KR20020048813A - 자기 분리기의 전자석 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2T 이상의 높은 자속 밀도를 만드는 자기 분리기의 전자석 장치에 관한 것으로서, 원통형의 자성체로 상호 평행하게 대응 배치된 한 쌍의 회전자 축(11,21); 상기 각 회전자 축(11,21)의 외표면 상에 내표면이 접하여 일정 높이를 가지며 외표면에 톱니 모양의 요철(12a,22a)을 가지고서, 각 회전자 축(11,21)의 길이 방향에 일정 간격으로 형성된 복수개의 원통형 자속 집중체(12,22); 및 상기 일정 간격내의 상기 각 회전자 축(11,21)의 외표면 상에 상기 각 자속 집중체(12,22)의 길이 양단부에 접하여 겹치도록 권선되어 그 각 자속 집중체(12,22)를 자극으로 만들기 위한 코일(13,23)로 구성되어, 시료가 통과하는 공극으로서의 상기 대응하는 자속 집중체(12와 22)의 사이에서 2T 이상의 높은 자속밀도를 제공함으로서, 자기 분리기의 시료 처리량 및 불량률을 혁신적으로 개선시키면서 구조가 간단하고 제작 비용이 저렴할 뿐만 아니라 유지 보수가 쉬운 효과를 창출하는 매우 유용한 발명이다.

Description

자기 분리기의 전자석 장치{Electromagnet for Magnetic Separstor}

본 발명은 자기 분리기(Magnetic Separator)의 핵심 구성인 전자석에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일반적인 자성체를 이용한 기존의 자기 분리기의 자속 밀도 한계가 2T 이하인 것에 반하여, 본 발명은 2T 이상의 높은 자속 밀도를 만들 수 있도록 하여, 자기 분리기의 시료 처리량 및 불량률을 혁신적으로 개선시키면서 구조가 간단하고 제작 비용이 저렴할 뿐만 아니라 유지 보수가 용이하도록 하는 새로운 구조의 자기 분리기의 전자석 장치에 관한 것이다.

특정 시료에서 불순물을 분리하기 위한 자기 분리기에서, 2T(Tesla) 이상의 높은 자속 밀도의 확보는 자기 분리기의 성능을 결정하는 매우 중요한 요소인데, 그 이유는 만일 높은 자속 밀도가 확보되지 않고 시료 처리에 복잡한 구조를 가진다면, 시료 처리량이 적고 불량률이 많아서 그 시료를 재활용할 수 없게 되기 때문이다. 따라서, 시료 처리량이 많으면서 불량률을 혁신적으로 개선할 수 있는 자기 분리기를 위해서는 2T 이상의 높은 자속 밀도를 제공하는 전자석의 구조는 매우 중요하다.

현재까지의 대부분의 자기 분리기는 자성체를 사용하고 있는데, 이로 인한 자성체에서의 자기포화를 극복하지 못하기 때문에 2T 이상의 높은 자속 밀도의 확보가 매우 어렵다.

그러나, 특정 시료 중에 포함된 불순물을 분리하기 위한 자기 분리기에서는 2T 이상의 높은 자속밀도의 확보가 필수적이고, 기존의 전자석 구조로는 상술된 바와 같이 2T 이상의 높은 자속 밀도의 확보가 불가능하기 때문에, 이를 위한 새로운 전자석의 구조가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 그 목적은 자속 밀도의 집중을 유도하여 2T 이상의 높은 자속 밀도를 확보함과 아울러 시료 처리에 효과적인 구조를 가짐으로써, 자기 분리기의 시료 처리량과 불량률을 혁신적으로 개선시킬 수 있도록 된 자기 분리기의 전자석을 제공하고자 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 분리기의 전자석 장치의 사시도이고,

도 2는 도 1의 A-A 단면도이고.

도 3은 도 1에 따른 실시예에 대한 3차원 전자장 해석모델이고,

도 4는 도 1에 따른 실시예에 대한 Y-Z 평면에 대한 자속 흐름도이고,

도 5는 도 1에 따른 실시예에 대한 X-Y 평면에 대한 자속 흐름도이고,

도 6은 도 3 및 도 4의 B-B선 상에서의 자속밀도의 크기를 나타내고,

도 7은 도 1을 자기 분리기에 적용할 시의 작용 설명을 위한 도면이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

11,21 : 회전자 축 12,22 : 자속 집중체(또는 전자석 치라 함)

12a,22a : 톱니 모양의 요철부 13,23 : 코일

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자기 분리기의 전자석 장치는, 원통형의 자성체로 상호 평행하게 대응 배치된 한 쌍의 회전자 축; 상기 각 회전자 축의 외표면 상에 내표면이 접하여 일정 높이를 가지며 외표면에 톱니 모양의 요철을 가지고서, 그 회전자 축의 길이 방향에 일정 간격으로 형성된 복수개의 원통형 자속 집중체; 및 상기 일정 간격내의 상기 회전자 축의 외표면 상에 상기 각 자속 집중체의 양단에 접하도록 권선되어 그 각 자속 집중체를 자극으로 만들기 위한 코일을 포함하여 구성된다.

이와 같이 본 발명에 따른 전자석은, 솔레노이드 보빈(상기 자속 집중체를 포함하는 상기 회전자 축을 솔레노이드 보빈이라 칭함) 두 개가 한쌍으로 배치되되, 한 쌍의 솔레이드 보빈 간에 상호 가장 가깝게 대응하여 접하는 부분인 상기 자속 집중체의 자기 저항이 작은 톱니 모양의 외표면 부분에 자속이 집중하는 현상이 유도되어. 한 쌍의 솔레노이드 보빈이 상호 접하여 형성된 톱니 모양의 공극에 매우 큰 자속밀도를 얻을 수 있게 된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기 분리기의 전자석 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 분리기의 전자석 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선 단면도로서, 원통형의 자성체로 상호 평행하게 대응 배치된 한 쌍의 회전자 축(11,21); 상기 각 회전자 축(11,21)의 외표면 상에 내표면이 접하여 일정 높이를 가지며 외표면에 톱니 모양의 요철(12a,22a)을 가지고서, 각 회전자 축(11,21)의 길이 방향에 일정 간격으로 형성된 복수개의 원통형 자속 집중체(12,22); 및 상기 일정 간격내의 상기 각 회전자 축(11,21)의 외표면 상에 상기 각 자속 집중체(12,22)의 길이 양단부에 접하여 겹치도록 권선되어 그 각 자속 집중체(12,22)를 자극으로 만들기 위한 코일(13,23)로 구성되어 있다.

본 실시예에서, 사용할 극을 3극으로 하였을 때 다음과 같이 솔레노이드 보빈(11+12. 21+22)을 만들어 상기 코일(13,23)을 권선하기 위해서, 상기 솔레노이드 보빈(11+12,21+22)의 사양과 상기 코일(13,23)의 사양, 그리고 전기적 입력사양을다음과 같이 결정하였다.

입력 전압은 직류 220V 로, 자성체 종류는 SE13C 로, 상기 한쌍의 솔레노이드 보빈(11+12와 21+22)간의 간격(공극)은 3 mm 로, 상기 코일(13,23)의 단면적은 2×1.4 = 2.8 mm²로, 1 슬롯당 상기 코일(13 또는 23)의 턴수는 1998턴(turns)으로, 그리고 저항 R2 = L/σS로 결정한다.

여기서, σ는 20 ℃에서의 상기 코일(13,23) 재질인 구리의 도전율을 나타내는 것으로 5.8×107( MHO `/`m``) 이고, S는 상기 코일(13,23)의 단면적, 그리고 L은 상기 코일(13,23)의 길이이다.

평각 동선 도체인 상기 코일(13,23)은 단면적이 150×37.8 mm²(점적율 76%)인 1 슬롯 상에 한층에 74턴씩 27층으로 권선 할 수 있으므로 그 길이 L은 다음의 수학식 (1)과 같이 계산된다. 여기서 층간 절연은 0.45 mm로 가정한다.

L = 2πr = 2π(27×0.1+0.00195×379)×74 = 1599 mm ---- (1)

그러므로, 슬롯당 저항(R₂)는 9.8Ω이고, 도 1에서 나타나듯이 슬롯 당 저항이 3개가 직렬로 연결되어 있고, 이것이 각각 병렬로 연결되도록 하는 권선법으로 상기 코일(13,23)이 권선되어 있으므로, 전체 저항 R은 다음 수학식 (2)와 같이 구할 수 있다.

R = 3R₂/4 = 7.4Ω ------- (2)

따라서, 슬롯당 기자력은 1998×7.4 = 14785 [AT]이다.

도 3 내지 도 6은 상기 주어진 사양을 상용 전자계 해석 프로그램인 마그네트 파이브(Magnet V)를 이용해서 3차원 해석을 수행한 결과로서, 여기서 도 1 및 도 2와 같이 본 발명에 따른 전자석은 좌우 및 상하 대칭구조를 가지므로 전체 전자석의 1/8을 발췌하여 해석 모델로 선정하였다.

도 3은 3차원 전자계 해석 모델을 나타내는 것으로서, 왼쪽단면과 앞쪽단면은 대칭조건을 부여하고 나머지 경계단면은 고정조건을 부여하였다.

도 4는 Y-Z 평면에서의 자속의 흐름을 나타내고, 도 5는 X-Y 평면에서의 자속의 흐름을 나타내는 데, 톱니 모양의 치 즉, 상기 일측의 자속 집중체(12)와 타측의 자속 집중체(22) 사이의 공극 부분에 자속의 흐름이 집중되어 화살표식이 일방향으로 집중되고 있고(도 5의 원내 ⓛ참조) 나머지 부분의 자속은 흩어져 점으로 나타나 있음을 나타낸다.

도 6은 도 3의 B-B 선에서의 자속 밀도의 크기를 나타내는데 솔레노이드 보빈의 톱니모양의 치인 자속 집중체(12) 부분에서 최대 자속밀도가 약 3.7T 이고, 최소 자속밀도가 약 3T로 매우 높은 자속밀도가 제공됨을 알 수 있다.

상술된 바와 같이 2T 이상의 높은 자속 밀도를 제공토록 구성된 본 발명의 전자석을 자기 분리기에 적용할 경우의 작용에 대하여 도 1의 구조와 동일한 도 7을 참조하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따라 한쌍으로 이루어진 전자석은 각각 다른 축에 고정되어 전동기에 연결되어 도 7에 도시된 화살표 방향으로 회전하며, 전류는 슬립링(미도시)을통하여 인가된다.

이때, 상술된 바와 같이 본 발명의 전자석에서는 상기 한 쌍 솔레노이드 보빈(11+12와 21+22)중 일측의 자속 집중체(12)의 요철부(12a)와 이에 접하는 다른 측의 자속 집중체(22)의 요철부(22a)로 자속이 집중하여 흐르게 되는 바, 상기 솔레노이드 보빈(11+12,21+22)은 자기저항이 적은 자성체이고 상기 코일(13,23)은 공기와 같이 자기저항이 매우 커서 그 코일(13,23)에 전류가 인가되면, 자속은 자기저항이 적은 솔레노이드 보빈의 톱니 모양의 자속 집중체(12,22) 부분에 집중되고, 특히 상기 톱니 모양의 자속 집중체(12와 22)간 상호 접하는 공극 부분(①)에 최대 자속 밀도가 형성된다.

따라서, 실제 시료가 분리 되는 것에 대하여 간단히 설명하면, 본 발명의 전자석의 코일(13,23)에 전류가 인가되면 자로는 도 7과 같이 만들어지고, 도 5및 도 6에서 보여지고 상술된 바와 같이 상기 자속 집중체(12와 22)간 상호 접하는 공극 부분(①)에 최대의 자속 밀도가 만들어진다. 그러므로, 상기 공극 부분(①)에는 매우 큰 자력이 발생하여 그 공극(①)의 윗부분에서 시료를 주입하면 해당 시료가 상기 공극(①) 사이를 통과하면서 자성체인 불순물은 자력을 받아 상기 톱니 모양의 자속 집중체(12,22)의 요철부(12a,22a)에 붙게 되고, 이후 전자석의 회전에 의해 자력이 매우 약한 ②의 위치로 가게되면 자성체인 불순물은 아래로 떨어지게 되므로 시료와 자성체인 불순물은 분리되는 것이다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 자기 분리기의 전자석은 기존과 전혀 다른 새로운 구조로 구성되어, 시료가 통과하는 공극에서 2T 이상의 높은 자속밀도를 제공함으로서, 자기 분리기의 시료 처리량 및 불량률을 혁신적으로 개선시키면서 구조가 간단하고 제작 비용이 저렴할 뿐만 아니라 유지 보수가 쉬운 효과를 창출하는 매우 유용한 발명이다.

Claims (1)

1. 원통형의 자성체로서 상호 평행하게 대응 배치된 한 쌍의 회전자 축;

   상기 각 회전자 축의 외면상으로부터 외주연 방향으로 일정 높이를 가지며 외표면에 톱니 모양의 요철을 가지고서, 그 회전자 축의 길이 방향에 일정 간격으로 형성된 복수개의 원통형 자속 집중체; 및

   상기 일정 간격내의 상기 회전자 축의 외표면 상에 상기 각 자속 집중체의 양단에 접하도록 권선되어 그 각 자속 집중체를 자극으로 만들기 위한 코일을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자기 분리기의 전자석 장치.