KR100277391B1

KR100277391B1 - 자기 베어링 장치

Info

Publication number: KR100277391B1
Application number: KR1019930005036A
Authority: KR
Inventors: 유우지 시라오; 에이시 마루이; 마모루 스즈끼
Original assignee: 마에다 시게루; 가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
Priority date: 1992-04-01
Filing date: 1993-03-30
Publication date: 2001-01-15
Also published as: DE69322191D1; US5355041A; EP0563928A3; DE69322191T2; JPH05280542A; JP3315428B2; KR930021964A; EP0563928A2; EP0563928B1

Abstract

본 발명의 레이디얼 자기 베어링 장치는 회전샤프트를 부상시켜 제어자극 둘레에 감긴 제어코일에 의해 발생되는 자력을 제어함으로써 회전 샤프트의 굽힘 고유진동치를 넘는 레벨에서도 안정하게 작동된다. 상기 회전 샤프트에 면하는 각각의 제어자극의 표면에 홈이 제공되고, 반경방향으로 회전샤프트의 위치를 검출하기 위해 홈을 통과하도록 센서코일이 감겨진다. 각 제어자극의 일부는 인덕턴스형 변위센서의 자극으로 사용될 수도 있다.

Description

자기 베어링 장치

제1도는 종래 기술의 레이디얼 자기 베어링 장치의 단면도.

제2도는 제1도에 도시된 자기 베어링 장치에 구비되는 인덕턴스형 변위센서의 단면도.

제3도는 제1도의 III-III선을 따라 취한 레이디얼 자기 베어링장치의 단면도.

제4도는 회전샤프트의 고유 굽힘 진동 모드를 설명하는 다이아그램.

제5도는 본 발명의 제 1실시예에 의한 레이디얼 자기 베어링 장치의 제어자극을 도시하는 다이아그램.

제6도는 본 발명의 제 2실시예에 의한 레이디얼 자기 베어링 장치의 제어자극을 나타내는 다이아그램, 및

제7도는 본 발명의 실시예에서 센서 코일의 전기적 연결을 설명하는 다이아그램이다.

본 발명은 전자석으로 자기력을 제어함으로써 자성체를 부상시키는 레이디얼 자기 베어링 장치에 관한 것으로, 특히 전자석의 제어자극의 구조에 관한 것이다.

제1도는 종래 기술의 레이디얼 자기 베어링 장치의 단면도이다. 제어자극 코어(1)에는 제어코일(51, 52, 55, 56)이 둘레에 감겨있는 제어자극(31, 32, 35, 36)이 구비된다. 자기 물질로 만들어진 물체, 예를 들어 회전샤프트(8)가 제어자극과 제어코일에 의한 전자석의 제어력에 의해 X방향으로 부상된다. 발생되는 제어자극(31, 32)은 한쌍을 이룬다. 각각의 제어코일(51, 52)이 다른 자극을 형성하도록 감겨져 있으므로 상기 코일에 의해 형성되는 자기 플럭스는 폐쇄된다. 따라서, 한쌍의 제어자극(31, 32)이 +X방향으로 회전샤프트(8)를 끌어당긴다. 반면에, 상기 제어자극(31, 32)의 반대편에 구비되는 한쌍의 제어자극(35, 36)은 -X방향으로 상기 회전샤프트(8)를 또한 끌어당긴다. 결과적으로, 상기 전자석에 의해 발생되는 자력이 평형상태를 이루어 회전샤프트(8)는 제어자극(31, 32, 35, 36)과 접촉하지 않은 채 X방향으로 위치되고 지지된다. 동일한 방식으로, 한쌍의 제어자극(37, 38)과 또 다른 한쌍의 제어자극(33, 34)으로 구성된 전자석에 의해 발생되는 자력이 평형상태를 이루어 상기 회전샤프트(8)는 제어자극(33, 34, 37, 38)과 접촉하지 않고 Y방향으로 배치되고 지지된다.

제어코일이 구비된 한쌍의 제어자극의 반대편 위치에 배치된 또 한쌍의 제어자극이 전자석에 의해 발생되는 자기력에 의해 평형위치에서 회전샤프트(8)를 지지한다. 따라서, 전자석에 의해 발생되는 자력을 평형시키기 위해서는 회전샤프트의 위치를 검출함으로서 제어코일의 여기를 제어하는 것이 필요하다. 이러한 목적으로, 회전샤프트(8)의 반경방향 위치를 검출하기 위해 통상, 인덕턴스형 변위센서가 각 제어자극에 인접해서 구비된다. 상기 센서는 상기 제어자극과 유사한 자극을 가지며 둘레에는 인덕턴스의 변화를 검출하기 위한 센서코일이 감겨 있다.

제2도는 제1도에 도시된 레이디얼 자기 베어링 장치에 제공되는 인덕턴스형 변위센서의 단면도이다. 인덕턴스형 변위센서는 센서자극(41 내지 48)과 이 센서자극 둘레에 감긴 센서코일(61 내지 68)로 구성된다. X방향에서의 회전샤프트(8)의 위치는 자극(41, 42) 둘레에 감긴 한쌍의 센서코일(61, 62)의 인덕턴스와, 회전샤프트에 대해 자극(41, 42)에 반대편에 위치한 자극(45, 46)의 둘레에 감긴 한쌍의 센서코일(65, 66)의 인덕턴스의 비율을 측정함으로써 검출할 수 있다. Y방향에서의 회전샤프트의 위치는 같은 방식으로 센서코일(63, 64, 67, 68)의 인덕턴스 비율을 측정함으로써 검출된다.

제3도는 제1도에 도시된 레이디얼 자기 베어링 장치의 단면도이다. 제3도에 도시된 바와 같이, 센서코일(61)이 둘레에 감긴 센서자극(41)을 포함하는 인덕턴스형 변위센서와 센서코일(65)이 둘레에 감긴 센서자극(45)을 포함하는 인덕턴스형 변위센서의 변위 검출점은 제어자극(31)과 제어자극(35) 각각의 작동점으로부터 회전샤프트(8)의 축방향으로 ΔL 만큼 아래에 위치된다.

그러나, 제어자극과 인덕턴스형 변위센서의 자극을 가지는 종래의 자기 베어링 장치는, 회전샤프트(8)의 굽힘 진동의 고유치 이상의 레벨에서 작동될때에는, 제어가 불가능한 진동을 야기한다. 제4도는 회전샤프트(8)의 굽힘 진동의 고유치에서의 굽힘 진동 모드를 설명하는 다이아그램이다. 제4도에서, 위치 AA′와 CC′는 제어자극의 작동점의 위치를 나타내며, 한편 위치 BB′과 DD′는 변위센서의 자극 위치를 나타낸다. 제어자극위치 AA′와 CC′는 제3도에 도시된 바와 같이 변위센서의 자극위치 BB′와 DD′로부터 ΔL 만큼 이동된다.

정상 제어 상태에서, 회전샤프트(8)는 부호(8a)에 의해 나타나는 바와 같이 직선이지만, 굽힘 고유치에서 일어나는 진동 상태에서는, 상기 샤프트(8)는 부호(8b)에 의해 나타나는 바와 같이 굽어진다. 따라서, 각각의 변위센서가 굽힘 고유치에서 일어나는 진동하에서 제어자극의 위치로부터 ΔL 만큼 이격된 위치에서의 변위를 검출하므로, 아래쪽으로 가해지는 제어력이 제어자극의 작동점에서 필수적으로 요구됨에도 불구하고, 상기 변위 센서가 제어력이 위쪽으로 가해질 필요가 있다고 잘못 지시할 수도 있다. 이런 경우, 여자 전류가 제어자극 내로 흘러 위쪽으로 가해지는 제어력을 발생시키기 때문에, 상기 회전샤프트(8)가 진동 상태로 구동되어 결과적으로 자기 베어링 장치를 제어하지 못하게 된다.

각 제어자극의 작동점의 위치를 상기 변위센서의 대응하는 자극의 위치와 일치시킴으로서 상기와 같은 발진과 제어 불능 상태를 피할 수 있게 된다. 그러나, 종래의 변위센서는 광학센서 또는 정전 커패시턴스형 센서를 제외하고는 모두 자기센서로 구성되어 있다. 따라서 인덕턴스형 변위센서가 제어자극 근처에 접근하면, 이 변위센서는 제어자극에 의해 발생되는 자기장에 의해 에러신호를 발생시키게 된다.

반면에, 광학센서는 매우 비싸고 비용면에서 바람직하지 않다. 더욱이, 제어자극이 여자 전류로 인해 열을 발생시키므로, 온도변화에 쉽게 영향받는 정전 커패시턴스형 센서도 이러한 용도에는 적합하지 않다.

따라서, 본 발명의 목적은 인덕턴스형 변위센서가 제어자극에 의해 발생되는 자력에 의해 영향 받지 않는 자기 베어링 장치를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는, 대상물에 면하여 구비되는 제어자극으로부터 상기 대상물을 부상시키는 레이디얼 자기 베어링 장치에 있어서, 상기 대상물의 반경방향 위치를 검출하도록 상기 제어자극의 끝단면에 구비되는 홈을 통과하도록 변위센서의 센서 코일이 감겨 있어, 상기 제어자극의 일부를 인덕턴스형 변위 센서의 자극으로 이용하는 것을 특징으로 하는 레이디얼 자기 베어링 장치를 제공한다.

이러한 센서코일을 구비한 상기 인덕턴스형 변위센서는 대응하는 제어자극의 작동점에서 작동한다. 종래 기술의 자기 베어링 장치가 부상된 대상물의 굽힘 진동의 고유치를 초과하는 레벨에서 작동한다면, 변위센서의 위치가 대응하는 제어자극의 위치로부터 분리되는 문제가 발생하게 된다. 본 발명은 이런 문제를 극복할 수가 있다. 상기 부상된 대상물의 위치가 각각의 제어자극의 작동점에서 검출될 수 있게 되고, 각각의 제어자극에 의해 요구되는 제어력이 정확히 결정될 수 있게된다. 결과적으로, 레이디얼 자기 베어링 장치는 상기 부상된 대상물의 굽힘 진동의 고유치를 초과하는 단계에서 안정되게 동작할 수 있다.

부상된 대상물의 원주방향 또는 축방향으로 제어자극의 단면 상에 홈이 마련될 수 있다.

제어자극의 하나의 단면에 복수개의 홈이 마련될 수도 있다. 센서코일이 상기 홈을 통과해 감긴다. 인접한 두개의 센서코일이 직렬로 연결되어 반대방향에서 자기장을 발생시킨다. 복수쌍의 제어자극이 같은 방향으로 부상된 대상물에 자기력을 가하고 복수쌍의 제어자극에 마련된 센서코일이 직렬로 연결된다. 인접한 두개의 제어자극의 인접한 두 센서코일이 같은 쪽에 동일한 자극을 형성하도록 연결된다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조한 다음의 설명으로부터 명백해질 것이다.

본 발명의 레이디얼 자기 베어링 장치의 바람직한 실시예가 도면을 참조하여 이하에 설명된다.

제5도 내지 제7도에서 제1도 내지 제4도에서와 동일한 부분은 동일한 참조번호 또는 부호로 지시된다.

제5도는 본 발명이 적용되는 레이디얼 자기 베어링 장치의 제1실시예의 구조를 도시한다. 제5(a)도는 자기 베어링 장치의 인접한 두 제어자극(31, 32)을 포함하는 부분평면도이며, 한편 제5(b)도는 회전샤프트(8)의 중앙에서 본 제어자극(31, 32)의 다이아그램을 도시하며, 제5(c)도는 제5(b)도의 선 C-C를 따라 취한 제어자극(32)의 단면도이다.

제5도에 도시된 실시예에서, 두 개의 원주방향의 흠이 각각의 제어자극의 한쪽 끝단부에 형성되고 따라서 인덕턴스형 변위센서의 센서자극으로 작용하는 혀(tongue)형상의 부재가 제공된다. 상기 혀형상의 부재의 둘레에 센서코일이 감겨 진다.

특히, 제5(b)도 및 제5(c)도에서 도시된 바와 같이, 제어자극(32)의 내부 단면 상에 한 쌍의 원주방향의 홈(11, 12)이 형성되어 인덕턴스형 변위센서의 센서자극(19, 20)을 제공하게 된다. 센서코일(6, 7)은 센서자극(19, 20) 둘레에 각각 감겨 있다. 상술된 바와 같이, 제어자극(32)의 내측 단부가 인덕턴스형 변위센서의 센서자극(19, 20)으로서 작동한다. 제어자극(31)이 제어자극(32)과 같은 방식으로 구성되고 센서코일(4, 5)이 대응하는 센서자극 둘레에 감겨있다.

제5(a)도에서 도시된 바와 같이, 대응하는 제어자극(31, 32) 둘레에 감긴 제어코일(51, 52)이 연결되어 한쌍의 극을 형성하므로, 제어자기 플럭스(9)가 서로 반대방향으로 상기 코일에 의해 발생되어 회전샤프트(8)를 통과하는 폐쇄된 자기통로를 형성한다. 제5(c)도에서 도시된 바와 같이, 센서코일(6, 7)이 직렬로 연결되므로 대응하는 센서자극(19, 20)을 통과하는 폐쇄된 자기경로(10)가 형성되어 반대방향에서 자기장을 발생시키게 된다; 즉 상기 센서 자극의 동일한 끝단부 상에 다른 극을 가지는 자기장을 형성시키게 된다. 따라서 제어 코일(52)에 의해 형성된 제어자기 플럭스(9)가 센서코일(6)에 의해 생성된 자기 플럭스를 상쇄하게 되고 센서 코일(7)에 의해 발생된 자기 플럭스에 더해지게 된다. 따라서, 센서코일(6, 7)을 직렬로 연결함으로써 제어자기 플럭스(9)의 모든 영향이 무시될 수 있게 된다. 결과적으로, 제어자극(32)의 일부가 센서 자극(19, 20)으로 사용될지라도 인덕턴스형 변위센서는 제어자기 플럭스(9)의 영향을 받지 않고 작동될 수 있다.

제6도는 본 발명에 따르는 제 2실시예의 레이디얼 자기 베어링 장치의 제어자극의 구조를 도시하는 다이아그램이다. 제6(a)도는 제어자극 코어(1)의 부분 단면도이고 제6(b)도는 회전샤프트(8)에서 본 제어자극(31, 32)의 단면도이다. 상기 실시예에서, 각각 제어자극(31 또는 32)의 내부 단면이 회전샤프트(8)와 면하는 두개의 축방향 홈(11, 12)을 가지므로, 인덕턴스형 변위센서의 센서자극(19, 20)으로 작용하는 혀형상의 부재를 형성하게 되고, 센서코일(6, 7)이 혀형상의 부재 둘레에 감겨진다. 제6도에서 도시된 바와 같이, 센서자극(19, 20)이 회전샤프트(8)의 축방향으로 형성된다. 상기 센서자극은 제5도에 도시된 제 1실시예와 같은 방식으로 작동한다.

제7도는 제5도 및 제6도에 도시된 센서코일의 전기적 연결을 설명하는 다이아그램이다. 제어자극(31, 32)에 형성되는 각각의 홈(11과 12)를 통과하여 감겨진 센서코일(4, 5, 6, 7)이 직렬로 연결되므로, 자기 플럭스가 발생되어 점선으로 지시된 바와 같이 서로 반대방향으로 대응하는 제어자극을 통과하게 되고, 결과적으로 인접 코일의 같은 끝단부 상에 다른 자극을 발생시키게 된다. 반면에, 자극(31, 32)에 반대편인 X방향에 위치한 한쌍의 제어자극(35, 36)에 제공되는 센서코일(14, 15, 16, 17)이 직렬로 연결되므로, 자기 플럭스가 대응하는 제어자극에서 서로 반대방향으로 발생되며 인접 코일의 같은 단부에 다른 자극의 형성하게 된다. 더욱이, 센서코일(14 내지 17)이 제어자극(31, 32)에 제공되는 센서코일(4, 5, 6, 7)에 직렬로 연결된다. AC 오실레이터(21)에 의해 발생된 전압이 직렬로 연결된 센서코일(4∼7 및 14∼17)의 양끝단에 인가된다. 직렬로 연결된 센서코일의 중성점이 센서 증폭회로(22)에 접속된다. 따라서, 회전 샤프트(8)가 예를 들어 +X방향으로 움직인다면, 일단의 센서코일(4, 5, 6, 7)의 복합 인덕턴스가 증가하고, 한편 일단의 센서코일(14, 15, 6, 17)의 복합 인덕턴스는 감소하고 이 인덕턴스들의 비에 대응하는 신호가 센서증폭회로(22)에 입력된다. 이런 회로 구조에 따라, 회전샤프트의 위치가 센서코일(4, 5, 6, 7)의 평균 인덕턴스와 센서코일(14, 15, 16, 17)의 평균 인덕턴스의 비에 의해 결정될 수 있으므로, 회전샤프트(8)의 정확한 이동이 검출될 수 있다.

본 발명에서, 센서코일이 전기적으로 연결되어, 하나의 제어자극에 마련된 하나의 센서코일과 인접 제어자극에 마련된 인접 센서코일에 의해 발생된 자기 플럭스는 상기 센서자극과 동일한 측에 동일한 극을 형성한다. 예를 들어 제5(b)도에 도시된 바와 같이, 인접 제어자극(31, 32)에서, 센서코일(5, 7)이 연결되므로, 센서코일(7)이 둘레에 감긴 센서자극과 센서코일(5)이 둘레에 감긴 센서자극이 회전샤프트를 마주보는 측에 N극을 형성한다. 이와 마찬가지로, 제6(b)도에서, 제어자극(31, 32)의 단부에 감긴 인접 센서코일(5, 6)이 연결되어 N극이 각 센서자극의 같은 측에 형성된다. 위에서 설명된 바와 같이, 동일한 제어자극에 제공되는 센서코일이 감겨져 반대 방향으로(다른극) 자기플럭스를 발생시킨다. 센서자극의 외부로의 자기 플럭스의 누출은 인접 제어자극의 인접 센서 코일이 같은 방향으로 자기플럭스를 형성하게 함으로써 센서자극의 같은 측에 같은 극을 형성하게 하여 감소될 수 있음이 주목하여야 한다.

제 1 및 제 2실시예에서, 한쌍의 홈이 제어자극의 내부 단면 상에 마련되지만, 이 홈의 수는 한개로 감소될 수 있거나 3개 이상으로 증가될 수 있다. 대상물의 더 많은 평균 위치 검출이 복수개의 홈을 제어자극의 내부 단면 상에 마련하고 센서코일을 분산시킴으로써 실행될 수 있다.

지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명의 자기 베어링 장치에 따라, 인덕턴스형 변위센서의 동작점의 위치와 대응하는 제어극의 동작점이 회전샤프트의 축방향으로 정합되므로, 즉 변위센서가 대응하는 제어극의 작동점에서 회전샤프트의 위치를 검출할 수 있으므로, 회전샤프트가 굽힘 진동을 받기 쉬울지라도, 자기 베어링장치가 진동문제를 일으키지 않으며, 회전샤프트의 위치가 안정적으로 제어될 수 있다.

아상에서 본 발명을 그의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 이 분야의 전문가에 의해 형태와 세부사항에서의 앞선 변화 및 다른 변화들이 본 발명의 정신과 범위에 벗어나지 않고 이루어질 수 있음을 쉽게 이해할 것이다.

Claims

대상물에 면하여 구비되는 제어자극에 의해 발생되는 자력에 의해 상기 상기 대상물을 부상시키는 레이디얼 자기 베어링 장치에 있어서, 상기 대상물의 반경방향 위치를 검출하도록 상기 제어자극의 끝단면에 구비되는 홈을 통과하도록 변위센서의 센서 코일이 감겨 있어, 상기 제어자극의 일부를 상기 변위 센서의 자극으로 이용하고, 상기 제어자극은 상기 대상물 상에 같은 방향으로 자기력을 가하는 복수쌍의 제어자극 부재를 포함하며, 상기 센서코일은 상기 복수쌍의 제어자극 부재에 마련되고 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
제1항에 있어서, 상기 홈은 상기 대상물의 회전방향으로 상기 제어자극의 내부 끝단면 상에 마련되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
제1항에 있어서, 상기 홈은 상기 대상물의 축방향으로 상기 제어자극의 내부 끝단면 상에 마련되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기한 각각의 제어자극의 내부 끝단면에는 복수개의 홈이 마련되고, 센서코일은 상기 복수개의 홈을 통과하도록 제각기 감겨 있으며, 상기 센서 코일 중 임의의 인접한 두개가 직렬로 연결되어 서로 반대방향으로 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
제1항에 있어서, 대응하는 인접한 두 제어자극에 마련된 상기 센서코일 중 임의의 인접한 두개가 상기 인접한 두 센서코일의 동일측 상에 동일한 극을 발생하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.