KR20160055263A - 자기 서스펜션 베어링 및 원심 압축기 - Google Patents

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KR20160055263A KR1020167009726A KR20167009726A KR20160055263A KR 20160055263 A KR20160055263 A KR 20160055263A KR 1020167009726 A KR1020167009726 A KR 1020167009726A KR 20167009726 A KR20167009726 A KR 20167009726A KR 20160055263 A KR20160055263 A KR 20160055263A
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후이 황
위셩 후
동수어 천
팡 장
시아오보 장
Jianning Liu
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그린 레프리저레이션 이큅먼트 엔지니어링 리서치 센터 오브 주하이 그리 씨오., 엘티디.
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Abstract

자기 서스펜션 베어링과 원심 압축기가 개시된다. 이러한 자기 서스펜션 베어링은 회전 샤프트(110)와 전자기 장치를 포함하고, 이러한 전자기 장치는 회전 샤프트(110)의 외부 주변부 상에 분포되어 있고, 전자기 장치와 회전 샤프트(100) 사이에는 회전 샤프트(110)의 위치를 조정하기 위한 갭이 존재한다. 전자기 장치는 와인딩 슬롯이 있는 철심(120)과, 코일(150)을 포함한다. 코일(150)은 와인딩 슬롯에 배치된다. 전자기 서스펜션 베어링(100)은 또한 회전 샤프트(110)가 전자기 장치와 충돌하는 것을 방지하기 위해 사용되는 보호 메커니즘(140)을 포함함으로써, 자기 서스펜션 베어링(100)을 축 방향으로 보호하려는 목적을 달성한다. 원심 압축기는 자기 서스펜션 베어링(100)을 포함함으로써, 축 방향 보호를 얻게 되어 서비스 수명이 연장된다.

Description

자기 서스펜션 베어링 및 원심 압축기{MAGNETIC SUSPENSION BEARING AND CENTRIFUGAL COMPRESSOR}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2013년 9월 13일에 "Magnetic Bearing and Centrifugal Compressor"라는 제목으로 출원되고, 그 전문이 본 명세서에 참조로 통합되어 있는, 중국 특허 출원 201310419738.7호의 우선권의 이익을 주장한다.
본 개시물은 자기 베어링과 원심 압축기에 관한 것으로, 더 구체적으로는 보호 메커니즘을 가지는 자기 베어링과 원심 압축기에 관한 것이다.
전류가 자기 베어링의 와인딩(winding)에 인가되면, 생성된 자계가 철심과 스러스트 플레이트(thrust plate) 사이에 전자기력을 형성하는 루프(loop)를, 철심과 스러스트 플레이트 사이에 형성하고, 회전 샤프트와 고정자(stator) 사이에 에어 갭(air gap)이 변위 센서에 의해 측정되며, 회전 샤프트와 고정자 사이의 에어 갭의 사이즈를 제어함으로써 안정한 자기 서스펜션을 실현하도록, 상기 전자기력이 와인딩에서의 전류를 조정함으로써 조절된다.
종래 기술의 자기 베어링의 보호 시스템에서는, 일반적으로 자기 베어링이 방사상의 하중(load)을 지탱하고, 하중이 통제 불능일 때에는 자기 베어링을 방사상으로 보호하기 위해 보조 베어링이 제공되지만, 자기 베어링에 관한 어떠한 축 방향 보호도 제공되지 않는다. 하지만, 원심 압축기의 필드(field)에 그리고 주로 축 방향 하중을 지탱하기 위해 자기 베어링이 적용된다.
도 1은 종래 기술에서의 자기 베어링의 개략 단면도이다. 도 1에 도시된 것처럼, 자기 베어링(100)은 회전 샤프트(110), 철심(120), 스러스트 플레이트(130), 및 코일(150)을 포함한다.
스러스트 플레이트(130)는 회전 샤프트(110) 상에 고정되고, 철심(120)으로부터 일정 거리(L)를 유지하며, 이 경우 L>0이다. 자기 베어링에 에너지가 주어질 때, 제어 정확성이 높지 않거나, 전자기력의 인력으로 인해 제어 시스템이 통제 불능이라면, 스러스트 플레이트(130)가 철심(120)에 접근하고 결국에는 철심(120)과 충돌하여 따라서 철심(120) 또는 스러스트 플레이트(130)가 손상된다.
위 결점들을 고려하여, 오랜 기간의 연구와 실습 후에 본 발명의 발명자는 마침내 본 발명을 얻었다.
이러한 상황을 고려하여, 축 방향(axial) 힘으로부터 보호되는 자기 베어링을 제공하고, 원심 압축기를 제공하는 것이 필수적이다.
본 개시물의 자기 베어링은 회전 샤프트와 전자기 요소(component)를 포함하고, 이러한 전자기 요소는 회전 샤프트의 외부 주변부 주위에 배치되며, 전자기 요소와 회전 샤프트 사이에는 갭(gap)이 형성되어 회전 샤프트의 위치를 조정하고, 전자기 요소는 와인딩 슬롯이 있는 철심을 포함하며, 그러한 와인딩 슬롯에 철심이 배치되고, 자기 베어링은 회전 샤프트가 전자기 요소와 충돌하는 것을 방지하도록 구성되는 보호 메커니즘을 더 포함한다.
일 실시예에서는 자기 베어링이 스러스트 플레이트를 더 포함하고, 이러한 스러스트 플레이트는 회전 샤프트 상에 고정되며, 보호 메커니즘이 전자기 요소 상에 고정되고 스러스트 플레이트의 외부 주변부 주위에 배치된다.
일 실시예에서는, 보호 메커니즘이 전자기 요소로부터 스러스트 플레이트를 일정 거리(L)만큼 유지시키고, 이 경우 L>0이다.
일 실시예에서는, 보호 메커니즘이 지지체와 코팅을 포함하고, 이러한 코팅은 지지체의 외부 표면상에 고정되며, 코팅은 닳아 없어질 수 있고(wearable), 비강자성(non-ferromagnetic) 재료로 만들어진다.
일 실시예에서는, 보호 메커니즘이 철심의 내부 측 또는 외부 측 상에 고정되거나 와인딩 슬롯에서 고정된다.
일 실시예에서는, 보호 메커니즘이 철심의 내부 측 상에 고정되고, 보호 메커니즘을 축 방향으로 위치시키기 위해, 철심의 내부 측벽에 위치 선정 슬롯이 배치된다.
일 실시예에서는, 자기 베어링이 베이스를 더 포함하고, 상기 베이스는 회전 샤프트와 전자기 요소를 수용하기 위해 구성되며, 보호 메커니즘은 베이스 상에 고 정된다.
일 실시예에서는, 보호 메커니즘이 베이스의 중간 부분에 배치된다.
일 실시예에서는, 보호 메커니즘이 수축끼워맞춤(shrinkage fit), 접착제, 또는 조립(assembling)을 통해 고정된다.
본 개시물의 원심 압축기는 전술한 자기 베어링을 포함한다.
종래 기술과 비교하여, 본 개시물은 다음과 같은 유익한 효과를 가지는데, 즉 자기 베어링의 보호 메커니즘이 철심으로부터 스러스트 플레이트를 일정 거리만큼 떨어지게 유지시킨다. 축 방향 하중이 통제 불능일 때에는, 스러스트 플레이트가 철심과 충돌하지 않게 되어 스러스트 플레이트 또는 철심이 손상되는 것을 회피한다. 스러스트 플레이트는 철심과 접촉할 수 없기 때문에 전원이 차단된 후 발생될 수 있고, 스러스트 플레이트가 철심으로부터 신속하게 분리될 수 없게 할 수 있는 과도한 잔류 자기(excessive remanence)가 회피되며, 보호 메커니즘은 닳을 수 있고 비강자성인 재료로 만들어지기 때문에 자기 경로(magnetic path)의 구조에 영향을 미치지 않고, 자기 베어링(100)의 베어링 용량(capacity)에 어떠한 영향도 미치지 않으며, 보호 메커니즘을 설치하고 그 위치를 정하는 것이 편리하고, 그러한 보호 메커니즘은 실행 가능성이 크며, 종래 기술에서의 제품의 수정과 닳은 제품의 유지 보수를 위해 편리하며, 자기 베어링을 가지는 원심 압축기는 축 방향으로 보호되고 긴 서비스 수명을 가진다.
도 1은 종래 기술에서의 자기 베어링의 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링의 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링의 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 베어링의 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 자기 베어링의 개략 단면도이다.
자기 베어링을 위해 제공된 축 방향 보호가 없다는 문제점을 해결하기 위해, 본 개시물은 축 방향으로 보호되는 자기 베어링과, 원심 압축기를 제공한다.
본 발명의 위의 기술적 특징, 추가 기술적 특징, 및 유익한 효과가 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명된다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링의 개략 단면도이다. 도 2에 도시된 것처럼, 자기 베어링(100)은 회전 샤프트(110), 철심(120), 스러스트 플레이트(130), 보호 메커니즘(140), 및 코일(150)을 포함한다.
회전 샤프트(110)는 고속으로 회전하고, 스러스트 플레이트(130)는 회전 샤프트(110)의 한쪽 끝에 고정된다. 철심(120)은 코일(150)이 배치되는 와인딩 슬롯을 가진다. 코일(150)은 회로에 연결된다.
보호 메커니즘(140)은 비강자성이고, 따라서 보호 메커니즘(140)의 설치는 자기 경로의 구조에 영향을 미치지 않으며, 자기 베어링(100)의 베어링 용량에 어떠한 영향도 미치지 않는다. 보호 메커니즘(140)은 지지체 및 코팅(미도시)을 포함한다. 코팅은 지지체의 외부 표면을 덮고 그러한 외부 표면상에 고정되도록 구성된다. 코팅은 닳아 없어질 수 있고 비강자성인 재료로 만들어진다.
보호 메커니즘(140)은 원통 모양을 하고 있고, 적어도 하나의 보호 메커니즘(140)이 있는 자기 베어링(100)이 제공된다.
보호 메커니즘(140)은 스러스트 플레이트(130)를 철심(120)으로부터 일정 거리(L)만큼 떨어져 있게 유지시키고, 이 경우 L>0이다.
코일(150)에 에너지가 주어질 때, 스러스트 플레이트(130)에 전자기력이 작용하고, 제어 시스템이 자기 베어링(100)으로 하여금 중앙 위치에서 작용하게 유지시킨다. 이 위치에서, 거리(L)은 명목상의 값이고, L0라고 하자.
코일(150)에 에너지가 주어진 다음에는, 스러스트 플레이트(130)에 전자기력이 작용하므로, 스러스트 플레이트(130)는 거리(L)가 최소값인 Lmin에 도달할 때까지, 철심(120)에 접근하며, 이 경우 L0>Lmin>0이다. Lmin이 L0(0.5) 내지 L0(0.8)인 값일 때, 자기 베어링(100)은 최적의 보호를 가지고, 자기 베어링(100)의 내부 배치는 밀집된(compact) 상태가 된다.
자기 베어링(100)에 에너지가 주어지고, 전자기력에 의해 끌어당겨진 후에는, 스러스트 플레이트(130)가 철심(120)에 접근한다. 축 방향 하중이 통제를 벗어나면, 보호 메커니즘(140)으로 인해, 스러스트 플레이트(130)가 철심(120)과 충돌하지 않게 되고, 이로 인해 철심(120) 또는 스러스트 플레이트(130)가 손상을 입지 않게 된다.
게다가, 보호 메커니즘(140)으로 인해 스러스트 플레이트(130)는 철심(120)과 접촉할 수 없다. 자기 베어링(100)에 전원이 차단되면, 스러스트 플레이트(130)를 철심(120)으로부터 신속하게 분리될 수 없도록 할 수 있는 과도한 잔류 자기가 회피된다.
보호 메커니즘(140)은 수축 끼워맞춤, 접착제, 또는 조립을 통해 고정된다. 그것은 보호 메커니즘을 설치하고 위치를 정하기에 편리한데, 즉 보호 메커니즘은 실행 가능성이 높고, 기존의 제품에 없던 부품들을 새로 장착하며 닳은 제품의 유지 보수가 편리하다.
이러한 실시예에서, 보호 메커니즘(140)은 철심(120)의 내부 측 상에 고정되고, 보호 메커니즘(140)을 축 방향으로 위치시키기 위해, 위치 선정(positioning) 슬롯(122)이 철심(120)의 내부 측벽에 배치된다. 자기 경로와 자기 베어링(100)의 자기 누설에 영향을 미치지 않기 위해, 위치 선정 슬롯(122)은 가능한 작게 만들어져야 하지만, 베어링 힘의 요구 조건과 보호 메커니즘(140)의 구조적 강도(strength)의 요구 조건을 충족시켜야 한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링의 개략 단면도이다. 도 3에 도시된 것처럼, 보호 메커니즘(140)은 철심(120)의 외부 측 상에 고정된다. 도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 자기 베어링의 개략 단면도이다. 도 4에 도시된 것처럼, 보호 메커니즘(140)은 철심(120)의 와인딩 슬롯에서 고정된다.
보호 메커니즘(140)은 철심(120)의 내부 측 또는 외부 측 상에, 또는 철심(120)의 와인딩 슬롯에서 고정된다. 스러스트 플레이트(130)와 철심(120) 사이의 거리가 Lmin이면, 스러스트 플레이트(130)가 보호 메커니즘(140)과 닿는다.
자기 베어링(100)의 축 방향 하중이 통제를 벗어나면, 고속으로 회전하는 스러스트 플레이트(130)가 보호 메커니즘(140)과 닿지만, 철심(120)과는 닿지 않게 되어, 스러스트 플레이트(130)와 철심(120) 사이의 충돌이 회피되고, 이는 스러스트 플레이트(130)와 철심(120)을 보호하는 효과를 취하게 되어 스러스트 플레이트(130)와 철심(120)의 기계적 구조물이 손대지 않은 채로 그대로 있는 것을 보장하고, 서비스 수명을 연장한다.
바람직하게, 보호 메커니즘(140)의 지지체는 매우 단단하고, 더 큰 축 방향 힘을 지탱할 수 있다. 보호 메커니즘(140)의 코팅은 어느 정도까지는 탄력성이 있을 수 있어, 충돌을 완충시키는 기능을 수행한다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 자기 베어링의 개략 단면도이다. 도 5에 도시된 것처럼, 자기 베어링(100)은 베이스(160)를 더 포함한다. 철심(120)은 스러스트 플레이트(130)와 베이스(160) 사이에 배치된다.
보호 메커니즘(140)은 베이스(160) 상에 고정된다. 바람직하게, 보호 메커니즘(140)은 베이스(160)의 중간 부분에 배치된다. 스러스트 플레이트(130)와 철심(120) 사이의 거리가 Lmin이면, 회전 샤프트(110)의 끝이 보호 메커니즘(140)에 닿는다.
회전 샤프트(110)의 직경이 스러스트 플레이트(130)의 직경보다 작다면, 회전 샤프트(110)의 선형 속도가 비교적 더 작다. 이로 인해, 회전 샤프트(110)의 끝이 보호 메커니즘(140)에 닿을 때에는, 보호 메커니즘(140)에 작용하는 마찰력이 비교적 더 작다. 보호 메커니즘(140)이 베이스(160)의 중심에 더 가까울수록, 마찰력은 더 작아진다.
본 개시물은 자기 베어링(100)을 포함하는 원심 압축기를 제공한다. 실제 사용시, 자기 베어링(100)은 효과적으로 보호될 수 있고, 긴 서비스 수명을 가지며, 전원이 차단된 후에는 신속하게 분리될 수 있다.
위에서 본 발명의 몇몇 실시예가 설명되고, 그러한 실시예는 구체적이고 상세히 묘사되지만, 본 발명의 범위를 제한하려고 의도된 것은 아니다. 당업자라면 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않으면서 다수의 수정예와 개선예가 만들어질 수 있고, 이들 수정예와 개선예는 본 발명의 범위 내에 있다는 점을 이해하게 된다.

Claims (10)

  1. 회전 샤프트와 전자기 요소를 포함하는 자기 베어링으로서,
    상기 전자기 요소는 회전 샤프트의 외부 주변부 주위에 배치되고, 상기 회전 샤프트의 위치를 조정하기 위해 상기 전자기 요소와 상기 회전 샤프트 사이에 갭(gap)이 형성되며, 상기 전자기 요소는 와인딩 슬롯이 있는 철심을 포함하고, 상기 와인딩 슬롯에는 코일이 배치되며,
    상기 자기 베어링, 상기 전자기 요소가 상기 회전 샤프트와 충돌하는 것을 방지하도록 구성되는 보호 메커니즘을 더 포함하는, 자기 베어링.
  2. 제1 항에 있어서,
    스러스트 플레이트를 더 포함하고,
    상기 스러스트 플레이트는 상기 회전 샤프트 상에 고정되며,
    상기 보호 메커니즘은 상기 전자기 요소 상에 고정되고, 상기 스러스트 플레이트의 외부 주변부 주위에 배치되는, 자기 베어링.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 보호 메커니즘은 상기 스러스트 플레이트를 상기 전자기 요소로부터 거리(L)만큼 떨어지게 유지하고, L>0인, 자기 베어링.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 보호 메커니즘은 지지체와 코팅을 포함하고,
    상기 코팅은 상기 지지체의 외부 표면상에 고정되고, 상기 코팅은 닳아 없어질 수 있고 비강자성인 재료로 만들어지는, 자기 베어링.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 보호 메커니즘은 철심의 내부 측 또는 외부 측 상에 고정되거나, 와인딩 슬롯에 고정되는, 자기 베어링.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 보호 메커니즘은 철심의 내부 측 상에 고정되고, 상기 보호 메커니즘을 축 방향으로 위치시키기 위해 위치 선정 슬롯이 상기 철심의 내부 측벽에 배치되는, 자기 베어링.
  7. 제1 항에 있어서,
    베이스를 더 포함하고, 상기 베이스는 회전 샤프트와 전자기 요소를 수용하도록 구성되며, 상기 보호 메커니즘은 상기 베이스 상에 고정되는, 자기 베어링.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 보호 메커니즘은 상기 베이스의 중간 부분에 배치되는, 자기 베어링.
  9. 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호 메커니즘은 수축끼워맞춤(shrinkage fit), 접착제, 또는 조립을 통해 고정되는, 자기 베어링.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 따른 자기 베어링을 포함하는 원심 압축기.
KR1020167009726A 2013-09-13 2014-09-03 자기 서스펜션 베어링 및 원심 압축기 KR20160055263A (ko)

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