KR101659513B1 - 댐핑 수단을 구비한 전기 기기 - Google Patents

댐핑 수단을 구비한 전기 기기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 전기 기기는 지지 프레임(6), 상기 지지 프레임(6)에 지지되는 외측 로터(2)와 고정자(4), 및 상기 외측 로터의 진동을 감쇄시키도록 형성된 댐핑 수단을 포함한다. 외측 로터(2)는 환형 단부판(28)을 포함하며, 상기 댐핑 수단은 제1 제한 요소(12; 12'; 12")와 상기 제1 제한 요소 표면 위에 구비된 제1 점탄성층(14; 14'; 14")을 가지는 제1 댐퍼(10; 10'; 10")를 포함하며; 상기 제1 제한 요소(12; 12'; 12")는 상기 제1 점탄성층(14; 14'; 14")을 통해 상기 환형 단부판(28)에 연결된다.

Description

댐핑 수단을 구비한 전기 기기{ELECTRIC MACHINE WITH DAMPENING MEANS}
본 발명은 회전하는 전기 기기의 진동 억제에 대한 것이다.
회전하는 전기 기기의 진동은 회전자의 불균형, 불완전한 자석 디자인에 기인하는 자력, 외부 여자, 또는 중력 견인과 결합된 회전 전기 기기의 외측 회전자의 오버행에 기인하는 에어-갭 이상에 의해 유발된 자력과 같은 여러 다른 소스들을 가질 수 있다.
진동은 공지의 회전하는 전기 기기에서 중대한 문제를 야기한다. 진동은 과도한 소음을 유발할 수 있다. 진동은 또한 회전 전기 기기의 수명을 단축할 수 있다.
본 발명은 예컨대 이하의 문서들에 설명되는 구속층(constrained-layer) 댐핑 기술을 이용한다.
[1] 크레머, 엘(Cremer, L.) 및 헤켈, 엠(Heckl, M) 및 운가르 이.이.(Ungar, E.E.), 1987. 스트럭쳐-본 사운드(Structure-Borne Sound). 2쇄. 베를린: 스프링거 베르라그(Berlin: Springer Verlag).
[2] 어윈 디.제이(Ewins, D.J.), 2001. 모델 테스팅, 이론, 실제, 및 적용(Modal Testing, Theory, Practice, and Application), 제2판, 허트포드셔 잉글랜드: 리서치 스터디즈 프레스 리미티드(Hertfordshire, England: Research Studies Press ltd).
[3] 가리발디, 엘(Garibaldi, L.) 및 오나, 에이치.엔(Onah, H.N.), 1996. 점탄성 소재의 댐핑 기술(Viscoelastic Material Damping Technology). 토리노 베키스 오서라이드(Torino: Becchis Osiride).
물질(material)의 댐핑 메카니즘을 설명하기 위한 많은 수학적 공식들이 있다. 여기서, 히스테리 댐핑 모델이 사용된다. 히스테리 댐핑 모델은 또한 구조상의 댐핑 모델로 칭해진다. 히스테리 댐핑 등방 물질에 대해, 복잡한 영률(E*)과 전단 계수(G*)는 하기 식들과 같이 정의된다:
E*=E(1+jη)
G*=G(1+jη)
여기서, E는 실제 영률이며, G는 실제 전단 계수이며, η는 물질의 손실 계수이다. 이러한 정의는 문서[3]의 30면에서 찾아볼 수 있다.
본 발명의 목적은 상기 진동 문제를 해소하기 위하여 외측 로터를 가진 전기 기기를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 독립 청구항 1에 기재된 것을 특징으로 하는 전기 기기에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구범위들에 개시된다.
본 발명은 전기 기기의 외측 로터의 환형 단부판에 연결된 하나 이상의 댐퍼들을 구비한 전기 기기의 외측 로터를 제공하는 사상을 기반으로 한 것으로, 하나 이상의 댐퍼들은 구속층 댐핑 기술을 이용한다.
본 발명의 이점은, 외측 로터 전기 기기의 진동이 억제될 수 있으므로 소음을 억제할 수 있으며 전기 기기의 수명을 연장할 수 있다는 것이다.
이하에서 본 발명은 첨부 도면들을 참조하여 양호한 실시예들에 의해 보다 상세하게 설명될 것이며, 여기에서:
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 기기를 도시하며;
도 2a는 도 1의 전기 기기의 댐핑 수단을 도시하며;
도 2b는 본 발명의 추가 실시예에 따른 전기 기기의 댐핑 수단을 도시하며;
도 2c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 기기의 댐핑 수단을 도시한다.
도 1은 지지 프레임(6), 외측 로터(2), 고정자(4), 및 댐핑(damping) 수단을 포함하는 전기 기기를 도시한다. 외측 로터(2)와 고정자(4)는 지지 프레임(6)에 지지된다. 고정자(4)는 지지 프레임(6)에 이동할 수 없게 고정되나 외측 로터(2)는 지지 프레임(6)에 회전가능하게 지지된다. 댐핑 수단은 외측 로터의 진동을 감쇄시키도록 형성된다. 여기서 외측 로터는 전기 기기의 고정자보다 전기 기기의 중심선으로부터 반경방향으로 더 멀리 위치되는 로터를 지칭한다.
도 2a는 도 1의 전기 기기의 댐핑 수단을 도시하는 확대도이다. 댐핑 수단은 제1 제한 요소(12)와, 제1 제한 요소(12)의 표면 위에 구비된 제1 점탄성층(visco-elastic-layer)(14)을 가지는 제1 댐퍼(10)를 포함하며, 제1 제한 요소(12)는 제1 점탄성층(14)을 통해 외측 로터에 연결된다. 제1 댐퍼(10)는 외측 로터(2)의 반경 방향 진동을 감쇄시키도록 형성된다. 제1 제한 요소(12)는 환형 링의 형태를 가지는 모노리식(monolithic) 요소이다. 또한 제1 점탄성층(14)은 환형 링의 형태를 가진다. 제1 제한 요소(12)는 예컨대 강 또는 알루미늄으로 제조된다. 제1 제한 요소를 모노리식 요소로 구성할 수 없는 실시예들에서, 제1 제한 요소의 부품들은 단단히 같이 결합되어야 한다.
외측 로터(2)는 환형 단부판(28)을 포함하며, 제1 댐퍼(10)는 환형 단부판(28)에 연결된다. 환형 단부판(28)은 강 또는 알루미늄으로 제조된다. 환형 단부판(28)의 대칭축은 외측 로터(2)의 회전축과 합치한다. 이와 같이 환형 단부판(28)에 의해 형성된 평면은 외측 로터(2)의 회전축에 수직으로 연장한다.
외측 로터(2)는 환형 단부판(28)에 대해 외측 로터(2)의 대향 단부에 위치된 베어링(8)에 의해 일 단부에서 배타적으로 지지 프레임(6)에 지지된다. 베어링(8)은 하나 이상의 베어링 유닛을 포함할 수 있다. 베어링 유닛은 예컨대 볼 베어링 또는 원통형 베어링을 포함할 수 있다.
환형 단부판(28)과 베어링(8)은 외측 로터 전기 기기의 축 방향으로 서로 이격된다. 외측 로터(2)와 고정자(4)의 능동 부품들은 축 방향에서 볼 때 환형 단부판(28)과 베어링(8) 사이에 배치되며, 능동 부품들은 상기 기기의 동작 동안 자기적으로 상호 작용하도록 형성된다.
온도와 주파수에 대한 댐핑 성능을 최적화하기 위한 인터내셔널 플랏(International Plot)을 이용한 매스터 커브 프로시져(Master Curve Procedure)로서 알려진 적절한 디자인 방법은, 참조[3]의 101-110면에 걸쳐 상세하게 설명된다. 배경 기술 섹션에서 명시된 참조[3]은 물질 손실 계수가 일정 온도와 주파수에서 최대 값에 도달하는 성질을 가지는 것을 설명한다. 즉, 물질 손실 계수는 온도와 주파수의 함수이다.
제1 댐퍼(10)의 충분한 댐핑 성능을 확보하기 위하여 제1 점탄성층(14)의 최대 손실계수(ηfvel _ max)는 0.7보다 크거나 같다. 제1 제한 요소(12)의 최대 손실 계수(ηfce _ max)와 외측 로터(2)의 최대 손실 계수(ηvpc _ max)는 제1 점탄성층(14)의 최대 손실 계수(ηfvel _ max)보다 실질적으로 적다.
대체적인 실시예에서, 제1 점탄성층(14)의 최대 손실 계수(ηfvel _ max)는 0.9보다 크거나 같다. 기본적으로, 점탄성층의 최대 손실 계수가 높을수록, 댐핑는 더욱 효과적이다.
도 1에 도시된 실시예에서, 외측 로터(2)는 일체형 부품이며, 환형 단부판(28)은 외측 로터(2)의 일체형 부품이다. 제1 제한 요소(12)는 제1 점탄성층(14)을 통해 배타적으로 외측 로터(2)에 연결된다. 외측 로터(2)에 제1 제한 요소(12)를 연결하기 위한 볼트, 스크류, 또는 다른 단단한 요소들은 없다. 제1 점탄성층(14)은 일체형 층이다.
도 2b는 본 발명의 추가적인 실시예에 따른 댐핑 수단을 도시한다. 도 2b에서, 외측 로터는 제1 부분(271')과 제2 부분(272')을 포함하며, 제1 댐퍼(10')가 외측 로터의 제2 부분(272')을 외측 로터의 제1 부분(271')으로부터 분리시키도록 외측 로터의 제1 부분(271')과 외측 로터의 제2 부분(272') 사이에 배치되고, 외측 로터의 제2 부분(272')은 제1 점탄성층(14')을 통해 제1 제한 요소(12')에 연결된다. 외측 로터의 제1 부분(271')은 원통형 본체를 포함한다. 제1 제한 요소(12')는 예컨대 용접이나 스크류들에 의해 외측 로터의 제1 부분(271')에 단단히 결합된다. 대안적으로, 제1 제한 요소(12')는 외측 로터의 제1 부분(271')의 일체형 부분일 수 있다. 외측 로터의 제2 부분(272')은 환형 단부판(28')을 포함한다.
도 2c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 기기의 댐핑 수단을 도시한다. 도 2c의 댐핑 수단은 외측 로터의 환형 단부판(28")에 연결된 제1 댐퍼(10")와 제2 댐퍼(20")를 포함한다. 제1 댐퍼(10")는 제1 제한 요소(12")와, 제1 제한 요소(12")의 표면 위에 구비된 제1 점탄성층(14")을 포함하며, 제1 제한 요소(12")는 제1 점탄성층(14")을 통해 환형 단부판(28")에 연결된다. 제2 댐퍼(20")는 제2 제한 요소(22")와, 제2 제한 요소(22")의 표면 위에 구비된 제2 점탄성층(24")을 포함하며, 제2 제한 요소(22")는 제2 점탄성층(24")을 통해 외측 로터에 연결된다. 제1 제한 요소(12")와 제2 제한 요소(22")는 실질적으로 환형 부품들이다. 환형 단부판(28")은 제1 댐퍼(10")와 제2 댐퍼(20") 사이에 개재된다.
제1 점탄성층(14")의 최대 손실계수(ηfvel -2_ max)와 제2 점탄성층(24")의 최대 손실계수(ηsvel -2_ max)는 0.7보다 크거나 같다. 제1 제한 요소(12")의 최대 손실계수(ηfce -2_ max), 제2 제한 요소(22")의 최대 손실 계수(ηsce -2), 및 외측 로터의 최대 손실계수(ηvpc -2_ max)는 각각 실질적으로 0.7보다 적다.
제1 댐퍼(10")는 제1 온도(T1)와 제1 주파수(f1)에 대해 최적화된다. 이 제2 댐퍼(20")는 제2 온도(T2)와 제2 주파수(f2)에 대해 최적화된다. 제2 온도(T2)는 제1 온도(T1)와 다르며, 제2 주파수(f2)는 제1 주파수(f1)와 다르다. 여기서, 댐퍼의 점탄성층의 물질 손실 계수가 상기 온도와 주파수에서 그의 최대값에 도달하면 댐퍼는 일정한 온도와 일정한 주파수에 대해 최적화된 것으로 간주된다.
복수의 댐퍼들을 포함하는 댐핑 수단은 댐퍼들 중 각각의 댐퍼가 나머지 댐퍼들에 비해 다른 온도-주파수 쌍에 대해 최적화되도록 구성될 수 있다. 이에 의해서, 댐핑 수단의 최대 댐핑 범위는 확대될 수 있다.
도 1의 실시예에서, 외측 로터 전기 기기는 풍력 플랜트의 전기 발전기로서 구성된다. 외측 로터(2)는 주위 공기와 직접 접촉하도록 형성된다. 풍력 터빈의 블레이드(35)들은 베어링(8)과 같이 외측 로터(2)의 같은 단부에 위치된다. 도 1에서, 블레이드(35)들은 단지 부분적으로 도시된다. 대안적인 실시예에서, 본 발명에 따른 전기 기기는 대형 철강 산업에 사용되도록 형성된 벨트-롤러 모터로서 구성된다.
풍력 발전기의 외측 로터의 환형 단부판에는 외측 로터를 제동하기 위한 제동 디스크가 구비될 수 있다. 제1 댐퍼는 제동 디스크보다 반경 방향으로 외측에 위치될 수 있다. 일부 경우들에서, 본 발명에 따른 제1 댐퍼를 기존의 풍력 발전기의 외측 로터의 환형 단부판에 새로 장착할(retrofit) 수 있다.
이 기술 분야의 통상의 기술자에게는 본 발명의 개념이 다양한 방식으로 실행될 수 있음이 명백할 것이다. 본 발명과 그 실시예들은 위에 설명된 예들에 한정되지 않으며 특허청구범위의 범위 내에서 변경될 수 있다.

Claims (11)

  1. 지지 프레임(6), 상기 지지 프레임(6)에 지지되는 외측 로터(2)와 고정자(4), 및 상기 외측 로터의 진동을 감쇄시키도록 형성된 댐핑 수단을 포함하는 전기 기기에 있어서,
    상기 외측 로터(2)는 환형 단부판(28)을 포함하며, 상기 댐핑 수단은 제1 제한 요소(12; 12'; 12")와 상기 제1 제한 요소의 표면 위에 구비된 제1 점탄성층(14; 14'; 14")을 가지는 제1 댐퍼(10; 10'; 10")를 포함하며; 상기 제1 제한 요소(12; 12'; 12")는 상기 제1 점탄성층(14; 14'; 14")을 통해 상기 환형 단부판(28)에 연결되고, 또한
    상기 외측 로터(2)는 상기 환형 단부판(28)에 대해 상기 외측 로터(2)의 대향 단부에 위치된 베어링(8)에 의해 일 단부에서 배타적으로 상기 지지 프레임(6)에 지지되는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 점탄성층(14; 14'; 14")의 최대 손실계수(ηfvel_max)는 0.7 보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 전기 기기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 제한 요소(12; 12'; 12")의 최대 손실계수(ηfce_max)는 상기 제1 점탄성층(14; 14'; 14")의 최대 손실계수(ηfvel_max)보다 적은 것을 특징으로 하는 전기 기기.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 외측 로터의 최대 손실 계수(ηvpc_max)는 상기 제1 점탄성층(14; 14'; 14")의 최대 손실계수(ηfvel_max)보다 적은 것을 특징으로 하는 전기 기기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 제한 요소(12; 12'; 12")는 모노리식 요소인 것을 특징으로 하는 전기 기기.
  6. 제 1 항에 있어서, 제1 제한 요소(12; 12")는 제1 점탄성층(14; 14")을 통해 배타적으로 상기 외측 로터에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 외측 로터는 제1 부분(271')과 제2 부분(272')을 포함하며, 상기 제1 댐퍼(10')는 상기 외측 로터의 제1 부분(271')이 상기 외측 로터의 제2 부분(272')으로부터 분리되도록 상기 외측 로터의 제1 부분(271')과 상기 외측 로터의 제2 부분(272') 사이에 배치되며, 상기 외측 로터의 제2 부분(272')은 제1 점탄성층(14')을 통해 제1 제한 요소(12')에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 댐핑 수단은 제2 제한 요소(22")와 상기 제2 제한 요소(22")의 표면 위에 구비된 제2 점탄성층(24")을 가지는 제2 댐퍼(20")를 더 포함하며, 상기 제2 제한 요소(22")는 상기 제2 점탄성층(24")을 통해 외측 로터에 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
  9. 제 8 항에 있어서, 제1 댐퍼(10")는 제1 온도(T1)와 제1 주파수(f1)에 최적화되고, 제2 댐퍼(20")는 제2 온도(T2)와 제2 주파수(f2)에 최적화되며, 상기 제2 온도(T2)는 상기 제1 온도(T1)와 다르며, 상기 제2 주파수(f2)는 상기 제1 주파수(f1)와 다른 것을 특징으로 하는 전기 기기.
  10. 제 1 항에 있어서, 환형 단부판(28)과 베어링(8)은 상기 전기 기기의 축 방향으로 서로 이격되어서, 외측 로터(2)와 고정자(4)의 능동 부품들은 축 방향에서 볼 때 환형 단부판(28)과 베어링(8) 사이에 배치되며, 능동 부품들은 상기 기기의 동작 동안 자기적으로 상호 작용하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
  11. 풍력 에너지를 전기 에너지로 전환하기 위한 풍력 플랜트로서, 전기 발전기를 포함하는 풍력 플랜트에 있어서,
    상기 전기 발전기는 제 1 항에 따른 전기 기기인 것을 특징으로 하는 풍력 플랜트.
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