KR20120124734A - 자기 베어링 모터 시스템 및 이를 이용한 유체 펌프 - Google Patents

자기 베어링 모터 시스템 및 이를 이용한 유체 펌프 Download PDF

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Abstract

자기 베어링 모터 시스템에 관한 기술이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링 모터 시스템은, 고정자(Stator) 내부에서 회전자(Rotor)가 회전하는 내전형 모터부; 상기 내전형 모터부의 축 방향 측 외부에 위치하고 상기 회전자의 일 단부에 연결되어 회전하는 임펠러부; 및 전자석(electromagnet)을 이용하여 자기부상력을 생성 및 조절하는 능동형 자기 베어링을 통해 상기 임펠러부를 축 방향으로 자기부상시킴으로써 상기 회전자 및 상기 임펠러부의 축 방향 변위를 제어하는 제1 자기 베어링부를 포함함으로써, 시스템의 초소형화를 가능하게 하고 에너지 효율성 및 제어 용이성을 개선함은 물론 유체의 이동 경로를 단순화한다.

Description

자기 베어링 모터 시스템 및 이를 이용한 유체 펌프{Motor system with magnetic bearing and fluid pump using thereof}
본 발명은 자기 베어링 모터 시스템 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 능동형 및 수동형 자기 베어링 시스템을 적용하고 구조를 단순화, 최적화함으로써, 시스템의 초소형화를 가능하게 하고 에너지 효율성 및 제어 용이성을 개선함은 유체의 이동 경로를 단순화하는 자기 베어링 모터 시스템 및 이를 이용한 유체 펌프에 관한 것이다.
자기 베어링(magnetic bearing)이란 물체에 작용하는 하중을 자력으로 지탱하는 베어링을 말한다. 자기 베어링은 회전체와 고정체 사이의 접촉이 없어서 마찰로 인한 기계적 마모 및 발열의 문제가 없고, 기계적 베어링을 유체 펌프에 적용할 경우 발생하는 실링(sealing) 기술의 한계를 극복할 수 있는 장점 등으로 인해 1970년대 이후 기계적 베어링의 대안으로서 많은 연구가 이루어져 왔다. 특히, 최근 개발되고 있는 의료용 혈액 펌프 등 초소형 모터 시스템 기술이 요구되는 최첨단 산업 분야에서는 초소형화가 가능하고 제어가 간단하면서도, 내구성 및 에너지 효율을 개선할 수 있는 자기 베어링 모터 시스템 기술에 대한 요청이 급속히 증가하고 있는 추세이다.
그러나, 이러한 자기 베어링에 관한 지속적 연구 및 발전에 불구하고 기존의 자기 베어링 모터 시스템 기술은 아직까지 구현상의 한계, 높은 제조 비용 등 여러 가지 문제점들로 인해 다양한 산업 분야에서 활용되지 못하고 있는 것이 현실이다. 특히, 기존의 자기 베어링 모터 시스템 기술은 구성 및 제어 방식이 복잡하여 초소형 모터 시스템에 적용하는데 한계가 있으며 시스템 정밀성 및 신뢰성을 떨어뜨리는 문제가 있다. 또한, 기존의 자기 베어링 모터 시스템 기술은 모터 회전시 발생하는 와전류(eddy current) 특성 등을 충분히 고려하지 않아 에너지 효율이 저하되는 문제가 있다. 더욱이, 의료용 혈액 펌프의 경우 혈류의 원활한 이동 경로를 확보하는 것이 관건인데 기존의 기술을 그대로 적용하는 경우, 앞서 언급한 구조적 문제로 인한 혈액 손상이나 혈액 정체에 의한 혈전 형성 등 심각한 문제들을 초래하게 된다.
본 발명은, 단순한 구조의 자기 베어링 시스템을 적용함으로써 마찰에 의한 기계적 마모 및 발열 문제를 해결함은 물론, 모터 시스템 및 유체 펌프의 초소형화를 가능케 하고자 하는 것이다.
또한, 모터 시스템의 고정자 및 회전자와 임펠러 간 위치를 최적화함으로써 시스템 에너지 효율을 개선하고자 것이다.
또한, 간단한 방식으로 모터 시스템의 1축 제어를 가능하게 함으로써 시스템 복잡도를 감소시키고 신뢰성 및 안정성을 개선하고자 것이다.
또한, 유체 펌프 내로 유입되는 유체의 원활한 이동 경로를 확보함으로써 혈액 펌프에 적용되는 경우 혈구 파괴 및 혈전 생성 등의 문제를 방지하고자 하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링 모터 시스템은, 고정자(Stator) 내부에서 회전자(Rotor)가 회전하는 내전형 모터부; 상기 내전형 모터부의 축 방향 측 외부에 위치하고 상기 회전자의 일 단부에 연결되어 회전하는 임펠러부; 및 전자석(electromagnet)을 이용하여 자기부상력을 생성 및 조절하는 능동형 자기 베어링을 통해 상기 임펠러부를 축 방향으로 자기부상시킴으로써 상기 회전자 및 상기 임펠러부의 축 방향 변위를 제어하는 제1 자기 베어링부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 자기 베어링부는, 상기 임펠러부의 축 방향 일 단부 및 타 단부에 각각 설치되는 영구자석을 지니는 영구자석부; 및 소정 공극(air gap)을 두고 상기 영구자석부의 영구자석들에 각각 대향하여 설치되는 전자석을 지니는 전자석부를 포함하고, 상기 영구자석부 및 상기 전자석부 간의 자력을 이용하여 상기 임펠러부를 상기 축 방향으로 자기부상시킨다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 자기 베어링부는, 상기 영구자석부 및 상기 전자석부 간의 인력(attractive force)을 이용하여 상기 임펠러부를 상기 축 방향으로 자기부상시킨다.
일 실시예에 있어서, 상기 전자석부는, 하나의 코일로 형성된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 자기 베어링부는, 상기 임펠러부의 상기 축 방향 변위를 감지하여 상기 전자석의 세기를 조절하도록 하는 센서부를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 자기 베어링 모터 시스템은, 영구자석(permanent magnet)을 이용하여 자기부상력을 생성하는 수동형 자기 베어링을 통해 상기 내전형 모터부 내부에서 상기 회전자를 방사 방향으로 자기부상시킴으로써 상기 회전자 및 상기 임펠러부의 방사 방향 변위를 유지하는 제2 자기 베어링부를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 자기 베어링부는, 상기 고정자에 설치되는 제1 영구자석; 및 상기 회전자에 설치되는 제2 영구자석을 포함하고, 상기 제1 영구자석 및 상기 제2 영구자석 간의 자력을 이용하여 상기 회전자를 상기 방사 방향으로 자기부상시킨다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 자기 베어링부는, 상기 제1 영구자석 및 상기 제2 영구자석 간의 척력(repulsive force)을 이용하여 상기 회전자를 상기 방사 방향으로 자기부상시킨다.
본 발명의 일 실시예에 따른 유체 펌프는, 유체(fluid)가 각각 유입 및 유출되는 유입부 및 유출부와 상기 유입부 및 상기 유출부를 연결하는 유도관부를 지니는 하우징부; 및 상기 유도관부 내부에서 상기 유입부로 유입되는 유체를 회전 운동에 의해 상기 유출부로 이동시키는 모터 시스템을 포함하고, 상기 모터 시스템은, 고정자 내부에서 회전자가 회전하는 내전형 모터부; 상기 내전형 모터부의 축 방향 측 외부에 위치하고 상기 회전자의 일 단부에 연결되어 회전하는 임펠러부; 및 전자석을 이용하여 자기부상력을 생성 및 조절하는 능동형 자기 베어링을 통해 상기 임펠러부를 축 방향으로 자기부상시킴으로써 상기 회전자 및 상기 임펠러부의 축 방향 변위를 제어하는 제1 자기 베어링부를 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 유체 펌프는, 상기 유입부를 통해 유입되는 유체를 상기 임펠러부 측으로 유도하는 플로우 스트레이트너(Flow Straightener); 및 상기 임펠러부에 의해 이동하는 유체를 상기 유출부로 유도하는 디퓨저(Diffuser)를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 내전형 모터부는, 상기 플로우 스트레이트너의 내부에 설치된다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 자기 베어링부는, 상기 임펠러부와 상기 플로우 스트레이트너 간에 작용하는 제1 능동형 자기 베어링; 및 상기 임펠러부와 상기 디퓨저 간에 작용하는 제2 능동형 자기 베어링을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 자기 베어링부는, 상기 임펠러부와 상기 디퓨저 간에 작용하는 제1 능동형 자기 베어링; 및 소정 공극을 두고 상기 회전자의 타 단부에 대향하여 설치되는 고정체와 상기 회전자 간에 작용하는 제2 능동형 자기 베어링을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 자기 베어링부는, 상기 임펠러부와 상기 플로우 스트레이트너 간에 작용하는 제1 능동형 자기 베어링; 상기 임펠러부와 상기 디퓨저 간에 작용하는 제2 능동형 자기 베어링; 및 소정 공극을 두고 상기 회전자의 타 단부에 대향하여 설치되는 고정체와 상기 회전자 간에 작용하는 제3 능동형 자기 베어링을 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 자기 베어링 모터 시스템은, 영구자석을 이용하여 자기부상력을 생성하는 수동형 자기 베어링을 통해 상기 내전형 모터부 내부에서 상기 회전자를 방사 방향으로 자기부상시킴으로써 상기 회전자 및 상기 임펠러부의 방사 방향 변위를 유지하는 제2 자기 베어링부를 더 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제2 자기 베어링부는, 상기 고정자에 설치되는 제1 영구자석 및 상기 회전자에 설치되는 제2 영구자석으로 이루어진 영구자석 쌍을 적어도 하나 이상 포함한다.
일 실시예에 있어서, 상기 임펠러부는, 회전축을 이루는 임펠러 허브(impeller hub) 및 상기 임펠러 허브의 외주면에 설치되어 상기 임펠러 허브의 회전 시 유체에 힘을 전달하는 임펠러 블레이드(impeller blade)를 포함하고, 상기 임펠러 블레이드는, 상기 임펠러 허브로부터 상기 축 방향으로 돌출되도록 형성된다.
본 발명에 따른 자기 베어링 모터 시스템 및 이를 이용한 유체 펌프는, 단순한 구조의 축 방향 및 방사 방향 자기 베어링 시스템을 적용함으로써 마찰에 의한 기계적 마모 및 발열 문제를 해결함은 물론, 모터 시스템 및 유체 펌프의 초소형화를 가능하게 한다.
또한, 모터 시스템의 고정자 및 회전자와 임펠러를 이격적으로 설계함으로써 시스템 에너지 효율 및 유체 펌프의 유체 박출 성능을 개선한다.
또한, 수동형 자기 베어링 및 능동형 자기 베어링을 함께 적용하여 모터 시스템의 1축 제어를 가능하게 함으로써 시스템 복잡도를 감소시키고 신뢰성 및 안정성을 개선한다.
또한, 내전형 모터와 임펠러를 축 방향으로 직렬 배치하여 유체 펌프 내로 유입되는 유체의 이동 경로를 단순화함으로써 혈액 펌프에 적용되는 경우 혈구 파괴 및 혈전 생성 등의 문제를 방지한다.
나아가, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명에 따른 실시예들이 상기 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들을 해결할 수 있음을 아래의 기재로부터 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 펌프를 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링 모터 시스템의 제1 자기 베어링부를 나타낸 방사 방향 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 플로우 스트레이트너, 임펠러부 및 디퓨저가 함께 구성된 상태를 나타낸 사시도.
도 4는 축 방향 능동형 자기 베어링의 변형에 따른 실시예들을 나타낸 도면.
도 5는 방사 방향 수동형 자기 베어링의 변형에 따른 실시예들을 나타낸 도면.
도 6은 임펠러 블레이드의 변형에 따른 실시예들을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 성능 실험을 위한 자기 베어링 모터 시스템의 일례를 나타낸 단면도.
도 8은 도 4의 자기 베어링 모터 시스템을 실제 구현한 모습을 나타낸 사진.
도 9 내지 도 11은 도 5의 자기 베어링 모터 시스템에 대한 성능 실험 결과를 나타낸 그래프.
이하, 본 발명의 기술적 과제에 관한 해결 방안을 명확화하기 위해 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서 관련 공지기술에 관한 설명이 오히려 본 발명의 요지를 불명료하게 할 수 있다고 판단되는 경우 그에 관한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 설계자, 제조자 등의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있을 것이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 펌프(100)가 단면도로 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 유체 펌프(100)는 하우징부(110)와 상기 하우징부(110)에 설치되는 모터 시스템(120, 130, 140, 150)을 포함하며, 플로우 스트레이트너(Flow Straightener; 160) 및 디퓨저(Diffuser; 170)를 더 포함할 수 있다.
상기 하우징부(110)는, 유체(fluid)가 유입되는 유입부(112), 유입된 유체가 유출되는 유출부(116) 및 상기 유입부(112) 및 상기 유출부(116)를 연결하는 유도관부(114)를 포함한다. 상기 모터 시스템(120, 130, 140, 150)은, 상기 유도관부(114) 내부에 설치되며, 상기 유입부(112)로 유입되는 유체를 회전 운동에 의해 상기 유출부(116)로 이동시킨다. 상기 모터 시스템(120, 130, 140, 150)의 회전 운동 방향 변경 및 타 구조의 변경을 통해 상기 유입부(112) 및 상기 유출부(116)의 위치를 반대로 할 수 있다.
상기 모터 시스템(120, 130, 140, 150)은, 내전형 모터부(120), 임펠러부(130), 제1 자기 베어링부(150) 및 제2 자기 베어링부(140)를 포함하며, 센서부(180)를 더 포함할 수 있다.
상기 내전형 모터부(120)는, 고정자(Stator; 122) 내부에서 회전자(Rotor; 126)가 회전하는 내전형(Inner Rotor Type) 모터를 사용한다. 상기 고정자(122)에는 전자기 유도 코일(124)이 설치되며, 상기 회전자(126)에는 전자기 유도 작용에 의해 상기 회전자(126)가 회전되도록 하는 모터용 영구자석(128)이 설치된다.
상기 임펠러부(130)는 상기 내전형 모터부(120)의 축 방향 측 외부에 위치하고 상기 회전자(126)의 일 단부에 연결되어 회전한다.
상기 제1 자기 베어링부(150)는, 전자석(electromagnet)을 이용하여 자기부상력을 생성 및 조절하는 능동형 자기 베어링을 통해 상기 임펠러부(130)를 축 방향으로 자기부상시킴으로써 상기 회전자(126) 및 상기 임펠러부(130)의 축 방향 변위를 제어한다. 이를 위해, 상기 제1 자기 베어링부(150)는 상기 임펠러부(130)의 축 방향 일 단부 및 타 단부에 각각 설치되는 영구자석을 지니는 영구자석부(154, 156), 및 소정 공극(air gap)을 두고 상기 영구자석부(154, 156)의 영구자석들에 각각 대향하여 설치되는 전자석을 지니는 전자석부(152, 158)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 전자석부(152, 158)는, 전자석과 강자성체 등으로 구성된 코어를 포함할 수 있다. 상기 제1 자기 베어링부(150)는, 상기 영구자석부(154, 156) 및 상기 전자석부(152, 158) 간의 자력을 이용하여 상기 임펠러부(130)를 상기 축 방향으로 자기부상시킨다.
일 실시예에 있어서, 상기 유체 펌프(100)는 상기 유입부(112)를 통해 유입되는 유체를 상기 임펠러부(130) 측으로 유도하도록 플로우 스트레이트너(160)를 더 포함할 수 있으며, 상기 임펠러부(130)에 의해 이동하는 유체를 상기 유출부(116)로 유도하도록 디퓨저(170)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 전자석부(152, 158)는, 상기 임펠러부(130)의 상기 일 단부에 대향하는 상기 플로우 스트레이트너(160)의 일 단부에 설치되는 제1 전자석(152) 및 상기 임펠러부(130)의 상기 타 단부에 대향하는 상기 디퓨저(170)의 일 단부에 위치하는 제2 전자석(158)을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제1 전자석(152) 및 제2 전자석(158)은 전체적으로 하나의 코일로 형성될 수 있다. 즉, 상기 제1 전자석(152) 및 제2 전자석(158)을 하나의 코일로 형성하되 각각 감는 방향을 달리하는 경우, 상기 전자석부(152, 158)로 유입되는 하나의 전류에 대한 제어로 상기 임펠러부(130)의 축 방향 변위를 효율적으로 제어할 수 있게 된다. 예컨대, 상기 제1 자기 베어링부(150)는, 상기 영구자석부(154, 156) 및 상기 전자석부(152, 158) 간의 인력(attractive force)을 이용하여 상기 임펠러부(130)를 상기 축 방향으로 자기부상시킬 수 있으며, 이때 코일의 감긴 방향이 다른 양 전자석(152, 158)에 전류를 흘려주는 경우 한 쪽의 인력은 감소하고 다른 쪽의 인력은 증가하게 되어 상기 임펠러부(130)는 인력이 증가한 쪽으로 이동하게 된다. 이와 같이, 영구자석과 전자석으로 구성되는 능동형 자기 베어링의 경우 인력의 제어를 통해 자기부상의 안정적인 제어가 가능하다.
상기 제2 자기 베어링부(140)는, 영구자석(permanent magnet)을 이용하여 자기부상력을 생성하는 수동형 자기 베어링을 통해 상기 내전형 모터부(120) 내부에서 상기 회전자(126)를 방사 방향으로 자기부상시킴으로써 상기 회전자 및 상기 임펠러부의 방사 방향 변위를 유지한다. 상기 제1 자기 베어링부(150)는, 상기 임펠러부(130)를 축 방향으로 자기부상시키는 동시에 장력에 의해 상기 임펠러부(130)를 방사 방향으로 부상시킬 수 있다. 이때, 상기 제2 자기 베어링부(140)는, 상기 회전자(126)를 방사 방향으로 지지함으로써 상기 임펠러부(130) 및 상기 회전자(126)의 안정적인 부상을 도와준다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링 모터 시스템의 제2 자기 베어링부(140)가 방사 방향(A-A') 단면도로 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제2 자기 베어링부(140)는 상기 고정자(122)에 설치되는 제1 영구자석(142) 및 상기 회전자(126)에 설치되는 제2 영구자석(144)을 포함할 수 있으며, 상기 제1 영구자석(142) 및 상기 제2 영구자석(144) 간의 자력을 이용하여 상기 회전자(126)를 상기 방사 방향으로 자기부상시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제1 영구자석(142) 및 상기 제2 영구자석(144)은 도 2와 같이 중심은 동일하나 크기가 다른 두 개의 환형 영구자석으로 구성될 수 있다. 또한, 일 실시예에 있어서, 상기 제2 자기 베어링부(140)는, 두 영구자석의 자속 방향을 동일한 방향으로 위치시킬 때 발생하는 두 영구자석 간의 방사 방향 척력(repulsive force)을 이용하여 상기 회전자(126)를 상기 방사 방향으로 자기부상시키고 상기 회전자(126) 및 상기 임펠러부(130)의 상기 방사 방향 변위를 유지할 수 있다. 또한, 일 실시예에 있어서, 상기 제2 자기 베어링부(140)는, 상기 제1 영구자석(142) 및 상기 제2 영구자석(144)으로 이루어진 영구자석 쌍을 1 또는 2 이상 포함할 수 있다. 예컨대, 영구자석 쌍을 상기 내전형 모터부(120)의 축 방향 양 단에 배치하면 설계 및 제조가 용이하고 상기 회전자(126)의 안정적인 자기부상을 가능하게 할 수 있다.
이와 같이, 상기 임펠러부(130) 및 상기 임펠러부(130)의 외주면에 형성되는 임펠러 블레이드(132)를 상기 내전형 모터부(120)의 외부에 위치하도록 하는 이격적 설계를 통해 고정자 및 회전자 사이에 임펠러 블레이드가 위치하는 경우보다 고정자-회전자 간 공극(air gap)을 줄여줌으로써 에너지 효율을 개선할 수 있게 된다. 또한, 전자석 등을 이용한 별도의 제어를 요하지 않는 수동형 방사 방향 자기 베어링을 사용함으로써 축 방향에 대한 제어만으로 상기 모터 시스템(120, 130, 140, 150)을 축 방향은 물론 방사 방향으로 더욱 간단하고 안정적으로 제어할 수 있게 된다. 또한, 아래에서 다시 설명하겠지만, 플로우 스트레이트너(160), 임펠러부(130) 및 디퓨저(170)를 축 방향으로 직렬 배치함으로써 유체의 원활한 이동을 보장하는 이동 경로를 확보할 수 있게 된다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따라 플로우 스트레이트너, 임펠러부 및 디퓨저가 함께 구성된 상태가 사시도로 도시되어 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 플로우 스트레이트너(160) 및 상기 디퓨저(170)의 외주면에는 설계자 또는 제조자 등의 의도 내지 목적에 따라 각각 다양한 형태의 블레이드들(162, 172)이 설치될 수 있다. 또한, 임펠러부(130)는, 회전축을 이루는 임펠러 허브(impeller hub) 및 상기 임펠러 허브의 외주면에 설치되어 상기 임펠러 허브의 회전 시 유체에 힘을 전달하는 임펠러 블레이드(impeller blade)를 포함하며, 이때 상기 임펠러 블레이드(132) 역시 모터 시스템의 성능, 유체 펌프에 요구되는 박출량 등을 고려하여 다양한 형태의 변형을 가할 수 있다.
또한, 일 실시예에 있어서 상기 제1 자기 베어링부(150)는, 상기 임펠러부(130)의 축 방향 변위를 감지하여 상기 전자석의 세기를 조절하도록 하는 센서부(180)를 더 포함할 수 있다. 상기 센서부(180)는, 일반적으로 상기 임펠러부(130)와 소정 고정체(예컨대, 디퓨저(170))의 공극 거리를 측정하기 위한 비접촉 거리 센서로서, 와전류 갭센서(eddy current gap sensor), 초음파 갭센서(ultrasonic gap sensor), 적외선광학 갭센서(infrared optic sensor), 인덕티브 센서(inductive sensor) 등을 사용할 수 있다. 상기 센서부(180)가 상기 임펠러부(130)의 축 방향 변위 정보를 감지하여 소정 제어부(미도시)로 전달하면, 상기 제어부는 상기 전자석부(154, 156)에 유입되는 전류를 제어하여 상기 임펠러부(130)의 축 방향 변위를 조절할 수 있다. 일 실시예에 있어서 상기 센서부(180)는, 상기 디퓨저(170)의 일 단부에 위치하여 상기 임펠러부(130)의 축 방향 변위를 감지할 수 있다.
또한, 일 실시예에 있어서 상기 내전형 모터부(120)는, 도 1과 같이 상기 플로우 스트레이트너(160) 내부에 설치될 수 있다. 또한, 일 실시예에 있어서 상기 내전형 모터부(120)를 상기 디퓨저(170)의 내부에 설치하는 구성도 가능하다. 이 경우, 상기 내전형 모터부(120)의 회전 방향은 상기 플로우 스트레이트너(160) 내부에 설치될 때와 반대 방향이 될 것이다.
이와 같이, 능동형 축 방향 자기 베어링(150)과 수동형 방사 방향 자기 베어링(140)을 함께 적용하여 단순한 방식으로 상기 유체 펌프(100)의 1축 제어를 가능하게 함으로써 시스템 복잡도를 감소시키고 신뢰성 및 안정성을 개선할 수 있게 된다. 또한, 플로우 스트레이트너(160), 임펠러부(130) 및 디퓨저(170)를 축 방향으로 직렬 배치함으로써 유체 이동 경로를 단순화하고 원활한 이동을 보장하여, 본 발명의 실시예들에 따른 자기 베어링 모터 시스템 내지 유체 펌프가 의료용 혈액 펌프에 적용되는 경우 혈구 파괴 및 혈전 생성 등의 문제를 방지할 수 있게 된다.
도 4에는 축 방향 능동형 자기 베어링의 변형에 따른 실시예들이 도시되어 있다.
도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 자기 베어링부(150)는, 상기 임펠러부(130)와 상기 플로우 스트레이트너(160) 간에 작용하는 능동형 자기 베어링(410)과, 상기 임펠러부(130)와 상기 디퓨저(170) 간에 작용하는 능동형 자기 베어링(420)으로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 자기 베어링부(150)는, 상기 임펠러부(130)부의 축 방향 일 단부 및 타 단부에 각각 설치되는 영구자석을 지니는 영구자석부와, 상기 임펠러부(130)의 상기 일 단부에 대향하는 상기 플로우 스트레이트너(160)의 일 단부에 설치되는 전자석을 지니는 제1 전자석부와, 상기 임펠러부(130)의 상기 타 단부에 대향하는 상기 디퓨저(170)의 일 단부에 설치되는 전자석을 지니는 제2 전자석부를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제1 자기 베어링부(150)는, 상기 제1 전자석부 및 제2 전자석부와, 상기 영구자석부 간의 자력을 이용하여 상기 임펠러부(130)를 상기 축 방향으로 자기부상시킬 수 있다.
또한, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 자기 베어링부(150)는, 상기 임펠러부(130)와 상기 디퓨저(170) 간에 작용하는 능동형 자기 베어링(420)과, 소정 공극을 두고 상기 회전자(126)의 타 단부에 대향하여 설치되는 고정체(440) 간에 작용하는 능동형 자기 베어링(430)으로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 자기 베어링부(150)는, 상기 회전자(126)의 일 단부와 연결된 상기 임펠러부(130) 일 단부의 축 방향 타 단부에 설치되는 영구자석 및 상기 회전자(126)의 타 단부에 설치되는 영구자석을 지니는 영구자석부와, 상기 임펠러부(130)의 상기 타 단부에 대향하는 상기 디퓨저(170)의 일 단부에 설치되는 전자석을 지니는 제1 전자석부와, 상기 회전자(126)의 상기 타 단부에 대향하는 소정 고정체(440)에 설치되는 전자석을 지니는 제2 전자석부를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제1 자기 베어링부(150)는, 상기 제1 전자석부 및 제2 전자석부와, 상기 영구자석부 간의 자력을 이용하여 상기 임펠러부(130)를 상기 축 방향으로 자기부상시킬 수 있다.
또한, 도 4의 (c)에 도시된 바와 같이, 상기 제1 자기 베어링부(150)는, 상기 임펠러부(130)와 상기 플로우 스트레이트너(160) 간에 작용하는 능동형 자기 베어링(410)과, 상기 임펠러부(130)와 상기 디퓨저(170) 간에 작용하는 능동형 자기 베어링(420)과, 그리고 상기 회전자(126)와 상기 고정체(440) 간에 작용하는 능동형 자기 베어링(430)으로 구성될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 자기 베어링부(150)는, 상기 임펠러부(130)의 축 방향 일 단부와 타 단부에 각각 설치되는 영구자석 및 상기 회전자(126)의 타 단부에 설치되는 영구자석을 지니는 영구자석부와, 상기 임펠러부(130)의 상기 일 단부에 대향하는 상기 플로우 스트레이트너(160)의 일 단부에 설치되는 전자석을 지니는 제1 전자석부와, 상기 임펠러부(130)펠러부의 상기 타 단부에 대향하는 상기 디퓨저(170)의 일 단부에 설치되는 전자석을 지니는 제2 전자석부와, 상기 회전자(126)의 상기 타 단부에 대향하는 소정 고정체(440)에 설치되는 전자석을 지니는 제3 전자석부를 포함할 수 있다. 따라서, 상기 제1 자기 베어링부(150)는, 상기 제1 전자석부, 제2 전자석부 및 제3 전자석부와, 상기 영구자석부 간의 자력을 이용하여 상기 임펠러부(130)를 상기 축 방향으로 자기부상시킬 수 있다.
도 5에는 방사 방향 수동형 자기 베어링의 변형에 따른 실시예들이 도시되어 있다.
도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 제2 자기 베어링부(140)는, 도 4의 (a)에 따른 제1 자기 베어링부(150)와 함께 사용될 수 있으며, 또한 상기 고정자(122)에 설치되는 제1 영구자석 및 상기 회전자(126)에 설치되는 제2 영구자석으로 이루어진 영구자석 쌍을 하나(510) 또는 둘(510, 520) 이상 포함할 수 있다.
또한, 도 5의 (c) 및 (d)에 도시된 바와 같이, 상기 제2 자기 베어링부(140)는, 도 4의 (b) 또는 (c)에 따른 제1 자기 베어링부(150)와 함께 사용될 수 있으며, 또한 상기 고정자(122)자에 설치되는 제1 영구자석 및 상기 회전자(126)에 설치되는 제2 영구자석으로 이루어진 영구자석 쌍을 하나(510) 또는 둘(510, 520) 이상 포함할 수 있다.
도 6에는 임펠러 블레이드의 변형에 따른 실시예들이 도시되어 있다.
도 6의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 임펠러부(130)는, 회전축을 이루는 임펠러 허브(impeller hub) 및 상기 임펠러 허브의 외주면에 설치되어 상기 임펠러 허브의 회전 시 유체에 힘을 전달하는 임펠러 블레이드(impeller blade)를 포함한다. 이때, 상기 임펠러 블레이드(132)는, 설계자 또는 제조자 등의 의도 내지 목적에 따라 다양한 형태로 변형될 수 있다. 특히, 상기 임펠러 블레이드(132)를 임펠러 허브로부터 축 방향으로 돌출되도록 형성함으로써 유체에 전달하는 힘을 증가시킬 수 있다. 예컨대, 상기 임펠러 블레이드(132)를 상기 플로우 스트레이트너(160) 쪽으로 돌출되도록 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 플로우 스트레이트너(160)의 블레이드(162)는 상대적으로 짧게 설계할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 임펠러 블레이드(132)를 상기 디퓨저(170) 쪽, 또는 상기 플로우 스트레이트너(160) 쪽 및 상기 디퓨저(170) 쪽 양쪽으로 돌출되도록 형성할 수 있음은 물론이다.
또한, 당업자라면 도 4의 (a), (b), (c)에 각각 도시된 축 방향 능동형 자기 베어링, 도 5의 (a), (b), (c), (d)에 각각 도시된 방사 방향 수동형 자기 베어링 및 도 6의 (a), (b)에 각각 도시된 임펠러 블레이드에 관한 실시예들을 조합함으로써 더욱 다양한 실시예들을 구현할 수 있을 것이다.
이하, 본 발명의 성능을 검증한다.
도 7에는 본 발명의 성능 실험을 위한 자기 베어링 모터 시스템의 일례가 단면도로 도시되어 있으며, 도 8에는 도 7의 자기 베어링 모터 시스템을 실제 구현한 모습이 사진으로 도시되어 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 성능 실험을 위한 자기 베어링 모터 시스템은 MagNet FEM 소프트웨어 분석을 통해 설계된 각 파트들을 제작하기 위해 SolidWorks 3D CAD를 이용하여 설계하였다. 도 4 및 도 5에서 케이스를 제외한 전체 시스템의 외경은 22mm이며 길이는 97mm로 설계하였다. 플로우 스트레이트너, 임펠러 및 디퓨저의 케이스 두께는 0.3mm로 설정하였으며, 혈액 펌프에 적용하는 경우 혈액이 위치할 수 있는 갭은 0.3mm로 설정하였다. 또한, 실험 진행을 위한 견고성을 위해 양쪽 벽 지지대 역할을 하는 지그는 15mm두께로 설정하였다.
도 9에는 임펠러부가 플로우 스트레이트너로부터 자기부상할 때의 실험 결과가 그래프로 도시되어 있다. 도 9 내지 도 11에서 파란색 실선은 위치 오차를 나타내며 빨간색 실선은 제어 명령값을 나타낸다.
도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 임펠러부는 디퓨저 쪽 끝 위치에서 0.02초 경과 후에 균형점으로 부상하였음을 알 수 있다. 또한, (b)는 3초 동안의 제어 결과를 보여준다. 3초 동안의 위치오차 평균값은 -0.00001 mm(-0.0002V, 센서 출력 전압)이었으며 표준편차는 0.00239 mm(0.0478V, 센서 출력 전압)를 보여주고 있다. 제어 명령의 평균값은 -1.5095V (0.15A)이었으며, 표준편차는 0.5558V를 보여주고 있다. (c)는 1초 근방에서의 제어 결과를 보여준다.
도 10에는 임펠러부가 디퓨저로부터 자기부상할 때의 실험 결과가 그래프로 도시되어 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, -0.3mm 위치와 0.3mm 위치 사이의 인력 차이가 10.6N인 플로우 스트레이트너부에 비해 디퓨저부는 15.2N에 달해 플로우 스트레이트너 쪽에서 디퓨저 쪽으로 부상함에 있어서 반대의 경우보다 균형 점으로의 제어속도가 느림을 알 수 있다. 반대의 경우인 0.02초에 비해 50%가 증가된 0.03초가 소요됨을 알 수 있다.
도 11에는 모터가 5000 rpm으로 회전할 때 축 방향 자기 베어링 제어 결과가 그래프로 도시되어 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 3초 동안의 위치 오차 평균값은 -0.00002 mm(-0.0003V, 센서 출력 전압)를 보였으며, 표준편차는 0.02753 mm(0.5505V, 센서 출력 전압)을 보였다. 제어 명령의 평균값도 -1.6830V(0.17A), 표준편차는 1.5356V로 정지시의 범위보다 넓은 범위를 보임을 알 수 있다. 본 발명에 따른 시스템 제작시 가공 오차 및 질량의 균일 분포 문제와 두랄루민 케이스로 구성된 임펠러부의 강성을 보완하는 경우 고속 회전시 위치 오차의 범위 및 그로 인한 제어 입력도 범위를 개선할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예들은, 단순한 구조의 축 방향 및 방사 방향 자기 베어링 시스템을 적용함으로써 마찰에 의한 기계적 마모 및 발열 문제를 해결함은 물론, 모터 시스템 및 유체 펌프의 초소형화를 가능하게 한다. 또한, 모터 시스템의 고정자 및 회전자와 임펠러를 이격적으로 설계함으로써 시스템 에너지 효율 및 유체 펌프의 유체 박출 성능을 개선할 수 있다. 또한, 수동형 자기 베어링 및 능동형 자기 베어링을 함께 적용하여 모터 시스템의 1축 제어를 가능하게 함으로써 시스템 복잡도를 감소시키고 신뢰성 및 안정성을 개선할 수 있다. 나아가, 내전형 모터와 임펠러를 축 방향으로 직렬 배치하여 유체 펌프 내로 유입되는 유체의 원활한 이동 경로를 확보함으로써 혈액 펌프에 적용되는 경우 혈구 파괴 및 혈전 생성 등의 문제를 방지할 수 있다.
지금까지 본 발명에 대해 실시예들을 참고하여 설명하였다. 그러나 당업자라면 본 발명의 본질적인 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위에서 본 발명이 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 즉, 본 발명의 진정한 기술적 범위는 첨부된 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (17)

  1. 고정자(Stator) 내부에서 회전자(Rotor)가 회전하는 내전형 모터부;
    상기 내전형 모터부의 축 방향 측 외부에 위치하고 상기 회전자의 일 단부에 연결되어 회전하는 임펠러부; 및
    전자석(electromagnet)을 이용하여 자기부상력을 생성 및 조절하는 능동형 자기 베어링을 통해 상기 임펠러부를 축 방향으로 자기부상시킴으로써 상기 회전자 및 상기 임펠러부의 축 방향 변위를 제어하는 제1 자기 베어링부를 포함하는 자기 베어링 모터 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 자기 베어링부는,
    상기 임펠러부의 축 방향 일 단부 및 타 단부에 각각 설치되는 영구자석을 지니는 영구자석부; 및
    소정 공극(air gap)을 두고 상기 영구자석부의 영구자석들에 각각 대향하여 설치되는 전자석을 지니는 전자석부를 포함하고,
    상기 영구자석부 및 상기 전자석부 간의 자력을 이용하여 상기 임펠러부를 상기 축 방향으로 자기부상시키는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 모터 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 자기 베어링부는, 상기 영구자석부 및 상기 전자석부 간의 인력(attractive force)을 이용하여 상기 임펠러부를 상기 축 방향으로 자기부상시키는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 모터 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 전자석부는, 하나의 코일로 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 모터 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 자기 베어링부는, 상기 임펠러부의 상기 축 방향 변위를 감지하여 상기 전자석의 세기를 조절하도록 하는 센서부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 모터 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기 베어링 모터 시스템은, 영구자석(permanent magnet)을 이용하여 자기부상력을 생성하는 수동형 자기 베어링을 통해 상기 내전형 모터부 내부에서 상기 회전자를 방사 방향으로 자기부상시킴으로써 상기 회전자 및 상기 임펠러부의 방사 방향 변위를 유지하는 제2 자기 베어링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 모터 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2 자기 베어링부는,
    상기 고정자에 설치되는 제1 영구자석; 및
    상기 회전자에 설치되는 제2 영구자석을 포함하고,
    상기 제1 영구자석 및 상기 제2 영구자석 간의 자력을 이용하여 상기 회전자를 상기 방사 방향으로 자기부상시키는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 모터 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 자기 베어링부는,
    상기 제1 영구자석 및 상기 제2 영구자석 간의 척력(repulsive force)을 이용하여 상기 회전자를 상기 방사 방향으로 자기부상시키는 것을 특징으로 하는 자기 베어링 모터 시스템.
  9. 유체(fluid)가 각각 유입 및 유출되는 유입부 및 유출부와 상기 유입부 및 상기 유출부를 연결하는 유도관부를 지니는 하우징부; 및
    상기 유도관부 내부에서 상기 유입부로 유입되는 유체를 회전 운동에 의해 상기 유출부로 이동시키는 모터 시스템을 포함하고,
    상기 모터 시스템은,
    고정자(Stator) 내부에서 회전자(Rotor)가 회전하는 내전형 모터부;
    상기 내전형 모터부의 축 방향 측 외부에 위치하고 상기 회전자의 일 단부에 연결되어 회전하는 임펠러부; 및
    전자석(electromagnet)을 이용하여 자기부상력을 생성 및 조절하는 능동형 자기 베어링을 통해 상기 임펠러부를 축 방향으로 자기부상시킴으로써 상기 회전자 및 상기 임펠러부의 축 방향 변위를 제어하는 제1 자기 베어링부를 포함하는 유체 펌프.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유체 펌프는,
    상기 유입부를 통해 유입되는 유체를 상기 임펠러부 측으로 유도하는 플로우 스트레이트너(Flow Straightener); 및
    상기 임펠러부에 의해 이동하는 유체를 상기 유출부로 유도하는 디퓨저(Diffuser)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 펌프.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 내전형 모터부는, 상기 플로우 스트레이트너의 내부에 설치되는 것을 특징으로 하는 유체 펌프.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 자기 베어링부는,
    상기 임펠러부와 상기 플로우 스트레이트너 간에 작용하는 제1 능동형 자기 베어링; 및
    상기 임펠러부와 상기 디퓨저 간에 작용하는 제2 능동형 자기 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 펌프.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 자기 베어링부는,
    상기 임펠러부와 상기 디퓨저 간에 작용하는 제1 능동형 자기 베어링; 및
    소정 공극(air gap)을 두고 상기 회전자의 타 단부에 대향하여 설치되는 고정체와 상기 회전자 간에 작용하는 제2 능동형 자기 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 펌프.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1 자기 베어링부는,
    상기 임펠러부와 상기 플로우 스트레이트너 간에 작용하는 제1 능동형 자기 베어링;
    상기 임펠러부와 상기 디퓨저 간에 작용하는 제2 능동형 자기 베어링; 및
    소정 공극을 두고 상기 회전자의 타 단부에 대향하여 설치되는 고정체와 상기 회전자 간에 작용하는 제3 능동형 자기 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 펌프.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자기 베어링 모터 시스템은, 영구자석(permanent magnet)을 이용하여 자기부상력을 생성하는 수동형 자기 베어링을 통해 상기 내전형 모터부 내부에서 상기 회전자를 방사 방향으로 자기부상시킴으로써 상기 회전자 및 상기 임펠러부의 방사 방향 변위를 유지하는 제2 자기 베어링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 펌프.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 자기 베어링부는, 상기 고정자에 설치되는 제1 영구자석 및 상기 회전자에 설치되는 제2 영구자석으로 이루어진 영구자석 쌍을 적어도 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 펌프.
  17. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 임펠러부는, 회전축을 이루는 임펠러 허브(impeller hub) 및 상기 임펠러 허브의 외주면에 설치되어 상기 임펠러 허브의 회전 시 유체에 힘을 전달하는 임펠러 블레이드(impeller blade)를 포함하고,
    상기 임펠러 블레이드는, 상기 임펠러 허브로부터 상기 축 방향으로 돌출되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 유체 펌프.
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