Integrated motor-bearing system is an electric motor with ability of active magnetic bearing (AMB) system and AMB is an electromagnetic device that levitates the rotor without mechanical contact by using the controlled electromagnetic force. The AMB system has been widely used in industry due to its numerous advantages such as no mechanical friction and wear, no lubrication requirement, high peripheral speed, low energy consumption, high precision operation, adjustable stiffness and damping, continuous operating condition monitoring, etc. However, there are drawbacks of AMB system such as high production cost and large size, which currently draw much attention among many researchers. Since AMB systems have been generally driven by electric motors which have the similar structure with AMB, many researchers have thought the possibility of combining or integrating electric motors and AMB systems. Since,it does not require extra windings for generating the levitation forces, the integrated motor-bearing system has many advantages such as small size, low cost, short shaft size, etc. Because of these advantages, many researchers have drawn much attention and developed an integrated motor-bearing system nowadays.
This work focuses on proposing the new operation principles of integrated motor-bearing system and verifyring the principle. Based on the principle, newly designed disk type integrated motor-bearing system was developed in the laboratory and tested. For precision vibration control, runout identification and compensation was performed, it was shown that the runout compensation algorithm was very useful to reduce the vibration amplitude of the rotor.
Based on the new operation principle, the stator coils were divided into 4windings, sinusoidal motoring currents to four symmetrically placed winding groups produce a torque, whereas control currents of the same magnitude but opposite signs added to the opposite winding groups create radial forces. The control currents are intended to break force symmetry, resulting in unbalanced radial forces. However, the integrated motor-bearing system inherently has a rotating frequency modulation problem which comes from the coexistence of motoring flux and levitation flux. To resolve the modulation problem, new demodulation scheme was proposed. The scheme adopts two stator disks to effectively remove the rotational frequency modulation effect in the radial control forces. From the rotor and stator pole placement, the relation between the supplying currents and the levitation forces was derived.
Introducing the electromagnetic circuit theory, the method for determining the design parameters was described. The determined design parameters and the technical data of components including sensors, power amplifier, integrated motor-bearing system, and digital control equipment were represented.
From the theoretical modeling of components including an integrated motor bearing system, gap sensor, sensor amplifiers, power amplifiers, and digital signal processor with PD controller, overall control loop was constructed. Since it is difficult to determine the control gains from the original control loop, they were determined after simply removing modulation and demodulation parts. It is shown that the prototype integrated motor-bearing system built in the laboratory succeedsin stable levitation and operation of the rotor.
In-situ runout identification scheme based on the extended influence coefficient method was adopted for precision vibration control, and the runout identification and compensation scheme was performed on the system itself without other measuring device by utilizing digital control system. It is shown that the proposed runout identification and compensation scheme succeed in precise vibration control of the integrated motor-bearing system.
자기베어링 내장형 전통기는 기존의 전동기에 자기베어링의 기능올 겸하도록 고안된전기기계 장치이다. 따라서 기존의 자기 베어링이 가지고 있는 장점을 그대로 가지고 있기 때문에 회전시 마찰이나 마모가 없고, 윤활이 불필요하며, 기존의 베어링 보다 매우 높은 속도로 회전이 가능하고, 유지 보수가 거의 필요 없으며, 극한 환경에서도 사용이 가능하다. 한편 전기적으로 능동 제어를 함으로써 초정밀 회전 및 미소 변위제어가 가능하고, 베어링의 강성 및 감쇠를 임의로 조절 가능하며, 전동기 회전체 계의 운전 상황을 지능적으로 감시할 수 있다. 따라서 회전체가 공진점을 안정되게 지나거나 불균형력 등에 의한 진동을 효과적으로 제어할 수 있도록 하는 장점이 었다. 능동 자기베어링이 이러한 장점을 가지고 있는 반면 단점도 있는데 비용이 많이 들고 부피가 크다는 것이 대표적인 단점이 있다. 이러한 단점을 개선하기 위해 여러 가지 연구가 진행되어 왔는데, 그 중 기존의 자기베어링-전동기 계가 전동기와 자기베어링에서 각기 비슷한 권선으로 이루어진 구조를 가지고 있다는 점에 착안하여 이를 통합시키는 장치가 제안되고 개발되어 왔는데, 이러한 장치를 자기베어링 내장형 전동기라 하며, 이는 기존의 전동기 권선을 적절히 배치하여 회전력과 동시에 부상력을 얻도록 하고 있으므로, 기존의 전동기-자기베어링 시스템에 비해 매우 작은 크기를 갖고, 이에 따라 무게 및 축 길이가 현저하게 작아지는 장점을 가지고 있다.
본 연구에서는 기존의 자기베어링 내장형 전동기와 전혀 다른 새로운 자기베어링 내장형 전동기의 원리를 제안하였으며, 이렇게 제안된 개념으로 새로운 자기베어링 내장형 전동기를 개발하여 그 개념의 타당성을 검증하였다. 또한 보다 정밀한 제어를 위해 기존의 전자기 베어링 시스템에서 적용되었던 런아웃 제거 방법을 이용하여, 시스템의 런아웃을 규명하였고, 이를 제거하여 보다 정밀한 제어를 가능하게 하였으며, 이로써 런아웃 제거 방법의 유용성을 입증하였다.
자기베어링 내장 전동기의 새로운 구동 원리는 먼저 각 제어축 방향으로 기존의 전동기의 권선을 분리한 후, 각각의 권선에 대하여 서로 마주보는 권선에 크기가 같고 방향이 반대되는 제어전류를 가하여 반경반향 힘을 얻는 것인데, 이때 제어 전류는 고의로 반경방향 힘의 균형을 깨뜨려 반경방향 제어력을 발생시키고 있다. 하지만 이렇게 고안된 자기베어링 내장 전동기는 회전을 위한 자기력과 부상을 위한 자기력이 동일 공간 내에 분포함으로써 발생되는 자기베어링 내장 전동기의 고유한 문제인 부상력의 회전 주파수 변조현상이 발생한다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 두개의 고정자 원판을 도입하여 효과적으로 자기 부상력을 복조하는 방법을 제안하였고, 자기 베어링 내장형 전동기의 자기 부상력과 전류와의 관계롤 이론적으로 유도하였다.
자기 베어링 내장형 전동기는 기본적으로 전동기의 구조를 가지기 때문에 설계를 위해 기존의 전동기 개발에 주로 사용되고 있는 자기회로 분석법을 통해 설계변수를 결정하였으며, 이를 실험을 통해 비교 분석하였다.
자기 베어링 내장형 전동기의 전체 구성은 변위 측정 센서, 샌서 앰프, 전력증폭기, 디지털 제어기로 구성되어 있다. 이때, 구동기는 앞서 말한 바와 같이 기본적으로 시간에 의존하는 변조 성분이 포함되어 있으므로, 제어기 설계가 매우 복잡해진다. 하지만 이는 제어기에 가해주는 복조 행렬과의 상호관계에 의해 이것이 존재하지 않는 것으로 생각하여 제어기를 설계할 수 있으므로, 이러한 방법을 통해 간단히 제어 이득을 구하고, 이를 통해 실험실에서 제작된 자기 베어링 내장형 전동기를 제어하여 성공적으로 제어와 동시에 부상이 가능함을 보일 수 있었다.
또한 기존의 자기베어링에서 사용되었던 영향계수법을 이용한 런아웃 제거 방법을 통해 런아웃의 규명과 제거를 수행하였고, 이때 별도의 측정 장치없이 단지 제어기를 통하여 런아웃을 제거하여 보다 정밀한 제어가 가능함을 실험을 통해 입증하였다.
