KR101938797B1

KR101938797B1 - 분해 및 조립이 용이한 자기 베어링 모듈

Info

Publication number: KR101938797B1
Application number: KR1020170116675A
Authority: KR
Inventors: 김준규; 안지훈
Original assignee: 주식회사 마그네타
Priority date: 2017-09-12
Filing date: 2017-09-12
Publication date: 2019-01-15

Abstract

분해 및 조립이 용이한 자기 베어링 모듈이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른, 로터 둘레에 구비되어 마찰을 저감하는 자기 베어링 모듈은, 상기 로터 둘레를 둘러싸는 자기 베어링 코어, 상기 자기 베어링 코어의 최외측부에 구비되는 영구 자석, 상기 자기 베어링 코어를 둘러싸는 코일 및 상기 자기 베어링 코어의 상측에 배치되어 상기 로터를 지지하는 보조 베어링을 포함한다.

Description

분해 및 조립이 용이한 자기 베어링 모듈{MAGNETIC BEARING MODULE CAPABLE OF ASSEMBLING AND DISASSEMBLING EASILY}

본 발명은 자기 베어링 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분해 및 조립이 용이한 자기 베어링 모듈에 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.

일반적으로 널리 사용되는 이러한 베어링들은 어떤 부분이든 간에 축과의 접촉이 반드시 발생하게 되는데, 축과의 접촉이 없도록 하여 마찰을 최소화한 자기 베어링(magnetic bearing)이 최근 다양한 분야에서 그 사용이 확대되어 가고 있다. 자기 베어링은 축 둘레에 강한 자성을 띠는 자석 또는 전자석을 배치하여 자기 부상에 의해 축을 띄워 줌으로써 베어링 역할을 하도록 되어 있다.

자기 베어링은 축과의 접촉이 전혀 없어 마찰이 0이 되므로, 부품의 마모나 손상 등이 발생하지 않아 내구성이 높고 소음이 매우 적은 등의 많은 장점이 있다. 그러나 실질적으로 자기 베어링만으로 축을 지지하도록 설계되기보다는, 보다 안정적인 축의 지지를 위하여 직접 접촉이 있는 형태로 된 보조 베어링이 더 구비되어 있는 것이 일반적이다.

로터 및 자기 베어링 시스템 전체가 정상적인 작동 중일 때에는 자기 베어링들이 작동하여 로터를 자기 부상에 의하여 지지하고 있게 된다. 그러나 시스템이 정지해 있을 때에는 자기 베어링에 전력이 공급되지 않아 자력이 발생되지 않으므로 로터를 지지할 수 없으며, 따라서 이런 경우를 위해 로터에는 볼 베어링 등과 같은 일반적인 접촉식 베어링 형태로 된 보조 베어링이 구비된다.

보조 베어링은 시스템 정지시 로터를 지지할 뿐 아니라, 비정상 동작(fault) 시에도 로터가 최대한 손상되지 않고 안전하게 회전이 멈출 수 있도록 로터를 지지하여 주는 역할을 한다. 따라서 이러한 보조 베어링은 이러한 로터에 필수적으로 구비되는 부품이다.

보조 베어링을 구비하기 위한 공간 확보를 위하여, 로터는 보조 베어링이 차지하는 부피만큼 그 길이를 늘리도록 설계된다. 그런데, 이처럼 로터의 길이가 길어질수록 시스템 자체의 부피가 커지게 되는 문제점이 있으며, 뿐만 아니라 로터의 길이가 길어질수록 굽힘 모드에 의한 위험 속도가 낮아지게 되는 문제가 있어, 로터의 동작 속도를 높이는데 제한이 생기게 된다.

이에, 특허문헌 1(대한민국 공고특허문헌 제10-1343876호)에서는 로터의 길이 및 시스템 부피를 최소화하기 위하여 자기 베어링 및 보조 베어링이 일체형으로 구비되는 복합 자기 베어링을 개시한다.

이와 같은 경우, 보조 베어링이 파손되었을 경우 복합 자기 베어링 전체의 분해가 필요하며, 구조가 복잡하여 이의 재조립이 어려우며 보조 베어링과 자기 베어링 코어의 동심 일치가 어려운 문제점이 있었다.

특히, 일체형 보조 베어링의 경우 보조 베어링 및 자기 베어링의 조립 이후에 보조 베어링의 내경만을 가공할 수 있어 자기 베어링 코어와 보조 베어링의 동심을 일치시키기 어려운 문제점이 있었다.

특허문헌 1: 대한민국 공고특허문헌 제10-1343876호

본 발명의 실시예들은 보조 베어링을 자기 베어링 모듈 일측에 탈부착이 가능하도록 제작하여 보조 베어링의 파손시 자기 베어링 모듈 자체의 분해 없이도 용이하게 교체가 가능하며 자기 베어링 코어와 보조 베어링의 내경을 가공하여 동심 일치가 용이한 자기 베어링 모듈을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명의 실시예들은 내부에 자기 베어링 코어의 정렬을 위한 정렬 지그를 통하여 수차례 분해 및 조립을 하더라도 항상 일정한 조립이 가능하며, 따라서 자기 베어링의 동심을 일정하게 유지할 수 있는 자기 베어링 모듈을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로터 둘레에 구비되어 마찰을 저감하는 자기 베어링 모듈은, 상기 로터 둘레를 둘러싸는 자기 베어링 코어, 상기 자기 베어링 코어의 최외측부에 구비되는 영구 자석, 상기 자기 베어링 코어를 둘러싸는 코일 및 상기 자기 베어링 코어의 상측에 배치되어 상기 로터를 지지하는 보조 베어링을 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기 베어링 코어는 상기 로터를 중심으로 방사 방향으로 서로 대칭되도록 복수개가 배치될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기 베어링 코어는 서로 분리된 ㄱ자 형상의 제1 베어링 코어 및 ㄴ자 형상의 제2 베어링 코어를 포함하며, 대칭하여 배치된 상기 제1 베어링 코어 및 상기 제2 베어링 코어의 사이에 상기 영구 자석이 배치되어 상기 자기 베어링 코어는 ㄷ자 형상을 가지며, 상기 코일은 상기 제1 및 제2 베어링 코어 각각에 삽입 결합되어 상기 제1 및 제2 베어링 코어를 둘러쌀 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 영구 자석은 상기 제1 베어링 코어 및 상기 제2 베어링 코어와 접촉하는 면과 동일한 형상으로 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 내부에 상기 로터가 수용되는 관통부가 구비되며, 상기 자기 베어링 코어와 끼움 결합이 가능한 삽입홈이 구비되는 정렬 지그를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 정렬 지그는 내부에 상기 관통부가 구비된 정육면체 형상을 가지고 각 모서리에 단턱부가 형성되어 인접하는 단턱부들 사이에 상기 삽입홈을 포함하고, 상기 자기 베어링 코어는 각 단부의 양측면이 단차를 가져 일부가 돌출된 돌출부를 포함하며, 상기 자기 베어링 코어의 상기 돌출부는 상기 정렬 지그의 상기 삽입홈에 끼움 결합될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기 베어링 코어, 상기 영구 자석 및 상기 코일의 상부, 측부 및 하부를 커버하는 하우징을 포함하며, 상기 보조 베어링은 상기 하우징의 상부에 결합 고정될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보조 베어링은, 링 형상을 가지는 하부 링 부재 및 상기 하부 링 부재의 상부에 연결되고, 상기 하부 링 부재의 외측으로 방사 방향으로 돌출되는 복수의 돌기를 포함하되, 인접하는 돌기들은 각각 일정 간격만큼 이격되어 배치되는 상부 고정 부재를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하우징의 상부에 상기 로터의 반경방향으로 배치되고, 상기 하우징의 측면에 형성된 홀에 삽입 결합되며, 상기 로터의 반경방향 진동을 감지하는 센서를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 자기 베어링 코어 및 상기 보조 베어링는 동심을 이룰 수 있다.

본 발명의 실시예들은 보조 베어링을 탈부착이 가능하도록 제작하여 자기 베어링 모듈의 하우징 상에 배치하여 보조 베어링의 파손시 자기 베어링 모듈 자체의 분해 없이도 교체가 용이하다.

뿐만 아니라, 자기 베어링 모듈 내부에 배치된 정렬 지그를 이용하여 자기 베어링 코어를 정렬하고 동심 가공을 수행한 후 하우징 상에 보조 베어링을 배치하여 자기 베어링 코어의 동심에 맞추어 보조 베어링의 동심 가공이 가능하여 자기 베어링 코어와 보조 베어링의 동심을 달성할 수 있으며, 이후 자기 베어링의 수차례 분해 및 조립을 하더라도 항상 일정한 동심을 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링 모듈이 설치된 로터 모듈을 설명하기 위한 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 모듈을 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 모듈을 설명하기 위한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 모듈을 설명하기 위한 단면 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 코어와 정렬 지그의 결합관계를 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조 베어링을 설명하기 위한 사시도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 모듈을 설명하기 위한 분해 사시도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 모듈을 설명하기 위한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 모듈을 설명하기 위한 단면 사시도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기 술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링 모듈이 설치된 로터 모듈을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 자기 베어링 시스템이 구비된 로터 모듈(1000)은 로터(rotor, 1) 및 자기 베어링 모듈을 포함한다.

자기 베어링 모듈은 로터(1) 둘레에 구비되어 마찰을 저감하는데, 다시 말하면 회전 운동을 하는 부품에 있어서 회전축을 중심으로 배치되어 자기 부상에 의하여 상기 로터(1)를 지지하므로 로터(1)와의 직접적인 접촉이 없어 로터(1)의 기계 진동 및 소음이 없으며, 마모 내지 마찰이 없어 로터(1) 및 자기 베어링 모듈(100)은 반영구적으로 사용이 가능하다.

자기 베어링 시스템이 정상적으로 작동 중일 때에는 반경방향 자기 베어링이 작동 중이므로 로터(1)를 자기 부상으로 지지하나, 시스템이 정지하는 경우 자기 베어링의 자력이 발생되지 않아 로터(1)를 지지할 수 없게 된다. 이에 로터(1)의 주변에는 보조 베어링이 일반적으로 구비되며, 이러한 보조 베어링은 시스템 정지 또는 비정상적인 동작 등의 상태에서도 로터(1)를 정상적으로 지지할 수 있어, 상기 로터(1)의 손상을 방지할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 모듈을 설명하기 위한 분해 사시도이다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 모듈을 설명하기 위한 단면도이다. 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 모듈을 설명하기 위한 단면 사시도이다. 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 코어와 정렬 지그의 결합관계를 설명하기 위한 사시도이다. 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 보조 베어링을 설명하기 위한 사시도이다.

도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 자기 베어링 모듈(100)을 설명하도록 한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 상기 자기 베어링 모듈(100)은, 자기 베어링 코어(10), 정렬 지그(20), 영구 자석(30), 코일(40), 하우징(50) 및 보조 베어링(60)을 포함한다.

상기 자기 베어링 코어(10)은 상기 로터(1) 둘레를 둘러싸도록 배치된다.

예를 들어, 상기 로터(1) 상에는 상기 로터(1) 둘레를 둘러싸도록 부착되어 구비되는 로터측 코어(2)가 배치되며, 상기 로터측 코어 상에 상기 로터측 코어를 둘러싸도록 배치되되 상기 로터측 코어와 이격되는 상기 자기 베어링 코어(10)가 배치된다.

예를 들어, 상기 자기 베어링 코어(10)는 상기 로터(1)를 중심으로 방사 방향으로 서로 대칭되도록 복수개가 배치될 수 있다.

상기 자기 베어링 코어(10)는 상기 로터(1)를 자기 부상으로 지지하기 위한 부재로서, 상기 로터(1)를 중심으로 방사 방향으로 총 4개가 배치되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 자기 베어링 코어(10)는 상기 로터(1) 축을 향하여 인접하는 부재들이 서로 수직하게 배치되어 상기 로터를 4방향으로 자기 부상으로 지지할 수 있다.

예를 들어, 상기 자기 베어링 코어(10)는 서로 분리된 ㄱ자 형상의 제1 베어링 코어(10A) 및 ㄴ자 형상의 제2 베어링 코어(10B)를 포함한다.

상기 제1 베어링 코어(10A) 및 상기 제2 베어링 코어(10B)는 대칭하여 배치되어 상기 자기 베어링 코어(10)는 ㄷ자 형상을 가지게 된다. 또한, 대칭하여 배치된 상기 제1 베어링 코어(10A) 및 상기 제2 베어링 코어(10B)의 사이에 상기 영구 자석(30)이 배치된다.

상기 자기 베어링 코어(10)는 단면이 모두 직사각형의 형태를 가진다. 기존에는 영구 자석과 접하는 자기 베어링 코어의 외경이 호 형태를 가져 영구 자석 역시 자기 베어링 코어의 외경과 동일한 형상인 호 형상으로 제작되어야 하였으며, 이에 자기 베어링 모듈의 사이즈 변경시 영구 자석의 제작에 큰 어려움이 있었다.

그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링 코어(10)의 경우 상기 영구 자석(30)과 접하는 외경이 직사각형의 형태를 가지도록 제작되어 상기 영구 자석(30) 역시 직사각형의 형태로 제작이 가능하다. 따라서, 상기 영구 자석(30)의 제작시 사이즈의 변경에 따라 용이하게 제단을 할 수 있어, 원하는 사이즈의 제작이 용이하다.

예를 들어, 상기 코일(40)은 상기 제1 및 제2 베어링 코어(10A, 10B) 각각에 삽입 결합되어 상기 제1 및 제2 베어링 코어(10A, 10B)를 둘러쌀 수 있다.

상기 제1 실시예에 따르면, 상기 코일(coil, 40)은 상기 자기 베어링 코어(10)의 상측 및 하측을 둘러싸는 형태로 복수개가 배치된다. 이는 헤테로폴라(heteropolar) 형 자기 베어링 형태를 가질 수 있다. 즉, 상기 제1 베어링 코어(10A) 측에 하나의 코일(40)이 배치되고, 상기 제2 베어링 코어(10B) 측에 또 다른 하나의 코일(40)이 배치될 수 있으며, 상기 자기 베어링 코어(10)에는 2개의 코일(40)이 각각 삽입 결합되어 배치되어 있을 수 있다.

이와 달리 후술할 제2 실시예로서 도 1 및 도 7 내지 도 9를 참조하면, 코일이 자기 베어링 코어를 둘러싸도록 배치되되, 영구 자석을 둘러싸는 형태를 가지는 호모폴라(homopolar) 형 자기 베어링 형태를 가질 수 있다. 이에 관한 상세한 구성은 후술하도록 한다.

상기 자기 베어링 모듈(100)에 전력이 공급되면 상기 자기 베어링 코어(10)의 상기 영구 자석(30) 및 상기 코일(40) 각각에서 자기력이 발생하게 되며, 상기 로터(1)는 방사 방향으로 배치된 상기 자기 베어링 코어(10)의 각 방향으로부터 부상력을 받게 된다. 따라서, 방사 방향으로 서로 대칭하여 배치된 상기 자기 베어링 코어(10)들 사이의 공간에 상기 로터(1)가 부양된다. 즉, 자기 부상 원리를 이용하여 상기 로터(1)를 상기 자기 베어링 코어(10) 상에 부상시켜 지지하는 것이며, 이에 상기 코일(40)에 인가되는 전력의 세기, 주기 등을 조절하여 상기 자기 베어링 코어(10)에서 발생되는 자기력을 용이하게 제어할 수 있다.

상기 정렬 지그(20)는 상기 자기 베어링 코어(10)의 내측에 배치되어, 상기 자기 베어링 코어(10)와 서로 탈부착이 용이하도록 즉 서로 끼움 결합이 가능한 구조를 가진다.

보다 상세하게, 도 5를 참조하면, 상기 정렬 지그(20)는 내부에 상기 로터(1)가 수용되는 관통부(H)가 구비되며, 상기 자기 베어링 코어(10)와 끼움 결합이 가능한 삽입홈(21)이 구비된다.

또한, 상기 정렬 지그(20)는 내부에 상기 관통부(H)가 구비된 정육면체 형상을 가질 수 있다.

예를 들어, 상기 정렬 지그(20)는 각 모서리 일부가 돌출되어 있는 단턱부(22)가 형성되어 인접하는 단턱부들(22) 사이에 상기 삽입홈(21)을 포함한다.

상기 자기 베어링 코어(10)는 각 단부의 양측면이 단차를 가져 일부가 돌출된 돌출부(11)를 포함하며, 상기 자기 베어링 코어(10)의 상기 돌출부(11)는 상기 정렬 지그(20)의 상기 삽입홈(21)에 끼움 결합되게 된다.

자기 베어링 모듈에 있어서 베어링의 목적을 달성하기 위하여는 각 부품의 동심도가 유지되는 것이 매우 중요하다. 그런데 실제로는 각 부품 제작시의 가공 공차나 조립 시 부품들이 살짝 어그러지는 조립 공차 때문에 동심도가 흐트러지게 되며, 더구나 실제 자기 베어링이 고속 회전하는 로터에 장착되었을 때에는 외부 진동이나 충격 등의 영향으로 이처럼 동심도가 어긋나게 되는 문제점이 있으며, 자기 베어링 모듈에서 자기 베어링 코어와 보조 베어링의 동심도가 유지되지 못하는 경우 자기 베어링의 목적을 달성하기 어려운 문제점이 있다.

종래의 자기 베어링 및 보조 베어링 일체형 복합 자기 베어링의 경우, 보조 베어링이 자기 베어링 코어와 일체형으로 조립되어 보조 베어링만 가공이 가능하며, 자기 베어링 코어의 가공은 불가능하였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링 모듈(100)에 따르면, 자기 베어링 코어(10) 및 코일(40)은 상기 정렬 지그(20)를 통하여 반복적인 분해 및 조립에도 항상 일정한 동심을 유지할 수 있다. 즉, 자기 베어링 코어(10) 조립 후에 보조 베어링(60)을 부착하는 구조로서 자기 베어링 코어(10)의 정렬 후 동심 가공이 이루어지고 이후 보조 베어링(60)을 배치한 후 자기 베어링 코어(10)의 동심에 맞추어 동심 가공이 이루어져 자기 베어링 코어(10)의 동심에 용이하게 맞출 수 있으며, 1회의 동심 가공 후 항상 일정한 동심을 유지할 수 있어, 반복적인 분해 조립 후에도 재차 동심 가공을 수행할 필요가 없다. 따라서, 본 발명의 자기 베어링 모듈(1000)의 상기 자기 베어링 코어(10) 및 상기 보조 베어링(60)는 동심을 이룰 수 있다.

상기 영구 자석(30)은 상기 자기 베어링 코어(10)의 최외측부에 구비된다.

예를 들어, 상기 영구 자석(30)은 상기 제1 베어링 코어(10A) 및 상기 제2 베어링 코어(10B)와 접촉하는 면과 동일한 형상으로 구비될 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 자기 베어링 코어(10)는 단면이 모두 직사각형의 형태를 가진다. 기존에는 영구 자석과 접하는 자기 베어링 코어의 외경이 호 형태를 가져 영구 자석 역시 자기 베어링 코어의 외경과 동일한 형상인 호 형상으로 제작되어야 하였으며, 이에 자기 베어링 모듈의 사이즈 변경시 영구 자석의 제작에 큰 어려움이 있었다.

상기 코일(40)은 상기 자기 베어링 코어(10)를 둘러쌀 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 제1 실시예에 있어서 상기 코일(40)은 상기 로터(10)의 축 방향으로 상기 자기 베어링 코어(10)를 둘러쌀 수 있다.

이와 달리, 후술할 도 7 내지 도 9를 참조하면 본 발명의 제2 실시예에 있어서 상기 코일(40)은 상기 로터(10)의 반경 방향으로 상기 자기 베어링 코어(10)를 둘러쌀 수 있다. 즉, 상기 영구 자석(30)을 둘러싸는 형태일 수 있다.

상기 하우징(50)은 상기 자기 베어링 코어(10), 상기 영구 자석(30) 및 상기 코일(40)의 상부, 측부 및 하부를 커버한다. 상기 하우징(50)은 복수개의 하우징 부재를 통하여 상기 자기 베어링 코어(10), 상기 영구 자석(30) 및 상기 코일(40)의 상부, 측부 및 하부를 커버할 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 제1 실시예의 하우징(50)은 상부 하우징(50A), 측부 하우징(50B) 및 하부 하우징(50C, 50D)을 포함하여 구성될 수 있다.

이와 달리, 후술할 도 7 내지 도 9를 참조하면 본 발명의 제2 실시예의 하우징은 상부 하우징 및 하부 하우징을 포함하여 구성될 수도 있다.

상기 하우징(50)의 구성은 특별히 한정되는 것은 아니며, 상기 자기 베어링 코어(10), 상기 영구 자석(30) 및 상기 코일(40)의 상부, 측부 및 하부를 커버할 수 있고, 상기 보조 베어링(60)을 상부에 고정시킬 수 있는 구성이면 용이하게 변경될 수 있다.

상기 보조 베어링(60)은 상기 자기 베어링 코어(10)의 상측에 배치되어 상기 로터(1)를 지지한다.

일반적으로 상기 로터(1) 상에 보조 베어링을 구비하며 이러한 보조 베어링은 볼 베어링을 사용하여 왔으며 이 경우 보조 베어링 배치에 따라 로터의 길이가 증가하게 되며, 로터 길이 증가에 따라 시스템 부피가 증가하여 안정정인 로터의 회전이 어려운 문제점이 있었다. 또한, 상기의 문제점을 극복하기 위하여 자기 베어링 코어의 내측, 예를 들어 고정자측 코어의 내측에 보조 베어링을 배치하여 이러한 시스템 부피 증가의 문제를 해결하고자 하였으나, 이의 경우 보조 베어링 상에 자기 베어링 코어를 설치하여 조립하는 구조로서 보조 베어링의 형상이 매우 복잡하게 제작되어 이의 가공이 어려우며, 보조 베어링의 파손시 자기 베어링 모듈 전체를 분해하여 보조 베어링을 교체한 후 다시 자기 베어링 모듈을 조립해야 하므로 작업에 시간 및 비용이 상당히 소모되는 문제점이 있었다.

이에 본 발명의 상기 보조 베어링(60)은 상기 자기 베어링 코어(10)의 상측에 배치되며, 이에 상기 보조 베어링(60)은 상기 하우징(50)의 상부에 결합 고정될 수 있다. 상기 자기 베어링 모듈(1000)의 사용 중에 상기 보조 베어링(60)이 파손되는 경우 상기 자기 베어링 모듈(1000)을 분해하지 않더라도 용이하게 상기 보조 베어링(60)을 분리하여 새제품으로 탈부착이 가능하다.

예를 들어, 상기 보조 베어링(60)은 하부 링 부재(60A) 및 상부 고정 부재(60B)를 포함할 수 있다.

상기 하부 링 부재(60A)는 링(ring) 형상을 가질 수 있다. 상기 상부 고정 부재(60B)는 상기 하부 링 부재(60A)의 상부에 연결되고, 상기 하부 링 부재(60A)의 외측으로 방사 방향으로 돌출되는 복수의 돌기를 포함하되, 인접하는 돌기들은 각각 일정 간격만큼 이격되어 배치될 수 있다.

상부 고정 부재(60B)는 상기 하우징(50)의 상부에 결합 고정되는데, 도시하지는 않았으나 상기 하우징(50)과 볼트 결합을 통하여 고정될 수 있다.

예를 들어, 상기 하우징(50)은 상기 자기 베어링 코어(10), 상기 영구 자석(30) 및 상기 코일(40)의 상부를 커버하는 상부 하우징(50A), 상기 상부 하우징(50A)과 결합되어 측부를 커버하는 측부 하우징(50B) 및 상기 측부 하우징(50B)과 결합되어 하부를 커버하는 하부 하우징(50C, 50D)를 포함하고, 이때 상기 상부 하우징(50A)은, 상기 로터(1)가 수용되는 관통홀(미도시), 상기 관통홀보다 큰 내경을 가져 상기 하부 링 부재(60A)를 지지하는 하부 결합홈(미도시) 및 상기 하부 결합홈보다 큰 내경을 가져 상기 상부 고정 부재(60B)를 지지하는 상부 결합홈(미도시)을 포함할 수 있다.

상기 하부 링 부재(60A)는 상기 하우징(50)의 하부 결합홈의 내경에 삽입되어 상기 로터(1)의 반경 방향 움직임을 제어할 수 있다.

이에, 상기 보조 베어링(60)은 상기 자기 베어링 모듈(1000)에 포함되어 상기 하우징(50) 상에 배치되어 상기 로터(1) 상에 상기 보조 베어링(60)이 설치되기 위한 별도의 공간 내지 로터의 길이를 필요로 하지 않으며, 뿐만 아니라 상기 보조 베어링(60)의 탈착 내지 부착이 용이하여 상기 자기 베어링 모듈(1000)의 분해가 없이도 용이하게 수리 내지 교체가 가능한 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기 베어링 모듈(1000)은 상기 로터(1)의 반경방향 진동을 감지하는 센서(70)를 포함한다.

상기 센서(70)은 상기 하우징(50)의 상부에 상기 로터(1)의 반경방향으로 배치된다.

상기 센서(70)는 상기 로터(1)와 상기 자기 베어링 코어(10) 사이의 간격을 감지한다. 즉, 상기 로터(1)의 반경방향의 변위를 감지할 수 있다.

상기 센서(70)는 상기 코일(40)과 전기적으로 연결되어 있으며, 측정된 상기 로터(1)와 상기 자기 베어링 코어(10)의 간격을 감지하여 갭 센서 앰프(미도시)로 전기적 신호를 전달하고, 상기 갭 센서 앰프는 상기 간격을 기초로 상기 코일(40)에 제공되는 구동 전류를 계산하며 상기 계산된 구동 전류는 전류 드라이버(미도시)를 통하여 상기 코일(40)에 공급한다. 이에 상기 로터(1)와 상기 자기 베어링 코어(10)의 간격을 일정하게 유지할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 모듈을 설명하기 위한 분해 사시도이다. 도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 모듈을 설명하기 위한 단면도이다. 도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 모듈을 설명하기 위한 단면 사시도이다.

도 1 및 도 7 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 자기 베어링 모듈을 설명하도록 한다.

제2 실시예에 따른 자기 베어링 모듈(200)은 제1 실시예에 따른 자기 베어링 모듈(100)과 자기 베어링 코어 및 코일의 결합 관계, 그리고 이들 결합 관계에 따라 변화된 하우징을 제외하고는 나머지 구성은 동일 내지 유사하다. 따라서, 이후 반복되는 설명은 생략하거나 간략히 하도록 한다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 상기 자기 베어링 모듈(200)은, 자기 베어링 코어(110), 정렬 지그(120), 영구 자석(130), 코일(140), 하우징(150) 및 보조 베어링(160)을 포함한다.

제2 실시예로서 도 1 및 도 7 내지 도 9를 참조하면, 코일(140)이 자기 베어링 코어(110)를 둘러싸도록 배치되되, 영구 자석(130)을 둘러싸는 형태를 가지는 호모폴라(homopolar) 형 자기 베어링 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 코일(40)은 상기 로터(10)의 반경 방향으로 상기 자기 베어링 코어(10)를 둘러쌀 수 있다.

제2 실시예로서 도 1 및 도 7 내지 도 9를 참조하면, 하우징(150)은 상부 하우징(150A) 및 하부 하우징(150B)을 포함하여 구성될 수도 있다.

이러한 하우징 구성은 제1 실시예와 목적 내지 효과의 면에서 상이하지 않으며, 상부 및 측부 하우징이 분리된 형태이거나 이들이 일체형으로 제조된 형태인 것을 사용할 수 있다. 즉, 하우징은 상기 자기 베어링 코어(110), 상기 영구 자석(130), 및 상기 코일(140)의 상부, 측부 및 하부를 커버하고, 상부에 보조 베어링(160)이 탈부착 가능한 구조라면, 이에 한정되지 않고 다양하게 제작될 수 있다.

상기 도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 자기 베어링 시스템이 구비된 로터 모듈(1000)은, 로터(1) 및 자기 베어링 모듈들(100, 200)을 포함한다.

상기 로터(1)의 상측 및 하측에 2개 이상의 자기 베어링 모듈이 배치될 수 있는데, 이때에 배치되는 자기 베어링 모듈은 상기 제1 실시예에 따른 자기 베어링 모듈(100)이 상하측에 모두 배치될 수 있다. 이와 달리 상기 자기 베어링 모듈은 상기 제2 실시예에 따른 자기 베어링 모듈(200)이 상하측에 모두 배치될 수도 있으며, 추가로 상기 제1 실시예에 따른 자기 베어링 모듈(100) 및 상기 제2 실시예에 따른 자기 베어링 모듈(200)이 위아래로 혼합하여 배치된 구조를 가질 수도 있다.

상기 로터(1) 상에 자기 베어링 모듈들(100, 200)이 배치되는 자기 베어링 시스템이 구비된 로터 모듈(1000)에 있어서, 시스템 구성의 조건 내지 기타 요구 조건에 따라 자기 베어링 형태는 헤테로폴라 형 및/또는 호모폴라 형 자기 베어링 형태를 선택적으로 설치할 수 있다.

상술한 바에 있어서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 변형이 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

1000: 로터 모듈
100, 200: 제1, 제2 자기 베어링 모듈
1: 로터 10, 110: 자기 베어링 코어
20, 120: 정렬 지그 30, 130: 영구 자석
40.140: 코일 50, 150: 하우징
60, 160: 보조 베어링 70, 170: 센서

Claims

로터 둘레에 구비되어 마찰을 저감하는 자기 베어링 모듈에 있어서,
상기 로터 둘레를 둘러싸며, 상기 로터를 중심으로 방사 방향으로 서로 대칭되도록 복수개가 배치되는 자기 베어링 코어;
상기 자기 베어링 코어의 최외측부에 구비되는 영구 자석;
상기 자기 베어링 코어를 둘러싸는 코일;
상기 자기 베어링 코어의 상측에 배치되어 상기 로터를 지지하는 보조 베어링; 및
내부에 상기 로터가 수용되는 관통부가 구비되며, 상기 자기 베어링 코어와 끼움 결합이 가능한 삽입홈이 구비되는 정렬 지그를 포함하며,
상기 정렬 지그는 각 모서리에 단턱부가 형성되어 인접하는 단턱부들 사이에 상기 삽입홈을 포함하고, 상기 자기 베어링 코어는 각 단부의 양측면이 단차를 가져 일부가 돌출된 돌출부를 포함하며, 상기 자기 베어링 코어의 상기 돌출부는 상기 정렬 지그의 상기 삽입홈에 끼움 결합되는 자기 베어링 모듈.
삭제
제1항에 있어서,
상기 자기 베어링 코어는 서로 분리된 ㄱ자 형상의 제1 베어링 코어 및 ㄴ자 형상의 제2 베어링 코어를 포함하며,
대칭하여 배치된 상기 제1 베어링 코어 및 상기 제2 베어링 코어의 사이에 상기 영구 자석이 배치되어 상기 자기 베어링 코어는 ㄷ자 형상을 가지며,
상기 코일은 상기 제1 및 제2 베어링 코어 각각에 삽입 결합되어 상기 제1 및 제2 베어링 코어를 둘러싸는 자기 베어링 모듈.
제3항에 있어서,
상기 영구 자석은 상기 제1 베어링 코어 및 상기 제2 베어링 코어와 접촉하는 면과 동일한 형상으로 구비되는 자기 베어링 모듈.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 자기 베어링 코어, 상기 영구 자석 및 상기 코일을 커버하는 하우징을 포함하며,
상기 보조 베어링은 상기 하우징의 상부에 결합 고정되는 자기 베어링 모듈.
제7항에 있어서,
상기 보조 베어링은,
링 형상을 가지는 하부 링 부재; 및
상기 하부 링 부재의 상부에 연결되고, 상기 하부 링 부재의 외측으로 방사 방향으로 돌출되는 복수의 돌기를 포함하되, 인접하는 돌기들은 각각 일정 간격만큼 이격되어 배치되는 상부 고정 부재를 포함하는 자기 베어링 모듈.
제7항에 있어서,
상기 하우징의 상부에 상기 로터의 반경방향으로 배치되고, 상기 하우징의 측면에 형성된 홀에 삽입 결합되며, 상기 로터의 반경방향 진동을 감지하는 센서를 포함하는 자기 베어링 모듈.
제1항에 있어서,
상기 자기 베어링 코어 및 상기 보조 베어링는 동심을 이루는 자기 베어링 모듈.