KR20120085109A - 베어링의 동특성 측정 장치, 동특성 분석 시스템 및 베어링의 동특성 분석 방법 - Google Patents

베어링의 동특성 측정 장치, 동특성 분석 시스템 및 베어링의 동특성 분석 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치는 중공이 구비되고, 고정자를 포함하는 모터 하우징과, 양단에 순철코어가 배치되는 영구자석을 포함하고, 에어포일베어링(Air foil bearing)에 의해 지지되며, 상기 중공에 삽입되는 로터와, 상기 로터의 양단에 배치되어, 상기 로터를 가진하도록 형성되는 전자석 및 상기 가진으로 인한 로터의 변위차를 측정할 수 있도록 형성되는 센서를 포함함으로써, 보다 용이하게, 고속 작동시의 베어링의 동특성을 분석할 수 있는 시스템을 제공한다.

Description

베어링의 동특성 측정 장치, 동특성 분석 시스템 및 베어링의 동특성 분석 방법{DYNAMIC CHARACTERISTICS MEASURING APPARATUS OF BEARING, DYNAMIC CHARACTERISTICS ANALYSING SYSTEM AND DYNAMIC CHARACTERISTICS ANALYSING METHOD OF BEARING}
본 발명의 실시예들은 고속영역에서 사용되는 베어링의 동특성을 분석할 수 있는 베어링의 동특성 측정 장치, 동특성 분석 시스템 및 베어링의 동특성 분석 방법에 관한 것이다.
큰 부하를 갖고, 고온 고속에서 작동할 수 있는 베어링에는 에어포일베어링이 있다. 에어포일베어링은 축(로터)이 회전함에 따라 축과 베어링 사이에 압력이 발생되어 부상하는 원리를 이용한 것이다. 즉, 베어링 내의 자체 압력으로 인하여 힘이 발생하며, 이 힘이 외부에서 가해지는 하중을 지지하는 역할을 하게 되어 하중 이상의 공기압이 발생하여 회전체가 부상하게 된다. 이러한 에어포일 베어링은 저속에서의 충분한 지지력을 갖을 수 있는지, 그리고 고속에서 회전 진동을 최소화할 수 있는 지가 문제가 된다.
큰 부하 상태에서 동작하는 고속 회전체와 베어링을 개발하기 위해서는 설계단계에서 동작속도 및 부하조건에 대한 회전체 동역학적 위험속도 및 안정성 해석이 가능해야한다. 이를 위해서는 회전속도에 대한 베어링의 강성(stiffness) 및 감쇠계수(damping coefficient) 등의 동특성 데이터가 필요하다.
본 발명의 일실시예들은, 베어링의 동특성을 분석하기 위한 장치 및 시스템을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 일실시예들은 베어링의 동특성 분석 시스템을 이용한 베어링의 동특성을 분석하는 방법을 제공하기 위한 것이다.
그리고, 본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 본 발명의 해결 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치는 중공이 구비되고, 고정자를 포함하는 모터 하우징과, 양단에 순철코어가 배치되는 영구자석을 포함하고, 에어포일베어링(Air foil bearing)에 의해 지지되며, 상기 중공에 삽입되는 로터와, 상기 로터의 양단에 배치되어, 상기 로터를 가진하도록 형성되는 전자석 및 상기 가진으로 인한 로터의 변위차를 측정할 수 있도록 형성되는 센서를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 로터는 상기 영구자석 및 상기 순철코어가 배치되는 원통형 슬리브를 포함한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 전자석은 상기 로터의 회전 중심을 기준으로 양측에 한 쌍으로 구비된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 전자석은, U 자형의 전자석 코어의 양 끝단이 상기 로터에 근접하도록 배치된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 전자석 코어는, 근접한 상기 로터와 함께 자로를 형성한다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 전자석 코일이 상기 로터에 근접하도록 배치되는 상기 전자석 코어의 가지부의 외주면을 감싸도록 형성된다.
본 발명과 관련한 일 예에 따르면, 상기 센서는 상기 로터의 X 방향과 Y 방향의 변위차를 각각 측정할 수 있도록, 상기 로터를 중심으로 서로 직각으로 복수로 배치된다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 가진으로 인한 로터의 변위차를 측정할 수 있도록 형성되는 센서를 포함하는 베어링의 동특성 측정 장치와, 상기 센서에서 생성된 전기신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호처리부와, 상기 신호처리부로부터 습득된 진동에 관한 데이터를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하고, 상기 베어링의 동특성 측정 장치는, 중공이 구비되고, 고정자를 포함하는 모터 하우징과, 양단에 순철코어가 배치되는 영구자석을 포함하고, 에어포일베어링에 의해 지지되며, 상기 중공에 삽입되는 로터 및 상기 로터의 양단에 배치되어, 상기 로터를 가진하도록 형성되는 전자석을 포함하는 동특성 분석 시스템을 개시한다.
또한 상기한 과제를 실현하기 위하여 본 발명은, 베어링에 의해 지지되는 로터를 포함하는 모터를 구동시키는 단계와, 상기 로터에 근접하여 배치된 전자석 코어가 상기 로터를 가진할 수 있도록, 상기 전자석 코어를 감싸는 전자석 코일에 기설정된 주파수를 갖는 전류를 공급하는 단계와, 가진된 상기 로터의 횡방향변위차를 센싱하는 단계 및 상기 센싱된 전기신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 단계를 포함하는 베어링의 동특성 분석 방법을 개시한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 관련된 동특성 분석장치는 보다 용이하게, 고속 작동시의 베어링의 동특성을 분석할 수 있는 시스템을 제공한다.
또한, 회전체의 병진모드 뿐만 아니라 원추모드를 주파수 소인방법으로 가진할 수 있으므로 베어링의 동특성을 보다 정확하게 얻어낼 수 있다. 본 베어링 동특성 측정장치를 이용하여 얻어낸 베어링의 강성과 댐핑계수 등을 이용하여 초고속 회전체-베어링계의 안정성과 불평형 응답을 예측할 수 있다. 또한 기존의 해석적방법을 이용한 베어링 동특성 예측을 본 실험장치를 이용하여 검증함으로써 베어링 설계/해석 기술을 확립하는데 활용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치 중 모터 및 전자석의 결합관계를 도시한 개념도.
도 2는 도 1의 측면도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치의 개념도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치의 외형을 도시한 개념도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치에서 전자석을 이용하여 상하방향 가진하는 경우의 사시도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치에서 전자석을 이용하여 좌우방향 가진하는 경우의 사시도.
도 7은 도 5의 베어링의 동특성 측정 장치와 안전 커버 부착시의 개념도.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 분석 시스템의 구성도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 분석 시스템을 이용하여 베어링에 X방향 가진시의 주파수 응답을 도시한 그래프.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 분석 시스템을 이용하여 베어링에 Y방향 가진시의 주파수 응답을 도시한 그래프.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 분석 시스템을 이용하여 베어링의 동특성을 분석한 결과를 도시한 그래프.
이하, 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치, 동특성 분석 시스템 및 베어링의 동특성 분석 방법에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치 중 모터 및 전자석의 결합관계를 도시한 개념도이고, 도 2는 도 1의 측면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치의 개념도이다.
도시한 바와 같이, 베어링의 동특성 측정 장치는 모터(10), 로터(30), 전자석(50) 및 센서(40)를 포함한다. 모터(10)는 중공을 구비하는 모터 하우징과 모터 하우징의 내주면에 배치되는 고정자(11)를 포함하여 형성되고, 상기 중공에 로터(30)가 삽입된다. 로터(30)는 원통형 슬리브(31) 내에 영구자석(32) 및 순철 코어(33)가 내삽되어 형성된다. 영구자석(32)은 원활한 회전을 위해, 로터(30)의 중심에 배치되는 것이 바람직하고, 영구자석(32)의 좌우 측면에는 순철코어(33)가 배치된다. 로터(30)는 모터 하우징의 양단에 배치되는 에어포일 베어링(20)에 의하여 지지된다.
초고속 회전체에 사용되는 베어링의 동특성을 측정하기 위해서는 특정한 수단을 사용하여 회전체를 가진시킨 후 가진에 의한 변위를 측정하여야한다. 저속의 회전체인 경우 임팩트 헤머를 사용하여 타격하고 고속의 경우에는 공기총을 사용하여 타격하는 방법이 있다. 그러나 임팩트를 가하는 방법은 회전체의 한쪽 부분만 가진을 시킬 수 있으므로 회전체의 원추모드(Conical mode)만 가진이 가능하며 병진모드(Translational mode)는 가진이 불가능한 단점이 있다. 또한 고속회전체를 타격하는 것은 불가능하다.
이를 위해, 본 발명의 일실시예에서는, 원추모드뿐 아니라 병진모드로도 가진할 수 있도록, 전자석(50)을 이용한 가진 장치를 구현하였다. 전자석(50)으로 회전체를 가진하면 초고속 회전체에 대해서도 비접촉으로 가진할 수 있으므로 회전체-베어링에 손상이 가지 않으며 주파수 소인 방식으로 일정 주파수 범위의 회전체-베어링계의 주파수 응답(FRF, Frequency response function)을 측정할 수 있으므로 베어링의 강성 및 댐핑계수를 보다 정확히 측정할 수 있다.
전자석(50)을 이용하여 회전체(로터)를 가진하기 위해서 회전체 내부에 자로를 형성할 수 있어야한다. 이를 위해 원통형 슬리브(31)내에 순철 코어(33)를 열박음하여 형성하였다. 그리고, 병진모드 또는 회전모드시 원활한 가진을 위해 회전체의 한 쪽당 전자석(50)을 2개씩 위치시켜, 모두 4개의 전자석(50)을 배치하였다. 전자석(50)에 사인파 전류를 인가하면 자속에 의한 힘도 사인형태로 가해진다. 회전체의 양단에 가하는 전류의 위상을 동일하게 하면 회전체의 병진모드가 가진되며, 양단에 가하는 전류를 180도 위상차를 가지도록 가하면 회전체의 원추모드가 가진된다. 이 경우 회전체의 양단의 X, Y방향에 각각 센서(갭센서)를 부착시켜 회전체의 X, Y방향 변위를 측정할 수 있었다.
가진용 전자석(50)을 회전체에 배치하는 방법으로는 Heteropolar 방식과 Homopolar방식이 있다. Heteropolar 방식으로 전자석(50)을 배치할 경우 회전체에 흐르는 자속이 계속 변하기 때문에 와전류가 발생하여 회전체의 온도가 크게 상승하는 문제가 있으나 Homopolar방식은 회전체의 자속이 변하지 않기 때문에 전자석(50)에 의한 회전체 온도영향이 거의 없기 때문에 Homopolar 방식으로 전자석(50)을 설계하였다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르면, 로터(30)를 가진시키기 위해 전자석(50)은 로터(30)에 근접하게 배치된다. 전자석(50)은 전자석 코어(52)와 전자석 코일(51)을 포함하고, 전자석 코어(52)는 'U' 자 형태를 갖고, 상기 전자석 코어(52)의 중심으로부터 갈라지는 가지부(branch, 53) 부분의 어느 일단에 전자석 코일(51)이 배치된다. 그리고, 전자석 코어(52)의 양 끝단은 상기 로터(30)에 근접하여 배치되어, 전자석 코어(52) 및 순철 코어(33)가 자로(Flux path)를 형성한다.
센서(40)는 전자석(50)을 이용한 로터(30)의 가진시 원래의 위치에서 횡방향으로 요동하는 변위차를 측정하기 위하여, 베어링과 전자석(50)의 사이에 배치된다. 가진시, X 방향과 Y 방향으로의 변위차를 측정하기 위하여, 로터(30)를 중심으로 서로 직각으로 배치된다.
도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치는 균일한 힘을 회전체의 양단에 가하고 정확하게 변위를 측정할 수 있도록, 전자석(50)과 로터(30), 센서(40)와 로터(30) 사이의 간극이 정확한 값을 갖도록 설치하여야 한다. 이를 위해 전자석(50)과 센서(40)는 횡방향 지지대(62)에 의해 지지되는 횡방향 스테이지(X-Y stage, 61)를 이용하여 회전체와의 간극을 미세하게 조절할 수 있도록 하였다. 또한 회전체에 대한 전자석(50)의 가진이 수직방향뿐만 아니라 수평방향으로도 수행되면서 측정할 수 있어야하는데, 이를 위해 전자석(50) 및 센서(40) 부분을 쉽게 회전시킬 수 있도록 로터리 지지대(72)에 의해 지지되는 로터리 스테이지(Rotary stage, 71)를 이용하였다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치의 외형을 도시한 개념도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치에서 전자석(50)을 이용하여 상하방향 가진하는 경우의 사시도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 측정 장치에서 전자석(50)을 이용하여 좌우방향 가진하는 경우의 사시도이고, 도 7은 도 5의 베어링의 동특성 측정 장치와 안전 커버 부착시의 개념도이다.
도시한 바와 같이, 로터리 스테이지(71)를 구현함으로써, 상하 방향 뿐만 아니라 좌우 방향으로도 로터(회전체)를 가진할 수 있도록 하였다. 또한 베어링의 동특성 측정시 불필요한 사고를 예방하기 위하여, 베어링의 동특성 측정 장치에 안전 커버를 착탈할 수 있도록, 구성하였다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 분석 시스템의 구성도이다. 본 실시예에서는 앞선 실시예와 동일 또는 유사한 구성에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다. 도시한 바와 같이, 베어링의 동특성 분석 시스템은 동특성 측정 장치, 신호처리부(80) 및 디스플레이부(90)를 포함한다.
신호처리부(80)는 센서부에서 생성된 전기신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 이를 위해, 도 8에서 도시된 바와 같이, 신호처리부(80)는 잡음제거부(잡음제거필터), 신호증폭부(신호증폭회로), AD (Analogue Digital) 변환부 및 연산부를 포함하여 구성됨이 바람직하다. 연산부는 통상의 컴퓨터의 중앙처리장치일 수 있으며, 추가로 데이터 저장부 등을 포함할 수 있다. 디스플레이부(90)는 상기 신호처리부(80)로부터 습득된 변위차에 관한 데이터를 디스플레이하며, 통상의 모니터 수단으로 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 분석 시스템을 이용하여, 베어링의 동특성을 분석하는 방법을 설명한다.
우선, 베어링(20)에 의해 지지되는 로터(30)를 포함하는 모터(10)를 구동시킨다. 그리고, 상기 로터(30)에 근접하여 배치된 전자석 코어(52)가 상기 로터(30)를 가진할 수 있도록, 상기 전자석 코어(52)를 감싸는 전자석 코일(51)에 기설정된 주파수를 갖는 전류를 공급한다. 이후, 가진된 상기 로터(30)의 횡방향변위차를 센싱하고, 센싱된 전기신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력한다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 분석 시스템을 통해 베어링의 동특성을 분석한 결과이다. 도 9는 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 분석 시스템을 이용하여 베어링에 X방향 가진시의 주파수 응답을 도시한 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 분석 시스템을 이용하여 베어링에 Y방향 가진시의 주파수 응답을 도시한 그래프이고, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 분석 시스템을 이용하여 베어링의 동특성을 분석한 결과를 도시한 그래프이다. 도 9 내지 도 11에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따르는 베어링의 동특성 분석장치에 의하면, 보다 용이하게, 베어링의 성능에 영향을 미치는 주요 파라미터인 회전 속도, 회전 불평형, 공기 압력, 부하 용량 및 축 변형 등이 베어링의 동특성에 미치는 영향을 체계적으로 분석할 수 있다.
상기와 같이 설명된 베어링의 동특성 측정 장치, 동특성 분석 시스템 및 베어링의 동특성 분석 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

Claims (9)

  1. 중공이 구비되고, 고정자를 포함하는 모터 하우징;
    양단에 순철코어가 배치되는 영구자석을 포함하고, 에어포일베어링(Air foil bearing)에 의해 지지되며, 상기 중공에 삽입되는 로터;
    상기 로터의 양단에 배치되어, 상기 로터를 가진하도록 형성되는 전자석; 및
    상기 가진으로 인한 로터의 변위차를 측정할 수 있도록 형성되는 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링의 동특성 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로터는 상기 영구자석 및 상기 순철코어가 배치되는 원통형 슬리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링의 동특성 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자석은 상기 로터의 회전 중심을 기준으로 양측에 한 쌍으로 구비되는 것을 특징으로 하는 베어링의 동특성 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전자석은, U 자형의 전자석 코어의 양 끝단이 상기 로터에 근접하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링의 동특성 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전자석 코어는, 근접한 상기 로터와 함께 자로를 형성하는 것을 특징으로 하는 베어링의 동특성 측정 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    전자석 코일이 상기 로터에 근접하도록 배치되는 상기 전자석 코어의 가지부의 외주면을 감싸도록 형성되는 것을 특징으로 하는 베어링의 동특성 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 센서는 상기 로터의 X 방향과 Y 방향의 변위차를 각각 측정할 수 있도록, 상기 로터를 중심으로 서로 직각으로 복수로 배치되는 것을 특징으로 하는 베어링의 동특성 측정 장치.
  8. 가진으로 인한 로터의 변위차를 측정할 수 있도록 형성되는 센서를 포함하는 베어링의 동특성 측정 장치;
    상기 센서에서 생성된 전기신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호처리부;
    상기 신호처리부로부터 습득된 진동에 관한 데이터를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함하고,
    상기 베어링의 동특성 측정 장치는,
    중공이 구비되고, 고정자를 포함하는 모터 하우징;
    양단에 순철코어가 배치되는 영구자석을 포함하고, 에어포일베어링에 의해 지지되며, 상기 중공에 삽입되는 로터; 및
    상기 로터의 양단에 배치되어, 상기 로터를 가진하도록 형성되는 전자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 동특성 분석 시스템.
  9. 베어링에 의해 지지되는 로터를 포함하는 모터를 구동시키는 단계;
    상기 로터에 근접하여 배치된 전자석 코어가 상기 로터를 가진할 수 있도록, 상기 전자석 코어를 감싸는 전자석 코일에 기설정된 주파수를 갖는 전류를 공급하는 단계;
    가진된 상기 로터의 횡방향변위차를 센싱하는 단계; 및
    상기 센싱된 전기신호의 잡음을 제거하여 증폭한 후 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 출력하는 단계를 포함하는 베어링의 동특성 분석 방법.
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