KR100284767B1

KR100284767B1 - Actuator for Magnetic Bearings

Info

Publication number: KR100284767B1
Application number: KR1019940025083A
Authority: KR
Inventors: 심준석
Original assignee: 윤종용; 삼성전자주식회사
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 2001-03-15
Also published as: KR960012664A; JPH08109928A

Abstract

본 발명은 자기 베어링용 액츄에이터에 관한 것이다.The present invention relates to an actuator for a magnetic bearing.

본 발명은 자기력선의 자로를 제공하는 저널과, 상기 저널을 자기적으로 부상시키기 위한 복수의 전자석과, 상기 저널에 결합되어 저널로부터 발생한 동력을 지지물에 전달하기 위한 동력전달수단과, 상기 전자석 및 저널을 지지하는 지지수단을 구비하고 있다.The present invention provides a journal for providing magnetic lines of magnetic force lines, a plurality of electromagnets for magnetically floating the journal, power transmission means for transmitting power generated from the journal to the support, coupled to the journal, and the electromagnets and journals. It has a supporting means for supporting.

이와 같은 구성의 본 발명은 액츄에이터를 하나의 독립된 부품으로서 양산이 가능하고, 액츄에이터로부터 발생된 힘을 동력 전달수단에 의해 지지대상 물체에 전달하므로 액츄에이터의 형상을 지지대상 물체의 형상에 관계없이 표준화시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 지지대상물체와 액츄에이터가 구조적으로 분리되어 있으므로 조립이 용이하고, 액츄에이터 만으로 단독 구성되므로 소형화할 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, the actuator can be mass-produced as an independent part, and the force generated from the actuator is transmitted to the support object by the power transmission means, so that the shape of the actuator can be standardized regardless of the shape of the support object. Can be. In addition, since the support object and the actuator are structurally separated, the assembly is easy, and since only the actuator is configured alone, there is an advantage that it can be miniaturized.

Description

Actuator for Magnetic Bearings

제1도는 종래 자기 베어링의 일예에 대한 개략적인 장치구성도.1 is a schematic configuration diagram of an example of a conventional magnetic bearing.

제2도는 본 발명에 따른 자기베어링용 액츄에이터의 개략적인 장치구성도.2 is a schematic configuration diagram of an actuator for a magnetic bearing according to the present invention.

제3도는 제2도의 액츄에이터를 지지하기 위한 프레임의 개략적인 장치구성도.3 is a schematic diagram of the arrangement of a frame for supporting the actuator of FIG.

제4도는 본 발명에 따른 자기 베어링용 액츄에이터에 있어서, 자력선의 자기경로를 나타내 보인 상태도.4 is a state diagram showing the magnetic path of the magnetic force line in the actuator for magnetic bearing according to the present invention.

제5도는 본 발명에 따른 자기 베어링용 액츄에이터의 1개 사용시의 지지대상물체의 회전운동관계를 나타내 보인 설명도.5 is an explanatory view showing the rotational motion relationship of the object to be supported when using one of the actuators for magnetic bearings according to the present invention.

제6도는 본 발명에 따른 자기 베어링용 액츄에이터의 2개 사용시의 지지대상물체의 회전운동관계를 나타내 보인 설명도.6 is an explanatory view showing the rotational motion relationship of the object to be supported when two actuators for magnetic bearings according to the present invention are used.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

30 : 회전축 31a,31b : (종래의환형) 액츄에이터30: rotating shaft 31a, 31b: (conventional annular) actuator

32 : (축방향작용)액츄에이터 33a,33b : (수직방향변위감지용)센서32: (axial action) actuators 33a, 33b: (for vertical displacement detection) sensor

34 : (축방향변위감지용)센서 35 : 제어부34: (axial displacement detection) sensor 35: control unit

40,50,60 : (본 발명의)액츄에이터 41,51,61 : 저널40, 50, 60: Actuator 41, 51, 61 Journal of the present invention

42a-42f : 전자석 43,53,63a,63b : (동력전달용)축42a-42f: Electromagnet 43,53,63a, 63b: (for power transmission) shaft

55,65 : 지지대상물체55,65: Object to be supported

본 발명은 자기베어링용 액츄에이터(actuator)에 관한 것으로서, 특히 가동부 저널(journal)이 여러 방향으로 자유롭게 이동가능하도록 구성된 자기베어링응 액츄에이터에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to actuators for magnetic bearings, and more particularly, to a magnetic bearing actuator configured to move a movable journal in various directions.

능동 자기베어링은 우주항공기계나 실험용 장치 또는 산업용 기계 설비분야에서 주로 사용되어 왔으며, 따라서 소량 주문생산에 의한 그와 같은 분야에서 요구하는 적합한 구조로 발달해왔다. 그러나, 오늘날 기술의 발전과 함께 대량 생산제품에 있어서도 자기베어링의 수요는 급증하고 있는 추세이며, 특히 고도의 정밀성과 다양한 자유도가 요구되고 있다. 그 일예로 광디스크 장치를 들 수 있다.Active magnetic bearings have been used mainly in the field of aerospace, laboratory, or industrial machinery, and have therefore developed into suitable structures required in such areas by small order production. However, with the development of today's technology, the demand for magnetic bearings is increasing rapidly in mass production products, especially high precision and various degrees of freedom. An example is an optical disk device.

광디스크 장치에는 기록된 정보를 판독하거나 새로운 정보를 기록하기 위하여 디스크면에 광빔을 조사(照射)시켜 주는 대물렌즈를 구비하는 픽업(pick-up)과, 그 픽업을 지지하는 캐리지(carriage)와, 캐리지의 위치를 이동시켜주는 보이스 코일 모터(Voice Coil Moter)등이 설치되어 있다. 그와 같은 광디스크 장치에 있어서, 픽업의 대물렌즈는 데이타의 정밀한 기록 및 판독을 위해 포커싱(focusing) 및 트랙킹(tracking)의 직선 운동 뿐만이 아니라, 디스크면의 진동에 대응한 소정의 회전운동이 필요하게 된다. 이를 위해 대물렌즈는 여러 방향의 운동자유도를 가져야 하며, 이러한 조건을 만족시키기 위해서는 대상물체를 비접촉 방식으로 지지가 가능한 자기베어링이 적합하게 된다.An optical disk apparatus includes a pick-up having an objective lens for irradiating a light beam onto a disk surface for reading recorded information or recording new information, a carriage supporting the pickup, Voice coil motors are installed to move the position of the carriage. In such an optical disk device, the objective lens of the pickup requires not only linear movement of focusing and tracking but also a predetermined rotational movement corresponding to vibration of the disk surface for accurate recording and reading of data. do. To this end, the objective lens should have a degree of freedom of movement in various directions, and in order to satisfy this condition, a magnetic bearing capable of supporting the object in a non-contact manner is suitable.

제1도에는 그와 같은 종래 자기 베어링의 일예가 개략적으로 도시되어 있다.Figure 1 schematically shows an example of such a conventional magnetic bearing.

이를 참조하면, 종래 자기베어링은 그 중심부에 회전운동을 하는 원기둥형의 회전축(30)이 마련되고, 회전축(30)의 소정 부위에는 그 몸체에 코일(36)이 권취된(본 도면에는 특정 포울에만 코일이 권취된 형태로 도시되어 있으나 모든 포울에는 코일이 권취됨) 다수의 포울(31p)이 그 내주면으로부터 원의 중심점을 향해 상호 대칭 구조로 형성되어 있는 2개의 환형 액츄에이터(31a,31b)가 회전축(30)과 비접촉 상태로 상호 소정 간격을 두고 회전축(30)에 끼워져 설치 되어 있다. 여기서, 이 2개의 환형 액츄에이터(31a,31b)는 회전축(30)에 대해 수직방향의 힘을 작용시켜 힘의 상호 균형에 의해 회전축(30)을 허공에 부상시킨 상태로 고정시키는 역할을 한다. 그리고, 일측의 환형 액츄에이터(31b)의 후방으로는 축방향으로의 작용력을 발생시켜 회전축(30)이 축방향으로 요동하는 것을 방지함과 동시에 회전축(30)을 고정시키는 축방향작용 액츄에이터(32)가 설치되어 있다. 또한, 축방향에 대해 축의 수직 방향으로의 변위를 감지하기 위한 수직방향 변위 감지용센서(33a,33b)가 회전축(20)의 외주로부터 소정 거리 이격되어 설치되어 있고, 회전축(30)의 일측 단부에서 소정 거리 이격된 지점에는 축방향으로의 변위를 감지하기 위한 축방향 변위 감지용 센서(34)가 설치되어 있다. 그리고, 그 센서들(33a,33b,34)과 상기 환형 액츄에이터(31a,31b)의 포울(31p)에 감긴 코일(36)은 도시된 것처럼 제어부(35)와 전기적으로 접속되어 하나의 회로를 구성하고 있다.Referring to this, the conventional magnetic bearing is provided with a cylindrical rotary shaft 30 that rotates in the center, the coil 36 is wound around the body at a predetermined portion of the rotary shaft 30 (specific pole in this figure) Only coils are shown in a coiled form, but all the coils are wound.) Two annular actuators 31a and 31b in which a plurality of poles 31p are formed in a symmetrical structure from the inner circumferential surface toward the center point of the circle are The rotary shaft 30 is fitted to the rotary shaft 30 at a predetermined interval from each other in a non-contact state. Here, the two annular actuators 31a and 31b act to apply a force in the vertical direction with respect to the rotation shaft 30 to fix the rotation shaft 30 in the air in a state where the force is mutually balanced. An axial action actuator 32 which generates an action force in the axial direction to the rear of the annular actuator 31b on one side prevents the rotation shaft 30 from swinging in the axial direction and at the same time fixes the rotation shaft 30. Is installed. In addition, vertical displacement detection sensors 33a and 33b for detecting displacement in the vertical direction of the axis with respect to the axial direction are provided to be spaced apart from the outer circumference of the rotating shaft 20 by a predetermined distance, and one end of the rotating shaft 30 is provided. At a predetermined distance away from the axial displacement detection sensor 34 for detecting the displacement in the axial direction is installed. Then, the sensors 33a, 33b, 34 and the coil 36 wound on the sole 31p of the annular actuators 31a, 31b are electrically connected to the control unit 35 as shown in the drawing to form a circuit. Doing.

그런데, 종래의 이와 같은 자기베어링은 액츄에이터가 회전축, 즉 지지대상물체를 에워싸고 있으므로, 액츄에이터는 지지대상물체의 형상 및 크기(축의 지름)에 따라 그 크기가 변경되어야 하므로 독립성을 갖지못하고, 따라서 액츄에이터의 표준화나 양산이 불가능하게 된다. 또한, 축의 지름이 비교적 클 경우, 그에 따라 액츄에이터의 크기도 커겨야 하고, 그에 따라 그 액츄에이터를 지지하기 위한 장치도 커져 중량 및 공간확보의 문제가 있다.However, in the conventional magnetic bearing, since the actuator surrounds the rotation axis, that is, the support object, the actuator has no independence because the size of the actuator must be changed according to the shape and size (diameter diameter) of the support object. Standardization or mass production In addition, when the diameter of the shaft is relatively large, the size of the actuator must be large accordingly, and the device for supporting the actuator is also large, which causes problems of weight and space.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로서, 독립된 단위 부품화가 가능하고, 지지대상물체의 형상에 관계없이 표준화 및 소형화가 가능하며, 조립이 용이한 자기 베어링용 액츄에이터를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to improve the above problems, it is possible to provide independent unit parts, standardization and miniaturization irrespective of the shape of the object to be supported, and to provide an actuator for a magnetic bearing that is easy to assemble. There is this.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자기 베어링용 액츄에이터는, 자기력선의 자로(磁路)를 제공하는 저널과, 상기 저널을 자기적으로 부상시키기 위한 복수의 전자석과, 상기 저널에 결합되어 저널로부터 발생한 동력을 지지물에 전달하기 위한 동력전달수단과, 상기 전자석 및 저널을 지지하는 지지수단을 구비하여 된 점에 그 특징이 있다.In order to achieve the above object, an actuator for a magnetic bearing according to the present invention includes a journal providing a magnetic path of magnetic force lines, a plurality of electromagnets for magnetically floating the journal, and a journal coupled to the journal. It is characterized in that it is provided with a power transmission means for transmitting the power generated from the support and the support means for supporting the electromagnet and the journal.

이와 같은 구성의 본 발명은 지지대상 물체 주위에 널려 있는 전자석과 저널을 집중시킨 구조로 되어 있어, 액츄에이터를 하나의 독립된 부품으로서 양산이 가능하고, 액츄에이터로부터 발생된 힘을 동력전달수단에 의해 지지대상 물체에 전달하므로 액츄에이터의 형상을 지지대상 물체의 형상에 관계없이 표준화시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 지지대상물체와 액츄에이터가 구조적으로 분리되어 있으므로 조립이 용이하고, 액츄에이터 만으로 단독 구성되므로 소형화할 수 있는 장점이 있다.The present invention has a structure in which electromagnets and journals that are piled around a support object are concentrated, and mass production of the actuator is possible as an independent part, and the force generated from the actuator is supported by the power transmission means. By transmitting to the object, the shape of the actuator can be standardized regardless of the shape of the object to be supported. In addition, since the support object and the actuator are structurally separated, the assembly is easy, and since only the actuator is configured alone, there is an advantage that it can be miniaturized.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제2도는 본 발명에 따른 자기베어링용 액츄에이터의 개략적인 장치 구성도이다.2 is a schematic configuration diagram of an actuator for a magnetic bearing according to the present invention.

이를 참조하면, 본 발명의 자기베어링용 액츄에이터(40)는 도시된 것과 같이 그 중심부에 구형의 저널(41)이 위치하고, 그 저널(41)의 둘레에는 소정 형태의 코어(core)에 코일이 감긴 6개의 전자석(42a-42f:42f는 저널의 뒷편에 위치해 보이지 않음)이 X,Y,Z축 상에 각각 한 쌍씩 대칭구조를 이루며 마련된다. 여기서, 상기 저널(41)의 내부는 공동(空洞)으로 하거나 강자성재보다 가벼운 물질로 채울 수 있다.Referring to this, the magnetic bearing actuator 40 of the present invention is located in the center of the spherical journal 41 as shown in the center, the coil 41 is wound around a core of a predetermined shape (core) around the journal 41 Six electromagnets (42a-42f: 42f are located behind the journal and are not visible) are arranged in pairs on the X, Y, and Z axes, symmetrically. Here, the inside of the journal 41 may be a cavity or filled with a lighter material than the ferromagnetic material.

그리고, 상기 전자석(42a-42f)의 갯수도 6개에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라서는 그보다 많을 수도, 혹은 적을 수도 있다. 또한, 전자석(42a-42f)의 배치도 설치각도에 특별한 한정이 없으며, 특히 그 설치 위치에 있어서 저널(41)의 외부 및 외부 어느 쪽에도 설치할 수 있다. 한편, 상기 저널(41)의 일측에는 상기 전자석들(42a-42f)의 작용에 의해 저널(41)에 발생된 동력을 전달하기 위한 축(43)이 구형 저널(41)의 중심과 일치하도록 결합된다.The number of the electromagnets 42a to 42f is also not limited to six, and in some cases, more or less may be used. In addition, the arrangement of the electromagnets 42a to 42f is not particularly limited in the installation angle, and in particular, the electromagnets 42a to 42f can be installed on both the outside and the outside of the journal 41 at the installation position thereof. On the other hand, one side of the journal 41 is coupled so that the shaft 43 for transmitting the power generated in the journal 41 by the action of the electromagnets 42a-42f coincide with the center of the spherical journal 41. do.

제3도는 제2도의 액츄에이터를 지지하기 위한 프레임의 개략적인 장치구성도이다.3 is a schematic diagram of a device configuration of a frame for supporting the actuator of FIG.

이를 참조하면, 프레임(50)에는 액츄에이터의 전자석들(42a-42e)을 고정시키기 위한 원호형 및 원형의 뼈대(51a,51b)가 마련되고, 특히 원호형 뼈대(51a)의 상부와 하부를 분리 및 결합할 수 있도록 선회축(25)이 설치된다. 그리고, 전체 뼈대를 다른 베이스에 고정할 수 있도록 고정대(53)가 뼈대(51a)의 소정 부위에 마련된다.Referring to this, the frame 50 is provided with arcuate and circular skeletons 51a and 51b for fixing the electromagnets 42a to 42e of the actuator, and in particular, the upper and lower portions of the arcuate skeleton 51a are separated. And pivot shaft 25 is installed to be coupled. Then, the fixing base 53 is provided at a predetermined portion of the skeleton 51a so as to fix the entire skeleton to another base.

그러면, 이상과 같은 구성을 가지는 본 발명의 자기베어링용 액츄에이터의 작동에 관해 간략히 설명해 보기로 한다.Then, the operation of the magnetic bearing actuator of the present invention having the above configuration will be briefly described.

전자석(42a-42f)의 코일에 전류가 흐르면 자력선이 발생되며, 그 자력선은 소정의 자기경로를 형성하며 흐르게 된다. 즉, 제4도에 도시된 것과 같이 자력선(44)은 전자석(42a)의 코어 및 저널(41)을 경유하는 자기 경로를 형성하며 흐르게 된다. 이에 따라 전자석 (42a)과 저널(41) 사이에는 흡인력(또는 반발력)이 발생된다. 이때, 저널(41)을 중심으로 대칭구조로 배치되어 있는 전자석의 쌍에 흐르는 전류의 크기가 다르면 발생되는 자속의 크기도 달라지게 되므로, 결국 저널(41)은 흡인력이 큰 전자석 쪽으로 이동하게 된다.Magnetic current lines are generated when current flows through the coils of the electromagnets 42a-42f, and the magnetic force lines flow in a predetermined magnetic path. That is, as shown in FIG. 4, the magnetic force line 44 flows to form a magnetic path through the core and the journal 41 of the electromagnet 42a. As a result, a suction force (or repulsive force) is generated between the electromagnet 42a and the journal 41. At this time, if the magnitude of the current flowing through the pair of electromagnets arranged in a symmetrical structure with respect to the journal 41 is different, the magnitude of the generated magnetic flux is also different, so that the journal 41 is moved toward the electromagnet having a large suction force.

한편, 제5도 및 제6도는 이와 같은 작용의 액츄에이터를 1개 사용할 경우와, 2개 사용할 경우에 있어서의 회전운동 관계를 나타내 보인 설명도이다.5 and 6 are explanatory views showing the relationship between the rotational motion in the case of using one actuator and in the case of using two actuators.

먼저, 제5도의 1개의 액츄에이터 사용시의 경우를 보면, 지지 대상물체(55)가 도시된 것처럼 액츄에이터(50)의 일측에 축(53)에 의해 결합된 상태에서 전자석의 코일에 전류를 교번하여 흘려주면, 액츄에이터(50) 내에는 회전 자계가 발생된다. 이 회전 자계에 의해 저널(51)이 회전하면 저널(51)에 축(53)에 의해 결합된 지지대상물체(55)도 회전된다.First, in the case of using one actuator of FIG. 5, as shown in FIG. 5, the current to flow to the coil of the electromagnet is alternately flowed in the state in which the support object 55 is coupled by the shaft 53 to one side of the actuator 50. On the main surface, a rotating magnetic field is generated in the actuator 50. When the journal 51 rotates by this rotating magnetic field, the support object 55 coupled to the journal 51 by the shaft 53 also rotates.

한편, 제6도에서와 같이 2개의 액츄에이터(60a,60b)가 사용된 경우, 지지대상물체(65)는 양 액츄에이터 사이에 위치하여 양측의 액츄에이터와 각각 축(63a,63b)에 의해 결합된다. 이와 같은 상태에서 일측 액츄에이터(60a)의 저널(61a)은 하부로(도면상에서) 직선 운동시키고, 타측 액츄에이터(60b)의 저널(61b)은 상부로 직선 운동시키면 지지대상물체(65)는 회전운동을 하게 된다.On the other hand, when two actuators 60a and 60b are used, as shown in FIG. 6, the support object 65 is located between both actuators and is coupled to the actuators on both sides by the shafts 63a and 63b, respectively. In this state, if the journal 61a of one actuator 60a is linearly moved downward (in the drawing), and the journal 61b of the other actuator 60b is linearly moved upward, the supporting object 65 is rotated. Will be

결국, 액츄에이터의 저널은 전자석과 일정한 간격을 유지하면서 직선운동과 회전운동을 자유롭게 할 수 있게 되는 것이다.As a result, the journal of the actuator can freely move linearly and rotationally while maintaining a constant distance from the electromagnet.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 자기베어링용 액츄에이터는 종래의 지지대상 물체 둘레에 위치한 전자석과 저널을 집중시킨 구조로 되어 있어, 액츄에이터를 하나의 독립된 부품으로서 양산이 가능하고, 액츄에이터로부터 발생된 힘을 동력 전달수단에 의해 지지대상 물체에 전달하므로 액츄에이터의 형상을 지지대상 물체의 형상에 관계없이 표준화시킬 수 있다. 뿐만 아니라, 지지대상물체와 액츄에이터가 구조적으로 분리되어 있으므로 조립이 용이하고, 액츄에이터 만으로 단독 구성되므로 소형화할 수 있는 장점이 있다.As described above, the magnetic bearing actuator according to the present invention has a structure in which the electromagnet and the journal located around the conventional support object are concentrated, so that the actuator can be mass-produced as an independent part and generated from the actuator. Since the force is transmitted to the object to be supported by the power transmission means, the shape of the actuator can be normalized regardless of the shape of the object to be supported. In addition, since the support object and the actuator are structurally separated, the assembly is easy, and since only the actuator is configured alone, there is an advantage that it can be miniaturized.

Claims

A journal providing magnetic path lines, a plurality of electromagnets for magnetically floating the journal, power transmission means coupled to the journal to transfer power generated from the journal to a support, and supporting the electromagnet and journal Actuator for magnetic bearing, characterized in that provided with a support means.

The actuator of claim 1, wherein the plurality of electromagnets are installed in a symmetrical structure on an orthogonal axis passing through the center point of the journal.

The actuator for magnetic bearing according to claim 1 or 2, wherein the journal has a spherical shape.

4. The actuator for magnetic bearing according to claim 3, wherein the inside of the journal is hollow, and the plurality of electromagnets are provided in a mutually symmetrical structure on an orthogonal axis passing through the center point of the journal.