KR19980048886A - 알니코(Alnico) 및 페라이트(Ferrite) 또는 희토류 영구자석을 이용한 권상기 및 그 제작방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 잔류자화밀도(remanent magnetization)가 큰 알니코계 영구자석과 보자력 및 자화력이 상당히 좋은 페라이트계 또는 희토류계 영구자석을 조합하여 자기회로를 구성하고, 두 종류의 영구자석에서 발생하는 자속을 효율적으로 접속시켜 흡착력을 최대로 할 수 있는 알니코(Alnico) 및 페라이트(Ferrite) 또는 희토류 영구자석을 이용한 권상기 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 요크(yoke) 케이스의 내측으로 4개 또는 2개의 폴슈(pole shoe)를 입설하고, 폴슈측면을 둘러싼 스트론튬 페라이트 자석(St-ferrite)의 보자력을 3.5~4.2kOe범위로 하며, 잔류자속밀도는 3.6~4.3kG이고, 상기 폴슈 하단면에 맞닿은 알니코 자석의 보자력은 800~1200 Oe, 잔류자속밀도는 10~12kG 범위로 하고, 상기 알니코 자석 주위에 감겨진 솔레노이드 코일에 의하여 알니코 자석의 자극을 극반전시켜 자기회로의 흐르는 방향에 따라 금속물질을 흡탈착 할 수 있는 알니코(Alnico) 및 페라이트(Ferrite) 또는 희토류 영구자석을 이용한 권상기와 그 제조방법을 제공한다.
Description
본 발명은 자화력(inductive magnetization)이 큰 영구자석과 그 영구자석과 연결되어 자기회로를 구성해주는 투자율(Permeability)이 큰 연자성재료를 폴(pole)로 하는 영구자석에서 흘러나오는 자속(magnetic flux)을 통과시켜 주는 요오크(yoke)역할을 하는 케이스로 구성된 강력한 흡착력을 갖는 권상기 및 그 제작방법에 관한 것으로, 보다 상세히는, 잔류자화밀도(remanent magnetization)가 큰 알니코계 영구자석과 보자력 및 자화력이 상당히 좋은 페라이트계 또는 희토류계 영구자석을 조합하여 자기회로를 구성하고, 두 종류의 영구자석에서 발생하는 자속을 효율적으로 접속시켜 흡착력을 최대로 할 수 있는 알니코(Alnico) 및 페라이트(Ferrite) 또는 희토류 영구자석을 이용한 권상기 및 그 제작방법에 관한 것이다.
일반적으로 권상기는 금속성 물류운반용 크레인의 핵심 설비로써, 종래에는 전자석(electromagnet)으로 제조되어 현재까지도 그 주류를 이루고 있으나 많은 단점을 보이고 있다. 첫째, 권상기 자체의 중량이 과도하게 무거워 크레인의 용량이 동시에 커야 하기 때문에 효율이 나쁘며, 둘째, 전기를 사용하므로 작업시 충전이 끊어지면 대형 안전사고의 재앙을 유발하고, 셋째, 전술한 사고를 예방하기 위해서 항상 완벽한 정비가 뒤따라야 하며, 넷째, 따라서 정비보수 및 전기에너지를 사용하는데 따른 운영비가 과다하다.
상기와 같은 모든 단점을 없애고 흡착력의 효율을 높이기 위해서 영구자석을 이용한 권상기를 사용하는 경우는 첫째, 작업도중에 전기통전과는 관계없이 안전조업이 가능하며, 둘째 자체중량에 비해 흡착력이 10배 이상 가능하고, 셋째 보수정비가 필요없이 운용비가 전혀 들지 않는 작업환경이 좋은 물류운송 설비이다.
한편, 영구자석식 권상기는 미국특허 제 4,507,635호 및 제 4,847,582호, 제 4,090,162호 등에 두가지 종류의 영구자석을 사용한 기본개념에 소개되었다. 전자(前者)의 두 특허는 기계가공용으로 사용되는 척(magnetic chuck)으로서 사용되는 원리이고, 후자(後者)의 것은 알니코와 바륨페라이트(Ba-ferrite)영구자석을 사용한 것이다. 최근에 대한민국 특허출원 제 95-68485호에는 권상기용으로 희토류자석과 알리코 영구자석을 조합하여 설계한 권상기에 대한 특허기술이 공지되었다. 이는 폴슈(pole shoe)가 4개짜리인 것으로 요크(yoke)역할을 하는 케이스가 일체형으로 구성되기 때문에 조립 및 분해가 상당히 어려운 단점이 있었다. 또한, 폴슈가 4개이므로 들어올리려고 하는 물건의 표면이 불규질 할 때는 효율적인 반면에 폴슈(pole shoe)로부터 나오는 자속의 침투깊이가 낮아 두꺼운 철판을 들어 올릴때는 비효율적인 문제점을 갖는 것이었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 잔류자화밀도(remanent magnetization)가 큰 알니코계 영구자석과 보자력 및 자화력이 상당히 좋은 페라이트계 또는 희토류계 영구자석을 조합하여 자기회로를 구성하고, 두 종류의 영구자석에서 발생하는 자속을 효율적으로 접속시켜 흡착력을 최대로 할 수 있는 알니코(Alnico) 및 페라이트(Ferrite) 또는 희토류 영구자석을 이용한 권상기 및 그 제작방법을 제공함을 그 목적으로 하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 두가지 영구자석을 사용한 권상기의 내부를 보여주는 평단면도,
도 2는 본 발명의 권상기 내부구조를 투시하는 길이방향 측단면구조도,
도 3은 본 발명의 권상기 내부구조를 보여주는 횡방향 측단면구조도,
도 4는 본 발명의 권상기를 구성하는 고정자극 영구자석, 폴슈 및 요크 케이스의 전체 단면적을 보여주는 구조도,
도 5는 본 발명의 권상기를 구성하는 폴슈, 요크 케이스, 고정자극 영구자석 및 가변자극용 영구자석의 위치와 가변자석의 폴슈와의 칫수를 비교해 주는 단면도.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10 : 권상기12 : 페라이트 자석
13 : 알니코자석 블록14 : 요크 케이스
15 : 소형 볼트16 : 걸고리
17 : 대형 볼트20 : 솔레노이드 코일
21 : 상부 케이스22 : 하부 케이스
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 영구자석을 이용한 권상기에 있어서, 조립식으로 이루어진 요크 케이스의 내부에 상하 또는 상하 및 좌우에 폴슈가 입설되고, 그 하단 바닥면에 폴슈의 축방향으로 포화자화된 알니코(Alnico)계 자석이 접촉되며, 상기 알니코자석 주위에는 솔레노이드 코일이 권선되고, 상기 입설된 폴슈와 요크 케이스 사이에는 폴슈면과 직각방향으로 포화자화된 스트론튬 페라이트 자석 또는 희토류 자석(NidFe 계)을 조밀하게 삽입하는 한편, 상기 케이스 상단면과 알니코 자석 및 폴슈는 대형 볼트로서 연결됨을 특징으로 하는 알니코(Alnico) 및 페라이트(Ferrite) 또는 희토류 영구자석을 이용한 권상기를 마련함에 의한다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 영구자석을 이용한 권상기의 제작방법에 있어서, 요크 케이스의 내측으로 4개 또는 2개의 폴슈(pole shoe)을 입설하고, 폴슈(pole shoe)측면을 둘러싼 스트론튬 페라이트 자석(St-ferrite)의 보자력을 3.5~4.2kOe범위로 하며, 잔류자속밀도는 3.6~4.3kG이고, 상기 폴슈 하단면에 맞닿은 알니코 자석의 보자력은 800~1200 Oe, 잔류자속밀도는 10~12kG 범위로 하고, 상기 알니코 자석 주위에 감겨진 솔레노이드 코일에 의하여 알니코 자석의 자극을 극반전시켜 자기회로의 흐르는 방향에 따라 금속물질을 흡탈착 할 수 있는 알니코(Alnico) 및 페라이트(Ferrite) 또는 희토류 영구자석을 이용한 권상기의 제조방법을 마련함에 의한다.
이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.
제 1 도, 2도 및 3도는 본 발명에 따른 스트론튬 페라이트 및 알니코 영구자석을 사용하여 2극 폴슈(two pole type)형으로 설계된 권상기의 평단면 및 양측단면을 보여준다. 본 발명에 따른 알니코(Alnico) 및 페라이트(Ferrite) 또는 희토류 영구자석을 이용한 권상기(10)는 조립식으로 요크 케이스(14)내부의 하단바닥에 알니코 영구자석의 블록(13)이 조립되고, 각 블록(13)에는 볼트를 관통할 수 있는 볼트구멍(17a)과 볼트(17)가 있으며, 그 볼트(17)로 상기 블록(13)에 맞닿도록 폴슈(11)가 연결되어 있다. 그리고, 요크 케이스(14)의 상부 케이스(21) 상부측에는 걸고리(16)가 형성되며, 상기 알니코 자석 블록(13) 주위에 솔레노이드 코일(20)이 권선되어 있고, 알니코 자석 블록(13)과 폴슈(11)가 직접 맞닿고 있다. 또한, 상기 요크 케이스(14) 내측면과 폴슈(11)의 측면 사이의 간극에는 스트론튬 페라이트 자석(12)이 일정한 높이로 채워져 있으며, 스트론튬 페라이트 자석(12)의 측면들은 필히 폴슈(11)의 측면과 직접 맞닿아 있어야 한다. 그리고, 조립식요크 케이스(14)의 각 측면판은 서로 소형의 볼트(15)로 분해/조립이 용이하게 되어 있으며, 하부 케이스(22)면은 요크 케이스(14)의 측면과는 달리 비자성체인 스텐레스 재질로 되어 있다. 즉 하부 케이스(22)는 본 발명의 권상기(10)에서 발생하는 자기회로를 차단해주는 역할을 한다. 또한 폴슈(11)의 일부분은 제 3 도에 도시된 바와 같이, 하부 케이스(22) 밖으로 일정부분 돌출하여 권상하려고 하는 금속 물질의 표면과 직접 맞닿아야 한다.
그리고, 제 1 도, 2도 및 3도에서 보여지듯이 권상기(10) 내부는 크게 폴슈(11), 블록(13), 스트론튬 페라이트 자석(12) 및 요크 케이스(14)로 구성되어 있다. 네측면의 요크 케이스(14)는 소형볼트(15)에 의하여 차례대로 조립이 되게끔 구성되어 있다. 조립초기에 상부 케이스(21)를 먼저 놓고 폴슈(11)와 알니코 자석 블록(13)을 연결하기 위한 대형 볼트(17)를 각 알니코 자석 블록(13)에 가공되어 있는 구멍(13a)을 통해 미리 끼워 놓은 다음, 차례로 알니코 자석 블록(13)을 올려놓는다. 그리고, 알니코 자석 블록(13) 주위에 미리 제작해 놓은 솔레노이드 코일(20)을 권선한다. 이때 사용할 알니코 자석 블록(13)의 잔류자속밀도(residual magnetization)는 10~12kGauss이고 보자력(intrinsic corecivity)은 800~1200 Oersted 범위인 것을 사용한다. 스트론튬 페라이트 자석(12)의 자기특성은 잔류자속밀도가 3.6~4.3kG의 범위이며 보자력은 3.5~4.2kOe의 것이면 만족할만 하다. 폴슈(11)의 재료로 사용하는 것은 투자율(μ)이 큰 순철계통의 극저탄소강으로서 탄소의 함유량이 0.01~0.15Wt% 범위의 것이면 만족스러우며, 이때의 극저탄소강 투자율은 1000~4000범위를 나타낸다. 그러나 요크 케이스(14)는 권상기(10)를 사용할 때 높은 강도를 유지해야 하므로 일반탄소강을 사용한다. 볼트로 사용되는 대형 볼트(17) 및 소형 볼트(15)의 규격은 사용할 권상기의 용량에 따라 설계되며 될 수 있는 한 사용갯수를 줄이는 것이 폴슈(11)에 흐르는 자속의 누설을 방지할 수 있다.
본 발명의 권상기(10)에 사용하는 각 자석의 칫수는 제조가능한 한 대형일수록 좋으나 제조상 제한이 많아 국내에서 제조가능한 칫수는 알니코 자석의 경우 100×100×100㎣가 한계이고, 스트론튬 페라이트 자석의 최대칫수는 100×150×25㎣이다.
본 발명의 기본설계 개념을 설명하기 위해 제 4 도를 참조한다. 제 4 도 상단의 폴슈(11)를 에워싸고 있는 스트론튬 페라이트 자석(12)이 현재 그림에 표시된 것처럼 N 및 S극으로 고정되어 있다면, 각 N극에서 흘러나온 자속은 모두 상단의 폴슈(11)로 접속되면서 그림에서 지면밖으로 튀어나오는 방향으로 흘러나와 폴슈(11)를 거쳐 사방 측면에 위치한 스트론튬 페라이트 자석(12)의 S극으로 흘러 들어가 자기회로는 연속으로 구성되어 진다. 그리고, 흡착력이 최대가 되기 위해서는 스트론튬 페라이트 자석(12)의 총 단면적과 그것이 둘러싼 폴슈(11)의 총 단면적이 거의 동일해야 한다. 한편, 권상기(10) 내부구조물을 둘러싼 요크 케이스(14)의 총 단면적은 폴슈(11)의 총 단면적의 60~100%에 달해야 흡착력의 효율이 최대가 된다. 영구자석식 권상기의 흡착능력(Q)는 아래와 같이 표기된다.
여기서 B는 폴슈(11)로부터 흘러나오는 유도자화력이며, 이는 폴슈(11)를 둘러싸고 있는 스트론튬 페라이트 자석(12)과 권상기 하단에 위치한 알니코 자석 블록(13)의 잔류자속밀도에 의존하므로 그 값이 클수록 좋다. a는 폴슈(11)의 총 단면적이며, K는 안전율 및 투자율(μ)을 감안한 상수치이다. 자속의 발생원리를 보기 위해 제 5 도를 참조한다. 권상기(10) 하단 바닥에 위치한 알니코 자석 블록(13)의 자극(magnetic polarity)이 도 5에 표기된 것처럼 왼편의 것은 하부(S극)에서 상부방향(N극)으로 자속이 흘러 폴슈(11)를 거쳐 오른편에 위치한 폴슈(11)를 지나 다시 알니코 자석 블록(13)의 상부(S극)에서 하부(N극)로 흘러 들어간다.
또한 폴슈(11)와 폴슈(11) 사이에 있는 페라이트 자석(12)에서도 N극에서 S극으로 자속이 집결되어 오른편 폴슈(11)로 흘러 들어간다. 이때 알니코 자석 블록(13) 주위를 둘러싼 솔레노이드 코일(20)에 전류를 통하여 자극을 도 5의 괄호속에 표시된 것처럼 거꾸로 반전(magnetic reversal)시킨 다음, 자속은 전술한 것처럼 폴슈(11)와 폴슈(11)간에 자기회로를 연결하지 못하고 알니코 자석 블록(13)과 스트론튬 페라이트 자석(12)간에 국부적 회로를 구성하면서 자속은 요크 케이스(14)를 타고 권상기(10) 내부에서만 형성되어 금속물질을 흡착할 수가 없게 된다. 이때를 탈착이라고 명칭한다.
이하, 전술한 솔레노이드 코일(10)에 대하여 상세히 설명한다.
알니코 자석 블록(13) 주위에 권선된 코일(20)의 역할은 자극(magnetic polarity)을 반전시키는 것이며 전류의 통전에 의하여 순식간에 이루어지게끔 전기회로를 설계한다. 상기 코일권선의 사양은 사용된 알니코 자석 블록(13)의 자기특성에 따라 결정되는데, 특히 보자력(corecivity)에 의하여 설계된다. 먼저 사용된 알니코 자석 블록(13)의 보자력을 H(Gauss), 권선된 자석길이가 L(m), 자석주위에 권선된 코일의 턴(turn)수를 N, 그리고 코일에 흐르는 전류를 I(amp)이라고 한다면 아래의 등가식이 성립한다.
NI = HL식(1)
윗 식(1)에서 단위를 SI unit로 환산하여 주면, NI = HL×(103/4π)(amp.trun)의 관계식이 성립한다. 식(1)의 오른쪽은 자석에 공급되는 전원의 사양이 되며, 주로 측전기의 용량결정에 필요한 사항이다. 즉, 알니코 자석 블록(13)의 잔류자속밀도가 B라고 한다면, 알니코 자석 블록(13)에 코일(20)을 감아 반전시킬 수 있는 전기에너지(W)는:
W = 1/2 BH = 1/2 CV식(2)
로 결정되며, 이는 축전기 용량(C)과 사용된 전압(V) 사이에 W=1/2CV라는 관계와 등가가 되어 사용될 전원의 전압을 결정하게 된다. 한편, 식(1)에서 얻어진 HL에 따라 NI를 결정해야 하는데, 이때 우선 알니코 자석 블록(13) 주위의 용적상황에 따라 전체 코일(20)체적을 고려하여 권선수(N), 코일(20)의 직경과 저항치를 선택한 후 식(2)에서 얻어진 전압(V)과 사용할 코일(20)의 총 저항(R)을 고려하여 V=IR의 관계식으로부터 사용할 전류치를 결정하게 된다. 이렇게 볼 때 권상기(10) 하단의 알니코 자석 블록(13)의 자극을 반전시킬 수 있는 전기에너지(NI)는 항상 자석이 보유한 자기에너지(HL)보다는 커야만 반전이 가능하므로 NIHL의 관계를 유지해야 한다. 알니코 자석 블록(13) 외에 보자력이 너무 큰 영구자석을 사용하면 전기에너지가 과다하게 요구되어 실제로 전기용량에 제한이 많으므로 기술상 어려움이 많다.
상기에서와 같이 본 발명에 의하면, 잔류자화밀도(remanent magnetization)가 콘 알니코계 영구자석과 보자력 및 자화력이 상당히 좋은 페라이트계 또는 희토류계 영구자석을 조합하여 자기회로를 구성하기 때문에 분해 및 조립작업이 쉽게 이루어지고, 두 종류의 영구자석에서 발생하는 자속을 효율적으로 집속시킴으로서 흡착력을 최대로 할 수 있는 효과가 얻어지는 것이다.
Claims (4)
- 영구자석을 이용한 권상기에 있어서, 요크 케이스(14)의 내부에 상하 또는 상하 및 좌우에 폴슈(11)가 입설되고, 그 하단 바닥면에 폴슈(11)의 축방향으로 포화자화된 알니코(Alnico)계 자석 블록(13)이 접촉되며, 상기 알니코자석 블록(13)주위에는 솔레노이드 코일(20)이 권선되고, 상기 입설된 폴슈(11)와 요크 케이스(14) 사이에는 폴슈(11)면과 직각방향으로 포화자화된 스트론튬 페라이트 자석(Sr-ferrite) 또는 희토류 자석(NidFeB 계)을 조밀하게 삽입하는 한편, 상기 요크 케이스(14) 상단면과 알니코 자석 블록(13)및 폴슈(11)는 대형 볼트(17)로서 연결됨을 특징으로 하는 알니코(Alnico) 및 페라이트(Ferrite) 또는 희토류 영구자석을 이용한 권상기.
- 제 1 항에 있어서, 상기 요크 케이스(14)는 사방측면이 다수개의 볼트(15)로서 박스형으로 조립됨을 특징으로 하는 알니코(Alnico) 및 페라이트(Ferrite) 또는 희토류 영구자석을 이용한 권상기.
- 영구자석을 이용한 권상기의 제작방법에 있어서, 요크 케이스(14)의 내측으로 4개 또는 2개의 폴슈(pole shoe)(11)를 입설하고, 폴슈(11)측면을 둘러싼 스트론튬 페라이트 자석(St-ferrite)(12)의 보자력을 3.5~4.2kOe범위로 하며, 잔류자속밀도는 3.6~4.3kG이고, 상기 폴슈(11) 하단면에 맞닿은 알니코 자석 블록(13)의 보자력은 800~1200Oe, 잔류자속밀도는 10~12kG 범위로 하고, 상기 알니코 자석 블록(13)주위에 감겨진 솔레노이드 코일(20)에 의하여 알니코 자석 블록(13)의 자극을 극반전시켜 자기회로의 흐르는 방향에 따라 금속물질을 흡탈착 할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 알니코(Alnico) 및 페라이트(Ferrite) 또는 희토류 영구자석을 이용한 권상기의 제조방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 폴슈(pole shoe)(11)측면을 둘러싼 스트론튬 페라이트 자석(St-ferrite)(12) 대신에 사용가능한 희토류 자석(NdFeB계)의 보자력이 10~15kOe, 잔류자속밀도가 6~8kG 범위임을 특징으로 하는 알니코(Alnico) 및 페라이트(Ferrite) 또는 희토류 영구자석을 이용한 권상기의 제조방법.
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100627245B1 (ko) * | 2004-06-12 | 2006-09-28 | 주식회사 태화에레마 | 선형적 자력조절이 가능한 권상기용 자석 및 권상기 및 그를 이용한 권상 매수 제어 방법 |
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| KR101038092B1 (ko) | 2008-07-16 | 2011-06-01 | 유제국 | 중장비용 마그네트 장치 |
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1996
- 1996-12-18 KR KR1019960067536A patent/KR100206496B1/ko not_active IP Right Cessation
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