Active magnetic bearing (AMB) is an electromagnetic device, which supports the rotor without mechanical contact by using the attractive electromagnetic force controlled by an electronic control system. Compared with the conventional bearing such as rolling element and fluid film bearings, AMB possesses several advantages such as free of contact, wear and lubrication, long service life, and built-in fault diagnostics. AMB has, thus, become an essential machine element in the modern rotating machinery, including high-speed machine tool spindle, gas turbine, turbo-molecular pump, flywheel energy storage system, and so on. In recent years, AMBs also find new applications in non-traditional areas where design and operation of the small and compact machines and devices are required, as the modern techniques in electronics materials and manufacturing processes advance so that the digital signal processor (DSP) and power amplifiers can be integrated into a compact unit. Among others, AMB is frequently applied to the miniaturized rotating machinery, including hard disk drive system and artificial heart blood pump. But, in general, five-axis AMBs consist of a pair of (four-pole) radial magnetic bearings and one axial magnetic bearing with a rotor disk placed between a pair of facing stator actuators. Each radial magnetic bearing needs four power amplifiers for a conventional four-pole AMB, and two power amplifiers are needed for the control of an axial magnetic bearing in addition to five displacement sensors and sensor amplifiers. This is the main reason why AMB is more expensive than the conventional bearing, limiting their wide application in industry.
This work focuses on the design and control of a five-degrees-of-freedom disk-type rotor supported by a single three-pole radial hybrid active magnetic bearing and an axial permanent magnet bearing. The three-pole radial hybrid active magnetic bearing, which actively stabilizes two degrees-of-freedom of the rotor in the radial direction, consists of three active main-poles with three coil windings, three sub-poles with radial permanent magnets, generating bias flux, and three Hall diodes, measuring the rotor position. To control the remaining three degrees-of-freedom of the rotor, a pair of axially polarized ring type permanent magnets is employed for passive stability of the rotor in the axial and two angular (tilt) directions. This construction makes the system compact in size, minimizing the overall power consumption.
In design of the proposed hybrid-type three-pole active and permanent magnetic bearing, the design parameters are determined by a magnetic circuit analysis in a radial magnetic bearing and an equivalent current sheet method in an axial permanent magnetic bearing, which is confirmed by finite element analysis. In addition, to obtain high resolution and good linearity Hall sensors for feedback transducers, sub-pole is designed.
Three-pole AMB configuration turns out to be more profitable in terms of compactness in design and low power loss than the conventional four- or eight-pole AMB. However, one of the inherent drawbacks in controller design of three-pole AMB is the strong coupling in magnetic flux between magnetic poles. It leads to the strongly nonlinear system behavior, when the equation of motion is formulated in the conventional Cartesian coordinates. In this work, use of the redundant bearing coordinates is proposed to describe the three-pole AMB system behavior so that the PD controllers can be easily designed, based on the decoupled linearized control model for each pole. The proposed method is applied to control of a five-axis AMB system. It is shown that simplistic equation of motion for the five-axis AMB system can be derived in the proposed redundant bearing coordinates and the resulting control equations become completely decoupled. Experiments are also carried out with the five-axis disk-type AMB system equipped with Hall diodes for measurement of the radial displacement and it is confirmed that the proposed control scheme succeeds in the run-up test.
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)은 고속 스핀들, 가스 터빈, 가스 압축기, 플라이휠 에너지 저장장치, 터보쿨러, 분자 펌프등 고속 회전이나 청정 등의 산업 분야에서 응용되어 왔다. 최근 들어 정밀 가공, 전기 전자 기술의 발달로 인하여 기존의 대형 시스템뿐 아니라 하드 디스크 드라이브, 혈류 펌프등 소형/정밀 시스템에 적용이 부각 되고 있다. 즉, 최근 자기베어링의 추세는 소형화와 에너지 손실을 최소로 하는 것이다. 그러나 대부분의 5축 자기 베어링 시스템은 두 개의 반경방향 자기 베어링 (4 또는 8개의 폴을 갖는)과 한 쌍의 마주보는 축방향 가진기와 대상 디스크로 이루어진 축방향 자기 베어링으로 구성된다. 그리고 반경방향 자기 베어링과 축방향 자기 베어링에 각각 4개와 2개의 전력 증폭기를 필요로 하며 5개의 비접촉 변위센서와 각각의 센서 앰프를 필요로 한다. 이와 같이 하나의 자기 베어링 시스템을 구성하기 위해서 기존의 베어링에 비해 높은 비용문제 때문에 자기 베어링이 갖는 여러 가지 장점에도 불구하고 상용화에 제약이 많은 것이 사실이다.
본 연구에서는 5 자유도의 디스크 형태의 회전체와 이를 지지하는 한 개의 하이브리드형 3극 자기 베어링과 축방향 영구자석 베어링으로 이루어진 복합 베어링계의 모형화 및 제어에 대해 소개하였다. 반경 방향의 하이브리드형 3극 자기 베어링은 전체 5자유도 중 반경방향의 2 자유도를 능동적으로 안정화 시키는데, 코일이 감겨있는 세 개의 주극(main-pole)과 영구자석과 반경방향의 위치를 측정할 수 있는 홀센서가 위치한 세 개의 부극(sub-pole)으로 구성되어 있으며 각 주극과 부극은 서로 엇갈리게 120도 등간격으로 이루어져 있다. 특히 부극에 위치한 홀센서는 기존의 변위 센서를 대신함으로써 센서부에서 차지하는 비용절감 효과를 기대할 수 있다. 다음으로 축 방향으로 자화된 원환형의 영구자석이 마주보는 형태로 축 방향 영구자석 베어링을 이루고 있는데, 이는 전체 5 자유도중 나머지 3개 (축방향, 틸트 방향 2개)의 자유도에 대해 수동 안정성을 부여해준다. 이 같은 이유로 전체 5 자유도중 2개의 자유도(반경방향)만 능동제어를 하게 됨으로써 시스템을 보다 소형화 시키는 것이 용이하며 에너지 소비를 최소화 할 수 있다.
본 연구에서 제안한 자기 베어링 시스템에서 반경방향의 하이브리드형 3극 자기 베어링의 주요 설계 인자는 자기회로 (magnetic circuit analysis) 및 유한요소 해석을 이용하였으며, 축방향의 영구자석 베어링 설계는 등가 전류판 방법 (equivalent current sheet method)을 이용하였으며 이를 유한요소해석을 통해 검증하였다. 특히 본 연구에서는 회전체 위치측정에 홀센서를 이용하였는데, 자기 베어링의 위치 센서로 사용하기에 충분한 분해능과 선형성을 만족시켜 주기위해서 고정자의 부극 형상을 설계하였다.
반경방향 자기 베어링으로 하이브리드형의 3극 자기 베어링을 이용하였는데, 이는 기존의 4 또는 8극 자기 베어링에 비해 전력증폭기의 개수를 줄일 수 있을 뿐 아니라 소형화에 유리하다. 그러나 그 형상에서 기인된 특이성 때문에 자속 및 제어전류는 각 극에 대해 서로 연성의 성질을 띠게 된다. 이는 보통의 직교좌표계 (Cartesian Coordinates)를 사용할 경우, 비선형성을 야기하게 된다. 본 연구에서는 각 극의 형상과 같은 120도 등 간격으로 이루어진 베어링 잉여좌표계 (Redundant bearing Coordinates)를 도입하고 이를 5자유도의 시스템에 적용하여 선형 운동방정식으로 유도하였다. 그리고 각 주극에 대해 독립적인 PD 제어기를 적용하였을 때 운동 방정식은 각 축에 대해 비연성 되는 것을 확인 할 수 있었다. 제안된 자기베어링 모형화 및 비연성 제어 기법은 실험을 통해 검증 되었다.
