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자기베어링을 이용한 공기정압베어링 강체축의 유체 불안정성 억제에 관한 연구 : Suppression of Fluid Induced Instability of an Aero-static Bearing Rigid Rotor using an Active Magnetic Bearing

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Authors

장희도

Advisor
김종원
Major
공과대학 기계항공공학부
Issue Date
2014-08
Publisher
서울대학교 대학원
Keywords
공기정압베어링유체 불안정성능동형 자기베어링디지털PD 제어고속 정밀 강체축강체축의 안정성 향상
Description
학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2014. 8. 김종원.
Abstract
산업의 발달에 따라 가공 기술은 고정밀, 고속화, 고강성 주축의 필요성이 증대하고 있다. 고속 가공은 고능률 및 고생산성을 동반하는 중요한 생산기술로 인정되고 있으며, 이로부터 가공 정밀도 향상, 표면 정도 개선, 가공 시간의 단축, 절삭 열 및 저항 감소 등의 장정을 지니고 있다. 이로부터 고속 가공이 가능한 고성능 공작기계의 요구가 커지고 있으며, 고속 회전이 가능한 주축에 대한 요구가 커지고 있다.
공기정압베어링은 회전축을 비 접촉 지지함으로써 마찰저항이 작고 발열도 작아 고속회전에 유리하다. 작동유체의 평균화 효과에 의해 회전 정밀도가 높다. 하지만, 정 강성과 부하 용량이 작은 단점을 지니고 있으며, 아래와 같은 불안정성에 의한 한계가 존재한다.
공기정압베어링의 불안정성은 크게 두 가지로 공기 해머 및 유체 불안정성으로 분류할 수 있다. 공기 해머링 현상은 회전축이 회전 또는 비 회전 상황에서 모두 나타날 수 있다. 이는 공기정압베어링의 급기구를 통해 공급되는 압력의 시간 지연으로 인하여 발생하며, 급기구의 형상 변경 및 급기 조건의 변경을 통해 해결 할 수 있다. 반면에 공기정압베어링의 댐핑 부족에 의하여 발생하는 유체 불안정 현상은 회전축의 1차 위험 속도의 약 2배에서 발생한다고 알려져 있다. 이는 회전축의 회전 속도가 증가함에 따라 베어링 틈새 내에 형성되는 압력 분포가 비대칭적으로 생성됨으로 발생하며, 로터-베어링 시스템의 설계 단계에서 고려되어야만 한다.
본 논문에서는 공기정압베어링의 불안정성을 억제하고, 회전 속도의 상향을 위하여 자기베어링과의 복합화를 제시하였다. 이는 능동형 자기베어링의 복합 적용을 통해 회전축에 작용하는 강성 및 감쇠를 조절 함으로써 공기정압베어링의 불안정성을 억제 하고자 하였다. 이를 위해 공기정압베어링과 자기베어링으로 구성된 로터-베어링 시스템을 모델링하고 이를 통해 시스템 특성을 확인하였다. 로터-베어링 시스템을 제작하고, 공기정압베어링으로 지지된 로터의 회전 실험을 수행하여, 공기정압베어링의 유체 불안정성을 확인하였다. 자기베어링의 제어를 수행함으로써 공기정압베어링의 유체 불안정성을 억제하였으며, 고속 영역에서 로터의 안정적인 운전을 실험을 통해 확인하였다.
Language
Korean
URI
https://hdl.handle.net/10371/118412
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