KR100928948B1

KR100928948B1 - 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링 및 그 제어시스템

Info

Publication number: KR100928948B1
Application number: KR1020070106732A
Authority: KR
Inventors: 이용복; 김창호; 김승종; 이상화; 김희수
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2009-11-30
Also published as: US20100247010A1; CN101910657A; CN101910657B; US8772992B2; KR20090041162A; WO2009054562A1

Abstract

본 발명은 고속회전장치의 회전체를 지지하기 위해 마그네틱베어링과 공기포일베어링이 결합한 형태의 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링 및 그 제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링은 회전장치의 회전축 외면을 둘러싸며 형성되는 하우징과, 상기 하우징과 회전축 사이에 배치되어 회전축의 회전 시 동압을 형성하여 회전축을 부상시키는 공기포일베어링과; 상기 하우징의 내면에 방사상으로 복수 개가 상기 회전축의 중심을 향해 돌출된 코어와, 상기 각 코어에 권취되는 코일로 이루어져, 상기 코일에 전류가 인가되어 형성되는 자기력에 의한 인력을 이용하여 회전축을 부상시키는 마그네틱베어링과; 상기 공기포일베어링을 마그네틱베어링에 결합시키는 결합편을 포함한다. 상기 마그네틱베어링은 초기구동 또는 종료시, 공기포일베어링만이 작동하는 하이브리드 베어링의 공진영역, 그리고 외력이 인가된 경우에 작동하도록 제어된다.

공기포일베어링, 마그네틱베어링, 하이브리드, 다공성포일, 속도센서, 위치센서

Description

공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링 및 그 제어시스템 {AN AIRFOIL-MAGNETIC HYBRID BEARING AND A CONTROL SYSTEM THEREOF}

본 발명은 고속 회전장치의 회전축을 지지하는 베어링 및 그 제어시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산업용 압축기, 송풍기는 물론 항공기용 보조동력장치(APU)나 공기조화시스템(ACM) 등과 같은 고속회전장치의 회전체를 지지하기 위해 마그네틱베어링과 공기포일베어링이 결합한 형태의 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 회전장치의 베어링은 회전축의 회전 시 발생하는 공기의 동압을 이용하여 부상시키는 공기포일베어링(airfoil bearing)과, 자기장에 의한 자기력을 이용하여 회전축을 부상시키는 마그네틱베어링 등이 있다. 공기포일베어링은 회전축과 하우징 사이에서 공기막을 형성하기 때문에 마찰이 적어 고속의 회전장치에 많이 사용된다. 마그네틱베어링은 전자석의 자력을 조절할 수 있으므로 제어가 쉬운 장점이 있으나, 고속회전 시 제어가 어렵다. 특히, 고속에서 회전축이 일측으로 치우쳐 자극에 접촉하여 회전하는 경우 시스템이 파단될 수 있다. 따라서, 공기포일베어링과 마그네틱베어링의 장점을 살리기 위하여 공기포일베어링과 마그네 틱베어링이 함께 사용되는 하이브리드 베어링이 대두하였다.

이하, 도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 고속회전장치의 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링을 상세히 설명한다.

도 1은 종래 기술에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 일 예를 도시한 측단면도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링은 원통형의 하우징(10)의 중심부에 배치된 회전축(20)의 주위로 공기포일베어링(30)과 마그네틱베어링(50)이 차례로 배치된다. 하우징(10)에는 코어(51)가 회전축(20)과 평행한 방향으로 형성되고, 그 주위에 코일(52)이 권취된다. 하우징은 마그네틱베어링(50) 내측으로 더 연장되며, 이러한 연장부에 공기포일베어링(30)이 장착된다.

그러나 상기와 같은 종래의 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링은 하우징(10)의 길이 방향으로 코어(51)를 형성하여야 하고 이 코어(51)에 코일(52)을 권취하여야 하므로 전체 회전로터의 길이가 길어지는 문제점이 있다.

이는, 공기포일베어링(30)과 마그네틱베어링(50)이 직접 연결되지 않고 하우징(10)에 구비되어야 하므로 축방향 길이(L1)가 현저히 길어지고, 공기포일베어링(30)과 마그네틱베어링(50) 사이의 간격이 발생하므로 하우징(10)의 회전축(20) 원주 방향의 두께가 커지기 때문에 하이브리드 베어링의 전체 부피가 커지고 하우징(10) 없이는 공기포일베어링과 마그네틱베어링(50)을 결합할 수 없는 문제점이 있다.

또한, 공기포일베어링(30)과 마그네틱베어링(50)간의 간격에 의해 마그네틱 베어링(50)이 회전축에서 멀리 배치되므로 마그네틱베어링(50)의 지지효율이 낮아지는 또 다른 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 마그네틱베어링과 공기포일베어링을 직접결합하여 회전축과 마그네틱베어링 사이의 간격을 현저히 줄일 수 있어서 마그네틱베어링의 지지효율을 증가시킬 수 있고, 하우징이 공기포일베어링을 직접 장착할 필요가 없어서 하우징이 차지하는 공간을 현저히 줄일 수 있는 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 마그네틱베어링을 부상속도 이전, 외력이 인가되는 경우, 공진 주파수 부근에서 사용하도록 제어하여, 능동적으로 회전축을 지지하고, 충분한 동압을 얻을 수 있고 정상상태로 회전할 수 있는 속도구간에서는 공기포일베어링에 의한 유막으로 회전축을 지지함으로써 각 베어링을 효과적으로 사용할 수 있는 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링은 회전장치의 회전축 외면을 둘러싸며 형성되는 하우징과, 상기 하우징과 회전축 사이에 배치되어 회전축의 회전 시 동압을 형성하여 회전축을 부상시키는 공기포일베어링과; 상기 하우징의 내면에 방사상으로 복수개가 상기 회전 축의 중심을 향해 돌출된 코어와, 상기 각 코어에 권취되는 코일로 이루어져, 상기 코일에 전류가 인가되어 형성되는 자기장에 의한 인력을 이용하여 회전축을 부상시키는 마그네틱베어링과; 상기 공기포일베어링을 마그네틱베어링에 결합시키는 결합편을 포함한다.

상기 마그네틱베어링은 마그네틱베어링이 작동하지 않는 진동모드에서의 공진속도 영역에서 작동하거나, 상기 회전축이 구동된 후 회전축의 회전속도가 공기포일베어링에 의한 회전축 부상속도에 이를 때까지 작동하거나, 상기 회전축의 진폭이 설정 진폭보다 큰 경우 작동하는 것이 바람직하다.

상기 코어와 코일 사이는 유전체로 충진되는 것이 바람직하며, 상기 유전체에는 고정홈이 형성되고, 상기 결합편에는 상기 공기포일베어링의 일단이 결합되고, 상기 고정홈에 상기 결합편이 축방향으로 삽입되어 체결되는 것이 바람직하다.

상기 고정홈은 회전축 중심으로 갈수록 좁아지는 형상으로 이루어지고, 상기 결합편은 상기 고정홈에 대응하는 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 공기포일베어링은 다공질의 탄성체로 이루어진 다공성포일과, 상기 다공성포일에 적층되어 회전축에 인접하게 배치된 탑포일로 이루어지며, 상기 공기포일베어링의 일단은 상기 결합편에 결합되고 타단은 자유단으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링 제어시스템은 회전장치의 회전축 외면을 둘러싸며 형성되는 하우징과, 상기 하우징과 회전축 사이에 배치되어 회전축의 회전시 동압을 형성하여 회전축을 부상시켜 지지하는 포일형 공기포일베어링과, 상기 공기포일베어링과 하우징 사이에 배치되어 자기장에 의 한 인력을 이용하여 회전축을 부상시켜 지지하는 마그네틱베어링을 포함하는 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링과; 상기 회전축 중심의 진폭을 감지하는 위치센서와; 상기 회전축의 회전속도를 측정하는 속도센서와; 상기 마그네틱베어링을 제어하는 제어기를 포함하며, 상기 제어기는 상기 속도 센서에서 측정된 회전속도가 상기 공기포일베어링만으로 회전축을 부상시킬 수 있는 부상속도보다 낮은 경우 또는 마그네틱베어링이 작동하지 않는 경우의 공진 영역인 경우 또는 상기 위치센서에서 감지된 위치가 설정된 위치를 벗어나는 진폭을 갖는 경우 마그네틱베어링을 가동한다.

상기 제어기는 상기 회전장치의 작동이 시작되면, 상기 회전축의 속도가 공기포일베어링이 회전축을 부상시킬 수 있는 동압을 형성할 수 있는 부상속도에 다다를 때까지 마그네틱베어링을 가동하고, 상기 회전장치의 작동이 정지되면, 상기 회전축이 부상속도에 다다른 이후 회전축이 회전하지 않을 때까지 마그네틱베어링을 가동하도록 제어한다.

상기 마그네틱베어링이 가동되지 않는 진동모드의 공진영역은 공진 속도의 90% 내지 110% 사이의 회전속도 범위인 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 공기포일베어링과 마그네틱베어링이 하이브리드 구조로 되어 회전로터의 길이를 줄일 수 있어, 고속 회전시 강성모드 운전 만으로 진동이 적은 영역에서 운전이 가능하고, 또한, 전체 시스템의 부피를 현저히 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 결합편을 이용하여 공기포일베어링을 용이하게 착탈할 수 있으므로, 공기포일베어링의 파손시 또는 상황에 따라 공기포일베어링의 두께 또는 재질을 변경하고자 하는 경우 그 교체가 용이해지는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 부상속도에 이르기 전의 초기 구간, 공진 주파수 영역, 그리고 외력이 인가된 경우에는 마그네틱베어링을 작동시켜 회전축을 부상시키고 그 외의 경우에는 공기포일베어링을 사용함으로써 회전축을 효과적으로 지지하고 회전축의 위치를 일정하게 제어할 수 있으며, 베어링의 내구성을 높일 수 있는 효과가 있다.

이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링을 도시한 정단면도이고, 도 3은 도 2의 측단면도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 베어링 하우징(110)의 중심방향으로 돌출되며 하우징 내부에 방사상으로 복수개가 배치되는 코어(111)와, 코어(111)에 권취되는 코일(120)및 이들 사이에 충진되는 유전체(112)로 이루어지는 마그네틱베어링(101)과; 다공성포일(130)과 탑포일(140)로 이루어지는 공기포일베어링(102)과; 마그네틱베어링(101)과 공기포일베어링(102)를 결합하는 결합편(150)을 포함한다. 인접한 코어(111)의 간격은 하우징의 중심으로 갈수록 좁아지므로 코일(120)은 내측부(121)와 외측부(122)의 권취밀도가 다르게 형성하였다. 이들 코일은 분리되지 않고 연속적으로 권취되며, 권선수는 동일하다. 마그네틱베어링(101)의 유전체(112)중 하나는 중심 일부가 유전물질로 충진되지 않고, 결합편(150)이 고정될 홈이 형성된다. 결합편(150)에는 공기포일베어링(102)의 일단이 고정된다. 도면에서 다공성포일(130)과 탑포일(140)은 결합편(150)에 나사(160)로 결합된다. 회전축(103)은 마그네틱베어링(101)의 자기력이 미칠 수 있도록 강자성체로 이루어지거나, 마그네틱베어링에 대응하는 부분이 강자성체로 이루어진다.

공기포일베어링(101)에서 다공성포일(130)은 다공질의 탄성체로 이루어진 다공성포일(wired meshed foil)이며, 탑포일(140)은 회전축(도시하지 않음)과 인접하게 배치되어 회전축의 회전시 회전축과의 사이에 공기막을 형성하여 회전축을 부상시키기 위한 것이다. 다공성포일(140)은 감쇠성능이 뛰어나서 초고속의 회전장치에 적합한 공기포일베어링 요소이다.

도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 구성은 코어(111)의 내측단이 회전축(103)에 최대한 가까이 배치되어 마그네틱베어링(101)의 효율을 극대화 시킬 수 있다. 또한, 종래기술(a)에는 코어가 회전축과 평행하게 배치된 반면 본 발명(b)은 코어(111)가 회전축과 직교하게 배치된다. 따라서, 하우징(110)이 마그네틱베어링(101) 및 공기포일베어링(102)을 모두 감싸도록 형성될 필요가 없으므로 마그네틱베어링(101)의 축방향 길이(L2)가 종래기술 (a)의 마그네틱베어링의 길이(L1)에 비해 현저히 줄어들어 베어링이 축방향으로 차지하는 공간을 줄일 수 있다.

도 4는 도 2의 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 마그네틱베어링 및 하우징만을 도시한 정단면도이고, 도 5는 도 2의 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 공기포일베어링 및 결합편을 도시한 정단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 마그네틱베어링(101)의 유전체(112) 중 하나에는 중심에서 마그네틱 베어링까지 유전물질이 충진되지 않음으로써 형성된 5각형의 고정홈(113)이 형성된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 결합편(150)은 고정홈(113)에 대응하는 형상이며, 다공성포일(130) 및 탑포일(140)의 일단이 결합편(150)에 나사(160)로 결합된다.

이하, 상기와 같은 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 작용 및 효과를 설명한다.

고정홈(113)은 하우징(110)의 중심으로 갈수록 좁아지는 형상을 갖고, 결합편(150)도 이와 마찬가지로 중심으로 갈수록 좁아지는 형상이므로 결합편(150)이 원주방향으로는 이탈하지 않는다. 따라서, 공기포일베어링(102)이 하우징에 의해 결합되는 것이 아니라 결합편(150)을 이용하여 마그네틱베어링(101)에 결합되므로 하이브리드 베어링의 부피가 현저히 줄어든다.

또한, 코어가 공기포일베어링(102)에 의해 회전축과 차단되므로, 마그네틱베어링(101) 가동 중에 강자성체인 회전축이 마그네틱베어링(101)에 직접 닿는 위험성이 완벽히 제거된다.

도 6은 본 발명에 따른 공기포일-마그네틱베어링에서 공기포일베어링을 마그네틱베어링에 결합하는 과정을 도시한 사시도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 공기포일베어링(102)은 일단이 결합편(150)에 결합되고 결합편(150)은 고정홈(113)에 축방향으로 삽입될 수 있다. 따라서, 마그네틱베어링(101)과 공기포일베어링(102) 의 결합이 용이하다. 즉, 공기포일베어링(102)의 장착 및 교체가 용이하며, 공기포일베어링(102)이 파손되어 교체가 필요한 경우 그 교체작업이 용이하며, 상황에 따라 공기포일베어링(102)의 두께 또는 재질을 변경하고자 하는 경우에도 공기포일베어링(102)의 교체작업이 용이하다.

이하, 도 7 내지 도 12을 참조하여 본 발명에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 제어시스템의 실시예를 설명한다.

도 7은 도 5의 마그네틱베어링에 전류가 인가되어 형성된 자기장을 개략적으로 도시한 개념도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예는 8개의 코어(111)를 상하 대칭으로 형성하였다. 인접한 두 코어(111)에 권취된 코일(112)에 의한 자기장의 방향은 동일하고. 그에 인접한 두 코어(111)에 권취된 코일(112)에 의한 자기장의 방향은 반대이다. 전류를 인가하면, 회전축 주위로 4개의 순환 형태의 자기장이 형성된다. 회전축은 자중이 있으므로 자기장에 의한 인력이 상측에 더 많이 작용하여야 한다. 따라서, 상측의 자기장을 형성하는 코일에는 바이어스 전류(I₀₁)와 제어전류(i)를 더하여 (I₀₁+i)의 전류를 인가하고, 하측의 코일에는 바이어스 전류(I₀₂)에서 제어전류(i)만큼 적게 (I₀₂-i)의 전류를 인가한다.

도 8은 본 발명에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 제어시스템을 도시한 블록도이다. 도시된 바와 같이, 본 제어시스템은 회전축(103)의 속도를 감지하는 센서(211)와, 베어링(100)에 장착되어 회전축(103)의 중심에서의 위치변화를 감지하는 진동상태분석기(212)와, 이들 회전축의 속도 및 회전축의 위치에 따 라 마그네틱베어링에 인가되는 전류를 제어하는 제어기(200)와 마그네틱베어링에 인가될 전류를 증폭하는 증폭기(220)를 포함한다. 제어기(200)는 증폭기(220)를 제어하여 마그네틱베어링(101)에 인가되는 전류의 세기를 조절한다. 또한, 증폭기(220)에서 마그네틱베어링에 인가되는 전류를 계속적으로 감지한다. 진동상태분석기(212)는 정면에서 본 베어링(100')의 회전축(103)의 진폭을 감지하는 것으로서, FFT분석기 또는 오실로스코프일 수 있다.

도 9는 도 8의 시스템에서 마그네틱베어링의 작동을 제어하는 과정을 도시한 순서도이다. 도시된 바와 같이, 제어부(200)가 마그네틱베어링(101)을 작동하는 때는 초기 구동조건이거나, 외력이 인가되는 경우이거나, 마그네틱베어링(101)에 전류가 인가되지 않은 상태의 베어링 진동모드(이하, 제1 진동모드)에서 공진 영역에 다다른 경우이다. 우선 회전장치의 구동이 시작되는 초기에는 공기포일베어링(102)이 회전축을 지지하기 위한 충분한 동압이 생성되기 어려우므로 마그네틱베어링(101)을 가동한다(S10). 공기포일베어링(102)이 회전축(103)을 부상시키기에 충분한 동압을 얻는 회전속도를 부상속도 W1이라고 설정해두면, 속도센서(211)가 감지한 회전속도 W가 W1보다 큰 경우 마그네틱베어링(101)의 가동을 중단한다(S20). 반대로 회전장치가 정지된 경우에는 회전축(103)의 회전속도가 부상속도 W1일 때부터 회전속도가 0인 경우까지 마그네틱베어링(101)을 가동하는 것이 바람직하다. 본 실시예의 하이브리드 베어링은 초고속회전장치에 사용되기 때문에, 회전장치 가동 중에는 부상속도 밑으로 떨어지지 않는다. 따라서, 회전장치가 정지된 후 회전축(103)의 회전속도 W가 공기포일베어링(102)에 의한 회전축(103)의 부 상속도 W1보다 작아지면 마그네틱베어링을 가동한다(S30). 회전축(103)의 회전이 완전히 정지되어 회전속도 W가 0이 되면 마그네틱베어링(101)의 가동도 중단한다(S31). 본 실시예와는 다른 저속의 회전장치에 사용되는 하이브리드 베어링인 경우에는 회전장치의 가동여부에 관계없이 회전속도 W가 부상속도W1 보다 작은지를 실시간으로 감지하여 회전속도W가 부상속도W1 보다 작아진 때부터 회전속도W가 0이 될 때까지 마그네틱베어링을 가동하여야 한다.

임계속도 W2는 공기포일베어링만 사용되는 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 진동모드에 따른 공진속도를 의미하며, W0는 W2의 10%수치이다. 본 실시예에서 마그네틱베어링(101)은 회전축(103)이 임계속도의 90% 에서 110% 사이에서 회전하는 동안 가동된다. 제어부는 회전속도W가 임계속도의 90% 속도인 W2-W0보다 크고 임계속도의 110% 속도인 W2+W0보다 작은지를 판단하고(S40), 그 사이 값이면 마그네틱베어링(101)을 가동한다(S41).

시스템의 초기 가동 또는 정지 상태가 아니고 공진 영역이 아닌 부상속도 이상의 영역에서는 공기포일베어링(102)이 회전축(103)을 지지하는 것이 바람직하지만, 외력이 인가된 경우 회전축(103)의 위치가 변하여 공기포일베어링과 마찰할 수 있고 심지어 파단될 수 있다. 따라서, 회전축(103)의 진동상태분석기(212)에서 감지한 회전축(103) 중심의 위치가 일정 진폭을 넘어서는 경우 마그네틱베어링(101)을 가동하는 것이 바람직하다. S는 외력이 인가되는지를 판단하는 설정진폭이다. 제어기(200)는 위치 센서를 통해 진동상태분석기(212)에서 분석한 회전축의 진폭 X가 S를 넘어서는지를 판단하여(S50) 회전축(103)의 진폭 X가 S보다 큰 경우 마그네 틱베어링(101)을 가동한다(S51).

이하, 도 10 내지 도 12를 참조하여 본 발명에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링 제어시스템의 작용 및 효과를 설명한다.

도 10은 본 발명에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링을 이용하여 회전축을 지지한 경우와 공기포일베어링 만을 이용하여 회전축을 지지한 경우의 회전축의 진폭을 도시한 오빗(orbit) 그래프이다. 도 10에서 A(두꺼운 선)는 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링을 이용하여 회전축(103)을 지지한 경우의 회전축의 진폭을 나타낸 것이고, B(얇은 선)는 공기포일베어링만 이용하여 회전축을 지지한 경우의 회전축의 진폭을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 동일한 RPM에서 공기포일베어링만 사용하는 B의 경우 감쇠성능 부족으로 인한 지지력 감소 등에 따라 회전축의 진폭이 커질 수 있다. 특히 실시예에서의 공진속도 20000RPM에서는 진폭이 매우 커짐을 알 수 있다. 그러나, A의 경우 진폭의 변화가 현저히 줄어든다. 즉, A의 경우 회전축 중심에서 회전축이 크게 벗어나지 않는다. 따라서, 진동의 감쇠성능이 현저히 향상되었음을 알 수 있다.

도 11은 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링을 이용하여 공진 영역에서의 진폭을 제어한 결과를 도시한 그래프이다. 본 발명에 따른 하이브리드 베어링은 두 개의 진동모드를 갖는다. 첫 번째 진동모드는 마그네틱베어링(101)이 가동되지 않고 공기포일베어링(102) 만이 사용된 경우의 제1 진동모드 C이고, 두 번째 진동모드는 공기포일베어링(102)과 마그네틱베어링(101)이 모두 사용되는 경우의 제2 진동모드 D이다. 도시된 바와 같이, 회전축(103)이 회전하기 시작되고 회전속도가 증가함에 따라 마그네틱베어링(101)을 사용하지 않는 상태에서는 C의 진동모드를 따라 진폭이 증가한다. 제1 진동모드의 공진영역 근방에서는 회전축의 진폭이 현저히 증가한다. 이때, 마그네틱베어링(101)을 가동하여 진폭을 감소시킬 수 있다. 마그네틱베어링(101)이 가동된 후에는 하이브리드 베어링이 D의 진동모드를 따르게 되고, 회전속도가 증가함에 따라 진폭이 다시 증가한다. 진동모드 C에서의 진폭은 공진속도 이후에는 감소하므로 C의 진폭과 D의 진폭이 만나는 점에서 마그네틱베어링의 가동을 정지하여 C의 진동모드를 따르도록 한다. 따라서, 회전축(103)의 진폭은 굵은 선을 따라 변화하며, 일정한 진폭 이내로 유지될 수 있다. 다만, 실시예에서는 각 진동모드가 만나는 회전속도를 정확히 측정하거나 계산하기는 어려우므로 진동모드 C의 공진속도의 90% 내지 110%의 영역에서 마그네틱베어링(101)을 가동하였다.

도 12는 종래 기술의 공기포일베어링과 본 발명에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 진동 워터폴(waterfall of vibration)을 비교한 그래프이다. 도시된 바와 같이, 공기포일베어링만 사용한 경우 회전축(101)의 자유단 또는 터빈단 근처에서 원으로 표시한 비동기 진동성분이 임계속도 이전에서 두드러짐을 알 수 있다. 그러나 전술한 실시예에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링을 사용한 결과 비동기 진동성분을 추가적으로 감쇠시킬 수 있어서 제진 성능이 현저히 향상되었음을 알 수 있다.

전술한 실시예 및 첨부된 도면에서 베어링은 저널 베어링으로 설명되었으나, 회전축을 축방향으로 지지하는 스러스트 베어링에도 사용될 수 있다. 즉, 회전축 에 원주방향으로 강자성체로 이루어진 스러스트 디스크가 형성되고, 디스크 전 후면에 공기포일베어링과 마그네틱베어링이 결합된 하이브리드 베어링이 장착되어 회전축을 축방향으로 지지할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 일 예를 도시한 측단면도,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링을 도시한 정단면도,

도 3은 종래기술과 비교하여 도시한도 2의 측단면도,

도 4는 도 2의 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 마그네틱베어링 및 하우징을 도시한 정단면도,

도 5는 도 2의 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 공기포일베어링 및 결합편을 도시한 정단면도,

도 6은 본 발명에 따른 공기포일-마그네틱베어링에서 공기포일베어링을 마그네틱베어링에 결합하는 과정을 도시한 사시도,

도 7은 도 5의 마그네틱베어링에 전류가 인가되어 형성된 자기장을 개략적으로 도시한 개념도,

도 8은 본 발명에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 제어시스템을 도시한 블록도,

도 9는 도 8의 시스템에서 마그네틱베어링의 작동을 제어하는 과정을 도시한 순서도,

도 10은 본 발명에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링을 이용하여 회전축을 지지한 경우와 공기포일베어링 만을 이용하여 회전축을 지지한 경우의 회 전축의 진폭을 도시한 오빗(orbit) 그래프,

도 11은 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링을 이용하여 공진 영역에서의 진폭을 제어한 결과를 도시한 그래프, 그리고

도 12는 종래 기술의 공기포일베어링과 본 발명에 따른 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링의 진동 워터폴(waterfall of vibration)을 비교한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

101: 마그네틱베어링 102: 공기포일베어링

103: 회전축 110: 하우징

111: 코어 112: 충진부

113: 고정홈 120: 코일

200: 제어기 211: 속도센서

212: 진동상태 분석기: 220: 증폭기

Claims

회전장치의 회전축 외면을 둘러싸며 형성되는 하우징과,

상기 하우징과 회전축 사이에 배치되어 회전축의 회전시 동압을 형성하여 회전축을 부상시키는 공기포일베어링과;

상기 하우징의 내면과 공기포일 베어링의 외면 사이에 배치되며, 상기 하우징의 내면으로부터 상기 회전축의 중심을 향해 각각 방사상으로 연장되는 복수개의 코어와, 상기 각 코어에 권취되는 코일로 이루어져, 상기 코일에 전류가 인가되어 형성되는 자기장에 의한 인력을 이용하여 회전축을 부상시키는 마그네틱베어링과;

상기 공기포일베어링을 마그네틱베어링에 결합시키는 결합편

을 포함하는 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링.
제1항에 있어서,

상기 마그네틱베어링은 마그네틱베어링이 작동하지 않는 진동모드에서의 공진속도 영역에서 작동하는

공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링.
제1항에 있어서,

상기 마그네틱베어링은 상기 회전축이 구동된 후 회전축의 회전속도가 공기포일베어링에 의한 회전축 부상속도에 이를 때까지 작동하는

공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링.
제1항에 있어서,

상기 마그네틱베어링은 상기 회전축의 진폭이 설정 진폭보다 큰 경우 작동하는

공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 코어와 코일 사이는 유전체로 충진되는

공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링.
제5항에 있어서,

상기 코어에 충전되는 유전체에는 고정홈이 형성되고,

상기 결합편에는 상기 공기포일베어링의 일단이 결합되고,

상기 고정홈에 상기 결합편이 축방향으로 삽입되어 체결되는

공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링.
제6항에 있어서,

상기 고정홈은 회전축 중심으로 갈수록 좁아지는 형상으로 이루어지고,

상기 결합편은 상기 고정홈에 대응하는 형상으로 이루어져 상기 결합편을 고 정홈에 회전축 길이방향으로 삽입하여 결합하는

공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 공기포일베어링은 다공질의 탄성체로 이루어진 다공성포일과, 상기 다공성포일에 적층되어 회전축에 인접하게 배치된 탑포일로 이루어지며,

상기 공기포일베어링의 일단은 상기 결합편에 결합되고 타단은 자유단으로 이루어지는

공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링.
회전장치의 회전축 외면을 둘러싸며 형성되는 하우징과, 상기 하우징과 회전축 사이에 배치되어 회전축의 회전시 동압을 형성하여 회전축을 부상시켜 지지하는 포일형 공기포일베어링과, 상기 하우징의 내면과 공기포일 베어링의 외면 사이에 배치되며 상기 하우징의 내면으로부터 상기 회전축의 중심을 향해 각각 방사상으로 연장되는 복수개의 코어와 상기 각 코어에 권취되는 코일로 이루어져, 상기 코일에 전류가 인가되어 형성되는 자기장에 의한 인력을 이용하여 회전축을 부상시켜 지지하는 마그네틱베어링을 포함하는 공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링과;

상기 회전축 중심의 진폭을 감지하는 위치센서와;

상기 회전축의 회전속도를 측정하는 속도센서와;

상기 마그네틱베어링을 제어하는 제어기를 포함하며,

상기 제어기는 상기 속도 센서에서 측정된 회전속도가 상기 공기포일베어링만으로 회전축을 부상시킬 수 있는 부상속도보다 낮은 경우와, 마그네틱베어링이 작동하지 않는 경우의 공진 영역인 경우와, 상기 위치센서에서 감지된 위치가 설정된 위치를 벗어나는 진폭을 갖는 경우에 마그네틱베어링을 가동하도록 제어하는

공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링 제어시스템.
제9항에 있어서,

상기 제어기는

상기 회전장치의 작동이 시작되면, 상기 공기포일베어링이 회전축을 부상시킬 수 있는 동압을 형성할 수 있는 부상속도에 다다를 때까지 마그네틱베어링을 가동하고, 상기 회전장치의 작동이 정지되면, 상기 회전축이 부상속도에 다다른 이후 회전축이 회전하지 않을 때까지 마그네틱베어링을 가동하도록 제어하는

공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링 제어시스템.
제9항에 있어서,

상기 마그네틱베어링이 가동되지 않는 진동모드의 공진영역은 공진 속도의 90% 내지 110% 사이의 회전속도 범위인

공기포일-마그네틱 하이브리드 베어링 제어시스템.