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당기기 시험을 통한 능동 자기베어링의 중심 오차 추정
Estimation of Center Error in Active Magnetic Bearings through a Pull Test 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.41 no.2, 2017년, pp.121 - 127  

남성규 (충남대학교 메카트로닉스공학과) ,  노명규 (충남대학교 메카트로닉스공학과) ,  박영우 (충남대학교 메카트로닉스공학과) ,  이남수 (LG Electronics H&A 연구센터) ,  정진희 (LG Electronics H&A 연구센터)

초록
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자기베어링이 장착된 고속 회전기계의 상용화 관점에서 볼 때, 반경방향 자기베어링의 기계적중심과 자기적 중심 간의 중심 오차를 관리하고 대응하는 것이 매우 중요하다. 중심 오차를 측정하는 기존의 방법은 부상 제어기에서 제어 명령의 불균형을 최소화하는 자기적 중심 위치를 실험적으로 찾는 것인데, 이는 조립 단계에서 사용할 수 없다. 본 논문에서는 회전축의 위치를 측정하는 변위센서와 베어링 코일에 전류를 공급하는 전원만으로 중심 오차를 추정할 수 있는 새로운 방법을 제시한다. 회전축의 위치와 코일 전류에 따른 자기력 모델을 기반으로 당기기 시험에서의 접촉각과 중심 오차 간의 관계를 정립하고, 시험을 통해 측정한 접촉각과 모델 기반 접촉력 각도 간의 차이를 최소화함으로써 중심 오차를 추정한다. 유한요소해석을 이용하여 방법을 수치적으로 검증하고, 실험을 통해 추정 방법의 가능성을 확 인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

From the perspective of commercializing rotating machines equipped with magnetic bearings, maintaining the error between the mechanical center and the magnetic center within an acceptable level is crucial. The existing method of measuring the center error is to adjust the position references that mi...

주제어

#능동형 자기베어링   #중심 오차   #자동 검사  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 또한, 코일 전류 공급을 위해 스위칭 증폭기를 사용한 경우, 스위칭 잡음에 의해 중심오차 추정의 정확도가 떨어진다. 본 논문에서는 부상 제어기가 구현되지 않은 상황에서 회전축을 일정 방향으로 당기는 일련의 시험을 통해 중심 오차를 추정하는 새로운 방법을 제시하고자 한다. 이는 회전축의 위치를 측정하는 변위 센서와 베어링 코일에 전류를 공급하는 전원만으로 가능한 시험으로 조립 단계에서 간편하게 실행할 수 있다.
  • 본 논문에서는 자기회로를 활용한 반경방향 자기베어링의 자기력 모델을 기반으로 베어링의 기계적 중심과 자기적 중심 간의 중심 오차를 실험적으로 추정하는 새로운 방법을 제시하였다. 수치 실험을 통해 방법의 유효성을 검증하였고, 터보압축기를 지지하는 실제 자기베어링에 적용하여 가능성을 확인하였다.
  • 본 논문에서는 중심 오차 추정 방법의 유효성을 일차적으로 확인하기 위하여 수치 실험을 수행하였다. 일정한 자기적 중심에 따라 유한요소해석상에서 당기기 시험을 하여 접촉각을 구하고, 식 (7)을 통해 중심 오차를 구한 후, 입력으로 주어진 중심 오차와 비교하였다.

가설 설정

  • 자기베어링은 고속터보압축기(8)를 지지하는 2개의 반경방향 자기베어링으로서 베어링 파라미터는 Table 2와 동일하다. Fig. 7은 이 두 베어링에 대해 당기기 시험을 한 결과이며, 아래 방향으로 축 무게의 절반인 35 kg이 베어링에 작용한다고 가정하였다. 당기기 시험에서 측정한 접촉각을 이용하여 식 (7)의 최소화를 수행한 결과 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
자기 베어링 사용할 때에 백업 베어링이 사용되는 이유는? (1) 축의 횡방향 지지를 위해 사용하는 반경방향 자기베어링(radial magnetic bearing)은 동극형(homopolar)이나 이극형(heteropolar) 등의 형태가 있는데, 돌극형 전동기처럼 코일이나 영구자석을 이용하여 고정자 돌극과 회전축 간의 작은 공극(air gap) 내의 자기장을 형성하고 이로부터 발생한 자기력으로 회전축을 지지한다. 자기력은 내재적으로 불안정성을 가지고 있으며 전원이 차단되거나 부상 가능 범위를 벗어나는 경우 자기베어링과 회전축을 보호하기 위해 백업 베어링(혹은 비상 베어링, 안전 베어링 등으로도 불림)이 사용된다. 백업 베어링의 중심을 기계적 중심(mechanical center)라고 하며, 자기베어링의 중심을 자기적 중심(magnetic center)라고 하는데, 제작이나 조립 공차로 인해 두 중심 간에 오차가 발생하며, 본 논문에서는 이를 중심 오차(center error)로 정의한다.
자기베어링의 역할은? 자기베어링은 자기력을 통해 회전체를 비접촉으로 지지하여 손실을 줄이고 고속회전이 가능하도록 한다.(1) 축의 횡방향 지지를 위해 사용하는 반경방향 자기베어링(radial magnetic bearing)은 동극형(homopolar)이나 이극형(heteropolar) 등의 형태가 있는데, 돌극형 전동기처럼 코일이나 영구자석을 이용하여 고정자 돌극과 회전축 간의 작은 공극(air gap) 내의 자기장을 형성하고 이로부터 발생한 자기력으로 회전축을 지지한다.
중심 오차가 자기베어링에 미치는 영향은? 중심 오차는 자기베어링의 성능에 다양한 영향을 미친다.(2) 작동점에서 코일 전류의 불균형이 생기게 되어 제어력이 저감될 수 있으며, 자기베어링 제어기 설계에 사용되는 전류 상수나 강성 계수 등이 변하게 되어 제어기 구현이나 제어 성능 예측에 어려움을 겪을 수 있다. 특히 자기베어링이 장착된 회전기계의 상용화 관점에서 볼 때, 중심 오차의 측정과 관리는 매우 중요하다고 할 수 있다.
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참고문헌 (10)

  1. Schweitzer, G. and Maslen, E. H., eds., 2009, Magnetic Bearings, Springer, New York. 

  2. Kim, D. G. and Kim, K. W., 1996, "The Influence of Assembling Errors on the Performance of the Rotor Supported by Active Magnetic Bearings," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 20, No. 12, pp. 3909- 3916. 

  3. Smirnov, A., 2012, AMB System for High-Speed Motors Using Automatic Commissioning, Ph. D Thesis, Lappeenranta University of Technology. 

  4. Furlani, E. P., 2001, Permanent Magnet and Electromechanical Devices, Academic Press, San Diego. 

  5. Meeker, D. C., 2005, Optimal Solutions to the Inverse Problem in Quadratic Magnetic Actuator, Ph. D. Thesis, University of Virginia. 

  6. Meeker, D. C., Finite Element Method Magnetics (FEMM). Available: http://www.femm.info. 

  7. Lagarias, J. C., Reeds, J. A., Wright, M. H. and Wright, P. E., 1988, "Convergence Properties of the Nelder-Mead Simplex Method in Low Dimensions," SIAM Journal of Optimization, Vol. 9, No. 1, pp. 112- 147. 

  8. Baek, S., Noh, M., Lee, K., Park, Y.-W., Lee, N. S. and Jeong, J., 2016, "Predictions of Unbalance Response of Turbo Compressor Equipped with Active Magnetic Bearings Through System Identification," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 40, No. 1, pp. 97-102. 

    원문보기 상세보기 crossref

  9. Khader, S. A., 2015, System Identification of Active Magnetic Bearing for Commissioning, Ph. D. Thesis, Uppsala University. 

  10. ISO Standard 14839-2, Mechanical Vibration - Vibration of Rotating Machinery Equipped with Active Magnetic Bearing: Part 3 - Evaluation of Vibration, 2004. 

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