KR20070017440A - 간소화된 배선을 갖는 자기 베어링 장치 - Google Patents

간소화된 배선을 갖는 자기 베어링 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20070017440A
KR20070017440A KR1020077000440A KR20077000440A KR20070017440A KR 20070017440 A KR20070017440 A KR 20070017440A KR 1020077000440 A KR1020077000440 A KR 1020077000440A KR 20077000440 A KR20077000440 A KR 20077000440A KR 20070017440 A KR20070017440 A KR 20070017440A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
actuator
actuators
current
port
subgroup
Prior art date
Application number
KR1020077000440A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101105258B1 (ko
Inventor
필립 뷜러
Original Assignee
메코스 트랙슬러 아게
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 메코스 트랙슬러 아게 filed Critical 메코스 트랙슬러 아게
Publication of KR20070017440A publication Critical patent/KR20070017440A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101105258B1 publication Critical patent/KR101105258B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/04—Bearings not otherwise provided for using magnetic or electric supporting means
    • F16C32/0406—Magnetic bearings
    • F16C32/044—Active magnetic bearings
    • F16C32/0444—Details of devices to control the actuation of the electromagnets
    • F16C32/0457—Details of the power supply to the electromagnets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C39/00—Relieving load on bearings
    • F16C39/06—Relieving load on bearings using magnetic means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2360/00—Engines or pumps
    • F16C2360/44—Centrifugal pumps
    • F16C2360/45—Turbo-molecular pumps

Abstract

자기 베어링 장치 및 이러한 장치를 조작하는 방법이 제공된다. 상기 장치는 전자기 액추에이터(411, 412, 413, 414)의 그룹(410)을 포함한다. 각각의 액추에이터는 증폭기 유닛(701)에 전기적으로 연결된다. 제1 서브 그룹의 액추에이터는 제1 공통 노드(608, 609)에 연결되고, 제2 서브 그룹의 액추에이터는 제2 공통 노드(609)에 연결된다. 공통 노드(608, 609)는 직접 또는 추가의 액추에이터와 같은 수단을 통해 연결된다. 바람직하게, 공통 노드(608, 609)는 증폭기 유닛과 추가의 전기적인 접속을 갖지 않는다. 본 발명의 실시예에 따르면, 액추에이터의 각각의 서브 그룹은 하나의 액추에이터만으로 이루어지며 공통 노드는 증폭기와 전기적으로 접속된다. 따라서, 상기 장치는 H-브리지에 연결되는 직렬 구성의 2개의 액추에이터를 포함한다. 공통 노드는 2개의 상이한 전압에 연결될 수 있다. 본 발명은 배선의 부하 요구조건을 증가시키지 않고 배선의 간소화를 가능하게 한다.
자기 베어링, 배선, 액추에이터, 증폭기, 공통 노드, 간소화, 그룹

Description

간소화된 배선을 갖는 자기 베어링 장치 {MAGNETIC BEARING DEVICE WITH SIMPLIFIED WIRING}
본 발명은 자기 베어링 장치 및 이러한 장치의 조작 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 특허청구범위 제1항 또는 제12항의 전제부의 특징을 가지는 자기 베어링 장치 및 제9항 또는 제14항의 전제부의 특징을 가지는 방법에 관한 것이다.
자기 베어링 장치에서, 물체는 비접촉 방식으로 전자기적으로 지지된다. 물체의 하나 이상의 자유도는, 위치 또는 변위 센서의 제공, 센서 신호의 컨트롤러로의 이송, 센서 신호에 따른 제어 전류 또는 제어 전압의 유도, 이들 전류 또는 전압을 전력 증폭기를 이용하여 전자기 액추에이터에 인가하는 것에 의해 활발하게 제어된다. 이러한 방식에서, 지지될 물체의 안정적인 부상(levitation)이 이루어진다.
중요한 예시에서, 로터는 로터 샤프트 둘레에서의 회전을 위해 자기 베어링 장치에 부양된다. 샤프트의 장축은 z로 지정되고, 샤프트와 직각인 방향으로 상호 직교하는 2개의 축은 x 및 y로 지정된다. 일반적으로, 5개의 자유도(3개의 병진 자유도 및 2개의 회전 자유도)가 제어된다. 원칙적으로, 이를 위해 5개의 센서 및 동일한 개수의 액추에이터이면 충분하다. 그러나, 흔히, 보다 많은 개수, 일반적으로 5쌍으로 이루어진 10개의 액추에이터가 채용된다.
레이디얼 동작(x 및 y 방향의 병진 및 틸팅 동작)의 제어를 위해, 일반적으로 z축을 따라 상부 및 하부 위치에 2개의 레이디얼 베어링 유닛이 제공된다. 일반적으로, 각각의 레이디얼 베어링에는, 샤프트 섹션의 변위를 ±x 및 ±y 방향으로 각각 제어하기 위해 2쌍의 액추에이터가 존재한다. 마찬가지로, ±z 방향의 변위를 제어하기 위해 한 쌍의 액추에이터를 가지는 축방향 또는 스러스트 베어링 유닛이 일반적으로 존재한다. 작동 포인트를 설정하기 위해 각각의 액추에이터에 바이어스 전류가 제공될 수 있다.
각각의 액추에이터는 일반적으로 2개의 배선에 의해 개별 전력 증폭기에 연결된다. 전력 증폭기는 일반적으로 별개의 증폭기 유닛에 수납되며 액추에이터로부터 용이하게 제거될 수 있다. 상기 10개의 액추에이터의 예에서는, 증폭기 유닛으로부터 액추에이터까지 상당한 거리에 걸쳐 총 20개의 배선이 존재하게 된다. 이렇게 많은 수의 배선은 케이블 및 커넥터의 비용을 유발하고 신뢰성을 저하시킬 수 있다.
배선의 개수를 줄이기 위해 이 분야에서 여러 방안이 제안되었다.
일 방안에서, 바이어스 전류를 제공하는 대신에 영구자석에 의해 자기저항형 액추에이터의 바이어싱이 실행된다. 영구자석은 바이어스 자기장을 제공한다(1994년 취리히에서 개최된 제4차 자기 베어링 국제 심포지움에서 Ulbrich, H.; Wang, Y.-X.; Bormann, J.가 발표한 "기계공학 응용을 위한 자기 액추에이터 설계"의 377-382쪽 참고). 각각의 베어링 유닛의 각 쌍의 액추에이터는, 액추에이터를 통과하는 전류가 제1 액추에이터의 자기장을 증가시키고 제2 액추에이터의 자기장을 감소시키도록, 양 극성을 가지고 직렬 연결될 수 있다. 이로 인해, 액추에이터와 증폭기 유닛 사이에 필요한 배선의 개수가 감소될 수 있다.
배선의 개수를 감소시키는 다른 방안은, 복수의 액추에이터에 대한, 일반적으로 접지 연결을 위한 공통 회귀 배선을 사용하는 것이다. 따라서, 10개의 액추에이터를 가지는 시스템에서는 배선의 개수가 11개로 감소된다. 그러나, 이러한 방안에서, 공통 복귀 배선의 부하 요구조건은 다른 배선보다 매우 높으며, 배선의 전체적인 전력 취급 능력이 종래의 배선에 비해 증가될 수도 있다.
본 발명의 목적은 간소화된 배선을 가지는 자기 베어링 장치를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은, 소정 개수의 액추에이터에 대하여 액추에이터와 전력 증폭기 사이의 배선이 저렴하게 구성될 수 있는 자기 베어링 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위 제1항 또는 제12항의 특징을 가지는 자기 베어링 장치에 의해 달성된다.
본 발명의 또 다른 목적은, 이러한 자기 베어링 장치의 개선된 조작 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 특허청구범위 제8항 또는 제14항의 특징을 가지는 자기 베어링 장치의 조작 방법에 의해 달성된다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 물체를 자기식으로 지지하는 자기 베어링 장치가 제공된다. 이 장치는 증폭기 유닛, 및 물체의 m개의 자유도를 제어하기 위한 적어도 하나의 그룹의 전자기 액추에이터를 포함한다. 상기 군 내의 액추에이터의 수는 적어도 3개, 바람직하게는 적어도 4개이다. 각각의 액추에이터는 액추에이터를 통해 전류를 공급하기 위한 제1 및 제2 포트를 갖는다. 각각의 액추에이터의 제1 포트는 증폭기 유닛과 전기적으로 접속된다. 액추에이터 그룹은 제1 서브 그룹 및 제2 서브 그룹으로 나뉜다. 제1 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제2 포트는 제1 공통 노드와 연결되고, 제2 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제2 포트는 제2 공통 노드(공통 교차점, 공통 접속점)와 연결된다. 각각의 공통 노드는 각각의 서브 그룹 내의 모든 액추에이터와 공통이다. 제1 공통 노드 및 제2 공통 노드는 노드 접속 수단에 의해 전기적으로 접속된다. 공통 노드는 증폭기 유닛에 대한 추가의 전기적 접속을 갖지 않는다(즉, 액추에이터를 통하는 것 외에 공통 노드와 증폭기 유닛 사이에는 전류가 흐르지 않는다). 대안적으로, 공통 노드와 증폭기 유닛 사이에는 하나 이상의 추가적인 전기 접속(공통 복귀라고도 함)이 존재한다. 증폭기 유닛은, 추가의 전기 접속부를 통과하는 모든 전류의 절대값의 합계가 액추에이터 그룹 내의 모든 액추에이터를 통과하는 전류의 절대값의 합계, 바람직하게는 상기 합계의 절반, 보다 바람직하게는 임의의 하나의 액추에이터를 통과하는 최대값보다 항상 작도록, 액추에이터를 통과하는 전류를 제공하는 수단을 포함한다.
이로 인해, 추가의 전기 접속부는, 모든 액추에이터를 통과하는 전류의 절대값의 합계보다 항상 작은(바람직하게는 상당히 작은) 전류를 이송하는 치수를 가지는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 디자인 및 조작 모드는 종래 기술의 배선 구성에서는 불가능하다.
본 발명은, 과도한 부하를 지원할 수 있는 복귀 배선을 제공할 필요 없이 배선의 수가 감소된 자기 베어링 장치를 조작할 수 있다는 사실의 구현에 근거를 둔다. 이러한 추가의 전기 접속부(공통 복귀부)가 존재하는 경우, 이 접속부는 바람직하게, 액추에이터 그룹 내의 임의의 하나의 액추에이터를 통과하는 최대 전류에 해당되는 최대 전류를 이송하기 위한 치수를 갖는다. 이러한 방식에서, 공통 복귀부는 증폭기 유닛과 액추에이터 사이의 모든 다른 배선과 마찬가지로 정확하게 동일한 사양을 가질 수 있어서, 배선이 용이하고 저렴해진다. 가장 바람직하기로는, 공통 노드와 증폭기 유닛 사이에 추가의 전기 접속부가 전혀 존재하지 않는 것이다.
따라서, 일반적으로, 증폭기 유닛은 제1 서브 그룹 내의 액추에이터를 통과하는 전류 값의 합계의 부호가 제2 서브 그룹 내의 액추에이터를 통과하는 전류 값의 합계의 부호와 반대가 되도록 하는 수단을 포함하게 된다. 그러므로, 공통 복귀부의 전체 전류는 적어도 부분적으로 상쇄된다.
용어 "공통 노드"는 서브 그룹 내의 모든 액추에이터가 연결되는 물리적인 포인트가 아니라 개념으로서 이해되어야 한다. 액추에이터의 서브 그룹의 제2 포트는, 공통 배선, 인쇄회로기판 상의 공통 도체, 또는 다른 도체와 같은 저저항성 및 저유도성 접속부에 의해 연결되어 있으면 공통 노드에 연결되어 있는 것으로 이해되어야 한다.
바람직하게, 제1 및 제2 공통 노드는 서로 직접 연결되며, 즉 양호한 도전체에 의해 연결된다. 이 경우, 개념적으로, 제1 및 제2 공통 노드를 포함하는 공통 노드는 단 하나이다. 대안적으로, 노트 접속 수단은, 코일, 구체적으로는 바이어스 자기장을 발생시키는 바이어스 코일과 같은 추가의 부하, 또는 추가의 전자기 액추에이터를 포함할 수 있다.
바람직하게, 증폭기 유닛은, 노드 접속 수단을 통과하여 흐르는 임의의 전류가 소정의 방향으로만 흐르도록, 즉 액추에이터의 각각의 서브 그룹을 통과하는 전류의 합계가 소정의 방향으로만 흐르도록, 액추에이터를 통과하는 전류를 제어하는 수단을 포함하고, 상기 소정의 방향은 제1 및 제2 서브 그룹과 반대이다. 이로 인해, 예를 들면 효율적인 바이어싱이 가능해진다. 즉, 증폭기 유닛은, 상기 자기 베어링 장치의 작동 중에, 증폭기 유닛으로부터 액추에이터의 제1 서브 그룹을 통하여 제1 공통 노드로 흐르는 전류의 합계가 그 부호를 변경하지 않도록, 상기 액추에이터 그룹에 복수의 전류를 제공하도록 작동 가능하다.
바람직한 실시예에서, 상기 액추에이터 그룹의 각각의 액추에이터는 자기저항형 액추에이터이다. 이들은 자기 베어링 장치에서 가장 일반적으로 사용되는 유형의 액추에이터이다.
일 실시예에서, 상기 제1 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제1 포트는 제1 극성으로 증폭기 유닛과 연결되고, 상기 제2 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제1 포트는 상기 제1 극성과 반대인 제2 극성으로 증폭기 유닛과 연결된다. 이러한 경우, 각각의 액추에이터를 통과하는 전류의 방향은 고정된다. 이로 인해, 증폭기 유닛의 설계가 특히 간단해질 수 있고, 단일 극성(unipolar)일 수 있으며, 즉 각각의 액추에이터를 통과하는 전류의 방향이 변경될 수 없다. 다시 말하자면, 증폭기 유닛은 바람직하게, 증폭기 유닛으로부터 제1 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제1 포트로 흐르는 각각의 전류는 항상 제1 미리 정해진 방향으로 흐르고, 증폭기 유닛으로부터 제2 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제1 포트로 흐르는 각각의 전류는 항상 제1 미리 정해진 방향과 반대인 제2 미리 정해진 방향으로 가능하면 소량의 잔류 전류와는 별도로 흐르도록, 상기 액추에이터 그룹에 복수의 전류를 제공하도록 작동 가능하다.
본 명세서에서, 극성(polarity)은 다음과 같이 정의된다. 액추에이터는, 접속이 증폭기 유닛과 소정의 방향만을 가지는 액추에이터 사이의 접속부를 통과하는 임의의 전류를 야기하는 경우, 임의의 극성으로 증폭기 유닛에 연결되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 양극에 의해 증폭기 유닛에 연결되어 있는 액추에이터의 제1 포트는, 전류가 증폭기로부터 액추에이터를 통해 공통 노드로 소정의 방향으로 흐른다는 것을 의미한다. 따라서, 음극은, 전류가 공통 노드로부터 액추에이터를 통해 증폭기 유닛으로 소정의 방향으로 흐르는 것을 의미한다.
그러므로, 증폭기 유닛 및 공통 노드에 대한 액추에이터의 연결의 정의된 극성은 액추에이터에 의해 발생되는 자기장의 극성(즉, 방향)과 무관하다. 자기장 방향은, 제1 또는 제2 포트가 증폭기 유닛에 연결되는 것을 선택하거나 액추에이터 내의 코일의 권취 방향에 의해 결정된다.
증폭기 유닛은 바람직하게, 제1 서브 그룹의 각각의 액추에이터를 제1 전위 레벨에 선택적으로 접속하고, 제2 서브 그룹의 각각의 액추에이터를 제1 전위 레벨보다 낮은 제2 전위 레벨에 선택적으로 접속하도록 작동 가능한 액티브 스위칭 수단을 포함할 수 있다. 다른 액티브 스위칭 수단이 존재할 필요는 없다. 이것은 단일 극성의 증폭기 유닛에 대한 일 실시예이다.
증폭기 유닛은 바람직하게, 제2 전위 레벨로부터 제1 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 각각의 제1 포트로의 단방향 전류 흐름을 가능하게 하는 복수의 제1 다이오드, 및 제2 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 각각의 제1 포트로부터 제1 전위 레벨로의 단방향 전류 흐름을 가능하게 하는 복수의 제2 다이오드를 더 포함한다. 전술한 액티브 스위칭 수단 외에 다른 스위칭 수단 및 다이오드는 존재할 필요가 없다.
소정의 실시예에서, 자기 베어링 장치는 2개의 상이한 포지티브 및 네거티브 방향에서 힘을 발생시키기 위한 2쌍의 액추에이터를 구비하는 베어링 유닛을 포함한다. 이러한 액추에이터 그룹은, 제1 방향으로 힘을 발생시키는 제1 액추에이터, 제1 방향과 반대인 제2 방향으로 힘을 발생시키는 제2 액추에이터, 제1 및 제2 방향과 상이한 제3 방향으로 힘을 발생시키는 제3 액추에이터, 및 제3 방향과 반대인 제4 방향으로 힘을 발생시키는 제4 액추에이터를 포함한다. 제1 서브 그룹은 바람직하게 제1 및 제2 액추에이터를 포함하고, 제2 서브 그룹은 제3 및 제4 액추에이터를 포함한다. 특히, 이러한 연결 구성은 양쪽 서브 그룹에 대하여 간단한 바이어싱을 가능하게 한다.
다른 바람직한 구성은, 3개의 액추에이터로 된 제1 서브 그룹 및 3개의 액추에이터로 된 제2 서브 그룹을 포함하며, 따라서 전체 액추에이터 그룹은 6개의 액추에이터를 포함한다. 또 다른 바람직한 구성은, 4개의 액추에이터로 된 제1 서브 그룹 및 4개의 액추에이터로 된 제2 서브 그룹을 포함하며, 따라서 전체 액추에이터 그룹은 8개의 액추에이터를 포함한다.
액추에이터 그룹이 양 방향으로 힘을 발생시키도록 작동 가능한 적어도 한 쌍의 액추에이터를 포함하는 경우, 이러한 액추에이터 쌍은 동일한 서브 그룹 내에 소속되는 것이 바람직하다. 미리 정해진 바이어스 전류로 상기 액추에이터 쌍을 작동시키는 경우, 각각의 쌍을 통과하는 전류의 합계는 보다 용이하게 소정의 값으로 유지될 수 있다.
흔히, 본 발명의 자기 베어링 장치는 컨트롤러, 및 물체의 변위를 검출하는 복수의 센서를 더 포함한다. 센서는 센서 신호를 제공하도록 컨트롤러에 작동 가능하게 연결되고, 컨트롤러는 센서 신호에 따라 증폭기 유닛에 일반화된 힘 신호를 제공하도록 증폭기 유닛에 작동 가능하게 연결된다.
본 발명의 방법은 물체를 자기식으로 지지하는 자기 베어링 장치의 조작 방법이다. 자기 베어링 장치는 증폭기 유닛, 및 물체의 다수의 자유도를 제어하는 전자기 액추에이터의 적어도 하나의 그룹을 포함하고, 상기 그룹 내의 액추에이터의 수는 적어도 3개, 바람직하게는 적어도 4개이며, 상기 액추에이터 그룹 내의 각각의 액추에이터는 상기 액추에이터에 전류를 제공하기 위한 제1 및 제2 포트를 갖고, 상기 액추에이터 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제1 포트는 상기 증폭기 유닛에 연결되며, 상기 액추에이터 그룹은 제1 서브 그룹 및 제2 서브 그룹으로 나뉘고, 제1 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제2 포트는 제1 공통 노드에 연결되고, 제2 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제2 포트는 제2 공통 노드에 연결되며, 상기 제1 및 제2 공통 노드는 노드 접속 수단에 의해 전기적으로 접속된다. 상기 방법에서, 전류는, 상기 공통 노드와 상기 증폭기 유닛 사이의 임의의 추가적인 전기 접속부를 통과하는 모든 전류의 절대값의 합계가 0 또는 액추에이터 그룹 내의 모든 액추에이터를 통과하는 모든 전류의 절대값의 합계보다 항상 작도록, 액추에이터에 제공된다.
바람직하게, 액추에이터에 대한 전류는, 노드 접속 수단을 통과하는 임의의 전류가 미리 정해진 방향으로만 흐르도록 제공된다. 즉, 증폭기 유닛으로부터 액추에이터의 제1 서브 그룹을 통해 제1 공통 노드로 흐르는 전류의 합계는 그 부호가 바뀌지 않는 것이 바람직하다.
바람직한 실시예에서, 제1 서브 그룹 내의 모든 액추에이터를 통과하는 모든 전류의 절대값의 합계는 미리 정해진 바이어스 값과 동일하다. 이 바이어스 값은 적시에 고정되거나 변화될 수 있지만, 개별 액추에이터 내의 전류보다 느리게 변화되는 것이 바람직하다.
본 명세서에서, 자기 베어링 장치는 일반적으로, m개의 자유도를 제어하기 위해 전체 n개의 액추에이터를 가지는 p개의 액추에이터 그룹을 포함한다. 액추에이터 그룹 내의 각각의 서브 그룹의 액추에이터는 공통 노드에 접속된다. 본 발명의 방법은 다음과 같은 형태로 실시될 수 있다.
상기 방법은,
ㅇ 복수의 센서 신호를 제공하는 단계,
ㅇ 상기 센서 신호에 따라 m개의 제어 신호 세트를 도출하는 단계, 및
ㅇ 상기 제어 신호로부터 상기 액추에이터를 구동시키기 위해 n개의 일반화된 힘 값의 세트를 도출하는 단계
를 포함한다.
가장 단순한 경우, 일반화된 힘 값은 액추에이터에 제공될 전류 값일 수 있다. n개의 일반화된 힘 값의 세트를 도출하는 단계는 다음과 같은 다수의 수학적 단계, 즉,
ㅇ 행렬 원소들이 액추에이터의 기하학적 배치 및 물리적 특징을 나타내는 기하학적 행렬
Figure 112007001680792-PCT00001
를 결정하는 단계,
ㅇ 행렬 원소들이 상기 공통 노드에 대한 상기 액추에이터의 접속을 나타내는 노드 행렬
Figure 112007001680792-PCT00002
를 결정하는 단계,
ㅇ 행렬 원소들이 추가의 경계 조건을 나타내는 바이어스 행렬
Figure 112007001680792-PCT00003
를 결정하는 단계,
ㅇ 상기 기하학적 행렬
Figure 112007001680792-PCT00004
, 상기 바이어스 행렬
Figure 112007001680792-PCT00005
, 및 상기 노드 행렬
Figure 112007001680792-PCT00006
로부터 2차 가역 시스템 행렬
Figure 112007001680792-PCT00007
를 형성하는 단계,
ㅇ 역 시스템 행렬
Figure 112007001680792-PCT00008
를 얻기 위해 상기 시스템 행렬
Figure 112007001680792-PCT00009
를 역전시키는 단계, 및
ㅇ 상기 일반화된 힘 값을 포함하는 n개의 행을 갖는 컬럼 벡터를 얻기 위해, 상기 역 시스템 행렬
Figure 112007001680792-PCT00010
에, 상기 m개의 제어 신호 값을 포함하는 컬럼 벡터, 상기 공통 노드로부터의 전류를 나타내는 p개의 추가 수, 및 상기 추가의 경계 조건에 속하는 (n-m-p)개의 추가 수를 포함하는 컬럼 벡터를 곱하는 단계
를 포함한다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 물체를 자기식으로 지지하는 자기 베어링 장치가 제공되며, 증폭기 유닛과 제1 및 제2 액추에이터를 포함하고, 각각의 액추에이터는 제1 및 제2 포트를 갖는다. 제1 액추에이터의 제2 포트는 제2 액추에이터의 제1 포트에 연결된다. 따라서 이들 액추에이터는 직렬로 연결되며 공통 노드를 공유한다. 제1 액추에이터의 제1 포트, 제2 액추에이터의 제2 포트, 및 공통 노드는 증폭기 유닛과 연결된다. 증폭기 유닛은, 제1 액추에이터의 제1 포트에 제1 미리 정해진 방향으로 전류를 제공하고, 제2 액추에이터의 제2 포트에 제1 미리 정해진 방향과 반대인 제2 미리 정해진 방향으로 전류를 제공한다. 공통 노드에는 양방향 전류가 제공될 수 있다. 요컨대, 이것은 액추에이터의 각각의 서브 그룹이 하나의 액추에이터만을 포함하는 시스템에 해당된다.
바람직한 실시예에서, 이들 액추에이터는 H-브리지 회로의 2개의 출력부 사이에서 직렬로 연결되고, H-브리지 회로는 다시 제1 및 제2 전위 레벨(전압) 사이에서 연결되며, 공통 노드는 제1 또는 제2 전위 레벨에 상기 공통 노드를 선택적으로 연결하도록 작용하는 스위칭 수단에 연결된다. 즉, 자기 베어링 장치는, 제1 액추에이터의 제1 포트를 제1 전위 레벨에 선택적으로 연결하는 제1 스위칭 수단, 제2 액추에이터의 제2 포트를 제1 전위 레벨보다 낮은 제2 전위 레벨에 선택적으로 연결하는 제2 스위칭 수단, 제1 액추에이터의 제1 포트를 제2 전위 레벨에 선택적으로 연결하는 제3 스위칭 수단, 제2 액추에이터의 제2 포트를 제1 전위 레벨에 선택적으로 연결하는 제4 스위칭 수단, 공통 노드를 제1 전위 레벨에 선택적으로 연결하는 제5 스위칭 수단, 및 공통 노드를 제2 전위 레벨에 선택적으로 연결하는 제6 스위칭 수단을 포함한다.
각각의 제1, 제2, 제5, 및 제6 스위칭 수단은 바람직하게 액티브 전류 스위치, 바람직하게는 트랜지스터를 포함한다.
제3 및 제4 스위칭 수단은 각각 미리 정해진 방향으로만 전류가 흐르도록 하는 패시브 전류 스위치, 바람직하게는 다이오드로 이루어지는 것이 바람직하다. 다이오드는, 애노드와 캐소드 사이의 전압이 네거티브인 경우의 비도전 상태와 애노드와 캐소드 사이의 전압이 포지티브이고 임계치를 초과하는 경우의 도전 상태 사이에서 스위치하도록 작용한다. 따라서, 제3 스위칭 수단은 바람직하게, 애노드가 제2 전위 레벨에 연결되고 캐소드가 제1 액추에이터의 제1 포트에 연결되는 다이오드로 이루어진다. 마찬가지로, 제4 스위칭 수단은 바람직하게, 애노드가 제2 액추에이터의 제2 포트에 연결되고 캐소드가 제1 전위 레벨에 연결되는 다이오드로 이루어진다. 이러한 구성은 자동적으로 전류가 원하는 방향으로만 흐르도록 보장한다.
대안적으로, 제1 및 제2 스위칭 수단은 각각 트랜지스터를 포함할 수 있다. 트랜지스터의 스위칭 상태는 제어 전압(예를 들어 MOSFET의 경우, 가스 전압) 또는 제어 전류(예를 들어 양극 트랜지스터의 경우, 바이어스 전류)에 좌우되기 때문에, 증폭기 유닛은 원하는 방향으로 전류가 흐르도록 보장하는 방식으로 스위칭 수단을 능동적으로 제어하는 수단을 포함한다.
이러한 자기 베어링 장치를 조작하는 방법은,
- 제1 액추에이터의 제1 포트로부터 제2 액추에이터의 제2 포트로 흐르는 소정의 바이어스 전류를 제공하는 단계,
- 원하는 위치로부터 상기 물체의 일부분의 변위를 측정하는 단계, 및
- 상기 물체의 일부분의 원하는 위치를 복원시키도록 작용하는 힘을 발생시키기 위해 상기 증폭기 유닛과 상기 공통 노드 사이에 제어 전류를 제공하는 단계
를 포함한다.
바람직하게, 제1 액추에이터의 제1 포트와 제2 액추에이터의 제1 포트 사이에 소정의 바이어스 전류를 제공하는 단계는,
- 상기 제1 액추에이터의 제1 포트를 제1 전위 레벨에 선택적으로 연결하고 상기 소정의 바이어스 전류에 도달될 때까지 상기 제2 액추에이터의 제2 포트를 상기 제1 전위 레벨보다 낮은 제2 전위 레벨에 선택적으로 연결하는 단계, 및
- 폐쇄된 전류 경로를 제공함으로써 상기 제1 및 제2 액추에이터를 통해 전류를 재순환시키는 단계
를 포함한다.
바람직하게, 상기 증폭기 유닛과 상기 공통 노드 사이에 제어 전류를 제공하는 단계는,
- 상기 공통 노드를 제1 전위 레벨에 선택적으로 연결하는 단계, 및
- 상기 공통 노드를 상기 제1 전위 레벨보다 낮은 제2 전위 레벨에 선택적으로 연결하는 단계
를 교대 순서로 포함한다.
본 발명은 자기 베어링 장치의 임의의 응용에 적용될 수 있다. 특히, 본 발명에 따른 자기 베어링 장치를 구비하는 터보 분자 펌프(turbo-molecular pump)를 제공하는데 바람직하다.
도 1은 자기 베어링에 부양된 로터의 개략적인 사시도이다.
도 2는 자기저항형 전자기 액추에이터의 원리를 예시하는 도면이다.
도 3은 종래기술에 따른, 증폭기 유닛을 단일 액추에이터에 연결하는 케이블링 구성을 나타내는 개략도이다.
도 4는 종래기술에 따른, 증폭기 유닛을 4개의 액추에이터를 가지는 베어링 유닛에 연결하는 제1 케이블링 구성의 개략도이다.
도 5는 종래기술에 따른, 증폭기 유닛을 4개의 액추에이터를 가지는 베어링 유닛에 연결하는 제2 케이블링 구성의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른, 증폭기 유닛을 4개의 액추에이터를 가지는 베어링 유닛에 연결하는 케이블링 구성의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른, 증폭기 유닛을 4개의 액추에이터를 가지는 베어링 유닛에 연결하는 케이블링 구성의 개략도이다.
도 8은 6개의 액추에이터를 가지는 자기 베어링 유닛의 개략적인 평면도이다.
도 9는 종래기술에 따른, 증폭기 유닛을 6개의 액추에이터를 가지는 베어링에 연결하는 케이블링 구성의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른, 증폭기 유닛을 6개의 액추에이터를 가지는 베어링 유닛에 연결하는 케이블링 구성의 개략도이다.
도 11은 8개의 액추에이터를 가지는 리니어 자기 베어링 장치의 개략적인 사시도이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른, 증폭기 유닛을 도 11의 액추에이터에 연결하는 케이블링 구성의 개략도이다.
도 13은 본 발명의 제5 실시예에 따른, 증폭기 유닛을 도 11의 액추에이터에 연결하는 케이블링 구성의 개략도이다.
도 14는 본 발명의 제6 실시예에 따른, 증폭기 유닛을 도 11의 액추에이터에 연결하는 케이블링 구성의 개략도이다.
도 15는 본 발명의 제7 실시예에 따른, 증폭기 유닛을 4개의 액추에이터를 가지는 베어링 유닛에 연결하는 케이블링 구성의 개략도이다.
도 16은 본 발명의 제8 실시예에 따른, 증폭기 유닛을 4개의 액추에이터를 가지는 베어링 유닛에 연결하는 케이블링 구성의 개략도이다.
도 17은 본 발명의 제9 실시예에 따른, 증폭기 유닛을 4개의 액추에이터를 가지는 베어링 유닛에 연결하는 케이블링 구성의 개략도이다.
도 18은 본 발명의 제10 실시예에 따른 케이블링 구성의 개략도이다.
도 19는 본 발명의 제11 실시예에 따른 케이블링 구성의 개략도이다.
이하, 첨부도면을 참조한 예시적인 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 z 방향 둘레에서 회전하도록 자기 베어링 장치(100)에 부양된 로터 샤프트(101)를 개략적으로 나타낸다. 베어링 장치는 제1(상부) 레이디얼 베어링 유닛(110), 제2(하부) 레이디얼 베어링 유닛(120), 및 샤프트(101)에 부착된 디스크(102)와 협동하는 축방향(스러스트) 베어링 유닛(130)을 포함한다. 상부 레이디얼 베어링 유닛(110)은 +x, +y, -x, -y 방향으로 각각 샤프트(101)의 상부 영역에 힘을 가하기 위한 4개의 액추에이터(111, 112, 113, 114)를 포함하며, x 및 y 방향은 상호 직교하고 z 방향과 직각이다. 마찬가지로, 하부 레이디얼 베어링 유닛(120)은 +x, +y, -x, -y 방향으로 각각 샤프트(101)의 하부 영역에 힘을 가하기 위한 4개의 액추에이터(121, 122, 123, 124)를 포함한다. 레이디얼 베어링 유닛의 각각의 액추에이터는 폴 슈(pole shoe) 또는 요크(yoke) 상의 권선을 포함하는 전자석으로 이루어진다. 또한, 축방향 베어링 유닛은 2개의 전자기 액추에이터(131, 132)를 포함하며, 도면을 단순화하기 위해 단지 권선으로 나타내었다.
자기 베어링 장치(100)에 부양된 샤프트(101)를 가지는 로터는 6개의 자유도(DOF; degree of freedom)를 가지는 강성 로터로서 취급될 수 있다. 하나의 DOF는 z축을 중심으로 하는 회전이다. 이 DOF는 일반적으로 전동기(미도시)에 의해 구동된다. 나머지 5개의 DOF는 x, y, z 방향의 병진 및 x, y 방향(x-z, y-z 평면)의 틸팅 동작으로 구분될 수 있다. 이들 자유도는 다음과 같이 제어될 수 있다. 센서(131, 132)는 샤프트(101)의 상부 영역의 ±x, ±y 방향의 각각의 변위를 측정한다. 마찬가지로, 센서(141, 142)는 샤프트(101)의 하부 영역의 ±x, ±y 방향의 각각의 변위를 측정한다. 센서(151)는 ±z 방향의 변위를 측정한다. 이들 센서로부터의 신호는 컨트롤러로 보내져서, 공지된 수단에 의해 센서 신호로부터 액추에이터를 위한 구동 신호(보다 일반적인 용어로는, 일반화된 힘 값)를 도출한다. 5개 이상의 센서를 가진 상황에 대하여도 동일한 구성이 적용될 수 있다. 이러한 제어 구성은 공지된 것이다. 각각의 구동 신호는 전력 증폭기로 보내져서, 일반화된 힘 값에 해당하는 임의의 힘 성분을 얻는데 필요한 전류의 제공에 의해 개별 액추에이터를 구동시킨다.
자기 베어링 장치에는 자기저항형 전자기 액추에이터가 흔히 사용된다. 이러한 액추에이터의 원리를 도 2에 도시하였다. 코일(202)에 전류(j)가 제공된다. 이 전류는 요크(201) 및 강자성 대응체(203), 예를 들어 로터 샤프트 또는 이러한 샤프트 상의 패드를 통해 자속을 발생시키며, 요크와 대응체 사이에는 폭(d)을 가지는 에어 갭을 구비한다. 자속은 대응체(203)에 자성을 유도한다. 요크와 대응체 사이에 발생하는 힘(F)은 전류(j)의 제곱에 비례하고 에어 갭의 폭(d)의 제곱에 반비례한다: F ∝ j2/d2. 상기 갭은 공기에만 한정되지 않는다. 워터 갭, 진공 갭, CO2 갭, 또는 임의의 다른 성분이 채워진 갭 또한 이용될 수 있다. 이 힘은 항 상 당기는 힘이다. 따라서, 자기저항형 베어링에 의해서는 미는 힘이 발생될 수 없다.
결과적으로, 자기저항형 액추에이터가 사용되는 경우, 포지티브 방향과 네거티브 방향 모두에서의 변위를 완전히 제어하기 위해 각각의 방향(x, y, z)에 대하여 2개 이상의 액추에이터가 필요하다. 자기저항형 액추에이터의 다른 특징은 이들 액추에이터에 의해 발생되는 힘의 근사 2차 방정식 전류이다. 이러한 특징은, 바이어스 전류가 존재하지 않는 경우, 힘의 변화를 얻기 위해 커다란 전류의 변화를 필요로 하기 때문에 바람직하지 않다. 따라서, 자기저항형 액추에이터에는 흔히 바이어스 전류가 인가된다. 전류에 관한 힘의 2차 방정식의 결과로서, 힘은 액추에이터를 통과하는 전류의 방향과 무관하며, 일반적으로 단극 전류 소스만이 필요하다.
바이어스 전류의 사용에 대한 대안은 바이어싱을 위한 별도의 수단을 이용하는 것이다. 이러한 바이어스 필드는 영구자석 또는 여분의 코일을 이용하여 발생될 수 있다.
F ∝ B2, 여기서 B = Bbias + Bj이고, Bj ∝ j/d이다.
이 경우 모든 힘은 당기는 힘이다. 그러나, 0의 힘이 되도록 하기 위해, 전류는 네거티브로 설정되어야 하며, 이를 위해 단극 전류 소스가 필요하다.
자기저항형 액추에이터가 어떻게 구동될 수 있는 가에 대한 예시로서, 도 3은 일부 베어링 유닛(310) 내의 자기저항형 액추에이터(311)에 연결되는 전력 증폭 기(301)를 개략적으로 나타낸다. 전력 증폭기는 소위 "H-브리지" 설계로 되어 있다. 제1 전류 스위치(303) 및 제1 다이오드(304)는 (포지티브) 전압(V0)과 그라운드 사이에서 직렬로 접속된다. 다이오드는 유도 방향과 반대로 삽입된다. 제2 브랜치(branch)에서, 제2 다이오드(304') 및 제2 전류 스위치(303')는 유사한 방식으로, 그러나 반대 순서로 직렬 접속된다. 액추에이터(311)는 각각의 다이오드와 각각의 전류 스위치 사이의 접속 포인트로 향하는 2개의 배선에 의해 H-브리지 증폭기에 연결된다. 전기 용어에서, 액추에이터는 본질적으로 대형 인덕턴스로 나타낼 수 있다. 작동 중, 먼저 양 스위치가 폐쇄되고, 액추에이터(310)의 인덕턴스에 전류(j)를 증대시킨다. 필요한 전류에 도달되면, 스위치 중 하나가 개방된다. 이제 전류는 나머지 폐쇄된 스위치 및 하나의 다이오드를 통해 폐쇄 루프를 흐른다. 전류는 양 스위치를 다시 폐쇄하거나(증가) 개방함으로써(감소) 변화될 수 있으며, 전류 센서(305)에 의해 검출될 수 있다. 각각의 다이오드는 액티브 전류 스위치에 의해 대체되어 스위칭 성능 및/또는 유도 손실을 최적화시킬 수 있다. 각각의 액티브 전류 스위치(303)는 일반적으로, 펄스 폭 변조(PWM)와 같은 변조 기술에 의해 구동되는 MOSFET(Metal Oxide/Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor), 사이리스터 등과 같은 반도체 소재로 제조되는 고체 상태의 스위칭 장치를 포함하여 각각의 스위치를 통과하는 전류를 시간적으로 균일하게 제어한다. 이러한 장치 및 구동 기술은 공지된 것이다.
물론, 다른 유형의 증폭기 설계도 가능하며, 본 발명은 전술한 H-브리지형 증폭기 설계에 한정되지 않는다. 본 발명과 관련하여 다른 설계가 적용될 수 있으며, 이들은 예를 들면, 1994년 취리히에서 개최된 Proceedings of the 4th International Symposium on Magnetic Bearings에서 Wassermann, J.와 Springer, H.가 발표한 A Linear Power Amplifier with Current Injection for Magnetic Bearings의 pp. 371~376; 1995년 버지니아에서 개최된 Proceedings of MAG'96, Magnetic Bearings, Magnetic Drives and Dry Gas Seals에서 Schroeder, U.가 발표한 Power Amplifier for Magnetic Bearings의 pp. 285~301; 또는 1996년 가나자와에서 개최된 Proceedings of the 5th International Symposium on Magnetic Bearings에서 Zhang, J.와 Schulze, J. O.와 Barletta, N.이 발표한 Synchronous Three-Level PWM Power Amplifier for Active Magnetic Bearings의 pp. 277~282에 기재되어 있다.
유도성 부하를 구동시키기 위한 많은 다른 설계의 전력 전자기기가 이 분야에서 공지되어 있다. 이들은 전류 소스 컨버터, 행렬 컨버터, C-덤프 컨버터, 공진 컨버터, 또는 리니어 증폭기를 포함한다. 이들은 일반적으로 스테핑 모터, 유도형 모터, 자기저항형 모터, 변압기, 또는 솔레노이드에 사용된다.
도 3의 배선 구성에 있어서, 각각의 액추에이터를 각각의 전력 증폭기에 연결하기 위해서는 2개의 배선이 필요하다. 이것을 도 4에 개략적으로 나타내었으며, 레이디얼 베어링 유닛(410)의 배선은 4개의 액추에이터(411, 412, 413, 414)를 포함한다. 이들 액추에이터는 도 3에서와 같은 유형의 4개의 개별 전력 증폭기를 포함하는 증폭기 유닛(401)에 연결된다. 간소화를 위해, 액추에이터(411)는 +x 방 향으로, 액추에이터(412)는 -x 방향으로, 액추에이터(413)는 +y 방향으로, 액추에이터(414)는 -y 방향으로 샤프트 섹션에 힘을 발생시키는 것으로 간주할 수 있다. 이들 4개의 액추에이터를 구동시키기 위해 8개의 배선이 필요하다. 비교를 위해, 증폭기 유닛(401)과 베어링 유닛(410) 사이의 각각의 배선 및 증폭기 유닛 내의 각각의 파워 스위치(및 각각의 다이오드)에 대하여 필요한 전압 및 전류 정격을 계산하는데 유용하다. 각각의 액추에이터는 각각 전류(j1, j2, j3, j4)를 수반하며, 최대치는 jmax이다. 전압(V0)에 대하여, 각각의 배선 및 각각의 스위치는 V0 및 jmax을 만족하여야 한다. 도시된 구성에 있어서, 배선의 전체 전력 취급 용량은 8 V0jmax이다. 4개의 액추에이터 각각의 최대 출력은 V0jmax이며, 따라서 케이블의 전력 취급 요구조건과 전체 출력 사이의 비율은 2.0이다.
증폭기 유닛(401)과 베어링 유닛(410) 사이의 거리는 상당히 크고, 일반적으로 각각의 배선 단부에는 커넥터가 필요하기 때문에, 배선은 비교적 고가로 되며, 배선이 적게 필요한 저렴한 방법이 요구된다.
따라서, 종래기술에 대하여, 모든 액추에이터를 위한 하나의 공통 복귀 배선을 제공하는 것이 제안되었다. 도 5는 상이한 배선의 특정 요구에 알맞은 상이한 유형의 증폭기 유닛(501)에 연결되는 레이디얼 베어링 유닛(410)의 배선을 개략적으로 나타낸다. 모든 액추에이터는 하나의 복귀 배선(506)에 의해 스위치(503) 및 다이오드(504)를 가지는 증폭기 브랜치에 연결된다. 일견, 이 설계는 도 4의 설계보다 상당히 간단해보인다. 그 이유는, 베어링 유닛(410)을 증폭기 유닛(501)에 연결하는데에는 5개의 배선만이 필요하기 때문이다. 그러나, 이러한 설계의 배선 및 스위치의 전체적인 전력 취급 용량 또한 도 4의 설계에 비해 증대된다. 이것은 다음과 같이 설명될 수 있다. 4개의 액추에이터 모두가 독립적으로 작동되도록 하기 위해, 증폭기는, 507 지점(증폭기 유닛에 대한 배선(506)의 연결 지점)에서의 전위 레벨이 최대 전압(V0)의 50%로 평균을 유지하도록, 구동될 필요가 있다. 따라서, 각각의 액추에이터 간의 최대 평균 전위 차이(전압)는 도 4에서의 최대 전압의 50%에 불과하다. 개별 액추에이터를 통과하는 개별 전류(j1, j2, j3, j4)의 동일한 최대값(jmax)을 위해, 각각의 액추에이터의 평균 출력은 도 4의 경우에 비해 절반이며 V0jmax의 절반에 불과하다. 그러나, 개별 액추에이터와 연결되는 각각의 배선은 V0의 최대(피크) 전압 및 jmax의 전류를 만족하여야 하고, 공통 복귀 배선은 전체 복귀 전류(jN=j1+j2+j3+j4)를 수반하며, 이 전체 복귀 전류는 V0의 최대(피크) 전압에서 최대 4jmax일 수 있다. 스위치에 대하여도 동일한 고려가 적용된다. 요컨대, 케이블의 전력 취급 용량과 출력에 대한 스위치의 비율은 4.0에 달한다. 이러한 수치는 적시에 각각의 포인트에서 액추에이터를 통과하는 전류의 순간적인 합계를 한정하는 적절한 제어를 가함으로써 감소될 수 있다. 그러나, 어떠한 경우에도 공통 복귀는 다른 연결보다도 우수한 치수를 가져야 하며, 이것은 배선 및 증폭기 모두의 설계를 복잡하게 한다.
요약하자면, 도 5의 설계는 배선을 개념적으로 간소화한 것으로, 여전히 비 용이 높은 배선이다.
이와는 대조적으로, 본 발명은 배선의 전력 취급 용량을 증대시킬 필요 없이 간소화된 배선을 가능하게 한다. 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이디얼 베어링 유닛(410)의 배선이 증폭기 유닛(601)에 연결된 것을 개략적으로 나타낸다. 2개의 액추에이터(411, 412)는 제1 서브 그룹을 형성하며, 각각의 액추에이터는 하나의 포트에 의해 제1 공통 노드(608)에 접속된다. 마찬가지로, 다른 2개의 액추에이터는 제2 서브 그룹을 형성하며, 각각의 액추에이터는 하나의 포트에 의해 제2 공통 노드(609)에 접속된다. 공통 노드(608, 609) 모두는 직접 접속된다. 즉, 개념적으로, 이들 2개의 공통 노드는 하나의 단일 공통 노드(610)를 형성하는 것으로 보일 수도 있다. 이 노드(610)는 하나의 공통 복귀 배선(606)에 의해 증폭기 유닛(601)에 연결된다. 그러나, 도 5와는 대조적으로, 제2 서브 그룹을 형성하는 2개의 액추에이터(413, 414)는 제1 서브 그룹을 형성하는 다른 2개의 액추에이터(411, 412)와는 달리 반대 극성으로 증폭기에 연결된다. 이것은 액추에이터의 기능에 영향을 미치지 않는다. 그 이유는, 증폭기 유닛에 연결되는 포트 및 공통 노드에 연결되는 포트는 각각의 액추에이터에 대하여 자유로이 선택될 수 있어서, 액추에이터 코일을 통과하는 전류의 방향이 도 5의 경우와 동일하기 때문이다. 그러나, 이 배선은 공통 복귀 배선(606)을 통과하는 전류(jN)가 최소화되도록 액추에이터를 구동시키는 것을 가능하게 한다. 어떠한 경우에도, 전류(jN)는 유닛(410)의 모든 액추에이터를 통과하는 전류의 절대값의 합계보다 작게 된다. 그러므로, 공 통 복귀 배선(606)의 부하 요구 조건은 도 5의 공통 복귀 배선(506)에 비해 감소된다. 실제로, 복귀 전류(jN)는 액추에이터 그룹 내의 임의의 하나의 액추에이터를 통과하는 최대 전류보다 크지 않도록 보장되며, 따라서 복귀 배선은 액추에이터와 증폭기 유닛(401) 사이의 임의의 다른 배선과 동일한 요구 조건을 만족하는 치수를 가질 수 있다. 복귀 전류(jN)는 영구적으로 0으로 유지될 수도 있다. 도 6의 구성은 다음과 같이 설명될 수 있다. 제어 전류가 존재하지 않을 때, 바이어스 전류(jB)는 각각의 액추에이터를 통해 흐른다. 제어를 위해, 각각의 액추에이터(i)의 바이어스 전류에 (상이한) 제어 전류(Δji)가 추가된다: ji = jB + Δji (i=1,...,4). x축을 따르는 변위를 제어하기 위해, 액추에이터(411)의 전류(j1)는 액추에이터(412)의 전류(j2)가 감소된 것만큼 증가되는 것으로 충분하며, 그 반대 또한 성립된다: Δj2 = -Δj1. 그러므로, 전류(j1 및 j2)의 합계는, 각각의 액추에이터의 바이어스 전류(jB)의 2배로 유지될 수 있다: j1 + j2 = (jB + Δj1)+(jB + Δj2) = 2jB. 액추에이터(413 및 414)를 통과하는 전류(j3 및 j4)에 대하여도 마찬가지이다: j3 + j4 = (jB + Δj3)+(jB + Δj4) = 2jB. 제2 서브 그룹 내의 이들 2개의 액추에이터의 극성이 제1 서브 그룹 내의 액추에이터((411, 412)의 극성과 반대이기 때문에, 노드(608) 쪽으로 흐르는 전류의 절대값의 합계는 노드(609)로부터 흘러나오는 전류의 절대값의 합계와 동일하며 바이어스 전류의 2배이다: j1 + j2 = j3 + j4 = 2jB.
이러한 결과는 제어의 품질 또는 자유도를 손실하지 않고 얻어질 수 있다. 그 이유는, 단지 2개의 자유도를 제어하기 위해 4개의 전류가 제공되기 때문이다. 그러므로, 제어를 위해서는 전류의 값에 대하여 2개의 조건만이 필요하다. 2개의 다른 조건은 자유로이 선택될 수 있다. 제1 조건은 바이어스 전류가 제공되는 것이다. 이 바이어스 전류는 일정할 필요가 없다. 실제 시스템 상태에 동적으로(dynamically) 적응 가능하다. 예시에 의하면, 바이어스 전류는 최소 전류가 항상 0(또는 다른 고정값)이 되도록 선택될 수 있다. 다른 예시로서, 바이어스 전류는 전력 손실이 최소화되도록 동적으로 적응될 수 있다.
제2 조건은 , 노드(608) 쪽으로 흐르는 전류의 합계가 노드(609)로부터 흘러나오는 전류와 동일하다는 것, 즉 공통 복귀를 통해 전류가 흐르지 않는다는 것이다(jN = 0). 본 예시에서, 후자의 조건은 2개의 액추에이터의 극성이 다른 액추에이터의 극성과 반대이기 때문에 만족될 수 있으며, 극성은 전술한 바와 같이 정해진다. 모든 액추에이터가 동일한 극성을 가지는 경우, 모든 전류가 이상적으로 0이었다면 공통 노드 포인트에서의 전체 전류가 0인 것이 가능하다. 이것은 도 5의 상황과 일치하며, 배선(506)을 통과하는 전류가 0으로 유지되었다면 작동이 불가능하게 된다.
도 6에서 베어링 유닛(410)은 공통 복귀 배선(606)을 통해 전류가 흐르지 않도록 구동될 수 있기 때문에, 이 공통 복귀 배선은 그 자체가 불필요할 수 있다. 이것을 도 7에 도시하였으며, 도 6의 베어링 유닛(410)과 동일하지만, 공통 노드(610)와 증폭기 유닛(701) 사이의 임의의 추가적인 연결, 즉 공통 복귀 배선이 없다. 또한, 공통 노드(610)의 공통 전위를 설정하기 위한 제어 회로가 더 이상 필요하지 않기 때문에, 증폭기 유닛(701)이 간소화된다. 또한, 본 발명의 설계는 3개의 전류 센서(305)만을 필요로 하여, 3개의 전류를 알고 있기 때문에, 제4의 전류는 미리 계산될 수 있다.
도 7의 구성에서는 배선의 필요한 전력 취급 용량을 계산하기에 유익하다. 평균적으로, 노드(608, 609)는 V0/2의 전위를 가지게 된다. 전류(j1 내지j4) 중 어느 하나는 최대값(jmax)을 가질 수 있다. 각각의 액추에이터의 최대 전력은 1/2V0jmax이며, 각각의 배선 및 스위치는 V0 및 jmax를 만족하여야 한다. 따라서 액추에이터 출력에 대한 배선 및 스위치의 전체 전력 취급 용량의 비율은 2.0이며, 도 4의 종래기술의 구성과 동일하다.
따라서, 본 발명에 따른 자기 베어링 장치는 도 7의 실시예와 무관하게 다수의 유용한 특성을 가지는 것이 명백하다.
ㅇ 증폭기 유닛과 베어링 유닛 사이의 배선의 수가 종래기술에 비해 감소되어 배선의 간소화가 가능하다.
ㅇ 주어진 개수의 액추에이터를 구동시키는 스위치의 수는 종래기술에 비해 감소되어 증폭기 설계의 간소화가 가능하다.
ㅇ 배선 및 스위치의 전체 전류 및 전압 요구 조건이 종래기술에 비해 증가 되지 않는다.
주어진 개수의 액추에이터에 대한 배선 및 증폭기 스위치의 수를 감소시키는 대신에, 본 발명은 주어진 개수의 배선 및 증폭기 스위치에 대하여 액추에이터의 수를 증가시키는데에도 이용될 수 있다. 이러한 방식에서, 예를 들면 액추에이터 또는 증폭기 구성요소의 고장 또는 오작동을 교정하기 위한 여분의 제어가 확보될 수 있다.
본 발명은 전술한 것 외에 다른 액추에이터 장치에도 적용될 수 있다. 다른 예시로서, 도 8은 6개의 액추에이터(811, 812, 813, 814, 815, 816)를 가지는 레이디얼 베어링 유닛(810)을 개략적으로 나타낸다. 종래기술에 따른 배선 구성에서는, 이들 액추에이터는 예를 들어 도 9에 도시된 공통 복귀 배선을 통해 증폭기 유닛(901)에 연결된다. 이러한 구성에서, 복귀 배선은 다른 배선에 비해 상당히 증대된 전류값을 가져야 한다. 이와는 대조적으로, 도 10은 본 발명에 따른, 증폭기 유닛(1001)에 연결되는 베어링 유닛(810)의 배선을 개략적으로 나타낸다. 제1 서브 그룹을 형성하는 3개의 액추에이터(811, 813, 815)는 제1 극성으로 제1 공통 노드에 연결되고, 제2 서브 그룹을 형성하는 3개의 액추에이터(812, 814, 816)는 제1 극성과 반대인 제2 극성으로 제2 공통 노드에 연결된다. 이들 노드는 직접 연결되며 하나의 공통 노드로서 보일 수 있다. 액추에이터를 통과하는 전류는 노드 조건 j1 + j3 + j5 = j2 + j4 + j6을 만족한다. 이 조건은, 액추에이터 또는 전류의 수가 제어될 자유도의 수를 초과하기 때문에, 용이하게 만족될 수 있다.
액추에이터(811, 813, 815)의 제1 서브 그룹이 3개의 액추에이터를 가지는 제1(예를 들어 상부) 레이디얼 베어링 유닛을 형성하고, 액추에이터(812, 814, 816)의 제2 서브 그룹이 3개의 액추에이터를 가지는 제2(예를 들어 하부) 레이디얼 베어링 유닛을 형성하는 경우, 도 10의 경우와 동일한 제어 구성이 적용될 수 있다. 또한, 4개의 레이디얼 자유도(2개의 병진, 2개의 회전/틸팅)의 완전한 제어가 이루어질 수 있다. 제어 변수(전류)는 6개이고, 자유도는 4개이며, 경계 조건은 2개이다. 즉, 바이어스 전류(또는 각각의 그룹 내의 3개의 전류의 합계) 및 노드 조건 j1 + j2 + j3 = j4 + j5 + j6이다. 이들 조건은 동시에 만족될 수 있다.
다른 예시로서, 도 11은 리니어 베어링 장치(1100)를 개략적으로 나타낸다. 물체(1101)는 화살표(1102)로 나타낸 바와 같이 z 방향을 따르는 선형 이동을 위해 상부 베어링 유닛(1110) 및 하부 베어링 유닛(1120)에 의해 지지된다. 상부 베어링 유닛(1110)은 4개의 액추에이터(1111, 1112, 1113, 1114)를 포함하고, 하부 베어링 유닛(1120)은 다른 4개의 액추에이터(1121, 1122, 1123, 1124)를 포함한다. 간소화를 위해, 도 11에는 전자기 액추에이터의 권선은 도시하지 않았다. 제어될 자유도는 5개이다. 즉, z 방향과 직각인 방향(x 및 y)으로의 병진, 및 3개의 방향으로의 회전(틸팅 동작)이다. 도 12, 13, 14는 이러한 리니어 베어링 장치를 위한, 본 발명에 따른 3개의 상이하게 가능한 배선 구성을 각각 나타낸다. 도 12에서, 각각 4개의 액추에이터를 가지는 2개의 그룹이 형성된다. 제1 그룹은 2개의 서브 그룹을 갖는다. 제1 베어링 유닛에서 ±x 방향의 변위를 제어하는 액추에이 터(1111, 1113)의 제1 서브 그룹은 포지티브 극성으로 증폭기 유닛(1201)에 연결되고, 제2 베어링 유닛에서 ±x 방향의 변위를 제어하는 액추에이터(1121, 1123)의 제2 서브 그룹은 네거티브 극성으로 증폭기 유닛(1201)에 연결된다. 2개의 서브 그룹은 공통 노드에 연결된다. 서브 그룹 내의 전류는, 공통 노드의 존재로 인해, j1 + j3 = j5 + j7의 관계를 만족한다. 마찬가지로, 제2 그룹은 액추에이터(1112, 1114)의 제1 서브 그룹 및 제1 서브 그룹과 동일한 형태로 공통 노드를 통해 연결되는 액추에이터(1122, 1124)의 제2 서브 그룹을 포함한다. 제2 서브 그룹 내의 전류는 j2 + j4 = j6 + j8의 관계를 만족한다. 이것은 전류에 2개의 제약(경계 조건)을 가한다. 제어될 자유도가 5개이고 액추에이터가 8개이므로, 예를 들어 (일정하거나 동적으로 적응될 수 있는) 바이어스 전류를 설정하기 위해 1개의 추가적인 경계 조건이 적절하게 선택될 수 있다.
도 13에서, 양 베어링 유닛의 모든 액추에이터는 하나의 그룹을 형성한다. 상부 베어링 유닛의 액추에이터(1111, 1112, 1113, 1114)는 포지티브 극성으로 증폭기 유닛(1201)에 연결되는 제1 서브 그룹을 형성하고, 하부 베어링 유닛의 액추에이터(1121, 1122, 1123, 1124)는 네거티브 극성으로 증폭기 유닛(1201)에 연결되는 제2 서브 그룹을 형성한다. 2개의 서브 그룹은 공통 노드에 연결되어, j1 + j2 + j3 + j4 = j5 + j6 + j7 + j8의 관계가 이루어진다. 예를 들어 (일정하거나 동적으로 적응될 수 있는) 바이어스 전류를 설정하기 위해 2개 이상의 제약이 적절하게 선택될 수 있다.
또한 도 14에서, 모든 액추에이터는 하나의 그룹을 형성한다. 액추에이터(1111, 1113, 1122, 1124)는 제1 서브 그룹(포지티브 극성)을 형성하고, 액추에이터(1112, 1114, 1121, 1123)는 제2 서브 그룹(네거티브 극성)을 형성한다. 이들 서브 그룹 사이에 공통 노드가 존재함으로써, j1 + j3 + j6 + j8 = j2 + j4 + j5 + j7의 관계가 이루어진다. 마찬가지로, 2개 이상의 제약이 자유로이 선택될 수 있다.
도 15는 제1 및 제2 공통 노드가 직접 연결될 필요가 없는 것을 나타낸다. 즉, 이들 공통 노드는 하나의 공통 노드를 형성할 필요가 없다. 이 예시에서는 도 7에서의 경우와 동일한 구성이 선택되었다. 그러나, 도 7과 달리, 제1 및 제2 공통 노드 사이에 추가의 액추에이터(1501)가 연결된다. 이 추가의 액추에이터를 통과하는 전류는 한 쌍의 액추에이터(411 및 412) 또는 한 쌍의 액추에이터(413 및 414)를 통과하는 전류의 합계이다. 따라서, 액추에이터(1501)는 이 합계의 변화, 즉 바이어스 전류(jB)의 변화에 의해 제어될 수 있다.
상기 예시에서는, 각각의 액추에이터가 고정된 극성으로 증폭기 유닛에 연결되는 것, 즉 소정 방향의 전류만이 각각의 액추에이터를 통과하여 흐르는 것으로 가정하였다. 이것은 증폭기 유닛의 적절한 설계, 즉 다이오드(304)에 의해 보장된다. 그러나 이것은 개별 액추에이터 내의 전류가 적시에 적어도 일부 포인트에서 액추에이터의 서브 그룹 각각에서 상이한 방향으로 흐를 수 있는 본 발명의 범위에 속한다. 이것을 도 16에 도시하였다. 여기서, 각각의 다이오드(304)와 평행하게 레지스터(1601)가 제공된다. 각각의 레지스터는 소량의 전류가 각각의 다이오드의 차단 방향으로 흐르도록 한다.
다이오드의 제공 대신에, 도 17에 도시한 바와 같이 추가의 액티브 스위치를 제공할 수 있다. 스위치를 적절히 제어함으로써, 각각의 액추에이터의 임의의 원하는 방향의 임의의 원하는 전류를 얻을 수 있으며, 노드 조건은 자동으로 만족된다. 제어는 적절히 프로그램된 컨트롤러에 의해 이루어진다.
도 16 및 도 17의 실시예에서는, 특정의 추가적인 경계 조건이 만족되도록, 예를 들어 2개의 공통 노드(608 및 609) 사이의 전류가 항상 미리 정해진 방향으로 흐르도록, 증폭기 유닛을 구동시키는 것이 항상 가능하다.
노드(608 또는 609)와 증폭기 유닛 사이에 공통 복귀 배선이 존재한다면(이 복귀 배선을 통과하는 전류를 제어하는 적절한 증폭기 구성요소와 함께), 적절한 제어 프로그램을 구비한 컨트롤러는 공통 복귀 배선을 통과하는 전류가 소정의 최대값을 초과하지 않도록 하게 된다. 또한, 제어 프로그램은 다른 경계 조건이 직면되는 것도 보장할 수 있다.
도 19는 본 발명의 제2 측면에 따른 배선 구성을 나타낸다. 여기서는, 2개의 액추에이터(1911, 1912) 및 증폭기 유닛(1901)이 제공된다. 일반적으로, 액추에이터는 자기 베어링 장치에 의해 부양될 물체의 반대쪽에 배치되는 자기 베어링 장치의 임의의 액추에이터 쌍이다. 이 예시에서, 액추에이터는 도 1의 장치의 유닛(130)의 액추에이터(131, 132)와 같은 축방향 베어링 유닛의 액추에이터 쌍, 또는 레이디얼 베어링 유닛의 대향하는 액추에이터의 임의의 쌍일 수 있다. 2개의 액추에이터는 단극 H-브리지형 증폭기 회로의 2개의 출력부 사이에서 직렬 형태로 연결된다. 2개의 액추에이터 사이의 연결 포인트(공통 노드(1910))는 공통 노드를 공급 전압(V0) 또는 그라운드(GND)에 교대로 연결하도록 작용하는 증폭기 유닛의 회로에 연결된다.
H-브리지 회로는 2개의 브랜치를 갖는다. 제1 브랜치는 (포지티브) 전압(V0)과 그라운드(GND) 사이에서 직렬로 연결되는 제1 전류 스위치(1903) 및 제1 다이오드(1904)를 포함한다. 다이오드는 유도 방향과 반대로 삽입된다. 제2 브랜치에서는, 마찬가지 방식으로 제2 다이오드(1904') 및 제2 전류 스위치(1903')가 직렬로 연결되지만, 반대 순서이다. 다이오드와 전류 스위치 사이의 각각의 연결 포인트는 액추에이터(1911 또는 1912)의 포트에 각각 연결된다.
양 액추에이터(1911, 1912)를 통과하는 소정의 바이어스 전류(jB)를 만들기 위해 양 스위치(1903, 1903')는 폐쇄된다. 액추에이터는 대형 인덕턴스로서 작용한다. 즉, 액추에이터에서 전류가 서서히 증대된다. 원하는 바이어스 전류(j1 = j2 = j3)에 도달되면, 스위치(1903) 또는 스위치(1903')가 개방된다. 전류는 액추에이터, 하나의 브랜치의 폐쇄된 스위치, 및 다른 브랜치의 다이오드를 통해 폐쇄 루프를 순환하게 된다. 불가피한 손실(예를 들어 액추에이터의 저항 손실) 및 다이오드의 전진 전압을 통해, 액추에이터를 통과하는 전류는 서서히 감소된다. 그러므로 바이어스 전류를 유지하기 위해, 개방된 스위치를 때때로 폐쇄시킬 필요가 있다. 바이어스 전류가 감소되어야 하는 경우에는 양 스위치가 개방되고, 전류는 전압(V0)의 작용에 대항하여 액추에이터 및 다이오드를 통해 순환되어, 액추에이터의 전류를 감소시키도록 작용한다. 그러나 전류는 도 19에 화살표로 나타낸 바와 같이 항상 동일한 방향으로 흐르게 되며, 회로의 설계에 의해 그 방향이 역전되지 않는다(혹시 있을 수 있는 무시할만한 누출 전류는 제외).
물론, 전술한 구성의 일반적인 사상을 벗어나지 않고, 스위치의 개폐 시퀀스를 제어하기 위한 임의의 공지된 구성이 적용될 수 있다. 특히, 바이어스 전류를 제어하기 위해 표준 PWM 구성이 채용될 수 있다(예를 들어, 1996년 가나자와에서 개최된 Proceedings of the 5th International Symposium on Magnetic Bearings에서 Zhang, J.와 Schulze, J. O.와 Barletta, N.이 발표한 Synchronous Three-Level PWM Power Amplifier for Active Magnetic Bearings의 pp. 277~282 참조).
다른 실시예에서, 다이오드는 액티브 스위치로 대체될 수 있다. 물론, 전압(V0)과 그라운드(GND) 사이의 원하지 않는 단락을 피하고 전술한 것과 동일한 사상의 바이어스 전류를 제어하기 위해 모든 스위치의 액티브 제어가 필요하며, 이 액티브 제어를 달성하기 위해 제어 유닛이 제공된다. 제어는 하드웨어 또는 소프트웨어에 가해질 수 있다.
자기 베어링 장치에 의해 자기식으로 부양되는 물체의 위치를 제어하기 위해, 액추에이터(1911)를 통과하는 전류(j1)는 액추에이터(1912)를 통과하는 전류(j2)와 상이하게 만들어질 수 있다. 이로 인해, 공통 노드(1910)에는 접속 부(1906)를 통해 제어 전류(노드 전류)(jN)가 제공된다. 제어 전류를 증가시키기 위해서는 스위치(1923)가 폐쇄되고, 제어 전류를 감소시키기 위해서는 스위치(1924)가 폐쇄된다. 물론, 그라운드에 대한 공급 전압(V0)의 단락을 피하기 위해 양 스위치가 동시에 폐쇄되지는 않는다. 또한, 이를 보장하기 위해 적절한 제어 유닛이 제공된다. 제어는 마찬가지로 하드웨어 또는 소프트웨어에 가해질 수 있다. 물론, 제어 전류가 변화되는 동안 바이어스 전류 또한 변화될 수 있다.
이러한 자기 베어링 장치의 현저한 장점은 신속한 제어가 가능하다는 것이다. 바이어스 전류가 변화되는 동안 양 액추에이터의 인덕턴스의 합계에 최대 전압(V0)이 작용함에 따라 바이어스 전류의 변화는 상대적으로 느린 반면에, 제어 전류의 변화는 보다 신속하게 이루어질 수 있다. 그 이유는, 제어 전류가 변화되어야 하는 경우에 최대 전압(V0)은 하나의 인덕턴스에만 작용하기 때문이다.
종래의 배선 구성에 비해, 각각의 액추에이터가 독립적인 단일 극성의 H-브리지 구성의 다른 장점은 다음과 같다.
- 회로의 구성을 위해 4개의 다이오드 대신에 단지 2개만이 필요하다.
- 액추에이터와 증폭기 유닛 사이에는 4개의 접속부 대신에 3개만이 필요하다.
- 각각의 액추에이터는 네거티브 전압(-V0)과 포지티브 전압(V0) 사이의 전체 범위에서 구동될 수 있다.
- 최대 출력과 필요한 액티브 스위치의 수 및 전력 정격 사이의 비율이 유리하다.
- 최대 출력과 접속 케이블의 전류 정격 사이의 비율이 유리하다.
이러한 배선 구성은 공통 노드에 접속될 필요가 있지만, 일부 응용에서 가장 바람직한 구성일 수 있다.
도 3과 관련하여 설명한 바와 같이, 다양한 액티브 전류 스위칭 수단, 예를 들어 트랜지스터(MOSFET, IGBT 등), 사이리스터 등이 사용될 수 있다.
전술한 회로는 자기 베어링 장치에 부양되는 물체의 1개의 자유도를 제어하기 위한 임의의 원하는 액추에이터 쌍의 구동에 이용될 수 있다. 특히, 로터를 부양하는 자기 베어링 장치에서, 이러한 회로는 축방향 베어링(+z, -z 액추에이터) 또는 임의의 레이디얼 베어링(예를 들어, 상부 또는 하부 +x, -x 액추에이터, 또는 상부 또는 하부 +y, -y 액추에이터)에 사용될 수 있다. 이러한 장치의 모든 베어링에 회로가 사용되는 경우, 5개의 자유도 전체의 액티브 제어를 위해 5개의 회로가 필요하게 되며, 전체적으로, 액티브 스위치는 20개, 다이오드는 10개, 증폭기 유닛과 베어링 사이의 연결 배선은 15개가 된다. 이것은 종래의 배선 구성에 비해 상당한 절감을 가져온다.
전술한 예시에서, 본 발명에 따른 액추에이터의 그룹을 배선하는 데에는 복수의 가능성이 존재하는 것이 명백하다. 이하, 일반적인 수학 이론을 통해 배선 구성을 설명한다. 이 이론은 고정된 극성으로 증폭기 유닛에 액추에이터가 연결되는 모든 경우에 적용 가능하다.
m개의 자유도를 제어하기 위해 n개의 액추에이터의 그룹이 이용되는 것으로 가정한다. 병진 자유도는 힘에 의해 제어되고, 회전 자유도는 액추에이터에 의해 발생되는 토크에 의해 제어된다. n은 m보다 큰 것으로 가정한다. 또한, 전류와 힘 및/또는 액추에이터에 의해 발생되는 토크 사이에는 선형 관계가 성립되는 일반적 손실이 없는 것으로 가정한다.
Figure 112007001680792-PCT00011
여기서,
Figure 112007001680792-PCT00012
는 m개의 힘 및/또는 토크 값의 m번째 컬럼 벡터이고, 각각의 힘 및/또는 토크는 소정의 1개의 자유도를 제어하도록 작용하며,
Figure 112007001680792-PCT00013
는 n개의 액추에이터에 대한 n개의 전류 값의 n번째 컬럼 벡터이고,
Figure 112007001680792-PCT00014
는 그 성분이 액추에이터의 기하학적 배치 및 물리적 특징에 좌우되는 m개의 행과 n개의 열을 가지는 (m × n) 행렬이다. 이러한 행렬은 "기하학적 행렬"이라고 부르기도 한다. 기호 T는 행렬 전치(matrix transposition)를 나타낸다. 가정한 바와 같은 선형 관계가 존재하지 않는 경우, 실질적인(비선형) 관계는 예를 들어 테일러 전개에 의해 항상 소정의 작동 포인트의 근처에 선형으로 근사된다. 그러면, 전류 값은 (소량의) 전류 변화에 대한 값으로서 이해되어야 한다.
모든 힘 및/또는 토크가 독립적으로 제어될 수 있도록 하기 위해, 계수
Figure 112007001680792-PCT00015
는 m과 동일하여야 한다(즉,
Figure 112007001680792-PCT00016
의 모든 m개의 행은 선형적으로 독립적이어야 한다).
작동 포인트는 일반적으로 바이어스 전류에 의해 정해진다. 바이어스 전류는 액추에이터를 통과하는 전류로부터 도출되며 정해진 값으로 유지되는 일부의 전 류 값으로 정해진다. 상이한 액추에이터 세트에 대하여 상이한 바이어스 전류를 가지는 것이 바람직하며, 바이어스 전류는 시간에 따라 변화될 수 있다. 각각의 바이어스 전류 조건은 전류 값 세트(경계 조건)에 제약을 가한다. k개의 바이어스 전류 조건에 대하여(k≤n-m), 이들 경계 조건은
Figure 112007001680792-PCT00017
의 식으로 설명될 수 있다. 여기서,
Figure 112007001680792-PCT00018
는 k번째 성분의 컬럼 벡터이고,
Figure 112007001680792-PCT00019
는 바이어스 전류와 개별 전류 값 사이의 관계를 나타내는 k개의 행과 n개의 열을 가지는 (k × n) 행렬이다. 이 행렬은 "바이어스 행렬"이라고 부르기도 한다. 예시로서, 바이어스 전류가 모든 액추에이터를 통과하는 모든 전류의 합계인 경우,
Figure 112007001680792-PCT00020
, 즉 n번째 성분의 행 벡터이다.
선형 근사가 적용되고 전류가 실질적으로 (소량의) 전류 변화로서 이해되는 경우,
Figure 112007001680792-PCT00021
는 따라서 바이어스 전류 변화의 벡터로서 이해되어야 한다. 바이어스 전류가 시간의 흐름에서 일정하다면, 벡터
Figure 112007001680792-PCT00022
는 단지 0만을 포함하며, 소정의 액추에이터 세트를 통과하는 전류 변화의 합계가 0인 것을 의미한다.
힘 방정식 및 바이어스 전류 요구조건은 다음과 같은 하나의 방정식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112007001680792-PCT00023
여기서,
Figure 112007001680792-PCT00024
는 m+k개의 행과 n개의 열을 가지는 행렬이다.
Figure 112007001680792-PCT00025
의 계수는 m+k이어야 하며, 그렇지 않으면 소정의 바이어스 전류로 시스템을 조작하는 것이 불가능하다.
예시로서, n=4인 액추에이터 및 m=2인 자유도(x 및 y 변위)를 가지는 도 4 내지 도 7의 레이디얼 베어링 유닛(410)이 고려될 수 있다. 방정식은 다음과 같다.
Figure 112007001680792-PCT00026
,
Figure 112007001680792-PCT00027
,
Figure 112007001680792-PCT00028
,
Figure 112007001680792-PCT00029
.
Figure 112007001680792-PCT00030
의 정의는, +x 방향의 힘이 +x 액추에이터의 전류 및 -x 액추에이터의 전류의 네거티브에 비례하는 것을 의미하며, 따라서 +y 방향의 힘도 마찬가지이다.
Figure 112007001680792-PCT00031
의 정의는, 모든 전류의 합계가 주어지는 것을 의미하며, 따라서 하나의 바이어스 전류 요구조건을 정의한다. 행렬
Figure 112007001680792-PCT00032
및
Figure 112007001680792-PCT00033
에 의해 형성되는
Figure 112007001680792-PCT00034
는, 하나의 주어진 바이어스 전류를 가지는 2개의 자유도를 독립적으로 제어하는데 필요한, 3개의 계수를 가지는 것을 용이하게 확인할 수 있다.
본 예시에서,
Figure 112007001680792-PCT00035
는 2차 방정식이 아니다(n＞m+k). 이 경우,
Figure 112007001680792-PCT00036
와
Figure 112007001680792-PCT00037
사이의 하나의 관계를 정의하기 위해, 즉
Figure 112007001680792-PCT00038
를 2차 방정식 및 역행렬로 만들기 위해, 보다 많은 조건이 추가될 수 있다. 임의의 원하는 힘 및/또는 토크 세트에 대하여, 행렬
Figure 112007001680792-PCT00039
는 하나의 전류 세트를 도출하기 위해 역변환될 수 있다. 종래의 접근에서 는(도 4, 5), 이를 위해 보다 많은 바이어스 전류 요구조건을 정의함으로써 경계 조건이 추가될 수 있다. 상기 예시에 대하여, 바이어스 전류 요구조건은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007001680792-PCT00040
,
Figure 112007001680792-PCT00041
.
+x 및 -y 액추에이터를 통과하는 전류의 합계는 +y 및 -y 액추에이터를 통과하는 전류의 합계와 무관하다. 따라서,
Figure 112007001680792-PCT00042
이다.
이러한 행렬은 4개의 계수를 가지며 따라서 역행렬이라는 것을 용이하게 확인할 수 있다.
본 발명의 방법에서, 액추에이터의 그룹은 모두 공통 노드에 연결된다. 각각의 그룹의 액추에이터와 연관되는 공통 노드 사이를 흐르는 전류의 신호 값의 합계는 공통 노드와 증폭기 유닛 사이에 접속부가 존재하는 경우, 이 접속부에 전류가 흐르는 것을 나타낸다. 그렇지 않으면 합계는 0이다. 이것은 다른 경계 조건을 추가한다. 공통 노드를 통과하여 흐르는 전류의 요구조건은 다음의 식으로 나타낼 수 있다.
Figure 112007001680792-PCT00043
여기서,
Figure 112007001680792-PCT00044
은 대응되는 접속부를 통해 각각의 공통 노드로부터 증폭기 유닛으로 흐르는 전류의 p 값의 컬럼 벡터이고, p는 공통 노드를 가지는 그룹의 수이다. 접속부가 존재하지 않는 경우, 이 컬럼 벡터는 0만을 포함한다.
Figure 112007001680792-PCT00045
은 숫자 0, +1, -1만을 포함하는 p개의 행(공통 노드를 나타냄)과 n개의 열(액추에이터를 나타냄)을 가지는 행렬이며, 액추에이터가 공통 노드에 연결되는 방식을 나타낸다. 이러한 행렬은 "노드 행렬"이라고 하기도 한다. 소정의 열의 액추에이터에 대응되는 소정의 행과 열에서의 +1의 행렬 원소는 포지티브 극성으로 소정의 행의 공통 노드에 연결되고, 액추에이터에 대응되는 -1의 값은 네거티브 극성으로 공통 노드에 연결되며, 0의 값은 공통 노드에 대한 액추에이터의 연결이 존재하지 않는다는 것을 의미한다. 각각 하나의 공통 노드를 가지는 액추에이터의 p개의 개별 그룹의 전기적으로 가능한 배선 구성을 가지도록 하기 위해, 행렬
Figure 112007001680792-PCT00046
의 각각의 열은 기껏해야 1과 동등한 하나의 원소 및 기껏해야 -1과 동등한 하나의 원소를 포함할 수 있다. 동일한 열에 1의 원소 및 -1의 원소가 모두 존재하는 경우, 이것은 액추에이터가 증폭기 유닛에 직접 연결되는 대신에 2개의 공통 노드 사이에 연결되는 것을 나타낸다. 본 명세서에서, 이러한 액추에이터는 어느 그룹에도 소속되지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이러한 상황에 대한 예시를 도 18에 도시하였다. 제1 그룹(1810)은 4개의 액추에이터(1811, 1812, 1813, 1814)를 포함한다. 이들은 예를 들어, 도 1의 상부 베어링 유닛(110)의 +ㅊx +y, -x, -y 액추에이터일 수 있다. 액추에이터(1811 및 1813)는 포지티브 극성으로 연결되는 제1 서브 그룹을 형성하고, 액추에이터(1812 및 1814)는 네거티브 극성으로 연결되는 제2 서브 그룹을 형성하며, 양 서브 그룹은 동일한 공통 노드에 연결된다. 이 액추에이터 그룹의 공통 노드는 행렬
Figure 112007001680792-PCT00047
의 제1 행에 해당하며, 제1 서브 그룹의 각각의 액추에이터는 원소에 +1의 값을 제공하고 제2 서브 그룹의 각각의 액추에이터는 원소에 -1의 값을 제공한다. 마찬가지로, 제2 그룹(1820)은 반대의 극성을 가지는 2개의 서브 그룹에 4개의 액추에이터(1821, 1822, 1823, 1824)를 포함하며, 이들은 하부 베어링 유닛의 +x, +y, -x, -y 액추에이터일 수 있다. 이들 그룹의 공통 노드는
Figure 112007001680792-PCT00048
의 제2 행에 대응된다. 이들 그룹의 공통 노드 사이에는 추가의 액추에이터(1830)가 연결된다. 이것은, 예를 들어 z 방향으로 힘을 발생시키는 액추에이터일 수 있다. 이 액추에이터는 제1 행에 +1의 원소를, 제2 행에 -1의 원소를 제공한다. 따라서, 노드 행렬은 2개의 행과 9개의 열을 가지는 행렬이다.
선형 접근이 이루어지고 전류가 실질적으로 (소량의) 전류 변화로 이해되어야 하는 경우,
Figure 112007001680792-PCT00049
은 따라서 공통 노드로부터 증폭기 유닛으로 흐르는 전류 변화의 벡터로서 이해된다.
이러한 방정식은 힘-전류 관계 및 바이어스 요구조건을 위한 방정식에 포함될 수 있다.
Figure 112007001680792-PCT00050
여기서,
Figure 112007001680792-PCT00051
는 (m+k+p) 개의 행과 n개의 열을 가지는 행렬이다. 이 행렬을 "시스템 행렬"이라고 부르기도 한다.
Figure 112007001680792-PCT00052
를 역행렬로 만들기 위해, 행렬은 2차 방정식이어야 한다. 즉, 바이어스 전류 요구조건의 수 및 노드 포인트의 수의 제어될 자유도의 수의 합계가 액추에이터의 수와 동일하여야 한다. 또한, 행렬의 계수는 n개이어야 한다. 즉, 모든 행과 모든 열은 선형적으로 독립적이어야 한다. 그리고 행렬은 역변환 시스템 행렬
Figure 112007001680792-PCT00053
를 산출하기 위해 역변환될 수 있으며, 각각의 임의의 원하는 힘 및/또는 토크 세트를 위해 하나의 전류 값 세트가 계산될 수 있다.
Figure 112007001680792-PCT00054
도 6의 예시에서, n=4, m=2, k=1, p=1이며, 식은 다음과 같다.
Figure 112007001680792-PCT00055
,
Figure 112007001680792-PCT00056
,
Figure 112007001680792-PCT00057
,
Figure 112007001680792-PCT00058
,
Figure 112007001680792-PCT00059
,
Figure 112007001680792-PCT00060
,
Figure 112007001680792-PCT00061
.
전류(jN)는 공통 복귀 배선(606)을 통과하는 전류이며, 공통 노드(610)로부터 증폭기 유닛으로 흐른다. 이 전류는 임의의 고정된 값을 가질 수 있다. jN=0이면, 도 7에서와 같이 공통 복귀 배선이 제거된다. 따라서, 도 7은 상기 식에서 jN=0으로 하여 정확하게 나타내어진다. 행렬(실질적으로 행 벡터)
Figure 112007001680792-PCT00062
은 하나의 공통 노드에 연결되는 하나의 그룹을 형성하는 레이디얼 베어링의 모든 4개의 액추에이터를 의미한다. +x 및 -x 액추에이터는 포지티브 극성으로 연결되고, +y 및 -y 액추에이터는 네거티브 극성으로 연결된다. 이러한 선택에 의해, 행렬
Figure 112007001680792-PCT00063
는 임의의 원하는 힘을 위해 역변환되어 액추에이터용 전류 값을 계산한다.
바이어스 조건이 없다면, 공통 노드를 통해 액추에이터를 연결하는 자유도가 보다 많이 존재한다. 특히, 그중 하나는, 도 5의 종래기술에 대응되는
Figure 112007001680792-PCT00064
이며, 여전히 하나의 추가적인 경계 조건을 남긴다. 다른 하나는, +x 및 -x 액추에이터와 +y 및 -y 액추에이터가 반대 극성으로 직렬의 쌍으로 연결되며 바이어스 전류가 공급되지 않는 종래기술에 대응되는
Figure 112007001680792-PCT00065
이다. 이것은 본 실시예의 수학적인 처리가 여러 상이한 액추에이터 위상에 일반적으로 적용 가능하다는 것을 보여준다.
계산을 위한 노력을 많이 들이지 않고도 소정 수의 액추에이터(n) 및 자유도(m)에 대한 모든 가능한 행렬
Figure 112007001680792-PCT00066
를 구할 수 있다. 그 이유는,
Figure 112007001680792-PCT00067
이 단지 0, 1, 또는 -1의 숫자만을 포함하기 때문이며, 임의의 열이 1 및/또는 -1의 숫자만을 포함하기 때문이다. 이로 인해 매우 한정된 숫자의 행렬이 가능하다.
예시로서, 도 11 내지 도 14의 n=8, m=5인 리니어 베어링 시스템에 체계적인 서치(systematic search)가 적어도 하나의 바이어스 전류 조건이 만족되어야 하는 추가의 조건(k≥1)으로 적용되었다. 이 서치로부터 얻어지는 3개의 타당하고 기술적으로 합리적인 연결 구성이 도 12 내지 도 14의 구성이며, 도 12에 대하여
Figure 112007001680792-PCT00068
, 도 13에 대하여
Figure 112007001680792-PCT00069
, 도 14에 대하여
Figure 112007001680792-PCT00070
로 대응된다.
마지막 2가지 구성에서, p=1이고, 하나의 추가적인 경계 조건이 여전히 자유롭게 선택될 수 있다.
다른 예시로서, 도 19의 실시예에 대한 대응 방정식, 즉 직렬로 연결되고 제어 전류가 공급되는 공통 노드를 가지는 한 쌍의 자석이 얻어진다. 제1 자석의 힘 방향은 제2 자석의 힘 방향과 반대이다.
Figure 112007001680792-PCT00071
바이어스 조건이 추가될 수 있다.
Figure 112007001680792-PCT00072
이제
Figure 112007001680792-PCT00073
는 2차 방정식이다. 공통 노드(jN) 상의 전류는 추가의 경계 조건(
Figure 112007001680792-PCT00074
)이 필요 없이 원하는 힘에 따라 계산될 수 있다. 따라서, 공통 노드 는 도 19에서와 같이 jN을 제어해야 하는 증폭기에 접속될 필요가 있다.
상기 일반적인 수학적 모델은 전류(
Figure 112007001680792-PCT00075
)와 원하는 힘/토크(
Figure 112007001680792-PCT00076
) 사이의 선형 관계 또는 적어도 이러한 선형 관계의 선형 근사(linear approximation)로 가정된다. 전술한 바와 같이, 이러한 선형 근사는, 공지된 테일러 전개에서와 같이, 선형 근사에 의해 "실제"의 전류-힘 관계를 대체함으로써 소정의 작동 포인트 둘레의 작은 영역에 항상 이루어진다. 전류 값은 (소량의) 전류 변화의 값으로서 이해되어야 한다. 보다 일반적인 접근에서, 전류 값은 일반화된 힘의 값으로서 이해될 수 있다. 각각의 일반화된 힘의 값은 개별 액추에이터에 의해 발생될 원하는 힘을 나타낸다. 액추에이터의 물리적 특징이 공지된 경우, 일반화된 힘의 값은 이 힘을 발생시키는데 필요한 액추에이터의 실제 전류로 변환될 수 있다. 이를 위해 추가의 시스템 상태 정보(예를 들어 로터 위치)가 이용될 수 있다. 일반화된 힘의 값으로부터 전류를 계산하는 것은, 예를 들어 각각의 액추에이터의 물리적 특징을 반영하는 각각의 액추에이터용 참조표를 채용함으로써 이루어질 수 있다. 이것은 각각의 액추에이터에 대하여 독립적으로 될 수 있다. 일반화된 힘의 값과 전류 사이의 관계는 선형일 필요가 없다. 제어 중, 일반화된 힘의 값은 상기 수학적 모델의 (1차) 방정식을 만족하도록 계산된다. 특히, 공통 노드를 통과하는 전류의 상태는, 행렬
Figure 112007001680792-PCT00077
및 벡터
Figure 112007001680792-PCT00078
에 의해 설명된 바와 같이, 일반화된 힘의 값의 상태가 된다. 일반화된 힘의 값은 일반적으로 비선형 관계를 통해 액추에이터의 구동 전류로 변환된다. 계산된 전류가 공통 노드에 대한 조건을 만족시키도록 하기 위해, 본래의 행렬
Figure 112007001680792-PCT00079
대신에 변환된 행렬
Figure 112007001680792-PCT00080
이 사용될 수 있으며, 공통 노드에서의 전류에 대한 조건을 일반화된 힘에 의해 만족되어야 할 조건으로 나타낸다. 행렬
Figure 112007001680792-PCT00081
는, 전류-힘 관계가 작동 포인트 근처에서 선형으로 근사되는 경우, 용이하게 계산될 수 있다. 필요하다면,
Figure 112007001680792-PCT00082
은 각각의 샘플링 시간에 액추에이터의 실제 작동 포인트로 재계산될 수 있다. 실질적인 응용에서는, 이 방법을 간소화함으로써 일반적으로 만족할만한 결과를 얻는다.
Figure 112007001680792-PCT00083
이 일정하게 유지되거나 본래의 행렬
Figure 112007001680792-PCT00084
이 사용되는 경우, 계산된 전류는 더 이상 공통 노드에 대한 조건을 만족하지 않게 된다. 그러나, 키르히호프의 제1 법칙(Kirchhoff's first law)을 통해, 이들 조건이 선험적으로(a priori) 만족된다. 이것은 증폭기가 실제의 전류를 계산된 전류와 상이한 것이 되도록 하여, 노드 조건(키르히호프의 제1 법칙)이 다시 만족되도록 한다.
대안적으로, 비선형성은 역 시스템 행렬
Figure 112007001680792-PCT00085
로의 변환 전에 추가적인 수단이 가해짐으로써 보정될 수 있다. 액추에이터의 물리적 특징을 알고 있다면, 변경된 힘/토크 값은 본래의 원하는 힘/토크(
Figure 112007001680792-PCT00086
) 값에 따른 변환을 위해 계산되어, 비선형성에 대하여 보정되는 액추에이터의 전류를 얻을 수 있다.
이러한 계산은, 예를 들어 각각의 액추에이터의 물리적 특징을 반영하는 참조표를 채용함으로써 이루어질 수 있으며 액추에이터의 비선형성에 대한 보정을 위해 시스템 상태 정보(예를 들어, 바이어스 전류, 로터 위치, 센서 정보)를 이용한다.
적절한 전류의 계산에 있어서 다른 자유는 유도 손실 또는 선형성과 같은 시 스템 성능의 최적화를 위해 바이어스 전류를 다이내믹하게 변화시키는 것이다.
본 발명과 관련하여 채용된 임의의 제어 구성은 소프트웨어 또는 하드웨어에 적용될 수 있다. 특히, 제어를 위해 필요한 임의의 계산을 위해 디지털 신호 프로세서(DSP)가 채용되는 경우에 바람직하다. 이러한 DSP는 증폭기 유닛의 일부분으로서 이해될 수 있다. 적절하게 프로그래밍된 DSP는 액추에이터에서 전류를 제어하는 수단으로서 이해된다. 계산은 아날로그-디지털 변환기(ADC)에 의한 적절한 디지털화 후의 임의의 센서 신호 평가, 제어 단계에서 이들 센서 신호에 대하여 필요한 힘/토크(또는 일반적으로, 제어 신호)의 계산, 적절히 일반화된 힘 값의 계산, 및 일반화된 힘 갑의 전류 값으로의 변환을 포함하며, 상기 전류 값은 예를 들어 디지털-아날로그 변환기(DAC) 또는 펄스 폭 변조기(PWM)을 통해 전력 증폭기 및 액추에이터에 제공된다. 보다 일반적으로는, 상기 계산은 센서 신호로부터(변위 센서 또는 등등한 센서 정보로부터) 일반화된 힘의 값을 도출하는 과정의 임의의 계산 단계를 포함할 수 있다.
특히, 제어 단계는, 비례(P), 비례적분(PI), 비례적분미분(PID), 비례미분(PD) 제어 구성, 또는 비선형 제어, 적응 제어 또는 H∞와 같은 보다 정교한 제어 방법은 공지된 것이므로 이들 제어 방법에 따라 센서 신호로부터 제어 신호를 도출하는 것을 바람직하게 포함할 수 있다. 또한, 제어 단계는, 변환, 주파수 필터링, 또는 안정적인 제어를 얻기 위한 임의의 다른 바람직한 방법을 포함할 수 있다.
이상, 바람직한 실시예를 통해 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 이들 실 시예에 한정되지 않으며 본 발명의 범위 내에서 여러 변형이 가능하다.
여러 예시 중의 하나로서, 본 발명은 또한, 적어도 하나의 액추에이터가 축(z) 방향 및 레이디얼 방향으로 힘을 가하는 로터를 지지하는 소위 원뿔형 베어링에도 적용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 물체(101; 1101)를 자기식으로 지지하는 자기 베어링 장치(100; 1100)에 있어서,
    증폭기 유닛(601; 701; 1001; 1201; 1601; 1701; 1801), 및 상기 물체(101; 1101)의 복수의 자유도를 제어하기 위한 하나 이상의 전자기 액추에이터 그룹(410; 810; 1110)을 포함하고,
    상기 그룹(410; 810; 1110) 내의 액추에이터의 수는 3개 이상이며, 상기 액추에이터 그룹 내의 각각의 액추에이터는 전류를 공급받기 위한 제1 및 제2 포트를 갖고, 상기 액추에이터 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제1 포트는 상기 증폭기 유닛과 연결되어 있고,
    - 상기 액추에이터 그룹은 액추에이터의 제1 서브 그룹 및 제2 서브 그룹으로 나뉘고, 상기 제1 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제2 포트는 제1 공통 노드(608)에 연결되며 상기 제2 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제2 포트는 제2 공통 노드(609)에 연결되고,
    - 상기 제1 공통 노드(608) 및 상기 제2 공통 노드(609)는 노드 접속 수단에 의해 전기적으로 접속되며,
    임의의 상기 공통 노드와 상기 증폭기 유닛 사이에는 추가의 전기적 접속이 없거나, 상기 제1 및/또는 상기 제2 공통 노드와 상기 증폭기 유닛(601; 791; 1001; 1201; 1601; 1701) 사이에 하나 이상의 추가의 전기적 접속(606)이 존재하는 경우에, 상기 증폭기 유닛(601; 791; 1001; 1201; 1601; 1701)은, 상기 추가의 전기적 접속(606)을 통과하는 모든 전류의 절대값의 합계가 상기 액추에이터 그룹 내의 모든 액추에이터를 통과하는 모든 전류의 절대값의 합계보다 항상 작도록, 상기 액추에이터를 통과하는 상기 전류를 제어하는 수단을 포함하는
    것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 공통 노드는 서로 직접 접속되거나, 상기 노드 접속 수단은 코일 또는 다른 전자기 액추에이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 증폭기 유닛(601; 791; 1001; 1201; 1601; 1701)은, 상기 노드 접속 수단을 통과하여 흐르는 임의의 전류가 소정의 방향으로만 흐르도록, 상기 액추에이터를 통과하는 상기 전류를 제어하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액추에이터 그룹의 각각의 액추에이터는 자기저항형 액추에이터(201, 202, 203)인 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제1 포트는 제1 극성으로 상기 증폭기에 연결되고, 상기 제2 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제1 포트는 제1 극성과 반대인 제2 극성으로 상기 증폭기에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증폭기 유닛(601; 701; 1001; 1201)은, 상기 제1 서브 그룹의 각각의 액추에이터의 각각의 제1 포트를 제1 전위 레벨(V0)에 선택적으로 연결하고 상기 제2 서브 그룹의 각각의 액추에이터의 각각의 제1 포트를 상기 제1 전위 레벨(V0)보다 낮은 제2 전위 레벨(GND)에 선택적으로 연결하도록 작동 가능한 액티브 스위칭 수단(303)을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 증폭기 유닛(601; 701; 1001; 1201)은, 상기 제2 전위 레벨(GND)로부터 상기 제1 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 각각의 제1 포트로 양방향 전류 흐름이 가능하도록 하는 복수의 제1 다이오드, 및 상기 제2 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 각각의 제1 포트로부터 상기 제1 전위 레벨(V0)로 전류 흐름이 가능하 도록 하는 복수의 제2 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액추에이터의 그룹(410)은, 제1 방향(+x)으로 힘을 발생시키는 제1 액추에이터(411), 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향(-x)으로 힘을 발생시키는 제2 액추에이터(412), 상기 제1 및 제2 방향과 상이한 제3 방향(+y)으로 힘을 발생시키는 제3 액추에이터(413), 및 상기 제3 방향과 반대인 제4 방향(-y)으로 힘을 발생시키는 제4 액추에이터(414)를 포함하고, 상기 제1 서브 그룹은 상기 제1 및 상기 제2 액추에이터(411, 412)를 포함하고, 상기 제2 서브 그룹은 상기 제3 및 상기 제4 액추에이터(413, 414)를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  9. 물체(101; 1101)를 자기식으로 지지하는 자기 베어링 장치(100; 1100)를 조작하는 방법에 있어서,
    상기 자기 베어링 장치는, 증폭기 유닛(601; 701; 1001; 1201; 1601; 1701; 1801), 및 상기 물체(101; 1101)의 복수의 자유도를 제어하기 위한 하나 이상의 전자기 액추에이터 그룹(410; 810; 1110)을 포함하고, 상기 그룹(410; 810; 1110) 내의 액추에이터의 수는 3개 이상이며, 상기 액추에이터 그룹 내의 각각의 액추에이터는 전류를 공급받기 위한 제1 및 제2 포트를 갖고, 상기 액추에이터 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제1 포트는 상기 증폭기 유닛과 연결되어 있고, 상기 액추에이터 그룹은 액추에이터의 제1 서브 그룹 및 제2 서브 그룹으로 나뉘고, 상기 제1 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제2 포트는 제1 공통 노드에 연결되며 상기 제2 서브 그룹 내의 각각의 액추에이터의 제2 포트는 제2 공통 노드에 연결되고, 상기 제1 공통 노드 및 상기 제2 공통 노드는 노드 접속 수단에 의해 전기적으로 접속되며,
    상기 액추에이터에는 전류가, 상기 공통 노드와 상기 증폭기 유닛 사이의 임의의 추가의 전기적 접속(606)을 통과하는 모든 전류의 절대값의 합계가 0 또는 상기 액추에이터 그룹 내의 모든 액추에이터를 통과하는 모든 전류의 절대값의 합계보다 항상 작도록, 제공되는
    것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 액추에이터에는 상기 전류가, 상기 증폭기 유닛(601; 701; 1001; 1201; 1601; 1701; 1801)으로부터 상기 액추에이터의 상기 제1 서브 그룹을 통해 상기 제1 공통 노드(608)로 흐르는 전류의 합계가 그 부호를 변경하지 않도록, 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 자기 베어링 장치는 m개의 자유도를 제어하기 위해 전체 n개의 액추에이터를 가지는 p(p≥1)개의 액추에이터 그룹을 포함하고, 각각의 액추에이터 그룹 내의 액추에이터는 공통 노드에 접속되며,
    ㅇ 복수의 센서 신호를 제공하는 단계,
    ㅇ 상기 센서 신호에 따라 m개의 제어 신호 세트를 도출하는 단계, 및
    ㅇ 상기 제어 신호로부터 상기 액추에이터를 구동시키기 위해 n개의 일반화된 힘 값의 세트를 도출하는 단계
    를 포함하고,
    상기 n개의 일반화된 힘 값의 세트를 도출하는 단계는,
    ㅇ 행렬 원소들이 액추에이터의 기하학적 배치 및 물리적 특징을 나타내는 기하학적 행렬
    Figure 112007001680792-PCT00087
    를 결정하는 단계,
    ㅇ 행렬 원소들이 상기 공통 노드에 대한 상기 액추에이터의 접속을 나타내는 노드 행렬
    Figure 112007001680792-PCT00088
    를 결정하는 단계,
    ㅇ 행렬 원소들이 추가의 경계 조건을 나타내는 바이어스 행렬
    Figure 112007001680792-PCT00089
    를 결정하는 단계,
    ㅇ 상기 기하학적 행렬
    Figure 112007001680792-PCT00090
    , 상기 바이어스 행렬
    Figure 112007001680792-PCT00091
    , 및 상기 노드 행렬
    Figure 112007001680792-PCT00092
    로부터 2차 가역 시스템 행렬
    Figure 112007001680792-PCT00093
    를 형성하는 단계,
    ㅇ 역 시스템 행렬
    Figure 112007001680792-PCT00094
    를 얻기 위해 상기 시스템 행렬
    Figure 112007001680792-PCT00095
    를 역전시키는 단계, 및
    ㅇ 상기 일반화된 힘 값을 포함하는 n개의 행을 갖는 컬럼 벡터를 얻기 위해, 상기 역 시스템 행렬
    Figure 112007001680792-PCT00096
    에, 상기 m개의 제어 신호 값을 포함하는 컬럼 벡터, 상기 공통 노드로부터의 전류를 나타내는 p개의 추가 수, 및 상기 추가의 경계 조 건에 속하는 (n-m-p)개의 추가 수를 포함하는 컬럼 벡터를 곱하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 물체(101; 1101)를 자기식으로 지지하는 자기 베어링 장치(100; 1100)에 있어서,
    증폭기 유닛(1901) 및 한 쌍의 전자기 액추에이터(1911, 1912)를 포함하고, 각각의 상기 액추에이터는 전류를 제공받기 위한 제1 및 제2 포트를 가지며,
    상기 제1 액추에이터의 제2 포트 및 상기 제2 액추에이터의 제1 포트는 공통 노드(1910)에 연결되고, 상기 제1 액추에이터(1911)의 각각의 제1 포트, 상기 제2 액추에이터(1912)의 제2 포트, 및 상기 공통 노드(1910)는 상기 증폭기 유닛(1901)에 연결되며, 상기 증폭기 유닛은, 상기 제1 액추에이터(1911)의 제1 포트에 제1 소정의 방향으로 전류를 제공하고 상기 제2 액추에이터(1912)의 제2 포트에 상기 제1 소정의 방향과 반대인 제2 소정의 방향으로 전류를 제공하고 상기 공통 노드(1910)에 상기 제1 소정의 방향 및 상기 제2 소정의 방향 중 임의의 방향으로 전류를 제공하도록 되어 있는
    것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 증폭기 유닛은 제1 전위 레벨과 제2 전위 레벨 사이에 제공되는 H-브리지 회로를 포함하고, 상기 제1 액추에이터의 제1 포트는 상기 H-브리지 회로의 제1 브랜치(branch)에 연결되고, 상기 제2 액추에이터의 제2 포트는 상기 H-브리지의 제2 브랜치에 연결되며, 상기 공통 노드는 상기 공통 노드를 상기 제1 또는 제2 전위 레벨에 선택적으로 연결하도록 작용하는 스위칭 수단에 연결되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 장치.
  14. 제12항 또는 제13항 중 어느 한 항에 따른 자기 베어링 장치를 조작하는 방법에 있어서,
    ㅇ 상기 제1 액추에이터의 제1 포트로부터 상기 제2 액추에이터의 제2 포트로 흐르는 소정의 바이어스 전류를 제공하는 단계,
    ㅇ 원하는 위치로부터 상기 물체의 일부분의 변위를 결정하는 단계, 및
    ㅇ 상기 원하는 위치를 복원시키도록 작용하는 힘을 발생시키기 위해 상기 증폭기 유닛과 상기 공통 노드 사이에 흐르는 전류를 변화시키는 단계
    를 포함하는 방법.
KR1020077000440A 2004-06-08 2005-05-03 간소화된 배선을 갖는 자기 베어링 장치 KR101105258B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP04405354A EP1605177A1 (en) 2004-06-08 2004-06-08 Magnetic bearing device with simplified wiring
EP04405354.4 2004-06-08
PCT/CH2005/000248 WO2005121580A1 (en) 2004-06-08 2005-05-03 Magnetic bearing device with simplified wiring

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20070017440A true KR20070017440A (ko) 2007-02-09
KR101105258B1 KR101105258B1 (ko) 2012-01-17

Family

ID=34932140

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020077000440A KR101105258B1 (ko) 2004-06-08 2005-05-03 간소화된 배선을 갖는 자기 베어링 장치

Country Status (8)

Country Link
US (1) US8018106B2 (ko)
EP (2) EP1605177A1 (ko)
JP (1) JP4767954B2 (ko)
KR (1) KR101105258B1 (ko)
CN (1) CN100497980C (ko)
AT (1) ATE418685T1 (ko)
DE (1) DE602005011962D1 (ko)
WO (1) WO2005121580A1 (ko)

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE421647T1 (de) 2005-08-24 2009-02-15 Mecos Traxler Ag Rotorwelle für eine magnetlagereinrichtung
KR20110014590A (ko) 2008-04-17 2011-02-11 신크로니, 아이엔씨. 저-손실 금속 회전자를 구비한 고속 영구자석 모터 및 발전기
BRPI0907304A2 (pt) 2008-04-18 2016-06-14 Synchrony Inc "máquina"
EP2131052A1 (de) * 2008-06-04 2009-12-09 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Lagern eines Körpers mit einer Magnetlageranordnung
EP2148104A1 (de) * 2008-07-21 2010-01-27 Siemens Aktiengesellschaft Magnetisches Radiallager sowie magnetisches Lagersystem mit Stromversorgung
US9583991B2 (en) 2009-06-24 2017-02-28 Synchrony, Inc. Systems, devices, and/or methods for managing magnetic bearings
WO2011163456A1 (en) 2010-06-23 2011-12-29 Synchrony, Inc. Split magnetic thrust bearing
WO2013152061A2 (en) * 2012-04-04 2013-10-10 Carrier Corporation Multiple-axis magnetic bearing and control of the magnetic bearing with active switch topologies
NL2011336A (en) * 2012-09-19 2014-03-20 Asml Netherlands Bv Method of calibrating a reluctance actuator assembly, reluctance actuator and lithographic apparatus comprising such reluctance actuator.
US10447110B2 (en) * 2016-06-01 2019-10-15 Lawrence Livermore National Security, Llc Halbach-array radial stabilizer for a passive magnetic bearing
CA3045285C (en) * 2016-11-30 2021-08-24 Synchrony, Inc. Balanced switching amplifier for a magnetic bearing assembly
EP3431789B1 (en) * 2017-07-20 2019-11-20 Mecos AG Stray flux compensation in a magnetic bearing device
CN114738384A (zh) * 2022-03-21 2022-07-12 中国舰船研究设计中心 电励磁式三极磁悬浮轴承的驱动装置、控制装置及方法
CN116576147B (zh) * 2023-07-12 2023-09-22 广东美的暖通设备有限公司 磁悬浮保护边界的确定方法及其装置、离心压缩机
CN117703927B (zh) * 2024-02-05 2024-04-16 贵州中航华强科技有限公司 一种磁悬浮轴承控制系统

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1488096C3 (de) * 1964-04-24 1978-10-05 Bbc Brown Boveri & Cie Wechselrichterschaltung
US3823990A (en) * 1972-10-10 1974-07-16 Massachusetts Inst Technology Capacitive-inductive bridge type electrical suspension
US3937533A (en) * 1974-02-08 1976-02-10 The United States Of America As Represented By The United States National Aeronautics And Space Administration Office Of General Counsel-Code Gp Axially and radially controllable magnetic bearing
DE2537597A1 (de) * 1975-08-23 1977-03-03 Padana Ag Elektromagnetische lagerungseinrichtung
JPS6256618A (ja) * 1985-04-20 1987-03-12 Maruwa Denki Kk 磁気軸受装置
JP3136621B2 (ja) * 1991-02-28 2001-02-19 株式会社島津製作所 磁気軸受装置
CH689808A5 (de) * 1994-05-25 1999-11-30 Mecos Traxler Ag Verfahren zum berührungsfreien Tragen von Objekten und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
US5627421A (en) * 1994-10-28 1997-05-06 Barber-Colman Company High efficiency drive circuit for an active magnetic bearing system
GB2303412B (en) * 1995-07-14 1999-08-11 Glacier Metal Co Ltd Electromagnetic bearing
DE59609218D1 (de) * 1996-10-07 2002-06-20 Lust Antriebstechnik Gmbh Magnetische Lagervorrichtung und Verfahren zum Betrieb derselben
CA2202442A1 (en) * 1997-04-11 1998-10-11 Revolve Technologies Inc. Current mode switching for tri-state amplifiers in magnetic bearing control systems
EP0989656B1 (de) * 1998-09-24 2009-03-11 Levitronix LLC Permanentmagnetisch erregter elektrischer Drehantrieb
DE59914974D1 (de) * 1998-09-24 2009-04-23 Levitronix Llc Permanentmagnetisch erregter elektrischer Drehantrieb
JP2001012467A (ja) * 1999-04-28 2001-01-16 Okuma Corp ラジアル磁気軸受
ITTO20030045A1 (it) 2003-01-28 2004-07-29 Fiat Ricerche Dispositivo attuatore a cavo flessibile a memoria di forma
KR20040082954A (ko) * 2003-03-19 2004-09-30 비오씨 에드워즈 가부시키가이샤 자기 베어링 장치 및 이 자기 베어링 장치를 탑재한 터보분자 펌프
JP4502667B2 (ja) * 2004-03-04 2010-07-14 エドワーズ株式会社 磁気軸受装置及び該磁気軸受装置を搭載したターボ分子ポンプ

Also Published As

Publication number Publication date
ATE418685T1 (de) 2009-01-15
US8018106B2 (en) 2011-09-13
WO2005121580A1 (en) 2005-12-22
JP4767954B2 (ja) 2011-09-07
CN100497980C (zh) 2009-06-10
EP1753965B1 (en) 2008-12-24
EP1605177A1 (en) 2005-12-14
EP1753965A1 (en) 2007-02-21
CN1965172A (zh) 2007-05-16
KR101105258B1 (ko) 2012-01-17
US20080265704A1 (en) 2008-10-30
JP2008501909A (ja) 2008-01-24
DE602005011962D1 (de) 2009-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101105258B1 (ko) 간소화된 배선을 갖는 자기 베어링 장치
US6707200B2 (en) Integrated magnetic bearing
US10767691B2 (en) Magnetic bearing
EP0470499A2 (en) Pulse-width modulated circuit for driving a load
Jiang et al. Analysis and control of a novel power electronics converter for active magnetic bearing drive
CN110855119A (zh) 一种分数极两相游标永磁直线电机
JP5315053B2 (ja) 永久磁石界磁型リニアモータ用電力供給装置、及び永久磁石界磁型モータ用ｐｗｍインバータ
Xie et al. Research on common mode EMI and its reduction for active magnetic bearings
Hu et al. A shared-bridge converter with reversed current direction for active magnetic bearing drive
Radman et al. Performance evaluation of a bearingless flux-switching slice motor
JP5120053B2 (ja) 磁気軸受装置
JASTRZEBSKI et al. Modeling and control design simulations of a linear flux-switching permanent-magnet-levitated motor
Hofer et al. Analysis of a Current Biased Eight-Pole Radial Active Magnetic Bearing Regarding Self-Sensing
Bucak et al. A new design concept of magnetically levitated 4 pole hybrid mover driven by linear motor
Hofer et al. Current slope measurement strategies for sensorless control of a three phase radial active magnetic bearing
Barhoumi et al. Design and Simulation of a new Linear Switched Reluctance Motor for Shunting the Railways Channels
Kim et al. Dynamic simulation of the transverse flux machine using linear model and finite element method
Banerjee et al. Two-actuator-based DC attraction-type levitation system for the suspension of a cylindrical rod
Sermeno et al. Modeling of a Modular Stator Segmented Rotor Switched Reluctance Motor for Circuit Simulation
Dash Direct torque control of switched reluctance motor drives
Chou et al. Design and implementation of an adaptive inverse controller for a micro-permanent magnet synchronous motor control system
Ertugrul Position estimation and performance prediction for permanent-magnet motor drives
Lee et al. Contact-free switched reluctance linear actuator for precision stage
Bernat et al. Finite time linear quadratic based optimal control of BLDC motor employing distributed parameters modeling
Pan A 2D variable reluctance planar motor

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20141224

Year of fee payment: 4

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20151224

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20161222

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20191224

Year of fee payment: 9