KR19990007042A - 고속 회전축의 가스 베어링 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따라서 한 쪽 끝에 배치된 공구를 포함하고, 축을 따라 배치된 반경 방향의 베어링을 위한 세 개 이상의 가스 베어링이 있고, 상기 가스 베어링들이 하나의 고정된 케이싱 안에서 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링의 베어링 구멍들이 서로 동심을 이루고 중앙에 있는 두 번째 베어링의 베어링 구멍이 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링의 베어링 구멍을 향해 편심 이동되어 설치된 고속 회전축의 가스 베어링에 있어서, 편심 이동이 조정 장치에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 베어링이 제조된다. 이 가스 베어링은 제작 비용이 저렴하고, 간단하게 제작할 수 있다.

Description

고속 회전축의 가스 베어링

특허 출원 JP 59-99112(A)에서 역학적 가스 베어링을 안정화시키기 위한 기본 구상이 설명되었다. 여기서 가스 베어링들은 서로를 향해 편심 이동되어 배치되며, 그 결과 고속 회전축의 고정 및 안정화가 이루어진다. 이 경우 고려해야 할 제작 공차가 매우 작기 때문에, 서로를 향해 편심 이동되어 배치된 베어링 보어들(bores of the bearing)을 제작하기 위해 매우 막대한 비용이 소요된다.

따라서 주(主) 특허 출원 197 25 784.4-12에서 보다 유리한 방법이 기술된다. 여기서는 특수한 조정 장치를 이용해서 가스 베어링의 편심 이동을 조정하는데, 이때 작은 제작 공차를 준수할 필요가 없다.

상기 베어링의 과제는 축과 공구로 이루어지는 기계 부품의 에너지 소비량을 줄이면서 고속의 회전 속도로 작동 정확도를 최대한 유지하면서, 최상의 동기(sychronism) 하에 회전하도록 하는 것이다. 특허 청구범위에 설명된 조정 장치가 있는 가스 베어링은 이같은 과제를 충족시킨다. 이 가스 베어링은 제작 비용이 저렴하고, 간단하게 제작할 수 있다.

가스 베어링을 서로를 향해 편심 이동시킴으로써 베어링과 축 사이에 가스 베어링 틈의 둘레에 폭이 가장 좁은 틈 높이(bearing gap height)가 형성된다(주 특허 출원 참조). 폭이 가장 좁은 이 틈 높이에 의해 주로 가스 베어링의 안정성과 강성이 좌우된다. 폭이 가장 좁은 이 틈 높이가 작으면 작을수록, 베어링의 강성이 커지고, 베어링이 불안정해지기 전에 축이 빠른 회전 속도에 도달할 수 있다. 또한 폭이 가장 좁은 틈 높이가 축소될수록 베어링의 효율도 끊임없이 증가한다. 즉, 베어링이 일정한 강성을 유지하기 위해, 그럼으로써 주어진 질량을 일정한 회전 속도로 안정성있게 회전하기 위해 필요한 동력이 점차 감소된다. 따라서, 최상의 베어링은 폭이 가장 좁은 베어링 틈 높이가 점차 작아지는 경우라는 결론을 얻을 수 있다.

팽팽하게 당겨서 형태를 잡거나 끼워맞춤 축(fitting shaft)을 이용한 조정에 의해 폭이 가장 좁은 틈 높이를 안정성있게 제작하기 위해서는 항상 제작 공차가 매우 작아야 하기 때문에, 제작에 어려움이 따른다. 가령 폭이 가장 좁은 틈 높이를 1 - 3 μm로 실현하기 위해서는 축과 베어링의 제작 공차가 0.1 - 0.5 μm의 범위를 벗어나서는 안된다.

본 발명에 따라 폭이 가장 좁은 틈 높이를 가스 베어링을 작동하면서 직접 조정하되, 이때 베어링의 진동을 이용하면 보다 유리하다는 사실이 발견되었다. 그러나 베어링의 편심 이동을 위해 정확한 조정 장치를 사용해야만 폭이 가장 좁은 틈 높이를 이처럼 역학적으로 제작할 수 있다.

폭이 가장 좁은 베어링 틈 높이는 베어링이 진동 불안정성(oscillation instability; 소위 고주파 회전(high-frequency whirl))이 나타나는 회전 속도까지 작동되도록 역학적으로 조정된다. 그런 다음 조정 장치로 베어링을 편심 이동시키면, 폭이 가장 좁은 틈 높이가 형성되고, 베어링이 안정된다. 그러면 베어링이 다시 불안정해질 때까지 회전 속도를 더욱 증가시킬 수 있다. 그리고 나서는 베어링이 다시 안정적으로 회전할 수 있을 때까지 조정 장치로 폭이 가장 좁은 틈 높이를 더욱 축소시켜야 한다. 최종적인 상용 속도에 도달할 때까지 이같은 단계들을 반복해야 한다. 종종 둘 혹은 세 단계만으로 베어링의 상용 속도에 도달할 수 있는 경우도 있다. 안전을 위해 반주파수 회전(half-frequency whirl)을 위한 작동 회전 속도가 상용 속도보다 약 20% 이상이 되도록 베어링을 조정해야 한다. 지나치게 거칠게 조정되는 조동 장치(coarse adjustment)의 경우 조정시 폭이 가장 좁은 틈 높이가 지나치게 좁아져서, 축이 저지 혹은 제동될 위험이 있다. 그러나, 사용된 베어링 메탈의 경우 이로 인해 베어링이나 축이 손상되지는 않는다.

가스 베어링의 조정 장치의 경우 여러 가지 실시예가 가능하지만, 실시예들은 두 가지 종류로 분류할 수 있다. 첫 번째 종류는 동력으로 조작되는 조정 장치로서, 베어링에 동력이 가해지면 이 조정 장치로 앞서 언급한 것처럼 베어링이 편심 이동된다. 이 경우 조정력(adjusting force)을 높이면 폭이 가장 좁은 틈 높이가 축소되고, 그 결과 베어링의 강성이 증가된다. 동력으로 조작되는 조정 장치는 예를 들어 공기압이나 유압에 의해, 또는 전자기적으로 작동할 수 있다. 두 번째 종류의 실시예는 원격 조작되는 조정 장치로서, 이 경우 베어링의 편심 이동이 직접 경로 변위(path displacement)에 의해 이루어지지만, 이때 기계적 전동 방법을 추가로 사용하면 매우 미세한 조정이 가능해진다. 원격 조작되는 주요 조정 장치들은 사면의 원리(principle of incline; 나사, 원뿔, 캠 등)나 레버의 원리에 의하거나 톱니바퀴 기어에 의해 작동된다.

특히, 동력으로 조작되는 조정 장치는 능동 조정 기술 또는 능동 제어 기술로 작동하기에 적합하다. 이 경우 베어링의 편심 이동이 베어링에 주어지는 그때그때의 하중(외부의 힘, 회전 속도, 가열, 성능 등)에 적합하게 적응됨으로써, 위험 진동 상태가 나타나지 않는다는 장점이 있다. 이같은 능동 가스 베어링은 비교적 높은 외적인 운반력을 수용하고, 그럼에도 불구하고 안정된 회전을 유지하는데 적합하다. 조정 기술 또는 제어 기술을 위해 베어링의 상태 변수(state variable)를 측정하는데 가령 압력 센서와 회전 속도 센서, 온도 센서를 사용할 수 있다.

본 발명에 의한 또 다른 실시예에서는 가스 베어링의 편심 이동을 보다 정확하고, 문제의 여지없이 조정할 수 있도록 기존의 조정 장치를 보다 개선시킬 방법과 형태상의 착상이 모색되었다. 여러 가지 특성과 영향 변수(influence variable)가 조정 장치의 기계 장치에 영향을 미치기 때문에, 사용되는 조정 장치 대부분이 원하는 요구 조건을 충분히 충족시키기에 적합하지 못한 경우가 많다.

본 발명에 의해, 조정 장치가 신뢰도 높게, 최적의 상태에서 작동하기 위해 중요한 것은 형태 계수(geometric factor) 및 물리적 특성의 절대적인 수치가 아닌 상대적인 수치와 비율이며, 이 모든 것들은 서로 상대적으로 고찰되어야 한다는 사실이 발견되었다. 특허 청구항에 언급된 많은 비와 관계들은 그때그때 하나의 수치 범위로 명확하게 제한된다.

주청구항에 설명된 세 개의 베어링은 하나의 고정된 케이싱 안에 배치되며, 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링이 케이싱에 대해 각각 대략적으로 동일한 반경 방향 강성을 가지도록 고정된다. 중앙에 놓인 두 번째 가스 베어링은 반경 방향 강성이 이보다 훨씬 작아야 한다. 즉, 계수 4.3이하여야 한다.

조정 장치가 이같은 기계적 특성을 가지면, 서로를 향한 베어링의 편심 이동을 조정할 때 베어링에 나타나는 휨 변형이 크지 않고, 그 결과 축과 베어링에 의해 형성된 베어링 틈의 형태 정확도가 변함없이 유지된다는 장점이 있다.

또한, 베어링의 자기 공명(self resonance)의 주파수가 케이싱 내부에서 불리하게 중복되지 않기 때문에, 베어링 전체의 진동에 유리하게 작용한다는 점이 확인되었다. 이밖에도 이로써 고속 회전축의 회전 속도 동기적 진동(speed-synchronous oscillation)의 감쇠가 개선되었다.

또 한 가지 중요한 장점은 베어링의 편심 이동을 몇 마이크로미터로 정확하게 조정할 때 미끄럼 부착 효과(slip-stick effect)가 감소되고, 그 결과 작동시 조정이 이루어질 때 베어링의 제동이 방지된다는 것이다(보다 자세한 사항에 관해서는 주 특허 출원에 설명되어 있다). 즉, 미끄럼 부착 효과가 크면 편심 이동이 갑작스럽게 조정되어, 심각한 문제가 발생하게 된다.

베어링 전체와 관련해서 조정 장치가 제대로 작동하기 위해서는 열 특성 및 열역학 특성이 지니는 중요성이 크다. 베어링 틈의 크기가 마이크로미터의 범위를 넘지 않고, 베어링이 고속으로 회전할 때 발생하는 마찰이 적지 않기 때문에, 열 팽창 계수를 비롯해서 열 전도도, 열용량 등 사용되는 부품의 여러 특성을 고려해야 한다. 반드시 상기 특성을 기준으로 적절한 소재를 선택하고, 부품의 치수를 주어진 특성에 적절하게 적응시켜야 한다. 권고된 비율을 준수하지 않을 경우 베어링 내에서 축에 제동이 걸리게 되고, 그 결과 베어링 전체가 고장나거나 심각한 손상이 초래될 수 있다.

이밖에 중요한 점은 세 개의 가스 베어링의 기하학적 변수들을 서로 올바른 비율로 조절해야 한다는 것이다. 여기서 기하학적 변수란 무엇보다도 베어링의 직경과 베어링의 폭, 틈 높이, 편심을 가리킨다. 가스 베어링 틈에서 최대 압력과 최상의 압력 흐름을 형성하는데 있어 이 변수들이 결정적인 역할을 한다.

이 가스 베어링은 모든 베어링들 가운데 가장 포괄적인 진동 장치이다. 여기서 소위 반주파수 회전과 에어 해머의 형태로 불안정성이 나타날 수 있다. 베어링을 고속으로 회전시키는 경우 베어링의 고유 진동수를 통과하고, 위상 편이를 고려해야 한다. 앞서 언급한 모든 기하학적 변수들과 물리적 특성들이 이 진동 장치에 영향을 미친다. 그리고 모든 영향 변수들의 주어진 관계를 고려하고, 일정한 수치들을 준수할 때에만 공구가 있는 축과 케이싱 내에 배치된 세 개의 가스 베어링의 복잡한 진동을 극복할 수 있다.

특허 청구항에 설명된 기술적인 이론들을 준수해야만, 조정 장치와 관련된, 가스 베어링에 대한 최대한의 요구 조건이 충분히 충족될 수 있고, 물리학의 한계 영역을 극복할 수 있다.

제작 비용이 저렴하고 구조가 간단한 조정 장치에 관해서는 실시예에서 보다 자세히 설명된다. 이 경우 편심 이동된 베어링들이 가늘은 링크에 의해 서로 연결되어 있다. 링크들은 원격 조작되는 조정 장치에 의해 나사로 휨 저항을 편심 이동에 대항시키는데, 그 결과 나사의 큰 회전 모멘트가 이동 거리를 짧아지게 한다. 이같은 방법으로 폭이 가장 좁은 틈 높이를 미세하게 조정할 수 있다.

또 한 가지 장점은 베어링을 추가로 가스 정역학(gas statics)적으로 사용할 때 링크를 통해 각 베어링에 가스가 공급된다는 점이다.

도 1은 고속 회전하는 다면경의 베어링의 기본적인 실시예를 도시하는 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 축 2 : 케이싱

3a, 3b, 3c : 베어링 4 : 링크

5 : 나사

도 1은 고속 회전하는 다면경의 베어링의 기본적인 실시예를 보여준다. 여기서 축(1)은 반경 방향과 축 방향으로 케이싱(2) 안에 공기역학적으로 배치되어 있다. 축(1)의 한 쪽 끝에는 원반이 있는데, 광학 기계에서 레이저의 방향을 바꾸는데 필요한 다면경이 이 원반의 반경 방향 면 위에 설치된다(예를 들어 스캐너, 프린터 등). 덮개판(8) 안의 구멍(9)을 통해 레이저가 다면경에 도달하고, 여기로부터 반사될 수 있다. 축(1)의 또 다른 끝에는 구동 모터가 위치한다. 구동 모터는 축(1) 위에 고정된 회전자(10)와 케이싱(2) 안에 설치된 고정자(11)로 구성된다. 축(1)과 회전자(10) 사이는 압축 접속에 의해 고정된다. 축(1)의 반경 방향 공기 베어링에는 세 개의 베어링(3a, 3b, 3c)이 있다. 첫 번째 베어링(3a)과 세 번째 베어링(3c)은 케이싱(2) 안에 부착되어 있다. 부착할 때 베어링 상자가 나사로 나사 구멍(7) 안에 고정된다. 중앙의 베어링(3b)은 가늘은 링크(4)에 의해 첫 번째 베어링 및 세 번째 베어링과 연결되는데, 중앙의 베어링(3b)은 나사(5)에 의해 반경 방향으로 조정할 수 있다. 가스 베어링이 주청구항에 설명된 것처럼 안정된 회전을 하도록 조정된 다음에는, 중앙의 베어링(3b)을 구멍(6)을 통해 케이싱(2)에 추가로 부착할 수 있다. 흑연으로 된 필로(pillow)(3)는 베어링 안에 압착된다.

축(1)의 끝에 있는 원반의 축 방향 면은 양쪽에서 스러스트 베어링의 역할을 한다. 축(1)과 베어링(3a) 사이에 있는 스러스트 베어링은 레이디얼 베어링을 거쳐 압축 공기를 공급받는다.

전문가는 조정 장치가 있는 가스 베어링을 제작할 때 최상의 실시예를 제작할 수 있도록 청구항에 설명된 기하학적 변수 및 물리적 특성의 모든 관계와 비율을 준수해야 한다.

본 발명에 따라서 축과 공구로 이루어지는 기계 부품을 에너지 소비량을 줄이고 고속의 회전 속도로 작동 정확도를 최대한 유지하면서, 최상의 동기(sychronism) 하에 회전하도록 가스 베어링이 제조된다. 이 가스 베어링은 제작 비용이 저렴하고, 간단하게 제작할 수 있다.

Claims (17)

1. 한 쪽 끝에 배치된 공구를 포함하고, 축을 따라 배치된 반경 방향의 베어링을 위한 세 개 이상의 가스 베어링이 있고, 상기 가스 베어링들이 하나의 고정된 케이싱 안에서 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링의 베어링 구멍들이 서로 동심을 이루고 중앙에 있는 두 번째 베어링의 베어링 구멍이 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링의 베어링 구멍을 향해 편심 이동되어 설치된 고속 회전축의 가스 베어링에 있어서,

   편심 이동이 조정 장치에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
2. 제 1 항에 있어서, 중앙에 있는 두 번째 베어링의 케이싱에 대한 반경 방향 강성이 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링의 케이싱에 대한 반경 방향 강성에 비해 계수 4.3 이하이며, 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링의 반경 방향 강성이 실질적으로 동일한 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 세 개의 가스 베어링이 베어링 박스에 있는 가는 링크에 의해 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
4. 제 1 항에 있어서, 축을 이루는 소재의 밀도와 탄성 계수의 곱이 베어링 메탈의 밀도와 탄성 계수의 곱에 비해 6.7배 이상인 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
5. 제 1 항에 있어서, 편심 이동을 위해 중앙에 있는 베어링의 베어링 박스 위로 눌리는 하나 이상의 나사가 설치되는 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
6. 제 1 항에 있어서, 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링의 탄성 계수에 비한 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링의 질량의 합이 중앙에 있는 두 번째 베어링의 탄성 계수에 비한 질량의 합보다 1.5배 이상인 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
7. 제 1 항에 있어서, 케이싱에 대한 중앙에 있는 두 번째 베어링의 탄성 계수와 강성의 곱이 케이싱에 대한 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링의 탄성 계수와 강성의 곱보다 계수 2.7 이상인 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
8. 제 1 항에 있어서, 추가적인 고정을 위해 상기 나사와 베어링 박스가 상기 케이싱에 부착되는 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
9. 제 1 항에 있어서, 중앙에 있는 두 번째 베어링의 경우 열 전도도에 대한 선 팽창 계수의 비가 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링에서 열 전도도에 대한 선 팽창 계수의 비보다 2배 이하인 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
10. 제 1 항에 있어서, 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링이 케이싱 안에 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
11. 제 1 항에 있어서, 중앙에 있는 두 번째 베어링의 경우 베어링 길이에 대한 베어링 직경의 비가 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링에서 베어링 직경의 베어링 길이에 대한 비보다 0.3배 이상이고, 1.5배 이하인 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
12. 제 1 항에 있어서, 중앙에 있는 두 번째 베어링의 경우 가장 좁은 베어링 틈 높이에 대한 베어링 직경의 비가 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링에서 가장 좁은 베어링 틈 높이에 대한 베어링 직경의 비보다 계수 3.7 이하인 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
13. 제 1 항에 있어서, 중앙에 있는 두 번째 베어링의 베어링 길이와 폭이 가장 좁은 베어링 틈 높이의 곱이 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링에서 베어링 길이와 폭이 가장 좁은 베어링 틈 높이의 곱의 4.5배 이하인 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
14. 제 1 항에 있어서, 폭이 가장 좁은 베어링 틈 높이에 대한 폭이 가장 넓은 베어링 틈 높이의 비가 세 개의 베어링 모두에서 계수 3.3 이상인 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
15. 제 1 항에 있어서, 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링에서 폭이 가장 좁은 베어링 틈 높이에 대한 폭이 가장 넓은 베어링 틈 높이의 곱이 중앙에 있는 두 번째 베어링에서 폭이 가장 좁은 베어링 틈 높이에 대한 폭이 가장 넓은 베어링 틈 높이의 곱보다 계수 1.2 이상인 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
16. 제 1 항에 있어서, 중앙에 있는 베어링이 움직이지 않도록 설치되고, 첫 번째 베어링과 세 번째 베어링이 조정 장치에 의해 편심 이동되어 배치되는 것을 특징으로 하는 가스 베어링.
17. 제 1 항에 있어서, 복수개의 조정 장치에 의해 서로를 향해 편심 이동되는 다수의 베어링이 사용되는 것을 특징으로 하는 가스 베어링.