KR101438403B1 - 자기 베어링 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 실시예는, 제1 회전자 주위에서 제1 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 제1 회전자를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제1 코어, 및 제1 코어에 권취되되 제1 코어 및 제1 회전자가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류를 인가받은 후에 제1 코어에 소정 크기 이상의 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류를 인가받아 제1 코어가 소정 크기 이상의 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생하도록 동작하는 제1 코일을 포함하여 제1 회전자를 지지하는 제1 고정자; 및 제2 회전자 주위에서 제2 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 제2 회전자를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제2 코어, 및 제2 코어에 권취되되 인가되는 전류의 값에 따라 제2 코어의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 제2 코어에 발생하도록 하는 전류가 인가되는 제2 코일을 포함하여 제2 회전자를 지지하는 제2 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치를 제공한다.

Description

자기 베어링 장치 및 그 제어방법{Control Method and Magnetic Bearing}
본 실시예는 자기 베어링 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 전자기력을 통해 샤프트의 정하중 및 동하중을 지지하는 제1 고정자 및 제2 고정자를 포함하는 자기 베어링 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
자기 베어링은 물리적인 접촉을 통해 샤프트를 지지하는 구름 베어링, 미끄럼 베어링과는 달리 전자기력을 통한 샤프트의 비접촉 지지를 기본으로 하고 있다.
자기 베어링의 특징은 크게 두 가지로 구분된다. 기계적인 접촉이 없으므로 기계적인 마찰 또는 마멸이 없어 최대 허용 선속도가 높고, 수명이 반영구적이며, 윤활이나 밀봉의 필요성이 없어 진공이나 부식성 대기 및 광범위한 온도 범위에서 사용할 수 있다. 또한, 전기적인 제어가 가능하여 샤프트의 위치를 아주 높은 정밀도로 유지할 수 있고, 질량 불균형에 의한 진동도 감소시킬 수 있다. 이외에도 샤프트의 변위를 항상 모니터링하기 때문에 베어링 강성과 감쇠 등의 동특성을 시스템의 작동 환경과 특성에 맞게 최적화할 수 있다.
자기 베어링은 샤프트를 지지하기 위한 고정자를 포함하고 있으며, 자기 베어링과 그와 관련된 제어회로가 회전하는 샤프트와 고정된 고정자 사이의 반경방향 또는 측방향 간격을 제어할 수 있게 되어 있다. 또, 자기 베어링은 고정자 내 코일을 통해 흐르는 전류에 의해 코어에 발생하는 조정가능한 전자기력을 이용하여 고정자와 샤프트 사이의 간격을 조절한다. 한편, 전자기력은 고정자와 샤프트 사이의 공극이 그 원주에 걸쳐 거의 동일한 값을 유지하도록 조절되어야만 한다. 이를 위해, 위치센서를 사용하여 제어회로에 입력 신호를 제공함으로써, 코일을 통해 흐르는 전류의 조절에 의해 전자기력을 조절하여 결국 공극이 동일하게 유지되도록 조절할 수 있다.
예컨대, 샤프트에 큰 정하중(즉 중력)이 가해진다면, 이 정하중의 반대측에서는 샤프트를 끌어당길 수 있는 강한 전자기력을 필요로 한다. 따라서, 종래의 자기 베어링은 큰 정하중을 가진 샤프트를 부상 가능하게 하기 위해, 고정자에 포함된 각 코일에 대하여 항상 강한 전자기력을 발생할 수 있는 높은 전류를 제공받아야 하며 이에 코일 및 코어의 구조 즉, 고정자를 크게 설계할 수밖에 없게 된다. 이 경우 샤프트를 정하중의 반대측으로 당기지 않는 코일, 즉 동하중을 조절하기 위한 코일에서 필요 이상으로 강한 전자기력이 발생하여, 샤프트가 진동할 우려가 있었다. 이 때문에, 진동의 발생이 억제되어야 하는 시스템에서 이러한 자기 베어링의 진동은 심각한 문제를 야기하게 된다. 또, 자기 베어링 자체도 진동으로 인한 소음이나 열이 발생하여 에너지를 낭비할 우려가 있다.
본 실시예는, 샤프트에 포함된 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하는 제1 고정자와 샤프트에 포함된 제2 회전자에 가해지는 동하중을 지지하는 제2 고정자를 포함하는 자기 베어링 장치를 제작하는 한편, 제1 고정자의 제1 코일에 제1 코어 및 제1 회전자가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류를 인가하여 제1 코어 및 제1 회전자를 자기포화 상태에 도달시킴으로써, 이후 제1 코일에 제1 코어가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류보다 낮은 전류가 인가되더라도, 제1 코어에 높은 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생되도록 하여 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하고, 제2 고정자의 제2 코일에 인가되는 전류의 값에 따라 전자기력의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간에서 전자기력이 발생하도록 하는 전류를 인가하여 해당 전류에 따른 자속밀도를 가지는 전자기력을 제2 코어에 발생시킴으로써 제2 회전자에 가해지는 동하중을 지지하여 기존의 높은 전류를 사용하지 않고도 샤프트를 자기부상 가능하게 하며, 고정자의 코일 및 코어의 사이즈를 줄이는데 주된 목적이 있다.
본 실시예는, 동축상에 위치하는 제1 회전자 및 제2 회전자를 포함하는 샤프트를 지지하는 자기 베어링 장치에 있어서, 상기 제1 회전자 주위에서 상기 제1 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 제1 회전자를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제1 코어, 및 상기 제1 코어에 권취되되 상기 제1 코어 및 상기 제1 회전자가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류를 인가받은 후에 상기 제1 코어에 소정 크기 이상의 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류를 인가받아 상기 제1 코어가 상기 소정 크기 이상의 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생하도록 동작하는 제1 코일을 포함하여 상기 제1 회전자를 지지하는 제1 고정자; 및 상기 제2 회전자 주위에서 상기 제2 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 제2 회전자를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제2 코어, 및 상기 제2 코어에 권취되되 인가되는 전류의 값에 따라 상기 제2 코어의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 상기 제2 코어에 발생하도록 하는 전류가 인가되는 제2 코일을 포함하여 상기 제2 회전자를 지지하는 제2 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 제1 회전자를 포함하는 샤프트를 지지하는 자기 베어링 장치에 있어서, 상기 제1 회전자 주위에서 상기 제1 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 제1 회전자를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제1 코어, 및 상기 제1 코어에 권취되되 상기 제1 코어 및 상기 제1 회전자가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류를 인가받은 후에 상기 제1 코어에 소정 크기 이상의 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류를 인가받아 상기 제1 코어가 상기 소정 크기 이상의 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생하도록 동작하는 제1 코일을 포함하여 상기 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하는 제1 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 동축상에 위치하는 제1 회전자 및 제2 회전자를 포함하는 샤프트를 지지하는 회전구동 장치에 있어서, 상기 제1 회전자 주위에서 상기 제1 회전자와 면하여 위치하고 상기 제1 회전자를 둘러싸는 고리형상으로 이루어진 제1 코어, 및 상기 제1 코어에 권취되되 상기 제1 코어 및 상기 제1 회전자가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류를 인가받은 후에 상기 제1 코어에 소정 크기 이상의 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류를 인가받아 상기 제1 코어가 상기 소정 크기 이상의 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생하도록 동작하는 제1 코일을 포함하여 상기 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하는 제1 고정자; 및 상기 제2 회전자 주위에서 상기 제2 회전자와 면하여 위치하고 상기 제2 회전자를 둘러싸는 고리형상으로 이루어지는 제2 코어, 및 상기 제2 코어에 권취되되 인가되는 전류의 값에 따라 상기 제2 코어의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 상기 제2 코어에 발생하도록 하는 전류가 인가되는 제2 코일을 포함하여 상기 제2 회전자에 가해지는 동하중을 지지하는 제2 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전구동 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 전자기력에 의해 회전자를 자기 부상시킴으로써 상기 회전자를 비접촉으로 유지하는 자기 베어링 장치에 있어서, 상기 회전자 주위에서 상기 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 회전자를 중심으로 방사상으로 위치하는 하나 이상의 제1 코어, 상기 제1 코어에 권취되되 상기 제1 코어가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류를 인가받은 후에 상기 제1 코어에 소정 크기 이상의 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류를 인가받아 상기 제1 코어가 상기 소정 크기 이상의 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생하도록 동작하는 제1 코일; 상기 회전자 주위에서 상기 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 회전자를 중심으로 방사상으로 위치하는 하나 이상의 제2 코어; 및 상기 제2 코어에 권취되되 인가되는 전류의 값에 따라 상기 제2 코어의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 상기 제2 코어에 발생하도록 하는 전류가 인가되는 제2 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 동축상에 위치하는 제1 회전자 및 제2 회전자를 포함하고 지면에 수직으로 위치하는 샤프트를 지지하는 자기 베어링 장치에 있어서, 상기 샤프트 주위에서 상기 샤프트와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 샤프트를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제1 코어, 및 상기 제1 코어에 권취되되 상기 제1 코어는 자기포화 상태에 도달하지만 상기 제1 회전자는 자기포화 상태에 도달하지 않는 전류를 인가받은 후에 상기 제1 코어에 소정 크기 이상의 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류를 인가받아 상기 제1 코어가 상기 소정 크기 이상의 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생하도록 동작하는 제1 코일을 포함하여 상기 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하는 한 쌍의 제1 고정자; 및 상기 샤프트 주위에서 상기 샤프트와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 샤프트를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제2 코어, 및 상기 제2 코어에 권취되되 인가되는 전류의 값에 따라 상기 제2 코어의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 상기 제2 코어에 발생하도록 하는 전류가 인가되는 제2 코일을 포함하여 상기 제2 회전자에 가해지는 동하중을 지지하는 한 쌍의 제2 고정자를 포함하되, 상기 제1 회전자는 상기 샤프트 주위에서 상기 샤프트를 둘러싸는 형상으로 이루어지고, 상기 한 쌍의 제1 고정자 사이에서 상기 한 쌍의 제1 고정자와 소정 간격을 두고 위치되며, 상기 제2 회전자는 상기 샤프트 주위에서 상기 샤프트를 둘러싸는 형상으로 이루어지고, 상기 한 쌍의 제2 고정자 사이에서 상기 한 쌍의 제1 고정자와 소정 간격을 두고 위치하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치를 제공한다.
또한, 본 실시예의 다른 측면에 의하면, 샤프트에 포함된 제1 회전자 주위에서 상기 제1 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 제1 회전자를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제1 코어 및 상기 제1 코어에 권취된 제1 코일을 포함한 제1 고정자 및 상기 샤프트에 포함된 제2 회전자 주위에서 상기 제2 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 제2 회전자를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제2 코어 및 상기 제2 코어에 권취된 제2 코일을 포함한 제2 고정자를 구비한 자기 베어링 장치를 통해 생성된 전자기력으로 상기 샤프트를 지지하는 제어방법에 있어서, 상기 제1 코어 및 상기 제1 회전자를 자기포화 상태에 도달시키기 위한 전류가 상기 제1 코일에 인가되는 과정; 상기 제1 코어에 소정 크기 이상의 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류가 상기 제1 코일에 인가되는 과정; 상기 제1 코어가 상기 소정 크기 이상의 자속밀도를 가지는 전자기력을 발생하고, 발생한 전자기력을 통해 상기 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하는 과정; 상기 제2 코일에 인가되는 전류의 값에 따라 상기 제2 코어의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 상기 제2 코어에 발생하도록 하는 전류가 상기 제2 코일에 인가되는 과정; 상기 제2 코일에 인가되는 과정을 통해 인가된 전류에 대응하는 자속밀도를 가지는 전자기력이 상기 제2 코어에 발생하고, 발생한 전자기력을 통해 상기 제2 회전자에 가해지는 동하중을 지지하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 샤프트를 지지하는 제어방법을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 샤프트에 포함된 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하는 제1 고정자와 샤프트에 포함된 제2 회전자에 가해지는 동하중을 지지하는 제2 고정자를 포함하는 자기 베어링 장치를 제작하는 한편, 제1 고정자의 제1 코일에 제1 코어 및 제1 회전자가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류를 인가하여 제1 코어 및 제1 회전자를 자기포화 상태에 도달시킴으로써, 이후 제1 코일에 제1 코어가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류보다 낮은 전류가 인가되더라도, 제1 코어에 높은 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생되도록 하여 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하고, 제2 고정자의 제2 코일에 인가되는 전류의 값에 따라 전자기력의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간에서 전자기력이 발생하도록 하는 전류를 인가하여 해당 전류에 따른 자속밀도를 가지는 전자기력을 제2 코어에 발생시킴으로써 제2 회전자에 가해지는 동하중을 지지하여 기존의 높은 전류를 사용하지 않고도 샤프트를 자기부상 가능하게 하며 고정자의 코일 및 코어의 사이즈를 줄일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치에서 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하기 위한 제1 고정자의 구조 및 이를 통해 지지되는 제1 회전자를 함께 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치에서 제2 회전자에 가해지는 동하중을 지지하기 위한 제2 고정자의 구조 및 이를 통해 지지되는 제2 회전자를 함께 도시한 도면,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치의 구조를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 코일에 인가되는 전류 및 해당 전류로 인해 발생하는 코어의 자속밀도의 관계를 나타낸 히스테리시스 곡선을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치에서 발생할 수 있는 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 장치에서 제1 고정자 및 제2 고정자의 구조를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 장치의 제1 고정자 및 제2 고정자에 구비될 수 있는 제1 코어 및 제2 코어의 구조를 예시한 도면,
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 베어링 장치의 구조를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치를 통해 샤프트를 지지하기 위한 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 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, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치에서 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지하기 위한 제1 고정자(100)의 구조 및 이를 통해 지지되는 제1 회전자(140)를 함께 도시한 도면이다.
도 1a는 본 발명에 따른 제1 고정자(100)의 정면도를 도시한 도면이고, 도 1b는 본 발명에 따른 제1 고정자(100)의 사시도를 도시한 도면이다. 한편, 제1 고정자(100)의 사시도를 도시한 도 1b에는 제1 코어(110)에 권취되어 있는 제1 코일(120)이 도시되지 않았지만, 도 1b는 도 1a의 제1 고정자(100)에 대한 사시도로 제1 코어(110)에 제1 코일(120)이 권취되어 있는 것은 당연한바 이다.
도 1a와 도 1b에 도시하듯이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치에서 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지하기 위한 제1 고정자(100)는 제1 코어(110), 제1 내지 제4 돌출부(111, 112, 113, 114), 제1 코일(120)을 포함한다.
한편, 제1 회전자(140)는 샤프트(130)에 포함되며, 이로 인해 일반적으로 샤프트(130)에 정하중이 발생하는 경우, 제1 회전자(140) 역시 정하중이 가해지게 된다. 이에, 본 발명에 따른 제1 고정자(100)는 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지함으로써 제1 회전자(140)를 포함하는 샤프트(130)의 정하중을 지지하였다.
제1 코어(110)는 제1 회전자(140) 주위에서 제1 회전자(140)와 소정 간격을 두고 위치하며 제1 회전자(140)를 둘러싸는 고리형상으로 이루어진다. 이때, 제1 코어(110)에는 전류를 제공받아 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지하는 전자기력이 제1 코어(110)에 발생하도록 동작하는 제1 코일(120)이 권취되어 있다.
또한, 제1 코어(110)는 제1 회전자(140)의 방사상 방향 방향에 반대되는 방향으로 제1 회전자(140)를 향하여 돌출된 하나 이상의 돌출부를 포함할 수 있으며, 이때, 하나 이상의 돌출부에는 각각 제1 코일(120)이 권취되어 있다. 한편, 돌출부가 적어도 2개의 돌출부로 이루어진 경우, 적어도 2개의 돌출부 중에서 적어도 하나의 돌출부는 적어도 2개의 돌출부 중 다른 돌출부와 서로 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하도록 제1 코일이(120)이 권취되어 있다. 즉, 제1 코어(110)는 제1 코어(110)에 권취되어 있는 제1 코일(120)에서 발생한 자기장으로 인해 자성을 가지는 되는 자화현상이 발생하며, 이를 통해 발생한 전자기력을 이용하여 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지한다. 이때, 정하중은 물체의 크기나 위치, 방향 등이 시간의 경과와 더불어 변화하지 않는 정지하고 있는 하중을 의미하며 일반적으로 물체에 가해지는 중력을 의미한다. 한편, 본 발명에 따른 제1 코어(110)는 제1 코일(120)을 통해 생성된 전자기력을 통해 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지한다고 명시되었지만 반드시 이에 한정되지는 않는다.
한편, 도 1에 도시된 제1 코어(110)는 제1 내지 제4 돌출부(111, 112, 113, 114)를 포함하는 구조로 이루어져 있으며 각각의 제1 내지 제4 돌출부(111, 112, 113, 114)에는 제1 코일(120)이 권취되어 있다. 이 경우, 제1 코어가 제1 내지 제4 돌출부(111, 112, 113, 114) 즉, 4극으로 이루어져 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지하도록 도시되었으나, 반드시 이에 한정되지는 않고 다양한 극, 예를 들어 8극으로 구성될 수도 있다.
즉, 제1 코어(110)가 8극으로 이루어진 경우는 인접한 돌출부 간 한 세트를 이뤄서 전자기력을 발생시킴으로써 좀더 강한 전자기력으로 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지할 수 있으며, 제1 코어(110)가 4극으로 이루어진 경우는 해당 돌출부에서 가장 많은 전자기력을 발생시키고 나머지 돌출부에서는 분산된 전자기력을 발생시켜 8극으로 이루어진 경우보다 감소된 전자기력으로 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지하게 된다. 이는 제1 코어(110)가 8극으로 이루어진 경우보다 전자기력이 감소하는 단점이 있으나 극수가 줄어들어 구조가 간단해질 수 있는 효과가 있다.
한편, 도 1에서 제1 돌출부(111)는 제3 돌출부(113)와 제1 회전자(140)를 중심으로 대칭되는 지점에 위치하고 있으며, 제2 돌출부(112)는 제4 돌출부(114)와 제1 회전자(140)를 중심으로 대칭되는 지점에 위치하고 있다. 또한, 제1 돌출부(111)에 권취되어 있는 제1 코일(120)은 인접한 제2 돌출부(112) 및 제4 돌출부(114)에 권취되어 있는 제1 코일(120)과 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하도록 권취되어 있다. 즉, 각 돌출부와 각 돌출부에 인접한 돌출부는 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하게 되며, 이를 통해 제1 코어(110)는 자기 플럭스의 경로를 제공하여 보다 효율적으로 전자기력을 발생시킬 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 제1 코어(110)는 제1 코일(120)이 권취된 제1 내지 제4 돌출부(111, 112, 113, 114)를 포함함으로써 각각 N, S, N, S의 서로 다른 극을 가지는 전자기력이 발생한다. 즉, 제1 회전자(140)에 큰 정하중이 가해진다면, 이 정하중의 반대측에서는 제1 코어(110)의 강한 전자기력으로 인한 반력을 발생시켜 제1 회전자(140)를 끌어당기게 됨으로써 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지한다. 여기서, 제1 코어(110)의 제1 코일(120)에는 일정한 또는 가변의 직류 전류가 인가된다. 물론, 제1 코일(120)에 일정한 또는 가변의 교류 전류가 인가될 수도 있다. 한편, 제1 코어(110)에는 제1 회전자(140)의 위치를 검출하는 위치센서(미도시)가 장착되어 제1 회전자(140)의 위치를 검출하고, 위치센서의 신호에 따라, 제어회로를 포함한 제어장치(미도시)가 제1 코일(120)에 전류를 흐르게 하여, 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지할 수 있다. 도 1에 도시된 제1 코어(110)의 경우, 점선으로 표시된 수평축 및 수직축 방향으로 가해지는 정하중을 지지하기 위해 제1 코일(120)이 권취된 제1 내지 제4 돌출부(111, 112, 113, 114)를 구비하였다. 이때, 제1 돌출부(111)는 제1 돌출부(111)에서 발생한 전자기력으로 수직축에서 제1 회전자(140)에 중력 방향으로 가해지는 정하중에 대한 반력을 발생시켜 제1 회전자(140)를 끌어당김으로써 제1 회전자(140)를 지지한다. 또한, 제 3 돌출부(113)는 제3 돌출부(113)에서 발생한 전자기력으로 수직축에서 제1 회전자(140)에 중력 반대 방향으로 가해지는 정하중에 대한 반력을 발생시켜 제1 회전자(140)를 끌어당김으로써 제1 회전자(140)를 지지한다. 또한, 제2 돌출부(112)와 제4 돌출부(114)는 제2 돌출부(112)와 제4 돌출부(114)에서 발생한 전자기력으로 수평축에서 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중에 대한 반력을 발생시켜 제1 회전자(140)를 끌어당김으로써 제1 회전자(140)를 지지한다.
한편, 도 1에 도시된 제1 코어(110)는 제1 코일(120)이 권취된 제1 내지 제4 돌출부(111, 112, 113, 114) 즉, 4극을 구비하여 수평축 및 수직축에 가해지는 정하중을 제어하였으나, 반드시 이에 한정되지는 않고, 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지할 수 있는 전자기력을 발생할 수 있다면 다수의 돌출부를 포함할 수 있다.
또한, 제1 코일(120)은 제1 코어(110)의 돌출부에 권취되지 않고, 제1 코어(110) 내부에 권취될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 제1 코어(110)는, 제1 코어(110)에 권취되어 있는 제1 코일(120)에 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류가 인가됨으로써 전류를 증가시켜도 자속밀도가 더 이상 증가하지 않은 자기포화 상태에 도달하게 된다. 이로 인해, 제1 코어(110)가 자기포화 상태에 도달된 이후 제1 코일(120)에 제1 코어(110)가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류보다 낮은 전류가 인가되더라도, 제1 코어(110)에는 자기포화 상태에서 발생될 수 있는 자속밀도 값과 근접한 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생될 수 있다. 따라서 큰 사이즈의 코어, 및 해당 코어에 권취된 코일을 통해 높은 전류를 제공받아 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지하기 위한 강한 전자기력을 발생시키는 경우의 고정자에 비해 작은 사이즈의 코어, 및 해당 코어에 권취된 코일을 가지는 고정자를 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 제1 코일(120)에 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류를 인가한다. 이는 본 발명의 실시예에 의해 기존에 비해 작은 사이즈로 제작될 수 있는 제1 고정자(100)와 마찬가지로 샤프트(130)에 포함된 제1 회전자(140)의 크기 역시 가능한 한 작게 만들도록 하기 위함이다. 즉, 제1 고정자(100)와 마찬가지로 제1 회전자(140)도 자기포화 상태에 도달시킴으로써, 제1 회전자(140)를 불포화 상태로 자화시키는 경우에 비해 동일한 세기의 전자기력을 얻기 위하여 필요로 하는 제1 회전자(140)의 크기를 작게 제작할 수 있다.
한편, 제1 코어(110)는 강자성체를 가지는 실리콘 스틸(Silicon Steel)의 재질로 제작되었으나 반드시 이에 한정되지는 않고, 철분분말을 고온 고압으로 압축해서 제작한 페라이트 (Ferrite) 및 아이론(Iron) 재질이 사용될 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 제1 코어(110)는 분리되지 않고 서로 연결된 하나의 형태로 구현되었으나, 반드시 이에 한정되지는 않고 각각 분리된 형태의 하나 이상의 코어로 구현될 수 있다. 이 경우에 대한 자세한 설명은 도 7 및 도 8에서 설명하도록 한다.
제1 코일(120)은 제1 코어(110)에 권취되며, 바람직하게는 제1 코어(110)의 돌출부에 권취된다. 도 1에 도시된 제1 코일(120)은 제1 코어(110)의 제1 내지 제4 돌출부(111, 112, 113, 114)에 권취되었으며, 각각의 돌출부에 권취된 제1 코일(120)은 인접한 돌출부에 권취된 제1 코일(120)과 서로 다른 극을 가지도록 권취되어 있다. 즉, 도 1에서 도시하듯이, 제1 돌출부(111)에 권취된 제1 코일(120)은 제1 돌출부(111)가 N극을 가지도록 제1 코일(120)이 권취되어 있으며, 제2 돌출부(112)에 권취된 제1 코일(120)은 제2 돌출부(112)가 S극을 가지도록 제1 코일(120)이 권취되어 있다. 한편, 도 1에서 제1 코일(120)은 전류가 인가되는 방향을 나타내는 원 내부의 × 및 원 내부의 ●로 도시되었다. 이때 원 내부의 × 표시로 도시된 부분이 전류가 들어가는 방향이며, 원 내부의 ●로 도시된 부분이 전류가 나오는 방향을 의미한다.
한편, 제1 코일(120)은 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)를 자기포화 상태에 도달시키기 위한 전류를 인가받아 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)를 자기포화 상태에 도달시킨다. 즉, 제1 코일(120)은 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)를 자기포화 상태에 도달시키기 위한 전류를 인가받아 자기장을 생성하며, 생성된 자기장을 통해 제1 코어(110)는 제1 코일(120)에 인가되는 전류를 증가시켜도 제1 코어(110)의 자속밀도가 더 이상 증가하지 않은 자기포화 상태로 자화된다. 한편, 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)를 자기포화 상태에 도달시키기 위한 전류를 제공받은 이유는 앞에서 설명한 바와 같이, 제1 고정자(100) 및 제1 회전자(140)의 크기를 최대한 줄이기 위함이다.
한편, 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)가 자기포화 상태로 자화된 이후, 제1 코일(120)은 제1 코어(110)에 소정 크기 이상의 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류를 인가받아, 제1 코어(110)에 소정 크기 이상의 자속밀도를 가지는 전자기력을 발생하도록 동작한다. 이때, 소정 크기 이상의 자속밀도는 제1 회전자(140)의 정하중을 지지하기 위한 크기의 자속밀도 값을 가지며, 자속밀도 값은 제1 코어(110)에 대한 히스테리시스(Hysteresis) 곡선상의 잔류자기(Residual Magnetism)와 자기포화점(Saturated Point) 사이의 자속밀도 값인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않고, 잔류자기보다 소정의 크기만큼 작은 자속밀도 값을 가질 수도 있다. 한편, 제1 코일(120)에 인가되는 전류 및 해당 전류로 인해 발생하는 제1 코어(110)의 자속밀도 관계를 나타내는 히스테리시스 곡선은 후술하는 도 4의 설명에서도 기술된다. 이때, 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중의 크기에 따라 제1 코일(120)에 인가되는 전류는 제1 코어(110)의 자속밀도가 잔류자기 값을 중심으로 소정의 크기만큼 변하도록 제어될 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치에서 제2 회전자(230)의 동하중을 지지하기 위한 제2 고정자(200)의 구조 및 이를 통해 지지되는 제2 회전자(230)를 함께 도시한 도면이다.
도 2a는 본 발명에 따른 제2 고정자(200)의 정면도를 도시한 도면이고, 도 2b는 본 발명에 따른 제2 고정자(200)의 사시도를 도시한 도면이다. 한편, 제2 고정자(200)의 사시도를 도시한 도 2b에는 제2 코어(210)에 권취되어 있는 제2 코일(220)이 도시되지 않았지만, 도 2b는 도 2a의 제2 고정자(200)에 대한 사시도로 제2 코어(210)에 제2 코일(220)이 권취되어 있는 것은 당연한바 이다.
도 2a와 도 2b에 도시하듯이, 본 발명에 따른 자기 베어링 장치에서 회전자(130)의 동하중을 지지하기 위한 제2 고정자(200)는 제2 코어(210), 제1 내지 제8 돌출부(211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218), 제2 코일(220)을 포함한다.
한편, 제2 회전자(230)는 샤프트(130)에 포함되며, 이로 인해 일반적으로 샤프트(130)에 동하중이 발생하는 경우, 제2 회전자(230) 역시 동하중이 가해지게 된다. 이에, 본 발명에 따른 제2 고정자(200)는 제2 회전자(230)에 가해지는 동하중을 지지함으로써 제2 회전자(230)를 포함하는 샤프트(130)의 동하중을 지지하였다.
이때, 도 2a와 도 2b에 도시된 제1 내지 제8 돌출부(211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218)를 포함하는 구조로 이루어진 제2 코어(210)는 제2 회전자(230)에 가해지는 동하중을 지지하기 위한 제2 코어(210)의 다수의 구현 방법 중, 일 실시예에 불과하며, 제2 코어(210)가 제2 회전자(230)의 동하중을 지지할 수 있는 전자기력을 발생시킬 수 있으면 도 2에 도시된 형태가 아닌 다양한 형태로 구현될 수 있다.
즉, 도 2에서와 같이 제2 코어(210)가 8극으로 이루어져 인접한 돌출부 간 한 세트를 이뤄서 전자기력을 발생함으로써 제2 회전자(230)에 가해지는 동하중을 지지할 수 있으며, 제2 코어(210)가 4극으로 이루어져 해당 돌출부에서 가장 많은 전자기력을 발생시키고 나머지 돌출부에서는 분산된 전자기력을 발생시켜 제2 회전자(230)의 동하중을 지지할 수 있다. 이는 제2 코어(210)가 8극으로 이루어진 경우보다 전자기력이 감소하는 단점이 있으나 극수가 줄어들어 구조가 간단해질 수 있는 효과가 있다. 한편, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제2 코어(210)의 돌출부의 갯수가 제1 코어(120)의 돌출부보다 많은 갯수를 가지도록 도시된 도면은 이를 설명하기 위한 예시에 불과하다.
제2 코어(210)는 제2 회전자(230) 주위에서 제2 회전자(230)와 소정 간격을 두고 위치하며 제2 회전자(230)를 둘러싸는 고리형상으로 이루어진다. 이때, 제2 코어(210)에는 전류를 제공받아 제2 회전자(230)를 지지하는 전자기력이 제2 코어(210)에 발생하도록 동작하는 제2 코일(220)이 권취되어 있다.
또한, 제2 코어(210)는 제2 회전자(230)의 방사상 방향 방향에 반대되는 방향으로 제2 회전자(230)를 향하여 돌출된 하나 이상의 돌출부를 포함할 수 있으며, 이때, 하나 이상의 돌출부에는 각각 제2 코일(220)이 권취되어 있다. 한편, 돌출부가 적어도 2개의 돌출부로 이루어진 경우, 적어도 2개의 돌출부 중에서 적어도 하나의 돌출부는 적어도 2개의 돌출부 중 다른 돌출부와 서로 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하도록 제2 코일이(220)이 권취되어 있다. 즉, 제2 코어(210)는 제2 코어(210)에 권취되어 있는 제2 코일(220)에서 발생한 자기장으로 인해 자성을 가지는 되는 자화현상이 발생하며, 이를 통해 발생한 전자기력을 이용하여 제2 회전자(230)에 가해지는 동하중을 지지한다. 이때, 동하중은 정하중에 대해 동적으로 작용하는 하중으로 그 크기, 방향이 일정하지 않은 하중을 의미하며, 일반적으로 제2 회전자(230)에서 발생할 수 있는 진동으로 인해 생성되는 수평축, 수직축 및 사선방향의 움직임을 의미한다. 한편, 본 발명에 따른 제2 코어(210)는 제2 코일(220)을 통해 생성된 전자기력을 통해 제2 회전자(230)의 동하중을 지지한다고 명시되었지만 반드시 이에 한정되지는 않는다.
한편, 도 2 도시된 제2 코어(210)는 제1 내지 제 8 돌출부(211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218)를 포함하는 구조로 이루어져 있으며 각각의 제1 내지 제 8 돌출부(211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218)에는 제2 코일(220)이 권취되어 있다. 이때, 제1 돌출부(211)는 제5 돌출부(215)와 제2 회전자(230)를 중심으로 대칭되는 지점에 위치하고 있으며, 제2 돌출부(212)는 제6 돌출부(216)와 제2 회전자(230)를 중심으로 대칭되는 지점에 위치하고 있다. 이때, 명시되지 않은 돌출부 역시 제2 회전자(230)를 중심으로 대칭되는 지점에 위치하는 돌출부를 포함하고 있다. 또한, 제1 돌출부(211)에 권취되어 있는 제2 코일(220)은 인접한 제2 돌출부(212) 및 제8 돌출부(218)에 권취되어 있는 제2 코일(220)과 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하도록 권취되어 있다. 즉, 각 돌출부와 각 돌출부에 인접한 돌출부는 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하게 되며, 이를 통해 제2 코어(210)는 자기 플럭스의 경로를 제공하여 보다 효율적으로 전자기력을 발생시킬 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 제2 코어(210)는 제2 코일(220)이 권취된 제1 내지 제8 돌출부(211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218)를 포함함으로써 각각 N, S, N, S, N, S, N, S의 서로 다른 극을 가지는 전자기력이 발생한다. 즉, 제2 회전자(230)에 동하중이 발생하면, 이 동하중의 반대측에서는 제2 코어(210)의 전자기력으로 인한 반력을 발생시켜 제2 회전자(230)를 끌어당기게 된다. 여기서, 제2 코어(210)의 제2 코일(220)에는 일정한 또는 가변의 직류 전류가 인가된다. 물론, 제2 코일(220)에 일정한 또는 가변의 교류 전류가 인가될 수도 있다. 한편, 제2 코어(210)에는 제2 회전자(230)의 위치를 검출하는 위치센서(미도시)가 장착되어 제2 회전자(230)의 위치를 검출하고, 위치센서의 신호에 따라, 제어회로를 포함한 제어장치(미도시)가 제2 코일(220)에 전류를 흐르게 하여, 제2 회전자(230)의 동하중을 지지할 수 있다. 도 2에 도시된 제2 코어(210)의 경우, 점선으로 표시된 사선방향 및 수평축, 수직축 방향으로 발생할 수 있는 동하중을 지지하기 위해 제2 코일(220)이 권취된 제1 내지 제8 돌출부(211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218)를 구비하였으며, 각각의 돌출부는 각각의 돌출부와 인접한 돌출부에서 발생한 전자기력으로 동하중에 대한 반력을 발생시켜 제2 회전자(230)를 끌어 당김으로써 제2 회전자(230)에 가해지는 동하중을 지지한다.
한편, 도 2에 도시된 제2 코어(210)는 제2 코일(220)이 권취된 제1 내지 제8 돌출부(211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218) 즉, 8극을 구비하여 사선방향 및 수평축, 수직축 방향에서 발생한 동하중을 제어하였으나, 반드시 이에 한정되지는 않고, 제2 회전자(230)의 동하중을 지지할 수 있는 전자기력을 발생할 수 있다면 다수의 돌출부를 포함할 수 있다. 또한, 제2 코일(220)은 제2 코어(210)의 돌출부에 권취되지 않고, 제2 코어(210) 내부에 권취될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 제2 코어(210)는 제2 코어(210)에 권취되어 있는 제2 코일(220)에 인가되는 전류의 값에 따라 제2 코어(210)의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 제2 코어(210)에 발생하도록 하는 전류가 인가됨으로써 해당 전류에 따른 자속밀도를 가지는 전자기력을 발생시켜 제2 회전자(230)에 가해지는 동하중을 지지한다. 이때, 제2 코일(220)에 인가되는 전류는 기존의 회전자의 정하중 및 동하중 지지하기 위해 하나의 고정자로 이루어진 자기베어링 장치에서 회전자를 지지하기 위해 인가되던 큰 전류가 아닌 제2 회전자(230)에 가해지는 동하중만을 지지하기 위한 작은 전류가 인가된다. 이에 기존의 큰 사이즈의 코어 및 코일을 통해 높은 전류를 제공받아 회전자를 지지하기 위한 강한 전자기력을 발생시켰던 고정자에 비해 작은 사이즈의 코어 및 코일을 가지는 고정자를 사용할 수 있다. 한편, 제2 코어(210)는 약자성체를 가지는 재질로 제작되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않고 실리콘 스틸, 페라이트, 아이론 재질이 사용될 수 있다.
한편, 도 2에 도시된 제2 코어(210)는 분리되지 않고 서로 연결된 하나의 형태로 구현되었으나, 반드시 이에 한정되지는 않고 각각 분리된 형태의 하나 이상의 코어로 구현될 수 있다. 이 경우에 대한 자세한 설명은 도 7 및 도 8에서 설명하도록 한다.
제2 코일(220)은 제2 코어(210)에 권취되며, 바람직하게는 제2 코어(210)의 돌출부에 권취된다. 도 2에 도시된 제2 코일(220)은 제2 코어(210)의 제1 내지 제8 돌출부(211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218)에 권취되었으며, 각각의 돌출부에 권취된 제2 코일(220)은 인접한 돌출부에 권취된 제2 코일(220)과 서로 다른 극을 가지도록 권취되어 있다. 즉, 도 2에서 도시하듯이, 제1 돌출부(211)에 권취된 제2 코일(220)은 제1 돌출부(211)가 N극을 가지도록 제2 코일(120)이 권취되어 있으며, 제2 돌출부(212)에 권취된 제2 코일(120)은 제2 돌출부(212)가 S극을 가지도록 제2 코일(220)이 권취되어 있다. 한편, 도 2에서 제2 코일(120)은 전류가 인가되는 방향을 나타내는 원 내부의 × 및 원 내부의 ●로 도시되었다. 이때 원 내부의 × 표시로 도시된 부분이 전류가 들어가는 방향이며, 원 내부의 ●로 도시된 부분이 전류가 나오는 방향을 의미한다.
제2 코일(220)은 제2 코일(220)에 인가되는 전류의 값에 따라 제2 코어(210)의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 제2 코어(210)에 발생하도록 하는 전류를 인가받아 제2 코어(210)에 해당 전류에 따른 자속밀도를 가지는 전자기력을 발생시켜 제2 회전자(230)에 가해지는 동하중을 지지한다. 이때, 인가되는 전류의 값에 따라 제2 코어(210)의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간은 포화영역으로 진입하기 전의 영역 즉, 인가되는 전류의 값과 제2 코어(210)의 자속밀도가 서로 비례하여 증가하는 제2 코어(210)에 대한 히스테리시스 곡선상의 리니어 영역(Linear Region)인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않는다. 제2 코일(220)은 리니어 영역에 해당하는 전류를 인가받아 제2 코어(210)가 리니어 영역 내 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생하도록 동작하고, 제2 코어(210)는 리니어 영역 내 자속밀도를 가지는 전자기력을 발생하여 제2 회전자(230)의 동하중을 지지한다. 한편, 제2 코일(220)에 인가되는 전류 및 해당 전류로 인해 발생하는 제2 코어(210)의 자속밀도 관계를 나타내는 히스테리시스 곡선은 도 4에서 추가적으로 설명하도록 한다.
한편, 도 2의 제2 코어(210)에서 발생하는 전자기력의 세기는 도 1의 제1 코어(110)에서 발생하는 전자기력의 세기의 1/3 이하의 세기를 가지는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않는다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(300)의 구조를 도시한 도면이다.
도 3에 도시하듯이 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(300)는 사시도로 도시되었으며, 도 1 및 도 2에 도시된 제1 고정자(100) 및 제2 고정자(200)를 포함하여 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중 및 제2 회전자(230)에 가해는 동하중을 지지한다. 이때, 제1 고정자(100) 및 제2 고정자(200)는 각각 제1 코어(110) 및 제2 코어(210)로 이루어진 형태로 도시되었으나 제1 코어(110) 및 제2 코어(120)에 제1 코일(120) 및 제2 코어(220)가 권취되어 있는 것은 당업자에게 당연시되는 바이다.
도 3에 도시하듯이 제1 코어(110)는 dr의 지름 크기를 가지는 샤프트(130)가 포함된 제1 회전자(140) 주위에서 제1 회전자(140)와 소정 간격을 두고 위치하며 제1 회전자(140)를 둘러싸는 고리형상으로 이루어진다. 이때 제1 코어(110)는 일정 크기인 ds의 지름을 가지며 제1 코어(110)에 돌출된 돌출부 간의 간격은 da의 일정 크기를 가진다. 한편, 제1 코어(110)의 돌출부와 제1 회전자(140) 사이에 소정 간격, 즉 공극은 (da - dr)/2의 값을 가짐으로써 제1 회전자(140)와 제1 코어(110)의 마찰이 발생하지 않도록 배치된다. 한편, 제2 코어(210)는 제1 코어(110)의 위치관계와 유사하게 제2 회전자(230) 주위에서 제2 회전자(230)와 소정 간격을 두고 위치하며 제2 회전자(230)를 둘러싸는 고리형상으로 이루어진다. 또한, 제1 코어(110) 및 제2 코어(120)는 일정한 간격 크기인 D를 가지고 배치된다.
도 3에서는 특정 크기의 값이 아닌 수식으로 각각의 크기 값이 명시되었으며, 이는 자기 베어링 장치(300)에서 제1 회전자(140) 및 제2 회전자(230)를 지지하기 위한 전자기력을 발생하는 제1 코어(110) 및 제2 코어(210)가 제1 코어(110) 및 제2 코어의 재질 또는 제1 코어(110) 및 제2 코어(210)에서 발생하는 전자기력의 크기에 따라 다양한 크기 값을 가질 수 있음을 의미한다.
한편, 제1 코어(110) 및 제2 코어(210)에서 발생하는 전자기력의 세기는 자장의 제곱에 비례한다. 즉, 제1 코어(110) 및 제2 코어(210)에서 발생하는 전자기력의 세기는 F=(A x B2)/(2u0)로 표현될 수 있으며 이때, A는 극(즉, 제1 코어 및 제2 코어)의 단면적, B는 극에서 발생하는 자기밀도, u0는 공기중의 투자율로 4 x π x 10(-7) H/m의 값을 가진다.
한편, 도 3에 도시된 제1 코어(110), 제2 코어(210), 미도시된 제1 코일(120) 및 제2 코일(220)은 도 1 및 도 2에 명시된 역할을 수행하여 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중 및 제2 회전자(230)에 가해지는 동하중을 지지한다. 또한, 도 3은 제1 코어(110)의 오른쪽 부분이 절단되어 있도록 도시되었지만 이는 자기 베어링 장치(300) 내 제1 코어(110) 및 제2 코어(210)의 위치관계를 설명하기 위한 예시이며 제1 코어(110)는 제1 회전자(140)를 둘러싸는 고리형상으로 이루어진다.
한편, 도 3에 도시된 제1 코어(110)는 도 1에서 도시된 바와 같이 4개의 돌출부를 가지고 있으며, 제2 코어(210)는 도 2에서 도시된 바와 같이 8개의 돌출부를 가지고 있도록 도시되어 있다. 하지만 이는 각각의 코어가 구현될 수 있는 다양한 형태를 설명하기 위한 실시예에 불과하며, 제1 코어(110) 및 제2 코어(120)는 도 1 및 도 2에서 설명한 바와 같은 기능을 수행한다면, 어떠한 형태로도 제작될 수 있다.
또한, 도 3에 도시된 제1 코어(110) 및 제2 코어(210)는 각각의 그 형태가 분리되지 않은 하나의 형태로 구현되었으나 반드시 이에 한정되지는 않고, 각각 분리된 형태의 하나 이상의 코어로 구현될 수 있다. 이 경우에 대한 자세한 설명은 도 7 및 도 8에서 설명하도록 한다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 고정자(100) 및 제2 고정자(200)는 터빈 및 발전기 등과 같은 회전구동 장치에 포함되어, 회전구동 장치의 샤프트에 포함된 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중 및 제2 회전자(230)에 가해지는 동하중을 지지할 수 있으며 각각의 고정자만을 포함한 자기 베어링 장치로 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 코일에 인가되는 전류 및 해당 전류로 인해 발생하는 코어의 자속밀도의 관계를 나타낸 히스테리시스 곡선을 도시한 도면이다.
히스테리시스 곡선은 코일에 인가되는 자계의 세기 H의 증감에 따라 생기는 자속밀도 B의 이력현상을 나타내는 곡선이다. 자계의 세기 H가 증가하면 자속밀도 B는 모든 원자자석들이 같은 방향으로 정렬되었을 때 나타나는 최대값인 포화치, 즉 자기포화 상태 영역 Ⅲ에 다다른다. 이후, 자계의 세기 H가 감소하면 자속밀도는 H의 변화에 지연되면서 감소한다. 따라서 H가 0으로 되었을 때도 B는 잔류자기(Residual Magnetism), 잔류 유도자기 또는 보자기라고 하는 양의 값을 갖는다. 한편, B 자체는 H가 어떤 음의 값을 가질 때까지 0이 되지 않으며 B를 0으로 만드는 H의 값을 보자력이라고 한다. 음의 방향으로 H를 더욱 증가시키면 자속밀도 B의 방향은 역전되고 결국엔 포화값에 다시 도달하는데, 이때 모든 원자자석들은 반대방향으로 완전히 정렬된다. 위의 순환을 계속하여 자기력 H의 변화에 지연되는 자속밀도를 나타낸 그래프가 이력곡선이라고 알려진 히스테리시스 곡선이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 코일(120)은 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)를 자기포화 상태에 도달시키기 위한 전류를 인가받아 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)를 도 4에 도시된 자기포화 상태 영역 Ⅲ에 도달시킨다.
즉, 제1 코일(120)은 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)를 자기포화 상태에 도달시키기 위한 전류를 인가받아 자기장을 생성하며, 생성된 자기장을 통해 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)는 제1 코일(120)에 인가되는 전류를 증가시켜도 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)의 자속밀도가 더 이상 증가하지 않은 자기포화 상태로 자화된다. 한편, 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)를 자기포화 상태에 도달시키기 위한 전류를 제공받은 이유는 앞에서 설명한 바와 같이, 제1 코일(120)에 인가되는 전류를 제어함으로써 제1 고정자(100) 및 제1 회전자(140)의 크기를 최대한 줄이기 위함이다.
이때, 자계의 세기는 전류와 비례하기 때문에 자계의 세기를 증가시키기 위해 전류의 세기를 증가시켰다.
이후, 자기포화 상태에 도달한 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)의 자속밀도는 제1 코일(120)에 인가되는 전류가 감소하면 전류의 변화에 지연되면서 감소한다. 즉, 기존의 자계의 세기가 증가함에 따라 자속밀도가 증가되는 곡선이 아닌 잔류자기를 가지는 새로운 곡선을 기반으로 자속밀도가 발생된다. 이를 통해 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)는 기존의 자기포화 상태에 도달하기 위한 자기포화점(Saturated Point) 이상의 전류보다 훨씬 작은 전류가 제1 코일(120)에 인가되더라도, 자기포화 상태에서 발생될 수 있는 자속밀도 값과 근접한 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생될 수 있다. 한편, 자기포화 상태에서 발생될 수 있는 자속밀도 값과 근접한 자속밀도는 제1 코어(110)에 대한 히스테리시스 곡선상의 잔류자기와 자기포화점 사이의 자속밀도 값을 포함하는 영역 Ⅰ 내에 위치하는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않는다. 한편, 영역 Ⅰ은 자속밀도가 잔류자기 값을 중심으로 소정 크기 이내로 변하는 영역을 의미한다. 따라서, 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중의 크기에 따라 제1 코일(120)에 인가되는 전류는 제1 코어(110)의 자속밀도가 잔류자기 값을 중심으로 소정의 크기만큼 변하도록 제어될 수 있다. 참고로, 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중의 크기는 소정의 센서를 이용하여 감지할 수 있다.
본 발명에 따른 제2 고정자(200)는 제2 회전자(230)에 가해지는 동하중을 지지하기 위해 제2 코일(220)에 인가되는 전류의 값에 따라 제2 코어(210)의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 제2 코어(210)에 발생하도록 하는 전류가 제2 코일(220)에 인가된다. 이때, 자계의 세기는 전류와 비례하기 때문에 자계의 세기를 증가시키기 위해 전류의 세기를 증가시켰다.
한편, 제2 코일(220)에 인가되는 전류의 값에 따라 제2 코어(210)의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간은 도 4에 도시된 포화 영역으로 진입하기 전의 영역인 제2 코일(220)에 인가되는 전류의 값과 제2 코어(210)의 자속밀도가 서로 비례하여 증가하는 영역 Ⅱ(즉 리니어 영역) 내에 위치하는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(300)에서 발생할 수 있는 현상을 설명하기 위한 도면이다. 한편, 도 5에서는 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(300)에서 발생할 수 있는 현상을 설명하기 위해 도 1에 도시된 제1 고정자(100)를 예시로 도시하였지만, 동일한 형태로 구현될 수 있는 제2 고정자(200)에도 동일한 현상이 발생할 수 있다. 또한, 도 5에서는 제1 돌출부(111)에만 제1 코일(120)이 권취된 것으로 도시되었지만, 이는 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(300)에서 발생할 수 있는 현상을 설명하기 위한 예시에 불과하며, 각각의 돌출부에 코일이 권취될 수 있다.
도 5에 예시된 제1 고정자(100)는 도 1에서 설명된 바와 같은 구조 및 기능을 가지며, 이 경우, 제1 코어(110)는 각각의 돌출부(111, 112, 113, 114)가 서로 분리되지 않고 연결된 형태로 구현되어 있다. 한편, 제1 돌출부(111)에 권취된 제1 코일(120)에 전류가 인가되면, 제1 코어(110)에는 도 5에 도시된 바와 같이 자기 플럭스의 경로가 발생하게 된다. 이 경우, 제1 돌출부(111)에 발생하여 제1 회전자(140)를 위쪽으로 끌어당기는 전자기력을 B0이라 하면, 제2 돌출부(112), 제3 돌출부(113), 제4 돌출부(114)에도 각각 B0/3의 불필요한 전자기력이 발생하게 된다. 결과적으로, 제2 돌출부 및 제4 돌출부(114)에서 발생한 B0/3의 전자기력은 그 방향이 서로 반대방향이므로 제1 회전자(140)에 미치는 영향이 상쇄되는 반면 제3 돌출부(113)에서 발생한 전자기력 B0/3는 계속적으로 유지되어 제1 회전자(140)를 아래쪽으로 끌어당기게 된다. 이로 인해, 실제 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지하기 위한 전자기력의 총 자속밀도 값은 B0 - B0/3을 가지게 되는 현상이 발생하게 된다. 즉, 도 5와 같이 제1 코어(110)가 하나의 형태로 구현되는 경우, 불필요한 전자기력의 발생으로 인한 문제가 발생할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 장치에서 제1 고정자(600) 및 제2 고정자(620)의 구조를 도시한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 고정자(600)의 정면도를 도시한 도면이다. 한편, 도 6a에서는 각각의 제1 코어(610)에 권취되어 있는 제1 코일을 도시하지 않았지만, 각각의 제1 코어(610)에 제1 코일이 권취되어 있는 것은 당연한 바이다.
도 6a에서 도시하듯이, 도 1에 설명된 제1 코어(110)의 각 돌출부 및 각 돌출부에 권취된 제1 코일(120)의 기능을 도 6a에서는 각각의 제1 코어(610) 및 그에 권취된 제1 코일(미도시)이 수행하도록 구성되었다.
또한, 도 6a에서 도시하듯이, 각각의 제1 코어(610)는 각각의 돌출부가 서로 분리되지 않고 연결된 형태로 구현된 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(300)의 제1 코어(110)와는 달리, 각각 분리된 하나 이상의 제1 코어(610)를 포함하는 형태로 구현되어 있다. 이 경우, 각각의 제1 코어(610)에서 발생하는 자기 플럭스는 해당 제1 코어(610)로 흐르는 자기 경로를 가지게 되고, 이를 통해 도 5에 명시된 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(300)에서 발생할 수 있는 불필요한 전자기력의 발생 문제를 해결할 수 있다.
한편, 도 6a에 도시된 각각의 제1 코어(610)는 각각의 제1 코어(610)에서 발생하는 전자기력이 서로 간 상호작용을 하지 않도록 하기 위해, 일정 간격 D를 두고 배치되어야 하며, 이 경우, D의 값은 제1 회전자(140)와 각각의 제1 코어(610) 사이의 간격인 공극(g)의 3배 또는 4배 이상의 값을 가지는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않는다.
한편, 도 6a에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 장치의 제1 고정자(600)는 4개의 제1 코어(610)를 구비하도록 도시되었지만, 반드시 이에 한정되지는 않고, 다수의 제1 코어(610)를 구비할 수 있다.
도 6b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 고정자(620)의 정면도를 도시한 도면이다. 한편, 도 6b에서는 각각의 제2 코어(630)에 권취되어 있는 제2 코일을 도시하지 않았지만, 각각의 제2 코어(630)에 제2 코일이 권취되어 있는 것은 당연한 바이다.
도 6b에서 도시하듯이, 도 2에 설명된 제2 코어(210)의 각 돌출부 및 각 돌출부에 권취된 제2 코일(220)의 기능을 도 6b에서는 각각의 제2 코어(630) 및 그에 권취된 제2 코일(미도시)이 수행하도록 구성되었다.
또한, 도 6b에서 도시하듯이, 각각의 제2 코어(630)는 각각의 돌출부가 서로 분리되지 않고 연결된 형태로 구현된 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(300)의 제2 코어(210)와는 달리, 각각 분리된 하나 이상의 제2 코어(630)를 포함하는 형태로 구현되어 있다. 이 경우, 각각의 제2 코어(630)에서 발생하는 자기 플럭스는 해당 제2 코어(630)로 흐르는 자기 경로를 가지게 되고, 이를 통해 도 5에 명시된 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(300)에서 발생할 수 있는 불필요한 전자기력의 발생 문제를 해결할 수 있다.
한편, 도 6b에 도시된 각각의 제2 코어(630)는 각각의 제2 코어(630)에서 발생하는 전자기력이 서로 간 상호작용을 하지 않도록 하기 위해, 일정 간격 D를 두고 배치되어야 하며, 이 경우, D의 값은 제2 회전자(230)와 각각의 제2 코어(630) 사이의 간격인 공극(g)의 3배 또는 4배 이상의 값을 가지는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않는다.
한편, 도 6b에 도시된 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 장치의 제2 고정자(620)는 8개의 제2 코어(630)를 구비하도록 도시되었지만, 반드시 이에 한정되지는 않고, 다수의 제2 코어(630)를 구비할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 장치의 제1 고정자(600) 및 제2 고정자(620)에 구비될 수 있는 제1 코어(610) 및 제2 코어(630)의 구조를 예시한 도면이다.
한편, 도 7에서는 제1 코어(610)를 예를 들어 도시하였지만, 이는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 장치의 제1 고정자(600) 및 제2 고정자(620)에 구비될 수 있는 제1 코어(610) 및 제2 코어(630)의 구조를 명확하기 설명하기 위한 예시에 불과하며, 제2 코어(630) 역시 제1 코어(610)와 동일한 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 도 7에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 장치의 제1 고정자(600) 및 제2 고정자(620)에 구비될 수 있는 제1 코어(610) 및 제2 코어(630)의 구조에 따른 자기 플럭스의 경로를 도시하였다.
도 7에서 도시하듯이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 장치의 제1 고정자(600)에 구비될 수 있는 각 제1 코어(610)는 각각 2개의 돌출부를 포함하고 있다. 한편, 도 7에서는 돌출부가 2개인 것을 가정하였으나 반드시 이에 한정되지는 않고 돌출부가 3개 이상인 경우에도 적용 가능하다. 즉, 제1 회전자(140)를 중심으로 방사상으로 위치하는 각 제1 코어(610)는 제1 회전자(140)의 방사상 방향에 반대되는 방향으로 제1 회전자(140)를 향하여 돌출된 제1 돌출부(702) 및 제2 돌출부(704)를 포함하고 있으며, 이 경우 각각의 제1 코어(610)에 포함된 제1 돌출부(702) 및 제2 돌출부(704)에는 서로 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하도록 제1 코일(710)이 권취되어 있다. 이를 통해 각각의 코어에서 발생하는 자기 플럭스는 해당 코어로 흐르는 자기 경로를 가지게 됨으로써, 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(300)에서 발생할 수 있는 불필요한 전자기력의 발생 문제를 해결할 수 있다.
한편, 제1 코어(610)에 포함된 제1 돌출부(702) 및 제2 돌출부(704)는 인접하게 위치하는 제1 코어(610)에 포함된 제1 돌출부(702) 및 제2 돌출부(704)와 일정 간격 x0를 두고 배치된다. 즉, 각각의 제1 코어(610)는 일정 간격을 두고 배치되어 각각의 제1 코어(610)에서 발생하는 전자기력이 서로 간 상호작용을 하지 않도록 동작한다. 이 경우, x0의 값은 제1 회전자(140)와 각각의 제1 코어(610) 사이의 간격인 공극(g)의 3배 또는 4배 이상의 값을 가지는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않는다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이 제2 코어(630) 역시 제1 코어(610)와 동일한 구조로 이루어질 수 있다. 즉, 제2 회전자를 중심으로 방사상으로 위치하는 각 제2 코어(630)는 제2 회전자의 방사상 방향에 반대되는 방향으로 제2 회전자를 향하여 돌출된 제1 돌출부 및 제2 돌출부를 포함하고 있으며, 이 경우 각각의 제2 코어(630)에 포함된 제1 돌출부 및 제2 돌출부에는 서로 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하도록 제2 코일이 권취되어 있다. 이를 통해 각각의 코어에서 발생하는 자기 플럭스는 해당 코어로 흐르는 자기 경로를 가지게 됨으로써, 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(300)에서 발생할 수 있는 불필요한 전자기력의 발생 문제를 해결할 수 있다.
한편, 제2 코어(630)에 포함된 제1 돌출부 및 제2 돌출부는 인접하게 위치하는 제2 코어(630)에 포함된 제1 돌출부 및 제2 돌출부와 일정 간격 x0를 두고 배치된다. 즉, 각각의 제2 코어(630)는 일정 간격을 두고 배치되어 각각의 제2 코어(630)에서 발생하는 전자기력이 서로 간 상호작용을 하지 않도록 동작한다. 이 경우, x0의 값은 제2 회전자와 각각의 제2 코어(630) 사이의 간격인 공극(g)의 3배 또는 4배 이상의 값을 가지는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않는다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 장치의 하나 이상의 제1 코어(610), 각 제1 코어(610)에 권취된 제1 코일(710)을 포함하는 제1 고정자(600) 및 하나 이상의 제2 코어(630), 각 제2 코어(630)에 권취된 제2 코일을 포함하는 은 제2 고정자(620)는 도 7에 명시된 바와 같은 형태로 구성되되, 도 1에 설명된 제1 코어(110)의 각 돌출부 및 각 돌출부에 권취된 제1 코일(120)의 기능을 도 7에서는 각각의 제1 코어(610)의 돌출부(702, 704) 및 그에 권취된 제1 코일(710)이 수행하여 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지하며, 도 2에 설명된 제2 코어(210)의 각 돌출부 및 각 돌출부에 권취된 제2 코일(220)의 기능을 각각의 제2 코어(630)의 돌출부 및 그에 권취된 제2 코일이 수행하여 제2 회전자(230)의 동하중을 지지한다. 이 경우, 제1 실시예의 자기 베어링 장치(300)와는 달리 제2 실시예의 자기 베어링 장치는 각각의 코어에서 발생하는 자기 플러스가 대부분 해당 코어로 흐르는 자기 경로를 가지게 됨으로써 불필요하게 발생하는 전자기력을 최소화할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 베어링 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 8에서 도시하듯이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 베어링 장치(800)는 제1 코어(820) 및 제1 코일(830)을 포함한 한 쌍의 제1 고정자(810) 및 제2 코어(850) 및 제2 코일(860)을 포함한 한 쌍의 제2 고정자(840)를 포함한다. 한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 베어링 장치(800)는 동축상에 위치하는 제1 회전자(870) 및 제2 회전자(880)를 포함하고 지면에 수직으로 위치하는 샤프트(130)를 지지하기 위한 장치이다. 또한, 도 8에서는 제1 고정자(810), 제2 고정자(840), 제1 회전자(870) 및 제2 회전자(880)가 절단되도록 도시되었으나, 이는 제1 고정자(810), 제2 고정자(840)의 구조를 설명하기 위한 예시에 불과하며 제1 고정자(810), 제2 고정자(840), 제1 회전자(870) 및 제2 회전자(880)는 샤프트(130)를 둘러싸는 고리형상으로 이루어진다.
한편, 제1 회전자(870)는 샤프트(130)에 포함되며 샤프트(130) 주위에서 샤프트(130)를 둘러싸는 형상으로 이루어지고, 한 쌍의 제1 고정자(810) 사이에서 한 쌍의 제1 고정자(810)와 소정 간격을 두고 위치된다. 이로 인해 일반적으로 샤프트(130)에 정하중이 발생하는 경우, 제1 회전자(870) 역시 정하중이 가해지게 된다. 이에, 본 발명에 따른 한 쌍의 제1 고정자(810)는 제1 회전자(870)에 가해지는 정하중을 지지함으로써 제1 회전자(870)를 포함하는 샤프트(130)의 정하중을 지지하였다.
제1 코어(820)는 샤프트(130) 주위에서 샤프트(130)와 소정 간격을 두고 위치하여 샤프트(130)를 둘러싸는 형상으로 이루어진다. 한편, 제1 코어(820)는 제1 코어(820) 내부에 중공을 가지되, 한 쌍의 제1 코어(820)는 제1 회전자(870)를 기준으로 서로 마주보도록 배치되고, 한 쌍의 제1 코어(820)끼리 마주보는 면은 개방되어 있다. 이때, 한 쌍의 제1 코어(820)의 중공에는 각각 제1 코일(830)이 권취되어 있다. 즉, 제1 회전자(870) 상부에 위치하는 하부 면이 개방된 제1 코어는 하부 면이 개방된 제1 코어에 권취되어 있는 제1 코일(830)에서 발생한 자기장으로 인해 자성을 가지게 되는 자화현상이 발생하며, 이를 통해 발생한 전자기력을 이용하여 제1 회전자(870)를 끌어당김으로써 제1 회전자(870)에 가해지는 정하중을 지지한다. 이때, 제1 회전자(870)에 가해지는 정하중이 수직방향으로 가해지는 중력인 경우, 상부에 위치하는 제1 코어(820)는 중력에 반대되는 방향으로 작용하는 전자기력을 발생시켜 제1 회전자(870)에 가해지는 중력을 지지한다.
또한, 제1 회전자(870) 하부에 위치하는 상부 면이 개방된 제1 코어는 상부 면이 개방된 제1 코어에 권취되어 있는 제1 코일(830)에서 발생한 자기장으로 인해 자성을 가지게 되는 자화현상이 발생하며, 이를 통해 발생한 전자기력을 이용하여 제1 회전자(870)에 가해지는 정하중을 지지한다. 이때, 제1 회전자(870)에 가해지는 정하중이 수직방향으로 가해지는 중력인 경우, 하부에 위치하는 제1 코어(820)는 중력에 반대되는 방향으로 작용하는 전자기력을 발생시켜 제1 회전자(870)에 가해지는 중력을 지지한다. 한편, 제1 코어(820)에 권취된 제1 코일(830)은 자기 플럭스의 경로가 발생할 수 있도록 권취되어 있다.
한편, 한 쌍의 제1 코어(820)는 제1 회전자(870) 상부 및 하부에 위치하여 제1 회전자(870)에 가해지는 정하중을 지지하도록 도시되었지만 반드시 이에 한정되지는 않는다.
한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 한 쌍의 제1 코어(820)는 도 1에 설명된 제1 코어(110)와 동일한 기능을 수행하되, 본 발명의 제3 실시예에 따른 한 쌍의 제1 코어(820)에 권취되어 있는 제1 코일(830)에는 제1 코어(820)는 자기포화 상태에 도달하지만 제1 회전자(870)는 자기포화 상태에 도달하지 않는 전류가 인가된다. 이는 제1 코어(820)가 자기포화 상태에 도달된 이후 제1 코일(830)에 제1 코어(820)가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류보다 낮은 전류가 인가되더라도, 제1 코어(820)에는 자기포화 상태에서 발생될 수 있는 자속밀도 값과 근접한 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생될 수 있게 하기 위함이다. 따라서 큰 사이즈의 코어, 및 해당 코어에 권취된 코일을 통해 높은 전류를 제공받아 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하기 위한 강한 전자기력을 발생시키는 경우의 고정자에 비해 작은 사이즈의 코어, 및 해당 코어에 권취된 코일을 가지는 고정자를 사용할 수 있다.
한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 베어링 장치의 경우(즉, 샤프트(130)가 수직으로 배치된 경우)는 제1 회전자의 크기를 줄이기 위해 제1 회전자 역시 자기포화 상태에 도달시켰던 방식과는 달리, 제1 코어(820)만을 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류가 인가된다. 이는 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(축방향 자기베어링)은 축 중심에 대해 대칭이므로 제1 고정자 및 제1 회전자 모두가 포화되어도 회전에 의한 자장변화가 없어서 발생한 전자기력의 손실이 발생하지 않지만, 제3 실시예에 따른 자기 베어링 장치(800, 수직방향 자기베어링)은 발생한 회전자계에 의해 전자기력의 손실이 발생하기 때문이다.
제2 회전자(880)는 샤프트(130)에 포함되며 샤프트(130) 주위에서 샤프트(130)를 둘러싸는 형상으로 이루어지고, 한 쌍의 제2 고정자(840) 사이에서 한 쌍의 제1 고정자(840)와 소정 간격을 두고 위치된다. 이로 인해 일반적으로 샤프트(130)에 동하중이 발생하는 경우, 제2 회전자(880) 역시 동하중이 가해지게 된다. 이에, 본 발명의 실시예에 따른 한 쌍의 제2 고정자(840)는 제2 회전자(880)에 가해지는 동하중을 지지함으로써 제2 회전자(880)를 포함하는 샤프트(130)의 동하중을 지지하였다.
한편, 제2 회전자(880)에 포함되는 한 쌍의 제2 코어(850)는 샤프트(130) 주위에서 샤프트(130)와 소정 간격을 두고 위치하여 샤프트(130)를 둘러싸는 형상으로 이루어진다. 한편, 제2 코어(850)는 제2 코어(850) 내부에 중공을 가지되, 한 쌍의 제2 코어(850)는 제2 회전자(880)를 기준으로 서로 마주보도록 배치되고, 한 쌍의 제2 코어(850)끼리 마주보는 면은 개방되어 있다. 이때, 한 쌍의 제2 코어(850)의 중공에는 각각 제2 코일(860)이 권취되어 있다. 즉, 제2 회전자(880) 상부에 위치하는 하부 면이 개방된 제2 코어는 하부 면이 개방된 제2 코어에 권취되어 있는 제2 코일(860)에서 발생한 자기장으로 인해 자성을 가지게 되는 자화현상이 발생하며, 이를 통해 발생한 전자기력을 이용하여 제2 회전자(880)를 끌어당김으로써 제2 회전자(880)에 가해지는 동하중을 지지한다.
한편, 한 쌍의 제2 코어(850)는 제2 회전자(880) 상부 및 하부에 위치하여 제2 회전자(880)에 가해지는 동하중을 지지하도록 도시되었지만 반드시 이에 한정되지는 않는다.
한편, 본 발명의 제3 실시예에 따른 제2 코어(850)는 제2 코어(850)에 권취되어 있는 제2 코일(860)에 인가되는 전류의 값에 따라 제2 코어(850)의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 제2 코어(850)에 발생하도록 하는 전류가 인가됨으로써 해당 전류에 따른 자속밀도를 가지는 전자기력을 발생시켜 제2 회전자(880)에 가해지는 동하중을 지지한다. 이때, 제2 코일(860)에 인가되는 전류는 기존의 회전자의 정하중 및 동하중 지지하기 위해 하나의 고정자로 이루어진 자기베어링 장치에서 회전자를 지지하기 위해 인가되던 큰 전류가 아닌 제2 회전자(880)에 가해지는 동하중만을 지지하기 위한 작은 전류가 인가된다. 이에 기존의 큰 사이즈의 코어 및 코일을 통해 높은 전류를 제공받아 회전자를 지지하기 위한 강한 전자기력을 발생시켰던 고정자에 비해 작은 사이즈의 코어 및 코일을 가지는 고정자를 사용할 수 있다. 한편, 제2 코어(850)는 약자성체를 가지는 재질로 제작되는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않고 실리콘 스틸, 페라이트, 아이론 재질이 사용될 수 있다.
한편, 제2 코어(850)에서 발생되는 전자기력의 세기는 제1 코어(820)에서 발생하는 전자기력의 세기보다 1/3 크기를 가지는 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않는다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(300)를 통해 샤프트(130)를 지지하기 위한 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 9에서 도시하듯이 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치(300)를 통해 샤프트(130)를 지지하기 위한 제어방법 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)를 자기포화 상태에 도달시키기 위한 전류가 제1 코일(120)에 인가되는 과정으로부터 시작된다(S900). 즉, 제1 코일(120)은 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)를 자기포화 상태에 도달시키기 위한 전류를 인가받아 자기장을 생성하며, 생성된 자기장을 통해 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)는 제1 코일(120)에 인가되는 전류를 증가시켜도 제1 코어(110)의 자속밀도가 더 이상 증가하지 않은 자기포화 상태로 자화된다. 이를 통해 제1 코일(120)에 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류보다 낮은 전류가 인가되더라도, 제1 코어(110) 및 제1 회전자(140)에는 자기포화 상태에서 발생될 수 있는 자속밀도 값과 근접한 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생될 수 있다. 따라서 큰 사이즈의 코어, 및 해당 코어에 권취된 코일을 통해 높은 전류를 제공받아 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지하기 위한 강한 전자기력을 발생시키는 경우의 고정자에 비해 작은 사이즈의 코어, 및 해당 코어에 권취된 코일을 가지는 고정자를 사용할 수 있다. 또한, 제1 회전자(140) 역시 제1 코어(110)와 마찬가지로 그 크기를 최대한 줄일 수 있다.
이후, 제1 코어(110)에 소정 크기 이상의 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류가 제1 코일에 인가된다(S910). 즉, 제1 코일(120)은 제1 코어(110)에 소정 크기 이상의 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류를 인가받아, 제1 코어(110)에 소정 크기 이상의 자속밀도를 가지는 전자기력을 발생하도록 동작한다. 이때, 소정 크기 이상의 자속밀도는 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지하기 위한 크기의 자속밀도 값을 가지며, 자속밀도 값은 제1 코어(110)에 대한 히스테리시스 곡선상의 잔류자기와 자기포화점 사이의 자속밀도 값인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않고, 잔류자기보다 소정의 크기만큼 작은 자속밀도 값을 가질 수도 있다.
제1 코어(110)는 소정 크기 이상의 자속밀도를 가지는 전자기력을 발생하고, 발생한 전자기력을 통해 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지한다(S920). 즉, 제1 코어(110)는 제1 코일(120)이 제1 코어(110)에 소정 크기 이상의 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류를 인가받은 경우 생성된 자기장을 통해 자화되고, 이를 통해 소정 크기 이상의 자속밀도를 가지는 전자기력을 발생함으로써 제1 회전자(140)에 가해지는 정하중을 지지한다.
한편, 제2 회전자(230)에 동하중이 가해지는 경우(S930), 제2 코일(220)에는 제2 코일(220)에 인가되는 전류의 값에 따라 제2 코어(210)의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 제2 코어(210)에 발생하도록 하는 전류가 인가된다(S940). 즉, 제2 회전자(230)에 가해지는 동하중이 센서를 통해 인지되는 경우, 제2 코일(220)은 제2 코일(220)에 인가되는 전류의 값에 따라 제2 코어(210)의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 제2 코어(210)에 발생하도록 하는 전류를 인가받아 제2 코어(210)에 해당 전류에 따른 자속밀도를 가지는 전자기력을 발생시킨다. 이때, 인가되는 전류의 값에 따라 제2 코어(210)의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간은 인가되는 전류의 값과 제2 코어(210)의 자속밀도가 서로 비례하여 증가하는 포화 영역으로 진입하기 전의 영역인 제2 코어(210)에 대한 히스테리시스 곡선상의 리니어 영역인 것이 바람직하나 반드시 이에 한정되지는 않는다. 즉, 제2 코일(220)은 리니어 영역에 해당하는 전류를 인가받아 제2 코어(210)가 리니어 영역 내 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생하도록 동작한다.
이후, 제2 코어(210)는 제2 코일(220)에 인가되는 전류에 대응하는 자속밀도를 가지는 전자기력을 발생하고, 발생한 전자기력을 통해 제2 회전자(230)에 가해지는 동하중을 지지한다(S950).
도 9에서는 단계 S900 내지 단계 S950을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나, 이는 본 발명의 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명의 일 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 일 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 9에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 단계 S900 내지 단계 S950 중 하나 이상의 단계를 병렬적으로 실행하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이므로, 도 9는 시계열적인 순서로 한정되는 것은 아니다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 제1 고정자 110: 제1 코어
120: 제1 코일 130: 샤프트
140: 제1 회전자 200: 제2 고정자
210: 제2 코어 220: 제2 코일
230: 제2 회전자
300: 제1 실시예에 따른 자기 베어링 장치
600: 제2 실시예에 따른 제1 고정자
620: 제2 실시예에 따른 제2 고정자
800: 제3 실시예에 따른 자기 베어링 장치

Claims (20)

  1. 동축상에 위치하는 제1 회전자 및 제2 회전자를 포함하는 샤프트를 지지하는 자기 베어링 장치에 있어서,
    상기 제1 회전자 주위에서 상기 제1 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 제1 회전자를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제1 코어 및 상기 제1 코어에 권취되는 제1 코일을 포함하며, 상기 제1 코일에 인가되는 전류에 의해 상기 제1 코어에서 발생하는 전자기력을 이용하여 상기 제1 회전자를 지지하는 제1 고정자; 및
    상기 제2 회전자 주위에서 상기 제2 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 제2 회전자를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제2 코어 및 상기 제2 코어에 권취되는 제2 코일을 포함하며, 상기 제2 코일에 인가되는 전류에 의해 상기 제2 코어에서 발생하는 전자기력을 이용하여 상기 제2 회전자를 지지하는 제2 고정자를 포함하되,
    상기 제1 코어는 상기 제1 회전자의 방사상 방향에 반대되는 방향으로 상기 제1 회전자를 향하여 돌출된 적어도 2개의 돌출부를 포함하며, 상기 적어도 2개의 돌출부 중에서 어느 하나의 돌출부는 상기 적어도 2개의 돌출부 중 다른 어느 하나의 돌출부와 서로 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하도록 상기 제1 코일이 권취되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 코어는 상기 제2 회전자의 방사상 방향에 반대되는 방향으로 상기 제2 회전자를 향하여 돌출된 적어도 2개의 돌출부를 포함하되, 상기 적어도 2개의 돌출부 중에서 어느 하나의 돌출부는 상기 적어도 2개의 돌출부 중 다른 어느 하나의 돌출부와 서로 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하도록 상기 제2 코일이 권취되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 코일은 상기 제1 코어 및 상기 제1 회전자가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류를 인가받은 후에 상기 제1 코어에 상기 제1 코어에 대한 히스테리시스(Hysteresis) 곡선상의 잔류자기(Residual Magnetism)와 자기포화점(Saturated Point) 사이의 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류를 인가받아 상기 제1 코어가 상기 제1 회전자를 지지하기 위한 전자기력을 발생하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제1 코어 및 상기 제1 회전자가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류를 인가받은 후에 상기 제1 코일에 인가되는 전류는 상기 제1 회전자에 가해지는 정하중의 크기에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 코일에는 상기 제2 코일에 인가되는 전류의 값에 따라 상기 제2 코어의 자속밀도가 변화는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 상기 제2 코어에 발생하도록 하는 전류가 인가되며,
    상기 제2 코일에 인가되는 전류의 값에 따라 상기 제2 코어의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간은 상기 인가되는 전류의 값과 상기 제2 코어의 자속밀도가 서로 비례하여 증가하는 상기 제2 코어에 대한 히스테리시스 곡선상의 리니어 영역(Linear Region)인 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제2 코일은 상기 리니어 영역에 해당하는 전류를 인가받아 상기 제2 코어가 상기 리니어 영역 내 자속밀도를 가지는 전자기력이 발생하도록 동작하고,
    상기 제2 코어는 상기 리니어 영역 내 자속밀도를 가지는 전자기력을 발생하여 상기 제2 회전자에 가해지는 동하중을 지지하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제2 코일에 인가되는 전류는 상기 제2 회전자에 가해지는 동하중의 크기에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  9. 제1 회전자를 포함하는 샤프트를 지지하는 자기 베어링 장치에 있어서,
    상기 제1 회전자 주위에서 상기 제1 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 제1 회전자를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제1 코어 및 상기 제1 코어에 권취되는 제1 코일을 포함하며, 상기 제1 코일에 인가되는 전류에 의해 상기 제1 코어에서 발생하는 전자기력을 이용하여 상기 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하는 제1 고정자를 포함하되,
    상기 제1 코어는 상기 제1 회전자의 방사상 방향에 반대되는 방향으로 상기 제1 회전자를 향하여 돌출된 적어도 2개의 돌출부를 포함하며, 상기 적어도 2개의 돌출부 중에서 어느 하나의 돌출부는 상기 적어도 2개의 돌출부 중 다른 어느 하나의 돌출부와 서로 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하도록 상기 제1 코일이 권취되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1 코일은 상기 제1 코어 및 상기 제1 회전자가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류를 인가받은 후에 상기 제1 코어에 상기 제1 코어에 대한 히스테리시스 곡선상의 잔류자기와 자기포화점 사이의 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류를 인가받아 상기 제1 코어가 상기 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하기 위한 전자기력을 발생하도록 동작하며,
    상기 제1 코어 및 상기 제1 회전자가 자기포화 상태에 도달하기 위한 전류를 인가받은 후에 상기 제1 코일에 인가되는 전류는 상기 제1 회전자에 가해지는 정하중의 크기에 따라 제어되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  11. 동축상에 위치하는 제1 회전자 및 제2 회전자를 포함하는 샤프트를 지지하는 회전구동 장치에 있어서,
    상기 제1 회전자 주위에서 상기 제1 회전자와 면하여 위치하고 상기 제1 회전자를 둘러싸는 고리형상으로 이루어진 제1 코어 및 상기 제1 코어에 권취되는 제1 코일을 포함하며, 상기 제1 코일에 인가되는 전류에 의해 상기 제1 코어에서 발생하는 전자기력을 이용하여 상기 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하는 제1 고정자; 및
    상기 제2 회전자 주위에서 상기 제2 회전자와 면하여 위치하고 상기 제2 회전자를 둘러싸는 고리형상으로 이루어지는 제2 코어 및 상기 제2 코어에 권취되는 제2 코일을 포함하며, 상기 제2 코일에 인가되는 전류에 의해 상기 제2 코어에서 발생하는 전자기력을 이용하여 상기 제2 회전자에 가해지는 동하중을 지지하는 제2 고정자를 포함하되,
    상기 제1 코어는 상기 제1 회전자의 방사상 방향에 반대되는 방향으로 상기 제1 회전자를 향하여 돌출된 적어도 2개의 돌출부를 포함하며, 상기 적어도 2개의 돌출부 중에서 어느 하나의 돌출부는 상기 적어도 2개의 돌출부 중 다른 어느 하나의 돌출부와 서로 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하도록 상기 제1 코일이 권취되어 있는 것을 특징으로 하는 회전구동 장치.
  12. 동축상에 위치하는 제1 회전자 및 제2 회전자를 포함하는 샤프트를 지지하는 자기 베어링 장치에 있어서,
    상기 제1 회전자 주위에서 상기 제1 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 제1 회전자를 중심으로 방사상으로 위치하는 하나 이상의 제1 코어 및 상기 제1 코어에 권취되는 제1 코일을 포함하며, 상기 제1 코일에 인가되는 전류에 의해 상기 제1 코어에서 발생하는 전자기력을 이용하여 상기 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하는 제1 고정자; 및
    상기 제2 회전자 주위에서 상기 제2 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 제2 회전자를 중심으로 방사상으로 위치하는 하나 이상의 제2 코어 및 상기 제2 코어에 권취되는 제2 코일을 포함하며, 상기 제2 코일에 인가되는 전류에 의해 상기 제2 코어에서 발생하는 전자기력을 이용하여 상기 제2 회전자에 가해지는 동하중을 지지하는 제2 고정자를 포함하되,
    상기 제1 코어는 상기 제1 회전자의 방사상 방향에 반대되는 방향으로 상기 제1 회전자를 향하여 돌출된 적어도 2개의 돌출부를 포함하며, 상기 적어도 2개의 돌출부 중에서 어느 하나의 돌출부는 상기 적어도 2개의 돌출부 중 다른 어느 하나의 돌출부와 서로 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하도록 상기 제1 코일이 권취되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  13. 삭제
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 제2 코어는 상기 제2 회전자의 방사상 방향에 반대되는 방향으로 상기 제2 회전자를 향하여 돌출된 적어도 2개의 돌출부를 포함하되, 상기 적어도 2개의 돌출부 중에서 어느 하나의 돌출부는 상기 적어도 2개의 돌출부 중 다른 어느 하나의 돌출부와 서로 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하도록 상기 제2 코일이 권취되어 있는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 샤프트에 포함된 제1 회전자 주위에서 상기 제1 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 제1 회전자를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제1 코어 및 상기 제1 코어에 권취된 제1 코일을 포함한 제1 고정자 및 상기 샤프트에 포함된 제2 회전자 주위에서 상기 제2 회전자와 소정 간격을 두고 위치하여 상기 제2 회전자를 둘러싸는 형상으로 이루어지는 제2 코어 및 상기 제2 코어에 권취된 제2 코일을 포함한 제2 고정자를 구비하되, 상기 제1 코어는 상기 제1 회전자의 방사상 방향에 반대되는 방향으로 상기 제1 회전자를 향하여 돌출된 적어도 2개의 돌출부를 포함하며, 상기 적어도 2개의 돌출부 중에서 어느 하나의 돌출부는 상기 적어도 2개의 돌출부 중 다른 어느 하나의 돌출부와 서로 다른 극을 가지는 전자기력이 발생하도록 상기 제1 코일이 권취되어 있는 자기 베어링 장치를 이용하여 생성된 전자기력으로 상기 샤프트를 지지하는 제어방법에 있어서,
    상기 제1 코어 및 상기 제1 회전자를 자기포화 상태에 도달시키기 위한 전류가 상기 제1 코일에 인가되는 과정;
    상기 제1 코어에 상기 제1 코어에 대한 히스테리시스 곡선상의 잔류자기와 자기포화점 사이의 자속밀도인 제1 자속밀도가 유지되도록 하는 범위 내의 전류가 상기 제1 코일에 인가되는 과정;
    상기 제1 코어가 상기 제1 자속밀도를 가지는 전자기력을 발생하고, 발생한 전자기력을 통해 상기 제1 회전자에 가해지는 정하중을 지지하는 과정;
    상기 제2 코일에 인가되는 전류의 값에 따라 상기 제2 코어의 자속밀도가 변하는 비율이 소정 크기 이상인 구간의 자속밀도를 가지는 전자기력이 상기 제2 코어에 발생하도록 하는 전류가 상기 제2 코일에 인가되는 과정;
    상기 제2 코일에 인가되는 과정을 통해 인가된 전류에 대응하는 자속밀도를 가지는 전자기력이 상기 제2 코어에 발생하고, 발생한 전자기력을 통해 상기 제2 회전자에 가해지는 동하중을 지지하는 과정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 샤프트를 지지하는 제어방법.
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