WO2016114418A1 - 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링 - Google Patents

압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링 Download PDF

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WO2016114418A1
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piezoelectric element
damper
air foil
bearing
foil bearing
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PCT/KR2015/000333
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성경환
박기택
송지훈
노재호
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주식회사 부강테크
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    • F16C17/02Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only
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    • G01HMEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
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    • F16C17/12Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement characterised by features not related to the direction of the load
    • F16C17/24Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement characterised by features not related to the direction of the load with devices affected by abnormal or undesired positions, e.g. for preventing overheating, for safety
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    • F16CSHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2233/00Monitoring condition, e.g. temperature, load, vibration

Definitions

  • the present invention relates to an air foil bearing, and more particularly, by using a piezoelectric element, which makes it possible to measure the load applied on the bearing in real time so that the occurrence of abnormality during the operation of the bearing and damage to the bearing can be easily understood.
  • These general bearings are contact bearings, which are designed to minimize friction in such a way that the contacted parts are lubricated or rotated, as described above. It is true that there is a limit to the reduction. In addition, since the required rotational speed of the rotating body or the conditions such as the required vibration or thermal stability are increasing in recent years, the need and demand for the non-contact bearing is increasing. In fact, non-contact bearings such as magnetic bearings and air foil bearings, which are not in direct contact with the rotating shaft, have been developed and used in various fields.
  • Korean Patent Registration No. 1413249 (“Bearing including a piezoelectric element and a method for driving the same", 2014.06.23, hereinafter prior art), as a bearing for supporting the movement member, in the order of the movement member-elastic part-vibration generating part It is formed in a stacked form, the vibration is applied at a predetermined frequency by the piezoelectric element provided in the vibration generating portion, the vibration is transmitted to the elastic portion is applied to the elliptic motion wave by the elastic portion in direct contact with the movement member Be sure to At this time, by controlling the movement direction and the movement speed of the peak of the wave to be the same as the movement direction and the movement speed of the movement member, the bearing wear and damage caused by the contact between the movement member and the bearing are reduced.
  • the vibration generator must continuously generate vibrations while the movement member is operating, which wastes a lot of power, and also needs to continuously control the vibration of the vibration generator according to the movement of the movement member. It is difficult to apply to actual industrial sites, such as not easy.
  • contact bearings as it is explicitly stated that the "elastic part receives the vibration of the vibration generating part to generate an elliptic motion wave on the surface in contact with the moving member". It is difficult to apply to non-contact bearings such as
  • a technique such as detecting a shaft runout using a gap sensor to measure abnormal vibrations applied to a bearing.
  • an amplifier, an encoder, and other equipment are required for the actual measurement, and an equipment such as an encoder is a relatively expensive equipment for practical use in an industrial field. Therefore, the detection method using the gap sensor is actually used at the research equipment level but is not applied very much in the industrial field.
  • an object of the present invention is to provide a piezoelectric element disposed in an appropriate position of the air foil bearing, the load generated during operation of the air foil bearing
  • the present invention provides an air foil bearing having a sensing device using a piezoelectric element.
  • Another object of the present invention is to use a piezoelectric element, which makes it possible to clearly grasp the point where an abnormality occurs due to the rotation and vibration of the shaft, and ultimately to obtain the effects of predicting the life of the bearing, preventing damage, etc.
  • An air foil bearing having a sensing device is provided.
  • the housing 110 made of a cylindrical shape formed with a housing hollow 111 to accommodate the rotating shaft (500);
  • a damper set (120) formed of at least two dampers disposed in contact with the inner circumferential surface of the housing hollow (111) in series along an extension direction of the rotation shaft (500);
  • Comprising a plurality of piezoelectric elements arranged in a planar shape, interposed between the housing 110 and the damper set 120, and detects the pressure by the rotating shaft 500 is transmitted through the damper set 120
  • the piezoelectric element plate 130 to be output as an electrical signal;
  • a top foil 140 formed in a thin plate shape and disposed to contact an inner circumferential surface of the damper set 120; It may be made, including.
  • the piezoelectric element plate 130 may be divided into at least two or more along the extending direction of the rotation shaft 500. In this case, the piezoelectric element plate 130 may be divided to have a number and an extension length corresponding to the number and extension length of each of the dampers constituting the damper set 120.
  • the piezoelectric element plate 130 may be divided into at least two or more along the circumferential direction of the rotation shaft 500.
  • the damper set 120 may include a first damper 121, a second damper 122, and a third damper 123 disposed in series along an extending direction of the rotation shaft 500.
  • the pitch of 121 and the pitch of the third damper 123 are the same, and the pitch of the first damper 121 may be smaller than the pitch of the second damper 122.
  • the piezoelectric element plate 130 may be divided into four parts along the circumferential direction of the rotation shaft 500.
  • the piezoelectric element plate 130 may have an extension length corresponding to each of the first damper 121, the second damper 122, and the third damper 123, and each of the rotary shafts 500 may be formed.
  • the first piezoelectric element plate set 131S, the second piezoelectric element plate set 132S, and the third piezoelectric element plate set 133S may be divided into at least two parts divided along the circumferential direction.
  • the piezoelectric element plate 130 may include the first piezoelectric element plate set 131S, the second piezoelectric element plate set 132S, and the third piezoelectric element plate set 133S, respectively. It can be made to be divided into four along the circumferential direction of.
  • an air foil bearing capable of detecting an unbalanced load or abnormal vibration can be easily and inexpensively introduced to an actual industrial site.
  • bearing life or failure point prediction can ultimately prevent damage, shorten repair time, and reduce costs.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view of an air foil bearing equipped with a sensing device using a piezoelectric element of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the air foil bearing of the present invention, respectively.
  • the housing 110 has a cylindrical shape in which the housing hollow 111 is formed to accommodate the rotation shaft 500 as shown.
  • the housing 110 is not particularly different from the housing constituting the existing air foil bearing and its function or shape.
  • the housing 110 accommodates each of the components to be described below to fix each position, and is also a component that is connected to other devices, so that the housing 110 is generally made of a solid material such as a metal material. Since the rotating shaft 500 accommodated in the housing 110 is a cylindrical shape, the housing 110 is also basically formed in a cylindrical shape having a hollow corresponding thereto, but of course, as described above, it is easy to connect with other devices.
  • the piezoelectric element plate 130 may detect where the load of the rotating shaft 500 supported by the air foil bearing 100 is concentrated, and how large the load is. At this time, since the piezoelectric element plate 130 is formed in such a manner that a plurality of piezoelectric elements having a substantially small area are disposed on a plane, the piezoelectric element plate 130 is divided into a single piece as shown in the example of FIG. 1. Even if it is made, it is possible to measure the load by position. However, in this case, there are also inconveniences in manufacturing such that the number of signal lines to be connected to one piezoelectric element plate 130 increases, and the piezoelectric element plate 130 may also be damaged by receiving a load. If it is necessary to replace the entire piezoelectric element plate 130, there is a problem that it is uneconomical.

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Abstract

본 발명은 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 에어 포일 베어링의 적절한 위치에 압전 소자가 배치 구비되도록 함으로써, 에어 포일 베어링의 작동 중 발생되는 하중을 측정할 수 있도록 하는, 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링을 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 샤프트의 회전 및 진동에 따라 이상 발생이 되는 지점을 명확하게 파악할 수 있게 함으로써, 궁극적으로는 베어링의 수명 예측, 파손 방지 등의 효과를 얻을 수 있도록 하는, 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링을 제공함에 있다.

Description

압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링
본 발명은 에어 포일 베어링에 관한 것으로, 보다 상세하게는 베어링 상에 가해지는 하중을 실시간 측정할 수 있도록 함으로써 베어링의 작동 중 이상 발생 및 베어링의 손상 등을 용이하게 파악할 수 있도록 하는, 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링에 관한 것이다.
회전 또는 왕복 운동과 같은 움직임이 있는 부품(회전축, 이동축 등)에 있어서, 부품의 운동 과정에서 일어나는 마찰 때문에 발생될 수 있는 부품 마모나 손상 문제, 소음 문제, 에너지 낭비 문제 등과 같은 문제들을 해소하기 위하여 다양한 종류의 베어링이 구비되고 있다. 일반적으로 널리 사용되는 베어링에는 미끄럼 베어링(sliding bearing)과 구름 베어링(rolling bearing)이 있는데, 미끄럼 베어링은 축을 둘러싼 형태로 되어 베어링과 접촉하는 부분에 윤활유가 개재되어 있도록 한 형태로 되고, 구름 베어링은 베어링과 접촉하는 부분에 볼, 롤러 등과 같이 회전 가능한 부품들이 들어가 있어서 마찰을 최소화하도록 형성된다.
이러한 일반적인 베어링은 접촉식 베어링으로서 상술한 바와 같이 접촉되는 부분이 윤활되도록 하거나 접촉 부위가 회전되도록 하는 방식으로 마찰력을 최소화시키도록 이루어지는데, 실질적으로 접촉식 베어링의 경우 접촉 자체가 없어지지 않기 때문에 마찰력을 줄이는 데에 한계가 있는 것이 사실이다. 또한 최근 회전체의 요구 회전 속도가 높아지거나, 요구되는 진동 또는 열적 안정성 등의 조건이 더욱 높아지고 있는 실정이기 때문에, 비접촉식 베어링에 대한 필요 및 요구가 점점 늘어나고 있다. 실제로 이미 회전축과 직접 접촉하지 않는 자기 베어링, 에어 포일 베어링 등과 같은 비접촉식 베어링이 개발되어 다양한 분야에서 사용되어 오고 있다.
비접촉식 베어링 중 자기 베어링의 경우 마찰력 저감 효과가 높고 다양한 제어가 가능하다는 장점이 있는 반면, 구성 부품 수가 많고 설계가 복잡하며 전자기력 제어를 위한 별도의 동력이 필요하여 제작 및 운용에 드는 비용이 높아지는 등의 단점도 있다. 반면 비접촉식 베어링 중 에어 포일 베어링은 그 구조가 간단하면서도 효과적으로 비접촉 상태를 형성하여 마찰력 저감 효과를 얻을 수 있어 현재 널리 사용되고 있다. 에어 포일 베어링의 구조 또는 원리는 이미 널리 알려져 있으며, 한국특허공개 제2012-0009724호("하이브리드 공기포일 베어링", 2012.02.02) 등에도 잘 나타나 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
그런데, 에어 포일 베어링의 경우 범프가 형성된 얇은 포일 등과 같은 부품들로 이루어지기 때문에 부품 자체의 강성이 낮아 운용 중 손상이 발생할 위험성이 높다는 단점이 있다. 특히 현장에서 사용되는 베어링의 경우, 베어링 전체적으로 하중이 고르게 분산되는 것이 아니라 실제로는 회전축의 회전 방향 등에 따라 하중이 양 끝단 등으로 집중되기 때문에, 설계와는 달리 실제 운용 시에는 예상치 못한 부분에서의 손상 및 파손이 더욱 많이 발생하는 등의 문제가 있다.
일반적으로 에어 포일 베어링은, 정지 상태에서는 샤프트와 베어링이 접촉되어 있는 상태이지만, 샤프트가 일정 속도 이상 회전하면 샤프트 및 베어링 사이에 동압이 발생되어 비접촉 상태의 회전이 실현될 수 있게 한다. 이상적으로는 정지 시에만 접촉이 발생하며 따라서 운전-정지의 반복 시에 베어링의 마모가 발생된다고 생각할 수 있으며, 이렇게 생각할 때 베어링의 수명은 통상 샤프트 회전수 20,000회 또는 3년 정도로 알려져 있다. 그러나 운전 중 서징, 이물질 유입 등과 같은 여러 문제 요인이나 운전 환경에 따라 베어링 마모가 더 많이 발생하게 되어, 실제로는 일괄적으로 베어링 수명을 예측할 수 없는 것이 사실이다.
한편 볼 베어링과 같은 접촉식 베어링의 경우에 있어서 이러한 불균형적인 진동 및 하중으로 인한 베어링 손상을 줄이고자 하는 장치 및 방법이 개시된 바 있다. 한국특허등록 제1413249호("압전 소자를 포함하는 베어링 및 이를 구동시키는 방법", 2014.06.23, 이하 선행기술)에서는, 운동부재를 지지하는 베어링으로서, 운동부재 - 탄성부 - 진동발생부 순으로 적층 구비된 형태로 이루어져, 진동발생부에 구비된 압전소자에 의하여 소정의 진동수로 진동이 인가되고, 이 진동이 탄성부로 전달되어 운동부재와 직접 접촉하는 탄성부에 의해 타원 모션 형태의 파동이 인가되도록 한다. 이 때 이 파동의 최성부 정점의 이동 방향 및 이동 속도를 운동 부재의 이동 방향 및 이동 속도와 동일하게 되도록 제어함으로써, 운동부재 및 베어링 간의 접촉에 의한 베어링 마모나 손상을 줄이도록 하고 있다.
그런데 상기 선행기술의 경우 운동부재가 동작하는 동안 진동발생부에서 계속 진동을 발생시켜 주어야만 하여 전력의 낭비가 심하고, 또한 운동부재의 운동에 맞게 진동발생부의 진동을 계속 제어해 주어야 하여 제어 실현 자체가 용이하지 않은 등, 실제 산업 현장에 적용하기에는 어려움이 있다. 뿐만 아니라 선행기술의 경우 "탄성부는 진동발생부의 진동을 전달받아 운동부재와 접하는 면에 타원 모션 형태의 파동을 발생"한다고 명시적으로 기재되어 있듯이, 접촉식 베어링에 적용이 가능할 뿐, 에어 포일 베어링과 같은 비접촉식 베어링에는 적용하기 어렵다.
이외에도 베어링에 가해지는 비정상적인 진동 등을 계측할 수 있도록 갭 센서를 사용하여 샤프트 런아웃을 검출하는 등의 기술이 개시되어 있다. 하지만 이러한 방식의 경우 실제 측정을 위해서는 갭 센서 뿐 아니라 앰프, 엔코더 등의 장비가 더 구비되어야 하며, 엔코더 등의 장비는 실질적으로 산업 현장에서 널리 사용하기에는 상대적으로 고가의 장비이다. 따라서 갭 센서를 이용한 검출 방식은 실제로는 연구기자재 수준에서 사용될 뿐 산업 현장에서는 별로 적용되지 않고 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
1. 한국특허공개 제2012-0009724호("하이브리드 공기포일 베어링", 2012.02.02)
2. 한국특허등록 제1413249호("압전 소자를 포함하는 베어링 및 이를 구동시키는 방법", 2014.06.23)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 에어 포일 베어링의 적절한 위치에 압전 소자가 배치 구비되도록 함으로써, 에어 포일 베어링의 작동 중 발생되는 하중을 측정할 수 있도록 하는, 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링을 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은, 샤프트의 회전 및 진동에 따라 이상 발생이 되는 지점을 명확하게 파악할 수 있게 함으로써, 궁극적으로는 베어링의 수명 예측, 파손 방지 등의 효과를 얻을 수 있도록 하는, 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링은, 회전축(500)이 수용되도록 하우징 중공(111)이 형성된 원통 형상으로 이루어지는 하우징(110); 상기 하우징 중공(111) 내주면에 접촉되도록 배치되는 댐퍼들이, 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 적어도 둘 이상 직렬 배치되어 이루어지는 댐퍼 세트(120); 다수 개의 압전 소자들이 배열되어 이루어지는 평면 형태로 이루어져, 상기 하우징(110) 및 상기 댐퍼 세트(120) 사이에 개재되며, 상기 댐퍼 세트(120)를 통해 전달되는 상기 회전축(500)에 의한 압력을 감지하여 전기 신호로 출력하는 압전 소자판(130); 박판 형태로 형성되어 상기 댐퍼 세트(120) 내주면에 접촉되도록 배치되는 탑 포일(140); 을 포함하여 이루어질 수 있다.
이 때 상기 압전 소자판(130)은, 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 적어도 둘 이상으로 분할되도록 이루어질 수 있다. 또한 이 때 상기 압전 소자판(130)은, 상기 댐퍼 세트(120)를 구성하는 댐퍼들 각각의 개수 및 연장 길이에 상응하는 개수 및 연장 길이를 가지도록 분할되도록 이루어질 수 있다.
또는 상기 압전 소자판(130)은, 상기 회전축(500)의 원주 방향을 따라 적어도 둘 이상으로 분할되도록 이루어질 수 있다.
한편 상기 댐퍼 세트(120)는, 제1댐퍼(121), 제2댐퍼(122), 제3댐퍼(123)가 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 직렬 배치되어 이루어지되, 상기 제1댐퍼(121)의 피치 및 상기 제3댐퍼(123)의 피치는 서로 동일하며, 상기 제1댐퍼(121)의 피치는 상기 제2댐퍼(122)의 피치보다 작게 형성되도록 이루어질 수 있다.
이 때 상기 압전 소자판(130)은, 상기 제1댐퍼(121), 상기 제2댐퍼(122), 상기 제3댐퍼(123) 각각에 상응하는 연장 길이를 가지는 제1압전 소자판(131), 제2압전 소자판(132), 제3압전 소자판(133)으로 분할되도록 이루어질 수 있다.
또는 상기 압전 소자판(130)은, 상기 회전축(500)의 원주 방향을 따라 4분할되도록 이루어질 수 있다.
또는 상기 압전 소자판(130)은, 상기 제1댐퍼(121), 상기 제2댐퍼(122), 상기 제3댐퍼(123) 각각에 상응하는 연장 길이를 가지며, 각각이 상기 회전축(500)의 원주 방향을 따라 적어도 둘 이상으로 분할되는, 제1압전 소자판 세트(131S), 제2압전 소자판 세트(132S), 제3압전 소자판 세트(133S)로 분할되도록 이루어질 수 있다. 이 때 상기 압전 소자판(130)은, 상기 제1압전 소자판 세트(131S), 상기 제2압전 소자판 세트(132S), 상기 제3압전 소자판 세트(133S) 각각이 상기 회전축(500)의 원주 방향을 따라 4분할되도록 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 에어 포일 베어링 자체에 압전 소자가 구비되도록 함으로써, 에어 포일 베어링 운용 중 불균형한 하중 또는 비정상적인 진동이 발생될 경우 이를 명확하고 용이하게 측정해 낼 수 있도록 하는 효과가 있다. 특히 본 발명에 의하면, 불균형한 하중 또는 비정상적인 진동 등을 감지해 내는 수단이 압전 소자로 이루어져, 복잡하지 않은 단순한 구조를 가질 뿐 아니라 고가의 장비 구성이 필요하지 않기 때문에, 실제 산업 현장에 적용하기에 매우 유리하다는 큰 장점이 있다.
또한 본 발명에 의하면, 압전 소자에서 계측되는 하중 및 진동의 크기, 방향 등을 실시간으로 확인할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 본 발명에 의하면, 실제로 운용되고 있는 샤프트 및 베어링에 대하여 어디에 하중이 집중되는지 또는 언제 하중이나 진동이 많이 발생하는지 등의 실제적인 동작 경향을 명확히 파악할 수 있게 되는 효과가 있다. 또한 이러한 측정 결과들을 근거로 하여, 베어링의 마모 정도나 수명 등을 기존에 비하여 훨씬 정확하게 예측할 수 있게 되는 큰 효과가 있다.
특히 본 발명에 의하면, 단순히 압전 소자를 배열하는 것 뿐이 아니라, 에어 포일을 구성하는 댐퍼를 회전축 연장 방향을 따라 다수 개 직렬로 배치하여, 각각의 댐퍼의 강성이 적절하게 달라지도록 설계함으로써 회전축 연장 방향에 따라 견딜 수 있는 하중 최대치를 다르게 설정할 수 있도록 한다. 이와 같은 구성에 의하여 본 발명에 의하면, 특히 회전축 하중이 한쪽으로 쏠리는 현상에서 기인한 특정 부위 베어링 손상 및 파손 문제를 크게 개선할 수 있는 효과가 있다. 물론 거꾸로, 이처럼 특정 부위로만 하중이 쏠리는 문제를 압전 소자를 이용하여 미리 관찰해 냄으로써, 어느 부위에 더 높은 강성을 갖는 댐퍼를 배치해야 할 것인지를 결정할 수도 있는 등, 베어링의 설계 및 운용에서의 여러 유리함을 제공하는 효과가 있다.
상술한 바와 같은 장점들을 종합하여 보면, 본 발명에 의하면, 불균형한 하중 또는 비정상적인 진동을 감지할 수 있는 에어 포일 베어링을 실제 산업 현장에 용이하고 저렴하게 도입할 수 있다는 효과가 있다. 이에 따라 궁극적으로는 베어링 수명이나 파손 지점 예측을 통해 미리 파손을 방지하고 수리 기간을 단축하며 비용을 절감하는 큰 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링의 분해 사시도.
도 2는 본 발명의 에어 포일 베어링의 단면도.
도 3은 본 발명의 에어 포일 베어링의 제1실시예.
도 4는 본 발명의 에어 포일 베어링의 제2실시예.
도 5는 본 발명의 에어 포일 베어링의 제3실시예.
** 부호의 설명 **
100: (본 발명의) 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링
110: 하우징 111: 하우징 중공
120: 댐퍼 세트 121: 제1댐퍼
122: 제2댐퍼 123: 제3댐퍼
130: 압전 소자판 131: 제1압전 소자판
132: 제2압전 소자판 133: 제3압전 소자판
131S: 제1압전 소자판 세트 132S: 제2압전 소자판 세트
133S: 제3압전 소자판 세트 140: 탑 포일
500: 회전축
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링의 분해 사시도를, 도 2는 본 발명의 에어 포일 베어링의 단면도를 각각 도시하고 있다.
상기 하우징(110)은 도시된 바와 같이 회전축(500)이 수용되도록 하우징 중공(111)이 형성된 원통 형상으로 이루어진다. 상기 하우징(110)은 기존의 에어 포일 베어링을 구성하는 하우징과 그 기능 또는 형상 등에 있어 특별히 다르지 않다. 상기 하우징(110)은 이하 설명될 각 부품들을 내부에 수용하여 각각의 위치를 고정하며, 또한 다른 장치와의 연결이 이루어지는 부품이므로, 금속재 등과 같은 견고한 재질로 이루어지는 것이 일반적이다. 상기 하우징(110) 내에 수용되는 상기 회전축(500)이 원기둥형이므로 상기 하우징(110) 역시 이에 상응하도록 기본적으로는 중공을 갖는 원통형으로 형성되나, 물론 상술한 바와 같이 다른 장치와의 연결을 용이하게 하기 위하여 외주면에 연결 부재가 별물 또는 일체형으로 더 구비될 수도 있고, 또는 상기 하우징 중공(111)은 원형 단면을 유지하되 외주면 단면은 사각형, 육각형 등과 같이 다른 형상을 가지도록 다양하게 설계 변경될 수 있다.
상기 댐퍼 세트(120)는, 적어도 둘 이상의 댐퍼들이 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 적어도 둘 이상 직렬 배치되어 이루어진다. 상기 댐퍼 세트(120)를 구성하는 각각의 상기 댐퍼는 일반적으로 에어 포일 베어링에서의 범프 포일로서 널리 사용되는 스프링 댐퍼를 사용할 수도 있고, 또는 메탈 메쉬 재질로 된 메탈 메쉬 댐퍼를 사용할 수도 있는 등 다양한 종류를 적용할 수 있다. 도 1 등에서는 상기 댐퍼가 스프링 댐퍼로 이루어지는 예시를 도시하고 있는데, 이 경우 상기 댐퍼는 미리 결정된 피치로 일정하게 배열되며 상기 회전축(500)의 연장 방향으로 연장되는 산 및 골을 가지는 주름판 형태로 형성된다. 이처럼 도 1 등에 상기 댐퍼가 스프링 댐퍼 형태로 도시되어 있다고 해서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어 상기 댐퍼가 메탈 메쉬 댐퍼일 경우에는 상기 댐퍼는 메탈 메쉬 재질로서 원통 형상을 가지는 형태로 이루어지게 될 수 있는 등, 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 실시가 이루어질 수 있음은 당연하다. 각각의 상기 댐퍼는, 도 2 등에 도시된 바와 같이, 상기 하우징 중공(111) 내부에 배치된다. 도면에 나타난 실시예에서는 상기 댐퍼 세트(120)가 3개의 댐퍼들로 이루어지고 있으나, 물론 3개 이상의 댐퍼로 구성되어도 무방하다.
상기 압전 소자판(130)은 기본적으로 다수 개의 압전 소자들이 배열되어 이루어지는 평면 형태로 이루어져, 도시된 바와 같이 상기 하우징(110) 및 상기 댐퍼 세트(120) 사이에 개재된다. 잘 알려져 있는 바와 같이 압전 소자는 압력을 전기 신호로 바꾸어 출력하는 전자 부품으로서, 상기 압전 소자판(130)은 상기 댐퍼 세트(120)를 통해 전달되는 상기 회전축(500)에 의한 압력을 감지하여 전기 신호로 출력하는 역할을 한다. 이 때 이 압력의 감지가 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 하기 위해, 상기 압전 소자판(130)의 형태는 다양하게 분할된 형태로 이루어지는 것이 바람직하다. 이에 대해서는 이후 보다 구체적으로 상세히 설명한다.
상기 탑 포일(140)은 박판 형태로 형성되어 상기 댐퍼 세트(120) 내주면에 접촉되도록 배치되며, 실질적으로 상기 회전축(500)과 가장 근접한 부품이다. 상기 탑 포일(140)의 기능 및 형상 등은 (상기 하우징(110)과 마찬가지로) 기존의 에어 포일 베어링에 구비되는 탑 포일과 크게 다르지 않으므로, 상세한 설명은 생략한다.
일반적으로 에어 포일 베어링은 하우징, 범프 포일, 탑 포일을 포함하여 이루어진다. 그런데 앞서 설명한 바와 같이 범프 포일은 일반적으로 다수 개의 범프(요철, 엠보싱 등으로도 칭해질 수 있다)가 형성된 박판 형상으로서, 그 자체의 구조적 강성이 상당히 낮으며, 따라서 런아웃 동작 등과 같은 비정상적인 동작 시에 지나친 하중에 의하여 손상이 발생할 위험성이 매우 높았다. 이 때문에 이상적인 환경에서 동작하는 경우를 기준으로 예상한 베어링 수명보다 실제 산업 현장에서 사용되는 베어링의 수명이 훨씬 짧게 나타나는 경우가 많았다. 물론 이에 따라, 실제 산업 현장에서는 예상 외로 일찍 베어링의 마모 및 손상이 발생하게 됨으로써 장비의 작동 도중에 예상치 못한 베어링 교체 작업 등이 필요하게 되는 경우가 발생하여, 생산성에 악영향을 끼치는 문제가 있었다.
이 때 본 발명의 에어 포일 베어링(100)에서는, 상술한 바와 같이 베어링 상에 압전 소자판(130)을 배치함으로써, 어느 부위에서 특히 이러한 하중의 집중이 발생하는지를 명확하게 검출해 낼 수 있다. 이에 따라서 어느 부분에서 베어링의 마모나 손상이 더 빨리 일어날 것인지를 미리 알 수 있으며, 또한 집중된 하중이 어느 정도인지 역시 계측이 가능하므로 베어링의 수명을 보다 정확하게 예측할 수 있게 된다.
더불어, 본 발명의 에어 포일 베어링은 앞서 설명한 바와 같이 단순히 댐퍼가 구비되는 것이 아니라, 댐퍼들이 회전축 방향으로 직렬 배열되어 있는 형태로 이루어진 댐퍼 세트로 이루어지도록 하고 있다. 경험적으로, 실제 산업 현장에서는 런아웃 동작 등과 같은 비정상적인 동작이 발생하여 회전축이 정위치를 이탈하였을 때, 길이 방향으로 어느 한 쪽 끝단 쪽으로 회전축이 기울어지게 되는 경우가 많이 발생한다. 즉 베어링의 길이 방향(즉 회전축 연장 방향) 끝단에 편향된 하중이 집중되는 경우가 많이 발생하고, 이에 따라 해당 부분에서의 마모 및 손상이 더 많이 발생된다는 것을 알 수 있다.
이 때 본 발명에서는, 상기 댐퍼 세트(120)를 구성하는 댐퍼들의 강성이 서로 다르게 되도록 한다. 즉 편향 하중이 자주 집중되는 쪽 끝단에 배치되는 댐퍼의 강성이 다른 부분에 배치되는 댐퍼의 강성보다 높게 형성하는 것이다. 예를 들어 상기 댐퍼 세트(120)를 구성하는 댐퍼들이 모두 스프링 댐퍼로 이루어질 경우 끝단에 배치되는 댐퍼의 피치를 더 작게 형성한다든가, 또는 하중이 집중되지 않는 위치에는 스프링 댐퍼가 배치되도록 하고 하중이 집중되는 위치에는 메탈 메쉬 댐퍼가 배치되도록 한다든가 하는 등과 같은 식으로 댐퍼 세트를 구성할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 평상시에는 해당 부분에서의 댐퍼의 손상 경향을 보다 억제할 수 있고, 또한 해당 부분에 배치된 댐퍼가 손상되더라도 그 댐퍼 하나만 교체함으로써 나머지 부분은 그대로 재활용할 수 있는 큰 경제적 이득을 얻을 수 있다.
상기 압전 소자판(130)은, 상기 댐퍼 세트(120) 둘레에 구비되어 상기 댐퍼 세트(120)에 가해지는 압력을 실시간으로 측정할 수 있다. 따라서 상기 압전 소자판(130)을 이용하여 어느 부위에 하중이 더 편향되는지, 그리고 하중 크기가 어느 정도인지 등을 명확하게 파악할 수 있다. 이와 같은 정보에 의하여, 상기 댐퍼 세트(120)를 구성할 때 어느 쪽에 강성이 더 높은 댐퍼를 배치할 것인지, 강성이 높은 댐퍼의 길이는 어느 정도로 할 것인지, 그 댐퍼의 강성은 어느 정도로 더 높게 할 것인지 등의 사항을 보다 합리적으로 결정할 수 있다.
회전축을 사용하는 장비에서 회전축(500)의 하중이 편향 집중되는 현상은, 회전축(500) 자체의 중량, 부피, 길이 등과 같은 형상 조건이나 회전축(500)이 회전시키는 대상물의 중량, 회전축(500)의 회전 속도, 회전 방향 등과 같이 매우 다양한 요인에 의하여 다양한 형태로 발생하게 된다. 즉 실제 사용 조건에 따라 요구되는 설계 조건이 엄청나게 다양하게 달라지는 것이다. 이러한 다양한 설계 조건들에 맞춘 다종의 베어링을 생산한다고 할 경우, 실질적으로 실제 사용 조건에 완벽하게 맞출 수도 없을뿐더러, 각 종마다 사용될 수 있는 가능성이 적어 호환성이 적고, 다양한 품종을 소량 생산해야 하는 문제로부터 발생되는 생산비 상승 등의 문제가 있다.
그러나 본 발명을 이용하면, 실제 사용 조건을 상기 압전 소자판(130)을 이용하여 명확하게 검출하고, 검출된 결과를 바탕으로 적절한 위치의 댐퍼만 교체해 주는 방식으로 상기 댐퍼 세트(120)를 재구성하여 그대로 재사용할 수 있게 되어, 상술한 바와 같은 여러 가지 문제점들을 원천적으로 제거할 수 있다.
이하에서는, 상기 압전 소자판(130)의 다양한 구성 예시를 설명한다.
상기 압전 소자판(130)은, 상술한 바와 같이 에어 포일 베어링(100)이 지지하는 회전축(500)의 하중이 어디에 집중되는지, 또한 얼마나 큰 하중인지 등을 검출할 수 있다. 이 때, 상기 압전 소자판(130)은 사실상 작은 면적을 가지는 다수 개의 압전 소자들이 평면 상에 배치되어 있는 형태로 이루어지므로, 상기 압전 소자판(130)이 도 1의 예시에 보이는 바와 같이 단일 개로 이루어져도 위치별로 하중을 측정하는 것이 가능하다. 그러나 이와 같이 할 경우 하나의 압전 소자판(130)에 연결되어야 하는 신호선의 개수가 많아지는 등의 제작 상의 불편함도 있고, 또한 압전 소자판(130) 역시 하중을 받음으로써 손상이 일어날 수도 있는데 손상 발생 시 압전 소자판(130) 전체를 교체해야 하는 경우 비경제적이라는 문제점도 있다.
이에 따라, 상기 압전 소자판(130)은 적절하게 분할된 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 구체적으로는, 상기 압전 소자판(130)은 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 적어도 둘 이상으로 분할되도록 할 수 있다. 이 경우, 상기 댐퍼 세트(120)를 구성하는 댐퍼들 각각의 개수 및 연장 길이에 상응하는 개수 및 연장 길이를 가지도록 분할되도록 하는 것이 바람직하다. 또는, 상기 압전 소자판(130)은 상기 회전축(500)의 원주 방향을 따라 적어도 둘 이상으로 분할되도록 할 수도 있다.
이하에서는, 상기 댐퍼 세트(120)가 3개의 댐퍼로 이루어지는 경우에 대하여, 상기 압전 소자판(130)의 여러 실시예를 설명한다. 이하의 실시예들에서의 상기 댐퍼 세트(120)는, 제1댐퍼(121), 제2댐퍼(122), 제3댐퍼(123)가 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 직렬 배치되어 이루어지되, 세 개의 댐퍼들(121)(122)(123)이 모두 스프링 댐퍼로 이루어진다. 또한 이 때 상기 제1댐퍼(121)의 피치 및 상기 제3댐퍼(123)의 피치는 서로 동일하며, 상기 제1댐퍼(121)의 피치는 상기 제2댐퍼(122)의 피치보다 작게 형성되도록 한다. 앞서도 간략히 설명했다시피, 상기 회전축(500)이 런아웃 동작 등과 같은 비정상적인 동작을 하는 경우, 일반적으로 베어링의 어느 한 쪽 끝단으로 하중이 편향 집중된다. 이 때 상기 회전축(500)의 회전 방향에 따라 일측이 될 수도 있고 타측이 될 수도 있는데, 모든 경우에 대처할 수 있도록 하기 위해 양쪽 끝단에 피치가 작은, 즉 강성이 높은 댐퍼들이 배치되도록 하는 것이다.
여기에서 약간 부연하자면, 도시된 실시예에서는 세 개의 댐퍼들(121)(122)(123)이 모두 스프링 댐퍼로 이루어지도록 하였으므로 상술한 바와 같이 피치를 조절함으로써 강성을 조절하였으나, 물론 앞서의 설명에서처럼 스프링 댐퍼와 메탈 메쉬 댐퍼가 혼합 구성되도록 할 수도 있음은 당연하다. 즉 예를 들면, (일반적으로 메탈 메쉬 댐퍼가 스프링 댐퍼보다 강성이 높다고 알려져 있으므로) 제1댐퍼, 제3댐퍼는 메탈 메쉬 댐퍼로 하고, 제2댐퍼는 스프링 댐퍼로 하는 등과 같이 구성되게 할 수도 있는 등, 다양한 변경 실시가 가능하다.
도 3은 본 발명의 에어 포일 베어링의 제1실시예를 도시하고 있다. 제1실시예에서 상기 압전 소자판(130)은, 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 3개로 분할된다. 보다 구체적으로는, 상기 제1댐퍼(121), 상기 제2댐퍼(122), 상기 제3댐퍼(123) 각각에 상응하는 연장 길이를 가지는 제1압전 소자판(131), 제2압전 소자판(132), 제3압전 소자판(133)으로 분할된다. 이에 따라 상기 제1~3댐퍼(121)(122)(123) 각각에 인가되는 하중을 나누어 검출할 수 있다.
도 4는 본 발명의 에어 포일 베어링의 제2실시예를 도시하고 있다. 제2실시예에서 상기 압전 소자판(130)은, 상기 회전축(500)의 원주 방향을 따라 4분할되어 이루어진다. 앞서 설명한 바와 같이 회전축(500)이 기울어짐으로써 편향된 하중을 가할 때, 상기 회전축(500)의 반경 방향으로 하중을 가하게 된다. 이 때 중력, 상기 회전축(500)이 회전시키는 대상물의 모멘텀 등 여러 가지 요인에 의하여 상기 회전축(500)이 기울어지며, 도 4에서와 같이 4분할된 압전 소자판(130)을 이용하면 상기 회전축이 1~4사분면 중 어느 쪽으로 편향되는지를 용이하게 파악할 수 있다.
도 5는 본 발명의 에어 포일 베어링의 제3실시예를 도시하고 있다. 제3실시예에서 상기 압전 소자판(130)은, 상기 제1댐퍼(121), 상기 제2댐퍼(122), 상기 제3댐퍼(123) 각각에 상응하는 연장 길이를 가지며, 각각이 상기 회전축(500)의 원주 방향을 따라 적어도 둘 이상으로 분할되는, 제1압전 소자판 세트(131S), 제2압전 소자판 세트(132S), 제3압전 소자판 세트(133S)로 분할되어 이루어진다. 도 5의 실시예에서는, 상기 제1압전 소자판 세트(131S), 상기 제2압전 소자판 세트(132S), 상기 제3압전 소자판 세트(133S) 각각이 상기 회전축(500)의 원주 방향을 따라 4분할되도록 하고 있다. 이와 같이 함으로써, 회전축(500)이 길이 방향 및 반경 방향에서 어느쪽으로 기울어지는지를 보다 명확하게 검출해 낼 수 있게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
본 발명에 의하면, 불균형한 하중 또는 비정상적인 진동을 감지할 수 있는 에어 포일 베어링을 실제 산업 현장에 용이하고 저렴하게 도입할 수 있다는 효과가 있다. 이에 따라 궁극적으로는 베어링 수명이나 파손 지점 예측을 통해 미리 파손을 방지하고 수리 기간을 단축하며 비용을 절감하는 큰 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 회전축(500)이 수용되도록 하우징 중공(111)이 형성된 하우징(110);
    상기 하우징 중공(111) 내주면에 접촉되도록 배치되는 댐퍼들이, 상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 적어도 둘 이상 직렬 배치되어 이루어지는 댐퍼 세트(120);
    상기 하우징(110) 및 상기 댐퍼 세트(120) 사이에 개재되며, 상기 댐퍼 세트(120)를 통해 전달되는 상기 회전축(500)에 의한 압력을 감지하여 전기 신호로 출력하는 압전 소자판(130);
    상기 댐퍼 세트(120) 내주면에 접촉되도록 배치되는 탑 포일(140);
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 압전 소자판(130)은
    상기 회전축(500)의 연장 방향을 따라 적어도 둘 이상으로 분할되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 압전 소자판(130)은
    상기 댐퍼 세트(120)를 구성하는 댐퍼들 각각의 개수 및 연장 길이에 상응하는 개수 및 연장 길이를 가지도록 분할되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 압전 소자판(130)은
    상기 회전축(500)의 원주 방향을 따라 적어도 둘 이상으로 분할되는 것을 특징으로 하는 압전 소자를 이용한 감지 장치가 구비된 에어 포일 베어링.
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