WO2017150940A1 - 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유체기기의 구동 모터의 회전자를 유체기기의 임펠러 기능을 겸하도록 도체와 철심이나 영구자석을 유체기기의 날개 모양으로 변형하고, 고정자는 회전자에 자속을 제공하는 것과 동시에 유체기기의 하우징 역할을 겸하도록 구조를 변형하며, 고정자와 회전자 사이 공극과 회전자의 날개 모양으로 가공하면서 생긴 공간을 유체가 흐르는 통로로 하는 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기를 제공한다.

Description

다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기

본 발명은 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는, 유체기기의 구동 모터의 회전자를 유체기기의 임펠러 기능을 겸하도록 도체와 철심 또는 도체 모양의 영구자석을 유체기기의 날개 모양으로 변형하고, 고정자는 회전자에 자속을 제공하는 것과 동시에 유체기기의 하우징 역할을 겸하도록 구조를 변형하며, 고정자와 회전자 사이 공극과 회전자의 날개 모양으로 가공하면서 생긴 공간을 유체가 흐르는 통로로 하며, 임펠러의 형상은 구형의 축류식으로 터보형과 같은 고속의 속도에너지를 압력에너지로 변환하며, 유체의 흐름방향은 입구측과 출구측을 일치하도록 하는, 다기능 베어링레스 구형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기에 관한 것이다.

또한, 이 경우 압력의 생성은 임펠러가 가속시킨 유체의 속도에너지를 하우징에 부딪히면서 속도가 줄면서 압력에너지로 변환해야 하므로, 그러기 위해서는 가능한 회전자를 고속으로 회전할 필요가 있으며, 최근의 상품화된 고속 가변속장치의 적용으로 가능하게 되었으며, 또한 고속회전을 위해 임펠러를 자기적으로 부상시키는 베어링레스가 필요하다.

추가로, 본 발명의 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기는 직렬연결이 용이하고, 임펠러의 형상을 변형하기가 용이한 다기능 유체기기에 관한 것이다.

종래의 유체기기는 팬, 펌프, 브로워, 압축기 등이 있으며, 이들 유체기기는 유체를 이송하거나 압축하여 이송하는 기기로서 다음과 같은 공통된 구성품을 가지고 있다.

첫째, 임펠러(또는 날개)와 케이싱으로 유체를 흡입하여 직접 토출하거나 압력을 가하면서 토출시키는 부품.

둘째, 동력 발생 장치. 동력 발생 장치로 임펠러(또는 날개)를 구동시키는 장치로 주로 유도 전동기를 사용한다.

셋째, 동력 전달장치로 베어링, 기어 또는 벨트와 폴리 등으로 동력발생장치인 유도전동기의 동력을 임펠러에 전달하는 장치.

넷째, 냉각장치로 동력전달 장치의 냉각이나, 유체의 압축과정에서 발생하는 열을 냉각하는 장치로 오일, 물, 공기를 순환하는 장치.

다섯째, 실링부품(유체의 밀폐 부속품)으로 특히 회전부에서의 유체의 누설방지 장치 등이다.

그러나, 이들 유체기기는 에너지소비가 크면서도 효율이 낮으며, 고가이고, 부피, 중량, 소음이 크며, 유지보수가 불편하다는 문제가 있어 왔으며, 이들 유체기기는 유체(물, 공기, 액체)를 이송(흡입, 토출)하거나 압축하여 이송하는 기기로서 유체의 종류에 따른 유량과 압력만 다를 뿐 다른 물리적인 특성은 거의 동일함에도 불구하고, 전혀 다른 제품으로 구분되어 다종 다양한 설계, 제작, 설치를 함에 따라, 이들 산업에 종사하거나 이들 기기를 사용하는 사용자들에게 설계(제작, 적용), 제작, 설치, 유지보수 측면에서 매우 번거로운 문제를 야기시켜 왔다.

또한, 최근의 유체기기 관련 기술도 상기의 구성품의 중복기능을 통합하고 기계적인 마찰부분을 줄이는데 초점을 맞추어왔다.

최신의 기술을 구비한 유체기기 중 압축기의 경우 모터회전자에 임펠러를 붙여 동력전달 부품인 기어나 축과 베어링을 줄이고, 베어링은 공기베어링과 자기베어링을 사용하여 기계적인 마찰을 줄이는 노력이 있으며, 또한 펌프의 경우는 모터의 회전자를 영구자석으로 하고, 이 영구자석에 임펠러를 붙여 자기부상 기능을 부여하여 전달장치인 기어와 베어링을 줄이는 노력이 있으며, 냉각장치는 임펠러가 흡입하는 유로에 모터의 권선을 두어 냉각장치를 생략하려는 다양한 시도가 진행되고 있다.

한편, 다기능 유체기기와 관련한 종래 기술로서 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0090822호(2012.08.17. 공개, 임펠러 및 유체 펌프)를 예로 들 수 있다.

해당 특허문헌에서는, "유체 펌프는 축을 중심으로 회전하도록 구동되는 출력 샤프트를 가지고 있는 전기 모터와 상기 전기 모터의 출력 샤프트에 결합된 펌프 조립체를 포함할 수 있다. 상기 펌프 조립체는 제1 캡 및 제2 캡, 그리고 상기 제1캡과 제2 캡 사이에 수용된 임펠러를 가지고 있고, 상기 제1 캡과 제2 캡 사이에는 적어도 하나의 펌프작용 채널이 형성되어 있다. 상기 임펠러는 전기 모터의 출력 샤프트에 의해 회전하도록 구동되고 상기 적어도 하나의 펌프작용 채널과 연통되어 있는 복수의 베인을 포함하고 있다. 각각의 베인은 루트 세그먼트 및 팁 세그먼트를 가지고 있고 루트 세그먼트의 베이스로부터 팁 세그먼트의 외측 에지로 뻗은 라인은 임펠러의 회전 방향에 대하여 0°내지 30°의 각도만큼 회전축으로부터 루트 세그먼트의 베이스로 뻗어 있는 라인을 추종한다."가 개시되어 있다.

하지만, 해당 특허문헌 등 종래의 유체기기는 본 출원인이 지적한 상기와 같은 문제점을 해결하지 못하였다.

최신의 유체기기 중 압축기의 경우 모터회전자에 임펠러를 붙여 동력전달 부품인 기어나 축과 베어링을 줄이고, 베어링은 공기베어링과 자기베어링을 사용하여 기계적인 마찰을 줄이는 노력이 있으나, 여전히 베어링을 구비해야 하고, 속도를 더 이상 높이는 데는 한계가 있으며, 가격이 고가이므로 보급에는 한계가 있다.

또한, 펌프의 경우는 모터의 회전자를 영구자석으로 하고, 이 영구자석에 임펠러를 붙여 자기부상 기능을 부여한 경우가 있으나, 펌프에 한정하며, 아직도 모터의 회전자와 임펠러를 구분하고 있고, 회전자가 중심축에서 수평방향으로 벗어난 정도를 검출하기 위해 별도의 베어링 센서 코일을 두고 있어 구성과 제어가 복잡하다.

또한, 유체의 유입 방향을 모터의 회전자와 고정자가 막고 있어, 원심식의 임펠러만을 채용할 수밖에 없어 유체가 들어오는 방향과 나가는 방향은 90도까지로만 조정할 수밖에 없다.

이에 이 압축기를 복수 개로 연결해야 할 때는 복잡한 설계가 필요하고 공간을 크게 차지하는 경향이다.

[선행기술문헌]

[특허문헌]

(특허문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0090822호(2012.08.17. 공개), 임펠러 및 유체 펌프

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명은 유체기기의 구동장치인 전동기의 회전자 자체를 임펠러 날개로 변형하여 회전자와 임펠러를 일체화하였으며, 이와 같은 임펠러는 구형이면서 축류형으로 임펠러의 형상을 변형하였으며, 고속 회전을 방해하는 일반적인 형태의 베어링을 없앴으며, 모터의 공극을 유로로 활용하여 유체의 유입방향과 유출 방향을 일치시켜 배관에 연결이 용이하도록 하였으며, 유체기기를 직렬로 연결하기가 용이하여 압력에 따른 다양한 용도로 사용할 수 있도록 하였으며, 유체의 종류를 구별하지 않고 사용이 가능하여 지금까지의 유체기기의 문제점을 모두 해결한 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기 부상 임펠러를 갖는 유체기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기는, 계자 역할을 수행하여 자속을 제공하면서 하우징 역할을 하는 고정자 철심; 상기 고정자 철심으로부터 자속을 전달받아 회전자와 임펠러 역할을 동시에 수행하는 회전자; 상기 고정자 철심의 내측면과 상기 회전자의 외측면 사이에 형성되어 유체가 이동하는 통로이면서, 자속을 위한 공간을 제공하는 유로; 상기 회전자의 양단에 위치하여 상기 회전자의 가로 방향 중심축을 고정하는 트러스트 지지볼; 상기 고정자 철심과 상기 트러스트 지지볼 간의 입구 및 출구에 각각 위치하며, 인접한 다른 다기능 베어링레스 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기와 접속하기 위한 구조가 형성되어 있는 접속 하우징; 상기 입구 및 상기 출구의 상기 접속 하우징에서 상기 트러스트 지지볼을 지지하는 트러스트 볼지지대; 및 상기 고정자 철심의 권선에 전류를 전달하되, 전달되는 전류의 지령치는 제어기에서 받아 상기 임펠러의 회전속도를 제어하는 가변속장치;를 포함하며, 상기 회전자는 축류형으로 형성되어 상기 접속 하우징이 복수 개가 연결될 경우 상기 접속 하우징이 또 다른 접속 하우징과 동일한 축으로 연결되어, 연결된 개수에 따라 팬, 펌프, 브로워 또는 압축기 중 어느 하나의 역할을 수행하고, 상기 입구는 흡입부, 상기 출구는 토출부이다.

여기서, 베어링레스는 종래 베어링 부분을 쇠구슬을 이용한 구름 베어링 대신에 고속회전에 따른 유체의 막을 활용한 마모를 방지하는 방식이나, 기공을 가진 물체에 압축공기를 주입하여 물체 간에 공기막을 활용한 마모를 방지하는 방식, 즉 유체 베어링 기술로 대체하여 활용하는 것도 고려할 수 있다.

여기서, 상기 고정자 철심은, 외측면에 개방되도록 형성되며, 그 하부에 상기 권선이 안착될 수 있으며, 유체와는 전기적으로 절연 또는 분리되는 폐쇄된 형상을 가지며, 상기 권선이 이탈되지 않도록 상기 개방된 외측면을 향해서는 상기 폐쇄된 형상보다 좁은 개방부를 갖는 띠 형상으로 형성된 슬롯;을 포함하며, 상기 고정자 철심은 상기 흡입부 또는 상기 토출부 중 적어도 하나에 설치되며, 상기 고정자 철심 및 고정자 권선은 하나 이상 형성되고, 상기 슬롯의 중심 축방향으로 적층하여 조립했을 경우 상기 고정자 권선의 배열은 회전자 도체나 영구자석의 경사곡면 날개의 배열을 따라 스크류(screw) 형태로 완만한 경사 곡면을 가진 배열을 형성하고, 상기 고정자 철심은 상기 접속 하우징의 외벽 단부와 패킹을 포함하여 유체가 상기 유로에서 벗어나 누출되는 것을 방지하도록 기밀재질로 형성된다.

또한, 상기 회전자는, 규소강판을 적층한 구조의 철심 및 상기 철심 내에 형성된 도체나 영구자석을 포함하는 복수 개의 서로 이격된 날개; 회전자 축과 상기 회전자 철심을 연결하는 회전자 암(arm); 및 상기 회전자의 중심축에 위치하며, 상기 회전자 암을 지탱하고 상기 트러스트 볼지지대와 결합되어 상기 접속 하우징 내에서 상기 회전자의 위치를 유지하는 회전자 축;을 포함하며, 상기 날개의 상기 도체나 영구자석은 상기 고정자의 권선이 스크류(screw) 형태로 완만한 경사 곡면을 가지는 것에 대응하여 상기 회전자의 외측면을 따라 스크류(screw) 형태로 완만한 경사 곡면을 갖도록 배열되고, 상기 회전자의 상기 날개 형상은 나선형으로 형성되며, 각각의 상기 날개는 서로 이격된 거리가 동일하게 되도록 형성되고, 상기 회전자 내부는 무게를 경감할 수 있도록 빈 공간이 형성되어 있다.

또한, 상기 가변속장치는, 전달되는 전류의 지령치를 제어기에서 받아 상기 임펠러의 회전속도를 제어한다.

또한, 상기 제어기는, 상기 고정자 권선에 흐르는 전류의 변화를 통해서, 상기 회전자의 가로 방향 중심축과 수직인 방향으로 회전자가 중심축에서 벗어난 정도를 검출하고, 상기 회전자가 한쪽으로 치우친 것은 상기 고정자의 전류를 늘리거나 부하를 줄이는 제어를 함으로써, 상기 회전자의 중심축이 유지되도록 제어한다.

또한, 상기 제어기는, 상기 회전자의 가로 방향 중심축과 수평인 방향으로 회전자에 상기 트러스트 지지볼로부터 가해지는 힘의 정도를 압전센서, 포토센서 또는 초음파센서 중 어느 하나 이상을 통해 검출 및 제어함으로써 상기 트러스트 지지볼이 상기 회전자의 회전에 영향을 미치는 것을 방지하고, 사용하는 센서가 압전센서로 검출하는 경우, 흡입측에 설치를 하여 접촉식으로 운전하되 축방향으로 미치는 힘의 값이 0에 근접한 값이 되도록 운전을 하게 하고, 사용하는 센서가 포토센서와 초음파센서로 검출하는 경우, 흡입측과 토출측 양쪽에 각각 설치하고 접촉 직전에 감지하여 제어를 하고, 상기 제어는, 흡입측 센서가 동작하면 운전중 부하가 걸린 상태이면 부하에 의한 반동에 의한 힘이 흡입측으로 미치는 것이므로 전류를 늘려 자속을 증가시키거나, 부하를 줄이고, 흡입측과 토출측 센서가 동작하지 않으면, 정상적인 운전을 하는 것으로 판단하여 현재 상태를 유지하고, 토출측의 센서가 동작하면 부하가 줄어든 것이므로, 고정자 전류를 낮추는 제어를 하고, 흡입측과 토출측 센서가 동시에 동작하면 비정상로 판단하여 동작을 멈추게 제어한다.

또한, 상기 트러스트 볼지지대는, 상기 트러스트 지지볼에 연결되어 지지하는 지지부, 암 및 정익을 포함하고, 상기 트러스트 볼지지대와 상기 트러스트 지지볼은 비정상적인 제어의 경우나 또는 제어기능을 상실한 경우에도, 서로 부위가 닿지 않도록 동일 극성의 자석을 두어 마찰로 인한 마모를 예방한다.

또한, 상기 회전자 축은, 상기 회전자를 관통한 형, 또는 상기 회전자의 양단 일부만을 관통한 형 중 어느 하나로 형성되고, 상기 회전자의 양단 일부만을 관통한 형은, 상기 회전자 축 자체를 볼 형상으로 형성하여, 상기 볼을 고정 또는 착탈하도록 한다.

또한, 상기 회전자의 내부 빈 공간을 이용한 별도의 유로를 형성하고, 상기 별도의 유로에 별도의 날개부를 추가할 수 있다.

또한, 유체가 통과하도록 중앙이 통공 형성되며, 상기 접속 하우징과 상기 고정자 철심의 접촉면을 감싸도록 형성된 패킹을 포함할 수 있다.

또한, 상기 축류식 자기부상 임펠러는, 구형인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기에 의하면,

첫째, 부속품을 줄여 중량을 경감하고 소형화가 가능하다.

둘째, 제작 원가를 절감한다.

셋째, 효율향상에 의한 에너지절감을 한다.

넷째, 소형화로 설치공간을 절약한다.

다섯째, 마찰부를 줄여 소음을 저감한다.

여섯째, 기계적인 마모가 작아 수명이 연장된다.

일곱째, 복수 개의 연결이 용이하여 팬, 펌프, 브로워, 압축기로 다용도로 사용 가능하다.

여덟째, 용도에 따른 설계, 제작, 설치의 번거로움을 줄인다.

아홉째, 부품이 단순하여 유지보수가 용이하다.

도 1, 도 2, 도 7 및 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기의 일실시예이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전자의 일실시예 및 트러스트 지지대의 실시예에 관한 도면이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정자 권선과 날개 형태의 다양한 예시이다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정자 권선과 회전축을 중심으로 한 방사방향의 합성 자속 벡터를 도시한 도면이다.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복수 개의 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기의 직렬연결 상태를 도시한 도면이다.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기에서, 비정상적인 상태에서도 축의 볼과 접촉하는 지지대 부위가 접촉을 차단하도록 동일 극성의 자석을 구비한 것을 설명한 도면이다.

도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기에서, 유체의 압력 생성 원리를 설명한 도면으로서, 좌측은 압력 생성 원리 개념도이고, 우측은 B구간의 합성 압력 벡터를 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1, 도 2, 도 7 및 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기의 일실시예이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전자의 일실시예 및 트러스트 지지대의 실시예에 관한 도면이고, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정자 권선과 날개 형태의 다양한 예시이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고정자 권선과 회전축을 중심으로 한 방사방향의 합성 자속 벡터를 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복수 개의 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기의 직렬연결 상태를 도시한 도면이고, 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기에서, 비정상적인 상태에서도 축의 볼과 접촉하는 지지대 부위가 접촉을 차단하도록 동일 극성의 자석을 구비한 것을 설명한 도면이고, 도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기에서, 유체의 압력 생성 원리를 설명한 도면으로서, 좌측은 압력 생성 원리 개념도이고, 우측은 B구간의 합성 압력 벡터를 도시한 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기는, 고정자 철심, 회전자, 유로, 트러스트 지지볼, 패킹, 트러스트 볼지지대 및 가변속장치(예: 인버터, 인버터를 변형한 영구자석을 이용한 모터의 가변속장치나 BLDC 가변속 장치)를 포함한다.

상기 고정자 철심은 계자 역할을 수행하여 자속을 제공하고, 상기 회전자는 상기 고정자 철심으로부터 자속을 전달받아 회전자와 임펠러 역할을 동시에 수행한다.

상기 유로는 상기 고정자 철심의 내측면과 상기 회전자의 외측면 사이에 형성되어 유체가 이동하는 통로이며, 자속을 위한 공간을 제공하고, 상기 회전자의 양단에 상기 트러스트 지지볼이 위치하여 상기 회전자의 가로 방향 중심축을 고정한다.

상기 접속 하우징은 상기 고정자 철심과 상기 트러스트 지지볼 간의 입구 및 출구에 각각 위치하며, 여기서, 상기 회전자는 전자기 회로 일체형 축류식 자기 부상 임펠러에 의해 터보 원심 및 축류형으로 형성되어 도 9에 도시된 바와 같이, 상기 하우징이 복수 개가 연결될 경우 상기 접속 하우징이 또 다른 접속 하우징과 동일한 축으로 연결되어, 연결된 개수에 따라 팬, 펌프, 브로워 또는 압축기 중 어느 하나의 역할을 수행하고, 상기 입구는 흡입부, 상기 출구는 토출부이다.

여기서 전자기 회로 일체형 축류식 임펠러의 압력 생성은 도 11에 도시된 바와 같이, 유체는 A구간에서 입구측의 임펠러에 의해 임펠러와 하우징의 틈(gap) 사이에 압입을 통해 1차 압력이 생성되며, 또한 B구간에서 유체는 도 12와 같이 임펠러에 의한 원주 방향으로의 고속의 원심력을 갖는 P벡터와 출구측 방향으로의 고속의 추진력을 갖는 Q벡터에 의해 합성된 R벡터로 하우징에 부딪치게 되는데, 이 때, 유체는 속도 에너지가 감소하는 대신에 압력에너지로 전환되면서 2차 압력 에너지를 생성한다. 또한, C구간에서는 출구측의 임펠러에 의해 고속의 와류가 생기는데 이 와류를 정익에 부딪치도록 하면 와류가 축류가 되면서 3차 압력을 생성한다.

또한, 상기 패킹은 유체가 통과하도록 중앙이 통공 형성되며, 상기 접속 하우징과 상기 고정자 철심의 접촉면을 감싸도록 형성되며, 상기 트러스트 볼지지대는 상기 입구 및 상기 출구의 상기 접속 하우징과 패킹을 사이에 두고 상기 트러스트 지지볼을 지지하며, 상기 인버터는 상기 고정자 철심의 권선에 전류를 전달한다.

이때, 상기 인버터는, 전달되는 전류의 지령치를 제어기에서 받아 상기 임펠러의 회전속도를 제어하며, 상기 트러스트 볼지지대는, 상기 트러스트 지지볼에 연결되어 지지하는 지지부, 암 및 정익을 포함하며, 상기 회전자 축은, 상기 회전자를 관통한 형, 또는 상기 회전자의 양단 일부만을 관통한 형 중 어느 하나로 형성되고, 이때, 상기 회전자의 양단 일부만을 관통한 형은, 상기 회전자 축 자체를 볼 형상으로 형성하여, 상기 볼을 고정 또는 착탈하도록 한다. 여기서, 암 및 정익은 별개로 형성될 수 있다. 예를 들어, 암의 일부에 정익이 부착될 수 있다. 한편, 암을 만들 때 정익의 기능을 할 수 있도록 암의 일부를 정익으로 만드는 것도 가능하다.

상기 입구측에 있는 정익의 역할은 입구측의 임펠러가 고속회전시 유체의 와류를 축류로 만들어 와류로 인한 손실을 감소시킨다.

도시되지는 않았으나, 상기 제어기는 상기 회전자의 가로 방향 중심축과 수직인 방향으로 회전자가 중심축에서 벗어난 정도를 상기 고정자 권선을 통해 검출하고, 상기 회전자의 중심축을 유지되도록 제어한다.

회전자가 중심축에서 벗어나서 한쪽으로 치우치게 되면, 치우친 쪽은 자속밀도가 증가하고 반대편은 자속밀도가 작아지게 된다. 이 자속밀도의 변화는 고정자 권선에 유도되는 기전력의 변화를 발생시키고, 또한 전류의 변화를 가져오게 된다. 이와 같이 자속 밀도, 유도 기전력, 및 전류의 변화는 회전자가 중심축을 벗어난 정도와 비례한다.

본 발명에 따른 유체기기는 권선이 일직선으로 배열된 것이 아니라 원통의 주위를 감으면서 배열이 되어 있기 때문에, 각 지점의 변화분의 합성된 값을 길이 방향으로 합성한 값은 각 상에서 크기는 같아지며 이 값은 정상의 경우는 0이며, 한쪽으로 치우치게 되면 0이 아니게 된다. 또한 치우침의 정도에 비례하여 0보다 큰 값을 나타내게 된다.

그러나, 일반적인 고정자 권선이 원통에 일직선으로 배열되는 경우는 크기만으로는 위치를 알 수 없어 각 상의 값의 변화분으로 분해해야 하며, 3상 교류인 경우 각 상은 기하학적으로 120도의 간격으로 되어 있기 때문에 각 상의 자속밀도와 유도 기전력, 전류의 변화분 크기와 각 상의 기하학적인 위치를 통해 벗어난 지점을 알 수 있게 된다. 이 벡터의 분해는 공간벡터 해석에 의해 이루어진다.

참고로, 유도 전동기의 회전원리(아라고 원리)는 고정자가 만든 자속에 의해 회전자의 도체에 전류가 만들어지고(플레밍의 오른손법칙), 다시 이 전류에 의해 고정자의 자속과 상호 작용에 의해 도체가 힘을 받아(플레밍의 왼손법칙) 회전하게 되는 것이다. 그리고, 회전자에 영구자석을 사용하는 모터는 플레밍의 왼속법칙에 의해 고정자의 자속을 추종하여 회전을 한다. 그러나, 3상 전원의 경우, 고정자 권선과 회전자에는 권선이 한 개가 아니고 120도 간격으로 R, S, T상의 권선이 있고 R, S, T상 자체도 여러 개의 권선을 가지고 있기 때문에 R, S, T상과 각 상의 권선 개개의 값을 벡터값으로 합성해야 한다.

이와 같이 회전자가 한쪽으로 치우지는 것을 검출한 경우, 벗어난 중심축을 유지하는 방법에 대해서 살펴보면, 고정자 권선들이 만든 자속의 합성값은 2극 모터의 경우 하나의 벡터값이 되며, 이 자속에 의해 유기된 회전자 도체에 유기된 전류에 의해 만들어진 자속도 하나의 벡터값으로 표현되는데, 이 자속은 철심과 합해져 N극과 S극을 가진 자석으로 작용한다. 즉, 이 자석들이 같은 극끼리 잡아 당기는 힘으로 회전자는 고정자가 만든 자속에 의해 따라서 돌게 되는 것이다.

본 발명에 따른 유체기기는 회전자가 벗어난 정도를 검출 후 다시 중심축으로 되돌리는 방법은 권선이 일직선 배열이 아니라 원통의 주위를 감으면서 스크류(screw) 형태로 배열이 되어 있기 때문에, 철심 수만큼의 N극과 S극이 있는 형태가 되므로 동시에 원통 전체에 걸쳐 고정자가 회전자를 잡아 당기게 된다. 따라서, 회전자 축은 자연히 중심위치에 있게 된다. 그러나, 회전자가 한쪽으로 치우친 것은 고정자 자속이 부족하다는 것이므로 고정자의 전류를 늘리거나, 부하를 줄이는 제어를 하게 된다.

또한, 상기 제어기는 상기 회전자의 가로 방향 중심축과 수평인 방향으로 회전자에 상기 트러스트 지지볼로부터 가해지는 힘의 정도를 압전센서, 포토센서 또는 초음파센서 중 어느 하나 이상을 통해 검출하여 제어함으로써 상기 트러스트 지지볼이 상기 회전자의 회전에 영향을 미치는 것을 방지한다.

만일 압전센서라면 흡입측에만 설치를 하여 접촉식으로 운전하되 축방향으로 미치는 힘이 없도록, 즉 미치는 힘의 값이 0이 되도록 운전을 하게 제어하지만, 실제로는 축방향으로 미치는 힘이 0이 되지는 않고 0에 근접한 값이 되게 된다. 포토센서와 초음파센서라면 흡입측과 토출측 양쪽에 설치하고 접촉 직전에 감지하여 제어를 한다. 제어 방법은 흡입측 센서가 동작하면 운전중 부하가 걸린 상태이면 부하에 의한 반동에의한 힘이 흡입측으로 미치는 것이므로 전류를 늘려 자속을 증가시키거나, 부하를 줄여야 한다. 또한 흡입측과 토출측 센서가 동작하지 않으면, 정상적인 운전을 하는 것이며, 토출측의 센서가 동작하면 부하가 줄어든 것이므로, 고정자 전류를 낮춘다. 양쪽 센서가 동시에 동작하면 비정상이라는 것이므로 동작을 멈춘다.

상기 고정자 철심은, 외측면에 개방되도록 형성되며, 그 하부에 상기 권선이 안착될 수 있으며, 유체와는 전기적으로 절연 또는 분리되는 폐쇄된 다양한(원형 등) 모양을 가지며, 상기 권선이 이탈되지 않도록 상기 개방된 외측면을 향해서는 상기 다양한(원형 등) 모양보다 좁은 개방부를 갖는 띠 형상으로 형성된 슬롯을 포함한다.

또한, 상기 고정자 철심은 상기 흡입부 또는 상기 토출부 중 적어도 하나에 설치되며, 상기 고정자 철심 및 고정자 권선은 하나 이상 형성되고, 상기 슬롯의 중심 축방향으로 적층하여 조립했을 경우 상기 고정자 권선의 배열은 회전자 도체나 영구자석의 경사곡면 날개의 배열을 따라 스크류(screw) 형태로 완만한 경사 곡면을 가진 배열을 형성하고, 상기 고정자 철심은 상기 접속 하우징의 외벽 단부와 패킹을 포함하여 유체가 상기 유로에서 벗어나 누출되는 것을 방지하도록 기밀재질로 형성 코팅된다.

상기 회전자는, 규소강판을 적층한 구조의 철심 및 상기 철심 내에 형성된 도체나 영구자석을 날개모양을 따라 배열한 복수 개의 서로 이격된 날개, 회전자 축과 상기 회전자 철심을 연결하는 회전자 암(arm) 및 상기 회전자의 중심축에 위치하며, 상기 회전자 암을 지탱하고 상기 트러스트 볼지지대와 결합되어 상기 접속 하우징 내에서 상기 회전자의 위치를 유지하는 회전자 축을 포함한다. 여기서 회전자에는 볼지지부를 트러스트 지지대에는 볼을 두게도 할 수도 있다.

이때, 상기 날개의 상기 도체나 영구 자석은 상기 고정자의 권선이 스크류(screw) 형태로 완만한 경사 곡면을 가지는 것에 대응하여 상기 회전자의 외측면을 따라 스크류(screw) 형태로 완만한 경사 곡면을 갖도록 배열되고, 상기 회전자의 상기 날개 형상은 나선형으로 형성되며, 각각의 상기 날개는 서로 이격된 거리가 동일하게 되도록 형성되고, 상기 회전자 내부는 도 3에 도시된 바와 같이 무게를 경감할 수 있도록 빈 공간이나 가벼운 소재로 형성되어 있다.

추가로, 도 1과 도 2에 따르면, 상기 고정자 철심은 분리 또는 일체형으로 형성될 수 있으며, 도 4에 도시된 상기 회전자의 전개도를 보면, 상기 회전자는 원통형, 구형, 원추형에서 꼭지점이 잘려진 원뿔대, 이들의 조합형 등으로 다양하게 형성될 수 있다. 본 명세서에서는 구형이라고 하면, 그 단면이 완전히 원형인 경우는 물론이고 단면이 타원형인 경우 등을 포함하는 개념이다.

또한, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 고정자 철심과 회전자의 형상에 따라 다양한 용도로 사용이 가능하다.

상기 고정자 철심과 상기 회전자가 구형일 경우와 비교하면, 그 형태가 타원일 경우, 가로축이 장축, 세로축이 단축으로 형성되면 유량이 높아지고, 반대로, 가로축이 단축, 세로축이 장축으로 형성되면 압력이 높아진다.

또한, 상기 흡입부와 상기 토출부의 크기가 동일한 경우와 비교하면, 상기 흡입부가 상기 토출부보다 크게 형성된 경우 압력이 높아지고, 상기 흡입부가 상기 토출부보다 작게 형성된 경우 진공 펌프나, 팬으로 작용하기 좋은 형태가 된다.

마지막으로, 도 5 및 도 6은 권선과 회전축을 중심으로 한 방사방향의 합성자속벡터에 대해 설명하고 있다.

도 5는 뿔이 잘린 원추형인 경우이고, 도 6은 원통형의 경우 고정자 권선 및 슬롯의 선형을 나타내며, 중심축을 중심으로 길이 방향의 L1과 L2지점의 R, S, T 3상(相)의 합성자속벡터를 도시하였으며, 합성자속벡터는 고정자 권선이 일직선 배열이 아니라 원통의 주위를 감으면서 배열이 되어 있기 때문에 철심 수만큼의 N극과 S극이 있는 것처럼 보이며, 동시에 원통 전체에 걸쳐 방향이 다름을 보인다.

상기와 같은 구성에 의해, 본 발명의 다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기는,

첫째, 유체기기의 공통된 구동 모터의 회전자를 유체기기의 임펠러 기능을 겸하도록 도체와 철심이나, 영구자석을 유체기기의 날개 모양으로 변형하고, 고정자는 회전자에 자속을 제공하는 것과 동시에 유체기기의 하우징 역할을 겸하도록 구조를 변형하며, 고정자와 회전자 사이 공극과 회전자의 날개 모양으로 가공하면서 생긴 공간을 유체가 흐르는 통로로 이용한다.

둘째, 좁은 유로로 유체를 흘리기 위해서 종래의 일반적인 회전수보다 20배 정도 높인 35,000RPM 정도 이상으로 속도를 높여야 하는데 속도를 높이기 위해 초고속 벡터 가변속장치를 활용하였다.

셋째, 레이디얼 베어링을 없애기 위해 회전자가 축의 방향으로 받는 힘을 고정자 권선과 회전자 도체의 기하학적인 배치로 분산시켜 최소화하고, 각 상의 자속 변화를 스칼라양으로 환산하여 제어를 하며, 또한 트러스트베어링을 없애기 위해 트러스트볼과 트러스트 볼지지대의 밀착 또는 이격을 측정하여 가변속장치의 자속을 제어하여 트러스트 볼이 받는 힘을 최소화하는 제어를 하였다.

넷째, 회전자의 양끝단에 트러스트 지지볼을 두고 트러스트 볼지지부는 암을 통해 하우징에 연결되도록 하여 정지시나, 과도상태 운전시에 회전자가 위치를 이탈하지 않도록 하였다. 그리고, 도 10에 도시된 바와 같이, 과도한 상태나 이상 상태, 비정상 상태에서 축과 트러스트 지지볼이 서로 닿지 않도록 각각에 같은 극성의 영구자석을 마주보도록 배치하였다.

다섯째, 계자와 회전자와 트러스트볼은 유로 내 또는 유로와 접하도록 하여 별도의 냉각장치를 없앴다.

여섯째, 회전자의 터널식 구형 스크류 날개 만으로는 압력을 효율적으로 높이기에는 한계가 있어 양끝단에 프로펠러형 임펠러를 추가하였다.

이때, 상기 임펠러는 회전자의 날개와 합하여 터보 원심 및 축류형으로 형성되면서도 흡입부와 토출부가 일직선 상에 있어 유체기기를 복수 개 연결하는 것이 용이하며, 이를 통해 다용도로 사용이 가능해진다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (11)

1. 계자 역할을 수행하여 자속을 제공하면서 하우징 역할을 하는 고정자 철심;

   상기 고정자 철심으로부터 자속을 전달받아 회전자와 임펠러 역할을 동시에 수행하는 회전자;

   상기 고정자 철심의 내측면과 상기 회전자의 외측면 사이에 형성되어 유체가 이동하는 통로이면서, 자속을 위한 공간을 제공하는 유로;

   상기 회전자의 양단에 위치하여 상기 회전자의 가로 방향 중심축을 고정하는 트러스트 지지볼;

   상기 고정자 철심과 상기 트러스트 지지볼 간의 입구 및 출구에 각각 위치하며, 인접한 다른 다기능 베어링레스 전자기 회로(Electromagnetic Circuit) 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기와 접속하기 위한 구조가 형성되어 있는 접속 하우징;

   상기 입구 및 상기 출구의 상기 접속 하우징에서 상기 트러스트 지지볼을 지지하는 트러스트 볼지지대; 및

   상기 고정자 철심의 권선에 전류를 전달하되, 전달되는 전류의 지령치는 제어기에서 받아 상기 임펠러의 회전속도를 제어하는 가변속장치;를 포함하며,

   상기 회전자는 전자기 회로(Electromagnetic Circuit) 일체로 축류형으로 형성되어 상기 접속 하우징이 복수 개가 연결될 경우 상기 접속 하우징이 또 다른 접속 하우징과 동일한 축으로 연결되어, 연결된 개수에 따라 팬, 펌프, 브로워 또는 압축기 중 어느 하나의 역할을 수행하고,

   상기 입구는 흡입부, 상기 출구는 토출부인,

   다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고정자 철심은,

   외측면에 개방되도록 형성되며, 그 하부에 상기 권선이 안착될 수 있으며, 유체와는 전기적으로 절연 또는 분리되는 폐쇄된 형상을 가지며, 상기 권선이 이탈되지 않도록 상기 개방된 외측면을 향해서는 상기 폐쇄된 형상보다 좁은 개방부를 갖는 띠 형상으로 형성된 슬롯;을 포함하며,

   상기 고정자 철심은 상기 흡입부 또는 상기 토출부 중 적어도 하나에 설치되며, 상기 고정자 철심 및 고정자 권선은 하나 이상 형성되고, 상기 슬롯의 중심 축방향으로 적층하여 조립했을 경우 상기 고정자 권선의 배열은 회전자 도체나 영구자석의 경사곡면 날개의 배열을 따라 스크류(screw) 형태로 완만한 경사 곡면을 가진 배열을 형성하고, 상기 고정자 철심은 상기 접속 하우징의 외벽 단부와 패킹을 포함하여 유체가 상기 유로에서 벗어나 누출되는 것을 방지하도록 기밀재질로 형성된 것을 특징으로 하는,

   다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 회전자는,

   규소강판을 적층한 구조의 철심 및 상기 철심 내에 형성된 도체나 영구자석을 포함하는 복수 개의 서로 이격된 날개;

   회전자 축과 상기 회전자 철심을 연결하는 회전자 암(arm); 및

   상기 회전자의 중심축에 위치하며, 상기 회전자 암을 지탱하고 상기 트러스트 볼지지대와 결합되어 상기 접속 하우징 내에서 상기 회전자의 위치를 유지하는 회전자 축;을 포함하며,

   상기 날개의 상기 도체나 영구자석은 상기 고정자의 권선이 스크류(screw) 형태로 완만한 경사 곡면을 가지는 것에 대응하여 상기 회전자의 외측면을 따라 스크류(screw) 형태로 완만한 경사 곡면을 갖도록 배열되고, 상기 회전자의 상기 날개 형상은 나선형으로 형성되며, 각각의 상기 날개는 서로 이격된 거리가 동일하게 되도록 형성되고, 상기 회전자 내부는 무게를 경감할 수 있도록 빈 공간이 형성되어 있는,

   다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 가변속장치는,

   전달되는 전류의 지령치를 제어기에서 받아 상기 임펠러의 회전속도를 제어하는,

   다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 제어기는,

   상기 고정자 권선에 흐르는 전류의 변화를 통해서, 상기 회전자의 가로 방향 중심축과 수직인 방향으로 회전자가 중심축에서 벗어난 정도를 검출하고, 상기 회전자가 한쪽으로 치우친 것은 상기 고정자의 전류를 늘리거나 부하를 줄이는 제어를 함으로써, 상기 회전자의 중심축이 유지되도록 제어하는,

   다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제어기는,

   상기 회전자의 가로 방향 중심축과 수평인 방향으로 회전자에 상기 트러스트 지지볼로부터 가해지는 힘의 정도를 압전센서, 포토센서 또는 초음파센서 중 어느 하나 이상을 통해 검출 및 제어함으로써 상기 트러스트 지지볼이 상기 회전자의 회전에 영향을 미치는 것을 방지하고,

   사용하는 센서가 압전센서로 검출하는 경우, 흡입측에 설치를 하여 접촉식으로 운전하되 축방향으로 미치는 힘이 없도록 운전을 하게 하고,

   사용하는 센서가 포토센서와 초음파센서로 검출하는 경우, 흡입측과 토출측 양쪽에 각각 설치하고 접촉 직전에 감지하여 제어를 하고,

   상기 제어는, 흡입측 센서가 동작하면 운전중 부하가 걸린 상태이면 부하에 의한 반동에 의한 힘이 흡입측으로 미치는 것이므로 전류를 늘려 자속을 증가시키거나, 부하를 줄이고, 흡입측과 토출측 센서가 동작하지 않으면, 정상적인 운전을 하는 것으로 판단하여 현재 상태를 유지하고, 토출측의 센서가 동작하면 부하가 줄어든 것이므로, 고정자 전류를 낮추는 제어를 하고, 흡입측과 토출측 센서가 동시에 동작하면 비정상로 판단하여 동작을 멈추게 제어하는,

   다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 트러스트 볼지지대는,

   상기 트러스트 지지볼에 연결되어 지지하는 지지부, 암 및 정익을 포함하고,

   상기 트러스트 볼지지대와 상기 트러스트 지지볼은 비정상적인 제어의 경우나 또는 제어기능을 상실한 경우에도, 서로 부위가 닿지 않도록 동일 극성의 자석을 두어 마찰로 인한 마모를 예방하는,

   다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기.
8. 제 3 항에 있어서,

   상기 회전자 축은,

   상기 회전자를 관통한 형, 또는 상기 회전자의 양단 일부만을 관통한 형 중 어느 하나로 형성되고,

   상기 회전자의 양단 일부만을 관통한 형은,

   상기 회전자 축 자체를 볼 형상으로 형성하여, 상기 볼을 고정 또는 착탈하도록 하는,

   다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기.
9. 제 3 항에 있어서,

   상기 회전자의 내부 빈 공간을 이용한 별도의 유로를 형성하고, 상기 별도의 유로에 별도의 날개부를 추가한,

   다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기.
10. 제 2 항에 있어서,

    유체가 통과하도록 중앙이 통공 형성되며, 상기 접속 하우징과 상기 고정자 철심의 접촉면을 감싸도록 형성된 패킹을 포함하는,

    다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러는, 구형상인 것을 특징으로 하는,

    다기능 베어링레스 전자기 회로 일체형 축류식 자기부상 임펠러를 갖는 유체기기.

Images