KR100589720B1 - 자기 베어링의 고장 진단/치료 시스템과 그 방법 - Google Patents

자기 베어링의 고장 진단/치료 시스템과 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 절감형 동극형 자기 베어링의 고장을 진단하고 이를 치유할 수 있는 자기 베어링 고장 진단/치료 시스템을 제공함에 있다.
이에 본 발명은 회전체의 위치를 검출하는 검출 센서와, 상기 검출 센서의 전기신호를 받아 제어 신호로 바꾸어 주는 귀환제어기, 제어신호를 전류로 바꿔주는 전류증폭기, 전류를 받아 전자기력을 발생시키는 동극형 자기 베어링를 포함하는 포함하는 자기 베어링 시스템에 있어서, 상기 전류 증폭기의 신호를 검출하여 전류 증폭기 또는 전류 증폭기와 연결된 각 코일의 이상 유무를 확인하기 위한 전류고장 감지기와, 상기 전류고장 감지기와 연결되고 상기 귀환제어기와 전류 증폭기 사이에 설치되어 상기 전류고장 감지기의 신호에 따라 정상 자기력을 실현시키는 분포된 전류 신호를 인가하는 고장진단 제어기를 포함하는 자기 베어링의 고장 진단/치료 시스템을 제공한다.
전류고장 감지기, 고장진단 제어기, 분포행렬 업데이트 프로그램

Description

자기 베어링의 고장 진단/치료 시스템과 그 방법{Fault Tolerant System for Magnetic Bearing and Method thereof}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기 베어링을 도시한 개략적인 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기 베어링의 고장 진단/치료 시스템을 도시한 개략적인 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기 베어링의 고장 진단/치료 방법을 도시한 흐름도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 시스템에 의해 자기 베어링에 공급되는 제어전류의 과도응답을 도시한 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 시스템에 의해 인가된 제어전류에 의해 자기 베어링에 형성된 자속밀도의 과도응답을 도시한 그래프,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 시스템 제어에 의해 로터의 변위에 대한 과도응답을 도시한 그래프,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 시스템 제어에 의해 로터의 궤도(orbit)에 대한 과도응답을 도시한 그래프이다.
본 발명은 자기 베어링 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동극형 자기 베어링 시스템에 있어서 자기 베어링의 고장 상태를 확인하고 이를 적절히 치유할 수 있도록 된 자기 베어링의 고장 진단/치료 시스템과 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자기 베어링 장치는 회전기계로서 각종 분야에서 폭넓게 사용되고 있다. 자기 베어링 장치는 자기력을 이용하여 회전체를 베어링 하우징의 중심점으로 부상시키고 베어링 공극 안에서 무 접촉을 이루며 강성과 감쇠력을 가진 베어링 역할을 하게 된다.
이와 같이 자기 베어링 장치는 마찰 에너지 및 열 발생을 최소화할 수 있고, 회전체의 원심 응력 한계에까지 도달할 수 있는 초고속 회전이 가능하며, 반영구적 수명으로 유지보수가 불필요하고, 초고온이나 극저온, 초진공 등의 극한 환경에서도 적용이 가능한 장점을 가지고 있으며, 이에 따라 고속화 고성능화 추세의 터보기계에 점점 적용이 확대되고 있는 실정이다.
이러한 자기 베어링 장치는 통상 이극형(heteropolar) 자기베어링과 동극형(homopolar) 자기베어링으로 구분된다.
이극형 자기베어링은 각각의 극의 바이어스 자속의 방향을 N극 S극 엇갈리게 배열한 형태로 주로 전자석 코일로 바이어스를 걸어주게 된다. 이극형 자기베어링은 두께가 얇고 구조가 단순하여 가공이 쉽다는 장점을 갖는다.
영구자석을 이용한 동극형 자기베어링은 영구자석을 이용하여 바이어스 자속을 자기베어링의 한쪽면으로 흐르게 하고 다른쪽면으로 귀환시키는 방식이다. 이 방식의 자기베어링은 이극형 자기베어링에서처럼 코일 전류를 이용한 전자기력으로 바이어스 자속을 유지시키지 않고 영구자석만으로 바이어스 자속을 유지시킬 수 있기 때문에 자기베어링의 구동 에너지가 적게 드는 장점이 있고 소형화 경량화가 가능하다.
이러한 방식의 영구자석형 동극형 자기베어링에 대해서는 미국특허 제 5111102호(Meeks, C. R., 1992, "Magnetic Bearing Structure)를 통해 개시되어 있다.
그러나, 상기와 같은 많은 장점에도 불구하고 상기 자기 베어링은 능동 제어시스템의 한계로 인하여 시스템의 폐루프의 어느 한 구성요소가 고장이 나면 베어링의 역할을 할 수 없게 된다. 즉, 능동 자기베어링은 귀환제어에 의해 무접촉 공중 부양되는 베어링 시스템으로 시스템의 부품이 하나라도 제대로 작동하지 않으면 불안정해진다.
이에 지속적인 운전이 필수적인 여러 터보기계에 자기 베어링의 고장을 진단하고 이를 치유하는 시스템의 개발이 요구되었다.
이에 따라 자기베어링의 고장을 진단하고 치유하는 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, Lyons, J.P., Preston, M.A., Gurumoorthy, R., and Szczesny, P.M.,( 1994, "Design and Control of a Fault-Tolerant Active Magnetic Bearing System for Aircraft Engine," Proceedings of the Fourth International Symposium on Magnetic Bearings, ETH Zurich, 449-454.)는 12극 이극형 자기베어링의 3개의 제어축 중에 어느 한축이 고장을 일으킬 때 나머지 2개 의 축을 이용하여 제어를 할 수 있는 자기베어링 시스템을 개시하고 있으며, Maslen, E.H., and Meeker, D.C., (1995, "Fault Tolerance of Magnetic Bearings by Generalized Bias Current Linearization," IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 31, pp. 2304 2314.)와 Meeker, D.C., (1996, "Optimal Solutions to the Inverse Problem in Quadratic Magnetic Actuators," Ph.D. Dissertation, Mechanical Engineering, University of Virginia.)는 각각 독립된 코일이 감겨있는 8극 이극형 자기베어링에서 여러개의 코일이 손실되었을 때에 분포행렬을 이용한 선형화법을 통해 자기력을 회복하여 정상적인 제어를 할 수 있는 자기베어링 시스템을 개시하고 있다.
이 외에 Na, U.J., Palazzolo, A.B., and Provenza, A., ( 2002, "Test and Theory Correlation Study for a Flexible Rotor on Fault-Tolerant Magnetic Bearings," ASME Journal of Vibration and Acoustics, Vol. 124, pp. 359-366.)는 상기 Meeker의 분포행렬을 이용한 선형화법을 연장하여 이극형 8극베어링에서 5극까지 고장을 일으킬 경우에도 정상적인 자기력을 유지하는 고장 진단 치유 기법을 개발하여 성공적으로 실험하였다.
그러나 상기한 종래기술들은 이극형 자기 베어링의 고장 진단과 치유에 관한 시스템으로, 영구자석을 이용한 동극형 자기 베어링의 경우 그 장점이 더욱 풍부함에도 불구하고 자기력 유지를 위한 고장 진단 및 치유 시스템의 개발이 미진한 상태이며, 이에 동극형 자기 베어링 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있는 고장 진단 및 치료 시스템의 개발이 절실한 실정이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명은 상기 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 에너지 절감형 동극형 자기 베어링의 고장을 진단하고 이를 치유할 수 있는 자기 베어링 고장 진단/치료 시스템과 그 방법을 제공함에 있다.
또한, 본 발명은 실제 운전중에 빈번히 발생하는 코일의 과부하로 인한 절단이나 전류증폭기가 고장났을 때에도 정상적인 운전을 할 수 있도록 제어 해주는 자기 베어링 고장 진단/치료 시스템과 그 방법을 제공함에 또다른 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 자기베어링 코일이나 전류증폭기가 고장이 났을 때에 이를 감지하여 제어 알고리즘을 적응 제어하여 자기베어링이 고장나기전과 비슷한 동적거동을 유지하도록 함을 그 요지로 한다.
이를 위해 본 시스템은 회전체의 위치를 검출하는 검출 센서(sensor)와, 상기 검출 센서의 전기신호를 받아 제어 신호로 바꾸어 주는 귀환제어기(controller), 제어신호를 전류로 바꿔주는 전류증폭기(power amplifier), 전류를 받아 전자기력을 발생시키는 동극형 자기 베어링을 포함하는 자기 베어링 시스템에 있어서,
상기 전류 증폭기의 신호를 검출하여 전류 증폭기 또는 전류 증폭기와 연결된 각 코일의 이상 유무를 확인하기 위한 전류고장 감지기와, 상기 전류고장 감지기와 연결되고 상기 귀환제어기와 전류 증폭기 사이에 설치되어 상기 전류고장 감지기의 신호에 따라 정상 자기력을 실현시키는 분포된 전류 신호를 인가하는 고장 진단 제어기를 포함한다.
여기서 상기 전류증폭기는 동극형 자기 베어링의 각 돌극에 감긴 코일에 각각 독립적으로 연결되어, 상기 전류고장 감지기가 동극형 자기 베어링의 각 돌극에 감긴 코일에 대해 개별적으로 그 고장 유무를 확인할 수 있도록 함이 바람직하다.
이에 따라 상기 시스템은 동극형 자기 베어링의 각 돌극에 감긴 코일의 전류를 독립적으로 제어함으로써 몇몇의 코일이 끊기거나 전류증폭기가 고장나서 일측 돌극에 전류 공급이 중단된 경우 나머지 정상적인 돌극들의 전류를 제어하여 고장나기 이전의 정상적인 베어링의 역할을 수행할 수 있게 된다.
여기서 상기 전류고장 감지기는 코일에 흐르는 전류를 확인하여 그 이상 유무를 출력함이 바람직하다.
또한, 상기 고장진단 제어기는 자체적으로 분포행렬 업데이트 프로그램이 데이터 베이스에 내장되어, 전류고장 감지기의 신호에 따라 적합한 분포 행렬을 찾아 전류증폭기를 최종 제어하는 구조로 되어 있다.
물론, 본 발명은 8극을 갖는 동극형 자기 베어링에 한정되지 않으며 4극이나 6극 또는 12극이나 16극 등 4극 이상인 경우 모두 적용 가능하다 할 것이다.
한편, 본 시스템을 통한 자기 베어링 고장 진단 및 치료 방법을 살펴보면,
상기 자기 베어링은 회전체의 위치를 검출하는 단계와, 회전체의 위치 검출 신호에 따라 전류 증폭기 제어신호를 발생하는 단계, 상기 전류 증폭기 제어신호에 따라 전류 증폭기가 작동되어 자기 베어링을 구동시키는 단계를 포함하는 자기 베어링 작동 방법에 있어서,
전류 증폭기로부터 자기 베어링의 각 돌극에 감긴 코일로 인가되는 전류를 감지하는 단계와, 상기 감지된 신호를 연산하여 그 이상 유무를 확인하는 단계, 전류 고장 신호시 분포행렬 프로그램을 가동하고 분포 전류신호를 인가하는 단계와, 상기 분포 전류 신호에 따라 전류 증폭기를 작동하여 자기 베어링을 재 구동하는 단계를 더욱 포함한다.
이에 따라 전류 증폭기와 각 코일의 이상 발생시 분포행렬 프로그램 구동을 통해 그 이상 상태에 따른 최적의 전류 분포를 찾아내어 자기 베어링을 정상상태로 재 구동시키게 되는 것이다.
여기서 상기 분포행렬 프로그램은 동극형 자기베어링의 고유값인 전압강성을 이용하여 고장 후 작동되는 코일 전류만을 이용하여 고장 이전의 정상상태에서의 전압강성과 같은 값을 유지하도록 전류를 재분배하도록 되어 있다.
또한, 상기 제어전류는 2 × N (여기서, N은 자기 베어링의 돌극 개수) 분포행렬을 이용하여 제어전압을 선형적으로 분배하도록 되어 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자기 베어링을 도시한 개략적인 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자기 베어링의 고장 진단/치료 시스템을 도시한 개략적인 구성도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자기 베어링의 고장 진단/치료 방법을 도시한 흐름도이다.
상기한 도면에 의하면, 본 자기 베어링 시스템은 회전체(100)의 위치를 검출 하는 검출 센서(10)와, 상기 검출 센서(10)의 전기신호를 받아 자기 베어링(20) 구동을 위한 제어 신호로 바꾸어 주는 귀환 제어기(30), 상기 귀환 제어기(30)에 연결되어 귀환 제어기(30)의 제어 신호를 출력 전류로 바꿔주는 전류 증폭기(40), 상기 전류 증폭기(40)로부터 인가되는 전류를 받아 전자기력을 발생시키는 동극형 자기 베어링(20), 상기 전류 증폭기(40)의 신호를 검출하여 전류 증폭기(40) 또는 전류 증폭기(40)와 연결된 각 코일의 이상 유무를 확인하기 위한 전류고장 감지기(50)와, 상기 전류고장 감지기(50)와 연결되고 상기 귀환 제어기(30)와 전류 증폭기(40) 사이에 설치되어 상기 전류고장 감지기(50)의 신호에 따라 정상 자기력을 실현시키는 분포된 전류 신호를 인가하는 고장진단 제어기(60)를 포함한다.
여기서 상기 자기 베어링(20)은 영구자석과 더불어 회전체 외주면을 따라 일정간격을 두고 배열되는 돌극과 이 돌극에 감겨지지고 전류 증폭기(40)로부터 전류를 인가받는 코일을 포함하며, 본 실시예에서는 상기 각 돌극에 대응되어 전류 증폭기(40)가 구비되어 각 전류 증폭기(40)가 각 돌극에 감긴 코일과 개별적으로 연결되어 각 돌극의 코일을 독립적으로 제어작동시키는 구조로 되어 있다.
이에 따라 일측 돌극에 감긴 코일이 끊기거나 전류 증폭기(40)의 미작동시 몇번째 돌극에 감긴 코일이 고장났는지를 확인하여 이를 고장진단 제어기(60)로 보내게 되면 고장진단 제어기(60)는 미리 저장되어 있는 분포행렬을 통해 고장 이전의 정상적인 자기력을 실현시킬 수 있는 신호로 전류 증폭기(40)를 제어하여 자기 베어링(20)으로 분포된 전류를 보냄으로써 자기력을 유지시키게 되는 것이다.
미설명된 도면 부호 (31)은 검출센서(10)의 신호를 처리하여 귀환 제어기(30)로 인가하기 위한 신호처리기이다.
본 실시예에 따른 각 구성요소를 좀더 상세하게 살펴보면 다음과 같다. 이하 설명에서는 8개의 돌극을 갖는 자기 베어링을 예로써 설명한다. 물론, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
먼저 상기 동극형 자기 베어링(20)은 각각의 독립적인 전류 증폭기(40)에 의해 전류를 공급받는 8개의 코일을 각각의 돌극에 감아진 구조로 되어 있다. 이에 따라 각각의 돌극의 전류를 독립적으로 제어함으로서 몇몇의 코일이 끊기거나 전류 증폭기(40)가 고장이 나서 극에 전류공급이 중단된 경우에 나머지 정상적인 극들의 전류를 제어하여 고장나기 이전의 정상적인 베어링의 역할을 하게 되는 것이다.
상기 전류고장 감지기(50)는 전류의 흐름 여부를 감지하기 위한 것으로, 각각의 돌극에 감겨진 코일에 전류센서를 부착한 구조로 되어 전류가 흐를때는 0 volt의 TTL 신호를, 전류가 흐르지 않거나 미미하게 흐를때는 5 volt의 TTL 신호를 고장진단 제어기(60)에 보내도록 되어 있다. 즉, 코일이 끊기거나 전류 증폭기(40)가 미 작동하면 코일에 전류가 흐르지 않게 되는 데, 상기 상기 전류고장 감지기(50)는 전류센서를 통해 이를 확인하여 각 코일이나 전류 증폭기(40)의 이상 여부를 확인할 수 있게 되는 것이다.
또한, 상기 고장진단 제어기(60)에서는 상기 전류고장 감지기(50)로부터 고장감지 신호를 받아서 ON, OFF로 나타낼 수 있으며 몇 번째 코일이 고장인지 실시간으로 감지할 수 있게 된다.
8극 자기베어링(20)의 경우 8개의 ON, OFF 신호를 고장진단 제어기(60)에서 실시간으로 모니터하게 된다.
한편, 상기 고장진단 제어기(60)는 자체적으로 분포행렬 업데이트 프로그램이 데이터 베이스에 내장되어, 전류고장 감지기(50)의 신호에 따라 적합한 분포 행렬을 찾아 전류 증폭기(40)를 최종 제어하는 구조로 되어 있다.
상기 분포행렬 업데이트 프로그램은 고장 상태에 따라 전류를 재분배하는 구조로 되어 있으며, 그 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
상기 분포행렬 업데이트 프로그램의 제어 구조는 자기베어링(20)의 고유값인 전압강성을 이용하여 고장 후 나머지 작동하는 코일 전류만을 이용하여 고장 이전의 정상상태에서의 전압강성과 같은 값을 유지하도록 전류를 재분배하는 방법이다.
본 실시예에서와 같이 8극 동극형 자기베어링(20)의 경우에 예를 들면 고장이전의 정상상태에서의 제어전류는 수식(1)에서와 같은 분포행렬에 의해서 제어전압이 각각의 극으로 분배된다.
[수식 1]
Figure 112004028492676-pat00001
(1)
보통의 정상적인 상태에서는 수식(1)이 사용되어 8개의 돌극에 감긴 코일에 고루 제어전류를 공급하게 된다.
공급되는 전류에 따라 자기 베어링(20)의 공극에서는 비선형의 자기력이 발생한다. 이때에 발생하는 비선형의 자기력은 모델링과 제어기 설계를 위해 선형화된다. 그리고 선형화된 자기력(Fx,Fy)은 변위강성(kp)을 가지고 위치(x,y)에 비례하는 힘과 전압강성(kv)을 가지고 제어전압(vcx,vcy)에 비례하는 힘(아래 수식 (2)와 (3) 참조)으로 나누어진다.
[수식 2]
Fx = -kpx + kvvcx (2)
[수식 3]
Fy = -kpy + kvvcy (3)
일단 자기베어링(20)이 설계되면 고유의 변위강성과 전압강성 값이 고정된 다. 변위강성은 영구자석에 의해 발생하는 바이어스 자속에만 영향을 받기 때문에 코일 고장 전후에도 변하지 않는다.
본 실시예에서의 제어 구조는 몇몇의 코일 전류의 손실 후에도 나머지 작동하는 코일 전류를 적절히 재분배(분포행렬)하여 고장이전의 전압강성을 유지하게 하는 것이다.
상기 분포행렬을 통해 전류가 재분배되는 과정에 대해 예컨대, 8극 자기 베어링을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
자기 베어링(20)의 8개 돌극에 감겨진 각 코일 중에 5-6-7-8번째 돌극에 감겨진 코일이 끊어진 경우에 구해진 분포행렬은 다음 수식 (4)와 같다.
[수식 4]
Figure 112004028492676-pat00002
(4)
8개 코일중에 4-5-6-7-8번째 코일이 끊어진 경우에 구해진 분포행렬은 다음 수식 (5)와 같다.
[수식 5]
Figure 112004028492676-pat00003
(5)
위와 같은 세가지의 다른 전류를 공급받는 자기 베어링(20)은 거의 같은 변위강성과 전압강성을 갖는다. 즉 고장전의 전류 I를 4개의 코일이 고장난 후에 전류 I1이나 5개의 코일이 고장난 후에 I2로 대치시키면 고장전후의 자기력의 연속성이 이루어지고 거의 동일한 자기 베어링(20)의 동특성(베어링강성, 베어링감쇠)를 유지한다.
8극 자기베어링의 경우에 8개의 코일 중 어느 5개의 코일이 고장을 일으킨 경우에도 고장나기 이전의 정상적인 선형화된 자기력(전압강성)을 유지하는 분포행렬을 구할 수 있다.
여기서 8개의 코일중 5개를 초과하는 코일이 고장나면 선형화된 자기력을 유지하는 분포행렬을 구할 수 없는 데, 이는 이론적으로 3개 이상의 힘을 제어해야 요구하는 자기력을 생성할 수 있기 때문이다.
[실시예]
이하 실시예는 동극형 8극 자기베어링 (에어갭 =0.508mm,폴단면적
Figure 112006019371461-pat00005
=602mm2, 감은 코일수 n=50 turns)으로 지지된 연성로터를 대상으로 수행되었으며, 도 3을 참조하여 그 작동과정과 함께 설명하면 다음과 같다.
연성로터의 중량은 10.7kg, 길이는 0.7m 이고 반경방향 자기 베어링(20)이 축의 양 끝에서부터 0.1235m 에 위치해 있다.
로터가 회전작동되면 검출센서(10)에 의해 위치가 감지되고 그 신호는 귀환 제어기(30)로 인가된다.(S100)
귀환 제어기(30)는 제어신호를 발생하여 전류 증폭기(40)를 구동하게 되며, 전류 증폭기(40) 구동에 따른 전류의 이상 유무는 전류고장 감지기(50)를 통해 지속적으로 모니터링하게 되고 상기 전류고장 감지기(50)의 신호를 인가받은 고장진단 제어기(60)는 자기 베어링(20)의 코일이나 전류 증폭기(40)의 이상 유무를 지속적으로 확인하게 된다.(S110 ~ S130)
이 과정에서 자기 베어링(20)의 일측 코일이 끊어지거나 전류 증폭기(40)가 고장나게 되면 상기 전류고장 감지기(50)는 이상 신호를 출력하게 되고 이 신호에 따라 고장진단 제어기(60)가 작동되어 전류 증폭기(40)를 제어작동시키게 되는 것이다.(S140)
여기서 자기 베어링(20)의 코일이 끊어졌을 때의 본 시스템의 작동과 과도 응답을 설명하면 다음과 같다.
로터가 정상상태에서 20000rpm으로 회전하고 있을 때 갑자기 5-6-7-8번 코일이 동시에 끊어지고 이어서 4번 코일마저 끊어졌을 때 전류고장 감지기(50)는 코일 전류를 감지하여 정상상태(0 volt) 또는 고장상태(5 volt)의 신호를 고장진단 제 어기(60)에 보내고 고장진단 제어기(60)는 거의 동시에 어느 5개까지의 코일고장에 대한 모든 분포행렬이 저장되어 있는 데이터베이스에서 코일고장에 적합한 분포행렬 I1과 I2를 찾아서 제어기에 다운로드 한다. 이 모든 과정은 하나의 폐루프 샘플타임(sample time)에서 이루어진다.(S150)
이와같이 상기 고장진단 제어기(60)는 전류고장 감지기(50)의 신호에 따라 로딩된 분포 행렬에 의해 제어 전류 신호를 발생하게 되고 이를 각 전류 증폭기(40)로 인가하게 된다.(S160)
상기 각 코일에 해당하는 전류 증폭기(40)는 고장진단 제어기(60)의 신호에 따라 코일에 전류를 인가하여 자기 베어링(20)을 구동시키게 된다.(S170 ~ S180)
도 4는 정상상태에서 이어진 5-6-7-8번 코일의 고장과 4-5-6-7-8번 코일의 고장 시에 분포행렬에 의해 자기 베어링(20)에 공급되는 제어전류의 과도응답을 보여준다.
도 5는 제어전류에 의해 자기베어링(20)에 형성된 자속밀도의 과도응답을 도시하고 있다.
도 6과 도 7은 정상상태에서 이어진 5-6-7-8번 코일의 고장과 4-5-6-7-8번 코일의 고장 시에 본 시스템의 제어를 통한 로터의 진동제어를 도시하고 있다.
도 6과 도 7의 불평형 질량에 의한 진동응답을 보면 정상상태에서 4개에서 5개의 코일이 끊어졌을 때에도 거의 정상적인 동특성을 보여줌을 알 수 있다.
본 발명은 이상과 같이 상당히 획기적인 기능을 갖는 자기 베어링(20) 시스 템을 제공하는 것을 알 수 있다. 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어, 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 에너지절감 효과가 큰 동극형 자기베어링에 고장 진단/치유 기능을 보강함으로써 자기 베어링의 단점인 시스템의 신뢰성을 확보하고 컴팩트하고 고효율의 자기부상베어링 시스템을 구현할 수 있게 된다.
이에 따라 지금까지 신뢰성 문제로 사용을 꺼려하던 많은 자기부상 베어링의 응용장치 즉 초고속 응용장치(인공위성 모멘텀휠, , 고진공 터보펌프)와 에너지 절약형 응용장치(하이브리드 자동차, UPS용 전력저장장치, 인공심장용 혈액펌프), 일반 터보기계(터빈, 압축기, 송풍기), 공작기계 주축 스핀들 등에 핵심적인 부품으로 충분한 경쟁력을 확보할 수 있는 효과를 얻게 된다.

Claims (9)

  1. 회전체의 위치를 검출하는 검출 센서와, 상기 검출 센서의 전기신호를 받아 제어 신호로 바꾸어 주는 귀환제어기, 제어신호를 전류로 바꿔주는 전류증폭기, 전류를 받아 전자기력을 발생시키는 동극형 자기 베어링을 포함하는 자기 베어링 시스템에 있어서,
    상기 전류 증폭기의 신호를 검출하여 전류 증폭기 또는 전류 증폭기와 연결된 각 코일의 이상 유무를 확인하기 위한 전류고장 감지기와, 상기 전류고장 감지기와 연결되고 상기 귀환제어기와 전류 증폭기 사이에 설치되어 상기 전류고장 감지기의 신호에 따라 정상 자기력을 실현시키는 분포된 전류 신호를 인가하는 고장진단 제어기를 포함하는 자기 베어링의 고장 진단/치료 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 자기 베어링은 동극형 자기 베어링인 자기 베어링의 고장 진단/치료 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전류증폭기는 각 돌극에 독립적으로 권취된 코일과 개별적으로 연결되는 자기 베어링의 고장 진단/치료 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 전류고장 감지기는 코일에 연결되는 전류센서를 포함하여 코일에 흐르는 전류값을 감지하도록 된 자기 베어링의 고장 진단/치료 시스 템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 고장진단 제어기는 분포행렬 업데이트 프로그램이 내장된 데이터베이스를 포함하여 상기 자기 베어링의 고장 상태에 따라 전류 증폭기를 제어 작동하는 자기 베어링의 고장 진단/치료 시스템.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 자기 베어링은 4개 이상의 돌극을 갖는 자기 베어링의 고장 진단/치료 시스템.
  7. 회전체의 위치를 검출하는 단계와,
    회전체의 위치 검출 신호에 따라 전류 증폭기 제어신호를 발생하는 단계,
    상기 전류 증폭기 제어신호에 따라 전류 증폭기가 작동되어 자기 베어링을 구동시키는 단계,
    전류 증폭기로부터 자기 베어링의 각 돌극에 감긴 코일로 인가되는 전류를 감지하는 단계와,
    상기 감지된 신호를 연산하여 그 이상 유무를 확인하는 단계,
    전류 고장 신호시 분포행렬 프로그램을 가동하고 분포 전류신호를 인가하는 단계와,
    상기 분포 전류 신호에 따라 전류 증폭기를 작동하여 자기 베어링을 재 구동하는 단계
    를 포함하는 자기 베어링의 고장 진단/치료 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 분포행렬 프로그램은 동극형 자기베어링의 고유값인 전압강성을 이용하여 고장 후 작동되는 코일 전류만을 이용하여 고장 이전의 정상상태에서의 전압강성과 같은 값을 유지하도록 전류를 재분배하도록 된 자기 베어링의 고장 진단/치료 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제어전류는 2 × N (여기서, N은 자기 베어링의 돌극 개수) 분포행렬을 이용하여 제어전압을 선형적으로 분배하는 자기 베어링의 고장 진단/치료 방법.
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