KR20010086813A - 할바크 배열을 응용한 고온초전도 저널베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고온초전도 저널베어링에 있어서 축 재료의 자성에 대한 제약과 조립상의 난점을 해결함과 동시에 반경 방향으로 강한 자기 압력을 얻을 수 있는 할바크 배열을 응용한 고온초전도 저널베어링에 관한 것이다.

본 발명에 따른 고온초전도 저널베어링은 회전자축 주위에 축 방향과 반경 방향으로 자화된 자석을 끼워서 구성되는 회전자 저널과, 자속을 고정하는 성질이 있는 고온초전도체로 이루어진 고정자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 고정자는, 회전체의 하중을 받는 부분에 저널의 자석과 상호 척력을 발생하도록 배열되어 회전체의 하중을 지지하는 고정자 자석과, 그 나머지 부분에 설치되어 자속을 고정하는 고온초전도체로 구성되어질 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 축 재료의 자성에 대한 제약과 조립상의 난점을 해결할 수 있게 함과 동시에, 반경 방향으로 강한 자기 압력을 얻을 수 있고, 고정자를 복합형으로 구성함으로써 회전체의 하중 지지력을 강화하며 자속 고정 이탈에 의해 야기되는 자기부양 평형위치 이동 문제를 해결할 수 있다.

Description

할바크 배열을 응용한 고온초전도 저널베어링{Superconductor journal bearings with a modified Halbach array}

본 발명은 고온초전도체의 자속을 고정시키는 성질을 이용하는 고온초전도 저널베어링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 할바크 배열을 응용하여 축 방향과 반경 방향으로 자화된 원환형 자석을 회전체축 주위에 반복적으로 배열 삽입함으로써 축 재료의 자성에 대한 제약과 조립상의 난점을 해결함과 동시에 반경 방향으로 강한 자기 압력을 얻을 수 있는 할바크 배열을 응용한 고온초전도 저널베어링에 관한 것이다.

일반적으로, 저널베어링이란 회전장치에 사용되는 부품으로서 접촉 마찰을 최소화하여 에너지 손실을 줄이고 중력 등에 의한 강한 회전체 하중을 견딜 수 있는 것이 중요하다.

이러한 요구에 따라, 접촉에 의해 회전체를 고정하는 볼 베어링이나 유체 저널베어링 등의 접촉성 베어링을 대체하여 영구자석 또는 전자석의 인력과 척력을 사용하여 회전체를 부상시켜 마찰 없는 회전을 실현하는 무 접촉 저널베어링이 개발되었지만, 이 경우 축 고정을 위하여 별도의 능동제어 장치가 필요하게 되어 장치가 복잡해지고 가격이 비싸지는 문제점이 있었다.

최근에 고온초전도체가 개발됨에 따라 고온초전도체의 자속을 강하게 반발하는 성질과 일단 침투한 자속은 빠져나가지 않도록 고정하는 성질을 이용하여 별도의 능동제어 없이 회전체를 축 방향과 반경 방향에 대해 고정시키는 무 접촉 고온초전도 저널베어링이 개발되었다.

하지만, 종래에 개발된 고온초전도 저널베어링은 그 구조적인 문제로 인해 회전체 축의 재료를 선택하는데 있어서 강자성체 등을 사용할 수 없는 제약이 있었고 인접한 동일 자극에 의한 강한 반발력 때문에 저널을 조립함에 있어서 어려움이 있었다.

첨부된 도면 도 3a 와 3b는 종래의 고온초전도 저널베어링을 나타내는 도면으로서 각각 축 방향과 반경 방향으로 절개한 단면도이다.

도 3a와 3b 에 도시된 바와 같이, 종래의 베어링에 있어서 회전자 저널(32)은 그 중심에 회전체 축(31)을 설치하며 상기 회전체 축(31) 주위에 서로 같은 극끼리 인접하는 다수의 원환형 자석(35)과 그 사이 사이에 강자성체 원환판(38)을 삽입하여 구성된다. 또한, 고정자(33)는 상기 저널(32)을 적당한 간극(34)을 두고 둘러싸는 것으로서, 일단 침투한 자속은 빠져나가지 않도록 고정하고 외부의 자속에 대해서는 강하게 반발하는 고온초전도체(36)로 이루어져 있다.

이러한 종래의 고온초전도 저널베어링에 있어서, 서로 인접한 동일 자극에서 발생하는 자속은 서로 강하게 반발하게 되는데, 자기 저항이 적은 강자성체원환판(38)을 그 인접하는 자극사이에 삽입하여 저널(32) 외부로의 자기 경로를 만들어 줌으로써 저널 외곽에 자기장을 발생시키게 된다.

저널(32) 외곽에 형성되는 자속선은 고온초전도체(36)에 침투하여 회전체에 고정력을 제공하거나 간극(34)에 존재하게 되어 자기 압력을 발생시킴으로써 회전체에 부상력을 제공하게 되는 것이다.

하지만, 도 3c 에 도시된 바와 같이, 종래의 고온초전도 베어링에 있어서 발생되는 자속선(37)은 저널(32) 외곽뿐만 아니라 회전체 축(31) 내부로도 통과하게 되는데, 강자성체를 축 재료로 사용할 경우 누설되는 자속은 더욱 증가하게 되어 저널 외곽으로 향하는 자기장을 약화시킬 우려가 있다. 따라서, 일반적인 기계부품에 사용되는 강자성체를 축(31)의 구성 재료로서 사용할 수 없게 되어 축 재료 선택에 있어 제약을 받는 문제점이 있다.

또한, 강력하게 자화된 자석들을 서로 같은 극끼리 마주보게 배열하는 것은 상당히 어려운 일이기 때문에, 회전체 축에 바로 원환형 자석(35)을 설치하고 베어링 고정자(33)를 설치하는 방법으로 베어링 시스템을 구성하는 것이 어려워진다. 따라서 이러한 축 재료와 조립상의 문제점으로 인해, 따로 제작된 베어링의 축과 지지 대상 회전체의 축을 연결하여 시스템을 구성해야 한다. 그러나 이와 같이 구성된 회전체 시스템은 그 축의 길이가 필연적으로 길어지고 전체 회전축 상에 생긴 연결부위가 재료적인 불연속지점으로 작용하므로 역학적으로 상당히 취약하게 된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 할바크 배열을 응용하여 축 방향과 반경 방향으로 자화된 원환형 자석을 회전체 축 주위에 반복적으로 배열 삽입하여 회전자 저널 외곽으로 강한 자기장이 발생하도록 함으로써, 축 재료의 자성에 대한 제약과 조립상의 난점을 해결함과 동시에 반경 방향으로 강한 자기 압력을 얻을 수 있는 할바크 배열을 응용한 고온초전도 저널베어링을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 베어링 고정자에 고온초전도체와 자석을 함께 사용하는 복합형 구성을 채택하여 베어링의 하중 지지력을 증가시키는 할바크 배열을 응용한 고온초전도 저널베어링을 제공하는 것이다.

도 1 은 본 발명에 따른 할바크배열을 응용한 고온초전도 저널베어링을 설명 하기 위한 절개 단면도로서,

도 1a 는 축 방향으로 절개한 사시도

도 1b 는 축 방향 단면도

도 1c 는 반경 방향 단면도

도 1d 는 축 방향 단면도에서 자속선을 나타내는 도면

도 2 는 본 발명의 다른 실시예로서 복합형 고온초전도 저널베어링을 설명하 기 위한 절개 단면도로서,

도 2a 는 축 방향 단면도

도 2b 는 반경 방향 단면도

도 3 은 종래의 고온초전도 저널베어링을 설명하기 위한 단면도로서,

도 3a 는 축 방향 단면도

도 3b 는 반경 방향 단면도

도 3c 는 축 방향 단면도에서 자속선을 나타내는 도면

＊도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＊

11,31. 회전체 축 12,32. 회전자 저널

13,33. 고정자 14,34. 간극

15,35. 원환형 자석 16,36. 고온초전도체

17,37. 자속선 21. 고정자 자석

38. 강자성체 원환판

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 다음과 같이 구성된다. 즉, 본 발명은 중심에 회전체 축(11)이 삽입되며 상기 회전체 축(11) 주위에 서로 동일 극끼리 마주보는 축 방향으로 자화된 원환형 자석(15)과 그 사이 사이에 반경 내향 또는 반경 외향으로 자화된 원환형 자석(15)을 반복적으로 배열 삽입하여 구성되는 회전자 저널(12)과, 상기 회전자 저널(12)과 적절한 간격을 유지하면서 상기 저널(12) 주위를 둘러싸는 것으로서 자속을 고정하는 성질이 있는 고온초전도체(16)로 이루어진 고정자(13)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정자(13)는, 회전체의 하중을 받는 부분에 저널(12)의 자석 배열과 상호 척력을 발생하도록 배열되어 회전체의 하중을 지지하는 고정자 자석(21)과, 그 나머지 부분에 설치되어 자속을 고정하는 고온초전도체(16)로 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면 도 1a내지 도1d 는 본 발명에 따른 할바크배열을 응용한 고온초전도 저널 베어링을 설명하기 위한 도면으로서, 각각 축 방향으로 절개한 사시도, 축 방향 단면도, 반경 방향 단면도, 자속선을 나타내기 위한 도면이다.

도 1a 내지 도 1d 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 회전자 저널(12)은 그 중심에 회전체 축(11)을 설치하며 상기 회전체 축(11) 주위에 서로 동일 극끼리 마주보는 축 방향으로 자화된 원환형 자석(15)과 그 사이 사이에 반경 내향 또는 반경 외향으로 자화된 원환형 자석(15)을 반복적으로 배열 삽입하여 축설되는 것으로서, 상기 원환형 자석(15)들은 발생되는 대부분의 자기장이 상기 회전자 저널(12) 외부에 형성되도록 하는 순서로 배열된다. 즉, "…- 반경 외향 - 축 음의 방향(도면의 왼쪽 방향) - 반경 내향 - 축 양의 방향(도면의 오른쪽 방향) - 반경 외향 -…" 과 같은 순서로 배열된다.

상기 도면의 원환형 자석(15)의 내부에 표시된 화살표시들은 각 자석의 자화 방향을 나타낸다.

또한, 고정자(13)는 상기 저널(12)을 적당한 간극(14)을 두고 둘러싸는 것으로서, 일단 침투한 자속은 빠져나가지 않도록 고정하고 외부의 자속에 대해서는 강하게 반발하는 성질이 있는 고온초전도체(16)로 이루어져 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 저널(12) 표면적의 반 가량이 자석의 극면으로 구성되므로 종래 기술에 의한 베어링에 비해 반경 방향으로 강한 자기 압력을 얻을 수 있게 된다.

또한, 도 1d에 도시된 바와 같이, 발생되는 자속선(17)의 대부분은 저널(12)의 외곽을 경유하게 되어 회전체 축(11) 재료로서 강자성체 등을 사용할지라도 저널 외곽에 강한 자기장을 형성시킬 수 있게 된다.

또한, 축 방향으로 자화된 자석(15)들 사이에 삽입된 반경 방향으로 자화된 원환형 자석(15)은 자석간의 척력을 완화하는 역할을 하므로 저널을 조립하는데 있어서의 어려움이 종래 기술에 비해 크게 줄어들게 된다.

또한, 상기 회전자 저널(12)이 이상과 같이 구성됨으로 말미암아 저널 외곽에 형성되는 강한 자기장은 상기 고정자 고온초전도체(16) 내부에 고정되므로, 회전체가 평형 위치에서 이탈할 경우 반대 방향으로 자기적인 힘을 발생시켜 회전체에 고정력을 제공하게 된다.

또한, 상기 고정자(13)는, 베어링을 자기장 하 냉각(field cooling)시킬 경우 회전자(12)를 힘 방향의 반대쪽에 두어 냉각 후 힘을 받아 설계 시 예정한 위치에 올 수 있도록 하거나, 고정자 고온초전도체(16)를 다수의 모듈로 분리하여 자기장 외 냉각(zero-field cooling)시킨 후 각 모듈을 베어링 작동 위치로 이동하여 전체 고정자(13)를 구성함으로써 고온초전도체의 자속 배척력을 이용하여 반경 방향의 자기 압력을 강화시킬 수 있다.

상기 고정자(13)는 단일 체의 고온초전도체(16)로 구성하거나 다수의 모듈로분리된 고온초전도체(16)로 구성하여도 무방하다.

또한, 첨부된 도면 도 2a 내지 도 2b는 본 발명의 다른 실시예를 나타내는 도면으로서, 고정자(13)에 자석을 부가 설치한 복합형(hybrid-type) 고온초전도 저널베어링의 축 방향과 반경 방향 단면도이다.

도 2a와 도2b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 복합형 고온초전도 저널베어링은, 상기 도1 의 실시예와 동일한 구조의 회전자 저널(12)을 사용하며, 회전체 하중을 받는 고정자(13)의 하부를 저널의 자석(15)들과 서로 척력을 발생하도록 상기 저널자석(15)들과 동일 극끼리 마주보면서 배열되는 원호형 자석(21)으로 구성하고, 고정자(13)의 나머지 부분은 고온초전도체(16)로 둘러싸 구성하는 것이다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 중력과 같이 대체적인 방향을 가지는 힘이 회전체에 항시 작용할 때, 강한 부상력을 회전체에 제공하여 무접촉 회전을 실현시키기 위해 쓰일 수 있다. 또한 상기 고온초전도체(16)는 저널 자석(15)과 고정자 자석(21)과의 강한 반발력에 의해 유발될 수 있는 불안정한 평형 위치에 대해 고정력을 제공하므로, 고온초전도체에서 발생하는 자속 고정 이탈로 야기되는 자기부양 평형위치 이동(levitation drift) 현상에 대한 해결책이 된다.

본 발명에 따른 고온초전도 저널베어링에 있어서 저널의 자석(15)에 해당하는 부분을 초전도자석, 초전도전자석, 일반 전자석, 일반 영구자석 등으로 제작하여도 자력 강도와 자력의 질 차이는 있으나 유사한 기능을 할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.

상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 할바크 배열을 응용한 고온초전도 저널 베어링에 대한 효과는 다음과 같다.

첫째, 반경 방향으로 강한 자기 압력을 얻을 수 있다. 회전체 표면의 절반이 자극면으로 되고 회전체 축 내부로 누설되는 자속이 최소화되기 때문에 반경 방향으로 강한 자기 압력을 얻을 수 있는 것이다.

둘째, 회전체 축 재료로서 강자성체 등을 사용할 수 있다. 발생되는 자속의 대부분이 저널 외부에 형성되므로 강자성체 등을 사용할지라도 저널 외곽의 자기장을 약화시키지 않게 되는 것이다.

셋째, 저널 조립상의 어려움이 줄어든다. 삽입되는 반경방향으로 자화된 자석에 의해 서로 마주보는 자석간의 반발력이 완화되므로 저널 조립시 존재하던 어려움이 줄어들게 되는 것이다.

넷째, 고정자를 자석과 고온초전도체의 복합형으로 구성함으로써 하중 지지력을 강화함과 동시에 자속 고정 이탈에 의해 야기되는 자기부양 평형위치 이동 문제를 해결할 수 있다.

Claims (3)

1. 고온초전도체의 특성을 이용한 무 접촉 저널베어링에 있어서,

   중심에 회전체 축이 삽입되며 상기 회전체 축 주위에 서로 동일 극끼리 마주보는 축 방향으로 자화된 원환형 자석과 그 사이 사이에 반경 내향 또는 반경 외향으로 자화된 원환형 자석을 반복적으로 배열 삽입하여 구성되는 회전자 저널과,

   상기 회전자 저널과 적절한 간격을 유지하면서 상기 저널 주위를 둘러싸는 것으로서 자속을 고정하는 성질이 있는 고온초전도체로 이루어진 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 할바크 배열을 응용한 고온초전도 저널 베어링.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 고정자는, 회전체의 하중을 받는 부분에 저널의 자석 배열과 상호 척력을 발생하도록 배열되어서 회전체의 하중을 지지하는 고정자 자석과,

   그 나머지 부분에 설치되어 자속을 고정하는 고온초전도체로 구성되는 것을 특징으로 하는 할바크 배열을 응용한 고온초전도 저널 베어링.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 고정자는 다수의 모듈로 분리된 고온초전도체를 자기장 외 냉각(zero-field cooling)시킨 후 각 모듈을 베어링 작동 위치로 이동하여 전체 고정자를 구성함으로써 고온초전도체의 자속 배척력을 이용하여 반경 방향의 자기 압력을 강화함을 특징으로 하는 고온초전도 저널베어링.