KR101570759B1

KR101570759B1 - 회전자, 고정자 및 회전자와 고정자 사이의 에어 갭을 모니터링하는 디바이스를 구비한 전기 기계

Info

Publication number: KR101570759B1
Application number: KR1020117025016A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 슈베리; 제르다르 키필디츠; 마티아스 슈미트
Original assignee: 알스톰 르네와블 테크놀로지즈
Priority date: 2009-04-24
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2015-11-23
Also published as: US8674566B2; EP2422431B1; US20120119628A1; SI2422431T1; CA2759153A1; CN102405582B; CN102405582A; RU2543971C2; ES2489116T3; RU2011147716A; BRPI1014884A2; PT2422431E; CA2759153C; WO2010121992A1; KR20120018752A; EP2422431A1

Abstract

본 발명은 수 MVA의 전력 범위의 전기 기계(10), 특히 비동기식 또는 동기식 기계에 관한 것이며, 전기 기계(10)는 축(18)을 중심으로 회전하고 회전자 적층 스택(12)을 갖는 회전자(19)를 포함하고, 상기 회전자 적층 스택은, 고정자의 고정자 적층 스택(14)에 의해 동심으로 둘러싸여 있고 고리형 에어 갭(21)에 의해 상기 고정자로부터 분리된다.
기계의 무결성 작동을 확보하기 위해서, 에어 갭(21)을 모니터링하기 위한 수단(23)이 제공되고, 상기 모니터링 수단(23)은 에어 갭(21)을 통해 축 방향으로 뻗어있고, 에어 갭(21)내의 회전자의 기하학적 구조의 변경 및/또는 파편의 존재를 검출하는데 사용된다.

Description

회전자, 고정자 및 회전자와 고정자 사이의 에어 갭을 모니터링하는 디바이스를 구비한 전기 기계{ELECTRIC MACHINE COMPRISING A ROTOR, A STATOR AND A DEVICE FOR MONITORING THE AIR GAP BETWEEN ROTOR AND STATOR}

본 발명은 전기 기계 분야에 관한 것이다. 본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 전기 기계에 관한 것이다.

가변 속도 에너지 생산을 위해 20 MVA 내지 500 MVA의 전력 범위의 이중 급전형 비동기식 기계가 사용될 수 있다. 이러한 기계들은 회전자 상에 분배된 3상 권선에 의해 구분된다. 회전자 권선은 회전자 적층들 내의 슬롯들에 임베딩되는 개별 바(bar)들로 구성된다. 개별 바들이 권선 헤드에 접속되어 권선을 형성한다. 바 접속의 배열은 원주를 따라 균일하게 분포된다. 회전자 회전의 결과로서, 권선 헤드들이 권선 헤드 보유 시스템에 의해 기계적으로 고정되는 것에 대하여, 권선 헤드는 원심력을 겪는다. 원칙적으로, 오늘날 3가지 타입의 권선 헤드 보유 시스템이 알려져 있다:

1. 터빈발전기들(turbogenerators)을 구비한 경우와 같이, 스틸 캡으로 고정하는 것.

2. 스틸 케이블, 와이어 또는 플라스틱 필름이 랩 어라운드되어 전체 권선 헤드를 고정하는 것.

3. 볼트, 스크류 또는 U자형 브라켓들(brackets)로 고정하는 것.

이러한 비동기식 기계(10)는 도 1에서 매우 단순화된 형태의 섹션으로 재현된다. 이것은, 축(18)을 중심으로 회전될 수 있고, 대응하는 고정자 권선과 고정자 권선 헤드(17)를 가진 고정자 적층 스택(14)과 함께 고정자에 의해 동심으로 둘러싸인 회전자(19)를 포함한다. 회전자(19)는 각 단부에 샤프트(11')와 합쳐진 중앙 바디(11)를 포함한다. 중앙 바디(11)는 회전자 권선(13)이 진행하는 회전자 적층 스택(12)으로 둘러싸인다. 회전자 권선(13)에 전류를 공급하는데 사용되는 슬립 링(15)이 샤프트들(11')중 하나에 배열된다. 기계를 통해 축 방향으로 연장되는 원통형 에어 갭(21)이 회전자 적층 스택(12)과 고정자 적층 스택(14)사이에 제공된다.

에어 갭은 온도, 속도 및 다른 가변 파라미터들에 의존하여 상이한 동작 단계에서 상이한 기하학적 구조를 가질 수 있다. 이러한 변화들은 기계의 기능에 실질적으로 영향을 주지 않는다. 그러나, 회전자의 기하학적 구조가 용인할 수 없는 방식으로 영구적으로 변하거나 에어 갭 내에 파편이 들어가는 것이 가능하다. 중대한 기능적인 결함을 방지하고 가능한 한 빨리 기계를 검사하기 위해서, 호적기에 에어 갭에 관한 이러한 종류의 변화를 검출하는 것이 필수적이다.

따라서, 본 발명의 목적은, 도입부에서 언급된 종류의 전기 기계를 더욱 발전시켜 에어 갭의 기하학적 구조의 중대한 변화를 호적기에 검출하는 것이다.

이 목적은 제 1 항의 특징부 전체에 의해 달성된다. 본 발명에 따른 솔루션의 특징은, 에어 갭을 통해 축 방향으로 연장되고 회전자의 기하학적 구조의 변경 및/또는 에어 갭 내의 파편의 존재를 검출할 수 있는, 에어 갭을 모니터링하기 위한 수단이 제공된다는 것이다.

본 발명의 실시형태는, 모니터링 수단이 에어 갭을 통해 축 방향으로 연장되는 모니터링 트랙을 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 모니터링 트랙은 축에 평행하게 진행한다.

본 실시형태의 개선에 따르면, 이 모니터링 트랙은 적어도 하나의 토트 와이어(taut wire)에 의해 형성된다.

특히, 이 경우, 와이어의 기계적인 스트레인을 모니터링하는 수단이 제공된다.

이 실시형태의 다른 개선에 따르면, 모니터링 트랙은 적어도 하나의 광 빔에 의해 형성된다. 특히, 이 경우, 광 빔의 무결성을 모니터링하는 수단이 제공된다.

보다 양호한 레졸루션을 달성하기 위해서, 에어 갭의 두께를 통해 분산된 복수의 평행한 광 빔들이 모니터링 트랙을 형성하는 경우에 유익할 수 있다.

적어도 하나의 와이어는 서스펜션 수단에 의해 회전자에 고정될 수 있다.

그러나, 적어도 하나의 와이어는 또한 서스펜션 수단에 의해 고정자에 고정될 수 있다.

대응하는 방식으로, 적어도 하나의 광 빔은 회전자에 연결되어 회전자와 함께 회전하도록 고정될 수 있다.

그러나, 적어도 하나의 광 빔은 또한 고정형으로 설계될 수 있다.

본 발명은 도면과 함께 예시적인 실시형태들을 참고로 하여 아래에 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른, 고정자와 회전자 권선 그리고 회전자와 고정자 사이의 에어 갭을 가진 비동기식 기계의 섹션의 매우 단순화된 표현을 도시한다.
도 2는 본 발명의 제 1 예시적 실시형태에 따른 회전자 측 상에 고정된 모니터링 트랙을 가진, 도 1에 따른 비동기식 기계를 도시한다.
도 3은 본 발명의 제 2 예시적 실시형태에 따른 회전자 측 상에 고정된 모니터링 트랙을 가진 동기식 기계를, 도 2와 비교가능한 구성으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 제 3 예시적 실시형태에 따른 고정자 측 상에 고정된 모니터링 트랙을 구비한, 도 1에 다른 비동기식 기계를 도시한다.
도 5는 본 발명의 제 4 예시적 실시형태에 따른 고정자 측 상에 고정된 모니터링 트랙을 구비한 동기식 기계를, 도 4와 비교가능한 구성으로 도시한다.
도 6은 고정자 측 상에 고정되고 복수의 광 빔으로 형성된 고도의 공간 레졸루션을 가진 광학 모니터링 트랙을 구비한 비동기식 기계를, 도 4와 비교가능한 구성으로 도시한다.

본 발명의 기본 사상은 에어 갭 내의 파편의 존재와 회전자의 기하학적 구조의 변화를, 토트 와이어의 형태 또는 광학 수단(레이저)의 형태의 모니터링 트랙의 도움으로 초기 단계에 검출하는 것이다. 연관된 모니터링 디바이스에 의해 생성된 신호는 보호 목적으로 사용거되거나 모니터링 목적으로만 사용될 수 있다. 동시에, 회전자 상에 장착되어 회전자와 함께 회전시키기 위해 고정되고 고정자를 모니터링하는데 사용되는 시스템과, 고정자에 고정되고 회전자를 모니터링하는데 사용되는 시스템 간에는 차이점이 있을 수 있다. 그러나, 이러한 시스템은 비동기식 기계에서 유익하게 사용될 수 있을 뿐만 아니라 종래의 동기식 기계에도 유익하게 사용될 수 있다.

도 2 및 도 3은 도 1에 따른 비동기식 기계(도 2)와 동기식 기계(도 3)에 대하여 본 발명에 따른 모니터링 시스템의 제 1 예시적 실시형태를 도시하며, 여기서, 도 1과는 대조적으로, 기계 축이 수직 배향으로 도시된다. 두 가지 경우 모두에서, 모니터링 트랙(23)이 회전자 적층 스택(12)과 고정자 적층 스택(14)사이의 에어 갭(21)을 통해 축에 평행하게 공급된다. 이미 언급된 바와 같이, 모니터링 트랙(23)은 기계 스트레인 아래의 와이어에 의해 또는 적합한 광학 송신기와 수신기 사이로 진행하는 광 빔에 의해 형성될 수 있으며, 에어 갭 내의 파편이나 에어 갭의 기하학적 변경이 광 빔에 영향을 미치는 경우 이 광 빔은 약화되거나 완전히 끊어진다.

도 2의 예시적 실시형태는 와이어의 형태로 모니터링 트랙(23)부터 시작한다. 적절한 재료로 이루어진 와이어(펄론(Perlon), 케블라(Kevlar), 알루미늄 등)가 서스펜션 수단(22)의 도움으로 회전자(12)상에 장착되어, 기계 축(18)에 평행하게 에어 갭(21)안에서 진행한다. 이렇게 하여, 이러한 장착물들이 회전자 림에 고정되거나 폴(pole)끝 플레이트에 바로 부착될 수 있다. 와이어의 기계 응력이 모니터링된다. 이러한 목적을 위해서, 와이어의 기계적인 스트레인을 측정하고 적합한 신호를 처리 유닛(27)에 출력하는 스트레인 센서(26)가 서스펜션 수단(22)에 또는 와이어 그 자체(점선으로 도시)에 배열된다.

도 3은 고정자 적층 스택(12')및 서스펜션 수단(22')을 구비한 동기식 기계(20)에 대한 유사한 배열을 도시한다. 모니터링 수단(26, 27)은 여기서 단순성을 위해 생략된다.

마찬가지로, 레이저 및 적합한 리셉터와 같은 광학 시스템이 와이어 대신 사용될 수 있다. 광학 시스템은 광학 배리어와 비슷하게 거동한다. 고정자의 부품들(예를 들어 통기 플레이트 스페이서들)이 느슨해지는 경우 또는 고정자의 기하학적 구조가 상당히 변하는 경우, 회전자에 의해 회전하는 와이어와 접촉하거나, 회전자에 의해 회전하는 광 배리어가 끊어진다.

도 2 및 도 3의 실시형태에 대응하는 2개의 다른 예시적인 실시형태들이 도 4 및 도 5에 도시된다. 이 경우, 와이어 또는 광 배리어(모니터링 트랙(23))가 고정자에 고정된다. 이렇게 하여, 이를 위해 각각 요구되는 서스펜션 수단(24, 24')이 스프링 핑거들 상에, 에어 카울링 상에 또는 고정자 하우징(미도시)상에 바로 장착될 수 있다. 동작 원리는 도 2 및 도 3의 회전자에 고정된 모니터링의 원리에 대응한다. 회전자 상의 부품들이 느슨해지거나 회전자의 기하학적 구조가 상당히 변하는 경우, 와이어와 접촉하거나, 광 배리어가 끊어진다.

동기식 기계(20)(도 5)를 구비한 기재된 모니터링 시스템은 폴의 방사상 위치의 변경과 같은 회전자의 기하학적 구조의 변화, 회전자 림의 불균등한 확장과 여기 및 댐핑 권선의 폴 연결의 변형도 검출할 수 있다.

이중 급전형 비동기식 기계(도 4)와 회전자 적층 스택의 진원도(roundness)를 이용하여, 특히 권선 헤드를 위한 보유 장치가 모니터링될 수 있다.

설명된 모든 경우들에서, 도 6에 따르면, 빔 성형된 광 배리어를 적합한 광 송신기/수신기(25)를 구비한 복수의, 평행하게 진행하는 광 빔(23a, 23b 및 23c)으로 대체하는 것이 가능하다. 이 경우, 에어 갭의 기하학적 구조의 변경 및/또는 바디들 중 원치않는 존재가 단계들에서 검출될 수 있다. 이것은, 예를 들어, 알람을 트리거링만 하기 위해서, 그리고 -상황이 악화되는 경우- 긴급하게 기계를 중단시키기 위해서 제 1 단계에서 사용될 수 있다. 도 6에 따라 고정자에 고정된 시스템의 신호들이 키페이저(keyphasor)의 신호와 동기된다면, 데이터의 평가는 각각의 개별 폴의 방사상 위치가 측정되게 한다. 상이한 동작 조건 하에서 회전자의 확장도 모니터링될 수 있다(무부하, 전부하...).

10 전기 기계(비동기식 기계)
11 중앙 바디
11' 샤프트
12, 12' 회전자 적층 스택
13 회전자 권선
14 고정자 적층 스택
15 슬립 링
16 회전자 권선 헤드
17 고정자 권선 헤드
18 축
19 회전자
20 전기 기계(동기식 기계)
21 에어 갭
22, 22' 서스펜션 수단(회전자 측)
23 모니터링 트랙(와이어, 광 빔)
23a,b,c 광 빔
24, 24' 서스펜션 수단(고정자 측)
25 광학 송신기/수신기
26 스트레인 센서
27 처리 유닛

Claims

수 MVA의 전력 범위의 전기 기계(10, 20) 로서, 상기 전기 기계(10, 20)는 축(18)을 중심으로 회전하고 회전자 적층 스택(12, 12')을 갖는 회전자(19)를 포함하고, 상기 회전자 적층 스택은 고정자의 고정자 적층 스택(14)에 의해 동심으로 둘러싸여 있고 고리형 에어 갭(21)에 의해 상기 고정자로부터 분리되는, 상기 전기 기계에 있어서,
상기 에어 갭(21)을 모니터링하기 위한 수단(23; 23a,b,c)이 제공되고, 상기 모니터링 수단은 상기 에어 갭을 통해 축 방향으로 뻗어있고,
상기 모니터링 수단은 상기 회전자의 기하학적 구조의 변경, 또는 상기 에어 갭(21) 내의 파편(debris)의 존재, 또는 상기 회전자의 기하학적 구조의 변경 및 상기 에어 갭(21) 내의 파편(debris)의 존재를 검출하는데 사용되고,
상기 모니터링 수단은 상기 에어 갭(21)을 통해 상기 축 방향으로 연장되는 모니터링 트랙(23)을 포함하고, 상기 모니터링 트랙(23)은 적어도 하나의 토트 와이어(taut wire)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
삭제
청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 1 항에 있어서,
상기 모니터링 트랙(23)은 상기 축에 평행하게 진행하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
삭제
청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 1 항에 있어서,
상기 토트 와이어의 기계적인 스트레인을 모니터링하기 위한 수단(26, 27)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 3 항에 있어서,
상기 모니터링 트랙(23)은 적어도 하나의 광 빔(23a,b,c)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 6 항에 있어서,
상기 광 빔(23a,b,c)의 무결성(integrity)을 모니터링하기 위한 수단(25)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 에어 갭(21)의 두께를 통해 분산된 복수의 평행한 광 빔들은 상기 모니터링 트랙(23)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 토트 와이어는 서스펜션 수단(22, 22')에 의해 상기 회전자(19)에 고정되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 1 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 토트 와이어는 서스펜션 수단(24, 24')에 의해 상기 고정자에 고정되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 빔(23a,b,c)은 상기 회전자(19)에 연결되어 상기 회전자와 함께 회전하도록 고정되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 빔(23a,b,c)은 고정형으로 설계되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.