KR101804371B1 - 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석 - Google Patents

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    • H01F27/324—Insulation between coil and core, between different winding sections, around the coil; Other insulation structures

Abstract

본 발명은 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석에 관한 것으로, 전자석을 지지하는 받침대; 코일이 코어에 권선되어 구성되고 상기 전자석에 전원을 공급하는 전극터미널을 통해 상기 코일에 전압이 인가되면, 자극을 띠는 적어도 3개 이상으로 구성되고 는 다수의 권선코어; 상기 받침대에 의해 지지되고 대칭되어 마주보도록 구성되며 상기 다수의 권선코어를 기구적으로 결합하고, 상기 다수의 권선코어에서 발생하는 자기장을 집속하는 한 의 자속허브; 및 상기 한 쌍의 자속허브로부터 집속된 자기장에 의해 극성을 가지며 상기 자속허브에 결합된 상태로 대칭되어 마주보도록 지지되는 한 쌍의 자극코어;를 포함하고, 상기 한 쌍의 자속허브는, 상기 다수의 권선코어를 기계적으로 연결시키고 수용하는 다수의 코어수용부; 상기 다수의 코어수용부의 내측에 구성되며 자극을 수용하는 자극수용부; 상기 권선코어에 권선된 코일에 의해 발생하는 열을 냉각시키는 냉각부; 및 상기 자속허브의 상부에 액세서리 또는 브라켓을 결합하여 고정시키는 다수의 볼트홀;을 구비하며, 상기 자속허브의 모서리는 모따기(Edge Cutting, chamfering) 형태로 구성되어 전기 및 자기저항을 감소시키고, 소비전력을 저감하기 위해 할백 어레이(Halbach array)에 기초하여 고효율을 갖는 효과가 있다.

Description

다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석{HIGH EFFICIENCY ELECTROMAGNET HAVING MULTI MAGNETIC CORE STRUCTURE}
본 발명은 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코어에 코일을 권선하여 자기장을 발생하는 전자석에서 최소 세 개 이상의 코어와 최소 한 쌍의 자속허브 그리고 자극을 구비하여 각각의 코어에서 발생하는 자속(magnetic flux)을 각각의 자속허브로 집속하여 효율을 향상시킨 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석에 관한 것이다.
일반적으로 전자석은 암페어의 법칙에 의해 원형 코일에 전류가 흐르면 코일 내부에 위치한 권선코어가 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 자기 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. 이와 같은 연구에 의해 철(Fe)을 기반으로 한 니켈아연 합금 및 철을 기반으로 한 코발트아연 등과 같은 고자기투자율(mr) 합금 재료들이 개발되었다. 그러나 이와 같은 연구에 의해 낮은 전기저항률(resistivity) 재료와 고투자율 재료의 성능이 한계점에 도달한 상태이다.
또한, 구리 재질의 코일의 전기저항이 발열원이 되기 때문에 발열 자체를 회피하는 것은 불가능하므로 일반적으로는 냉각 방법을 사용한다. 냉각 방법 중에 발열을 억제하기 위한 냉각수를 흘릴 수 있는 중공이 있는 코일을 사용할 수 있다. 이 경우, 중공이 형성된 코일은 두께가 두꺼워 권선 수를 증가하기 어려운 문제점이 있다.
중공이 있는 코일을 사용하지 않고, 포일(foil)형 코일을 사용하여 팬케익 구조로 제작함으로써, 권선 층간 접촉면적 증가로 열전도성이 향상되어 냉각성이 향상되도록 구성할 수 있다. 이와 같은 팬케익 구조는 냉각부 부피 감소로 권선부 부피가 감소하고 자기폐회로 길이가 축소되어 자기저항이 감소된다. 그러나, 포일형 코일을 사용한 팬케익 구조도 권선부 크기가 커질수록 냉각부 크기가 증가하여 권선부를 감싸는 자기회로의 길이가 증가한다는 문제점이 있다.
초고자기장을 얻기 위하여 전기저항이 없는 초전도 선재를 이용한 초전도 자석이 개발되었다. 그러나 초전도 자석을 이용한 전자석은 초전도로 전환되는 임계온도 이하에서만 동작이 가능한 한계가 있으며, 또한 진공보냉 냉매 탱크 또는 냉동기를 구비해야하기 때문에 운영비가 급격하게 증가하는 문제점이 있다.
또한, 동일한 전류로 큰 자기장을 얻기 위해서 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 및 관리비용 등이 증가하는 문제점이 있다.
도 1은 일반적인 전자석의 단면을 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 많은 양의 자속을 수용하기 위해 권선코어(1)의 반경(r C)을 키울 경우 외경이 증가하여 코일(2)의 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 코일(2) 레이어(coil layer)의 두께를 나타낸다.
도 2는 도 1과 같은 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 코일(2)의 저항(R coil)이 증가한다. 이는 R coil=R w /L +L total의 식으로 나타낼 수 있으며, 코일(2)의 저항이 급격히 증가한다. 여기서, R coil은 코일(2)의 저항을 나타내며, R w/L 은 코일(2)의 길이당 저항을 나타내고, L total은 전체 코일(2)의 길이이다.
그리고 코일 레이어당 턴수를 'k = N / 총 layer 수'라 하고, 1 번째부터 i 번째 코일 레이어 까지의 두께를 t CL(i-1) 라고 하고, i 번째 코일 레이어의 반지름 r CL( i )은 r C+t CL( i -1)이라고 할 때, 전체 코일(2)의 길이(L total)는 다음의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112015113496149-pat00001
도 2의 (b)는 코일레이어 두께의 증가에 따른 전력 증가량을 나타낸 그래프이다. 제한된 공간에 코일의 턴수(N)가 증가하면, 코일(2)의 두께가 증가하고, 증가한 코일 레이어(coil layer)의 총 두께에 비례하여 전기저항이 증가하므로 소비전력(발열)량이 급격하게 증가한다.
도 2의 (c)는 코일(2) 레이어 두께의 증가에 따른 자속 경로의 길이를 나타낸 그래프이다. 코일(2)의 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, R m)이 증가하고(R m= l /μS), 결국 자기저항의 증가로 인하여 전력 대비 출력 자기장의 저하를 야기하게 된다. 여기에서 S는 자속 경로의 단면적이다.
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. 자극코어에서는 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 발열 문제를 야기시킬 수 있다.
다중 코어 전자석을 구현하기 위해 다수의 코어를 구비하기에 용이하도록 하기 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. 따라서 코어 직경(D core)과 코일층 두께(t CL)의 비율, 즉 t CL/D core가 작은 방향으로 설계할 필요가 있다.
또한 기존의 전자석은 한번 제작하면 자극(pole)코어의 변경이 제한적이므로 용도에 따라 기존 전자석에 심각한 변경을 요하거나 아예 새로운 전자석 제작을 필요로 한다. 특히 중공이 있는 자극(pole)코어가 필요한 경우, 기존 자극코어에 중공을 형성할 수는 있으나, 폴 간의 간격을 조절할 수 없는 문제에 봉착하기도 한다.
또한, 자극코어에서 자기장을 집속하여 자기장의 세기를 향상시키기 위한 튀어나온 경사구조, 즉 테이퍼(taper) 형태의 경사구조에서 있어서 경사각은 가변이 불가능하다. 경사각의 가변이 불가능 할 뿐 아니라 사용하고자 하는 용도에 따라서 튀어나온 경사구조와 들어간 경사구조를 각각 별도로 제작해하는 한다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 전기 및 자기저항을 감소시키고, 소비전력을 저감하기 위해 할백 어레이(Halbach array)에 기초를 둔 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 개선된 자기회로 구조에서 발생하는 구성요소들(자속코어)에 멀티코어를 수용할 수 있도록 하고 냉각기능을 수행할 수 있으며 자극코어를 교환할 수 있도록 하는 기능성을 부여하여 효율성을 높인 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 강자성 포일을 이용하여 권선코어의 중심부 두께를 증가시키는 권선코어구조로 설계함으로써 자기저항을 감소시켜 구조의 변경만으로 자성을 향상시킨 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 권선층을 얇게 하여 간소화된 구조로 설계함으로써 개선된 자기회로 구조를 갖는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 개선된 자기회로 구조를 갖는 다중 코어 구조의 고효율 전자석에서 용도에 따라 자극 교환이 손쉬운 자극을 교환할 수 있도록 구성한 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 자속 집속 또는 균일성을 제어할 수 있도록 코어 구조를 가변할 수 있는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석을 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석은, 코일이 코어에 권선되어 구성되고 전극터미널을 통해 상기 코일에 전압이 인가되면, 자기장을 발생시키는 적어도 3개 이상으로 구성되는 다수의 권선코어; 서로 대칭되어 마주보도록 구성되어 상기 다수의 권선코어를 결합시켜, 상기 다수의 권선코어에서 발생하는 자기장을 집속하도록 자성체로 구성된 한 쌍의 자속허브; 및 상기 한 쌍의 자속허브로부터 집속된 자기장에 의해 극성을 가지며 상기 자속허브에 결합된 상태로 대칭되어 마주보도록 지지되는 한 쌍의 자극코어;를 포함하고, 상기 한 쌍의 자속허브는, 상기 다수의 권선코어를 수용하는 다수의 코어수용부; 상기 다수의 코어수용부의 내측에 구성되어 자극코어를 수용하는 자극수용부; 및 상기 자속허브의 외부 또는 내부에 구성되어 상기 권선코어에 권선된 코일에 의해 발생하는 열을 냉각시키는 냉각부;를 포함하고, 상기 자속허브의 모서리는, 모따기(Edge Cutting, chamfering) 형태로 구성되는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
상기 다수의 권선코어는 상기 자극코어를 둘러싸도록 구성되며 상기 권선코어를 관통하는 자속 방향의 축이 상호 평행하도록 상기 자속허브에 결합되어 구성될 수 있다.
상기 자극수용부는, 상기 자극코어를 수용하며 경통 형태로 구성되는 자극경통; 상기 자극경통을 수용하여 상기 자극코어를 상기 자속허브에 결합시키는 마운팅 어뎁터; 및 상기 자극경통 및 상기 자극코어를 덮고, 상기 마운팅 어뎁터, 상기 자극경통과 결합되는 자극커버;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 자극코어는, 상기 자극코어의 단면적이 다음의 수학식을 만족시키도록 구성될 수 있다.
(Sc × m)/2 < C
(여기서, Sc는 코어 하나당 단면적을 나타내며, m은 코어의 개수를 나타내고, C는 상기 자극코어의 단면적임)
상기 자극코어는, 상기 자극코어의 단면적이 다음의 수학식을 만족시키도록 구성될 수 있다.
(Sc × m) > C
(여기서, Sc는 코어 하나당 단면적을 나타내며, m은 코어의 개수를 나타내고, C는 상기 자극코어의 단면적임)
상기 자속허브는, 상기 자속허브의 두께가 다음의 수학식을 만족시키도록 구성될 수 있다.
r c < T FH
(여기서, r c는 자기코어의 반지름, T FH는 자속허브의 두께임)
상기 다수의 권선코어는, 중심부의 직경과 양측 단부의 직경을 다르게 구성하고, 상기 중심부의 직경이 상기 단부의 직경보다 크게 구성될 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 권선코어는, 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 권선코어는, 상기 코어에 권선된 코일의 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
다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석은 상기 권선코일에 권선되어 구성되며, 중공이 형성되어 냉각유체 또는 냉각수가 흐를 수 있도록 구성된 냉각코일을 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 냉각코일은 상기 권선코일의 외부 또는 상기 코일과 상기 코어의 사이 중 어느 한곳에 배치되어 구성될 수 있다.
상기 한 쌍의 자속허브를 지지하는 받침대를 더 포함하고, 상기 받침대는, 상기 권선코일과 접촉하는 내측에 구성된 냉각핀; 및 냉각수 또는 냉매가 상기 받침대의 내부를 순환하는 냉각수로;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 받침대에 양측면에 각각의 일측이 지지된 상태로 권선코어를 유지하는 한 쌍의 측면 냉각자켓을 더 포함하고, 상기 측면 냉각자켓은, 외측에 내삽되어 구성된 냉각핀; 및 냉각수 또는 냉매가 상기 측면 냉각자켓의 내부를 순환하는 냉각수로;를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 받침대는, 각각의 권선코어를 순환하는 냉각수로의 각각의 냉각수 입구와 출구를 하나의 쌍으로 구분하고 이를 하나로 모아 구성된 냉각수허브를 더 포함하여 구성될 수 있다.
상기 측면 냉각자켓 및 받침대는, 권선코어와의 사이에 그리스, 동판 및 인듐박판(호일) 중 어느 하나를 메워 넣어 구성될 수 있다.
상기 자극코어는, 내측에 원기둥 형상의 내심코어; 상기 내심코어와 상호 회동 가능하도록 구성하고, 상기 내심코어를 감싸는 외심코어; 상기 내심코어의 일측에 고정되어 상기 내심코어를 앞뒤로 왕복 조절하는 자극핸들; 및상기 외심코어의 외주면에 고정되어 상기 외심코어를 앞뒤로 왕복 조절하는 외심자극핸들;을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 자극코어는, 상기 내심코어를 상기 외심코어보다 돌출되도록 하여 집속된 자기장을 획득하도록 구성될 수 있다.
상기 자극코어는, 상기 외심코어를 상기 내심코어보다 돌출되도록 하여 균일한 자기장을 획득하도록 구성될 수 있다.
상기 자극코어는, 상기 내심코어를 상기 외심코어로부터 제거하여 중공이 형성된 자극을 형성하도록 구성될 수 있다.
상기 다수의 코어는, 코어에 권선된 코일과의 사이에 절연막이 구성되고, 상기 절연막은 내절연성 및 내열성의 재질로 구성될 수 있다.
상기 코어수용부는, 상기 자극경통, 상기 마운팅 어뎁터 및 자극커버를 나사로 결합하여 자속허브에 고정하며, 상기 자극경통, 상기 마운팅 어뎁터, 자극커버 및 자극코어를 각각 탈착 가능하도록 구성될 수 있다.
상기와 같은 해결수단에 의한 본 발명에 따른 다중 코어 구조를 갖는 전자석은, 전기 및 자기저항을 감소시키고, 소비전력을 저감하기 위해 할백 어레이(Halbach array)에 기초하여 고효율을 갖는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 코어 구조를 갖는 전자석은, 개선된 자기회로 구조에서 발생하는 구성요소들(자속코어)에 멀티코어를 수용할 수 있도록 하고 냉각기능을 수행할 수 있으며 자극을 교환할 수 있도록 하는 기능성을 부여하여 효율성을 높인 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 코어 구조를 갖는 전자석은, 중심부 두께를 증가시키는 형상으로 제작하거나, 강자성 포일을 이용하여 권선코어의 중심부 두께를 증가시키는 권선코어 구조로 설계함으로써 자기저항을 감소시켜 구조의 변경만으로 자성을 향상시킨 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 코어 구조를 갖는 전자석은, 권선층을 얇게 하여 간소화된 구조로 설계함으로써 개선된 자기회로 구조를 갖는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 가변식 자극코어는 자기장 집속 특성 또는 균일 특성을 하나의 자극 코어에서 구현할 수 있는 효과가 있다. 따라서 각각의 기능을 구현하는 자극을 별도로 구비하거나 교환하지 않아도 되므로 활용성이 높다.
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 9는 본 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 코어수용부와 권선코어의 연결 상태를 나타낸 단면도.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 자속허브와 자극코어의 조립 상태를 나타낸 조립사시도.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 자극핸들을 설명하기 위한 단면도.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따라 전자석의 냉각장치를 나타낸 단면도.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각자켓과 권선코어를 나타낸 단면도.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 17에 의해 구성된 전자석을 나타낸 사시도.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자석을 나타낸 사시도.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 코어 전자석에 의해 나타나는 지표들을 나타낸 그래프.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기코일에 인가된 전류의 증가에 따른 다중 코어 전자석의 자기장의 변화를 나타낸 그래프.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 자극교환식 멀티코어 전자석을 나타낸 것이며, 자극코어를 기계적으로 수용할 수 있는 마운팅 어뎁터를 나타낸 사시도.
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 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 16중 코어 형태의 구조를 갖는 전자석의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 코일이 코어에 권선된 3개의 권선코어(12)가 도시되며, 나란하게 120도의 일정한 간격으로 배치된 3개의 권선코어(12)로부터 발생된 자기장이 자속허브(미도시됨)에 집속된다. 여기에서 권선코어(12)는 고투자율 코어에 코일이 감겨있는 것을 지칭하는 것이다. 3개의 권선코어(12)들은 상호 척력이 발생하도록 구성한다. 또한, 3개의 권선코어(12)가 마주보는 자극코어(14, 15)를 둘러싸고 자속 방향의 축이 상호 평행하게 120도의 등 간격으로 배치되도록 연결하여 자극코어(14, 15)간 간격이 최소인 곳을 벗어나려는 누설자속을 최소화시켜 자극코어(14, 15) 간 자속밀도가 향상되도록 구성한다. 권선코어(12)에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 각각의 자극코어(14, 15)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 구성될 수 있다. 한 쌍의 자속허브에 의해 집속된 각각의 자기장은 각각의 자극코어(14, 15)에 집속되어 각각 N극과 S극을 형성한다. 3개의 권선코어(12)에 권선된 각각의 코일은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있어 2 종류의 저항(3R coil 또는 1/3R coil)으로 구성할 수 있다. 도 4에 도시된 전자석에 있어서, 자속허브는 T자 또는 Y자의 형태를 가지므로 'T'자형 또는 'Y'자형 자속허브로 지칭하기로 한다.
도 5에서, 코일이 코어에 권선된 4개의 권선코어(16)가 도시되며, 나란하게 90도의 일정한 간격으로 배치된 4개의 권선코어(16)로부터 발생된 자기장이 자속허브(미도시됨)에 집속된다. 여기에서 권선코어(16)는 고투자율 코어에 코일이 감겨있는 것을 지칭하는 것이다. 4개의 권선코어(16)들은 상호 척력이 발생하도록 구성한다. 또한, 4개의 권선코어(16)가 자극코어(18, 19)를 둘러싸고 자속 방향의 축이 상호 평행하게 90도의 등간격으로 배치되도록 연결하여 자극코어(18, 19) 간 간격이 최소인 곳을 벗어나려는 누설자속을 최소화시켜 자극코어(18, 19) 간 자속밀도가 향상된다. 권선코어(16)에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 자극코어의 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. 한 쌍의 자속허브에 의해 집속된 각각의 자기장은 각각의 자극코어(18, 19)에 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 6에서, 코일이 코어에 권선된 6개의 권선코어(20)가 도시되며, 나란하게 60도의 일정한 간격으로 배치된 6개의 권선코어(20)로부터 발생된 자기장이 한쌍의 자극허브(미도시됨)에 의해 집속된다. 6개의 권선코어(20)들은 상호 척력이 발생하도록 구성한다. 또한, 6개의 권선코어(20)가 자극코어(22)를 둘러싸고 자속 방향의 축이 상호 평행하게 60도의 등 간격으로 배치되도록 연결하여 자극코어(22, 23) 간 간격이 최소인 곳을 벗어나려는 누설자속을 최소화시켜 자극코어(22, 23) 간 자속밀도가 향상되도록 한다. 권선코어(20)에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 자극코어(22, 23)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. 한 쌍의 자속허브에 의해 집속된 각각의 자기장은 각각의 자극코어(22, 23)에 집속되어 각각 N극과 S극을 형성한다. 도 6에 도시된 전자석에 있어서, 자속허브는 *자의 형태를 가지므로 '*'자형 또는 별(star)형 자속허브로 지칭하기로 한다.
도 7에 상부에 배치되며 코일이 코어에 권선된 3개의 권선코어(24)가 도시되며, 하부에 배치된 3개의 권선코어(25)가 도시된다. 상부에 형성된 3개의 권선코어(24)로부터 발생된 자기장이 상부의 자속허브에 집속되고, 하부에 형성된 3개의 권선코어(25)로부터 발생된자기장이 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 일측의 자극코어(26)를 둘러싸도록 형성되며 하부의 3개의 권선코어(25)가 타측의 자극코어(27)를 둘러싸도록 형성되며 자속 방향의 축이 등간격으로 배치되도록 연결하여 자극코어(26, 27) 간 자속밀도가 향상되도록 한다. 권선코어(24, 25)에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 자극코어(26, 27)의 축과 수직하게 배치되도록 연결한다. 상부에 형성된 3개의 권선코어(24)는 일측의 자속허브에 의해 집속되고 하부의 3개의 권선코어(25)는 타측의 자속허브에 의해 집속된다. 한 쌍의 자속허브에 의해 집속된 각각의 자기장은 각각의 자극코어(26, 27)에 집속되어 각각 N극과 S극을 형성한다. 도 7에 도시된 전자석에 있어서, 자속허브는 T자 또는 Y자의 형태를 가지므로 'T'자형 또는 'Y'자형 자속허브로 지칭하기로 한다.
도 8에서, 상부에 배치되며 코일이 코어에 권선된 4개의 권선코어(28)가 도시되며, 하부에 배치된 4개의 권선코어(29)가 도시된다. 상부에 형성된 4개의 권선코어(28)로부터 발생된 자기장이 상부 자속허브에 집속되고, 하부에 형성된 4개의 권선코어(29)로부터 발생된 자기장이 하부 자속허브에 집속된다. 8개의 권선코어(28, 29)는 상호 척력이 발생하도록 구성한다. 또한, 상부에 형성된 4개의 권선코어(28)가 일측의 자극코어(30)을 둘러싸도록 형성되며 하부에 형성된 4개의 권선코어(29)가 타측의 자극코어(31)을 둘러싸도록 형성되고, 자속 방향의 축이 등간격으로 배치되도록 연결하여 자극코어(30, 31)간 자속밀도가 향상되도록 한다. 권선코어(28, 29)에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 자극코어(30, 31)의 축과 수직하게 배치되도록 연결한다. 상부에 형성된 4개의 권선코어(28)는 일측의 자속허브에 의해 집속되고 하부의 4개의 권선코어(29)는 타측의 자속허브에 의해 집속된다. 한 쌍의 자속허브에 의해 집속된 각각의 자기장은 각각의 자극코어(30, 31)에 집속되어 각각 N극과 S극을 형성한다. 도 8에 도시된 전자석에 있어서, 자속허브는 +자 형태를 가지므로 '+'자형 또는 십자(cross)형 자속허브로 지칭하기로 한다.
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)로부터 발생된 자기장이 상부 자속허브에 집속되고, 하부에 형성된 8개의 권선코어(33)로부터 발생된 자기장이 하부의 자속허브에 집속된다. 각각의 16개의 권선코어(32, 33)들은 상호 척력이 발생하도록 구성한다. 또한, 상부에 형성된 8개의 권선코어(32)가 일측의 자극코어(34)을 둘러싸도록 형성되고 하부에 형성된 8개의 권선코어(33)가 타측의 자극코어(35)를 둘러싸도록 형성되며 자속 방향의 축이 상호 평행하게 등간격으로 배치되도록 연결하여 자극코어(34, 35) 간 자속밀도가 향상된다. 권선코어(33, 34)에서 발생하는 자속 방향의 축이 상기 자극코어(34, 35)의 축과 수직하게 배치되도록 연결한다. 상부에 형성된 8개의 권선코어(32)는 일측의 자속허브에 의해 집속되고 하부의 4개의 권선코어(33)는 타측의 자속허브에 의해 집속된다. 한 쌍의 자속허브에 의해 집속된 각각의 자기장은 각각의 자극코어(34, 35)에 집속되어 각각 N극과 S극을 형성한다. 도 9에 도시된 전자석에 있어서, 자속허브는 +자 형태를 가지므로 '+'자형 또는 십자(cross)형 자속허브로 지칭하기로 한다.
전술한 도 4 내지 도 9에서 설명된 전자석은 기존의 다극 전자석에서는 없는 자속 허브를 추가로 구비하여 2극으로 변환하여 사용하므로 기존의 다극 전자석과 차별화된다. 또한, 전술한 전자석들에 구성된 자속허브의 형상은 H, K, O, T, V, X, Y, +, * 형태 가운데 어느 하나일 수 있다.
도 4 내지 도 9에 설명된 자속허브에 있어서, 자극코어(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 권선코어의 단면적(Sc)을 모두 더한 면적(Sc × m)의 1/2보다 크도록 구성한다. 이를 수학식으로 나타내면 다음의 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112015113496149-pat00002
반대로, 자극코어(14, 15, 18, 19, 22, 23, 26, 27, 30, 31, 34, 35)의 면적(C)은 권선코어(12, 16, 20, 24, 25, 28, 29, 32, 33)에서 권선코어의 단면적(Sc)을 모두 더한 면적(Sc × m)보다 작도록 구성할 수 있으며, 이를 (Sc × m) > C의 식으로 나타낼 수 있다.
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. 즉, 자속 절점(flux node)을 기준으로 가지의 수를 증가시킴으로써 더 많은 수의 코어를 접속시킨 전자석을 구현 가능하다.
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 자극코어가 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)를 중심부(160)와 양측의 단부(161)로 구분하면, 가장 먼저 자기포화가 도래할 수 있는 부분은 코어의 중심부(160)이며, 코일이 권선되는 코어(160, 162)의 단부(core end)(162)와 중심부(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/P ; 효율)이 커지는 효과가 있다. 따라서 바람직하게는 코어 중심부(160)의 직경(Dcc)과 단부(162)의 직경(Dce)은 다음의 수학식 3의 범위 내에 있도록 직경을 설정한다.
Figure 112015113496149-pat00003
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 들어있 는 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, 코일층의 두께(T CL)와 코어의 직경(D core)간에 비율(T CL /D core)이 다음의 수학식 4의 범위 내에 있도록 설정한다.
Figure 112015113496149-pat00004
또한, 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 5의 범위 내에 있도록 구성한다.
Figure 112015113496149-pat00005
한편, 중심부(160)의 두께는 강자성 포일을 코어의 중심부에 권선하여 권선코어(16)의 중심부(160) 두께를 증가시키도록 구성할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 4중 코어 전자석을 나타낸 사시도 및 일부 분해 사시도이며, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 자속허브를 나타낸 도면이다. 도 11 및 도 12를 참조하면, 도 11의 (a) 및 (b)에서 본 발명은 권선코어(16) , 자극코어(18, 19), 자극핸들(140), 자석 운반용 롤러(143), 전극 터미널(120), 자속허브(130) 및 받침대(110)로 구성된다.
자속허브(130)는 자기저항을 작게 하기 위하여 적절한 두께로 설계되어야 한다. 자속허브(130)의 두께(T FH)를 결정하는 기준은 권선코어(16)의 중심에 있는 자기코어(162)의 말단 반지름(r c)이다. 자속허브의 두께가 자기코어의 반지름(162) 보다 얇으면 자기저항이 커지고 높은 자기장에서 포화되기 쉬워 전자석의 성능이 최대로 발휘되지 못한다. 반면에 자속허브(130)의 두께가 자기코어의 반지름(162)보다 지나치게 두꺼운 것도 일부 자속의 도달 경로를 멀게 하여 자기저항 측면에서 불리하게 작용할 수 있으며 제작비용 또한 높아진다. 자속허브(130)의 최적 두께는 2r c 부근이며, 설계상의 다양한 변수를 고려하더라도 자속허브(130)의 두께(T FH)는 다음의 수학식 6의 범위 내에 있도록 구성한다.
Figure 112015113496149-pat00006
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 자극코어(18, 19)를 기구적으로 연결한다. 자속허브(130)는 자속을 모아서 자극코어(18, 19)에 공급하는 통로로써의 역할을 하며, 코일(164)에 의해 가열된 코어(160, 162)들을 냉각하는 냉각부(142)를 포함한다. 냉각부(142)는 수랭식으로 동작하는 냉각수로(136) 및 공랭식으로 동작하는 방열판(138)을 포함하여 구성될 수 있다.
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 자극코어(18, 19)와 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)내에 구성된 냉각수로(136)를 통해 냉매제를 순환시키도록 구성할 수 있다. 수랭식인 경우 자속허브(130) 및 코어(160, 162)의 내측에 냉매 또는 냉각수 등의 유체가 회전하면서 냉각시키도록 할 수 있다. 공랭식을 하는 경우 자속허브(130)의 표면에 방열판(138) 또는 방열핀 등의 열교환 기구를 구비하여 냉각을 수행하도록 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 전자석을 지지하는 역할을 하며, 비금속 또는 금속으로 구성한다. 받침대(110)의 재질을 금속으로 할 경우 자속허브(130)를 냉각하는 냉각 효과를 기대할 수 있다. 또한 받침대(110) 내부에 순환수로를 형성하고 냉매를 순환시키는 수랭식 냉각 방법을 구현할 수 있다.
권선코어(16)는 전극터미널(120)을 통해 전류가 인가되면 자기장이 형성된다. 이때, 전술한 권선코어(16)의 일측에는 N극성의 자기장이 형성되며, 타측에는 S극성의 자기장이 형성된다. 전극 터미널(120)은 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 권선코어의 수를 3개 또는 권선코어의 수를 늘려 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)와 코어(160, 162) 사이에는 얇은 절연막(166)이 구성되어 있다. 절연막(166)은 내절연성 및 내열성이 우수한 절연재질로 구성한다. 절연막(166)은 고전류 구동시 코일(164)의 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 노드 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)는 각각 N극과 S극을 집속한다. 자속허브(130)는 다수의 권선코어(16)를 연결시키고 수용하는 다수의 코어수용부(132)와, 다수의 코어수용부(132)의 내측에 구성되어 자극코어(18, 19)를 수용하는 마운팅 어뎁터(134) 및 권선코어(16)에 권선된 코일(164)에 의해 발생하는 열을 냉각시키는 수랭식 또는 공랭식 중 적어도 어느 하나의 방식으로 전자석에 의해 발생한 열을 냉각시키는 냉각부(142)를 포함한다.
자극코어(18, 19)는 전술한 권선코어(16)의 내측에 마주보는 상태로 유격되어 구성된 한 쌍의 원기둥형의 강자성체로 구성된다. 한 쌍의 자극코어(18, 19)는 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. 한편, 자속허브(130)와 자극의 결합에 대해서는 후술하는 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
자극핸들(140)은 마주보는 한쌍의 자극코어(18, 19)의 말단인 자극 면의 유격간격을 조절할 수 있도록 구성되며 후술하는 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
자속허브(130)에 구성된 냉각부(142)는 공랭식 및/또는 수랭식으로 구성될 수 있다. 냉각부(142)를 공랭식으로 구성하는 경우, 방열판(138)이 자속허브(130)의 외측으로 연장되어 형성되고 공기와의 접촉면을 늘려 공기에 의해 냉각되도록 구성된다.
냉각부(142)를 수랭식으로 구성하는 경우 냉각부(142)는 상기 자속허브(130)의 내측을 관통하여 순환하는 냉각수로(136)의 형태로 형성되도록 구성된다. 냉각수로(136)를 순환하는 냉각재는 열교환에 의해 차갑게 식혀진 물, 또는 열교환된 냉매 또는 냉가가유체일 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 코어수용부와 권선코어의 연결 상태를 나타낸 단면도이다.
도 13을 참조하면, 자속허브(130)에 구성된 코어수용부(132)와 코일이 감긴 권선코어(16)가 접촉하는 면에 간극이 발생하면 자기장 효율을 낮추는 손실이 발생한다. 따라서, 손실을 최소화하기 위해서 상기 접촉면을 매끄럽게 제작하여 자속허브(130)와 권선코어(16)가 밀착되도록 구성한다. 한편, 자속허브(130)는 자성체로 구성되어 권선코어(16)에서 발생한 자기장을 집속시킬 수 있도록 한다.
도 13의 (a)에서와 같이 권선코어(16)의 끝단에 돌출부(133)가 있고, 코어수용부(132)에 상기 돌출부(133)가 삽입될 수 있는 홈(135)이 구성된 경우, 엄밀한 밀착을 위해서는 코어수용부(132)가 들어간 길이(Lin)와 돌출부의 길이 (Lout)가 일치해야 하지만, 기계적인 결합에 의해 발생하는 소정의 공차를 고려해야 한다.
도 13의 (a)에서, Dcore>2Df일 때에는 돌출부의 길이(Lout)가 미세하게 음의 공차로 제작되어야 한다. 반면, Dcore<2Df일 때에는 돌출부의 길이(Lout)가 미세하게 양의 공차로 제작되어야 밀착 면적이 최대가 된다. 코어수용부(132)와 권선코어(16)의 밀착면이 최대가 되기 위해서 도 13의 (b)와 같이 코어수용부(141)에 권선코어(16)의 외경(Dcore)만큼을 수용할 수 있는 음각 형태의 홈(145)을 만들 수 있다.
한편, 도 13의 (a) 에서와 같이 홈(135, 145)과 돌출부(133)는 나사(137)에 의해 결합되어 고정된다. 또는 도 13의 (b)와 같은 경우 홈(145)과 권선코어(16)의 일측을 나사(137)로 결합시켜 고정시킬 수도 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 자속허브와 자극코어의 조립 상태를 나타낸 조립사시도이다.
도 14를 참조하면, 자극코어(18, 19)를 수용하는 자속허브(130)가 도시된다. 자속허브(130)는 마운팅어뎁터(134), 자극경통(131), 자극커버(139) 및 자극핸들(140)을 포함한다.
마운팅 어뎁터(134)는 자극코어(18, 19)를 수용하는 자속허브(130)의 몸체부분의 전면에 자극경통(131)과 결합되도록 구성된다. 또한, 마운팅 어뎁터(134)를 수용하는 자속허브(130)는 대략적으로 마름모 또는 T자 또는 K자 형태를 가지며, 자속허브(130)의 모서리 부분은 모따기(Edge Cutting, chamfering)(134-1)가 형성되도록 하여 뾰족하거나 날카로운 부분을 최소화시켜 누설자속을 최소화시킨다. 또한, 자속허브(130)의 상부에는 액세서리 또는 브라켓을 장착할 수 있는 다수의 볼트홀(134-2)을 구성한다.
자극경통(131)은 마운팅 어뎁터(134)와 결합하고, 그 전면을 자극커버(139)를 덮은 후 나사 등으로 자속허브(130)에 고정시킨다. 자극경통(131)은 자극코어(18)를 수용하는 경통 형태로 구성된다.
자극커버(139)는 자극경통(131) 및 자극코어(18)를 덮으며, 마운팅 어뎁터(134), 자극경통(131)을 결합하여 자극코어(18)가 일측으로 이탈하는 것을 방지한다.
자극핸들(140)의 일측은 자극코어(18)의 일측에 고정된 상태로 자극커버(139)의 중심에 형성된 구멍과 나사 결합되어 자극코어(16)를 전진 및 후진시킬 수 있다. 자극코어(18)를 전진 및 후진시킴으로써, 자극코어(18, 19) 간의 간극이 조절된다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 자극핸들을 설명하기 위한 단면도이다.
도 15의 (a)는 자극코어(18)를 내심자극(181)과 외심자극(183)으로 구분하여 구성하고, 내심자극(181)에 고정된 자극핸들(140)을 조정하여 내심자극(181)이 마운팅 어뎁터(134)와 자극경통(131) 사이를 왕복하면서 형태를 변형시킬 수 있다. 또한, 외심자극(183)을 조절하는 외심자극핸들(185)이 자극경통(131)과 나사결합한 상태의 외심자극(183)의 외주면에 일체로 연결된다. 외심자극핸들(185)를 회전시키면 회전방향에 따라 고정된 자극경통(131)에 대비하여 외심자극(183)이 앞뒤로 왕복하게 된다. 예컨대, 자극핸들(140) 및 외심자극핸들(185)을 회전시켜 내심자극(181)을 외심자극(183)에 대비하여 돌출되도록 구성한다. 내심자극(181)이 돌출되면 자극코어(18)에서 밀도가 집속되어 고밀도 자속을 얻을 수 있다. 즉, 자극핸들(140)을 조정하여 내심자극(181)이 돌출되도록 조정하여 고밀도 자극을 구현할 수 있다.
도 15의 (b)는 자극핸들(140) 및 외심자극핸들(185)를 조정하여 내심자극(181)이 외심자극(183)에 대비하여 안으로 움푹 들어간 형태로 구성한다. 이 경우 외심자극(183)이 내심자극(181)에 대비하여 돌출되면, 자극코어(18)에서 자속이 분산되어 균일(uniform)한 자속을 얻을 수 있다. 즉, 자극핸들(140)을 조정하여 외심자극코어(183)이 돌출되도록 조정하여 균일한 자극을 획득할 수 있다.
또한, 내심자극(181 또는 외심자극코어183) 중 어느 하나를 제거하고 구성하면, 빈공간이 형성된 자극을 형성할 수 있다. 예컨대, 내심자극(181)을 제거하면 내심자극(181)만큼의 중공이 형성되며 외심자극(183)을 자극으로 활용할 수 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따라 전자석의 냉각장치를 나타낸 단면도이다.
도 16을 참조하면, 전기 코일 권선 후 외곽에 중공이 있는 코일을 권선하여 구성할 수 있다. 이와 같이 냉각유체(냉각수)가 흐를 수 있도록 중공이 형성된 중공코일을 냉각코일(168)이라고 한다. 중공에는 냉각유체가 유입되어 흐르게 한다. 이와 같이 구성하여 냉각 코일에 전류를 흘리게 되면, 자기장이 발생하고 자기장 발생과 동시에 냉각이 수행된다.
코일(164)은 기존의 전자석과 다르게 중공이 없는 것을 사용하였으므로 총 두께는 그만큼 얇아진다. 멀티코어 전자석의 구조를 도입하게 되면 토탈 권선수 (T total)는 코어의 수(m)로 나눈 것(T total /m)이 되므로 코일층의 두께는 더욱 얇게 구성할 수 있다. 따라서 냉각코일(168)을 1층만 적층하여 코어(162)를 구성하여도 냉각코일(168)에 의해 충분한 냉각 효과를 얻을 수 있다. 이러한 냉각코일(168)을 이용하는 경우, 코일(164)에 구비된 두 개의 전극 가운데 어느 하나를 냉각코일(168)과 전기적으로 결선하여 냉각코일(168)에도 전류가 흐르게 할 수 있다. 이때, 냉각코일(168)은 권선 수가 적고, 길이가 짧으므로 전기저항이 매우 적어 냉각코일(168)에 의해 증가되는 전기저항은 무시할 수 있다. 따라서, 코일(164)만 사용할 때 보다 근소하게 높은 자속을 발생시킬 수 있으면서도 전기저항의 증가는 무시될 수 있다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각자켓과 권선코어를 나타낸 단면도이고, 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 도 17에 의해 구성된 전자석을 나타낸 사시도이다.
도 17 및 도 18에서 코일(164)이 권선된 권선코어(16) 외곽에 측면 냉각자켓(190)을 구비한다. 측면 냉각자켓(190)은 한 쌍으로 구성되어 받침대 냉각자켓(110-1)에 일측이 지지된 상태로 권선코어(16)를 감싸도록 구성된다. 즉, 한 쌍으로 구성된 측면 냉각자켓(190)은 받침대 냉각자켓(110-1)의 양 측면 또는 자속허브(130)의 일측에 각각 고정되고 연장된 부분이 권선코어(16)를 감싸도록 구성된다. 측면 냉각자켓(190)은 공랭식 또는 수랭식으로 구현된 냉각층(169)을 구비한다. 또는 공랭식을 구현하기 위해서 냉각층(169)의 표면적을 극대화하기 위한 목적으로 냉각핀(191)을 구비할 수 있다. 수랭식을 구현하기 위해서는 냉각층(169) 내부에 냉각수로(173)를 구비하여 냉각유체 또는 냉각수가 순환하도록 한다.
권선코어(16)를 구성하는 코일(164)과 코어(162) 사이에도 냉각층을 구비할 수 있다. 그러나 이러한 경우에는 전류 대비 자기장 효율이 냉각층의 두께에 반비례하므로 유의할 필요가 있다. 즉, 냉각층의 두께가 두꺼워져 전기코일층과 자기코어층 사이의 거리가 멀어지면 전류 대비 자기장 효율이 감소하게 될 수 있다.
또한, 코일(164) 외부와 내부 모두 냉각층을 구비할 수 있다. 이러한 경우에는 가장 우수한 냉각 성능을 확보할 수 있다. 그러나 이러한 경우에는 구조적 복잡성이 증가함에 따른 생산비용의 증가에 유의할 필요가 있다.
도 18의 (a)에서와 같이 냉각 자켓이 구비된 'H'자형 또는 'X'자형 자속 허브 구조의 멀티코어 전자석이 도시되어 있다. 자속허브(130), 권선코어(16) 및 자극코어(18, 19)의 구성은 전술한 실시예와 유사하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 18의 (b)는 측면에 권선코어(16)를 감싸는 측면 냉각자켓(190)이 나타나 있다. 측면 냉각자켓(190)은 받침대 냉각자켓(110-1)의 양측에 지지되어 구성된 상태로 권선코어(16)를 감싸는 외측에 냉각핀(191)이 내삽되어 구성된다. 냉각핀(191)은 공기 또는 냉각수와의 접촉면적을 최대화하여 열을 효율적으로 배출할 수 있도록 공랭식 또는 수랭식으로 구성된다. 냉각핀(191)은 대신 냉각수가 순환할 수 있는 냉각수로(173)로 구성된 것과 다르지 않다. 즉, 권선코어(16)를 감싸고 있는 측면 냉각자켓(190)에 냉각수가 순환하는 냉각수로(173)를 구비하여 수랭식으로 권선코어를 냉각시킬 수 있다. 또는, 공랭식과 수랭식을 혼합하여 구성할 수 있다. 냉각수가 흐르는 냉각수로(173)의 외측의 공간에는 냉각수가 접촉하는 면적을 극대화하기 위한 냉각핀(191)을 구비하여 열교환 효율을 높이도록 구성할 수 있다.
도 18의 (c)에서 하부면에 권선코어(16)를 지지하는 받침대 냉각자켓(110-1)이 나타나 있다. 받침대 냉각자켓(110-1)은 권선코어(16)와 접촉하는 내측에 냉각핀(111)이 내삽되어 구성된다. 냉각핀(111)은 공기 또는 냉각수와의 접촉면적을 최대화하여 권선코어(16)에서 발생한 열을 효율적으로 배출할 수 있도록 구성된다. 도 18의 (c)에서 공랭식의 냉각핀(111)만 도시되어 있지만, 받침대 냉각자켓(110-1)의 내부에 순환하는 냉각수로를 설치하여 수랭식으로 구성할 수도 있다.
또는, 받침대 냉각자켓(110-1) 및 측면 냉각자켓(190)은 공랭식과 수랭식을 모두 포함하여 구성할 수 있다. 즉, 측면 냉각자켓(190) 및 받침대 냉각자켓(110-1)의 내측에 냉각수가 흐르는 공간에는 냉각수가 순환하는 냉각수 관로를 설치하고 냉각수가 접촉하는 면적을 극대화하기 위한 냉각핀(111, 191)을 구비하여 열교환 효율을 높이도록 구성할 수 있다.
측면 냉각자켓(190) 및 받침대 냉각자켓(110-1)과 권선코어(16) 사이가 들뜨기 쉽다. 따라서 열교환을 용이하게 하게 위한 물질을 측면 냉각자켓(190) 및 받침대 냉각자켓(110)과 권선코어(16) 사이에 채워 넣을 필요가 있다. 측면 냉각자켓(190) 및 받침대 냉각자켓(110)과 권선코어(16) 간에 열전도도를 높이기 위해 그리스, 동판 및 인듐박판(호일)과 같은 열전달재료를 이용하여 측면 냉각자켓(190) 및 받침대 냉각자켓(110)과 권선코어(16) 사이를 메우도록 구성하여 냉각효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 측면 냉각자켓(190) 및 받침대 냉각자켓(110)은 자속허브(130)와 접촉하고 있어 자속허브(130)를 냉각시킬 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전자석을 나타낸 사시도이다. 도 19에 도시된 실시예는 전술한 실시예의 자속허브(130), 자극코어(18, 19) 및 권선코어(16)의 구성은 유사하므로 이에 대한 설명은 생략하기로 한다. 다만, 다수의 권선코어(16)에 발생하는 열을 수랭식을 이용하여 저감시키기 위하여 받침대에 냉각수허브(210)를 구성하였다. 냉각수허브(210)는 권선코어(16)마다 냉각수 입구와 출구를 구성하여 여러 개의 입출구를 구성한다. 즉, 냉각수허브(210)에 구성된 입출구는 냉각수의 입구와 출구가 구분되어야 하며, 하나의 권선코어(16)을 순환할 수 있도록 하나의 쌍으로 구분하여 구성하면 된다.
냉각수허브(210)를 구성함으로써, 권선코어(16) 마다 각각의 냉각수로를 구비하는 경우 다수의 냉각수로를 연결하는 연결관을 정리할 수 있게 된다. 즉, 냉각수허브(210)가 없는 경우 냉각수로를 연결하는 연결관의 개수가 매우 많아지며 냉각수관들은 다발이 되어 복잡도를 증대시키고 정리가 어려운 문제가 발생할 수 있다.
냉각수허브(210)는 각각의 권선코어(16)를 냉각시키는 냉각수의 연결과 다발을 냉각수 입구와 출구로 간소시켜 한 곳에 모아 구성하고, 받침대(110)와 일체로 구성하여 제어가 편리하도록 구성한다. 전술한 도면에서는 냉각수허브(210)가 외부로 돌출되어 있지만, 받침대(110)에 내장시켜 구성할 수도 있다. 이러한 경우 받침대가 냉각되는 효과도 기대할 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 코어 전자석에 의해 나타나는 지표들을 나타낸 그래프이다. 도 20의 (a)는 권선코어 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 20의 (b)에서 권선된 코일(164)에서 층의 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, 선형에 가깝게 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 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015113496149-pat00007
여기서, R coil 은 자기코일의 전기저항을 나타내며, R w/L 은 자기코일의 길이 당 전기저항을 나타내고, m은 코어의 개수를 나타내고, r CL(i)은 i번째 코일레이어(2)의 반지름을 나타낸다. k 는 코일 각 레이어 당 턴 수를 나타낸다.
도 20의 (c)는 권선코어수의 증가에 따른 자기 저항의 변화를 나타낸 그래프이다. 권선코어수가 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 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기코일에 인가된 전류의 증가에 따른 다중 코어 전자석의 자기장의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 21의 (a)는 권선코어 한 개당 각각의 권선코어가 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(32, 33)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 권선코어 당 코일 턴수(N)가 줄어들며, 따라서 권선코어 하나 당 자기포화 전류는 권선코어의 개수(m)배 만큼 증가하게 된다. 자기포화되기 전, 즉 저전력에서의 마그네틱 권선코어(Magnetic core) 당 자기장은 한 개의 권??코어일 때(B 1core)에 비하여 B 1core/m의 비율로 감소하나 자속이 집속된 자극코어(pole)에서의 자기장은 권선코어의 개수(m)배가 되므로 한 개의 권선코어(32, 33)일 때와 비슷하게 된다.
결과적으로, 자극코어(34, 35)의 면적이 충분히 넓어서 권선코어(12, 16, 20, 24, 25, 28, 29, 32, 33)에서 발생한 자력을 자극코어(34, 35)에서 모두 수용하게 되면, 오히려 코어의 개수(m) 배로 커진 전류 구간 동안 자기포화되지 않고 전류에 대하여 높은 기울기로 커지기 때문에 자극코어(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 22는 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 자극코어18) 또는 광학용 스루폴(Through Pole) 형태 자극코어(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 권선코어만을 교체할 수 있었다. 그러나 본 발명에서는 마운팅 어댑터(134)를 제공하여 사용자가 주문하는 다양한 형상의 자극코어(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.
도면과 명세서에는 최적의 실시예가 개시되었으며, 특정한 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 실시형태를 설명하기 위한 목적으로 사용된 것이지 의미를 한정하거나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
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
110-1 : 냉각자켓
120 : 전극 터미널
130 : 자속허브
134 : 마운팅 어뎁터
134-1 : 모따기
138 : 방열판
140 : 자극핸들
142 : 냉각부
143 : 자석 운반용 롤러
160, 162 : 코어
164 : 코일
166 : 절연막

Claims (22)

  1. 코일이 코어에 권선되어 구성되고 전극터미널을 통해 상기 코일에 전압이 인가되면, 자기장을 발생시키는 적어도 3개 이상으로 구성되는 다수의 권선코어;
    서로 대칭되어 마주보도록 구성되어 상기 다수의 권선코어를 결합시켜, 상기 다수의 권선코어에서 발생하는 자기장을 집속하도록 자성체로 구성된 한 쌍의 자속허브; 및
    상기 한 쌍의 자속허브로부터 집속된 자기장에 의해 극성을 가지며 상기 자속허브에 결합된 상태로 대칭되어 마주보도록 지지되는 한 쌍의 자극코어;를 포함하고,
    상기 한 쌍의 자속허브는,
    상기 다수의 권선코어를 수용하는 다수의 코어수용부;
    상기 다수의 코어수용부의 내측에 구성되어 자극코어를 수용하는 자극수용부; 및
    상기 자속허브의 외부 또는 내부에 구성되어 상기 권선코어에 권선된 코일에 의해 발생하는 열을 냉각시키는 냉각부;를 포함하며,
    상기 자속허브의 모서리는 모따기(Edge Cutting, chamfering) 형태로 구성되고,
    상기 자극 수용부는 상기 자극코어를 수용하며 경통 형태로 구성되는 자극경통;
    상기 자극경통을 수용하여 상기 자극코어를 상기 자속허브에 결합시키는 마운팅 어뎁터; 및
    상기 자극경통 및 상기 자극코어를 덮고, 상기 마운팅 어뎁터, 상기 자극경통과 결합되는 자극커버;를 포함하는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 자극코어는,
    상기 자극코어의 단면적이 다음의 수학식을 만족시키도록 구성된 것인 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
    (Sc × m)/2 < C
    (여기서, Sc는 코어 하나당 단면적을 나타내며, m은 코어의 개수를 나타내고, C는 상기 자극코어의 단면적임)
  5. 제1항에 있어서, 상기 자극코어는,
    상기 자극코어의 단면적이 다음의 수학식을 만족시키도록 구성된 것인 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
    (Sc × m) > C
    (여기서, Sc는 코어 하나당 단면적을 나타내며, m은 코어의 개수를 나타내고, C는 상기 자극코어의 단면적임)
  6. 제1항에 있어서, 상기 자속허브는,
    상기 자속허브의 두께가 다음의 수학식을 만족시키도록 구성된 것인 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
    r c < T FH
    (여기서, r c는 자기코어의 반지름, T FH는 자속허브의 두께임)
  7. 제1항에 있어서, 상기 다수의 권선코어는,
    중심부의 직경과 양측 단부의 직경을 다르게 구성하고, 상기 중심부의 직경이 상기 단부의 직경보다 크게 구성되는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
  8. 제7항에 있어서, 상기 중심부의 직경과 상기 양측 단부의 직경은,
    다음의 수학식의 범위 내에 있도록 구성되는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
    1.1 < D cc /D ce <2
    (여기서, D cc는 상기 코어의 중심부의 직경을 나타내고, Dce는 코어의 단부의 직경을 나타내는 것임)
  9. 제7항에 있어서, 상기 다수의 권선코어는,
    상기 양측 단부 중 어느 하나의 길이(Le)에 대한 중심부의 길이(L c)의 비는 다음의 수학식의 범위 내에 있도록 구성되는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
    1<L c/L e<3
  10. 제1항에 있어서, 상기 다수의 권선코어는,
    상기 코어에 권선된 코일의 두께(T CL)와 코어의 직경(D core)간에 비율이 다음의 수학식의 범위 내에 있도록 구성되는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
    0.1 < (T CL /D core) < 1
  11. 제1항에 있어서,
    상기 권선코일에 권선되어 구성되며, 중공이 형성되어 냉각유체 또는 냉각수가 흐를 수 있도록 구성된 냉각코일을 더 포함하는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 냉각코일은 상기 권선코일의 외부 또는 상기 코일과 상기 코어의 사이 중 어느 한곳에 배치되는 것인 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 자속허브를 지지하는 받침대를 더 포함하고,
    상기 받침대는,
    상기 권선코일과 접촉하는 내측에 구성된 냉각핀; 및
    냉각수 또는 냉매가 상기 받침대의 내부를 순환하는 냉각수로;를 포함하는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 받침대에 양측면에 각각의 일측이 지지된 상태로 권선코어를 유지하는 한 쌍의 측면 냉각자켓을 더 포함하고,
    상기 측면 냉각자켓은,
    외측에 내삽되어 구성된 냉각핀; 및
    냉각수 또는 냉매가 상기 측면 냉각자켓의 내부를 순환하는 냉각수로;를 포함하는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
  15. 제14항에 있어서, 상기 받침대는,
    각각의 권선코어를 순환하는 냉각수로의 각각의 냉각수 입구와 출구를 하나의 쌍으로 구분하고 이를 하나로 모아 구성된 냉각수허브를 더 포함하는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
  16. 제14항에 있어서, 상기 측면 냉각자켓 및 받침대는,
    권선코어와의 사이에 그리스, 동판 및 인듐박판(호일) 중 어느 하나를 메워 넣어 구성하는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
  17. 제1항에 있어서, 상기 자극코어는
    내측에 원기둥 형상의 내심코어;
    상기 내심코어와 상호 회동 가능하도록 구성하고, 상기 내심코어를 감싸는 외심코어;
    상기 내심코어의 일측에 고정되어 상기 내심코어를 앞뒤로 왕복 조절하는 자극핸들; 및
    상기 외심코어의 외주면에 고정되어 상기 외심코어를 앞뒤로 왕복 조절하는 외심자극핸들;을 포함하는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
  18. 제17항에 있어서, 상기 자극코어는,
    상기 내심코어를 상기 외심코어보다 돌출되도록 하여 집속된 자기장을 획득하는 것인 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
  19. 제17항에 있어서, 상기 자극코어는,
    상기 외심코어를 상기 내심코어보다 돌출되도록 하여 균일한 자기장을 획득하는 것인 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
  20. 제17항에 있어서, 상기 자극코어는,
    상기 내심코어를 상기 외심코어로부터 제거하여 중공이 형성된 자극을 형성하는 것인 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
  21. 제1항에 있어서, 상기 다수의 코어는,
    코어에 권선된 코일과의 사이에 절연막이 구성되고,
    상기 절연막은 내절연성 및 내열성의 재질로 구성되는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
  22. 제1항에 있어서, 상기 코어수용부는,
    상기 자극경통, 상기 마운팅 어뎁터 및 자극커버를 나사로 결합하여 자속허브에 고정하며, 상기 자극경통, 상기 마운팅 어뎁터, 자극커버 및 자극코어를 각각 탈착 가능하도록 구성하는 다중 코어 구조를 갖는 고효율 전자석.
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KR102158474B1 (ko) * 2019-09-09 2020-09-22 주식회사 알앤디웨어 연구용 전자석

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000232017A (ja) * 1999-02-09 2000-08-22 Sumitomo Heavy Ind Ltd 間接冷却型マルチポール電磁石
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000232017A (ja) * 1999-02-09 2000-08-22 Sumitomo Heavy Ind Ltd 間接冷却型マルチポール電磁石
JP2013232643A (ja) * 2012-04-30 2013-11-14 Boeing Co:The 選択的に永久磁石を磁化および消磁させるための永久磁石およびコイルを含むクランプアセンブリ

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