KR20210109948A - 고속 다이나모미터 부하용 전동기 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기의 진동 상태를 감지 분석하여, 전동기의 구동을 제어함으로써 전동기를 보다 안전하게 구동할 수 있도록 하는 다이나모미터 부하용 전동기 시스템에 관한 것이다. 에 관한 것으로, 이는 회전 부하를 생성하여 다이나모미터에 공급하는 전동기; 상기 전동기에 부착되어, 상기 전동기의 진동값을 센싱 및 출력하는 진동 센서; 및 상기 전동기의 진동값이 기 설정된 진동 한계치 이상이면, 상기 전동기 구동을 중지시키는 제어 장치를 포함할 수 있다.

Description

고속 다이나모미터 부하용 전동기 시스템{Motor system for Dynamometer}

본 발명은 전동기의 진동 상태를 감지 분석하여, 전동기의 구동을 제어함으로써 전동기를 보다 안전하게 구동할 수 있도록 하는 고속 다이나모미터 부하용 전동기 시스템에 관한 것이다.

다이나모미터(Dynamometer, Dyno, 동력계)는 속도, 토크, 파워를 측정하는 장비를 지칭한다.

다이나모미터의 경우, 도 1에서와 같이 측정하고자 하는 전동기(10)를 다이나모미터(20)와 커플링을 시킨 후, 전동기(10)를 최대 속도로 구동시킨 뒤 다이나모미터에서 부하를 서서히 증가시킴으로써, 전동기(10)의 속도가 점차 감소시킨다. 그리고 전동기(10)의 최대 속도에서부터 줄어든 속도까지의 토크, 효율, 전류 등을 RPM에 따라 측정하도록 한다.

이때, 전동기(10)는 고속 회전을 수행하는 장치로, 작동 중에 고정자 권선(stator winding)의 층간 단락이나 회전자 바(rotator bar)의 단락, 회전자의 동적 편심이나 정적 편심, 베어링 불량 등과 같은 다양한 결함들이 발생하게 된다.

이러한 결함들은 부하 전동기가 작동함에 따라 단독으로 발생하거나 복합적으로 발생(여러 종류의 결함이 동시에 발생)할 수 있다.

상기한 결함들이 발생한 경우 부하 전동기의 작동 중 안전사고로 연결될 수 있으므로 부하 전동기의 상태를 정확하게 진단할 수 있는 방법이 다양하게 연구되고 있다.

국내등록특허 제10-0923822호(등록일자 : 2009년10월20일)

이에 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 전동기 진동값에 따라 전동기 구동을 강제적으로 중지시킴으로써, 전동기 진동에 따른 안전사고 발생을 사전 방지할 수 있도록 하는 다이나모미터 부하용 전동기 시스템을 제공하고자 한다.

또한 진동 발생 패턴을 분석하여 진동 발생 요인을 확인 및 통보할 수도 있도록 하는 다이나모미터 부하용 전동기 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면 회전 부하를 생성하여 다이나모미터에 공급하는 전동기; 상기 전동기에 부착되어, 상기 전동기의 진동값을 센싱 및 출력하는 진동 센서; 및 상기 전동기의 진동값이 기 설정된 진동 한계치 이상이면, 상기 전동기 구동을 중지시키는 제어 장치를 포함하는 다이나모미터 부하용 전동기 시스템을 제공한다.

상기 다이나모미터 부하용 전동기 시스템은 고정자; 상기 고정자과 동심원을 이루며 고정자의 내주연에 소정의 공극을 유지하는 회전자; 상기 회전자의 중심부에 압입되어 상기 회전자의 회전력을 종동축에 전달하는 샤프트; 상기 고정자의 외부를 둘러싸는 원통형의 케이스; 및 상기 케이스와 상기 샤프트 사이에 구비되어 상기 샤프트의 회전을 지지하는 볼 베어링을 포함하며, 상기 케이스는 상기 진동 센서의 부착을 위한 센서 부착홈을 추가 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 제어 장치는 상기 전동기의 진동이 센싱되면, 상기 진동기에 인가되는 전압 고정 상태에서 전동기 속도를 순차 제어한 후, 속도 제어에 따른 진동 발생 시에는 하드웨어 이상을 확인 및 통보하고, 그렇지 않은 경우에는 소프트웨어 이상을 확인 및 통보하는 것을 특징으로 한다.

상기 소프트웨어 이상은 제어 조건 설정 오류인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전동기 진동값이 기 설정된 진동 한계치 이상이면, 전동기 구동을 즉각 중지시킴으로써, 안전사고 발생을 사전 방지할 수 있도록 한다.

또한 전동기 진동값이 센싱되면, 전동기 구동 조건을 가변하면서 진동 발생 패턴을 분석함으로써, 진동 발생 요인이 하드웨어 이상에 의한 것인지 소프트웨어 이상에 의한 것인지 까지 확인 및 통보할 수도 있도록 한다.

도 1는 일반적인 다이나모미터 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 전동기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 전동기를 이용하는 다이나모미터 부하용 전동기 시스템을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 다이나모미터 부하용 전동기 시스템의 진동 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시예들 뿐만 아니라 특정 실시예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

따라서, 예를 들어, 본 명세서의 블럭도는 본 발명의 원리를 구체화하는 예시적인 회로의 개념적인 관점을 나타내는 것으로 이해되어야 한다. 이와 유사하게, 모든 흐름도, 상태 변환도, 의사 코드 등은 컴퓨터가 판독 가능한 매체에 실질적으로 나타낼 수 있고 컴퓨터 또는 프로세서가 명백히 도시되었는지 여부를 불문하고 컴퓨터 또는 프로세서에 의해 수행되는 다양한 프로세스를 나타내는 것으로 이해되어야 한다.

프로세서 또는 이와 유사한 개념으로 표시된 기능 블럭을 포함하는 도면에 도시된 다양한 소자의 기능은 전용 하드웨어뿐만 아니라 적절한 소프트웨어와 관련하여 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어의 사용으로 제공될 수 있다. 프로세서에 의해 제공될 때, 상기 기능은 단일 전용 프로세서, 단일 공유 프로세서 또는 복수의 개별적 프로세서에 의해 제공될 수 있고, 이들 중 일부는 공유될 수 있다.

또한 프로세서, 제어 또는 이와 유사한 개념으로 제시되는 용어의 명확한 사용은 소프트웨어를 실행할 능력을 가진 하드웨어를 배타적으로 인용하여 해석되어서는 아니되고, 제한 없이 디지털 신호 프로세서(DSP) 하드웨어, 소프트웨어를 저장하기 위한 롬(ROM), 램(RAM) 및 비 휘발성 메모리를 암시적으로 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 주지관용의 다른 하드웨어도 포함될 수 있다.

본 명세서의 청구범위에서, 상세한 설명에 기재된 기능을 수행하기 위한 수단으로 표현된 구성요소는 예를 들어 상기 기능을 수행하는 회로 소자의 조합 또는 펌웨어/마이크로 코드 등을 포함하는 모든 형식의 소프트웨어를 포함하는 기능을 수행하는 모든 방법을 포함하는 것으로 의도되었으며, 상기 기능을 수행하도록 상기 소프트웨어를 실행하기 위한 적절한 회로와 결합된다. 이러한 청구범위에 의해 정의되는 본 발명은 다양하게 열거된 수단에 의해 제공되는 기능들이 결합되고 청구항이 요구하는 방식과 결합되기 때문에 상기 기능을 제공할 수 있는 어떠한 수단도 본 명세서로부터 파악되는 것과 균등한 것으로 이해되어야 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 전동기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 2 내지 도 4을 참고하면, 본 발명의 고속 전동기(100)는 크게 고정자(110)와, 고정자(110)과 동심원을 이루며 고정자의 내주연에 소정의 공극을 유지하는 회전자(120)와, 회전자(120)의 중심부에 압입되어 회전자의 회전력을 종동축에 전달하는 샤프트(130)와, 고정자 외부를 둘러싸는 원통형의 케이스(140), 케이스(140)와 샤프트(130) 사이에 구비되어 샤프트(130)의 회전을 지지하는 볼 베어링(150), 케이스(140)의 일측에 부착된 진동 센서(160) 등으로 구성된다.

고정자(110)는 교류전원을 인가받아 회전자계를 형성하는 코일과, 회전자계에 의해 발생된 자속의 통로를 형성하는 자성체의 고정자 철심으로 이루어져, 회전자 구동을 위한 전기적 에너지를 생성 및 공급한다.

회전자(120)은 코일에 의해 유기된 전류와 자속의 상호작용에 의해 토오크를 발생시키는 회전자 도체와, 자속의 통로를 형성하는 자성체의 회전자 철심으로 이루어져, 고정자(110)에서 받은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 바꾼다.

샤프트(130)는 회전자(120)에 의해 생성된 기계적 에너지를 샤프트(130)을 통하여 외부로 전달하는 역할을 한다.

케이스(140)는 고정자(110) 및 회전자(120)가 설치되는 내부 공간을 구비한다. 그리고 외면에는 전동기의 중요 부품을 냉각시키기 위한 냉각수가 이동되는 냉각유로(141)가 형성되어, 전동기의 안정적 구동과 수명 연장을 보장할 수 있도록 한다.

또한 케이스(140)는 센서 부착홈을 추가 구비하고, 이를 통해 진동 센서(160)이 기본 부착되도록 한다.

진동 센서(160)은 전동기의 진동값을 센싱 및 출력한다. 이때, 진동 센서(160)은 케이스 내측, 특히 볼 베어링 인접 영역에 부착되는 것이 바람직하나, 이에 한정될 필요는 없다.

또한 본 발명은 전동기의 온도값도 센싱 및 출력하는 온도 센서(미도시)를 추가 구비할 수 있으며, 이 또한 센서 부착홈을 통해 기본 내장될 수 있도록 한다.

이와 같이 본 발명의 전동기는 진동 센서 기본 내장형으로 구현되어, 진동기의 진동값을 자체 센싱하여 출력할 수 있도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 전동기를 이용하는 다이나모미터 부하용 전동기 시스템을 도시한 도면이다.

도 5를을 참고하면, 본 발명의 시스템은 도 2 내지 도 4의 고속 전동기(100) 이외에 엔코더(200), 드라이버(300) 및 제어 장치(400) 등을 포함한다.

엔코더(200)는 홀 센서 또는 션트 저항 등을 통해 회전자 위치 변동에 따른 전류 변화를 센싱 및 분석하여, 전동기 회전자 위치를 검출 및 출력한다.

드라이버(300)는 제어 장치(400)의 제어하에 전동기의 회전자 위치에 최적화된 전류를 생성 및 인가한다.

제어 장치(400)는 엔코더(200)의 출력값에 기반하여 속도 및 토크 제어 동작을 수행한다. 그리고 진동 센서(160)을 통해 센싱된 진동값이 기 설정된 진동 한계치 이상이 되면, 고속 전동기(100)의 구동을 일시 중지함으로써, 진동에 의한 안전사고 발생 가능성을 사전 차단하도록 한다.

더하여, 전동기의 진동 발생 패턴을 분석하여, 진동 발생 요인(즉, 고장 요인)을 확인 및 통보할 수도 있도록 한다.

뿐 만 아니라, 온도 센서(미도시)를 통해 전동기 온도 값에 기반하여, 냉각유로(141)로의 냉각수 흐름 제어 동작을 수행함으로써, 전동기가 일정 온도를 유지할 수 있도록 한다.

도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 다이나모미터 부하용 전동기 시스템의 진동 제어 방법을 설명하기 위한 도면이다.

먼저, 제어 장치(400)는 사용자 또는 외부 단말의 제어하에 진동 한계치를 설정한다(S1). 이때, 진동 한계치는 진동 내구성 시험 결과 기반으로 결정될 수 있다.

이러한 상태에서, 전동기 구동이 시작되면(S2), 진동 센서(160)을 통해 센싱된 진동값을 실시간 센싱하도록 한다(S3).

단계 S3을 통해 진동값이 센싱되기 시작하면, 진동 발생을 통보함과 동시에 진동 발생 패턴을 수집하기 시작한다(S4).

그리고 진동 발생 패턴을 하기의 표1에 따라 분석하여, 진동 발생 요인(즉, 고장 요인)을 확인 및 통보하도록 한다(S5).

진동 발생 요인	진동 특성 주파수
정적 축 편심
동적 축 편심
고정자 결함
회전자 봉 파손
베어링 외륜 결함
베어링 내륜 결함
베어링 케이지 결함
베어링 볼 결함

이때,

는 정적 편심의 특성주파수,

는 회전자 봉 수,

는 전동기 회전주파수,

는 정수(1, 2, 3, ...),

는 공급주파수,

는 동적 편심의 특성주파수,

는 고정자 결함 주파수,

는 고정자 슬롯수,

는 회전자 봉파손 주파수,

는 고조파 인덱스(1, 2, 3, ...),p는 극 수, s는 전동기 슬립,

는 베어링 외륜 결함 주파수,

는 베어링 볼 직경,

는 베어링 피치,

는 구름요소와 케이지의 접촉각,

는 베어링 내륜 결함 주파수,

는 베어링 케이지 결함 주파수,

는 베어링 볼 결함 주파수이다.

한편, 단계 S3을 통해 센싱된 진동값이 기 설정된 한계치 이상이 되면 전동기 구동을 즉각 중지함으로써, 진동에 의한 안전사고 발생 가능성을 사전 차단하도록 한다(S7).

그리고 진동 한계치가 발생될 때의 전동기의 하드웨어 및 소프트웨어 구동 조건을 수집하여 데이터베이스화함으로써, 차후 사용자가 이로부터 전동기의 진동 발생 조건을 역추적할 수 있도록 한다(S8).

이때, 전동기의 하드웨어 구동 조건은 전동기 연속 구동 시간, 회전 속도, 전압 및 전류, 온도 등일 수 있으며, 전동기 소프트웨어 구동 조선은 속도 제어기 게인, ADC 오프셋 등일 수 있다.

상술한 본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있으며, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 상기 방법을 구현하기 위한 기능적인(function) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (4)

1. 회전 부하를 생성하여 다이나모미터에 공급하는 전동기;
   상기 전동기에 부착되어, 상기 전동기의 진동값을 센싱 및 출력하는 진동 센서; 및
   상기 전동기의 진동값이 기 설정된 한계치 이상이면, 상기 전동기 구동을 중지시키는 제어 장치를 포함하는 다이나모미터 부하용 전동기 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 전동기는
   고정자;
   상기 고정자과 동심원을 이루며 고정자의 내주연에 소정의 공극을 유지하는 회전자;
   상기 회전자의 중심부에 압입되어 상기 회전자의 회전력을 종동축에 전달하는 샤프트;
   상기 고정자의 외부를 둘러싸는 원통형의 케이스; 및
   상기 케이스와 상기 샤프트 사이에 구비되어 상기 샤프트의 회전을 지지하는 볼 베어링을 포함하며,
   상기 케이스는 상기 진동 센서의 부착을 위한 센서 부착홈을 추가 구비하는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 부하용 전동기 시스템.
3. 제2항에 있어서, 상기 제어 장치는
   상기 진동값이 기 설정된 한계치에 도달할 때의 상기 전동기의 하드웨어 및 소프트웨어 구동 조건을 수집하고 데이터베이스화하여 저장 관리하는 기능을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 부하용 전동기 시스템.
4. 제2항에 있어서, 상기 제어 장치는
   상기 전동기의 진동값 기반으로 진동 발생 패턴을 수집 및 분석하여, 진동 발생 요인을 확인 및 통보하는 것을 특징으로 하는 다이나모미터 부하용 전동기 시스템.

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