KR20150031236A - 자기 베어링 및 자기 베어링의 코어 주위로 강자성체 구조물을 장착하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

방사상 액추에이터 부분 및 축방향 액추에이터 부분을 구비하는 자기 베어링으로서, 상기 방사상 액추에이터 부분은 고정자 요크(3)를 구비하는 라미네이트된 고정자 적층체(2)를 포함하는 것인 자기 베어링에 있어서, 상기 고정자 요크(3)가 상기 고정자 요크(3)를 둘러싸는 폐쇄형 강자성체 구조물(9)에 링크되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링이 개시된다.

Description

자기 베어링 및 자기 베어링의 코어 주위로 강자성체 구조물을 장착하기 위한 방법{MAGNETIC BEARING AND METHOD FOR MOUNTING A FERROMAGNETIC STRUCTURE AROUND A CORE OF A MAGNETIC BEARING}
본원 발명은 회전 기계들을 위한 자기 베어링에 관한 것으로서, 베어링은 통합된 방사상-축방향 디자인을 나타내고 그리고 축방향 제어 플럭스(axial control flux)가 연자성체 코어의 중앙 개구부를 통해서 진행하는 것인 자기 베어링에 관한 것이다.
자기 베어링들은 무접촉 현수(contactless suspension)를 제공한다. 자기 베어링들의 낮은 마찰 손실은, 그러한 베어링들이 고속 용례에서 장점을 가진다는 것을 의미한다. 그러나, 고속 회전 기계들의 디자인이 종종 복잡한데, 이는 회전자-역학적 한계 때문이다. 이와 관련하여, 축방향 길이의 각각의 감소는 회전자-역학적 허용범위(margin)에 기여한다. 이러한 성질은 '콤보 베어링(combo bearing)'에서, 즉 여러 가지 기능적 부분들이 공유되는 콤팩트한 구성으로 축방향 채널 및 방사상 채널을 통합하는 디자인의 베어링에서 최대로 적용된다.
콤보 베어링들의 여러 가지 예들을 특허들 및 문헌들에서 발견할 수 있을 것이다. 빈번하게, 축방향 제어 플럭스의 경로가 라미네이트된(laminated) 강자성체 재료의 적층체(stack)의 중앙 홀(central hole)을 가로지른다. 이러한 것의 예들을 이하의 특허들 또는 특허 출원들에서, 즉 US 5,514,924, US 6,268,674, US 6,727,617, WO 2008/074045, CN 1,737,388에서 발견할 수 있다. 다른 예들을 Imoberdorf 등, Pichot 등, 그리고 Buckner 등의 공보들과 같은 문헌에서 발견할 수 있다. Blumenstock의 US 6,359,357 Bl에 기재된 콤보 베어링 타입들에서, 축방향 제어 플럭스는 라미네이트된 강자성체 재료의 적층체의 중앙 홀을 가로지르지 않는다.
축방향 제어 플럭스의 경로가 라미네이트된 재료의 적층체의 중앙 홀을 가로지르는 경우에, 또는 보다 일반적으로, 전기 전도성 경로가 제어 플럭스를 둘러싸는 섹션을 콤보 베어링이 포함하는 경우에, 콤보 베어링의 축방향 채널의 성능에 치명적인 영향을 받을 수 있다. 그러한 경우에, 가변적인 제어 플럭스가 주변 재료 내에서 전압을 생성한다. 상기 주변 경로가 폐쇄되고 전기적으로 전도성인 경우에, 이렇게 생성된 전압은 순환 전류 및 결과적인 주울(Joule) 손실을 유발한다. 사실상, 라미네이트된 재료의 전술한 적층체는 변압기의 단락-회로형 이차 권선으로서 간주될 수 있고, 이때 축방향 제어 코일이 일차 권선이 된다. 결과는 주파수에 의존하고, 원칙적으로 주파수가 증가함에 따라 손실이 증가된다. 특정 축방향 제어 전류 및 주파수에서, 주울 손실은 구현될 수 있는 힘을 감소시킨다. 이러한 것의 결과로서, 축방향 채널의 성능이 영향을 받을 수 있다.
축방향 액추에이터가 작용하는 라미네이트된 재료의 적층체 내에서, 유사한 현상이 발생할 수 있다. 이러한 경우에, 제어 플럭스가 적층체 자체로 진입하나, 물리적 해석은 동일하게 유지된다. 미국 특허 제 6,268,674 호에서, Takahashi는 라미네이트된 재료의 전술한 적층체 내에 일련의 균일하게 분포된 방사상 절개부(cuts)를 형성하는 것을 제시하였다. 물론, 충분한 강도의 유지를 위해서, 박판층(lamellae)은 그 전체 두께에 걸쳐서 절개되지 않는다. 이러한 것의 결과로서, 제어 플럭스가 절개부의 영역으로만 진입한다면, 유도 전류가 국지적으로 유지된다. 이러한 기술은 관련된 라미네이트된 재료의 적층체에서의 손실을 감소시키기 위한 해결책만을 제공한다. 전체 제어 플럭스는 다른 고정자 적층체(stator stack)에 의해서 항상 둘러싸인다.
국제 특허 출원 제 WO 2011/054065 호는 축방향 제어 필드(field)에 의해서 고정자 적층체 내에서 유도되는 맴돌이 전류를 제거하기 위한 방법을 설명한다. 이는, 적층체의 각각의 박판층을 통해서 절개부를 형성하는 것에 의해서 그리고 적층체 내의 자기장에 대한 자기저항(reluctance)이 최소한으로 영향을 받도록 박판층을 적층하는 것에 의해서 실현된다. 이러한 방법의 단점은, 방사상 제어 코일에 의해서 유발되는 자기장에 대한 적층체의 자기저항이 증가된다는 것이다. 또한, 박판층 사이의 코팅이 완전히 절연적이지 않은 것으로 알려져 있고 조립체의 부분들이 또한 박판층 사이의 접촉을 유도할 수 있기 때문에, 순환 전류가 여전히 관찰될 수 있다. 그에 따라, 이러한 맴돌이 전류를 감쇠시키기 위한 부가적인 수단들이 성능을 더 개선할 수 있다.
본원 발명의 목적은 맴돌이 전류의 결과로서의 손실을 감소시키기 위한 대안적인 방식을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 위해서, 본원 발명은, 방사상 액추에이터 부분 및 축방향 액추에이터 부분을 구비하는 자기 베어링과 관련되며, 방사상 액추에이터 부분이 고정자 요크(stator yoke)를 구비하는 라미네이트된 고정자 적층체를 구비하고, 고정자 요크가 상기 고정자 요크를 둘러싸는 폐쇄형 강자성체 구조물에 링크되는 것인 자기 베어링과 관련된다.
본원 발명에 따르면, 맴돌이 전류의 결과로서의 손실을 감소시키기 위한 대안적인 방식을 얻을 수 있다.
본원 발명의 특징들을 보다 잘 제시하기 위한 목적으로, 어떠한 제한적인 속성도 없이, 첨부 도면들을 참조하여, 본원 발명에 따른 자기 베어링의 일부 바람직한 실시예들을 예로서 이하에서 설명한다.
도 1 내지 도 3은 공지된 콤보 베어링의 길이방향 단면을 도시한다.
도 4 및 도 5는 공지된 콤보 베어링의 방사상 단면을 도시한다.
도 6은, 방사상 힘들을 생성하는 것을 담당하는, 본원 발명에 따른 자기 베어링의 부분의 사시도를 개략적으로 도시한다.
도 7은 도 6의 선 Ⅶ-Ⅶ을 따른 단면을 도시한다.
도 10, 도 13 및 도 14는 도 7에 따른 라미네이트된 재료의 적층체의 요크의 여러 가지 실시예들을 도시한다.
도 8 및 도 9는 도 7에 따른 강자성체 구조물의 조립의 연속적인 단계들을 도시한다.
도 11은 도 10에 따른 강자성체 구조물의 부분을 도시한다.
도 12는 도 14에 따른 강자성체 구조물의 분해도를 도시한다.
도 15는 분할된 강자성체 구조물을 도시한 것이다.
도 16은 도 14에 따른 강자성체 구조물의 분해도를 도시한다.
최신 콤보 베어링 타입들의 일부 길이방향 단면들이 도 1, 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 최신 콤보 베어링 타입들의 2가지 가능한 방사상 단면이 도 4 및 도 5에 도시되어 있다.
도시된 대안적인 디자인들은 모두 라미네이트된 회전자 적층체(1), 라미네이트된 고정자 적층체(2), 고정자 요크(3), 폴 요크(pole yoke)(12), 2개의 축방향 폴(4a 및 4b), 및 적어도 3개의 방사상 폴(5)로 이루어진다.
축방향 힘은, 회전 대칭적으로 구성되는 축방향 제어 코일(6)에 의해서 제어된다.
방사상 힘들은, 방사상 폴(5) 주위로 권취된 방사상 제어 코일(7)에 의해서 제어된다.
만약 바이어스 필드(bias field)가 영구 자석(8)에 의해서 생성되지 않는다면, 바이어스 필드는, 특정 방식으로 바이어스 전류를 축방향 제어 전류에 부가하는 것에 의해서 또는 별도의 바이어스 코일을 통해서 바이어스 전류를 안내하는 것에 의해서 생성될 수 있고, 이는 또한 회전 대칭적인 형태를 제공하고 축방향 제어 코일(6)에 근접하여 국지화된다. 전술한 바이어스 코일은 축방향 제어 코일(6)과 동일한 구성을 가지고, 이러한 축방향 제어 코일(6)로부터 물리적으로 분리되며, 그리고 그 바로 근접부 내에 위치된다.
전류가 방사상 제어 코일(7)로 공급될 때, 플럭스가 고정자 적층체(2)의 박판층의 평면 내에서 흐르기 시작한다.
축방향 제어 코일(6)로 공급되는 전류에 의해서 생성되는 플럭스가 폴 요크(12)를 통해서 흐르고, 이어서 축방향 폴(4a) 내로 진행하고, 회전자 적층체(1)에 대한 분리부를 가로지르고, 대향하는 축방향 폴(4b)에 대한 분리부를 가로지르며, 그리고 최종적으로 폴 요크(12) 내로 복귀한다.
전술한 내용의 결과로서, 축방향 제어 전류가 시간에 걸쳐 변화됨에 따라, 시간-가변적 플럭스가 고정자 적층체(2)의 중앙 홀을 가로지른다.
패러데이-렌츠(Faraday-Lenz) 법칙 및 오옴(Ohm)의 법칙에 따라서, 순환 전류가 고정자 적층체(2)의 박판층 내에서 생성된다. 따라서, 본원 발명의 목적은 이러한 유도된 순환 전류에 대한 감쇠 장치를 제공하는 것이다.
순환 전류가 받게 되는 임피던스는, 박판층 적층체의 접선방향 저항에 의해서 주로 결정된다.
작은 유도적 기여가 존재할 수 있으나, 이는 비교적 제한적이다. 본원 발명은, 임피던스에 대한 유도적 기여가 실질적으로 증가되도록, 라미네이트된 적층체 주위에 부가적인 장치를 장착하는 것에 관한 것이다.
본원 발명에 따라서, 이러한 것은, 도 6에 도시된 바와 같이, 고정자 요크(3)를 둘러싸는 폐쇄된 강자성체 구조물(9)에 링크되는 고정자 요크에 의해서 실용적인 방식으로 이루어진다.
실제로, 이러한 것이 "링크된다는" 것은, 함께 링크된 체인의 2개의 링크들과 같이, 전술한 강자성체 구조물(9)이 고정자 요크(3)의 부분을 사실상 둘러싸는 한편, 고정자 요크(3)가 또한 전술한 강자성체 구조물(9)의 부분을 둘러싼다는 것을 의미한다.
주위의 중공형의 강자성체 구조물(9)의 몇 가지 전형적인 변형예들을 가지는 라미네이트된 재료의 적층체의 고정자 요크(3)의 축방향 단면들이 도 7, 도 10, 도 13 및 도 14에 도시되어 있다.
이러한 방법의 성능을 최대화하기 위해서, 중공형의 강자성체 구조물 내에서 맴돌이 전류들이 생성되는 것을 제한하거나 방지하도록, 이상적으로 부가적인 수단들이 취해진다.
이는, 예를 들어, 중공형의 강자성체 구조물(9)을 조립하는 것, 페라이트 부분, 연자성 복합 부분, 또는 적층된 얇은 강자성체 박판층의 부분과 같은 부분(10)을 이용하는 것에 의해서 실현될 수 있다.
강자성체 구조물(9)의 자기 저항 및 비용을 최소화하기 위해서, 전술한 부분(10)은, 도 8에 도시된 바와 같이, 바람직하게 U 형상이 된다.
도 9는, 그러한 U 형상의 부분이 고정자 요크(3) 주위로 장착될 수 있는 방식을 도시한다. U 형상의 부분(10)을 이용하는 대신에, 도 11에 도시된 바와 같은, 직선형 부분(11)이 또한 이용될 수 있다.
도 12는, 도 11의 이러한 직선형 부분(11)이 고정자 요크(3) 주위로 장착될 수 있는 방식을 도시한다. 자기 저항을 최소화하기 위해서, 그 부분들을 함께 프레스(press)하는 것이 필요하다.
그러나, 그러한 중공형의 강자성체 구조물(9)은 또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 비정질 리본 또는 나노결정질 리본을 라미네이트된 재료의 적층체의 고정자 요크(3) 주위로 권취하는 것에 의해서 제조될 수 있을 것이다.
이러한 재료들을 직접적으로 권취하는 대신에, 이러한 재료들이 또한 별도의 구조물 상에 권취될 수 있고, 결과적인 중공형의 강자성체 구조물이, 도 15에 도시된 바와 같이, 부분들로 분할될 수 있고, 이러한 부분들은, 도 16에 도시된 바와 같이, 라미네이트된 재료의 적층체의 고정자 요크(3) 주위에서 다시 함께 결합될 수 있고, 자기 저항을 최소화하기 위해서 이러한 부분들이 함께 프레스될 수 있다.
본원 발명은 앞서 설명된 그리고 도면들에 도시된 실시예들로 결코 제한되지 않고, 본원 발명에 따른 자기 베어링은, 본원 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도, 모든 종류들의 변형예들로 실현될 수 있다.
2 : 고정자 적층체 3 : 고정자 요크
5 : 방사상 폴 7 : 방사상 제어 코일
9 : 강자성체 구조물

Claims (15)

  1. 방사상 액추에이터 부분 및 축방향 액추에이터 부분을 구비하는 자기 베어링으로서, 상기 방사상 액추에이터 부분은 고정자 요크(3)를 구비하는 라미네이트된 고정자 적층체(2)를 포함하는 것인 자기 베어링에 있어서,
    상기 고정자 요크(3)는 상기 고정자 요크(3)를 둘러싸는 폐쇄형 강자성체 구조물(9)에 링크(link)되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 축방향 액추에이터 부분은 상기 라미네이트된 고정자 적층체(2)를 둘러싸는 적어도 하나의 축방향 제어 코일(6)을 포함하고, 그리고 폴 요크(12) 및 2개의 축방향 폴(4a 및 4b)을 더 포함하며; 영구 자석(8)이 상기 고정자 요크(3)와 양 축방향 폴들(4a 및 4b) 사이에 제공되고; 상기 영구 자석(8)은 축방향으로 자화되고; 그리고 상기 영구 자석(8)의 자화 방향은 상기 고정자 요크(3)의 축방향 양측에서 반대되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.
  3. 제 1 항에 있어서, 방사상으로 자화된 영구 자석(8)이 라미네이트된 고정자 적층체(2)를 둘러싸고; 그리고 상기 축방향 액추에이터 부분의 적어도 하나의 축방향 제어 코일(6)이 상기 방사상으로 자화된 영구 자석(8) 및 상기 라미네이트된 고정자 적층체(2)의 적어도 하나의 축방향 면 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 방사상으로 자화된 영구 자석(8)이 일련의 인접하여 장착된 보다 작은 영구 자석들로서 구축되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 축방향 액추에이터 부분이 적어도 하나의 축방향 제어 코일(6), 폴 요크(12) 및 2개의 축방향 폴(4a 및 4b)을 포함하고; 상기 적어도 하나의 축방향 제어 코일(6)이 상기 라미네이트된 고정자 적층체(2)의 적어도 하나의 축방향 면 상에 장착되는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 폴 요크(12)가 상기 고정자 요크(3)에 접촉하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 축방향 제어 코일(6)과 동일한 구성을 나타내는 바이어스 코일이 제공되고, 이 바이어스 코일은 상기 축방향 제어 코일(6)로부터 물리적으로 분리되고, 그리고 이러한 축방향 제어 코일(6)의 근접부 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 폐쇄형 강자성체 구조물(9)은, 서로 전기적으로 절연된 얇은 박판층의 적층체를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 폐쇄형 강자성체 구조물(9)은 권취된 편평한 리본을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 폐쇄형 강자성체 구조물(9)은 페라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 폐쇄형 강자성체 구조물(9)은 연자성 복합체 분말을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 폐쇄형 강자성체 구조물(9)은 비정질 또는 나노결정질 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 폐쇄형 강자성체 구조물(9)은 다수의 상호 연결된 부분들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자기 베어링.
  14. 자기 베어링을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    - 고정자 요크(3)를 제공하는 단계;
    - 상기 고정자 요크(3)의 축방향 단면의 외측 치수와 같거나 그보다 큰 내측 치수를 가지는 폐쇄형 경로를 형성하는 강자성체 부분들의 세트를 제공하는 단계;
    - 폐쇄형 경로가 형성되도록, 상기 고정자 요크(3) 주위로 강자성체 부분들을 배치하는 단계;
    - 모든 강자성체 부분들을 단단히 함께 프레스(press)하는 단계; 및
    - 결과적인 강자성체 구조물(9)을 상기 고정자 요크(3)에 고정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 자기 베어링을 제조하기 위한 방법에 있어서,
    - 고정자 요크(3)를 제공하는 단계;
    - 비정질 리본, 나노결정질 리본, 자기 와이어 또는 섬유 재료와 같은 보빈(bobbin) 상의 강자성체 재료를 제공하는 단계;
    - 상기 고정자 요크(3)를 전기적으로 절연시키는 단계;
    - 상기 고정자 요크(3) 주위에 강자성체 구조물(9)을 형성하기 위해서 상기 보빈 상의 강자성체 재료를 상기 고정자 요크 주위로 권취하는 단계; 및
    - 결과적인 강자성체 구조물(9)을 상기 고정자 요크(3)에 고정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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