KR100595823B1

KR100595823B1 - 로렌츠력을 이용한 전자기 베어링

Info

Publication number: KR100595823B1
Application number: KR1020030089808A
Authority: KR
Inventors: 김하용; 이종원
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2003-12-10
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2006-06-30
Also published as: KR20050056753A

Abstract

본 발명은 내부에 설치된 회전축을 자력으로 지지하는 전자기 베어링으로서, 상기 회전축 및 자력발생 부재가 설치되는 빈 공간이 마련된 베어링 몸체; 상기 베어링 몸체의 빈 공간에 설치되는 회전축; 상기 베어링 몸체의 한 내측 면에 일정간격으로 배열 부착되어 상기 회전축의 일부분을 상기 베어링 몸체 중심축방향으로 부양시키는 동일극성으로 이루어진 복수개의 제1 영구자석; 상기 베어링 몸체의 다른 내측 면에 배열 부착되어 상기 회전축의 나머지부분을 상기 베어링 몸체 중심축방향으로 부양시키며 상기 제1 영구자석과 다른 극성을 갖는 복수개의 제2 영구자석; 상기 제1, 제2 영구자석에 상기 회전축의 길이방향으로 배열 부착되는 코어; 및 상기 코어에 감겨지고 인가되는 전류에 따라 상기 회전축과 상기 코어를 순환하는 자속을 발생시켜 상기 회전축의 축방향 움직임을 제어하는 코일을 포함한다. 이 전자기 베어링은 하나의 액추에이터에 의해 축방향과 반경방향제어가 가능하다.

Description

로렌츠력을 이용한 전자기 베어링{ACTIVE MAGNETIC BEARING WITH LORENTZ-TYPE AXIAL ACTUATOR}

도 1은 전자석을 이용한 종래 전자기 베어링의 단면을 나타낸 것이고,

도 2는 영구자석을 이용한 종래 축방향 전자기 베어링의 단면을 나타낸 것이며,

도 3은 전자석과 영구자석을 이용한 전자기 베어링의 정면을 나타낸 것이고,

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전자기 베어링의 단면을 나타낸 것이며,

도 5는 도 4에 도시된 전자기 베어링의 정면을 나타낸 것이고,

도 6은 도 4에 도시된 전자기 베어링의 반경방향과 축방향 제어원리를 나타낸 것이며,

도 7은 도 종래 전자기 베어링과 본 발명에 따른 전자기 베어링의 축방향 충격에 대한 응답곡선을 나타낸 것이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 몸체 110 : 영구자석

120 : 코어 125 : 리브

130, 140 : 코일 150 : 회전축

본 발명은 전자기 베어링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 액추에이터에 의해 축방향과 반경방향의 제어가 가능한 로렌츠력을 이용한 전자기 베어링에 관한 것이다.

회전축과 같은 대상물을 부상시키기 위하여 적용된 전자기 베어링은 전자석만을 사용하거나, 영구자석과 전자석의 혼합된 형태를 이용한다. 종래의 전자기 베어링은 반경방향 전자기 베어링과 축방향 전자기 베어링을 독립적으로 가지고 있으며, 이들 베어링을 각각 제어하여 반경과 축 방향에 대하여 회전축을 부상시킨다.

전자기 베어링의 적용분야가 고속회전 스핀들이나 진공펌프와 같은 대형시스템에서 하드디스크, 인공 심장이나 터보 쿨러와 같이 소형시스템으로 확장됨에 따라 반경방향 베어링과 축방향 베어링을 위한 공간 확보가 중요하게 되었다. 도 1은 전자석만을 사용한 전자기 베어링의 단면도를 나타낸 것으로서, 회전축의 반경방향을 지지하는 2개의 베어링(10)과 회전축의 축방향을 지지하는 1개의 베어링(20)으로 이루어져 있다. 이때, 축방향을 지지하는 베어링(20)은 한 쌍의 액추에이터(21)와 디스크(22)로 이루어져 있으며 회전축의 일단부에 설치된다. 따라서, 반경방향과 축방향을 동시에 지지하는 전자기 베어링은 일단부에 축방향을 지지하는 베어링이 배치됨으로 인하여 전체적인 크기가 커지는 단점이 있다.

도 2는 축방향 제어를 위해 영구자석만을 사용하여 축방향 힘을 발생시키는 전자기 베어링의 개략적인 원리를 나타낸 것이다. 영구자석을 이용한 전자기 베어 링은 영구자석의 극성배열을 바꿈으로써 형태를 변화시킬 수 있다. 그러나, 이러한 형태의 베어링은 영구자석에 의해 발생되는 자속이 정해져 있으므로 제어를 위해 강성을 증가시킬 수 있으나 감쇠효과를 제공할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전자기 베어링의 소형화가 가능할 수 있도록 하나의 액추에이터에 의해 축방향과 반경방향 제어가 가능한 로렌츠력을 이용한 전자기 베어링을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 한 실시형태에 따르면, 길이방향을 따라 회전축 및 자력발생 부재가 설치되는 공간이 마련되는 베어링 몸체; 상기 공간에 상기 몸체의 길이방향으로 따라 설치되는 회전축; 상기 베어링 몸체의 한 내측 면에 N극이 상기 회전축을 향하도록 배열 부착되어 상기 회전축의 일부분을 상기 베어링 몸체 중심축방향으로 부양시키는 복수개의 제1 영구자석; 상기 베어링 몸체의 다른 내측 면에 S극이 상기 회전축을 향하도록 배열 부착되어 상기 회전축의 나머지부분을 상기 베어링 몸체 중심축방향으로 부양시키는 복수개의 제2 영구자석; 상기 제1, 제2 영구자석에 상기 회전축의 길이방향을 따라 배열 부착되며 하나 이상의 리브를 갖는 코어; 및 상기 코어에 감기어 인가되는 전류에 따라 상기 회전축과 상기 코어를 순환하는 자속을 발생시켜 상기 회전축의 축방향 움직임을 제어하는 코일을 포함하는 로렌츠력을 이용한 전자기 베어링이 제공된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 3은 전자석과 영구자석을 이용한 전자기 베어링의 정면을 나타낸 것으로서, 도 3의 (a)는 헤테로 폴 전자기 베어링을 도시한 것이고 (b)는 호모 폴 전자기 베어링을 나타낸 것이다.

일반적으로 전자기 베어링은 베어링 몸체 양 끝에 회전축을 부양시키는 자석을 구비하고 있는데, 이 자석의 배치방법에 따라 헤테로 폴 전자기 베어링과 호모 폴 전자기 베어링으로 나누어진다. 헤테로 폴 전자기 베어링은 전자석을 각기 다른 극성을 갖도록 배열한 것으로서 전자석의 자속이 반경방향으로 발생한다. 반면, 호모 폴 전자기 베어링은 동일한 극성을 갖는 영구자석이 배열된 것으로서 영구자석에 의한 자속이 축을 따라 흐르게 된다.

본 발명은 전자기 베어링의 반경방향과 축방향의 동시제어를 목적으로 하고 있으나, 축방향 제어시 로렌츠력을 적용하기 위하여 위 두 가지 방법 중 호모 폴 전자기 베어링 방식을 기본구조로 사용한다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전자기 베어링의 단면을 나타낸 것이며, 도 5는 도 4에 도시된 전자기 베어링의 정면을 나타낸 것이다.

전자기 베어링 몸체(100)에는 영구자석(110)과 회전축(150)이 설치되는 빈 공간이 마련되어 있다. 영구자석(110)은 베어링 몸체(100)의 양 끝 안쪽 면에 일정간격으로 배열 부착된다. 앞에서 언급한 바와 같이 본 발명의 영구자석 배치방법은 호모 폴 전자기 베어링 방식으로서, 베어링 몸체(100)의 양끝에 부착되는 영구자석(110)은 회전축 방향으로 같은 극이 향하도록 배치된다. 다만, 베어링 몸체(100)의 한 끝과 다른 끝에 부착되는 영구자석(110)들의 극성 배치는 다르다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 베어링 몸체(100)의 한 끝(도면에서 왼쪽)에는 영구자석(110)의 N극이 회전축을 향하도록 배치되고, 베어링 몸체(100)의 다른 끝(도면에서 오른쪽)에는 영구자석(110)의 S극이 회전축을 향하도록 배치한다.

이와 같이 베어링 몸체(100) 양 끝에 부착되는 영구자석(110)의 극성 배치를 다르게 한 이유는 베어링 몸체(100) 내부를 순환하는 자속을 발생시키기 위함이다. 본 발명에서는 회전축(150)의 축방향 제어를 위해 로렌츠력을 사용하고 있는데, 만약 베어링 몸체(100)에 부착된 영구자석(110)의 극성 배치가 모두 동일하면 양 끝에 부착된 영구자석(110) 간에 척력이 작용하여 베어링 몸체(100) 내부에 로렌츠력을 발생시킬 자속이 발생되지 않는다.

한편, 베어링 몸체(100)의 양 끝 안쪽 면에는 영구자석(110)이 설치되는 턱(101)이 형성되어 있다. 이처럼 베어링 몸체(100)에 턱(101)을 형성시킨 이유는 극성이 다른 양 끝의 영구자석(110)이 베어링 몸체(100) 내측 면을 따라 작용하는 인력을 줄이기 위한 것이다. 아울러, 이러한 방법으로 영구자석(110)을 부착하면 영구자석(110)에 의해 발생되는 자속이 도 4의 φ_b와 같이 회전축(150)을 따라 이동하게 되므로 자속을 이용한 회전축(150) 제어가 용이하다.

영구자석(110)에는 코어(120)가 부착된다. 코어(120)는 회전축(150)방향으로 돌출된 2개의 리브(125)를 가지고 있다. 이때, 리브(125)는 베어링 몸체(100)의 길이방향으로 배열되어 있어, 코어(120)의 횡단면은 'ㄷ'자 형상이 된다. 한편, 본 발명에서는 몸체가 일체로 된 비적층 코어(120)를 사용하고 있는데, 일반적으로 비적층 코어를 사용하면 와전류(eddy current)가 발생하여 회전시 제동력이 걸리는 문제가 있다. 때문에, 본 발명에서는 이와 같은 와전류의 발생을 최소화시키기 위해 반경방향으로 배열된 리브(125)간의 간격이 최소화되도록 설계하였다.

각 리브(125)에는 전자석을 형성하기 위한 코일(130, 140)이 각각 분리되어 감긴다. 따라서, 제1 코일(130)과 제2 코일(140)에 인가되는 전류의 방향에 따라 리브(125)와 제1 코일(130) 및 제2 코일(140)이 형성하는 전자석의 극성방향은 바뀐다. 이러한 구조에서 상부 및 하부 코어(120)에 각각 감긴 제1 코일(130)이 서로 다른 극성 방향을 갖는 전자석이 되도록 전류를 인가하면, 도 5와 같이 베어링 몸체(100)와 코어(120)를 따라 흐르는 자속 φ_r이 발생하여 회전축(150)과 리브(125) 사이의 공극에서 영구 자석에 의한 자속 φ_b를 기준으로 자속이 세지거나 약해지게 된다. 따라서, 이 원리를 이용하여 회전축(150)의 반경방향 움직임을 제어한다. 그리고 상부 및 하부 코어(120)에 각각 감긴 제2 코일(140)이 서로 같은 극성 방향을 갖는 전자석이 되도록 전류를 인가하면, 코어(120)와 회전축(150)을 따라 흐르는 자속 φ_a가 발생하여 회전축(150)의 축방향 움직임을 제어한다. 한편, 베어링 몸체(100)의 양끝 코어(120)에 감긴 제2 코일(140)에 의해 형성되는 자속의 방향은 도 4에 도시된 바와 같이 대칭이다. 이는 베어링 몸체(100)의 양끝에 부착되는 영구 자석의 극성방향이 다르므로, 같은 방향의 축방향 힘이 발생되도록 좌우측의 제2 코일(140)에 전류를 인가하는 것이 바람직하기 때문이다.

회전축(150)은 베어링 몸체(100)의 내부를 관통하여 설치되는데, 베어링 몸체(100)의 양 끝에 부착된 영구자석(110)에 의해 베어링 몸체(100) 중심축 상에 부양된 상태로 유지된다. 따라서, 회전축(150)은 자성체를 사용한다. 한편, 앞에서 언급한 바와 같이 본 발명에서는 비적층 코어를 사용하므로 회전 중 와전류에 의해 제동력이 발생할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 도 5와 같이 회전축(150)의 원주면을 감싸고 있는 리브(125) 끝의 간격을 최소화하여 회전축(150)의 반경방향으로 극성변화가 거의 발생하지 않도록 하였다.

이와 같이 이루어진 본 발명의 작동방법을 설명하면 다음과 같다.

도 6의 (a)는 도 4에 도시된 전자기 베어링의 반경방향 제어원리를 나타낸 것이고, 도 6의 (b)는 도 4에 도시된 전자기 베어링의 축방향 제어원리를 나타낸 것이다.

전자기 베어링에 갑작스러운 충격이 가해지면 자력에 의해 고정된 회전축(150)은 반경방향 또는 축방향으로 흔들리게 되는데, 본 발명에서는 이탈된 회전축(150)이 아래와 같은 원리에 의해 안정화 된다.

먼저, 회전축(150)의 반경방향 움직임을 제어하는 방법을 알아보자.

앞에서 설명한 바와 같이 회전축(150)과 리브(125)가 근접한 곳에서는 도 6의 (a)와 같은 자속의 흐름이 존재한다. 자속 φ_b는 영구자석(110)에 의한 것이고, 자속 φ_r은 제1 코일(130)에 의한 것이다. 영구자석(110)에 의해 발생된 자속 φ_b는 회전축(150)을 베어링 몸체(100) 중앙에 유지되게 하나, 제1 코일(130)에 의한 자속 φ_r은 회전축(150)과 리브(125)간의 자속차이를 발생시켜 회전축(150)을 한 반경방향으로 밀어낸다. 이때, 회전축(150)을 반경방향으로 밀어내는 힘 F_r은 다음과 같이 표현된다.

수학식1에서 μ₀는 진공에서의 투자율이고, A는 리브(125)의 단면적이다. 수 학식 1에서 알 수 있듯이 회전축(150)을 반경방향으로 움직이는 힘 F_r은 자속 φ_b와 φ_r의 크기를 조절하여 제어할 수 있다. 이때, 자속 φ_b는 영구자석(110)에 의해 발생된 자속으로 그 크기를 조절할 수 없다. 그러나, 자속 φ_r은 제1 코일(130)을 따라 흐르는 전류에 의해 유발되는 것이므로 제1 코일(130)에 인가하는 전류의 크기를 조절하여 제어할 수 있다. 따라서, 회전축(150)의 회전속도에 따른 반경방향의 변위가 파악되면 회전축(150)의 위치에 따라 제1 코일(130)에 인가되는 전류크기를 조절하여 반경방향으로의 변위를 제어할 수 있다.

다음으로 회전축(150)의 축방향 움직임을 제어하는 방법을 살펴보자.

회전축(150)에는 위에서 설명한 자속 φ_b, φ_r외에 점선으로 나타난 자속 φ_a가 작용한다. 자속 φ_a는 제2 코일(140)에 인가되는 전류에 의해 발생되는 자속으로 도 6의 (b)와 같이 코어(120)와 회전축(150)을 따라 시계방향 또는 반 시계방향으로 흐른다. 이때, 회전축(150)을 흐르는 자속 φ_a는 모두 회전축(150)이 베어링 몸체(100) 외측으로 빠져나가지 못하도록 작용한다. 따라서, 회전축(150)이 베어링 몸체(100)에서 이탈하려 해도 이 자속에 의해 원래 위치로 되돌아온다. 이때, 회전축(150)에 작용하는 힘 F_a는 로렌츠력의 원리에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.

수학식 2에서 A는 리브(125)의 단면적이고, N_a는 제2 코일(140)의 감긴 횟수이며, i_a 제2 코일(140)에 인가된 전류크기이고, L은 전류가 흐르는 전선의 길이다.

한편, 베어링 몸체(100)에 장착된 회전축(150)에는 항상 인력이 작용해 반경방향으로 불안정한 상태이다. 따라서, 회전축(150)의 반경방향을 제어하는 별도의 궤환 제어기가 필요하다. 반면, 회전축(150)의 축방향으로는 초기에 별다른 외력이 작용하지 않으므로 반경방향과 같은 안정화를 위한 궤환 제어기는 필요 없지만 강성과 감쇠를 조절하기 위한 궤환 제어기는 필요하다.

도 7은 종래 전자기 베어링과 본 발명에 따른 전자기 베어링의 축방향 충격에 대한 응답곡선을 나타낸 것이다.

도 7에서 점선은 수동적 강성만을 가지는 있는 종래의 전자기 베어링의 응답곡선을 나타낸 것이고, 실선은 본 발명에 따른 전자기 베어링의 응답곡선을 나타낸 것이다. 도면에 나타나 듯이 종래 전자기 베어링에서는 최초 변위가 발생한 후 이 변위가 장시간 계속되고 안정화되는데 오랜 시간이 소요된다. 그러나, 본 발명에 따른 베어링에서는 최초 변위가 발생한 후 매우 짧은 시간에 그 변위가 소폭으로 작아지고 안정화됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전자기 베어링의 응답이 종래 전자기 베어링에 비해 빠르고 감쇠효과가 뛰어남을 알 수 있다.

본 발명에 따른 전자기 베어링은 하나의 액추에이터에 의해 축방향과 반경방향의 제어가 되므로 전자기 베어링의 소형화가 가능하고, 축방향 제어에 의한 감쇠 효과가 우수하다.

이상에서 로렌츠력을 이용한 전자기 베어링에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims

길이방향을 따라 회전축 및 자력발생 부재가 설치되는 공간이 마련되는 베어링 몸체;

상기 공간에 상기 몸체의 길이방향으로 따라 설치되는 회전축;

상기 베어링 몸체의 한 내측 면에 N극이 상기 회전축을 향하도록 배열 부착되어 상기 회전축의 일부분을 상기 베어링 몸체 중심축방향으로 부양시키는 복수개의 제1 영구자석;

상기 베어링 몸체의 다른 내측 면에 S극이 상기 회전축을 향하도록 배열 부착되어 상기 회전축의 나머지부분을 상기 베어링 몸체 중심축방향으로 부양시키는 복수개의 제2 영구자석;

상기 제1, 제2 영구자석에 상기 회전축의 길이방향을 따라 배열 부착되며 하나 이상의 리브를 갖는 코어; 및

상기 코어에 감기어 인가되는 전류에 따라 상기 회전축과 상기 코어를 순환하는 자속을 발생시켜 상기 회전축의 축방향 움직임을 제어하는 코일을 포함하는 로렌츠력을 이용한 전자기 베어링.
청구항 1에 있어서, 상기 리브에는 상기 리브에서 시작되어 상기 리브와 대향하는 리브로 향하는 자속을 발생시키는 다른 코일이 더 감기는 것을 특징으로 하는 로렌츠력을 이용한 전자기 베어링.
청구항 1에 있어서, 상기 코어는 상기 회전축으로 돌출된 2개의 리브를 갖는 ㄷ자 형태인 것을 특징으로 하는 로렌츠력을 이용한 전자기 베어링.