KR102632412B1 - 전자기 신호 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자기 신호 검출 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 단자부를 개선하여 부분 방전에 대하여 높은 감도, 신호 왜곡의 억제 및 높은 안정성 등의 우수한 동작 특성을 가지면서도 두께를 최소화하여 다양한 장치에 폭넓게 적용할 수 있는 전자기 신호 검출 장치에 관한 것이다.
본 발명에서는, 회전기의 고정자 슬롯의 권선과 웨지 사이에 설치되어 부분 방전을 검출하는 전자기 신호 검출 장치에 있어서, 기판; 상기 기판의 상면에 구비되어 상기 권선에서 발생하는 부분 방전에 의한 전자기 신호를 검출하는 신호 패턴; 및 상기 신호 패턴에 대한 접지(ground)로 동작하는 접지 패턴;을 포함하며, 상기 접지 패턴은, 상기 기판의 하면에 구비되는 제1 접지 패턴과, 상기 기판의 상면에 구비되어 상기 제1 접지 패턴과 전기적으로 연결되는 제2 접지 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 신호 검출 장치를 개시한다.

Description

전자기 신호 검출 장치 {Apparatus for detecting electromagnetic signal}
본 발명은 전자기 신호 검출 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 단자부를 개선하여 부분 방전에 대하여 높은 감도, 신호 왜곡의 억제 및 높은 안정성 등의 우수한 동작 특성을 가지면서도 두께를 최소화하여 다양한 장치에 폭넓게 적용할 수 있는 전자기 신호 검출 장치에 관한 것이다.
통상적으로, 고전압에서 동작하는 발전기와 모터 등 고압 회전기 등에 구비되는 고정자 권선(stator winding)을 둘러싸는 절연체(insulator)는 시간이 지나면서 열화를 하게 된다. 이러한 열화로 인하여 부분 방전(partial discharging)이 발생할 수 있으며, 나아가 부분 방전의 발생은 절연체를 추가로 열화시키고 악순환이 되면서 종국에는 절연 파괴와 고장으로 이어질 수 있다. 그러므로, 절연체의 열화 정도를 감시하고 수리 시기를 예측하는 것은 매우 중요하며, 부분 방전의 측정 및 감시를 통해 상기 절연체의 열화 및 수리 시기에 대한 예측과 관리가 가능하게 된다.
종래에는 고전압 회전기 등의 동작을 정지시킨 후 권선으로 외부에서 고전압을 인가하여 고가의 결합 커패시터로 부분 방전을 측정하는 정지 중 측정법이 이용되었다. 그러나, 상기 정지 중 측정법은 시간이 많이 걸리고, 고용량의 고전압 발생기가 필요하며, 실제 운전 상태에만 나타나는 특정한 방전에 대해서는 측정이 어렵다는 한계가 있었다.
이에 대하여, 고전압 회전기 등을 구동하면서 부분 방전을 측정하는 운전 중 측정법에 관한 연구가 이루어졌으며, 이에 따라 도 1에 예시된 바와 같이 고정자 슬롯(12)의 웨지(16) 하부에 장착되어 운전 상태에서 부분 방전을 검출하는 측정 장치(14)의 개발 및 적용이 시도되어 왔다. 위와 같은 고정자 슬롯 설치 방식의 검출 장치(14)는, 고정자 권선(10) 주위의 절연체에서 발생하는 부분 방전에 의해 유도된 광대역의 임펄스 전류 신호가 고정자 권선(10)을 따라 흐르다가 검출 장치(14)의 도체에 전자기적으로 커플링되는 원리로 동작한다. 이러한 종류의 검출 장치(14)는 권선 도체(10)에 직접적인 연결을 하지 않고 반 도전층 바깥쪽에 설치하므로 비교적 안전하고, 잡음 신호의 주요 원인 중 하나인 상분리 모선과 떨어져 있으며 부분 방전 발생 부위와 가까워 잡음에 강하다는 장점을 가진다.
보다 구체적으로, 도 2에 예시된 바와 같이, 상기 기존의 고정자 슬롯 설치 방식의 검출 장치(14)는 마이크로스트립(microstrip) 또는 이를 적층한 구조로 구성될 수 있으나, 상기 마이크로스트립을 이용한 구조는 신호를 검출하는 신호 도전체(20)의 폭이 좁고, 검출된 신호의 전송시 주로 회로 기판 평면에 수직인 방향으로 신호 도전체(20) 주변에 전자기장이 형성되어, 부분 방전 발생시 검출 장치(14)의 설치 위치에서의 전계 분포와 부합하지 않아 고정자 권선(10)으로부터 효과적인 커플링이 힘들고 감도도 낮아지게 된다.
또한, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 종래 마이크로스트립을 이용한 검출 장치(14)의 경우, 신호 도전체(20)와 접지 도체(22)가 기판의 상면과 하면으로 분리되어 있어, 상기 검출 장치(14)의 모서리에 동축 케이블(24)을 고정시켜야 하는데, 이때 0.1 mm등 회로기판의 얇은 두께를 고려하면 동축 케이블(24)의 피복이 제거되어 분리된 중심(core) 도체 및 접지(ground) 도체의 단락을 방지하기 위해 매우 정밀한 제작 공정이 수행되어야 하고 상기 구조를 안정적으로 고정하기 위한 추가적인 고정 구조물도 필요하게 된다.
나아가, 도 2에 예시된 바와 같이, 상기 마이크로스트립을 이용한 검출 장치(14)의 연결 구조에서는 동축 신호선(24)의 중심 도체가 상기 신호 도전체(20)와 연결되는 단순한 구조로 구성되어 부분 방전 신호중 초단파 대역 이상의 주파수 성분은 정합이 되지 않아 상당 부분 소실되면서 파형이 왜곡되는 문제도 따르게 된다.
이에 대하여, 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0102032호에서는, 도 3에 도시된 바와 같이, 평면 도파관(CPW: Co-planar waveguide) 구조를 이용하여 부분 방전의 감도를 높이고 동작 상한 주파수를 극초단파 대역까지 확장할 수 있는 평면 도파관(CPW)을 이용한 부분 방전 검출 장치(14)를 개시하고 있다.
그런데, 상기 평면 도파관(CPW)을 이용한 부분 방전 검출 장치(14)에서는 검출된 부분 방전 검출 신호의 왜곡을 방지하면서 계측기로 전달하기 위하여 고주파 커넥터를 이용하거나, 동축 케이블(24)의 중심 도체와 접지 도체를 직접 납땜(soldering)하는 방식으로 연결하게 되며, 나아가 상기 고주파 커넥터 및 동축 케이블 등을 열적 및 기계적으로 보호하기 위하여 보강재를 부가할 수 있다(도 4 참조).
그러나, 상기 보강재와 고주파 컨넥터의 사용은 검출 장치(14)의 두께를 증가시키게 되어 저압 전동기 등과 같이 고정자 슬롯(12) 등 검출 장치(14)가 설치되는 공간이 제한된 구조에는 적용이 어려워지는 문제를 초래할 수 있다.
이를 해결하기 위해, 검출 장치(14)의 조립 후에 신호 전달에 영향을 주지 않을 만큼 고주파 컨넥터 등을 추가 가공하여 두께를 줄이는 방법도 고려될 수 있겠으나, 이러한 경우에도 두께 개선 효과가 제한되고 오히려 불량 발생 확률이 높아질 수 있어 실제 적용이 어려운 것이 현실이다.
이에 대하여, 고주파 컨넥터를 사용하지 않고 동축 케이블(24)을 직접 연결하는 방식은 제작 편차 및 불량 확률이 다소 증가할 수는 있겠으나, 위와 같은 문제점을 해결할 수 있는 가장 현실적인 대안 중 하나이다. 그러나, 이러한 경우 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이 평면 도파관(CPW)을 이용한 검출 장치(14)의 동일 평면에 위치하는 신호 도전체(20)와 접지 도체(22)를 구분하여 납땜(soldering)해야 하는데, 상기 검출 장치(14)의 신호 도전체(20) 및 접지 도체(22) 간의 간격(도 5의 (A))이 좁아지면서 제작 공정의 난이도가 증가하고 불량률도 높아질 수 있으며, 또한 특성 임피던스(characteristic imepedance) 등의 편차가 커지면서 원하는 부분 방전 검출 성능을 얻기가 어려워질 수 있다. 나아가, 상기 검출 장치(14)가 사용되는 가혹한 설치 환경을 고려하면 상기 신호 도전체(20) 및 접지 도체(22) 간의 간격이 1 mm 이하 등과 같이 좁은 경우 열화로 인한 특성 변화가 크게 나타날 수 있어 더욱 어려운 문제를 초래할 수 있다.
한국 공개특허공보 제10-2009-0102032호 (2009.09.30)
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 계측기로 연결되는 단자부를 개선하여 부분 방전에 대하여 높은 감도를 가지고, 초단파 대역 이상의 신호에 대해서도 왜곡을 효과적으로 억제할 수 있으며, 높은 안정성 등의 우수한 동작 특성을 가지면서도 두께를 최소화하여 다양한 장치에 폭넓게 적용할 수 있는 전자기 신호 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명에서는 제작 공정의 난이도를 낮추어 제작 과정에서의 불량 발생 및 제품 특성 편차 증가도 효과적으로 억제할 수 있는 전자기 신호 검출 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
그 외 본 발명의 세부적인 목적은 아래에 기재되는 구체적인 내용을 통하여 이 기술 분야의 전문가나 연구자에게 자명하게 파악되고 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따른 전자기 신호 검출 장치는, 회전기의 고정자 슬롯의 권선과 웨지 사이에 설치되어 부분 방전을 검출하는 전자기 신호 검출 장치로서, 기판; 상기 기판의 상면에 구비되어 상기 권선에서 발생하는 부분 방전에 의한 전자기 신호를 검출하는 신호 패턴; 및 상기 신호 패턴에 대한 접지(ground)로 동작하는 접지 패턴;을 포함하며, 상기 접지 패턴은, 상기 기판의 하면에 구비되는 제1 접지 패턴과, 상기 기판의 상면에 구비되어 상기 제1 접지 패턴과 전기적으로 연결되는 제2 접지 패턴을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1 접지 패턴은, 상기 신호 패턴을 중심으로 상기 기판의 하면 일측에 구비되는 제1-1 접지 패턴과, 상기 신호 패턴을 중심으로 상기 기판의 하면 타측에 상기 제1-1 접지 패턴과 대향하여 구비되는 제1-2 접지 패턴을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1-1 접지 패턴과 상기 제1-2 접지 패턴은, 상기 신호 패턴과 미리 정해진 이격 거리를 유지하면서 길이 방향에 따라 일정한 특성 임피던스를 가질 수 있다.
또한, 상기 신호 패턴으로부터 상기 제2 접지 패턴까지의 이격 거리는, 상기 신호 패턴으로부터 상기 제1 접지 패턴까지의 이격 거리보다 클 수 있다.
또한, 상기 제2 접지 패턴은, 상기 신호 패턴의 일측에 구비되는 제2-1 접지 패턴과, 상기 신호 패턴의 타측에 상기 제2-1 접지 패턴과 대향하여 구비되는 제2-2 접지 패턴을 구비할 수 있다.
이때, 상기 신호 패턴에는 계측기로 연결되는 동축 케이블의 중심 도체가 연결되고, 상기 제2-1 접지 패턴과 상기 제2-2 접지 패턴에는 상기 동축 케이블의 접지 도체가 연결될 수 있다.
또한, 상기 신호 패턴은, 상기 제2-1 접지 패턴과 상기 제2-2 접지 패턴이 구비되는 제1 영역에서는 일정한 제1 선폭을 가지고, 길이 방향에 따라 상기 제1 영역에 연접하는 제2 영역에서는 제2 선폭까지 감소하는 테이퍼 형상을 가지며, 길이 방향에 따라 상기 제2 영역에 연접하는 제3 영역에서는 제3 선폭까지 증가하는 테이퍼 형상을 가지며, 길이 방향에 따라 상기 제3 영역에 연접하는 제4 영역에서는 상기 제3 선폭을 유지하는 형상을 가질 수 있다.
나아가, 상기 제1 접지 패턴은, 상기 기판 상면의 상기 신호 패턴의 형상에 대응하여, 상기 기판 하면에서 상기 산호 패턴의 형상이 제거된 패턴의 형상을 가질 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치에서는, 계측기로 연결되는 단자부를 개선하여 부분 방전에 대하여 높은 감도를 가지고, 초단파 대역 이상의 신호에 대해서도 왜곡을 효과적으로 억제할 수 있으며, 높은 안정성 등의 우수한 동작 특성을 가지면서도 두께를 최소화하여 다양한 장치에 폭넓게 적용할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치에서는, 제작 공정의 난이도를 낮추어 제작 과정에서의 불량 발생 및 제품 특성 편차 증가도 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 고전압 회전기에서의 운전 중 부분 방전 측정 기술을 예시하는 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 마이크로스트립을 이용한 검출 장치를 예시하는 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 평면 도파관(CPW)을 이용한 부분 방전 검출 장치를 예시하는 도면이다.
도 4는 종래 기술에 따른 단자부에 구비된 보강재를 예시하는 도면이다.
도 5는 종래 기술에 따른 평면 도파관(CPW)을 이용한 부분 방전 검출 장치에서의 문제점을 예시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치의 구조를 예시하는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 전자기 신호 검출 장치를 확대하여 도시하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치의 전계 분포 시뮬레이션 모델링을 예시하는 도면이다.
도 9는은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치에서의 전계 분포 시뮬레이션 결과를 예시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 이하에서는 특정 실시예들을 첨부된 도면을 기초로 상세히 설명하고자 한다.
이하의 실시예는 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시 예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
아래에서는, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치에 대한 예시적인 실시 형태들을 첨부된 도면을 참조하여 차례로 설명한다.
먼저, 도 6에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)의 구조가 도시되어 있다.
도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)는, 회전기의 고정자 슬롯의 권선과 웨지 사이에 설치되어 부분 방전을 검출하는 전자기 신호 검출 장치(100)로서, 기판(110), 상기 기판(110)의 상면에 구비되어 상기 권선에서 발생하는 부분 방전에 의한 전자기 신호를 검출하는 신호 패턴(120) 및 상기 신호 패턴에 대한 접지(ground)로 동작하는 접지 패턴(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 접지 패턴(130)은, 상기 기판(110)의 하면에 구비되는 제1 접지 패턴(131)과, 상기 기판(110)의 상면에 구비되어 상기 제1 접지 패턴(131)과 전기적으로 연결되는 제2 접지 패턴(132)을 포함하여 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 6(a)에서는 기판(110) 상면(top view)에서의 신호 패턴(120)과 접지 패턴(130)을 도시하고 있으며, 도 6(b)에서는 기판(110) 하면(bottom view)에서의 접지 패턴(130)을 도시하고 있다.
또한, 상기 회전기는 발전기나 모터 등 고정자(stator)와 회전자(rotor)를 구비하여 동작하는 발전기나 모터 등을 의미하나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)는, 상기 회전기의 고정자 슬롯의 권선(winding)과 웨지(wedge) 사이에 구비되어 고정자의 권선에서 발생하는 부분 방전(partial discharging)에 의해 생성되는 펄스에 의해 상기 전자기 신호 검출 장치(100)로 커플링(coupling)되어 유도되는 전자기 신호(electromagnetic signal)을 검출하게 된다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)에서는, 계측기로 연결되는 단자부를 개선하여 부분 방전에 대하여 높은 감도를 가지고, 초단파 대역 이상의 신호에 대해서도 왜곡을 효과적으로 억제할 수 있으며, 높은 안정성 등의 우수한 동작 특성을 가지면서도 두께를 최소화하여 다양한 장치에 폭넓게 적용할 수 있으며, 또한 제작 공정의 난이도를 낮추어 제작 과정에서의 불량 발생 및 제품 특성 편차 증가도 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)를 각 구성 요소 별로 나누어 보다 자세하게 살핀다.
먼저, 상기 전자기 신호 검출 장치(100)에는 기판(110)이 구비된다.
이때, 상기 기판(110)은 회전기의 고정자 슬롯의 권선과 웨지 사이에 설치되어 부분 방전 등 가혹한 환경에 노출되더라도 안정적으로 특성을 유지할 수 있는 재질로 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)에서 상기 기판(110)은 저압 전동기 등과 같이 설치 공간이 제한된 구조에도 적용 가능하도록 얇은 두께(예를 들어, 0.1mm)의 기판(110)일 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)에서 상기 기판(110)은 평판 구조의 기판일 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 설치 공간의 제약에 맞추어 휘거나 접는 등 형상의 변형이 가능한 유연 기판(flexible substrate)일 수도 있다.
다음으로, 상기 신호 패턴(120)은 상기 기판(110)의 상면에 구비되어 상기 권선에서 발생하는 부분 방전에 의한 전자기 신호를 검출하게 된다.
이때, 상기 신호 패턴(120)은 식각 공정(etching)을 이용하여 구현될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 도금 등 미리 정해진 패턴을 생성할 수 있는 다양한 공정을 적용하여 구현하는 것도 가능하다.
또한, 상기 신호 패턴(120)은 박막(예를 들어, 0.01mm) 구조의 동박(copper) 패턴으로 구현할 수 있으나, 본 발명이 반드시 아니며 도전체 재질의 다양한 패턴으로 구현 가능하다.
나아가, 도 6(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 기판(110)의 상면에는 제2 접지 패턴(132)이 구비될 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 기판(110)의 종단에서 상기 신호 패턴(120)의 일측에는 제2-1 접지 패턴(1321)이 구비되고, 상기 신호 패턴(120)의 타측에는 상기 제2-1 접지 패턴(1321)과 대향하여 제2-2 접지 패턴(1322)이 구비될 수 있다.
이때, 상기 제2-1 접지 패턴(1321)과 상기 제2-2 접지 패턴(1322)은 비아홀(via-hole) 공정 후 도금 공정을 진행하여 상기 기판(110)의 하면에 구비되는 제1 접지 패턴(131)과 전기적으로 연결될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)에서, 상기 신호 패턴(120)에는 계측기로 연결되는 동축 케이블(coaxial cable)의 중심(core) 도체가 연결되고, 상기 제2-1 접지 패턴(1321)과 상기 제2-2 접지 패턴(1322)에는 상기 동축 케이블의 접지(ground) 도체가 연결되는 구조를 형성할 수 있다.
이때, 상기 제2-1 접지 패턴(1321)과 상기 제2-2 접지 패턴(1322)은 상기 신호 패턴(120)으로부터 멀리 이격 배치되어 TEM 모드(transverse electromagnetic mode) 전계가 거의 형성되지 않으며, 특성 임피던스에 미치는 영향도 최소화할 수 있게 된다.
나아가, 도 7(a)에서는 도 6의 (S1) 부분을 확대하여 도시하고 있는데, 도 7(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 신호 패턴(120)은 상기 제2-1 접지 패턴(1321)과 상기 제2-2 접지 패턴(1322)이 구비되는 제1 영역(도 7(a)에서 (A1))에서는 일정한 제1 선폭(도 7(a)에서 (W1))을 가지고, 길이 방향에 따라 상기 제1 영역에 연접하는 제2 영역(도 7(a)에서 (A2))에서는 제2 선폭(도 7(a)에서 (W2))까지 감소하는 테이퍼 형상을 가지며, 길이 방향에 따라 상기 제2 영역에 연접하는 제3 영역(도 7(a)에서 (A3))에서는 제3 선폭(도 7(a)에서 (W3))까지 증가하는 테이퍼 형상을 가지며, 길이 방향에 따라 상기 제3 영역에 연접하는 제4 영역(도 7(a)에서 (A4))에서는 상기 제3 선폭을 유지하는 형상을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 신호 패턴(120)은 적용되는 동작 조건 등에 따라 다양한 형상으로 구현하는 것도 가능하다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)의 경우, 종래의 마이크로스트립을 이용한 검출 장치(14)가 기판 재료와 두께에 의존하여 신호 도전체(20)의 폭이 한정되고 이에 따라 감도 특성도 제한되는 것과 달리, 신호 패턴(120)의 폭을 증가시켜 고정자 권선(10)과의 용량성(capacitance)을 키워 감도 특성을 개선하면서도 동시에 접지 패턴(130)과의 간격을 조절하여 특성 임피던스(characteristic impedance)를 조절할 수 있어, 부분 방전에 대한 검출 성능도 개선할 수 있게 된다.
다음으로, 상기 접지 패턴(130)은 상기 신호 패턴(120)에 대한 접지(ground)로 동작하게 된다.
이때, 상기 접지 패턴(130)은, 상기 기판(110)의 하면에 구비되는 제1 접지 패턴(131)과, 상기 기판(110)의 상면에 구비되어 상기 제1 접지 패턴(131)과 전기적으로 연결되는 제2 접지 패턴(132)을 포함하여 구성될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 6(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 접지 패턴(131)은, 상기 신호 패턴(120)을 중심으로 상기 기판(110)의 하면 일측에 구비되는 제1-1 접지 패턴(1311)과, 상기 신호 패턴(120)을 중심으로 상기 기판(120)의 하면 타측에 상기 제1-1 접지 패턴(1311)과 대향하여 구비되는 제1-2 접지 패턴(1312)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1-1 접지 패턴(1311)과 상기 제1-2 접지 패턴(1312)은, 상기 신호 패턴(120)과 미리 정해진 이격 거리를 유지하게 되며, 이에 따라 길이 방향에 따라 일정한 특성 임피던스(characteristic impedance)를 가질 수 있다.
보다 구체적으로, 도 6(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제1 접지 패턴(131)은, 상기 기판(110) 상면에 구비되는 상기 신호 패턴(120)의 형상에 대응하여, 상기 기판(110) 하면에서 상기 산호 패턴(120)의 형상이 제거된 패턴의 형상으로 구현하는 것이 가능하다.
또한, 도 6(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 상기 제2 접지 패턴(132)은, 상기 신호 패턴(120)의 일측에 구비되는 제2-1 접지 패턴(1321)과, 상기 신호 패턴(120)의 타측에 상기 제2-1 접지 패턴(1321)과 대향하여 구비되는 제2-2 접지 패턴(1322)을 포함할 수 있으며, 상기 제2-1 접지 패턴(1321)과 상기 제2-2 접지 패턴(1322)은 비아 홀(via hole) 등을 통해 상기 기판(110) 하면의 제1 접지 패턴(131)로 연결될 수 있다.
나아가, 도 7(a)를 참조하여 살펴보면, 상기 신호 패턴(120)으로부터 상기 기판(110)의 상면에 위치하는 상기 제2 접지 패턴(132)까지의 이격 거리(도 7(a)에서 (D))는, 상기 신호 패턴(120)으로부터 상기 기판(110)의 하면에 위치하는 상기 제1 접지 패턴(131)까지의 이격 거리보다 멀리 배치될 수 있으며, 나아가 상기 제2 접지 패턴(132)에는 TEM 모드(transverse electromagnetic mode) 전계가 미리 정해진 기준치 이하로 형성되도록 상기 신호 패턴(120)까지의 이격 거리(도 7(a)에서 (D))를 확보하는 것이 바람직하며 이를 통해 특성 임피던스에 미치는 영향을 최소화할 수 있게 된다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)에서는, 상기 신호 패턴(120)에는 계측기로 연결되는 동축 케이블(coaxial cable)의 중심(core) 도체를 납땜(soldering) 등으로 연결하고, 상기 제2-1 접지 패턴(1321)과 상기 제2-2 접지 패턴(1322)에는 상기 동축 케이블의 접지(ground) 도체를 연결하는 구조로 구현할 수 있으며, 이를 통해 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)는, 부분 방전에 대하여 높은 감도를 가지고, 초단파 대역 이상의 신호에 대해서도 왜곡을 효과적으로 억제할 수 있으며, 높은 안정성 등의 우수한 동작 특성을 가지면서도 두께를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 나아가 제작 공정의 난이도를 낮추어 제작 과정에서의 불량 발생 및 제품 특성 편차 증가도 효과적으로 억제할 수 있게 된다.
또한, 도 8에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)의 전계 분포 시뮬레이션(simulation)을 위한 3차원 모델링을 예시하고 있으며, 도 9에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)의 전계 분포 시뮬레이션(simulation) 결과를 예시하고 있다.
보다 구체적으로, 도 8(a)에서 볼 수 있는 바와 같이, 기판(110)의 상면에는 신호 패턴(120)과 제2-1 접지 패턴(1321) 및 제2-2 접지 패턴(1322)이 구비될 수 있고, 도 8(b)에서 볼 수 있는 바와 같이 상기 기판(110)의 하면에는 제1-1 접지 패턴(1311)과 제1-2 접지 패턴(1312)이 구비될 수 있다.
이때, 상기 신호 패턴(120)으로부터의 상기 제2 접지 패턴(1321, 1322) 까지의 이격 거리는, 상기 신호 패턴(120)으로부터의 상기 제1 접지 패턴(1311, 1312)까지의 이격 거리보다 멀리 배치되어, 나아가 상기 제2 접지 패턴(132)에는 TEM 모드의 전계가 미리 정해진 기준치 이하로 형성되도록 하는 것이 바람직하다.
이에 따라, 전계 분포 시뮬레이션 결과를 보더라도, 도 9(a)에서 볼 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)에서는 상기 제2 접지 패턴(132)에 TEM 모드의 전계가 거의 형성되지 않으며, 이에 따라 특성 임피던스에 미치는 영향도 최소화할 수 있음을 확인할 수 있다.
반면, 도 9(b)에서는 도 5에 도시된 평면 도파관(CPW)을 이용한 부분 방전 검출 장치(14)에 대한 전계 분포 시뮬레이션 결과를 도시하고 있는데, 도 9(b)에서 볼 수 있는 바와 같이, 평면 도파관(CPW)을 이용한 부분 방전 검출 장치(14)에서는 접지 도체(22)와 신호 도전체(20)의 사이에 전계 분포가 집중되면서 상기 접지 도체(22)에도 상당한 크기의 TEM 모드의 전계가 형성되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)에서는, 계측기로 연결되는 단자부를 개선하여 부분 방전에 대하여 높은 감도를 가지고, 초단파 대역 이상의 신호에 대해서도 왜곡을 효과적으로 억제할 수 있으며, 높은 안정성 등의 우수한 동작 특성을 가지면서도 두께를 최소화하여 다양한 장치에 폭넓게 적용할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 전자기 신호 검출 장치(100)에서는, 제작 공정의 난이도를 낮추어 제작 과정에서의 불량 발생 및 제품 특성 편차 증가도 효과적으로 억제할 수 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 기재된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의해서 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 고정자 권선
12 : 슬롯
14 : 검출 장치
16: 웨지
20 : 신호 도전체
22 : 접지 도체
24 : 동축 케이블
26 : 고주파 커넥터
28 : 출력부
30 : 저항
100 : 전자기 신호 검출 장치
110 : 기판
120 : 신호 패턴
130 : 접지 패턴
131 : 제1 접지 패턴
1311 : 제1-1 접지 패턴
1312 : 제1-2 접지 패턴
132 : 제2 접지 패턴
1321 : 제2-1 접지 패턴
1322 : 제2-2 접지 패턴

Claims (8)

  1. 회전기의 고정자 슬롯의 권선과 웨지 사이에 설치되어 부분 방전을 검출하는 전자기 신호 검출 장치에 있어서,
    기판;
    상기 기판의 상면에 구비되어 상기 권선에서 발생하는 부분 방전에 의한 전자기 신호를 검출하는 신호 패턴; 및
    상기 신호 패턴에 대한 접지(ground)로 동작하는 접지 패턴;을 포함하며,
    상기 접지 패턴은,
    상기 기판의 하면에 구비되는 제1 접지 패턴과,
    상기 기판의 상면에 구비되어 상기 제1 접지 패턴과 대향하여 구비되는 제2 접지 패턴을 포함하고,
    상기 제2 접지 패턴은,
    상기 신호 패턴의 일측에 구비되는 제2-1 접지 패턴과,
    상기 신호 패턴의 타측에 상기 제2-1 접지 패턴과 대향하여 구비되는 제2-2 접지 패턴을 구비되며,
    상기 신호 패턴은,
    상기 제2-1 접지 패턴과 상기 제2-2 접지 패턴이 구비되는 제1 영역에서는 일정한 제1 선폭을 가지고,
    길이 방향에 따라 상기 제1 영역에 연접하는 제2 영역에서는 제2 선폭까지 감소하는 테이퍼 형상을 가지며,
    길이 방향에 따라 상기 제2 영역에 연접하는 제3 영역에서는 상기 제1 선폭보다 큰 제3 선폭까지 증가하는 테이퍼 형상을 가지며,
    길이 방향에 따라 상기 제3 영역에 연접하는 제4 영역에서는 상기 제3 선폭을 유지하는 형상을 가지고,
    상기 기판 하면에 구비되는 상기 제1 접지 패턴은 상기 기판 상면의 상기 신호 패턴에 대응하는 형상이 제거되어 상기 신호 패턴에 대응하는 형상의 기판이 노출된 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 전자기 신호 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 접지 패턴은,
    상기 신호 패턴을 중심으로 상기 기판의 하면 일측에 구비되는 제1-1 접지 패턴과,
    상기 신호 패턴을 중심으로 상기 기판의 하면 타측에 상기 제1-1 접지 패턴과 대향하여 구비되는 제1-2 접지 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 신호 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1-1 접지 패턴과 상기 제1-2 접지 패턴은,
    상기 신호 패턴과 이격된 최단 거리인 이격 거리를 길이 방향에 따라 유지하면서 일정한 특성 임피던스를 가지는 것을 특징으로 하는 전자기 신호 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호 패턴으로부터 상기 제2 접지 패턴까지 이격된 최단 거리인 제2 이격 거리는,
    상기 신호 패턴으로부터 상기 제1 접지 패턴까지 이격된 최단 거리인 제1 이격 거리보다 큰 것을 특징으로 하는 전자기 신호 검출 장치.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 신호 패턴에는 계측기로 연결되는 동축 케이블의 중심 도체가 연결되고,
    상기 제2-1 접지 패턴과 상기 제2-2 접지 패턴에는 상기 동축 케이블의 접지 도체가 연결되는 것을 특징으로 하는 전자기 신호 검출 장치.
  7. 삭제
  8. 삭제
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