KR102429302B1

KR102429302B1 - 직선형 능동자기베어링

Info

Publication number: KR102429302B1
Application number: KR1020200112878A
Authority: KR
Inventors: 이학준; 박재현
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2022-08-04
Also published as: KR20220031213A

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 자성체로 이루어진 자성체모듈, 적어도 하나의 자성체 사이에 위치하는 코일고정부 및 코일고정부를 관통하면서 권취되는 코일부를 포함하고, 코일부에 전류가 인가되면, 적어도 하나의 자성체가 자화되어 자화방향이 일방향으로 흐름에 따라 적어도 하나의 자성체 중 중앙에 위치한 자성체와 중앙에 위치한 자성체를 제외한 자성체 사이에서 발생하는 인력 및 척력인 무게보상힘이 발생하여 무게를 보상하며, 그에 따라 코일부는 로렌츠힘을 발생시켜 이송체를 상방으로 자기부상시키는 것을 특징으로 하는 직선형 능동자기베어링을 제공한다.

Description

직선형 능동자기베어링{A linear active magnetic bearing}

본 발명은 직선형 능동자기베어링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 할바흐 구조를 도입하고 무게보상힘을 이용하여 무게를 보상하는 직선형 능동자기베어링에 관한 것이다.

일반적으로 자기베어링은 크게 수동 자기베어링과 능동 자기베어링으로 구분된다.

종래의 수동형 자기 베어링은 대부분 두 개의 영구자석 또는 한 개의 영구자석과 전자석을 같은 극끼리 가까이 배치하여 그 반발력으로써 안정된 부상력을 얻는 원리이다. 이는 임계 속도에서의 취약한 안정성 이외에도 기본적으로 공기 중을 통과하는 자속 경로가 길어서 비효율적이다. 게다가 방향성이 일정하지 않은 반발력을 고려한 설계가 필요하다.

반면에 1980년대 중반 이후 산업계의 각 분야에서 큰 관심을 불러 일으켰던 능동 자기베어링은 초기의 기대감에 비해 실용화가 느리고 아직까지 일부 특수 분야에 한정되는 형편이다. 그 이유로는 크게 두 가지를 꼽을 수 있는데 첫째는 제어안정성에 대한 불안감에서 오는 사용자의 낮은 신뢰도이고, 둘째는 비접촉 변위센서, 고전류 증폭기, 디지털제어기 등의 장비 구성에 드는 높은 설비비이다.

따라서, 능동 자기 베어링에 관한 응용 연구는 주로 강건 제어 기법, 자기 진단 기술, 센서 대체 기술 등에 꾸준히 초점이 맞추어져 왔다. 그러나 실용화를 위해서는 큰 실용성이 거두어지지 않은 실정이다.

이와 관련한 능동 자기 베어링은 자기부상 원리를 이용하여 마찰, 마모를 없애면서 코일의 전기적 제어를 통해 회전 시스템의 진동과 불균형에 대한 능동적 제어 수행한다.

특히, 회전운동체에 대해 수직, 수평방향 진동을 제어하기 위해 영구자석을 설치한 자기회로에 전기가 흐르는 코일을 설치하여 진동제어를 수행하거나, 전자석을 이용한 자기력 제어로 진동을 제어한다.

이와 관련한 종래기술에 따른 능동 자기 베어링은 회전형 운동체에 대해서만 적용되는 한계가 있다.

기존의 자기부상 기술은 자석과 코일간의 로렌츠 힘을 이용해서 구현하거나, 전자석을 이용한 방법으로 구현 되어 이송체 무게에 따른 코일 발열, 무게보상으로 인한 고속 특성 저하의 문제점이 있었다.

(특허문헌 1) 등록특허공보 제10-0460130호(2004.12.03.)

(특허문헌 2) 공개특허공보 제10-2012-0071017호(2012.07.02.)

상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 적어도 하나의 자성체를 할바흐 구조로 하여 적어도 하나의 자성체 간의 상호 작용에 의해 생성된 무게보상힘을 통해 무게를 보상해주고 그에 따라 제어에 필요한 힘을 감소시키는 직선형 능동자기베어링을 제공하는 것이다.

또한, 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 적어도 하나의 자성체에 의해 생성되는 자기장 내에 코일부를 배치하여 고속 특성을 구현할 수 있는 직선형 능동자기베어링을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 적어도 하나의 자성체로 이루어진 자성체모듈; 상기 적어도 하나의 자성체 사이에 위치하는 코일고정부; 및 상기 코일고정부를 관통하면서 권취되는 코일부;를 포함하고, 상기 코일부에 전류가 인가되면, 상기 적어도 하나의 자성체가 자화되어 자화방향이 일방향으로 흐름에 따라 상기 적어도 하나의 자성체 중 중앙에 위치한 자성체와 상기 중앙에 위치한 자성체를 제외한 자성체 사이에서 발생하는 인력 및 척력인 무게보상힘이 발생하여 무게를 보상하며, 그에 따라 상기 코일부는 로렌츠힘을 발생시켜 이송체를 상방으로 자기부상시키는 것을 특징으로 하는 직선형 능동자기베어링을 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 적어도 하나의 자성체는, 상기 코일부의 내부에 위치하는 상기 중앙에 위치한 자성체인 제1 자성체; 상기 제1 자성체와 소정거리 이격되어 위치하는 제2 자성체; 상기 제2 자성체와 접하면서 상기 코일부와 소정거리 이격되어 위치하는 제3 자성체; 상기 코일부와 소정거리 이격되도록 위치하는 제4 자성체; 상기 제4 자성체와 접하면서 상기 코일부와 소정거리 이격되어 위치하는 제5 자성체; 상기 제5 자성체와 접하면서 상기 코일부와 소정거리 이격되어 위치하는 제6 자성체; 및 상기 제1 자성체와 접하면서 상기 코일부와 소정거리 이격되어 위치하는 제7 자성체;를 포함하고, 상기 제1 자성체는 상기 제2 내지 제7 자성체에 둘러싸여 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제2 내지 제7 자성체의 각각의 양단은 상기 자화방향이 일방향으로 흐르도록 S극과 N극이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 자성체, 상기 코일부 및 상기 코일고정부는 동일평면상에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제3 자성체와 상기 제4 자성체는 상기 코일부를 기준으로 대향하도록 위치하고, 상기 제2 자성체와 상기 제5 자성체는 상기 제1 자성체를 기준으로 대향하도록 위치하며, 상기 제6 자성체와 상기 제7 자성체는 상기 코일부를 기준으로 대향하도록 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 코일부에 전류가 인가되면, 상기 제3 자성체로부터 상기 제4 자성체로 자속이 흐르고, 상기 제6 자성체로부터 상기 제7 자성체로 자속이 흐르며, 상기 제1 자성체의 자속은 상기 제3 자성체로부터 상기 제4 자성체로 흐르는 자속과 동일한 방향으로 흐르는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제3 자성체 및 상기 제4 자성체는 상호 간에 작용하는 인력 및 척력인 무게보상힘을 상기 제1 자성체로 전달하고, 상기 제1 자성체는 상기 제6 자성체 및 상기 제7 자성체로 상기 무게보상힘을 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 코일부에 전류가 인가되면, 상기 코일부로부터 로렌츠힘이 상기 이송체와 수직하게 형성되어 상기 이송체를 향하여 전달됨에 따라 상기 이송체가 자기부양되는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 적어도 하나의 자성체를 할바흐 구조로 하여 적어도 하나의 자성체 간의 상호 작용에 의해 생성된 무게보상힘을 통해 무게를 보상해주고 그에 따라 제어에 필요한 힘을 감소시킨다.

또한, 상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 적어도 하나의 자성체에 의해 생성되는 자기장 내에 코일부를 배치하여 고속 특성을 구현할 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 직선형 능동자기베어링을 나타낸 일방향에서의 단면도이다.
도 2는 도 1의 적어도 하나의 자성체의 자화방향, 자속방향 및 무게보상힘을 나타낸 일방향에서의 단면도이다.
도 3은 도 1의 적어도 하나의 자성체의 자화방향, 자속방향, 무게보상힘 및 코일부에서 생성되는 로렌츠힘을 나타낸 일방향에서의 단면도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

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

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직선형 능동자기베어링(100)은 자성체모듈(110), 코일고정부(120) 및 코일부(130)를 포함하고, 코일부(130)에 전류가 인가되면, 적어도 하나의 자성체(111, 112, 113, 114, 115, 116, 117)가 자화되어 자화방향(D1)이 일방향으로 흐름에 따라 적어도 하나의 자성체(111, 112, 113, 114, 115, 116, 117) 중 중앙에 위치한 자성체(111)와 중앙에 위치한 자성체를 제외한 자성체(112, 113, 114, 115, 116, 117) 사이에서 발생하는 인력 및 척력인 무게보상힘(F1)이 발생하여 무게를 보상하며, 그에 따라 코일부(130)는 로렌츠힘(F2)을 발생시켜 이송체(10)를 상방으로 자기부상시키는 것을 특징으로 한다.

여기서, 로렌츠힘(F2)은 코일부(130)에 전류를 인가함으로서 수직방향으로 발생하는 힘으로서, 수직방향의 위치 제어를 수행한다.

또한, 본 발명은 적어도 하나의 자성체(111, 112, 113, 114, 115, 116, 117)가 할바흐 구조 혹은 할바흐 배열을 갖는다.

도 1을 참조하면, 자성체모듈(110)은 적어도 하나의 자성체(111, 112, 113, 114, 115, 116, 117)로 이루어진다.

여기서, 적어도 하나의 자성체(111, 112, 113, 114, 115, 116, 117)는 제1 자성체(111), 제2 자성체(112), 제3 자성체(113), 제4 자성체(114), 제5 자성체(115), 제6 자성체(116) 및 제7 자성체(117)이다.

제1 자성체(111)는 코일부(130)의 내부에 위치하는 중앙에 위치한 자성체이다. 도 1에 도시된 바와 같이 제1 자성체(111)는 제2 내지 제7 자성체(112, 113, 114, 115, 116, 117)에 둘러싸여 있으며, 코일고정부(120) 및 코일부(130)와 동일평면상에 위치한다.

도 2를 참조하면, 제1 자성체(111)의 N극은 제1 자성체(111)의 좌측에 형성되고, 제1 자성체(111)의 S극은 제1 자성체(111)의 우측에 형성된다. 이에 따른 제1 자성체(111)의 자속(D2)은 제5 자성체(115)에서 제2 자성체(112)를 향하는 방향으로 흐르게 된다.

제2 자성체(112)는 제1 자성체(111)와 소정거리 이격되어 위치한다. 구체적으로 제2 자성체(112)는 도 1에 도시된 바와 같이 제1 자성체(111)의 우측에 위치하고 제1 자성체(111)와 수직하게 배치된다.

또한, 제2 자성체(112)의 S극은 도 2를 기준으로 제2 자성체(112)의 상측에 형성되고, 제2 자성체(112)의 N극은 도 2를 기준으로 제2 자성체(112)의 하측에 형성된다.

제3 자성체(113)는 제2 자성체(112)와 접하면서 코일부(130)와 소정거리 이격되어 위치한다. 또한, 제3 자성체(113)는 제7 자성체(117)와 평행하되, 극성은 서로 반대로 형성된다.

구체적으로 도 2를 참조하면, 제3 자성체(113)의 S극은 제3 자성체(113)의 우측에 형성되고, 제3 자성체(113)의 N극은 제3 자성체(113)의 좌측에 형성된다.

제4 자성체(114)는 코일부(130)와 소정거리 이격되도록 위치하고, 제6 자성체(116)와 평행하되, 극성은 서로 반대로 형성된다.

구체적으로 제4 자성체(114)의 S극은 제4 자성체(114)의 우측에 형성되고, 제4 자성체(114)의 N극은 제4 자성체(114)의 좌측에 형성된다.

또한, 제3 자성체(113)와 제4 자성체(114)는 코일부(130)를 기준으로 대향하도록 위치한다.

제5 자성체(115)는 제4 자성체(114)와 접하면서 코일부(130)와 소정거리 이격되어 위치하고, 제2 자성체(112)와 평행하되, 극성은 서로 반대로 형성된다.

구체적으로 제5 자성체(115)의 S극은 제5 자성체의 하측에 형성되고, 제5 자성체(115)의 N극은 제5 자성체의 상측에 형성된다.

또한, 제2 자성체(112)와 제5 자성체(115)는 제1 자성체(111)를 기준으로 대향하도록 위치한다.

제6 자성체(116)는 제5 자성체(115)와 접하면서 코일부(130)와 소정거리 이격되어 위치하고, 제4 자성체(114)와 평행하되, 극성은 서로 반대로 형성된다.

구체적으로 제6 자성체(116)의 S극은 제6 자성체(116)의 좌측에 형성되고, 제6 자성체(116)의 N극은 제6 자성체(116)의 우측에 형성된다.

제7 자성체(117)는 제1 자성체(111)와 접하면서 코일부(130)와 소정거리 이격되어 위치하고, 제3 자성체(113)와 평행하되, 극성은 서로 반대로 형성된다.

구체적으로 제7 자성체(117)의 S극은 제7 자성체(117)의 좌측에 형성되고, 제7 자성체(117)의 N극은 제7 자성체(117)의 우측에 형성된다.

또한, 제6 자성체(116)와 제7 자성체(117)는 코일부(130)를 기준으로 대향하도록 위치한다.

코일고정부(120)는 적어도 하나의 자성체(111, 112, 113, 114, 115, 116, 117) 사이에 위치한다.

또한, 코일고정부(120)의 적어도 일부는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 바닥(20)에 접하도록 위치할 수 있다.

전술한 제1 자성체(111), 코일부(130) 및 코일고정부(120)는 동일평면상에 위치한다.

또한, 코일고정부(120)로는 코일부(130)가 권취됨에 따라 코일부(130)를 견고하게 고정시킨다.

코일부(130)는 코일고정부(120)를 관통하면서 권취되며, 이러한 코일부(130)로 전류가 인가되면, 자성체모듈(110)을 자화시킴에 따라 자성체모듈(110)의 자화방향(D1) 및 자속방향(D2)이 결정됨과 동시에 제3, 4 자성체(113, 114)의 무게보상힘(F1)이 제1 자성체(111)로 전달되고, 제1 자성체(111)에 의해 무게보상힘(F1)이 제6, 7 자성체(116, 117)로 전달되며, 그에 따라 코일부(130)에 의해 발생되는 로렌츠힘(F2)에 의해 이송체(10)가 자기부상된다.

이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 직선형 능동자기베어링(100)의 동작을 설명하도록 한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 전술한 바와 같이 제2 내지 제7 자성체(112, 113, 114, 115, 116, 117)의 각각의 양단은 자화방향(D1)이 일방향으로 흐르도록 S극과 N극이 형성된다.

이때, 코일부(130)에 전류가 인가되면, 제3 자성체(113)로부터 제4 자성체(114)로 자속(D2)이 흐르고, 제6 자성체(116)로부터 제7 자성체(117)로 자속(D2)이 흐르며, 제1 자성체(111)의 자속(D2)은 제3 자성체(113)로부터 제4 자성체(114)로 흐르는 자속(D2)과 동일한 방향으로 흐르게 된다.

그에 따라 제1 자성체(111) 내지 제7 자성체(117)는 상호 간에 작용하는 인력 및 척력으로 인한 무게보상힘(F1)을 제1 자성체(111)로 전달하고, 제1 자성체(111)는 제6 자성체(116) 및 제7 자성체(117)를 향하여 도 3에 도시된 무게보상힘(F2)을 코일부(130)로 전달함에 따라 이송체(10)를 자기부상시킨다.

아울러, 코일부(130)에 전류가 인가되면, 코일부(130)로부터 로렌츠힘(F2)이 이송체(10)와 수직하게 형성되어 이송체(10)를 향하여 전달됨에 따라 이송체(10)가 자기부양된다.

상기한 바에 따른 본 발명은 적어도 하나의 자성체 간의 상호 작용에 의해 생성된 무게보상힘을 통해 무게를 보상해주고 그에 따라 제어에 필요한 힘을 감소시켜준다.

또한, 본 발명은 적어도 하나의 자성체에 의해 생성되는 자기장 내에 코일부를 배치하여 고속 특성을 구현할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 이송체
20: 바닥
100: 직선형 능동자기베어링
110: 자성체모듈
111: 제1 자성체
112: 제2 자성체
113: 제3 자성체
114: 제4 자성체
115: 제5 자성체
116: 제6 자성체
117: 제7 자성체
120: 코일고정부
130: 코일부

Claims

중앙에 위치하는 제1 자성체, 상기 제1 자성체와 소정거리 이격되면서 상기 제1 자성체의 타측에 위치하는 제2 자성체, 상기 제2 자성체의 하부와 접하는 제3 자성체, 상기 제1 자성체의 일측 하방에 위치하는 제4 자성체, 상기 제4 자성체의 상부와 접하면서 상기 제1 자성체와 소정거리 이격되어 상기 제1 자성체를 기준으로 상기 제2 자성체와 대향하도록 위치하는 제5 자성체, 상기 제5 자성체의 상부와 접하면서 상기 제1 자성체의 일측 상방에 위치하는 제6 자성체 및 상기 제1 자성체의 상부와 접하면서 상기 제1 자성체의 타측 상방에 위치하는 제7 자성체로 이루어진 자성체모듈;
상기 제1 자성체와 동일평면상에 위치하면서 상기 제1 내지 제7 자성체 사이에 위치하는 코일고정부; 및
상기 코일고정부를 관통하면서 권취되는 코일부;를 포함하고,
상기 제1 자성체는 상기 코일부의 내부에 위치하며, 상기 제3 자성체는 상기 코일부와 소정거리 이격되어 상기 제1 자성체의 타측 하방에 위치하고, 상기 제4 자성체는 상기 코일부를 기준으로 상기 제3 자성체와 대향하면서 상기 코일부와 소정거리 이격되고, 상기 제6 자성체는 상기 코일부와 소정거리 이격되며, 상기 제7 자성체는 상기 코일부와 소정거리 이격되어 상기 코일부를 기준으로 상기 제6 자성체와 대향하도록 배치되고,
상기 제2 내지 제7 자성체는 상기 중앙에 위치하는 자성체를 둘러싸도록 방사상으로 배치되며,
상기 코일부에 전류가 인가되면, 상기 제1 내지 제7 자성체가 자화되어 자화방향이 시계방향으로 흐름에 따라 상기 제3 자성체에서 상기 제4 자성체, 상기 제1 자성체의 타측에 형성되는 S극에서 상기 제1 자성체의 일측에 형성되는 N극, 상기 제6 자성체에서 상기 제7 자성체로 자속이 흐름으로써 상기 제1 자성체와 상기 제2 내지 제7 자성체 사이에서 발생하는 인력 및 척력으로 인한 무게보상힘이 상기 제1 자성체로부터 각각 상기 제3 자성체, 상기 제4 자성체, 상기 제6 자성체 및 상기 제7 자성체를 향하여 방사상으로 발생하여 무게를 보상하며,
그에 따라 상기 코일부는 상방으로 작용하는 로렌츠힘을 발생시켜 이송체를 상방으로 자기부상시키는 것을 특징으로 하는 직선형 능동자기베어링.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 제2 내지 제7 자성체의 각각의 양단은 상기 자화방향이 시계방향으로 흐르도록 S극과 N극이 형성되는 것을 특징으로 하는 직선형 능동자기베어링.
제1 항에 있어서,
상기 제1 자성체, 상기 코일부 및 상기 코일고정부는 동일평면상에 위치하는 것을 특징으로 하는 직선형 능동자기베어링.
삭제
삭제
삭제
제1 항, 제3 항 및 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일부에 전류가 인가되면, 상기 코일부로부터 로렌츠힘이 상기 이송체와 수직하게 형성되어 상기 이송체를 향하여 전달됨에 따라 상기 이송체가 자기부양되는 것을 특징으로 하는 직선형 능동자기베어링.