KR20240052288A - 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치 및 방법과, 이를 이용한 회전 기계 - Google Patents

회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치 및 방법과, 이를 이용한 회전 기계 Download PDF

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박철훈
김세영
서현욱
정현목
박성준
최경준
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한국기계연구원
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Abstract

본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 회전 기계는, 회전체; 회전체의 제 1 종단에 형성되고, 회전체의 제 2 종단 방향을 향하는 내측면과, 내측면의 반대면인 외측면을 가지는 원판형의 쓰러스트 칼라; 쓰러스트 칼라의 내측면과 외측면으로부터 이격되도록 위치하고 쓰러스트 칼라를 지지하는 축방향 자기베어링; 내측면 측에 위치되며, 회전체의 회전축으로부터 소정 거리만큼 떨어진 내측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 내측면 변위 센서; 외측면 측에 위치되며, 회전체의 회전축으로부터 상기 소정 거리만큼 떨어진 외측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 외측면 변위 센서를 포함할 수 있다.

Description

회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치 및 방법과, 이를 이용한 회전 기계{Axial magnetic bearing displacement sensing device and method of rotating body, and rotating machine using the same}
본 발명은 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치 및 방법과, 이를 이용한 회전 기계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 최소한의 변위 센서만으로, 회전체의 회전속도 증가에 따른 온도 상승으로 발생되는 센서의 측정 오차 및 회전축의 기울어짐에 의한 변위를 제거하고, 회전체의 정확한 축방향 변위를 산출할 수 있는, 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치 및 방법과, 이를 이용한 회전 기계에 관한 것이다.
최근 터보기계, 공작기계용 스핀들과 같은 고속 회전기계에서 고장예측을 위한 진동측정이나 자기베어링의 위치제어를 위해 변위센서가 많이 사용되고 있다.
자기베어링이 적용되는 고속회전기계는 대부분 모터 회전자가 회전체와 일체형으로 되어있는 직결구동 방식으로 회전한다. 이러한 고속회전기계는 모터 회전에 의한 마찰손, 철손 등에 의해 회전속도가 증가할 수록 회전체의 온도가 기하급수적으로 상승하는 현상이 발생된다.
도 1은 종래의 회전 기계에 사용되는 축방향 자기베어링 변위센싱 장치의 개략도이다.
회전체(1)의 쓰러스트 칼라(20)를 축방향 자기베어링(30)의 센터에 위치시키기 위해 축방향 변위센서(10)와 쓰러스트 칼라(20)의 기준거리 Zr을 설정하고, 이 거리가 일정하게 유지되도록 축방향 자기베어링 제어기에 의해 제어된다.
축방향 변위센서(10)가 측정하는 쓰러스트 칼라(20) 면의 온도 상승에 의해 상온에서의 센서 교정값이 고온에서는 맞지 않는 결과가 발생하여 변위 측정에 오차가 발생한다. 즉, 고온상태에서는 측정 거리가 가깝게 측정되기 때문에 쓰러스트 칼라(20)가 위로 이동되도록 축방향 변위가 제어된다. 이로 인해 축방향 자기베어링(30) 중심과 쓰러스트 칼라(20) 중심이 불일치하게 되고 회전체(1) 상부(임펠러 등)와 상부 고정부 사이의 공극이 좁아지게 되어 충돌사고 위험이 높아지게 된다. 즉, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이 회전체(1)가 축방향 자기베어링(30)의 중심에서 벗어난 위치에 있도록 잘못 제어하는 현상이 발생하게 된다.
회전체의 축방향 위치측정 오차가 발생하면 열팽창 또는 축추력에 의한 회전체의 축방향 이동을 감지하지 못해 충돌사고가 발생할 수 있기 때문에, 온도가 상승되는 경우에도 회전체를 축방향 자기베어링의 중심에 위치시킬 수 있는 변위 측정 장치가 요구되고 있다.
도 2는 종래의 회전 기계에 사용되는, 2개의 변위 센서를 사용하는 축방향 자기베어링 변위센싱 장치의 개략도이다. 도 3은 도 2의 장치에서 회전체의 축방향 변위를 산출하는 과정을 그래프로 도시한다.
온도변화 보상을 위해 1개의 센서를 더 추가하여 총 2개의 센서로서 내측면 변위 센서(40)와 외측면 변위 센서(70)를 쓰러스트 칼라(20)를 중심에 두고 마주보게 배치하는 구성이 시도되었다. 회전체(1)의 축방향 변위를 측정하기 위해서는 회전축(11)의 센터에 변위 센서가 배치되어야 하지만, 내측면 변위 센서(40)가 회전축(11)의 센터에 설치될 수 없으므로, 내측면 변위 센서(40)와 외측면 변위 센서(70)는 회전축(11) 센터에서 반경 방향으로 오프셋(offset)되어 마주 보도록 위치되었다.
그러나, 하우징 및 축의 가공오차, 조립오차 등으로 실제로는 회전체(1)와 쓰러스트 칼라(20)가 직각을 유지하지 못하고 기울어진 채 회전체(10)가 기울어진 회전축(11)을 중심으로 회전될 수 있다. 이 경우에, 축의 순수한 축방향 변위와 기울어진 축에 의한 변위가 구분되지 않고 함께 측정되어 더 큰 진동으로 왜곡된 채 제어루프에 피드백(feedback)되어 전류명령이 크게 생성되고, 이로 인해 추가적인 진동을 유발하는 부작용이 발생한다.
이러한 변위 센서의 구성에서는 아래와 같이 내측면 변위 센서(40)와 외측면 변위 센서(70)의 측정 변위가 표시될 수 있다.
ZS+(t) = - z(t) - dz(t) - z_tilt(t) 식(1)
ZS-(t) = z(t) - dz(t) + z_tilt(t) 식(2)
여기서,
ZS+(t): 내측면 변위 센서(40)에 의한 측정 변위
ZS-(t): 외측면 변위 센서(70)에 의한 측정 변위
z(t): 축의 축방향 진동에 의한 센서 위치 측정면의 축방향 변위
dz(t): 온도변화에 의한 센서의 측정오차
z_tilt(t): 센서 위치 측정면의 기울기에 의한 변위
제어루프에 피드백하기 위한 회전체(1)의 축방향 변위만을 얻어내기 위해 외측면 변위 센서(70)의 외측면 변위 측정값(ZS-(t))에서 내측면 변위 센서(40)의 내측면 변위 측정값(ZS+(t))을 빼고 1/2을 곱하여 변위값 (z(t))을 구하면 하기의 식이 남게 된다.
z(t) = [ZS-(t) - ZS+(t)] / 2 + z_tilt(t) 식(3)
즉, 식(3)에서는 온도변화에 의한 센서 측정오차(dz(t))는 제거될 수 있지만, 센서 위치 측정면의 기울기에 의한 변위(z_tilt(t))를 제거할 수 없기 때문에 회전체(1)의 축방향 변위만을 계산할 수 없고, 센서 위치 측정면의 기울기에 의한 변위(z_tilt(t))가 포함된 결과를 제어루프에 피드백하게 되는 문제점이 발생되었다.
이는 도 3에서 순수한 축진동(z(t))의 그래프와, 센서 측정값으로부터 계산한 {[ZS-(t) - ZS+(t)] / 2}의 그래프가 일치하지 않음을 통해 확인할 수 있으며, 순수한 축진동(z(t)) 이외에 기울어짐에 의한 변위(z_tilt(t))가 결합된 변위가 계산되어 제어루프에서 피드백됨을 알 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치 및 방법과, 이를 이용한 회전 기계가 이루고자 하는 기술적 과제는 최소한의 변위 센서만으로, 회전체의 회전속도 증가에 따른 온도 상승으로 발생되는 센서의 측정 오차 및 회전축의 기울어짐에 의한 변위를 제거하고, 회전체의 정확한 축방향 변위를 산출할 수 있는, 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치 및 방법과, 이를 이용한 회전 기계를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 따른 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치 및 방법과, 이를 이용한 회전 기계가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제는 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 회전 기계는, 회전체; 회전체의 제 1 종단에 형성되고, 회전체의 제 2 종단 방향을 향하는 내측면과, 내측면의 반대면인 외측면을 가지는 원판형의 쓰러스트 칼라; 쓰러스트 칼라의 내측면과 외측면으로부터 이격되도록 위치하고 쓰러스트 칼라를 지지하는 축방향 자기베어링; 내측면 측에 위치되며, 회전체의 회전축으로부터 소정 거리만큼 떨어진 내측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 내측면 변위 센서; 외측면 측에 위치되며, 회전체의 회전축으로부터 상기 소정 거리만큼 떨어진 외측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 외측면 변위 센서를 포함할 수 있다.
내측면 변위 센서와 외측면 변위 센서는 회전축에 대하여 축대칭이 되도록 위치될 수 있다.
회전 기계는 내측면 변위 센서 및 외측면 변위 센서에 의해 측정된 변위 오차를 제거하는 변위 계산부를 더 포함할 수 있다.
변위 계산부는 외측면 변위 센서의 외측면 변위 측정값에서 내측면 변위 센서의 내측면 변위 측정값을 빼고 1/2을 곱하여 변위값을 구할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른, 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치는 회전체의 일 종단에 형성된 쓰러스트 칼라가 축방향 자기베어링에 의해 지지되는 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치로서, 쓰러스트 칼라의 내측면 측에 위치되며, 회전체의 회전축으로부터 소정 거리만큼 떨어진 내측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 내측면 변위 센서; 및 쓰러스트 칼라의 외측면 측에 위치되며, 회전체의 회전축으로부터 상기 소정 거리만큼 떨어진 외측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 외측면 변위 센서를 포함할 수 있다.
내측면 변위 센서와 외측면 변위 센서는 회전축에 대하여 축대칭이 되도록 위치될 수 있다.
회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치는, 내측면 변위 센서 및 외측면 변위 센서에 의해 측정된 변위 오차를 제거하는 변위 계산부를 더 포함할 수 있다.
변위 계산부는 외측면 변위 센서의 외측면 변위 측정값에서 내측면 변위 센서의 내측면 변위 측정값을 빼고 1/2을 곱하여 변위값을 구할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 일 실시예에 따른 축방향 자기베어링 변위센싱 방법은 회전체의 일 종단에 형성된 쓰러스트 칼라가 축방향 자기베어링에 의해 지지되는 회전체에 대한 축방향 자기베어링 변위센싱 방법으로서, 내측면 변위 센서가 쓰러스트 칼라의 내측면 측에 위치되며, 회전체의 회전축으로부터 소정 거리만큼 떨어진 내측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 단계; 내측면 변위 센서와 회전축에 대하여 축대칭이 되도록 위치된 외측면 변위 센서가 쓰러스트 칼라의 외측면 측에 위치되며, 외측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 단계; 및 외측면 변위 센서의 외측면 변위 측정값에서 내측면 변위 센서의 내측면 변위 측정값을 빼고 1/2을 곱하여 변위값을 구하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치 및 방법과, 이를 이용한 회전 기계는 최소한의 변위 센서만으로, 회전체의 회전속도 증가에 따른 온도 상승으로 발생되는 센서의 측정 오차를 제거하고, 회전체의 정확한 축방향 변위를 산출할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치 및 방법과, 이를 이용한 회전 기계는 최소한의 변위 센서만으로, 회전축이 기울어져 있어도 회전체의 정확한 축방향 변위를 산출할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치 및 방법과, 이를 이용한 회전 기계는 회전축에 대응되는 측정 지점에 축방향 센서를 설치할 수 없는 경우에도 축방향 변위를 정확히 측정할 수 있다.
본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들에 따른 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치 및 방법과, 이를 이용한 회전 기계는, 센서의 측정오차로 인해 발생되는 회전체 쓰러스트 칼라와 축방향 자기베어링 중심의 불일치로 인해 회전체의 축방향 위치가 위쪽으로 이동되도록 제어되는 것을 방지하여 회전체 상부(임펠러 등)와 상부 고정부가 충돌되는 것을 방지할 수 있다.
다만, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치 및 방법과, 이를 이용한 회전 기계이 달성할 수 있는 효과는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 종래의 회전 기계에 사용되는 축방향 자기베어링 변위센싱 장치의 개략도이다.
도 2는 종래의 회전 기계에 사용되는, 2개의 변위 센서를 사용하는 축방향 자기베어링 변위센싱 장치의 개략도이다.
도 3은 도 2의 장치에서 회전체의 축방향 변위를 산출하는 과정을 그래프로 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기계의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기계의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전 기계의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치의 변위 계산부의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전 기계의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치의 변위 계산부에 의해 회전체의 순수한 축방향 변위만이 남겨지는 과정을 그래프로 도시한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제 1, 제 2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 '~부'로 표현되는 구성요소는 2개 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나 또는 하나의 구성요소가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화될 수도 있다. 또한, 이하에서 설명할 구성요소 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성요소가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성요소 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성요소에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상에 의한 실시예들을 차례로 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기계의 개략도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기계(100)는 회전체(110), 쓰러스트 칼라(120), 축방향 자기베어링(130) 및 축방향 자기베어링 변위센싱 장치(101)를 포함할 수 있다.
회전체(110)는 원통형 부재로 되어 있으며, 회전축(111)을 중심으로 회전이 될 수 있다. 회전체(110)의 표면에는 모터 회전자(115)가 설치되며, 모터 고정자(116)가 모터 회전자(115)를 둘러싸도록 배치되어 모터 고정자(116)에 전류가 공급되면, 모터 회전자(115)는 회전축(111)을 중심으로 회전하게 된다.
회전체(110)의 제 1 종단(112)에는 쓰러스트 칼라(120)가 형성되고, 제 2 종단(113)에는 임펠러(114)가 형성될 수 있다. 쓰러스트 칼라(120)는 회전체(110)의 제 1 종단(112)에 형성되고, 회전체(110) 제 2 종단(113) 방향을 향하는 내측면(121)과, 내측면(121)의 반대면인 외측면(122)을 가지는 원판형의 부재일 수 있다.
축방향 자기베어링(130)은 쓰러스트 칼라(120)의 내측면(121)과 외측면(122)으로부터 이격되도록 위치하고 쓰러스트 칼라(120)를 비접촉 상태로 지지할 수 있다.
회전체(110)는 자성체 코어링(193)으로 둘러싸인 영역이 제 1 반경방향 자기베어링(191)과 제 2 반경방향 자기 베어링(192)에 의해 비접촉 회전이 가능한 상태로 지지될 수 있으며, 회전체(110)의 반경 방향 이동이 제어될 수 있게 된다.
보조베어링(194)은 제 1 반경방향 자기베어링(191) 및 제 2 반경방향 자기 베어링(192)과, 회전체(110) 사이에 배치되며, 회전체(110)와 제 1 반경방향 자기베어링(191) 및 제 2 반경방향 자기 베어링(192)과의 충돌을 방지하는 기능을 수행한다.
회전체(110)의 반경 방향 변위는 반경방향센서(195)에 의해 측정이 가능하게 되며, 회전체(110)의 반경 방향 변위 측정 및 제어는 후술할 축방향 자기베어링 변위센싱 장치(101)에 의해 이루어진다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기계의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치의 개략도이다.
축방향 자기베어링 변위센싱 장치(101)는 내측면 변위 센서(140), 외측면 변위 센서(170) 및 변위 계산부(180)를 포함할 수 있다. 축방향 자기베어링 변위센싱 장치(101)는 내측면 변위 센서(140)와 외측면 변위 센서(170)의 2개의 변위 센서만으로 온도 상승으로 발생되는 변위 센서의 측정 오차 및 회전축(111)의 기울어짐에 의한 변위를 제거할 수 있다.
내측면 변위 센서(140)는 내측면(121) 측에 위치되며, 회전체(110)의 회전축(111)으로부터 소정 거리만큼 떨어진 내측면 측정지점(141)에서 쓰러스트 칼라(120)의 축방향 변위를 측정할 수 있다.
외측면 변위 센서(170)는 외측면(122) 측에 위치되며, 회전체(110)의 회전축(111)으로부터 상기 소정 거리만큼 떨어진 외측면 측정지점(171)에서 쓰러스트 칼라(120)의 축방향 변위를 측정할 수 있다.
내측면 변위 센서(140)와 외측면 변위 센서(170)는 회전축(111)을 중심으로 180도 위상차이를 두고 위치되는 것이 바람직하다. 즉, 내측면 변위 센서(140)와 외측면 변위 센서(170)는 회전축(111)을 중심으로 축 대칭 상태로 위치되는 것이 바람직하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기계의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치의 변위 계산부의 개략도이다. 여기서 Zr은 기준 변위를 나타낸다.
변위 센서는 고온 상태에서는 상온에서 측정한 값보다 오차만큼 작은 값을 측정하며, 회전축의 기울어짐에 의한 변위가 포함된 값을 측정하게 된다. 이에 따라, 변위 계산부(180)는 내측면 변위 센서(140) 및 외측면 변위 센서(170)에 의해 측정된 변위값에서 온도변화에 의한 변위 센서의 측정오차와 변위 센서 측정면의 기울기에 의한 변위값을 제거하게 된다.
변위 계산부(180)는 하기의 단계들을 포함하는 축방향 자기베어링 변위센싱 방법을 통해 오차를 제거하고 회전체의 정확한 축방향 변위만을 얻을 수 있다.
변위 계산부(180)는, 쓰러스트 칼라(120)의 내측면(121) 측에 위치되며 회전체(110)의 회전축(111)으로부터 소정 거리만큼 떨어진 내측면 측정지점(141)에 위치되는 내측면 변위 센서(140)가 측정한 쓰러스트 칼라(120)의 축방향 변위값(ZS+(t))을 전송받는 단계를 수행할 수 있다.
ZS+(t) = - z1(t) - dz(t) + z1_tilt(t) 식(4)
여기서,
ZS+(t): 내측면 변위 센서(140)에 의한 측정 변위
z1(t): 내측면 변위 센서(140)의 내측면 측정지점(141)의 변위
dz(t): 온도에 의한 측정오차
z1_tilt(t): 회전축(111)의 기울기에 의한 내측면 측정지점(141)의 변위
변위 계산부(180)는, 쓰러스트 칼라(120)의 외측면(122) 측에 위치되며 회전체(110)의 회전축(111)으로부터 180도 위상차를 가지고 상기 소정 거리만큼 떨어진 외측면 측정지점(171)에 위치한 외측면 변위 센서(170)가 측정한 쓰러스트 칼라(120)의 축방향 변위값(ZS-(t))을 전송받는 단계를 수행할 수 있다.
ZS-(t) = z2(t) - dz(t) + z2_tilt(t) 식(5)
여기서,
ZS-(t): 외측면 변위 센서(170)에 의한 측정 변위
z2(t): 외측면 변위 센서(170)의 외측면 측정지점(171)의 변위
dz(t): 온도에 의한 측정오차
z2_tilt(t): 회전축(111)의 기울기에 의한 외측면 측정지점(171)의 변위
변위 계산부(180)는 외측면 변위 센서(170)의 외측면 변위 측정값(ZS-(t))에서 내측면 변위 센서(140)의 내측면 변위 측정값(ZS+(t))을 빼고 1/2을 곱하여 변위값 (z(t))을 구하는 단계를 수행할 수 있다.
여기서, 쓰러스트 칼라(120)를 축방향 자기베어링(130)의 센터에 위치시키므로, 외측면 변위 센서(170)의 외측면 측정지점(171)의 변위 (z2(t))와 내측면 변위 센서(140)의 내측면 측정지점(141)의 변위 (z1(t))는 동일한 값이므로, 식(4)과 식(5)에서 모두 z(t)로 표시할 수 있다.
또한, 회전축(111)의 기울기에 의한 외측면 측정지점(171)의 변위 (z2_tilt(t))와 내측면 측정지점(141)의 변위 (z1_tilt(t))는 180도 위상을 가지는(즉, 회전축(111)을 중심으로 한 축대칭 배열) 외측면 측정지점(171)와 내측면 측정지점(141)에서는 동일한 값을 가지므로, 모두 z_tilt(t)로 표기할 수 있으며, 하기 식(6)에서 제거될 수 있다.
z(t) = [ZS-(t) - ZS+(t)] / 2 식(6)
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전 기계의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치의 변위 계산부에 의해 회전체의 순수한 축방향 변위만이 남겨지는 과정을 그래프로 도시한다. 여기서, 회전체(110)의 순수한 축방향 변위(z(t)) 그래프는 {[ZS-(t) - ZS+(t)] / 2} 그래프와 동일한 값을 가지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 온도 변화에 의한 센서 측정 오차와 회전축의 기울어짐에 의한 변위가 제거되었음을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회전 기계의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치는 단지 두 개의 변위 센서만을 이용하여 변위를 측정할 수 있는 구조로서, 외측면 변위 센서(170)에 의한 측정 변위(ZS-(t))에서 내측면 변위 센서(140)에 의한 측정 변위(ZS+(t))를 뺌으로써 온도 변화에 의한 센서 측정 오차가 제거될 수 있으며, 이와 동시에 회전축(111)의 기울기에 의한 내측면 측정지점(141)의 변위(z1_tilt(t))와 외측면 측정지점(171)의 변위(z2_tilt(t))가 제거되어 회전체(110)의 순수한 축방향 변위(z(t))만을 계산할 수 있고, 이를 도 6에 도시된 바와 같이 제어루프에 피드백할 수 있다.
회전체(110)의 순수한 축방향 변위(z(t))를 피드백하면 온도 변화에 의한 센서 측정 오차(dz(t))와 회전축(111)의 기울어짐에 의한 변위(z_tilt(t))가 피드백에 반영되지 않게 되므로, 회전체(110)의 쓰러스트 칼라(120)의 중심과 축방향 자기베어링(130)의 중심을 온도 변화와 관계없이 일치시킬 수 있게 된다.
이상 본 명세서에서 설명한 기능적 동작과 본 주제에 관한 실시형태들은 본 명세서에서 개시한 구조들 및 그들의 구조적인 등가물을 포함하여 디지털 전자 회로나 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어 또는 하드웨어에서 혹은 이들 중 하나 이상의 조합에서 구현 가능하다.
본 명세서에서 기술하는 주제의 실시형태는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 제품, 다시 말해 데이터 처리 장치에 의한 실행을 위하여 또는 그 동작을 제어하기 위하여 유형의 프로그램 매체 상에 인코딩되는 컴퓨터 프로그램 명령에 관한 하나 이상의 모듈로서 구현될 수 있다. 유형의 프로그램 매체는 전파형 신호이거나 컴퓨터로 판독 가능한 매체일 수 있다. 전파형 신호는 컴퓨터에 의한 실행을 위하여 적절한 수신기 장치로 전송하기 위한 정보를 인코딩하기 위하여 생성되는 예컨대 기계가 생성한 전기적, 광학적 혹은 전자기 신호와 같은 인공적으로 생성된 신호이다. 컴퓨터로 판독 가능한 매체는 기계로 판독 가능한 저장장치, 기계로 판독 가능한 저장 기판, 메모리 장치, 기계로 판독 가능한 전파형 신호에 영향을 미치는 물질의 조합 혹은 이들 중 하나 이상의 조합일 수 있다.
컴퓨터 프로그램(프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 어플리케이션, 스크립트 혹은 코드로도 알려져 있음)은 컴파일되거나 해석된 언어나 선험적 혹은 절차적 언어를 포함하는 프로그래밍 언어의 어떠한 형태로도 작성될 수 있으며, 독립형 프로그램이나 모듈, 컴포넌트, 서브루틴 혹은 컴퓨터 환경에서 사용하기에 적합한 다른 유닛을 포함하여 어떠한 형태로도 전개될 수 있다.
컴퓨터 프로그램은 파일 시스템의 파일에 반드시 대응하는 것은 아니다. 프로그램은 요청된 프로그램에 제공되는 단일 파일 내에, 혹은 다중의 상호 작용하는 파일(예컨대, 하나 이상의 모듈, 하위 프로그램 혹은 코드의 일부를 저장하는 파일) 내에, 혹은 다른 프로그램이나 데이터를 보유하는 파일의 일부(예컨대, 마크업 언어 문서 내에 저장되는 하나 이상의 스크립트) 내에 저장될 수 있다.
컴퓨터 프로그램은 하나의 사이트에 위치하거나 복수의 사이트에 걸쳐서 분산되어 통신 네트워크에 의해 상호 접속된 다중 컴퓨터 또는 하나의 컴퓨터 상에서 실행되도록 전개될 수 있다.
본 명세서에서 기술하는 프로세스와 논리 흐름은 입력 데이터 상에서 동작하고 출력을 생성함으로써 기능을 수행하기 위하여 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 실행하는 하나 이상의 프로그래머블 프로세서에 의하여 수행 가능하다.
컴퓨터 프로그램의 실행에 적합한 프로세서는, 예컨대 범용 및 특수 목적의 마이크로프로세서 양자 및 어떤 종류의 디지털 컴퓨터의 어떠한 하나 이상의 프로세서라도 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 읽기 전용 메모리나 랜덤 액세스 메모리 혹은 양자로부터 명령어와 데이터를 수신할 것이다.
컴퓨터의 핵심적인 요소는 명령어와 데이터를 저장하기 위한 하나 이상의 메모리 장치 및 명령을 수행하기 위한 프로세서이다. 또한, 컴퓨터는 일반적으로 예컨대 자기, 자기광학 디스크나 광학 디스크와 같은 데이터를 저장하기 위한 하나 이상의 대량 저장 장치로부터 데이터를 수신하거나 그것으로 데이터를 전송하거나 혹은 그러한 동작 둘 다를 수행하기 위하여 동작가능 하도록 결합되거나 이를 포함할 것이다. 그러나, 컴퓨터는 그러한 장치를 가질 필요가 없다.
본 기술한 설명은 본 발명의 최상의 모드를 제시하고 있으며, 본 발명을 설명하기 위하여, 그리고 당업자가 본 발명을 제작 및 이용할 수 있도록 하기 위한 예를 제공하고 있다. 이렇게 작성된 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 본 발명을 제한하는 것이 아니다.
따라서, 상술한 예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 당업자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다.
100: 회전 기계
101: 축방향 자기베어링 변위센싱 장치
110: 회전체
120: 쓰러스트 칼라
130: 축방향 자기베어링
140: 내측면 변위 센서
170: 외측면 변위 센서
180: 변위 계산부

Claims (9)

  1. 회전체;
    회전체의 제 1 종단에 형성되고, 회전체의 제 2 종단 방향을 향하는 내측면과, 내측면의 반대면인 외측면을 가지는 원판형의 쓰러스트 칼라;
    쓰러스트 칼라의 내측면과 외측면으로부터 이격되도록 위치하고 쓰러스트 칼라를 지지하는 축방향 자기베어링;
    내측면 측에 위치되며, 회전체의 회전축으로부터 소정 거리만큼 떨어진 내측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 내측면 변위 센서;
    외측면 측에 위치되며, 회전체의 회전축으로부터 상기 소정 거리만큼 떨어진 외측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 외측면 변위 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    내측면 변위 센서와 외측면 변위 센서는 회전축에 대하여 축대칭이 되도록 위치되는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
  3. 제 2 항에 있어서, 회전 기계는
    내측면 변위 센서 및 외측면 변위 센서에 의해 측정된 변위 오차를 제거하는 변위 계산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
  4. 제 3 항에 있어서, 변위 계산부는
    외측면 변위 센서의 외측면 변위 측정값에서 내측면 변위 센서의 내측면 변위 측정값을 빼고 1/2을 곱하여 변위값을 구하는 것을 특징으로 하는 회전 기계.
  5. 회전체의 일 종단에 형성된 쓰러스트 칼라가 축방향 자기베어링에 의해 지지되는 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치에 있어서,
    쓰러스트 칼라의 내측면 측에 위치되며, 회전체의 회전축으로부터 소정 거리만큼 떨어진 내측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 내측면 변위 센서; 및
    쓰러스트 칼라의 외측면 측에 위치되며, 회전체의 회전축으로부터 상기 소정 거리만큼 떨어진 외측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 외측면 변위 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    내측면 변위 센서와 외측면 변위 센서는 회전축에 대하여 축대칭이 되도록 위치되는 것을 특징으로 하는 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치는,
    내측면 변위 센서 및 외측면 변위 센서에 의해 측정된 변위 오차를 제거하는 변위 계산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 변위 계산부는
    외측면 변위 센서의 외측면 변위 측정값에서 내측면 변위 센서의 내측면 변위 측정값을 빼고 1/2을 곱하여 변위값을 구하는 것을 특징으로 하는 회전체의 축방향 자기베어링 변위센싱 장치.
  9. 회전체의 일 종단에 형성된 쓰러스트 칼라가 축방향 자기베어링에 의해 지지되는 회전체에 대한 축방향 자기베어링 변위센싱 방법에 있어서,
    내측면 변위 센서가 쓰러스트 칼라의 내측면 측에 위치되며, 회전체의 회전축으로부터 소정 거리만큼 떨어진 내측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 단계;
    내측면 변위 센서와 회전축에 대하여 축대칭이 되도록 위치된 외측면 변위 센서가 쓰러스트 칼라의 외측면 측에 위치되며, 외측면 측정지점에서 쓰러스트 칼라의 변위를 측정하는 단계; 및
    외측면 변위 센서의 외측면 변위 측정값에서 내측면 변위 센서의 내측면 변위 측정값을 빼고 1/2을 곱하여 변위값을 구하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자기베어링 변위센싱 방법.
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