KR101131807B1 - 동전형 변환기용 자기회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스피커나 가진기(SHAKER)와 같은 동전형(動電形 DYNAMIC) 변환기에 적용되는 동전형 변환기용 자기회로에 관한 것으로, 구체적으로는 종래의 외자형 멀티마그네트 방식의 동전형 변환기용 자기회로의 크기에 비하여 공극의 직경을 크게 형성시킴으로써, 보이스 코일 권선의 체적을 증가시킬 수 있고, 공극에 공기의 흐름이 원활하게 하여 온도상승을 억제할 수 있으며, 이로 인해 대전류를 충분히 인가시킬 수 있도록 하고, 또한, 멀티 마그네트 방식 및 확장된 직경의 공극으로 인해 자속을 충분히 증가시키되, 누설자속은 감소시킴으로써 대출력의 동전형 변환기에 적용할 수 있도록 할 뿐만 아니라 구조가 단순하여 제작이 용이하도록 한 동전형 변환기용 자기회로에 관한 것이다.
따라서, 상기와 같은 본 발명의 동전형 변환기용 자기회로에 의해, 종래의 외자형 멀티마그네트 방식 자기회로를 대출력이 요구되는 동전형 변환기에 적용하고자 할 경우 발생하는 보이스 코일 권선의 확장이 제한되는 구조적인 문제, 온도상승 및 누설자속의 문제점들을 해결할 수 있다.

Description

동전형 변환기용 자기회로{MAGNETIC CIRCUIT FOR DYNAMIC TRANSDUCER}

본 발명은 스피커나 가진기(SHAKER)와 같은 동전형(動電形,DYNAMIC) 변환기에 적용되는 동전형 변환기용 자기회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 종래의 외자형 멀티마그네트 방식의 동전형 변환기용 자기회로의 크기에 비하여 공극의 직경을 크게 형성시킴으로써, 보이스 코일 권선의 체적을 증가시킬 수 있고, 공극에 공기의 흐름이 원활하게 하여 온도상승을 억제할 수 있으며, 이로 인해 대전류를 충분히 인가시킬 수 있도록 하고, 또한, 멀티 마그네트 방식 및 확장된 직경의 공극으로 인해 자속을 충분히 증가시키되, 누설자속은 감소시킴으로써 대출력의 동전형 변환기에 적용할 수 있도록 할 뿐만 아니라 구조가 단순하여 제작이 용이하도록 한 동전형 변환기용 자기회로에 관한 것이다.

따라서, 상기와 같은 본 발명의 동전형 변환기용 자기회로에 의해, 종래의 외자형 멀티마그네트 방식 자기회로를 대출력이 요구되는 동전형 변환기에 적용하고자 할 경우 발생하는 보이스 코일 권선의 확장이 제한되는 구조적인 문제, 온도상승 및 누설자속의 문제점들을 해결할 수 있다.

일반적으로 동전형 변환기의 자기회로는, 그 구조에 따라 크게 내자형과 외자형 두 가지분류 되는데, 내자형 자기회로는 도 1에 도시된 바와 같이, 원통형 마그네트(20)가 자로를 형성하는 요크(10)의 내부에 존재하여 공극(20a)이 마그네트(20)의 외주와 요크(10) 내경 사이에 형성되며, 외자형 자기회로는 도 2에 도시된 바와 같이, 요크폴(9)의 외주에 링 형상의 마그네트(2)가 있고 공극(2a)이 마그네트(2)의 내경과 요크폴(9) 사이에 형성된다.

구체적으로, 상기 내자형 자기회로와 외자형 자기회로가 스피커에 적용된 일실시예(도 3 및 4 참조)를 통해 그 구성 및 동작을 상세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 내자형 스피커는 도 3에 도시된 바와 같이 요크(10)와, 상기 요크(10)에 부착된 마그네트(20)와, 상기 마그네트(20)의 상면에 부착된 폴피스(30)와, 상기 요크(10)의 상면에 결합된 프레임(40)과, 상기 요크(10) 및 폴피스(30) 사이의 공극(20a, 도 1참조)에 위치된 권선부 및 보빈으로 구성된 보이스 코일(50)과, 이 보이스 코일(50)의 상부에 형성된 진동판(60) 및 댐퍼(70)와, 보이스 코일(50)의 상단에 접착되는 센터캡(80)으로 구성된다. 여기에서 요크(10)와, 마그네트(20)와, 폴피스(30)를 합하여 자기 회로라 말한다.

상기 구성으로 이루어진 종래 내자형 스피커의 동작을 살펴보면, 먼저 마그네트(20)로부터 발생된 자계가 폴피스(30)를 통해 요크(10)사이의 공극(20a)을 통과하여 요크(10)를 지나 자속을 형성하고, 상기 공극(20a) 내에 놓인 보이스 코일(50)에 전류가 흘러 구동력이 발생되어 진동판(60) 및 댐퍼(70)에 전달되면, 상기 진동판(60) 및 댐퍼(70)는 보이스 코일(50)의 구동력에 대응되어 진동을 하게 되고, 이 진동판(60) 및 댐퍼(70)의 진동으로 결국 음향신호가 발생되어 음파를 생성하게 된다.

아울러, 외자형 스피커는 도4에 도시된 바와 같이 중앙부에 요크폴(9)이 돌출 형성된 요크(1)와, 상기 요크(1)의 상면 외주면에 부착된 마그네트(2)와, 상기 마그네트(2)의 상면에 부착된 플레이트(3)와, 상기 플레이트(3)의 상면에 결합된 프레임(4)과, 상기 요크(1) 및 플레이트(3) 사이의 공간부에 위치된 권선부 및 보빈으로 구성된 보이스 코일(5)과, 상기 보이스 코일(5)의 상부에 형성된 진동판(6) 및 댐퍼(7)와, 보이스 코일(5)의 상단에 접착되는 센터캡(8)으로 구성된다. 여기에서 요크(1)와, 마그네트(2)와, 플레이트(3)를 합하여 자기 회로라 말한다.

상기 구성으로 이루어진 종래의 외자형 스피커의 동작을 살펴보면, 먼저 마그네트(2)로부터 발생된 자계가 플레이트(3)를 통해 요크(1)와 플레이트(3)사이의 공극(2a, 도 2참조)을 통과하여 요크(1)를 지나 자속을 형성하고, 상기 공극(2a) 내에 놓인 보이스 코일(5)에 전류가 흘러 구동력이 발생되어 진동판(6) 및 댐퍼(7)에 전달되면, 이 진동판(6) 및 댐퍼(7)는 상기 보이스 코일(5)의 구동력에 대응되어 진동을 하게 되고, 이 진동판(6) 및 댐퍼(7)의 진동으로 결국 음향신호가 발생되어 음파를 생성하게 된다.

상기와 같은 종래의 자기회로는 내자형의 경우, 휴대형 가전제품에 요구되는 소형 스피커와 같이 상대적으로 소형, 저출력의 변환기에 효율적인 구조이며, 외자형은 큰 진동이 필요한 대출력의 스피커의 자기회로에서 대형의 마그네트를 사용하는 제품에 유용하게 사용되어 왔다.

한편, 동전형 변환기의 보이스 코일에 발생하는 힘 F 값은 아래 수학식에 의해 구해진다

F = BLI

상기 식에서 B는 자기회로의 공극에 쇄교하는 자속밀도이며 L은 보이스코일의 길이이고 I는 코일에 흐르는 전류이다.

따라서, 대출력의 동전형 변환기를 제작하기 위해서는, 상기 수학식의 삼요소(B, L, I)의 값을 키우는 것으로 가능하지만, 이를 위해서는 보이스 코일에 인가되는 전류와 보이스 코일의 직류저항성분에 의해 소모되는 전력으로 인한 보이스코일과 자기회로의 온도상승을 억제하여야 하고, 높은 구동력을 생성에 필요한 많은 자속을 확보하기 위하여 자속이 쇄교하는 공극의 원주를 확장하고 높이를 늘려서 굵고 긴 보이스 코일이 공극에 감길 수 있도록 해야하며, 이에 비례하여 마그네트를 포함한 자기회로를 키워서 공극의 자속밀도를 증가시켜야만 큰 출력을 얻을 수 있다.

한편, 상기 종래 자기회로를 이용하여 그 크기를 확장하는 것으로 수 백W 출력의 전력증폭기와 결합하여 구동되는 것에 특별하게 문제되지는 않지만, 특별히 큰 구동력이 필요한 수 kW급의 스피커나 가진기의 경우 대형 마그네트를 채택하여 상기구조를 확장하는 것만으로는 부족하다.

그 이유는 상기 종래와 같은 구조의 자기회로에서는 자기회로를 확장하기 위해서는 반드시 대형의 마그네트가 필요하지만 마그네트를 대형으로 만들게 되면 자석을 자화시키기 위한 대용량의 착자기가 필요하며, 대용량 착자기는 제조비용도 비싸지만 착자 순간에 인가되는 대량의 돌입전류와 이로 인한 높은 자장으로 인한 기계적 충격과 발열을 처리하기가 대단히 어려울 뿐 아니라, 자화된 대형자석의 자력으로 인하여 자기회로에 조립하는 것이 쉬운 일이 아니기 때문이다.

이러한 문제로 대형자석의 제조가 어렵기 때문에 도 1과 도 2의 자기회로를 대형화시키는 것에는 한계가 있으며 특히 마그네트의 소재의 경우 대출력의 변환기를 제작하기 위해서 페라이트에 비하여 5배 이상의 보자력을 가지는 네오듐을 사용하게 되면 자석의 크기는 더욱 줄어들게 된다.

특히, 외자형 자기회로의 경우 그 구조상 공극 직경은 링형 마그네트의 내경을 초과할 수 없으므로 보이스코일 권선의 직경이 제한되고 내자형 자기회로의 경우 마그네트 외경을 초과하여 보이스코일의 직경을 키울 수는 있지만, 폴의 직경이 마그네트의 직경을 초과하는 것에 비례하여 폴피스와 요크사이에 누설되는 자속이 증가되므로 마그네트의 크기에 비례하여 일정수준에서 공극의 크기를 제한할 수밖에 없으며, 원통형 마그네트의 경우 링형에 비하여 내부의 빈 공간이 없으므로 동일한 체적에서 외경은 링형에 비하여 작으므로 공극의 직경을 충분히 확보하기 어렵다.

상기와 같은 자석의 크기에 따른 제약을 해결하기 위한 수단으로 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 도 2의 외자형 자기회로에서 한 개의 링형 마그네트(2)를 대신하여 원통형의 마그네트(90) 다수를 방사선 방향으로 원주에 균일한 간격으로 배열하는 멀티마그네트방식이 제시되었다.

관련 선행기술로써, 미합중국 특허 US6020805와 유럽특허 EP1381252는 이러한 멀티마그네트방식을 응용하여 마그네트의 크기의 제한에 따른 대형 자기회로를 제작하기 위한 수단들을 제안하였다.

또한, 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0033937호에 따른 자기회로의 구조도 마그네트를 상하로 이중 배열하는 차이는 있지만 근본적으로는 상기의 경우와 같이 멀티 마그네트방식을 응용한 일례이다.

하지만, 상기한 멀티마그네트 방식을 응용한 자기회로의 대형화는 근본적으로 도 2에 도시된 외자형 자기회로 방식에서 출발한 기술이므로 공극의 직경의 크기는 원형으로 배열된 마그네트의 내측에 내접하는 원주의 크기를 초과할 수 없는 한계를 가지므로 보이스 코일의 권선을 확대하여 대 전류를 흘리고자 한다면, 자기회로의 외경도 동시에 확장하여야 하고, 이로 인해 자기회로의 공극 직경에 비하여 자기회로의 크기는 마그네트의 직경의 2배 이상으로 비대해지는 문제가 있다.

아울러, 자석이 외부로 노출됨으로 누설자속이 외부의 기기에 영향을 주게 되지만 이를 차폐하기 위한 수단이 쉽지 않다.

또한, 상기 대한민국 공개특허공보 제10-2006-0033937호에 따른 자기회로에서는 외부로 누설되는 자속을 차폐하는 구조이긴 하지만 상대적으로 자기회로가 복잡하여 제작이 용이하지 못하고 공극의 일측이 폐쇄되어 공기의 흐름이 원활하지 못하여 보이스코일의 온도상승을 억제하기 어려워 큐리온도(Curie temperature)가 낮고 온도에 의한 감자특성이 큰 네오듐 자석을 적용할 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 종래의 외자형 멀티마그네트 방식 자기회로를 대출력이 요구되는 동전형 변환기에 적용하고자 할 경우 발생하는 보이스 코일 권선의 확장이 제한되는 구조적인 문제, 온도상승 및 누설자속의 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 종래의 외자형 멀티마그네트 방식의 동전형 변환기용 자기회로의 크기에 비하여 공극의 직경을 크게 형성시킴으로써, 보이스 코일 권선의 체적을 증가시킬 수 있고, 공극에 공기의 흐름이 원활하게 하여 온도상승을 억제할 수 있으며, 이로 인해 대전류를 충분히 인가시킬 수 있도록 한 동전형 변환기용 자기회로를 제공함을 과제로 한다.

또한, 멀티 마그네트 방식 및 확장된 직경의 공극으로 인해 자속을 충분히 증가시키되, 누설자속은 감소시킴으로써 대출력의 동전형 변환기에 용이하게 적용할 수 있는 동전형 변환기용 자기회로를 제공함을 다른 과제로 한다.

또한, 구조가 단순하여 제작이 용이한 동전형 변환기용 자기회로를 제공함을 또 다른 과제로 한다.

본 발명은 동전형 변환기용 자기회로에 있어서, 측면이 외벽으로 마감되고, 하부면 중심에 통구가 형성되는 요크; 상기 통구의 외주면을 따라 방사형으로 배열되는 마그네트; 및 상기 마그네트의 상부면을 마감하는 판형의 플레이트;을 포함하여 구성되되, 상기 마그네트의 외주면과 요크 외벽의 내주면 사이에 공극이 형성되고, 상기 공극은 통구와 연통하는 것을 특징으로 하는 동전형 변환기용 자기회로를 과제의 해결 수단으로 한다.

한편, 상기 마그네트는, 상기 통구의 외주면을 따라 동일한 간격을 가지며 3개 이상 배열되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 마그네트는, 수직방향으로 2개 이상 적층될 수 있다.

또한, 상기 플레이트는, 상기 통구의 외주면을 따라 배열된 마그네트의 전체 외접원과 대응되는 직경을 가지는 것이 바람직하다.

또한, 상기 동전형 변환기용 자기회로는, 상기 요크의 내측 깊이(L1)가, 마그네트의 두께(L2) 및 플레이트의 두께(L3)를 합한 값과 동일한 값으로 구성되며,상기 요크 외벽의 내주면을, 요크 외벽의 외주면 측으로 소정의 깊이(L4)만큼 함몰시키되, 마그네트의 높이(L2)와 대응되는 높이에서 외벽의 외주면 측으로 함몰(깎아냄)시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하며, 종래의 외자형 멀티마그네트 방식의 동전형 변환기용 자기회로의 크기에 비하여 공극의 직경을 크게 형성시킴으로써, 보이스 코일 권선의 체적을 증가시킬 수 있고, 공극에 공기의 흐름이 원활하게 하여 온도상승을 억제할 수 있으며, 이로 인해 대전류를 충분히 인가시킬 수 있도록 한 장점이 있다.

또한, 멀티 마그네트 방식 및 확장된 직경의 공극으로 인해 자속을 충분히 증가시키되, 누설자속은 감소시킴으로써 대출력의 동전형 변환기에 용이하게 적용할 수 있는 장점이 있다.

또한, 구조가 단순하여 제작이 용이한 장점이 있다.

도 1은 종래 내자형 자기회로의 평면도 및 단면도
도 2는 종래 외자형 자기회로의 평면도 및 단면도
도 3은 도 1을 스피커에 적용한 일 실시예를 나타낸 단면도
도 4는 도 2를 스피키에 적용한 일 실시예를 나타낸 단면도
도 5는 종래 외자형 멀티마그네트 방식의 자기회로를 나타낸 평면도 및 단면도
도 6은 종래 외자형 멀티마그네트 방식의 자기회로를 나타낸 부분절개도
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 동전형 변환기용 자기회로의 부분절개도
도 8a는 도 6의 평면도 및 단면도
도 8b는 도 6의 상세 단면도

상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예의 구성 및 그 작용 효과에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 동전형 변환기용 자기회로의 부분절개도이고, 도 8a는 도 6의 평면도 및 단면도이며, 도 8b는 도 6의 상세 단면도로써, 본 발명은 요크(100), 마그네트(200) 및 플레이트(300)를 포함하여 구성된다.

상기 요크(100)는, 내부에 마그네트(200)를 수용하는 부재로써, 도 7 및 도 8a의 단면도에 도시된 바와 같이, 측면이 외벽(101)으로 마감되고, 하부면 중심에 통구(102)가 형성된다.

상기 마그네트(200)는, 도 8a의 평면도에 도시된 바와 같이, 상기 통구(102)의 외주면을 따라 방사형으로 배열되되, 동일한 간격을 가지며, 3개 이상 배열된다.

아울러, 동전형 변환기용 자기회로의 사용목적 및 적용대상에 따라 상기 마그네트(200)를 수직방향으로 2개 이상 적층 할 수 있다.

상기 플레이트(300)는, 상기 복수개의 마그네트(200) 상부면을 마감하는 판형의 부재로써, 도 7 및 도 8a에 도시된 바와 같이, 상기 통구(102)의 외주면을 따라 배열된 마그네트(200)의 전체 외접원과 대응되는 직경을 가진다.

여기서, '대응'이라는 의미는 마그네트(200)의 전체 외접원과 동일한 직경 또는 전체 외접원 보다 조금 큰 직경을 선택적으로 가질 수 있음을 뜻한다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 동전형 변환기용 자기회로는 도 7 및 도 8a에 도시된 바와 같이, 상기 마그네트(200)의 외주면과 요크 외벽(101)의 내주면 사이에 공극(200a)이 형성되되, 마그네트(200)의 전체 외접원보다 큰 직경을 가지는 공극(200a)이 형성되고, 통구(102)와 연통하게 된다.

이를 더욱 구체적으로 한정하여 설명하면, 도 8b의 상세 단면도에 도시된 바와 같이, 상기 요크 외벽(101)의 내측 깊이(L1)는 마그네트(200)의 두께(L2)와 플레이트(300)의 두께(L3)를 합한 것과 동일한 값으로 구성된다.

또한, 상기 요크 외벽(101)의 내주면을 요크 외벽(101)의 외주면 측으로 소정의 깊이(L4)만큼 함몰(깎아냄)시키되, 마그네트(200)의 높이(L2)와 대응되는 높이에서 외벽(101)의 외주면 측으로 함몰(깎아냄)시킴으로써, 누설자속을 감소시키고 중량을 경감시킬 수 있다.

아울러, 상기 통구(102) 역시, 상기 요크 외벽(101)과 플레이트(300) 간의 누설자속을 감소시키고 중량을 경감시키는 역할을 하며, 이에 더하여 공극(200a)에 놓여진 보이스 코일 권선에서 발생한 열이 외부로 발산되어 온도상승을 억제하는 역할을 한다.

한편, 플레이트(300)와 마그네트(200), 마그네트(200)와 요크(100)의 결합은 접착제로 결합되며, 마그네트(200)와 접하는 면에 미리 요철을 형성하여 마그네트(200)를 접착하거나 또는 통상의 위치 가이드를 이용하여 접착제가 응고되면 가이드를 제거하는 방법으로 상기 부품들을 조립할 수 있다.

또한, 상기 마그네트(200)는 크기와 수량을 변경하여 공극(200a)의 자속밀도를 조절할 수 있으며, 필요에 따라 요크 외벽(101)을 연장하고, 그에 대응하여 마그네트(200)를 2개 이상 적층함으로써, 공극(200a)의 자속을 증가시켜 충분한 자속밀도를 확보할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 동전형 변환기용 자기회로는 보이스 코일 권선의 외면과 공극(200a) 외주면 사이를 통하여 유입된 공기가 마그네트(200) 주위를 통과하여 중심부로 모인 다음 요크(100) 하부면 중심의 통구(102)를 통하여 외부로 순환됨에 따라, 보이스 코일의 진동에 의한 자연 순환이 발생하여 냉각효율이 향상되고 자기회로를 구성하는 모든 부품이 외부공기에 노출되어 마그네트(200)를 포함한 자기회로의 냉각에도 유리하다.

또한, 통상의 페라이트 마그네트에 비하여, 보자력은 높고 큐리온도가 낮은 네오듐 자석을 적용할 경우, 한층 더 유리한 구조이다.

한편, 요크(100)의 통구(102)에 냉각팬을 부착할 경우, 강제 냉각이 가능하여 종래의 자기회로와 비교하여 월등하게 많은 전류를 공급할 수 있다.

또한, 상기와 같이 구성되는 자기회로는 마그네트(200)를 요크(100)가 포위하는 구조가 되어 종래의 외자형 멀티 마그네트(도 5참조)에 비하여 외부 공간으로 누설되는 자속이 감소된다.

또한, 이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서의 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

100 : 요크 101 : 요크 외벽
200 : 마그네트 200a : 공극
300 : 플레이트

Claims (5)

1. 동전형 변환기용 자기회로에 있어서,
   측면이 외벽으로 마감되고, 하부면 중심에 통구가 형성되는 요크;
   상기 통구의 외주면을 따라 방사형으로 배열되는 마그네트; 및
   상기 마그네트의 상부면을 마감하는 판형의 플레이트;를 포함하여 구성되되,
   상기 마그네트의 외주면과 요크 외벽의 내주면 사이에 공극이 형성되고,
   상기 공극은 통구와 연통하되,
   상기 요크의 내측 깊이(L1)가, 마그네트의 두께(L2) 및 플레이트의 두께(L3)를 합한 값과 동일한 값으로 구성되며,
   상기 요크 외벽의 내주면을, 요크 외벽의 외주면 측으로 소정의 깊이(L4)만큼 함몰시키되, 마그네트의 높이(L2)와 대응되는 높이에서 외벽의 외주면 측으로 함몰시키는 것을 특징으로 하는 동전형 변환기용 자기회로
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 마그네트는,
   상기 통구의 외주면을 따라 동일한 간격을 가지며 3개 이상 배열되는 것을 특징으로 하는 동전형 변환기용 자기회로
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 마그네트는,
   수직방향으로 2개 이상 적층되는 것을 특징으로 하는 동전형 변환기용 자기회로
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 플레이트는,
   상기 통구의 외주면을 따라 배열된 마그네트의 전체 외접원과 대응되는 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 동전형 변환기용 자기회로
   
5. 삭제

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