KR100294915B1 - 회전축지지장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 회전축을 자력에 의해 비접촉회전하도록 지지하는 자기베어링을 구비하는 회전축 지지장치에 관한 것으로서, 특히 자기베어링의 정지시 또는 비상시에 회전축이 접촉지지되도록 하기 위한 수단을 구비한 회전축 지지장치에 관한 것이다.
본 발명 회전축 지지장치는 자기 베어링에 의해 비접촉회전하는 회전축과 정지시 또는 비상시에 그 회전축을 접촉 지지하도록 된 부재를 구비하며, 상기 회전축과 상기 부재와의 간격을 조절할 수 있도록 되어 있으므로, 회전축의 회전시 진동허용범위를 최대로 할 수 있으며, 정지시나 비상시에 진동 및 충격을 방지하여 자기베어링에 손상을 가하는 것을 방지할 수 있다.

Description

회전축 지지장치
제1도는 종래 회전축 지지장치의 일 예를 도시한 개략도,
제2도는 제1도의 II-II선 단면도,
제3도는 본 발명에 따른 회전축 지지장치의 일 예를 도시한 것으로서, 회전축이 정지된 상태의 개략도,
제4도는 제3도에 도시한 회전축 지지장치에 있어서, 회전축이 회전하는 상태의 우측면도,
제5도는 제4도의 V-V선 단면도,
제6도는 본 발명에 따른 실시예를 도시한 요부 개략도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 지지부재 22 : 가이드부재
23 : 모터 24,25 : 기어부재
26 : 제어기 211 : 구름접촉부재
2 : 자기베어링 2a : 폴
2b : 자성코일 3 : 회전축
본 발명은 회전축을 자력에 의해 비접촉회전하도록 지지하는 자기베어링을 구비하는 회전축 지지장치에 관한 것으로서, 특히 자기베어링의 정지시 또는 비상시의 회전축이 접촉지지되도록 하기 위한 수단을 구비한 회전축 지지장치에 관한 것이다.
자기베어링에 형성되는 자력에 의해 회전축이 비접촉지지되며 회전하도록 하고, 자기베어링에 자력이 제거되어 회전축이 정지되는 경우에 회전축을 안전하게 접촉지지하며, 비상시에, 예를 들어 자기베어링의 자성코일이나 제어장치의 오동작이 발생하는 등의 경우에, 자기베어링 및 회전축의 파괴를 방지하기 위한 수단을 구비한 회전축 지지장치의 일 예가 제1도에 개략적으로 도시되어 있다. 제2도는 제1도의 II-II선 단면도이다.
도면을 참조하면, 자기베어링 시스템에서의 회전축 지지장칭에는 회전축(3)이 비접촉회전하도록 자력을 발생하는 자기베어링(2)과, 회전축(3)과 자기베어링(2) 사이의 간격을 감지하기 위한 간격감지센서(4)가 마련되어 있다. 그리고, 회전축(3)의 정지시에 회전축(3)을 접촉지지하기 위한 수단으로서, 통상적인 기계식베어링(1)이 마련되어 있는데, 이 기계식베어링(1)은 자기베어링(2)과 소정거리 이격된 위치에 설치되어 있다. 상기 자기베어링(2)에는 회전축(3)의 중심을 향해 돌출되어 회전축(3)의 외주면과 소정간격( m)을 유지하는 폴(2b)이 회전축(3) 둘레에 복수개 형성되어 있으며, 각 폴(2b)에는 자성코일(2a)이 감겨 있다. 그리고, 고리형으로 회전축(3)의 외주를 감싸는 기계식베어링(1)의 내주면은, 회전축(3)이 비접촉회전가능하도록, 회전축(3)이 외주면과 소정의 간격( A)을 유지하고 있다.
한편, 회전축(3)과 기계식베어링(1) 사이의 간격( A)은, 회전축(3)이 정지하는 경우에 회전축(3)이 자기베어링(2)에 접촉하여 자기베어링(2)에 손상을 가하는 것을 방지하면서 안전하게 회전축(3)을 접촉지지하기 위하여, 회전축(3)과 자기베어링(2) 사이의 간격( m)보다 작게 설정되게 되는데, 일반적으로 회전축(3)과 기계식베어링(1) 사이의 간격( A)은 회전축(3)과 자기베어링(2) 사이의 간격( m)의 절반( m/2)정도로 설정된다. 미설명부호 5는 자기베어링(2)에 형성되는 자속의 경로이다.
이러한 회전축 지지장치에 있어서, 회전축(3)의 회전시에는 자기베어링(2)에 형성되는 자력에 의해 회전축(3)이 비접촉지지되며 회전하게 된다. 자기베어링(2)에 자력이 제거되어 회전축(3)이 정지하는 경우 또는 자기베어링(2)의 자성코일(2a)이나 제어장치(미도시)의 오동작이 발생하는 등의 비상시에는, 기계식베어링(1)이 회전축(3)을 접촉지지하여 자기베어링(2) 및 회전축(3)에 손상이 가해지는 것을 방지하게 된다.
한편, 회전축(3)을 비접촉지지하기 위하여 자기베어링(2)에 형성되는 힘은 자성코일(2a)에 의하여 자속경로(5)에 흐르는 자속량의 제곱에 비례한다. 즉, 다음의 식을 만족하게 된다.
여기에서 F는 자력이며, ф는 자속량이다.
또한 자기베어링(2)과 회전축(3)에서의 자기저항을 무시하면, 자속량(ф)과 자성코일인덕턴스 및 자성코일저항은 다음의 관계식을 만족한다.
여기에서 L은 자성코일인덕턴스, i는 전류값,는 공기의 투자율, Am는 자기베어링(2)의 폴(2b)의 면적, N은 폴(2b)에 감긴 자성코일권수, m는 회전축(3)과 자기베어링(2) 사이의 간격, R은 자성코일저항, p는 자성코일의 단위길이당 저항율, lC는 자성코일 1권의 길이, Ac는 자성코일 단면적이다.
상술한 관계식들을 정리하면 다음과 같다.
자력(F)은 자속량(Φ)의 제곱에 비례하면(식1), 자속량(Φ)은 자성코일(2a) 자성코일인덕턴스(L)와 전류(i)의 곱이므로(식2), 전류값(i)이 일정한 경우에 자력(F)은 자성코일인덕턴스(L)에 의해 그 크기가 결정된다. 즉, 자기베어링(2)에 형성되는 자력(F)은 자성코일인덕턴스(L)의 제곱에 비례하게 된다. 그리고, (식3)에서 자성코일인덕턴스(L)는 회전축(3)과 자기베어링(2) 사이의 간격( m)에 반비례하고, 자성코일권수(N)의 제곱에 비례한다.
그런데, 이와 같은 회전축 지지장치는 회전축(3)을 접촉지지하기 위한 수단으로서, 그 내주면이 회전축(3)의 외주면과 소정의 간격( A)을 갖는 기계식베어링(1)을 채용하고 있으므로, 회전축(3)의 정지시에 회전축(3)의 진동 및 충격이 발생하게 되며, 회전축(3)의 회전시에는 회전축(3)의 진동허용범위가 기계식베어링(1)과 회전축(3) 사이의 간격( A)에 국한되게 되어, 회전축(3)의 회전시 기계식베어링(1)에 접촉할 확률이 높다. 또한, 회전축(3)이 정지하는 경우에 회전축(3)이 자기베어링(2)에 접촉하여 자기베어링(2)에 손상을 가하는 것을 방지하면서 안전하게 회전축(3)을 접촉지지하기 위하여, 회전축(3)과 자기베어링(2) 사이의 간격( m)이 회전축(3)과 기계식베어링(1) 사이의 간격( A)보다 크게 설정되어야 하므로, 회전축(3)과 자기베어링(2) 사이의 간격( m)이 커지게 되므로 자성코일인덕턴스(L)가 작아져 발생되는 자력(F)이 작아지게 된다. 이처럼 저하되는 자력의 저하를 보상하기 위하여 자성코일권수(N)를 증가시키게 되면, 자성코일저항(R)이 증가하고 이에 따라 저항손실이 증가하여 자성코일(2a)의 온도가 상승하게 되나 자성코일(2a)의 전체적인 두께가 커지게 되므로 통풍구(미도시)의 면적을 감소시켜 냉각능력이 저하되며, 시정수(L/R)가 증가되는 결과가 되어 자기베어링(2)의 속응성이 저하된다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점들을 일소하기 위하여 안출된 것으로서, 자기베어링에 의해 비접촉지지되는 회전축의 회전시에는 큰 진동허용범위를 가지며, 회전축의 정지시에는 충격을 방지하며 진동을 억제하여 회전축 및 자기베어링 손상을 가하여 지는 것을 방지할 수 있도록 된 회전축 지지장치를 제공함에 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 회전축을 비접촉으로 회전가능하게 지지하는 자기베어링을 구비하는 회전축 지지장치에 있어서,
상기 회전축 주위에 배치되어 각기 구름접촉 가능한 적어도 2개의 구름접촉부재와,
상기 적어도 2개의 구름접촉부재를 각각 회전가능하게 지지하는 지지부재와,
상기 회전축과 상기 각 구름접촉부재의 간격을 조절하기 위한 간격조절수단을 구비하여 된 점에 특징이 있다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
제3도에는 본 발명에 따른 회전축 지지장치의 일 예가 도시되어 있는데, 이는 회전축 접촉지지하고 있는 상태를 나타내 보인다. 제4도에는 회전축 지지장치의 우측면도가 도시되어 있는데, 회전축지지장치의 접촉부재가 회전축과 소정각도의 간격을 유지하는 상태를 나타내 보인다. 제5도는 제4도의 V-V선 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 회전축 지지장치에는 회전축(3)을 비접촉지지하도록 자력을 발생하는 자기베어링(2)이 마련되어 있으며, 회전축(3)의 둘레에는 등간격으로 배치되어 각기 구름접촉 가능한 복수개의 구름접촉부재(211)와, 구름접촉부재(211)를 각각 회전가능하게 지지하는 지지부재(21)가 마련되어 있다. 그리고, 회전축(3)과 각 구름접촉부재(211)의 간격을 조절하기 위한 간격조절수단이 마련되어 있다.
여기에서 상기 간격조달수단은, 상기 지지부재(21)를 상기 회전축(3) 중심을 향하는 방향으로 이동가능하게 지지하는 가이드부재(22)와, 회전동력을 발생하는 모터(23)와, 상기 지지부재(21)가 이동되도록 상기 모터(23)의 회전동력을 직선운동으로 바꾸는 복수의 기어부재(24,25)를 구비하여 된 것인데, 상기 기어부재들(24,25)은 도시된 바와 같이, 모터(23)의 회전축과 지지부재(21)에 각각 고정된 한 쌍으로 형성되는 것이 바람직하며,상황에 따라서는 상기 기어부재들(24,25) 사이에 별도의 매개기어부재(미도시) 등을 추가하여 사용할 수도 있다.
그리고, 상기 각 구름접촉부재(211)는 구형으로 형성된 것이 바람직하며, 각각의 구름접촉부재(211)는 회전축(3)을 균일하게 접촉지지하기 위하여 회전축(3)의 둘레에 서로 동일각도 간격으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 자기베어링(2)은, 제1도 및 제2도를 참조하면서 설명한 종래의 것과 마찬가지로, 회전축(3)의 중심을 향해 돌출되어 회전축(3)의 외주면과 소정간격( m)을 유지하는 복수개의 폴(2b)과, 각 폴(2b)들에 감겨 자력을 형성하는 자성코일(2a)을 구비하고 있다.
미설명부호 26은 모터(23)를 제어하는 제어기이다.
이러한 구조를 갖는 회전축 지지장치의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
먼저 회전축(3)이 정지하고 있는 경우에는, 제3도에 도시된 바와 같이, 회전축(3)의 둘레에 설치된 각 구름접촉부재(211)가 회전축(3)의 외주면에 접촉하는 상태를 유지한다. 이러한 상태에서 자기베어링(2)에 전원이 공급되게 되면 제4도에 도시된 바와 같이, 제어기(26)에 의해, 회전축(3)의 외주면에 접촉하여 회전축(3)을 지지하고 있던 각 구름접촉부재(211)가 회전축(3)의 외주면으로부터 이탈되게 된다. 즉 모터(23)가 회전하고 이에 따라 한 쌍의 기어부재(24,25)를 통해 지지부재(21)가 가이드부재(22)를 따라 회전축(3)의 반경방향으로 외측으로 이동하게 되며, 지지부재(21)의 선단에 회전가능하게 설치된 구름접촉부재(211)가 회전축(3)의 외주면으로부터 이탈되게 되면서 회전축(3)과 소정간격을() 유지하게 된다. 그리고 자기베어링(2)이 작동하면서 회전축(3)을 회전시키게 된다. 이처럼 회전하는 회전축(3)을 정지시키기 위하여 자기베어링(2)으로 공급되던 전원을 차단하거나, 또는 자기베어링(2)의 비상시에는, 모터(23)가 역회전하면서 각 지지부재(21)들의 선단에 구비된 구름접촉부재(211)들을, 제3도에 도시된 바와 같이, 회전축(3)의 외주면에 접촉시키게 된다. 이 때 회전축(3)은 지지부재(21)의 선단에 설치된 구름접촉부재(211)와 구름접촉하면서 지지되며 정지하게 된다. 한편, 회전축(3)이 회전하는 상태에서 상기 각 접촉지지부(20)와 회전축(3)과의 간격()은 자기베어링(2)과 회전축(3)과의 간격( m)과 동일한 수치로 하는 것이 바람직하다.이러한 과정에서, 회전축(3)과의 간격(( m))과 동일하게 되므로 최대의 진동허용범위를 유지할 수 있으며, 정지시에는 회전축(3)과 간격없이 구름접촉지지하게 되므로, 회전축(3)의 진동발생이 방지되어 자기베어링(2)에 손상을 가하는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 지지부재(21)를 왕복이동시키기 위하여 모터(23)를 동력원으로 사용하고, 모터(23)에서 발생되는 동력을 한 쌍의 기어부재(24,25)를 통해 지지부재(21)에 전달하였으나, 지지부재(21)의 단부에 그 로드가 고정되는 실린더(미도시)를 사용할 수도 있으며, 제6도에 도시된 바와 같이, 그 몸체(292)는 소정의 구조물에 고정되고 그 축(291)은 지지부재(21)의 일측에 고정된 솔레노이드(29)등과 같은 액튜에이터를 사용하여 지지부재(21)를 직접 왕복구동할 수도 있을 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명 회전축 지지장치는 구름접촉부재와 회전축과의 간격을 조절할 수 있도록 되어 있으므로 회전축의 회전시 진동허용범위를 최대로 할 수 있으며, 정지시나 비상시에 진동을 방지하여 자기베어링에 손상을 가하는 것을 방지할 수 있다.

Claims (3)

  1. 회전축을 비접촉으로 회전가능하게 지지하는 자기베어링을 구비하는 회전축 지지장치에 있어서,
    상기 회전축 주위에 배치되어 각기 구름접촉 가능한 적어도 2개의 구름접촉부재와,
    상기 적어도 2개의 구름접촉부재를 각각 회전가능하게 지지하는 지지부재와,
    상기 회전축과 상기 각 구름접촉부재의 간격을 조절하기 위한 간격조절수단을 구비하여 된 것을 특징으로 하는 회전축 지지장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재를 상기 회전축 중심을 향하는 방향으로 이동가능하게 지지하는 가이드부재와,
    회전동력을 발생하는 모터와,
    상기 지지부재가 이동되도록 상기 모터의 회전동력을 직선운동으로 바꾸는 복수의 기어부재를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 회전축 지지장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 지지부재를 회전축 중심방향으로 출몰시키는 액튜에이터를 구비하여 된 것을 특징으로 하는 회전축 지지장치.
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