KR20100135092A - 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링 - Google Patents

Abstract

이 발명은, 서로 다른 방식의 베어링인 공기 정압 베어링과 자기 베어링을 결합시켜서 두 베어링의 장점을 활용하고 단점을 보완할 수 있으며, 비자성체로 이루어진 공기 정압 베어링 노즐을 코일의 앞쪽에 배치하여 공기 정압 베어링 강성을 최대화할 수 있는, 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링에 관한 것으로서,

주축의 일부에 형성되어 있는 디스크의 전후면에 설치되며 내부의 코일을 이용하여 자력을 발생시키는 자기 베어링과, 비자성체로 이루어져 있으며 공압공급부를 통해 인가되는 공압을 분사하기 위한 공기 정압 베어링 노즐이 형성되어 있으며 상기한 코일의 앞쪽에 배치되어 커버 역할을 하는 공기정압 베어링 오리피스와, 상기한 자기 베어링에 일체형으로 설치되어 있으며 주축의 변위를 측정하기 위한 변위센서를 포함하여 이루어진다.

주축, 디스크, 자기 베어링, 공기정압 베어링, 변위센서

Description

공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링{hybrid thrust bearing}

이 발명은 스러스트 베어링에 관한 것으로서, 좀더 세부적으로 말하자면 서로 다른 방식의 베어링인 공기 정압 베어링과 자기 베어링을 결합시켜서 두 베어링의 장점을 활용하고 단점을 보완할 수 있으며, 비자성체로 이루어진 공기 정압 베어링 노즐을 코일의 앞쪽에 배치하여 공기 정압 베어링 강성을 최대화할 수 있는, 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링에 관한 것이다.

스러스트 베어링이란 회전축의 축방향 하중을 지지하기 위한 베어링을 말한다.

공작기계의 회전축에 사용되는 스러스트 베어링으로서는, 볼, 로울러 등과 같은 전동체를 사용하는 구름 베어링을 비롯하여, 고압의 압축공기를 이용하여 회전축을 부상시키는 공기정압 베어링과, 공기정압 베어링과 유사한 구조를 가지면서 고압의 유체를 이용하여 회전축을 부상시키는 유정압 제어링과, 전자석을 이용한 자기 베어링 등이 있다.

도 1은 일반적인 구름 베어링의 설치 구조도이다.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이 일반적인 구름 베어링은, 주축(10)의 일부 에 형성되어 있는 디스크(10a)의 전후면이 볼 또는 로울러와 같은 강체의 전동체(11)에 의해서 축방향으로 지지되는 구조로 이루어진다.

상기한 구조에 의한 일반적인 구름 베어링은, 강성이 높고, 구조가 간단하며, 가격이 저렴한 장점이 있다.

그러나 상기한 구름 베어링은, 고속운전중 마찰 손실이 크고, 발열에 의해 정밀도가 저하되며, 전동체(11)에 의한 미소 진동이 발생하고, 회전 궤적이 일정하지 않아 비동기 회전오차(asynchronous error motion)가 커서 초정밀 응용분야에는 적합하지 않은 문제점이 있다.

도 2는 일반적인 공기 정압 베어링의 설치 구조도이다.

도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 일반적인 공기정압 베어링은, 주축(20)의 일부에 형성되어 있는 디스크(20a)의 전후면에 노즐(21)을 통하여 고압(5~10bar)의 압축공기를 공급함으로써 주축(20)을 축방향으로 부상시켜서 주축(20)을 비접촉 지지하는 구조로 이루어진다.

참고로, 상기한 바와 같은 공기 정압 베어링의 일예로서, 공기를 베어링 매체로 사용함으로써 비접촉에 의해 고속에서도 반영구적 수명을 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 발열이 적고, 정숙한 운전이 가능하여 가공물의 표면조도를 향상시키고, 정밀한 가공을 가능하게 하기 위한 기술이 대한민국 등록특허공보 등록번호 10-0878119호(공고일자 2009년 1월 14일)의 "밀링가공용 고속 주축의 공기 정압 베어링 장치"에서 개시된 바 있다.

상기한 구조에 의한 일반적인 공기정압 베어링은, 회전중 마찰 저항이 매우 작고 발열도 적기 때문에 고속회전이 가능하며, 또한 평균화 효과에 의해 회전/이송 정도가 매우 높고, 동적 안정성도 우수한 장점이 있다.

그러나, 상기한 공기정압 베어링은, 압축 공기로 지지되기 때문에 정강성과 부하용량이 작으며, 고속회전시 불안정한 거동을 보이는 단점이 있다.

유정압 베어링은 도 2에 도시되어 있는 일반적인 공기 정압 베어링과 유사한 구조를 갖는다.

상기한 구조의 유정압 베어링은, 압축 공기 대신에 오일과 같은 비압축성 유체를 베어링 틈새에 공급하여 회전축을 부상시키는 베어링으로서 공급압력이 공압에 비해 상대적으로 매우 크기 때문에 강성이 비교적 크고 정밀도가 아주 높은 장점이 있다.

그러나, 상기한 유정압 베어링은, 유체의 점성이 커서 고속회전시 유체전단에 의한 열이 발생하여 회전속도에 제한을 받는 문제점이 있다.

도 3은 일반적인 자기 베어링의 설치 구조도이다.

도 3에 도시되어 있는 바와 같이 일반적인 자기 베어링은, 주축(30)의 일부에 형성되어 있는 디스크(30a)의 전후면에 영구자석 또는 전자석(31)을 이용하여 자력을 인가함으로써 자기적인 힘에 의해 주축(30)을 비접촉 지지하는 구조로 이루어진다. 또한, 일반적인 자기 베어링은, 주로 흡인력을 이용하므로 베어링의 안정화를 위해 변위센서를 이용하여 위치제어를 하는 구조로 이루어진다.

참고로, 상기한 바와 같은 자기 베어링의 일예로서, 전자석과 영구자석의 자기장의 경로를 분리하여 전자석이 부상체의 위치 제어만을 담당하고 영구자석이 편 향 자기장을 형성하도록 하여 편향전류를 흘리지 않으면서 변위 강성 및 전류 강성을 가지도록 하는 스러스트 자기 베어링 시스템에 관한 기술이 대한민국 공개특허공보 공개번호 10-2009-0028327(공개일자 2009년 3월 18일)의 "스러스트 자기 베어링 시스템"에서 개시된 바 있다.

상기한 구조의 자기 베어링은 베어링 틈새를 크게 설정할 수 있기 때문에 공기 정압 베어링 이상으로 고속 회전 및 이송이 용이하다. 또한 피드백용 변위센서에 의해 운전중의 부하 이상을 감시할 수 있는 등의 특징을 갖는다.

그러나, 상기한 바와 같은 자기 베어링은, 공기 정압 베어링 또는 유정압 베어링에 비해 회전 정밀도가 정밀하지 못한 문제점이 있고, 강성을 높이기 위해서는 복잡한 제어기법이 필요한 문제점이 있고, 또한 위치제어를 수행하기 위해 기존의 프로브식 변위센서를 사용하게 되면 측정면(회전축)의 표면 오차 성분이 변위 신호에 포함되어 정밀한 위치제어에 한계점을 지니게 되는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 서로 다른 방식의 베어링인 공기 정압 베어링과 자기 베어링의 결합시켜서 두 베어링의 장점을 활용하고 단점을 보완할 수 있는, 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 비자성체로 이루어진 공기 정압 베어링 노즐을 코일의 앞쪽에 배치하여 공기 정압 베어링 강성을 최대화할 수 있는, 공기/자기 하이브 리드 스러스트 베어링을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서 이 발명의 구성은, 주축의 일부에 형성되어 있는 디스크의 전후면에 설치되며 내부의 코일을 이용하여 자력을 발생시키는 자기 베어링과, 비자성체로 이루어져 있으며 공압공급부를 통해 인가되는 공압을 분사하기 위한 공기 정압 베어링 노즐이 형성되어 있으며 상기한 코일의 앞쪽에 배치되어 커버 역할을 하는 공기정압 베어링 오리피스와, 상기한 자기 베어링에 일체형으로 설치되어 있으며 주축의 변위를 측정하기 위한 변위센서를 포함하여 이루어진다.

이 발명의 구성은, 상기한 공기정압 베어링 오리피스의 노즐의 위치는 다음 수식에 의해 결정되는 구조로 이루어진다.

r = (r_i + r_o)/2 또는 r = r_i × r_o

여기서, r_i 는 공기정압 베어링의 내경이고, r_o는 공기정압 베어링의 외경이다.

이 발명의 구성은, 상기한 공기정압 베어링 오리피스는 비자성체 코팅층으로 코팅되며, 자기 베어링의 자성체 자극 사이에 압입되며, 공압에 의한 분리를 막기 위해 열경화성 에폭시로 고정되는 구조로 이루어진다.

이 발명의 구성은, 상기한 변위센서는 정전 용량형으로 이루어지며, 센서 전극과, 가드 전극과, 접지 전극을 포함하여 이루어지고, 각각의 전극은 열경화성 에 폭시로 절연 및 고정되는 구조로 이루어진다.

이 발명은, 서로 다른 방식의 베어링인 공기 정압 베어링과 자기 베어링을 결합시켜서 두 베어링의 장점을 활용하고 단점을 보완할 수 있으며, 비자성체로 이루어진 공기 정압 베어링 노즐을 코일의 앞쪽에 배치하여 공기 정압 베어링 강성을 최대화할 수 있는, 효과를 갖는다.

이하, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 이 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다. 이 발명의 목적, 작용, 효과를 포함하여 기타 다른 목적들, 특징점들, 그리고 동작상의 이점들이 바람직한 실시예의 설명에 의해 보다 명확해질 것이다.

참고로, 여기에서 개시되는 실시예는 여러가지 실시가능한 예중에서 당업자의 이해를 돕기 위하여 가장 바람직한 실시예를 선정하여 제시한 것일 뿐, 이 발명의 기술적 사상이 반드시 이 실시예에만 의해서 한정되거나 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변화와 부가 및 변경이 가능함은 물론, 균등한 타의 실시예가 가능함을 밝혀 둔다.

도 4는 이 발명의 일실시예에 따른 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링 의 설치 구조도이다.

도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 이 발명의 일실시예에 따른 공기/자기 하 이브리드 스러스트 베어링의 구성은, 주축(58)의 일부에 형성되어 있는 디스크(50)의 전후면에 설치되며 내부의 코일(52)을 이용하여 자력을 발생시키는 자기 베어링(51)과, 비자성체로 이루어져 있으며 공압공급부(54)를 통해 인가되는 공압을 분사하기 위한 공기 정압 베어링 노즐이 형성되어 있으며 상기한 코일(52)의 앞쪽에 배치되어 커버 역할을 하는 공기정압 베어링 오리피스(53)와, 상기한 자기 베어링(51)에 일체형으로 설치되어 있으며 주축(58)의 변위를 측정하기 위한 변위센서(55, 56, 57)을 포함하여 이루어진다.

비설명부호 59는 스페이서이다.

상기한 공기정압 베어링 오리피스(53)는 비자성체 코팅층(62)으로 코팅되며, 자기 베어링(51)의 자성체 자극 사이에 압입되며, 공압에 의한 분리를 막기 위해 열경화성 에폭시(61)로 고정된다.

상기한 변위센서(55, 56, 57)는 정전 용량형으로 이루어지며, 센서 전극(55)과, 가드 전극(56)과, 접지 전극(57)을 포함하여 이루어지고, 각각의 전극은 열경화성 에폭시(61)로 절연 및 고정된다.

상기한 구성에 의한, 이 발명의 일실시예에 따른 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링의 작용은 다음과 같다.

공압공급부(54)를 통해 인가되는 압축공기가 자기 베어링(51)의 코일(52)을 거쳐서 공기정압 베어링 오리피스(53)의 노즐을 통해 분사됨으로써 베어링과 주축(58) 사이의 틈새로 공급된다. 공기정압 베어링의 간극은 8~12㎛ 정도이다.

공기 정압 베어링의 강성을 최대화하기 위하여 공기정압 베어링 오리피 스(53)의 노즐의 최적의 위치는 아래와 같다.

r = (r_i + r_o)/2 또는 r = r_i × r_o

여기서, r_i 는 공기정압 베어링의 내경이고, r_o는 공기정압 베어링의 외경이다. 이와 같은 설계를 위하여 자기 베어링(51)의 전자석의 극사이에 비자성체의 공기정압 베어링 오리피스(53)를 억지 끼워맞춤으로 삽입하여 열경화성 에폭시(61)로 소결, 고정한다.

공기 정압 베어링의 관점에서 보면, 공기 정압 베어링은 무마찰 베어링이기때문에 고속회전, 이송이 가능하고, 베어링의 표면의 평활화효과로 인해 초정밀회전 및 이송을 가능하게 한다.

그러나, 공기 정압 베어링은 공기역학적 특성(하중의 직각 방향에 대한 음의 강성)때문에 고속회전시 불안정성을 나타내며, 구름 베어링에 비해 강성이 작다는 단점을 지니고 있다.

이러한 공기 정압 베어링에 능동형 베어링인 자기 베어링(51)을 결합시키면 자기베어링(51)의 코일(52)에 인가되는 전류를 제어하여 베어링의 감쇠(미분제어)를 증가시킬수 있어, 공기 정압 베어링의 불안정성을 극복할 수 있다.

또한, 공기 정압 베어링의 강성은 베어링사이의 간극에 반비례하고, 간극이 작을수록 강성이 기하급수적으로 증가하기 때문에, 자기 베어링(51)의 위치제어를 이용하여 주축(58)과 베어링간의 간극을 작게 하면 공기 정압 베어링의 강성을 극대화할 수 있다.

공기 정압 베어링은 베어링의 초기 부상력 및 기초 강성 및 감쇠를 제공하고, 높은 회전 정밀도를 얻을 수 있게 하며, 정전과 같은 상황에 자게 베어링(51)의 보조 베어링 역할을 담당한다.

자기 베어링(51)의 관점에서 살펴 보면, 자기 베어링(51)은 능동제어가 가능한 베어링으로서 전자석 영구자석, 초전도체등을 이용하여 회전체를 자기력으로 부상시켜 주축(58)을 비접촉으로 지지할 수 있는 베어링이다. 주로 제작의 편의성 및 제어 편의성등의 이유로 인해 전자석 코일(52)을 이용한 자기 베어링(51)이 사용된다

이러한 자기 베어링(51)의 전자석 코일(52)에 인가되는 전류는 다음과 같이 표현된다.

I = I_bias + I_control

여기서, I_bias는 편향전류로 자기부상의 대상이 되는 회전체의 중량 및 제어전류의 가감을 위해 미리 자기 베어링(51)의 코일(52)에 인가하는 전류이다. 이러한 편향전류로 인해 자기 베어링(51)의 크기가 커지고 베어링의 발열이 증가하여 회전축 시스템의 정밀도에 영향을미친다.

또한, 자기 베어링(51)은 갑작스러운 정전이나 제어불능에 대비하여 보통의 경우 구름요소의 보조베어링(랜딩베어링)이 설치되며 이는 주축(58)의 고유진동수나 설계 제약으로 작용한다. 이러한 자기 베어링(51)에 공기 정압 베어링을 결합하면, 공기 정압 베어링이 강성을 제공하므로 자기 베어링(51)의 편향전류를 줄일 수 있어 발열을 최소화할 수 있고, 컴팩트한 설계가 가능하다.

그리고, 부가적으로 압축공기의 냉각효과로 발열을 최소화할 수 있다.

또한, 갑작스러운 정전이나 제어불능 상태시에도 공기 정압 베어링에 의해 회전체가 비접촉을 유지하므로 보조 베어링이 불필요하다.

공기 정압 베어링과 주축(58)과의 틈새는 약 0.01~0.015mm 이며, 자기 베어링(51)과 주축(58)과의 틈새는 0.3~0.5mm 이다. 이 두가지 조건을 만족시키기 위해 전자석 코일(52)의 극 표면에, 오스테나이트계 스테인레스스틸 분말과 같은 비자성 물질을 용사를 이용하여 코팅한다.

자기 베어링(51)의 능동제어를 위해 설치된 정전용량형 변위센서(55, 56, 57)는 센서와 타겟사이에 생성되는 정전용량(Capacitance)의 양을 측정하여 변위를 측정한다. 센서와 타겟 사이에 생성되는 정전용량은 다음과 같다.

여기에서, A는 센서와 타겟 사이의 마주하고 있는 부분의 면적이며, d는 센서와 타겟사이의 거리인데, 본 발명은 d의 변화량으로 변위를 구한다. 변위가 아주작다고 가정하면 A에 의한 정전용량의 변화량보다 d에 의한 정전용량의 변화량이 매우 민감하기 때문에 나노미터 단위의 측정에 훨씬 유리하다.

주축(58)의 변위는 센서 앰프를 통하여 변위에 따른 전기적인 신호로 변환되어 자기 베어링(51)의 피드백 제어신호로 사용된다.

도 1은 일반적인 구름 베어링의 설치 구조도이다.

도 2는 일반적인 공기 정압 베어링의 설치 구조도이다.

도 3은 일반적인 자기 베어링의 설치 구조도이다.

도 4는 이 발명의 일실시예에 따른 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링 의 설치 구조도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

50 : 디스크 51 : 자기 베어링

52 : 코일 53 : 공기 정압 베어링 오리피스

54 : 공압 공급부 55, 56, 57 : 변위센서

58 : 주축 59 : 스페이서

Claims (8)

1. 주축의 일부에 형성되어 있는 디스크의 전후면에 설치되며 내부의 코일을 이용하여 자력을 발생시키는 자기 베어링과,

   비자성체로 이루어져 있으며 공압공급부를 통해 인가되는 공압을 분사하기 위한 공기 정압 베어링 노즐이 형성되어 있으며 상기한 코일의 앞쪽에 배치되어 커버 역할을 하는 공기정압 베어링 오리피스와,

   상기한 자기 베어링에 일체형으로 설치되어 있으며 주축의 변위를 측정하기 위한 변위센서를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링.
2. 제 1항에 있어서,

   상기한 공기정압 베어링 오리피스의 노즐의 위치는 다음 수식에 의해 결정되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링.

   r = (r_i + r_o)/2

   여기서, r_i 는 공기정압 베어링의 내경이고, r_o는 공기정압 베어링의 외경이다.
3. 제 1항에 있어서,

   상기한 공기정압 베어링 오리피스의 노즐의 위치는 다음 수식에 의해 결정되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링.

   r = r_i × r_o

   여기서, r_i 는 공기정압 베어링의 내경이고, r_o는 공기정압 베어링의 외경이다.
4. 제 1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,

   상기한 공기정압 베어링 오리피스는 비자성체 코팅층으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링.
5. 제 1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,

   상기한 공기정압 베어링 오리피스는 자기 베어링의 자성체 자극 사이에 압입되는 것을 특징으로 하는 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링.
6. 제 1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서,

   상기한 공기정압 베어링 오리피스는 공압에 의한 분리를 막기 위해 열경화성 에폭시로 고정되는 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링.
7. 제 1항에 있어서,

   상기한 변위센서는 정전 용량형으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링.
8. 제 1항 또는 제 7항에 있어서,

   상기한 변위센서는 센서 전극과, 가드 전극과, 접지 전극을 포함하여 이루어지고, 각각의 전극은 열경화성 에폭시로 절연 및 고정되는 것을 특징으로 하는 공기/자기 하이브리드 스러스트 베어링.

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