KR101076129B1 - hybrid thrust bearing - Google Patents

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KR101076129B1
KR101076129B1 KR1020090053554A KR20090053554A KR101076129B1 KR 101076129 B1 KR101076129 B1 KR 101076129B1 KR 1020090053554 A KR1020090053554 A KR 1020090053554A KR 20090053554 A KR20090053554 A KR 20090053554A KR 101076129 B1 KR101076129 B1 KR 101076129B1
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박정훈
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Abstract

이 발명은, 서로 다른 방식의 베어링인 공기 정압 베어링과 자기 베어링을 결합시켜서 두 베어링의 장점을 활용하고 단점을 보완할 수 있으며, 비자성체로 이루어진 공기 정압 베어링 노즐을 코일의 앞쪽에 배치하여 공기 정압 베어링 강성을 최대화할 수 있는, 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링에 관한 것으로서,According to the present invention, the air static pressure bearing and the magnetic bearing, which are different types of bearings, can be used to take advantage of the two bearings and to compensate for the disadvantages. Regarding air and magnetic hybrid thrust bearings that can maximize bearing stiffness,

주축의 일부에 형성되어 있는 디스크의 전후면에 설치되며 내부의 코일을 이용하여 자력을 발생시키는 자기 베어링과, 비자성체로 이루어져 있으며 공압공급부를 통해 인가되는 공압을 분사하기 위한 공기 정압 베어링 노즐이 형성되어 있으며 상기한 코일의 앞쪽에 배치되어 커버 역할을 하는 공기정압 베어링 오리피스와, 상기한 자기 베어링에 일체형으로 설치되어 있으며 주축의 변위를 측정하기 위한 변위센서를 포함하여 이루어진다.It is installed on the front and rear surfaces of the disk formed on a part of the main shaft, and it consists of a magnetic bearing that generates magnetic force by using an internal coil and an air static pressure bearing nozzle for injecting pneumatic pressure applied through the pneumatic supply part. And an air static bearing orifice disposed in front of the coil and serving as a cover, and integrally installed in the magnetic bearing and including a displacement sensor for measuring displacement of the main shaft.

주축, 디스크, 자기 베어링, 공기정압 베어링, 변위센서 Spindle, disc, magnetic bearing, pneumatic bearing, displacement sensor

Description

공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링{hybrid thrust bearing}Air and magnetic hybrid thrust bearing

이 발명은 스러스트 베어링에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 서로 다른 방식의 베어링인 공기 정압 베어링과 자기 베어링을 결합시켜서 두 베어링의 장점을 활용하고 단점을 보완할 수 있으며, 비자성체로 이루어진 공기 정압 베어링 노즐을 코일의 앞쪽에 배치하여 공기 정압 베어링 강성을 최대화할 수 있는, 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링에 관한 것이다.The present invention relates to a thrust bearing, and more specifically, a combination of air bearings and magnetic bearings, which are different types of bearings, to take advantage of the two bearings and to compensate for the disadvantages. Air and magnetic hybrid thrust bearings, which can be placed in front of the coil to maximize air static bearing stiffness.

스러스트 베어링이란 회전축의 축방향 하중을 지지하기 위한 베어링을 말한다. Thrust bearing refers to a bearing for supporting an axial load of a rotating shaft.

공작기계의 회전축에 사용되는 스러스트 베어링으로서는, 볼, 로울러 등과 같은 전동체를 사용하는 구름 베어링을 비롯하여, 고압의 압축공기를 이용하여 회전축을 부상시키는 공기정압 베어링과, 공기정압 베어링과 유사한 구조를 가지면서 고압의 유체를 이용하여 회전축을 부상시키는 유정압 제어링과, 전자석을 이용한 자기 베어링 등이 있다.Thrust bearings used for rotating shafts of machine tools include rolling bearings using rolling elements such as balls and rollers, air static bearings that float the rotating shafts using high pressure compressed air, and structures similar to air static bearings. In addition, there is a hydrostatic pressure control ring that floats a rotating shaft using high pressure fluid, and a magnetic bearing using an electromagnet.

도 1은 일반적인 구름 베어링의 설치 구조도이다.1 is a structural diagram of a typical rolling bearing installation.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이 일반적인 구름 베어링은, 주축(10)의 일부 에 형성되어 있는 디스크(10a)의 전후면이 볼 또는 로울러와 같은 강체의 전동체(11)에 의해서 축방향으로 지지되는 구조로 이루어진다.As shown in FIG. 1, in the general rolling bearing, the front and rear surfaces of the disk 10a formed on a part of the main shaft 10 are axially supported by a rigid body 11 of a rigid body such as a ball or a roller. Made of structure.

상기한 구조에 의한 일반적인 구름 베어링은, 강성이 높고, 구조가 간단하며, 가격이 저렴한 장점이 있다. The general rolling bearing according to the above structure has the advantages of high rigidity, simple structure, and low cost.

그러나 상기한 구름 베어링은, 고속운전중 마찰 손실이 크고, 발열에 의해 정밀도가 저하되며, 전동체(11)에 의한 미소 진동이 발생하고, 회전 궤적이 일정하지 않아 비동기 회전오차(asynchronous error motion)가 커서 초정밀 응용분야에는 적합하지 않은 문제점이 있다.However, the rolling bearing has a large friction loss during high speed operation, a decrease in accuracy due to heat generation, minute vibration caused by the rolling element 11, and a rotational trajectory is not constant, thereby causing asynchronous error motion. There is a problem because of its large size, which is not suitable for ultra precision applications.

도 2는 일반적인 공기 정압 베어링의 설치 구조도이다. 2 is a diagram illustrating an installation of a general air static bearing.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 일반적인 공기정압 베어링은, 주축(20)의 일부에 형성되어 있는 디스크(20a)의 전후면에 노즐(21)을 통하여 고압(5~10bar)의 압축공기를 공급함으로써 주축(20)을 축방향으로 부상시켜서 주축(20)을 비접촉 지지하는 구조로 이루어진다. As shown in FIG. 2, a general air hydrostatic bearing supplies compressed air of high pressure (5 to 10 bar) through the nozzle 21 to the front and rear surfaces of the disk 20a formed on a part of the main shaft 20. As a result, the main shaft 20 is floated in the axial direction, and the main shaft 20 is non-contacted.

참고로, 상기한 바와 같은 공기 정압 베어링의 일예로서, 공기를 베어링 매체로 사용함으로써 비접촉에 의해 고속에서도 반영구적 수명을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 발열이 적고, 정숙한 운전이 가능하여 가공물의 표면조도를 향상시키고, 정밀한 가공을 가능하게 하기 위한 기술이 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-0878119호(공고일자 2009년 1월 14일)의 "밀링가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치"에서 개시된 바 있다. For reference, as an example of the air static pressure bearing as described above, by using air as a bearing medium, not only the semi-permanent life can be obtained at high speed by non-contacting, but also the heat generation is low and the quiet operation is possible, thereby improving the surface roughness of the workpiece. Techniques for improving and enabling precision machining have been disclosed in Korean Patent Publication No. 10-0878119 (published date 14 January 2009) of "Air static pressure bearing device for high speed spindle for milling".

상기한 구조에 의한 일반적인 공기정압 베어링은, 회전중 마찰 저항이 매우 작고 발열도 적기 때문에 고속회전이 가능하며, 또한 평균화 효과에 의해 회전/이송 정도가 매우 높고, 동적 안정성도 우수한 장점이 있다.The general air static bearing according to the above-described structure is capable of high-speed rotation because the frictional resistance during rotation is very small and the heat generation is low, and the rotation / feeding degree is very high and the dynamic stability is also excellent due to the averaging effect.

그러나, 상기한 공기정압 베어링은, 압축 공기로 지지되기 때문에 정강성과 부하용량이 작으며, 고속회전시 불안정한 거동을 보이는 단점이 있다.However, the above-mentioned air static bearing has a disadvantage in that it is supported by compressed air and thus has low static rigidity and load capacity, and shows unstable behavior at high speed.

유정압 베어링은 도 2에 도시되어 있는 일반적인 공기 정압 베어링과 유사한 구조를 갖는다.The hydrostatic bearing has a structure similar to the general air hydrostatic bearing shown in FIG.

상기한 구조의 유정압 베어링은, 압축 공기 대신에 오일과 같은 비압축성 유체를 베어링 틈새에 공급하여 회전축을 부상시키는 베어링으로서 공급압력이 공압에 비해 상대적으로 매우 크기 때문에 강성이 비교적 크고 정밀도가 아주 높은 장점이 있다.The hydrostatic bearing of the above structure is a bearing that floats the rotating shaft by supplying an incompressible fluid such as oil to the bearing gap instead of compressed air, and has a relatively high rigidity and a very high precision because the supply pressure is relatively large compared to the pneumatic pressure. There is this.

그러나, 상기한 유정압 베어링은, 유체의 점성이 커서 고속회전시 유체전단에 의한 열이 발생하여 회전속도에 제한을 받는 문제점이 있다.However, the hydrostatic bearing has a problem in that the viscosity of the fluid is large and heat is generated by the fluid shear during high speed rotation, thereby limiting the rotation speed.

도 3은 일반적인 자기 베어링의 설치 구조도이다.3 is a diagram illustrating an installation structure of a general magnetic bearing.

도 3에 도시되어 있는 바와 같이 일반적인 자기 베어링은, 주축(30)의 일부에 형성되어 있는 디스크(30a)의 전후면에 영구자석 또는 전자석(31)을 이용하여 자력을 인가함으로써 자기적인 힘에 의해 주축(30)을 비접촉 지지하는 구조로 이루어진다. 또한, 일반적인 자기 베어링은, 주로 흡인력을 이용하므로 베어링의 안정화를 위해 변위센서를 이용하여 위치제어를 하는 구조로 이루어진다. As shown in FIG. 3, a general magnetic bearing is applied by a magnetic force by applying a magnetic force using the permanent magnet or the electromagnet 31 to the front and rear surfaces of the disk 30a formed on a part of the main shaft 30. It is made of a structure for non-contact support of the main shaft (30). In addition, since the general magnetic bearing mainly uses suction force, the magnetic bearing has a structure that performs position control using a displacement sensor to stabilize the bearing.

참고로, 상기한 바와 같은 자기 베어링의 일예로서, 전자석과 영구자석의 자기장의 경로를 분리하여 전자석이 부상체의 위치 제어만을 담당하고 영구자석이 편 향 자기장을 형성하도록 하여 편향전류를 흘리지 않으면서 변위 강성 및 전류 강성을 가지도록 하는 스러스트 자기 베어링 시스템에 관한 기술이 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2009-0028327(공개일자 2009년 3월 18일)의 "스러스트 자기 베어링 시스템"에서 개시된 바 있다. For reference, as an example of the magnetic bearing as described above, by separating the path of the magnetic field of the electromagnet and the permanent magnet so that the electromagnet only controls the position of the floating body and the permanent magnet to form a deflection magnetic field without flowing the deflection current Techniques for a thrust magnetic bearing system to have displacement stiffness and current stiffness have been disclosed in "Thrust magnetic bearing system" of Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0028327 (published March 18, 2009).

상기한 구조의 자기 베어링은 베어링 틈새를 크게 설정할 수 있기 때문에 공기 정압 베어링 이상으로 고속 회전 및 이송이 용이하다. 또한 피드백용 변위센서에 의해 운전중의 부하 이상을 감시할 수 있는 등의 특징을 갖는다. Since the magnetic bearing of the above structure can set a large bearing clearance, it is easy to rotate and feed at a high speed beyond the air static bearing. In addition, the feedback displacement sensor can monitor the abnormal load during operation.

그러나, 상기한 바와 같은 자기 베어링은, 공기 정압 베어링 또는 유정압 베어링에 비해 회전 정밀도가 정밀하지 못한 문제점이 있고, 강성을 높이기 위해서는 복잡한 제어기법이 필요한 문제점이 있고, 또한 위치제어를 수행하기 위해 기존의 프로브식 변위센서를 사용하게 되면 측정면(회전축)의 표면 오차 성분이 변위 신호에 포함되어 정밀한 위치제어에 한계점을 지니게 되는 문제점이 있다.However, the magnetic bearing as described above has a problem that the rotational accuracy is not as accurate as that of the air hydrostatic bearing or the hydrostatic bearing, and there is a problem that a complicated control method is required to increase the rigidity, and also to perform the position control. When the probe type displacement sensor is used, the surface error component of the measurement surface (rotational axis) is included in the displacement signal, which has a problem in that it has a limit point for precise position control.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 서로 다른 방식의 베어링인 공기 정압 베어링과 자기 베어링의 결합시켜서 두 베어링의 장점을 활용하고 단점을 보완할 수 있는, 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링을 제공하는 데 있다. An object of the present invention is to solve the conventional problems as described above, by combining the air static pressure bearings and the magnetic bearings of different manners, which can take advantage of the two bearings and compensate for the disadvantages, air and magnetic To provide a hybrid thrust bearing.

본 발명의 다른 목적은, 비자성체로 이루어진 공기 정압 베어링 노즐을 코일의 앞쪽에 배치하여 공기 정압 베어링 강성을 최대화할 수 있는, 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링을 제공하는 데 있다. It is another object of the present invention to provide an air and magnetic hybrid thrust bearing which can arrange an air static pressure bearing nozzle made of a non-magnetic material in front of the coil to maximize the air static pressure bearing rigidity.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 주축의 일부에 형성되어 있는 디스크의 전후면에 설치되며 내부의 코일을 이용하여 자력을 발생시키는 자기 베어링과, 비자성체로 이루어져 있으며 공압공급부를 통해 인가되는 공압을 분사하기 위한 공기 정압 베어링 노즐이 형성되어 있으며 상기한 코일의 앞쪽에 배치되어 커버 역할을 하는 공기정압 베어링 오리피스와, 상기한 자기 베어링에 일체형으로 설치되어 있으며 주축의 변위를 측정하기 위한 변위센서를 포함하여 이루어진다.As a means for achieving the above object, the configuration of the present invention is provided on the front and rear surfaces of the disk formed on a part of the main shaft and consists of a magnetic bearing for generating a magnetic force using an internal coil, and a non-magnetic material, and pneumatic supply An air static pressure bearing nozzle for injecting the pneumatic pressure applied through the air is formed and is disposed in front of the coil to cover the air static pressure bearing orifice, which is integrally installed in the magnetic bearing and measures the displacement of the main shaft. It comprises a displacement sensor for.

이 발명의 구성은, 상기한 공기정압 베어링 오리피스의 노즐의 위치는 다음 수식에 의해 결정되는 구조로 이루어진다. The configuration of the present invention has a structure in which the position of the nozzle of the air static bearing orifice described above is determined by the following equation.

r = (ri + ro)/2 또는 r = √(ri × ro)r = (r i + r o ) / 2 or r = √ (r i × r o )

여기서, ri 는 공기정압 베어링의 내경이고, ro는 공기정압 베어링의 외경이다. Where r i is the inner diameter of the air static bearing and r o is the outer diameter of the air static bearing.

이 발명의 구성은, 상기한 공기정압 베어링 오리피스는 비자성체 코팅층으로 코팅되며, 자기 베어링의 자성체 자극 사이에 압입되며, 공압에 의한 분리를 막기 위해 열경화성 에폭시로 고정되는 구조로 이루어진다.The configuration of the present invention, the air static bearing orifice is coated with a non-magnetic coating layer, indented between the magnetic poles of the magnetic bearing, and made of a structure that is fixed with a thermosetting epoxy to prevent separation by pneumatic.

이 발명의 구성은, 상기한 변위센서는 정전 용량형으로 이루어지며, 센서 전극과, 가드 전극과, 접지 전극을 포함하여 이루어지고, 각각의 전극은 열경화성 에 폭시로 절연 및 고정되는 구조로 이루어진다. The configuration of the present invention, the displacement sensor is made of a capacitive type, and comprises a sensor electrode, a guard electrode, and a ground electrode, each electrode is made of a structure that is insulated and fixed in a thermosetting epoxy.

이 발명은, 서로 다른 방식의 베어링인 공기 정압 베어링과 자기 베어링을 결합시켜서 두 베어링의 장점을 활용하고 단점을 보완할 수 있으며, 비자성체로 이루어진 공기 정압 베어링 노즐을 코일의 앞쪽에 배치하여 공기 정압 베어링 강성을 최대화할 수 있는, 효과를 갖는다.According to the present invention, the air static pressure bearing and the magnetic bearing, which are different types of bearings, can be used to take advantage of the two bearings and to compensate for the disadvantages. It has an effect that can maximize the bearing rigidity.

이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings in order to describe in detail enough to enable those skilled in the art to easily carry out the present invention. . Other objects, features, and operational advantages, including the purpose, operation, and effect of the present invention will become more apparent from the description of the preferred embodiments.

참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.For reference, the embodiments disclosed herein are only presented by selecting the most preferred embodiment in order to help those skilled in the art from the various possible examples, the technical spirit of the present invention is not necessarily limited or limited only by this embodiment Rather, various changes, additions, and changes are possible within the scope without departing from the spirit of the present invention, as well as other equivalent embodiments.

도 4는 이 발명의 일실시예에 따른 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링 의 설치 구조도이다.4 is an installation structure diagram of an air and magnetic hybrid thrust bearing according to an embodiment of the present invention.

도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일실시예에 따른 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링의 구성은, 주축(58)의 일부에 형성되어 있는 디스크(50)의 전후면에 설치되며 내부의 코일(52)을 이용하여 자력을 발생시키는 자기 베어링(51)과, 비자성체로 이루어져 있으며 공압공급부(54)를 통해 인가되는 공압을 분사하기 위한 공기 정압 베어링 노즐이 형성되어 있으며 상기한 코일(52)의 앞쪽에 배치되어 커버 역할을 하는 공기정압 베어링 오리피스(53)와, 상기한 자기 베어링(51)에 일체형으로 설치되어 있으며 주축(58)의 변위를 측정하기 위한 변위센서(55, 56, 57)을 포함하여 이루어진다.As shown in Figure 4, the configuration of the air and magnetic hybrid thrust bearing according to an embodiment of the present invention is installed on the front and rear surfaces of the disk 50 formed on a part of the main shaft 58, the coil inside A magnetic bearing 51 for generating a magnetic force by using a 52 and an air constant pressure bearing nozzle for injecting pneumatic pressure applied through the pneumatic supply part 54 are formed, and the coil 52 is formed. Pneumatic hydrostatic bearing orifice 53 disposed at the front of the cover and integrally installed on the magnetic bearing 51, the displacement sensor (55, 56, 57) for measuring the displacement of the main shaft (58) It is made, including.

비설명부호 59는 스페이서이다.Reference numeral 59 is a spacer.

상기한 공기정압 베어링 오리피스(53)는 비자성체 코팅층(62)으로 코팅되며, 자기 베어링(51)의 자성체 자극 사이에 압입되며, 공압에 의한 분리를 막기 위해 열경화성 에폭시(61)로 고정된다.The air static bearing orifice 53 is coated with a nonmagnetic coating layer 62, is pressed between the magnetic poles of the magnetic bearing 51, and is fixed with a thermosetting epoxy 61 to prevent separation by pneumatic.

상기한 변위센서(55, 56, 57)는 정전 용량형으로 이루어지며, 센서 전극(55)과, 가드 전극(56)과, 접지 전극(57)을 포함하여 이루어지고, 각각의 전극은 열경화성 에폭시(61)로 절연 및 고정된다. The displacement sensors 55, 56, and 57 are formed in a capacitive type, and include a sensor electrode 55, a guard electrode 56, and a ground electrode 57, and each electrode is a thermosetting epoxy. 61 is insulated and fixed.

상기한 구성에 의한, 이 발명의 일실시예에 따른 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링의 작용은 다음과 같다.By the above configuration, the action of the air and magnetic hybrid thrust bearing according to an embodiment of the present invention is as follows.

공압공급부(54)를 통해 인가되는 압축공기가 자기 베어링(51)의 코일(52)을 거쳐서 공기정압 베어링 오리피스(53)의 노즐을 통해 분사됨으로써 베어링과 주축(58) 사이의 틈새로 공급된다. 공기정압 베어링의 간극은 8~12㎛ 정도이다.Compressed air applied through the pneumatic supply unit 54 is injected through the nozzle of the air static bearing orifice 53 through the coil 52 of the magnetic bearing 51 is supplied to the gap between the bearing and the main shaft (58). The clearance of air hydrostatic bearing is about 8-12㎛.

공기 정압 베어링의 강성을 최대화하기 위하여 공기정압 베어링 오리피 스(53)의 노즐의 최적의 위치는 아래와 같다. In order to maximize the rigidity of the air static bearing, the optimum position of the nozzle of the air static bearing orifice 53 is as follows.

r = (ri + ro)/2 또는 r = √(ri × ro)r = (r i + r o ) / 2 or r = √ (r i × r o )

여기서, ri 는 공기정압 베어링의 내경이고, ro는 공기정압 베어링의 외경이다. 이와 같은 설계를 위하여 자기 베어링(51)의 전자석의 극사이에 비자성체의 공기정압 베어링 오리피스(53)를 억지 끼워맞춤으로 삽입하여 열경화성 에폭시(61)로 소결, 고정한다.Where r i is the inner diameter of the air static bearing and r o is the outer diameter of the air static bearing. For such a design, a non-magnetic air static bearing orifice 53 is forcibly fitted between the poles of the electromagnet of the magnetic bearing 51 and sintered and fixed with a thermosetting epoxy 61.

공기 정압 베어링의 관점에서 보면, 공기 정압 베어링은 무마찰 베어링이기때문에 고속회전, 이송이 가능하고, 베어링의 표면의 평활화효과로 인해 초정밀회전 및 이송을 가능하게 한다.From the standpoint of air static bearings, air static bearings are frictionless bearings, allowing high speed rotation and transport, and ultra-precision rotation and transport due to the smoothing effect of the bearing surface.

그러나, 공기 정압 베어링은 공기역학적 특성(하중의 직각 방향에 대한 음의 강성)때문에 고속회전시 불안정성을 나타내며, 구름 베어링에 비해 강성이 작다는 단점을 지니고 있다.However, pneumatic hydrostatic bearings exhibit instability at high speeds due to their aerodynamic properties (negative stiffness in the direction perpendicular to the load) and have the disadvantage of being less rigid than rolling bearings.

이러한 공기 정압 베어링에 능동형 베어링인 자기 베어링(51)을 결합시키면 자기베어링(51)의 코일(52)에 인가되는 전류를 제어하여 베어링의 감쇠(미분제어)를 증가시킬수 있어, 공기 정압 베어링의 불안정성을 극복할 수 있다. When the magnetic bearing 51, which is an active bearing, is coupled to the air static bearing, the current applied to the coil 52 of the magnetic bearing 51 can be controlled to increase the attenuation (differential control) of the bearing, resulting in instability of the air static bearing. Can overcome.

또한, 공기 정압 베어링의 강성은 베어링사이의 간극에 반비례하고, 간극이 작을수록 강성이 기하급수적으로 증가하기 때문에, 자기 베어링(51)의 위치제어를 이용하여 주축(58)과 베어링간의 간극을 작게 하면 공기 정압 베어링의 강성을 극대화할 수 있다. In addition, since the rigidity of the air static bearing is inversely proportional to the gap between the bearings, and the smaller the gap, the rigidity increases exponentially, so that the gap between the main shaft 58 and the bearing is reduced by using the position control of the magnetic bearing 51. This can maximize the rigidity of the air static bearing.

공기 정압 베어링은 베어링의 초기 부상력 및 기초 강성 및 감쇠를 제공하고, 높은 회전 정밀도를 얻을 수 있게 하며, 정전과 같은 상황에 자게 베어링(51)의 보조 베어링 역할을 담당한다.The air static pressure bearing provides the initial flotation force and the basic stiffness and damping of the bearing, enables to obtain high rotational accuracy, and serves as an auxiliary bearing of the bearing 51 in situations such as power failure.

자기 베어링(51)의 관점에서 살펴 보면, 자기 베어링(51)은 능동제어가 가능한 베어링으로서 전자석 영구자석, 초전도체등을 이용하여 회전체를 자기력으로 부상시켜 주축(58)을 비접촉으로 지지할 수 있는 베어링이다. 주로 제작의 편의성 및 제어 편의성등의 이유로 인해 전자석 코일(52)을 이용한 자기 베어링(51)이 사용된다From the perspective of the magnetic bearing 51, the magnetic bearing 51 is a bearing capable of active control, which is capable of supporting the main shaft 58 in a non-contact manner by floating the rotor by magnetic force using an electromagnet permanent magnet, a superconductor, or the like. Bearing. The magnetic bearing 51 using the electromagnet coil 52 is mainly used due to the convenience of manufacturing and control convenience.

이러한 자기 베어링(51)의 전자석 코일(52)에 인가되는 전류는 다음과 같이 표현된다.The current applied to the electromagnet coil 52 of the magnetic bearing 51 is expressed as follows.

I = Ibias + Icontrol I = I bias + I control

여기서, Ibias는 편향전류로 자기부상의 대상이 되는 회전체의 중량 및 제어전류의 가감을 위해 미리 자기 베어링(51)의 코일(52)에 인가하는 전류이다. 이러한 편향전류로 인해 자기 베어링(51)의 크기가 커지고 베어링의 발열이 증가하여 회전축 시스템의 정밀도에 영향을미친다.Here, I bias is a current that is applied to the coil 52 of the magnetic bearing 51 in advance in order to add or subtract the weight and the control current of the rotating body which is the object of magnetic injury by the deflection current. This deflection current increases the size of the magnetic bearing 51 and increases the heat generation of the bearing, which affects the precision of the rotating shaft system.

또한, 자기 베어링(51)은 갑작스러운 정전이나 제어불능에 대비하여 보통의 경우 구름요소의 보조베어링(랜딩베어링)이 설치되며 이는 주축(58)의 고유진동수나 설계 제약으로 작용한다. 이러한 자기 베어링(51)에 공기 정압 베어링을 결합하면, 공기 정압 베어링이 강성을 제공하므로 자기 베어링(51)의 편향전류를 줄일 수 있어 발열을 최소화할 수 있고, 컴팩트한 설계가 가능하다. In addition, the magnetic bearing 51 is installed in the secondary bearing (landing bearing) of the rolling element in case of sudden power failure or uncontrollable, which acts as a natural frequency or design constraint of the main shaft (58). When the air static pressure bearing is coupled to the magnetic bearing 51, since the air static pressure bearing provides rigidity, the deflection current of the magnetic bearing 51 can be reduced, thereby minimizing heat generation and enabling a compact design.

그리고, 부가적으로 압축공기의 냉각효과로 발열을 최소화할 수 있다.In addition, it is possible to minimize the heat generated by the cooling effect of the compressed air.

또한, 갑작스러운 정전이나 제어불능 상태시에도 공기 정압 베어링에 의해 회전체가 비접촉을 유지하므로 보조 베어링이 불필요하다.In addition, the auxiliary bearing is unnecessary because the rotating body maintains non-contact by the air static pressure bearing even in a sudden power failure or uncontrollable state.

공기 정압 베어링과 주축(58)과의 틈새는 약 0.01~0.015mm 이며, 자기 베어링(51)과 주축(58)과의 틈새는 0.3~0.5mm 이다. 이 두가지 조건을 만족시키기 위해 전자석 코일(52)의 극 표면에, 오스테나이트계 스테인레스스틸 분말과 같은 비자성 물질을 용사를 이용하여 코팅한다.The clearance between the air static pressure bearing and the main shaft 58 is about 0.01 to 0.015 mm, and the clearance between the magnetic bearing 51 and the main shaft 58 is 0.3 to 0.5 mm. In order to satisfy these two conditions, a nonmagnetic material such as austenitic stainless steel powder is coated on the pole surface of the electromagnet coil 52 by thermal spraying.

자기 베어링(51)의 능동제어를 위해 설치된 정전용량형 변위센서(55, 56, 57)는 센서와 타겟사이에 생성되는 정전용량(Capacitance)의 양을 측정하여 변위를 측정한다. 센서와 타겟 사이에 생성되는 정전용량은 다음과 같다.The capacitive displacement sensors 55, 56, and 57 installed for active control of the magnetic bearing 51 measure displacement by measuring the amount of capacitance generated between the sensor and the target. The capacitance generated between the sensor and the target is as follows.

Figure 112009036436500-pat00001
Figure 112009036436500-pat00001

여기에서, A는 센서와 타겟 사이의 마주하고 있는 부분의 면적이며, d는 센서와 타겟사이의 거리인데, 본 발명은 d의 변화량으로 변위를 구한다. 변위가 아주작다고 가정하면 A에 의한 정전용량의 변화량보다 d에 의한 정전용량의 변화량이 매우 민감하기 때문에 나노미터 단위의 측정에 훨씬 유리하다.Here, A is the area of the facing portion between the sensor and the target, and d is the distance between the sensor and the target, and the present invention calculates the displacement by the amount of change of d. Assuming that the displacement is very small, the change in capacitance due to d is much more sensitive than the change in capacitance due to A, which is much more advantageous for nanometer measurements.

주축(58)의 변위는 센서 앰프를 통하여 변위에 따른 전기적인 신호로 변환되어 자기 베어링(51)의 피드백 제어신호로 사용된다.The displacement of the main shaft 58 is converted into an electrical signal according to the displacement through the sensor amplifier and used as a feedback control signal of the magnetic bearing 51.

도 1은 일반적인 구름 베어링의 설치 구조도이다.1 is a structural diagram of a typical rolling bearing installation.

도 2는 일반적인 공기 정압 베어링의 설치 구조도이다. 2 is a diagram illustrating an installation of a general air static bearing.

도 3은 일반적인 자기 베어링의 설치 구조도이다.3 is a diagram illustrating an installation structure of a general magnetic bearing.

도 4는 이 발명의 일실시예에 따른 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링 의 설치 구조도이다.4 is an installation structure diagram of an air and magnetic hybrid thrust bearing according to an embodiment of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

50 : 디스크 51 : 자기 베어링50: disc 51: magnetic bearing

52 : 코일 53 : 공기 정압 베어링 오리피스52: coil 53: air static pressure bearing orifice

54 : 공압 공급부 55, 56, 57 : 변위센서54: pneumatic supply unit 55, 56, 57: displacement sensor

58 : 주축 59 : 스페이서 58: spindle 59: spacer

Claims (8)

주축의 일부에 형성되어 있는 디스크의 전후면에 설치되며 내부의 코일을 이용하여 자력을 발생시키는 자기 베어링과, A magnetic bearing installed on the front and rear surfaces of the disk formed in a part of the main shaft and generating magnetic force by using an internal coil; 비자성체로 이루어져 있으며 공압공급부를 통해 인가되는 공압을 분사하기 위한 공기 정압 베어링 노즐이 형성되어 있으며 상기한 코일의 앞쪽에 배치되어 커버 역할을 하는 공기정압 베어링 오리피스와, An air hydrostatic bearing nozzle formed of a non-magnetic material and configured to inject a pneumatic pressure applied through a pneumatic supply portion and disposed at the front of the coil to serve as a cover; 상기한 자기 베어링에 일체형으로 설치되어 있으며 주축의 변위를 측정하기 위한 변위센서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링. Air and magnetic hybrid thrust bearings are integrally installed in the magnetic bearings and comprise a displacement sensor for measuring the displacement of the main shaft. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기한 공기정압 베어링 오리피스의 노즐의 위치는 다음 수식에 의해 결정되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링.Air and magnetic hybrid thrust bearing, characterized in that the position of the nozzle of the air pressure bearing orifice is made by the following formula. r = (ri + ro)/2 r = (r i + r o ) / 2 여기서, ri 는 공기정압 베어링의 내경이고, ro는 공기정압 베어링의 외경이다. Where r i is the inner diameter of the air static bearing and r o is the outer diameter of the air static bearing. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기한 공기정압 베어링 오리피스의 노즐의 위치는 다음 수식에 의해 결정되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링.Air and magnetic hybrid thrust bearing, characterized in that the position of the nozzle of the air pressure bearing orifice is made by the following formula. r = √(ri × ro)r = √ (r i × r o ) 여기서, ri 는 공기정압 베어링의 내경이고, ro는 공기정압 베어링의 외경이다. Where r i is the inner diameter of the air static bearing and r o is the outer diameter of the air static bearing. 제 1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기한 공기정압 베어링 오리피스는 비자성체 코팅층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링.The air static bearing orifice is an air and magnetic hybrid thrust bearing, characterized in that the coating with a non-magnetic coating layer. 제 1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기한 공기정압 베어링 오리피스는 자기 베어링의 일단에 압입되는 것을 특징으로 하는 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링.Air and magnetic hybrid thrust bearing, characterized in that the air hydrostatic bearing orifice is pressed into one end of the magnetic bearing. 제 1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 3, 상기한 공기정압 베어링 오리피스는 공압에 의한 분리를 막기 위해 열경화성 에폭시로 고정되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링.The air static bearing orifice is an air and magnetic hybrid thrust bearing, characterized in that the structure is fixed with a thermosetting epoxy to prevent separation by pneumatic. 제 1항에 있어서,The method of claim 1, 상기한 변위센서는 정전 용량형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링.The displacement sensor is an air and magnetic hybrid thrust bearing, characterized in that the capacitive type. 제 1항 또는 제 7항에 있어서,The method according to claim 1 or 7, 상기한 변위센서는 센서 전극과, 가드 전극과, 접지 전극을 포함하여 이루어지고, 각각의 전극은 열경화성 에폭시로 절연 및 고정되는 것을 특징으로 하는 공기 및 자기 하이브리드 스러스트 베어링.The displacement sensor comprises a sensor electrode, a guard electrode, and a ground electrode, each electrode is insulated and fixed with a thermosetting epoxy, characterized in that the air and magnetic hybrid thrust bearing.
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