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WO2022114574A1 - 복합재질 코어기반 전자기 구동 시스템 - Google Patents

복합재질 코어기반 전자기 구동 시스템 Download PDF

Info

Publication number
WO2022114574A1
WO2022114574A1 PCT/KR2021/015816 KR2021015816W WO2022114574A1 WO 2022114574 A1 WO2022114574 A1 WO 2022114574A1 KR 2021015816 W KR2021015816 W KR 2021015816W WO 2022114574 A1 WO2022114574 A1 WO 2022114574A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electromagnet
magnet
composite
magnetic field
present
Prior art date
Application number
PCT/KR2021/015816
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
강병전
김창세
박종오
최은표
방도연
응웬킴티엔
Original Assignee
재단법인 한국마이크로의료로봇연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 재단법인 한국마이크로의료로봇연구원 filed Critical 재단법인 한국마이크로의료로봇연구원
Publication of WO2022114574A1 publication Critical patent/WO2022114574A1/ko

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods, e.g. tourniquets
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B34/00—Computer-aided surgery; Manipulators or robots specially adapted for use in surgery
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F1/00—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties
    • H01F1/01—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials
    • H01F1/03—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity
    • H01F1/12—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials
    • H01F1/14—Magnets or magnetic bodies characterised by the magnetic materials therefor; Selection of materials for their magnetic properties of inorganic materials characterised by their coercivity of soft-magnetic materials metals or alloys
    • H01F1/147—Alloys characterised by their composition
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F7/00—Magnets
    • H01F7/06—Electromagnets; Actuators including electromagnets
    • H01F7/08—Electromagnets; Actuators including electromagnets with armatures
    • H01F7/16—Rectilinearly-movable armatures

Definitions

  • the present invention was made under the support of the Ministry of Health and Welfare, with the project specific number HI19C0642 and the project number HI19C0642, the research management agency of the project is the Korea Health Industry Promotion Agency, the research project name is "micro medical robot commercialization technology development project (R & D)", The research project name is "Micro Medical Robot Commercialization Common-Based Technology Development Center", the lead institution is Korea Micro Medical Robot Research Institute, and the research period is 2019.06.12 ⁇ 2022.12.31.
  • the present invention relates to a composite material core-based electromagnetic driving system, and more particularly, to a composite material core in which a plurality of different magnets are included in the core of the electromagnet, while maintaining the size and weight of the electromagnet, while significantly increasing the magnetic force. It relates to an electromagnet that can amplify.
  • a procedure using microrobots for example, minimally invasive surgery, is a surgical method that can reduce the patient's pain and shorten the recovery period by enabling precise targeting of diseases and minimization of incisions. is in progress
  • the self-driving method includes a method of propelling using the pressure of gas generated by a mutual chemical reaction between an external fluid and a microrobot body, a method of using biological thrust such as movement of bacteria, and the like.
  • the self-driving method has limitations in that it is difficult to apply to the human body due to low control freedom, low control precision, and chemical/biological toxicity for driving the microrobot.
  • the micro-robot driving method using a magnetic field is a representative external driving method with high safety in the human body, and can be classified into a method using a permanent magnet or an electromagnetic driving coil device.
  • the micro-robot control method using an electromagnetic driving coil has a wide range of applications and is the most active due to the advantage of controlling the current applied to the coil to precisely control the strength and direction of the magnetic field It is one of the fields in which research is being conducted.
  • the medical device In order to control the electromagnetic driving coil device using a magnetic field, the medical device is partially or entirely composed of a magnetic material without a battery or a separate actuator.
  • the electromagnet-driven medical device can be controlled by a magnetic field generated by applying a current to a coil fixedly arranged outside.
  • the permanent magnet-based magnetic drive system when the permanent magnet-based magnetic drive system has the same volume, the strength of the magnetic field generated from the permanent magnet (eg, neodymium magnet) is greater than the magnetic field generated from the electromagnet, so it is advantageous for miniaturization.
  • the permanent magnet-based magnetic drive system cannot control the strength and direction of the magnetic field, so the magnetic field control ability is poor.
  • an electromagnet-based electromagnetic drive system it is easier to control compared to the method using a permanent magnet and can quickly control the movement of the microrobot according to the characteristics of the coil, so safety and control of various microrobots in actual clinical settings It can be applied as a drive system for
  • a magnetic field strength of a sufficient size is required.
  • the electromagnet-based electromagnetic driving system has limitations in that the size and weight of the electromagnetic driving coil for generating a magnetic field must also be increased for this purpose. do.
  • the present inventors produced a composite electromagnet including a paramagnetic electromagnet, an electromagnet core including a first magnet and a second magnet, which is a permanent magnet, and a wire wound on the electromagnet core, and the composite electromagnet according to the present invention is It was confirmed that the magnitude and direction of the magnetic field can be controlled, the strength of the magnetic field can be greatly increased, and the miniaturization of the electromagnet is easy.
  • a composite electromagnet including an electromagnet, a first magnet and a second magnet that is a permanent magnet, and a wire wound on the electromagnet core.
  • Another object of the present invention is to provide a method of driving a microrobot through a composite electromagnet.
  • the present invention relates to a composite material core-based electromagnetic driving system, and the composite material electromagnet according to the present invention can control the magnitude and direction of the magnetic field while greatly increasing the strength of the magnetic field, It is also easy to downsize.
  • the present inventors have confirmed that the strength of the magnetic field and the gradient of the magnetic field are greatly improved in the composite electromagnet according to the present invention compared to the conventional electromagnet.
  • One aspect of the present invention is a soft magnetic electromagnet, a first magnet having a direction of residual magnetization in a first direction, and a second direction of a magnetic field in a second direction parallel to and opposite to the first direction, and a second permanent magnet an electromagnet core comprising a magnet; and a wire wound on the electromagnet core, wherein the first magnet is a composite electromagnet in which the direction of the magnetic field can be changed in the second direction according to the direction and strength of the applied external current.
  • materials of the electromagnet, the first magnet, and the second magnet may be different from each other.
  • the electromagnet may be a soft magnetic material.
  • soft magnetic material refers to a material having a low coercive force, and is magnetized when a magnetic field is applied from the outside, and then is not magnetized when the external magnetic field disappears.
  • the electromagnet may be pure iron, silicon steel, permalloy, etc., for example, may be a pure iron electromagnet, but is not limited thereto.
  • the first magnet may be an ALICO magnet.
  • the term “alico magnet” is an alloy of aluminum (Al)-nickel (Ni)-cobalt (Co)-iron (Fe) and is one of the most widely used permanent magnet materials. It has excellent temperature characteristics and is widely used when precision is required. It has advantages of high magnetic flux density and stable temperature characteristics. It refers to a magnet that is divided into Cast Alnico and Sintered Alnico depending on the molding method. do.
  • the composite electromagnet according to the present invention can control the magnitude and direction of the magnetic field generated from the alico magnet according to the direction of the applied current by using the alico magnet as the first magnet, and thus, the magnetic field of the composite electromagnet It is possible to control the direction of the magnetic field while amplifying the size of the Specifically, the magnetization directions of the first magnet, which is an alico magnet, and the second magnet, which is a permanent magnet, in the initial state (in a state where no current is applied) may be arranged opposite to each other, and the electromagnet, which is a soft magnetic material, is a soft magnetic substance while a current is applied in a specific direction.
  • the magnetization direction of the first magnet changes and the strength of the magnetic field can be amplified.
  • the soft magnetic electromagnet is magnetized in the opposite direction to the permanent magnet, and when the generated magnetic field becomes larger than the coercive force (Hc) of the first magnet, the first magnet It is possible to control the direction of the magnetic field by amplifying the strength of the magnetic field in the opposite direction as the magnetization direction is changed. (See Fig. 3)
  • coercive force means that when a specific material becomes magnetic under the influence of an external magnetic field, the magnetized state is maintained to some extent even if the external magnetic field is removed, and thus the degree of magnetization in the magnetic material can be made to 0. It means the strength of the magnetic field, and is expressed as Hc symbolically.
  • the coercive force has its own value for every material, in other words, it is also called coercive force.
  • the second magnet may be a neodymium permanent magnet or a samarium-cobalt magnet.
  • a neodymium magnet is a magnet belonging to a permanent magnet, and it is known that the strength of a magnetic field is the largest compared to a normal electromagnet and a permanent magnet. It is possible to keep the strength of the electromagnet large while reducing the size of the magnet.
  • the first magnet may have the same magnitude as that of the second magnet and the residual magnetization value.
  • the magnetomotive force, magnetic resistance, and magnetic flux for each magnet may have a relationship as shown in ⁇ Equation 1> to ⁇ Equation 3>.
  • H is the magnetizing force
  • L is the length of the magnet
  • A is the cross-sectional area of the magnet
  • Br is the remanence
  • magnetomotive force, magnetic resistance, and magnetic flux for each magnet may have a relationship as shown in ⁇ Equation 4> to ⁇ Equation 6>.
  • H is the magnetizing force
  • L is the length of the magnet
  • A is the cross-sectional area of the magnet
  • Br is the remanence
  • the equivalent magnetomotive force of the composite electromagnet according to the present invention has a correlation as shown in Equation 8 below when the electromagnet is ON, and may have a correlation as shown in Equation 9 when the electromagnet is OFF.
  • each magnetic flux is related to the remanent magnetization and volume, that is, the residual magnetization size, cross-sectional area and length at the same time.
  • the magnetomotive force of the alico magnet may be the same to cancel the magnetic field.
  • the residual magnetization size and volume may be the same.
  • the sum of the volumes of the first magnet and the second magnet may be smaller than the volume of the electromagnet.
  • the volumes of the first magnet and the second magnet may be the same.
  • the first magnet is 70 to 130%, 75 to 125%, 80 to 120%, 85 to 115%, 90 to 110% or 95 to 105% of the residual magnetization value of the second magnet. It may have a residual magnetization value, for example, it may have a residual magnetization value of 90 to 110%, but is not limited thereto.
  • the electromagnet may include a first electromagnet and a second electromagnet.
  • the electromagnet core part has a first electromagnet disposed at one end, a second electromagnet disposed at the other end, and the first magnet is disposed between the first electromagnet and the second electromagnet and is connected to the second electromagnet and the second magnet may be disposed to be connected to the first electromagnet while being disposed between the first electromagnet and the second electromagnet.
  • the wire may be wound on the first electromagnet and the second magnet.
  • Another aspect of the present invention is a method of driving a microrobot comprising the steps of:
  • the composite electromagnet is a soft magnetic substance, a first magnet having a direction of residual magnetization in the first direction, and a second magnet having a magnetic field direction parallel to and opposite to the first direction, and a second magnet as a permanent magnet.
  • an electromagnet core comprising; and a wire wound on the electromagnet core, wherein the direction of the magnetic field is changeable to the second direction according to the direction and strength of the external current applied to the first magnet.
  • micro-robot is a type of implantable medical device into the human body, and a mechanical/electronic micro-robot and a microcarrier for DDS including a permanent magnet or an elongated body as a millimeter-scale magnetic material such as a blood vessel robot and an active capsule endoscope.
  • a mechanical/electronic micro-robot and a microcarrier for DDS including a permanent magnet or an elongated body as a millimeter-scale magnetic material such as a blood vessel robot and an active capsule endoscope.
  • polymer/cell-based microrobots containing magnetic nanoparticles as micro/nano-scale magnetic materials such as microscaffolds, nanorobots, and macrophage robots for delivery of cell therapeutics, and others
  • Other types of micro-robots may be included.
  • the microrobot according to the present invention may further include at least one selected from the group consisting of a camera module, a location information providing unit, a driving unit, a treatment unit, a robot control unit, a data transmitting/receiving unit, and a wireless power receiving unit.
  • materials of the electromagnet, the first magnet, and the second magnet may be different from each other.
  • the electromagnet may be a soft magnetic material.
  • the electromagnet may be pure iron, silicon steel, permalloy, etc., for example, may be a pure iron electromagnet, but is not limited thereto.
  • the first magnet may be an ALICO magnet.
  • the second magnet may be a neodymium permanent magnet or a samarium-cobalt magnet.
  • the first magnet may have the same magnitude as that of the second magnet and the residual magnetization value.
  • the sum of the volumes of the first magnet and the second magnet may be smaller than the volume of the electromagnet.
  • the volumes of the first magnet and the second magnet may be the same.
  • the first magnet is 70 to 130%, 75 to 125%, 80 to 120%, 85 to 115%, 90 to 110% or 95 to 105% of the residual magnetization value of the second magnet. It may have a residual magnetization value, for example, it may have a residual magnetization value of 90 to 110%, but is not limited thereto.
  • the electromagnet may include a first electromagnet and a second electromagnet.
  • the electromagnet core part has a first electromagnet disposed at one end, a second electromagnet disposed at the other end, and the first magnet is disposed between the first electromagnet and the second electromagnet and is connected to the second electromagnet and the second magnet may be disposed to be connected to the first electromagnet while being disposed between the first electromagnet and the second electromagnet.
  • the present invention relates to a composite material core-based electromagnetic driving system, and the composite material electromagnet according to the present invention can control the magnitude and direction of the magnetic field while greatly increasing the strength of the magnetic field, Since miniaturization is also easy, the driving device can be miniaturized while driving the microrobot more accurately, so that the microrobot can be widely used in medical procedures.
  • 1 is a view showing a conventional electromagnet.
  • FIG. 2 is a view showing a composite electromagnet according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view for explaining a change in the direction of the magnetic field and the magnetic field strength when the composite material electromagnet is driven according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view showing a composite electromagnet according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a photograph of a prototype of a composite electromagnet according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a graph showing the strength of the magnetic field according to the current of the prototype of the composite electromagnet according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a graph showing the gradient of the magnetic field according to the current of the prototype of the composite electromagnet according to another embodiment of the present invention.
  • An electromagnet core comprising an electromagnet which is a soft magnetic substance, a first magnet having a direction of residual magnetization in a first direction, and a second magnet having a direction of a magnetic field in a second direction parallel to and opposite to the first direction, and a permanent magnet. wealth;
  • the first magnet is a composite electromagnet, wherein the direction of the magnetic field can be changed in the second direction according to the direction and strength of the applied external current.
  • ⁇ unit means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software.
  • ⁇ unit means a unit for processing at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software.
  • 1 is a view showing a conventional electromagnet.
  • a core 10 made of a soft magnetic material such as pure-iron is disposed at the center, and a copper coil 20 is wound thereon. It consists of a simple structure of
  • the conventional electromagnet was able to control the magnetic field together with the core made of soft magnetic material by applying a current to the copper coil, and it is easier to control the microrobot compared to the permanent magnet, and it is possible to quickly control the movement of the microrobot according to the characteristics of the coil. It was possible However, existing electromagnets have weaker magnetic field strength than permanent magnets, and inevitably need to increase the size of the electromagnet to maintain the required magnetic field strength. did
  • FIG. 2 is a view showing a composite electromagnet according to an embodiment of the present invention.
  • a composite electromagnet 2000 is an electromagnet core 100 including soft magnetic electromagnets 110 and 120 , a first magnet 130 , and a second magnet 140 . and a wire 200 wound on the electromagnet core part.
  • the materials of the electromagnets 110 and 120 , the first magnet 130 , and the second magnet 140 may be different from each other.
  • the electromagnets 110 and 120 may be included in the electromagnet core part 100, may be made of a soft magnetic material, and may be magnetized when a magnetic field is applied from the outside, and the magnetization may not remain when the external magnetic field disappears.
  • the electromagnets 110 and 120 may be made of pure iron, silicon steel, permalloy, or the like, and for example, may be a pure iron electromagnet, but is not limited thereto.
  • the electromagnets 110 and 120 may include a first electromagnet 110 and a second electromagnet 120 , and the second electromagnet 120 may be disposed at one end of the electromagnet core in the form of a disk.
  • the first magnet 130 may be an ALICO magnet.
  • the first magnet 130 may have the direction of the magnetic field in the first direction 90 in a state in which no current is applied.
  • the first magnet 130 may change the direction of the magnetic field to the second direction 80 according to the direction and strength of the applied external current. Specifically, the first magnet 130 may be changed by an external current.
  • the magnetization direction may be changed to the second direction 80 .
  • the second magnet 140 may be a permanent magnet, and may have a direction of a magnetic field in the second direction 80 that is parallel to and opposite to the first direction 90 .
  • the second magnet 140 may be a neodymium permanent magnet.
  • the residual magnetization value of the first magnet 130 is 70 to 130%, 75 to 125%, 80 to 120%, 85 to 115%, 90 to 110%, or 95 to 105% of the second magnet 140 . It may have a residual magnetization value, or the residual magnetization value of the first magnet 130 and the second magnet 140 may be the same.
  • the residual magnetization values of the first magnet 130 and the second magnet 140 are the same or similar, and the direction of the residual magnetization of the first magnet 130 is the first direction 90 and the first direction of the second magnet ( As it has the direction of the magnetic field in the second direction 80 opposite to 90), the composite electromagnet 2000 according to an embodiment has the first magnet 130 and the second magnet in a state in which no current is applied from the outside. The magnetic field of the magnet 140 is canceled to maintain the magnetic field strength of the entire composite electromagnet to zero or close to zero.
  • the electromagnets 110 and 120 and the first magnet 130 and the second magnet 140 that are soft magnetic substances may be disposed to contact each other, and the second magnet 140 may be disposed to surround the outer surface of the first magnet 130 .
  • FIG 3 is a view for explaining a change in the direction and strength of a magnetic field when the composite electromagnet 2000 is driven according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetization directions of the first magnet 130 and the second magnet 140 are the first direction and the second direction, respectively. can be arranged opposite to each other in the direction (1).
  • the electromagnet 110 which is a soft magnetic material, is magnetized in the second direction (right), which is the direction according to the right-hand rule, and the magnitude of the generated magnetic field is the first
  • Hc coercive force
  • the magnetization direction of the first magnet 130 is maintained as it is in the second direction (3, 4), and the direction of the current is reversed.
  • the magnetization direction of the electromagnet 110 of the magnetic material is changed to the first direction
  • the magnitude of the generated magnetic field becomes larger than the coercive force Hc of the first magnet 130 again
  • the magnetization direction of the first magnet 130 is changed to the second direction. It is changed from the 2nd direction to the 1st direction, and the strength of the magnetic field in the 1st direction can be amplified (5, 6).
  • the magnetization direction of the first magnet may be maintained as it is in the first direction (7).
  • the composite electromagnet according to the present invention may be arranged so that the magnetization directions of the first magnet 130 and the second magnet 140 are opposite to each other in the initial state (the state in which no current is applied), and in a specific direction As a current is applied, the soft magnetic electromagnet may be magnetized in the same second direction as the second magnet 140 , and when the magnitude of the generated magnetic field becomes greater than the coercive force Hc of the first magnet 130 , the first As the magnetization direction of the magnet 130 is changed, the strength of the magnetic field of the entire composite electromagnet directed in the first direction is amplified, so that it is possible to smoothly drive the microrobot to a desired place in the body of the patient.
  • the soft magnetic electromagnet when a current in the opposite direction is applied, the soft magnetic electromagnet is magnetized in the opposite direction to the second magnet 140 , and the magnitude of the generated magnetic field becomes greater than the coercive force Hc of the first magnet 130 .
  • the strength of the magnetic field in the opposite direction is amplified, and it is possible to control the direction of the magnetic field, that is, the composite electromagnet according to the present invention has a magnetic field. It has the advantage that it is easy to change the direction of the magnetic field while increasing the strength of the electromagnet compared to the existing electromagnet.
  • FIG. 4 is a view showing a composite electromagnet according to another embodiment of the present invention.
  • a composite electromagnet 3000 includes a first electromagnet 310 which is a soft magnetic body, a second electromagnet 320 which is a soft magnetic body, a first magnet 130 , and a second magnet 140 .
  • a composite electromagnet 3000 may include an electromagnet core part and a wire 200 wound on the electromagnet core part, the electromagnet core part having a first electromagnet 310 disposed at one end, and a second electromagnet 320 disposed at the other end.
  • the first magnet 130 is disposed between the first electromagnet 310 and the second electromagnet 320 and is disposed to be connected to the second electromagnet 320
  • the second magnet 140 is a first electromagnet ( It may be disposed between the 310 and the second electromagnet 320 to be connected to the first electromagnet 310 .
  • the wire 200 may be wound on the outer peripheral surfaces of the first electromagnet 310 and the second magnet 140 to surround the first electromagnet 310 and the second magnet 140 .
  • An aluminum disk 350 may be additionally disposed at one end of the first electromagnet 310 .
  • the aluminum disk 350 may serve as a guide when winding the wire, and in this case, an aluminum material may be used to reduce the influence of a magnetic field.
  • a current of -15A to 15A is applied to the prototype (CEM) of the composite electromagnet produced in the above preparation example, and the prototype of the composite electromagnet (CEM) and the above using a magnetic field measuring device Teslameter (Model 6010, Sypris, USA) The magnetic field in the electromagnet longitudinal direction of the electromagnet of a pure iron core having the same number of turns, winding diameter and coil outer diameter as the prototype was measured.
  • the present invention relates to a composite core-based electromagnetic driving system, and more particularly, to a composite core part in which a plurality of different magnets are included in the core part of the electromagnet, while maintaining the size and weight of the electromagnet and greatly increasing the magnetic force. It relates to an electromagnet that can amplify.

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Abstract

본 발명은 복합재질 코어기반 전자기 구동 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 복합재질 전자석은 복합재질 전자석은 자기장의 크기 및 방향을 제어할 수 있으면서 자기장의 세기를 큰 폭으로 증가시킬 수 있으며, 전자석의 소형화도 용이하여, 마이크로로봇을 보다 정확하게 구동시키면서도 구동 장치의 소형화가 가능하므로, 마이크로로봇을 의료 시술 등에 광범위하게 이용될 수 있다.

Description

복합재질 코어기반 전자기 구동 시스템
본 발명은 보건복지부의 지원 하에서 과제고유번호 HI19C0642, 과제번호 HI19C0642에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국보건산업진흥원, 연구사업명은 "마이크로의료로봇실용화기술개발사업(R＆D)", 연구과제명은 "마이크로의료로봇 실용화 공통기반 기술개발 센터", 주관기관은 한국마이크로의료로봇연구원, 연구기간은 2019.06.12 ~ 2022.12.31이다.
본 발명은 복합재질 코어기반 전자기 구동 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전자석의 코어부에 서로 다른 자석이 복수로 포함된 복합재질 코어부를 통해 전자석의 크기 및 중량을 유지하면서도 자기력을 큰 폭으로 증폭시킬 수 있는 전자석에 관한 것이다.
마이크로 로봇을 이용한 시술, 예를 들어, 최소 침습시술은 질환에 대한 정밀 타겟팅 및 절개부위의 최소화가 가능하여 환자의 고통을 줄일 수 있고, 회복기간도 짧게 할 수 있는 수술방법으로 최근에 많은 연구가 진행되고 있다.
마이크로 로봇의 움직임을 제어하기 위한 방법은 외부구동과 자체 구동방식으로 나눌 수 있다. 자체 구동방식에는 외부유체와 마이크로 로봇 몸체 사이의 상호 화학반응에 의해 발생된 가스의 압력을 이용하여 추진하는 방식, 박테리아 움직임과 같은 생물학적 추진력을 이용하는 방식 등이 있다. 그러나 자체 구동방식은 마이크로 로봇 구동을 위한 낮은 제어 자유도, 낮은 제어 정밀도 및 화학/생물학적 독성문제 등으로 인하여 인체 내에 적용하기 어렵다는 한계가 있다.
자기장을 이용한 마이크로 로봇 구동방식은 인체 내 안전성이 높은 대표적인 외부 구동방식으로서, 영구자석 또는 전자기 구동코일 장치를 이용한 방법으로 구분할 수 있다. 특히, 영구자석을 이용한 방식과 비교하여 전자기 구동 코일을 이용한 마이크로 로봇 제어방식은 코일에 인가되는 전류를 제어하여 자기장의 세기 및 방향을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점으로 인해 적용범위가 다양하고 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 분야 중 하나다. 특히, 외부 자기장을 이용해 마이크로 로봇을 추진하거나 치료를 위한 구동을 하는 연구가 많이 진행되고 있는데, 대다수의 연구가 2차원 평면상에서 이루어지거나, 3차원공간을 단순히 이동할 수 있는 연구가 주로 진행되고 있다. 전자기 구동코일 장치는 자기장을 이용하여 제어할 수 있도록 의료용 디바이스는 배터리나 별도의 구동기 없이 일부 또는 전체가 자성체로 구성된다. 그리고, 이렇게 전자석으로 구동되는 의료용 디바이스는 외부에 고정 배치된 코일에 전류를 인가하여 생성된 자기장으로 제어가 가능하다.
한편, 영구자석 기반 자기 구동시스템은 동일한 부피를 갖고 있을 때, 영구자석 (예를 들어, 네오디뮴 자석)에서 발생된 자기장의 세기는 전자석에서 발생된 자기장보다 크기 때문에 소형화에 유리하다는 장점이 있다. 그러나, 영구자석 기반 자기 구동시스템은 자기장의 세기 및 방향을 제어할 수 없어 자기장 제어 능력이 떨어지는 단점을 가진다.
이에 반해, 전자석 기반 전자기 구동시스템의 경우, 영구자석을 이용한 방법에 비해 제어가 용이하고 코일의 특성에 따라 마이크로로봇의 움직임을 빠르게 제어할 수 있기 때문에, 실제 임상현장에서 안전성 및 다양한 마이크로로봇을 제어하기 위한 구동시스템으로 적용이 가능하여 그에 따른 효용성이 상대적으로 높은 편이다. 다만, 마이크로로봇을 인체에 적용하고 이를 인체 내에서 구동하기 위해서는 충분한 크기의 자기장 세기가 필요하나, 전자석 기반 전자기 구동시스템은 이를 위해서 자기장 발생을 위한 전자기 구동 코일의 크기 및 무게 또한 커져야 한다는 한계점이 존재한다.
이러한 상황에서, 마이크로로봇을 구동하기 위해 충분한 크기의 자기장 발생이 가능하면서도 소형화가 가능한 전자기 구동코일에 대한 개발에 대한 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 상자성의 전자석, 제1자석 및 영구자석인 제2자석을 포함하는 전자석 코어부와 전자석 코어부상에 권취되는 와이어를 포함하는 복합재질 전자석을 제작하였고, 본 발명에 따른 복합재질 전자석은 자기장의 크기 및 방향을 제어할 수 있으면서 자기장의 세기를 큰 폭으로 증가시킬 수 있으며, 전자석의 소형화도 용이한 것을 확인하였다.
이에, 본 발명의 목적은, 전자석, 제1자석 및 영구자석인 제2자석을 포함하는 전자석 코어부와 전자석 코어부상에 권취되는 와이어를 포함하는 복합재질 전자석을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 복합재질 전자석을 통한 마이크로로봇의 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 복합재질 코어기반 전자기 구동 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 복합재질 전자석은 복합재질 전자석은 자기장의 크기 및 방향을 제어할 수 있으면서 자기장의 세기를 큰 폭으로 증가시킬 수 있으며, 전자석의 소형화도 용이하다.
이에, 본 발명자들은 본 발명에 따른 복합재질 전자석이 종래의 전자석에 비해 자기장의 세기 및 자기장의 기울기가 크게 향상된 것을 확인하였다.
이하 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.
본 발명의 일 양태는, 연자성체인 전자석, 제1방향의 잔류자화의 방향을 가지는 제1자석 및 제1방향과 평행하면서 반대방향인 제2방향의 자기장의 방향을 가지고, 영구자석인 제2자석을 포함하는 전자석 코어부; 및 전자석 코어부 상에 권취되는 와이어를 포함하고, 제1자석은 인가되는 외부 전류의 방향 및 세기에 따라 자기장의 방향이 제2방향으로 변경 가능한 것인, 복합재질 전자석이다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자석, 제1자석 및 제2자석의 재질은 서로 다른 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자석은 연자성체일 수 있다.
본 명세서 상의 용어 "연자성체 (Soft magnetic material)"는 보자력이 작은 물질로, 외부에서 자기장을 걸어주었을 때 자화된 뒤 외부 자기장이 사라지면 자화가 남아 있지 않은 물질을 의미한다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자석은 순철, 규소강, 퍼멀로이 등일 수 있고, 예를 들어, 순철 전자석인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1자석은 알리코자석 (ALICO 자석)일 수 있다.
본 명세서 상의 용어 "알리코 자석"은 알루미늄(Al)-니켈(Ni)-코발트(Co)-철(Fe)의 합금으로서 가장 광범위하게 사용되는 영구자석 재료 중 하나이다. 온도에 대한 특성이 뛰어나고, 정밀도가 요구되는 경우에 많이 사용되며, 높은 자속 밀도와 안정된 온도특성이 장점이고 성형방법에 따라 주조 알리코 (Cast Alnico)와 소결 알리코 (Sintered Alnico)로 구분되는 자석을 의미한다.
본 발명에 따른 복합재질 전자석은 제1자석을 알리코자석을 사용함에 따라, 인가되는 전류의 방향에 따라 알리코 자석으로부터 생성되는 자기장의 크기 및 방향을 제어할 수 있고, 이에 따라, 복합재질 전자석의 자기장의 크기를 증폭시키면서도 자기장의 방향을 제어할 수 있다. 구체적으로, 초기상태 (전류가 인가되지 않은 상태)에서 알리코자석인 제1자석과 영구자석인 제2자석의 자화방향은 서로 반대로 배치될 수 있고, 특정방향으로 전류가 인가되면서 연자성체인 전자석은 영구자석과 같은 방향으로 자화될 수 있고, 이때 발생된 자기장의 크기가 제1자석인 알리코자석의 보자력(Hc) 보다 커지게 되면 제1자석의 자화방향이 변화하면서 자기장의 세기가 증폭될 수 있다. 그리고, 상기 특정방향과 반대방향으로 전류가 인가되면 연자성체인 전자석은 영구자석과 반대 방향으로 자화되고, 이때 발생된 자기장의 크기가 제1자석의 보자력 (Hc)보다 커지게 되면 다시 제1자석의 자화방향이 변경되게 되면서 반대 방향으로의 자기장의 세기를 증폭시켜, 자기장의 방향을 제어하는 것이 가능하다. (도 3 참조)
본 명세서 상의 용어 "보자력 (Hc)"는 특정 물질이 외부의 자기장에 영향을 받아 자성체가 되면 외부의 자기장을 없애 주어도 자화된 상태를 어느 정도 유지하게 되고, 이렇게 자성체에 자화도를 0으로 만들 수 있는 자기장의 세기를 의미하며, 기호로는 Hc로 나타낸다. 보자력은 모든 물질마다 각각 자신의 고유한 값을 가지며, 다른 말로는 항자기력이라고도 한다.
본 발명의 일 구현예에서, 제2자석은 네오디뮴 영구자석 또는 사마륨 코말트 자석 (Samarium-cobalt magnet)인 것일 수 있다.
네오디뮴 자석은 영구자석에 속하는 자석으로, 자기장의 세기가 통상의 전자석 및 영구자석에 비해서 가장 크다고 알려져 있고, 이에 따라, 본 발명에 따른 복합재질 전자석은 영구자석인 네오디뮴 자석을 포함함에 따라, 전자석 전체의 크기를 소형화하면서도 전자석의 세기를 크게 유지시키는 것이 가능하다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1자석은 제2자석과 잔류 자화 값의 크기가 같은 것일 수 있다.
본 발명에 있어서, 제1자석이 알리코자석인 경우, 하기와 같이, 각 자석에 대한 기자력, 자기저항 및 자속은 하기 <수식 1> 내지 <수식 3>과 같은 관계를 가질 수 있다. (여기서, H는 자화력 (magnetizing force), L은 자석의 길이, A는 자석의 단면적, Br은 잔류자화 (remanence) 임)
Figure PCTKR2021015816-appb-I000001
<수식 1>
Figure PCTKR2021015816-appb-I000002
<수식 2>
Figure PCTKR2021015816-appb-I000003
<수식 3>
그리고, 제2자석이 네오디뮴 영구자석인 경우, 하기와 같이, 각 자석에 대한 기자력, 자기저항 및 자속은 하기 <수식 4> 내지 <수식 6>과 같은 관계를 가질 수 있다. (여기서, H는 자화력 (magnetizing force), L은 자석의 길이, A는 자석의 단면적, Br은 잔류자화 (remanence) 임)
Figure PCTKR2021015816-appb-I000004
<수식 4>
Figure PCTKR2021015816-appb-I000005
<수식 5>
Figure PCTKR2021015816-appb-I000006
<수식 6>
이때, 제1자석과 제2자석에 의한 복합재질 전자석의 등가 자기저항 (equivalent reluctance, R)은 하기 <수식 7>과 같이 표현될 수 있고,
Figure PCTKR2021015816-appb-I000007
<수식 7>
따라서, 본 발명에 따른 복합재질 전자석의 등가 기자력은 전자석이 ON일 때 하기 <수식 8>과 같은 상관관계를 갖고, 전자석이 OFF일 때는 하기 <수식 9>와 같은 상관관계를 가질 수 있다.
Figure PCTKR2021015816-appb-I000008
<수식 8>
Figure PCTKR2021015816-appb-I000009
<수식 9>
따라서, 본 발명에 따른 복합재질 전자석은 제1자석이 알리코 자석이고, 제2자석이 네오디뮴 자석일 때, 각각의 자속은 잔류자화와 부피, 즉, 잔류자화 크기, 단면적 및 길이에 동시에 관련되어 있으며, 복합재질 전자석이 ON 상태일때는 자기장의 세기를 최대화하면서, 복합재질 전자석이 OFF 상태일때는 자기장을 상쇄하기 위해서 알리코 자석의 기자력이 같을 수 있으며, 따라서, 이를 위해서 제1자석과 제2자석의 잔류자화 크기와 부피는 같을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1자석 및 제2자석의 부피의 합은 전자석의 부피보다 작은 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1자석 및 제2자석의 부피는 동일한 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1자석은 제2자석의 잔류 자화 값의 70 내지 130 %, 75 내지 125 %, 80 내지 120 %, 85 내지 115 %, 90 내지 110 % 또는 95 내지 105 %의 잔류 자화 값을 갖는 것일 수 있고, 예를 들어, 90 내지 110 %의 잔류 자화 값을 갖는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자석은 제1전자석 및 제2전자석을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자석 코어부는 일단에 제1전자석이 배치되고, 타단에는 제2전자석이 배치되며, 제1자석은 제1전자석과 제2전자석의 사이에 배치되면서 제2전자석과 연결되도록 배치되고, 제2자석은 제1전자석과 제2전자석의 사이에 배치되면서 제1전자석과 연결되도록 배치되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 와이어는 제1전자석 및 제2자석 상에 권취되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 양태는, 하기 단계를 포함하는 마이크로로봇의 구동 방법이다:
복합재질 전자석에 전류를 인가하여 자성체를 포함하는 마이크로로봇을 구동하는 구동 단계,
복합재질 전자석은, 연자성체인 전자석, 제1방향의 잔류자화의 방향을 가지는 제1자석 및 제1방향과 평행하면서 반대방향인 제2방향의 자기장의 방향을 가지고, 영구자석인 제2자석을 포함하는 전자석 코어부; 및 전자석 코어부 상에 권취되는 와이어를 포함하고, 제1자석은 인가되는 외부 전류의 방향 및 세기에 따라 자기장의 방향이 제2방향으로 변경 가능한 것임.
본 명세서 상의 용어, "마이크로 로봇"은 인체 삽입형 의료기기의 일종으로, 혈관로봇, 능동캡슐 내시경과 같이 밀리미터 스케일 크기의 자성체로서 영구자석 또는 연장성체를 포함하는 기계/전자식 마이크로 로봇과 DDS용 마이크로캐리어, 세포 치료제 전달용 마이크로스캐폴드, 나노로봇, 대식세포로봇과 같은 마이크로/나노 스케일 크기의 자성체로서 자성 나노입자 (magnetic nanoparticles)를 포함하는 고분자/세포기반 마이크로 로봇으로 분류될 수 있으며, 그 외 다른 형태의 마이크로 로봇이 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로로봇은 카메라 모듈, 위치정보 제공부, 구동부, 치료부, 로봇 제어부, 데이터 송수신부 및 무선전력 수신부로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자석, 제1자석 및 제2자석의 재질은 서로 다른 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자석은 연자성체일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자석은 순철, 규소강, 퍼멀로이 등일 수 있고, 예를 들어, 순철 전자석인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1자석은 알리코자석 (ALICO 자석)일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제2자석은 네오디뮴 영구자석 또는 사마륨 코말트 자석 (Samarium-cobalt magnet)인 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1자석은 제2자석과 잔류 자화 값의 크기가 같은 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1자석 및 제2자석의 부피의 합은 전자석의 부피보다 작은 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1자석 및 제2자석의 부피는 동일한 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1자석은 제2자석의 잔류 자화 값의 70 내지 130 %, 75 내지 125 %, 80 내지 120 %, 85 내지 115 %, 90 내지 110 % 또는 95 내지 105 %의 잔류 자화 값을 갖는 것일 수 있고, 예를 들어, 90 내지 110 %의 잔류 자화 값을 갖는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자석은 제1전자석 및 제2전자석을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 전자석 코어부는 일단에 제1전자석이 배치되고, 타단에는 제2전자석이 배치되며, 제1자석은 제1전자석과 제2전자석의 사이에 배치되면서 제2전자석과 연결되도록 배치되고, 제2자석은 제1전자석과 제2전자석의 사이에 배치되면서 제1전자석과 연결되도록 배치되는 것일 수 있다.
본 발명은 복합재질 코어기반 전자기 구동 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 복합재질 전자석은 복합재질 전자석은 자기장의 크기 및 방향을 제어할 수 있으면서 자기장의 세기를 큰 폭으로 증가시킬 수 있으며, 전자석의 소형화도 용이하여, 마이크로로봇을 보다 정확하게 구동시키면서도 구동 장치의 소형화가 가능하므로, 마이크로로봇을 의료 시술 등에 광범위하게 이용될 수 있다.
도 1은 종래의 전자석을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재질 전자석을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재질 전자석의 구동 시 자기장의 방향 및 자기장 세기의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합재질 전자석을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합재질 전자석의 시작품을 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합재질 전자석의 시작품의 전류에 따른 자기장의 세기를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합재질 전자석의 시작품의 전류에 따른 자기장의 기울기를 나타내는 그래프이다.
연자성체인 전자석, 제1방향의 잔류자화의 방향을 가지는 제1자석 및 상기 제1방향과 평행하면서 반대방향인 제2방향의 자기장의 방향을 가지고, 영구자석인 제2자석을 포함하는 전자석 코어부; 및
상기 전자석 코어부 상에 권취되는 와이어를 포함하고,
상기 제1자석은 인가되는 외부 전류의 방향 및 세기에 따라 자기장의 방향이 상기 제2방향으로 변경 가능한 것인, 복합재질 전자석.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "~ 부"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 나아가, "일(a 또는 an)", "하나(one)", 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해 되어야할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
도 1은 종래의 전자석을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 코어 타입의 전자석(1000)의 경우 순철 (pure-iron)과 같은 연자성체 재질의 코어(10)가 중심에 배치되고, 그 위에 구리코일(20)이 감겨져있는 형태의 간단한 구조로 구성된다.
따라서, 종래의 전자석은 구리코일에 전류를 인가하여 연자성체 재질의 코어와 함께 자기장을 조절할 수 있었으며, 영구자석에 비해서 마이크로로봇의 제어가 용이하고 코일의 특성에 따라 마이크로로봇의 움직임을 빠르게 제어하는 것이 가능하였다. 다만, 기존 전자석은 영구자석에 비해서 자기장의 세기가 약하고, 필요한 자기장의 세기를 유지하기 위해 필연적으로 전자석을 대형화할 필요가 생겼으며, 이에 따라 마이크로로봇의 구동을 위한 장치의 소형화가 어려운 단점이 존재하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재질 전자석을 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 복합재질 전자석(2000)은 연자성체인 전자석(110, 120), 제1자석(130) 및 제2자석(140)을 포함하는 전자석 코어부(100) 및 전자석 코어부 상에 권취되는 와이어(200)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 복합재질 전자석(2000)에서, 전자석(110, 120), 제1자석(130) 및 제2자석(140)의 재질은 서로 다른 것일 수 있다.
전자석(110, 120)은 전자석 코어부(100)에 포함될 수 있고, 연자성체일 수 있으며, 외부에서 자기장을 걸었을 때 자화되며, 외부 자기장이 사라지면 자화가 남아 있지 않을 수 있다.
전자석(110, 120)은 순철, 규소강, 퍼멀로이 등일 수 있고, 예를 들어, 순철 전자석인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
전자석(110, 120)은 제1전자석(110)과 제2전자석(120)을 포함할 수 있으며, 제2전자석(120)은 전자석 코어부의 일단에 디스크 형태로 배치될 수 있다.
제1자석(130)은 알리코자석 (ALICO 자석)일 수 있다.
제1자석(130)은 전류가 인가되지 않은 상태에서 제1방향(90)의 자기장의 방향을 가질 수 있다. 그리고, 제1자석(130)은 인가되는 외부 전류의 방향 및 세기에 따라 자기장의 방향이 제2방향(80)으로 변경 가능할 수 있으며, 구체적으로, 제1자석(130)은 외부의 전류에 의해 와이어(200) 및 전자석(110, 120)에서 발생하는 자기장의 세기가 제1자석(130)의 보자력 (Hc)보다 커지게 되면, 자화 방향이 제2방향(80)으로 변경될 수 있다.
제2자석(140)은 영구자석일 수 있고, 제1방향(90)과 평행하면서 반대방향인 제2방향(80)의 자기장의 방향을 가지는 것일 수 있다.
제2자석(140)은 네오디뮴 영구자석일 수 있다.
한편, 제1자석(130)의 잔류 자화 값은 제2자석(140)의 70 내지 130 %, 75 내지 125 %, 80 내지 120 %, 85 내지 115 %, 90 내지 110 % 또는 95 내지 105 %의 잔류 자화 값을 갖는 것일 수 있고, 또는 제1자석(130)과 제2자석(140)의 잔류 자화 값은 동일할 수 있다.
제1자석(130) 및 제2자석(140)의 잔류 자화 값이 동일하거나 비슷하고, 제1자석(130)의 잔류자화의 방향이 제1방향(90)이고 제2자석의 제1방향(90)과 반대되는 제2방향(80)의 자기장의 방향을 가짐에 따라, 일 실시예에 따른 복합재질 전자석(2000)은 외부에서 전류가 인가되지 않은 상태에서는 제1자석(130)과 제2자석(140)의 자기장이 상쇄되어 전체 복합재질 전자석의 자기장의 세기를 0 또는 0에 가깝게 유지할 수 있다.
그리고, 일 실시예에 따른 복합재질 전자석(2000)에서, 연자성체인 전자석(110, 120)과 제1자석(130) 및 제2자석(140)은 서로 맞닿도록 배치될 수 있고, 제2자석(140)은 제1자석(130)의 외부면을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합재질 전자석(2000)의 구동 시 자기장의 방향 및 세기의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 복합재질 전자석은 전류가 가해지지 않는 상태 (초기상태)에서 제1자석(130)과 제2자석(140)의 자화방향이 각각 제1방향과 제2방향으로 서로 반대로 배치될 수 있다 (①).
그리고, 전자석 코어부 상에 권취되어 있는 와이어에 전류를 인가하면, 연자성체인 전자석(110)은 오른손 법칙에 따른 방향인 제2방향 (오른쪽)으로 자화되고, 이때 발생된 자기장의 크기가 제1자석(130)의 보자력 (Hc)보다 커지게 되면 제1자석(130)의 자화방향이 제1방향 (왼쪽)에서 제2방향으로 바뀌게 되어 제2방향으로의 자기장의 세기를 큰폭으로 증가시킬 수 있다 (②).
그리고, 일 실시예에 따른 복합재질 전자석에 인가된 전류의 방향이 같을 때는 제1자석(130)의 자화방향이 제2방향으로 그대로 유지하다가 (③, ④), 전류의 방향이 반대가되어 연자성체의 전자석(110)의 자화방향이 제1방향으로 바뀌면, 이때 발생된 자기장의 크기가 제1자석(130)의 보자력 (Hc)보다 커지게 되면 다시 제1자석(130)의 자화방향이 제2방향에서 제1방향으로 바뀌게 되어 제1방향으로의 자기장의 세기를 증폭시킬 수 있다 (⑤, ⑥).
또한, 일 실시예에 따른 복합재질 전자석에 인가된 전류의 방향이 유지되면 제1자석의 자화방향이 제1방향으로 그대로 유지될 수 있다 (⑦).
이와 같이, 본 발명에 따른 복합재질 전자석은 초기상태 (전류가 인가되지 않은 상태)에서 제1자석(130)과 제2자석(140)의 자화방향이 서로 반대되도록 배치될 수 있고, 특정방향으로 전류가 인가되면서 연자성체인 전자석은 제2자석(140)과 같은 제2방향으로 자화될 수 있고, 이때 발생된 자기장의 크기가 제1자석(130)의 보자력(Hc) 보다 커지게 되면 제1자석(130)의 자화방향이 변화하면서 제1방향을 향한 복합재질 전자석 전체의 자기장의 세기가 증폭되어 마이크로로봇을 환자의 체내에서 원하는 곳으로 원활하게 구동시키는 것이 가능하다.
그리고, 반대방향으로의 전류가 인가되면 연자성체인 전자석은 제2자석(140)과 반대 방향으로 자화되고, 이때 발생된 자기장의 크기가 제1자석(130)의 보자력 (Hc)보다 커지게 되면 다시 제1자석(130)의 자화방향이 제1방향으로 변경되게 되면서 반대 방향으로의 자기장의 세기를 증폭시켜, 자기장의 방향을 제어하는 것이 가능하고, 즉, 본 발명에 따른 복합재질 전자석은 자기장의 세기를 기존의 전자석에 비해서 증가시키면서도, 자기장의 방향을 변경하는 것이 수월한 특장점을 가진다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 복합재질 전자석을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 다른 실시예에 따른 복합재질 전자석(3000)은 연자성체인 제1전자석(310), 연자성체인 제2전자석(320), 제1자석(130), 제2자석(140)을 포함하는 전자석 코어부 및 전자석 코어부 상에 권취되는 와이어(200)를 포함할 수 있고, 전자석 코어부는 일단에 제1전자석(310)이 배치되고, 타단에는 제2전자석(320)이 배치되며, 제1자석(130)은 제1전자석(310)과 제2전자석(320)의 사이에 배치되면서 제2전자석(320)과 연결되도록 배치되고, 제2자석(140)은 제1전자석(310)과 제2전자석(320)의 사이에 배치되면서 제1전자석(310)과 연결되도록 배치될 수 있다.
그리고, 와이어(200)는 제1전자석(310) 및 제2자석(140)의 외주면 상에 권취되어 제1전자석(310) 및 제2자석(140)을 둘러싸도록 배치될 수 있다.
제1전자석(310)의 일단에는 알루미늄 디스크(350)가 추가로 배치될 수 있다.
알루미늄 디스크(350)는 와이어를 권취할 때, 가이드 역할을 수행할 수 있으며, 이때 자기장의 영향을 줄이기 위해서 알루미늄 재질이 사용될 수 있다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
제조예: 복합재질 전자석의 제조
기존에 제작된 순철 코어를 가진 전자석과의 비교를 위해 기존 순철 전자석과 동일한 권선수(1400), 권선직경(1.6) 및 코일 외경(100 mm)을 갖고, 알리코자석의 잔류자화 값과 네오디뮴 자석의 잔류자화 값이 동일하고, 알리코 자석의 부피와 네오디뮴 자석의 부피가 동일하도록 하기 표 1과 같은 복합재질 전자석의 시작품 (CEM)을 제작하였다.
코일길이 (mm) 코일 외경 (mm) 권선수 권선직경(mm) 저항 (OOH) BrAlNiCo BrNdFeB
240 100 1400 1.6 3.6 1.3302 1.3137
실시예: 자기장 세기 및 자기장 기울기 향상 확인
상기 제조예에서 제작한 복합재질 전자석의 시작품 (CEM)에 -15A 내지 15A의 전류를 인가하고, 자기장 측정장비 Teslameter (Model 6010, Sypris, USA)를 활용하여 복합재질 전자석의 시작품 (CEM)과 상기 시작품과 동일한 권선수, 권선직경 및 코일 외경을 갖는 순철 코어의 전자석의 전자석 길이방향의 자기장을 측정하였다.
단위: mT
-15A -10A -5A 0A 5A 10A 15A
Iron core 31.958 28.117 19.4 0 -19.35 -28.12 -31.97
CEM switching ON-CEM OFF mode 42.35 34.3 19 0 -22 -38 -45
CEM switching OFF-CEM ON mode 42.2 34.8 18.5 -5.7 -24.5 -37.4 -44.3
단위: A/m2
0A 5A 10A 15A
Iron core 0 408,224 595,610 679,720
CEM 0 835,217 1153,873 1,193,662
실험결과, 도 6 내지 7 및 표 2 내지 3과 같이, 본 발명에 따른 복합재질 전자석은 종래의 순철 코어를 갖춘 전자석에 비해 자기장의 세기가 최대 38% 이상 증가하였으며, 자기장의 기울기는 최대 70% 이상 증가한 것을 확인할 수 있었다.
본 발명은 복합재질 코어기반 전자기 구동 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 전자석의 코어부에 서로 다른 자석이 복수로 포함된 복합재질 코어부를 통해 전자석의 크기 및 중량을 유지하면서도 자기력을 큰 폭으로 증폭시킬 수 있는 전자석에 관한 것이다.

Claims (15)

  1. 연자성체인 전자석, 제1방향의 잔류자화의 방향을 가지는 제1자석 및 상기 제1방향과 평행하면서 반대방향인 제2방향의 자기장의 방향을 가지고, 영구자석인 제2자석을 포함하는 전자석 코어부; 및
    상기 전자석 코어부 상에 권취되는 와이어를 포함하고,
    상기 제1자석은 인가되는 외부 전류의 방향 및 세기에 따라 자기장의 방향이 상기 제2방향으로 변경 가능한 것인, 복합재질 전자석.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전자석은 순철 전자석인 것인, 복합재질 전자석.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1자석은 알리코자석 (ALICO 자석)인 것인, 복합재질 전자석.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2자석은 네오디뮴 영구자석인 것인, 복합재질 전자석.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1자석은 상기 제2자석과 잔류 자화 값의 크기가 같은 것인, 복합재질 전자석.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1자석 및 상기 제2자석의 부피의 합은 상기 전자석의 부피보다 작은 것인, 복합재질 전자석.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1자석 및 상기 제2자석의 부피는 동일한 것인, 복합재질 전자석.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1자석은 상기 제2자석의 잔류 자화 값의 95 내지 105 %의 잔류 자화 값을 갖는 것인, 복합재질 전자석.
  9. 제1항에 있어서, 상기 전자석은 제1전자석 및 제2전자석을 포함하는 것인, 복합재질 전자석.
  10. 제9항에 있어서, 상기 전자석 코어부는 일단에 상기 제1전자석이 배치되고, 타단에는 상기 제2전자석이 배치되며, 상기 제1자석은 상기 제1전자석과 상기 제2전자석의 사이에 배치되면서 상기 제2전자석과 연결되도록 배치되고, 상기 제2자석은 상기 제1전자석과 상기 제2전자석의 사이에 배치되면서 상기 제1전자석과 연결되도록 배치되는 것인, 복합재질 전자석.
  11. 제1항에 있어서, 상기 전자석, 제1자석 및 제2자석의 재질은 서로 다른 것은, 복합재질 전자석.
  12. 하기 단계를 포함하는 마이크로로봇의 구동 방법:
    복합재질 전자석에 전류를 인가하여 자성체를 포함하는 마이크로로봇을 구동하는 구동 단계,
    상기 복합재질 전자석은,
    연자성체인 전자석, 제1방향의 잔류자화의 방향을 가지는 제1자석 및 상기 제1방향과 평행하면서 반대방향인 제2방향의 자기장의 방향을 가지고, 영구자석인 제2자석을 포함하는 전자석 코어부; 및
    상기 전자석 코어부 상에 권취되는 와이어를 포함하고,
    상기 제1자석은 인가되는 외부 전류의 방향 및 세기에 따라 자기장의 방향이 상기 제2방향으로 변경 가능한 것임.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제1자석은 알리코자석 (ALICO 자석)인 것인, 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 제2자석은 네오디뮴 영구자석인 것인, 방법.
  15. 제12항에 있어서, 상기 제1자석은 상기 제2자석과 잔류 자화 값의 크기가 같은 것인, 방법.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0963798A (ja) * 1995-08-24 1997-03-07 Jiyuu Denshi Laser Kenkyusho:Kk 電磁石式ハイブリッド周期磁場発生装置
JP2005159025A (ja) * 2003-11-26 2005-06-16 Isuzu Motors Ltd 複合磁石及びそれを用いた渦電流式減速装置
KR100865765B1 (ko) * 2007-07-13 2008-10-29 세인플렉스 주식회사 솔레노이드
KR20170062185A (ko) * 2015-11-27 2017-06-07 한국전기연구원 고출력 마그네트론에서의 자기장 형성 장치
KR20200101286A (ko) * 2019-02-19 2020-08-27 전남대학교산학협력단 마이크로 로봇 구동장치

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0963798A (ja) * 1995-08-24 1997-03-07 Jiyuu Denshi Laser Kenkyusho:Kk 電磁石式ハイブリッド周期磁場発生装置
JP2005159025A (ja) * 2003-11-26 2005-06-16 Isuzu Motors Ltd 複合磁石及びそれを用いた渦電流式減速装置
KR100865765B1 (ko) * 2007-07-13 2008-10-29 세인플렉스 주식회사 솔레노이드
KR20170062185A (ko) * 2015-11-27 2017-06-07 한국전기연구원 고출력 마그네트론에서의 자기장 형성 장치
KR20200101286A (ko) * 2019-02-19 2020-08-27 전남대학교산학협력단 마이크로 로봇 구동장치

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