KR101328880B1 - 길게 연장된 전도성 소재의 이송을 위한 자기차륜 조립체 및 이를 갖는 장치 - Google Patents

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Abstract

길게 연장하는 전도성 소재를 이송하기 위한 자기차륜 조립체 및 이를 갖는 이송 장치에 있어서, 상기 자기차륜 조립체는 수평 중심축을 갖고 상기 수평 중심축에 대하여 원형 링 형태를 갖도록 배열된 다수의 제1 영구자석들을 포함하는 제1 자기차륜과, 상기 제1 자기차륜의 상기 수평 중심축을 공유하며 상기 제1 자기차륜에 인접하여 배치되어 원형 링 형태를 갖도록 배열된 다수의 제2 영구자석들을 포함하는 제2 자기차륜을 포함한다. 상기 전도성 소재는 상기 제1 및 제2 자기차륜들 사이의 공간에서 상단 부위에 상기 제1 및 제2 자기차륜들의 접선 방향으로 위치되며, 상기 전도성 소재에는 상기 제1 및 제2 자기차륜들의 회전에 의해 발생되는 부상력과 추력이 인가되며 이에 의해 상기 전도성 소재가 상기 접선 방향으로 이송될 수 있다.

Description

길게 연장된 전도성 소재의 이송을 위한 자기차륜 조립체 및 이를 갖는 장치{Magnetic wheel assembly for transferring a longitudinally extending conductive material and apparatus having the same}
본 발명의 실시예들은 길게 연장하는 전도성 소재를 이송하기 위한 자기차륜 조립체와 이를 갖는 장치에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 전도성을 갖고 길게 연장하는 환봉, 파이프 등과 같은 소재를 비접촉 방식으로 이송하기 위한 자기차륜 조립체와 이를 갖는 이송 장치에 관한 것이다.
일반적으로 환봉, 파이프 등과 같이 원형 단면의 전도성 소재의 생산 공정에서는 상기 소재의 이송 방향에 따라 배치된 다수의 롤러들을 이용하는 이송 방법이 사용되고 있다. 그러나, 소재와 롤러들 사이의 접촉에 의한 긁힘 자국(scratch) 및 패인 자국(dent)과 같은 표면 결함에 의해 최종 제품의 품질이 저하될 수 있다. 상기와 같은 표면 결함은 롤러의 표면 손상 또는 소재와 롤러 사이의 이물질 개입에 의해 발생될 수 있으며, 또한 이에 의한 소재 이송에서의 사행 발생으로 인하여 상기 표면 결함이 더욱 증가될 수 있는 문제점들이 있다. 추가적으로, 상기 이송 롤러들에 이물질이 부착되지 않도록 하기 위하여 정기적으로 수행되는 이송 롤러들에 대한 정비로 인하여 소요되는 시간과 비용이 크게 증가될 수 있다.
최근 상술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방안으로 비접촉 자기 부상 방식으로 소재를 이송하는 방법들이 제안되고 있다. 예를 들면, 강자성 재질로 이루어진 소재의 경우 자기 베어링 등에 의해 비접촉으로 소재를 지지하는 방법이 사용될 수 있다. 그러나, 소재의 재질이 비자성이면서 전도성인 경우 이러한 자기 부상 방법이 사용될 수 없다. 특히, 전도성 소재를 대상으로 하는 자기력 생성 메커니즘은 와전류 생성에 의한 유도력을 이용하지만 일반적인 코일 전류로는 소재의 관성 부하를 감당하기 어렵기 때문에 실용화가 어려운 문제점이 있다.
한편, 상기 유도력은 다상 코일을 이용하여 생성된 교번 자기장에 의해 발생될 수 있으나 영구자석들의 기계적인 구동에 의해서도 발생될 수 있다. 영구자석들의 기계적인 구동을 이용하여 전도성 판재를 비접촉으로 이송하는 일 예는 Revolving magnet wheels with permanent magnets(Electrical Engineering in Japan, Vol. 116, pp. 319-326, 1996), 한국 등록특허공보 제10-0892565호, 등에 개시되어 있다. 상기 한국 등록특허공보 제10-0892565호에 따르면, 교차극성을 갖는 영구자석 배열을 대향하는 판재 상에서 회전시킴으로써 생성되는 유도력을 이용하여 상기 판재를 비접촉 방식으로 이송할 수 있다.
그러나, 길게 연장하는 환봉, 파이프, 등과 같은 전도성 소재의 경우 종래 기술에서와 같이 영구자석 배열을 상기 소재 주위에서 고속으로 회전시킬 경우 유도력에 의해 상기 소재 역시 고속으로 회전하면서 이송될 수 있으므로, 상기 소재에 강한 비틀림 하중이 야기될 수 있다. 즉 상기 소재가 비접촉 방식으로 이송될 수는 있으나 소재의 나선 운동에 의해 강성이 철 재질에 비하여 열악한 소재의 경우 소재의 조직적 특성이 크게 열화될 수 있으므로 상술한 바와 같은 종래 기술을 환봉 또는 파이프와 같은 전도성 소재에 그대로 적용하기에는 상당한 어려움이 있다.
본 발명의 실시예들은 영구자석들의 기계적인 구동을 이용하여 길게 연장하는 전도성 소재를 비접촉 방식으로 이송하는데 사용되는 자기차륜 조립체를 제공하는데 일 목적이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 상술한 바와 같은 자기차륜 조립체를 포함하는 전도성 소재의 이송 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 자기차륜 조립체는 수평 중심축을 갖고 상기 수평 중심축에 대하여 원형 링 형태를 갖도록 배열된 다수의 제1 영구자석들을 포함하는 제1 자기차륜과, 상기 제1 자기차륜의 상기 수평 중심축을 공유하며 상기 제1 자기차륜에 인접하여 배치되어 원형 링 형태를 갖도록 배열된 다수의 제2 영구자석들을 포함하는 제2 자기차륜을 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 자기차륜들 사이의 공간에서 상단 부위에 길게 연장된 전도성 소재를 상기 제1 및 제2 자기차륜들의 접선 방향으로 위치시키고, 상기 제1 및 제2 자기차륜들의 회전에 의해 상기 전도성 소재에 인가되는 부상력과 추력을 이용하여 상기 전도성 소재를 이동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전도성 소재는 상기 제1 및 제2 자기차륜들의 상단 지점으로부터 하방으로 상기 제1 및 제2 영구자석들의 반경 방향 폭의 1/4 지점 및 상방으로 상기 제1 및 제2 영구자석들의 반경 방향 폭의 1/2 지점 사이에 위치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 영구자석들은 서로 반대의 극성들이 서로 마주할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 자기차륜들의 원주 방향으로는 극성이 교번되도록 배치될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 이송 장치는 수평 중심축을 갖고 상기 수평 중심축에 대하여 원형 링 형태를 갖도록 배열된 다수의 제1 영구자석들을 포함하는 제1 자기차륜과, 상기 제1 자기차륜의 상기 수평 중심축을 공유하며 상기 제1 자기차륜에 인접하여 배치되어 원형 링 형태를 갖도록 배열된 다수의 제2 영구자석들을 포함하는 제2 자기차륜을 포함하되, 상기 제1 및 제2 자기차륜들 사이의 공간에서 상단 부위에 길게 연장된 전도성 소재를 상기 제1 및 제2 자기차륜들의 접선 방향으로 위치시키고, 상기 제1 및 제2 자기차륜들의 회전에 의해 상기 전도성 소재에 인가되는 부상력과 추력을 이용하여 상기 전도성 소재를 이동시키는 자기차륜 조립체와, 상기 자기차륜 조립체를 회전시키는 구동부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기차륜 조립체는 상기 제1 및 제2 자기차륜들이 장착되는 드럼을 더 포함할 수 있으며, 상기 드럼은 상기 제1 및 제2 자기차륜들의 양측에 배치되며 상기 제1 및 제2 영구자석들이 각각 장착되는 한 쌍의 디스크들을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 디스크들은 강자성체로 이루어질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전도성 소재를 이송하기 위한 제2 자기차륜 조립체 및 상기 제2 자기차륜 조립체를 회전시키기 위한 제2 구동부를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 자기차륜 조립체는 상기 자기차륜 조립체와 동일하게 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 전도성 소재의 이송 경로 상에 배치되며 상기 전도성 소재를 비접촉 방식으로 지지하기 위한 공기 베어링이 더 구비될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 길게 연장된 전도성 소재를 이송하기 위하여 상부 자기차륜 조립체와 하부 자기차륜 조립체를 포함하는 이송 장치에 있어서, 각각의 상부 및 하부 자기차륜조립체는 수평 중심축을 갖고 상기 수평 중심축에 대하여 원형 링 형태를 갖도록 배열된 다수의 제1 영구자석들을 포함하는 제1 자기차륜과, 상기 제1 자기차륜의 상기 수평 중심축을 공유하며 상기 제1 자기차륜에 인접하여 배치되어 원형 링 형태를 갖도록 배열된 다수의 제2 영구자석들을 포함하는 제2 자기차륜을 포함할 수 있다. 이때, 상기 전도성 소재는 상기 상부 자기차륜 조립체와 하부 자기차륜 조립체 사이에서 상기 상부 자기차륜 조립체와 하부 자기차륜 조립체의 접선 방향으로 배치될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 자기차륜들에 의해 인가되는 3축 자기력에 의해 상기 상부 및 하부 자기차륜 조립체들 사이에서 부상되고 상기 접선 방향으로 이송될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 길게 연장하는 전도성 소재의 이송은 다수의 영구자석들로 이루어진 자기차륜 조립체의 회전에 의해 발생되는 부상력과 추력에 의해 비접촉 방식으로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 자기차륜 조립체는 서로 마주하는 두 개의 원형 링 형태의 자기차륜들을 포함할 수 있으며, 상기 자기차륜들 사이에서 안정적으로 상기 전도성 소재를 지지할 수 있는 부상 영역 내에 상기 전도성 소재를 위치시킴으로써 상기 전도성 소재를 안정적으로 이송할 수 있다.
도 1 및 도 2는 영구자석들의 기계적인 구동에 의해 발생되는 유도력을 설명하기 위한 개략도들이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기차륜 조립체를 포함하는 전도성 소재의 이송 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 4는 도 3에 도시된 이송 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 자기차륜 조립체를 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 6은 도 3에 도시된 자기차륜 조립체를 설명하기 위한 단면 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재의 반송 시스템 좌표계를 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반송 시스템에서 전도성 소재의 y축 부상 위치에 따른 3축 자기력의 변화를 묘사하는 설명도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반송 시스템에서 전도성 소재의 y축 부상 방향으로의 부상 안정성을 묘사하는 자기력의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 반송 시스템에서 전도성 소재의 z축 공극 방향으로의 안정성을 묘사하는 자기력의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재의 반송 시스템에서 전도성 소재의 반송 안정성을 묘사하는 시스템의 등가 개념도이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도성 소재 이송 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이다.
도 13은 도 12에 도시된 전도성 소재 이송 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
이하, 본 발명은 본 발명의 실시예들을 보여주는 첨부 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명된다. 그러나, 본 발명은 하기에서 설명되는 실시예들에 한정된 바와 같이 구성되어야만 하는 것은 아니며 이와 다른 여러 가지 형태로 구체화될 수 있을 것이다. 하기의 실시예들은 본 발명이 온전히 완성될 수 있도록 하기 위하여 제공된다기보다는 본 발명의 기술 분야에서 숙련된 당업자들에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하기 위하여 제공된다.
하나의 요소가 다른 하나의 요소 또는 층 상에 배치되는 또는 연결되는 것으로서 설명되는 경우 상기 요소는 상기 다른 하나의 요소 상에 직접적으로 배치되거나 연결될 수도 있으며, 다른 요소들 또는 층들이 이들 사이에 게재될 수도 있다. 이와 다르게, 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 직접적으로 배치되거나 연결되는 것으로서 설명되는 경우, 그들 사이에는 또 다른 요소가 있을 수 없다. 다양한 요소들, 조성들, 영역들, 층들 및/또는 부분들과 같은 다양한 항목들을 설명하기 위하여 제1, 제2, 제3 등의 용어들이 사용될 수 있으나, 상기 항목들은 이들 용어들에 의하여 한정되지는 않을 것이다.
하기에서 사용된 전문 용어는 단지 특정 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 사용되는 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 또한, 달리 한정되지 않는 이상, 기술 및 과학 용어들을 포함하는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상적인 지식을 갖는 당업자에게 이해될 수 있는 동일한 의미를 갖는다. 통상적인 사전들에서 한정되는 것들과 같은 상기 용어들은 관련 기술과 본 발명의 설명의 문맥에서 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석될 것이며, 명확히 한정되지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 외형적인 직감으로 해석되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시예들은 본 발명의 이상적인 실시예들의 개략적인 도해들인 단면 도해들을 참조하여 설명된다. 이에 따라, 상기 도해들의 형상들로부터의 변화들, 예를 들면, 제조 방법들 및/또는 허용 오차들의 변화들은 예상될 수 있는 것들이다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 도해로서 설명된 영역들의 특정 형상들에 한정된 바대로 설명되어지는 것은 아니라 형상들에서의 편차들을 포함하는 것이며, 도면들에 설명된 영역들은 전적으로 개략적인 것이며 이들의 형상들은 영역의 정확한 형상을 설명하기 위한 것이 아니며 또한 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것도 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기차륜 조립체는 영구자석들의 기계적인 구동에 의해 발생되는 자기장 변화와 이에 의해 발생되는 유도 전류 사이의 상호 작용을 이용하여 목적물을 이송하는데 사용할 수 있다. 도 1 및 도 2는 영구자석들의 기계적인 구동에 의해 발생되는 유도력을 설명하기 위한 개략도들이다.
도 1을 참조하면, 다수의 영구자석들(10)을 중심축에 대하여 원주 방향으로 배열하여 차륜 형태의 자기차륜(12)을 구성하고, 상기 자기차륜(12)을 전도성 평판(2) 상에 위치시킨다. 이때, 영구자석들(10)의 자화 방향은 상기 자기차륜(12)의 중심축과 평행한 방향으로 위치되며, 극성은 원주 방향으로 서로 교번되어 배치된다. 상기와 같이 구성된 자기차륜(12)을 회전시키는 경우 상기 전도성 평판(2)에는 자기장 변화에 의해 유도된 와전류에 의해 도시된 바와 같이 상기 자기차륜(12)에 대하여 멀어지는 방향의 반발력이 형성되며 또한 상기 자기차륜(12)의 회전 방향과 동일한 방향으로 견인 토크가 형성된다. 결과적으로, 상기 전도성 평판(2)은 상기 자기차륜(12)의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전하면서 상기 자기차륜(12)으로부터 멀어지게 된다.
도 2를 참조하면, 수평 중심축에 대하여 원주 방향으로 교번된 극성을 갖는 다수의 영구자석들(20)을 이용하여 자기차륜(22)을 구성한다. 그러나, 도 1의 경우와는 달리 상기 자기차륜(22)의 영구자석들(20)은 반경 방향으로 배열된 극성을 갖는다. 상기와 같은 자기차륜(22)을 전도성 평판(4) 상에서 회전시키는 경우 상기 영구자석들(20)의 회전에 의해 전도성 평판(4)에 형성되는 와전류와 상기 영구자석들(20)의 자기장 변화 사이의 상호 작용에 의해 상기 전도성 평판(4)에는 상기 자기차륜(22)으로부터 멀어지는 방향의 반발력이 생성되며 또한 상기 자기차륜(22)의 접선 방향으로의 추력이 생성될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기차륜 조립체를 포함하는 전도성 소재의 이송 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이고, 도 4는 도 3에 도시된 이송 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기차륜 조립체(110)와 이를 포함하는 이송 장치(100)는 도시된 바와 같이 길게 연장하는 전도성 소재(6)의 이송을 위하여 사용될 수 있다. 예를 들면, 전도성 환봉 또는 전도성 파이프 등과 같이 길게 연장하는 전도성 소재(6)를 축방향 즉 길게 연장하는 방향으로 이송하기 위하여 사용될 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 자기차륜 조립체를 설명하기 위한 분해 사시도이고, 도 6은 도 3에 도시된 자기차륜 조립체를 설명하기 위한 단면 사시도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 자기차륜 조립체(110)는 제1 및 제2 자기차륜들(111,115)을 포함할 수 있다. 상기 제1 자기차륜(111)은 수평 중심축(미도시)을 갖고 상기 수평 중심축에 대하여 원형 링 형태를 갖도록 배열된 다수의 제1 영구자석들(112)을 포함할 수 있다.
상기 제2 자기차륜(115)은 상기 제1 자기차륜(111)의 상기 수평 중심축을 공유하며 상기 제1 자기차륜(111)에 인접하여 배치되어 원형 링 형태를 갖도록 배열된 다수의 제2 영구자석들(116)을 포함할 수 있다. 이때, 상기 제1 및 제2 영구자석들(112,116)은 서로 반대의 극성들이 서로 마주하도록 배치될 수 있으며, 또한 상기 제1 및 제2 자기차륜들(111,115)의 원주 방향으로는 극성이 교번되도록 배치될 수 있다. 도 5에서 각각의 제1 및 제2 영구자석들(112,116)에 표시된 화살표는 각 제1 및 제2 영구자석들(112,116)의 자화 방향을 나타낸다.
상기 전도성 환봉 또는 전도성 파이프 등과 같이 길게 연장하는 전도성 소재(6)는 상기 제1 및 제2 자기차륜들(111,115) 사이의 공간(110A; 도 4 참조)에서 상단 부위에 접선 방향으로 위치될 수 있으며, 상기 제1 및 제2 자기차륜들(111,115)의 회전에 의해 상기 전도성 부재(6)에 인가되는 부상력과 추력에 의해 상기 전도성 소재(6)의 축 방향으로 이송될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 자기차륜들(111,116)이 회전하는 경우 상기 전도성 소재(6)에는 x축 방향의 추력과 y축 방향의 부상력 그리고 z축 및 -z축 방향의 반발력이 작용할 수 있다. 이때, 제1 영구자석들(112)과 제2 영구자석들(116)은 극성이 서로 마주하도록 배치될 수 있다. 즉, 상기 제1 영구자석들(112)과 제2 영구자석들(116)의 자화 방향은 서로 반대 방향으로 구성되는 것이 바람직하다. 이는 전도성 소재(6)에서 유도된 전류가 전도성 소재(6)의 원주 방향을 따라 닫힌 회로에서와 같이 흐르기 때문에 동일한 방향으로 자기력이 발생되도록 하기 위해서이다.
도 6은 전도성 소재(6)의 이송 방향 단면에서의 자기장 방향과 유도 전류 방향을 설명하기 위한 개념도로서 도 5에서의 QQ'에서의 z축 방향 단면도이다. 서로 마주보는 극성을 갖는 제1 및 제2 자기차륜들(111,115) 회전에 의해 전도성 소재에 3축력이 발생하는데 도 6에 도시된 바와 같이 제1 영구자석(121)은 125의 자화 방향을 갖고 제2 영구자석(122)은 126의 자화 방향을 갖는 것으로 가정하면, 이때 125의 자화 방향대로 제1 영구자석(121)에 의해 130의 자기장 Bz가 형성되며 이와 동시에 폐회로 형태를 갖는 자기장의 특성상 면에서 멀어짐에 따라 131의 x축 자기장 Bx와 132의 y축 자기장 By가 전도성 소재에 작용할 수 있다. 제2 영구자석(122)에 의해서도 동일하게 3축 자기장이 전도성 파이프(124)에 작용할 수 있다. 이러한 자기장이 z축과 평행한 수평 중심축에 대하여 회전하면 전도성 파이프(124)에는 교번 자기장에 의해 135와 같이 유도 전류가 발생하는데 일반적으로는 전도성 파이프(124)의 표피에만 흐른다. 이러한 유도 전류는 yz평면에서 흐르며 iy, iz 성분만 있는데 자기장 130, 131 및 132와 이러한 유도 전류 성분에 의해 자기력이 발생한다. 일 예로, 자기장과 유도 전류를 외적(cross-product)하면 자기력이 결정되는데 전도성 파이프(124)의 중심을 기준으로 +y축에서 130은 -Bz, 131은 Bx, 132는 By이고 유도 전류는 원주 방향을 따라 성분과 방향이 변화해가지만 상단에서 +iz이고 좌측 중앙에서 -iy라 하면
Figure 112011080217532-pat00001
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Figure 112011080217532-pat00002
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Figure 112011080217532-pat00003
---- (3)
의 힘이 생성된다. 위 결과 식들을 보면 x, y, z축 방향 힘이 모두 생성되는 것을 알 수 있으며 전도성 파이프(124) 하단면의 자기장과 제2 영구자석(122)의 의한 자기장에 의해서도 역시 3축 자기력이 작용한다. 이러한 자기력이 모두 전도성 파이프(124)의 반송에 안정된 힘으로 작용하는지가 중요한데 우선 x 방향으로의 추력은 제1 및 제2 자기차륜들(111,115)의 회전 방향에 의해 가장 두드러지게 발생되는 힘이고 제1 및 제2 자기차륜들(111,115) 각각에 의한 z축 힘은 유도 원리상 반발력으로 작용하므로 전도성 파이프(124)가 제1 및 제2 자기차륜들(111,115)과 부딪히지 않게 하는 힘인데 관건은 y축 방향 자기력이다.
상기 식 (2)에서 알 수 있듯이 y축 방향 힘은 x방향 자기장과 z방향 전류의 곱인데 전도성 파이프(124)의 상단을 대상으로 하였기 때문에 +y축 방향 힘의 결과가 나왔지만 다른 영역에서는 이와 반대의 결과가 나올 수 있다. 그러나 각각의 제1 및 제2 영구자석들(121,122)이 원주 방향으로 부채꼴 모양이고 따라서 바깥 외경 방향으로의 자기 플럭스가 내경쪽보다 더욱 많다. 따라서 전도성 파이프(124)가 제1 및 제2 영구자석들(121,122)의 중심선을 기준으로 -y축으로 너무 안쪽으로만 치우쳐 있지만 않으면 안쪽에서의 -y축 방향 힘보다 식 (2)의 우측 항인 +y축 방향 힘이 더욱 클 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재의 반송 시스템 좌표계를 나타내는 개략도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반송 시스템에서 전도성 소재의 y축 부상 위치에 따른 3축 자기력의 변화를 묘사하는 설명도이고, 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 반송 시스템에서 전도성 소재의 y축 부상 방향으로의 부상 안정성을 묘사하는 자기력의 개략도이다.
도 7을 참조하면, z축을 중심으로 원주 방향을 따라 역시 z축을 향해 자화된 제1 영구자석(151)이 놓여 있고 제1 자기차륜(111)과 공극 g를 사이에 두고 전도성 파이프(152)가 제1 자기차륜(111)의 중심에서 y축으로 h의 위치에 놓여있다. 제1 자기차륜(111)의 내경은 h1이고 외경은 h2이며 제1 자기차륜(111)은 z축을 중심으로 시계 방향(155)으로 회전한다.
도 8을 참조하면, 그래프의 횡축이 도 7의 y축을 나타내므로 y=0은 제1 자기차륜(111)의 중심을 의미한다. 그림에서 Fx는 추력, Fy는 부상력 그리고 Fz는 공극 반발력을 나타내는데 전술한 바와 같이 추력의 방향은 제1 자기차륜(111)의 회전 방향에 의해 결정되므로 가변 가능한 요소이고 Fz는 유도 원리에 의한 반발력이므로 제1 자기차륜(111)의 회전 방향과는 무관하게 +z축 방향의 힘이다. 그러나 부상력으로 작용하는 Fy는 0부터 음의 방향 즉 중력과 동일한 방향을 유지하다가 h1을 지나면서 양의 방향으로 전환되는 것을 알 수 있다. 전도성 파이프(152)가 안정되게 부상하기 위해서 y축 방향 Fy가 전도성 파이프(152)의 무게를 보상하기에 충분한 크기의 양의 힘이어야 하는 것은 자명한 일이다.
도 9를 참조하면, 시스템의 y축 방향 안정성을 확보하기 위해서 작동 영역은 201로 한정되어야 하는데 그 이유는 이 영역에서 시스템이 음의 강성을 갖기 때문이다. 즉, 전도성 파이프(152)가 201의 영역 내의 임의의 y 위치에 놓여 있을 때 약간의 외란에 의해 아래쪽으로 움직이면 더욱 큰 힘이 +y축 방향으로 작용하기 때문에 전도성 파이프(152)는 다시 제자리로 복원할 수 있다는 의미이다. 따라서 y축 부상 안정성을 확보하기 위해서 전도성 파이프(152)는 201의 영역 내에 위치되는 것이 바람직하며 또한 이중 영구자석 어레이 즉 제1 및 제2 자기차륜들(111,115)에 의한 반송 시스템 내에는 이처럼 부상 안정성이 확보되는 작동 영역이 존재할 수 있다.
특히, 상기 부상 안정성을 확보할 수 있는 영역(201)은 도시된 바와 같이 상기 제1 및 제2 자기차륜들(111,115)의 상단 지점 즉 h2로부터 하방으로 상기 제1 및 제2 영구자석들(112,116)의 반경 방향 폭(h2-h1)의 약 1/4 지점 및 상방으로 상기 제1 및 제2 영구자석들(112,116)의 반경 방향 폭(h2-h1)의 약 1/2 지점 사이인 것을 알 수 있으며, 따라서, 상기 전도성 소재(6)는 상기 영역(201) 내에 위치되는 것이 바람직하다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 반송 시스템에서 전도성 소재의 z축 공극 방향으로의 안정성을 묘사하는 자기력의 개략도이다.
도 10을 참조하면, 도 9에서와 마찬가지로 힘이 특정 방향으로 안정되기 위해서는 그 방향으로 음의 강성을 가져야 한다. 도 10은 도 7의 좌표계를 기준으로 공극 g의 변화에 따라 공극이 30% 변화해 갈 때 전도성 파이프에 작용하는 z축력을 세 개의 y축 위치에 따라 도시한 그래프인데 도 9에서와 같이 공극이 적어짐에 따라 힘이 커지는 것을 볼 수 있는데 이것은 전술한 바와 같이 z축 힘이 음의 강성을 갖는다는 것이며 따라서 전도성 소재는 공극 방향으로 안정하다는 것을 의미한다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재의 반송 시스템에서 전도성 소재의 반송 안정성을 묘사하는 시스템의 등가 개념도이다.
도 11을 참조하면, 도 9, 도 10에서 확인한 바와 같이 회전하는 제1 및 제2 자기차륜들(301,302) 사이에서 전도성 소재(303)는 안정하게 부상하는데 이는 그림에서와 같이 제1 및 제2 차기차륜들(301,302)의 측면과 전도성 소재(303) 사이에 횡방향 스프링 305, 306이 있고 전도성 소재가 아래쪽의 가상 그라운드에서 종방향 스프링 308에 의해 지지되고 있는 것으로 간주할 수 있다. 스프링은 복원하는 기계 요소인데 그림에서와 같은 전도성 소재(303) 위치에서는 마치 스프링에 의해 지지되는 것과 동일한 형태의 자기력이 작용한다는 것을 나타낸다.
다시 도 4를 참조하면, 상기 자기차륜 조립체(110)는 상기 제1 및 제2 자기차륜들(111,115)이 장착되는 드럼(160)을 포함할 수 있다. 상기 드럼(160)은 도시된 바와 같이 상기 제1 및 제2 자기차륜들(111,115)의 양측에 배치되며 상기 제1 및 제2 영구자석들(112,116)이 각각 장착되는 한 쌍의 디스크(162)와, 상기 디스크들(162) 사이에 배치되는 원통(164)을 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 자기차륜들(111,115)은 상기 디스크들(162)에 원주 방향으로 장착될 수 있다. 이때, 상기 디스크들(162)은 자기장 경로의 닫힘을 위하여 강자성체로 이루어질 수 있다.
상기 전도성 소재 이송 장치(100)는 상기 드럼(160)을 회전 가능하도록 지지하는 프레임(170)을 포함할 수 있으며, 상기 드럼(160)은 상기 프레임(170)에 장착된 회전축(172)을 통하여 구동부(180)와 연결될 수 있다. 예를 들면, 도시된 바와 같이 상기 프레임(170)에는 상기 드럼(160)을 회전 가능하게 지지하기 위하여 한 쌍의 베어링들(174)이 장착될 수 있으며, 상기 회전축(172)은 상기 베어링들(174)을 통하여 상기 구동부(180)와 연결될 수 있다. 또한, 상기 회전축(172)은 벨트(182)와 풀리들(184)을 통하여 상기 구동부(180)와 연결될 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같은 동력 전달 메커니즘의 구성은 다양하게 변경될 수 있으며, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되지는 않을 것이다.
상기 구동부(180)는 회전력을 제공하는 모터를 포함할 수 있으며, 상기 구동부(180)의 회전 방향 및 속도는 제어부(190)에 의해 제어될 수 있다.
다시 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전도성 소재 이송 장치(100)는 상기 자기차륜 조립체(110)와 동일한 구성을 갖는 제2 자기차륜 조립체(210)와 상기 제2 자기차륜 조립체(210)를 회전시키기 위한 제2 구동부(미도시)를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 자기차륜 조립체(210)는 상기 전도성 소재(6)의 이송 방향 즉 상기 전도성 소재(6)의 축방향으로 상기 자기차륜 조립체(110)에 인접하도록 배치될 수 있다. 따라서, 상기 전도성 소재(6)는 상기 자기차륜 조립체(110)와 상기 제2 자기차륜 조립체(210)의 부상력과 추력에 의해 안정적으로 이송될 수 있다.
도시되지는 않았으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전도성 소재의 이송 장치(100)는 자기차륜 조립체(110)와 공기 베어링(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 공기 베어링은 상기 전도성 소재(6)의 이송 경로 상에 배치될 수 있으며, 압축 공기를 이용하여 상기 전도성 소재(6)를 지지할 수 있다. 즉, 상기 이송 장치(100)는 상기 공기 베어링을 이용하여 상기 전도성 소재(6)를 더욱 안정적으로 이송 가능하게 할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도성 소재 이송 장치를 설명하기 위한 개략적인 구성도이며, 도 13은 도 12에 도시된 전도성 소재 이송 장치를 설명하기 위한 개략적인 단면도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 전도성 소재 이송 장치는 상부 자기차륜 조립체(65)와 하부 자기차륜 조립체(69)를 포함할 수 있다. 상기 상부 및 하부 자기차륜 조립체들(65,69) 각각은 도 3 내지 도 11을 참조하여 기 설명된 자기차륜 조립체와 실질적으로 동일한 구성을 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 상부 자기차륜 조립체(65)는 수평 중심축을 갖고 상기 수평 중심축에 대하여 원형 링 형태를 갖도록 배열된 다수의 제1 영구자석들을 포함하는 제1 자기차륜(62)과, 상기 제1 자기차륜(62)의 상기 수평 중심축을 공유하며 상기 제1 자기차륜(62)에 인접하여 배치되어 원형 링 형태를 갖도록 배열된 다수의 제2 영구자석들을 포함하는 제2 자기차륜(63)을 포함할 수 있으며, 상기 하부 자기차륜 조립체(69)는 상기 상부 자기차륜 조립체(65)와 동일한 구성을 가질 수 있다.
상기 각각의 상부 및 하부 자기차륜 조립체들(65.69)은 x, y 및 z방향의 3축 자기력을 전도성 소재(71)에 인가할 수 있다. 상기 힘의 방향은 상부 자기차륜 조립체(65)의 경우 -x, -y 방향으로 전도성 소재(71)에 힘을 발생시키고 하부 자기차륜 조립체(69)의 경우 -x, +y 방향으로 힘을 발생시킨다. 따라서 상기 전도성 소재(71)는 중력에 대항하여 y축으로 평형 위치에서 안정되게 부상하며 동시에 -x축으로 반송된다. z축으로 상기 전도성 소재(71)에는 양측에 각각 배치되는 자기차륜들에 의해 반발력이 작용하므로 양쪽 반발력 사이에서 평형 위치를 갖는다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 이송 장치는 상기 전도성 소재의 이점 지지를 위하여 상기 전도성 소재의 이송 방향으로 소정 간격 이격된 위치에 상기 상부 및 하부 자기차륜 조립체들과 실질적으로 동일한 구성을 갖는 제2 상부 자기차륜 조립체(72)와 제2 하부 자기차륜 조립체(73)을 더 포함할 수 있다.
한편, 도시되지는 않았으나, 상기 상부 및 하부 자기차륜 조립체들(65,69) 및 상기 제2 상부 및 하부 자기차륜 조립체들(72,73)은 복수의 구동부들(미도시)과 연결될 수 있으며, 상기 구동부들의 동작은 제어부(미도시)에 의해 제어될 수 있다.
상기 제2 상부 및 하부 자기차륜 조립체들(72,73)은 기 설명된 바와 동일한 방법으로 상기 전도성 소재(71)에 3축 자기력을 발생시킬 수 있다. 이때, 제2 상부 및 하부 자기차륜 조립체들(72,73)의 회전 방향 및 회전 속도를 적절하게 조절할 경우 상기 전도성 소재(71)의 이송 속도 및 이송 방향을 목적하는 바에 따라 조절할 수 있다. 특히, 상기 제2 상부 및 하부 자기차륜 조립체들(72,73)의 x축 방향 힘을 적절하게 조절할 경우 상기 전도성 소재(71)를 일정 위치에 정지시킬 수도 있으며 또한 목적하는 방향으로 이송할 수도 있다.
특히, 도 13을 참조하면, 상부 제1 자기차륜(81)과 상부 제2 자기차륜(83)이 동일한 방향으로 회전하며, 하부 제1 자기차륜(82)과 하부 제2 자기차륜(84)이 상기 상부 제1 및 제2 자기차륜들(81,83)과 반대 방향으로 회전할 경우, 상기 상부 및 하부 제1 및 제2 자기차륜들(81,82,83,84) 사이에 위치된 전도성 소재(86)에는 z축 방향으로 상부 제1 자기차륜(81)과 하부 제1 자기차륜(82)에 의해 -z축 방향으로 반발력이 작용하고, 상부 제2 자기차륜(83)과 하부 제2 자기차륜(84)에 의해 +z축 방향으로 반발력이 작용하며, 상기 하부 제1 및 제2 자기차륜들(82,84) 및 상기 상부 제1 및 제2 자기차륜들(81,83)에 의해 +y축 및 -y축 방향의 부상력이 작용하고, 또한, 상기 상부 및 하부 제1 및 제2 자기차륜들(81,82,83,84)에 의해 x축 방향의 추력이 작용할 수 있다. 상기와 같이 상부 및 하부 제1 및 제2 자기차륜들(81,82,83,84)에 의해 상기 전도성 소재(86)에 인가되는 3축 자기력 조합에 의해 상기 전도성 소재(86)는 상기 상부 및 하부 제1 및 제2 자기차륜들(81,82,83,84) 사이의 공간에서 안정적으로 부상될 수 있으며, 또한 축 방향으로 안정적인 이송이 가능하다.
특히, 상기 상부 자기차륜 조립체(81,83)는 하부 자기차륜 조립체(82,84)만 사용하는 경우 상기 전도성 소재(86)의 이송 도중 상기 전도성 소재가 상기 하부 자기차륜 조립체(82,84)로부터 좌우측 방향 즉 z축 방향으로 이탈되는 것을 방지하기 위하여 사용될 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시예들에 따르면, 길게 연장하는 전도성 소재의 이송은 다수의 영구자석들로 이루어진 자기차륜 조립체의 회전에 의해 발생되는 부상력과 추력에 의해 비접촉 방식으로 이루어질 수 있다. 특히, 상기 자기차륜 조립체는 서로 마주하는 두 개의 원형 링 형태의 자기차륜들을 포함할 수 있으며, 상기 자기차륜들 사이에서 안정적으로 상기 전도성 소재를 지지할 수 있는 부상 영역 내에 상기 전도성 소재를 위치시킴으로써 상기 전도성 소재를 안정적으로 이송할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 전도성 소재 이송 장치 110 : 자기차륜 조립체
111 : 제1 자기차륜 조립체 112 : 제1 영구자석
115 : 제2 자기차륜 조립체 116 : 제2 영구자석
160 : 드럼 170 : 프레임
180 : 구동부 190 : 제어부

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1 수평 중심축을 갖고 상기 제1 수평 중심축에 대해 제1 내경 및 제2 외경을 갖는 원형 링 형태로 배열된 다수의 제1 영구자석들을 포함하는 제1 자기차륜;
    상기 제1 수평 중심축을 공유하고 상기 제1 자기차륜과 마주보게 배치되며 상기 제1 수평 중심축에 대해 상기 제1 및 제2 외경과 각각 동일한 내경 및 외경을 갖는 원형 링 형태로 배열된 다수의 제2 영구자석들을 포함하는 제2 자기차륜;
    상기 제1 수평 중심축과 평행한 제2 수평 중심축을 갖고 상기 제1 자기차륜 상부에 배치되며 상기 제2 수평 중심축에 대해 상기 제1 및 제2 외경과 각각 동일한 내경 및 외경을 갖는 원형 링 형태로 배열된 다수의 제3 영구자석들을 포함하는 제3 자기차륜; 및
    상기 제2 수평 중심축을 공유하고 상기 제3 자기차륜과 마주보고 상기 제2 자기차륜 상부에 배치되며 상기 제2 수평 중심축에 대해 상기 제1 및 제2 외경과 각각 동일한 내경 및 외경을 갖는 원형 링 형태로 배열된 제4 자기차륜을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 자기차륜의 상부 부분들과 상기 제3 및 제4 자기차륜의 하부 부분들에 의해 둘러싸인 공간에 위치하고 상기 제1 수평 중심축과 평행한 방향으로 연장된 전도성 소재를 상기 제1 내지 제4 자기차륜의 회전에 의해 발생한 부상력, 추력 및 반발력을 이용하여 이동시키며,
    이동하는 상기 전도성 소재가 상기 제1 및 제2 자기차륜의 상단 지점으로부터 하방으로 상기 제1 및 제2 자기차륜의 반경 방향 폭의 1/4이 되는 지점과 상기 제3 및 제4 자기차륜의 하단 지점으로부터 상방으로 상기 제3 및 제4 자기차륜의 반경 방향 폭의 1/4이 되는 지점 사이에 위치하도록 압축 공기를 이용하여 상기 전도성 소재를 지지하고 상기 전도성 소재의 이동 경로 상에서 상기 제1 내지 제4 자기 차륜들과 이격되게 배치된 공기 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재의 이송 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전도성 소재에 대해 상기 제1 수평 중심축 방향 및 상기 전도성 소재의 이동방향과 수직한 방향으로 작용하는 자기력은 상기 제1 내지 제4 자기차륜에 의해서만 생성되는 것을 특징으로 하는 전도성 소재의 이송 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    서로 마주보도록 배치되고 상기 제1 및 제2 자기차륜들이 각각 장착되는 한쌍의 제1 디스크들 및 상기 한쌍의 제1 디스크들을 연결하고 상기 제1 수평 중심축 상에 위치하는 제1 원통을 구비하는 제1 드럼; 및
    상기 제1 디스크들 상부에서 서로 마주보도록 배치되고 상기 제3 및 제4 자기차륜들이 각각 장착되는 한쌍의 제2 디스크들 및 상기 한쌍의 제2 디스크들을 연결하고 상기 제2 수평 중심축 상에 위치하는 제2 원통을 구비하는 제2 드럼을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재의 이송 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 자기차륜들이 제1 방향으로 회전하도록 상기 제1 드럼을 회전시키는 제1 구동부; 및
    상기 제3 및 제4 자기차륜들이 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 회전하도록 상기 제2 드럼을 회전시키는 제2 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재의 이송 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 자기차륜들이 제1 방향으로 회전하도록 상기 제1 드럼을 회전시키는 제1 구동부; 및
    상기 전도성 소재의 이송 속도를 감속시키는 자기력을 생성하기 위하여 상기 제3 및 제4 자기차륜들이 상기 제1 방향으로 회전하도록 상기 제2 드럼을 회전시키는 제2 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전도성 소재의 이송 장치.
  9. 삭제
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