KR101803517B1 - 하이브리드 자기 베어링 - Google Patents

Abstract

하이브리드 자기 베어링에 관한 것이다. 제1 고정자 코어는 로터와 간격을 두고 로터를 둘러싸는 원형 테두리, 및 원형 테두리의 안쪽 면으로부터 로터를 향해 각각 반경 방향으로 돌출되고 원주 방향을 따라 동일 간격으로 배열된 극편들을 구비한다. 제2 고정자들은 제1 고정자 코어와 동축으로 제1 고정자 코어의 앞,뒷면에 각각 고정되며, 로터와 간격을 두고 로터를 관통시킨다. 제1 영구자석은 극편들의 각 돌출단 앞쪽에 고정되되 S극이 전방과 후방 중 어느 한쪽을 향하고 N극이 반대 쪽을 향하게 고정되며, 로터를 지나는 내측 자로와 원형 테두리를 지나는 외측 자로를 생성한다. 제2 영구자석은 극편들의 각 돌출단 뒤쪽에 고정되되 제1 영구자석을 기준으로 S극과 N극이 제1 영구자석의 S극과 N극과 반대되게 배치되어 고정되며, 로터를 지나는 내측 자로와 원형 테두리를 지나는 외측 자로를 생성한다. 코일은 극편들의 각 기부 쪽에 배치되며, 전류 공급시 제1,2 영구자석의 외측 자로와 반대 방향으로 자속을 발생시킨다. 변위센서들은 극편들 사이에 배치되어 로터의 변위를 측정한다.

Description

하이브리드 자기 베어링{Hybrid magnetic bearing}

본 발명은 영구자석을 전자석과 함께 채용하여 로터를 비접촉식으로 지지할 수 있는 하이브리드 자기 베어링에 관한 것이다.

자기 베어링은 자기부상의 원리를 이용하여 비접촉식으로 로터를 지지할 수 있는 베어링이다. 자기 베어링은 기계적인 마찰, 마모가 없기 때문에 에너지손실이 적고 내구성이 높다. 또한, 자기 베어링은 윤활이나 밀봉의 필요성이 없기 때문에 진공이나 광범위한 온도 조건에서 사용될 수 있는 장점이 있다.

자기 베어링은 다양한 방식으로 구성될 수 있다. 그 일 예로, 전자석 방식의 자기 베어링은 로터 둘레에 배치되는 코일을 포함하며, 코일에 공급되는 전류에 의해 발생하는 전자기력을 이용하여 로터를 부상시킨다. 이때, 자기 베어링은 로터의 자중에 따라 미리 편향 자기력(bias magnetic force)를 로터에 가한 후, 로터의 위치 변화에 따라 능동적으로 전자기력을 가감시켜 로터의 위치를 일정하게 유지시키게 된다. 그런데, 전술한 바와 같이, 로터에 미리 편향 자기력을 가하기 위해서 코일에 편향전류를 공급해야 하므로, 전류 소모가 많을 수 있다.

공개특허공보 제10-2011-0113417호(2011.10.17. 공개)

본 발명의 과제는 전류 소모를 저감할 수 있고 제어가 용이한 하이브리드 자기 베어링을 제공함에 있다.

상기의 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 자기 베어링은 제1 고정자 코어와, 한 쌍의 제2 고정자 코어들과, 제1 영구자석과, 제2 영구자석과, 코일, 및 적어도 2개의 변위센서들을 포함한다. 제1 고정자 코어는 로터와 간격을 두고 로터를 둘러싸는 원형 테두리, 및 원형 테두리의 안쪽 면으로부터 로터를 향해 각각 반경 방향으로 돌출되고 원주 방향을 따라 동일 간격으로 배열된 극편들을 구비한다. 제2 고정자들은 제1 고정자 코어와 동축으로 제1 고정자 코어의 앞,뒷면에 각각 고정되며, 로터와 간격을 두고 로터를 관통시킨다. 제1 영구자석은 극편들의 각 돌출단 앞쪽에 고정되되 S극이 전방과 후방 중 어느 한쪽을 향하고 N극이 반대 쪽을 향하게 고정되며, 로터를 지나는 내측 자로(magnetic circuit)와 원형 테두리를 지나는 외측 자로를 생성한다. 제2 영구자석은 극편들의 각 돌출단 뒤쪽에 고정되되 제1 영구자석을 기준으로 S극과 N극이 제1 영구자석의 S극과 N극과 반대되게 배치되어 고정되며, 로터를 지나는 내측 자로와 원형 테두리를 지나는 외측 자로를 생성한다. 코일은 극편들의 각 기부 쪽에 배치되며, 전류 공급시 제1,2 영구자석의 외측 자로와 반대 방향으로 자속을 발생시킨다. 변위센서들은 극편들 사이에 배치되어 로터의 변위를 측정한다.

본 발명에 따르면, 영구자석이 편향 자속을 생성하며, 코일은 영구자석의 자속 방향을 조절해서 로터에 대한 견인력을 제어하게 되므로, 편향 전류를 필요로 하지 않게 된다. 따라서, 전류 소모가 저감될 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 순수한 전자석 방식의 자기 베어링에 비해, 음강성(negative-stiffness)이 작고 선형성이 좋기 때문에 제어가 용이할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자기 베어링에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1에 대한 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 하이브리드 자기 베어링의 내부를 도시한 도면이다.
도 5는 도 4에 있어서, 자속 포화용 홀의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 6 내지 도 8은 도 1에 도시된 하이브리드 자기 베어링의 작용 예를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 자기 베어링에 대한 사시도이다. 도 2는 도 1에 대한 분해 사시도이다. 도 3은 도 1에 대한 단면도이다. 도 4는 도 1에 도시된 하이브리드 자기 베어링의 내부를 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 하이브리드 자기 베어링(100)은 제1 고정자 코어(110)와, 한 쌍의 제2 고정자 코어(120)들과, 제1 영구자석(130)과, 제2 영구자석(140)과, 코일(150), 및 변위센서(160)들을 포함한다.

제1 고정자 코어(110)는 원형 테두리(111), 및 극편(112)들을 구비한다. 원형 테두리(111)는 로터(10)와 간격을 두고 로터(10)를 둘러싼다. 원형 테두리(111)는 원주 방향을 따라 전후 폭이 일정하고, 내주면과 외주면 사이의 두께가 일정하게 형성될 수 있다. 극편(112)들은 원형 테두리(111)의 안쪽 면으로부터 로터(10)를 향해 각각 반경 방향으로 돌출되고 원주 방향을 따라 동일 간격으로 배열된다.

극편(112)은 로터(10)와의 사이에 공극을 갖도록 형성된다. 극편(112)의 돌출단은 로터(10)의 곡률과 동일한 곡률로 오목하게 곡면진 형태로 이루어질 수 있다. 여기서, 극편(112)의 돌출단은 극편(112)에서 로터(10)를 향해 돌출된 끝 부위에 해당한다.

극편(112)은 원형 테두리(111)의 전후 폭보다 좁은 전후 폭을 갖고 원형 테두리(111)의 중앙에 연결될 수 있다. 따라서, 극편(112)은 앞,뒤쪽에 제2 고정자 코어(120)들과 공간들을 형성함으로써, 이 공간들에 제1,2 영구자석(130, 140)이 수용되도록 할 수 있다. 극편(112)들은 4개로 구비될 수 있다. 물론, 극편(112)은 3개 또는 5개 이상으로 구비되는 것도 가능하다. 제1 고정자 코어(110)는 자성 재료로 이루어져 자속의 통로를 제공한다.

한 쌍의 제2 고정자 코어(120)들은 제1 고정자 코어(110)와 동축으로 제1 고정자 코어(110)의 앞,뒷면에 각각 고정된다. 제2 고정자 코어(120)들은 로터(10)와 간격을 두고 로터(10)를 관통시킨다. 제2 고정자 코어(120)들은 로터(10)를 관통시키는 중앙 홀(121)을 각각 갖는다. 제2 고정자 코어(120)의 중앙 홀(121)은 내주면이 로터(10)의 외주면과 공극을 갖도록 형성된다.

제2 고정자 코어(120)들은 앞뒤 방향으로 동일한 두께를 가질 수 있다. 제2 고정자 코어(120)들은 제1 고정자 코어(110)의 외경과 동일한 외경을 가질 수 있다. 제2 고정자 코어(120)는 자성 재료로 이루어져 자속의 통로를 제공한다.

제1 영구자석(130)은 극편(112)들의 각 돌출단 앞쪽에 고정되되, S극이 전방과 후방 중 어느 한쪽을 향하고 N극이 반대 쪽을 향하게 고정된다. 즉, 제1 영구자석(130)은 S극이 전방을 향하고 N극이 후방을 향하게 배치되거나, 이와 반대로 S극이 후방을 향하고 N극이 전방을 향하게 배치될 수 있다.

제1 영구자석(130)은 로터(10)를 지나는 내측 자로(131)와 원형 테두리(111)를 지나는 외측 자로(132)를 생성한다. 여기서, 도 3을 기준으로, S극이 전방을 향하고 N극이 후방을 향하게 배치된 경우, 제1 영구자석(130)에 의한 내측 자로(131)는 시계 방향으로 자속이 일주하도록 생성되며, 제1 영구자석(130)에 의한 외측 자로(132)는 반시계 방향으로 자속이 일주하도록 생성된다.

S극이 후방을 향하고 N극이 후방을 향하게 배치된다면, 제1 영구자석(130)에 의한 내측 자로(131)는 반시계 방향으로 자속이 일주하도록 생성되며, 제1 영구자석(130)에 의한 외측 자로(132)는 시계 방향으로 자속이 일주하도록 생성된다.

극편(112)과 로터(10) 사이의 공극길이보다 외측 자로(132)를 통하는 릴럭턴스(Reluctance) 경로길이가 짧기 때문에, 제1 영구자석(130)의 자속은 대부분 외측 자로(132)를 통해 흐르게 된다. 릴럭턴스 경로길이는 자속이 흐르는 경로길이에 따른 자기저항으로 볼 수 있는데, 철심경로 내에서의 자기저항은 공기경로 중에서의 자기저항에 비해 대략 1/300 정도에 불과하므로, 자속은 철심 속을 흐르려는 경향이 커지게 된다. 이는 비투자율이 대략 300 내외이기 때문이다. 따라서, 자속은 제1,2 고정자(110, 120) 속을 흐르는 경향이 커지게 되므로, 제1 영구자석(130)의 자속은 대부분 외측 자로(132)를 통해 흐르게 된다.

제2 영구자석(140)은 극편(112)들의 각 돌출단 뒤쪽에 고정되되, 제1 영구자석(130)을 기준으로 S극과 N극이 제1 영구자석(130)의 S극과 N극과 반대되게 배치되어 고정된다. 즉, 제1 영구자석(130)에서 S극이 전방을 향하고 N극이 후방을 향하게 배치된다면, 제2 영구자석(140)에서 S극이 후방을 향하고 N극이 전방을 향하게 배치된다. 제1 영구자석(130)에서 S극이 후방을 향하고 N극이 전방을 향하게 배치된다면, 제2 영구자석(140)에서 S극이 전방을 향하고 N극이 후방을 향하게 배치된다.

제2 영구자석(140)은 로터(10)를 지나는 내측 자로(141)와 원형 테두리(111)를 지나는 외측 자로(142)를 생성한다. 여기서, 도 3을 기준으로, S극이 후방을 향하고 N극이 전방을 향하게 배치되는 경우, 제2 영구자석(140)에 의한 내측 자로(141)는 반시계 방향으로 자속이 일주하도록 생성되며, 제2 영구자석(140)에 의한 외측 자로(142)는 시계 방향으로 자속이 일주하도록 생성된다.

S극이 전방을 향하고 N극이 후방을 향하게 배치되는 경우, 제2 영구자석(140)에 의한 내측 자로(141)는 시계 방향으로 자속이 일주하도록 생성되며, 제2 영구자석(140)에 의한 외측 자로(142)는 반시계 방향으로 자속이 일주하도록 생성된다.

극편(112)과 로터(10) 사이의 공극길이보다 외측 자로(142)를 통하는 릴럭턴스 경로길이가 짧기 때문에, 제2 영구자석(140)의 자속은 대부분 외측 자로(142)를 통해 흐르게 된다.

코일(150)은 제1,2 영구자석(130, 140)보다 원형 테두리(111)에 가깝게 극편(112)들의 각 기부 쪽에 배치된다. 여기서, 극편(112)의 기부는 극편(112)에서 원형 테두리(111)에 연결된 부위에 해당한다. 코일(150)은 전류 공급시 제1,2 영구자석(130, 140)의 외측 자로(132, 142)와 반대 방향으로 자속을 발생시킨다. 코일(150)은 각 극편(112)의 둘레를 따라 권취될 수 있다. 여기서, 코일(150)은 제1,2 영구자석(130, 140)의 외측 자로(132, 142)와 반대 방향으로 자속을 발생시키도록 전류를 공급받을 수 있다.

코일(150)에 의해 자속이 발생되면, 제1,2 영구자석(130, 140)의 외측 자로(132, 142)를 통해 자속이 흐르기 어렵게 되므로, 제1,2 영구자석(130, 140)의 내측 자로(131, 141)를 통해 흐르는 자속이 증가할 수 있다. 따라서, 코일(150)로 공급되는 전류의 양을 조절하면, 제1,2 영구자석(130, 140)의 내측 자로(131, 141)로 흐르는 자속의 양을 조절할 수 있게 되므로, 로터(10)를 견인하는 자력 세기를 제어할 수 있게 된다.

변위센서(160)들은 적어도 2개로 구비된다. 변위센서(160)들은 극편(112)들 사이에 배치되어 로터(10)의 변위를 측정한다. 변위센서(160)들은 로터(10)의 변위를 측정하여 제어기(미도시)로 제공할 수 있다. 제어기는 코일(150)로 공급되는 전류를 조절하여 로터(10)를 제1,2 고정자 코어(110, 120)의 중앙에 안정적으로 위치시킬 수 있다.

2개의 변위센서(160)들은 어느 하나의 극편(112)을 사이에 두고 양 옆에 각각 배치될 수 있다. 따라서, 로터(10)의 축이 X축에 나란하게 배치된 기준으로, 2개의 변위센서(160)들은 로터(10)의 Y축 및 Z축 방향의 변위를 각각 측정할 수 있다. 변위센서(160)는 와전류형 변위센서나 정전용량형 변위센서 등과 같은 비접촉식 변위센서로 이루어질 수 있다. 와전류형 변위센서는 공칭 간극이 0.5㎜ 정도로 설치될 수 있다. 정전용량형 변위센서는 공칭 간극이 0.2~0.3㎜ 정도로 설치될 수 있다.

변위센서(160)는 2개 더 구비되어 극편(112)들 사이의 4개 공간들에 각각 배치될 수 있다. 이 경우, 4개의 변위센서(160)들로부터 측정된 신호들에 대해 차동연산을 수행하면 로터(10)의 진원도 오차에 의한 영향을 저감할 수 있다. 변위센서(160)들은 제1 고정자 코어(110)와 제2 고정자 코어(120) 사이에 설치되므로, 축 방향으로 추가적인 설치공간을 필요로 하지 않게 된다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 극편(112)들은 각 기부 쪽에 앞뒤 방향으로 관통되게 자속 포화용 홀(113)이 형성될 수 있다. 자속 포화용 홀(113)은 제1,2 영구자석(130, 140)의 자속이 외측 자로(132, 142)를 통해 흐르는 과정에서 극편(112)에 자속 포화를 발생시킨다. 따라서, 코일(150)의 자속을 사용하여 제1,2 영구자석(130, 140)의 자속을 외측 자로(132, 142)에서 내측 자로(131, 141) 쪽으로 이동시키기 용이하게 된다.

즉, 극편(112)에 자속이 포화된 상태에서, 코일(150)의 자속이 외측 자로(132, 142)와 반대 방향으로 조금만 발생되어도, 제1,2 영구자석(130, 140)의 자속은 내측 자로(131, 141) 쪽으로 쏠릴 수 있게 된다. 따라서, 코일(150)에 대한 전류 공급시 전류 이득이 커질 수 있다.

전술한 하이브리드 자기 베어링(100)의 작용 예에 대해, 도 6 내지 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 코일(150)에 전류가 공급되지 않은 경우, 극편(112)과 로터(10) 사이의 보다 제1,2 영구자석(130, 140)의 외측 자로(132, 142)를 통하는 릴럭턴스 경로길이가 짧기 때문에, 제1,2 영구자석(130, 140)의 자속은 대부분 외측 자로(132, 142)를 통해 흐르게 된다. 따라서, 로터(10)를 견인하는 자력은 미미한 수준이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 코일(150)에 전류가 공급되면, 코일(150)은 제1,2 영구자석(130, 140)의 외측 자로(132, 142)와 반대 방향으로 자속을 발생시킨다. 따라서, 제1,2 영구자석(130, 140)의 외측 자로(132, 142)를 통해 자속이 흐르기 어렵게 되므로, 제1,2 영구자석(130, 140)의 내측 자로(131, 141) 쪽으로 유도된다. 이때, 내측 자로(131, 141)로 흐르는 자속의 양은 코일(150)로 공급되는 전류의 양으로 제어할 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 코일(150)로 공급되는 전류의 양을 증가시켜 제1,2 영구자석(130, 140)의 자속을 대부분 내측 자로(131, 141) 쪽으로 유도하면, 로터(10)를 견인하는 자력이 크게 생성될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따르면, 제1,2 영구자석(130, 140)이 편향 자속을 생성하며, 코일(150)은 제1,2 영구자석(130, 140)의 자속 방향을 조절해서 로터(10)에 대한 견인력을 제어하게 되므로, 편향 전류를 필요로 하지 않게 된다. 따라서, 전류 소모가 저감될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, 순수한 전자석 방식의 자기 베어링에 비해, 음강성이 작고 선형성이 좋기 때문에 제어가 용이할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

110..제1 고정자 코어
112..극편
113..자속 포화용 홀
120..제2 고정자 코어
130..제1 영구자석
140..제2 영구자석
150..코일
160..변위센서

Claims (2)

1. 로터와 간격을 두고 상기 로터를 둘러싸는 원형 테두리, 및 상기 원형 테두리의 안쪽 면으로부터 상기 로터를 향해 각각 반경 방향으로 돌출되고 원주 방향을 따라 동일 간격으로 배열된 극편들을 구비하는 제1 고정자 코어;
   상기 제1 고정자 코어와 동축으로 상기 제1 고정자 코어의 앞,뒷면에 각각 고정되며, 상기 로터와 간격을 두고 상기 로터를 관통시키는 한 쌍의 제2 고정자 코어들;
   상기 극편들의 각 돌출단 앞쪽에 고정되되 S극이 전방과 후방 중 어느 한쪽을 향하고 N극이 반대 쪽을 향하게 고정되며, 상기 로터를 지나는 내측 자로와 상기 원형 테두리를 지나는 외측 자로를 생성하되 서로 반대 방향으로 자속이 일주하도록 내,외측 자로를 생성하는 제1 영구자석;
   상기 극편들의 각 돌출단 뒤쪽에 고정되되 상기 제1 영구자석을 기준으로 S극과 N극이 상기 제1 영구자석의 S극과 N극과 반대되게 배치되어 고정되며, 상기 로터를 지나는 내측 자로와 상기 원형 테두리를 지나는 외측 자로를 생성하되 서로 반대 방향으로 자속이 일주하도록 내,외측 자로를 생성하는 제2 영구자석;
   상기 극편들의 각 기부 쪽에 배치되며, 전류 공급시 상기 제1,2 영구자석의 외측 자로와 반대 방향으로 자속을 발생시키며, 공급되는 전류의 양에 따라 상기 제1,2 영구자석의 내측 자로로 흐르는 자속의 양을 조절하여 상기 로터를 견인하는 자력 세기를 제어하는 코일; 및
   상기 극편들 사이에 배치되어 상기 로터의 변위를 측정하는 적어도 2개의 변위센서들;
   을 포함하는 하이브리드 자기 베어링.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 극편들의 각 기부 쪽에 앞뒤 방향으로 관통되게 자속 포화용 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 자기 베어링.

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