KR100977458B1 - 스프링-댐퍼 시스템을 구비한 터치다운 볼베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기베어링과 함께 설치되는 터치다운 볼베어링에 관한 것으로서, 고 감쇠 성능을 갖는 점탄성 재질의 댐퍼와 볼베어링의 강성을 적절히 조절해주는 스쿼럴 케이지 형태의 스프링을 조합하여 사용함으로써, 자기베어링의 이상 발생시에 회전축이 드롭되더라도 스프링-댐퍼의 조합이 충격을 완화하고 진동을 억제하여 시스템이 손상되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 스프링-댐퍼 시스템을 구비한 터치다운 볼베어링에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 터치다운 볼베어링은,고정부인 하우징 내측으로 스쿼럴 케이지 형태의 스프링이 삽입되고, 상기 스프링의 베어링 안착단 내주에는 상기 회전축 주변으로 위치되는 볼베어링이 삽입되며, 상기 스프링의 외주면과 상기 하우징의 내주면 사이에 점탄성을 갖는 재질의 원통형 댐퍼가 개재되어, 상기 스프링이 진동을 일으킬 때 상기 댐퍼가 감쇠력을 줄 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

자기베어링, 터치다운 볼베어링, 댐퍼, 스프링, 감쇠

Description

스프링-댐퍼 시스템을 구비한 터치다운 볼베어링{Touch down ball bearing having spring-damper system}

본 발명은 자기베어링과 함께 설치되는 터치다운 볼베어링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기베어링의 이상 발생으로 고속 회전하는 회전축이 드롭(drop)될 때 회전축으로부터 받는 충격을 완화하고 충격 후 진동을 억제하기 위한 스프링-댐퍼 시스템을 구비한 터치다운 볼베어링에 관한 것이다.

일반적으로 산업기기나 자동차 등의 기계장치에는 회전하는 축이 진동하여 요동치는 것을 방지하기 위해 베어링을 사용하여 지지하고 있다. 상기 베어링은 다양한 종류가 있으며, 대개 접촉면적을 최소화하거나 윤활유를 이용해 마찰계수를 낮추는 방법이 적용되고 있다.

하지만 고속 회전을 요구하는 부분에는 일반적인 베어링을 사용할 경우 회전축(rotor)과 접하는 베어링의 마찰에 의해 원하는 속도 이상을 구현하기 힘들기 때문에 접촉면적이 없는 자기부상 베어링 시스템이 주로 사용되고 있다.

상기 자기부상 베어링 시스템은 회전체 시스템을 자기부상시켜 정밀구동 회전을 시키는 자기부상 응용기술로서, 구름베어링이나 유막베어링을 대체해서 지능형 초고속 회전기계에 적용되는 선도적인 요소기술로 연구와 투자가 활발히 이루어지고 있다. 자기부상 베어링 시스템(이하, 자기베어링이라 칭함)은 고속 회전기계뿐만 아니라 동력 손실을 최소화하여 에너지 손실을 줄이고자 하는 정밀기기에도 널리 사용되고 있다.

이러한 자기베어링은 반영구적인 수명을 갖고 있으면서 유지보수가 불필요하고, 다수의 전자기부를 개별적으로 컨트롤하여 진동을 억제할 수 있는 장점을 갖고 있다. 회전축의 회전오차가 발생하는 원인으로는 회전체 불균형, 강제 진동 등에서 기인하는 외부가진과, 유연모드에 의한 공진 응답과 축의 형상오차, 모터의 노이즈 등에 기인하는 런아웃 등이 있으며, 자기베어링은 상술한 원인으로 발생된 진동을 자기력에 의해 완충하는 역할을 하게 된다.

또한 자기베어링은 마찰에너지와 열 발생이 최소화될 수 있고, 회전체의 원심응력 한계까지 도달할 수 있는 초고속 회전이 가능하다. 일반적인 베어링이 갖는 강성과 댐핑에 의해 회전손실이 발생하는 것을 방지하여 에너지의 전달이 용이하게 이루어진다. 회전축이 일정속도 이상으로 회전될 경우 회전축의 강성이 저하되어 회전오차 범위가 커지고, 이에 따라 댐핑이 크게 증가되어 회전손실이 기하급수적으로 증가되는데, 이러한 회전에 따른 손실을 줄이기 위해 자기베어링을 적용하여 댐퍼를 갖도록 함으로써, 강성 저하와 댐핑 증가 없이 고속의 회전력 전달이 가능한 것이다.

그러나, 상기와 같은 장점에도 불구하고 자기베어링은 능동 제어시스템의 한계로 인해 시스템의 폐루프의 어느 한 구성요소가 고장이 나거나 제어시스템이 불안정해지면 베어링의 역할을 할 수 없게 된다.

즉, 자기베어링의 제어가 실패했을 때 회전체와 베어링이 직접 접촉하는 경우 큰 마찰과 진동으로 인해 시스템이 파괴된다. 특히, 초고속의 회전축에 대해 자기베어링만을 이용하여 지지시킨다면, 고장 등으로 인해 자기베어링의 구동에 문제가 생기는 경우 회전축은 물론이고 고속으로 회전하는 회전축이 자기베어링 등의 주변 부품들을 타격하여 큰 사고로 이어지게 된다.

따라서, 자기베어링으로 지지되는 회전체에서는 자기베어링의 제어가 실패하여 회전축이 떨어질 때 자기베어링을 보호하면서 마찰을 줄이기 위해 터치다운 볼베어링(touch down ball bearing)을 반드시 설치하여야 한다.

첨부한 도 1은 자기베어링과 터치다운 볼베어링의 개략도로서, 회전축(10)이 고속 회전을 할 때 제어가 무너지면 회전축은 터치다운 베어링(30) 위에 떨어지며, 일차적으로는 회전축(10)이 자기베어링(20)을 큰 힘으로 타격하는 것을 막아주기 때문에 큰 사고로 이어지는 것은 방지할 수 있게 된다.

그러나, 회전축(10)이 터치다운 베어링(30) 위에 떨어지게 되면 베어링 위를 구르면서 마찰에 의해 심한 진동을 일으킨다. 첨부한 도 2는 회전축과 터치다운 베어링의 원리를 보여주는 도면이다. 회전축(10)이 베어링(30)에 접촉하면 백워드 훨(backward whirl) 및 비선형 현상이 나타나며, 진동을 일으킨다. 특히, 볼베어링이 하우징에 고정이 되면 볼베어링이 매우 높은 강성과 거의 제로에 가까운 감쇠력으로 대게 진동을 억제하지 못하며, 회전체 동역학 측면에서 볼 때 핀-핀 구조로 진동에 매우 취약한 구조이다.

이와 같이 베어링을 하우징에 바로 설치하여 시스템의 손상을 방지하고 있으나, 종래의 경우 상기와 같은 여러 문제점을 가지고 있는 것이 사실이다. 따라서, 마찰부에 오일을 공급하는 오일 시스템을 적용하기도 하는데, 오일 시스템의 경우 오일 특성상 고온/저온 환경에서는 사용이 불가하고, 구조적으로 시스템 설계가 매우 어려우며, 설계에 많은 제한이 있는 문제가 있다. 또한 청정 환경 유지에 불리하고, 실링 문제를 해결해야 하며, 오일 순환 시스템을 구비해야 함은 물론 오일 공급 및 순환을 위한 구성 자체가 매우 복잡하여 전체 시스템이 대형화될 수밖에 없는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 자기베어링의 이상 발생시에 회전축이 드롭되더라도 보다 효과적으로 충격을 완화하고 진동을 억제하여 시스템이 손상되는 것을 방지할 수 있는 터치다운 볼베어링을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 종래의 유체를 이용한 댐퍼보다 청정 환경을 유지할 수 있고, 설치가 쉬고 유지하기가 편리하며, 복잡한 부속 부품들이 불필요하여 시스템을 훨씬 단순하게 구성할 수 있는 터치다운 볼베어링을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 회전축 지지를 위해 자기베어링과 함께 설치되는 터치다운 볼베어링에 있어서, 고정부인 하우징 내측으로 스쿼럴 케이지 형태의 스프링이 삽입되고, 상기 스프링의 베어링 안착단 내주에는 상기 회전축 주변으로 위치되는 볼베어링이 삽입되며, 상기 스프링의 외주면과 상기 하우징의 내주면 사이에 점탄성을 갖는 재질의 원통형 댐퍼가 개재되어, 상기 스프링이 진동을 일으킬 때 상기 댐퍼가 감쇠력을 줄 수 있도록 구성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 실시예에서, 상기 스프링은 원통형의 베어링 안착단과 반경방향으로 연장 형성된 고정용 림 사이에 탄성스트립들이 길게 연결된 구조를 가지며, 상기 베어링 안착단의 내주면에 볼베어링이 고정되고, 상기 베어링 안착단의 외주면 과 상기 하우징의 내주면 사이에 댐퍼가 개재된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 탄성스트립들은 원주방향으로 일정간격으로 배치되어 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 댐퍼는 고무 또는 엔지니어링 플라스틱으로 제작된 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명의 터치다운 볼베어링에 의하면, 고 감쇠 성능을 갖는 점탄성 재질의 댐퍼와 볼베어링의 강성을 적절히 조절해주는 스쿼럴 케이지 형태의 스프링을 조합하여 사용함으로써, 자기베어링의 이상 발생시에 회전축이 드롭되더라도 스프링-댐퍼의 조합이 충격을 완화하고 진동을 억제하여 시스템이 손상되는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

또한 본 발명의 댐퍼를 이용하면 종래의 유체를 이용한 댐퍼보다 청정 환경을 유지할 수 있으며, 설치가 쉬고 유지하기가 편리한 장점은 물론 복잡한 부속 부품들이 불필요하여 시스템을 훨씬 단순하게 구성할 수 있는 장점이 있다.

이하, 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념 을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

본 발명은 자기베어링과 함께 설치되는 터치다운 볼베어링에 관한 것으로서, 자기베어링의 이상 발생으로 고속 회전하는 회전축이 드롭(drop)될 때 회전축으로부터 받는 충격을 완화하고 충격 후 진동을 억제하기 위한 스프링-댐퍼 시스템을 구비한 터치다운 볼베어링에 관한 것이다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 터치다운 볼베어링을 도시한 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 터치다운 볼베어링에서 스프링의 구조와 스프링에 대한 변형 해석 결과를 보여주는 도면이다.

종래의 터치다운 베어링은 매우 높은 강성과 매우 낮은 감쇠력으로 인해 회전축이 드롭될 때 효과적으로 진동을 제어하지 못한다. 이에 따라, 본 발명에서는 볼베어링(36)과 결합한 스프링(31)과 댐퍼(35)를 이용하여 회전축(10)이 드롭될 때 그 충격을 완화하고 진동을 효과적으로 억제할 수 있도록 한다.

도 3을 참조하면, 고정부인 하우징(40) 내측으로 스쿼럴 케이지 형태의 스프링(31)을 삽입하고, 상기 스프링(31)의 베어링 안착단(32) 내주에는 볼베어링(36)을 삽입하며, 상기 볼베어링(36) 내측으로 회전축(10)이 삽입되도록 한다.

또한 상기 스프링(31)의 외주면과 하우징(40)의 내주면 사이에는 고감쇠 재질의 원통형 댐퍼(35)를 개재하여, 스프링(31)이 진동을 일으킬 때 상기 댐퍼(35)가 감쇠력을 줄 수 있도록 한다.

상기 스프링(31)은, 도 4에 나타낸 바와 같이, 원통형의 베어링 안착단(32) 과 반경방향으로 연장 형성된 고정용 림(rim)(34) 사이에 복수개의 탄성스트립(strip)(33)이 길게 연결된 구조를 가지며, 이때 상기 복수개의 탄성스트립(33)은 원주방향으로 일정간격으로 일체 형성된다.

이러한 구조의 스프링(31)에서 베어링 안착단(32)의 내주면에는 볼베어링(36)이 삽입되어 고정되고, 베어링 안착단(32)의 외주면에는 하우징(40)의 내주면과의 사이에 댐퍼(35)가 개재되어 설치된다.

상기 댐퍼(35)의 재질로는 고온 및 극저온에서 감쇠 성능이 좋은 재질로 알려진 고감쇠 재질을 사용하는데, 바람직하게는 점탄성을 갖는 고무나 엔지니어링 플라스틱의 사용이 가능하다. 상기 댐퍼(35)는 스프링(31)보다는 훨씬 소프트한 재질로 제작되므로 스프링으로부터 진동이 전달될 때 변위를 발생시키면서 감쇠 작용을 하게 된다.

상기와 같이 본 발명의 터치다운 베어링(30)은 고 감쇠 성능을 갖는 점탄성 재질의 댐퍼(35)와 볼베어링의 강성을 적절히 조절해주는 스쿼럴 케이지 형태의 스프링(31)을 조합하여 사용함으로써, 자기베어링의 이상 발생시에 회전축(10)이 드롭되더라도 스프링-댐퍼의 조합이 충격을 완화하고 진동을 억제하여 시스템이 손상되는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

특히, 본 발명의 댐퍼를 이용하면 종래의 유체를 이용한 댐퍼보다 청정 환경을 유지할 수 있으며, 설치가 쉬고 유지하기가 편리한 장점은 물론 복잡한 부속 부품들이 불필요하여 시스템을 훨씬 단순하게 구성할 수 있는 장점이 있다. 유사한 댐퍼로 스퀴즈 필름 댐퍼를 사용하는 경우 오일 윤활을 필요로 하기 때문에 오일 순환 시스템과 실링을 해야 하는 바, 구조가 상당히 복잡해진다.

본 발명에서 스프링(31)은 회전축(10)이 진동할 때 강성모드에서 진동을 하고 효과적인 감쇠력을 전달할 수 있도록 스프링 상수를 조절하여 설계하며, 댐퍼(35)에서 충분한 변위를 일으키도록 한다.

이상으로 본 발명에 따른 특정의 바람직한 실시예에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명이 상술한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 상술한 실시예가 본 발명의 원리를 응용한 다양한 실시예의 일부를 나타낸 것에 지나지 않음을 이해하여야 한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

도 1은 자기베어링과 터치다운 볼베어링의 개략도,

도 2는 회전축과 터치다운 베어링의 원리를 보여주는 도면,

도 3은 본 발명에 따른 터치다운 볼베어링을 도시한 단면도,

도 4는 본 발명에 따른 터치다운 볼베어링에서 스프링의 구조와 스프링에 대한 변형 해석 결과를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 회전축 20 : 자기베어링

30 : 터치다운 볼베어링 31 : 스프링

32 : 베어링 안착단 33 : 탄성스트립

34 : 고정용 림 35 : 댐퍼

36 : 볼베어링 40 : 하우징

Claims (4)

1. 회전축(10) 지지를 위해 자기베어링(20)과 함께 설치되는 터치다운 볼베어링(30)에 있어서,

   고정부인 하우징(40) 내측으로 스쿼럴 케이지 형태의 스프링(31)이 삽입되고, 상기 스프링(31)의 베어링 안착단(32) 내주에는 상기 회전축(10) 주변으로 위치되는 볼베어링(36)이 삽입되며, 상기 스프링(31)의 외주면과 상기 하우징(40)의 내주면 사이에 점탄성을 갖는 재질의 원통형 댐퍼(35)가 개재되어, 상기 스프링(31)이 진동을 일으킬 때 상기 댐퍼(35)가 감쇠력을 줄 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 스프링-댐퍼 시스템을 구비한 터치다운 볼베어링.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 스프링(31)은 원통형의 베어링 안착단(32)과 반경방향으로 연장 형성된 고정용 림(34) 사이에 탄성스트립(33)들이 길게 연결된 구조를 가지며, 상기 베어링 안착단(32)의 내주면에 볼베어링(36)이 삽입되어 고정되고, 상기 베어링 안착단(32)의 외주면과 상기 하우징(40)의 내주면 사이에 댐퍼(35)가 개재된 것을 특징으로 하는 스프링-댐퍼 시스템을 구비한 터치다운 볼베어링.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 탄성스트립(33)들은 원주방향으로 일정간격으로 배치되어 형성된 것을특징으로 하는 스프링-댐퍼 시스템을 구비한 터치다운 볼베어링.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 댐퍼(35)는 고무 또는 엔지니어링 플라스틱으로 제작된 것을 특징으로 하는 스프링-댐퍼 시스템을 구비한 터치다운 볼베어링.

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