KR20100136252A

KR20100136252A - Hybrid thrust magnetic bearing

Info

Publication number: KR20100136252A
Application number: KR1020090054517A
Authority: KR
Inventors: 김승종; 이종민; 김상조
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2009-06-18
Filing date: 2009-06-18
Publication date: 2010-12-28
Also published as: KR101064226B1

Abstract

PURPOSE: A hybrid thrust magnetic bearing is provided to minimize the diameter of an axial direction disc and produce bias magnetic flux to a permanent magnet without unstable power in a disc radial direction. CONSTITUTION: A hybrid thrust magnetic bearing comprises a mover(110), a stator(120), and coils(130,140). The mover comprises thrust discs(111,112) and a permanent magnet(113). The thrust disc is extended from the rotary shaft of the rotation apparatus in the radial direction. The stator comprises multiple cores(121,122,123) and a main body(124) connecting the multiple cores. The coil is wound between the multiple cores.

Description

Hybrid Thrust Magnetic Bearings {HYBRID THRUST MAGNETIC BEARING}

본 발명은 회전장치의 회전축을 축방향으로 지지하는 스러스트 마그네틱 베어링에 관한 것으로서, 특히 영구자석으로 바이어스 자속을 생성하고, 전자석으로써 제어 자속을 제공하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thrust magnetic bearing for supporting an axis of rotation of a rotating device in an axial direction, and more particularly to a hybrid thrust magnetic bearing characterized by generating a bias magnetic flux with a permanent magnet and providing a control magnetic flux with an electromagnet.

일반적인 스러스트 마그네틱 베어링은 회전축에 고정되어 회전하는 디스크를 사이에 두고 양쪽에 코일이 장착된 코어를 구비하며, 상기 각 코일에 일정한 바이어스 전류를 인가하여, 디스크를 양쪽 방향으로 당기는 전자기력을 발생시킨 후, 디스크의 변위에 따라 상기 각 코일의 바이어스 전류에 제어 전류를 가감함으로써 디스크를 중간 위치에 유지시켜서 회전축을 축방향으로 지지한다.A general thrust magnetic bearing has a core with coils mounted on both sides with a rotating disk fixed to a rotating shaft, and a constant bias current is applied to each of the coils to generate an electromagnetic force that pulls the disk in both directions. In accordance with the displacement of the disk, the control current is added to or subtracted from the bias current of each of the coils to hold the disk in an intermediate position to support the rotation axis in the axial direction.

이와 같은 종래의 스러스트 마그네틱 베어링은 지속적인 바이어스 전류가 인가되어야 하므로 소모전력이 크다. 따라서, 소모전력을 감소시키기 위하여 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링이 사용된다. 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링은 영구자석으로 바이어스 자속을 생성하고, 회전축에 방사상으로 형성된 디스크의 축방향 변위에 따라 전자석의 자속을 제어하여 디스크와 회전축을 부상시키기 때문에 디스크의 진동이 작을 경우, 소모전력이 매우 감소한다.Such a conventional thrust magnetic bearing has a high power consumption because a constant bias current must be applied. Thus, hybrid thrust magnetic bearings are used to reduce power consumption. Hybrid thrust magnetic bearings generate a bias magnetic flux as a permanent magnet and control the magnetic flux of the electromagnet according to the axial displacement of the disk radially formed on the rotating shaft to float the disk and the rotating shaft. Decreases.

종래에 개발된 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링의 예로서 미국공개특허 US005514924(이하, '문헌 1')와 미국특허US006700258(이하, '문헌 2') 등이 있다. 종래의 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링의 상세한 구조와 원리는 본 명세서에서 상세히 설명하지는 않는다. Examples of conventionally developed hybrid thrust magnetic bearings include U.S. Patent Application Publication No. US005514924 (hereinafter referred to as 'Document 1') and US Patent US006700258 (hereinafter referred to as 'Document 2'). The detailed structure and principles of conventional hybrid thrust magnetic bearings are not described in detail herein.

도 1은 문헌1에서 스러스트 마그네틱 베어링 역할을 하는 부분을 개략적으로 도시한 것이다. 문헌 1의 베어링은 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링과 하이브리드 레이디얼(radial) 마그네틱 베어링이 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는데, 도 1은 반경방향 코일을 생략하고 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이 반경방향코일을 고려하지 않으면 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링으로 작용한다. 상기 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링은 반경방향으로 착자된 환형(環形) 영구자석(40)이 회전축(10)에 반경방향으로 형성된 회전디스크(11)의 원주 표면과 일정한 간극을 두고 장착된다. 영구자석(40)에 의한 바이어스 자속은, 영구자석(40)을 중심으로 디스크(11)와 코어(20)를 따라 화살표 A1과 A3 방향 또는 영구자석의 착자 방향에 따라 화살표 A1, A3의 역방향으로 순환한다. 이때, 코일(30)에 흐르는 전류가 지면에서 나오는 방향이면 A2와 같은 제어자속 경로가 형성되어, A2와 A1의 자속 방향이 같은 위쪽 공극에서는 A2와 A3의 자속방향이 서로 반대인 아래쪽 공극보다 더 큰 전자기력이 발생한다. 거꾸로, 코일(30)의 전류 방향이 반대로 인가되면 A2의 방향도 반대가 되어 아래쪽 공극에서 발생하는 전자기력이 더 커지게 된다. 즉, 상하 공극이 같아지는 쪽으로 전자기력이 발생하도록 전 류의 방향과 크기를 제어함으로써 디스크를 축방향으로 부상시킬 수 있다. FIG. 1 schematically shows a part serving as a thrust magnetic bearing in Document 1. The bearing of Document 1 is characterized in that the hybrid thrust magnetic bearing and the hybrid radial magnetic bearing are integrally formed, and FIG. 1 omits the radial coil. If not considered radial coil as shown in Figure 1 acts as a hybrid thrust magnetic bearing. The hybrid thrust magnetic bearing is mounted with a constant gap with a circumferential surface of the rotating disk 11 in which a radially magnetized annular permanent magnet 40 is radially formed on the rotating shaft 10. The bias magnetic flux by the permanent magnet 40 is in the direction of arrows A1 and A3 along the disk 11 and the core 20 around the permanent magnet 40 or in the opposite direction of the arrows A1 and A3 according to the magnetization direction of the permanent magnet. Circulate At this time, if the current flowing in the coil 30 is coming out of the ground, a control flux path such as A2 is formed, and in the upper air gap where the magnetic flux directions of A2 and A1 are the same, the magnetic flux directions of A2 and A3 are greater than the lower air gaps opposite to each other. Large electromagnetic force is generated. Conversely, if the current direction of the coil 30 is applied in the opposite direction, the direction of A2 is also reversed so that the electromagnetic force generated in the lower gap becomes larger. That is, the disk can be floated in the axial direction by controlling the direction and the magnitude of the current so that the electromagnetic force is generated toward the same upper and lower voids.

그러나 이런 구조에서는 영구자석(40)에 의해 불안정한 반경방향 전자력이 필연적으로 디스크의 원주 표면에 작용하기 때문에, 반드시 반경방향 전자석에 의한 능동 제어가 필요한 문제점이 있다. However, in such a structure, since the unstable radial electromagnetic force necessarily acts on the circumferential surface of the disk by the permanent magnet 40, there is a problem that the active control by the radial electromagnet is necessary.

도 2는 문헌2의 스러스트 마그네틱 베어링을 개략적으로 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 문헌2의 베어링은 영구자석(40, 50)이 디스크(11)의 축방향 전후방에 디스크와 일정간극을 두고 장착된다. 이 경우 영구자석에 의한 반경방향의 불안정한 전자기력은 발생하지 않는다. 따라서 코일(30)에 의한 전자석에 의해 A1과 같은 제어자속을 형성하여 독립적으로 디스크(11)의 축방향 위치를 제어할 수 있다.FIG. 2 schematically shows the thrust magnetic bearing of Document 2. As shown in FIG. 2, the bearing of Document 2 is mounted with permanent magnets 40 and 50 at a predetermined distance from the disk in the axial direction of the disk 11. In this case, there is no radial unstable electromagnetic force generated by the permanent magnet. Therefore, by forming the magnetic flux like A1 by the electromagnet by the coil 30, the axial position of the disk 11 can be controlled independently.

그러나 이 경우, 축방향 디스크(11)의 직경이 커지게 되어 고속회전을 제한하는 문제점이 있으며, 축방향 공극 변화에 따라 영구자석에서 생성되는 바이어스 자속의 세기가 달라지므로 정밀한 위치 제어에 악영향을 미치는 단점이 있다.In this case, however, the diameter of the axial disk 11 is increased, which causes a problem of limiting the high speed rotation, and the intensity of the bias magnetic flux generated in the permanent magnet is changed according to the change in the axial void, which adversely affects precise position control. There are disadvantages.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 영구자석으로 바이어스 자속을 생성시키면서도 디스크 반경방향으로 불안정한 힘을 야기하지 않고, 축방향 디스크의 직경을 최소화할 수 있는 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and provides a hybrid thrust magnetic bearing capable of minimizing the diameter of the axial disk without generating an unstable force in the radial direction of the disk while generating a bias magnetic flux in the permanent magnet Its purpose is to.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 회전장치의 회전축에서 반경방향으로 연장되어 축방향으로 병렬로 배치된 복수개의 스러스트 디스크들과 상기 스러스트 디스크들 사이에 상기 회전축과 평행한 방향으로 자극이 배치되는 적어도 하나의 영구자석을 구비하는 이동자와; 역시 축방향으로 병렬로 배치되어, 상기 복수개의 스러스트 디스크들 사이에 일정한 간극을 두고 맞물리도록 배치되는 복수개의 코어들과, 상기 복수개의 코어들을 연결하는 본체를 구비하는 고정자와; 상기 복수개의 코어들 사이에 권선되는 복수개의 코일들을 포함하며, 상기 복수개의 코일들에 인가되는 전류의 방향과 세기는 각각의 스러스트 디스크와 이와 인접한 코어 사이의 간극이 일정하게 유지되도록 제어되는 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링을 제공한다. 이러한 복수개의 스러스트 디스크는 축방향 두께를 최소화하면서도 큰 부상력을 발생시킬 수 있다.In order to achieve the above object, the present invention provides a magnetic pole disposed in a direction parallel to the rotation axis between a plurality of thrust discs and the thrust discs arranged in parallel in the axial direction extending radially from the rotation axis of the rotary device. A mover having at least one permanent magnet; A stator disposed in parallel in the axial direction, the stator having a plurality of cores arranged to be engaged with a predetermined gap between the plurality of thrust disks, and a body connecting the plurality of cores; A hybrid thrust including a plurality of coils wound between the plurality of cores, the direction and intensity of a current applied to the plurality of coils controlled to maintain a constant gap between each thrust disk and an adjacent core. Provide magnetic bearings. Such a plurality of thrust disks can generate a large flotation force while minimizing the axial thickness.

상기 영구자석은 둘 이상인 경우 서로 인접해 있는 영구자석의 자극방향은 서로 반대가 되어야 하고, 서로 인접해 있는 코일은 서로 반대방향의 자기장을 형 성하도록 전류가 인가된다.In the case of two or more permanent magnets, magnetic poles of adjacent permanent magnets should be opposite to each other, and coils adjacent to each other are applied with current to form magnetic fields in opposite directions.

상기 복수개의 코일들은 병렬 또는 직렬로 연결되어, 하나의 전력 증폭기로부터 전류를 인가받을 수 있다.The plurality of coils may be connected in parallel or in series to receive current from one power amplifier.

상기 복수개의 코일은 셋 이상인 경우, 상기 복수개의 코일 중 상기 고정자 본체의 양측 최외곽에 권선되는 코일의 권선수와 상기 고정자 본체의 상기 최외곽 코일들 이외의 코일의 권선수의 비는 1:2인 것이 바람직하다. 이를 통해 상기 고정자 본체의 양측 최외곽에 위치한 코어에 비해 중간에 위치한 코어에 두 배로 흐르는 바이어스 자속을 효과적으로 상쇄시킬 수 있다.When the plurality of coils are three or more, the ratio of the number of turns of the coils wound on both outermost sides of the stator body and the number of turns of the coils other than the outermost coils of the stator body among the plurality of coils is 1: 2. Is preferably. Through this, it is possible to effectively cancel the bias magnetic flux flowing twice in the core located in the middle compared to the cores located at the outermost sides of the stator body.

본 발명에 따르면, 코일에 의해 생성되는 제어자속의 경로 상에 영구자석이 놓이지 않고, 반경방향 불안정력이 발생하지 않으며, 영구자석이 착자가 어려운 반경 방향으로 자화되지 않고 축방향으로 자화되어 제작성이 개선된다.According to the present invention, the permanent magnet is not placed on the path of the controller flux generated by the coil, no radial instability is generated, and the permanent magnet is magnetized in the axial direction without magnetization in the radial direction where magnetization is difficult to produce This is improved.

또한, 본 발명에 따르면, 코어의 갯수를 확장하여 콤(comb) 형태로 구성할 수 있어서, 디스크의 두께 및 이동자측 코어의 직경을 최소화하면서도 큰 축방향 제어력을 생성할 수 있어서, 에너지 저장용 플라이휠과 같이 크고 무거운 회전자를 수직 방향으로 구성할 때 자중을 비접촉 전자기력으로 지지하되 소모 전력을 최소화할 필요가 있는 분야에 적합하다.In addition, according to the present invention, the number of cores can be expanded to form a comb, so that a large axial control force can be generated while minimizing the thickness of the disk and the diameter of the mover-side core, and thus a flywheel for energy storage. When the large and heavy rotor is configured in the vertical direction, it is suitable for the field that needs to support its own weight with non-contact electromagnetic force but minimize the power consumption.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링(hybrid thrust magnetic bearing)를 상세히 설명한다.Hereinafter, a hybrid thrust magnetic bearing according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 3 to 5.

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링(101)의 하나의 실시예를 도시한 단면도로서, 스러스트 디스크들과 코어들 사이의 공극이 모두 동일한 정상상태에서의 영구자석에 의한 자속의 흐름을 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예는 회전장치의 회전축(100)에 반경방향으로 연장되어 축방향으로 병렬로 배치된 스러스트 디스크(thrust disk)인 제1 및 제2 디스크(111, 112)로 이루어진 이동자(110)와, 제1 디스크(111)와 제2 디스크 사이에 회전축(100)과 평행한 방향으로 자화된 영구자석(113)과, 제1 디스크(111)와 제2 디스크(112)가 삽입되는 간극이 형성되도록 축방향으로 병렬로 배치된 제1 코어(121), 제2 코어(122) 및 제3 코어(123)와 상기 제1 내지 제3 코어(121, 122, 123)을 연결하는 본체(124)를 구비하는 고정자(120)와, 제1 코어(121)와 제2 코어(122) 사이에서 원주 방향으로 고정자(120)에 권선되는 제1 코일(130)과, 제2 코어(122)와 제3 코어(123) 사이에서 원주 방향으로 고정자(120)에 권선되는 제2 코일(140)을 포함한다. 즉, 제1 코어(121), 제1 디스크(111), 제2 코어(122), 제2 디스크(112) 및 제3 코어(123)는 차례로 배치되며 일정면적만큼 겹쳐지면서 제1 및 제2 디스크(111, 112)가 제1 내지 제3 코어(121, 122, 123) 사이에 끼워지는 구조이다. 영구자석(113)에 의한 바이어스 자속이 제1 및 제2 디스크(111, 112)와 영구자석(113)에 접하는 회전축(100)을 통해 흐르지 않도록, 회전축(100)을 비자성체 재질로 제작하거나, 제1 및 제2 디스크(111, 112) 과 영구자석(113)이 회전축(100)이 접촉하는 부분에 비자성체 스페이서를 끼울 필요가 있다.3 is a cross-sectional view showing one embodiment of the hybrid thrust magnetic bearing 101 according to the present invention, showing the flow of magnetic flux by a permanent magnet in a steady state in which the voids between the thrust discs and the cores are all the same. It is. As shown in FIG. 3, this embodiment is a first and second disks 111 and 112 which are thrust disks which extend radially on the axis of rotation 100 of the rotary device and are arranged in parallel in the axial direction. A mover 110 consisting of a permanent magnet 113 magnetized in a direction parallel to the rotation axis 100 between the first disk 111 and the second disk, and the first disk 111 and the second disk 112. ), The first core 121, the second core 122, and the third core 123 and the first to third cores 121, 122, and 123 disposed in parallel in the axial direction to form a gap therebetween. A stator 120 having a main body 124 connecting the first and second coils 120 wound around the stator 120 in a circumferential direction between the first core 121 and the second core 122, and A second coil 140 is wound around the stator 120 in the circumferential direction between the second core 122 and the third core 123. That is, the first core 121, the first disk 111, the second core 122, the second disk 112, and the third core 123 are sequentially disposed and overlap the first and second portions by a predetermined area. The disks 111 and 112 are sandwiched between the first to third cores 121, 122, and 123. The rotating shaft 100 is made of a nonmagnetic material so that the bias magnetic flux by the permanent magnet 113 does not flow through the rotating shaft 100 in contact with the first and second disks 111 and 112 and the permanent magnet 113, It is necessary to insert a nonmagnetic spacer in a portion where the first and second disks 111 and 112 and the permanent magnet 113 contact the rotating shaft 100.

영구자석(113)의 N극이 제1 디스크(111)를 향하도록 자화된 경우, 영구자 석(113)에 의한 바이어스 자속은 두 개의 경로로 흐른다. 즉, 영구자석(113)의 N극에서 제1 디스크(111), 제2 코어(122) 및 제2 디스크(112)를 거쳐 영구자석(113)의 S극으로 흐르는 자속경로(M1)와, 영구자석(113)의 N극에서 제1 디스크(111), 제1 코어(121), 고정자본체(124), 제3 코어(123) 및 제2 디스크(112)를 거쳐 영구자석(113)의 S극으로 흐르는 자속경로(M2)를 갖는다.When the north pole of the permanent magnet 113 is magnetized to face the first disk 111, the bias magnetic flux by the permanent magnet 113 flows in two paths. That is, the magnetic flux path (M1) flowing from the N pole of the permanent magnet 113 to the S pole of the permanent magnet 113 through the first disk 111, the second core 122 and the second disk 112, The permanent magnet 113 of the permanent magnet 113 is passed through the first disk 111, the first core 121, the fixed capital body 124, the third core 123, and the second disk 112 at the north pole of the permanent magnet 113. It has a magnetic flux path M2 flowing to the S pole.

고정자(120)의 제1코어(121)와 제2코어(122) 사이 공간과, 제2코어(122)와 제3코어(123) 사이 공간에 각각 권선된 제1 코일(130)과 제2 코일(140)은 권선수가 동일하고 전류 인가 방향은 반대가 되도록 서로 연결되어 하나의 전력 증폭기로부터 동일한 전류가 인가된다.The first coil 130 and the second wound in the space between the first core 121 and the second core 122 of the stator 120 and the space between the second core 122 and the third core 123, respectively. The coils 140 are connected to each other so that the number of turns is the same and the direction of applying the current is opposite, so that the same current is applied from one power amplifier.

고정자(120)의 세 개의 코어(121, 122, 123) 사이에 두 개의 디스크(111, 112)가 끼워진 정상상태의 구동상태에서, 제1 코어(121)과 제1 디스크(111) 사이의 간극(G1)과, 제1 디스크(111)와 제2 코어(122) 사이의 간극(G2)과, 제2 코어(122)와 제2 디스크(112) 사이의 간극(G3)과, 제2 디스크(112)와 제3 코어(123) 사이의 간극(G3)의 크기는 모두 동일하다. Gap between the first core 121 and the first disk 111 in a steady state driving state in which two disks 111 and 112 are sandwiched between three cores 121, 122, and 123 of the stator 120. G1, the gap G2 between the first disk 111 and the second core 122, the gap G3 between the second core 122 and the second disk 112, and the second disk. The size of the gap G3 between the 112 and the third core 123 is the same.

정상상태에서 각 코어에서의 자기 저항을 무시하면 두 자속경로(M1, M2)를 지나는 바이어스 자속의 크기는 동일하며, 제1 및 제2 코일(130, 140)에 제어전류가 인가될 필요가 없다. If the magnetic resistance in each core is ignored in the steady state, the magnitude of the bias magnetic flux passing through the two magnetic flux paths M1 and M2 is the same, and a control current does not need to be applied to the first and second coils 130 and 140. .

도 4는 도 3의 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링(101)에 제어자속을 인가한 경우의 자속경로를 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 회전축(100)의 축방향 변위가 발생한 경우, 예컨대 회전축(100)이 아래로 이동하여 제1 간극(G1) 이 제2 간극(G2)보다 커진 경우, 제1 간극(G1)과 제3 간극(G3)은 자기 저항(reluctance)이 매우 커지기 때문에 대부분의 바이어스 자속은 제2 간극(G2)과 제4 간극(G4)을 통해 흘러 M3의 자속경로를 갖는다. 이와 같은 경로를 갖는 바이어스 자속은 제2 간극과 제4 간극에서의 자기력을 증가시켜 오히려 이동자(110)를 더욱 아래쪽으로 당겨 불안정하게 한다.FIG. 4 illustrates a magnetic flux path when a control magnetic flux is applied to the hybrid thrust magnetic bearing 101 of FIG. 3. As shown in FIG. 4, when an axial displacement of the rotation shaft 100 occurs, for example, when the rotation shaft 100 moves downward so that the first gap G1 becomes larger than the second gap G2, the first gap Since the G1 and the third gap G3 have a very large magnetic resistance, most of the bias magnetic flux flows through the second gap G2 and the fourth gap G4 to have a magnetic flux path of M3. The bias magnetic flux having such a path increases the magnetic force in the second gap and the fourth gap, so that the mover 110 is pulled further downward and becomes unstable.

위와 같은 불안정한 상태를 극복하고 이동자(110)를 정상 상태 위치에 복원하기 위해서 제1 코일(130)과 제2 코일(140)에 전류를 인가하여 제어자속을 형성할 필요가 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 코어(121)와 제2 코어(122) 사이의 고정자본체(124)에 권선된 제1 코일(130)에는 도면에서 나오는 방향으로 전류가 인가되면, 제1 디스크(111). 제1 코어(121), 고정자본체(124) 및 제2 코어(122)를 차례로 순환하는 반시계 방향의 제1 제어자속경로(M4)가 형성되고, 제2 코일(140)에는 그 반대 방향으로 전류가 인가되어 제2 디스크(112), 제2 코어(122) 고정자본체(124) 및 제3 코어(123)를 차례로 순환하는 시계방향의 제2 제어자속경로(M5)가 형성된다.In order to overcome the above unstable state and restore the mover 110 to its normal position, it is necessary to form a controller flux by applying current to the first coil 130 and the second coil 140. As shown in FIG. 4, when a current is applied to the first coil 130 wound around the stator body 124 between the first core 121 and the second core 122, the current is applied in the direction shown in the drawing. Disk 111. A counterclockwise first control magnetic flux path M4 is formed to sequentially circulate the first core 121, the stator body 124, and the second core 122, and the second coil 140 has the opposite direction. A current is applied to form a clockwise second control flux path M5 that sequentially cycles through the second disk 112, the second core 122, the stationary capital body 124, and the third core 123.

이에 따라 제2 간극(G2)과 제4 간극(G4)에서는 제어 자속과 바이어스 자속의 방향이 반대가 되어 자속밀도가 감소하고, 제1 간극(G1)과 제3 간극(G3)에서는 제어자속과 바이어스 자속의 방향이 동일하여 자속밀도가 증가한다. 즉, 제1 간극(G1)과 제3 간극(G3)에서의 자속밀도가 제2 간극(G2)과 제4 간극(G4)에서의 자속밀도보다 커져서 제1 간극(G1)과 제3 간극(G3)에서 발생하는 자기력이 제2 간극(G2)과 제4 간극(G4)에서 발생하는 자기력보다 커지게 되면, 이들의 합력에 의해 제1 디스크(111) 및 제2 디스크(112)를 구비한 이동자(110)를 상방으로 이동시켜 원래의 정상 상태 위치로 복원될 수 있다.Accordingly, in the second gap G2 and the fourth gap G4, the directions of the control magnetic flux and the bias magnetic flux are reversed, so that the magnetic flux density decreases. In the first gap G1 and the third gap G3, the control magnetic flux and The magnetic flux density increases because the bias magnetic flux is in the same direction. That is, the magnetic flux density in the first gap G1 and the third gap G3 is greater than the magnetic flux density in the second gap G2 and the fourth gap G4, so that the first gap G1 and the third gap ( When the magnetic force generated in G3) becomes larger than the magnetic force generated in the second gap G2 and the fourth gap G4, the first and second disks 111 and 112 are provided with the combined force. The mover 110 can be moved upwards to restore the original steady state position.

도 4와는 반대로 회전축(100)이 상방의 변위를 갖는 경우, 제1 코일(130) 및 제2 코일(140)에 흐르는 제어전류의 방향을 반대로 해줌으로써, 정상상태의 위치로 복원시키는 것이 가능하다. In contrast to FIG. 4, when the rotation shaft 100 has an upward displacement, the direction of the control current flowing through the first coil 130 and the second coil 140 may be reversed, thereby restoring to a normal position. .

결과적으로, 본 발명에 의한 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링은, 제1 및 제2 코일(130, 140)에 흐르는 전류의 크기와 방향을 조절하여 적절한 크기의 제어자속이 스러스트 디스크들과 코어들 사이 간극에서의 바이어스 자속에 가감되게 하여, 제1 내지 제3 코어(121, 122, 123)를 갖는 고정자(120)와 제1 및 제2 디스크(111, 112)를 갖는 이동자(110) 사이에 작용하는 전자기력을 제어하는 작용 원리를 갖는다. As a result, the hybrid thrust magnetic bearing according to the present invention adjusts the magnitude and direction of the current flowing through the first and second coils 130 and 140 so that a controller flux of an appropriate magnitude is obtained at the gap between the thrust disks and the cores. Electromagnetic force acting between the stator 120 having the first to third cores 121, 122, and 123 and the mover 110 having the first and second disks 111 and 112, Has a working principle to control.

도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링(201)의 또 다른 실시예를 도시한 것으로서, 고정자의 코어 및 이동자의 디스크가 하나씩 추가된 형태이다. 이 실시예에서, 고정자(220)는 제1 코어(221), 제2 코어(222), 제3 코어(223), 제4 코어(224) 및 고정자본체(225)를 구비한다. 제1 코어(221)와 제2 코어(222) 사이의 고정자본체(225)에는 제1 코일(230)이 권선되고, 제2 코어(222)와 제3 코어(223) 사이의 고정자본체(225)에는 제2 코일(240)이 권선되며, 제3 코어(223)와 제4 코어(224) 사이의 고정자본체(225)에는 제3 코일(250)이 권선된다. 회전축(200)에 반경방향으로 연장되어 고정된 이동자(210)는 제1 코어(221)와 제2 코어(222) 사이에 배치되는 제1 디스크(211)와, 제2 코어(222)와 제3 코어(223) 사 이에 배치되는 제2 디스크(212)와, 제3 코어(223)과 제4 코어(224) 사이에 배치되는 제3 디스크(213)를 구비한다. 제1 디스크(211)와 제2 디스크(212) 사이에는 회전축(200)과 평행한 방향으로 자화된 제1 영구자석(214)이 구비되고, 제2 디스크(212)와 제3 디스크(213) 사이에는 제1 영구자석(214)과 반대방향으로 자화된 제2 영구자석(215)이 구비된다. 5 shows another embodiment of the hybrid thrust magnetic bearing 201 according to the present invention, in which the core of the stator and the disk of the mover are added one by one. In this embodiment, the stator 220 includes a first core 221, a second core 222, a third core 223, a fourth core 224, and a stator body 225. The first coil 230 is wound around the stator body 225 between the first core 221 and the second core 222, and the stator body 225 between the second core 222 and the third core 223. ), The second coil 240 is wound, and the third coil 250 is wound around the stator body 225 between the third core 223 and the fourth core 224. The mover 210 fixed radially extending to the rotation shaft 200 may include a first disk 211 disposed between the first core 221 and the second core 222, a second core 222, and a second disk 222. The second disk 212 disposed between the three cores 223 and the third disk 213 disposed between the third core 223 and the fourth core 224 are provided. A first permanent magnet 214 magnetized in a direction parallel to the rotation axis 200 is provided between the first disk 211 and the second disk 212, and the second disk 212 and the third disk 213 are provided. Between the first permanent magnet 214 and the second permanent magnet 215 magnetized in the opposite direction is provided.

도 5에 도시된 바와 같이, 회전축(200)의 변위에 따라 이동자(210)가 하방으로 이동하면, 도 4의 실시예에서 설명한 바와 같이, 제1 및 제2 영구자석(214, 215)에 의한 바이어스 자속은 저항이 작은 곳을 따라 자속경로(M6, M7)를 형성한다. 따라서 바이어스 자속에 의해 이동자의 변위를 불안정하게 하는 자기력이 발생한다. 제1 코일(230), 제2 코일(240) 및 제3 코일(250)에 도 5와 같이 제어전류를 인가하면, 제어자속(M8, M9. M10)이 발생한다. 따라서, 제1 코어(221)와 제1 디스크(211) 사이의 제1 간극(G5)에는 제1 코일(230)에 의해 발생한 자속이 형성되어 자기력이 증가하고, 제1 디스크(211)와 제2 코어(222) 사이의 제2 간극(G6)에서는 제1 영구자석(214)에 의한 바이어스 자속과 제1 코일(230)에 의한 자속이 상쇄되어 자기력이 감소되며, 제2 코어(222)와 제2 디스크(212) 사이의 제3 간극(G7)에는 제2 코일(240)에 의해 발생한 자속이 형성되어 자기력이 증가하고, 제2 디스크(212)와 제3 코어(223) 사이의 제2 간극(G8)에서는 제1 영구자석(214)와 제2 영구자석(215)에 의한 바이어스 자속과 제2 코일(240)에 의한 자속이 상쇄되어 자기력이 감소되며, 제3 코어(223)와 제3 디스크(213) 사이의 제5 간극(G9)에는 제3 코일(250)에 의해 발생한 자속이 형성되어 자기력이 증가하고, 제3 디스크(213)와 제 4 코어(224) 사이의 제6 간극(G10)에서는 제2 영구자석(215)에 의한 바이어스 자속과 제3 코일(250)에 의한 자속이 상쇄되어 자기력이 감소된다. 이 때, 상기 제1간극(G5)과 제3간극(G7)과 제5간극(G9)에 작용하는 자기력이 상기 제2간극(G6)과 제4간극(G8)과 제6간극(G10)에 작용하는 자기력보다 커지도록 제어전류를 적절히 제어하면, 이동자(210) 및 회전축(200)이 원래의 위치로 복원될 수 있다.As shown in FIG. 5, when the mover 210 moves downward according to the displacement of the rotation shaft 200, as described in the embodiment of FIG. 4, the first and second permanent magnets 214 and 215 may be used. The bias magnetic flux forms magnetic flux paths M6 and M7 along where the resistance is small. Therefore, a magnetic force is generated which makes the displacement of the mover unstable by the bias magnetic flux. When a control current is applied to the first coil 230, the second coil 240, and the third coil 250 as shown in FIG. 5, the controller magnetic fluxes M8, M9, and M10 are generated. Therefore, a magnetic flux generated by the first coil 230 is formed in the first gap G5 between the first core 221 and the first disk 211 to increase the magnetic force, and the first disk 211 and the first disk 211 are formed. In the second gap G6 between the two cores 222, the bias magnetic flux by the first permanent magnet 214 and the magnetic flux by the first coil 230 are canceled to reduce the magnetic force, and the second core 222 and The magnetic flux generated by the second coil 240 is formed in the third gap G7 between the second disk 212 to increase the magnetic force, and the second gap between the second disk 212 and the third core 223 is increased. In the gap G8, the magnetic flux is reduced by canceling the bias magnetic flux by the first permanent magnet 214 and the second permanent magnet 215 and the magnetic flux by the second coil 240, and reducing the third core 223 and the third core. The magnetic flux generated by the third coil 250 is formed in the fifth gap G9 between the three disks 213 to increase the magnetic force, and the sixth gap between the third disk 213 and the fourth core 224. To G10 Since the bias magnetic flux by the second permanent magnet 215 and the magnetic flux by the third coil 250 are canceled, the magnetic force is reduced. At this time, the magnetic force acting on the first gap G5, the third gap G7, and the fifth gap G9 is the second gap G6, the fourth gap G8, and the sixth gap G10. If the control current is properly controlled to be larger than the magnetic force acting on, the mover 210 and the rotating shaft 200 can be restored to its original position.

도 5에서 제1 영구자석(214)과 제2 영구자석(215)에 의한 바이어스 자속들은 공통적으로 제4 간극(G8)을 지나므로, 제4 간극(G8)에서의 자속밀도는 제2 간극(G6) 및 제6 간극(G10)에서의 자속밀도의 두 배가 된다. 따라서, 제4 간극(G8)을 지나는 제어자속의 자속밀도도 제2 간극(G6) 및 제6 간극(G10)을 지나는 제어자속의 자속밀도의 두 배가 되도록 해야만 바이어스 자속을 상쇄할 수 있기 때문에, 연결되어 동일한 전류가 흐르고 있는 제1 내지 제3 코일(230, 240, 250) 중 제2 코일(240)의 권선수를 제1 코일(230) 및 제3 코일(250)의 권선수보다 두 배가 되게 하여 제6 간극(G8)에서의 제어자속의 자속밀도가 두 배가 되게 하여 바이어스 자속을 상쇄할 수 있다.In FIG. 5, since the bias magnetic fluxes generated by the first permanent magnet 214 and the second permanent magnet 215 commonly pass through the fourth gap G8, the magnetic flux density in the fourth gap G8 is determined by the second gap ( It becomes twice the magnetic flux density in G6) and 6th gap G10. Therefore, since the magnetic flux density of the control flux passing through the fourth gap G8 must also be twice the magnetic flux density of the control flux passing through the second gap G6 and the sixth gap G10, the bias magnetic flux can be canceled. The number of turns of the second coil 240 among the first to third coils 230, 240, and 250 in which the same current flows is doubled than the number of turns of the first coil 230 and the third coil 250. As a result, the magnetic flux density of the control flux in the sixth gap G8 is doubled to cancel the bias magnetic flux.

이 실시예에서도, 반대 방향의 변위가 발생한 경우 제1 내지 제3 코일(230, 240, 250)에 인가되는 전류의 방향을 반대로 하여 이동자(210) 및 회전축(200)의 위치를 정상상태의 위치로 복원할 수 있다.Also in this embodiment, when the displacement in the opposite direction occurs, the position of the mover 210 and the rotating shaft 200 is reversed by reversing the direction of the current applied to the first to third coils 230, 240, and 250. Can be restored.

전술한 실시예들의 디스크 수와 코어의 수는 상기 실시예들에 의해 한정되는 것은 아니고, 회전장치의 크기와 회전축에 가해지는 축방향 하중에 의해 달라질 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 코일과 영구자석이 복수개인 경우, 인접한 코일들의 권선 방향과 인접한 영구자석의 자극 방향은 서로 반대이며, 고정자측에 추가로 권선되는 코일은 인접한 코일과 권선방향을 반대로 하며, 코일의 개수가 셋 이상인 경우 양쪽 외곽의 코일의 권선수에 비해 중앙에 위치되는 코일들의 권선수가 두 배가 되도록 하는 것이 바람직하다.The number of disks and the number of cores of the above-described embodiments are not limited by the above embodiments, but may vary depending on the size of the rotating device and the axial load applied to the rotating shaft. That is, according to the present invention, when there are a plurality of coils and permanent magnets, the winding directions of the adjacent coils and the magnetic poles of the adjacent permanent magnets are opposite to each other, and the coil further wound on the stator side reverses the winding direction of the adjacent coils. When the number of coils is three or more, it is preferable that the number of windings of the coils located in the center is twice as large as the number of windings of the coils on both outer sides.

도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링을 제어하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 도 6은 도 3의 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링(101)과 연결된 시스템이다. 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링(101)은 비접촉 변위센서(102), 제어전류를 제어하는 제어기(103), 제어전류를 형성하는 전력증폭기(104)와 연결된다. 변위센서(102)는 제1 내지 제4 간극(G1, G2, G3, G4)의 크기를 계속적으로 감지하며, 제어기(103)는 변위센서(102)의 감지신호에 따라 제어전류를 결정한다. 전력증폭기(104)는 제어기(103)에서 결정한 제어전류를 제1 코일 및 제2 코일(130, 140)에 공급한다. 제1 및 제2 코일(130, 140)은 서로 연결되어 있기 때문에 하나의 전력증폭기(104)로부터 제어전류를 인가할 수 있다.6 schematically shows a system for controlling a hybrid thrust magnetic bearing in accordance with the present invention. FIG. 6 is a system connected with the hybrid thrust magnetic bearing 101 of FIG. 3. The hybrid thrust magnetic bearing 101 is connected with the non-contact displacement sensor 102, the controller 103 for controlling the control current, and the power amplifier 104 for forming the control current. The displacement sensor 102 continuously detects the sizes of the first to fourth gaps G1, G2, G3, and G4, and the controller 103 determines the control current according to the detection signal of the displacement sensor 102. The power amplifier 104 supplies the control current determined by the controller 103 to the first coil and the second coils 130 and 140. Since the first and second coils 130 and 140 are connected to each other, a control current may be applied from one power amplifier 104.

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 마그네틱 베어링의 일 례를 도시한 모식도,1 is a schematic diagram showing an example of a hybrid thrust magnetic bearing according to the prior art,

도 2는 종래기술에 따른 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링의 다른 례를 도시한 모식도,Figure 2 is a schematic diagram showing another example of a hybrid thrust magnetic bearing according to the prior art,

도 3은 본 발명에 따른 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링의 일 실시예를 도시한 모식도,Figure 3 is a schematic diagram showing an embodiment of a hybrid thrust magnetic bearing according to the present invention,

도 4는 도 3의 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링에 제어자속을 인가한 경우의 자속경로를 도시한 모식도,4 is a schematic diagram showing a magnetic flux path in the case of applying the control magnetic flux to the hybrid thrust magnetic bearing of FIG.

도 5는 본 발명에 따른 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링의 또 다른 실시예를 도시한 모식도, 그리고5 is a schematic diagram showing another embodiment of a hybrid thrust magnetic bearing according to the present invention; and

도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링을 제어하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한 블록도이다.6 is a block diagram schematically illustrating a system for controlling a hybrid thrust magnetic bearing according to the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>Description of the main parts of the drawing

100: 회전축 101: 하이브리드 스러스트 마그네틱 베어링100: axis of rotation 101: hybrid thrust magnetic bearing

102: 변위센서 103: 제어기102: displacement sensor 103: controller

104: 전력증폭기 110: 이동자104: power amplifier 110: mover

111, 112: 스러스트 디스크 113: 영구자석111, 112: thrust disc 113: permanent magnet

120: 고정자 121, 122, 123: 코어120: stator 121, 122, 123: core

124: 고정자본체 130, 140: 코일124: stator body 130, 140: coil

Claims

A mover having a plurality of thrust discs radially extending in a rotational axis of the rotating device and arranged in axial direction and at least one permanent magnet disposed between the thrust discs in a direction parallel to the rotational axis; ;

A stator disposed in parallel in the axial direction, the stator having a plurality of cores arranged to be engaged with a predetermined gap between the plurality of thrust disks, and a main body connecting the plurality of cores;

A plurality of coils wound between the plurality of cores,

The direction and intensity of the current applied to the plurality of coils are controlled such that the gap between each thrust disk and its adjacent core is kept constant.

Hybrid thrust magnetic bearings.

The method of claim 1,

The permanent magnet is two or more,

The magnetic poles of adjacent permanent magnets are opposite to each other.

Hybrid thrust magnetic bearings.

The method of claim 1,

Adjacent coils form magnetic fields in opposite directions

Hybrid thrust magnetic bearings.

The method of claim 3,

The plurality of coils are connected as one, and the coils adjacent to each other are wound such that a control current is applied in opposite directions to each other.

Hybrid thrust magnetic bearings.

The method of claim 4, wherein

The plurality of coils are three or more,

The ratio of the number of turns of the coils wound on both outermost sides of the stator body and the number of turns of the coils other than the outermost coils of the stator body is 1: 2 among the plurality of coils.

Hybrid thrust magnetic bearings.