KR101187254B1 - 비접촉식 축동력 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비접촉방식의 동력측정기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 동력을 전달하는 회전축의 축동력을 비접촉방식으로 측정하는 기술에 관한 것이다.
본 발명의 비접촉식 축동력 측정장치는 회전축의 표면에 스트레인게이지를 부착하여 회전축의 비틀림 변형을 측정하고, 스트레인게이지의 측정값을 무선통신 방법으로 회전축의 외부 송출하고, 그리고 스트레인게이지의 작동에 필요한 전기는 무선전력공급 방법으로 외부에서 공급받는다.
본 발명의 축동력 측정장치는 비접촉 측정장치이므로, 회전축의 회전운동을 방해하지 않고 시간에 따라 계속 변하는 회전축의 축동력을 실시간으로 측정할 수 있고, 디지털 무선통신방식을 적용함으로써 데이터통신의 고속화와 신뢰성을 보장할 수 있다. 또한 비접촉 유도기전력을 통한 무선전력공급 방식을 적용함으로써, 회전축의 모든 회전속도(정지 포함)에서도 안정적으로 스트레인게이지에 전기를 공급할 수 있다. 또한 본 발명의 축동력 측정장치는 와전류센서를 이용함으로써, 간단하고 정밀하게 로터축의 회전속도를 측정할 수 있다.

Description

비접촉식 축동력 측정장치{Contactless Power Measurement Device of Shaft}

본 발명은 비접촉방식의 회전축 동력측정기술에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 스트레인 게이지를 동력을 전달하는 축에 부착하여 축동력을 측정하고, 비접촉 방식으로 스트레인 게이지에 전기를 공급하고, 무선통신으로 측정값을 전송받는 축동력 측정기술에 관한 것이다.

각종 엔진의 축 또는 발전기의 축과 같은 동력축은 회전동력을 전달하는 축(Shaft)인데, 동력발생장치에서 발생한 동력을 필요로 하는 부위에 적절히 공급하도록 하기 위해서는 축을 통하여 전달되는 동력(이하 이를 "축동력"이라 칭함.)을 실시간으로 파악할 필요가 있다.

통상적으로 엔진 축의 축동력을 측정하는 방법으로는 엔진을 다이나모미터에 연결하여 접촉식으로 축동력을 측정하는 방법이 널리 알려져 있다. 다이나모미터는 고가의 대형 설비로서, 엔진의 축동력을 측정하기 위해서는 별도로 마련된 테스트베드에 시험하고자 하는 엔진을 장착하여야 하는데, 이와 같은 축동력의 측정은 엔진의 개발 또는 분해정비(Overhaul) 단계에서나 할 수 있는 측정이다.

그외 정상적으로 작동중인 회전축의 축동력을 직접 측정하는 방법은 알려진 바가 없다.

일반적으로 회전축이 전달하는 축동력은 회전축에 작용하는 토크(Torque)에 회전속도를 곱한 값으로서, 회전하고 있는 축의 동력을 측정하려면 회전축에 작용하고 있는 토크와 회전속도를 동시에 측정하여야 하나, 회전축의 회전운동을 방해하지 않고 토크를 측정하는 것은 용이하지 않다.

상기한 바와 같이 정상적으로 작동하고 있는 동력축의 축동력을 실시간으로 측정할 필요가 있다. 이와 같은 축동력 측정장치는 회전하고 있는 의 회전운동을 방해하지 않으면서, 회전축에 작용하는 토크와 회전속도를 실시간으로 측정할 수 있어야 한다.

본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결한 것으로서, 회전축의 표면에 스트레인게이지를 부착하여 회전축의 비틀림 변형을 측정하고, 스트레인게이지의 측정값을 무선통신 방법으로 회전축의 외부 송출한다. 그리고 스트레인게이지의 작동에 필요한 전기는 무선전력공급 방법으로 외부에서 공급한다.

본 발명의 측동력 측정장치는 회전축의 표면에 부착되는 스트레인게이지, 회전축에 결합되어 회전축과 함께 회전하는 샤프트링, 그리고 회전하는 회전축과 일정 간격으로 이격되어 고정되는 고정모듈로 구성된다.

샤프트링은 링 형상의 구조체인 하우징에 신호변환모듈, 전력수신모듈, 전력변환모듈, 무선송신모듈, 그리고 RPM감지부가 구비되어 있는데, 스트레인게이지가 측정한 회전축의 비틀림 변형 데이터를 무선통신 방법으로 회전축과 근접한 곳에 설치되어 있는 고정모듈로 송출한다.

고정모듈은 전력변환모듈, 전력전송모듈, 무선수신모듈, 동력연산모듈, 메모리모듈, 통신모듈, 회전속도측정모듈, 그리고 상기 구성품들을 고정하고 있는 케이스로 구성되어, 회전축의 회전속도를 측정하여 상기 샤프트링(2)으로부터 받은 회전축의 비틀림 변형 측정데이터와 함께 축동력을 계산하고, 샤프트링에 소요되는 전기를 무선전력송신 방식으로 공급한다.

본 발명의 축동력 측정장치는 비접촉 방식으로 측동력을 측정하므로, 정상적으로 작동하고 있는 기계의 운동을 방해하지 않고 시간에 따라 계속적으로 변하는 축동력을 실시간으로 측정할 수 있다.

본 발명의 축동력 측정장치는 디지털 무선 통신방식을 적용함으로써, 데이터통신의 고속화와 신뢰성을 보장할 수 있다. 또한 비접촉 유도기전력을 통한 무선전력공급 방식을 적용함으로써, 임의의 회전속도(정지 포함)로 회전하는 축에 결합된 샤트트링에 전기를 전송할 수 있다.

또한 본 발명의 축동력 측정장치는 와전류센서를 이용함으로써, 간단하고 정밀하게 로터축의 회전속도를 측정할 수 있다.

도 1은 엔진에 구비된 본 발명의 각 구성품이다.
도 2는 축동력 측정장치의 기능모듈의 구성도이다.
도 3은 회전부의 외형 사시도이다.

본 발명의 축동력 측정장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 엔진 발전기 등의 회전축에 부착되는 스트레인게이지(1), 링 형상으로서 회전축에 결합되어 회전축과 함께 회전하는 회전부(2), 그리고 회전축과 인접한 곳에 고정되는 고정부(3)로 구성된다. 스트레인게이지(1), 회전부(2), 그리고 고정부(3)의 각 구성요소들과 이들의 연결관계는 도 2에 도시한 바와 같다.

스트레인게이지(1)는 회전축의 표면에 접착제로 단단히 부착되어 회전축과 같이 변형함으로써, 회전축에 걸리는 토크(Torque)에 의한 비틀림 변형(이하 이를 "변형"이라 칭함.)을 측정한다. 스트레인게이지(1)는 회전축의 변형을 가장 잘 감지할 수 있는 곳에 부착하는데, 회전축에서 단이 진 부분, 부착물이 부착된 부분 등을 피하여 부착한다.

스트레인게이지(1)는 다양한 종류의 것이 시판되고 있는데, 본 발명의 목적에 가장 잘 부합하는 것이 휘스톤브릿지 타입의 스트레인게이지이다. 스트레인게이지는 저항값의 변화를 감지하여 회전축의 변형을 감지한다.

회전부(2)는 회전축에 결합되어 축과 함께 회전하는데, 도 3에 도시한 바와 같이, 링 형상의 구조체인 하우징(21)에 2 이상 다수 개의 전자모듈(22)이 결합되어 있는 형태이다.

회전부(2)의 하우징(21)은 회전축에 결합할 수 있는 구조이면 어떤 구조라도 가능하나, 회전부(2) 전체가 어느 한쪽으로 무게의 편심이 생기지 않도록 하는 구조로 하는 것이 좋다. 특히 고속회전하는 회전축의 경우, 회전부(2)에 질량 편심이 있을 경우 큰 진동을 유발하므로, 어느 범위에서 벨런싱이 이루어져야 한다.

상기 하우징(21)은 다양한 형태로 제작할 수 있으나, 도 3에 도시한 바와 같이, 전후에 플랜지(211)를 구비하고, 이 두 플랜지(211)를 몇 개의 연결봉(212)으로 연결하여 구성하면 하우징을 경량화할 수 있다. 또한 각각의 플랜지(211)는 반원형의 두 부분으로 나누어 제작하고 열결장치(213)를 이용하여 나누어진 두 부분을 결합할 수 있는 구조로 하면, 하우징(21)을 회전축에 결합하는 것이 용이하다.

전자모듈(22)은 하우징(21)에 일정한 간격으로 다수 개가 구비되는데, 그중 어느 하나에는 외통(221)의 내부에 신호변환모듈(222), 전력수신모듈(223), 전력변환모듈(224), 그리고 무선송신모듈(225) 등의 기능모듈이 내장되어 구성된다. 이들 기능모듈들은 하나의 인쇄회로기판에 구비될 수도 있고, 각각의 기능모듈들이 개별 인쇄회로기판에 구비될 수도 있고, 2개 이상 다수 개의 기능모듈들이 하나의 인쇄회로기판에 구비될 수도 있다.

상기와 같이 모든 기능모듈을 구비한 전자모듈(22) 이외의 전자모듈(22-1)은 전력수신모듈(223)만 구비하고 있다. 이와 같이 전력수신모듈(223)만 구비한 전자모듈(22-1)은 모두 전력변환모듈(224)을 구비한 전자모듈(22)과 전선으로 연결되어 수신한 전력을 전력변환모듈(224)에 공급한다.

신호변환모듈(222)은 상기 스트레인게이지(1)의 리드선이 연결되어, 스트레인게이지(1)에서 감지한 아날로그 측정신호를 디지털 측정신호로 변환한다.

전력수신모듈(223)은 고정부(3)에서 비접촉 방식으로 전력을 수신한다. 이 전력수신모듈(223)은 모든 전자모듈(22)에 구비되어 회전부(2)의 원주를 따라 다수 개가 병렬로 구비되는데, 회전부(2)가 회전하면서 전자모듈(22)이 고정부(3)의 전력전송부를 지날 때마다 전력수신모듈(223)이 전력을 공급받게 된다. 회전부(2)는 회전축이 정지하고 잇는 동안에도 계속 전력을 수신하여야 하는데, 전력수신모듈(223)을 구비한 전자모듈(22)이 3개 이상이면 그중 어느 하나가 항상 고정부(3)의 전력전송부로 향하게 되어 계속 전력을 공급받을 수 있게 된다.

최근 다양한 무선전력전송 방법과 장치가 개발되어 실용화되고 있는데, 자계커플링 방식과 방사방식이 대표적이다. 자계커플링(inductive coupling) 방식은 코일을 여러 번 감아서 한 방향으로 강하게 자계를 유기시켜 에너지를 전송하는 방식으로서, 공진주파수의 코일이 아주 근접하게 되면 커플링이 일어나서 전력이 전송된다. 자계커플링 방식은 아주 근접한 거리에서만 전력 전송이 가능하고 각도가 조금만 틀어져도 전송이 어렵다는 단점이 있다.

방사(radiation)방식은 모노폴(monopole)이나 PIFA(Planar Inverted-F Antenna) 등의 안테나를 이용하여 시간에 따라 변화하는 전계나 자계가 서로 영향을 주면서 방사가 일어나는 방식으로서, 같은 주파수의 안테나가 있을 경우 입사파의 극(polarization) 특성에 맞게 전력을 수신할 수 있다. 그러나, 방사방식은 모든 방향으로 전력을 전송하여 주변으로 방사되는 전력이 많으므로 효율적인 전력 전송이 어렵다는 단점이 있다.

본 발명의 축동력 측정장치는 회전축이 회전하면 그에 결합된 회전부(2)가 회전하고, 회전부(2)에 구비된 다수개의 전자모듈(22)에 내장된 전력수신모듈(223)들이 고정부(3)의 전력전송모듈을 순차적으로 아주 근접하여 지나가면서 전력을 공급받는다. 본 발명의 축동력 측정장치는 회전부(2)에서 소비되는 전기가 그다지 크지 않고 또한 전력수신모듈(223)이 전력전송모듈과 아주 근접하여 통과하므로, 상기 무선전력전송방법 중 자계커플링 방식이나 방시방식이 모두 사용될 수 있다. 전력의 송수신은 고주파(67kHz 등) 펄스로 전송하는 것이 좋다.

전력변환모듈(224)은 상기 전력수신모듈(223)로 수신한 전기를 상기 스트레인게이지(1), 신호변환모듈(222), 그리고 무선송신모듈(225)에 각각 요구되는 전압으로 변환하여 공급한다.

무선송신모듈(225)은 상기 스트레인게이지(1)에서 측정되어 신호변환모듈(222)에서 디지털로 변환된 측정신호를 고정부(3)의 무선수신모듈로 송신한다.

최근 다양한 근거리 무선데이터통신 방법이 개발되어 사용되고 있는데, IRDA (Infrared Data Association), RF(Radio Frequency), 블루투스(Bluetooth), 지그비(Zigbee) 등의 무선통신 방법이 대표적이다. 본 발명의 경우 상기한 근거리 무선데이터통신 방법을 포함한 모든 무선데이터통신 방법이 사용될 수 있고, 상기 무선송신모듈(25)은 위와 같은 근거리 무선데이터통신 방법의 송신장치에 해당한다.

상기 여러 가지 근거리 무선데이터통신 방법 중에서, 지그비 무선통신 방법은 전송 고유번호(ID)를 가지며 국제 통신 규격인 IEEE.802.15.4의 규정에 따라 2.4GHz 주파수 대역에서 신호전송을 위한 명령코드와 데이터프레임 그리고 체크섬(CHECKSUM) 등으로 구성된 디지털 데이터 패킷을 구성하고 있으므로, 본 발명의 동력측정장치에 사용하기에 적당하다.

고정부(3)는 도 2에 도시한 바와 같이, 다출력전력변환모듈(31), 전력전송모듈(32), 무선수신모듈(33), 동력연산모듈(34), 메모리모듈(35), 통신모듈(36), 회전속도측정모듈(37), 그리고 상기 구성품들을 고정하고 있는 케이스(38)로 구성된다.

다출력전력변환모듈(31)은 외부의 베터리 또는 발전기로부터 전기를 공급받아 이를 고정부(3)의 각 모듈에 필요한 전기를 공급하는데, 다출력 SMPS(Switching Mode Power Supply) 회로를 이용하여 +5 Volt, +24 Volt, +/-15 Volt 등 다양한 정전압의 전기를 Photo Coupler를 이용한 폐루프 제어(Closed Loop Control) 방식으로 공급한다.

전력전송모듈(32)은 상기 회전부(2)의 전자모듈(22)에 구비된 전력수신모듈(223)에 고주파 펄스 전압을 유기키는 방식으로 전력을 공급하는 것으로서, 통상의 무선전력전송장치의 전력전송부와 동일하다.

무선수신모듈(33)은 상기 회전부(2)의 전자모듈(22)에 구비된 무선송신모듈(225)에서 송신된 측정신호를 수신하여 동력연산모듈(34)로 전송한다.

동력연산모듈(34)은 상기 무선수신모듈(33)로부터 수신한 측정신호를 이용하여 회전축에 작용하는 토크를 계산하고, 회전속도측정모듈(37)로부터 수신한 회전속도 값을 이용하여 회전축의 축동력을 계산한다.

메모리모듈(35)은 동력의 연산에 필요한 자료와 절차 등을 저장하여 동력연산모듈(34)에 제공하고, 동력연산모듈(34)에서 계산한 회전축의 토크와 회전속도(통상 분당 회전수(RPM)로 나타낸다.) 그리고 기타 자료를 일시적 또는 영구적으로 저장한다.

통신모듈(36)은 상기 동력연산모듈(34)에서 계산한 회전축의 토크, 회전속도, 축동력, 그리고 기타 자료를 유선 또는 무선통신 방법으로 송출하여 운용자에게 제공한다.

회전속도측정모듈(37)은 축의 회전속도를 측정하여 상기 동력연산모듈(34)로 송출한다. 회전하는 축의 회전속도를 측정하는 방법은 많이 개발되어 있는데, 회전축의 일부에 리플렉터(Reflector, 반사체)를 부착하거나 자석(Magnet)을 설치하고, 회전축의 외곽에 적외선 센서 또는 픽업(pick-up) 등의 근접센서를 이용하여 회전 속도를 측정하고 있다. 또 다른 회전축의 회전속도 측정방법으로는 회전축의 일부에 일정한 각도마다 RPM홈(RPM hole)을 만들어 엘이디(LED)와 포토다이오드 사이를 지나가도록 하여 회전방향과 속도를 측정하기도 한다.

상기 여러 가지 방법의 회전속도 측정방법은 측정신뢰성과 정밀도는 거의 대등하나, 장시간 사용하여 회전축에 설치된 리플렉터 등에 이물질이 쌓일 경우 적외선 센서의 측정 감도가 떨어질 수 있고, 리플렉터가 파손되는 등의 문제가 있다.

축의 회전속도는 와전류센서를 이용하여 측정할 수 있는데, 이 와전류센서를 회전속도측정모듈(37)의 센서로 사용할 수 있다. 이와 같이 와전류센서를 사용할 경우, 회전축 또는 회전부(2)의 표면 일부에 홈을 형성하거나, 회전부(2)의 하우징(21) 일부에 하우징(21) 재질과 다른 재료를 삽입하여 회전축의 회전속도를 측정할 수 있다.

회전축과 함께 회전부(2)가 회전하면, 회전축 또는 회전부(2)의 특이부분이 와전류센서 부위를 통과하게 되는데, 이때 와전류센서에 임피던스변화에 따른 전압변화가 나타난다. 회전속도측정모듈(37)은 와전류센서의 전압변화가 일어나는 주기를 감지하여 회전축의 회전속도를 계산한다. 이와 같이 와전류센서를 이용할 경우, 회전축의 표면이 오염되더라도 와전류센서에 유기되는 전압변화가 큰 영향을 받지 않으므로 회전축의 회전속도를 정확히 측정할 수 있다.

축의 표면에 부착한 스트레인게이지의 측정값을 이용하여 회전축에 작용하는 토크를 계산하는 식은 다음 수식과 같다.

여기서, T : 토크(kNm)

D : 회전축의 직경(m)

G : 회전축 재료의 횡탄성계수(shear modulus)

(강의 경우 8.18×10⁷kN/㎡)

Rs : 회전축의 변형에 의한 스트레인게이지의 저항변화값

Rc : 스트레인게이지의 저항값(350Ω 등)

k : 스트레인게이지 팩터(strain gauge factor, 2.00~2.10)

그리고 축의 동력은 다음 수학식 2로 계산된다.

P : 축동력(kW)

T : 토크(kNm)

N : 회전축의 분당회전수(RPM)

고정모듈(3)의 동력연산모듈(34)은 상기 수식을 이용하여 회전축의 토크와 축동력을 실시간으로 계산한다. 그리고 이와 같이 계산한 축동력 데이터를 유선 또는 무선으로 제어장치 또는 사용자의 컴퓨터 등으로 전송하여 이용할 수 있게 한다.

본 발명의 축동력 측정장치는 선박엔진의 축, 풍력발전기의 축 등을 포함하여 회전하면서 동력을 전달하는 모든 회전축의 동력을 측정하는데 사용할 수 있다.

1 : 스트레인게이지, 2 : 회전부, 3 : 고정부
21 : 하우징, 211 : 플랜지, 212 : 연결봉, 213 : 연결장치,
22 : 전자모듈, 221 : 외통, 222 : 신호변환모듈, 223 : 전력수신모듈,
224 : 전력변환모듈, 225 : 무선송신모듈,
31 : 다출력전력변환모듈, 32 : 전력전송모듈, 33 : 무선수신모듈,
34 : 동력연산모듈, 35 : 메모리모듈, 36 : 통신모듈.

Claims (4)

1. 회전축에 부착되어, 회전축의 비틀림 변형을 측정하는 스트레인게이지(1);
   회전축에 결합되어 회전축과 함께 회전하는 것으로서, 링 형상의 구조체인 하우징(21), 그리고 상기 하우징(21)의 외주 면에 결합되는 것으로서 외통(221)과 상기 외통의 내부에 구비되는 것으로서 상기 스트레인게이지(1)와 연결되어 스트레인게이지(1)의 측정신호를 디지털 데이터로 변환하는 신호변환모듈(222)과 하기 고정부(3)로부터 무선으로 전력을 공급받는 전력수신모듈(223)과 상기 전력수신모듈(223)이 수신한 전기를 각 구성품에 배분하는 전력변환모듈(224)과 그리고 상기 신호변환모듈(222)로부터 받은 디지털 측정신호를 근거리통신방법으로 하기 고정부(3)로 발신하는 무선송신모듈(225)로 구성되는 하나의 전자모듈(22), 그리고 상기 하우징(21)의 외주 면에 결합되는 것으로서 외통(221)의 내부에 하기 고정부(3)로부터 무선으로 전력을 공급받는 전력수신모듈(223)을 구비한 하나 또는 둘 이상의 전자모듈(22-1)로 구성되는 회전부(2);
   그리고 상기 회전부(2)와 일정한 간격을 유지하도록 외부 구조물에 고정되어 상기 회전부(2)로부터 상기 스트레인게이지(1)의 측정데이터를 수신하여 축동력을 계산하고 상기 회전부(2)에 무선으로 전력을 공급하는 기능을 하는 것으로서, 외부에서 공급받은 전기를 각 구성품에 분배하는 다출력전력변환모듈(31), 상기 다출력전력변환모듈(31)로부터 전기를 공급받아 상기 회전부(2)의 전자모듈(22)의 전력수신모듈(223)에 무선으로 전기를 공급하는 전력전송모듈(32), 상기 회전부(2)의 전자모듈(22)의 무선송신모듈(225)에서 송출한 스트레인게이지(1) 측정신호를 수신하는 무선수신모듈(33), 상기 무선수신모듈(33)로부터 수신한 측정신호를 이용하여 회전축에 작용하는 토크를 계산하고 이를 하기 회전속도측정모듈(37)로부터 수신한 회전축의 회전속도 값을 이용하여 축동력을 계산하는 동력연산모듈(34), 상기 동력연산모듈(34)의 축동력 계산에 필요한 자료와 계산된 축동력 자료를 저장하는 메모리모듈(35), 그리고 상기 동력연산모듈(34)에서 계산한 축동력 데이터를 유선 또는 무선통신 방법으로 외부로 송출하는 통신모듈(36), 회전축의 회전상태를 감지하는 센서를 구비하여 회전속도를 측정하는 회전속도측정모듈(37), 그리고 구성품들을 내장하여 고정하는 케이스(38)를 포함하여 구성되는, 고정부(3);
   를 포함하여 구성되는, 축동력 측정장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 고정부(3)의 회전속도측정모듈(37)은 회전축의 회전상태를 감지하는 센서로 와전류센서를 사용하는 것을 특징으로 하는, 축동력 측정장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 회전부(2)의 전자모듈(22)의 무선송신모듈(225)과 상기 고정부(3)의 무선수신모듈(33) 간에 이루어지는 근거리통신방법은 지그비 무선통신방법인 것을 특징으로 하는, 축동력 측정장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 다출력전력변환모듈(31)은 다출력 SMPS 회로를 이용하여 2이상 다수 전압의 전기를 생성하고, 이를 Photo Coupler를 이용한 폐루프 제어방식으로 전기를 필요로 하는 각 구성품들에 분배하는 전력변환모듈인 것을 특징으로 하는, 축동력 측정장치.

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