KR101773417B1 - 자동 평형 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전체에 결합되어 회전체의 불평형을 보상하는 장치에 있어서, 회전체 회전축에 결합하는 회전축 결합부, 회전체 회전축을 중심으로 회전 가능한 회전자, 회전자에 전류를 인가하여 회전자를 회전시키는 권선부를 포함하고, 회전자는 회전체의 불평형을 보상하기 위한 불평형 질량점을 더 포함하는 자동 평형 장치에 관한 것이다.

Description

자동 평형 장치 {Apparatus for auto balancing}

본 발명은 회전체에 결합되어 회전체의 불평형을 보상하는 장치에 있어서, 회전체 회전축에 결합하는 회전축 결합부, 회전체 회전축을 중심으로 회전 가능한 회전자, 회전자에 전류를 인가하여 회전자를 회전시키는 권선부를 포함하고, 회전자는 회전체의 불평형을 보상하기 위한 불평형 질량점을 더 포함하는 자동 평형 장치에 관한 것이다.

회전체는 발전기나 모터 등 회전축을 기준으로 회전하는 기계를 말하며, 일반적으로 산업현장이나 공장 등 여러 곳에서 사용된다. 특히, 회전체 기기들은 현대 사회에서 자동차, 공작 기계, 항공기 엔진 등 고속화된 분야에서 필수적으로 사용된다.

그러나 회전체 기기의 경우 소음과 진동이 자주 발생하게 되며, 특히 진동과 소음으로 인하여 회전체 기기들의 수명이 단축되며, 정밀 작업에 한계가 생기며, 회전기 성능의 저하가 발생하는 문제점이 존재하였다. 진동의 원인에는 기계적 원인과 전자기적 원인 등 다양한 원인이 존재하나, 일반적으로 회전축의 편심 발생과, 회전축의 중심과 평형을 갖지 못하는 불평형 질량점 및 회전날개 진동 등이 지목되고 있다.

이러한 진동을 없애거나 보상하기 위하여, 종래에는 기계적인 속박에 의하여 편심 보정 장치를 이동시키며, 늘거나 줄이는 신축자재를 이용하여 회전체 기기의 불평형을 보상하였다. 그러나, 편심 보정 장치가 회전체 자체에 포함되어 있게 되므로 회전체 자체의 크기가 대형화되고 고가화되는 문제점이 존재하였다.

본 발명은 상술한 바와 같이 회전체에 별도의 자동 평형 장치를 부가하여 회전체의 불평형을 보상하는 자동 평형 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 기술적 과제가 포함될 수 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 자동 평형 장치는, 회전체에 결합되어 상기 회전체의 불평형을 보상하는 장치에 있어서, 상기 회전체 회전축에 결합하는 회전축 결합부, 상기 회전체 회전축을 중심으로 회전 가능한 회전자, 상기 회전자에 전류를 인가하여 상기 회전자를 회전시키는 권선부를 포함하고, 상기 회전자는 상기 회전체의 불평형을 보상하기 위한 불평형 질량점을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 평형 장치는, 상기 회전자의 회전을 제어하는 회전 제어 장치, 상기 회전체의 진동을 측정하는 진동 측정 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 평형 장치는, 상기 회전축 결합부와 회전체의 결합을 감지하면, 상기 회전 제어 장치가 상기 회전자를 회전시켜 불평형 질량점을 통해 상기 회전체의 불평형을 보상하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 평형 장치는, 상기 진동 측정 장치는, 상기 회전자의 회전 각도에 따른 상기 회전체의 진동을 측정하며, 진동이 최소가 되는 지점의 회전 각도를 최적의 불평형 보상 각도로 설정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 평형 장치는, 상기 회전축 결합부와 상기 회전자 사이에 위치하며, 상기 회전축과 상기 회전자가 독립적으로 회전하게 하는 베어링부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 평형 장치는, 교대로 배치되는 N극 자석 및 S극 자석이 상기 회전자를 둘러싸는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 권선에서 인가되는 전류에 의하여 전자석 역할을 수행하는 노치를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 평형 장치는, 상기 권선부는 A상 권선 및 B상 권선을 포함하며, 상기 A상 권선과 상기 B상 권선에 교대로 전류가 흐르는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 평형 장치는, 상기 불평형 질량점이 상기 회전자에 공동(空洞)으로 형성되거나, 상기 회전자에 돌출되어 형성되거나, 상기 회전자와 다른 재질의 질량점으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 자동 평형 장치는, 적어도 2 이상의 자동 평형 장치를 상기 회전체에 결합하여 불평형을 보상하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자동 평형 장치는, 회전체의 평형(밸런싱)을 위하여 자동평형장치를 사용하여 질량 불평형을 보정하며, 진동 및 소음 감소로 인하여 기기의 수명 연장이 가능하며, 고정밀 작업이 가능하며, 회전기의 성능을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 자동 평형 장치는, 회전체와 별개로 자동 평형 장치를 구성함으로써 여러 종류의 다양한 회전체 질량 평형을 진행할 수 있다.

또한, 본 발명의 자동 평형 장치는, 회전체의 불평형 질량점이 어느 부분에 분포되어 있더라도 인위적인 불평형 질량점을 포함하는 회전자를 회전시켜 회전체의 불평형을 보상할 수 있으며, 하나의 자동 평형 장치로 해결하지 못하는 경우 다수의 자동 평형 장치를 추가로 설치하여 회전체의 불평형을 보상할 수 있다.

도 1a, 도 1b는 회전체의 불평형을 보상하는 원리를 나타내는 예시도이다.
도 2는 본 발명의 자동 평형 장치를 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 자동 평형 장치가 회전체에 결합되는 구성을 나타내는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 자동 평형 장치 중 권선부에 의한 회전자의 회전을 나타내는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 자동 평형 장치의 평형 방법을 나타내는 순서도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 '자동 평형 장치'를 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 통상의 기술자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.

한편, 이하에서 표현되는 각 구성부는 본 발명을 구현하기 위한 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 다른 구현에서는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 구성부가 사용될 수 있다.

또한, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.

또한, '제1, 제2' 등과 같은 표현은, 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.

실시예들의 설명에 있어서, 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들이 기판, 각 층(막), 영역, 패드 또는 패턴들의 "상/위(on)"에 또는 "하/아래(under)"에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다.

어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

도 1a, 도 1b는 회전체의 불평형을 보상하는 원리를 나타내는 예시도이다.

도 1a를 참조하면, 회전체의 불평형 질량점(110)을 보상하는 원리를 확인할 수 있다. 회전체에 불평형 질량점(110)이 존재하는 경우, 회전축(130)을 중심으로 하여 두 개의 불평형 질량점(111, 112)을 질량 벡터로 구분하고, 그 질량 벡터의 합에 위치하는 곳에 보정 질량(120)을 형성하여 불평형 질량점을 보상할 수 있다. 한 쪽이 지나치게 무거운 경우 그와 대칭하는 곳에 무거운 만큼을 더 포함시켜 평형을 잡는 원리와 동일하다.

이러한 불평형 질량점은 회전체를 한 번 제작하면 지속적으로 회전체의 운동에 영향을 미치게 되며, 기계적/전자기적 원인에 의한 회전체 자체의 진동과 소음을 발생시키게 된다. 이는 회전체의 불균일한 분포가 원인이 된다.

불평형 질량점을 해소하기 위한 평형장치는, 크게 제어 불가능한 수동형 평형장치와 제어 가능한 능동형 평형장치로 구분할 수 있다.

수동형 평형장치의 경우 일정한 부하나 속도의 불평형에 대해서만 보정할 수 있는 평형장치로, 오프라인 상태에서 불평형의 정도를 측정한 후 보정하거나 경험적인 방법으로 보정하게 된다. 온라인 상태에서는 간단한 기계적인 부분이나 볼/유체 등을 덧붙여 보정하게 된다. 이러한 수동형 평형장치의 경우, 구현이 간단하고 가격이 저렴한 장점이 있으나, 부가적인 기계장치가 결합되기 때문에 불평형 질량의 원인이 재생산디는 단점이 존재하며, 특정한 속도에서만 자동평형이 가능하여, CD-ROM이나 HDD 등 일정한 고속회전을 요구하는 장치에 사용된다.

능동형 평형장치의 경우 임의 부하나 속도에서도 능동적으로 불평형을 감지해서 보정할 수 있는 평형장치로, 자기 베어링이나 전자기적 구동으로 평형을 진행할 수 있다. 이러한 능동형 평형장치는 전자기적인 제어를 통해서 넓은 속도범위에서 불평형 보정이 가능한 장점이 있으나, 불평형 측정을 위한 센서부/평형장치 제어를 위한 제어부가 별도로 필요하며, 수동형에 비해 비용이 증가하는 단점이 존재한다. 능동형 평형장치의 경우 공작기계의 스핀들이나 고속 연삭기, 머시닝 센터 등 다양한 가감속 회전체에 사용된다.

도 1b를 참조하면, 불평형 질량을 갖는 회전체(100)와 회전체가 통과하는 회전축(130)에 대해서 불평형 질량점(111, 112)를 갖게 되는 구성을 확인할 수 있다. 본 발명은 불평형 질량점(111)을 갖는 회전체에 또다른 불평형 질량점(112)를 갖는 자동 평형 장치를 더함으로써, 회전체의 회전 불균형을 보상하도록 할 수 있다. 이에 대한 구체적인 구성 및 방법은 후술하기로 한다.

도 2는 본 발명의 자동 평형 장치를 나타내는 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 자동 평형 장치(200)는 회전축 결합부(211), 회전자(220), 권선부(230)를 포함할 수 있다.

회전축 결합부(211)는 회전체 회전축에 결합한다. 도 3을 참조하면, 회전체(300)에 본 발명의 자동 평형 장치(200)을 결합시킬 수 있으며, 회전체(300)의 회전축(210)과 동일하게 결합하여 불평형 질량점을 보상시킬 수 있다. 더 구체적으로, 회전축 결합부(211)는 회전체의 회전축을 가지는 회전체회전자와 결합할 수 있다.

또한, 회전축 결합부(211)와 회전자(220)에 사이에 위치하여 회전축과 회전자가 독립적으로 회전하도록 하는 베어링부(212)가 더 포함될 수 있다. 회전자(220)가 회전하면서 회전체의 불평형 질량점을 보정하기 때문에, 회전축 결합부와 회전자는 별개로 회전하여야 한다. 따라서, 회전축 결합부와 회전자 사이에 베어링부(212)를 더 포함할 수 있다.

회전자(220)는 회전체 회전축을 중심으로 회전 가능하며, 권선부(230)는 회전자에 전류를 인가하여 회전자를 회전시킨다. 이러한 회전자는 교대로 배치되는 N극 자석 및 S극 자석(222)이 회전자를 둘러싸도록 하고, 권선부의 전류가 인가되면 전자기 유도에 의해 전자석 역할을 수행하여 N극 및 S극 자석과 인력 및 척력을 반복하면서 한쪽 방향으로 회전하게 된다.

도 4를 참조하면, 권선부(230)는 A상 권선(231)과 B상 권선(232)로 나뉘어, A상 권선과 B상 권선을 교대로 전류를 흘리게 되며(t0, t1, t2, t3), N극 자석과 S극 자석이 맞물리면서 회전하게 된다. 이 때, 회전 속도와 회전 각도 등은 권선부에 의해 인가되는 전류/전압의 크기에 영향을 미치게 된다.

또한, 회전자(220)에는 권선에서 인가되는 전류에 의하여 전자석 역할을 수행하는 노치(221)가 더 포함될 수 있다. 이러한 노치의 전자석화로 인하여, 노치에 N극 자석 및 S극 자석이 인력/척력을 교대로 받게 되어 회전자가 회전하게 된다. 이는 모터의 구동원리와도 동일하다.

한편, 회전자(220)에는 회전체의 불평형을 보상하기 위한 불평형 질량점(241)이 더 포함될 수 있다. 불평형 질량점은 용어 그대로 평균적인 질량을 가지고 있는 회전자의 특정 지점에서 질량이 불균형하게 되는 지점을 말하며, 본 발명의 불평형 질량점은 회전자에 공동(空洞)으로 형성되거나, 회전자에 돌출되어 형성되거나, 회전자와 다른 재질의 질량점으로 형성될 수 있다. 또한, 불평형 질량점은 회전자 뿐만 아니라 자동 평형 장치의 어느 부위에도 형성될 수 있다.

예를 들어, 불평형 질량점은 회전자의 일부분에 구멍을 뚫거나 빈 공간을 형성하여 만들 수도 있고, 회전자의 일부분에 구형/직육면체/원통형 등 다양한 모양을 덧붙여 돌출하여 만들 수도 있고, 스테인리스 회전자의 일부분을 납/철 등 질량이 무겁거나 가벼운 재질로 형성하여 만들 수도 있다.

도 5는 본 발명의 자동 평형 장치의 평형 방법을 나타내는 순서도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 자동 평형 장치의 평형 방법을 확인할 수 있다. 특히, 본 발명의 자동 평형 장치는 회전자의 회전을 제어하는 회전 제어 장치와 회전체의 진동을 측정하는 진동 측정 장치를 더 포함할 수 있다. 이러한 회전 제어 장치와 진동 측정 장치는 자동 평형 장치와 동일한 기구 내부에 구성될 수도 있고, 별도의 컴퓨팅 장치나 제어 장치 등을 통하여 구현할 수도 있다.

자동 평형 장치가 회전체에 결합되면, 자동 평형 장치의 회전축 결합부와 회전체의 결합을 감지할 수 있다. 결합된 회전체가 동작을 시작하면 진동과 소음이 발생하게 되는데, 진동 측정 장치를 통하여 회전체의 진동을 관측한 후 밸런싱의 필요 유무를 판단하게 된다. 만약 밸런싱이 필요 없는 상태로 판단되는 경우, 자동 평형 장치는 별도의 회전이나 움직임 없이 그대로 회전체가 운전을 지속하게 된다.

밸런싱이 필요한 상태로 판단되는 경우, 얼마나 불평형 상태인지 측정하고 평가할 수 있다. 불평형 상태가 어느 부위에 존재하는 지를 판단한 후 해당 불평형 상태에 대응하는 지점으로 본 발명의 자동 평형 장치의 불평형 질량점을 이동시켜 회전체의 전체적인 균형을 맞출 수 있게 된다.

더 구체적으로, 본 발명의 자동 평형 장치는 회전 제어 장치가 회전자를 회전시키면서 불평형 질량점을 통해 회전체 자체의 불평형을 보상할 수 있다. 이는, 회전자의 회전 각도에 따른 회전체의 진동을 측정하며, 진동이 최소가 되는 지점의 회전 각도를 최적의 불평형 보상 각도로 설정하여 불평형을 보상할 수 있는 것이다.

예를 들어, 회전자의 현재 상태를 0°라고 한다면, 시계 방향으로 10°움직인 경우 진동을 측정하고, 20°움직인 경우, 30°움직인 경우, ..., 90°움직인 경우에 대한 진동 상태를 모두 측정한다. 이어, 진동 상태가 가장 적은 지점인 45°지점을 최적의 불평형 보상 각도로 설정하고, 회전자를 이전 위치에서 시계 방향으로 45°만큼 회전시키고, 진동이 충분히 보상되었는지를 확인할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 2 이상의 자동 평형 장치를 회전체에 결합하여 불평형을 보상할 수 있다. 본 발명의 자동 평형 장치를 360°회전시키더라도 회전체 자체의 진동이 불안정할 수 있다. 이 경우, 본 발명의 진동 측정 장치 또는 회전 제어 장치는 알림 신호를 발생하거나 생성하여, 관리자가 여러 자동 평형 장치를 회전축에 결합하도록 한다.

또한, 여러 자동 평형 장치들은 독립적으로 각각의 회전자를 회전시킬 수 있으며, 예를 들어 제1 자동 평형 장치는 회전자를 시계 방향으로 30°회전시키고, 제2 자동 평형 장치는 회전자를 반시계 방향으로 90° 회전시켜 회전체의 전체적인 불균형을 최적의 위치에서 보상할 수 있다.

위에서 설명된 본 발명의 실시 예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 이들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있을 것이며, 이러한 수정 및 변경은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 불평형 질량점을 갖는 회전체
110: 회전체의 불평형 질량
111, 112: 두 개의 불평형 질량점
120: 보정 질량
130: 회전축
200: 자동 평형 장치
210: 회전축
211: 회전축 결합부
212: 베어링부
220: 회전자
221: 노치
230: 권선부
231: A상 권선
232: B상 권선
240: 비자성체
241: 불평형 질량점
300: 회전체

Claims (10)

1. 회전체에 결합되어 상기 회전체의 불평형을 보상하는 장치에 있어서,
   상기 회전체 회전축에 결합하는 회전축 결합부;
   상기 회전체 회전축을 중심으로 회전 가능한 회전자;
   상기 회전자에 전류를 인가하여 상기 회전자를 회전시키는 권선부;
   를 포함하고,
   상기 회전자는 상기 회전체의 불평형을 보상하기 위한 불평형 질량점을 더 포함하고,
   상기 회전자의 회전을 제어하는 회전 제어 장치;를 더 포함하며,
   상기 회전축 결합부와 회전체의 결합을 감지하면 , 상기 회전 제어 장치가 상기 회전자를 회전시켜 불평형 질량점을 통해 상기 회전체의 불평형을 보상하는 것을 특징으로 하고,
   하나의 열에 교대로 배치되는 N극 자석 및 S극 자석이 상기 회전자를 둘러싸는 것을 특징으로 하고,
   상기 권선부는 A상 권선 및 B상 권선을 포함하며,
   상기 A상 권선과 상기 B상 권선에 교대로 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 자동 평형 장치.
   
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 회전체의 진동을 측정하는 진동 측정 장치;
   를 더 포함하는 자동 평형 장치.
   
   
3. 삭제
4. 제 2항에 있어서,
   상기 진동 측정 장치는,
   상기 회전자의 회전 각도에 따른 상기 회전체의 진동을 측정하며, 진동이 최소가 되는 지점의 회전 각도를 원하는 불평형 보상 각도로 설정하는 것을 특징으로 하는 자동 평형 장치.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 회전축 결합부와 상기 회전자 사이에 위치하며, 상기 회전축과 상기 회전자가 독립적으로 회전하게 하는 베어링부;
   를 더 포함하는 자동 평형 장치.
   
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 권선에서 인가되는 전류에 의하여 전자석 역할을 수행하는 노치;
   를 더 포함하는 자동 평형 장치.
   
8. 삭제
9. 제 1항에 있어서,
   상기 불평형 질량점은,
   상기 회전자에 공동(空洞)으로 형성되거나, 상기 회전자에 돌출되어 형성되거나, 상기 회전자와 다른 재질의 질량점으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자동 평형 장치.
   
10. 제 1항에 있어서,
    적어도 2 이상의 자동 평형 장치를 상기 회전체에 결합하여 불평형을 보상하는 것을 특징으로 하는 자동 평형 장치.

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