자기 베어링

Magnetic bearing
자기 베어링

자기 베어링은 자기부상을 이용하여 하중을 지탱하는 베어링의 일종입니다.자기 베어링은 물리적 접촉 없이 움직이는 부품을 지지합니다.예를 들어, 회전축을 부양할 수 있고 마찰이 매우 적고 기계적 마모가 없는 상대적인 움직임을 가능하게 합니다.자기 베어링은 모든 종류의 베어링 중 최고 속도를 지원하며 최대 상대 속도는 없습니다.

액티브 베어링은 마모가 없고 마찰이 적으며 질량 분포의 불규칙성을 자동으로 수용할 수 있어 로터가 매우 낮은 진동으로 질량 중심을 중심으로 회전할 수 있다는 몇 가지 장점이 있습니다.

패시브 자기 베어링은 영구 자석을 사용하기 때문에 입력 전력이 필요하지 않지만, 언쇼의 정리에 설명된 한계 때문에 설계가 어렵습니다.반자성 재료를 사용하는 기술은 상대적으로 개발되지 않았으며 재료 특성에 따라 크게 좌우됩니다.그 결과, 대부분의 자기 베어링은 지속적인 전력 입력이 필요한 전자석과 부하를 안정적으로 유지하기 위한 능동 제어 시스템을 사용하는 능동 자기 베어링입니다.복합 설계에서는 정적 하중을 전달하기 위해 영구 자석이 자주 사용되며, 공중부양 물체가 최적 위치에서 벗어날 때 능동 자기 베어링이 사용된다.일반적으로 자기 베어링은 전원 또는 제어 시스템 고장 시 백업 베어링이 필요합니다.

자기 베어링은 발전, 석유 정제, 공작기계 작동 및 천연가스 취급과 같은 여러 산업 분야에서 사용됩니다.또한 지페형 원심분리기,[1] 우라늄 농축 및 오일 윤활 베어링이 오염원이 될 수 있는 터보 분자 펌프에도 사용됩니다.

설계.

단일 축에 대한 기본 작동

능동형 자기 베어링은 회전하는 도체의 와전류 유도에 기초한 전자 현탁 원리에 따라 작동한다.전기 전도성 물질이 자기장 내에서 이동할 때, 자기장의 변화에 대항하는 전류가 발생합니다(렌즈의 법칙으로 알려져 있습니다).이로 인해 전류가 생성되어 자석의 방향과 반대 방향의 자기장이 발생합니다.따라서 전기 전도 재료는 자기 [2][3][4][5][6][7][8][9][10][11]거울 역할을 합니다.

하드웨어는 전자석 어셈블리, 전자석에 전류를 공급하는 파워 앰프 세트, 컨트롤러 및 갭 센서와 관련된 전자 장치로 구성되어 갭 내에서 로터의 위치를 제어하는 데 필요한 피드백을 제공합니다.파워앰프는 로터의 반대편에 있는 두 쌍의 전자석에 동일한 바이어스 전류를 공급합니다.이 일정한 줄다리기는 컨트롤러에 의해 중재되며, 컨트롤러는 로터가 중심 위치에서 벗어날 때 등전류 및 반대 전류의 섭동에 의해 바이어스 전류를 상쇄합니다.

갭 센서는 일반적으로 차동 모드에서 특성 및 감각적으로 유도됩니다.최신 상용 애플리케이션에서 전력 증폭기는 펄스 폭 변조 구성에서 작동하는 솔리드 스테이트 장치입니다.컨트롤러는 보통 마이크로프로세서 또는 디지털 신호 프로세서입니다.

자기 베어링에는 일반적으로 두 가지 유형의 불안정성이 있습니다.매력적인 자석은 불안정한 정적 힘을 생성하며, 이 힘은 거리가 늘어날수록 감소하고 거리가 줄어들면 증가합니다.이로 인해 베어링의 균형이 깨질 수 있습니다.둘째, 자력은 보수적인 힘이기 때문에 댐핑이 거의 이루어지지 않습니다. 구동력이 존재할 경우 진동으로 인해 서스펜션의 손실이 발생할 수 있습니다.

역사

아래 표에는 액티브 자기 베어링에 대한 몇 가지 초기 특허가 나열되어 있습니다.마그네틱 서스펜션에 대한 이전의 특허는 발견될 수 있지만, 언쇼의 정리에 따라 안정성이 문제가 되는 영구 자석으로 이루어진 조립체로 구성되어 있기 때문에 여기서는 제외됩니다.

액티브 자기 베어링의 초기 미국 특허
Inventor(들) 연도 특허번호 제목
빔스, 홈즈 1941 2,256,937 회전식 바디의 서스펜션
비임 1954 2,691,306 자기 지지 회전체
비임 1962 3,041,482 부유체 자유 회전 장치
비임 1965 3,196,694 자기 서스펜션 시스템
늑대 1967 3,316,032 다상 자기 서스펜션 변압기
라이먼 1971 3,565,495 자기 서스펜션 장치
하베르만 1973 3,731,984 고속 회전에 적합한 수직 축 지지용 자기 베어링 블록 장치
하베르만, 로옌, 졸리, 오베르 1974 3,787,100 자기 베어링으로 지지되는 회전 부재를 포함한 장치
브루넷 주 하베르만 1977 4,012,083 자기 베어링
하베르만, 브루네, 르클레르 1978 4,114,960 자기 베어링의 반경 변위 검출 장치
에스텔 주 1990 1,988,024,350 자기 베어링의 추가 개선
믹스, 크로포드 R 1992 5,111,102 자기 베어링 구조
에스텔 주 1994 1,991,075,982 비선형 자기 베어링

버지니아 대학의 제시 빔스는 제2차 세계대전 중 최초의 능동 자기 베어링[12][13] 특허를 출원했다.이 특허는 맨해튼 프로젝트에 필요한 원소의 동위원소를 농축하기 위한 초원심분리기를 다루었다.그러나 자기 베어링은 Habermann과[14] Schweitzer의 [15]연구로 솔리드 스테이트 전자 장치와 현대적인 컴퓨터 기반 제어 기술이 발전하기 전까지는 성숙하지 않았습니다.1987년 에스텔 크룻은 능동 자기 베어링 [16]기술을 더욱 개선했지만 레이저 유도 시스템을 사용한 생산 비용이 비싸 이러한 설계는 제조되지 않았습니다.에스텔 크롯의 연구는 3개의 호주 특허[2]의 대상이었고, 나치 후지코시, 일본 세이코 KK, 히타치로부터 자금을 지원받았으며, 그녀의 계산은 희토류 자석을 사용하는 다른 기술에 사용되었지만, 액티브 자기 베어링은 프로토타입 단계까지 개발되었을 뿐이다.Croot의 설계에는[17] 첨단 컴퓨터 제어 시스템도 포함되었고, 마지막 설계는 비선형 자기 베어링이었습니다.

Kasarda는[18] 능동 자기 베어링의 이력을 상세하게 검토합니다.그녀는 능동형 자기 베어링이 최초로 상용화된 것은 터보 기계였다고 지적합니다.활성 자기 베어링을 통해 캐나다 앨버타에 있는 NOVA 가스 전송(NGTL) 가스 파이프라인의 압축기에 있는 오일 저장고를 제거할 수 있었습니다.이로 인해 화재 위험이 감소하여 보험 비용을 대폭 절감할 수 있었습니다.이러한 자기 베어링 설치의 성공으로 NGTL은 미국 Magnetic Bearings Inc.가 공급하는 아날로그 제어 시스템을 대체하기 위한 디지털 자기 베어링 제어 시스템의 연구 개발을 선도하게 되었습니다.1992년 NGTL의 자기 베어링 연구 그룹은 주식회사 회전 테크놀로지스를 설립했습니다.[3] 디지털 자기 베어링 기술을 상용화하기 위한 것입니다.그 회사는 나중에 스웨덴의 SKF에 의해 인수되었다.1976년 설립된 프랑스 S2M은 능동형 자기 베어링을 최초로 상용화한 회사다.버지니아 대학의 회전 기계 및 제어 산업 연구 프로그램에서는 자기 베어링에 대한 광범위한 연구가 계속되고 있습니다[4].

1996년부터 10년 동안 네덜란드의 석유 가스 회사인 NAM은 각각 23메가와트 가변속 전기 모터로 구동되는 20대의 가스 압축기를 설치했다.각 유닛에는 모터와 컴프레서에 모두 능동형 자기 베어링이 완전히 장착되었습니다.이러한 압축기는 그로닝겐 가스전에서 이 큰 가스전에서 잔류 가스를 추출하고 전기장 용량을 증가시키기 위해 사용됩니다.모터-압축기 설계는 Siemens에 의해 이루어졌으며 활성 자기 베어링은 Waukesha Bearings(Dover Corporation 소유)에 의해 제공되었습니다.(원래 이 베어링은 Glacier에 의해 설계되었으며, 이 회사는 후에 Federal Mogul에 의해 인수되어 현재는 Waukesha Bearings의 일부가 되었습니다.)능동형 자기 베어링을 사용하고 모터와 컴프레서 사이를 직접 구동(변속 장치 없이)하고 드라이 가스 씰을 적용함으로써 완전 건조(오일이 없는) 시스템을 구현했습니다.능동형 자기 베어링을 운전석과 컴프레서에 모두 적용하면(기어 및 볼 베어링을 사용하는 기존 구성에 비해) 작동 범위가 매우 넓고 효율이 높은 비교적 단순한 시스템으로, 특히 부분 부하에서 작동합니다.그로닝엔 필드에서 했던 것처럼 대형 압축기 건물 없이 옥외에 전체 설치를 추가로 설치할 수 있습니다.

Meeks는[19] 영구 자석이 바이어스장을 제공하고 능동 제어 코일이 안정성과 동적 제어를 위해 사용되는 하이브리드 자기 베어링 설계(미국 특허 5,111,102)를 개척했습니다.바이어스 필드에 영구 자석을 사용하는 이러한 설계는 순수 전자 베어링보다 작고 무게가 가볍습니다.또한 전자 제어 시스템은 영구 자석에 의해 바이어스 필드가 제공되기 때문에 더 작고 더 적은 전력을 필요로 합니다.

필요한 부품의 개발이 진행됨에 따라, 1988년 취리히에서 개최된 제1회 자기 베어링 국제 심포지엄과 교수에 의한 국제 자기 베어링 학회 설립을 정점으로, 이 분야에 대한 과학적 관심도 높아졌습니다.슈바이처(ETHZ), 교수.Allaire(버지니아 대학교), 및 교수.오카다(이바라키 대학).이후 심포지엄은 자기 베어링 기술[5]에 대한 상설 포털을 갖춘 2년마다 열리는 컨퍼런스 시리즈로 발전하여 모든 심포지엄 기고가 가능해졌다.웹 포털은 국제 연구 및 산업계의 지원을 받고 있습니다.2012년 명예의 전당에 입성해 평생 공로상을 받은 교수.오카다 요지 교수님Gerhard Schweitzer와 Waukesha Magnetic Bearings의 Michael Swann [6].

적용들

자기 베어링의 장점은 매우 낮고 예측 가능한 마찰력, 윤활 없이 진공 상태에서 주행할 수 있다는 것입니다.자기 베어링은 압축기, 터빈, 펌프, 모터 및 발전기와 같은 산업 기계에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

자기 베어링은 전력회사가 가정용 전력 소비량을 측정하기 위해 일반적으로 와트시 미터로 사용됩니다.또한 에너지 저장 또는 운송 애플리케이션이나 플라이휠 에너지 저장 시스템 [20]등 진공 상태의 장비를 지원하는 데도 사용됩니다.진공 상태의 플라이휠은 바람 저항 손실이 매우 낮지만, 일반적인 베어링은 보통 윤활 불량으로 인해 진공 상태에서 빠르게 고장납니다.자기 베어링은 물리적 접촉면을 제거하여 저소음을 발생시키고 승차감을 원활하게 하기 위해 자기부상열차를 지지하는데도 사용됩니다.단점은 고비용, 중량, 비교적 큰 크기입니다.

자성 베어링은 또한 자성 베어링 사이에 자성 재료로 구성된 샤프트가 있는 냉각기용 원심 압축기에도 사용됩니다.소량의 전류가 축에 자기 부양을 제공하며, 이 자기 부상은 베어링과 축 사이의 마찰이 발생하지 않도록 공기 중에 자유롭게 매달려 있습니다.

인공 심장에 마그네틱 베어링이 새롭게 적용되었습니다.심실 보조 장치에서의 자기 현탁의 사용은 교수에 의해 개척되었다.폴 앨러와 교수.1999년 [citation needed]최초의 심실 보조 원심 펌프(VAD)를 개발한 버지니아 대학의 휴스턴 우드.

LifeFlow 심장 펌프,[21] DuraHeart 좌심실 보조 시스템,[22] Levitronix CentriMag [23]및 Berlin Heart를 비롯한 여러 심실 보조 장치에서는 자기 베어링을 사용합니다.이들 장치는 유체역학적 힘과 자력의 조합에 의해 단일 가동부가 매달린다.물리적 접촉 표면을 제거함으로써 자기 베어링은 이러한 혈액 [24]펌프에서 높은 전단 응력(적혈구 손상으로 이어짐)과 흐름 정체(응고로 이어짐) 영역을 쉽게 줄일 수 있습니다.

Calnetix Technologies, Synchrony Magnetic Bearings(Johnson Controls International 자회사), Waukesha Magnetic Bearings(Waukesha Magnetic Bearings), S2M(SKF 자회사)은 전 세계 주요 자기 베어링 개발 및 제조업체입니다.

장래의 진보

축방향 호모폴라 전기 다이내믹 베어링

인덕트랙 시스템과 같은 자기 부상 기술에 존재하는 유도 기반 공중부양 시스템을 사용하면 자기 베어링이 할바흐 어레이와 단순한 폐쇄 루프 코일을 사용하여 복잡한 제어 시스템을 대체할 수 있습니다.이러한 시스템은 단순성은 향상되지만 와전류 손실에 대해서는 덜 유리합니다.회전 시스템의 경우 다극 할바흐 구조 대신 동극 자석 설계를 사용할 수 있어 손실을 크게 줄일 수 있습니다.

언쇼의 정리 문제를 우회한 예는 토르비외른 렘브케 [25][26][27]박사가 발명한 동극 전기역학 베어링이다.이것은 패시브 자기 기술에 기초한 새로운 유형의 전자 베어링입니다.동작에 의해 발생하는 전류가 복원력을 [28][29][30]일으키기 때문에 제어 전자 장치가 필요하지 않고 작동한다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Charles, D., Spining a Nuclear Reback, 과학, 제315권 (2007년 3월 30일)
  2. ^ Basore P. A., "플라이휠 자기 베어링의 수동적 안정화", 매사추세츠 공과대학 석사 논문, 1980.
  3. ^ 무라카미 C.와 사토 I.는 2000년 3월 제7회 자기 베어링 국제 심포지엄에서 "와전류에 기초한 매우 단순한 방사 수동 자기 베어링 실험"을 발표했다.
  4. ^ 2000년 3월 제7회 자기 베어링 국제 심포지엄의 속행에서 벤더 D. 및 포스트 R. F., "플라이휠 에너지 저장 시스템을 위한 주변 온도 수동 자기 베어링"
  5. ^ Moser R., Regamey Y. J., Sandtner J. 및 Bleuler H., "Flywheels에 대한 수동적 반자성 부상", 2002년 제8회 자기 베어링 심포지엄의 계속.
  6. ^ Filatov A. V., McMullen P., Davey K. 및 Thompson R, "호모폴라 전기 자기 베어링이 있는 플라이휠 에너지 저장 시스템", 2006년 제10회 자기 베어링 국제 심포지엄 진행.
  7. ^ Sandtner J. and Bleuler H., 2004년 8월, 제9회 자기 베어링 국제 심포지엄의 속행에서 "평면 Halbach 어레이를 사용한 전자역학적 수동 자기 베어링"
  8. ^ Sandtner J. and Bleuler H., 2004년 8월 제10회 자기 베어링 국제 심포지엄 진행 중, "정속 응용을 위해 특별히 설계된 패시브 일렉트로 다이내믹 자기 스러스트 베어링"
  9. ^ Amati N., De Lépine X. 및 Tonoli A., ASME Journal of Vibration and Acoustics, 130, 2008, "전기 다이내믹 베어링의 모델링"
  10. ^ Kluyskens V., Dehez B, "패시브 자기 베어링의 동적 전기 기계 모델", IEEE Transactions on Magnetics, 43, 페이지 3287-3292, 2007.
  11. ^ Kluyskens V., Dehez B, "유도 전류를 가진 자기 베어링에 대한 매개 변수화된 전기 기계 모델", 시스템 설계 및 역학 저널 - 제11회 자기 베어링 국제 심포지엄 특별호, 2009.[1][permanent dead link]
  12. ^ 보, J, 고원심장의 제조 및 사용, 과학, 제120권, (1954)
  13. ^ 빔, J. , 자기 베어링, 종이 810A, 자동차 엔지니어링 컨퍼런스, 디트로이트, 미시간, 미국, SAE(1964년 1월)
  14. ^ Havermann, H. , Liard, G. 실용 자기 베어링, IEEE 스펙트럼, Vol. 16, No. 9, (1979년 9월)
  15. ^ Schweitzer, G., 능동 진동 제어를 위한 자기 로터 베어링의 특성, 문서 C239/76, 제1회 회전 기계 진동에 관한 국제 회의, (1976)
  16. ^ Estel Croot, 호주 발명가 주간지, NSW 발명가 협회, Vol.3, 1987년 4월)
  17. ^ Sawsan Ahmed Elhouri Ahmed, Nuha Abdallah Mohammed Babker & Mohamed Toum Fadel, "자기학 클래스에 관한 연구", IJISET - 혁신과학, 엔지니어링 & 테크놀로지 국제저널, Vol. 6호, 2348 – 7968, 2019.
  18. ^ Kasarda, M. 능동 자기 베어링 기술 및 응용 개요, 충격 및 진동 다이제스트, 제32권, 제2호: 해군 연구실 충격 및 진동 정보 센터 간행물, (2000년 3월)
  19. ^ Meeks, C.R., "Magnetic Bearing - Optimal Design and Application", 1974년 10월 14-17일 오하이오 데이튼 대학교 데이튼 영구 자석에 관한 국제 워크숍에서 발표된 논문
  20. ^ Li, Xiaojun; Anvari, Bahar; Palazzolo, Alan; Wang, Zhiyang; Toliyat, Hamid (2018-08-14). "A Utility Scale Flywheel Energy Storage System with a Shaftless, Hubless, High Strength Steel Rotor". IEEE Transactions on Industrial Electronics. 65 (8): 6667–6675. doi:10.1109/TIE.2017.2772205. S2CID 4557504.
  21. ^ "LifeFlow 심장 펌프에 대한 최근 작업"메카트로닉스 GmbH의 Linz 센터
  22. ^ 똑똑해, 프랭크"미국 최초 환자에게 자기 부상 심장 펌프 이식""오늘 심장학"2008년 10월
  23. ^ Hoshi, H; Shinshi, T; Takatani, S (2006). "Third-generation Blood Pumps with Mechanical Noncontact Magnetic Bearings". Artificial Organs. 30 (5): 324–338. doi:10.1111/j.1525-1594.2006.00222.x. PMID 16683949.
  24. ^ "생물 시스템 - 심장 보조 펌프" 2016-10-08 웨이백 머신에 보관.항공우주연구실버지니아 대학교.
  25. ^ "새로운 저손실 동압 베어링 설계 및 분석"렘브케, 토르비욘박사 학위 논문스톡홀름: Universitetservice US AB, 2005.ISBN 91-7178-032-7
  26. ^ "저손실 동극 유도 베어링의 3D-FEM 분석" 2011-06-08년 토르비욘 웨이백 기계 렘브케에 보관.제9회 자기 베어링 국제 심포지엄(ISMB9)2004년 8월
  27. ^ 스톡홀름 왕립공과대학에서의 세미나.2010년 2월 24일
  28. ^ Amati, N., Tonoli, A., Zenerino, E., Detoni, J. G., Impinna, F., "전기동적 베어링 설계 방법론", XXVIIII Asociazione 이탈리아나 per l'analisi delle solecitionsi, Nazgale, Nazgale, Nazaleon.
  29. ^ 필라토프, A. V., Maslen, E. H. 및 질리스, G. T., "전자력을 이용한 회전 물체의 현탁 방법", 응용 물리학 저널, 제91권
  30. ^ Filatov, A. V., Maslen, E. H. 및 Gillies, G. T., "전기역학 현탁의 안정성" 응용물리학 저널, Vol. 92(2002), 페이지 3345-3353.

추가 정보

외부 링크

  • KMODL(Kinematic Models for Design Digital Library) - 코넬 대학의 수백 개의 기계 시스템 모델의 영화와 사진.기계 설계와 엔지니어링에 관한 고전적인 텍스트가 수록되어 있는 전자책 라이브러리도 포함되어 있습니다.
  • MADYN2000, Rotordynamics Software는 자기 베어링 컨트롤러의 컴퓨터 지원 설계를 지원하며 설계 품질에 대한 다중 분석 보고서를 제공합니다.