KR20210053123A - 엔드코일의 영향을 최소화하는 권선 방법 및 이를 이용한 자기부상 회전체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 엔드코일의 영향을 최소화하는 권선 방법 및 이를 이용한 자기부상 회전체를 개시한다. 본 발명에 따르면, 외주면에 복수의 보빈이 형성되는 고정자, 상기 복수의 보빈에 권선되는 코일, 상기 코일과의 반발력을 통해 부상 공극을 형성하는 영구자석 및 상기 영구자석에 부착되는 회전자를 포함하되, 상기 복수의 보빈의 전면의 중앙 부분을 기준으로 좌측에 수직한 방향으로 코일이 권선되고, 상기 좌측에서 우측으로 코일이 연장되며, 상기 우측에 수직한 방향으로 코일이 권선되어 상기 좌측에서 우측으로 연장되는 엔드코일에 의한 상기 회전자의 회전을 상쇄시키는 자기력을 최소화하는 자기부상 회전체가 제공된다.

Description

엔드코일의 영향을 최소화하는 권선 방법 및 이를 이용한 자기부상 회전체{Winding method to minimize the influence of end coil and magnetic levitation rotor using the same}

본 발명은 자기부상 회전체의 엔드코일의 영향을 최소화하는 권선 방법 및 이를 이용한 자기부상 회전체에 관한 것이다.

전류가 흐르는 도체와 자석의 상호작용을 하여 힘이 발생되는데 플레밍의 왼손법칙을 적용한 이 힘을 자기력이라고 한다. 이 힘을 이용해서 물체를 부양시키는 기술을 자기부상이라 한다. 전류의 크기 등을 조절하면 강한 자기력을 얻을 수 있으므로 고중량의 물체를 부상시키고 회전시키는게 가능하여, 자기부상열차 등에 이용된다.

자기부상 회전체의 고정자는 코일을 감아 전자석을 만들어 부상시키게 되는데, 여기서 엔드코일은 자기부상 회전체의 회전 방향과 90°의 방향으로 자기력을 형성하게 된다. 이는 자기부상 회전체의 회전 방향과 다른 영향을 주고 정밀한 회전을 어렵게 하며 불필요한 방향의 힘이 인가됨으로 자기부상 기술의 중요 요인인 제어성을 떨어뜨린다.

한국등록특허공보 10-1255138

상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 엔드코일이 발생시키는 힘의 영향을 최소화시키고 회전 방향의 토크를 극대화함으로 제어성뿐만 아니라 효율이 향상되는 자기부상 회전체의 엔드코일의 영향을 최소화하는 권선 방법 및 이를 이용한 자기부상 회전체를 제안하고자 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외주면에 복수의 보빈이 형성되는 고정자; 상기 복수의 보빈에 권선되는 코일; 상기 코일과의 반발력을 통해 부상 공극을 형성하는 영구자석; 및 상기 영구자석에 부착되는 회전자를 포함하되, 상기 복수의 보빈의 전면의 중앙 부분을 기준으로 좌측에 수직한 방향으로 코일이 권선되고, 상기 좌측에서 우측으로 코일이 연장되며, 상기 우측에 수직한 방향으로 코일이 권선되어 상기 좌측에서 우측으로 연장되는 엔드코일에 의한 상기 회전자의 회전을 상쇄시키는 자기력을 최소화하는 자기부상 회전체가 제공된다.

상기 좌측에 수직한 방향으로 복수 회 코일이 권선되고, 상기 좌측에서 우측으로 하나의 코일이 연장되며, 상기 우측에 상기 좌측과 동일한 횟수로 복수 회 코일이 권선될 수 있다.

상기 좌측에 수직한 방향으로 권선된 코일의 전류 방향과 상기 우측에 수직한 방향으로 권선된 코일의 전류 방향은 서로 반대 방향일 수 있다.

상기 중앙 부분을 기준으로 좌측의 상부에서 하부로 수직한 방향으로 코일이 권선되고, 적어도 하나의 코일이 수평 방향으로 좌측으로 우측으로 연장되며, 상기우측의 하부에서 상부로 수직한 방향으로 코일이 권선될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 외주면에 복수의 보빈이 형성되는 고정자, 상기 복수의 보빈에 권선되는 코일, 상기 코일과의 반발력을 통해 부상 공극을 형성하는 영구자석 및 상기 영구자석에 부착되는 회전자를 포함하는 자기부상 회전체의 권선 방법으로서, 상기 복수의 보빈의 전면의 중앙 부분을 기준으로 좌측에 수직한 방향으로 코일을 권선하는 단계; 상기 좌측에서 우측으로 하나의 코일을 연장시키는 단계; 및 상기 우측에 수직한 방향으로 코일을 권선하는 단계를 포함하는 자기부상 회전체 권선 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 엔드코일의 영향을 최소화함으로서 엔드코일이 생성하는 방향의 자기력을 최소화시키고, 효율을 증가시키며 정확한 제어가 가능하다.

이를 통해, 본 발명은 자기부상 회전체를 활용하는 모든 분야에서 효율을 증가시키고 불필요한 힘을 최소화시킴으로서 제어성을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반발력을 이용한 자기부상 회전체를 도시한 도면이다.
도 2는 고정자 코일의 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 기존 권선법을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 자기부상 회전체 권선 방법을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 권선법을 도시한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반발력을 이용한 자기부상 회전체를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 자기부상 회전체는 고정자(100), 코일(102), 영구자석(104) 및 회전자(106)를 포함할 수 있다.

고정자(100)의 외주면에는 복수의 보빈(108)이 형성되며, 복수의 보빈(108)에는 코일(102)이 권선된다.

자기부상 회전체에서 고정자(100)와 회전자(106)가 코일(102)과 영구자석(104) 간의 자기적 반발력을 통해 부상 공극(gap)을 형성하며, 코일(102)에 전류를 인가함에 따라 발생되는 자계에 의해 회전자(106)를 부상 및 회전시킨다.

고정자(100) 및 회전자(106)는 자성체(예를 들어, 규소강판, 철 등) 및 비자성체(스테인리스 스틸, 플라스틱, 에폭시 등)가 모두 사용될 수 있다.

도 2는 고정자 코일의 구조를 도시한 도면이다.

도 2를 참조하면, 고정자(100)의 보빈(108)에 코일(102)이 감겨져 있다. 코일(102)에 전류가 흐름에 따라 자속이 발생하여 코일(102)과 접촉된 영구자석(104)이 부상한다.

회전자(106)에 부착된 영구자석(104)은 코일(102)과 같은 구조로 N극과 S극이 반복된다. 이러한 영구자석(104)의 자속과 고정자(100)에 감긴 코일(102)로부터 플레밍의 왼손 법칙을 적용하여 회전력을 구할 수 있다.

이 때 가해진 힘은 도체가 받는 힘이지만 코일(102)이 고정되어 있으므로 상대적인 힘으로 인해 영구자석(104)이 도체에 가하는 힘의 반대방향으로 가해진다.

엔드코일의 영향으로 회전자(106)는 회전 방향과 다른 방향으로 자기력을 받게 된다. 이 영향을 최소화시키거나 제거하기 위해서는 먼저 해당 자기력을 발생시키는 도선의 수를 줄이거나 길이를 최소화시키면 된다. 이를 위해서 고정자(100)에 코일(102)을 감을 때 원래 감은 방향과 90°의 방향으로 양 쪽에 자속의 방향이 같은 방향이 되도록 감게 되면 회전 방향을 왜곡하는 엔드코일의 영향을 상당히 줄일 수가 있다. 다음 방법으로는 힘의 방향을 왜곡시키는 엔드코일을 영구자석과 최대한 거리를 두는 방법이다. 자기장의 세기는 자속의 발생원과 멀어질수록 그 크기가 작아진다. 따라서 엔드코일을 이 자기장과 먼 곳에 위치시키면 엔드코일이 만들어내는 힘의 크기를 상당히 줄일 수 있다.

도 3은 기존 권선법을 도시한 도면이다.

도 3과 같은 코일을 권선하는 경우, 플레밍의 왼손법칙(f=J×B) 에 의하여 측면 방향에 권선된 코일과 90°를 이루는 엔드코일은 전류의 방향과 자속의 방향에 수직한 자기력을 받는다. 여기서, 권선은 고정되어 있으므로 힘을 받지 않고 작용반작용 법칙으로 인해 상대적으로 회전자(106)의 회전을 상쇄시키는 방향으로 힘이 작용하게 된다.

즉, 도 3의 전면에 도시된 엔드코일은 회전자(106)의 회전 방향과 90°를 이루는 방향으로 자기력을 받게 되고, 결과적으로 전체 코일이 받는 자기력은 회전 방향과 어긋나게 된다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 자기부상 회전체 권선 방법을 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 엔드코일의 영향을 최소화하기 위해, 고정자(100)의 보빈(108)에 수직한 방향으로 코일을 권선한다.

예를 들어, 먼저 보빈(108) 전면의 중앙 부분을 기준으로 좌측에 코일을 수직하게 감고, 좌측으로 우측으로 코일을 연장하여 우측에도 수직한 방향으로 코일을 권선한다.

여기서, 수직 방향으로 코일이 권선되는 부분은 고정자(100)의 외주연에 위치한 복수의 보빈(108)의 전면 부분이다.

또한, 본 실시예에 따르면, 상기한 좌측에 수직한 방향으로 복수 회 코일이 권선되고, 상기 좌측에서 우측으로 하나의 코일이 연장되며, 상기 우측에 상기 좌측과 동일한 횟수로 복수 회 코일이 권선될 수 있다.

이때, 좌측과 우측에 동일한 방향의 전류가 흐를 수 있도록 코일을 권선할 수 있으나, 이에 한정됨이 없이 서로 반대 방향으로 전류가 흐르도록 코일을 권선할 수도 있다.

이 경우 엔드코일의 길이는 일측과 타측의 양측에 수직 방향으로 감긴 코일 길이와 좌측과 우측을 연결시켜주는 코일의 길이가 된다.

외부 자속과 동일한 방향의 코일은 플레밍의 왼손 법칙을 대입하게 되면 0이 되므로 자기력이 발생되지 않고 회전 방향에 영향을 미치지 않는다.

따라서 기존의 모델에 비해 본 실시예에 따른 권선법은 회전자(106)의 회전을 상쇄시키는 방향으로 발생하는 자기력을 줄일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 엔드코일의 영향을 최소화하기 위해, 엔드코일으 위치를 영구자석(104)과 최대한 멀리 배치시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 권선법을 도시한 도면이다.

도 5는 1권선만을 도시한 것이나, 권선 횟수는 일반 전동기와 같이 1 이상이 될 수 있다.

도 5를 참조하면, 보빈(108) 전면의 중앙 부분을 기준으로 좌측의 상부에서 하부로 수직한 방향으로 코일을 권선하고 수평 방향으로 우측으로 연장시키고, 우측의 하부에서 상부로 수직한 방향으로 코일을 권선한다.

보빈(108)의 후면에서도 마찬가지로 코일이 권선된다.

도 5와 같이 코일을 권선하는 경우, 회전자(106)의 회전력을 상쇄시키는 자기력을 받는 엔드코일(500)이 영구자석(104)과 멀리 떨어져있는 아래쪽에만 형성되는 것을 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 영구자석(104)에서 나오는 자기장과 코일(102)에 흐르는 전류의 관계식으로 힘이 결정되는데, 영구자석(104)과 엔드코일(500)의 거리가멀어질수록 그 세기가 약해진다.

따라서, 본 실시예에 따른 권선법 모델은 영구자석(104)에서 발생하는 자속과 고정자 권선의 엔드코일의 영향을 최소화 시키는 권선법이다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (5)

1. 외주면에 복수의 보빈이 형성되는 고정자;
   상기 복수의 보빈에 권선되는 코일;
   상기 코일과의 반발력을 통해 부상 공극을 형성하는 영구자석; 및
   상기 영구자석에 부착되는 회전자를 포함하되,
   상기 복수의 보빈의 전면의 중앙 부분을 기준으로 좌측에 수직한 방향으로 코일이 권선되고, 상기 좌측에서 우측으로 코일이 연장되며, 상기 우측에 수직한 방향으로 코일이 권선되어 상기 좌측에서 우측으로 연장되는 엔드코일에 의한 상기 회전자의 회전을 상쇄시키는 자기력을 최소화하는 자기부상 회전체.
2. 제1항에 있어서,
   상기 좌측에 수직한 방향으로 복수 회 코일이 권선되고, 상기 좌측에서 우측으로 하나의 코일이 연장되며, 상기 우측에 상기 좌측과 동일한 횟수로 복수 회 코일이 권선되는 자기부상 회전체.
3. 제2항에 있어서,
   상기 좌측에 수직한 방향으로 권선된 코일의 전류 방향과 상기 우측에 수직한 방향으로 권선된 코일의 전류 방향은 서로 반대 방향인 자기부상 회전체.
4. 제1항에 있어서,
   상기 중앙 부분을 기준으로 좌측의 상부에서 하부로 수직한 방향으로 코일이 권선되고, 적어도 하나의 코일이 수평 방향으로 좌측으로 우측으로 연장되며, 상기우측의 하부에서 상부로 수직한 방향으로 코일이 권선되는 자기부상 회전체.
5. 외주면에 복수의 보빈이 형성되는 고정자, 상기 복수의 보빈에 권선되는 코일, 상기 코일과의 반발력을 통해 부상 공극을 형성하는 영구자석 및 상기 영구자석에 부착되는 회전자를 포함하는 자기부상 회전체의 권선 방법으로서,
   상기 복수의 보빈의 전면의 중앙 부분을 기준으로 좌측에 수직한 방향으로 코일을 권선하는 단계;
   상기 좌측에서 우측으로 하나의 코일을 연장시키는 단계; 및
   상기 우측에 수직한 방향으로 코일을 권선하는 단계를 포함하는 자기부상 회전체 권선 방법.
   
   
   
   

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