KR0157967B1 - 마그네틱 베어링 장치 - Google Patents

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Description

마그네틱 베어링 장치
제1도는 본 발명에 따른 마그네틱 베어링 장치의 구체적 실시예를 도시한 횡단면도.
제2도는 상기 장치의 등가회로 다이어그램이고,
제3도는 변위검출 센서의 동작원리를 도시한 개략적인 다이어그램이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 주회전축 2 : 전기자 디스크
5,6 : 극편 7 : 제어코일
8 : 센서코일 11,12 : 갭
본 발명은 마그네틱 베어링 장치에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 제어전류의 제어특성이 개선되고 전기자 디스크의 변위에 기인한 불균형 스프링 상수(unbalancd spring constant)가 축소된 간단한 구성의 마그네틱 베어링 장치(magnetic bearing device)를 제공하는 것이다.
지금부터 첨부된 도면을 참고하여 본 마그네틱 장치의 바람직한 구체적 실시예를 설명하도록 하겠다.
제1도를 살펴보면, 참고번호 1은 전기자 디스크(2)가 회전가능하도록 장착되어 전체적으로 하나의 유닛을 형성하는 주 회전축을 나타낸다. 한 쌍의 베어링 요소(3,3)는 전기자 디스크(2)의 축 방향에서 상기 디스크(2)가 사이에 놓이게 서로 마주보게 배치된다. 각각의 베어링 요소(3,3)는 영구자석(4)의 두 자극면(pole face)상에 장착된 한 쌍의 극편(pole piece)(5,6)으로 구성된다. 각각의 극편(5,6)은 전기자 디스크(2)와 평행하게 뻗어있는 부분 및 그 부분에서 전기자 디스크에 근접한 지점까지 더 뻗어있는 상단부로 구성된다. 제어코일(7)은 상기 한 쌍의 극편(5,6)사이에서 영구자석(4)보다 더 앞쪽으로 위치하고, 센서코일(8)이 상기 제어코일(7)의 앞쪽에 위치한다. 센서코일(8)은 상기 제어코일(7)과 같은 방향으로 감겨있다.
이러한 구성으로 된 마그네틱 제어장치에 있어서, 첫 번째와 두 번째 갭(gap)(11,12)이 극편(5,6)의 앞끝면에 각각 있게 되고, 누설자기경로(13)는 극편(5,6)의 귀 끝면에 있게되는데, 이 구조의 등가회로가 제2도에 도시되어 있다.
이 회로 다이어그램에서 참조번호 Eo는 영구자선(4)의 기자력을, Ro는 내부의 자기정항을, RL은 누설자속용 자기저항을 R1은 첫 번째 갭(11)용 자기저항을 그리고 R2는 두 번째 갭(12)용 자기저항을 각각 나타낸다.
상기 구성에 있어서, 불균형 스프링 상수는 전기자 디스크(2)의 번위 결과로서 아래 식으로 나타난다:
1/[1+R0/(1+R0/R1)(R1+R2)]
제어력은 아래의 식에 비례한다:
E0·NI/R
R=(R1+R2)2(1+R0/RL)+2R0(R1+R2)+RO 2/(1+R2/RL)
따라서, 최대값은,
RL=R0(R1+R2)/[R0-(R1+R2)]=R0/(a-1)
일 때 얻어지고, 여기서 R0=a(R1+R2)이다.
상기와 같이, 제어코일(7)의 자기경로의 자기저항은 영구자석(4)의 자극면 N과 S사이의 갭을 확장시키고, 내부의 자기저항(R0)을 증가시키며(예를들어 극편(5,6)을 연자성 물질로 형성함으로서), 영구자석(4)의 누설 경로를 형성시킴으로서 최적화 될 수 있다. 제어전류의 제어특성은 제어코일(7)을 영구자석(4)보다 더 앞쪽에 위치시킴으로서 향상될 수 있다. 이러한 구성을 함으로서, 전기자 디스크의 변위에 기인한 불균형 스프링 상수가 축소될 뿐만 아니라 전체적인 구성이 단순화된다.
제3도는 변위 검출 센서에 의한 변위검출 원리를 도시한 개략적인 다이어그램이다. 변위 검출 센서는 센서코일(8)과 전기자 디스크(2)(자성물질)로 구성되고, 고주파수 전류(약 50kHz)가 코일(8)에 인가된다. 센서코일(8)과 전기자 디스크(2)사이의 거리를 변화시키면, 코일(8)의 인덕턴스는 코일(8)에 인가된 고주파수의 진폭이 변조되는 것과 같은 방식으로 변화된다. 이와같은 변조량은 변위로서 검출기에 의해 검출된다. 검출회로는 두 개의 임피던스(Z0,Z0)와 두 개의 센서 코일(L1,L2)로 구성된 브리지로 성형되어 변조량을 차등적으로 검출한 후 변위신호가 검출회로에 의해 출력되게 한다.
제어코일(7)과 센서코일(8)을 함께 구성할 때 발생되는 노이즈는 강한 자계가 인력이 증가된 제어코일(7)내에 발생됨에도 불구하고, 인덕턴스 변화량이 소정의 값에 이르게 될지라도 대단히 강하지는 않다. 이와같은 사실은 센서코일(8)이 전기자 디스크(2)와 떨어져 있기 때문이다. 한편, 인력이 감소된 제어코일(7)에서의 센서코일(8)의 인덕턴스 변화량은 발생된 자계가 그렇게 강하지 않음에도 불구하고 상기의 소정의 값과 거의 같은 값이다. 이와같은 사실은 센서코일(8)과 전기자 디스크(2)사이의 거리가 짧기 때문이다. 이와같이 하여 전술한 차등 검출 시스템을 채택함으로서 각각의 변화량을 상쇄할 수 있고, 변위성분으로서의 검출이 이루어지지 않으며 결과적으로 변위의 정확하고 정밀한 검출이 이루어지게 된다.
다음과 같이 설정한다:
L1,L2: 센서코일의 인덕턴스
Z0: 브리지의 기준 임피던스
μ : 갭의 자기투과율
S : 자기철심의 단면적
x0: 평형점에 있어서 검출목표 까지의 거리
x : x0에서부터의 변위, 및
w : 코일에 인가된 전압 V0의 각 주파수
브리지의 출력전압(V)은 아래와 같이 나타내어진다:
V=V0(jwL2-jwL1)/2(jwL1+jwL2)
=V0(L2-L1)/2(L1+L2)
이때, 다음과 같이 설정한다:
L1=μSN2/2(x0-x)
=a/(x0-x), 및
L2=μSN2/2(x0+x)
=a/(x0+x)
아래의 식이 얻어진다:
V=-V0x/2x0
따라서, 변위에 비례하는 전기적 신호가 얻어진다. V는 진폭이 변휘에 비례하는 다수의 10kHz의 고주파수 전압이기 때문에, 검출을 통해 고주파수 성분을 제거함으로서 변위 신호가 출력되게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 축 변위 검출 메카니즘에 있어서, 센서코일(8)은 제어코일(7)과 공통의 자기경로를 지니고 있기 때문에 공간이 절약된다.
더욱이, 앞서 설명한 바와 같은 차등 검출 메카니즘을 사용한 결과, 센서의 출력은 전기자 디스크(2)가 두 개의 베어링 요소(3,3)사이의 중앙에 위치할 때 제로가 된다. 따라서 각 요소 사이의 불규칙성이 축소될 뿐만 아니라 변위에 관한 선형 센서 출력을 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 상기 구성의 마그네틱 베어링장치에 따르면 제어전류의 제어특성이 개선될 뿐만 아니라 전기자 디스크의 변위에 기인한 불균형 스프링 상수가 축소된다. 더욱이, 장치의 구성이 간단해질 수 있다.

Claims (1)

  1. 회전주축, 상기 회전 주축에 장착된 전기자 디스크 및 상기 전기자 디스크의 축 방향에서 대향하여 위치하는 한 쌍의 베어링 요소를 구비하고, 상기 베어링 요소 각 각은 한 쌍의 극편이 있는 제어코일을 구비하고, 상기 극편 각각의 상단이 상기 전기자 디스크에 가깝게 위치하고, 그리고 상기 극편 사이에 상기 센서코일이 상기 제어코일보다 더 앞쪽에 장착되는 것을 특징으로 하는 마그네틱 제어링 장치.
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