KR101520467B1

KR101520467B1 - 공심형 전자석 및 공심형 전자석을 갖는 자기부상 시스템

Info

Publication number: KR101520467B1
Application number: KR1020130153898A
Authority: KR
Inventors: 임재원; 김창현; 박도영; 한형석; 이종민; 김봉섭; 김동성
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2013-12-11
Publication date: 2015-05-14

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 자기부상 시스템은 일방향으로 이어져 설치된 궤도와, 상기 궤도를 따라 이동하며, 자기력에 의하여 상기 궤도에서 부상하여 이동하는 대차와, 상기 궤도 상에 고정 설치된 공심형 전자석, 및 상기 대차에 고정 설치되며 상기 공심형 전자석과 마주하도록 배치된 영구자석들을 포함하고, 상기 공심형 전자석은 연결 홀이 형성된 기판과, 상기 기판과 적층 배치되며 상기 연결 홀에 삽입되는 돌기를 갖는 강자성체부재, 및 상기 기판에 고정되되, 상기 연결 홀 상에 위치하는 코어공간을 갖는 공심 코일을 포함한다.

Description

공심형 전자석 및 공심형 전자석을 갖는 자기부상 시스템{AIR CORE TYPE ELECTROMAGNET AND MAGNETIC LEVITATION SYSTEM HAVING THEREOF}

본 발명은 공심형 전자석 및 공심형 전자석을 갖는 자기부상 시스템에 관한 것이다.

자기부상 추진은 전기 자기력을 이용하여, 궤도로부터 일정한 높이로 부상하여 추진하는 것을 말한다. 자기부상 시스템은 궤도와 궤도 상에서 비접촉으로 부상 및 추진하는 대차를 포함한다.

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

자기 부상 방법에는 자석의 인력을 이용하는 흡인식과, 자석의 반발력을 이용하는 반발식이 있다. 또한, 자기 부상의 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.

자기부상 시스템에 있어서 부상 전자석은 코어와 코어를 감싸는 코일을 포함한다. 그러나 코어를 갖는 코일의 경우에는 자속이 코어의 모서리에 집중되므로 부드러운 추진력을 얻기 어려운 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 안정적인 추진력을 형성하는 자기부상 시스템을 제공함에 있다. 또한 본 발명의 다른 목적은 인턱턴스를 증가시킬 수 있는 공심형 전자석을 제공함에 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 공심형 전자석은 연결 홀이 형성된 기판과, 상기 기판과 적층 배치되며 상기 연결 홀에 삽입되는 돌기를 갖는 강자성체부재, 및 상기 기판에 고정되되, 상기 연결 홀 상에 위치하는 코어공간을 갖는 공심 코일을 포함한다.

상기 기판은 인쇄회로기판(PCB)로 이루어지고 상기 공심 코일은 상기 기판에 형성된 회로 패턴에 전기적으로 연결될 수 있다.

또한, 상기 기판에는 복수 개의 연결 홀이 형성되고, 상기 복수개의 공심 코일이 각각의 연결 홀 상에 적층 배치될 수 있으며, 상기 돌기는 상기 공심 코일의 코어공간 보다 더 큰 폭을 갖도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 돌기는 상기 공심 코일의 코어공간 보다 더 큰 횡단면적을 갖도록 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 자기부상 시스템은 일방향으로 이어져 설치된 궤도와, 상기 궤도를 따라 이동하며, 자기력에 의하여 상기 궤도에서 부상하여 이동하는 대차와, 상기 궤도 상에 고정 설치된 공심형 전자석, 및 상기 대차에 고정 설치되며 상기 공심형 전자석과 마주하도록 배치된 영구자석들을 포함하고, 상기 공심형 전자석은 연결 홀이 형성된 기판과, 상기 기판과 적층 배치되며 상기 연결 홀에 삽입되는 돌기를 갖는 강자성체부재, 및 상기 기판에 고정되되, 상기 연결 홀 상에 위치하는 코어공간을 갖는 공심 코일을 포함한다.

또한, 상기 대차의 상부에는 지지 프레임이 설치되고, 상기 지지 프레임에는 부상 전자석이 고정 설치되며, 상기 대차에는 상기 부상 전자석과 마주하는 강자성체판이 설치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 자기부상 시스템은 일방향으로 이어져 설치된 궤도와, 상기 궤도를 따라 이동하며, 자기력에 의하여 상기 궤도에서 부상하여 이동하는 대차와, 상기 대차에 고정 설치된 공심형 전자석, 및 상기 궤도 상에 고정 설치되며 공심형 전자석과 마주하도록 배치된 영구자석들을 포함하고, 상기 공심형 전자석은 연결 홀이 형성된 기판과, 상기 기판과 적층 배치되며 상기 연결 홀에 삽입되는 돌기를 갖는 강자성체부재, 및 상기 기판에 고정되되, 상기 연결 홀 상에 위치하는 코어공간을 갖는 공심 코일을 포함한다.

또한, 상기 대차에는 부상 전자석이 고정 설치되며, 상기 궤도에는 상기 부상 전자석과 마주하는 강자성체판이 설치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면 돌기를 갖는 강자성체부재가 설치되므로 추진력을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 공심형 코일을 이용하므로 부드러운 추진력을 형성할 수 있다.

또한, 기판을 고정 설치하는 것으로 간단하게 복수 개의 추진 전자석을 동시에 설치할 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기부상 시스템을 폭방향으로 잘라 본 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 공심형 전자석을 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공심형 전자석의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공심형 전자석의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공심형 전자석의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기부상 시스템을 폭방향으로 잘라 본 종단면도이다.

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 시스템을 폭방향으로 잘라 본 종단면도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 자기부상 시스템(101)은 일방향으로 이어져 설치된 궤도(110)와 궤도(110) 상에서 자기력에 의하여 부상하여 이동하는 대차(120)를 포함한다. 대차(120)는 직사각형의 판 형상으로 이루어지며, 자기력에 의하여 지상에서 부상하여 이동한다. 대차(120)의 상면에는 부상용 강자성체판(121)이 고정 설치되며, 대차(120)의 측면에는 금속판(123)이 설치된다. 또한, 대차(120)의 하면에는 복수개의 영구자석들(124)이 설치된다. 영구자석들(124)은 대차(120)의 진행방향을 따라 이어져 배치되며, 서로 다른 자극이 이웃하도록 배치된다.

대차(120) 상에는 지지 프레임(112)이 설치되며, 지지 프레임(112)은 베이스(160)에 고정 설치된다. 베이스(160)는 지면, 인공적으로 형성된 노반 또는 공장 내에 설치된 설비로 이루어질 수 있다.

지지 프레임(112)은 대차(120)와 평행하게 배치된 상부 프레임(112a)과 상부 프레임(112a)의 양단에서 궤도(110)를 향하여 이어져 형성된 측면 프레임(112b, 112c)을 포함한다. 지지 프레임(112)에는 부상 전자석(141)이 고정 설치되어 있다. 지지 프레임(112)에는 2개의 부상 전자석(141)이 설치되는데, 부상 전자석(141)은 상부 프레임(112a)의 양쪽 가장자리에 배치된다. 부상 전자석(141)은 고정부재(115)를 매개로 상부 프레임(112a)에 설치된다.

부상 전자석(141)은 코어(141a)와 코어(141a)를 감싸는 코일(141b)을 포함하며, 부상 전자석(141)이 부상용 강자성체판(121)을 끌어 당겨서 부상력을 형성한다. 코어(141a)에는 부상용 강자성체판(121)을 향하여 돌출된 돌기가 형성되고, 부상용 강자성체판(121)에는 부상 전자석(141)을 향하여 돌출된 돌기가 형성된다.

측면 프레임(112b, 112c)의 내측면에는 안내 전자석(151)이 설치되는데, 안내 전자석(151)은 코어(151a)와 코어(151a)를 감싸는 코일(151b)을 포함한다. 안내 전자석(151)은 측면 프레임(112b, 112c)에 고정부재(116)를 매개로 설치되며 2개의 안내 전자석(151)이 대칭된 구조로 설치된다. 안내 전자석(151)은 대차(120)에 설치된 금속판(123)과 마주하게 배치되어 금속판(123)을 끌어 당겨서 대차(120)가 궤도(110)의 폭방향 중앙에 위치하도록 제어한다.

궤도(110)의 상면에는 공심형 전자석(130)이 설치되며 공심형 전자석(130)은 대차(120)에 설치된 영구자석(124)과 마주하도록 배치된다. 공심형 전자석(130)과 영구자석(124)이 선형 동기 모터를 이룬다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 공심형 전자석을 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 공심형 전자석의 단면도이다. 또한, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공심형 전자석의 사시도이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 공심형 전자석의 평면도이다.

도 2 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 공심형 전자석(130)은 연결 홀(132a)이 형성된 기판(132)과, 기판(132)의 하부에 배치된 강자성체부재(131), 및 기판(132)의 상부에 배치된 공심 코일(135)을 포함한다. 강자성체부재(131), 기판(132) 및 공심 코일(135)은 차례로 적층되어 있다.

기판(132)은 궤도(110)의 길이 방향으로 길게 이어져 형성되며 회로 패턴(132b)이 형성된 인쇄회로기판(PCB)으로 이루어진다. 기판(132)에는 복수 개의 연결 홀(132a)이 형성되며 연결 홀(132a)은 기판(132)의 길이 방향으로 이격 배열된다.

강자성체부재(131)에는 연결 홀(132a)에 삽입되는 돌기(131a)가 형성되며, 복수 개의 돌기(131a)가 강자성체부재(131)의 길이 방향을 따라 이격 배열된다. 연결 홀(132a)은 대략 사각형의 횡단면을 갖도록 형성되며, 돌기(131a)도 연결 홀(132a)과 대응되는 형상으로 이루어진다.

한편, 기판(132)에는 볼트(136)가 삽입되는 체결 홀(132c)이 형성되고, 강자성체부재(131)에도 볼트(136)가 삽입되는 체결 홀(131b)이 형성된다. 이에 따라 기판(132)과 강자성체부재(131)는 볼트(136)에 의하여 고정될 수 있다.

한편, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 공심 코일(135)은 코어공간(135a)을 갖고 감겨진 코일 형태로 이루어지며, 기판에 고정된다. 복수 개의 공심 코일(135)이 기판(132)의 길이 방향을 따라 이격 배열되며 각각의 공심 코일(135)이 연결 홀(132a)의 상부에 위치한다. 도 3에 도시된 바와 같이 공심 코일(135)의 코어공간(135a)이 연결 홀(132a)과 연통되도록 배치되며 코어공간(135a)은 돌기(131a)의 상부에 위치하는데, 돌기(131a)의 폭(W1)은 공심 코일(135)의 코어공간(135a)의 폭(W2)보다 더 크게 형성된다. 이에 따라 돌기(131a)의 횡단면적은 코어공간(135a)의 횡단면적보다 더 크게 형성된다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이 공심 코일(135)은 회로 패턴(132b)에 전기적으로 연결되어 전력을 공급받는다. 또한 공심 코일(135)은 와이어 등에 의하여 기판에 고정될 수 있다.

일반적으로 공심 코일은 작은 인덕턴스를 갖는 대신 자기력이 집중되지 않으므로 부드러운 추진력을 얻을 수 있다. 그러나 공심 코일은 자심을 갖는 코일에 비하여 인덕턴스가 낮은 문제가 있다. 그러나 본 실시예에서는 공심을 코일을 사용하되, 기판의 연결 홀에 강자성체 돌기를 삽입 배치함으로써 공심형 전자석의 자기력을 증가시킬 수 있다. 또한, 돌기의 폭이 공심 코일의 코어공간의 폭보다 더 크게 형성되므로 자기력을 더욱 증가시킬 수 있다. 이는 인덕턴스가 코어를 지날 때, 크게 증가하기 때문이다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기부상 시스템을 폭방향으로 잘라 본 종단면도이다.

도 6을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 자기부상 시스템(102)은 일방향으로 이어져 설치된 궤도(410)와 궤도(410)에서 자기부상으로 이동하는 대차(420)를 포함한다.

본 실시예에 따른 대차(420)는 궤도(410) 상에 놓이거나 궤도(410)로부터 부상하여 추진한다. 궤도(410)는 일방향으로 길게 이어져 형성되며, 상부에 형성된 거더(413)와 거더(413)의 아래에 배치되어 지면으로부터 거더(413)을 지지하는 기둥(412)을 포함한다.

거더(413)의 하면에는 부상용 강자성체판(461)이 고정 설치되며, 부상용 강자성체판(461)의 양쪽 가장자리에는 아래로 돌출된 돌기가 형성된다. 돌기는 아래에서 후술하는 부상 전자석(441)의 코어(441a)에 형성된 돌기와 마주하도록 배치된다. 또한 거더(413)의 상면에는 영구자석들(462)이 설치되며 영구자석들(462)은 공심형 전자석(430)과 대향 배치된다. 영구자석들(462)은 서로 다른 자극이 이웃하도록 교대로 배치된다.

대차(420)는 상판(421)과 상판(421)에서 아래로 이어져 형성된 측판(423), 및 측판(423)에서 궤도의 중심을 향하여 돌출된 하부 지지부(424)를 포함한다. 하부 지지부(424)에는 부상 전자석(441)이 부상용 강자성체판(461)과 대향하도록 설치된다. 부상 전자석(441)은 고정부재(425)를 매개로 하부 지지부(424)에 설치된다.

부상 전자석(441)은 코어(441a)와 코어(441a)의 외주를 감싸도록 설치된 코일(441b)을 포함한다. 코어(441a)는 홈을 사이에 두고 두 개의 돌기들이 이격 형성된 구조로 이루어지며 이 돌기들에 코일(441b)이 감겨진다. 부상 전자석(441)은 부상용 강자성체판(461)와 마주하여 부상용 강자성체판(461)를 끌어당기며 이에 따라 부상력이 발생한다. 본 실시예에서는 자기부상 시스템(102)이 흡인식으로 이루어진 것으로 예시하고 있지만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 부상 전자석(441)이 위에 위치하고, 부상용 강자성체판(461)이 아래에 위치하여 반발식으로 이루어질 수도 있다.

상판(421)의 하면에는 추진력을 발생시키는 공심형 전자석(430)이 영구자석들(462)과 마주하도록 고정 설치된다. 공심형 전자석(430)은 연결 홀이 형성된 기판(432)과, 기판(432)의 하부에 배치된 강자성체부재(431), 및 기판(432)의 상부에 배치된 공심 코일(435)을 포함한다. 강자성체부재(431), 기판(432) 및 공심 코일(435)은 차례로 적층되어 있다. 강자성체부재(431)는 상판(421)의 하면과 맞닿아 고정되며, 공심 코일(435)은 영구자석들(462)과 마주한다. 공심 코일(435)은 와이어 등에 의하여 기판(432)에 고정된다.

기판(432)은 궤도(410)의 길이 방향으로 길게 이어져 형성되며 회로 패턴 인쇄회로기판(PCB)으로 이루어진다. 기판(432)에는 복수 개의 연결 홀이 형성되며 강자성체부재(431)에는 연결 홀에 삽입되는 돌기(431a)가 형성된다.

거더(413)의 측단에는 금속판(416)이 설치되며, 측판(423)의 내면에는 금속판(416)과 마주하는 안내 전자석(451)이 설치된다. 안내 전자석(451)은 코어(451a)와 코어(451a)를 감싸는 코일(451b)을 포함하며 안내 전자석(451)은 측판(423)에 고정부재(426)를 매개로 설치된다.

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.

101, 102: 자기부상 시스템 110, 410: 궤도
112: 지지 프레임 112a: 상부 프레임
112b, 112c: 측면 프레임 115, 116, 425, 426: 고정부재
120, 420: 대차 121, 461: 부상용 강자성체판
123, 416: 금속판 124, 462: 영구자석
130, 430: 공심형 전자석 131, 431: 강자성체부재
131a, 431a: 돌기 131b: 체결 홀
132, 432: 기판 132a: 연결 홀
132b: 회로 패턴 132c: 체결 홀
135, 435: 공심 코일 135a: 코어공간
136: 볼트 141, 441: 부상 전자석
151, 451: 안내 전자석 141a, 151a, 441a, 451a: 코어
141b, 151b, 441b, 451b: 코일 160: 베이스
412: 기둥 413: 거더
421: 상판 423: 측판
424: 하부 지지부

Claims

연결 홀이 형성된 기판;
상기 기판과 적층 배치되며 상기 연결 홀에 삽입되는 돌기를 갖는 강자성체부재; 및
상기 기판에 고정되되, 상기 연결 홀 상에 위치하는 코어공간을 갖는 공심 코일;
을 포함하고,
상기 돌기는 상기 공심 코일의 코어공간 보다 더 큰 횡단면적을 갖는 공심형 전자석.
제1 항에 있어서,
상기 기판은 인쇄회로기판(PCB)로 이루어지고 상기 공심 코일은 상기 기판에 형성된 회로 패턴에 전기적으로 연결된 공심형 전자석.
제1 항에 있어서,
상기 기판에는 복수 개의 연결 홀이 형성되고, 상기 복수개의 공심 코일이 각각의 연결 홀 상에 적층 배치된 공심형 전자석.
제1 항에 있어서,
상기 돌기는 상기 공심 코일의 코어공간 보다 더 큰 폭을 갖는 공심형 전자석.
삭제
일방향으로 이어져 설치된 궤도;
상기 궤도를 따라 이동하며, 자기력에 의하여 상기 궤도에서 부상하여 이동하는 대차;
상기 궤도 상에 고정 설치된 공심형 전자석; 및
상기 대차에 고정 설치되며 상기 공심형 전자석과 마주하도록 배치된 영구자석들;
을 포함하고,
상기 공심형 전자석은 연결 홀이 형성된 기판과, 상기 기판과 적층 배치되며 상기 연결 홀에 삽입되는 돌기를 갖는 강자성체부재, 및 상기 기판에 고정되되, 상기 연결 홀 상에 위치하는 코어공간을 갖는 공심 코일을 포함하고,
상기 돌기는 상기 공심 코일의 코어공간 보다 더 큰 횡단면적을 갖는 자기부상 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 기판은 인쇄회로기판(PCB)로 이루어지고 상기 공심 코일은 상기 기판에 형성된 회로 패턴에 전기적으로 연결된 자기부상 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 기판에는 복수 개의 연결 홀이 형성되고, 상기 복수개의 공심 코일이 각각의 연결 홀 상에 적층 배치된 자기부상 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 돌기는 상기 공심 코일의 코어공간 보다 더 큰 폭을 갖는 자기부상 시스템.
삭제
제6 항에 있어서,
상기 대차의 상부에는 지지 프레임이 설치되고, 상기 지지 프레임에는 부상 전자석이 고정 설치되며,
상기 대차에는 상기 부상 전자석과 마주하는 강자성체판이 설치된 자기부상 시스템.
일방향으로 이어져 설치된 궤도;
상기 궤도를 따라 이동하며, 자기력에 의하여 상기 궤도에서 부상하여 이동하는 대차;
상기 대차에 고정 설치된 공심형 전자석; 및
상기 궤도 상에 고정 설치되며 공심형 전자석과 마주하도록 배치된 영구자석들;
을 포함하고,
상기 공심형 전자석은 연결 홀이 형성된 기판과, 상기 기판과 적층 배치되며 상기 연결 홀에 삽입되는 돌기를 갖는 강자성체부재, 및 상기 기판에 고정되되, 상기 연결 홀 상에 위치하는 코어공간을 갖는 공심 코일을 포함하고,
상기 돌기는 상기 공심 코일의 코어공간 보다 더 큰 횡단면적을 갖는 자기부상 시스템.
제12 항에 있어서,
상기 기판은 인쇄회로기판(PCB)로 이루어지고 상기 공심 코일은 상기 기판에 형성된 회로 패턴에 전기적으로 연결된 자기부상 시스템.
제12 항에 있어서,
상기 기판에는 복수 개의 연결 홀이 형성되고, 상기 복수개의 공심 코일이 각각의 연결 홀 상에 적층 배치된 자기부상 시스템.
제12 항에 있어서,
상기 돌기는 상기 공심 코일의 코어공간 보다 더 큰 폭을 갖는 자기부상 시스템.
삭제
제12 항에 있어서,
상기 대차에는 부상 전자석이 고정 설치되며, 상기 궤도에는 상기 부상 전자석과 마주하는 강자성체판이 설치된 자기부상 시스템.