KR20050056753A - Active magnetic bearing with lorentz-type axial actuator - Google Patents
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Abstract
본 발명은 내부에 설치된 회전축을 자력으로 지지하는 전자기 베어링으로서, 상기 회전축 및 자력발생 부재가 설치되는 빈 공간이 마련된 베어링 몸체; 상기 베어링 몸체의 빈 공간에 설치되는 회전축; 상기 베어링 몸체의 한 내측 면에 일정간격으로 배열 부착되어 상기 회전축의 일부분을 상기 베어링 몸체 중심축방향으로 부양시키는 동일극성으로 이루어진 복수개의 제1 영구자석; 상기 베어링 몸체의 다른 내측 면에 배열 부착되어 상기 회전축의 나머지부분을 상기 베어링 몸체 중심축방향으로 부양시키며 상기 제1 영구자석과 다른 극성을 갖는 복수개의 제2 영구자석; 상기 제1, 제2 영구자석에 상기 회전축의 길이방향으로 배열 부착되는 코어; 및 상기 코어에 감겨지고 인가되는 전류에 따라 상기 회전축과 상기 코어를 순환하는 자속을 발생시켜 상기 회전축의 축방향 움직임을 제어하는 코일을 포함한다. 이 전자기 베어링은 하나의 액추에이터에 의해 축방향과 반경방향제어가 가능하다. The present invention provides an electromagnetic bearing for supporting a rotating shaft installed therein by magnetic force, the bearing body having an empty space in which the rotating shaft and the magnetic force generating member are installed; A rotating shaft installed in the empty space of the bearing body; A plurality of first permanent magnets having an identical polarity which is attached to one inner surface of the bearing body at a predetermined interval to support a portion of the rotating shaft in a direction of the central axis of the bearing body; A plurality of second permanent magnets arranged to be attached to the other inner side of the bearing body to support the remaining portion of the rotating shaft in a direction of the central axis of the bearing body, and having a polarity different from that of the first permanent magnets; Cores arranged in the longitudinal direction of the rotation shaft to the first and second permanent magnets; And a coil configured to generate magnetic flux circulating through the rotating shaft and the core according to a current wound and applied to the core to control the axial movement of the rotating shaft. This electromagnetic bearing can be controlled axially and radially by a single actuator.
Description
본 발명은 전자기 베어링에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 액추에이터에 의해 축방향과 반경방향의 제어가 가능한 로렌츠력을 이용한 전자기 베어링에 관한 것이다.The present invention relates to an electromagnetic bearing, and more particularly, to an electromagnetic bearing using a Lorentz force that can be controlled in an axial direction and a radial direction by one actuator.
회전축과 같은 대상물을 부상시키기 위하여 적용된 전자기 베어링은 전자석만을 사용하거나, 영구자석과 전자석의 혼합된 형태를 이용한다. 종래의 전자기 베어링은 반경방향 전자기 베어링과 축방향 전자기 베어링을 독립적으로 가지고 있으며, 이들 베어링을 각각 제어하여 반경과 축 방향에 대하여 회전축을 부상시킨다.Electromagnetic bearings applied to float an object such as a rotating shaft may use only electromagnets or a mixture of permanent magnets and electromagnets. Conventional electromagnetic bearings have radial electromagnetic bearings and axial electromagnetic bearings independently, and control these bearings respectively to raise the rotational axis in the radial and axial directions.
전자기 베어링의 적용분야가 고속회전 스핀들이나 진공펌프와 같은 대형시스템에서 하드디스크, 인공 심장이나 터보 쿨러와 같이 소형시스템으로 확장됨에 따라 반경방향 베어링과 축방향 베어링을 위한 공간 확보가 중요하게 되었다. 도 1은 전자석만을 사용한 전자기 베어링의 단면도를 나타낸 것으로서, 회전축의 반경방향을 지지하는 2개의 베어링(10)과 회전축의 축방향을 지지하는 1개의 베어링(20)으로 이루어져 있다. 이때, 축방향을 지지하는 베어링(20)은 한 쌍의 액추에이터(21)와 디스크(22)로 이루어져 있으며 회전축의 일단부에 설치된다. 따라서, 반경방향과 축방향을 동시에 지지하는 전자기 베어링은 일단부에 축방향을 지지하는 베어링이 배치됨으로 인하여 전체적인 크기가 커지는 단점이 있다.As electromagnetic bearing applications extend from large systems such as high-speed rotating spindles or vacuum pumps to smaller systems such as hard disks, artificial hearts or turbo coolers, it becomes important to secure space for radial and axial bearings. 1 is a cross-sectional view of an electromagnetic bearing using only an electromagnet, and is composed of two bearings 10 supporting the radial direction of the rotating shaft and one bearing 20 supporting the axial direction of the rotating shaft. At this time, the bearing 20 for supporting the axial direction is composed of a pair of actuators 21 and the disk 22 is installed on one end of the rotating shaft. Therefore, the electromagnetic bearing supporting both the radial direction and the axial direction at the same time has a disadvantage in that the overall size becomes large because the bearing supporting the axial direction is disposed at one end thereof.
도 2는 축방향 제어를 위해 영구자석만을 사용하여 축방향 힘을 발생시키는 전자기 베어링의 개략적인 원리를 나타낸 것이다. 영구자석을 이용한 전자기 베어링은 영구자석의 극성배열을 바꿈으로써 형태를 변화시킬 수 있다. 그러나, 이러한 형태의 베어링은 영구자석에 의해 발생되는 자속이 정해져 있으므로 제어를 위해 강성을 증가시킬 수 있으나 감쇠효과를 제공할 수 없다.2 shows a schematic principle of an electromagnetic bearing which generates axial force using only permanent magnets for axial control. Electromagnetic bearings using permanent magnets can change shape by changing the polarity arrangement of permanent magnets. However, this type of bearing has a fixed magnetic flux generated by the permanent magnet, which can increase the stiffness for control but cannot provide a damping effect.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전자기 베어링의 소형화가 가능할 수 있도록 하나의 액추에이터에 의해 축방향과 반경방향 제어가 가능한 로렌츠력을 이용한 전자기 베어링을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide an electromagnetic bearing using a Lorentz force that can be axially and radially controlled by one actuator so as to miniaturize the electromagnetic bearing.
본 발명의 한 실시형태에 따르면 내부에 설치된 회전축을 자력으로 지지하는 전자기 베어링으로서, 상기 회전축 및 자력발생 부재가 설치되는 빈 공간이 마련된 베어링 몸체; 상기 베어링 몸체의 빈 공간에 설치되는 회전축; 상기 베어링 몸체의 한 내측 면에 일정간격으로 배열 부착되어 상기 회전축의 일부분을 상기 베어링 몸체 중심축방향으로 부양시키는 동일극성으로 이루어진 복수개의 제1 영구자석; 상기 베어링 몸체의 다른 내측 면에 배열 부착되어 상기 회전축의 나머지부분을 상기 베어링 몸체 중심축방향으로 부양시키며 상기 제1 영구자석과 다른 극성을 갖는 복수개의 제2 영구자석; 상기 제1, 제2 영구자석에 상기 회전축의 길이방향으로 배열 부착되는 코어; 및 상기 코어에 감겨지고 인가되는 전류에 따라 상기 회전축과 상기 코어를 순환하는 자속을 발생시켜 상기 회전축의 축방향 움직임을 제어하는 코일을 포함하는 로렌츠력을 이용한 전자기 베어링이 제공된다.According to an embodiment of the present invention, an electromagnetic bearing for supporting a rotating shaft provided therein magnetically, comprising: a bearing body having an empty space in which the rotating shaft and the magnetic force generating member are installed; A rotating shaft installed in the empty space of the bearing body; A plurality of first permanent magnets having an identical polarity which is attached to one inner surface of the bearing body at a predetermined interval to support a portion of the rotating shaft in a direction of the central axis of the bearing body; A plurality of second permanent magnets arranged to be attached to the other inner side of the bearing body to support the remaining portion of the rotating shaft in a direction of the central axis of the bearing body, and having a polarity different from that of the first permanent magnets; Cores arranged in the longitudinal direction of the rotation shaft to the first and second permanent magnets; And a coil generating a magnetic flux circulating through the rotary shaft and the core according to a current wound on and applied to the core to control the axial movement of the rotary shaft.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 전자석과 영구자석을 이용한 전자기 베어링의 정면을 나타낸 것으로서, 도 3의 (a)는 헤테로 폴 전자기 베어링을 도시한 것이고 (b)는 호모 폴 전자기 베어링을 나타낸 것이다.3 is a front view of an electromagnetic bearing using an electromagnet and a permanent magnet, and FIG. 3 (a) shows a hetero pole electromagnetic bearing and (b) shows a homo pole electromagnetic bearing.
일반적으로 전자기 베어링은 베어링 몸체 양 끝에 회전축을 부양시키는 자석을 구비하고 있는데, 이 자석의 배치방법에 따라 헤테로 폴 전자기 베어링과 호모 폴 전자기 베어링으로 나누어진다. 헤테로 폴 전자기 베어링은 전자석을 각기 다른 극성을 갖도록 배열한 것으로서 전자석의 자속이 반경방향으로 발생한다. 반면, 호모 폴 전자기 베어링은 동일한 극성을 갖는 영구자석이 배열된 것으로서 영구자석에 의한 자속이 축을 따라 흐르게 된다.In general, electromagnetic bearings have magnets that support the rotating shaft at both ends of the bearing body. The magnet bearings are divided into hetero pole electromagnetic bearings and homo pole electromagnetic bearings according to the arrangement of the magnets. Heteropole electromagnetic bearings are arranged so that the electromagnets have different polarities, and the magnetic flux of the electromagnets is generated in the radial direction. On the other hand, the homo-pole electromagnetic bearings are arranged with permanent magnets having the same polarity, and magnetic flux caused by the permanent magnets flows along the axis.
본 발명은 전자기 베어링의 반경방향과 축방향의 동시제어를 목적으로 하고 있으나, 축방향 제어시 로렌츠력을 적용하기 위하여 위 두 가지 방법 중 호모 폴 전자기 베어링 방식을 기본구조로 사용한다.The present invention aims at the simultaneous control of the radial and axial directions of the electromagnetic bearing, but in order to apply the Lorentz force in the axial control, the homo-pole electromagnetic bearing method is used as the basic structure.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전자기 베어링의 단면을 나타낸 것이며, 도 5는 도 4에 도시된 전자기 베어링의 정면을 나타낸 것이다.4 is a cross-sectional view of an electromagnetic bearing according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a front view of the electromagnetic bearing shown in FIG.
전자기 베어링 몸체(100)에는 영구자석(110)과 회전축(150)이 설치되는 빈 공간이 마련되어 있다. 영구자석(110)은 베어링 몸체(100)의 양 끝 안쪽 면에 일정간격으로 배열 부착된다. 앞에서 언급한 바와 같이 본 발명의 영구자석 배치방법은 호모 폴 전자기 베어링 방식으로서, 베어링 몸체(100)의 같은 방향에 부착된 영구자석(110)은 극성이 같다. 그러나, 베어링 몸체(100)의 좌우 영구자석(110)의 극성은 다르다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이 베어링 몸체(100)의 왼쪽에 배열 부착된 영구자석(110)은 모두 N극이나 오른쪽에 배열 부착된 영구자석(110)은 모두 S극이다. The electromagnetic bearing body 100 is provided with an empty space in which the permanent magnet 110 and the rotation shaft 150 are installed. The permanent magnets 110 are attached to the inner surface of both ends of the bearing body 100 at regular intervals. As mentioned above, the permanent magnet arrangement method of the present invention is a homo-pole electromagnetic bearing method, and the permanent magnet 110 attached to the same direction of the bearing body 100 has the same polarity. However, the polarity of the left and right permanent magnets 110 of the bearing body 100 is different. That is, as shown in FIG. 4, the permanent magnets 110 arranged on the left side of the bearing body 100 are all N poles or the permanent magnets 110 arranged on the right side are all S poles.
이와 같이 베어링 몸체(100) 양 끝에 부착되는 영구자석(110)의 극성을 다르게 한 이유는 베어링 몸체(100) 내부를 순환하는 자속을 발생시키기 위함이다. 본 발명에서는 회전축(150)의 축방향 제어를 위해 로렌츠력을 사용하고 있는데, 만약 베어링 몸체(100)에 부착된 영구자석(110)의 극성이 모두 동일하면 양 끝에 부착된 영구자석(110) 간에 척력이 작용하여 베어링 몸체(100) 내부에 로렌츠력을 발생시킬 자속이 발생되지 않는다.As such, the reason for changing the polarity of the permanent magnets 110 attached to both ends of the bearing body 100 is to generate magnetic flux circulating inside the bearing body 100. In the present invention, the Lorentz force is used for the axial control of the rotation shaft 150. If the polarities of the permanent magnets 110 attached to the bearing body 100 are all the same, between the permanent magnets 110 attached to both ends. The repulsive force acts so that no magnetic flux is generated to generate the Lorentz force inside the bearing body 100.
한편, 베어링 몸체(100)의 양 끝 안쪽 면에는 영구자석(110)이 설치되는 턱(101)이 형성되어 있다. 이처럼 베어링 몸체(100)에 턱(101)을 형성시킨 이유는 극성이 다른 양 끝의 영구자석(110)이 베어링 몸체(100) 내측 면을 따라 작용하는 인력을 줄이기 위한 것이다. 아울러, 이러한 방법으로 영구자석(110)을 부착하면 영구자석(110)에 의해 발생되는 자속이 도 4의 φb와 같이 회전축(150)을 따라 이동하게 되므로 자속을 이용한 회전축(150) 제어가 용이하다.On the other hand, both ends of the inner surface of the bearing body 100 is formed with a jaw 101 is a permanent magnet 110 is installed. The reason why the jaw 101 is formed in the bearing body 100 is to reduce the attraction force acting along the inner surface of the bearing body 100 at both ends of the permanent magnets 110 having different polarities. In addition, when the permanent magnet 110 is attached in this manner, the magnetic flux generated by the permanent magnet 110 is moved along the rotating shaft 150 as shown in φ b of FIG. 4, so that the control of the rotating shaft 150 using the magnetic flux is easy. Do.
영구자석(110)에는 코어(120)가 부착된다. 코어(120)는 회전축(150)방향으로 돌출된 2개의 리브(125)를 가지고 있다. 이때, 리브(125)는 베어링 몸체(100)의 길이방향으로 배열되어 있어, 코어(120)의 횡단면은 'ㄷ'자 형상이 된다. 한편, 본 발명에서는 몸체가 일체로 된 비적층 코어(120)를 사용하고 있는데, 일반적으로 비적층 코어를 사용하면 와전류(eddy current)가 발생하여 회전시 제동력이 걸리는 문제가 있다. 때문에, 본 발명에서는 이와 같은 와전류의 발생을 최소화시키기 위해 반경방향으로 배열된 리브(125)간의 간격이 최소화되도록 설계하였다.The core 120 is attached to the permanent magnet 110. The core 120 has two ribs 125 protruding in the direction of the rotation axis 150. At this time, the rib 125 is arranged in the longitudinal direction of the bearing body 100, the cross section of the core 120 is a 'c' shape. Meanwhile, in the present invention, the non-laminated core 120 having a body is integrated, and in general, when the non-laminated core is used, an eddy current is generated and a braking force is applied during rotation. Therefore, in the present invention, in order to minimize the occurrence of such eddy currents, the spacing between the ribs 125 arranged in the radial direction is designed to be minimized.
각 리브(125)에는 전자석을 형성하기 위한 코일(130, 140)이 감겨져 있다. 제1 코일(130)과 제2 코일(140)은 분리되어 있으며, 리브(125)에 감겨져 각기 독립된 전자석 역할을 수행한다. 즉, 제1 코일(130)에 제어전류를 인가하면 도 5와 같이 베어링 몸체(100)와 코어(120)를 따라 흐르는 자속 φr이 발생되어 회전축(150)의 반경방향 움직임을 제어하고, 제2 코일(140)에 제어전류를 인가하면 코어(120)와 회전축(150)을 따라 흐르며 자속 φa 가 발생되어 회전축(150)의 축방향 움직임을 제어한다. 이때, 좌우 제2 코일(140)에 의해 형성되는 자속의 방향은 도 4에 도시된 바와 같이 대칭이다. 이는 좌우측 전자기 베어링에서의 영구 자석의 극성이 다르므로, 같은 방향의 축방향 힘이 발생되도록 좌우측의 제2 코일(140)에 전류를 인가하였기 때문이다.Coils 130 and 140 are wound around each rib 125 to form an electromagnet. The first coil 130 and the second coil 140 are separated and wound around the rib 125 to serve as independent electromagnets. That is, when a control current is applied to the first coil 130, magnetic flux φ r flowing along the bearing body 100 and the core 120 is generated as shown in FIG. 5 to control radial movement of the rotation shaft 150. When a control current is applied to the two coils 140, the magnetic flux φ a is generated while flowing along the core 120 and the rotating shaft 150 to control the axial movement of the rotating shaft 150. At this time, the direction of the magnetic flux formed by the left and right second coil 140 is symmetrical, as shown in FIG. This is because the polarity of the permanent magnets in the left and right electromagnetic bearings is different, so that a current is applied to the second coil 140 on the left and right so as to generate axial forces in the same direction.
회전축(150)은 베어링 몸체(100)의 내부를 관통하여 설치되는데, 베어링 몸체(100)의 양 끝에 부착된 영구자석(110)에 의해 베어링 몸체(100) 중심축 상에 부양된 상태로 유지된다. 따라서, 회전축(150)은 자성체를 사용한다. 한편, 앞에서 언급한 바와 같이 본 발명에서는 비적층 코어를 사용하므로 회전 중 와전류에 의해 제동력이 발생할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 도 5와 같이 회전축(150)의 원주면을 감싸고 있는 리브(125) 끝의 간격을 최소화하여 회전축(150)의 반경방향으로 극성변화가 거의 발생하지 않도록 하였다.The rotating shaft 150 is installed to penetrate the inside of the bearing body 100, and is maintained on the bearing shaft 100 by a permanent magnet 110 attached to both ends of the bearing body 100. . Therefore, the rotating shaft 150 uses a magnetic material. Meanwhile, as mentioned above, in the present invention, since a non-laminated core is used, a braking force may be generated by eddy current during rotation. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 5, the gap between the ends of the ribs 125 surrounding the circumferential surface of the rotation shaft 150 is minimized so that the polarity change in the radial direction of the rotation shaft 150 hardly occurs.
이와 같이 이루어진 본 발명의 작동방법을 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation method of the present invention made as described above are as follows.
도 6의 (a)는 도 4에 도시된 전자기 베어링의 반경방향 제어원리를 나타낸 것이고, 도 6의 (b)는 도 4에 도시된 전자기 베어링의 축방향 제어원리를 나타낸 것이다.6 (a) shows the radial control principle of the electromagnetic bearing shown in FIG. 4, and FIG. 6 (b) shows the axial control principle of the electromagnetic bearing shown in FIG.
전자기 베어링에 갑작스러운 충격이 가해지면 자력에 의해 고정된 회전축(150)은 반경방향 또는 축방향으로 흔들리게 되는데, 본 발명에서는 이탈된 회전축(150)이 아래와 같은 원리에 의해 안정화 된다.When a sudden shock is applied to the electromagnetic bearing, the rotating shaft 150 fixed by the magnetic force is shaken in the radial or axial direction. In the present invention, the separated rotating shaft 150 is stabilized by the following principle.
먼저, 회전축(150)의 반경방향 움직임을 제어하는 방법을 알아보자.First, let's look at how to control the radial movement of the rotation axis (150).
앞에서 설명한 바와 같이 회전축(150)과 리브(125)가 근접한 곳에서는 도 6의 (a)와 같은 자속의 흐름이 존재한다. 자속 φb는 영구자석(110)에 의한 것이고, 자속 φr 은 제1 코일(130)에 의한 것이다. 영구자석(110)에 의해 발생된 자속 φb 는 회전축(150)을 베어링 몸체(100) 중앙에 유지되게 하나, 제1 코일(130)에 의한 자속 φr 은 회전축(150)과 리브(125)간의 자속차이를 발생시켜 회전축(150)을 한 반경방향으로 밀어낸다. 이때, 회전축(150)을 반경방향으로 밀어내는 힘 Fr은 다음과 같이 표현된다.As described above, where the rotary shaft 150 and the rib 125 are close to each other, there exists a flow of magnetic flux as shown in FIG. The magnetic flux φ b is due to the permanent magnet 110, and the magnetic flux φ r is due to the first coil 130. The magnetic flux φ b generated by the permanent magnet 110 is to maintain the rotating shaft 150 in the center of the bearing body 100, the magnetic flux φ r by the first coil 130 is the rotating shaft 150 and ribs 125 By generating a magnetic flux difference between the pushing the rotating shaft 150 in one radial direction. At this time, the force F r for pushing the rotation shaft 150 in the radial direction is expressed as follows.
수학식1에서 μ0는 진공에서의 투자율이고, A는 리브(125)의 단면적이다. 수학식 1에서 알 수 있듯이 회전축(150)을 반경방향으로 움직이는 힘 Fr은 자속 φb 와 φr 의 크기를 조절하여 제어할 수 있다. 이때, 자속 φb 는 영구자석(110)에 의해 발생된 자속으로 그 크기를 조절할 수 없다. 그러나, 자속 φr 은 제1 코일(130)을 따라 흐르는 전류에 의해 유발되는 것이므로 제1 코일(130)에 인가하는 전류의 크기를 조절하여 제어할 수 있다. 따라서, 회전축(150)의 회전속도에 따른 반경방향의 변위가 파악되면 회전축(150)의 위치에 따라 제1 코일(130)에 인가되는 전류크기를 조절하여 반경방향으로의 변위를 제어할 수 있다.Μ 0 in Equation 1 is the permeability in the vacuum, A is the cross-sectional area of the rib (125). As can be seen in Equation 1, the force F r to move the rotation axis 150 in the radial direction can be controlled by adjusting the magnitude of the magnetic flux φ b and φ r . At this time, the magnetic flux φ b can not control the size of the magnetic flux generated by the permanent magnet (110). However, since the magnetic flux φ r is caused by a current flowing along the first coil 130, the magnetic flux φ r may be controlled by adjusting the magnitude of the current applied to the first coil 130. Therefore, when the radial displacement according to the rotational speed of the rotary shaft 150 is known, the displacement in the radial direction may be controlled by adjusting the current magnitude applied to the first coil 130 according to the position of the rotary shaft 150. .
다음으로 회전축(150)의 축방향 움직임을 제어하는 방법을 살펴보자.Next, a method of controlling the axial movement of the rotary shaft 150 will be described.
회전축(150)에는 위에서 설명한 자속 φb, φr 외에 점선으로 나타난 자속 φa 가 작용한다. 자속 φa 는 제2 코일(140)에 인가되는 전류에 의해 발생되는 자속으로 도 6의 (b)와 같이 코어(120)와 회전축(150)을 따라 시계방향 또는 반 시계방향으로 흐른다. 이때, 회전축(150)을 흐르는 자속 φa 는 모두 회전축(150)이 베어링 몸체(100) 외측으로 빠져나가지 못하도록 작용한다. 따라서, 회전축(150)이 베어링 몸체(100)에서 이탈하려 해도 이 자속에 의해 원래 위치로 되돌아온다. 이때, 회전축(150)에 작용하는 힘 Fa는 로렌츠력의 원리에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.In addition to the magnetic flux φ b and φ r described above, the rotating shaft 150 acts on the magnetic flux φ a shown by a dotted line. The magnetic flux φ a is a magnetic flux generated by the current applied to the second coil 140 and flows clockwise or counterclockwise along the core 120 and the rotation shaft 150 as shown in FIG. At this time, all of the magnetic flux φ a flowing through the rotation shaft 150 prevents the rotation shaft 150 from escaping to the outside of the bearing body 100. Therefore, even if the rotating shaft 150 tries to leave the bearing body 100, it returns to the original position by this magnetic flux. At this time, the force F a acting on the rotation shaft 150 can be expressed as follows by the principle of the Lorentz force.
수학식 2에서 A는 리브(125)의 단면적이고, Na는 제2 코일(140)의 감긴 횟수이며, ia 제2 코일(140)에 인가된 전류크기이고, L은 전류가 흐르는 전선의 길이다.In Equation 2, A is the cross-section of the rib 125, N a is the number of turns of the second coil 140, i a is the magnitude of the current applied to the second coil 140, L is the Way.
한편, 베어링 몸체(100)에 장착된 회전축(150)에는 항상 인력이 작용해 반경방향으로 불안정한 상태이다. 따라서, 회전축(150)의 반경방향을 제어하는 별도의 궤환 제어기가 필요하다. 반면, 회전축(150)의 축방향으로는 초기에 별다른 외력이 작용하지 않으므로 반경방향과 같은 안정화를 위한 궤환 제어기는 필요 없지만 강성과 감쇠를 조절하기 위한 궤환 제어기는 필요하다.On the other hand, the manpower is always applied to the rotating shaft 150 mounted on the bearing body 100 is in an unstable radial direction. Therefore, a separate feedback controller for controlling the radial direction of the rotation shaft 150 is required. On the other hand, since no external force initially acts in the axial direction of the rotation shaft 150, a feedback controller for stabilization such as a radial direction is not required, but a feedback controller for adjusting the stiffness and damping is required.
도 7은 종래 전자기 베어링과 본 발명에 따른 전자기 베어링의 축방향 충격에 대한 응답곡선을 나타낸 것이다.Figure 7 shows the response curve for the axial impact of the conventional electromagnetic bearing and the electromagnetic bearing according to the present invention.
도 7에서 점선은 수동적 강성만을 가지는 있는 종래의 전자기 베어링의 응답곡선을 나타낸 것이고, 실선은 본 발명에 따른 전자기 베어링의 응답곡선을 나타낸 것이다. 도면에 나타나 듯이 종래 전자기 베어링에서는 최초 변위가 발생한 후 이 변위가 장시간 계속되고 안정화되는데 오랜 시간이 소요된다. 그러나, 본 발명에 따른 베어링에서는 최초 변위가 발생한 후 매우 짧은 시간에 그 변위가 소폭으로 작아지고 안정화됨을 알 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 전자기 베어링의 응답이 종래 전자기 베어링에 비해 빠르고 감쇠효과가 뛰어남을 알 수 있다.7 shows the response curve of the conventional electromagnetic bearing having only passive stiffness, and the solid line shows the response curve of the electromagnetic bearing according to the present invention. As shown in the figure, in the conventional electromagnetic bearing, after the initial displacement has occurred, the displacement continues for a long time and takes a long time to stabilize. However, in the bearing according to the present invention, it can be seen that the displacement is slightly reduced and stabilized in a very short time after the initial displacement occurs. Therefore, it can be seen that the response of the electromagnetic bearing according to the present invention is faster and excellent in damping effect than the conventional electromagnetic bearing.
본 발명에 따른 전자기 베어링은 하나의 액추에이터에 의해 축방향과 반경방향의 제어가 되므로 전자기 베어링의 소형화가 가능하고, 축방향 제어에 의한 감쇠 효과가 우수하다.The electromagnetic bearing according to the present invention is controlled in the axial direction and the radial direction by one actuator, so that the electromagnetic bearing can be miniaturized, and the damping effect by the axial control is excellent.
이상에서 로렌츠력을 이용한 전자기 베어링에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.The technical idea of the electromagnetic bearing using Lorentz force has been described above with the accompanying drawings, but this is only illustrative of the best embodiment of the present invention and is not intended to limit the present invention. In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.
도 1은 전자석을 이용한 종래 전자기 베어링의 단면을 나타낸 것이고,1 is a cross-sectional view of a conventional electromagnetic bearing using an electromagnet,
도 2는 영구자석을 이용한 종래 축방향 전자기 베어링의 단면을 나타낸 것이며,Figure 2 shows a cross section of a conventional axial electromagnetic bearing using a permanent magnet,
도 3은 전자석과 영구자석을 이용한 전자기 베어링의 정면을 나타낸 것이고,Figure 3 shows the front of the electromagnetic bearing using an electromagnet and a permanent magnet,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전자기 베어링의 단면을 나타낸 것이며,4 shows a cross section of an electromagnetic bearing according to an embodiment of the invention,
도 5는 도 4에 도시된 전자기 베어링의 정면을 나타낸 것이고,5 is a front view of the electromagnetic bearing shown in FIG. 4,
도 6은 도 4에 도시된 전자기 베어링의 반경방향과 축방향 제어원리를 나타낸 것이며,6 shows the radial and axial control principles of the electromagnetic bearing shown in FIG.
도 7은 도 종래 전자기 베어링과 본 발명에 따른 전자기 베어링의 축방향 충격에 대한 응답곡선을 나타낸 것이다.Figure 7 shows the response curve for the axial impact of the conventional electromagnetic bearing and the electromagnetic bearing according to the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ><Description of Symbols for Major Parts of Drawings>
100 : 몸체 110 : 영구자석100: body 110: permanent magnet
120 : 코어 125 : 리브120: core 125: rib
130, 140 : 코일 150 : 회전축130, 140: coil 150: rotating shaft
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