KR101767678B1 - 영구 자석 로터 설치 시스템 - Google Patents

영구 자석 로터 설치 시스템 Download PDF

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촌드라칸트 바푸라오 키롤리카를
로날드 조지 실링턴
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

본 발명의 실시예들은 로터 설치 시스템에 관한 것으로서, 특히, 현장설치용 착자기(1200) 또는 자석 삽입 장치(3000)를 구비한 영구 자석 로터 설치 시스템에 관한 것이다. 일 실시예에서, 본 발명은 강자성 물질(2110A, 2110B, ..., 2110n)을 영구 자화시키기 위한 적어도 하나의 착자기(1200)와, 강자성 물질(2110A, 2110B, ..., 2110n)을 포함하는 적어도 하나의 부분을 구비한 로터(2100)를 수용하기 위한 아버(1100)를 포함하며, 상기 적어도 하나의 착자기(1200)는 강자성 물질(2110A, 2110B, ..., 2110n)을 영구 자화시키도록 아버(1100)에 대해 위치한다.

Description

영구 자석 로터 설치 시스템{PERMANENT MAGNET ROTOR INSTALLATION SYSTEMS}
본 발명의 실시예들은 로터 설치 시스템에 관한 것으로서, 특히, 현장설치용(in situ) 착자기 또는 자석 삽입 장치를 구비한 영구 자석 로터 설치 시스템에 관한 것이다.
영구 자석을 구비한 발전기, 모터, 또는 영구 자석을 구비한 그외 다른 전기기기들을 조립할 때, 자석의 크기 및/또는 세기가 증가함에 따라 전용 취급 시스템과 예비 안전 수단을 필요로 한다. 즉, 이러한 기기에 사용되는 대형 영구 자석들은 기기 조립시 취급자에게 위험한 자력 및 자장 강도를 나타낸다. 이러한 조립 과정에서의 취급 시스템 및 예비 안전 수단들은 비용 및 복잡도를 상승시키게 된다.
본 발명의 과제는 영구 자석을 구비한 기기 조립시의 취급 시스템 및 예비 안전 수단에 대한 상기 문제점을 해결하는 것이다.
일 실시예에서, 본 발명은 강자성 물질을 영구 자화시키는 적어도 하나의 착자기와, 강자성 물질을 포함하는 적어도 하나의 부분을 가진 로터를 수용하기 위한 아버(arbor)를 포함하는 로터 설치 시스템을 제공하며, 적어도 하나의 착자기는 강자성 물질을 영구 자화시키도록 아버에 대해 위치한다.
본 발명의 다른 실시예는 로터를 수용하기 위한 아버와, 복수의 영구 자석을 로터에 삽입하기 위한 자석 삽입 장치를 포함하는 로터 설치 시스템을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 아버와, 아버에 연결되어 관형 부재 내부에 삽입가능한, 기다란 부재와, 관형 부재 내에 적어도 하나의 용접된 연결을 형성하기 위해 기다란 부재에 연결되는 용접 장치를 포함하는 로터 설치 시스템을 제공한다.
본 발명의 다양한 실시예를 나타내는 첨부 도면과 연계하여 제시된 본 발명의 다양한 형태들에 관한 다음의 상세한 설명으로부터 본 발명의 이와 같은 특징 및 그외 다른 특징들이 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 로터 설치 시스템의 도면,
도 6a 내지 도 6b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로터 설치 시스템의 도면,
도 7은 로터의 정면도,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 사용되는 자석 삽입 장치의 도면으로서, 도 7의 로터 내로 적어도 하나의 영구 자석을 삽입하도록 구성된 자석 삽입 장치의 도면,
도 9a 내지 도 9d는 전기기기의 구성요소들 간에 용접 연결부를 형성하는 데 유용하게 사용되는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 로터 설치 시스템의 구성요소들의 도면.
본 발명의 도면들은 축적에 맞게 그려진 것이 아니다. 도면은 발명의 전형적인 형태를 나타내는 것에 주안을 둔 것이며, 따라서, 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 아니된다. 도면에서 동일한 도면 부호들은 도면들 간에 동일한 요소들을 나타낸다.
도 1 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템을 이용하여 로터를 자화 및 설치하는 도식적 작동 방법을 도시하고 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 로터 설치 시스템(1000)이 도시되어 있다. 로터 설치 시스템(1000)은 로터를 수용 및 고정하기 위한 아버(1100)와, 이러한 로터 내에서 강자성 물질을 자화시키기 위한 착자기(1200)와, 스테이터를 구비하고 내부에 로터가 설치되는 발전기, 모터, 또는 이와 유사한 장치를 위한 지지부(1300)와, 로터를 설치한 상태에서 스테이터 내에서 로터를 회전시킬 수 있는 구동 모터(1400)를 포함한다. 로터의 설치를 돕기 위해, 시스템(1000)은 아버(1100)가 (즉, 경로 A를 따라) 이동가능한 레일(1110A-B)들을 더 포함한다. 시스템(1000)의 그외 다른 구성요소들 및/또는 시스템(1000)의 변형이 본 기술분야에 잘 알려져 있고 본 발명의 범위 내에 있다. 예를 들어, 아버(1100) 자체가 또는 아버의 일부분이 독립적으로 이동할 수 있어서, 레일(1110A-B)이 필요치 않게 된다.
도 2에서는, 로터(2100)가 아버(1100)에 부착되어 있고, 스테이터를 구비한 모터(2200)가 지지부(1300)에 부착되어 있다. 도시된 바와 같이, 로터(2100)는 그 둘레를 따라 복수의 강자성 물질(2110A, 2110B, ..., 2110n)을 포함한다. 강자성 물질(2110A~n)은 예를 들어, 철, 니켈, 코발트, 철의 알루미늄 합금, 니켈의 알루미늄 합금, 코발트의 알루미늄 합금, 철을 함유한 세라믹 혼합물, 니켈을 함유한 세라믹 혼합물, 코발트를 함유한 세라믹 혼합물, 네오디뮴-철-붕소 합금 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이 물질들은 설명 목적으로 제공되는 것이지, 제한적인 의도로 제시되는 것이 아니다. 다른 강자성 물질도 본 기술 분야에 잘 알려져 있고, 본 발명의 범위 내에 있다.
도 3에서는 자기장(1210)이 착자기(1200)에 의해 생성되고, 이 자기장(1210)은 강자성 물질(2110A~n)에 소정의 자화도를 부여하기에 충분한 세기를 가진다. 예를 들어, 도 3의 실시예에서, 아버(1100)는 경로 B를 따라(즉, 로터의 둘레 방향을 따라) 로터를 이동시켜서 강자성 물질(2110A~n)의 일부분들을 자기장(1210)에 점진적으로 노출시키게 된다. 즉, 아버(1100)가 자기장(1210)을 따라 로터(2100)를 회전시켜서 강자성 물질(2110A~n)을 자화시키게 된다. 일부 실시예들에서, 아버(1100)가 경로 C를 따라(즉, 실질적으로 수직 방향으로) 이동할 수 있어서 자화 중 로터(2100)의 동심성을 제공할 수 있는 것이 바람직하다. 경로 C를 따른 이러한 이동은 아래 설명되는 바와 같이, 모터(2200)의 스테이터 내로의 로터(2100) 설치를 도울 수 있다.
도 4는 이제 자화된 상태로, 모터(2200)의 스테이터 내로 설치되고 있는 강자성 물질을 가진 로터(2100)를 도시하고 있다. 이러한 설치는, 여기서 도시된 실시예에서, 로터(2100)와 스테이터를 적절히 정렬시키기 위해, 레일(1100A-B)들을 이용하여 경로 A를 따라(즉, 실질적으로 수평 방향으로), 그리고, 필요할 경우, 경로 C를 따라, 아버(1100)를 이동시킴으로써 달성된다. 경로 A와 경로 C 중 적어도 하나를 따른 이동은 예를 들어, 공압식, 유압식, 전기식, 또는 그외 다른 장치를 이용하여 촉진될 수 있으며, 이는 당업자에게 쉽게 이해가능한 사항일 것이다. 이용되는 특정 메커니즘이 물론 본질적인 것은 아니며, 경로 A 및 경로 C(또는 아래 설명되는 그외 다른 경로)를 따른 이동을 촉진시키는 임의의 메커니즘이 사용될 수 있다.
도 5에서는, 로터(2100)가 모터(200) 내에 설치되어 있다. 이러한 설치는 구동 모터(1400)를 이용하여 모터(220)의 스테이터 내에서 로터(2100)를 회전시키는 테스트를 함으로써, 다른 사항들 중에서도, 로터(2100)가 적절히 균형을 이루고 있는 지를 결정할 수 있다. 일부 실시예에서, 구동 모터(1400)는 초저속으로부터 소정의 작동 속도까지 로터(2100)를 회전시킬 수 있는 변속 모터이다.
로터, 강자성 물질, 스테이터, 등의 크기, 종류, 등에 따라, 도 1 내지 도 5의 시스템(1000)에 대한 수정이나 변형이 물론 필요하거나 바람직할 수 있다. 예를 들어, 도 1 내지 도 5에 도시된 로터에 비해 더 기다란 형태를 가진 로터는 로터의 축방향 길이를 따라 다양한 지점에서 로터의 둘레의 전부 또는 일부분을 실질적으로 둘러싸는 "관통형" 착자기를 이용하여 좀더 쉽게 자화될 수 있다. 도 6a 및 도 6b에는 이러한 실시예가 도시되어 있다. 도 6a에서, 로터(2102)가 아버(1112)에 다시 부착되며, 아버(1112)는 경로 A 및 경로 C를 따라(즉, 수평 방향 및 수직 방향으로) 이동가능하다. 그러나 착자기(1202)는 로터(2102)를 둘러싸도록 구성되어, 자기장 유도시, 로터(2102) 내에서 강자성 물질(도시되지 않음)을 자화시키게 된다.
도 6b는 로터(2102)를 착자기(1202) 내로 관통시키는 아버(1112)를 도시하고 있다. 자기장(1212)이 강자성 물질을 자화시켜서, 로터(2102)의 착자부(2102B)를 형성하게 된다. 착자기(1202)를 아직 통과하지 않은 로터(2102)의 미-착자부(2102A)는 전체 로터(2102)의 강자성 물질이 자화될 때까지 착자기(1202)를 점진적으로 통과하게 된다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 것과 같이 "관통형" 자화기를 구비한 실시예들은, 고속 전기기기(HSEM: High-Speed Electrical Machines)용 로터의 자화에 유용하게 사용될 수 있다. 이 고속 전기기기는 회전 속도가 높고 이에 따라 원심력이 크기 때문에, 로터 내에 강자성 물질을 고정하기 위한 장치(예를 들어, 보지 링)를 이용하는 경우가 자주 있다. 따라서, 강자성 물질에 요망 수준의 자화도를 부여하기 위해, 강한 자기장이 자주 요구된다. 이러한 강한 자기장을 생성하여 로터에 균일하게 인가하는 것은, 도 6a 및 도 6b에 도시된 것과 같은 "관통형" 착자기를 이용할 때 더욱 쉽게 달성된다.
다른 형태에서, 본 발명은 로터 내로 기-자화된 강자성 물질을 삽입하기 위한 자석 삽입 장치를 구비한 로터 설치 시스템을 제공한다. 따라서, 앞서 설명한 로터 설치 시스템에서처럼, 이러한 시스템 역시 대형 영구 자석에 의해 생성되는 강한 자력 및 강한 자기장에 조립 인력이 노출되지 않으면서, 자석 삽입 및 로터 설치를 행할 수 있다.
예를 들어, 도 7에서는 로터 둘레를 따라 복수의 슬롯(2120A, 2120B, ..., 2020n)을 배치한 로터(2100)의 정면도를 도시하고 있다. 영구 자석이 슬롯(2120A~n) 내로 삽입되고, 그후, 로터가 발전기, 모터, 또는 그외 다른 전기기기의 스테이터 내로 균형을 이룬 채로 삽입된다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 자석 삽입 장치(3000)를 도시하고 있다. 자석 삽입 장치(3000)는 자석을 지닐 수 있는 본체(3100)와, 복수의 경로(3110, 3112, 3114, 3116)와, 본체(3100)로부터 로터의 슬롯 내로 자석을 삽입하기 위한 경로(예를 들어, 3114)를 통과할 수 있는 로드(rod)(3200A-B)를 포함한다. 경로(3110~3116)들이 본체에 대해서 경사진 것으로 도시되고 있으나, 이러한 특징이 본질적인 사항은 아니다. 도 8에 도시된 실시예에서, 로터 슬롯(예를 들어, 2120B)이 자석 삽입 장치(3000)의 경로(예를 들어, 3112)와 정렬될 때까지 아버(예를 들어, 도 1의 1100)가 자석 삽입 장치(3000)에 대해 로터(2100)를 회전시킴으로써 자석 삽입이 원활해진다. 다른 실시예에서는, 로터(2100) 대신에 자석 삽입 장치(3000)가 회전할 수도 있고, 또는, 로터(2100)와 자석 삽입 장치(3000) 모두가 회전할 수도 있다. 그후 로드(예를 들어, 3200A)가 경로(3112)를 (즉, 경로 E를 따라) 통과하여 자석을 슬롯(2120B)에 삽입하게 된다. 그후 로드(3200A)를 뺀 다음, 빈 슬롯(예를 들어, 2120A)이 자석 삽입 장치(3000)의 한 경로와 정렬될 때까지 아버(1100)가 로터(2100)를 회전시킨다. 상술한 바와 같이, 공압식, 유압식, 전기식 및/또는 그외 다른 장치 및 메커니즘들이 로터(2100)의 회전 및/또는 경로 E를 따른 로드(3200A-B)의 이동에 사용될 수 있다. 자석이 각각의 슬롯(2120A~n)에 삽입되면, 도 4 및 도 5를 참조하여 앞서 설명한 바와 같이, 로터가 균형을 이루어 스테이터 내로 삽입된다.
또 다른 형태에서, 본 발명은 로터에, 그리고 로터가 설치되는 전기기기에 용접 연결부를 형성하기 위한 용접 장치를 구비한 로터 설치 시스템을 제공한다. 도 9a 내지 도 9d는 이러한 시스템 및 관련 애플리케이션의 일 실시예를 도시하고 있다. 도 9a에는, 로터 설치 시스템(4000)이 도시되어 있다. 상술한 시스템들에서처럼, 시스템(4000)은 경로 A, B, C를 따라 이동가능한 아버(1114)를 포함한다. 아버(1114)에는 기다란 부재(1510) 및 용접 장치(1530)를 포함하는 용접 시스템(1500)이 연결된다. 일부 실시예에서, 용접 장치(1530)는 기다란 부재(1510)의 원주 둘레로(즉, 경로 F를 따라) 이동가능하다. 용접 장치(1530)는 일부 실시예에서, 기다란 부재(1510)의 원주 둘레로 용접 장치(1530)를 이동시키기 위한 회전 유닛(1532)과, 용접 연결부를 형성하기 위한 용접 토치(1534)를 포함한다. 본 발명의 이러한 실시예에 사용하기 적합한 용접 장치는, 예를 들어, D Weld Head 모델 420과 같은 회전 용접 헤드를 포함하는 Magnatech LLC 사(미국, 코네티컷주, East Grandby 소재)의 제품을 포함한다. 이러한 장치를 이용할 경우, 기다란 부재(1510)를 향해 안쪽보다는 바깥쪽으로 면하도록 용접 토치(1534)를 재배향시켜야 한다. 이러한 장치들의 경우, 형성된 용접 연결부를 검사하는 데 유용하게 사용될 수 있는 비디오 카메라를 포함하는 기능을 구비한 경우가 자주 있다.
도 9b는 시스템(4000)을 적용할 수 있는 종류의 로터나 전기기기 구성요소(2400)의 단면도이다. 여기서, 구성요소(2400)는 관형 부재(2410)와 벨로우즈(bellows)(2420)를 포함한다. 본 예에서, 벨로우즈(2420)는 관형 부재의 내부에 대한 용접 연결을 통해 관형 부재(2410)에 고정될 것이다. 다른 종류의 구성요소 및 다른 종류의 용접 연결도 시스템(4000)에 적용가능하며, 본 발명의 범위 내에 있다. 여기에 주어진 예는 단지 설명을 위한 것이다.
도 9c에서는 용접 시스템(1500)이 관형 부재(2410) 내로 삽입되어, 용접 토치(1534)가 관형 부재(2410)의 내면에 제 1 용접부(W1)를 형성하도록 배치되게 된다. 그후, 용접 시스템(1500) 및/또는 용접 장치(1530)가 경로 B 및/또는 F를 따라 각각 회전할 수 있어서, 제 1 용접부(W1)를 연장시키고, 및/또는, 관형 부재(2410)의 내면을 따라 추가적 용접부를 형성하게 된다. 도 9d에서, 용접 시스템(1500)은 경로 B를 따라 회전하여 다음 용접부(Wn)를 형성한다.
상술한 용접 시스템(1500)은, 예를 들어, 로터의 구성요소들 사이에, 로터와 스테이터의 구성요소들 사이에, 또는, 전기기기의 임의의 구성요소들 사이에 용접 연결부를 형성하는 데 사용될 수 있다. 앞서의 설명은 설명용으로 제시된 것일 뿐이다.
본 발명의 기재는 예들을 이용하여, 최적 모드를 포함한 본 발명을 개시하였으며, 또한 임의의 장치 또는 시스템의 제작 및 이용과, 임의의 관련 및 채택된 방법들의 실행을 포함하여, 당업자가 본 발명을 실시할 수 있도록 하였다. 본 발명의 특허 범위는 청구범위에 의해서 규정되며, 당업자에게 나타나는 다른 예들도 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들은 청구범위의 글자 그대로와 다르지 않은 구조적 요소들을 가질 경우, 또는, 청구범위의 글자 그대로와 본질적이지 않은 차이점을 가진 대등한 구조적 요소들을 포함하는 경우, 청구범위의 특허 범위 내에 포함되는 것으로 간주되어야 한다.
1000 : 로터 설치 시스템 1100, 1112, 1114 : 아버
1200, 1202 : 착자기 1210, 1212 : 자기장
1300 : 지지부 1400 : 구동 모터
2100, 2102 : 로터 2110A, 2110B, ... , 2110n : 강자성 물질
2200 : 모터 3000: 자석 삽입 장치

Claims (10)

  1. 로터 설치 시스템(1000)에 있어서,
    강자성 물질(2110A, 2110B, ..., 2110n)을 영구적으로 자화시키기 위한 적어도 하나의 착자기(1200)와,
    상기 강자성 물질(2110A, 2110B, ..., 2110n)을 포함하는 적어도 하나의 부분을 가진 로터(2100)를 수용하기 위한 아버(arbor)(1100)를 포함하며,
    상기 아버(1100)는, 영구적인 자화의 동안에, 수직 방향으로 이동이 없이 수평 방향으로, 및 수평 방향으로 이동이 없이 수직 방향으로, 양자에서 이동 가능하며,
    상기 적어도 하나의 착자기(1200)가 상기 아버(1100)에 대해서 위치되어 있어, 상기 강자성 물질(2110A, 2110B, ..., 2110n)의 영구적인 자화를 가능하게 하는
    로터 설치 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    발전기 또는 모터(2200)를 유지하기 위한 지지부(1300)를 더 포함하는
    로터 설치 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 아버(1100)는 발전기 또는 모터(2200)의 스테이터 내에 상기 로터(2100)를 설치하기 위한 것인
    로터 설치 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    설치 후 상기 스테이터 내에서 상기 로터(2100)를 회전시키기 위한 구동 모터(1400)를 더 포함하는
    로터 설치 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 강자성 물질(2110A, 2110B, ..., 2110n)은 철, 니켈, 코발트, 철의 알루미늄 합금, 니켈의 알루미늄 합금, 코발트의 알루미늄 합금, 철을 함유한 세라믹 혼합물, 니켈을 함유한 세라믹 혼합물, 코발트를 함유한 세라믹 혼합물, 및 네오디뮴-철-붕소 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택되는
    로터 설치 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 착자기(1200)는, 상기 강자성 물질(2110A, 2110B, ..., 2110n)에 특정 자화도를 부여하기에 충분한 자기장(1210)에 모든 강자성 물질(2110A, 2110B, ..., 2110n)을 노출시키는
    로터 설치 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 착자기(1200)는 로터(2102)의 적어도 일부분을 둘러싸는
    로터 설치 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 아버(1112)는, 상기 강자성 물질(2110A, 2110B, ..., 2110n)에 특정 자화도를 부여하기에 충분한 자기장(1212)에 상기 강자성 물질(2110A, 2110B, ..., 2110n)의 부분들을 점진적으로 노출시키도록 상기 로터(2102)를 이동시키는
    로터 설치 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 아버(1112)는 둘레 방향 또는 축 방향 중 적어도 하나의 방향으로 로터(2102)를 이동시키는
    로터 설치 시스템.
  10. 삭제
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