KR102285289B1 - 회전기용 고정자의 강성 평가 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 회전기, 특히 고정자를 지지하는 프레임의 설계를 최적화하는 데에 이용될 수 있는 회전기용 고정자의 강성 평가 방법에 관한 것으로, 이는 고정자 시편을 조립하는 단계; 상기 시편의 축방향 양단을 지지하고 처짐 변형량을 측정하는 단계; 측정된 처짐 변형량에 대응되는 시편의 물성치를 산정하는 단계를 포함하고, 상기 시편을 조립하는 단계에서는, 복수의 규소 강판을 적층하고, 상기 복수의 규소 강판을 복수의 클램프 부재에 결합하며, 상기 복수의 규소 강판에 프레싱을 가하지 않는다.

Description

회전기용 고정자의 강성 평가 방법 {METHOD FOR EVALUATING STIFFNESS OF STATOR FOR ROTATING MACHINE}

본 발명은 회전기의 설계를 최적화하는 데에 이용될 수 있는 회전기용 고정자의 강성 평가 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 회전기는 바깥의 대략 원통 모양의 고정자와 그 안쪽에서 회전하는 회전자로 구성되어 있으며, 고정자와 회전자는 소정의 간극을 두고 서로 분리되어 있다. 이들 프레임은 고정자와 회전자는 프레임(Frame)에 고정될 수 있다.

예를 들어, 고정자 또는 회전자는 각각의 코어와, 자속을 발생시키는 코일, 그리고 절연물을 포함할 수 있다. 회전자는 베어링에 의해 지지되고 회전축에 연결됨으로써, 이 회전축을 통해 전동기인 경우에는 토크를 전달하고 발전기인 경우에는 전압을 발생시킬 수 있다.

고정자는 철손을 방지하기 위해 두께가 매우 얇은 규소 강판을 회전기의 축방향으로 적층하고 프레싱(Pressing)을 가하여 단단하게 조립된다. 이러한 고정자는 회전자에 대해 소정의 간극을 유지해야 하므로, 프레임에 고정된 상태에서 처짐이 발생하지 않아야 한다.

고정자의 자중에 의한 처짐을 방지하기 위해, 프레임에는 회전기의 축방향을 따라 일정 간격을 두고 고정자를 지지하는 여러 개의 배플 플레이트(Baffle Plate)가 부가된다. 하지만, 이렇게 많은 수의 배플 플레이트를 설치하게 되면, 회전기의 전체 중량이 증가하고, 제품의 가격이 상승하는 원인이 된다.

이에 따라, 프레임의 설계시 그 최적화가 요구되고 있으나, 고정자가 연속체가 아닌, 규소 강판들의 적층체로 구성되어 있어 고정자의 강성을 알 수 없기 때문에, 회전기의 설계를 최적화하기가 곤란하였다.

(특허문헌 1) KR 330005 Y1

이에 본 발명은, 회전기, 특히 고정자를 지지하는 프레임의 설계를 최적화하는 데에 이용될 수 있는 회전기용 고정자의 강성 평가 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 회전기용 고정자의 강성 평가 방법은, 고정자의 시편을 조립하는 단계; 상기 시편의 축방향 양단을 지지하고 처짐 변형량을 측정하는 단계; 및 측정된 처짐 변형량에 대응되는 시편의 물성치를 산정하는 단계를 포함하고, 상기 시편을 조립하는 단계에서는, 복수의 규소 강판을 적층하고, 상기 복수의 규소 강판을 복수의 클램프 부재에 결합하며, 상기 복수의 규소 강판에 프레싱을 가하지 않는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 고정자의 정확한 강성 평가를 통해 회전기, 특히 고정자를 지지하는 프레임의 설계를 최적화할 수 있는 효과를 얻게 된다.

또한, 본 발명에 의하면, 회전기의 설계를 최적화하여 제품의 품질 저하를 방지하고, 이로써 품질 저하에 따른 손해 비용의 절감과 동시에 품질 확보에 따른 제품성의 향상에 기여할 수 있는 효과가 있게 된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기용 고정자의 강성 평가 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 시편을 조립하는 단계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 처짐 변형량을 측정하는 계측기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에 도시된 계측기의 오차를 평가하는 단계를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 측정된 처짐 변형량의 일례를 나타낸 그래프이다.
도 6은 물성치를 산정하는 단계에서 산정된 데이터를 활용한 시편의 강성 해석의 예를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기용 고정자의 강성 평가 방법을 나타낸 흐름도이다.

이에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전기용 고정자의 강성 평가 방법은, 고정자의 시편(1)을 조립하는 단계; 시편의 축방향 양단을 지지하고 처짐 변형량을 측정하는 단계; 측정된 처짐 변형량에 대응되는 시편의 물성치를 산정하는 단계를 포함하고 있다.

도 2는 시편을 조립하는 단계를 개략적으로 도시한 도면이다.

우선, 고정자의 시편(1)은, 실제 제품의 고정자와 같이 두께가 매우 얇은(예컨대 대략 0.35mm) 복수의 규소 강판(2)을 시편의 축방향으로 적층하여 만들어진다. 다만, 실제 제품의 고정자와 달리, 시편에서는 복수의 규소 강판에 프레싱을 가하지 않는다.

각 규소 강판(2)은 대략 고리 형상으로 형성될 수 있으며, 그 외주 선단에는 원주방향으로 일정한 각도만큼 떨어져 예컨대 도브 테일(Dove Tail) 형상의 단면을 갖고서 동일한 크기를 가진 복수의 노치부(3)가 형성될 수 있다. 복수의 규소 강판을 축방향으로 적층할 때, 이들 노치부는 서로 연통되게 정렬되어야 한다.

복수의 규소 강판(2)이 축방향으로 적층되면, 서로 연통되게 정렬된 노치부(3)들의 각 열에 클램프 부재(4)가 시편의 축방향으로 삽입되어, 복수의 규소 강판을 결합시킨다.

클램프 부재(4)는 예를 들어 대략 2mm 정도의 두께를 가진 얇고 긴 판재로 형성될 수 있다. 또, 이 클램프 부재는 예컨대 스틸 등과 같은 금속으로 만들어질 수 있다.

또한, 규소 강판(2)들의 적층체에서, 맨 앞과 맨 뒤에 있는 규소 강판의 노출면에는 각각 압축링(5)이 배치될 수 있다.

압축링(5)은 규소 강판(2)과 마찬가지로 대략 고리 형상으로 형성될 수 있으며, 그 내경에서 외경까지의 방사상 폭은 규소 강판의 방사상 폭 이하로 될 수 있다. 이 압축링도 예컨대 스틸 등과 같은 금속으로 만들어질 수 있다.

압축링(5)과 만나는 클램프 부재(4)의 각 단부는 압축링의 외주 선단에 견고하게 고정될 수 있다.

이러한 고정은, 예를 들어 각 규소 강판(2)에 있는 복수의 노치부(3)와 동일한 형상, 크기, 배치 등을 가진 복수의 노치부(3)를 압축링의 외주 선단에 형성하고서 이들 노치부에 각각 클램프 부재(4)의 각 단부를 삽입할 수 있다.

혹은, 이러한 노치부가 없거나 노치부(3)와 함께, 압축링(5)과 클램프 부재(4)의 단부를 서로 용접할 수도 있다.

이와 같이, 적층된 복수의 규소 강판(2) 주위로 클램프 부재(4)를 결합하고 클램프 부재와 압축링(5)을 서로 고정시킴으로써, 적층체로 된 시편(1)은 소정의 강성을 가질 수 있게 된다.

또한, 적층된 복수의 규소 강판(2) 주위로 클램프 부재(4)를 결합하지만 고정시키지 않기 때문에, 시편은 그 조립이 용이하게 이루어질 수 있음과 더불어, 적층체가 무너지지 않을 정도의 강성을 유지할 수 있으면서 측정시 처짐 변형량을 뚜렷이 판별할 수 있게 되는 장점을 갖는다.

시편(1)이 완성되면, 시편의 축방향 양단을 지지하고 계측기(10)를 이용하여 처짐 변형량을 측정한다.

도 3은 처짐 변형량을 측정하는 계측기를 개략적으로 도시한 도면이다.

계측기(10)는, 한 쌍의 다리부(11), 이들 다리부를 연결하는 가이드부(12), 이 가이드부를 미끄럼 이동 가능하도록 설치된 슬라이드부(13), 및 이 슬라이드부에 설치된 측정 센서(14)를 포함할 수 있다.

가이드부(12)는 한 쌍의 다리부(11) 사이에서 대략 수평하게 연장하며, 그 일측면에는 가이드부의 길이방향을 따라 표시된 눈금자가 마련될 수 있다.

슬라이드부(13)는 수동에 의해 또는 모터 등을 이용한 전동(電動) 수단에 의해 가이드부(12)를 따라 이동할 수 있다.

측정 센서(14)로는 탐촉자(15)를 갖춘 접촉식 센서가 바람직하지만, 반드시 이에 한정되지 않으며, 다른 임의의 비접촉식 변위센서, 거리센서 등이 채용될 수 있다.

또한, 측정 센서(15)는, 가이드부(12)의 눈금자에 측정 센서의 위치를 가리킬 수 있는 지침(指針; 16)을 탐촉자(15)의 반대측에 구비하여, 예를 들면 센서의 이동거리 또는 시편의 길이를 측정할 수 있다.

이러한 측정 센서(15)는 유선, 무선 또는 유무선 통신을 매개로 하여 제어부(미도시)에 전기적으로 연결됨으로써 측정값을 전기적 신호로 제어부에 전달할 수 있다. 이 제어부는 측정값을 메모리에 저장하거나 디스플레이로 표시할 수 있게 한다.

시편(1)의 처짐 변형량을 측정하기 위해, 완성된 시편을 우선은 계측기(10)의 다리부(11)들 사이에서 바닥이나 평판 위에 두고, 시편 위에다 스트레이트 게이지(Straight Gage; 20)를 위치시킨 후 계측기를 작동시켜, 계측기 자체의 측정 오차를 평가한다.

도 4는 도 3에 도시된 계측기의 오차를 평가하는 단계를 개략적으로 도시한 도면이다.

슬라이드부(13)를 스트레이트 게이지(20)의 일단까지 이동시키고, 측정 센서(14)의 탐촉자(15)를 스트레이트 게이지의 표면에 닿게 한 다음에, 슬라이드부를 수동 또는 전동에 의해 가이드부(12)를 따라 스트레이트 게이지의 타단을 향해 이동시키면, 측정 센서의 탐촉자는 스트레이트 게이지의 표면을 따라 승강한다.

계측기(10)에서 발생하는 오차는 가이드부(12)의 처짐에 기인하며, 스트레이트 게이지(20)가 완전 수평임을 고려할 때 계측기에서 발생하는 오차 정도는 최대 약 0.1mm 수준인 것이 좋다.

이어서, 시편(1)의 축방향 양단을 지지하고 실제 처짐 변형량을 측정한다. 이를 위해 도 3에 도시된 바와 같이 시편의 양단을 각각 지지하는 한 쌍의 지지부(19)가 준비될 수 있다.

이들 지지부(19)에는 시편(1)의 움직임을 방지하는 오목한 홈부(미도시)가 형성되고, 이 오목한 홈부에 시편이 안착되도록 하는 것이 바람직하다.

이때, 시편(1)의 양단을 지지하는 조건에서의 측정은, 가능한 한 계측기(10)의 다리부(11)들 사이에서 초기 변형의 측정 위치와 동일한 위치에서 수행해야 한다. 즉, 초기 변형의 측정 위치에서 시편이 그 축방향으로 이동하지 않고서 단지 높이방향으로 상승되어, 그 처짐 변형량이 측정되어야 한다.

시편(1)이 지지부(19)들 위에 놓이면, 슬라이드부(13)를 시편의 일단까지 이동시키고, 측정 센서(14)의 탐촉자(15)를 시편의 외주면에 닿게 한 다음에, 슬라이드부를 수동 또는 전동에 의해 가이드부(12)를 따라 시편의 타단을 향해 이동시키면, 측정 센서의 탐촉자는 시편의 외주면 기복을 따라 승강하게 된다.

탐촉자(15)의 승강에 의한 변위는 전기적 신호로 제어부에 전달되고, 그리고 이러한 변위는 시편(1)의 처짐 변형량으로 저장되거나 표시된다.

도 5는 측정된 처짐 변형량의 일례를 나타낸 그래프이다.

시편(1)의 축방향 양단을 지지하고 계측기(10)를 이용하여 실제 처짐 변형량을 측정함으로써, 시편의 최대 처짐 변형량을 알아낸다.

여기서, 시간에 따라 처짐 변형량이 변화될 수 있기 때문에, 일정 시간이 지난 후 처짐 변형량을 다시 측정한다. 예를 들어 최초 측정시부터 24시간이 지난 후에 시편의 처짐 변형량의 측정을 다시 수행할 수 있다.

이러한 경우에 최초 측정시의 최대 처짐 변형량과, 24시간이 지난 후 측정의 최대 처짐 변형량 중 절대값이 더 큰 처짐 변형량을 해당 시편(1)의 최대 처짐 변형량으로 결정할 수 있다. 예컨대, 도 5의 측정 결과로부터 최대 처짐 변형량은 0.18mm로 결정하게 된다.

다음으로, 측정된 처짐 변형량에 대응되는 시편(1)의 물성치를 산정한다.

여기서, 시편(1)의 물성치 중 일부는 클램프 부재(4)의 재질인 예컨대 스틸의 물성치를 적용할 수 있다.

물성치로는 강성과 관련된 탄성계수, 전단계수, 포아송 비의 값을 채택하며, 이들 값 중 일부를 변경하면서, 계측기(10)에 의한 측정 결과로부터 얻은 최대 처짐 변형량(예컨대 0.18mm)을 맞추어 나아간다. 이러한 과정은 시행착오법으로 이행될 수 있다.

예를 들어, 시편(1)의 반경방향인 X방향의 탄성계수, 반경방향(높이방향)인 Z방향의 탄성계수, XZ의 포아송 비, XZ의 전단계수는 스틸의 물성치로 고정하는 한편, 시편의 축방향인 Y방향의 탄성계수, XY의 포아송 비, YZ의 포아송 비, XY의 전단계수, YZ의 전단계수를 변경하면서 측정된 처짐 변형량이 얻어지도록 맞춤으로써 시편의 최종 물성치를 산정할 수 있다.

여기서, XY의 포아송 비와 YZ의 포아송 비는 서로 동일한 값이고, XY의 전단계수와 YZ의 전단계수도 동일한 값이다. 결국, 3개의 물성치만 변경해 가면서 해석을 수행할 수 있다.

도 6은 물성치를 산정하는 단계에서 산정된 데이터를 활용한 시편의 강성 해석의 예를 나타낸 도면이다.

이와 같이 산정된 물성치는 회전기, 특히 고정자를 지지하는 프레임의 설계를 최적화하는 데에 이용될 수 있게 된다.

다시 말해, 처짐 변형량의 측정을 통해, 가장 처짐이 많이 발생하는 조건에서의 강성과 관련된 물성치를 찾고, 고정자를 지지하는 프레임의 설계에 그 물성치를 활용할 수 있다.

예를 들면, 단지 한 쌍의 배플 플레이트에 의해 고정자의 양단을 지지하게 하고서 이들 배플 플레이트 사이에 고정자를 지지하는 보강재를 배치할 때, 보강재의 치수와 개수 등을 결정하는 데에 전술한 바와 같이 시편으로 산정된 강성의 물성치 데이터를 활용할 수 있게 됨으로써, 실제 제품에 요구되는 프레임 구조의 설계를 최적화할 수 있게 되는 것이다.

또한, 본 발명에 의하면, 회전기의 설계를 최적화하여 제품의 품질 저하를 방지하고, 이로써 품질 저하에 따른 손해 비용의 절감과 동시에 품질 확보에 따른 제품성의 향상에 기여할 수 있는 효과가 있게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 시편 2: 규소 강판
3: 노치부 4: 클램프 부재
5: 압축링 10: 계측기
11: 다리부 12: 가이드부
13: 슬라이드부 14: 측정 센서
15: 탐촉자 16: 지침
19: 지지부 20: 스트레이트 게이지

Claims (9)

1. 고정자의 시편을 조립하는 단계;
   상기 시편의 축방향 양단을 지지하고 처짐 변형량을 측정하는 단계; 및
   측정된 처짐 변형량에 대응되는 상기 시편의 물성치를 산정하는 단계
   를 포함하고,
   상기 시편을 조립하는 단계에서는, 복수의 규소 강판을 적층하고, 상기 복수의 규소 강판을 복수의 클램프 부재에 결합하며, 상기 복수의 규소 강판에 프레싱을 가하지 않는 회전기용 고정자의 강성 평가 방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 규소 강판은 각각 외주 선단에 원주방향으로 일정한 각도만큼 떨어져 복수의 노치부가 형성되어 있으며,
   상기 복수의 규소 강판을 적층할 때 노치부들은 서로 정렬되어, 상기 노치부들의 열에 상기 클램프 부재가 상기 시편의 축방향으로 삽입되는 회전기용 고정자의 강성 평가 방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 복수의 규소 강판 중 맨 앞과 맨 뒤에 있는 규소 강판의 노출면에는 압축링이 배치되고,
   상기 압축링과 만나는 상기 클램프 부재의 단부는 상기 압축링의 외주 선단에 견고하게 고정되는 회전기용 고정자의 강성 평가 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 처짐 변형량을 측정하는 단계에서는 계측기를 이용하고,
   상기 계측기는,
   한 쌍의 다리부,
   상기 다리부를 연결하는 가이드부,
   상기 가이드부를 미끄럼 이동 가능하도록 설치된 슬라이드부, 및
   상기 슬라이드부에 설치된 측정 센서
   를 포함하며,
   상기 계측기는, 상기 시편의 양단을 각각 지지하는 한 쌍의 지지부를 더 포함하는 회전기용 고정자의 강성 평가 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 처짐 변형량을 측정하는 단계에서는 계측기를 이용하고,
   상기 시편을 바닥이나 평판 위에 두고, 상기 시편 위에다 스트레이트 게이지를 위치시킨 후 상기 계측기를 작동시켜, 상기 계측기 자체의 측정 오차를 평가하는 단계를 더 포함하는 회전기용 고정자의 강성 평가 방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 시편의 물성치를 산정하는 단계는, 측정된 처짐 변형량 중 절대값이 가장 큰 최대 처짐 변형량을 이용하는 회전기용 고정자의 강성 평가 방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 시편의 물성치는, 강성과 관련된 탄성계수, 전단계수, 포아송 비의 값을 포함하며, 상기 최대 처짐 변형량에 맞추어 시행착오법으로 산정되는 회전기용 고정자의 강성 평가 방법.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 시편의 물성치 중 일부는 상기 클램프 부재의 재질의 물성치인 회전기용 고정자의 강성 평가 방법.
   
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 시편의 물성치는 회전기용 고정자를 지지하는 프레임의 설계에 활용 가능한 회전기용 고정자의 강성 평가 방법.
   

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