KR102099587B1 - 트랜스미션의 샤프트, 특히 풍력 발전소의 방위각 트랜스미션의 출력 샤프트의 토크, 회전 방향 및 회전 속도의 측정 장치 - Google Patents

트랜스미션의 샤프트, 특히 풍력 발전소의 방위각 트랜스미션의 출력 샤프트의 토크, 회전 방향 및 회전 속도의 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 트랜스미션(2)의 샤프트(1), 특히 방위각 트랜스미션의 출력 샤프트의 토크, 회전 방향 및 회전 속도의 측정 장치로서, 상기 샤프트(1)의 외주(3)에는 스트립들(4, 5)이 위치 고정되어 장착될 수 있고, 상기 스트립들은 측정 센서들(6, 7)에 의해 검출될 수 있고 상기 샤프트(1)의 비틀림을 측정할 수 있게 하고, 상기 측정 센서들(6, 7)은 각각 하나의 홀 센서(8)를 포함하고, 상기 샤프트(1)의 외주(3)의 2개의 상이한 위치에 각각 하나의 스트립(4, 5)이 배치되고, 상기 스트립은 다각형 관통구들(9) 및/또는 홈들(10)을 포함하고, 상기 관통구들(9) 및/또는 홈들(10) 사이에 브릿지들(11)이 배치되며, 상기 브릿지들이 측정 센서(6, 7)에 의해 검출될 수 있는, 측정 장치에 관한 것이다. 또한, 샤프트(1)의 토크, 회전 방향 및 회전 속도의 측정 장치(1)의 작동 방법이 청구된다.

Description

트랜스미션의 샤프트, 특히 풍력 발전소의 방위각 트랜스미션의 출력 샤프트의 토크, 회전 방향 및 회전 속도의 측정 장치{DEVICE FOR MEASURING TORQUE, ROTATIONAL DIRECTION AND ROTATIONAL SPEED OF A SHAFT OF A TRANSMISSION, PARTICULARLY AN OUTPUT SHAFT OF AN AZIMUTH TRANSMISSION OF A WIND POWER PLANT}
본 발명은 트랜스미션의 샤프트, 특히 풍력 발전소의 방위각 트랜스미션의 출력 샤프트의 토크, 회전 방향 및 회전 속도의 측정 장치로서, 상기 샤프트의 외주에는 스트립들이 위치 고정되어 장착될 수 있고, 상기 스트립들은 측정 센서들에 의해 검출될 수 있고 샤프트의 비틀림을 측정할 수 있게 하고, 측정 센서들은 각각 하나의 홀 센서를 포함하는, 측정 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 장치의 작동 방법에 관한 것이다.
본 발명의 사용 분야는 특히 최신 풍력 발전소용 방위각 트랜스미션으로 확장된다. 사용 분야는 풍력 발전소로만 제한되지 않으며, 예컨대 암을 다수의 트랜스미션에 의해 하나의 수직 축을 중심으로 회전시킬 수 있는 가능성이 있다.
일반적으로 공지된 선행 기술에서, 회전자가 바람의 방향을 따라가도록 하기 위해 곤돌라가 풍력 발전소에서 회전되는 것은 공지되어 있다. 회전자 블레이드도 정확한 블레이드 위치를 조절하기 위해 그 종축을 중심으로 회전되어야 한다. 이 경우, 각각의 피치 및 방위각 베어링에서 매우 큰 마찰 모멘트가 극복되어야 한다.
필요한 큰 토크로 인해, 유압 구동 장치 또는 전기 구동 장치가 사용될 수 있다. 유압 구동 장치에서는 예컨대 유압 실린더가 편심체에 고정됨으로써, 회전을 허용한다. 그러나, 회전 운동은 1/2 회전보다 작게 제한된다. 큰 회전 운동이 실시되어야 하거나 또는 다른 이유로 유압 해결책의 사용이 바람직하지 않으면, 전기 구동 장치가 사용된다. 전기 구동 장치에서는 전기 모터의 큰 회전수가 다단 트랜스미션에 의해 낮은 회전수로 바뀐다. 트랜스미션의 출력 피니언은 기어 링과 맞물리고, 상기 기어 링은 대개 베어링의 부분으로서 구현된다. 이로 인해, 풍력 발전소의 곤돌라가 회전될 수 있다.
필요한 토크가 매우 크면, 다수의 구동 장치들이 장착된다. 구동 장치의 트랜스미션들에서 손상, 예컨대 결함을 가진 베어링이 생길 수 있고, 이로 인해 트랜스미션 내의 마찰 모멘트가 상승한다. 따라서, 트랜스미션은 모터 출력이 일정할 때도 더 작은 토크를 링 기어로 전달한다.
적은 수의 구동 장치만이 있으면, 동일한 구동 모멘트를 얻기 위해 모터 출력이 상승되어야 한다. 이 경우, 모터 전류도 상승한다. 측정 가능한 전류 상승에 의해, 트랜스미션 결함의 검출이 가능하다. 매우 많은 구동 장치가 존재하면, 모터 전류의 상승은 명확한 측정이 불가능하기 때문에 결함이 검출될 수 없을 정도로 작다. 결함을 가진 베어링에서 마찰의 극복을 위해 전기 모터의 전체 구동 모멘트가 사라지면, 트랜스미션의 출력 샤프트는 링 기어를 구동하는 것이 아니라, 링 기어가 출력 샤프트에 의해 구동된다. 결함으로 인해, 남은 구동 장치 및 그 트랜스미션이 과부하되고 더 오랜 시간에 걸쳐 손상된다.
DE 10 2006 054 179 A1에는 샤프트의 토크, 특히 자동차의 래크 파워 스티어링의 스티어링 모멘트의 측정 장치가 개시되어 있다. 샤프트는 입력 샤프트와 출력 샤프트로 나눠진다. 2개의 샤프트 부분들은 비틀림 부재에 의해 낮아진 강성과 연결된다. 비틀림 부재는 자기 트랜스미터 유닛을 지지하고, 상기 트랜스미터 유닛의 코팅은 비틀림에 의해 변화될 수 있고, 트랜스미터 유닛에 할당된 센서 유닛에 의해 판독될 수 있다. 그러나, 샤프트의 토크를 측정하는 이러한 장치는 풍력 발전소의 방위각 트랜스미션에서와 같은 큰 토크에는 적합하지 않다,
DE 199 07 270 A1에는 샤프트, 특히 자동차 트랜스미션의 출력 샤프트의 토크를 측정하는 다른 장치가 개시된다. 샤프트의 미리 정해진 축 방향 영역 위에 단 하나의 슬리브가 제공되고, 상기 슬리브는 샤프트의 비틀림이 슬리브의 비틀림을 야기하도록 샤프트와 연결된다. 슬리브에는 비틀림의 크기를 결정하기 위한 측정 장치가 할당된다. 상기 기술적 해결책에 의해 샤프트의 토크 측정이 이루어질 수 있기는 하지만, 공지된 해결책의 단점은 비교적 작은 샤프트 섹션 내에 큰 비틀림을 가진 비교적 작은 직경을 가진 샤프트만이 측정될 수 있다는 것이다. 비틀림이 작은 경우에는 상기 장치가 정확한 측정 가능성을 갖지 않는다.
상기 선행 기술을 기초로, 본 발명의 과제는 샤프트 직경 및 재료 특성으로 인해 샤프트를 약간만 비트는 큰 토크를 간단한 방식으로 측정하기 위한 장치 및 상기 장치의 작동 방법을 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1항의 특징부와 관련한 청구항 제 1항의 전제부에 따른 샤프트의 토크, 회전 방향 및 회전 속도의 측정 장치에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속 청구항들에 제시된다. 방법 기술적 과제는 청구항 제 6항에 의해 달성된다.
본 발명에 따라 샤프트의 외주의 2개의 상이한 위치에 각각 하나의 스트립이 배치되고, 상기 스트립은 다각형 관통구들 및/또는 홈들을 포함하고, 상기 관통구들 및/또는 홈들 사이에 브릿지들이 배치되며, 상기 브릿지들이 측정 센서에 의해 검출될 수 있다. 스트립들은 미끄러짐 또는 회전이 배제되도록 샤프트의 외주에 장착된다. 스트립들 또는 적어도 스트립들의 브릿지를 구성하는 재료는 자화될 수 있어서, 측정 센서들이 자계 변화에 의해 관통구들 및/또는 홈들 사이의 브릿지를 검출하고, 이 경우 측정 센서 내에 자석이 통합되고, 상기 자석은 브릿지에 의해 영향을 받는 자계를 형성한다. 자계 변화에 의한 브릿지의 측정은 오일 욕 내에서 작동하는 샤프트에서 특히 바람직한 것으로 나타났다. 구조를 가진 스트립이 반드시 필요한 것은 아니다. 마킹, 홈 및/또는 기존 구조, 예컨대 피니언의 구조의 사용도 가능하다.
본 발명을 더 개선하는 조치들 중 하나에 따라, 스트립들이 적어도 하나의 관통구 및/또는 적어도 하나의 홈을 포함하고, 상기 관통구 및/또는 홈의 치수는 스트립의 원주에 걸쳐 측정할 때 나머지 관통구들 및/또는 홈들의 치수보다 더 크다. 적어도 하나의 관통구 및/또는 하나의 홈의 명확한 차이에 의해, 정확한 기준점이 규정될 수 있다. 스트립의 정확한 위치 결정을 가능하게 하는 관통구 패턴 및/또는 홈 패턴도 가능하다.
바람직하게는 토크의 정확한 측정을 위해, 스트립들이 서로 최대 간격을 가지며 각각의 측정 센서가 적어도 2개의 홀 센서를 포함한다. 최대 간격은 샤프트의 적은 토크를 측정할 수 있게 한다. 2개의 센서들 사이의 간격이 커짐에 따라 측정된 샤프트의 회전도 커진다. 토크가 클 때도 직경 또는 재료 특성으로 인해 작은 비틀림만을 갖는 샤프트에서, 스트립들 사이의 간격에 의해 샤프트의 측정된 회전이 커질 수 있다. 각각의 측정 센서 내에 적어도 2개의 홀 센서의 배치에 의해 브릿지 검출의 정확도가 높아진다.
본 발명에 따른 해결책의 장점은 특히 샤프트가 유성 캐리어 및 구동 피니언과 같은 샤프트 부품을 포함하고, 상기 샤프트 부품에 스트립들이 장착될 수 있다는 것이다. 유성 캐리어는 샤프트의 하나의 단부에 그리고 구동 피니언은 샤프트의 다른 단부에 배치된다. 이는 2개의 스트립들 사이의 더 큰 간격을 가능하게 하고, 상기 더 큰 간격은 샤프트의 더 큰 회전을 야기한다.
또한, 측정 센서들이 스트립들에 대해 수직으로 배치되고 5 mm 보다 작은 스트립들과의 간격을 갖는 것이 바람직하다. 측정 센서들의 수직 배치는 브릿지의 최적 검출을 보장하고, 스트립과 센서 사이의 작은 간격은 측정의 정확도에 기여한다.
샤프트의 토크, 회전 방향 및 회전 속도를 측정하는 장치를 작동시키기 위해, 측정 신호의 교정을 위해 트랜스미션이 일정한 회전 속도로 하중 없이 작동되게 하는 방법이 제공되고, 이 경우 샤프트 및/또는 샤프트 부품에 스트립들의 조립 후 샤프트의 운동으로부터 결과하는 기준 바 시퀀스가 규정된다. 제조 공차로 인해, 관통구들 및/또는 홈들이 약간 상이한 치수들을 갖는다. 한 번의 교정 동안, 제 1 측정 센서의 개별 브릿지가 제 2 측정 센서의 브릿지와 어떤 간격을 갖는지가 규정된다.
바람직하게는 기준 바 시퀀스가 교정 값으로서 전자 평가 장치 내에 영구 저장된다. 후속 방법의 진행 중에 필요한 비교를 위해, 이전에 측정된 기준 바 시퀀스가 저장된다.
또한, 샤프트의 회전 방향이 트랜스미션의 작동 동안 기준 바 시퀀스와 바 시퀀스의 비교에 의해 결정된다. 측정된 시퀀스가 기준 바 시퀀스와 반대이면, 네거티브 회전 방향이 주어진다. 기준 바 시퀀스와 일치하지 않으면, 에러가 추정된다.
또한, 트랜스미션의 작동 중에 샤프트의 비틀림 하중 하에서 2개의 스트립의 바 시퀀스들의 타임 래그가 측정되는 것이 바람직하다. 바 시퀀스의 상기 타임 래그는 샤프트의 회전을 지시한다. 스트립들의 브릿지들의 측정된 이동은 샤프트의 설계 및 스트립들 사이의 간격에 의존하고 바람직하게는 2자리의 밀리초 범위 내에 놓일 수 있다.
또한, 선택적으로 바 시퀀스의 타임 래그가 샤프트의 회전 속도에 의해 바 시퀀스의 국부적 이동으로 환산되고, 이로부터 샤프트의 전달된 토크가 계산된다. 샤프트의 회전 속도(v)는 하나의 스트립의 브릿지들의 시간적 간격(t)으로부터 하기 식을 이용해서 결정된다:
v= s/r/t
스트립이 배치된 샤프트 또는 샤프트 부품들의 반경(r)과 플랭크(s)의 공간적 간격은 공지된 것으로 가정한다.
특히, 곤돌라의 회전을 위해 다수의 병렬 접속된 방위각 구동 장치들을 포함하며 하나의 방위각 구동 장치는 각각 하나의 전기 모터와 하나의 방위각 트랜스미션으로 이루어지는, 풍력 발전소에서, 모든 방위각 트랜스미션의 출력 샤프트들에서 측정된 토크들의 비교에 의해, 결함을 가진 방위각 트랜스미션이 현저히 더 작은 토크로 인해 찾아질 수 있다.
본 발명에 의해, 샤프트 직경 및 재료 특성으로 인해 샤프트를 약간만 비트는 큰 토크를 간단한 방식으로 측정하기 위한 장치 및 상기 장치의 작동 방법이 제공된다.
본 발명을 개선하는 다른 조치들은 하기에서 도면을 참고로 하는 본 발명의 바람직한 실시예 설명에 상세히 제시된다.
도 1은 샤프트의 토크, 회전 방향 및 회전 속도의 측정 장치를 포함하는 트랜스미션의 개략적인 단면도.
도 2는 관통구들 및/또는 홈들 가진 스트립이 하부에 배치되며 2개의 홀 센서를 구비한 측정 센서의 확대도 및 시간에 대한 전압이 도시된 기준 바 시퀀스를 측정한 그래프.
도 1에 따라 트랜스미션(2)의 샤프트(1)의 토크, 회전 방향 및 회전 속도의 측정 장치는 2개의 스트립(4, 5)을 포함하고, 제 1 스트립(4)은 샤프트(1)의 외주(3)에 배치되며 제 2 스트립(5)은 유성 캐리어(13)에 배치된다. 스트립들(4, 5)은 스트립들(4, 5)에 대해 수직으로 배치되며 5 mm 보다 작은 간격(15)을 가진 측정 센서들(6, 7)에 의해 검출된다. 측정 센서들(6, 7)은 스트립들(4, 5)로부터 나온 신호를 기록한다. 상기 신호는 트랜스미션(2)의 작동 동안 각각의 스트립(4, 5)의 바 시퀀스이고, 전자 평가 장치(17)에서 처리되고 저장된다.
도 2는 2개의 홀 센서(8)를 포함하는 2개의 측정 센서들(6, 7) 중 하나를 도시한다. 정확한 신호 검출을 위해 적어도 2개의 홀 센서(8)가 필요하다. 스트립(4)은 관통구들(9) 및/또는 홈들(10)을 포함하고, 2개의 관통구들(9) 및/또는 홈들(10) 사이에는 브릿지(11)가 배치된다. 나머지 관통구들(9) 및/또는 홈들(10)의 치수보다 큰 치수를 가진 관통구들(9) 중 하나 및/또는 홈들(10) 중 하나는 기준 바 시퀀스(16)를 규정하기 위해 사용된다. 스트립(4)의 기준 바 시퀀스(16)는 스트립 하부에 도시된다.
본 발명은 상기 바람직한 실시예에 제한되지 않는다. 오히려, 하기 청구범위의 보호 범위를 벗어나지 않는 변형이 가능하다. 예컨대, 2개의 스트립들(4, 5) 사이의 간격(12)을 확대시키기 위해 제 1 스트립(4)을 구동 피니언(14)에 배치하는 것도 가능하다. 또한, 관통구들(9) 및/또는 홈들(10)을 포함하는 스트립들(4, 5) 대신에, 마킹이 샤프트(1) 및/또는 샤프트 부품(13, 14)에 부착될 수 있거나 또는 하나의 피니언의 구조와 같은 기존 구조가 사용될 수 있다. 바람직하게는 레이저 또는 절삭 방법에 의한 샤프트의 구조화가 가능하다.
"포함한다"라는 표현은 다른 부재 또는 단계를 배제하지 않으며 "하나"라는 표현은 다수를 배제하지 않는다. 또한, 상기 실시예들 중 하나를 참고로 설명된 특징들 또는 단계들은 상기 다른 실시예들의 다른 특징들 또는 단계들과 조합해서 사용될 수 있다. 청구범위의 도면 부호들은 제한을 의미하지는 않는다.
1 샤프트
2 트랜스미션
3 외주
4 제 1 스트립
5 제 2 스트립
6 제 1 측정 센서
7 제 2 측정 센서
8 홀 센서
9 관통구
10 홈
11 브릿지
12 간격
13 유성 캐리어
14 구동 피니언
15 간격
16 기준 바 시퀀스
17 전자 평가 장치

Claims (10)

  1. 트랜스미션(2)의 샤프트(1)의 토크, 회전 방향 및 회전 속도의 측정 장치로서, 상기 샤프트(1)의 외주(3)에는 원주 스트립들(4, 5)이 위치 고정되어 원주 방향으로 장착될 수 있고, 상기 원주 스트립들(4, 5)은 측정 센서들(6, 7)에 의해 검출될 수 있으며 상기 샤프트(1)의 비틀림을 측정할 수 있게 하고, 상기 측정 센서들(6, 7)은 각각 홀 센서(8)를 포함하는, 측정 장치에 있어서,
    상기 샤프트(1)의 외주(3)의 2개의 상이한 축방향으로 이격된 위치들에 각각 스트립(4, 5)이 배치되고, 상기 스트립은 다각형 관통구들(9) 또는 홈들(10), 또는 다각형 관통구들(9) 및 홈들(10)을 포함하며, 상기 관통구들(9) 사이, 또는 상기 홈들(10) 사이, 또는 상기 관통구들(9)과 상기 홈들(10) 사이에 브릿지들(11)이 배치되고,
    각각의 원주 스트립(4, 5) 상의 상기 브릿지들은 측정 센서들(6, 7)에 의해 검출될 수 있으며,
    상기 샤프트(1)는 샤프트 부품을 포함하고, 상기 샤프트 부품에 상기 원주 스트립들(4, 5)이 원주 방향으로 부착 가능하며,
    상기 원주 스트립들(4, 5) 중 하나는 상기 샤프트(1)에 부착되고, 상기 원주 스트립들(4, 5) 중 다른 하나는 상기 샤프트 부품에 부착되어, 상기 원주 스트립들(4, 5) 중 상기 다른 하나가 상기 원주 스트립들(4, 5) 중 상기 하나 보다 상기 샤프트(1)의 축으로부터 반경 방향으로 더 멀리 이격되는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 원주 스트립들(4, 5)은 적어도 하나의 관통구(9) 또는 적어도 하나의 홈(10)을 포함하고, 상기 적어도 하나의 관통구(9) 또는 적어도 하나의 홈(10)의 치수는 상기 원주 스트립(4, 5)의 둘레에 걸쳐 측정될 때 나머지 관통구들(9) 또는 홈들(10)의 치수보다 더 큰 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 토크의 정확한 측정을 위해, 상기 원주 스트립들(4, 5)이 서로 최대 간격(12)을 가지며 각각의 측정 센서(6, 7)가 적어도 2개의 홀 센서들(8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 샤프트 부품은 유성 캐리어(13) 및 구동 피니언(14)을 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 측정 센서들(6, 7)이 상기 원주 스트립들(4, 5)에 대해 수직으로 배치되고 5 mm 보다 작은 상기 원주 스트립들(4, 5)과의 간격(15)을 갖는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 따른 측정 장치의 작동 방법에 있어서,
    측정 신호의 교정을 위해, 트랜스미션(2)이 일정한 회전 속도로 하중 없이 작동되고, 샤프트(1) 또는 샤프트 부품들(13, 14)에 원주 스트립들(4, 5)의 조립 후 상기 샤프트(1)의 운동으로부터 결과하는 기준 바 시퀀스(16)가 규정되는 것을 특징으로 하는 측정 장치의 작동 방법.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 기준 바 시퀀스(16)가 교정 값으로서 전자 평가 장치(17) 내에 영구 저장되는 것을 특징으로 하는 측정 장치의 작동 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 샤프트(1)의 회전 방향이 상기 트랜스미션(2)의 작동 동안 상기 기준 바 시퀀스(16)와 바 시퀀스의 비교에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 측정 장치의 작동 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 트랜스미션(2)의 작동 중에 상기 샤프트(1)의 비틀림 하중 하에서 2개의 원주 스트립들(4, 5)의 시퀀스 바들의 타임 래그가 서로 측정되는 것을 특징으로 하는 측정 장치의 작동 방법.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 바 시퀀스의 타임 래그가 상기 샤프트(1)의 회전 속도에 의해 상기 바 시퀀스의 국부적 이동으로 환산되고, 이로부터 상기 샤프트(1)의 전달된 토크가 계산되는 것을 특징으로 하는 측정 장치의 작동 방법.
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