KR20110099825A - 능동형 자기 베어링 - Google Patents

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KR20110099825A
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Abstract

능동형 자기 베어링은 베어링 하우징, 베어링 고정자, 베어링 전기자, 위치 감지부, 재킷 및 스트레스 완충부재를 포함한다. 베어링 고정자는 상기 베어링 하우징에 수용되어 로터(rotor)의 회전을 자력을 이용해서 지지한다. 베어링 전기자는 상기 베어링 고정자와 간격을 두고 배치되고, 상기 로터에 고정된다. 위치 감지부는 상기 베어링 하우징에 설치되어 상기 로터의 위치를 감지한다. 재킷은 베어링 고정자와 상기 베어링 전기자 사이에 개재되어 상기 베어링 고정자와 상기 베어링 하우징 사이의 공간을 밀폐시킨다. 스트레스 완충부재는 재킷과 베어링 하우징 사이에 연결되어 베어링 하우징과 재킷 간의 열팽창계수 및 온도 차이로 인해 발생되는 스트레스를 완충시킨다.

Description

능동형 자기 베어링{ACTIVE MAGNETIC BEARING}
본 발명은 능동형 자기 베어링에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 로터의 회전을 자력을 이용해서 지지하는 능동형 자기 베어링에 관한 것이다.
일반적으로, 모터와 같이 회전축을 갖는 회전 기기에는 회전축을 지지하기 위한 베어링이 사용된다. 베어링은 볼 베어링, 공기 베어링, 유체 베어링, 자기 베어링 등이 있다.
자기 베어링은 회전축의 회전을 자력을 이용해서 지지한다. 따라서, 자기 베어링은 자력을 발생시키는 전자석, 전자석에서 발생된 자력에 의해 부상된 회전축의 위치를 감지하는 센서를 포함한다.
또한, 전자석의 기계적 강도를 강화시키기 위해, 포팅 화합물(potting compound)이 베어링 하우징과 전자석 사이의 공간에 충진된다. 전자석 및 센서가 화학적인 물질 등에 의한 오염이 문제가 될 경우 상기 공간을 밀봉시킬 필요가 있으며 이를 위해, 재킷을 사용하여 베어링의 내부를 밀봉할 수 있다.
여기서, 고온이나 저온 등의 환경에 노출 될 경우 베어링 하우징과 재킷 간의 열팽창계수 및 온도 차이로 인하여 강한 스트레스가 재킷에 인가될 수 있다.
종래의 일반적인 재킷은 스트레스를 완화시킬 수 있는 구조를 갖고 있지 못하므로, 재킷에 균열이 발생되거나 심지어 파손되어 리크가 발생되는 문제가 있다.
본 발명은 베어링 하우징과 재킷 간의 열팽창계수 및 온도 차이에 의해 발생된 스트레스를 완화시킬 수 있는 구조를 갖는 능동형 자기 베어링을 제공한다.
본 발명의 일 견지에 따른 능동형 자기 베어링은 베어링 하우징, 베어링 고정자, 베어링 전기자, 위치 감지부, 재킷 및 스트레스 완충부재를 포함한다. 베어링 고정자는 상기 베어링 하우징에 수용되어 로터(rotor)의 회전을 자력을 이용해서 지지한다. 베어링 전기자는 상기 베어링 고정자와 간격을 두고 배치되고, 상기 로터에 고정된다. 위치 감지부는 상기 베어링 하우징에 설치되어 상기 로터의 위치를 감지한다. 재킷은 상기 베어링 고정자와 상기 베어링 전기자 사이에 개재되어 상기 베어링 고정자와 상기 베어링 하우징 사이의 공간을 밀폐시킨다. 스트레스 완충부재는 재킷의 양단부와 상기 베어링 하우징 사이에 연결되어, 상기 베어링 하우징과 상기 재킷 간의 열팽창계수 및 온도 차이로 인해 발생된 스트레스를 완충시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스트레스 완충부재는 상기 재킷의 축방향을 따라 굴곡진 형상을 갖는 벨로우즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 재킷은 윤활유의 이동 통로를 가질 수 있다. 이때, 재킷은 자기부상베어링에 있어서 필요한 터치다운베어링의 역할을 부가적으로 수행하며, 필요시 유체압력이나 일부 접촉에 의한 반발력을 발생시키는 보조베어링으로서의 역할을 담당한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 재킷은 상기 베어링 고정자에 고정된 중앙부, 및 상기 중앙부로부터 연장되어 상기 스트레스 완충부재가 연결된 가장자리부를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 베어링 고정자는 상기 베어링 하우징과 상기 재킷 사이에 개재된 요크(yoke), 및 상기 요크에 설치된 전자석을 포함할 수 있다. 상기 전자석은 상기 재킷의 자동 조심 회전을 위한 모먼트를 발생시킬 수 있도록 한 쌍으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 능동형 자기 베어링은 상기 위치 감지부와 베어링 고정자를 제어하는 전자 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 견지에 따른 능동형 자기 베어링은 베어링 하우징, 요크, 전자석, 베어링 전기자, 위치 감지부, 재킷, 벨로우즈 및 전자 제어부를 포함한다. 요크는 상기 베어링 하우징에 수용된다. 전자석은 상기 요크에 설치되어, 로터(rotor)의 회전을 자력을 이용해서 지지한다. 베어링 전기자는 상기 전자석과 간격을 두고 배치되고, 상기 로터에 고정된다. 위치 감지부는 상기 베어링 하우징에 설치되어 상기 로터의 위치를 감지한다. 재킷은 상기 위치 감지부와 상기 베어링 전기자 사이에 개재되어 상기 베어링 고정자와 상기 베어링 하우징 사이의 공간을 밀폐시킨다. 벨로우즈는 재킷과 베어링 하우징 사이에 연결되어 상기 베어링 하우징과 재킷 간의 열팽창계수 및 온도 차이로 인해 발생되는 스트레스를 완충시킨다. 전자 제어부는 위치 감지부와 상기 전자석을 제어한다.
본 발명에 따르면, 재킷이 스트레스 완충부를 갖고 있으므로, 재킷과 베어링 하우징 간의 열팽창계수 및 온도 차이로 인해 발생되는 스트레스가 스트레스 완충부재에 의해 완화된다. 따라서, 재킷에 인가되는 스트레스가 감소되므로, 재킷의 밀봉 구조가 강화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 자기 베어링을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 도 1의 능동형 자기 베어링의 재킷과 스트레스 완충부재를 확대해서 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 능동형 자기 베어링을 나타낸 단면도이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 고안의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 위에 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 바로 위에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 아래에 있다고 할 경우, 이는 다른 부분 바로 아래에 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 능동형 자기 베어링을 나타낸 단면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ' 선을 따라 절단한 단면도이며, 도 3은 도 1의 능동형 자기 베어링의 재킷과 스트레스 완충부재를 확대해서 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 능동형 자기 베어링(100)은 베어링 하우징(110), 베어링 고정자(bearing stator)(120), 베어링 전기자(bearing armature)(140), 위치 감지부(150), 전자 제어부(160), 재킷(170) 및 스트레스 완충부재(180)를 포함한다.
베어링 하우징(110)은 양측면이 막힌 실린더 형상이다. 따라서, 베어링 하우징(110)은 대략 원통형의 내부 공간을 갖는다.
베어링 고정자(120)는 베어링 하우징(110)의 내부 공간에 수용된다. 베어링 고정자(120)는 베어링 하우징(110)의 내부 공간에 수용된 요크(122), 및 요크(122)에 설치된 전자석(124)을 포함한다. 전자석(124)에서 발생된 자력에 의해 회전 기기의 회전체인 로터(130)의 회전이 지지를 받게 된다.
베어링 전기자(140)는 베어링 고정자(120)와 대향 배치된다. 본 실시예에서, 베어링 전기자(140)는 베어링 고정자(120)로부터 미세한 간격을 두고 배치된다. 베어링 전기자(140)는 로터(130)에 결합된다.
위치 감지부(150)는 자력에 의해 부상된 로터(130)의 위치를 감지한다. 위치 감지부(150)는 베어링 하우징(110)에 설치된다.
전자 제어부(160)는 위치 감지부(150)와 전자석(124)에 전기적으로 연결되어, 위치 감지부(150)와 전자석(124)의 동작들을 제어한다.
재킷(170)이 베어링 고정자(120)와 베어링 전기자(140) 사이에 개재된다. 본 실시예에서, 재킷(170)은 요크(122)와 베어링 하우징(110)에 고정되어, 베어링 하우징(110)의 내부 공간을 외부와 격리시킨다. 재킷(170)은 일반적으로 비자성체로 사용되며 일부 전자석의 자기력을 증가시키기 위해 자성 물질을 포함할 수 있다.
본 실시예에서, 재킷(170)은 얇은 두께를 갖는 원통 형상이다. 이러한 형상의 재킷(170)이 보조적으로 유체 윤활 베어링 역할을 할 수 있도록 하기 위해서, 윤활유의 이동 통로(172)가 재킷(170)에 형성된다. 구체적으로, 이동 통로(172)는 베어링 전기자(140)에 맞대어지는 재킷(170)의 내측면에 재킷(170)의 축방향을 따라 형성될 수 있다.
스트레스 완충부재(180)가 재킷(170)의 양단부와 베어링 하우징(110) 사이에 연결된다. 스트레스 완충부재(180)는 재킷(170)과 베어링 하우징(110) 간의 열팽창계수 및 온도 차이로 인해 발생되는 스트레스를 완충시키는 기능을 갖는다. 즉, 스트레스 완충부재(180)는 스트레스가 재킷(170)에 인가되는 것을 억제하여, 재킷(170)의 손상 또는 파손을 방지한다. 본 실시예에서, 스트레스 완충부재(180)는 재킷(170)의 축방향을 따라 형성된 굴곡진 형상을 가질 수 있다. 예를 들면, 스트레스 완충부재(180)는 벨로우즈 형상을 가질 수 있다.
포팅 화합물(potting compound)(180)이 베어링 하우징(110)과 베어링 고정자(120) 및 재킷(170)에 의해 형성된 내부 공간에 채워진다. 포팅 화합물(180)은 전자석(124)의 결합 강도를 강화시키는 역할을 한다.
본 실시예에 따르면, 재킷과 베어링 하우징 간의 열팽창계수 및 온도 차이로 인해 발생되는 스트레스가 스트레스 완충부재에 의해 완화된다. 따라서, 재킷에 인가되는 스트레스가 감소되므로, 재킷의 밀봉 구조가 강화될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 능동형 자기 베어링을 나타낸 단면도이다.
본 실시예에 따른 능동형 자기 베어링(100a)은 베어링 하우징과 베어링 고정자를 제외하고는 도 1에 도시된 능동형 자기 베어링(100)과 실질적으로 동일한 구성요소들을 포함한다. 따라서, 동일한 구성요소들은 동일한 참조부호들로 나타내고, 또한 동일한 구성요소들에 대한 반복 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 본 실시?? 따른 능동형 자기 베어링(100a)의 베어링 하우징(110a)은 라운딩부(118a)를 갖는다에 형성된다. 라운딩부(118a)는 베어링 고정자(120a)와 접촉하는 베어링 하우징(110a)의 내측면에 반경 방향을 향해 형성된다.
베어링 고정자(120a)는 베어링 하우징(110a)의 내부 공간에 수용된 요크(122a), 및 요크(122a)에 설치된 2개의 전자석(124a)들을 포함한다. 요크(122a)는 베어링 하우징(110a)의 라운딩부(118a)에 접촉한다. 따라서, 요크(122a)는 라운딩부(118a)의 곡률과 대응하는 곡률을 갖는 반경 방향을 향해 볼록한 형상을 가질 수 있다.
재킷(170)의 자동 조심 회전이 가능하도록 하기 위해서는, 모먼트가 발생될 것이 요구된다. 따라서, 2개의 전자석(124a)들이 요크(122a)의 플랜지부들 각각에 설치된다. 2개의 전자석(124a)들은 전자 제어부(160)에 의해 별도로 제어되어, 각 전자석(124a)들에서 발생되는 전자력들 간에 차이가 발생된다. 따라서, 전자력들 간의 차이에 의해 재킷(170)의 자동 조심 회전을 가능하게 하는 모우멘트가 발생될 수 있다.
또한, 전자석(124a)이 2개이므로, 이러한 전자석(124a)들의 동작을 제어하기 위한 한 쌍의 위치 감지부(150a)들이 전자석(124a)들을 둘러싸도록 요크(122a)에 부착된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 ; 베어링 하우징 120 ; 베어링 고정자
130 ; 로터 140 ; 베어링 전기자
150 ; 위치 감지부 160 ; 전자 제어부
170 ; 재킷 180 ; 스트레스 완충부재

Claims (8)

  1. 베어링 하우징;
    상기 베어링 하우징에 수용되어 로터(rotor)의 회전을 자력을 이용해서 지지하는 베어링 고정자(bearing stator);
    상기 베어링 고정자와 간격을 두고 배치되고, 상기 로터에 고정된 베어링 전기자(bearing armature);
    상기 베어링 하우징에 설치되어 상기 로터의 위치를 감지하는 위치 감지부(position detector);
    상기 베어링 고정자와 상기 베어링 전기자 사이에 개재되어 상기 베어링 고정자와 상기 베어링 하우징 사이의 공간을 밀폐시키는 재킷; 및
    상기 재킷의 양단부와 상기 베어링 하우징 사이에 연결되어, 상기 베어링 하우징과 상기 재킷 간의 열팽창계수 및 온도 차이로 인해 발생된 스트레스를 완충시키는 스트레스 완충부재(stress-buffering member)를 포함하는 능동형 자기 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 스트레스 완충부재는 상기 재킷의 축방향을 따라 굴곡진 형상을 갖는 벨로우즈를 포함하는 능동형 자기 베어링.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 재킷은 윤활유의 이동 통로를 갖는 능동형 자기 베어링.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 재킷은
    상기 베어링 고정자에 고정된 중앙부; 및
    상기 중앙부로부터 연장되어 상기 스트레스 완충부재가 연결된 가장자리부를 포함하는 능동형 자기 베어링.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 베어링 고정자는
    상기 베어링 하우징과 상기 재킷 사이에 개재된 요크(yoke); 및
    상기 요크에 설치된 전자석을 포함하는 능동형 자기 베어링.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 전자석은 상기 재킷의 자동 조심 회전을 위한 모먼트를 발생시킬 수 있도록 한 쌍으로 이루어진 능동형 자기 베어링.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 위치 감지부와 베어링 고정자를 제어하는 전자 제어부를 더 포함하는 능동형 자기 베어링.
  8. 베어링 하우징;
    상기 베어링 하우징에 수용된 요크(yoke);
    상기 요크에 설치되어, 로터(rotor)의 회전을 자력을 이용해서 지지하는 전자석;
    상기 전자석과 간격을 두고 배치되고, 상기 로터에 고정된 베어링 전기자(bearing armature);
    상기 베어링 하우징에 설치되어 상기 로터의 위치를 감지하는 위치 감지부;
    상기 위치 감지부와 상기 베어링 전기자 사이에 개재되어 상기 베어링 고정자와 상기 베어링 하우징 사이의 공간을 밀폐시키는 재킷;
    상기 재킷의 양단부와 상기 베어링 하우징 사이에 연결되어, 상기 베어링 하우징과 상기 재킷 간의 열팽창계수 및 온도 차이로 인해 발생되는 스트레스를 완충시키는 벨로우즈; 및
    상기 위치 감지부와 상기 전자석을 제어하는 전자 제어부를 포함하는 능동형 자기 베어링.
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