KR20190087554A - 기어리스 풍력 발전 설비의 스테이터를 측정하기 위한 측정 시스템 및 측정 방법 - Google Patents

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페터 로젠부슈
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Abstract

본 발명은 기어리스 풍력 발전 설비(100)의 스테이터(132)를 측정하기 위한 측정 시스템(200) 및 관련 측정 방법(300)에 관한 것으로, 상기 측정 시스템(100)은 에어 갭 측정 유닛(210)과 위치 결정 유닛(220)을 포함하고, 상기 에어 갭 측정 유닛(210)은 홀딩 장치(212)와 간격 센서(214)를 포함하고, 상기 홀딩 장치(212)는, 에어 갭 측정 유닛(210)을 풍력 발전 설비(100)의 로터(132)에 지지하도록 구성되고, 상기 간격 센서(214)는, 스테이터(132)와 로터(134) 사이의 에어 갭(154)의 크기를 나타내는 신호를 제공하도록 구성되고, 상기 위치 결정 유닛(220)은, 풍력 발전 설비(100)의 로터(134)에 설치되도록 그리고 로터(134)의 회전 중에 다수의 회전 위치에서 간격 센서(214)의 신호를 검출하도록 구성된다. 측정 시스템(200) 및 관련 측정 방법(300)은 스테이터의 간단한 측정을 가능하게 한다.

Description

기어리스 풍력 발전 설비의 스테이터를 측정하기 위한 측정 시스템 및 측정 방법
본 발명은 기어리스 풍력 발전 설비의 스테이터를 측정하기 위한 측정 시스템 및 측정 방법에 관한 것이다.
기어리스 풍력 발전 설비에서, 풍력 발전 설비의 발전기는 공기 역학 로터에 연결된 로터 블레이드의 회전을 통해 직접적으로 그리고 변속 기어 없이 움직이는 러너를 포함한다. 설계의 한 가지 가능성은 내부 러너(in-runner)로서, 회전자가 스테이터 내에서 회전하도록 하는 것이다. 이러한 설계에서 러너는 스테이터에 주로 정면으로, 즉 정상 작동 시 실질적으로 바람을 향하는 쪽으로부터 도입된다.
가능한 한 로터 또는 스테이터의 원주에 걸쳐 균일한 두께, 즉 발전기 축을 중심으로 방사방향으로 소정 크기를 갖는 에어 갭(air gap)이 로터와 스테이터 사이에 존재한다.
이를 위해, 스테이터는 가능한 한 둥근 내부면을 제공할 필요가 있으며, 이러한 내부면에 로터가 끼워질 수 있다. 스테이터의 진원도를 보장하기 위해, 지금까지는 풍력 발전 설비의 조립 시, 풍력 발전 설비가 여러 로터 위치에서 이동되고 고정되는 복잡한 공정이 필요하다. 이러한 각각의 로터 위치에서, 로터의 고정적인 기준점과 각각의 로터 위치에 대응하는 스테이터의 가변점 사이의 간격이 수동으로 결정된다. 수동 결정을 위해 기술자가 로터 허브로 올라가야 하기 때문에, 설비는 고정되어 있어야 한다. 기술자가 측정 후 로터 허브 영역을 떠난 다음에, 로터는 다음 측정 위치로 이동되어 다시 측정될 수 있다.
공개된 방법은 여러 단점을 갖는다. 예를 들어 기술자가 여러 시점에 로터 허브 내로 또는 스피너를 향한 발전기 측에 도달해야 하는 만큼 풍력 발전 설비가 자주 가동 및 정지되어야 하는 것은, 바람직하지 않고 시간 소모적이다. 또한, 특정한 측정값들이 할당될 수 있는 스테이터의 원주 방향의 위치를 결정할 수 없다. 또한, 스테이터의 조절 또는 조정의 효과를 직접적으로 그리고 즉각적으로 측정하는 것은 불가능하다.
본 발명의 과제는 이러한 공개된 문제들 중 적어도 몇 개를 해결하고 단점들을 방지하는 측정 시스템과 관련 측정 방법을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 과제는 스테이터의 간단한 측정을 가능하게 하는 측정 시스템과 관련 측정 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라 기어리스 풍력 발전 설비의 스테이터를 측정하기 위한 측정 시스템이 제안된다. 측정 시스템은 에어 갭 측정 유닛과 위치 결정 유닛을 포함한다. 에어 갭 측정 유닛은 홀딩 장치와 간격 센서를 포함한다. 홀딩 장치는, 풍력 발전 설비의 로터에 에어 갭 측정 유닛을 지지하도록 구성된다. 간격 센서는, 스테이터와 로터 사이의 에어 갭의 크기를 나타내는 신호를 제공하도록 구성된다. 위치 결정 유닛은, 풍력 발전 설비의 로터에 장착되도록 그리고 로터의 회전 방향으로의 위치 결정 유닛의 위치를 나타내는 신호를 제공하도록 구성된다. 측정 시스템은, 로터의 회전 중에 다수의 회전 위치에서 간격 센서와 위치 결정 유닛의 신호들을 검출하도록 구성된다.
이로써 본 발명에 따른 측정 시스템은 측정의 시작 전에 풍력 발전 설비 내에 장착될 수 있고, 로터의 회전 동안 에어 갭을 검출하도록 구성될 수 있다. 따라서 원주 방향의 여러 위치에서 로터를 고정한 후에 에어 갭을 수동으로 검출 또는 측정할 필요가 없다. 이것은, 에어 갭 측정 유닛과 위치 결정 유닛이 로터에 장착되기 때문에, 로터와 함께 회전함으로써 가능해진다.
위치 결정 유닛도 로터에 장착될 수 있고 따라서 에어 갭 측정 유닛과 마찬가지로 로터와 함께 회전함으로써, 위치 결정 유닛에 대한 에어 갭 측정 유닛의 간단한 연결이 가능하다. 특히, 로터의 회전으로 인해 위치 결정 유닛과 에어 갭 측정 유닛 사이의 연결 케이블의 비틀림 등이 발생할 수 없다.
바람직하게는 로터 측의 폴 슈와 스테이터 측의 스테이터 링 사이에 에어 갭이 형성된다. 풍력 발전 설비 또는 발전기의 다른 실시예에서, 스테이터 측과 로터 측의 다른 요소들 사이에도 에어 갭이 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 측정 시스템은, 에어 갭 측정 유닛과 위치 결정 유닛이 로터에 가역적으로 장착될 수 있음으로써, 바람직하게 휴대 및 재사용이 가능하다.
바람직하게 홀딩 장치는 또한, 대안적으로 풍력 발전 설비의 스테이터에 측정 유닛을 지지하도록 구성된다. 이 위치에서도 간격 센서는, 에어 갭의 크기를 나타내는 신호를 제공하도록 구성된다. 로터의 회전 동안 평가 유닛은 스테이터의 고정 위치와 로터의 다양한 위치 사이의 간격을 검출할 수 있고, 로터 동심도 측정을 수행할 수 있다. 이로써 본 발명에 따른 측정 시스템은 스테이터의 측정 및 로터 동심도의 측정에 적합하다. 로터 동심도 측정 시에도, 에어 갭을 수동으로 검출할 수 있기 위해, 여러 위치에서 로터를 고정할 필요가 없다.
이 실시예에서, 간격 센서는 스테이터와 바람직하게는 로터 측의 폴 슈들 사이의 간격을 나타내는 신호를 제공할 수 있다. 2개의 인접한 폴 슈 사이의 간극에서 더 큰 간격이 검출될 수 있으므로, 간격의 시간적인 변화의 평가에 의해, 로터의 다양한 폴 슈가 파악될 수 있다. 실시예에서, 간격 센서의 측정 신호에 기초해서 폴 슈를 카운팅함으로써 원주 방향으로 로터의 상대 위치가 가능하도록, 측정 시스템에 바람직하게 로터의 폴 슈의 개수가 사전 설정된다. 따라서 이러한 구현 시, 로터 위치는 폴 슈의 카운트로부터 결정될 수 있기 때문에, 바람직하게 로터에 장착된 위치 결정 유닛이 반드시 필요한 것은 아니다. 바람직하게는, 로터 동심도 는 폴 슈마다 간격의 최소값에 의해 결정된다. 그러나 다른 실시예에서, 로터 동심도는 또한 최소값이 아닌 값들, 예를 들어 평균값으로도 측정될 수 있다. 예를 들어, Enercon E-115 설비의 경우에, 로터는 회전 방향으로 96개의 폴 슈를 가지고 있다. 또한, 다른 풍력 발전 설비의 경우에는 폴 슈의 다른 개수도 공개되어 있다.
바람직하게는 홀딩 장치는 자기 필름(magnetic film)을 포함하며, 에어 갭 측정 유닛은, 에어 갭 내에, 특히 상기 로터의 폴 슈 상에 장착되도록 구성된다. 자기 필름은, 에어 갭 측정 유닛이 가역적으로 장착될 수 있고 여러 번 이용을 위해 재사용하는 것을 가능하게 한다.
실시예에서, 자기 필름은 약 0.3mm의 두께를 가지며, 이는 다른 실시예에서는 다르게 설계될 수도 있으며, 이 경우 로터에서 에어 갭 측정 유닛의 지지가 보장된다.
바람직하게 위치 결정 유닛은 로터의 위치를 나타내는 신호를 제공하도록 구성된 자이로스코프를 갖는다. 자이로스코프 신호는 높은 스캐닝 속도로 검출되어 높은 분해능을 보장한다. 바람직하게 위치 결정 유닛의 스캐닝 속도는 에어 갭 측정 유닛의 스캐닝 속도와 일치하고, 대응하는 에어 갭 및 위치값이 검출될 수 있다.
바람직하게 위치 결정 유닛은 대안으로서 또는 추가로 로터의 특정 각도 변경마다 신호를 제공하도록 구성된 증분형 엔코더를 포함한다. 따라서 위치 결정 유닛은 바람직하게, 증분형 엔코더에 의해 표시된 로터의 특정 각도 변경마다 간격 센서의 신호를 검출하도록 구성된다.
바람직하게 증분형 엔코더는 회전당 적어도 100개 위치의 분해능을 갖는다. 증분형 엔코더의 분해능은 공개되어 있고, 바람직하게는 개별 위치들은 서로 동일하게 이격되어 있어, 개별 측정점들의 위치를 간단하게 결정할 수 있다. 높은 분해능은 검출된 간격 값의 바람직한 정확한 위치 파악을 가능하게 한다. 바람직하게, 언제 전체 회전이 완료되고, 추가 회전에 의해 측정이 간단하게 반복될 수 있는지도 공개된다.
바람직하게 위치 결정 유닛은 증분형 엔코더의 레퍼런싱을 위한 레퍼런싱 유닛을 포함한다. 레퍼런싱에 의해 2개의 측정점 사이의 증분형 엔코더에 의해 공개된 상대 위치뿐만 아니라 절대 위치도 가능하다. 예를 들어, 레퍼런싱 유닛은 12시 위치를 식별할 수 있는 진자를 포함할 수 있다. 다시 말해서, 에어 갭 측정 유닛은 예를 들어 12시 위치에, 즉 수직 방향으로 가장 높은 로터의 위치에 장착되고, 증분형 엔코더는, 레퍼런싱 유닛 또한 12시 위치의 값과 일치하도록 레퍼런싱된다. 다른 실시예에서 12시 위치에 일치하지 않는 다른 레퍼런스 값도 물론 가능하다.
실시예에서, 레퍼런싱 유닛은 진자를 포함하고, 상기 진자는, 레퍼런싱 유닛이 12시 위치에 위치하는 즉시, LED 같은 램프를 점등하도록 구성된다. 따라서 이 실시예에서 증분형 엔코더는, 레퍼런싱 유닛에 속하는 LED가 점등될 때까지 조절되고, 예를 들어 회전될 수 있다. 이로써 간단한 레퍼런싱이 가능하다. 다른 실시예들에서 증분형 엔코더의 레퍼런싱의 다른 형태들도 물론 가능하다.
바람직하게는 상기 홀딩 장치는, 로터의 앞에 정면으로 장착되도록 구성된다. 로터의 앞에 정면 측에 규칙적으로 홀들이 존재하고, 예를 들어, 스크루가 베인(vane)에서 분리될 수 있고, 홀딩 장치가 동일한 스크루를 이용해서 장착될 수도 있다. 이는, 에어 갭 측정 유닛의 간단한 장착을 보장한다. 다른 실시예에서, 홀딩 장치는 대안으로서 또는 추가로, 측정 시스템이 복수의 측정 유닛을 갖는 경우, 로터의, 정면 측을 등지고 있는 쪽에 장착될 수 있다.
바람직하게는 측정 시스템은 하우징을 갖는다. 하우징은 위치 결정 유닛을 포함하며, 풍력 발전 설비의 스피너 캡을 위한 스트럿에 장착되도록 구성된다. 스피너 캡을 위한 스트럿은 항상 풍력 발전 설비에 존재하므로, 하우징과 위치 결정 유닛은 별도의 공정 없이 장착될 수 있다. 예를 들어, 하우징은 간단한 케이블 타이 또는 유사한 고정 수단에 의해 일시적으로 스트럿에 장착될 수 있다.
실시예에서 하우징은 자석, 특히 영구 자석을 포함하며, 하우징은 자석에 의해 로터의 자성 부분에 분리 가능하게 장착될 수 있다.
실시예에서 위치 결정 유닛과 에어 갭 측정 유닛은, 예를 들어 로터에 정면으로 장착될 수 있는 공통의 하우징 내에 배치될 수도 있다.
바람직하게 위치 결정 유닛은 무선 통신 모듈, 특히 W-LAN 모듈을 포함한다. 무선 통신 모듈은 예를 들어 풍력 터빈의 기계실 내의 컴퓨터에 대해 간단한 연결을 형성할 수 있게 하고, 이를 위해 케이블을 포설하지 않아도 된다. 따라서, 함께 회전하지 않는 컴퓨터에 의한 측정의 간단한 분석 및 평가가 가능하다. 다시 말해서 로터의 회전 및 측정 결과의 기록 동안 이미 스테이터의 설정과 조정이 이루어질 수 있는데, 그 이유는 로터 허브의 영역에 기술자가 없어도 되고 그에 따라 설비를 고정할 필요가 없기 때문이다.
바람직하게 간격 센서는 스캐닝 패널을 갖고, 상기 스캐닝 패널은, 장착된 상태에서 상기 스테이터의 내부면을 스캔하도록 구성된다. 특히 스캐닝 패널은, 내부에서 스테이터 적층 코어에 접촉하도록 배치된다. 스캐닝 패널에 대한 대안으로서 또는 추가로 거리 측정에 적합한, 예를 들어 광학 및 레이저 기반의 다른 유형의 측정 장치도 이용될 수 있다. 마찬가지로 간격 센서는 외부 러너로 유사하게 전송 가능하며, 이 경우 간격 센서는 바람직하게 회전하는 로터에서부터 스테이터의 외부면을 스캔한다.
대안으로서 또는 추가로 간격 센서는 용량성 플랫 센서를 갖는다. 용량성 플랫 센서는 특히, 에어 갭 내에 직접 장착되도록 그리고 에어 갭의 두께를 나타내는 신호를 제공하도록 구성된다.
바람직하게 간격 센서는 0.5mm의 측정 정확도 또는 더 양호한 측정 정확도를 가능하게 한다. 에어 갭은, 예를 들어 직경이 4m보다 크더라도, 몇 밀리미터의 작은 두께를 갖는다. 이는, 이러한 범위에서 변동이 미치는 영향이 크기 때문에, 이와 같은 정확성이 필요하다.
바람직하게 간격 센서는 아날로그 스캐닝 신호를 제공하고, 위치 결정 유닛은, 스캐닝 신호를 디지털화하도록 구성된 아날로그-디지털 변환기를 포함한다. 이는 에어 갭 측정 유닛의 특히 간단한 구현을 가능하게 한다. 대안으로서 다른 실시예에서, 에어 갭 측정 유닛은 디지털 간격 센서를 직접 포함할 수도 있다.
바람직하게 위치 결정 유닛은, 공급 전압에 직접 연결될 수 있도록, 변압기를 구비한다. 특히 이로써, 위치 결정 유닛 또는 전체 측정 시스템은 넓은 가용성이 보장되는 기존의 공급 네트워크에 어려움 없이 연결될 수 있는 것이 가능해진다. 예를 들어, 독일 시장에서는 간단한 접속을 가능하게 하는 220V 콘센트를 - 다른 시장에 유사하게 응용 가능 - 쉽게 찾아볼 수 있다. 특히 바람직하게는, 위치 결정 유닛은 전체 위치 결정 유닛을 위해 24V 출력 전압을 제공하는 제 1 변압기와 대안으로서 또는 추가로 간격 센서를 위해 5V 출력 전압을 제공하는 제 2 변압기를 갖는다.
바람직하게 측정 시스템은 제 1 및 제 2 에어 갭 측정 유닛을 가지며, 상기 제 1 에어 갭 측정 유닛은 상기 로터의 전방에 축방향으로 장착하도록 구성되고, 상기 제 2 에어 갭 측정 유닛은 상기 로터 후방에 축방향으로 장착하도록 구성된다. 이러한 측정 시스템은 측정 시스템의 측정을 기반으로 스테이터를 축방향 전방 및 후방으로 정렬하는 것을 가능하게 한다. 이로써 로터 평면에서의 정렬에 추가하여 로터 평면에 대한 틸팅도 검출될 수 있다. 다시 말해서, 바람직하게는 제 1 에어 갭 측정 유닛이 스피너 측에 그리고 제 2 에어 갭 유닛은 기계실 측에 로터의 동일한 폴 슈에 장착된다.
실시예들은 각각 서로 독립적으로 바람직한 실시 형태로서 기술되었지만, 측정 시스템의 특히 바람직한 구현은 바람직한 것으로 기술된 2개 이상의 실시 형태의 조합에 의해 제공된다.
추가 양상에서, 기어리스 풍력 발전 설비의 스테이터를 측정하기 위한 측정 방법이 제공된다. 이 측정 방법은, (i) 홀딩 장치와 간격 센서를 포함하는 에어 갭 측정 유닛을 풍력 발전 설비의 로터에 장착하는 단계, (ii) 풍력 발전 설비의 로터에 위치 결정 유닛을 장착하는 단계, ⅲ) 로터의 회전 중에 상기 다수의 회전 위치에서 위치 결정 유닛을 이용해서 스테이터와 로터 사이의 에어 갭의 크기를 나타내는 간격 센서의 신호를 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 측정 방법은 바람직하게 본 발명에 따른 측정 시스템을 사용하여 수행되며, 특히 측정 시스템과 관련해서 기술된 장점들을 달성하기에 적합하다. 측정 시스템에 대해 설명된 모든 바람직한 실시예는 또한 동일한 형태로 측정 방법에도 전용될 수 있다.
바람직하게 증분형 엔코더에 의해 표시되는 측정 위치마다 간격 센서의 신호가 검출된다. 그 결과 스테이터의 원주에 걸친 에어 갭 변화의 합성된 이미지가 제공된다. 예를 들어, 간격 센서의 관련 값들 그리고 증분형 엔코더의 값들이 목록으로서 저장될 수 있으며, 이어서 적절한 소프트웨어, 예를 들어 스프레드시트를 이용해서 처리될 수 있다. 또한, 간격 센서의 값들은 레이다 차트로도 나타낼 수 있으며, 원형 배치는 바람직하게는 회전 방향에 해당한다. 이를 통해 스테이터의 진원도를 나타낼 수 있고 심지어 스테이터가 라운딩(rounding)되지 않아 재조정되어야 할 스테이터의 영역도 그래픽으로 간단하게 직관적으로 표현할 수 있다.
바람직하게 상기 방법은 상기 위치 결정 유닛을 공급 전압에 연결하는 단계를 포함한다. 바람직하게는 상기 방법은 대안으로서 또는 추가로 간격 센서의 보정(calibration)하는 단계를 포함한다.
바람직하게 상기 방법은 회전 동안 절대 위치 결정을 위해 증분형 엔코더를 레퍼런싱하는 단계를 포함한다. 따라서 증분형 엔코더에 의해 표시되는 상대적인 위치 변화에 추가하여, 절대 위치도 신뢰적으로 검출될 수 있다.
바람직하게 상기 방법은 검출된 신호를 W-LAN에 의해 전송하는 단계를 포함한다. 이는 풍력 발전 설비의 비-회전부에 머무르는 기술자에 의한 데이터의 간단한 평가를 가능하게 한다. 또한, 이를 위해 케이블이 풍력 발전 설비의 회전부로부터 회전 불가능한 부분으로 포설되지 않아도 된다. W-LAN은 우수한 가용성과 저렴한 비용으로 인해 특히 적합하다. W-LAN에 대한 대안으로서 물론 다른 무선 전송 프로토콜도 유사하게 구현할 수 있다.
추가 양상에서 본 발명에 따른 기어리스 풍력 발전 설비의 로터를 측정하기 위한 방법이 제공되고, 상기 측정 방법은, 홀딩 장치와 간격 센서를 포함하는 에어 갭 측정 유닛을 풍력 발전 설비의 스테이터에 장착하는 단계, 로터의 회전 중에 다수의 회전 위치에서 스테이터와 로터 사이의 에어 갭의 크기를 나타내는 간격 센서의 신호를 검출하는 단계, 간격 센서의 신호로부터 로터의 폴 슈들 사이의 전이를 결정하는 단계, 결정된 전이들 중 인접한 매 2개의 전이 사이의 폴 슈마다 스데이터와 로터 사이의 간격 값을, 특히 간격 센서의 신호의 최소값으로서 결정하는 단계, 그리고 폴 슈마다 결정된 간격 값에 기초해서 로터의 진원도를 평가하는 단계를 포함한다.
이러한 양상에서, 측정 방법은 로터에 장착된 위치 결정 유닛을 선택적으로 포함할 수 있는데, 그 이유는 측정 신호로부터 도출 가능한 위치의 결정이 이미 폴 슈에 기초할 수 있기 때문이다. 따라서 로터와 함께 회전하는 부분들이 필요 없기 때문에 측정 절차를 수행하기 위해 회전부와 비-회전부 간의 복잡한 케이블 라우팅이나 연결이 필요하지 않다.
바람직하게는 2개의 에어 갭 측정 유닛이 스테이터의 2개의 축방향 측, 즉 하우징 측 및 허브 측에 장착된다. 하우징 측과 허브 측의 간격 센서들 간의 편차는 따라서 발전기 축에 대한 로터의 틸팅을 보정하기 위해 사용될 수 있다. 물론, 측정 방법은 하우징 측 또는 허브 측에 장착된 하나의 에어 갭 측정 유닛으로만 또는 2개 이상의 에어 갭 측정 유닛으로 수행될 수도 있다.
추가 양상에서 풍력 발전 설비를 조립하기 위한 방법이 제공되고, 상기 방법은 본 발명에 따른 측정 방법을 수행하는 단계와 에어 갭의 편차 값이 측정된 위치에서 스테이터 및/또는 로터를 추가로 조정하는 단계를 더 포함한다. 스테이터 또는 로터의 조립 시 발생하는 비-원형 영역들은 특히 많은 공정을 들이지 않고 보정될 수 있다.
다른 바람직한 실시예와 구현 형태들은 첨부된 도면을 참조하여 아래에서 설명된다.
도 1은 풍력 발전 설비를 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 풍력 발전 단지를 개략적으로 도시한 도면.
도 3은 도 1에 도시된 풍력 발전 설비의 발전기를 개략적으로 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 측정 시스템의 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 측정 방법의 예시적인 흐름도를 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 측정 방법의 다른 예시적인 흐름도를 도시한 도면.
도 7은 간격 센서의 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 1은 풍력 발전 설비(100)의 개략도를 도시한다. 풍력 발전 설비(100)는 타워(102) 및 타워(102) 상의 나셀(104)을 갖는다. 3개의 로터 블레이드(108) 및 스피너(110)를 갖는 공기 역학 로터(106)가 나셀(104)에 제공된다. 공기 역학 로터(106)는 풍력 발전 설비의 작동 시 바람에 의해 회전 운동하고, 따라서 공기 역학 로터(106)에 직접 결합되는 발전기의 전기 역학 로터 또는 러너도 회전시킨다. 전기 발전기는 나셀(104) 내에 배치되어 전기 에너지를 발생시킨다.
도 2는 예컨대 동일하거나 상이할 수 있는 3개의 풍력 발전 설비(100)를 갖는 풍력 발전 단지(112)를 도시한다. 3개의 풍력 발전 설비(100)는 사실상 풍력 발전 단지(112)의 풍력 발전 설비의 임의의 개수를 나타낸다. 풍력 발전 설비(100)는 그것의 전력, 즉 특히 생성된 전류를 단지 전력 네트워크(114)를 통해 공급한다. 이 경우에, 개별 풍력 발전 설비들(100)의 각각의 생성된 전류 또는 전력은 합산되고, 일반적으로 변압기(116)가 제공되고, 상기 변압기는 발전 단지 내의 전압을 승압하여, 단지 네트워크에서 일반적으로 PCC로도 지칭되는 공급점(118)에서 공급 네트워크(120)로 공급한다. 도 2는 제어부가 있음에도 불구하고, 예를 들어 제어부를 도시하지 않는 풍력 발전 단지(112)의 간단한 도면을 도시한다. 예를 들어 단지 네트워크(114)는 달리 형성될 수도 있고, 즉, 다른 실시예를 들자면, 각각의 풍력 발전 설비(100)의 출력부에도 변압기가 제공된다.
도 3은 발전기(130)의 측면도를 개략적으로 도시한다. 상기 발전기는 스테이터(132) 및 이에 대해 회전 가능하게 장착된 전기 역학 로터(134)를 가지며, 발전기의 스테이터(132)는 축 저널(136)을 통해 기계 캐리어(138)에 고정된다. 스테이터(132)는, 발전기(130)의 스테이터 극을 형성하며 스테이터 링(144)을 통해 스테이터 캐리어(140)에 고정되는 스테이터 적층 코어(142)와 스테이터 캐리어(140)를 갖는다. 전기 역학 로터(134)는 로터 폴 슈(146)를 갖고, 상기 폴 슈는 로터 극을 형성하고, 로터 캐리어(148) 및 베어링(150)을 통해 회전축(152)을 중심으로 회전 가능하게 축 저널(136) 상에 지지된다. 좁은 에어 갭(154)만이 스테이터 적층 코어(142)와 로터 폴 슈(146)를 분리시키고, 상기 에어 갭은 몇 밀리미터, 특히 6mm보다 작은 두께를 갖지만, 수 미터, 특히 4m 이상의 직경을 갖는다. 스테이터 적층 코어(142)와 로터 폴 슈(146)는 각각 링을 형성하고, 모두 링형이므로, 발전기(130)는 링 발전기이다. 규정대로 발전기(130)의 전기 역학 로터(134)는 로터 블레이드(158)의 부착부들이 도시된 공기 역학 로터의 로터 허브(156)와 함께 회전한다.
도 4는 도 3에 도시된 발전기(130)의 스테이터(132)를 측정하기 위한 본 발명에 따른 측정 시스템(200)의 실시예를 개략적으로 도시한다. 도 4는 도 3에 도시된 스테이터를 정면에서, 더 정확히는 스테이터 적층 코어(142)와 로터 폴 슈(146)의 상부의 단면을 도시한다. 간단한 도시를 위해, 도 3에 도시된 다른 요소들은 생략된다.
측정 시스템(200)은 에어 갭 측정 유닛(210)과 위치 결정 유닛(220)을 갖는다.
에어 갭 측정 유닛(210)은 홀딩 장치(212)를 포함하고, 상기 홀딩 장치는 로터에 장착과 동시에 간격 센서(214)를 지지하도록 구성된다. 홀딩 장치(212)는 예를 들어 로터(134; 도3 참조)의 정면 측에 있는 베인에 제 2 스크루를 이용해서 장착될 수 있다. 물론 에어 갭 측정 유닛(210)이 장착된 베인(도시되지 않음)은 일례에 불과하다. 베인의 장점은, 대개 풍력 발전 설비에 이미 존재하며 홀딩 장치를 장착하기에 적합한 홀(hole)을 포함한다는 것이다. 간격 센서(214)는 이 실시예에서 지지 플레이트를 가지며, 스테이터 적층 코어(142)와 로터 폴 슈(146) 사이의 간격을 아날로그 형태로 결정한다. 에어 갭(154)의 크기를 나타내는 신호는 간격 센서(214)로부터 위치 결정 유닛(220)으로 전송된다. 이 실시예에서 측정 신호의 전송을 위한 케이블이 제공되고, 다른 실시예에서 측정 신호는 무선으로도 전송될 수 있고, 에어 갭 측정 유닛(210)은 위치 결정 유닛(220)과 함께 일체형 유닛으로서 형성될 수 있다.
위치 결정 유닛(220)은 이 실시예에서 증분형 엔코더(222), 레퍼런싱 유닛(224) 및 무선 통신 모듈(226)을 갖는다. 이러한 경우에 위치 결정 유닛(220)은 로터와 함께 마찬가지로 에어 갭 측정 유닛(210)의 근처에 장착되는, 하우징 내의 박스로서 도시된다. 따라서 로터 폴 슈(146)가 스테이터 적층 코어(142)에 대해 회전할 때, 에어 갭 측정 유닛(210)과 위치 결정 유닛(220)이 회전한다. 다시 말해서, 에어 갭 측정 유닛(210)과 위치 결정 유닛(220)에 대해서 스테이터 적층 코어(142)가 회전한다.
증분형 엔코더(222)는, 위치 결정 유닛(220)의 위치를 표시하도록 구성된다. 특히 증분형 엔코더(222)는, 특정 각도 범위에 걸친 위치의 변화를 표시하도록 구성된다. 증분형 엔코더(222)의 분해능은 적어도 회전당 적어도 100개의 위치인 것이 바람직하다. 이로써 충분한 측정 분해능이 제공되고, 상기 분해능은 전체 회전에 걸쳐 스테이터(132)의 위치 설정을 보장한다.
증분형 엔코더(222)의 절대 위치를 표시하기 위해, 레퍼런싱 유닛(224)이 제공된다. 도 4에, 증분형 엔코더(222)가 12시 위치에, 즉 수직으로 위쪽으로 위치할 때마다 점등되는 레퍼런싱 유닛(224)의 디스플레이가 도시된다. 예를 들어, 레퍼런싱 유닛(224)은 또한 진자를 포함할 수 있고(도시되지 않음), 이 경우 도 4에 도시된 레퍼런싱 유닛(224)의 램프는, 위치가 12시 위치일 때, 즉 진자가 수직으로 아래쪽 있을 때, 점등된다. 바람직하게 증분형 엔코더(222)는, 레퍼런싱 유닛(224)의 램프가 점등될 때까지, 한 방향으로 회전되고, 즉 레퍼런싱된다. 증분형 엔코더(222)가 12시 위치에서 레퍼런싱되면, 증분형 엔코더(222)의 간격이 일정하고 회전당 측정 위치들의 개수도 공개되어 있기 때문에, 며칠에 걸친 그리고 다양한 풍력 발전 설비들 사이의 다수의 측정은 동일한 절대 기준점을 포함하므로, 비교 가능하다.
무선 통신 모듈(226)은 바람직하게 풍력 발전 설비(100)의 기계실 내의 컴퓨터와의 W-LAN 연결 또는 다른 무선 통신 연결을 가능하게 하는 W-LAN 모듈이다. 따라서 스테이터(132) 또는 스테이터 적층 코어(142)의 조정을 수행하는 기술자는, 회전하는 로터 외부에서 무선 통신 모듈(226)을 이용해서 에어 갭(154)에 관한 데이터를 수신하고, 평가하며, 예를 들어 스테이터(132)를 조정함으로써 적절하게 대응할 수 있다. 데이터의 무선 전송으로 인해, 케이블 꼬임의 위험을 야기하는, 로터 내부로부터 외부로의 케이블 안내는 이루어지지 않을 수 있다.
도 4에는 위치 결정 유닛(220)의 추가 요소들, 예를 들어 무선 통신 모듈(226)을 포함하는 컴퓨팅 유닛, 예를 들어 센서(214)가 아날로그 센서인 경우에 센서(214)의 스캐닝 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(220), 그리고 위치 결정 유닛이 요구하는 전압 또는 에어 갭 측정 유닛(210)이 요구하는 전압으로 공급 전압을 변환하는 적어도 하나의 네트워크 부분은 명확하게 도시되지 않는다. 또한, 위치 결정 유닛(220)은 당업자에게 알려진 간격 센서(214)의 보정을 가능하게 하는 보정 장치를 가질 수 있다.
이 실시예에서, 위치 결정 유닛(220)은 4개의 케이블 타이를 이용해서 스피너 캡의 부착을 위해 제공된 스트럿에 장착된다. 스트럿은 이미 일반적으로 풍력 발전 설비(100) 내에 존재하며, 이로 인해 조립 복잡성이 낮게 유지된다. 케이블 타이를 이용한 부착은 또한 위치 결정 유닛(220)의 신속한 분해를 가능하게 한다.
도 5는 풍력 발전 설비(100)의 스테이터(132)를 측정하기 위한 본 발명에 따른 측정 방법(300)의 흐름도를 개략적으로 그리고 예시적으로 도시한다. 측정 방법(300)은 홀딩 장치(212)와 간격 센서(214)를 포함하는 에어 갭 측정 유닛(210)을 풍력 발전 설비(100)의 로터(134)에 장착하는 단계(302)를 포함한다. 단계(302)에서의 장착은 바람직하게는 로터(134)가 회전할 수 없도록 풍력 발전 설비(100)가 고정되어 있는 시간 동안 수행된다. 또한, 장착은 바람직하게는 정면으로, 즉 정상적인 경우에 바람을 향하는 풍력 발전 설비의 쪽으로부터 이루어진다.
단계(304)에서, 위치 결정 유닛(220)은 풍력 발전 설비의 로터(134)에 장착된다. 예를 들어, 위치 결정 유닛(220)은, 이에 한정되지 않지만, 로터(134) 내에 이미 제공된 스트럿에 케이블 타이를 이용해서 장착된다.
단계(306)에서, 위치 결정 유닛(220)은 공급 전압에 연결된다. 공급 전압은 일반적으로 풍력 발전 설비(100)에서 이미 이용 가능하므로, 위치 결정 유닛(220)이 간단하게 연결될 수 있다.
단계(308)에서, 간격 센서(214)는 보정된다. 예를 들어 보정하는 단계는, 디스플레이된 측정값이 간격에 상응하도록 간격 센서(214)에 의해 생성된 전압이 변경되는 것을, 간격 센서(214)의 아날로그 스캐닝 값을 디스플레이하는 위치 결정 유닛(220) 상의 디스플레이를 통해 표시하는 방식으로 이루어진다. 이는 단지 예일 뿐이며, 다른 가능한 보정 방법이 예시적으로 설명된 보정 방법 대신 적용될 수 있다.
단계(310)에서, 증분형 엔코더(222)는 1회전 동안 절대 위치 결정을 위해 레퍼런싱된다. 레퍼런싱은 바람직하게 레퍼런싱 유닛(224)에 의해 수행된다. 레퍼런싱에 의해, 예를 들어 여러 해에 걸쳐 또는 다양한 풍력 발전 설비들 사이에서 수행되는 다수의 측정에 대해 비교 가능한 측정이 이루어질 수 있다.
단계(312)는 로터(134)의 회전 중에, 다수의 회전 위치에서 위치 결정 유닛(220)을 이용해서 스테이터(132)와 로터(134) 사이의 에어 갭(154)의 크기를 나타내는 간격 센서(214)의 신호를 실제 검출하는 것에 관한 것이다. 로터(134)가 스테이터(132)를 중심으로 회전하는 동안, 간격 센서(214)의 신호가 검출된다. 로터(134)는 개별 측정들을 수행하기 위해 정지될 필요가 없으며, 측정은 추가적인 공정 없이 원하는 만큼 자주 반복될 수 있다.
단계(314)에서는, 단계(312)에 검출된 신호들이 W-LAN에 의해 또는 다른 무선 전송 프로토콜을 이용해서 전송된다. 따라서 신호의 평가는 로터의 외부에서, 특히 기계실의 비-회전 영역에서 간단하게 가능하다. 이로써 기술자는 검출된 신호들을 거의 실시간으로 평가할 수 있고, 필요한 경우 스테이터(132)의 조정을 수행할 수 있다.
도 6은 풍력 발전 설비(100)의 로터(134)를 측정하기 위한 본 발명에 따른 측정 방법(400)의 개략적이고 예시적인 흐름도를 도시한다. 측정 방법(400)은 홀딩 장치(212)와 간격 센서(214)를 포함하는 에어 갭 측정 유닛(210)을 풍력 발전 설비(100)의 스테이터(132)에 장착하는 단계(402)를 포함한다. 단계(402)에서의 장착은 바람직하게는, 로터(134)가 회전할 수 없도록 풍력 발전 설비(100)가 고정되어 있는 시간 동안 수행된다. 또한, 상기 장착은 바람직하게는 정면으로, 즉 정상적인 경우에 바람을 향하는 풍력 발전 설비의 쪽으로부터 이루어진다. 대안으로서 또는 추가로, 특히 추가로, 상기 장착은 하우징 측에서도, 즉 로터 또는 발전기의, 바람을 등지고 있는 쪽에서 이루어진다.
단계(404)에서, 스테이터(132)와 로터(134) 사이의 에어 갭(154)의 크기를 나타내는 간격 센서(214)의 신호가 로터(134)의 회전 중에 다수의 회전 위치에서 검출된다.
단계(406)에서, 간격 센서(214)의 신호로부터 로터(134)의 폴 슈들 사이의 전이가 결정된다. 2개의 폴 슈 사이의 전이에서 검출된 간격은 폴 슈의 영역에서보다 훨씬 큰 값을 갖고, 이는 전이의 결정을 가능하게 한다.
단계(408)에서, 결정된 전이들 중 인접한 매 2개의 전이 사이의 폴 슈마다 스테이터(132)와 로터(134) 사이의 간격 값이 결정된다. 특히, 간격 센서(214)의 신호의 최소값이 이를 위해 사용되지만, 다른 방법, 예를 들면 평균값 결정도 역시 가능하다.
단계(410)에서, 폴 슈마다 결정된 간격 값에 기초해서 로터(134)의 진원도가 평가된다. 필요 시, 진원도가 확인된 경우 조정이 수행되어야 한다.
이들 단계들이 도 5 및 도 6에 특정 순서로 도시되어 있지만, 이것은 필수적인 시간순의 나열을 의미하지 않고, 단계들 중 소수의 단계, 다수의 단계 또는 모든 단계가 다른 순서로 또는 동시에 수행될 수 있다.
풍력 발전 설비가 실시예에서 내부 러너로서 제시되었지만, 본 발명에 따른 측정 시스템 및 방법은 유사하게 그리고 바람직하게 외부 러너에 의해 적용될 수 있다.
도 7은 간격 센서(214)의 실시예를 개략적으로 그리고 예시적으로 도시한다. 간격 센서(214)는 이 실시예에서 필름(710)으로 형성되며, 예를 들어 에어 갭에 간단하게 삽입할 수 있도록, 바람직하게 2개의 면 중 한 면은 자체 접착식으로 설계된다. 통상적인 필름 두께는 0.1mm 이내이며, 이 경우 더 두껍거나 더 얇은 필름도 가능하다.
필름(710)은 그 전방 측에 나선형 도체 트랙(720)을 갖고 그 후방 측에 다른 나선형 도체 트랙(730)을 갖는다. 도체 트랙(730)의 나선 방향은 바람직하게 나선(720)의 방향과 반대이다. 다른 실시예에서, 나선(720) 및/또는 나선(730)은, 바람직하게는 에어 갭에서 전체 스테이터 치폭(tooth width)을 덮기 위해 직사각형이거나 다른 형상을 가질 수 있다.
필름(710)의 대략 중간에서, 나선(720) 및 나선(730)은 예를 들어 납땜점을 갖는 홀로 구성된 연결부(740)를 통해 연결된다. 따라서, 간격 센서(214)는 제 1 나선(720)에 연결된 접속 리드(722) 및 제 2 나선(730)에 연결된 제 2 접속 리드(732)를 통해 연결될 수 있다.
전술한 바와 같이, 도 7에 도시된 간격 센서(214)는 로터를 측정하기 위해 스테이터에 부착될 뿐만 아니라, 스테이터 진원도를 측정하기 위해 로터에도 부착될 수 있다. 바람직하게는 총 4개의 이러한 간격 센서(214)가 사용될 수 있으며, 이 경우 스테이터 상의 2개의 간격 센서 및 로터 상의 2개의 간격 센서가 제공되고, 이들 중 하나는 스피너 측에서 그리고 하나는 기계실 측에서 진원도 및 원추도를 측정한다.

Claims (17)

  1. 기어리스 풍력 발전 설비(100)의 스테이터(132)를 측정하기 위한 측정 시스템(200)으로서,
    상기 측정 시스템(100)은 에어 갭 측정 유닛(210)과 위치 결정 유닛(220)을 포함하고,
    상기 에어 갭 측정 유닛(210)은 홀딩 장치(212)와 간격 센서(214)를 포함하고, 상기 홀딩 장치(212)는, 상기 풍력 발전 설비(100)의 로터(132)에 상기 에어 갭 측정 유닛(210)을 지지하도록 구성되고,
    상기 간격 센서(214)는, 상기 스테이터(132)와 상기 로터(134) 사이의 에어 갭(154)의 크기를 나타내는 신호를 제공하도록 구성되고,
    상기 위치 결정 유닛(220)은, 상기 풍력 발전 설비(100)의 상기 로터(134)에 장착되도록 그리고 상기 로터(134)의 회전 방향으로의 상기 위치 결정 유닛(220)의 위치를 나타내는 신호를 제공하도록 구성되고,
    상기 측정 시스템(100)은, 상기 로터(134)의 회전 중에 다수의 회전 위치에서 상기 간격 센서(214)와 상기 위치 결정 유닛(220)의 신호들을 검출하도록 구성되는 것인 측정 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 홀딩 장치(212)는 자기 필름(magnetic film)을 포함하고, 상기 에어 갭 측정 유닛(210)은, 상기 에어 갭(154) 내에, 특히 상기 로터(134)의 폴 슈 상에 장착되도록 구성되는 것인 측정 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 위치 결정 유닛(220)은, 상기 로터(132)의 특정한 각도 변경마다 신호를 제공하도록 구성된 자이로스코프 또는 증분형 엔코더(222)를 포함하는 것인 측정 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 증분형 엔코더(222)는 회전당 적어도 100개 위치의 분해능을 갖는 것인 측정 시스템.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 위치 결정 유닛(220)은 상기 증분형 엔코더(222)의 레퍼런싱을 위한 레퍼런싱 유닛(224)을 포함하는 것인 측정 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하우징
    을 갖고, 상기 하우징은 상기 위치 결정 유닛(220)을 포함하고, 상기 풍력 발전 설비(100)의 스피너 캡을 위한 스트럿에 장착되도록 구성되는 것인 측정 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위치 결정 유닛(220)은 무선 통신 모듈(226), 특히 W-LAN 모듈을 포함하는 것인 측정 시스템.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 간격 센서(214)는, 장착된 상태에서 상기 스테이터(132)의 내부면을 스캐닝하도록 구성된 스캐닝 패널 및/또는 용량성 플랫 센서를 포함하는 것인 측정 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 간격 센서(214)는 0.5mm의 측정 정확도 또는 더 양호한 측정 정확도를 가능하게 하는 것인 측정 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 간격 센서(214)는 아날로그 스캐닝 신호를 제공하고, 상기 위치 결정 유닛(220)은, 상기 스캐닝 신호를 디지털화하는 아날로그-디지털 변환기를 포함하는 것인 측정 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 위치 결정 유닛(220)은, 공급 전압에 직접 연결될 수 있도록, 변압기를 구비하는 것인 측정 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 시스템(200)은 제 1 에어 갭 측정 유닛 및 제 2 에어 갭 측정 유닛(210)을 가지며, 상기 제 1 에어 갭 측정 유닛(210)은 축방향으로 상기 로터(134) 전방에 장착하도록 구성되고 상기 제 2 에어 갭 측정 유닛은 축방향으로 상기 로터 후방에 장착하도록 구성되는 것인 측정 시스템.
  13. 기어리스 풍력 발전 설비의 스테이터를 측정하기 위한 측정 방법(300)으로서, 상기 측정 방법은 하기 단계들, 즉
    - 홀딩 장치(212)와 간격 센서(214)를 포함하는 에어 갭 측정 유닛(210)을 풍력 발전 설비(100)의 로터(134)에 장착하는 단계(302),
    - 상기 풍력 발전 설비(100)의 상기 로터(134)에 위치 결정 유닛(220)을 장착하는 단계(304),
    - 상기 로터(134)의 회전 중에 다수의 회전 위치에서 상기 위치 결정 유닛(220)을 이용해서 상기 스테이터(132)와 상기 로터(134) 사이의 에어 갭(154)의 크기를 나타내는 상기 간격 센서(214)의 신호를 검출하는 단계(312)
    를 포함하는 것인 측정 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 간격 센서(214)의 신호는 증분형 엔코더(222)에 의해 표시되는 측정 위치마다 검출되는 것인 측정 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 하기 단계들, 즉
    - 상기 위치 결정 유닛(220)을 공급 전압에 연결하는 단계(306),
    - 상기 간격 센서(214)를 보정하는 단계(308),
    - 회전 동안 절대 위치 결정을 위해 증분형 엔코더(222)를 레퍼런싱하는 단계(310), 및
    - 검출된 신호를 W-LAN에 의해 전송하는 단계(314)
    중 적어도 하나를 더 포함하는 것인 측정 방법.
  16. 기어리스 풍력 발전 설비의 로터(134)를 측정하기 위한 측정 방법(400)으로서, 상기 측정 방법은 하기 단계들, 즉
    - 홀딩 장치(212)와 간격 센서(214)를 포함하는 에어 갭 측정 유닛(210)을 풍력 발전 설비(100)의 스테이터(132)에 장착하는 단계(402),
    - 상기 로터(134)의 회전 중에 다수의 회전 위치에서 상기 스테이터(132)와 상기 로터(134) 사이의 에어 갭(154)의 크기를 나타내는 상기 간격 센서(214)의 신호를 검출하는 단계(404),
    - 상기 간격 센서(214)의 신호로부터 상기 로터(134)의 폴 슈들 사이의 전이를 결정하는 단계(406),
    - 결정된 전이들 중 인접한 매 2개의 전이 사이의 폴 슈마다 상기 스테이터(132)와 상기 로터(134) 사이의 간격 값을, 특히 상기 간격 센서(214)의 신호의 최소값으로서 결정하는 단계(408), 및
    - 폴 슈마다 결정된 간격 값에 기초해서 상기 로터(134)의 진원도를 평가하는 단계(410)
    를 포함하는 것인 측정 방법.
  17. 풍력 발전 설비(100)를 조립하기 위한 방법으로서,
    제 12 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 따른 측정 방법(300)을 수행하는 단계, 및
    에어 갭(154)의 편차 값이 측정된 위치에서 상기 스테이터(132) 및/또는 상기 로터(134)를 조정하는 단계
    를 포함하는 방법.
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