KR102233449B1 - Device for counterbalancing axial load in centrifugal compressor - Google Patents

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권대복
조경석
박치용
양현섭
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한온시스템 주식회사
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Abstract

압축기의 내부에서 전동기의 로터와 스테이터 사이에서 이루어지는 축방향의 비대칭 배열에 의해 생성되는 축 하중의 작용방향과 반대되는 방향의 전자기력의 축력을 매개로 압축기의 회전축에서 임펠러를 향해 발생하는 축 하중을 상쇄함으로써 베어링에 대한 적정의 내구 수명을 확보하고 이를 통해 압축기 전체의 내구 성능을 향상시킬 수 있는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치를 개시한다.
전술한 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치는 케이스(100)의 내부에서 임펠러(300)의 회전을 위해 설치되는 회전축(200), 상기 회전축(200)의 축 중심에 대해 동심축 상으로 내부와 외부에 각각 배치되는 로터(410)와 스테이터(420)를 갖춘 전동기(400), 및 상기 전동기(400)를 중심으로 상기 회전축(200)의 양단부에 위치하는 전방 베어링(210)과 후방 베어링(220)을 포함하고, 상기 로터(410)의 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)는 상기 스테이터(420)의 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y) 보다 상기 임펠러(300)를 향해 인접한 부위로 배치된다.The axial load generated from the rotating shaft of the compressor toward the impeller is canceled through the axial force of the electromagnetic force in the direction opposite to the direction of action of the axial load generated by an asymmetrical arrangement in the axial direction between the rotor and the stator of the motor inside the compressor. Thus, a device for canceling axial loads of a centrifugal compressor capable of securing an appropriate endurance life for the bearing and improving the endurance performance of the entire compressor is disclosed.
The axial load canceling device of the above-described centrifugal compressor includes a rotating shaft 200 installed for rotation of the impeller 300 in the case 100, and concentrically with respect to the axial center of the rotating shaft 200. An electric motor 400 having a rotor 410 and a stator 420 respectively disposed, and a front bearing 210 and a rear bearing 220 positioned at both ends of the rotation shaft 200 around the electric motor 400 Including, the position (X) of the longitudinal central axis of the permanent magnet 412 of the rotor 410 is the impeller 300 than the position (Y) of the longitudinal central axis of the winding coil 424 of the stator 420 It is placed in the adjacent area toward the.

Description

원심 압축기의 축 하중 상쇄장치{Device for counterbalancing axial load in centrifugal compressor}Device for counterbalancing axial load in centrifugal compressor}

본 발명은 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전동기의 로터와 스테이터 사이의 축방향 비대칭 배열에 의해 축 하중의 작용방향과 반대되는 방향으로 생성되는 전자기력의 축력을 매개로 축 하중을 상쇄하고 베어링의 내구 성능의 저하를 방지할 수 있는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치에 관한 것이다.
The present invention relates to an axial load canceling device of a centrifugal compressor, and more particularly, by means of an axial force of electromagnetic force generated in a direction opposite to the direction of action of the axial load by an axial asymmetric arrangement between a rotor and a stator of an electric motor. It relates to an axial load canceling device of a centrifugal compressor capable of canceling a load and preventing deterioration of the durability performance of a bearing.

일반적으로 압축기는 작동유체를 고압으로 압축시켜 출력할 수 있는 기계장치로서, 실린더 내에서 피스톤을 왕복 운동시키는 왕복동식과, 적어도 두 개의 나란한 치형을 가지는 로터의 회전을 통한 체적변화를 통해 작동유체를 압축시키는 스크류식, 3차원 형상의 인볼루트 곡선을 가지는 한 쌍의 랩(Warp)형 압축매체(고정 스크롤과 회전 스크롤)를 이용한 스크롤식, 및 고속으로 회전하는 임펠러를 이용한 원심 압축기 등과 같이 다양한 종류로 구분될 수 있다. In general, a compressor is a mechanical device capable of compressing and outputting a working fluid at high pressure, and a reciprocating type for reciprocating a piston in a cylinder and a volume change through rotation of a rotor having at least two parallel teeth. Various types such as a screw type to compress, a scroll type using a pair of warp type compression media (fixed scroll and rotary scroll) having a three-dimensional involute curve, and a centrifugal compressor using an impeller that rotates at high speed. It can be classified as

이와 같은 압축기 중에서 원심 압축기는 케이스 내에서 고속으로 회전하는 임펠러를 매개로 작동유체를 방사상으로 유동시켜 압축하는 것이다. 이 경우, 임펠러는 작동유체를 내부로 흡입한 다음 속도 에너지의 일부를 압력 에너지로 변환함으로써 작동유체에 높은 압력과 속도를 부여하여 외부로 토출하는 기능을 수행한다. 특히, 원심 압축기는 여러 단의 임펠러를 적용하여 작동유체를 다단으로 압축할 수 있기 때문에 우수한 압축 효율을 얻을 수 있으므로 널리 사용되고 있는 실정이다. Among such compressors, a centrifugal compressor compresses a working fluid by radially flowing it through an impeller rotating at a high speed in a case. In this case, the impeller performs a function of supplying high pressure and speed to the working fluid and discharging it to the outside by inhaling the working fluid inside and converting part of the velocity energy into pressure energy. In particular, centrifugal compressors are widely used because they can compress working fluids in multiple stages by applying impellers of several stages, so that excellent compression efficiency can be obtained.

한편, 상기와 같은 원심 압축기 중에서 고속 전동기를 적용한 원심 압축기는 스테이터의 코어와 로터의 영구자석 사이에서 통전시 발생하는 전자기력을 이용하여 회전력을 얻을 수 있도록 제작된다. 일례로, 종래 전동식 원심 압축기는 도 1에 도시된 바와 같이 케이스(100), 회전축(200), 임펠러(300), 및 전동기(400) 등을 포함하여 구성된다. Meanwhile, among the above-described centrifugal compressors, a centrifugal compressor employing a high-speed electric motor is manufactured to obtain rotational force by using an electromagnetic force generated when energized between the core of the stator and the permanent magnet of the rotor. As an example, the conventional electric centrifugal compressor includes a case 100, a rotating shaft 200, an impeller 300, and an electric motor 400, as shown in FIG. 1.

상기 케이스(100)는 복수로 분할되어 결합되는 형태로서, 내부에 작동유체의 압축을 위한 공간을 형성하고 일측에 외기의 유입을 위한 덕트 형태의 공기 유입부(110)를 형성한다. The case 100 is divided into a plurality of parts and combined, and forms a space for compressing the working fluid therein, and forms an air inlet 110 in the form of a duct for inflow of outside air at one side.

상기 회전축(200)은 케이스(100)의 내부에서 전동기(400)에 의해 회전 가능하게 설치된다. 또한, 상기 회전축(200)의 양단부는 케이스(100)의 내부에서 래디얼 볼 베어링 형태인 전방 베어링(210)과 후방 베어링(220)에 의해 각각 축 지지된다. 이 경우, 상기 전방 베어링(210)은 케이스(100)의 내부에서 임펠러(300)의 설치 위치를 기준으로 상기 임펠러(300)와 인접한 회전축(200)의 일단부에 설치된 것으로, 원심 압축기의 작동시 상기 회전축(200)의 축방향을 따라 임펠러(300)를 향해 작용하는 축 하중을 지지하기 위한 목적으로 구비된다. 또한, 상기 후방 베어링(220)은 케이스(100)의 내부에서 임펠러(300)의 설치 위치를 기준으로 상기 임펠러(300)로부터 멀리 이격된 위치에 해당하는 회전축(200)의 타단부에 설치된 것으로, 회전축(200)의 축방향으로 작용하는 예압축의 정도를 자유롭게 조절할 수 있도록 예압 스프링(230)에 의해 지지된다. 이 결과, 상기 후방 베어링(220)은 예압 스프링(230)으로부터 제공되는 압축력에 의해 적정의 지지 강성을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 압축기의 작동시 발생하는 소음을 감소시키는 역할을 수행한다.The rotation shaft 200 is installed rotatably by an electric motor 400 in the case 100. In addition, both ends of the rotating shaft 200 are axially supported by a front bearing 210 and a rear bearing 220 in the form of a radial ball bearing inside the case 100, respectively. In this case, the front bearing 210 is installed at one end of the rotating shaft 200 adjacent to the impeller 300 based on the installation position of the impeller 300 inside the case 100, and when the centrifugal compressor is operated It is provided for the purpose of supporting an axial load acting toward the impeller 300 along the axial direction of the rotation shaft 200. In addition, the rear bearing 220 is installed at the other end of the rotation shaft 200 corresponding to a position far away from the impeller 300 based on the installation position of the impeller 300 in the case 100, It is supported by the preload spring 230 so that the degree of precompression acting in the axial direction of the rotation shaft 200 can be freely adjusted. As a result, the rear bearing 220 not only maintains an appropriate support rigidity by the compression force provided from the preload spring 230, but also serves to reduce noise generated during operation of the compressor.

상기 임펠러(300)는 공기 유입부(110) 내에서 회전축(200)에 의해 회전 가능하게 설치되어 상기 전동기(400)의 작동시 고속으로 회전하여 공기 유입부(110)를 통해 유입된 작동유체를 고압의 상태로 압축시키는 역할을 수행한다. 또한, 디퓨져(310)는 상기 임펠러(300)와 인접한 위치에서 임펠러(300)에 의해 고압으로 압축된 작동유체를 확산시켜 동압을 정압으로 변환하는 기능을 수행한다. 토출구(320)는 상기 디퓨져(310)를 통과하여 고압으로 압축된 작동유체를 외부로 출력하는 나선형상의 통로에 해당한다.The impeller 300 is rotatably installed in the air inlet unit 110 by a rotating shaft 200 and rotates at high speed when the electric motor 400 is operated, so that the working fluid introduced through the air inlet unit 110 is absorbed. It plays the role of compressing in a high pressure state. In addition, the diffuser 310 performs a function of converting the dynamic pressure into a static pressure by diffusing the working fluid compressed to a high pressure by the impeller 300 at a position adjacent to the impeller 300. The discharge port 320 corresponds to a spiral passage through which the working fluid compressed at high pressure is output to the outside through the diffuser 310.

상기 전동기(400)는 회전축(200)의 외주면에 설치되는 원통형상의 로터(410)와, 상기 로터(410)와 동심축 상으로 소정의 간극을 두고 외부에 설치되는 원통형상의 스테이터(420)로 구성된다. 특히, 상기 로터(410)는 회전축(200) 상에 고정되는 영구자석을 구비하고, 상기 스테이터(420)는 코어에 감겨지는 권선 코일을 구비한다. The electric motor 400 is composed of a cylindrical rotor 410 installed on the outer circumferential surface of the rotating shaft 200, and a cylindrical stator 420 installed outside with a predetermined gap concentrically with the rotor 410 do. In particular, the rotor 410 includes a permanent magnet fixed on the rotation shaft 200, and the stator 420 includes a winding coil wound around a core.

그런데, 상기와 같은 구성의 종래 원심 압축기와 같은 원심형 터보기계의 경우, 상기 임펠러(300)의 고속 회전에 의해 입구측 유체가 축방향으로 흡입된 다음 반경방향으로 승압되어 외부로 토출되는 과정, 즉 작동유체의 흡입과 토출이 연속적으로 이루어지는 과정에서 회전체인 임펠러(300)의 후면에 작용하는 압력이 전면의 압력 대비 크게 상승하게 되는 압력 차이를 수반하게 되는 데, 이러한 압력의 차이는 임펠러(300)를 장착한 회전축(200)에서 전방 베어링(210)을 향한 축방향 하중(F)을 발생시키는 이상 현상으로 귀결된다.However, in the case of a centrifugal turbomachine such as a conventional centrifugal compressor having the above configuration, the inlet side fluid is sucked in the axial direction by the high-speed rotation of the impeller 300, and then the fluid is boosted in the radial direction and discharged to the outside, That is, in the process of continuous suction and discharge of the working fluid, the pressure acting on the rear surface of the rotating impeller 300 is accompanied by a pressure difference that increases significantly compared to the pressure of the front surface. It results in an abnormal phenomenon that generates an axial load (F) toward the front bearing 210 in the rotation shaft 200 equipped with 300).

특히, 원심 압축기를 고속으로 운용할 경우, 상기 임펠러(300)의 회전속도는 더욱 상승하게 되고, 이러한 임펠러(300)의 회전속도 상승은 임펠러(300)의 전단과 후단 사이의 압력 차이를 더욱 크게 하므로, 축방향 하중(F)에 의한 이상 현상의 발생은 더욱 가중될 수밖에 없고, 이러한 문제는 상기 회전축(200)을 축 지지하는 베어링 중에서 전방 베어링(210)에 대한 내구에 치명적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 임펠러(300)와 볼류트(미도시) 사이에서 마찰에 의한 융착(Rubbing)을 초래하여 압축기 전체에 치명적인 문제를 야기하게 된다.In particular, when the centrifugal compressor is operated at high speed, the rotational speed of the impeller 300 is further increased, and the increase in the rotational speed of the impeller 300 further increases the pressure difference between the front and rear ends of the impeller 300. Therefore, the occurrence of an abnormal phenomenon due to the axial load (F) is inevitably aggravated, and this problem not only has a fatal effect on the durability of the front bearing 210 among the bearings supporting the rotation shaft 200. Rubbing is caused by friction between the impeller 300 and the volute (not shown), causing a fatal problem to the entire compressor.

이 결과, 종래 원심 압축기에서 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 하중(F)의 크기는 베어링의 수명을 결정하게 되고, 궁극적으로 원심 압축기의 내구성이 베어링의 수명에 의해 종속되는 문제를 초래하게 된다. 또한, 이와 같은 문제의 발생은 압축 효율이 향상된 고성능의 원심 압축기에 대한 수요가 증가하면서 임펠러(300)를 더욱 높은 회전수로 운용함에 따라 가중되는 실정이다. As a result, in the conventional centrifugal compressor, the magnitude of the axial load (F) acting on the front bearing 210 determines the life of the bearing, and ultimately causes a problem in which the durability of the centrifugal compressor is dependent on the life of the bearing. do. In addition, the occurrence of such a problem is a situation that increases as the demand for a high-performance centrifugal compressor with improved compression efficiency increases and the impeller 300 is operated at a higher rotational speed.

이에 따라, 종래 원심 압축기에서는 축방향 하중(F)의 증가에 따른 내구성의 저하를 방지하기 위해 축 하중 지지를 위한 전방 베어링(210)을 다수로 적용하여 안정성을 확보하거나, 초고속 회전이 적합한 고성능의 베어링으로 대체하는 등의 대처 방안을 강구하게 되었다. Accordingly, in a conventional centrifugal compressor, in order to prevent a decrease in durability due to an increase in the axial load (F), a plurality of front bearings 210 for supporting the axial load are applied to secure stability, Countermeasures such as replacement with bearings were devised.

그러나 다수의 베어링을 적용할 경우에는 회전축(200) 상에 베어링의 설치를 위한 적정 공간을 확보해야 하므로 회전축(200)의 길이가 길어질 뿐만 아니라 경제성에도 나쁜 영향을 미치게 되고, 특히 압축기의 구동시 회전축(200)의 축방향 변형을 크게 하여 공진점 회피 설계를 곤란하게 하는 또 다른 문제로 귀결될 수밖에 없었다. However, in the case of applying a plurality of bearings, it is necessary to secure an appropriate space for the installation of the bearings on the rotating shaft 200, so not only the length of the rotating shaft 200 is lengthened, but also the economical efficiency is adversely affected. By increasing the axial deformation of (200), it inevitably resulted in another problem that made it difficult to design the resonance point avoidance.

또한, 종래에는 면과 면의 속도차에서 발생하는 양력을 베어링에 접목하여 회전체를 부상시키는 무마찰 베어링의 일종인 에어포일 베어링(Airfoil bearing)을 적용하는 방안이 강구되었다. In addition, conventionally, a method of applying an airfoil bearing, which is a kind of frictionless bearing that floats a rotating body by grafting a lift force generated from a speed difference between a face and a face to a bearing, has been devised.

도 2는 기존 래디얼 볼 베어링을 대체하여 에어포일 베어링이 적용된 원심 압축기의 구성을 도시한 단면도이다. 도 2를 참조로 하면, 에어포일 베어링(240)은 도 1에 도시된 전방 베어링(210)과 후방 베어링(220)의 설치 부위에 대체됨으로써 회전축(200)의 양단부를 반경방향으로 안정적으로 축 지지하는 기능을 수행하게 된다. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of a centrifugal compressor to which an airfoil bearing is applied in place of a conventional radial ball bearing. Referring to FIG. 2, the airfoil bearing 240 is replaced with the installation portion of the front bearing 210 and the rear bearing 220 shown in FIG. 1, thereby stably supporting both ends of the rotating shaft 200 in the radial direction. It performs the function of doing.

아울러, 상기 회전축(200)에 대한 축방향 하중을 지지하기 위해 임펠러(300)와 인접한 부위에서 반경방향 외측으로 일체로 돌출된 플랜지부(250)는 케이스(100)와 접촉하는 대향된 전단 및 후단부위에 각각 스러스트 베어링(260)을 설치한다. 이 경우에도 상기 스러스트 베어링(260)은 에어포일 베어링(240)과 동일한 형태로 적용할 수 있다. In addition, in order to support the axial load on the rotating shaft 200, the flange portion 250 integrally protruding radially outward from a portion adjacent to the impeller 300 is opposite front and rear ends in contact with the case 100. Each of the thrust bearings 260 is installed at the site. Even in this case, the thrust bearing 260 may be applied in the same form as the airfoil bearing 240.

한편, 도 2에서 미설명 부호 100은 케이스이고, 110은 공기 유입부이며, 300은 임펠러이고, 310은 디퓨져이며, 320은 토출구이고, 400은 전동기이며, 각각 도 1에 도시된 구성요소와 각각 대응되는 것으로 동일한 기능을 수행한다. Meanwhile, in FIG. 2, reference numeral 100 denotes a case, 110 denotes an air inlet, 300 denotes an impeller, 310 denotes a diffuser, 320 denotes an outlet, and 400 denotes an electric motor, respectively. They perform the same function as their counterparts.

그러나 종래 원심 압축기에 적용된 에어포일 베어링(240)은 고속 원심 압축기류의 초고속 회전체에서 정상적인 기능을 구현할 수 있으나, 제로 갭 상태에서 내구 수명이 급격하게 낮아짐으로 인해 축하중에 의한 베어링의 내구 성능에는 취약한 문제가 있으므로 적용하기 어려웠다. However, the airfoil bearing 240 applied to the conventional centrifugal compressor can implement a normal function in an ultra-high speed rotating body of a high-speed centrifugal compressor, but it is weak in the durability performance of the bearing due to the axial weight due to a sharp decrease in the durability life in the zero gap state. It was difficult to apply because there was a problem.

따라서 원심 압축기와 같은 터보기계에서 회전축(200)의 축 지지를 위한 베어링의 내구 성능을 보장하기 위한 새로운 대처 방안이 강구되어야 하는 필요성이 절실한 실정이다.
Therefore, there is an urgent need to devise a new countermeasure to ensure the durability performance of the bearing for supporting the shaft of the rotary shaft 200 in a turbo machine such as a centrifugal compressor.

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 사안들을 감안하여 안출된 것으로, 압축기의 내부에서 전동기의 로터와 스테이터 사이에서 이루어지는 축방향의 비대칭 배열에 의해 생성되는 축 하중의 작용방향과 반대되는 방향의 전자기력의 축력을 매개로 압축기의 회전축에서 임펠러를 향해 발생하는 축 하중을 상쇄함으로써 베어링에 대한 적정의 내구 수명을 확보하고 이를 통해 압축기 전체의 내구 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
Accordingly, the present invention has been devised in consideration of the above issues, and the axial force of the electromagnetic force in the direction opposite to the direction of action of the axial load generated by the asymmetrical arrangement in the axial direction between the rotor and the stator of the motor inside the compressor Provides an axial load offset device of a centrifugal compressor that provides an appropriate endurance life for the bearing by offsetting the axial load generated from the compressor's rotating shaft toward the impeller through the medium and thereby improving the endurance performance of the entire compressor. Having that purpose.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 케이스의 내부에서 임펠러의 회전을 위해 설치되는 회전축; 상기 회전축의 축 중심에 대해 동심축 상으로 내부와 외부에 각각 배치되는 로터와 스테이터를 갖춘 전동기; 및 상기 전동기를 중심으로 상기 회전축의 양단부에 위치하는 전방 베어링과 후방 베어링을 포함하고, 상기 로터의 영구자석의 길이방향 중심축의 위치는 상기 스테이터의 권선 코일의 길이방향 중심축의 위치 보다 상기 임펠러를 향해 인접한 부위로 배치되는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object, the rotation shaft installed for rotation of the impeller inside the case; An electric motor having a rotor and a stator that are respectively disposed inside and outside on a concentric axis with respect to the axial center of the rotation shaft; And a front bearing and a rear bearing positioned at both ends of the rotation shaft around the electric motor, wherein the position of the longitudinal central axis of the permanent magnet of the rotor is toward the impeller rather than the position of the longitudinal central axis of the winding coil of the stator. It is characterized in that it is arranged in adjacent areas.

본 발명에 있어, 상기 영구자석의 축방향 길이와 상기 권선 코일의 축방향 길이는 각각 서로 다르게 설정되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the axial length of the permanent magnet and the axial length of the winding coil are set differently from each other.

본 발명에 있어, 상기 영구자석의 축방향 길이는 상기 권선 코일의 축방향 길이 보다 길게 설정되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the axial length of the permanent magnet is characterized in that it is set longer than the axial length of the winding coil.

본 발명에 있어, 상기 영구자석의 전방측 선단면과 상기 권선 코일의 전방측 선단면 사이의 이격거리는 상기 영구자석의 후방측 선단면과 상기 권선 코일의 후방측 선단면 사이의 이격거리 보다 크게 설정되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the separation distance between the front end surface of the permanent magnet and the front end surface of the winding coil is set to be greater than the separation distance between the rear end surface of the permanent magnet and the rear end surface of the winding coil. It is characterized by being.

본 발명에 있어, 상기 영구자석의 축방향 길이는 상기 권선 코일의 축방향 길이 보다 작게 설정되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the axial length of the permanent magnet is set to be smaller than the axial length of the winding coil.

본 발명에 있어, 상기 영구자석의 전방측 선단면과 상기 권선 코일의 전방측 선단면 사이의 이격거리는 상기 영구자석의 후방측 선단면과 상기 권선 코일의 후방측 선단면 사이의 이격거리 보다 작게 설정되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the separation distance between the front end surface of the permanent magnet and the front end surface of the winding coil is set to be smaller than the separation distance between the rear end surface of the permanent magnet and the rear end surface of the winding coil. It is characterized by being.

본 발명에 있어, 상기 영구자석의 후방측 선단면과 상기 권선 코일의 후방측 선단면은 상기 임펠러와의 이격거리를 기준으로 동일한 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the rear end surface of the permanent magnet and the rear end surface of the winding coil are disposed at the same position based on a separation distance from the impeller.

본 발명에 있어, 상기 영구자석의 축방향 길이와 상기 권선 코일의 축방향 길이는 서로 동일하게 설정되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, the axial length of the permanent magnet and the axial length of the winding coil are set equal to each other.

본 발명에 있어, 상기 영구자석의 길이방향 중심축의 위치와 상기 권선 코일의 길이방향 중심축의 위치 사이의 거리는 상기 임펠러의 직경과 비례하도록 설정되는 것을 특징으로 한다.In the present invention, a distance between the position of the longitudinal central axis of the permanent magnet and the longitudinal central axis of the winding coil is set to be proportional to the diameter of the impeller.

본 발명에 있어, 상기 전방 베어링은 상기 회전축 상에서 상기 임펠러와 인접한 위치로 배치되어 상기 회전축을 축 지지하고, 상기 후방 베어링은 상기 회전축 상에서 상기 전동기를 중심으로 상기 전방 베어링과 대향하는 위치에서 예압 스프링에 의해 축 지지되는 것을 특징으로 한다. In the present invention, the front bearing is disposed at a position adjacent to the impeller on the rotation shaft to support the rotation shaft, and the rear bearing is on the rotation shaft at a position opposite to the front bearing around the electric motor. It is characterized in that the shaft is supported by.

본 발명은 케이스의 내부에서 임펠러의 회전을 위해 설치되는 회전축; 상기 회전축의 축 중심에 대해 동심축 상으로 내부에 배치되는 로터와, 상기 로터의 외부에 배치되고 상기 케이스에 대해 상기 회전축의 축방향으로 이동 가능하게 설치되는 스테이터를 갖춘 전동기; 상기 전동기를 중심으로 상기 회전축의 양단부에 위치하는 전방 베어링과 후방 베어링; 상기 전동기의 회전속도를 검출하는 속도 센싱부; 및 상기 속도 센싱부로부터 검출되는 회전속도에 따라, 상기 로터의 영구자석의 길이방향 중심축의 위치에 대한 상기 스테이터의 권선 코일의 길이방향 중심축의 위치를 축방향으로 가변 조절하는 위치 조절부를 포함하고, 상기 영구자석의 길이방향 중심축의 위치는 상기 권선 코일의 길이방향 중심축의 위치 보다 상기 임펠러를 향해 인접하게 배치되고, 그 위치는 상기 위치 조절부의 작동에 의해 가변적으로 조절되는 것을 특징으로 한다.
The present invention is a rotating shaft installed for rotation of the impeller inside the case; An electric motor having a rotor disposed inside the rotor concentrically with respect to the center of the axis of the rotation shaft, and a stator disposed outside the rotor and installed to be movable in the axial direction of the rotation shaft with respect to the case; A front bearing and a rear bearing positioned at both ends of the rotation shaft around the electric motor; A speed sensing unit that detects the rotational speed of the electric motor; And a position control unit for variably adjusting the position of the longitudinal central axis of the winding coil of the stator with respect to the position of the longitudinal central axis of the permanent magnet of the rotor in the axial direction according to the rotational speed detected from the speed sensing unit, The position of the central axis in the longitudinal direction of the permanent magnet is disposed closer to the impeller than the position of the central axis in the longitudinal direction of the winding coil, and the position thereof is variably adjusted by the operation of the position adjusting unit.

본 발명에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치는 압축기의 내부에서 회전축의 회전을 위해 설치되는 전동기의 로터와 스테이터에 대한 오정렬, 즉 전동기의 로터와 스테이터 사이의 축방향 비대칭 배열을 통해 임펠러를 향한 축 하중의 작용방향과 반대되는 방향으로 전자기력를 생성할 수 있고, 생성된 전자기력에 의한 축력을 매개로 압축기의 회전축에서 임펠러를 향해 발생하는 축 하중을 상쇄시킴으로써 베어링의 내구 수명을 연장하고 압축기 전체의 내구 성능을 향상시킬 수 있게 된다.The axial load canceling device of the centrifugal compressor according to the present invention is the shaft toward the impeller through the misalignment of the rotor and the stator of the motor installed for rotation of the rotating shaft inside the compressor, that is, the axial asymmetric arrangement between the rotor and the stator of the motor. Electromagnetic force can be generated in the direction opposite to the direction of the load, and the axial load generated from the rotating shaft of the compressor toward the impeller is canceled through the axial force by the generated electromagnetic force to extend the durability life of the bearing and the durability performance of the entire compressor. Will be able to improve.

특히, 본 발명은 회전축에 대한 축 하중의 지지를 목적으로 임펠러에 인접하게 설치되는 전방 베어링에 대해 작용하는 축 하중을 전동기의 로터와 스테이터 사이의 축방향 비대칭 배열에 의해 수반되는 전자기력을 이용하여 효과적으로 상쇄할 수 있으므로, 고속 회전이 요구되는 고용량 압축기에 적용되는 축 하중의 지지를 위한 베어링에 대한 용량 또는 수량을 축소할 수 있는 경제적 효과를 제공한다. In particular, the present invention effectively reduces the axial load acting on the front bearing installed adjacent to the impeller for the purpose of supporting the axial load on the rotating shaft by using the electromagnetic force accompanying the axial asymmetric arrangement between the rotor and the stator of the electric motor. Since it can be offset, it provides an economic effect that can reduce the capacity or quantity of bearings for supporting axial loads applied to high-capacity compressors requiring high-speed rotation.

또한, 본 발명에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치는 전동기의 로터와 스테이터 사이에서 설정되는 축방향 비대칭 배열의 정도를 임펠러의 직경으로 대변되는 압축기의 용량에 맞춰 비례적으로 설정할 수 있으므로 다양한 종류의 고성능 압축기에 대해 범용적으로 적용할 수 있는 효과를 제공한다.In addition, the axial load canceling device of the centrifugal compressor according to the present invention can proportionally set the degree of an axial asymmetry set between the rotor and the stator of the motor according to the capacity of the compressor represented by the diameter of the impeller. It provides an effect that can be applied universally to a high-performance compressor.

한편, 본 발명에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치는 전동기의 회전속도를 검출하는 속도 센싱부와 스테이터의 축방향 위치를 가변적으로 조절하는 위치 조절부를 더 포함하는 구성으로 이루어져, 로터와 스테이터 사이에서 설정되는 축방향 비대칭 배열의 정도를 전동기의 회전속도에 따라 가변적으로 조절할 수 있으므로, 고용량 압축기에서 축 하중의 지지를 위한 베어링의 축 하중 작용방향과 반대되는 가변적 크기의 전자기력의 생성을 통해 베어링의 축 하중 상쇄에 따른 베어링의 내구 수명을 연장하고 압축기 전체의 내구 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.
On the other hand, the axial load canceling device of the centrifugal compressor according to the present invention is composed of a configuration further comprising a speed sensing unit for detecting the rotational speed of the motor and a position adjusting unit for variably adjusting the axial position of the stator, between the rotor and the stator Since the degree of the set axial asymmetrical arrangement can be variably adjusted according to the rotational speed of the motor, the shaft of the bearing is generated by generating an electromagnetic force of a variable size opposite to the axial load acting direction of the bearing for supporting the axial load in a high-capacity compressor. It provides the effect of extending the durability life of the bearing according to the offset of the load and further improving the durability performance of the entire compressor.

도 1은 종래 원심 압축기의 구성을 도시한 단면도.
도 2는 종래 에어포일 베어링이 적용된 원심 압축기의 구성을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치를 도시한 단면도.
도 4는 도 3의 주요 구성부위만을 확대하여 도시한 도면.
도 5는 도 4의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 6은 도 4의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치를 도시한 단면도.
도 8은 도 7의 주요 구성부위만을 확대하여 도시한 도면.1 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional centrifugal compressor.
2 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional centrifugal compressor to which an airfoil bearing is applied.
3 is a cross-sectional view showing an axial load canceling device of a centrifugal compressor according to an embodiment of the present invention.
4 is an enlarged view showing only the main components of FIG. 3.
Figure 5 is a view showing another embodiment of Figure 4;
Figure 6 is a view showing another embodiment of Figure 4;
7 is a cross-sectional view showing an axial load canceling device of a centrifugal compressor according to another embodiment of the present invention.
8 is an enlarged view showing only the main components of FIG. 7.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치를 도시한 단면도이다. 3 is a cross-sectional view showing an axial load canceling device of a centrifugal compressor according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조로 하면, 본 발명이 적용되는 원심 압축기는 압축기의 외형을 형성하는 케이스(100), 상기 케이스(100)의 내부에서 고속으로 회전 가능하게 설치되는 회전축(200), 상기 회전축(200)에 설치되어 일체로 회전하는 임펠러(300), 및 상기 회전축(200)에 대해 고속의 회전력을 제공하는 전동기(400)를 포함하여 구성된다. Referring to FIG. 3, the centrifugal compressor to which the present invention is applied includes a case 100 forming the outer shape of the compressor, a rotation shaft 200 installed to be rotatable at high speed inside the case 100, and the rotation shaft 200. ) Is installed on the impeller 300 to rotate integrally, and an electric motor 400 that provides a high-speed rotational force with respect to the rotation shaft 200.

상기 케이스(100)는 압축기의 조립과 분해에 대한 용이성을 제공하기 위해 복수로 분할되어 상호 결합 가능한 형태로 이루어진다. 이때, 상기 케이스(100)는 내부에 작동유체의 압축을 위한 공간을 형성하고 일측에 외기의 유입을 위한 공기 유입부(110)를 형성한다. The case 100 is divided into a plurality of parts to provide ease of assembly and disassembly of the compressor and is formed in a form capable of being combined with each other. In this case, the case 100 forms a space for compressing the working fluid therein, and an air inlet 110 for introducing outside air into one side thereof.

상기 회전축(200)은 케이스(100)의 내부에서 상기 전동기(400)로부터 제공되는 구동력에 의해 회전이 가능하도록 설치된다. 이를 위해, 상기 회전축(200)의 양단부는 케이스(100)의 내부에서 래디얼 볼 베어링 형태인 전방 베어링(210)과 후방 베어링(220)에 의해 각각 축 지지된다. 이 경우, 상기 전방 베어링(210)은 케이스(100)의 내부에서 상기 임펠러(300)의 설치 위치를 기준으로 임펠러(300)와 인접한 회전축(200)의 일단부에 설치된 것으로, 원심 압축기의 작동시 상기 회전축(200)의 축방향으로 임펠러(300)를 향해 작용하는 축 하중을 지지하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 후방 베어링(220)은 케이스(100)의 내부에서 임펠러(300)의 설치 위치를 기준으로 임펠러(300)로부터 멀리 이격된 위치에 해당하는 회전축(200)의 타단부에 설치된 것으로, 상기 회전축(200)의 축방향으로 작용하는 예압축의 정도를 자유롭게 조절할 수 있도록 예압 스프링(230)에 의해 지지된다. The rotation shaft 200 is installed to be rotated by a driving force provided from the electric motor 400 inside the case 100. To this end, both ends of the rotating shaft 200 are axially supported by a front bearing 210 and a rear bearing 220 in the form of a radial ball bearing inside the case 100, respectively. In this case, the front bearing 210 is installed at one end of the rotating shaft 200 adjacent to the impeller 300 based on the installation position of the impeller 300 in the case 100, and when the centrifugal compressor is operated It serves to support an axial load acting toward the impeller 300 in the axial direction of the rotation shaft 200. In addition, the rear bearing 220 is installed at the other end of the rotating shaft 200 corresponding to a position far from the impeller 300 based on the installation position of the impeller 300 in the case 100, the It is supported by the preload spring 230 so that the degree of precompression acting in the axial direction of the rotation shaft 200 can be freely adjusted.

상기 임펠러(300)는 공기 유입부(110) 내에서 회전축(200)에 의해 회전 가능하게 설치되어 상기 전동기(400)의 작동시 고속으로 회전하여 공기 유입부(110)를 통해 유입된 작동유체를 고압의 상태로 압축시키는 역할을 수행한다. 또한, 디퓨져(310)는 상기 임펠러(300)와 인접한 위치에서 임펠러(300)에 의해 고압으로 압축된 작동유체를 확산시켜 동압을 정압으로 변환하는 기능을 수행한다. 토출구(320)는 상기 디퓨져(310)를 통과하여 고압으로 압축된 작동유체를 외부로 출력하는 나선형상의 통로에 해당한다. The impeller 300 is rotatably installed in the air inlet unit 110 by a rotating shaft 200 and rotates at high speed when the electric motor 400 is operated, so that the working fluid introduced through the air inlet unit 110 is absorbed. It plays the role of compressing in a high pressure state. In addition, the diffuser 310 performs a function of converting the dynamic pressure into a static pressure by diffusing the working fluid compressed to a high pressure by the impeller 300 at a position adjacent to the impeller 300. The discharge port 320 corresponds to a spiral passage through which the working fluid compressed at high pressure is output to the outside through the diffuser 310.

상기 전동기(400)는 회전축(200)의 축 중심에 대해 동심축 상으로 내부와 외부에 각각 배치되는 로터(410)와 스테이터(420)를 구비한다. 본 발명의 실시예에 있어, 상기 전동기(400)는 회전축(200)의 외주면에 설치되는 원통형상의 로터(410)와, 상기 로터(410)와 동심축 상으로 외부에 소정의 간극을 두고 이격되게 설치되는 원통형상의 스테이터(420)로 구성된다. 이 경우, 본 발명에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치는 상기와 같은 로터(410)와 스테이터(420)에 대한 동심축 상의 배치관계를 후술되는 오정렬의 비대칭 배열 구조를 부가시켜 적용함에 있어, 상기와 반대되는 방식으로 구현해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.The electric motor 400 includes a rotor 410 and a stator 420 respectively disposed inside and outside in a concentric axis with respect to the axial center of the rotation shaft 200. In an embodiment of the present invention, the electric motor 400 has a cylindrical rotor 410 installed on the outer circumferential surface of the rotating shaft 200 and concentrically with the rotor 410 to be spaced apart from each other with a predetermined gap outside. It consists of a cylindrical stator 420 to be installed. In this case, the axial load canceling device of the centrifugal compressor according to the present invention applies the concentric arrangement of the rotor 410 and the stator 420 as described above by adding an asymmetric arrangement structure of misalignment to be described later, The same effect can be obtained by implementing it in the opposite way.

먼저, 상기 로터(410)는 회전축(200) 상에 고정되는 원통형상의 영구자석(412)을 포함한다. 상기 영구자석(412)은 회전축(200)의 전 둘레를 따라 적정의 간격을 두고 반경방향 외측으로 돌출되도록 형성되는 플랜지 형태의 하우징(414) 내부에 수용되고, 상기 하우징(414)은 외측에 원통형상의 커버(416)를 결합하여 내부에 위치한 영구자석(412)의 수용을 안정적으로 마감하게 된다. 또한, 상기 스테이터(420)는 원통형상의 코어(422)와, 상기 코어(422)에 감겨지는 권선 코일(424)을 포함한다. First, the rotor 410 includes a cylindrical permanent magnet 412 fixed on the rotation shaft 200. The permanent magnet 412 is accommodated in a flange-shaped housing 414 formed to protrude radially outward at an appropriate interval along the entire circumference of the rotation shaft 200, and the housing 414 is cylindrical on the outside. By combining the upper cover 416, the reception of the permanent magnet 412 located therein is stably closed. In addition, the stator 420 includes a cylindrical core 422 and a winding coil 424 wound around the core 422.

이 경우, 상기 영구자석(412)은 상기 회전축(200)의 외부로 돌출된 하우징(414)에 의해 형성되는 내부 공간에 수용되는 형태로 설치되지 않고, 상기 회전축(200)의 외주면을 내측으로 적정의 깊이로 파내는 함몰 가공을 통해 형성되는 오목한 형태의 수용홈(미도시) 내에 안착된 상태에서 외부로 상기 커버(416)를 덮는 형태로 장착될 수도 있다. 이때, 상기 커버(416)의 조립위치는 회전축(200)의 외부 표면과 동일한 높이로 설정되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 회전축(200)에 형성되는 수용홈의 깊이는 상기 영구자석(412)의 두께 만큼의 길이를 가지도록 설정된다.In this case, the permanent magnet 412 is not installed in a form accommodated in the inner space formed by the housing 414 protruding out of the rotation shaft 200, and the outer circumferential surface of the rotation shaft 200 is appropriate to the inside. It may be mounted in a form that covers the cover 416 to the outside while seated in a concave-shaped receiving groove (not shown) formed through a depressing process that is dug to the depth of. At this time, the assembly position of the cover 416 is preferably set to the same height as the outer surface of the rotation shaft 200. That is, the depth of the receiving groove formed in the rotation shaft 200 is set to have a length equal to the thickness of the permanent magnet 412.

한편, 본 발명은 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치로서 다음과 같은 구성을 더 포함하여 구성된다. 즉, 상기와 같은 구성의 로터(410)와 스테이터(420)에 있어, 상기 영구자석(412)과 상기 권선 코일(424)은 상기 회전축(200)의 축방향을 기준으로 오정렬(Misalignment) 되는 구조로 배치되는 바, 이에 대한 구체적인 구성은 도 4를 참조로 하여 설명한다.On the other hand, the present invention is configured to further include the following configuration as the axial load canceling device of the centrifugal compressor. That is, in the rotor 410 and stator 420 having the above configuration, the permanent magnet 412 and the winding coil 424 are misaligned with respect to the axial direction of the rotation shaft 200. It is arranged as a bar, and a detailed configuration thereof will be described with reference to FIG. 4.

도 4를 참조로 하면, 상기 영구자석(412)과 권선 코일(424) 사이의 축방향 오정렬은 상기 회전축(200)의 축방향을 기준으로 상호 비대칭 배열의 구조로서 구현된다. Referring to FIG. 4, the axial misalignment between the permanent magnet 412 and the winding coil 424 is implemented as a structure of an asymmetrical arrangement with respect to the axial direction of the rotation shaft 200.

예컨대, 상기 영구자석(412)의 축방향 전체 길이(이하, 축방향 길이라 함)와 상기 권선 코일(424)의 축방향 전체 길이(이하, 축방향 길이라 함)를 각각 서로 다르게 설정한 상태에서, 상기 임펠러(300)의 위치를 기준으로 상기 회전축(200) 상에서 상기 영구자석(412)의 배치는 상기 권선 코일(424)의 배치와 비교할 때 상기 임펠러(300)를 향해 보다 인접한 부위에 위치하도록 설정된다. For example, the total length in the axial direction of the permanent magnet 412 (hereinafter referred to as the axial length) and the total length in the axial direction of the winding coil 424 (hereinafter referred to as the axial length) are set differently from each other In, the arrangement of the permanent magnet 412 on the rotation shaft 200 based on the position of the impeller 300 is located at a portion closer to the impeller 300 when compared with the arrangement of the winding coil 424 Is set to

즉, 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)는 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)와 대비할 때 상기 임펠러(300)를 향해 보다 인접한 부위에 위치하도록 오프셋 되는 상태로 배치된다. 부연하자면, 상기 임펠러(300)의 위치를 기준으로 상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)은 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 보다 상기 임펠러(300)에 대해 인접한 부위에 위치하도록 설정된다.That is, the position (X) of the central axis in the longitudinal direction of the permanent magnet 412 is offset so as to be located closer to the impeller 300 when compared to the position (Y) of the central axis in the longitudinal direction of the winding coil 424 It is placed in a state of being. In addition, based on the position of the impeller 300, the front end surface 412a of the permanent magnet 412 is greater than the front end surface 424a of the winding coil 424 with respect to the impeller 300 It is set to be located in the adjacent area.

이 경우, 상기 영구자석(412)의 축방향 길이는 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이 보다 길게 설정되고, 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)의 위치와 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b)의 위치는 상기 임펠러(300)와의 이격거리를 기준으로 동일하지 않게 설정된다. 다만, 상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)과 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 사이의 이격거리(D1)는 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)과 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b) 사이의 이격거리(D2) 보다 크게 설정되어야 한다.In this case, the axial length of the permanent magnet 412 is set longer than the axial length of the winding coil 424, and the position of the rear end surface 412b of the permanent magnet 412 and the winding coil ( The position of the rear end surface 424b of 424 is set not to be the same based on the separation distance from the impeller 300. However, the separation distance D1 between the front end surface 412a of the permanent magnet 412 and the front end surface 424a of the winding coil 424 is the rear end surface of the permanent magnet 412 It should be set larger than the separation distance (D2) between (412b) and the rear end surface (424b) of the winding coil (424).

이에 따라, 상기 전동기(400)의 구동시 상기 영구자석(412)에서 상기 권선 코일(424)을 향해 발생하는 전자기력의 작용방향은 도 4에 도시된 화살표의 방향으로 설정되고, 전체 전자기력에 의한 힘의 총합(S)에서 상기 회전축(200)의 축방향을 향하는 분력인 축방향 성분(SL)은 상기 임펠러(300)의 전단과 후단 사이의 압력차로부터 기인하는 축방향 하중(F)의 작용방향과 반대되는 방향으로 설정되고, 그 크기는 전체 전자기력의 총합(S)과 비례하게 된다. 특히, 전자기력의 축방향 성분(SL)의 크기는 상기 전동기(400)의 회전속도에 비례하여 증가하게 된다. Accordingly, when the electric motor 400 is driven, the action direction of the electromagnetic force generated from the permanent magnet 412 toward the winding coil 424 is set in the direction of the arrow shown in FIG. 4, and the force due to the total electromagnetic force The axial component (S L ), which is the component force in the axial direction of the rotation shaft 200 in the sum (S) of, is the action of the axial load (F) resulting from the pressure difference between the front end and the rear end of the impeller 300 It is set in a direction opposite to the direction, and its magnitude is proportional to the sum (S) of the total electromagnetic force. In particular, the magnitude of the axial component S L of the electromagnetic force increases in proportion to the rotational speed of the electric motor 400.

이 결과, 상기와 같은 영구자석(412)과 권선 코일(424) 사이의 비대칭 배열 구조는 상기 회전축(200)에서 임펠러(300)를 향해 작용하는 축방향 하중(F)의 작용방향과, 이에 반대되는 방향으로 발생하는 전자기력의 축방향 성분(SL)에 의해 적절하게 상쇄될 수 있으므로 상기 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 부하를 효과적으로 줄일 수 있고, 이를 통해 베어링의 내구 수명을 연장하여 압축기의 내구 성능을 안정적으로 보장할 수 있게 된다. As a result, the asymmetric arrangement structure between the permanent magnet 412 and the winding coil 424 as described above is the action direction of the axial load F acting from the rotation shaft 200 toward the impeller 300, and the opposite Since it can be appropriately canceled by the axial component (S L ) of the electromagnetic force generated in the direction in which the compressor is applied, the axial load acting on the front bearing 210 can be effectively reduced, thereby extending the durability life of the bearing. It is possible to stably guarantee the durability performance of the product.

또한, 본 발명은 상기 전동기(400)의 회전속도를 검출하기 위한 속도 센싱부(500), 및 상기 속도 센싱부(500)로부터 검출되는 회전속도에 따라 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)에 대한 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)를 가변적으로 조절하는 위치 조절부(600)를 더 포함한다. 이 경우, 상기 코어(422)와 상기 권선 코일(424)을 포함하는 상기 스테이터(420)는 상기 위치 조절부(600)의 작동에 의해 상기 케이스(100)에 대해 상기 회전축(200)의 축방향을 따라 이동 가능하게 설치된다. 또한, 상기 위치 조절부(600)는 상기 케이스(100) 내에서 상기 스테이터(420)의 위치를 직선방향으로 가변적으로 조절할 수 있는 다양한 종류의 액추에이터로 구성할 수 있는 데, 리니어 모터(Linear Motor)를 그 예로 들 수 있다.In addition, the present invention is a speed sensing unit 500 for detecting the rotational speed of the electric motor 400, and the longitudinal direction of the central axis of the permanent magnet 412 according to the rotational speed detected from the speed sensing unit 500. It further includes a position adjusting unit 600 for variably adjusting the position (Y) of the longitudinal central axis of the winding coil 424 with respect to the position (X). In this case, the stator 420 including the core 422 and the winding coil 424 is in the axial direction of the rotation shaft 200 with respect to the case 100 by the operation of the position control unit 600 It is installed to be movable along the way. In addition, the position control unit 600 may be configured with various types of actuators capable of variably adjusting the position of the stator 420 in the case 100 in a linear direction. For example.

이에 따라, 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)에 대한 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)는 상기 위치 조절부(600)의 작동에 의해 가변적으로 조절되고, 이로 인해 상기 영구자석(412)과 상기 권선 코일(424) 사이에서 발생하는 전자기력의 축방향 성분(SL)은 종속적으로 조절될 수 있게 된다. Accordingly, the position (Y) of the longitudinal central axis of the winding coil 424 with respect to the position (X) of the longitudinal central axis of the permanent magnet 412 is variably adjusted by the operation of the position adjusting unit 600 As a result, the axial component (S L ) of the electromagnetic force generated between the permanent magnet 412 and the winding coil 424 can be adjusted dependently.

이 결과, 상기와 같은 영구자석(412)과 권선 코일(424) 사이에서 상기 위치 조절부(600)에 의해 가변적인 비대칭의 배열 구조는 상기 회전축(200)에서 임펠러(300)를 향해 작용하는 축방향 하중(F)의 작용방향과, 이에 반대되는 방향으로 발생하는 전자기력의 축방향 성분(SL)에 의해 적절하게 상쇄될 수 있으므로 상기 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 부하를 효과적으로 줄일 수 있고, 이를 통해 베어링의 내구 수명을 연장하여 압축기의 내구 성능을 안정적으로 보장할 수 있게 된다. As a result, the variable asymmetrical arrangement structure by the position control unit 600 between the permanent magnet 412 and the winding coil 424 as described above is a shaft acting from the rotation shaft 200 toward the impeller 300 Since the axial component (S L ) of the electromagnetic force generated in the direction of action of the directional load (F) and the opposite direction can be appropriately canceled, the axial load acting on the front bearing 210 can be effectively reduced. And, through this, it is possible to stably guarantee the durability performance of the compressor by extending the durability life of the bearing.

이하, 본 발명의 다른 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 하여 상세히 설명한다. Hereinafter, another embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying exemplary drawings.

도 5를 참조로 하면, 상기와 같이 영구자석(412)의 축방향 길이와 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이를 각각 서로 다르게 설정한 상태에서, 상기 임펠러(300)의 위치를 기준으로 상기 회전축(200) 상에서 상기 영구자석(412)의 배치는 상기 권선 코일(424)의 배치와 비교할 때 상기 임펠러(300)를 향해 보다 멀리 이격된 부위에 위치하도록 설정된다.Referring to FIG. 5, in a state in which the axial length of the permanent magnet 412 and the axial length of the winding coil 424 are set to be different from each other, as described above, based on the position of the impeller 300 The disposition of the permanent magnet 412 on the rotation shaft 200 is set to be located at a portion spaced farther toward the impeller 300 as compared with the disposition of the winding coil 424.

다만, 이 경우에도 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)는 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)와 대비할 때 상기 임펠러(300)를 향해 보다 인접한 부위에 위치하도록 오프셋 되는 상태로 배치되어야 한다.However, even in this case, the position (X) of the longitudinal central axis of the permanent magnet 412 is closer to the impeller 300 when compared to the position (Y) of the longitudinal central axis of the winding coil 424 It should be placed in a state that is offset to be positioned.

이때, 상기 영구자석(412)의 축방향 길이는 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이 보다 작게 설정된다. 또한, 상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)과 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 사이의 이격거리(D1)는 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)과 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b) 사이의 이격거리(D2) 보다 작게 설정되어야 한다.At this time, the axial length of the permanent magnet 412 is set smaller than the axial length of the winding coil 424. In addition, the separation distance (D1) between the front end surface 412a of the permanent magnet 412 and the front end surface 424a of the winding coil 424 is the rear end surface of the permanent magnet 412 It should be set smaller than the separation distance (D2) between (412b) and the rear end surface (424b) of the winding coil (424).

이에 따라, 상기 영구자석(412)에서 상기 권선 코일(424)을 향해 발생하는 전자기력의 축방향 성분(SL)이 상기 임펠러(300)의 압력차로부터 기인하는 축방향 하중(F)의 작용방향과 반대되는 방향으로 작용하게 되고, 이를 통해 상기 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 부하를 효과적으로 줄일 수 있게 된다. Accordingly, the axial component (S L ) of the electromagnetic force generated from the permanent magnet 412 toward the winding coil 424 is the action direction of the axial load (F) resulting from the pressure difference of the impeller 300 It acts in a direction opposite to and through this, it is possible to effectively reduce the axial load acting on the front bearing 210.

도 6을 참조로 하면, 상기와 같이 영구자석(412)의 축방향 길이와 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이를 각각 서로 다르게 설정한 상태에서 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)를 상기 임펠러(300)를 향해 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y) 보다 인접한 부위로 오프셋 되는 상태로 배치한다. 6, the position of the central axis in the longitudinal direction of the permanent magnet 412 in a state in which the axial length of the permanent magnet 412 and the axial length of the winding coil 424 are set differently as described above. (X) is disposed in a state that is offset toward the impeller 300 to a portion adjacent to the position (Y) of the longitudinal central axis of the winding coil 424.

이 경우, 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)의 위치와 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b)의 위치는 상기 임펠러(300)와의 이격거리를 기준으로 동일한 위치에 배치되도록 설정할 수 있다.In this case, the position of the rear end surface 412b of the permanent magnet 412 and the position of the rear end surface 424b of the winding coil 424 are the same based on the separation distance from the impeller 300 Can be set to be placed in.

이때에도 상기 영구자석(412)과 상기 권선 코일(424) 사이에서 발생하는 전자기력에 의한 축방향 성분(SL)은 상기 임펠러(300)의 압력차로부터 기인하는 축방향 하중(F)과 반대되는 방향으로 작용하면서 이를 상쇄할 수 있는 동일한 효과를 기대할 수 있다. Even at this time, the axial component (S L ) by the electromagnetic force generated between the permanent magnet 412 and the winding coil 424 is opposite to the axial load (F) resulting from the pressure difference of the impeller 300. The same effect can be expected to counteract this while acting in the direction.

본 발명의 또 다른 실시예로서 도 7과 도 8을 참조하면, 로터(410)와 스테이터(420) 사이의 비대칭 배열의 구조는 다음과 같이 구성될 수 있다.Referring to FIGS. 7 and 8 as another embodiment of the present invention, the structure of an asymmetrical arrangement between the rotor 410 and the stator 420 may be configured as follows.

예컨대, 상기 영구자석(412)의 축방향 길이와 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이를 각각 동일하게 설정한 상태에서, 상기 임펠러(300)를 기준으로 상기 회전축(200) 상에서 상기 영구자석(412)의 배치는 상기 권선 코일(424)의 배치와 비교할 때 상기 임펠러(300)에 보다 인접한 부위에 위치하도록 설정된다. For example, in a state in which the axial length of the permanent magnet 412 and the axial length of the winding coil 424 are set to be the same, the permanent magnet ( The arrangement of the 412 is set to be located at a portion closer to the impeller 300 when compared to the arrangement of the winding coil 424.

즉, 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)는 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)와 대비할 때 상기 임펠러(300)에 보다 인접한 부위에 위치하도록 오프셋 되는 상태로 배치된다. 부연하자면, 상기 임펠러(300)의 위치를 기준으로 상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)은 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 보다 상기 임펠러(300)에 대해 인접한 부위에 위치하도록 설정된다.That is, the position (X) of the central axis in the longitudinal direction of the permanent magnet 412 is offset to be located closer to the impeller 300 when compared with the position (Y) of the central axis in the longitudinal direction of the winding coil 424. It is placed in the state. In addition, based on the position of the impeller 300, the front end surface 412a of the permanent magnet 412 is greater than the front end surface 424a of the winding coil 424 with respect to the impeller 300 It is set to be located in the adjacent area.

이 경우, 상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)과 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 사이의 이격거리(D1)는 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)과 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b) 사이의 이격거리(D2)와 동일하게 설정됨은 물론이다. In this case, the separation distance (D1) between the front end surface 412a of the permanent magnet 412 and the front end surface 424a of the winding coil 424 is the line at the rear side of the permanent magnet 412 It goes without saying that it is set equal to the separation distance D2 between the end surface 412b and the rear end surface 424b of the winding coil 424.

따라서 이와 같은 비대칭 배열의 구조에 있어, 상기 영구자석(412)과 상기 권선 코일(424) 사이에서 발생하는 전자기력에 의한 축방향 성분(SL)은 상기 임펠러(300)의 압력차로부터 기인하는 축방향 하중(F)과 반대되는 방향으로 작용하게 되고, 이를 통해 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 부하를 효과적으로 상쇄할 수 있는 동일한 효과를 기대할 수 있다. Therefore, in the structure of such an asymmetric arrangement, the axial component (S L ) by the electromagnetic force generated between the permanent magnet 412 and the winding coil 424 is an axis resulting from the pressure difference of the impeller 300. It acts in a direction opposite to the directional load F, and through this, the same effect can be expected to effectively cancel the axial load acting on the front bearing 210.

한편, 상기와 같은 다양한 실시예에 있어, 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)와 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y) 사이의 거리에 해당하는 간격은 상기 임펠러(300)의 직경과 비례하도록 설정된다. On the other hand, in various embodiments as described above, the distance corresponding to the distance between the position (X) of the longitudinal central axis of the permanent magnet 412 and the position (Y) of the longitudinal central axis of the winding coil 424 is It is set to be proportional to the diameter of the impeller 300.

즉, 대용량의 압축 성능을 구현하기 위한 고성능의 압축기에서 상기와 같이 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)와 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y) 사이의 거리를 임펠러(300)의 직경에 비례하여 증감될 수 있게 하면, 전자기력에 의한 축방향 성분(SL)은 임펠러(300)의 전/후단에서 발생하는 압력차이로부터 수반되는 축방향 하중(F)의 정도에 상응하여 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 부하를 효과적으로 상쇄할 수 있으므로 다양한 종류의 고성능 압축기에 대해 본 발명의 축 하중 상쇄장치를 범용적으로 적용할 수 있는 경제적 이점을 얻을 수 있게 된다.That is, in a high-performance compressor for realizing large-capacity compression performance, the distance between the position (X) of the longitudinal central axis of the permanent magnet 412 and the position (Y) of the longitudinal central axis of the winding coil 424 as described above is If it can be increased or decreased in proportion to the diameter of the impeller 300, the axial component (S L ) by the electromagnetic force is the degree of the axial load (F) accompanying the pressure difference occurring at the front/rear ends of the impeller 300 Corresponding to this, the axial load acting on the front bearing 210 can be effectively canceled, and thus an economic advantage of universally applying the axial load canceling device of the present invention to various types of high-performance compressors can be obtained.

특히, 본 발명에 있어, 도 5 내지 도 8에 각각 도시된 실시예에서도 상기 도 4의 구성과 동일하게 상기 전동기(400)의 회전속도를 검출하기 위한 속도 센싱부(500), 및 상기 속도 센싱부(500)로부터 검출되는 회전속도에 따라 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)에 대한 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)를 가변적으로 조절하는 위치 조절부(600)를 더 포함하여 구성할 수 있다. 이 경우에도, 상기 코어(422)와 상기 권선 코일(424)을 포함하는 상기 스테이터(420)는 상기 위치 조절부(600)의 작동에 의해 상기 케이스(100)에 대해 상기 회전축(200)의 축방향을 따라 이동 가능하게 설치됨은 물론이고, 상기 위치 조절부(600)는 상기 케이스(100) 내에서 상기 스테이터(420)의 위치를 직선방향으로 가변적으로 조절할 수 있는 리니어 모터(Linear Motor) 류의 액추에이터로 구성할 수 있다.In particular, in the present invention, the speed sensing unit 500 for detecting the rotational speed of the electric motor 400, and the speed sensing, in the same manner as in the configuration of Fig. 4 in the embodiments shown in Figs. 5 to 8 respectively Position control to variably adjust the position (Y) of the longitudinal central axis of the winding coil 424 with respect to the position (X) of the longitudinal central axis of the permanent magnet 412 according to the rotational speed detected from the part 500 It may be configured to further include a unit 600. Even in this case, the stator 420 including the core 422 and the winding coil 424 is the axis of the rotation shaft 200 with respect to the case 100 by the operation of the position control unit 600. In addition to being installed to be movable along the direction, the position control unit 600 is a linear motor that can variably adjust the position of the stator 420 in the case 100 in a linear direction. It can be configured as an actuator.

이에 따라, 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)에 대한 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)는 상기 위치 조절부(600)의 작동에 의해 가변적으로 조절되고, 이로 인해 상기 영구자석(412)과 상기 권선 코일(424) 사이에서 발생하는 전자기력의 축방향 성분(SL)은 종속적으로 조절될 수 있게 된다. Accordingly, the position (Y) of the longitudinal central axis of the winding coil 424 with respect to the position (X) of the longitudinal central axis of the permanent magnet 412 is variably adjusted by the operation of the position adjusting unit 600 As a result, the axial component (S L ) of the electromagnetic force generated between the permanent magnet 412 and the winding coil 424 can be adjusted dependently.

이 결과, 상기와 같은 영구자석(412)과 권선 코일(424) 사이에서 상기 위치 조절부(600)에 의해 가변적인 비대칭의 배열 구조는 상기 회전축(200)에서 임펠러(300)를 향해 작용하는 축방향 하중(F)의 작용방향과, 이에 반대되는 방향으로 발생하는 전자기력의 축방향 성분(SL)에 의해 적절하게 상쇄될 수 있으므로 상기 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 부하를 효과적으로 줄일 수 있고, 이를 통해 베어링의 내구 수명을 연장하여 압축기의 내구 성능을 안정적으로 보장할 수 있게 된다. As a result, the variable asymmetrical arrangement structure by the position control unit 600 between the permanent magnet 412 and the winding coil 424 as described above is a shaft acting from the rotation shaft 200 toward the impeller 300 Since the axial component (S L ) of the electromagnetic force generated in the direction of action of the directional load (F) and the opposite direction can be appropriately canceled, the axial load acting on the front bearing 210 can be effectively reduced. And, through this, it is possible to stably guarantee the durability performance of the compressor by extending the durability life of the bearing.

이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 의해 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상과 이하에서 기재되는 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 형태의 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
As described above, preferred embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited by the specific embodiments described above, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. It goes without saying that various types of modifications and variations are possible within the technical spirit of the present invention and the equivalent range of the claims to be described below.

100-케이스 110-공기 유입부
200-회전축 210-전방 베어링
220-후방 베어링 230-예압 스프링
240-에어포일 베어링 300-임펠러
400-전동기 410-로터
412-영구자석 414-하우징
416-커버 420-스테이터
422-코어 424-권선 코일
500-속도 센싱부 600-위치 조절부100-case 110-air inlet
200-rotary shaft 210-front bearing
220-rear bearing 230-preload spring
240-airfoil bearing 300-impeller
400-motor 410-rotor
412-permanent magnet 414-housing
416-cover 420-stator
422-core 424-winding coil
500-speed sensing unit 600-position control unit

Claims (11)

케이스(100)의 내부에서 임펠러(300)의 회전을 위해 설치되는 회전축(200);
상기 회전축(200)의 축 중심에 대해 동심축 상으로 내부와 외부에 각각 배치되는 로터(410)와 스테이터(420)를 갖춘 전동기(400); 및
상기 전동기(400)를 중심으로 상기 회전축(200)의 양단부에 위치하는 전방 베어링(210)과 후방 베어링(220)을 포함하고,
상기 로터(410)의 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)는 상기 스테이터(420)의 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y) 보다 상기 임펠러(300)를 향해 인접한 부위로 배치되고,
상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)와 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y) 사이의 거리는 상기 임펠러(300)의 직경과 비례하도록 설정됨으로써 전자기력에 의한 축방향 성분(SL)은 임펠러(300)의 전/후단에서 발생하는 압력차이로부터 수반되는 축방향 하중(F)의 정도에 상응하여 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 부하를 상쇄하는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치.A rotation shaft 200 installed for rotation of the impeller 300 in the case 100;
An electric motor 400 having a rotor 410 and a stator 420 respectively disposed inside and outside on a concentric axis with respect to the axial center of the rotation shaft 200; And
It includes a front bearing 210 and a rear bearing 220 positioned at both ends of the rotation shaft 200 around the electric motor 400,
The position (X) of the longitudinal central axis of the permanent magnet 412 of the rotor 410 is closer to the impeller 300 than the position (Y) of the longitudinal central axis of the winding coil 424 of the stator 420 Are placed in parts,
The distance between the position (X) of the longitudinal central axis of the permanent magnet 412 and the position (Y) of the longitudinal central axis of the winding coil 424 is set to be proportional to the diameter of the impeller 300 so that the axis by electromagnetic force The directional component (S L ) is characterized by canceling the axial load acting on the front bearing 210 in accordance with the degree of the axial load (F) accompanying the pressure difference occurring at the front/rear end of the impeller 300. Axial load offset device for centrifugal compressors. 청구항 1에 있어서,
상기 영구자석(412)의 축방향 길이와 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이는 각각 서로 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치. The method according to claim 1,
An axial load canceling device for a centrifugal compressor, characterized in that the axial length of the permanent magnet 412 and the axial length of the winding coil 424 are set differently from each other. 청구항 2에 있어서,
상기 영구자석(412)의 축방향 길이는 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이 보다 길게 설정되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치. The method according to claim 2,
An axial load canceling device of a centrifugal compressor, characterized in that the axial length of the permanent magnet 412 is set longer than the axial length of the winding coil 424. 청구항 3에 있어서,
상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)과 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 사이의 이격거리(D1)는 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)과 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b) 사이의 이격거리(D2) 보다 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치. The method of claim 3,
The separation distance D1 between the front end surface 412a of the permanent magnet 412 and the front end surface 424a of the winding coil 424 is the rear end surface 412b of the permanent magnet 412 ) And a separation distance (D2) between the rear end surface (424b) of the winding coil (424). 청구항 2에 있어서,
상기 영구자석(412)의 축방향 길이는 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이 보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치. The method according to claim 2,
An axial load canceling device of a centrifugal compressor, characterized in that the axial length of the permanent magnet (412) is set to be smaller than the axial length of the winding coil (424). 청구항 5에 있어서,
상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)과 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 사이의 이격거리(D1)는 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)과 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b) 사이의 이격거리(D2) 보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치. The method of claim 5,
The separation distance D1 between the front end surface 412a of the permanent magnet 412 and the front end surface 424a of the winding coil 424 is the rear end surface 412b of the permanent magnet 412 ) And the axial load canceling device of the centrifugal compressor, characterized in that it is set smaller than the separation distance (D2) between the rear end surface (424b) of the winding coil (424). 청구항 2에 있어서,
상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)과 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b)은 상기 임펠러(300)와의 이격거리를 기준으로 동일한 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치. The method according to claim 2,
The rear end surface 412b of the permanent magnet 412 and the rear end surface 424b of the winding coil 424 are disposed at the same position based on a separation distance from the impeller 300. Axial load canceling device for centrifugal compressors. 청구항 1에 있어서,
상기 영구자석(412)의 축방향 길이와 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이는 서로 동일하게 설정되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치. The method according to claim 1,
An axial load canceling device for a centrifugal compressor, characterized in that the axial length of the permanent magnet 412 and the axial length of the winding coil 424 are set equal to each other. 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 전방 베어링(210)은 상기 회전축(200) 상에서 상기 임펠러(300)와 인접한 위치로 배치되어 상기 회전축(200)을 축 지지하고, 상기 후방 베어링(220)은 상기 회전축(200) 상에서 상기 전동기(400)를 중심으로 상기 전방 베어링(210)과 대향하는 위치에서 예압 스프링(230)에 의해 축 지지되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치. The method according to claim 1,
The front bearing 210 is disposed in a position adjacent to the impeller 300 on the rotation shaft 200 to support the rotation shaft 200, and the rear bearing 220 is disposed on the rotation shaft 200 by the electric motor ( The axial load canceling device of a centrifugal compressor, characterized in that the shaft is supported by a preload spring 230 at a position opposite to the front bearing 210 with a center of 400). 삭제delete
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