KR20100048325A - Hybrid thrust bearing - Google Patents

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KR20100048325A KR1020080107424A KR20080107424A KR20100048325A KR 20100048325 A KR20100048325 A KR 20100048325A KR 1020080107424 A KR1020080107424 A KR 1020080107424A KR 20080107424 A KR20080107424 A KR 20080107424A KR 20100048325 A KR20100048325 A KR 20100048325A
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Abstract

PURPOSE: A hybrid thrust bearing which reduces the total amount of power consumption which is consumed when a rotary shaft operates is provided to control the location of a rotary shaft and support the load of the axial force of the rotary shaft with less power. CONSTITUTION: A hybrid thrust bearing comprises a first magnetic thrust bearing part(150), a second magnetic thrust bearing part(140) and a controller. The first magnetic thrust bearing part comprises a permanent magnet. The first magnetic thrust bearing part offers the bias magnetic force to the axial force and opposite direction of a rotary shaft(110). The second magnetic thrust bearing part comprises electromagnet. The second magnetic thrust bearing part offers the control magnetic force to the same direction as the axial force of the rotary shaft.

Description

하이브리드 스러스트 베어링{HYBRID THRUST BEARING}HYBRID THRUST BEARING

본 발명은 회전장치의 회전축을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링에 관한 것으로서, 특히, 영구자석을 이용한 마그네틱베어링부와 전자석을 이용한 마그네틱베어링부를 결합하여 소모전력을 줄이고 회전축 지지력을 용이하게 제어할 수 있는 하이브리드 스러스트 베어링에 관한 것이다.The present invention relates to a thrust bearing supporting an axis of rotation of a rotating device in an axial direction, and in particular, by combining a magnetic bearing part using a permanent magnet and a magnetic bearing part using an electromagnet, which can reduce power consumption and easily control a rotating shaft support force. Relates to a hybrid thrust bearing.

스러스트베어링은 터보장치와 같은 회전장치의 회전체에 가해지는 축방향 하중을 지지하기 위한 것이다. 스러스트베어링은 항공기용 보조동력장치(APU)나 공기조화시스템(ACM) 등과 같은 고속회전기기의 회전체의 축방향 하중을 지지하기 위하여 공기윤활 또는 전자기력을 이용한 범프포일베어링, 리프포일베어링, 다공성포일베어링, 마그네틱베어링, 등이 있으며, 공기윤활 및 전자기력을 모두 사용하는 하이브리드 스러스트 베어링도 연구되고 있다.Thrust bearings are for supporting axial loads applied to a rotating body of a rotating device such as a turbo device. Thrust bearings are bump foil bearings using air lubrication or electromagnetic force, leaf foil bearings, porous foils to support the axial loads of the rotating bodies of high-speed rotating equipment such as auxiliary power units (APUs) and air conditioning systems (ACMs) for aircrafts. Bearings, magnetic bearings, etc., and hybrid thrust bearings using both air lubrication and electromagnetic force have also been studied.

일반적으로 포일 스러스트 베어링은 고 하중 지지력을 유지하기 위해서 포일의 두께를 두껍게 하여 높은 강성 값을 유지하는 것이 유리하지만 기동시 과도한 예압 때문에 그 값이 제한된다. 한편, 마그네틱 스러스트 베어링은 전자기력을 이용하여 축하중을 지지하므로 축하중이 커질수록 인가되는 제어전류량이 증가되어 소모전력이 커지고 에너지 효율이 낮은 문제를 가진다. In general, foil thrust bearings are advantageous to maintain a high stiffness value by increasing the thickness of the foil in order to maintain high load bearing capacity, but its value is limited due to excessive preload during startup. On the other hand, since the magnetic thrust bearing supports the celebration using the electromagnetic force, the larger the celebration, the greater the amount of control current applied, resulting in higher power consumption and lower energy efficiency.

따라서, 포일 베어링과 마그네틱 베어링이 결합한 하이브리드 스러스트 베어링이 개발되었다. 이하, 도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 하이브리드 스러스트 베어링의 예를 설명한다.Thus, a hybrid thrust bearing has been developed in which a foil bearing and a magnetic bearing are combined. Hereinafter, an example of a hybrid thrust bearing according to the prior art will be described with reference to FIG. 1.

도 1은 종래기술에 따른 하이브리드 스러스트 베어링의 일 예를 도시한 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing an example of a hybrid thrust bearing according to the prior art.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술의 하이브리드 스러스트 베어링은 회전축(10) 상에서 원주방향으로 원판 형태로 연장된 스러스트디스크(20)와, 스러스트디스크(20)에 축방향 하중에 대향하는 방향으로 회전축(10)의 회전시에 동압을 공급하는 공기포일베어링부(30)와, 스러스트디스크(20) 스러스트디스크(20)에 축방향 하중에 대향하는 방향으로 전자기력을 제공하는 마그네틱베어링부(40)를 포함한다. 도 1에서 마그네틱베어링부(40)는 스러스트디스크(20) 전방에 배치되어 스러스트디스크(20)를 끌어 당기는 전자기적인 인력을 제공하고, 공기포일베어링부(30)는 스러스트디스크(20) 후방에 배치되어 스러스트디스크(20)를 밀어내는 동압을 형성한다.As shown in FIG. 1, the hybrid thrust bearing of the related art has a thrust disk 20 extending in a circumferential direction in a circumferential direction on the rotation shaft 10, and a rotation shaft in a direction opposite to the axial load on the thrust disk 20. An air foil bearing portion 30 for supplying dynamic pressure at the time of rotation of the 10 and a magnetic bearing portion 40 for providing electromagnetic force to the thrust disk 20 and the thrust disk 20 in a direction opposite to the axial load. Include. In FIG. 1, the magnetic bearing part 40 is disposed in front of the thrust disc 20 to provide electromagnetic attraction to attract the thrust disc 20, and the air foil bearing part 30 is disposed at the rear of the thrust disc 20. To form a dynamic pressure for pushing the thrust disc 20.

이러한 하이브리드 스러스트 베어링은 축방향 하중방향의 반대방향으로 마그네틱 베어링부(40)가 스러스트디스크를 흡인하여 공기포일베어링부(30) 스러스트디스크(20) 사이의 거리를 일정하게 유지하도록 제어하며, 공기포일베어링부(30)와 마그네틱베어링부(40)가 축방향 하중을 분담하여 지지한다. The hybrid thrust bearing controls the magnetic bearing part 40 to suck the thrust disc in the opposite direction of the axial load direction to maintain the distance between the air foil bearing part 30 and the thrust disc 20, and the air foil. The bearing portion 30 and the magnetic bearing portion 40 share and support the axial load.

그러나, 이러한 베어링 구조는 초기구동부터 마그네틱베어링부(40)가 계속하 여 구동이 되며, 회전속도가 상승할수록 축방향 하중도 증가하게 되어 마그네틱 베어링의 전력소모가 큰 문제점이 있다. 또한, 마그네틱베어링부(40)와 스러스트디스크(20) 사이에는 완충수단이 없기 때문에 외란이나 굽힘하중이 있는 회전모드에서 회전의 불안정성이 발생하면 회전축(10)과 마그네틱베어링부(40)가 충돌하여 파손될 위험이 큰 문제점이 있다.However, such a bearing structure is the magnetic bearing portion 40 is continuously driven from the initial drive, the axial load also increases as the rotational speed increases, there is a problem that the power consumption of the magnetic bearing is large. In addition, since there is no buffer means between the magnetic bearing part 40 and the thrust disc 20, when the rotation instability occurs in the rotation mode with disturbance or bending load, the rotating shaft 10 and the magnetic bearing part 40 collide with each other. There is a big problem that the risk of breakage.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 영구자석을 이용한 제1 마그네틱베어링부와 전자석을 이용한 제2 마그네틱베어링부를 구비하여, 제1 마그네틱베어링부에서 바이어스 자기력을 형성하여 회전축의 축방향 하중을 지지하고, 제2 마그네틱베어링부에 제어전류가 인가되어 회전축의 위치를 제어하기 위한 전자석의 자기력이 조절됨으로써 작은 전력량으로 회전축의 축방향 하중을 지지하고 회전축의 위치를 제어할 수 있는 하이브리드 스러스트 베어링을 제공하는데 그 목적이 있다. (이하, 본 명세서에서 '바이어스 자기력'은 제1 마그네틱베어링부의 영구자석에 의해 형성되며 일정 크기로 유지되는 자기력을 의미하고, '제어 자기력' 회전축의 축방향 하중과 바이어스 자기력과의 차이를 상쇄하기 위해 제2 마그네틱베어링부의 전자석에 의해 형성되며 제어전류를 통해 조절되는 자기력을 의미한다.)The present invention is provided with a first magnetic bearing portion using a permanent magnet and a second magnetic bearing portion using an electromagnet to solve the above problems, to form a bias magnetic force in the first magnetic bearing portion to increase the axial load of the rotating shaft And a hybrid thrust bearing capable of supporting the axial load of the rotating shaft with a small amount of power and controlling the position of the rotating shaft by applying a control current to the second magnetic bearing part to adjust the magnetic force of the electromagnet for controlling the position of the rotating shaft. The purpose is to provide. (Hereinafter, 'bias magnetic force' means a magnetic force formed by the permanent magnet of the first magnetic bearing part and maintained at a constant size, and cancels the difference between the axial load and the bias magnetic force of the 'control magnetic force' rotation axis. Means a magnetic force that is formed by an electromagnet of the second magnetic bearing part and is controlled through a control current.)

또한, 본 발명은 제1 마그네틱베어링부와 스러스트디스크 사이 또는 제2 마그네틱베어링부와 스러스트디스크 사이에 공기포일베어링 등의 완충수단을 구비하 여 지지력을 향상시키고 외란 등에 의해 회전장치의 회전축이 제1 및 제2 마그네틱베어링부와 직접 충돌하지 않게 하여 구동의 안정성을 유지할 수 있는 하이브리드 스러스트 베어링을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.In addition, the present invention includes a buffer means such as an air foil bearing between the first magnetic bearing portion and the thrust disc or between the second magnetic bearing portion and the thrust disc to improve the bearing capacity and the rotation axis of the rotary device by the disturbance or the like. Another object is to provide a hybrid thrust bearing capable of maintaining stability of driving by not directly colliding with a second magnetic bearing part.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 하이브리드 스러스트 베어링은 자성체를 포함하는 회전축을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링에 관한 것이며, 영구자석을 구비하여, 상기 회전축의 축방향 하중과 반대방향으로 바이어스 자기력을 제공하는 제1 마그네틱스러스트베어링부와; 전자석을 구비하여, 상기 회전축의 축방향 하중과 동일한 방향으로 제어 자기력을 제공하는 제2 마그네틱스러스트베어링부와; 상기 제2 마그네틱스러스트베어링부에 제어전류를 공급하여 상기 제2 마그네틱스러스트베어링부의 제어자기력의 크기를 조절하는 제어부를 포함한다.In order to achieve the above object, a hybrid thrust bearing according to the present invention relates to a thrust bearing for supporting an axis of rotation including a magnetic material in an axial direction, and having a permanent magnet, biased in a direction opposite to an axial load of the axis of rotation. A first magnetic thrust bearing unit providing a magnetic force; A second magnetic thrust bearing unit having an electromagnet for providing a control magnetic force in the same direction as the axial load of the rotation shaft; And a control unit supplying a control current to the second magnetic thrust bearing part to adjust the magnitude of the control magnetic force of the second magnetic thrust bearing part.

상기 회전축은 원주방향으로 원판 형태로 연장되며 자성체로 이루어진 스러스트디스크를 구비하고, 상기 제1 마그네틱스러스트베어링부는 상기 스러스트디스크 전방에 배치되어 상기 스러스트디스크를 상기 회전축 하중과 반대방향으로 당기는 바이어스 자기력을 제공하고, 상기 제2 마그네틱스러스트베어링부는 상기 스러스트디스크 후방에 배치되어 상기 스러스트디스크의 위치를 조절하기 위한 제어 자기력을 제공한다.The rotating shaft extends in the shape of a disk in the circumferential direction and has a thrust disk made of a magnetic material. The second magnetic thrust bearing part is disposed behind the thrust disc to provide a control magnetic force for adjusting the position of the thrust disc.

상기 제2 마그네틱스러스트베어링부는 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 배치된 복수개의 전자석 코일을 구비할 수 있다.The second magnetic thrust bearing part may include a plurality of electromagnet coils disposed radially about the rotation axis.

또한, 상기 스러스트디스크 둘레에 상기 복수개의 전자석 코일에 대응하는 위치에 배치되어 상기 스러스트디스크의 축방향 위치를 감지하는 복수개의 위치센서를 더 포함하며, 상기 제어부는 상기 복수개의 위치센서에서 감지한 스러스트디스크의 위치에 따라 상기 복수개의 전자석 코일에 인가되는 전류의 크기를 각각 조절하는 것이 바람직하다.The apparatus may further include a plurality of position sensors disposed at positions corresponding to the plurality of electromagnet coils around the thrust disc to detect an axial position of the thrust disc, wherein the control unit detects the thrust detected by the plurality of position sensors. It is preferable to adjust the magnitude of the current applied to the plurality of electromagnet coils according to the position of the disk.

상기 제2 마그네틱스러스트베어링의 복수개의 전자석 코일은 회전축을 중심으로 방사상으로 90도 간격으로 4개가 구비되며, 상기 위치센서는 상기 스러스트디스크 둘레에 상기 전자석 코일에 대응하는 위치에 4개가 배치되는 것이 바람직하다.The plurality of electromagnet coils of the second magnetic thrust bearing are provided at four radially spaced intervals around the rotational axis, and four position sensors are disposed at positions corresponding to the electromagnet coils around the thrust disc. Do.

상기 제1 마그네틱스러스트베어링부 후측면에는 제1 공기포일베어링부가 부착되고, 상기 제2 마그네틱스러스트베어링부 전측면에는 제2 공기포일베어링부가 부착되는 것이 바람직하다.It is preferable that the first air foil bearing part is attached to the rear side of the first magnetic thrust bearing part, and the second air foil bearing part is attached to the front side of the second magnetic thrust bearing part.

상기 제1 공기포일베어링부는 상기 제1 마그네틱스러스트베어링부에 부착된 점탄성포일과, 상기 점탄성포일에 부착되어 상기 스러스트디스크를 향하는 최외곽면에서 상기 회전축의 회전시 공기막을 형성하는 탑포일을 포함할 수 있다.The first air foil bearing part may include a viscoelastic foil attached to the first magnetic thrust bearing part, and a top foil attached to the viscoelastic foil to form an air film when the rotation shaft is rotated at the outermost surface facing the thrust disc. Can be.

상기 제2 공기포일베어링부는 상기 제2 마그네틱스러스트베어링부에 부착된 점탄성포일과, 상기 점탄성포일에 부착되어 상기 스러스트디스크를 향하는 최외곽면에서 상기 회전축의 회전시 공기막을 형성하는 탑포일을 포함할 수 있다.The second air foil bearing part may include a viscoelastic foil attached to the second magnetic thrust bearing part, and a top foil attached to the viscoelastic foil to form an air film when the rotation shaft is rotated on the outermost surface facing the thrust disc. Can be.

상기 제1 공기포일베어링부는 상기 제1 마그네틱스러스트베어링부에 부착된 범프포일과, 상기 범프포일에 부착되어 상기 스러스트디스크를 향하는 최외곽면에 서 상기 회전축의 회전시 공기막을 형성하는 탑포일을 포함할 수 있다.The first air foil bearing part includes a bump foil attached to the first magnetic thrust bearing part and a top foil attached to the bump foil to form an air film when the rotation shaft is rotated on the outermost surface facing the thrust disc. can do.

상기 제2 공기포일베어링부는 상기 제2 마그네틱스러스트베어링부에 부착된 범프포일과, 상기 범프포일에 부착되어 상기 스러스트디스크를 향하는 최외곽면에서 상기 회전축의 회전시 공기막을 형성하는 탑포일을 포함할 수 있다.The second air foil bearing part may include a bump foil attached to the second magnetic thrust bearing part, and a top foil attached to the bump foil to form an air film when the rotation shaft is rotated on the outermost surface facing the thrust disc. Can be.

상기 제1 마그네틱스러스트베어링부는 바이어스 자기력을 켜거나 끌 수 있는 마그네틱 척으로 이루어지며, 상기 제1 마그네틱스러스트베어링부의 바이어스 자기력은 상기 회전축이 회전하는 경우에는 켜지고, 회전축이 정지한 경우에는 꺼지는 것이 바람직하다.The first magnetic thrust bearing part is made of a magnetic chuck capable of turning on or off a bias magnetic force, and the bias magnetic force of the first magnetic thrust bearing part is turned on when the rotating shaft rotates, and is turned off when the rotating shaft is stopped. .

본 발명에 따르면, 영구자석을 이용한 제1 마그네틱베어링부와 전자석을 이용한 제2 마그네틱베어링부를 구비하여, 제1 마그네틱베어링부에서 바이어스 자기력을 형성하여 회전축의 축방향 하중을 지지하고, 제2 마그네틱베어링부에 제어전류가 인가되어 회전축의 위치를 제어하기 위한 전자석의 자기력이 조절되므로, 제어 자기력 형성을 위한 제어 전류의 크기를 초기 구동 또는 외란 또는 공진 등의 상황에서 줄일 수 있고, 정상상태의 회전에서도 제어 전류의 크기가 최소화 되기 때문에 회전축이 작동하는 동안 소모되는 전체 전력량이 감소되는 효과가 있다.According to the present invention, a first magnetic bearing part using a permanent magnet and a second magnetic bearing part using an electromagnet are provided to form a bias magnetic force in the first magnetic bearing part to support an axial load of the rotating shaft, and a second magnetic bearing. As the control current is applied to the part, the magnetic force of the electromagnet for controlling the position of the rotating shaft is adjusted, so that the magnitude of the control current for forming the control magnetic force can be reduced in a situation such as initial driving or disturbance or resonance, and even in a steady state rotation. Since the magnitude of the control current is minimized, the total amount of power consumed while the rotating shaft is operating is reduced.

또한, 본 발명에 따르면, 바이어스 자기력과 제어자기력을 제공하는 마그네틱베어링부들 및 공기포일베어링부를 복합적으로 이용하여 회전축의 축방향 하중을 효율적으로 지지할 수 있어서 회전 안정성이 증대되며, 공기포일베어링이 마그네틱베어링부들 및 스러스트디스크 사이에 구비될 수 있어서, 충격을 완화할 수 있는 또 다른 효과가 있다.In addition, according to the present invention, by using a combination of magnetic bearings and air foil bearings that provide a bias magnetic force and a control magnetic force, it is possible to efficiently support the axial load of the rotating shaft to increase the rotational stability, the air foil bearing is magnetic It can be provided between the bearing portion and the thrust disk, there is another effect that can mitigate the impact.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 스러스트 베어링을 상세히 설명한다.Hereinafter, a hybrid thrust bearing according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4.

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 스러스트 베어링의 일 실시예를 도시한 단면도이다. 2 is a cross-sectional view showing an embodiment of a hybrid thrust bearing according to the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 스러스트 베어링은 회전장치의 회전축(110)에서 원주방향으로 연장되어 원판 형태의 자성체로 이루어진 스러스트디스크(120) 전방에 배치되어 스러스트디스크(120)를 회전축(110)의 축방향 하중의 반대방향으로 당기는 일정크기의 바이어스 자기력을 제공하기 위하여 영구자석으로 이루어진 제1 마그네틱스러스트베어링부(150)와, 점탄성 물질을 포함하고 제1 마그네틱스러스트베어링부(150) 후방에 스러스트디스크(120)를 향하는 면에 배치된 점탄성포일(160)과, 스러스트디스크(120) 후방에 배치되어 제1 마그네틱스러스트베어링부(150)의 바이어스 자기력에 반대되는 방향으로 조절가능한 제어자기력을 인가하는 복수개의 코일(141, 142)을 구비한 전자석으로 이루어진 제2 마그네틱스러스트베어링부(140)와, 제2 마그네틱스러스트베어링부(140) 전방에 스러스트디스크(120)를 향하는 면에 배치된 범프포일(130)을 포함한다. 점탄성포일(160)과 범프포일(130)은 스러스트디스크(120)와 제1 또는 제2 마그네틱스러스트베어링부가 출동하는 것을 완충하는 완충수단이다. As shown in FIG. 2, the hybrid thrust bearing according to the present invention extends in the circumferential direction from the rotating shaft 110 of the rotating apparatus and is disposed in front of the thrust disk 120 made of a magnetic material having a disc shape, thereby providing the thrust disk 120. A first magnetic thrust bearing portion 150 made of a permanent magnet and a first magnetic thrust bearing portion 150 including a viscoelastic material to provide a predetermined magnitude of a bias magnetic force that is pulled in a direction opposite to the axial load of the rotating shaft 110. ) Control in the direction opposite to the bias magnetic force of the viscoelastic foil 160 disposed on the rear surface of the thrust disk 120 and the thrust disk 120 and disposed behind the thrust disk 120. A second magnetic thrust bearing part 140 made of an electromagnet having a plurality of coils 141 and 142 for applying a magnetic force, 2 comprises a bump foil (130) disposed on the side facing the thrust disc 120 at the front magnetic thrust bearing 140. The viscoelastic foil 160 and the bump foil 130 are cushioning means for buffering the thrust disc 120 and the first or second magnetic thrust bearing portion.

범프포일(130)의 전면과 점탄성포일(160)의 후면, 즉, 스러스트디스크(120) 를 향하는 면에는 스러스트디스크(120)의 회전시 공기막이 형성되도록 탑포일(131, 161)이 구비된다. 탑포일(131, 161)은 공기막 형성을 위한 것이다.Top foils 131 and 161 are provided on the front surface of the bump foil 130 and the rear surface of the viscoelastic foil 160, that is, the surface facing the thrust disk 120 so that an air film is formed when the thrust disk 120 is rotated. The top foils 131 and 161 are for forming an air film.

범프포일(130)과 탑포일(131)의 조합 및 점탄성포일(160)과 탑포일(161)의 조합은 공기포일스러스트베어링부의 예들이며, 본 실시예에서는 예시적으로 서로 다른 형태의 공기포일스러스트베어링부를 제1 마그네틱베어링부(150) 및 제2 마그네틱베어링부(140)에 부착한 것으로, 이러한 공기포일스러스트베어링부의 형태가 이들에 한정되는 것은 아니다.The combination of the bump foil 130 and the top foil 131 and the combination of the viscoelastic foil 160 and the top foil 161 are examples of air foil thrust bearing parts, and in this embodiment, for example, different types of air foil thrust. The bearing part is attached to the first magnetic bearing part 150 and the second magnetic bearing part 140, but the shape of the air foil thrust bearing part is not limited thereto.

제1 마그네틱스러스트베어링(150)은 영구자석을 포함하여 바이어스 자기력을 제공하지만, 회전축(110)이 회전하지 않아 축방향 하중이 없는 경우 제1 마그네틱스러스트베어링부(150)와 스러스트디스크(120)가 서로 접촉하지 않도록 자기력을 끌 수 있는 마그네틱 척(magnetic chuck)이다.The first magnetic thrust bearing 150 provides a bias magnetic force including a permanent magnet, but when there is no axial load because the rotating shaft 110 does not rotate, the first magnetic thrust bearing part 150 and the thrust disc 120 are It is a magnetic chuck that can attract magnetic forces so as not to touch each other.

도 3은 도 2의 하이브리드 스러스트 베어링이 제어되는 과정을 도시한 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 하이브리드 스러스트 베어링은 스러스트디스크(120)의 위치를 감지하는 복수개의 위치센서(171, 172)와, 복수개의 위치센서(171, 172)에서 감지된 스러스트디스크(120)의 위치에 따라 제2 마그네틱스러스트베어링부(140)의 제어자기력을 조절하기 위하여 제2 마그네틱스러스트베어링부(140)에 인가되는 전류를 결정하는 제어부(170)와, 제어부에서 결정된 전류에 따라 각 코일(141)에 인가될 전류를 증폭하는 증폭기(180)를 포함한다.3 is a block diagram illustrating a process in which the hybrid thrust bearing of FIG. 2 is controlled. As shown in FIG. 3, the hybrid thrust bearing of the present embodiment includes a plurality of position sensors 171 and 172 for detecting a position of the thrust disc 120, and a thrust disc detected by the plurality of position sensors 171 and 172. The controller 170 determines a current applied to the second magnetic thrust bearing unit 140 to adjust the control magnetic force of the second magnetic thrust bearing unit 140 according to the position of 120 and the current determined by the controller. Accordingly, the amplifier 180 amplifies the current to be applied to each coil 141.

도 4는 도 2의 하이브리드 스러스트 베어링의 스러스트 디스크 전방에 전자석을 포함하는 제2 마그네틱베어링부를 도시한 정면도이다. 도 4에서는 회전 축(110)을 측면에서 도시하였으므로 제2 마그네틱스러스트베어링부(140)의 코일배치를 정확히 도시할 수는 없다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 마그네틱스러스트베어링부(140)에는 서로 직교한 4방향의 제1 내지 제4 코일(141, 142, 143, 144)이 구비되고, 각 코일에 대응하는 위치에서 스러스트디스크(120)의 위치를 감지하는 제1 내지 제4 위치센서(171, 172, 173, 174)가 구비된다. 이에 따라, 제어부는 직교한 4 위치에서 서로 다른 전자기력이 발생하게 할 수 있다. 스러스트디스크(120)위 위치를 4방향에서 축방향으로 동일한 위치에 있게 제어하는 경우, 스러스트디스크(120)가 축방향에 직교하게 일정위치에서 유지될 수 있다.FIG. 4 is a front view illustrating a second magnetic bearing part including an electromagnet in front of a thrust disc of the hybrid thrust bearing of FIG. 2. In FIG. 4, since the rotation shaft 110 is illustrated from the side, the coil arrangement of the second magnetic thrust bearing unit 140 may not be accurately illustrated. As shown in FIG. 4, the second magnetic thrust bearing portion 140 includes first to fourth coils 141, 142, 143, and 144 in four directions perpendicular to each other, and is provided at positions corresponding to the respective coils. First to fourth position sensors 171, 172, 173, and 174 for detecting a position of the thrust disc 120 are provided. Accordingly, the controller may cause different electromagnetic forces to be generated at four orthogonal positions. When the position on the thrust disc 120 is controlled to be in the same position in the axial direction from four directions, the thrust disc 120 may be maintained at a predetermined position perpendicular to the axial direction.

도 5는 도 2의 하이브리드 스러스트 베어링이 작동할 때 힘이 회전축에 작용하는 것을 도시한 측면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 회전축(110)이 회전하면, 축방향의 하중(axial load: AL)이 발생하게 된다. 회전축(110)이 축방향으로 이동하지 않고 지지되도록 마그네틱 척으로 이루어진 제1 마그네틱베어링부(150)가 켜져 일정 크기의 바이어스 자기력(Fbias)을 제공한다. 스러스트디스크(120)는 자성체로 이루어지기 때문에, 제1 마그네틱베어링부(150)와 스러스트디스크(120) 사이에는 인력이 작용하여 회전축(110)이 전방으로 당겨진다. 한편, 회전축(110)의 회전에 따라 회전축 주위에 동압이 발생하고 공기포일스러스트베어링부들(130, 160)이 동압지지력(Fpressure)을 제공한다. FIG. 5 is a side view illustrating the force acting on the axis of rotation when the hybrid thrust bearing of FIG. 2 operates. FIG. As shown in FIG. 5, when the rotation shaft 110 rotates, an axial load AL occurs. The first magnetic bearing part 150 made of a magnetic chuck is turned on so that the rotation shaft 110 is supported without moving in the axial direction, thereby providing a bias magnetic force (F bias ) of a predetermined magnitude. Since the thrust disc 120 is made of a magnetic material, the attraction shaft is applied between the first magnetic bearing part 150 and the thrust disc 120 so that the rotating shaft 110 is pulled forward. Meanwhile, dynamic pressure is generated around the rotary shaft according to the rotation of the rotary shaft 110, and the air foil thrust bearing parts 130 and 160 provide dynamic pressure bearing force (F pressure ).

회전축(110)의 회전속도 및 외력이나 진동에 따라 축하중(AL) 및 동압지지력(Fpressure)이 달라질 수 있다. 따라서, 이러한 구동조건에 따라 축방향 하중(AL) 과 하이브리드 베어링의 지지력들의 합력이 동일해 지도록 제2 마그네틱베어링부(140)의 제어자기력(Fcontrol)이 조절된다. 제2 마그네틱베어링부(140)와 스러스트디스크(120) 사이에도 인력이 발생하므로 제어자기력(Fcontrol)은 바이어스 자기력(Fbias)과는 반대방향의 힘이다.Depending on the rotational speed and the external force or vibration of the rotating shaft 110, the AL during celebration and the dynamic pressure bearing force (F pressure ) may vary. Therefore, the control magnetic force F control of the second magnetic bearing part 140 is adjusted so that the combined force of the axial load AL and the bearing forces of the hybrid bearing are the same according to the driving condition. Since an attraction force occurs between the second magnetic bearing part 140 and the thrust disc 120, the control magnetic force (F control ) is a force in a direction opposite to the bias magnetic force (F bias ).

즉, AL = ∑Fbias + ∑Fpressure - ∑Fcontrol가 되도록 제어자기력이 조절된다.That is, the control magnetic force is adjusted so that AL = ΣF bias + ∑F pressure- ∑F control .

본 실시예의 하이브리드 스러스트 베어링의 제어과정을 살펴보면 다음과 같다. 회전축의 초기구동시, 제1 마그네틱스러스트베어링부(150)가 켜진다. 바이어스 자기력(Fbias)은 일정하고 회전초기의 축방향 하중(AL)은 약하므로, 제1 마그네틱스러스트베어링부(150)에 의해 작용하는 바이어스 자기력이 스러스트디스크(120)를 당겨 스러스트디스크(120)의 위치가 전방으로 이동하기 때문에, 그 반대방향의 제어자기력이 비교적 크게 작용하여 스러스트디스크(120)의 위치를 유지한다. 이후, 회전축(110)의 회전속도가 증가함에 따른 축방향 하중이 커지므로 제어 자기력은 점점 줄어든다. 정상상태의 고속회전시에는 축방향 하중(AL)이 커지기 때문에 제어자기력(Fcontrol)이 거의 불필요하므로 소모전력이 거의 0에 가깝다. 또한, 동압지지력(Fpressure)이 커지기 때문에 회전축(110)을 효율적으로 지지할 수 있다. 결과적으로, 정상상태에서 제2 마그네틱베어링부(140)는 외란이나, 섭동 등이 발생한 경우에만 사용되면 된다.Looking at the control process of the hybrid thrust bearing of the present embodiment is as follows. At the initial driving of the rotating shaft, the first magnetic thrust bearing part 150 is turned on. Since the bias magnetic force F bias is constant and the axial load AL of the initial rotation is weak, the bias magnetic force acting by the first magnetic thrust bearing part 150 pulls the thrust disc 120 and thrust disc 120. Since the position of is moved forward, the control magnetic force in the opposite direction acts relatively large to maintain the position of the thrust disk 120. Then, since the axial load increases as the rotational speed of the rotating shaft 110 increases, the control magnetic force decreases gradually. At high speed of steady state, axial load (AL) increases, so control magnetic force (F control ) is almost unnecessary, so power consumption is near zero. In addition, since the dynamic pressure bearing force (F pressure ) increases, it is possible to efficiently support the rotating shaft (110). As a result, in the steady state, the second magnetic bearing unit 140 may be used only when disturbance or perturbation occurs.

따라서, 본 실시예의 하이브리드 스러스트 베어링을 사용하는 경우, 회전축 의 초기 구동시에 제어자기력 발생을 위해 제2 마그네틱베어링부(140)의 소모전력이 발생하고, 주된 사용영역인 정상상태 회전시에 소모전력이 현저하게 줄어들기 때문에, 전체적으로 소모전력이 줄어들면서도, 회전축(110)이 안정적으로 지지될 수 있다. Therefore, in the case of using the hybrid thrust bearing of the present embodiment, the power consumption of the second magnetic bearing part 140 is generated to generate the control magnetic force during the initial driving of the rotating shaft, and the power consumption during the steady state rotation, which is the main use area. Since it is significantly reduced, while reducing the overall power consumption, the rotating shaft 110 can be stably supported.

전술한 실시예에서 제1 마그네틱베어링부(150)와 제2 마그네틱베어링부(140)에 의해 스러스트디스크(120)에 인력이 작용하지만, 이는 예시적인 것이고, 회전축(110)의 전체 또는 일부가 자성체로 이루어져 회전축을 지지하기 위해 바이어스 자기력을 제공하는 제1 마그네틱베어링부와 제어자기력을 제공하는 제2 마그네틱베어링부를 포함하는 하이브리드 스러스트 베어링의 다른 형태도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.In the above-described embodiment, the attraction force acts on the thrust disc 120 by the first magnetic bearing portion 150 and the second magnetic bearing portion 140, but this is merely an example, and all or part of the rotating shaft 110 is a magnetic material. Another aspect of the hybrid thrust bearing including a first magnetic bearing part for providing a bias magnetic force and a second magnetic bearing part for providing a control magnetic force is also included in the technical scope of the present invention.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiment and the accompanying drawings, and it is common in the field of the present invention that various substitutions, modifications, and changes can be made without departing from the technical spirit of the present invention. It will be evident to those who have knowledge of.

도 1은 종래기술에 따른 하이브리드 스러스트 베어링의 일 예를 도시한 단면도,1 is a cross-sectional view showing an example of a hybrid thrust bearing according to the prior art,

도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 스러스트 베어링의 일 실시예를 도시한 단면도,2 is a cross-sectional view showing one embodiment of a hybrid thrust bearing according to the present invention;

도 3은 도 2의 하이브리드 스러스트 베어링이 제어되는 과정을 도시한 블록도,3 is a block diagram illustrating a process in which the hybrid thrust bearing of FIG. 2 is controlled;

도 4는 도 2의 하이브리드 스러스트 베어링의 스러스트 디스크 전방에 전자석을 포함하는 제2 마그네틱베어링부를 도시한 정면도, 그리고4 is a front view showing a second magnetic bearing part including an electromagnet in front of a thrust disk of the hybrid thrust bearing of FIG. 2, and

도 5는 도 2의 하이브리드 스러스트 베어링이 작동할 때 힘이 회전축에 작용하는 것을 도시한 측면도이다.FIG. 5 is a side view illustrating the force acting on the axis of rotation when the hybrid thrust bearing of FIG. 2 operates. FIG.

<도면의 주요부분에 대한 설명><Description of main parts of drawing>

110: 회전축 120: 스러스트베어링110: rotating shaft 120: thrust bearing

130: 범프포일 131, 161: 탑포일130: bump foil 131, 161: top foil

140: 제2 마그네틱스러스트베어링부140: second magnetic thrust bearing

141, 142, 143, 144: 코일141, 142, 143, 144: coil

150: 제1 마그네틱스러스트베어링부150: first magnetic thrust bearing

160: 점탄성포일 170: 제어부160: viscoelastic foil 170: control unit

171, 172, 173, 174: 위치센서 180: 증폭기171, 172, 173, 174 Position sensor 180 Amplifier

Claims (11)

자성체를 포함하는 회전축을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링에 있어서, In the thrust bearing which supports the rotating shaft containing a magnetic body in the axial direction, 영구자석을 구비하여, 상기 회전축의 축방향 하중과 반대방향으로 바이어스 자기력을 제공하는 제1 마그네틱스러스트베어링부와; A first magnetic thrust bearing having a permanent magnet and providing a bias magnetic force in a direction opposite to the axial load of the rotation shaft; 전자석을 구비하여, 상기 회전축의 축방향 하중과 동일한 방향으로 제어 자기력을 제공하는 제2 마그네틱스러스트베어링부와;A second magnetic thrust bearing unit having an electromagnet for providing a control magnetic force in the same direction as the axial load of the rotation shaft; 상기 제2 마그네틱스러스트베어링부에 제어전류를 공급하여 상기 제2 마그네틱스러스트베어링부의 제어자기력의 크기를 조절하는 제어부Control unit for supplying a control current to the second magnetic thrust bearing portion to adjust the magnitude of the control magnetic force of the second magnetic thrust bearing portion 를 포함하는 하이브리드 스러스트 베어링.Hybrid thrust bearing comprising a. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 회전축은 원주방향으로 원판 형태로 연장되며 자성체로 이루어진 스러스트디스크를 구비하고, The rotating shaft has a thrust disk extending in the shape of a disk in the circumferential direction, made of a magnetic material, 상기 제1 마그네틱스러스트베어링부는 상기 스러스트디스크 전방에 배치되어 상기 스러스트디스크를 상기 회전축 하중과 반대방향으로 당기는 바이어스 자기력을 제공하고, The first magnetic thrust bearing part is disposed in front of the thrust disc to provide a bias magnetic force for pulling the thrust disc in a direction opposite to the rotational shaft load, 상기 제2 마그네틱스러스트베어링부는 상기 스러스트디스크 후방에 배치되어 상기 스러스트디스크의 위치를 조절하기 위한 제어 자기력을 제공하는The second magnetic thrust bearing part is disposed behind the thrust disc to provide a control magnetic force for adjusting the position of the thrust disc. 하이브리드 스러스트 베어링.Hybrid thrust bearing. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 제2 마그네틱스러스트베어링부는 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 배치된 복수개의 전자석 코일을 구비하는The second magnetic thrust bearing part includes a plurality of electromagnet coils disposed radially about the rotation axis. 하이브리드 스러스트 베어링.Hybrid thrust bearing. 제3항에 있어서,, The method of claim 3, 상기 스러스트디스크 둘레에 상기 복수개의 전자석 코일에 대응하는 위치에 배치되어 상기 스러스트디스크의 축방향 위치를 감지하는 복수개의 위치센서를 더 포함하며,It further comprises a plurality of position sensors disposed in a position corresponding to the plurality of electromagnet coils around the thrust disk for detecting the axial position of the thrust disk, 상기 제어부는 상기 복수개의 위치센서에서 감지한 상기 스러스트디스크의 위치에 따라 상기 복수개의 전자석 코일에 인가되는 전류의 크기를 각각 조절하는The control unit adjusts the amount of current applied to the plurality of electromagnet coils according to the position of the thrust disk detected by the plurality of position sensors. 하이브리드 스러스트 베어링.Hybrid thrust bearing. 제4항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 제2 마그네틱스러스트베어링의 복수개의 전자석 코일은 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 90도 간격으로 4개가 구비되며,The plurality of electromagnet coils of the second magnetic thrust bearing are provided at four radially spaced intervals of 90 degrees around the rotation axis. 상기 위치센서는 상기 스러스트디스크 둘레에 상기 전자석 코일에 대응하는 위치에 4개가 배치되는 Four position sensors are disposed around the thrust disc at positions corresponding to the electromagnet coils. 하이브리드 스러스트 베어링.Hybrid thrust bearing. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 마그네틱스러스트베어링부 후측면에는 제1 공기포일베어링부가 부착되고, A first air foil bearing part is attached to the rear side of the first magnetic thrust bearing part, 상기 제2 마그네틱스러스트베어링부 전측면에는 제2 공기포일베어링부가 부착되는A second air foil bearing part is attached to the front surface of the second magnetic thrust bearing part. 하이브리드 스러스트 베어링.Hybrid thrust bearing. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제1 공기포일베어링부는 The first air foil bearing part 상기 제1 마그네틱스러스트베어링부에 부착된 점탄성포일과,A viscoelastic foil attached to the first magnetic thrust bearing part, 상기 점탄성포일에 부착되어 상기 스러스트디스크를 향하는 최외곽면에서 상기 회전축의 회전시 공기막을 형성하는 탑포일Top foil attached to the viscoelastic foil to form an air film during rotation of the rotating shaft in the outermost surface facing the thrust disk 을 포함하는 하이브리드 스러스트 베어링.Hybrid thrust bearing comprising a. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제2 공기포일베어링부는 The second air foil bearing part 상기 제2 마그네틱스러스트베어링부에 부착된 점탄성포일과,A viscoelastic foil attached to the second magnetic thrust bearing part, 상기 점탄성포일에 부착되어 상기 스러스트디스크를 향하는 최외곽면에서 상 기 회전축의 회전시 공기막을 형성하는 탑포일Top foil attached to the viscoelastic foil to form an air film during the rotation of the rotary shaft in the outermost surface facing the thrust disk 을 포함하는 하이브리드 스러스트 베어링.Hybrid thrust bearing comprising a. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제1 공기포일베어링부는 The first air foil bearing part 상기 제1 마그네틱스러스트베어링부에 부착된 범프포일과,A bump foil attached to the first magnetic thrust bearing part; 상기 범프포일에 부착되어 상기 스러스트디스크를 향하는 최외곽면에서 상기 회전축의 회전시 공기막을 형성하는 탑포일Top foil attached to the bump foil to form an air film during the rotation of the rotary shaft on the outermost surface facing the thrust disk 을 포함하는 하이브리드 스러스트 베어링.Hybrid thrust bearing comprising a. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 제2 공기포일베어링부는 The second air foil bearing part 상기 제2 마그네틱스러스트베어링부에 부착된 범프포일과,A bump foil attached to the second magnetic thrust bearing part; 상기 범프포일에 부착되어 상기 스러스트디스크를 향하는 최외곽면에서 상기 회전축의 회전시 공기막을 형성하는 탑포일Top foil attached to the bump foil to form an air film during the rotation of the rotary shaft on the outermost surface facing the thrust disk 을 포함하는 하이브리드 스러스트 베어링.Hybrid thrust bearing comprising a. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,The method according to any one of claims 1 to 10, 상기 제1 마그네틱스러스트베어링부는 바이어스 자기력을 켜거나 끌 수 있는 마그네틱 척으로 이루어지며, 상기 제1 마그네틱스러스트베어링부의 바이어스 자기 력은 상기 회전축이 회전하는 경우에는 켜지고, 상기 회전축이 정지한 경우에는 꺼지는The first magnetic thrust bearing part is formed of a magnetic chuck capable of turning on or off a bias magnetic force, and the bias magnetic force of the first magnetic thrust bearing part is turned on when the rotating shaft rotates, and is turned off when the rotating shaft is stopped. 하이브리드 스러스트 베어링Hybrid thrust bearing
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