KR101981021B1 - 전기 회전 기계의 샤프트 상에서 폴 휠의 체결 방법 - Google Patents

전기 회전 기계의 샤프트 상에서 폴 휠의 체결 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전축(4)을 중심으로 회전될 수 있는 로터(3)를 포함하는 전기 회전 기계(1)에 관한 것이며, 상기 로터는 샤프트(5)와, 이 샤프트(5)를 에워싸는 폴 휠(6)과, 하나 이상의 클램핑 세트(7)를 포함한다. 제조 시 시간 및 비용을 절약하기 위해, 본 발명에 따라, 클램핑 세트(7)를 이용하여 샤프트(5)와 폴 휠(6) 간의 마찰 결합식 연결부를 형성한다.

Description

전기 회전 기계의 샤프트 상에서 폴 휠의 체결 방법
본 발명은, 샤프트와, 이 샤프트를 에워싸는 폴 휠(pole wheel)과, 하나 이상의 클램핑 세트(clamping set)를 포함하며 회전축을 중심으로 회전될 수 있는 로터를 구비한 전기 회전 기계에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 유형의 전기 회전 기계의 제조를 위한 방법에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 유형의 전기 회전 기계를 하나 이상 장착한 선박에 관한 것이다.
상기 유형의 전기 회전 기계, 예컨대 모터 또는 발전기는 특히 선박 건조(shipbuilding) 시 사용되며, 바람직하게는 적어도 1메가와트의 출력을 갖는 선박을 위한 부스터 구동부로서 구현된다. 상기 유형의 전기 회전 기계는 회전축을 중심으로 회전될 수 있는 로터를 포함한다. 회전축은 축방향, 반경방향 및 접선 방향을 정의한다.
실제로 발생하는, 상기 유형의 대형 전기 구동부들의 문제는, 통상 길고 무거운 프로펠러 샤프트 상에 로터를 조립하기 위해 높은 경비 및 물류 관련 비용이 필요하다는 점에 있다. 로터의 개별 구성요소들은 흔히 예컨대 전기 모터 공장이 속해 있는 다양한 생산지들에서 제조된 다음, 구성요소들의 조립이 수행되는 다른 장소로 운송된다. 이 경우, 개별 구성요소들의 운송을 위해 높이 비용이 발생한다. 그 밖에도, 구성요소들의 조립 현장, 예컨대 조선소에서는 상기 유형의 주문 제작(custom manufacturing)을 위한 숙련된 직원이 필요한데, 이 역시 높은 비용을 야기한다. 종래에는, 폴 휠/허브 구조가 매끄러우면서 길다란 중실형 샤프트 상에 수축 끼워맞춤된 다음에 이어서 폴들이 조립되었다.
미국 특허공보 US 2,579,629 A호는 샤프트로부터 로터를 구비한 선박 프로펠러로 전달되는 출력의 측정을 위한 장치를 기술하고 있다. 하나의 로터는 원형의 지지 구성요소 상에 배치된 한 쌍의 링 코일을 포함하며, 상기 원형 지지 구성요소는 볼트들을 통해 클램핑 링들과 연결된다. 바람직하게 비자성 재료로 제조된 클램핑 링들은 원형 봉들을 통해 샤프트와 연결된다.
유럽 공개공보 EP 1 530 278 A2호는 연결된 자기저항 기계를 위한 로터를 기술하고 있으며, 이 로터는, 압축된 상태에서 고정 단부판(fixed end plate)과 가동 단부판(movable end plate)에 의해 파지되는 적층 철심(laminated core)을 포함하고, 이때 가동 단부판은 등하중 스프링(constant force spring)을 통해 고정 단부판의 방향으로 밀착된다.
독일 공개공보 DE 92 16 139 U1호는, 서로 동축으로 에워싸거나 둘러싸는 방식으로 배치된 권선 스택(winding stack)과 이 권선 스택을 지지하는 샤프트를 포함하는 회전자를 기술하고 있다. 샤프트와 권선 스택 사이에 한정된 환형 중공부가 배치되며, 이 환형 중공부는 상기 권선 스택 및/또는 샤프트의 선단 단부 에지부 또는 단부면 쪽으로 갈수록 원추형으로 확대된다. 상기 환형 중공부 내로 삽입될 수 있거나 그 안에 강제 결합식으로 고정될 수 있도록 상기 환형 중공부에 대해 상보적인 횡단면을 갖는 슬리브가 제공된다.
국제 공개공보 WO 2014/048750 A2호는, 샤프트를 포함하는 대형 전기 구동부를 위한 로터를 기술하고 있으며, 상기 샤프트는 그의 축 단부들 중 하나에 샤프트 플랜지를 포함하고, 이 샤프트 플랜지는 샤프트의 외부면보다 반경 방향 바깥쪽으로 더 돌출된다. 더 나아가, 로터는 각각 반경 방향 바깥쪽에서 샤프트 상에 배치된 어댑터, 지탱 부재(bearing element) 및 지지 부재(support element)를 포함하며, 이때 어댑터는 샤프트 플랜지와 연결되고, 지탱 부재는 적어도 어댑터와 연결되며, 지지 부재는 지탱 부재 및 샤프트와 연결된다.
독일 공개공보 DE 1 993 748 U호는 샤프트와 허브를 연결하기 위한 클램핑 세트를 기술하고 있다. 이 클램핑 세트는, 외측 클램핑 링, 내측 클램핑 링, 환형 원추형 세그먼트들로 분리된 이중 원추형 압력 링을 포함한다.
본 발명의 과제는, 제조 시 시간 및 비용을 절약하기 위해 샤프트와 폴 휠이 대안의 체결 장치에 의해 마찰 결합식으로 연결되는 전기 회전 기계를 제공하는 것이다.
상기 과제는, 샤프트와, 이 샤프트를 에워싸는 폴 휠과, 하나 이상의 클램핑 세트를 포함하며 회전축을 중심으로 회전될 수 있는 로터를 구비한 전기 회전 기계에 의해 해결되며, 상기 클램핑 세트는 샤프트와 폴 휠 간의 마찰 결합식 연결부를 형성하기 위해 제공되고; 클램핑 세트는 외측 클램핑 링과, 내측 클램핑 링과, 상기 클램핑 세트의 클램핑을 위해 제공된 클램핑 장치를 포함하며; 내측 클램핑 링은 외측 클램핑 링 내에 삽입되고, 외측 클램핑 링과 내측 클램핑 링은 클램핑 장치에 의해 축방향으로 서로를 향해 변위될 수 있으며, 외측 클램핑 링은 2개 이상의 분리된 외측 클램핑 링 세그먼트를 포함하고, 내측 클램핑 링은 2개 이상의 분리된 내측 클램핑 링 세그먼트를 포함한다.
예컨대 전기 회전 기계를 위해 제공되는 클램핑 세트를 이용한 연결은, 수축 끼워맞춤 방법을 이용한 연결에 비해, 완전하게 제조된 폴 휠의 폴들이 간단하게, 비용 효과적으로, 신속하게 샤프트와 마찰 결합식으로 연결될 수 있다는 장점을 갖는다. 이는, 상기 유형의 연결에 의해, 전기 회전 기계, 특히 선박 구동부의 제조 시 비용이 종래 기술에 비해 절약될 수 있고, 기계의 더 신속한 공급이 가능하다는 점에서 특히 바람직하다.
클램핑 세트는 외측 클램핑 링과, 내측 클램핑 링과, 상기 클램핑 세트의 클램핑을 위해 제공된 클램핑 장치를 포함하며; 내측 클램핑 링은 외측 클램핑 링 내에 삽입되고, 외측 클램핑 링과 내측 클램핑 링은 클램핑 장치에 의해 축방향으로 서로를 향해 변위될 수 있다. 이것이 바람직한 이유는, 그렇게 하여 폴 휠이 그의 폴들과 함께 샤프트와 간단하고 신속하게 연결될 수 있기 때문이다.
외측 클램핑 링은 2개 이상의 분리된 외측 클램핑 링 세그먼트를 포함하고, 내측 클램핑 링은 2개 이상의 분리된 내측 클램핑 링 세그먼트를 포함한다. 바람직하게는 상면도에서 기하학적으로 원환 세그먼트들의 형태를 갖는, 분리된, 다시 말해 기계적으로 고정 연결되지 않은 복수의 세그먼트로 클램핑 세트를 세그먼트화함으로써, 클램핑 세트가 예컨대 더 이상 축방향으로 샤프트에 걸쳐 이동될 필요가 없이 개별 부분들로써 샤프트의 둘레에 반경방향으로 조립될 수 있는 방식으로 분해될 수 있다. 이는, 특히 샤프트가 축 단부들에 각각 하나의 플랜지를 포함하고, 이 플랜지가 샤프트와 분리될 수 없게 연결되거나, 샤프트와 일체형으로 제조되는 경우에 바람직하다.
또한, 본원의 과제는, 샤프트와, 폴 휠과, 클램핑 세트를 포함하는 상기 유형의 전기 회전 기계의 제조를 위한 방법에서, 맨 먼저 샤프트 및 폴 휠이 제조되고, 상기 폴 휠의 제조 시 폴들이 상기 폴 휠의 외부 표면 상에 조립되며, 후속 단계에서 폴 휠은 폴들과 함께 클램핑 세트에 의해 샤프트 상에 조립됨으로써 해결된다.
상기 유형의 제조 방법을 통해, 완전하게 제조된 샤프트 상에 완전하게 제조된 폴 휠을 조립하는 과정이, 샤프트 및 폴 휠의 제조와 다른 장소에서, 예컨대 최종 고객 측에서 수행될 수 있게 된다.
또한, 본원의 과제는, 상기 유형의 전기 회전 기계를 하나 이상 장착한 선박에 있어서, 전기 회전 기계가 모터 및/또는 발전기로서 작동되도록 제공됨으로써 해결된다. 그럼으로써 전기 회전 기계는 예컨대 필요 시 주 구동부(main drive)의 출력을 증가시킬 수 있거나, 구동 출력의 일부분에서 전류를 생성할 수 있다. 샤프트와 폴 휠 간의 상기 유형의 연결부를 갖는 전기 회전 기계를 통해, 선박은, 종래 기술에 비해 더욱 비용 효과적으로 더 신속하게 제작될 수 있다.
바람직하게 샤프트는 적어도 500㎜의 외경을 갖는다. 이처럼 큰 지름을 갖는 샤프트는 적어도 1메가와트의 출력을 전달하기 위해 필요하다.
한 바람직한 실시예에서, 샤프트는 자신의 축 단부들에 각각 하나의 플랜지를 포함하고, 플랜지 지름은 샤프트의 외경보다 더 크다. 플랜지 지름은 예컨대 샤프트의 외경보다 1.2배 내지 1.4배 더 크다. 이것이 바람직한 이유는, 그렇게 하여 샤프트와, 플랜지를 통해 상기 샤프트와 연결된 객체, 예컨대 프로펠러 및/또는 디젤 구동식 주 구동부용 샤프트 간에 하중 지지 능력이 있는 연결부가 바람직하게 나사들을 통해 형성될 수 있기 때문이다. 양측에 배치된 플랜지들이 바람직한 이유는, 그렇게 하여 전기 회전 기계가 예컨대 선박의 구동 트레인 내에 유연하게 삽입될 수 있기 때문이다. 따라서 길다란 중실형 샤프트 상으로의 로터 구성요소들을 조립이 회피된다.
또 다른 바람직한 구현예에서, 샤프트와 플랜지들이 일체형으로 제조되거나, 플랜지들이 분리될 수 없게 샤프트와 고정 연결된다. 예컨대 샤프트는 하나의 피스(piece)에서 플랜지들과 함께 선삭된 다음, 후속 가공된다. 그 대안으로, 플랜지들이 예컨대 수축 끼워맞춤 방법으로 샤프트와 연결되고, 그럼으로써 샤프트와 플랜지들 간의 분리될 수 없게 고정된 연결부가 형성된다. 상기 유형의 연결부가 바람직한 이유는, 하중이 매우 높은 경우에도, 예컨대 토크가 높고, 그리고/또는 토크 변동이 빠를 때에도 샤프트가 매우 안정적이기 때문이다.
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또 다른 바람직한 구현예에서, 외측 클램핑 링은 반경방향 바깥쪽으로 작용하는 힘의 생성을 위해 제공되고, 상기 반경방향 바깥쪽으로 작용하는 힘은 폴 휠과 외측 클램핑 링을 마찰 결합식으로 연결하기 위해 제공되며, 내측 클램핑 링은 반경방향 안쪽으로 작용하는 힘의 생성을 위해 제공되고, 상기 반경방향 안쪽으로 작용하는 힘은 샤프트와 내측 클램핑 링을 마찰 결합식으로 연결하기 위해 제공된다. 그에 상응하게, 외측 클램핑 링은 반경방향 바깥쪽을 향해 폴 휠 쪽으로 밀착되는데 반해, 외측 클램핑 링 내에 위치하는 내측 클램핑 링은 반경방향 안쪽을 향해 샤프트 쪽으로 밀착된다. 그에 따라, 클램핑 세트를 이용하여 이 클램핑 세트의 외부 표면 및 내부 표면을 통해 동시에 마찰 결합식 연결부를 형성할 수 있다.
특히 바람직한 방식으로, 외측 클램핑 링은 원추형 내부 표면을 가지고, 내측 클램핑 링은 원추형 외부 표면을 가지며, 클램핑 장치는, 원추형 내부 표면을 원추형 외부 표면과 함께 축방향으로 변위시켜 클램핑 세트의 내경 및 외경을 최소로 변동시키기도록 제공된다. 예컨대 외측 클램핑 링의 원추형 내부 표면 및 내측 클램핑 링의 원추형 외부 표면이 축방향으로 서로를 향해 이동되고, 이때 내측 클램핑 링이 적어도 부분적으로 원추형 외부 표면에 의해 외측 클램핑 링의 원추형 내부 표면 내에 위치된다면, 클램핑 장치에 의해 발생한 원추형 내부 표면 및 원추형 외부 표면의 압력에 의해 연달아 일어나는 브레이싱(bracing)을 통해, 클램핑 세트의 외경 및 내경의 최소 확대가 발생한다. 클램핑 세트의 내경이 예컨대 최소 500㎜이고 클램핑 세트의 외경이 예컨대 600㎜와 700㎜ 사이일 때, 클램핑 세트의 외경 및 내경은 상기 브레이싱에 의해 최대 2㎜만큼 변동될 수 있다. 이것이 바람직한 이유는, 그렇게 하여 클램핑 장치의 한 번의 조정만으로 클램핑 세트의 외경뿐 아니라 내경도 동시에 변동되기 때문이다.
삭제
바람직하게는, 2개 이상의 외측 클램핑 링 세그먼트는 2개 이상의 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯에 의해 서로 분리되며, 2개 이상의 내측 클램핑 링 세그먼트는 2개 이상의 반경방향 내측 클램핑 링 슬롯에 의해 서로 분리된다. 2개 이상의 슬롯을 이용한 세그먼트화를 통해, 상면도에서 바람직하게 링 세그먼트 형태인 외측 클램핑 링 세그먼트들과 내측 클램핑 링 세그먼트들이 획득되며, 이 세그먼트들은, 예컨대 링 세그먼트 형태의 외측 클램핑 링 세그먼트들 및 내측 클램핑 링 세그먼트들이 맨 먼저 측면에서, 바람직하게는 실질적으로 반경방향에서 출발하여, 샤프트에 접하고, 이어서 후속 단계에서 하나의 클램핑 세트로 조립될 수 있는 방식으로 분해될 수 있다. 이것이 바람직한 이유는, 그렇게 하여 클램핑 세트가, 자신의 축 단부들에 각각 하나의 비대부(thickening), 예컨대 플랜지를 갖는 샤프트 상에 간단하게 비용 효과적으로 신속하게 조립될 수 있기 때문이다.
또 다른 바람직한 구현예에서, 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯들 및 반경방향 내측 클램핑 링 슬롯들은 축방향으로 곧은 면(straight face)으로 형성된다. 다시 말해, 원환형 외측 클램핑 링 및 원환형 내측 클램핑 링은 평면 외측 클램핑 링 슬롯들 및 내측 클램핑 링 슬롯들에 의해 세그먼트화된다. 이것이 바람직한 이유는, 그렇게 하여 클램핑 세트의 구성요소들이 비용 효과적으로 간단하게 제조될 수 있기 때문이다.
한 바람직한 실시예에서, 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯들 각각과 이들 양측의 인접한 내측 클램핑 링 슬롯들 사이의 오프셋 각도는 대략 동일한 크기이다. 이 경우, 오프셋 각도는 대개 예컨대 반경방향 내측 클램핑 링 슬롯이 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯에 상대적으로 위치하는 각도를 의미한다. 오프셋 각도가 예컨대 0°라면, 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯과 반경방향 내측 클램핑 링 슬롯은 축방향으로 서로 겹쳐져 있을 수도 있다. 외측 클램핑 링 슬롯들과 이들 양측의 인접한 내측 클램핑 링 슬롯들 사이의 오프셋 각도가 대략 동일한 크기라면, 내측 클램핑 링 슬롯들은 양측의 인접한 외측 클램핑 링 슬롯들의 각이등분선(angle bisector) 상에 위치한다. 이것이 특히 바람직한 이유는, 그렇게 하여 클램핑 링과 샤프트 사이, 그리고 클램핑 링과 폴 휠 사이의 유격 없는 연결이 보장되기 때문이다.
또 다른 바람직한 구현예에서, 하나의 클램핑 세트의 내측 클램핑 링 세그먼트들의 개수와 외측 클램핑 링 세그먼트들의 개수는 동일하다. 이것이 바람직한 이유는, 그렇게 하여 클램핑 링과 샤프트 사이, 그리고 클램핑 링과 폴 휠 사이의 균일한 회전 고정식 연결(rotationally-fixed connection)이 보장되기 때문이다.
특히 바람직한 방식으로, 적어도 샤프트의 부분들은 표면 처리부(surface finish)를 포함한다. 표면 처리부는 예컨대 클램핑 링과 샤프트 사이의 더 견고한 마찰 결합식 연결부가 형성될 수 있도록 하기 위한 러프닝부(roughening)이다.
바람직하게 샤프트는 양측 축방향 단부에 각각 하나의 플랜지를 포함하고, 후속 단계에서 맨 먼저 샤프트가 폴 휠 내로 삽입되며, 그에 이어, 완전하게 분해된 클램핑 세트가, 샤프트와 폴 휠 간의 마찰 결합식 연결부가 형성되는 방식으로, 샤프트와 폴 휠 사이에 조립된다. 이것이 바람직한 이유는, 그렇게 하여 클램핑 세트가 자신의 축 단부들에 각각 하나의 비대부, 예컨대 플랜지를 포함하는 샤프트 상에 간단하게 비용 효과적으로 신속하게 조립될 수 있기 때문이다.
한 바람직한 실시예에서, 샤프트와 폴 휠 간의 마찰 결합식 연결부는, 클램핑 세트의 외측 클램핑 링으로부터 폴 휠 상으로 반경방향 바깥쪽으로 작용하는 힘과, 내측 클램핑 링으로부터 샤프트 상으로 반경방향 안쪽으로 작용하는 힘에 의해 형성된다. 그에 따라, 클램핑 세트를 이용하여 이 클램핑 세트의 외부 표면 및 내부 표면을 통해 동시에 마찰 결합식 연결부를 형성할 수 있다.
또 다른 바람직한 구현예에서, 선박은 프로펠러 샤프트를 구비한 프로펠러와, 주 기계 샤프트(main machine shaft)를 구비한 주 기계를 포함하며, 본원의 전기 회전 기계는 제1 축 단부에서 플랜지를 통해 프로펠러의 프로펠러 샤프트와 연결되고, 제2 축 단부에서 플랜지를 통해 주 기계의 주 기계 샤프트와 연결된다. 상기 전기 회전 기계의 양측에 배치된 플랜지들이 바람직한 이유는, 그렇게 하여 전기 회전 기계가 선박의 구동 트레인 내에 유연하게 삽입될 수 있기 때문이다.
하기에서 본 발명은 도면들에 도시된 실시예들에 따라서 더 상세하게 기재되고 설명된다.
도 1은 로터의 3차원도이다.
도 2는 로터의 종단면도이다.
도 3은 2개로 세그먼트화된 클램핑 세트의 3차원도이다.
도 4는 도 3의 2개로 세그먼트화된 클램핑 세트의 상면도이다.
도 5는 3개로 세그먼트화된 클램핑 세트의 상면도이다.
도 6은 4개로 세그먼트화된 클램핑 세트의 상면도이다.
도 7은 도 4의 2개로 세그먼트화된 클램핑 세트의 횡단면도이다.
도 8은 세그먼트화된 클램핑 세트를 포함하는 로터의 종단면도이다.
도 9는 전기 회전 기계의 종단면도이다.
도 10은 전기 회전 기계를 장착한 선박을 도시한 도면이다.
도 1에는, 샤프트(5)와; 로터 튜브 또는 회전자 튜브로도 지칭되는 폴 휠(6)과; 클램핑 세트(7);를 포함하며 회전축(4)을 중심으로 회전될 수 있는 로터(3)의 3차원도가 도시되어 있다. 샤프트(5)는 자신의 축 단부들에 각각 하나의 플랜지(5a)를 포함하고, 이 플랜지에 의해 샤프트(5)는 또 다른 객체들에, 예컨대 프로펠러용 샤프트에 하중 지지 가능하게 조립될 수 있다.
샤프트(5)의 높은 안정성을 보장하기 위해, 샤프트(5)와 플랜지들(5a)은 일체형으로 제조된다. 예컨대 샤프트(5)는 플랜지들(5a)과 함께 선삭된 다음, 후속 가공된다. 자신의 축 단부들에 구비된 플랜지들(5a)과 함께 일체형으로 제조된 샤프트(5)는 하중이 매우 높은 경우에도, 예컨대 토크가 높고 그리고/또는 토크 변동이 빠를 때에도, 매우 안정적이다. 그 대안으로, 플랜지들(5a)이 거의 분리될 수 없게, 예컨대 수축 끼워맞춤 방법을 통해 또는 용접 결합을 통해 샤프트(5)와 고정 연결될 수 있다.
바람직하게는 강(steel)으로 형성된 도 1의 샤프트(5)는 예시적으로 중공 샤프트로서 구현되어 있는데, 이는 중량과 비용을 절약한다. 또한, 로터(3)가 타여자식(separately excited) 동기 기계를 위해 제공되는 경우, 회전자 코일들을 위한 전기 공급 라인들은 예컨대 샤프트(5) 상에 위치한 여자기(exciter)로부터 중공 샤프트로서 구현된 샤프트(5)의 내부 중공부를 통과하여 안내되는데, 그 이유는 회전축(4) 가까이에서 토크가 매우 작기 때문이다.
폴 휠(6)은 클램핑 세트(7)를 통해 샤프트(5)와 마찰 결합식으로 연결된다. 반경방향 안쪽을 향해 샤프트(5) 쪽으로, 그리고 반경방향 바깥쪽을 향해 폴 휠(6) 쪽으로 클램핑 세트(7)의 밀착 및 마찰을 통해, 토크가 높고, 그리고/또는 토크 변동이 빠를 때에도, 샤프트(5)와 폴 휠(6) 간에 회전 고정식 기계 연결부가 형성된다.
샤프트(5)는, 클램핑 세트(7)와 연결된 부분들 상에 표면 처리부(5b)를 포함한다. 상기 표면 처리부(5b)는 바람직하게, 마찰을 증대시켜 샤프트(5)와 클램핑 세트(7) 간의 마찰 결합식 연결부의 회전 고정성의 최적화를 실현하는 러프닝부이다. 이와 반대로, 상기 위치에서 샤프트(5)의 부식 방지는 그리 중요하지 않다. 러프닝부를 통해, 폴 휠(6)과 샤프트(5) 간의 연결부에 의해 상대적으로 더 큰 토크가 전달될 수 있다. 클램핑 세트에서 요구되는 샤프트(5)의 표면 품질에 대한 요건에 비해, 수축 연결을 위해 요구되는 표면 품질에 대한 요건, 특히 공차가 명백히 더 높다. 클램핑 세트(7)의 이용 시 부품 공차들의 경우, 샤프트(5)에 대해서는 일반적인 가공 요구들이 적용된다.
샤프트(5) 상에 전기 선박 기계의 폴들(21)을 조립하는 작업을 종래에는 고객 측에서, 예컨대 조선소 현장에서 수행하였다. 이 과정은 조선소에서 전기 기계 제조업체의 숙련된 직원을 필요로 한다.
종래에는, 폴 휠/허브 구조가 매끄러운 샤프트(5) 상으로 수축 끼워맞춤된 다음, 이어서 폴들(21)이 폴 휠(6) 상에 조립되었다. 대안적으로, 폴들(21)이 볼 샤프트(ball shaft)로서 구현된 샤프트(5) 상에 직접 조립되었다. 상기 유형의 볼 샤프트는, 선삭 및 밀링 가공을 통해 복잡하게 가공되고 폴들(21)의 영역에서 상대적으로 더 큰 지름을 갖는 단조 부품이다.
제조 공장에서, 또는 숙련된 협력업체에서 폴 휠(6) 상에 폴들(21)이 조립됨으로써, 사전 조립된 로터(3)가 수송되어 고객 측에서, 예컨대 조선소에서, 클램핑 링들(7)을 통해 샤프트(5) 상에 클램핑될 수 있다. 폴들(21)의 복잡한 조립은 허브 결합으로부터 분리된다. 로터(3)의 이러한 간단한 결합은 조선소에서 고객에 의해 자체적으로 수행될 수 있다. 그에 따라, 최종 고객측에서 간단하고 신속한 조립이 가능하다.
도 2에는, 로터(3)의 종단면도가 도시되어 있다. 상기 로터의 구성은 도 1에 도시된 로터(3)에 상응한다. 샤프트(5)의 최소 외경(24)은 500㎜이다. 샤프트(5)의 축 단부들에 위치한 플랜지들(5a)의 플랜지 지름(23)은 샤프트(5)의 외경(24)보다 1.2배 내지 1.4배 더 크다. 그러므로 플랜지들(5a)과 샤프트(5)가 일체형으로 제조되거나, 샤프트(5)와 플랜지들(5a)이 양측에서 분리될 수 없게 고정 조립되기 때문에, 샤프트(5)를 에워싸는 폴 휠(6)과 샤프트(5)의 마찰 결합식 연결부를 형성하기 위해 클램핑 세트(7)는 분해될 수 있어야 하고, 측면에서 샤프트(5) 상에 조립될 수 있어야 한다.
도 3에는, 폴 휠(6)과 샤프트(5)의 마찰 결합식 연결부를 형성하기 위해 제공되는, 2개로 세그먼트화된 클램핑 세트(7)의 3차원도가 도시되어 있다. 클램핑 세트(7)는 외측 클램핑 링(8)과 내측 클램핑 링(9)을 포함한다. 외측 클램핑 링(8)은 2개의 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯(20)에 의해 축 대칭으로 2개의 동일한 외측 클램핑 링 세그먼트(19)로 분리되고, 내측 클램핑 링(9)은 2개의 반경방향 내측 클램핑 링 슬롯(18)에 의해 축 대칭으로 2개의 동일한 내측 클램핑 링 세그먼트(17)로 분리되며, 이때 외측 클램핑 링 슬롯들(20)과 내측 클램핑 링 슬롯들(18)은 서로 수직으로 연장된다. 외측 클램핑 링 세그먼트들(19) 및 내측 클램핑 링 세그먼트들(17)은 원환 세그먼트들의 형태를 갖는다.
외측 클램핑 링(8)과 내측 클램핑 링(9)은, 예컨대 클램핑 나사들로서 구현되어 있는 클램핑 장치들(10)을 통해 기계적으로 서로 연결된다. 클램핑 장치들(10)의 위치 변경을 통해, 예컨대 클램핑 나사들이 조여지거나 풀어짐에 따라, 외측 클램핑 링(8)의 외경과 내측 클램핑 링(9)의 내경은 수백 마이크로미터의 범위 내에서 변동된다. 클램핑 세트(7)의 외경(15) 및 내경(14)의 최대 변위는 2밀리미터이다.
도 4에는, 도 3에서 2개로 세그먼트화된 클램핑 세트의 상면도가 도시되어 있다. 두 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯(20) 각각과 이들의 인접한 내측 클램핑 링 슬롯들(18) 사이의 오프셋 각도(22)가 대략 90°가 됨으로써, 두 외측 클램핑 링 슬롯(20)은 두 내측 클램핑 링 슬롯(18)의 각이등분선 상에 위치하게 된다. 그럼으로써 클램핑 세트(7)는 대칭이며, 이는 클램핑 링(7)과 샤프트(5) 및 폴 휠(6)의 균일하고 정밀한 연결을 유도한다.
도 5에는, 3개로 세그먼트화된 클램핑 세트의 상면도가 도시되어 있다. 본 클램핑 세트(7)의 구성은 도 3 및 도 4의 클램핑 세트(7)에 상응하지만, 외측 클램핑 링(8)이 3개의 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯(20)에 의해 균일하게 3개의 동일한 외측 클램핑 링 세그먼트(19)로 분리되고, 내측 클램핑 링(9)이 3개의 반경방향 내측 클램핑 링 슬롯(18)에 의해 균일하게 3개의 동일한 내측 클램핑 링 세그먼트(17)로 분리된다는 점에서 차이가 있다. 3개의 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯(20) 각각과 이들의 인접한 내측 클램핑 링 슬롯들(18) 사이의 오프셋 각도(22)가 약 60°가 됨으로써, 두 외측 클램핑 링 슬롯(20)은 두 내측 클램핑 링 슬롯(18)의 각이등분선 상에 위치하게 된다.
도 6에는, 4개로 세그먼트화된 클램핑 세트의 상면도가 도시되어 있다. 본 클램핑 세트(7)의 구성은 도 3, 도 4 및 도 5의 클램핑 세트들(7)에 상응하지만, 외측 클램핑 링(8)이 4개의 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯(20)에 의해 균일하게 4개의 동일한 외측 클램핑 링 세그먼트(19)로 분리되고, 내측 클램핑 링(9)이 4개의 반경방향 내측 클램핑 링 슬롯(18)에 의해 균일하게 4개의 동일한 내측 클램핑 링 세그먼트(17)로 분리된다는 점에서 차이가 있다. 4개의 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯(20) 각각과 이들의 인접한 내측 클램핑 링 슬롯들(18) 사이의 오프셋 각도(22)가 약 45°가 됨으로써, 두 외측 클램핑 링 슬롯(20)은 두 내측 클램핑 링 슬롯(18)의 각이등분선 상에 위치하게 된다.
도 7에는, 도 4에서 2개로 세그먼트화된 클램핑 세트(7)의 횡단면도가 도시되어 있다. 외측 클램핑 링(8)은 원추형 내부 표면(12)을 갖는 한편, 내측 클램핑 링(9)은 원추형 외부 표면(13)을 갖는다. 외측 클램핑 링(8)의 원추형 내부 표면(12)의 테이퍼 각도(11)와 내측 클램핑 링(9)의 원추형 외부 표면(13)의 테이퍼 각도(11)가 대략 동일한 크기이며, 이때 내측 클램핑 링(9)은 외측 클램핑 링(8) 내에 위치하고 외측 클램핑 링(8)은 자신의 원추형 내부 표면(12)을 통해 내측 클램핑 링(9)의 원추형 외부 표면과 연결된다. 클램핑 장치(10)를 통해 원추형 내부 표면(12)이 원추형 외부 표면(13)에 상대적으로 축방향으로 변위됨으로써, 클램핑 세트(7)의 외경(15) 및 내경(14)은 수백 마이크로미터 이상 2밀리미터 이하의 범위 내에서 변동된다.
도 7에서 클램핑 나사들로서 구현된 클램핑 장치들(10)은, 내측 클램핑 링(9) 내의 보어들(16)을 통해 축방향으로 회전축(4)에 대해 평행하게 연장되며, 외측 클램핑 링(8)과 나사 조임된다. 클램핑 나사들의 나사 조임을 통해, 내측 클램핑 링(9)은 축방향으로 외측 클램핑 링(8) 안쪽으로 더 깊게 밀착된다. 그로 인해 외측 클램핑 링(8)의 원추형 내부 표면(12)과 내측 클램핑 링(9)의 원추형 외부 표면(13)이 상호 클램핑되며, 그럼으로써 클램핑 세트(7)의 외경(15)이 확대되는 동시에 클램핑 세트(7)의 내경(14)은 축소된다. 클램핑 나사들을 다시 풀면, 외측 클램핑 링(8)의 원추형 내부 표면(12)과 내측 클램핑 링(9)의 원추형 외부 표면(13) 간의 클램핑은 중지되며, 클램핑 세트(7)의 외경(15)은 다시 축소되는 한편, 동시에 클램핑 세트(7)의 내경(14)은 다시 확대된다.
클램핑 장치(10)가 예컨대 스프링들로서 구현되거나, 유압식 또는 공압식 클램핑 세트(7)로서 구현되는 대안적인 실시예들도 가능하며, 이들 역시 본 발명의 대상이다.
도 8에는, 세그먼트화된 클램핑 세트(7)를 포함한 로터(3)의 종단면도가 도시되어 있다. 세그먼트화된 클램핑 세트(7)는 도 3 내지 도 7 중 하나에서처럼 형성된다. 클램핑 나사들의 나사 조임을 통해, 외측 클램핑 링(8)의 원추형 내부 표면(12)과 내측 클램핑 링(9)의 원추형 외부 표면(13)이 상호 클램핑되며, 그럼으로써 클램핑 세트(7)의 외경(15)이 확대되는 동시에 클램핑 세트(7)의 내경(14)은 축소된다. 폴 휠(6)의 내경(25)에 거의 상응하는 외경(15)의 확대를 통해, 외측 클램핑 링(8)에 의해 반경방향 바깥쪽으로 작용하는 힘(26)이 생성되며, 이 힘은 외측 클램핑 링(8)이 폴 휠(6)과 마찰 결합식으로 연결되게 한다. 샤프트(5)의 외경(24)에 거의 상응하는 내경(14)의 축소를 통해서는, 내측 클램핑 링(9)에 의해 반경방향 안쪽으로 작용하는 힘(27)이 생성되며, 이 힘은 내측 클램핑 링(9)이 샤프트(5)와 마찰 결합식으로 연결되게 한다. 그에 따라 클램핑 세트(7)를 통해 폴 휠(6)과 샤프트(5)의 마찰 결합식 연결부가 형성된다.
도 9에는, 스테이터(2)와 로터(3)를 포함하는 전기 회전 기계(1)의 종단면도가 도시되어 있으며, 로터(3)는 도 8에서처럼 형성되어 있다. 폴 휠(6) 상에는, 도 9에 예시적으로 영구 여자식 동기 기계를 위한 영구 자석들로서 구현된 전기 회전 기계(1)의 폴들(21)이 위치한다. 영구자석들은 예컨대 네오디뮴-철-붕소로 형성된다. 회전자 튜브라고도 지칭되는 폴 휠(6)은 대안으로 타여자식 동기 기계의 여자 권선들 또는 비동기 기계의 단락 케이지(short-circuit cage)를 지지할 수도 있으며, 그 때문에 타여자식 동기 기계 및 비동기 기계도 본 발명의 대상이 된다.
도 10에는, 전기 회전 기계(1)를 구비한 선박(30)이 도시되어 있다. 전기 회전 기계(1)는 적어도 1메가와트의 출력을 갖는 부스터 구동부(35)로서 구현되어 모터로서뿐만 아니라 발전기로서도 이용될 수 있다. 부스터 구동부(35)의 샤프트(5)는, 제1 축 단부(33)에서, 도 1에 도시되고 기술된 것처럼 형성된 플랜지(5a)를 통해, 선박(30)의 추력을 생성하는 프로펠러(29)의 프로펠러 샤프트(29a)와 연결된다. 제2 축 단부(34)에서는, 부스터 구동부(35)가 플랜지(5a)를 통해 주 기계(31)의 주 기계 샤프트(31a)와 연결된다. 이렇게, 부스터 구동부(35)는 필요한 경우 주 기계(31)의 출력을 증가시킬 수 있거나, 발전기 모드에서는 구동 출력의 일부분에서 전류를 발생시킬 수 있다. 부스터 구동부(35)의 샤프트(5)는 프로펠러 샤프트(29a) 및 주 기계 샤프트(31a)에 비해 더 작다. 그러므로 부스터 구동부(35)는 자신의 샤프트(5)의 양측에 배치된 플랜지들(5a)을 통해 선박(30)의 프로펠러(29)와 주 기계(31) 사이에 유연하게 삽입될 수 있다. 프로펠러(29) 외에, 부스터 구동부(35) 및 주 기계(31)도 수면(32) 아래에 위치된다.
요약하면 본 발명은, 샤프트(5)와, 이 샤프트(5)를 에워싸는 폴 휠(6)과, 하나 이상의 클램핑 세트(7)를 포함하고 회전축(4)을 중심으로 회전될 수 있는 로터(3)를 구비한 전기 회전 기계(1)에 관한 것이다. 제조 시 시간 및 비용을 절약하기 위해, 클램핑 세트(7)를 이용하여 샤프트(5)와 폴 휠(6) 간의 마찰 결합식 연결부를 형성하는 방법을 제안한다.

Claims (18)

  1. 샤프트(5)와, 이 샤프트(5)를 에워싸는 폴 휠(6)과, 하나 이상의 클램핑 세트(7)를 포함하며 회전축(4)을 중심으로 회전될 수 있는 로터(3)를 구비한 전기 회전 기계(1)로서,
    클램핑 세트(7)는 샤프트(5)와 폴 휠(6) 간의 마찰 결합식 연결부를 형성하기 위해 제공되며,
    클램핑 세트(7)는 외측 클램핑 링(8)과, 내측 클램핑 링(9)과, 상기 클램핑 세트(7)의 클램핑을 위해 제공된 클램핑 장치(10)를 포함하며,
    내측 클램핑 링(9)은 외측 클램핑 링(8) 내에 삽입되며,
    외측 클램핑 링(8)과 내측 클램핑 링(9)은 클램핑 장치(10)에 의해 축방향으로 서로를 향해 변위될 수 있으며,
    외측 클램핑 링(8)은 2개 이상의 분리된 외측 클램핑 링 세그먼트(19)를 포함하며,
    내측 클램핑 링(9)은 2개 이상의 분리된 내측 클램핑 링 세그먼트(17)를 포함하는, 전기 회전 기계(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 샤프트는 500㎜ 이상의 외경(24)을 갖는, 전기 회전 기계(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 샤프트(5)는 자신의 축 단부들에 각각 하나의 플랜지(5a)를 포함하고, 플랜지 지름(23)은 샤프트(5)의 외경(24)보다 더 큰, 전기 회전 기계(1).
  4. 제3항에 있어서, 샤프트(5)와 플랜지들(5a)이 일체형으로 제조되거나, 플랜지들(5a)이 분리될 수 없게 샤프트(5)와 고정 연결되는, 전기 회전 기계(1).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    외측 클램핑 링(8)은 반경방향 바깥쪽으로 작용하는 힘(26)의 생성을 위해 제공되고,
    상기 반경방향 바깥쪽으로 작용하는 힘(26)은 폴 휠(6)과 외측 클램핑 링(8)을 마찰 결합식으로 연결하기 위해 제공되며,
    내측 클램핑 링(9)은 반경방향 안쪽으로 작용하는 힘(27)의 생성을 위해 제공되고,
    상기 반경방향 안쪽으로 작용하는 힘(27)은 샤프트(5)와 내측 클램핑 링(9)을 마찰 결합식으로 연결하기 위해 제공되는, 전기 회전 기계(1).
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    외측 클램핑 링(8)은 원추형 내부 표면(12)을 가지고, 내측 클램핑 링(9)은 원추형 외부 표면(13)을 가지며,
    클램핑 장치(10)는, 원추형 내부 표면(12)을 원추형 외부 표면(13)과 함께 축방향으로 변위시켜 클램핑 세트(7)의 내경(14) 및 외경(15)을 최소로 변동시키도록 제공되는, 전기 회전 기계(1).
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 2개 이상의 외측 클램핑 링 세그먼트(19)는 2개 이상의 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯(20)에 의해 서로 분리되며,
    상기 2개 이상의 내측 클램핑 링 세그먼트(17)는 2개 이상의 반경방향 내측 클램핑 링 슬롯(18)에 의해 서로 분리되는, 전기 회전 기계(1).
  8. 제7항에 있어서, 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯들(20) 및 반경방향 내측 클램핑 링 슬롯들(18)은 축방향으로 곧은 면으로 형성되는, 전기 회전 기계(1).
  9. 제7항에 있어서, 반경방향 외측 클램핑 링 슬롯들(20) 각각과 이들 양측의 인접한 내측 클램핑 링 슬롯(18) 사이의 오프셋 각도(22)는 동일한 크기인, 전기 회전 기계(1).
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 하나의 클램핑 세트(7)의 내측 클램핑 링 세그먼트들(17)의 개수와 외측 클램핑 링 세그먼트들(19)의 개수는 동일한, 전기 회전 기계(1).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 적어도 샤프트(5)의 부분들은 표면 처리부(5b)를 포함하는, 전기 회전 기계(1).
  12. 샤프트(5)와, 폴 휠(6)과, 클램핑 세트(7)를 포함하는, 제1항 또는 제2항에 따른 전기 회전 기계(1)를 제조하기 위한 방법으로서,
    맨 먼저 샤프트(5)와 폴 휠(6)이 제조되고,
    상기 폴 휠(6)의 제조 시, 폴들(21)이 상기 폴 휠(6)의 외부 표면 상에 조립되며,
    후속 단계에서 상기 폴 휠(6)은 폴들(21)과 함께 클램핑 세트(7)에 의해 샤프트(5) 상에 조립되는, 전기 회전 기계의 제조 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    샤프트(5)는 양측 축방향 단부에 각각 하나의 플랜지(5a)를 포함하고,
    후속 단계에서 맨 먼저 샤프트(5)가 폴 휠(6) 내로 삽입되며,
    그에 이어, 완전히 분해된 클램핑 세트(7)가, 샤프트(5)와 폴 휠(6) 간의 마찰 결합식 연결부가 형성되는 방식으로 샤프트(5)와 폴 휠(6) 사이에 조립되는, 전기 회전 기계의 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서, 샤프트(5)와 폴 휠(6) 간의 마찰 결합식 연결부는, 상기 클램핑 세트의 외측 클램핑 링(8)으로부터 폴 휠(6) 상으로 반경방향 바깥쪽으로 작용하는 힘(26)과, 내측 클램핑 링(9)으로부터 샤프트(5) 상으로 반경방향 안쪽으로 작용하는 힘(27)에 의해 형성되는, 전기 회전 기계의 제조 방법.
  15. 제1항 또는 제2항에 따른 전기 회전 기계(1)를 하나 이상 장착한 선박(30)으로서,
    상기 전기 회전 기계(1)는 모터 또는 발전기로서 작동되도록 제공되는, 선박(30).
  16. 제15항에 있어서,
    상기 선박은, 프로펠러 샤프트(29a)를 구비한 프로펠러(29)와, 주 기계 샤프트(31a)를 구비한 주 기계(31)를 포함하며,
    상기 전기 회전 기계(1)는 제1 축 단부(33)에서 플랜지(5a)를 통해 프로펠러(29)의 프로펠러 샤프트(29a)와 연결되고, 제2 축 단부(34)에서 플랜지(5a)를 통해 주 기계(31)의 주 기계 샤프트(31a)와 연결되는, 선박(30).
  17. 삭제
  18. 삭제
KR1020187020077A 2015-12-18 2016-11-09 전기 회전 기계의 샤프트 상에서 폴 휠의 체결 방법 KR101981021B1 (ko)

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