KR102426608B1 - 에어 포일 베어링 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로, 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서, 상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트(702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)을 포함하며, 상기 에어 포일 베어링이 삽입되는 하우징에는 상기 플레이트(702)를 향하는 판면에 홈(210)이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 스프링 플레이트를 적용함으로써 단일 베어링으로 이중 강성을 구현해 하중 지지력을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 에어포일 베어링과 스프링 플레이트 간 마찰 및 점성 댐핑 추가로 댐핑력이 향상되는 효과가 있다.

Description

에어 포일 베어링{Air foil bearing}
본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하중 지지력과 마모에 대한 내성이 향상된 에어 포일 베어링에 관한 것이다.
베어링은 회전축을 일정한 위치에 고정시키고, 축의 자중과 축에 걸리는 하중을 지지하면서 축을 회전 가능하게 지지하는 기계 요소이다. 볼 베어링이나 저널 베어링은 유막을 이용해 축을 지지하는 방식이고, 포일 베어링은 탑 포일과 축 사이에 고압의 공기층을 형성하여 축을 지지하는 방식의 베어링이다.
에어 포일 베어링은 로터가 고속 회전할 때 로터 또는 베어링 디스크와 접하는 포일 사이에 점성을 갖는 유체인 공기가 유입되어 압력을 형성함으로써 축 하중을 지지한다.
에어 포일 베어링은 고속으로 회전하는 회전축을 지지하는데 효과적이므로, 터보 압축기나 터보 쿨러, 터보 발전기, 공기 블로어 등의 회전기기 내에서 고속으로 회전하는 회전축에 적용할 수 있다.
이러한 에어 포일 베어링의 일 예가 한국특허등록 제1396889호에 개시되어 있다.
일반적으로 에어 포일 베어링은 한 쌍의 원판 형상의 플레이트 사이에 범프 포일 및 탑 포일이 배치되는 구조를 갖는다. 이러한 에어 포일 베어링은 축 방향으로의 지속적인 가진 발생 시 발열에 의해 베어링의 성능이 저하되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 다중 에어 포일 베어링을 사용하기도 하나, 다중 구조는 제조 비용의 상승 폭이 크며, 다중 범프의 정확한 정렬을 위한 조립 공정이 매우 까다롭고 검사가 어려운 문제가 있다.
한국특허등록 제1396889호(등록일: 2015. 05. 13)
본 발명의 목적은 하중 지지력과 댐핑력이 향상된 에어 포일 베어링을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 에어 포일 베어링은, 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서, 상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트(702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)을 포함하며, 상기 에어 포일 베어링이 삽입되는 하우징에는 상기 플레이트(702)를 향하는 판면에 홈(210)이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 홈(210)은 상기 플레이트(702)보다 작은 크기로 형성된 것을 특징으로 한다.
원판 형상의 스프링 플레이트인 백 플레이트(770)를 더 포함한다.
상기 백 플레이트(770)는 상기 플레이트(702)에 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 백 플레이트(770)는 상기 범프 포일(706)이 결합된 판면의 반대쪽 판면에 결합되는 것을 특징으로 한다.
상기 백 플레이트(770)는 상기 플레이트(702)의 크기보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 홈(210)은 상기 백 플레이트(770)보다 작은 것을 특징으로 한다.
상기 홈(210)에 삽입되는 탄성부재(230)를 더 포함한다.
상기 탄성부재(230)는 점탄성 테이프인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링은 스프링 플레이트를 적용함으로써 단일 베어링으로 이중 강성을 구현해 하중 지지력을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 에어포일 베어링과 스프링 플레이트 간 마찰 및 점성 댐핑 추가로 댐핑력이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링이 설치된 예를 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링의 설치 상태를 도시한 모식도,
도 3은 도 2의 A 영역에 따른 작동 상태를 도시한 확대도,
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에어 포일 베어링의 설치 상태를 도시한 모식도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링이 설치된 예를 도시한 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링은 고속으로 회전하는 회전축이 구비된 기계장치에 설치된다. 본 명세서에서는 편의상 공기 블로어(10)에 장착된 블로어 모터(600)의 모터 샤프트(650)를 지지하는데 에어 포일 베어링(700)이 설치된 것을 예로 들어 설명하고자 한다(그러나 이러한 설명은 하나의 실시 예일 뿐, 회전하는 축을 가진 기계장치 어디에 적용되어도 무방하다).
차량용 공기 블로어(10)는 외관을 형성하는 하우징(100)과, 하우징(100)의 전방에 결합되어 공기를 압축하는 임펠러(400)와, 임펠러(400)를 지지하는 임펠러 지지부(200) 및 임펠러 하우징(300)과, 하우징(100)의 후방에 결합되는 리어 커버(500)와, 하우징(100)의 내부에 설치되어 임펠러(400)를 회전 구동시키는 블로어 모터(600)를 포함하여 구성된다(임펠러 지지부는 하우징의 일부 구성이나, 임펠러를 지지하므로 편의상 별도의 번호를 부여함).
임펠러 하우징(300)의 전방 중앙에는 외부 공기가 유입되는 공기 유입구(310)가 형성되고, 전방 양측에는 공기 토출구(330)가 형성된다. 임펠러(400)에 의해 공기 유입구(310)를 통해 흡입된 공기는 임펠러(400)에 의해 압축되어 공기 토출구(330)로 배출된다.
블로어 모터(600)는 하우징(100)의 내측에 삽입된 모터 하우징(600a)에 삽입된다. 블로어 모터(600)는 모터 하우징(600a)의 내주면에 고정되는 스테이터(610)와, 스테이터(610)의 내측에서 회전하는 자성체인 로터(630)와, 로터(630)의 중앙에 하우징(100)의 길이 방향으로 회전 가능하게 설치되는 모터 샤프트(650)를 포함하여 구성된다.
모터 샤프트(650)는 일단이 임펠러(400)의 중공에 결합된 상태에서 임펠러(400)의 후방에 설치되는 트러스트 베어링(thrust bearing, 700) 및 저널 베어링(750)에 의해 하우징(100)의 내측에 회전 가능하게 지지되고, 후방 단부 역시 후방 베어링(800)에 의해 회전 가능하게 지지된다.
이하에서는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어 포일 베어링의 설치 상태를 도시한 모식도이고, 도 3은 도 2의 A 영역에 따른 작동 상태를 도시한 확대도이다.
모터 샤프트(650)의 전방 쪽에는 원판 형상의 트러스트 디스크(700b)가 형성되며, 트러스트 디스크(700b)의 전방 쪽 일면 및 후방 쪽 타면에 인접하여 트러스트 베어링(700)이 삽입된다(도 1 참조).
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 트러스트 베어링(700)은 에어 포일(air foil) 베어링으로, 원판형의 플레이트(702)에 복수의 부채꼴 형상의 범프 포일(706)을 안착시키고 다시 탑 포일(704)로 커버한 형태이다. 트러스트 베어링(700)의 중앙에는 모터 샤프트(650)가 삽입되는 원형의 홀이 형성된다. 모터 샤프트(650)가 트러스트 베어링(700)의 홀에 삽입된 상태에서 범프 포일(706)의 일면은 탑 포일(704)이 트러스트 디스크(652)의 일면과 인접하고 타면은 플레이트(702)에 안착된다.
플레이트(702)는 소정의 두께가 있는 원판 형태로, 중앙에 모터 샤프트(650)가 삽입되는 중공이 형성된다. 플레이트(702) 상에는 범프 포일(706)의 일측이 먼저 용접되고, 범프 포일(706)의 상부에 탑 포일(704)의 일측이 용접된다.
탑 포일(704)은 일단이 플레이트(702)에 고정되고 타단이 플레이트(702)와 이격되어 변형되는 자유단으로 형성된다.
범프 포일(706)은 부채꼴의 판 형태로 형성되며, 탑 포일(704)의 고정단과 자유단의 사이에서 탑 포일(704)과 접촉된다.
한편, 플레이트(702)와 임펠러 지지부(200)의 사이에는 백 플레이트(770)가 구비된다.
백 플레이트(770)는 스프링 플레이트로, 플레이트(702)에 결합되되 범프 포일(706)이 결합된 판면의 반대쪽 판면에 결합될 수 있다. 백 플레이트(770)는 플레이트(702)의 형상에 대응하는 원판 형상이며, 플레이트(702)를 충분히 커버할 수 있는 사이즈로 형성되는 것이 바람직하다.
여기에 추가적으로 임펠러 지지부(220)에는 백 플레이트(770)의 크기 보다는 작고 플레이트(702)의 크기 보다는 큰 홈(210)이 형성된다. 트러스트 베어링(700)과 백 플레이트(770)가 장착되면, 백 플레이트(770)는 홈(210)을 덮게 되며, 백 플레이트(770)와 임펠러 지지부(220) 사이에 홈(210)에 의해 공간이 생기게 된다.
백 플레이트(770)가 플레이트(702)보다 충분히 크게 형성되면, 도 3에 도시된 바와 같이, 모터 샤프트(650)의 축 방향에 따른 압력이 가해질 때 탑 포일(704) 및 범프 포일(706)이 화살표 방향으로 변형된다. 탑 포일(704) 및 범프 포일(706)에 가해지는 압력이 플레이트(702)로 전달된 후, 백 플레이트(770)로 전달된다.
탑 포일(704) 및 범프 포일(706)은 축 방향으로의 탄성 변형이 일어나면서 공기의 유막 효과에 의해 하중 지지력 및 댐핑력이 발생한다. 이와 동시에 플레이트(702)의 판면 방향으로도 마찰에 의한 댐핑 현상인 쿨롱 댐핑(Coulomb damping)이 일어나게 된다.
또한, 백 플레이트(770) 역시 홈(210)에 의해 임펠러 지지부(220)와의 사이에 공간이 있으므로 축 방향으로 탄성 변형을 일으키게 된다. 동시에 백 플레이트(770)와 임펠러 지지부(220)의 접촉면, 플레이트(702)와 백 플레이트(770)의 접촉면에서도 플레이트(702)의 판면 방향을 따라 쿨롱 댐핑이 일어난다. 축 방향 탄성 변형과 함께 쿨롱 댐핑이 발생하므로 트러스트 베어링(700)만 구비될 때보다 댐핑력 및 하중 지지력이 향상되는 효과가 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 에어 포일 베어링의 설치 상태를 도시한 모식도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 전술한 홈(210)에는 점탄성을 갖는 탄성부재(230)가 추가로 삽입될 수 있다. 탄성부재(230)는 점탄성 테이프로 구비될 수 있으며, 축 방향으로의 탄성 변형을 보조하는 역할을 한다.
전술한 실시 예에서는 백 플레이트(770)와 탄성부재(230)가 구비된 것을 설명하였으나, 백 플레이트(770) 없이 홈(210)만 구비된 형태로 구성될 수도 있다.
이 경우 홈(210)은 플레이트(702)의 크기보다 작게 형성되는 것이 바람직하다. 플레이트(702)와 임펠러 지지부(220)의 접촉면에서 쿨롱 댐핑이 발생된다. 플레이트(702)의 경우 판상이므로 축 방향의 압력에 의해 홈(210) 쪽으로 탄성 변형이 일어나게 된다. 또한, 홈(210)에 탄성부재(230)가 추가로 구비되어 축 방향으로의 탄성 변형을 보조할 수 있다. 백 플레이트(770)가 구비되지 않더라도 플레이트(702)만으로 쿨롱 댐핑 및 탄성 변형을 유도할 수 있어 댐핑력 및 하중 지지력이 향상될 수 있다.
전술한 구성에 의해 단일 베어링으로도 마찰에 의한 쿨롱 댐핑 및 축 방향 탄성 변형을 유도할 수 있어 하중 지지력 및 댐핑력이 향상되는 효과가 있다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.
10: 공기 블로어 100: 하우징
200: 임펠러 지지부 210: 홈
230: 탄성부재 300: 임펠러 하우징
310: 공기 유입구 330: 공기 토출구
400: 임펠러 500: 리어 커버
600: 블로어 모터 600a: 모터 하우징
610: 스테이터 630: 로터
650: 모터 샤프트 700: 트러스트 베어링
702: 플레이트 704: 탑 포일
706: 범프 포일 770: 백 플레이트

Claims (9)

  1. 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서,
    상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트(702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)을 포함하며,
    상기 에어 포일 베어링이 삽입되는 하우징에는 상기 플레이트(702)를 향하는 판면에 홈(210)이 형성되고,
    상기 하우징과 상기 플레이트(702) 사이에는 원판 형상의 스프링 플레이트인 백 플레이트(770)가 형성되고,
    상기 백 플레이트(770)는 상기 플레이트(702)의 크기보다 크게 형성되고,
    상기 홈(210)은 상기 백 플레이트(770)보다 작고 상기 플레이트(702)보다 크게 형성되어,
    상기 백 플레이트(770)가 축 방향으로 탄성 변형되고, 상기 플레이트(702)와 상기 백 플레이트(770)의 접촉면 및 상기 백 플레이트(770)와 상기 하우징의 접촉면에서 쿨롱 댐핑이 일어나는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
  2. 회전축을 회전 가능하게 지지하는 에어 포일 베어링(700)에 있어서,
    상기 에어 포일 베어링(700)은, 원판형의 플레이트(702)와, 상기 플레이트(702) 상에 결합되는 복수의 범프 포일(706)과, 상기 범프 포일(706)의 상부에 배치되되 일단이 상기 플레이트(702)에 결합되고 타단이 자유단인 탑 포일(704)을 포함하며,
    상기 에어 포일 베어링이 삽입되는 하우징에는 상기 플레이트(702)를 향하는 판면에 홈(210)이 형성되고,
    상기 홈(210)은 상기 플레이트(702)보다 작은 크기로 형성되어,
    상기 플레이트(702)가 축 방향으로 탄성 변형되고, 상기 플레이트(702)와 상기 하우징의 접촉면에서 쿨롱 댐핑이 일어나는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 백 플레이트(770)는 상기 플레이트(702)의 상기 범프 포일(706)이 결합된 판면의 반대쪽 판면에 결합되는 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 홈(210)에 삽입되는 탄성부재(230)를 더 포함하는 에어 포일 베어링.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탄성부재(230)는 점탄성 테이프인 것을 특징으로 하는 에어 포일 베어링.
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