KR20150102046A

KR20150102046A - 자기 베어링과 이 자기 베어링을 포함하는 회전 기계

Info

Publication number: KR20150102046A
Application number: KR1020157018994A
Authority: KR
Inventors: 루치아노 메이; 두치오 피오라반티; 마르코 로마넬리; 마르코 안셀미; 마누엘레 비기
Original assignee: 누보 피그노네 에스알엘
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2015-09-04
Also published as: US10378582B2; BR112015014849B1; CA2895580A1; AU2013363697A1; EP2746606A1; JP2016509654A; EP2746606B1; RU2015122785A; RU2654432C2; WO2014095788A1; US20160215817A1; CN105339689A; BR112015014849A2; CN105339689B; NO2746606T3; BR112015014849B8; AU2013363697B2

Abstract

본 발명은 로터(4)를 구비하는 회전 기계용의 자기 베어링(1)에 관한 것이다. 이 자기 베어링(1)은, 고정 지지 디바이스(2)에 고정된 스테이터 자기 회로(5)를 포함하며, 상기 스테이터 자기 회로(5)는, 환형 보호 지지부(8)에 배치된 강자성체(7)와 적어도 하나의 코일(6)을 포함하고, 상기 환형 보호 지지부(8)는 상기 강자성체(7)의 표면과 상기 적어도 하나의 코일(6)의 표면을 덮여 있지 않은 상태로 남겨 둔다. 상기 자기 베어링(1)은 또한, 상기 환형 보호 지지부(8)에 의해 덮여 있지 않은 채로 남겨진 상기 적어도 하나의 코일(6)의 표면에 배치되는 적어도 하나의 환형 플러그(13)를 포함하고, 상기 환형 보호 지지부(8)에 의해 덮여 있지 않은 채로 남겨진 상기 강자성체(7)의 표면은 보호층(17)으로 덮여 있다.

Description

자기 베어링과 이 자기 베어링을 포함하는 회전 기계{MAGNETIC BEARING AND ROTARY MACHINE COMPRISING SUCH A BEARING}

개시된 실시형태는 일반적으로 로터를 갖는 회전 기계용 자기 베어링에 관한 것이다. 특히, 상기 실시형태는, 로터 및 베어링이, 부식성이거나 산성이거나 혹은 입자를 운반하는 유체와, 예컨대 기체 분위기와, 사용시에 접촉하는 회전 기계용의 자기 베어링에 관한 것이다. 몇몇 예시적인 실시형태는 특히 상기한 자기 베어링을 포함하는 회전 기계에 관한 것이다.

회전 기계에 자기 베어링을 사용하는 것은, 특히 부식성 유체의 경우에, 점점 더 보급되고 있다. 베어링이 운용되는 기계의 작동 유체가 산성 유체이거나 부식성 유체이거나 혹은 입자를 운반하는 유체인 경우, 부식-방지 보호 기술을 사용하여, 자기 베어링의 코일과 관련 수단을 보호할 필요가 있다. 이러한 기술의 일례가, 산화 또는 부식되지 않고 일반적으로 환경의 공격성과 관련이 있는 어떠한 현상도 겪지 않는 재료로 제조된 금속 재킷에 의해 베어링의 스테이터 부분이 보호를 받는 재킷 베어링이다.

재킷은, 적어도 하나의 코일과 강자성체를 포함하는 스테이터 자기 회로가 배치되는 환형 지지부에 용접된 판의 형태일 수 있다. 환형 지지부는 자성 스테인리스강 등과 같은 스테인리스 재료로 제조될 수 있다. 폐쇄 판의 재킷은 환형 지지부와 동일한 재료로 만들어질 수 있거나, 또는 다른 금속 재료, 예컨대 니켈 베이스 합금 등으로 될 수 있다.

작동 조건(압력, 압력의 빠른 변화, 온도, 부식과 마모를 견디는 능력)을 견디기 위해, 재킷은 0.3 ㎜에서 1 ㎜ 이상까지의 범위, 예컨대 0.3 ㎜ 내지 0.5 ㎜의 범위에 있는 두께, 즉 자기 베어링의 에어갭의 두께(베어링의 로터 전기자와 스테이터 자기 회로 사이의 거리임)와 유사한 두께를 일반적으로 부여한다. 따라서, 이러한 비자성 재료의 재킷을 마련함으로써, 베어링의 에어갭의 두께가 증대되며, 그 결과 상기 베어링의 가용 하중이 상당히 제한된다. 또한, 어떤 조건에서는, 자기 베어링의 로터 전기자와 재킷 사이의 접촉을 없애는 것이 완전히 보장되지는 않는다.

따라서, 재킷의 두께는 감소되는 것이 바람직하고 재킷은 가느다란 금속 시트로 이루어지는 것이 바람직하다. 하지만, 스테이터 자기 회로를 부식으로부터 보호하는 것과, 작동시에 형상 및 치수를 동일하게 유지하는 것을 보장하기 위해서는, 높은 기계적 성질과 높은 방식성을 갖는 특정 재료를 사용하는 것이 필요하다.

또한, 용접 및 최종 재가공 이후에, 재킷을 생산하게 되면, 재킷의 정확한 두께를 점검할 수 없게 되고, 그에 따라 베어링의 실제 에어갭의 정확한 두께를 점검할 수 없게 된다.

본 발명은, 재킷 베어링의 원리의 이점을 유지하면서 전술한 단점을 개선하는 것을 목적으로 한다. 특히, 본 발명에서 하나의 목표로 삼는 것은, 보다 간단하게 만들어지며 보다 높은 하중 용량을 갖는 자기 베어링을 제공하는 것이다.

제1 양태에 따르면, 예시적인 일 실시형태에서, 로터를 구비하는 회전 기계용의 자기 베어링이, 고정 지지 디바이스에 고정된 스테이터 자기 회로를 포함한다. 상기 스테이터 자기 회로는, 환형 보호 지지부에 배치된 강자성체와 적어도 하나의 코일을 포함하고, 상기 환형 보호 지지부는 상기 강자성체의 표면과 상기 적어도 하나의 코일의 표면을 덮여 있지 않은 상태로 둔다. 상기 자기 베어링은 또한 상기 환형 보호 지지부에 의해 덮여 있지 않은 채로 남겨진 상기 적어도 하나의 코일의 표면에 놓이는 적어도 하나의 환형 플러그를 포함하고, 상기 환형 보호 지지부에 의해 덮여 있지 않은 채로 남겨진 상기 강자성체의 표면은 보호층으로 덮인다.

상기 보호층으로 인하여, 상기 플러그의 재료는 그 자기적 성질과 기계적 성질을 고려하여 선택될 수 있으며: 부식에 대항하는 성질은 더 이상 관련이 없다. 상기 플러그의 재료와 상기 스테이터 자기 회로의 재료는 부식에 대해서는 상기 보호층에 의해 보호된다. 특히, 상기 보호층은 습한 CO₂가 탄소강 및 저합금강에 부식 손상을 입히는 것을 막고, 염화물이 스테인리스강에 피팅(pitting) 부식 손상을 입히는 것을 막는다. 이 경우, 플러그용으로 상기한 (소기의 자기적 성질과 기계적 성질을 갖는) 재료를 선택하는 것이 가능하다. 또한, 상기 플러그의 재료가 강자성 재료인 경우, 더 이상 얇은 플러그로 코일을 보호하게 할 필요가 없고: 상기 플러그는 표준 재킷보다 큰 두께를 가질 수 있으며, 그 결과 사용시 플러그의 변형과 기계적 성질에 관한 재료의 요건이 감소되어, 베어링의 수명이 길어지고 에어갭이 작아진다.

따라서, 재킷을 없앤 것으로 인하여 그리고 에어갭을 줄인 것으로 인하여, 본 발명의 자기 베어링의 능력이 증대된다. 또한, 보호층은 제조 단계 중에 용이하게 개조될 수 있고, 그 결과 베어링의 운용성을 향상 및 완화시킬 수 있게 된다. 또한, 보호층은 표준 재킷보다 저렴하다.

일부 실시형태에서, 보호층은 니켈층을 포함할 수 있다.

상기 니켈층은 무전해-니켈 도금에 의해 형성될 수 있다.

상기 니켈층은 니켈과 인을 포함할 수 있다.

일부 실시형태에서, 환형 플러그는 강자성 재료, 자성 스테인리스강 및 니켈 베이스 합금의 그룹에서 선택된 자성 재료를 포함할 수 있다.

일 실시형태에 따르면, 상기 베어링은 액시얼 자기 베어링이다. 상기 베어링은 로터에 고정된 디스크 형태의 로터 전기자를 포함할 수 있고, 상기 스테이터 자기 회로는 상기 로터 전기자에 면해 있을 수 있다.

상기 로터 및 상기 로터 전기자는, 부식성이거나 산성이거나 혹은 입자를 운반하는 유체와, 예컨대 기체 분위기와, 사용시에 접촉해 있을 수 있다.

일부 실시형태에서, 상기 환형 플러그는, 예컨대 저온 브레이징에 의해, 상기 적어도 하나의 코일에 경납땜된다.

일부 실시형태에서, 상기 환형 플러그는 반경방향 웹과 2개의 축방향 플랜지를 갖는 U자형 단면을 구비할 수 있다.

다른 양태에 따르면, 회전 기계, 예컨대 터보 기계류가 로터와 앞서 정의한 바와 같은 베어링을 포함할 수 있다.

다른 양태에 따르면, 앞서 정의한 바와 같은 베어링을 제조하는 프로세스가, 이하의 단계 : a) 적어도 하나의 코일 및/또는 강자성체에 적어도 하나의 환형 플러그를 용접하는 단계와, 그리고 b) 환형 보호 지지부에 의해 덮여 있지 않은 채로 남겨진 강자성체의 표면과 적어도 하나의 환형 플러그를 보호층으로 피복하는 단계를 포함할 수 있다.

일부 실시형태에서, 상기 프로세스는, 단계 a)와 b) 사이에, 환형 보호 지지부에 의해 덮여 있지 않은 채로 남겨진 강자성체의 표면과 적어도 하나의 환형 플러그를 재가공하여 편평한 면을 얻는 단계를 포함할 수 있다.

사용되는 그 밖의 특징은, 비제한적인 예로서 주어지는 본 발명의 특정 실시형태에 대한 이하의 상세한 설명을 첨부 도면을 참조하면서 읽으면 보인다.

도 1은 예시적인 일 실시형태에 따른 자기 베어링을 보여주는 도 2의 선 Ⅰ-Ⅰ를 따라 취한 축방향 단면도이다.
도 2는 도 1의 선 Ⅱ-Ⅱ를 따라 취한 반경방향 단면도이다.

예시적인 실시형태에 대한 이하의 상세한 설명은, 첨부 도면을 참조로 한다. 서로 다른 도면에 있어서 동일한 도면부호는 동일하거나 유사한 요소를 식별하는데 사용된다. 추가적으로, 도면들은 축척에 맞춰 도시되어 있다라고는 할 수 없다.

도 1과 도 2는 회전 기계용의 본 발명의 액시얼 자기 베어링(1)의 예시적인 일 실시형태를 보여준다. 자기 베어링(1)은 회전 기계의 회전 샤프트(4)에 고정된 디스크 형태의 로터 전기자(3)와 스테이터 전기자(2)를 포함한다.

스테이터 전기자(2)는, 통상적으로 하나 이상의 환형 코일(6)과 강자성체(7)를 구비하는 스테이터 자기 회로(5)를 포함한다. 강자성체(7)는 육중한 것이거나 혹은 국부적으로 적층된 것일 수 있다. 스테이터 자기 회로(5)는 금속제 환형 보호 지지부(8)에 배치되어 있고, 환형 보호 지지부는 그 자체가 고정 지지 디바이스(9)에 고정되어 있다.

스테이터 자기 회로(5)는 로터 전기자(3)에 면하게 배치되어 있다. 스테이터 자기 회로(5)와 그 환형 보호 지지부(8)는 로터 전기자(3)에 대해 에어갭 Δ를 획정한다. 일부 실시형태에서, 에어갭 Δ는 0.4 ㎜ 내지 1.5 ㎜의 범위, 바람직하게는 0.4 ㎜ 내지 1.2 ㎜의 범위에 있을 수 있다.

스테이터 자기 회로(5)의 환형 보호 지지부(8)는, 반경방향 웹(10)과 내측 축방향 플랜지(11) 및 외측 축?향 플랜지(12)를 갖는 U자형 단면을 갖는다. 회전 샤프트(4)의 축선 방향으로의 상기 축방향 플랜지(11, 12)의 길이는 스테이터 자기 회로(5)의 강자성체(5)의 높이와 적어도 같다. 따라서, 환형 보호 지지부(8)는 강자성체(7)의 표면, 특히 로터 전기자(3)에 면하는 강자성체(7)의 표면과, 하나 이상의 환형 코일(6)의 표면, 특히 로터 전기자(3)에 면하는 하나 이상의 환형 코일(6)의 표면을 덮여 있지 않은 상태로 남겨 둔다.

자기 베어링(1)은 또한 하나 이상의 환형 플러그(13)를 포함한다. 환형 플러그(13)는, 반경방향 웹(14)과 내측 축방향 플랜지(15) 및 외측 축?향 플랜지(16)를 갖는 U자형 단면을 갖는다. 환형 플러그(13)는 축방향 플랜지(15, 16)에 의해 강자성체(7)에 용접된다. 환형 플러그(13)는 또한 저온 브레이징 재료를 이용하여 코일(6)에 경납땜될 수 있다. 환형 플러그(13)는, 환형 보호 지지부(8)에 의해 덮여 있지 않은 채로 남겨진 하나 이상의 코일(6)의 표면 상에 배치된다.

환형 플러그(13)는 자성 재료, 예컨대 자성 스테인리스강, Inconel® 등과 같은 니켈 베이스 합금, 또는 바람직하게는 탄소강 및 저합금강 등과 같은 강자성 재료를 포함할 수 있다. 특히, 플러그가 보호층에 의해 피복되어 부식으로부터 보호되므로, 더 이상 높은 방식성을 갖는 재료를 사용할 필요가 없고: 플러그(13)의 재료는 그 자기적 성질과 그 기계적 성질에 따라 선택된다.

또한, 환형 보호 지지부(8)에 의해 덮여 있지 않은 채로 남겨진 강자성체(7)의 표면과 환형 플러그(13)의 반경방향 웹(14)의 외면은 편평도가 향상된 표면을 얻도록 재가공될 수 있으므로, 압력을 받는 상태에서 환형 플러그(13)가 조금도 변형되지 않게 하도록, 환형 플러그(13)가 환형 보호 지지부(8)의 하나의 플랜지보다 크거나 같은 두께를 가질 수 있다.

자기 베어링(1)은 또한 보호층(17)을 포함한다. 보호층(17)은 스테이터 자기 회로(5)를 부식으로부터 보호하는 것을 목적으로 한다. 보호층(17)은 환형 보호 지지부(8)에 의해 덮여 있지 않은 채로 남겨진 강자성체(7)의 표면과 환형 플러그(13)의 웹(14)의 외면 상에 있다. 다시 말하자면, 보호층(17)은 로터 전기자(3)에 면하는 스테이터 전기자(2)의 표면을 덮는다. 보호층(17)은 또한 환형 보호 지지부(8)의 플랜지(11, 12)의 외면을 덮을 수 있다.

일부 실시형태에서, 보호층(17)의 두께는 1 ㎚ 내지 1 ㎜의 범위, 바람직하게는 100 ㎚ 내지 10 ㎛의 범위 내에 있을 수 있다.

일부 실시형태에서, 보호층(17)은 니켈층일 수 있다. 상기 니켈층은 무전해-니켈 도금에 의해 형성될 수 있다. 상기 니켈층은 니켈과 인을 포함할 수 있다.

환형 플러그(13)와 보호층(17)을 사용한 덕분에, 스테이터 자기 회로(5)와 로터 전기자(3) 사이의 에어갭 Δ를 종래의 자기 베어링보다 작게 유지하면서, 스테이터 자기 회로(5)를 부식으로부터 보호할 수 있다. 특히, 환형 플러그(13)가 강자성 재료를 포함하는 경우, 에어갭 Δ는 보호층(17)과 로터 전기자(3) 사이의 거리에 보호층(17)의 두께를 더한 것이다.

또한, 강자성체(7)의 표면을 환형 플러그(13)의 반경방향 웹의 표면과 함께 재가공하고, 보호층으로 피복한 덕분에, 로터 전기자(3)에 면하는 표면이 높은 편평도를 갖게 하여, 에어갭을 줄일 수 있다.

앞에서는 액시얼 타입의 자기 베어링을 기준으로 설명하였다. 그러나, 레이디얼 타입의 자기 베어링 또는 레이디얼 베어링과 액시얼 베어링의 기능을 조합한 코니컬 타입의 자기 베어링에도 마찬가지로 적용 가능하다.

Claims

로터(4)를 구비하는 회전 기계용의 자기 베어링(1)으로서, 고정 지지 디바이스(2)에 고정된 스테이터 자기 회로(5)를 포함하며, 상기 스테이터 자기 회로(5)는, 환형 보호 지지부(8)에 배치된 강자성체(7)와 적어도 하나의 코일(6)을 포함하고, 상기 환형 보호 지지부(8)는 상기 강자성체(7)의 표면과 상기 적어도 하나의 코일(6)의 표면을 덮여 있지 않은 상태로 남겨 두며,
상기 자기 베어링(1)은 상기 환형 보호 지지부(8)에 의해 덮여 있지 않은 채로 남겨진 상기 적어도 하나의 코일(6)의 표면에 배치되는 적어도 하나의 환형 플러그(13)를 포함하고, 상기 환형 보호 지지부(8)에 의해 덮여 있지 않은 채로 남겨진 상기 강자성체(7)의 표면은 보호층(17)으로 덮여 있는 것을 특징으로 하는 자기 베어링(1).
제1항에 있어서, 상기 보호층(17)은 니켈층을 포함하는 것인 자기 베어링(1).
제2항에 있어서, 상기 니켈층은 무전해-니켈 도금에 의해 형성되는 것인 자기 베어링(1).
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 니켈층은 니켈과 인을 포함하는 것인 자기 베어링(1).
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환형 플러그(13)는 강자성 재료, 자성 스테인리스강 및 니켈 베이스 합금의 그룹에서 선택된 자성 재료를 포함하는 것인 자기 베어링(1).
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 베어링(1)은 액시얼 자기 베어링인 것인 자기 베어링(1).
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 로터(4)에 고정된 디스크 형태의 로터 전기자(3)를 포함하고, 상기 스테이터 자기 회로(5)는 상기 로터 전기자(3)에 면해 있는 것인 자기 베어링(1).
제7항에 있어서, 상기 로터(4) 및 상기 로터 전기자(3)는, 부식성이거나 산성이거나 혹은 입자를 운반하는 유체와, 예컨대 기체 분위기와, 사용시에 접촉하는 것인 자기 베어링(1).
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환형 플러그(13)는, 예컨대 저온 브레이징에 의해, 상기 적어도 하나의 코일(6)에 경납땜되는 것인 자기 베어링(1).
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환형 플러그(13)는 반경방향 웹(10)과 2개의 축방향 플랜지(15, 16)를 갖는 U자형 단면을 갖는 것인 자기 베어링(1).
로터(4)와 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 자기 베어링(1)을 포함하는 회전 기계, 예컨대 터보 기계류.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 자기 베어링을 제조하는 프로세스로서,
a) 적어도 하나의 코일 및/또는 강자성체에 적어도 하나의 환형 플러그를 용접하는 단계와, 그리고
b) 환형 보호 지지부에 의해 덮여 있지 않은 채로 남겨진 강자성체의 표면과 적어도 하나의 환형 플러그를 보호층으로 피복하는 단계
를 포함하는 자기 베어링 제조 프로세스.
제12항에 있어서, 단계 a)와 b) 사이에, 환형 보호 지지부에 의해 덮여 있지 않은 채로 남겨진 강자성체의 표면과 적어도 하나의 환형 플러그를 재가공하여 편평한 면을 얻는 단계를 더 포함하는 자기 베어링 제조 프로세스.