KR100554746B1 - 영구자석을 이용한 코일 권상기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구자석을 이용하여 코일을 권상하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 강판코일(M)의 내권부에 삽입되고, 상기 크레인의 후크(K)에 연결되는 원통형 외부케이스(20)와, 상기 외부케이스(20)의 내부공간으로 삽입되고, 복수개의 제 1폴부재(11)가 내주면에 열십자형태로 배치되고, 디스크형 엔드플레이트(22)에 의해서 일단이 밀봉되는 원통형 내부케이스(21)와, 상기 제 1폴부재(11)의 장,단변에 부착되어 주자력선을 발생시키는 복수개의 고정영구자석(13)과,상기 제 1폴부재(11)의 후면에 부착되고, 흡,탈착력을 조절하도록 전류흐름공급방향에 따라 자화방향을 반전시키는 전기코일(15)이 외부면에 권선되어 부자력선을 발생시키는 가변영구자석(14)과, 상기 고정영구자석(13)과 인접하는 또다른 고정영구자석(13)사이를 연결하여 자력을 집속하는 제 2폴부재(12)를 포함하여, 자화력이 큰 영구자석과 투자율이 큰 연자성 재료의 폴(pole)및 요크(yoke)를 조합하여 고정 영구자석에서 발생하는 자속(magnetic flux)을 적절히 집속시켜 발생되는 강력한 흡착력으로 중량물이고, 중심부에 중공형 내권부를 갖는 강판코일을 자력으로서 간편하고, 안전하게 들어올려 이송할수 있는 효과가 얻어진다.

강판코일, 내권부, 폴부재, 고정,가변영구자석, 전기코일, 내,외부케이스

Description

영구자석을 이용한 코일 권상기{A COIL LIFTER USING A PERMANENT MAGNET}

도 1(a)(b)(c)(b)는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기를 도시한 분해 및 조립사시도,

도 2는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기를 도시한 단면도 및 평면도,

도 3(a)(b)은 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기에 채용된 영구, 가변영구자석의 자력선방향을 도시한 작동상태도,

도 4는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기를 도시한 사용상태도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 .... 제 1폴부재 12 .... 제 1폴부재

13 .... 고정영구자석 14 .... 가변영구자석

15 .... 전기코일 20 .... 외부케이스

21 .... 내부케이스 22 .... 엔드플레이트

M ..... 강판코일 K ..... 후크

본 발명은 영구자석을 이용하여 코일을 권상하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 자화력이 큰 영구자석과 투자율이 큰 연자성 재료의 폴(pole)및 요크(yoke)를 조합하여 고정 영구자석에서 발생하는 자속(magnetic flux)을 적절히 집속시켜 발생되는 강력한 흡착력으로 중량물이고, 중심부에 중공형 내권부를 갖는 강판코일을 자력으로서 간편하고, 안전하게 들어올려 이송할수 있는 영구자석을 이용한 코일권상기에 관한 것이다.

일반적으로 중량물을 들어올리거나 내리도록 크레인(미도시)의 후크에 매달려 사용되는 권상기(lifter)는 제철제강 관련 현장 및 철제품 제조현장에서 오래전부터 사용되어 오는 필수적인 운반용 장비이다.

종래에는 전자석(electromagnet)의 자력을 이용하여 철강제품인 중량물을 권상하여 운반하는 방식이 그 주류를 이루고 있으나, 전자석을 이용한 권상기는 다음과 같은 단점이 있다.

1) 전자석 권상기자체의 중량이 과도하게 무거워 권상기자체를 들어올리는 크레인(crane)의 용량이 동시에 커야 하며, 2) 전원인가시 발생되는 전자력을 이용하여 중량물을 권상하기 때문에，권상작업중 통전중이던 전기에너지가 끊어지면 엄청난 안전사고를 발생시키며, 3) 안전사고를 미연에 방지하기 위해서 짧은 주기의 정비가 뒤따라야 하고, 4)정비보수 및 전기에너지를 항상 일정하고, 안정적으로 공급해야만 하기 때문에, 설비유지비가 과다하게 소요되는 문제점이 있었다.

한편, 상기 같은 많은 단점을 효율적으로 보완하고 동일한 권상능력을 가져 효율적인 작업이 가능한 영구자석식 권상기는 다음과 같은 장점이 있다.

(1) 중량물을 자력으로서 권상한후 이동하는 작업도중에 전원공급이 불필요 하며, (2) 중량물을 권하는 권상력에 비해 자체 중량이 탁월하게 가볍고,(3) 전자석식 권상기에 비해 보수 정비가 거의 필요없이 장기간 동안 사용이 가능하며, (4) 정전에 의하여 전기에너지의 공급이 중단되더라도 권상된 중량물이 추락되는 위험이 없다.

이러한 장점을 가진 영구자석식 권상기는 1980년대 부터 사용되어 왔는데, 두 가지 종류의 영구자석(고정 영구자석, 가변 영구자석)을 사용하여 권상하고자 하는 물체와 직접 접촉할 폴(pole)을 적절히 설계함으로써 강력한 흡착능력을 보이는 권상기를 제작하여 작업 현장에 사용되고 있다.(Michele Cardone et al., "Magnetic anchoring apparatus with quadrant pole arrangement", 미국특허 4,507,635, 1985 및 Magnetic gripping apparatus", 미국특허 4,847,582, 1989)

그리고, 최근 국내에서도 이러한 영구자석을 사용한 권상기가 발명되어 현장에 사용되고 있다.( 대한민국 특허출원 1995-68485호)

그러나, 이러한 종래의 권상기는 자력을 발생시키는 부위가 권상하고자 하는 중량물의 형상이 평판인 경우에 사용이 제한되도록 형성되어 있기 때문에, 냉연, 열연강판이 두루마리형태로 권취된 강판코일과 같이 중심부에 중공형 내권부를 갖는 중량대상물을 권상하는데는 어려움이 있어 그 사용이 슬라브와 같은 평판재로 한정되었다.

즉, 종래 영구자석식 권상기를 사용하여 원통형 모양의 물체를 권상하거나, 코일중심인 내권부가 단단히 묶음처리가 되지 않고 누워 있는 강판코일을 권상하고자 할 때 다음과 같은 단점이 있었다.

1) 권상하고자 하는 중량물의 반경을 모두 포함하도록 영구자석을 배치할 경우 영구자석이 과다하게 포함되어 제작비가 매우 비싸지고, 2) 자체 중량이 과다하여 가중되어 기존 크레인의 후크에 걸어 사용하기에 부적합하며, 3) 강판코일의 반경에 비해 폴의 단면적이 작은 것으로 구성된 권상기로 단단히 묶음 처리가 되지 않은 누워 있는 강판코일을 권상 하고자 할 때 pole이 접촉하지 않는 부분에서 강판코일이 흘러 내려 제품이 손상되었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 중공형 내권부를 갖는 강판코일을 권상하거나, 내권부가 단단히 묶음 처리가 되지 않고 누워 있는 강판코일과 같은 중량물을 간편하고, 안전하게 권상할 수 있는 영구자석을 이용한 코일권상기를 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 발명은

두루마리형 강판코일과 같은 중량물을 자력으로서 권상하도록 크레인에 장착되어 사용되는 권상기에 있어서,

상기 강판코일의 내권부에 삽입되고, 상기 크레인의 후크에 연결되는 원통형 외부케이스와,

상기 외부케이스의 내부공간으로 삽입되고, 복수개의 제 1폴부재가 내주면에 열십자형태로 배치되고, 디스크형 엔드플레이트에 의해서 일단이 밀봉되는 원통형 내부케이스와,

상기 제 1폴부재의 장,단변에 부착되어 주자력선을 발생시키는 복수개의 고정영구자석과,

상기 제 1폴부재의 후면에 부착되고, 흡,탈착력을 조절하도록 전류흐름공급방향에 따라 자화방향을 반전시키는 전기코일이 외부면에 권선되어 부자력선을 발생시키는 가변영구자석과,

상기 고정영구자석과 인접하는 또다른 고정영구자석사이를 연결하여 자력을 집속하는 제 2폴부재를 포함함을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 코일권상기를 마련함에 의한다.

이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

도 1(a)(b)(c)(d)는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기를 도시한 분해 및 조립사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기를 도시한 단면도 및 평면도이며, 도 3(a)(b)은 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기에 채용된 영구, 가변영구자석의 자력선방향을 도시한 작동상태도이고, 도 4는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기를 도시한 사용상태도이다.

본 발명의 코일권상기(1)는 도 1 내지 4에 도시한 바와같이, 압연가공된 강판을 두루마리형태로 권취하여 중심부에 중공형 내권부를 형성하는 강판코일과 같은 중량물을 영구자석의 자력으로서 흡착하여 이송하도록 수송설비인 크레인에 갖추어지는 것으로서, 이러한 권상기(1)는 내,외부케이스(20)(21), 제 1,2폴부재(11)(12) 및 고정,가변영구자석(13)(14)등으로 구성된다.

즉, 상기 원통형 외부케이스(20)는 두루마리형태로 권취되어 중심부에 중공 형 내권부를 형성하는 강판코일(M)의 내권부내로 삽입되고, 수송설비인 크레인(미도시)의 후크(K)에 와이어(80)로서 줄걸이되도록 외부면에 연결고리(24)가 일체로 형성되어 있는 한편, 상기 내권부와 대응하는 하부면은 밀폐되어 있는 반면에, 그 반대편은 개구된 원통부재로 갖추어진다.

그리고, 상기 내부케이스(21)는 상기 외부케이스(20)의 내부공간으로 삽입되고, 상기 외부케이스(20)보다 길이가 짧고, 전,후방이 완전개구된 원통부재이며, 그 내부에는 복수개의 제 1폴부재(11)가 열십자형태로 배치되고, 디스크형 엔드플레이트(22)에 의해서 일단이 밀봉된다.

여기서, 상기 내,외부케이스(20)(21) 및 엔드플레이트(22)는 상기 고정, 가변영구자석(13)(14)에 의해서 발생된 자력선이 원활하게 이동하는 자로역활을 하도록 SS40 소재로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정영구자석(13)은 상기 제 1폴부재(11)의 외부면을 이루는 2개의 장변과 2개의 단변에 각각 부착되어 주자력선을 발생시키는 자석부재이며, 이러한 고정영구자석(13)은 고유보자력(iHc)이 8∼15 kOe, 잔류자속밀도(Br)가 8∼12 kG 범위를 가지며, 강력한 보자력과 전류자속밀도를 보이는 희토류계 영구자석인 Nd2Fe14B과 SmCo5 을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 가변영구자석(14)은 상기 제 1폴부재(11)의 후면에 부착되고, 흡,탈착력을 조절하도록 전류흐름공급방향에 따라 자화방향을 반전시키는 전기코일(15)이 외주면에 권선되어 부자력선을 발생시키는 자석부재이고, 이러한 가변영구자석(14)은 보자력(Hc)이 700∼1500 Oe 범위이고, 잔류자속밀도(Br)가 10 ∼12 kG 범위이고, 전류자화밀도는 상당히 높으나 보자력은 작아 주위에 감겨져 있는 전기코일(15)에 의해 자화반전이 용이하게 되는 얼니코(Alnico)자석으로 구성되는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 전기코일(15)은 상기 크레인으로부터 인출되고, 전류공급방향의 전환이 가능한 전기도선(15a)과 연결된다.

또한, 상기 제 2폴부재(12)는 상기 제 1폴부재(11)의 장변에 부착되는 고정영구자석(13)과 인접하는 또다른 가변영구자석(13)사이를 연결하여 자력을 집속하도록 호형단면상으로 구성된다.

여기서, 상기 제 1,2폴부재(11)(12)는 투자율이 높으며, 포화자화값도 매우 높으며, 탄소량이 0.03wt.% 이하인 극저탄소강으로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 영구자석을 이용한 권상기(1)에 있어서 고정 및 가변 영구자석(13)(14)의 적층 높이, 내,외부케이스(20)(21) 및 엔드플레이트(22)의 두께 및 제 1,2폴부재(11)(12)의 치수 등이 흡착력과 탈착력을 결정하는데 중요한 변수가 되는데, 상기 권상기(1)를 설계할 때 유한 요소법에 근거한 상용 프로그림인 오페라(Opera)-3D라는 프로그램을 이용하여 실제 치수대입에 의한 3차원적 전산모사에 의해 흡착력과 탈착력을 계산하였다.

상기 강판코일(M)의 내권부 최대 반경을 고려하여 내부케이스(21)의 반경을 1140 mm로 하였고, 두께는 자체 중량을 고려하여 50 mm로, 높이는 410 mm로 하였다. 제 1폴부재(11)의 치수는 750×300×270mm로 하였으며, 상기 가변영구자석(14) 인 Alnico 영구자석은 750×300×100 mm, 고정영구자석(13)인 Nd₂Fe₁₄B영구자석은 750×125×125mm, 100×300×125mm, 50×300×125mm로 하였다. 자로역할을 하는 제 2폴부재(12)은 반경이 910mm, 두께가 300mm, 높이가 125mm이며, 상기 고정영구자석(13)사이에 형성되는 빈공간을 이어주도록 설계치를 결정하였다

결정된 설계치로 권상기의 흡착력을 계산한 결과 120톤을 권상할 수 있고, 탈착력은 0.8 ton을 권상할 수 있는 힘이 남아 있는 것으로 나타났다. 이는 안전율 300%를 고려하더라도 충분히중량물인 강판코일(M)l을 권상할 수 있다.

코일용 원통형 영구자석식 권상기를 조립함에 있어 가변 영구자석으로 사용되는 얼니코영구자석의 크기는 현존하는 제조 가능한 얼니코 자석의 최대 크기인 100×100×100 mm이므로 100×100×100 mm와 100×100×50 mm를 상기 제 1폴부재(11)후면의 단면적과 일치하도록 부착하고, 그 외부면에 전기코일(15)을 권선할 때 상기 전기코일(15)의 손상을 방지할수있도록 상기 가변영구자석(14)의 모서리를 라운딩가공처리한다.

또한, 상기 내부케이스(21)내에 배치되는 제 1폴부재(11)를 고정하기 위해서 상기 내부케이스의 외부면을 관통하여 상기 제 1폴부재(11)에 체결되는 체결부재를 갖추며, 이러한 체결부재의 재질은 SCM435(Cr-Mo)로 항복 강도가 95kg/mm2이면 적합하며, 그 직경은 안전율을 고려하여 16 mm 이상이고 20개 이상을 사용하는 것이 안전하다.

그리고, 상기 권상기(1)를 조립하는 순서는 내부케이스(21)내에 가변영구자 석(14)을 열십자형태로 위치시키고, 그 외부면에 상기 가변영구자석(14)을 충분히 자화반전을 시킬 수 있도록 전기코일(15)을 일정횟수이상 권선한 다음 실리콘 루버(silicon rubber)로 몰딩을 한 다음, 상기 가변영구자석(14)의 전면에 제 1폴부재(11)를 위치시키고, 상기 내부케이스(21)의 외부면으로부터 내주방향으로 체결되는 복수개의 체결부재로서 상기 내부케이스와 제 1폴부재를 서로 고정한다.

연속하여, 상기 제 1폴부재(11)의 장변과 단면에 고정영구자석(13)을 설계된 자화방향과 동일하게 적층하며, 호형으로 가공된 제 2폴부재(12)를 서로 인접하는 고정영구자석(12)사이에 연결시킨 다음, 상기 내부케이스(21)에 빈공간으로 남아있는모든 부분은 실린콘루버(silicon rubber)로 몰딩하여 채우고, 엔드플레이트(22)로서 일단을 밀봉한다.

그리고, 이러한 내부케이스(21)를 외부케이스(20)내로 삽입하여 다수개 적층하고, 상기 외부케이스(20)의 개방된 후단도 권상기의 본체와 자기적으로 불연속이 되도록 비자성 스테인레스인 SUS 304 판으로서 완전히 밀봉한다.

상기와 같은 권상기(1)를 이용하여 중공형 내권부를 갖는 강판코일(M)을 권상하는 작업은, 도 4에 도시한 바와같이, 외부케이스(20)의 상단외부면에 장착된 연결고리(24)를 상방으로 하여 이를 크레인(미도시)의 후크(K)에 와이어로프(80)를 매개로 매달면, 상기 외부케이스(20)의 밀폐된 전면이 하부로 향하면서, 바닥면에 누워 있어 중심부의 내권부가 수직한 강판코일(M)과 서로 대행하게 된다.

이러한 상태에서, 상기 강판코일(M)의 내권부와 상기 외부케이스(20)를 서로 일치시킨 상태에서 상기 외부케이스(20)를 하강시키면, 상기 내권부에 외부케이스(20)가 삽입됨과 동시에 상기 외부케이스(20)의 내부케이스(21)내에 수용된 고정, 가변영구자석(13)(14)의 자력에 의한 흡착력에 의하여 상기 강판코일(M)의 내권부를 확고히 흡착한다.

이때, 도 3(a)에 도시한 바와같이, 자화방향으로 나타나는 화살표의 시작점은 S극이며, 끝점은 N극으로 하고, 강판코일(M)의 내권부에 흡착하는 작업을 설명하면, 상하의 고정영구자석(13)의 자극은 모두 중심으로 향하도록 배치하고, 좌우의 고정영구자석(13)의 자극은 모두 중심에서 벗어나는 방향으로 배치한다. 여기서, 상기 상하 고정영구자석(13)의 자극이 모두 중심에서 벗어나도록 배치하면, 좌우 고정영구자석(13)의 자극은 중심으로 향하는 방향으로 배치하면 된다.

그리고, 상기 가변영구자석(14)의 상하 자극은 중심을 향하는 방향(도면상 뒤에서 앞으로 향하는 방향)으로 배치하고, 좌우 자극은 중심에서 벗어나는 방향(도면상 에서 앞에서 뒤로 향하는 방향)으로 배치하면 된다.

이에 따라, 상기 크레인의 후크(K)에 매달린 권상기(1)를 내권부에 자력으로서 강력하게 흡착시켜 강판코일(M)을 이송하는 작업을 안전하게 수행하수 있는 것이다.

상기와 반대로 상기 권상기(1)의 강판코일(M)을 분리하기 위한 탈착시에는 상기 고정영구자석(13)의 자극 방향을 그대로 유지한 상태에서, 상기 가변영구자석(14)에 권취된 전기코일(15)측으로 공급되는 전류공급방향을 반대로 하면, 상기 가변영구자석(14)의 상하 자극배치는 중심에서 벗어나는 방향(도면상 앞에서 뒤로 향하는 방향), 좌우 자극배치는 중심으로 향하는 방향(도면상 뒤에서 앞으로 향하는 방향)으로 배치되도록 한다.

이에 따라, 중량물인 강판코일(M)을 목적하는 장소에 안전하게 안착시킨상태에서 상기 권상기(1)와 강판코일(M)을 서로 분리할수 있는 것이다.

상술한 바와같은 본 발명에 의하면, 자화력이 큰 영구자석과 투자율이 큰 연자성 재료의 폴및 요크를 조합하여 고정, 가변영구자석에서 발생하는 자속을 적절히 집속시켜 발생되는 강력한 흡착력으로서 중공형 내권부를 갖는 강판코일을 간편하고, 안전하게 들어올릴수 있기 때문에, 종래와 같이 전기에너지의 공급중단에 의해서 중량물이 추락되는 안전사고의 발생염려가 없고, 자체중량을 현저히 줄일수 있는 한편, 설비유지비가 적게 소요되는 효과가 얻어진다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (4)

1. 두루마리형 강판코일(M)과 같은 중량물을 자력으로서 권상하도록 크레인에 장착되어 사용되는 권상기에 있어서,

   상기 강판코일(M)의 내권부에 삽입되고, 상기 크레인의 후크(K)에 연결되는 원통형 외부케이스(20)와,

   상기 외부케이스(20)의 내부공간으로 삽입되고, 복수개의 제 1폴부재(11)가 내주면에 열십자형태로 배치되고, 디스크형 엔드플레이트(22)에 의해서 일단이 밀봉되는 원통형 내부케이스(21)와,

   상기 제 1폴부재(11)의 장,단변에 부착되어 주자력선을 발생시키는 복수개의 고정영구자석(13)과,

   상기 제 1폴부재(11)의 후면에 부착되고, 흡,탈착력을 조절하도록 전류흐름공급방향에 따라 자화방향을 반전시키는 전기코일(15)이 외부면에 권선되어 부자력선을 발생시키는 가변영구자석(14)과,

   상기 고정영구자석(13)과 인접하는 또다른 고정영구자석(13)사이를 연결하여 자력을 집속하는 제 2폴부재(12)를 포함함을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 코일권상기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 고정영구자석(13)은 고유보자력(iHc)이 8∼15 kOe, 잔류자속밀도(Br)가 8∼12 kG 범위를 가지며, 강력한 보자력과 전류자속밀도를 보이는 희토류계 영구자석인 Nd2Fe14B과 SmCo5 을 사용함을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 코일권상기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 가변영구자석(14)은 보자력(Hc)이 700∼1500 Oe 범위이고, 잔류자속밀도(Br)가 10∼12 kG 범위이고, 전류자화밀도는 상당히 높으나 보자력은 작아 주위에 감겨져 있는 전기코일(15)에 의해 자화반전이 용이하게 되는 얼니코(Alnico)자석으로 구성됨을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 코일권상기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1,2폴부재(11)(12)는 투자율이 높으며, 포화자화값도 매우 높으며, 탄소량이 0.03wt.% 이하인 극저탄소강으로 이루어짐을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 코일권상기.

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