KR100608202B1 - Combined radial-axial magnetic bearing - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 각각 회전축과의 사이에 공극을 두고 반경방향으로 연장된 제1 다리와 제1 다리로부터 축방향으로 이격된 위치에 제1 다리와 나란하게 연장된 제2 다리와 이들을 연결하는 축방향 요크로 구성되어 있고, 서로 회전축을 중심으로 대칭되는 위치에 배치되는 한 쌍의 코어로 이루어진 제1 코어 쌍, 각각 회전축과의 사이에 공극을 두고 반경방향으로 연장된 제1 다리와 제1 다리로부터 축방향으로 이격된 위치에 제1 다리와 나란하게 연장된 제2 다리와 이들을 연결하는 축방향 요크로 구성되어 있고, 서로 회전축을 중심으로 대칭되는 위치에 배치되는 한 쌍의 코어로 이루어진 제2 코어 쌍, -상기 제1 코어 쌍 및 제2 코어 쌍의 코어는 원주방향으로 등각 배치됨-, 원주방향에서 인접한 두 개의 코어 사이에 자속이 형성될 수 있도록 코어를 원주방향으로 연결하는 원주방향 요크, 제1 다리 및 제2 다리에 걸쳐 권취된 제1 코일, 제1 다리 및 제2 다리에 각각 권취된 제2 코일, 그리고 회전축이 반경방향 및 축방향으로 변위될 때 회전축을 중앙으로 복귀시키기 위해 제1 및 제2 코일에 흐르는 전류의 크기 및 방향을 제어하는 제어수단을 포함하는 반경방향-축방향 복합 전자기 베어링을 개시한다.The present invention relates to a first leg extending radially with a gap between the rotary shaft and a second leg extending parallel to the first leg at a position axially spaced from the first leg and an axial direction connecting them. A first core pair consisting of a pair of cores composed of a yoke and disposed at positions symmetrical about the rotation axis, each of the first and first legs extending radially with a gap therebetween; A second core consisting of a pair of cores arranged in axially spaced positions, the second legs extending parallel to the first legs and the axial yokes connecting them and symmetrical about the axis of rotation; The cores of the first core pair and the second core pair are circumferentially arranged in a circumferential direction, so that the magnetic flux can be formed between two adjacent cores in the circumferential direction The circumferential yoke connecting incense, the first coil wound over the first leg and the second leg, the second coil wound respectively on the first leg and the second leg, and when the rotation axis is displaced radially and axially Disclosed is a radial-axial composite electromagnetic bearing comprising control means for controlling the magnitude and direction of current flowing through the first and second coils to return the axis of rotation to the center.
자기, 베어링, 능동형, 로렌츠, 감쇠, 소형, 횡단면, 종단면Magnetic, Bearing, Active, Lorentz, Damping, Small, Cross Section, Long Section
Description
도 1 및 도 2는 종래기술의 전자기 베어링의 횡단면도 및 종단면도.1 and 2 are cross-sectional and longitudinal cross-sectional views of a prior art electromagnetic bearing.
도 3 및 도 4는 본 발명의 전자기 베어링의 횡단면도 및 종단면도.3 and 4 are cross-sectional and longitudinal cross-sectional views of the electromagnetic bearing of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
40: 자기 베어링40: magnetic bearing
41: 회전축41: axis of rotation
42: 코어42: core
43a: 제1 코일43a: first coil
43b: 제2 코일43b: second coil
44: 횡단면 자속44: cross-sectional flux
45: 종단면 자속45: longitudinal magnetic flux
46, 47: 가상코일46, 47: virtual coil
본 발명은 자기 베어링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 베어링 유닛 에서 반경 방향 및 축방향으로의 회전축 변위를 동시에 제어할 수 있는 능동형 자기 베어링에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic bearing, and more particularly, to an active magnetic bearing capable of simultaneously controlling the rotational axis displacement in the radial and axial direction in one bearing unit.
도 1 및 도 2에는 반경방향 및 축방향의 회전축 변위를 모두 제어할 수 있는 종래기술의 자기 베어링의 횡단면도 및 종단면도가 도시되어 있다. 도시된 종래기술은 디이티시 2003년도 컨퍼런스의 회보(Proceedings of DETC‘03 ; 회보번호 VIB-48542)에 소개된 것이다.1 and 2 show cross-sectional and longitudinal cross-sectional views of prior art magnetic bearings capable of controlling both radial and axial rotational displacements. The prior art shown is introduced in the Proceedings of DETC '03; Bulletin No. VIB-48542.
도시된 자기 베어링(30)은 제1 유닛(31a), 제2 유닛(31b) 및 하우징(39)으로 구성된다. 제1 유닛(31a) 및 제2 유닛(31b)은 각각 원주 방향으로 서로 연결된 4개의 ㄷ자형 코어(32)를 포함한다. 코어(32)의 외주면에는 반경방향 제어 코일(34) 및 축방향 제어 코일(35)이 권취되어 있고, 코어의 반경방향 외측에는 영구자석(33)이 배치되어 있다.The illustrated
제1 유닛(31a)의 영구자석(33)은 모두 N극형이고, 제2 유닛의 영구자석(33)은 모두 S극형으로 되어 있으며, 이들은 ㄷ자형 코어(32)와, 자성체인 하우징(39) 및 회전축(31)을 거쳐 폐회로의 바이어스 자속(38)을 형성한다. 바이어스 자속(38)은 영구자석에 의해 형성됨으로써 정해진 크기 및 자속방향을 가지며, 회전축(31) 주위에 축에 대해 대칭되는 위치에 형성되어 회전축(31)에 대해 평형 상태의 인력을 작용한다.The
도 1을 참조하면, 반경방향 제어 코일(34)에 전류가 인가되면, 횡단면 자속(36)이 형성된다. 횡단면 자속(36)은 바이어스 자속(38)과 협력하여 회전축(31)을 반경방향으로 당기는 자기력을 작용시킨다. 예를 들어, 회전축(31)이 반경방향으 로 하강 변위되면, 도면에서 상측에 위치하는 ㄷ자형 코어(32)의 반경방향 제어 코일(34)에 일정한 크기만큼 증가된 전류를 인가하고, 그와 대향하는 하측의 반경방향 제어 코일(34)에는 동일한 크기만큼 감소된 전류를 인가함으로써, 회전축(31)을 상승시켜 원래의 위치로 복귀시킬 수 있다.Referring to FIG. 1, when a current is applied to the
도 2에 도시된 바와 같이, 각 코어(32)의 축방향 제어 코일(35)에 인가된 전류는 종단면 자속(37)을 형성한다. 종단면 자속(37)과 바이어스 자속(38)은 상호작용하여 회전축(31)을 축방향으로 이동시키는 힘을 작용시킨다.As shown in FIG. 2, the current applied to the
이와 같이 구성된 자기 베어링(30)은 그러나, 소형화된 베어링을 제공하는데 유리하고 영구자석을 사용하므로 소비전력이 작은 장점을 갖지만, 한 개의 베어링 유닛만을 독립적으로 이용할 수 없고 두 베어링 유닛의 제어력이 서로 관련되어 이루어지고, 바이어스 자속 경로를 형성하기 위해 하우징과 축이 자성체로 제작되어야 하므로 경량화에 한계를 갖는다는 단점을 가지고 있다.The
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 단일의 베어링 유닛에서 반경 방향 및 축 방향으로의 회전축 변위 제어를 동시에 수행할 수 있어서 보다 소형화가 가능한 능동형 자기 베어링을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide an active magnetic bearing which can be miniaturized by simultaneously performing rotation axis displacement control in a radial direction and an axial direction in a single bearing unit.
상술한 본 발명의 목적 및 또 다른 목적은, 각각 회전축과의 사이에 공극을 두고 반경방향으로 연장된 제1 다리와 상기 제1 다리로부터 축방향으로 이격된 위치에 상기 제1 다리와 나란하게 연장된 제2 다리와 이들을 연결하는 축방향 요크로 구성되어 있고, 서로 회전축을 중심으로 대칭되는 위치에 배치되는 한 쌍의 코어로 이루어진 제1 코어 쌍, 각각 회전축과의 사이에 공극을 두고 반경방향으로 연장된 제1 다리와 상기 제1 다리로부터 축방향으로 이격된 위치에 상기 제1 다리와 나란하게 연장된 제2 다리와 이들을 연결하는 축방향 요크로 구성되어 있고, 서로 회전축을 중심으로 대칭되는 위치에 배치되는 한 쌍의 코어로 이루어진 제2 코어 쌍, -상기 제1 코어 쌍 및 상기 제2 코어 쌍의 코어는 원주방향으로 등각 배치됨-, 원주방향에서 인접한 두 개의 코어 사이에 자속이 형성될 수 있도록 코어를 원주방향으로 연결하는 원주방향 요크, 상기 제1 다리 및 상기 제2 다리에 걸쳐 권취된 제1 코일, 상기 제1 다리 및 상기 제2 다리 각각에 권취된 제2 코일, 그리고 상기 회전축이 반경방향 및 축방향으로 변위될 때 상기 회전축을 중앙으로 복귀시키기 위해 상기 제1 코일 및 제2 코일에 흐르는 전류의 크기 및 방향을 제어하는 제어수단을 포함하는 복합 전자기 베어링을 제공하여 달성할 수 있다.The above object and another object of the present invention are to extend in parallel with the first leg at a position axially spaced from the first leg and a first leg extending radially with a gap between the rotational axis, respectively. A first core pair consisting of a pair of cores disposed at positions symmetrical about a rotation axis with each other, each having a gap therebetween in the radial direction with a gap therebetween. A first leg that is extended and a second leg that extends in parallel with the first leg at a position axially spaced from the first leg, and an axial yoke connecting them, the positions being symmetric about a rotation axis with each other A second core pair consisting of a pair of cores disposed in the core, wherein the cores of the first core pair and the second core pair are disposed angularly in the circumferential direction, two adjacent in the circumferential direction A circumferential yoke for circumferentially connecting the core so that magnetic flux can be formed between the cores of the core, a first coil wound over the first leg and the second leg, and wound around each of the first leg and the second leg. And a control means for controlling the magnitude and direction of current flowing through the first coil and the second coil to return the rotation shaft to the center when the rotation shaft is displaced radially and axially. This can be achieved by providing an electromagnetic bearing.
로렌츠력(Lorentz force)은 자기장 내에 위치한 코일에 전류가 인가될 때, 전류에 의한 자속과 자기장과의 상호 관계에 의해 코일에 작용하게 되는 힘이다. 이 힘은 자기장의 세기(자속 밀도)와 코일에 흐르는 전류의 세기, 코일의 길이 등의 벡터곱으로 표현되며, 그 작용 방향은 플레밍의 왼손 법칙을 따른다. 본 발명에서 제안하는 자기 베어링에서, 축 방향 제어는 기본적으로 이러한 로렌츠 힘을 이용하며, 반경 방향 제어는 기존의 자기 베어링과 동일한 맥스웰(Maxwell) 힘을 이용한다.The Lorentz force is a force acting on the coil by the correlation between the magnetic flux caused by the current and the magnetic field when a current is applied to the coil located in the magnetic field. This force is expressed as a vector product of the strength of the magnetic field (magnetic flux density), the current flowing through the coil, the length of the coil, etc., and its direction of operation follows Fleming's left hand law. In the magnetic bearing proposed in the present invention, the axial control basically uses this Lorentz force, and the radial control uses the same Maxwell force as the conventional magnetic bearing.
본 발명의 설명에 있어, “축방향”은 회전축의 길이방향을 의미하고 “반경 방향”은 상기 축방향을 법선으로 하는 평면에서 상기 회전축의 중심에 가까워지거나 멀어지는 방향, “원주방향”은 상기 축방향을 법선으로 하는 평면에서 상기 반경방향에 수직인 방향을 각각 의미한다. 또한 “횡단면”은 상기 축방향을 법선으로 하는 평면을 절단면으로 하여 취한 단면을 의미하고, “종단면”은 상기 축방향과 나란한 평면을 절단면으로 하여 취한 단면이다.In the description of the present invention, "axial direction" means the longitudinal direction of the axis of rotation and "radial direction" is a direction near or away from the center of the axis of rotation in a plane with the axial direction normal, "circumferential direction" is the axis It means the direction perpendicular | vertical to the said radial direction in the plane which makes a direction normal. In addition, "cross section" means the cross section which took the plane which made the said axial direction normal as a cut surface, and "longitudinal cross section" is the cross section which made the plane parallel to the said axial direction a cut surface.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments of the present invention and its operation will be described in detail.
도 3 및 도 4에는 본 발명의 반경 방향 및 축방향으로의 변위 제어가 가능한 복합 전자기 베어링의 횡단면도 및 종단면도가 각각 도시되어 있다.3 and 4 show cross-sectional and longitudinal cross-sectional views, respectively, of a composite electromagnetic bearing capable of controlling displacement in the radial and axial directions of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 전자기 베어링(40)은 총 4개의 “ㄷ”자형 코어(42, 43, 44, 45)를 포함한다. 코어의 수는 8개, 10개 등 다양한 변형이 가능하다.Referring to FIG. 3, the electromagnetic bearing 40 of the present invention includes a total of four “C” shaped
도 4에 도시된 바와 같이, ㄷ자형 코어(42)는 각각 회전축(41)과의 사이에 공극(41a)을 두고 회전축 반경방향으로 연장된 제1 다리(42a)와, 제1 다리(42a)로부터 축방향으로 이격된 위치에 제1 다리(42a)와 나란하게 연장된 제2 다리(42c)와 이들을 연결하는 요크(42b)로 구성되어 있다. 요크(42b)는 또한 원주방향에서 인접한 코어(43, 44, 45) 사이를 연결하도록 구성되어 코어와 코어 사이에 자속이 형성될 수 있도록 구성되어 있다. 이들은 모두 자성체로 형성되어 자로를 형성할 수 있다.As shown in FIG. 4, the U-shaped
하나의 코어(42)는 회전축을 중심으로 대칭되는 위치에 배치되는 대응 코어와 쌍 혹은 짝을 이루어 동작한다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이 4개의 코어(42, 43, 44, 45)가 원주방향에 등각으로 배치된 경우, 회전축을 중심으로 대칭되는 위치에 배치된 코어(42)와 코어(44)가 쌍을 이룰 수 있고(이하, 코어(42)와 코어(44)의 쌍을 “제1 코어 쌍(42, 44)”이라 한다), 회전축을 중심으로 대칭되는 위치에 배치된 코어(43)와 코어(45)가 쌍을 이룰 수 있다(이하, 코어(43)와 코어(45)의 쌍을 “제2 코어 쌍(43, 45)”이라 한다). 하나의 코어(42)에 대해 회전축을 중심으로 대칭관계인 다른 하나의 코어(44)를 배치하는 것은 회전축이 베어링의 중심으로부터 반경방향으로 변위할 때 이를 제어하기가 용이하다는 장점을 제공한다. 자기 베어링이 다수의 코어 쌍을 포함하는 경우 각 코어는 원주방향에서 등각으로 배치되는 것이 바람직하며, 본 발명에 따르면 다양한 수의 코어 쌍이 가능하다.One
본 발명의 바람직한 실시예에서, 각 코어(42)는 복층 구조로 감긴 코일 쌍을 포함하고 있다.In a preferred embodiment of the invention, each
반경방향에서 보다 외측에 배치된 제1 코일(46a)은 도 3에 도시된 바와 같은 4개의 횡단면 자속(47)을 형성한다. 횡단면 자속(47)은 하나의 코어에서 반경방향 내측으로 나와서 인접한 코어에서 반경방향 외측으로 나가고 자성체 요크(42b)를 거쳐 다시 하나의 코어를 통해 반경방향 내측으로 향하도록 형성된다. 이 때, 하나의 코어 쌍에서는 반경방향 내측 혹은 외측으로 반경방향에서 동일한 방향의 자속이 형성되며 원주방향에서 이웃하는 코어 쌍은 그 반대의 극성이 형성되도록 전류가 인가된다.The
도 4에 도시된 바와 같이, 제1 코일(46a)은 코어의 제1 다리(42a) 및 제2 다리(42c)에 걸쳐서 하나의 원형 혹은 대략 사각형의 폐곡선을 형성하도록 권취된다. 따라서, 제1 다리(42a) 및 제2 다리(42c)에 반경방향으로 동일한 방향의 자속이 형성된다.As shown in FIG. 4, the
반경방향에서 보다 내측에 배치된 제2 코일(46b)은 도 4에 도시된 바와 같은 종단면 자속(48)을 형성한다. 종단면 자속(48)은 하나의 다리에서 반경방향 내측을 향하고 다른 하나의 다리를 통해 반경방향 외측을 향하는 방향으로 형성된다. 종단면 자속(48)을 형성하기 위해 코어(42)의 제1 및 제2 다리(42a, 42c)에는 제2 코일(46b)이 각각 감긴다. 종단면 자속을 형성하기 위해서 제1 및 제2 다리(42a, 42c)의 각 제2 코일(46b)에는 반대 방향의 전류가 인가되어 자속이 폐회로를 형성될 수 있도록 한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 제1 다리(42a)→공극(41a)→회전축(41)→공극(41a)→제2 다리(42c)→요크(42b)→제1 다리(42a)에 연결되는 종단면 자속(48)이 형성된다.The
이와 같이 2개의 제2 코일(46b)에 의해 형성된 종단면 자속(48)에 대해서는 도 4에 도시된 바와 같은 가상의 등가코일(49a, 49b)이 존재하는 것으로 간주할 수 있다. 등가코일(49a 혹은 49b)에는 종단면 자속(48)을 형성하는 전류가 흐르고 있다고 가정할 수 있다. As such, it can be regarded that the virtual
한편, 도면에서 등가코일(49a)은 지면으로부터 나오는 방향을, 등가코일(49b)은 지면으로 들어가는 전류방향을 의미한다.Meanwhile, in the drawing, the
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 복합 전자기 베어링은 회전축(41)을 반경방향 및 축방향의 중앙에 위치시키기 위해 각 구성요소를 제어하는 제어기(도시되지 않음)를 포함한다. 제어기의 동작 방법에 따른 본 발명의 제1 및 제2 실시예를 설명하면 다음과 같다.The composite electromagnetic bearing of the present invention having such a configuration includes a controller (not shown) that controls each component for positioning the
제1 실시예First embodiment
제1 실시예로서, 제어기는 횡단면 자속(47)을 바이어스 자속으로 하면서 여기에 제어전류를 가감하여 반경방향 회전축 변위 제어를 수행하고, 종단면 자속(49)을 형성하여 회전축(41)의 축방향 제어를 수행한다.As the first embodiment, the controller performs the radial rotation axis displacement control by adding and subtracting a control current thereto while making the cross-sectional magnetic flux 47 a bias magnetic flux, and forming a longitudinal magnetic flux 49 to control the axial direction of the
본 실시예에서, 횡단면 자속(47)을 바이어스 자속으로 하기 위해 4개의 제1 코일(46a)에 바이어스 자속 형성용 전류(이하 “바이어스 전류”라 함)를 전류증폭기(도시되지 않음)를 거쳐 인가한다. 바이어스 자속은 회전축(41)이 베어링 중앙에 유지될 수 있는 기본적인 힘을 제공한다. 이때, 하나의 코어(42)의 모든 다리(42a, 42c)에는 동일한 반경방향의 자속이 형성되며, 이 코어(42)와 원주방향으로 인접하는 코어(43, 45) 쌍의 모든 다리(43a, 43c, 45a, 45c)에는 폐회로 자속(47)을 형성하기 위하여 그와 반대의 반경방향 자속을 발생시키도록 한다.In this embodiment, the bias magnetic flux forming current (hereinafter referred to as “bias current”) is applied to the four
회전 중 이거나 혹은 정지상태의 회전축이 반경방향으로, 예들 들어 도 3에서 수직방향으로 변위되면, 제어기는 수직방향의 제1 코어 쌍(42, 44)에 대해 제1 코일(46a)의 전류를 가감시켜 회전축(41)을 다시 중앙으로 복귀시킨다. 즉, 회전축(41) 변위 시 공극(41a)이 좁아지는 코어의 제1 코일에는 바이어스 전류에서 ΔI 크기의 제어전류만큼 감소시킨 전류를 인가하고, 이 코어의 대칭 코어에는 ΔI 만큼 증가된 전류를 인가하여 회전축(41)을 중앙으로 복귀시킨다.If the axis of rotation during rotation or stationary is displaced in the radial direction, for example in the vertical direction in FIG. 3, the controller applies current from the
또한, 회전축(41)이 도 3에서 좌우의 반경방향으로 편심되면, 좌우 방향의 제2 코어 쌍(43, 45)의 제1 코일에 제어전류만큼 변화된 전류를 인가하여 변위된 회전축(41)을 중앙으로 복귀시킨다. 회전축의 변위량에 따라 적용되는 ΔI의 값을 변화시켜 보다 빠른 시간 내에 회전축(41)을 복귀시키는 것이 가능하다. 예를 들면, 변위량에 따라 이에 비례하는 크기의 제어전류를 가할 수도 있다.In addition, when the
축방향으로 변위된 회전축(41)을 초기 중앙 위치로 복귀시키기 위해서 제어기는 제2 코일(46b)에 제어전류를 인가하여 종단면 자속(48)을 발생시킨다. 종단면 자속(45)이 형성되면, 가상의 종단면 자속(45)의 등가코일(49a, 49b)에 전류가 흐르는 것으로 이해할 수 있다. 횡단면 자속(44)이 형성된 상태에서 이와 같이 전류가 흐르는 등가코일(46)이 있게 되면, 가상코일(46)은 로렌츠의 힘의 원리에 의해 힘을 받게 된다.In order to return the
예를 들면, 도 4에서, 바이어스 자속인 횡단면 자속(47)이 제1 다리 및 제2 다리(42a, 42c)에서 동일하게 반경방향으로 내측을 향하는 상태에서 전류가 흐르는 가상의 등가코일(49a)이 형성되면, 로렌츠의 힘의 원리에 의해 등가코일(49a)은 도 4에서 오른쪽 축방향으로 힘을 받게 된다. 그러나, 자기 베어링에서 실제 코일은 고정자에 장착되어 있으므로, 등가코일(49a)에 작용되는 로렌츠 힘에 의한 반작용으로 화살표로 도시된 바와 같이 왼쪽 축방향으로 회전축(41)이 이동하게 된다. 회전축(41)에 작용되는 힘과 방향을 조절하기 위하여 제 2코일에 인가되는 전류의 크기와 방향을 조절하여 플레밍의 왼손 법칙에 의한 로렌츠 힘을 발생시킨다.For example, in Fig. 4, the imaginary
여기서, 반경 방향 제어 자속의 유무에 무관하게 등가 코일들에 흐르는 전류의 합은 일정하므로 축 방향 제어가 횡단면 자속에 의해 독립적으로 이루어질 수 있음을 알 수 있다.Here, since the sum of the currents flowing through the equivalent coils with or without the radial control magnetic flux is constant, it can be seen that the axial control can be made independently by the cross-sectional magnetic flux.
제2 실시예Second embodiment
본 발명의 제2 실시예에 따른 제어기의 동작을 설명하면 다음과 같다.The operation of the controller according to the second embodiment of the present invention will be described below.
제2 실시예에서는 종단면 자속(48)이 회전축(41)을 부양시키기 위한 기본적인 바이어스 자속을 형성하면서 제어전류만큼 가감된 전류를 인가하여 반경 방향 변위 제어를 수행하며, 바이어스 자속의 영향하에 횡단면 자속(47)을 발생시켜 회전축(41)의 축방향 변위를 제어한다.In the second embodiment, the longitudinal
제2 코일(46b)에 바이어스 자속 형성을 위한 전류를 인가하여 종단면 자속(48)을 형성한다. 이에 따라, 축을 부양할 수 있는 기본적인 힘이 발생한다. 이때, 하나의 코어(42)를 기본으로 제 1다리(42a) 및 제 2다리(42b)에 권취된 제 2코일(46b)에는 코어(42)의 제 1다리(42a)→ 공극(41a)→ 축(41)→ 공극(41a)→ 코어의 제 2다리(42b)→ 요크(42)→ 코어의 제 1다리(42a)를 거치는 폐회로 반경 방향 자속이 형성되도록 전류가 인가된다.A current for forming the bias magnetic flux is applied to the
회전 중 이거나 혹은 정지상태의 회전축이 반경방향으로, 예들 들어 도 3에서 수직방향으로 변위되면, 제어기는 수직방향의 제1 코어 쌍(42, 44)에 대해 바이어스 전류에 제어전류만큼 가감시킨 전류를 제 2코일(46b)에 인가하여 회전축(41)을 다시 중앙으로 복귀시킨다. 즉, 회전축(41) 변위 시 공극(41a)이 좁아지는 코어의 제 2코일(46b)에는 바이어스 전류에서 ΔI 만큼 감소된 전류를 인가하고, 이 코어의 대칭 코어에는 ΔI 만큼 증가된 전류를 해당 제2 코일(46b)에 인가하여 회전축(41)을 중앙으로 복귀시킨다. 또한, 회전축(41)이 좌우의 반경방향으로 편심되면, 좌우 방향의 제2 코어 쌍(43, 45)의 제 2코일(46b)에 바이어스 전류로부터 제어전류만큼 변화시킨 전류를 인가하여 변위된 회전축(41)을 중앙으로 복귀시킨다. 회전축의 변위량에 따라 적용되는 ΔI의 값을 변화시켜 보다 빠른 시간 내에 회전축(41)을 복귀시키는 것이 가능하다. 예를 들면, 변위량에 따라 이에 비례하는 크기의 제어전류를 가할 수도 있다.When the axis of rotation in rotation or stationary is displaced in the radial direction, for example in the vertical direction in FIG. 3, the controller applies a current equal to or less than the control current to the bias current for the first pair of
회전축(41)의 축 방향 제어를 위해 제 1 코일(46a)에 제어 전류를 인가하여 횡단면 자속(47)을 발생시킨다. 축 방향 제어 예로써 도 4에서 상부 코어(42)의 두 다리(42a, 42c)에서 발생된 횡단면 자속(47)은 동일한 방향을 가지며, 바이어스 자속인 종단면 자속(48)에 의해 형성되는 전류가 흐르는 가상의 등가코일(49a)과 횡단면 자속(47) 사이의 로렌츠 원리에 의해 가상 등가코일(49a)은 힘을 받게 된다. 이는 일정 횡단면 자속(47)내에 등가 코일(49a)이 존재하는 것이므로 코일에 로렌츠 힘이 작용되어야 하나, 코일이 고정자에 부착되어 있으므로 그 반작용으로 화살표에 표시된 바와 같이 회전축(41)이 왼쪽 축 방향으로 이동하게 된다. 회전축에 작용되는 힘의 세기와 방향을 조절하기 위하여 제1 코일(46a)에 인가되는 전류의 크기와 세기를 조절한다. In order to control the axial direction of the
또한, 회전축의 변위량에 따라 적용되는 제어전류의 크기를 변화시켜 보다 빠른 시간 내에 축을 축방향의 초기 위치로 복귀시키는 것이 가능하다.In addition, it is possible to change the magnitude of the control current applied according to the displacement amount of the rotating shaft to return the shaft to the initial position in the axial direction within a shorter time.
상술한 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따르면, 반경방향 2자유도 및 축방향 1자유도 총 3자유도 회전축 제어를 가능하게 하기 위해서 최소 횡단면 자속용 4개의 코일과 종단면 자속용 1개의 코일 구동을 위한 5개의 전력 증폭기가 필요하다.According to the first and second embodiments of the present invention described above, four coils for the minimum cross-sectional magnetic flux and one for the longitudinal cross-sectional magnetic flux are used to enable the control of the rotational axis in a total of two degrees of freedom in radial two degrees of freedom and one degree of freedom in the axial direction. Five power amplifiers are needed to drive the coil.
본 발명에 의한 복합 전자기 베어링의 변형 실시예로서, 각 코어의 다리(42a, 42c)는 하나의 코일만을 갖도록 구성될 수 있다. 이 경우 코일은 4개의 ㄷ자형 코어의 총 8개의 다리에 독립적으로 권취되며, 제어기에서 미리 반경 방향 및 축 방향 제어에 필요한 전류들을 계산하여 인가하게 된다. 이 경우 코일들 사이의 상호 인덕턴스(mutual inductance)가 없어져 효율이 증가하는 장점이 있으나 D/A 전환기와 전력증폭기는 8채널이 필요하다.As a variant of the composite electromagnetic bearing according to the present invention, the
한편, 위에서 설명한 바와 같은 동일한 원리를 적용하여, 예를 들면 8개의 코어를 채용하고, 이 들을 원주방향에서 등각으로 배치하여 복합 전자기 베어링을 형성할 수 있다. 상술한 바와 같이 하나의 코어는 회전축을 중심으로 대칭되는 위치에 배치된 대응 코어와 쌍을 이루어 동작하므로, 첫 번째 코어는 회전축을 중심으로 대칭되는 위치에 배치된 다섯 번째 코어와 쌍을 이루어 제1 코어 쌍이 될 수 있고, 두 번째 코어와 여섯 번째 코어가 제2 코어 쌍으로, 세 번째 코어와 일곱 번째 코어가 제3 코어 쌍으로, 네 번째 코어와 여덟 번째 코어가 제4 코어 쌍으로 될 수 있다. 이 경우, 홀수번째 코어 쌍이 서로 동일한 방향의 반경방향 자속을 갖고, 짝수번째 코어 쌍이 이와 반대방향의 반경방향 자속을 갖도록 횡단면 자속을 형성하고, 각 코어의 제1 다리 및 제2 다리가 서로 반대방향의 반경방향 자속을 갖도록 종단면 자속을 형성하여 복합 전자기 베어링을 구성할 수도 있다.On the other hand, by applying the same principle as described above, for example, eight cores may be employed, and they may be disposed at right angles in the circumferential direction to form a composite electromagnetic bearing. As described above, since one core operates in pairs with a corresponding core disposed at a position symmetric about the rotation axis, the first core is paired with a fifth core disposed at a position symmetric about the rotation axis. It can be a core pair, the second and sixth cores can be the second core pair, the third and seventh cores can be the third core pair, and the fourth and eighth cores can be the fourth core pair. . In this case, the odd-numbered core pairs have a cross-sectional flux such that the even-numbered core pairs have radial magnetic fluxes in the same direction, and the even-numbered core pairs have opposite radial magnetic fluxes, and the first and second legs of each core are opposite to each other. It is also possible to form a composite electromagnetic bearing by forming a longitudinal section magnetic flux to have a radial magnetic flux of.
본 발명에 따르면, 간단한 구조를 가지면서도 반경 방향과 축 방향 제어가 가능한 복합 전자기 베어링을 구현할 수 있다.According to the present invention, it is possible to implement a composite electromagnetic bearing having a simple structure and capable of radial and axial control.
본 발명의 복합 전자기 베어링은 제작이 하나의 베어링 유닛만으로 상술한 제어가 가능하기 때문에 전체적인 크기를 소형화할 수 있으므로 소형 시스템용 자기 베어링의 구현을 가능하게 한다.Since the composite electromagnetic bearing of the present invention can be manufactured as described above with only one bearing unit, the overall size can be reduced, thereby enabling the implementation of a magnetic bearing for a compact system.
본 발명의 복합 전자기 베어링은 공간이 협소하면서도 반경방향 제어 및 축 방향 제어가 필요한 고정밀 위치 제어 장치 및 고속 회전 장치에 응용 가능하며, 예를 들면 인공 심장 펌프, 터보 쿨러, 하드 디스크 및 고정밀 영상 장치등에 적용 가능하다.The composite electromagnetic bearing of the present invention can be applied to a high precision position control device and a high speed rotation device requiring a small space and radial control and an axial control, for example, to an artificial heart pump, a turbo cooler, a hard disk, and a high precision imaging device. Applicable
본 기술은, 소형 경량화, 단순화, 정밀화, 최적화, 고신뢰도 등으로 대표되는 기술의 발전 추이에 부합하여 다양한 목적으로 활용될 수 있다.The present technology can be utilized for various purposes in accordance with the development trend of the technology represented by small size, light weight, simplification, precision, optimization, high reliability and the like.
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