KR100868896B1 - 포일베어링과 이를 이용한 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전축과 고정자 사이에 설치된 베어링에 냉각수를 공급하여 회전축의 회전시 발생되는 열을 냉각시킴으로서 강성을 높인 포일베어링을 구비한 모터에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 포일베어링은 회전축을 회전 가능하게 지지하는 포일베어링에 있어서, 상기 회전축의 중간에 설치되고 회전축을 감싸고 있는 윤활면을 관통하여 다수의 급수홀이 형성된 베어링과 ; 상기 베어링의 외부에 설치되어 베어링과 결합되어 냉각수가 저장되는 급수공간을 구성하는 급수링을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 모터는 회전축이 연결된 회전자와, 상기 회전자의 외부에 설치되고 코일이 감겨진 고정자를 포함하여 구성된 모터에 있어서, 상기 회전자로부터 연장된 회전축을 회전 가능하게 지지하는 포일베어링을 설치하여 구성되데, 상기 포일베어링은 상기 회전축의 중간에 설치되고 회전축을 감싸고 있는 윤활면을 관통하여 다수의 급수홀이 형성된 베어링과 ; 상기 베어링의 외부에 설치되어 베어링과 결합되어 냉각수가 저장되는 급수공간을 구성하는 급수링을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

포일, 베어링, 모터, 회전축, 회전자, 고정자

Description

포일베어링과 이를 이용한 모터{foil bearing and motor thereby}

본 발명은 포일베어링에 관한 것으로서, 상세하게는 회전축이 끼워져 회전하는 공간에 냉각수나 냉매 등의 액체를 공급하여 회전축의 회전시 발생되는 열을 냉각시킴으로서 강성을 높인 포일베어링과 이를 이용하여 구성된 모터에 관한 것이다.

일반적으로 베어링은 회전 운동하는 축 및 왕복 운동하는 축을 지지하여 운동이 원활하게 유지되게 하는 수단이다.

이러한 베어링은 기계 장치의 고속화에 발맞추어 고송의 회전축을 지지할 수 있는 베어링의 개발이 이루어지고 있으며, 이러한 베어링의 하나로 에어 포일베어링(air foil bearing)(이하, '포일베어링'이라 약칭한다.)이 개발되어 사용되고 있다.

이러한 포일베어링이 사용되는 일예로 전동기 또는 발전기 역할을 수행하는 모터가 있으며, 이 모터는 하우징과 이 하우징에 고정 설치되는 고정자, 이 고정자 에 대해 회전 가능하게 설치된는 회전자를 포함한다.

이러한 종래의 모터를 구성하는 고정자는 하우징의 내부에 고정되어 있고 이렇게 고정된 고정자에 대하여 회전 가능하게 설치된 회전자의 원활한 회전을 위해 하우징과 회전자 사이에는 베어링이 설치되어 있으나, 회전자의 회전시 마찰에 의한 열과 코일에서 발생된 열에 의해 회전축이 가열되어 강성이 약해질 뿐만 아니라, 마찰력이 높아져 충분한 회전속도를 얻을 수 없는 문제가 있었다.

즉, 통상적인 회전기계에 있어서, 회전축이 고속으로 회전하게 되면 회전축과 베어링 사이에서 마찰열이 발생하게 되고 이 마찰열은 회전축을 팽창시키게 된다.

회전축이 열에 의해 팽창되면 베어링과 회전축 사이의 마찰은 더욱 심해져 심하게는 열팽창된 회전축이 베어링의 마찰면과 맞닿아 회전축이 회전하지 못하고 베어링에 열융착되는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로 베어링과 회전축 사이의 마찰에 의한 열에 의해 회전축이 열팽창되는 것을 방지하여 회전자의 강성이 약해지는 것을 방지할 수 있는 포일베어링 및 이를 구비한 모터을 제공함을 목적으로 한다.

즉, 베어링과 회전자 사이의 접촉면에 냉각용 액체를 공급하여 회전축이나 베어링을 냉각시킴으로서 회전축이나 베어링이 열팽창되는 것을 방지함으로서 강성이 약해지는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 공급된 냉각용 액체가 마찰열에 의해 가열되었을 때에는 2상 기체로 변하게 되어 더욱 마찰력을 감소시킬 수 있게 한 포일베어링 및 이를 이용한 모터를 제공함을 목적으로 한다.

위와 같은 본 발명의 목적을 이루기 위한 포일베어링은 회전축을 회전 가능하게 지지하는 포일베어링에 있어서, 상기 회전축의 중간에 설치되고 회전축을 감싸고 있는 윤활면을 관통하여 다수의 급수홀이 형성된 베어링과 ; 상기 베어링의 외부에 설치되어 베어링과 결합되어 냉각수가 저장되는 급수공간을 구성하는 급수링을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 모터는 회전축이 연결된 회전자와, 상기 회전자의 외부에 설치되고 코일이 감겨진 고정자를 포함하여 구성된 모터에 있어서, 상기 회전자로부터 연장된 회전축을 회전 가능하게 지지하는 포일베어링을 설치하여 구성되데,

상기 포일베어링은 상기 회전축의 중간에 설치되고 회전축을 감싸고 있는 윤활면을 관통하여 다수의 급수홀이 형성된 베어링과 ; 상기 베어링의 외부에 설치되어 베어링과 결합되어 냉각수가 저장되는 급수공간을 구성하는 급수링을 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 고정자와 회전자 또는 하우징과 회전축 사이의 접촉면에 물이나 기름 등의 액체를 공급하여 접촉면의 마찰을 줄일 수 있어 보다 안전적이고 고속으로 회전할 수 있는 회전자를 갖는 모터를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 고정자와 회전자 또는 하우징과 회전축 사이의 접촉면에 공급되는 액체가 냉각수의 역할을 하여 회전자나 고정자 또는 회전축을 냉각시킴으로서 이들의 강성이 열에 의해 약화되는 것을 방지할 수 있는 효과도 있다.

이하, 본 발명에 따른 포일베어링을 구비한 모터의 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 포일베어링을 구비한 회전축의 일예를 도시한 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시한 포일베어링의 부분단면 사시도이고, 도 3은 본 발명의 포일베어링을 구비한 회전축의 다른 일예를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시한 포일베어링의 부분단면 사시도이고, 도 5는 본 발명의 포일베어링을 구비한 회전축의 또 다른 일예를 도시한 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시한 포일베어링의 부분단면 사시도이고, 도 7은 본 발명의 포일베어링에 구비된 단부캡에 형성된 나선홈이 형성된 부분의 확대도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 포일베어링은 회전축(10)과 베어링(1)을 냉각시키기 위한 냉각수를 공급하기 위한 수단을 구비하고 있다.

즉, 본 발명은 회전축(10)과 베어링(1)을 냉각시키기 위한 냉각수를 공급하 기 위한 수단으로 베어링(1)의 바깥쪽에 급수링(2)을 구비하고 있다.

이러한 본 발명의 포일베어링은 상기 회전축(10)의 중간에 설치되고 회전축(10)을 감싸고 있는 윤활면을 관통하여 다수의 급수홀(11)이 형성된 베어링(1)과 ; 상기 베어링(1)의 외부에 설치되어 베어링(1)과 결합되어 냉각수가 저장되는 급수공간(21)을 구성하는 급수링(2)을 포함하여 구성된다.

상기 베어링(1)은 도시한 바와 같이 회전축(10)의 외주면을 감싸도록 축공이 형성되어 있으며, 이 축공이 형성된 부분의 내부 윤활면으로부터 외주면까지 연장되게 상기 급수홀(11)이 형성되어 있다.

상기 급수홀(11)은 베어링(1)의 외주로부터 베어링의 내부 즉, 회전축(10)과의 접촉면에 냉각수를 공급하기 위한 구멍으로서 이 급수홀(11)을 덮을 수 있도록 상기한 급수링(2)이 설치되어 있다.

상기 급수링(2)은 베어링(1)의 바깥쪽에 볼트 등의 고정수단에 의해 고정될 수 있으며, 이러한 포일베어링의 용도 등에 따라 그 구조는 달라질 수 있다.

상기 베어링(1)은 저어널(journal)은 물론 스러스트(thrust) 기능을 갖는 다.

즉, 회전축(10)의 길이 방향으로의 움직임도 잡아주어 회전축이 충의 길이 방향에 대하여도 안정적으로 지지될 수 있게 하였으며, 이렇게 구성하기 위하여, 상기 회전축(10)에는 회전축의 외주면과 수직을 이루도록 스러스트판(3)이 더 설치되고, 상기 베어링(1)은 회전축(10)의 외주면에 대향되는 원형 홀 형상의 저어널면(1a)과, 상기 저어널면(1a)과 수직을 이루도록 형성되어 상기 스러스트판(3)과 대향되는 스러스트면(1b)을 갖는 스러스트날개(13)가 더 형성되어 있다.

이렇게 스러스트날개(13)을 더 형성하여 회전축(10)에 설치된 스러스트판(3)과 대향되게 구성할 경우 스러스트면(1a)으로도 냉각수가 공급될 수 있어야 함으로 상기 급수홀(11)은 스러스트날개(13)에도 하나 이상 형성된다.

이와 같이 구성된 포일베어링은 상기한 바와 같이 급수링(2)의 일측에 형성된 유입구(2a)를 통해 급수공간(21)의 내부로 공급된 냉각수가 급수홀(11)을 통해 저어널면(1a)과 스러스트면(1b)으로 공급되어 회전축(10), 스러스트판(3), 베어링(2)을 냉각시킨 후 외부로 배툴될 수 있으며, 이렇게 배출되는 냉각수가 회전축(10)의 회전에 의한 원심력에 의해 분사되는 것을 방지하기 위해 상기 스러스트판(3)의 일측에는 단부캡(4)이 더 설치될 수 있다.

상기 단부캡(4)은 상기 회전축(10)이 관통하는 축공이 형성되고, 상기 베어링(1)의 스러스트날개(13)의 가장자리에 결합되어 내부에 공급된 냉각수가 외부로 배출되는 것을 방지하는 역할을 한다.

물론, 냉각수가 너무 많이 고였을 때 이를 배출하기 위한 배출구(4a)가 일측벽에 형성되어 있어 냉각수가 많이 채워질 경우 이를 배출시킬 수 있게 하였다.

상기와 같이 구성된 포일베어링은 공급된 냉각수가 회전축(10), 스러스트판(3) 및 베어링(2)을 냉각시킬 뿐만 아니라, 이 냉각수가 열에 의해 가열되면 기체와 액체가 공존하는 2상 기체 상태가 되어 회전축(10)과 베어링(2) 사이에 동압이 발생하게 되어 회전이 원활하게 이루어지게 하는 역할도 할 수 있으며, 이때 2상기체가 외부로 배출되지 않게 하기 위하여 상기 단부캡(4)의 중앙에 형성된 축공 의 내면에는 나선홈(41)이 형성하였다.

즉, 상기 나선홈(41)은 축공을 따라 나선으로 형성된 홈으로서 회전축(10)이 회전할 때 발생되는 흡인력에 의해 공기가 흡입될 때 공기가 흡입되는 방향이 베어링(1)측을 향하도록 나선이 형성되어 있으므로 상기 급수링(2)을 통해 공급된 냉각수가 기화되었을 때 이들이 외부로 배출되지 않고 접촉면 사이에 남아서 회전축과 베어링 접촉면의 마찰을 감소시키는 역할을 하게 한다.

상기 나선홈(41)은 이중 이상의 나선 구조를 갖는다. 즉, 상기 나선홈(41)은 총기의 총구의 내부에 형성된 홈과 같이 2조 이상의 나선이 형성될 수 있다.

상기와 같이 구성된 포일베어링은 베어링(1)에 형성된 급수홀(11)을 통하여 저어널면(1a)과 스러스트면(1b)에 급수가 이루어지므로 회전축의 회전시 발생되는 열을 식혀주므로 강성이 낮아지는 것을 방지할 수 있고, 급수된 냉각수가 기회된 2상기체가 접촉면 사이의 마찰을 감소시켜 회전축이 원활하게 회전할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 포일베어링의 급수링(2) 내부의 급수공간(21)에 저장되는 냉각수는 통상의 물이나 냉매 또는 각각을 겸한 오일 등이 저장될 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 포일베어링은 다양한 회전 기계에 사용될 수 있으나 본 발명에서는 모터를 그 일예로 설명한다.

도 8은 본 발명의 포일베어링을 구비한 모터의 일예를 도시한 사시도이고, 도 9는 도 8의 A-A에서 도시한 단면도이고, 도 10은 본 발명의 포일베어링을 구비 한 모터에 설치된 방수수단의 일예를 도시한 부분단면 사시도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 포일베어링을 구비한 모터는 하우징(300)의 양단에 회전자(100)로부터 연장된 회전축(10)을 회전 가능하게 지지하는 포일베어링을 각각 설치하여 구성된다.

이러한 본 발명의 포일베어링은 앞에서 설명한 바와 같이 구성되어 있고 이에 대하여는 상세하게 설명하였으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

다만, 본 발명의 포일베어링을 모터에 채용함에 따라 달라지는 구성에 대하여만 상세하게 설명한다.

본 발명의 포일베어링은 상기한 바와 같이 냉각수가 회전축과 베어링의 접촉면에 공급되도록 구성되어 있으며, 이렇게 구성된 포일베어링의 급수링(2)의 내부에 저장되고, 베어링(1)에 형성된 급수홀(11)을 통해 공급되는 냉각수는 스러스트면(1b)와 저어널면(1a)으로 공급되어 회전자(100)가 고정된 회전축(10)과 베어링(1) 사이에 도포됨은 물론, 회전자(100)와 고정자(200)의 사이까지 흘러갈 수 있게 된다.

이렇게 공급된 냉각수는 회전자(100)와 고정자(200)가 가열되었을 때 냉각시키는 역할을 하고, 열에 의해 기화되어 회전자(100)와 베어링(1)사이 및 회전자(100)와 고정자(200) 사이에는 2상의 기체가 존재하게 된다.

이렇게 윤활 및 냉각 역할을 한 액체 또는 기화된 기체는 하우징(300) 또는 단부캡(4)에 형성된 배출구(4a)를 통하여 외부로 배출된다.

상기와 같이 구성된 모터의 상기 고정자(200)의 내부에는 포일베어링에 공급 되는 냉각수로부터 고정자(200)에 권취된 코일을 보호하기 위한 방수수단(5)이 더 설치된다.

위에서 설명한 바와 같이 상기 베어링(1)을 통과하여 회전자(100)측으로 공급된 냉각수는 고정자(200)와 접촉될 수 있으며, 이렇게 고정자(200)에 냉각수가 접촉되면 권취된 코일이 누전될 수 있으므로 이를 방지하기 위해 고정자(200)의 내부에 상기 방수수단(5)을 설치한다.

상기 방수수단(5)은 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이 방수관(51)과 방수캡(52)으로 구성된다.

상기 방수관(51)은 도시한 바와 같이 일측 단부에 고정날개(51a)가 형성된 원통형 관체로서 그 외경은 고정자(200)에 관통된 축공의 내경과 같고, 내경은 상기 회전자(100)의 외경보다 크게 형성되어 있어 고정자(200)에 형성된 축공에 끼워지고, 일측단부에 형성된 고정날개(51a)는 하우징(300)의 단면에 고정된다.

이와 같이 방수관(51)의 일측 단부에 형성된 고정날개(51a)를 하우징(300)에 고정시키기 위해서는 도 10에 도시한 바와 같이 베어링(1)의 일측면에 원형으로 돌출턱을 형성하고 이와 대향되는 하우징(300)의 내주면에 턱을 형성하여 고정날개(51a)의 가장자리가 이들 사이에 끼워지게 고정시킬 수 있으며, 이러한 고정날개를 고정하기 위한 구조는 다양하게 변형하여 실시 할 수 있는 것으로 보다 상세한 설명은 생략한다.

상기 방수관(51)의 다른 단부 즉, 고정날개(51a)가 형성된 단부의 반대측 단부에는 상기 방수캡(52)이 설치된다. 상기 방수캡(52)은 상기 방수관(51)의 일측 단부에 일체로 형성된 고정날개(51a)와 유사한 형상을 갖는 것으로 이 또한 가장자리 부분이 하우징(300)에 고정된다.

상기와 같이 구성된 모터는 베어링(1)에 형성된 급수홀(11)을 통하여 저어널면(1a)과 스러스트면(1b)에 급수가 이루어지므로 접촉면 사이의 마찰을 감소시켜 회전자와 회전축이 원활하게 회전할 수 있으며, 급수된 냉각수가 회전축과 회전자의 회전시 발생된 열을 식혀주므로 강성이 낮아지는 것을 방지할 수 있다.

더욱이 급유된 액체가 열에 의해 기화되어 액체와 기체가 혼합된 2상 기체 상태가 되어 접촉면에서 윤활 작용을 하게 되어 회전자 및 회전축의 회전에 저항을 받지 않게 된다.

도 1은 본 발명의 포일베어링을 구비한 회전축의 일예를 도시한 단면도이고,

도 2는 도 1에 도시한 포일베어링의 부분단면 사시도이고,

도 3은 본 발명의 포일베어링을 구비한 회전축의 다른 일예를 도시한 단면도이고,

도 4는 도 3에 도시한 포일베어링의 부분단면 사시도이고,

도 5는 본 발명의 포일베어링을 구비한 회전축의 또 다른 일예를 도시한 단면도이고,

도 6은 도 5에 도시한 포일베어링의 부분단면 사시도이고,

도 7은 본 발명의 포일베어링에 구비된 단부캡에 형성된 나선홈이 형성된 부분의 확대도이고,

도 8은 본 발명의 포일베어링을 구비한 모터의 일예를 도시한 사시도이고,

도 9는 도 8의 A-A에서 도시한 단면도이고,

도 10은 본 발명의 포일베어링을 구비한 모터에 설치된 방수수단의 일예를 도시한 부분단면 사시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1 : 베어링

11 : 급수홀

1a : 저어널면

1b : 스러스트면

2 : 급수링

21 : 급수공간

2a : 유입구

3 : 스러스트판

4 : 단부캡

41 : 나선홈

4a : 배출구

5 : 방수수단

51 : 방수관 51a : 고정날개

52 : 방수캡

100 : 회전자

200 : 고정자

300 : 하우징

300a : 급수구

Claims (14)

1. 회전축(10)을 회전 가능하게 지지하는 포일베어링에 있어서,

   상기 회전축(10)의 중간에 설치되고 회전축(10)을 감싸고 있는 윤활면을 관통하여 다수의 급수홀(11)이 형성된 베어링(1)과 ;

   상기 베어링(1)의 외부에 설치되어 베어링(1)과 결합되어 냉각수가 저장되는 급수공간(21)을 구성하는 급수링(2)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 포일베어링.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전축(10)에는 회전축의 외주면과 수직을 이루도록 스러스트판(3)이 더 설치되고,

   상기 베어링(1)은 회전축(10)의 외주면에 대향되는 원형 홀 형상의 저어널면(1a)과, 상기 저어널면(1a)과 수직을 이루도록 형성되어 상기 스러스트판(3)과 대향되는 스러스트면(1b)을 갖는 스러스트날개(13)가 더 형성됨을 특징으로 하는 포일베어링.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 베어링(1)의 바깥쪽에는 상기 스러스트날개(13)의 가장자리에 그 가장자리가 결합되어 내부에 공급된 냉각수가 외부로 배출되는 것을 방지하기 위한 단부캡(4)이 더 설치됨을 특징으로 하는 포일베어링.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 단부캡(4)의 중앙에 형성된 축공의 내면에는 나선홈(41)이 형성됨을 특징으로 하는 포일베어링.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 나선홈(41)은 이중 이상의 나선 구조를 갖음을 특징으로 하는 포일베어링.
6. 하우징(300)의 내부에 회전축(10)이 연결된 회전자(100)와, 상기 회전자(100)의 외부에 설치되고 코일이 감겨진 고정자(200)를 설치하여 구성된 모터에 있어서,

   상기 회전자(100)로부터 연장된 회전축(10)을 회전 가능하게 지지하는 포일베어링을 설치하여 구성되데,

   상기 포일베어링은

   상기 회전축(10)의 중간에 설치되고 회전축(10)을 감싸고 있는 윤활면을 관통하여 다수의 급수홀(11)이 형성된 베어링(1)과 ;

   상기 베어링(1)의 외부에 설치되어 베어링(1)과 결합되어 냉각수가 저장되는 급수공간(21)을 구성하는 급수링(2)을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 포일베어링을 구비한 모터를 구비한 모터.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 회전축(10)에는 회전축의 외주면과 수직을 이루도록 스러스트판(3)이 더 설치되고,

   상기 베어링(1)은 회전축(10)의 외주면에 대향되는 원형 홀 형상의 저어널면(1a)과, 상기 저어널면(1a)과 수직을 이루도록 형성되어 상기 스러스트판(3)과 대향되는 스러스트면(1b)을 갖는 스러스트날개(13)가 더 형성됨을 특징으로 하는 포일베어링을 구비한 모터.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 베어링(1)의 바깥쪽에는 상기 스러스트날개(13)의 가장자리에 그 가장자리가 결합되어 내부에 공급된 냉각수가 외부로 배출되는 것을 방지하기 위한 단부캡(4)이 더 설치됨을 특징으로 하는 포일베어링을 구비한 모터.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 단부캡(4)의 중앙에 형성된 축공의 내면에는 나선홈(41)이 형성됨을 특징으로 하는 포일베어링을 구비한 모터.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 나선홈(41)은 이중 이상의 나선 구조를 갖음을 특징으로 하는 포일베어링을 구비한 모터.
11. 제 6 항내지 제 9항 중 어느 한항에 있어서,

    상기 고정자(200)의 내부에는 상기 급수링(2)을 통해 회전축(10)으로 공급된 냉각수로부터 고정자(200)에 권취된 코일을 보호하기 위한 방수수단(5)이 더 설치됨을 특징으로 하는 포일베어링을 구비한 모터.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 방수수단(5)은 상기 고정자(200)에 형성된 축공의 내면에 밀착되게 끼워지는 원통의 일측 단부에 고정날개(51a)를 형성하여 구성된 방수관(51)과 ;

    상기 방수관(51)의 고정날개(51a)가 형성된 단부의 반대측 단부에 착탈 가능하게 설치되는 방수캡(52)으로 구성됨을 특징으로 하는 포일베어링을 구비한 모터.
13. 제 12 항에 있어서,

    상기 회전축(10)은 스러스트판(3)의 바깥쪽에 착탈 가능하게 고정 설치됨을 특징으로 하는 포일베어링을 구비한 모터.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 베어링(1)은 스러스트날개(13)를 상기 하우징(300)의 양단에는 각각 고정하여 모터에 고정됨을 특징으로 하는 포일베어링을 구비한 모터.

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