KR20060051648A - 발전기용 스테이터 바아의 리와인드 방법 - Google Patents

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KR20060051648A
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마크 스티븐 클러프
프랭크 조셉 가와토스키
크레이그 앨런 로블류스키
제프리 앨런 헨켈
윌리암 젠 뉴맨
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

스테이터 바아의 리와인드 방법은 발전기 현장에서 스테이터 바아(16, 18)의 분해 단계와, 스테이터 바아의 측정(30) 단계와, 제조 센터로 측정치의 디지털 방식 표시를 전송하는 단계와, 교체를 요하는 스테이터 바아와 스테이터의 3차원 모델을 형성하는 단계를 포함한다. 스테이터 바아의 3차원 모델은 맞춤의 정확도를 보장하기 위해 스테이터의 3차원 모델 내에 위치된다. 툴링 및 스테이터 바아의 도면이 생성되고 샘플 스테이터 바아가 제조된다. 제조된 샘플 스테이터 바아의 3차원 모델링은 정확도를 보증하기 위해 공칭 3차원 모델과 비교된다. 교체용 스테이터 바아는 현존하는 발전기 내로 조립을 위한 배치(batches) 내에서 제조되고 전송된다.

Description

발전기용 스테이터 바아의 리와인드 방법{PROCESS FOR RAPID ON-DEMAND STATOR REWINDS IN ELECTRICAL GENERATORS}
도 1은 발전기의 스테이터 코어를 통해 연장되는 스테이터 바아를 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 회전과 비틀림을 도시한 스테이터 코어로부터 돌출된 상부 및 하부 스테이터 바아의 단부도,
도 3은 기존의 발전기로부터 제거된 스테이터 바아의 형상을 측정하기 위한 현장 측정 장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 교체용 스테이터 바아의 단부를 형성하기 위한 폼의 하나의 단부를 개략적으로 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 주문형 스테이터 리와인드 방법을 도시한 블록 다이어그램.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 발전기 16, 18 : 스테이터 바아
30 : 형상 34 : 센서
40 : 코어부 44 : 클램프
46 : 구멍 48 : 윤곽부
본 발명은 현존하는 전력 생산용 지상 발전기(land based generators) 상의 스테이터 바아 리와인드(stator bar rewinds)에 관한 것으로, 특히 본래의 장비 제조자와는 무관하게 현존하는 발전기 내의 스테이터 바아의 품질과 신뢰도를 향상시키기 위한 주문형(on-demand) 스테이터 바아의 리와인드 방법에 관한 것이다.
일반적으로 지상 발전기는 스테이터 코어(core) 내의 슬롯(slot) 내에 배치된 복수의 스테이터 바아를 포함한다. 잘 공지되어 있는 바와 같이, 일반적으로 각각의 스테이터 바아는 개별적으로 전기 전도성인 복수의 스트랜드(strands)로 구성되어 있다. 각각의 스테이터 바아는 일반적으로 원추의 원주 방향으로 비틀리고 연장되어 있는 대향 단부를 갖는다. 각각의 단부는 스테이터 주위에 적어도 하나의 상(phase) 내에 전기 회로를 완성하기 위해서, 예컨대 납땜으로 다른 스테이터 바아에 연결된다. 스테이터 바아 부분의 중간 단부는 일반적으로 강성이고 선형적으로 연장된다. 종종 단부 권선(end windings)이라고 지칭되는 스테이터 바아의 단부는, 단부가 스테이터 코어로부터 연장되고 선형 중간 부분부터 비틀림에 따라 원추형으로 시계방향 또는 반시계방향을 나타낼 수 있다. 단부 권선은 각각 상이한 타입의 발전기에 대한 각각의 스테이터 바아의 대향 단부에서 독특한 형상을 구 성한다.
여러 가지 품질 및 신뢰도 증가를 갖는 새로운 스테이터 권선을 구비하여 노후된 발전기 내의 기존의 스테이터 권선을 교체하는 것이 바람직하다고 알려져 있다. 예컨대, 기존의 발전기 내의 노후된 스테이터 권선은 실행성이 낮은 아스팔트 또는 석면 절연재를 빈번하게 구비하며, 새 것일 때만큼 효율적이지 않을 수 있다. 그 결과, 많은 발전기 오퍼레이터(operator)는 이러한 노후된 스테이터 권선을 향상된 기술을 제공하는 새로운 스테이터 권선으로 교체하기를 바란다. 본 발명이 스테이터 리와인드에 적절하지만, 예컨대 단부 권선 지지부와 슬롯 구조체, 접속 링(connection ring) 등의 스테이터 바아 용어는 적절한 원인이 되는 권선의 광범위한 의미를 구비하여 이러한 상세한 설명과 특허청구범위를 통해 편의상 사용될 것이다.
과거에, 발전기 스테이터 바아의 교체는 본래의 발전기 공급자, 즉 본래의 장비 제작자(original equipment manufacturer)에 의해 종종 수행되어 왔다. 이러한 공급자는 보통 공급된 본래의 장치로부터 데이터를 얻고 그에 따라 발전기의 특정한 타입에 유일한 스테이터 바아의 수작업 측정을 하였다. 결과적으로, 본래의 장비 제작자는 용이하게 스테이터 바아를 교체할 수 있다. 그러나, 본래의 장비 제작자가 아닌 공급자는 발전기의 특정 타입의 교체에 필수적인 스테이터 바아의 형상에 관계된 데이터를 이용할 수 없기 때문에 불리하다. 발전기 소유주가 본래의 장비 제작자가 아닌 공급자로부터 스테이터 바아의 교체를 원한다면, 일반적으로 소유주는 공급자가 기존의 스테이터 바아를 측정하고 스테이터 바아의 형상을 역 설계(reverse engineer)할 수 있도록 (계획된 운전 정지와는 대조되게) 측정 운전 정지(outage)를 제공해야 한다. 그러나, 비계획된 측정 운전 정지는 소유주에게 손실이 될 수 있고, 본래의 장비 제작자가 아닌 교체 스테이터 바아를 공급하는 공급자에게 추가로 비용이 들어간다.
또한 새로운 스테이터 바아의 설계, 툴링(tooling) 및 제조는 추가 비용이 들어간 스테이터 바아 측정 단계 이후에 상당한 시간을 요구한다. 예컨대, 교체 스테이터 바아가 설치되기 전에 기존의 스테이터와의 맞춤뿐만 아니라 교체 스테이터 바아 형상 그 자체의 정확도에 대한 추가적이고 필수적인 검사가 요구된다. 종종, 측정 및 설치 사이의 시간은 6개월 이상 연장될 수 있다. 측정 운전 정지 및 추가되는 리드 타임(lead time) 이외에도, 본래의 장비 제작 공급자에 의한 스테이터 바아의 교체와 관련된 비용에 관하여 스테이터 바아를 교체하는 본래의 장비 제작자가 아닌 공급자에 관련된 추가 비용이 초래된다. 결과적으로 본래의 장비 제작자와 무관하게 비용 효율적인 스테이터 바아 리와인드가 이루어질 수 있도록 기존의 발전기 내의 스테이터 바아의 교체와 관련된 리드 타임 및 비용을 감소시킬 필요가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, (a) 발전기의 현장에 현존하는 적어도 하나의 스테이터 바아의 형상을 측정하는 단계와, (b) 하나의 스테이터 바아의 측정된 형상의 디지털 방식 표시를 생성하는 단계와, (c) 상기 디지털 방식 표시와 기본적 으로 일치하는 상기 새로운 스테이터 바아를 제조하기 위해 디지털 방식 표시를 사용하여 새로운 스테이터 바아를 제조하는 단계와, (d) 새로운 스테이터 바아의 디지털 방식 표시를 생성하는 단계와, (e) 현장 발전기(on-site generator) 스테이터의 디지털 방식 표시를 생성하는 단계와, (f) 스테이터와 새로운 스테이터 바아의 각각의 디지털 방식 표시 맞춤의 정확도를 결정하기 위해 새로운 스테이터 바아 및 스테이터의 디지털 방식 표시를 비교하는 단계와, (g) 발전기 현장에 제조된 새로운 스테이터 바아를 발전기의 스테이터 내에 설치하는 단계를 포함하는, 발전기용 스테이터 바아의 리와인드를 위한 방법이 제공된다.
도 1을 참조하면, 종래의 방식으로 전기를 발생시키기 위해 로터(14)가 회전하는 축 중심선(12)을 갖는 일반적으로 지정된 발전기(10)의 반(half) 단면도가 개략적으로 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 상부 및 하부 스테이터 바아(16, 18)는 각각 스테이터 코어 슬롯 내에 배치되고, 각각 중심부(20, 22)를 포함하며, 일반적으로 스테이터 코어를 통해 선형적으로 연장된다. 스테이터 코어로부터 빠져나온 각각의 스테이터 바아의 단부는 도 2에 도시된 바와 같이 상이한 방향으로 연장되고, 일반적으로 원뿔 형상으로 비틀린다. 각각의 스테이터 바아의 단부는 스테이터를 통한 전기 회로를 완성하기 위해 다른 스테이터 바아의 단부에 연결되는 것이 인식될 것이다. 각각의 스테이터 바아는 함께 묶여진, 예컨대 밴드로 묶여지거나 절연재로 둘러싸인 복수의 컨덕터(conductor), 예컨대 구리 스트랜드로 형성 된다. 노후된 발전기에서, 절연재는 일반적으로 실행성이 낮은 재료인 아스팔트 또는 석면 재료로 형성될 수 있고, 스테이터 바아의 교체는 다른 것들 사이에서 절연성을 향상시킨다.
또는 각각의 스테이터 바아의 각 단부 또는 단부 권선은 발전기의 특정한 타입에 대해 다른 하나와 상이한 것이 인식될 것이다. 일반적으로 특정한 타입의 단일 발전기 내에는 수백 개의 스테이터 바아가 있고, 각각은 일반적으로 원뿔 형상의 비틀림을 가지는 독특한 형상의 단부 권선을 가지며, 단부 권선은 스테이터의 둘레로 원뿔형 시계방향 또는 반시계방향으로 연장된다. 본래 스테이터 바아 공급자로부터의 데이터가 없다면, 스테이터 바아의 본래의 장비 제작자가 아닌 공급자가 기존의 발전기를 향상시키기 위한 비용 효율적인 방식으로 높은 품질과, 스테이터 바아의 리와인드를 제공하는 것이 어려워진다.
비용 효율적인 방식으로 스테이터 바아의 교환을 확실하게 재연하기 위해서, 본 발명의 실시예는 하기를 제공한다.
1. 기존의 발전기 현장으로 운송 가능하고 현존하는 스테이터 바아를 신속하게 측정하는 성능을 지닌 휴대용 측정 장치.
2. 측정 장치로부터 측정된 데이터를 얻고 스테이터 바아의 상당히 큰 샘플(sample)을 제공하는 모델을 제조하는 자동화된 3D 모델링(modeling) 툴.
3. 하나 이상의 제조 센터가 툴링이 여러 가지의 스테이터 바아 제조 센터 내에 존재하거나 새로운 툴링을 요구하는지 아닌지를 확인하는 것을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 중요한 발전기와 스테이터 바아를 포함하는 툴링 데이터 베이 스.
4. 발전기 현장에서 측정되는 바와 같은 스테이터 바아의 아주 작은 모델을 비교하고, 제조된 교체 스테이터 바아의 3D 모델을 비교하는 3D 해석 툴.
5. 제조시 교체 스테이터 바아를 형성하기 위한 여러 가지의 툴을 장착하는 보편적이고 표준인 형태.
6. 실제상의 스테이터를 생성하기 위한 자동화된 툴은 툴이 실제적인 스테이터에 위치되는 모델 스테이터 바아로 실제적인 비교와 확인을 수행하는 것을 가능하게 하는 아주 작고 실제적인 바아 측정에 근거한 매개 변수 모델로부터 밴드, 절연재 및 반경방향 링을 묶음으로써 완성된다. 이것은 예컨대, 인트라바(intrabar) 공간, 교차 공간, 충돌 간극, 리드 정렬 확인 단일 슬롯 납땜 대 스트랜드와 다른 매개 변수에 대한 스트랜드의 맞춤에 대한 비교를 허용한다.
제공되는 리와인드 과정에서, 본래의 전기 및 기계적 설계는 가능한 범위까지 재검토될 것이고, 최근과 현재의 전기, 기계적 및 재료 실행은 리와인드 공정시 적용되는 것이 인식될 것이다. 그에 따라, 리와인드는 가능한 한 기술적으로 향상될 것이다.
도 3을 참조하면, 스테이터 바아 리와인드를 요하는 기존의 발전기의 현장으로 가져올 수 있는 휴대용 측정 장치 또는 스키드(skid)(30)가 개략적으로 도시된다. 발전기 현장에서, 스테이터 바아는 표준 계획된 운전 정지시 발전기로부터 제거된다. 스테이터 바아는 스테이터 바아의 샘플의 단부 아암(end arms)을 끊거나 단부부터 단부까지 전체 스테이터 바아를 측정함으로써 준비된다. 도 3에서, 스테 이터 바아, 예컨대 바아(16)는 측정 스키드의 단부 지지부(32) 사이에 장착되어 도시된다. 측정 장치가 도시된 갠트리 형식(gantry style) 대신에, 측정 장치는 레이저 센서를 장착한 작은 로봇 아암을 포함할 수 있다. 어느 경우라도, 센서(34)는 제거된 스테이터 바아의 길이를 이동하고 스테이터 바아의 형상을 3차원으로 디지털화한다. 또한 스테이터 바아의 회전 및 굽힘도 측정된다. 이러한 측정 장치는 스테이터 바아에 대한 기존의 자동 프로그래밍 기술과 측정을 생성하는 역 공학(reverse engineering)으로 코일 로봇 테잎 기계를 사용할 수 있다.
도 5에 개략적으로 도시된 바와 같이, 측정을 포함하는 데이터 파일은 하나 이상의 제조 설비에 전자적으로 전송된다. 제조 설비에서, 데이터 파일은 종래의 3D 모델링 툴을 사용하는 스테이터 바아의 3D 모델을 만드는 데 사용된다. 또한 3D 모델링 툴은 스테이터 바아의 압력 및 단부의 형태를 위한 스테이터 바아의 도면 및 툴 모델을 생성할 수도 있다.
결과적으로, 3D 모델링 툴은 데이터 파일이 현장 측정, 테잎 기계 자동 프로그래밍 파일로부터 직접 수납되거나, 또는 스테이터 바아와 스테이터 도면에서 모델을 생성시키기 위해 및 3D 압력 및 단부 형태를 위한 툴링 모델을 생성시키기 위해 직접 역사적 스테이터 바아 도면로부터 데이터 파일이 직접 수납되는 것을 가능하게 한다. 이러한 단계시, 기존의 툴링 데이터 베이스는 이전의 툴링에 대해 검사된다. 툴링이 용이하게 적합하다면, 모델은 신속하게 예컨대 지부 판매자로부터 제조 센터로 CNC 프레스 및 폼(form) 툴링이 사용될 수 있다.
예컨대, 도 4에 도시된 바와 같이, 신속한 폼은 주문형 스테이터 리와인드 스테이터 바아 제조 네트워크의 여러 가지의 제조 현장을 통해 형태의 제조를 표준화하는 데 사용된다. 폼은 조절 가능한 중심부 또는 코어부(40) 및 코어부의 단부 상의 2개의 조절 가능한 단부 부착물(42)을 포함하는데, 그 중 하나의 단부 부착물만을 도시한다. 코어부는 스테이터 바아의 코어부를 신속히 폼에 고정시키기 위해 각 단부에 클램프(clamp)(44)를 갖는다. 단부 아암 부착물(42)은 단부 형상에 대한 성형 표면을 형성하는 윤곽부를 배치하는 검사된 구멍(46)을 갖는다. 윤곽부(48)는 기계 가공되고 3D 모델링 툴과 스테이터 바아 모델을 사용하여 검사 구멍에 지정된다. 신속한 폼의 연속적인 유일한 장치는 코어의 길이이다. 모든 다른 장치는 반복성을 최대화시키고 여러 가지의 제조 센터 사이에 폼 변형을 최소화시키기 위해 분리된다. 툴링 데이터 베이스는 장래의 사용을 위해 재사용되는 툴링 및 이러한 특정한 리와인드 공정으로부터 교습되는 내용을 최대화시키기 위해 보존되어야 한다.
그 후에 샘플의 하부 및 상부 바아는 하나 이상의 제조 센터에서 제조된다. 제조된 바아는 모델링되고, 예컨대 테잎 기계로부터의 데이터는 바아를 둘러싸고, 제조된 바아룰 모델링하는 데 사용된다. 그래서 모델 데이터는 도 5에 도시된 바와 같이 모델의 정확도를 확인하기 위해서 기존의 발전기로부터 제거된 측정된 스테이터 바아의 아주 작은 모델에 비교된다. 그에 따라, 제조된 바아의 형상과 아주 작거나 측정된 스테이터 바아의 형상의 상이함은 필요할 때 확인될 수 있고 수정된 제조 공정일 수 있다.
또한 기존의 발전기의 스테이터 바아는 발전기 현장에서 측정되고 3D 모델이 제공된다. 그래서, 스테이터 바아의 디지털 방식 표시는 예컨대, 실제적으로 제조된 스테이터 바아의 3D 모델이 실제적인 스테이터와 전자적으로 맞을 때, 실제적인 스테이터와 비교된다. 실제적인 슬롯 지지부, 밴드 묶음, 반경 방향 링은 인트라바(intrabar) 공간, 교차 공간, 충돌 간극 및 리드 정렬을 검사하기 위해 스테이터 바아의 위치를 수정하는 것을 추가한다.
일단 스테이터 바아의 초기 배치(batch)는 3D 모델링에 의해 정확도를 위해 제조되고 검사된다. 스테이터 바아의 초기 배치는 발전기 현장 또는 도 5에 도시된 바와 같이 제조되는 순서로 전송된다. 이것은 필수적으로 스테이터 바아 교체 제조 속도를 구비한 조립체 속도와 상응하며, 기존의 발전기 내로 새로운 교체 스테이터 바아의 단계적 조립체를 제공한다. 제조 설비는 다른 단부와 스테이터 바아 단부를 납땜하는 단계와 전기적 검사 단계를 포함하는 인접한 조립체에 대한 제조된 교체 바아의 배치를 보내는 것을 지속한다. 리와인드되는 이러한 단계의 단부는 완성되고 발전기는 발전기 오퍼레이터에게 되돌아간다.
상술된 공정을 사용함으로써, 이전의 필요한 측정 운전 정지는 전제적으로 제거되고 측정은 계획된 운전 정지시 실행될 수 있다. 또한 공정의 툴링, 제조 및 검사 단계는 본래의 장비 공급자가 기존의 스테이터 바아를 교체 스테이터 바아로 교체하는 것처럼 다음의 유사한 시간 프레임과 비용으로 기존의 발전기 내에 설치되는 것을 가능하게 하는 시간 내에 교체 스테이터 바아가 상당히 제거된다. 그러므로 본 공정은 기존의 발전기 내의 스테이터 바아의 주문형 교체를 가능하게 한다.
본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 생각되는 것과 관련하여 기술되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허 청구의 정신과 범위 내에서 다양한 변형 및 등가의 구성을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에 따르면 발전기 내의 스테이터 바아의 품질과 신뢰도를 향상시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 발전기(electrical generator)(10)용 스테이터 바아(stator bars)(16, 18)의 리와인드(rewinding) 방법에 있어서,
    (a) 상기 발전기의 현장에 현존하는 적어도 하나의 스테이터 바아의 형상(30)을 측정하는 단계와,
    (b) 상기 하나의 스테이터 바아의 측정된 형상의 디지털 방식 표시를 생성하는 단계와,
    (c) 상기 디지털 방식 표시와 실질적으로 일치하는 새로운 스테이터 바아를 제조하기 위해 상기 디지털 방식 표시를 사용하여 새로운 스테이터 바아를 제조하는 단계와,
    (d) 상기 새로운 스테이터 바아의 디지털 방식 표시를 생성하는 단계와,
    (e) 상기 현장 발전기(on-site generator) 스테이터의 디지털 방식 표시를 생성하는 단계와,
    (f) 상기 스테이터와 새로운 스테이터 바아의 각각의 디지털 방식 표시 맞춤의 정확도를 결정하기 위해 상기 새로운 스테이터 바아 및 상기 스테이터의 디지털 방식 표시를 비교하는 단계와,
    (g) 상기 발전기 현장에서, 제조된 새로운 스테이터 바아를 상기 발전기의 스테이터 내에 설치하는 단계를 포함하는
    발전기용 스테이터 바아의 리와인드 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    단계 (a)는, 상기 하나의 스테이터 바아의 측정을 디지털화하는 단계와, 상기 측정된 스테이터 바아의 디지털 방식 모델을 생성하는 단계를 포함하는
    발전기용 스테이터 바아의 리와인드 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    툴링(tooling)을 제조하기 위한 원리로서 상기 하나의 스테이터 바아의 측정된 형상의 디지털 방식 표시를 사용하는 툴링을 제조하는 단계를 포함하며, 단계 (c)는 상기 새로운 스테이터 바아를 제조하기 위해 제조된 툴링을 사용하는
    발전기용 스테이터 바아의 리와인드 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    스테이터 바아의 제조를 위해 이전에 존재하던 툴링의 디지털 방식 표시를 포함하는 툴링 데이터 베이스를 유지하는 단계와, 상기 하나의 스테이터 바아의 측정된 형상의 디지털 방식 표시를 사용하는 툴링의 디지털 방식 표시를 생성하는 단계와, 상기 새로운 스테이터 바아의 제조를 위한 기존의 툴링의 유용성을 확인하기 위해 상기 툴링의 디지털 방식 표시를 구비한 상기 툴링 데이터 베이스를 비교하는 단계를 포함하는
    발전기용 스테이터 바아의 리와인드 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나의 스테이터 바아와 상기 새로운 스테이터 바아의 측정된 형상의 디지털 방식 표시에 의해 표시되는 바와 같이 상기 새로운 스테이터 바아와 상기 스테이터 사이에 일치하는 정확도를 결정하기 위해 상기 하나의 스테이터 바아와 상기 새로운 스테이터 바아의 측정된 형상의 디지털 방식 표시를 비교하는 단계를 포함하는
    발전기용 스테이터 바아의 리와인드 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기의 현장에 현존하는 제 2 스테이터 바아의 형상을 측정하는 단계와, 제 2 스테이터 바아의 측정된 형상의 디지털 방식 표시를 생성하는 단계와, 상기 제 2 스테이터 바아의 측정된 형상의 디지털 방식 표시를 사용하는 제 2 새로운 스테이터 바아를 제조하는 단계와, 상기 제 2 새로운 스테이터 바아의 디지털 방식 표시를 생성하는 단계 및 상기 제 2 스테이터 바아와 상기 스테이터의 각각의 디지털 방식 표시의 맞춤의 정확도를 결정하기 위해 상기 제 2 새로운 스테이터 바아와 상기 스테이터의 디지털 방식 표시를 비교하는 단계를 포함하는
    발전기용 스테이터 바아의 리와인드 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 스테이터 바아와 상기 제 2 새로운 스테이터 바아의 측정된 형상의 디지털 방식 표시에 의해 표시되는 바와 같이 상기 제 2 새로운 스테이터 바아와 상기 제 2 스테이터 사이에 일치하는 정확도를 결정하기 위해 상기 제 2 스테이터 바아와 상기 제 2 새로운 스테이터 바아의 측정된 형상의 디지털 방식 표시를 비교하는 단계를 포함하는
    발전기용 스테이터 바아의 리와인드 방법.
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