KR100422576B1 - 자기 베어링을 이용한 고정밀 터빈 유량계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 베어링을 이용한 고정밀 터빈 유량계에 관한 것이다. 보다 상세하게는 터빈 유량계의 측정 정확성을 향상시키기 위하여 자기 베어링을 이용하여 터빈 로터를 비접촉으로 지지함으로서 기존의 베어링 부분에서의 마모 및 마찰의 영향을 제거할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 회전날개가 달린 터빈 로터의 입출구(入出口)측 각각에 유동 안정기가 설치되고, 관벽에 회전수 검출기가 설치되어 있는 축류형 터빈 유량계에 있어서, 터빈 로터의 입구측 유동유도기와는 중심에서 한 점 접촉으로 지지되어 있으며, 출구측 유동안정기와는 영구 자석끼리의 반발력을 이용하여 비접촉으로 터빈 로터를 지지하는 수동형 자기 베어링 구조, 또는 전자석의 전류를 제어하여 로터를 자기 부상시키는 능동형 자기 베어링 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 고정밀 터빈 유량계가 제시된다.

Description

자기 베어링을 이용한 고정밀 터빈 유량계{High accuracy turbine flowmeter using magnetic bearing}

본 발명은 자기 베어링을 이용한 고정밀 터빈 유량계에 관한 것이다. 보다 상세하게는 유량 측정기기에서 측정 오차를 야기하는 마찰 손실 효과를 개선함으로써 센서의 정확성과 신뢰성을 향상시키는 기술에 관한 것이다.

도 1은 종래 축류형 터빈 유량계의 모식도이다.

도 1를 살펴보면, 원통의 유로속에 설치된 회전날개(3)가 달린 터빈 로터(turbine rotor; 1)와, 유체의 속도에 비례하는 터빈 로터(1)의 회전 속도를 검출하기 위한 회전수 검출기(magnetic pick up; 5) 및 상기 터빈 로터(1)의 전후방에 설치되는 유동안정기(flow straightener; 7)로 구성되어 있다.

터빈 유량계에서 회전수의 검출은 회전날개(1) 끝단이 관벽에 있는 전자 픽업(Pick-up) 코일 즉, 회전수 검출기(5)를 통과하는 횟수를 세어 이를 전기적 펄스 신호(또는 주파수 성분)로 변환시켜 유량을 구하는 방식이 주로 사용된다.

그 밖에도 회전 날개의 재료에 따라 영구 자석과의 사이에 홀 효과(Hall effect) 센서를 넣어 자속밀도의 변화를 관찰하여 회전수를 측정하는 방법이 있다. 최종적으로 유량은 교정 장치를 통하여 구한 회전수와 유량과의 상관 관계를 고려하여 환산하게 된다. 이 때, 회전 부분의 마찰과 유체 저항은 무시한다.

따라서, 개발 초창기에는 측정 오차가 작으며 점도가 낮은 유체(주로 기체)의 유량 측정에 이용되었으나 현재에는 상대적으로 유체 저항이 작은 축류형 터빈 유량계가 개발되어 에너지, 석유화학 등에서의 액체 유량 측정에도 광범위하게 이용되고 있다.

이러한 터빈 유량계의 장점으로는 높은 측정 정확도와 기계적 안정성, 높은신뢰성, 그리고 광범위한 온도범위와 대용량의 유량 측정에도 사용 가능하다는 점을 꼽을 수 있다.

그러나, 미끄럼 베어링 또는 구름 베어링에서 불가피하게 발생하는 마찰은 측정 정밀도 저하와 유체의 오염, 수명 단축 등의 원인을 제공했고, 이에 대한 개선이 연구의 초점이 되어 왔다.

최근에는 고정 터빈과 회전 로터의 2중 구조를 가짐으로써 온도 변화 및 순간 압력 변동 등의 급격한 유량 변화에도 우수한 안정성과 저일한 유량 계측 특성을 겸비한 유량계가 소개된 바 있으나, 이는 가격이 높을 뿐만 아니라 구조가 복잡하다는 단점을 갖고 있다.

따라서, 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 터빈 유량계의 측정 정확성을 향상시키기 위하여 자기 베어링을 이용하여 로터를 비접촉으로 지지함으로서 기존의 베어링 부분에서의 마모 및 마찰의 영향을 제거할 수 있도록 하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은, 회전 날개가 달린 터빈 로터의 입출구(入出口)측 각각에 유동안정기가 설치되어 있는 축류형 터빈 유량계에 있어서, 입구측 유동유도기와는 중심에서 한 점 접촉으로 지지되어 있으며, 출구측 유동안정기와는 영구 자석끼리의 반발력을 이용하여 비접촉으로 터빈 로터를 지지하는 수동형 자기 베어링 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 베어링을 이용한 고정밀 터빈 유량계를 제공한다.

또한, 상기 구조의 터빈 유량계에 있어서 출구측에 장착된 수동형 자기 베어링 대신, 소정 개수의 전자석의 전류를 제어하여 로터를 반경 방향으로 자기 부상시키고 축 방향으로는 영구 자석의 반발력을 이용하여 입구측 유동 안정기와의 한 점 접촉을 유지하는 능동형 자기 베어링 구조를 특징으로 하는 고정밀 터빈 유량계를 제공한다.

도 1 은 일반적인 축류형 터빈 유량계의 모식도이다.

도 2 는 본 발명에 따른 수동형 자기 베어링을 장착한 터빈 유량계의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 3 은 도 2의 영구자석 모형도이다.

도 4 는 본 발명에 따른 능동형 자기 베어링을 장착한 터빈 유량계의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 5 는 도 4의 능동형 자기 베어링 모형도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100,200 : 터빈 로터(rotor) 102,202 : 회전날개

104a,104b,204a,204b : 유동 안정기

106a,106b,108a,108b,206a,206b,208a,208b : 영구 자석

110,210 : 회전수 검출기 212 : 코일이 감긴 고정자

이하, 본 발명의 실시 예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

자기 베어링은 크게 수동형과 능동형으로 나뉘어진다. 두 개의 반지 모양의 영구 자석 사이의 반발력을 이용하는 수동형 자기 베어링은 간단한 구조와 저렴한 가격, 다양한 형태의 제작이 가능하다는 장점이 있는 반면에, 최소한 한 방향에 대해서는 접촉 지지 또는 능동형 자기 베어링의 도입이 불가피한데, 구조의 단순화와 낮은 제작 단가를 목표로 하는 경우에는 한 점 접촉 지지를 허용하는 쪽이 유리하다.

능동형 자기 베어링을 사용하는 경우에는 측정 대상 유체의 종류와 유동 조건에 따라 적절히 베어링의 강성/감쇠 특성을 변환시킬 수 있을 뿐만 아니라 별도의 픽업(Pick-up) 코일이 없어도 로터의 회전수를 측정할 수 있고, 자체 내장되는 센서 예컨대, 갭 센서(Gap sensor), 홀효과 센서(Hall effect sensor) 등에 의해 유량계의 오동작 감시 등이 가능해지는 장점이 예상된다.

그러나, 구조가 다소 복잡해지고 센서와 제어기의 필요로 인해 가격 상승이불가피하므로 수동형과 병행하여 사용하는 것이 바람직하다.

도 2는 본 발명에 따른 수동형 자기 베어링을 장착한 터빈 유량계의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 3은 도 2의 영구자석 모형도이다.

도 2 및 도 3을 살펴보면, 회전 날개(102)가 달린 터빈 로터(100)의 입출구쪽으로 유동안정기(104a,104b)가 설치되어 있는 축류형 터빈의 구조를 갖는다.

이 때, 유량계의 관벽에는 회전수를 검출하기 위한 전자 픽업 코일, 즉, 회전수 검출기(110)가 설치되며, 상기 로터(100)의 후방에 설치된 유동안정기(104b)에는 반경 방향으로 자화된 영구자석(106a,106b)(108a,108b) 쌍이 장착되어 있다. 물론, 영구자석 106a와 106b, 108a와 108b는 자극 방향이 서로 반대이다.

상기 유동 안정기(104a,104b)는 불균일 유동에 의한 측정 오차를 줄여주는 역할을 주로 하지만 로터 지지부로서의 역할도 병행한다고 볼 수 있다. 기존에는 이들과 로터(100) 사이에는 일반적으로 구름 베어링이나 미끄럼 베어링이 삽입되어 왔는데 이를 자기베어링으로 대체하고자 하는 것이 본 발명의 핵심 포인트이다.

도 2는 소형 유량계를 위한 설계인데 터빈 로터(100)는 출구측에서는 영구 자석(106a,106b)(108a,108b)끼리의 반발력에 의해 비접촉으로 지지되어 있으며, 입구측의 유동 유도기(104a)와는 중심에서 한 점 접촉으로 지지되고 있다.

이 때, 자기 베어링 부분에서 영구자석의 축방향 위치를 어긋나게 설계함으로써 로터에 작용하는 축방향 힘을 발생시킬 수 있는데, 이로 인하여 유동에 의한 축방향 압력을 지탱하고 동시에 한 점 접촉을 유지할 수 있다.

만약, 대용량의 유량 측정에 적용되는 경우에는 입구측의 유동 안정기(104a)부분에도 영구 자석(106a,106b)(108a,108b)을 추가하여 지지력을 증가시킬 수 있다.

상기와 같은 수동형에서 베어링의 특성을 좌우하는 것은 영구 자석의 종류, 크기와 공극 폭의 선정이다. 이 때, 소형으로도 충분한 지지 강성을 얻기 위해서 영구 자석(106a,106b)(108a,108b)은 페라이트 계열에 비해 성능이 월등한 네오디늄 계열이 사용된다.

한편 이러한 시스템에서 예상되는 문제점으로는 첫째, 접촉점에서 존재하는 마찰, 마모가 있는데 기존의 시스템에 비해서는 획기적으로 개선된 것으로서 우려할 바가 적고, 둘째로는 수동형 자기 베어링 부분에서의 낮은 감쇠가 예상되는데 우선 그로 인한 미세한 잔류 진동이 측정 정확도에 끼치는 영향을 파악하는 한편 그를 최소화하기 위한 기법이 연구되어야 한다. 그 밖에 회전속도의 검출을 위해서는 기존의 터빈 유량계와 동일한 기법들이 적용될 수 있다.

능동형 자기 베어링을 적용할 경우는 다시 흡인력을 이용하는 부상 방식과 로렌쯔 힘에 의한 방식이 있는데 구조의 단순성과 전체의 크기 등을 고려하여 적용 기기에 적합한 구조를 선택한다. 일반적으로 로렌쯔 형식이 와전류 손실이나 재료의 히스테리시스 등의 영향을 받지 않기에 효율이 좋다는 장점이 있으나 다소 복잡하다.

도 4는 본 발명에 따른 능동형 자기 베어링을 장착한 터빈 유량계의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 5는 도 4의 능동형 자기 베어링 모형도이다.

도 4 및 도 5를 살펴보면, 도 2와 같은 기본 구조를 갖는 터빈 유량계에 있어서 수동형 자기 베어링부를 전자기력을 이용하는 능동형으로 대체한 경우로서, 4개의 전자석(212)에 흐르는 전류를 제어하여 로터(200)를 자기 부상시키고, 축 방향으로의 지지력을 유지하기 위해서 영구자석(206a,206b)(208a,208b) 쌍을 추가하여 로터(200)를 입구측으로 미는 힘이 작용하도록 하였다.

상기와 같이 능동형 자기 베어링을 도입하는 경우에는 1980년대 후반부터 활발히 진행되어 온 능동형 자기 베어링에 관한 기술, 예컨대 self-sensing 기술, auto-balancing 기술, 자기 진단 및 감시 기술을 그대로 적용할 수 있으므로 부수적인 성능 향상 효과가 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 의한 자기 베어링을 이용한 고정밀 터빈 유량계에 따르면 다음과 같은 이점이 있다.

첫째, 본 발명에 따르면, 유량도 정확히 측정 할 수 있을 뿐만 아니라 윤활이 필요 없어 윤활제에 의한 유체 오염의 우려를 원천적으로 배재할 수 있다.

둘째, 본 발명에 따르면, 베어링 부에서의 스파크, 마찰열 등의 문제가 없어 천연가스 또는 인화성 유체의 유량 측정 등에 적용되어도 안정성이 높다.

따라서, 기존에 알려진 응용 분야는 물론 고청정 또는 고순도 유체, 식음료 등의 유량 측정에 활용이 가능하다. 또한, 수명이 길고 단가를 절감할 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 회전날개가 달린 터빈 로터의 입출구(入出口)측 각각에 유동 안정기가 설치되고, 관벽에 회전수 검출기가 설치되어 있는 축류형 터빈 유량계에 있어서,

   입구측 유동 유도기와는 중심에서 한 점 접촉으로 지지되어 있으며, 출구측 유동안정기와는 영구 자석끼리의 반발력을 이용하여 비접촉으로 터빈 로터를 지지하는 수동형 자기 베어링 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자기 베어링을 이용한 고정밀 터빈 유량계.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 수동형 자기 베어링은 반경 방향으로 자화된 영구자석 쌍(couple)으로서 서로 축 방향 위치를 어긋나게 하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링을 이용한 고정밀 터빈 유량계.
3. 회전 날개가 달린 터빈 로터의 입출구(入出口)측 각각에 유동 안정기가 설치되고, 관벽에 회전수 검출기가 설치되어 있는 축류형 터빈 유량계에 있어서,

   터빈 로터를 소정 개수의 전자석의 전류를 제어하여 터빈 로터를 반경 방향으로 자기 부상시키고 축 방향으로는 영구 자석의 반발력을 이용하여 입구측 유동 안정기와의 한 점 접촉을 유지하는 능동형 자기 베어링 구조를 특징으로 하는 고정밀 터빈 유량계.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 터빈 유량계에서는 기존 능동형 자기 베어링에서의 자기 감시 및 진단 기능을 이용하여 유량 계측의 신뢰도를 자체적으로 평가할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링을 이용한 고정밀 터빈 유량계.