3.2.1 실험개요

자기력을 기계적 에너지로 변환하고, 이를 원동기 등 동력발생 장치의 운전용 구동력으로 이용에 대한 타당성을 평가하기 위해서는 자기력의 내구성과 상호간의 이격거리에 대한 자기력의 변화관계를 파악해야 한다.

전술한 바와 같이 영구자석은 급격한 온도변화나 충격을 가하지 않고, 주변 환경을 일정한 조건으로 유지하는 정적상태에서는 거의 반영구적으로 자기력을 보유하는 것으로 알려지고 있다. 그러나 수회～수십 회/초 이하의 짧은 주기로 연속하여 자기력을 기계적 에너지로 변환하는 동적상태에 대한 내구성을 평가한 실험 자료는 거의 전무한 상태이다. 이러한 현황을 고려하여 영구자석이 연속적으로 척력을 발생하였을 경우에 대한 자기력의 내구성을 확인하는 실험이 필요하다. 또한, 대향하고 있는 영구자석 사이에 발생하는 힘과 이격거리와의 상호관계를 파악하는 것은 자기력의 이용에 매우 중요하다. 일반적으로 대향하고 있는 영구자석 상호간에 발생하는 힘은 각 영구자석의 자속밀도에 비례하고, 거리의 제곱에 반비례하는 것으로 알려져 있으나 영구자석의 조합개수, 이격거리 상호간에 작용하는 힘을 정확히 산정할 수 있는 계산식은 아직까지 정립되어 있지 않다. 따라서 현재로서는 이용하고자 하는 자석을 선정한 후 이들의 상호관계를 직접 실험적으로 파악해야 한다.

이러한 관점에서 영구자석을 선택하고, 이들 조합조건 각각에 대해 작용하는 자기력의 크기를 실험적으로 파악한 결과를 제시한다.

3.2.2 실험장치 제작

영구자석 자기력의 내구성 시험을 위해 Fig. 3과 같은 내구성 평가실험 장치와 실험에 사용할 영구자석의 시료를 제작하였다. 실험 장치는 시중에서 판매되는 10 kN 급의 에어프레스로서 스트로크 200 mm를 보유하고 있다. 실험대상 영구자석은 시중에서 일반용으로 판매되고 있는 것으로 직경 50 mm, 두께 40 mm, N35 등급의 네오디늄(Nd) 자석이다.

다음 Fig. 3은 시험을 위해 설치한 영구자석과 로드 셀의 모습 및 상호간에 척력이 작용하고 있는 시험과정의 상태를 나타낸 것이다. 이때 영구자석은 자기력의 차폐를 위하여 탄소함유량 0.3% 미만의 연철로 제작한 홀더에 삽입하여 고정하였다.

Fig. 3. Device to measure the repulsion force.

한편, 동일한 중심축 상에서 대향하고 있는 2개의 영구자석 사이에 발생하는 척력과 이격거리의 상호관계를 파악하기 위하여 Fig. 4와 같은 시험 장치를 제작하였다. 시험 장치에는 로드셀 및 인디케이터, 이격거리 측정용 레이저 거리측정기, 영구자석 설치용 고정홀더, 영구자석 설치용 이동홀더, 거리조정 휠, 전원공급장치로 구성되어있다.

Fig. 4. Measuring device of magnetic force.

자기력 측정 장치에 사용된 로드셀의 측정가능 흡인력은 10 kN이며, 측정 가능한 행정거리는 500 mm이다. 자기력의 영향을 최소화하기 위하여 몸체는 두랄루민을 사용하였으며, 주요제원은 table 1과 같다.

한편, 영구자석의 조합개수에 대한 자기력의 상관성을 파악하기 위해 1개～3개를 삽입할 수 있는 홀더를 다수 제작하였다.

3.2.3 실험 조건 및 방법

에너지 변환장치는 상온운전을 원칙으로 하고 있음을 감안하여 실험은 냉난방 시설이 갖추어지지 않은 자연 상태의 실내 상온에서 약 2년에 걸쳐 수행하였다.

내구성 평가실험을 수행하는 동안의 실내온도는 -10.5℃ ～27℃ 범위를 나타내었다. 스트로크 60 mm, 1회 왕복 사이클 주기는 2초로 조정하였으며, 사이클 회수는 실험장치의 최대범위 100만회를 기준으로 하였다. 현재까지 총 16차에 걸쳐 약 1,500만회 정도를 실시하였다.

이격거리에 대한 척력의 상호관계를 파악하기 위한 시험은 영구자석의 조합을 최대 3개로 하여 1개：1개 ～3개：3개로 총 6종으로 구성하였다. 상호간의 이격거리는 0～100 mm 범위 내에서 약 2 mm 간격으로 측정하였다.

3.3.1 자기력의 내구성 평가실험 결과

Fig. 5는 100만회의 왕복운전을 1사이클로 하는 공압프레스를 이용하여 16사이클, 약 1,500만 회에 걸친 운전을 통해 나타난 척력의 측정결과를 나타낸 것이다.

Fig. 5에서 보는 바와 같이 실험기간 동안 척력은 725 N～783 N을 나타내어 변화폭은 최소값을 기준으로 약 8% 내외로 나타났다.

실험에서 나타난 척력의 차이에 대해서 분석해보면, 고온에서 감소된 척력은 온도가 낮아지면 다시 원상태로 회복되는 현상에 비추어 볼 때 영구적으로 자기력이 감소했다라고 하기 보다는 온도에 따른 영향임을 확인할 수 있었다.

Fig. 5. Effect of repeating actions on the repulsive force.

한편, 장시간 척력을 유지시켰을 경우에 대하여 내구성을 파악하기 위한 시험을 수행하였다. 상온에서 척력이 발생한 상태를 5초 동안 유지한 후 순간적으로 제거하는 방법으로 약 50만회에 걸쳐 실험을 수행하였다.

Fig. 6은 이에 대한 결과를 정리하여 나타낸 것으로, 약 730±40 N의 범위를 유지하였다.

Fig. 6. Stability of magnetic force on the long time and continuous action of repulsive force.

3.3.2 척력과 이격거리의 상관성

자기력의 구동력 이용에 대한 유용성을 판단하기 위해서는 척력과 이격거리 상호관계를 규명하고, 이를 구현하는 장치의 구조를 결정하기 위해서는 영구자석의 조합에 관한 기초자료의 정립이 필요하다.

이러한 관점에서 영구자석의 조합과 이격거리 상호간의 상관성을 평가하기 위하여 상기에서 설명한 Fig. 4의 자기력 측정 장치를 사용하여 실험을 수행하였다.

다음 table 2는 직경 50 mm, 길이 40 mm, N35인 Nd 영구자석을 홀더에 설치한 조합표이다. 향후 상용화 시에 대두될 수 있는 중량과 구조적인 한계를 고려하여 최대 3개를 조합하는 것으로 하였다. 실험에 사용한 영구자석을 고정한 홀더는 탄소함유량 0.3% 이하의 연철을 사용하였다.

Table 2. Combination of permanent magnet to measure the dependence of repulsive force and distance

Combination Number	1	2	3
1
2
3

Fig. 7은 상기의 table 2에 제시한 조합에 의해 제작이 완성된 모습으로 영구자석이 홀더에 삽입되어 있음을 확인 할 수 있다.

Fig. 7. Features of the inserted magnet into holder.

Fig. 8은 영구자석 시험체를 조합하여 이격거리에 대응하는 척력을 Fig. 4의 측정장치를 이용하여 측정 예를 나타낸 것이다. 그림에서 M_A와 M_B는 측정대상 영구자석으로 동일 극이 상호대향 하여 척력 F_R이 상호간에 발생하고 있는 상태를 나타낸 것이고, 우측하단의 작은 그림은 대향면이 완전히 밀착된 상태를 나타낸 것이다.

Fig. 8. Measuring features of the repulsive force on the magnet-to-magnet distance.

3.3.3 영구자석 조합에 대한 척력과 이격거리 상관성

상기에서 언급한 Fig. 4의 측정 장치를 이용하여 table 2에 의한 영구자석의 조합에 대한 이격거리별 척력의 측정결과를 정리하면 Fig. 9와 같다.

Fig. 9. Repulsive force according to the combined number and separated distance of magnets.

상기 Fig. 9를 통하여 영구자석의 개수조합과 척력 상호간에서 특별한 상관성을 발견할 수 없다. 즉, 상호 대향하는 조합개수별 척력을 크기순으로 나타내면 2 ：2 $>$ 3：1 $>$ 3：3 $>$ 1：1 $>$ 3：2 $>$ 2：1로서 이들 상호간의 관계를 일률적으로 정립하기 곤란하다.

이러한 현상이 본 실험에서 사용한 규격에 국한된 것인지 여부에 대해서는 보다 다양한 크기의 영구자석을 대상으로 상세한 시험이 필요하지만 아직까지 이러한 상호관계를 규명한 자료는 없는 것으로 파악되고 있다. 따라서 영구자석의 무게, 부피, 단면적 등 형상과 척력의 상관관계를 규명할 필요가 있다.

현재로서는 사용하고자 하는 영구자석을 선정한 후 이들의 상호관계를 실험을 통하여 규명한 후 적정한 조합을 도출하는 방법이외에는 이론적으로 규명할 방법이 없어 장기적인 연구가 필요하다.

3.3.4 온도와 척력의 상관성

영구자석의 자기력을 기계적 에너지로 이용하기 위해서 파악해야 할 또 다른 중요한 요소는 온도에 대한 상관성을 파악하는 것이다. 즉, 일반적으로 영구자석은 저온에서 커다란 자기력을 유지하고, 온도가 상승할수록 저하되는 것으로 알려지고 있다. 따라서 정상적인 운전을 위한 온도제어 범위를 규명하기 위해서 작동온도와 자기력의 상호관계를 파악할 필요가 있다.

상기 Fig. 5에 나타낸 결과에 대한 실험온도 조건은 -10.5℃～27℃로서 이때의 척력 변화율은 최소값을 기준으로 8% 내외임을 설명하였다.

Fig. 5의 측정 자료를 이용하여 온도와 척력의 관계를 나타내면 Fig. 10과 같다.

Fig. 10은 상온에서 측정한 데이터를 이용하여 온도(T)에 대한 척력(P)의 관계를 나타낸 것으로 척력은 온도에 대하여 거의 1차원적으로 변하는 것을 알 수 있으며, 이로부터 이들의 상관관계를 식(2)로 나타낼 수 있다.

Fig. 10. The effect of ambient temperature on repulsive force.

이러한 상관성으로부터 온도가 상승할수록 자기력은 저하된다고 알려진 것과 일치하고 있음을 확인할 수 있다.