마그네틱 댐퍼 베어링으로 지지되는 고속로터의 동특성에 관한 실험적 연구

Abstract

회전기계의 효율성을 높이기 위해 고속회전에 대한 필요가 증가하고 있다. 회전기계의 고속회전을 가능하게 하기 위해서는 왜란 및 공진에 의한 불안정성을 극복해야 한다. 따라서 회전체의 안정성, 신뢰성을 확보하기 위해 마그네틱 댐퍼 베어링, 스퀴즈 필름 댐퍼와 같은 진동 저감 요소에 대한 연구가 수행되어 왔다. 특히 전자석에 흐르는 전류 및 자력을 제어함으로써 물리적인 접촉없이 회전체를 지지하는 능동형 마그네틱 댐퍼 베어링은 동특성의 능동제어 가능성, 고속에서의 활용 가능성 등의 이유로 회전체의 안정성 확보의 해결책으로 연구되고 있다. 또한 마그네틱 댐퍼 베어링을 공기베어링과 결합하여 두 베어링의 장점을 활용하고 단점을 보완하고자 하는 연구들이 진행되고 있다. 본 논문에서는 공기베어링과 마그네틱 댐퍼 베어링의 적절한 결합을 위한 선행 연구로 마그네틱 댐퍼 베어링의 동특성에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 먼저 전자석, 전류증폭기, 제어기, 센서로 이루어진 마그네틱 댐퍼 베어링 시스템을 설계 및 제작하였다. 실험적 연구에 앞서 마그네틱 댐퍼 베어링으로 지지되는 회전축의 이론적인 모델링을 통해 이론적인 동특성 값을 예측하였다. 실험적 연구를 위해 충동형 공기 터빈(impulsive-type air turbine)으로 구동되는 실험 장치를 구성하고 마그네틱 댐퍼 베어링의 동특성 실험과 공기베어링과의 협동 구동을 통한 진동 저감 효과 실험을 수행하였다. 동특성 실험은 임팩트 헤머(impact hammer)를 이용한 가진 테스트를 통해 주파수 응답함수(frequency response function)를 얻고 최소자승법(least square method)을 이용해서 동특성 계수를 추출하였다. 또한 마그네틱 댐퍼 베어링 시스템의 제어변수들을 변화시키면서 동일한 실험을 수행하여 제어변수에 따른 동특성 변화를 고찰하였다. 실험결과 제어변수를 통한 동특성의 제어 가능성을 확인하였다. 앞서 수행한 이론적 예측치와의 비교를 통해 강성값은 오차가 거의 없음을 확인하였고 감쇠값에서는 큰 오차를 보였다. 이는 동특성 계수 추출 실험에서의 오차, 모델링 과정에서의 오차에 기인한 것으로 보여지며 감쇠값의 정확한 예측을 위한 연구가 추후 더 이루어져야 함을 확인하였다. 동특성 향상을 통한 진동저감 효과에 대한 실험은 공기베어링만의 구동 시 발생하는 불안정 영역에서 마그네틱 댐퍼 베어링을 구동함으로써 수행하였고 공기역학적인 불안정성으로 인해 생긴 비동기 진동성분(sub-synchronous vibration) 들이 제거됨을 확인하였다. 이는 마그네틱댐퍼 베어링을 통한 감쇠효과로 여겨지며 공기베어링과의 협동 구동시 진동저감효과가 나타남을 검증하였다. 본 연구를 통해 공기베어링과 마그네틱 댐퍼베어링의 결합 연구의 가능성을 확인하였고 추후 감쇠값의 정확한 예측을 위한연구, 공기베어링의 편심을 고려한 적절한 제어 방법 등에 대한 연구가 이루어져야 할 것으로 생각한다.; Active magnetic damper bearing is an electromagnetic device which levitates the rotor without mechanical contact using the controlled electromagnetic force. Active magnetic damper bearing has been taken into consideration as the promising candidate bearings for improving stability of high speed turbomachinary. In this study, active control magnetic damper bearing for reducing vibration of rotor system was introduced. As well, design and manufacturing of rotor and magnetic damper bearing system were researched. From the modeling of rigid rotor-magnetic damper bearing system, dynamic characteristics were predicted. The test rig for experimental study on magnetic bearing was set. Two kinds of tests are executed. First, the dynamic characteristics of magnetic damper bearing were extracted from the frequency response function by least square method, and the experimental results were compared with theoretical ones. Same test was executed changing proportional gain, derivative gain, and integral gain. The results of this test indicate that dynamic characteristics of magnetic damper bearing are controlled by control gain. Second test was conducted in order to verify the effect of magnetic damper bearing, reducing vibration of rotor system. From the operating experiment the comparison of vibration between with and without magnetic bearing was conducted. The test results showed the effectiveness of the magnetic damper bearing for sub-synchronous vibrations. Rotordynamic stability was improved with magnetic damper bearing, which enhanced damping characteristics of the bearing.