KR102600355B1 - 전기 기계를 위한 슬립 링 배열체 - Google Patents

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Abstract

본 개시는, 전류 소스로부터 전기 기계의 로터로 전류를 전달하기 위한, 전기 기계를 위한 슬립 링 배열체에 관한 것이다. 본 발명의 목적은, 적절한 냉각 특성들 및 기계적 안정성을 보장하는, 전기 기계를 위한 슬립 링 배열체를 제공하는 것이다. 원통형 몸체, 단부 섹션 및 수축 시트로 구성되는 슬립 링을 갖는, 전기 기계를 위한 슬립 링 배열체로서, 원통형 몸체 내에, 반경 방향 개구들이 형성되고, 수축 시트는 샤프트 상에서 수축 가능하며, 샤프트는, 반경 방향 개구들을 통해 냉각 매체를 유도하기 위해 원통형 몸체 아래에 경사진 환형 공기 틈새를 형성하도록, 원통형 몸체 아래에서 감소된 직경을 갖는 것인, 전기 기계를 위한 슬립 링 배열체가 개시된다.

Description

전기 기계를 위한 슬립 링 배열체
본 개시는, 전류 소스로부터 전기 기계의 로터로 전류를 전달하기 위한, 전기 기계를 위한 슬립 링 배열체(slip ring arrangement)에 관한 것이다.
전기 기계는, 특히, 가스 또는 증기 터빈과 연결될 동기식 발전기, 또는 수력 터빈에 연결될 동기식 발전기(수력 발전기), 또는 비동기식 발전기, 또는 동기식 또는 비동기식 전기 모터, 또는 또한 다른 유형의 전기 기계들과 같은, 회전형 전기 기계이다.
전기 기계들은, 권선 코일 내에 필요한 자기장을 생성하기 위해, 전기 여기 전류에 의해 여자된다. 특정 구성에서, 여기 전류는, 전기 기계의 로터의 권선 코일들 또는 권선들에 공급되고, 이후에 로터 전류로서 지칭된다. 일반적으로, 기계의 외부에서 생성되는 로터 전류는, 한 세트의 브러시들에 의해, 로터 권선들에 전달된다. 고정형 브러시들 내에서 흐르는 전류는, 회전 샤프트 상으로 수축되는 2개의 링을 통해, 로터 권선에 전달된다. 이러한 링은 통상적으로, 이러한 기술 분야에서 슬립 링으로 명명된다. 발전에서의 고출력 적용들에서, 슬립 링은, 마찰 및 브러시들과 슬립 링들 사이의 전류 유동으로 인해 가열된다. 대부분, 슬립 링들은, 샤프트 상에 직접적으로 장착되거나 또는 외부적으로 연결되는 팬에 의해, 강제 냉각된다. 종래기술은 또한, 슬립 링의 전체 축 방향 길이를 따르는 나선형 홈들을 설명한다. 그러나, 종래기술 해법은, 절단부들을 갖지 않는 흠이 없는 슬립 링과 비교하여, 장기간의 작동에서 슬립 링 표면의 변형을 증가시킬 수 있다. 종래기술 해법은, 슬립 링의 큰 외경을 의미하는 충분한 냉각 표면뿐만 아니라, 부가적인 반경 방향 팬을 요구한다.
본 발명의 목적은, 적절한 냉각 특성들 및 기계적 안정성을 보장하는, 전기 기계를 위한 슬립 링 배열체를 제공하는 것이다.
이러한 목적은, 독립 청구항 1에 따른 특징부들에 의해 해소된다.
본 발명의 다른 예들이, 종속 청구항들에서 설명된다.
본 발명의 예에서, 반경 방향 개구들이, 슬립 링의 외측면에 형성되는 홈들과 연결되어, 홈들 및 반경 방향 개구들을 통한 냉각 매체를 위한 통로를 형성하도록 한다. 이러한 홈들은 또한, 나선형 홈들로서 설계될 수 있다.
본 발명의 다른 예에서, 반경 방향 개구들은, 접선 방향으로 직사각형의 더 긴 변을 갖는, 둥근 직사각형 단면을 갖는다. 반경 방향 개구들의 에지들의 둥근 형상은, 기계적 응력을 감소시킨다. 더불어, 냉각 매체의 유동 저항이 감소된다. 추가로, 접선 방향으로의 개구의 길이는, 40mm 미만이다. 이러한 특징은, 작동 도중에 슬립 링의 표면 변형이 허용 공차 내에서 유지될 수 있는 것을 보장한다. 슬립 링의 표면 변형을 방지하는 것은 또한, 작동 시 슬립 링에 놓이는 브러시의 진동을 최소화하는 것을 의미한다.
본 발명의 다른 예에서, 슬립 링 내의 개구들은, 슬립 링의 원통을 따라 균일하게 분포된다. 이러한 방안에 의해, 슬립 링에 대한 브러시의 접촉 표면에서의 온도 차가, 최소화된다. 부가적으로, 통상적인 회전 속도에서의 슬립 링의 기계적 변형이, 크게 감소하게 되며, 이는 브러시의 더 낮은 진동에 기여한다.
본 발명의 추가적 예에서, 반경 방향 개구들은, 침식 기법에 의해 슬립 링 내에 형성된다. 이러한 침식 기법은, 특히 슬립 링 내의 홈들과 개구들의 조합에서 통상적인 밀링에 대해 유리한 것으로 확인되었다.
추가적인 특성들 및 이점들이, 첨부 도면들에서 비-제한적인 예로서 예시되는, 슬립 링 배열체의 바람직하지만 비-배제적인 실시예에 대한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다:
도 1은, 좌측부에 수축 시트 및 우측부에 경사진 환형 공기 틈새 위에 매달리는 원통형 몸체를 갖는, 슬립 링 배열체로서, 여러 개의 반경 방향 개구가 냉각 매체의 통과를 위해 슬립 링 내에 형성되고, 그리고 경사진 환형 공기 틈새는, 본 발명의 예로서 슬립 링 배열체를 구축하기 위해, 슬립 링 아래에 놓이며, 홈들이, 슬립 링의 상측부 상에 형성되며, 그리고 일부 반경 방향 개구들은, 홈들이 개구들과 함께 냉각 매체를 위한 통로를 형성하도록 홈들을 연결하기 위해, 홈들에 연결되는 것인, 슬립 링 배열체의 일부분에 대한 측단면도를 도시하고;
도 2는, 슬립 링 아래에서 경사진 환형 공기 틈새에 의해 감소된 직경을 갖는 로터 샤프트의 샤프트 지지대 상에서 수축되는, 도 1과 유사한 슬립 링 배열체의 부분 단면도, 및 로터 샤프트 아래의 절단되지 않은 도면을 도시하며;
도 3은, 둥근 직사각형 단면을 갖는 슬립 링 내에 균일하게 형성되는 개구들을 갖는, 본 발명의 예에 따른 슬립 링의 사시도를 도시한다.
도면들을 참조하면, 이들은, 슬립 링 배열체들의 종방향 측부의 측면들 및 슬립 링을 도시하고, 동일한 참조 부호들이, 여러 도면에 걸쳐 동일한 또는 대응하는 부분들을 지시한다.
도 1은, 본 발명의 예에 따른 슬립 링 배열체(1)의 일부분에 대한 측단면도를 도시한다. 본 개시에 따르면, 슬립 링 배열체(1)는, 경사진 환형 공기 틈새(5)를 갖는 슬립 링(11)으로서 한정된다. 슬립 링(11)은, 단일 부품으로 제작되는, 원통형 몸체(3), 수축 시트(2) 및 이들 사이의 단부 섹션(8)을 포함한다. 슬립 링(11)은, 흠이 없으며, 그리고 금속 또는 유사한 도전성 재료로 제작된다. 수축 시트(2)는, 샤프트 지지대(9)에 의해 로터의 샤프트(12)에 연결된다. 슬립 링(11)의 상측 부분에서, 로터 권선에 전류를 전달하기 위한 브러시들(10)이, 슬립 링(11)에 인접하게 놓인다. 로터의 종방향 축을 따르는 단면의 종방향 부분이 도시된다. 좌측부에서, 수축 시트(2)는, 확고한 연결을 생성하기 위해 전기 기계의 로터의 샤프트(12) 상으로 하측 면에서 수축되도록, 설계된다. 샤프트(12)와 수축 시트(2) 사이에서, 샤프트 지지대(9)가 양자 모두의 부품에 고정된다. 이러한 좌측부는 또한, 슬립 링(11)의 내측 단부이다. 도 1의 우측부에, 샤프트 지지대(9)에 직접적으로 연결되는, 슬립 링(11)의 일부분이, 도시된다. 이러한 부분은, 슬립 링(11)의 원통형 몸체(3)로서 여기에서 지칭된다. 원통형 몸체(3)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 수축 시트(2)보다 더 작은 너비 및 더 큰 길이를 갖는다. 슬립 링 배열체(1)의 수축 시트(2)와 원통형 몸체(3) 사이에, 단부 섹션(8)이 전류를 전달하는 부분들 중의 단부를 형성함에 따라, 슬립 링(11)의 단부 섹션(8)으로 지칭되는, 슬립 링 배열체(1)의 제2 부분이, 원통형 몸체(3)와 단일 부품으로 배열된다. 단부 섹션(8)은, 연결면에서 수축 시트(2)와 동일한 직경을 그리고 원통형 몸체(3)의 방향으로 감소하는 직경을 갖는다. 원통형 몸체(3)와의 연결면에서, 단부 섹션(8)은, 원통형 몸체(3)와 동일한 직경을 갖는다. 원통형 몸체(3)의 아래에, 자유 공간이, 냉각 매체의, 예를 들어 공기의 통과를 위해, 설계된다. 냉각 매체는, 송풍기(미도시) 없이 로터의 회전으로 인한 자체-송풍에 의해 이동하게 된다. 이러한 통로가, 경사진 환형 공기 틈새(5)로 지칭된다. 냉각 매체는, 작동 시 슬립 링(11)을 냉각시킨다. 냉각 매체의 유동 방향은, 도 1에서 화살표들에 의해 예시된다. 이러한 관점에서, 냉각 매체는, 도 2 아래에 도시되는 바와 같이, 우측으로부터 경사진 환형 공기 틈새(5) 내로 슬립 링(11)에 진입한다. 냉각 매체는, 슬립 링(11) 내에 형성되는 개구들(4)을 통과하며, 그리고 그로 인해 작동 시 슬립 링(11)을 냉각시킨다. 개구들(4)은, 수직 방향으로, 즉 로터 축 또는 로터 샤프트(12)에 수직으로, 슬립 링(11)을 관통한다. 이는, 개구들(4)이, 슬립 링(11) 내에 반경 방향으로 형성되고, 반경 방향 개구들(4)로 지칭된다는 것을, 의미한다. 개구들(4)은, 둥근 에지들을 갖는 직사각형 단면을 가지며, 도 1에 직사각형의 좁은 변이 도시되고, 직사각형의 더 긴 변이, 이미지 평면 내로 지향된다. 그러나, 개구들(4)은, 둥근, 타원형, 등의, 임의의 다른 형상을 가질 수 있다. 이러한 예에서, 반경 방향 개구들(4)은, 침식 기법에 의해, 슬립 링(11) 내에 형성된다. 반경 방향 개구들(4)은, 슬립 링(11)에서 균일하게 분포된다. 이러한 방책은, 개구들(4)을 갖는 슬립 링(11)의 높은 기계적 안정성을 초래한다. 냉각 매체는, 개구들(4)을 통과하며, 그리고 슬립 링(11)을 냉각시킨다. 냉각 매체의 유동은, 개구들(4) 내의 화살표들에 의해 예시된다. 슬립 링(11)은, 흠이 없는 슬립 링(11)을 통해 특정 정도만큼 관통하는, 슬립 링(11)의 상측면 상에 형성되는 홈들(6)을 갖는다. 홈들(6)은, 외측 표면으로부터 슬립 링(11) 내로 형성되며, 그리고 막힌 구멍들을 형성한다. 홈들(6)은, 슬립 링(11)의 냉각을 위해 역할을 하며, 그리고 또한, 슬립 링(11) 상부에서 브러시들(10)로부터의 마모에 따른 탄소 먼지를 안내하기 위한 기능을 갖는다. 슬립 링(11)의 원통형 몸체(3) 아래의 공간 또는 환형 공기 틈새(5)는, 경사지게 되며, 이는, 냉각 매체의 유동의 방향으로 슬립 링(11)의 외측으로부터 내측으로 감소하는 단면을 갖는다. 슬립 링(11)은, 단일 부품으로 확고한 방식으로 슬립 링(11)의 원통형 몸체(3)와 수축 시트(2)를 연결하는 단부 섹션(8)에 의해, 수축 시트(2)에 장착된다. 샤프트(12)의 직경은, 원통형 몸체(3) 또는 원통형 링의 단부를 향해 감소하고, 이는, 원통형 몸체(3)의 아래에 경사진 환형 공기 틈새(5)를 형성한다. 원통형 몸체(3) 아래의 경사진 환형 공기 틈새(5)는, 냉각 노력을 더욱 최적화하는, 반경 방향 개구들(4)을 통한 홈들(6)로의 균일한 유동 분포에 추가로 기여한다.
이러한 예에서, 각각의 제2 홈(6)에서, 개구(4)가, 슬립 링(11) 내에 형성되며 그리고 수직 방향으로 전체 슬립 링(11)을 관통하는 공통 통로를 홈(6)과 함께 형성한다. 냉각 매체의 통로는 여기서, 홈들(6)의 개구들(4)과의 조합으로서 설계된다. 그러나, 개구들(4)은, 슬립 링(11)의 전체 너비를 관통하는 냉각 매체를 위한 덕트를 생성하도록, 홈들(6)과 독립적으로 형성될 수 있다. 연결된 개구들(4)을 갖는 슬립 링 배열체(1)의 제조는, 본 기술 분야에 통상적으로 사용되지 않는, 침식 기법에 의해 단순화된다. 침식 기법은, 개구들(4)의 고정밀 성형을 가능하게 한다. 슬립 링(11)의 상측부에서, 냉각 매체는, 슬립 링 배열체(1) 및 로터로부터 외부로, 도 1의 슬립 링(11)으로부터 좌측의 배기구를 통해, 방출된다. 냉각 매체를 위한 배기구로서, 채널(미도시)이, 2개의 인접한 슬립 링 배열체(1) 사이에 배열된다. 추가의 송풍기가, 슬립 링(11) 내에서 가열된 냉각 매체의 방출을 추가로 지지하기 위해, 출구에 배치될 수 있다. 본 발명은 또한, 슬립 링(11) 내의 온도의 상당한 감소를 허용한다. 이는, 로터의 샤프트(12)의 안정적인 운전 거동에 기여한다.
도 2는, 로터 샤프트(12)에 통합되는, 도 1과 유사한 슬립 링 배열체(1)의 부분 단면도를 도시한다. 상측 절반부가, 절단 도면으로 도시되고, 하측 절반부가 절단되지 않은 도면으로 도시된다. 홈들(6), 개구들(4), 및 샤프트 지지대(9) 내의 경사진 환형 공기 틈새(5)를 갖는 절단된 슬립 링(11)이, 샤프트(12)에 장착된다. 위쪽 절반부로 도시되는, 슬립 링 배열체(1) 상부에, 총 12개의 브러시(10)가, 전기 기계의 작동 시 슬립 링(11)에 전류를 전달하기 위해, 슬립 링(11)에 인접하게 놓인다. 여기서, 6개의 브러시(10)가 도시되고, 6개의 브러시(10)는, 다른 측부에서 슬립 링(11)에 인접하게 놓인다. 브러시들(10)은, 절단 방식으로 부분적으로 도시되는, 브러시 기어 하우징(15) 내에 수용된다. 냉각 매체의 통로는, 화살표들에 의해 예시되고, 냉각 매체는, 위로부터 경사진 환형 공기 틈새(5)에 진입하며, 경사진 환형 공기 틈새(5)를 따라 그리고 조합된 홈들(6) 및 개구들(4)을 통해 유동한다. 경사진 환형 공기 틈새(5)로부터 브러시들(10)로 조합된 홈들(6) 및 개구들(4)을 통과한 이후에, 냉각 매체는, 배기 채널을 통해 우측에서 만곡된 화살표의 방향으로, 슬립 링(11)으로부터 탈출한다. 슬립 링(11)의 냉각은, 슬립 링(11)의 전체 원통형 몸체(3)를 따라 일어난다. 예시의 편리함을 위해, 본 발명의 예에 따른 수축 시트(2)를 갖지 않는 슬립 링(11)의 사시도가, 격리된 방식으로 도 3에 도시된다. 도 3에서, 중간에 둥근 직사각형 개구들(4)을 갖는 원통형 몸체(3)가 확인되며, 그리고 원통의 양 단부에 단부 섹션들(8)이 확인된다. 개구들(4)은, 축 방향으로보다 접선 방향으로 더 큰 폭을 가지며, 직사각형의 더 긴 변이 접선 방향으로 놓인다. 접선 방향으로의 각 개구(4)의 길이는, 40mm 미만이다. 개구들(4)의 이러한 치수들은, 효과적인 냉각 결과를 제공하는 것으로 입증된 바 있다. 반경 방향 개구들(4)의 존재와 더불어, 종래기술에 따라 샤프트 상에 장착되는 반경 방향 팬이, 선택적이다. 반경 방향 팬은, 슬립 링(11)의 냉각을 추가로 강화하기 위해 적용될 수 있다.
비록 본 발명은 그의 예시적인 실시예들을 참조하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명의 범위로부터 벗어남 없이, 다양한 변경들이 이루어질 수 있으며, 그리고 균등물들이 사용될 수 있다는 것이, 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상기한 설명은, 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 본 발명을 총망라하는 것으로 또는 본 발명을 개시된 정확한 형태로 제한하는 것으로 의도되지 않으며, 그리고 수정들 및 변경들이, 상기한 교시의 관점에서 가능하며, 또는 본 발명의 실무로부터 습득될 수 있을 것이다. 실시예들은, 당업자가, 예상되는 특정 용도에 적합하게 되는 것과 같은, 다양한 실시예에서 본 발명을 활용하는 것을 가능하게 하기 위해, 본 발명의 원리들 및 그의 실제 적용을 설명하기 위해, 선택되고 설명되었다. 본 발명의 범위는, 본 명세서에 첨부되는 청구항들에 의해, 그리고 그들의 균등물들에 의해, 한정되는 것으로, 의도된다.
수축 시트(2)는 샤프트(12) 상에서 수축 가능하다.

Claims (6)

  1. 원통형 몸체(3), 단부 섹션(8) 및 수축 시트(2)로 구성되는 슬립 링(11)을 갖는, 전기 기계를 위한 슬립 링 배열체(1)로서,
    원통형 몸체(3) 내에, 반경 방향 개구들(4)이 형성되고, 수축 시트(2)는 샤프트(12) 또는 샤프트(12)에 장착된 샤프트 지지대(9) 상에서 수축 가능하며, 샤프트(12) 또는 샤프트 지지대(9)는, 반경 방향 개구들(4)을 통해 냉각 매체를 유도하기 위해 원통형 몸체(3) 아래에 경사진 환형 공기 틈새(5)를 형성하도록, 원통형 몸체(3) 아래에서 감소된 직경을 갖고, 경사진 환형 공기 틈새(5)는 냉각 매체의 유동의 방향으로 슬립 링(11)의 외측으로부터 내측으로 감소하는 단면을 갖고, 슬립 링(11)의 내측은 수축 시트(2)에 인접한 것인, 전기 기계를 위한 슬립 링 배열체.
  2. 제 1항에 있어서,
    홈들(6)이, 상기 슬립 링(11)의 외측면에 형성되며, 그리고 상기 반경 방향 개구들(4)은, 일부의 또는 모든 상기 홈들(6)과 연결되는 것을 특징으로 하는 전기 기계를 위한 슬립 링 배열체.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 반경 방향 개구들(4)은, 접선 방향으로 직사각형의 더 긴 변을 갖는, 둥근 직사각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 전기 기계를 위한 슬립 링 배열체.
  5. 제 1항에 있어서,
    접선 방향으로의 하나의 반경 방향 개구(4)의 길이는, 40mm 미만인 것을 특징으로 하는 전기 기계를 위한 슬립 링 배열체.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 슬립 링(11) 내의 상기 반경 방향 개구들(4)은, 상기 슬립 링(11)의 원통형 몸체(3)를 따라 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는 전기 기계를 위한 슬립 링 배열체.
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