KR20160052162A - 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 부상 스테이지 장치에 사용되는 가동자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자극의 방향이 상하면에 위치하는 사각기둥 형상의 제1종 영구자석과 자극의 방향이 측면에 위치하는 육각기둥 형상의 제2종 영구자석을 2차원 할바흐 배열(Halbach array) 형태로 배치함에 따라 제1종 영구자석과 제2종 영구자석의 사이에 비자성체로 채워지는 스페이스가 존재하지 않게 함으로써 자속의 왜곡을 최소화하여 정밀한 위치 제어를 가능하게 하는 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자에 관한 것이다.
이러한 본 발명은 자극의 방향이 상하면에 위치하고 사각기둥(육면체) 형상으로 형성된 복수 개의 제1종 영구자석과, 자극의 방향이 측면에 위치하고 육각기둥 형상으로 형성된 복수 개의 제2종 영구자석으로 배열되는 것을 특징으로 하는 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자를 기술적 요지로 한다.

Description

비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자{Movable element having a two-dimentional Halbach array with no space filled with non-magnetic material}

본 발명은 자기 부상 스테이지 장치에 사용되는 가동자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자극의 방향이 상하면에 위치하는 사각기둥 형상의 제1종 영구자석과 자극의 방향이 측면에 위치하는 육각기둥 형상의 제2종 영구자석을 2차원 할바흐 배열(Halbach array) 형태로 배치함에 따라 제1종 영구자석과 제2종 영구자석의 사이에 비자성체로 채워지는 스페이스가 존재하지 않게 함으로써 자속의 왜곡을 최소화하여 정밀한 위치 제어를 가능하게 하는 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자에 관한 것이다.

일반적으로 자기 부상 스테이지(magnetic levitation stage)는 가동자와 코일의 작용에 따라 상호 간에 발생하는 반발력과 흡입력을 이용하여 자기 부상 열차의 주행수단이나 반도체 제조설비의 이송수단 등으로 응용되는 장치이다.

이러한 자기 부상 스테이지를 구성하는 가동자는 복수 개의 영구자석을 일정한 배열 형태로 배치하여 구성한 것인데, 배열 형태에 따라 크게 영구자석이 일자 형태로 배열되는 1차원 배열과 영구자석이 매트릭스 형태로 배열되는 2차원 배열로 구별되고 있다.

여기서 2차원 배열은 1차원 배열에 비하여 상대적으로 더 넓은 면적을 제공하면서 대면적 형태로 구성 가능한 이점이 있으므로 가동자의 자석 배열로 주로 사용되고 있다.

한편 2차원 배열 중에서도 자석 배열이 규칙적이면서 논리적인 2차원 할바흐 배열(Halbach array)을 주로 많이 사용되고 있는데, 이는 도 1에 도시된 바와 같이 자극의 방향이 상하면에 위치하는 사각기둥 형상의 제1영구자석(66)을 일정간격을 두고 홀수 열과 짝수 열이 엇갈리도록 복수 개의 행과 열로 배열하고 제1영구자석(66)의 측면에 자극의 방향이 측면에 위치하는 사각기둥 형상의 제2영구자석(62,64)을 배열한 형태를 가진 것이다.

그러나 2차원 할바흐 배열은 상기와 같이 제1영구자석(66)과 제2영구자석(62,64)이 모두 사각기둥 형상으로 구성되어 상기와 같은 형태 배열됨에 따라 열 상에서 이웃하는 두 개의 제1영구자석 사이와 행 상에서 이웃하는 두 개의 제1영구자석의 사이에는 배열 규칙에 따라 자극의 방향을 결정하지 못하는 빈 공간의 스페이스(68)가 존재하게 된다.

이러한 스페이스는 2차원 할바흐 배열이 유지되도록 제1영구자석 및 제2영구자석의 형상과 대응되는 사각기둥 형상의 비자성체 금속으로 채워질 수밖에 없다.

그러나 상기와 같이 비자성체 금속을 채운 스페이스(68)는 자극이 존재하지 않아 제1영구자석(66) 및 제2영구자석(62,64)에 의한 자속 흐름에 왜곡을 유발시킴으로써 가동자(60)가 가동될 때 갑작스런 변곡 현상이 일어나면서 위치제어가 정밀하게 이루어지지 않는 문제점이 있다.

미국 특허등록공보 제05631618호, 1997.05.20.자 등록.

본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로서, 영구자석을 일정한 형태로 배열하여 가동자를 구성함에 있어 2차원 할바흐 배열에 존재하는 스페이스에 의한 유발되는 자속 흐름의 왜곡을 해소하여 정밀한 위치제어가 가능하도록 하기 위하여 자극의 방향이 상하면에 위치하는 사각기둥 형상의 제1종 영구자석과 자극의 방향이 측면에 위치하는 육각기둥 형상의 제2종 영구자석을 2차원 할바흐 배열(Halbach array)로 배치한 구조를 가지는 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자는 자극의 방향이 상하면에 위치하고 사각기둥(육면체) 형상으로 형성된 복수 개의 제1종 영구자석과, 자극의 방향이 측면에 위치하고 육각기둥 형상으로 형성된 복수 개의 제2종 영구자석으로 배열되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1종 영구자석은 홀수 열과 짝수 열이 엇갈리면서 교대로 반복되는 형태로 배열되고 상기 제2종 영구자석은 상기 제1종 영구자석이 상기 제1종 영구자석의 사이사이에 대각선 방향으로 배열되되 상기 제1종 영구자석의 각 측면에는 상기 제2종 영구자석의 제1측면 또는 제2측면이 밀착되고 상기 제2종 영구자석의 제3측면 내지 제6측면 중의 한 측면에는 이웃하게 배열된 상기 제2종 영구자석의 제3측면 내지 제6측면 중의 한 측면이 밀착되는 것을 특징으로 한다.

상기 홀수 열의 제1종 영구자석과 짝수 열의 제1종 영구자석의 상하면에 각각 위치하는 자극의 방향은 서로 반대가 되도록 구성되고 상기 제2종 영구자석의 각 측면에 위치하는 자극의 방향은 상기 제1종 영구자석의 상하면에 위치하는 자극의 방향에 맞게 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1종 영구자석과 상기 제2종 영구자석은 평면 형태로 배열되어 평판 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 제1종 영구자석과 상기 제2종 영구자석은 상면과 하면은 상호 동일한 면적으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1종 영구자석과 상기 제2종 영구자석은 곡면 형태로 배열되어 원통 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 평면 형태로 배열되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1종 영구자석과 상기 제2종 영구자석은 상면과 하면은 곡면을 이루면서 상기 상면이 상기 하면보다 상대적으로 더 큰 면적으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성에 의한 본 발명은, 영구자석의 형태에 따라 2종으로 구분하여 2차원 할바흐 배열 형태(Halbach array)로 배열하여 구성함에 따라 기존의 2차원 할바흐 배열에서 발생하는 비자성체 금속이 채울 수밖에 없는 스페이스를 제거함으로써 스페이스로 인한 자속 흐름의 왜곡을 해소하여 가동시 위치제어를 정밀하게 할 수 있는 효과가 기대된다.

도 1은 종래의 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자를 도시한 평면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자를 도시한 평면도.
도 3은 도 2의 제1종 영구자석과 제2종 영구자석을 도시한 입체도.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자를 도시한 사시도.
도 5는 도 4의 제1종 영구자석과 제2종 영구자석을 도시한 입체도.

본 발명에 따른 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자는 자기 부상 열차의 주행수단이나 반도체 제조설비의 이송수단 등으로 응용되는 자기 부상 스테이지의 구성 요소로서 코일과의 사이에서 발생하는 흡인력과 반발력에 의해 위치 제어되는 가동 장치이다.

특히, 본 발명에 따른 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자는 종래의 2차원 할바흐 배열(Halbach array)에 존재하는 비자성체 금속으로 채워지는 스페이스를 제거하여 스페이스에 의해 유발되는 자속 흐름의 왜곡 현상을 해소함으로써 정밀한 위치제어가 가능한 것이 특징이다.

이러한 특징은, 자극의 방향이 상하면에 위치하는 제1종 영구자석은 사각기둥 형상으로 구성하고 자극의 방향이 측면에 위치하는 제2종 영구자석은 육각기둥 형상으로 구성하여 2차원 할바흐 배열 형태로 배열한 구조에 의해 달성된다.

이에 따라 2차원 할바흐 배열에도 불구하고 제2종 영구자석의 육각기둥 형상에 의해 스페이스가 제거됨으로써 위치제어시 갑작스런 변곡 형상이 발생하지 않아 정밀한 위치제어가 가능하게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자를 도시한 평면도이고, 도 3은 도 2의 제1종 영구자석과 제2종 영구자석을 도시한 입체도이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자를 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4의 제1종 영구자석과 제2종 영구자석을 도시한 입체도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자(100)는 도 2 및 3과 같이 자극의 방향이 상하면(110A, 110B)에 위치하고 사각기둥 형상(육면체 형상)으로 형성된 복수 개의 제1종 영구자석(110)과, 자극의 방향이 측면(120C~120H)에 위치하고 육각기둥 형상으로 형성된 복수 개의 제2종 영구자석(120)을 2차원 할바흐 배열 형태로 배열하여 구성한 것이다.

이때 제1종 영구자석(110)은 도 2와 같이 홀수 열(L1, L3, L5, L7)과 짝수 열(L2, L4, L6)이 교대로 반복하는 형태로 배열된다. 단, 홀수 열의 제1종 영구자석(110)과 짝수 열의 제1종 영구자석(110)은 좌우로 엇갈리는 형태로 배열된다. 즉, 짝수 열의 제1종 영구자석(110)은 인접하는 홀수 열의 제1종 영구자석(110)의 사이에 위치하도록 배열된다.

그리고 제2종 영구자석(120)은 도 2와 같이 제1종 영구자석(110)의 사이사이에서 대각선 방향(C1, C2)으로 배열되면서 제1종 영구자석(110)의 측면과 밀착된다.

즉, 한 개의 제1종 영구자석(110)마다 네 개의 제2종 영구자석(120)이 밀착되도록 배열된다. 단, 제1종 영구자석(110)의 측면과 제1종 영구자석(110)이 이루는 열이 이루는 각도가 90도 이내의 내각 범위에서 바람직하게는 45도가 되도록 제1종 영구자석(110)을 배치한 상태가 되어야 한다.

또한 제1종 영구자석(110)의 각 측면에는 제2종 영구자석(120)의 제1측면(120C) 또는 제2측면(120D)이 밀착되고, 제2종 영구자석(120)의 제3측면 내지 제6측면(120E~120H) 중의 한 측면에는 이웃하게 배열된 제2종 영구자석(120)의 제3측면 내지 제6측면(120E~120H) 중의 한 측면이 밀착된다.

단, 제2종 영구자석(120)의 제1측면(120C)은 제1종 영구자석(110)의 측면과 맞닿는 측면으로, 제2측면(120D)은 상기 제1측면(120C)과 대향되는 측면으로, 제3측면(120E)과 제4측면(120F)은 상기 제1측면(120C)과 제2측면(120D)의 일측 사이에 위치하는 측면으로, 제5측면(120G)과 제6측면(120H)은 상기 제3측면(120E)과 제4측면(120F)에 각각 대향되는 측면으로 정의된다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이 제1종 영구자석(110)의 홀수 열(L1, L3, L5, L7)은 자극의 방향이 상면(110A)에서 하면(110B)으로 향하는 S극으로, 제1종 영구자석(110)의 짝수 열(L2, L4, L6)은 자극의 방향이 하면(110B)에서 상면(110A)으로 향하는 N극으로 구성된다.

도시하지 않았지만 상기와 반대로 제1종 영구자석(110)의 홀수 열(L1, L3, L5, L7)은 자극의 방향이 하면(110B)에서 상면(110A)으로 향하는 N극으로, 제1종 영구자석(110)의 짝수 열(L2, L4, L6)은 자극의 방향이 상면(110A)에서 하면(110B)으로 향하는 S극으로도 구성될 수 있다.

즉, 제1종 영구자석(110)의 홀수 열(L1, L3, L5, L7)과 짝수 열(L2, L4, L6)은 상하면(110A, 110B)에 위치하는 자극의 방향이 서로 반대되게 구성된다. 그리고 제2종 영구자석(120)의 각 측면(120C~120H)에 위치하는 자극의 방향은 도 2와 같이 제1종 영구자석(110)의 상하면(110A, 110B)에 위치하는 자극의 방향에 맞게 구성된다.

상기와 같이 사각기둥 형상을 가진 제1종 영구자석(110)과 육각기둥 형상을 가진 제2종 영구자석(120)에 따른 배열에 의해 2차원 할바흐 배열에서 자극의 방향을 결정할 수 없어 비자성체 금속으로 채울 수밖에 없었던 스페이스를 없앨 수 있다.

여기서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자(100)는 도 2와 같이 제1종 영구자석(110)과 상기 제2종 영구자석(120)은 평면 형태로 배열되어 평판 형상으로 구성될 수 있다.

이때는 평면 형상을 이룰 수 있도록 제1종 영구자석(110)의 상면(110A)과 하면(110B), 그리고 제2종 영구자석(120)의 상면(120A)과 하면(120B)은 도 3과 같이 상호 동일한 면적으로 구성되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자(100)는 도 4와 같이 제1종 영구자석(110)과 제2종 영구자석(120)은 곡면 형태로 배열되어 원통 형상으로도 구성될 수 있다.

이때는 원통 형상을 이룰 수 있도록 제1종 영구자석(110)의 상면(110A)과 하면(110B), 그리고 제2종 영구자석(120)의 상면(120A)과 하면(120B)은 도 5와 같이 곡면을 이루면서 상면이 하면보다 상대적으로 더 큰 면적으로 구성되는 것이 바람직하다.

이상과 같이 본 발명에 따른 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자는 비자성체 금속으로 채워지는 스페이스를 없애 스페이스로 인한 자속 흐름에 대한 왜곡을 해소함에 따라 가동시 발생하는 갑작스런 변곡을 방지함으로써 정밀한 위치제어를 가능하게 한다.

상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야에 대한 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양하게 변형된 다른 실시예가 가능하다.

따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위에는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 상기의 실시예뿐만 아니라 다양하게 변형된 다른 실시예가 포함되어야 한다.

110: 가동자
110: 제1종 영구자석
110A: 상면
110B: 하면
120: 제2종 영구자석
120A: 상면
120B: 하면
120C: 제1측면
120D: 제2측면
120E: 제3측면
120F: 제4측면
120G: 제5측면
120H: 제6측면

Claims (7)

1. 자극의 방향이 상하면에 위치하고 사각기둥(육면체) 형상으로 형성된 복수 개의 제1종 영구자석과, 자극의 방향이 측면에 위치하고 육각기둥 형상으로 형성된 복수 개의 제2종 영구자석으로 배열되는 것을 특징으로 하는 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1종 영구자석은 홀수 열과 짝수 열이 엇갈리면서 교대로 반복되는 형태로 배열되고 상기 제2종 영구자석은 상기 제1종 영구자석의 사이사이에 대각선 방향으로 배열되되,
   상기 제1종 영구자석의 각 측면에는 상기 제2종 영구자석의 제1측면 또는 제2측면이 밀착되고 상기 제2종 영구자석의 제3측면 내지 제6측면 중의 한 측면에는 이웃하게 배열된 상기 제2종 영구자석의 제3측면 내지 제6측면 중의 한 측면이 밀착되는 것을 특징으로 하는 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자.
3. 제2항에 있어서,
   상기 홀수 열의 제1종 영구자석과 짝수 열의 제1종 영구자석의 상하면에 각각 위치하는 자극의 방향은 서로 반대가 되도록 구성되고,
   상기 제2종 영구자석의 각 측면에 위치하는 자극의 방향은 상기 제1종 영구자석의 상하면에 위치하는 자극의 방향에 맞게 구성되는 것을 특징으로 하는 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1종 영구자석과 상기 제2종 영구자석은 평면 형태로 배열되어 평판 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자.
5. 제4항에 있어서.
   상기 제1종 영구자석과 상기 제2종 영구자석은 상면과 하면은 상호 동일한 면적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1종 영구자석과 상기 제2종 영구자석은 곡면 형태로 배열되어 원통 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 평면 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자.
7. 제6항에 있어서,
   상기 제1종 영구자석과 상기 제2종 영구자석은 상면과 하면은 곡면을 이루면서 상기 상면이 상기 하면보다 상대적으로 더 큰 면적으로 구성되는 것을 특징으로 하는 비자성체 스페이스가 없는 2차원 할바흐 배열을 갖는 가동자.

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