KR20090007759A - 자기 베어링 및 안전 베어링을 구비한 전기 기계 - Google Patents

자기 베어링 및 안전 베어링을 구비한 전기 기계 Download PDF

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Abstract

전기 기계 내의 자기 베어링의 고장이 있는 경우, 이 같은 자기 베어링은 고정자(10), 내에 로터리 샤프트를 제공하고, 안전 베어링(14, 14')이 제공된다. 본 발명에 따라, 안전 베어링(14, 14')은 고정자(10) 상에 장착되는 외측 링(16, 16')을 나타내며, 고정자(10)의 내부에 회전 링(22, 22; 26)이 작동된다. 본 발명에 따른 안전 베어링은 특히 크고 무거운 샤프트를 가지는 기구에 특히 적절하다.

Description

자기 베어링 및 안전 베어링을 구비한 전기 기계 {ELECTRICAL MACHINE WITH MAGNETIC BEARING AND SAFETY BEARING}
본 발명은 청구항 1의 전제부에서 청구된 바와 같은 전기 기계에 관한 것이다.
자기 베어링은 기계 베어링 경우에서와 같이, 마찰 손실이 발생하지 않기 때문에 전기 기계에 많이 이용되고 있다. 그러나, 자기 베어링은 장애가 고장이 될 수 있다는 단점이 있다(가장 간단한 장애 상황은 종래의 전력 고장이다). 전기 기계의 작동 동안 장애가 발생하는 경우, 전기 기계의 샤프트는 자기 베어링이 고장났을 때 여전히 고속으로 회전한다. 따라서 소위 안전 베어링을 제공하는 것이 필요하며, 이 안전 베어링은 자기 베어링의 고장의 경우 샤프트를 고정하여 적어도 정지되어 있는 동안, 예를 들면 샤프트가 정지되도록 이동하는 상태로부터의 변화 동안 가이드한다.
안전 베어링의 세부 상황에 대한 종래 기술에서의 제 1 접근은 필수적으로 종래의 롤러 베어링을 이용하는 것이다. 이 경우, 샤프트는 간극을 가지고 롤러 베어링 내에 안내되고 이 경우, 자기 베어링에 의해 정상적으로 안내되고 롤러 베어링은 자기 베어링이 고장났을 때에만 안전 베어링으로 작용한다. 롤러 베어링은 샤프트가 무겁지 않은, 특히 소형 전기 기계의 경우 성공적이다. 롤러 베어링은 소위 "후방 선회(backward whirl)"가 인가되는 회전에 대해 마주하는 회전 방향으로 전체 샤프트의 회전이 억제되는 장점을 가진다.
롤러 베어링은 대형의 무거운 회전자를 홀딩하기에 적절하지 않으며, 롤러 바디와 베어링 링 사이의 지점 또는 라인 접촉만이 있어, 매우 높은 표면 압력을 초래한다. 이러한 높은 로드는 롤러 베어링에 손상을 일으킬 수 있고 베어링을 차단할 수 있다. 가스 공급을 위한 터보압축기에 이용되는 것과 같은 대형의 무거운 샤프트의 경우, 건조 슬라이딩 베어링은 오늘날 안전 베어링으로서 이용된다. 건조 슬라이딩 베어링은 필수적으로 고정자에 장착되는 링을 포함하며 링 안에는 샤프트가 자기 베어링의 고장의 경우 회전할 수 있다. 샤프트와 안전 베어링 사이의 마찰 계수가 증가할 때 후방 선회의 위험이 발생하기 때문에, 목적은 이러한 링을 위한 적절한 재료의 선택에 의해 마찰 계수를 최소화하는 것이다. 예에 의해, 특별한 청동 합금은 마찰 코팅으로서 이용되지만 심한 마모가 발생한다.
건조 슬라이딩 베어링 내의 마모 문제점은 링을 두 개로 분리함으로써 미국 특허 제 5,739,609호에서 해결되었으며, 하나의 링 요소가 고정자에 부착되고, 제 2 링 요소가 제 1 링 요소에 장착된다. 내부면 상의 마모의 경우, 제 2 링 요소가 대체될 수 있다. 슬라이딩 수단은 이 경우 제 2 링 요소를 대체하는 것을 더 용이하게 하기 위하여 이용된다. 그러나, 작동 동안 제 2 링 요소는 제 1 링 요소에 대해 강성으로 남아 있으며, 제 1 링 요소는 고정자에 부착되어, 건조 슬라이딩 베어링으로서 작동 방법에 대해 기본적으로 변화되는 것이 없다.
본 발명의 목적은 특히 대형의 무거운 샤프트용 안전 베어링을 제공하는 것이고, 이에 의해 후방 선회가 회피되고, 심한 마모가 발생하지 않는다.
상기 목적은 청구항 1의 특징부에 의해 달성된다. 본 발명에 따라, 전기 기계의 안전 베어링은 회전가능한 링이 슬라이딩 방식으로 안내되는 고정자 상에 장착되는 외부 링을 포함한다.
자기 베어링이 고장난 경우, 회전가능한 링은 샤프트로부터 토크 도는 힘의 전달을 기초로 하여 운동하여 제어되지 않은 방식으로 임의의 운동을 수행하지 않도록 하여 후방 선회를 억제한다. 회전가능한 링은 작은 마찰을 가지고 슬라이딩 방식으로 안내된다. 장치의 마찰 계수는 따라서 전체적으로 낮다(회전하는 마찰력은 종래에 비교적 작다). 힘이 개별 라인 상의 또는 지점에 전달되지 않지만 링의 전체 외부면 및 내부면 위에 전달되기 때문에, 안전 베어링은 높은 로드 베어링 성능을 가지며 특히 대형의 무거운 샤프트의 이용을 위해 특히 적절하다.
제 1 일 실시예에서, 회전가능한 링은 반지름방향으로 간격을 가지고 샤프트를 둘러싸는 내부 링이다. 자기 베어링이 고장나는 경우, 샤프트는 중력의 영향 하에서 하방으로 떨어져서 내부 링의 하부 영역과 접촉하게 되어 따라서 힘 및 토크를 전달할 수 있다.
다른 일 실시예에서, 회전가능한 링은 중간 링이다. 중간 링은 추가의 링을 둘러싸서 미끄럼가능한 방식으로 안내된다. 그러나, 이 경우, 이는 중간 링일 수 있고 반지름방향 간격을 가지고 샤프트를 둘러싸는 직접적인 내부 링일 수 있다. 하나 또는 그 이상의 중간 링의 이용은 슬라이딩 안내의 결함의 경우, 슬라이딩 안내를 위한 추가 옵션은 중간 지점(예를 들면, 증간 링과 외부 링 사이)에 남아 있는(예에서 내부 링과 중간 링 사이) 장점을 가진다.
하나의 바람직한 실시예에서, 슬라이딩 안내는 마찰 계수를 가져서 슬라이딩 수단은 링들 사이로 삽입되게 정밀하게 되도록 하거나 링에는 슬라이딩 층이 제공된다. 슬라이딩 층인 경우, 외부 링의 내부 및 내부 링의 외부, 그리고 가능하게는 중간 링, 외부 및 내부에 슬라딩 층을 제공하는 것이 충분하다. 예에 의해, 이와 같은 층은 테플론 또는 특정 전기적 화학적 코팅으로 이루어진다. 다른 선택예의 경우, 종래의 기름 또는 흑연은 슬라이딩 수단으로서 이용될 수 있다.
추가의 바람직한 일 실시예에서, 외부 링은 U형 프로파일을 가진다. "U"의 하나의 림(limb)은 이 경우 제거가능하다. 즉, U-프로파일의 림은 제거가능한 고리형 웨브로 형성된다. 고리형 웨브를 제거하기 위한 성능은 내부 링 및 가능하게는 중간 링은 U형 프로파일 내로 도입될 수 있도록 하기 위하여 필요하다. U형 프로파일은 특히 슬라이딩 수단을 도입하는 것을 가능하게 하지만, 상술된 바와 같이 슬라이딩 층을 이용할 때 소정의 경우 이는 내부 링 및/또는 중간 링이 림으로 축방향으로 찢어지는 것(이에 따라 예를 들면 내부링의 경사짐)을 방지한다. "U"의 베이스 상에 U-프로파일 내의 "U"의 두 개의 림 사이의 각도가 이 경우 90도가 되는 것이 반드시 요구되는 것은 아니며, 그러나 림은 또한 예를 들면 100도 내지 110도의 개방 각도를 제공하기 위하여 이러한 방식으로 다소 더 넓게 개방될 수 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시예는 도면을 참조하여 아래 내용에서 설명된다.
도 1a는 본 발명의 제 1 실시예의 개략적인 측방향 단면도이며,
도 1b는 도 1a에서 도시된 측방향 단면도에 대해 90도로 개략적인 단면도이며,
도 2a는 본 발명의 제 2 일 실시예의 개략적인 측방향 단면도이며,
도 2b는 도 2a에 도시된 단면도에 대해 90도로 개략적인 측방향 단면도이다.
본 발명에 따른 전기 기계는 도면에서 개략적으로 표시되는 고정자(10), 및 내부에서 회전할 수 있고 단지 일 부분만이 도시되는 샤프트(12)를 포함한다. 작동 동안, 샤프트(12)는 기계 베어링(도시안됨)을 경유하여 안내된다. 본 발명은 자기 베어링이 고장날 때 이용되는 안전 베어링에 관련된다. 이어서 안전 베어링은 샤프트를 홀딩한다. 도면은 자기 베어링이 고장나고, 샤프트가 중력에 의해 아래로 떨어지는 상황에 있는 샤프트(12)를 도시한다. 이어서 전체적으로 14로 표시된 아넌 베어링으로서 작용한다. 안전 베어링은 단지 도면에 개략적으로 도시되는 스프링 및 댐퍼 요소(18)를 경유하여 고정자(10)에 장착되는 외부 링(16)을 가진다. 외부 링(16)은 U형 프로파일을 가진다. 강조하기 위한 음영에 의해 표시되고 도 1a 및 도 2b에서 "20"으로 표시되는 U형 프로파일의 하나의 림은 제거가능하고 추가의 링이 외부 링(16) 내로 도입되도록 한다.
도 1a 및 도 1b에 도시되는 제 1 실시예의 경우, 내부 링(22)은 외부 링(16)에 직접 배치된다. 슬라이딩 수단(24), 예를 들면 종래의 그리이스가 외부 링(16)과 내부 링(22) 사이에 위치한다. 슬라이딩 수단(24) 대신, 외부 링(16)의 내부면 및 내부 링(22)의 외부면 둘다의 위에, 예를 들면 테플론으로 이루어지는 슬라이딩 층을 제공하는 것이 가능하다. 본 발명의 경우, 내부 링(22)은 외부 링(16)의 U-프로파일의 두 개의 림들 사이의 결합 및 외측으로 뾰족해지는 "T"(특별히 표시안됨)의 기부를 구비한 T형 프로파일을 갖는 것으로서 공지된다. 이러한 결합은 물론 내부 링이 제거되는 링(20)에 미리 삽입되는 사실에 의해서만 가능하게 되며, 이 경우 링(20)은 남아이쓴 외부 링(16)에 후속적으로 재 부착된다.
도 1b에 도시될 수 있는 바와 같이, 자기 베어링이 고장나는 경우, 샤프트(12)는 내부 링(22) 상에 직접 떨어진다. 회전에 의해 내부 링(22)으로 토크를 전달되는 동안 파지할 수 있고, 이어서 작용 및 반작용 원리로 회전할 수 있는 샤프트는 전체 장치가 가능한 안전하게 유지하도록 한다. 이는 주로 샤프트(12)의 비제어식 운동을 방지한다. 스프링 요소(18)의 역할은 내부 충격력을 감소하는 것이다.
도 2a 및 도 2b에 도시되는, 하나의 다른 실시예에서, 중간 링(26)은 외부 링(16')의 U형 프로파일에 초기에 배치되고 외부 링(16') 내의 슬라이딩 수단(24)에 의해 슬라이딩 방식으로 안내된다. 중간 링(26)은 또한 내부 링(26) 내에서 정밀하게 되도록, 슬라이딩 방식으로 안내되는, 내부 링(22')을 둘러싼다(슬라이딩 안내부는 또한 외부 링(16')의 림에 대해 추가로 제공될 수 있으며, 이 경우 도 2a 에 도시된 실시예에 비교하여, 슬라이딩 수단(24)은 외부 링(16')과 내부 링(22') 사이에, 또한 추가로 도입될 것이 요구된다).
도 2b에 도시된 바와 같이, 또한 이러한 경우, 샤프트(12)는 내부 링(22') 상에 떨어지고 내부 링으로 토크를 전달한다. 이는 내부 링(26)에 대해 회전한다. 내부 링(26) 자체저긍로 외부 링(16')에 대해 회전하도록 하는 것이 가능하다. 이러한 상황에서 내부 링(22')과 중간 링(26) 사이의 슬라이딩 안내가 잘못되어, 중간 링(26)과 외부 링(16') 사이의 회전에 대해 독점적으로(실제적으로) 초래하여, 이 경우 내부 링(22')과 중간 링(26) 사이의 상대적인 운동이 억제된다.
도 1a/도 1b 및 도 2a/도 2b에 도시된 실시예는 힘이 전체 링에 걸쳐 분배된 방식으로 작용하는 공통 특성을 가지며, 그 결과로서, 롤러 베어링의 경우에서와 같이 압력 지점이 없다. 종래의 건조 베어링과 비교하면, 롤링 운동이 도입되는 사실의 결과로서, 이는 마찰 계수에 대한 주요 기여는 마찰을 상당히 감소시키는 롤링 저항이라는 것을 의미한다. 따라서 내부 링(22/22')은 단지 작은 양의 마모가 발생한다.

Claims (7)

  1. 고정자(10) 및 상기 고정자 내부에서 회전할 수 있으며 자기 베어링에 의해 안내되는 샤프트(12)를 가지며, 상기 자기 베어링의 고장의 경우 안전 베어링(14, 14')이 제공되고, 상기 안전 베어링(14, 14')은 상기 샤프트의 운동이 정지되는 동안 상기 샤프트(12)를 홀딩하여 안내하는, 전기 기계에 있어서,
    상기 안전 베어링(14, 14')은 외부 링(16, 16')을 포함하며 상기 외부 링은 상기 고정자 상에 장착되고 상기 고정자 안에서 회전가능한 링(22, 22', 26)이 슬라이딩 방식으로 안내되는 것을 특징으로 하는,
    전기 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전가능한 링은 상기 샤프트(12)를 반지름방향 간격을 가지고 둘러싸는 내부 링(22)인 것을 특징으로 하는,
    전기 기계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전가능한 링은 상기 샤프트(12)를 반지름방향 간격을 가지고 둘러싸 는 내부 링(22')이 슬라이딩 방식으로 안내되는 중간 링(26)인 것을 특징으로 하는,
    전기 기계.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 슬라이딩 안내는 마찰이 거의 없는 것을 특징으로 하는,
    전기 기계.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 링들(16, 16', 22, 22', 26) 사이에 슬라이딩 수단(24)이 삽입되는 것을 특징으로 하는,
    전기 기계.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 링들(16, 16', 22, 22', 26)에는 슬라이딩 층이 제공되는 것을 특징으로 하는,
    전기 기계.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부 링(16, 16')은 U형 프로파일을 가지며,
    상기 U형 프로파일의 하나의 림이 제거가능한 고리형 웨브(20, 20')에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는,
    전기 기계.
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