KR100360485B1 - 축방향자기베어링장치 - Google Patents

Abstract

회전구동되는 회전축을 그 축방향 변위에 대항하여 비접촉 형태로 지지하기 위한 축방향 자기베어링 장치로서, 와전류를 억제하는 동시에 보조베어링 일체화를 위한 내구성 향상을 위하여, 비자성 디스크와 이에 자성체 조각이 스파이어럴 형태로 배치되게 함침된 자성 디스크로 이루어지는 회전자와, 요크와 환상코일로 이루어진 고정자로 구성된다. 보조베어링은 그 비자성 디스크에 형성한 베어링 마찰면과 요크에 형성한 돌출부와 이 돌출부에 그루우브를 형성하여 수납시킨 다수의 볼로 이루어진다. 비상시에 보조베어링의 볼이 회전자의 비자성 디스크의 베어링 마찰면에 접촉되므로 그에 함침된 자성 디스크가 손상되지 않는다. 따라서 와전류를 억제하는 동시에 보조베어링을 일체화하는데 효과적이다.

Description

축방향 자기베어링장치

본 발명은 회전구동되는 회전축을 그 축방향 변위에 대항하여 비접촉 형태로 지지하기 위한 축방향 자기베어링(magnetic thrust bearing) 장치에 관한 것으로서, 특히 비상시에 회전축을 기계적으로 지지하는 일체형 보조베어링을 갖는 축방향 자기베어링 장치에 관한 것이다.

자기베어링 장치로 회전축을 비접촉 형태로 지지하는 것은 잘 알려져 있다. 이러한 자기베어링 장치는 소음을 줄이고 회전축을 고속으로 회전시킬 수 있게 한다. 한편, 축방향으로 하중이 가해지는 회전축을 지지하기 위한 통상의 트러스트 베어링과 같은 기능을 수행하기 위해 회전축을 그 축방향 변위에 대항하여 지지하는 축방향 자기베어링 장치 또한 알려져 있다.

종래의 축방향 자기베어링 장치는 제1도와 같이, 회전축(1) 단부에 일체적으로 결합되는 강자성체로 된 회전자(2), 이 회전자(2)와 공극(air gap)을 두고 면 대향되는 요크(4)와 이 요크(4)의 면에 설치된 환상코일(5)로 이루어진 고정자(3), 그리고 회전축의 축방향 변위를 검출하는 센서(6)로 구성된다. 이러한 종래의 축방향 자기베어링 장치는 회전축(1)의 반대편 단부에도 동일하게 설치된다. 환상코일 (5)에 전류를 흘리면 그 환상코일(5) 내외를 순환하는 자속(7)이 발생되고 이자속 (7)은 회전자(2)에 쇄교한다. 그러면 회전자(2)는 렌츠의 법칙(Lenz's law)에 의해흡인력을 받아 고정자(3) 쪽으로 끌려가게 된다. 이때 센서(6)가 회전자(2)의 변위에 따른 신호를 검출하게 되는데, 이 센서(2)의 신호를 근거로 고정자(3)의 환상코일(5)에 인가되는 전류를 회전축(1) 반대편의 그것과 함께 증감시켜 회전자(2)와 고정자(3)의 공극을 일정하게 유지시킴으로써 회전축(1)을 그 축방향에 대해 항상 일정한 위치에 있도록 제어할 수 있는 것이다.

그런데 한편, 제2도에 나타낸 바와 같이, 상기한 자속(7)이 회전자(2) 면에 그 바깥쪽 부분으로 들어가고 안쪽 부분에서 나오도록 쇄교되는데, 회전자(2)가 회전하면서 그 자속(7)을 자르는 것에 의하여 그 회전자(2) 내부에 와전류(8)가 흐르게 된다. 이 와전류(8)는 회전자(2)의 회전에 악영향을 미칠 뿐 아니라 전기적 손실의 원인이 된다.

상기한 완전류 발생을 억제하기 위하여, 제3도와 같이, 반경방향으로 굽은 모양의 자성체 조각(10)을 스파이어럴(spiral) 형태로 배열하고 이의 내외주를 고정하는 비자성체의 허브(11)와 밴드(12)를 갖는 구조의 회전자(9)가 알려져 있다(영국특허출원공보 GB 2 246 400 A). 이러한 구조에 의하면, 자성체 조각(9)들의 경계가 절연되는 것에의해 와전류의 흐름이 차단된다. 따라서 와전류의 발생을 효과적으로 억제할 수 있는 것이다. 그러나 그와 같은 자성체 조각(10)들의 결합 강도가 약하여 작은 충격에도 쉽게 절연파괴될 뿐 아니라 과도한 외란으로 파손될 소지가 많은 문제점이 있다. 더욱이, 자기베어링으로 회전축을 지지함에 있어서는, 자기베어링이 정전시에 제기능을 발휘하지 못하기 때문에 정전과 같은 비상시의 운전을 대비하여 회전축을 기계적으로 지지할 수 있는 보조베어링을 부가할 필요가 있는데, 상기한 자성체 조각(10)의 구조가 취약하여 거기에 보조베어링을 일체로 구성할 수 없다. 따라서 별도의 보조베어링장치를 설치해야 하므로 장치 전체가 복잡해지는 것이다.

본 발명의 목적은 상기한 종래기술의 문제점을 감안하여 회전축을 그 축방향 변위에 대항하여 지지하는 것으로서 정전등과 같은 비상시를 대비한 일체형의 보조베어링을 갖는 축방향 자기베어링 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 와전류의 발생을 억제하고 기계적 강도가 좋은 보조베어링을 갖는 축방향 자기베어링 장치를 제공하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

회전자와 고정자를 포함하여 회전축을 그 축방향 변위에 대항하여 지지하기 위한 축방향 자기베어링 장치에 있어서,

상기한 회전자를 회전축 단부에 결합되는 비자성 디스크와 이 비자성 디스크 면에 함침된 자성 디스크로 구성하고,

상기한 고정자를 상기한 회전자와 공극을 두고 면대향하는 요크와이 요크 면에 설치된 환상코일로 구성하고,

상기한 회전자의 비자성 디스크 면의 가장자리와 상기한 고정자의 요크 면의 가장자리를 포함하는 보조베어링 수단을 구비하는 것을 그 특징으로 한다.

상기한 본 발명에 있어서 회전자의 비자성 디스크 재질로서 예컨데 탄소강을 사용할 수 있다. 즉, 탄소강으로 되는 비자성 디스크에 자성 디스크를 함침시킴으로써 기계적 충격에 강한 회전자를 구성할 수 있는 것이다. 여기서 비자성 디스크면 가장자리에 자성 디스크가 함침되지 않은 부분을 남기고 그 부분과 대응하는 고정자의 요크 면 가장자리에 기계식 보조베어링을 장착할 수 있게 된다. 이와 같이 본 발명은 회전자를 구조적으로 보완함으로써 보조베어링 접촉이나 과도한 외란에도 충분히 견딜 수 있게 하는 것이다. 따라서 그 회전자의 비자성체 디스크면에 함침되는 자성체 디스크를 전술한 제3도의 예와 같이 원주방향으로 굽은 여러 조각으로 나누어 스파이어럴 형태로 배치하더라도 그보조베어링 작동시의 충격에도 절연파괴되거나 파손될 염려가 없는 것이다.

이와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 축방향 자기베어링 장치는, 제4도와 같이, 회전축(12)에 결합된 회전자(13)와 이 회전자(13)와 공기간격을 두고 면대향된 고정자(16)로 구성된다.

회전자(13)는 회전축(12) 단부에 일체적으로 연결되는 비자성 디스크(14)와 이 비자성 디스크(14) 면에 함침되는 자성 디스크(15)로 이루어진다. 제5도를 참조하면, 자성 디스크(15)는 비자성 디스크(14)면 가장자리로 되는 베어링 마찰면(14a)를 남기고 함침되어 있다. 또한 그 자성 디스크(15)는 전술한 와전류 발생을 억제하기 위하여 원주방향으로 굽은 모양으로 된 여러개의 자성체 조각 (15a)의 스파이어럴 형태의 배치를 갖는다.

고정자(16)는 상기한 회전자(13)와 δ만큼의 공극을 두고 면 대향되는 요크(17)와 이 요크(17)의 면에 설치된 환상코일(18)로 이루어진다. 또한 이 고정자(16)는 보조베어링을 위하여 그 요크(17)의 면 가장자리에 돌출된 돌출부(19)를 갖는다. 이 돌출부(19)는 상기한 회전자(13)의 비자성 디스크(14)에 마련된 베어링 마찰면(14a)과 δ/2만큼의 공극을 두고 대향되어 있다.

보조베어링은 상기한 회전자(13) 측의 베어링 마찰면(14a)과 고정자(16) 측의 돌출부(19)를 포함하여, 제4도 및 제6도에 도시된 바와 같이, 그 돌출부(19)에 형성된 그루우브(20) 및 이 그루우브(20)에 수납된 다수의 볼(21)로 이루어진다. 여기어 볼(21)은 각각 그 구의 일부가 돌출부(19)의 표면 밖으로 약간 돌출되어 비상시에 베어링 마찰면(14a)과 접촉되어지며 그 접촉시에 회전자(13)의 회전에 따라 그 그루우브(20)를 자유로이 구를 수 있게 된 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 회전자를 기계적 충격이나 과도한 외란에 충분한 내구성을 갖도록 구조적으로 개량함으로써, 보조베어링을 일체화할 수 있고, 특히 와전류 억제를 위하여 자성체 조각의 스파이럴 배치형태를 위한 경우에도 그 보조베어링 작동의 충격 등에 의해 파손되는 문제점을 해결하는 발명으로서, 와전류로 인한 손실을 방지하고 또한 보조베어링 일체화로 구조를 단순화하는데 효과적이며, 비상시에 안전하게 대처할 수 있는 것이다.

제1도는 종래의 축방향 자기베어링장치를 보인 단면도.

제2도는 제1도에 도시된 축방향 자기베어링장치의 문제점을 설명하기 위하여 그 회전자 디스크 면을 보인 정면도.

제3도는 제1도에 도시된 축방향 자기베어링장치의 문제점을 개선하는 종래의 다른 회전자 디스크 면을 보인 정면도.

제4도는 본 발명에 따른 축방향 자기베어링장치를 보인 단면도.

제5도는 제4도에 도시된 축방향 자기베어링장치의 회전자 디스크면을 보인 정면도.

제6도는 제4도에 도시된 축방향 자기베어링장치의 고정자 요크 면을보인 정면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

12... 회전축 13... 회전자

14... 비자성 디스크 14a... 베어링 마찰면

15... 자성 디스크 15a... 자성체 조각

16... 고정자 17... 요크

18... 환상코일 19... 돌출부

20... 그루우브 21... 볼

Claims (6)

1. 회전자와 고정자를 포함하여 회전축을 그 축방향 변위에 대항하여 지지하기 위한 축방향 자기베어링 장치에 있어서,

   상기한 회전자가 회전축 단부에 결합되는 비자성 디스크와 이 비자성 디스크 면에 함침된 자성 디스크로 이루어지고,

   상기한 고정자가 상기한 회전자와 공극을 두고 면대향하는 요크와 이 요크의 면에 설치된 환상코일로 이루어지고,

   상기한 회전자의 비자성 디스크 면의 가장자리와 상기한 고정자의 요크 면의 가장자리를 포함하는 보조베어링 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 축방향 자기베어링장치.
2. 제1항에 있어서, 상기한 보조베어링 수단이, 상기한 비자성 디스크 면의 가장자리로 되는 베어링 마찰면과, 상기한 요크 면의 가장자리에 돌출된 돌출부와, 이 돌출부에 형성된 그루우브와, 이 그루우브 내부에 각각 구를 수 있고 그 각각의 일부가 돌출되어 상기한 베어링 마찰면과 접촉할 수 있게 수납되는 다수의 볼로 구성된 것을 특징으로 하는 축방향 자기베어링 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기한 베어링 마찰면과 돌출부가 상기한 자성 디스크와 요크 사이의 공극의 1/2 간격으로 이격된 것을 특징으로 하는 축방향 자기베어링 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기한 자성 디스크가 각각 원주방향으로 만곡된 자성체 조각들이 스파이어럴 형태로 배치되어 각 조각들의 경계에 의하여 와전류 흐름이 차단되도록 구성된 것을 특징으로 하는 축방향 자기베어링 장치.
5. 회전자와 고정자를 포함하여 회전축을 그 축방향 변위에 대항하여 지지하기 위한 축방향 자기베어링 장치에 있어서,

   상기한 회전자가, 회전축 단부에 결합되고 면 가장자리로 되는 베어링 마찰면을 갖는 비자성 디스크와 이 비자성 디스크 면에 그 베어링 마찰면을 남기고 원주방향으로 만곡된 복수의 자성체 조각이 스파이어럴 배치형태로 함침되어 되는 자성 디스크로 이루어지고,

   상기한 고정자가, 상기한 회전자와 공극을 두고 면대향하는 요크와 이 요크의 면에 설치된 환상코일과 로 이루어지고, 그 요크의 면 가장자리에 돌출부가 형성되고, 이 돌출부에 그루우브가 형성되며, 이 그루우브에 각각의 일부가 돌출되어 상기한 베어링 마찰면에 접촉될 수 있고 그 그루우브 내부를 구를 수 있게 다수의 볼이 수납되어 된 것을 특징으로 하는 축방향 자기베어링장치.
6. 제5항에 있어서, 상기한 베어링 마찰면과 돌출부가 상기한 자성 디스크와 요크 사이의 공극의 1/2 간격으로 이격된 것을 특징으로 하는 축방향 자기베어링 장치.