KR101783561B1 - 원통형 영구자석 조작기 및 이의 제작방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원통형 영구자석 조작기 및 이의 제작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가동자가 이동하는 공간을 둘러싸도록 중공형의 영구자석과 코일부가 형성되도록 하여, 영구자석에 의한 자속 밀도 및 흡인력의 향상을 통해 영구자석 조작기의 성능 향상 및 장치의 소형화를 통한 원가절감, 제작 편의성, 내구성의 향상이 가능하도록 하고, 외부 하우징 전체를 자로로 사용하여 자로 단면을 넓히도록 함으로써 누설자속의 감소를 통한 주변 영향 및 전류 사용의 감소와 재질의 폭넓은 선택이 가능하도록 하며, 영구자석의 밀폐를 통해 주변 금속에 대한 영향을 줄일 수 있도록 하고, 코일부와 가동자가 분리되어 있는 구조로써 전류밀도를 증가시키기 위하여 코일의 사용량을 증가하여도 가동자의 무게는 증가하지 않아 같은 힘이 작용할 경우 훨씬 더 빠른 가속도를 가지게 되며 효율적인 자속밀도의 확보로 코일의 사용량 또한 감소시킬 수 있도록 하는 원통형 영구자석 조작기 및 이의 제작방법에 관한 것이다.

Description

원통형 영구자석 조작기 및 이의 제작방법{A Permanent Magnet Actuator and Method of Manufacturing the Same}

본 발명은 원통형 영구자석 조작기 및 이의 제작방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 가동자가 이동하는 공간을 둘러싸도록 중공형의 영구자석과 코일부가 형성되도록 하여, 영구자석에 의한 자속 밀도 및 흡인력의 향상을 통해 영구자석 조작기의 성능 향상 및 장치의 소형화를 통한 원가절감, 제작 편의성, 내구성의 향상이 가능하도록 하고, 외부 하우징 전체를 자로로 사용하여 자로 단면을 넓히도록 함으로써 누설자속의 감소를 통한 주변 영향 및 전류 사용의 감소와 재질의 폭넓은 선택이 가능하도록 하며, 영구자석의 밀폐를 통해 주변 금속에 대한 영향을 줄일 수 있도록 하고, 코일부와 가동자가 분리되어 있는 구조로써 전류밀도를 증가시키기 위하여 코일의 사용량을 증가하여도 가동자의 무게는 증가하지 않아 같은 힘이 작용할 경우 훨씬 더 빠른 가속도를 가지게 되며 효율적인 자속밀도의 확보로 코일의 사용량 또한 감소시킬 수 있도록 하는 원통형 영구자석 조작기 및 이의 제작방법에 관한 것이다.

일반적으로 영구자석형 조작기(PMA : Permanent Magnetic Actuator)는 영구자석의 자계와 코일에서 여자된 자계의 힘에 의해 가동자가 직선 운동하도록 한 조작기로서, 이는 주로 전력계통의 차단기(Circuit Breaker)나 개폐기, 또는 각종 기계장치의 구동대상요소를 작동시키는 액추에이터로서 사용된다.

종래 영구자석형 조작기(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 자성체 재질의 철판을 다수 적층하여 형성되는 고정철심(101), 고정철심(101)의 중간에 형성된 통로에서 왕복이동 가능하게 설치되는 가동자(102), 가동자(102)가 이동하는 통로의 양측에 배치되는 영구자석(103), 영구자석(103)을 사이에 두고 축방향 양측에 각각 설치되어 전류의 인가에 따라 여자되어 가동자(102)를 서로 반대방향인 제1방향(A) 및 제2방향으로 구동시키는 제1코일(104) 및 제2코일(105)을 포함하며, 상기 가동자(102)는 차단기나 각종 기계장치의 구동대상요소에 연결되어 개폐 등의 동작이 이루어지도록 한다.

이때, 가동자(102)는 제1코일(104)에 전류을 인가하면 제1코일(104)에 의해 발생된 자계의 힘으로 제1방향(A)으로 이동하게 되고, 제1코일(104)에 흐르는 전류를 차단하더라도 영구자석(103)에 의한 자계의 힘으로 제1방향(A)으로 이동된 상태를 유지한다. 그리고 가동자(102)는 제2코일(105)에 전류를 인가하면 제2코일(105)에 의해 발생된 자계의 힘으로 제2방향(B)으로 이동하며, 이때에도 제2코일(105)에 흐르는 전류를 차단하면 영구자석(103)에 의한 자계의 힘으로 제2방향(B)으로 이동된 상태를 유지하게 된다. 따라서, 영구자석형 조작기는 제1코일(104) 및 제2코일(105)에 전류를 공급하여 가동자(102)의 직선 왕복이동이 가능하도록 하며, 이를 통해 차단기, 개폐기 등의 개폐 동작이 이루어지도록 한다.

영구자석형 조작기는 소모되는 전류를 줄이고 원가절감 등을 위해 아래 특허문헌과 같이 변형된 구조를 갖도록 하는 등 다양한 응용기술들이 개발되었으나, 도 2에 도시된 바와 같이 모두 사각의 형태를 가진 것들뿐이었다.

(특허문헌)

등록특허공보 제10-1328587호(2013. 11. 06. 등록)"영구자석 조작기"

종래 영구자석형 조작기(100)는 도 2의(a)에 도시된 바와 같이 사각의 영구자석(103)을 일정 간격 이격되도록 가동자(102)의 통로 양측에 배치하고, 제1코일(104) 및 제2코일(105)은 영구자석(103)을 사이에 두고 축방향 양측에 역시 일정간격 이격되어 배치되도록 하였으며, 사각의 하우징에 코일을 감는 형태로 형성되도록 하였다. 또한, 종래 영구자석형 조작기(100)는 도 2의(b)에 도시된 바와 같이 많은 성층 철판을 일일시 수작업으로 끼우고 조립하여 고정철심(101)을 형성하도록 한 후, 그 내부공간에 사각의 영구자석(103)을 끼워 접착되도록 하였으며, 고정판(106)을 세워 영구자석(103)의 이탈을 막고 전체적인 고정이 이루어지도록 하였다.

따라서, 종래 영구자석형 조작기(100)는 영구자석(103)이나 제1코일(104) 및 제2코일(105)의 자로가 밀폐되지 못하여 누설 자속이 매우 크다는 문제가 있었으며, 이에 따라 투자율이 큰 규소강판을 이용하여 고정철심(101)을 형성하고, 강력한 네오디움 영구자석(103)을 사용해야만 했다. 이에 따라, 영구자석형 조작기의 제조원가가 상승하게 되며, 제조과정에서도 앞서 설명한 바와 같이 성층 철판을 일일이 끼워야 하는바, 그 조립이 매우 까다롭고 강력한 네오디움 영구자석(103) 간의 인력 내지 반발력으로 그 설치가 어렵고 안전사고의 위험이 높다는 문제가 있었다.

따라서, 종래 영구자석형 조작기(100)는 누설 자속으로 인한 전력 소모가 많을 뿐만 아니라, 가동자(102)의 흡인력을 강화하기 위해서는 제1코일(104) 및 제2코일(105), 가동자(102)의 크기를 크게 해야 했으며, 이에 따라 장치가 비대해지고 가동시 가동자(102)에 의한 충격으로 장치의 내구성이 떨어지는 문제가 있었다. 또한, 영구자석(103)이 측면에 노출되어 주변 금속을 자화시키고 누설 자속으로 주변에 영향을 미치는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,

본 발명은 영구자석에 의한 자속 밀도 및 흡인력의 향상을 통해 영구자석 조작기의 성능 향상 및 장치의 소형화를 통한 원가절감, 제작 편의성, 내구성의 향상이 가능하도록 하고, 누설 자속의 감소를 통한 주변 영향 및 전류 사용의 감소와 재질의 폭넓은 선택이 가능하도록 하며, 영구자석의 밀폐를 통해 주변 금속에 대한 영향을 줄일 수 있도록 하고, 코일부와 가동자가 분리되어 있는 구조로써 전류밀도를 증가시키기 위하여 코일의 사용량을 증가하여도 가동자의 무게는 증가하지 않아 같은 힘이 작용할 경우 훨씬 더 빠른 가속도를 가지게 되며 효율적인 자속밀도의 확보로 코일의 사용량 또한 감소시킬 수 있도록 하는 원통형 영구자석 조작기 및 이의 제작방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 코일의 내구성 및 제작 편의성 향상이 가능하도록 하는 원통형 영구자석 조작기 및 이의 제작방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 영구자석의 밀폐를 통한 주변 영향의 감소가 가능하고 복잡한 철판의 끼움 작업이나 위험한 자석의 설치 및 고정판의 설치 작업 없이 용이한 영구자석 조작기의 제작이 가능하도록 하는 원통형 영구자석 조작기 및 이의 제작방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위해서 다음과 같은 구성을 가진 실시예에 의해서 구현된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 원통형 영구자석 조작기는 내부에 밀폐된 빈 공간을 형성하여 영구자석, 코일부 및 가동자가 수용되는 외부하우징; 상기 외부하우징 내에서 직선 왕복 이동하는 가동자; 상기 외부하우징 내에서 가동자가 이동하는 공간을 둘러싸도록 형성되는 중공형의 영구자석; 전류의 흐름에 따라 자기장을 발생시켜 상기 가동자를 왕복 이동시키기 위한 코일부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 원통형 영구자석 조작기에 있어서, 상기 영구자석은 중공된 원통형으로 형성되어 상기 외부하우징 내에 끼워지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 원통형 영구자석 조작기에 있어서, 상기 코일부는 상기 가동자가 이동하는 공간을 둘러싸도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 원통형 영구자석 조작기에 있어서, 상기 코일부는 중공된 원통형으로 형성되어 상기 영구자석의 양측에 끼워지는 코일하우징과, 상기 코일하우징의 둘레에 밀착되도록 감겨지는 코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 원통형 영구자석 조작기에 있어서, 상기 외부하우징은 상기 영구자석, 코일부 및 가동자가 수용되는 공간을 둘러싸도록 원통형으로 형성되는 둘레차단부와; 상기 둘레차단부의 양측에 결합하여 둘레차단부 내의 공간이 밀폐되도록 하는 차단덮개;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 원통형 영구자석 조작기에 있어서, 상기 차단덮개는 상기 외부하우징의 내측 방향으로 돌출되어 상기 코일하우징이 끼워지는 돌출턱을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 원통형 영구자석 조작기의 제작방법은 일측의 차단덮개에 제1코일부를 조립하여 외부하우징의 일측에 결합시키는 제1코일부장착단계와; 상기 제1코일부장착단계에 의해 제1코일부가 장착된 외부하우징 내에 중공형의 영구자석을 끼워넣는 영구자석삽입단계와; 외부하우징 내에 구동축이 결합된 가동자를 삽입하는 가동자삽입단계와; 타측의 차단덮개에 제2코일부를 조립하여 외부하우징의 타측에 결합시키는 제2코일부장착단계;를 포함하며, 상기 영구자석삽입단계 및 가동자삽입단계 중 어느 하나가 먼저 실행되도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합, 사용관계에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 가동자가 이동하는 공간을 둘러싸도록 중공형의 영구자석과 코일부가 형성되도록 하여, 영구자석에 의한 자속 밀도 및 흡인력의 향상을 통해 영구자석 조작기의 성능 향상 및 장치의 소형화를 통한 원가절감, 제작 편의성, 내구성의 향상이 가능하도록 하고, 외부 하우징 전체를 자로로 사용하여 자로 단면을 넓히도록 함으로써 누설 자속의 감소를 통한 주변 영향 및 전류 사용의 감소와 재질의 폭넓은 선택이 가능하도록 하며, 영구자석의 밀폐를 통해 주변 금속에 대한 영향을 줄일 수 있도록 하고, 코일부와 가동자가 분리되어 있는 구조로써 전류밀도를 증가시키기 위하여 코일의 사용량을 증가하여도 가동자의 무게는 증가하지 않아 같은 힘이 작용할 경우 훨씬 더 빠른 가속도를 가지게 되며 효율적인 자속밀도의 확보로 코일의 사용량 또한 감소시킬 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 영구자석을 중공된 원통형으로 형성되도록 하여, 상기 효과가 더욱 배가될 수 있도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 코일부가 중공된 원통형의 코일하우징과, 코일하우징에 감겨지는 코일을 포함하도록 하여, 상기 효과가 배가되도록 하며, 코일의 내구성 및 제작 편의성 향상이 가능하도록 하는 효과가 있다.

본 발명은 중공된 원통형의 둘레차단부와, 둘레차단부의 양측에 결합하는 차단덮개를 갖는 외부하우징을 포함하도록 하여, 영구자석의 밀폐를 통한 주변 영향의 감소가 가능하고 복잡한 철판의 끼움 작업이나 위험한 자석의 설치 및 고정판의 설치 작업 없이 용이한 영구자석 조작기의 제작이 가능하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래 영구자석형 조작기의 내부 구성도
도 2는 종래 영구자석형 조작기의 실제 구조를 나타내는 사진
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 영구자석 조작기의 사시도
도 4는 도 3의 분해사시도
도 5는 종래 영구자석형 조작기(a)와 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 영구자석 조작기(b)의 자화 방향을 비교한 참고도
도 6은 종래 영구자석형 조작기(a)와 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 영구자석 조작기(b)의 자속밀도 분포도
도 7은 종래 영구자석형 조작기(a)와 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 영구자석 조작기(b)의 자속밀도 벡터 분포도
도 8은 종래 영구자석형 조작기와 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 영구자석 조작기의 가동자와 영구자석 사이 공극에서의 자속밀도 분포를 나타내는 그래프
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 영구자석 조작기의 코일부에서의 전류의 흐름에 따른 가동자의 작동을 나타내는 참고도
도 10은 발명의 일 실시예에 따른 원통형 영구자석 조작기의 제작방법의 구성도

이하에서는 본 발명에 따른 원통형 영구자석 조작기 및 이의 제작방법의 바람직한 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 영구자석 조작기를 도 3 내지 도 9를 참조하여 설명하면, 상기 영구자석 조작기는 내부에 밀폐된 빈 공간을 형성하여 영구자석(1), 코일부(2) 및 가동자(4)가 수용되는 외부하우징(3); 상기 외부하우징(3) 내에서 직선 왕복 이동하는 가동자(4); 상기 외부하우징(3) 내에서 가동자(4)가 이동하는 공간을 둘러싸도록 형성되는 중공형의 영구자석(1); 전류의 흐름에 따라 자기장을 발생시켜 상기 가동자(4)를 왕복 이동시키기 위한 코일부(2); 상기 외부하우징(3)을 관통하며 상기 가동자(4)와 결합되어 가동자(4)의 왕복이동에 따라 함께 움직이는 구동축(5);을 포함한다.

종래 영구자석형 조작기(100)는 가동자(102)가 이동하는 공간을 사이에 두고 영구자석(103)과 제1코일(104) 및 제2코일(105)이 일정 간격 이격되어 형성되고, 영구자석(103), 제1코일(104) 및 제2코일(105)이 얇은 철판이 성층되는 고정철심(101) 및 고정판(106)에 의해서만 차단되도록 함에 따라, 영구자석(103) 및 제1코일(104), 제2코일(105)의 자로가 밀폐되지 못하여 큰 누설자속이 발생하는 문제가 있었으며, 이에 따라 전류의 소모가 크고 누설자속을 차단하기 위해 투자율이 큰 규소강판과 강력한 네오디움 자석을 사용해야 하는바, 제조원가가 증가하고 설치에 어려움이 많았다.

따라서, 본 발명에서는 상기 영구자석(1) 및 코일부(2)가 왕복이동하는 가동자(4)를 둘러싸는 형태로 형성되고, 영구자석(1), 코일부(2), 가동자(4)는 외부하우징(3)의 밀폐된 공간에 수용되도록 형성되며, 바람직하게는 상기 영구자석(1), 코일부(2), 가동자(4)가 모두 원형의 단면을 갖도록 원통형으로 형성되도록 함으로써 누설 자속을 최소화하도록 하였고, 영구자석(1)에 의한 자계의 방향이 가동자(4)를 향해 집중되도록 함으로써 높은 자속밀도와 흡인력을 갖도록 하여 영구자석 조작기의 획기적인 성능 향상이 가능하도록 하였으며, 이를 통해 장치의 소형화를 이루면서도 오히려 장치의 동작성능을 향상시킬 수 있도록 하였다.

상기 영구자석(1)은 상기 외부하우징(3) 내에 수용되며, 상기 코일부(2)에 흐르는 전류에 의해 발생된 자력으로 상기 가동자(4)를 이동시키고, 가동자(4)의 이동된 위치를 유지할 수 있도록 한다. 상기 영구자석(1)은 가동자(4)가 이동하는 공간을 둘러싸는 중공형으로 형성되며, 바람직하게는 중공된 원통형으로 형성되도록 한다. 따라서, 상기 영구자석(1)은 도 5의(b)에 도시된 바와 같이 가동자(4)가 이동하는 공간을 향하여 집중된 자계를 발생시키게 되며, 이에 따라 영구자석(1)에 의해 발생하는 자속밀도를 증가시켜 가동자(4)의 흡인력이 향상될 수 있도록 하였다. 종래 영구자석형 조작기는 가동자(4)의 흡인력을 향상시키기 위해 강력한 영구자석을 사용하고, 코일 및 가동자의 크기를 증가시켜야 했으므로, 제조 원가가 증가하고 장치가 비대해지며, 특히 가동자(4)의 크기가 커짐에 따라 초기동작성능이 떨어지고 전력 사용량이 증가하는 문제가 있었다. 따라서, 상기 영구자석(1)은 가동자(4)가 종래에 비해 뛰어난 동작성능을 가질 수 있도록 함으로써, 가동자(4)의 크기를 줄일 수 있으며, 이에 따라 제조원가를 절감하고 초기반응속도를 향상시키며 전력 사용량 또한 절감할 수 있도록 하였다.

또한, 상기 영구자석(1)은 중공된 형태로 형성됨에 따라 상기 외부하우징(3) 내에 삽입되는 형태로 설치될 수 있으며, 종래와 같이 강력한 자석에 의한 설치의 어려움 없이 손쉽게 설치될 수 있도록 하였다. 종래 영구자석은 코일 사이의 공간에 넣어 접착제에 의해 접착되도록 함으로써 장치 내에 고정되도록 하였으나, 가동자의 반복적인 움직임에 의한 충격으로 장치로부터 이탈되는 문제가 발생하였다. 반면 본 발명의 영구자석(1)은 중공된 형태, 특히 원통형으로 형성되어 외부하우징(3) 내에 삽입되어 끼워지도록 함으로써 영구자석(1)이 이탈될 가능성을 원천적으로 차단하도록 한다. 또한, 상기 영구자석(1)은 외부하우징(3) 내에 완전히 밀폐된 형태로 삽입됨에 따라 영구자석(1)의 외부 노출에 따른 주변 금속에 대한 자화 등의 영향을 줄일 수 있도록 한다.

상기 코일부(2)는 상기 외부하우징(3) 내에 수용되며, 상기 영구자석(1)의 양측에 밀착되어 삽입되도록 한다. 상기 코일부(2)는 상기 영구자석(1)의 양측에 형성되는 제1코일부(2a) 및 제2코일부(2b)를 포함하며, 제1코일부(2a), 제2코일부(2b) 각각에 흐르는 전류에 따라 상기 가동자(4)가 이동되도록 한다. 상기 코일부(2)는 상기 제1코일부(2a)에 전류가 흐르면 상기 가동자(4)가 도 9에 도시된 바와 같이 제1방향(A)으로 이동하도록 하고, 제2코일부(2b)에 전류가 흐르는 상기 가동자(4)가 제2방향(B)으로 이동하도록 하며, 이에 관한 상세한 설명은 이미 공지된 바와 같으므로 이하 생략한다. 다만, 상기 코일부(2)는 종래와는 다르게 가동자(4)가 이동하는 공간을 중심으로 양측에 일정 간격 이격되어 형성되는 것이 아니라 가동자(4)가 이동하는 공간을 둘러싸도록 형성되며, 코일부(2)의 둘레는 외부하우징(3)에 의해 둘러싸이도록 형성되어 코일부(2)에 의해 형성되는 자로가 외부하우징(3)을 통해 밀폐되도록 함으로써 누설자속을 최소화할 수 있게 된다. 특히, 상기 코일부(2)는 종래 사각의 형태에서 벗어나 원통형의 형태로 가동자(4)가 이동하는 공간을 둘러싸도록 함으로써 코일부(2)에 사용되는 코일의 사용량을 줄일 수 있도록 하며, 코일부(2)의 제작 편의성을 높이고 코일의 내구성을 향상시킬 수 있도록 한다. 또한, 상기 코일부(2)는 가동자(4)와 분리되어 형성되는바, 전류밀도를 증가시키기 위하여 코일의 사용량을 증가하더라도 가동자(4)의 무게는 증가하지 않기 때문에 가동자(4)가 더욱 빠른 가속도를 가질 수 있도록 한다. 상기 제1코일부(2a) 및 제2코일부(2b)는 동일한 구성을 가지므로, 이하에서는 상기 코일부(2)로 통일하여 설명하도록 한다. 상기 코일부(2)는 중공된 원통형으로 형성되어 상기 영구자석(1)의 양측에 끼워지는 코일하우징(21)과, 상기 코일하우징(21)의 둘레에 밀착되도록 감겨지는 코일(22)을 포함한다.

상기 코일하우징(21)은 상기 영구자석(1)의 양측에 끼워져 고정되며, 코일(22)이 감겨지는 구성으로, 가동자(4)가 이동하는 공간을 둘러싸도록 형성되어 코일(22)이 가동자(4)가 이동하는 공간을 둘러싸는 형태로 감겨질 수 있도록 한다. 따라서, 코일(22)에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자계가 동일한 크기로 가동자(4)에게 전달되어도 가동자(4)가 이동하는 공간의 양측에 이격되어 형성되는 종래 코일보다 더욱 적은 양의 코일(22)이 사용되도록 할 수 있어 제조원가를 절감할 수 있다. 또한, 상기 코일(22)에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자계의 자로가 상기 외부하우징(3)에 의해 밀폐되므로, 누설자속이 감소하도록 하는데 기여할 수 있으며, 이에 따라 소모되는 전력을 줄이고, 성능 향상을 통해 장치의 소형화 및 제조원가 절감이 가능하도록 할 수 있다. 상기 코일하우징(21)은 일 예로 원통형으로 형성될 수 있으며, 내부로 가동자(4)가 이동하는 공간을 형성하도록 중공된 원통형으로 형성되도록 할 수 있다. 종래 코일은 가동자가 이동하는 공간을 중심으로 일정 간격 이격되도록 형성되었던 바, 코일에 의해 발생한 자계가 가동자에 효율적으로 전달되도록 하기 위해 사각의 하우징에 코일을 감도록 하여, 사각 하우징의 모서리 부분에서 코일을 밀착되도록 하기 어려워 권선수가 많아지게 되고, 코일이 교차하여 내구성이 떨어지는 문제가 있었다. 따라서, 본 발명에 따른 원통형 영구자석 조작기는 원형의 코일하우징(21)에 코일(22)을 감도록 함으로써, 적은 코일(22)의 사용으로 더욱 효과적인 자계의 전달이 가능하도록 하면서도 코일(22)의 내구성을 향상시킬 수 있도록 하였다. 또한, 상기 코일하우징(21)의 설치에 있어서도 상기 제1코일부(2a) 및 제2코일부(2b) 각각이 하나의 원통형 코일하우징(21)에 코일(22)을 감도록 하여 편의성이 향상될 뿐만 아니라, 상기 코일하우징(21)은 상기 외부하우징(3)의 후술할 차단덮개(32), 더욱 정확하게는 후술할 돌출턱(321)에 끼워져 지지되도록 함으로써 그 설치가 매우 용이하게 이루어지고, 영구자석 조작기가 완전히 밀폐된 상태를 유지하면서도 간단한 제조작업이 이루어지도록 할 수 있다. 상기 코일하우징(21)은 양단에 외측으로 돌출되는 하우징날개(211)를 포함할 수 있으며, 이를 통해 코일하우징(21)에 감기는 코일(22)이 이탈되지 않고 지지되도록 할 수 있다.

상기 코일(22)은 상기 코일하우징(21)에 감겨져 전류가 흐르도록 하는 구성으로, 바람직하게는 상기 코일하우징(21)의 원통형 둘레를 따라 감겨지도록 하며, 코일(22)에 흐르는 전류에 따라 자계가 발생하게 된다. 앞서 설명한 바와 같이 상기 코일(22)은 원통형 코일하우징(21)의 둘레에 감겨져 그 내구성이 강화되고 설치의 편의성이 향상되며, 그 사용량은 줄일 수 있도록 하면서도 우수한 성능을 가질 수 있도록 한다. 상기 코일(22)은 가동자(4)가 이동하는 공간을 둘러싸도록 형성되므로, 일 예로 도 9의(a)에 도시된 바와 같이 영구자석(1)에 의한 자계에 의해 가동자(4)가 제1방향(A)으로 이동된 상태를 유지하는 상태에서, 도 9의(b)에 도시된 바와 같이 제2코일부(2b)의 코일(22)에 전류가 흐르면 코일부(2)의 일정 단면에서는 일측에서는 전류가 나오는 방향(O)으로, 마주보는 타측에서는 전류가 들어가는 방향(X)으로 흐르게 되어 동일한 방향의 자계를 발생시키게 되며, 이에 의해 가동자(4)는 제2방향(B)으로 움직이게 된다. 그리고 제2코일부(2b)를 흐르는 전류를 차단하더라도 영구자석(1)에 의해 발생된 자계에 의해 상기 가동자(4)는 도 9의(c)에 도시된 바와 같이 제2방향(B)으로 이동된 상태를 유지하게 된다. 따라서, 상기 코일부(2)에 의해 발생된 자계는 가동자(4)에 효율적으로 전달되고, 코일(22)의 사용량은 줄어들도록 할 수 있다.

상기 외부하우징(3)은 영구자석 조작기의 외형을 형성하며, 내부에 상기 영구자석(1), 코일부(2) 및 가동자(4)를 수용하는 구성으로, 바람직하게는 중공된 원통형으로 형성되도록 한다. 상기 외부하우징(3)은 상기 영구자석(1), 코일부(2) 및 가동자(4)를 수용하도록 내부에 빈 공간을 형성하며, 원통형의 영구자석(1) 및 코일부(2)가 내측에 끼워지고, 끼워진 영구자석(1) 및 코일부(2)의 내측 공간으로 가동자(4)가 왕복이동하도록 한다. 따라서, 상기 외부하우징(3)은 상기 영구자석(1) 및 코일부(2)가 가동자(4)가 이동하는 공간을 사방에서 둘러싸도록 형성됨으로써, 영구자석(1) 및 코일부(2)에 의해 발생하는 자로를 밀폐할 수 있도록 하고, 이에 따라 누설자속을 줄일 수 있도록 한다. 따라서, 본 발명에 따른 영구자석 조작기의 전력 소모량이 감소하고, 흡인력 등의 동작성능을 향상시킬 수 있으며, 재질의 기준을 낮추고 장치의 소형화가 가능하도록 할 수 있다. 또한, 상기 가동자(4)와 결합된 구동축(5)이 외부하우징(3)의 양측을 관통하여 가동자(4)의 왕복이동과 함께 왕복 이동하도록 함으로써, 차단기 또는 개폐기의 개폐동작을 실행할 수 있도록 한다. 상기 외부하우징(3)은 상기 영구자석(1), 코일부(2) 및 가동자(4)가 수용되는 공간을 둘러싸도록 형성되는 둘레차단부(31)와, 둘레차단부(31)의 양측에 결합하여 둘레차단부(31) 내의 공간을 밀폐하는 차단덮개(32)를 포함한다.

상기 둘레차단부(31)는 외부하우징(3)의 둘레를 형성하는 구성으로, 바람직하게는 일정 두께를 갖는 중공된 원통형으로 형성될 수 있으며, 원통형의 영구자석(1) 및 코일부(2)가 내측에 끼워지도록 한다. 상기 둘레차단부(31)의 양측은 상기 차단덮개(32)가 결합하여 밀폐되도록 하여, 영구자석(1) 및 코일부(2)의 밀폐된 자로를 형성할 수 있으며, 내부의 영구자석(1)에 의한 영향을 줄이도록 하고, 또한 영구자석 조작기의 제작과정이 매우 용이하게 이루어질 수 있도록 한다.

상기 차단덮개(32)는 상기 둘레차단부(31)의 양측에 결합하여 둘레차단부(31)의 내부공간을 밀폐시키는 구성으로, 일정 두께를 가진 원판형으로 형성될 수 있으며, 상기 제1코일부(2a) 및 제2코일부(2b)가 각각 끼워지도록 한다. 또한, 상기 차단덮개(32)에는 구동축(5)이 관통되어 왕복이동하며, 이에 따른 차단기 또는 개폐기 등의 작동이 이루어지도록 한다. 일측의 차단덮개(32)는 상기 제1코일부(2a)가 끼워진 상태에서 상기 둘레차단부(31)의 일측에 결합하여 고정되도록 하며, 둘레차단부(31)의 내부에 영구자석(1)과 가동자(4)가 끼워지도록 하고, 타측의 차단덮개(32)에 상기 제2코일부(2b)를 끼워 둘레차단부(31)의 타측에 결합하도록 함으로써 밀폐된 상태의 영구자석 조작기를 매우 용이하게 제작할 수 있게 된다. 상기 차단덮개(32)는 상기 코일부(2)가 끼워지는 돌출턱(321)과, 상기 구동축(5)이 관통되는 관통공(322)을 포함한다.

상기 돌출턱(321)은 상기 차단덮개(32)의 일측으로 돌출되도록 형성되는 구성으로, 상기 코일하우징(21)의 내부에 관통되는 영역과 상응하는 형상으로 형성되어 코일하우징(21)이 끼워지도록 한다. 바람직하게는 상기 돌출턱(321)은 원통형의 코일하우징(21)이 끼워지도록 원형의 단면을 갖도록 돌출될 수 있으며, 상기 코일하우징(21)이 돌출턱(321)에 끼워진 상태에서 상기 차단덮개(32)를 둘레차단부(31) 내에 삽입하여 용이한 제작이 이루어지면서, 제작완료 후에는 상기 코일하우징(21)이 안정적으로 지지될 수 있도록 한다.

상기 관통공(322)은 상기 차단덮개(32)의 중심부에 관통되도록 형성되는 구성으로, 더욱 정확하게는 상기 돌출턱(321)을 관통하여 형성될 수 있다. 상기 관통공(322)에는 상기 가동자(4)가 결합된 구동축(5)이 관통, 삽입되도록 하며, 가동자(4)의 왕복이동과 함께 구동축(5)의 왕복이동이 이루어지도록 한다.

상기 가동자(4)는 상기 외부하우징(3) 내에 수용되어 직선 왕복이동하는 구성으로, 구동축(5)과 결합하여 함께 왕복이동하며, 바람직하게는 원통형으로 형성되도록 하고, 종래와 같이 상기 영구자석(1) 및 코일부(2)에 의해 형성된 자계에 의해 왕복이동하도록 한다. 다만, 상기 가동자(4)는 중공된 영구자석(1) 및 코일부(2)에 의해 둘러싸이는 형태로 외부하우징(3) 내에 수용되며, 이에 따라 앞서 설명한 바와 같이 누설자속의 감소와 자계 발생의 성능 향상으로 가동자(4)의 크기 내지 무게를 크게 하지 않더라도 높은 흡인력을 갖도록 할 수 있으며, 이에 따라 가동자(4)의 크기 및 무게를 작게 할 수 있어 초기동작성능을 향상시키고 초기동작에 필요한 전류가 감소되도록 할 수 있고, 장치의 소형화 및 제조원가 절감이 가능하도록 한다.

상기 구동축(5)은 상기 가동자(4)가 결합되며, 상기 외부하우징(3)의 양측에서 내부를 관통하도록 형성되는 구성으로, 상기 가동자(4)의 왕복 이동과 함께 왕복 이동하여 차단기 및 개폐기 등의 개폐 동작이 이루어지도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 영구자석 조작기의 제작방법에 관하여 도 10을 참조하여 설명하면, 상기 원통형 영구자석 조작기의 제작방법은 제1코일부장착단계(S1), 영구자석삽입단계(S2), 가동자삽입단계(S3), 제2코일부장착단계(S4)를 포함하며, 상기 영구자석삽입단계(S2) 및 가동자삽입단계(S3)는 어느 하나가 먼저 실행되어도 무방하다.

상기 제1코일부장착단계(S1)는 상기 외부하우징(3)의 일측에 제1코일부(2a)가 장착된 차단덮개(32)를 결합시키는 과정으로, 제1코일부(2a)의 코일(22)이 감긴 코일하우징(21)을 차단덮개(32)의 돌출턱(321)에 끼우도록 한 후, 상기 제1코일부(2a)가 끼워진 차단덮개(32)를 상기 외부하우징(3)의 둘레차단부(31) 일측에 결합하여 고정시키도록 한다.

상기 영구자석삽입단계(S2)는 상기 제1코일부장착단계(S1)에 의해 제1코일부(2a)가 결합된 후, 상기 외부하우징(3) 내에 영구자석(1)을 삽입하는 단계로, 바람직하게는 원통형의 영구자석(1)이 둘레차단부(31) 내측에 밀착된 상태로 끼워지도록 하며, 끼워진 영구자석(1)은 이미 결합된 제1코일부(2a)와 밀착되어 지지되도록 한다.

상기 가동자삽입단계(S3)는 상기 제1코일부장착단계(S1)에 의해 제1코일부(2a)가 결합된 후, 상기 외부하우징(3) 내에 가동자(4)를 삽입하는 단계로, 바람직하게는 구동축(5)이 결합된 원통형의 가동자(4)가 중공된 영구자석(1)의 내측으로 삽입되도록 한다. 상기 가동자삽입단계(S3)는 상기 영구자석삽입단계(S2)와 동시에 실행될 수 있으며, 어느 단계가 먼저 실행되어도 무방하다.

상기 제2코일부장착단계(S4)는 상기 영구자석삽입단계(S2) 및 가동자삽입단계(S3)에 의해 영구자석(1)과 가동자(4)가 외부하우징(3) 내에 삽입된 후, 상기 제1코일부(2a)가 장착된 타측에서 차단덮개(32)에 제2코일부(2b)를 끼워 상기 둘레차단부(31) 타측에 결합되도록 한다. 따라서, 상기 외부하우징(3) 내의 공간을 밀폐된 상태를 유지할 수 있으며, 종래와 같이 복수의 철판을 세우거나 고정판을 세워 설치하는 등의 작업 없이도 간단하게 영구자석 조작기를 제작할 수 있도록 함으로써 영구자석 조작기의 제작이 매우 용이해지며, 견고한 결합으로 내구성이 향상되고, 완전 밀폐된 상태를 유지하여 자계에 의한 주변 영향을 최소화할 수 있다.

이하에서는 다음의 실시예에 의하여 상기 원통형 영구자석 조작기를 보다 상세히 설명하도록 한다. 하지만, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

본 발명의 일 실시예에 따른 원통형 영구자석 조작기에 있어서, 영구자석(3)의 크기를 직경 150mm, 높이 150mm로 구성하여 원통형의 영구자석 조작기를 제작함.

<비교예>

도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같은 종래 영구자석형 조작기에 있어서, 영구자석(103)을 150 X 150 X 150 [mm]로 구성하여 사각의 영구자석형 조작기를 제작함.

<실험예>

상기 실시예 및 비교예의 코일에 전류를 인가한 후, 전류의 공급을 차단한 다음 가동자와 영구자석 사이 1mm 공극에서의 자속밀도와 가동자의 흡인력을 측정하였다. 가동자의 흡인력, 흡입면적, 부피, 무게, 영구자석이 코일부와 접촉되는 면적 등을 측정한 결과는 표 1과 같으며, 가동자와 코일부 사이 공극에서의 자속밀도를 측정한 결과는 도 8에 도시된 바와 같다.

	실시예	비교예
가동자 흡입면적(mm2)	2576	8655
영구자석이 코일부와 접촉되는 면적(mm2)	11310	12000
코일부 부피(mm3)	1722	1749
가동자 부피(mm3)	198.7	683.7
무게(kg)	1.56	5.37
가동자 흡인력(N)	2.72 X 103	3.68 X 103

표 1에서 보는 바와 같이 영구자석(1)이 코일부(2)와 접촉되는 면적과 코일부(2)의 부피는 실시예와 비교예에서 거의 동일한 값을 가지며, 가동자의 흡인면적은 실시예가 비교예의 30%정도에 불과하고 가동자의 무게도 실시예가 비교예의 29%정도임에도 불구하고, 가동자의 흡입력은 실시예가 비교예의 70%에 달하는 것으로 나타났다. 가동자의 크기와 무게가 클수록 가동자의 흡인력이 증가하는 것이 일반적임을 고려할 때, 이는 가동자의 크기 및 무게를 작게 형성하더라도 종래와 유사하거나 더욱 우수한 흡인력을 가질 수 있음을 의미하며, 가동자의 무게가 가볍다는 것은 가동자의 초기동작속도를 향상시키고 초기동작에 필요한 전류의 부하를 감소시킬 수 있는 것을 의미한다.

또한, 도 8에서 보는 바와 같이 가동자와 코일부 사이 공극에서의 자속밀도는 실시예 1에서 3.56[T]의 최대값과 1.7[T]의 평균값을 가지며, 비교예 1에서 1.76[T]의 최대값과 1.07[T]의 평균값을 가진다. 따라서, 실시예 1의 평균자속밀도가 비교예 1보다 59% 정도 더 높은 값을 가지는 것을 알 수 있다.

따라서, 실시예 1과 같이 영구자석을 이동자가 이동하는 공간을 둘러싸도록 원통형으로 형성할 경우 가동자를 더욱 작은 크기와 무게로 형성하더라도 가동자가 더욱 높은 흡인력을 갖도록 하고, 높은 평균자속밀도를 발생시키는 것을 알 수 있다.

이상에서, 출원인은 본 발명의 다양한 실시예들을 설명하였지만, 이와 같은 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 일 실시예일 뿐이며, 본 발명의 기술적 사상을 구현하는 한 어떠한 변경예 또는 수정예도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

1: 영구자석
2: 코일부 2a: 제1코일부 2b: 제2코일부
21: 코일하우징 22: 코일
3: 외부하우징 31: 둘레차단부
32: 차단덮개 321: 돌출턱 322: 관통공
4: 가동자
5: 구동축
S1: 제1코일부장착단계 S2: 영구자석삽입단계
S3: 가동자삽입단계 S4: 제2코일부장착단계

Claims (7)

1. 내부에 밀폐된 빈 공간을 형성하여 영구자석, 코일부 및 가동자가 수용되는 외부하우징;
   상기 외부하우징 내에서 직선 왕복 이동하는 가동자;
   상기 외부하우징 내에서 가동자가 이동하는 공간을 둘러싸도록 형성되며, 중공된 원통형으로 형성되어 상기 외부하우징에 끼워지는 중공형의 영구자석;
   중공된 원통형으로 형성되어 상기 가동자가 이동하는 공간을 둘러싸며, 전류의 흐름에 따라 자기장을 발생시켜 상기 가동자를 왕복 이동시키기 위한 코일부;를 포함하고,
   상기 코일부는,
   중공된 원통형으로 형성되어 상기 영구자석의 양측에 접촉되어 끼워지는 코일하우징과, 상기 코일하우징의 둘레에 밀착되도록 감겨지는 코일을 포함하며,
   상기 외부하우징은,
   상기 영구자석, 코일부 및 가동자가 수용되는 공간을 둘러싸도록 원통형으로 형성되며, 상기 영구자석 및 코일하우징이 밀착되어 끼워지는 둘레차단부와; 상기 둘레차단부의 양측에 결합하여 둘레차단부 내의 공간이 밀폐되도록 하는 차단덮개;를 포함하고,
   상기 차단덮개는,
   상기 외부하우징의 내측 방향으로 돌출되어 상기 코일하우징이 끼워지는 돌출턱을 포함하는 것을 특징으로 하는 원통형 영구자석 조작기.
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