KR101721496B1 - 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치 - Google Patents

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윤의수
박준영
함상용
이성휘
홍두의
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명은 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자기 베어링을 이용하여 모터성능 측정에서 신뢰성을 낮추는 요인이 되는 기계적인 마찰의 제거함으로서, 모터성능 측정의 신뢰성을 향상시킨 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치에 관한 것이다.

Description

자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치 {Motor test equipment with magnetic bearings}
본 발명은, 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치에 관한 것으로서, 자기베어링을 이용하여 모터 특성 측정 시 모터 회전자와 베어링 사이의 기계적 마찰 손실로 인해 모터의 기계적 출력 및 성능이 정확히 측정되지 않는 오차의 원인(기계적 마찰)을 해소한, 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치에 관한 것이다.
각종 터보기계, 가전제품 동의 산업 기계 영역에서 주로 쓰이던 전기 구동 모터는 최근 전기차 산업 발전과 함께 자동차 분야에서도 수요가 급증하고 있으며, 하이브리드전기차(HEV)와 전기차(EV)와, 수소연료전지차(FCV) 등 차세대 차량의 핵심 동력원으로 전기 모터의 사용 영역이 넓어짐에 따라, 모터의(토크, 출력, 효율)등을 정확히 평가할 수 있는 모터성능 평가장치의 필요성이 대두되고 있다.
그러나, 종래에는 도 1에 도시된 바와 같이 모터성능 평가장치를 구성하는 시험모터와 제1 회전자, 및 부하모터와 제2 회전자가 볼베어링으로 결합 지지되고, 각각의 회전자가 서로 커플링으로 연결되는 구조를 가졌다. 따라서, 볼 베어링과 회전자의 결합 면에서 기계적 마찰 손실이 발생하는 것을 방지할 수 없기 때문에, 시험모터의 기계적 출력 및 성능을 정확하게 평가할 수 없었고, 커플링으로 연결된 각각의 회전자는 결합부(커플링)에서 진동, 파손의 문제가 발생하였으며, 상기의 문제점들은 결국 시험모터 성능 평가의 신뢰성을 감소시켰다.
따라서, 기계적 마찰손실이 없는 새로운 형태의 정밀한 모터 성능평가장치의 필요성이 대두되고 있다.
한국등록특허 제2014-0100918호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 회전자와 회전자를 지지하는 볼베어링 사이에서 발생하는 기계적 마찰을 제거하여 모터성능 평가장치에서 발생하는 오차 요인을 감소시킴으로서, 시험모터의 기계적 출력 및 성능을 정확하게 분석하고, 시험모터와 부하모터 및 회전자를 일체화 시켜, 시험모터와 부하모터의 분해/조립/동심관리를 용이하게 하며, 회전자의 결합에 사용되던 커플링을 제거하여 연결부위에서 진동에 의한 파손이 발생하는 문제점을 해소한, 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명인 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치는, 시험모터(110)가 구비되는 제1 하우징(100); 상기 시험모터(110)에서 회전력을 전달받으며, 외주면에 회전자 코어(210, 220)가 형성되는 회전자(200); 상기 회전자 코어(210, 220)를 감싸며, 상기 회전자 코어(210, 220)와 자로를 형성하여 상기 회전자(200)를 이격 지지하는 자기 베어링부(300)가 형성된 제2 하우징(400); 상기 회전자(200)의 토크를 가변하는 부하모터(500); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 하우징(100)은 상기 시험모터(110)에서 전달되는 힘을 측정하는 로드셀(120)이 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 자기 베어링부(300)는, 상기 제2 하우징(400)의 길이방향 일측과 타측에 형성되며, 상기 회전자(200)의 반경방향 변위를 제어하는 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)와, 각각의 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320) 사이에 형성되어, 상기 회전자(200)의 축방향 변위를 제어하는 쓰러스트 마그네틱 베어링부(330)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코어(210, 220)는 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)에 대응하는 제1 회전자 코어(210)와, 상기 쓰러스트 마그네틱 베어링부(330)에 대응하는 제2 회전자 코어(220)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)는 상기 제1 회전자 코어(210)의 둘레에 복수개가 방사상으로 배치되며, 상기 제1 회전자 코어(210)와 마주보는 내측에 제1 공간(311, 321)이 형성된 복수개의 제1 고정자 코어(312, 322)와, 각각의 상기 제1 고정자 코어(312, 322)의 외측에 구비되는 복수개의 제1 영구자석(313, 323)과, 상기 제1 영구자석(313, 323)을 감싸는 형태로 배치되는 복수개의 제1 코일(314, 324)과, 상기 제1 고정자 코어(312, 322)와, 상기 제1 영구자석(313, 323), 및 상기 제1 코일(314, 324)을 감싸 고정시키고, 상기 제2 하우징(400)에 결합되는 제1 플렌지(315, 325)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)는 상기 제1 고정자 코어(312, 322)의 내면과 밀착되도록 상기 제1 고정자 코어(312, 322)의 상기 제1 공간(311, 321)을 채우는 형태로 형성되며, 내주면이 상기 제1 고정자 코어(312, 322)보다 상기 제1 회전자 코어(210)로 돌출 형성된 보조 베어링(316, 326)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)는 상기 회전자(200)의 반경방향 변위를 측정하는 제1 변위센서(317, 327)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 쓰러스트 마그네틱 베어링부(330)는, 상기 제2 회전자 코어(220)를 감싸며, 상기 제2 회전자 코어(220)와 자로를 형성하는 제2 고정자 코어(331)와, 상기 제2 고정자 코어(331) 내부에 구비되며, 상기 자로를 형성하는 제2 코일(332)과, 상기 제2 고정자 코어(331) 내부에 접촉 연결되며, 착자가 상기 회전자(200)의 축 방향과 평행하게 이루어지는 고리 형상의 제2 영구자석(333), 및 내면이 상기 제2 회전자 코어(331)와 마주보고, 측면이 상기 제2 영구자석(333)과 결합되는 도체부(334)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 쓰러스트 마그네틱 베어링부(330)는, 상기 회전자(200)의 축방향 변위를 측정하는 제2 변위센서(335)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모터성능 평가장치는, 상기 시험모터(110)를 제어하는 인버터(600)와, 상기 인버터(600)에서 상기 시험모터(110)로 전해지는 전기 에너지를 측정하는 파워미터(700)와, 상기 부하모터(500)의 출력을 제어하는 로드뱅크(800), 및 상기 파워미터(700)와, 상기 로드셀(120), 및 상기 로드뱅크(800)에서 데이터를 송신받는 제어부(900)를 더 포함하고, 상기 제어부(900)는 수신된 데이터를 기반으로 상기 시험모터(110)의 성능을 계산하고, 상기 자기 베어링부(300)를 제어하며, 상기 시험모터(110)의 성능을 디스플레이화 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 하우징(100)과, 상기 제2 하우징(400)은 서로 이격 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 시험모터를 감싸는 외부 하우징과, 상기 외부 하우징을 지지하며 상기 시험모터에서 상기 외부 하우징으로 전달되는 힘을 측정하는 로드셀(120)을 포함하는 제1 하우징; 상기 시험모터에서 회전력을 전달받으며, 외주면에 회전자 코어가 형성되는 회전자; 상기 회전자 코어를 감싸며, 상기 회전자 코어와 자로를 형성하여 상기 회전자를 이격 지지하는 자기 베어링부가 형성된 제2 하우징; 및 상기 회전자의 토크를 가변하는 부하모터; 를 포함하며, 상기 제1 하우징과, 상기 제2 하우징이 서로 이격 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의한 본 발명인 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치는, 기존 볼베어링이 적용된 모터성능 평가장치에서 발생하는 오차 요인인 볼베어링에 의한 기계적 마찰 발생을 감소시키는 효과를 가진다. 따라서 시험모터의 고정밀 손실 분석이 가능해져, 시험모터의 기계적 출력 및 성능을 정확하게 평가할 수 있다.
또한, 시험모터와 부하모터 및 회전자가 일체로 형성되어 시험모터와 부하모터에서 회전자의 분해, 조립, 동심관리가 용이해지고, 복수개의 회전자가 커플링으로 연결될 시 연결 부위에서 발생하는 진동에 의한 파손 사고를 방지하는 장점을 가진다.
아울러, 모터성능 평가장치의 구성이 단순화되어 장치의 구축비용이 감소되는 효과를 가진다.
도 1은 종래의 모터성능 평가장치 개념도.
도 2는 본 발명인 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치의 단면도.
도 3은 본 발명인 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치의 단면 부분 확대도.(자로 형성 시)
도 4는 본 발명인 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치의 레디얼 마그네틱 베어링부를 타나낸 분해 사시도.
도 5는 본 발명인 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치의 레디얼 마그네틱 베어링부를 나타낸 단면 결합도.
도 6은 본 발명인 본 발명인 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치의 쓰러스트 마그네틱 베어링부의 단면 확대도.
도 7은 본 발명인 본 발명인 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치의 쓰러스트 마그네틱 베어링부를 나타낸 분해 사시도.
도 8은 본 발명인 본 발명인 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치의 제어 시스템을 나타낸 개념도.
도 2를 참조하여 설명하면, 상기와 같은 본 발명인 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치는 시험모터(110)가 구비되는 제1 하우징(100)과, 상기 시험모터(110)에서 회전력을 전달받으며, 외주면에 회전자 코어(210, 220)가 형성되는 회전자(200)와, 상기 회전자 코어(210, 220)와 자로를 형성하여 상기 회전자(200)를 이격 지지하는 자기 베어링부(300)가 형성된 제2 하우징(400), 및 상기 회전자(200)의 토크를 가변하는 부하모터(500)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 자기 베어링부(300)는, 상기 제2 하우징(400)의 길이방향 일측과 타측에 형성되며, 상기 회전자(200)의 반경방향 변위를 제어하는 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)와, 각각의 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320) 사이에 형성되어, 상기 회전자(200)의 축방향 변위를 제어하는 쓰러스트 마그네틱 베어링부(330)를 포함하여 구성된다. 즉, 상기 회전자 코어(210, 220)와 각각의 코어에 대응하는 각각의 자기 베어링부(310, 320, 330)가 개별적으로 자로를 형성함으로서 상기 회전자(200)를 상기 제2 하우징(400)과 이격된 상태로 회전 가능하게 구성한 것이다.
상세히 설명하면, 상기 코어(210, 220)는 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)에 대응하는 제1 회전자 코어(210)와, 상기 쓰러스트 마그네틱 베어링부(330)에 대응하는 제2 회전자 코어(220)를 포함하여 구성되며, 상기 제1 회전자 코어(210)는 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)와 서로 대향 위치되고, 상기 제2 회전자 코어(220)는 상기 쓰러스트 마그네틱 베어링부(330)에 대향 위치되어, 서로 대향하는 각각의 베어링부(310, 320, 330)와 자로를 형성하는 것이다.
도 3 내지 도 5를 참조하여 설명하면, 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)는 상기 제1 회전자 코어(210)의 둘레에 복수개가 방사상으로 배치되며, 상기 제1 회전자 코어(210)와 마주보는 내측에 제1 공간(311, 321)이 형성된 복수개의 제1 고정자 코어(312, 322)와, 각각의 상기 제1 고정자 코어(312, 322)의 외측에 구비되는 복수개의 제1 영구자석(313, 323)과, 상기 제1 영구자석(313, 323)을 감싸는 형태로 배치되는 복수개의 제1 코일(314, 324)과, 상기 제1 고정자 코어(312, 322)와, 상기 제1 영구자석(313, 323), 및 상기 제1 코일(314, 324)을 감싸 고정시키고, 상기 제2 하우징(400)에 결합되는 제1 플렌지(315, 325)를 포함하여 구성된다.
상세히 설명하면, 상기 제1 회전자 코어(210)가 상기 회전자(200)를 원주방향으로 감싸며 결합되고, 상기 제1 고정자 코어(312, 322)는 상기 제1 회전자 코어(210)와 자로를 형성하기 위하여 제1 회전자 코어(210)가 위치하는 내측 방향으로 한 쌍의 제2 돌출부(312-1, 322-1)가 형성되되, 상기 제1 영구자석(313, 323)을 사이에 두고 서로 대향하는 유닛의 결합으로 이루어진 제1 고정자 코어(312, 322)는, 서로 마주보는 유닛의 외측 단부가 연결 형성되고, 제1 회전자 코어(210)와 마주보는 내측 단부가 이격 형성되며, 한 쌍의 모듈이 서로 연결되는 외측면에 상기 제1 영구자석(313, 323)이 상기 회전자(200)의 축 방향으로 양 극이 위치되며 결합되어, 제1 고정자 코어(312, 322)를 통해 제1 회전자 코어(210)와 자로를 형성하는 것이다.
이때, 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)는 상기 회전자(200)의 하중과, 회전자(200)가 회전하며 발생하는 진동에 의해 반경방향 변위가 발생하는 것을 제어하기 위하여 상기 제1 영구자석(313, 323)이 위치되는 상기 제1 고정자 코어(312, 322) 유닛의 외측 연결부를 상기 제1 코일(314, 324)이 감싸며 결합되며, 제1 코일(314, 324)은 외부에서 가해지는 전기적 에너지를 이용하여 제1 고정자 코어(312, 322)를 통해 형성되는 자로의 힘과 방향을 제어한다.
그리고, 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)는 상기 회전자(200)의 반경방향 변위를 측정하기 위하여 제1 변위센서(317, 327)를 구비하게 되며, 상기 제1 변위센서(317, 327)에서 측정되는 회전자(200)의 변위에 대응하여 제1 코일(313, 323)에 인가되는 전기에너지에 의하여 제어된다.
즉, 상기 회전자(200)의 길이방향 일측과 타측에 상기 제1 회전자 코어(210)가 회전자(200)를 감싸는 고리 형상으로 형성되고, 상기 제1 회전자 코어(210)와 마주보는 상기 제2 하우징(400)의 내측에 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)가 형성되며, 각각의 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)에 복수개의 상기 제1 변위센서(317, 327)가 회전자(200)를 원주 방향으로 감싸며 회전자(200)의 중심축과 수직으로 형성되어, 회전자(200)의 반경방향 변위를 측정함으로서, 상기 제1 코일(314, 324)에 인가되는 전류의 방향 및 세기를 제어하는 것이다.
또한, 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320)는 상기 제1 고정자 코어(312, 322)의 내측면과 밀착되도록 상기 제1 고정자 코어(312, 322)의 공간(311, 321)을 채우는 형태로 형성되며, 내주면이 상기 제1 고정자 코어(312, 322)보다 상기 제1 회전자 코어(210)로 돌출 형성된 보조 베어링(316, 326)을 더 포함할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하여 상세히 설명하면, 상기 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치는 상기 레디얼 마그네틱 베어링부(310, 320) 결합 시 상기 제1 고정자 코어(312, 322)와 상기 제1 코일(314, 324) 사이에 빈 공간이 형성되어, 외부에서 전달되는 힘에 의해 상기 제1 영구자석(313, 323)과, 제1 고정자 코어(312, 322)와, 제1 코일(314, 324)의 미세한 위치 변동이 발생할 수 있다. 따라서, 제1 고정자 코어(312, 322)와 일부가 제1 고정자 코어(312, 322)의 내측에 위치되는 제1 코일(313, 323) 사이에 형성된 공간을 상기 보조 베어링(316, 326)으로 채워주는 것이다.
이때, 도면상에는 상기 보조 베어링(316, 326)의 형상이 내주면에 상기 회전자(200)가 끼워지는 구멍이 천공되고, 외주면에 상기 제1 코일(314, 324)이 끼워지는 홈이 원주 방향으로 형성되며, 축방향 일측에 상기 제1 플렌지(315, 325)를 구성하는 하부 제1 플렌지(315-1, 325-1)와 결합이 용이하도록, 형성된 제3 돌출부(315-1A, 325-1A)가 끼워지는 홈이 원주 방향으로 복수개 형성된 하부 결합부재(315-2, 325-2)가 형성된 것을 도시 하였지만, 이는 하나의 형상을 예시한 것일 뿐이며, 제1 고정자 코어(312, 322)와 제1 코일(314, 324) 사이에 형성된 빈 공간을 밀폐하여 자로를 형성하는 상기 제1 고정자 코어(312, 322)와, 상기 제1 코일 314, 324), 및 상기 제1 영구자석(313, 323)이 위치변화가 생기는 것을 제한하면 충분하므로 한정하지 않는다.
그리고, 상기 보조 베어링(316, 326)은 상기 제1 회전자 코어(210)와 마주보는 내면이 제1 회전자 코어(210)와 이격 될수 있도록 내경이 제1 회전자 코어(210)보다 큰 직경을 가지되, 내주면이 제1 고정자 코어(312, 322)보다 제1 회전자 코어(210)로 돌출 형성되어, 제1 고정자 코어(312, 322)가 제1 회전자 코어(210)와 직접적으로 접촉하는 것을 제한한다.
그리고, 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 제1 플렌지(315, 325)가 상기 제1 고정자 코어(312, 322)와 상기 제1 영구자석(313, 323). 및 상기 제1 코일(314, 324)을 감쌀 수 있도록, 축 방향 일측 및 반경방향을 감싸는 상부 제1 플렌지(315-2, 325-2)와, 축 방향 타측에 결합되는 하부 제1 플렌지(315-1, 325-1)로 구분되며, 상부 제1 플렌지(315-2, 325-2)와, 하부 제1 플렌지(315-1, 325-1)의 형상이 서로 마주보는 제1 고정자 코어(312, 322)와, 제1 영구자석(313, 323), 및 제1 코일(314, 324)의 형상을 고정 지지하기 용이한 형상(돌기, 홈)을 가지는 것을 도시하였으나, 이는 하나의 실시예일 뿐이면 서로 결합된 제1 고정자 코어(312, 322)와 제1 영구자석(313, 323), 및 제1 코일(314, 324)을 결합 지지하는 형태로, 상기 제2 하우징(400)에 결합되면 충분하므로 한정하지 않는다.
그리고, 도 3과 도 6, 및 도 7을 참조하여 설명하면, 상기 쓰러스트 마그네틱 베어링부(330)는, 상기 제2 회전자 코어(220)를 감싸며, 상기 제2 회전자 코어(220)와 자로를 형성하는 제2 고정자 코어(331)와, 상기 제2 고정자 코어(331) 내부에 구비되며, 상기 자로를 형성하는 제2 코일(332)과, 상기 제2 고정자 코어(331) 내부에 접촉 연결되며, 착자가 상기 회전자(200)의 축 방향과 평행하게 이루어지는 고리 형상의 제2 영구자석(333), 및 내면이 상기 제2 회전자 코어(220)와 마주보고, 측면이 상기 제2 영구자석(333)과 결합되는 도체부(334)를 포함하여 구성된다.
상세히 설명하면, 상기 제2 회전자 코어(220)는 상기 회전자(200)를 원주 방향으로 감싸되, 상기 도체부(334)와 마주보는 외주면에 원주 방향으로 돌출부(221)가 형성된다. 그리고, 상기 제2 고정자 코어(331)는 내주면이 상기 제2 회전자 코어(330)를 감싸는 형상을 가지되 내경이 상기 회전자(200)의 외경보다 크게 형성되어 이격 배치된다.
이때, 상기 제2 고정자 코어(331)는 상기 제2 회전자 코어(220)의 상기 제1 돌출부(221)와 자로를 형성하기 위하여 내주면에 제1 돌출부(221)가 끼워지는 홈이 원주 방향으로 형성되며, 내부에 상기 제2 코일(332)과, 상기 제2 영구자석(333)과, 상기 도체부(334)가 결합되는 제2 공간(336)이 형성되며, 상기 제2 공간(336)은 제1 돌출부(221)가 끼워지는 홈을 통해 외부와 연통된다.
그리고, 상기 제2 코일(332)은 상기 제2 고정자 코어(331)와 밀착되도록 상기 제2 공간(336)에 위치되고, 상기 도체부(334)는 외주면이 상기 제2 코일(332)과 연결되고, 내주면이 상기 홈에 끼워진 상기 제2 회전자 코어(220)의 제1 돌출부(221)와 서로 대향 이격 배치되며, 상기 제2 영구자석(333)은 극성을 가지는 양극 중 일측이 상기 도체부(334)에 결합되고, 극성을 가지는 양극 중 타측이 상기 제2 고정자 코어(331)에 결합된다.
도 7을 참조하여 설명하면, 상기 제2 고정자 코어(331)는 중심축이 상기 회전자(200)가 끼워질 수 있도록 천공되되, 제2 고정자 코어(331)를 구성하는 하부 제2 고정자 코어(331-1)와 상부 제2 고정자 코어(331-2)가 서로 마주보는 내부에 상기 제2 공간(336)이 형성되며, 상기 제2 코일(332)과, 상기 제2 영구자석(333)과, 상기 도체부(334)는 상기 하부 제2 고정자 코어(331-1)와, 상부 제2 고정자 코어(331-2) 사이와, 제2 고정자 코어(331)의 내경과 외경 사이에 형성된 공간에 위치되는 것이다.
이때, 상기 제2 고정자 코어(331)는 링 형상을 가지는 상기 제2 코일(332)과, 상기 제2 영구자석(333)과, 상기 도체부(334)가 끼움 결합하기 용이하도록 상기 하부 제2 고정자 코어(331-1)의 내주면에 상측으로 돌출 형성된 제1 걸림턱(331-1A)이 형성되고, 상부 제2 고정자 코어(331-2)는 내주면에 하측으로 돌출 형성된 제2 걸림턱(331-2A)이 형성된다. 즉, 서로 대향하는 상기 제1 걸림턱(331-1A)와 상기 제2 걸림턱(331-2A) 사이에 상기 제2 회전자 코어(220)의 외주면에 형성된 상기 돌출부(221)가 끼워지는 홈이 형성되는 것이다.
결국, 상기 제2 고정자 코어(331)는 상기 제2 영구자석(323)에서 전달되는 자력을 이용하여 상기 제2 회전자 코어(220)와 자로를 형성하여, 상기 회전자(200)의 축방향 변위를 제한하고, 상기 제2 코일(332)은 회전자(200)의 자중과 회전에 의한 진동 발생 등 힘의 변화와 주변계에 의하여 변화되는 회전자(200)의 축방향 변위에 대응하여 제2 고정자 코어(331)에 형성되는 자로의 방향과 세기를 제어함으로서, 회전자(200)를 계획된 공간에 위치 시키는 것이다.
따라서, 상기 쓰러스트 마그네틱 베어링부(330)는, 상기 회전자(200)의 축방향 변위를 측정하기 위하여 제2 변위센서(335)가 더 구비되며, 상기 제2 변위센서(335)는 링 형상을 가지는 상기 돌출부(221)를 따라 회전자(200)의 원주방향으로 복수개 배치된다.
상세히 설명하면, 상기 제2 변위센서(335)에서 상기 회전자(200)의 축방향 변위를 측정하여, 회전자(200)가 계획된 위치에서 벗어날 시 상기 제2 코일(322)에 가해지는 전류의 방향 및 세기를 제어하여 자로를 제어함으로서, 회전자(200)의 축방향 변위를 제어하는 것이다.
또한, 도면에는 도시되지 않았지만 본 발명인 상기 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치는 상기 쓰러스트 마그네틱 베어링부(330)를 구성하는 상기 제2 고정자 코어(331)의 내부에 형성된 상기 제2 공간(336)의 빈틈을 채우는 제2 보조 베어링이 더 구비될 수 있다.
아울러, 상기에 기재된 상기 제1 보조 베어링(315, 325) 및 상기 제2 보조 베어링은, 각 마그네팅 베어링부(310, 320, 330) 내부에 구비되어 각 마그네틱 베어링부(310, 320, 330)를 구성하는 유닛들의 결합을 공고히 하면 충분하므로 그 형상을 한정하지 않으며, 각 마그네틱 베어링부(310, 320, 330)과 각 회전자 코어(210, 220)가 형성하는 자로에 영향을 끼치지않는 재질과 형상을 가지면 충분하므로 재질 및 형상 또한 한정하지 않는다.
또한, 본 발명인 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치의 상기 제1 하우징(100)은 상기 시험모터(110)에서 전달되는 힘을 측정하는 로드셀(120)이 더 구비된다.
도 8을 참조하여 상세히 설명하면, 상기 제1 하우징(100)은 상기 회전자(200)를 회전 시키는 상기 시험모터(110)의 외부를 감싸는 외부 하우징(130)과, 상기 외부 하우징(130)과 연결되어 시험모터(110)에서 외부 하우징(130)으로 전달되는 힘을 측정하는 로드셀(120), 및 하부 지지대(140)를 포함하여 구성되며, 로드셀은 시험모터(110)가 회전자(200)를 회전 시킬 시 회전자의 토크와 같은 크기의 반작용 힘이 외부 하우징(130)으로 전달되는 것을 이용하여 로드셀에서 측정된 힘과 반경의 관계로 모터의 회전력을 계산한다.
이때, 모터의 회전력에 의해 발생하는 힘은 상기 시험모터(110)와 상기 부하모터(500) 양쪽에 동일하게 발생하므로, 회전자(200)의 토크는 하기 식, 식1)
Figure 112015126826915-pat00001
으로 계산된다(
Figure 112015126826915-pat00002
: 회전자의 회전토크,
Figure 112015126826915-pat00003
: 로드셀에서 측정되는 힘,
Figure 112015126826915-pat00004
: 모터 중심에서 로드셀 중심까지의 거리). 상기 식1)을 이용한 모터의 효율성 측정은 이하에서 설명하도록 한다.
아울러, 도 본 발명인 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치는 상기 시험모터(110)를 제어하는 인버터(600)와, 상기 인버터(600)에서 상기 시험모터(110)로 전해지는 전기 에너지를 측정하는 파워미터(700)와, 상기 부하모터(500)의 출력을 제어하는 로드뱅크(800), 및 상기 파워미터(700)와, 상기 로드셀(120), 및 상기 로드뱅크(800)에서 데이터를 송신받는 제어부(900)를 더 포함할 수 있으며, 상기 제어부(900)는 수신된 데이터를 기반으로 상기 시험모터(110)의 성능을 계산하고, 상기 자기 베어링부(300)를 제어하며, 상기 시험모터(110)의 성능을 디스플레이화 할 수 있다.
상세히 설명하면, 모터의 효율=입력된 파워/출력된 파워로 계산되며, 각 파워는 하기 식2)
Figure 112015126826915-pat00005
(
Figure 112015126826915-pat00006
: 입력 또는 출력되는 모터의 힘,
Figure 112015126826915-pat00007
: 모터 회전 시 발생하는 토크,
Figure 112015126826915-pat00008
: 모터 회전 스피드)으로 계산된다. 따라서, 상기 시험모터(110)로 전기 에너지를 상기 파워미터(700)에서 측정하여 시험모터(110)에 인가되는 파워를 측정하고, 상기 로드셀(120)에서 상기 회전자(200)의 토크와 회전속도를 측정하여 시험모터(110)의 효율을 계산하는 것이다.
이때, 상기 부하모터(500)는 상기 회전자(200)에 토크를 가변하여 상기 시험모터(110)의 부하에 따른 성능을 평가할수 있도록 하고, 상기 자기 베어링부(300)는 각각의 자기 베어링(310, 320, 330) 및 각각의 변위센서(317, 327, 335)를 이용하여 시험모터(110)에서 발생하는 진동을 측정한다.
또한, 본 발명인 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치는 상기 제1 하우징(100)과, 상기 제2 하우징(400)이 서로 이격 형성되어야한다. 상세히 설명하면, 제(100) 하우징과 제2 하우징(400)이 서로 연결될 경우 회전자의 토크와 같은 크기의 반작용 힘이 외부 하우징(130)으로 전달되지 못하기 때문에, 제1 하우징(100)과 제2 하우징(400)을 서로 분리하여 상기 로드셀(120)에서 정확한 힘을 측정할 수 있도록 한것이다. 이때, 로드셀(120)은 다양한 힘 측정 장치가 사용가능하나, 정확한 힘 측정을 위하여 하중센서가 사용되는 것을 권장한다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
100 : 제1 하우징 110 : 시험모터
120 : 로드셀 130 : 외부 하우징
140 : 하부 지지대
200 : 회전자 210 : 제1 회전자 코어
220 : 제2 회전자 코어 221 : 제1 돌출부
300 : 자기 베어링부 310, 320 : 레디얼 마그네틱 베어링부
311, 321 : 제1 공간 312, 322 : 제1 고정자 코어
312-1, 322-1 : 제2 돌출부 313, 323 : 제1 영구자석
314, 324 : 제1 코일 315, 325 : 제1 플렌지
315-1, 325-1 : 하부 제1 플렌지 315-2, 325-2 : 상부 제2 플렌지
315-1A, 325-1A : 제3 돌출부
316 , 326 : 보조 베어링 317, 327 : 제1 변위센서
330 : 쓰러스트 마그네틱 베어링부 331 : 제2 고정자 코어
331-1 : 하부 제2 고정자 코어 331-2 : 상부 제2 고정자 코어
331-1A : 제1 걸림턱 331-2A : 제2 걸림턱
332 : 제2 코일 333 : 제2 영구자석
334 : 도체부 335 : 제2 변위센서
336 : 제2 공간
400 : 제2 하우징
500 : 부하모터
600 : 인버터
700 : 파워미터
800 : 로드뱅크
900 : 제어부

Claims (11)

  1. 시험모터를 감싸는 외부 하우징과, 상기 외부 하우징을 지지하며 상기 시험모터에서 상기 외부 하우징으로 전달되는 힘을 측정하는 로드셀(120)을 포함하는 제1 하우징;
    상기 시험모터에서 회전력을 전달받으며, 외주면에 회전자 코어가 형성되는 회전자;
    상기 회전자 코어를 감싸며, 상기 회전자 코어와 자로를 형성하여 상기 회전자를 이격 지지하는 자기 베어링부가 형성된 제2 하우징; 및
    상기 회전자의 토크를 가변하는 부하모터; 를 포함하며,
    상기 제1 하우징과, 상기 제2 하우징이 서로 이격 형성되는 것을 특징으로 하는, 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 자기 베어링부는, 상기 제2 하우징의 길이방향 일측과 타측에 형성되며, 상기 회전자의 반경방향 변위를 제어하는 레디얼 마그네틱 베어링부와,
    각각의 상기 레디얼 마그네틱 베어링부 사이에 형성되어, 상기 회전자의 축방향 변위를 제어하는 쓰러스트 마그네틱 베어링부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 회전자 코어는 상기 레디얼 마그네틱 베어링부에 대응하는 제1 회전자 코어와, 상기 쓰러스트 마그네틱 베어링부에 대응하는 제2 회전자 코어를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 레디얼 마그네틱 베어링부는 상기 제1 회전자 코어의 둘레에 복수개가 방사상으로 배치되며, 상기 제1 회전자 코어와 마주보는 내측에 제1 공간이 형성된 복수개의 제1 고정자 코어와, 각각의 상기 제1 고정자 코어의 자로상에 구비되는 복수개의 제1 영구자석과, 상기 제1 영구자석을 감싸는 형태로 배치되는 복수개의 제1 코일과, 상기 제1 고정자 코어와, 상기 제1 영구자석, 및 상기 제1 코일을 감싸 고정시키고, 상기 제2 하우징에 결합되는 제1 플렌지를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 레디얼 마그네틱 베어링부는 상기 제1 고정자 코어의 내면과 밀착되도록 상기 제1 고정자 코어의 상기 제1 공간을 채우는 형태로 형성되며, 내주면이 상기 제1 고정자 코어보다 상기 제1 회전자 코어로 돌출 형성된 보조 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 레디얼 마그네틱 베어링부는 상기 회전자의 반경방향 변위를 측정하는 제1 변위센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 쓰러스트 마그네틱 베어링부는, 상기 제2 회전자 코어를 감싸며, 상기 제2 회전자 코어와 자로를 형성하는 제2 고정자 코어와, 상기 제2 고정자 코어 내부에 구비되며, 상기 자로를 형성하는 제2 코일과, 상기 제2 고정자 코어 내부에 접촉 연결되며, 착자가 상기 회전자의 축 방향과 평행하게 이루어지는 고리 형상의 제2 영구자석, 및 내면이 상기 제2 회전자 코어와 마주보고, 측면이 상기 제2 영구자석과 결합되는 도체부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 쓰러스트 마그네틱 베어링부는, 상기 회전자의 축방향 변위를 측정하는 제2 변위센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 모터성능 평가장치는, 상기 시험모터를 제어하는 인버터와, 상기 인버터에서 상기 시험모터로 전해지는 전기 에너지를 측정하는 파워미터와, 상기 부하모터의 출력을 제어하는 로드뱅크, 및 상기 파워미터와, 상기 로드셀, 및 상기 로드뱅크에서 데이터를 송신받는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 수신된 데이터를 기반으로 상기 시험모터의 성능을 계산하고, 상기 자기 베어링부를 제어하며, 상기 시험모터의 성능을 디스플레이화 하는 것을 특징으로 하는, 자기베어링이 적용된 모터성능 평가장치.

  11. 삭제
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