KR20160024328A - 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치 - Google Patents

원심 압축기의 축 하중 상쇄장치 Download PDF

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Abstract

압축기의 내부에서 전동기의 로터와 스테이터 사이에서 이루어지는 축방향의 비대칭 배열에 의해 생성되는 축 하중의 작용방향과 반대되는 방향의 전자기력의 축력을 매개로 압축기의 회전축에서 임펠러를 향해 발생하는 축 하중을 상쇄함으로써 베어링에 대한 적정의 내구 수명을 확보하고 이를 통해 압축기 전체의 내구 성능을 향상시킬 수 있는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치를 개시한다.
전술한 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치는 케이스(100)의 내부에서 임펠러(300)의 회전을 위해 설치되는 회전축(200), 상기 회전축(200)의 축 중심에 대해 동심축 상으로 내부와 외부에 각각 배치되는 로터(410)와 스테이터(420)를 갖춘 전동기(400), 및 상기 전동기(400)를 중심으로 상기 회전축(200)의 양단부에 위치하는 전방 베어링(210)과 후방 베어링(220)을 포함하고, 상기 로터(410)의 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)는 상기 스테이터(420)의 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y) 보다 상기 임펠러(300)를 향해 인접한 부위로 배치된다.

Description

원심 압축기의 축 하중 상쇄장치{Device for counterbalancing axial load in centrifugal compressor}
본 발명은 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전동기의 로터와 스테이터 사이의 축방향 비대칭 배열에 의해 축 하중의 작용방향과 반대되는 방향으로 생성되는 전자기력의 축력을 매개로 축 하중을 상쇄하고 베어링의 내구 성능의 저하를 방지할 수 있는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치에 관한 것이다.
일반적으로 압축기는 작동유체를 고압으로 압축시켜 출력할 수 있는 기계장치로서, 실린더 내에서 피스톤을 왕복 운동시키는 왕복동식과, 적어도 두 개의 나란한 치형을 가지는 로터의 회전을 통한 체적변화를 통해 작동유체를 압축시키는 스크류식, 3차원 형상의 인볼루트 곡선을 가지는 한 쌍의 랩(Warp)형 압축매체(고정 스크롤과 회전 스크롤)를 이용한 스크롤식, 및 고속으로 회전하는 임펠러를 이용한 원심 압축기 등과 같이 다양한 종류로 구분될 수 있다.
이와 같은 압축기 중에서 원심 압축기는 케이스 내에서 고속으로 회전하는 임펠러를 매개로 작동유체를 방사상으로 유동시켜 압축하는 것이다. 이 경우, 임펠러는 작동유체를 내부로 흡입한 다음 속도 에너지의 일부를 압력 에너지로 변환함으로써 작동유체에 높은 압력과 속도를 부여하여 외부로 토출하는 기능을 수행한다. 특히, 원심 압축기는 여러 단의 임펠러를 적용하여 작동유체를 다단으로 압축할 수 있기 때문에 우수한 압축 효율을 얻을 수 있으므로 널리 사용되고 있는 실정이다.
한편, 상기와 같은 원심 압축기 중에서 고속 전동기를 적용한 원심 압축기는 스테이터의 코어와 로터의 영구자석 사이에서 통전시 발생하는 전자기력을 이용하여 회전력을 얻을 수 있도록 제작된다. 일례로, 종래 전동식 원심 압축기는 도 1에 도시된 바와 같이 케이스(100), 회전축(200), 임펠러(300), 및 전동기(400) 등을 포함하여 구성된다.
상기 케이스(100)는 복수로 분할되어 결합되는 형태로서, 내부에 작동유체의 압축을 위한 공간을 형성하고 일측에 외기의 유입을 위한 덕트 형태의 공기 유입부(110)를 형성한다.
상기 회전축(200)은 케이스(100)의 내부에서 전동기(400)에 의해 회전 가능하게 설치된다. 또한, 상기 회전축(200)의 양단부는 케이스(100)의 내부에서 래디얼 볼 베어링 형태인 전방 베어링(210)과 후방 베어링(220)에 의해 각각 축 지지된다. 이 경우, 상기 전방 베어링(210)은 케이스(100)의 내부에서 임펠러(300)의 설치 위치를 기준으로 상기 임펠러(300)와 인접한 회전축(200)의 일단부에 설치된 것으로, 원심 압축기의 작동시 상기 회전축(200)의 축방향을 따라 임펠러(300)를 향해 작용하는 축 하중을 지지하기 위한 목적으로 구비된다. 또한, 상기 후방 베어링(220)은 케이스(100)의 내부에서 임펠러(300)의 설치 위치를 기준으로 상기 임펠러(300)로부터 멀리 이격된 위치에 해당하는 회전축(200)의 타단부에 설치된 것으로, 회전축(200)의 축방향으로 작용하는 예압축의 정도를 자유롭게 조절할 수 있도록 예압 스프링(230)에 의해 지지된다. 이 결과, 상기 후방 베어링(220)은 예압 스프링(230)으로부터 제공되는 압축력에 의해 적정의 지지 강성을 유지할 수 있을 뿐만 아니라, 압축기의 작동시 발생하는 소음을 감소시키는 역할을 수행한다.
상기 임펠러(300)는 공기 유입부(110) 내에서 회전축(200)에 의해 회전 가능하게 설치되어 상기 전동기(400)의 작동시 고속으로 회전하여 공기 유입부(110)를 통해 유입된 작동유체를 고압의 상태로 압축시키는 역할을 수행한다. 또한, 디퓨져(310)는 상기 임펠러(300)와 인접한 위치에서 임펠러(300)에 의해 고압으로 압축된 작동유체를 확산시켜 동압을 정압으로 변환하는 기능을 수행한다. 토출구(320)는 상기 디퓨져(310)를 통과하여 고압으로 압축된 작동유체를 외부로 출력하는 나선형상의 통로에 해당한다.
상기 전동기(400)는 회전축(200)의 외주면에 설치되는 원통형상의 로터(410)와, 상기 로터(410)와 동심축 상으로 소정의 간극을 두고 외부에 설치되는 원통형상의 스테이터(420)로 구성된다. 특히, 상기 로터(410)는 회전축(200) 상에 고정되는 영구자석을 구비하고, 상기 스테이터(420)는 코어에 감겨지는 권선 코일을 구비한다.
그런데, 상기와 같은 구성의 종래 원심 압축기와 같은 원심형 터보기계의 경우, 상기 임펠러(300)의 고속 회전에 의해 입구측 유체가 축방향으로 흡입된 다음 반경방향으로 승압되어 외부로 토출되는 과정, 즉 작동유체의 흡입과 토출이 연속적으로 이루어지는 과정에서 회전체인 임펠러(300)의 후면에 작용하는 압력이 전면의 압력 대비 크게 상승하게 되는 압력 차이를 수반하게 되는 데, 이러한 압력의 차이는 임펠러(300)를 장착한 회전축(200)에서 전방 베어링(210)을 향한 축방향 하중(F)을 발생시키는 이상 현상으로 귀결된다.
특히, 원심 압축기를 고속으로 운용할 경우, 상기 임펠러(300)의 회전속도는 더욱 상승하게 되고, 이러한 임펠러(300)의 회전속도 상승은 임펠러(300)의 전단과 후단 사이의 압력 차이를 더욱 크게 하므로, 축방향 하중(F)에 의한 이상 현상의 발생은 더욱 가중될 수밖에 없고, 이러한 문제는 상기 회전축(200)을 축 지지하는 베어링 중에서 전방 베어링(210)에 대한 내구에 치명적인 영향을 미칠 뿐만 아니라 임펠러(300)와 볼류트(미도시) 사이에서 마찰에 의한 융착(Rubbing)을 초래하여 압축기 전체에 치명적인 문제를 야기하게 된다.
이 결과, 종래 원심 압축기에서 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 하중(F)의 크기는 베어링의 수명을 결정하게 되고, 궁극적으로 원심 압축기의 내구성이 베어링의 수명에 의해 종속되는 문제를 초래하게 된다. 또한, 이와 같은 문제의 발생은 압축 효율이 향상된 고성능의 원심 압축기에 대한 수요가 증가하면서 임펠러(300)를 더욱 높은 회전수로 운용함에 따라 가중되는 실정이다.
이에 따라, 종래 원심 압축기에서는 축방향 하중(F)의 증가에 따른 내구성의 저하를 방지하기 위해 축 하중 지지를 위한 전방 베어링(210)을 다수로 적용하여 안정성을 확보하거나, 초고속 회전이 적합한 고성능의 베어링으로 대체하는 등의 대처 방안을 강구하게 되었다.
그러나 다수의 베어링을 적용할 경우에는 회전축(200) 상에 베어링의 설치를 위한 적정 공간을 확보해야 하므로 회전축(200)의 길이가 길어질 뿐만 아니라 경제성에도 나쁜 영향을 미치게 되고, 특히 압축기의 구동시 회전축(200)의 축방향 변형을 크게 하여 공진점 회피 설계를 곤란하게 하는 또 다른 문제로 귀결될 수밖에 없었다.
또한, 종래에는 면과 면의 속도차에서 발생하는 양력을 베어링에 접목하여 회전체를 부상시키는 무마찰 베어링의 일종인 에어포일 베어링(Airfoil bearing)을 적용하는 방안이 강구되었다.
도 2는 기존 래디얼 볼 베어링을 대체하여 에어포일 베어링이 적용된 원심 압축기의 구성을 도시한 단면도이다. 도 2를 참조로 하면, 에어포일 베어링(240)은 도 1에 도시된 전방 베어링(210)과 후방 베어링(220)의 설치 부위에 대체됨으로써 회전축(200)의 양단부를 반경방향으로 안정적으로 축 지지하는 기능을 수행하게 된다.
아울러, 상기 회전축(200)에 대한 축방향 하중을 지지하기 위해 임펠러(300)와 인접한 부위에서 반경방향 외측으로 일체로 돌출된 플랜지부(250)는 케이스(100)와 접촉하는 대향된 전단 및 후단부위에 각각 스러스트 베어링(260)을 설치한다. 이 경우에도 상기 스러스트 베어링(260)은 에어포일 베어링(240)과 동일한 형태로 적용할 수 있다.
한편, 도 2에서 미설명 부호 100은 케이스이고, 110은 공기 유입부이며, 300은 임펠러이고, 310은 디퓨져이며, 320은 토출구이고, 400은 전동기이며, 각각 도 1에 도시된 구성요소와 각각 대응되는 것으로 동일한 기능을 수행한다.
그러나 종래 원심 압축기에 적용된 에어포일 베어링(240)은 고속 원심 압축기류의 초고속 회전체에서 정상적인 기능을 구현할 수 있으나, 제로 갭 상태에서 내구 수명이 급격하게 낮아짐으로 인해 축하중에 의한 베어링의 내구 성능에는 취약한 문제가 있으므로 적용하기 어려웠다.
따라서 원심 압축기와 같은 터보기계에서 회전축(200)의 축 지지를 위한 베어링의 내구 성능을 보장하기 위한 새로운 대처 방안이 강구되어야 하는 필요성이 절실한 실정이다.
이에 본 발명은 상기와 같은 제반 사안들을 감안하여 안출된 것으로, 압축기의 내부에서 전동기의 로터와 스테이터 사이에서 이루어지는 축방향의 비대칭 배열에 의해 생성되는 축 하중의 작용방향과 반대되는 방향의 전자기력의 축력을 매개로 압축기의 회전축에서 임펠러를 향해 발생하는 축 하중을 상쇄함으로써 베어링에 대한 적정의 내구 수명을 확보하고 이를 통해 압축기 전체의 내구 성능을 향상시킬 수 있도록 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 케이스의 내부에서 임펠러의 회전을 위해 설치되는 회전축; 상기 회전축의 축 중심에 대해 동심축 상으로 내부와 외부에 각각 배치되는 로터와 스테이터를 갖춘 전동기; 및 상기 전동기를 중심으로 상기 회전축의 양단부에 위치하는 전방 베어링과 후방 베어링을 포함하고, 상기 로터의 영구자석의 길이방향 중심축의 위치는 상기 스테이터의 권선 코일의 길이방향 중심축의 위치 보다 상기 임펠러를 향해 인접한 부위로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어, 상기 영구자석의 축방향 길이와 상기 권선 코일의 축방향 길이는 각각 서로 다르게 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어, 상기 영구자석의 축방향 길이는 상기 권선 코일의 축방향 길이 보다 길게 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어, 상기 영구자석의 전방측 선단면과 상기 권선 코일의 전방측 선단면 사이의 이격거리는 상기 영구자석의 후방측 선단면과 상기 권선 코일의 후방측 선단면 사이의 이격거리 보다 크게 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어, 상기 영구자석의 축방향 길이는 상기 권선 코일의 축방향 길이 보다 작게 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어, 상기 영구자석의 전방측 선단면과 상기 권선 코일의 전방측 선단면 사이의 이격거리는 상기 영구자석의 후방측 선단면과 상기 권선 코일의 후방측 선단면 사이의 이격거리 보다 작게 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어, 상기 영구자석의 후방측 선단면과 상기 권선 코일의 후방측 선단면은 상기 임펠러와의 이격거리를 기준으로 동일한 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어, 상기 영구자석의 축방향 길이와 상기 권선 코일의 축방향 길이는 서로 동일하게 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어, 상기 영구자석의 길이방향 중심축의 위치와 상기 권선 코일의 길이방향 중심축의 위치 사이의 거리는 상기 임펠러의 직경과 비례하도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어, 상기 전방 베어링은 상기 회전축 상에서 상기 임펠러와 인접한 위치로 배치되어 상기 회전축을 축 지지하고, 상기 후방 베어링은 상기 회전축 상에서 상기 전동기를 중심으로 상기 전방 베어링과 대향하는 위치에서 예압 스프링에 의해 축 지지되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 케이스의 내부에서 임펠러의 회전을 위해 설치되는 회전축; 상기 회전축의 축 중심에 대해 동심축 상으로 내부에 배치되는 로터와, 상기 로터의 외부에 배치되고 상기 케이스에 대해 상기 회전축의 축방향으로 이동 가능하게 설치되는 스테이터를 갖춘 전동기; 상기 전동기를 중심으로 상기 회전축의 양단부에 위치하는 전방 베어링과 후방 베어링; 상기 전동기의 회전속도를 검출하는 속도 센싱부; 및 상기 속도 센싱부로부터 검출되는 회전속도에 따라, 상기 로터의 영구자석의 길이방향 중심축의 위치에 대한 상기 스테이터의 권선 코일의 길이방향 중심축의 위치를 축방향으로 가변 조절하는 위치 조절부를 포함하고, 상기 영구자석의 길이방향 중심축의 위치는 상기 권선 코일의 길이방향 중심축의 위치 보다 상기 임펠러를 향해 인접하게 배치되고, 그 위치는 상기 위치 조절부의 작동에 의해 가변적으로 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치는 압축기의 내부에서 회전축의 회전을 위해 설치되는 전동기의 로터와 스테이터에 대한 오정렬, 즉 전동기의 로터와 스테이터 사이의 축방향 비대칭 배열을 통해 임펠러를 향한 축 하중의 작용방향과 반대되는 방향으로 전자기력를 생성할 수 있고, 생성된 전자기력에 의한 축력을 매개로 압축기의 회전축에서 임펠러를 향해 발생하는 축 하중을 상쇄시킴으로써 베어링의 내구 수명을 연장하고 압축기 전체의 내구 성능을 향상시킬 수 있게 된다.
특히, 본 발명은 회전축에 대한 축 하중의 지지를 목적으로 임펠러에 인접하게 설치되는 전방 베어링에 대해 작용하는 축 하중을 전동기의 로터와 스테이터 사이의 축방향 비대칭 배열에 의해 수반되는 전자기력을 이용하여 효과적으로 상쇄할 수 있으므로, 고속 회전이 요구되는 고용량 압축기에 적용되는 축 하중의 지지를 위한 베어링에 대한 용량 또는 수량을 축소할 수 있는 경제적 효과를 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치는 전동기의 로터와 스테이터 사이에서 설정되는 축방향 비대칭 배열의 정도를 임펠러의 직경으로 대변되는 압축기의 용량에 맞춰 비례적으로 설정할 수 있으므로 다양한 종류의 고성능 압축기에 대해 범용적으로 적용할 수 있는 효과를 제공한다.
한편, 본 발명에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치는 전동기의 회전속도를 검출하는 속도 센싱부와 스테이터의 축방향 위치를 가변적으로 조절하는 위치 조절부를 더 포함하는 구성으로 이루어져, 로터와 스테이터 사이에서 설정되는 축방향 비대칭 배열의 정도를 전동기의 회전속도에 따라 가변적으로 조절할 수 있으므로, 고용량 압축기에서 축 하중의 지지를 위한 베어링의 축 하중 작용방향과 반대되는 가변적 크기의 전자기력의 생성을 통해 베어링의 축 하중 상쇄에 따른 베어링의 내구 수명을 연장하고 압축기 전체의 내구 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 효과를 제공하게 된다.
도 1은 종래 원심 압축기의 구성을 도시한 단면도.
도 2는 종래 에어포일 베어링이 적용된 원심 압축기의 구성을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치를 도시한 단면도.
도 4는 도 3의 주요 구성부위만을 확대하여 도시한 도면.
도 5는 도 4의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 6은 도 4의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치를 도시한 단면도.
도 8은 도 7의 주요 구성부위만을 확대하여 도시한 도면.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치를 도시한 단면도이다.
도 3을 참조로 하면, 본 발명이 적용되는 원심 압축기는 압축기의 외형을 형성하는 케이스(100), 상기 케이스(100)의 내부에서 고속으로 회전 가능하게 설치되는 회전축(200), 상기 회전축(200)에 설치되어 일체로 회전하는 임펠러(300), 및 상기 회전축(200)에 대해 고속의 회전력을 제공하는 전동기(400)를 포함하여 구성된다.
상기 케이스(100)는 압축기의 조립과 분해에 대한 용이성을 제공하기 위해 복수로 분할되어 상호 결합 가능한 형태로 이루어진다. 이때, 상기 케이스(100)는 내부에 작동유체의 압축을 위한 공간을 형성하고 일측에 외기의 유입을 위한 공기 유입부(110)를 형성한다.
상기 회전축(200)은 케이스(100)의 내부에서 상기 전동기(400)로부터 제공되는 구동력에 의해 회전이 가능하도록 설치된다. 이를 위해, 상기 회전축(200)의 양단부는 케이스(100)의 내부에서 래디얼 볼 베어링 형태인 전방 베어링(210)과 후방 베어링(220)에 의해 각각 축 지지된다. 이 경우, 상기 전방 베어링(210)은 케이스(100)의 내부에서 상기 임펠러(300)의 설치 위치를 기준으로 임펠러(300)와 인접한 회전축(200)의 일단부에 설치된 것으로, 원심 압축기의 작동시 상기 회전축(200)의 축방향으로 임펠러(300)를 향해 작용하는 축 하중을 지지하는 역할을 수행한다. 또한, 상기 후방 베어링(220)은 케이스(100)의 내부에서 임펠러(300)의 설치 위치를 기준으로 임펠러(300)로부터 멀리 이격된 위치에 해당하는 회전축(200)의 타단부에 설치된 것으로, 상기 회전축(200)의 축방향으로 작용하는 예압축의 정도를 자유롭게 조절할 수 있도록 예압 스프링(230)에 의해 지지된다.
상기 임펠러(300)는 공기 유입부(110) 내에서 회전축(200)에 의해 회전 가능하게 설치되어 상기 전동기(400)의 작동시 고속으로 회전하여 공기 유입부(110)를 통해 유입된 작동유체를 고압의 상태로 압축시키는 역할을 수행한다. 또한, 디퓨져(310)는 상기 임펠러(300)와 인접한 위치에서 임펠러(300)에 의해 고압으로 압축된 작동유체를 확산시켜 동압을 정압으로 변환하는 기능을 수행한다. 토출구(320)는 상기 디퓨져(310)를 통과하여 고압으로 압축된 작동유체를 외부로 출력하는 나선형상의 통로에 해당한다.
상기 전동기(400)는 회전축(200)의 축 중심에 대해 동심축 상으로 내부와 외부에 각각 배치되는 로터(410)와 스테이터(420)를 구비한다. 본 발명의 실시예에 있어, 상기 전동기(400)는 회전축(200)의 외주면에 설치되는 원통형상의 로터(410)와, 상기 로터(410)와 동심축 상으로 외부에 소정의 간극을 두고 이격되게 설치되는 원통형상의 스테이터(420)로 구성된다. 이 경우, 본 발명에 따른 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치는 상기와 같은 로터(410)와 스테이터(420)에 대한 동심축 상의 배치관계를 후술되는 오정렬의 비대칭 배열 구조를 부가시켜 적용함에 있어, 상기와 반대되는 방식으로 구현해도 동일한 효과를 얻을 수 있다.
먼저, 상기 로터(410)는 회전축(200) 상에 고정되는 원통형상의 영구자석(412)을 포함한다. 상기 영구자석(412)은 회전축(200)의 전 둘레를 따라 적정의 간격을 두고 반경방향 외측으로 돌출되도록 형성되는 플랜지 형태의 하우징(414) 내부에 수용되고, 상기 하우징(414)은 외측에 원통형상의 커버(416)를 결합하여 내부에 위치한 영구자석(412)의 수용을 안정적으로 마감하게 된다. 또한, 상기 스테이터(420)는 원통형상의 코어(422)와, 상기 코어(422)에 감겨지는 권선 코일(424)을 포함한다.
이 경우, 상기 영구자석(412)은 상기 회전축(200)의 외부로 돌출된 하우징(414)에 의해 형성되는 내부 공간에 수용되는 형태로 설치되지 않고, 상기 회전축(200)의 외주면을 내측으로 적정의 깊이로 파내는 함몰 가공을 통해 형성되는 오목한 형태의 수용홈(미도시) 내에 안착된 상태에서 외부로 상기 커버(416)를 덮는 형태로 장착될 수도 있다. 이때, 상기 커버(416)의 조립위치는 회전축(200)의 외부 표면과 동일한 높이로 설정되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 회전축(200)에 형성되는 수용홈의 깊이는 상기 영구자석(412)의 두께 만큼의 길이를 가지도록 설정된다.
한편, 본 발명은 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치로서 다음과 같은 구성을 더 포함하여 구성된다. 즉, 상기와 같은 구성의 로터(410)와 스테이터(420)에 있어, 상기 영구자석(412)과 상기 권선 코일(424)은 상기 회전축(200)의 축방향을 기준으로 오정렬(Misalignment) 되는 구조로 배치되는 바, 이에 대한 구체적인 구성은 도 4를 참조로 하여 설명한다.
도 4를 참조로 하면, 상기 영구자석(412)과 권선 코일(424) 사이의 축방향 오정렬은 상기 회전축(200)의 축방향을 기준으로 상호 비대칭 배열의 구조로서 구현된다.
예컨대, 상기 영구자석(412)의 축방향 전체 길이(이하, 축방향 길이라 함)와 상기 권선 코일(424)의 축방향 전체 길이(이하, 축방향 길이라 함)를 각각 서로 다르게 설정한 상태에서, 상기 임펠러(300)의 위치를 기준으로 상기 회전축(200) 상에서 상기 영구자석(412)의 배치는 상기 권선 코일(424)의 배치와 비교할 때 상기 임펠러(300)를 향해 보다 인접한 부위에 위치하도록 설정된다.
즉, 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)는 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)와 대비할 때 상기 임펠러(300)를 향해 보다 인접한 부위에 위치하도록 오프셋 되는 상태로 배치된다. 부연하자면, 상기 임펠러(300)의 위치를 기준으로 상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)은 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 보다 상기 임펠러(300)에 대해 인접한 부위에 위치하도록 설정된다.
이 경우, 상기 영구자석(412)의 축방향 길이는 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이 보다 길게 설정되고, 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)의 위치와 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b)의 위치는 상기 임펠러(300)와의 이격거리를 기준으로 동일하지 않게 설정된다. 다만, 상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)과 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 사이의 이격거리(D1)는 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)과 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b) 사이의 이격거리(D2) 보다 크게 설정되어야 한다.
이에 따라, 상기 전동기(400)의 구동시 상기 영구자석(412)에서 상기 권선 코일(424)을 향해 발생하는 전자기력의 작용방향은 도 4에 도시된 화살표의 방향으로 설정되고, 전체 전자기력에 의한 힘의 총합(S)에서 상기 회전축(200)의 축방향을 향하는 분력인 축방향 성분(SL)은 상기 임펠러(300)의 전단과 후단 사이의 압력차로부터 기인하는 축방향 하중(F)의 작용방향과 반대되는 방향으로 설정되고, 그 크기는 전체 전자기력의 총합(S)과 비례하게 된다. 특히, 전자기력의 축방향 성분(SL)의 크기는 상기 전동기(400)의 회전속도에 비례하여 증가하게 된다.
이 결과, 상기와 같은 영구자석(412)과 권선 코일(424) 사이의 비대칭 배열 구조는 상기 회전축(200)에서 임펠러(300)를 향해 작용하는 축방향 하중(F)의 작용방향과, 이에 반대되는 방향으로 발생하는 전자기력의 축방향 성분(SL)에 의해 적절하게 상쇄될 수 있으므로 상기 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 부하를 효과적으로 줄일 수 있고, 이를 통해 베어링의 내구 수명을 연장하여 압축기의 내구 성능을 안정적으로 보장할 수 있게 된다.
또한, 본 발명은 상기 전동기(400)의 회전속도를 검출하기 위한 속도 센싱부(500), 및 상기 속도 센싱부(500)로부터 검출되는 회전속도에 따라 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)에 대한 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)를 가변적으로 조절하는 위치 조절부(600)를 더 포함한다. 이 경우, 상기 코어(422)와 상기 권선 코일(424)을 포함하는 상기 스테이터(420)는 상기 위치 조절부(600)의 작동에 의해 상기 케이스(100)에 대해 상기 회전축(200)의 축방향을 따라 이동 가능하게 설치된다. 또한, 상기 위치 조절부(600)는 상기 케이스(100) 내에서 상기 스테이터(420)의 위치를 직선방향으로 가변적으로 조절할 수 있는 다양한 종류의 액추에이터로 구성할 수 있는 데, 리니어 모터(Linear Motor)를 그 예로 들 수 있다.
이에 따라, 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)에 대한 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)는 상기 위치 조절부(600)의 작동에 의해 가변적으로 조절되고, 이로 인해 상기 영구자석(412)과 상기 권선 코일(424) 사이에서 발생하는 전자기력의 축방향 성분(SL)은 종속적으로 조절될 수 있게 된다.
이 결과, 상기와 같은 영구자석(412)과 권선 코일(424) 사이에서 상기 위치 조절부(600)에 의해 가변적인 비대칭의 배열 구조는 상기 회전축(200)에서 임펠러(300)를 향해 작용하는 축방향 하중(F)의 작용방향과, 이에 반대되는 방향으로 발생하는 전자기력의 축방향 성분(SL)에 의해 적절하게 상쇄될 수 있으므로 상기 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 부하를 효과적으로 줄일 수 있고, 이를 통해 베어링의 내구 수명을 연장하여 압축기의 내구 성능을 안정적으로 보장할 수 있게 된다.
이하, 본 발명의 다른 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 5를 참조로 하면, 상기와 같이 영구자석(412)의 축방향 길이와 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이를 각각 서로 다르게 설정한 상태에서, 상기 임펠러(300)의 위치를 기준으로 상기 회전축(200) 상에서 상기 영구자석(412)의 배치는 상기 권선 코일(424)의 배치와 비교할 때 상기 임펠러(300)를 향해 보다 멀리 이격된 부위에 위치하도록 설정된다.
다만, 이 경우에도 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)는 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)와 대비할 때 상기 임펠러(300)를 향해 보다 인접한 부위에 위치하도록 오프셋 되는 상태로 배치되어야 한다.
이때, 상기 영구자석(412)의 축방향 길이는 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이 보다 작게 설정된다. 또한, 상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)과 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 사이의 이격거리(D1)는 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)과 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b) 사이의 이격거리(D2) 보다 작게 설정되어야 한다.
이에 따라, 상기 영구자석(412)에서 상기 권선 코일(424)을 향해 발생하는 전자기력의 축방향 성분(SL)이 상기 임펠러(300)의 압력차로부터 기인하는 축방향 하중(F)의 작용방향과 반대되는 방향으로 작용하게 되고, 이를 통해 상기 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 부하를 효과적으로 줄일 수 있게 된다.
도 6을 참조로 하면, 상기와 같이 영구자석(412)의 축방향 길이와 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이를 각각 서로 다르게 설정한 상태에서 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)를 상기 임펠러(300)를 향해 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y) 보다 인접한 부위로 오프셋 되는 상태로 배치한다.
이 경우, 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)의 위치와 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b)의 위치는 상기 임펠러(300)와의 이격거리를 기준으로 동일한 위치에 배치되도록 설정할 수 있다.
이때에도 상기 영구자석(412)과 상기 권선 코일(424) 사이에서 발생하는 전자기력에 의한 축방향 성분(SL)은 상기 임펠러(300)의 압력차로부터 기인하는 축방향 하중(F)과 반대되는 방향으로 작용하면서 이를 상쇄할 수 있는 동일한 효과를 기대할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예로서 도 7과 도 8을 참조하면, 로터(410)와 스테이터(420) 사이의 비대칭 배열의 구조는 다음과 같이 구성될 수 있다.
예컨대, 상기 영구자석(412)의 축방향 길이와 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이를 각각 동일하게 설정한 상태에서, 상기 임펠러(300)를 기준으로 상기 회전축(200) 상에서 상기 영구자석(412)의 배치는 상기 권선 코일(424)의 배치와 비교할 때 상기 임펠러(300)에 보다 인접한 부위에 위치하도록 설정된다.
즉, 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)는 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)와 대비할 때 상기 임펠러(300)에 보다 인접한 부위에 위치하도록 오프셋 되는 상태로 배치된다. 부연하자면, 상기 임펠러(300)의 위치를 기준으로 상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)은 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 보다 상기 임펠러(300)에 대해 인접한 부위에 위치하도록 설정된다.
이 경우, 상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)과 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 사이의 이격거리(D1)는 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)과 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b) 사이의 이격거리(D2)와 동일하게 설정됨은 물론이다.
따라서 이와 같은 비대칭 배열의 구조에 있어, 상기 영구자석(412)과 상기 권선 코일(424) 사이에서 발생하는 전자기력에 의한 축방향 성분(SL)은 상기 임펠러(300)의 압력차로부터 기인하는 축방향 하중(F)과 반대되는 방향으로 작용하게 되고, 이를 통해 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 부하를 효과적으로 상쇄할 수 있는 동일한 효과를 기대할 수 있다.
한편, 상기와 같은 다양한 실시예에 있어, 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)와 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y) 사이의 거리에 해당하는 간격은 상기 임펠러(300)의 직경과 비례하도록 설정된다.
즉, 대용량의 압축 성능을 구현하기 위한 고성능의 압축기에서 상기와 같이 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)와 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y) 사이의 거리를 임펠러(300)의 직경에 비례하여 증감될 수 있게 하면, 전자기력에 의한 축방향 성분(SL)은 임펠러(300)의 전/후단에서 발생하는 압력차이로부터 수반되는 축방향 하중(F)의 정도에 상응하여 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 부하를 효과적으로 상쇄할 수 있으므로 다양한 종류의 고성능 압축기에 대해 본 발명의 축 하중 상쇄장치를 범용적으로 적용할 수 있는 경제적 이점을 얻을 수 있게 된다.
특히, 본 발명에 있어, 도 5 내지 도 8에 각각 도시된 실시예에서도 상기 도 4의 구성과 동일하게 상기 전동기(400)의 회전속도를 검출하기 위한 속도 센싱부(500), 및 상기 속도 센싱부(500)로부터 검출되는 회전속도에 따라 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)에 대한 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)를 가변적으로 조절하는 위치 조절부(600)를 더 포함하여 구성할 수 있다. 이 경우에도, 상기 코어(422)와 상기 권선 코일(424)을 포함하는 상기 스테이터(420)는 상기 위치 조절부(600)의 작동에 의해 상기 케이스(100)에 대해 상기 회전축(200)의 축방향을 따라 이동 가능하게 설치됨은 물론이고, 상기 위치 조절부(600)는 상기 케이스(100) 내에서 상기 스테이터(420)의 위치를 직선방향으로 가변적으로 조절할 수 있는 리니어 모터(Linear Motor) 류의 액추에이터로 구성할 수 있다.
이에 따라, 상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)에 대한 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)는 상기 위치 조절부(600)의 작동에 의해 가변적으로 조절되고, 이로 인해 상기 영구자석(412)과 상기 권선 코일(424) 사이에서 발생하는 전자기력의 축방향 성분(SL)은 종속적으로 조절될 수 있게 된다.
이 결과, 상기와 같은 영구자석(412)과 권선 코일(424) 사이에서 상기 위치 조절부(600)에 의해 가변적인 비대칭의 배열 구조는 상기 회전축(200)에서 임펠러(300)를 향해 작용하는 축방향 하중(F)의 작용방향과, 이에 반대되는 방향으로 발생하는 전자기력의 축방향 성분(SL)에 의해 적절하게 상쇄될 수 있으므로 상기 전방 베어링(210)에 작용하는 축방향 부하를 효과적으로 줄일 수 있고, 이를 통해 베어링의 내구 수명을 연장하여 압축기의 내구 성능을 안정적으로 보장할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 의해 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상과 이하에서 기재되는 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 형태의 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100-케이스 110-공기 유입부
200-회전축 210-전방 베어링
220-후방 베어링 230-예압 스프링
240-에어포일 베어링 300-임펠러
400-전동기 410-로터
412-영구자석 414-하우징
416-커버 420-스테이터
422-코어 424-권선 코일
500-속도 센싱부 600-위치 조절부

Claims (11)

  1. 케이스(100)의 내부에서 임펠러(300)의 회전을 위해 설치되는 회전축(200);
    상기 회전축(200)의 축 중심에 대해 동심축 상으로 내부와 외부에 각각 배치되는 로터(410)와 스테이터(420)를 갖춘 전동기(400); 및
    상기 전동기(400)를 중심으로 상기 회전축(200)의 양단부에 위치하는 전방 베어링(210)과 후방 베어링(220)을 포함하고,
    상기 로터(410)의 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)는 상기 스테이터(420)의 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y) 보다 상기 임펠러(300)를 향해 인접한 부위로 배치되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 영구자석(412)의 축방향 길이와 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이는 각각 서로 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 영구자석(412)의 축방향 길이는 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이 보다 길게 설정되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)과 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 사이의 이격거리(D1)는 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)과 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b) 사이의 이격거리(D2) 보다 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 영구자석(412)의 축방향 길이는 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이 보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 영구자석(412)의 전방측 선단면(412a)과 상기 권선 코일(424)의 전방측 선단면(424a) 사이의 이격거리(D1)는 상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)과 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b) 사이의 이격거리(D2) 보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 영구자석(412)의 후방측 선단면(412b)과 상기 권선 코일(424)의 후방측 선단면(424b)은 상기 임펠러(300)와의 이격거리를 기준으로 동일한 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 영구자석(412)의 축방향 길이와 상기 권선 코일(424)의 축방향 길이는 서로 동일하게 설정되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)와 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y) 사이의 거리는 상기 임펠러(300)의 직경과 비례하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 전방 베어링(210)은 상기 회전축(200) 상에서 상기 임펠러(300)와 인접한 위치로 배치되어 상기 회전축(200)을 축 지지하고, 상기 후방 베어링(220)은 상기 회전축(200) 상에서 상기 전동기(400)를 중심으로 상기 전방 베어링(210)과 대향하는 위치에서 예압 스프링(230)에 의해 축 지지되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전동기(400)의 회전속도를 검출하는 속도 센싱부(500); 및
    상기 속도 센싱부(500)로부터 검출되는 회전속도에 따라, 상기 로터(410)의 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)에 대한 상기 스테이터(420)의 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y)를 축방향으로 가변 조절하는 위치 조절부(600)를 더 포함하고,
    상기 영구자석(412)의 길이방향 중심축의 위치(X)는 상기 권선 코일(424)의 길이방향 중심축의 위치(Y) 보다 상기 임펠러(300)를 향해 인접하게 배치되고, 그 위치는 상기 위치 조절부(600)의 작동에 의해 가변적으로 조절되며, 상기 스테이터(420)는 상기 회전축(200)의 축방향으로 이동 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 원심 압축기의 축 하중 상쇄장치.
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