KR20030076802A

KR20030076802A - 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링

Info

Publication number: KR20030076802A
Application number: KR1020020015469A
Authority: KR
Inventors: 강도현; 정연호
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2002-03-21
Filing date: 2002-03-21
Publication date: 2003-09-29
Also published as: KR100513205B1

Abstract

기존 회전기의 자기 베어링 장치는 반경방향의 위치를 제어하는 반경방향(radial) 자기 베어링과 축방향의 위치를 제어하는 축방향(axial) 자기 베어링으로 구성되어 있다. 기존 회전기의 자기 베어링 장치는 반경방향 자기 베어링만 사용할 경우 반경 방향의 힘은 크나 안정된 축방향 힘이 적으므로 축방향 제어를 위한 축방향 자기 베어링이 추가로 필요하게 되어 총 3개의 베어링이 필요하였다. 본 발명의 반경방향 자기 베어링은 고정자와 회전자의 자극 중간에 각각 비자성체를 삽입함으로써, 안정되고 기존의 반경방향 자기 베어링 보다 큰 축방향 힘을 얻을 수 있다. 따라서 기존의 축방향에 대한 부수적인 축방향 자기 베어링 없이 반경방향 자기 베어링만으로 회전기의 자기 베어링 장치를 구성할 수 있다.

Description

축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링 {Radial Magnetic Bearing With Increased Axial Guidance Force}

본 발명은 자기 베어링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고정자와 회전자의 자극 중간에 각각 비자성체를 삽입하여, 축방향의 제어기 없이 안정되고 기존의 반경방향 자기 베어링 보다 큰 축방향 힘을 얻을 수 있는 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링과, 이를 이용한 회전기의 자기 베어링장치에 관한 것이다.

도 1은 종래 반경방향 자기 베어링과 축방향 자기 베어링을 가진 자기 베어링장치의 입체도로, 2개의 반경방향 자기 베어링(7)과 1개의 축방향 자기 베어링(6)이 회전자 축(4)과 함께 연결되어 자기 베어링 장치를 구성하고 있다. 종래의 자기 베어링 장치의 반경방향 자기 베어링(7)에서는 안정된 축방향 안내력을 발생시키고 있으나 고속회전시 축방향 이동에 대해 충분한 축방향 안내력을 발생시키지 못하기 때문에 부가적으로 1개의 축방향 자기 베어링(6)을 설치하였다.

도 2는 종래의 반경방향 자기 베어링의 단면도로, 고정자 철심(1)과 회전자 성층 철심(3)의 중간에 비자성체가 없으므로 고정자 철심(1)과 회전자 성층철심(3) 사이에서 안정된 축방향 안내력을 발생시키는 부분이 단지 1곳이 된다.

도 3은 종래의 반경방향 자기 베어링의 힘 발생 원리도이다. 고정자 철심(1)과 회전자 성층 철심(3)의 중간에 비자성체가 없기 때문에 1개의 힘 F₂가 형성되며, 힘 F₂는 축방향 힘 F_a2와 반경방향 힘 F_r2로 나눌 수 있다. 종래의 반경방향 자기 베어링에서는 고정자 철심(1)과 회전자 성층 철심(3)이 일치되려고 하는 일직선이 1개이며, 도 2와 같은 구조의 자기 베어링 장치에서는 반경방향 자기 베어링이 2개 이므로 고정자 철심(1)과 회전자 성층 철심(3)이 일치하려는 일직선이 2개이다.

이상과 같이 종래의 자기 베어링 장치는 반경방향에 대한 힘과 축방향에 대한 힘을 얻기 위하여 2개의 반경방향 자기 베어링과 1개의 축방향 자기 베어링을 동시에 구성하였다. 종래 자기 베어링 장치에서는 반경방향 자기 베어링만 사용할 경우 반경 방향의 힘은 크나 안정된 축방향 힘이 적으므로 축방향 제어를 위한 축방향 자기 베어링이 추가로 필요하게 되어, 총 3개의 자기 베어링이 필요하게 된다.

따라서 종래의 자기 베어링은 축방향으로 제어하기 위하여 별도의 축방향 자기 베어링이 필요하기 때문 부수적인 장치가 필요하고 공간을 많이 차지하는 문제가 있었다.

발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 기존의 자기 베어링에 비해 축방향 안내력을 증가시킨 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 축방향 안내력을 증가시킨 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링만으로 구성하여, 기존의 축방향에 대한 부수적인 축방향 자기 베어링을 제거하여 경량화 및 구성의 간략화, 그리고 에너지 효율을 증가시킨 회전기의 자기 베어링 장치를 제공하고자 함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링은, 공극을 사이에 두고 대면하고 있는 고정자와 회전자 사이에서 형성되는 자속을 분할하는 자속분할수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 회전기의 자기 베어링 장치는, 회전자축에 결합된 회전자와, 상기 회전자와는 공극을 사이에 두고 대면하는 고정자를 포함하여 각각 구성된 다수의 반경방향 자기 베어링이, 상기 회전자축의 길이 방향으로 일정 간격 이격되어 설치되어 있고,

상기 각각의 반경방향 자기 베어링은 상기 고정자와 상기 회전자 사이에서 형성되는 자속을 분할하는 자속분할수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 자속분할수단은 상기 고정자의 고정자 철심 부분과 상기 회전자의 회전자 철심 부분에 있어서 서로 대면하는 소정 부분에 각각 비자성체를 삽입하여 구성한다.

일반적으로 반경방향 자기 베어링의 안정된 축 방향 안내력은 축방향으로 회전부의 변위가 생기면 고정부와 회전부의 철심이 상하 일직선으로 일치되려고 하는(즉, 자기저항을 최소로 하기 위한) 반경방향 힘과 축방향 힘이 발생한다.

상기 반경방향 힘은 공극이 적어지면 힘이 커져 안정되지 못하므로 전류를 제어해 주어야 한다. 축방향 힘은 축방향으로 회전부의 변위가 커지면 축방향 힘이 커지므로 안정된 축방향 힘(즉, 안내력)을 가진다. 기존의 반경방향 자기 베어링은 안내력을 발생하는 부분이 1곳이나 본 발명의 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링은 공극을 사이에 두고 있는 고정부와 회전부 사이에 자속분할수단으로서 비자성체를 삽입하여 고정부와 회전부 철심 사이에서 안정된 축방향 안내력을 발생시키는 부분을 2곳으로 만들어 기존의 반경방향 자기 베어링보다 안내력을 2배정도 향상시켰다.

따라서 본 발명에 따른 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링을 이용하면 기존의 축방향 자기 베어링 없이 자기 베어링 장치를 구성할 수 있게 된다.

도 1은 종래 반경방향 자기 베어링과 축방향 자기 베어링을 가진 자기 베어링장치의 입체도,

도 2는 종래 반경방향 자기 베어링의 단면도,

도 3은 종래 반경방향 자기 베어링의 힘 발생 원리도,

도 4는 본 발명에 따른 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링의 단면도,

도 5는 본 발명에 따른 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링의 측면도,

도 6은 본 발명에 따른 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링의 힘 발생 원리도,

도 7은 회전자 축의 축방향 이동에 따른 축방향 안내력 비교곡선,

도 8은 회전자 축의 축방향 이동에 따른 반경방향 부상력 비교곡선.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 고정자 철심 2 : 고정자 권선

3 : 회전자 성층 철심 4 : 회전자 축

5 : 비자성체 6 : 축방향 자기 베어링

7 : 반경방향 자기 베어링

이하, 본 발명에 따른 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링과 이를 이용한 회전기의 자기 베어링 장치의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하겠다.

도 4는 본 발명에 따라 축방향 안내력을 증가시키기 위하여 제작된 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링이 2개 설치된 회전기의 자기 베어링 장치의 단면도로, 도 5의 본 발명의 자기 베어링 장치의 측면도에서 A-A'선에 따른 단면에해당된다.

동 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링은 고정자 철심(1)과 회전자 성층 철심(3)의 중간에 비자성체(5)를 삽입하여 고정자 철심(1)과 회전자 성층 철심(3) 사이에서 안정된 축방양 안내력을 발생시키는 부분을 2곳으로 만들어 기존의 반경방향 자기 베어링보다 안내력을 향상시켰다.

상기 회전자 성층 철심(3)은 고속으로 회전하기 때문에 와전류가 발생하고, 와전류에 의해서 부상력이 저감하고, 회전자 철심의 온도가 상승하며 또한 회전력에 반대되는 제동력이 발생하므로 와전류를 줄이기 위해 일반적으로 0.3mm이하의 규소강판을 사용한다.

도 5는 본 발명에 따른 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링의 측면도로, 축에서 바라본 형태이다.

고정자 권선(2)에 전류를 흘리면 고정자 철심(1), 공극, 회전자 성층 철심(3)을 통해 자속 Φ가 형성되어, 도 3에 표시된 N-S극 전자석이 형성되어 반경방향의 흡인력이 생긴다. 회전자 성층 철심(3)은 회전자 축(4)위에 적층해서 설치한다. 전류가 일정할 때 공극이 줄어들면 흡인력이 증가되어 고정자 철심(1)과 회전자 성층 철심(3)이 붙게되어 자기 베어링의 역할을 하지 못하게 되므로 일정 공극을 유지하기 위한 전류제어기가 반드시 필요하다.

도 6은 본 발명에 따른 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링의 힘 발생 원리도이다. 고정자 권선(2)에 전류를 흘리면 자속 Φ가 형성되어 고정자철심(1)에 N극이 회전자 성층 철심(3)에 S극 전자석이 형성되어 2개의 힘 F₁이 형성되는데, 이 힘 F₁은 축방향 힘 F_a1과 반경방향 힘 F_r1로 나눌 수 있다. 여기서 고정자 철심(1)과 회전자 성층 철심(3)의 중간에 비자성체(5)를 채웠기 때문에 2개의 힘 F₁이 발생된다. 축방향에 대한 힘 F_a1은 항상 안정된 안내력을 제공하고 반경 방향에 의한 힘 F_r1은 흡인력으로 일정 공극을 유지하기 위한 전류제어기가 반드시 필요하다. 힘 F₁은 공극을 마주하고 있는 고정자 철심(1)과 회전자 성층 철심(3)이 상하 일직선으로 일치 되려고 하는(즉, 자기저항을 최소로 하기 위한) 축방향 F_a1과 반경방향 힘 F_r1이 생긴다.

여기서 하나의 반경방향 자기 베어링에서는 고정자 철심(1)과 회전자 성층 철심(3)이 일치되려고 하는 일직선이 2개이고, 도 4와 같은 자기 베어링 장치에서는 반경방향 자기 베어링이 2개이므로 고정자 철심(1)과 회전자 성층 철심(3)이 일치되려고 하는 일직선이 4개이다. 본 발명에 따른 축방향 힘 F_a1은 종래의 F_a2와 대략 비슷하고 본 발명에 따른 반경방향 힘 F_r1은 종래의 F_r2보다 약간 작다.

도 7은 회전자 축의 축방향 이동에 따른 축방향 안내력 비교곡선으로, 실선은 본 발명에 따른 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링의 축방향 안내력이고, 점선은 종래의 반경방향 자기 베어링의 축방향 안내력이다. 도 6의 본 발명에 따른 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링이 축방향으로 고정자 철심(1)의 폭 b만큼 이동하였을 때 안내력이 가장 크고, 마찬가지로 도 3의 종래 모델이 축방향으로 고정자 철심(1)의 폭 a만큼 이동하였을 때 안내력이 가장 크다. 그러나 상대적 축방향 안내력의 크기는 도 6과 도 3에서 설명한 바와 같이 도 6의 본 발명 모델이 도 3의 종래 모델보다 약 2배 크다.

도 8은 회전자 축의 축방향 이동에 따른 반경방향 부상력 비교곡선으로, 실선은 본 발명에 따른 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링의 반경방향 부상력이고, 점선은 종래 모델의 반경방향 부상력이다. 회전체가 축방향으로 이동하면 이동할수록 부상력을 발생시키는 자극의 표면적이 줄어들므로 반경방향 부상력이 감소한다. 상대적인 반경방향 부상력의 크기는 도 6의 본 발명 모델이 고정자 철심(1)과 회전자 성층 철심(3)의 중간에 비자성체(5)를 삽입하였으므로 부상력을 발생시키는 자극의 표면적이 줄어들므로 반경방향 부상력이 도 3의 종래 모델보다 적게된다.

이상 설명한 본 발명에 따른 축방향 안내력 증가형 반경방향 자기 베어링은 초고속 회전기의 자기 베어링 장치에 적용하기에 적합하다.

한편, 본 발명은 전술한 전형적인 바람직한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 개량, 변경, 대체 또는 부가하여 실시할 수 있는 것임은 당해 기술분야에 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 개량, 변경, 대체 또는 부가에 의한 실시가 이하의 첨부된 특허청구범위의 범주에 속하는 것이라면 그 기술사상 역시 본 발명에 속하는 것으로 보아야 한다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 반경방향 자기 베어링의 고정자와 회전자의 자극 중간에 각각 비자성체를 삽입하여, 기존의 반경방향 자기 베어링 보다 큰 축방향 안내력을 얻을 수 있다. 따라서 발명의 주 효과는 기존의 축방향에 대한 부수적인 축방향 자기 베어링 없이 반경방향 자기 베어링만으로 자기 베어링 장치를 구성하여 자기 베어링 장치를 경량화, 간략화할 수 있고 에너지를 절감할 수 있다.

Claims

공극을 사이에 두고 대면하고 있는 고정자와 회전자 사이에서 형성되는 자속을 분할하는 자속분할수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반경방향 자기 베어링.
제 1항에 있어서,

상기 자속분할수단은 상기 고정자의 고정자 철심 부분과 상기 회전자의 회전자 철심 부분에 있어서 서로 대면하는 소정 부분에 각각 비자성체를 삽입하여 구성한 것을 특징으로 하는 반경방향 자기 베어링.
제 2항에 있어서,

상기 고정자 철심 및 상기 회전자 철심에 삽입된 비자성체의 서로 대면하는 부분의 폭은 상기 고정자 철심과 상기 회전자 철심의 서로 대면하는 부분의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 반경방향 자기 베어링.
회전자축에 결합된 회전자와, 상기 회전자와는 공극을 사이에 두고 대면하는 고정자를 포함하여 각각 구성된 다수의 반경방향 자기 베어링이, 상기 회전자축의 길이 방향으로 일정 간격 이격되어 설치되어 있고,

상기 각각의 반경방향 자기 베어링은 상기 고정자와 상기 회전자 사이에서형성되는 자속을 분할하는 자속분할수단을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자기 베어링장치.
제 4항에 있어서,

상기 자속분할수단은 상기 고정자의 고정자 철심 부분과 상기 회전자의 회전자 철심 부분에 있어서 서로 대면하는 소정 부분에 각각 비자성체를 삽입하여 구성한 것을 특징으로 하는 자기 베어링장치.
제 5항에 있어서,

상기 고정자 철심 및 상기 회전자 철심에 삽입된 비자성체의 서로 대면하는 부분의 폭은 상기 고정자 철심과 상기 회전자 철심의 서로 대면하는 부분의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 자기 베어링장치.