KR20220160234A - 발전기의 여자기용 공극감지장치 - Google Patents

발전기의 여자기용 공극감지장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 메인 엔진의 크랭크 샤프트에 연결된 여자기에 설치되어 여자기 내 공극을 실시간으로 감지할 수 있는 발전기의 여자기용 공극감지장치에 관한 것으로, 엔진의 크랭크 샤프트에 장착되어 회전하는 여자기 허브; 상기 여자기 허브에 장착되어 회전하는 여자기 회전자; 상기 여자기 회전자와 소정의 간극을 두고 대면하도록 발전기 하우징에 장착된 여자기 고정자; 상기 여자기 고정자에 설치되어, 상기 여자기 회전자와 상기 여자기 고정자 사이의 간격을 측정하는 공극센서; 및 상기 공극센서에 전기적으로 연결된 제어부를 포함할 수 있다.

Description

발전기의 여자기용 공극감지장치{APPARATUS FOR MONITORING GAP FOR EXCITER OF GENERATOR}
본 발명은 예컨대 선박의 메인 엔진에 직접 장착되는 발전기에서 여자기 내 공극을 감지할 수 있는 발전기의 여자기용 공극감지장치에 관한 것이다.
선박을 추진하는 데에 사용되는 메인 엔진의 에너지 효율을 향상시키기 위해, 프로펠러의 구동축에 축발전기가 적용될 수 있다. 이러한 축발전기는 통상 메인 엔진과 프로펠러 사이의 구동축에 직접 설치되거나, 기어 박스를 매개로 구동축과 구동축에 평행한 축발전기의 회전축을 연동시켜 증속된 회전속도로 발전할 수 있게 설치된다.
전술한 형태로 축발전기를 배치하는 경우에, 메인 엔진과 프로펠러 사이에 발전기가 위치함에 따라 설치공간이 크게 요구되며, 선박 내 엔진룸의 크기가 축방향으로 증대되어 선박의 적재량을 감소시키는 단점이 있다. 이 때문에, 메인 엔진의 앞 끝 부분, 즉 프로펠러의 반대쪽으로 프로펠러로부터 멀리 떨어진 메인 엔진의 끝 부분에 발전기를 직접 설치하는 구성이 제안되고 있다.
한편, 선박의 메인 엔진은 실린더, 피스톤, 크랭크 샤프트 등을 포함할 수 있다. 크랭크 샤프트는 베어링에 의해 지지됨과 더불어, 커넥팅 로드에 의해 실린더 내 피스톤과 연결됨으로써, 피스톤의 왕복 직선운동을 회전운동으로 바꾸어 주는 역할을 한다. 이러한 크랭크 샤프트에 발전기를 설치하면 에너지 효율을 높일 수 있을 것이다.
여기서, 크랭크 샤프트에 여자기가 연결되어 전기적 출력이 생성되고 발전기의 계자에 공급될 수 있다. 하지만, 메인 엔진에서 발생되는 진동 및 축의 처짐에 의해 여자기 고정자의 동심 대비 여자기 회전자의 동심에 차이가 발생된다. 이러한 편심이 특정 수준을 초과할 경우 여자기 고정자와 여자기 회전자 간 마찰이 발생할 위험이 있다. 따라서, 여자기 내 공극을 감지하고 모니터링할 수 있는 수단이 요구된다.
(특허문헌 1) KR 2020-0112685 A
본 발명은, 메인 엔진의 크랭크 샤프트에 연결된 여자기에 설치되어 여자기 내 공극을 실시간으로 감지할 수 있는 발전기의 여자기용 공극감지장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전기의 여자기용 공극감지장치는, 엔진의 크랭크 샤프트에 장착되어 회전하는 여자기 허브; 상기 여자기 허브에 장착되어 회전하는 여자기 회전자; 상기 여자기 회전자와 소정의 간극을 두고 대면하도록 발전기 하우징에 장착된 여자기 고정자; 상기 여자기 고정자에 설치되어, 상기 여자기 회전자와 상기 여자기 고정자 사이의 간격을 측정하는 공극센서; 및 상기 공극센서에 전기적으로 연결된 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 좁은 여자기 내에 설치되어 공극을 실시간으로 감지함으로써, 예컨대 선박의 메인 엔진에 직접 장착되는 발전기의 안전성을 확보할 수 있는 효과를 얻게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공극감지장치가 적용되고 엔진에 직접 장착된 발전기를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공극감지장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3은 공극센서의 설치 상태를 도시한 도 2의 A부분 확대도이다.
이하, 본 발명이 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명된다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 공극감지장치가 적용되고 엔진에 직접 장착된 발전기를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 공극감지장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기의 여자기용 공극감지장치는, 여자기 허브(10), 여자기 회전자(20), 여자기 고정자(30), 공극센서(40), 제어부(50)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 발전기의 여자기용 공극감지장치는 엔진(3)에 직접 장착된 발전기(Engine Mounted Generator, EMG; 2)에 적용될 수 있다. 이러한 발전기는 선박에 사용될 수 있으나, 그 사용처는 반드시 이에 한정되지 않는다.
엔진(3)에 직접 장착된 발전기(2)의 회전자(4)는, 엔진을 구성하는 크랭크 샤프트(1)의 일측 단부에 연결될 수 있다. 예를 들어, 엔진에 직접 장착된 발전기가 선박에 사용되는 경우에, 크랭크 샤프트의 타측 단부에는 선박의 프로펠러(미도시)가 연결되어 선박에 동력을 제공할 수 있다.
여기서, 크랭크 샤프트(1)의 일측 단부에는, 대략 고리 형상의 튜닝 휠(5)이 견고하게 고정되어 크랭크 샤프트와 함께 회전할 수 있다.
예컨대, 튜닝 휠(5)의 방사상 바깥쪽 단부에는 발전기(2)의 허브(6) 및 회전자(4)의 조립체가 장착될 수 있다. 이로써, 회전자는 크랭크 샤프트(1)의 일측 단부에 연결될 수 있다.
엔진(3)에 직접 장착된 발전기(2)의 고정자(7)는, 발전기를 구성하는 발전기 하우징(8)에 고정되게 장착될 수 있다. 이에 따라 발전기 하우징은 고정자를 위한 지지구조물로 작용할 수 있다.
엔진(3)의 크랭크 샤프트(1)에 연결된 회전자(4)는, 엔진에 결합된 발전기 하우징(8)에 장착된 고정자(7) 내에 삽입되어 고정자와 대면하도록 설치될 수 있다.
이와 같이 회전자(4)는 엔진(3)의 크랭크 샤프트(1)와 결합하고 고정자(7)는 발전기 하우징(8)에 장착된 상태에서, 회전자와 고정자가 서로 대면하게 배치됨으로써, 엔진에 직접 장착된 발전기(2)가 구성될 수 있게 된다.
발전기 하우징(8) 내에는 여자기(9)가 설치될 수 있다. 여자기는, 크랭크 샤프트(1)의 일측 단부에 장착되어 크랭크 샤프트와 함께 회전하는 여자기 허브(10); 여자기 허브에 장착되어 크랭크 샤프트와 동일한 속도로 회전하는 여자기 회전자(20); 및 여자기 회전자와 소정의 간극을 두고 대면하도록 발전기 하우징의 내주면에 장착된 여자기 고정자(30)를 포함할 수 있다.
여자기 허브(10)는 대략 관 형상으로 형성되고, 양측면에는 각각 원주방향을 따라 소정 간격을 두고 형성된 복수의 나사홀을 포함할 수 있다. 여자기 허브는, 튜닝 휠(5)의 방사상 안쪽에서 크랭크 샤프트(1)의 단부에 복수의 나사로 결합되고 크랭크 샤프트와 동축으로 배치될 수 있다. 이로써, 여자기 허브는 크랭크 샤프트와 함께 회전하면서, 여자기 회전자(20)를 지지할 수 있는 구조물로서의 역할을 수행할 수 있다.
여자기 회전자(20)는, 복수의 여자기 회전자용 코어와, 이 코어에 권취된 여자기 회전자용 권선을 포함할 수 있다.
여자기 회전자(20)의 코어는 얇은 복수의 규소 강판을 고리 형상으로 가공하여 여자기 허브(10)에 규소 강판의 두께방향, 즉 여자기 허브의 축방향으로 적층하여 구비될 수 있다. 이렇게 만들어진 코어는 철손이 적고 투자율이 커서 우수한 자성 특성을 갖는다. 이러한 여자기 회전자의 코어는 여자기 허브에 의해 지지될 수 있다.
여자기 회전자(20)의 권선은 여자기 회전자의 코어의 주변에 감길 수 있다. 이때, 여자기 회전자의 코어의 외주면에는 홈이 형성될 수 있다. 이러한 여자기 회전자의 권선은 코어에 감겨 여자기 허브(10)에 의해 지지될 수 있다.
이로써, 여자기 회전자(20)는 여자기 허브(10) 및 크랭크 샤프트(1)와 함께 회전할 수 있다.
여자기 고정자(30)는, 방사상 안쪽에 여자기 회전자(20)가 축선을 중심으로 회전할 수 있는 공간을 구비하며, 이 공간의 외측에는 여자기 고정자용 코어와, 이 코어에 권취된 여자기 고정자용 권선을 포함할 수 있다.
여자기 고정자(30)의 코어는 얇은 복수의 규소 강판을 코어 형상으로 가공하고 규소 강판의 두께방향, 즉 여자기 허브(10)의 축방향으로 적층하여 제작된 것을 채용한다.
여자기 고정자(30)의 코어는 발전기 하우징(9)의 내주면에 끼워져 발전기 하우징에 의해 지지될 수 있다. 코어에는 여자기 고정자의 권선이 설치될 수 있다. 이를 위해 코어의 내주면에는 예를 들어 권선이 감길 수 있는 복수의 요크(31)가 원주방향을 따라 서로 이격되어 형성될 수 있다. 권선이 각 요크에 감길 수 있다.
여자기 고정자용 권선의 단부는 외부로부터 직류 전원을 공급받기 위해 전원 단자(미도시)에 접속될 수 있다. 이에 의해, 직류 전원을 공급받은 여자기 고정자용 권선은 여자기 고정자용 코어에 고정 자계를 형성한다.
이와 같이 구성된 여자기 고정자(30)는 발전기 하우징(8)에 의해 지지됨으로써, 여자기 고정자는 여자기 회전자(20)가 내부에 삽입된 상태에서 여자기 회전자와 대면하도록 배치될 수 있게 된다.
엔진(3)이 구동되면 여자기 회전자(20)는 크랭크 샤프트(1)와 연동되어 회전할 수 있다. 여자기 고정자(30)는 발전기 하우징(8)에 장착된 상태에서 여자기 회전자와 대면하게 배치되고, 여자기 회전자는 그 회전에 따른 전자기력에 의해 전기적 출력을 발생시킨다.
구체적으로, 여자기 회전자(20)가 여자기 고정자(30) 내에서 여자기 허브(10)와 함께 회전하고, 여자기 회전자용 권선을 따라 유도 전류(교류)가 발생하게 되며, 이 전류는 여자기 회전자용 권선의 단부를 통해 출력되게 된다. 예를 들어, 출력되는 유도 전류는 다이오드에 의해 정류되어 직류의 전류가 발전기(2)의 회전자(4)를 구성하는 권선으로 전달될 수 있다.
이와 같이 여자기(9)에서 전기적 출력이 생성되고 발전기(2)의 계자에 공급될 수 있다.
공극센서(40)는 여자기 고정자(30)에 설치되어, 여자기 회전자(20)와 여자기 고정자 사이의 공극(G)을 측정할 수 있다. 이러한 공극센서로는 비접촉식 정전용량형 근접센서가 채용될 수 있다. 물체와 센서 사이에 생기는 정전용량은 거리에 따라 변화하는데, 비접촉식 정전용량형 근접센서는 변화하는 정전용량을 측정하여 물체의 유무 또는 물체와의 거리를 검출할 수 있다.
공극센서(40)는 평판 형태로 형성되어, 여자기 고정자(30)의 코어, 보다 구체적으로는 요크(31)에 부착될 수 있다. 예를 들어, 여자기 회전자(20)와 여자기 고정자 사이의 공극(G)이 대략 7mm 정도라면, 공극센서는 약 1 ~ 2mm의 두께를 가질 수 있다.
도 3은 공극센서의 설치 상태를 도시한 도 2의 A부분 확대도이다.
공극센서(40)는 두께가 얇으며 외부 재질이 플라스틱이기 때문에, 금속 대비 센서의 취성이 높게 된다. 이에 따라 센서의 운용시 안전성을 확보할 필요가 있다.
이를 위해, 여자기 고정자(30)의 코어 중 권선으로부터 노출된 요크(31)의 표면, 즉 여자기 회전자(20)와 대면하는 대향면에 공극센서(40)의 치수보다 다소 큰 치수를 갖고서 대응되는 형상을 가진 오목홈(32)이 형성되고, 공극센서가 오목홈 내에 삽입되어 오목홈의 내면에 접착될 수 있다. 이로써, 공극센서가 여자기 고정자의 코어에 매립되어 장착될 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 복수의 공극센서(40)는 여자기 고정자(30)의 코어 내주면에서 원주방향을 따라 등간격으로 배치될 수 있다. 예를 들면, 복수의 공극센서는 서로 간 90도, 60도, 45도 등의 각도만큼 떨어져 배치될 수 있다.
공극센서(40)는 노출면과 여자기 회전자(20) 사이의 거리를 측정할 수 있다. 공극센서는 거리의 측정에 필요한 전기장을 발생시키고, 여자기 회전자와의 상대적 거리를 실시간으로 감지하여 거리와 비례하는 전류값을 출력할 수 있다. 출력되는 신호는 예컨대 케이블(41)을 통해 제어부(50)에 전달될 수 있다.
공극센서(40)와 제어부(50) 사이에는 신호변환기(45)가 개재될 수 있다. 신호변환기는 공극센서로부터 출력된 신호를, 제어부(50)나 기타 장비에 호환가능한 표준 신호로 변환시켜 제공할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기의 여자기용 공극감지장치는, 여자기 허브(10) 내에서 일단이 크랭크 샤프트(1)에 연결된 연장 샤프트(60); 및 연장 샤프트의 타단에 연결된 인코더(70)를 더 포함할 수 있다.
연장 샤프트(60)는 여자기 허브(10) 내에 배치되고, 일단이 크랭크 샤프트(1)에 동심으로 연결될 수 있다. 연장 샤프트는 대략 밀폐된 원통 형상의 부재로서, 내부에 중공부가 형성될 수 있다. 상기 일단에 크랭크 샤프트와 결합하기 위한 플랜지(61)가 형성되고, 연장 샤프트의 플랜지는 여자기 허브의 방사상 안쪽에서 크랭크 샤프트의 단부에 복수의 나사로 결합될 수 있다.
하지만, 연장 샤프트(60)의 형상과 결합방식은 전술한 예에 한정되지 않으며, 예를 들어, 중실의 봉형상으로 형성되거나, 플랜지 없이 나사 또는 용접 등에 의해 결합할 수도 있다.
이로써, 연장 샤프트(60)는 크랭크 샤프트(1)와 함께 회전할 수 있다.
인코더(70)는 연장 샤프트(60)의 타단에 연결될 수 있다. 인코더는 연장 샤프트의 회전수, 즉 크랭크 샤프트(1)의 회전수를 측정하여 회전속도와 위상을 출력할 수 있다. 이러한 인코더는 시중에서 구입가능하며, 구성 및 작동원리가 널리 알려져 있으므로, 본 명세서에서는 그 상세한 설명은 생략한다.
다만, 인코더(70)는 인코더 본체(71)로부터 연장하고 인코더 본체에 대해 회전가능한 인코더 회전축(72)을 구비하고 있다. 인코더 본체는 발전기 하우징(8)의 외면에 고정되게 장착할 수 있으며, 인코더 회전축은 인코더 본체로부터 연장하여 발전기 하우징을 관통한 후 그 단부가 연장 샤프트(60)와 동심으로 연결될 수 있다.
선택적으로, 연장 샤프트(60)의 타단과 인코더 회전축(72)의 단부 사이에 이들의 결합을 위한 어댑터가 개재될 수 있다.
이로써, 인코더 회전축(72)은 연장 샤프트(60) 및 크랭크 샤프트(1)와 함께 회전할 수 있다.
인코더(70)는 신호변환기(45)에 연결되어, 크랭크 샤프트(1)와 연장 샤프트(60)의 회전속도와 위상, 다시 말해 여자기 회전자(20)의 회전속도와 위상을 측정하여 신호변환기로 출력할 수 있다. 인코더에서 출력된 위상 데이터가 제어부(50)로 전달됨으로써, 여자기 회전자에서 편심이 발생한 위치를 정의할 수 있는 기준점이 제어부에 제공되게 된다.
제어부(50)는, 입력된 데이터를 수집하는 데이터 수집부(51)와, 데이터를 실시간으로 표시하는 모니터링부(52)를 포함할 수 있다. 이로써, 작업자는 모니터링부를 통해 실시간으로 여자기 회전자(20)와 여자기 고정자(30) 사이의 공극(G)을 확인할 수 있다.
또한, 제어부(50)는, 공극이 줄어들어 위험 수준에 도달할 때 자동으로 경보를 발생시키는 경보기, 혹은 더욱 심한 경우에 전체 시스템을 자동으로 정지시키는 차단기에 연결될 수도 있다.
이상과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 발전기의 여자기용 공극감지장치에 의하면, 좁은 여자기 내에 설치되어 공극을 실시간으로 감지함으로써, 예컨대 선박의 메인 엔진에 직접 장착되는 발전기의 안전성을 확보할 수 있는 효과를 얻게 되는 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 크랭크 샤프트 2: 발전기
3: 엔진 4: 회전자
5: 튜닝 휠 6: 허브
7: 고정자 8: 발전기 하우징
9: 여자기 10: 여자기 허브
20: 여자기 회전자 30: 여자기 고정자
31: 요크 32: 오목홈
40: 공극센서 41: 케이블
45: 신호변환기 50: 제어부
51: 데이터 수집부 52: 모니터링부
60: 연장 샤프트 61: 플랜지
67: 어댑터 70: 인코더
71: 인코더 본체 72: 인코더 회전축

Claims (9)

  1. 엔진의 크랭크 샤프트에 장착되어 회전하는 여자기 허브;
    상기 여자기 허브에 장착되어 회전하는 여자기 회전자;
    상기 여자기 회전자와 소정의 간극을 두고 대면하도록 발전기 하우징에 장착된 여자기 고정자;
    상기 여자기 고정자에 설치되어, 상기 여자기 회전자와 상기 여자기 고정자 사이의 공극을 측정하는 공극센서;
    상기 공극센서에 전기적으로 연결된 제어부
    를 포함하는 발전기의 여자기용 공극감지장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공극센서는 비접촉식 정전용량형 근접센서인 발전기의 여자기용 공극감지장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 여자기 고정자의 코어에서 상기 여자기 회전자와 대면하는 대향면에 오목홈이 형성되고, 상기 공극센서가 오목홈 내에 삽입되어 상기 오목홈의 내면에 접착된 발전기의 여자기용 공극감지장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공극센서는 복수로 구비되고,
    복수의 공극센서는 상기 여자기 고정자의 코어 내주면에서 원주방향을 따라 등간격으로 배치된 발전기의 여자기용 공극감지장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공극센서와 상기 제어부 사이에는 신호변환기가 개재된 발전기의 여자기용 공극감지장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 여자기 허브 내에서 일단이 상기 크랭크 샤프트에 연결되어 회전하는 연장 샤프트; 및
    상기 연장 샤프트의 타단에 연결된 인코더
    를 더 포함하는 발전기의 여자기용 공극감지장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 인코더는, 인코더 본체로부터 연장하고 상기 인코더 본체에 대해 회전가능한 인코더 회전축을 구비하고,
    상기 인코더 본체는 상기 발전기 하우징의 외면에 장착되며,
    상기 인코더 회전축은 상기 발전기 하우징을 관통하고, 단부가 상기 연장 샤프트와 연결된 발전기의 여자기용 공극감지장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 인코더는 상기 신호변환기에 연결되고, 상기 여자기 회전자의 회전속도와 위상을 측정하여 출력하는 발전기의 여자기용 공극감지장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    입력된 데이터를 수집하는 데이터 수집부, 및
    데이터를 실시간으로 표시하는 모니터링부
    를 포함하는 발전기의 여자기용 공극감지장치.
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