KR101595505B1 - 다중 코어 구조를 갖는 전자석 - Google Patents

다중 코어 구조를 갖는 전자석 Download PDF

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한국기초과학지원연구원
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Abstract

본 발명은 코어에 코일을 권선하여 자기장을 발생하는 전자석에서 최소 세 개 이상의 코어와 최소 한 개의 자속허브 그리고 자극을 구비하여, 각각의 코어에서 발생하는 자속(magnetic flux)을 하나의 자속허브로 집속하여 효율을 향상시킨 다중 코어 구조를 갖는 전자석에 관한 것으로, 코어에 코일을 권선하여 자기장을 발생하는 전자석에 있어서, 전자석을 지지하는 받침대; 코일이 코어에 권선되어 구성되고 상기 전자석에 전원을 공급하는 전극터미널을 통해 상기 코일에 전류가 인가되면, 자극을 띄는 다수의 코어; 상기 받침대에 의해 지지되고 대칭되어 마주보도록 구성되며 상기 다수의 코어를 기구적으로 결합하고, 상기 코어에서 발생하는 자기장을 집속하는 한 쌍의 자속허브; 상기 한 쌍의 자속허브로부터 공급된 집속된 자기장에 의해 극성을 갖도록 상기 자속허브에 의해 연결 상태로 지지되고 상기 코어의 중심에 마주보도록 배치되어 마주보는 한쌍이 각각 상이한 극성을 갖는 자극(magnetic pole); 및 자극코어 마운팅 어댑터부를 포함하여 구성되어, 마그네틱 코어의 수가 증가할수록 코어의 자기 저항과 코일의 전기저항이 감소하며, 따라서 전자석을 냉각시키는 냉각부품을 간소화시킬 수 있으며, 또한 자극코어 마운팅 어댑터부를 포함하므로 자극코어 교환이 용이하여 자극코어 교환식 전자석의 구현이 가능하다.

Description

다중 코어 구조를 갖는 전자석{ELECTROMAGNET HAVING MULTI MAGNETIC CORE STRUCTURE}
본 발명은 다중 코어 구조를 갖는 전자석에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코어에 코일을 권선하여 자기장을 발생하는 전자석에서 최소 세 개 이상의 코어와 최소 한 개의 자속허브 그리고 자극을 구비하여, 각각의 코어에서 발생하는 자속(magnetic flux)을 하나의 자속허브로 집속하여 효율을 향상시킨 다중 코어 구조를 갖는 전자석에 관한 것이다.
일반적으로 전자석은 암페어의 법칙에 의해 원형 코일에 전류가 흐르면 코일 내부에 위치한 자기코어가 자석의 성질을 나타내어 동작한다.
전자석의 세기는 코일 턴수(N)와 흐르는 전류(I)에 비례한다. 따라서, 일정한 전류로 큰 자기장을 얻기 위해서는 코일의 턴수(number of coil turn)를 증가시키는(H ∝ μ × NI) 것이 일반적이다. 여기서, μ는 투자율을 나타내고, N은 단위 길이 당 턴수를 나타내며, I는 전류를 나타낸다.
제한된 공간에 코일의 턴수(N)를 증가시키면, 코일레이어(coil layer)의 두께가 증가하고, 증가하는 코일레이어의 두께에 비례하여 코일의 길이가 급격하게 증가하므로 전기저항 또한 증가하며, 이에 따라 소비전력(발열)이 급격하게 증가한다. 따라서 동일한 전류로 큰 자기장을 얻기 위해서는 투자율이 높은 코어재료와 저항이 낮은 코일 재료들을 사용하게 된다. 전자석의 코일과 코어의 재료로 주로 사용되는 재료는 고순도의 동과 순철을 사용한다. 현재 낮은 저항율 및 고투자율을 갖는 재료의 사양은 한계점에 도달한 상태이다.
따라서 동일한 전류로 큰 자기장을 얻기 위해서는 두꺼운 코일을 사용하고, 코일 턴수(N)를 올리는 방법이 있지만, 코일 턴수(N)를 증가시키게 되면, 전자석의 부피가 커지게 되고, 제작 비용이 증가하며, 무게와 부피의 증가로 인하여 부가적으로 물류비용, 설치비용, 관리비용 등이 증가하는 문제점이 있다.
도 1은 일반적인 전자석의 단면을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 많은 양의 자속을 수용하기 위해 자기코어(1)의 반경(r C)을 키울 경우 외경이 증가하여 코일(2) 저항(R coil)이 증가한다.
또한, 코일 반경(r coil=t CL+r C)이 큰 코일을 수용하기 위해 자속을 유도하는 경로의 길이가 증가하며, 따라서 자기저항(magnetic resistance)이 증가하고, 결국 동일한 전력에 대비하여 출력 자기장의 효율을 저하시킨다. 여기서, t CL은 코일레이어(2)의 두께를 나타낸다.
도 2는 일반적인 전자석에 나타나는 전기적 자기적 저항들의 경향을 나타낸 그래프이다.
도 2의 (a)는 코일레이어 두께의 증가에 따른 코일의 저항을 나타낸 그래프이다. 도 1의 설명에서와 같이 많은 양의 자속(magnetic flux)을 수용하기 위해 코어(1)의 반경(r C)을 키울 경우 코일레이어(2) 저항(R coil)이 증가한다. 이는 R coil=R w /L × L total의 식으로 나타낼 수 있으며, 코일레이어(2) 저항이 급격히 증가한다. 여기서, R coil은 코일의 저항을 나타내며, R w/L 은 코일의 길이당 저항을 나타내고, L total은 전체 코일의 저항이다.
도 2의 (a)는 코일레이어(2) 두께의 증가에 따른 소비전력량을 나타낸 그래프이다. 제한된 공간에 코일의 턴수(N)가 증가하면, 코일레이어(2)의 두께가 증가하고, 증가한 코일레이어(2)의 두께에 비례하여 전기저항이 증가하며, 이에 따라 소비전력(발열)량이 P = I 2 R의 공식에 따라 급격하게 증가한다.
도 2의 (c)는 코일레이어 두께의 증가에 따른 자속 경로의 길이를 나타낸 그래프이다. 코일레이어(2) 두께가 증가할수록 코일 반경(r coil=t CL+r C)이 커지며, 대응하여 자속경로(l)가 증가한다.
도 2의 (d)는 자속 경로의 증가에 따른 자기 저항을 나타낸 그래프이다. 도 2의 (c)에서와 같이 자속경로(l)가 증가할수록 자기저항(magnetic resistance)이 증가하고(R m= l /mS), 결국 자기저항의 증가로 인하여 전력 대비 출력 자기장의 저하를 야기하게 된다.
따라서 전자석의 권선수를 증가시키는 방법 및 자극코어의 반경을 키움으로써 전자석의 자기장 성능을 향상시킬 수 있으나, 결국 전자석의 효율을 낮추게 되며, 전술한 바와 같이 소비전력과 제조단가 그리고 유통비용을 증가시키는 문제점이 발생한다.
도 3은 일반적인 코어에 코일이 권선된 단면을 나타낸 도면이다. 자극에서는 출력되는 자속 밀도가 중요하지만, 코어에서는 코어가 생산하는 총 자속량이 중요하다. 총 자속량은 코어의 단면적이 가장 중요한 변수이며, 코일 권선량 또는 코일 권선층의 두께(t CL) 또한 중요한 변수가 된다. 코어의 단면적이 넓을수록 그리고 코일 권선이 많을수록 총자속량은 증가한다. 하지만, 전력(P) 대비 자기장(H) 효율(H/P) 측면에서 코일 층의 두께가 한없이 두꺼워지는 것은 바람직하지 않으며 냉각에도 문제를 발생시킬 수 있다.
다중 코어 전자석을 구현하기 위해서는 코어 직경(D core)과 코일층 두께(t CL)의 합, 즉 코일외경(2t CL + D core)이 작을수록 유리하다. 하지만, 코어가 지나치게 가늘면 적은 전류에도 자기포화에 도달하여 목표하는 총 자속량에 도달하기 어려운 문제점이 있어 설계에 주의가 필요하다.
또한 기존의 전자석은 한번 제작하고 나면 자기코어의 변경이 제한적이므로 용도에 따라 기존 전자석에 심각한 변경을 요하거나 아예 새로운 전자석 제작을 필요로 한다. 특히 중공이 있는 자기코어가 필요한 경우, 기존 자기코어에 중공을 형성할 수는 있으나, 폴간의 간격을 조절할 수 없는 문제에 봉착하기도 한다.
따라서 본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전기저항을 감소시키고, 소비전력을 저감하기 위해 코어를 다중으로 구성한 다중 코어 구조를 갖는 전자석을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 목적은 다중 코어 형태의 구조에 있어서 자기장 집속을 유도하고 냉각 기능이 있는 다중 코어 구조를 갖는 전자석을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 다중 코어 형태의 구조에 있어서 자속선 경로의 자기저항을 감소시킬 수 있는 다중 코어 구조를 갖는 전자석을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 다중 코어 형태의 구조에 있어서 소비전력을 분산할 수 있어 냉각 방법을 간소화 할 수 있는 다중 코어 구조를 갖는 전자석을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 다중 코어 형태의 구조에 있어서 코일 턴수를 줄여 전기저항을 저감할 수 있는 다중 코어 구조를 갖는 전자석을 제공하는 것이다
또한, 본 발명은 다양한 자기코어를 수용할 수 있는 마운팅 어댑터를 구비할 수 있는 자기코어 교환식 플랫폼을 제공하고, 이를 이용한 자기코어 교환식 다중 코어 구조를 갖는 전자석을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 다중 코어 구조를 갖는 전자석은, 코일을 권선하여 자기장을 발생하는 전자석에 있어서, 전자석을 지지하는 받침대; 코일이 코어에 권선되어 구성되고 상기 전자석에 전원을 공급하는 전극터미널을 통해 상기 코일에 전압이 인가되면, 자극을 띠는 다수의 코어; 상기 받침대에 의해 지지되고 대칭되어 마주보도록 구성되며 상기 다수의 코어를 기구적으로 결합하고, 상기 코어에서 발생하는 자기장을 집속하는 한 쌍의 자속허브; 및 상기 한 쌍의 자속허브로부터 공급된 집속된 자기장에 의해 극성을 갖도록 상기 자속허브에 의해 연결 상태로 지지되는 한쌍의 자극코어; 및 상기 자극코어의 중심에 마주보도록 배치되어 마주보는 한쌍이 각각 상이한 극성을 갖는 자극;을 포함하여 구성된다.
상기 다수의 코어는, 최소 세 개 이상으로 구성하고 상기 세 개 이상의 코어를 상기 한 쌍의 자속허브에 연결된 상태로 지지되도록 구성될 수 있다.
상기 다수의 코어는, 상기 코어에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 자극의 축과 평행하게 배치되도록 연결될 수 있다.
상기 자속허브는, 상기 다수의 코어를 기계적으로 연결시키고 수용하는 다수의 코어수용부; 상기 다수의 코어 수용부의 내측에 구성되며 자극을 수용하는 자극수용부; 및 상기 코어에 권선된 코일에 의해 발생하는 열을 냉각시키는 냉각부;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 냉각부는, 상기 자속허브의 외측으로 공기와의 접촉면을 늘리도록 연장되어 형성된 다수의 방열판을 갖도록 구성될 수 있다.
상기 냉각부는, 상기 자속허브의 내측을 관통하여 순환하는 냉각수의 통로가 형성되도록 구성될 수 있다.
상기 자속허브는, 다음의 수학식을 만족시키는 상기 자극 코어의 단면적을 수용하도록 구성될 수 있다.
(Sc × m)/2 < C
(여기서, Sc는 코어 하나당 단면적을 나타내며, m은 코어의 개수를 나타내고, C는 상기 자속허브와 상기 자극과의 접촉면적임)
상기 다수의 코어는, 중심부의 직경과 양측 단부의 직경을 다르게 구성하고, 상기 중심부의 직경이 상기 단부의 직경보다 크게 구성할 수 있다.
상기 중심부의 직경과 상기 양측 단부의 직경은, 다음의 수학식의 범위 내에 있도록 구성될 수 있다.
1.1 < D cc /D ce <2
(여기서, D cc는 상기 코어의 중심부의 직경을 나타내고, Dce는 코어의 단부의 직경을 나타내는 것임)
상기 다수의 코어는, 상기 양측 단부 중 어느 하나의 길이(Le)에 대한 중심부의 길이(L c)의 비는 다음의 수학식의 범위 내에 있도록 구성될 수 있다.
1<L c/L e<3
상기 다수의 코어는, 상기 코어에 권선된 코일 층의 두께(T CL)와 코어의 직경(D core)간에 비율이 다음의 수학식의 범위 내에 있도록 구성될 수 있다.
0.1 < (T CL /D core) < 1
상기 한쌍의 자극코어는, 상기 자속허브의 내측에 형성된 수용부에 결합하는 원통형의 하우징과; 상기 하우징의 내측에 형성된 나사산과의 결함하는 자극; 및 상기 자극의 단부에 형성되어 상기 자극을 회전시켜 상기 자극 간의 간격을 조절하는 자극핸들을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 다수의 코어는, 코어에 권선된 코일과의 사이에 절연막이 구성되고, 상기 절연막은 내절연성 및 내열성의 재질로 구성될 수 있다.
상기 한 쌍의 자속허브는, 상기 받침대에 의해 각각 지지되며, 마주보는 평평한 판재 또는 마주보는 일측이 폐쇄된 원통형 중 어느 하나의 형태로 구성되어 상기 평평한 판재의 중심 또는 폐쇄된 원통형의 폐쇄된 부분의 중심에 고정되어 구성될 수 있다.
상기 수용부는, 상기 양측의 자속허브의 중심부가 통공되어 구성되어 상기 자극 코어를 탈착 가능하도록 수용하는 마운팅 어댑터일 수 있다.
상기와 같은 해결수단에 의한 본 발명에 따른 다중 코어 구조를 갖는 전자석은, 마그네틱 코어의 수가 증가할수록 일정 수준까지 코일의 저항이 감소하며, 따라서 전자석을 냉각시키는 냉각부품을 간소화시켜 소비전력을 감소시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 코어 구조를 갖는 전자석은, 마그네틱 코어의 수가 증가할수록 코어 하나 당 저항은 더욱 감소하며, 코어 당 소비전력도 급격히 감소한다. 따라서 자연 공랭으로 발열을 해소할 수 있는 전류 한계가 커져 중공 형태의 두꺼운 수랭형 코일을 사용하는 것 보다 냉각 구조가 간소화되고 부피가 감소하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 코어 구조를 갖는 전자석은, 자속선 가이드의 길이가 감소하여 전력 당 출력 자기장의 비(효율)가 높아지는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 코어 구조를 갖는 전자석은, 마그네틱 코어의 수를 증가시켜 코어의 반경을 줄일 수 있으므로 코일의 저항을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 코어 구조를 갖는 전자석은, 다양한 자기코어를 수용할 수 있는 마운팅 어댑터를 구비하는 플랫폼을 제공하여 자기코어 교환식 전자석을 구현하고, 활용도 및 생산성을 높이는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 전자석의 단면을 나타낸 도면.
도 2는 일반적인 전자석의 전기 및 자기 저항 경향을 나타낸 그래프.
도 3은 일반적인 코어에 코일이 권선된 단면을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 코어 형태의 구조를 갖는 전자석의 개념도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 코어 형태의 구조를 갖는 전자석의 개념도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 6중 코어 형태의 구조를 갖는 전자석의 개념도.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 6중 코어 형태의 구조를 갖는 전자석의 개념도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 8중 코어 형태의 구조를 갖는 전자석의 개념도.
도 9는본 발명의 일 실시예에 따른 16중 코어 형태의 구조를 갖는 전자석의 개념도.
도 10은 본 발명의 도 5의 일실시예에 따른 코어에 코일이 권선된 권선코어의 단면을 나타낸 단면도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 코어 전자석을 나타낸 사시도 및 부분 사시도.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 코어수용부를 나타낸 도면.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 코어 전자석에 의해 나타나는 지표들을 나타낸 그래프.
도 14은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기코일에 인가된 전류의 증가에 따른 다중 코어 전자석의 자기장의 변화를 나타낸 그래프.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 코어 전자석의 자속 허브에 마운팅 어댑터를 구성한 것을 나타낸 도면.
이하, 본 발명의 실시예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 3중 코어 형태의 구조를 갖는 전자석의 개념도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 코어 형태의 구조를 갖는 전자석의 개념도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 6중 코어 형태의 구조를 갖는 전자석의 개념도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 6중 코어 형태의 구조를 갖는 전자석의 개념도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 8중 코어 형태의 구조를 갖는 전자석의 개념도이고, 도 9는본 발명의 일 실시예에 따른 16중 코어 형태의 구조를 갖는 전자석의 개념도이다.
도 4의 (a)에서, 코일이 코어에 권선된 3개의 권선코어(12)가 도시되며, 나란하게 120도의 일정한 간격으로 배치된 3개의 권선코어(12)에 의해 집속된 자기장이 자속허브(미도시됨)에 집속된다. 여기에서 권선코어(12)는 고투자율 자기코어에 전기코일이 감겨있는 것을 지칭하는 것이다. 3개의 권선코어(12)들은 상호 척력이 발생하도록 구성한다. 또한, 3개의 권선코어(12)가 마주보는 자극(14)을 둘러싸고 자속 방향의 축이 상호 평행하게 등 간격으로 배치되도록 연결하여 자극(14)간 간격이 최소인 곳을 벗어나려는 성질의 누설자속을 최소화시켜 자극(14, 15) 간 자속밀도가 향상되도록 구성한다. 권선코어(12)에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 각각의 자극(14)의 축과 평행하게 배치되도록 연결한다. 3개의 권선코어(12)의 일측을 집속시켜 N극을 형성하기 위하여 자속허브를 구성한다. 3개의 권선코어(12)의 타측을 집속시켜 S극을 형성하기 위한 자속허브를 구성한다. 이와 같이 전자석이 마주보는 2개의 대응하는 극성을 갖도록 구성한다. 이때, 자속허브는 3개의 권선코어(12)의 일측을 고정하는 자속허브와 권선코어(12)들의 타측을 고정하는 자속허브로 구성할 수 있다. 한 쌍의 자속허브에 의해 집속된 자기장은 각각의 자극(14, 15)에 집속되어 각각 N극과 S극을 형성한다. 3개의 권선코어(12)에 권선된 각각의 코일은 상호 직렬 또는 병렬도 연결될 수 있어 2 종류의 저항(3R coil 또는 1/3R coil)으로 구성할 수 있다. 도 4의 (b)는 3 개의 권선코어(12)가 구비된 다중코어 전자석이 진공챔버(100)에 적용될 수 있는 실시예를 보인 것이다. 진공챔버(100) 주변에 권선코어(12)가 배치되어 있고, 2 개의 자극(14, 15)이 각각 진공챔버(100)의 상측 커버와 하측 커버를 관통하며, 자극면이 챔버 내부에 형성되는 것이다.
도 5에서, 코일이 코어에 권선된 4개의 권선코어(16)가 도시되며, 나란하게 90도의 일정한 간격으로 배치된 4개의 권선코어(16)에 의해 집속된 자기장이 자속허브(미도시됨)에 집속된다. 4개의 권선코어(16)들은 상호 척력이 발생하도록 구성한다. 또한, 4개의 권선코어(16)가 자극(18)을 둘러싸고 자속 방향의 축이 상호 평행하게 등간격으로 배치되도록 연결하여 자극(18) 간 간격이 최소인 곳을 벗어나려는 성질의 누설자속을 최소화시켜 자극(18, 19) 간 자속밀도가 향상된다. 권선코어(16)에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 자극의 축과 평행하게 배치되도록 한다. 또한, 4개의 권선코어(16)의 일측을 집속시켜 N극을 형성하기 위하여 자속허브를 구성한다. 또한 권선코어(16)의 타측을 집속시켜 S극을 형성하기 위한 자속허브를 구성한다. 이와 같이 구성하여 각각 N극과 S극의 2극성을 갖도록 한다. 이때, 자속허브는 4개의 권선코어(16)들의 단부를 고정하는 각각의 자속허브에 의해 집속되어 각각 N극과 S극을 형성한다. 4개의 권선코어(16)에 권선된 각각의 코일은 상호 직렬 또는 병렬도 연결될 수 있어 3 종류의 저항(4R coil 또는 1/2R coil 또는 1/4R coil)으로 구성할 수 있어 전자석 전원 공급장치의 다양한 출력 사양에 대응이 가능하다. 도 5(b)는 권선코어(16)가 외부 냉각챔버(200) 내부에 설치되어 냉각수 또는 냉매를 이용하여 냉각될 수 있는 실시예를 보인 것이다. 냉각수 또는 냉매는 냉각수 주입구(202)를 통해 주입되어 외부 냉각챔버(200) 및 내부 냉각챔버(210)를 순환한 후에 냉각수 토출구(204)를 통해 회수되거나 다시 냉각수 주입구(202)를 통해 유입되도록 연결된다.
도 6에서, 코일이 코어에 권선된 6개의 권선코어(20)가 도시되며, 나란하게 60도의 일정한 간격으로 배치된 6개의 권선코어(16)에 의해 집속된 자기장이 한쌍의 자극허브(미도시됨)에 집속된다. 6개의 권선코어(20)들은 상호 척력이 발생하도록 구성한다. 또한, 6개의 권선코어(20)가 자극(22)을 둘러싸고 자속 방향의 축이 상호 평행하게 등간격으로 배치되도록 연결하여 자극(22) 간 간격이 최소인 곳을 벗어나려는 성질의 누설자속을 최소화시켜 자극(22) 간 자속밀도가 향상되도록 한다. 권선코어(20)에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 자극(22)의 축과 평행하게 배치되도록 연결한다. 또한, 6개의 권선코어(20)의 일측을 집속시켜 N극을 형성하기 위한 자속허브를 구성한다. 권선코어(20)의 타측을 집속시켜 S극을 형성하기 위한 자속허브를 구성한다. 이와 같이 구성하여 전자석이 2극성을 갖도록 한다. 이때, 자속허브는 6개의 권선코어(20)들의 단부를 고정하는 각각의 자속허브에 의해 집속되어 각각 N극과 S극을 형성한다. 6개 권선코어(20)가 구비된 다중 코어 전자석의 경우에도 도 4(b) 또는 도 5(b)의 경우와 마찬가지로 전자석의 냉각을 위한 진공 챔버 또는 냉각 챔버에 적용이 가능하다.
도 7에 상부에 배치되며 코일이 코어에 권선된 3개의 권선코어(24)가 도시되며, 하부에 배치된 3개의 권선코어(25)가 도시된다. 상부에 형성된 3개의 권선코어(24)에 의해 자기장이 상부의 자속허브에 집속되고, 하부에 형성된 3개의 권선코어(25)에 의해 자기장이 하부의 자속허브에 집속된다. 6개의 권선코어(24, 25)들은 자속코어에서 상호 척력이 발생하도록 구성한다. 또한 상부 권선코어(24)와 하부 권선코어 (25)는 상호 인력이 발생하도록 구성한다. 또한, 상부의 3개의 권선코어(24)가 자극(26)을 둘러싸도록 형성되며 하부의 3개의 권선코어(25)가 다른 자극(27)을 둘러싸도록 형성되며 자속 방향의 축이 등간격으로 배치되도록 연결하여 자극(26, 27) 간 자속밀도가 향상되도록 한다. 권선코어(24, 25)에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 자극(26, 27)의 축과 수직하게 배치되도록 연결한다. 상부에 형성된 3개의 권선코어(24)의 일측은 도면에서는 자속허브에 의에 연결된 상태로 지지되도록 구성하고 하부의 3개의 권선코어(25)의 일측은 타측의 자속허브에 의해 연결된 상태로 원통형 형태로 집속시켜 구성한다. 이때, 자속허브는 상부에 구성된 3개의 권선코어(24)들의 일측을 고정하여 집속하고 하부에 구성된 3개의 권선코어(25)를 고정하여 집속시켜 각각 각각의 자극(26, 27)에 N극과 S극을 형성한다. 한쌍의 자속허브는 자속을 집속시키는 일측이 폐쇄된 원통형태로 각각 구성될 수 있다.
도 8에서, 상부에 배치되며 코일이 코어에 권선된 4개의 권선코어(28)가 도시되며, 하부에 배치된 4개의 권선코어(29)가 도시된다. 상부에 형성된 4개의 권선코어(28)에 의해 발생된 자기장이 상부 자속허브에 집속되고, 하부에 형성된 4개의 코어에 의해 자기장이 하부 자속허브에 집속된다. 8개의 권선코어(28, 29)는 상호 척력이 발생하도록 구성한다. 또한, 상부에 형성된 4개의 권선코어(28)가 자극(30)을 둘러싸도록 형성되며 하부에 형성된 4개의 권선코어(29)가 다른 자극(31)을 둘러싸도록 형성되고, 자속 방향의 축이 등간격으로 배치되도록 연결하여 자극(30, 31)간 자속밀도가 향상되도록 한다. 권선코어(28, 29)에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 자극의 축과 수직하게 배치되도록 연결한다. 상부에 형성된 4개의 권선코어(28)의 일측은 자속허브에 의에 연결된 상태로 지지되도록 구성하고 하부의 4개의 권선코어(29)의 일측은 타측의 자속허브에 의해 연결된 상태로 원통형 형태로 집속시켜 구성한다. 이때, 자속허브는 상부에 구성된 4개의 권선코어(28)들의 일측을 고정하여 집속하고 하부에 구성된 4개의 권선코어(29)를 고정하여 집속시켜 각각 각각의 자극(30, 31)에 N극과 S극을 형성한다. 한쌍의 자속허브는 자속을 집속시키는 일측이 폐쇄된 원통형태로 각각 구성될 수 있다.
도 9에서, 상부에 배치된 4개의 코어가 2단 형태로 형성되며 코일이 코어에 권선된 8개의 상부 권선코어(32)를 형성하며, 하부에 배치된 4개의 코어가 2단 형태로 8개의 하부 권선코어(33)를 형성한다. 상부에 형성된 8개의 권선코어(32)에 의해 자기장이 상부 자속허브에 집속되고, 하부에 형성된 8개의 권선코어(33)에 의해 자기장이 하부의 자속허브에 집속된다. 각각의 16개의 권선코어(32, 33)들은 상호 척력이 발생하도록 구성한다. 또한, 상부에 형성된 8개의 권선코어(32)가 자극(34)을 둘러싸도록 형성되고 하부에 형성된 8개의 권선코어(33)가 다른 자극(35)을 둘러싸도록 형성되며 자속 방향의 축이 상호 평행하게 등간격으로 배치되도록 연결하여 자극(34, 35) 간 자속밀도가 향상된다. 권선코어(33, 34)에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 자극(34, 35)의 축과 수직하게 배치되도록 연결한다. 이때, 자속허브는 상부에 구성된 8개의 권선코어(32)들의 일측을 고정하여 집속하고 하부에 구성된 8개의 권선코어(33)를 고정하여 집속시켜 각각 자극(34, 35)에 N극과 S극을 형성한다. 한쌍의 자속허브는 자속을 집속시키는 일측이 폐쇄된 원통형태로 각각 구성될 수 있다.
도 4 내지 도 9에 설명된 자속허브에 있어서, 자속허브와 자극(14, 15, 18, 19, 22, 23, 26, 27, 30, 31, 34, 35)의 면적(C)은 바람직하게는 권선코어(12, 16, 20, 24, 25, 28, 29, 32, 33)에서 자기코어의 단면적(Sc)을 모두 더한 것(Sc × m)의 1/2보다 크도록 구성한다. 이를 수학식으로 나타내면 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112015085002993-pat00001
한편, 도 4 내지 도 9를 참조하여 3중 코어 내지 16중 코어 형태의 전자석에 대하여 설명하였지만, 권선코어를 등간격으로 배치한 5중코어, 7중코어도 가능하며, 16중 코어 이상의 전자석도 가능하다는 것을 전술한 설명에 의해 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 10은 본 발명의 도 5의 일실시예에 따른 코어에 코일이 권선된 권선코어의 단면을 나타낸 단면도이다. 전자석의 한계는 자기 폐회로에서 어느 특정 부위가 자기포화될 때 발생하기 시작한다. 전술한 바와 같이 통상적인 전자석의 경우 자극코어에 권선되어 있어 자극이 가장 먼저 포화되지만, 본 발명에 의한 전자석에서는 코어(160, 162)에 코일(164)이 권선되어 있어 코어(160, 162)에 자기포화가 도래할 경우에 대한 대비가 필요하다.
코어(160, 162)에서도 가장 먼저 자기포화가 도래할 수 있는 부분은 코어의 중심부(160)이며, 코일이 권선되는 코어(160, 162)의 단부(core end)(162)와 중심부(core center)(160)의 외경을 달리하는 방법을 적용할 수 있다. 이때 코어(160, 162)의 중심부(160)의 직경(D cc)을 코어의 단부(162)의 직경(Dce) 보다 크게 하여 자속을 통과시키는 양을 증가시켜 권선코어(12, 16, 20, 24, 25, 28, 29, 32, 33) 말단에서 자속밀도를 크게 할 수 있다.
특히 본 방법을 적용한 고자속 코어의 경우, 중심 코어(160)의 권선 수가 줄어들면서도 권선코어(16)의 단부(162)의 자속밀도를 증가시켜 인가전력(P) 대비 출력 자기장(H) 비율(H/P효율)이 커지는 효과가 있다. 따라서 바람직하게는 코어 중심부(160)의 직경(Dcc)과 단부(162)의 직경(Dce)은 다음의 수학식 2의 범위 내에 있도록 직경을 설정한다.
Figure 112015085002993-pat00002
한편, 코일층당 권선이 30턴 이상인 경우, 코어의 직경(D core)과 코일층(Coil layer)의 두께(T CL) 비율(T CL/ D core) 이 0.1에서 0.5 사이일 때 효율(H/P)이 최대가 된다. 다양한 설계 변수를 고려하더라도 코일층의 두께(T CL)는 코어의 직경(D core)의 0.1~1배 이내에 들어있는 것이 바람직하다. 만약 (T CL /D core)가 2 이상인 경우 최외곽 코일층의 원주가 커져서 코일의 전기저항이 지나치게 커져 효율(H/P)을 심각하게 감소시킨다. 따라서, 코일 층의 두께(T CL)와 코어의 직경(D core)간에 비율(T CL /D core)이 다음의 수학식 3의 범위 내에 있도록 설정한다.
Figure 112015085002993-pat00003
또한, 코어의 중심부(160)보다 작은 직경을 갖는 단부(162)의 길이(L e)에 대한 권선코어(16)에서 단부(162)의 길이(L e)에 대한 중심부(160)의 길이(L c)의 비(L c/L e)는 바람직하게는 다음의 수학식 4의 범위 내에 있도록 구성한다.
Figure 112015085002993-pat00004
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 코어 전자석을 나타낸 사시도 및 부분 사시도이다. 도 11의 (a) 및 (b)에서 본 발명은 권선코어(16), 자극(18, 19), 자극 조절 핸들(140), 자석 운반용 핸들(143), 전극 터미널(120), 자속허브(130) 및 받침대(110)로 구성된다.
코어(160, 162)와 코어에 권선된 코일(164)의 반경이 크므로 비교적 좁은 면적의 노드에 권선코어(12, 16, 20, 24, 25, 28, 29, 32, 33)에서 생성한 자기장을 모으기는 어렵다. 따라서 생성된 자기장을 집속하는 노드의 구실을 하는 자속허브(130)가 필요하다. 자속허브(130)는 권선코어(16)와 자극(18, 19)을 기구적으로 연결한다. 자속허브(130)는 자속을 모아서 자극(18, 19)에 공급하는 통로로써의 역할을 하며, 코일(164)에 의해 가열된 코어(160, 162)들을 냉각하는 냉각부(142)를 포함한다.
전술한 바와 같이 각각의 코어(160, 162)에 권선된 코일(164)의 저항이 작으므로 코일(164)을 냉각해야 하는 부담이 줄어든다. 그러나 코일(164)과 코어(160, 162)가 접촉하는 면적이 넓어져 코일(164)을 포함한 코어(160, 162) 및 자극(18, 19)과 같은 모든 구성 요소들이 전체적으로 가열된다. 따라서 큰 전류를 인가하는 조건에서도 안정적으로 전자석을 구동하기 위해서는 적절한 냉각 방법을 적용해야 한다.
코일의 저항에 의해 열이 발생하며 이 열을 공랭식 또는 수랭식으로 냉각해야 한다. 수랭식의 경우 코어(160, 162) 및 자속허브(130)에 내에 구성된 냉각수로(136)를 통해 냉매제를 순환시키도록 구성할 수 있다. 수랭식을 하는 경우 자속허브(130) 및 코어(160, 162)의 내측에 물 또는 냉각액 등의 유체가 회전하면서 냉각시키도록 할 수 있다. 공랭식을 하는 경우 자속허브의 표면에 방열판(138) 등의 열교환 기구를 구비하여 냉각을 수행하도록 할 수 있다. 자속허브(130)에 공기와 접촉하는 면적을 늘린 방열판(138)을 구성하여 공기에 의해 냉각시키도록 할 수 있다. 냉각 방식은 수랭식 또는 공랭식 중 적어도 어느 하나를 이용하여 코일(164)에서 발생하는 열을 냉각시킬 수 있다. 즉, 자속허브(130)가 수랭식 또는 공랭식의 냉각부(142)를 구비하여 자속허브(130)에 부착된 권선코어(16) 뿐만 아니라 코일(164)까지 냉각시킬 수 있다. 또한 수냉용 공심 구리선을 권선코어(16)의 외곽에 한 층 감는 방법을 적용하는 것도 가능하다.
받침대(110)는 전자석를 지지하는 역할을 하며, 비금속 또는 금속으로 구성한다. 받침대(110)의 재질을 금속으로 할 경우 자속허브를 냉각하는 냉각 효과를 기대할 수 있다. 또한 받침대 내부에 수로를 형성하여 수랭식 냉각 방법을 구현할 수 있다.
권선코어(16)는 전극터미널(120)을 통해 전자석으로 전류가 인가되면 자기장이 형성된다. 이때, 전술한 권선코어(16)의 일측에는 N극성의 자기장이 형성되며, 타측에는 S극성의 자기장이 형성된다. 전극 터미널(120)은 전자석, 즉 권선코어(16)에 전원을 연결하는 포트이며 연결된 전원에 의해 4개의 권선코어(16)간에 척력이 발생한다. 전술한 실시예에서는 4개의 권선코어(16)를 구성한 예에 대하여 설명하였지만, 도 4 내지 도 9에서 설명한 바와 같이 코어의 수를 3개 또는 더 많은 수의 코어를 이용하여 전자석을 구현할 수 있다.
한편, 기존의 전자석에서는 주로 원통형의 보빈에 코일을 권선하고, 보빈 사이에 코어를 삽입하지만, 멀티코어 전자석에서는 멀티코어 간의 간격이 최소가 되어야 효율(H/P)이 향상되므로 가급적 보빈을 포함한 코일층의 두께가 얇아야 한다. 이러한 방법으로 보빈의 두께에 해당하는 공간도 코일층에 할애하여 효율(H/P)을 극대화할 수 있다. 따라서, 권선코어(16)는 코어(160, 162)에 권선된 코일(164)을 포함하며, 권선된 코일(164)과 코어(160, 162) 사이에는 얇은 절연막(166)이 구성되어 있다. 절연막(166)은 내절연성 및 내열성이 우수한 절연재질로 구성한다. 절연막(166)은 고전류 구동시 코일의 저항에 의하여 발생하는 코일 열을 코어를 통해 전도하므로 가능한 얇도록 구성한다.
권선코어(16)에 의해 형성된 N극 및 S극의 자기장은 마주보는 한 쌍의 자속허브(130)에 의해 각각 집속된다. 한 쌍의 자속허브(130)는 마주보는 형태로 받침대(110) 위에 구성된다. 한 쌍의 자속허브(130) 중 하나는 나란하게 배치된 4개의 권선코어(16)의 각각의 일측을 지지하고, 다른 하나는 전술한 4개의 권선코어(16)의 타측을 지지한다. 자속허브(130)는 자기장을 집속하는 노드로서의 역할을 하며, 한 쌍의 자속허브(130) 중 하나는 권선코어(16)로부터 N극성의 자기장을 집속하고, 한 쌍의 자속허브(130) 중 다른 하나는 권선코어(16)로부터 S극성의 자기장을 집속한다. 즉, 한 쌍의 자속허브(130) 중 하나는 N극을 집속하고, 다른 하나는 S극을 집속한다. 자속허브(130)는 다수의 권선코어(16)를 기구적으로 연결시키고 수용 하는 다수의 코어수용부(132)와, 다수의 코어 수용부의 내측에 구성되어 자극코어를 수용하는 마운팅 어뎁터(134) 및 권선코어(16)에 권선된 코일(164)에 의해 발생하는 열을 냉각시키는 수랭식 또는 공랭식으로 냉각하는 냉각부(142)를 포함한다. 도 11에 도시된 실시예에서는 자속허브(130)를 판재 형태로 구성하였지만, 자속허브의 형태는 일측이 폐쇄된 원통형으로도 형성할 수 있다.
자극(18, 19)은 전술한 권선코어(16)의 내측에 마주보는 상태로 유격되어 구성된 한 쌍의 원기둥형의 강자성체로 구성된다. 한 쌍의 자극코어(18, 19)은 각각의 자속허브(130)의 중심에 구성된 마운팅 어뎁터(134)에 탈부착 가능하도록 고정되어 구성된다. 한 쌍의 자극코어(18, 19) 중 N극성의 자기장을 집속하는 자속허브(130)에 고정된 자극은 N극성을 나타내고, 한 쌍의 자극코어(18, 19) 중 S극성의 자기장을 집속하는 자속허브(130)에 고정된 자극은 S극성을 나타낸다.
자극핸들(140)은 마주보는 한쌍의 자극코어(18, 19)의 말단인 자극 면의 유격간격을 조절할 수 있도록 상기 자속허브(130)의 내측에 수용부에 형성된 암나사산과 숫나사산으로 결합하고 자극코어(18, 19)의 일측에 구성된 자극핸들(140)을 회전시켜 자극 면간의 간격을 조절한다. 자극코어와 마찬가지로 자극핸들(140)도 한 쌍으로 구성된다. 자극(18, 19)의 말단인 마주보는 한 쌍의 자극 면은 한 쌍의 자극핸들(140)의 간격 조절에 의해 이격 간격이 조절될 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자속허브를 나타낸 도면이다. 도 12에서, 코어수용부(132)는 권선코어(16)를 고정시킨 상태에서 권선코어(16)에서 유도된 자기장을 집속시키기 위하여 권선코어(16)와 기계적으로 연결된다. 이때 자기적 손실을 최소화하기 위하여 권선코어(16)와 자속허브의 접촉면의 거칠기가 매우 낮아야 하며, 이물질이 없어야 함은 물론이고, 간극이 없도록 강하게 결속되어야 한다. 다수개 형성된 권선코어(16)를 수용하는 코어수용부(132)가 형성되어 권선코어(16)를 수용한다. 마운팅 어뎁터(134)는 바람직하게는 권선코어(16)에서 발생한 자속을 집속하기 위하여 자속허브(130)의 중심에 형성되어 고정되도록 구성된다. 마운팅 어뎁터(134)와 자극(18, 19)은 결합된 후에 전면을 나사 등으로 고정시킨다. 자극코어는 자극(18)과 이를 수용하는 하우징으로 구성되며, 원통형의 하우징은 마운팅 어뎁터(134)에 고정되어 있으며, 하우징의 내측은 나사산 형태로 자극(18)과 결합되어 있으므로 자극(18)의 외측 단부에 형성된 자극핸들(140)을 회전시켜 자극(18, 19) 간의 간격을 조정할 수 있다.
냉각부(142)는 공랭식 및/또는 수랭식으로 구성될 수 있다. 냉각부(142)를 공랭식으로 구성하는 경우, 방열판(138)이 자속허브의 외측으로 연장되어 형성되고 공기와의 접촉면을 늘려 공기에 의해 냉각되도록 구성된다. 도 12에 공랭식의 예인 방열판(138)이 도시되어 있다.
냉각부(142)를 수랭식으로 구성하는 경우 냉각부(142)는 상기 자속허브(130)의 내측을 관통하여 순환하는 냉각수로(136)의 형태로 형성되도록 구성되며, 냉각수로(136)를 순환하는 냉각재는 열교환에 의해 차갑게 식혀진 물, 또는 열교환된 냉매제 일 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 코어 전자석에 의해 나타나는 지표들을 나타낸 그래프이다. 도 13의 (a)는 자기코어 수의 증가에 따른 코일 저항의 변화량을 나타낸 그래프이다. 코일 저항은 코어의 개수가 증가함에 따라 감소되는 계산 결과를 얻을 수 있다. 즉, 코어의 개수를 증가시키면, 하나의 코어에 모든 코일을 집중하는 것 보다 외경의 증가가 적어 전기저항이 감소되는 것을 확인할 수 있다.
도 13의 (b)에서 권선된 코일(164)에서 코일층의 증가에 따른 코일 저항의 변화량을 나타낸 그래프이다. 일반적으로는 점선으로 표시된 선과 같이 코일의 권선량이 증가함에 따라 코일에 발생하는 저항은 급수적으로 증가한다. 그러나, 권선코어(16)의 개수가 증가하면 코일의 외경의 증가가 적으므로 저항의 증가량이 감소하거나, 선형적으로 증가한다. 코일(164)에서 발생하는 저항이 선형적으로 증가하는 것이 실선으로 표시되어 있다. 또한, 실선을 보면, 코일(164)에서 발생하는 저항의 증가량이 코어의 개수가 증가함에 따라 완화되는 계산 결과를 얻을 수 있다. 코일(164)에 발생하는 저항은 다음의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015085002993-pat00005
여기서, R coil 은 자기코일의 전기저항을 나타내며, R w/L 은 자기코일의 길이당 전기저항을 나타내고, L1은 첫 번째 코일 레이어에 해당하는 코일의 길이이고, Ln 은 n 번째 코일 레이어에 해당하는 코일의 길이이다.
도 13의 (c)는 코어수의 증가에 따른 자기 저항의 변화를 나타낸 그래프이다. 코어수가 증가할수록 자속경로의 유효면적이 증가하므로 자기저항(magnetic resistance)이 감소하고(R m = l /mS), 결국 자기저항의 감소로 인하여 동일한 전력에 대비하여 출력 자기장의 향상을 꾀할 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기코일에 인가된 전류의 증가에 따른 다중 코어 전자석의 자기장의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 14의 (a)는 코어 한 개당 각각의 코어가 발생시키는 자기장의 크기를 나타낸 그래프이다. 10중 코어 이상으로 구성한 전자석의 하나의 권선코어(32, 33)에서 발생한 자기장이 가장 작게 나타나 있다. 하지만, 전류가 증가할수록 그 차이가 감소하는 것을 알 수 있다. 그러나, 도 14(b)에서와 같이 개별적인 권선코어(32, 33)가 생성한 자기장을 권선코어(32, 33)의 수에 따라 합산한 결과를 도시한 그래프를 참조하면, 저전류에서는 권선코어(32, 33)의 개수에 크게 영향 받지 않는 자기장을 발생시키지만, 전류가 증가할수록 권선코어(32, 33)의 개수에 비례하여 자기장의 크기도 증가하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 권선코어(core)당 권선수(t bobbin)는 토탈 권선수(T total)를 코어의 개수(m)로 나눈 것(T total/m)이다. 권선코어(32, 33)의 개수가 다른 경우에, 총 권선된 코일 턴수(N)가 동일하고, 권선코어(32, 33)의 코일 면적의 합이 동일하다고 가정하면, 하나의 권선코어(32, 33)에 토탈 권선수(T total)가 권선된 경우, 적은 전류에도 쉽게 자기 포화되는 것을 알 수 있다. 즉, 다수의 권선코어(32, 33)에 토탈 권선수(T total)가 분산되어 권선된 경우, 자속이 분산되어 쉽게 자기 포화되지 않게 된다.
권선코어(32, 33)의 개수가 증가할 경우 코어 당 코일 턴수(N)가 줄어들며, 따라서 코어 하나 당 자기포화 전류는 코어의 개수(m)배 만큼 증가하게 된다. 자기포화되기 전, 즉 저전력에서의 마그네틱 권선코어(Magnetic core) 당 자기장은 한 개의 코어일 때(B 1core)에 비하여 B 1core/m의 비율로 감소하나 자속이 집속된 자극(pole)에서의 자기장은 코어의 개수(m)배가 되므로 한개의 권선코어(32, 33)일 때와 비슷하게 된다.
자극(34, 35)의 면적이 충분히 넓어서 권선코어(12, 16, 20, 24, 25, 28, 29, 32, 33)에서 발생한 자력을 자극(34, 35)에서 모두 수용하게 되면, 오히려 코어의 개수(m) 배로 커진 전류 구간 동안 자기포화가 되지 않고 전류에 대하여 높은 기울기로 커지기 때문에 자극(34, 35)에서의 자기장이 최대 전류에서는 코어의 개수(m)에 비례하여 자기장이 증가하는 계산 결과를 얻을 수 있다. 즉, 저전류에서는 코어의 개수(m)에 크게 영향 받지 않는 자기장을 발생시키지만, 전류가 증가할수록 권선코어(33, 34)의 개수에 비례하여 자기장의 크기도 증가하는 것을 확인할 수 있다.
도 15는 또한 자속 허브에는 자극코어를 기계적으로 수용할 수 있는 마운팅 어뎁터를 나타낸 사시도이다. 마운팅 어댑터(134)로 인해 기존 전자석과 달리 다양한 용도에 적합한 형상의 자극코어(18)를 교환식으로 장착할 수 있는 자극코어 교환식 전자석으로 활용할 수 있다. 예컨대, 자극코어의 하우징에 일반 폴 형태의 자극(18) 또는 광학용 스루폴(Through Pole) 형태 자극(18-1)을 필요에 따라 탈부착 하여 사용할 수 있다. 이러한 자극코어 교환식 전자석은 생산성 향상에 유리하다. 기존 전자석의 경우 단순히 폴 면(pole face)의 형상이 다른 자기코어만을 교체할 수 있었다. 그러나 본 발명에서는 마운팅 어댑터(134)를 제공하여 사용자가 주문하는 다양한 형상의 자극(18, 18-1)으로 교체하여 제공할 수 있어 수익 창출에 유리하다. 부가적으로 자극 폴을 제외한 플랫폼형 멀티코어 전자석을 대량으로 양산할 경우 제작 단가를 낮추기에도 유리하다.
이상에서 설명된 실시예에 있어서 설명의 편의를 위하여 4극 전자석 위주로 설명하였지만, 3극 내지 16극 또는 그 이상의 극수를 갖는 전자석에 대하여 동일한 기술을 적용할 수 있음을 당업자라면 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지는 것이므로, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
12, 16, 20, 24, 25, 28, 29, 32, 33 : 권선코어
14, 15, 18, 18-1, 19, 22, 23, 26, 27, 30, 31, 34, 35 : 자극코어
110 : 받침대 120 : 전극 터미널
130 : 자속허브 134 : 마운팅 어뎁터
138 : 방열판 140 : 자극 조절 핸들
142 : 냉각부 143 : 자석 운반용 핸들
160, 162 : 코어 164 : 코일
166 : 절연막

Claims (15)

  1. 코어에 코일을 권선하여 자기장을 발생하는 전자석에 있어서,
    전자석를 지지하는 받침대;
    코일이 코어에 권선되어 구성되고 상기 전자석에 전원을 공급하는 전극터미널을 통해 상기 코일에 전압이 인가되면, 자극을 띠는 다수의 코어;
    상기 받침대에 의해 지지되고 대칭되어 마주보도록 구성되며 상기 다수의 코어를 기구적으로 결합하고, 상기 코어에서 발생하는 자기장을 집속하는 한 쌍의 자속허브; 및
    상기 한 쌍의 자속허브로부터 공급된 집속된 자기장에 의해 극성을 갖도록 상기 자속허브에 의해 연결 상태로 지지되는 자극코어;를 포함하고,
    상기 다수의 코어는,
    최소 세 개 이상으로 구성하고 상기 세 개 이상의 코어를 상기 한 쌍의 자속허브에 연결된 상태로 지지되도록 하는 다중 코어 구조를 갖는 전자석.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 다수의 코어는,
    상기 코어에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 자극의 축과 평행하게 배치되도록 연결하는 것인 다중 코어 구조를 갖는 전자석.
  4. 제1항에 있어서, 상기 자속허브는,
    상기 다수의 코어를 기계적으로 연결시키고 수용하는 다수의 코어수용부;
    상기 다수의 코어 수용부의 내측에 구성되며 자극을 수용하는 자극수용부;
    상기 코어에 권선된 코일에 의해 발생하는 열을 냉각시키는 냉각부;를 포함하는 것인 다중 코어 구조를 갖는 전자석.
  5. 제4항에 있어서, 상기 냉각부는,
    상기 자속허브의 외측으로 공기와의 접촉면을 늘리도록 연장되어 형성된 다수의 방열판을 갖는 것인 다중 코어 구조를 갖는 전자석.
  6. 제4항에 있어서, 상기 냉각부는,
    상기 자속허브의 내측을 관통하여 순환하는 냉각수의 통로가 형성된 것인 다중 코어 구조를 갖는 전자석.
  7. 제1항에 있어서, 상기 자속허브는,
    다음의 수학식을 만족시키는 상기 자극 코어의 단면적을 수용하도록 구성된 것인 다중 코어 구조를 갖는 전자석.
    (Sc × m)/2 < C
    (여기서, Sc는 코어 하나당 단면적을 나타내며, m은 코어의 개수를 나타내고, C는 상기 자속허브와 상기 자극과의 접촉면적임)
  8. 제1항에 있어서, 상기 다수의 코어는,
    중심부의 직경과 양측 단부의 직경을 다르게 구성하고, 상기 중심부의 직경이 상기 단부의 직경보다 크게 구성하는 것인 다중 코어 구조를 갖는 전자석.
  9. 제8항에 있어서, 상기 중심부의 직경과 상기 양측 단부의 직경은,
    다음의 수학식의 범위 내에 있도록 구성하는 것인 다중 코어 구조를 갖는 전자석.
    1.1 < D cc /D ce <2
    (여기서, D cc는 상기 코어의 중심부의 직경을 나타내고, Dce는 코어의 단부의 직경을 나타내는 것임)
  10. 제8항에 있어서, 상기 다수의 코어는,
    상기 양측 단부 중 어느 하나의 길이(Le)에 대한 중심부의 길이(L c)의 비는 다음의 수학식의 범위 내에 있도록 구성하는 것인 다중 코어 구조를 갖는 전자석.
    1<L c/L e<3
  11. 제1항에 있어서, 상기 다수의 코어는,
    상기 코어에 권선된 코일 층의 두께(T CL)와 코어의 직경(D core)간에 비율이 다음의 수학식의 범위 내에 있도록 구성하는 것인 다중 코어 구조를 갖는 전자석.
    0.1 < (T CL /D core) < 1
  12. 제1항에 있어서, 한쌍의 상기 자극코어는,
    상기 자속허브의 내측에 형성된 수용부에 결합하는 원통형의 하우징과;
    상기 하우징의 내측에 형성된 나사산과 결합하는 자극; 및
    상기 자극의 단부에 형성되어 상기 자극을 회전시켜 상기 자극 간의 간격을 조절하는 자극핸들을 포함하는 것인 다중 코어 구조를 갖는 전자석.
  13. 제1항에 있어서, 상기 다수의 코어는,
    코어에 권선된 코일과의 사이에 절연막이 구성되고,
    상기 절연막은 내절연성 및 내열성의 재질로 구성하는 것인 다중 코어 구조를 갖는 전자석.
  14. 제1항에 있어서, 상기 한 쌍의 자속허브는,
    상기 받침대에 의해 각각 지지되며, 마주보는 평평한 판재 또는 마주보는 일측이 폐쇄된 원통형 중 어느 하나의 형태로 구성되어 상기 평평한 판재의 중심 또는 폐쇄된 원통형의 폐쇄된 부분의 중심에 고정되는 것인 다중 코어 구조를 갖는 전자석.
  15. 제12항에 있어서, 상기 수용부는,
    양측의 상기 자속허브의 중심부가 통공되어 구성되어 상기 자극코어를 탈착 가능하도록 수용하는 마운팅 어댑터인 것인 자극코어 교환식 다중 코어 전자석.
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