KR20110102712A - 자기베어링 시스템 - Google Patents

Abstract

회전체의 회전에 의해 발생하는 추력 하중을 지탱하면서 베어링 내부의 공간을 활용할 수 있는 자기베어링 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 자기베어링 시스템은 회전축, 상기 회전축을 축방향으로 마주보는 도체부; 그리고 상기 도체부와 상기 회전축 사이에 위치하여 상기 회전축의 축방향과 평행하도록 착자가 이루어진 고리형의 영구자석을 포함하고, 상기 도체부는 상기 영구자석에 의한 자기장 경로형성에 관여하면서 중앙에는 관통홀이 구비된다. 이와 같은 구성에 의하면, 자기베어링 내부에 공간이 형성되어 단가가 절감되고, 갭센서 등과 같은 다양한 센서들을 상기 관통홀로 쉽게 삽입하여 장착할 수 있어 그 활용성이 증대된다.

Description

자기베어링 시스템{MAGNETIC BEARING SYSTEM}

본 발명은 회전체에 채용되는 자기베어링 시스템에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 회전체로 인하여 발생하는 추력 하중을 지탱하면서 베어링 내부의 공간을 활용할 수 있는 자기베어링 시스템에 관한 것이다.

터보기기와 같이 고속으로 회전하는 회전축 또는 회전체를 구비한 장치에 있어서 회전축 또는 회전체의 회전에 의해 발생하는 추력 하중을 지지하거나 지탱하는 추력 베어링 시스템의 설계가 문제된다. 이때 추력 하중은 회전하는 회전축에 평행하고 축방향에서 축을 밀어내는 경향을 갖는다. 이러한 추력 베어링에는 자기베어링을 포함하여 오일베어링, 가스베어링, 볼베어링 등이 사용된다.

한편 상기와 같은 베어링들을 사용함에 있어서, 고속의 회전으로 인한 높은 추력 하중은 터보기기와 같은 전체 기계 시스템에 적지 않은 손실을 가져다 주며, 이러한 결과로 시스템의 효율이 낮아지고 시스템의 과열문제까지 야기시킨다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 영구자석을 이용하여 회전 시스템에 있어서 추력 하중 용량을 강화하는 장치가 제시되고 있다. 도 1은 종래의 영구자석을 이용하여 추력 하중 용량을 강화하는 자기베어링 시스템을 개략적으로 도시한 단면도이다.

이를 참조하면, 회전하는 회전축(10)을 축방향으로 마주보고 있는 원판형의 영구자석(20)이 구비되고, 상기 영구자석(20)은 내부에 공간이 구비된 고정자(30)에 고정된 체 수용된다. 이때, 상기 영구자석(20)에 의해 발생하는 자기장의 경로는 회전축(10)과 고정자(30)를 통과하여 다시 영구자석(20)으로 돌아오는 형태로 형성된다. 이러한 상기 영구자석(20)과 회전축(10)의 인력 또는 척력으로 인해 회전에 의한 추력 하중을 극복한다.

하지만, 상기와 같은 구조를 가지면 영구자석의 경우 크기가 클 수록 단가가 많이 나가는 특성과, 자기베어링 시스템의 공간 활용이라는 점에 있어서도 영구자석의 크기를 최소화할 필요가 있고, 내부에 갭센서 등과 같은 센서를 장착하는 경우 탈착을 위해서는 시스템 자체를 분리해야 하는 불편함이 야기된다. 따라서 자기베어링 시스템의 내부공간을 적절히 활용하면서 회전 시스템의 추력 하중에 대하여 추력 하중 용량을 강화할 수 있는 자기베어링 시스템이 필요하다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 영구자석의 크기를 최소화 하면서 추력 하중 용량이 강화되는 자기베어링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 자기베어링의 재료의 절감과 다양한 센서들을 부착할 수 있는 공간을 확보하기 위한 내부공간을 구비한 자기베어링 시스템을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 자기베어링 시스템은 회전축, 상기 회전축의 일단과 갭(gap)을 형성하여 마주보며, 중앙에 관통홀이 형성된 고리형의 도체부, 그리고 상기 도체부에 결합되어 상기 회전축의 축방향과 평행하도록 착자가 이루어진 고리형의 영구자석을 포함하고 상기 도체부가 상기 영구자석에 의한 자기장의 경로형성에 기여한다.

그리고, 상기 도체부는 베이스파트, 그리고 상기 베이스파트에 돌출 형성되어 상기 회전축과 갭을 형성하면서 마주보는 돌출파트를 포함한다.

실시예에 따르면, 상기 영구자석은 상기 베이스파트에 위치하고, 상기 돌출파트와 이격되게 배치된다. 반면에 다른 실시예에 따르면, 상기 돌출파트는 상기 도체부의 중심에서 이격되게 돌출 형성된다.

한편, 본발명의 일 실시예에 의한 자기베어링 시스템은 상기 관통홀로 삽입되어 상기 회전축과 상기 도체부 사이의 갭을 측정하는 갭센서를 더 포함한다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면, 첫째, 고리형의 영구자석이 구비되면서 그 착자 방향이 회전축의 축방향과 평행하게 이루어지는바 영구자석에 의해 자기베어링 시스템의 추력 하중 용량은 강화되면서 원판형의 영구자석에 비하여 그 비용이 절감된다.

둘째, 도체부에 관통홀이 형성되는바 갭센서와 같은 센서들을 자유롭게 삽입하여 센싱이 가능하고 도체부와 회전축 사이에 공간이 형성되어 재료의 절감 및 센서의 부착 등 상기 공간이 다양한 용도로 사용될 수 있다.

도 1은 종래의 일 실시예에 따른 자기베어링 시스템을 개략적으로 도시한 단면도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기베어링 시스템을 개략적으로 도시한 단면도, 그리고,
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자기베어링 시스템을 개략적으로 도시한 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 자기베어링 시스템(1)은 회전체에 채용되는 베어링 시스템으로서 회전체가 회전할 때 발생하는 추력 하중을 지탱하면서 회전체를 지지하는 자기베어링 시스템이다. 이러한 자기베어링 시스템(1)은 바람직하게는 고속으로 회전하는 터보기기와 같은 회전기기에 채용된다. 즉, 터보기기의 일단을 지지하면서 추력 하중에 대한 지탱 정도를 강화한다. 좀더 구체적으로 설명하면, 터보기기가 작동하면서 회전축이 고속으로 회전하게 되는데 이때 상기 회전축에는 여러 가지 베어링이 채용된다. 이중, 상기 자기베어링 시스템(1)은 회전축의 일단에 채용되며 회전에 의해 회전축이 축방향으로 힘을 받는 경우에 영구자석에 의한 인력 또는 척력을 이용하여 상기 회전축을 지탱하면서 추력 하중에 대한 지탱력의 정도를 강화하는 시스템이다.

보다 자세한 설명을 위해 도 2를 제시한다. 도 2는 본 발명에 따른 자기베어링 시스템(1)을 도시한 단면도이다. 다만, 도 2에는 회전축(10)의 측면에 위치하는 트러스트 베어링의 도시를 생략하고, 본 발명에 따른 자기베어링 시스템(1)만을 도시하였으며, 이는 도 3의 경우도 마찬가지 이다. 본 발명의 바람직한 일 실시예에 의한 자기베어링 시스템(1)은 회전축(10), 영구자석(100), 그리고 도체부(200)를 포함한다.

회전축(10)은 일반적인 회전기기에 사용되는 회전이 가능한 축을 모두 포함하며 상기 회전축(10)의 회전으로 인해 축방향으로의 추력이 발생한다. 상기 회전체(10)는 도체로 형성됨이 바람직하다. 다만, 회전축(10)이 도체로 형성되지 않고, 도체로 형성된 캡을 회전축(10)의 일단에 씌우는 방법 또한 가능하다. 한편, 이러한 추력을 보상하고 상기 회전축(10)을 일정한 간격을 유지하면서 지탱하기 위해서는 인력 또는 척력이 필요하고, 따라서 상기 회전축(10)의 끝단에 상기 회전축(10)을 축방향으로 마주보면서 영구자석(100)이 구비된다.

영구자석(100)은 고리형으로 회전축(10)의 축방향 끝단에 상기 회전축(10)을 바라보면서 위치한다. 이러한 영구자석(100)의 착자방향은 상기 회전축(10)의 축방향과 평행하도록 이루어진다. 상기와 같은 구조로 상기 영구자석(100)에 의해 발생하는 자기장에 의해 형성되는 자로는 회전축(10)과 도체부(200)를 경유하여 다시 상기 영구자석(100)으로 돌아온다. 이러한 자기장의 형성으로 인하여 상기 영구자석(100)은 상기 회전축(10)에 인력 또는 척력을 발생시키고 이로 인해 상기 회전축(10)에서 발생하는 추력을 보상한다.

도체부(200)는 회전축(10)을 축방향으로 마주보게 구비되면서, 상기 회전축(10)과의 사이에 영구자석(100)을 수용한다. 이러한 도체부(200)는 상기 영구자석(100)에 의한 자기장의 경로형성에 관여한다. 즉, 도체부(200)와 회전축(10)은 일정 범위내의 갭(gap)을 형성하면서 마주보는바 자기장의 경로가 상기 갭(gap)을 통과하면서 형성된다.

도체부(200)는 그 내부 중앙에 관통홀(210)이 형성된다. 상기 관통홀(210)의 형성으로 인해 외부에서 직접 회전축(10)으로의 접근이 용이해진다. 즉, 다양한 센서들을 상기 관통홀(210)을 통하여 탈 부착 할 수 있고, 이러한 과정이 자기베어링 시스템(1)의 분리 없이도 이루어지는바 센서의 채용이 간단하고 용이하다.

실시예에 따르면, 자기베어링 시스템(1)은 갭센서(300)를 더 포함한다. 상기 갭센서(300)는 도체부(200)에 형성된 관통홀(210)에 삽입되어 회전축(10)과 상기 도체부(200) 사이의 갭을 측정하는 것으로 예시한다. 따라서 상기 자기베어링 시스템(1)이 채용된 터보기기 등에서 별도의 갭센서(300)를 구비할 필요 없이 필요에 따라 상기 관통홀(210)을 통하여 갭센서(300)를 선택적으로 삽입하여 센싱할 수 있는 것이다.

도체부(200)는 베이스파트(220), 그리고 돌출파트(230)을 포함한다. 상기 돌출파트(230)는 상기 베이스파트(220)와 연결되면서 회전축(10)과 일정 범위내의 갭(gap)을 형성하면서 마주보게 구비된다. 즉, 상기 돌출파트(230)가 회전축(10)으로 또는 회전축(10)으로부터 경유되는 자기장 경로의 형성에 관여하기 위하여 회전축(10)과 마주보게 구비되는 것이다.

이때, 영구자석(100)은 상기 베이스파트(220)와 상기 회전축(10) 사이에 위치하면서 상기 돌출파트(230)와 이격되게 배치된다. 결국, 상기 영구자석(100)의 형상은 고리형이고 따라서 상기 영구자석(100)의 내부에 상기 돌출파트(230)와의 사이에서 일정한 공간이 형성되는 것이다. 이러한 공간의 형성은 불필요한 재료의 낭비를 줄이고 또는 다양한 센서들을 부착할 수 있는 공간으로 활용될 수 있다.

다른 실시예에 따르면 상기 돌출파트(230)는 도체부(200)의 중심에서 이격되게 구비된다. 보다 자세한 설명을 위해 도 3을 제시한다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예 에 따른 자기베어링 시스템(1)을 도시한 단면도이다.

돌출파트(230)가 도체부(200)의 중심에서 이격되게 배치되는 경우에는 도체부(200)의 중심부와 회전체(10)와의 사이에 더 큰 공간이 형성된다. 따라서 관통홀(210)에 갭센서(300)가 삽입된 경우에도 도체부(200)의 내부에는 갭센서(300)의 주위로 공간이 형성된다. 이러한 공간은 센서의 종류나 필요에 따라 다양하게 활용될 수 있다. 다만 이때에도 상기 돌출파트(230)가 회전체(10)와 일정한 범위 내에서 갭을 형성하면서 배치되는바, 영구자석(100)에 의해 형성되는 자기장의 경로에는 큰 변화가 없다. 즉, 자기베어링 시스템(1)의 추력 하중 용량에는 큰 변화가 없다.

상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 자기베어링 시스템(1)의 작동관계를 도 2 및 도 3을 참고하여 설명한다.

회전시스템에서 고속으로 회전하는 회전축(10)에 의해서 상기 회전축(10)은 축방향으로 발생하는 추력에 영향을 받는다. 일반적으로 자기베어링 시스템(1)이 채용된 방향과 반대 방향으로 추력이 작용하는 것으로 예시한다. 따라서 이러한 추력이 작용하는 방향과 반대되는 방향으로 회전축(10)을 지탱해주는 힘이 필요하고 본 발명에 따른 자기베어링 시스템(1)은 영구자석(100)의 인력을 이용한다.

한편, 고리형의 영구자석(100)은 착자방향이 회전축(10)의 축방향과 평행하고 상기 영구자석(100)과 도체부(200)의 돌출파트(230)는 회전축(10)과 일정한 범위 내에서 갭을 형성하면서 마주보게 배치되는바, 상기 영구자석(100)에 의한 자기장의 형성 경로는 회전축(10)과 도체부(200)를 경유하게 된다. 이로 인한 인력으로 자기베어링 시스템(1)의 추력 하중 용량은 강화된다.

뿐만 아니라, 영구자석(100)의 형상이 고리형으로 형성됨으로 인하여 그 내부에 다양하게 활용될 수 있는 공간이 형성되고, 도체부(200)는 중앙에 관통홀(210)이 형성되는바 필요에 따라 갭센서(300)를 삽입 장착 할 수 있어, 활용도가 증대된다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

1: 자기베어링 시스템 100: 영구자석
200: 도체부 210: 관통홀
220: 베이스파트 230: 돌출파트
300: 갭센서

Claims (5)

1. 회전축;
   상기 회전축의 일단과 갭(gap)을 형성하여 마주보며, 중앙에 관통홀이 형성된 고리형의 도체부; 및
   상기 도체부에 결합되어 상기 회전축의 축방향과 평행하도록 착자가 이루어진 고리형의 영구자석;
   을 포함하고,
   상기 도체부가 상기 영구자석에 의한 자기장의 경로형성에 기여하는 자기베어링 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 도체부는,
   베이스파트; 및
   상기 베이스파트에 돌출 형성되어 상기 회전축과 갭을 형성하면서 마주보는 돌출파트;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기베어링 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 영구자석은 상기 베이스파트에 위치하고, 상기 돌출파트와 이격되게 배치된 것을 특징으로 하는 자기베어링 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 돌출파트는 상기 도체부의 중심에서 이격되게 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 자기베어링 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 관통홀로 삽입되어 상기 회전축과 상기 도체부 사이의 갭을 측정하는 갭센서를 더 포함한 것을 특징으로 하는 자기베어링 시스템.

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