KR102581492B1 - 유정압베어링 스핀들 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 유정압베어링 스핀들은, 샤프트(10), 유정압 베어링(20), 모터(30) 및 하우징(40)을 포함하는 유정압 스핀들에 있어서 상기 모터(30)의 로터(31)는 샤프트(10)의 외주면에 형성된 홈에 삽입되는 영구자석이고, 상기 모터(30)의 스테이터(32)의 외측 면에 냉각유로를 형성한 것으로서, 샤프트를 소형화하고, 로터의 구성을 간단하게 하며, 모터(30)의 발열문제를 해소함으로써 구성이 간단하고 고속회전이 가능한 유정압베어링 스핀들을 제공하는 효과가 기대된다.

Description

유정압베어링 스핀들{hydrostatic bearing spindle}

본 발명은 연삭기 등 공작기계에 활용할 수 있는 유정압베어링 스핀들에 관한 것으로서, 상세하게는 빌트인 모터를 채택하면서도 샤프트의 직경 확대를 억제하고, 고속회전 시의 발열문제를 개선한 유정압베어링 스핀들에 관한 것이다.

통상의 공작기계는 외부의 유도전동기로부터 풀리와 벨트를 매개로 회전력을 전달받아 회전하는 스핀들의 일 측에 공작물 또는 공구를 결합하여 절삭가공이나 연삭가공에 이용하는 방식으로 구성된다.

그러나 상기와 같은 공작기계는 시간이 경과함에 따라 벨트가 마모되거나 변형되어 동력전달이 부정확해지고, 구동샤프트를 지지하는 구름베어링으로부터 진동 및 소음이 발생하기 때문에 일반적으로 2,000rpm 이내의 회전속도를 필요로 하는 스핀들장치에 이용되는데 비해, 회전속도 5,000rpm 이상의 고속회전이 필요한 스핀들에는 적합하지 않은 문제점이 있었다.

더욱이 근래의 기계가공은 더욱더 정밀가공을 요구하는 추세임을 감안하면 고속회전하면서도 진동 및 소음문제를 유발하지 않는 스핀들에 대한 요구가 점증하고 있음은 쉽게 알 수 있는 사실이다.

이와 관련하여 대한민국 등록특허공보 제10-2201439호(2021. 1. 11. 공고)에는 ‘유정압 스핀들 장치’가 개시되어 있는데, 이는 하우징(100) 내부에 샤프트(200)와 모터부(300)가 내장된 빌트인 모터 방식과 윤활유가 샤프트(200)와 베어링부(400) 사이의 유막을 형성시켜 샤프트(200)를 지지하는 베어링 기능을 하는 유정압 베어링을 채택한 것인데, 이는 샤프트(200)의 고속회전 시 하우징(100) 내부에 배치된 모터부(300)로부터 발생하는 열을 외부로 배출하기 어려운 문제점과 모터부(300)의 로터가 샤프트(200)의 외주면에 부착되어 있어서 샤프트(200)의 직경이 증대되고, 회전하는 로터에도 전원공급을 필요로 하므로 구성이 복잡해지는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-2201439호

본 발명은 상기한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 하우징 내에 내장된 모터의 발열문제를 해소하고, 샤프트의 직경 확대를 억제할 뿐만 아니라 구성이 단순하면서도 고속회전이 가능한 유정압베어링 스핀들을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 유정압베어링 스핀들은 다음과 같은 특징을 갖는다.

본 발명에 따른 유정압베어링 스핀들은, 내측에 수납공간이 형성된 하우징(40), 상기 하우징(40)의 수납공간 내에 설치되는 샤프트(10), 상기 하우징(40) 내에서 상기 샤프트(10)의 양측 외주면을 회전 가능하게 지지하는 2개의 유정압 베어링(20) 및 상기 샤프트(10)의 외주부에 배치되어 상기 샤프트(10)에 구동력을 제공하는 모터(30)를 포함하는 유정압 스핀들에 있어서,

상기 모터(30)는 상기 샤프트(10)의 외주면에 길이방향을 따라 미리 설정된 길이로 형성된 사각홈에 삽입되는 영구자석과, 상기 영구자석의 이탈을 방지하도록 상기 샤프트(10)의 외주면에 결합되는 원통형의 슬리이브(33)로 이루어지는 로터(31)와

상기 영구자석의 외측 면과 대향하도록 배치되고 전원공급에 따라 자기장을 발생시키는 스테이터(32)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 모터(30)는 상기 스테이터(32)의 외측 면과 상기 하우징(40)의 내측 면 사이에 상기 스테이터(32)로부터 발생하는 열을 외부로 배출시키는 냉각유가 순환하는 냉각유로(60)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 유정압 베어링(20)의 상기 샤프트(10)가 삽입되는 샤프트공(27)의 내주면에는 등간격으로 구획된 복수의 레이디얼 오일포켓(21)이 형성되고, 상기 유정압 베어링(20)의 측면에는 등간격으로 구획된 복수의 스러스트 오일포켓(22)이 형성되는 것을 특징으로 한다.

그리고 상기 유정압 베어링(20)의 측면에는 상기 스러스트 오일포켓(22)들의 외측을 감싸도록 원형으로 형성되고, 사각형 또는 삼각형 단면을 갖는 누설방지홈(24)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 유정압 베어링(20)의 윤활유와 상기 냉각유로(60)를 순환하는 냉각유는 동일한 오일인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 유정압베어링 스핀들은, 빌트인 모터의 스테이터 외측 면에 접하도록 냉각유로를 설치하여 모터의 발열문제를 해소하고, 냉각유로 베어링용 윤활유와 동일한 성분의 오일을 이용함으로써 냉각유로의 냉각유와 베어링유로의 윤활유가 혼합되더라도 그에 따른 문제가 발생하지 않으므로 안전성이 증대되며, 영구자석을 샤프트의 외주에 삽입하여 로터를 형성함으로써 샤프트의 직경이 증대되지 않을 뿐만 아니라 로터에 전원을 공급할 필요가 없어서 구성이 단순해지므로 제조원가가 절감되고 유지관리가 용이하며, 발열 및 진동·소음의 문제없이 고속회전이 가능한 유정압베어링 스핀들을 제공하는 효과가 기대된다.

도 1은 종래기술에 의한 유정압베어링 스핀들장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 유정압베어링 스핀들의 하우징 내부의 구성을 보인 사시도이다.
도 3은 본 발명에 의한 유정압베어링 스핀들에 적용된 모터의 횡단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 유정압베어링 스핀들에 적용된 유정압 베어링의 측면도 및 샤프트에 결합된 상태의 A-A′ 단면도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유정압베어링 스핀들에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이와 관련하여 첨부된 도면들은 편의상 엄밀한 제도법과 축척의 적용을 배제하고 일부는 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한 종래 주지된 사항에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명확히 하기 위해 생략하거나 간단히 한다.

본 발명의 유정압베어링 스핀들은 도 2 ~ 도 4에 도시된 바와 같이, 내측에 수납공간이 형성된 하우징(40), 상기 하우징(40)의 수납공간 내에 배치되고 양단이 상기 하우징(40)의 벽체를 관통하여 외측으로 돌출되게 설치되는 샤프트(10), 상기 하우징(40) 내에서 상기 샤프트(10)의 양측 외주면을 회전 가능하게 지지하는 2개의 유정압 베어링(20), 상기 샤프트(10)의 외주부와 상기 하우징(40) 내측 면에 배치되어 상기 샤프트(10)에 구동력을 제공하는 모터(30) 및 상기 하우징(40)의 외측에 설치되는 도시되지 않은 부속장치를 포함하여 구성된다.

상기 샤프트(10)는 중공 원통형의 축으로서 상기 하우징(40)의 내측에 수납되는 부분의 중앙부분 외주면에 미리 설정된 길이의 사각홈이 외주면을 따라 등간격으로 복수 개 형성되고, 상기 하우징(40)의 양쪽 내면에 근접한 위치에는 상기 유정압 베어링(20)의 축방향 이동을 방지하는 지지칼라(11)가 일 측에 각각 2개씩 탈착 가능하게 결합된다.

상기 사각홈 각각은 길게 형성된 하나의 홈으로 형성되거나 짧은 길이의 홈이 미리 설정된 간격을 두고 일렬로 배치되어 형성되고, 각각의 사각홈에는 당해 홈의 형상과 부합되는 형상의 영구자석이 삽입되고 결합제를 매개로 샤프트(10)와 결합되어 로터(31)를 형성하고, 상기 2개의 지지칼라(11) 사이에는 상기 유정압 베어링(20)이 결합되며, 상기 지지칼라(11)의 직경은 상기 유정압 베어링(20)에 가해지는 축방향 압력(설계압력)에 대응하여 결정되는 것으로서 상기 축방향 압력이 크면 지지칼라(11)의 직경을 크게 형성하고, 축방향 압력이 작으면 지지칼라(11)의 직경을 작게 형성한다.

그리고 상기 샤프트(10)의 사각홈에는 영구자석이 삽입되어 결합되므로 상기 영구자석에 의한 샤프트(10)의 자화를 방지하기 위해서 샤프트(10)의 소재는 비자성체인 스테인리스강류 소재로 형성한다.

이러한 샤프트(10)의 일단에는 연삭 휠과 같은 공구 또는 가공대상물을 지지하는 척과 같은 고정구가 결합되고, 타단에는 엔코더와 같은 부속장치들이 결합될 수 있으며, 영구자석이 샤프트(10)의 외주면에 삽입되어 고정되므로 샤프트(10)의 외주면에 코일자석 로터를 부착하는 구성에 비해 샤프트(10)의 직경이 증가하지 않으므로, 동일한 조건에서는 상기 연삭 휠의 잔여 직경이 더 작아질 때까지 사용할 수 있는 효과가 발생한다.

또한, 상기 로터(31)로서 영구자석을 적용함에 따라 로터(31)를 코일자석으로 하는 구성에 비해 전원공급에 관련된 구성이 생략되어 로터(31)의 구성이 간단해지고 유지관리도 용이해진다.

상기 유정압 베어링(20)은 도 2에 도시된 바와 같이 2개의 지지칼라(11) 사이에 하나씩 결합되고, 도 4에 도시된 바와 같이 중앙에 샤프트공(27)이 형성되고, 상기 샤프트공(27)의 내주면과 상기 샤프트(10)의 외주면 사이에 형성되어 상기 샤프트(10)를 지지하는 유막에 지속적으로 오일을 공급하는 레이디얼(radial) 오일포켓(21)이 상기 샤프트공(27)의 내주면에 형성되고, 상기 레이디얼 오일포켓(21)에 외부로부터 오일을 공급하는 베어링유로(23)가 형성되며, 상기 레이디얼 오일포켓(21)은 유정압 베어링(20)의 내주면을 등간격으로 분할하여 몇 개의 구획으로 형성한다.

그리고 유정압 베어링(20)에 가해지는 축방향 압력이 커서 상기 지지칼라(11)의 직경을 크게 형성한 경우에는 상기 지지칼라(11)의 측면과 이에 대향하는 유정압 베어링(20)의 측면 사이에 유막을 형성하여 마찰을 방지할 수 있도록 오일을 공급하는 스러스트(thrust) 오일포켓(22)을 유정압 베어링(20)의 측면에 더 형성할 수 있고, 상기 베어링유로(23)는 상기 스러스트 오일포켓(22)에도 연결되도록 형성된다.

또한, 상기 스러스트 오일포켓(22)은 유정압 베어링(20)의 측면을 등간격으로 몇 개의 구획으로 분할하여 형성되되 그 외곽은 상기 지지칼라(11)의 외경보다 작게 형성한다.

그리고 상기 오일포켓(21, 22)에는 상기 베어링유로(23)로부터 오일이 공급되는 오일공급공(26)이 각각 1개씩 형성되고, 상기 오일포켓(21, 22) 내의 오일에는 50~80 바(bar) 안팎의 고압이 가해지므로, 상기 샤프트(10)의 외주면과 유정압 베어링(20)의 내주면 사이의 간극 및 상기 지지칼라(11)의 측면과 이에 대향하는 유정압 베어링(20)의 측면 사이의 간극을 통해 오일이 유출될 수도 있으므로, 이를 방지하기 위한 누설방지홈(24)이 더 형성된다.

상기 누설방지홈(24)은 사각형 또는 삼각형 단면의 홈으로서 상기 유정압 베어링(20)의 측면에 상기 스러스트 오일포켓(22)들의 외측을 감싸도록 원형으로 형성되고, 상기 누설방지홈(24)의 최하단부로부터 직하방으로 형성되어 상기 누설방지홈(24)으로부터 외부로 오일을 배출하는 드레인유로(25)가 형성된다.

따라서 상기 레이디얼 오일포켓(21)으로부터 유출되어 상기 샤프트(10)의 외주면과 유정압 베어링(20)의 내주면 사이의 간극을 통해 축방향으로 이동하는 오일과, 상기 스러스트 오일포켓(22)로부터 유출되어 상기 지지칼라(11)와 대향하는 유정압 베어링(20)의 측면 사이의 간극을 통해서 유정압 베어링(20)의 반경방향으로 이동하는 오일은 상기 누설방지홈(24)에 이르러 이동로의 단면이 급격히 확대됨에 따라 오일에 가해진 고압이 소실되어 오일이 외부로 유출되지 못하고 자중에 의해 상기 누설방지홈(24)의 하측으로 유동되어 상기 드레인유로(25)를 통해 외부로 배출된다.

상기 모터(30)는 통상의 유도전동기의 로터를 코일자석에서 영구자석으로 대체하여 구성한 것으로서 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 샤프트(10)의 외주면에 형성된 사각홈에 삽입되고 결합제에 의해 결합되는 영구자석과 상기 샤프트(10)의 고속회전 시에도 상기 영구자석이 이탈되지 않도록 지지하는 슬리이브(33)로 구성되는 로터(31), 상기 영구자석의 외측 면과 이에 대향하도록 배치되고 전원공급에 따라 자기장을 발생시키는 통상의 스테이터(32) 및 상기 스테이터(32)의 외측 면과 상기 하우징(40)의 내측 면 사이에 형성되어 상기 스테이터(32)로부터 발생하는 열을 외부로 배출시키는 냉각유가 순환되는 냉각유로(60)를 포함하여 구성된다.

상기 슬리이브(33)는 많은 자력이 통과되도록 두께 1㎜ 내외의 원통형으로 형성되고, 상기 영구자석에 의해 자화되지 않도록 스테인리스강 또는 인코넬 소재로 형성되어, 열박음 방식으로 샤프트(10)에 결합되어 상기 영구자석을 감싸도록 구성된다.

상기 냉각유로(60)는 상기 하우징(40)의 내측 면에 형성된 홈과 상기 스테이터(32)의 외측 면에 의해 형성되고, 모터(30)에서 발생하는 열을 효율적으로 흡수하기 위해 다양한 형상으로 형성할 수 있으며, 상기 하우징(40)과 스테이터(32) 외측 면의 접촉부분에는 누출방지용 밀봉재(seal)를 삽입하고, 상기 냉각유로(60)의 일단에는 외부로부터 유입되는 유입공이 형성되고, 타단에는 냉각용 오일이 외부로 유출되는 유출공이 형성된다.

상기 하우징(40)은 조립과 유지관리가 용이하도록 2부분으로 분할하여 형성되고, 상기 드레인유로(25)와 연통되어 유정압 베어링(20)으로부터 유출되는 윤활유를 외부로 유도하는 유로와, 상기 냉각유로(60)의 유입공 및 유출공과 외부의 유로와 연통되는 유로가 설치되며, 상기 스테이터(32)에 전원공급용 전기회로를 포함하여 구성된다.

한편 상기 베어링용 윤활유와 모터 냉각용 냉각유는 동일한 오일을 이용하되, 베어링의 윤활작용 시에는 오일의 점성마찰이 적어야 하고, 모터의 냉각 시에는 오일의 유동성이 좋아야 하는 점을 고려하여 저점성의 오일을 이용한다.

상기 부속장치로는 상기 오일이 저장되는 오일탱크, 상기 오일탱크로부터 오일을 가압 송출하는 오일펌프, 상기 오일펌프로부터 공급된 오일을 임시로 저장하고, 상기 하우징(40) 내로 균일한 압력 및 유량으로 공급하는 오일챔버와 축압기(accumulator), 상기 하우징(40)으로부터 배출되는 오일을 냉각하는 방열기(radiator) 등을 포함할 수 있다.

이와 관련하여 오일은 다음과 같은 경로를 거쳐 유동한다.

먼저 상기 유정압 베어링(20)으로부터 유출되는 오일과 상기 냉각유로(60)로부터 배출되는 오일은 상기 하우징(40)의 유로를 거쳐 합류되어 도시하지 않은 오일필터를 거치면서 정화된 후에 방열기를 거치면서 냉각되어 상기 오일탱크로 복귀하고, 상기 방열기에는 냉각팬을 추가로 구비하여 유정압 스핀들 작동 시의 주변 환경 등을 고려하여 동작시킬 수 있다.

상기 오일탱크 내에는 오일펌프가 설치되고, 이는 오일을 가압하여 상기 오일챔버로 송출하는데, 한 대의 고압펌프로써 오일을 고압으로 가압하여 오일챔버로 송출하고, 상기 오일챔버 내의 오일은 축압기에 의해 균일한 압력으로 오일포켓(21, 22)에 공급되어 당해 유정압 스핀들의 동작 중에는 균일한 압력을 유지하도록 하며, 상기 오일챔버 내의 일부 오일은 감압밸브 등을 거쳐 감압되고 미리 설정된 유량으로 조절되어 상기 냉각유로(60)에 연속적으로 공급된다.

한편, 상기 오일펌프는 한 대의 고압펌프와 한 대의 저압펌프를 구비하여 상기 고압펌프는 상기 오일챔버와 축압기에 의해 오일포켓(21, 22)에만 오일을 공급하고, 상기 저압펌프는 상기 오일챔버와 축압기를 경유하지 않는 별도의 유로를 통해 냉각유로(60)에 직접 오일을 공급하도록 구성할 수도 있다.

상기와 같은 오일펌프의 구성은 유정압 스핀들의 용도 및 그에 따른 동작특성 등을 고려하여 달리 구성할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 해당 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

10: 샤프트, 11: 지지칼라, 12: 전단부, 13: 후단부,
20: 유정압 베어링, 21: 레이디얼(radial) 오일포켓, 22: 스러스트(thrust) 오일포켓, 23: 베어링유로 24: 누설방지홈, 25: 드레인유로, 26: 오일공급공, 27: 샤프트공,
30: 모터, 31: 로터, 32: 스테이터, 33: 슬리이브,
40: 하우징,
60: 냉각유로

Claims (5)

1. 내측에 수납공간이 형성된 하우징(40), 상기 하우징(40)의 수납공간 내에 설치되는 샤프트(10), 상기 하우징(40) 내에서 상기 샤프트(10)의 양측 외주면을 회전 가능하게 지지하는 2개의 유정압 베어링(20) 및 상기 샤프트(10)의 외주부에 배치되어 상기 샤프트(10)에 구동력을 제공하는 모터(30)를 포함하는 유정압베어링 스핀들에 있어서,
   상기 모터(30)는 상기 샤프트(10)의 외주면에 길이방향을 따라 미리 설정된 길이로 형성된 사각홈에 삽입되는 영구자석과, 상기 영구자석의 이탈을 방지하도록 상기 샤프트(10)의 외주면에 결합되는 원통형의 슬리이브(33)로 이루어지는 로터(31)와
   상기 영구자석의 외측 면과 대향하도록 배치되고 전원공급에 따라 자기장을 발생시키는 스테이터(32)를 포함하고,
   상기 유정압 베어링(20)의 상기 샤프트(10)가 삽입되는 샤프트공(27)의 내주면에는 등간격으로 구획된 복수의 레이디얼 오일포켓(21)이 형성되고, 상기 유정압 베어링(20)의 측면에는 등간격으로 구획된 복수의 스러스트 오일포켓(22)이 형성되며,
   상기 유정압 베어링(20)의 측면에는 상기 스러스트 오일포켓(22)들의 외측을 감싸도록 원형으로 형성되고, 사각형 또는 삼각형 단면을 갖는 누설방지홈(24)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 유정압베어링 스핀들.
2. 제1항에 있어서,
   상기 모터(30)는 상기 스테이터(32)의 외측 면과 상기 하우징(40)의 내측 면 사이에 상기 스테이터(32)로부터 발생하는 열을 외부로 배출시키는 냉각유가 순환하는 냉각유로(60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 유정압베어링 스핀들.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제2항에 있어서,
   상기 유정압 베어링(20)의 윤활유와 상기 냉각유로(60)를 순환하는 냉각유는 동일한 오일인 것을 특징으로 하는, 유정압베어링 스핀들.