KR20040072320A - 자기 베어링 내장 전동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 자기 베어링 내장 전동기에 관하여 개시한다. 개시된 자기 베어링 내장 전동기는 회전축 방향의 자속을 가지는 자기 베어링 내장 전동기에 있어서, 전동기 하우징에 고정되어 상기 회전축에 수직으로 배치되는 적어도 하나의 고정자 디스크; 및 상기 회전축에 고정되어 상기 고정자 디스크에 대응하여 각 고정자 디스크의 양측에 배치되는 적어도 둘 이상의 회전자 디스크;를 구비하며, 상기 고정자 디스크는 두 개의 겹쳐진 디스크이며, 각 고정자 디스크에 형성된 코일의 극(pole)은 서로 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 한다. 이에 따르면, 고정자 디스크를 PCB 기판으로 형성함에 따라 박형화가 가능하고 제작이 간편해진다. 또한, 축방향 자기력의 불균형이 없기때문에 자기 베어링이 안정되게 기능을 수행한다.

Description

자기 베어링 내장 전동기{Motor with integrated magnetic bearing}
본 발명은 자기 베어링 내장 전동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 PCB 기판의 고정자를 사이에 두고 회전자가 배치되는 자기 베이링을 구비한 전동기에 관한 것이다.
반도체 분야 및 항공우주, 의료, 유전공학 등 첨단 기술 분야의 발달에 따라, 최근 각종 회전 기계의 초고속, 초정밀의 요구가 계속되고 있다. 이러한 초고속, 초정밀 회전체를 설계함에 있어 가장 큰 문제는 기존의 기계 베어링이 마찰, 마모의 특성을 가지고 있기 때문에 이러한 요구를 충족시키기 어렵다는 것에 있다. 따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위해 마찰 마모가 없이 자기력에 의해 비접촉식으로 지지하는 자기 베어링의 필요성이 크게 증가하고 있다. 그러나, 종래의 자기 베어링의 경우 기존의 기계 베어링에 비해 매우 큰 부피를 차지하고 있고, 비용이 매우 비싸지는 단점을 가지고 있다.
한편, 한국공개특허공보 제2001-93992호에서는 자기 베어링 내장 전동기 시스템을 개시하고 있다. 기존의 일반적인 전동기-자기 베어링 시스템에서 자기 베어링과 전동기가 각각 회전력과 부상력을 발생시키기 위해 별도의 권선을 가지고 있어서 그 부피가 큰 데 반하여, 자기 베어링 내장 전동기는 이러한 권선의 중복성을 피하기 위해 기존 전동기의 권선 만으로 전동기의 회전과 동시에 부상이 가능하도록 하는 전동기이다. 따라서 이러한 자기 베어링 내장 전동기는 기존의 전동기 권선 외에 부상을 위한 추가적인 권선이 필요치 않아서 전동기-자기 베어링 시스템에 비해 부피와 무게를 크게 줄이고, 중복되지 않는 부분에 관한 비용을 절감하는 이점을 가지고 있다.
도 2 내지 도 3은 2000년 한국 기계학회 여름 학술대회에서 발표된 "원판형 자기 베어링 내장 전동기 시스템의 설계 및 반경방향 위치제어"에서 발췌한 도면이다.
도 1은 자기 베어링 내장 전동기(10)의 구조를 개략적으로 보여주는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 전동기(10)의 하우징(11) 내의 중앙에 회전축(12)이 설치되어 있으며, 회전축(12)에는 디스크 형태의 회전자(13)가 고정 설치되며, 회전자 (13)의 양측에는 각각 하우징(11)에 고정된 디스크 형태의 고정자(15)가 회전자(13)에 대면되어 설치되어 있다. 그리고 각 고정자(15)의 바깥쪽 면에는 자속이 폐곡선을 이루게 하도록 백 아이언(back iron) 디스크(17)가 배치되어서 전자기력의 이동을 도와준다.
상기 회전자(13)에는 다수의 영구자석(14)이 배치되어서 회전자(13) 및 대향하는 각 백 아이언 디스크(17) 사이에 축방향의 자속을 형성한다.
상기 고정자(15)에는 독립된 권선 코일들(16)이 배치되어 있으며, 도 2는 트로이드 (Toroid) 모양의 고정자 권선 코일(16)의 작용을 보여준다.
도 2를 참조하면, 회전자(13)에 배치된 영구자석(14)에 의해서 왼쪽에는 자속이 도시된 평면으로부터 나오고, 오른쪽에는 자속이 평면으로 들어간다. 그리고 권선 코일에 인가된 전류의 방향이 화살표 방향인 경우 코일의 좌우에 작용하는 힘은 로렌쯔의 법칙(Lorenzs Law)에 따라 각각 Fl및 Fr이 되며, 이들의 합력은 Ft가된다.
도 3은 고정자 디스크(15)에서 네 방향으로 90°차이를 가지고 분포된 권선 코일(16)이 발생하는 힘의 관계를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 각각의 권선 코일(16)은 도 2에 나타낸 권선 코일의 힘의 작용을 보여준다. 이때 각 권선 코일(16)에 전류 Im만 주어지는 경우에는 로렌쯔 힘이 회전력을 발생하며 각 회전력은 대칭으로 반경방향으로는 힘의 균형을 이룬다. 그러나, 도 3에서처럼, 제1코일에는 Im+ i1, 제3코일에는 Im- i1과, 제2코일에는 Im+ i2, 제4코일에는 Im- i2를 가하면, 이로부터 반경방향(x,y)의 힘이 발생된다. 따라서 상기 i1 및 i2의 크기를 제어함으로써 회전자(13) 및 회전축(12)의 회전 뿐만 아니라 회전축(12)의 위치, 즉 부상되는 위치를 조절할 수 있게 된다.
한편, 반경방향의 부상력이 회전력과 관계없이 제어 가능하게 하려면 회전자장이 어떤 점에서도 0 을 지나지 않아야 한다. 그러나, 실제로 작용하는 회전자장은 삼각함수로 표현될 수 있으며, 0 을 지난는 점에서는 무한대의 제어전류(i1,i2)가 필요한 경우가 발생된다. 이를 해결하기 위해서는 고정자 디스크(15)를 회전자 디스크(13)의 양측에서 각각의 고정자 디스크(15) 상의 코일(16)이 서로 어긋나게 배치하면, 제어전류가 유한한 범위 내에서 제어가 가능해진다.
종래의 자기 베어링 내장 전동기(10)는 회전자(13)의 영구자석(14)과 고정자(15)의 백 아이언 디스크(17) 사이에는 서로 잡아당기는 힘, 즉 축방향 자기력이 발생되고, 이 자기력은 거리의 제곱에 반비례하여 증가하므로 회전자(13)가어느 한쪽으로 위치가 변동되면 급속히 둘 간의 자기력이 증가되어서 가까운 백 아이언(17) 쪽으로 회전자(13)가 이동되어서 자기 베어링이 불안정성의 문제가 있다.
또한, 종래의 자기 베어링은 소정 두께의 고정자 디스크를 포함하므로 그 부피가 커서 소형화의 문제가 된다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로서, 고정자를 소형화하고, 축방향의 자기력이 일정한 자기 베어링 내장 전동기를 제공하는 것이다.
도 1은 종래의 자기 베어링 내장 모터의 개략적인 단면도이다.
도 2는 권선 코일의 작용을 설명하는 도면이다.
도 3은 고정자 디스크의 권선 코일들의 힘의 관계를 설명하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기 베어링 내장 전동기의 개략적인 단면도이다.
도 5는 도4의 변형예를 도시한 단면도이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호설명*
100: 전동기 110,210: 하우징
120,220: 회전축 130,230: 회전자 디스크
132,232: 영구자석 134,234: 백 아이언(back iron) 디스크
140,240: 고정자
141,143,241,243: 상부 및 하부 고정자 디스크
142,144: 권선 코일
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 자기 베어링 내장 전동기는, 회전축 방향의 자속을 가지는 자기 베어링 내장 전동기에 있어서,
전동기 하우징에 고정되어 상기 회전축에 수직으로 배치되는 적어도 하나의 고정자 디스크;
상기 회전축에 고정되어 상기 고정자 디스크에 대응하여 각 고정자 디스크의 양측에 배치되는 적어도 둘 이상의 회전자 디스크;를 구비하며,
상기 고정자 디스크는 두 개의 겹쳐진 디스크이며, 각 고정자 디스크에 형성된 코일의 극(pole)은 서로 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 각 고정자 디스크는, 실리콘 기판 상에 권선코일이 프린팅된 PCB 기판인 것이 바람직하다.
또한, 상기 각 고정자 디스크는, 다층으로 이루어져 있으며,
각 층에는 각각 권선 코일이 프린팅되어 있으며,
층간의 각 권선 코일은 그들 사이의 층에 형성된 트루홀을 채운 도전층에 의해 연결되는 것이 바람직하다.
상기 회전자 디스크는, 상기 고정자 디스크의 수보다 하나 더 많게 배치된다.
또한, 상기 회전자 디스크는, 적어도 둘 이상이며,
최상단의 고정자 디스크의 상부 및 최하단의 고정자 디스크의 하부에는 각각 백 아이언 디스크 플레이트가 배치된 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기 베어링 내장 전동기를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 자기 베어링 내장 전동기(100)의 개략적인 단면도를 나타낸 것이고, 종래의 발명과 동일한 구조의 물건에는 동일한 명칭을 사용하고 상세한 설명을 생략한다.
도 4를 참조하면, 전동(100)의 하우징(110) 내의 중앙에 회전축(120)이 설치되어 있으며, 회전축(120)에는 디스크 형태의 한쌍의 회전자(130)가 고정 설치되어 있다. 이 회전자들(130)의 중앙에는 하우징(110)에 의해서 고정된 디스크 형태의 고정자(140)가 설치되어 있다.
상기 각 회전자(130)의 바깥쪽 면에는 자속이 폐곡선을 이루게 하는 백 아이언(back iron) 디스크(134)가 배치되어 있다. 회전자 디스크(130)에는 다수의 영구자석(132)이 배치되어서 그 사이의 고정자의 코일(142,144)에 일정 방향, 즉 회전축 방향의 자속을 발생시킨다.
상기 고정자 디스크(140)는 상부 및 하부 고정자 디스크(141, 143)로 이루어져 있으며, 상기 각 고정자 디스크(141, 143)는 기판 상에 PCB 코일의 패턴이 프린트된 것이다. 즉, PCB 기판(141, 143)이다. 이러한 PCB 기판(141, 143)은 반도체 공정에서 잘 알려진 패터닝, 식각 공정, 및 프린팅에 의해서 용이하게 제조될 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 상부 및 하부 고정자 디스크(141, 143)는 각각 하나의 층으로 형성될 수 도 있으며, 또한, 각각 다수의 층이 적층된 구조로 형성될 수도 있다. 상기 고정자 디스크(140)가 두 개의 층으로 형성되는 경우에는 하나의 기판의 양면에 각각 상부 및 하부 고정자 디스크를 형성하거나, 또는 겹쳐진 두 개의 층의 각각의 상면 또는 하면에 각각의 고정자 디스크를 형성할 수도 있다. 그리고 다층(multi-layer)으로 각각의 고정자 디스크(141, 143)를 형성하는 경우에는 하나의 층의 기판과 다른 층의 기판 사이의 권선 코일간의 전기적 연결은 기판에 트루홀(through hole)을 형성하고 그 내부에 도전체, 예컨대 코일과 동종의 도전체를 채움으로써 가능해진다. 이러한 PCB 기판으로 고정자를 형성함에 따라 그 두께를 얇게 제조할 수 있다.
각 고정자 디스크(141, 143)에는 도 3에 도시된 것과 같은 권선 코일(142, 144)이 예컨대, 90°간격으로 배치되어서 4 극(pole)을 형성한다. 각 권선 코일(142, 144)은 각각 2개의 선으로 디스크(141, 143) 밖으로 연장되어서 외부 전원(미도시)에 연결되어 회전 전류(I) 및 부상 제어 전류(i)를 공급받는다.
한편, 상부 고정자 디스크(141) 및 하부 고정자 디스크(143)는 동일한 형태로 권선 코일들(142, 144)이 감겨있으며, 다만, 그 배치가 서로 어긋나게 된다. 즉 각 극에 해당되는 권선 코일이 다른 고정자 디스크의 대응하는 두 개의 극 사이에 배치된다.
상기 구조의 자기 베어링을 형성하는 전동기(100)는 고정자 디스크(140)가 매우 얇게 제조될 수 있으며, 회전자(130)에 의해 형성되는 자속의 에어갭(air gap)이 매우 얇게 형성될 수 있다. 그리고, 두 개의 회전자(130)가 동일한 회전축(120)에 고정되어 설치되어서 자석(132)이 서로 마주보게 설치된다. 즉, 회전자들(130) 사이의 자기력이 연결되며, 종래와 같이 회전자(13) 및 백 아이언 디스크(17) 사이에 별개의 분리된 자기력을 형성하여 이들 자기력이 불균일해질 때 회전자(13)가 일측으로 쏠리는 현상이 방지된다.
따라서, 상기 구조의 전동기(100)는 종래의 자기 베어링 내장 전동기(10)처럼 권선 코일(132)에 공급되는 전류의 크기 제어에 의해서 회전축(120) 및 회전자(130)가 고정자(140)로부터 소정 간격 이격되게 회전되며, 별도의 갭 센서(미도시)로 회전자(130) 및 하우징(110) 사이의 간격을 측정하고 이 측정된 데이터를 피드백(feedback)해서 상기 고정자(140)의 권선코일(142, 144)에 공급되는 전류를 제어함으로써 회전축(120) 및 회전자(140)를 하우징(110)으로부터 소정 간격 부상되게 할 수 있게 된다. 즉 자기력으로 베어링의 기능을 수행하게 된다.
한편, 상기 실시예에서는 두 개의 회전자(130) 사이에 하나의 고정자(140)가 배치된 구조를 예시하였으나, 도 5와 같이 회전축(220)에 고정되어서 각각자석(232)을 포함하는 3개의 회전자(230)가 평행하게 배치되고, 두 개의 회전자(230) 사이에서 하우징(210)에 고정되며 두 개의 고정디스크(241, 243)이 겹쳐진 하나의 고정자(240)를 배치하고 양 가장자리의 회전자(230)에서 바깥쪽에 백 아이언 플레이트(234)를 배치할 수도 있다. 이러한 변형예의 구성과 작용은 상기 실시예와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
또한, 상기 실시예에서는 4 극 전동기를 예시하였으나, 8극, 16극 전동기에도 실질적으로 동일하게 적용됨은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 자기 베어링 내장 전동기는 고정자 디스크를 PCB 기판으로 형성함에 따라 박형화가 가능하고 권선에 필요한 권선기등이 불필요하므로 제작이 간편해진다. 또한, 축방향 자기력의 불균형이 없기때문에 자기 베어링이 안정되게 기능을 수행한다. 그리고 자기 베어링 기능을 갖는 전동기의 복잡한 권선 코일을 용이하게 제작하므로 제조 생산성도 향상된다.
본 발명은 도면을 참조하여 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 한해서 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

  1. 회전축 방향의 자속을 가지는 자기 베어링 내장 전동기에 있어서,
    전동기 하우징에 고정되어 상기 회전축에 수직으로 배치되는 적어도 하나의 고정자 디스크;
    상기 회전축에 고정되어 상기 고정자 디스크에 대응하여 각 고정자 디스크의 양측에 배치되는 적어도 둘 이상의 회전자 디스크;를 구비하며,
    상기 고정자 디스크는 두 개의 겹쳐진 디스크이며, 각 고정자 디스크에 형성된 코일의 극(pole)은 서로 어긋나게 배치되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 내장 전동기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 고정자 디스크는,
    실리콘 기판 상에 권선코일이 프린팅된 PCB 기판인 것을 특징으로 하는 자기 베어링 내장 전동기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 각 고정자 디스크는,
    다층으로 이루어져 있으며,
    각 층에는 각각 권선 코일이 프린팅되어 있으며,
    층간의 각 권선 코일은 그들 사이의 층에 형성된 트루홀을 채운 도전층에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 내장 전동기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자 디스크는,
    상기 고정자 디스크의 수보다 하나 더 많은 것을 특징으로 하는 자기 베어링 내장 전동기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자 디스크는,
    적어도 둘 이상이며,
    최상단의 고정자 디스크의 상부 및 최하단의 고정자 디스크의 하부에는 각각 백 아이언 디스크 플레이트가 배치된 것을 특징으로 하는 자기 베어링 내장 전동기.
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