Active magnetic bearings (AMBs) are an electromagnetic device which supports rotor without mechanical contact and lubrication by using the attractive electromagnetic force controlled by electronic control system. Main advantages of magnetic bearings are divided into two groups: first, there is no mechanical contact between rotating part and fixed part, which enables no mechanical friction and wear, no lubrication requirements, low energy consumption, leading to longer life time and very high circumferential speed compared with that of conventional oil film bearings. Second, it is possible to electrically control the system. This enables the rotor position control, the adjustment of stiffness and damping, and the continuous monitoring of operating condition. Also, it is possible to control the force and stiffness of the handling point, measure the external load, and control the vibration of rotor. The various advantages of the AMB have lead to wide application in industrial fields. In the past thirty years, AMBs have bee used as non-contact support in many industrial field, and the industrial machinery gets small and precise by development of electric, material, and manufacturing parts. When AMB is applied to the miniaturized rotating machinery, the drawback of AMB is rotational power loss. In order to fully utilize the many advantages AMB, the ability to accurately predict losses becomes a necessity.
This work focuses on the development of the small-sized AMB with solid cores and rotor to be able to operate at high speed. As the size of rotor with AMBs gets smaller, lamination of cores and rotor becomes increasingly difficult to effectively reduce the eddy current effect. Thus the accurate modeling of eddy current loss becomes important for the small-sized AMB systems with solid cores and rotor. Also, new structure is applied to the axial magnetic bearing to miniaturize the AMB. In this work, the eddy current loss equation is proposed based on the model of eddy current brake concept. Since AMBs have multi-poles unlike the single-pole eddy current brake, the electric field intensity depends on the arrangement of poles and the size of pitch and pole. The eddy current effects of hetero-polar AMB with solid cores and rotor were investigated through run-down test. The proposed equation was proved through the experiments and suggested the structure to minimize the eddy current effects.
The design procedure of the homo-polar AMB system with optimized pitch length was performed. Based on the linearized magnetic force equation and the theoretical modeling of each component, the equation of motion for a rigid-rotor AMB system was derived, and the optimal controller was designed to compensate for the stiffness coupling. Test results with the hetero- and homo-polar AMBs with non-laminated cores and rotor are compared for verification of analytical findings in relation to the eddy current loss model. The experimental results confirm that the eddy current loss in the small-sized homo-polar AMB with non-laminated cores and rotor can be considerably reduced by optimizing the arrangement and size of poles.
A new type of compact, high-performance 5-axis AMB with solid cores and rotor was proposed, which consists of four permanent magnets, four U-shaped cores and 16 control coils. It features that the radial and axial magnetic bearing units are integrated for compact design and that the homo-polar type configuration of poles with optimized pitch length is adapted to minimized the eddy current inducing braking force. This AMB system is levitated by the Lorentz-type axial as well as Maxwell-type radial forces. The radial and axial directional electromagnetic forces were derived, using magnetic flux distribution in air gap. The control algorithm was designed to account for the coupled effects between the radial and axial control fluxes. Experimental results with the prototype AMB system built in the laboratory successfully demonstrate the validity of the new design concept.
전자기력을 이용하여 대상물을 부상시킬 수 있는 방법이 제시된 이후 구름 베어링이나 미끄럼 베어링과 같은 종래의 베어링에 비해 무마찰, 무윤활, 가변 동특성 등의 탁월한 장점을 가진 능동 자기 베어링 (Active Magnetic Bearing : AMB)적용이 증가하는 추세이다. 최근 20년간 가스 터어빈, 가스 압축기, 고속 스핀들, 터보 쿨러, 분자 펌프 등 고속 회전이나 고 청정 등의 산업 분야에서 대형 시스템에만 사용해 왔던 전자기 베어링은 정밀 가공, 전기 전자 기술의 발달로 인하여 소형/ 정밀 시스템에 적용이 부각되고 있다. 전자기 베어링의 소형화에 있어서 가장 큰 난점은 와전류 현상을 줄이기 위한 코어와 로터의 적층 기법을 적용시키기 어렵다는 것이다. 비적층 코어와 로터의 사용시 나타나는 와전류는 정지력을 발생시키므로, 무마찰에 의한 회전 손실의 감소라는 전자기 베어링의 장점이 사라지게 된다. 또 하나의 소형화시 문제점은 축 방향 가진기의 설치 공간이다. 한 쌍의 마주보는 가진기와 대상 디스크로 이루어진 기존의 축 방향 전자기 베어링은 공간 확보에 어려움이 따르므로, 전자기 베어링 연구가들은 축 방향에 대하여 소형 시스템에 있어서 전자기 베어링을 사용하지 않거나, 자속 경로에 의해 발생하는 수동력을 사용하였다. 하지만, 이러한 방법은 임의의 강성이나 감쇠를 줄 수 없다는 단점이 있다.
본 연구에서는 영구 자석과 전자석을 사용하는 하이브리드형 호모 폴라 전자기 베어링을 바탕으로 비적층 코어와 로터를 갖는 소형 전자기 베어링 시스템을 소개하였다. 비적층 코어와 로터를 갖는 전자기 베어링에서의 와전류 현상을 규명하기 위하여 단일 폴을 갖는 와전류 브레이크의 운동 방정식을 기본으로 멀티 폴을 갖는 전자기 베어링의 와전류 방정식을 제안하였다. 헤테로 폴라형 전자기 베어링을 이용한 회전 손실 측정으로부터 와전류 모형을 실험적으로 검증하였다. 제안된 식으로부터 와전류 손실의 중요 요소를 결정하였으며, 손실을 줄일 수 있는 최적의 피치 거리를 갖는 호모 폴 전자기 베어링을 개발하였다. 제작된 호모 폴라 전자기 베어링은 제어의 편이성 및 와전류 손실을 최소화 할 수 있도록 설계되었으며, 바이어스 전류를 대체하기 위해 사용된 영구 자석으로 시스템의 전력 손실을 최소화 하고 있다. 제작된 전자기 베어링의 회전 손실은 런-다운 테스트를 통하여 볼베어링, 헤테로 폴 베어링과 비교, 검증하였다. 회전 손실을 최소화하기 위하여 폴과 폴 사이의 거리를 줄이는 방법을 사용하였으므로, 제어시 발생할 수 있는 누설 자속의 양을 ANSYS 프로그램을 통하여 조사하였다. 고속 터보 쿨러용 베어링으로 개발된 본 전자기 베어링의 특성은 실험실 환경 하에서 회전 실험을 통하여 검토, 입증하였다. 모형화를 통하여 설계된 전자기 베어링은 비적층 코어와 로터로 구성되어 있어도 와전류 현상을 감소시키고 있음을 알 수 있다. 이러한 방법으로 제작된 전자기 베어링은 소형 시스템 뿐 아니라 대형 시스템에도 적용 가능하다. 축 방향 힘을 발생시키기 위하여 로렌쯔력을 사용하는 전자기 베어링을 개발하였다. 한 베어링면에서 원주 방향 힘과 축 방향힘을 발생시키기 위하여 영구 자석의 자속을 기본 자속으로 사용한다. 원주 방향 제어 자속과 영구 자속과의 관계로부터 원주 방향 제어력인 맥스웰력을 발생시키며, 축 방향 제어 자속과 영구 자속과의 관계로부터 축 방향 제어력인 로렌쯔력을 발생시킨다. 소형 시스템의 축 방향에 대하여 강성과 감쇠 값을 시스템의 특성에 따라 변화시킬 수 있다. 축 방향 제어 자속의 원주 방향력에 대한 영향을 보상하기 위하여 피이드 포워드 제어기를 설계하였으며, 바이어스 자속에 의한 각 베어링간의 연성 효과를 보상하기 위하여 최적 제어기를 설계하였다. 실험을 통해 제안된 시스템과 제어기가 위치 제어 가능함을 입증하였으며, 또한 비적층 코어와 로터로 제작되었으므로, 런-다운 테스트와 회전 실험을 통하여 무마찰 구동 장치의 특성을 검증하였다.
