KR20020042786A - 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링 - Google Patents

Abstract

회전축(10)이 고속 회전을 하면 원심력에 의하여 외부로부터 공기가 흡입되어서, 영구자석(20)의 원주 표면에 형성시킨 갈매기 무늬형 홈부(46)에 공기압력이 형성됨으로서 동심을 정확하게 유지시키고 베어링부 외부로 공기가 배출되면서 공랭 방열 효과를 동시에 갖는 자기 부상 공기 동압 베어링에 관한 것이다.

회전축(10) 중심부에 형성시킨 공기흡입통로(40)와, 회전축(10)에 고정시킨 원통형 영구자석(20)과, 공기흡입통로(40)와 연결시키고 영구자석(20) 내부에서 원주방향으로 형성시킨 다수의 공기분사통로(42)와, 다수의 공기분사통로(42)의 배출구와 연결되도록 영구자석(20)의 원주 표면에 형성시킨 갈매기 무늬형 홈부(46)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 부상 공기 동압 베어링을 구성한다.

특히 원심력에 의하여 분사되는 공기 압력에 의하여 동심을 정확하고 잡아주고 원주 방향에 대한 강력한 하중 지지력이 있어서 에어스핀들의 산업적 응용가치를 더욱 개선시키는 효과가 있다.

Description

자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링{Centrifuge type dynamic air bearing utilizing a magnetic levitation}

인류의 기계 공업 분야에서는 고속회전을 하며 고하중이 요구되는 모든 종류의 저어널부에는 다양한 베어링이 이용하고 있으며, 저어널부와 베어링부에 마모와 마찰저항을 방지할 목적으로 구름 마찰을 이용한 볼, 로울러를 이용한 베어링, 미끄럼 마찰을 이용한 유체 베어링을 사용하고 있다.

고속 회전하는 에어 스핀들에서는 열과 마찰저항문제를 해결하기 위하여 점성이 높은 유체 또는 기름보다는 점성이 낮은 공기를 이용하여 압력을 발생시키는 공기 저어널 베어링과 스러스트 베어링을 이용하고 있으며, 별도의 공기압축기로부터 공기압력을 공급받는 정압 베어링, 또는 갈매기 살(herringbone) 무늬의 3㎛정도의 미세한 홈을 이용하여 자체 부양이 가능한 동압 베어링으로 분류된다.

상기와 같이 유체 베어링은 원주방향의 정확한 회전동심이 불안정하고 베어링 측면하중 즉 베어링 하중지지능력이 매우 낮은 문제점이 있다

더욱 현대의 첨단 회전 기계는 더욱 높은 고속회전이 요구되고 있으나 베어링의 원주방향의지지 능력이 취약한 것이 산업 기술 현장에서의 문제점으로 지적되어왔다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로서,

회전축(10)이 고속 회전을 하면 원심력에 의하여 외부로부터 공기가 흡입되고, 영구자석(20)의 원주 표면에 형성시킨 갈매기 무늬형 홈부(46)에 공기압력이 형성되어 동심을 정확하게 유지시키고, 공기가 베어링 외부로 배출되면서 공랭식 방열 효과를 갖도록 한 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 도 1은 본 발명에 따른 자기 부상 공기 베어링의 전체 구성도에서 도시한 바와 같이, 회전축(10) 중심부에 형성시킨 공기흡입통로(40)와, 회전축(10)에 고정시킨 원통형 영구자석(20)과,

공기흡입통로(40)와 연결시키고 영구자석(20) 내부에서 원주방향으로 형성시킨 다수의 공기분사통로(42)와, 다수의 공기분사통로(42)의 배출구와 연결되도록 영구자석(20)의 원주 표면에 형성시킨 갈매기 무늬형 홈부(46)와, 회전축(10)의 원주 표면에 원통형으로 가공하여 끼워 맞춘 영구자석(20)을 포함하여 이루어지는 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링을 구성한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 자기 부상 공기 베어링의 전체 구성도

도 2는 전체구성도의 AA 부분 단면도

10: 회전축 20: 영구자석

30: 전기 자석 40: 공기 흡입 통로

42: 공기 분사 통로 46: 갈매기 살(herringbone) 무늬 홈

상기한 바와 같이 구성된 본 발명을 실시 예로서 도시한 첨부도면과 함께 이를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 자기 부상 공기 베어링의 전체 구성도에서 도시한바와 같이,

회전축(10)이 고속 회전을 하면 원심력에 의하여 외부로부터 공기가 흡입되고, 영구자석(20)의 원주 표면에 형성시킨 갈매기 살 무늬형 홈(46)에 공기압력이 형성되어 동심을 정확하게 유지시키는 자기 부상 공기 동압 베어링에 있어서,

회전축(10) 중심부에 형성시킨 공기흡입통로(40)와, 회전축(10)에 고정시킨 원통형 영구자석(20)과, 공기흡입통로(40)와 연결시키고 영구자석(20) 내부에서 원주방향으로 형성시킨 다수의 공기분사통로(42)와, 다수의 공기분사통로(42)의 배출구와 연결되도록 영구자석(20)의 원주 표면에 형성시킨 갈매기 무늬형 홈부(46)를 포함하는 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링과,

회전축(10)의 원주 표면에 원통형으로 가공하여 끼워 맞춘 영구자석(20)을 포함하는 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링과,

영구자석(20)의 내부에서 원주 방향으로 형성시킨 다수의 공기통로(42)와, 다수의 공기통로(42)와 연결되어 영구자석(20)의 원주 표면에서 축 방향으로 경사를 갖도록 형성시킨 갈매기살 무늬형의 홈(46)을 포함하는 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링과,

공기가 베어링부 외부로 배출되면서 공랭식 방열 효과를 포함하는 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링과,

회전축(10)과 영구자석(20)을 자기 반발력을 이용하여 축방향으로 부상시키도록 원통형 영구자석(20)의 외부에 위치시킨 전기자석(30)을 포함하는 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링과,

원통형 영구자석(20)의 외부에 위치시킨 전기자석(30)을 영구자석으로 교체 가능한 것을 포함하는 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링을 구성한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 자기 부상 공기 베어링의 AA 부분 단면도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 기본 작동 원리로서, 회전체 동력원에 동력을 주면 회전축(10) 및 영구자석(20)으로 구성된 베어링은 부상하게됨과 동시에 외부의 모터의 회전력에 의하여 회전축(10)은 회전하게된다.

따라서 회전축(10)에 고정시킨 영구자석(20)이 회전하게 되고, 영구자석(20)내부에 형성시킨 다수의 공기분사통로(42)에 원심력이 작용하게됨으로서, 회전축공기 흡입통로(40)을 통하여 외부의 공기를 끌어들여 영구자석(20)과 전기자석(30)사이에 압력이 생성되어 원주 방향의 지지력이 발생된다.

상기와 같이 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링은 원심력에 의하여 분사되는 강력한 공기 압력에 의하여 회전동심이 정확하고 베어링부의 측면 하중부담능력을 매우 높게 가지는 특징이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자기 부상 공기 베어링의 전체 구성도에서 도시한바와 같이, 전기자석(30)이 가지는 자기력으로 회전축(10)과 원통형 영구자석(20)을 부상시키고, 고속으로 회전되는 회전축(10)과 원통형 영구자석(20)의 회전에 의하여 원심력이 발생됨으로서,

도 2는 본 발명에 따른 전체 구성도의 AA 부분 단면도에 도시한 바와 같이, 본 발명의 기본 작동 원리를 설명하면, 외부의 모터를 이용하여 회전축(10)을 회전시키면, 영구자석(10)내부에 형성시킨 다수의 공기분사통로(42)에 원심력이 작용하게됨으로서, 회전축공기 흡입 통로(40)를 통하여 점선 방향으로 외부의 공기를 끌어들여 영구자석(20)과 전기자석(30)사이에 강력한 공기 압력이 형성되어 원주 방향의 지지력이 발생되며, 상기 지지력으로 인하여 회전축(10)과 원통형 영구자석(20)의 회전 중심을 정확하고 강하게 잡아준다.

회전축(10)을 부상시킨 공기는 원통형 영구자석(20)과 전기 자석(30)사이를 지나면서 회전에 의한 공기입자간의 마찰열을 가지고 배출구(48)로 배출되면서 베어링내부를 냉각시키는 방열 효과가 있다.

또한 종래의 기술에 있어서, 전자석의 원리를 간략하게 설명하면 다음과 같다.

자석은 서로 다른 극성은 끌어당기지만 같은 극성은 서로 밀어내는 자기력이 발생한다.

즉 N극과 S극은 서로 서로 당기는 성질을 가지지만, 같은 극성사이에는 서로 밀어내는 자기력이 발생하는 원리를 이용하여서, 본 발명에서는 중공의 원통형 영구자석(20)을 가공하여 회전축(10)의 원주외부에 끼우고 전기자석(30)자극을 길이방향으로 좌우에 배치하여서, 영구자석(20)을 전기자석(30)의 자극 내부에 회전축(10)방향으로 위치시킨다.

상기와 같이 전기자석(30)의 바닥으로부터 영구자석(20)을 자기력으로 부상시킬수 있다.

영구자석(20)의 표면에는 회전방향으로 여러 개의 갈매기 살 무늬 홈(46)을 구성하였으며, 영구 자석(20)의 내부에 형성된 공기 분사 통로(42)의 끝부분(43)에서부터 축 방향으로 경사진 갈매기 살 무늬 홈(46)을 구성한 공기통로를 만들어 준다.

상기와 같은 공기 통로에 기초하여 회전축(10)이 모터에 의하여 고속으로 회전을 하면 공기 분사 통로(42)내부의 있는 공기의 원심력 때문에 회전축(10) 중심부에 형성된 공기통로(40)를 통하여 공기가 외부로부터 흡입되고 다수의 원심 공기 분사 통로(42)에 의하여 영구자석(20)과 전기자석(30)의 간격에는 압력이 형성된다.

특히 영구자석(20)의 표면에서 원주방향으로 형성된 갈매기 살 무늬 홈(46)에서 발생되는 공기 압력이 높아서 회전축(10)과 영구자석(20)의 동심을 더욱 정확하게 잡아주고 강력한 하중 지지력이 발생된다.

한편 공기압력을 형성시킨 후에는 공기가 영구자석(20)과 전기자석(30)의 저널부 양측면의 틈사이를 통하여 베어링 외부(48)로 배출되는데, 고속으로 회전할 때 공기 입자 마찰로 발생된 마찰열은 외부로 배출되어 베어링내부를 공랭시킨다.

영구자석(20)은 계속적으로 같은 극성으로 반발이 일으킨 상태로 일정한 시간이 지나면 자력세기를 저감시키는 문제점이 있으므로, 회전체가 정지되는 경우에는 자동적으로 전기자석(30)의 전원이 차단되어 영구자석(20)의 자력 세기에 손상을 주지 않도록 한다.

본 발명에서는 영구자석(20)이 자력 세기가 상실되지 않도록, 전기자석(30)의 극성을 계속 바꾸어 일정한 시간이 지나면 영구자석(20)의 자력을 자동적으로 회복시킬 수 있어 베어링의 기계적 수명을 더욱 연장 할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예는 전기자석(30)을 영구자석으로 교체하여 상기와 같은 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링에 이용할 수 있다.

본 발명은 무급유 베어링으로서, 베어링 윤활유의 사용이 곤란한 의약품, 식품, 화공제품 제조 기계 분야에서는 매우 유리한 산업적 효과가 있으며, 더욱 종래기술인 단순한 갈매기 살(herringbone) 무늬의 미세한 홈을 이용하여 공압을 발생시키는 동압 또는 정압 베어링보다 회전체의 동심을 정확하게 잡아주고 원주방향의 고하중 지지력이 월등하게 높아서 정밀 기계가공용 밀링 센터, 반도체 연마기계를 포함한 초고속 에어 스핀들에 활용할 수 있다.

회전축(10)이 고속 회전할수록 원심력에 의하여 외부로부터 공기가 더욱 많이 흡인되어서, 영구자석(20)의 원주 표면에 형성시킨 갈매기 무늬형 홈부(46)에는 더욱 강한 공기압력이 형성됨으로서 동심을 정확하게 유지시킬 수 있다.

또한 베어링부 외부로 공기가 배출되면서 베어링 내부 온도를 냉각시키는 공랭식 방열 효과를 동시에 갖는다.

특히 원심력에 의하여 분사되는 공기 압력을 이용함으로서 고속으로 회전할수록 원주 방향으로 강력한 하중지지 효과가 있어서 고하중 초고속 산업용 베어링에 적합할 뿐만 아니라 저속 회전체의 경우에도 강한 공기 압력으로 하중 방향의 축진동을 억제시키어 회전체의 중심을 잡아주는 다목적 효과가 있다.

Claims (6)

1. 회전축(10)이 고속 회전을 하면 원심력에 의하여 외부로부터 공기가 흡입되고, 영구자석(20)의 원주 표면에 형성시킨 갈매기 무늬형 홈부(46)에 공기압력이 형성되어 저어널 베어링의 동심을 정확하게 유지시키는 자기 부상 공기 동압 베어링에 있어서, 회전축(10) 중심부에 형성시킨 공기흡입통로(40)와,

   회전축(10)에 고정시킨 원통형 영구자석(20)과, 공기흡입통로(40)와 연결시키고 영구자석(20) 내부에서 원주방향으로 형성시킨 다수의 공기분사통로(42)와, 다수의 공기분사통로(42)의 배출구와 연결되도록 영구자석(20)의 원주 표면에 형성시킨 갈매기살 무늬형 홈(46)을 포함하는 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링.
2. 제 1항에 있어서, 회전축(10)의 원주 표면에 원통형으로 가공하여 끼워 맞춘 영구자석(20)을 포함하는 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링.
3. 제 1항에 있어서, 영구자석(20)의 내부에서 원주 방향으로 형성시킨 다수의 공기통로(42)와, 다수의 공기통로(42)와 연결되어 영구자석(20)의 원주표면에서 축방향으로 경사를 갖도록 형성시킨 갈매기 살 무늬형 홈(46)을 포함하는 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링.
4. 제 1항에 있어서, 공기가 배출되면서 공랭식 방열 효과를 포함하는 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링.
5. 제 1항에 있어서, 회전축(10)과 영구자석(20)을 자기 반발력을 이용하여

   축방향으로 부상시키도록 원통형 영구자석(20)의 외부에 위치시킨 전기자석(30)을 포함하는 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링
6. 제 5항에 있어서, 원통형 영구자석(20)의 외부에 위치시킨 전기자석(30)을 영구자석으로 교체 가능한 것을 포함하는 자기부상을 이용한 원심식 공기 동압 베어링.