KR102595541B1 - 할바흐 배열을 이용한 단극 자석 및 이의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

할바흐(Halbach) 배열을 이용한 단극 자석은, 제1 방향의 자기장을 생성하도록 배치된 제1 자석부; 상기 제1 자석부의 외주부를 둘러싸도록 배치되며, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향의 자기장을 생성하도록 배치된 제2 자석부; 및 상기 제2 자석부의 외주부를 둘러싸도록 배치되며, 상기 제2 방향과 직교하는 제3 방향의 자기장을 생성하도록 배치된 제3 자석부를 포함하는 자석 유닛을 포함한다. 이때, 상기 제3 방향은 상기 제1 방향의 반대 방향이다. 상기 단극 자석은, 기존의 할바흐 배열과 같이 자석이 선형으로 배열될 때 낭비되는 자속(flux)의 일부가 주 방향(즉, 할바흐 배열의 자속이 강화되는 방향)의 자속을 더욱 강화시키는 작용을 하도록 구성된 것으로, 이를 자기장을 이용하는 소자에 활용할 경우 기존의 할바흐 배열에 비해 더 높은 효율을 낼 수 있는 이점이 있다.

Description

할바흐 배열을 이용한 단극 자석 및 이의 제조 방법{MONOPOLE MAGNET USING HALBACH ARRAY AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
실시예들은 할바흐(Halbach) 배열을 이용한 단극 자석 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 실시예들은 3차원 배열 형태로 자석들을 배치하되 배열의 단면이 할바흐 배열을 형성하도록 함으로써 기존의 선형 또는 2차원 할바흐 배열에 비해 자속 집중 효율을 높일 수 있는 기술에 대한 것이다.
할바흐(Halbach) 배열은 영구 자석의 특수한 배열을 지칭하는 것으로, 복수 개의 자석이 각 자석의 N극과 S극이 번갈아 위치하며 특정 방식으로 각도를 이루는 패턴으로 자석들을 배열함으로써, 자속(flux)의 크기와 방향을 한쪽으로 집중시킨 배열 형태를 지칭한다. 할바흐 배열의 기본적인 선형 배열은, 방사형으로 자기장을 생성하도록 배치된 자석과, 이러한 방사형 자기장의 접선 방향으로 자기장을 생성하도록 배치된 자석이 조합된 형태를 갖는다.
할바흐 배열을 이용하면, 배열의 한쪽에 강한 자기장이 생성되는 동시에 다른 쪽의 자기장이 상쇄되도록 함으로써, 3차원 방사형의 자속을 2차원의 면 형태로 집속하는 효과를 얻을 수 있다. 이에 따라, 할바흐 배열은 전기 에너지를 생성하거나 변환하기 위해 강한 자기장이 필요한 모터 및 발전기 등 다양한 소자에 응용된다.
예를 들어, 등록특허공보 제10-2001644호는 실린더의 중심에 위치하는 성형 몰드에 자기장을 인가하도록 실린더의 주변 부분에 전자석이 배치된 할바흐 실린더 구조와 이를 이용한 자기 프레스 장치를 개시한다. 그 외에도, 할바흐 배열은 자기장을 이용하는 장치에서 장치의 효율을 높이고 크기와 무게를 줄이기 위해 사용될 수 있고, 또한 자기공명영상 기계, 입자가속기 등 강력하고 정밀한 자기장이 필요한 기타 첨단 기술 분야에서도 활용될 수 있다.
그러나, 등록특허공보 제10-2001644호에 개시된 것을 비롯한 종래의 기술에서 할바흐 배열은, 자기장의 방향을 달리하는 자석들이 직선을 따라 선형으로 배열되거나 또는 이러한 선형 배열이 원주 형태로 배열된 2차원 배열의 형태를 가지며, 이 경우 이론상 자기장이 상쇄되어야 하는 방향의 면에서도 실제로는 상당량의 자기장이 존재하는 한계가 있다.
등록특허공보 제10-2001644호
본 발명의 일 측면에 따르면, 3차원 배열 형태로 자석들을 배치하되 배열의 단면이 할바흐(Halbach) 배열을 형성하도록 자석을 구성함으로써 기존의 선형 또는 2차원 할바흐 배열에 비해 자속 집중 효율을 높일 수 있는 할바흐 배열을 이용한 단극 자석과, 이러한 단극 자석을 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 할바흐(Halbach) 배열을 이용한 단극 자석은, 제1 방향의 자기장을 생성하도록 배치된 제1 자석부; 상기 제1 자석부의 외주부를 둘러싸도록 배치되며, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향의 자기장을 생성하도록 배치된 제2 자석부; 및 상기 제2 자석부의 외주부를 둘러싸도록 배치되며, 상기 제2 방향과 직교하는 제3 방향의 자기장을 생성하도록 배치된 제3 자석부를 포함하는 자석 유닛을 포함한다. 이때, 상기 제3 방향은 상기 제1 방향의 반대 방향이다.
일 실시예에서, 상기 제1 자석부, 상기 제2 자석부 및 상기 제3 자석부 중 하나 이상은 서로 극성이 상이한 한 쌍의 자석을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제2 자석부는, 상기 제1 자석부의 외주부를 둘러싸도록 배치되며 상기 제2 방향으로 배열되고 서로 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 제2 자석을 포함한다. 이때, 상기 제1 자석부는 상기 제2 자석부의 내측의 공간에 삽입되고, 상기 제3 자석부 내측의 공간에 상기 제2 자석부가 삽입된다.
일 실시예에서, 상기 제1 자석부는 상기 제1 방향으로 배열되고 서로 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 제1 자석을 포함하고, 상기 제3 자석부는 상기 제3 방향으로 배열되고 서로 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 제3 자석을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제1 자석부 및 상기 제3 자석부 중 하나 이상은 미리 설정된 방향으로 전류가 흐르도록 구성된 코일 형태의 전자석을 포함한다.
일 실시예에서, 상기 제1 자석부는 일 방향으로 전류가 흐르도록 구성된 코일을 포함한다. 또한, 상기 제3 자석부는 상기 일 방향과 반대 방향으로 전류가 흐르도록 구성된 또 다른 코일을 포함한다.
일 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석은 복수 개의 상기 자석 유닛을 포함한다. 이때, 상기 복수 개의 상기 자석 유닛은 제1 자석 유닛, 제2 자석 유닛 및 제3 자석 유닛을 포함하고, 상기 제2 자석 유닛은, 상기 제2 자석 유닛의 상기 제1 자석부에 의해 형성되는 자기장이 상기 제1 자석 유닛의 상기 제1 자석부에 의해 형성되는 자기장과 직교하는 방향으로 배치된다. 또한 상기 제3 자석 유닛은, 상기 제3 자석 유닛의 상기 제1 자석부에 의해 형성되는 자기장이 상기 제2 자석 유닛의 상기 제1 자석부에 의해 형성되는 자기장과 직교하며 상기 제1 자석 유닛의 상기 제1 자석부에 의해 형성되는 자기장과 반대인 방향으로 배치된다.
일 실시예에 따른 전자기 소자는, 고정자 및 회전자를 포함하고, 상기 고정자 및 상기 회전자 중 하나 이상은 전술한 실시예들에 따른 상기 자석 유닛을 하나 이상 포함하여, 상기 자석 유닛에 의해 발생되는 자기장을 이용하여 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 회전을 발생시키거나 상기 회전자의 회전을 전기 에너지로 변환하도록 구성된다.
일 실시예에서, 상기 고정자는, 고정자 몸체; 및 상기 고정자 몸체의 내측면을 따라 상기 회전자와 대향하여 배열된 하나 이상의 상기 자석 유닛을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 상기 회전자는, 회전자 몸체; 및 상기 회전자 몸체의 외측면을 따라 상기 고정자와 대향하여 배열된 하나 이상의 상기 자석 유닛을 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석의 제조 방법은, 일 방향의 자기장을 생성하도록 구성된 제1 자석부, 제2 자석부 및 제3 자석부를 각각 형성하는 단계; 상기 제2 자석부에 의해 형성되는 자기장이 상기 제1 자석부에 의해 형성되는 자기장과 직교하는 방향으로 상기 제1 자석부와 상기 제2 자석부를 정렬시켜 상기 제1 자석부를 상기 제2 자석부 내측 공간에 삽입하는 단계; 및 상기 제3 자석부에 의해 형성되는 자기장이 상기 제2 자석부에 의해 형성되는 자기장과 직교하며 상기 제1 자석부에 의해 형성되는 자기장과 반대 방향으로 상기 제3 자석부 및 상기 제2 자석부를 정렬시켜 상기 제2 자석부를 상기 제3 자석부 내측 공간에 삽입하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 측면에 따른 할바흐(Halbach) 배열을 이용한 단극 자석은, 3차원적인 자석 배열의 단면이 할바흐 배열이 되도록 배열을 구성하여, 배열의 내측에 위치하는 자석부와 이를 둘러싸는 외측 자석부가 생성하는 자기장의 방향이 서로 직교하게 함으로써, 기존의 선형 할바흐 배열에서 낭비되는 자속(flux)의 일부가 주 방향(즉, 할바흐 배열의 자속이 강화되는 방향)의 자속을 더욱 강화시키는 작용을 하도록 할 수 있다.
그 결과, 본 발명의 일 측면에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석은 이를 자기장을 이용하는 소자에 활용할 경우 기존의 할바흐 배열에 비해 더 높은 효율을 낼 수 있는 이점이 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 측면에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석을 모터 또는 발전기에 적용할 경우 전기 에너지의 생성 또는 변환 성능을 크게 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석은, 단면이 할바흐 배열을 이루는 자석부의 3차원 배열이 유닛(unit) 형태를 이루고 있으므로, 단극 자석의 자석 유닛을 하나 또는 복수 개 사용하여 다양한 소자에의 응용이 자유로운 이점이 있다.
도 1a는 일 실시예에 따른 할바흐(Halbach) 배열을 이용한 단극 자석의 자석 유닛(unit)의 사시도이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 자석 유닛의 저면 사시도이다.
도 2는 도 1a 및 1b에 도시된 자석 유닛의 단면 구조를 나타내는 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석의 자석 유닛의 분해 사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석의 자석 유닛에 의해 발생되는 자기력선을 나타내는 개념도이다.
도 5는 일 실시예에 따라 자석 유닛을 복수 개 이용한 할바흐 배열을 이용한 단극 자석의 사시도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석의 자석 유닛의 사시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 자석 유닛의 분해 사시도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석을 전자기 소자의 고정자로 사용하는 형태를 예시하는 개념도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석을 전자기 소자의 회전자로 사용하는 형태를 예시하는 개념도이다.
도 10a 및 10b는 일 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석에서 자석부 일부를 전자석으로 교체한 형태를 나타내는 사시도이다.
도 11은 일 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 순서도이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
본 명세서의 실시예를 설명함에 있어서 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 명세서의 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 도면에서 본 명세서의 실시예에 대한 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서의 실시예에 있어서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소와 "연결", "결합" 또는 "접속"되어 있다고 할 때, 이는 직접적인 연결관계뿐만 아니라, 그 중간에 또 다른 구성요소가 존재하는 간접적인 연결관계도 포함할 수 있다. 또한 어떤 구성요소가 다른 구성요소를 "포함한다" 또는 "가진다"고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 배제하는 것이 아니라 또 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서의 실시예에 있어서, 제1, 제2 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용되며, 특별히 언급되지 않는 한 구성요소들간의 순서 또는 중요도 등을 한정하지 않는다. 따라서, 본 명세서의 실시예의 범위 내에서 실시예에서의 제1 구성요소는 다른 실시예에서 제2 구성요소라고 칭할 수도 있고, 마찬가지로 실시예에서의 제2 구성요소를 다른 실시예에서 제1 구성요소라고 칭할 수도 있다.
본 명세서의 실시예에 있어서, 서로 구별되는 구성요소들은 각각의 특징을 명확하게 설명하기 위함이며, 구성요소들이 반드시 분리되는 것을 의미하지는 않는다. 즉, 복수의 구성요소가 통합되어 하나의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있고, 하나의 구성요소가 분산되어 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있다. 따라서, 별도로 언급하지 않더라도 이와 같이 통합된 또는 분산된 실시예도 본 명세서의 실시예의 범위에 포함된다.
도 1a는 일 실시예에 따른 할바흐(Halbach) 배열을 이용한 단극 자석의 자석 유닛(unit)의 사시도이며, 도 1b는 도 1a에 도시된 자석 유닛의 저면 사시도이다. 또한, 도 2는 도 1a 및 1b에 도시된 자석 유닛의 단면 구조를 나타내는 사시도이다.
도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 단극 자석은 한 쌍의 자석(11, 12)을 포함하는 제1 자석부, 한 쌍의 자석(21, 22)을 포함하는 제2 자석부, 및 한 쌍의 자석(31, 33)을 포함하는 제3 자석부를 포함하는 자석 유닛을 갖는다. 실시예들에 따른 단극 자석은 도면에 도시된 것과 같은 자석 유닛을 하나 또는 복수 개 포함하여 구성될 수 있다.
실시예들에 따른 단극 자석은 제1 내지 제3 자석부의 3차원 배열을 갖되, 배열의 단면이 할바흐 배열을 이루도록 각 자석부가 배치된다. 세 종류의 자석을 그 단면이 도 2에 도시된 할바흐 배열 형태가 되도록 배치하기 위하여, 각 자석부를 도 1a 및 1b에 도시된 것과 같이 3차원 배열함으로써 실시예들에 따른 단극 자석이 구성된다.
자석 유닛에서 가장 내측에 위치하는 제1 자석부는 서로 극성이 상이한 한 쌍의 자석, 즉, N극 제1 자석(11)과 S극 제1 자석(12)을 포함할 수 있다. 이때, 한 쌍의 제1 자석(11, 12)은 제1 방향으로 자기장을 생성하도록 배치된다. 본 명세서의 실시예들에서, 자석 또는 자석부가 생성하는 자기장의 방향이란 다음과 같이 정의된다.
서로 극성이 상이한 한 쌍의 자석에 있어서 자기장은 N극으로부터 발산되어 S극으로 들어가도록 생성되며, 본 명세서에서 자기장이 생성되는 방향이란, 자기력선이 끊어지지 않도록 자기장의 방향을 연장하였을 때 자석부 내부에서 자기력선이 향하는 방향을 지칭한다. 예컨대, 제1 자석부의 경우 N극 제1 자석(11)의 상부면으로부터 방사형으로 발산된 자기력선은 S극 자석(12)의 하부면으로 수렴되며, 이러한 자기력선의 방향을 연장하였을 때 제1 자석부의 내부에서는 하부의 S극 자석(12)으로부터 상부의 N극 제1 자석(11)을 향하는 방향, 즉, 연직 상방의 자기장이 형성되는 것으로 상정할 수 있다.
따라서, 자석부가 S극 자석 및 N극 자석으로 구성되어 있는 경우, 자석부가 생성하는 자기장의 방향이란 단순히 S극 자석으로부터 N극 자석을 향하는 방향을 의미할 수 있다. 도 1a, 도 1b 및 도 2에 도시된 실시예에 있어서 제1 자석부에 의해 생성되는 자기장의 방향은, 하부의 S극 제1 자석(12)으로부터 상부의 N극 제1 자석(11)을 향하는 연직 상방이며, 본 명세서에서는 이를 제1 방향으로 지칭한다.
그러나, 자석부가 전자석으로 구성되는 경우에는 S극 자석과 N극 자석의 배치 형태를 정의할 수 없으며, 이때 자석부에 의해 생성되는 자기장의 방향이란 전자석 내부의 자기력선이 향하는 방향을 지칭한다. 전자석을 이용한 단극 자석의 구성에 대해서는 도 10a 및 10b를 참조하여 상세히 후술한다.
도 1a, 도 1b 및 도 2에 도시된 실시예에서, 한 쌍의 제1 자석(11, 12)은 제1 방향(예컨대, 연직 상방)의 자기장을 생성하도록 배치된다. 한편, 한 쌍의 제2 자석(21, 22)은 제1 자석부의 외주부를 둘러싸도록 배치된다. 또한, 한 쌍의 제2 자석(21, 22)은 N극 제2 자석(21)과 S극 제2 자석(22)을 포함하며, 제1 방향과 직교하는 제2 방향의 자기장을 생성하도록 배치된다. 도면에 도시된 실시예에서, 제2 방향이란 S극 제2 자석(22)으로부터 N극 제2 자석(21)을 향하는 방향, 즉, 자석 유닛의 외주부 가장자리로부터 내측을 향하는 수평 방향이 된다.
한편, 한 쌍의 제3 자석(31, 32)은 N극 제3 자석(31)과 S극 제3 자석(32)을 포함하여, 제2 자석부의 외주부를 둘러싸도록 배치된다. 또한, 한 쌍의 제3 자석(31, 32)은 제2 방향과 직교하는 방향이면서 제1 방향의 반대 방향인 제3 방향의 자기장을 생성하도록 배치된다. 도면에 도시된 실시예에서, 제3 방향이란 S극 제3 자석(32)으로부터 N극 제3 자석(31)을 향하는 방향, 즉, 연직 하방이 된다.
도 3은 일 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석의 자석 유닛의 분해 사시도이다.
도 3을 참조하면, 본 실시예에서 제2 자석부(20)는 속이 빈 실린더 형태로 구성되며, 제2 자석부(20) 내부의 공간에 원기둥 형상을 갖는 제1 자석부(10)가 삽입된다. 또한, 제1 자석부(10)와 제2 자석부(20)가 결합된 원기둥 형상의 자석 조립체는 마찬가지로 실린더 형상을 갖는 제3 자석부(30) 내측의 공간에 삽입된다. 또한, 도 1a, 도 1b 및 도 2를 참조하여 전술한 것과 같이, 제1 자석부(20)는 한 쌍의 제1 자석(11, 12)을 포함하며, 제2 자석부(20)는 한 쌍의 제2 자석(21, 22)을 포함하고, 제3 자석부(30)는 한 쌍의 제3 자석(31, 32)을 포함할 수 있다.
즉, 본 실시예에 따른 단극 자석의 자석 유닛은, 서로 반대 방향의 자기장을 생성하도록 구성된 제1 자석부(10) 및 제3 자석부(30) 사이에, 이들과 직교하는 방향의 자기장을 생성하도록 구성된 제2 자석부(20)가 삽입된 형태를 갖는다. 이러한 배치 형태에서, 제2 자석부(20)에 의하여 형성되는 자기장은, 제1 자석부(10) 및 제3 자석부(30)에 의하여 형성되는 주된 자기장 방향의 자속(flux)을 강화시키는 작용을 함으로써 할바흐 배열로 인한 면 방향의 자속 집중 효율을 증가시키는 역할을 한다.
도 4는 일 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석의 자석 유닛에 의해 발생되는 자기력선을 나타내는 개념도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 단극 자석의 자석 유닛에서는 각 자석부의 단면적과 부피가 동일하도록 각 자석의 크기를 결정할 수 있다. 도면에 도시된 상부면에 대하여 설명하면, 제1 자석부의 면적은 제1 자석부 중 상부에 노출된 N극 제1 자석(11)의 면적과 같고, 제3 자석부의 면적은 제3 자석부 중 상부에 노출된 S극 제3 자석(32)의 면적과 같다.
이때, 제1 자석(11)의 반지름을 rA라고 하면 제1 자석(11)의 상부면의 면적 SA는 아래의 수학식 1과 같고, 제2 자석부(21, 22)의 반지름을 rB라고 하면 제2 자석부(21, 22)의 상부면의 면적 SB는 아래의 수학식 2와 같다.
[수학식 1]
[수학식 2]
제1 자석(11)의 상부면 면적과 제2 자석부(21, 22)의 상부면 면적이 동일하기 위해서는, 제1 자석(11)의 반지름이 rA 및 제2 자석부(21, 22)의 반지름이 rB는 다음 수학식 3의 조건을 만족하여야 한다.
[수학식 3]
동일한 방식으로, 제3 자석(32)의 반지름이 rC일 때 제3 자석(32)의 상부면의 면적 SC는 아래의 수학식 4와 같고, 제3 자석(32)의 상부면 면적이 제1 자석(11) 및 제2 자석부(21, 22) 각각의 상부면 면적과 동일하기 위해서는 다음 수학식 5의 조건이 만족되어야 한다.
[수학식 4]
[수학식 5]
이상에서 설명한 것과 같이, 각 자석부의 상부면 면적이 동일하게 되는 rA : rB : rC = 1 : √2 : √3 이므로, 제1 자석(11), 제2 자석(21, 22) 및 제3 자석(32) 각각의 반지름을 이와 같이 결정함으로써 균일한 자속의 생성과 집속이 이루어지도록 할 수 있다.
그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에서는 각 자석부의 상부면의 지름이 동일한 비율로 증가하도록 rA : rB : rC = 1 : 2 : 3 이 되도록 제1 자석(11), 제2 자석(21, 22) 및 제3 자석(32)의 크기를 결정할 수도 있다. 즉, 실시예들에 따른 단극 자석의 자석 유닛에서 각 자석의 크기는 달성하고자 하는 자속 밀도의 형태와 크기에 따라 적절하게 결정될 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 실시예들에 따른 단극 자석의 자석 유닛은 그 단면이 할바흐 배열을 이루도록 제1 자석부, 제2 자석부 및 제3 자석부를 3차원 배치하여 구성되며, 제1 자석부 및 제3 자석부가 형성하는 주 방향의 자속을 이와 직교하는 방향의 제2 자석부의 자속을 통해 강화하는 형태를 갖는다. 한편, 일 실시예에서는 도 5에 도시된 것과 같이 이러한 자석 유닛(1, 1', 1'')을 복수 개 이용하여 각각의 자석 유닛(1, 1', 1'')들 사이에 또 다시 할바흐 배열이 형성된 다단 구조의 단극 자석을 형성할 수도 있다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에서 단극 자석은 제1 방향의 자기장을 생성하도록 구성된 제1 자석 유닛(1'')과, 제1 자석 유닛(1'')의 양단에 배치되며 제1 방향과 직교하는 제2 방향의 자기장을 생성하도록 구성된 제2 자석 유닛(1')과, 제2 자석 유닛(1')의 양단에 배치되며 제2 방향과 직교하면서 제1 방향과 반대 방향인 제3 방향의 자기장을 생성하도록 구성된 제3 자석 유닛(1)을 포함한다.
즉, 본 실시예에 따른 단극 자석은 도 2 및 도 3을 참조하여 전술한 제1 자석부, 제2 자석부 및 제3 자석부의 단면이 형성하는 할바흐 배열과 동일한 배치 형태를 갖되, 각각의 자석부 대신 자석 유닛을 사용하여 할바흐 배열을 구성한 형태를 갖는다. 또한 이때 각각의 자석 유닛은 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한 것과 같이 제1 자석부, 제2 자석부 및 제3 자석부의 할바흐 배열을 갖는다.
이와 같이 할바흐 배열 형태의 자석 단면을 갖는 자석 유닛들을 다시 한번 할바흐 배열 형태로 배열하여 단극 자석을 구성함으로써, 할바흐 배열을 통해 달성하고자 하는 면 방향의 자속 집중을 한차례 더 강화할 수 있는 이점이 있다.
한편, 전술한 실시예들에서 단극 자석의 자석 유닛들은 원기둥 형상의 제1 자석부의 외주부를 속이 빈 실린더(즉, 원통) 형태의 제2 자석부 및 제3 자석부가 둘러싸는 형태로 구성되었다. 그러나 이는 예시적인 것으로서, 다른 실시예에 따른 단극 자석의 자석 유닛에서 제1 자석부, 제2 자석부 및 제3 자석부 각각은 타원, 다각형 등 다른 상이한 형상의 단면을 갖는 3차원 형상으로 구성될 수도 있다.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석의 자석 유닛의 사시도이며, 도 7은 도 6에 도시된 자석 유닛의 분해 사시도이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에서 제1 자석부는 육면체 형상을 가진 한 쌍의 제1 자석(41, 42)을 포함하고, 제2 자석부는 제1 자석부를 둘러싸며 속이 빈 사각 기둥 형상을 가진 한 쌍의 제2 자석(51, 52)을 포함하며, 제3 자석부는 제2 자석부를 둘러싸며 속이 빈 사각 기둥 형상을 가진 한 쌍의 제3 자석(61, 62)을 포함한다. 각 자석의 단면 형상이 원형이 아닌 사각형인 점을 제외하면 도 6 및 도 7에 도시된 실시예에 따른 자석 유닛의 할바흐 배열 형태 및 이에 의한 효과는 도 1a 내지 도 5를 참조하여 전술한 실시예와 동일하므로, 설명의 중복을 피하기 위하여 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
또한, 실시예들에 따른 단극 자석에서 각 자석부의 단면은 본 명세서의 도면들에 도시된 것 외에도 타원, 육각형 등 다른 상이한 형상일 수 있고 특정 형태에 한정되지 않으며, 단극 자석의 용도에 따라 다양한 형상으로 자석부를 구성할 수 있다.
나아가, 이상에서 설명한 본 발명의 실시예들에 따른 단극 자석은, 제1 자석부, 제2 자석부 및 제3 자석부를 포함하는 자석 유닛을 하나 또는 복수 개 포함하여 구성되었다. 그러나, 실시예들에 따른 단극 자석은 4개 이상의 자석부를 포함하여 구성되는 것도 가능하다. 예를 들어, 제3 자석부의 외주부를 둘러싸면서 제3 자석부의 자기장의 방향과 직교하는 제4 방향으로 자기장을 생성하는 제4 자석부, 및 제4 자석부의 외주부를 둘러싸면서 제4 자석부의 자기장 방향과 직교하고 제3 자석부의 자기장 방향과 반대인 제5 방향으로 자기장을 생성하는 제5 자석부를 더 포함하는 등 3개 이상 임의의 개수의 자석부를 포함하도록 자석 유닛의 할바흐 배열을 확장시켜 구성하는 것이 가능하다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예들에 따른 자석 유닛을 포함하는 단극 자석은, 자석 유닛을 구성하는 복수 개의 자석부가 할바흐 배열 형태로 배치되어 있으므로 자속을 한쪽 면 방향으로 집중시킬 수 있는 이점이 있다. 이에 따라, 실시예들에 따른 단극 자석은 모터, 발전기 등 다양한 전자기 소자에 적용될 수 있다. 이하의 본 명세서에서 전자기 소자란, 인가된 전력을 이용하여 자기장을 발생시키거나 또는/또한 자기장의 변화를 전류로 변환함으로써 목적을 달성하도록 구성된 임의의 장치를 지칭한다.
도 8은 일 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석을 전자기 소자의 고정자로 사용하는 형태를 예시하는 개념도이다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 전자기 소자는 고정자(100) 및 고정자(100)에 대해 상대적으로 회전하도록 구성된 회전자(200)를 포함한다. 예컨대, 전자기 소자는 고정자(100)에 인가되는 전력을 통하여 발생되는 자기장에 의하여 회전자(200)를 회전시키는 모터, 또는 회전자(200)의 회전에 의해 발생되는 자기장의 변화에 의하여 고정자(100)에 전류를 유도하도록 동작되는 발전기 등일 수 있다.
본 실시예에 따른 전자기 소자에서, 고정자(100)는 실시예들에 따른 단극 자석의 자석 유닛(1)을 하나 이상 포함한다. 예컨대, 고정자(100)는 원통 형상의 고정자 몸체(101)를 포함하며, 이러한 고정자 몸체(101)의 내측면(즉, 회전자(200)와 대향하는 측면)을 따라 하나 이상의 자석 유닛(1)이 결합됨으로써 고정자(100)를 구성할 수 있다. 도면에 도시된 실시예에서는, 고정자 몸체(101)의 내측면을 따라 6개의 자석 유닛(1)이 일정한 간격으로 배치되었으나, 자석 유닛(1)의 개수 및 배치 형태는 이에 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 고정자 몸체(101)의 내측면에 배치되는 자석 유닛(1)들은 자속을 집중시키는 방향이 인접하는 다른 자석 유닛(1)과 상이하도록 배치 방향이 교번하는 형태로 배열될 수 있다. 이때 자석 유닛(1)이 자속을 집중시키는 방향이란, 자석 유닛(1)의 중앙의 제1 자석부로부터 발산된 자기력선이 자석 유닛(1) 가장자리의 제3 자석부로 수렴하거나 또는 자석 유닛(1) 가장자리의 제3 자석부로부터 발산된 자기력선이 중앙의 제1 자석부로 수렴하는 자기장의 방향을 의미한다. 바꾸어 말하면, 이는 자석 유닛(1) 중앙의 제1 자석부에 의해 발생되는 자기장의 방향으로 치환하여 이해될 수도 있다.
예를 들어, 고정자 몸체(101)의 내측면에 위치하는 자석 유닛(1) 중 어느 하나의 자석 유닛은 중심부에서 N극 제1 자석이 회전자(200)를 향하는 방향으로 배치되었다고 가정하면, 이의 양측에 위치하는 다른 자석 유닛(1)은 그 중심부에서 S극 제1 자석이 회전자(200)를 향하는 방향으로 배치될 수 있다. 따라서, 고정자 몸체(101)의 내측면을 따라 배치되는 복수 개의 자석 유닛(1)은 그 중심부의 극성이 S극 -> N극 -> S극 -> N극의 형태로 교번하여 배치되는 형태로 고정자(100)를 구성할 수 있다.
회전자(200)는 회전자 몸체(201)에 권선된 하나 이상의 코일(202)을 포함하며, 전자기 소터가 모터일 경우를 예로 들면 고정자(100)의 자석 유닛(1)을 통해 인가되는 자기력에 의해 회전 축(203)을 중심으로 회전하도록 구성된다. 이때 모터가 발생시키는 힘의 크기는 회전자(200)에 인가되는 전류의 크기, 회전자 몸체(201)의 길이, 자석 유닛(1)에 인가되는 자기장의 자속 밀도 등에 비례하는데, 실시예들에 따른 자석 유닛(1)을 이용하는 경우 일반적인 자석에 비해 특정 방향으로 집중되는 자속의 크기를 2배 가까이 증가시킬 수 있음므로 모터의 출력(또는, 전자기 소자가 발전기일 경우 발전량)을 증가시킬 수 있는 이점이 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석을 전자기 소자의 회전자로 사용하는 형태를 예시하는 개념도이다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 전자기 소자는 고정자(100) 및 고정자(100)에 대해 상대적으로 회전하도록 구성된 회전자(200)를 포함하되, 회전자 몸체(201)의 외측면에 실시예들에 따른 단극 자석의 하나 이상의 자석 유닛(1)이 배치되는 점에서 도 8을 참조하여 전술한 실시예와 차이점이 있다. 또한, 도 9에 도시된 실시예에서 고정자(100)는 고정자 몸체(101) 및 이의 내측면에 배치된 하나 이상의 자석(102)을 포함한다.
자석 유닛(1)의 배치 위치가 상이한 점을 제외하면, 전자기 소자에 실시예들에 따른 단극 자석의 자석 유닛(1)을 사용함으로써 달성되는 효과는 도 8을 참조하여 전술한 실시예와 동일하므로, 설명의 중복을 피하기 위하여 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. 또한 도 8 및 도 9에서는 각각 전자기 소자의 고정자 및 회전자에 자석 유닛이 사용된 형태를 도시하였으나, 다른 실시예에서는 고정자 및 회전자 모두에 자석 유닛을 배치하여 전자기 소자를 구성하는 것도 가능하다.
도 10a 및 10b는 일 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석에서 자석부 일부를 전자석으로 교체한 형태를 나타내는 사시도이다.
먼저, 도 10a는 도 1a를 참조하여 전술한 실시예에 있어서 한 쌍의 제3 자석(31, 32) 대신 전자석 코일 형태의 제3 자석(33)을 사용하는 실시예를 나타낸 것이다. 도 1a를 참조하여 전술한 실시예에서는 한 쌍의 제3 자석(31, 32)을 이용하여 제3 방향(예컨대, 연직 하방)의 자기장을 생성하였으나, 코일 형태의 전자석을 이용하는 경우 서로 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 자석을 이용하지 않더라도 코일에 흐르는 전류의 방향에 따라 동일한 제3 방향의 자기장을 생성하도록 할 수 있다.
나아가, 도 10b는 도 10a를 참조하여 전술한 실시예에서 더 나아가 한 쌍의 제1 자석(11, 12; 도 1a, 1b) 대신 코일 형태의 제1 자석(13)을 사용한 자석 유닛의 형태를 나타낸다. 즉, 본 실시예에서 제1 자석부와 제3 자석부는 서로 상이한 방향으로 전류가 흐르도록 구성된 코일 형태의 제1 자석(13) 및 제3 자석(33)으로 각각 구성되며, 제1 및 제3 자석부 사이에 위치하는 제2 자석부는 제1 자석(13) 및 제3 자석(33)이 생성하는 자기장 방향과 직교하는 방향으로 자기장을 생성하도록 배치된 원통 형상의 한 쌍의 자석(21, 22)을 포함한다.
일 실시예에서, 제1 자석(13) 및 제3 자석(33)의 권선 수 및 이에 인가되는 전류는 각 자석(13, 33)을 통해 생성되는 자기장의 크기를 고려하여 결정될 수 있다. 예컨대, 코일 형태의 전자석 내부의 자기장의 크기는 코일의 단위 길이당 권선 수 및 전류에 비례하므로, 제1 자석(13)의 단위 길이당 권선수를 nA, 제1 자석(13)이 인가되는 전류의 크기를 IA, 제3 자석(33)의 단위 길이당 권선수를 nC, 제3 자석(13)에 인가되는 전류의 크기를 IC라 할 경우, 아래의 수학식 6을 만족하도록 각 자석(13, 33)의 구성 및 전류의 세기를 결정할 수 있다.
[수학식 6]
nA × IA = nC × IC
나아가, 각각의 코일을 전기적으로 분리하기 위한 충분한 절연층(미도시)이 배치된다면 제1 내지 제3 자석부 모두를 코일 형태의 전자석으로 구현하는 것도 가능하다. 즉, 실시예들에 따른 단극 자석의 자석 유닛에서 제1 자석부, 제2 자석부 및/또는 제3 자석부 중 하나 이상은 일 방향의 자기장을 생성하도록 구성된 코일 형태의 전자석으로 이루어질 수 있으며, 이때 코일에 흐르는 전류의 방향을 조절함으로써 각 자석부에서 생성되는 자기장의 방향을 조절할 수 있다. 이처럼 영구자석 대신 전자석을 이용하여 자석 유닛의 각 자석부를 구현하는 경우, 원하는 만큼의 자속 밀도를 쉽게 생성할 수 있으므로 효율적으로 자속을 집중시킬 수 있는 이점이 있다.
도 11은 일 실시예에 따른 할바흐 배열을 이용한 단극 자석의 제조 방법의 각 단계를 나타내는 순서도이다.
도 11을 참조하면, 먼저 일 방향으로 자기장을 생성하도록 구성된 제1 자석부, 제2 자석부 및 제3 자석부를 각각 형성할 수 있다(S1). 이때 생성되는 자기장의 방향이란, 각각의 자석부 내부에서 자기력선이 향하는 방향을 지칭한다. 제1 자석부, 제2 자석부 및 제3 자석부는 서로 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 자석(예컨대, 영구자석)으로 구성될 수 있으며, 또는 전류가 흐름에 따라 일 방향으로 자기장을 생성하도록 권선된 코일 형태의 전자석으로 구성될 수도 있고, 또는 영구자석과 전자석이 혼용된 형태로 구성될 수도 있다.
다음으로, 제1 자석부, 제2 자석부 및 제3 자석부의 단면이 할바흐 배열을 형성하는 방식으로 각 자석부를 배치하기 위하여, 제2 자석부가 생성하는 자기장의 방향이 제1 자석부가 생성하는 자기장과 직교하는 방향으로 양 자석부를 정렬시켜 제1 자석부를 제2 자석부 내에 삽입시킬 수 있다(S2). 예컨대, 제1 자석부 내부의 자기장 방향이 연직 상방이라면, 제2 자석부는 그 내부의 자기장 방향이 제1 자석부를 향하는 수평 방향이 되도록 제1 자석부를 제2 자석부 내에 삽입할 수 있다.
다음으로, 제3 자석부가 생성하는 자기장의 방향이 제2 자석부가 생성하는 자기장과 직교하는 방향으로 양 자석부를 정렬시켜 제2 자석부를 제3 자석부 내에 삽입시킬 수 있다(S3). 예컨대, 제2 자석부 내부의 자기장 방향이 수평 방향이라면 제3 자석부는 그 내부의 자기장 방향이 연직 방향이 되도록 제2 자석부를 제3 자석부 내에 삽입할 수 있다. 이때, 제3 자석부가 생성하는 자기장의 방향은 제2 자석부 내에 삽입된 제1 자석부가 생성하는 자기장 방향과 반대 방향이 된다. 즉, 제1 자석부 내부의 자기장 방향이 연직 상방이라면, 제3 자석부 내부의 자기장 방향은 연직 하방이 되도록 각 자석부를 정렬시킬 수 있다.
이상과 같이 자기장 방향을 고려하여 제1 자석부, 제2 자석부 및 제3 자석부를 정렬시키면, 이러한 세 자석부의 단면은 할바흐 배열을 이루게 되고, 이에 따라 제2 자석부가 생성하는 자속은 제1 및 제3 자석부에 의해 생성되는 주된 자속을 강화시키는 작용함으로써 일 방향으로 자속을 집중시킬 수 있다.
제1 자석부, 제2 자석부 및 제3 자석부가 영구자석으로 이루어지는 경우, 각 자석부 사이의 정렬은 압입 방식으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 각 자석부를 생성하는 금속의 탄성 변형을 이용하여 각 자석부의 냉간 중에 제2 자석부(또는, 제3 자석부) 내로 제1 자석부(또는, 제2 자석부)를 강제 압입하는 냉간 압입 방식으로 각 자석부의 결합이 이루어질 수 있다.
그러나 이는 예시적인 것으로, 각각의 자석부들은 열간 압입 또는 다른 상이한 방식으로 상호 간에 결합될 수도 있다. 예를 들어, 제1 자석부, 제2 자석부 및 제3 자석부 중 외부에 형성될 자석부가 코일 형태의 전자석일 경우, 내부에 위치할 자석부를 형성한 상태에서 이러한 자석부의 외측면에 코일을 권선하는 방식으로 내부 자석부를 둘러싸는 외부 자석부를 형성하는 것도 가능하다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다.

Claims (11)

  1. 삭제
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  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 고정자 및 회전자를 포함하는 전자기 소자로서,
    상기 고정자 및 상기 회전자 중 하나 이상은 복수 개의 자석 유닛을 포함하며,
    상기 복수 개의 자석 유닛은, 상기 복수 개의 자석 유닛 각각의 중심부의 극성이 인접한 자석 유닛의 중심부의 극성과 상이하도록 배치 방향이 교번하는 형태로 상기 고정자 및 상기 회전자 사이에 배열되고,
    상기 전자기 소자는 상기 복수 개의 자석 유닛에 의해 발생되는 자기장을 이용하여 상기 고정자에 대한 상기 회전자의 회전을 발생시키거나 상기 회전자의 회전을 전기 에너지로 변환하도록 구성되며,
    상기 복수 개의 자석 유닛 각각은,
    제1 방향으로 배열되고 서로 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 제1 자석을 포함하여 상기 제1 방향의 자기장을 생성하도록 배치된 제1 자석부;
    상기 제1 자석부의 외주부를 둘러싸도록 배치되며, 상기 제1 방향과 직교하는 제2 방향으로 배열되고 서로 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 제2 자석을 포함하여, 상기 제2 방향의 자기장을 생성하도록 배치된 제2 자석부; 및
    상기 제2 자석부의 외주부를 둘러싸도록 배치되며, 상기 제2 방향과 직교하는 제3 방향으로 배열되고 서로 상이한 극성을 갖는 한 쌍의 제3 자석을 포함하여, 상기 제3 방향의 자기장을 생성하도록 배치된 제3 자석부를 포함하되,
    상기 제3 방향은 상기 제1 방향의 반대 방향이며,
    상기 제2 자석부 및 상기 제3 자석부는 속이 빈 실린더 형태이고,
    상기 제3 자석부 내측 공간에 상기 제2 자석부가 삽입되며,
    상기 제2 자석부 내측 공간에 원기둥 형상을 갖는 상기 제1 자석부가 삽입되고,
    상기 제1 자석부의 반지름, 상기 제2 자석부의 반지름 및 상기 제3 자석부의 반지름은 1:√2 :√3의 비율을 가지는 전자기 소자.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 고정자는 고정자 몸체를 포함하며,
    상기 복수 개의 자석 유닛은 상기 고정자 몸체의 내측면을 따라 상기 회전자와 대향하여 배열되는 전자기 소자.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 회전자는 회전자 몸체를 포함하며,
    상기 복수 개의 자석 유닛은 상기 회전자 몸체의 외측면을 따라 상기 고정자와 대향하여 배열되는 전자기 소자.
  11. 삭제
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