KR101133257B1 - Air foil-Electromagnetic Hybrid Bearing - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부가 관통되어 회전축이 삽입되는 슬리브와 상기 회전축과 상기 슬리브 사이의 중공부에 범퍼 포일과 탑포일이 설치된 에어 포일베어링과 상기 슬리브와 일정 간극을 두고 비접촉하는 다수의 자기력이 형성되는 전극이 대칭적으로 형성되는 자기베어링이 감싸고 있는 에어포일-전자기 하이브리드 베어링에 관한 것으로, 상기 자기력은 전자석에 의해서 발생되고 제어기에 의해서 제어됨을 특징으로 한다.
즉, 높은 회전 속도에서의 회전 안정성을 위해서 피동적인 에어 포일 베어링의 강성 및 댐핑 특성 뿐아니라 능동 자기 베어링의 전기적으로 생성된 조절 가능한 강성 및 댐핑 특성으로 인하여 보다 안정된 회전 특성을 얻을 수 있으며, 별도의 보조 베어링이 필요없어 설치 공간을 절약할 수 있는 것을 특징으로 한다.The present invention is a sleeve through which the rotating shaft is inserted and an air foil bearing in which a bumper foil and a top foil are installed in a hollow portion between the rotating shaft and the sleeve, and an electrode in which a plurality of magnetic forces are formed in contact with the sleeve at a predetermined gap. An airfoil-electromagnetic hybrid bearing surrounded by this symmetrically formed magnetic bearing is characterized in that the magnetic force is generated by an electromagnet and controlled by a controller.
That is, not only the rigidity and damping characteristics of the passive air foil bearings, but also the electrically generated adjustable stiffness and damping characteristics of the active magnetic bearings can achieve more stable rotational characteristics for rotational stability at high rotational speeds. No need for an auxiliary bearing can save installation space.

Description

에어포일-전자기 하이브리드 베어링 { Air foil-Electromagnetic Hybrid Bearing }Air foil-electromagnetic hybrid bearing

본 발명은 베어링에 관한 것으로서, 특히 에어 포일 베어링과 능동 자기 베어링을 결합한 에어포일-전자기 하이브리드 베어링에 관한 것이다.The present invention relates to bearings, and more particularly to an airfoil-electromagnetic hybrid bearing combining an airfoil bearing and an active magnetic bearing.

일반적으로 회전하는 회전축을 지지하거나 왕복 운동하는 축을 지지하는데 베어링이 사용되고 있다.In general, bearings are used to support a rotating shaft or a shaft that reciprocates.

이러한 베어링의 종류에는 축과 베어링의 접촉 매체 종류에 따라 미끄럼 베어링과 롤링 베어링으로 분류할 수 있으며, 미끄럼 베어링의 경우에는 축의 하중 방향에 의하여 저널 베어링과 스러스트 베어링으로 분류된다.These types of bearings can be classified into sliding bearings and rolling bearings according to the type of contact medium between the shafts and bearings. In the case of sliding bearings, they are classified into journal bearings and thrust bearings according to the load direction of the shafts.

미끄럼 베어링은 축과 베어링 내면 사이에 오일에 의한 엷은 유막(油膜) 또는 압력 공기막이 개재되어 상대적 미끄럼 운동을 하는 미끄럼 마찰을 일으키는 베어링이다.A sliding bearing is a bearing which produces sliding friction which performs a relative sliding motion by interposing a thin oil film or pressure air film | membrane by oil between a shaft and the bearing inner surface.

산업기계의 고효율 및 경량화를 위해 산업기계에서 요구되는 회전속도는 점차 고속으로 발전하고 있으나 미끄럼 오링 베어링의 마찰력이 크게 되고, 오일 훨 현상에 의한 불안정성으로 인하여 고속 회전이 제한받게 된다. 마찰력 저감을 위해 경하중 고속회전체의 경우에는 공기동압이 축과 포일 사이에 형성되어 축하중을 지지하는 에어 포일 베어링이 개발되어 사용된다. Rotational speed required for industrial machinery for high efficiency and light weight of industrial machinery is gradually developing at high speed, but the frictional force of sliding O-ring bearings is increased, and high-speed rotation is limited due to instability due to oil bubble phenomenon. In order to reduce the frictional force, in the case of a light load high-speed rotor, an air foil bearing is developed between the shaft and the foil to support the axial load.

이러한 에어 포일 베어링은 도 3에 도시한 바와 같이, 회전축(20)이 수용되어 회전할 수 있도록 내부에 중공부(14)를 갖는 슬리브(11)와, 상기 슬리브와 회전축 사이의 중공부 내에 배치된 탑 포일(12)과 범퍼 포일(13)로 이루어진 에어 포일들이 구비되어 있으며, 상기 에어 포일들은 각각 호 형상으로 형성되고 탄성력을 가지며, 상기 슬리브의 원주 방향을 따라 배열되어 있다.As shown in FIG. 3, the air foil bearing is disposed in a sleeve 11 having a hollow portion 14 therein so that the rotating shaft 20 can be accommodated and rotated, and a hollow portion between the sleeve and the rotating shaft. Air foils comprising a top foil 12 and a bumper foil 13 are provided, each of which is formed in an arc shape and has elasticity and is arranged along the circumferential direction of the sleeve.

즉, 상기 에어 포일의 일측 단부는 슬리브의 내면에 고정되어 있고, 타측 단부는 인접한 에어 포일과 겹쳐지거나 일정한 거리로 이격된 상태로 설치되어 있다.That is, one end of the air foil is fixed to the inner surface of the sleeve, and the other end is provided in a state overlapping with the adjacent air foil or spaced at a predetermined distance.

이때, 상기 슬리브와 에어 포일 사이의 고정은 상기 에어 포일의 일단부가 슬리브의 내측면에 형성된 슬롯에 끼워 고정되거나 슬리브 내면에 용접등에 의해서 고정된다.At this time, the fixing between the sleeve and the air foil is fixed to the slot formed at one end of the air foil on the inner surface of the sleeve or fixed to the inner surface of the sleeve by welding or the like.

상기와 같이 구성된 에어 포일 베어링은 슬리브의 중공부에서 회전축이 회전하게 되면, 상기 회전축과 탑 포일 사이에 압력을 갖는 공기층이 형성되고, 이러한 공기의 압력에 의해 회전축이 부상하여 회전축이 탑 포일과 일정한 간격을 유지한 상태로 회전하며, 회전축이 외란에 의해 흔들리면 이에 따른 탑 포일의 흔들림은 범퍼포일이 탄력적으로 받쳐주어 축과 탑 포일 사이의 공기막이 유지되게 된다. In the air foil bearing configured as described above, when the rotating shaft rotates in the hollow portion of the sleeve, an air layer having a pressure is formed between the rotating shaft and the top foil, and the rotating shaft floats by the pressure of the air so that the rotating shaft is fixed with the top foil. When the rotation is maintained in a spaced state, when the rotating shaft is shaken by disturbance, the shaking of the top foil is supported by the bumper foil elastically to maintain the air film between the shaft and the top foil.

그러나 이와 같이 구성된 종래의 에어 포일 베어링은 강성의 이방성과 약한 감쇠특성으로 인해 미끄럼 베어링의 특징인 고속 회전시의 불안정성을 완전히 극복하기는 어렵다.However, the conventional air foil bearing configured as described above is difficult to completely overcome the instability during high speed rotation, which is a characteristic of the sliding bearing due to the rigid anisotropy and weak damping characteristics.

그러므로 이러한 문제점을 해결하기 위하여 자기 베어링을 이용하여 충분한 초기 강성과 댐핑력 뿐아니라 이들 강성과 댐핑력을 조절하여 고속회전이 가능하도록하여 회전 안정성을 향상시키고 있다.Therefore, in order to solve this problem, not only sufficient initial stiffness and damping force by using magnetic bearings, but also high rotational speed by controlling these stiffness and damping forces to improve rotational stability.

즉, 자기 베어링은 반발력 또는 견인력을 이용하며, 반발력을 이용하는 경우에는 종종 영구자석을 사용하게 되고 견인력을 이용하는 경우에는 전자석을 이용하게 된다.That is, magnetic bearings use repulsive force or traction, and in the case of using repulsive force, the permanent magnet is often used, and in the case of using traction, electromagnets are used.

전자석을 이용하는 자기 베어링은 도4 와 같은 원리로 작동되는데, 다수의 겹판으로 이루어진 `코어(31)에 감긴 코일(32)에 전류를 흘림으로써 자기력을 생성하고 이를 이용하여 회전축을 부상시킨다.The magnetic bearing using the electromagnet operates on the same principle as in Fig. 4, by generating a magnetic force by flowing a current through the coil 32 wound around the core 31, which is composed of a plurality of stacks, and using the same to float the rotating shaft.

이러한 자기 베어링은 원천적으로 불안정한 특성을 지니므로, 비접촉 변위 센서(40)를 사용하여 회전축의 위치를 제어해야만 한다. 이러한 자기 베어링은 제어기의 변수들을 변화시킴으로써 시스템의 강성 및 댐핑을 변화시킬 수 있고, 이러한 변화를 통하여 위험속도에서 강성과 댐핑을 조절하여 위험속도를 넘어서 회전축이 운전되도록 하고 있다.Since such magnetic bearings are inherently unstable, the position of the rotating shaft must be controlled using the non-contact displacement sensor 40. These magnetic bearings can change the stiffness and damping of the system by changing the parameters of the controller. Through these changes, the rotational axis is operated beyond the dangerous speed by adjusting the stiffness and damping at the dangerous speed.

하지만 자기 베어링은 정전 또는 고장으로 인한 회전축의 자체 중량에 의한 회전축의 떨어짐으로부터 시스템이 손상될 수 있어, 시스템을 보호하기 위해서 신뢰성이 높고 긴 수명을 요하는 보조 베어링이 별도로 필요하다.However, magnetic bearings can damage the system from falling of the rotating shaft due to its own weight due to a power failure or failure, so that a separate and reliable bearing is required to protect the system.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 보다 안정적으로 회전축을 지지할 수 있을 뿐아니라, 강성 및 댐핑 성능, 하중지지 능력 및 미스얼라인먼트에 대한 향상된 적응으로 회전축을 보다 안정적으로 지지하면서 고속에서의 회전 안정성을 제공하고자 한다.The present invention is to solve the above problems, it can not only support the rotation axis more stably, but also at a high speed while supporting the rotation axis more stably with improved adaptation to the rigidity and damping performance, load bearing capacity and misalignment It is intended to provide rotational stability.

또한, 별도의 보조 베어링의 단독 설치가 필요없이 시스템의 손상을 방지할 수 있는 새로운 개념의 베어링을 제공하고자 한다.In addition, it is to provide a new concept of bearing that can prevent damage to the system without the need of installing a separate auxiliary bearing alone.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 베어링은 슬리브와 포일로 이루어진 에어 포일 베어링의 슬리브 외주면으로 다수의 전자석이 서로 대응되는 위치에 설치되는 능동형 자기 베어링이 형성된 것이다.Bearing according to the present invention for achieving the above object is an active magnetic bearing in which a plurality of electromagnets are installed at the position corresponding to each other as the sleeve outer peripheral surface of the air foil bearing consisting of a sleeve and a foil.

본 발명에 따른 에어포일-전자기 하이브리드 베어링은 에어 포일 베어링의 하중지지용량과 능동 자기 베어링의 하중지지용량이 더 해지기 때문에 같은 하중지지용량을 가지는 순수한 능동형 자기 베어링보다 작게 제작할 수 있으며, 이로 인하여 소비되는 전력도 줄어든다.The airfoil-electromagnetic hybrid bearing according to the present invention can be manufactured smaller than the pure active magnetic bearings having the same load bearing capacity because the load bearing capacity of the airfoil bearing and the load bearing capacity of the active magnetic bearing are increased. The power is reduced.

또한, 갑작스런 정전이나 자기 베어링의 고장으로 인한 경우에도 에어 포일 베어링에 의한 안전한 작동이 가능하므로 시스템의 안정성을 높일 수 있다.In addition, even in case of sudden power failure or failure of the magnetic bearing, the safe operation by the air foil bearing is possible, thereby increasing the stability of the system.

그리고, 높은 회전 속도에서의 회전 안정성을 위해서 피동적인 에어 포일 베어링의 강성 및 댐핑 특성 뿐아니라 능동 자기 베어링의 전기적으로 생성된 조절 가능한 강성 및 댐핑 특성으로 인하여 보다 안정된 회전 특성을 얻을 수 있다.In addition, the rotational stability at high rotational speed can be achieved not only due to the rigidity and damping characteristics of the passive air foil bearings, but also due to the electrically generated adjustable stiffness and damping characteristics of the active magnetic bearings.

도 1은 본 발명에 따른 에어포일-전자기 하이브리드 베어링을 나타낸 개략도
도 2는 본 발명의 에어포일-전자기 하이브리드 베어링이 설치된 에어포일-전자기 하이브리드 베어링 제어 시스템
도 3은 종래의 에어 포일 베어링을 나타낸 개략도
도 4는 종래의 차동형 능동 자기 베어링의 작동원리 개념도1 is a schematic view showing an airfoil-electromagnetic hybrid bearing according to the present invention
2 is an airfoil-electromagnetic hybrid bearing control system installed with the airfoil-electromagnetic hybrid bearing of the present invention.
3 is a schematic view showing a conventional air foil bearing
4 is a conceptual diagram of the operation principle of a conventional differential active magnetic bearing

이하 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the technical configuration of the present invention according to the accompanying drawings in detail.

본 발명은 내부가 관통되어 회전축(20)이 삽입되는 슬리브(11)와 상기 회전축과 상기 슬리브 사이의 중공부에 범퍼 포일(13)과 탑포일(12)이 설치된 에어 포일 베어링과 상기 슬리브와 일정 간극을 두고 비접촉하는 다수의 자기력이 형성되는 코어(31)가 대칭적으로 형성되는 능동형 자기 베어링이 상기 에어 포일 베어링을 감싸고 있는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, a sleeve 11 in which a rotating shaft 20 is inserted and an air foil bearing having a bumper foil 13 and a top foil 12 installed in a hollow portion between the rotating shaft and the sleeve is fixed with the sleeve. An active magnetic bearing in which a core 31 in which a plurality of magnetic forces are formed in contact with a gap is formed symmetrically is surrounded by the air foil bearing.

또한, 상기 자기력은 전자석에 의해서 발생되고 제어기(50)에 의해서 제어된다.In addition, the magnetic force is generated by the electromagnet and controlled by the controller 50.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 에어포일-전자기 하이브리드 베어링은 능동형 자기 베어링(30)의 내부에 에어 포일 베어링(10)이 결합된 형태이다.As shown in FIG. 1, the airfoil-electromagnetic hybrid bearing of the present invention has an air foil bearing 10 coupled to an inside of the active magnetic bearing 30.

즉, 내부가 관통되어 회전축이 삽입되는 슬리브(11)와 상기 회전축과 상기 슬리브 사이의 중공부에 범퍼 포일(13)과 탑포일(12)이 설치된 일반적인 에어 포일 베어링의 슬리브의 바깥으로 일정 간극을 두고 비접촉하는 다수의 자기력이 형성되는 코어(31)가 대칭적으로 형성되는 능동형 자기 베어링이 상기 에어 포일 베어링을 감싸고 있는 것이다.That is, a predetermined gap is formed outside the sleeve of the general air foil bearing in which the bumper foil 13 and the top foil 12 are provided in the hollow 11 between the sleeve 11 and the rotating shaft and the sleeve inserted therein. An active magnetic bearing in which symmetrically formed cores 31, in which a plurality of magnetic forces are formed, which are in contact with each other, is wrapped around the air foil bearing.

이러한 에어포일-전자기 하이브리드 베어링을 적용한 제어 시스템을 도 2에서 보여주고 있는데, 회전축의 변위를 비접촉 변위 센서(40)를 통하여 측정하고, 측정된 변위값을 PID 제어를 수행한 후 이를 전류 증폭기(51)에 전달하여 증폭된 전류가 코일에 흐르게 함으로써 코어 주위로 자기력이 생성되며 자기력의 차이에 의해서 회전축을 작동점에 위치시킨다.The control system employing such an airfoil-electromagnetic hybrid bearing is shown in FIG. 2. The displacement of the rotating shaft is measured through the non-contact displacement sensor 40, and the measured displacement value is PID-controlled and then the current amplifier 51. By transmitting the amplified current to the coil, magnetic force is generated around the core, and the rotation axis is positioned at the operating point due to the difference in magnetic force.

이렇게 위치된 회전축의 작동점에 의해 에어 포일의 변형량이 변화되어 에어 포일 베어링의 강성 및 댐핑 계수가 바뀌게 되며, 이로 인하여 회전 속도가 증가함에 따라 회전 불안정성이 야기될 수 있어 비접촉 변위 센서를 통해 나타난 회전축의 회전 궤적으로 불안정성을 판별한다.The deformation amount of the air foil is changed by the operating point of the rotary shaft thus positioned, thereby changing the rigidity and damping coefficient of the air foil bearing, which may cause rotational instability as the rotation speed is increased. Instability is determined by the rotation trajectory of.

따라서, 회전축의 회전 속도가 증가함에 따라 회전 궤적의 변화에 따른 에어 포일 베어링의 불안정한 영역을 판단하여 자기 베어링의 코일에 흐르는 전류를 다시 변화시켜 자기 베어링의 강성 및 댐핑을 조절함으로써 회전축의 작동점을 변경시킴으로써 에어 포일 베어링에 의해 지지된 회전축 시스템의 불안정성을 제거한다.Therefore, as the rotation speed of the rotating shaft increases, it determines the unstable area of the air foil bearing according to the change of the rotating trajectory, changes the current flowing through the coil of the magnetic bearing, and adjusts the stiffness and damping of the magnetic bearing to adjust the operating point of the rotating shaft. By changing it eliminates instability of the rotating shaft system supported by the air foil bearing.

이러한 변위 센서를 활용한 자기 베어링의 능동 제어에 의한 강성 및 댐핑의 조절은 자기 베어링에서 비접촉 변위 센서를 통해서 측정된 회전축의 변위 변동량에 따라 자기 베어링의 코어에 감겨진 코일에 공급되는 전류를 조절하여 베어링의 반경 방향 강성 및 댐핑을 조절하는 것으로 자기 베어링의 제어 분야에서는 널리 실시되고 있는 것이므로 자기 베어링에서의 구체적인 강성 및 댐핑 조절을 위한 변위센서와 전류와의 관계를 포함한 작동 관계에 대한 설명은 여기서 생략한다.The adjustment of the stiffness and damping by the active control of the magnetic bearing using the displacement sensor adjusts the current supplied to the coil wound around the core of the magnetic bearing according to the displacement variation of the rotating shaft measured by the non-contact displacement sensor in the magnetic bearing. The adjustment of radial stiffness and damping of bearings is widely used in the field of control of magnetic bearings. Therefore, the description of the operational relationship including the relationship between displacement sensor and current for controlling specific stiffness and damping in magnetic bearings is omitted here. do.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the accompanying drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Could be.

따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.Accordingly, the true scope of protection of the present invention should be determined only by the appended claims.

10 : 에어 포일 베어링
11 : 슬리브 12 : 탑 포일
13 : 범퍼 포일 14 : 중공부
20 : 회전축
30 : 능동형 자기 베어링
31 : 코어 32 : 코일
40 : 변위센서
50 : 제어기
51 : 전류 증폭기10: Air Foil Bearing
11: sleeve 12: top foil
13: bumper foil 14: hollow part
20:
30: active magnetic bearing
31 core 32 coil
40: displacement sensor
50: controller
51: current amplifier

Claims (2)

내부가 관통되어 회전축이 삽입되는 슬리브와 상기 회전축과 상기 슬리브 사이의 중공부에 범퍼 포일과 탑포일이 설치된 에어 포일 베어링과;
상기 슬리브와 일정 간극을 두고 비접촉하는 다수의 자기력이 형성되는 코어가 대칭적으로 형성되는 능동형 자기베어링이 상기 에어 포일 베어링을 감싸고 있으며,
상기 자기력은 코어에 흐르는 전류의 변화에 따른 전자석에 의해서 발생되고 제어기에 의해서 제어됨을 특징으로 하는 에어포일-전자기 하이브리드 베어링.An air foil bearing in which a bumper foil and a top foil are installed in a hollow portion between the sleeve and the rotating shaft and the sleeve inserted therein;
An active magnetic bearing symmetrically formed with a core in which a plurality of magnetic forces are formed in contact with the sleeve with a predetermined gap is wrapped around the air foil bearing.
The magnetic force is generated by the electromagnet according to the change of the current flowing in the core, characterized in that the airfoil-electromagnetic hybrid bearing is controlled by the controller. 삭제delete
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