해 도1 및 도2의 설명에서 나타낸 대로의 입력방법에 의하여 직류 24볼트를 공급하여 2극 인너 마그네트 로터(1)를 지지한 축에 0.033Nm의 회전부하를 걸어 회전 테스트를 하여 다음의 계측결과를 나타냈다.

회전부하 0.033Nm, 회전수 3300rpm, 입력전력 24V, 0.050A, 소비전력 12W.

이렇게 2극 인너 마그네트 로터(1) 혹은 2극 인너 마그네트 로터(1C)를 전기자 스테이터의 중심(5)으로부터 편심시켜서 회전시켰을 경우, 한 예로서 유성기어드 모터에 다음과 같은 응용이 가능하다.

도13은, 유성기어(7)에 2극 인너 마그네트 로터(1)를 일체로 설치한 도면이다. 유성기어(7)는 자전하면서 공전하는 기어이지만, 2극 인너 마그네트 로터(1)는 슬롯이 없는 환상철심 코어(2) 및 토로이달 코일(3)로 구성되는 전기자 스테이터의 중심(5)에 대하여 편심된 위치에 설치해도 회전시킬 수 있으므로, 유성기어(7)에 2극 인너 마그네트 로터(1)가 일체로 설치되어 있으면, 캐리어(10)에 지지되어 자전하고 내측 기어(8)와의 맞물림으로 공전한다. 이 경우, 도14에 나타나 있는 바와 같이 태양기어(6)는 기본적으로 불필요하게 된다.

도15는, 본 발명의 2극 DC모터의 측면으로부터 본 단면도이다. 2극 인너 마그네트 로터(1D)는, 회전축 길이방향으로 회전 지름이 변화되고 있어, 슬롯이 없는 환상철심 코어(2) 및 토로이달 코일(3)에 의하여 구성되는 전기자 스테이터와 상대적으로 움직였을 경우, 2극 인너 마그네트 로터(1D)와 환상철심 코어(2)의 사이에 작용하는 토크도 변화되어, 2극 인너 마그네트 로터(1)의 회전수가 일정한 전압부하에서 가변한다.

한 예로서, 2극 인너 마그네트 로터(1)의 회전 지름 33mm로부터 2극 인너 마그네트 로터(1B) 지름 80mm까지의 테이퍼(taper)가 있는 인너 마그네트 로터(1D)에서, 슬롯이 없는 환상철심 코어(2)의 내경 130mm, 두께 10mm, 깊이 40mm인 환상철심에, 0.5mm 지름의 에나멜 동선이 250회 감긴 토로이달 코일(3) 12개를 전체 원주 둘레에 균등하게 설치한 본 발명의 2극 DC모터에, 회전위치 검출센서와 전자 릴레이에 의해 도1 및 도2의 설명에서 나타낸 대로의 입력방법에 의하여 직류 24볼트를 공급하여 테이퍼가 있는 인너 마그네트 로터(1D)의 무부하 회전 테스트를 하여 다음의 계측결과를 나타냈다.

입력전압 24V를 일정하게 공급한 상태에서 회전수는 6000rpm으로부터 1830rpm으로 선형적으로 가변하였다.

도16은, 본 발명의 2극 DC모터를 측면으로부터 본 단면도이다. 2극 인너 마그넷 로터(1)의 회전축위치를 가변시키거나 또는 각도를 가변시킨 경우에도 본 발명의 2극 DC모터는 정상적으로 구동할 수 있다.

한 예로서, 도16에 나타나 있는 막대 모양 자석의 자계를 가지는 2극 인너 마그네트 로터(1)의 회전 지름은 33mm이고, 슬롯이 없는 환상철심 코어(2)의 내경 130mm, 두께 10mm, 깊이 40mm인 환상철심에, 0.5mm 지름의 에나멜 동선이 250회 감긴 토로이달 코일(3) 12개를 전체 원주 둘레에 균등하게 설치한 본 발명의 2극 DC모터에, 회전위치 검출센서와 전자 릴레이에 의해 도1 및 도2의 설명에서 나타낸 대로의 입력방법에 의하여 직류 24볼트를 공급하여 2극 인너 마그네트 로터(1)를 지지한 축의 위치 및 각도를 가변시켜 구동 테스트를 하여 다음의 계측결과를 나타냈다.

회전부하 0.033Nm, 회전수 3300rpm, 입력전력 24V, 0.50A, 소비전력 12W.

도17은, 본 발명의 2극 DC모터의 전기자 스테이터의 형상의 한 예이다. 본 도면에서는 타원의 형상이지만, 삼각, 사각 등의 다각형 형상이어도 좋다. 타원철심 코어(2)에 정렬하여 감긴 토로이달 코일(3)이, 타원의 중심으로부터 한 예로 회전각 30도씩 전체 원주 둘레에 동일한 방향으로 감겨 합계 12개 설치되어 있다. 각각의 토로이달 코일(3)의 감긴 선 양단 은 직렬로 모두 결선되어 있고, 그 결선부위는 전력입력을 위한 입력접점(4)이 되어 있다.

도18은 본 발명의 두 번째인 유성기어드 발전기(遊星geared 發電機)의 한 예이다. 도18에 나타나 있는 바와 같이 유성기어 기구로 구성된다. 내측 기어(8)는 고정 기어이고, 태양기어(6)에는 2극 인너 마그네트 로터(1B)가 일체로 설치되어 있고, 토로이달 코일(3)이 일체로 설치된 캐리어(10)의 회전축(11)을 외부로부터 회전시킴으로써, 2극 인너 마그네트 로터(1B)가 캐리어(10)에 설치한 토로이달 코일(3)의 회전속도보다도 빠른 속도로 앞지르는 회전에 의하여 유도 기전력을 생기게 한다. 한 예로서 도18의 경우, 2극 인너 마그네트 로터(1B)는, 캐리어(10)가 우측 방향으로 1회전 하는 것에 대하여 우측 방향으로 3회전한다.

회전축(11)을 우회전시키면, 캐리어(10)에 의하여 유성기어(7)를 우측 방향으로 공전시키는 토크가 전달되고, 캐리어(10)에 설치된 토로이달 코일(3) 및 태양기어(6)와 일체로 회전하는 2극 인너 마그네트 로터(1B)는, 속도가 다른 우회전을 한다.

유도 기전력은 토로이달 코일(3)의 코일 결선부위의 단자를 출력단자로 하여 전력을 출력시킨다.

예를 들면 도18을 참고로 하면, 단자(4) 및 단자(4X)를 출력단자로서 이용하였을 경우, 단상교류가 출력된다.

또한 단자(4), 단자(4Z), 단자(4C)를 출력단자로서 이용하였을 경우, 3상교류가 출력된다. 이 때에 발생하는 전기자 반작용의 방향은 마그넷 로터(1B)의 회전방향과 같아서 예를 들면 시침방향으로, 캐리어(10)의 회전방향의 회전과 같은 시침방향이다.

유도 기전력의 출력은, 2극 인너 마그네트 로터(1B)에 대하여 좌측 방향의 시침반대방향인 역방향 토크를 생기게 하지만, 캐리어(10)에 일체로 설치된 토로이달 코일(3)에 의한 전기자 반작용에 의해 발생한 캐리어(10)의 우측방향 토크에 의하여 역방향 토크가 없어진다. 즉, 역방향 토크의 경감을, 유성기어 기구의 태양기어(6)에 설치한 2극 마그넷 로터(1B)의 회전에 의하여 유성기어 캐리어(10)에 설치한 토로이달 코일(3)에 유도 기전력을 생기게 하고, 캐리어(10)에 생기게 한 전기자 반작용을 이용하여, 그 전기자 반작용의 힘을 태양기어(6)에 정 토크로서 전달하여 경감시키는 것이다.

본 발명의 유성기어 캐리어(10)에 일체로 설치되어 발전을 수행하는 코일은 공심 코일(空芯 coil)이어도 좋고 또한 태양기어와 일체로 회전하는 마그넷 로터는 다극수(多極數)의 마그넷 로터라도 좋다.

발전 전력이 커지게 되면 그것에 정비례하여 역방향 토크도 증가하지만, 그것을 없애는 정토크도 커지게 되므로, 이 전기자 반작용에 의한 역방향 토크의 경감의 비율은 출력시키는 전력의 대소에 관계되지 않고 일정한 비율로 작용한다.