KR101289159B1 - 마그네틱 베어링 보호 장치 및 상기 마그네틱 베어링 보호 장치를 구비한 모터 장치. - Google Patents

마그네틱 베어링 보호 장치 및 상기 마그네틱 베어링 보호 장치를 구비한 모터 장치. Download PDF

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Abstract

본 발명은 마그네틱 베어링 보호 장치 및 보호방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 의한 마그네틱 베어링 보호 장치는, 계통전원의 이상을 감지하여 이상신호를 생성하는 감지부; 및 상기 이상신호를 전송받으면, 상기 회전축의 운동에너지를 변환하여 전기 에너지를 생성하는 발전모드로 상기 모터를 동작하게 하는 제1제어신호 및 상기 모터가 생성한 전기 에너지를 상기 마그네틱 베어링으로 전송하도록 하는 제2제어신호를 전송하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

마그네틱 베어링 보호 장치 및 상기 마그네틱 베어링 보호 장치를 구비한 모터 장치. {Apparatus for protecting magnetic bearing and apparatus for motor having the same}
본 발명은 마그네틱 베어링 보호 장치 및 상기 마그네틱 베어링 보호 장치를 구비한 모터 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마그네틱 베어링의 전원이 차단되어도 일정기간 마그네틱 베어링의 성능을 유지시켜 마그네틱 베어링을 보호할 수 있는 마그네틱 베어링 보호 장치 및 보호 방법에 관한 것이다.
일반적으로 베어링은 회전체 분야에서 핵심이 되는 장치로서, 회전하는 축을 일정한 위치에 고정하고 축의 자중에 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전시키는 기계요소이다.
기계식 베어링의 경우 베어링의 회전체와 볼 따위가 접촉한 상태에서 회전하므로 마찰이 크고 상당히 높은 열이 발생한다. 또한 이들의 계속적인 접촉으로 인하여 베어링의 내구성이 떨어지게 된다.
따라서, 최근에는 기계식 베어링 이외에 무접촉 베어링인 마그네틱 베어링 등이 널리 사용되고 있다. 마그네틱 베어링은 자기장을 이용하여 축을 부상시켜 지지하는 것으로서, 기계식 베어링에 비하여 베어링의 회전체와 볼 따위가 접촉하지 않으므로, 마찰 저항이 훨씬 적다.
하지만, 상기 마그네틱 베어링을 이용하기 위해서는 상기 마그네틱 베어링에 별도의 전원을 공급하여야 하는 것이 일반적이므로, 상기 마그네틱 베어링에 대한 전원이 갑자기 차단되는 등의 비상상황 시에 있어서 문제가 될 수 있다.
즉, 상기 회전체가 회전하고 있는 상황에서 갑자기 상기 마그네틱 베어링에 대한 전원이 차단되어 상기 마그네틱 베어링이 동작을 할 수 없게 되면, 상기 회전체는 기존의 위치를 유지하지 못하고 어느 한쪽으로 치우치게 될 수 있으며, 이 경우 상기 회전체와 상기 회전체를 둘러싸고 있는 고정자가 충돌을 일으킬 수 있다. 상기 회전체와 고정자의 충돌에 의하여 상기 회전체 및 고정자의 손상 및 파손이 발생할 수 있다.
따라서, 일반적으로는 상기 마그네틱 베어링과 함께 예비적으로 볼 베어링을 설치한다. 상기 마그네틱 베어링이 동작하지 못하게 되더라도, 상기 회전체와 고정자의 충돌을 방지하고 베어링의 지지력을 유지하기 위함이다.
하지만, 상기 회전체가 고속으로 회전하고 있는 상황에서는 상기 볼 베어링에 의하더라도 상기 회전체를 충분히 지지할 수 없으며, 상기 회전체가 진동하거나 충돌을 일으켜, 상기 회전체 및 베어링이 손상될 수 있다.
또한, 볼 베어링을 이용하여 비상상황에 대응하는 경우에 있어서, 상기 볼 베어링은 회전체와 고정자 사이에 구비되므로, 상기 볼 베어링의 마모에 따른 유지보수가 어렵다는 단점이 있다.
따라서, 상기 마그네틱 베어링에 대한 비상상황에 대응하기 위한 방법으로서, 상기 볼 베어링을 활용하는 것만으로는 물리적인 한계가 있다.
본 발명은 모터의 회전축에 구비된 마그네틱 베어링 및 회전축의 손상을 방지하기 위한 마그네틱 베어링 보호장치 및 상기 마그네틱 보호장치를 구비한 모터 시스템을 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 모터의 회전축에 구비된 마그네틱 베어링 및 회전축의 손상을 방지할 수 있는 마그네틱 베어링 보호방법을 제안하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 시스템은, 계통전원의 이상을 감지하여 제어신호를 발생시키는 제어부; 상기 제어신호를 입력받으면, 구동되고 있던 회전축의 운동에너지를 이용하여 교류 전력을 생성하는 모터; 상기 제어신호를 입력받으면, 모터에 대한 전원 공급을 중단하고, 상기 모터가 생성한 교류 전력을 직류 전력으로 전환하여 상기 마그네틱 베어링 전원공급부로 전송하는 모터 전원공급부; 상기 제어신호를 입력받으면, 계통전원을 대체하여 상기 모터 전원공급부가 전송하는 직류 전력을 마그네틱 베어링으로 공급하는 마그네틱 베어링 전원공급부; 상기 마그네틱 전원공급부로부터 공급받은 전력에 의하여 자기장을 형성하고, 상기 자기장을 이용하여 상기 회전축과 공극을 형성하면서 상기 회전축을 지지하는 마그네틱 베어링; 및 상기 회전축에 구비되어, 상기 마그네틱 베어링이 상기 회전축을 지지하지 못하는 경우에 상기 회전축을 지지하는 볼 베어링을 포함할 수 있다.
여기서 상기 제어부는, 상기 모터 전원공급부 내부의 전압을 측정하여 상기 측정된 전압의 크기가 기 설정된 전압의 크기보다 작으면 상기 계통전원에 이상이 있는 것으로 판별할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의한 마그네틱 베어링 보호장치는, 계통전원의 이상을 감지하여 이상신호를 활성화하는 감지부; 및 상기 이상신호가 활성화되면 상기 모터를 발전모드로 동작하게 하고, 상기 모터가 생성한 전기 에너지를 상기 마그네틱 베어링으로 전송하도록 하는 제1제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함할 수 있다.
여기서 상기 감지부는, 상기 모터에 전원을 공급하는 모터 전원공급부 내부의 전압을 측정하여, 상기 측정된 전압의 크기가 제1전압의 크기보다 작으면 상기 계통전원에 이상이 있는 것으로 판별할 수 있다.
여기서 상기 제어신호 생성부는, 상기 감지부가 측정한 전압의 크기가 제2전압의 크기보다 작으면 상기 마그네틱 베어링으로의 전원 공급을 중단시키는 제2제어신호를 전송할 수 있다.
본 발명의 마그네틱 베어링 보호 장치 및 상기 마그네틱 베어링 보호 장치를 구비한 모터 시스템에 의하면, 마그네틱 베어링에 공급되는 전원이 갑자기 차단되더라도 일정기간 마그네틱 베어링의 성능을 유지시킬 수 있다. 상기 마그네틱 베어링의 성능이 유지되는 기간동안 모터의 회전속도가 줄어들기 때문에, 이후 마그네틱 베어링이 그 성능을 유지하지 못하게 되더라도 볼 베어링에 의하여 상기 마그네틱 베어링 및 모터의 회전축을 보호할 수 있다.
본 발명의 마그네틱 베어링 보호 장치 및 방법에 의하면, 복잡한 장치의 추가없이 간단한 구성으로 마그네틱 베어링 및 모터의 회전축을 보호할 수 있다.
도1은 마그네틱 베어링을 구비한 모터 시스템을 도시한 블록도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 전원공급부 및 마그네틱 베어링 전원공급부를 도시한 블록도이다.
도3(a)는 계통전원의 차단 전후에서의 단자 a-b 양단 전압을 나타낸 그래프이고, 도3(b)는 계통전원의 차단 전후에서의 모터의 회전속도를 나타낸 그래프이다.
도4은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 시스템을 도시한 블록도이다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 의한 마그네틱 베어링 보호장치를 도시한 블록도이다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 의한 마그네틱 베어링 보호 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도1은, 마그네틱 베어링을 구비한 모터 시스템을 도시한 블록도이다.
도1을 참조하면, 상기 모터 시스템은, 날개차(impeller, 11), 볼 베어링(ball bearing, 12, 12'), 마그네틱 베어링(magnetic bearing, 13, 13'), 모터(motor, 14), 회전축(15), 모터 전원공급부(20) 및 마그네틱 베어링 전원공급부(30)를 포함할 수 있다.
이하, 도1을 참조하여, 마그네틱 베어링을 구비한 모터 시스템을 설명한다.
날개차(11)는, 터보형 펌프, 송풍기 또는 압축기 등에서 사용되는 원판 또는 원통형의 회전체일 수 있다. 상기 날개차(11)는 상기 모터(14)가 공급하는 운동에너지를 상기 회전축(15)으로부터 전달받아 회전할 수 있다. 상기 날개차(11)의 회전을 이용하여 유체를 혼합하거나, 송풍, 압축 등의 기능을 수행할 수 있다.
볼 베어링(12,12')은 상기 회전축(15)에 구비되어, 상기 마그네틱 베어링(13,13')이 상기 회전축(15)을 지지하지 못하게 되는 경우에 상기 회전축(15)을 지지할 수 있다.
상기 볼 베어링(12,12')은 상기 마그네틱 베어링(13,13')에 전원이 차단되는 등 상기 마그네틱 베어링(13,13')이 그 기능을 제대로 수행하지 못하는 경우에 사용될 수 있다. 상기 마그네틱 베어링(13,13')이 그 기능을 수행하지 않으면 상기 회전축(15)이 지지되지 않아, 상기 회전축(15)과 마그네틱 베어링(13,13'), 모터(14) 등 전체 모터 시스템이 손상될 수 있다. 따라서, 상기 마그네틱 베어링(13,13')이 동작하지 않는 경우 등을 대비하여 상기 볼 베어링(12,12')이 상기 회전축(15)을 지지할 수 있도록 할 필요가 있다.
다만, 상기 회전축(15)이 고속으로 회전하는 경우 등에 있어서는 상기 볼 베어링(13,13')이 상기 회전축(150)을 충분히 지지하지 못하여 상기 마그네틱 베어링(13,13'), 회전축(15) 등이 손상될 수 있다.
마그네틱 베어링(13,13')은 상기 마그네틱 베어링 전원공급부(30)로부터 입력받은 전원에 의하여 자기장을 형성하고, 상기 자기장을 이용하여 상기 회전축(15)과 공극을 형성하면서 상기 회전축(15)을 지지할 수 있다.
상기 마그네틱 베어링(13,13')은 자기장을 이용하여 상기 회전축(15)을 자기 부상하도록 할 수 있다. 따라서, 상기 회전축(15)은 상기 마그네틱 베어링(13,13') 및 볼 베어링(12,12')과 공극을 가지면서도 상기 마그네틱 베어링(13,13')의 자기장에 의하여 지지될 수 있다. 상기 공극에 의하여 상기 회전축(15)은 회전에 의한 마찰을 줄일 수 있으며, 자기력에 의하여 상기 회전축(15)에 대한 지지력을 유지할 수 있다.
모터(14)는 상기 모터 전원공급부(20)가 공급하는 교류 전력을 이용하여 상기 회전축(15)을 회전시킬 수 있다. 상기 모터(14)의 회전속도는 상기 모터 전원공급부(20)가 공급하는 교류 전력의 주파수 또는 최대 전압의 크기에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 모터(14)는 특정한 제어 신호를 입력받으면, 구동되고 있던 회전축(15)의 운동에너지를 이용하여 교류 전력을 생성할 수 있다.
일반적으로 모터와 발전기는 서로의 역할을 바꾸어 대신할 수 있음은 알려져 있다. 즉, 모터에 전기에너지를 공급하면 회전축이 회전하는 운동에너지로 교환되지만, 반대로 상기 모터의 회전축이 가지는 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 발생시킬 수도 있다. 따라서, 상기 모터(14)에 입력되는 특정한 제어신호에 따라 상기 모터의 동작 모드를 발전모드로 전환시키는 것도 가능하다.
회전축(15)은 상기 모터(14)가 생성한 운동에너지에 의하여 회전하게 되며, 상기 모터(14)의 운동에너지를 상기 날개차(11)에 전달할 수 있다. 상기 회전축(15)은 상기 마그네틱 베어링(13,13') 에 의하여 지지되므로 흔들림 없이 일정하게 회전 운동을 할 수 있다.
모터 전원공급부(20)는 계통전원으로부터 전원을 공급받아 상기 모터(14)에 전원을 공급할 수 있다. 상기 모터 전원공급부(20)는 계통전원으로부터 입력받은 교류전원의 주파수, 최대 전압의 크기 등을 변경할 수 있다. 상기 모터 전원공급부에(20)에서 변경된 주파수, 최대 전압의 크기 등에 의하여 상기 모터(14)의 회전속도 등의 동작을 제어할 수 있다.
마그네틱 베어링 전원공급부(30)는 계통전원으로부터 전원을 공급받아 상기 마그네틱 베어링(13,13')에 전원을 공급할 수 있다. 상기 마그네틱 베어링(13,13')은, 상기 마그네틱 베어링 전원공급부(30)가 공급하는 전력에 의하여 자기장을 형성할 수 있으며 상기 회전축(15)에 대한 지지력을 유지할 수 있다.
도2는, 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 전원공급부 및 마그네틱 베어링 전원공급부를 도시한 블록도이다.
도2을 참조하면, 상기 모터 전원공급부(20)는 필터부(21), 컨버터(22), 중간회로(23), 인버터(24), 사인 필터(sine filter, 25)를 포함할 수 있다.
이하, 도2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 전원공급부 및 마그네틱 베어링 전원공급부를 설명한다.
모터 전원공급부(20)는 계통전원으로부터 단자 L1, L2, L3를 통하여 교류 전원을 입력받을 수 있다.
필터부(21)는 상기 입력받은 교류 전원에 대하여 전자파 잡음 등의 제거를 수행할 수 있다. 상기 필터부(21)에서 전자파 잡음을 제거함으로써 전자파 장애(Electromagnetic interference)를 방지할 수 있다.
컨버터(22)는 상기 필터부(21)로부터 전달받은 교류 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있다. 상기 컨버터는 다이오드 등을 포함하여 구성될 수 있다.
중간회로(23)는 상기 컨버터(22)와 인버터(24)사이에 구성되는 회로일 수 있다. 상기 도2의 중간회로(23)는 일 실시예에 불과한 것으로 상기 도2에 의하여 본 발명의 내용이 한정되지 않는다. 상기 중간회로는 평활 커패시터, 브레이크 초퍼 등을 포함할 수 있다.
인버터(23)는 상기 중간회로로부터 입력받은 직류 전력을 원하는 주파수를 가지는 교류 전력으로 변환할 수 있다. 모터(14)는 입력되는 교류 전력의 주파수에 따라서 회전속도가 결정될 수 있으므로, 상기 인버터에 의하여 상기 모터(14)의 회전속도를 제어할 수 있다. 상기 인버터(24)는 펄스 폭 변조 방식(PWM: Pulse Width modulation)을 이용할 수 있다. 상기 인버터(24)는 프리휠링 다이오드(freewheeling diode) 및 싸이리스터(Thyristor) 또는 절연 게이트 양극성 트랜지스터(IGBT: Insulated- Gate Bipolar Transistor)와 같은 반도체 스위치를 이용하여 구현될 수 있다.
사인 필터(sine filter, 25)는 상기 인버터(24)에 의하여 변환된 교류 전력을 정현파에 가깝게 변형시킬 수 있다.
여기서 상기 모터 전원공급부(20)는, 상기 계통전원이 갑자기 차단되는 등 이상이 발생하면, 상기 계통전원의 이상에 대응하는 제어신호를 입력받을 수 있다.
상기 제어신호가 입력되면, 상기 모터 전원공급부(20)는 모터(14)에 대한 전원 공급을 중단하고, 상기 모터(14)가 생성한 교류 전력을 직류 전력으로 전환하여 상기 마그네틱 베어링 전원공급부(30)로 전송할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어신호가 입력되면 상기 모터 전원공급부(20)는 모터(14)에 대한 전원공급을 중단하고 상기 모터(14)가 생성한 교류 전력을 입력받을 수 있다. 상기 입력된 교류 전력은 상기 사인필터(25)를 거쳐서 인버터(24)로 전달될 수 있다. 여기서 상기 인버터(24)는 상기 입력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환 시킬 수 있다. 상기 인버터(24)는 다이오드 등을 포함할 수 있으므로, 상기 다이오드를 이용하여 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있다. 상기 인버터(24)에 의하여 변환된 직류 전력은 상기 단자 a-b를 통하여 마그네틱 베어링 전원공급부(30)로 전송될 수 있다.
마그네틱 베어링 전원공급부(30)는 계통전원으로부터의 교류 전력 이외에, 상기 모터 전원공급부(20)로부터의 직류 전력을 받을 수 있는 단자를 더 포함할 수 있다.
상기 모터 전원공급부(20)와 마찬가지로, 상기 계통전원이 갑자기 차단되는 등 이상이 발생하면, 상기 마그네틱 베어링 전원공급부(30)에 제어신호가 입력될 수 있다.
상기 제어신호가 입력되면, 상기 마그네틱 베어링 전원공급부(30)는 계통전원을 대체하여 상기 모터 전원공급부(20)가 전송하는 직류 전력을 마그네틱 베어링(13)으로 공급할 수 있다.
구체적으로, 상기 마그네틱 베어링 전원공급부(30)는 상기 모터 전원공급부(20)의 단자 a-b로부터 상기 모터(14)가 생성한 전력을 공급받을 수 있다.
계통전원에 의하여만 전원을 공급을 받으면, 상기 계통전원이 갑자기 차단된 경우에 상기 마그네틱 베어링 전원공급부(30)는 더 이상 상기 마그네틱 베어링(13)으로 전원을 공급할 수 없다. 이 경우, 마그네틱 베어링(13)은 더 이상 기능을 수행하지 못하게 되므로, 고속으로 회전하고 있는 모터(14)의 회전축에 의하여 모터 시스템이 손상될 수 있다.
하지만, 본 발명과 같이 단자 a-b로부터 상기 모터(14)가 생성한 전력을 공급받는 경우에는, 상기 계통전원이 차단되더라도 상기 마그네틱 베어링(13)에 전력을 공급할 수 있으므로, 그 기능을 유지할 수 있다.
다만, 상기 마그네틱 베어링(13)의 기능이 지속적으로 유지되는 것은 아니므로, 상기 모터(14)의 회전속도가 볼 베어링에 의하여 충분히 지지 가능할 수 있을 때까지만 유지되도록 할 수 있다.
도3(a)는 계통전원의 차단 전후에서의 단자 a-b 양단 전압을 나타낸 그래프이고, 도3(b)는 계통전원의 차단 전후에서의 모터의 회전속도를 나타낸 그래프이다.
이하, 상기 도3(a), 도3(b)를 참조하여, 본 발명의 일실시예에 의한 마그네틱 베어링 보호 장치 및 방법의 원리를 설명한다.
여기서 단자 a-b는 도2의 단자 a-b를 의미한다.
상기 도3(a) 및 도3(b)를 살펴보면, A구간과 B구간으로 나누어져 있다. 상기 A구간은 정상운전 영역이고, 상기 B구간은 비상운전 영역이다.
상기 A구간에서 단자 a-b양단의 전압은 560V로 일정하기 유지되고 있으며, 모터의 회전속도도 900Hz로 일정하게 유지되고 있다. 따라서, 상기 A구간은 모터가 안정적으로 동작하는 정상운전 영역으로 볼 수 있다.
하지만, 계통전원이 갑자기 차단되는 등 계통전원에 이상이 생기게 되면, 상기 단자 a-b 양단의 전압이 560V에서 점차 떨어지게 되며, 상기 단자 a-b양단 전압이 기 설정된 값 예를 들어 440V까지 떨어지게 되면, 상기 모터는 비상운전을 하게 된다.
상기 B구간은 비상운전 영역으로서, 상기 비상운전 시에는 모터가 발전 모드로 동작하게 된다. 즉, 상기 모터가 구동하고 있던 회전축의 운동에너지를 이용하여 교류 전력을 생성하게 된다. 상기 모터가 전기를 생성함에 따라서, 상기 단자 a-b 양단의 전압은 점차 상승하게 되어 720V까지 상승할 수 있다. 상기 모터에서 생성한 전기에너지는 상기 모터에 구비된 마그네틱 베어링에 전송되어 상기 마그네틱 베어링을 구동하는데 사용될 수 있다.
외부에서 입력되는 전력이 없이, 오직 모터의 운동에너지를 전기에너지로 변환하였기 때문에, 상기 모터의 운동에너지는 점차 소모되고 모터의 회전속도는 점차 줄어들게 된다. 마찬가지로 상기 모터의 운동에너지가 줄어들면서 상기 모터가 생성하는 전기 에너지 또한 줄어들게 된다.
따라서, 상기 단자 a-b양단의 전압이 200V 정도로 줄어들게 되면 모터의 회전속도도 10Hz정도로 감소하게 된다. 단자 a-b 양단의 전압이 200V이하로 감소하게 되면, 상기 마그네틱 베어링은 더 이상 제 기능을 발휘할 수 없게 되고, 상기 모터의 회전속도가 10Hz이하로 감소하게 되면 볼 베어링을 이용하여도 회전축이나 마그네틱 베어링 등 모터 시스템에 손상이 없이 상기 회전축에 대한 지지를 할 수 있게 된다. 따라서, 이 경우에는 상기 마그네틱 베어링에 대한 전원공급을 중단하고 볼 베어링이 상기 회전축을 지지하도록 할 수 있다.
도4은 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 시스템을 도시한 블록도이다.
도4을 참조하면, 상기 모터 시스템은, 날개차(11), 볼 베어링(12, 12'), 마그네틱 베어링(13, 13'), 모터(14), 회전축(15), 모터 전원공급부(20), 마그네틱 베어링 전원공급부(30) 및 제어부(40)를 포함할 수 있다.
이하, 도4을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 모터 시스템을 설명한다.
제어부(40)는 계통전원의 이상을 감지하여 제어신호를 발생시킬 수 있다.
여기서 상기 제어부(40)는, 상기 모터 전원공급부(20) 내부의 전압을 측정하여 상기 측정된 전압의 크기가 기 설정된 전압의 크기보다 작으면 상기 계통전원에 이상이 있는 것으로 판별할 수 있다.
앞서 살핀 바와 같이, 모터 전원공급부(20)의 상기 단자 a-b의 양단 전압을 통하여 계통전원의 이상여부를 판단할 수 있다. 따라서, 상기 제어부는 상기 단자 a-b 양단의 전압의 크기와 기 설정된 전압의 크기를 비교하여 상기 계통전원에 이상이 있는 지 여부를 판단할 수 있다.
상기 계통전원에 이상이 있으면 상기 제어부(40)는 제어신호를 발생할 수 있으며, 상기 제어신호는 적어도, 모터(14), 모터 전원공급부(20) 및 마그네틱 베어링 전원공급부(30)에 전송될 수 있다.
상기 제어부(40)의 제어신호에 의하여, 상기 모터 시스템은 정상운전에서 비상운전으로 전환될 수 있다.
모터(14)는, 상기 제어신호를 입력받으면, 구동되고 있던 회전축(15)의 운동에너지를 이용하여 교류 전력을 생성할 수 있다.
앞서 살핀바와 같이, 일반적으로 모터와 발전기는 서로의 역할을 바꾸어 대신할 수 있다. 따라서, 상기 모터(14)를 이용하여 회전축(15)의 운동에너지를 전기 에너지로 변환하여 교류 전력을 생성할 수 있다. 나아가, 상기 모터(14)에 입력되는 제어신호에 따라, 일반적인 모터로서의 동작과 발전기로서의 동작을 선택적으로 수행하도록 상기 모터(14)의 동작모드를 변환하는 것도 가능하다.
모터 전원공급부(20)는, 상기 제어신호를 입력받으면, 모터에 대한 전원공급을 중단하고 상기 모터가 생성한 교류 전력을 직류 전력으로 전환하여 상기 마그네틱 베어링 전원공급부(30)로 전송할 수 있다.
상기 모터 전원공급부(20)는 정상운전 시에는 계통전원에서 입력받은 교류 전력을 상기 모터(14)로 공급하나, 비상운전 시에는 상기 모터(14)가 생성한 교류 전력을 직류 전력으로 전환하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 모터(14)가 생성하는 교류 전력은 상용 교류 전원과 같이 60Hz의 주파수를 가지는 것은 아니므로, 이를 바로 마그네틱 베어링에 공급할 수는 없다. 따라서, 상기 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 상기 마그네틱 베어링 전원공급부(30)로 공급할 수 있다.
마그네틱 베어링 전원공급부(30)는, 상기 제어신호를 입력받으면 상기 계통전원을 대체하여 상기 모터 전원공급부가 전송하는 직류 전력을 상기 마그네틱 베어링(13,13')으로 공급할 수 있다.
상기 마그네틱 베어링 전원공급부(30)는 정상운전 시에는 상기 계통전원이 공급하는 교류 전력을 상기 마그네틱 베어링(13,13')으로 전송하여 상기 마그네틱 베어링을 구동시키나, 비상운전 시에는 상기 계통전원 대신에 상기 모터 전원공급부가 전송하는 직류 전력을 전송하여 상기 마그네틱 베어링(13,13')가 구동되도록 할 수 있다.
상기 마그네틱 베어링 전원공급부(30)는 내부에 스위치부를 포함하여, 상기 계통전원과 모터 전원공급부(20) 중 어느 하나가 공급하는 전력을 선택하도록 구성될 수도 있다.
마그네틱 베어링(13,13')은 상기 마그네틱 전원공급부(30)로부터 입력받은 전원에 의하여 자기장을 형성하고, 상기 자기장을 이용하여 상기 회전축(15)과 공극을 형성하면서 상기 회전축(15)을 지지할 수 있다.
상기 마그네틱 베어링(13,13')은 정상운전 시에는 계통전원으로부터 공급되는 전력을 공급받을 수 있으나, 비상운전 시에는 모터 전원공급부(30)로부터 전력을 공급받을 수 있다.
하지만, 상기 마그네틱 베어링(13,13')은 상기 계통전원으로부터 공급된 전력인지 상기 모터 전원공급부(30)로부터 공급된 전력인지 여부와 무관하게 그 기능을 수행할 수 있다.
볼 베어링(12,12')은 상기 회전축(15)에 구비되어, 상기 마그네틱 베어링(13,13')이 상기 회전축(15)을 지지하지 못하는 경우에 상기 회전축을 지지할 수 있다.
구체적으로, 비상 운전 도중에 상기 모터(14)의 회전속도가 기 설정값 이하로 떨어지면 상기 볼 베어링(12,12')이 상기 모터(14)의 회전축(15)을 지지할 수 있다.
상기 비상 운전시 상기 모터(14)가 운동에너지를 전기에너지로 변환하므로, 상기 모터(14)의 회전속도는 시간이 갈수록 점차 느려진다. 상기 모터(14)의 회전속도가 느려지게 되면 상기 모터(14)가 생성하는 전기 에너지의 크기도 점차 작아지게 되고, 그에 따라 상기 모터(14)가 공급하는 전기 에너지에 의하여는 더 이상 상기 마그네틱 베어링(13,13')의 기능을 유지할 수 없게 될 수 있다.
이 경우, 상기 마그네틱 베어링(13,13') 대신에 상기 볼 베어링(12,12')이 상기 회전축(15)을 지지할 수 있다. 상기 마그네틱 베어링(13,13')의 기능을 유지할 수 없을 정도로 상기 모터(14)의 회전속도가 느려진 경우에는, 상기 볼 베어링(12,12')에 의하여도 손상 없이 상기 회전축(15)을 지지할 수 있기 때문이다.
날개차(11) 및 회전축(15)에 대하여는 앞서 설명하였으므로 여기서는 자세한 설명을 생략한다.
도5는 본 발명의 일 실시예에 의한 마그네틱 베어링 보호장치를 도시한 블록도이다.
도5을 참조하면, 상기 마그네틱 베어링 보호장치는, 감지부(51), 제어신호 생성부(52)를 포함할 수 있다.
이하, 도 1 및 도5을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 마그네틱 베어링 보호장치를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 의한 마그네틱 베어링 보호장치는, 상기 도1에서 설명한 마그네틱 베어링을 구비한 모터 시스템에 적용될 수 있다.
감지부(51)는 계통전원의 이상을 감지하여 이상신호를 활성화할 수 있다. 여기서, 상기 감지부는 상기 모터(14)에 전원을 공급하는 모터 전원공급부(20) 내부의 전압을 측정하여, 상기 측정된 전압의 크기가 제1전압의 크기보다 작으면 상기 계통전원에 이상이 있는 것으로 판별할 수 있다.
상기 단자 p를 통하여 상기 모터 전원공급부(20) 내부의 전압을 입력 받을 수 있다. 구체적으로 상기 모터 전원공급부(20) 내부의 전압은 상기 도2의 단자 a-b양단 전압일 수 있다. 상기 단자 a-b양단 전압이 제1전압의 크기 이하로 떨어지면, 상기 계통전원에 이상이 있는 것으로 감지할 수 있다. 상기 감지부(51)가 활성화한 이상신호는 상기 제어신호 생성부(52)가 제어신호를 생성하도록 할 수 있다.
제어신호 생성부(52)는 상기 이상 신호가 활성화 되면, 상기 모터(14)를 발전모드로 동작하게 하고, 상기 모터가 생성한 전기 에너지를 상기 마그네틱 베어링(13,13')으로 전송하도록 하는 제1제어신호를 생성할 수 있다.
상기 제어신호 생성부(52)는, 상기 제1제어신호를 q단자를 통하여 상기 모터(14)로 전송할 수 있으며, r단자를 통하여 상기 모터 전원공급부(20) 및 마그네틱 베어링 전원공급부(30)로 전송할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 도1의 모터(14)는 입력되는 제어신호에 따라 상기 모터(14)의 동작 모드를 발전모드로 전환시키는 것도 가능하기 때문에, 상기 제어신호 생성부(52)에서 생성한 제1제어신호를 통하여 상기 모터(14)를 발전모드로 동작하도록 할 수 있다.
또한, 상기 모터 전원공급부(20) 및 상기 마그네틱 베어링 전원공급부(30)는, 상기 제1제어신호에 의하여 상기 모터(14)가 생성한 전기 에너지를 상기 마그네틱 베어링(13,13')으로 전송하도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 모터 전원공급부(20)는 상기 모터(14)가 생성한 교류 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있으며, 상기 마그네틱 베어링 전원공급부(30)는 계통전원을 대체하여 상기 모터 전원공급부(20)가 전송하는 직류 전력을 받아 상기 마그네틱 베어링(13,13')에 전력을 공급할 수 있다.
상기 모터 전원공급부(20)는 다이오드 및 평활 커패시터 등의 구성을 포함할 수 있으므로, 상기 모터(14)가 생성하는 교류 전력을 직류로 변환할 수 있다. 상기 다이오드 및 평활 커패시터를 이용하여 교류 전력을 직류로 변환할 것인지 여부는 상기 제1제어신호의 입력여부에 따라 결정될 수 있다.
또한, 상기 마그네틱 베어링 전원 공급부(30)는 스위칭부 등의 구성을 더 포함할 수 있으며, 상기 스위칭부의 연결에 따라서 계통전원과 모터 전원공급부(20) 중 어느 하나가 상기 마그네틱 베어링(13,13')에 전력을 공급할 수 있다. 여기서, 상기 제1제어신호가 입력되면 상기 모터 전원공급부(20)가 상기 마그네틱 베어링(13,13')에 전력을 공급하도록 상기 스위칭부를 연결할 수 있다.
추가적으로, 상기 제어신호 생성부(52)는, 상기 감지부(51)가 상기 p단자를 통하여 입력받은 전압의 크기가 제2전압값보다 작으면 상기 마그네틱 베어링(13,13')으로의 전원 공급을 중단하도록 하는 제2제어신호를 생성할 수 있다. 도3에 도시된 바와 같이 상기 단자 a-b 양단의 전압이 작아지면 상기 모터의 회전속도도 느려질 수 있다. 상기 단자 a-b 양단의 전압이 200V정도되면, 상기 모터의 회전속도는 10Hz에 불과하며, 이 경우 볼 베어링에 의하여도 손상 없이 회전축이 지지될 수 있으며, 상기 단자a-b 양단 전압이 200V정도 이면, 상기 마그네틱 베어링의 기능을 유지하기도 어렵다.
따라서, p단자를 통하여 입력받는 전압의 크기가 제2전압값, 예를 들어 200V 정도되면 더 이상 모터 전원공급부(20)에 의한 전력을 공급하지 않도록 할 수 있으며, 상기 볼 베어링이 상기 회전축을 지지하도록 할 수 있다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 의한 마그네틱 베어링 보호 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도6을 참조하면, 상기 마그네틱 베어링 보호 방법은, 비상상황 감지단계(S40), 발전 단계(S50), 비상운전 단계(S60), 마무리 단계(S70, S80)를 포함할 수 있다. 상기 도6의 전원공급단계(S10), 자기부상 및 고속회전단계(S20) 및 정상운전 유지단계(S30)는 본 발명의 마그네틱 베어링 보호 방법을 설명하기 위한 부가적인 단계에 해당한다.
이하, 도6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 마그네틱 베어링 보호 방법을 설명한다.
전원공급단계(S10)는, 모터 및 마그네틱 베어링에 계통전원을 공급할 수 있다. 상기 계통전원이 공급하는 교류 전력에 의하여 상기 모터 및 마그네틱 베어링이 동작할 수 있다.
자기부상 및 고속회전단계(S20)는, 상기 마그네틱 베어링에 의하여 생성된 자기장에 의하여 상기 모터의 회전축이 자기 부상할 수 있다. 상기 회전축의 자기 부상에 의하여, 상기 회전축이 베어링 등과의 마찰없이 고속 회전할 수 있으며, 상기 마그네틱 베어링의 자기장에 의하여 상기 회전축이 안정적으로 지지될 수 있다.
정상운전 유지단계(S30)는, 상기 모터의 회전축이 자기 부상된 상태에서 고속운전이 안정적으로 유지할 수 있다.
비상상황 감지단계(S40)는, 상기 마그네틱 베어링 및 모터에 교류전력을 공급하는 계통전원의 이상유무를 감지하여 비상상황인지 여부를 판단할 수 있다.
여기서, 모터 전원공급부의 내부 전압을 측정하여, 상기 전압의 크기가 기 설정된 전압의 크기보다 더 작으면 상기 비상상황으로 판단할 수 있다.
발전단계(S50)은, 상기 비상상황에 해당하는 경우, 상기 모터가 상기 모터의 운동에너지를 전기 에너지로 변환하여 직류 전력을 생성할 수 있다.
모터와 발전기는 서로의 역할을 바꾸어 대신할 수 있음은 알려져 있다. 즉, 모터에 전기에너지를 공급하면 회전축이 회전하는 운동에너지로 교환되지만, 반대로 상기 모터의 회전축이 가지는 운동에너지를 이용하여 전기에너지를 발생시킬 수도 있다. 따라서, 상기 모터를 이용하여 전기 에너지를 생성하는 것 또한 가능하다.
비상운전 단계(S60)는, 상기 계통전원의 교류전력을 대신하여, 상기 모터에서 생성된 직류 전력을 상기 마그네틱 베어링에 공급할 수 있다.
구체적으로 상기 비상운전 단계(S60)는, 상기 모터가 생성한 교류전력을 모터 전원공급부에 전송하는 과정, 상기 모터 전원공급부가 상기 교류전력을 직류로 변환하는 과정, 상기 모터 전원공급부가 생성한 직류 전력을 마그네틱 베어링 전원공급부로 전송하는 과정 및 상기 마그네틱 베어링 전원공급부가 계통전원을 대신하여 상기 직류 전력을 상기 마그네틱 베어링에 전송하는 과정을 포함할 수 있다.
마무리 단계(S70)는, 상기 모터의 회전속도가 기 설정값 이하로 떨어지면 상기 마그네틱 베어링에 전력 공급을 중단할 수 있다.
여기서, 상기 마그네틱 베어링에 전력 공급이 중단되면, 볼 베어링에 의하여 상기 모터의 회전축이 지지될 수 있다.
상기 모터의 회전속도가 기 설정값 이하로 떨어지면 상기 모터가 생성하는 전력으로는 상기 마그네틱 베어링의 기능을 수행하지 못할 수 있다. 또한, 상기 모터의 회전속도가 기 설정값 이하인 경우에는 볼 베어링에 의하여도 손상 없이 회전축에 대한 지지를 유지할 수 있다.
따라서, 상기 모터에 의하여 생성된 전력을 더 이상 상기 마그네틱 베어링에 대하여 공급하지 않음으로써, 상기 마그네틱 베어링 대신에 볼 베어링이 동작하도록 할 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
11: 날개차 12, 12': 볼 베어링
13, 13': 마그네틱 베어링 14: 모터
15: 회전축
20: 모터 전원공급부 21: 필터부
22: 컨버터 23: 중간회로
24: 인버터 25: 사인 필터
30: 마그네틱 베어링 전원공급부
40: 제어부
50: 마그네틱 베어링 보호장치 51: 감지부
52: 제어신호 생성부
S10: 전원공급 단계 S20: 자기부상 및 고속회전단계
S30: 정상운전 유지단계 S40: 비상상황 감지단계
S50: 발전 단계 S60: 비상운전 단계
S70, S80: 마무리 단계

Claims (5)

  1. 모터의 회전축에 구비되는 마그네틱 베어링을 포함하는 모터장치에 있어서,
    계통전원의 이상을 감지하여 이상신호를 활성화하는 감지부, 상기 이상신호가 활성화되면 상기 모터를 발전모드로 동작하게 하고, 상기 모터가 생성한 전기 에너지를 상기 마그네틱 베어링으로 전송하도록 하는 제1 제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함하는 마그네틱 베어링 보호장치;
    상기 제1 제어신호를 입력받으면, 구동되고 있던 회전축의 운동에너지를 이용하여 교류 전력을 생성하는 모터;
    상기 제1 제어신호를 입력받으면, 상기 모터에 대한 전원 공급을 중단하고, 상기 모터가 생성한 교류 전력을 직류 전력으로 전환하여 마그네틱 베어링 전원공급부로 전송하는 모터 전원공급부;
    상기 제1 제어신호를 입력받으면, 상기 계통전원을 대체하여 상기 모터 전원공급부가 전송하는 직류 전력을 마그네틱 베어링으로 공급하는 마그네틱 베어링 전원공급부;
    상기 마그네틱 전원공급부로부터 공급받은 전력에 의하여 자기장을 형성하고, 상기 자기장을 이용하여 상기 회전축과 공극을 형성하면서 상기 회전축을 지지하는 마그네틱 베어링; 및
    상기 회전축에 구비되어, 상기 마그네틱 베어링이 상기 회전축을 지지하지 못하는 경우에 상기 회전축을 지지하는 볼 베어링을 포함하는 모터 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마그네틱 베어링 보호장치는
    상기 모터 전원공급부 내부의 전압을 측정하여 상기 측정된 전압의 크기가 기 설정된 전압의 크기보다 작으면 상기 계통전원에 이상이 있는 것으로 판별하는 모터 장치.
  3. 모터의 회전축에 구비되는 마그네틱 베어링을 보호하기 위한 마그네틱 베어링 보호장치에 있어서,
    계통전원의 이상을 감지하여 이상신호를 활성화하는 감지부; 및
    상기 이상신호가 활성화되면 상기 모터를 발전모드로 동작하게 하고,
    상기 모터가 생성한 전기 에너지를 상기 마그네틱 베어링으로 전송하도록 하는 제1제어신호를 생성하는 제어신호 생성부를 포함하는 마그네틱 베어링 보호장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 감지부는
    상기 모터에 전원을 공급하는 모터 전원공급부 내부의 전압을 측정하여, 상기 측정된 전압의 크기가 제1전압의 크기보다 작으면 상기 계통전원에 이상이 있는 것으로 판별하는 마그네틱 베어링 보호장치.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제어신호 생성부는
    상기 감지부가 측정한 전압의 크기가 제2전압의 크기보다 작으면 상기 마그네틱 베어링으로의 전원 공급을 중단시키는 제2제어신호를 생성하는 마그네틱 베어링 보호장치.
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