KR20030053402A - 영구자석을 이용한 코일 권상기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구자석을 이용하여 코일을 권상하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 강판코일(M)의 외부면에 전면이 밀착되는 어댑터(11)를 상부면에 장착하여 자력선을 집속하는 좌우한쌍의 폴(pole)부재(12)와, 상기 풀부재(12)의 외부면을 둘러싸도록 부착되어 주자력선을 발생시키는 복수개의 고정영구자석(13)과, 상기 폴부재(12)의 하부면에 부착되어 부자력선을 발생시키는 가변영구자석(14)의 외부면에 다수회 권취되고, 흡,탈착력을 조절하도록 전류흐름공급방향에 따라 자화방향으로 반전시키는 전기코일(15) 및 상기 폴부재(12), 고정,가변영구자석(13)(14)이 수용되고, 자력선이 원활하게 이동하는 자로역활을 하는 사각케이스(16)를 포함하여, 자화력이 큰 영구자석과 투자율이 큰 연자성 재료의 폴(pole)및 요크(yoke)를 조합하여 고정 영구자석에서 발생하는 자속(magnetic flux)을 적절히 집속시켜 발생되는 강력한 흡착력으로 중량물이고, 곡선형 외부면을 갖는 강판코일을 자력으로서 간편하고, 안전하게 들어올려 이송할수 있는 효과가 얻어진다.

Description

영구자석을 이용한 코일 권상기{A COIL LIFTER USING A PERMANENT MAGNET}

본 발명은 영구자석을 이용하여 코일을 권상하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세히는 자화력이 큰 영구자석과 투자율이 큰 연자성 재료의 폴(pole)및 요크(yoke)를 조합하여 고정 영구자석에서 발생하는 자속(magnetic flux)을 적절히 집속시켜 발생되는 강력한 흡착력으로 중량물이고, 곡선형 외부면을 갖는 강판코일을 자력으로서 간편하고, 안전하게 들어올려 이송할수 있는 영구자석을 이용한 코일권상기에 관한 것이다.

일반적으로 중량물을 들어올리거나 내리도록 크레인(미도시)의 후크에 매달려 사용되는 권상기(lifter)는 제철제강 관련 현장 및 철제품 제조현장에서 오래전부터 사용되어 오는 필수적인 운반용 장비이다.

종래에는 전자석(electromagnet)의 자력을 이용하여 철강제품인 중량물을 권상하여 운반하는 방식이 그 주류를 이루고 있으나, 전자석을 이용한 권상기는 다음과 같은 단점이 있다.

1) 전자석 권상기자체의 중량이 과도하게 무거워 권상기자체를 들어올리는 크레인(crane)의 용량이 동시에 커야 하며, 2) 전원인가시 발생되는 전자력을 이용하여 중량물을 권상하기 때문에，권상작업중 통전중이던 전기에너지가 끊어지면 엄청난 안전사고를 발생시키며, 3) 안전사고를 미연에 방지하기 위해서 짧은 주기의 정비가 뒤따라야 하고, 4) 정비보수 및 전기에너지를 항상 일정하고, 안정적으로 공급해야만 하기 때문에, 설비유지비가 과다하게 소요되는 문제점이 있었다.

한편, 상기 같은 많은 단점을 효율적으로 보완하고 동일한 권상능력을 가져효율적인 작업이 가능한 영구자석식 권상기는 다음과 같은 장점이 있다.

(1) 중량물을 자력으로서 권상한후 이동하는 작업도중에 전원공급이 불필요하며, (2) 중량물을 권하는 권상력에 비해 자체 중량이 탁월하게 가볍고,(3) 전자석식 권상기에 비해 보수 정비가 거의 필요없이 장기간 동안 사용이 가능하며, (4) 정전에 의하여 전기에너지의 공급이 중단되더라도 권상된 중량물이 추락되는 위험이 없다.

이러한 장점을 가진 영구자석식 권상기는 1980년대 부터 사용되어 왔는데, 두 가지 종류의 영구자석(고정 영구자석, 가변 영구자석)을 사용하여 권상하고자 하는 물체와 직접 접촉할 폴(pole)을 적절히 설계함으로써 강력한 흡착능력을 보이는 권상기를 제작하여 작업 현장에 사용되고 있다.(Michele Cardone et al., "Magnetic anchoring apparatus with quadrant pole arrangement", 미국특허 4,507,635, 1985 및 Magnetic gripping apparatus", 미국특허 4,847,582, 1989)

그리고, 최근 국내에서도 이러한 영구자석을 사용한 권상기가 발명되어 현장에 사용되고 있다.( 대한민국 특허출원 1995-68485호)

그러나, 이러한 종래의 권상기는 자력을 발생시키는 부위가 권상하고자 하는 중량물의 형상이 평판인 경우에 사용이 제한되도록 형성되어 있기 때문에, 냉연, 열연강판이 두루마리형태로 권취된 강판코일과 같이 곡면을 가진 중량대상물을 권상하는데는 어려움이 있어 그 사용이 슬라브와 같은 평판재로 한정되었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위하여 제안된 것으로서, 그 목적은 두루마리형태로 강판이 권취되어 곡선형 외부면을 갖는 강판코일과 같은 중량물을 영구자석의 자력으로서 간편하고, 안전하게 권상할 수 있는 영구자석을 이용한 코일 권상기를 제공하고자 한다.

도 1(a)(b)(c)는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기를 도시한 분해 및 조립사시도,

도 2(a)(b)(c)는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기를 도시한 단면도와 평면도,

도 3(a)(b)은 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기에 채용되는 어댑터를 도시한 정면도, 사시도,

도 4(a)(b)(c)(d)는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기에 채용된 영구, 가변영구자석의 자력선방향을 도시한 작동상태도,

도 5는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기를 도시한 사용상태도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

11 .... 어댑터12 .... 폴부재

13 .... 고정영구자석14 .... 가변영구자석

15 .... 전기코일15 .... 사각케이스

17 .... 고정용 볼트부재M ..... 두루마리형 강판코일

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 발명은

두루마리형 강판코일과 같은 중량물을 자력으로서 권상하도록 크레인에 장착되어 사용되는 권상기에 있어서,

상기 강판코일의 외부면에 전면이 밀착되는 어댑터를 상부면에 장착하여 자력선을 집속하는 좌우한쌍의 폴(pole)부재와,

상기 풀부재의 외부면을 둘러싸도록 부착되어 주자력선을 발생시키는 복수개의 고정영구자석과,

상기 폴부재의 하부면에 부착되어 부자력선을 발생시키는 가변영구자석의 외부면에 다수회 권취되고, 흡,탈착력을 조절하도록 전류흐름공급방향에 따라 자화방향으로 반전시키는 전기코일 및

상기 폴부재, 고정,가변영구자석이 수용되고, 자력선이 원활하게 이동하는 자로역활을 하는 사각케이스를 포함함을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 코일권상기를 마련함에 의한다.

이하, 본 발명을 도면에 따라서 보다 상세히 설명한다.

도 1(a)(b)(c)는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기를 도시한 분해 및 조립사시도이고, 도 2(a)(b)(c)는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기를 도시한 단면도와 평면도이며, 도 3(a)(b)은 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기에 채용되는 어댑터를 도시한 정면도, 사시도이고, 도 4(a)(b)(c)(d)는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기에 채용된 영구, 가변영구자석의 자력선방향을 도시한 작동상태도이고, 도 5는 본 발명에 따른 영구자석을 이용한 코일권상기를 도시한 사용상태도이다.

본 발명의 코일권상기(1)는 도 1 내지 5에 도시한 바와같이, 형상이 두루마리형태로 외부면이 곡선형으로 이루어진 두루마리코일과 같은 중량물을 영구자석의 자력으로서 흡착하여 이송하도록 크레인에 갖추어지는 것으로서, 이러한 권상기(1)는 폴부재(12), 영구, 가변영구자석(13)(14) 및 전기코일(15) 및 사각케이스(16)등으로 구성된다.

즉, 상기 폴부재(12)는 권상하고자 하는 두루마리형 강판코일과 같이 외부면이 곡선형으로 이루어진 강판코일에 전면이 밀착되는 어댑터(11)를 상부면에 장착하여 자력선을 집속하도록 좌우한쌍으로 갖추어지는 부재이며, 이러한 어댑터(11)와 폴부재(12)는 투자율이 높으며, 포화자화값도 매우 높으며, 탄소량이 0.03wt.% 이하인 극저탄소강으로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 폴부재(12)의 상부면마다 장착되는 어댑터(11)는 곡선형으로 이루어진 중량물의 외부면에 접하여 자력선을 고르게 전달하도록 호형으로 구성되며, 상기 어댑터(11)와 폴부재(12)의 몸체에는 고정용 볼트부재(17)가 관통될수 있도로 나사공(11a)이 관통형성된다.

또한, 상기 고정영구자석(13)은 직육면체로 이루어진 풀부재(12)의 외부면을둘러싸도록 부착되어 주자력선을 발생시키는 자석부재이며, 이러한 고정영구자석(13)은 고유보자력(iHc)이 8∼15 kOe, 잔류자속밀도(Br)가 8∼12 kG 범위를 가지며, 강력한 보자력과 전류자속밀도를 보이는 희토류계 영구자석인 Nd2Fe14B과 SmCo5 을 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 폴부재(12)의 하부면에는 부자력선을 발생시키는 가변영구자석(14)을 장착하고, 몸체에는 상기 어댑터(11)와 폴부재(12)를 관통하는 고정용 볼트부재(17)가 통과하는 나사공(14a)을 복수개 관통형성하며, 이러한 가변영구자석(14)은 보자력(Hc)이 700∼1500 Oe 범위이고, 잔류자속밀도(Br)가 10∼12 kG 범위이고, 전류자화밀도는 상당히 높으나 보자력은 작아 주위에 감겨져 있는 전기코일에 의해 자화반전이 용이하게 되는 얼니코(Alnico)자석으로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 전기코일(15)은 상기 폴부재의 하부면에 부착된 가변영구자석(14)의 외부면에 일방향으로 다수회 권취되고, 외부전원과 전기적으로 연결되어 이를 통하여 공급되는 전류의 흐름방향을 가변시킴으로서, 흡,탈착력을 조절하도록 자화방향을 반전시키는 있는 것이다.

여기서, 상기 전기코일(15)은 상기 크레인으로부터 인출되고, 전류공급방향의 전환이 가능한 전기도선(15a)과 연결된다.

그리고, 상기 사각케이스(16)는 상기 폴부재(12), 고정,가변영구자석(13)(14)들이 수용될 수 있는 충분한 내부공간을 갖는 수용부재이며, 상기 고정, 가변영구자석(13)(14)에 의해서 발생된 자력선이 원활하게 이동하는 자로역활을 하는 것으로서, 이러한 사각케이스(16)는 SS40 소재를 사용하여 구성한다.

여기서, 상기 가변영구자석(14)의 크기는 현존하는 제조 가능한 얼니코 영구자석의 최대크기인 100×100×100mm이므로 100×100×100mm와 100×100×50mm를 폴부재(122)의 단면적과 일치하도록 개수를 정하여 각 외부면에 조립하였다.

그리고, 상기 전기코일(15)을 상기 가변영구자석(14)의 외부면에 권선할 때 상기 전기코일(15)의 손상을 방지하도록 상기 가변영구자석(14)의 각 모서리를 라운딩가공하는 것이 바람직하며, 상기 폴부재(12)의 어댑터(11)에 중량물이 흡착되어 권상할 경우, 상기 중량물의 하중에 의해 상기 폴부재(12)가 분리되지 않도록 상기 어댑터(11), 폴부재(12) 및 가변영구자석(14) 및 사가케이스(16)의 바닥면을 관통하는 고정용 볼트부재(17)가 복수개 장착되며, 그 단부에는 너트부재(17a)가 체결된다. 이러한 볼트부재(17)의 재질은 SCM435(Cr-Mo)이고, 항복강도가 95 kg/mm²이면 적합하며, 직경은 안전율을 고려하여 16mm 이상이고, 20개 이상을 사용하는 것이 안전하다.

또한, 상기 권상기(1)를 조립하는 순서는 사각케이스(16)에 가변영구자석(14)을 위치시키고, 상기 가변영구자석(14)을 충분히 자화반전시킬 수 있도록 전기코일(15)을 권선한 다음 실리콘 루버(silicon rubber)로 몰딩(molding)한다.

그리고, 상기 가변영구자석(14)의 상단에 어댑터(11)를 갖는 폴부재(12)를위치시킨 다음, 서로 일치하는 나사공(11a)(14a)을 통하여 볼트부재(17)를 삽입하여 너트부재(17a)를 체결하는 한편, 상기 폴부재(12)의 외부면에 고정영구자석(13)을 설계된 자화방향과 동일하게 적층하여 장착한다.

연속하여 조립작업이 완료된 후 상기 사각케이스(16)의 빈공간인 남아 있는 모든 부분은 실리콘(silicon rubber)로 몰딩되고, 상기 영구자석을 이용한 권상기 패케이지(package)를 몰딩재로 완전히 봉입 후 사각케이스(16)내부를 완전히 밀봉하면서 자속이 흐르는 권상기(1)의 본체와 자기적으로 불연속이 되도록 상기 사각케이스(16)와 폴부재(12)의 틈새를 비자성 스테인레스인 SUS 304 판재(19)로서 완전히 밀봉한다.

이러한 권상기(1)의 설계에 있어 고정 및 가변 영구자석(13)(14)의 적층높이, 상기 사각케이스(16)의 두께, 폴부재(12)의 치수등이 흡착력과 탈착력을 결정하는데 중요한 변수가 됨에 따라, 이하에서는 최적설계치를 결정한 과정을 설명한다.

영구자석을 이용한 권상기를 설계할 때 유한 요소법에 근거한 상용 프로그림인 오페라(Opera)-3D라는 프로그램을 이용하여 실제 치수대입에 의한 3차원적 전산모사에 의해 흡착력과 탈착력을 계산하였다. 그 결과를 하기의 표1 에 나타내었다.

이를 종합하여 분석한 결과, 폴부재(12)의 치수는 100×35×24 cm, 가변영구자석(14)의 치수는 110×35×10cm, 고정 영구자석(13)의 치수는 110×5×125, 5×35×12.5 cm로 결정하는 것이 좋다.

폴부재(cm)	가변영구자석(cm)	고정영구자석(cm)	사각케이스 두게 (cm)	흡착력(ton force)	탈착력(ton force)
110×35×24	110×35×10	110×5×105×35×10	3	57.261	2.891
100×40×24	100×40×10	100×5×105×40×10	5	64.636	2.981
110×35×24	110×35×10	110×5×105×35×10		70.225	2.749
110×35×24	110×35×10	110×5×105×35×10	8	86.992	4.129
110×35×24	110×35×10	110×5×12.55×35×12.5		95.777	0.858

또한, 본 발명의 권상기(1)에서 상기 어댑터(11)의 설계와 구성은 매우 중요한 요소로서 그 형태와 치수는 실제 생산되어 권취된 냉연코일의 반경을 고려하여 결정하였다. 냉연강판코일의 경우 권취되는 코일의 최대반경(r)은 1025mm이며, 최소반경은 550mm이다.

그러나, 각 두루마리형 강판코일의 반경에 맞추어 그에 적합한 어댑터(11)를 교체하여 사용할 경우, 소요되는 시간에 의해 작업 능률이 크게 저하되므로 본 발명에서는 최대 반경에 맞는 어댑터(11)를 부착한 후 최소반경까지의 권상능력을 전산모사를 통하여 계산하였다. 그 결과를 하기 표 2에 정리하였다.

코일반경(mm)	에어갭(mm)	권상력 (ton force)
10254	0.1	61.0
	10	21.2
	16	9.5
800	0.1	50.8
	10	9.42
550	0.1	29.0
	10	5.4

상기 표 2에서 두루마리형 강판코일의 각 반경에 해당하는 자체 중량을 고려할 때 상기 어댑터(11)와 두루마리형 강판코일의 접촉하는 간격이 0.4 mm이하에서는 안전율 2배 이상에서 충분히 사용가능 함을 확인하였다.

상기와 같은 권상기(1)의 사각케이스(16)의 내부공간에 어댑터(11)를 갖는 폴부재(12), 영구고정자석(13), 전기코일(15)이 권취된 가변영구자석(14)을 내장하여 구성한 상태에서 중량물인 강판코일(M)을 권상하는 작업은, 도 5에 도시한 바와같이, 상기 사각케이스(16)의 밀페된 하부면에 장착된 고리(16a)를 상방으로 하여 이를 크레인(미도시)의 후크(K)에 걸어 매달면, 상기 사각케이스(16)의 최상부에 있던 어댑터(11)가 최하부로 위치전환되면서 곡선형 외부면을 갖는 강판코일(M)과 대응한다.

이러한 상태에서, 상기 강판코일(M)의 외경에 맞추어 장착된 어댑터(11)가 강판코일외부면에 밀착됨과 동시에 상기 사각케이스(16)내에 탈락이 곤란하도록 수용된 고정, 가변영구자석(13)(14)의 자력에 의한 흡착력에 의하여 상기 강판코일(M)를 확고히 흡착한다.

이때, 도 4(a)(b)에 도시한 바와같이, 자화방향으로 나타나는 화살표의 시작점은 S극이며, 끝점은 N극으로 하고, 강판코일에 흡착하는 작업을 설명하면, 상기 영구고정자석(13)의 상단부분은 자화방향이 모두 중심에서 벗어나는 방향으로 배열되고, 하단의 경우 중심을 향해 모이는 방향으로 배열된다. 그리고, 상기 고정영구자석(13)의 하단에 위치하는 가변 영구자석(14)의 자화 방향은 역시 상단은 중심에서 멀어지는 방향, 하단은 중심으로 향하는 방향으로 배치되기 때문에, 중량물인 강판코일(M)을 흡착하여 들어올릴수 있는 것이다.

한편, 상기 고정 영구자석(13)의 자화방향은 최초 배열한 방향에서 불변이고 하단의 가변영구자석(14)은 그 주위에 감겨진 전기코일(15)에 공급되는 전류공급방향에 따라 자화방향이 흡착과 탈착의 사용목적에 따라 가변된다.

이에 따라, 상기와 반대로 상기 권상기(1)의 강판코일(M)을 분리하기 위한 탈착시에는 도 4(c)(d)에 도시한 바와같이, 상기 가변영구자석(14)에 권취된 전기코일(15)측으로 공급되는 전류공급방향을 반대로 하면, 상기 고정영구자석(13)의 상단부분은 자화의 방향이 모두 중심으로 향하는 방향으로 배열되고, 하단의 경우에는 중심에서 멀어지는 모이는 방향으로 배열된다. 그리고 상기 고정영구자석(13)의 하단에 위치하는 가변 영구자석(14)의 자화방향은 역시 상단은 중심으로 향하는 방향, 하단은 중심에서 멀어지는 방향으로 배치된다.

이에 따라, 중량물인 강판코일을 목적하는 장소에 안착시킨상태에서 상기 권상기와 강판코일을 서로 분리할수 있는 것이다.

상술한 바와같은 본 발명에 의하면, 자화력이 큰 영구자석과 투자율이 큰 연자성 재료의 폴및 요크를 조합하여 고정, 가변영구자석에서 발생하는 자속을 적절히 집속시켜 발생되는 강력한 흡착력으로서 곡선형 외부면을 갖는 코일을 간편하고, 안전하게 들어올릴수 있기 때문에, 종래와 같이 전기에너지의 공급중단에 의해서 중량물이 추락되는 안전사고의 발생염려가 없고, 자체중량을 현저히 줄일수 있는 한편, 설비유지비가 적게 소요되는 효과가 얻어진다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (5)

1. 두루마리형 강판코일(M)과 같은 중량물을 자력으로서 권상하도록 크레인에 장착되어 사용되는 권상기에 있어서,

   상기 강판코일(M)의 외부면에 전면이 밀착되는 어댑터(11)를 상부면에 장착하여 자력선을 집속하는 좌우한쌍의 폴(pole)부재(12)와,

   상기 풀부재(12)의 외부면을 둘러싸도록 부착되어 주자력선을 발생시키는 복수개의 고정영구자석(13)과,

   상기 폴부재(12)의 하부면에 부착되어 부자력선을 발생시키는 가변영구자석(14)의 외부면에 다수회 권취되고, 흡,탈착력을 조절하도록 전류흐름공급방향에 따라 자화방향으로 반전시키는 전기코일(15) 및

   상기 폴부재(12), 고정,가변영구자석(13)(14)이 수용되고, 자력선이 원활하게 이동하는 자로역활을 하는 사각케이스(16)를 포함함을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 코일권상기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 어댑터(11)와 폴부재(12)는 투자율이 높으며, 포화자화값도 매우 높으며, 탄소량이 0.03wt.% 이하인 극저탄소강으로 이루어짐을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 코일권상기.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 고정영구자석(13)은 고유보자력(iHc)이 8∼15 kOe, 잔류자속밀도(Br)가 8∼12 kG 범위를 가지며, 강력한 보자력과 전류자속밀도를 보이는 희토류계 영구자석인 Nd2Fe14B과 SmCo5 으로 구성되고, 상기 가변영구자석(14)은 보자력(Hc)이 700∼1500 Oe 범위이고, 잔류자속밀도(Br)가 10∼12 kG 범위이고, 전류자화밀도는 상당히 높으나 보자력은 작아 주위에 감겨져 있는 전기코일에 의해 자화반전이 용이하게 되는 얼니코(Alnico)자석으로 구성됨을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 코일권상기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 가변영구자석(14)의 각 모서리는 상기 전기코일(15)을 상기 가변영구자석(14)의 외부면에 권선할 때 상기 전기코일(15)의 손상을 방지하도록 라운딩가공함을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 코일권상기.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 어댑터(11)의 상부면은 곡선형으로 이루어진 강판코일의 외부면에 밀착되도록 호형으로 구성됨을 특징으로 하는 영구자석을 이용한 코일권상기.