KR20220156975A - 적어도 하나의 무선 센서를 구비한 전자기 디바이스 - Google Patents
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Abstract
전자기 디바이스는, 인클로저(12), 인클로저의 내부에 적어도 하나의 권선(16, 18), 전자기 디바이스의 적어도 하나의 특성 또는 결함을 감지하기 위해 권선에 부착된 적어도 하나의 무선 센서(26A, 26B, 26C, 26D), 및 송수신 회로부 및 적어도 하나의 안테나를 포함하는 적어도 하나의 능동 통신 유닛(14A, 14B)을 포함하며, 송수신 회로부는 인클로저(12)의 외부에 배치되고, 적어도 하나의 안테나는 적어도 하나의 센서(26A, 26B, 28A)와의 통신을 위해 인클로저(12) 내측에 배치되고, 적어도 하나의 센서는 권선에 부착된 적어도 하나의 센서를 포함하고, 권선에 부착된 적어도 하나의 센서(26A)는 절연 기판(S) 상에 인쇄된 일렉트로닉스(PE)를 포함하는 인쇄 전자 센서이며, 기판은 적어도 하나의 권선(18)을 향한다.
Description
본 발명은 일반적으로 전자기 디바이스들에 관한 것이다. 본 발명은 보다 자세하게는 적어도 하나의 무선 센서를 구비한 전자기 디바이스에 관한 것이다.
변압기들 및 리액터(reactor)들과 같은 전자기 디바이스들은 송전 및 배전 시스템들에서와 같은 다양한 전력 전달 환경들에서 중요한 디바이스들이다. 이들 전자기 디바이스들은 또 높은 전압 레벨들에서 작동할 수도 있고, 따라서 높은 전위들 및 강한 전기장들을 경험할 수도 있다.
온도, 수분 및/또는 절연에서의 부분 방전들과 같은, 그러한 전자기 디바이스들의 다양한 특성들 및 결함들을 측정하는 것은 많은 경우들에서 관심을 받는다. 이러한 이유로, 하나 이상의 센서를 전자기 디바이스 내측에 배치하는 것은 관심 대상일 수도 있다.
도체들을 사용하여 통신하는 센서들은 전기 절연을 위태롭게 할 수도 있기 때문에 종종 적합하지 않다. 자주 사용되는 대안 중 하나는 광섬유이다. 그러나, 이것들은 종종 비싸다. 섬유를 갖는 전자기 디바이스를 제조하는 것은 또한, 특히 전자기 디바이스가 고체 절연체를 포함하는 경우에, 복잡할 수도 있다. 게다가, 섬유들이 전기 절연을 방해할 위험이 있다.
따라서, 대안적인 센서 구현을 사용하는 것이 관심 대상이다.
부싱(bushing)들에서 사용되어 온 센서의 한 가지 유형은 무선 센서이다. 이것의 일례는 EP 3521782에서 찾을 수 있는데, 여기서 무선 센서들은 고체 절연체의 층들 사이에 인터리브(interleave)된다.
US2002/107657 A1은 탱크 내 전력 변압기에서의 권선 상의 권선 압축 요소에 의해 가해지는 접촉 압력을 측정하기 위한 장치를 개시한다. 탱크 내의 점검 안테나는, 탱크의 벽을 통과하는 무선 주파수 부싱을 통해 점검 디바이스에 연결된다.
DE2427830 A1은 변압기의 권선을 개시한다. 무선 송신기의 안테나는, 종이 절연층들 사이에 삽입되고 정적 보호 링의 둘레를 따라 뻗어있다. 전기 열 센서, 예를 들어 서미스터(thermistor)가 권선의 도체에 납땜되거나 권선(7)의 병렬의 도체들 사이에 삽입된다.
US2008/197977 A1은 권선 근처에 배치될 수도 있는 IC 센서를 개시하며, 센서는 정전(electrostatic) 차폐를 갖거나, 센서는 전자기장의 약한 영역들에 위치되고 배향된다.
DE10060520 A1은 요크(yoke) 볼트 상에 배열된 SAW 센서를 개시한다. 안테나가 탱크 외부의 인터로게이션(interrogation) 일렉트로닉스와 통신하도록 제공된다.
많은 전자기 디바이스들은 권선들을 둘러싸는 인클로저(enclosure)들을 포함한다. 이들 인클로저들은 무선 송신을 방해할 수도 있다. 따라서, 인클로저의 내부로 신호들을 송신하고 인클로저의 내부로부터 신호를 수신하는 것이 어려울 수도 있다. 동시에 인클로저의 내부는 민감한 통신 장비에 적합한 환경이 아닐 수도 있다.
그러므로, 전자기 디바이스들에서의 센서들의 사용과 관련하여 개선이 필요하다. 본 발명은 상기 언급된 문제점들 중 적어도 일부를 해결한다.
본 발명의 일 목적은 적어도 하나의 무선 센서를 구비하는 전자기 디바이스에서의 통신을 향상시키는 것이다.
상기 목적은, 전자기 디바이스로서:
인클로저,
상기 인클로저의 내부의 적어도 하나의 권선,
상기 전자 디바이스의 적어도 하나의 특성 또는 결함을 감지하기 위한 적어도 하나의 무선 센서, 및
송수신 회로부부 및 적어도 하나의 안테나를 포함하는 적어도 하나의 능동(active) 통신 유닛을 포함하며,
상기 송수신 회로부부는 상기 인클로저의 외부에 배치되고, 상기 적어도 하나의 안테나는 상기 적어도 하나의 센서와의 통신을 위해 상기 인클로저 내측에 배치되고,
상기 적어도 하나의 센서는 상기 권선에 부착된 적어도 하나의 센서를 포함하고,
상기 권선에 부착된 적어도 하나의 센서는 절연 기판 상에 인쇄된 일렉트로닉스를 포함하는 인쇄 전자 센서이며, 상기 기판은 상기 적어도 하나의 권선을 향하는, 전자기 디바이스를 통해 획득되는 제1 양태에 따른 것이다.
전자기 디바이스는 1 또는 10 kV 이상의 적용들과 같은 고전압 적용들을 위해 제공될 수도 있다.
적어도 하나의 센서는 권선에 부착된 적어도 하나의 센서를 포함할 수도 있다. 이러한 부착된 센서는 절연 기판 상에 인쇄된 일렉트로닉스를 포함하는 인쇄 전자 센서를 포함할 수도 있으며, 여기서 기판은 적어도 하나의 권선을 향한다. 이어서, 적어도 하나의 권선은 고체 절연체에 의해 둘러싸인 도체를 포함하는 에나멜 권선을 포함할 수 있다.
절연 기판은 50 내지 10 ㎛ 범위의 두께를 가질 수도 있다. 인쇄 일렉트로닉스의 두께는 10 ㎛ 미만일 수도 있다.
전자기 디바이스는 또한, 권선을 둘러싸는 절연체를 포함할 수도 있다. 따라서, 적어도 하나의 권선은 절연체에 의해 둘러싸일 수도 있다.
권선을 둘러싸는 절연체는 고체 절연체를 포함할 수도 있다. 권선 내의 도체를 둘러싸는 고체 절연부에 더하여, 전자기 디바이스는 따라서, 예를 들어 2 개의 상이한 권선들 사이에 추가의 고체 절연체를 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 센서는 이 경우, 예를 들어 시트의 형태인 고체 절연체 및 대응하는 권선 사이에 배치될 수도 있다.
고체 절연체로 인클로저 전체를 충전할 수도 있다. 대안적으로, 전자기 디바이스는 인클로저 내에 유체 절연체를 포함할 수 있으며, 이는 고체 절연체 대신에 또는 이에 추가하여 제공될 수도 있다. 유체 절연체는 액체 절연체 및/또는 가스 절연체를 포함할 수도 있다. 따라서, 유체 절연부는 가스 및/또는 액체의 형태일 수도 있다.
적어도 하나의 안테나는 적어도 하나의 대응하는 센서를 향해 지향될 수도 있다. 이는 통신 효율에 유리할 수도 있다. 센서 및 대응하는 권선 도체 사이의 거리를 최적화하는 것을 통해, 통신 효율을 향상시키는 다른 방법이 획득될 수도 있다. 센서는 대응하는 권선 도체로부터 이격되어 배치될 수도 있으며 이는 통신 효율을 향상시킨다.
인클로저는 금속 인클로저일 수도 있다. 적어도 하나의 능동 통신 유닛은 인클로저의 상부에 배치될 수도 있고, 적어도 하나의 센서는 권선의 상단에 배치될 수도 있으며, 상기 상단은 능동 통신 유닛에 가장 가까운 단부일 수도 있다. 적어도 하나의 안테나는, 예를 들어 약 170 ℃까지의, 고온들을 견딜 수 있는 물질로 주조될 수도 있다.
전자기 디바이스는 요크를 갖는 코어(core)를 추가로 포함할 수도 있으며, 여기서 코어는 중심축을 정의하며 그 주위에 적어도 하나의 권선이 감겨지고, 요크는 중심축에 직각인 방향으로 연장될 수도 있다. 이에 의해, 적어도 하나의 권선에 의해 형성되는 권선 구조는 2 개의 반부로 분할된다. 이 경우, 적어도 하나의 능동 무선 통신 유닛 및 이와 통신할 적어도 하나의 센서가 요크의 방향에서 요크의 동일한 측에 배치되고 그로부터 변위되는 것이 추가로 가능하다. 이들은 보다 구체적으로는, 수직 방향에서 요크의 동일한 측에 배치될 수도 있다.
적어도 하나의 센서는, 고체 및/또는 유체 절연체의 특성 또는 결함일 수도 있는 인클로저 내의 절연체의 특성 또는 결함을 측정하도록 구성될 수도 있다.
적어도 하나의 무선 센서는 수동(passive) 무선 센서를 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 무선 센서는 추가로 또는 대신에 능동 무선 센서를 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 무선 센서가 능동 무선 센서를 포함할 때, 전자기 디바이스는 능동 무선 센서에 연결되고 이에 전력을 공급하도록 구성된 에너지 하베스팅(harvesting) 유닛을 더 포함할 수도 있다.
본 발명은 다수의 이점들을 갖는다. 인쇄 센서는 기판의 두께에 비해 상대적으로 넓은 표면을 가질 수도 있다. 기판의 가요성으로 인해, 센서는 굴곡되고 권선의 원주 표면을 따를 수도 있다. 이에 의해, 기판 상의 임의의 인쇄 회로들/일렉트로닉스는, 회로들의 상이한 부분들이 상이한 전위들에 노출되지 않도록 권선에 의해 생성된 전기장의 등전위 라인들을 따를 것이다.
본 발명은 또한 무선 통신이 인클로저의 내부에서 수행될 수 있게 한다. 송수신 회로부부를 인클로저 외부에 배치하는 것을 통해, 인클로저 내측의 환경에 대하여 보호될 필요가 없다. 필요하다면, 송수신 회로부부의 냉각을 적용하는 것이 또한 더 용이하다. 적어도 하나의 안테나가 인클로저 내측에 배치됨에 따라, 그 내부에서의 통신이 개선된다.
본 발명은 첨부된 도면들을 참조하여 이하에서 설명될 것이며, 여기서
도 1은 능동 무선 통신 유닛들을 갖는 인클로저를 포함하는 전자기 디바이스를 개략적으로 도시하고,
도 2는 능동 무선 통신 유닛들을 갖는 인클로저를 통과하는 단면을 개략적으로 도시하며, 여기서 인클로저는, 무선 센서들을 구비하고 요크들이 구비된 코어 주위에 감기는 외부 및 내부 권선을 포함하고,
도 3은 능동 무선 통신 유닛의 구현을 인클로저의 벽을 통과하여 개략적으로 도시하고,
도 4는 도 3의 능동 무선 통신 유닛들, 무선 센서들, 권선들 및 요크들 중 하나의 위로부터의 도면을 개략적으로 도시하고,
도 5는 권선, 무선 센서 및 두 층의 고체 절연체를 개략적으로 도시하고, 그리고
도 6은 능동 무선 통신 유닛과 통신하는 측정 제어 유닛을 개략적으로 도시하며, 능동 무선 통신 유닛은 이어서 다수의 무선 센서들과 통신한다.
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본 발명의 실시예들이 아래에서 상세히 논의된다. 실시예들을 설명함에 있어서, 명료성을 위해 특정 용어가 사용된다. 그러나, 본 발명은 그렇게 선택된 특정 용어에 제한되도록 의도되지 않는다. 특정 예시적인 실시예들이 논의되지만, 이것은 단지 예시 목적들을 위해 행해진다는 것이 이해되어야 한다. 당업자는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다른 컴포넌트들 및 구성들이 사용될 수 있음을 인식할 것이다.
본 발명은 일반적으로, 인덕터들 및 변압기들과 같은 전자기 디바이스들에 관한 것이다.
도 1은 변압기, 예컨대 1 또는 10 kV 이상의 적용들과 같은 고전압 적용들을 위한 변압기로서 구현될 수도 있는 개략적인 전자기 디바이스(10)의 사시도를 도시한다. 전자기 디바이스(10)는 인클로저(12)를 포함한다. 이는 또한 적어도 하나의 전기 권선(미도시)을 포함하고 이 권선은, 외부가 도면에 도시되어 있는 인클로저(12)의 내측에 또는 내부에 배치된다. 인클로저(12)에는 또한 적어도 하나의 제1 능동 통신 유닛이 구비된다. 도 1에 도시된 예에서, 4 개의 능동 통신 유닛(14A, 14B, 14C 및 14D)이 있으며, 이들은 인클로저(12)의 상부에 배치되고, 이 상부는 인클로저(12)의 가장 높은 수직 위치에 있을 수도 있다. 인클로저(12)는 리드(lid)를 갖는 탱크로서 제공될 수도 있다. 이 경우, 능동 통신 유닛(14A, 14B, 14C 및 14D)은 탱크의 리드에 배치될 수도 있다.
도 2는 도 1의 인클로저(12)의 개략적인 단면도를 도시하여 그 내부를 볼 수 있다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 변압기는 원통형 형상을 가지며, 인클로저(12)의 내부에 코어(20) 주위에 감긴 다수의 권선들을 포함한다. 여기에, 저전압 권선일 수도 있는 내부 권선(16)이 있고, 이 내부 권선(16)의 외부에는 고전압 권선일 수도 있는 외부 권선(18)이 있다. 그에 의해, 코어(20)는 수직 중심축을 형성 또는 정의하며 이 주위에 내부 권선(16) 및 외부 권선(18)이 감겨지고, 이때 내부 권선(16)의 외부에서 외부 권선(18)이 감겨진다. 따라서, 권선들은 변압기 코어(20) 주위에 동심으로 제공된다. 여기서, 제3 권선과 같은 권선들이 구조 내에 더 있을 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 변압기는, 그 주위에 권선들이 감기는 3 개의 코어들을 포함하는 3 상(three-phase) 변압기일 수도 있다는 것이 또한 인식되어야 한다.
코어(20)의 상단부는 제1 요크(22)와 결합되고, 코어(20)의 하단부는 제2 요크(24)와 결합된다. 이에 의해, 코어(20)의 상단부는 가장 높은 수직 위치에서 제1 요크(22)에 결합되고 가장 낮은 수직 위치에서 제2 요크(24)에 결합되며, 여기서 요크들은 양자 모두 수평 방향으로 연장될 수도 있다. 따라서, 요크는 중심축에 수직인 방향들로 연장될 수도 있다.
전자기 디바이스는 또한 적어도 하나의 권선에 부착된 적어도 하나의 센서를 포함한다. 따라서, 도 2의 권선들에는 센서들이 제공된다. 이 경우, 외부 권선(18) 상에 배치된 제1 그룹의 센서들(26A, 26B, 26C 및 26D) 및 내부 권선(16) 상에 배치된 제2 그룹의 센서들(28A 및 28B)이 존재한다. 센서들은 모두 무선 센서들이다.
또한 능동 무선 통신 유닛들(14A 및 14B) 중 2 개가 도시된다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 능동 무선 통신 유닛들(14A 및 14B)은 인클로저(12)의 외측에 또는 외부에 배치되는 부분 및 인클로저(12)의 내측에 또는 내부에 배치되는 부분을 갖는다. 이에 의해, 능동 통신 유닛들(14A 및 14B)은 인클로저(12) 내의 센서들(26A, 26B, 26D, 28A, 28B)뿐만 아니라 인클로저(12) 외부의 다른 디바이스들과도 통신할 수 있다. 게다가, 능동 통신 유닛들(14A 및 14B)은 인클로저(12)의 상부에 배치되고, 센서(26C)는 유리하게는 권선, 여기서는 외부 권선(18)의 상단에 배치되며, 상기 상단은 수직 방향으로 능동 통신 유닛들(14A 및 14B)에 가장 가깝다. 이는 권선의 온도가 상단에서 높을 수도 있기 때문에 관심의 대상일 수도 있다.
도 3은 제1 능동 무선 통신 유닛의 구현을 개략적으로 도시한다. 능동 무선 통신 유닛(14A)은 송수신 회로부부(14A1) 및 적어도 하나의 안테나를 포함한다. 더욱이, 이러한 구현에서, 송수신 회로부(14A1)는 인클로저의 외부에 배치된다. 보다 구체적으로는 인클로저의 벽(W)의 외면 상에, 즉 인클로저의 내부로부터 멀리 향하는 벽(W)의 외부 표면 상에 배치될 수 있다. 다른 한편으로는 적어도 하나의 안테나는 적어도 하나의 센서와의 통신을 위해 인클로저 내측에 배치된다. 이 예에서, 능동 무선 통신 유닛(14A)은 2 개의 안테나들(14A2 및 14A3)을 포함한다. 이들 안테나들(14A2 및 14A3)는 벽(W)의 내면 상에, 즉 인클로저의 내부에 배치된다. 적어도 하나의 도체로서 구현되는 예로서 피드스루(feedthrough)는 벽(W)을 관통하고 송수신 회로부(14A1)를 안테나들(14A2 및 14A3)과 상호연결시킨다. 여기서, 대안으로서 능동 통신 유닛은 하나의 안테나만을 포함할뿐만 아니라 더 많은 안테나들을 포함할 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 안테나들은 추가적으로, 예를 들어 약 170 ℃까지의 고온들을 견딜 수 있는 물질로 주조될 수도 있다.
인클로저는 전형적으로는 금속 인클로저이다. 따라서, 이는 강철(steel)과 같은 금속 물질로 형성되고, 인클로저 내에 안테나들을 배치함으로써 인클로저 내부에서 무선 통신을 수행하는 것이 가능하다. 인클로저의 내부는 거친 환경일 수도 있다. 인클로저의 외부에 송수신 회로부를 배치함으로써, 송수신 회로부는 이러한 환경에 대하여 보호될 필요가 없다. 필요하다면, 송수신 회로부의 냉각을 적용하는 것이 또한 더 용이하다.
도 4는 변압기, 능동 통신 유닛들(14A, 14B, 14C, 및 14D) 및 제1 요크(22)의 위로부터의 도면을 개략적으로 도시한다. 알 수 있는 바와 같이, 외부 권선(18)은 일례로서 6 개의 센서들(26A, 26B, 26C, 26D 및 26E)를 포함하는 제1 그룹의 센서들을 구비하는 반면, 내부 권선(16)은 일례로서 4 개의 센서들(28A, 28B 및 28C)를 포함하는 제2 그룹의 센서들을 구비한다. 제1 그룹의 센서들은 이 경우에 외부 권선(18)의 내측에 배치된다. 이에 의해, 이들은 내부 권선(16) 및 변압기의 중심축을 향해 내측으로 향한다. 이어서, 내부 권선(16) 상의 센서들(28A, 28B, 28C)은 외부 권선(18)을 향해 외측으로 향한다. 따라서, 이들은 중심축으로부터 멀리 향한다. 또한 여기서 권선들 상에 더 적거나 더 많은 센서들이 있을 수도 있다는 것이 인식되어야 한다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 능동 통신 유닛들(14A, 14B, 14C, 및 14D)은 제1 요크(22)로부터 수직적으로 분리되어 있다. 그들은 또한 변압기의 다른 영역들을 커버한다. 요크들은 변압기의 권선 구조를 2 개의 반부들로 분할하는 것으로 보일 수도 있으며, 여기서 각각의 반부는 적어도 하나의 능동 통신 유닛에 의해 서브(serve)되고, 이 경우 2 개의 능동 통신 유닛에 의해 서브된다. 이에 의해, 한 쌍의 능동 무선 통신 유닛(14A 및 14B)은 제1 요크(22)의 일 측의 제1 반부에서 센서들(26A, 26B, 26C, 26D, 28A, 28B)과 통신하고, 다른 쌍의 능동 무선 통신 유닛들(14C 및 14D)은 제1 요크(22)의 다른 측의 제2 반부에서 센서들(26E, 26F, 28C)과 통신한다. 단 하나의 능동 무선 통신 유닛만이 그러한 반부를 서브하는 것이 가능하다는 것이 인식되어야 한다. 이에 의해, 능동 무선 통신 유닛과 이와 통신할 적어도 하나의 센서가 요크의 방향에서 요크의 동일한 측에 배치되고 그로부터 변위된다. 이 경우에서 그들은 수직 방향에서 요크의 동일한 측에 배치된다. 또한, 권선 구조는 통상적으로 원통형이다. 4 개의 능동 무선 통신 유닛들을 제공함으로써, 각각의 능동 무선 통신 유닛은 수직 방향으로 변압기 구조에 의해 점유되는 체적의 1/4을 서브할 수 있다. 능동 통신 유닛의 이러한 배치를 통해 제1 요크(22)가 센서와 능동 통신 유닛 사이의 통신을 차단하지 않는 것이 보장된다. 제1 요크(22)의 각 측에서 1 개 보다 많은 능동 통신 유닛을 제공함으로써, 능동 통신 유닛에 의해 서브되는 센서들의 수가 제한되는 것이 또한 보장된다. 인클로저 상부에 능동 무선 통신 유닛들을 제공하는 것에 대한 대안들이 존재한다. 예를 들어, 능동 무선 통신 유닛들이 대신에 하부에 배치되는 것이 가능하다. 이 경우, 수직적 변위는 제2 요크가 센서 및 대응하는 능동 무선 통신 유닛 사이의 통신을 차단하지 않도록 하는 것일 수도 있다. 또한, 능동 무선 통신 유닛들이 인클로저의 수직 벽들에, 즉 인클로저의 상부와 하부 사이에 배치될 수도 있다는 것이 인식되어야 한다. 이 경우, 송수신 회로부는 수직 벽 외부에 그리고 적어도 하나의 안테나는 수직 벽 내측에 배치될 것이다. 그러나, 이러한 배치는 때때로 권선들 및 코어가 통신의 품질을 저하시키는 것을 초래할 수도 있다.
도 5는 하나의 권선, 센서(26A)뿐만 아니라 인클로저 내에서 사용되는 고체 절연체(30 및 32)를 개략적으로 도시한다.
외부 권선과 같은 권선은 에나멜 권선일 수도 있다. 이에 대해 권선은 고체 절연체(18B)에 의해 둘러싸인, 구리 또는 알루미늄의 도체와 같은 도체(18A)를 포함하며, 고체 절연체는 폴리머 에나멜로 형성될 수도 있다. 따라서, 적어도 하나의 권선은 고체 절연체에 의해 둘러싸인 도체를 포함하는 에나멜 권선을 포함할 수도 있다. 적어도 하나의 센서는 절연 기판 상에 인쇄된 일렉트로닉스를 포함하는 인쇄 전자 센서를 포함할 수도 있다. 따라서, 제1 센서(26A)와 같은 센서는, 또한 가요성 기판일 수도 있는 절연 기판(S) 상에 인쇄 일렉트로닉스(PE)로서 구현될 수도 있다. 보여지는 바와 같이, 기판(S)은 적어도 하나의 권선을 향하고, 그에 의해 또한 권선의 고체 절연체(18B)를 향한다. 센서(26A)는 권선(18)에 직접적으로 부착될 수도 있다. 고체 절연체(18B) 및 기판(S)의 사용 때문에 센서(26A) 및 권선 양자 모두가 절연됨으로써, 권선의 작동에 대한 센서(26A)로부터의 간섭 및 그 반대도 제한된다. 더욱이 센서는, 권선의 부근에 배치되는 것을 통해, 전계 분포에 대해 제한된 영향을 미친다. 이로써, 센서가 디바이스의 작동 중에 절연을 손상시키는 위험성 또한 낮다. 절연이 불충분하다면, 센서와 에나멜 권선 사이에 하나 이상의 층들의 추가의 고체 절연체로 가능하다.
인클로저 내에 절연체가 추가적으로 존재할 수도 있다.
도면에서 알 수 있는 바와 같이, 변압기 내에 고체 절연체(30 및 32)가 존재할 수도 있다. 따라서, 변압기의 2 개의 권선들 사이에 고체 절연체가 존재한다. 이에 의해, 적어도 하나의 센서는 고체 절연체 및 대응하는 권선 사이에 배치된다. 이 고체 절연체(30 및 32)는, 프레스보드(pressboard) 또는 크래프트지(Kraft paper)와 같은 셀룰로오스 시트들의 사용을 통해 구현될 수도 있다. 상이한 시트들은 추가로, 에폭시를 사용하여 함께 결합될 수도 있다.
인클로저가 고체 절연체로 완전히 충전되는 것이 추가로 가능하며, 이는 예를 들어 에폭시를 사용하여 구현될 수도 있다.
대안으로서, 전자기 디바이스는 고체 절연체 대신에 또는 그에 추가하여 인클로저 내에 유체 절연체를 포함할 수도 있다. 유체 절연체는 액체 및/또는 가스 절연체를 포함할 수도 있다. 인클로저는 셀룰로오스계 고체 절연체에 추가하여 단열 유체로 충전될 수도 있으며, 이는 일 예로 미네랄 오일과 같은 액체일 수도 있다. 그러나, 에스테르 오일들, 가스 투 리퀴드(gas-to-liquid) 오일들, 및 실리콘 오일들과 같은 다른 유형의 액체가 또한 고려된다. 유체 절연체는 대안으로서 SF6와 같은 가스일 수도 있다. 이 경우, 인에이블된 권선들 사이에 배치된 고체 절연체는 셀룰로오스계 대신에 아라미드계일 수도 있다.
적어도 하나의 센서는 전자기 디바이스의 적어도 하나의 특성 또는 결함을 감지하기 위해 제공된다. 이에 대해 센서들은, 유체 및/또는 고체 절연체의 적어도 하나의 특성과 같은 절연체의 특성 또는 결함일 수도 있는, 전자기 디바이스의 적어도 하나의 물리적 특성 또는 결함을 감지하도록 구성될 수도 있다. 센서는 일 예로서 온도 센서일 수도 있다. 채용될 수도 있는 다른 유형들의 센서들은 수분 센서들 및 음향(acoustic) 센서들이다. 센서는 모두 무선이며, NFC(Near Field Communication) 또는 RFID(Radio Frequency Identification)와 같은 적합한 근거리(short-range) 통신 기술을 이용할 수도 있다. 그에 의해, 센서들은 수동 센서일 수도 있다. 따라서, 적어도 하나의 무선 센서는 수동 무선 센서를 포함할 수도 있다. 센서들이 수동이기 때문에, 이들은 이들의 작동을 위한 임의의 고유의 전원을 필요로 하지 않지만, 능동 통신 유닛의 무선 송신들에 의해 트리거되고 전력 공급되어 작동한다. 이들은, 보다 구체적으로는 능동 무선 통신 유닛를 통해 실행되는 리더(reader)에 의해 판독될 때 데이터를 전달하는 태그들로서 제공될 수도 있다. 따라서, NFC 또는 RFID의 경우에, 능동 무선 통신 유닛은 수동 센서들의 태그들을 판독하도록 구성된 리더일 수도 있다.
대안으로서, 또한 센서들은 능동일 수도 있다. 그에 의해, 적어도 하나의 무선 센서는 추가적으로 또는 대신에 능동 무선 센서를 포함할 수도 있다. 이 경우, 센서들은 에너지 하베스팅 유닛들을 구비할 수도 있다. 따라서, 이러한 경우에, 대응하는 능동 무선 센서에 연결되고 전력 공급하도록 구성된 에너지 하베스팅 유닛이 제공될 수도 있다. 그에 의해, 센서들을 작동시키기 위한 전력은 인클로저 내측의 전계 강도 및 진동 에너지와 같은 에너지의 하베스팅을 통해 획득될 수도 있다. 이 경우, BLE(Bluetooth Low Energy)처럼, WiFi 또는 블루투스와 같은 다른 유형의 무선 통신이 사용될 수도 있다.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 다수의 센서들은 능동 통신 유닛과 무선으로 통신할 수도 있고, 이는 이어서 측정 제어 유닛(34)과 통신할 수도 있다. 일 예로서, 제1 그룹에서의 2 개의 센서들(26A 및 26B) 및 제2 그룹에서의 1 개의 센서(28A)는 제1 능동 무선 통신 유닛(14A)과 통신할 수도 있으며, 여기서 능동 무선 통신 유닛(14A)과 통신할 센서들은 능동 무선 통신 유닛에 할당된 권선 구조의 영역 내에 있고 제1 요크에 의해 능동 무선 통신 유닛으로부터 시각적으로 차단되지 않는 센서들일 수도 있다. 능동 무선 통신 유닛과 측정 제어 유닛(26) 사이의 연결은 유선 또는 무선일 수도 있다. 이 경우에서, 무선 통신은 근거리 통신으로 제한되지 않는다. 유선 및 무선 통신의 대안으로서, 또한 광 통신이 사용될 수 있다. 또한 능동 무선 통신 유닛을 위한 전력은 이 경우에서 문제가 되지 않을 수도 있다. 위에서 언급된 바와 같이 그리고 도 6에서 또한 알 수 있는 바와 같이, 능동 통신 유닛(14A)과 센서들(14, 16, 18 및 20) 사이의 통신은 무선이다.
전자기 디바이스의 작동 동안 중요할 수도 있는 센서 측정들은 절연 유체의 온도 측정들이다. 그러한 온도들은 전통적으로 인클로저의 상부에 가까운 상부 오일 측정치들로서 측정된다. 그러나, 측정하기에 더 중요할 수도 있는 인클로저 내의 다른 영역들에서의 온도들이 존재할 수도 있다. 권선은, 유체 내에서 침지 히터(immersion heater)로서 작용하는 것으로 간주될 수 있다. 이러한 이유로, 외부 권선에 의해 야기되는 유체 절연체의 핫 스팟 온도들과 같은, 권선들에 의해 야기되는 유체 절연체의 핫 스팟 온도들을 측정하는 것이 중요할 수도 있다. 이러한 온도들은 권선들 상의 적합한 위치들에 온도 센서를 배치하는 것을 통해 용이하게 측정된다. 핫 스팟(hot spot)이 일례로서, 외부 고전압 권선의 상단에 나타날 수도 있으며, 여기서 이 경우의 상단은 수직 방향의 상단이다. 이러한 온도들은 전자기 디바이스의 작동 동안 연속적으로 측정되고 측정 제어 유닛으로 통신될 수도 있다.
또한 작동 중에 절연이 열화(劣化)되는 것이 가능한데, 이러한 열화는 절연에서의 부분 방전들에 의해 야기될 수도 있다. 이러한 부분 방전들은 음향 센서들을 사용하여 측정될 수도 있다.
측정될 수도 있는 다른 특성은 수분이다. 수분은 전자기 디바이스의 생산 동안 측정될 수 있고, 생산에서의 임의의 결점들을 나타낼 수도 있다. 이는 또한 작동 중에 측정될 수도 있다.
센서는 또한 가스 분석 및/또는 화학적 분석을 위해 사용될 수 있다.
알 수 있는 바와 같이, 생산 및 작동 양자 모두 동안에 측정될 수 있는 다수의 특성들 및 결함들이 있으며, 이는 최종 제품의 품질을 개선할 뿐만 아니라 안전 작동을 개선한다.
이러한 이유로, 센서가 권선에 부착될 필요가 없다. 이는 인클로저 내 어디에서나, 예를 들면 고체 절연체 상에 또는 요크와 같은 코어의 부분 상에 배치될 수도 있다.
주어진 예의 능동 무선 통신 유닛은 2 개의 안테나를 포함하였다. 이 경우 안테나는, 능동 무선 통신 유닛에 의해 커버되는 영역 내의 센서들 중 하나 이상을 향해 지향되는 지향성 안테나일 수도 있다. 이에 의해, 적어도 하나의 안테나는 적어도 하나의 대응하는 센서를 향해 지향될 수도 있다. 최대로, 각 센서는 대응하는 안테나와 통신할 수도 있다. 지향성 안테나들을 사용함으로써, 통신 효율을 개선시킬 수도 있다. 통신 효율이 개선될 수도 있는 다른 방식은 센서와 권선 도체 사이의 거리를 최적화하는 것이다.
앞서 설명한 다양한 특성들 및 결함들은 온도, 수분 및 부분 방전들이었다. 다른 특성들 및 결함들도 측정이 가능함이 인식되어야 한다. 예를 들어, 전기적 특성들을 측정하는 것이 또한 가능할 수도 있다.
앞서 설명된 측정 제어 유닛은 프로세서 상에서 실행되는 소프트웨어를 사용하여 구현될 수도 있다. 이는 대안으로서, ASIC(Application-Specific Integrated Circuit)들 또는 FPGA(Field-Programmable Gate Array)들과 같은 전용 집적 회로를 통해 구현될 수도 있다.
전술한 논의로부터, 본 발명이 다수의 방식들로 변경될 수 있다는 것이 명백하다. 결과적으로, 본 발명은 단지 다음의 청구항들에 의해서 제한되는 것임이 인식될 것이다.
Claims (13)
- 전자기 디바이스(10)로서,
인클로저(12),
상기 인클로저의 내부의 적어도 하나의 권선(16, 18),
상기 전자기 디바이스(10)의 적어도 하나의 특성 또는 결함을 감지하기 위한 적어도 하나의 무선 센서(26A, 26B, 26C, 26D, 26E, 26F, 28A, 28B, 28C), 및
송수신 회로부(14A1) 및 적어도 하나의 안테나(14A2, 14A3)를 포함하는 적어도 하나의 능동 통신 유닛(14A, 14B, 14C, 14D)을 포함하며,
상기 송수신 회로부(14A1)는 상기 인클로저(12)의 외부에 배치되고, 상기 적어도 하나의 안테나(14A2)는 상기 적어도 하나의 센서(26A, 26B, 28A)와의 통신을 위해 상기 인클로저(12) 내측에 배치되고,
상기 적어도 하나의 센서는 상기 권선에 부착된 적어도 하나의 센서를 포함하고,
상기 권선에 부착된 상기 적어도 하나의 센서(26A)는 절연 기판(S) 상에 인쇄된 일렉트로닉스(PE)를 포함하는 인쇄 전자 센서이며, 상기 기판은 상기 적어도 하나의 권선(18)을 향하는, 전자기 디바이스(10). - 제 1 항에 있어서,
상기 인클로저(12)는 금속 인클로저인, 전자기 디바이스(10). - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 권선(18)은 고체 절연체(18B)에 의해 둘러싸인 도체(18A)를 포함하는 에나멜 권선을 포함하는, 전자기 디바이스(10). - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 권선은 절연체에 의해 둘러싸이는, 전자기 디바이스(10). - 제 4 항에 있어서,
상기 절연체는 고체 절연체(30, 32)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 센서(26A)는 상기 고체 절연체(30, 32) 및 대응하는 권선 사이에 배치되는, 전자기 디바이스(10). - 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 절연체는 기체 및/또는 액체의 형태의 유체 절연체를 포함하는, 전자기 디바이스(10). - 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 센서는 상기 절연체의 특성 또는 결함을 측정하도록 구성되는, 전자기 디바이스(10). - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 안테나는 적어도 하나의 대응하는 센서를 향해 지향되는, 전자기 디바이스(10). - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 능동 통신 유닛은 상기 인클로저의 상부에 배치되고 상기 적어도 하나의 센서는 권선의 상단에 배치되는 센서를 포함하며, 상기 상단은 상기 능동 통신 유닛에 가장 가까운, 전자기 디바이스(10). - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
요크(22)를 갖는 코어(20)를 더 포함하며,
상기 코어는 중심축을 정의하며 상기 중심축 주위에 상기 적어도 하나의 권선(16, 18)이 감겨지고, 상기 요크는 상기 중심축에 직각인 방향으로 연장되어, 상기 적어도 하나의 권선에 의해 형성되는 권선 구조를 2 개의 반부들로 분할하고, 그리고 상기 적어도 하나의 능동 무선 통신 유닛 및 이와 통신할 적어도 하나의 센서는 상기 요크의 방향에서 상기 요크의 동일한 측에 배치되고 그로부터 변위되는, 전자기 디바이스(10). - 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 안테나는, 예를 들어 최대 약 170 ℃까지의 고온들을 견딜 수 있는 물질로 주조되는, 전자기 디바이스(10). - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 무선 센서는 수동 무선 센서를 포함하는, 전자기 디바이스(10). - 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 무선 센서는 능동 무선 센서를 포함하고,
상기 전자기 디바이스는, 상기 능동 무선 센서에 연결되고 이에 전력을 공급하도록 구성된 에너지 하베스팅 유닛을 더 포함하는, 전자기 디바이스(10).
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