KR20010030337A

KR20010030337A - 모터 일체 구조의 자기 베어링 장치

Info

Publication number: KR20010030337A
Application number: KR1020000053370A
Authority: KR
Inventors: 바라다도시미츠; 오야마아츠시; 나카자와도시하루; 세키구치신이치; 고마이마사카즈
Original assignee: 마에다 시게루; 가부시키 가이샤 에바라 세이사꾸쇼
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2001-04-16
Also published as: TW451037B; US6455966B1; EP1085225A2; EP1085225A3; JP2001086704A

Abstract

모터 일체 구조에 사용되는 자기 베어링 장치는 서로 접촉하지 않고 회전축을 지지하는 자기 베어링 및 회전축을 회전시키는 모터를 구비한다. 공통 전원은 자기 베어링 및 모터에 전력을 공급하며, 모터 구동 전원은 공통 전원에 공급되는 전력의 변화에 관계없이 모터에 공급되는 전력의 변화를 기껏해야 소정의 수준으로 제한한다.

Description

모터 일체 구조의 자기 베어링 장치{MAGNETIC BEARING DEVICE FOR MOTOR-COMBINED STRUCTURE}

본 발명은 모터 일체 구조(motor-combined structure)에 사용되는 자기 베어링 장치에 관한 것으로서, 특히 회전축상에 장착된 모터 전기자 및 모터 전기자 주위에 배치된 모터 고정자에 의해 회전되는 회전축을 지지하는 자기 베어링을 구비한 자기 베어링 장치에 관한 것이다.

도 1은 모터 일체 구조에 사용되는 종래의 자기 베어링 장치를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 모터 일체 구조는 회전축(11)상의 중앙부에 장착된 모터 전기자(12)주위로 배치되는 모터 고정자(13)에 의해 생성된 회전 자계에 의해 회전되는 회전축(11)을 구비한다. 모터 전기자(12) 및 모터 고정자(13)가 모터를 구성한다. 자기 베어링 장치는 모터 고정자(13)의 각 측면상에 하나씩 회전축(11)주위로 배치된 자기 베어링(14A, 14B)을 구비한다. 각각의 자기 베어링(14A, 14B)은, 회전축(11)에 고정된 자기 부재(15)와, 자기 부재(15)에 자기적 인력 또는 척력을 인가하여 소정의 위치내에 회전축(11)을 부상 및 고정시키기 위한 자속을 생성하는 전자석(16)으로 구성된다.

회전축(11)의 위치 변위를 검출하는 변위 센서(17A, 17B)는 비교적 자기 베어링(14A, 14B)에 가깝게 배치된다. 변위 센서(17A, 17B)는 검출된 위치 변위 신호를 자기 베어링 제어기(18)에 공급한다. 자기 베어링 제어기(18)에 있어서, 변위 센서 신호 검출기(18A)는 변위 센서(17A, 17B)로부터 검출된 위치 변위 신호를 검출하며, 보상 회로(18B)는 변위 센서 신호 검출기(18A)로부터의 출력신호로부터 소정의 목표 위치에 회전축(11)을 부상 및 지지 하기 위한 신호를 생성한다. 보상 회로(18B)에 의해 생성된 신호는 전자석(16)에 증폭된 신호를 공급하는 구동기(18C)에 의해 증폭된다. 회전축(11)은 센서(17A, 17B)에 의해 검출되는 회전축(11)의 위치 변위에 기초하여 소정의 목표 위치내에 부상 및 지지된다.

자기 베어링 제어기(18)에는 상용 3상 AC 전원(20)으로부터 전력이 직접 공급되며, 모터 고정자(13)에는 스위치(21)를 경유하여 AC 전원(20)으로부터 전력이 공급된다. 자기 베어링 제어기(18)는 공급된 전력을, 회전축(11)상에 작용하는 제어력을 생성하는 전력으로 변환한다. 변환된 전력은 자기 베어링 제어기(18)로부터 전자석(16)으로 공급된다.

종래의 자기 베어링 장치가 작동되기 시작하면, 자기 베어링 제어기(18)는 자기 베어링(14A, 14B)을 제어하도록 활성화되어 회전축(11)을 부상시킨다. 그 후, AC 전원(20)으로부터 모터 고정자(13)에 전력을 공급하기 위해 스위치(21)가 접지된다. 회전축(11)상에 장착고정된 모터 전기자(12)는 모터 고정자(13)에 의해 생성된 회전 자계하에서 회전하기 시작한다. 모터 전기자(12)가 회전하기 시작하여 소정의 시간후에, 회전축(11)은 정격회전속도로 회전한다.

AC 전원(20)에 공급되는 전력의 전압이 모터 작동중에 소정의 이유로 변하면, 모터는 AC 전원(20)에 공급되는 전력의 전압의 변화와 같은 크기만큼 자신에 공급되는 전력의 전압 변화를 겪는다. 구체적으로, 모터 고정자(13)는 스위치(21)를 거쳐 AC 전원(20)에 연결되기 때문에, 모터는 AC 전원(20)에 공급되는 전력의 전압 변화를 직접 겪게 된다. 모터 고정자(13)에 인가되는 전압이 변하면, 모터 전기자(12)를 회전시키기 위해 인가되는 구동 토오크도 역시 변한다. 구동 토오크의 변화는 모터 전기자(12)와 모터 고정자(13)의 자극사이에 생성된 자기 불평형력(unbalanced magnetic forces)의 변화를 일으킨다. 자기 불평형력의 변화는 회전축(11)을 통하여 자기 베어링(14A, 14B)에 전달된다.

모터에 인가된 전원전압의 변화에 기인하여 모터 전기자(12) 및 모터 고정자(13)사이에 생성되는 자기 불평형력의 변화를 고려하여, 자기 베어링 제어기(18)는 이러한 변화가 그것에 의해 행해진 부상 제어에 악영향을 미치지 않게 하기 위하여 출력 특성을 변화시키도록 구성된다. 구체적으로, AC 전원(20)의 전압이 변하면, 자기 베어링 제어기(18)는 전원전압에 따른 제어특성을 제공하기 위해 출력 특성을 조절하거나 공급 전압에 기초하여 제어 특성 설정을 변경한다.

모터의 전기자는 회전축에 일체로 고정되기 때문에, 모터 전기자가 정격 회전 속도로 회전할 때에는 모터가 정상적으로 작동하는 것이며, 모터 전기자와 모터 고정자사이에 생성되는 자기 불평형력이 모터 전기자가 정격 회전 속도로 회전할 때에 실질적으로 일정하다는 가정하에 자기 베어링 장치의 자기 부상 제어 특성이 결정된다. 모터 전기자와 모터 고정자 사이에 생성되는 자기 불평형력이 변하면, 자기 베어링 장치의 자기 부상 제어 특성은 변하며, 최악의 경우에 제어실패를 초래할 수 있다.

자기 베어링 장치의 설치장소에 사용되는 전원전압이 특정되지 않거나, 또는 다수의 적용에 자기 베어링 장치를 사용하기 위해서 자기 베어링 장치에 인가되는 전압이 소정의 범위내에서 변한다고 가정하면, 자기 베어링 장치의 제어 특성은 모터내에 생성되는 자기 불평형력의 변화에 기인하여 변하는 경향이 있다. 하지만, 자기 베어링의 제어 특성이 변할 때마다 자기 베어링 장치를 조절 또는 수정하는 것은 지루하고 시간을 낭비하는 것이다.

따라서 본 발명의 목적은 자기 베어링의 제어 특성을 재조정하고 그 설정을 변경할 필요없이 항상 자기 베어링을 안정적으로 제어하는 자기 베어링 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 모터 일체 구조에 사용되는 종래의 자기 베어링 장치를 부분 블럭형태로 도시한 단면도.

도 2는 본 발명에 따른 모터 일체 구조에 사용되는 자기 베어링 장치를 부분 블럭형태로 도시한 단면도.

상기 목적을 달성하기위해, 본 발명에 따르면 모터 일체 구조에 사용되는 자기 베어링 장치로서, 접촉하지 않고 회전축을 지지하는 자기 베어링, 회전축을 회전시키는 모터, 자기 베어링 및 모터에 전력을 공급하는 공통 전원, 공통 전원에 공급되는 전력의 변화에 대하여 모터에 공급되는 전력의 변화를 기껏해야 소정의 수준으로 제한하는 모터 구동 전원으로 구성되는 자기베어링 장치가 제공된다.

모터 구동 전원은 모터에 공급되는 전력의 전압을 제어한다. 공통 전원에 공급되는 전력의 전압이 소정범위내에서 변하더라도, 모터 구동 전원은 모터에 공급되는 전력의 전압의 변화를 소정 범위로 유지시킬 수 있다. 따라서, 공통 전원에 공급되는 전력의 전압의 변화와 관계없이, 모터는 실질적으로 일정한 전압으로 전력을 공급받는다. 결국, 모터의 모터 전기자와 모터 고정자사이에 생성되는 자기 불평형력은 항상 일정한 수준 이하로 유지될 수 있다. 회전축을 부상 및 지지하는 자기 베어링은 공통 전원에 공급되는 전력의 전압의 변화에 관계없이 안정적으로 제어될 수 있다. 일정한 수준 이하로 유지되는 자기 불평형력은 회전축을 통하여 자기 베어링에 악영향을 미치지 않으므로, 자기 베어링을 재조정하거나 재배치할 필요가 없다. 따라서, 공통 전원의 전압이 비교적 넓은 범위에서 변하는 설치장소에서도 자기 베어링은 안정적으로 작동될 수 있다.

바람직하게는, 모터 구동 전원은 공통 전원으로부터의 입력전압 및 모터에 인가되는 출력전압을 검출하는 입/출력 전압 모니터 유닛, 공통 전원으로부터 모터 구동 전원에 공급되는 입력전압의 변화에 기초하여 출력전압을 일정하게 만드는 제어신호를 생성하는 처리 유닛, 및 공통 전원으로부터의 입력전압의 변화에 관계없이 모터에 일정한 출력전압을 공급하는 출력 유닛으로 구성된다.

본 발명의 상기 및 다른 목적, 특징, 및 장점은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 첨부도면와 연계한 다음의 기술로 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 모터 일체 구조에 사용되는 자기 베어링 장치는 도 2를 참조하여 아래에 기술된다. 도 1에 도시된 종래의 자기 베어링 장치의 부분과 유사 또는 동일한 도 2에 도시된 자기 베어링 장치의 부분은 유사 또는 동일한 참조 기호로 표시된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 회전축(11)은 접촉없이 한 쌍의 자기 베어링(14A, 14B)에 의해 부상 및 지지되는 대향 단부를 구비한다. 회전축(11)은 회전축(11)상의 중심에 장착된 모터 전기자(12) 주위로 배치되는 모터 고정자(13)에 의해 생성된 회전 자계에 의해 회전된다. 하지만, 모터 전기자(12)는 회전축상의 중심에 장착되지 않을 수도 있다. 모터 전기자(12) 및 모터 고정자(13)는 모터를 구성한다. 자기 베어링(14A, 14B) 각각은 회전축(11)에 고정된 자기 부재(15)와, 소정의 목표 위치에 회전축(11)을 부상 및 고정시키기위해 자기 부재(15)에 자기적 인력을 인가하기 위한 자속을 생성하는 전자석(16a, 16b)으로 구성된다. 자기 베어링(14A, 14B) 각각이 두개의 전자석(16a, 16b)을 구비하는 것으로 도시되어 있지만, 실제로는 회전축(11) 주위에 배치되는 복수의 전자석쌍을 구비한다.

회전축(11)의 위치변위를 검출하는 변위센서(17A, 17B)는 자기 베어링(14A, 14B)에 비교적 가까이 배치된다. 변위센서(17A, 17B)는 검출된 위치변위 신호를, 검출된 위치 변위 신호에 기초하여 소정의 목표 위치에 회전축(11)을 부상시키기 위해 전자석(16a, 16b)에 공급되는 전류를 제어하는 자기 베어링 제어기(18)에 공급한다. 자기 베어링 제어기(18)는 도 1에 도시된 종래의 자기 베어링 제어기의 경우에서와 같이 변위 센서 신호 검출기(18A), 보상 회로(18B) 및 구동기(18C)를 구비한다.

본 발명에 따르면, 자기 베어링 장치는 상용 3상 AC 전원(20)으로부터의 전압의 변화에 상관없이 모터에 일정한 전압을 인가하는 모터 구동 전원(23)을 구비한다. 모터 구동 전원(23)은 입/출력 전압 모니터 유닛(23A), 처리 유닛(23B), 및 출력 유닛(23C)으로 구성된다.

입/출력 전압 모니터 유닛(23A)은 상용 3상 AC 전원(20)으로부터의 입력전압 및 모터 고정자(13)에 인가되는 출력전압을 검출한다. 처리 유닛(23B)은 상용 3상 AC 전원(20)으로부터 모터 구동 전원(23)에 공급되는 입력전압의 변화에 기초하여 출력전압을 일정하게 만들기 위한 제어신호를 생성한다. 생성된 제어신호는 모터 고정자(13)에 일정한 값의 보정된 전압을 공급하는 출력유닛(23C)에 공급된다. 출력 유닛(23C)은 예를 들면 인버터 장치를 포함하고, 전원전압만을 주파수변경없이 소정의 목표값으로 조절할 수 있다.

모터 구동 전원(23)은 출력된 전압의 임의의 변화를 소정 범위내로 조절할 수 있다. 따라서, 모터가 정격 회전속도로 회전된 이후에 상용 3상 AC 전원(20)으로부터의 전압이 변하더라도, 모터 구동 전원(23)은 출력전압을 일정하게 하여 모터에 일정한 전압을 공급할 수 있다. 이러한 방식으로, 모터 전기자(12)와 모터 고정자(13)사이에 발생되는 자기 불평형력은 소정범위내에서 유지되며, 자기 베어링 장치의 안정된 작동을 위하여 자기 베어링의 부상 제어 특성을 일정하게 한다.

자기 베어링 장치를 작동시키는 과정이 아래에 기술될 것이다. 먼저, 상용 3상 AC 전원(20)은 자기 베어링 제어기(18)에 전력을 공급하여 자기 베어링 제어기(18)를 활성화시킨다. 자기 베어링 제어기(18)는 자기 베어링(14A, 14B)에 대한 부상 제어를 수행하기 시작한다. 변위센서(17A, 17B)가 회전축(11)의 부상 위치를 검출한다. 소정의 목표 위치에 회전축(11)을 부상 및 지지하기 위해, 자기 베어링 제어기(18)의 변위 센서 신호 검출기(18A)로부터 검출된 신호는 제어신호를 발생시키는 보상회로(18B)에 인가된다. 제어신호는 구동기(18C)에 의해 증폭된 후, 각각의 자기 베어링(14A, 14B)의 전자석(16a, 16b)에 공급된다. 회전축(11)은 소정의 목표 위치에서 부상 및 지지된다.

소정의 이유로 회전축(11)의 부상된 위치가 변하면, 변위 센서(17A, 17B)에 의해 그 변위가 검출된다. 검출된 변위에 기초하여, 자기 베어링 제어기(18)는 피드백 제어처리를 수행하여 목표 위치로 회전축(11)을 되돌려 배치한다. 회전축(11)에 고정된 모터 전기자에 모터 고정자(13)로부터 토오크를 생성시키기 위한 전력이 공급되면, 모터 전기자(12)와 모터 고정자(13)사이에 회전 자계 뿐아니라 자기 불평형력이 발생되며, 회전축(11)을 진동하는 방식으로 돌리게 되는 방향으로 힘을 생성한다. 진동 회전력은 회전축(11)에 전달되고, 자기 베어링(14A, 14B)상에 반작용으로서 작용하여 회전축(11)을 변위시킨다. 이렇게 발생된 변위는 자기 베어링 장치의 자기 부상 제어 특성에 따라 피드백 제어 처리에 의해 제어된다.

일반적으로, 자기 베어링(14A, 14B)은 회전축(11) 및 이 회전축(11)에 고정된 전기자(12)의 전체 무게 및 모터가 정격 회전 속도로 작동할 때 진동 회전력에 의해 생성되는 관성력을 지탱하도록 피드백 제어 처리에 의해 제어되어, 회전축(11)을 소정의 목표 부상 위치에 유지시킨다. 상용 3상 AC 전원(20)으로부터의 전압이 변하거나, 종래와 같이 스위치(21)를 경유해서 모터에 전력이 공급되면, 모터 전기자(12)와 모터 고정자(13)사이에 불평형력이 인가되어, 회전축(11)상에 작용하는 힘을 변화시킨다. 결과적으로, 자기 베어링 장치의 자기 부상 제어 특성 또한 변하게 된다.

본 발명에 따르면, 상기 문제를 해결하기 위해서, 자기 베어링 장치는 상용 3상 AC 전원(20)으로부터의 전압의 변화에 관계없이 모터에 일정한 전압을 인가하는 모터 구동 전원(23)을 구비한다. 모터가 정격 회전 속도로 작동된 후에 상용 3상 AC 전원(20)으로부터의 전압이 변하더라도, 모터 구동 전원(23)은 출력전압을 일정하게 할 수 있어 모터에 일정한 전압을 공급한다.

모터가 작동되기 시작한 후 모터가 정격회전속도로 작동될 때 까지, 즉, 모터 전기자(12)와 모터 고정자(13)사이에 발생되는 자기 불평형력이 가장 빈번히 변하는 동안은, 자기 베어링이 불안정하게 되는 경향이 있다. 하지만, 모터가 작동하기 시작한 후 모터가 정격회전속도로 작동될 때 까지의 짧은 기간동안에, 상용 3상 AC 전원(20)으로부터의 전압이 변하게 될 가능성은 적다. 따라서, 모터가 작동되기 시작할 때만 상용 3상 AC 전원(20)으로부터의 전압이 입/출력 전압 모니터 유닛(23A)에 인가되고, 인가된 전압에 기초하여 처리유닛(23B)이 출력전압을 일정하게 하는 제어신호를 발생시키게 할 수도 있다. 이러한 방식으로, 모터 전기자(12)와 모터 고정자(13)사이에 발생되는 자기 불평형력은 소정 범위내에서 유지될 수 있으며, 자기 베어링(14A, 14B)의 부상 제어 특성을 일정하게 한다. 결과적으로, 모터 일체 구조에 사용되는 자기 베어링 장치는 상용 3상 AC 전원(20)으로부터의 전압의 변화에 관계없이 안정적으로 작동될 수 있다.

모터 일체 구조에 사용되는 자기 베어링 장치는 펌프, 팬 등을 포함하여 다양한 회전기기에 장착될 수 있으며, 설치위치에 사용가능한 전원의 전압이 넓은 범위에서 변하더라도 회전기기를 안정되게 작동되도록 한다.

본 발명의 소정의 바람직한 실시예가 상세히 도시되고 기술되었지만, 첨부된 청구범위를 벗어나는 일 없이 다양하게 변경 및 수정 되어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims

모터 일체 구조에 사용되는 자기 베어링 장치에 있어서,

서로 접촉하지 않고 회전축을 지지하는 자기 베어링;

상기 회전축을 회전시키는 모터;

상기 자기 베어링 및 상기 모터에 전력을 공급하는 공통 전원; 및

상기 공통 전원에 공급되는 전력의 변화에 대하여 상기 모터에 공급되는 전력의 변화를 기껏해야 소정의 수준으로 제한하는 모터 구동 전원으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 모터 구동 전원은,

상기 공통 전원으로부터의 입력전압 및 상기 모터에 인가되는 출력전압을 검출하는 입/출력 전압 모니터 유닛;

상기 공통 전원으로부터 상기 모터 구동 전원에 공급되는 상기 입력전압의 변화에 기초하여 상기 출력전압을 일정하게 하는 제어 신호를 발생하는 처리 유닛; 및

상기 공통 전원으로부터의 입력전압의 변화에 관계없이 상기 모터에 일정한 출력전압을 공급하는 출력유닛으로 구성되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 모터 구동 전원은 주파수 변화없이 전원전압만을 조절할 수 있는 인버터 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 자기 베어링 장치는 펌프 또는 팬을 포함하는 회전기기내에 설치되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.