KR100460130B1 - 로렌쯔 힘을 이용한 수동/능동 겸용 자기 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로렌쯔 힘을 이용하는 수동/능동 겸용 자기 베어링에 관한 것이다. 보다 상세하게는 공극 내에서의 위치에 따라 자속밀도가 달라지도록 공극 설계를 하여, 로렌쯔 원리에 의해 DC 전류가 흐르는 코일이 미리 설정된 위치에서 벗어나지 않도록 설계된 수동/능동 겸용 자기 베어링을 제안한다.

본 발명에 따르면, 로터의 중앙부에 영구 자석이 위치하고, 로터의 외곽부엔 공극이 있어서 영구 자석의 N극에서 나온 자속이 바깥쪽 공극을 지나 S극으로 돌아가는 구조의 자속 경로가 형성된다. 공극은 중앙부에서는 좁고, 바깥쪽으로 갈수록 넓어지도록 설계되어 반경 방향 위치에 따라 영구 자석에 의한 자속 밀도가 다르다. 한 편, 공극 사이에 위치한 코일들은 스테이터(stator)에 굳게 고정되어 있는데, 코일에 일정한 전류가 흐르고 있는 경우 로터가 미리 설정된 위치를 벗어나면 마주 보는 코일에 작용하는 자속 밀도가 달라지므로 로렌쯔 힘의 평형이 깨어지고 코일에 복원력이 발생하여 그 반작용으로 로터가 안정되게 부상하게 된다. 이와 같은 수동 자기 베어링의 기능에 더하여, 로터의 위치를 측정하여 코일의 전류를 제어하면 기존의 능동 자기 베어링의 역할도 수행할 수 있다.

따라서, 본 발명에 의한 수동/능동 겸용 자기 베어링은, 제어기가 없어도 부상의 안정성이 확보될 수 있을뿐더러, 정밀 위치 제어, 고속 회전, 가변 동특성 등 기존 능동 자기 베어링의 장점은 물론, 로렌쯔 힘을 이용하므로 재질의 히스테리시스 손실 및 와전류 손실로부터도 자유로운, 안정성과 효율이 높은 자기 베어링 시스템이다.

Description

로렌쯔 힘을 이용한 수동/능동 겸용 자기 베어링{Passive and active magnetic bearing by using the Lorentz force}

본 발명은 로렌쯔 힘을 이용한 수동/능동 겸용 자기 베어링에 관한 것이다. 기존의 자기 베어링들의 단점을 크게 개선한 메카트로닉 요소 기술로서, 본질적으로 불안정하여 늘 피드백 제어를 필요로 하는 능동형 자기 베어링과, 안정성은 보장되지만 낮은 감쇠 특성으로 인하여 임계 속도 이상에서의 운전이 어려운 수동형 자기 베어링의 상호 보완적 결합에 관한 기술이다.

즉, 제어를 하지 않아도 축을 안정적으로 부상시켜 지지할 수 있는 동시에 필요에 따라 제어 기능을 추가하여 강성 및 감쇠 기능을 향상시키는 등, 기존 자기 베어링들의 장점을 살리고 단점을 극복한 효율적인 시스템이라 할 수 있다.

종래의 수동형 자기 베어링은 대부분 두 개의 영구자석 또는 한 개의 영구자석과 전자석을 같은 극끼리 가까이 배치하여 그 반발력으로써 안정된 부상력을 얻는 원리이다. 이는 임계 속도에서의 취약한 안정성 이외에도 기본적으로 공기 중을 통과하는 자속 경로가 길어서 비효율적이다. 게다가 방향성이 일정하지 않은 반발력을 고려한 설계가 필요하다.

반면에 1980년대 중반 이후 산업계의 각 분야에서 큰 관심을 불러 일으켰던 능동 자기베어링은 초기의 기대감에 비해 실용화가 느리고 아직까지 일부 특수 분야에 한정되는 형편이다. 그 이유로는 크게 두 가지를 꼽을 수 있는데 첫째는 제어안정성에 대한 불안감에서 오는 사용자의 낮은 신뢰도이고, 둘째는 비접촉 변위센서, 고전류 증폭기, 디지털 제어기 등의 장비 구성에 드는 높은 설비비이다.

따라서, 능동 자기 베어링에 관한 응용 연구는 주로 강건 제어 기법, 자기 진단 기술, 센서 대체 기술 등에 꾸준히 초점이 맞추어져 왔다. 그러나 실용화를 위해서는 큰 실용성이 거두어지지 않은 실정이다.

한편, 최근에는 소형화, 고속화의 추세에 따라 히스테리시스나 와전류 효과 등의 비선형 특성이 거의 없어 에너지 효율이 좋으면서 고속 회전에 유리하다는 장점이 있는 로렌쯔 힘을 이용하는 능동 자기베어링이 소개되어 주목받고 있다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 본 발명의 목적은 위치에 따라 자속밀도가 달라지도록 공극 설계를 하여 DC 전류가 흐르는 코일을 미리 설정된 위치에서 벗어나지 않도록 함으로써 수동적 자기 부상이 가능하며, 더불어 로터의 거동을 측정하여 능동 제어도 할 수 있는 수동/능동 겸용 자기 베어링을 제공하는 데에 있다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로써 본 발명은 로터의 중앙부에 영구 자석이 위치하고, 로터의 외곽부엔 공극이 있어서 영구 자석의 N극에서 나온 자속이 바깥쪽 공극을 지나 S극으로 돌아가는 구조의 자속 경로가 형성된다. 공극은 중앙부에서는 좁고, 바깥쪽으로 갈수록 넓어지도록 설계되어 반경 방향 위치에 따라 영구 자석에 의한 자속 밀도가 다르다. 한 편, 공극 사이에 위치한 코일들은 스테이터(stator)에 굳게 고정되어 있는데, 코일에 일정한 전류가 흐르고 있는 경우 로터가 미리 설정된 위치를 벗어나면 마주 보는 코일에 작용하는 자속 밀도가 달라지므로 로렌쯔 힘의 평형이 깨어지고 코일에 복원력이 발생하여 그 반작용으로 로터가 안정되게 부상하게 된다. 이와 같은 수동 자기 베어링의 기능에 더하여, 로터의 위치를 측정하여 코일의 전류를 제어하면 기존의 능동 자기 베어링의 역할도 수행할 수 있다.

도 1a 및 도 1b 는 본 발명에 따른 수동/능동 겸용 자기 베어링의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 2 는 본 발명에 따른 수동/능동 겸용 자기 베어링에서의 복원력 생성 원리를 나타낸 단면도이다.

도 3 은 본 발명의 원리를 축방향 베어링에 적용한 축방향 수동/능동 겸용 자기 베어링의 구조 예를 나타낸 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,20,30 : 로터(rotor) 12,22,32 : 영구 자석(permanent magnet)

14,24,34 : 코일(coil)

이하, 본 발명의 실시 예에 대한 구성 및 그 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 수동/능동 겸용 자기 베어링의 구조를 나타낸 단면도이다. 도 2는 수동/능동 겸용 자기 베어링에서의 복원력 생성 원리를 나타낸 단면도이다. 도 3은 본 발명의 원리를 축방향 베어링에 적용한 축방향 수동/능동 겸용 자기 베어링의 구조 예를 나타낸 단면도이다.

도 1a,1b를 살펴보면, 자기 베어링의 가운데 부분이 로터(10)이고 각 코일(14)은 스테이터(stator)에 굳게 고정되어 있다. 로터(10)에 끼워진 영구 자석(12)의 N극에서 나온 자속은 바깥쪽 공극을 지나 S극으로 돌아간다.

여기서, 주목할 것은 공극의 형태이다. 안쪽으로 들어갈수록 좁아지는 모습인데 공극이 좁은 쪽에서 자속밀도가 높다. 즉, 같은 전류가 흐르는 코일이라도 공극이 좁은 쪽에 놓이면 큰 로렌쯔 힘을 받게 된다.

도 1에서와 같이, 모든 코일(14)에 같은 전류가 흐르고 있고 로터(10)가 정확히 중심에 위치하여 있다면 코일(14)들은 바깥쪽으로 나가려는 똑같은 힘을 받는데 그 반작용으로 로터(10)에는 사방에서 안쪽으로 미는 힘이 작용하며 이들은 상쇄된다.

그러나, 로터(10)가 오른쪽 방향으로 조금 이동하여 도 2에서와 같이 된다면 오른쪽 코일(24)은 공극의 좁은 부분에, 왼쪽 코일은 넓은 부분에 놓이게 되고 두 코일에 작용하는 로렌쯔 힘의 평형이 깨어지고 오른쪽 코일에 작용하는 힘, 즉, 코일은 스테이터에 고정되어 있으므로 스테이터를 오른쪽으로 미는 힘이 더 커지게 된다. 그 결과 로터는 그 반작용으로써 왼쪽으로 힘을 받게 되고 원래의 위치로 돌아가서 안정한 부상 상태를 유지하게 된다.

공극의 변화율이 클수록 로터의 안정 강성이 증가하지만 한계가 있으며, 공극 변화율을 목적에 따라 직선이 아닌 3차 함수의 형태로 설계하는 것이 가능하다.

한편, 이와 같은 수동 자기 베어링의 기능만을 위해서라면 코일이 모두 연결되어 있어도 좋고 앰프도 1채널이면 충분하지만, 능동 제어가 필요한 경우에 대비하여 코일을 4개로 분리하였다. 이 때는 4개의 앰프가 필요하다. 이를 비롯한 능동 제어를 위한 시스템 구성은 기존의 능동 자기 베어링 시스템과 대동소이하다.

일반적으로, 공극 내의 코일을 3개 이상으로 구성하면 로터의 거동에 따른 제어 신호를 전류가 흐르는 코일에 가감하여 능동 제어를 할 수 있다.

또한, 변위 신호 대신 속도를 측정하거나 추정하여 제어 입력으로 사용하는 것이 가능하므로 제작비를 절감할 수 있고, 제어기의 이상 동작 시에도 치명적인 파손은 없다는 점에서 시스템에 대한 신뢰도를 높일 수 있다.

본 발명에서 수동/능동 겸용 자기 베어링으로 로터를 완전히 부상시키기 위해서는 5축 지지가 요구되므로 도 1과 같은 반경 방향의 자기 베어링 2개와 별도의 축 방향의 자기 베어링이 필요하다.

도 3에서 볼 수 있듯이, 축 방향 베어링의 기본적인 원리는 앞서 설명한 개념과 같다. 부호 30은 로터, 32a,32b는 영구 자석, 34a,34b는 코일을 나타낸다.

즉, 로렌쯔 힘의 방향을 축 방향으로 돌린 것만 다르다. 또한, 이 경우는 도너츠 모양의 일체형 코일을 사용할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명의 로렌쯔 힘을 이용한 수동/능동 겸용 자기 베어링에 따르면, 높은 안정성뿐만 아니라, 정밀 위치 제어, 고속 회전, 가변 동특성은 물론 로렌쯔 힘을 이용하므로 재질의 히스테리시스 손실 및 와전류 손실로부터 자유로운 고효율, 고안정의 자기 베어링 시스템을 구축할 수 있다. 이는 또한, 능동 자기 베어링으로서의 기능이 가능하면서도 신뢰성이 높다는 것과 필요에 따라 수동형이나 능동형으로 기능 전환이 자유롭다는 장점이 있다.

또한, 본 시스템은 베어링 요소로서의 활용뿐만 아니라 각종 부상 시스템 또는 액츄에이터로의 활용도 가능하다. 특히 일정한 주파수로 지속적인 진동을 주는 가진기로서 이용될 경우에는 자기 가진 특성을 살려 효율적인 시스템의 설계가 가능하다.

Claims (3)

1. 공극 내에서 위치에 따라 영구 자석에 의한 자속 밀도가 달라지도록 공극의 단면을 설계하고, 공극 사이에 적어도 3개 이상의 임의의 수(數)로 구성된 코일을 배치한 자기베어링 구조에 있어서,

   상기 코일들에 일정한 DC 전류를 인가함으로써 로터가 미리 설정된 위치를 벗어나면 로렌쯔 힘의 변화에 의해 로터를 원래의 위치로 복원시킬 수 있어 수동 자기베어링 기능을 수행하며,

   상기 로터의 변위를 측정하여 코일의 전류를 제어함으로써 능동 자기베어링 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 수동/능동 겸용 자기베어링.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서, 상기 로터의 변위 신호 대신에 속도 신호만을 측정하거나 추정하여 제어 입력으로 사용하는 것을 특징으로 하는 수동/능동 겸용 자기베어링.