KR101721486B1 - 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전축을 감싸는 링 형상의 전자석부의 의해 상기 회전축의 수직방향으로 돌출된 판상의 부상체를 부상시키는 쓰러스트 자기 베어링에 있어서, 자기베어링의 전자석부와 축방향의 변위측정을 위한 센서고정부가 일체화된 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링에 관한 것이다.

Description

축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링{Thrust Magnetic Bearing Integrated with Axial Displacement Sensors}

본 발명은 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전축을 감싸는 링 형상의 전자석부의 의해 상기 회전축의 수직방향으로 돌출된 판상의 부상체를 부상시키는 쓰러스트 자기 베어링에 있어서, 자기베어링의 전자석부와 축방향의 변위측정을 위한 센서고정부가 일체화된 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링에 관한 것이다.

종래의 일반적인 베어링들은 접촉에 의한 마찰이 발생하므로, 마찰을 최소화하기 위한 자기 베어링(magnetic bearing)이 최근 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다.

상기 자기 베어링은 대한민국 공개특허공보 제2009-0070178호("정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위측정 시스템 및 이의 고장 유무 판단 방법", 2009.07.01.) 등에 기재된 바와 같이, 회전축 둘레에 강한 자성을 띠는 자석 또는 전자석을 배치하고, 상기 회전축 수직방향으로 형성되는 부상체를 자기 부상에 의해 부상체를 띄워 줌으로써, 베어링 역할을 하도록 구성된다.

이 때, 자기 베어링은 부상체(12)와 자석부(21)와의 접촉 방지 또는 베어링의 정확한 동작 제어를 위해서는 회전체(10)의 축방향 변위를 측정해야 하며, 자기 베어링의 축방향 변위측정 방법을 도 1 내지 도 2에 도시하였다.

도 1은 회전체(10)의 회전축(11) 양단에 임펠러(13)가 부착된 경우에 회전체(10)의 축방향 변위를 측정하기 위한 방법을 도시한 것으로서, 회전축(11)의 양단에 임펠러(13) 등이 부착되어 있으므로, 회전축(11) 끝단에서의 축방향 변위 측정이 불가하다.

그러므로 도 1에 도시된 경우, 회전체(10)의 변위측정을 위한 칼라(1)를 추가로 부착하고, 이에 축방향센서(22) 2개를 칼라에 대향되게 부착함으로써, 축방향 변위를 측정할 수 있다.

그러나 도 1에 도시된 축방향 변위측정 방법은 축방향 변위의 측정을 위한 칼라(1) 및 축방향센서(22)를 부착하기 위한 별도의 공간이 필요하며, 이는 회전체(10)의 길이가 길어질 뿐만 아니라, 회전체(10)의 길이가 길어짐에 따른 시스템의 부피도 불필요하게 증가하는 문제점이 있다.

도 2는 회전축(11)의 일단에 임펠러(13)가 부착된 경우에 회전체(10)의 축방향 변위를 측정하기 위한 방법을 도시한 것으로서, 임펠러(13)가 부착되지 않은 면에 축방향센서(22)를 부착하여 축방향 변위를 측정하는 방법이다.

그러나 도 2에 도시된 방법 또한 축방향센서(22)를 부착하기 위한 별도의 공간이 필요하며, 이는 회전체(10)를 포함하는 시스템의 크기가 불필요하게 길어지는 문제점이 있다.

고속회전체의 안정적인 로터 회전을 위해서는 회전체의 굽힘모드에 의한 위험속도를 동작속도로부터 가능한 한 높게 설계해야 하며, 이를 위해서는 회전체의 길이를 가능한 한 짧게 설계하는 것이 바람직하다.

그러나 도 1 내지 도 2에 도시된 회전체의 변위측정 방법이 적용된 자기 베어링에서는 상기에 기재된 안정적인 로터 회전을 위한 조건에 부합하지 못하는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허공보 제2009-0070178호("정전용량을 이용하는 자기베어링의 원통형 반경방향 변위측정 시스템 및 이의 고장 유무 판단 방법", 2009.07.01.) 대한민국 등록특허공보 제1444139호("센서 및 보조 베어링이 결합된 복합 자기 베어링", 2014.09.26.)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 회전축을 감싸는 링 형상의 전자석부의 의해 상기 회전축의 수직방향으로 돌출된 판상의 부상체를 부상시키는 쓰러스트 자기 베어링에 있어서, 자기베어링의 전자석부와 축방향의 변위측정을 위한 센서고정부가 일체화된 쓰러스트 자기 베어링을 형성함으로써, 회전체의 길이 및 회전체를 포함하는 전체 회전 시스템의 부피를 최소화할 수 있는 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링은 상기 전자석부는 내부에 전자석 코일과 영구자석을 구비하여, 전자석 코일에 전력을 공급하여 자속을 발생시켜 상기 부상체를 부상시키되, 상기 회전축으로부터 일정 간격 이격되어 회전축과의 사이에 내부 공간을 형성하고, 상기 전자석부와 상기 회전축 사이의 내부 공간에 삽입되며, 일면이 상기 전자석부의 내주면에 면접하고 상기 회전축을 감싸도록 형성되는 링 형상의 센서고정부를 포함하고, 상기 센서고정부는 상기 부상체와 수직하게 연통되도록 적어도 둘 이상 형성되는 센서중공부와, 상기 센서중공부에 위치되어 상기 부상체의 축방향 변위를 측정하는 축방향센서 및 상기 축방향센서가 상기 센서중공부로부터 이탈되는 것을 방지하도록 고무 또는 합성수지 재질로 상기 축방향센서를 감싸도록 형성되어 상기 축방향센서를 상기 센서중공부에 고정시키는 고정자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링은 상기 축방향센서가 측정한 축방향 변위를 평균하여 축방향 변위를 산출하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 센서중공부는 상기 센서고정부 원주방향으로 360/N 간격으로 형성되는 것을 특징으로 한다. (N은 2 이상의 자연수)

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아울러, 상기 센서고정부는 회전축의 길이 방향에 대해, 일부는 상기 전자석부와 상기 회전축 사이의 내부 공간에 삽입되며, 일면이 상기 전자석부의 내주면에 면접하고, 일부는 상기 회전축의 수직방향으로 연장된 원판 형태이되, 상기 전자석부의 높이방향 일면과 면접하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링은 회전축을 감싸는 링 형상의 전자석부의 의해 상기 회전축의 수직방향으로 돌출된 판상의 부상체를 부상시키는 쓰러스트 자기 베어링에 있어서, 전자석부와 축방향의 변위측정을 위한 센서고정부가 일체화된 쓰러스트 자기 베어링을 형성함으로써, 축방향센서를 쓰러스트 자기 베어링에 부착하기 위한 추가적인 고정구조를 제작할 필요가 없는 장점이 있다.

특히, 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링은 축방향센서를 쓰러스트 자기 베어링에 부착하기 위한 추가적인 고정구조를 제작할 필요가 없으므로, 회전체의 길이 및 이를 포함하는 전체 회전 시스템의 부피를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링은 축방향센서와 쓰러스트 자기 베어링이 일체화된 쓰러스트 자기 베어링을 형성함으로써, 시스템이 구성이 단순해지므로 제작 및 조립이 용이한 장점이 있다.

아울러, 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링은 회전체의 길이를 축소할 수 있으므로, 굽힘모드에 의한 위험속도를 높일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래 자기 베어링의 축방향 변위를 측정하기 위한 방법을 나타낸 도면.
도 2는 종래 자기 베어링의 축방향 변위를 측정하기 위한 방법을 나타낸 또 다른 도면.
도 3은 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링을 단면도로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링을 나타낸 도면.
도 5는 제1실시예에 의한 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링을 단면도로 나타낸 도면.
도 6은 제1실시예에 의한 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링이 적용된 회전체 시스템을 단면도로 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링이 적용된 회전체 시스템을 단면도로 나타낸 또 다른 도면.

이하, 상기한 바와 같은 특징을 가지는 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링을 단면도로 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링을 나타낸 도면이며, 도 5는 제1실시예에 의한 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링을 단면도로 나타낸 도면이고, 도 6은 제1실시예에 의한 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링을 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링이 적용된 회전체 시스템을 단면도로 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링이 적용된 회전체 시스템을 단면도로 나타낸 또 다른 도면이다.

도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링(200)은 회전축(110)을 포함하는 회전체(100)와 상기 회전축(110)을 감싸는 링 형상의 전자석부(210)에 의해 상기 회전축(110)의 수직방향으로 돌출된 판상의 부상체(120)를 부상시켜 상기 회전체(100)를 지지하는 쓰러스트 자기 베어링에 있어서, 상기 부상체(120)의 축방향 변위를 측정할 수 있는 축방향센서(222)가 함께 구비됨으로써, 쓰러스트 자기 베어링과 축방향 변위측정을 위한 축방향센서(222)가 일체형으로 형성된 쓰러스트 자기 베어링이다.

상기에 기재된 축방향은 상기 회전축(110)의 길이방향으로서, 축방향 변위는 상기 회전축(110)의 길이방향으로의 상기 자석부(210)와 부상체(120)와의 간격 변위를 말한다.

이 때, 상기 전자석부(210)는 상기 부상체(120)를 부상시키기 위한 전자석 코일(211)이 구비되거나, 상기 전자석 코일(211)과 함께 영구자석(212)이 구비될 수 있다.

상기 전자석 코일(211)은 전력이 공급되면 상기 부상체(120)를 부상시키기 위한 자속(magnetic flux)을 발생시켜 상기 부상체(120)를 부상시킬 수 있으며, 영구자석(212) 또한 상기 부상체(120)를 부상시키기 위한 자속을 발생시켜 부상체(120)를 부상시킬 수 있다.

다만, 쓰러스트 자기 베어링에 있어서, 부상체(120)를 부상시키기 위한 전자석 코일(211) 및 영구자석(212)은 공지된 기술로서, 상세한 설명은 생략하며, 상기 전자석부(210)에 구비되는 전자석 코일(211) 및 영구자석(212)의 수 또한 한정하지 않는다.

본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링(200)을 좀 더 상세하게 설명하자면, 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링(200)은 상기 전자석부(210) 내부에 면접하여 상기 회전축을 감싸도록 형성되는 센서고정부(220)를 포함한다.

상기 센서고정부(220)는 상기 전자석부(210)의 내부에 면접하도록 형성되되, 상기 회전축(110)을 감싸도록 형성되므로, 상기 전자석부(210)의 형상과 같이 링 형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 센서고정부(220)는 상기 회전축(110)과 자석부(210) 사이에 상기 부상체(120)와 수직하게 연통되도록 형성되되, 적어도 둘 이상 형성되는 센서중공부(221)를 포함하며, 상기 센서중공부(221)에는 부상체(120)와의 변위를 측정하는 축방향센서(222)가 구비됨으로써, 상기 부상체(120)의 축방향 변위를 측정할 수 있다.

이 때, 상기 센서고정부(220)는 상기 축방향센서(222)가 상기 센서중공부(221)로부터 이탈되는 것을 방지하도록 고정시키기 위해 상기 축방향센서(222)를 감싸도록 형성되는 고정자(223)를 더 포함할 수 있다.

상기 고정자(223)의 재질로는 고무, 합성수지 등이 바람직하나, 축방향센서(222)의 이탈을 방지하고, 파손 등의 우려가 없다면 한정하지 않고, 다양한 재질의 실시예가 가능함은 물론이다.

본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링(200)은 정확한 부상체(120)의 축방향 변위 측정을 위한 오차를 줄이기 위해, 적어도 둘 이상 형성되는 센서중공부(221)에 고정되는 축방향센서(222)가 측정한 축방향 변위를 평균하여 축방향 변위를 산출한다.

아울러, 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링(200)은 센서중공부(221)에 고정되는 축방향센서(222)가 측정한 축방향 변위를 평균하여 축방향 변위를 산출함으로써, 산출되는 평균값의 오차를 줄이기 위해 상기 센서중공부(221)는 상기 센서고정부(220) 원주방향으로 360/N의 간격으로 형성되는 것이 바람직하다. (이 때, N은 2 이상의 자연수)

즉, 상기 센서중공부(221)와 이에 고정되는 축방향센서(222)가 2개로 형성될 경우에는 상기 회전축(110)을 중심으로 180도의 간격으로 서로 대향되도록 형성됨으로써, 상기 센서중공부(221)와 상기 센서중공부(221)에 고정되는 축방향센서(222)가 3개 이상 구비될 경우에도 360/N의 간격으로 형성함으로써, 산출되는 평균값의 오차를 줄일 수 있다.

<제1실시예에 의한 센서고정부>

도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 센서고정부(220)는 상기 회전축(110)의 수직방향으로 연장된 원판 형태로 형성되되, 상기 전자석부(210)의 높이방향 일단과 면접하도록 형성된다.

즉, 상기 센서고정부(220)는 원판 형태로 형성되되, 상기 전자석부(210)의 높이 방향 일단과 면접하도록 형성되어 회전축(110)을 감싸는 형태로 형성됨으로써, 회전체(100)와 센서고정부(220)간의 동심도를 보장할 수 있다.

다시 말해, 상기 센서고정부(220)는 상기 전자석부(210)와 면접하도록 형성되어 고정됨으로써, 동심도를 보장하고 이에 따라 측정되는 축방향 변위의 오차를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 6 내지 도 7은 상술한 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링(200)을 포함하는 회전체(100)를 나타낸 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 회전축(110)의 축방향 양단에 임펠러(130)가 부착된 회전체(100)의 경우, 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링(200)을 구비함으로써, 축방향센서(222)를 구비하기 위한 칼라(1) 또는 축방향센서(222)를 고정하기 위한 축방향 길이방향으로의 공간이 필요하지 않은 장점이 있다.

즉, 도 1에 도시된 종래의 쓰러스트 자기 베어링이 구비된 회전체(10)에 비해, 길이를 짧은 회전체(100)를 형성할 수 있으며, 회전체(100)를 포함하는 시스템의 부피도 불필요하게 증가하는 것을 방지할 수 있다.

아울러, 도 7에 도시된 바와 같이, 회전축(110)의 일단에 임펠러(130)가 부착된 회전체(100)의 경우, 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링(200)을 구비함으로써, 축방향 변위측정을 위한 추가적인 고정구조를 형성할 필요가 없는 장점이 있다.

즉, 도 2에 도시된 종래의 쓰러스트 자기 베어링이 구비된 회전체(10)에 비해, 회전체(100)의 길이를 짧게 형성할 수 있다.

상기에 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링(200)은 축방향 변위측정을 위한 추가적인 구조를 구비할 필요가 없으므로, 회전체(100)의 회전축(110)의 축방향의 길이방향으로 길어지는 문제를 방지할 수 있다.

이는 회전체(100)의 길이를 가능한 한 짧게 설계할 수 있으므로, 굽힙모드에 의한 위험속도를 높게 설계하여 안정적인 회전 시스템의 회전을 수행할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.

200 : 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링
210 : 전자석부
211 : 전자석 코일
212 : 영구자석
220 : 센서고정부
221 : 센서중공부
222 : 축방향센서
223 : 고정자
100 : 회전체
110 : 회전축
120 : 부상체
130 : 임펠러

Claims (5)

1. 회전축을 포함하는 회전체와, 상기 회전축을 감싸는 링 형상의 전자석부에 의해 상기 회전축의 수직방향으로 돌출된 판상의 부상체를 부상시켜 상기 회전체를 지지하는 쓰러스트 자기 베어링에 있어서,
   상기 전자석부는 내부에 전자석 코일과 영구자석을 구비하여, 전자석 코일에 전력을 공급하여 자속을 발생시켜 상기 부상체를 부상시키되, 상기 회전축으로부터 일정 간격 이격되어 회전축과의 사이에 내부 공간을 형성하고,
   상기 전자석부와 상기 회전축 사이의 내부 공간에 삽입되며, 일면이 상기 전자석부의 내주면에 면접하고 상기 회전축을 감싸도록 형성되는 링 형상의 센서고정부를 포함하고,
   상기 센서고정부는
   상기 부상체와 수직하게 연통되도록 적어도 둘 이상 형성되는 센서중공부와,
   상기 센서중공부에 위치되어 상기 부상체의 축방향 변위를 측정하는 축방향센서 및
   상기 축방향센서가 상기 센서중공부로부터 이탈되는 것을 방지하도록 고무 또는 합성수지 재질로 상기 축방향센서를 감싸도록 형성되어 상기 축방향센서를 상기 센서중공부에 고정시키는 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링은
   상기 축방향센서가 측정한 축방향 변위를 평균하여 축방향 변위를 산출하는 것을 특징으로 하는 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 센서중공부는
   상기 센서고정부 원주방향으로 360/N 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링.
   (N은 2 이상의 자연수)
   
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 센서고정부는
   회전축의 길이 방향에 대해,
   일부는 상기 전자석부와 상기 회전축 사이의 내부 공간에 삽입되며, 일면이 상기 전자석부의 내주면에 면접하고,
   일부는 상기 회전축의 수직방향으로 연장된 원판 형태이되, 상기 전자석부의 높이방향 일면과 면접하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 축방향센서 일체형 쓰러스트 자기 베어링.
   

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