KR102197850B1 - 회전장치 및 그 제동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로터 및 스테이터의 회전자계에 의해 회전하는 회전체를 에어포일 베어링으로 부양시켜 축회전가능하게 지지하는 회전장치의 제동방법에 관한 것으로, 하나의 방향으로 자기력을 발생시키는 정지자계를 생성하기 위한 전류를 상기 스테이터로 인가하여 상기 회전체를 정지시킨다. 이에 의하면 공중에 부양한 상태에서 회전체를 정지시킴으로써 회전체와 베어링의 마찰을 최소화시킬 수 있게 된다.

Description

회전장치 및 그 제동방법{ A rotating device and controlling method thereof }

본 발명은 회전장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어포일 베어링에 의해 공기 중에 부양되어 축회전가능하게 지지되는 회전장치 및 그 제동방법에 관한 것이다.

일반적으로, 축회전하는 회전체는 회전력을 발생시키는 전동모터나 터빈 등에 의해 구동하게 되고 축회전시에는 베어링 장치에 의해 축회전가능하게 지지된다.

베어링 장치에는 지지하는 힘의 방향에 따라 트러스트 베어링과 레이디얼 베어링으로 구분되고, 지지하는 원리에 따라 볼 베어링, 롤러 베어링, 저널베어링, 기체 베어링 등이 있다. 고속 고온의 극한 환경 속에서 운용되는 고속 모터나 터보 기기 등에는 에어포일 베어링이 널리 사용되고 있다.

에어포일 베어링(Air Foil Bearing)은 회전체가 회전할 때 발생하는 베어링과 축 사이의 공기유동을 압력으로 변환시켜 회전체를 부양시키는 베어링으로 기계적인 마찰이 없고 윤활유가 필요없어 반영구적인 무급유 윤활시스템이다.

그러나, 에어포일 베어링은 온오프시나 외력에 의한 충격이 가해지게 되면 로터와 베어링이 마찰되고 그로 인해 로터와 베어링이 고착되거나 손상되며 마찰 소음이 발생하는 문제점이 있었다.

가령, 모터에 의해 축회전하고 에어포일 베어링에 의해 지지되는 회전체의 경우 회전체(로터)를 정지시킬 때 모터의 전원을 오프시키게 되는데, 전원의 차단으로 인해 회전속도가 급감하면서 회전체를 지지하던 에어포일 베어링과 회전체가 마찰을 일으키게 된다. 반대로 모터의 전원을 인가하는 경우에도 인가초기 저속에서는 에어포일 베어링과 회전체가 마찰을 일으키게 된다.

이를 보완하기 위해 에어포일 코팅을 하거나 범프 포일을 추가로 적용한 기술이 개발되어 있으나 큰 실효를 거두지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 회전장치가 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로, 공중에 부양한 상태에서 회전체를 정지시킴으로써 회전체와 베어링의 마찰을 최소화시킬 수 있는 회전장치 및 그 제동방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 회전장치는, 축회전하는 로터 회전자계를 발생시켜 상기 로터를 회전시키고, 하나의 방향으로 자기력을 발생시키는 정지자계를 생성시켜 상기 로터를 정지시키는 스테이터; 상기 로터의 회전에 따라 상기 로터를 부양시켜 지지하는 에어포일 베어링; 및 상기 스테이터로 상시 회전자계를 생성하기 위한 전류와 상기 정지자계를 생성하기 위한 전류를 공급하는 제어기를 포함하되, 상기 정지자계는 중력 방향으로 자기력을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 로터의 회전속도가 설정값 이하일 때, 상기 정지자계가 생성되는 것을 특징으로 한다.
상기 제어기는 상기 로터의 회전속도가 설정값 이하일 때, 상기 로터가 정지할 때까지 상기 정지자계를 연속으로 인가하는 것을 특징으로 한다.

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이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 회전장치에 의하면, 공중에 부양한 상태에서 회전체를 정지시킴으로써 회전체와 베어링의 마찰을 최소화시킬 수 있고 그로 인해 내구력을 향상시킬 수 있으며 마찰소음이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전장치를 나타낸 개략적 측단면도,
도 2는 도 1에 도시된 회전장치의 모터를 나타낸 일측면도,
도 3 내지 도 4는 도 2에 도시된 회전장치의 작동상태도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전장치는, 회전체(10)와, 회전체(10)와 일체로 축회전하는 로터(20), 회전자계가 발생하여 로터(20)를 회전시키는 스테이터(30), 회전체(10)를 부양시켜 축회전가능하게 지지하는 에어포일 베어링(40), 및 회전체(10)를 정지시키는 전류를 인가하는 제어기(50)를 포함한다.

회전체(10)는 모터에 의해 회전하게 된다. 모터는 로터(20)와 스테이터(30)로 구성된다. 로터(20)는 회전체(10)의 외측에 고정결합되고, 로터(20)의 바깥쪽에 스테이터(30)가 구비되어 있다. 스테이터(30)는 제어기(50)로부터 전류를 인가받아 회전자계가 발생하게 되고, 회전자계에 의해 로터(20)에 회전력을 가하여 로터(20)와 함께 회전체(10)를 회전시키게 된다.

회전체(10)는 에어포일 베어링(40)에 의해 축회전가능하게 지지된다. 에어포일 베어링(40)은 회전체(10)의 하중을 반경방향으로 지지하는 레이디얼 베어링부(41)와 회전체(10)의 디스크(11)를 축방향으로 지지하는 트러스트 베어링부(42)를 포함하여 구성된다.

제어기(50)는 스테이터(30)로 회전자계의 생성을 위한 전류를 인가하여 회전체(10)를 회전시킨다. 즉, 회전체(10)를 회전시키고자 하는 경우 제어기(50)는 스테이터(30)로 전류를 인가하여 회전자계를 형성시킨다.

도 3에 도시된 바와 같이, 회전자계는 스테이터(30)에 권취된 코일에 전류 인가시 발생하는 자계를 합성한 합성자계로, 시간의 경과에 따라 일정 방향으로 회전하게 된다. 3상 모터의 경우 3개의 코일을 120도 간격으로 배치하여 3상 교류를 인가하게 되면 자석이 회전하고 있는 것과 같은 회전자계가 발생하게 된다.

회전자계에 의해 회전하고 있는 회전체(10)를 정지시키고자 하는 경우, 제어기(50)는 정지자계를 생성하기 위한 전류를 스테이터(30)로 인가한다. 정지자계는 하나의 방향으로 자기력이 발생하게 된다. 즉 시간의 경과에 무관하게 하나의 동일한 방향으로 계속해서 자기력이 발생하게 된다. 회전자계가 회전하고 있는 상태에서 정지자계가 지속적으로 발생하게 되면 회전체(10)는 공중에 부양된 상태로 정지하게 된다. 따라서, 회전체와 베어링의 마찰을 최소화시킬 수 있게 된다.

한편, 회전자계에 의해 회전하고 있는 회전체(10)를 정지시키고자 하는 경우 제어기(50)에서 전류를 오프시키고 회전체(10)의 회전속도가 설정값(Vc) 이하일 때 정지자계의 생성전류를 인가하는 것도 가능하다.

가령, 10만 rpm으로 회전하고 있는 회전체(10)를 정지시키고자 하는 경우 회전자계의 전류를 차단하게 되면 회전속도가 감소하게 되고, 회전속도가 설정값 3000 rpm에 도달했을 때 제어기(50)에서 정지자계를 발생시키는 전류를 인가한다. 여기서, 설정값은 그 값 이하에서는 에어포일 베어링(40)과 회전체(10)가 마찰을 일으킬 수 있는 한계값이다. 회전체(10)의 하중과 에어포일 베어링(40)의 성능 및 지지점 등을 토대로 설정값을 실험적으로 결정해야 한다.

회전체(10)의 회전관성이 설정값(Fc)보다 작은 경우 제어기(50)는 회전체(10)가 정지할 때까지 정지자계의 생성전류를 연속하여 인가하는 것이 바람직하다. 반면, 상기 회전체(10)의 회전관성이 설정값(Fc)보다 큰 경우 정지자계의 생성전류를 소정의 시간간격을 두고 반복적으로 인가하는 것이 바람직하다. 이는 회전관성이 큰 경우 단발적으로 반복하여 제동시키는 것이 제동력도 커지고 전류의 소모가 적기 때문이다. 회전관성이 상대적으로 작은 경우에는 단번에 연속하여 제동하더라도 전류를 적게 소모하며 신속하게 정지하게 된다.

여기서, 회전체(10)의 회전관성이 설정값(Fc)보다 큰 경우 회전속도 감소량(ΔV)에 따라 소정의 시간씩 정지자계의 생성전류를 인가하는 하는 것도 가능하다. 가령, 회전속도 감소량(ΔV)이 큰 경우에는 정지자계의 생성전류를 인가하는 시간을 줄여 제동시간을 늦춤으로써 적절한 제동시간에 맞추고, 회전속도 감소량(ΔV)이 작은 경우에는 인가시간을 증가시켜 회전속도를 더 감소시킴으로써 제동시간을 앞당겨 제동시간을 조절하게 된다. 따라서, 급제동으로 인해 회전체(10)와 에어포일 베어링(40)이 마찰되는 것을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 회전체(10)의 회전관성이 설정값(Fc)보다 작은 경우 정지자계의 자속방향을 중력방향으로 생성하는 것이 제동시 회전체의 외측면과 베어링면 사이에 발생하는 마찰을 최소화하는데 바람직하다. 도 4에 도시된 화살표 방향이 중력방향을 나타낸다. 회전체(10)의 회전관성(속도)이 점진적으로 감소하다가 설정값(Fc) 이하로 상당히 낮아지게 되면, 회전체(10)의 외측면과 베어링면 간에 발생하는 유체 동력학적 압력(Hydrodynamic Pressure)이 급감하면서 회전체(10)는 중력에 의해 중력방향으로 내려앉게 되고, 결국 회전체(10)의 외측면과 베어링면 간의 접촉으로 인한 표면마찰로 인해 회전관성이 해소되면서 정지하게 된다. 여기서, 회전체(10)의 외측면과 베어링면 간에 발생하는 유체 동력학적 압력이 급감함으로써 이미 회전체(10)와 베어링 간에 마찰이 시작되면 마찰로 인한 마모손실을 최소화하기 위해 최대한 신속하게 회전체(10)를 정지시키는 것이 바람직하다. 이에 회전체(10)의 자중에 의한 수직항력과 동일한 방향, 즉 중력방향으로 정지자계를 생성하여 회전관성을 보다 효과적으로 상쇄시킬 수 있는 외력이 부여함으로써 회전체(10)를 급정지시킬 수 있게 된다. 다시 말하면, 제동력을 급격하게 증가시켜 회전체(10)의 외측면과 베어링면 간의 마찰시간을 감소시킴으로써 마찰로 인한 마모를 최소화 할 수 있게 된다.

반대로, 회전체(10)의 회전관성이 설정값(Fc)보다 큰 경우 정지자계의 자속방향을 중력의 반대방향으로 생성하게 되면 제동력을 증가시킬 수 있게 된다. 즉, 회전체(10)의 회전속도가 상당히 큰 경우 회전체의 외측면과 베어링면 간의 유체 동력학적 압력이 큰 상태이므로 면 간의 간격이 유지되면서 회전관성은 높은 상태인데, 이때 중력과 반대되는 방향으로 정지자계를 형성하게 되면 유체 동력학적 압력은 손실되지 않으면서 회전관성이 감소하게 되어 회전체(10)의 제동 시간을 단축시킬 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전장치의 제동방법은, 로터 및 스테이터의 회전자계에 의해 회전하는 회전체를 에어포일 베어링으로 부양시켜 축회전가능하게 지지하는 회전장치의 제동방법으로서, 하나의 방향으로 자기력을 발생시키는 정지자계를 생성하기 위한 전류를 상기 스테이터로 인가하여 상기 회전체를 정지시킨다. 제동방법에 대해서는 제어기의 기능과 동일하므로 상세히 설명은 생략한다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

10 : 회전체
11 : 디스크
20 : 로터
30 : 스테이터
40 : 에어포일 베어링
41 : 레이디얼 베어링부
42 : 트러스트 베어링부
50 : 제어기

Claims (8)

1. 축회전하는 로터(20);
   회전자계를 발생시켜 상기 로터를 회전시키고, 하나의 방향으로 자기력을 발생시키는 정지자계를 생성시켜 상기 로터를 정지시키는 스테이터(30);
   상기 로터(20)의 회전에 따라 상기 로터(20)를 부양시켜 지지하는 에어포일 베어링(40); 및
   상기 스테이터(30)로 상시 회전자계를 생성하기 위한 전류와 상기 정지자계를 생성하기 위한 전류를 공급하는 제어기(50)를 포함하되,
   상기 정지자계는 중력 방향으로 자기력을 발생시키는 것을 특징으로 하는 회전장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 제어기(50)는 상기 로터(20)의 회전속도가 설정값 이하일 때, 상기 정지자계가 생성되는 것을 특징으로 하는 회전장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 제어기(50)는 상기 로터(20)의 회전속도가 설정값 이하일 때, 상기 로터(20)가 정지할 때까지 상기 정지자계를 연속으로 인가하는 것을 특징으로 하는 회전장치.
   
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