공기포일 자기 하이브리드 베어링으로 지지되는 연성축의 무부하 마찰 특성

조성하(Sung Ha Cho),이명기(Myung Ki Lee),이춘세(Chun se Lee),안형준(Hyeong Joon Ahn) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.5

본 논문은 공기포일 자기 하이브리드 베어링으로 지지되는 연성축의 무부하 마찰 특성에 관한 연구이다. 먼저 하이브리드 베어링으로 지지되는 연성축 실험장치를 구성하고 구동 시 모터와 하이브리드 베어링의 소요 전류량을 측정하여 자기 베어링, 공기포일 베어링, 하이브리드 베어링으로 지지되는 연성 축의 무부하 마찰 특성을 비교하였다. 실험을 통해 공기포일 베어링보다 하이브리드 베어링으로 지지되었을 때, 저속에서 마찰특성이 향상됨을 검증하였다. 또한, 하이브리드 베어링의 제어 이득 변화와 축의 중심 변화 실험을 수행하여 하이브리드 베어링 내의 자기 베어링과 공기포일 베어링 사이의 하중 분배에 따른 마찰과 진동 특성을 분석하여 하중분배를 통해 진동뿐만 아니라 마찰도 최소화 할 수 있음을 보았다. 마지막으로 회전 속도에 따라 하이브리드 베어링의 자기베어링의 제어 이득, 옵셋 그리고 on-off 시점을 적절히 설정하여 진동과 에너지 소모를 최소화할 수 있음을 확인하였다. This paper studies no-load friction characteristics of a flexible shaft supported by a hybrid air-foil magnetic bearing. First, a flexible shaft test rig equiped with the hybrid bearing is built and no-load friction characteristics of the flexible shaft supported by three bearings: air-foil, magnetic and hybrid bearings are compared by measuring currents of the driving motor and the hybrid bearing. Experimental results show that the friction characteristic of the flexible shaft supported by hybrid bearing is better than the air-foil bearing at low speed. In addition, effects of the load sharing between air-foil and magnetic bearings are investigated by changing the control gain and the rotor center position of the hybrid bearing, which shows that the vibration as well as friction can be minimized. Finally, vibration and energy consumption of the hybrid bearing is shown to be minimized if control gain, position offset and the on-off period of the magnetic bearing is adjusted properly according to the rotating speed of the shaft.

전자석 바이어스 Diskless반경방향-축방향 일체형 자기 베어링 해석

나언주(Na, Uhn-Joo) 한국소음진동공학회 2012 한국소음진동공학회 논문집 Vol.22 No.10

The theory for a new electromagnetically biased diskless combined radial and axial magnetic bearing is developed. A typical magnetic bearing system is composed of two radial magnetic bearings and an axial magnetic bearing. The axial magnetic bearing with a large axial disk usually limits rotor dynamic performance and makes assembling and disassembling difficult for maintenance work. This paper proposes a novel electromagnet biased integrated radial-axial magnetic bearing without axial disk. This integrated magnetic bearing uses two axial coils to provide the bias flux to the radial and axial air gaps of the combined bearing. The axial magnetic bearing unit in this combined magnetic bearing utilizes reluctance forces developed in the non-uniform air gaps such that the axial disk can be removed from the bearing unit. The 4-pole homopolar type radial magnetic bearing unit is also designed and analyzed. Three dimensional finite element model for the bearing is also developed and analyzed to illustrate the diskless combined magnetic bearing.

능동 자기베어링 런아웃의 적응제어

김재실,배철용,이재환,안대균,최헌오 한국공작기계학회 2002 한국공작기계학회 춘계학술대회논문집 Vol.2002 No.-

자기베어링의 회전정밀도에 영향을 미치는 인자로 PWM 전력증폭기, 위치 센서 등과 같은 자기베어링 구성 장치의 동특성 및 정밀도, 시스템의 정확한 모델링, 제어기법, 런아웃 등이 있다. 본 연구에서는 능동 자기베어링을 제어하기 위해 자기베어링의 PWM 전력증폭기와 회전축을 모델링하고 이를 바탕으로 능동 자기베어링 제어를 위한 PID제어기를 구성하였으며, 변위 센서의 부착위치 및 회전축의 진원도의 영향으로 발생하는 주기적인 런아웃 요소를 첨가하여 런아웃의 영향을 확인하였으며, 런아웃(Runout)에 의해 발생하는 에러(Error)를 효과적으로 제어하여 자기베어링의 제어 정밀도를 향상시키기 위한 방법으로 기본적인 PID 제어기에 최소평균자승(Least Mean Square, LMS) 알고리즘을 적용한 적응 피드포워드 제어기를 구성하여 자기베어링의 능동 제어에서 발생하는 주기적인 런아웃을 효과적으로 제어할 수 있음을 MATLAB을 통한 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

자기베어링 런아웃의 적응제어

김재실,배철용,이재환,안대균,최헌오 창원대학교 산업기술연구소 2001 産技硏論文集 Vol.15 No.-

자기베어링의 회전정밀도에 영향을 미치는 인자로 PWM 전력증폭기, 위치 센서 등과 같은 자기베어링 구성 장치의 동특성 및 정밀도, 시스템의 정확한 모델링, 제어기법, 런아웃 등이 있다. 본 연구에서는 능동 자기베어링을 제어하기 위해 자기베어링의 PWM 전력증폭기와 회전축을 모델링하고 이를 바탕으로 능동 자기베어링 제어를 위한 PID 제어기를 구성하였으며, 변위 센서의 부착위치 및 회전축의 진원도의 영향으로 발생하는 주기적인 런아웃 요소를 첨가하여 런아웃의 영향을 확인하였으며, 런아웃(Runout)에 의해 발생하는 에러(Error)를 효과적으로 제어하여 자기베어링의 제어 정밀도를 향상시키기 위한 방법으로 기본적인 PID 제어기에 최소평균자승(Least Mean Square, LMS) 알고리즘을 적용한 적응 피드포워드 제어기를 구성하여 자기베어링의 능동 제어에서 발생하는 주기적인 런아웃을 효과적으로 제어할 수 있음을 MATLAB을 통한 시뮬레이션을 통해 확인하였다.

연속적 역변환이 가능한 힘 모델을 이용한 환형권선 셀프베어링 BLDC 모터의 부상 제어기 구현

최원영(Won-yeong Choi),최정규(Jung-kyu Choi),노명규(Myounggyu Noh) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.7

셀프베어링 모터는 하나의 자기 구동기(magnetic actuator)로 회전 구동과 자기부상을 동시에 구현한 전동기로 베어링리스모터 혹은 베어링 내장 모터로 불리기도 한다. 셀프베어링 모터에서 자기부상제어를 구현하기 위해 부상력과 제어전류 간의 모델을 역변환하여야 하는데, 힘-전류 간의 모델을 결정하는 변환행렬이 정방행렬이 아니며, 의사역행렬(pseudo-inverse) 또한 회전자의 각도에 따라 특이점을 가지게 된다. 본 논문에서는 힘-전류 모델에 제한조건을 추가하여 연속적 역변환이 가능한 새로운 방법을 제시하고, 역변환 행렬을 해석적으로 구하였다. 연속적 역변환을 이용한 부상제어기를 구현하여 안정적 부상제어가 이루어짐을 확인하였다. 힘-전류 모델에 추가한 제한조건으로 상전류의 총합이 0 을 유지하여 전류에 의한 고정자 자속밀도를 제거함으로써, 이전 연구에서의 자기포화 문제를 근본적으로 해결하였다. A self-bearing is an electric machine that achieves both rotational actuation and magnetic levitation using a single magnetic structure. To be able to stably levitate the rotor in a self-bearing, one needs to have an inverse of the force-current model. However, the force-current model in a self-bearing motor is typically not square. Furthermore, the elements of the matrix vary with respect to the rotational angle, resulting in singularities of the pseudo-inverse at various angles. In this paper, we propose a new force-current model that eliminates the singularities by adding a constraint in coil currents. This constraint eliminates the flux density in the stator core so that the saturation problem in the previous study is avoided. By implementing this force-current model, we are able to implement a levitation controller for a toroidally-wound self-bearing BLDC motor. The model inversion and levitation are validated experimentally.

정현파 가진과 최소 자승법을 이용한 능동 자기베어링의 파라미터 추정

송미선,노명규 대한기계학회 2024 大韓機械學會論文集A Vol.48 No.5

국제사회의 효율향상 및 탄소 저감 요구로 인해 냉동기용 압축기, 수처리 송풍기, 대용량 펌프와 같은 에너지 다소비 기기에서 무급유 자기베어링을 채택하는 경우가 증가하고 있다. 능동 자기베어링은 궤환 제어가 필수적이며, 제어기 설계를 위해 액츄에이터 상수나 개루프 강성계수와 같은 베어링 파라미터를 정확히 알고 있어야 한다. 그러나, 제작 공차, 조립과정의 편차 등으로 인해 베어링 파라미터가 설계값과 상이하게 되어 이를 추정해야 한다. 본 논문에서는 정현파 가진을 통해 얻은 주파수 응답 데이터에 최소 자승법을 적용한 새로운 파라미터 추정법을 제시한다. 제안한 추정방법은 기존 베어링 파라미터 추정을 위해 주로 사용되는 SK 알고리즘과 유사한 추정 성능을 보여준다. 또한, 수치적검증과 실험적 검증을 통해 최소 자승 추정이 SK 알고리즘에 비해 적은 데이터 양으로 추정이 가능함을 확인하였다. Recently, the adoption of oil-free rotating machines supported by magnetic bearings is expanding in energy-intensive applications, such as chiller compressors, water treatment blowers, and high flowrate pumps to increase efficiency and reduce carbon footprints. Active magnetic bearings require feedback control to overcome their inherent instability. To design a control for the bearing, it is necessary to have accurate knowledge of bearing parameters, such as actuator gain and open-loop stiffness. In this study, we propose a new method of estimating bearing parameters by applying the least squares method to the frequency response data obtained from sine sweep tests. The proposed method can estimate the actuator gain and open-loop stiffness as effectively as the SK algorithm, which is the most common method of estimating bearing parameters. Moreover, the new method requires less data than does the SK algorithm for comparable accuracy, as confirmed by numerical and experimental validations.

제어신호 분할을 이용한 자기베어링 시스템의 제어

양주호(J. H. Yang),정황훈(H. H. Jeong),정광교(G. K. Choung) 한국동력기계공학회 2009 한국동력기계공학회 학술대회 논문집 Vol.2009 No.11

The magnetic bearing system is widely applied to the suspension of rotors on the rotary machineries at the special condition, because this system has many advantages such as less mechanical friction and heat generation, no noise, no lubrication and so on. The magnetic bearing system is inherently an unstable system, so this system needs the controller to stabilize the system. Many studies are devoted to the design of controllers that make the system stabilize and the analysis that finds the system's dynamic characteristics. This paper concern about the PID controller that stabilized the magnetic bearing system with control signal separating. Firstly, we already get the transfer function for the current amplifier's circuit form amp. input to current output and the magnetic baring system from reference input to levitated object's displacement. Secondly we will experiment on the magnetic bearing system that separate the control signal or not with the step response experiment and the step disturbance one. And we will compare the response experiments between the magnetic bearing system with control signal separating or not. Finally, we will confirm the system that separated control signal is better disturbance rejection and the reference tracking performance than the system didn't separated.

영구자석조합형 축방향 자기베어링 시뮬레이션 및 실험

박병철(Byeong-Cheol Park),정세용(Se-Yong Jung),한상철(Sang-Chul Han),이정필(Jeong-Phil Lee),한영희(Young-Hee Han),박병준(Byung-Jun Park) 한국트라이볼로지학회 2011 한국트라이볼로지학회지 (Tribol. Lubr.) Vol.27 No.3

In this paper, an actuator model of the thrust magnetic bearing for the flywheel energy storage is derived using magnetic circuit theory, And we compared this result with finite element magnetic field analysis result. Based on the actuator model, we made a simulation model of the thrust magnetic bearing system. We showed the closed loop transfer function and sensitivity function of the thrust magnetic bearing system using both the simulation model and the experiment. The experimental result at rotation velocity 18,00rpm of thru t magnetic bearing system is included.

공기포일 자기 하이브리드 베어링으로 지지되는 연성 축의 휨 모드 진동 제어

정세나(Sena Jeong),안형준(Hyeongjoon Ahn),김승종(Seungjong Kim),이용복(Yongbok Lee) 한국트라이볼로지학회 2011 한국트라이볼로지학회지 (Tribol. Lubr.) Vol.27 No.2

Hybrid air-foil magnetic bearing integrates two oil free bearing technologies synergetically to adopt the strengths of two bearings with minimizing their weaknesses. This paper presents bending mode vibration control of a flexible shaft supported by the hybrid air-foil magnetic bearing. An experiment set-up of a flexible shaft supported by the hybrid air-foil magnetic bearing is built. In order to verify the effectiveness of the hybrid bearing, unbalance responses of the flexible shaft supported by three different bearings: air-foil, magnetic and hybrid bearings are compared. Effect of load sharing between air-foil and magnetic bearings are investigated through changing the control gain and the rotor center position of magnetic bearing. The experimental results shows that the hybrid bearing can control the bending mode vibration of the flexible shaft effectively and an optimal performance can be achieved with an appropriate load sharing between the air-foil and the magnetic bearings.

영구자석형 스러스트 베어링의 최적 설계

유승열(Seong Yeol Yoo),김우연(Woo yeon Kim),김승종(Seung Jong Kim),이욱륜(Wook Ryun Lee),배용채(Yong Chae Bae),노명규(Myounggyu Noh) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.4

본 논문에서는 환형 영구자석을 이용한 스러스트 베어링의 최적설계에 대하여 기술하였다. 영구자석형 스러스트 베어링은 두 조의 환형 영구자석으로 이루어지며, 한 조의 영구자석이 다른 한 조의 영구자석 내부에 위치한다. 영구자석간의 축방향 변위 (엇갈림)에 의해 축방향 힘이 발생하고 이를 통해 스러스트 베어링 역할을 하게 된다. 최소한의 영구자석으로 베어링 부하용량을 만족하는 베어링 설계 파라미터를 구하기 위해 본 논문에서는 등가전류판 방법을 이용하여 해석적 설계식을 유도하고, 적절한 제한 조건을 설정하여 최적 설계를 수행하였다. 최적 설계 결과는 3 차원 유한요소해석을 통해 검증하였다. 본 논문에서 고려한 축방향 배열과 Halbach 배열의 스러스트 베어링 중 Halbach 배열이 축방향 배열에 비해 동일한 부피의 영구자석으로 더 큰 부하용량을 얻을 수 있음을 확인하였다. 등가전류판 방법의 유효성을 3 차원 유한요소해석을 통해 검증하였고, 축 방향 배열보다Halbach 배열이 등가전류판 방법의 가정에 좀 더 민감하게 영향을 받는 것을 알 수 있었다. In this paper, we describe a process for optimally designing a ring-type permanent magnet thrust bearing. The bearing consists of two sets of permanent magnet rings. One set is located inside the other set. An axial offset between the two sets creates axial force, which results in a thrust bearing function. In order to realize an optimal design of the bearing where the required load capacity of the bearing is achieved with the least magnet volume, we derived analytical design equations by adopting the equivalent current sheet (ECS) method. We considered the following two types of magnet arrays: axial arrays and Halbach arrays. These two types of arrays are optimized using the analytical design equations. The results of the optimization are verified using three dimensional (3D) finite element analyses (FEA). The results show that the Halbach array can achieve the required load capacity with less amount of permanent magnet than the axial array does. The efficacy of the ECS method is also verified by using 3D FEA. It is found that the accuracy of ECS method is more sensitive to the underlying assumptions for the Halbach array than for the axial array.