KR100906662B1 - 스러스트 자기베어링 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구자석과 전자석의 자기장의 경로를 분리하여 전자석이 부상체의 위치 제어만을 담당하고 영구자석이 편향 자기장을 형성하도록 하여 편향 전류를 흘리지 않으면서 변위 강성 및 전류 강성을 가지도록 하는 스러스트 자기베어링 시스템에 관한 것이다.

이를 위한 본 발명의 스러스트 자기베어링 시스템은, 스러스트 변위센서와 스러스트 자기베어링으로 이루어져 스러스트 변위센서를 통해 검출된 변위 정보를 통해 원판형의 부상체를 부상시키는 스러스트 자기 베어링 시스템에 있어서, 상기 스러스트 자기베어링이 도넛형 영구자석과, 상기 도넛형 영구자석의 양측에 하나의 인덕터를 형성하도록 직렬 연결된 한쌍의 전자석과, 상기 각 전자석의 외측에 구비되어 서로 대향되는 한쌍의 자극을 포함하여, 상기 도넛형 영구자석에 의한 편향자로와 전자석에 의해 형성되는 제어자로에 의해 상기 원판형 부상체를 부상시키는 것을 특징으로 한다.

스러스트, 자기베어링, 영구자석, 편향 전류, 전자석

Description

스러스트 자기베어링 시스템{SYSTEM FOR THRUST MAGNETIC BEARING}

본 발명은 스러스트 자기베어링 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 영구자석과 전자석의 자기장의 경로를 분리하여 전자석이 부상체의 위치 제어만을 담당하고 영구자석이 편향 자기장을 형성하도록 하여 편향 전류를 흘리지 않으면서 변위 강성 및 전류 강성을 가지도록 하는 스러스트 자기베어링 시스템에 관한 것이다.

최근에, 자기 베어링장치는 각종 정밀 기계장치에 폭넓게 사용되고 있다.

이러한 자기 베어링 장치는 전자석에서 발생된 자기력에 의해 회전체를 부양시키고 지지한다. 자기 베어링 장치가 장착된 정밀 기계장치의 경우 축과 베어링의 접촉에 의한 마모에 따른 분진(abrasion dust)이 억제되고 윤활유를 사용하지 않아도 되므로 유지비용의 절감 및 고속의 회전도 및 잡음 감소 등의 이점이 있다.

이와 같은 이점으로 인하여 반도체 제조를 위한 청정실과 같이 극도로 청결한 분위기에서 사용되는 기계장치, 진공 공간에서는 마찰계수가 극도로 커지기 때문에 기계 베어링의 사용이 어려운 항공기, 우주분야에서 널리 이용되고 있다.

이러한 자기 베어링은 부양된 회전체의 동작을 전자석으로의 전류 공급을 제 어함으로써 회전체가 전자석에서 발생된 자기력에 의해 부양되고 지지되는데, 이 자기 베어링 장치에 있어서의 제어 대상은 회전체의 위치에 따른 자기 베어링에 흐르는 전류의 제어이다.

도 10은 종래의 전자석을 이용한 자기 베어링의 실시예를 나타낸 개념도이다.

이를 참조하면, 자기 베어링은 서로 마주보는 두 개의 자극(pole) 면이 부상체를 서로 끌어당기면서 부상체의 위치 변화에 따라 자기력을 가감하여 안정적으로 부상체를 지지하는 것으로서, 부상체의 변위를 검출하기 위하여 비접촉식 변위 측정 센서를 추가로 필요로 한다.

그리고, 부상체의 위치 변화에 따라 전류 제어를 통해 자기력을 가감할 뿐만 아니라 부상체의 자중등에 따라 미리 일정한 편향 자기력(bias magnetic force)를 부상체에 가한 후 부상체의 위치 변화에 따라서 능동적으로 이 자기력을 가감시켜야 한다.

이러한 종래의 자기 베어링은 부상체에 미리 편향 자기력을 가함으로 인해 전자석 작동기의 가용 영역이 축소되기 때문에, 이를 보상하기 위해 더 큰 전자석을 필요로 하게 되고, 전자석에 한쪽 방향으로만 전류를 흘리면서 사용하기 때문에, 한 쌍의 전자석 작동기가 필요해진다.

그런데, 차량용 터보 압축기와 같이 회전축과 베어링의 설치 공간이 제약된 경우는 전자석이나 전자력이 작용하는 폴 단면적을 극한치수까지 축소해야 하기 때문에, 전자석 작동기를 사용해서 편향 전류를 공급할 여유가 없어 자기 베어링의 사용에 제한이 있다.

이러한 편향 전류에 의한 자기베어링 사용 제한의 단점을 해소하기 위하여 도 11에 도시된 바와 같이, 영구자석(11)을 이용하여 편향 자기력을 미리 형성하고 전자석이 양방향으로 전류를 흘리면서 제어 자기력을 가감시켜 회전체를 지지하는 방법을 사용하는 영구자석 편향형 자기 베어링이 제안된 바 있다.

영구자석 편향형 자기 베어링은 전자석이 편향 자기력을 형성하지 않아도 되기 때문에 전자석의 자기력 변화폭이 넓어지게 되어 협소한 공간에서도 자기 베어링을 설치할 수 있고, 전력 소모의 감소에 따라 발열량을 감소시킬 수 있다.

그런데, 영구자석 편향형의 전자석에 인가되는 전류 제어를 통한 자기력 가감시에 전자석의 자기장이 영구자석을 통과함으로써 전자석과 영구자석의 자기장 경로가 간섭되어 변위 강성 및 전류 강성 특성이 저하되는 단점이 있었다.

종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 전자석과 영구자석의 자기장의 경로를 분리하여 영구자석이 기본 자기장을 형성하고 전자석은 자기력의 제어만을 담당하여 부상체의 위치를 제어하도록 함으로써, 편향 전류를 흘리지 않으면서 부상체를 부상시킬 수 있도록 하는 스러스트 자기베어링 시스템을 제공함에 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 스러스트 자기베어링 시스템은, 스러스트 변위센서와 스러스트 자기베어링으로 이루어져 스러스트 변위센서를 통해 검출된 변위 정보를 통해 원팡형의 부상레를 부상시키는 스러스트 자기 베어링 시스템에 있어서, 상기 스러스트 자기베어링이 도넛형 영구자석과, 상기 도넛형 영구자석의 양측에 하나의 인덕터를 형성하도록 직렬 연결된 한쌍의 전자석과, 상기 각 전자석의 외측에 구비되어 서로 대향되는 한쌍의 자극을 포함하여, 상기 도넛형 영구자석에 의한 편향자로와 전자석에 의해 형성되는 제어자로에 의해 상기 원판형 부상체를 부상시키는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 스러스트 변위센서는 축방향 지름 차이를 가지는 축과, 상기 축의 외측에 구비된 한쌍의 링형 전극 및 상기 한쌍의 링형 전극을 감싸는 가드 전극을 포함하여 이루어져, 상기 링형 센서 전극에 형성되는 정전용량의 차이를 차동 증폭기를 이용하여 증폭시켜 이를 감지한다.

본 발명은 전자석과 영구자석의 자기장의 경로를 분리하여 영구자석이 기본 자기장을 형성하고 전자석은 자기력의 제어만을 담당하여 부상체의 위치를 제어하도록 함으로써, 편향 전류를 흘리지 않으면서도 전자석형 자기베어링과 비슷한 정도의 변위 강성 및 전류 강성을 갖도록 하면서 부상체의 변위 제어를 할 수 있는 이점이 있다.

또한, 기존의 자기베어링은 차동으로 구현되어 전류 구동 회로가 2쌍이 필요 했지만 본 발명의 영구자석 편향을 이용한 자기베어링은 코일에 동일한 전류가 흐르므로 1개의 전류 구동회로를 이용하여 동작이 가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 스러스트 자기베어링 시스템의 구성도로, 본 발명은 스러스트 변위센서와 스러스트 자기베어링으로 이루어져 스러스트 변위센서를 통해 검출된 변위 정보를 통해 원판형의 부상체를 부상시킨다.

여기서, 스러스트 자기베어링(10)은 도넛형 영구자석(11)과, 도넛형 영구자석(11)의 양측에 하나의 인덕터를 구성하도록 직렬 연결된 한쌍의 전자석(12)과, 각 전자석의 외측에 구비되어 서로 대향되는 한쌍의 자극(13)을 포함하여 구성된다.

이때, 스러스트 자기베어링(10)은 도넛형 영구자석(11)에 의해 형성되는 편향자로와 전자석에 의해 형성되는 제어자로에 의해 원판형 부상체(30)를 부상시키게 된다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이 스러스트 자기베어링은 전자석에 편향전류를 공급하지 않은 초기 상태에서도, 영구자석(11)에 의해 편향 자로가 형성됨에 따라 원판형 부상체(30)를 부상시키게 된다.

그리고, 부상체(30)의 위치 변화를 스러스트 변위 센서(20)를 통해 검출한 후 검출 결과에 따라 전자석에 인가되는 전류의 크기와 방향성을 제어하여 원판형 부상체(30)를 좌우로 이동시킨다.

예를 들어, 부상체(30)의 위치가 좌측으로 이동된 경우 도 3에 도시된 바와 같이 전자석에 의한 제어자로가 시계 방향으로 형성되도록 전류의 방향 및 크기를 제어하여, 부상체(30)를 우측으로 이동시킨다.

더욱 상세하게는, 영구자석(11)에 의해 생성되는 편향 자속은 하우징 요소와 공극을 지나 원판형 부상체(30)를 지나 영구자석으로 되돌아 가고, 전자석에 의해 생성되는 제어 자로는 영구자석(11)에 의해 생성되는 편향 자속을 가감한다.

이에 따라, 제어 자로의 경로가 시계 방향으로 형성되면 오른쪽 공극에서 자기장의 세기는 증가하나, 반대편 공극에서는 자기장의 세기가 감소하여 결국 부상체(30)가 우측으로 이동되는 것이다.

반대로, 부상체(30)의 위치가 우측으로 이동된 경우 도 4에 도시된 바와 같이 전자석에 의한 제어자로가 반시계 방향으로 형성되도록 전류의 방향 및 크기를 제어하여 부상체(30)를 좌측으로 이동시킨다.

즉, 전자석(12)에 의해 생성되는 제어 자로의 경로가 반시계 방향이 되면 양 공극에서의 자기장의 세기는 도 3의 경우와 반대가 되어 이동체는 좌측으로 이동하 게 된다.

여기서, 기존의 자기베어링은 차동으로 구현되어 전류 구동 회로가 2쌍이 필요 했지만 본 발명의 영구자석 편향을 이용한 자기베어링은 코일에 동일한 전류가 흐르므로 1개의 전류 구동회로를 이용하여 동작이 가능한 이점이 있다.

한편, 부상체(30)의 위치 이동을 검출하기 위한 스러스트 변위센서(20)는 도 5에 도시된 바와 같이 축방향 지름 차이를 가지는 축(21)과, 축의 외측에 구비된 한쌍의 링형 전극(22) 및 한쌍의 링형 전극(22)을 감싸는 가드 전극(23)을 포함하여 이루어져, 링형 전극(22)에 형성되는 정전용량의 차이를 차동 증폭기를 이용하여 증폭시켜 이를 감지한다.

여기서, 스러스트 변위센서(20)는 접지와 정전용량을 측정하는 측정 대상물 이외의 다른 접지와 센서 사이에서 생기는 기생정전용량을 최소화하기 위하여, 도 6에 도시된 바와 같이 가드 전극(43) 주변을 접지(42)로 감싸 가드 전극(43)의 신호를 보호한다.

이때, 센서(41)와 측정 대상물(40) 사이의 정전용량을 Cx, 센서(41)와 가드 전극(43) 사이의 정전용량을 Cgx, 가드 전극(43)와 접지(42) 사이의 정전용량 Cgs로 모델링 하면, 도 7과 같은 등가 회로를 구성할 수 있다.

이와 같이 구성된 스러스트 변위 센서로부터의 정전용량 검출 방법에서 기생정전용량을 배제하기 위하여 스위치 가드 방법을 이용하여 도 8에 도시된 바와 같이 스위치 회로와 신호를 구성한다. 그리고, 이렇게 구성된 스위치 회로를 이용하여 미지의 정전용량으로 일정한 전압을 충전시킨 후 이를 방전시켜 충전된 전하가 순간 전류로 흐르도록 한 후 이를 증폭기로 적분하여 정전용량에 비례하는 직류 전압을 얻는 전하전달법을 이용한다.

도 8을 참조하여 상세하게 설명하면, 도 8의 (a)와 같이 스위치 S1과 S3을 T1동안 닫아서 센서부의 정전용량 Cx, 그리고 가드와 접지 사이의 정전용량인 Cgs를 모두 일정한 전압 Vc로 충전시키고 센서와 가드 사이의 정전용량인 Cgx를 접지와 연결한다.

다음으로, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 스위치 S1과 S3을 동시에 열고, 그 다음으로 도 8의 (c)와 같이 스위칭이 겹치기 않도록 아주 짧은 시간 T2동안 스위치 S2와 S4를 열어둔 후 S4를 닫는다. 이 때 미지의 정전용량인 Cx에 저장되어 있던 전하가 비어 있던 센서와 가드 사이의 정전용량 Cgx로 나누어지고 Cgs에 충전되어 있던 전하는 모두 방전된다.

이어서, 도 8의 (d)와 같이 짧은 시간 T3 후에 스위치 S2를 닫아서 원래 센서부에 저장되어 있던 모든 전하가 T4의 기간동안 전하 검출회로인 OP Amp로 들어가게 된다. 결국 미지의 정전용량 Cx 이외의 불필요한 정전용량인 Cgs와 Cgx의 영향을 최소화할 수 있다.

여기서, 전하전달법을 이용하기 위한 기본 회로는 도 9와 같이 OP Amp와 궤환저항 Rf와 궤환 콘덴서 Cf로 구성되어 있는 전류적분회로가 이용된다. 이때, 스위칭 주파수 f의 영향을 최소화하기 위하여 아주 큰 적분 상수 Tf=RfCf를 택하여 방전 전류 펄스를 적분하면 미지의 정전 용량 Cx에 비례하는 직류 전압 출력을 얻을 수 있다.

그리고, OP Amp의 입력 임피던스가 상황에 따라 변동하기 때문에 방전시의 전류가 OP Amp의 입력에 흘러 들어가 갑작스런 전압 상승 효과를 낼 수 있으므로, 이를 방지하기 위하여 OP Amp의 입력단과 접지 사이에 미지의 정전용량 Cx 보다 훨씬 큰 값을 가지는 콘덴서 C를 두러 순간적인 전류를 흡수함으로써 입력단을 접지 상태로 유지함이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 스러스트 자기베어링 시스템의 구성도.

도 2 내지 도 3은 도 1의 스러스트 자기베어링 작용 설명도.

도 5는 도 1의 스러스트 변위 센서 구성도.

도 6은 도 5의 스러스트 변위 센서 정전 용량 모델링 구성도.

도 7은 도 6의 등가 회로도.

도 8은 도 1의 스러스트 변위 센서를 이용한 정전 용량 검출 스위칭 구성도.

도 9는 본 발명의 스러스트 변위 센서를 통한 신호 검출에 이용되는 전하 전달 방법의 기본 회로도.

도 10 및 도 11은 종래 기술의 일례에 따른 스러스트 자기베어링 개념도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10 : 스러스트 자기베어링

11 : 영구자석

12 : 전자석

13 : 자극

20 : 스러스트 변위 센서

21 : 축

22 : 링형 전극

23 : 가드 전극

30 : 부상체

Claims (2)

1. 스러스트 변위센서와 스러스트 자기베어링으로 이루어져 스러스트 변위센서를 통해 검출된 변위 정보를 통해 원판형의 부상체를 부상시키는 스러스트 자기 베어링 시스템에 있어서,

   상기 스러스트 자기베어링(10)은;

   도넛형 영구자석(11)과,

   상기 도넛형 영구자석(11)의 양측에 하나의 인덕터를 형성하도록 직렬 연결된 한쌍의 전자석(12)과,

   상기 각 전자석의 외측에 구비되어 서로 대향되는 한쌍의 자극(13)을 포함하여,

   상기 도넛형 영구자석(11)에 의한 편향자로와 전자석에 의해 형성되는 제어자로에 의해 상기 원판형 부상체를 부상시키는 것을 특징으로 하는 스러스트 자기베어링 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 스러스트 변위센서(20)는;

   축방향 지름 차이를 가지는 두축과,

   상기 두축의 외측에 구비된 한쌍의 링형 전극(22) 및

   상기 한쌍의 링형 전극(22)을 감싸는 가드 전극(23)을 포함하여 이루어져,

   상기 링형 전극(22)에 형성되는 정전용량의 차이를 차동 증폭기를 이용하여 증폭시켜 이를 감지하는 것을 특징으로 하는 스러스트 자기베어링 시스템.

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