KR20090123884A

KR20090123884A - 전자 흡인식 자기 베어링과 그 제어 방법

Info

Publication number: KR20090123884A
Application number: KR1020097019158A
Authority: KR
Inventors: 겐 쿠와타
Original assignee: 가부시키가이샤 아이에이치아이
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2008-02-07
Publication date: 2009-12-02
Also published as: AU2008238698B2; CN101652577A; KR101184689B1; TWI354072B; AU2008238698A1; US8203243B2; CN101652577B; CA2679082C; JP5003879B2; JP2008249011A; TW200839113A; CA2679082A1; EP2131051A4; US20100133936A1; EP2131051A1; WO2008126462A1

Abstract

전자 흡인식 자기 베어링은 서로 대향하여 배치된 적어도 한 쌍의 전자석(1, 2)과, 전자석의 사이에 배치되고 그 중간 위치에 유지되는 부유체(3)와, 부유체(3)의 평형 위치로부터의 변위 및/또는 속도를 검출하는 센서(4)와, 전자석(1, 2)을 제어하는 제어 장치(5)를 구비한다. 제어 장치(5)는 부유체(3)의 변위와 속도로부터 제어 방향의 가속도에 정비례하는 변수 Z를 구하고, 변수의 양음에 따라 한쪽 전자석의 제어 전류를 제로로 하고, 다른 쪽 전자석의 제어 전류만을 제어한다.

Description

전자 흡인식 자기 베어링과 그 제어 방법{ELECTROMAGNETIC ATTRACTION TAPE MAGNETIC BEARING AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 대향하는 전자석의 어느 한쪽의 제어 전류를 항상 0으로 하는 전자 흡인식 자기 베어링과 그 제어 방법에 관한 것이다.

전자 흡인식 자기 베어링은 비접촉 지지에 의해 마찰·마모가 없어 윤활을 필요로 하지 않는 등의 이점을 가져, 터보 압축기, 극저온 회전 기계, 터보차저, 플라이 휠 등의 베어링에 이용할 수 있다.

이와 같은 전자 흡인식 자기 베어링으로는 전자석만으로 구성된 자기 베어링이 창안되어 이미 출원되어 있다(특허 문헌 1, 2).

이들 자기 베어링은 부상체를 사이에 두고 서로 대향하는 한 쌍의 전자석에 부유체의 중심 위치로부터의 변위를 상쇄하는 방향으로 2 입력 비선형 제어 방식에 의해 전류를 흘려 부상체를 중립 위치에 유지한다.

특허 문헌 1의 "능동 제어 전자 흡인식 자기 베어링"은, 파워 로스, 전자석의 발열, 부상체의 회전 운동에 대한 저항을 저감하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해 상기 능동 제어 전자 흡인식 자기 베어링은, 도 1에 도시하는 바와 같이, 부상체(51)를 사이에 두고 서로 대향하는 한 쌍의 전자석(52, 53)에 부상 체(51)의 중립 위치 O로부터의 변위를 상쇄하는 방향으로 전류 i₁, i₂를 흘려 부상체(51)를 중립 위치 O에 유지하는 제어 방식으로서 2 입력 비선형 제어 방식을 이용한다.

특허 문헌 2의 "전자 흡인식 자기 베어링과 그 비선형 제어 방법"은, 편위에서 평형점으로 돌아오는 경우에도 감쇠력을 작용시켜 수렴 시간을 단축할 수 있고, 또한 제어계의 충분 조건인 리아프노프(Lyapunov)의 점근 안정 조건을 완전하게 만족하는 것을 목적으로 한다.

이를 위해 특허 문헌 2의 장치는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 서로 대향하여 배치된 적어도 한 쌍의 전자석과, 전자석의 사이에 배치되고 그 중간 위치에 유지되는 부유체(61)와, 부유체(61)의 평형 위치로부터의 변위 및/또는 속도를 검출하는 센서(62)와, 전자석을 제어하는 제어 장치(63)를 구비한다. 부유체(61)가 평형 위치를 향해 되돌아가는 경우에, 제어 장치(63)에 의해 대향하는 전자석의 양쪽 모두에 제어 전류를 공급함으로써 한쪽 전자석을 텐션스프링으로서 작용시키고, 다른 쪽 전자석을 댐퍼로서 작용시킨다.

[특허 문헌 1] 일본 특허공개 2001-165164호 공보

[특허 문헌 2] 일본 특허공개 2002-61646호 공보

특허 문헌 1의 자기 베어링은, 편위에서 평형점으로 돌아오는 경우에 감쇠력을 발생시키지 못하여 수렴까지 시간이 걸리고, 이론적으로 안정적이라고는 할 수 없다는 등의 문제점이 있었다. 이 문제점을 해결한 것이 특허 문헌 2의 자기 베어 링이다.

그러나, 특허 문헌 2에서는, 부유체가 평형 위치를 향해 되돌아오는 경우에 대향하는 전자석의 양쪽 모두에 제어 전류를 공급하기 때문에, 대향하는 전자석의 어느 한쪽의 제어 전류를 0으로 하는 완전한 제로 파워 제어를 달성할 수 없다는 문제점이 있었다.

즉, 특허 문헌 2의 비선형 제로 파워 제어에서는, 로터의 평형점으로부터의 "변위" 및 "속도"를 검출하고, 그 2개를 파라미터로 하여 네 가지 경우로 분류를 실시함으로써 제어하는 전류치를 결정한다. 그러나, 네 가지 경우 중 두 경우에서는 대향하는 양쪽 모두의 자극 코일에 전류를 흘리게 되어, 불필요한 전류를 소비하고 손실을 증가시키는 요인이 되었다.

또한, 연산 주기마다(예를 들면 100㎲마다) 2 파라미터에 대해 판정하기 때문에, 실시간 제어를 위한 연산 로직을 복잡화함과 함께 CPU의 제어량 증가를 초래하여, 고성능이고 고가인 CPU를 사용할 필요가 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것이다. 즉, 본 발명의 목적은, 대향하는 전자석의 어느 한쪽의 제어 전류를 항상 0으로 하는 완전한 제로 파워 제어를 달성할 수 있고, 또한 연산 주기마다 판정하는 파라미터수를 저감하고 연산 로직을 간략화하여 CPU의 제어량을 감소시켜, 고성능이고 고가인 CPU의 필요성을 저감할 수 있는 전자 흡인식 자기 베어링과 그 제어 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 의하면, 서로 대향하여 배치된 적어도 한 쌍의 전자석과, 이 전자석의 사이에 배치되고 그 중간 위치에 유지되는 부유체와, 이 부유체의 평형 위치로부터의 변위 및/또는 속도를 검출하는 센서와, 상기 전자석을 제어하는 제어 장치를 구비하고, 제어 장치는 부유체의 변위와 속도로부터 제어 방향의 가속도에 정비례하는 변수를 구하고, 이 변수의 양음에 따라 한쪽 전자석의 제어 전류를 제로로 하고 다른 쪽 전자석의 제어 전류만을 제어하는 것을 특징으로 하는 전자 흡인식 자기 베어링이 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 의하면, 상기 한 쌍의 전자석은 제1 전자석과 제2 전자석으로 이루어지며, 상기 부유체의 평형 위치에서 제1 전자석을 향하는 변위를 x, 부유체의 속도를 v=dx/dt, γ를 양의 상수라고 하고, 상기 변수 Z는 이하의 식 (A)로 주어진다.

Z=x+γv … (A)

또한 본 발명에 의하면, 서로 대향하여 배치된 적어도 한 쌍의 전자석에 의해 그 한 쌍의 전자석 사이의 중간 위치에 배치된 부유체를 유지하는 전자 흡인식 자기 베어링의 제어 방법으로서, 부유체의 평형 위치로부터의 변위 및/또는 속도를 검출하고, 부유체의 변위와 속도로부터 제어 방향의 가속도에 정비례하는 변수 Z를 구하고, 이 변수의 양음에 따라 한쪽 전자석의 제어 전류를 제로로 하고 다른 쪽 전자석의 제어 전류만을 제어하는 것을 특징으로 하는 전자 흡인식 자기 베어링의 제어 방법이 제공된다.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 의하면, 상기 한 쌍의 전자석은 제1 전자석과 제2 전자석으로 이루어지며, 상기 부유체의 평형 위치에서 제1 전자석을 향하는 변위를 x, 부유체의 속도를 v=dx/dt, γ를 양의 상수라고 하고, 상기 변수 Z를 이하의 식 (A)로 구한다.

Z=x+γv … (A)

또한, a를 양의 상수, X₀을 평형 위치의 자기 갭(magnetic gap)이라고 하고, 상기 변수 Z가 양 또는 0일 때에 상기 제1 전자석의 제어 전류를 0으로 하고 제2 전자석의 제어 전류 i₂를 이하의 식 (B)로 구하며, 상기 변수 Z가 음일 때에 상기 제2 전자석의 제어 전류를 0으로 하고 제1 전자석의 제어 전류 i₁을 이하의 식 (C)로 구한다.

i₂=a(X₀+x)SQRT(Z/k) … (B)

i₁=a(X₀-x)SQRT(-Z/k) … (C)

본 발명의 장치 및 방법에 의하면, 제어 장치에 의해 부유체의 변위 x와 속도 v로부터 제어 방향의 가속도에 정비례하는 변수 Z를 구하고, 이 변수 Z의 양음에 따라 한쪽 전자석의 제어 전류를 제로로 하고 다른 쪽 전자석의 제어 전류만을 제어하므로, 특허 문헌 2와 같이 "변위", "속도"와 같은 2개의 파라미터에 의해 경우를 분류하여 4 케이스로 분류하지 않고, 파라미터를 변수 Z 하나로 함으로써 분류를 4 케이스에서 2 케이스로 줄일 수 있다. 한편, 판정 파라미터를 변경해도 제어 성능은 등가이다.

또한, 본 발명에서는 모든 케이스에 있어서 대향하는 자극 코일의 어느 한쪽은 항상 제어 전류가 제로가 되어, 소비 전류의 저감, 손실 저감이 더욱 가능해진다.

또한, 디지털 연산의 1 주기에 대해 필요한 판정의 수를 반감시킴으로써 제어 로직을 간략화시켜 CPU의 연산 부하를 큰 폭으로 감소할 수 있다. 즉, 사이클 시간의 단축에 기여할 뿐만 아니라 CPU의 요구 사양을 저감하는 것이 가능해진다.

도 1은 특허 문헌 1의 "능동 제어 전자 흡인식 자기 베어링"의 모식도이다.

도 2는 특허 문헌 2의 "전자 흡인식 자기 베어링과 그 비선형 제어 방법"의 모식도이다.

도 3은 종래의 전자 흡인식 자기 베어링의 제어 모델도이다.

도 4는 본 발명에 의한 전자 흡인식 자기 베어링의 제어 모델도이다.

본 발명은, 본 발명의 발명자들의 선행 출원인 특허 문헌 2와 등가인 제어 능력을 발휘하면서, 제어 로직을 간략화하여 제어 전류의 저감 및 CPU 연산 부하를 저감하는 것이다. 이하, 본 발명을 이 종래 기술과 비교하면서 설명한다.

도 3은 종래의 전자 흡인식 자기 베어링의 제어 모델도이다. 전자 흡인식 자기 베어링은 서로 대향하여 배치된 적어도 한 쌍의 전자석(1, 2)(제1 전자석(1)과 제2 전자석(2))과, 전자석(1, 2)의 사이에 배치되고 그 중간 위치에 유지되는 부유체(3)와, 부유체(3)의 평형 위치로부터의 변위 x 및/또는 속도 v(=dx/dt)를 검출하 는 센서(미도시)를 구비한다.

한편 이하의 설명에 있어서, M을 로터 질량[㎏], X₀을 자기 갭[m], x를 평형점으로부터 제1 전자석(1)을 향하는 변위[m], i₁을 제1 전자석(1)의 제어 전류[A], i₂를 전자석(2)의 제어 전류[A], F₁을 제1 전자석(1)의 흡인력[N], F₂를 전자석(2)의 흡인력[N], μ₀을 진공 투자(透磁)율(=4π×10⁷)[H/m], S를 자로(磁路) 단면적[㎡], N을 전자석(1, 2)의 코일턴 수[-], k를 자기 흡인력 계수(=μ₀N²S/4[m⁴])로 한다.

이때, 운동 방정식은 수학식 1의 식 (1)과 같다. 한편, 이하의 식에서 v=dx/dt를 상부에 점 하나를 붙인 x, 가속도 d²x/dt²를 상부에 점 두 개를 붙인 x로 표시한다.

종래의 제어에서는 로터 변위 x, 속도 v의 양음에 따라 4 케이스로 분류하여 제어 전류 i₁, i₂를 결정하였다. 각 케이스에서의 제어 전류와, 그것을 식 (1)에 대입한 결과를 수학식 2의 식 (2.1) 내지 식 (2.4)에 나타낸다.

단, a는 1을 넘는 상수, γ는 양의 상수이며, 임의로 결정할 수 있다.

수학식 2의 각 식으로부터 다음과 같은 것을 알 수 있다.

(1) 케이스-2, 4의 경우에는, 감쇠를 부여하기 위해 제1 전자석(1)의 제어 전류 i₁과 제2 전자석(2)의 제어 전류 i₂의 양쪽 모두에 전류가 흐르고 있다.

(2) 모든 케이스에 있어서, Md²x/dt²은 동일한 결과가 된다.

여기에서, K=a², C=a²γ … (3)이라고 하면 식 (1)은 식 (4)가 되어, 감쇠를 갖는 1 자유도 진동계의 운동 방정식이 된다.

Md²x/dt²=-Cdx/dt-Kx … (4)

환언하면, 제어력은 반드시 -Cdx/dt-Kx가 된다. 이것으로부터 상수 a와 γ는 1 자유도 진동계의 고유치 ω, 감쇠비 ζ를 결정함으로써 일의적으로 정해지는 것을 알 수 있다.

(3) 케이스-1, 3에서 제어력의 방향은 x, dx/dt에 의하지 않고 항상 일정하지만, 케이스-2, 4에서는 x, dx/dt의 관계에 따라서 제어력 방향이 변화한다.

전술한 바와 같이, 종래의 케이스-2, 4에서는 대향하는 2개의 자극 코일에 제어 전류 i₁, i₂를 흘리게 된다. 본 발명은 제어 성능을 저감시키지 않고 한쪽의 제어 전류를 완전하게 제로로 하는 수단을 제안하는 것이다.

본 발명의 전자 흡인식 자기 베어링은, 적어도 한 쌍의 전자석(1, 2), 부유체(3), 센서(4), 및 제어 장치(5)를 구비한다.

한 쌍의 전자석(1, 2)은 제1 전자석(1)과 제2 전자석(2)으로 이루어지고, 서로 대향하여 배치된다.

부유체(3)는 전자석(1, 2)의 사이에 배치되고 그 중간 위치에 유지된다. 이 예에서 부유체(3)는, 예를 들면, 연직 방향의 축심 둘레로 회전하는 샤프트로서, 자기 베어링에 의해 도면에서 좌우 방향으로 지지되며, 중력 방향의 영향을 받지 않는 것으로 한다. 한편, 도면에서 상하 방향의 지지는 다른 자기 베어링으로 행하며, 마찬가지로 중력 방향의 영향을 받지 않는 것으로 한다.

한편, 축을 수평으로 지지하는 경우와 같이 중력의 영향을 받는 경우에는, 전자석의 흡인력에 중력만큼을 부가(가산 또는 감산)함으로써 마찬가지로 취급할 수 있다.

센서(4)는 부유체(3)와 부유체(3)의 평형 위치로부터의 변위 x 및/또는 속도 v(=dx/dt)를 검출한다. 센서(4)는 비접촉식인 것이 좋다. 또한, 이 센서는 변위 센서, 속도 센서 중 한쪽이라도 되지만, 양쪽 모두를 구비하여도 무방하다. 한편, 변위 x만 검출하는 경우에는 변위를 미분해 속도 v를 구하고, 속도 v만 검출하는 경우에는 적분해 변위 x를 구한다.

제어 장치(5)는 부유체의 변위 x와 속도 v로부터 제어 방향의 가속도에 정비례하는 변수 Z를 구하여, 이 변수의 양음에 따라 한쪽 전자석의 제어 전류를 제로로 하고 다른 쪽 전자석의 제어 전류만을 제어한다. 즉, 제어 장치(5)는 후술하는 식에 따라, 전자석(1, 2)에 공급하는 전류 i₁, i₂를 실시간으로 연산하여 전자석(1, 2)을 제어한다.

종래의 수단에서는, 부유체의 변위와 속도의 양음으로 판정하여 분류를 실시하였지만, 본 발명에서는 새로운 판정 항목으로서 제어 방향의 가속도에 정비례하는 변수 Z를 도입한다.

여기에서, 변수 Z는 이하의 식 (5)로 주어진다.

Z=x+γv … (5)

표 1은 본 발명과 종래예를 비교한 것이다. 이 표에 나타내는 대로, 당연하 지만 변수 Z의 양음은 발생하는 제어력의 방향과 반드시 반대가 된다.

이들로부터, 본 발명에서는 이하와 같이 전류 i₁, i₂를 결정한다.

(1) 케이스-1, 3의 경우, 반드시 어느 한쪽의 전류는 제로가 되므로, 제어 전류 i₁, i₂는 종래의 제어와 동일하게 한다.

(2) 케이스-2, 4에 있어서, 종래의 제어에서는 변수 Z의 양음에 의해 제어력의 방향이 양음 어느 쪽도 될 수 있다. 따라서, 변수 Z의 양음에 의해 통전하는 전자석을 한쪽으로 결정하고, 제어력 방향과 반대의 전자석으로의 통전을 제로로 한다.

(3) 변위, 속도의 2개의 파라미터가 아니라 판정용으로 신규 도입한 변수 Z에 착안하여, 수학식 3의 식 (6.1) 내지 식 (6.2)에 나타내는 바와 같이 전류치를 결정한다.

수학식 3의 각 식은 케이스-1, 3에 대해서는 종래와 동일하다.

또한, 케이스-2, 4에 대해서도 다른 한쪽의 전자석으로의 통전은 제로가 되고, 어느 한쪽의 전자석에만 전류를 흘린다.

케이스-A, B 모두 제어력은 종래 수법과 마찬가지로,

Md²x/dt²=-Cdx/dt-Kx … (4)가 되고, 감쇠를 갖는 1 자유도 진동계와 등가가 된다.

전술한 바와 같이, 본 발명에서는 (1) 판정 파라미터를 변위, 속도로부터 변수 Z로 줄여, 1 파라미터의 양음 판별만으로 한다.

또한, 모든 케이스에 있어서, 어느 한쪽의 전자석에 흘리는 전류는 반드시 제로가 되게 한다.

따라서, 제어 전류를 저감함으로써 손실 저감으로 이어질 뿐만 아니라, 제어 로직을 간소화함으로써 CPU에서의 연산 부하를 저감하는 것이 가능해진다.

한편, 제어 로직을 간소화하여 제어 전류를 저감했음에도 불구하고 제어 성능은 동등하다.

한편, 본 발명은 전술한 실시 형태로 한정되지 않고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경할 수 있는 것은 물론이다.

Claims

서로 대향하여 배치된 적어도 한 쌍의 전자석과, 상기 전자석의 사이에 배치되고 그 중간 위치에 유지되는 부유체와, 상기 부유체의 평형 위치로부터의 변위 및/또는 속도를 검출하는 센서와, 상기 전자석을 제어하는 제어 장치를 구비하고,

상기 제어 장치는, 부유체의 변위와 속도로부터 제어 방향의 가속도에 정비례하는 변수 Z를 구하고, 상기 변수의 양음에 따라 한쪽 전자석의 제어 전류를 제로로 하고 다른 쪽 전자석의 제어 전류만을 제어하는 것을 특징으로 하는 전자 흡인식 자기 베어링.
제1항에 있어서,

상기 한 쌍의 전자석은, 제1 전자석과 제2 전자석으로 이루어지고,

상기 부유체의 평형 위치에서 제1 전자석을 향하는 변위를 x, 부유체의 속도를 v=dx/dt, γ를 양의 상수로 하고,

상기 변수 Z는 이하의 식 (A)로 주어지는 것을 특징으로 하는 전자 흡인식 자기 베어링.

Z=x+γv … (A)
서로 대향하여 배치된 적어도 한 쌍의 전자석에 의해 이 한 쌍의 전자석 사이의 중간 위치에 배치된 부유체를 유지하는 전자 흡인식 자기 베어링의 제어 방법 으로서,

상기 부유체의 평형 위치로부터의 변위 및/또는 속도를 검출하고,

부유체의 변위와 속도로부터 제어 방향의 가속도에 정비례하는 변수 Z를 구하고, 상기 변수의 양음에 따라 한쪽 전자석의 제어 전류를 제로로 하고 다른 쪽 전자석의 제어 전류만을 제어하는 것을 특징으로 하는 전자 흡인식 자기 베어링의 제어 방법.
제3항에 있어서,

상기 한 쌍의 전자석은, 제1 전자석과 제2 전자석으로 이루어지고,

상기 부유체의 평형 위치에서 제1 전자석을 향하는 변위를 x, 부유체의 속도를 v=dx/dt, γ를 양의 상수로 하고,

상기 변수 Z를 이하의 식 (A)로 구하는 것을 특징으로 하는 전자 흡인식 자기 베어링의 제어 방법.

Z=x+γv … (A)
제4항에 있어서,

a를 1을 넘는 상수, X₀을 평형 위치의 자기 갭이라고 하고, 상기 변수 Z가 양 또는 0일 때 상기 제1 전자석의 제어 전류를 0으로 하고, 제2 전자석의 제어 전류 i₂를 이하의 식 (B)로 구하고,

i₂=a(X₀+x)SQRT(Z/k) … (B)

상기 변수 Z가 음일 때에 상기 제2 전자석의 제어 전류를 0으로 하고, 제1 전자석의 제어 전류 i₁을 이하의 식 (C)로 구하는 것을 특징으로 하는 전자 흡인식 자기 베어링의 제어 방법.

i₁=a(X₀-x)SQRT(-Z/k) … (C)