KR102539432B1 - 마그네틱 커플링 - Google Patents

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KR102539432B1
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충남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 일부 고정자의 착자 방향을 할박방향 자화가 되도록 형성함으로써 구조적 안정성을 상승시킬 뿐만 아니라, 고정자와 연결된 지지판에 배리어가 형성됨으로써 마그네틱 커플링 전체의 무게를 감소시키는 마그네틱 커플링 및 이의 제작방법에 관한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 제1 회전축에 연결된 제1 지지판과, 제2 회전축에 연결된 제2 지지판과, 상기 제1 지지판에 결합된 제1 고정자 어셈블리와, 상기 제2 지지판에 결합된 제2 고정자 어셈블리를 포함하되, 상기 제1 고정자 어셈블리 및 상기 제2 고정자 어셈블리는 서로 이격되어 배치되며, 상기 제1 고정자 어셈블리 및 상기 제2 고정자 어셈블리는 각각 원주방향으로 배열되는 복수의 고정자를 포함하되, 적어도 하나 이상의 고정자는 할박 방향으로 자화된 것을 특징으로 하는 마그네틱 커플링을 제공한다.

Description

마그네틱 커플링{Magnetic coupling}
본 발명은 마그네틱 커플링에 관한 것으로, 일부 고정자의 착자 방향을 할박방향 자화가 되도록 형성함으로써 구조적 안정성을 상승시킬 뿐만 아니라, 고정자와 연결된 지지판에 배리어가 형성됨으로써 마그네틱 커플링 전체의 무게를 감소시키는 마그네틱 커플링에 관한 것이다.
커플링은 산업기계, 자동화설비 등의 동력전달장치에 설치되어 구동축과 종동축을 상호 연결하고 그 사이에서 등속으로 동력을 전달하는 축 이음부재로 널리 이용되고 있으며, 이러한 커플링은 스플라인 등의 기어 커플링, 다이어프레임 커플링, 플렉서블(flexible) 커플링, 마그네틱 커플링 등이 있다.
이 중, 마그네틱 커플링은 자기력을 이용하여 비접촉식으로 동력을 전달하는 비접촉 기어 장치로써, 물리적인 접촉에 의해 동력을 전달하는 기어에 비해 노이즈 및 진동이 적고, 윤활유 주입이나 보수 점검이 불필요하며, 기계적인 마찰이 없어 안정성과 내구성이 높다.
또한, 마그네틱 커플링은 에너지 손실을 경감할 수 있으므로 고효율 구동이 가능하고, 신뢰도 및 정확한 피크 토크의 전달이 가능하다.
이에 따라, 최근에는 풍력 터빈, 전기 자동차, 트랜스 미션 등 다양한 산업 전반에 걸쳐 마그네틱 커플링을 적용하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
그러나 기존 마그네틱 커플링 방식은 일반적으로 사용되는 착자방식인 Z방향 힘이 크기 때문에 구조적인 안정성이 떨어지며, 편심을 일으키기 쉬운 문제가 있다.
또한, 기존 마그네틱 커플링 방식의 경우, 고정자를 고정시키기 위한 지지판이 고정자의 일면의 전체 면적을 덮은 형상으로 형성됨으로써 마그네틱 커플링의 크기가 커질수록 마그네틱 커플링 전체의 무게가 증가되는 문제가 있을 뿐만 아니라, 불필요한 재료사용으로 제작비용을 상승시키는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1710916호 (발명의 명칭: 회동형 풀 피스 모듈 및 이를 구비한 마그네틱 기어, 공고일: 2017.02.28)
상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 일부 고정자의 착자 방향을 할박방향 자화가 되도록 형성함으로써 구조적 안정성을 상승시킬 뿐만 아니라, 고정자와 연결된 지지판에 배리어가 형성됨으로써 마그네틱 커플링 전체의 무게를 감소시키는 마그네틱 커플링을 제공한다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 제1 회전축에 연결된 제1 지지판; 제2 회전축에 연결된 제2 지지판; 상기 제1 지지판에 결합된 제1 고정자 어셈블리; 및 상기 제1 고정자 어셈블리로부터 이격되어 배치되도록 상기 제2 지지판에 결합된 제2 고정자 어셈블리를 포함하고, 상기 제1 고정자 어셈블리 및 상기 제2 고정자 어셈블리는 각각 원주방향으로 배열되는 복수의 고정자를 포함하며, 상기 복수의 고정자는 적어도 하나 이상의 고정자가 할박 방향으로 자화되되, z 방향으로 자화되는 제1 고정자와 원주방향으로 자화되는 제2 고정자가 교대로 배치되고, 상기 제1 지지판 및 상기 제2 지지판은 서로 마주하는 각각의 일면에 형성되는 복수의 배리어를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 커플링을 제공한다.
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또한, 상기 배리어는 고정자의 면적의 50%를 가질 수 있다.
또한, 상기 배리어는 고정자의 높이의 50%를 가질 수 있다.
또한, 본 발명은 마그네틱 커플링의 제작 방법에 있어서, 제1 회전축 및 제2 회전축에 각각 연결된 제1 지지판 및 제2 지지판을 준비하는 지지판 준비단계와, 제1 고정자 어셈블리 및 제2 고정자 어셈블리를 제작하는 고정자 어셈블리 제작단계와, 상기 제1 지지판 및 제2 지지판에 상기 제1 고정자 어셈블리 및 제2 고정자 어셈블리를 결합하는 고정자 어셈블리 결합단계를 포함하되, 상기 고정자 어셈블리 제작단계는 제1 고정자를 z 방향으로 자화시키는 제1 고정자 자화단계와, 제2 고정자를 원주방향으로 자화시키는 제2 고정자 자화단계와, 상기 제1 고정자 및 제2 고정자를 교대로 배치시키는 고정자 배치단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 지지판 준비단계는 상기 제1 지지판 및 상기 제2 지지판 중 적어도 하나 이상에 배리어를 형성시키는 배리어 형성단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 마그네틱 커플링 및 이의 제작방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 일부 고정자의 착자 방향을 할박방향 자화가 되도록 형성함으로써 마그네틱 커플링의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
둘째, 고정자와 연결된 지지판에 배리어를 형성함으로써 마그네틱 커플링 전체의 무게를 감소시킬 뿐만 아니라, 불필요한 재료사용을 방지함으로써 제작비용을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 마그네틱 커플링을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 비교예 및 제1 실시예 내지 제3 실시예를 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 비교예의 해석 결과값을 도시한 도면이다.
도 5는 도 3에 도시된 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제1 실시예의 해석 결과값을 도시한 도면이다.
도 6은 도 3에 도시된 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제2 실시예의 해석 결과값을 도시한 도면이다.
도 7은 도 3에 도시된 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제3 실시예의 해석 결과값을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제작 방법의 단계를 도시한 도면이다.
이하, 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.
본 명세서에서 서술하는 z 방향은 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 제1 고정자 어셈블리(300) 및 제2 고정자 어셈블리(400)의 회전축 방향을 의미한다.
도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명에 따른 마그네틱 커플링을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 구성을 개략적으로 도시한 도면으로, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마그네틱 커플링은 제1 회전축(500), 제2 회전축(600), 제1 지지판(100), 제2 지지판(200), 제1 고정자 어셈블리(300) 및 제2 고정자 어셈블리(400)를 포함한다.
상기 제1 회전축(500)은 상기 제1 지지판(100)의 일면의 중심부에 결합되어 회전하고, 상기 제2 회전축(600)은 상기 제2 지지판(200)의 타면의 중심부에 결합되어 회전한다.
여기서, 상기 제1 지지판(100)의 일면은 도 1의 (a)를 기준으로, 상기 제1 지지판의 좌측면을 의미하며, 상기 제2 지지판(200)의 타면은 상기 제2 지지판의 우측면을 의미한다.
상기 제1 지지판(100)은 상기 제1 고정자 어셈블리(300)와 결합되고, 상기 제2 지지판(200)은 상기 제2 고정자 어셈블리(400)와 결합된다.
구체적으로, 상기 제1 지지판(100)의 타면에 상기 제1 고정자 어셈블리(300)가 결합되며, 상기 제2 지지판(200)의 일면에 상기 제2 고정자 어셈블리(400)가 결합되어, 상기 제1 고정자 어셈블리(300)와 상기 제2 고정자 어셈블리(400)가 마주보도록 배치된다.
여기서, 상기 제1 지지판(100)의 타면은 도 1의 (a)를 기준으로, 상기 제1 지지판의 우측면을 의미하며, 상기 제2 지지판(200)의 일면은 상기 제2 지지판의 좌측면을 의미한다.
이에 따라 본 발명에 따른 마그네틱 커플링은 상기 제1 지지판(100) 및 제2 지지판(200)에 각각 결합되는 상기 제1 고정자 어셈블리(300)와 상기 제2 고정자 어셈블리(400)간의 자기력에 의하여 회전 토크를 전달한다.
구체적으로, 상기 제1 고정자 어셈블리(300) 및 상기 제2 고정자 어셈블리(400)는 각각 원주방향으로 배열되는 복수의 고정자(310)를 포함한다.
이때, 상기 하나 이상의 고정자(310)는 할박(Halbach) 방향으로 자화된다.
즉, 도 1의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 고정자 어셈블리(300) 및 상기 제2 고정자 어셈블리(400)는 각각 원주방향으로 배열되는 복수의 고정자(310)를 포함하되, 상기 복수의 고정자(310)는 z 방향으로 자화되는 복수개의 제1 고정자(310a)와 원주방향으로 자화되는 복수개의 제2 고정자(310b)를 포함하며, 상기 제1 고정자(310a)와 상기 제2 고정자(310b)는 교대로 배치된다.
상기 복수의 고정자(310)가 자화되는 방향의 예시를 도 1의 (b)를 기준으로 설명하면 다음과 같다.
도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 복수개의 제1 고정자(310a)는 제1-1 고정자(310a'), 제1-2 고정자(310a'') 및 제1-3 고정자(310a''')를 포함하며, 상기 복수개의 제2 고정자(310b)는 제2-1 고정자(310b') 및 제2-2 고정자(310b'')를 포함하고, 좌측을 기준으로 상기 제1-1 고정자(310a'), 상기 제2-1 고정자(310b'), 상기 제1-2 고정자(310a''), 상기 제2-2 고정자(310b'') 및 상기 제1-3 고정자(310a''') 순서대로 배치된다.
이때, 상기 제1-1 고정자(310a')는 -z 방향으로 자화되고, 상기 제1-1 고정자(310a')의 우측에 배치되는 제2-1 고정자(310b')는 상기 제1-1 고정자(310a') 방향으로 자화되며, 상기 제2-1 고정자(310b')의 우측에 배치되는 제1-2 고정자(310a'')는 +z 방향으로 자화되고, 상기 제1-2 고정자(310a'') 우측에 배치되는 상기 제2-2 고정자(310b'')는 상기 제1-3 고정자(310a''') 방향으로 자화되며, 상기 제1-3 고정자(310a''')는 -z 방향으로 자화될 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 제1 고정자(310a)와 상기 제2 고정자(310b)이 각각 z 방향과 원주방향으로 자화됨에 따라, 도 1의 (c)에 도시된 바와 같이, 할박방향 자화를 적용하여 양쪽에서 자속을 밀어주는 효과를 가지게 함으로써 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 지지판(100) 및 상기 제2 지지판(200) 중 적어도 어느 하나는 배리어(210)를 포함할 수 있다.
즉, 도 1의 (b), 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 지지판(100)과 상기 제2 지지판(200)은 상기 배리어를 포함하지 않을 수도 있지만, 도 2 및 도 3의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 지지판(100) 및 상기 제2 지지판(200) 중 하나가 배리어(210)를 포함할 수도 있으며, 도 3의 (d)에 도시된 바와 같이,상기 제1 지지판(100) 및 상기 제2 지지판(200) 모두가 배리어(110,210)를 포함할 수 있다.
이때, 상기 배리어(110,210)는 후술하는 고정자의 면적의 50%를 가지도록 형성되고, 상기 배리어(110,210)의 높이(h2)는 상기 고정자의 높이(h1) 의 50%를 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 배리어(110,210)는 도 3의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 하나의 고정자가 배치된 영역마다 형성될 수 있지만, 고정자가 하나씩 이격된 영역마다 형성될 수도 있다. 즉, 상기 배리어(110,210)의 개수는 상기 고정자의 개수와 대응되지 아니하며, 고정자의 개수보다 작을 수 있으며, 이 때, 상기 배리어(110,210)는 상기 제1 지지판 및 상기 제2 지지판의 무게중심을 위하여 상기 회전축을 기준으로 서로 마주보는 면에 동시에 형성되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 상기 제1 지지판(100) 및 상기 제2 지지판(200) 중 적어도 어느 하나가 상기 배리어를 포함함으로써 본 발명에 따른 마그네틱 커플링 전체의 무게를 감소시킬 뿐만 아니라, 불필요한 재료사용을 방지함으로써 제작비용을 감소시킬 수 있다.
도 3 내지 도 7은 마그네틱 커플링의 비교예 및 제1 실시예 내지 제3 실시예와, 이들의 유한요소 해석 결과값을 도시한 도면이다.
먼저, 도 3의 (a)는 제1 고정자 어셈블리(300) 및 제2 고정자 어셈블리(400)가 할박방향으로 자화되지 않고 z 방향으로만 자화된 예시로, 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 비교예이다.
도 3의 (b)는 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제1 실시예로, 상기 제1 고정자 어셈블리(300) 및 상기 제2 고정자 어셈블리(400)에 포함된 복수개의 상기 제1 고정자(310a)는 z 방향으로 자화되고, 복수개의 상기 제2 고정자(310b)는 할박방향으로 자화되며, 상기 제1 지지판(100) 및 상기 제2 지지판(200)에 배리어가 형성되지 않은 예시이다.
도 3의 (c)는 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제2 실시예로, 상기 제1 고정자 어셈블리(300) 및 상기 제2 고정자 어셈블리(400)에 포함된 복수개의 상기 제1 고정자(310a)는 z 방향으로 자화되고, 복수개의 상기 제2 고정자(310b)는 할박방향으로 자화되며, 상기 제1 지지판(100) 및 상기 제2 지지판(200) 중 하나에 배리어가 형성된 예시이다.
도 3의 (d)는 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제3 실시예로, 상기 제1 고정자 어셈블리(300) 및 상기 제2 고정자 어셈블리(400)에 포함된 복수개의 상기 제1 고정자(310a)는 z 방향으로 자화되고, 복수개의 상기 제2 고정자(310b)는 할박방향으로 자화되며, 상기 제1 지지판(100) 및 상기 제2 지지판(200) 모두에 배리어가 형성된 예시이다.
도 3에 도시된 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 비교예와 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제1 실시예 내지 제3 실시예를 해석한 결과값은 아래 표 1과 같다.
항목 비교예 제1 실시예 제2 실시예 제3 실시예
Z방향 힘kN] 3.52 0.76 0.95 2.08
토크 [Nm] 35.8 35.84 35.7 35.3
무게[kg] 2.16 2.16 2.05 1.94
이때, 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 비교예와 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제1 실시예 내지 제3 실시예의 무게는 부피와 재질 밀도의 곱으로 산출하며, 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 비교예와 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제1 실시예 내지 제3 실시예의 무게는 부피와 재질 밀도는 각각 도 4의 (a), (b), 도 5의 (a), (b), 도 6의 (a), (b) 및 도 7의 (a), (b)에 도시된다.
표 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 비교예와 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제1 실시예 내지 제3 실시예 중 구조적 안정성 측면에서 가장 좋은 모델은 상기 제1 실시예이며, 무게 측면에서 가장 좋은 모델은 상기 제3 실시예이고, 상기 비교예, 상기 제1 실시예 내지 상기 제3 실시예는 모두 거의 동일한 토크 전달 능력을 가지는 것으로 해석되었다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 마그네틱 커플링은 상기 고정자(310)의 일부가 착자 방향을 할박방향 자화가 되도록 형성하고, 상기 제1 지지판(100) 및 제2 지지판(200) 중 적어도 어느 하나에 배리어를 형성함으로써 토크 전달능력의 저하 없이, 마그네틱 커플링의 구조적 안정성을 향상시킬 수 있으며, 본 발명에 따른 마그네틱 커플링 전체의 무게를 감소시킬 뿐만 아니라, 불필요한 재료사용을 방지함으로써 제작비용을 감소시킬 수 있다.
도 1 내지 도 8을 참조하여, 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제작방법을 설명하면 다음과 같다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제작방법은 지지판 준비단계(S100), 고정자 어셈블리 제작단계(S200) 및 고정자 어셈블리 결합단계(S300)를 포함한다.
상기 지지판 준비단계(S100)에서는 상기 제1 회전축(500) 및 상기 제2 회전축(600)에 각각 연결된 상기 제1 지지판(100) 및 상기 제2 지지판(200)을 준비한다.
이때, 상기 지지판 준비단계(S100)는 상기 제1 지지판(100) 및 상기 제2 지지판(200) 중 적어도 하나 이상에 배리어를 형성시키는 배리어 형성단계를 포함할 수 있다.
상기 고정자 어셈블리 제작단계(S200)에서는 제1 고정자 어셈블리(300) 및 제2 고정자 어셈블리(400)를 제작하며, 구체적으로 상기 고정자 어셈블리 제작단계(S200)는 제1 고정자 자화단계(S210), 제2 고정자 자화단계(S220) 및 고정자 배치단계(S230)를 포함한다.
상기 제1 고정자 자화단계(S210)에서는 상기 제1 고정자(310a)를 z 방향으로 자화시키고, 상기 제2 고정자 자화단계(S220)에서는 상기 제2 고정자(310b)를 원주방향으로 자화시키며, 상기 고정자 배치단계(S230)에서는 상기 제1 고정자(310a) 및 제2 고정자(310b)를 교대로 배치시킨다.
이후, 상기 고정자 어셈블리 결합단계(S300)에서는 상기 제1 지지판(100) 및 제2 지지판(200)에 상기 제1 고정자 어셈블리(300) 및 제2 고정자 어셈블리(400)를 결합한다.
이 외, 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 제작방법의 상세한 설명은 본 발명에 따른 마그네틱 커플링의 서술한 설명과 대응되므로, 생략한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.
100, 10: 제1 지지판
200, 20: 제2 지지판
300, 30: 제1 고정자 어셈블리
310: 고정자
310a: 제1 고정자
310a': 제1-1 고정자
310a'': 제1-2 고정자
310a''': 제1-3 고정자
310b: 제2 고정자
310b': 제2-1 고정자
310b'': 제2-2 고정자
400, 40: 제2 고정자 어셈블리
500: 제1 회전축
600: 제2 회전축

Claims (7)

  1. 제1 회전축에 연결된 제1 지지판;
    제2 회전축에 연결된 제2 지지판;
    상기 제1 지지판에 결합된 제1 고정자 어셈블리; 및
    상기 제1 고정자 어셈블리로부터 이격되어 배치되도록 상기 제2 지지판에 결합된 제2 고정자 어셈블리를 포함하고,
    상기 제1 고정자 어셈블리 및 상기 제2 고정자 어셈블리는 각각 원주방향으로 배열되는 복수의 고정자를 포함하며,
    상기 복수의 고정자는 적어도 하나 이상의 고정자가 할박 방향으로 자화되되, z 방향으로 자화되는 제1 고정자와 원주방향으로 자화되는 제2 고정자가 교대로 배치되고,
    상기 제1 지지판 및 상기 제2 지지판은 서로 마주하는 각각의 일면에 형성되는 복수의 배리어를 포함하는 것을 특징으로 하는 마그네틱 커플링.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배리어는 고정자의 면적의 50%를 가지는 것을 특징으로 하는 마그네틱 커플링.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배리어는 고정자의 높이의 50%를 가지는 것을 특징으로 하는 마그네틱 커플링.
  6. 삭제
  7. 삭제
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