KR101268392B1 - 비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석 및 펄스 전자석 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 펄스 전자석은 중공을 구비한 원통형 코일부 및 상기 코일부의 외주를 따라 법선 방향으로 연장되어 배치되는 비정질 금속 모듈을 포함함으로써, 냉각이 용이하고, 맴돌이 전류의 발생을 최소화할 수 있다.

Description

비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석 및 펄스 전자석 조립체{Pulsed Magnet using Amorphous Metal Modules and Pulsed Magnet Assembly}

본 발명의 일실시예들은 비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석에 관한 것이다.

전자석은 특정 형태의 전선에 전류를 흘려 자기장을 발생하는 장치이다.

대표적인 전자석인 솔레노이드(Solenoid)는 전선을 나선형으로 감은 코일에 전류를 흘리면 코일의 축 방향으로 전선의 감은 횟수와 흐르는 전류세기에 비례한 자기장을 형성한다.

이러한 전자석은 영구자석과 달리 전류를 제어하여 필요한 순간에 자기장을 발생하여 사용할 수 있고, 전류의 세기를 조절하여 자기장 세기도 임의로 조절할 수 있어 다양한 응용이 가능하다.

특히 입자를 가속시키는 가속기나 전자파를 발생하는 진공 튜브와 같은 장치는 전자빔을 집속하고 가속하기 위하여 일반적인 자석으로는 도달할 수 없는 수에서 수십 테슬라(Tesla)의 강한 자기장이 필요하기도 하므로 전자석을 이용하는 경우가 많다.

전자석을 운용 방법에 따라 구분하면 지속파(Continuos Wave) 전자석과 펄스 전자석으로 나눌 수 있다.

지속파 전자석은 DC 전류를 이용하여 발생하는 자기장을 시간 축 상에서 일정하게 유지하는 전자석이다.

이에 반해 펄스 전자석은 자기장이 필요한 시점에만 펄스 전류를 인가하여 자기장 역시 펄스 형태로 발생시킨다.

펄스 전자석은 필요한 시점에 맞춰 동작하도록 하는 동기 제어 회로 등의 부가적인 장치들이 필요하지만, 필요한 순간만 전류를 공급하면 되므로 지속파 전자석에 비해 에너지 효율이 우수한 장점이 있다.

특히 강한 자기장이 필요하여 전력 소비량이 많거나 펄스 지속시간(Pulse duration)이 적을 경우에 펄스 전자석이 유용하다.

펄스 전자석은 충전기, 축전기, 스위치 등으로 구성된 펄스 전원 공급기와 스위치 동작용 트리거(Trigger) 신호 발생 장치를 통해 전류원을 인가받아 동작된다.

펄스 전자석은 하나의 코일로 구성하기도 하지만 긴 구간에 균일한 자기장을 공급하기 위해 여러 단의 코일로 구성하기도 한다.

고출력으로 동작하는 펄스 전자석의 경우에는 열이 발생한다.

일반적인 전자석의 냉각을 위해서는 코일의 단면적을 넓히거나 코일 사이 또는 코일과 일체형으로 세밀한 도체 냉각 채널을 만들기도 한다.

그러나 이렇게 냉각을 위해 코일이 두꺼워지면 펄스 전류에 의한 맴돌이 전류가 발생하기 쉬워 빠른 상승시간을 갖는 펄스 전자석에 적합하지 않다.

또한, 전자파를 발생하는 진공 튜브 내의 전자빔을 집속하는 전자석과 같은 경우에 매우 높은 자기장 균일도 및 순도가 필요하다.

즉 수 mm의 두께를 갖는 미세한 전자빔이 집속용 자기장에 따라 um 단위의 오차범위 내로 진행해야 하므로 자기장의 균일도가 1 ~ 2 % 내의 오차로 유지되고 축 방향 이외의 자기장은 최대한 없도록 해야 한다.

자기장의 균일도 및 순도에 영향을 미치는 것은 앞서 언급한 맴돌이 전류 이외에도 코일의 권선에 의해 발생하기도 한다.

즉 나선형의 코일을 감으면 원주방향의 성분뿐만 아니라 미세하게 축방향의 성분 또한 존재하게 되므로 축 방향의 전류 성분이 생기고 이에 따라 원하지 않는 코일의 접선 방향 자기장 성분이 발생할 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로 비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석을 제안하여 기존의 문제점들을 해결하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 제반적인 문제점을 해결하기 위한 것으로, 냉각이 용이하고, 맴돌이 전류의 발생을 최소화한 펄스 전자석을 제공하기 위한 것이다.

이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 펄스 전자석은 중공을 구비한 원통형 코일부 및 상기 코일부의 외주를 따라 법선 방향으로 연장되어 배치되는 비정질 금속 모듈을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 비정질 금속 모듈은, 비정질 금속 리본과 절연 필름이 교대로 적층된 블록 구조로 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원통형 코일부는, 펄스 전자석 코일이 제1 방향으로 상기 중공의 외주를 따라 감기어 제1 단을 형성하고, 상기 제1 방향과 반대 방향으로 상기 제1 단에 적층되도록 감기어 제2 단을 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원통형 코일부를 수용하도록 내부에 수납공간을 형성하는 제1 케이스 및 상기 제1 케이스에 대면하여 결합되는 제2 케이스를 더 포함하고, 상기 원통형 코일부에 근접하여 상기 비정질 금속 모듈이 고정되도록, 상기 비정질 금속 모듈의 형상에 대응하는 형상으로 상기 제1 케이스 또는 제2 케이스에 형성되는 지지부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 지지부를 상기 제1 케이스 또는 제2 케이스에 고정하도록 형성되는 고정부를 더 포함할 수 있다.

또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 서로 적층되는 복수의 펄스 전자석 및 적층되는 상기 펄스 전자석들을 정열시킬 수 있도록, 상기 펄스 전자석에 형성되는 적어도 하나 이상의 정렬 홀을 포함하고, 상기 펄스 전자석은, 중공을 구비한 원통형 코일부와, 상기 코일부의 외주를 따라 법선 방향으로 연장되어 배치되는 비정질 금속 모듈와, 상기 원통형 코일부를 수용하도록 내부에 수납공간을 형성하는 제1 케이스 및 상기 제1 케이스에 대면하여 결합되는 제2 케이스를 포함하고, 상기 제1 케이스 또는 제2 케이스에 상기 정렬 홀이 형성되는 펄스 전자석 조립체를 개시한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 원통형 코일부에 근접하여 상기 비정질 금속 모듈이 고정되도록, 상기 비정질 금속 모듈의 형상에 대응하는 형상으로 상기 제1 케이스 또는 제2 케이스에 형성되는 지지부를 더 포함할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 펄스 전자석은 냉각이 용이하고, 맴돌이 전류의 발생을 최소화할 수 있다.

또한, 회전축에 수직한 방향으로의 자기장 성분을 서로 상쇄시켜 기생 자기장을 억제하고, 도선과 전자석 기구 사이에 간격을 주어 절연성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석의 축 방향에서 본 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 비정질 금속 모듈의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 펄스 전자석 코일의 단면도이다.

이하, 본 발명의 일실시예에 따르는 비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석 및 펄스 전자석 조립체에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

기본적인 펄스 전자석은 크게 코일, 플럭스 리턴(Flux return), 냉각장치, 지지구조 등으로 구성된다.

코일은 나선방향으로 흐르는 전류에 의해 자기장을 생성하는 부분으로 필요한 자기장의 세기에 따라 감는 횟수와 전류 세기를 정하고 이에 맞춰 코일의 직경과 전선의 단면적을 정한다.

그리고 전선에 흐르는 전류량과 재질, 저항 값, 열용량 등을 고려하여 냉각의 필요 유무와 냉각 방식을 결정한다.

냉각을 위해 코일과 냉각 채널을 일체형으로 제작하기도 한다.

플럭스 리턴은 투자율(Magnetic permeability)과 포화 자화 밀도(Saturation field)가 높은 강자성체 마그네틱 코어를 코일 외각에 둘러싸서 코일 외부로 새는 자기장을 최소화 하고 코일 내부로 자기장이 집속되도록 하는 역할을 한다.

대표적인 마그네틱 코어로는 규소 박판, 비정질 금속 (Amorphous metal), 페라이트(Ferrite) 등이 있다.

이중 비정질 금속은 철, 붕소, 규소 등이 혼합된 용융금속을 급속 냉각시켜 만들어지는 자성재료로 금속 내부의 원자가 액체 상태와 같이 불규칙하게 배열되어 있는 합금이다.

비정질 금속은 소재의 두께가 얇고 잘 부스러지는 특징이 있지만 고유전기저항이 크고 히스테리시스손이 낮아 변압기의 코어 재료로 사용된다.

그리고, 펄스 전자석은 운용 방법에 따라 다시 단 펄스와 다중 펄스 전자석으로 구분된다.

단 펄스 운용은 펄스 전원 공급기에 충전된 전류를 이용하여 한 번의 자기장을 생성하고 다시 충분한 충전 시간을 제약 없이 갖는 방법이다.

이와 달리 다중 펄스 전자석은 정해진 펄스 반복률에 따라 일정한 간격으로 충, 방전을 반복하여 자기장을 생성하는 방법이므로 반복률이 높아질수록 펄스 전원 공급기의 빠른 스위칭이 요구된다.

기존의 다중 펄스 전자석은 최대 수 Hz 정도의 반복 동작을 할 수 있다.

펄스 전자석에 인가되는 전류는 상승과 하강 시간이 있는 펄스 형의 전류이다.

펄스 형의 전류는 시간에 따라 변하는 자기장을 형성하고 이는 다시 역기전력을 발생하므로(Lenz's Law), 자기장의 영향을 받는 도체 내부에서는 이 변화를 방해하는 맴돌이 전류(Eddy current)를 발생한다.

이러한 맴돌이 전류는 인가되는 펄스 전류의 상승시간과 도체의 두께에 의해 결정된다.

특히 펄스 전류의 반복률이 높아지고 펄스 상승시간이 짧아질수록 맴돌이 전류에 의한 영향은 커지게 된다.

이런 맴돌이 전류는 예상치 못한 자기장을 생성하여 펄스 전자석의 자기장 프로파일에 변형을 주거나 세기를 감소시키고, 펄스의 스위칭 속도를 높일 수 없으므로 전자석의 펄스 반복률에 제한을 가하게 된다.

펄스 전자석은 지속파 전자석에 비해 전력 사용량을 줄일 수 있으므로 코일에서 발생하는 열이 상대적으로 적다. 그럼에도 필요한 자기장의 세기가 높아지거나 펄스 반복률이 높아지면 코일에 흐르는 전류량도 높아져야 하므로 저항에 의한 발열에 대비해 냉각이 필요한 경우도 있다.

본 발명은 비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석에 관한 것으로, 이하 펄스 전자석의 구성 및 동작에 대해 설명한다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 강자성체 비정질 리본을 적층하여 제작한 블록 형태의 비정질 금속 모듈을 펄스 전자석에 적용한다.

이러한 모듈은 리본의 적층방향으로는 도체의 두께가 얇고 절연성이 있으며 길이 방향으로는 열 전도도가 좋은 특징을 갖는다.

본 발명은 이러한 원리를 이용하여, 비정질 금속 모듈을 전자석의 플럭스 리턴으로 사용함으로써 펄스전류에 의한 맴돌이 전류를 억제하고 방열이 우수하며 또한 코일을 2단으로 감아 균일하고 순도 높은 펄스 자기장을 발생시키는 펄스 전자석을 제안한 것이다.

이하, 본 발명과 관련된 비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

상기한 비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석의 구성은 다음과 같다.

도 1을 참조하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석의 3차원 도면이다. 도 1에 개시된 코일(100)에서 전류원을 인가받아 코일의 회전 축 방향으로 자기장을 형성한다.

이때 플럭스 리턴 역할을 하는 비정질 금속 모듈(110)들을 코일의 외각 원주를 따라 배치한다.

비정질 금속은 잘 부스러지는 특징이 있으므로 모듈을 지지하는 지지부(120)와, 지지부를 하우징에 고정해 주는 고정부(130)와 같은 기계구조가 필요하다.

코일과 비정질 금속 모듈들을 조립하기 위해 제1 케이스(140)와 제1 케이스에 대면하도록 결합되는 제2 케이스(150)를 구비하고, 이중 어느 하나의 케이스에 지지부를 설치한다.

코일에서 발생하는 자기장은 코일을 둘러싸는 형태로 형성되는데, 강자성체인 모듈에 의해 코일 외부로 향하는 자력선속이 모듈로 집속되어 결과적으로 외부로 누설되는 자기장을 차단하고 코일 내부의 자기장은 더욱 평탄하게 하는 효과가 있다.

펄스 전자석을 여러 단으로 구성할 시에 각 단 사이의 정확한 정열을 위해 정렬 홀(Alignment hole)(160)을 형성할 수 있다.

이와 같이, 각 펄스 전자석의 케이스에 정렬 홀이 구비됨으로써, 복수로 적층되는 펄스 전자석 조립체의 경우에도 맴돌이 전류를 억제하고 방열이 우수하도록 형성될 수 있다.

다중 펄스 전자석, 즉 펄스 전자석 조립체는 서로 적층되는 복수의 펄스 전자석 및 적층되는 상기 펄스 전자석들을 정열시킬 수 있도록, 상기 펄스 전자석에 형성되는 적어도 하나 이상의 정렬 홀을 포함하고, 상기 펄스 전자석은, 중공을 구비한 원통형 코일부와, 상기 코일부의 외주를 따라 법선 방향으로 연장되어 배치되는 비정질 금속 모듈와, 상기 원통형 코일부를 수용하도록 내부에 수납공간을 형성하는 제1 케이스 및 상기 제1 케이스에 대면하여 결합되는 제2 케이스를 포함하고, 상기 제1 케이스 또는 제2 케이스에 상기 정렬 홀이 형성된다.

본 발명의 비정질 금속 모듈의 효과는 다음과 같다.

도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석을 축 방향에서 바라본 도면이다.

코일(100)에 시계 반대방향으로 펄스 전류(230)가 인가되면 시간에 따라 변하는 자기장이 축 방향으로 형성되고 역기전력에 의해 코일 외각의 도체부에는 이 변화를 방해하는 시계방향의 맴돌이 전류(240)가 발생한다.

이런 맴돌이 전류는 자기장 생성을 방해하고 자기장의 순도를 떨어뜨리므로, 결과적으로 빠르게 변하는 펄스 전류 신호를 인가하는데 제약을 가하고 펄스 반복률을 높이기 어려워진다.

본 발명에서는 상기한 맴돌이 전류를 차단하기 위해 비정질 금속 모듈(110)들을 코일 외각 원주를 따라 모듈의 리본 표면이 원주의 법선 방향을 향하도록 각각 배치한다.

맴돌이 전류가 진행하는 방향과 비정질 금속 모듈(110)의 리본 결이 수직이됨으로써, 수십 μm의 얇은 리본과 리본 사이의 절연 필름 또는 코팅에 의해 도체 두께가 얇고 절연성이 높으므로 맴돌이 전류가 형성되는 것을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

위와 같이 비정질 금속 모듈을 이용하여 펄스 전자석에 입력되는 전류의 시간에 따른 변화에 대한 내성이 생기면, 결과적으로 빠른 펄스 상승시간과 높은 반복률의 펄스 전류를 사용할 수 있어 펄스 전자석의 반복률을 높일 수 있다.

또한, 비정질 금속 모듈(110)을 리본의 길이 방향으로 열전도도가 우수한 특성을 이용하여 도체를 통해 코일(100) 외각에 부착함으로써, 코일에서 발생하는 열이 비정질 금속 모듈(110) 뿐 아니라 전자석 지지구조(120)까지 쉽게 전도되도록 하여 방열에 유리하도록 한다.

이러한 방법으로 전자석의 냉각장치를 없애거나 용량을 줄여 단순한 공랭식 냉각도 가능하다.

상기한 비정질 금속 모듈의 구성은 다음과 같다.

도 3을 참조하여 설명한다.

비정질 금속 모듈은 얇은 비정질 금속 리본(111)을 절연체 필름 또는 코팅(112)을 이용하여 적층한 뒤, 열처리를 통해 제작된다.

일반적인 변압기용 비정질 금속 코어가 토로이드나 원형 형태로 감는 것에 비해, 본 발명의 펄스 전자석용 비정질 금속 모듈은 도 3과 같이 적층된 비정질 금속을 일정 길이의 사각 블록 형태로 자르기만 하면 되므로 제작이 용이하다.

또한 제안하는 비정질 금속 모듈의 단순한 블록 구조와 코어에 비해 작은 크기로 인해, 부스러지는 특징이 있는 비정질 금속의 기계적 강도를 보안하고 펄스 전자석의 전체 무게를 줄이는 효과가 있다

펄스 전자석의 코일 권선방법은 다음과 같다.

도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는 원통 형태의 코일의 단면과 입, 출력 선(420)을 나타낸 것이다.

원통형 코일부는, 코일을 방사 방향으로 2단으로 감아 안쪽의 1단 코일(101)과 바깥쪽의 2단 코일(102)을 형성하였다.

코일을 회전 축을 중심으로 나선으로 감을 때 1단 코일은 도 4의 오른쪽 방향(430)으로 감아 올라가고, 2단 코일은 왼쪽 방향(440, 450)으로 감되 중앙에 전류 입, 출력 선(420)이 만나도록 한다.

여기서, 1단 코일의 감는 방향과 2단 코일의 감는 방향은 서로 반대가 될 수도 있다.

이와 같이 1단과 2단의 코일의 감아 올라가는 방향을 반대로 하여 원하지 않는 축방향 전류를 서로 다르게 함으로써 이에 의해 발생하는 회전축에 수직한 방향으로의 자기장 성분을 서로 상쇄시켜 기생 자기장을 억제할 수 있다.

또한, 전류 입, 출력 선(420)을 코일 원통 중앙에 위치시켜 강한 펄스 전류가 흐르는 도선과 전자석 기구 사이에 간격을 주어 절연성을 높이는 효과가 있다.

상기와 같이 설명된 비정질 금속 모듈을 이용한 펄스 전자석 및 펄스 전자석 조립체는 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (7)

1. 중공을 구비한 원통형 코일부; 및
   상기 코일부의 외주를 따라 법선 방향으로 연장되어 배치되는 비정질 금속 모듈을 포함하고,
   상기 원통형 코일부는,
   펄스 전자석 코일이 제1 방향으로 상기 중공의 외주를 따라 감기어 제1 단을 형성하고, 상기 제1 방향과 반대 방향으로 상기 제1 단에 적층되도록 감기어 제2 단을 형성한 것을 특징으로 하는 펄스 전자석.
2. 제1항에 있어서,
   상기 비정질 금속 모듈은,
   비정질 금속 리본과 절연 필름이 교대로 적층된 블록 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 펄스 전자석.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 원통형 코일부를 수용하도록 내부에 수납공간을 형성하는 제1 케이스; 및 상기 제1 케이스에 대면하여 결합되는 제2 케이스를 더 포함하고,
   상기 원통형 코일부에 근접하여 상기 비정질 금속 모듈이 고정되도록,
   상기 비정질 금속 모듈의 형상에 대응하는 형상으로 상기 제1 케이스 또는 제2 케이스에 형성되는 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전자석.
5. 제4항에 있어서,
   상기 지지부를 상기 제1 케이스 또는 제2 케이스에 고정하도록 형성되는 고정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전자석.
6. 서로 적층되는 복수의 펄스 전자석; 및
   적층되는 상기 펄스 전자석들을 정열시킬 수 있도록, 상기 펄스 전자석에 형성되는 적어도 하나 이상의 정렬 홀을 포함하고,
   상기 펄스 전자석은,
   중공을 구비한 원통형 코일부;
   상기 코일부의 외주를 따라 법선 방향으로 연장되어 배치되는 비정질 금속 모듈;
   상기 원통형 코일부를 수용하도록 내부에 수납공간을 형성하는 제1 케이스; 및 상기 제1 케이스에 대면하여 결합되는 제2 케이스를 포함하고,
   상기 제1 케이스 또는 제2 케이스에 상기 정렬 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 펄스 전자석 조립체.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 원통형 코일부에 근접하여 상기 비정질 금속 모듈이 고정되도록,
   상기 비정질 금속 모듈의 형상에 대응하는 형상으로 상기 제1 케이스 또는 제2 케이스에 형성되는 지지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 펄스 전자석 조립체.
   
   
   
   
   
   
   

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