KR100980565B1 - 자기부상모터 및 펌프 - Google Patents

Abstract

자기 베어링부 및 모터부를 가지는 스테이터와, 상기 스테이터에 배설된 로터를 포함하는 자기부상모터. 그리고 자기 베어링의 와전류가 억제되어 로터의 회전손실이 저감될 수 있어, 이러한 자기부상모터를 이용하는 펌프를 제공할 수도 있다.

자기부상모터, 더블 바이어스, 자기 베어링, 와전류, 로터 회전손실

Description

자기부상모터 및 펌프{MAGNETIC LEVITATION MOTOR AND PUMP}

본 발명은, 자기부상모터의 구조 및 제어에 관한 것으로, 특히 더블 바이어스(double-bias) 영구자석 방식의 하이브리드형 자기부상모터의 기술에 관한 것이다.

최근, 자기부상모터로서 더블 바이어스 영구자석 방식의 하이브리드형 자기부상모터가 제안되고 있다.

특허문헌 1에 개시된 5축 제어형 하이브리드 자기 베어링은, 바이어스 자속 발생용 영구자석을 이용하여,장축 로터를 자기부상시켜서 5축 제어 상태에서 효율적으로 회전시키는 것이다. 바이어스 자속의 자로를 변경시켜, 전자석만을 사용하는 전기부상계보다 더 높은 자기 지지력을 발생시킬 수 있다.

특허문헌 2에 의하면, 더블 바이어스형 자기 베어링(지지제어)는, 종래의 하이브리드형 자기 베어링의 바이어스 자석을 복수 사용함으로써, 더욱 큰 자기 지지력의 발생을 가능하게 하고 있다. 또한, 2차 바이어스 영구자석의 자속을 1차 바이어스 영구자석을 사용하여 유도하여, 보다 강력한 하이브리드형 자기 베어링을 실현하고 있다.

그러나, 특허문헌 1의 기술이, 로터 양단면에 축방향 위치를 제어하기 위한 돌극을 갖기 때문에 펌프 등에 이용되는 경우, 펌프의 입구(inlet)와 출구(outlet)의 구조가 복잡해지고, 조립이 어려워진다. 또한,액체의 유로가 복잡해지기 때문에, 흡입과 토출의 손실이 커져버린다고 하는 문제가 있다.

또한, 특허문헌 2의 기술에 있어서는, 자기 베어링의 원주방향으로 배치된 돌극의 극성이 S에서 N으로 및 N에서 S로 번갈아가면서 변한다. 따라서, 로터가 회전함에 따라 와전류가 발생하여, 로터의 회전 손실이 커진다고 하는 문제가 있다.

특허문헌 1: 특허공개2006-14528호 공보

특허문헌 2: 특허공개2007-120635호 공보

본 발명은 상기와 같은 문제들을 감안하여 된 것으로, 간단한 구조이지만 자기 베어링에서의 와전류의 발생을 억제하여 로터의 회전 손실을 저감할 수 있는 자기부상모터와 그 자기부상모터를 이용한 펌프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 자기베어링부와 모터부를 가지는 스테이터와 상기 스테이터에 설치되는 로터를 포함하는 자기부상모터에 관한 것이다.

상기 스테이터는 상기 2개의 자기 베어링부의 사이에 상기 모터부를 가진다. 상기 로터의 측면을 따라 일정한 간극을 두고 상기 자기 베어링부를 구성하는 자기 베어링 요크(yoke)를 소정간격으로 원주형상으로 배설한다. 상기 자기 베어링 요크는 상기 로터의 측면에 대향하는 2개의 돌극을 구비하고 있다. 상기 돌극들 중 하나에는 자기 베어링용 코일을 권취하고, 상기 돌극들 중 나머지 하나에는 제1 영구자석을 설치하며, 상기 모터부측에 설치된 상기 돌극과 상기 모터부의 모터 요크와의 사이에 제2 영구자석을 설치한다. 상기 자기 베어링부들 중 하나의 상기 모터부측에 설치되는 상기 돌극 전부를, 상기 자기 베어링용 코일을 권취한 돌극으로 하던지, 아니면 상기 제1 영구자석을 설치한 돌극으로 한다.

상기 자기 베어링부들 중 다른 하나의 상기 모터부측에 설치되는 상기 돌극 전부를, 상기 자기 베어링용 코일을 권취한 돌극으로 하던지, 아니면 상기 제1 영구자석을 설치한 돌극으로 한다.

상기 자기 베어링부들 중 하나의 상기 로터에 대향하여 배설되는 상기 돌극의 상기 제1 영구자석은, 상기 로터측의 자극을 동일하게 한다. 또한, 상기 모터부를 끼워 설치되고 상기 로터에 대향하여 배설되는 상기 자기 베어링부들 중 다른 하나의 상기 돌극의 상기 제1 영구자석은, 상기 자기 베어링부 중 하나의 상기 제1 영구자석의 상기 로터측의 자극과 반대인 상기 로터측의 자극을 갖는다. 또한, 상기 제2 영구자석은, 상기 동일한 자극 베어링 요크에 설치되는 상기 제1 영구자석의 상기 로터측의 자극과 동일한 상기 모터부측의 자극을 갖는다.

선택적으로, 상기 자기 베어링부들 중 하나의 상기 로터에 대향하여 배설되는 상기 돌극의 상기 제1 영구자석은, 상기 로터측의 자극을 동일하게 한다. 또한, 상기 모터부를 끼워 설치되는 상기 자기 베어링부들 중 다른 하나의 상기 로터에 대향하여 배설되는 상기 돌극의 상기 제1 영구자석은, 상기 로터측의 자극을 상기 자기 베어링부들 중 하나의 상기 제1 영구자석의 상기 로터측의 자극과 동일한 자극으로 한다.

상기 구성에 의해, 간단한 구조이지만 자기 베어링부에서의 와전류의 발생을 억제하여 로터의 회전 손실을 저감할 수 있다.

바람직하게는, 상기 모터부는, 상기 모터 요크로부터 상기 로터의 반경방향으로 돌출하고, 상기 로터와 일정한 간격을 둔 모터 요크 돌극을 구비하며, 상기 모터 요크 돌극에는 모터용 코일을 권취한다. 상기 로터의 표면에 모터용 영구자석을 설치한다.

바람직하게는, 상기 모터부는 콘시퀀트형(consequent type)으로 되어있다.

바람직하게는, 상기 제1 영구자석을 분할하여 상기 돌극에 설치한다.

바람직하게는, 상기 돌극마다 상기 자기 베어링용 코일을 권취한다.

또한, 상기 자기 베어링부에, 상기 로터의 위치를 검출하는 센서를 구비하고, 상기 센서의 계측치에 근거하여 상기 자기 베어링용 코일에 제어 전류를 공급한다.

또한, 상기에 기재한 자기부상모터를 펌프에 사용할 수도 있다.

또한, 상기 자기 베어링부로만 구성되는 자기 베어링일 수도 있다.

도 1은 실시예 1의 구조를 나타내는 사시도이다.

도 2는 제1 영구자석(8(8a∼8d)의 로터(2)측의 자극과, 제1 영구자석(8(8e∼8h))의 로터(2)측의 자극을 반대로 한 구성에서 발생하는 자속선의 방향을 나타낸 사시단면도이다.

도 3은 제1 영구자석(8(8a∼8d))의 로터(2)를 향하는 자극과, 제1 영구자석(8(8a∼8d))의 로터(2)측의 자극을 동일하게 한 구성에서 발생하는 자속선의 방향을 나타낸 사시단면도이다.

도 4는 로터의 구조를 표면자석형으로 한 경우의 X-Y 평면단면의 사시도이다.

도 5는 로터의 구조를 콘시퀀트형으로 한 때의 X-Y 평면, Z-X 평면에서 절단한 단면의 사시도이다.

도 6은 실시예 1의 제1 변형예를 나타내는 도면이다.

도 7은 실시예 1의 제2 변형예를 나타내는 도면이다.

도 8은 자기 베어링부의 제어부를 나타낸다.

도 9는 펌프가 실시예 1의 자기부상모터를 이용하여 구성된 실시예 1의 적용상태를 나타내는 도면이다.

(원리 설명)

본 발명에 따른 자기부상모터는, 로터의 측벽(내면 혹은 외면)에 배설된 자기 베어링부와 모터부를 포함한다. 또한, 본 발명에 따른 자기부상모터는 스테이터와 원주형상 혹은 원통형상의 로터를 포함하며, 그 각각이 자기 베어링과 모터로서 기능한다.

자기 베어링부는, 돌극을 향하는 로터 측면을 가지는 전자석을 등간격으로 원주형상이 되게 배설하는 구성이다.

각각의 전자석은, 영구자석(제1 영구자석)을 가지는 돌극(제2 돌극)과 자기 베어링용 코일이 권취된 돌극(제1 돌극)을 포함한다.

모터부는, 로터 측면을 향한 돌극을 가진 모터 요크와 이들 돌극에 모터용 코일을 권취한 전자석을 갖는다. 자기 베어링부의 전자석과 모터부의 전자석의 사이에 제2 영구자석을 배설한다.

여기서, 자기 베어링부의 제1 돌극과 제2 돌극은 축방향으로 나란히 배설된다. 원주형상으로 배설된 자기 베어링부의 제1 돌극의 제1 영구자석은, 동일한 자극(N 또는 S극)이 로터를 향하도록 배설된다. 자기 베어링부와 모터부 사이의 제2 영구자석은, 로터를 향한 제1 영구자석의 자극과 동일한 자극이 모터부를 향하도록 설치한다.

이에 따라, 자기 베어링부에 의해 많은 바이어스 자속을 공급하는 더블 바이어스 구조가 되어, 소형화, 고효율화를 이룰 수 있다. 또한, 자기 베어링부의 돌극의 자극은 원주방향에 있어서 동일하기 때문에 와전류 손실의 저감을 도모할 수 있다.

또한, 로터의 반경방향의 돌극에 있는 영구자석의 바이어스 자속에 의한 흡인력으로 로터의 축방향의 이동을 방지하고, 또한 로터를 특정의 위치로 설정한다. 즉, 로터가 축방향으로 수동 안정화(수동안정성)됨으로써 제어의 간략화를 도모할 수 있다.

이하 도면에 근거하여, 본 발명의 실시형태에 관하여 상세내용을 설명한다.

(실시예 1)

도 1은 본 발명의 실시예 1의 구조를 나타내는 도면이다. 자기부상모터가 스테이터(1) 및 로터(2)를 포함한다.

스테이터(1)는, 자기 베어링부와 모터부를 포함한다. 또한, 스테이터의 부호 「1」은 편의상 (후술하는) 자기 베어링 요크(3d)를 의미한다.

자기 베어링부는, 일정한 간격을 가지고 원통형상의 로터(2)의 측면(곡면)의 양측(5a, 5b)과 대향하도록 제공되어 있다.

자기 베어링부는, 자기 베어링 요크(3(3a∼3h))를 구비하고 있다. 본 실시예에서는, 자기 베어링 요크(3a)(3e)가 모터 요크(4)를 끼워 설치되고, 자기 베어링 요크(3b)(3f), 자기 베어링 요크(3c)(3g), 자기 베어링 요크(3d)(3h)가 모터 요크(4)를 끼워 설치되어 있다.

자기 베어링 요크(3(3a∼3h))는, 각각 제1 돌극(6)(6a∼6h)을 가지고 있다. 이들 자기 베어링 요크는 로터(2)의 측면의 반경방향을 향해 일정한 간격으로 원주형상으로 배설되어 있다. 또한, 자기 베어링용 코일(11(11a∼11h))은, 각각 자기 베어링 요크(3(3a∼3h))에 권취되어 있다. 또한, 제1 돌극(6(6a∼6h)에 자기 베어링용 코일(11(11a∼11h))을 각각 권취하는 것이 바람직하다. 그러나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않는다.

또한, 각 자기 베어링 요크(3(3a∼3h))는 제2 돌극(7(7a∼7h))을 각각 구비하고 있다. 제2 돌극(7(7a∼7h))은, 로터(2)의 측면의 반경방향을 향해 등간격으로 원주형상으로 배설되어 있다. 제2 돌극(7)은 제1 영구자석(8(8a∼8h))을 구비하고 있다. 제2 돌극(7)은, 각각 제1 돌극(6)에 대응하도록 설치되어 있다. 바람직하게 는, 제2 돌극(7)과 제1 돌극(6)은 평행하게 설치되는 것이 바람직하다.

또한, 자기 베어링 요크(3)에 대하여 모터부측의 돌극(도 1에서는 제2 돌극(7(7a∼7h)))과 모터부의 모터 요크(4)의 사이의 간극에 제2 영구자석(9(9a∼9h))이 배설되어 있다.

제2 돌극(7(7a∼7h))의 제1 영구자석(8(8a∼8d))은, 동일한 자극이 로터(2)와 대향하도록 배설한다. 또한, 제2 돌극(7(7e∼7h))의 제1 영구자석(8(8e∼8h))은, 동일한 자극이 로터(2)와 대향하도록 배설한다. 제1 영구자석(8(8a∼8d))과 제1 영구자석(8(8e∼8h))은, 서로 다른 자극이 로터(2)와 대향하도록 배설될 수도 있다.

제2 영구자석(9(9a∼9h))은, 제1 영구자석(8)의 로터를 향한 자극과 반대의 자극이 모터 요크(4)에 대향하도록 배설된다. 이러한 구성에 있어서, 제2 영구자석(9(9a∼9d))은, 동일한 자극이 모터 요크(4)에 대향하도록 배설된다. 또한, 제2 영구자석(9(9e∼9h))은, 동일한 자극이 모터 요크(4)에 대향하도록 배설된다. 제2 영구자석(9(9a∼9d))과 제2 영구자석(9(9e∼9h))의 모터 요크(4)에 대향하는 자극은 로터에 대향하는 제1 영구자석(8)의 자극에 따라 달라질 수 있다.

모터부에는, 일정한 간극으로 로터(2)의 측면의 중앙부(5c)와 대향하는 모터 요크(4)를 가지고 있다. 모터부의 모터 요크(4)는, 로터(2) 측면의 중앙부(5c)에 대향하는 돌극을 가지고 있다. 모터 요크(4)와 이들 돌극에 모터용 코일(12)이 권취되어 있다. 또한, 로터(2)의 중앙부(5c)에는, 모터부의 돌극에 대향하는 모터용 영구자석(10)이 배설되어 있다. 또한, 모터부는, 원통형상의 모터 요크(4)의 측면 상에서 모터용 코일(12)를 가져서 로렌쯔력(lorenz force)에 의해 구동되도록 하는 것도 가능하다.

제2 돌극(7)을 모터 요크(4)측, 제1 돌극(6)을 로터(2)의 저면측(단부측)에 배설하였다. 그러나, 이들은 반대로 배설될 수도 있다.

상기 설명한 제1 영구자석(8), 제 2 영구자석(9), 모터용 영구자석(10)에 대해서는, 예를 들면, 네오디윰-철-보론, 사마리윰-코발트, 사마리윰-철-질소 등의 강자성 재료를 사용한다. 스테이터(1)의 자기 베어링 요크(3)과 모터 요크(4), 로터(2)의 로터 요크(5)의 재질은, 예를 들면, 자성연철, 자성 스테인레스, 압분자심, 규소강판 등의 연자성 재료이다. 본 발명의 범위는 상기 재료에 한정되는 것은 아니다.

상기의 실시예에 대한 구성으로서, 제1 영구자석(8)과 제2 영구자석(9)의 자극의 방향을 변경시킴으로써, 다음과 같은 구성을 획득할 수 있다.

(자기 베어링 구성예 1)

구성예 1로서, 도 2는 제1 영구자석(8(8a∼8d))의 로터(2)측의 자극과, 제1 영구자석(8(8e∼8h))의 로터(2)측의 자극을 반대로 한 경우의 구성을 나타낸다. 이 도면은, 자속선의 방향인 A-A'로부터 본 사시단면도이다.

또한, 제2 돌극(7)을 모터 요크(4)측, 제1 돌극(6)을 로터(2)의 양단측에 배설하였다. 그러나, 제1 돌극(6)을 모터 요크(4)측, 제2 돌극(7)을 로터(2)의 양단측에 배설할 수도 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 제1 영구자석(8)의 바이어스 자속(20)은 「-제1 영구자석(8)-제2 돌극(7)-로터 요크(5)-제1 돌극(6)-」의 자로를 형성한다. 제2 영구자석(9)의 바이어스 자속(19)은 「-제2 영구자석(9)-모터 요크(4)-제2 영구자석(9)-제1 돌극(6)-로터 요크(5)-제1 돌극(6)-」의 자로를 형성한다. 자기 베어링용 코일(11)에 의한 제어자속(21)은 각각 「-자기 베어링용 코일(11)-제1 돌극(6)-로터 요크(5)-제2 돌극(7)-」의 자로를 형성한다.

제1 돌극(6)과 로터(2) 사이의 간극에는 제1 영구자석(8)과 제2 영구자석(9)의 바이어스 자속(20)(19)이 동일 방향으로 중복하여 공급된다. 제1 돌극(6)과 로터(2)와의 간극에는, 제2 돌극(7)과 로터(2) 사이의 간극에 공급되는 자속과 반대방향의 바이어스 자속이 제1 영구자석(8)에 의해 공급된다.

제1 돌극(6)과 로터(2)의 사이 및 제2 돌극(7)과 로터(2)의 사이의 간극에서 유발된 제어자속(21)의 방향은 상기 제어자속(플러스 또는 마이너스)의 방향에 의해 영향을 받는 각 바이어스 자속(19)(20)의 방향과 동일하므로, 제어자속(21)이 흐르면, 각 간극의 자속밀도가 증가하여 상기 돌극들의 방향으로 로터(2)에 작용하는 자기 흡인력이 증가한다.

역으로, 각각의 바이어스 자속(19)(20)이 제1 돌극(6)과 로터(2)의 사이 및 제2 돌극(7)과 로터(2)의 사이의 간극에서 다른 방향으로 흐르면, 각 간극의 자속밀도가 감소하여 상기 돌극들의 방향으로 로터(2)에 적용된 자기 흡인력이 감소한다.

로터(2)의 위치검출 센서(13(13a∼13h))의 계측치를 근거로 제어전류를 조정하고 자기 흡인력의 증가/감소를 제어함으로써, 로터(2)의 위치제어를 실행한다. 예를 들면, 로터(2)의 도 2의 -X 방향으로 로터(2)의 위치가 변위했을 때에는 -X측의 자기 베어링용 코일(11(11d, 11h))에서는 제1 돌극(6(6d, 6h))과 로터 요크(5) 사이의 간극과 제2 돌극(7(7d, 7h))의 로터 요크(5) 사이의 간극의 자속밀도를 감소시키는 방향으로 제어전류를 흘리고, +X 측의 자기 베어링용 코일(11(11b, 11f))에서는 제1 돌극(6(6b, 6f))과 로터 요크(5)의 사이와 제2 돌극(7(7b, 7f))의 로터 요크(5)와의 간극의 자속밀도를 증가시키는 방향으로 제어전류를 흘린다. 그 결과, 각각의 제1 돌극(6)과 제2 돌극(7)에 의한 자기 흡인력의 총합은 로터(2)가 "+X" 방향으로 이동하도록 "+X" 방향으로 로터에 적용된다.

또한, 로터(2)가 도 2의 반시계 방향으로 기울어지면, 자기 베어링 코일(11(11b, 11h))의 제어전류는 제1 돌극(6(6d, 6f)와 로터의 사이 및 제2 돌극(7(7d, 7f))과 로터의 사이의 간극의 자속밀도를 감소시키는 방향으로 제어전류를 흘린다. 그 결과, 각각의 제1 돌극(6) 및 제2 돌극(7)에 의해 유발된 자기 흡인력의 총합은 시계 방향의 토오크를 발생시켜 로터를 원래의 위치로 복귀시킨다.

이상 설명한 바와 같이, 로터(2)의 위치검출 센서(13(13a∼13h))의 계측치를 근거로 하여 각각의 자기 베어링용 코일(11)에 인가하는 제어전류의 방향과 양을 조정함으로써, 로터(2)의 반경방향의 위치 및 기울어짐을 제어할 수 있다.

또한, 제2 영구자석(9)의 바이어스 자속(19)은, 모터 요크(4)를 통과하지만 모터 요크(4)와 로터(2)와의 간극으로는 흐르지 않기 때문에, 로터(2)의 구동과 간섭하지 않는다.

(자기 베어링 구성예 2)

구성예 2로서, 도 3은 제1 영구자석(8(8a∼8d))의 로터(2)측 자극과, 제1 영구자석(8(8e∼8h))의 로터(2)측 자극을 동일하게 한 경우의 구성을 나타낸다. 이 도면은 자속선의 방향인 A-A'로부터 본 사시단면도를 나타낸다.

구성예 2에서는, 제1 영구자석(8)의 로터(2)측의 자극과 제2 영구자석(9)의 모터 요크(4)측의 자극을 모두 N극으로 하였다. 그러나, 제1 영구자석(8)의 로터(2)측의 자극과 제2 영구자석(9)의 모터 요크(4)측의 자극을 모두 S로 할 수도 있다.

또한, 제2 돌극(7)을 모터 요크(4)측, 제1 돌극(6)을 로터(2)의 양단측에 배설하였지만 제1 돌극(6)을 모터 요크(4)측, 제2 돌극(7)을 로터(2)의 양단측에 배설할 수도 있다.

도 3에서는 제1 영구자석(8)의 바이어스 자속(20)은 「-제1 영구자석(8)-제2 돌극(7)-로터 요크(5)-제1 돌극(6)-」의 자로로 된다. 제2 영구자석(9)의 바이어스 자속(19)은 각각 「-제2 영구자석(9)-모터 요크(4)-로터 요크(5)-제1 돌극(6)-」의 자로로 된다. 자기 베어링용 코일(11)에 의해 발생하는 제어자속(21)은 「-자기 베어링용 코일(11)-제1 돌극(6)-로터 요크(5)-제2 돌극(7)-」의 자로로 된다.

제1 돌극(6)과 로터(2) 사이의 간극에는, 제2 돌극(7)과 로터(2) 사이의 간극으로 공급된 자속과는 반대인 바이어스 자속이 제1 영구자석(8)에 의해 공급된다.

제1 돌극(6)과 로터(2)의 사이 및 제2 돌극(7)과 로터(2)의 사이의 간극에서 유발된 자기 베어링 코일(11)에 의해 발생된 제어자속(21)의 방향은 상기 제어자 속(플러스 또는 마이너스)의 방향에 의해 영향을 받는 각 바이어스 자속(19)(20)의 방향과 동일하므로, 제어자속(21)이 흐르면, 각 간극의 자속밀도가 증가하여 상기 돌극들의 방향으로 로터(2)에 작용하는 자기 흡인력이 증가한다. 역으로, 바이어스 자속(21)이 제1 돌극(6)과 로터(2)의 사이 및 제2 돌극(7)과 로터(2)의 사이의 간극에서 다른 방향으로 흐르면, 각 간극의 자속밀도가 감소하여 상기 돌극들의 방향으로 로터(2)에 적용된 자기 흡인력이 감소한다.

로터(2)의 위치검출 센서(13(13a∼13h))의 계측치를 근거로 제어전류를 조정하고 자기 흡인력의 증가/감소를 제어함으로써, 로터(2)의 위치제어를 실행한다. 예를 들면, 도 3의 "-X" 방향으로 로터(2)의 위치가 변위하였을 때에는 "-X"측의 자기 베어링용 코일(11(11d, 11h))에서는 제1 돌극(6(6d, 6h))과 로터(2)의 사이 및 제2 돌극(7(7d, 7h))과 로터(2) 사이의 간극의 자속밀도를 증가시키는 방향으로 제어전류를 흘리고, "+X" 측의 자기 베어링용 코일(11b, 11f)에서는 제1 돌극(6(6b, 6f))과 로터(2) 및 제2 돌극(7(7b, 7f))과 로터(2) 사이의 간극의 자속밀도를 감소시키는 방향으로 제어전류를 흘림으로써, 각각의 제1 돌극(6)과 제2 돌극에 의한 자기 흡인력의 총합은 로터(2)에 "+X" 방향으로 되어 로터(2)를 "+X" 방향으로 이동시킬 수 있다.

또한, 도 3에 있어서 로터(2)가 반시계 방향으로 기울어진 경우는, 전자석용 코일(11(11d, 11f))에서는 제1 돌극(6(6d, 6f))과 로터의 사이 및 제2 돌극(7(7d, 7f))과 로터 사이의 간극의 자속밀도를 감소시키는 방향으로 제어전류를 흘리고, 전자석용 코일(11(11b, 11h))에서는 제1 돌극(6(6b, 6h))과 로터의 사이 및 제2 돌 극(7(7b, 7h))과 로터 사이의 간극의 자속밀도를 증가시키는 방향으로 제어전류를 흘린다. 그 결과, 각각의 제1 돌극(6)과 제2 돌극(7)에 의해 발생되는 자기 흡인력의 총합은 시계방향의 토오크를 발생시켜 로터(2)를 원래의 위치로 되돌릴 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 로터(2)의 위치검출 센서(13(13a∼13h))의 계측치를 근거로 각각의 제1 돌극(6)과 제2 돌극(7)에 인가하는 제어전류(21)의 방향과 양을 조정함으로써, 로터(2)의 위치를 제어할 수 있다.

또한, 제2 영구자석(9)의 바이어스 자속(19)은 모터 요크(4)와 로터(2) 사이의 간극에도 공급된다. 이 때문에, 모터부는 제2 영구자석(9)의 바이어스 자속을 고려한 상태로 설계되어야 한다.

자기 베어링 구성예 1과 자기 베어링 구성예 2의 로터(2)에 대해서는 모터용 영구자석(10)을 이용한 표면 영구자석형, 매입 영구자석형, 콘시퀀트형 등을 채용할 수 있다. 또한, 모터용 영구자석(10)을 이용하지 않는, 스테핑 모터(stepping motor), 다람쥐장(squirrel-cage)형 모터 등도 모터부로 사용될 수 있다.

(로터(2) 구성예 1)

영구자석을 이용한 로터(2)에 대해 표면 영구자석형을 이용했을 때의 설명을 이하에서 한다.

도 4는 로터(2)의 구조를 표면 자석형으로 한 경우의 X-Y 평면단면의 사시도를 나타낸다. 도 4에서, 모터용 영구자석(10)의 자로(22)를 파선 화살표로 나타낸다. 또한, 도 4에 나타낸 모터부와 로터는, 자기 베어링 구성예 1에서 설명한 구조 를 갖는다.

자기 베어링 구성예 1의 제2 영구자석(9)에 의해 발생하는 바이어스 자속(19)은 모터 요크(4)의 돌극을 경유하여 로터(2)로는 흐르지 않으므로, 모터용 영구자석(10)에 의한 모터 구동 및 모터부의 지름 방향의 부의 강도(negative stiffness)(영구자석의 자기 흡인력에 의해 로터(2)가 모터부에 들어붙는 힘)과는 간섭하지 않는다.

또한, 자기 베어링 구성예 2의 제2 영구자석(9)에 의해 발생하는 바이어스 자속(19)은 모터 요크(4)의 돌극을 경유하여 로터(2)로 흐르고, 모터용 영구자석(10)에 의한 자속분포에 오프셋(offset)이 발생한다. 따라서, 모터 요크의 N극측의 자석과 모터 요크의 S측의 자석인 두 영구자석(10)의 크기와 보자력이 동일하면, 모터용 영구자석의 N극과 S극의 세기는 모터부의 부의 강도에 대해 서로 달라진다.

(로터(2) 구성예 2)

도 5는 로터(2)의 구조를 콘시퀀트형으로 했을 때의 X-Y 평면, Z-X 평면에서 절단한 단면의 사시도를 나타낸다. 또한, 도 5에서는, 모터용 영구자석(10)의 자로를 파선 화살표와 제2 영구자석(9)의 자로를 일점쇄선 화살표로 나타내었다. 또한, 도 5에 나타낸 자기 베어링부의 영구자석은 자기 베어링 구성예 2에서 설명한 구조를 채용한다.

콘시퀀트형에서는, N극 혹은 S극이 모터 요크(4)에 대향하도록 모터용 영구자석(10)을 로터(2)에 배설한다. 복수개의 모터용 영구자석(10)은 동일한 자극이 모터 요크(4)에 대향하도록 배설된다.

또한, 로터(2)를 둘러싸도록 영구자석을 배치하는 것 대신, 도 5에 나타낸 바와 같이 로터 요크(5)를 로터(2)의 표면에 배설한다. 본 예에서는, 4극 모터에서 서로 대향하도록 기계각으로 90도의 위치에 모터용 영구자석(10)을 배치하고 있다.

모터용 영구자석(10)으로부터 발생된 자속(24)은 모터 요크(4)로부터 로터(2)의 로터 요크(5)를 통해 모터용 영구자석(10)으로 되돌아가는 자로를 통과한다. 그 때문에, 결과적으로 모터용 영구자석(10)의 모터 요크(4)를 향하고 있는 자극(본 예에서는 N극)과는 반대의 자극(본 예에서는 S극)이 로터(2)의 표면의 로터 요크(5)와 대향한다.

콘시퀀트형에서는, 모터 요크(4)와 로터(2) 사이의 간극의 자속밀도가 영구자석 표면의 간극의 쪽보다 약간 더 높다. 따라서, 자기 베어링 구성예 2와 같이 제2 영구자석(9)을 배설한다. 제2 영구자석(9)의 모터 요크(4)를 향하고 있는 자극을, 콘시퀀트형의 로터(2)의 모터용 영구자석(10)이 모터 요크(4)를 향하고 있는 자극과 동일하게 한다. 도 5에서는 N극이 모터 요크(4)를 향하고 있다.

모터용 영구자석(10)을 통과하는 자로보다 로터(2) 표면의 로터 요크(5)를 통과하는 쪽이, 자기 저항이 작기때문에, 제2 영구자석(9)으로부터의 바이어스 자속(22)은 모터 요크(4)의 돌극으로부터 로터(2) 표면의 로터 요크(5)로 흐른다. 제2 영구자석(9)을 적절하게 설계함으로써, 모터용 영구자석(10)의 자속(24)과 제2 영구자석(9)의 바이어스 자속(22)을 근거로, 모터 요크(4)와 로터(2)의 영구자석 표면에 의해 끼워진 간극과 로터(2)의 표면의 로터 요크(5)에 의해 끼워진 간극의 자속밀도를 서로 같게 할 수 있다.

그 결과, 모터부의 반경방향의 부의 강도는 서로 균등해진다. 더욱이, 로터(2)의 표면의 로터 요크(5) 사이의 간극의 자속밀도가 증가함으로써 모터는 더 큰 토오크를 생성할 수 있다.

또한, 자기 베어링 구성예 1에서와 같이 영구자석을 배치하면, 제 2 영구자석(9)로부터의 바이어스 자속은 모터 요크(4) 돌극을 경유하여 로터(2)로는 흐르지 않으므로, 모터부의 부의 강도는 모터용 영구자석(10)이 있는 곳과 없는 곳에서 세기가 달라져 버린다.

(변형예 1)

도 6은 실시예 1의 변형예 1을 나타낸다. 자기 베어링부와 로터(2) 사이의 간극 이외에서의 자기회로로부터의 자속의 누설을 고려하여, 이하와 같이 구성을 변경함으로써 자기지지 성능을 향상시킬 수 있다.

제 1 영구자석(8)의 각각을 분할하여 각 제1 돌극(6(6a∼6h))와 제2 돌극(7(7a∼7h))의 로터(2)에 대향하는 표면과, 제2 돌극(7(7a∼7h))의 근원부에 영구자석을 배설한다. 도 6에서는, 각 제1 돌극(6(6a∼6h))에 제1 영구자석(8(8i∼8p))를 설치하고 있다. 또한, 각 제2 돌극(7(7a∼7h))에 제1 영구자석(8(8a∼8h, 8q∼8x))을 설치하고 있다.

또한, 복수의 제1 영구자석(8)을 돌극들상의 어느 곳에라도 배설할 수 있지만, 제1 돌극(6) 상의 영구자석과 제2 돌극(7) 상의 로터(2)에 대향하는 영구자석의 자극은 서로 반대방향으로 하고, 동일한 돌극 상의 영구자석의 자극은 동일방향 으로 한다.

또한, 바람직하게는 돌극 표면에 영구자석을 설치한 쪽이 좋지만, 영구자석의 배설을 한정하는 것은 아니다.

또한, 본 예에서는 제1 영구자석(8)을 분할하여 제1 돌극(6(6a∼6h))과 제2 돌극(7(7a∼7h))에 제1 영구자석(8(8i∼8x))을 새로 설치하고 있다. 그러나, 제1 돌극(6(6a∼6h))의 제1 영구자석(8(8i∼8x)) 혹은 제2 돌극(7(7a∼7h))의 제1 영구자석(8(8q∼8x))만을 새로 설치하여도 자기지지력이 증대된다.

더욱이, 변형예 1에서는 자기 베어링용 코일(11)이 분할되어 제1 돌극(6)과 제2 돌극(7)에 감겨져 있다. 도 6에서는, 제2 돌극(7(7a∼7h))에도 자기 베어링용 코일(11(11i∼11p))을 감고 있다.

(변형예 2)

도 7은 실시예 1의 변형예를 나타낸다. 모터 요크(4)를 제거하고 축방향으로 정렬된 전자석들 사이에 제2 영구자석(9)을 배설한 더블 바이어스 자기 베어링을 나타낸다. 자기 베어링부의 제1 영구자석(8(8a∼8d))의 로터(2)를 향하는 자극과 제1 영구자석(8(8a∼8h))의 로터(2)를 향하는 자극을 서로 반대의 자극으로 하고, 제2 영구자석(9)을 양단의 자기 베어링부의 전자석(전자석은 제1 돌극(6)과 제2 돌극(7)과 제1 영구자석(8)과 자기 베어링용 코일(11)로 구성된다)의 사이에 각각의 전자석의 제1 영구자석(8)의 로터(2)를 향하는 자극과 반대의 자극을 로터(2)와 대향하도록 배설한다. 모터의 기능은 없지만, 자기 베어링으로서의 기능은 실시예 1과 동등한 성능을 가진다. 또한, 로터(2)의 일부가 자기 커플링을 가짐으로써, 외 부의 모터에 의해 회전되는 것도 가능하다.

(자기 베어링부의 제어부)

도 8은 실시예 1의 자기 베어링부의 제어부를 나타낸다. 로터(2)의 반경방향 위치는 반경방향으로 특정의 위치에 배설한 위치검출 센서(13(13a∼13h))에 의해 검출된다. 로터 전체와 대향하는 자기 베어링용 코일(11)은 반대방향으로 각 돌극에 권취되어 결선되는 파워 앰프(power amplifiers)에 연결되어 있다. 실시예 1에서는, 각각의 자기 베어링부의 자기 베어링용 코일(11) 사이의 공간에 일정한 간격으로 위치검출 센서(13)을 8개 배설하였다. 각각의 위치검출 센서(13)의 대향하는 2개의 위치검출 센서(13)의 출력의 차를 연산기(81∼84)에 의해 검출한다.

제어기(85)에서는, 연산기(81∼84)의 출력을 근거로 위치검출 센서(13)에 의해 계측한 좌표치가, 자기 베어링용 코일(11)의 제어좌표로 변환되고, 자기 베어링용 코일(11)에 인가하는 전류값을, PID 제어 등을 이용하여 계산한다. 자기 베어링용 코일(11)에 인가하는 전류치의 지령을 제어기(85)로부터 파워 앰프(86∼89)에 부여하고, 자기 베어링용 코일(11)에 전류가 인가되어, 로터(2)의 위치를 제어한다.

상기 구성을 채용함으로써, 검출감도와 직선성의 향상과, 검출범위의 확대를 도모할 수 있다. 바람직하게는 서로 대향하는 2개의 위치검출 센서(13)에 의한 차동검출이 수행되는 것이 바람직하다. 그러나, 1개의 센서만으로도 검출과 제어가 가능하다.

자기 베어링 구성예 1, 자기 베어링 구성예 2, 변형예 2에서는 자기 베어링 용 코일(11)이 8개 이용되고 있지만, 로터상에서 서로 대향하는 자기 베어링용 코일(11)을 반대방향으로 각 돌극에 권치함으로써 파워 앰프는 4개만으로 자기 베어링의 제어를 하는 것이 가능하게 되어 있다.

변형예 1에서는 자기 베어링용 코일(11)이 16개 이용되고 있지만, 제1 돌극의 자기 베어링용 코일(11)과 제2 돌극의 자기 베어링용 코일(11)을 권취하는 방향은 서로 반대방향으로 한다. 이들 자기 베어링용 코일(11)은 제1 및 제2 돌극에 권취되어 있어 로터상에서 서로 대향하도록 배치된 제1 돌극과 제2 돌극 사이에서 권취 방향이 반대이다. 그리고, 이들 자기 베어링용 코일(11)을 연결함으로써 파워 앰프는 4개만으로 자기 베어링의 제어를 하는 것이 가능하게 되어 있다.

또한, 더 많은 수의 파워 앰프를 필요로 하지만, 각각의 자기 베어링용 코일마다 파워 앰프를 사용할 수 있다.

(응용예 1)

도 9는 실시예 1의 자기부상모터를 이용하여 펌프가 구성된 응용예 1을 나타낸다. 도 9는 단면도이다.

본 예에서는, 수지나 비자성의 금속 등으로 로터(2)를 피복하고, 로터(2)의 일단에 수지나 비자성의 금속 등으로 임펠러(15)를 형성한다.

스테이터(1)는, 수지나 비자성의 금속 등으로 만들어진 펌프 케이싱(16)을 덮고 있다. 그리고, 로터(2) 및 임펠러(15)를 일정한 간격을 가지도록 한 펌프 케이싱(16)의 내부에 배치하고 있다.

또한, 본 발명 범위는 상기 실시의 형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 개량, 변경이 가능하다.

Claims (10)

1. 자기 베어링부와 모터부를 가지는 스테이터와 상기 스테이터에 설치되는 로터를 포함하는 자기부상모터로서,

   상기 스테이터는 2개의 상기 자기 베어링부의 사이에 상기 모터부를 가지고,

   상기 로터의 측면에 일정한 간극을 두고 상기 자기 베어링부를 구성하는 자기 베어링 요크를 일정한 간격으로 원주형상으로 배설하고,

   상기 자기 베어링 요크는 상기 로터의 측면에 대향하는 2개의 돌극을 가지고, 상기 돌극들 중 하나에 자기 베어링용 코일을 권취하고, 상기 돌극들 중 나머지 하나에 제1 영구자석을 설치하며, 상기 모터부에 설치된 상기 돌극과 상기 모터부의 모터 요크와의 사이에 제2 영구자석을 설치하고,

   상기 자기 베어링부들 중 하나의 상기 모터부에 설치되는 상기 돌극 전부를, 상기 자기 베어링용 코일을 권취한 돌극으로 하던지, 아니면 상기 제1 영구자석을 설치한 돌극으로 하며,

   상기 자기 베어링부들 중 나머지 하나의 상기 모터부에 설치되는 상기 돌극 전부를, 상기 자기 베어링용 코일을 권취한 돌극으로 하던지, 아니면 상기 제1 영구자석을 설치한 돌극으로 하는 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 자기 베어링부들 중 하나의 상기 로터에 대향하여 배설되는 상기 돌극의 상기 제1 영구자석은, 상기 로터 상에서 동일한 자극을 가지고,

   상기 자기 베어링부들 중 나머지 하나의 상기 로터에 대향하여 배설되고 상기 모터부를 끼워 설치되는 상기 돌극의 상기 제1 영구자석은, 상기 자기 베어링부들 중 하나의 상기 제1 영구자석의 상기 로터의 자극과 반대인 상기 로터의 자극을 가지며,

   상기 제2 영구자석은, 상기 자기 베어링 요크에 설치되는 상기 제1 영구자석의 상기 로터의 자극과 동일한 상기 모터부의 자극을 가지는 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
3. 제1항에 있어서,

   상기 자기 베어링부들 중 하나의 상기 로터에 대향하여 배설되는 상기 돌극의 상기 제1 영구자석은, 상기 로터 상에서 동일한 자극을 가지고,

   상기 모터부를 끼워 설치되고 상기 자기 베어링부들 중 다른 하나의 상기 로터에 대향하여 배설되는 상기 돌극의 상기 제1 영구자석은, 상기 자기 베어링부들 중 하나의 상기 제1 영구자석의 상기 로터의 자극과 동일한 상기 로터의 자극을 가지며,

   상기 제2 영구자석은, 상기 자기 베어링 요크에 설치되는 상기 제1 영구자석의 상기 로터의 자극과 동일한 상기 모터부의 자극을 가지는 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 모터부는,

   상기 모터 요크로부터 상기 로터의 반경방향으로 돌출하고, 상기 로터와 일정한 간극을 둔 모터 요크 돌극을 가지되, 상기 모터 요크 돌극에는 모터용 코일을 권취하고,

   상기 로터의 표면에 모터용 영구자석을 설치한 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
5. 제4항에 있어서,

   상기 모터부는 콘시퀀트(consequent)형으로 하는 것을 특징으로 하는 자기부상모터.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항, 제2항, 제3항 또는 제5항에 기재된 자기부상모터를 이용한 펌프.
10. 삭제

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