KR0163025B1 - 자기 베어링 장치 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

자기 베어링 장치

제1도는 본 발명의 한 실시예에 있어서 자기 베어링 장치에서의 코일로의 통전을 제어하는 회로 블럭도.

제2도는 자기 베어링 장치의 구체적 구조의 한 예를 나타낸 모식도, 및,

제3도는 종래의 자기 베어링 장치에서의 코일로의 통전을 제어하는 회로 블럭도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 가동체 2 : 제1지지체

3 : 제2지지체 4, 11 : 영구자석

7 : 제1코일 14 : 제2코일

20 : 직류전원 22 : 접지라인

23 : 제1통전용 배선 24 : 제2통전용 배선

25 : 제1스위치 회로 26 : 제1구동 회로

27 : 제2스위치 회로 28 : 제2구동 회로

29 : 상태 검출 회로(상태 검출 수단) 32 : 전환 수단

본 발명은 자기 베어링 장치에 관한 것이다.

먼저 본 발명의 한 실시예를 설명하기 위해서 제2도를 참조하여 자기 베어링 장치의 구체적인 구조예에 대해서 설명한다.

제2도에서 1은 연자성체로 이루어진 가동체이고, 이 가동체(1)를 사이에 두고 양측에 각각 배치되어 있는 제1, 제2지지체(2,3)내에 영구자석(4,11)이 각각 설치되고, 각 영구 자석(4,11)에 의한 자기 흡인력이 상기 가동체(1)에 각각 양측에서 작용하도록 구성되어 있다.

또, 각 지지체(2,3)내에는 코일(7,14)이 각각 설치되고, 그 코일(7,14)에 영구 자석(4,11)에 의한 자속의 방향과 같은 방향 혹은 역방향으로 자속이 생기도록 통전함으로써 상기 각 자기 흡인력의 증감을 실시하도록 되어 있다.

그래서 가동체(1)를 지지체(2,3) 사이에서 비접촉 상태의 기준 위치로 지지하기 위해서, 이 가동체(1)가 기준 위치에서 변위하는 경우, 그 변위 방향과는 역방향의 자기 흡인력의 증가, 혹은 변위 방향과 같은 방향의 자기 흡인력의 감소가 생기도록 각 코일(7,14)로의 통전을 제어한다.

이 경우 각 코일(7,14)로의 통전을 각각 독립으로 제어하는 구성으로 되어 가동체(1)의 변위 방향에 따라 선택된 한쪽의 코일에 통전하고, 다른 쪽 코일에는 통전하지 않는 제어 구성으로 할 수도 있다.

그러나, 이 구성에서는 가동체(1)와 각 지지체(2,3)와의 위치 관계에 대해 불안정 스프링 정수의 비선형성이 극단으로 크게 되어, 충분히 안정적인 제어성을 얻기 어려워서 통상 양 코일(7,14)을 서로 직렬로 접속해서 양 코일(7,14)에 동시에 통전하고, 이 경우 생기는 자속의 방향이 한쪽 코일에서 영구 자석의 방향과 같은 방향, 다른 쪽의 코일에서 영구 자석의 자속의 방향과 역방향으로 되도록 한 구성이 채용되고 있다.

즉, 가동체(1)의 변위 방향은 역방향에 위치하는 지지체에서의 자기 흡인력의 증가 및 변위 방향에 위치하는 지지체에서의 자기 흡인력의 감소를 동시에 일으켜 가동체(1)를 보다 안정적으로 기준 위치에 지지하도록 제어하는 것이다.

제3도에서는 상기한 바와 같은 양 코일(7,14)로의 통전을 제어하기 위한 종래의 회로 구성을 나타내고 있다.

제3도에 있어서, 41은 예를 들면 싱글 엔드 푸시 풀(single end push pull) 회로에 의해 구성된 구동 회로로서, 이 구동회로(41)와 접지 라인(42)과의 사이에 상기의 서로 직렬 접속된 코일(7,14)이 접속되어 있다.

그리고, 상기 구동 회로(41)에는 양극성 전원(43)과 음극성 전원(44)이 각각 접속되고, 가동체(1)의 기준 위치에서의 변위가 상태 검출 회로(45)에서 검출된 경우에 제어 회로(46)에 의해 도면중 실선 화살표로 나타낸 양극성 전원(43)에서 접지 라인(42)에 이르는 전류 경로, 또는 도면중 점선 화살표로 나타낸 접지라인(42)에서 음극성 전원(44)에 이르는 전류 경로가 변위 방향에 따라 택일적으로 형성되고, 이에 따라 상기 양 코일(7,14)로의 통전 방향이 가동체(1)의 변위 방향에 따라 전환하도록 되어 있다.

그런데 상기한 바와 같은 제어 회로 구성에 있어서는 가동체(1)의 기준 위치에서의 변위 방향에 따라 코일(7,14)로의 통전 방향의 전환을 실시하기 위해서 양극성 전원(43)과 음극성 전원(44)의 2개 전원을 필요로 하고 이 결과 구조가 대형화하고, 또 제작비가 높아진다는 문제가 있다.

특히 각 전원(43,44)에 정전시의 백업용으로서 배터리를 각각 탑재시키는 구성으로 하는 경우에는 이 배터리도 2개가 필요로 되기 때문에 더욱 구조의 대형화와 제작비의 증가를 가져온다.

본 발명은 상기 사정을 감안해서 이루어진 것으로 그 목적은 소형화가 가능하고 제작비를 보다 염가로 할 수 있는 자기 베어링 장치를 제공하는 것이다.

여기서 본 발명의 자기 베어링 장치는 제1코일 및 영구 자석을 갖는 제1지지체와 제2코일 및 영구 자석을 갖는 제2지지체를 가동체를 사이에 두고 배치함과 동시에, 상기 가동체의 변위 등의 상태를 검출하는 상태 검출 수단을 설치하고, 이 상태 검출 수단에서의 검출 상태에 따라 상기 양 코일로의 통전 방향의 전환을 실시함으로써 상기 제1, 제2지지체에서 각각 가동체에 작용하는 흡인력을 변화시켜서 상기 가동체를 각 지지체로의 비접촉 상태에서 지지하도록 구성해서 이루어지는 자기 베어링 장치에 있어서 직류 전원과 접지 라인과의 사이에, 제1스위치 회로 및 제1구동회로를 포함하는 제1통전용 배선과 제2스위치 회로 및 제2구동회로를 포함하는 제2통전용 배선을 서로 병렬로 접속함과 동시에 상기 제1통전용 배선에는 제1스위치 회로와 제1구동회로를, 또 상기 제2통전용 배선에는 제2스위치 회로와 제2구동회로를 상기 직류전원측에서와 설치하는 순서를 같게 해서 각각 차례로 끼워 설치하고, 상기 제1코일에 있어서 제2코일 반대측의 접속 단자를 상기 제1스위치 회로와 제1구동 회로와의 사이에, 또는 상기 제2코일에 있어서 제1코일 반대측의 접속 단자를 전술한 제2스위치 회로와 제2구동회로와의 사이에 각각 접속함과 동시에, 상기 상태 검출 수단에서의 검출 상태에 따라, 상기 제1스위치 회로 및 제2구동 회로의 동시 폐쇄 상태와, 상기 제2스위치 회로 및 제1구동 회로의 동시 폐쇄 상태를 전환해서 상기 양 코일로의 통전 방향의 전환을 실시하는 전환 수단을 설치하고 있다.

전술한 구성의 자기 베어링 장치에 있어서, 예를 들면, 제1스위치 회로, 제2스위치 회로가 각각 제1구동회로, 제2구동회로보다도 직류전원측으로 끼워 설치되어 있는 경우를 예로 들면, 제1스위치 회로 및 제2구동 회로의 동시 폐쇄 상태에서는 직류 전원으로부터 제1스위치 회로, 제1코일, 제2코일, 제2구동회로를 차례로 통하는 경로로 전류가 접지라인으로 흐르는 한편, 상기에서 제2스위치 회로 및 제1구동회로의 동시 폐쇄 상태로 전환함에 따라 상기 직류 전원에서 제2스위치 회로, 제2코일, 제1코일, 제1구동회로를 차례로 통하는 경로로 전류가 접지라인으로 흐르고, 따라서 양 코일에는 상기와는 역방향의 통전 상태로 전환한다.

이와 같이 상기에서는 상태 검출 수단에서의 검출 상태에 따라 양 코일로의 통전 방향의 전환을 1개의 직류 전원을 설치한 구성으로 실시할 수 있다.

다음에 본 발명의 자기 베어링 장치의 구체적인 실시예에 대해 도면을 참조해서 설명한다.

먼저 자기 베어링 장치의 구체적인 구조의 한 예에 대해 제2도를 참조해서 설명한다.

제2도에서, 1은 연자성체로 되는 가동체이고, 이 가동체(1)를 사이에 두고 양측에 제1, 제2지지체(2,3)가 각각 배치되어 있다.

제1지지체(2)내에는 영구자석(4), 이 영구자석(4)의 N자극면에 부착된 N극측 자극편(5), 상기 영구 자석(4)의 S자극면에 부착된 단면 L자상의 S극측 자극편(6), 이 S극측 자극편(6)에 권장된 제1코일(7)로 이루어진 제1베어링 요소(8)가 설치되어 있다.

상기 N극측 자극편(5)과 S극측 자극편(6)과의 각 선단면은 가동체(1)에 있어서 도면의 좌측 단면에 따라 상하로 벌어지는 장소에서 상기 가동체(1)에 근접해서 각각 위치하도록 이루어져 있고, 이에 따라 도면중 실선 화살표로 나타낸 것처럼 영구자석(4)에 의한 자속이 N극측 자극편(5)으로부터 가동체(1), S극측 자극편(6)을 통해 흘러 닫힌 루프상의 자로(磁路)가 형성되고, 따라서 이 자로에 있어서 자속밀도에 따라 자기 흡인력이 제1지지체(2)에서 가동체(1)로 작용한다.

그래서 상기 제1코일(7)로 통전하는 경우, 영구자석(4)에 의한 자속과 같은 방향, 혹은 역방향의 자속이 통전방향에 따라 전술한 자로내에 생기고, 이에 따라 상기 자기흡인력이 제1코일(7)로의 통전 전류값에 따라 증감된다.

도면의 경우에는 제1코일(7)에 그 한쪽의 접속단자(a)측에서 다른 쪽의 접속단자(b)측으로 향하는 방향으로 통전하는 경우에 영구자석(4)에 의한 자속과 역방향의 자속이 생기는 한편, 접속 단자(b)측에서 접속단자(a)측으로 향하는 방향으로 통전하는 경우에 영구자속(4)에 의한 자속의 방향과 같은 방향의 자속이 생기도록 제1코일(7)의 S극측 자극편(6)으로의 감는 방향이 설정되어 있다.

한편 제2지지체(3)내에도 상기 제1지지체(2)내의 구성과 같이 영구자석(11), 이 영구자석(11)의 N, S의 각 자극면에 각각 부착된 N극측 자극편(12) 및 S극측 자극편(13), 그리고 S극측 자극편(13)에 권장된 제2코일(14)로 이루어지는 제2베어링 요소(15)가 가동체(1)를 사이에 두고 상기 제1베어링 요소(8)와 대칭 위치에 설치되어 있다.

상기 제2코일(14)에 그 한쪽의 접속단자(c)측에서 다른 쪽의 접속단자(d)측으로 향하는 방향으로 통전함으로써, 제2지지체(3)에서의 도면에서 오른쪽 방향으로 가동체(1)에 작용하는 자기 흡인력이 증가되는 한편, 상기 제2코일(14)에 접속단자(d)측에서 접속단자(c)측으로 향하는 방향으로 통전하는 경우에 상기 자기 흡인력이 감소하도록 되어 있다.

그리고 상기 제1코일(7)과 제2코일(14)은 접속단자(b)와 접속단자(c)를 접속함으로써 서로 직렬 접속되어 있고, 따라서 양 코일(7,14)에는 동시 통전이 실시되고, 이 통전을 접속단자(a)측에서 접속단자(d)측으로 향하는 방향으로 실시하는 경우에 제1지지체(2)에서 가동체(1)에 작용하는 자기 흡인력의 감소와 제2지지체(3)에서 가동체(1)에 작용하는 자기 흡인력의 증가가 동시에 이루어지고 따라서 가동체(1)에서는 이것을 제2도에 있어서 오른쪽 방향으로 이동시키는 힘의 증가를 일으킨다.

한편 접속 단자(d)측에서 접속단자(a)측으로 향하는 방향의 통전을 실시하는 경우에 제1지지체(2)에서 가동체(1)에 작용하는 자기 흡인력의 증가와 제2지지체(3)에서 가동체(1)에 작용하는 자기 흡인력의 감소가 동시에 이루어져 이에 따라 가동체(1)에서는, 이것을 제2도에 있어서 왼쪽 방향으로 이동시키는 힘의 증가를 일으킨다.

또 도시하지 않았으나 전술한 가동체(1)와의 이간 거리에 따라 인덕턴스의 변화를 일으키는 센서코일 등으로 구성되는 상태 검출 소자가, 상기 가동체(1)에 근접하는 위치에 배치되어 있어서, 제2도에서 가동체(1)의 좌우 방향의 이동에 따른 전기신호가 상기 상태 검출 소자로부터 출력되도록 되어 있다.

제1도에서는 상기 코일(7,14)로의 통전을 제어하는 제어 블록도를 나타내고 있다.

제1도에 있어서 20은 예를 들면 양극성의 직류전원이고, 이 직류 전원(20)에서는 정전시 백업용의 배터리(21)가 부설되어 있다.

그리고 상기 직류전원(20)과 접지라인(22)과의 사이에 제1통전용 배선(23)과 제2통전용 배선(24)이 서로 병렬로 접속되고, 제1통전용 배선(23)에서는 예를 들면 FET(Field Effect Transistor)로 구성되는 제1스위치 회로(25) 및 제1구동회로(26)가, 또 제2통전용 배선(24)에서는 제2스위치 회로(27) 및 제2구동회로(28)가 각각 상기 직류 전원(20)측에서부터 차례로 끼워 설치되어 있다.

또 상기 각 스위치 회로(25,27)는 상기 FET 외에 바이폴라 트랜지스터 및 기계식 스위치등으로 구성하는 것도 가능하다.

한편 상기 각 스위치 회로(25,27)의 개폐와 각 구동회로(26,28)의 작동을 상기 상태 검출소자에서의 전기 신호에 기초하여 제어하기 때문에 상태 검출 회로(상태 검출 수단)(29), 제어회로(30), 스위치 전환 회로(31)가 각각 설치되어 있다.

상기 상태 검출 회로(29)는 상태 검출 소자에서의 전기 신호를 가동체(1)가 기준위치, 예를 들면 제2도에 있어서 제1, 제2지지체(2,3) 사이에서 공간부의 좌우 방향의 중심에 가동체(1)의 중심이 합치하는 위치에 위치할 때의 기준값과 비교하여, 기준값에 대한 대소 관계에서 가동체(1)의 변위 방향신호를 구하고, 또 기준값과의 차의 절대값에 따른 변위 신호를 구해서 이들을 제어 회로(30)로 출력한다.

상기 변위 방향 신호는 제어 회로(30)를 통해서 스위치 전환 회로(31)로 입력되고, 이에 의해 상기 제1스위치 회로(25)와 제2스위치 회로(26)가 상기 변위 방향신호에 따라 택일적으로 닫힌다.

한편 상기 제어 회로(30)에서는 상태 검출 회로(29)로부터 입력되는 변위량 신호에 따른 구동신호를 발생하고, 이것을 상기 변위 방향 신호에 따라 제1구동회로(26)와 제2구동회로(28)의 한쪽을 택일적으로 선택해서 출력한다.

이에 따라 구동신호가 입력된 구동회로를 통하는 전류 경로가 형성된다.

또 후술하는 것처럼 제1스위치 회로(25)가 폐쇄되는 경우에는 제2구동회로(28)에, 또는 제2스위치 회로(27)가 폐쇄되는 경우에는 제1구동회로(26)에 각각 상기 구동신호가 입력되도록 스위치 전환회로(31)와 제어회로(30)는 연동하고, 따라서 상기 스위치 전환회로(31)와 제어회로(30)에 의해 전환수단(32)를 구성하고 있다.

그리고 상기한 바와 같이 서로 직렬 접속된 제1, 제2코일(7,14)은 상기 접속단자(a)가 제1통전용 배선(23)에 있어서 제1스위치 회로(25)와 제1구동회로(26)와의 사이에 또 접속단자(d)가 제2통전용 배선(24)에 있어서 제2스위치 회로(27)와 제2구동회로(28)와의 사이에 각각 접속되어 있다.

다음에 상기 구성에 있어서 자기 베어링 장치에서의 작동 상태에 대해서 설명한다.

먼저 가동체(1)가 대충 기준 위치에서 지지되어 있는 상태, 즉 제1지지체 및 제2지지체(3)에서의 상기 가동체(1)에 대한 각 자기 흡인력이 균형을 이루고 있는 상태에서 외력의 변화로 상기 가동체(1)가 제2도에 있어서 왼쪽 방향으로 변위한 경우에 대해 설명한다.

이때 왼쪽 방향으로의 변위 방향 신호와 변위량 신호가 상태 검출 회로(29)에서 제어회로(30)로 입력되고 또 상기 변위방향 신호는 스위치 전환 회로(31)로 입력된다.

이에 따라 제1스위치 회로(25)가 선택되어 제1스위치 회로(25)의 폐쇄 동작이 전술한 스위치 회로(31)에 의해 실시된다.

한편 제어회로(30)에서는 상기 변위량 신호에 따른 크기의 구동신호를 발생함과 동시에 상기 왼쪽 방향의 변위방향 신호에 대응해서 제2구동회로(28)의 선택을 실시하고, 상기 구동신호를 제2구동회로(28)로 입력한다.

이에 따라 제2구동회로(28)에서 출력 트랜지스터(T2)가 온 동작하고 이 결과 제1도에 있어서 실선 화살표로 나타낸 것처럼 직류전원(20)에서 제1스위치 회로, 제1코일(7), 제2코일(14), 제2구동회로(28)를 통해서 제2구동회로로의 구동신호에 따른 전류값의 전류가 접지 라인(22)으로 흐른다.

따라서 양 코일(7,14)에서는 제2도에 있어서 접속단자(a)측에서 접속단자(d)측으로 전류가 흐르므로 상기한 바와 같이 제1지지체(2)에서 가동체(1)에 작용하는 자기 흡인력의 감소와 제2지지체(3)에서 가동체(1)에 작용하는 자기 흡인력의 증가가 동시에 이루어지고 따라서 가동체(1)로의 자기 흡인력의 총화는 제2도에 있어서 오른쪽 방향으로 작용한다.

이 결과 왼쪽 방향으로 변위한 가동체(1)의 기준 위치로의 복귀 이동이 실시된다.

한편 가동체(1)가 제2도에 있어서 기준 위치에서 오른쪽 방향으로 변위한 경우에는 상태 검출 회로(29)에서 오른쪽 방향의 변위신호와 변위량 신호가 발생되고, 이때에는 스위치 전환회로(31)에 의해 제2스위치 회로(27)가 폐쇄된다.

또한 제어회로(30)에 있어서 구동신호는 제1구동회로(26)로 입력되고, 제1구동회로(26)에 있어서 출력 트랜지스터(T1)가 온 동작된다.

이 결과 제1도중 점선 화살표로 나타낸 것처럼 직류 전원(20)으로부터 제2스위치 회로, 제2코일(14), 제1코일(7), 제1구동회로(26)를 통해서 접지라인(22)으로 전류가 흐른다.

따라서 각 코일(7,14)에는 제2도에 있어서 접속단자(d)측에서 접속단자(a)측으로 전류가 흐르므로 전술한 것처럼 제1지지체(2)에서 가동체(1)로 작용하는 자기 흡인력의 증가와 제2지지체(3)에서 가동체(1)로 작용하는 자기 흡인력의 감소를 일으키고 따라서 가동체(1)로의 자기 흡인력의 총화는 제2도에 있어서 왼쪽 방향으로 작용하고 이 결과 오른쪽 방향으로 변위한 가동체(1)의 기준 위치로의 복귀 동작이 행해진다.

이와 같이, 가동체(1)의 기준위치에서의 변위방향과 변위량을 검출하고 검출되는 변위 방향에 따라 각 코일(7,14)로의 통전 방향을 전환하며, 또 변위량에 따라 통전 전류값을 제어함으로써 상기 가동체(1)는 제1, 제2지지체(2,3) 사이에서 이들은 비접촉 상태에서의 기준위치에 위치하도록 제어된다.

이상 설명한 것처럼 상기 실시예에 있어서는 한 개의 직류전원(20)을 설치하는 구성으로 코일(7,14)로의 통전방향의 전환을 실시할 수 있다.

때문에 스위치 회로와 구동회로를 각각 2조 설치할 필요가 있으나, 구동회로는 택일적으로 기능시키는 2개의 출력 트랜지스터를 내장하는 종래의 구동회로를 2개로 분할한 구성으로 되어 있고, 따라서 구성부품 및 전유 공간에 큰 변화는 없고, 또 각 스위치 회로 및 스위치 전환 회로는 비교적 적은 구성 부품으로 구성할 수 있는 것이다.

따라서 전체적으로는 전원 및 배터리를 각각 2개씩 필요했던 종래의 제어회로구성에 비해 상기에서는 전원 및 배터리의 용량을 반감할 수 있고 따라서 제작비를 대폭 저감할 수 있음과 동시에 전체의 형상을 소형화할 수 있다.

또 상기 실시예에 있어서는 상태 검출 회로(29)에서 가동체(1)의 기준 위치에서의 변위를 검출하는 구성으로 했으나 가동체(1)의 속도 및 가속도를 검출해서 코일(7,14)로의 통전을 제어하는 구성으로 할 수도 있고, 또 제1, 제2통전용 배선(23,24)으로의 스위치 회로(25,27)와 구동회로(26,28)의 설치 순서를 상기와 같게 또는 역으로 하는 구성으로 할 수도 있다.

또 가동체(1)의 상태 변화의 방향신호를 제어회로(30)를 통하지 않고 스위치 전환회로(31)로 입력할 수도 있다.

특히 구동회로(26,28)는 코일(7,14)에 흐르는 전류를 제어하기 위해서 정전류 구동회로로 구성 가능하고, 또 출력 트랜지스터는 FET 싸이리스터 등을 이용할 수도 있다.

이상과 같이 본 발명의 자기 베어링 장치에 있어서는 1개의 직류 전원을 설치하는 구성으로 코일로의 통전방향의 전환을 실시할 수 있어서 양극성의 직류전원과 음극성의 직류전원을 필요로 한 종래 구성에 비해 구조를 보다 소형화할 수 있고, 또 보다 염가로 제작할 수 있다.

Claims (1)

1. 제1코일 및 영구자석을 갖는 제1지지체와, 제2코일 및 영구자석을 갖는 제2지지체를 가동체를 사이에 두고 배치함과 동시에 상기 제1코일과 제2코일을 서로 직렬 접속하고 또 상기 가동체의 변위 등의 상태를 검출하는 상태 검출 수단을 설치하고 이 상태 검출 수단에서의 검출 상태에 따라 상기 양 코일로의 통전 방향의 전환을 실행함으로써 상기 제1, 제2지지체에서 각각 가동체로 작용하는 흡인력을 변화시켜서 상기 가동체를 각 지지체로의 비접촉 상태에서 지지하도록 구성하여 이루어지는 자기 베어링 장치에 있어서, 직류전원과 접지라인과의 사이에, 제1스위치 회로 및 제1구동회로를 포함하는 제1통전용 배선과 제2스위치 회로 및 제2구동회로를 포함하는 제2통전용 배선을 서로 병렬로 접속함과 동시에 상기 제1통전용 배선에는 제1스위치 회로와 제1구동회로를, 또 상기 제2통전용 배선에는 제2스위치 회로와 제2구동회로를 상기 직류전원측에서의 설치 순서를 동일하게 해서 각각 차례로 설치하고 상기 제1코일에 있어서 제2코일 반대측의 접속단자를 상기 제1스위치 회로와 제1구동회로와의 사이에, 또한 상기 제2코일에 있어서 제1코일 반대측의 접속단자를 상기 제2스위치 회로와 제2구동회로와의 사이에 각각 접속함과 동시에 상기 상태 검출 수단에서의 검출상태에 따라 상기 제1스위치 회로 및 제2구동회로의 동시 폐쇄상태와 상기 제2스위치회로 및 제1구동회로의 동시 폐쇄상태를 바꾸어 상기 양 코일로의 통전 방향의 전환을 행하는 전환수단을 설치하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.

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