KR101854473B1 - 리플 스프링 및 그것을 위한 진단 방법 - Google Patents
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Abstract
하나 이상의 전도성 층 및 하나 이상의 비전도성 층을 갖는 리플 스프링이 제공된다. 전도성 층 및 비전도성 층은 대칭 적층체를 형성하기 위해 함께 적층된다. 리플 스프링을 모니터링하기 위한 방법이 또한 제공된다. 이 방법은 전기 기계 장치 내에 형성된 고정자 슬롯 내에 적어도 부분적으로 위치되고, 권선을 정위치에 유지하는 리플 스프링을 제공하는 단계, 리플 스프링 내에 배치된 전도성 층을 제공하는 단계, 및 전도성 층으로부터 리플 스프링의 적어도 하나의 상태에 대응하는 신호를 발생하는 단계를 포함한다. 분석 단계는 리플 스프링 내의 결함의 식별을 용이하게 하는 리플 스프링의 적어도 하나의 상태를 판정하기 위해 신호를 분석한다.
Description
본 발명은 전기 기계 및 특히 전기 기계에 사용되는 리플 스프링에 관한 것이다.
고정자 바아 권선으로도 알려져 있는 전기자 권선은 발전기의 동작을 점검하기 위해 발전기 내에서 정기적으로 검사된다. 일부의 발전기에서, 발전기 내의 고정자 요크는 전기자 코어를 포위하고 전기자 권선을 부분적으로 포위한다. 고정자 권선은 루프를 형성하도록 전기자에 감겨진 복수의 구리 전도체로부터 형성된다. 전기자 권선은 발전기가 작동 중에 원하는 전압 및 전류 특징을 유지할 수 있는 방법으로 고정자 슬롯 내에 배열될 수 있다.
전형적으로, 발전기는 고정자 슬롯 내의 고정자 바아 권선의 이동을 감소시키는 것을 촉진하기 위해 쐐기 또는 리플 스프링으로부터 고정자에 대해 반경방향 또는 원주방향의 유지력을 유발시키기 위해 리플 스프링을 갖는 쐐기 시스템을 포함한다. 그러나, 쐐기 시스템 자체가 이완되거나 리플 스프링이 기능불량(예컨대, 균열)인 경우, 유지력의 크기는 고정자 바아 권선이 작동 중에 진동할 수 있도록 감소된다. 시간이 경과함에 따라, 고정자 바아 권선의 상대적인 운동은 고정자 바아를 둘러싸고 있는 절연체를 손상시키고 또 고정자 바아 권선은 지면에 대한 전기적 단락을 통해 결함을 유발할 가능성이 있다.
본 발명의 일 관점에서, 하나 이상의 전도성 층 및 하나 이상의 비전도성 층을 갖는 리플 스프링이 제공된다. 이 전도성 층 및 비전도성 층은 대칭 적층체(symmetrical stack)을 형성하기 위해 함께 적층된다.
본 발명의 다른 관점에서, 리플 스프링을 모니터링하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은 리플 스프링이 전기 기계 장치 내에 형성된 고정자 슬롯 내에 적어도 부분적으로 위치되는 소정의 위치에 권선을 유지하는 리플 스프링을 제공하는 단계, 리플 스프링 내에 배치된 전도성 층을 제공하는 단계, 및 전도성 층으로부터 리플 스프링의 적어도 하나의 상태에 대응하는 신호를 발생하는 단계를 포함한다. 분석 단계는 리플 스프링의 적어도 하나의 상태를 판정하기 위해 신호를 분석하는데, 여기서 상기 적어도 하나의 상태는 리플 스프링의 결함의 식별을 용이하게 한다.
본 발명에 의해 전술한 문제점을 극복하는 전기 기계 및 특히 전기 기계에 사용되는 리플 스프링이 제공된다.
도 1은 본 발명의 하나의 관점에 따른 전기 기계의 사시도,
도 2는 본 발명의 하나의 관점에 따른 도 1에 도시된 전기 기계의 고정자의 일부의 부분 분해도,
도 3은 본 발명의 하나의 관점에 따른 전기 기계의 고정자 내의 슬롯의 부분 단면도,
도 4는 본 발명의 하나의 관점에 따른 전기 기계의 고정자 슬롯 내에 사용되는 리플 스프링의 사시도,
도 5는 본 발명의 하나의 관점에 따른 전기 기계의 고정자 슬롯 내에 사용되는 다층 리플 스프링의 단면도,
도 6은 본 발명의 하나의 관점에 따른 전기 기계의 고정자 슬롯 내에 사용되는 다층 리플 스프링의 단면도,
도 7은 본 발명의 하나의 관점에 따른 전기 기계의 고정자 슬롯 내에 사용되는 다층 리플 스프링의 단면도,
도 8은 본 발명의 하나의 관점에 따른 전기 기계의 고정자 슬롯 내에 사용되는 다층 리플 스프링의 단면도,
도 9는 본 발명의 하나의 관점에 따라 전기 기계 내의 고정자 권선의 긴장도 또는 리플 스프링의 상태를 측정하기 위해 사용되는 측정 시스템의 간략화된 개략도,
도 10은 본 발명의 하나의 관점에 따라 전기 기계 내의 리플 스프링의 상태를 판정하기 위한 진단 방법의 간략화된 흐름도.
도 2는 본 발명의 하나의 관점에 따른 도 1에 도시된 전기 기계의 고정자의 일부의 부분 분해도,
도 3은 본 발명의 하나의 관점에 따른 전기 기계의 고정자 내의 슬롯의 부분 단면도,
도 4는 본 발명의 하나의 관점에 따른 전기 기계의 고정자 슬롯 내에 사용되는 리플 스프링의 사시도,
도 5는 본 발명의 하나의 관점에 따른 전기 기계의 고정자 슬롯 내에 사용되는 다층 리플 스프링의 단면도,
도 6은 본 발명의 하나의 관점에 따른 전기 기계의 고정자 슬롯 내에 사용되는 다층 리플 스프링의 단면도,
도 7은 본 발명의 하나의 관점에 따른 전기 기계의 고정자 슬롯 내에 사용되는 다층 리플 스프링의 단면도,
도 8은 본 발명의 하나의 관점에 따른 전기 기계의 고정자 슬롯 내에 사용되는 다층 리플 스프링의 단면도,
도 9는 본 발명의 하나의 관점에 따라 전기 기계 내의 고정자 권선의 긴장도 또는 리플 스프링의 상태를 측정하기 위해 사용되는 측정 시스템의 간략화된 개략도,
도 10은 본 발명의 하나의 관점에 따라 전기 기계 내의 리플 스프링의 상태를 판정하기 위한 진단 방법의 간략화된 흐름도.
본 발명의 상기 특징 및 기타 특징, 관점들, 및 이점은 동일한 문자가 전체 도면을 통해 동일한 부품을 표시하고 있는 첨부한 도면을 참조하여 하기의 상세한 설명을 읽어보면 더욱 상세히 이해될 것이다.
도 1은 전기 기계(10)의 단부 사시도이다. 이 전기 기계(10)는 자속을 생성하기 위해 권선을 수용하기 위한 복수의 고정자 슬롯을 갖는 코어(16)를 포함한다. 고정자 슬롯(12)은 코어(16)(또한 고정자 코어라고 불린다)의 내주의 둘레에 형성된 고정자 슬롯 내에 위치되는 고정자 권선을 수용하도록 구성된다. 고정자 바아 권선은 사전 결정된 권선 경로를 형성하도록 상호 결합되는 복수의 평평한 바아 전도체 또는 고정자 바아로부터 형성될 수 있다. 본 발명의 하나의 관점에서, 고정자 바아는 구리로 제작된다. 회전자(도시되지 않음)는 공극(air gap) 또는 냉각제 간극(coolant gap)이 회전자 및 고정자 코어(16)의 사이에 형성되는 위치의 고정자 코어(18) 내에 배치될 수 있다. 고정자의 부분 분해도가 도 2에 기초하여 상세히 설명되는 참조 번호 20으로 도시되어 있다. 전기 기계는 모터 또는 발전기를 포함(그러나 이것에 한정되지 않음)하는 임의의 회전 전기 기계 또는 발전 전동 기계일 수 있다.
도 2는 도 1의 전기 기계의 일부의 부분 분해도이다. 본 발명의 하나의 관점에서, 고정자(20)는 하부 고정자 바아 권선 또는 외측 고정자 바아(22), 상부 고정자 바아 권선 또는 내측 고정자 바아(24), 및 각 고정자 슬롯(21) 내에 적어도 부분적으로 위치되는 하나 이상의 슬롯 충전재(26, 28)를 포함한다. 쐐기 시스템 즉 유지 시스템은 유지 장치 즉 리플 스프링(32)을 포함한다. 본 발명의 하나의 관점에서, 이 유지 장치는 리플 스프링(32)이 슬롯 충전재(26) 또는 슬롯 충전재(28) 중 적어도 하나에 인접하도록 고정자 슬롯 내에 적어도 부분적으로 위치되는 리플 스프링(32)을 포함한다. 다음에 리플 스프링(32)은 복수의 고정자 쐐기 슬라이드(34) 및 고정자 쐐기(36)를 이용하여 고정자 슬롯(21) 내에 고정된다. 리플 스프링(32)은 또 이하에서 더욱 상세히 설명되는 리플 스프링(400, 500, 600, 700, 800) 중 하나로 대체될 수 있다. 예를 들면, 고정자 쐐기 슬라이드(34)를 고정자 쐐기 슬라이드(36)에 대해 화살표(38)로 표시된 제 1 방향으로 이동시키거나 고정자 쐐기 슬라이드(36)를 고정자 쐐기 슬라이드(34)에 대해 화살표(40)로 표시된 제 2 방향으로 이동시키면 고정자 슬롯(21) 내에서 외측 고정자 바아(22)와 내측 고정자 바아(24)의 고정을 촉진하도록 외측 고정자 바아(22)와 내측 고정자 바아(24)에 대해 유지 압력이 유발된다.
도 3은 본 발명의 다른 관점에 따른 고정자 슬롯의 단면도이다. 고정자(300)는 고정자 코어(301)를 포함하고, 또 모터 또는 발전기와 같은 발전 전동 기계 또는 전기 기계의 일부이다. 고정자 코어(301)는 권선 또는 고정자 바아(322, 324)를 수용하기 위한 복수의 반경방향으로 연장하는 고정자 슬롯(302)을 포함한다. 알 수 있는 바와 같이, 고정자 코어(301)는 중심 축선을 중심으로 연장하고, 고정자 슬롯(302)뿐만 아니라 고정자 바아(322, 324)는 중심 축선에 평행한 종방향으로 또 대체로 반경방향 내측방향으로 연장한다. 도시된 형태에서, 측면 리플 스프링(342, 344)은 고정자 슬롯(302)의 대향 측면들에 대해 견고하게 고정자 바아(322, 324)를 유지한다. 측면 리플 스프링(342, 344)은 또 이하에서 더욱 상세히 설명되는 리플 스프링(400, 500, 600, 700, 800) 중 하나로 대체될 수 있다. 고정자 슬롯(302) 내의 반경방향 공간은 반경방향 충전재(350)에 의해 충전될 수 있다. 상부 유지 조립체(330)는 고정자 슬롯(302)의 반경방향 내측 부분을 따라 종방향으로 연장하고 고정자 슬롯(302) 내에 형성된 요홈 또는 도브테일(dovetails; 337) 내에 위치하는 측연부를 갖는 고정자 쐐기(336) 및 리플 스프링(332)이 적어도 하나의 슬롯 충전재(328)에 인접하도록 고정자 슬롯(302) 내에 적어도 부분적으로 위치되는 상부 리플 스프링(332)을 포함한다. 다음에 이 상부 리플 스프링(332)은 복수의 고정자 쐐기 슬라이드(334) 및 고정자 쐐기(336)를 이용하여 고정자 슬롯(302) 내에 고정된다. 상부 리플 스프링(332)은 또 이하에서 더욱 상세히 설명되는 리플 스프링(400, 500, 600, 700, 800) 중 하나로 대체될 수 있다.
도 4는 본 발명의 하나의 관점에 따른 리플 스프링(400)의 사시도이다. 이 리플 스프링(400)은 길이 축선(402)을 따라 연장하는 길이(401) 및 이 길이 축선에 대해 실질적으로 수직인 축선을 따라 연장하는 폭(403)을 가진다. 리플 스프링(400)은 또 실질적으로 정현곡선 표면 또는 형상을 갖고, 또 이 정현곡선 표면은 파의 주기 즉 파장(WL)을 갖는다. 이 표면은 일련의 교대하는 피크(peaks; 410)와 밸리(valleys; 411)로 구성되고, 파장 방향 또는 축선은 길이 축선(402)에 대체로 평행할 수 있다. 밸리(411)는 폭 축선에 대해 실질적으로 평행할 수 있는 밸리 축선(413)을 따라 연장한다. 그러나, 파장 축선 및/또는 밸리 축선은 길이 축선에 평행한 방향, 폭 축선에 평행한 방향 또는 이들 방향 사이의 임의의 적합한 각도를 포함하는 그러나 이것에 한정되지 않는 임의의 적합한 방향으로 방향설정될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
상기 리플 스프링(400)은 하나 이상의 비전도성 층(422) 및 하나 이상의 전도성 또는 반전도성 층(424)의 적층체으로 구성되고, 여기서 모든 층들은 대칭 적층체를 형성한다. 상기 비전도성 층(422)은 적어도 하나의 제 1 층이 제 1 축선을 따라 방향설정된 일방향 섬유로 실질적으로 구성되고, 적어도 하나의 제 2 층이 제 2 축선을 따라 방향설정된 일방향 섬유로 실질적으로 구성되는 다중층으로 구성될 수 있고, 여기서 상기 제 1 축선은 상기 제 2 축선에 실질적으로 수직이다. 단지 하나의 예로서, 제 1 층은 길이 축선(402)을 따라 방향설정된 섬유를 가질 수 있고, 제 2 층은 밸리 축선(413)을 따라 방향설정된 섬유를 가질 수 있다. 전도성 층(424)은 탄소 섬유, 흑연, 구리, 은, 금 및 알루미늄을 포함할 수 있다. 전도성 층(424)은 특정의 사용분야에서 요구되는 바와 같은 전기적 및/또는 열적 전도체일 수 있다.
리플 스프링(400)의 각 층은 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있다. 유리 섬유는 실질적으로 일방향성 유리 섬유, E-파이버글라스(예컨대, 알리미노-보로실리케이트 글라스), S-파이버글라스(예컨대, 알루미노 실리케이트 글라스), 파이버글라스 또는 유리제의 미세한 섬유에 의해 강화된 플라스틱 매트릭스로 제작된 임의의 적합한 섬유 강화 폴리머일 수 있다. 탄소 섬유는 많은 개별 탄소 섬유에 의해 형성된 탄소 직물, 또는 임의의 적합한 탄소 섬유 재료 또는 복합재일 수 있다.
비대칭 적층체의 층들을 갖는 일부의 종래의 공지의 리플 스프링에서 균열이 밸리를 따라 발생되었다. 이 비대칭 구조에 의해 외층에 더 높은 응력을 생성하는 불균일한 내부 스프링력이 형성된다. 이 불균일한 내부 스프링력은 파장 방향 또는 파장 축선으로 방향설정된 층에 인접하는 층에 특히 문제가 되었다. 균열은 결국 리플 스프링의 파괴로 이어질 수 있고, 그 후 권선의 파단으로 이어질 가능성이 있다.
따라서, 리플 스프링(400)은 적층된 하나 이상의 층으로 형성되고, 개선된 균열 저항 및 굴곡 강도를 갖는 대칭형 적층체를 갖는 리플 스프링을 형성하도록 상호 성형된다. 하기의 표는 비대칭 적층체의 층들을 갖는 리플 스프링과 대칭 적층체의 층들을 갖는 본 발명의 리플 스프링의 파단시의 대략 굴곡 강도 또는 굴곡력을 비교한 것이다.
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파단시 굴곡력(lbf) | |
| SRS | TRS | |
| 비대칭 리플 스프링 | 27-38 | 110 |
| 대칭 리플 스프링 | 54 | 135-145 |
| 탄소 섬유를 갖는 대칭 리플 스프링 | 149 | 154 |
비대칭 상부 리플 스프링은 약 110 lbf(파운드-포스)의 파단시 굴곡력을 가졌고, 본 발명의 대칭 상부 리플 스프링은 약 140 lbf의 파단시 굴곡력을 가졌고, 본 발명의 탄소 섬유를 갖는 대칭 상부 리플 스프링은 약 154 lbf의 파단시 굴곡력을 가졌다. 더 낮은 굴곡력을 가지는 리플 스프링은 전기 기계의 작동 중에 균열 또는 기능불량의 경향이 더 크다. 현장 경험에 의하면 비대칭 리플 스프링은 사용 중에 조기에 균열되고, 그 결과 원하지 않는 기계의 조업정지뿐만 아니라 고가의 수리로 이어진다. 대칭 리플 스프링은 증가된 강도를 갖고, 그 결과 비대칭 리플 스프링에 비해 균열의 경향을 제거하거나 적어도 경감시킴으로써 상당한 실용적 이점을 가진다. 실제로, 각 층의 순서 및 방향설정을 변화시킴으로써 대칭 리플 스프링에서 예상 이상의 결과(즉, 향상된 굴곡력)가 얻어졌다. 굴곡력은 탄소 섬유층의 추가에 의해 더욱 증대될 수 있다.
도 5는 향상된 굴곡력 또는 굴곡 강도를 갖는 대칭 적층체의 층들을 갖는 리플 스프링(500)의 단면도이다. 이 리플 스프링(500)은 하나 이상의 하부층(510), 하나 이상의 중간층(520), 및 하나 이상의 상부층(530)으로 형성될 수 있다. 이 구조에서, 리플 스프링은 점선(502)을 중심으로 대칭이다. 각 2층이 도시되어 있으나, 다양한 부분의 일부 또는 전부에 대해 2, 3, 또는 그 이상의 층이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 하부층(510)은 일방향 유리 섬유로 형성되고, 이 섬유는 실질적으로 길이 축선 또는 도면에 평행한 파장 축선(402)을 따라 방향설정된다. 중간층(520)도 일방향 유리 섬유로 형성되고, 이 섬유는 실질적으로 도면에 수직한 밸리 축선(413)을 따라 방향설정된다. 상부층(530)은 일방향 유리 섬유로 형성되고, 상부층의 이 섬유는 실질적으로 파장 축선(402)을 따라 방향설정된다.
각 층은 일방향 유리 직물에 결합제 물질을 함침시킴으로써 형성될 수 있다. 다중층은 건조 후 또는 부분 응고 후에 라미네이트(laminate)로 형성될 수 있고, 형성된 각 라미네이트는 약 4 mil 내지 약 8 mil 범위의 두께를 가질 수 있다. 따라서 대칭 설계에 따른 이들 라미네이트는 원하는 파의 주기를 가진 균일하고 대칭인 리플 스프링을 형성하도록 함께 성형된다. 단지 비제한적 예시로서, 함침용 결합제 물질은 에폭시, 폴리에스테르, 폴리에스테르이미드, 폴리아미드-이미드, 에폭시-페놀릭, 에폭시-노볼락 수지, 에폭시-폴리이미드, 또는 이들의 조합, 또는 열 등급(thermal ratings)이 전기 기계의 작동 온도를 초과하는 임의의 다른 적합한 결합제 물질을 포함할 수 있다. 이들 함침 수지 결합제는 절연 고정자 바아의 표면 또는 내부에 축적된 전하 및 열을 강철제의 슬롯의 벽으로 방출하는 능력을 향상시키도록 전기적 및/또는 열적 전도성 물질로 충전될 수 있다.
대부분의 균열은 밸리 축선(413)을 따라 형성되는 것으로 생각되므로 리플 스프링(500)은 균열 방향설정(crack oriented), 즉 밸리 방향설정(valley oriented)의 층들을 리플 스프링의 표면으로부터 이격되도록 배치함으로써 균열에 대한 저항을 증대시켜야 한다. 상기 표면은 상부면 또는 하부면일 수 있고, 이것은 이들 양면이 전기 기계 또는 유지 조립체의 일부와 접촉하기 때문이다. 리플 스프링(500)은 교대하는 섬유 방향설정을 갖는 복수의 층으로 형성되고, 이 교대하는 구조는 리플 스프링의 강도를 유지하기 위해 중요하다. 예를 들면, 모든 층들이 동일한 방향으로 방향설정되어 있고 또 균열이 발생된 경우 균열은 전체 리플 스프링을 따라 급속하게 전파될 것이다. 특수한 방법으로 섬유의 방향설정을 교대시킴으로써 또 대칭 형태로 층들을 구성함으로써 리플 스프링의 강도뿐만 아니라 균열 및 균열의 전파에 대한 저항이 향상될 수 있다. 일 예로서, 이 대칭 상부 리플 스프링(500)은 약 140 lbf의 파단시 굴곡력을 가진다.
도 6은 대칭 적층체의 층들을 갖는 리플 스프링(600)의 단면도이다. 이 리플 스프링(600)은 (도시된 바와 같이) 하나 이상의 하부층(610), 하나 이상의 중간층(620), 하나 이상의 상부층(630), 및 전도 층 또는 반전도 층(640, 650)으로 형성될 수 있다. 그러나, 다양한 부분의 각각에 대해 1, 2, 3, 또는 그 이상의 층이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이 구조에서 리플 스프링은 점선(602)에 대해 대칭이다. 하부층(610), 중간층(620) 및 상부층(630)은 일방향 유리 섬유로 형성된 비전도 층이다. 층(610, 630) 내의 섬유 는 실질적으로 파장 축선(402)을 따라 방향설정된다. 중간층(620)도 일방향 유리 섬유로 형성되지만 이들 층 내의 섬유는 실질적으로 밸리 축선(413)을 따라 방향설정된다. 전기 및/또는 열 전도성 층은 하부층(610) 및 중간층(620)의 사이에 배치된다. 제 2 전기 및/또는 열 전도성 층(650)은 중간층(620) 및 상부층(630)의 사이에 배치된다. 전도성 층(640, 650)은 탄소 섬유 재료로 형성될 수 있다. 탄소 섬유 재료는 리플 스프링(600)의 강도를 강화시킨다. 또, 탄소 섬유 재료는 각 리플 스프링 또는 권선 시스템의 전반적인 상태 또는 긴장도를 검출하기 위해 사용될 수 있다. 각 적층체는 결합제 물질을 이용한 시간-온도 응고 공정 곡선을 이용하여 리플 스프링을 형성하도록 성형될 수 있다. 응고의 정도는 성형 후 및 응고 후의 결합제 물질의 유리 천이 온도를 이용하여 제어 및 모니터링될 수 있다. 일례로서, 이 대칭 리플 스프링(600)은 약 154 lbf의 파단시 굴곡력을 가진다.
도 7은 대칭 적층체의 층들을 갖는 리플 스프링(700)의 단면도이다. 이 리플 스프링(700)은 하나 이상의 전도성 또는 반전도성 탄소 섬유 층(710, 730), 비전도성 제 1 층(740), 하나 이상의 비전도성 중간층(720), 및 비전도성 제 2 층(750)으로 형성될 수 있다. 그러나, 다양한 부분의 각각에 대해 1, 2, 3, 또는 그 이상의 층이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이 구조에서 리플 스프링은 점선(702)에 대해 대칭이다. 전도성 하부층(710) 및 전도성 상부층(730)은 탄소 섬유 재료로 형성될 수 있다. 탄소 섬유 재료는 리플 스프링(700)의 강도를 강화시킨다. 제 1 층(740)은 전도성 하부층(710) 및 중간층(720)의 사이에 배치되고, 제 1 층(740)은 실질적으로 파장 축선(402)을 따라 방향설정된 일방향 유리 섬유로 형성된다. 중간층(720)도 일방향 유리 섬유로 형성되고, 이들 섬유는 실질적으로 밸리 축선(413)을 따라 방향설정된다. 제 2 층(750)은 중간층(720) 및 전도성 상부층(730)의 사이에 배치되고, 제 2 층(750)은 실질적으로 파장 축선(402)을 따라 방향설정된 일방향 유리 섬유로 형성된다. 각 층은 임의 적합한 에폭시 또는 결합제 물질을 이용하여 인접 층에 접착될 수 있다. 더욱, 각 적층체는 임의의 원하는 치수의 단일의 리플 스프링을 절삭해 낼 수 있는 리플 스프링 시이트를 형성하기 위해 함께 성형될 수 있다.
도 8은 대칭 적층체의 층들을 갖는 리플 스프링(800)의 단면도이다. 이 리플 스프링(800)은 하나 이상의 비전도성 하부층(810), 비전도성 제 1 층(840), 하나 이상의 전도성 또는 반전도성 탄소 섬유 중간층(820), 비전도성 제 2 층(850), 및 하나 이상의 비전도성 상부층(830)으로 형성될 수 있다. 그러나, 다양한 부분의 각각에 대해 1, 2, 3, 또는 그 이상의 층이 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 이 구조에서 리플 스프링은 점선(802)에 대해 대칭이다. 비전도성 하부층(810), 비전도성 제 1 층(840), 비전도성 제 2 층(850) 및 비전도성 상부층(830)은 일방향 유리 섬유로 형성될 수 있다. 하부층(810) 및 상부층(830)의 섬유는 실질적으로 파장 축선(402)을 따라 방향설정된다. 제 1 층(840) 및 제 2 층(850)의 섬유는 실질적으로 밸리 축선(413)을 따라 방향설정된다. 전도성 중간층(820)은 탄소 섬유 재료로 형성되고, 이 탄소 섬유 재료는 리플 스프링(800)의 강도를 강화시킬 수 있다. 각 층은 임의 적합한 에폭시 또는 결합제 물질을 이용하여 인접 층에 접착될 수 있다.
사용 중에 상기 리플 스프링(400)은 적어도 부분적으로 고정자 슬롯(21) 내에 위치되고, 다음에 고정자 쐐기(36)가 (도 2에 도시된) 리플 스프링(32) 상에 압축력을 유도하기 위해 고정 슬롯(21) 내에 삽입된다. 더 구체적으로 말하면 고정자 쐐기(36)가 리플 스프링(400)을 실질적으로 평평하게 압축하는 것을 촉진하기 위해 재설치되고, 이 때 충분한 반경방향의 유지력이 달성된다. 예를 들면, 리플 스프링(400)이 압축되지 않으면 즉 리플 스프링(400)이 이완되어 있으면, 변형되지 않은 리플 스프링(400)의 높이는 약 100 mil (2,540 마이크론 또는 0.1 인치) 내지 240 mil의 범위일 수 있다. 그러나, 고정자 쐐기(36)가 리플 스프링(400)을 압축하면, 이 리플 스프링은 약 40 mil 내지 약 70 mil의 범위의 두께까지 압축된다.
따라서, 고정자 슬롯(21) 내에 쐐기(36)를 재설치함에 의해 리플 스프링(400) 상의 압력이 증대(또는 감소)됨에 따라 전기 기계(10)의 작동 중에 리플 스프링(400)의 두께(405)는 작동 중 진동 또는 쐐기 압력의 증대(또는 감소)에 대응하여 고정자 슬롯(21)을 통해 변화한다. 리플 스프링의 두께(405)는 압축 상태 또는 비압축 상태의 양자 모두 고정자 슬롯(21) 내에 존재하는 기계적 경계 조건에 기초하는 신호를 반영 및/또는 생성하도록 구성된 전도성 층(424)을 통해 예측 및 측정할 수 있다. 리플 스프링(400)의 프로파일을 매핑(map)하기 위한 측정 기구가 사용될 수 있다. 다음에 측정된 프로파일이 고정자 슬롯(21) 내의 고정자 권선의 긴장도 및/또는 개별 리플 스프링(400)의 상태를 판정하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 하나의 관점에 따르면, 적어도 하나의 전도성 또는 반전도성 층(424)이 리플 스프링 내에 매립되거나 부착된다. 탄소 섬유를 포함할 수 있는 전도성 층(들)은 권선 및 스프링의 적어도 하나의 상태에 관련된 신호를 생성하도록 구성된다. 예를 들면, 리플 스프링(400)의 두께 또는 높이는 고정자 권선(22, 24)의 긴장도를 표시하기 위해 사용될 수 있다.
도 9는 (도 1에 도시된) 전기 기계(10)와 같은 그러나 이것에 한정되지 않는 전기 기계 장치 내의 고정자 권선(22, 24)의 긴장도 및/또는 리플 스프링(400)의 상태를 측정하기 위해 사용될 수 있는 측정 시스템(900)이다. 측정 시스템(900)은 측정 장치(910)를 포함한다. 측정 장치(910)는 전도성 층(424)에 관한 파라메터를 측정하도록 구성된 송수신기 또는 센서(920)를 포함한다. 일례로서, 상기 파라메터는 커패시턴스일 수 있다. 측정 시스템(900)은 또한 측정 장치(910)로부터 정보를 수신하고 송수신기(920)로부터 수신된 데이터를 분석하도록 구성된 컴퓨터(930)를 포함할 수 있다. 이 송수신기(920)는 커패시턴스 또는 기타 원하는 파라메터를 측정하기 위해 적합한 임의의 장치일 수 있다. 다른 관점에서, 측정 장치(910)는 측정 장치(910) 및 송수신기(920)에 전력을 공급하도록 구성된 전원(940)을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 컴퓨터라는 용어는 본 기술분야에서 컴퓨터로 불리는 집적 회로에만 한정되지 않고, 광범위하게 컴퓨터, 프로세서, 마이크로콘트롤러, 마이크로컴퓨터, 프로그래머블 로직 컨트롤러, 특정 용도 지향 집적 회로(application specific integrated circuits), 및 기타 프로그래머블 회로를 말한다.
상기 전원(940)은 전기 기계의 주변의 자속 또는 진동으로부터 발전할 수 있는 환경 발전 기구(energy harvesting mechanism)를 포함할 수 있다. 작동시 측정 시스템(900)은 에너지가 송수신기(920)로 전송되도록 전원(940)에 의해 급전된다. 측정 장치(910)는 송수신기가 전도성 층(424)과 연동하여 신호를 검출하도록 구성된다. 송수신기(920)와 전도성 층(424) 사이의 커패시턴스는 두 요소 사이의 분리 거리에 반비례한다. 송수신기가 슬롯(21)을 따라 이동함에 따른 커패시턴스의 변화는 각 리플 스프링 및 대응하는 인접부의 쐐기의 개별적인 긴장도와 관련시킬 수 있다. 커패시턴스의 변화는 권선 긴장도의 변화 또는 리플 스프링의 기능불량 또는 고장을 나타낼 수 있다.
본 발명의 하나의 관점에서, 커패시턴스를 리플 스프링(400)의 두께, 높이 또는 이완 측정치와 관련시키는 전달 함수가 전기 기계 장치(10)의 권선 긴장도 및/또는 리플 스프링 상태를 판정하기 위해 사용된다. 권선 기장도의 사정 설정된 값으로부터 임의의 편차의 경우, 결함 신호가 발생될 수 있다. 이 결함 신호는 또한 임의의 적절한 통신 수단을 통해 원하는 위치까지 전송될 수 있다. 리플 스프링의 프로파일은 또한 예를 들면 리플 스프링(400)의 두께, 높이 또는 이완을 측정하기 위해 측정 장치에 접속된 측정 장치(910) 또는 컴퓨터(930)를 이용하여 매핑될 수 있다. 유사하게, 과도한 이완 또는 두께가 측정된 경우 결함 신호가 발생될 수 있다. 이와 같은 결함 신호는 전기 기계(10)의 작동 중단과 같은 시정 조치에 의해 결함을 완화시키기 위해 사용될 수 있다. 이 결함 신호는 진단 및 결함 완화에 도움이 된다는 것에 주목할 수 있다. 측정 시스템(900)에서 실행된 방법은 도 10의 상세에서 설명된다.
도 10은 본 발명의 하나의 관점에 따라 권선 긴장도 및/또는 리플 스프링의 상태를 모니터링하기 위한 진단 방법(1000)의 흐름도이다. 여기서 설명된 방법은 작업자가 고정자 슬롯 내의 권선 시스템의 긴장도 또는 리플 스프링의 상태를 판정하기 위해 전기 기계 장치(예컨대, 발전기, 모터 등)의 권선 시스템을 쉽게 점검하는데 도움을 준다. 특히, 여기서 설명된 방법은 리플 스프링 시스템이 전기 기계 장치의 작동 중에 사용되었을 때 쐐기의 긴장도를 정확하게 측정하는 것을 용이하게 한다.
상기 방법(1000)은 권선을 정위치에 유지하는 상부 또는 측면 리플 스프링을 제공하는 단계(1010)를 포함한다. 리플 스프링은 전기 기계 장치 내에 형성된 고정자 슬롯 내에 적어도 부분적으로 위치된다(1020). 전도성 층이 리플 스프링 내에 제공되거나 배치된다(1030). 이 전도성 층은 탄소 섬유, 흑연, 구리, 은, 금, 알루미늄, 알루미늄 산화물 및 알루미늄 질화물 중 하나 또는 이들의 조합으로 형성될 수 있다. 리플 스프링의 적어도 하나의 상태에 대응하는 신호가 전도성 층으로부터 발생된다(1040). 리플 스프링의 결함 또는 고장을 경감 또는 확인하는 것을 도와줄 수 있는 리플 스프링의 적어도 하나의 상태를 판정하기 위해 전도성 층으로부터의 신호가 분석된다(1050). 예를 들면 이 신호는 리플 스프링의 긴장도 또는 리플 스프링이 균열되었는지의 여부를 표시할 수 있다.
다음에 유리하게 리플 스프링의 매핑된 프로파일은 쐐기가 긴장강화(tightening)를 필요로 하는지의 여부 또는 리플 스프링이 재배치를 필요로 하는지의 여부를 판정하거나 쐐기가 미래의 어느 시점에 긴장강화를 필요로 할지를 평가하기 위해 작업자에 의해 사용될 수 있다. 여기서 제안된 용량 측정은 비교적 용이하고, 최소의 전기 부품을 요하므로 저비용의 시스템을 얻을 수 있다. 전도성 층(424)은 고정자 부품들을 정위치에 유지하는 리플 스프링 내에 결합된다. 전자장치도 리플 스프링 내에 결합되거나 발전기의 외부의 측정 및 진단 시스템에 융통성을 제공하는 휴먼 인터페이스에 설치될 수 있다.
상기 리플 스프링은 표면 저항율이 약 15,000 내지 750,000 옴/스퀘어(square)일 수 있는 측면 리플 스프링의 사용분야에서 전기 전도성 및 열 전도성을 갖도록 구성될 수 있고, 상부 리플 스프링의 사용분야에서 전기 절연성을 갖도록 구성될 수 있다. 전기 전도성 또는 전기 반전도성 측면 리플 스프링은 발전기의 사이드 슬롯을 폐쇄함에 있어서 전기적 고정 요소를 포함할 수 있다. 또, 측면 리플 스프링은 열 등급 또는 열 분류가 전기 기계의 작동 온도를 초과하는 흑연, 금속, 금속 합금, 전도성 또는 반전도성 섬유 또는 전도성 또는 반전도성 분말, 전도성 또는 반전도성 폴리머, 전도성 또는 반전도성 일레스토머 및 전도성 또는 반전도성 플라스틱과 같은 전도성 또는 반전도성 재료(그러나 이들 재료에 한정되지 않음)를 포함하거나 이들 재료에 의해 함침될 수 있다. 전기 절연성 상부 리플 스프링이 바람직할 수 있고, 전기 절연성 재료는 상부 리플 스프링을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 그러나, 일부의 사용분야에서 전기 전도성 또는 반전도성 재료는 상부 리플 스프링의 제작에 사용될 수 있고, 이들 사용분야에서 전도성 또는 반전도성 재료는 인접 표면들과의 직접적인 접촉을 감소시키기 위해 스프링의 중간의 인접부에 배치되거나 또는 그 사이에 개재될 수 있다.
본 명세서는 최적 실시예를 포함하는 본 발명을 설명하고, 또 임의의 장치 또는 시스템의 제작과 사용 및 임의의 관련된 방법을 실행하는 것을 포함하는 본 발명을 개시하기 위해 예시들을 사용한다. 본 발명의 특허청구의 범위는 청구항에 의해 정의되고, 또 본 기술분야의 전문가에게 떠오르는 다른 예를 포함할 수 있다. 이와 같은 다른 예는 이것이 청구항의 문언과 다르지 않은 구조적 요소를 가지거나 이것이 청구항의 문언과 실질적으로 다르지 않은 등가의 구조적 요소를 포함하는 경우 본 청구항의 범위 내에 존재하는 것으로 하고자 한다.
10 : 전기 기계 12, 21, 302 : 고정자 슬롯
16 : 코어 18 : 고정자 코어
20, 300 : 고정자
22 : 하부 고정자 바아 권선(또는 외측 고정자 바아)
24 : 상부 고정자 바아 권선(또는 내측 고정자 바아)
26, 28, 328 : 슬롯 충전재
32, 400, 500, 600, 700, 800 : 리플 스프링
34, 334 : 고정자 쐐기 슬라이드 36, 336 : 고정자 쐐기
301 : 고정자 코어 322, 324 : 고정자 바아
330 : 상부 유지 조립체 332 : 상부 리플 스프링
337 : 도브테일 342, 344 : 측면 리플 스프링
350 : 반경방향 충전재 401 : 길이
403 : 폭 405 : 높이
410 : 피크 411 : 밸리
422 : 비전도성 층 423 : 전도성 층
510, 610, 710, 810 : 하부층 520, 620, 720, 820 : 중간층
530, 630, 730, 830 : 상부층 640, 740, 840 : 제 1 층
650, 750, 850 : 제 2 층 900 : 측정 시스템
910 : 측정 장치 920 : 송수신기
930 : 컴퓨터
16 : 코어 18 : 고정자 코어
20, 300 : 고정자
22 : 하부 고정자 바아 권선(또는 외측 고정자 바아)
24 : 상부 고정자 바아 권선(또는 내측 고정자 바아)
26, 28, 328 : 슬롯 충전재
32, 400, 500, 600, 700, 800 : 리플 스프링
34, 334 : 고정자 쐐기 슬라이드 36, 336 : 고정자 쐐기
301 : 고정자 코어 322, 324 : 고정자 바아
330 : 상부 유지 조립체 332 : 상부 리플 스프링
337 : 도브테일 342, 344 : 측면 리플 스프링
350 : 반경방향 충전재 401 : 길이
403 : 폭 405 : 높이
410 : 피크 411 : 밸리
422 : 비전도성 층 423 : 전도성 층
510, 610, 710, 810 : 하부층 520, 620, 720, 820 : 중간층
530, 630, 730, 830 : 상부층 640, 740, 840 : 제 1 층
650, 750, 850 : 제 2 층 900 : 측정 시스템
910 : 측정 장치 920 : 송수신기
930 : 컴퓨터
Claims (20)
- 리플 스프링(400)에 있어서,
하나 이상의 전도성 층(424)과,
하나 이상의 비전도성 층(422)을 포함하고,
상기 하나 이상의 전도성 층(424) 및 상기 하나 이상의 비전도성 층(422)은 대칭 적층체의 층들을 형성하도록 함께 적층되며,
상기 하나 이상의 비전도성 층은,
실질적으로 제 1 축선을 따라 방향설정된 일방향 섬유로 구성되는 적어도 하나의 제 1 층(510)과,
실질적으로 제 2 축선을 따라 방향설정된 일방향 섬유로 구성되는 적어도 하나의 제 2 층(520)을 더 포함하고,
상기 제 1 축선은 상기 제 2 축선에 실질적으로 수직인
리플 스프링. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전도성 층은 탄소 섬유, 흑연, 구리, 은, 금 및 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는
리플 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 비전도성 층은 파이버글라스, E-파이버글라스, S-파이버글라스 및 섬유 강화 폴리머 중 적어도 하나를 포함하는
리플 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 하나 이상의 비전도성 층은 결합제 물질을 포함하고,
상기 결합제 물질은 에폭시, 폴리에스테르, 폴리에스테르이미드, 폴리아미드-이미드, 에폭시-페놀릭, 에폭시-노볼락 수지 및 에폭시-폴리이미드 중 하나 또는 이들의 조합을 포함하는
리플 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 리플 스프링은 상기 제 1 축선을 따라 연장하는 길이, 상기 제 2 축선을 따라 연장하는 폭, 및 상기 제 1 축선을 따라 연장하는 파장을 갖는 실질적으로 정현곡선 형태의 표면을 구비하는
리플 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 리플 스프링의 일 표면은 하나 이상의 밸리와 직렬로 하나 이상의 피크를 포함하고, 상기 하나 이상의 밸리는 상기 제 2 축선에 실질적으로 평행한 밸리 축선(413)을 가지며,
상기 리플 스프링은,
적어도 하나의 제 1 층(610, 630)이 상기 리플 스프링의 상면 및/또는 하면을 포함하는 상기 리플 스프링의 외면에 실질적으로 위치되도록,
적어도 하나의 제 2 층(620)이 상기 리플 스프링의 중심에 위치되도록, 그리고
하나 이상의 전도성 층(640, 650)이 상기 적어도 하나의 제 1 층과 상기 적어도 하나의 제 2 층 사이에 위치되도록 구성되는
리플 스프링. - 제 7 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전도성 층은 탄소 섬유, 흑연, 구리, 은, 금 및 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는
리플 스프링. - 제 7 항에 있어서,
상기 하나 이상의 비전도성 층은 결합제 물질을 포함하고,
상기 결합제 물질은 에폭시, 폴리에스테르, 폴리에스테르이미드, 폴리아미드-이미드, 에폭시-페놀릭, 에폭시-노볼락 수지 및 에폭시-폴리이미드 중 하나 또는 이들의 조합을 포함하는
리플 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 리플 스프링의 일 표면은 하나 이상의 밸리와 직렬로 하나 이상의 피크를 포함하고, 상기 하나 이상의 밸리는 상기 제 2 축선에 실질적으로 평행한 밸리 축선을 가지며,
상기 리플 스프링은,
하나 이상의 전도성 층(710, 730)이 상기 리플 스프링의 상면 및/또는 하면을 포함하는 상기 리플 스프링의 외면에 실질적으로 위치되도록,
적어도 하나의 제 2 층(720)이 상기 리플 스프링의 중심에 위치되도록, 그리고
적어도 하나의 제 1 층(740, 750)이 상기 하나 이상의 전도성 층과 상기 적어도 하나의 제 2 층 사이에 위치되도록 구성되는
리플 스프링. - 제 10 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전도성 층은 탄소 섬유, 흑연, 구리, 은, 금 및 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는
리플 스프링. - 제 10 항에 있어서,
상기 하나 이상의 비전도성 층은 결합제 물질을 포함하고,
상기 결합제 물질은 에폭시, 폴리에스테르, 폴리에스테르이미드, 폴리아미드-이미드, 에폭시-페놀릭, 에폭시-노볼락 수지 및 에폭시-폴리이미드 중 하나 또는 이들의 조합을 포함하는
리플 스프링. - 제 1 항에 있어서,
상기 리플 스프링의 일 표면은 하나 이상의 밸리와 직렬로 하나 이상의 피크를 포함하고, 상기 하나 이상의 밸리는 상기 제 2 축선에 실질적으로 평행한 밸리 축선을 가지며,
상기 리플 스프링은,
적어도 하나의 제 1 층(810, 830)이 상기 리플 스프링의 상면 및/또는 하면을 포함하는 상기 리플 스프링의 외면에 실질적으로 위치되도록,
하나 이상의 전도성 층(820)이 상기 리플 스프링의 중심에 위치되도록, 그리고
적어도 하나의 제 2 층(840, 850)이 상기 적어도 하나의 제 1 층과 상기 하나 이상의 전도성 층 사이에 위치되도록 구성되는
리플 스프링. - 제 13 항에 있어서,
상기 하나 이상의 전도성 층은 탄소 섬유, 흑연, 구리, 은, 금 및 알루미늄 중 적어도 하나를 포함하는
리플 스프링. - 제 13 항에 있어서,
상기 하나 이상의 비전도성 층은 결합제 물질을 포함하고,
상기 결합제 물질은 에폭시, 폴리에스테르, 폴리에스테르이미드, 폴리아미드-이미드, 에폭시-페놀릭, 에폭시-노볼락 수지 및 에폭시-폴리이미드 중 하나 또는 이들의 조합을 포함하는
리플 스프링. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 삭제
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