KR101251418B1 - 수직형 터보기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직형 터보기기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 회전자의 마그네트를 고정자에 대하여 소정 간격 쉬프트(shift)시켜 마그네트와 고정자가 어긋나도록 배치함으로써, 정지시에 회전자의 하중을 상쇄시킬 수 있고, 회전자의 하부에 영구자석과 코일의 반발력을 이용한 마그네틱 베어링을 장착함으로써, 운전시에 임펠러 회전과 볼루트의 압축공기 토출에 의한 반발력으로 회전자에 가해지는 압력을 상쇄시킬 수 있는 수직형 터보기기에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 일측에 개방부를 구비하는 하우징; 상기 하우징 내부의 일측에 고정되는 고정자; 상기 고정자의 내부에 구비되며, 회전축과 상기 회전축 외주면의 일부를 둘러싸는 마그네트(magnet)를 포함하는 회전자; 및 상기 회전축의 일측에 결합되는 임펠러를 포함하며, 상기 마그네트는 상기 고정자 내부에 배치되되 상기 회전축의 일측보다 타측 방향으로 쉬프트(shift)되어 상기 회전축의 일측 방향으로 자력을 받는 것을 특징으로 하는 수직형 터보기기를 제공한다.

Description

수직형 터보기기{Vertical type turbo device}

본 발명은 수직형 터보기기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 회전자의 마그네트를 고정자에 대하여 소정 간격 쉬프트(shift)시켜 마그네트와 고정자가 어긋나도록 배치함으로써, 정지시에 회전자의 하중을 상쇄시킬 수 있고, 회전자의 하부에 영구자석과 코일의 반발력을 이용한 마그네틱 베어링을 장착함으로써, 운전시에 임펠러 회전과 볼루트의 압축공기 토출에 의한 반발력으로 회전자에 가해지는 압력을 상쇄시킬 수 있는 수직형 터보기기에 관한 것이다.

증속기 등을 사용하거나, 사용하지 않고 전동기 자체의 회전속도를 고속으로 하여 공기를 압축하는 장치를 터보기기라고 하며, 일반적으로 하우징, 고정자, 회전자, 임펠러 등으로 구성된다.

터보기기는 회전자가 놓이는 방향에 따라 수평형과 수직형으로 구분된다.

수평형 터보기기의 경우 회전자가 수평으로 가로놓이고, 고정자가 회전자를 둘러싸고 있는 형상을 취하고 있다. 수평형 터보기기의 공기토출압력이 증가할 경우, 즉 회전자가 고속으로 회전할 경우 큰 동압이 발생하게 되며, 이러한 고속의 회전축을 지지하기 위해 에어포일 베어링(air foil bearing)이 주로 사용되고 있다.

에어포일 베어링은 원통형 하우징의 내측에 탄성력을 가지는 범프(bump)가 놓이고 범프의 내측에는 포일이 조립되며, 포일의 내측에는 회전축이 회전가능하게 위치한다. 회전축을 고속으로 회전시키면 포일과 회전축 사이의 공간에 공기 유동에 의한 동압이 형성되고, 공기의 동압에 의하여 포일은 회전축으로부터 멀어지는 쪽으로 탄성 변형되며, 회전축과 포일 사이에 에어갭(air gap)이 형성됨으로써 회전축이 포일과의 마찰없이 회전할 수 있는 것이다.

이때, 터보기기의 출력을 증가시키기 위해서는 회전자의 무게가 증가하게 되고, 운전과 정지를 반복할 경우 회전자 무게 증가로 인한 에어베어링 포일 표면의 마모 현상이 커지게 된다. 이러한 현상은 수평형 터보기기의 단점으로 지적되고 있다.

한편, 수직형 터보기기의 경우 회전자가 수직으로 놓이고, 고정자가 회전자를 둘러싸고 있는 형상을 취하고 있으므로, 회전자의 무게에 의해 에어포일 베어링의 내주면에 가해지는 압력문제가 해결된다.

이와 같이 수직형 터보기기의 경우 회전자 무게에 의해 에어포일 베어링의 내주면에 가해지는 압력문제는 해결되나, 회전자의 하중이 하부 방향으로 가해짐에 따라 이를 지지하기 위한 수단이 필요하다는 과제가 발생하게 된다.

구체적으로, 모터를 구동하기 전에는 수직방향으로 배치된 회전자가 하중에 의해 회전자를 지지하는 축 등에 매우 큰 압력이 가해지게 된다. 모터 구동시에는 임펠러의 회전에 의해 공기가 압축되고 압축된 공기가 볼루트(volute)를 통해 배출되면서 반발력에 의해 임펠러의 하부방향, 즉 회전자의 하중 방향으로 매우 큰 압력이 가해지게 된다.

따라서, 수직형 터보기기에서 모터 구동 전과 구동 후에 상기와 같이 발생하는 압력문제를 해결할 수 있는 기술에 대한 개발 필요성이 대두된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 정지시에 회전자의 하중을 상쇄시킬 수 있고, 운전시에 임펠러 회전과 볼루트의 압축공기 토출에 의한 반발력으로 회전자에 가해지는 압력을 상쇄시킬 수 있는 수직형 터보기기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 수직형 터보기기는 일측에 개방부를 구비하는 하우징; 상기 하우징 내부의 일측에 고정되는 고정자; 상기 고정자의 내부에 구비되며, 회전축과 상기 회전축 외주면의 일부를 둘러싸는 마그네트(magnet)를 포함하는 회전자; 및 상기 회전축의 일측에 결합되는 임펠러를 포함하며, 상기 마그네트는 상기 고정자 내부에 배치되되 상기 회전축의 일측보다 타측 방향으로 쉬프트(shift)되어 상기 회전축의 일측 방향으로 자력을 받는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 마그네트의 길이를 이등분하는 중심선은 상기 고정자의 길이를 이등분하는 중심선에 대해 어긋나서 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 수직형 터보기기는 상기 회전자의 타측을 둘러싸는 베어링; 상기 베어링을 상기 하우징에 고정시키는 지지부재; 상기 회전축의 타측에 결합되는 스러스트 베어링 플레이트; 및 상기 지지부재에 결합되어 상기 스러스트 베어링 플레이트가 삽입되는 공간을 제공하는 보조부재를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 회전축의 타측 단부에는 마그네틱 베어링이 구비될 수 있다.

또한, 상기 마그네틱 베어링은 상기 회전축의 타측 및 상기 스러스트 베어링 플레이트에 결합되는 영구자석 케이스, 상기 영구자석 케이스에 삽입되는 영구자석, 상기 영구자석의 타측 단부 일부를 둘러싸며 전류에 의해 자력을 발생시키는 코일을 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 회전자의 마그네트를 고정자에 대하여 소정 간격 쉬프트(shift)시켜 마그네트와 고정자가 어긋나도록 배치함으로써, 정지시에 회전자의 수직 하중을 상쇄시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면 회전자의 하부에 영구자석과 코일의 반발력을 이용한 마그네틱 베어링을 장착함으로써, 운전시에 임펠러 회전과 볼루트의 압축공기 토출에 의한 반발력으로 회전자에 가해지는 압력을 상쇄시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직형 터보기기의 수직단면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직형 터보기기의 수직단면도이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수직형 터보기기는, 도 1을 참조하면, 하우징(10), 고정자(20), 회전자(30), 임펠러(60), 볼루트(70), 베어링(80), 지지부재(82), 스러스트 베어링 플레이트(84), 보조부재(86), 및 마그네틱 베어링(90)을 포함하여 이루어진다.

하우징(10)은 일측에 개방부를 구비하는 원통 형상으로 형성된다. 하우징(10)의 일측 단부에는 볼루트(volute)(70)가 결합된다.

고정자(20)는 하우징(10) 내부에 일측에 고정된다.

회전자(30)는 고정자(20)의 내부에 구비되며, 마그네트(40)와 회전축(50)을 포함한다.

마그네트(40)는 영구자석으로 구성되며, 회전축(50) 외주면의 일부를 둘러싸는 형상을 취하고 있다. 마그네트(40)는 고정자(20) 내부에 배치되되, 회전축(50)의 일측(도 1에서 임펠러(60)가 위치한 방향)보다 타측(마그네틱 베어링(90)이 위치한 방향) 방향으로 쉬프트(shift)되도록 배치된다.

즉, 마그네트(40)의 길이를 이등분하는 중심선(42, 이하 "마그네트 중심선")은 고정자(20)의 길이를 이등분하는 중심선(22, 이하 "고정자 중심선")에 대해 어긋나서 배치되며, 고정자 중심선(22)에 비해 마그네트 중심선(42)이 하부 방향으로 치우쳐진다. 따라서, 마그네트(40)와 고정자(20) 간의 자기적 인력(attractive force)에 의해 마그네트(40)는 회전축(50)의 일측 방향(도 1의 상부 방향)으로 힘을 받게 되며, 그 결과 회전자(30)가 상승하는 방향으로 힘이 작용하여 회전자(30)의 하중을 떠받치게 된다.

수직형 터보기기의 경우 수평형과 달리, 정지 시에 회전자 자체의 하중에 의해 하부 방향으로 큰 힘을 받게 된다. 본 발명에서는 마그네트(40)를 고정자(20)와 어긋나게 배치하여 상승하는 방향으로 힘이 작용하도록 함으로써, 정지시 회전자(30)의 하중을 상쇄하게 된다.

이때, 고정자(20)에 대해 마그네트(40)를 쉬프트하는 정도는 회전자(30)의 하중과 마그네트(40)의 자력 크기에 따라 설정된다.

임펠러(60)는 회전축(50)의 일측에 결합되어 하우징(10) 개방부로부터 유입된 외부 공기를 압축하여 볼루트(70)를 통해 배출되도록 한다.

볼루트(70)는 하우징(10)의 일측 단부에 결합된다. 볼루트(70)는 임펠러(60)를 통해 압축된 공기를 외부로 배출한다.

베어링(80)은 하우징(10) 내부에 구비되며, 회전축(50)을 감싸는 형상으로 형성된다. 베어링(80)은 회전축(50)의 양측 단부에 구비된다. 일례로, 베어링으로는 에어 포일 베어링(Air Foil bearing)이 적용될 수 있다. 에어 포일 베어링은 고속으로 회전하는 회전자(30)를 축방향과 반경방향으로 지지하며, 하우징(10)의 내측에 탄성력을 가지는 범프와 포일을 배치하고 포일의 내측에는 회전축(50)이 회전가능하게 구비된다.

회전축(50)을 고속으로 회전시키면 포일과 회전축 사이의 공간에 공기 유동에 의한 동압이 형성되고, 공기의 동압에 의해 포일은 회전축으로부터 멀어지는 방향으로 탄성 변형되며, 회전축과 포일의 사이에 에어갭(air gap)이 형성됨으로써 회전축이 포일과의 마찰없이 회전될 수 있도록 한다.

지지부재(82)는 베어링(80)을 하우징에 고정시킨다.

스러스트 베어링 플레이트(84)는 회전축(50)의 타측에 결합된다. 스러스트 베어링 플레이트(84)는 중앙이 비어있는 원판 형상으로 형성된다.

보조부재(86)는 지지부재(82)에 결합되어, 스러스트 베어링 플레이트(84)가 삽입되는 공간을 제공한다. 도 1과 같이, 스러스트 베어링 플레이트(84)는 베어링(80)과 보조부재(86) 사이에서 회전축(50)과 함께 회전한다.

수직형 터보기기의 경우 임펠러(60)의 회전과 볼루트(70)를 통한 압축공기 토출에 의한 반발력 때문에 임펠러(60)의 하부방향, 즉 회전자(30)의 하중 방향으로 매우 큰 압력이 가해지게 된다.

본 발명에서는 회전축(50)의 타측 단부, 즉 하우징(10)의 하부에 마그네틱 베어링(90)을 장착함으로써, 모터 운전중에 발생하는 하부 방향으로의 압력을 상쇄하고자 하였다.

이를 위해, 마그네틱 베어링(90)은 영구자석 케이스(91), 영구자석(92), 코일(94)을 포함한다

영구자석 케이스(91)는 회전축(50)의 타측과 스러스트 베어링 플레이트(84)에 결합된다. 영구자석 케이스(91)에는 영구자석(92)이 삽입된다.

코일(94)은 영구자석(92)의 타측 단부 일부를 둘러싸며, 전류에 의해 자력을 발생시킨다.

운전중에는 코일(94)에 전류가 공급된다. 예컨대, 상부에는 N극, 하부에는 S극이 오도록 영구자석(92)을 배치하고, 코일(94)은 상부가 S극, 하부가 N극이 되도록 전류를 가하면 영구자석(92)과 코일(94) 사이에 척력(repulsive force)이 작용하여 반발하게 되므로 영구자석(92)이 상부 방향으로 이동하고 그에 따라 회전축(50) 전체가 상부 방향으로 이동하게 된다. 이러한 힘이 임펠러(60) 회전과 볼루트(70)의 압축공기 토출에 의한 하부 방향으로의 반발력을 상쇄시킨다.

코일(94)에 흐르는 전류의 크기를 증가시키면 영구자석(92)과의 반발력이 증가하게 된다. 임펠러(60)에 가해지는 압력을 rpm 센싱값을 통해 측정하고, 이를 상쇄시킬 수 있도록 코일(94)에 흐를 전류값을 설정할 수 있다.

이와 같이 함으로써, 수평형 터보기기의 문제점을 해결한 수직형 터보기기를 구현하면서도, 수직형 터보기기의 정지시와 운전시에 발생하는 하중과 압력을 상쇄시킴으로써 안정적인 운전이 가능하도록 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 - 하우징 20 - 고정자
30 - 회전자 40 - 마그네트
50 - 회전축 60 - 임펠러
70 - 볼루트 80 - 베어링
82 - 지지부재 84 - 스러스트 베어링 플레이트
86 - 보조부재 90 - 마그네틱 베어링

Claims (5)

1. 일측에 개방부를 구비하는 하우징;
   상기 하우징 내부의 일측에 고정되는 고정자;
   상기 고정자의 내부에 구비되며, 회전축과 상기 회전축 외주면의 일부를 둘러싸는 마그네트(magnet)를 포함하는 회전자;
   상기 회전축의 일측에 결합되는 임펠러;
   상기 회전자의 타측을 둘러싸는 베어링;
   상기 베어링을 상기 하우징에 고정시키는 지지부재;
   상기 회전축의 타측에 결합되는 스러스트 베어링 플레이트;
   상기 지지부재에 결합되어 상기 스러스트 베어링 플레이트가 삽입되는 공간을 제공하는 보조부재; 및
   상기 회전축의 타측 단부에 구비되는 마그네틱 베어링
   을 포함하며,
   상기 마그네트는 상기 고정자 내부에 배치되되 상기 회전축의 일측보다 타측 방향으로 쉬프트(shift)되어 상기 회전축의 일측 방향으로 자력을 받도록 하고,
   상기 마그네틱 베어링은 상기 회전축의 타측 및 상기 스러스트 베어링 플레이트에 결합되는 영구자석 케이스, 상기 영구자석 케이스에 삽입되는 영구자석, 상기 영구자석의 타측 단부 일부를 둘러싸며 전류에 의해 자력을 발생시키는 코일을 포함하며,
   상기 임펠러의 회전과 볼루트를 통한 압축공기 토출에 의한 반발력(제1 압력)에 대하여 상기 코일에 흐르는 전류의 크기를 증가시키면 상기 영구자석과의 반발력(제2 압력)이 증가하게 되며, 상기 임펠러에 가해지는 압력을 rpm 센싱값을 통해 측정하고 상기 제1 압력을 상기 제2 압력으로 상쇄시킬 수 있도록 상기 코일에 흐를 전류값을 설정하는 것을 특징으로 하는 수직형 터보기기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 마그네트의 길이를 이등분하는 중심선은 상기 고정자의 길이를 이등분하는 중심선에 대해 어긋나서 배치되는 것을 특징으로 하는 수직형 터보기기.
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