KR101173302B1 - Apparatus for measuring force of motor - Google Patents

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KR101173302B1
KR101173302B1 KR1020100036301A KR20100036301A KR101173302B1 KR 101173302 B1 KR101173302 B1 KR 101173302B1 KR 1020100036301 A KR1020100036301 A KR 1020100036301A KR 20100036301 A KR20100036301 A KR 20100036301A KR 101173302 B1 KR101173302 B1 KR 101173302B1
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박철훈
최상규
함상용
조한욱
황주호
심종엽
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한국기계연구원
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0028Force sensors associated with force applying means

Abstract

모터의 회전 구동 중에 로터의 편심에 의하여 발생하는 힘을 보다 간편하게 측정할 수 있는 모터의 힘 측정장치가 개시된다. 본 발명에 따른 모터의 힘 측정장치는 로터와 스테이터를 포함하는 모터, 상기 로터의 일측에 구비되어 상기 로터를 지지하는 자기베어링, 그리고 상기 로터가 회전하는 동안 발생하는 코깅력과 상기 로터의 편심에 의한 편심력의 합력을 보상하는 보상전류를 상기 자기베어링에 제공하여 상기 로터가 지정된 위치를 유지하도록 하는 제어부를 포함하고, 상기 보상전류를 이용하여 상기 코깅력과 상기 로터의 편심에 의한 편심력의 합력을 측정한다. 이와 같은 구성에 의하면, 자기베어링을 포함하는 하나의 장치에서 베어링, 힘의 계산, 데이터의 획득이 모두 해결 되는바 모터의 구동중에 발생하는 힘을 보다 간편하게 측정할 수 있다.Disclosed is a force measuring apparatus of a motor that can more easily measure the force generated by the eccentricity of the rotor during rotational driving of the motor. The force measuring apparatus of the motor according to the present invention includes a motor including a rotor and a stator, a magnetic bearing provided on one side of the rotor to support the rotor, and a cogging force and the eccentricity of the rotor generated while the rotor is rotating. And a control unit for providing a compensation current for compensating for the force of the eccentric force caused by the eccentric force to the magnetic bearing so that the rotor maintains a designated position, and using the compensation current to determine the eccentric force due to the cogging force and the eccentricity of the rotor. Measure the force. According to such a configuration, the bearing, the calculation of the force, and the acquisition of data are all solved in one device including the magnetic bearing, so that the force generated during the driving of the motor can be more easily measured.

Description

모터의 힘 측정장치{APPARATUS FOR MEASURING FORCE OF MOTOR}Force measuring device for motors {APPARATUS FOR MEASURING FORCE OF MOTOR}

본 발명은 모터의 힘을 측정하는 장치에 관한 것으로, 보다 자세하게는 모터의 회전 구동 중에 로터의 편심에 의하여 발생하는 힘을 보다 간편하게 측정하기 위한 모터의 힘 측정장치에 관한 것이다.The present invention relates to a device for measuring the force of the motor, and more particularly to a force measuring device of the motor for more easily measuring the force generated by the eccentricity of the rotor during the rotational drive of the motor.

일반적으로 모터는 회전축에 부착되어 있는 자석과 고정자에 배치되어 있는 철심코어 사이에 당기는 힘이 존재한다. 이러한 당기는 힘의 존재로 인하여 모터의 회전축은 고정자의 중심에 위치하지 않고 편심되어 회전하게 된다. 만약 이러한 편심 현상이 발생하지 않고 모터의 회전축이 고정자의 중심에 정확하게 위치하여 구동된다면 회전축과 고정자 사이에는 코깅력만이 발생할 것이다. 하지만 실제로 이렇게 편심이 없게 회전축을 고정자의 중심에 정확히 위치시키는 것은 불가능하다.In general, a motor has a pulling force between a magnet attached to a rotating shaft and an iron core core disposed on a stator. Due to the presence of this pulling force, the axis of rotation of the motor is rotated eccentrically, not at the center of the stator. If this eccentricity does not occur and the rotational axis of the motor is driven by being accurately positioned at the center of the stator, only cogging force will be generated between the rotational axis and the stator. In practice, however, it is impossible to position the axis of rotation exactly in the center of the stator without this eccentricity.

비록 회전축을 고정자의 중심에 위치시킨다 하여도 고정자의 철심코어가 360도 완전 대칭 형상으로 가공될 수가 없기 때문에 편심은 발생하게 된다. 편심을 야기하는 힘을 X축 방향의 힘과 Y축 방향의 힘으로 나누어 알 수 있다면 회전 중심이 어느 정도 불일치 되는 상태로 휘둘림 운동을 하게 될 지 예측할 수가 있다. 따라서 회전체가 들어가는 인덱스 테이블이나 연마기, 기타 공작기계 등의 시스템을 설계하는데 있어서 어느 정도의 편심이 발생하는 지는 연구의 대상이 되며 이를 통해 모터의 휘둘림 회전을 예측하고 이를 최소화 하도록 시스템을 설계할 수 있다.Even if the axis of rotation is located at the center of the stator, eccentricity occurs because the core core of the stator cannot be machined into a 360 degree symmetrical shape. If the force causing the eccentricity can be divided by the force in the X-axis direction and the force in the Y-axis direction, it can be predicted how much the rotational center will perform the swing motion. Therefore, the degree of eccentricity in designing a system such as an index table, a grinder, and other machine tools that includes a rotating body is the subject of research. Through this, the system can be designed to predict and minimize the rotation of the motor. have.

한편, 종래에는 이러한 편심을 실험적으로 측정하기 위하여 모터의 회전축에 접촉식 베어링을 장착하고 상기 베어링에 로드셀을 연결하여 이들을 스테이지 위에 고정시킨 후 스테이지를 미세 조정하여 편심량을 조절하면서 편심에 의한 힘을 측정하였다.On the other hand, in order to experimentally measure such eccentricity, a contact bearing is mounted on a rotating shaft of a motor, and a load cell is connected to the bearing to fix the eccentricity on the stage. It was.

하지만, 이렇게 스테이지로 편심을 미세 조정하는 경우 실제로 원하는 만큼 편심이 발생하였는지를 외부 센서등을 통하여 일일이 확인하면서 작업하여야 하며, 로드셀에 의한 결과와 센서 출력을 받아들이기 위한 별도의 데이터 획득장치 또한 필요하다. 별도의 로드셀이 필요하다는 불편함도 있다.However, in the case of finely adjusting the eccentricity with the stage, it is necessary to work while checking whether the eccentricity has actually occurred as much as desired through an external sensor, and a separate data acquisition device is also required to receive the result of the load cell and the sensor output. Another inconvenience is that a separate load cell is required.

따라서, 부차적인 다른 장치의 구비 없이 좀더 정확하고 간편하게 모터가 구동하는 동안 회전축의 편심에 의해 발생하는 힘과 코깅력을 측정할 수 있는 신뢰성 있는 장치의 연구가 필요하다 할 것이다.Therefore, there is a need for a study of a reliable device that can measure the force and cogging force generated by the eccentricity of the rotating shaft while the motor is driven more accurately and simply without the provision of additional devices.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 로드셀 이라는 별도의 측정장치를 구비하지 않고, 모터의 구동시 로터의 편심에 의하여 발생하는 힘을 보상하는 보상전류를 제공하는 방식을 통하여 편심력, 또는 편심력과 코깅력의 합력을 측정할 수 있는 모터의 힘 측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been made in view of the above problems, and does not include a separate measuring device called a load cell, and provides an eccentric force through a method of providing a compensation current for compensating a force generated by the eccentricity of the rotor when the motor is driven. An object of the present invention is to provide a force measuring device of a motor capable of measuring the force of eccentric force and cogging force.

본 발명의 다른 목적은 스테이지(stage) 없이도 로터의 편심이 원하는 만큼 발생하도록 조절할 수 있는 모터의 힘 측정장치를 제공함에 있다.Another object of the present invention is to provide a force measuring apparatus of a motor which can be adjusted so that the eccentricity of the rotor occurs as desired without a stage.

본 발명의 또 다른 목적은 자기베어링을 장착함으로 인해 베어링역할, 힘의 계산, 데이터 획득을 한번에 할 수 있는 모터의 힘 측정장치를 제공함에 있다.Still another object of the present invention is to provide a force measuring device of a motor capable of performing a bearing role, a force calculation, and data acquisition at a time by mounting a magnetic bearing.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 힘 측정장치는 로터와 스테이터를 포함하는 모터; 상기 로터의 일측에 구비되어 상기 로터를 지지하는 자기베어링; 상기 로터가 회전하는 동안 발생하는 코깅력과 상기 로터의 편심에 의한 편심력의 합력을 보상하는 보상전류를 상기 자기베어링에 제공하여 상기 로터가 지정된 위치를 유지하도록 하는 제어부; 및 상기 로터의 일측에는 상기 로터의 위치 이동에 따른 이동 변위량을 측정할 수 있는 갭(gap)센서;를 포함하고, 상기 제어부가 상기 코깅력과 편심력의 합력에 대한 X축 성분을 하기 수학식 1을 통해 계산하고, Y축 성분을 하기 수학식 2를 통해 계산하는 것을 특징으로 한다.
<수학식 1>

Figure 112012009000196-pat00007

Fx : 코깅력과 편심력의 합력에 대한 X축 성분
Ki : 자기베어링의 전류강성
ix : X축 방향으로 자기베어링에 제공되는 보상전류
Ka : 자기베어링의 변위강성
x : X축 방향으로 로터의 중심이 편향 이동된 변위량
<수학식 2>
Figure 112012009000196-pat00008

Fy : 코깅력과 편심력의 합력에 대한 Y축 성분
Ki : 자기베어링의 전류강성
iy : Y축 방향으로 자기베어링에 제공되는 보상전류
Ka : 자기베어링의 변위강성
y : Y축 방향으로 로터의 중심이 편향 이동된 변위량.

또한, 상기 자기베어링은 상기 로터의 축을 중심으로 두 자석이 서로 마주보도록 적어도 1쌍으로 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마주보는 자석 중 한쪽 자석을 기준으로 N극과 S극을 잇는 선이 상기 로터의 축방향과 평행하여 상기 자석에 의한 자속이 상기 로터의 축을 따라 흐르는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마주보는 자석 중 한쪽 자석을 기준으로 N극과 S극을 잇는 선이 상기 로터의 축방향과 수직하여 상기 자석에 의한 자속이 상기 로터의 반경방향으로 발생하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자기베어링은 상기 로터의 축방향과 수직한 단면이 십자 모양을 형성하도록 X축과 Y축 방향으로 2쌍이 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 갭센서는 상기 로터의 X축 방향과 Y축 방향으로의 이동 변위를 각각 측정할 수 있도록 상기 X축 방향과 Y축 방향을 따라 한 개씩 적어도 두 개가 구비되는 것을 특징으로 한다.Force measuring apparatus of the motor according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a motor including a rotor and a stator; A magnetic bearing provided at one side of the rotor to support the rotor; A control unit for providing the magnetic bearing with a compensating current for compensating for the combined force of the cogging force generated during the rotation of the rotor and the eccentric force due to the eccentricity of the rotor to maintain the rotor at a designated position; And a gap sensor on one side of the rotor, the gap sensor capable of measuring a displacement amount according to the positional movement of the rotor, wherein the controller is configured to calculate an X-axis component of the coercive force and the eccentric force. It calculates through 1, and the Y-axis component is characterized by calculating through the following equation (2).
&Quot; (1) &quot;
Figure 112012009000196-pat00007

F x : X-axis component of the coercive force and the eccentric force
K i : Current stiffness of magnetic bearing
i x : Compensation current provided to the magnetic bearing in the X axis direction
K a : displacement stiffness of magnetic bearing
x: displacement amount in which the center of the rotor is deflected in the X axis direction
&Quot; (2) &quot;
Figure 112012009000196-pat00008

F y : Y-axis component of the coercive force and the eccentric force
K i : Current stiffness of magnetic bearing
i y : Compensation current provided to the magnetic bearing in the Y-axis direction
K a : displacement stiffness of magnetic bearing
y: displacement that deflected the center of rotor in the Y-axis direction.

In addition, the magnetic bearing is characterized in that provided in at least one pair so that the two magnets facing each other around the axis of the rotor.
In addition, a line connecting the N pole and the S pole with respect to one of the opposing magnets is parallel to the axial direction of the rotor, characterized in that the magnetic flux by the magnet flows along the axis of the rotor.
In addition, a line connecting the N pole and the S pole with respect to one of the opposing magnets is perpendicular to the axial direction of the rotor, characterized in that the magnetic flux generated by the magnet in the radial direction of the rotor.
In addition, the magnetic bearing is characterized in that the pair is provided in the X-axis and Y-axis direction so that the cross section perpendicular to the axial direction of the rotor to form a cross shape.
In addition, the gap sensor is characterized in that at least two are provided one by one along the X-axis and Y-axis direction so that the displacement of the rotor in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively.

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상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 로드셀 이라는 별도의 측정장치를 구비할 필요 없이, 모터의 구동시 로터의 편심에 의하여 발생하는 힘을 보상하는 보상전류가 제공되고 상기 보상전류로부터 모터의 코깅력과 편심력의 합력이 계산되는바, 로드셀의 장착에 따른 불편이나 설치과정에서 발생할 수 있는 오차를 줄일 수 있다.According to the present invention having the configuration as described above, first, a compensation current for compensating for the force generated by the eccentricity of the rotor during driving of the motor is provided, without having to provide a separate measuring device called a load cell and the motor from the compensation current. The cogging force of the cogging force and the eccentric force of the calculation is calculated, it can reduce the inconvenience caused during the installation of the load cell or the error during the installation process.

둘째, 스테이지 없이도 로터의 목표위치값을 설정하는 대로 원하는 만큼의 편심을 로터에 줄 수 있는바, 작업의 효율성이 증대된다.Second, it is possible to give the rotor as much eccentricity as desired by setting the target position value of the rotor without the stage, thereby increasing the work efficiency.

셋째, 자기베어링을 장착하고, 피드백 시스템에 의해 보상전류량과 로터의 이동 변위를 알 수 있는바, 로드셀뿐만 아니라 별도의 데이터 획득장치도 필요 없어 장치의 간소화가 이루어진다.Third, the magnetic bearing is mounted, and the compensation current amount and the displacement of the rotor can be known by the feedback system. Therefore, the device is simplified because there is no need for a separate data acquisition device as well as a load cell.

도 1은 본 발명에 따른 모터의 힘 측정장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 도 1의 모터의 힘 측정장치의 자기베어링의 배치 형태에 따른 도면,
도 3은 도 1의 모터의 힘 측정장치의 갭센서의 배치를 개략적으로 도시한 도면, 그리고
도 4는 모터의 회전구동시 발생하는 힘을 발생을 설명하기 위한 도면이다.
1 is a view schematically showing a force measuring device of a motor according to the present invention;
Figure 2 is a view according to the arrangement of the magnetic bearing of the force measuring device of the motor of Figure 1,
3 is a view schematically showing the arrangement of a gap sensor of the force measuring device of the motor of FIG. 1, and
4 is a view for explaining the generation of the force generated during the rotational drive of the motor.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 힘 측정장치(1)는 자기베어링을 이용하여 모터에 작용하는 힘을 측정하는 장치이다. 일반적으로 모터의 회전축이 고정자에 둘러싸여 회전하는 경우 코깅력(cogging force)과 회전축의 편심에 의한 편심력이 작용하는데 이의 합력을 보다 효과적으로 측정하기 위해 본 발명에 따른 모터의 힘 측정장치(1)가 제시된다. 이러한 모터의 힘 측정장치(1)는 모터(10), 자기베어링(100), 그리고 제어부(200)를 포함한다.The force measuring device 1 of the motor according to an embodiment of the present invention is a device for measuring a force acting on the motor by using a magnetic bearing. In general, when the rotating shaft of the motor is surrounded by the stator to rotate the cogging force (eccentric force) due to the cogging force (eccentric force) and the eccentricity of the rotating shaft acts in order to more effectively measure the force of the motor according to the present invention (1) Presented. The force measuring device 1 of the motor includes a motor 10, a magnetic bearing 100, and a controller 200.

보다 자세한 설명을 위해 도 1을 제시한다. 도 1은 본 발명에 따른 모터의 힘 측정장치(1)를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is shown for more detailed description. 1 is a view schematically showing a force measuring device 1 of a motor according to the present invention.

모터(10)는 바람직하게는 자석이 부착되어 회전하는 로터(11)와 철심코어가 부착된 상태로 고정되어 상기 로터(11)의 회전을 야기하는 스테이터(12)를 포함한다. 로터(11)는 일체로 연결된 로터축을 포함하는 것이 바람직하다.The motor 10 preferably includes a rotor 11 to which a magnet is attached and rotates and a stator 12 fixed to a state where the iron core core is attached to cause rotation of the rotor 11. The rotor 11 preferably includes a rotor shaft connected integrally.

자기베어링(100)은 로터(11)의 일측에 구비되어 상기 로터(11)를 지지한다. 즉, 바람직하게는 로터(11)와 일체로 연결된 로터축에 자기베어링(100)이 장착된다. 이러한 자기베어링(100)은 자석(110)과 코일(120)을 포함한다.The magnetic bearing 100 is provided on one side of the rotor 11 to support the rotor 11. That is, the magnetic bearing 100 is preferably mounted on the rotor shaft connected integrally with the rotor 11. The magnetic bearing 100 includes a magnet 110 and a coil 120.

자기베어링(100)은 로터(11)의 축을 중심으로 두 자석이 서로 마주보게 배치되도록 적어도 1쌍으로 구비되는 것이 바람직하다. 따라서 일반적으로 로터(11)의 축방향에 수직하게 자른 단면에서 볼 때 십자 모양으로 자기베어링(100)이 배치되도록 2쌍이 배치되는 것이 바람직하나 이에 한정하는 것은 아니며 그 이상이 배치될 수도 있다.The magnetic bearings 100 are preferably provided in at least one pair so that the two magnets are disposed to face each other about the axis of the rotor 11. Therefore, in general, two pairs are preferably arranged such that the magnetic bearing 100 is arranged in a cross shape when viewed in a cross section cut perpendicular to the axial direction of the rotor 11, but is not limited thereto.

한편, 자기베어링(100)은 로터(11)와 스테이터(12)가 결합되어 있는 위치를 중심으로 양 방향으로 뻗어있는 로터(11)의 축에 각각 배치되는 것이 바람직하다. 이렇게 양쪽에서 지지하면서 힘을 측정하는 경우, 좀더 정확하고 안정적으로 모터(10)에 발생하는 코깅력 및 편심력의 합력을 측정 할 수 있다.On the other hand, the magnetic bearing 100 is preferably disposed on the axis of the rotor 11 extending in both directions with respect to the position where the rotor 11 and the stator 12 are coupled. Thus, when measuring the force while supporting from both sides, it is possible to measure the force of the cogging force and eccentric force generated in the motor 10 more accurately and stably.

제어부(200)는 자기베어링(100)과 연결되어 자기베어링(100)에 구비되는 코일(120)에 공급되는 전류의 양을 조절한다. 즉, 이를 좀더 자세히 설명하면 제어부(200)는 피드백 제어를 통하여 코일(120)에 전류를 공급한다. 이렇게 피드백 제어를 통하여 모터(10)가 구동하는 경우에 로터(11)가 지정된 위치를 유지하도록, 제어부(200)는 모터 구동 시 발생하는 코깅력과 편심력의 합력을 보상하는 보상전류를 자기베어링(100)의 코일(120)에 제공하는 것이다.The controller 200 is connected to the magnetic bearing 100 to adjust the amount of current supplied to the coil 120 provided in the magnetic bearing 100. That is, in more detail, the control unit 200 supplies a current to the coil 120 through feedback control. In such a way that the rotor 11 maintains the designated position when the motor 10 is driven through the feedback control, the control unit 200 magnetically compensates the compensating current to compensate for the cogging force and the eccentric force generated when the motor is driven. It is provided to the coil 120 of (100).

피드백 제어가 이루어 지면서 제공되는 보상전류량은 제어부(200)에 의해 획득되고, 이렇게 보상전류량이 획득되면 상기 보상전류로부터 코깅력과 편심력의 합력을 계산할 수 있다. 이러한 계산 또한 제어부(200)에서 이루어진다. 자세한 힘의 계산 과정은 뒤에서 설명한다.The amount of compensation current provided while the feedback control is performed is obtained by the controller 200. When the amount of compensation current is obtained, the sum of the cogging force and the eccentric force can be calculated from the compensation current. This calculation is also made in the controller 200. The detailed force calculation process is described later.

실시예에 의하면, 본 발명에 따른 모터의 힘 측정장치(1)는 갭(gap)센서(300)를 더 포함한다. 갭센서(300)는 로터(11)의 일측에 구비되어 로터(11)가 회전하면서 위치이동을 하는 경우에 그 이동 변위를 측정한다.According to an embodiment, the force measuring device 1 of the motor according to the present invention further includes a gap sensor 300. The gap sensor 300 is provided at one side of the rotor 11 to measure the displacement of the rotor 11 when the rotor 11 rotates.

갭센서(300)는 제어부(200)와 연결되어 로터(11)의 변위 정보를 제어부(200)에 전달한다. 따라서, 제어부(200)는 자기베어링(100)에 전류를 공급하고, 갭센서(300)로부터 로터의 위치 정보를 입력받은 후, 목표 위치에 로터가 놓을 수 있도록 전류량을 조절하여 다시 자기베어링(100)에 공급하는 피드백 제어가 이루어 지는 것이다. 이러한 피드백 시스템으로 인해 회전하는 로터(11)의 위치를 사용자 임의대로 조절할 수 있다.The gap sensor 300 is connected to the control unit 200 to transmit the displacement information of the rotor 11 to the control unit 200. Therefore, the controller 200 supplies current to the magnetic bearing 100, receives the position information of the rotor from the gap sensor 300, and then adjusts the amount of current so that the rotor can be placed at the target position. ), Feedback control is provided. This feedback system allows the user to adjust the position of the rotating rotor 11 at will.

한편, 자기베어링(100)의 배치를 보다 자세하게 설명하기 위하여 도 2를 제시한다. 도 2는 자기베어링(100)의 배치에 따른 단면을 나타낸 도면이다.On the other hand, in order to explain in more detail the arrangement of the magnetic bearing 100 is shown in FIG. 2 is a view showing a cross section according to the arrangement of the magnetic bearing 100.

도 2의 (a)를 참고하여 자기베어링(100)이 서로 마주보도록 배치되는 것을 예로 들면, 마주보는 자석(110) 중 한쪽 자석(110)을 기준으로 N극과 S극을 잇는 선이 로터(11)의 축방향과 평행하도록 자기베어링(100)이 배치될 수 있다. 이 경우에는 자석(110)에 의한 자속이 로터(11)의 축을 따라 흐르게 된다.Referring to (a) of FIG. 2, for example, the magnetic bearings 100 are disposed to face each other, and a line connecting the N pole and the S pole with respect to one of the magnets 110 facing each other is connected to the rotor ( The magnetic bearing 100 may be arranged to be parallel to the axial direction of 11). In this case, the magnetic flux by the magnet 110 flows along the axis of the rotor 11.

이와는 다르게, 도 2의 (b)를 참고하면, 마주보는 자석(110) 중 한쪽 자석(110)을 기준으로 N극과 S극을 잇는 선이 로터(11)의 축방향과 수직하도록 자기베어링(100)이 배치될 수 있다. 이 경우에는 자석(110)에 의한 자속이 로터(11)의 반경방향으로 발생하게 된다.Unlike this, referring to FIG. 2 (b), the magnetic bearings are formed such that a line connecting the N pole and the S pole with respect to one of the magnets 110 facing each other is perpendicular to the axial direction of the rotor 11. 100) may be disposed. In this case, magnetic flux generated by the magnet 110 is generated in the radial direction of the rotor 11.

본 발명에서 자기베어링(100)의 배치 형태는 한정하지 않으며 필요에 따라 다양한 자기베어링(100)의 배치 형태가 가능할 것이다.In the present invention, the arrangement form of the magnetic bearing 100 is not limited, and various arrangement forms of the magnetic bearing 100 may be possible if necessary.

한편, 갭센서(300)는, 로터(11)의 축방향에 수직한 방향으로의 평면적인 이동 변위를 정확히 측정하기 위하여, X축 방향과 Y축 방향으로의 이동 변위를 각각 측정할 수 있도록 상기 각각의 축방향을 따라 한 개씩 적어도 두개가 구비되는 것이 바람직하다. 즉, 도 3의 도시와 같이, 로터(11)의 일측에 X축 방향과 Y축 방향을 따라 2개의 갭센서(300)가 구비될 수 있다. 따라서, X축 방향의 로터(11)의 이동변위 x와 Y축 방향의 로터(11)의 이동변위 y를 측정하여, 그 측정값을 제어부(200)로 전달하여 제어부(200)는 상기 측정값 x, y를 이용하여 피드백 제어 및 힘의 계산을 할 수 있는 것이다. 보다 자세한 계산 과정은 후술한다.On the other hand, the gap sensor 300, in order to accurately measure the planar movement displacement in the direction perpendicular to the axial direction of the rotor 11, so as to measure the movement displacement in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively At least two are preferably provided along each axial direction. That is, as shown in FIG. 3, two gap sensors 300 may be provided at one side of the rotor 11 along the X-axis direction and the Y-axis direction. Therefore, the displacement x of the rotor 11 in the X-axis direction and the displacement y of the rotor 11 in the Y-axis direction are measured, and the measured value is transmitted to the controller 200 so that the controller 200 measures the measured value. Using x and y, feedback control and force can be calculated. A more detailed calculation process will be described later.

로터(11)의 이동 변위를 보다 정확하고 안정적으로 측정하기 위해 갭센서(300)는 로터(11)와 스테이터(12)가 결합되어 있는 위치를 중심으로 양 방향으로 뻗어있는 로터(11)의 축에 각각 배치될 수 있다. 또한, 갭센서(300)는 로터(11)와 스테이터(12) 사이에 배치될 수도 있으며, 자기베어링(100)과 일체로 형성될 수도 있다.In order to more accurately and stably measure the displacement of the rotor 11, the gap sensor 300 is an axis of the rotor 11 extending in both directions about the position at which the rotor 11 and the stator 12 are coupled. May be arranged respectively. In addition, the gap sensor 300 may be disposed between the rotor 11 and the stator 12 or may be integrally formed with the magnetic bearing 100.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 모터의 힘 측정장치(1)의 작동을 도 1 내지 도 4를 참고하여 설명한다. The operation of the force measuring device 1 of the motor according to the present invention having the configuration as described above will be described with reference to FIGS.

모터(10)가 구동하면 로터(11)가 스테이터(12)의 내부에서 회전한다. 이때 도 4의 (a)의 도시와 같이, 로터(11)의 회전 중심이 스테이터(12)의 중심에 정확히 일치하도록 위치한다면 로터(11)와 스테이터(12) 사이에는 자기저항의 변화에 의해 발생하는 코깅력만이 존재한다. 그러나 실제적으로는 이렇게 로터(11)의 중심과 스테이터(12)의 중심이 일치하는 것은 불가능하며, 도 4의 (b)의 도시와 같이 로터(11)가 회전하면서 편심이 발생하게 되고 이러한 편심에 의해 로터(11)와 스테이터(12) 사이에 편심력이 발생한다. 따라서, 결과적으로 모터(10)가 구동하면 로터(11)와 스테이터(12) 사이에 코깅력과 편심력이 발생한다.When the motor 10 is driven, the rotor 11 rotates inside the stator 12. At this time, as shown in (a) of FIG. 4, if the rotational center of the rotor 11 is positioned to exactly match the center of the stator 12, it is generated by the change of the magnetoresistance between the rotor 11 and the stator 12. Only cogging force is present. In practice, however, the center of the rotor 11 and the center of the stator 12 cannot be coincided with each other. As shown in FIG. 4B, as the rotor 11 rotates, an eccentricity is generated and such eccentricity occurs. As a result, an eccentric force is generated between the rotor 11 and the stator 12. Therefore, as a result, when the motor 10 is driven, cogging force and eccentric force are generated between the rotor 11 and the stator 12.

이러한 코깅력과 편심력의 합력은 도 4의 (b)의 도시와 같이 X축 방향 성분의 힘과 Y축 방향 성분의 힘으로 나눌 수 있다. 상기 힘은 편심의 정도, 즉 로터(11)의 중심의 위치에 따라 달라진다.The force of the cogging force and the eccentric force can be divided into the force of the X-axis component and the force of the Y-axis component, as shown in FIG. The force depends on the degree of eccentricity, ie the position of the center of the rotor 11.

로터(11)의 중심의 위치에 따른 코깅력과 편심력의 합력을 측정하기 위하여 우선 측정하고자 하는 로터(11)의 중심의 위치를 정한다. 이렇게 정해진 로터(11)의 중심의 위치는 제어부(200)에 입력되고, 제어부(200) 에서는 로터(11)의 중심을 입력된 위치로 이동시키기 위해 전류를 자기베어링(100)의 코일(120)에 공급한다.In order to measure the force of the cogging force and the eccentric force according to the position of the center of the rotor 11, first, the position of the center of the rotor 11 to be measured is determined. The position of the center of the rotor 11 determined as described above is input to the control unit 200, and in the control unit 200, current is transferred to the coil 120 of the magnetic bearing 100 to move the center of the rotor 11 to the input position. To feed.

이때, 자기베어링(100)은 도 2의 도시와 같이, 로터(11)가 자력에 의해 X축 방향 및 Y축 방향으로 이동할 수 있도록 각 축방향을 따라 2쌍이 구비되는 것으로 예시된다. 따라서 X축 방향으로 구비된 자기베어링에 공급되는 X축 방향 전류와 Y축 방향으로 구비된 자기베어링에 공급되는 Y축 방향 전류를 각각 공급함으로 인해 로터(11)의 중심은 평면적으로 이동할 수 있다.In this case, as shown in FIG. 2, the magnetic bearing 100 is illustrated as having two pairs along the respective axial directions such that the rotor 11 can move in the X-axis direction and the Y-axis direction by magnetic force. Therefore, the center of the rotor 11 may move in a planar manner by supplying the X-axis current supplied to the magnetic bearing provided in the X-axis direction and the Y-axis current supplied to the magnetic bearing provided in the Y-axis direction, respectively.

한편, 도 3의 도시와 같이, 갭센서(300)는 X축 방향 및 Y축 방향을 따라 각각 구비되는바, 로터(11)의 중심이 얼마나 편향 이동하였는지 각 축방향으로 그 변위 정보를 얻을 수 있다. 이러한 변위 정보는 제어부(200)로 전달된다.On the other hand, as shown in Figure 3, the gap sensor 300 is provided along the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively, how much the displacement of the center of the rotor 11, the displacement information can be obtained in each axial direction have. Such displacement information is transmitted to the controller 200.

갭센서(300)로부터 변위정보를 입력 받은 제어부(200)는 처음 입력된 사용자가 원하는 로터(11)의 중심의 위치와 비교한 후 공급되는 전류의 양을 조절하여, 코일(120)에 전류를 공급하는 피드백 제어를 한다. 이러한 피드백 제어를 통하여 로터(11)의 중심은 사용자가 지정했던 위치에 도달하게 된다.The control unit 200 receiving displacement information from the gap sensor 300 compares the position of the center of the rotor 11 that the user first inputs and then adjusts the amount of current supplied to the coil 120. Provide feedback control. Through such feedback control, the center of the rotor 11 reaches the position designated by the user.

이렇게 로터(11)의 중심이 사용자가 지정한 위치에 도달하면, 로터(11)와 스테이터(12) 사이에는 코깅력과 함께 편심에 의한 편심력이 발생하고 그 합력은 X축 성분과 Y축 성분으로 나누어 질 수 있다. 한편, 로터(11)의 중심이 지정된 위치를 유지하면서 로터(11)가 회전하기 위해서는 상기 코깅력과 편심력의 합력을 보상하는 보상전류를 지속적으로 공급해 주어야 하는데, 이러한 보상전류를 통하여 역으로 로터(11)의 중심이 편심된 상태에서 모터(10)에 작용되는 코깅력과 편심력의 합력을 구할 수 있다. 합력은 X성분과 Y성분으로 나뉘어져 각각 계산되어 측정되는 것이 바람직하다. 이러한 힘의 계산은 제어부(200)에서 이루어 진다. 힘의 계산식은 아래의 수식과 같다.When the center of the rotor 11 reaches the position designated by the user, an eccentric force is generated between the rotor 11 and the stator 12 along with the cogging force and the combined force is the X-axis component and the Y-axis component. Can be divided. On the other hand, in order for the rotor 11 to rotate while maintaining the center of the rotor 11 at a specified position, a compensating current must be continuously supplied to compensate for the coercive force of the cogging force and the eccentric force. The coercive force of the cogging force and the eccentric force applied to the motor 10 in the state where the center of (11) is eccentric can be obtained. The combined force is preferably divided into X component and Y component and calculated and measured respectively. The calculation of this force is made in the control unit 200. The formula for the force is shown in the following formula.

Figure 112012009000196-pat00001
Figure 112012009000196-pat00001

Figure 112012009000196-pat00002
Figure 112012009000196-pat00002

삭제delete

이때, Fx 와 Fy 는 각각 코깅력과 편심력의 합력에 대한 X축 성분과 Y축 성분에 해당하고, ix 와 iy 는 각각 X축 방향과 Y축 방향으로 구비된 자기베어링(100)에 공급되는 전류에 해당하며, x 와 y는 도 3의 도시와 같이, 각각 X축 방향과 Y축 방향으로 로터(11)의 중심이 편향 이동된 변위량을 나타낸다.Where F x And F y Are the X- and Y-axis components of the cogging force and the eccentric force, respectively, and i x And i y Are the currents supplied to the magnetic bearings 100 provided in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively, and x and y represent the rotor 11 in the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively, as shown in FIG. The center represents the displacement amount deflected.

또한, Ki 는 자기베어링의 전류강성, Ka 는 자기베어링의 변위강성으로써, 자기베어링의 형태에 따라 수식적이나 실험적으로 얻어진다.In addition, K i is the current stiffness of the magnetic bearing, and K a is the displacement stiffness of the magnetic bearing, which is obtained numerically or experimentally according to the shape of the magnetic bearing.

결국, 사용자는 갭센서(300)와 자기베어링(100), 그리고 제어부(200)를 통하여 로터(11)의 중심을 원하는 목표 위치로 이동시킬 수 있는바, 원하는 만큼의 편심을 줄 수 있다. 편심의 양 또한 제어부(200)에서 전류를 조절하는 것으로 인해 미세하게 조절이 가능하다. 따라서, 모터(10)의 로터(11)가 어느 정도 편심이 이루어 졌는지에 따라 발생하는 코깅력과 편심력을 X축 방향의 힘과 Y축 방향의 힘으로 나누어 실험적으로 알 수 있는 것이다.As a result, the user may move the center of the rotor 11 to a desired target position through the gap sensor 300, the magnetic bearing 100, and the controller 200, and may give an eccentricity as desired. The amount of eccentricity can also be finely adjusted by controlling the current in the controller 200. Therefore, the cogging force and the eccentric force generated according to the eccentricity of the rotor 11 of the motor 10 can be experimentally determined by dividing the force in the X-axis direction and the force in the Y-axis direction.

이렇게 Fx 와 Fy 를 구하면 베어링의 강성과 댐핑을 알고 있는 이상 회전축의 중심과 회전 중심이 어느 정도 불일치되는 상태로 휘둘림 운동을 하게 될지 예측할 수 있다.So F x If we find and F y , we can predict that the rotational motion of the axis of rotation will be inconsistent with the rotational axis as long as the bearing rigidity and damping are known.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above embodiments, and those skilled in the art to which the present invention pertains various modifications and variations from such descriptions. This is possible.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.

1: 모터의 힘 측정장치 10: 모터
11: 로터 12: 스테이터
100: 자기베어링 110: 자석
120: 코일 200: 제어부
300: 갭센서
1: power measuring device of motor 10: motor
11: rotor 12: stator
100: magnetic bearing 110: magnet
120: coil 200: control unit
300: gap sensor

Claims (8)

로터와 스테이터를 포함하는 모터;
상기 로터의 일측에 구비되어 상기 로터를 지지하는 자기베어링; 및
상기 로터가 회전하는 동안 발생하는 코깅력과 상기 로터의 편심에 의한 편심력의 합력을 보상하는 보상전류를 상기 자기베어링에 제공하여 상기 로터가 지정된 위치를 유지하도록 하는 제어부; 및
상기 로터의 일측에는 상기 로터의 위치 이동에 따른 이동 변위량을 측정할 수 있는 갭(gap)센서;를 포함하고,
상기 제어부가 상기 코깅력과 편심력의 합력에 대한 X축 성분을 하기 수학식 1을 통해 계산하고, Y축 성분을 하기 수학식 2를 통해 계산하는 모터의 힘 측정장치.
<수학식 1>
Figure 112012009000196-pat00009

Fx : 코깅력과 편심력의 합력에 대한 X축 성분
Ki : 자기베어링의 전류강성
ix : X축 방향으로 자기베어링에 제공되는 보상전류
Ka : 자기베어링의 변위강성
x : X축 방향으로 로터의 중심이 편향 이동된 변위량
<수학식 2>
Figure 112012009000196-pat00010

Fy : 코깅력과 편심력의 합력에 대한 Y축 성분
Ki : 자기베어링의 전류강성
iy : Y축 방향으로 자기베어링에 제공되는 보상전류
Ka : 자기베어링의 변위강성
y : Y축 방향으로 로터의 중심이 편향 이동된 변위량.
A motor including a rotor and a stator;
A magnetic bearing provided at one side of the rotor to support the rotor; And
A control unit for providing the magnetic bearing with a compensating current for compensating for the combined force of the cogging force generated during the rotation of the rotor and the eccentric force due to the eccentricity of the rotor to maintain the rotor at a designated position; And
And a gap sensor on one side of the rotor, the gap sensor capable of measuring a displacement amount according to the positional movement of the rotor.
The control unit calculates the X-axis component for the coercive force and the eccentric force of the force through Equation 1, and calculates the Y-axis component through the equation (2).
&Quot; (1) &quot;
Figure 112012009000196-pat00009

F x : X-axis component of the coercive force and the eccentric force
K i : Current stiffness of magnetic bearing
i x : Compensation current provided to the magnetic bearing in the X axis direction
K a : displacement stiffness of magnetic bearing
x: Displacement amount in which the center of the rotor is deflected in the X axis direction
&Quot; (2) &quot;
Figure 112012009000196-pat00010

F y : Y-axis component of the coercive force and the eccentric force
K i : Current stiffness of magnetic bearing
i y : Compensation current provided to the magnetic bearing in the Y-axis direction
K a : displacement stiffness of magnetic bearing
y: displacement that deflected the center of rotor in the Y-axis direction.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 자기베어링은 상기 로터의 축을 중심으로 두 자석이 서로 마주보도록 적어도 1쌍으로 구비되는 것을 특징으로 하는 모터의 힘 측정장치.
The method of claim 1,
The magnetic bearing is a force measuring device of a motor, characterized in that provided with at least one pair of two magnets facing each other about the axis of the rotor.
제3항에 있어서,
상기 마주보는 자석 중 한쪽 자석을 기준으로 N극과 S극을 잇는 선이 상기 로터의 축방향과 평행하여 상기 자석에 의한 자속이 상기 로터의 축을 따라 흐르는 것을 특징으로 하는 모터의 힘 측정장치.
The method of claim 3,
And a line connecting the N pole and the S pole with respect to one of the opposing magnets is parallel to the axial direction of the rotor, so that magnetic flux by the magnet flows along the axis of the rotor.
재3항에 있어서,
상기 마주보는 자석 중 한쪽 자석을 기준으로 N극과 S극을 잇는 선이 상기 로터의 축방향과 수직하여 상기 자석에 의한 자속이 상기 로터의 반경방향으로 발생하는 것을 특징으로 하는 모터의 힘 측정장치.
The method of claim 3,
The force measuring device of the motor, characterized in that the line connecting the N pole and the S pole with respect to one of the opposing magnets is perpendicular to the axial direction of the rotor, the magnetic flux generated by the magnet in the radial direction of the rotor .
제3항에 있어서,
상기 자기베어링은 상기 로터의 축방향과 수직한 단면이 십자 모양을 형성하도록 X축과 Y축 방향으로 2쌍이 구비된 것을 특징으로 하는 모터의 힘 측정장치.
The method of claim 3,
The magnetic bearing is a force measuring device of the motor, characterized in that the pair is provided in the X-axis and Y-axis direction so that the cross section perpendicular to the axial direction of the rotor to form a cross shape.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 갭센서는 상기 로터의 X축 방향과 Y축 방향으로의 이동 변위를 각각 측정할 수 있도록 상기 X축 방향과 Y축 방향을 따라 한 개씩 적어도 두 개가 구비되는 것을 특징으로 하는 모터의 힘 측정장치.
The method of claim 1,
At least two gap sensors are provided one by one along the X and Y axis directions to measure the displacement of the rotor in the X and Y axis directions, respectively. .
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