솔레노이드 자기력의 개선 방법

솔레노이드 자기력의 개선 방법

솔레노이드의 설계시 크게 두가지를 고려하여야 합니다.

솔레노이드의 용도에 따라서 충분한 자기력이 필요한 경우와
빠른 응답특성(전원인가후 빨리 열리는 특성)이 요구되는 경우로 나누어질 수 있습니다.
주의할것은 자기력이 크다고 빠른 응답특성을 가지는 것은 아닙니다.

본 글에서는 솔레노이드의 자기력을 증가시킬 수 있는 방법들을 정리하겠습니다.

솔레노이드 내부의 자기력은 여러가지 가정을 통해서 다음의 식으로 정리 할 수 있습니다.

        Bg^2 * Ag
Fm = -----------   (여기서, Bg : 자기력이 발생하는 공극부의 자속밀도,
        2 *  μ0             Ag : 자기력이 발생하는 공극부의 면적,
                               μ0 : 진공의 투자율 )

결국, 자기력 (Fm) 은 자속의 자승에 비례하고 공극부의 면적에 비례합니다.
하지만 동일한 자속에서 공극부의 면적을 넓게하면 자속밀도(B)가 감소하기 때문에
공극부의 면적을 증가시킨다고해서 꼭 자기력이 증가하는것은 아닙니다.

자기력을 개선하는데 고려해야할 몇가지 인자들을 정리하면 다음과 같습니다.

1. 자기포화를 고려한 자기회로 형상 설계

  자기력을 계산하는 수식에서 보듯이 공극부의 자속밀도(B)을 높이는것이 중요합니다.
  공극부의 자속밀도는 공극부를 지나는 자속의 밀도이므로 같은 동일한 단면적에서
  자속량의 증가는 자기력을 증가시킬 수 있습니다.

  여기서 자기회로안의 물리현상을 쉽게 이해하기 위해 자기회로를 전기회로에
  비교해 보았습니다.

  전기회로         자기회로
  I (전류)         Φ (자속)
  V (전압)         NI (mmf:magnetomotive force)
  R (저항)         Rm (자기저항 : reluctance)

즉, 솔레노이드의 Case, Core, Plunger로 이루어지는 자기회로를 지나는 자속은
아래의 식처럼 자기회로 각부분의 자기저항의 합에 반비례한다는것을 알 수 있습니다.

       N * I
Ф = ------          (여기서, N : 코일 회전수, I : 코일의 전류 )
       Rm

  그리고 각 분할 영역의 자기저항은

           Li
   Rmi = -----        (여기서,  Li : 등분된 영역을 자속이 통과하는 길이,
        μi * Ai                μi : 각부분의 투자율, Ai : 등분된영역의 단면적)

  자기회로의 자화가 모두 BH 곡선의 선형구간에서 이루어진다면
  전체 자기저항(Rm)의 대부분은 공극부의 자기저항이 입니다.

  하지만 자기회로 특정부분의 자화가 BH 곡선에서 포화구간으로 접어들면
  자기저항은 무시할수 없을 만큼 커지기 때문에 자계의 세기(N * I)을 키운다고해서
비례하게 자기력이 증가하지 않습니다.

  (상단 Material 페이지의 "연자성체와 솔레노이드의 자기력"이란 글을 참고하세요)

2. 자성체의 자기특성 (BH 곡선)

  자기회로에 포화가 발생하는 솔레노이드는 기자력(N*I) 값을 증가시켜도
  자기력은 증가하지 않습니다.

  이때 최대 자기력은 동일한 자기회로의 형상을 가진 경우
  자성체의 포화 자속밀도를 높은 자성체를 사용한 솔레노이드에서 큰 자기력을 얻을 수 있습니다.

3. 자계의 세기(공급하는 전류량)

  자기회로에 포화가 발생하고 있지않다면 솔레노이드의 기자력(N*I) 값을
  증가시켜서 자기력을 증가시킬 수 있습니다.