KR101174092B1 - 할바흐 배열을 이용한 자기부상 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 자기부상 시스템은 도체판, 및 상기 도체판 위에 위치하며 할바흐 배열(halbach array)을 갖는 복수개의 영구자석모듈과 상기 영구자석모듈들을 회전시키며 지상에 고정 설치된 전동기를 포함하는 지상측 부상장치, 및 상기 지상측 부상장치 위에 위치하는 도체판을 갖는 대차를 포함하고, 상기 영구자석모듈은 둘래 방향을 따라 배치된 복수 개의 영구자석편으로 이루어지며, 상기 영구자석편들의 자화방향은 상하방향으로 변하도록 배치된다.

Description

할바흐 배열을 이용한 자기부상 시스템{MAGNETIC LEVITATION SYSTEM HAVING HALBACH ARRAY}

본 발명은 자기부상 시스템에 관한 것으로서 보다 상세하게는 할바흐 배열을 갖는 자기부상 시스템에 관한 것이다.

자기부상 열차는 전기 자기력을 이용하여, 궤도로부터 일정한 높이로 부상하여 추진하는 열차를 말한다. 자기부상 열차는 궤도 상에서 부상 및 추진하는 대차와, 대차에 탑재되어 객차 또는 화차를 형성하는 차량 바디를 포함한다.

자기부상 열차는 대차와 궤도 사이에서 전자석에 의한 인력 또는 반발력을 응용하여, 대차를 궤도로부터 이격시킨 상태로 추진한다. 이와 같이 자기부상 열차는 궤도와 비접촉 상태로 추진하므로 소음 및 진동이 적고 고속 추진이 가능하다.

자기부상 열차의 부상 방법에는 자석의 인력을 이용하는 흡인식과, 자석의 반발력을 이용하는 반발식이 있다.

또한, 자기부상 열차의 부상 방법에는 전자석의 원리에 따라, 초전도 방식과 상전도 방식이 있다. 초전도 방식은 전기 저항이 없고 강한 자력을 얻을 수 있으므로 고속 열차에 적용하고, 상전도 방식은 중속도의 중단거리용 열차에 적용하고 있다.

반발식에는 같은 극의 영구자석 간에 작용하는 반발력을 이용하는 영구자석 반발식과, 차량에 부착된 자석의 운동으로 유도된 지상 코일의 유도전류에 의한 자장의 반발력으로 부상시키는 유도 반발식이 있으며, 일반적으로 흡인식보다는 반발식이 제어가 쉽고, 흡인식은 정지 시와 저속에서도 부상이 가능하다는 장점이 있다.

특히, 유도 반발식은 하중의 변화에 민감하지 않으며 초고속에 적합한데, 차량의 자석은 초전도 자석을 사용하고, 초전도를 위해서 극저온이 요구되므로 고가의 설치비가 요구되는 단점이 있다.

이와 같이 고속의 자기부상방식은 대표적으로 독일에서는 상전도 흡인식을 이용하여 연구가 진행되고 있으며, 일본에서는 초전도 반발식을 기본으로 하여 연구가 진행되고 있다.

흡인식이나 반발식 모두 전자석을 이용하여 부상력을 발생시키고 있는데, 원하는 부상력을 얻기 위해서는 전자석의 부피가 커야 하고, 이에 따라 전력의 소모가 크다는 문제가 있다.

한편, 궤도를 사용하지 않고 자석을 회전시켜서 부상하는 자기부상 시스템이 제안되고 있는 바, 이러한 부상 시스템은 회전하는 영구자석 또는 전자석의 회전에 의한 자기 유도 현상을 이용한 것이다. 자기 유도를 효율적으로 발생시키기 위해서는 영구자석의 위 또는 아래 방향으로 자기력선을 밀집시켜야 한다.

그러나 도 6에 도시된 바와 같이 종래의 영구자석 회전자는 자기력이 상하 방향으로 분포하기 보다는 가까운 방향인 측방향으로 작용하게 되므로 자력에 비하여 도체판에 작용하는 자기력 유도는 미미한 실정이다. 이에 따라 부상을 위해서는 강한 자력과 강한 회전력을 필요하고, 부상을 위한 에너지의 소모가 지나치게 커진다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 효율이 향상된 자기부상 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 자기부상 시스템은 도체판, 및 상기 도체판 위에 위치하며 할바흐 배열(halbach array)을 갖는 복수개의 영구자석모듈과 상기 영구자석모듈들을 회전시키며 지상에 고정 설치된 전동기를 포함하는 지상측 부상장치, 및 상기 지상측 부상장치 위에 위치하는 도체판을 갖는 대차를 포함하고, 상기 영구자석모듈은 둘래 방향을 따라 배치된 복수 개의 영구자석편으로 이루어지며, 상기 영구자석편들의 자화방향은 상하방향으로 변하도록 배치된다.

상기 도체판은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있으며, 상기 도체판의 위에는 강자성체판이 배치될 수 있으며, 상가 영구자석모듈은 고리형상으로 이루어질 수 있다.

상기 영구자석모듈은 위를 향하는 방향의 자화방향을 갖는 제1 자극 자석편과, 아래를 향하는 방향의 자화방향을 갖는 제2 자극 자석편, 및 상기 제1 자극 자석편과 상기 제2 자극 자석편 사이에 위치하며, 상기 제1 자극 자석편에서 제2 자극 자석편을 향하는 방향의 자화방향을 갖는 유도 자석편을 포함할 수 있으며, 상기 유도 자석편은 복수개로 이루어지고, 유도 자석편들의 자화방향은 제1 자극 자석편의 자화방향에서 제2 자극 자석편의 자화방향으로 점진적을 변하도록 배치될 수 있다.

상기 도체판과 상기 영구자석모듈 사이에는 자기력이 통과하거나 증폭되는 전달 플레이트가 설치될 수 있으며, 상기 영구자석모듈과 상기 전동기 사이에는 자기력을 흡수하는 하부 흡수판이 설치될 수 있다. 또한, 상기 도체판에는 보조 차륜이 설치될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 시스템은 회전자가 상하방향으로 자력을 유도하는 할바흐 배열을 가지므로 도체판으로 자기력을 효율적으로 전달할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기부상 시스템을 도시한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기부상 시스템의 지상측 부상장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 영구자석모듈을 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 영구자석모듈을 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기부상 시스템을 도시한 평면도이다.
도 6은 종래의 영구자석모듈을 도시한 사시도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기부상 시스템의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기부상 시스템의 지상측 부상장치를 도시한 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 자기부상 시스템(100)은 대차(120)와 대차(120)의 아래에 위치하는 지상측 부상장치(150)를 포함한다.

대차(120)는 부상 작동하며, 도체판(123)과 도체판(123) 상에 위치하는 강자성체판(121)을 포함한다. 도체판(123)은 강자성체판(121)과 밀착되어 있다. 이 때, 도체판(123)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지며, 강자성체판(121)은 외부에서 강한 자기장을 걸어주었을 때 알루미늄보다 더 큰 자성을 갖는 철, 니켈 코발트 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.

실시예와 같이 강자성체판(121)이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 도체판(123)에 밀착되면, 도체판(123)에 더욱 큰 와전류를 형성할 수 있으며, 이에 따라 더 큰 부상력이 발생하게 된다.

본 실시예에서는 도체판(123)이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 도체판(123)은 다양한 재질의 금속으로 이루어질 수 있다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 지상측 부상장치(150)는 도체판(123)과 마주하는 복수개의 영구자석모듈(140)과 영구자석모듈(140)을 회전시키는 전동기(153)를 포함한다.

영구자석모듈(140)들은 복수 개의 행과 열로 정렬되어 배치된다. 전동기(153)는 영구자석모듈(140)과 구동축(154)을 매개로 연결되며 영구자석모듈(140)과 전동기(153) 사이에는 하부 흡수판(151)이 설치된다. 하부 흡수판(151)은 영구자석모듈(140)의 자기력이 전동기로 전달되는 것을 방지할 수 있도록 자기력을 흡수할 수 있는 소재를 갖는다. 하부 흡수판(151) 자체가 자기력을 흡수할 수 있는 물질로 이루어질 수 있으며, 자기력 흡수부재가 필름 형태로 하부 흡수판(151)에 부착되거나 자기력 흡수부재가 분말 형태로 코팅될 수도 있다. 자기력을 흡수할 수 있는 물질은 일반적으로 자기력을 흡수할 수 있는 소재가 적용될 수 있다.

구동축(154)은 하부 흡수판(151)은 관통하여 하부 흡수판(151)의 위에 위치하는 영구자석모듈(140)과 연결되는 바, 이에 따라 영구자석모듈(140)은 전동기(153)에 의하여 자유롭게 회전할 수 있다. 본 실시예에서는 하나의 전동기(153)에 하나의 영구자석모듈(140)이 연결된 것으로 예시하고 있으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 하나의 전동기(153)에 복수개의 영구자석모듈(140)이 기어모듈을 통해서 연결될 수도 있다.

영구자석모듈(140)은 할바흐 배열(Halbach array)을 갖는 고리 형상으로 이루어진다. 할바흐 배열은 1979년 Klaus Halbach에 의하여 처음 제안된 것으로서, 복수 개의 영구자석 조각을 조합하여 모터 시스템에서 요구되는 자계분포를 발생시킨다.

도 3에 도시된 바와 같이 영구자석모듈(140)은 복수 개의 영구자석편들을 포하며, 영구자석편들의 자화방향은 상하방향으로 변하도록 배치된다. 본 기재에서 자화방향이 상하방향으로 변한다 함은 영구자석모듈을 구성하는 영구자석편들의 상하방향 자화방향이 상이함을 뜻한다.

영구자석모듈(140)은 자극 자석편(141, 142)과 자극 자석편들(141, 142) 사이에 배치된 안내 자석편(143, 144, 145)을 포함한다. 자극 자석편(141, 142)과 안내 자석편(143, 144, 145)은 영구자석모듈(140)의 둘레방향으로 이어져 배치된다. 이에 따라 영구자석모듈(140)은 대략 원형 고리 형상을 이룬다.

제1 자극 자석편(141)은 하방을 향하는 자화방향을 갖고, 제2 자극 자석편(142)은 상방을 향하는 자화방향을 갖는다. 이에 따라 제1 자극 자석편(141)은 하방으로 자기력선을 방출하고 제2 자극 자석편(142)은 상방으로 자기력선을 방출한다. 안내 자석편들(143, 144, 145)은 자기력선을 안내하는 역할을 하며, 자화 방향이 제1 자극 자석편(141)에서 제2 자극 자석편(142) 방향으로 점진적으로 변하도록 배치된다. 안내 자석편들(143, 143, 144)이 제1 자극 자석편(141)에서 방출된 자기력선을 제2 자극 자석편(142)으로 이동시키는 바, 이에 따라 아래쪽으로 나가는 자기력선은 밀집되지 못하고 퍼지게 되나, 위쪽으로 나가는 자기력선은 밀집된다. 영구자석모듈(140)은 자화방향이 일정하게 형성된 영구자석을 여러 조각으로 나눈 후, 이들을 결합하여 형성될 수 있다.

본 실시예에 따른 영구자석모듈(140)은 고리형으로 이루어지더라도 둘레방향으로 자화방향이 변하는 것이 아니라 상하방향으로 자화방향이 변하므로 영구자석모듈(140)은 하부에 형성되는 자기장의 세기를 최소화하면서 상부에 형성되는 자기장을 밀집시킬 수 있다. 따라서 영구자석모듈(140)의 자기장은 위쪽 방향으로 집중되어 기존의 영구자석보다 더 큰 부상력을 얻을 수 있다.

영구자석모듈(140)이 회전하면 페러데이(Faraday) 법칙에 의하여 전기장이 유도되며, 유도된 전기장으로 인하여 도체판(123)에는 전류가 발생한다. 즉, 영구자석모듈(140)이 움직이는 방향으로 자석의 자계의 변화를 방해하려는 기전력이 형성되고, 이 기전력은 도체판(123)에 와전류(eddy current)를 발생시킨다. 와전류의 세기는 도체판(123)의 도전율, 영구자석모듈(140)의 이동 속도 및 법선방향의 자속밀도의 크기에 비례한다.

도 6에 도시된 바와 같이 종래의 영구자석은 2개 또는 4개의 자극 자석편으로 이루어지는 바, 자기력이 아래로 밀집되기 보다는 옆쪽에 위치하는 자석으로 수평방향으로 이동하거나 퍼지게 된다. 이에 따라 자력에 비하여 도체판에 미치는 영향은 작아서 와전류의 세기가 크지 못하게 된다.

그러나 본 실시예와 같이 영구자석모듈(140)이 할바흐배열을 가지면 법선방향 자속밀도가 1.4배 이상 커지므로 보다 큰 와전류를 발생시킬 수 있다. 와전류가 발생하면 로렌쯔(Lorentz)의 힘이라는 자기력이 생성되며 이 자기력의 수직방향 성분이 부상력으로 작용한다.

로렌쯔 힘에 의하여 부상력이 발생할 뿐만 아니라 저항력도 발생하는데, 저항력(drag-force)이라 함은 영구자석모듈(140)의 회전 방향과 반대 방향으로 작용하는 힘을 말한다. 저항력은 저속에서는 크지만, 속도가 증가하면 점점 감소하며 부상력은 속도가 증가할 수록 더욱 커진다. 본 실시예서 저항력은 대차(120)가 이동하는 방향이 아닌 영구자석모듈(140)의 회전방향으로 발생하고, 전동기(131)에 의하여 영구자석모듈(140)이 고속으로 회전하므로 일렬로 배열된 할바흐 배열에 비하여 저항력을 최소화할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따르면 할바흐 배열을 갖는 영구자석모듈(140)을 이용하여 큰 부상력을 발생시킬 수 있으며, 이에 따라 종래의 자기부상 시스템에 비하여 부상을 위한 전력 소비를 현저히 감소시킬 수 있다.

본 실시예에서는 영구자석모듈(140)이 8 요소의 할바흐 배열로 이루어진 것으로 예시하고 있지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

도 4는 본 제1 실시예의 변형예에 따른 영구자석모듈(160)을 도시한 사시도이다.

도 4를 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 영구자석모듈(160)은 4개의 자극 자석편(161, 162)과 자극 자석편들(161, 162) 사이에 배치된 안내 자석편(163)을 포함한다. 자극 자석편(161, 162)과 안내 자석편(163)은 영구자석모듈(160)의 둘레방향으로 이어져 배치된다. 이에 따라 영구자석모듈(160)은 대략 원형 고리 형상을 갖는다.

제1 자극 자석편(161)은 상방으로 자기력선을 방출하고, 제2 자극 자석편(162)은 하방으로 자기력선을 방출한다. 안내 자석편들(163)은 자기력선을 안내하는 역할을 하며, 자화 방향은 제2 자극 자석편(162)에서 제1 자극 자석편(161)을 향하는 방향이 된다. 이에 따라 안내 자석편들(163)은 제2 자극 자석편(162)에서 방출된 자기력선을 제1 자극 자석편(161)으로 이동시킨다. 따라서 아래쪽으로 나가는 자기력선은 밀집되지 못하고 퍼지게 되나, 위쪽으로 나가는 자기력선은 밀집된다. 영구자석모듈(160)은 자화방향이 일정하게 형성된 영구자석을 여러 조각으로 나눈 후, 이들을 결합하여 형성될 수 있다.

본 실시예에 따른 영구자석모듈(160)은 하부에 형성되는 자기장의 세기를 최소화하면서 상부에 형성되는 자기장을 밀집시킬 수 있다. 따라서 영구자석모듈(160)의 자기장은 위쪽 방향으로 집중되어 기존의 영구자석보다 더 큰 부상력을 얻을 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기부상 시스템을 도시한 단면도이다.

도 5를 참조하여 설명하면 본 실시예에 따른 자기부상 시스템(200)은 대차(120)와 대차(120)의 아래에 위치하는 지상측 부상장치(150)를 포함한다.

본 실시예에 따른 자기부상 시스템(200)은 전달 플레이트와 보조 차륜이 설치된 것을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 자기부상 시스템과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구조에 대한 중복 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 영구자석모듈(140)들 상에는 지상에 고정된 전달 플레이트(157)가 설치된다. 전달 플레이트(157)은 영구자석모듈(140)에서 발생된 자기력이 흡수되거나 반사되지 않고 통과시키거나 증폭할 수 있도록 자기력을 통과시키거나 증폭시킬 수 있는 물질로 이루어진다.

본 실시예와 같이 전달 플레이트(157)가 설치되면 영구자석모듈들(140)을 보호할 수 있을 뿐만 아니라 부상이 정지될 경우, 도체판(123)에 설치된 보조차륜(137)을 이용하여 대차가 이동할 수 있다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100, 200: 자기부상 시스템 120: 대차
121: 강자성체판 123: 도체판
131: 전동기 137: 보조차륜
1401 160: 영구자석모듈 141, 161: 제1 자극 자석편
142, 162: 제2 자극 자석편 143, 144, 145, 163: 안내 자석편
150: 지상측 부상장치 151: 하부 흡수판
153: 전동기 154: 구동축
157: 전달 플레이트

Claims (9)

1. 서로 다른 자화방향을 갖는 복수개의 영구자석편을 갖는 복수 개의 영구자석모듈과 상기 영구자석모듈을 회전시키는 복수 개의 전동기를 포함하는 지상측 부상장치; 및
   상기 지상측 부상장치 상에 위치하는 도체판을 갖는 대차;
   를 포함하며,
   상기 영구자석모듈들과 상기 도체판 사이에는 전달 플레이트가 설치된 자기부상 시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 도체판은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 자기부상 시스템.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 영구자석모듈은 할바흐 배열(halbach array)을 갖는 자기부상 시스템.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 영구자석모듈은 복수 개의 영구자석편들을 포함하고, 상기 영구자석모듈의 둘레 방향을 따라 배치된 상기 영구자석편들의 자화방향은 상기 영구자석모듈의 높이방향으로 변하도록 배치된 자기부상 시스템.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 영구자석모듈은 하방을 향하는 자화방향을 갖는 제1 자극 자석편과, 상방을 향하는 자화방향을 갖는 제2 자극 자석편, 및 상기 제1 자극 자석편과 상기 제2 자극 자석편 사이에 위치하며, 상기 제1 자극 자석편에서 제2 자극 자석편을 향하는 방향의 자화방향을 갖는 유도 자석편을 포함하는 자기부상 시스템.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 유도 자석편은 복수개로 이루어지고, 상기 유도 자석편들의 자화방향은 제1 자극 자석편의 자화방향에서 제2 자극 자석편의 자화방향으로 점진적으로 변하도록 배치된 자기부상 시스템.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 전달 플레이트는 자기력을 통과시키거나 증폭시키는 자기부상 시스템.
8. 서로 다른 자화방향을 갖는 복수개의 영구자석편을 갖는 복수 개의 영구자석모듈과 상기 영구자석모듈을 회전시키는 복수 개의 전동기를 포함하는 지상측 부상장치; 및
   상기 지상측 부상장치 상에 위치하는 도체판을 갖는 대차;
   를 포함하며,
   상기 영구자석모듈과 상기 전동기 사이에는 자기력을 흡수하는 하부 흡수판이 설치된 자기부상 시스템.
9. 제3 항에 있어서,
   상기 영구자석모듈은 고리형상으로 이루어진 자기부상 시스템.

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