KR101343876B1

KR101343876B1 - 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링

Info

Publication number: KR101343876B1
Application number: KR1020130087094A
Authority: KR
Inventors: 박철훈; 최상규; 함상용
Original assignee: 한국기계연구원
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2013-07-24
Publication date: 2013-12-20

Abstract

본 발명은 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 자기 베어링에 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 결합되도록 하여 로터의 길이 및 시스템 부피를 최소화할 수 있도록 자기 베어링에 결합 가능한 새로운 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링의 구조를 제시하며, 또한 자기 베어링에 결합된 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링에 의하여 자기 베어링의 동심도 유지력을 더욱 강화시키는, 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링을 제공함에 있다.

Description

래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링 {Magnetic bearing combined radial and thrust auxiliary bearing}

본 발명은 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링에 관한 것이다.

회전 또는 왕복 운동과 같은 움직임이 있는 부품(회전축, 이동축 등)에 있어서, 부품의 운동 과정에서 일어나는 마찰 때문에 발생될 수 있는 부품 마모나 손상 문제, 소음 문제, 에너지 낭비 문제 등과 같은 문제들을 해소하기 위하여 다양한 종류의 베어링이 구비되고 있다. 일반적으로 널리 사용되는 베어링에는 미끄럼 베어링(sliding bearing)과 구름 베어링(rolling bearing)이 있는데, 미끄럼 베어링은 축을 둘러싼 형태로 되어 베어링과 접촉하는 부분에 윤활유가 개재되어 있도록 한 형태로 되고, 구름 베어링은 베어링과 접촉하는 부분에 볼, 롤러 등과 같이 회전 가능한 부품들이 들어가 있어서 마찰을 최소화하도록 형성된다.

고전적으로 널리 사용되는 이러한 베어링들은 어떤 부분이든 간에 축과의 접촉이 반드시 발생하게 되는데, 축과의 접촉이 없도록 하여 마찰을 그야말로 최소화한 자기 베어링(magnetic bearing)이 최근 다양한 분야에서 그 사용이 확대되어 가고 있다. 자기 베어링은 한국특허공개 제2009-0070178호("정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위측정 시스템 및 이의 고장 유무 판단 방법", 2009.07.01) 등에 나타나 있는 바와 같이, 축 둘레에 강한 자성을 띠는 자석 또는 전자석을 배치하여 자기 부상에 의해 축을 띄워 줌으로써 베어링 역할을 하도록 되어 있다. 자기 베어링은 축과의 접촉이 전혀 없어 마찰이 0이 되므로, 부품의 마모나 손상 등이 발생하지 않아 내구성이 높고 소음이 매우 적은 등의 많은 장점이 있다. 그러나 실질적으로 자기 베어링만으로 축을 지지하도록 설계되기보다는, 보다 안정적인 축의 지지를 위하여 직접 접촉이 있는 형태로 된 보조 베어링이 더 구비되어 있는 것이 일반적이다.

도 1은 종래의 자기 베어링 시스템이 구비되는 로터를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 모터(2)에 의하여 회전하는 로터(1)에는 일반적으로 여러 베어링들(3)(4)(6)(7)(9) 및 갭 센서들(5)(8)(10)이 구비된다. 상기 로터(1)는 한 방향으로 길게 연장된 기둥 형태로 형성되므로 일반적으로 상하에 하나씩 적어도 2개의 래디얼(radial) 베어링이 구비되며, 일측에는 쓰러스트(thrust) 베어링이 구비된다. 도 1에서 상기 래디얼 베어링들 및 상기 쓰러스트 베어링은 자기 베어링들(3)(6)(9)로서, 자기 부상에 의하여 상기 로터(1)를 지지하므로 상기 로터(1)와의 직접 접촉이 없다.

상기 로터 및 자기 베어링 시스템 전체가 정상적인 작동 중일 때에는 상기 래디얼 자기 베어링들(3)(6)이 작동하여 상기 로터(1)를 자기 부상에 의하여 지지하고 있게 된다. 그러나 시스템이 정지해 있을 때에는 상기 래디얼 자기 베어링(3)(6)에 전력이 공급되지 않아 자력이 발생되지 않으므로 상기 로터(1)를 지지할 수 없으며, 따라서 이런 경우를 위해 상기 로터(1)에는 볼 베어링 등과 같은 일반적인 접촉식 베어링 형태로 된 래디얼 보조 베어링(4)(7)이 구비된다. 상기 래디얼 보조 베어링(4)(7)은 시스템 정지 시 상기 로터(1)를 지지할 뿐 아니라, 비정상 동작(fault) 시에도 상기 로터(1)가 최대한 손상되지 않고 안전하게 회전이 멈출 수 있도록 상기 로터(1)를 지지하여 주는 역할을 한다. 따라서 이러한 상기 래디얼 보조 베어링(4)(7)은 이러한 로터에 필수적으로 구비되는 부품이다. 도 1과 형태는 다르나 유사한 구조로서, 회전체에 자기 베어링과 더불어 보조적으로 볼 베어링이 더 구비되는 형태의 장치가 한국특허공개 제2010-0054253호("스프링 - 댐퍼 시스템을 구비한 터치다운 볼베어링", 2010.05.25)에 개시되어 있다.

상기 래디얼 보조 베어링(4)(7)을 구비하기 위한 공간 확보를 위하여, 상기 로터(1)는 상기 래디얼 보조 베어링(4)(7)이 차지하는 부피만큼 그 길이를 늘리도록 설계된다. 그런데, 이처럼 상기 로터(1)의 길이가 길어질수록 시스템 자체의 부피가 커지게 되는 문제점이 있다. 뿐만 아니라 상기 로터(1)의 길이가 길어질수록 굽힘 모드에 의한 위험 속도가 낮아지게 되는 문제가 있어, 상기 로터(1)의 동작 속도를 높이는데 제한이 생기게 된다.

1. 한국특허공개 제2009-0070178호("정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위측정 시스템 및 이의 고장 유무 판단 방법", 2009.07.01) 2. 한국특허공개 제2010-0054253호("스프링 - 댐퍼 시스템을 구비한 터치다운 볼베어링", 2010.05.25)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 자기 베어링에 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 결합되도록 하여 로터의 길이 및 시스템 부피를 최소화하는, 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링을 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 래디얼 베어링과 쓰러스트 베어링이 일체화됨으로써 부피가 더욱 최소화되는, 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링을 제공함에 있다. 본 발명의 또다른 목적은, 자기 베어링에 결합 가능한 새로운 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링의 구조를 제시하는, 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링을 제공함에 있다. 본 발명의 또다른 목적은, 자기 베어링에 결합된 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링에 의하여 자기 베어링의 동심도 유지력을 더욱 강화시키는, 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링은, 로터(500) 둘레에 구비되어 마찰을 저감하는 래디얼 및 쓰러스트 일체형(radial) 형의 복합 자기 베어링(100)으로서, 상기 로터(500) 둘레에 부착 구비되는 로터측 코어(114)와, 그 내부에 빈 공간이 형성되며 상기 로터측 코어(114) 둘레에 복수 개가 방사상으로 배치 구비되는 고정자측 코어(113)와, 각각의 상기 고정자측 코어(113)의 최외측부에 각각 구비되는 복수 개의 영구자석(112)과, 상기 고정자측 코어(113)에 구비되며 상기 영구자석(112)을 중심으로 상기 영구자석(112)을 둘러싸는 형태로 배치되는 복수 개의 코일(111)과, 상기 코일(111)ㆍ상기 영구자석(112)ㆍ상기 고정자측 코어(113)ㆍ상기 로터측 코어(114)의 결합체 상측을 덮어싸는 하우징(115)과, 상기 결합체 하측을 덮어싸며 상기 하우징(115)과 결합되어 외부에 지지되는 플랜지(116)를 포함하여 이루어지는 자기 베어링(110); 상기 코일(111) 및 상기 고정자측 코어(113) 내측면과 밀착되도록 상기 고정자측 코어(113) 내부 공간에 채워지는 형태로 형성되며, 내측면이 상기 로터측 코어(114)와 밀착 지지되는 래디얼 지지면(S)을 형성하는 상부 몸체(121)와, 상기 상부 몸체(121)와 연결되며 상기 하우징(115) 및 상기 플랜지(116) 사이의 빈 공간에 채워지는 형태로 형성되는 하부 몸체(122)와, 상기 하부 몸체(122) 중심부에 배치되며 상면이 상기 로터측 코어(114)의 축방향에 수직한 단면과 밀착 지지되는 쓰러스트 지지면(T)을 형성하는 중심 몸체(123)를 포함하여 이루어지는 보조 베어링(120); 을 포함하여 이루어질 수 있다.

이 때 상기 자기 베어링(110)은, 호모폴라(homopolar, 동극) 형 자기 베어링인 것이 바람직하다.

또한 상기 보조 베어링(120)은, 드라이 베어링(dry bearing)일 수 있다. 또는 상기 보조 베어링(120)은, 카본, 수지재, 금속재, 다공성 금속(porous metal), 메탈 메쉬(metal mesh) 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다.

또한 상기 복합 자기 베어링(100)은, 상기 하우징(115) 상의 일측에 구비되어 상기 복합 자기 베어링(100) 및 상기 로터(500) 간의 갭(gap)을 측정하는 갭 센서(130); 를 더 포함하여 이루어질 수 있다.

본 발명에 의하면, 비접촉식의 자기 베어링 및 접촉식의 보조 베어링이 모두 구비되는 로터에 대하여, 그 내부에 보조 베어링이 구비되는 형태로 된 자기 베어링이 구비되도록 함으로써, 종래에 보조 베어링을 구비할 공간을 확보하기 위한 만큼의 로터 길이를 축소할 수 있도록 하는 효과가 있다. 이처럼 로터 길이를 최소화함으로써, 시스템 전체의 부피를 줄일 수 있는 효과가 있다. 더불어 본 발명에 의하면, 이처럼 로터 길이가 종래보다 줄어듦으로써 로터의 굽힘 모드에 의한 위험 속도가 종래에 비하여 높아지게 되므로, 로터가 안정적으로 동작할 수 있는 동작 속도 범위를 보다 넓힐 수 있는 효과 또한 있다.

또한 본 발명에 의하면, 래디얼 베어링과 쓰러스트 베어링을 일체화시킴으로써, 종래에 래디얼 베어링 및 쓰러스트 베어링을 별도 설치해야 했기 때문에 공간이 더욱 필요했던 문제 또한 해소하여, 공간 활용성을 더욱 높이고 로터 길이를 더욱 축소할 수 있게 해 주는 효과가 있다.

특히 본 발명에 의하면, 종래에 보조 베어링으로 사용되던 볼 베어링 등과 같은 구조가 아닌 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링의 새로운 구조를 제시함으로써, 종래의 볼 베어링 등과 같은 구조의 베어링의 경우 자기 베어링에 결합하는 것이 구조적으로 매우 어려웠던 문제를 원천적으로 제거하는 큰 효과가 있다. 즉 본 발명에서 제시하는 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링의 구조는 자기 베어링과의 결합이 매우 용이한 효과가 있는 것이다. 따라서 본 발명에 의하면, 보조 베어링이 결합된 자기 베어링의 설계 용이성 및 생산 편의성 또한 크게 향상시켜 주는 효과가 있다.

뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 본 발명의 보조 베어링의 구조에 의하여, 보조 베어링이 단지 보조적인 로터 지지 역할만 해 주는 것이 아니라 자기 베어링의 동심도를 안정적으로 유지시켜 주는 효과 또한 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 자기 베어링에 있어서 베어링 효과가 올바르게 나타나기 위해서는 각 부품의 동심도 조건이 달성되어야 하는데, 실제로는 조립공차 및 부품 가공공차에 의해 동심도가 어그러지는 문제가 있었다. 그러나 본 발명의 보조 베어링이 자기 베어링에 결합됨으로써 결과적으로 자기 베어링의 구조적 안정성이 높아지며, 궁극적으로는 자기 베어링의 동심도 유지력이 더욱 강화되게 되는 것이다.

도 1은 종래의 자기 베어링 시스템이 구비되는 로터.
도 2는 본 발명의 복합 자기 베어링의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 복합 자기 베어링의 A-A' 단면이 나타난 사시도.
도 4는 본 발명의 복합 자기 베어링의 B-B' 단면이 나타난 사시도.
도 5는 본 발명의 복합 자기 베어링에 구비되는 보조 베어링.
도 6은 종래의 자기 베어링 시스템 및 본 발명의 복합자기 베어링이 구비되는 로터의 비교도.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 복합 자기 베어링의 분해 사시도를, 도 3은 본 발명의 복합 자기 베어링의 A-A' 단면이 나타난 사시도를, 도 4는 본 발명의 복합 자기 베어링의 B-B' 단면이 나타난 사시도를, 도 5는 본 발명의 복합 자기 베어링에 구비되는 보조 베어링을 각각 도시하고 있다.

본 발명의 복합 자기 베어링(100)은 기본적으로 로터(500) 둘레에 구비되어 마찰을 저감하는 래디얼 형이 기본 형상이되, 쓰러스트 방향으로의 베어링 역할도 할 수 있도록 형성된다. 이 때, 상기 복합 자기 베어링(100)은 자기 베어링(110)과 보조 베어링(120)이 서로 결합되어 있는 구조로 이루어진다. 이후 보다 상세히 설명되겠으나, 본 발명에서 상기 자기 베어링(110)은 래디얼 베어링이며, 상기 보조 베어링(120)은 래디얼 및 쓰러스트 일체형 베어링이다.

상기 자기 베어링(110)은, 상기 로터(500) 둘레에 부착 구비되는 로터측 코어(114)와, 그 내부에 빈 공간이 형성되며 상기 로터측 코어(114) 둘레에 복수 개가 방사상으로 배치 구비되는 고정자측 코어(113)와, 각각의 상기 고정자측 코어(113)의 최외측부에 각각 구비되는 복수 개의 영구자석(112)과, 상기 고정자측 코어(113)에 구비되며 상기 영구자석(112)을 중심으로 상기 영구자석(112)을 둘러싸는 형태로 배치되는 복수 개의 코일(111)을 포함하여 이루어진다. 즉 하나의 상기 고정자측 코어(113)에는, 상기 로터(500)에서 제일 먼 쪽 부분에 상기 영구자석(112)이 구비되며, 상기 영구자석(112)을 둘러싸는 형태로 상기 코일(111)이 구비된다. 또한 도시된 바와 같이 상기 코일(111)은, 상기 로터(500)의 축 방향과 동일한 방향의 축에 감기는 방향으로 형성된다. 이와 같이 상기 코일(111) 및 상기 영구자석(112)이 구비된 상기 고정자측 코어(113)가, 상기 로터측 코어(114)의 둘레에 방사상으로 복수 개 배치된다. 또한 상기 자기 베어링(110)은, 상기 코일(111)ㆍ상기 영구자석(112)ㆍ상기 고정자측 코어(113)ㆍ상기 로터측 코어(114)의 결합체 상측을 덮어싸는 하우징(115)과, 상기 결합체 하측을 덮어싸며 상기 하우징(115)과 결합되어 외부에 지지되는 플랜지(116)도 포함하여 이루어진다. 도 3(B)는 상기 코일(111)ㆍ상기 영구자석(112)ㆍ상기 고정자측 코어(113)ㆍ상기 로터측 코어(114)의 결합체만을 도시하고 있으며, 도 3(A)는 상기 결합체의 상하를 덮어싸는 상기 하우징(115) 및 상기 플랜지(116)까지 모두 결합된 형태를 도시하고 있다.

먼저 상기 자기 베어링(110)의 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다. 전력이 공급되면 복수 개의 상기 고정자측 코어(113) 각각의 상기 코일(111) 및 상기 영구자석(112)에서 자기력이 발생된다. 상기 로터(500)는 각각의 상기 고정자측 코어(113)가 구비된 각 방향에서 힘을 받게 되며, 따라서 상기 로터(500)는 각각의 상기 고정자측 코어(113)와의 반발력에 의하여 복수 개의 상기 고정자측 코어(113)들 사이의 공간에 부양된다. 이러한 현상이 바로 자기 부상 원리에 의한 것으로서, 이처럼 상기 자기 베어링(110)은 상기 로터(500)를 자기 부상 원리를 이용하여 지지하는 것이다. 상기 코일(111)에 공급되는 전력의 세기, 방향, 위상, 주기 등을 조절함으로써 상기 자기 베어링(110)에서 발생되는 자기력을 조절할 수 있다.

이 때, 상기 자기 베어링(110)은 상기 구조에서 알 수 있는 바와 같이 호모폴라(homopolar, 동극) 형 자기 베어링인 것이 바람직하다. 호모폴라 형 자기 베어링은 헤테로폴라 형에 비하여 와전류(eddy currunt)에 의한 발열 문제가 없고, 샤프트 코어를 제작하기가 용이하며, 영구자석 및 전자석(코일)을 함께 사용하는 형태이므로 에너지 사용이 최소화될 수 있다는 장점이 있다. 또한 전자석 코어가 축방향으로 배치되므로 축의 둘레 방향으로의 여유 공간을 좀더 확보할 수 있다는 장점 또한 있다.

이 때, 앞서 설명한 바와 같이 일반적으로 로터(500)를 자기 베어링(110)만으로 지지하게 될 경우 다음과 같은 문제가 생긴다. 상기 자기 베어링(110)은 전력이 공급되면 작동을 하기 때문에, 시스템 전체가 정상적으로 작동할 때(즉 상기 자기 베어링(110) 및 상기 로터(500) 모두에 정상적으로 전력이 공급될 때)에는 정상적으로 자기력이 발생되므로, 상기 자기 베어링(110)이 상기 로터(500)와 접촉하지 않은 상태로 상기 로터(500)를 지지하는데 아무런 문제가 없다. 그러나 시스템 정지 상태에서는 상기 자기 베어링(110) 및 상기 로터(500)에 전력이 공급되지 않으며, 이 경우 상기 자기 베어링(110)에서 자기력이 발생되지 않으므로 상기 로터(500)는 상기 자기 베어링(110)에 접촉한 상태가 된다.

물론 상기 로터(500)가 회전하고 있지 않은 상태라면 상기 자기 베어링(110)에 상기 로터(500)가 접촉한다 해도 큰 문제가 되지 않을 수 있겠으나, 문제는 시스템 이상이 발생했을 때이다. 상기 로터(500)는 계속 회전 동작을 하고 있는데, 상기 자기 베어링(110)으로의 전력 공급에 이상이 발생하여 상기 자기 베어링(110)이 정상적으로 동작하지 않게 될 경우, 상기 자기 베어링(110)과 상기 로터(500)가 접촉할 수밖에 없게 되며, 이 경우 상기 로터(500)의 회전에 의하여 상기 자기 베어링(110)이 파손되거나 손상되는 등의 문제가 생길 수 있고 또한 상기 로터(500)가 매우 불안정한 회전을 하게 되어 시스템 전체의 손상 등 사고 발생의 위험성이 커진다.

이러한 문제를 피하기 위하여, 종래에는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, (상기 자기 베어링(110)에 해당하는) 자기 베어링과는 별도로 로터 상에 보조 베어링을 더 구비하도록 하고 있었다. 그런데 이와 같이 보조 베어링이 별도 구비될 경우 다음과 같은 문제가 더 발생한다. 먼저, 보조 베어링이 로터 상에 구비될 수 있는 공간을 확보하기 위해서는, 최소한 보조 베어링의 길이만큼 로터의 길이가 늘어나야 하기 때문에 시스템 전체의 부피가 커지는 문제가 생긴다. 뿐만 아니라, 로터의 길이가 늘어남에 따라 로터에서의 굽힘 발생 경향이 커지게 되어, 굽힘 모드에서 안정적으로 회전할 수 있는 한계치 속도인 위험 속도 값이 낮아지게 된다. 따라서 결과적으로는 로터가 안정적으로 회전할 수 있는 동작 속도 범위가 줄어들게 되는 문제가 생기는 것이다.

본 발명에서는 이와 같이 로터 길이가 늘어남에 따라 발생되는 문제들을 피함과 동시에, 시스템 정지 또는 이상 동작 시에도 안정적으로 동작할 수 있도록 하기 위하여, 상기 자기 베어링(110)의 내부에 상기 보조 베어링(120)이 결합 구비되는 구조를 가지는 복합 자기 베어링(100)을 제시한다. 본 발명의 복합 자기 베어링(100)에 구비되는 상기 보조 베어링(120)은, 도 2 내지 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 상부 몸체(121), 하부 몸체(122) 및 중심 몸체(123)를 포함하여 이루어진다.

상기 상부 몸체(121)는 도 3의 A-A' 단면도 및 도 4의 B-B' 단면도에 잘 나타나 있는 바와 같이 상기 코일(111) 및 상기 고정자측 코어(113) 내측면과 밀착되도록 상기 고정자측 코어(113) 내부 공간에 채워지는 형태로 형성된다. 이 때 상기 상부 몸체(121)의 중심에는 당연히 상기 로터(500)가 관통하도록 통공이 형성되는데, 이 통공이 형성되는 쪽의 내측면이 상기 로터측 코어(114)와 밀착 지지되는 래디얼 지지면(S)을 형성하게 된다. 상기 래디얼 지지면(S)은 상기 로터측 코어(114)와 접촉되어 상기 로터(500)를 지지함으로써, 도 1에 나타난 바와 같은 종래의 보조 베어링의 역할을 하게 된다.

상기 하부 몸체(122)는 상기 상부 몸체(121)와 연결되며 상기 하우징(115) 및 상기 플랜지(116) 사이의 빈 공간에 채워지는 형태로 형성된다. 도 4에는 상기 하부 몸체(122)가 방사상의 날개 형상으로 형성되는 것으로 도시되는데, 이는 상기 아루징(115) 및 상기 플랜지(116) 사이의 빈 공간의 형상에 따라 결정되는 것으로, 도 4와 같은 형상으로 한정되는 것이 아니라 상기 빈 공간의 형상에 따라 적절히 변경 설계될 수 있음은 당연하다.

상기 중심 몸체(123)는 (도 5에 잘 나타나 있듯이) 상기 하부 몸체(122) 중심부에 배치된다. 이 때 상기 중심 몸체(123)의 상면은 도 4 및 도 5에 잘 나타나 있듯이 상기 로터측 코어(114)의 축방향에 수직한 단면과 밀착 지지되는 쓰러스트 지지면(T)을 형성하게 된다. 앞서 상기 상부 몸체(121)의 상기 래디얼 지지면(S)이 상기 로터측 코어(114)의 둘레 방향을 감싸도록 형성됨으로써 상기 로터(500)를 래디얼 방향으로 지지하면서 래디얼 베어링 역할을 하는 것과 유사하게, 상기 중심 몸체(123)의 상기 쓰러스트 지지면(T)은 상기 로터측 코어(114)의 축방향에 수직한 단면과 접촉하도록 형성됨으로써 상기 로터(500)를 쓰러스트 방향으로 지지하면서 쓰러스트 베어링 역할을 하게 된다.

이와 같이 본 발명에서는, 상기 상부 몸체(121)의 상기 래디얼 지지면(S)에 의해 래디얼 베어링 역할을 함과 동시에, 상기 중심 몸체(123)의 상기 쓰러스트 지지면(T)에 의해 쓰러스트 베어링 역할도 하게 되어, 결과적으로 래디얼 및 쓰러스트 베어링이 일체화된 형태가 되게 된다.

또한 이처럼 본 발명에서는 상기 보조 베어링(120)이 상기 자기 베어링(110)의 내부에 완전히 구비되게 형성됨으로써, 상기 보조 베어링(120)을 구비하기 위하여 상기 로터(500)에 대해 별도의 공간이나 길이를 확보할 필요가 전혀 없어지며, 이에 따라 로터의 길이를 종래보다 줄일 수 있게 되어 로터 고속 회전 시의 안정성을 훨씬 향상시킬 수 있다. (이러한 장점에 대해서는 이후 도 5를 참조하여 보다 상세히 설명한다.)

본 발명의 상기 보조 베어링(120)에 의해서 얻을 수 있는 장점은 다음과 같은 것이 또 있다. 상술한 바와 같이 상기 상부 몸체(121)는 상기 고정자측 코어(113)의 내부에 꽉 채워지며, 상기 하부 몸체(122)는 상기 하우징(115) 및 상기 플랜지(116) 사이의 빈 공간에 꽉 채워진다. 즉 상기 보조 베어링(120)이 상기 자기 베어링(110)의 내부에 형성되는 빈 공간을 모두 꽉 채워주게 되는 것이다. 이와 같이 상기 보조 베어링(120)이 상기 자기 베어링(110) 내부에 딱 맞게 채워짐으로써, 결과적으로 상기 자기 베어링(110)의 각부 부품들을 단단히 고정 지지해 주는 역할을 하게 된다.

상기 자기 베어링(110)의 동작 원리의 설명으로부터도 알 수 있다시피, 자기 베어링에 있어서 베어링 효과가 올바르게 잘 나타나기 위해서는 각 부품의 동심도가 유지되는 것이 매우 중요하다. 그런데 실제로는 각 부품 제작 시의 가공공차나 조립 시 부품들이 살짝 어그러지는 조립공차 때문에 동심도가 흐트러지게 되며, 더구나 실제 자기 베어링이 고속 회전하는 로터에 장착되었을 때에는 외부 진동이나 충격 등의 영향으로 이처럼 동심도가 어긋나는 경향이 더욱 커질 수 있다. 이처럼 자기 베어링에서 동심도가 유지되지 못할 경우 자기 베어링의 베어링 효과가 떨어지게 되는 것은 자명하다. 그러나 본 발명에서는 상기 보조 베어링(120)이 상기 자기 베어링(110)의 내부 빈 공간들을 구석구석 채워주도록 형성됨으로써, 결과적으로 상기 자기 베어링(110)의 구조적 안정성을 높여 주게 된다. 이에 따라 외부 진동이나 충격 등이 가해지더라도 상기 보조 베어링(120)에 의해 구조적 안정성이 높아진 상기 자기 베어링(110)은 (내부에 빈 공간이 잔뜩 있을 때에 비하여) 동심도를 훨씬 더 잘 유지할 수 있게 되며, 결국 상기 보조 베어링(120)은 궁극적으로는 상기 자기 베어링(110)의 베어링 효과를 향상시켜 주는 역할을 하게 되는 것이다.

더불어 이 때, 상기 복합 자기 베어링(100)은 상기 하우징(115) 상의 일측에 구비되어 상기 복합 자기 베어링(100) 및 상기 로터(500) 간의 갭(gap)을 측정하는 갭 센서(130)를 더 포함하여 이루어질 수 있다. 도 1의 종래 베어링 시스템을 보면, 로터와 베어링 간 갭을 측정하는 갭 센서가 별도로 구비되어 있는 것을 알 수 있다. 이 때 본 발명의 복합 자기 베어링(100)은 상기 갭 센서(130) 또한 상기 자기 베어링(110) 상에 구비되도록 함으로써, 상기 갭 센서(130)가 구비되기 위한 공간 또한 불필요하게 늘릴 필요가 없어, 공간 활용성 및 로터 길이 최소화 효과를 극대화할 수 있다.

본 발명에서 상기 보조 베어링(120)은 드라이 베어링(dry bearing), 즉 윤활제를 필요로 하지 않는 형태의 베어링으로서, 카본, 수지재, 금속재, 다공성 금속(porous metal), 메탈 메쉬(metal mesh) 등과 같은 재질로 이루어질 수 있다. 도 2 내지 도 5에 잘 도시되고 또한 앞서 설명된 바와 같이 상기 보조 베어링(120)은 상기 자기 베어링(110)의 내부 빈 공간에 꽉 채워지는 형태로 형성되는데, 이처럼 약간 복잡한 형태라 하더라도 상술한 재질들을 사용하면 프레스 등의 방식으로 간단하고 용이하게 제작이 가능하다. 또한 이처럼 상기 보조 베어링(120)이 상기 자기 베어링(110)의 내부에 완전히 들어가게 되므로, 상기 갭 센서(130)가 상기 자기 베어링(110) 상에 구비될 위치도 매우 자유롭게 선택할 수 있어 설계 자유도가 높아진다.

도 6은 종래의 자기 베어링 시스템 및 본 발명의 복합 자기 베어링이 구비되는 로터들의 비교도이다. 앞서 간략히 설명한 바와 같이, 본 발명의 복합 자기 베어링(100)의 가장 큰 특징은 바로 상기 자기 베어링(110) 내부에 상기 보조 베어링(120)이 결합된다는 것이다. 도 6을 통해 본 발명의 복합 자기 베어링을 채용함으로써 얻을 수 있는 장점들에 대하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명에서, 상기 자기 베어링(110)은 (상기 보조 베어링(120)이 없어도) 그 내부에 원래 여유 공간이 존재한다. 따라서 상기 보조 베어링(120)은 상기 자기 베어링(110) 내에 원래 존재하고 있던 여유 공간 내에 설치할 수 있다. 즉 상기 보조 베어링(120)의 설치에 따라 상기 자기 베어링(110)의 부피가 늘어난다거나 할 필요가 전혀 없으므로, 본 발명의 복합 자기 베어링(100)을 설치할 경우 원래 상기 로터(500)에 자기 베어링을 설치하던 공간만 확보되면 된다. 즉 본 발명의 복합 자기 베어링(100)은 로터 상에 베어링을 설치함에 따른 로터 길이, 시스템 부피 증가 영향을 최소화할 수 있다.

이처럼 로터 상에 베어링을 설치할 때에 단지 베어링 설치만을 위한 불필요한 길이 증가 영향이 없어지게 되므로, 상기 로터(500)는 기존보다 훨씬 짧게 형성할 수 있다. 한편 도 6 우측에 도시되어 있는 바와 같이, 로터는 일측 방향으로 길게 연장된 형태로 형성되기 때문에, 일반적으로 베어링은 로터의 양측 끝단에 적어도 둘 이상이 구비되는 것이 일반적이다(도 6은 본 발명의 복합 자기 베어링이 둘 구비되는 경우를 도시한 것으로, 각각의 복합 자기 베어링은 100a, 100b로 표시하였다). 종래에는 자기 베어링을 구비할 때 반드시 그 근처에 보조 베어링이 구비되어야만 했으므로(도 1 참조), 자기 베어링 및 보조 베어링 한 세트가 적어도 둘 이상, 결과적으로 최소한 4개의 베어링이 로터 상에 구비되어야만 했다. 그러나 본 발명의 복합 자기 베어링(100)은 기존의 [자기 베어링 + 보조 베어링] 세트를 하나의 복합 자기 베어링으로 대체할 수 있으므로, 로터 상에 구비되어야 하는 베어링 세트의 개수가 많을수록 로터 길이를 줄이는 효과 또한 커진다. 도 6에서 베어링 세트가 둘 구비되는 종래의 로터(도 6 좌측) 및 베어링 세트를 모두 본 발명의 복합 자기 베어링으로 대체한 로터(도 6 우측)를 비교한 것으로 명확히 알 수 있듯이, 단지 베어링 세트가 둘 구비되던 경우라도 베어링 세트를 본 발명의 복합 자기 베어링으로 대체하면 상기 로터(500)의 전체 길이가 훨씬 짧아진다는 것을 확인할 수 있다.

뿐만 아니라 본 발명의 복합 자기 베어링(100)은, 래디얼 및 쓰러스트 일체형으로 구성되기 때문에, 종래의 로터에 구비되는 쓰러스트 베어링 또한 제거할 수 있다. 따라서 위에서 설명한 바와 같이 종래의 래디얼 보조 베어링 구비를 위하여 확보해야만 하는 로터 길이를 제거할 수 있음으로써 로터 길이 축소 효과를 얻음과 동시에, 종래에 로터의 쓰러스트면에 구비되어야만 했던 쓰러스트 보조 베어링 역시 (본 발명의 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링으로 이 모두를 대체할 수 있으므로) 제거 가능하므로, 결과적으로 시스템 전체 길이의 축소 효과를 더욱 향상할 수 있게 된다.

앞서 설명한 바와 같이, 상기 로터(500)의 길이가 길면 길수록 굽힘 발생 위험성이 커지고, 따라서 상기 로터(500)가 안정적으로 동작할 수 있는 최대 한계치인 위험 속도 값이 낮아지게 된다(다시 말해 상기 로터(500)가 안정적으로 동작할 수 있는 동작 속도 범위가 줄어들게 된다). 그러나 본 발명의 복합 자기 베어링(100)을 채용함으로써 도 6에 도시된 바와 같이 확실하게 상기 로터(500)의 길이를 줄일 수 있으므로, 상기 로터(500)의 굽힘 모드에 의한 위험 속도 값을 높일 수 있고 상기 로터(500)가 안정적으로 동작할 수 있는 동작 속도 범위를 늘릴 수 있어, 궁극적으로는 상기 로터(500)를 종래보다 더욱 고속으로 동작시킬 수 있게 된다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

100: (본 발명의) 복합 자기 베어링
110: 자기 베어링
111: 코일 112: 영구자석
113: 고정자측 코어 114: 로터측 코어
115: 하우징 116: 플랜지
120: 보조 베어링
121: 상부 몸체 122: 하부 몸체
123: 중심 몸체
S: 래디얼 지지면 T: 쓰러스트 지지면
130: 갭 센서
500: 로터 510: 모터

Claims

로터(500) 둘레에 구비되어 마찰을 저감하는 래디얼 및 쓰러스트 일체형(radial) 형의 복합 자기 베어링(100)으로서,
상기 로터(500) 둘레에 부착 구비되는 로터측 코어(114)와, 그 내부에 빈 공간이 형성되며 상기 로터측 코어(114) 둘레에 복수 개가 방사상으로 배치 구비되는 고정자측 코어(113)와, 각각의 상기 고정자측 코어(113)의 최외측부에 각각 구비되는 복수 개의 영구자석(112)과, 상기 고정자측 코어(113)에 구비되며 상기 영구자석(112)을 중심으로 상기 영구자석(112)을 둘러싸는 형태로 배치되는 복수 개의 코일(111)과, 상기 코일(111)ㆍ상기 영구자석(112)ㆍ상기 고정자측 코어(113)ㆍ상기 로터측 코어(114)의 결합체 상측을 덮어싸는 하우징(115)과, 상기 결합체 하측을 덮어싸며 상기 하우징(115)과 결합되어 외부에 지지되는 플랜지(116)를 포함하여 이루어져,
호모폴라(homopolar, 동극) 형 자기 베어링 형태로 이루어져 상기 로터(500)의 래디얼 방향의 마찰을 저감하는 자기 베어링(110);
상기 코일(111) 및 상기 고정자측 코어(113) 내측면과 밀착되도록 상기 고정자측 코어(113) 내부 공간에 채워지는 형태로 형성되며, 내측면이 상기 로터측 코어(114)와 밀착 지지되는 래디얼 지지면(S)을 형성하는 상부 몸체(121)와, 상기 상부 몸체(121)와 연결되며 상기 하우징(115) 및 상기 플랜지(116) 사이의 빈 공간에 채워지는 형태로 형성되는 하부 몸체(122)와, 상기 하부 몸체(122) 중심부에 배치되며 상면이 상기 로터측 코어(114)의 축방향에 수직한 단면과 밀착 지지되는 쓰러스트 지지면(T)을 형성하는 중심 몸체(123)를 포함하여 이루어져,
상기 래디얼 지지면(S)에 의하여 상기 로터(500)의 래디얼 방향의 마찰을 저감하고, 상기 쓰러스트 지지면(T)에 의하여 상기 로터(500)의 쓰러스트 방향의 마찰을 저감하는 보조 베어링(120);
을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링.
삭제
제 1항에 있어서, 상기 보조 베어링(120)은
드라이 베어링(dry bearing)인 것을 특징으로 하는 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링.
제 1항에 있어서, 상기 보조 베어링(120)은
카본, 수지재, 금속재, 다공성 금속(porous metal), 메탈 메쉬(metal mesh) 중 선택되는 적어도 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링.
제 1항에 있어서, 상기 복합 자기 베어링(100)은
상기 하우징(115) 상의 일측에 구비되어 상기 복합 자기 베어링(100) 및 상기 로터(500) 간의 갭(gap)을 측정하는 갭 센서(130);
를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 래디얼 및 쓰러스트 일체형 보조 베어링이 구비된 복합 자기 베어링.