KR20200081679A

KR20200081679A - 자기 베어링을 구비하는 터보차저

Info

Publication number: KR20200081679A
Application number: KR1020180171451A
Authority: KR
Inventors: 한명훈
Original assignee: 주식회사 블루플래닛
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-07-08
Also published as: WO2020138572A1

Abstract

본 발명은 자기 베어링을 구비하는 터보차저에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 터빈과 컴프레서를 연결하는 회전축의 회전 시 발생되는 마찰 손실을 완전히 제거할 수 있고, 그 결과, 효율을 극대화할 수 있는 자기 베어링을 구비하는 터보차저에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은, 회전축을 통해 서로 연결되어 있는 터빈과 컴프레서를 구비하는 터보차저에 있어서, 상기 터빈 및 상기 컴프레서와 인접한 상기 회전축의 길이방향 양측 각각의 외주면을 따라 배치되고 호모폴라 형태로 이루어져 상기 회전축의 반경방향 마찰을 방지하는 제1 자기 베어링; 및 상기 터빈과 상기 제1 자기 베어링 사이 또는 상기 컴프레서와 상기 제1 자기 베어링 사이의 상기 회전축의 외주면에 배치되고 축방향 착자 하이브리드 형태로 이루어져 상기 회전축의 축방향 부하를 지지하는 제2 자기 베어링을 포함하는 자기 베어링을 구비하는 터보차저를 제공한다.

Description

자기 베어링을 구비하는 터보차저{TURBOCHARGER HAVING MAGNETIC BEARING}

본 발명은 자기 베어링을 구비하는 터보차저에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 터빈과 컴프레서를 연결하는 회전축의 회전 시 발생되는 마찰 손실을 완전히 제거할 수 있고, 그 결과, 효율을 극대화할 수 있는 자기 베어링을 구비하는 터보차저에 관한 것이다.

일반적으로, 내연기관에서는 실린더의 하강행정에서 생기는 실린더 안의 부압으로 혼합기 또는 공기를 빨아들인다. 이것을 내추럴 에스퍼레이션(natural aspiration) 또는 노멀 에스퍼레이션(normal aspiration)이라고 한다. 그러나 밸브가 열려 있는 짧은 시간 안에 충분한 흡기가 어려워, 펌프로 적극적으로 밀어 넣으면 실린더 내 공기 충진 효율이 증가하고, 이와 함께 폭발압력도 올라가서 출력이 향상된다. 이것이 슈퍼차징(supercharging)이고, 이러한 슈퍼차징을 위해 차량에 장착되는 장치를 터보차저(turbocharger)라고 한다.

도 4에 도시한 바와 같이, 이러한 터보차저(10)는 터빈(1)과 컴프레서(3)로 구성되며 엔진(7)의 배기 매니폴드(9)로부터 배기가스를 공급받을 수 있도록 연결된다. 컴프레서(3)는 흡입관로(19)를 통해 에어 클리너(11)로부터 신기를 흡입하며, 인터쿨러(13)에서 냉각된 신기를 흡기 매니폴드(15)를 경유하여 엔진(7)에 공급한다. 그리고 터빈(1)은 배기가스를 배출하기 위한 배출관로(17)와 연결된다.

따라서, 엔진(7)의 배기가스 배출압에 의해 터빈(1)이 회전하면, 터빈(1)과 회전축(21)을 통하여 연결된 컴프레서(3)가 회전하면서 에어 클리너(11)로부터 신기가 공급되어 흡기 매니폴드(15)로 압축 냉각 공기가 과급된다.

여기서, 터빈(1)은 대략 20만 rpm 이상의 고속으로 회전하며 회전축(21)을 통해 컴프레서(3)와 연결되어 있다. 이때, 터빈(1)과 컴프레서(3)를 연결하는 회전축(21)에 작용하는 마찰은 터보차저(10)의 효율을 저하시키는 큰 요인으로 작용한다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 회전축(21)과 이들 구성을 수용하는 하우징 사이에 복수 개의 베어링을 장착하거나 회전축(21)과 마주하는 하우징의 표면이나 회전축(21)의 외주면에 유막을 코팅하는 방법이 사용되고 있다.

하지만, 이러한 방법들은 마찰을 어느 정도 줄여주는 역할만을 할 뿐 마찰로 인한 터보차저(10)의 효율 저하를 근본적으로 방지하기 위한 해결책으로는 미흡한 실정이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2017-0113141호(2017.10.12.)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 터빈과 컴프레서를 연결하는 회전축의 회전 시 발생되는 마찰 손실을 완전히 제거할 수 있고, 그 결과, 효율을 극대화할 수 있는 자기 베어링을 구비하는 터보차저를 제공하는 것이다.

이를 위해, 본 발명은, 회전축을 통해 서로 연결되어 있는 터빈과 컴프레서를 구비하는 터보차저에 있어서, 상기 터빈 및 상기 컴프레서와 인접한 상기 회전축의 길이방향 양측 각각의 외주면을 따라 배치되고 호모폴라 형태로 이루어져 상기 회전축의 반경방향 마찰을 방지하는 제1 자기 베어링; 및 상기 터빈과 상기 제1 자기 베어링 사이 또는 상기 컴프레서와 상기 제1 자기 베어링 사이의 상기 회전축의 외주면에 배치되고 축방향 착자 하이브리드 형태로 이루어져 상기 회전축의 축방향 부하를 지지하는 제2 자기 베어링을 포함하는 자기 베어링을 구비하는 터보차저를 제공한다.

여기서, 상기 제1 자기 베어링은, 상기 회전축의 외주면에 부착되어 있는 회전자 코어, 및 상기 회전자 코어와 대향되게 이격되고, 상기 회전자 코어를 감싸는 형태로 배치되는 고정자 코어를 포함할 수 있다.

이때, 상기 고정자 코어는, 상기 회전자 코어와 가장 먼 상기 고정자 코어 측에 구비되는 영구자석, 및 상기 영구자석을 둘러싸는 형태로 배치되는 전자석 코일을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2 자기 베어링은, 상기 회전축의 반경방향으로 돌출되는 형태로 형성되는 스러스트 칼라, 및 일측 단부는 상기 스러스트 칼라의 제1 면과 마주하는 형태로 이격되고, 타측 단부는 상기 스러스트 칼라의 제2 면과 마주하는 형태로 이격되는 고정자 코어를 포함할 수 있다.

이때, 상기 고정자 코어의 일측 단부와 타측 단부 및 상기 스러스트 칼라의 제1 면과 제2 면은 상기 회전축의 축방향과 평행을 이루는 동일선상에 배치될 수 있다.

또한, 상기 고정자 코어는, 상기 스러스트 칼라의 제3 면과 이격 배치되는 영구자석, 및 상기 영구자석의 후방에 배치되는 전자석 코일을 포함할 수 있다.

그리고 상기 스러스트 칼라의 제3 면은 상기 스러스트 칼라의 제1 면 및 제2 면과 직교하는 상기 스러스트 칼라의 측면일 수 있다.

본 발명에 따르면, 터빈과 컴프레서를 연결하는 회전축의 외주면에 회전축을 자기부상시키는 호모폴라 형태의 자기 베어링을 배치함으로써, 회전축의 회전 시 발생되는 마찰 손실을 완전히 제거할 수 있고, 그 결과, 터보차저의 효율을 극대화할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 회전축의 외주면에 축방향 착자 하이브리드 형태의 자기 베어링을 배치함으로써, 회전축의 축방향 부하를 지지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 터보차저를 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 터보차저에서, 제1 자기 베어링과 회전축의 연결 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 터보차저에서, 제2 자기 베어링과 회전축의 연결 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 종래기술에 따른 터보차저를 구비한 엔진을 개략적으로 나타낸 모식도이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 자기 베어링을 구비하는 터보차저에 대해 상세히 설명한다.

아울러, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 터보차저는 회전축(110)을 통해 서로 연결되어 있는 터빈(120)과 컴프레서(130)를 구비한다. 여기서, 터빈(120)은 엔진(도 4의 7)의 배기가스를 이용하여 회전된다. 이때, 컴프레서(130)는 터빈(120)의 회전 시 발생되는 회전력을 이용하여, 흡기된 공기를 압축하고, 이를 엔진(도 4의 7)에 공급한다. 이때, 회전축(110)은 하우징(미도시) 내부에 삽입되므로, 터빈(120)의 회전 시 회전축(110)과 하우징(미도시)은 상호 마찰을 발생시킨다.

따라서, 종래에는 회전축(110)과 하우징(미도시) 사이에 베어링을 설치하여 터빈(120)의 회전 시 회전축(110)과 하우징(미도시) 사이에서 발생되는 마찰을 감소시켰다. 그러나 이러한 베어링이 설치된 경우에도 회전축(110)과 하우징(미도시)은 상대 운동을 하므로, 여전히 마찰이 발생되는 문제가 있었다.

이를 방지하기 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 터보차저는 제1 자기 베어링(200) 및 제2 자기 베어링(300)을 포함하여 형성된다.

제1 자기 베어링(200)은 터빈(120) 및 컴프레서(130)와 인접한 회전축(110)의 길이방향 양측 각각의 외주면을 따라 배치된다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 제1 자기 베어링(200)은 회전자 코어(rotor core)(210) 및 고정자(stator core)(220)를 포함하여 형성될 수 있다.

회전자 코어(210)는 회전축(110)의 외주면에 부착되어 있다. 이때, 구체적으로 도시하진 않았지만, 회전자 코어(210)는 회전축(110)의 외주면에 형성되어 있는 복수 개의 삽입홈에 삽입되는 형태로 배치될 수 있다.

고정자 코어(220)는 회전자 코어(210)와 대향되게 이격되는 형태로 배치된다. 즉, 고정자 코어(220)는 회전자 코어(210)와의 사이에 일정한 간극을 두고 맞물리도록 배치된다. 이에 따라, 전체적으로 봤을 때, 고정자 코어(220)는 회전자 코어(210)를 감싸는 형태로 배치될 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 이러한 고정자 코어(220)는 영구자석(221) 및 전자석 코일(222)을 포함하여 형성될 수 있다. 영구자석(221)은 회전자 코어(210)와 가장 먼 고정자 코어(220) 측, 보다 상세하게는 고정자 코어(220)의 내부에 구비될 수 있다. 또한, 전자석 코일(222)은 영구자석(221)을 둘러싸는 형태로 배치될 수 있다. 즉, 하나의 고정자 코어(220)에는 회전자 코어(210)에서 가장 먼 쪽 부분에 영구자석(221)이 구비되고, 이 영구자석(221)을 둘러싸는 형태로 전자석 코일(222)이 구비된다. 이때, 전자석 코일(222)은 회전축(110)의 축 방향과 동일한 방향의 축에 감기는 방향으로 형성된다.

본 발명의 실시 예에서는 이와 같이, 영구자석(221) 및 전자석 코일(222)이 구비된 고정자 코어(220)가, 회전자 코어(210)의 둘레에 방사상으로 복수 개 배치될 수 있다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 실시 예에 따른 제1 자기 베어링(200)의 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다. 전력이 공급되면 고정자 코어(220)의 영구자석(221) 및 전자석 코일(222)에서 자기력이 발생된다. 이때, 회전축(110)은 이를 감싸는 형태로 구비되는 고정자 코어(220) 측으로부터 힘을 받게 되며, 이에 따라, 회전축(110)은 고정자 코어(220)와의 반발력에 의해 고정자 코어(220)와 이격 혹은 고정자 코어(220)로부터 부양된다.

이러한 현상이 바로 자기부상 원리에 의한 것으로서, 이처럼 제1 자기 베어링(200)은 회전축(110)을 자기부상 원리를 이용하여 지지하는 것이다. 이때, 전자석 코일(222)에 공급되는 전력의 세기, 방향, 위상, 주기 등을 조절함으로써 제1 자기 베어링(200)에서 발생되는 자기력을 조절할 수 있다. 이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 터보차저는 이를 제어하는 컨트롤러(미도시)를 더 포함할 수 있다.

이때, 본 발명의 실시 예에 따른 제1 자기 베어링(200)은 호모폴라(homopolar) 형태의 자기 베어링으로 이루어져 회전축(110)의 반경방향 마찰을 방지하는 역할을 한다. 호모폴라 형태의 자기 베어링은 헤테로폴라 형태의 자기 베어링에 비해 와전류(eddy current)에 의한 발열 문제가 없고, 회전자 코어(210)를 제작하기가 용이하며, 영구자석(221) 및 전자석 코일(222)을 함께 사용하는 형태이므로, 에너지 사용이 최소화될 수 있다는 장점이 있다.

또한, 호모폴라 형태의 자기 베어링은 영구자석(221) 및 전자석 코일(222)을 구비하는 고정자 코어(220)가 회전축(110)의 축방향으로 배치되므로, 회전축(110)의 둘레 방향으로의 여유 공간을 좀더 확보할 수 있다는 장점 또한 있다.

한편, 회전축(110)을 상기와 같은 구조의 제1 자기 베어링(200)으로만 지지하게 될 경우 회전축(110)의 회전 동작 시 축방향으로 발생되는 부하에는 대처하기 어렵다.

이를 해결하기 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 터보차저는 제2 자기 베어링(300)을 포함하여 형성된다.

제2 자기 베어링(300)은 터빈(120)과 이와 인접한 제1 자기 베어링(200) 사이의 회전축(110)의 외주면에 배치되거나 아니면 컴프레서(130)와 이와 인접한 제1 자기 베어링(200) 사이의 회전축(110)의 외주면에 배치된다.

이러한 제2 자기 베어링(300)은 축방향 착자 하이브리드 자기 베어링(AM-HMB, Axially magnetized-Hybrid magnetic bearing)으로 이루어져, 회전축(110)의 축방향 부하를 지지하는 역할을 한다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 제2 자기 베어링(300)은 스러스트 칼라(thrust collar)(310) 및 고정자 코어(320)를 포함하여 형성될 수 있다.

여기서, 스러스트 칼라(310)는 회전축(110)의 반경방향으로 돌출되는 형태로 형성될 수 있다. 또한, 고정자 코어(320)는 스러스트 칼라(310)를 부양시키기 위해 스러스트 칼라(310)와 대응되는 위치에 형성된다. 이때, 고정자 코어(320)는 단면이 "ㄷ"자 형태로 형성되며, 양측 단부는 스러스트 칼라(310)를 그 사이에 부양시키기 위해 스러스트 칼라(310)의 제1 면(도면 기준 상면)과 제2 면(도면 기준 하면)을 향해 절곡되어 있다. 즉, 고정자 코어(320)의 일측 단부(도면 기준 상측 단부)는 스러스트 칼라(310)의 상면과 마주하는 형태로 절곡되고 이와 이격 배치된다.

또한, 고정자 코어(320)의 타측 단부(도면 기준 하측 단부)는 스러스트 칼라(310)의 하면과 마주하는 형태로 절곡되고 이와 이격 배치된다.

이에 따라, 도 3에 도시한 바와 같이, 고정자 코어(320)의 상측 단부와 하측 단부 및 스러스트 칼라(310)의 상면과 하면은 회전축(110)의 축방향과 평행을 이루는 동일선상에 배치된다. 회전축(110)의 반경방향으로 돌출되는 형태로 형성되는 스러스트 칼라(310)가 이를 사이에 두고 상, 하로 이격 배치되어 있는 고정자 코어(320)의 상측 단부와 하측 단부 사이에서 자기부상됨으로써, 회전축(110)의 회전 시 회전축(110)이 축방향으로 부하를 받더라도 회전축(110)은 안정적으로 지지될 수 있다.

한편, 이러한 고정자 코어(320)는 영구자석(321) 및 전자석 코일(322)을 포함하여 형성될 수 있다. 여기서, 영구자석(321)은 스러스트 칼라(310)의 제3 면과 이격 배치될 수 있다.

이때, 본 발명의 실시 예에서, 스러스트 칼라(310)의 제3 면은 스러스트 칼라(310)의 제1 면으로 정의되는 상면 및 스러스트 칼라(310)의 제2 면으로 정의되는 하면과 직교하는 스러스트 칼라(310)의 측면으로 정의된다. 또한, 전자석 코일(322)은 회전축(110)을 기준으로 할 때, 영구자석(321)의 후방에 배치될 수 있다. 즉, 영구자석(321)과 고정자 코어(320)의 수직면 사이에 배치될 수 있다.

제2 자기 베어링(300)은 영구자석(321)으로 바이어스 자속(Bias flux)(A1)을 생성한다. 영구자석(321)에 의해 생성된 바이어스 자속은 영구자석(321)으로부터 출발하여 스러스트 칼라(310)의 상면과 하면이 고정자 코어(320)의 상측 단부 및 하측 단부와 이루는 간극을 통과한 후 고정자 코어(320)를 거쳐 영구자석(321)으로 돌아간다. 또한, 제2 자기 베어링(300)은 전자석 코일(322)로 제어 자속(A2)을 생성한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 터보차저는 터빈(120)과 컴프레서(130)를 연결하는 회전축(110)의 외주면에 회전축(110)을 자기부상시켜 지지하기 위해 배치되는 호모폴라 형태의 제1 자기 베어링(200)을 포함한다. 이를 통해, 본 발명의 실시 예에 따른 터보차저는 회전축(110)의 회전 시 발생되는 마찰 손실을 완전히 제거할 수 있고, 그 결과, 효율을 극대화할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 터보차저는 회전축(110)의 외주면에 배치되는 축방향 착자 하이브리드 형태의 제2 자기 베어링(300)을 포함한다. 이를 통해, 본 발명의 실시 예에 따른 터보차저는 회전축(110)의 회전 시 발생되는 회전축(110)의 축방향 부하를 지지할 수 있고, 그 결과, 안정적으로 운용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110; 회전축 120; 터빈
130; 컴프레서 200; 제1 자기 베어링
210; 회전자 코어 220; 고정자 코어
221, 321; 영구자석 222, 322; 전자석 코일
300; 제2 자기 베어링 310; 스러스트 칼라
320; 고정자 코어

Claims

회전축을 통해 서로 연결되어 있는 터빈과 컴프레서를 구비하는 터보차저에 있어서,
상기 터빈 및 상기 컴프레서와 인접한 상기 회전축의 길이방향 양측 각각의 외주면을 따라 배치되고 호모폴라 형태로 이루어져 상기 회전축의 반경방향 마찰을 방지하는 제1 자기 베어링; 및
상기 터빈과 상기 제1 자기 베어링 사이 또는 상기 컴프레서와 상기 제1 자기 베어링 사이의 상기 회전축의 외주면에 배치되고 축방향 착자 하이브리드 형태로 이루어져 상기 회전축의 축방향 부하를 지지하는 제2 자기 베어링;
을 포함하는 자기 베어링을 구비하는 터보차저.
제1항에 있어서,
상기 제1 자기 베어링은,
상기 회전축의 외주면에 부착되어 있는 회전자 코어, 및
상기 회전자 코어와 대향되게 이격되고, 상기 회전자 코어를 감싸는 형태로 배치되는 고정자 코어,
를 포함하는 자기 베어링을 구비하는 터보차저.
제2항에 있어서,
상기 고정자 코어는,
상기 회전자 코어와 가장 먼 상기 고정자 코어 측에 구비되는 영구자석, 및
상기 영구자석을 둘러싸는 형태로 배치되는 전자석 코일,
을 포함하는 자기 베어링을 구비하는 터보차저.
제1항에 있어서,
상기 제2 자기 베어링은,
상기 회전축의 반경방향으로 돌출되는 형태로 형성되는 스러스트 칼라, 및
일측 단부는 상기 스러스트 칼라의 제1 면과 마주하는 형태로 이격되고 타측 단부는 상기 스러스트 칼라의 제2 면과 마주하는 형태로 이격되는 고정자 코어,
를 포함하는 자기 베어링을 구비하는 터보차저.
제4항에 있어서,
상기 고정자 코어의 일측 단부와 타측 단부 및 상기 스러스트 칼라의 제1 면과 제2 면은 상기 회전축의 축방향과 평행을 이루는 동일선상에 배치되는 자기 베어링을 구비하는 터보차저.
제5항에 있어서,
상기 고정자 코어는,
상기 스러스트 칼라의 제3 면과 이격 배치되는 영구자석, 및
상기 영구자석의 후방에 배치되는 전자석 코일,
을 포함하는 자기 베어링을 구비하는 터보차저.
제6항에 있어서,
상기 스러스트 칼라의 제3 면은 상기 스러스트 칼라의 제1 면 및 제2 면과 직교하는 상기 스러스트 칼라의 측면인 자기 베어링을 구비하는 터보차저.