KR20090036759A - 코일 권상용 자석장치 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자석식 권상장치에 관한것으로서 일반적으로 코일(Coil)이라고 불리는 두루말이 형태로 감겨진 철강재를 코일 외경의 변화에 관계없이 하나의 자석을 이용하여 눕혀진 수평상태로 인양 할 수 있도록 한 것이다

자석의 자극은 코일의 가장 큰 외경에 맞추어 제작되지만 코일의 외경이 작아지면 폐쇄 상태인 자기 루프가 개방 상태가 됨으로 인하여 자기력의 손실이 커지는 데 이를 상쇄하기 위하여 매우 큰 흡착력을 가진 자석을 사용하지만 힘이 집중됨을 인하여 코일 강판의 변형이 발생하고 동시에 자석 자체하중이 커진다

본 발명에서는 여러개의 단위 자석을 조합하여 다중 마그네트 폐쇄 루프(Multi Magnet Closed Loop)를 형성토록 함으로서 흡착력을 분산시켜 코일이 변형되지 않으면서도 자체 하중이 가볍고 동시에 코일의 외경이 다양하게 변함에도 하나의 자석으로 인양할 수 있는 장치에 대한 것이다

또한 코일의 재질에 따라 코일이 변형되지 않도록 적정한 흡착력을 갖도록 착자하는 제어 기능을 가진 자석에 관한 것이다

마그네트 루프, 코일, 단위자석

Description

코일 권상용 자석장치 어셈블리{Coil Lifting magnet Assembly}

(그림 1) : 자석의 측면 구조도 조립된 외형

(그림 2) : 조립된 상태의 외형도

(그림 3) : 단위 자석이 조립된 얼개와 최대 직경 인양시 자석의 상태에 대한 설명도

(그림 4) : 자석의 자극 내경보다 직경이 작은 코일 인양시 단위 자석들의 움직임 상태 설명도

(그림 5) : 단위 자석 구조

(그림 5-1) : 단위 자석의 자극 구조에 대한 설명도

(그림 6) : 2극 자석에서 코일 외경이 자극의 내경보다 작은 경우 선접촉 상태, 공극, 힘의 분석 설명도

(그림 7) : 기존 자석에서 코일 외경이 자극의 내경과 동일한 상태에서 미치는 힘의 분포 설명과 강판 변형도

(그림 8) : 자석 위치 및 속도 제어 장치 블록 개념도

＜ 도면의 주요 부분에대한 설명 ＞

1. 자석 상부 덮개 2. 중앙부 자석-1

3. 중앙부 자석-2 4. 외곽부자석-1

5. 외곽부 자석-2 6. 측판겸 지지틀

7. 중앙부 자석 버팀 축 8. 외곽부 자석 버팀축

9. 외곽부 보조 자극 10. 중앙부 보조 자극

11. 자석 기울어짐 안내구 12. 자석 기울어짐 방지핀

13. 충돌 방지핀 14. 자극판

15. 자극 보강 환봉 16. 인양고리

17, 마이크로 컴퓨터 18. 센서류

일반적으로 철판재를 수송하기 위하여 두루마리 모양으로 감아진 코일을 고리를 이용하여 인양, 이동하고 있다

이러한 고리를 이용한 코일 인양 방식에서는

1) 저장시 코일사이에 고리가 이동할 공간이 필요하므로 저장 공간 이용율이 낮고

2) 고리에 집중 하중이 걸림으로 코일의 휘어짐에 의한 변형이 문제가 되어 품질 문제가 야기된다

일반적으로 코일 인양용 자석은 특정한 외경의 코일에 맞도록 자극의 내경은 일정한 규격으로 고정되어 있으며 코일의 직경 변화가 50mm 이내에서는 사용 할 수 있으나 이보다 더 크게 변하면 자극의 직경이 다른 자석을 사용하여야 한다

따라서 외경이 다양하게 변하는 코일에 자석을 사용하려면 자극의 직경이 다른 여러 개의 자석이 필요하게 되고 코일 외경에 따라 자석을 바꾸는 절차도 필요하므로 장치 비용과 작업 효율이 또 다른 문제가 된다

자석의 또 다른 문제점은 강력한 흡착력으로 인하여 두께가 매우 얇은 1mm 이하의 박판의 경우 자극에 맞닿는 외곽 부분의 몇겹이 휘어져 변형되는 부풀어짐 현상이 발생한다 (그림7)

강판 변형이 발생하면 망가진 부분은 버릴 수밖에 없어 제품을 구매하여 사용하는 입장에서는 손실이므로 비경제적이며 상품으로 판매하는 입장에서는 품질 문제가 된다

현재 사용되고 있는 자석의 N극과 S극은 강자성체 재질로 이루어진 일체형 자극을 사용하는데 자극 표면에서의 자력 분포는 자극의 모서리 부분에서는 강하고 중심부에서는 약한 현상이 나타나는 데 이를 모서리 효과 (Edge Effect)라 한다

특히 N극과 S극이 마주하는 모서리와 공간부분에는 자속밀도가 다른 모서리 부분에 비해 높아 흡착력 쏠림 현상이 나타난다

자기 회로는 자속(Magnet Flux)이 N극 - 피인양물체 - S극 - 계자 - N극 으로 순환하는 연속된 회로를 말하며 이때 자극과 피인양물 사이의 접촉 단면적과 공극에 따라 흡착력의 크기와 효과가 결정된다

자석의 흡착력은 자극면과 피흡착물간의 접촉 면적과 자력의 세기에 비례한다

F = 4 x A x B²

F ; 흡착력

A : 접촉 면적

B : 자계의세기 (자속밀도)

여기에서 자극면과 피흡착물 사이에 인해 공간이 생기면 폐쇄되었던 자속 루프는 개방 상태가 되어 흡착력은 그만큼 감소하는 데 이를 공극( Air Gap ) 이라 한다 (그림6)

자기 회로는 선접촉만으로도 구성될 수 있으나 자속이 통과하는 경로의 단면적 까지 포함하는 폐쇄 루프가 형성되어야 흡착력은 효과적으로 작용한다

일반적인 평판형 철재 권상용 자석에서 자극 표면이 전체적으로 피흡착물과 평균 공극 1mm 이내로 닿아있으면 면접촉으로 폐쇄 루프가 형성된 상태이므로 흡착력이 충분히 작용되는 것이다

코일의 경우에도 자극 내경과 코일 외경이 일치하면(그림7) 공극은 1mm 이내이고 루프가 폐쇄된 상태이므로 자극면에서 흡착력이 충분히 작용하지만 이때

가) 자극과 코일 표면간에 작용하는 흡착력,

나) N극에서 S극으로 향하는 자기력과

다) 코일을 수직으로 들어올리는 인양력이 작용한다

가), 나)와 다)의 벡터적으로 합성된 힘이

(가) 코일의 접선 방향으로 작용하여 철판을 당기는 힘으로 작용하고 (그림 6, 7)

(나) N극에서 S극으로 직접 작용하는 힘은 양극 모서리간에 직선으로 작용하므로 모서리 사이에서 일정한 각도로 접촉된 원호의 일부를 찌그러트리게 된다

(다) 이에 따라 합성력의 크기가 철판의 탄성 항복점 보다 크면 강판은 늘어지고 변형된다 (그림7)

두루말이형 코일의 경우 외경이 작아짐에 따라 자극표면과 코일 원주는 자극의 모서리에서 선 접촉 상태가 되면서 (그림6) 자석과 코일 표면간의 공극이 커지게 되는 데 이때 자기회로는 개방된 루프 상태가 되어 그만큼 자기력이 상실되므로 일반적으로 자석은 공극에 의해 상실된 자기력을 보상하기 위해 그만큼 흡착력을 크게 만들게된다

이렇게 강화된 자석의 흡착력 대부분이 자기 회로가 형성되는 접촉된 모서리에 집중되는 극심한 힘의 쏠림 현상이 발생하여 코일의 부풀림 현상은 더욱 심해진다

자동차용 냉연 강재는 인장강도가 구조용 열연 철판에 비해 80％정도이므로 (400kg/mm²: 270kg/mm² ) 이러한 부풀림 현상이 더욱 쉽게 발생한다

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로 최소 외경과 최대 외경이 2배 이상인 코일을 외곽 원주 부분의 강판에 변형없이 인양하는 하나의 자석식 권상기 어셈블리장치를 제공하는 데 목적이 있다

따라서 본 발명은 상기 목적을 이루기위해 강한 자석 하나보다는 약한 여러개의 단위 자석을 사용하고 각 단위 자석은 개별 고정축에 의해 고정되므로 원주의 변화에 따라 기울어지게 된다

또한 각 단위 자석은 N극과 S극의 길이가 다르게 되어 원주에 따라 알맞은 구조를 갖추고 있다

자극의 최대 내경 보다 작은 코일을 인양할 때 각 단위 자석은 고정된 축을 중심으로 기울어지게 되며 이때 자극 끝단부와 코일 원주사이의 공극은 자석에 설치된 보조 자극에 의해 폐쇄되므로 자기 회로는 폐쇄된 루프를 형성 할 수 있다

코일의 외경이 매우 작은 경우 중앙부 자석 2개만 접촉되어 인양에 사용되고 이때에는 중앙부 자석에 설치된 보조 자극에 의해 폐쇄된 자기회로와 루프가 형성될 수 있다

또한 본 발명은 상기 목적을 이루기위해

여러개의 단위 자석을 사용함으로서 흡착력을 분산시켜 힘의 집중으로 인한 코일 강판의 변형이 없도록 하고 운전시 하강 속도 조정을 통해 자석 어셈블리와 코일간의 충격으로 인한 손상 방지와 중심 조정으로 힘의 분포를 고르게하는 제어 장치와 코일의 재질과 무게, 크기에 따라 알맞은 자화력을 제공하도록 하는 제어 장치를 구비한 자석 어셈블리를 제공한다

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는

4개의 자석을 (2),(3),(4),(5) 사용하되 중앙부자석(2),(3) 2개는 하나의 중 앙부 자석 버팀축(7)에 의해 고정되어 Coil 의 외경의 변화에 따라 적절히 기울어지게 되고 외곽부 자석(4),(5) 2개는 중앙부 자석과 공간을 유지하며 여기에 설치된 외곽부 자석 버팀축(8)에 의해 Coil 의 외경에 따라 기울어지는 것을 특징으로 한다 (그림 1,2,3,4 )

각각의 자석 버팀축(7),(8),(9)은 자석의 좌우에 설치되는 측판겸 지지틀(6)에 고정되어 전체 자석 조립품을 지지하며 네 개의 각 단위 자석의 측판부에는 자석 기울어짐 방지 핀(12)이 설치되고 측판 겸 지지틀(6)에는 이 방지핀이 움직일 수 있는 안내구(11)가 설정되어 과도하게 기울어짐을 방지하고 자석과 자석 사이의 공간에는 충돌 방지핀(13)을 설치하여 자석간의 충돌과 손상을 방지하는 것을 특징으로 한다(그림 1,3,4)

중앙부자석(2),(3)과 외곽부 자석(4),(5) 사이의 공간 아래쪽에는 외곽부 자석 버팀축(8)과 함께 중앙부 보조자극(10)이 있고 외곽부자석(4),(5) 바깥 부위에는 외곽부 보조자극(9)이 설치되는 데 중앙부 보조자극(10)은 상하로 움직이는 구조이고 외곽부 보조자극(9)은 굽어지는 구조로 되어 Coil 외경의 변화에 따라 발생하는 공극을 메꾸면서 동시에 폐쇄 자속루프를 형성토록 하여 흡착력이 최대한 작용하도록 하는 것을 특징으로 한다(그림3,4)

각 단위 자석은 자석 상부 보강판(1),자극판(14)과 자극 보강환봉(15) (그림5)으로 구성되며 자극판은 두께 6mm 이내의 얇은 고투자율의 강판을 이용하여 코일 외경에 맞도록 길이가 다르게 조립되며 코일 외경에 따라 계단식으로 형성되는 자극에는 자극보강환봉(15)(그림5)을 설치하여 공극을 최소화 하는 것을 특징으로 한 다

자석을 운전함에 있어 하강시 Coil 충격이 없도록 부드럽게 접촉되도록하고 자석과 코일의 중심이 일치하도록 하는 센서들(19)과 여러 센서에서 획득한 신호를 처리하여 하강 속도와 이동 변위를 계산하여 이를 크레인 제어에 반영하도록 하는 마이크로 컴퓨터(17) 장치를 갖춘 제어반을 설치하는 것을 특징으로 한다(그림8)

자화력은 코일의 크기, 재질, 무게에 따라 알맞게 조절할 수 있는 제어장치를 갖춘 것을 특징으로한다

본 발명으로 외경이 크게 다른 여러 종류의 코일을 하나의 자석 조립품으로 인양할 수 있고 박판 코일 인양시 발생하던 강판 변형 현상을 방지하며 공극으로 발생한 손실 때문에 과도하게 큰 자석을 만들지 않아도 된다

Claims (5)

1. 코일 외경의 크기에 관계없이 인양하는 자석식 장치에 있어서,

   코일 원주를 따라 배치되는 다수의 전자석 권상기용 자석 또는 다수의 영구 자석식 권상기용 방식 단위 자석들과

   이 자석들을 지지하는 측판겸 지지틀과,

   각 단위 자석들은 측판겸 지지틀에 고정하면서 동시에 이 축을 중심으로 코일 외경에 따라 자석이 자유롭게 기울어지도록 하는 자석 버팀축과,

   상기 자석은 일정한 범위에서만 기울어지도록 하는 자석 기울어짐 안내구와 핀과,

   자석간의 충돌을 방지하고 동시에 2차적으로 과도한 기울어짐을 방지하는 충돌 방지핀과,

   코일의 직경이 작은 경우 자극의 끝단부와 코일사이의 빈공간을 연결하는 보조자극과,

   자석 하강시 중심 조정과 하강속도를 조정 할 수 있도록 센서와 이의 신호를 받아 크레인의 제어를 위한 이동 변위량을 산출하는 마이크로컴퓨터를 내장한 제어 장치를 가진 제어반과,

   사전 계산된 수치에 의거 코일의 재질과 중량별로 필요한 인양 자기력 만큼만 인가하도록 하는 자화력 제어 장치와

   자력 상태를 검지하여 인양 가능성을 판단하는 장치를 구비한 코일 인양용 자석 장치
2. 제1항에 있어서,

   각 단위 자석의 자극은 고투자율의 두께 6mm 이내의 박판을 적층하여 구성함으로서 자극의 모서리 부분과 중심 부분간의 자속 분포 격차를 줄이도록한 구조
3. 제1항에 있어서,

   보조 자극은 Coil의 크기에 따라 접촉이 쉽게되도록 구부려질 수 있도록 한 구조
4. 제2항에 있어서,

   N,S극으로 구성되는 자극의 길이는 코일 외경에 알맞도록 길이가 각각 다르게된 것이 특징인 구조
5. 제2항에 있어서,

   코일 외경에 알맞도록 자극면이 계단식으로 형성되고 계단으로 형성된 공극을 환봉 또는 기타 자성 물질로 채운 구조

Images