KR20110009061A - 고정자 - Google Patents

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KR20110009061A
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제너럴 일렉트릭 캄파니
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Abstract

고정자(14)는 고정자 단부 권선 구성요소와, 감지 케이블(50)을 포함한다. 감지 케이블은 2개의 단부 권선 구성요소에 고정된 2개의 고정 지점(63)과 2개의 단부 권선 구성요소 사이에서 상대 변위를 측정하기 위한 센서(54)를 포함하는 감지 케이블(50)을 포함한다.

Description

고정자{STATOR END-WINDING COMPONENT MONITORING SYSTEM}
본 발명은 감지 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 발전기 또는 모터와 같은 회전 머신의 단부 권선(end winding) 구성요소의 건강 상태 모니터링을 위한 시스템에 관한 것이다.
증기 터빈 또는 가스 터빈에 의해 구동된 발전기와 같은 회전 머신은 그들의 고정자 권선 내의 수천 암페어의 전류를 전달하는 성능을 갖는다. 고정자 권선은 일반적으로 고정자 코어 내의 대응하는 슬롯에서 고정된 도전체 및 고정자 코어 너머로 연장되는 단부 권선을 포함한다. 단부 권선 구성요소는 단부 권선의 변위를 유도하는 전기 역학적인 힘 및 기계적인 힘에 영향을 받는다. 전기 역학적인 힘은, 예를 들어, 시작 및 피크 부하 상태 동안 단부 권선을 통과하는 많은 전류에 의해 유도된다. 기계적인 힘은 회전 머신의 통상의 기계적인 진동에 의해 야기된다. 단부 권선의 과도한 변위(excessive displacement)는 단부 권선 내의 권선 절연이 파괴될 수 있고, 회전 머신의 조속한 고장을 초래하는 전기 기계적인 힘으로 인해 단부 권선이 마모될 수 있음을 포함하는 몇 가지 바람직하지 않는 효과를 갖는다는 것이 인지되어 왔다. 당 분야에서 단부 권선 고정자를 모니터링할 필요성이 존재하며 단부 권선 완화의 조기의 정확한 검출이 바람직하다.
하나의 단부 권선 완화 검출 기법은 권선 건강 상태(winding health)를 모니터링하는 광 섬유 가속도계를 이용한다. 광 섬유 가속도계는 전형적으로 단부 권선 상의 몇몇 위치에서 3개의 수직하는 축에서의 가속도를 측정한다. 그러나, 이러한 방법은 각각의 축 또는 축의 쌍이 개별적인 가속도계와 내부 및 외부로 라우팅되는 케이블을 가질 것을 필요로 하며, 이는 상당량의 배선 패키지를 초래한다. 추가적으로, 가속도계는 회전 머신이 탑재되는 플로어와 같은 고정 기준 프레임에 대해 진동을 측정한다. 측정된 진동은 회전자 불균형, 베어링 스폴(bearing spall), 및 단부 권선 구성요소 저하를 포함하는 다수의 잠재적인 소스로부터의 진동의 합이다. 따라서, 가속도 측정은 단부 권선 건강 상태의 간접적인 척도가 된다.
단부 권선 변위의 측정에 대해 향상된 감지 디바이스를 갖는 것이 바람직하다.
실시예에 따르면, 고정자는 고정자 단부 권선 구성요소와, 감지 케이블을 포함한다. 감지 케이블은 2개의 단부 권선 구성요소에 고정된 2개의 고정 지점과 2개의 단부 권선 구성요소 사이에 상대 변위를 측정하기 위한 센서를 포함하는 감지 케이블을 포함한다.
본 명세서에서 기술된 실시예에 따르면, 고정자 단부 권선 및 접속 링 모니터링 시스템은 광 섬유 감지 케이블을 포함한다. 광 섬유 감지 케이블은 2개의 접속 링 사이의 고정 지점에 의해 각각 고정된 센서를 포함한다. 고정자 단부 권선 및 접속 링 모니터링 시스템은 센서에 광을 공급하는 광원, 센서를 통과하거나 센서로부터 반사된 광을 수신하는 광 검출기, 광 검출기로부터 검출된 광을 나타내는 신호를 수신하고, 임의의 접속 링 사이의 상대 변위가 수용 가능한 범위 밖에 있는지를 결정하기 위해 그 신호를 이용하는 프로세서를 더 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징, 측면 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 후술하는 상세한 설명이 읽혀질 때 가장 잘 이해될 것이며 도면 전반에 걸쳐 유사한 부호는 유사한 부분을 나타낸다.
도 1은 회전자 및 고정자를 포함하는 회전 머신의 간략화된 단면도이고,
도 2는 도 1의 부분 A의 확대도이며,
도 3은 고정자의 전방 단부에 탑재된 복수의 접속 링을 갖는 고정자의 단부 영역의 투시도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 감지 케이블의 확대된 단면도이며,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유 감지 케이블의 확대된 단면도이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 3개의 단부 권선 구성요소 상에 탑재된 감지 케이블의 부분 확대된 평면도이며,
도 7은 복수의 브래그 그레이팅(Bragg grating)의 예시적인 파장 스펙트럼을 도시하고,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단부 권선 구성요소 상에 탑재된 감지 케이블의 부분 평면도이며,
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단부 권선 구성요소 상에 탑재된 감지 케이블의 부분 평면도이고,
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단부 권선 구성요소 상에 탑재된 감지 케이블의 부분 평면도이며,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단부 권선 구성요소 상에 탑재된 감지 케이블의 부분 평면도이고,
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 단부 권선 구성요소 상에 탑재된 반강성의(semi-rigid) 타이 및 감지 케이블의 부분 측면도이다.
본 발명의 실시예는 단부 권선 구성요소의 상대 변위를 측정하는 광 섬유 감지 케이블을 이용하는 고정자 단부 권선 모니터링 시스템에 관한 것이며, 단부 권선 구성요소는 접속 링과 고정자 바를 포함하되 이들로만 제한되지 않는 고정자 단부 권선과 직접 또는 간접으로 지지하거나 접속하는 지지 또는 접속 구성요소를 포함하되 이들로만 제한되지 않는다. 단부 권선 구성요소 간의 상대 변위는 고정자 단부 권선 상태의 표시이다. 본 명세서에서 이후 "상대 변위"는 2개의 단부 권선 구성요소 간의 거리의 시프트를 지칭한다. 2개의 단부 권선 구성요소는 서로에 대해 직접 인접할 수 있거나, 또는 이들 사이에 하나 이상의 단부 권선 구성요소에 의해 분리될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, "a", "an" 및 "the"는 양의 제한을 나타내지 않으며, 그 대신에 지칭된 항목의 적어도 하나의 존재를 나타낸다. 마찬가지로, 본 명세서에서 사용된 바와 같이 "2개의 단부 권선 구성요소"는 적어도 2개의 단부 권선 구성요소를 의미한다.
도 1을 참조하면, AC 유도 모터, AC 발전기, AC 동기형 모터 또는 AC 동기형 발전기와 같은 회전 머신(10)이 도시된다. 일 실시예에서, 회전 머신(10)은 할로겐 냉각형 발전기이며 회전자(12)와 고정자(14)를 포함한다. 고정자(14)는 프레임(16), 프레임(16) 내의 고정된 위치에 탑재된 고정자 코어(18), 고정자 코어(18) 상에 감겨진 복수의 고정자 권선(20)을 포함한다. 일 실시예에서, 고정자 코어(18)는 철, 코발트, 니켈 또는 그 합금과 같은 강자성 재료의 라미네이션(laminations)으로 제조된다. 고정자 코어(18)는 고정자 코어(18)의 전방 및 후방 단부(26, 28)를 통해 연장되는 고정자 단부 권선(24)을 포함할 수 있다. 고정자 코어(18)는 고정자 권선(20)의 적어도 일부분을 수용하는 고정자 코어(18)의 내측 표면에서 복수의 슬롯(25)을 포함한다.
도 1의 실시예에서, 회전자(12)는 고정자(14)의 회전자 단부 벨(24)에 회전 가능하게 위치하고 고정자(14)와 전기 기계적으로 결합된다. 회전자(12)의 세로 방향 회전 축은 고정자 코어(18)의 세로 방향 축 S와 일치한다. 회전자(12)와 고정자(14) 사이의 고리 형상의 갭(30)은 회전자(12)의 외측 표면과 고정자 코어(18)의 내측 표면에 의해 정의된다. 회전 머신(10)의 동작 시에, 예를 들어, 전류가 고정자 권선(20)을 통과하여, 회전자 단부 벨(24)에서 자계를 생성하며, 이는 고정자 코어(18) 내의 강자성 재료에 의해 강화된다. 자계는 회전자(12)의 도전체와 결합하여 회전자(12)를 감는 토크를 생성한다. 발전기(회전 머신(10))의 동작의 일례에서, 고정자 권선(20)에서 교류 전류를 유도하는 회전자 단부 벨(24)에서의 자계를 둘러싸는 회전자(12)의 회전을 구동하도록 증기가 사용된다.
고정자 권선(20)은 각각 대응하는 슬롯(25)에 고정되고 고정자 코어(18)의 전방 및 후방 단부(26, 28) 넘어서 연장하는 도전성 바(32) 및 도전성 바(32)의 말단부에 있는 루프(34)를 포함한다. 이후 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 고정자 코어(18)로부터 연장되는 도전성 바 부분과 함께 루프(34)는 "단부 권선"이라 지칭된다.
루프(34)는 임의의 적절한 방식으로 대응하는 도전성 바(32)에 전기적으로 각각 접속된다. 도 1의 도시된 실시예에서, 도전성 바(32)는 2개의 층으로 배치되고 각각의 슬롯(25)에서 고정된 상부 및 하부 바(36, 38)를 포함한다. 각각의 루프(34)는 상부 및 하부 바(36, 38)의 대응하는 세트를 전기적으로 접속한다. 일 실시예에서, 고정자 권선(20)은 3 위상(U 위상, Y 위상 및 W 위상) 교류 전류 출력에 대해 3개의 그룹을 포함한다.
도 1의 도시된 실시예에서, 고정자(14)는 고정자 코어(18)의 전방 및 후방 단부(26, 28)에 탑재된 복수의 접속 링(40)을 포함한다. 일 실시예에서, 접속 링(40)은 서로에 대해 평행하며 각각 세로 방향 축(S)에 실질적으로 수직한다. 일 실시예에서, 고정자(14)는 고정자 코어(18)의 후방 단부(28)에 탑재된 3개의 쌍의 접속 링(40)을 포함한다. 접속 링(40)의 각각의 쌍은 고정자 권선(20)의 하나의 위상 그룹에 접속된다.
도 2를 참조하면, 각각의 2개의 인접하는 접속 링(40)은 복수의 접속 링 스페이서(42) 중 각각의 스페이서에 의해 세로 방향 축(S)을 따라 서로에 대해 이격된다. 일 실시예에서, 고정자(14)는 후방 단부(28)에 탑재된 고리 형상 코어 단부 플랜지(41)를 더 포함한다. 복수의 축 지지대(43)는 코어 단부 플랜지(41)의 외측 둘레를 따라 고리 형상 코어 단부 플랜지(41)에 고정된다. 각각의 축 지지대(43)는 복수의 홀(도시되지 안음)을 갖는 경사진 하측 에지를 갖는다. 상부 및 하부 도전성 바(36, 38)를 함께 축 지지대(43)의 홀에 대해 묶도록 복수의 타이(47)가 사용된다. 상부 및 하부 도전성 바(36, 38) 사이에, 그리고 상부 바(36)와 대응하는 축 지지대(43) 사이에 바인딩 본드(45)가 제공된다. 각각의 축 지지대(43)는 그 상측 부분에서 복수의 홀(49)을 더 포함할 수 있다. 접속 링(40)은 타이(도시되지 않음)에 의해 홀(49)에 대해 묶여지고, 축 지지대(43)에 고정된다. 도 2에서 단부 권선 및 접속 링 고정 배치가 예시를 위해 제공된다. 다른 실시예는, 예를 들어, 본 명세서 전체에서 참조로서 인용되는 "TIELESS BRACING AND METHOD FOR SUPPORTING END TURNS OF A DYNAMOELECTRIC MACHINE"이란 명칭의 Estrada et al,에 의한 미국 특허 제 3,924,149 호에 도시된 것과 같은 단부 권선을 고정하도록 압축 가능한 패드의 사용을 포함한다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에서, 고정자(14)는 대응하는 접속 링(40)에 고정자 권선(20) 각각의 그룹을 상호 접속하는 복수의 상호 접속 도전체(44)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 고정자(14)는 외부 전자 디바이스(도시되지 않음)에 3 위상 접속 링(40)을 접속하는 복수의 단자(46)를 더 포함한다. 일 실시예에서, 각각의 상호 접속 도전체(44) 및 단자(46)는 대응하는 접속 링(40)의 통합 부분을 포함한다. 다른 실시예에서, 상호 접속 도전체(44) 및/또는 단자(46)는, 예를 들어, 브레이징(brazing) 처리에 의해 접속 링(40)에 접속된 이산 부재를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에서, 고정자(14)는 고정자(14)의 단부 권선 상태를 모니터링하는 감지 시스템(48)을 더 포함한다. 일 실시예에서, 감지 시스템(48)은 감지 케이블(50)과 감지 케이블(50)에 고정된 복수의 센서를 포함한다. 일 실시예에서, 센서는 광 섬유(52)(도 4)를 각각 포함하는 섬유 센서를 포함한다. 보다 구체적인 실시예에서, 광 섬유는 각각 그에 새겨진 복수의 브래그 그레이팅(Bragg grating)(54)(도 4)을 더 포함한다. 감지 시스템(48)은 광 섬유에 광을 전송하는 광원(56)과, 광 섬유(52)(도 4)로부터 전달되거나 반사된 광을 검출하고 검출된 광의 파장 변화를 모니터링하는 검출기 모듈(58)을 더 포함한다. 일 실시예에서, 감지 시스템은 검출기 모듈(58)로부터 파장 변화를 수신하고 회전 머신(10)의 상태 모니터링, 머신 보호, 유지 보수 스케줄링, 또는 제어를 위해 사용될 계산을 수행하는 프로세서(60)를 더 포함한다.
본 발명의 특정의 실시예에서, 감지 케이블(50)은 단부 권선의 상태를 모니터링하기 위해 적어도 2개의 단부 권선 구성요소의 상대 변위를 측정하기 위해 단부 권선 구성요소에 탑재된다. 본 발명의 특정의 실시예에서 단부 권선 구성요소는 단부 권선 구성요소 자체 뿐만 아니라 고정자 권선(20)에 직접 또는 간접으로 지지하거나 접속하는 모든 구성요소를 포함한다. 예를 들어, 단부 권선 구성요소는 단부 권선, 접속 링(40), 루프(34), 코어 단부 플랜지(41), 접속 링 스페이서(42), 축 지지대(43), 상호 접속 도전체(44) 및 단자(46)를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 감지 케이블(50)은 2개의 접속 링(40)의 상대 변위를 측정하도록 2개의 접속 링(40) 사이에 탑재된다. 다른 실시예에서, 감지 케이블(50)은 단부 권선에 직접 또는 간접으로 지지하거나 접속하는 다른 단부 권선 구성요소에 탑재된다. 일 실시예에서(도시되지 않음), 예를 들어, 감지 케이블(50)은 적어도 하나의 접속 링(40)과 코어 단부 플랜지(41)의 상대 변위를 측정하도록 접속 링(40)과 코어 단부 플랜지(41)의 적어도 하나에 탑재된다. 다른 실시예에서(도시되지 않음), 감지 케이블(50)은 적어도 2개의 루프(34)의 상대 변위를 측정하도록 루프(34)에 탑재될 수 있다.
도 2에서 보다 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 일 실시예에서, 감지 케이블(50)은 적어도 2개의 단부 권선 구성요소(도시된 실시예에서 적어도 2개의 병렬 접속 링(40))에서 각각 교차하는 복수의 측정 부분(62)을 통합하는 하나의 케이블을 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 감지 케이블(50)은 적어도 2개의 단부 권선 구성요소에서 각각 교차하는 복수의 개별적인 측정 부분(62)을 포함할 수 있다. 각각의 측정 부분(62)은 적어도 2개의 구성요소(도 2에서 접속 링(40)으로서 도시됨)에 각각 고정된 적어도 2개의 고정 지점(63), 및 고정 지점(63) 사이의 도 8에 도시된 섬유 브래그 그레이팅(54)과 같은 복수의 센서(54)를 포함한다. 2개의 인접하는 고정 지점(63) 사이에서 센서의 파장 변화는 2개의 병렬 접속 링(40)의 상대 변위를 표시한다. 일 실시예에서, 측정 부분(62)은 하나의 상호 접속 도전체(44)(도 3)에 인접하여 배치된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 감지 케이블(50)의 예시적인 측정 부분(62)의 부분 단면도이다. 예시적인 측정 부분(62)은 광 섬유(52) 근처에 폴리머 접착 재료를 채움으로써 외장 튜브(64)로 밀봉되는 광 섬유(52)에 새겨진 복수의 섬유 센서(브래그 그레이팅으로서 도시됨)(54)를 포함한다. 특정의 실시예에서, 외장 튜브(64)는, 예를 들어, 섬유 글래스를 포함하는 복합 튜브, 또는 폴리이미드, 폴리테트라플로오로에틸렌, 실리콘 또는 탄성 중합체와 같은 재료를 포함하는 폴리머 튜브를 포함한다. 따라서, 감지 케이블(50)은 스트레스 하의 파괴 없이 큰 변형을 유지할 수 있고, 스트레스의 제거 이후에 원래의 치수로 복원할 수 있다. 일 실시예에서, 감지 케이블(50)의 패키지 처리는, 외장 튜브(64)에서 광 섬유(52)와 브래그 그레이팅(54)을 통합하기 위해, 150-200℃의 온도 하에서 수성 폴리머 접착 재료(66)를 고체로 변환시키기 위한 경화 처리를 포함한다. 특정의 실시예에서, 감지 케이블(50)은 접착제 또는 다른 본딩 재료에 의해 단부 권선 구성요소에 고정된다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 감지 케이블(50)의 예시적인 측정 부분(62)의 단면도이다. 예시된 측정 부분(62)은 광 섬유(52)를 둘러싸는 코팅 층(68)과, 광 섬유(52)를 지지하는 지지 튜브(70)를 포함한다. 코팅 층(68)은 폴리이미드 재료를 포함할 수 있고 20 내지 50 마이크로미터 범위의 두께를 갖는다. 코팅 층(68) 및 코팅 층(68)에 의해 보호된 광 섬유(52)는, 예를 들어, 접착 재료에 의해 지지 튜브(70)의 외측 표면에 부착된다. 특정의 실시예에서, 지지 튜브(70)는 섬유 글래스, 유연성 있는 플라스틱, 또는 절연 재료를 포함한다. 지지 튜브(70)는, 예를 들어, 접착 재료 및/또는 클램프에 의해 2개의 단부 권선 구성요소 사이에 탑재된다. 단부 권선의 변위는 지지 튜브(70)에 전달되고 섬유 센서(54)의 파장 시프트로부터 검출될 수 있는 광 섬유(52)의 변형 또는 구부러짐을 더 유도한다.
도 6 및 도 8 내지 도 12는 본 발명의 각종 실시예에 따른 단부 권선 구성요소의 상대 변위의 측정을 위한 감지 케이블(50)의 측정 부분(72, 74, 76, 78, 80, 82)의 부분 확대된 평면도이다. 단부 권선 구성요소는 도시된 실시에에서 접속 링(40)이지만, 임의의 다른 단부 권선 구성요소로 대체될 수 있다.
도 6을 참조하면, 3개의 접속 링(40)의 상대 변위의 측정을 위한 측정 부분의 실시예(72)는 고정 지점(63)을 포함하며, 고정 지점 각각은 대응하는 접속 링(40), 및 각 2개의 인접하는 고정 지점(63)(접속 링(40)) 사이의 하나 이상의 브래그 그레이팅(54)에 고정된다. 도시된 실시예에서, 감지 케이블(50)은 접속 링(40)에 수직하도록 배향된다. 일 실시예에서, 고정 지점(63)은 에폭시와 같은 접착 재료에 의해 접속 링(40)에 고정된다.
광원(56)으로부터의 광이 광 섬유(52)를 통해 브래그 그레이팅(54)에 투과될 때, 광 에너지는 수학식 1에 의해 주어지는 대응하는 브래그 파장 λB(i)에서 수 (i) 브래그 그레이팅(54)에 의해 반사된다.
Figure pat00001
여기서, "neff"는 섬유 코어의 유효 반사율이고 "Λ(i)"는 대응하는 수 (i) 그레이팅 변조 구조의 주기성이다. 특정의 실시예에서, 도 7에 도시된 바와 같이 상이한 브래그 그레이팅(54)은 상이한 변조 주기를 가지므로, 브래그 그레이팅(54)은 상이한 중심 파장을 갖는다. 따라서, 검출기 모듈(44)은 브래그 그레이팅(54)으로부터 각각 반사된 스펙트럼을 차동화할 수 있다. 따라서, 추가적인 배선에 대한 필요 없이 동일한 감지 케이블(50) 상에 보다 많은 측정 지점(브래그 그레이팅)을 배치하는 것이 유리하다.
대응하는 브래그 그레이팅의 굴절률(neff) 및 주기(Λ(i))는 브래그 그레이팅(54)에 적용된 온도 및 변형(strain)의 함수이다. 따라서 파장 변화는 수학식 2에 따른 특정의 시간 구간(i) 내에서 열 및 변형 역학에 의해 유도된다.
Figure pat00002
여기서 Kε 및 KT는 각각 브래그 그레이팅(54)의 변형 및 온도 감도이다. 몇몇 적용에서, 완화 이벤트와 같은 동적 이벤트는 온도 변화보다 훨씬 높은 주파수에서 발생할 수 있고 훨씬 신속하게 발생한다. 따라서, 주위 온도 변화에 의해 유도된 저속의 가변 열 응답과 천이 동적 응답 사이의 분리는 온도 변화가 무시될 수 있도록, 특정의 시간 구간 내에서 파장 시프트를 분석함으로써 성취될 수 있다. 예를 들어, 브래그 그레이팅의 파장 시프트의 표준 편차 또는 평균 제곱근(RMS)은 접속 링의 변위와 연관되는 동적 변형을 나타낸다.
고속 푸리에 변환, 웨이블릿 분석 및 스펙트럼 분석과 같은 주파수 도메인 기법은 도입되는 전류 및 힘의 주기적 속성으로 인해 머신 및 발전기에 대해 (고속의) 변형 응답으로부터 (저속의) 열 응답을 분리하는데 매우 적합하다. 특정의 실시예에서, 발전기에 대해, 변형으로 인한 단부 권선 변위는 발전기의 기본 주파수의 2배에서, 즉, 60Hz의 기본 주파수를 갖는 발전기에 대해 120Hz에서 또는 50Hz 발전기에 대해 100Hz에서 발생할 가능성이 가장 높다. 따라서 접속 링(40)의 변위 측정은 주위 온도 변화와 상대적으로 독립적이다.
측정 동안, 도 6을 참조하면, 하나의 접속 링(40)의 변위(d)는 접속 링(40)과 인접하는 접속 링(40) 사이의 브래그 그레이팅(54)의 파장 시프트를 초래한다. 따라서 변위(d)는 2개의 인접하는 접속 링(40) 사이의 브래그 그레이팅(54)의 파장 시프트에 의해 모니터링될 수 있다. 신호 처리, 특성 추출 및 분류 방법은 관측된 변위가 수용 가능한지의 여부를 추정하도록 사용된다. 이것은 120/100Hz 및 보다 높은 고조파에서 스펙트럼 구성요소를 특히 주시하는 것을 포함한다. 제어기(도시되지 않음)는 임계치가 초과될 때 동작을 취할 수 있다. 이와 달리 "제어기"는, SCADA 시스템, 머신 보호 시스템, 또는 모니터링 시스템일 수 있다. 도시된 실시예에서, 감지 케이블(50)은 각각 2개의 인접하는 고정 지점(63) 사이에서 팽팽하게 된다.
특정의 실시예에서, 단부 권선 구성요소 사이의 최대 상대 변위(dmax)는 하나의 감지 케이블(50)이 측정할 수 있고 감지 케이블(50)이 유지할 수 있는 최대 변형(εmax)에 관련되는 범위이다. 감지 케이블(50)은 최대 변위보다 큰 초과 변위가 발생할 때 분해되거나 절단될 수 있다. 감지 케이블(50) 상에서의 변형(ε)은 수학식 3에 따른다.
Figure pat00003
여기서 "d"는 총합 상대 변위이고 "L"은 단부 권선 구성요소 간의 거리이다. 특정의 실시예에서, 섬유 브래그 그레이팅(54)에 의해 측정된 최대 변형(εmax)은 약 5000uε이다. 50밀리미터(L=50밀리미터)만큼 떨어진 단부 권선 구성요소에 대해, 예를 들어, 측정될 수 있는 최대 변위(dmax)는 수학식 3에 따른 0.25mm이다. 도 8 내지 도 12에 기술된 실시예는 최대 변위 측정 범위를 증대시킨다.
도 8을 참조하면, 다른 실시예에 따른 측정 부분의 실시예(74)는 2개의 접속 링(40)에 고정된 2개의 고정 지점(63)과 2개의 고정 지점(63) 사이에 위치하여 하나 이상의 브래그 그레이팅(54)을 갖는 감지 케이블(50)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 감지 케이블(50)은 세로 방향 축(S)으로 예각(θ)으로 배향된다. 이 구성에서, (변위와의 작은 각도 변화를 무시하는) 섬유 브래그 그레이팅 센서 상의 변형은 수학식 4에 따라 계산된다.
Figure pat00004
45도 각도, 단부 권선 구성요소 사이의 50mm, 섬유 브래그 그레이팅 센서 상의 5000uε의 최대 변형을 가질 때, 최대 측정 가능한 변위는 0.25mm로부터 0.35mm로 증대된다. 따라서 보다 큰 측정 범위(L)가 획득될 수 있다. 섬유 상에서의 변형은 수학식 5에 의해 표시될 수 있는 섬유 변형 센서 중심 파장 시프트(Δλ)를 초래한다.
Figure pat00005
여기서 ξ는 섬유 센서에 대한 변형의 결합 효율을 나타내며 0 내지 1의 범위에 있다. Kε는 섬유 센서 변형 감도를 나타낸다.
도 9는 주어진 감지 케이블(50)에 대한 고정 지점(63)이 인접하는 접속 링(40) 상에 있거나, 또는 이와 달리 인접하지 않는 접속 링(40) 상에 있음을 도시한다. 도 9는 사용되는 다수의 감지 케이블(50)을 추가적으로 도시한다. 도시된 실시예에서, 2개의 감지 케이블(50)은 세로 방향 축(S)을 따라 엇갈리게 배열된 구성으로 하나 걸러서의 접속 링(40)에 대해 고정 지점(63)에서 고정된다. 이러한 방식으로, 거리 L이 증배되어, 2배의 변위 측정 범위가 초래된다. 따라서, 각각의 접속 링(40)은 고정 지점(63)에 고정되고 2개의 인접하는 접속 링(40) 상에 고정된 고정 지점(63)은 2개의 상이한 측정 부분(76) 상에 있다. 일 실시예에서, 2개의 측정 부분(76)은 서로에 대해 평행하다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 측정 부분(78)은 접속 링(40)에 고정된 복수의 고정 지점(63), 각 2개의 인접하는 고정 지점(63) 사이의 광 섬유(52)에 새겨진 하나 이상의 브래그 그레이팅(54)을 포함한다. 도시된 실시예에서, 감지 케이블은 2개의 인접하는 고정 지점(63) 사이에서 곡선 부분(84)을 갖는다. 곡선 부분(84)은 반경(R)을 갖는다. 2개의 접속 링(40)의 상대 변위(d)는 반경(R)에 대한 변화를 유도한다. 2개의 접속 링(40) 사이의 브래그 그레이팅(54)의 파장으로 반경(R)을 사전에 교정함으로써, 증대된 변위 측정 범위에 대해 브래그 그레이팅(54)의 파장 시프트를 모니터링함으로써 실시간 반경(R)이 획득될 수 있다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 감지 케이블(50)의 측정 부분(80)은 광 센서의 구부러짐 손실을 측정함으로써 섬유 센서(86)를 포함한다. 섬유 광 케이블은 사전 결정된 반경을 넘어서 굽어지면, 케이블의 광 투과 특성이 악 영향을 받으므로, 이들 영향은 "구부러짐 손실"이라 칭한다. 섬유 광 케이블을 통해 지향된 광은 통상적으로 코어 클래딩(core-cladding) 경계에서 내부 반사된다. 섬유가 임계 반경 넘어서 굽어질 때, 케이블 코어를 통한 광은 임계 각도보다 큰 각도에서 코어 클래딩 경계를 부딪히며(strike), 완전하게 내부 반사되지 않을 것이지만, 클래딩을 통해 손실될 것이다. 도 10의 도시된 실시예에서, 감지 케이블(50)의 측정 부분(80)은 접속 링(40)에 고정된 복수의 고정 지점(63), 2개의 인접하는 고정 지점(63) 사이의 구부러짐 손실에 대해 감지하는 섬유 센서(86)를 포함한다. 일 실시예에서, 섬유 센서(86)는 폴리이미드 또는 복합 외장 재료를 포함하는 섬유 부분이다. 도시된 실시예에서, 섬유 센서(86)는 반경(R)을 갖는 곡선 형상을 갖는다. 2개의 접속 링(40)의 상대 변위(d)는 반경(R)에 대한 변화를 유도한다. 섬유 센서(86)의 구부러짐 손실을 갖는 반경(R)을 사전에 교정함으로써, 섬유 센서(86)의 구부러짐 손실을 모니터링함으로써 실시간 반경(R)이 획득될 수 있다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 측정 부분(82)은 2개의 접속 링(40) 또는 다른 단부 권선 구성요소에 고정된 고정 지점(63)을 갖는 곡선 반강성의 타이(semi-rigid tie)(88)인 감지 케이블을 포함한다. 측정 부분(82)은 광 섬유(90) 및 곡선 반강성의 타이(88)의 변형을 측정하는 광 섬유(90) 내에 새겨진 적어도 하나의 브래그 그레이팅(54)을 포함하는 적어도 하나의 센서를 더 포함한다. 도시된 실시예에서, 곡선 반강성의 타이(88)는 반강성의 타이에서 구부러짐 변형을 도입하는 변위를 갖는 단부 권선 구성요소의 변위로 변조되는 만곡률을 갖는다. 광 섬유(90)는 반강성의 타이(88)의 부분에 고정된 2개의 고정 지점(92)을 갖고 브래그 그레이팅(54)은 2개의 고정 지점(92) 사이에 있다. 구부러짐 변형은 브래그 그레이팅(54)의 파장 변화를 모니터링함으로써 획득될 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 기술되었으나, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 각종 변형이 행해질 수 있고 그 요소에 대해 균등물이 대체될 수 있음이 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 본질적인 범위로부터 벗어나지 않고 본 발명 개시 내용의 특정의 상황 또는 재료에 적응하도록 다수의 변경이 행해질 수 있다. 따라서, 본 발명은 이 발명을 수행하기 위해 고려된 최상의 모드로서 개시된 특정의 실시예로 제한되지 않으며, 본 발명은 첨부된 특허 청구 범위의 범위 내에 해당하는 모든 실시예를 포함하는 것으로 의도된다.
앞서 기술된 이러한 모든 목적 또는 장점이 반드시 임의의 특정 실시예에 따라 달성될 필요는 없음이 이해될 것이다. 따라서, 예를 들어, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 명세서에서 개시 또는 암시된 바와 같이, 본 명세서에서 개시된 바와 같은 하나의 장점 또는 장점의 그룹을 달성하거나 최적화하되, 다른 목적이나 장점은 반드시 달성되지는 않는 방식으로 구현 또는 수행될 수 있음이 이해될 것이다.
또한, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상이한 실시예로부터 각종 특성의 상호 교환성을 인지할 것이다. 기술된 각종 특성 뿐만 아니라 각각의 특성에 대해 다른 알려진 균등물은 본 개시 내용의 원리에 따라 추가적인 시스템 및 기법을 구성하도록 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 혼합되고 부합될 수 있다.
10 : 회전 머신
12 : 회전자
14 : 고정자
16 : 프레임
18 : 고정자 코어
20 : 고정자 권선
24 : 회전자 단부 벨
25 : 슬롯
26,28 : 고정자 코어의 전방과 후방 단부
30 : 갭
32 : 도전성 바
34 : 루프
36,38 : 상부 및 하부 바
40 : 접속 링
41 : 코어 단부 플랜지
42 : 접속 링 스페이서
43 : 축 지지대
44 : 상호접속 도전체
45 : 결합 밴드
46 : 단자
47 : 타이
48 : FBG 감지 시스템
49 : 홀
50 : FBG 감지 케이블
52 : 섬유
54 : 브래그 그레이팅
56 : 광원
58 : 검출 모듈
60 : 프로세서
62 : 측정 부분
63 : 고정 지점
64 : 외장 튜브
66 : 폴리머 재료
68 : 코팅 층
70 : 지지 튜브
72, 74, 76, 78, 80, 82 : 측정 부분
84 : 곡선 부분
86 : 섬유 센서(섬유 부분)
90 : 광 섬유
92 : 고정 지점

Claims (10)

  1. 고정자 단부 권선 구성요소와,
    2개의 상기 단부 권선 구성요소에 고정된 2개의 고정 지점(63)과 상기 2개의 단부 권선 구성요소 사이에서 상대 변위를 측정하기 위한 센서(54)를 갖는 감지 케이블(50)을 포함하는
    고정자(14).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정자 단부 권선 구성요소는 단부 권선 바(32), 단부 권선 루프(34), 상호 접속 도전체(44) 및 복수의 접속 링(40)을 포함하는
    고정자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 2개의 고정 지점은 2개의 상기 접속 링에 고정되고 상기 상호 접속 도전체의 적어도 하나에 인접하는
    고정자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 기계적 변형(strain)을 감지하는 섬유 재료를 포함하는
    고정자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서는 적어도 하나의 변조 주기의 섬유 브래그 그레이팅(Bragg grating)을 포함하는
    고정자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지 케이블은 섬유 센서를 포함하는 광 섬유, 외장 튜브 및 상기 광 섬유와 상기 외장 튜브 사이의 접착 재료를 포함하는
    고정자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 감지 케이블은 지지 튜브와, 폴리머 재료로 코팅된 광 섬유를 포함하며, 상기 광 섬유는 상기 지지 튜브의 외측 표면에 고정되는
    고정자.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 감지 케이블은 상기 2개의 단부 권선 구성요소에 실질적으로 수직하거나 또는 상기 2개의 단부 권선 구성요소와 예각에 있는
    고정자.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 감지 케이블은 상기 2개의 단부 권선 구성요소 사이에서 곡선 형상을 포함하는
    고정자.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 센서 중 적어도 일부는 인접하는 접속 링 사이에서 고정되는
    고정자.
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