The integrated motor-bearing system integrates both functions of active magnetic bearing (AMB) and electric motor into a unit. It can realize a compact mechanical structure, yet preserving inherent advantages of AMB. In return, however, the layout and analysis of its magnetic field and the controller design become a little complex because the motoring and levitation of the rotor has to be simultaneously controlled. Lorentz force is bi-directional and holds good linear property, by virtue of which the analysis and design of the system can be made easy. In addition, it can be obtained even if no ferrite core is employed, so that it is possible to avoid such troubles as iron loss, magnetic saturation, hysteresis, eddy current effect, etc. In recent years, several Lorentz force-type integrated motor-bearing systems were introduced, but the development of them were limited to specific conditions.
In this work, a generalized approach to generation of torque and radial force in integrated motor-bearing systems using Lorentz forces is presented. The constraints for arrangement of permanent magnets and distribution of concentrated coil windings are derived in the disk-type and cylindrical type configuration. The difference between the number of permanent magnets on the rotor and the magnetic poles for motoring has to be an integer multiple of the number of windings. The phase difference of position control current is determined by the rule that the number of poles for position control should be more or less than that of the motoring poles by two. The radial control force is independent of the motoring torque and the rotational speed of the rotor, not requiring a complicated demodulation scheme. Some feasible combinations of design parameters satisfying the constraints are listed.
A dual disk rotor structure with a coreless stator for the Lorentz force-type integrated motor-bearing system is proposed, which can realize no negative stiffness in the radial direction. The magnetic circuit analysis for the dual disk rotor configuration is conducted in order to calculate and determine analytic parameters of the system. From the analysis results, the system performance is also estimated for two kinds of prototypes. The technical data for the components of the overall system are described, and several experimental results are presented to verify the feasibility and characteristics of the experimental setup.
An experimental compensation procedure for the effects of high order harmonic effects is proposed using a digital controller. High order harmonic components in the permanent magnets on the rotor are proven to result in the oscillation and coupling of torque and radial force. For compensation of the high order harmonic effects, the current command signals calculated in the feedback control loop are measured at specific conditions. The data acquisition should be performed at a very low rotational speed, where the runout excitation and unbalance response become negligible. The measured data were normalized for a unit current level, and then the reformed waveform data are loaded to the current modulator as new current modulation references. The proposed scheme does not need complicated analysis and modeling of high order harmonic effects. Moreover. it can also compensate for manufacturing errors, such as uneven rotor flux distribution and misalignment of stator windings. After the high order harmonic compensation, the runout profile and rotor unbalance were identified by the extended influence coefficient method. The experimental results confirm that this compensation method effectively attenuates the rotor vibration throughout the operating range of rotational speeds.
능동 전자기 베어링과 전동기의 기능을 하나로 통합한 자기베어링 내장 전동기는 지난 15년여 동안의 활발한 연구를 통해 다양한 형태의 자기베어링 내장 전동기가 제안되었다. 최근에는 반경 방향 제어력과 회전력 모두 로렌츠 힘을 이용하는 자기베어링 내장 전동기가 주목을 받고 있다. 로렌츠 힘은 전류의 크기에 대해 선형적 특성을 보이며, 코어가 없어도 발생 가능하므로 코어로 인한 자기 포화나 와전류 손실, 히스테리시스 등으로부터 자유롭고, 영구 자석 또한 탈자 현상을 막기에 충분한 두께로 설계하는 것이 가능하다. 따라서 설계와 해석이 상대적으로 간편하며, 효율성 및 내구성의 향상을 도모할 수 있다. 한편 자기베어링 내장 전동기는 회전력을 얻기 위한 교번 회전 자장이 필수적인데, 자장 분포 내에 부수적으로 포함된 고조파 성분들이 회전력과 반경 방향 힘에 불필요한 진동을 야기할 수 있다. 이와 더불어 일반적인 자기베어링 내장 전동기는 능동 전자기 베어링과 마찬가지로 반경 방향 위치 제어를 위해 비접촉식 센서를 통한 회전축의 변위 검출이 필요하다. 이 때, 센서 표적의 표면 가공 오차나 재질의 불균등, 또는 잔류 자장 등에 의해 런아웃이라 부르는 센서 신호의 왜곡이 발생하는데, 이는 결국 제어 루프를 거쳐 회전체에 가진 신호처럼 작용하게 된다. 지금까지의 자기베어링 내장 전동기 개발은 회전력과 반경 방향 힘을 동시에 제어할 수 있는 새로운 형상 설계에 치중되어 왔으며, 향후 실용화 단계에 이르기 위해서는 정밀 제어 기법에 관한 연구가 필수적이라 할 수 있다.
본 논문에서는 로렌츠 힘을 이용하는 자기베어링 내장 전동기에서 회전력과 반경 방향 힘을 발생시키는 원리를 일반화된 설계 변수를 통해 제시하였다. 영구자석의 배열과 집중권선의 분포 방법에 대한 설계 제한 조건들은 원판형 또는 원통형 전동기의 형상에 상관없이 적용 가능하다. 집중권선을 이용한 자기 베어링 내장 전동기의 안정된 회전 구동을 위해서는 회전자의 영구자석 개수와 모터 전류로 인한 자장의 극수 차이는 집중권선 개수의 정수배가 되어야 한다. 또한 반경 방향 제어 전류로 형성되는 자장의 극수가 회전력을 얻기 위한 자장의 극수보다 2만큼 크거나 작을 때 제어가 가능한 반경 방향 힘을 얻을 수 있음을 보였으며, 모터 전류와 반경 방향 제어 전류의 독립성을 보장하기 위한 조건들을 포함하여 복잡한 전류 변조 과정을 피할 수 있도록 하였다. 아울러 제안한 설계 조건들로부터 설계 변수들의 적절한 조합들을 표로 정리하여 나열하였다.
앞서 유도한 이론적 해석을 검증하기 위해 두 장의 원판형 회전자와 코어가 없는 고정자로 구성한 로렌츠형 자기베어링 내장 전동기를 제작하였다. 마주 보는 두 장의 회전자에 부착된 영구 자석은 축 방향의 교번 자속을 형성하고, 그 사이에 원판형 고정자를 배치한다. 이러한 구조는 축 방향으로의 흡인력을 최소화할 수 있으므로 시스템의 안정성을 저해하는 음의 강성 효과를 줄이고 원판의 기울어짐에 대한 강건함을 확보할 수 있다. 아울러 코어가 없는 고정자는 와전류 효과를 줄이기 위한 까다로운 나선형 적층 과정을 피할 수 있어 제작이 용이한 장점도 있다. 실험 장치는 8개의 영구자석을 붙인 두 장의 회전자와 각각 5개, 6개의 권선을 갖는 고정자의 조합으로 두 가지 종류를 제작하였다. 간단한 자기 회로 해석을 통해 영구자석의 특성을 고찰하고 장치 매개 변수들을 결정하였으며 제작한 실험 장치의 성능을 예측하였다. 또한 전체 시스템을 구성하는데 필요한 디지털 제어기 및 전력 증폭기 등 부가 장치들에 대한 규격 및 사양을 서술하였고, 실험 결과를 통해 실험 장치의 특성과 실현 가능성을 검증하였다.
자기베어링 내장 전동기의 정밀한 회전축 위치 제어를 위해 회전 자장의 고조파 성분에 의한 효과를 디지털 제어기를 이용하여 보상하는 방법을 고안하였다. 고조파 성분에 의한 회전축 진동은 회전자의 회전각에 대해 주기적 특성을 갖고 있으므로 전류 변조기에서 사용하는 각각의 기준 신호 파형을 적절한 실험 과정을 거쳐 정현파 형태로부터 변형하여 보상할 수 있다. 이 때 런아웃 및 회전체 불균형량의 간섭을 무시하기 위해서는 매우 낮은 회전 속도에서의 제어 전류 측정이 요구된다. 이 방법은 복잡한 이론적 해석이나 모형화가 필요 없고, 제조 과정에서 불가피하게 발생하는 가공 오차로 인한 영향도 센서의 해상도가 허용하는 수준까지 동시에 교정 가능하므로 상당히 실용적이다. 아울러 능동 전자기 베어링에 적용되어 탁월한 성능을 보였던 영향 계수법을 자기 베어링 내장 전동기 시스템에 응용하여 런아웃과 회전체 불균형량을 정량적으로 규명하였고 이를 피드포워드 제어 방법으로 보상하였다. 마지막으로 보상 전후의 실험 결과로부터 회전체 진동 감쇄에 대한 효과와 정밀 제어의 가능성을 확인하였다.
