KR102344394B1 - Magnetic bearing for turbo machine using a high density fluid - Google Patents

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Abstract

본 발명은 헤테로폴라형 자기 베어링 구조에 관한 것으로, 고정자 철심과, 상기 고정자 철심의 내 측면에 일정 간격으로 배치되는 복수의 고정자 치형들과, 상기 복수의 고정자 치형들 각각에 코일을 감아 형성된 복수의 상권선들을 포함하는 고정자; 상기 복수의 고정자 치형들에서 발생하는 자력을 통해 비 접촉 운동하는 회전자; 및 상기 고정자와 회전자 사이에 배치되어, 상기 회전 운동하는 회전자의 외측에 존재하는 고밀도 유체가 상기 복수의 고정자 치형들 사이에 형성된 복수의 공간으로 유입되는 것을 차단하는 유체 차단막을 포함한다.The present invention relates to a heteropolar magnetic bearing structure. a stator comprising phase windings; a rotor that moves in a non-contact manner through magnetic force generated from the plurality of stator teeth; and a fluid blocking film disposed between the stator and the rotor to block the high-density fluid existing outside the rotating rotor from flowing into a plurality of spaces formed between the plurality of stator teeth.

Description

고밀도 유체를 사용하는 터보기기용 자기 베어링{MAGNETIC BEARING FOR TURBO MACHINE USING A HIGH DENSITY FLUID}Magnetic bearings for turbomachinery using high-density fluids

본 발명은 자기 베어링 구조에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 복잡한 자기 베어링 구조에서 작동하는 고밀도 유체에 의해 야기되는 축 제어의 불안정성을 완화시킬 수 있는 자기 베어링 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a magnetic bearing structure, and more particularly, to a magnetic bearing structure capable of alleviating the instability of shaft control caused by a high-density fluid operating in a complex magnetic bearing structure.

일반적으로 복합 화력 발전 시스템은 가스터빈의 출구 온도가 500℃ 내지 600℃로 높게 유지되므로, 이러한 고온의 폐열을 이용하여 유용한 일을 만들어 내고자 증기 랭킨 사이클을 도입하였다. 하지만, 증기 랭킨 사이클은 우수한 열 효율에도 불구하고 터빈에서 증기가 팽창할 때, 터빈 날개의 부식과 증기 터빈을 비롯한 열 교환기의 커다란 부피가 문제로 제기되었다. 이에 따라, 증기를 이용하는 랭킨 사이클이 아닌 이산화탄소(CO2)를 작동 유체로 하는 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클에 대한 연구가 진행되고 있다.In general, since the combined thermal power plant system maintains the outlet temperature of the gas turbine as high as 500° C. to 600° C., the steam Rankine cycle was introduced to create useful work using this high-temperature waste heat. However, despite the excellent thermal efficiency of the steam Rankine cycle, when steam expands in the turbine, corrosion of the turbine blades and the large volume of the heat exchanger including the steam turbine are problematic. Accordingly, research on the supercritical carbon dioxide Brayton cycle using carbon dioxide (CO 2 ) as a working fluid rather than the Rankine cycle using steam is being conducted.

이러한 초임계 이산화탄소 브레이튼 사이클과 같은 고밀도 유체 환경에서 초고속 회전운동에 대해 밀폐를 유지하고 작은 사이즈를 유지하며 축을 지지하는 방법은 자기 베어링(magnetic bearing)을 사용하는 것이다. 자기 베어링은 전자석을 이용하기 때문에 추가적인 윤활유 및 윤활 시스템이 요구되지 않아 윤활 베어링에 비해 작고 간단한 구성과 밀폐성을 유지할 수 있다. 또한, 자기 베어링은 가스 포일 베어링에 비해 높은 축 부양력을 가지고 있어 고 중량 축의 초고속 회전 운동에 사용하기 적합하다.A method of maintaining a seal, maintaining a small size, and supporting the shaft against high-speed rotational motion in a high-density fluid environment such as the supercritical carbon dioxide Brayton cycle is to use a magnetic bearing. Because magnetic bearings use electromagnets, additional lubricating oil and lubrication systems are not required, so they can maintain a compact and simple configuration and sealability compared to lubricated bearings. In addition, magnetic bearings have higher axial buoyancy compared to gas foil bearings, so they are suitable for high-speed rotational motion of high-weight shafts.

자기 베어링은 회전자(rotor)와 상기 회전자를 둘러싸고 이를 자력으로 비 접촉 지지하는 고정자(stator)로 구성되며 전자석 원리를 통해 회전자 위치를 제어하는 장치이다. 여기서, 고정자는 회전자를 둘러싸도록 원주 방향으로 배치된 복수의 자극부를 갖는다. 복수의 자극부로부터 고속 회전 중인 회전축에 자속을 통해 전자(電磁) 흡인력으로 회전자를 부상시켜 비 접촉으로 지지한다. The magnetic bearing is composed of a rotor and a stator that surrounds the rotor and supports the rotor in a non-contact manner by magnetic force, and is a device that controls the position of the rotor through an electromagnet principle. Here, the stator has a plurality of magnetic poles arranged in the circumferential direction so as to surround the rotor. The rotor is levitated by electromagnetic attraction force through magnetic flux from the plurality of magnetic pole parts to the rotating shaft rotating at high speed, and is supported in a non-contact manner.

이러한 자기 베어링 구조에는 헤테로폴라형(hetero-polar type) 구조와 호모폴라형(homo-polar type) 구조가 있다. 헤테로폴라형 구조는 축 표면에 수직으로 배치된 자기장이 축을 부양하도록 전자석이 축에 수직하게 배치되어 있는 자기 베어링 구조이다. 상기 헤테로폴라형 구조는 작은 사이즈를 유지할 수 있고 제작하기가 용이하기 때문에 가장 일반적으로 채용되는 자극 형상의 베어링 구조이다.The magnetic bearing structure includes a hetero-polar type structure and a homo-polar type structure. The heteropolar structure is a magnetic bearing structure in which an electromagnet is disposed perpendicular to the shaft so that a magnetic field disposed perpendicular to the shaft surface lifts the shaft. The heteropolar structure is the most commonly employed pole-shaped bearing structure because it can maintain a small size and is easy to manufacture.

도 1은 종래 기술에 따른 헤테로폴라형 자기 베어링 구조를 나타내는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 헤테로폴라형 자기 베어링(100)은 원통 형상을 갖는 회전자(110)와 상기 회전자(110)를 둘러싸고 이를 자력으로 비 접촉 지지하는 고정자(120)로 구성된다. 여기서, 고정자(120)는 회전자(110)의 형상에 대응하는 고정자 철심(stator core, 121)과, 상기 고정자 철심(121)의 내 측면으로부터 회전자(110)의 축 방향으로 연장되어 형성되는 복수의 고정자 치형들(123)과, 상기 복수의 고정자 치형들(123)에 코일을 감아 형성된 복수의 상권선들(125)을 포함한다.1 is a view showing a heteropolar type magnetic bearing structure according to the prior art. As shown in FIG. 1 , the heteropolar magnetic bearing 100 includes a rotor 110 having a cylindrical shape and a stator 120 that surrounds the rotor 110 and supports it in non-contact with magnetic force. Here, the stator 120 has a stator core 121 corresponding to the shape of the rotor 110 and is formed extending from the inner side of the stator core 121 in the axial direction of the rotor 110 . It includes a plurality of stator teeth 123 and a plurality of phase windings 125 formed by winding a coil around the plurality of stator teeth 123 .

이러한 헤테로폴라형 자기 베어링(100)을 고밀도 유체 환경에 적용하기 위해서는 축 주변 유동의 안정성이 보장되어야 한다. 그런데, 도 2에 도시된 바와 같이, 고밀도 유체 환경에서의 자기 베어링 회전 운동 시, 복잡한 자기 베어링 구조에서 작동하는 고밀도 유체(130)의 와류((渦流) 및 복잡한 유동에 의해 높은 유체력이 발생하게 되고, 그에 따라 자기 베어링의 축 제어가 불안정해지는 문제가 있다. 따라서, 자기 베어링의 안정적인 축 제어를 위해서는 축 운동의 불안정한 요소를 배제할 필요가 있다.In order to apply the heteropolar magnetic bearing 100 to a high-density fluid environment, the stability of the flow around the shaft must be ensured. However, as shown in FIG. 2 , when the magnetic bearing rotates in a high-density fluid environment, high fluid force is generated by the vortex and complex flow of the high-density fluid 130 operating in a complex magnetic bearing structure. Therefore, there is a problem in that the shaft control of the magnetic bearing becomes unstable, so it is necessary to exclude an unstable element of the shaft motion for the stable shaft control of the magnetic bearing.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 복잡한 자기 베어링 구조에서 작동하는 고밀도 유체의 와류 현상 및 복잡한 유동에 의해 야기되는 축 제어의 불안전성을 완화시킬 수 있는 자기 베어링을 제공함에 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention aims to solve the above and other problems. Another object of the present invention is to provide a magnetic bearing capable of alleviating the instability of shaft control caused by the vortex phenomenon and the complicated flow of a high-density fluid operating in a complex magnetic bearing structure.

또 다른 목적은 복수의 고정자 치형들의 단부에 장착되고 회전자를 둘러싸도록 원주 방향으로 연장되어 형성되는 유체 차단막을 갖는 자기 베어링을 제공함에 있다.Another object is to provide a magnetic bearing having a fluid barrier film mounted on the ends of a plurality of stator teeth and extending in a circumferential direction to surround a rotor.

또 다른 목적은 서로 인접하여 배치되는 고정자 치형들의 단부 사이에 배치되어 고밀도 유체의 유동을 차단하는 유체 차단막을 갖는 자기 베어링을 제공함에 있다.Another object is to provide a magnetic bearing having a fluid barrier film disposed between the ends of the stator teeth disposed adjacent to each other to block the flow of a high-density fluid.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 고정자 철심과, 상기 고정자 철심의 내 측면에 일정 간격으로 배치되는 복수의 고정자 치형들과, 상기 복수의 고정자 치형들 각각에 코일을 감아 형성된 복수의 상권선들을 포함하는 고정자; 상기 복수의 고정자 치형들에서 발생하는 자력을 통해 비 접촉 운동하는 회전자; 및 상기 고정자와 회전자 사이에 배치되어, 상기 회전 운동하는 회전자의 외측에 존재하는 고밀도 유체가 상기 복수의 고정자 치형들 사이에 형성된 복수의 공간으로 유입되는 것을 차단하는 유체 차단막을 포함하는 자기 베어링을 제공한다.According to one aspect of the present invention to achieve the above or other objects, a stator iron core, a plurality of stator teeth disposed at regular intervals on the inner side of the stator iron core, and a coil wound around each of the plurality of stator teeth a stator including a plurality of phase windings formed; a rotor that moves in a non-contact manner through magnetic force generated from the plurality of stator teeth; and a fluid barrier film disposed between the stator and the rotor to block a high-density fluid existing outside the rotating rotor from flowing into a plurality of spaces formed between the plurality of stator teeth. provides

좀 더 바람직하게는, 상기 유체 차단막은 복수의 고정자 치형들의 단부면에 장착되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 유체 차단막은 회전자로부터 일정 거리만큼 이격된 상태에서 해당 회전자를 둘러싸도록 원주 방향으로 연장되어 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 유체 차단막은 내부가 개방된 원통 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 유체 차단막은 회전자의 지름보다 크고, 고정자 철심의 지름보다 작은 지름을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다. More preferably, the fluid barrier is mounted on the end face of the plurality of stator teeth. In addition, the fluid blocking film is characterized in that it is formed extending in the circumferential direction to surround the rotor in a state spaced apart by a predetermined distance from the rotor. In addition, the fluid barrier film is characterized in that it is formed in an open cylindrical shape. In addition, the fluid barrier film is characterized in that it is formed to have a diameter larger than the diameter of the rotor and smaller than the diameter of the stator core.

좀 더 바람직하게는, 상기 유체 차단막은 각 고정자 치형의 단부와 그 인접 고정자 치형의 단부 사이에 장착되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 유체 차단막은 평평한 플레이트 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 유체 차단막은 각 고정자 치형의 단부면과 동일한 곡률 반경을 갖는 플레이트 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 유체 차단막의 개수는 복수의 고정자 치형들의 개수에 대응하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 유체 차단막은 비자화성 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 유체 차단막은 규소(Si) 계열 물질로 형성되는 것을 특징으로 한다. More preferably, the fluid barrier is mounted between the end of each stator tooth and the end of its adjacent stator tooth. In addition, the fluid barrier film is characterized in that it is formed in a flat plate shape. In addition, the fluid barrier film is characterized in that it is formed in a plate shape having the same radius of curvature as the end surface of each stator tooth. In addition, the number of the fluid barrier film is characterized in that it corresponds to the number of the plurality of stator teeth. In addition, the fluid barrier film is characterized in that it is formed of a non-magnetic material. In addition, the fluid barrier layer is characterized in that it is formed of a silicon (Si)-based material.

본 발명의 실시 예들에 따른 자기 베어링의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.The effect of the magnetic bearing according to the embodiments of the present invention will be described as follows.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 복수의 고정자 치형들의 단부면에 설치된 원통 형상의 유체 차단막을 구비함으로써, 복잡한 고정자 치형 구조로 인해 야기되는 고밀도 유체의 와류 현상 및 복잡한 유동을 제거할 수 있고 그에 따라 축 제어의 불안정성을 완화시킬 수 있다는 장점이 있다.According to at least one of the embodiments of the present invention, by providing a cylindrical fluid barrier film installed on the end surface of the plurality of stator teeth, it is possible to eliminate the vortex phenomenon and complicated flow of the high-density fluid caused by the complex stator tooth structure. Accordingly, there is an advantage that the instability of the axis control can be alleviated.

또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 각 고정자 치형의 단부와 그 인접 고정자 치형의 단부 사이에 설치된 유체 차단막을 구비함으로써, 복잡한 고정자 치형 구조로 인해 야기되는 고밀도 유체의 와류 현상 및 복잡한 유동을 제거할 수 있고 그에 따라 축 제어의 불안정성을 완화시킬 수 있다는 장점이 있다.In addition, according to at least one of the embodiments of the present invention, by providing a fluid barrier film installed between the end of each stator tooth and the end of the adjacent stator tooth, the vortex phenomenon and complicated flow of the high-density fluid caused by the complex stator tooth structure It has the advantage that it can eliminate the instability of the axis control.

다만, 본 발명의 실시 예들에 따른 자기 베어링이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the effects that can be achieved by the magnetic bearing according to the embodiments of the present invention are not limited to those mentioned above, and other effects not mentioned above can be obtained from common knowledge in the technical field to which the present invention belongs from the description below. It will be clearly understood by those who have it.

도 1은 종래 기술에 따른 헤테로폴라형 자기 베어링 구조를 나타내는 도면;
도 2는 도 1의 자기 베어링 구조에서 발생하는 고밀도 유체의 불안정한 순환 유동을 나타내는 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 베어링 구조를 나타내는 도면;
도 4는 도 3의 자기 베어링 구조에 사용되는 유체 차단막의 구성을 나타내는 도면;
도 5는 도 3의 자기 베어링 구조에서 발생하는 고밀도 유체의 유동을 나타내는 도면;
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자기 베어링 구조를 나타내는 도면;
도 7은 도 6의 자기 베어링 구조에 사용되는 유체 차단막의 구성을 나타내는 도면;
도 8은 종래 기술에 따른 자기 베어링 구조에서 발생하는 유체력과 본 실시 예에 따른 자기 베어링 구조에서 발생하는 유체력을 비교한 결과를 나타내는 도면.1 is a view showing a heteropolar type magnetic bearing structure according to the prior art;
Fig. 2 is a view showing an unstable circulating flow of a high-density fluid generated in the magnetic bearing structure of Fig. 1;
3 is a view showing a magnetic bearing structure according to an embodiment of the present invention;
Fig. 4 is a view showing the configuration of a fluid barrier film used in the magnetic bearing structure of Fig. 3;
FIG. 5 is a view showing a flow of a high-density fluid occurring in the magnetic bearing structure of FIG. 3;
6 is a view showing a magnetic bearing structure according to another embodiment of the present invention;
Fig. 7 is a view showing the configuration of a fluid barrier film used in the magnetic bearing structure of Fig. 6;
8 is a view showing a result of comparing the fluid force generated in the magnetic bearing structure according to the prior art with the fluid force generated in the magnetic bearing structure according to the present embodiment.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Hereinafter, the embodiments disclosed in the present specification will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar components are assigned the same reference numbers regardless of reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. In addition, in describing the embodiments disclosed in the present specification, if it is determined that detailed descriptions of related known technologies may obscure the gist of the embodiments disclosed in this specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in the present specification, and the technical idea disclosed herein is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and scope of the present invention , should be understood to include equivalents or substitutes.

본 발명은 복잡한 자기 베어링 구조에서 작동하는 고밀도 유체의 와류 현상 및 복잡한 유동에 의해 야기되는 축 제어의 불안전성을 완화시킬 수 있는 자기 베어링을 제안한다. 또한, 본 발명은 복수의 고정자 치형들의 단부에 장착되고 회전자를 둘러싸도록 원주 방향으로 연장되어 형성되는 유체 차단막을 갖는 자기 베어링을 제안한다. 또한, 본 발명은 서로 인접하여 배치되는 고정자 치형들의 단부 사이에 배치되어 고밀도 유체의 유동을 차단하는 유체 차단막을 갖는 자기 베어링을 제안한다. The present invention proposes a magnetic bearing capable of alleviating the instability of shaft control caused by the vortex phenomenon and complicated flow of a high-density fluid operating in a complex magnetic bearing structure. Further, the present invention proposes a magnetic bearing having a fluid barrier film mounted on the ends of a plurality of stator teeth and extending in a circumferential direction to surround the rotor. In addition, the present invention proposes a magnetic bearing having a fluid barrier film disposed between the ends of the stator teeth disposed adjacent to each other to block the flow of a high-density fluid.

이하에서는, 본 발명의 다양한 실시 예들에 대하여, 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 베어링 구조를 나타내는 도면이다.3 is a view showing a magnetic bearing structure according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 베어링(200)은 원통 형상을 갖는 회전자(210)와, 상기 회전자(210)를 둘러싸고 이를 자력으로 비 접촉 지지하는 고정자(220)와, 상기 회전자(210)와 고정자(220) 사이에 배치되는 유체 차단막(230)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the magnetic bearing 200 according to an embodiment of the present invention includes a rotor 210 having a cylindrical shape, and a stator 220 that surrounds the rotor 210 and supports the rotor 210 in a non-contact manner with magnetic force. and a fluid blocking film 230 disposed between the rotor 210 and the stator 220 .

회전자(또는 회전축, 210)는 자성 재료를 이용하여 원통형으로 형성되며, 예를 들면 고속 회전하는 터보 압축기나 극저온 회전 기계, 터보 차저(turbo charger), 플라이 휠(fly wheel) 등에 사용된다. 이러한 회전자에는 적층 강판을 이용한 적층형의 회전자와 솔리드형의 회전자가 있다.The rotor (or the rotating shaft, 210 ) is formed in a cylindrical shape using a magnetic material, and is used, for example, in a high-speed rotating turbocompressor, a cryogenic rotating machine, a turbocharger, a flywheel, or the like. Such a rotor includes a laminated type rotor and a solid type rotor using a laminated steel sheet.

고정자(220)는 고정자 철심(221)과, 상기 고정자 철심(221)의 내 측면에 일정 간격으로 배치되는 복수의 고정자 치형들(223)과, 상기 복수의 고정자 치형들(223)에 코일을 감아 형성된 복수의 상권선들(225)을 포함한다.The stator 220 includes a stator core 221, a plurality of stator teeth 223 disposed at regular intervals on the inner side of the stator core 221, and a coil wound around the plurality of stator teeth 223. It includes a plurality of phase windings 225 formed.

고정자 철심(221)은 회전자(210)의 형상에 대응하는 원통형으로 형성될 수 있다. 상기 고정자 철심(221)은 회전자(210)로부터 일정거리만큼 이격되어 배치되며, 상기 회전자(210)를 둘러싸도록 형성될 수 있다. 이는 고정자(220)에서 발생하는 자속(magnetic flux)을 회전자(210)의 축 방향으로 집중시키기 위함이다. The stator core 221 may be formed in a cylindrical shape corresponding to the shape of the rotor 210 . The stator iron core 221 may be disposed to be spaced apart from the rotor 210 by a predetermined distance, and may be formed to surround the rotor 210 . This is to concentrate magnetic flux generated in the stator 220 in the axial direction of the rotor 210 .

복수의 고정자 치형들(223)은 고정자 철심(221)의 내 측면으로부터 회전자(210)의 축 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 이때, 상기 복수의 고정자 치형들(223)은 고정자 철심(221)과 동일한 재질로 형성될 수 있다.The plurality of stator teeth 223 may be formed to extend from an inner side surface of the stator core 221 in the axial direction of the rotor 210 . In this case, the plurality of stator teeth 223 may be formed of the same material as the stator core 221 .

각각의 고정자 치형(223)은 서로 대칭되는(즉, 동일한) 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 각각의 고정자 치형(223)은 고정자 철심(221)의 내 측면 상에서 서로 일정 거리만큼 균등하게 이격되어 배치될 수 있다. Each of the stator teeth 223 may be formed to have a shape that is symmetrical (ie, identical) to each other. Also, each of the stator teeth 223 may be equally spaced apart from each other by a predetermined distance on the inner side of the stator core 221 .

각 고정자 치형(223)의 단부는 유체 차단막(230)의 외주면에 대응하는 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 각 고정자 치형(223)의 단부는 곡면 형상, 좀 더 구체적으로는 원주면 형상으로 형성될 수 있다. 이는 복수의 고정자 치형들(223)의 단부에 유체 차단막(230)을 장착(설치)하기 위함이다.An end of each stator tooth 223 may be formed in a shape corresponding to the outer circumferential surface of the fluid barrier film 230 . That is, the end of each stator tooth 223 may be formed in a curved shape, more specifically, a circumferential shape. This is to mount (install) the fluid barrier film 230 at the ends of the plurality of stator teeth 223 .

복수의 상권선들(225)은 고정자 치형들(223)의 몸체(body) 상에 코일을 감아 형성될 수 있다. 이때, 상기 고정자 치형들(223)의 상권선들(225) 간에는 미리 결정된 위상 차이를 갖도록 형성될 수 있다. The plurality of phase windings 225 may be formed by winding a coil on the body of the stator teeth 223 . In this case, the phase windings 225 of the stator teeth 223 may be formed to have a predetermined phase difference.

각각의 상권선(225)은 서로 동일한 위치에 해당하는 고정자 치형의 몸체 상에서 동일한 횟수만큼 감긴 코일들을 구비할 수 있다. 이는 각각의 고정자 치형(223)에서 발생하는 자속의 크기를 동일하게 하기 위함이다.Each of the phase windings 225 may include coils wound the same number of times on the stator tooth-shaped body corresponding to the same position. This is to make the magnitude of the magnetic flux generated in each stator tooth shape 223 the same.

복수의 상권선들(225)에 소정의 전류를 인가하면, 상기 상권선들(225)이 배치된 복수의 고정자 치형들(223)은 회전축 방향으로 자속을 발생시키는 복수의 자극부를 형성하게 된다. 따라서, 자기 베어링(200)은 복수의 자극부에서 생성되는 자속을 이용하여 회전자(210)를 부양한 상태에서 해당 회전자(210)를 고속 회전시키게 된다. When a predetermined current is applied to the plurality of phase windings 225 , the plurality of stator teeth 223 on which the phase windings 225 are disposed form a plurality of magnetic poles generating magnetic flux in the direction of the rotation axis. Accordingly, the magnetic bearing 200 rotates the corresponding rotor 210 at high speed in a state in which the rotor 210 is levitated by using the magnetic flux generated by the plurality of magnetic pole parts.

유체 차단막(230)은 고정자 철심(221)의 내측에 배열된 복수의 고정자 치형들(223)의 단부에 장착되어, 회전자(210)의 고속 회전 운동으로 인해 상기 회전자(210) 인근에 존재하는 고밀도 유체가 복수의 고정자 치형들(223) 사이의 빈 공간으로 유입되는 현상을 차단할 수 있다. 이때, 상기 유체 차단막(230)은 별도의 체결 부재(미도시)를 통해 복수의 고정자 치형들(223)과 결합되거나 혹은 레이저 용접 공정을 통해 복수의 고정자 치형들(223)과 결합될 수 있다.The fluid barrier film 230 is mounted on the ends of the plurality of stator teeth 223 arranged inside the stator iron core 221 , and is present near the rotor 210 due to the high-speed rotational motion of the rotor 210 . It is possible to block a phenomenon in which the high-density fluid is introduced into the empty space between the plurality of stator teeth 223 . In this case, the fluid blocking film 230 may be coupled to the plurality of stator teeth 223 through a separate fastening member (not shown) or may be coupled to the plurality of stator teeth 223 through a laser welding process.

유체 차단막(230)은 회전자(210)로부터 일정 거리만큼 이격된 상태에서 해당 회전자(210)를 둘러싸도록 원주 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 일 예로, 도 4에 도시된 바와 같이, 유체 차단막(230)은 내부가 개방된 원통 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 유체 차단막(230)은 일정한 두께를 갖도록 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The fluid blocking film 230 may be formed to extend in a circumferential direction to surround the corresponding rotor 210 while being spaced apart from the rotor 210 by a predetermined distance. For example, as shown in FIG. 4 , the fluid barrier layer 230 may be formed in a cylindrical shape with an open inside. In this case, the fluid barrier layer 230 may be formed to have a constant thickness, but is not necessarily limited thereto.

유체 차단막(230)은 고정자(220)에서 발생하는 자기장에 쉽게 자화되지 않는 비자화성 물질(즉, 자화율(magnetic susceptibility)이 낮은 물질)로 형성될 수 있다. 또한, 유체 차단막(230)은 고밀도 유체의 유동에 따른 고압을 충분히 견딜 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 유체 차단막(230)은 탄화규소(SiC) 또는 이산화규소(SiO2) 등과 같은 규소 계열 물질로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The fluid barrier layer 230 may be formed of a non-magnetic material that is not easily magnetized by a magnetic field generated by the stator 220 (ie, a material with low magnetic susceptibility). In addition, the fluid barrier layer 230 may be formed of a material that can sufficiently withstand the high pressure caused by the flow of the high-density fluid. For example, the fluid barrier layer 230 may be formed of a silicon-based material such as silicon carbide (SiC) or silicon dioxide (SiO 2 ), but is not limited thereto.

유체 차단막(230)은 회전자(210)의 지름보다 크고, 고정자 철심(221)의 지름보다 작은 지름(a)을 갖도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 유체 차단막(230) 고정자 철심(221)의 너비와 동일하거나 혹은 더 큰 너비(b)를 갖도록 형성될 수 있다. The fluid blocking film 230 may be formed to have a diameter (a) larger than the diameter of the rotor 210 and smaller than the diameter of the stator core 221 . In addition, the fluid blocking film 230 may be formed to have a width b equal to or greater than that of the stator core 221 .

유체 차단막(230)의 양 측면, 좀 더 바람직하게는 내 측면은 높은 평탄도를 갖도록 형성될 수 있다. 이는 유체 차단막(230)과 고밀도 유체 사이에 발생하는 마찰력을 최소화하기 위함이다.Both side surfaces of the fluid barrier layer 230 , more preferably, inner side surfaces may be formed to have high flatness. This is to minimize the frictional force generated between the fluid barrier layer 230 and the high-density fluid.

유체 차단막(230)은 회전자(210)와 고정자(220) 사이에 배치되어, 상기 회전자(210)의 고속 회전 운동으로 인해 고밀도 유체가 복수의 고정자 치형들(223) 사이에 형성된 복수의 공간으로 유입되어 해당 유체의 와류 및 복잡한 유동에 의한 유체력이 발생하는 것을 차단하는 역할을 수행할 수 있다. The fluid blocking film 230 is disposed between the rotor 210 and the stator 220 , so that a high-density fluid is formed between the plurality of stator teeth 223 due to the high-speed rotational motion of the rotor 210 . It can play a role in preventing the vortex of the corresponding fluid and the generation of fluid force due to complicated flow.

가령, 도 5에 도시된 바와 같이, 회전자(210)와 고정자(220) 사이에 유체 차단막(230)을 설치함으로써, 상기 회전자(210)의 고속 회전 운동에도 불구하고 해당 차단막(230)의 내측에 존재하는 고밀도 유체(240)가 해당 차단막(230)의 외측에 존재하는 복수의 고정자 치형들(223) 사이의 빈 공간으로 유입되는 것을 효과적으로 차단하는 현상을 확인할 수 있다. For example, as shown in FIG. 5 , by installing the fluid blocking film 230 between the rotor 210 and the stator 220 , the blocking film 230 is formed in spite of the high-speed rotation of the rotor 210 . It can be seen that the high-density fluid 240 present inside the blocking film 230 effectively blocks the inflow into the empty space between the plurality of stator teeth 223 present outside the corresponding blocking film 230 .

한편, 본 실시 예에서는, 상술한 유체 차단막(230)이 헤테로폴라형 자기 베어링 구조에 설치되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 상기 유체 차단막(230)이 호모폴라형 자기 베어링 구조에도 적용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.Meanwhile, in the present embodiment, although it is exemplified that the above-described fluid barrier film 230 is installed in a heteropolar type magnetic bearing structure, it is not necessarily limited thereto, and the fluid barrier film 230 is also applied to a homopolar type magnetic bearing structure. It will be apparent to those skilled in the art.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 자기 베어링은 복수의 고정자 치형들의 단부면에 설치된 원통 형상의 유체 차단막을 구비함으로써, 복잡한 고정자 치형 구조로 인해 야기되는 고밀도 유체의 와류 현상 및 복잡한 유동을 제거할 수 있고 그에 따라 축 제어의 불안정성을 완화시킬 수 있다. As described above, the magnetic bearing according to an embodiment of the present invention is provided with a cylindrical fluid barrier film installed on the end surfaces of the plurality of stator teeth. The flow can be eliminated and thus the instability of the shaft control can be alleviated.

도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자기 베어링 구조를 나타내는 도면이다.6 is a view showing a magnetic bearing structure according to another embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자기 베어링(300)은 원통 형상을 갖는 회전자(310)와, 상기 회전자(310)를 둘러싸고 이를 자력으로 비 접촉 지지하는 고정자(320)와, 상기 고정자(220)의 치형들 사이에 배치되는 유체 차단막(330)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 6 , the magnetic bearing 300 according to another embodiment of the present invention includes a rotor 310 having a cylindrical shape, and a stator 320 that surrounds the rotor 310 and supports it in non-contact with magnetic force. and a fluid blocking film 330 disposed between the teeth of the stator 220 .

회전자(310) 및 고정자(320)는 상술한 도 3의 회전자(210) 및 고정자(220)와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다. 이하에서는, 도 3에 도시된 유체 차단막(230)과 다른 형상을 갖는 유체 차단막(330)에 대해 상세히 설명하도록 한다. Since the rotor 310 and the stator 320 are the same as the rotor 210 and the stator 220 of FIG. 3 described above, a detailed description thereof will be omitted. Hereinafter, the fluid barrier film 330 having a shape different from that of the fluid barrier film 230 shown in FIG. 3 will be described in detail.

유체 차단막(330)은 고정자 철심(321)의 내 측면에 형성된 각 고정자 치형(323)의 단부와 그 인접 고정자 치형(323)의 단부 사이에 장착될 수 있다. 좀 더 구체적으로, 상기 유체 차단막(330)은 각 고정자 치형(323)의 일 측면 상단과 그 인접 고정자 치형(323)의 일 측면 상단 사이에 장착될 수 있다. 이에 따라, 유체 차단막(330)은 회전자(310)의 고속 회전 운동으로 인해 해당 회전자(310)의 외측에 존재하는 고밀도 유체가 복수의 고정자 치형들(323) 사이의 빈 공간으로 유입되는 현상을 차단할 수 있다. 이때, 상기 유체 차단막(330)은 별도의 체결 부재(미도시)를 통해 복수의 고정자 치형들(323)과 결합되거나 혹은 레이저 용접 공정을 통해 복수의 고정자 치형들(323)과 결합될 수 있다.The fluid barrier film 330 may be mounted between the end of each stator tooth 323 formed on the inner side surface of the stator core 321 and the end of the adjacent stator tooth 323 . More specifically, the fluid barrier film 330 may be mounted between the upper end of one side of each stator tooth 323 and the upper end of one side of the adjacent stator tooth 323 . Accordingly, the fluid blocking film 330 is a phenomenon in which the high-density fluid existing outside the rotor 310 flows into the empty space between the plurality of stator teeth 323 due to the high-speed rotational motion of the rotor 310 . can block In this case, the fluid blocking film 330 may be coupled to the plurality of stator teeth 323 through a separate fastening member (not shown) or may be coupled to the plurality of stator teeth 323 through a laser welding process.

유체 차단막(330)은 회전자(310)로부터 일정 거리만큼 이격된 상태에서 복수의 고정자 치형들(323)의 단부와 함께 해당 회전자(310)를 둘러싸도록 상기 고정자 치형들(323)의 단부로부터 원주 방향으로 연장되어 형성될 수 있다. 여기서, 고정자(320)에 설치된 유체 차단막(330)의 개수는 복수의 고정자 치형들(323)의 개수에 대응한다.The fluid blocking film 330 is spaced apart from the rotor 310 by a predetermined distance and surrounds the rotor 310 together with the ends of the plurality of stator teeth 323 from the ends of the stator teeth 323 . It may be formed to extend in the circumferential direction. Here, the number of the fluid barrier films 330 installed on the stator 320 corresponds to the number of the plurality of stator teeth 323 .

일 실시 예로, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 유체 차단막(330)은 평평한 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 다른 실시 예로, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 유체 차단막(330)은 각 고정자 치형(323)의 단부면과 동일한 곡률 반경을 갖는 플레이트 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 상기 유체 차단막(330)은 일정한 두께를 갖도록 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.As an embodiment, as shown in (a) of FIG. 7 , the fluid barrier layer 330 may be formed in a flat plate shape. In another embodiment, as shown in FIG. 7B , the fluid barrier film 330 may be formed in a plate shape having the same radius of curvature as the end surface of each stator tooth 323 . In this case, the fluid barrier layer 330 may be formed to have a constant thickness, but is not necessarily limited thereto.

유체 차단막(330)은 고정자(320)에서 발생하는 자기장에 쉽게 자화되지 않는 비자화성 물질로 형성될 수 있다. 또한, 유체 차단막(330)은 고밀도 유체의 유동에 따른 고압을 충분히 견딜 수 있는 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 상기 유체 차단막(330)은 탄화규소(SiC) 또는 이산화규소(SiO2) 등과 같은 규소 계열 물질로 형성될 수 있으며 반드시 이에 제한되지는 않는다.The fluid barrier layer 330 may be formed of a non-magnetic material that is not easily magnetized by a magnetic field generated by the stator 320 . In addition, the fluid barrier layer 330 may be formed of a material that can sufficiently withstand the high pressure caused by the flow of the high-density fluid. For example, the fluid barrier layer 330 may be formed of a silicon-based material such as silicon carbide (SiC) or silicon dioxide (SiO 2 ), but is not necessarily limited thereto.

유체 차단막(330)의 양 측면, 좀 더 바람직하게는 내 측면은 우수한 평탄도를 갖도록 형성될 수 있다. 이는 유체 차단막(330)과 고밀도 유체 사이에 발생하는 마찰력을 최소화하기 위함이다.Both side surfaces of the fluid barrier layer 330 , more preferably, the inner side surfaces may be formed to have excellent flatness. This is to minimize the frictional force generated between the fluid barrier layer 330 and the high-density fluid.

유체 차단막(330)은 고정자(320)의 치형들 사이에 배치되어, 회전자(310)의 고속 회전 운동으로 인해 고밀도 유체가 복수의 고정자 치형들(323) 사이에 형성된 복수의 공간으로 유입되어 해당 유체의 와류 및 복잡한 유동에 의한 유체력이 발생하는 것을 차단하는 역할을 수행할 수 있다. The fluid barrier film 330 is disposed between the teeth of the stator 320 , and the high-density fluid flows into the plurality of spaces formed between the plurality of stator teeth 323 due to the high-speed rotational motion of the rotor 310 , and the corresponding It can play a role in blocking the generation of fluid force due to the vortex of the fluid and the complicated flow.

한편, 본 실시 예에서는, 상술한 유체 차단막(330)이 헤테로폴라형 자기 베어링 구조에 설치되는 것을 예시하고 있으나 반드시 이에 제한되지는 않으며, 상기 유체 차단막(330)이 호모폴라형 자기 베어링 구조에도 적용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.Meanwhile, in the present embodiment, the above-described fluid barrier film 330 is installed in the heteropolar magnetic bearing structure, but is not necessarily limited thereto, and the fluid barrier film 330 is also applied to the homopolar magnetic bearing structure. It will be apparent to those skilled in the art.

이상 상술한 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자기 베어링은 각 고정자 치형의 단부와 그 인접 고정자 치형의 단부 사이에 설치된 유체 차단막을 구비함으로써, 복잡한 고정자 치형 구조로 인해 야기되는 고밀도 유체의 와류 현상 및 복잡한 유동을 제거할 수 있고 그에 따라 축 제어의 불안정성을 완화시킬 수 있다.As described above, the magnetic bearing according to another exemplary embodiment of the present invention includes a fluid barrier film installed between an end of each stator tooth and an end of an adjacent stator tooth, so that a high-density fluid vortex caused by a complex stator tooth structure The phenomenon and complicated flow can be eliminated, and the instability of the axis control can be alleviated accordingly.

도 8은 종래 기술에 따른 자기 베어링 구조에서 발생하는 유체력(lubrication force)과 본 실시 예에 따른 자기 베어링 구조에서 발생하는 유체력을 비교한 결과를 나타내는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 유체 차단막이 없는 자기 베어링 구조에서 동작하는 고밀도 유체에 의해 발생하는 유체력은 세기가 상당히 크고 그 범위가 넓어 규칙성이 뚜렷하지 않음을 확인할 수 있다. 이에 반해, 유체 차단막을 갖는 자기 베어링 구조에서 동작하는 고밀도 유체에 의해 발생하는 유체력은 세기가 상대적으로 작고 그 범위가 좁아 규칙성이 뚜렷함을 확인할 수 있다. 따라서, 축 제어의 불안정성을 상시적으로 야기하는 고밀도 유체 환경에서는 본 실시 예에 따른 유체 차단막을 갖는 자기 베어링 구조가 유용함을 확인할 수 있다.8 is a view showing a comparison result of a fluid force generated in the magnetic bearing structure according to the prior art and the fluid force generated in the magnetic bearing structure according to the present embodiment. As shown in FIG. 8 , it can be seen that the fluid force generated by the high-density fluid operating in the magnetic bearing structure without a fluid barrier has a fairly large intensity and a wide range, so that the regularity is not clear. On the other hand, it can be seen that the fluid force generated by the high-density fluid operating in the magnetic bearing structure having the fluid barrier film has a relatively small intensity and a narrow range, so that the regularity is clear. Therefore, it can be confirmed that the magnetic bearing structure having the fluid barrier film according to the present embodiment is useful in a high-density fluid environment that constantly causes instability of shaft control.

한편 이상에서는 본 발명의 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Meanwhile, although specific embodiments of the present invention have been described above, various modifications are possible without departing from the scope of the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the described embodiments, and should be defined by the following claims as well as the claims and equivalents.

200/300: 자기 베어링 210/310: 회전자
220/320: 고정자 221/321: 고정자 철심
223/323: 고정자 치형 225/325: 상권선
230/330: 유체 차단막200/300: magnetic bearing 210/310: rotor
220/320: stator 221/321: stator iron core
223/323: stator teeth 225/325: phase winding
230/330: fluid barrier

Claims (11)

고정자 철심과, 상기 고정자 철심의 내 측면에 일정 간격으로 배치되는 복수의 고정자 치형들과, 상기 복수의 고정자 치형들 각각에 코일을 감아 형성된 복수의 상권선들을 포함하는 고정자;
상기 복수의 고정자 치형들에서 발생하는 자력을 통해 비 접촉 운동하는 회전자; 및
상기 고정자와 회전자 사이에 배치되어, 회전 운동하는 상기 회전자의 외측에 존재하는 고밀도 유체가 상기 복수의 고정자 치형들 사이에 형성된 복수의 공간으로 유입되는 것을 차단하는 복수의 유체 차단막을 포함하되,
상기 복수의 유체 차단막은 각 고정자 치형의 단부와 그 인접 고정자 치형의 단부 사이에 장착되고,
상기 복수의 유체 차단막의 개수는 상기 복수의 고정자 치형들의 개수에 대응하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.a stator comprising a stator core, a plurality of stator teeth disposed at regular intervals on an inner side surface of the stator core, and a plurality of phase windings formed by winding a coil around each of the plurality of stator teeth;
a rotor that moves in a non-contact manner through magnetic force generated from the plurality of stator teeth; and
A plurality of fluid blocking films disposed between the stator and the rotor to block the high-density fluid existing outside the rotating rotor from flowing into a plurality of spaces formed between the plurality of stator teeth,
wherein the plurality of fluid barriers are mounted between an end of each stator tooth and an end of an adjacent stator tooth;
and the number of the plurality of fluid barrier films corresponds to the number of the plurality of stator teeth. 제1항에 있어서,
상기 복수의 유체 차단막은, 체결 부재를 통해 상기 복수의 고정자 치형들과 결합되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.According to claim 1,
The plurality of fluid barriers are coupled to the plurality of stator teeth through a fastening member. 제1항에 있어서,
상기 복수의 유체 차단막은, 레이저 용접 공정을 통해 상기 복수의 고정자 치형들과 결합되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.According to claim 1,
The plurality of fluid barriers are coupled to the plurality of stator teeth through a laser welding process. 제1항에 있어서,
각각의 유체 차단막은 평평한 플레이트 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.According to claim 1,
A magnetic bearing, characterized in that each of the fluid barrier films is formed in a flat plate shape. 제1항에 있어서,
각각의 유체 차단막은 각 고정자 치형의 단부면과 동일한 곡률 반경을 갖는 플레이트 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.According to claim 1,
Each of the fluid barrier films is formed in the shape of a plate having the same radius of curvature as the end face of each stator tooth. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 복수의 유체 차단막은 비자화성 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.According to claim 1,
The magnetic bearing, characterized in that the plurality of fluid barriers are formed of a non-magnetic material. 제10항에 있어서,
상기 복수의 유체 차단막은 규소(Si) 계열 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.11. The method of claim 10,
The magnetic bearing, characterized in that the plurality of fluid barrier layers are formed of a silicon (Si)-based material.
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