자기 베어링: 유형, 작동 방식 및 주요 응용 분야

자기 베어링이란 무엇이며 왜 중요한가요?

A 자기 베어링 회전자와 고정자 사이에 물리적인 접촉이 없이 회전하는 샤프트를 자기력으로 완전히 지지하는 베어링의 일종입니다. 기존의 롤링 요소 베어링이나 유막 베어링과 달리 자기 베어링은 제어된 전자기장을 사용하여 공간에서 샤프트를 공중에 띄우므로 기계적 마찰, 마모 및 윤활 필요성이 없습니다. 그 결과, 극한의 속도, 진공 환경 및 기존의 온도에서 작동할 수 있는 베어링 시스템이 탄생했습니다. 베어링 완전히 실패할 것이다.

이것의 실질적인 의미는 크다. 산업용 압축기, 터보 기계, 에너지 저장 플라이휠 및 반도체 제조 장비에서 접촉 기반 마모를 제거하면 기계 수명이 길어지고 유지 관리 비용이 낮아지며 회전 제어가 더욱 정밀해집니다. 자기 베어링은 단순히 롤링 베어링을 대체하는 것이 아니라 설치된 기계의 성능 범위를 변경합니다.

1,000,000 실험실 조건에서 활성 자기 베어링으로 달성 가능한 RPM

0 윤활 필요 - 오일 없음, 그리스 없음, 오염 없음

<1μm 정밀 능동 자기 베어링 시스템의 로터 위치 정확도

자기 베어링 유형: 능동형, 수동형 및 하이브리드

자기 베어링 기술은 세 가지 광범위한 제품군으로 나뉘며 각각 고유한 작동 원리를 갖습니다. 차이점을 이해하면 특정 응용 분야에 적합한 베어링 구성이 결정됩니다.

AMB

능동형 자기 베어링(AMB)

능동 자기 베어링은 실시간 피드백 컨트롤러에 의해 에너지가 공급되는 전자석을 사용합니다. 센서는 로터 위치를 지속적으로 측정합니다. 제어 시스템은 각 전자석의 전류를 조정하여 샤프트를 중앙에 유지합니다. 이로 인해 AMB는 제어 없이는 본질적으로 불안정해집니다. 그러나 제어 루프는 시스템에 프로그래밍 가능한 강성, 활성 진동 감쇠 및 진단 기능도 제공합니다. AMB는 산업용 터보 기계에서 지배적인 형태입니다. , 천연가스 파이프라인 압축기 및 고속 스핀들을 포함합니다.

PMB

패시브 자기 베어링(PMB)

패시브 자기 베어링은 영구 자석을 사용하여 전원 공급 장치나 제어 전자 장치 없이 정적 척력 또는 인력을 생성합니다. Earnshaw의 정리에 따르면 순수 수동형 자기 베어링은 동시에 6개 자유도 모두에서 안정적일 수 없습니다. 따라서 PMB는 일반적으로 불안정한 축을 제한하기 위해 기계적 요소와 결합됩니다. 이는 에너지 저장 플라이휠에서 방사형 지지 베어링으로 사용되며 AMB 또는 피벗이 나머지 축을 처리합니다.

HMB

하이브리드 자기 베어링

하이브리드 자기 베어링은 영구 자석과 소형 전자석을 결합합니다. 영구 자석은 바이어스 플럭스라고 하는 기본 부상력을 제공하는 반면 전자석은 더 작고 빠르게 반응하는 트림 전류를 제공합니다. 영구 자석이 대부분의 부하를 전달하기 때문에 제어 코일이 끌어내는 전력은 완전 활성 베어링보다 훨씬 낮습니다. 이로 인해 하이브리드 베어링은 전력 소비가 엄격하게 제한된 배터리 지원 시스템 및 응용 분야에 매우 적합합니다.

능동 자기 베어링의 작동 방식: 제어 루프 설명

능동형 자기 베어링 작동을 이해하는 것은 센서에서 액추에이터까지의 신호 경로를 따르는 것을 의미합니다. 이 프로세스는 초당 수천 번 반복됩니다.

위치 감지

와전류 또는 유도 센서는 회전자와 각 베어링 전자석 사이의 공극을 측정합니다. 감지 분해능은 일반적으로 미크론 범위에 있습니다. 대부분의 산업용 AMB 시스템은 단일 센서 오류로 인해 로터 낙하가 발생하지 않도록 중복 센서를 사용합니다.

신호 처리 및 제어 알고리즘

측정된 갭 신호는 설정점과 비교됩니다. 오류는 필요한 수정력을 계산하는 PID 또는 고급 제어 알고리즘(일부 시스템은 H-무한대 또는 모델 예측 제어를 사용함)을 구동합니다. 컨트롤러는 10kHz~50kHz 이상의 업데이트 속도로 전용 DSP 또는 FPGA 하드웨어에서 실행됩니다.

전력 증폭기 및 전자석

컨트롤러 출력은 각 베어링 전자석을 통해 흐르는 전류를 조정하는 선형 또는 스위칭 전력 증폭기를 구동합니다. 결과적인 자기력은 강자성 회전자에 작용하여 위치를 수정합니다. 축형 AMB는 추력 디스크를 사용하여 샤프트 축을 따라 위치를 제어합니다.

보조(백업) 베어링

모든 AMB 시스템에는 터치다운 또는 보조 베어링(일반적으로 자기 베어링에 비해 간격이 작은 롤링 요소 베어링)이 포함되어 있습니다. 정상 작동 시에는 부하가 없습니다. 전력 손실 또는 제어 결함이 발생하면 회전자를 잡아서 전자석 극과의 파괴적인 접촉을 방지합니다. 터치다운 베어링은 지정된 수의 낙하 이벤트를 흡수하도록 설계되어야 합니다. ISO 14839와 같은 표준에 정의된 대로 오류 없이 작동합니다.

기존 베어링에 비해 자기 베어링의 장점

자기 베어링 기술과 기존의 전동체 또는 유막 베어링 사이의 성능 격차는 상당합니다. 다음 표에서는 고속 산업 응용 분야의 베어링 유형별 주요 매개변수를 비교합니다.

고속회전기계용 베어링 기술 비교. SKF 베어링 엔지니어링 가이드와 Waukesha Bearings AMB 응용 문헌에서 수집한 데이터입니다.
매개변수	롤링 요소 베어링	유체 필름 베어링	액티브 자기 베어링
최대 주변 속도	~150m/초	~200m/초	>600m/초
마찰 손실	보통	저속에서 높음	거의 0에 가깝다
윤활 필요	예(그리스 또는 오일)	예(압력 오일)	아니요
진동 모니터링	외부 센서 필요	외부 센서 필요	통합(AMB 센서)
작동 온도 범위	최대 ~180°C(그리스)	최대 ~150°C(오일)	최대 450°C(코일에 따라 다름)
시간이 지남에 따라 착용	연속	마모 시작/중지	0(회전자가 고정자와 접촉하지 않음)
제어/프로그래밍 가능성	없음	제한적	전체(강성, 감쇠, 불균형 거부)

윤활제 제거는 공정 산업에서 특히 중요합니다. 천연가스 압축에서 공정 가스의 오일 오염은 기존 베어링 시스템의 지속적인 운영 문제입니다. 자기 베어링은 이러한 위험을 완전히 제거하여 씰 시스템을 단순화하고 운영 비용을 절감합니다. SKF Magnetic Mechatronics에서 게시한 데이터에 따르면 원심 압축기를 오일 윤활 베어링에서 AMB로 업그레이드하면 윤활유 스키드, 오일 분리기 및 관련 여과 시스템을 제거하여 대형 프레임 기계의 자본 비용을 수십만 달러 절약할 수 있습니다.

자기 베어링이 사용되는 곳: 주요 산업 응용 분야

자기 베어링 시스템은 틈새 기술이 아닙니다. 고속, 오염 민감성 또는 유지 관리 최소화의 조합이 높은 초기 시스템 비용보다 더 중요한 다양한 산업 분야의 고위험 회전 장비에 배치됩니다.

에너지

가스 압축 및 파이프라인

천연가스 파이프라인 스테이션의 대형 원심 압축기는 능동 자기 베어링 기술을 산업적으로 채택한 주요 제품 중 하나입니다. Siemens Energy, Baker Hughes 및 MAN Energy Solutions를 포함한 제조업체는 AMB가 통합된 압축기를 표준 또는 옵션 구성으로 제공합니다. 화염이나 스파크 위험으로 인해 오일 취급이 위험한 시설과 윤활유 유지 관리를 없애는 것이 직접적인 운영 비용 절감인 원격 무인 설치 시설에서는 오일을 사용하지 않는 작업이 매우 중요합니다.

제조

고속 공작기계 스핀들

항공우주 부품의 정밀 가공에는 기존 롤링 요소 베어링이 급격한 성능 저하 없이 견딜 수 있는 속도를 초과하는 스핀들 속도가 필요합니다. 자기 베어링 스핀들은 60,000RPM 이상에서 작동할 수 있으며 능동 제어 시스템을 통해 스핀들이 공구 불균형을 적극적으로 보상하고 공구 수명을 연장하며 표면 조도를 향상시킬 수 있습니다. International Journal of Machine Tools and Manufacture에 발표된 연구에 따르면 AMB 스핀들은 동일한 절삭 깊이에서 기존 스핀들 시스템에 비해 떨림으로 인한 표면 오류를 줄이는 것으로 나타났습니다.

에너지 Storage

플라이휠 에너지 저장 시스템

플라이휠 에너지 저장 시스템은 회전하는 질량에 운동 에너지를 저장합니다. 이러한 시스템의 효율성은 베어링 손실을 최소화하는 데 결정적으로 달려 있습니다. 왜냐하면 회전자가 충전과 방전 주기 사이에서 몇 시간 또는 며칠 동안 고속으로 회전할 수 있기 때문입니다. 방사형 지지를 위한 수동형 영구 자석 베어링과 축 제어를 위한 소형 AMB를 결합하고 로터를 진공 상태로 수용함으로써 플라이휠이 단기 그리드 저장 응용 분야에서 전기 화학 배터리와 경쟁할 수 있는 수준으로 바람과 베어링 손실을 가져옵니다. 텍사스주 스티븐빌과 펜실베니아주 Hazle 타운십에 있는 Beacon Power의 플라이휠 공장은 이 베어링 구성을 사용하여 그리드에 주파수 조절 서비스를 제공합니다.

반도체

진공 터보 분자 펌프

반도체 제조 장비에 사용되는 터보 분자 펌프는 공정 챔버의 윤활유 오염 없이 50,000RPM 이상의 속도로 고진공에서 작동해야 합니다. 자기 베어링(일반적으로 하이브리드 영구 자석과 소형 트림 전자석)은 Pfeiffer Vacuum, Edwards, Leybold 및 유사 제조업체에서 생산하는 대부분의 터보 분자 펌프의 표준입니다. 로터는 접촉 없이 공중에 떠오르고 회전하므로 진공 환경을 오염되지 않게 유지합니다.

의료

심실 보조 장치

기능이 저하된 심장의 기능을 지원하거나 교체하는 이식형 펌프인 좌심실 보조 장치(LVAD)는 기존 베어링을 사용하는 축 흐름 설계에서 임펠러가 자기적으로 부상하는 원심 설계로 이동했습니다. FDA의 승인을 받고 임상 실습에 널리 사용되는 HeartMate 3는 기계적 접촉점 없이 로터의 완전 자기 부상을 사용합니다. 뉴잉글랜드 저널 오브 메디신(New England Journal of Medicine)에 발표된 MOMENTUM 3 임상 시험에 기록된 바와 같이 베어링 접촉 표면을 제거하면 이전 장치에서 혈전 형성의 주요 부위가 제거되어 이전 세대 펌프에 비해 임상 결과가 크게 개선되는 데 기여합니다.

공조

자기 베어링 냉각기

상업용 건물 HVAC용 원심 냉각기는 압축기 단계에 자기 베어링 기술을 채택했습니다. Daikin, Johnson Controls(York 브랜드) 및 Danfoss(Turbocor)는 모두 압축기 샤프트가 AMB에 장착되는 냉각기 압축기입니다. 효율성 향상은 기계적 베어링 마찰 제거, 기어박스 없이 압축기를 가변 속도로 작동하여 장치가 부분 부하 조건에 정확하게 일치하도록 하는 두 가지 방향에서 비롯됩니다. Turbocor 압축기는 AHRI 등급 조건에서 기존 오일 윤활 원심 압축기에 비해 부분 부하 효율이 35% 이상 향상되었다고 주장합니다.

자기 베어링 시스템의 로터 설계 고려 사항

자기 베어링 시스템의 회전자는 전자기 회로와 독립적으로 작동하는 것이 아니라 전자기 회로와 함께 작동하도록 설계되어야 합니다. 이를 위해서는 롤링 요소 또는 유체 역학 베어링용으로 설계된 로터와는 다른 엔지니어링 접근 방식이 필요합니다.

재료 선택: 적층 강철과 단단한 강철

베어링 랜딩 영역의 로터 재료는 강자성이어야 합니다. 즉, 자기력이 로터의 철에 작용합니다. 그러나 AMB의 교류 자기장에 노출된 고체 강자성 회전자는 회전자를 가열하고 베어링 액추에이터 효율을 감소시키는 와전류 손실을 생성합니다. 이러한 이유로 AMB 로터는 와전류 경로를 차단하기 위해 전기 모터 코어에 사용되는 적층 스택과 유사하게 베어링 저널에 적층 실리콘강을 사용하는 경우가 많습니다. 규소강 라미네이션이 저하되는 고온 응용 분야에서는 최적화된 극 형상을 갖춘 고체 재료가 사용되며 와전류 손실은 제어 주파수 선택을 통해 관리됩니다.

균형 요구 사항

AMB는 동기 진동을 적극적으로 보상할 수 있기 때문에 로터 균형 요구 사항이 완화되는 것으로 가정되기도 합니다. 실제로는 그 반대가 사실입니다. AMB 제어 시스템은 불균형 반응을 억제하기 위해 지속적으로 변화하는 힘(전자석에서 열을 생성하고 증폭기 전류를 소비하는 힘)을 적용해야 합니다. 균형이 잘 맞지 않는 회전자는 베어링 시스템의 열 마진을 줄이고 외란 제거에 사용할 수 있는 힘을 줄입니다. 일반적으로 AMB 로터에는 ISO 1940 G1 이상의 밸런싱 품질이 지정됩니다. , 일부 애플리케이션에는 AMB 제어 시스템 자체를 통한 활성 불균형 식별 및 보상이 필요합니다.

임계 속도 매핑 및 분리 마진

모든 회전 샤프트에는 굽힘 임계 속도, 즉 굽힘 모드가 공진에 의해 여기되고 증폭되는 로터 속도가 있습니다. 기존 베어링에서 베어링의 강성과 감쇠는 기하학적 구조와 윤활 특성에 의해 고정됩니다. AMB에서 강성과 감쇠는 제어 알고리즘을 통해 조정할 수 있습니다. 이는 AMB 로터가 제어된 조건에서 굽힘 임계 속도를 통과하도록 설계할 수 있으며 컨트롤러는 응답을 억제하기 위해 댐핑을 적용할 수 있음을 의미합니다. 이는 상당한 설계 자유도를 제공합니다. 즉, 고정 강성 베어링을 사용하는 경우보다 더 길고 가느다란 로터를 사용할 수 있습니다. 로터 분석가와 제어 엔지니어는 초기 설계 단계부터 협력하여 임계 속도 환경을 매핑하고 이에 따라 제어 응답을 설계해야 합니다.

보조 베어링 클리어런스 및 낙하 이벤트 분석

로터와 보조(터치다운) 베어링 사이의 간격은 중요한 설계 매개변수입니다. 로터가 보조 베어링과 접촉하기 전에 파괴적인 운동량을 형성하지 않을 만큼 충분히 작아야 하지만, 정상적인 로터 열 성장과 불균형 궤도로 인해 부주의한 접촉이 발생하지 않을 만큼 충분히 커야 합니다. 일반적인 AMB-로터 간극은 로터 크기에 따라 0.3mm ~ 0.8mm이며, 보조 베어링 간극은 AMB 간극의 대략 절반으로 설정됩니다. 과도 회전자 동역학 소프트웨어를 사용한 낙하 이벤트 시뮬레이션을 수행하여 보조 베어링과 해당 지지 구조가 구조적 결함 없이 지정된 수의 낙하 이벤트를 견딜 수 있는지 확인합니다.

자기 베어링 제어 시스템: PID에서 모델 기반 접근 방식까지

제어 시스템은 활성 자기 베어링을 단순한 전자석과 분리하는 것입니다. 컨트롤러의 정교함은 달성 가능한 강성 대역폭, 진동 제거 품질 및 베어링 시스템의 진단 기능을 결정합니다.

고전적인 PID 제어

각 베어링 축에 개별적으로 적용되는 비례-적분-미분 제어는 대부분의 산업용 AMB 시스템에 대한 기본 접근 방식입니다. 비례 게인은 강성을 제공하고 미분 게인은 감쇠를 제공하며 적분 게인은 정상 상태 위치 오류를 제거합니다. 축 간 교차 결합(한 방향의 힘이 로터를 다른 방향으로 움직일 수 있다는 사실)은 일반적으로 필터 분리를 통해 처리됩니다. PID 제어는 잘 알려져 있고 시운전이 쉽고 견고하므로 설치된 대부분의 산업용 자기 베어링에 대한 실용적인 표준이 됩니다.

노치 필터 및 동기 취소

회전하는 불균형 로터는 정확히 1x 작동 속도로 동기 강제를 생성합니다. AMB 제어 루프가 이 주파수에서 이득을 갖는 경우 동기 응답을 제어하려고 시도하며 이를 위해 전류를 소비합니다. 동기 취소 알고리즘은 위치 신호에서 1x 구성 요소를 식별하고 이를 제어 입력에서 빼므로 베어링은 동기 불균형을 "무시"하고 로터가 질량 중심을 중심으로 회전하도록 합니다. 이는 주행 속도에서 베어링 전류를 감소시키며 산업용 AMB 컨트롤러의 표준입니다. 특정 공진 주파수의 노치 필터는 안정성 마진을 더욱 형성합니다.

H-Infinity 및 강력한 제어

복잡한 로터 동역학(다중 유연한 모드, 고속에서의 강력한 자이로스코프 커플링, 좁은 간격의 임계 속도)을 갖춘 기계의 경우 기존 PID는 전체 작동 속도 범위에 걸쳐 적절한 안정성 여유를 제공하지 못할 수 있습니다. H-무한대 제어는 플랜트 불확실성의 명시적 모델에 따라 외란 입력에서 제어된 출력까지 최악의 이득을 최소화하는 컨트롤러를 합성합니다. 이를 통해 광범위한 로터 조건에서 안정적인 작동이 가능하며 고속 가공 스핀들 및 항공우주 터보 기계 프로토타입과 같은 까다로운 응용 분야에 사용됩니다.

자가 감지 및 센서리스 베어링

표준 AMB에는 전용 위치 센서가 필요합니다. 센서리스 또는 자체 감지 AMB는 고주파 캐리어 신호 주입 또는 기타 추정 방법을 사용하여 에어 갭이 변함에 따라 베어링 코일의 인덕턴스 변화로부터 회전자 위치 정보를 추출합니다. 전용 센서를 제거하면 비용이 절감되고 열악한 환경에서 신뢰성이 향상되며 베어링이 더욱 컴팩트해집니다. ETH Zurich 및 기타 기관의 연구 그룹은 센서 시스템에 접근하는 성능을 갖춘 자체 감지 AMB를 시연했지만 상업적 채택은 특정 응용 프로그램으로 제한되어 있습니다.

귀하의 응용 분야에 적합한 자기 베어링 구성을 선택하는 방법

자기 베어링 시스템을 선택하려면 베어링 유형과 구성을 응용 분야의 특정 요구 사항에 맞춰야 합니다. 다음 기준에 따라 선택이 결정됩니다.

부하 용량 및 방향: AMB는 회전 기계의 반경방향 및 축방향 하중에 매우 적합합니다. 매우 높은 정적 부하의 경우 필요한 전자석 전력이 커질 수 있습니다. 바이어스 부하에 영구 자석을 사용한 하이브리드 베어링은 전력 소비를 크게 줄입니다.
속도 범위: 자기 베어링은 높은 주변 속도에서 탁월합니다. 적용 속도가 10,000RPM 미만이고 부하 용량 요구 사항이 보통인 경우 AMB 시스템의 비용 프리미엄은 잘 설계된 유체 필름 또는 롤링 요소 베어링에 비해 정당화되지 않을 수 있습니다. 30,000RPM 이상에서는 일반적으로 자기 베어링이 탁월한 옵션입니다.
환경: 진공, 고온, 극저온 또는 화학적으로 공격적인 환경에서는 기존 윤활 시스템이 불가능하거나 구현 비용이 극도로 높기 때문에 자기 베어링을 강력하게 선호합니다. 터보 분자 펌프와 극저온 팽창기가 대표적인 예입니다.
유지 관리 액세스: 해양 플랫폼, 심해 장비, 파이프라인 압축기 스테이션과 같은 원격 또는 무인 설치는 오일 윤활 베어링을 제거함으로써 상당한 이점을 얻을 수 있습니다. 각 윤활 서비스에는 현장 방문이 필요하고 상당한 비용과 위험이 따르기 때문입니다.
오염 민감도: 제품이나 공정 유체의 오일이나 그리스 오염이 허용되지 않는 모든 공정에서는 자기 베어링이 발생합니다. 반도체 제조, 식품 가공, 제약, 산소 압축 등이 그 예입니다.
진단 요구 사항: 프로세스 무결성 또는 예측 유지 관리를 위해 로터 동역학의 지속적인 상태 모니터링이 중요한 경우 AMB 시스템의 통합 센서는 추가 센서 비용 없이 정상 작동의 부산물로 이를 제공합니다.
전원 공급 장치 신뢰성: 모든 AMB 시스템은 부상을 유지하기 위해 지속적인 전력이 필요합니다. 전원 공급 장치 신뢰성이 불확실한 환경의 애플리케이션에는 무정전 전원 공급 장치(UPS) 또는 에너지 저장 장치가 포함되어 AMB에 제어된 런다운 전력을 제공하고 접지 베어링에 순차적으로 강하해야 합니다.

자기 베어링 시스템의 유지 관리: 실제로 기대할 수 있는 사항

자기 베어링 기술의 가장 강력한 판매 포인트 중 하나는 유지 관리 부담이 줄어든다는 것입니다. 그러나 "감소"는 "0"이 아닙니다. 자기 베어링 시스템에 실제로 필요한 유지 관리가 무엇인지 이해하는 것은 수명 주기 비용 계획에 중요합니다.

자기 베어링이 제거하는 것

주기적인 윤활유 분석 및 교체
윤활유 시스템 점검(필터, 펌프, 저장소)
피로 수명에 따른 베어링 마모 측정 및 교체
오일씰 점검 및 교체
그리스 니플 정비

자기 베어링에 필요한 것

제어 시스템 교정 및 센서 기능에 대한 연간 또는 2년마다 검증
일반적으로 3~5년마다 또는 지정된 횟수의 낙하 이후 터치다운(보조) 베어링의 정기 검사 및 교체
업데이트를 위한 제어 시스템 소프트웨어 및 펌웨어 검토
예정된 배터리 수명 주기에 따라 UPS 배터리 테스트 및 교체
조기 결함 감지를 위한 베어링 전류, 회전자 궤도 및 공극 데이터의 주기적인 추세 분석

Baker Hughes와 Siemens Energy가 보고한 가스 압축 설치 현장 경험에 따르면 파이프라인 서비스의 자기 베어링 압축기는 99.5% 가용성 일반적으로 연간 윤활유 시스템 서비스와 더 빈번한 검사가 필요한 오일 윤활 기계에 비해 예정된 유지 관리 간격은 3~5년입니다. 데이터는 북미 및 유럽 파이프라인 네트워크에서 수천 시간의 운영 시간이 누적된 설치를 나타냅니다.

자기 베어링 비용 분석: 초기 투자와 수명주기 가치

능동형 자기 베어링 시스템의 초기 비용은 기존 롤링 요소 또는 유막 베어링 시스템보다 높습니다. 이 사실은 잘 확립되어 있으며 모든 조달 평가에서 직접 다루어져야 합니다. 그러나 초기 비용만으로는 불완전한 그림입니다.

20년 작동 수명 동안 5MW 원심 압축기의 수명 주기 비용 요소를 나타냅니다. 수치는 공개된 OEM 서비스 데이터와 업계 경험을 바탕으로 한 대표적인 추정치입니다. 실제 가치는 현장 조건과 계약 구조에 따라 크게 다릅니다.
비용 요소	오일 윤활 유체 필름 베어링	액티브 자기 베어링
자본 비용 프리미엄(베어링 시스템만 해당)	기준선	$200,000~$400,000
윤활유 스키드 및 보조 장치(자본)	$150,000~$300,000	$0
연간 윤활유 및 필터 비용	$20,000~$50,000/년	$0
베어링 점검 및 교체(20년)	$300,000~$600,000	$80,000~$150,000(터치다운 베어링만 해당)
계획되지 않은 가동 중지 시간(20년 추정)	높음(베어링 마모, 오일 오염 이벤트)	하한(접촉 마모 실패 모드 없음)
효율성 향상(마찰 감소)	기준선	최대 부하 시 0.5~2% 전력 감소

윤활유 시스템 제거로 인한 자본 비용 절감이 AMB 시스템 프리미엄과 상쇄되면 대형 압축기의 순 추가 자본 비용은 $200,000~$400,000이 아니라 $50,000~$200,000가 될 수 있습니다. 평균 석유 비용을 기준으로 20년이 넘는 작동 수명 동안 소모품 및 계획된 유지 관리에 대한 누적 절감액만으로도 계획되지 않은 가동 중지 시간 감소를 고려하기 전에 초기 자본 프리미엄을 초과할 수 있습니다.

자기 베어링 기술의 새로운 동향

자기 베어링 기술은 더 높은 효율성, 더 낮은 비용 및 확장된 응용 분야에 대한 추진에 힘입어 여러 측면에서 계속 발전하고 있습니다.

와이드 밴드갭 전력 전자 장치

탄화규소(SiC) 또는 질화갈륨(GaN) 트랜지스터로 제작된 AMB 전력 증폭기는 실리콘 기반 설계보다 더 높은 주파수에서 전환할 수 있어 회전자 가열을 유발하는 출력 리플 전류를 줄일 수 있습니다. 또한 스위칭 주파수가 높을수록 제어 대역폭이 더 빨라지고 고주파 교란을 거부하는 베어링의 능력이 향상됩니다. 몇몇 AMB 컨트롤러 제조업체는 현재 제품 세대에서 SiC 기반 증폭기로 전환했습니다.

디지털 트윈 통합

AMB 제어 시스템은 이미 로터 위치, 베어링 전류 및 진동에 대한 지속적인 고속 데이터를 수집하고 있습니다. 이 데이터 스트림을 로터 및 프로세스의 디지털 트윈 모델에 연결함으로써 운영자는 기계의 실제 동적 상태를 실시간으로 모니터링하고, 기존 진동 모니터링에서 나타나기 몇 주 전에 발생하는 결함을 감지하고, 정밀하게 유지 관리를 계획할 수 있습니다. GE Vernova 및 Siemens와 같은 기업의 산업용 IoT 플랫폼은 AMB 데이터 스트림을 공장 전체의 예측 유지 관리 아키텍처에 통합하고 있습니다.

초전도 자기 베어링

고온 초전도체(HTS) 재료는 활성 제어나 전력 소비 없이 안정적인 공중 부양을 제공하는 물리적 메커니즘인 플럭스 피닝(flux pinning)을 통해 수동 자기 베어링 역할을 할 수 있습니다. HTS 베어링은 본질적으로 베어링 손실이 전혀 없는 무거운 플라이휠 로터를 공중에 띄울 수 있는 능력이 왕복 효율성을 극적으로 향상시키는 플라이휠 에너지 저장 응용 분야용으로 개발되고 있습니다. 개발은 휴스턴 대학을 포함한 연구 기관과 독일 및 일본의 상용 개발업체에서 진행 중입니다. 극저온 냉각 요구 사항(77K의 액체 질소)은 널리 채택되기 위한 실질적인 과제로 남아 있습니다.

통합 베어링-모터 설계

소형 터보 압축기, 치과용 드릴, 마이크로 가스 터빈 등 일부 소형 고속 응용 분야에서는 자기 베어링과 전기 모터 사이의 라인이 용해되고 있습니다. 무베어링 모터 설계에서는 단일 고정자 권선 세트를 사용하여 별도의 전류 구성요소에 의해 제어되는 모터링 토크와 레이디얼 베어링 힘을 동시에 생성합니다. 이는 별도의 베어링 고정자가 차지하는 축 공간을 제거하여 훨씬 더 컴팩트한 로터 구성을 가능하게 합니다. 베어링 없는 모터 기술에 대한 연구는 ETH Zurich, MIT 및 일본과 유럽의 상용 개발업체에서 활발히 진행되고 있습니다.

자기 베어링에 대해 자주 묻는 질문

전원이 끊기면 자기 베어링은 어떻게 됩니까?

활성 자기 베어링에 전원이 공급되지 않으면 로터가 보조(터치다운) 베어링 위로 떨어집니다. 이는 자기 베어링 간격에 비해 작은 간격을 갖는 롤링 요소 베어링입니다. 이는 최대 속도에서 로터를 안전하게 지지하고 전자석 극과 접촉하지 않고 회전할 수 있도록 설계되었습니다. 낙하 이벤트가 제어되고 기계가 터치다운 베어링에 정지됩니다. 모든 AMB 시스템에는 터치다운 베어링이 포함되어야 하며, 모든 설치에는 즉각적인 강하가 아닌 질서 있게 제어되는 런다운 시퀀스에 전원을 공급하여 터치다운 베어링의 마모를 최소화하는 무정전 전원 공급 장치(UPS)가 포함되어야 합니다.

자기 베어링이 동일한 크기의 기존 롤링 요소 베어링과 동일한 하중을 지원할 수 있습니까?

일반적으로 그렇지 않습니다. 자기 베어링은 전동체 또는 유막 베어링보다 베어링 직경 단위당 부하 용량이 더 낮습니다. 100mm 보어의 롤링 요소 베어링은 수백 kN의 정적 하중을 지탱할 수 있습니다. 유사한 외경의 자기 베어링은 전자석 설계 및 허용 전력 손실에 따라 대략 10-30kN을 지원합니다. 이것이 바로 자기 베어링이 적당한 속도에서 높은 방사형 하중이 필요한 응용 분야에 거의 사용되지 않는 이유입니다. 자석 베어링의 장점은 원시 하중 용량이 아닌 고속, 정밀도, 오염 민감성 또는 유지 관리가 필요 없는 작동입니다. 자기 베어링 시스템용 로터는 처음부터 이러한 부하 제한을 염두에 두고 설계해야 합니다.

활성 자기 베어링은 얼마나 오래 지속됩니까?

자기 베어링 고정자 및 회전자 구성 요소(적층판, 코일 및 하우징)는 마모 부품이 아니며 정상 작동 시 정의된 피로 수명을 갖지 않습니다. 왜냐하면 이들 사이에 접촉이 없기 때문입니다. 마모를 제한하는 구성 요소는 예방 일정에 따라 일반적으로 3~5년마다 또는 지정된 수의 로터 낙하 이벤트 후에 교체되는 터치다운 베어링입니다. 전자 장치(전력 증폭기, 컨트롤러 보드)의 예상 서비스 수명은 10~15년이며 필요에 따라 구성 요소 수준 수리 또는 보드 교체가 가능합니다. 파이프라인 및 프로세스 압축기 설치에 대한 현장 보고서에 따르면 자기 베어링 기계는 원래 베어링 하드웨어를 사용하고 터치다운 베어링 및 전자 장치 유지 관리만 수행한 채 20년 이상 운영되었습니다.

자기 베어링은 폭발 위험이 있는 환경(ATEX/IECEx 구역)에서 사용하기에 적합합니까?

예, 자기 베어링 시스템은 ATEX/IECEx로 분류된 위험 지역에서 사용할 수 있습니다. 베어링 하우징 내부의 전자석과 센서는 공정 가스와 접촉하며 이러한 구성 요소는 가연성 가스 환경에서 사용하도록 설계 및 평가될 수 있습니다. 제어 캐비닛과 전력 증폭기는 일반적으로 위험 지역 외부의 안전실에 위치하며 차폐 케이블로 베어링에 연결됩니다. 위험 지역에서 활성 전자 장치를 분리하는 것은 천연 가스 압축 설치의 표준 관행입니다. 사용자는 특정 제품 구성에 해당 구역 및 가스 그룹에 대한 적절한 위험 지역 평가가 포함되어 있는지 확인해야 합니다.

자기 베어링과 자기 부상(자기 부상)의 차이점은 무엇입니까?

둘 다 제어된 자기력을 사용하여 접촉 없이 물체를 공중에 띄우지만 적용 방식과 규모는 다릅니다. 자기 부상 운송 시스템은 안내로를 따라 전체 열차 차량을 공중에 띄우고 추진하므로 대규모 선형 전자기 인프라가 필요합니다. 자기 베어링은 압축기, 터빈, 스핀들, 플라이휠 등 기계의 회전 샤프트를 지원하며 자체적으로 운송 시스템이 아닌 더 큰 기계 내의 구성 요소입니다. 기본 물리학과 제어 원리는 밀접하게 관련되어 있습니다. 실제로 활발한 자기 베어링 연구는 Shanghai Transrapid 라인 및 일본 SCMaglev와 같은 현대 상업용 자기 부상 레일 시스템에 사용되는 제어 방법에 직접적으로 기여했습니다. 기능적 수준에서 자기 베어링은 본질적으로 기계 하우징 내의 회전 축에 적용되는 자기 부상 시스템입니다.

자기 베어링을 기존 회전 기계에 장착할 수 있습니까?

개조는 기술적으로 가능하지만 상당한 엔지니어링 작업이 필요합니다. 적절한 재료와 형상으로 베어링 랜딩 저널을 추가하려면 로터를 수정하거나 교체해야 하며 전자석 고정자, 센서 및 보조 베어링을 수용하도록 베어링 하우징을 재설계해야 합니다. 로터 동역학은 새로운 베어링 강성과 감쇠 특성에 따라 변경되므로 전체 로터 동역학 분석과 임계 속도 재평가가 필요합니다. 경우에 따라 기존 로터 설계가 자기 베어링 개조와 호환되는 경우도 있습니다. 다른 경우에는 새로운 로터가 필요합니다. Waukesha Bearings 및 SKF Magnetic Mechatronics를 포함한 여러 회사가 원심 압축기 개조 프로젝트를 수행했으며, 공개된 사례 연구는 Turbomachinery 및 Pump Symposia 회의록(Texas A&M University)에서 확인할 수 있습니다.

온도는 자기 베어링 성능에 어떤 영향을 미치나요?

온도는 자기 베어링 시스템의 여러 구성 요소에 다양한 방식으로 영향을 미칩니다. 영구 자석의 잔류 자속 밀도는 온도가 증가함에 따라 감소합니다. 이는 150°C 이상의 온도에서 상당한 힘 용량을 잃을 수 있는 희토류 영구 자석을 사용하는 하이브리드 베어링의 주요 설계 제약 사항입니다. 전자석 코일의 권선 절연체는 베어링 고정자의 온도 상한을 설정합니다. 고온 클래스 H 또는 클래스 N 절연은 이를 각각 180°C 또는 200°C로 확장합니다. 강자성 적층 재료는 퀴리 온도(철의 경우 약 770°C)에 가까워짐에 따라 투자율을 잃어 매우 높은 온도에서 지지력을 감소시킵니다. 가장 낮은 수준에서는 액체 질소 또는 액체 헬륨 온도에서의 극저온 작동이 가능합니다. 공기 분리 플랜트 및 LNG 시설의 터보 팽창기는 극저온 공정 가스 온도에서 자기 베어링과 함께 작동합니다.

현재 자기 베어링 기술을 가장 많이 사용하는 산업은 무엇입니까?

기본 설치량 기준으로 석유 및 가스/천연가스 압축 부문은 대형 터보 기계의 활성 자기 베어링을 가장 많이 사용하는 산업 분야입니다. 반도체 제조용 진공 장비는 대수 기준으로 가장 큰 사용자입니다. HVAC 구축은 주요 브랜드의 자기 베어링 냉각기 채택으로 인해 성장하는 부문입니다. 의료 기기, 특히 이식형 심장 보조 장치는 기술이 고급 심부전 지원을 위한 임상 표준이 된 작지만 높은 가치를 지닌 시장입니다. 플라이휠을 통한 에너지 저장은 그리드 주파수 조절 분야에서 설치가 증가하는 신흥 부문입니다.

웹 메뉴

상품검색

언어

공유

메뉴 종료

news