KR101562054B1 - 능동형 하이브리드 자기-공기 스러스트 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 베어링에 관한 것으로서, 특히 공기-포일베어링과 영구자석을 바이어스 전류{Bias current}로 이용하는 능동형 하이브리드 자기-공기 스러스트 베어링에 관한 것으로, 회전축에 대향하는 면이 개구된 제1하우징과, 상기 제1하우징의 내측에 삽입되고 영구자석이 상면에 결합되며 회전축에 대향하는 면이 개구된 제2하우징과, 상기 제1하우징 내부과 제2하우징 외부 사이에 전자석이 구비되며, 상기 제2하우징의 개구면과 회전축 사이에 펌프 포일과 탑 포일이 형성되며, 상기 제1하우징 내부와 상기 제2하우징 외부 사이에 비자성체가 구비되고, 상기 회전축에는 상기 제1하우징의 내측과 상기 제2하우징의 외측 사이의 간극에 대응하는 홈이 형성된다.

Description

능동형 하이브리드 자기-공기 스러스트 베어링 { Active Hybrid Magnetic - Air Thrust Bearing }

본 발명은 베어링에 관한 것으로서, 특히 공기-포일베어링과 영구자석을 바이어스 전류{Bias current}로 이용하는 능동형 하이브리드 자기-공기 스러스트 베어링에 관한 것이다.

베어링은 모든 회전체 분야에서 핵심이 되는 기술로 회전하는 장치와 왕복 운동하는 장치등에 사용되며, 자동차, 전자 제품과 같은 일상생활기기와 공기압축기, 터보기계 등의 산업기기 등 각종기기에 없어서는 안 될 매우 중요한 부품이라 할 수 있다.

이러한 베어링의 가장 기본이 되는 구조는 쇠구슬이 회전축을 둘려싸고 있거나 회전판의 한편에 있으며 그 사이에 쇠구슬의 마모를 줄이고 부드럽게 축이 돌아가게 하기 위해 윤활유가 들어있는 구조의 구름베어링이 있다.

그러나 이러한 구름베어링의 구조는 윤활유를 주기적으로 갈아줘야하고, 반도체 공정과 같이 고도의 청정 환경이 필요한 공정에는 윤활유 입자가 공기중에 포함되어 제품의 불량을 초래할 수 있는 단점을 가지고 있다.

따라서, 이러한 단점을 해결하기 위해 등장한 것이 회전축과의 접촉을 피하도록 설계되고 윤활유 입자의 문제를 해결할 수 있는 공기 베어링과 자기 베어링과 같은 비접촉 베어링이다.

공기-포일 베어링(Air foil bearing)은 앞서 언급한 공기 베어링의 한 종류로서, 도 1 및 도 2와 같이 베어링면이 탄성변형을 할 수 있는 탑포일(12)과 범프포일(13)로 구성된 포일 구조로 지지되는 특징을 가지고 있다.

이러한 구조적 특징을 간즌 공기-포일 베어링은 탄성 변형을 할 수 있어 더 많은 조립 공차 및 열팽창으로 인한 회전축의 부정렬(misalignment)을 허용할 수 있고, 윤활제 역할을 하는 공기의 특성으로 인해 극저온이나 고온 환경에서도 사용이 가능하다는 장점이 있다.

또한, 기존의 접촉식 구름 베어링이 가지는 접촉에 의한 진동 문제도 없으며, 별도의 외부 윤활시스템이 필요치 않고, 작동 실패 시에도 시스템에 큰 파손이 없는 장점도 가지고 있다.

그러나 이러한 공기-포일 베어링도 강성의 이방성과 약한 감쇠특성으로 인해 고속회전시의 불안정성을 완전히 극복하기 어려울 뿐아니라, 동역학적으로 모델링하여 해석하고 최적의 설계변수를 규명하는 것도 매우 어려워, 수많으 제작과 실엄을 통해 안정적인 베어링 형상을 얻고 있다.

또한, 초기 운전시 회전축이 부상할 수 있을 만큼의 충분한 압력이 형성되기 이전에는 저널과 탐-포일이 접촉하고 있으므로 구동 마찰로 인해 급격한 마모현상이 발생하기도 한다.

이러한, 문제점을 해결하기 위하여 자기 베어링을 이용하여 충분한 초기 강성과 댐핑력 뿐아니라 이들 강성과 댐핑력을 조절하여 고속회전이 가능하도록하여 회전 안정성을 향상시키고 있다.

즉, 도 3과 같이 전자석을 이용하는 자기 베어링(21)은 다수의 겹판으로 이루어진 코어에 감긴 코일에 전류를 흘림으로써 자기력을 생성하고, 생생된 자기력의 힘에 의하여 당기고 밀고 함으로써 회전축을 부상시킨다.

이러한 자기 베어링의 자기력은 비선형적 특징을 가지기 때문에 원천적으로 불안정한 특성을 지니므로 고감도의 비접촉 변위센서(22)를 전자석 근처에 배치하여 회전축과 전자석 사이의 간극을 측정하고, 측정된 정보는 제어기(24)에서 신호처리과정을 거쳐 전류증폭기(23)를 통해 전자석에 흐르는 전류를 가감하여 전자석의 힘을 제어하는 능동제어를 통한 위치 제어를 통하여 시스템의 강성 및 댐핑을 변화시켜 위험속도에서 강성과 댐핑을 조절함으로써 위험속도를 넘어설 수 있다.

하지만 항상 바이어스 전류를 흘려야 한다는 점에서 전자석에서 생기는 전력손실을 증가시키고, 이로 인해 발열문제도 야기 된다는 단점이 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 포일 베어링과 자기 베어링이 결합된 형태의 하이브리드 베어링이 개발되어 사용되기도 하지만, 여전히 바이어스 전류에 의한 전력 손실은 해결지 못하고 있다.

한국특허 10-2010-0017203호

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 보다 안정적으로 회전축을 지지할 수 있을 뿐아니라, 강성 및 댐핑 성능, 하중지지 능력이 향상되어 회전축을 안정정적으로 지지하면서 회전 안정성을 높이고, 바이어스 전류에 의한 전력손실을 최소화하는 새로운 개념의 베어링을 제공하고자 한다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스러스트 베어링은, 회전축에 대향하는 면이 개구된 제1하우징과, 상기 제1하우징의 내측에 삽입되고 영구자석이 상면에 결합되며 회전축에 대향하는 면이 개구된 제2하우징과, 상기 제1하우징 내부과 제2하우징 외부 사이에 전자석이 구비된다.

또한, 상기 제2하우징의 개구면과 회전축 사이에 펌프 포일과 탑 포일이 형성되며, 상기 제1하우징 내부와 상기 제2하우징 외부 사이에 비자성체가 구비된다.

한편, 상기 회전축에는 상기 제1하우징의 내측과 상기 제2하우징의 외측 사이의 간극에 대응하는 홈이 형성된다.

본 발명에 따른 능동형 하이브리드 자기-공기 스러스트 베어링은 영구 자석을 바이어스 전류로 이용함으로써 자기 베어링에 흐르는 전류로 인한 열문제를 해결하여 줄 뿐아니라 베어링에 사용되는 전력을 줄여주어 전력손실을 줄어준다.

또한, 포일과의 결합에 의한 안전한 작동이 가능할 뿐아니라 피동적인 포일 베어링의 강성 및 댐핑 특성을 능동 자기 베어링의 전기적 조절이 가능한 강성 및 댐핑 특성으로 보완하므로써 회전 안정성과 하중지지 능력을 높혀준다.

도 1은 종래의 공기-포일 레이디얼 베어링을 나타낸 개략도
도 2는 종래의 공기-포일 스러스트 베어링을 나타낸 개략도
도 3은 종래의 레이디얼 능동 자기 베어링의 작동 원리 개념도
도 4은 본 발명의 능동형 하이브리드 자기-공기 스러스트 베어링의 단면도
도 5은 본 발명에 따른 자속 흐름도
도 6은 본 발명의 능동형 하이브리드 자기-공기 스러스트 베어링과 회전축이 결합된 시스템

이하 첨부된 도면에 따라서 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

여기서 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명과 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략하며, 본 발명의 실시 형태는 당 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것어며, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장되거나 미도시 될 수 있다.

본 발명의 일시실예에 따른 능동형 하이브리드 자기-공기 스러스트 베어링(100)은 도5에 도시된 바와 같이, 회전축(101)에 대향하는 면이 개구된 제1하우징(111)과, 상기 제1하우징의 내측에 삽입되고 영구자석이 상면에 결합되며 회전축에 대향하는 면이 개구된 제2하우징(112)과, 상기 제1하우징 내부과 제2하우징 외부 사이에 전자석(121)이 구비된다.

또한, 상기 제2하우징의 개구면과 회전축 사이에 펌프 포일(131)과 탑 포일(132)이 형성되며, 상기 제1하우징 내부와 상기 제2하우징 외부 사이에 비자성체(140)가 구비된다.

한편, 상기 회전축에는 상기 제1하우징의 내측과 상기 제2하우징의 외측 사이의 간극에 대응하는 홈(102)이 형성된다.

도 5은 본 발명의 일 실시예에 따라 영구자석과 전자석의 자속경로를 나타낸 것으로써, 영구자석은 바이어스 자속(Bias Flux)을 만들어 바이어스 자력(

)을 발생시키며, 전자석은 회전축과 베어링면 사이의 간극 변화에 따라 회전축에 작용하는 동하중의 크기에 대응하는 전자력(

)이 발생하게 된다.

즉, 전자력을 제어하는 제어기가 하중의 변화에 따른 교란전류(Pertubation Current)를 발생시키게 된다.

즉, 최초에는 회전축에 대한 하중지지력(

)와 영구자석에 의한 바이어스 자력이 평형을 이루므로 전자석에 전류를 흘릴 필요가 없으며, 회전축과 베어링면 사이의 간극 변화에 의해서 발생되는 동하중(

)에 대응하는 전자력을 생성하기 위한 교란전류가 필요하게 된다.

이는 초기에 전자력 발생을 위한 전류가 필요했던 기존의 자기 베어링에 비하여 소요되는 전류의 양이 작을 뿐아니라 초기 전류도 필요하지 않아 전류의 사용이 적을 뿐아니라 영구자석에 의한 바이어스 자력과 전자석에 의한 전자력의 결합으로 하중 지지용량도 높힐 수 있다.

또한, 사용되는 전류가 줄어듦으로 인하여 코일에서 발생되는 열이 줄어들어 자기 베어링에서 문제시 되는 발열에 의한 문제도 자연스럽게 해결할 수 있게 된다.

한편, 영구자석의 자속경로(Flux path)는 전자석의 자속 경로와 부분적으로 또는 완전히 중첩될 수도 있는데, 영구자석은 그 상대 투자율이 진공 혹은 공기의 투자율과 거의 비슷하여 공극과 같은 역할을 하게 된다. 그러므로 영구자석의 감자 효과(Damagnetization effect)를 줄이기 위해 전자석의 자속 경로가 영구 자석을 통과하지 않도록 할 필요성이 있다.

그래서, 전자석이 생성하는 자속경로(123)와 영구자석이 생성하는 자속경로(124)를 분리하기 위하여, 도5에 나타난바와 같이 비자성체로 제1하우징과 제2하우징 사이에 삽입시키고, 상기 제1하우징과 제2하우징의 간극에 해당하는 회전축 부분에 홈을 형성함으로써, 전자석이 생성하는 자속경로과 영구자석이 생성하는 자속경로를 분리하게 된다.

또한, 자기 베어링은 전자석에 의한 바이어스 자속을 가지고 있고 이는 흐르는 전류를 조절함으로써 자속을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.

영구자석의 자속은 항상 포화되어 있으므로 영구자석의 자장이 철로 만들어진 전자석의 자속 경로를 포화 시킬 수도 있다. 따라서, 적동점에서의 전자석 경로 내에 이치한 철심의 자속 밀도는 최대 포화량의 절반이하로 유지되도록 하는 것이 안전하다.

한편, 본 발명의 영구자석을 바이어스 전류로 이용한 능동형 하이브리드 자기 스러스트 베어링은 기존의 공기-포일베어링과 자기 베어링들의 장점을 결합하고 단점을 극복하는 새로운 형태의 베어링이다.

높은 회전 속도에서 공기-포일 베어링의 공기 역학적 특성과 베어링의 강성과 감쇠를 전기적으로 제어할 수 있는 능동형 자기베어링에 의해 신뢰성을 더욱 향상 시킬 수 있으며, 제어기의 변수 투닝에 의해 시스템이 요구하는 특성을 얻을 수 있다.

또한, 자기 베어링이 축을 정지 상태에서 부상시키기 때문에 공기-포일 베어링의 초기 가속과 감속 시에 문제되는 구동마찰에 의한 마모현상을 방지 할 수 있기에 수명과 신뢰성을 향상 시킬 수 있으며, 정전 시 기능정지와 전자 장치의 오작동 가능성을 가진 자기 베어링으로 인한 보조 베어링의 설치도 필요없다.

도 6은 영구자석을 바이어스 전류 이용한 본 발명의 능동형 하이브리드 자기-공기 스러스트 베어링과 회전축이 결합된 시스템의 베어링 부위를 개략적으로 나타낸 것으로 자기 베어링 부분은 전자석부와 영구 자석부로 구분되어지며, 그 사이를 비자성체를 이용하여 영구 자석과 전자석의 자속 경로가 겹치는 것을 방지하는 구조로 되어 있다.

이 시스템의 구동 원리는, 고감도의 비접촉 변위센서(150)에 의해 실시간으로 측정된 축 방향 변위 정보를 통해 위치 및 전류 제어기에서 PID 제어를 수행하고, 이 제어 신호(PWM)를 전류 증폭기에 전달하여 자기베어링에 자기력을 생성하게 되어, 회전축의 스러스트 디스크를 부상시킨다.

여기서 부상된 작동점에 따라 강성 및 감쇠계수가 바뀌는데 이러한 변수들은 회전 속도가 증가함에 따라 불안정성을 야기 시킬 수 있다. 이러한 불안정성은 비접촉 변위 센서를 통해 실시간으로 상태를 확인할 수 있어, 회전속도를 증가하거나 외부하중이 작용하였을 때 나타나는 불안정한 영역을 판단할 수 있고, 이를 근거로 자기 베어링에 흐르는 전류를 조절함으로써 자기 베어링의 강성 및 감쇠 계수를 조절하여 작동점을 변경함으로써 스러스트 디스크의 부상 위치를 안정적인 영역으로 변경시켜 시스템의 불안정성을 제거한다.

이러한 변위 센서를 활용한 자기 베어링의 능동 제어에 의한 강성 및 감쇠 계수의 조절은 자기 베어링에서 비접촉 변위 센서를 통해서 측정된 변위 변동량에 따라 자기 베어링의 코일에 공급되는 전류를 조절하는 것으로서, 자기 베어링의 제어 분야에서는 널리 실시되고 있는 것이므로 비접촉 변위센서와 전류와의 관계를 포함한 구체적 작동 관계에 대한 설명은 여기서 생략한다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하여, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로 부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

11 베어링 하우징
12, 131 범퍼 포일 13, 132 탑포일
14 스러스트 디스크
15, 101 회전축
21 자기베어링
22, 150 비접촉 변위센서 23 전류증폭기
24, 160 제어기
100 능동형 하이브리드 자기-공기 스러스트 베어링
102 홈
111 제1하우징 112 제2하우징
121 영구자석
122 전자석
123 영구자석 자속경로 124 전자석 자속경로
140 비자성체

Claims (4)

1. 회전축에 대향하는 면이 개구된 제1항우징과,
   상기 제1하우징의 내측에 삽입되고 영구자석이 상면에 형성되어 회전축에 대향하는 면이 개구된 제2하우징과,
   싱기 제1하우징 내부와 제2하우징 외부 사이에 전자석이 구비되며,
   상기 회전축에는 상기 제1하우징의 내측과 상기 제2하우징의 외측 사이의 간극에 대응하는 홈이 형성됨을 특징으로 하는 능동형 하이브리드 자기-공기 스러스트 베어링.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2하우징의 개구면과 회전축 사이에 펌프 포일과 탑 포일이 형성된 것을 특징으로 하는 능동형 하이브리드 자기-공기 스러스트 베어링.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제1하우징 내부와 상기 제2하우징 외부 사이에 비자성체가 구비됨을 특징으로하는 능동형 하이브리드 자기-공기 스러스트 베어링.
   
4. 삭제

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