KR20120090773A - 서스펜션 구조 - Google Patents

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KR20120090773A
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스튜어트 이안 브래들리
그레이엄 데릭 리 플렘
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컨버팀 테크놀로지 리미티드
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Abstract

본 발명에 의한 지지 구조는, 회전용 전자기기(예를 들면, 모터 또는 발전기)의 스테이터를 고정하기 위하여 사용된다. 상기 지지 구조는 견고한 외부 지지 프레임(6)을 포함한다. 스테이터 전자기력에 의하여 야기되는 진동이 그들이 외부 지지 프레임(6)으로 전달되는 것을 최소화하기 위하여, 적어도 하나의 샌드위치 반진동 마운트(14a)가 외부 지지 프레임(6)과 스테이터(28)의 일부분 사이에 고정된다. 상기 마운트(14a)는 스테이터에 대해 상대적으로 배향되어, 회전용 전자기기가 작동되는 동안, 주로 스테이터의 접선 방향에서는 압착 하중을, 스테이터의 주로 방사상 방향에서는 방사상 전단 하중을 받는다. 샌드위치 반진동 마운트(14a, 14b)는 대개 그들의 압착 축(Ac)을 따라서 미리 결정된 압착 하중으로 예압된다. 마운트(14a)는 압착 하중에 대한 높은 강성 특성 Kc를 가지며 주로 0, 심지어 마이너스인 방사상 전단 하중에 대한 강성 특성 Kr을 갖는다. 마운트(14a)는 따라서 스테이터의 접선접선을 제한하는 반면, 여전히 방사상 방향에서는 낮은 강성 서스펜션을 얻을 수 있다.

Description

서스펜션 구조{suspension structures}
본 발명은 서스펜션 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모터나 발전기와 같은 회전용 전자기기의 스테이터를 지지하기 위한 구조에 관한 것이다.
본 발명의 회전용 전자기기의 스테이터 어셈블리는 일반적으로 외부 지지 프레임 상에 고정된다. 스테이터 어셈블리에 작용하는 자기변형력은 방사상 방향에서 진동 모드(때로는 스테이터 전자기력이라 한다.)를 만들고 이는 지지 프레임으로 전달되는 큰 힘을 야기한다. 이어서 이들 진동은 지지 프레임에서 잡음이 발산되게 한다. 많은 환경들에서, 스테이터 어셈블리에서 발산되는 소음 수준을 최소화하는 것이 요망되고 있다. 예를 들면, 유람선은 환경적으로 취약한 지역으로 여행하기를 원하고, 환경 조사선, 어업조사선 또는 해군 군함 등은 항상 소음을 최소화하기를 원한다.
지지 구조로 전달되는 진동의 양은 스프링을 사용한 지지 구조에서 스테이터 어셈블리를 분리함으로써 최소화될 수 있다. 그러나 스프링을 사용하는 종래 지지 구조의 외부 디자인은 종종 비효율적이고, 복잡하며, 제조하는데 비용이 많이 들고, 장착하기 어렵다.
따라서 개선된 지지 구조에 대한 수요가 있었다.
샌드위치 반진동 마운트는 산업적 이용으로 잘 알려져 있다. 예를 들면, 그들은 디젤 엔진 하부나 발전기 셋트에 위치하여 복원력 좋은 서스펜션을 제공할 수 있다. 전형적인 샌드위치 마운트는 두 개의 견고한 말단판들 사이에 위치한, 고무나 중합체로 이루어진 하나 이상의 탄성중합체 층을 제공한다. 몇몇 경우에, 견고한 판이 증가된 하중 능력을 위하여 인접한 탄성중합체 층 사이에 끼워져 있다. 샌드위치 마운트는 압착, 전단, 또는 이들 둘 다에 사용될 수 있다. US 6107705는 외부 지지 프레임과 스테이터의 부착 부위들 사이에 고정된 부착 요소가 샌드위치 마운트인 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조를 보여준다.
샌드위치 반진동 마운트는 산업적 이용으로 잘 알려져 있다. 예를 들면, 그들은 디젤 엔진 하부나 발전기 셋트에 위치하여 복원력 좋은 서스펜션을 제공할 수 있다. 전형적인 샌드위치 마운트는 두 개의 견고한 말단판들 사이에 위치한, 고무나 중합체로 이루어진 하나 이상의 탄성중합체 층을 제공한다. 몇몇 경우에, 견고한 판이 증가된 하중 능력을 위하여 인접한 탄성중합체 층 사이에 끼워져 있다. 샌드위치 마운트는 압착, 전단, 또는 이들 둘 다에 사용될 수 있다. US 6107705는 외부 지지 프레임과 스테이터의 부착 부위들 사이에 고정된 부착 요소가 샌드위치 마운트인 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조를 보여준다.
본 발명은 개선된 회전용 전자기기의 스테이터에 대한 지지 구조로서, 외부 지지 프레임 및 상기 외부 지지프레임과 스테이터의 일부분 사이에 위치하여 회전용 전자기기 작동 중에, 스테이터의 주로 접선 방향에서 압착 하중을, 스테이터의 주로 방사상 방향에서 방사상 전단 하중을 받게 되는 적어도 하나의 샌드위치 반진동 마운트로 구성되며, 상기 샌드위치 반진동 마운트는 압착 하중 Kc에 대한 강성 특성과 방사상 전단하중에 대한 강성 특성을 갖고, 상기 샌드위치 반진동 마운트는 주로 그들의 압착 축을 따라 미리 결정된 압착 하중으로 예압하여, 방사상 전단 하중 Kr들에 대한 강성 특성이 대개 0이거나 마이너스이다.
샌드위치 반진동 마운트는 압착 하중의 구성요소들이 설치된 압착 축과 한 쌍의 직각을 이루는 전단 축들을 갖는다. 전단 하중의 구성요소는 지지 구조의 전체적 디자인에 따라서 하나 또는 둘의 전단 축들을 따라서 샌드위치 반진동 마운트에 설치될 수도 있다. 샌드위치 반진동 마운트가 견고한 판 사이에 끼워진 다수의 탄성중합체 층으로 이루어지는 경우에, 압착 축은 전형적으로 다양한 탄성중합체 층의 판 및 사이에 끼워진 견고한 판들에 대해 대개 법선을 이루고, 전단 축들은 전형적으로 다양한 탄성중합체 층과 사이에 끼워진 견고한 판들에 대개 평형을 이룬다.
샌드위치 반진동 마운트는 바람직하게는 압착축이 스테이터의 접선과 대개 나란하고, 이들 전단 축들 중 하나가 스테이터의 반경과 대개 나란하며, 보다 바람직하게는 스테이터의 기하학적 중심과 나란하게 위치한다. 스테이터의 원주와 대개 나란한 전단 축은 방사상 전단축과 방사상 전단 하중의 구성요소가 전단축을 따라서 샌드위치 반진동 마운트에 설치된다.
지지구조가 둘 이상의 샌드위치 반진동 마운트를 포함하는 경우에 이들 전단축들 각각은 바람직하게는 대개 스테이터의 반경과 나란하고, 바람직하게는 스테이터의 기하학적 중심과 일렬로 위치한다. 이들은 각각의 마운트 위치가 하기에 상술할 한 쌍의 공 위치된 샌드위치 반진동 마운트를 포함한다. 달리 말하면, 한 쌍의 함께 설치된 샌드위치 반진동 마운트가 원주 둘레에서 떨어져서 위치하여, 그들 각각의 방사상 전단축이 평형하지 않고 바람직하기는 스테이터의 원주에 나란하게 위치한다.
스테이터는 바람직하게는 스테이터 원주둘레에 이격된 다수의 마운트 위치에서 적어도 하나의 샌드위치 반진동 마운트에 의해 외부 지지 프레임과 간접적으로 연결된다. 마운트 위치는 전자 기기 및/또는 지지 구조의 디자인에 따라서 스테이터 원주둘레 주위에 평평하게 또는 평평하지 않게 위치한다. 전형적인 지지 구조에서, 스테이터는 2, 3 또는 4 개의 이격된 마운트 위치에서 외부 지지 구조에 고정되고, 상기 스테이터 각각은 적어도 하나의 샌드위치 반진동 마운트를 갖는다.
샌드위치 반진동 마운트는 압착 하중에 대한 강성 특성 Kc과 방사상 전단 하중에 대한 강성 특성 Kr을 갖고, 강성 비율 Kc:Kr은 16:1 이상이다. 강성 비율은 Kr이 0 이거나 마이너스이면 무한한 것으로 간주된다. 도 1은 샌드위치 반진동 마운트의 천연 진동수 비가 강성 특성에 따라 얼마나 다양한 지를 보여준다. 천연진동수 비의 하한 경계는 약 4이고, 이는 스테이터의 지름과 길이 비율, 나아가서는 샌드위치 반진동 마운트에 사용가능한 마운트 위치에 의해 결정된다. (예를 들면, 압착 강성이 너무 낮아서 토크를 포함하며, 매우 큰 마운트 디자인에 의지하지 않고도 안정성을 갖기에 충분히 높은 방사상 천연 진동수를 유지한다. 천연 진동수 비율이 4 이상인 경우, 도 1로부터 강성 비율 Kc:Kr 이 16:1 이상 것을 볼 수 있다. 이러한 특정 진동수 비율은 따라서 대부분의 스테이터 디자인에서 실질적인 최소를 나타낸다.
샌드위치 반진동 마운트는 여전히 방사상에서 저도의 강성 서스펜션을 얻을수 있는 반면에, 스테이터의 접선 굴절을 제한한다. 달리 말하면, 샌드위치 반진동 마운트는 다른 실용적인 면에서는 스테이터의 방사상 굴절을 제한하지 않으므로, 스테이터에서 외부 지지 프레임으로의 힘의 전달을 최소화한다.
전자 기기 작동 중 샌드위치 반진동 마운트에 걸리는 압착 하중은 보통 대개 일정한 정적 압착 하중과 다양한 역학적 압착 하중의 조합으로 이루어진다. 어떠한 정적 압착 하중들의 조합이라도 그들의 작동시간 전체에서 샌드위치 반진동 마운트에 걸리는 정적 상태 압착 하중을 효과적으로 제공한다. 동적 압착 하중은 따라서 하기에 상술할 이유들 때문에 어떤 특정 시간일 때에도 정적 상태 압착 하중 이상으로 샌드위치 반잔동 마운트에 걸리는 총 압착 하중을 야기한다. 부하된 압착 하중이 정적 상태 압착 하중 이상으로 어떠한 증가가 추가함에 의해 샌드위치 반진동 마운트의 탄성중합체 층을 압축하여, 견고한 말단 지지 요소들이 서로 가까워지도록 움직인다. 부하된 압착 하중이 정적 상태 압착 하중보다 작은 경우에는, 탄성중합체 층은 압축되지 않고, 견고한 말단 지지 요소들은 서로 멀어지도록 움직인다. 따라서 전자기기 작동 중 샌드위치 반진동 마운트의 견고한 말단 지지 요소들은 나아가 서로 가까워지게 움직이고, 추가로 정적 압착 하중의 조합들에 의해 결정되는 정적 상태 위치에 대해서 멀어지게 움직인다.
샌드위치 반진동 마운트는 미리 결정된 압착 하중에 의해 예압된다. 샌드위치 반진동 마운트에 걸리는 추가 압착 하중은 예압의 약 60%를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 달리 말하면, 예압 Fp는 일반적으로 그들 작동시간 전체에 걸쳐서 샌드위치 반진동 마운트에 걸리는 압도적인 압착 하중이다. 예압은 정적 압착 하중이며, 예를 들어 스루 볼트 또는 성형 브라켓과 같은 어떠한 적합한 기계 수단에 의해 적용되어도 좋다. 예압은 샌드위치 반진동 마운트의 압착 축을 따라 걸린다. 예압의 적용은 샌드위치 반진동 마운트의 탄성중합체 층을 압축하여, 견고한 말단 지지 요소들이 서로 가까워지게 움직임을 야기한다. 샌드위치 반진동 마운트를 예압하는 것은 일반 작동 상태 하에서 이들을 스트레스가 없는 상태로 허용하지 않음으로서 그들의 작동 수명을 연장하고, 일반적으로는 압착 강성 특성 Kc를 증가시킨다. 이는 토크, 충격 등 때문에 스테이터의 굴절이 감소한다는 것을 의미한다. 예압은 또한 샌드위치 반진동 마운트의 작동이 대개 스테이터 질량과 무관하여, 표준 반진동 마운트가 어떠한 스테이터에도 사용가능하다는 것을 의미한다. 이는 제조에 비용이 적게 들고 어떠한 스테이터 지지 수단 또는 프레임에도 설치하기 용이한 샌드위치 반진동 마운트의 모듈 디자인이 가능하게 한다.
샌드위치 반진동 마운트를 예압하는 것은 또한 오일러 좌굴 효과의 결과로 방사상 전단 강성 특성 Kr을 감소시키는데 도움을 준다. 달리 말하면, 방사상 전단 강성 특성 Kr은 압착 하중의 양에 따라 그들이 대개 0, 또는 마운트가 불안정해지기 때문에 심지어 마이너스가 될 때까지 감소시킨다. 따라서 압착 하중에 비해 퇴화된 방사상 전단 강성 특성을 가져서 방사상 전단 방향에서 불안정성을 갖는 샌드위치 반진동 마운트는 매우 좋은 진동 분리를 제공한다. 샌드위치 반진동 마운트의 물리적 디자인은 하기의 바람직한 방사상 전단 강성 특성을 얻는데 부분적으로 역할을 하나, 예압이 그들의 작동 시간 동안 마운트에 걸리는 압도적인 압착 하중이기 때문에, 대개 0 또는 마이너스인 방사상 전단 강성 특성 Kc를 제공하도록 선택되는 것이 전형적이다. 내재 불안정성이 발생하기 때문에, 방사상 전단 강성 특성은 종래의 샌드위치 반진동 마운트(예를 들면, 복원력 좋은 서스펜션을 제공하도록 디젤 엔진 하부에 또는 발전기에 위치하도록 고안된 타입의)에서는 의도적으로 피하게 되는 것이 통상적이다. 또한 크립(creep), 고착(settlement) 및 정렬불량과 같은 문제를 야기할 수 있으므로 통상적으로는 과도한 예압은 의도적으로 피하게 된다. 본 발명의 경우에, 0 또는 마이너스에 가까운 방사상 전단 강성을 가짐으로써 오는 불안정성은 스테이터와 외부 지지 프레임 사이의 진동 전달을 최소화하기 위하여 의도적으로 고안되었다.
도2a는 샌드위치 반진동 마운트에 대한 전형적인 선형 또는 비선형 압착 강성 곡선을 보여준다. 강성 곡선은 마운트가 선형 및 비선형 특성을 갖는 경우에 부하되는 압착 하중에 대응하여 샌드위치 반진동 마운트가 어떻게 굴절되는지를 보여준다. 도2b는 샌드위치 반진동 마운트가 적하된 압착 하중에 대응하여 어떻게 굴절될 때 방사상 전단 강성 특성 Kr이 어떻게 변하는지를 보여준다. 이 경우에 마운트는 선형 특성을 갖는 것으로 추정된다. 두 개의 방사상 전단 강성 특성은 이하, 하나는 사이에 끼워진 두 개의 견고한 판을 갖는 마운트에 대한 것이고, 또 하나는 사이에 끼워진 4 개의 견고한 판을 갖는 마운트에 대한 것이다. 10kN의 적하된 압착 하중에서 야기되는 0.01mm의 굴절에 대해, 사이에 끼워진 4 개의 견고한 판을 갖는 마운트는 60.6kN/mm의 전단 강성 특성 Kr을 가지며, 사이에 끼워진 2개의 견고한 판을 갖는 마운트는 88.4 kN/mm의 전단 강성 특성을 갖는다. 압착 강성 특성 Kc는 증가하면서 동시에 방사성 전단 특성 Kr은 감소하고, 때로는 마이너스가 될 수도 있다는 점을 주목하는 것이 중요하다. 사이에 끼워진 견고한 판의 수를 증가시키는 것은 또한 통상적으로 어떠한 압착 굴절에 대해서도 방사상 전단 강성 특성 감소 효과를 갖는다. 도 2a와 도 2b는 통상적인 샌드위치 반진동 마운트의 강성 특성들 간의 관계를 도시하기 위한 목적으로 제공되었으며, 본 발명을 어떠한 특정 디자인, 정렬 또는 강성 특성 범위에 한정하기 위해서도 고려될 수 있다.
그들의 마운트 위치에 따라, 부가적인 정적 압착 하중이 질량-하중 Fm의 형태로 샌드위치 반진동 마운트에 적용될 수 있다. 달리 말하면, 스테이터에 적용하는 중력의 하향력의 구성요소는 이들의 압착 축을 따라 샌드위치 반진동 마운트에 적용될 수도 있다. 예압과 질량-하중의 조합은 함께 전체 지지 구조가 정적 상태로 유지되고 전자 기기가 작동하지 않는 경우에 샌드위치 반진동 마운트에 적용되는 정적 상태 압착 하중을 나타내는 총 정적 압착 하중을 제공한다.
샌드위치 반진동 마운트는 또한 통상적으로 전자기기의 작동중 이들에 의해 발생하는 토크의 결과로서 동적 압착 하중을 받는다. 토크는 스테이터의 접선을 따라 작용하며 토크의 구성요소는 통상적으로 이들의 압착 축을 따라 샌드위치 반진동 마운트에 적용된다. 토크-하중 Ft는 단지 전자기기의 로터가 항상 같은 방향으로 회전할 경우에 스테이터의 단일한 접선 방향에 적용될 것이다. 이 경우에 스테이터가 단지 외부 지지 프레임에 고정되는 마운트 위치는 전자 기기가 작동될 때 토크 때문에 부가적인 압착 하중을 받는 단일의 샌드위치 반진동 마운트를 포함할 필요가 있고, 이 경우는 몇몇 환경에서 다른 압착 하중을 수용하기 위하여 한 쌍의 샌드위치 진동 마운트가 여전히 요구된다는 것은 자명하다.
전자 기기의 로터가 양방향으로 회전하여(예를 들어 전후방 추진력을 제공하기 위하여 양방향으로 프로펠러 샤프트를 회전할 필요가 있는 해양 추진 모터) 각 마운트 위치가 바람직하게는 한 쌍의 샌드위치 반진동 마운트를 포함하는 경우, 하나는 한 방향으로 전자 기기 로터가 회전할 때 토크-하중 Ft를 받고, 다른 하나는 반대 방향으로 전자기기의 로터가 회전할 때 토크-하중을 받는다. 한 쌍의 샌드위치 반진동 마운트 중 하나에 걸리는 총 압착 하중이 부가적 토크-하중 Ft의 결과로, 정적 상태 압착 하중보다 클 경우에, 다른 샌드위치 반진동 마운트에 동시에 걸리는 총 압착 하중이 정적 상태 압착 하중보다 낮다. 달리 말하면, 한 쌍의 샌드위치 반진동 마운트 중 하나의 탄성중합체 층은 특정량으로 추가로 압착되고, 반면에 다른 샌드위치 반진동 마운트의 탄성중합체 층은 특정량으로 비압축된다.
한 쌍의 샌드위치 반진동 마운트는 바람직하게는 각 마운트 위치에 함께 설치된다. 그러나, 지지구조는 또한 전자기기의 로터가 한 방향으로 회전할 때 토크 때문에 증가된 압착 하중을 받는 샌드위치 반진동 마운트를 갖는 하나 이상의 마운트 위치 및;
전자 기기의 로터가 반대 방향으로 회전할 때 토크 때문에 증가된 압착 하중을 견디는 샌드위치 반진동 마운트를 갖는 하나 이상의 마운트 위치를 포함하는 것이 가능하다. 달리 말하면, 한 쌍의 샌드위치 반진동 마운트는 함께 설치되는 대신에 스테이터 원주 둘레에 이격된 다른 마운트 위치에 위치한다.
한 쌍의 샌드위치 반위치 마운트는 동일한 또는 다른 구성을 가지며, 그들의 강성 특성 Kc 및 Kr을 포함한다. 예를 들면, 해양 추진 모터의 경우 전방 추진력을 제공하기 위하여 한 방향으로 로터가 회전하는 경우에 증가된 압착 하중을 견디는 샌드위치 반진동 마운트가, 후방 추진력을 제공하기 위하여 로터가 반대 방향으로 회전하는 경우에 증가된 압착 하중을 견디는 샌드위치 반진동 마운트보다 높은 압착 하중을 수용하도록 고안된다.
전방 추진 동안 걸리는 토크-하중 Ft가 전형적으로 후방 추진 동안 걸리는 토크-하중보다 크다는 것은 자명하다.
추가적인 동적 압착 하중 (예를 들어 충격-하중)은 선로 분로 또는 해로 운동에 의해 야기되는 예상치 못한 충격의 결과로 샌드위치 반진동 마운트에 적용된다.
일반적 용어로. 어떤 시점에서도 샌드위치 반진동 마운트에 적용되는 총 압착 하중 Fc는 하기의 수식으로 나타낼 수 있다:
Fc = Fp + Fm + Ft + Fs
└정적하중┘ └동적하중┘
토크 하중 Ft는 로터가 회전하는 방향과 샌드위치 반진동 마운트에 걸리는 압착 하중이 증가되는지 감소되는지에 따라 양수(+ve) 또는 음수(-ve)일 수 있다. 실질적으로, 토크-하중 Ft가 음수인 경우에도 샌드위치 반진동 마운트는 예압 Fp의 결과로 압착하중을 받고, 음수의 토크 하중의 적용은 단순히 상기 마운트가 받는 총 압축 하중 Fc의 감소를 가져온다.
샌드위치 반진동 마운트에 걸리는 방사상 전당 하중은 스테이터 전자기력의 결과로 스테이터의 방사상 굴절에 따라 달라지며, 또한 충격-하중 Fs의 구성요소에 따라서도 달라질 수 있다.
적당한 샌드위치 반진동 마운트에 걸리는 전형적인 압착 하중은 2 개의 전자 기기 예시에 의해 주어진다. 이하의 여러 가지 표에서 주어지는 값들은 어떠한 특정 디자인 또한 정렬에 대해서도 본 발명을 제한하도록 고려되어서는 안된다.
표 1에서의 첫 번째 전자 기기(Ex1)는 예를 들면 해양 추진 모터에 적합한 물리적으로 큰 기기를 나타내도록 의도되며, 하기의 디자인 파라미터를 갖는다.
전력 등급: 5MW
분당회전수: 3600
질량: 14000kg
스테이터 지름: 1.4m
표 2에서의 두 번째 전자 기기(Ex2)는 물리적으로 작은 기기를 나타내기 위하여 의도되었고, 하기의 디자인 파라미터를 갖는다.
전력 등급: 150kW
분당회전수 1800
질량: 220kg
스테이터 지름: 0.28m
표 1 및 표 2에서의 전자 기기의 스테이터용 지지구조에 설치될 경우 샌드위치 반진동 마운트에 의해 걸리는 전형적인 압축 하중은 이하와 같다.
Ex1 Ex2
질량-하중 Fm 12.2N 340N
최대 토크-하중 Ft ±10.6N ±5.0N
최대 충격-하중 Fs 36 kN 1.7kN
예압 Fp를 포함하지 않는 총 최대 압착 하중(Ft는 양수(+ve)) 58.8kN 7.04kN
예압 Fp를 포함하지 않는 총 최대 압착 하중(Ft는 음수(-ve)) 37.6kN -2.96kN
예압 Fp 98.0kN 11.7kN
표 3에서의 전자 기기(Ex1)에 대해서는 예압 Fp를 포함하지 않는 총 최대 압착 하중은 질량-하중이 주로 차지하며, 이는 관련 예압의 60%이다. 마찬가지로, 전자 기기(Ex2)에 대해서는 예압 Fp를 포함하지 않는 총 최대 압착 하중은 토크-하중이 주로 차지하며, 이는 관련 예압의 60%이다.
샌드위치 반진동 마운트는 높은 압착 강성 특성 Kc를 가지며, 따라서 매우 높은 압착 하중을 취급할 수 있다. 그러나, 샌드위치 반진동 마운트는 낮은 방사상 강성 특성 Kr을 갖는다. 실질적으로, 방사상 전단 강성 특성 Kr은 스테이터 전자기력의 결과로 외부 지지 프레임에 전달되는 힘을 최소화하기 위해서, 대체적으로 0, 심지어 마이너스인 것이 바람직하다. 이것은 또는 외부 지지 프레임에 의해 발산되는 소음의 수준을 최소화한다. 스프링을 사용한 종래 지지 구조가 진동수 범위 10㎐~2㎑에서 20~30dB의 소음을 감소시킬 수 있는 반면, 본 발명의 개선된 지지 구조는 동일한 진동수 범위 내에서 50~70dB의 소음 감소를 얻을 수 있다. 이것이 이상적인 질량-감소 스프링 특성을 갖는 것은 자명한 일이다.
샌드위치 반진동 마운트에 대해 종래의 동적 압착 및 방사상 전단 강성 특성 Kr, Kc은 전자기기 Ex1, Ex2용 스테이터에 대해 지지 구조에 설치될 때 하기의 표와 같다.
Ex1 Ex2
Kr들 100N/mm 100N/mm
Kc 260kN/mm 55kN/mm
Kc:Kr 2600:1 550:1
방사상 전단 강성 특성 Kr은 압착 강성 특성 Kc에 대한 상대 용어뿐만 아니라 절대 용어로도 상술할 수 있다. 따라서, 예를 들면, 방사상 전단 강성 특성 Kr은, 강성 비율 Kc:Kr이 약 20:1 이상인 경우 대개 0인 것으로 간주될 수 있다. Ex1, Ex2에 대한 상기 100N/mm의 방사상 전당 강성 특성 Kr은 동일한 샌드위치 반진동 마운트에 대한 압착 강성 특성 Kc가 적어도 2kN/mm인 경우라면 실용적 용도에서는 대개 0 인 것으로 간주될 수 있다.
상기에서 간단히 언급했듯이, 샌드위치 반진동 마운트는 바람직하게는 견고한 판을 사이에 끼운 다수의 탄성중합체 층으로 이루어진다. 상기 탄성중합체 층은 예를 들면 고무, 고무 믹스 또는 중합체와 같은 어떠한 적합한 물질로 구성되어도 좋다. 마찬가지로, 상기 견고한 판은 강철과 같은 견고한 판 금속이 일반적으로 바람직하나, 적합한 물질로 구성될 수 있다. 샌드위치 반진동 마운트의 구성은 통상적으로 결정될 수 있으므로, 필수적인 강성특성 및 특히 상기의 이유로 대개 0 또는 심지어 마이너스인 방사상 전단 강성 특성 Kr을 얻을 수 있는 능력을 갖는다. 방사상 전단 강성 특성 Kr이 0 또는 심지어 마이너스인 경우, 강성 비율 Kc : kR은 무한하며, 음수인 Kr에 대해서는 어떤 것도 허용되지 않는다. 상술한 대로, 강성 비율은 16:1 이상인 것이 바람직하며, Kr에 대해서는 모든 가능한 값에 대해 만족할 수 있다. 강성 특성을 결정할 때 고려되는 샌드위치 반진동 마운트의 구조적 특성은 두께, 경도 및 탄성중합체 층의 형태 및 특히 가장자리 윤곽의 형태, 견고한 판의 두께 및 탄성중합체과 견고한 판의 숫자를 포함한다.
샌드위치 반진동 마운트는 또한 이들의 방사성 천연 진동수가 스테이터 전자기력에 의해 야기되는 방사상 진동에 의해 예상치못하게 여기한다. 스테이터에 대한 진동 빈도는 예를 들어 컴퓨터 모델링에 의해 측정 또는 예측될 수 있으며, 전형적으로는 스테이터 톱니(teeth), 회전 속도 등과 같은 기계 파라미터에 의하여 달라진다. 천연 진동수는 바람직하게는 샌드위치 반진동 마운트가 작동 중에는 대개 일정하게 유지된다. 달리 말하면, 샌드위치 반진동 마운트는 그들의 천연 진동수가 바람직하게는 대개 일정하게 유지되고, 회전용 전자 기기가 작동하는 때 압착 및/또는 샌드위치 반진동 마운트에 의해 걸리는 방사상 하중에 의해 변하지 않거나 영향을 받지 않는 일정한 주기성일 가질 수 있다.
샌드위치 반진동 마운트를 구성하는데 사용되는 물질은 바람직하게는 약 100℃의 상승하는 온도에 노출된다. 이것은 종래의 지지 구조가 스프링을 사용하며, 이들이 낮은 온도에 위치해야 하기 때문에 추가의 기술적 장점을 제공한다고 간주된다.
탄성중합체 층과 사이에 끼워진 견고한 판은 견고한 판과 지지부재이에 위치할 수 있다. 말단 지지부재 중 하나는 스테이터의 일부에 샌드위치 반진동 마운트가 위치하도록 하는데 사용될 수 있으며, 반면에 다른 말단 지지부재는 샌드위치 반진동 마운트가 외부 지지 프레임에 위치하도록 사용될 수 있다. 이런 방식으로, 스테이터는 외부 지지 프레임에서 효과적으로 분리되고, 이는 단지 샌드위치 반진동 마운트에 의해 간접적으로 그것과 연결된다. 견고한 말단 지지부재는 스테이터와 외부 지지 프레임에 적절한 고정 수단 예를 들어 볼트를 사용하여 기계적으로 고정되거나, 그저 스테이터 및 외부 지지 프레임 각각에서 적절한 형태와 크기를 갖는 시트에, 또는 그에 대항하여 위치한다. 접선 방향에서 말단 지지부재들 간의 상대적 운동은 샌드위치 반진동 마운트에 의해 압착 하중으로서 일어나고, 방사상 방향에서 말단 지지부재들 간의 상대적 운동은 샌드위치 반진동 마운트에 의해 방사상 전단 하중으로서 일어난다. 함께 설치되는 한 쌍의 샌드위치 반진동 마운트의 경우에, 단일의 견고한 말단 지지부재가 양 쪽 마운트에 의해 제공되고, 공유될 수 있다. 예를 들면, 각각의 샌드위치 반진동 마운트는 외부 지지 프레임에 연결된 마운트를 위치시키는 견고한 말단 지지부재 및 스테이터의 일부분에 마운트를 위치시키고 상기 마운트들 사이에 위치한, 공유된 견고한 말단 구성요소를 갖는다.
적어도 하나의 추가적 샌드위치 반진동 마운트는 외부 지지 프레임과 스테이터 일부 사이에 고정할 수 있어서, 스테이터의 축방향에서 압착 하중을 받는다. 달리 말하면, 상기 추가적 샌드위치 반진동 마운트는 스테이터의 어떤 축 굴절도 제한하는 반면, 방사상 방향에서 여전히 저-경도 서스펜션을 얻을 수 있는 것이 바람직하다. 추가의 샌드위치 반진동 마운트는 통상적으로 그들의 압착 축이 그들의 세로축과 대개 나란하고, 그들의 방사상 전단 축은 스테이터의 반경과 대개 나란하며, 바람직하게는 스테이터의 기하학적 중심과 나란하도록 위치한다. 그렇지 않으면, 스테이터의 축 굴절은 정지 수단에 의해 선로, 해양 추진력과 같은 응용도 할 수 있다. 이들 정지 수단은 고체의 금속 구조 예를 들어 해양 적용시 발견되는 충돌 충격, 또는 분기 하중을 극복하기 위해 선로 응용에서 흔히 발견되는 스프링 구조일 수 있다. 상기 고정 수단은 또한 합성물로 이루어지며 및/또한 중합체 물질일 수 있다.
다수의 추가적 샌드위치 반진동 마운트 또는 정지 수단은 스테이터의 원주 둘레와 떨어진 위치에서 제공될 수 있으며, 하나 또는 양쪽 축 방향에서 스테이터의 축 굴절을 제한하는데 사용될 수 있다.
외부 지지 프레임은 바람직하게는 강철과 같은 적절한 견고한 물질로 이루어질 수 있으며, 전체적으로 샌드위치 반진동 마운트가 고정되는 부분과 종래의 부분은 떨어져 있을 수 있다.
스테이터 전자기력의 결과로 스테이터 어셈블리(1)에서 지지 프레임으로 전달되는 힘을 최소화하고, 극히 조용한 개선된 지지 구조를 제공하여, 예를 들면, 군함 및 조사탐사선에 특히 적합하게 되는 효과가 있다.
도 1은, 샌드위치 반진동 마운트의 천연 진동수 비가 강성 비율에 따라 얼마나 다양해질 수 있는지를 보여주는 그래프.
도 2a는, 샌드위치 반진동 마운트에 대한 압착 강성 곡선을 보여주는 그래프.
도 2b는, 샌드위치 반진동 마운트의 전단 강성이 압착 굴절에 의해 어떻게 변하는지를 보여주는 그래프.
도 3은, 본 발명에 의한 지지 구조를 갖는 회전용 전자기기의 방사상 단면도.
도 4는, 도 3의 A-A선을 따라 절단하여 도시한 축 단면도.
도 5는, 본 발명의 지지구조의 일부분을 형성하는 함께 설치된 한 쌍의 샌드위치 반진동 마운트의 상세 투시도.
도 3 및 4에 대하여, 회전용 전자기기(예를 들면 모터 또는 발전기)에 대한 스테이터 어셈블리(1)는 스테이터 와인딩의 코일을 받는 다수의 원주 위치 슬롯(4)을 포함하는 방사상 내측면(2)을 포함한다. 외부 지지 프레임은 스테이터 어셈블리 (1)의 외측에 위치한다. 지지 프레임은 각 구조 구성요소(6), 원통형 외부 하우징(8) 및 각 말단판(10a, 10b)를 포함한다. 스테이터 어셈블리(1)의 개개의 축 말단은 도 3에 도시한 바와 같이, 4개의 분리된 마운트 위치(12a) 내지 (12d)에서 외부 지지 프레임의 각 구조 구성요소(6)과 간접적으로 연결된다. 마운트 위치(12a) 내지 (12d)는 스테이터 어셈블리(1)의 원주 둘레에 같은 거리로 떨어져 있다. 마운트 위치의 수, 그들 개별적 위치, 및 그들의 각 간격이 스테이터 어셈블리 및/또는 외부 지지 프레임의 구성에 따라 달라진다는 것은 자명하다.
각각의 마운트 위치는 한 쌍의 함께 설치된 마운트(14a, 14b)를 포함한다. 로터가 제 1 방향에서 스테이터 어셈블리 내부에서 회전할 때 각 쌍 중 한 마운트는 증가된 압착 하중을 받고, 각 쌍 중 다른 하나의 마운트는 로터가 반대 방향으로 회전할 때 증가된 압착 하중을 받는다. 도 3 및 도 4에서 도시한 정렬에서, 총 16개의 샌드위치 반진동 마운트가 사용되었으며, 스테이터 어셈블리1의 각 축 말단에서 상기 마운트 중 8개가 사용된다. 그러나 각각의 마운트 위치가 2개 이상의 함께 설치된 마운트 쌍을 포함하는 것은 또한 자명하다. 이 경우에, 각 마운트 위치에서 함께 설치된 마운트 쌍들은 통상적으로 축 상에서 떨어져서 위치한다. 예를 들어, 함께 설치된 마운트 위치는 부가적으로 스테이터 어셈블리 1의 각 축 말단에서 각각 4개의 마운트 위치가 위치하나, 지지 프레임의 각 구조 구성요소(6)의 축 안쪽으로 위치한다. 마운트로의 접근성 및 육안 조사가 가능하도록 직각 개방 구조(16)가 원통형 하우징(8)에 제공된다.
함께 설치된 마운트 쌍 중 하나는 도 5에 보다 상세히 도시되어 있다. 제 1 샌드위치 반진동 마운트(14a)는 반응판(18a), 마운트판(20a) 및 지지 브라켓 (22a)를 포함하는 견고한 말단 지지부재를 포함한다. 마찬가지로, 제 2 샌드위치 반진동 마운트(14b)는 반응판(18b), 마운트판(20b) 및 지지 브라켓(22b)를 포함하는 견고한 말단 지지부재를 포함한다. 마운트판(20a, 20b)는 개방 구조를 포함하여 말단 지지부재가 볼트(24)에 의해 각 구조 구성요소(6)의 원주 둘레 부위에 기계적으로 고정될 수 있다. 도 3 내지 도 5에 도시된 정렬에서, 각각의 말단 지지부재는 3개의 볼트를 이용하여 기계적으로 고정된다. 그러나 볼트의 수는 마운트의 크기 및 필수 고정 수단에 따라 달라진다.
견고한 중간 지지부재(26)은 제 1 및 제 2 마운트(14a, 14b) 사이에 위치하며, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 스테이터 어셈블리 1의 축-연장 구조 구성요소(28)의 한 말단에 기계적으로 고정된다. 도 3에 도시된 정렬이 4 개의 마운트 위치(12a) 내지 (12d)를 가지므로, 4개의 구조 구성요소(28)가 있으나 2개만 도 4에 도시하였다. 각각의 구조 구성요소(28)은 스테이터 어셈블리(1)의 완전한 축길이를 연장하고, 함께 설치된 마운트 쌍에 의하여 양 말단에서 지지된다. 구조 구성요소(28)는 전체 스테이터 어셈블리(1)의 일체 부분을 형성하고, 이는 특히 지지 프레임의 각 구조 구성요소(6)의 방사상 안쪽에 위치하는 각 구조 구성요소(30)을 갖는다. 도 4 및 도 5에 좀더 명확하게 도시하였듯이, 제 1 및 제 2 마운트 (14a, 14b)는 방사상 방향에서 각 구조 구성요소(30)과 겹친다. 방사상 간격은 중간 지지부재(26)과 외부 지지 프레임 사이에 제공되어 특정 수준의 상대 운동을 가능하게 한다. 실용적으로는, 스테이터 어셈블리(1)의 모든 부분과 어떠한 견고한 외부 구조 사이에도 충분한 간격이 제공되어야 한다.
제 1 및 제 2 마운트(14a, 14b)는 2개의 견고한 중간판(34) 사이에 끼워진 3개의 탄성중합체 층(32)를 갖는다. 각 마운트의 견고한 말단판(36)은 각각의 말단 지지부재의 인접한 반응판(18a, 18b)를 갖는 직접적인 비공정 어버트먼트 상에 있다. 각 마운트의 견고한 말단판(36)은 하기에 보다 상술할 예압에 의해 단단히 붙어있다. 각 마운트의 견고한 말단 판(38)은 중간 지지부재(26)을 갖는 비고정 직접 어버트먼트 상에 있고, 또한 예압에 의해 위치에 단단히 붙어있다. 본 명세서에 도시하지는 않았지만, 반응판(18a, 18b) 및 중간 지지부재(26)은 숄더 또는 각 마운트의 견고한 말단판(36, 38)의 가장자리를 떠받치게 될 적합한 시트 구조를 가져서, 전단 하중에 대항하는 위치를 제공한다. 스테이터 어셈블리(1)과 외부 지지 프레임 간에는 직접적인 물리적 연결이 없다는 것이 자명하다. 보다 상세하게는, 스테이터 어셈블리의 축 연장 구조 구성요소(28)과 외부 지지 프레임의 각 구조 구성요소(6) 간의 간접적인 연결이, 중간 지지부재(26) 및 각 마운트 위치(12a) 내지 (12d)에서 제 1 및 제 2 마운트(14a, 14b)의 말단 지지부재를 통해 이루어진다.
각 마운트는 미리 결정된 압착 하중으로 예압된다. 도 5에 도시된 정렬에서, 함께 설치된 마운트(14a, 14b) 양 쪽에 동일한 예압이 각 말단 지지부재의 반응판(18a, 18b)에 개방 구조(40)를 통하여 통과하는 볼트에 의하여, 기계적으로 걸린다. 그러나 다른 정렬에서, 각 마운트는 그들 자신의 미리 예정된 압착 하중으로 예압된다. 마운트는 또한 다른 하중을 수용하고 다른 강성 특성을 갖도록 고안되었다. 볼트(미도시)는 충분한 간격을 제공하여 스테이터 어셈블리(1)과 외부 지지 프레임 간의 상대적 운동이 허용되도록, 중간 지지부재(26)에 있는 개방구조(42)를 통과한다.
스테이터 어셈블리(1)와 외부 지지 프레임 사이에서 방사형 방향으로의 상대적인 운동은 함께 설치된 마운트(14a, 14b)에 의해 그들의 방사형 전단 축들을 따라 방사형 전단 하중으로서 작용하게 되고, 상기 스테이터 어셈블리와 외부 지지 프레임 사이에서 접선 방향으로의 상대적인 운동은 상기 함께 설치된 마운트들 중의 하나에 의해 증가하는 압축 하중으로 작용하고, 다른 하나의 마운트에 의해 정상상태 압축 하중보다 작은 감소하는 압축 하중으로 작용하게 된다. 이하 상술한다.
접선 방향에서 스테이터 어셈블리(1)과 외부 지지 프레임 간의 과도한 상대적 운동은, 각각의 마운트 위치 (12a) 내지 (12d)에서 제 1 또는 제 2 마운트(14a, 14b) 둘 중 어느 한 쪽에서, 외부 지지 프레임의 각 구조 구성요소(30)에 위치한 정지수단(40)에 의해 방지된다. 상기 정지 수단(44)는 마운트판 (20a, 20b)의 원주 외측 가장자리에 제공되는 해당 접촉 부위서 어버트먼트로 이어진다. 함께 설치된 마운트(14a, 14b) 각각은 다양한 탄성중합체 층(32)의 판과 사이에 끼워진 견고한 판(34)에 법선을 이루는 압착 축 및 다양한 탄성중합체 층의 판과 사이에 끼워진 견고한 판에 평형인 직각의 전단 축들을 갖는다. 각 마운트(14a, 14b)는 압착 축이 스테이터 어셈블리(1)의 접선과 나란하게 정렬된다.
각 마운트(14a, 14b)의 방사상 전단 축이 스테이터 어셈블리(1)의 반경과 나란하며, 스테이터의 기하학적 중심을 향한다. 마운트(14a, 14b)의 축방향 전단 축은 스테이터 어셈블리의 세로축과 나란하다.
예시의 목적으로 압착 축 Ac 및 방사상 전단 축 Ar은 마운트 위치(12d)에서 마운트(14b)에 대해 도 3에 도시된다. 축방향 전단 축은 도시되지 않았지만, 지면 밖으로 연장된다.
예압 Fp는 각 말단 지지부재의 반응판(18a, 18b)에 있는 개방 구조(40)을 통하여 통과하는 볼트(미도시)에 의하여 이들의 압착 축을 따라서 각각의 마운트(14a, 14b)에 기계적으로 적용된다.
잘량-하중 Fm의 구성요소가 이들의 압착 축을 따라 각각의 마운트(14a, 14b)에 적용된다.
예압 Fp및 질량-하중 Fm의 결합은 지지 프레임이 정적이고 전자 기기가 작동하지 않을 때, 각각의 마운트(14a, 14b)에 걸리는 정적 압착 하중을 나타낸다.
로터(미도시)가 반시계 방향으로 회전할 때, 토크가 스테이터 어셈블리(1)의 접선을 따라 작용한다. 이는 그들의 압착 축을 따라 직적접으로 제 1 마운트(14a)에 걸리는 토크-하중 Ft를 초래한다. 따라서 제 1 마운트(14a)는 증가한 압착 하중, 또는 달리 말하면 정적 상태 압착 하중보다 큰 압착 하중을 받는다. 그러나, 함께 설치된 한 쌍 중 제 2 마운트(14b)는 정적 상태 압착 하중보다 낮은 압착 하중을 받는다. 로터(미도시)가 시계 방향으로 회전할 때(예를 들어, 역방향 추진력을 제공), 제 2 마운트(14b)는 증가된 압착 하중을 받고, 함께 설치된 한 쌍 중 제 1 마운트(14a)는 정적 상태 압착 하중보다 낮은 압착 하중을 받는다.
지지 프레임 및 스테이터 어셈블리는 어떤 방향으로도 충격을 받는다. 충격-하중 Fs의 구성요소를 사용하는 장소는 그들의 압착 축 및/또는 하나 또는 양 방향의 전단 축들을 따라서 각 마운트(14a, 14b)에 작용한다.
마운트(14a, 14b)는 높은 강성 압착 강성 특성 Kc를 가지므로, 접선 방향에서 정적 및 동적 압착 하중 둘 다의 적용으로부터 발생하는, 스테이터 어셈블리(1)와 지지 프레임 간의 상대적 운동을 제한할 수 있다.
마운트(14a, 14b)는 매우 낮은 방사상 전단 강성 특성 Kr(예를 들어, 대개 0 또는 심지어 마이너스)을 가지므로, 방사상 방향에서 낮은 강성 서스펜션을 제공한다. 이는 이어서 스테이터 전자기력의 결과로 스테이터 어셈블리(1)에서 지지 프레임으로 전달되는 힘을 최소화하고, 극히 조용한 개선된 지지 구조를 제공하여, 예를 들면, 군함 및 조사탐사선에 특히 적합하게 된다.

Claims (14)

  1. 외부 지지 프레임; 및
    상기 외부 지지 프레임과 스테이터 일부 사이에 위치하는 적어도 하나의 샌드위치 반진동 마운트로서, 회전용 전자 기기의 작동중 스테이터의 접선 방향에서 압착 하중을, 스테이터의 주로 방사상 방향에서 방사상 전단 하중을 받는 샌드위치 반진동 마운트를 포함하여 구성되고,
    상기에서 샌드위치 반진동 마운트는 압착 하중 Kc에 대한 강성 특성 및 방사상 전단 하중 Kr에 대한 강성 특성을 갖고;
    상기에서 샌드위치 반진동 마운트는 주로 그들의 압착 축을 따라 미리 결정된 압착 하중으로 예압되어, 방사상 전단 하중 Kr에 대한 강성 특성이 0 또는 마이너스인 것을 특징으로 하는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
  2. 제 1항에 있어서,
    Kc:Kr의 비율이 16:1 이상인 것을 특징으로 하는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 샌드위치 반진동 마운트는 견고한 판이 사이에 끼워진 다수의 탄성중합체 층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 탄성중합체 층과 사이에 끼워진 견고한 판은 견고한 말단 지지부재들 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 하나의 말단 지지부재는 스테이터의 일부에 기계적으로 고정되고, 다른 말단 지지부재는 외부 지지 프레임에 기계적으로 고정되는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 말단 지지부재 중 하나는 스테이터의 일부분에 형성된 시트에 위치하고, 나머지 다른 말단 지지부재는 외부 지지 프레임에 형성되는 시트에 위치하는 것을 특징으로 하는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 샌드위치 반진동 마운트의 전단 축이 다양한 탄성중합체 층의 판과 사이에 끼워진 견고한 판과 평행인 것을 특징으로 하는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 샌드위치 반진동 마운트의 전단 축은 스테이터의 반경과 나란하고, 바람직하기는 스테이터의 기하학적 중심과 나란한 것을 특징으로 하는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 스테이터는 마운트 위치에서 적어도 하나의 샌드위치 반진동 마운트에 의하여 외부 지지 프레임에 간접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 스테이터는 스테이터 원주 둘레에 위치한 다수의 마운트 위치에서 적어도 하나의 샌드위치 반진동 마운트에 의해 외부 지지 구조에 간접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 마운트 위치 각각이 한 쌍의 함께 설치된 샌드위치 반진동 마운트를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
  12. 제 1항에 있어서,
    외부 지지 프레임과 스테이터 일부 사이에 고정되어 스테이터의 축 방향에서 압착 하중을 받는 적어도 하나의 추가적 샌드위치 반진동 마운트를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기에서 추가적인 반진동 마운트의 전단축이 스테이터의 반경, 바람직하게는 스테이터의 기하학적 중심과 나란한 것을 특징을 하는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
  14. 제 1항에 있어서,
    외부 지지 프레임에 대한 스테이터의 축 굴절을 방지하기 위하여 정지 수단을 더 추가하여 구성되는 것을 특징으로 하는 회전용 전자기기의 스테이터용 지지구조.
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