KR101726890B1 - 서스펜션 구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 지지 구조체는, 회전 전기 기계(예를 들면, 모터 또는 발전기)의 스테이터를 장착하는데 사용된다. 상기 지지 구조체는 강성 외부 지지 프레임(6)을 포함한다. 스테이터 전자기력에 의해 야기되는 진동이 외부 지지 프레임(6)으로 전달되는 것을 최소화하기 위하여, 적어도 하나의 샌드위치 방진 마운트(14a)가 외부 지지 프레임(6)과 스테이터(28)의 일부분 사이에 고정된다. 마운트(14a)는, 회전 전기 기계의 작동 중에 스테이터의 실질적인 접선방향으로의 압축 하중, 및 스테이터의 실질적인 반경방향으로의 반경방향 전단 하중을 받도록 스테이터에 대해 배향된다. 샌드위치 방진 마운트(14a, 14b)는 실질적으로 그 압축축(Ac)을 따라 사전결정된 압축 하중으로 예압된다. 마운트(14a)는 압축 하중에 대한 높은 강성 특성 Kc를 가지며, 실질적으로 0, 또는 심지어 마이너스인, 반경방향 전단 하중에 대한 강성 특성 Krs을 갖는다. 따라서, 마운트(14a)는 스테이터의 접선방향 편향을 억제하면서, 여전히 반경방향으로의 낮은 강성 서스펜션을 달성한다.

Description

서스펜션 구조체{suspension structures}

본 발명은 서스펜션 구조체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모터나 발전기와 같은 회전 전기 기계의 스테이터를 지지하기 위한 구조체에 관한 것이다.

본 발명의 회전 전기 기계를 위한 스테이터 조립체는 일반적으로 외부 지지 프레임 상에 장착된다. 스테이터 조립체에 작용하는 자기변형력은 반경방향으로 진동 모드(때로는 "스테이터 전자기력"이라 함)를 야기하고, 그 결과 큰 힘이 지지 프레임으로 전달될 수 있다. 이어서 이러한 진동은 지지 프레임이 소음을 발산하게 한다. 많은 상황에 있어서, 스테이터 조립체에 의해 발산되는 소음 수준을 최소화하는 것이 요망되고 있다. 예를 들면, 유람선은 환경적으로 민감한 지역으로 여행하기를 원할 수 있고, 환경 조사선, 어업조사선 또는 해군 군함 등은 항상 소음을 최소화하기를 원할 수 있다.

지지 구조체로 전달된 진동의 양은 스프링을 사용하여 스테이터 조립체를 지지 구조체와 분리함으로써 최소화될 수 있다. 그러나, 스프링을 사용하는 지지 구조체의 기존 디자인은 종종 비효율적이고, 복잡하며, 제조하는데 비용이 많이 들고, 설치하기 어렵다.

따라서 개선된 지지 구조체에 대한 요구가 있다.

샌드위치 방진 마운트(sandwich anti-vibration mount)는 산업적 응용에 잘 알려져 있다. 예를 들면, 그들은 디젤 엔진이나 발전기 세트 하부에 위치하여 탄성 서스펜션을 제공할 수 있다. 전형적인 샌드위치 마운트는 두 개의 강성 단부 플레이트들 사이에 위치한 고무 또는 중합체로 형성된 하나 이상의 탄성중합체 층으로 이루어진다. 몇몇 경우에, 강성 플레이트가 하중 능력을 증대시키기 위해 인접한 탄성중합체 층 사이에 개재된다. 샌드위치 마운트는 압축, 전단, 또는 이들의 조합에 사용될 수 있다. US 6107705는 외부 지지 프레임과 스테이터의 부착 지점들 사이에 장착된 부착 요소가 샌드위치 마운트인 회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체를 개시하고 있다.

본 발명은 모터나 발전기와 같은 회전 전기 기계의 스테이터를 지지하기 위한 구조체를 개선하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 회전 전기 기계의 스테이터를 위한 개선된 지지 구조체를 제공하며, 이러한 지지 구조체는, 외부 지지 프레임, 및 상기 외부 지지 프레임과 스테이터의 일부분 사이에 위치하여, 회전 전기 기계 작동 중에, 스테이터의 실질적인 접선방향으로 압축 하중을, 스테이터의 실질적인 반경방향으로 반경방향 전단 하중을 받게 되는 적어도 하나의 샌드위치 방진 마운트를 포함하며, 상기 샌드위치 방진 마운트는 압축 하중에 대한 강성 특성 Kc과 반경방향 전단 하중에 대한 강성 특성 Krs을 갖고, 상기 샌드위치 방진 마운트는 실질적으로 압축축을 따라 사전결정된 압축 하중으로 예압되어, 반경방향 전단 하중에 대한 강성 특성 Krs이 실질적으로 0 또는 마이너스가 된다.

샌드위치 방진 마운트는 압축 하중의 성분이 인가되는 압축축과, 한 쌍의 직교 전단축을 갖는다. 전단 하중의 성분은 지지 구조체의 전체적인 디자인에 따라서 전단축의 하나 또는 모두를 따라 샌드위치 방진 마운트에 인가될 수도 있다. 샌드위치 방진 마운트가 강성 플레이트가 개재된 복수의 탄성중합체 층으로 이루어지는 경우에, 압축축은 전형적으로 다양한 탄성중합체 층 및 개재된 강성 플레이트의 평면에 실질적으로 수직이고, 전단축은 전형적으로 다양한 탄성중합체 층 및 개재된 강성 플레이트에 실질적으로 평행하다.

샌드위치 방진 마운트는, 바람직하게는 그 압축축이 스테이터의 접선과 실질적으로 정렬되고, 그 전단축 중 하나가 스테이터의 반경, 선택적으로는 스테이터의 기하학적 중심과 실질적으로 정렬되도록 위치된다. 스테이터의 반경과 실질적으로 정렬된 전단축은 반경방향 전단축으로 지칭될 수도 있으며, 반경방향 전단 하중의 성분이 반경방향 전단축을 따라 샌드위치 방진 마운트에 인가된다.

지지 구조체가 2개 이상의 샌드위치 방진 마운트를 포함하는 경우에, 이들 전단축 각각은 바람직하게는 스테이터의 반경, 선택적으로는 스테이터의 기하학적 중심과 실질적으로 정렬된다. 이것은 각각의 장착 위치가 하기에 보다 상세하게 설명하는 한 쌍의 함께-위치된 샌드위치 방진 마운트를 구비하는 경우를 포함한다. 달리 말하면, 한 쌍의 함께-위치된 샌드위치 방진 마운트가 원주방향으로 이격되어 있는 경우, 각각의 반경방향 전단축은 평행하지 않고 바람직하게는 스테이터의 반경과 각각 정렬된다.

스테이터는 바람직하게는 스테이터 주변부 주위의 복수의 이격된 장착 위치에서 적어도 하나의 샌드위치 방진 마운트에 의해 외부 지지 프레임에 간접적으로 연결된다. 장착 위치는 전기 기계 및/또는 지지 구조체의 디자인에 따라서 스테이터 주변부 주위에 균일하게 또는 불균일하게 이격되어 있을 수 있다. 전형적인 지지 구조체에서, 스테이터는 2개, 3개 또는 4개의 이격된 장착 위치에서 외부 지지 구조체에 고정될 수 있고, 이들 장착 위치 각각은 적어도 하나의 샌드위치 방진 마운트를 갖는다.

샌드위치 방진 마운트는 압축 하중에 대한 강성 특성 Kc과 반경방향 전단 하중에 대한 강성 특성 Krs을 갖고, 강성비 Kc:Krs은 약 16:1 이상이다. 강성비는 Krs이 0 또는 마이너스이면 무한한 것으로 고려될 수 있다. 도 1은 샌드위치 방진 마운트의 고유 진동수 비(비틀림:반경방향)가 강성비에 따라 어떻게 달라지는지를 나타낸다. 고유 진동수 비의 하한값은 약 4이고, 이는 통상적으로 스테이터의 직경과 길이의 비율, 및 그에 따라 샌드위치 방진 마운트에 이용가능한 장착 위치에 의해 결정된다. (예를 들면, 토크를 수용하고, 실행불가능하게 큰 마운트 디자인에 의지하지 않고 안정성을 제공하기에 충분히 높은 반경방향 고유 진동수를 유지하기에 압축 강성이 너무 낮기 때문에, 매우 짧은 길이(약 300㎜) 및 큰 직경(약 1500㎜)을 갖는 스테이터용 실행가능한 서스펜션을 제공하는 것이 어렵다고 알려져 있다.) 고유 진동수 비가 약 4보다 큰 경우, 도 1로부터 강성비 Kc:Krs이 약 16:1 이상인 것을 알 수 있다. 그러므로, 이러한 특정 강성비는 대부분의 스테이터 디자인에 대해 실제 최소값을 나타낸다.

샌드위치 방진 마운트는 여전히 반경방향으로 낮은 강성 서스펜션을 달성하면서 스테이터의 접선방향 편향을 억제한다. 달리 말하면, 샌드위치 방진 마운트는 임의의 실제 범위에 대해 스테이터의 반경방향 편향을 억제하지 않으며, 이에 의해 스테이터로부터 외부 지지 프레임 내로의 힘의 전달을 최소화한다.

전기 기계의 작동 중에 샌드위치 방진 마운트에 인가된 압축 하중은 통상 실질적으로 일정한 정적 압축 하중과 가변하는 동적 압축 하중의 조합이 된다. 임의의 정적 압축 하중의 조합은 작동 수명 전체에 걸쳐서 샌드위치 방진 마운트에 인가된 정상상태 압축 하중을 효과적으로 제공한다. 그리고, 동적 압축 하중은, 하기에서 보다 상세하게 설명되는 이유 때문에, 임의의 특정 시간에 샌드위치 방진 마운트에 인가되는 총 압축 하중이 정상상태 압축 하중보다 크거나 작아지게 할 수 있다. 정상상태 압축 하중을 초과하는 인가된 압축 하중의 임의의 증가는 샌드위치 방진 마운트의 탄성중합체 층을 더 압축하여, 강성 단부 지지 부재가 서로 보다 근접하도록 이동한다. 인가된 압축 하중이 정상상태 압축 하중보다 작은 경우에는, 탄성중합체 층은 압축되지 않고, 강성 단부 지지 부재는 서로 멀어지도록 이동한다. 따라서, 전기 기계의 작동 중에, 샌드위치 방진 마운트의 강성 단부 지지 부재는 임의의 정적 압축 하중의 조합에 의해 결정되는 정상상태 위치에 대해 서로 근접하도록 또한 멀어지도록 이동한다.

샌드위치 방진 마운트는 사전결정된 압축 하중에 의해 예압된다. 샌드위치 방진 마운트에 인가될 수 있는 임의의 추가 압축 하중은 예압의 약 60%를 초과하지 않는 것이 바람직하다. 달리 말하면, 예압 Fp는 일반적으로 그들 작동 수명 전체에 걸쳐서 샌드위치 방진 마운트에 인가되는 우세한 압축 하중이다. 예압은 정적 압축 하중이며, 예를 들어 관통 볼트 또는 성형 브래킷과 같은 임의의 적합한 기계적 수단에 의해 인가될 수 있다. 예압은 샌드위치 방진 마운트의 압축축을 따라 인가된다. 예압의 인가는 샌드위치 방진 마운트의 탄성중합체 층을 압축하여, 강성 단부 지지 부재가 서로 근접하도록 이동하게 한다. 샌드위치 방진 마운트를 예압하는 것은 샌드위치 방진 마운트가 정상 작동 상태 하에서 제로 응력을 겪지 않게 함으로써 그 작동 수명을 연장하고, 일반적으로는 압축 강성 특성 Kc를 증가시킨다. 이것은 토크, 충격 등으로 인한 스테이터의 편향을 감소시키는 것을 의미한다. 예압은 또한 샌드위치 방진 마운트의 성능이 실질적으로 스테이터 질량과 무관하게 하여, 표준 샌드위치 방진 마운트가 임의의 특정 스테이터에 사용될 수 있게 한다는 것을 의미한다. 이것은 제조에 비용이 적게 들고 임의의 스테이터 지지 수단 또는 프레임에 설치하기에 용이하고 간단한 샌드위치 방진 마운트의 모듈 디자인을 가능하게 한다.

샌드위치 방진 마운트를 예압하는 것은 또한 오일러 좌굴 효과(Euler buckling effect)의 결과로 반경방향 전단 강성 특성 Krs을 감소시키는데 도움을 준다. 달리 말하면, 반경방향 전단 강성 특성 Krs은, 마운트가 불안정해짐에 따라 실질적으로 0, 또는 심지어 마이너스가 될 때까지 압축 하중의 양에 따라 감소한다. 따라서, 압축 하중에 비해 역행된 반경방향 전단 강성 특성, 및 그에 따라 반경방향 전단 방향에서의 불안정성을 갖는 샌드위치 방진 마운트는 매우 양호한 진동 격리를 제공한다. 샌드위치 방진 마운트의 물리적 디자인은 원하는 반경방향 전단 강성 특성을 얻는데 부분적으로 역할을 하지만(후술함), 예압이 그 작동 수명 동안 마운트에 인가되는 우세한 압축 하중이기 때문에, 실질적으로 0 또는 마이너스인 반경방향 전단 강성 특성 Krs를 제공하도록 예압의 양이 선택되는 것이 전형적이다. 발생하는 것으로 알려진 고유 불안정성 때문에, 반경방향 전단 강성 특성은, 종래의 샌드위치 방진 마운트, 예를 들어 탄성 서스펜션을 제공하기 위해 디젤 엔진 또는 발전기 세트의 하부에 위치되도록 설계된 타입의 샌드위치 방진 마운트에서는 적극적으로 회피되는 것이 통상적이다. 또한, 과도한 예압은 크리프(creep), 고착(settlement) 및 오정렬과 같은 문제를 야기할 수 있으므로 통상적으로는 적극적으로 회피된다. 본 발명의 경우에, 0에 가깝거나 또는 마이너스인 반경방향 전단 강성 특성 Krs을 가짐으로써 생기는 불안정성은 스테이터와 외부 지지 프레임 사이의 진동 전달을 최소화하기 위하여 의도적으로 활용된다.

도 2a는 샌드위치 방진 마운트에 대한 전형적인 선형 또는 비선형 압축 강성 곡선을 나타낸다. 강성 곡선은 샌드위치 방진 마운트가 선형 및 비선형 특성을 갖는 경우에 인가된 압축 하중에 반응하여 샌드위치 방진 마운트가 어떻게 편향되는지를 나타낸다. 도 2b는 샌드위치 방진 마운트가 인가된 압축 하중에 반응하여 편향될 때 반경방향 전단 강성 특성 Krs이 어떻게 변하는지를 나타낸다. 이러한 경우에, 마운트는 선형 특성을 갖는 것으로 추정된다. 2개의 반경방향 전단 강성 특성은, 하나가 2개의 강성 플레이트가 개재된 마운트에 대한 것이고, 또 하나가 4개의 강성 플레이트가 개재된 마운트에 대한 것을 나타낸다. 10kN의 인가된 압축 하중에서 발생하는 0.01mm의 편향에 대해, 4개의 강성 플레이트가 개재된 샌트위치 방진 마운트는 60.6kN/mm의 전단 강성 특성 Krs을 가지며, 2개의 강성 플레이트가 개재된 마운트는 88.4kN/mm의 전단 강성 특성을 갖는다. 반경방향 전단 특성 Krs은 압축 강성 특성 Kc가 증가함에 따라 감소하고, 일부 경우에는 마이너스가 될 수도 있다는 점을 주목하는 것이 중요하다. 개재된 강성 플레이트의 수를 증가시키는 것은 또한 통상적으로 임의의 주어진 압축 편향에 대해 반경방향 전단 강성 특성을 감소시키는 효과를 갖는다. 도 2a 및 도 2b는 전형적인 샌드위치 방진 마운트의 강성 특성들 사이의 관계를 도시하기 위한 목적으로만 포함되고, 본 발명을 임의의 특정 디자인, 배열 또는 강성 특성 범위에 한정하는 것으로 고려되지 않아야 한다.

그 장착 위치에 따라서, 추가적인 정적 압축 하중이 질량-하중 Fm의 형태로 샌드위치 방진 마운트에 인가될 수 있다. 달리 말하면, 스테이터에 작용하는 중력의 하향력(downward mount)의 성분은 그 압축축을 따라 샌드위치 방진 마운트에 인가될 수도 있다. 예압과 질량-하중의 조합은 전체 지지 구조체가 고정 상태로 유지되고 전기 기계가 작동하지 않는 경우에 샌드위치 방진 마운트에 인가되는 정상상태 압축 하중을 나타내는 총 정적 압축 하중을 함께 제공한다.

또한, 샌드위치 방진 마운트는 통상적으로 작동중에 전기 기계에 의해 발생되는 토크의 결과로서 동적 압축 하중을 받는다. 토크는 스테이터의 접선방향을 따라 작용하며, 토크의 성분은 통상적으로 샌드위치 방진 마운트에 그 압축축을 따라 인가된다. 토크-하중 Ft는 전기 기계의 로터가 항상 동일한 방향으로 회전할 경우에 스테이터의 하나의 접선방향으로만 인가될 것이다. 이러한 경우에, 스테이터가 외부 지지 프레임에 고정되는 각 장착 위치는 전기 기계가 작동될 때의 토크로 인해 추가적인 압축 하중을 받는 단일의 샌드위치 방진 마운트만을 포함할 필요가 있고, 일부 상황에서 다른 압축 하중을 수용하기 위해 한 쌍의 샌드위치 진동 마운트가 여전히 요구된다는 것은 자명하다.

전기 기계의 로터가 대향 양방향으로 회전하면(예를 들면, 전방 및 후방 추진력을 제공하기 위하여 양방향으로 프로펠러 샤프트를 회전시킬 필요가 있는 해양 추진 모터의 경우), 각 장착 위치는 바람직하게는 한 쌍의 샌드위치 방진 마운트를 포함하며, 그 중 하나는 전기 기계의 로터가 일방향으로 회전할 때 토크-하중 Ft를 받고, 다른 하나는 전기 기계의 로터가 반대 방향으로 회전할 때 토크-하중을 받는다. 한 쌍의 샌드위치 방진 마운트 중 하나에 인가된 총 압축 하중이 추가적인 토크-하중 Ft의 결과로 정상상태 압축 하중보다 클 경우에, 다른 샌드위치 방진 마운트에 동시에 인가되는 총 압축 하중이 정상상태 압축 하중보다 작다는 것이 자명하다. 달리 말하면, 한 쌍의 샌드위치 방진 마운트 중 하나의 탄성중합체 층은 특정량으로 더 압축되는 반면에, 다른 샌드위치 방진 마운트의 탄성중합체 층은 특정량으로 비압축된다.

한 쌍의 샌드위치 방진 마운트는 바람직하게는 각 장착 위치에 함께-위치된다. 그러나, 지지 구조체는 또한 전기 기계의 로터가 일방향으로 회전할 때의 토크로 인해 증가된 압축 하중을 받는 샌드위치 방진 마운트를 갖는 하나 이상의 장착 위치 및; 전기 기계의 로터가 반대 방향으로 회전할 때의 토크로 인해 증가된 압축 하중을 받는 샌드위치 방진 마운트를 갖는 하나 이상의 장착 위치를 포함하는 것이 가능하다. 달리 말하면, 한 쌍의 샌드위치 방진 마운트는 함께-위치되는 대신에 스테이터 주변부 주위에 이격된 다른 장착 위치에 위치된다.

한 쌍의 샌드위치 반동 마운트는 강성 특성 Kc 및 Krs을 비롯하여 동일하거나 또는 상이한 구성을 가질 수 있다. 예를 들면, 해양 추진 모터의 경우에, 전방 추진력을 제공하기 위하여 로터가 일방향으로 회전하는 경우에 증가된 압축 하중을 받는 샌드위치 방진 마운트는, 후방 추진력을 제공하기 위하여 로터가 반대 방향으로 회전하는 경우에 증가된 압축 하중을 받는 샌드위치 방진 마운트보다 높은 압축 하중을 수용하도록 설계될 수도 있다.

전방 추진 동안에 인가되는 토크-하중 Ft가 전형적으로 후방 추진 동안에 인가되는 토크-하중보다 크다는 것은 자명하다.

추가적인 동적 압축 하중(예를 들면, 충격-하중 Fs)은 레일 선로변경 또는 해로 이동에 의해 야기되는 예상치못한 충격의 결과로 샌드위치 방진 마운트에 인가될 수도 있다.

일반적 용어로. 임의의 특정 시점에 샌드위치 방진 마운트에 인가된 총 압축 하중 Fc는 하기의 수식으로 나타낼 수 있다:

Fc = Fp + Fm + Ft + Fs

└정적하중┘ └동적하중┘

토크 하중 Ft는 로터가 회전하는 방향과, 그 결과 샌드위치 방진 마운트에 인가되는 압축 하중이 증가되는지 감소되는지에 따라 플러스(+ve) 또는 마이너스(-ve)일 수 있다. 실제로, 토크-하중 Ft가 마이너스인 경우에도, 샌드위치 방진 마운트는 예압 Fp의 결과로 압축 하중을 계속 받고, 마이너스의 토크 하중의 인가는 단순히 상기 마운트가 받는 총 압축 하중 Fc의 감소를 초래한다.

임의의 특정 시간에 샌드위치 방진 마운트에 인가되는 반경방향 전단 하중은 스테이터 전자기력의 결과로 스테이터의 반경방향 편향에 따라 달라지며, 또한 가능하게는 임의의 충격-하중 Fs의 성분에 따라서도 달라질 수 있다.

적절한 샌드위치 방진 마운트가 받을 수 있는 전형적인 압축 하중은 2개의 전기 기계 예시에 대해 주어진다. 이하의 여러 가지 표에서 주어지는 값들은 임의의 특정 디자인 또한 배열에 대해 본 발명을 한정하는 것으로 고려되지 않아야 한다.

제 1 전기 기계(Ex1)는 예를 들어 해양 추진 모터에 적합할 수 있는 물리적으로 큰 기계를 나타내도록 의도되며, 하기의 디자인 파라미터를 갖는다:

Ex1

정격 출력:	5MW
Rpm:	3600
질량:	14000kg
스테이터 직경:	1.4m

제 2 전기 기계(Ex2)는 물리적으로 작은 기계를 나타내도록 의도되며, 하기의 디자인 파라미터를 갖는다:

Ex2

정격 출력:	150kW
Rpm:	1800
질량:	220kg
스테이터 직경:	0.28m

전기 기계(Ex1 및 Ex2)의 스테이터용 지지 구조체에 설치될 경우 샌드위치 방진 마운트가 받을 수 있는 전형적인 압축 하중은 이하와 같다:

Ex1 및 Ex2에 대한 전형적인 압축 하중

	Ex1	Ex2
질량-하중 Fm	12.2N	340N
최대 토크-하중 Ft	±10.6N	±5.0N
최대 충격-하중 Fs	36.0kN	1.7kN
예압 Fp를 포함하지 않는 총 최대 압축 하중(여기서, Ft는 +ve임)	58.8kN	7.04kN
예압 Fp를 포함하지 않는 총 최대 압축 하중(여기서, Ft는 -ve임)	37.6kN	-2.96kN
예압 Fp	98.0kN	11.7kN

표 3으로부터, 전기 기계(Ex1)에 대해서는 예압 Fp를 포함하지 않는 총 최대 압축 하중은 질량-하중이 주로 차지하며, 관련 예압의 60%인 것을 알 수 있다. 마찬가지로, 전기 기계(Ex2)에 대해서는 예압 Fp를 포함하지 않는 총 최대 압축 하중은 토크-하중이 주로 차지하며, 관련 예압의 60%이다.

샌드위치 방진 마운트는 높은 압축 강성 특성 Kc를 가지며, 따라서 높은 레벨의 압축 하중을 취급할 수 있다. 그러나, 샌드위치 방진 마운트는 낮은 반경방향 강성 특성 Krs을 갖는다. 실제로, 반경방향 전단 강성 특성 Krs은, 스테이터 전자기력의 결과로 외부 지지 프레임에 전달되는 힘을 최소화하기 위해서, 실질적으로 0, 또는 심지어 마이너스인 것이 일반적으로 바람직하다. 그리고, 이것은 외부 지지 프레임에 의해 발산되는 소음의 양을 최소화한다. 스프링을 사용한 종래의 지지 구조체가 진동수 범위 10㎐ 내지 2㎑에 걸쳐서 20dB 내지 30dB의 소음 감소를 달성가능할 수도 있는 반면, 본 발명의 개선된 지지 구조체는 동일한 진동수 범위에 걸쳐서 50dB 내지 70dB의 소음 감소를 달성할 수 있다. 이것이 이상적인 질량-감소 스프링 특성에 근접한다는 것이 자명하다.

전기 기계(Ex1, Ex2)의 스테이터용 지지 구조체에 설치될 때 샌드위치 방진 마운트에 대한 전형적인 동적 압축 및 반경방향 전단 강성 특성 Kc, Krs은 이하와 같다:

	Ex1	Ex2
Krs	100N/mm	100N/mm
Kc	260kN/mm	55kN/mm
Kc:Krs	2600:1	550:1

반경방향 전단 강성 특성 Krs은 압축 강성 특성 Kc에 대한 상대적인 용어뿐만 아니라 절대적인 용어로 기재될 수 있다. 따라서, 예를 들면, 반경방향 전단 강성 특성 Krs은, 강성비 Kc:Krs이 약 20:1 이상인 경우 실질적으로 0인 것으로 고려될 수 있다. 따라서, Ex1, Ex2에 대해 상기에 나타낸 바와 같은 100N/mm의 반경방향 전단 강성 특성 Krs은, 동일한 샌드위치 방진 마운트에 대한 압축 강성 특성 Kc가 적어도 2kN/mm인 한에는, 실제적인 목적으로 실질적으로 0인 것으로 고려된다.

상기에 간략하게 언급된 바와 같이, 샌드위치 방진 마운트는 바람직하게는 강성 플레이트가 개재된 복수의 탄성중합체 층으로 이루어진다. 상기 탄성중합체 층은 예를 들면 고무, 고무 혼합물 또는 중합체와 같은 임의의 적합한 물질로 제조될 수도 있다. 마찬가지로, 상기 강성 플레이트는 적합한 물질로 제조될 수 있지만, 강철과 같은 강성 플레이트 금속이 일반적으로 바람직하다. 샌드위치 방진 마운트의 구성은 요구된 강성 특성 및 특히 상기의 이유로 실질적으로 0 또는 심지어 마이너스인 반경방향 전단 강성 특성 Krs을 달성하는 능력을 갖도록 통상적으로 결정된다. 반경방향 전단 강성 특성 Krs이 0 또는 심지어 마이너스인 경우, 강성비 Kc:Krs은 무한대가 되며, 마이너스 Krs에 대해서는 허용되지 않는다. 전술한 바와 같이, 강성비는 약 16:1 이상인 것이 바람직하며, Krs의 모든 가능한 값에 대해 만족될 수 있다. 강성 특성을 결정할 때 고려될 수 있는 샌드위치 방진 마운트의 구조적 특성은 두께, 경도 및 탄성중합체 층의 형상, 및 특히 에지 윤곽의 형상, 강성 플레이트의 두께 및 탄성중합체 층과 강성 플레이트의 개수를 포함할 수도 있다.

또한, 샌드위치 방진 마운트는 그 반경방향 고유 진동수가 스테이터 전자기력에 의해 야기되는 반경방향 진동에 의해 여기될 가능성이 없다는 것을 보장하도록 설계 및 구성될 수도 있다. 스테이터에 대한 진동수는 예를 들어 컴퓨터 모델링에 의해 측정 또는 예측될 수 있으며, 전형적으로는 스테이터 치형부(teeth)의 개수, 회전 속도 등과 같은 기계적 파라미터에 따라 달라진다. 고유 진동수는 바람직하게는 샌드위치 방진 마운트가 사용 중인 경우에 실질적으로 일정하게 유지된다. 달리 말하면, 샌드위치 방진 마운트는, 그 고유 진동수가 바람직하게는 실질적으로 일정하게 유지되고, 회전 전기 기계가 작동 중일 때 샌드위치 방진 마운트가 받는 압축 및/또는 반경방향 하중에 의해 변하지 않거나 영향을 받지 않는 일정한 주기성을 가질 수 있다.

샌드위치 방진 마운트를 구성하는데 사용되는 물질은 바람직하게는 약 100℃의 상승된 온도에 노출될 수 있다. 이것은, 종래의 지지 구조체가 스프링을 사용하는 경우에 이들이 낮은 온도 영역에 위치되어야 하기 때문에, 추가의 기술적 장점을 제공하는 것으로 고려된다.

탄성중합체 층 및 개재된 강성 플레이트는 강성 플레이트 지지 부재들 사이에 위치할 수 있다. 단부 지지 부재 중 하나는 스테이터의 일부분에 샌드위치 방진 마운트를 위치시키는데 사용될 수 있는 한편, 다른 단부 지지 부재는 외부 지지 프레임에 샌드위치 방진 마운트를 위치시키는데 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 스테이터는 외부 지지 프레임으로부터 효과적으로 분리되고, 이 스테이터는 샌드위치 방진 마운트에 의해 외부 지지 프레임에 간접적으로만 연결된다. 강성 단부 지지 부재는 예를 들어 볼트와 같은 임의의 적절한 고정 수단을 사용하여 스테이터 및 외부 지지 프레임에 기계적으로 고정될 수 있거나, 단순히 스테이터 및 외부 지지 프레임 각각에 제공되는 적절한 형상 및 크기를 갖는 안착부 내에, 또는 그에 대항하여 위치될 수도 있다. 접선방향으로의 단부 지지 부재들 사이의 상대 이동에 의해 샌드위치 방진 마운트가 압축 하중을 받는 한편, 반경방향으로의 단부 지지 부재들 사이의 상대 이동에 의해 샌드위치 방진 마운트가 반경방향 전단 하중을 받는다. 함께-위치된 한 쌍의 샌드위치 방진 마운트의 경우에, 단일의 강성 단부 지지 부재가 제공되고 양쪽 마운트에 의해 공유될 수 있다. 예를 들면, 각각의 샌드위치 방진 마운트는 외부 지지 프레임에 결합된 마운트를 위치시키는 강성 단부 지지 부재, 및 스테이터의 일부분에 마운트를 위치시키고 상기 마운트들 사이에 배치되는 공유된 강성 단부 지지 부재를 가질 수 있다.

적어도 하나의 추가적인 샌드위치 방진 마운트는 외부 지지 프레임과 스테이터의 일부분 사이에 고정될 수 있어, 스테이터의 축방향으로 압축 하중을 받는다. 달리 말하면, 추가적인 샌드위치 방진 마운트는 스테이터의 임의의 축방향 편향을 억제하는 한편, 바람직하게는 반경방향으로의 낮은 강성 서스펜션을 달성한다. 추가적인 샌드위치 방진 마운트는, 그 압축축이 스테이터의 종축과 실질적으로 정렬되고, 그 반경방향 전단축이 스테이터의 반경, 선택적으로는 스테이터의 기하학적 중심과 실질적으로 정렬되도록 통상적으로 위치된다. 대안적으로, 스테이터의 축방향 편향은 정지수단에 의해 레일 또는 해양 추진력과 같은 응용에 대해 달성될 수도 있다. 이러한 정지수단은 해양 응용에서 찾을 수 있는 충돌 초크(collision chock)와 같은 중실형 금속 구조체, 또는 선로변경 하중을 극복하기 위해 레일 응용에서 통상 찾을 수 있는 스프링 구조체일 수 있다. 또한, 합성물 및/또한 중합체 물질로 제조된 고정 수단이 사용될 수도 있다.

복수의 추가적인 샌드위치 방진 마운트 또는 정지수단은 스테이터의 주변부 주위에서 이격된 위치에 제공될 수 있으며, 한쪽 또는 양쪽 축방향으로의 스테이터의 축방향 편향을 억제하는데 사용될 수 있다.

외부 지지 프레임은 바람직하게는 강철과 같은 적절한 강성 물질로 제조되고, 전통적으로 샌드위치 방진 마운트가 고정되는 부분과 전체적으로 떨어져 있을 수 있다.

스테이터 전자기력의 결과로 스테이터 조립체로부터 지지 프레임으로 전달되는 힘을 최소화하고, 극히 조용한 개선된 지지 구조체를 제공하여, 예를 들어 군함 및 조사 탐사선에 특히 적합하게 되는 효과가 있다.

도 1은 샌드위치 방진 마운트의 고유 진동수 비가 강성비에 따라 어떻게 달라지는지를 나타내는 그래프,
도 2a는 샌드위치 방진 마운트에 대한 압축 강성 곡선을 나타내는 그래프,
도 2b는 샌드위치 방진 마운트의 전단 강성이 압축 편향에 의해 어떻게 변하는지를 나타내는 그래프,
도 3은 본 발명에 따른 지지 구조체를 갖는 회전 전기 기계의 반경방향 단면도,
도 4는 도 3의 A-A선을 따라 절취한 축방향 단면도,
도 5는 본 발명의 지지 구조체의 일부분을 형성하는 함께-위치된 한 쌍의 샌드위치 방진 마운트의 상세 사시도.

도 3 및 도 4와 관련하여, 회전 전기 기계(예를 들면, 모터 또는 발전기)를 위한 스테이터 조립체(1)는 스테이터 권선의 코일을 수용하는 복수의 원주방향으로 이격된 슬롯(4)을 수납하는 반경방향 내측면(2)을 포함한다.
외부 지지 프레임은 스테이터 조립체(1)의 외측에 위치한다. 지지 프레임은 환형 구조 부재(6), 원통형 외부 하우징(8) 및 환형 단부 플레이트(10a, 10b)를 포함한다. 각각의 스테이터 조립체(1)의 축방향 단부는 도 3에 도시한 바와 같이 4개의 분리된 장착 위치(12a 내지 12d)에서 외부 지지 프레임의 환형 구조 부재(6)에 간접적으로 연결된다. 장착 위치(12a 내지 12d)는 스테이터 조립체(1)의 주변부 주위에 균일하게 이격되어 있다. 장착 위치의 개수, 그 개별 위치, 및 그 각도 간격이 스테이터 조립체 및/또는 외부 지지 프레임의 구성에 따라 달라진다는 것은 자명하다.

각각의 장착 위치는 한 쌍의 함께-위치된 마운트(14a, 14b)를 포함한다. 각 쌍에서의 하나의 마운트는 로터(도시되지 않음)가 제 1 방향으로 스테이터 조립체 내에서 회전할 때 증가된 압축 하중을 받고, 각 쌍에서의 다른 마운트는 로터가 반대 방향으로 회전할 때 증가된 압축 하중을 받는다. 도 3 및 도 4에 도시된 배열에서, 총 16개의 샌드위치 방진 마운트가 사용되고, 스테이터 조립체(1)의 각 축방향 단부에 8개가 사용된다. 그러나, 각각의 장착 위치가 2개 이상의 함께-위치된 마운트 쌍을 포함하는 것이 또한 가능하다는 것은 자명하다. 이러한 경우에, 각 장착 위치에서 함께-위치된 마운트 쌍들은 통상적으로 축방향으로 이격되어 있다. 예를 들면, 함께-위치된 마운트 쌍들은 추가적으로 스테이터 조립체(1)의 각 축방향 단부에서 4개의 장착 위치 각각에 위치되지만, 지지 프레임의 환형 구조 부재(6)의 축방향 내측에 위치될 수 있다. 마운트에의 접근 및 마운트의 가시적 검사를 가능하게 하도록 직사각형 개구부(16)가 원통형 하우징(8)에 제공된다.

함께-위치된 마운트 쌍 중 하나가 도 5에 보다 상세하게 도시되어 있다. 제 1 샌드위치 방진 마운트(14a)는 반동 플레이트(18a), 장착 플레이트(20a) 및 지지 브래킷(22a)을 포함하는 강성 단부 지지 부재를 포함한다. 마찬가지로, 제 2 샌드위치 방진 마운트(14b)는 반동 플레이트(18b), 장착 플레이트(20b) 및 지지 브래킷(22b)을 포함하는 강성 단부 지지 부재를 포함한다. 장착 플레이트(20a, 20b)는 개구부를 포함하여, 단부 지지 부재가 볼트(24)에 의해 환형 구조 부재(6)의 원주방향으로 이격된 부분에 기계적으로 고정될 수 있게 한다. 도 3 내지 도 5에 도시된 배열에서, 각각의 단부 지지 부재는 3개의 볼트를 이용하여 기계적으로 고정된다. 그러나, 볼트의 개수가 마운트의 크기 및 고정 요건에 따라 달라진다는 것은 자명하다.

강성 중간 지지 부재(26)는 제 1 및 제 2 마운트(14a, 14b) 사이에 위치되고, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 스테이터 조립체(1)의 축방향-연장 구조 부재(28)의 일 단부에 기계적으로 고정된다. 도 3에 도시된 배열이 4개의 장착 위치(12a 내지 12d)를 가지므로, 4개의 구조 부재(28)가 있지만 2개만이 도 4에 도시되어 있다. 각각의 구조 부재(28)는 스테이터 조립체(1)의 전체 축방향 길이를 연장하고, 함께-위치된 마운트 쌍에 의해 양 단부에서 지지된다. 구조 부재(28)는 전체 스테이터 조립체(1)의 일체형 부분을 형성하고, 특히 지지 프레임의 환형 구조 부재(6)의 반경방향 내측에 위치되는 환형 구조 부재(30)를 갖는다. 도 4 및 도 5에 가장 명확하게 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 마운트(14a, 14b)는 반경방향으로 환형 구조 부재(30)와 중첩한다. 반경방향 간극은 중간 지지 부재(26)와 외부 지지 프레임 사이에 제공되어 특정 양의 상대 이동을 가능하게 한다. 실제로는, 스테이터 조립체(1)의 모든 부분과 임의의 강성 외부 구조체 사이에 충분한 간극이 제공되어야 한다.

제 1 및 제 2 마운트(14a, 14b)는 2개의 중간 강성 플레이트(34)가 개재된 3개의 탄성중합체 층(32)을 갖는다. 각 마운트의 강성 단부 플레이트(36)는 각각의 단부 지지 부재의 인접한 반동 플레이트(18a, 18b)와 직접적인 비고정 맞댐 상태로 있다. 단부 플레이트(36)는 하기에서 보다 상세하게 설명되는 예압에 의해 제 위치에 유지되어 있다. 각 마운트의 강성 단부 플레이트(38)는 중간 지지 부재(26)와 비고정 직접 맞댐 상태로 있으며, 또한 예압에 의해 제 위치에 유지되어 있다. 도시되지는 않았지만, 반동 플레이트(18a, 18b) 및 중간 지지 부재(26)는 각 마운트의 강성 단부 플레이트(36, 38)의 에지까지 맞대는 숄더(shoulder) 또는 적합한 안착 구조체를 포함하여 전단 하중에 대항하는 위치를 제공한다.
스테이터 조립체(1)와 외부 지지 프레임 사이에는 직접적인 물리적 연결이 없다는 것이 자명하다. 보다 상세하게는, 스테이터 조립체의 축방향-연장 구조 부재(28)와 외부 지지 프레임의 환형 구조 부재(6) 사이의 간접적인 연결은 각 장착 위치(12a 내지 12d)에서의 제 1 및 제 2 마운트(14a, 14b)의 단부 지지 부재 및 중간 지지 부재(26)를 통해 이루어진다.

각 마운트는 사전결정된 압축 하중으로 예압된다. 도 5에 도시된 배열에서, 각 단부 지지 부재의 반동 플레이트(18a, 18b)에 있어서의 개구부(40)를 통과하는 볼트(도시되지 않음)에 의해, 함께-위치된 마운트(14a, 14b) 모두에 동일한 예압이 기계적으로 인가된다. 그러나, 다른 배열에서, 각 마운트는 그 자신의 사전결정된 압축 하중으로 예압될 수 있다. 마운트는 또한 다른 하중을 수용하고 다른 강성 특성을 갖도록 설계될 수도 있다. 볼트(도시되지 않음)는 스테이터 조립체(1)와 외부 지지 프레임 사이의 상대적 이동을 허용하기에 충분한 간극을 제공하는 중간 지지 부재(26)의 개구부(42)를 통과한다.

스테이터 조립체(1)와 외부 지지 프레임 사이에서의 반경방향으로의 상대 이동에 의해, 함께-위치된 마운트(14a, 14b)가 그 반경방향 전단축을 따라 반경방향 전단 하중을 받고, 스테이터 조립체와 외부 지지 프레임 사이에서의 접선방향으로의 상대 이동에 의해, 함께-위치된 마운트 중 하나가 증가된 압축 하중(즉, 정상상태 압축 하중보다 큰 압축 하중)을 받고, 다른 마운트가 정상상태 압축 하중보다 작은 감소된 압축 하중을 받는다. 이것은 하기에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

스테이터 조립체(1)와 외부 지지 프레임 사이에서의 접선방향으로의 과도한 상대 이동은, 각 장착 위치(12a 내지 12d)에서 제 1 또는 제 2 마운트(14a, 14b)의 양측 상의 외부 지지 프레임의 환형 구조 부재(30)에 위치한 정지수단(44)에 의해 방지된다. 이러한 정지수단(44)은 장착 플레이트(20a, 20b)의 원주방향 외측 에지 상에 제공된 대응 접촉 영역(46)과 맞대어 있다.
함께-위치된 마운트(14a, 14b) 각각은 다양한 탄성중합체 층(32) 및 개재된 강성 플레이트(34)의 평면에 수직인 압축축과, 다양한 탄성중합체 층 및 개재된 강성 플레이트의 평면에 평행한 한쌍의 직교 전단축을 갖는다. 각 마운트(14a, 14b)는 그 압축축이 스테이터 조립체(1)의 접선과 정렬되도록 배열된다.

각 마운트(14a, 14b)의 반경방향 전단축은 스테이터 조립체(1)의 반경과 정렬되며, 스테이터의 기하학적 중심을 향한다. 각 마운트(14a, 14b)의 축방향 전단축은 스테이터 조립체의 종축과 정렬된다.

예시를 위해, 도 3에는, 압축축 Ac 및 반경방향 전단축 Ars이 장착 위치(12d)에서 마운트(14b)에 대해 도시되어 있다. 축방향 전단축은 도시되지 않았지만, 지면 밖으로 연장된다.

예압 Fp는 각 단부 지지 부재의 반동 플레이트(18a, 18b)에 있는 개구부(40)를 통과하는 볼트(도시되지 않음)에 의해 그 압축축을 따라 직접적으로 각 마운트(14a, 14b)에 기계적으로 인가된다.

잘량-하중 Fm의 성분은 그 압축축을 따라 각 마운트(14a, 14b)에 인가된다.

예압 Fp 및 질량-하중 Fm의 조합은, 지지 프레임이 고정적이고 전기 기계가 작동하지 않을 때, 각 마운트(14a, 14b)에 인가되는 정적 압축 하중을 나타낸다.

로터(도시되지 않음)가 반시계 방향으로 회전하는 경우, 토크가 스테이터 조립체(1)의 접선방향을 따라 작용한다. 이것은 토크-하중 Ft가 그 압축축을 따라 직접적으로 제 1 마운트(14a)에 인가되게 한다. 따라서, 제 1 마운트(14a)는 증가된 압축 하중, 또는 달리 말하면 정상상태 압축 하중보다 큰 압축 하중을 받는다. 그러나, 함께-위치된 쌍의 제 2 마운트(14b)는 정상상태 압축 하중보다 작은 압축 하중을 받는다. 로터(도시되지 않음)가 (예를 들면, 역방향 추진력을 제공하기 위해) 시계 방향으로 회전하는 경우, 제 2 마운트(14b)는 증가된 압축 하중을 받고, 함께-위치된 쌍의 제 1 마운트(14a)는 정상상태 압축 하중보다 작은 압축 하중을 받는다.

지지 프레임 및 스테이터 조립체는 어떠한 방향으로도 충격을 받을 수 있다. 적절한 경우, 충격-하중 Fs의 성분은 그 압축축을 따라 및/또는 전단축 중 하나 도는 모두를 따라 각 마운트(14a, 14b)에 인가된다.

마운트(14a, 14b)는 높은 강성의 압축 강성 특성 Kc를 가지며, 그에 따라 정적 및 동적 압축 하중 모두의 인가로부터 발생할 수 있는 스테이터 조립체(1)와 지지 프레임 사이의 접선방향으로의 상대 이동을 억제할 수 있다.

마운트(14a, 14b)는 매우 낮은 반경방향 전단 강성 특성 Krs(예를 들면, 0에 가깝거나 또는 심지어 마이너스임)을 가지며, 그에 따라 반경방향으로 낮은 강성 서스펜션을 제공한다. 이에 의해, 스테이터 전자기력의 결과로 스테이터 조립체(1)로부터 지지 프레임으로 전달되는 힘을 최소화하고, 극히 조용한 개선된 지지 구조체를 제공하여, 예를 들어 군함 및 조사 탐사선에 특히 적합하게 된다.

Claims (14)

1. 회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체에 있어서,
   외부 지지 프레임; 및
   상기 외부 지지 프레임과 상기 스테이터의 일부분 사이에 위치되어, 회전 전기 기계의 작동 중에 스테이터의 접선방향으로 압축 하중을 받고, 스테이터의 반경방향으로 반경방향 전단 하중을 받는 적어도 하나의 샌드위치 방진 마운트를 포함하며,
   상기 샌드위치 방진 마운트는 압축 하중에 대한 강성 특성 Kc 및 반경방향 전단 하중에 대한 강성 특성 Krs을 갖고,
   상기 샌드위치 방진 마운트는 그 압축축을 따라 사전결정된 압축 하중으로 예압되어, 반경방향 전단 하중에 대한 강성 특성 Krs이 0 또는 마이너스인
   회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.
2. 제 1 항에 있어서,
   Kc:Krs의 비는 16:1 이상인
   회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 샌드위치 방진 마운트는 강성 플레이트가 개재된 복수의 탄성중합체 층으로 이루어지는
   회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 탄성중합체 층 및 개재된 강성 플레이트는 강성 단부 지지 부재들 사이에 위치하는
   회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.
5. 제 4 항에 있어서,
   하나의 단부 지지 부재는 스테이터의 일부분에 기계적으로 고정되고, 다른 단부 지지 부재는 상기 외부 지지 프레임에 기계적으로 고정되는
   회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.
6. 제 3 항에 있어서,
   하나의 단부 지지 부재는 스테이터의 일부분에 형성된 안착부에 위치되고, 다른 단부 지지 부재는 상기 외부 지지 프레임에 형성된 안착부에 위치되는
   회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 샌드위치 방진 마운트의 전단축은 다양한 탄성중합체 층 및 개재된 강성 플레이트의 평면에 평행한
   회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 샌드위치 방진 마운트의 전단축은 상기 스테이터의 반경과 정렬되며, 상기 스테이터의 기하학적 중심을 향하는
   회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 스테이터는 장착 위치에서 적어도 하나의 샌드위치 방진 마운트에 의해 상기 외부 지지 프레임에 간접적으로 연결되는
   회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이터는 스테이터 주변부 주위의 복수의 이격된 장착 위치에서 적어도 하나의 샌드위치 방진 마운트에 의해 상기 외부 지지 구조체에 간접적으로 연결되는
    회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.
11. 제 9 항에 있어서,
    각 장착 위치는 한 쌍의 함께-위치된 샌드위치 방진 마운트를 포함하는
    회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 지지 프레임과 스테이터의 일부분 사이에 고정되어 스테이터의 축방향으로 압축 하중을 받는 적어도 하나의 추가적인 샌드위치 방진 마운트를 더 포함하는
    회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.
13. 제 12 항에 있어서,
    각각의 추가적인 샌드위치 방진 마운트의 전단축은 상기 스테이터의 반경과 정렬되며, 상기 스테이터의 기하학적 중심을 향하는
    회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.
14. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 지지 프레임에 대한 상기 스테이터의 축방향 편향을 방지하기 위한 정지수단을 더 포함하는
    회전 전기 기계의 스테이터용 지지 구조체.

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