KR20230124058A - 슬립 링 장치, 요 시스템, 및 풍력 터빈 발전기 세트 - Google Patents
슬립 링 장치, 요 시스템, 및 풍력 터빈 발전기 세트 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 슬립 링 장치, 요 시스템, 및 풍력 터빈 발전기 세트를 제공한다. 슬립 링 장치는 회전부와 고정부를 포함하고, 회전부는 고정부에 대해 회전할 수 있고, 전도성 링이 회전부 상에 제공되고, 전기 브러시가 고정부 상에 제공되고, 슈트가 전도성 링과 전기 브러시 중 적어도 하나에 형성되어, 전도성 링과 전기 브러시가 접촉할 때, 슈트는 전도성 링과 브러시가 접촉할 때 발생하는 연마 먼지를 배출할 수 있게 되어, 이에 의해 전도성 링과 전기 브러시 사이의 마이크로 접촉 저항의 증가를 억제한다.
Description
본 출원은 풍력 발전 기술 분야에 관한 것으로, 특히 슬립 링 디바이스(slip ring device), 요 시스템(yaw system) 및 풍력 터빈(wind turbine)에 관한 것이다.
현재 풍력 터빈에 적용되는 발전기는 주로 직접 구동식 영구 자석 발전기, 중속(medium-speed) 영구 자석 발전기 및 이중 여자(doubly-fed) 비동기식 발전기(전기 여자)를 포함한다. 3개의 유형의 발전기 모두 전력과 신호를 전달하기 위해 임펠러 시스템에 전기 피치 슬립 링 또는 전기 유압식 슬립 링을 구비해야 할 필요가 있다. 게다가, 이중 여자 비동기식 발전기는 전기 여자 및 회전자측 전기 에너지의 전달을 위한 모터 콜렉터 링을 구비해야 할 필요가 있다. 전기 피치 슬립 링 또는 전기 유압식 슬립 링 또는 모터 콜렉터 링은 각각 전도성 링과 브러시를 포함하는 유사한 구조를 갖는다. 피치 슬립 링은 저속(10 rpm 내지 20 rpm의 평균 속도) 슬라이딩 전기 접촉 상태에서 작동하고 모터 콜렉터 링은 고속(1500 rpm의 평균 속도) 전기 접촉 상태에서 작동한다. 그러나, 풍력 터빈의 요 시스템에 사용되는 콜렉터 링은 저주파 및 초저속 전기 접촉 상태에서 작동한다. 상기 상이한 용례 시나리오의 각각에서, 슬립 링 또는 모터 콜렉터 링 내의 전도성 링과 대응 브러시 사이의 전기 접촉은 그 상이한 설계 특성과 고장 모드를 갖는다.
피치 슬립 링은 주로 고주파 통신 신호를 전송하는 데 사용되는 중속 및 저속으로 작동하고, 신뢰적인 신호 전송이 가장 중요한 목적이다. 모터 콜렉터 링은 고속으로 작동하는데, 이는 주로 회전자측 전기 에너지를 전달하는 데 사용되고, 브러시의 고속 마모, 발열 및 기계적 점프가 가장 중요한 목적이다. 그러나, 요 시스템에 사용되는 콜렉터 링은 장기간 정적(작은 시간 부분 동안 슬라이딩 조건에서 작동함), 초저속 및 간헐적 슬라이딩 조건에 있을 수도 있고, 발열 및 접촉 저항의 증가가 가장 중요한 연구 목적이다.
요 시스템의 콜렉터 링을 개발하는 프로세스에서, 운전 시간의 증가에 따라 브러시와 전도성 링의 접촉 쌍 사이에 블랙 필름 층이 점진적으로 부착되고, 그 접촉 저항이 너무 빨리 증가하는 것으로 판명되었다. 그러나, 고속으로 운전하는 모터 콜렉터 링에서는 유사한 현상이 나타나지 않는다.
요 시스템에서 콜렉터 링의 회전 속도는 약 0.05 r/min이고, 브러시의 선형 속도는 약 1 mm/s인데, 이는 간헐적 작동 시스템에 속한다. 낮은 회전 속도에서의 마모 법칙은 통상적인 복합 마모인 프레팅 마모(fretting wear)에 부합한다. 기계적 및 화학적 마모는 작은 진폭(1 mm 미만)으로 서로에 대해 이동하는 2개의 접촉하는 물체에 의해 발생될 수도 있기 때문에, 2개의 접촉하는 물체가 서로 마찰할 때, 피로 균열 또는 접착 마모가 마찰 표면층 상에 형성될 수도 있는데, 이는 금속이 박리되어 마모 파편 또는 마모 입자를 형성하게 하여, 따라서 마찰 표면의 고온으로 인한 마모 파편의 산화를 야기한다.
장기간 저속 및 간헐적 회전 중에, 요 시스템의 콜렉터 링의 전도성 링과 브러시의 접촉부에 프레팅 마모가 나타날 수도 있고, 브러시와 전도성 링 사이의 접촉 표면에 마모 입자가 부착된다. 프레팅 이동이 작고, 마모 입자는 큰 브러시 접촉 표면 및 브러시 접촉 표면의 큰 거칠기로 인해 회전 중에 거의 배출되지 않는다. 따라서, 마모 입자는 접촉 쌍 사이에 혼합되어 반복적으로 연마되고, 불순물, 산소 및 고온 환경에 의해 점진적으로 산화되어, 결국 전류의 통과를 차단하는 산화물 필름을 형성하고, 프레팅 접촉 저항의 필름 저항의 증가를 야기하는데, 이는 프레팅 접촉 저항의 과도한 증가를 유발한다. 프레팅 접촉 저항은 저속 및 간헐적 회전 중에 브러시와 전도성 링의 접촉 쌍 사이에 형성되는 저항이다.
본 출원은 상기 문제점을 고려하여 제공된다. 본 출원의 목적은 슬립 링 디바이스에서 전도성 링과 브러시 사이의 프레팅 접촉 저항의 증가를 억제할 수 있는 슬립 링 디바이스를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해, 회전부와 고정부를 포함하는 슬립 링 디바이스가 본 출원에 따른 제공된다. 회전부는 고정부에 대해 회전할 수 있다. 전도성 링이 회전부 상에 제공되고, 브러시가 고정부 상에 제공된다. 경사 슬롯이 전도성 링과 브러시 중 적어도 하나 상에 제공되어, 전도성 링과 브러시가 접촉할 때, 경사 슬롯이 전도성 링과 브러시가 접촉함에 따라 발생하는 마모 파편을 배출할 수 있게 된다.
타워와 나셀의 설치 위치 사이에서 요 플랫폼 상에 배열되는 전술된 바와 같은 슬립 링 디바이스; 및 슬립 링 디바이스의 고정부 상에 배열되고 온도 센서에 의해 측정된 온도 신호에 기초하여 방열 디바이스의 활성화 및 비활성화를 제어하기 위해 사용되는 제어 유닛을 포함하는 요 시스템이 또한 본 출원에 따라 제공된다.
전술된 바와 같은 요 시스템을 포함하는 풍력 터빈이 또한 본 출원에 따라 제공된다.
본 출원에 따라 제공된 슬립 링 디바이스에 따르면, 슬립 링 디바이스의 전도성 링과 브러시 사이의 프레팅 접촉 저항의 증가가 관련 구성요소의 재료를 선택함으로써 효과적으로 억제될 수 있어, 표면 처리 기술 및 구조를 개선하고, 작동 온도 및 작동 전류를 제어 및 최적화하여, 마모 파편의 형성이 감소될 수 있게 되고, 마모 파편이 적시에 배출될 수 있게 되어, 이에 의해 마모 파편에 의해 형성된 산화물 필름을 감소시키고 산화물 필름을 연화시키는 것이 명백하다.
본 출원의 상기 및 다른 양태, 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 본 출원의 예시적인 실시예의 이하의 상세한 설명으로부터 더 명백해지고 더 쉽게 이해될 것이며, 도면에서:
도 1은 본 출원에 따른 요 시스템의 조성을 도시하고 있는 개략도이다.
도 2는 본 출원에 따른 슬립 링 디바이스에서 전도성 링과 브러시의 일부를 도시하고 있는 개략 구조도이다.
도면에서 참조 번호는 다음과 같다:
10: 타워; 20: 나셀;
30: 요 플랫폼; 40: 슬립 링 디바이스;
41: 회전부; 411: 전도성 링;
42: 고정부; 421: 브러시;
412, 422: 경사 슬롯; 43: 방열 디바이스;
44: 온도 센서; 45: 제어 유닛.
도 1은 본 출원에 따른 요 시스템의 조성을 도시하고 있는 개략도이다.
도 2는 본 출원에 따른 슬립 링 디바이스에서 전도성 링과 브러시의 일부를 도시하고 있는 개략 구조도이다.
도면에서 참조 번호는 다음과 같다:
10: 타워; 20: 나셀;
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412, 422: 경사 슬롯; 43: 방열 디바이스;
44: 온도 센서; 45: 제어 유닛.
이하, 본 출원의 바람직한 실시예가 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명된다. 이하의 실시예의 설명 및 첨부 도면에서, 동일한 부분은 동일한 부호로 표기되고 반복 설명은 생략된다는 것이 명백해야 한다.
프레팅 접촉 저항의 증가를 억제할 수 있는 본 출원에 따른 슬립 링 디바이스가 제공된다. 이하에서, 슬립 링 디바이스는 요 시스템의 콜렉터 링을 예로서 취함으로써 설명되고, 슬립 링 디바이스는 전도성 링과 브러시를 포함한다. 본 출원은 이에 한정되는 것은 아니고, 이하의 설명은 접촉 쌍 사이의 프레팅 접촉 저항의 증가를 억제해야 할 필요가 있는 다른 유사한 디바이스에도 또한 적용될 수 있다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 풍력 터빈용 요 시스템이 도시되어 있다. 요 시스템은 타워(10)와 나셀(20) 사이에 위치된 요 플랫폼(30)을 포함하고, 슬립 링 디바이스(40)(본 예에서, 요 시스템의 콜렉터 링)가 요 플랫폼(30) 내에 배열된다.
슬립 링 디바이스(40)는 회전부(41)와 고정부(42)를 포함한다. 회전부(41)와 고정부(42) 사이의 연결은 발전기의 회전자와 고정자 사이의 연결과 유사하다. 고정부(42)는 고정자와 유사하고 내부에 원통형 캐비티를 갖는 원통형 형상을 갖는다. 회전부(41)는 회전자와 유사하고 원통형 형상을 가지며, 고정부(42) 내부의 캐비티 내에 배열된다. 회전부(41)는 고정부(42)에 대해 회전할 수 있다. 도면에 도시되어 있는 회전부(41)와 고정부(42) 사이의 이동 관계는 상호 교환될 수 있는데, 즉, 회전부(41)는 고정될 수 있고 고정부(42)는 회전부(41)에 대해 회전할 수 있다. 게다가, 회전부(41) 및 고정부(42)의 특정 구조는 단지 예시일 뿐이고, 이들이 서로에 대해 이동할 수 있는 한 다른 구조가 가능하다. 예를 들어, 회전부(41)와 고정부(42)는 한 쌍의 외부 맞물림 기어와 유사하게 서로에 대해 회전할 수 있다.
회전부(41)의 외주면 상에는 환형 전도성 링(411)이 제공되고, 전도성 링(411)에 대응하는 위치에서 고정부(42)의 내주면 상에는 브러시(421)가 제공된다. 전도성 링(411)과 브러시(421)는 서로 접촉하고 서로에 대해 회전하며, 풍력 터빈의 상이한 케이블 섹션에 연결되어(도 1에서 굵은 실선에 의해 도시되어 있는 바와 같이), 발전기에 의해 발생된 전류가 전도성 링과 브러시를 통해 전달되게 된다. 3개의 세트의 전도성 링과 대응 브러시가 도 1에 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 실제 엔지니어링 용례에 따라 더 많거나 더 적은 세트의 전도성 링 및 브러시가 제공될 수도 있다.
슬립 링 디바이스(40)는 슬립 링 디바이스(40)로부터의 열을 방산하기 위해 고정부(42) 외부에 배열되는 방열 디바이스(43)를 더 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 방열 디바이스(43)는 또한 전도성 링(411) 및 브러시(421)로부터 열을 방산하기 위해 고정부(42) 내부에 배열될 수도 있다.
슬립 링 디바이스(40)는 또한 브러시(421)의 온도를 검출하기 위해 브러시(421) 상에 제공되는 온도 센서(44)를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 온도 센서(44)는 또한 전도성 링(411)과 브러시(421)의 모두의 온도를 검출하기 위해, 전도성 링(411) 상에 제공될 수도 있는데, 예를 들어, 전도성 링(411)에 매립될 수도 있다.
요 시스템은 슬립 링 디바이스(40)의 고정부(42) 상에 배열된 제어 유닛(45)을 더 포함하는데, 이는 슬립 링 디바이스(40)의 방열을 실현하기 위해, 온도 센서(44)에 의해 측정된 온도 신호에 기초하여 방열 디바이스(43)의 활성화 및 비활성화를 제어하는 데 사용된다.
슬립 링 디바이스(40)에서 접촉 쌍, 즉, 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 프레팅 접촉 저항은 주로, 접촉 쌍 사이의 프레팅 마모에 의해 발생된 마모 파편이 적시에 배출될 수 없고 접촉 쌍의 접촉 표면 사이에 축적되고, 점진적으로 산소와 고온으로 산화물 필름으로 산화되고 산화물 필름은 전류의 통과를 방해한다는 사실에 의해 발생된다.
따라서, 본 출원에 따른 슬립 링 디바이스(40)는 마모 파편의 발생을 감소시키고, 마모 파편의 축적을 감소시키도록 마모 파편을 배출하고, 마모 파편의 산화를 감속하도록 작동 온도를 제어하고, 산화물 필름을 연화하도록 작동 전류를 제어 및 최적화함으로써 접촉 쌍 사이의 프레팅 접촉 저항의 증가를 억제할 수도 있다.
도 2를 참조하면, 슬립 링 디바이스(40)의 전도성 링(411)과 브러시(421)의 구조의 일부가 도시되어 있다. 전도성 링(411) 및 브러시(421)는 실제 크기 및 축척대로 도시되어 있지는 않고, 특정 상세를 개략적으로 나타내기 위해 과장되거나 축소되어 있다. 경사 슬롯이 전도성 링(411)과 브러시(421) 중 적어도 하나에 제공될 수 있는데, 그 목적은 전도성 링과 브러시 사이의 접촉 표면 상의 마모 파편의 축적을 회피하기 위해, 전도성 링(411)과 브러시(421)가 접촉할 때 발생하는 마모 파편을 적시에 배출하는 것이다.
도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 경사 슬롯(412) 및 경사 슬롯(422)이 전도성 링(411)과 브러시(421) 상에 각각 제공된다. 이들 경사 슬롯은 각각 전도성 링(411)과 브러시(421)의 원주 연장 방향에 대해 특정 각도로 경사져 있고, 전도성 링(411) 상의 경사 슬롯(412)은 나선형 슬롯의 형태일 수 있고, 경사 슬롯의 처리는 수평 밀링 기계 등에 의해 실현될 수 있다. 경사 슬롯의 경사각은 브러시 재료와 전도성 링 재료의 안식각(repose angle)보다 커서, 브러시(421) 및 전도성 링(411) 상에 형성된 마모 파편이 이들의 자중의 작용 하에서 경사 슬롯을 따라 원활하게 배출되게 되어, 따라서 접촉 표면 상에 그리고 경사 슬롯 내에 마모 파편의 축적을 감소시킨다.
안식각은 재료의 이동성과 관련된 개념이다. 재료가 경사면 상에 배치될 때, 수평 방향에 대한 경사면의 경사각이 안식각보다 작기 때문에 재료가 안정하게 유지되며, 재료는 그 자중의 작용 하에서 자신과 경사면 사이의 마찰을 극복하고, 경사면의 경사각이 안식각보다 크기 때문에 경사면을 따라 유동한다. 안식각은 재료의 밀도 및 분자 구조, 뿐만 아니라 재료 입자의 유형, 입자 크기, 형상 및 습기 함량과 같은 물리적 및 화학적 특성과 관련된다. 상이한 재료는 상이한 안식각을 갖고 참조 서적으로부터 또는 실험 측정을 통해 획득될 수 있다. 일반적으로, 브러시 재료와 전도성 링 재료는 상이한 특성을 갖고, 따라서 이들은 상이한 안식각을 가지며, 경사 슬롯의 경사각이 설정될 때, 2개의 재료의 더 큰 안식각이 적용되어야 한다. 브러시 재료가 본 명세서에서 예로서 설명되는데, 즉, 경사 슬롯의 경사각은 브러시 재료의 안식각보다 크다. 예를 들어, 경사 슬롯의 경사각은 45도 내지 90도 범위, 바람직하게는 60도일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 특정 엔지니어링 실시에서, 경사 슬롯의 경사각은 마모 파편의 배출을 용이하게 하기 위해 브러시 재료와 전도성 링 재료의 모두의 안식각을 고려함으로써 설정될 수 있다.
전도성 링(411) 및 브러시(421) 상의 각각의 경사 슬롯의 방향은 동일할 수 있어, 전도성 링(411)과 브러시(421)가 서로 접촉하여 서로에 대해 회전할 때, 전도성 링(411) 상의 경사 슬롯(412)과 브러시(421) 상의 경사 슬롯(422)은 서로 교차하여 가위를 형성할 수도 있어, 전단 효과를 제공하고, 교차된 경사 슬롯이 가위로서 작용하여 발생된 마모 파편 및 마모 파편에 의해 형성된 산화물을 제거하여 전도성 링과 브러시가 프레팅 접촉 상태에 있을 때 전방 또는 후방으로 회전하더라도 이들의 접착력을 감소시킨다. 경사진 슬롯의 깊이는 형성된 마모 파편을 수용하기 위해 예를 들어 1 mm 내지 4 mm, 바람직하게는 3 mm 범위일 수 있다. 경사 슬롯의 폭은 전도성 링(411) 및 브러시(421) 상에 형성된 모든 경사 슬롯에 의해 점유된 면적이 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 접촉 표면의 면적의 특정 비율이 되도록 하여, 이에 의해 전단 효과에 의해 경사 슬롯 내로의 형성된 마모 파편의 돌진을 용이하게 하는 방식으로 설정될 수도 있다. 경사 슬롯이 전도성 링(411)과 브러시(421)의 모두 상에 배열될 때, 경사 슬롯은 더 균등하게 분포될 수 있고, 반면 경사 슬롯이 전도성 링(411)과 브러시(421) 중 어느 하나 상에 배열될 때, 경사 슬롯이 더 조밀하게 분포되고, 모든 경사 슬롯에 의해 점유된 면적은 예를 들어, 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 접촉 표면의 면적의 1/6 내지 1/5일 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 경사 슬롯의 깊이 및 폭의 상기 수치 값은 단지 예일 뿐이고, 특정 수치 값은 엔지니어링 실시에 따라 대응적으로 조정될 수 있다. 여기서 언급된 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 접촉 표면의 면적은 이들 중 어느 것도 경사 슬롯이 제공되지 않은 경우의 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 접촉 표면의 면적을 칭한다.
게다가, 경사 슬롯의 배열은 또한 브러시(421)와 전도성 링(411)의 방열에 유리하고, 동시에 접촉 표면의 중심 위치로부터 에지 위치로 파편의 이동을 상당히 감소시킬 수 있어, 따라서 파편 축적의 가능성을 전반적으로 감소시킨다.
게다가, 전도성 링(411) 및 브러시(421)의 재료는 이들이 서로 접촉하여 회전할 때 마모를 감소시키기 위해 선택될 수 있다. 전도성 링(411)은 비교적 높은 경도를 갖는 재료로 제조될 수 있고, 브러시(421)는 비교적 낮은 경도 및 낮은 마찰 계수를 갖는 재료로 제조될 수 있다. 예를 들어, 전도성 링(411)은 구리 도금된 은 안티몬 프로세스를 사용하여, 구리 도금된 은 안티몬 합금으로 제조될 수 있고, 브러시(421)는 구리 탄소 복합 재료로 제조될 수 있으며, 여기서 구리 탄소 복합 재료의 구리 함량은 80% 이상이지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이는 단지 예일 뿐이고, 전도성 링(411) 및 브러시(421)는 다른 적합한 재료로 제조될 수 있다.
게다가, 접촉 쌍 즉, 전도성 링(411)과 브러시(421)가 회전할 때 접촉 표면 상에 피로 균열 또는 접착 마모가 발생될 수도 있어, 따라서 전도성 링(411)과 브러시(421)를 제조하는 프로세스에서, 접착제와 같은 접착 재료는 완성된 전도성 링(411)과 브러시(421)가 서로 접촉하고 서로에 대해 회전할 때 이들의 접착 마모를 감소시키기 위해, 사용되지 않을 것이다.
게다가, 서로 접촉하는 전도성 링(411) 및 브러시(421)의 표면의 거칠기는 감소될 수 있어, 마모 파편의 발생이 접촉 및 회전 중에 감소될 수 있다. 예를 들어, 서로 접촉하는 전도성 링(411) 및 브러시(421)가 표면의 거칠기는 0.1 ㎛ 이하이지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 이 값은 단지 예시일 뿐이고, 대응 거칠기는 특정 엔지니어링 실시에 기초하여 선택될 수 있고, 전도성 링(411) 및 브러시(421)의 표면은 선반 및 연삭 디바이스에 의해 가공될 수 있다.
본 출원에 따른 슬립 링 디바이스(40)는 또한 동작 온도를 제어하여 프레팅 접촉 저항의 증가의 억제를 달성할 수 있다. 일반적으로, 브러시(421)의 온도 상승은 실제 작업 프로세스에서 그 재료로 인해 전도성 링(411)의 온도 상승보다 더 명백하다. 따라서, 이하의 설명은 브러시(421)를 예로서 취하지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 유사한 조치가 또한 전도성 링(411)에도 적용될 수 있다. 브러시(421)에 대한 온도 제어는 주로 방열 설계에 의해 실현된다. 예를 들어, 브러시(421)의 온도는 방열 디바이스(43)(예를 들어, 팬)를 사용함으로써 브러시(421)의 임계 급속 산화 온도보다 낮게 제어될 수도 있고, 브러시(421)의 임계 급속 산화 온도라는 것은, 온도가 이 임계 급속 산화 온도보다 높을 때 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 프레팅 접촉 저항이 급속하게 증가한다는 것을 의미하고, 이는 실험 측정에 의해 획득될 수도 있다.
구체적으로, 이 실험에서, 전도성 링(411)과 브러시(421)는 회전하도록 동작되고 이들은 프레팅 접촉 상태에 있고, 전도성 링(411)과 브러시(421)는 여자되어(즉, 양자 모두를 통해 전류가 흐르게 됨), 전도성 링(411) 및 브러시(421)의 온도가 증가하게 된다. 온도가 온도 센서(44)에 의해 실시간으로 측정되고, 동시에, 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 전압과 전류가 그 사이의 프레팅 접촉 저항을 계산하기 위해 전압계와 전류계에 의해 각각 실시간으로 측정되고, 또는 그 사이의 프레팅 접촉 저항이 저항 측정 디바이스(예를 들어, 저항계)에 의해 직접 측정될 수 있다. 저항과 온도 사이의 관계를 획득하기 위해, 온도를 독립 변수로 하고 프레팅 접촉 저항을 종속 변수로 하는 곡선이 그려질 수 있다(즉, 저항 증가율 곡선). 브러시의 온도 증가(또는 브러시의 온도 상승)에 따른 저항 증가율이 이 곡선으로부터 보여질 수 있고, 곡선의 변곡점이 발견될 수 있으며, 변곡점보다 작을 때(즉, 즉, 이 온도 변곡점보다 낮음), 저항이 천천히 증가하고, 반면 변곡점보다 클 때(즉, 이 온도 변곡점보다 높음), 저항은 급속하게 증가한다. 이 온도 변곡점은 브러시(421)의 임계 급속 산화 온도라고 지칭되는 데, 이는 일단 온도가 이 임계 급속 산화 온도보다 높으면, 마모 파편이 급속히 산화물 필름으로 산화되어, 따라서 프레팅 접촉 저항의 급속 증가를 야기하는 것을 의미한다. 따라서, 브러시의 온도는 프레팅 접촉 저항의 급속한 증가를 회피하기 위해 이 임계 급속 산화 온도보다 낮도록 제어되어야 한다.
이에 따라, 전도성 링(411)과 브러시(421)의 실제 동작시에, 전도성 링(411) 및 브러시(421)의 온도가 온도 센서(44)에 의해 실시간으로 측정되고, 브러시(421)는 피드 포워드 방식으로 제어 유닛(45)에 의해 제어되는데, 즉, 브러시의 온도가 임계 온도(브러시의 임계 급속 산화 온도보다 낮음)보다 높을 때, 방열 디바이스(43)는 브러시(421)에 대해 열을 방산하도록 제어 유닛(45)에 의해 활성화되고, 브러시의 온도가 임계 온도보다 낮을 때, 방열 디바이스(43)는 브러시(421)의 온도를 브러시(421)의 임계 급속 산화 온도 미만으로 유지하기 위해, 브러시에 대해 열을 방산하도록 비활성화되고 정지될 수도 있다. 예를 들어, 전술된 방열 조치를 통해, 브러시의 온도 상승은 20K 이하로 제어될 수 있고, 브러시의 온도는 장시간 동안 85℃ 이하가 되도록 보장될 수 있으며, 여기서 K는 켈빈 온도를 나타낸다. 브러시 온도 상승 및 브러시 온도의 특정 값은 단지 예시일 뿐이고, 이에 한정되는 것은 아니고, 사용된 브러시(421) 및 전도성 링(411)의 임계 급속 산화 온도에 기초한다. 마모 파편으로부터 산화물의 급속 발생을 감속시키기 위해 낮은 온도를 사용함으로써, 마모 파편은 산화물이 발생되기 전에 배출될 수 있고, 접촉 쌍 사이의 마모 파편의 존재가 감소될 수 있고, 동시에, 산화율이 감소될 수 있어, 산화물 필름이 연화될 수 있다. 개방 공간에서 마모 파편 입자의 느린 산화는 불가피하지만, 상기 조치는 그 산화가 더 느려지고, 산화물 필름이 더 얇아지도록 제어할 수 있는데, 이는 그 제어 가능한 전기 접촉 성능을 유지할 수 있다.
본 출원에 따른 슬립 링 디바이스(40)는 또한 최적의 흐름 값 범위 내에서 전류를 제어함으로써 프레팅 접촉 저항의 증가의 억제를 달성할 수 있다. 형성된 산화물 필름의 경우, 작은 전류는 그를 파괴할 수 없고, 반면 큰 전류는 얇은 산화물 필름을 연화시킬 수 있지만, 과도한 전류는 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 접촉 표면이 용융되게 할 것이다. 프레팅 접촉 저항이 증가할 때, 큰 전류의 중첩 하의 접촉 전압이 더 높아지게 되어, 얇은 산화물 필름이 큰 전류에 의해 연화될 수 있게 되고, 전술된 배출은 다층 산화물 필름의 형성을 방지하는데, 이는 마지막으로 프레팅 접촉 저항을 낮은 평형 상태에서 안정되게 한다.
브러시(421)의 마모는 명백하고, 형성된 파편 재료의 대부분은 브러시 재료이기 때문에, 브러시(421)가 이하에 예로서 설명된다. 구체적으로, 브러시 재료에 의해 형성되는 산화물 필름의 경우, 전류는 산화물 필름을 연화시키는 것이 가능하도록 제어되어야 하지만, 동시에 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 접촉 표면이 용융되게 하지 않아야 하는데, 즉, 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이에 흐르는 전류(I)는 이하의 조건: Ua/Rs<I<Ub/Rs를 충족하고, 여기서 Ua는 브러시 재료의 연화 전압이고 Ub는 브러시 재료의 용융 전압이다. Rs는 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 정적 접촉 저항이고, 이는 비작동 상태(즉, 정적 상태)에서 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 저항이다. 특정 브러시 재료에 대해, Ua 및 Ub는 참조 서적을 통해 획득될 수 있고, Rs는 실험 측정을 통해 획득될 수 있다. 예를 들어, 전압이 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이에 인가되어 측정되고, 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이에 흐르는 전류가 동시에 측정되고, 평균 값이 다수의 측정치로부터 계산되어 마지막으로 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 정적 접촉 저항(Rs)을 획득한다.
실제 엔지니어링 작업에서, 브러시(421)의 수와 측정된 정적 접촉 저항(Rs)에 기초하여, 각각의 브러시(421)를 통해 흐르는 전류(I)가 조건: Ua/Rs<I<Ub/Rs를 충족하도록 브러시(421) 사이에 인가된 전압이 제어된다. 예를 들어, 브러시 재료가 구리이고, 구리의 연화 전압이 0.12 V이고, 용융 전압이 0.43 V일 때, 브러시(421)를 통과하는 전류는 브러시(421)의 2개의 단부에 인가되는 접촉 전압이 구리의 연화 전압보다 약간 더 높고 구리의 용융 전압보다 훨씬 더 낮아지게 해야 한다.
상기 설명으로부터, 본 출원에 따른 슬립 링 디바이스는 관련 구성요소의 재료를 선택함으로써 슬립 링 디바이스의 전도성 링과 브러시 사이의 프레팅 접촉 저항의 증가의 억제를 효과적으로 달성할 수 있어, 표면 처리 기술 및 구조를 개선하고, 작동 온도 및 전류를 제어 및 최적화하여, 마모 파편의 형성이 감소될 수 있게 되고, 마모 파편이 적시에 배출될 수 있게 되어, 이에 의해 마모 파편에 의해 형성된 산화물 필름을 감소시키고 산화물 필름을 연화시키는 것이 명백하다.
타워(10)와 나셀(20)의 설치 위치의 중간에서 요 플랫폼(30) 상에 배열되는 전술된 바와 같은 슬립 링 디바이스(40); 및 슬립 링 디바이스(40)의 고정부(42) 상에 배열되고 온도 센서(44)에 의해 측정된 온도 신호에 기초하여 방열 디바이스(43)의 활성화 및 비활성화를 제어하기 위해 사용되는 제어 유닛(45)을 포함하는 요 시스템이 또한 본 출원에 따라 제공된다.
전술된 바와 같은 요 시스템을 포함하는 풍력 터빈이 또한 본 출원에 따라 제공된다.
상기 실시예의 해결책은 또한 서로 조합되거나 대체될 수 있고, 해결책은 본 출원의 개념 및 범주에 대한 한정이라기보다는, 단지 본 출원의 바람직한 실시예에 대해 설명된 것이다. 본 출원의 사상으로부터 벗어나지 않고 통상의 기술자에 의해 이루어진 수정 및 개선은 본 출원의 범주 내에 있다.
Claims (13)
- 회전부(41) 및 고정부(42)를 포함하는 슬립 링 디바이스(40)이며, 회전부(41)는 고정부(42)에 대해 회전하도록 구성되고, 전도성 링(411)이 회전부(41) 상에 배열되고, 브러시(421)가 고정부(42) 상에 배열되고, 경사 슬롯이 전도성 링(411)과 브러시(421) 중 적어도 하나 상에 제공되고, 전도성 링(411)과 브러시(421)가 접촉할 때, 경사진 슬롯은 전도성 링(411)과 브러시(421)가 접촉함에 따라 발생되는 마모 파편을 배출하도록 허용되는, 슬립 링 디바이스.
- 제1항에 있어서, 경사 슬롯(412)이 전도성 링(411) 상에 제공되고 경사 슬롯(422)이 브러시(421) 상에 제공되며, 전도성 링(411) 및 브러시(421)가 서로 접촉할 때, 전도성 링(411) 상의 경사 슬롯(412)과 브러시(421) 상의 경사 슬롯(422)이 서로 교차하는, 슬립 링 디바이스.
- 제1항에 있어서, 경사 슬롯의 경사각은 45도 내지 90도 범위인, 슬립 링 디바이스.
- 제1항에 있어서, 경사 슬롯의 깊이는 1 mm 내지 4 mm 범위이고, 전도성 링(411) 및 브러시(421) 상에 형성된 모든 경사 슬롯에 의해 점유된 면적은 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 접촉 표면 면적의 1/6 내지 1/5인, 슬립 링 디바이스.
- 제1항에 있어서, 고정부(42) 상에 배열된 방열 디바이스(43)를 더 포함하고, 작동 상태에서, 방열 디바이스(43)는 브러시(421)의 열을 방산하고, 브러시(421)의 온도는 브러시(421)의 임계 급속 산화 온도보다 낮도록 제어되는, 슬립 링 디바이스.
- 제5항에 있어서, 브러시(421)의 임계 급속 산화 온도는 브러시의 온도 상승 및 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 프레팅 접촉 저항의 증가율에 기초하여 계산되는, 슬립 링 디바이스.
- 제6항에 있어서, 브러시(421)의 온도를 검출하기 위해 브러시(421) 상에 배열된 온도 센서(44)를 더 포함하고, 방열 디바이스(43)는 브러시(421)의 온도가 임계 온도보다 높을 때 활성화되고, 브러시(421)의 온도가 임계 온도보다 낮을 때, 방열 디바이스(43)가 비활성화되어 브러시(421)의 임계 급속 산화 온도보다 더 낮도록 브러시(421)의 온도를 제어하는, 슬립 링 디바이스.
- 제1항에 있어서, 방열 디바이스(43)에 의해 브러시(421)의 온도 상승이 20 K 이하가 되도록 제어되고 브러시(421)의 온도가 85℃ 이하로 제어되는, 슬립 링 디바이스.
- 제1항에 있어서, 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이에 흐르는 전류는 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 정적 접촉 저항에 대한 브러시 재료의 연화 전압의 비보다 크고, 전도성 링(411)과 브러시(421) 사이의 정적 접촉 저항에 대한 브러시 재료의 용융 전압의 비보다 작은, 슬립 링 디바이스.
- 제1항에 있어서, 전도성 링(411)은 구리 도금 은 안티몬 합금으로 제조되고, 브러시(421)는 구리 탄소 복합 재료로 제조되는, 슬립 링 디바이스.
- 제10항에 있어서, 서로 접촉하는 전도성 링(411) 및 브러시(421)의 표면의 거칠기는 0.1 ㎛ 이하인, 슬립 링 디바이스.
- 요 시스템이며,
타워(10)와 나셀(20)의 설치 위치의 중간에서 요 플랫폼(30) 상에 배열된 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 슬립 링 디바이스(40); 및
슬립 링 디바이스(40)의 고정부(42) 상에 배열되어 온도 센서(44)에 의해 측정된 온도 신호에 기초하여 방열 디바이스(43)의 활성화 및 비활성화를 제어하기 위해 사용되는 제어 유닛(45)을 포함하는, 요 시스템. - 제12항에 따른 요 시스템을 포함하는, 풍력 터빈.
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