KR102266447B1

KR102266447B1 - 전동기, 전동기 고장 진단 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102266447B1
Application number: KR1020190178566A
Authority: KR
Inventors: 이상빈; 신재훈; 박용현
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2021-06-16

Abstract

전동기, 전동기 고장 진단 장치 및 방법이 개시된다. 상기 전동기는 전원과 전기적으로 연결된 고정자, 상기 고정자 내측에서 상기 전원의 주파수에 따라서 회동 가능하게 마련된 회전자, 상기 고정자 및 상기 회전자 사이의 공극에 생성되거나 상기 고정자의 외부에 생성된 자속의 주파수를 측정하는 측정부 및 상기 자속의 주파수에 대응하는 적어도 하나의 주파수 성분 중에서 회전 자계의 주파수에 대응하는 성분 이외의 주파수 성분을 기반으로 고장을 진단하는 진단부를 포함할 수 있다.

Description

전동기, 전동기 고장 진단 장치 및 방법{MOTOR, APPARATUS FOR DETECTION OF MALFUNCTION OF THE MOTOR AND METHOD THEREOF}

본 발명은 전동기, 전동기 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 공극 자속 및/또는 누설 자속을 이용하여 고장을 진단하는 전동기, 전동기 고장 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.

유도 전동기는 고정자의 내측에 회전자를 위치시켜 설치하고, 고정자에 소정 주파수의 전원을 인가하여, 회전자가 고정자에 인가되는 전원의 주파수에 따라서 회전하도록 함으로써 회전 동력을 획득할 수 있는 장치를 의미한다. 종래 유도 전동기의 고장을 진단하거나 시험하는 방법으로는 정지 중 진단(off-line testing)과 운전 중 진단(on-line testing)이 있다. 정지 중 진단은 전동기에 전원 인가를 차단하고, 전동기를 분해하거나 분해하지 않고 육안으로 전동기의 고장 여부를 확인하는 것이다. 이와 같은 진단 방법은 결함을 직접 관찰하기 때문에 정확도는 높으나 전동기의 동작을 중단시켜야 하고 필요에 따라 전동기를 분해해야 하는 문제점이 존재한다. 운전 중 진단은 센서 등을 전동기에 설치하고 센서에서 출력되는 값(예를 들어, 온도 등)을 감시하여 고장 여부를 확인하는 것이다. 운전 중 진단 방법은 전동기의 동작을 중단시킬 필요는 없으나 정확성이 상대적으로 떨어지는 문제점이 있다. 예를 들어, 종래의 알려진 회전자 바 고장 진단 방법은 민감도가 저하될 수 있으며, 오진단의 가능성도 높다. 또한, 종래의 공극 편심 발생 여부 진단 방법은 전동기 구조, 전동기와 부하의 커플링, 전동기와 부하의 오정렬, 전동기 또는 부하의 회전 불평형 또는 공진 등과 같이 공극 편심이 아닌 부하의 기계적 고장을 공극 편심으로 진단하기도 하였다.

대한민국 등록특허 제1169796호 (2012.07.30. 공고) 대한민국 등록특허 제1432786호 (2014.09.23. 공고)

본 발명은 전동기의 고장 발생 여부를 진단하고 발생한 고장을 구분하여 식별할 수 있는 전동기, 전동기 고장 진단 장치 및 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상술한 과제를 해결하기 위하여 전동기, 전동기 고장 진단 장치 및 방법이 제공된다.

전동기는 전원과 전기적으로 연결된 고정자, 상기 고정자 내측에서 상기 전원의 주파수에 따라서 회동 가능하게 마련된 회전자, 상기 고정자 및 상기 회전자 사이의 공극에 생성되거나 상기 고정자의 외부에 생성된 자속의 주파수를 측정하는 측정부 및 상기 자속의 주파수에 대응하는 적어도 하나의 주파수 성분 중에서 회전 자계의 주파수에 대응하는 성분 이외의 주파수 성분을 기반으로 고장을 진단하는 진단부를 포함할 수 있다.

고장 진단 방법은 전원과 전기적으로 연결된 고정자에 소정 주파수의 전원이 공급되고, 상기 고정자 내측에 배치된 회전자가 회동하는 단계, 상기 고정자 및 상기 회전자 사이의 공극에 생성되거나 상기 고정자의 외부에 생성된 자속의 주파수를 측정하고, 상기 자속의 주파수에 대응하는 적어도 하나의 주파수 성분을 획득하는 단계 및 상기 적어도 하나의 주파수 성분 중에서 회전 자계의 주파수에 대응하는 성분 이외의 주파수 성분을 기반으로 진단을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

전동기 고장 진단 장치는 전동기의 고정자 및 회전자 사이의 공극에 생성되거나 상기 고정자의 외부에 생성된 자속의 주파수에 대한 정보를 획득하는 데이터 획득부 및 상기 자속의 주파수에 대응하는 적어도 하나의 주파수 성분 중에서 회전 자계의 주파수에 대응하는 성분 이외의 주파수 성분을 기반으로 고장의 발생 여부를 판단하거나 또는 발생된 고장의 종류를 결정하는 진단부를 포함할 수 있다.

상술한 전동기, 전동기 고장 진단 장치 및 방법에 의하면, 전동기의 고장 발생 여부를 진단하고 어떠한 고장이 발생하였는지를 보다 정확하게 식별할 수 있게 된다.

또한, 전동기의 기동 중 또는 운전 중에 회전자에 고장이 발생하였는지, 어떠한 고장이 발생하였는지 여부 등을 보다 용이하고 정확하게 진단할 수 있게 된다.

또한, 전동기 구조, 커플링 또는 부하의 특성 등에 기인한 오진단을 방지할 수 있게 되며, 보다 구체적으로는 정상 전동기에 결함이 있는 것으로 오진단하거나(위양성 진단, false positive) 또는 비정상인 전동기를 결합이 없는 것으로 오진단하는 것(위음성 진단, false negative)을 방지할 수 있게 된다.

또한, 오진단에 따른 불필요한 점검의 수행이나 위험 방치에 따른 작업 중단 등을 최소화할 수 있게 되어 모터 사용 및 관리의 경제성도 개선할 수 있게 된다.

본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 진단부를 포함하는 전동기의 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2a는 고정자 및 측정부의 여러 실시예를 도시한 도면이다.
도 2b는 공극 자속과 누설 자속을 측정하는 측정부가 설치된 전동기의 단면도이다.
도 2c는 누설 자속을 측정하는 측정부가 설치된 전동기의 외부를 도시하는 도면이다.
도 2d는 누설 자속을 측정하는 측정부가 설치된 전동기의 시작품을 도시한다.
도 3은 진단부의 편심 판단 과정의 일례를 설명하기 위한 그래프 도면이다.
도 4는 진단부의 회전자 파손 판단 과정의 일례를 설명하기 위한 그래프 도면이다.
도 5는 전동기 기동 중의 슬립의 변화의 일례를 도시한 그래프 도면이다.
도 6은 전동기 기동 중에 편심 여부를 판단하는 과정의 일례를 설명하기 위한 그래프 도면이다.
도 7은 편심 존재 시 전동기 기동 중에 획득한 주파수에 대응하는 주파수 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 8은 전동기 기동 중에 회전자 파손 여부를 판단하는 과정의 일례를 설명하기 위한 그래프 도면이다.
도 9는 회전자 파손 존재 시 전동기 기동 중에 획득한 주파수에 대응하는 주파수 스펙트럼을 도시한 것이다.
도 10은 고장 진단 장치의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 고장 진단 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.

이하 명세서 전체에서 동일 참조 부호는 특별한 사정이 없는 한 동일 구성요소를 지칭한다. 이하에서 사용되는 '부'가 부가된 용어는, 소프트웨어 또는 하드웨어로 구현될 수 있으며, 실시예에 따라 하나의 '부'가 하나의 물리적 또는 논리적 부품으로 구현되거나, 복수의 '부'가 하나의 물리적 또는 논리적 부품으로 구현되거나, 하나의 '부'가 복수의 물리적 또는 논리적 부품들로 구현되는 것도 가능하다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 '연결되어 있다'고 할 때, 이는 어떤 부분과 다른 부분에 따라서 물리적 연결을 의미할 수도 있고, 또는 전기적으로 연결된 것을 의미할 수도 있다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분을 '포함한다'고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분 이외의 또 다른 부분을 제외하는 것이 아니며, 설계자의 선택에 따라서 또 다른 부분을 더 포함할 수 있음을 의미한다.

'제1' 이나 '제2' 등의 용어는 하나의 부분을 다른 부분으로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 특별한 기재가 없는 이상 이들이 순차적인 표현을 의미하는 것은 아니다. 또한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 예외가 있지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.

이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 고장을 진단할 수 있는 전동기의 여러 실시예에 대해서 설명하도록 한다.

도 1은 진단부를 포함하는 전동기의 일 실시예를 도시한 도면이고, 도 2a는 고정자 및 측정부의 여러 실시예를 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 전동기(100)는 고정자(111), 고정자(111)에 설치되어 전원(99)과 연결된 권선(112: 112-R1, 112-R2, 112-T1, 112-T2, 112-S1, 112-S2), 고정자(111) 내측에서 회전축(a2, 이하 제2 축)을 기준으로 회동 가능하게 설치된 회전자(113), 대략 회전자(113)의 외주면을 따라 형성된 도체(114), 고정자(111)와 회전자(113) 사이의 공극(119)에 생성된 자속(이하, 공극 자속) 또는 고정자(111)의 외부나 전동기(100)의 외부(예컨대, 전동기(100)의 프레임 표면)에 생성된 자속(이하, 누설 자속)에 대한 정보를 수집하는 측정부(160), 및 측정부(160)의 측정 결과를 기반으로 전동기(110)의 고장을 진단하는 진단부(170)를 포함할 수 있다.

고정자(111)는 전동기(100)에 고정 설치되고, 도 2a에 도시된 바와 같이 내측에 대략 원통형의 내측 공간(111s)이 형성되도록 마련될 수 있다. 내측 공간(111s)에는 회전자(113)가 회동 가능하도록 설치된다. 고정자(111)는 내측 공간(111s) 방향 쪽 내주면에 적어도 하나의 돌출부(111a: 111a1 내지 111a4 등)가 형성되어 있을 수 있다. 적어도 하나의 돌출부(111a1, 111a2, 111a3 등)는 서로 일정한 거리로 이격되어 있을 수 있으며, 이들 돌출부, 일례로 제1 돌출부(111a1) 및 제2 돌출부(111a2) 사이의 공간에는 적어도 하나의 권선(112)이 설치될 수 있는 적어도 하나의 슬롯(111b)이 마련될 수 있다. 권선(112)은 자성 쐐기(111c, wedge)에 의해 밀폐되어 슬롯(111b) 내에 고정될 수 있다.

권선(112)은 고정자(111)에 설치될 수 있으며, 예컨대 적어도 하나의 슬롯(111b) 내에 설치될 수 있다. 도 1에 도시된 바처럼 하나의 고정자(111)에는 다수의 권선(112: 112-R1, 112-R2, 112-T1, 112-T2, 112-S1, 112-S2)이 설치될 수 있다. 다수의 권선 중 적어도 두 개의 권선(112-R1 및 112-R2, 112-T1 및 112-T2, 112-S1 및 112-S2)은 서로 대응하여 마련될 수 있다. 예를 들어, 다수의 권선(112) 중 제1 권선(112-R1) 및 제4 권선(112-R2)이 서로 대응하고, 제2 권선(112-T1) 및 제5 권선(112-T2)이 서로 대응하며, 제3 권선(112-S1) 및 제4 권선(112-S2)이 서로 대응할 수 있다. 이 경우, 전원(99)으로부터 어느 하나의 권선(112-R1, 112-T1, 112-S1)에 입력된 전류는 대응하는 다른 하나의 권선(112-R2, 112-T2, 112-S2)을 통해 다시 전원(99)으로 이동하게 된다. 또한, 제1 권선(112-R1), 제2 권선(112-T1) 및 제3 권선(112-S1) 각각에는 서로 상이한 상(phase)의 전압 및/또는 전류가 인가될 수 있다(즉, 권선(112)은 3상 권선일 수 있다). 이와 같이 3상의 전압 및/또는 전류가 인가되면, 고정자(111) 내에 생성된 자속(이하, 고정자 자속)은 전원(99)으로부터 입력되는 전압 및/또는 전류의 주파수에 따라 일정한 속도로 회전하여 회전 자계를 생성시킨다. 회전 자계는 대략 고정자(111)의 중심축(a1, 이하 제1 축)을 기준으로 회전하게 된다.

회전자(113)는 대체적으로 원통 또는 이로부터 도출 가능한 형상을 가질 수 있다. 회전자(113)는 고정자(111) 방향(즉, 회전자(113)의 외측 방향)으로 형성된 적어도 하나의 도체(114)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 회전자(113)가 원통의 형상을 갖는 경우, 원통의 대략 외주면 위치에는 적어도 하나의 도체(114)가 배열되어 형성될 수 있다. 실시예에 따라서, 적어도 하나의 도체(114)는 소정의 패턴으로 나란히 배열되어 회전자(113)에 형성될 수 있다. 또한, 도체(114)는 원통의 길이 방향으로 연장되는 바(bar)의 형상을 가질 수도 있다. 도체(114)는 금속 소재를 이용하여 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

회전자(113)는 고정자(111)에 대해 일정한 간격으로 이격되어 고정자(111)의 내부 공간(111s)에 설치될 수 있다. 이에 따라 고정자(111) 및 회전자(113) 사이에는 공극(119)이 형성된다. 공극(119)에는 고정자(111) 및 회전자(113)에 의해 공극 자속이 생성된다. 구체적으로, 고정자(111)에 설치된 권선(112)에 인가된 3상 전압 및/또는 전류에 의해 회전 자계가 발생되고, 발생된 회전 자계는 회전자(113)의 도체(114)에 전류를 유기하여 회전자(113)의 회전 자속을 발생시킨다. 고정자(111)의 회전 자속 및 회전자(113)의 회전 자속의 상관 관계에 따라 토크가 유도되고, 이와 같은 토크에 의하여 전동기(100)가 동작을 수행하게 된다.

측정부(160)는 고정자(111) 및 회전자(113) 사이의 공극 자속을 측정하고, 측정 결과에 대응하는 데이터(일례로 전기적 신호)를 생성하여 진단부(170)로 전달할 수 있다. 측정부(160)는 자속 센서를 이용하여 구현될 수 있다. 일 실시예에 의하면, 측정부(160)는 도 2a에 도시된 바와 같이 고정자(111) 및 회전자(113)의 사이에 설치될 수 있다.

측정부(160)는 다양한 형태(161, 162)로 구현될 수 있다. 제1 실시예에 의한 측정부(161)는 고정자(111)의 적어도 하나의 돌출부(111a)에 적어도 일 회 이상 권취되어 설치된 코일을 포함할 수 있으며, 공극 자속에 의해 코일에 유도되는 전류를 외부로 전달 및 출력함으로써 공극 자속에 대한 정보를 획득할 수 있다. 제2 실시예에 의한 측정부(162)는 고정자(111)의 적어도 하나의 돌출부(111a)의 적어도 일 면(일례로 내측 공간(111s) 방향으로 노출된 적어도 일 면)에 장착되어 설치된 자속 센서를 포함할 수도 있다. 제2 실시예의 측정부(162)는 자속을 감지하고 이에 대응하는 전기적 신호를 출력하여 공극 자속에 대한 정보를 획득할 수 있다. 여기서, 자속 센서는 홀 센서 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 실시예에 따라서, 고정자(111)에는 오직 제1 실시예의 측정부(161)만이 설치될 수도 있고, 오직 제2 실시예의 측정부(162)만이 설치될 수도 있으며, 또는 제1 실시예의 측정부(161) 및 제2 실시예의 측정부(162) 모두가 설치될 수도 있다. 또한, 도 2a에는 하나의 제1 실시예의 측정부(161) 및/또는 제2 실시예의 측정부(162)가 설치된 일례만을 도시하고 있으나, 실시예에 따라 둘 이상의 제1 실시예의 측정부(161) 및/또는 둘 이상의 제2 실시예의 측정부(162)가 고정자(111)에 설치되는 것도 가능하다. 뿐만 아니라, 측정부(160)는 설계자의 선택에 따라서 이들 외의 다양한 방법으로 고정자(111)에 설치 가능하다.

일 실시예에 의하면, 측정부(160)는 적어도 일 시점에 공극 자속을 측정할 수 있다. 적어도 일 시점은, 예를 들어, 유도 전동기(100)가 동작을 개시하고, 이에 따라 회전자(113)의 회전 주파수가 점진적으로 증가하는 기간 동안의 적어도 일 시점을 포함할 수 있다. 다시 말해서, 측정부(160)는 유도 전동기(100)의 기동 시에 공극 자속의 주파수를 측정할 수도 있다. 또한, 다른 예를 들어, 적어도 일 시점은 유도 전동기(100)의 회전자가 대체적으로 일정한 회전 주파수로 회전하는 동안의 적어도 일 시점을 포함할 수 있다. 다시 말해서, 측정부(160)는 유도 전동기(100)가 원하는 수준으로 동작하는 동안에 공극 자속의 주파수를 측정할 수도 있다. 실시예에 따라서, 측정부(160)는 유도 전동기(100)가 기동하는 동안 및 유도 전동기(100)가 원하는 수준으로 동작하는 동안 양 시점 모두에서 공극 자속의 주파수를 측정하는 것도 가능하다.

실시예에 따라, 측정부(160)는 고정자 외부의 누설 자속을 측정하고, 측정 결과에 대응하는 데이터(예컨대, 전기적 신호)를 생성하여 진단부(170)로 전달할 수도 있다. 일 실시예에 의하면, 측정부(160)는 도 2b 내지 도 2d에 도시된 바와 같이 고정자(111)의 외부, 전동기(100)의 외부(예컨대, 전동기(100)의 프레임 표면), 또는 고정자(111)와 전동기(100)의 사이에 설치될 수도 있다. 공극 자속을 측정하는 측정부(160)와 누설 자속을 측정하는 측정부(160)는 설치되는 위치 및/또는 측정하는 자속(공극 자속과 누설 자속)의 종류만 다를 뿐, 다양한 형태로 구현될 수 있으며 복수의 측정부(160)가 설치될 수 있다는 것은 동일하다. 또한, 측정부(160)는 복수 개로 구현되어 있어 공극 자속과 누설 자속을 모두 측정할 수도 있다.

진단부(170)는 측정부(160)로부터 수신된 전기적 신호(또는 전기적 신호로부터 도출된 주파수)를 기반으로 진단 동작을 수행할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 진단부(170)는 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수로부터 주파수 성분을 획득하는 주파수 성분 획득부(172)와, 획득한 주파수 성분을 분석하여 고장 발생 여부를 판단하고 및/또는 발생된 고장의 종류를 식별하는 주파수 성분 분석부(174)를 포함할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 주파수 성분 획득부(172)는 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수로부터 적어도 하나의 주파수 성분을 획득하도록 하되, 측정부(160)의 측정 시점에 따라 상이한 방법을 이용하여 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수 성분을 획득할 수도 있다.

예를 들어, 측정부(160)가 전동기(100)가 통상적으로 동작하는 기간 내의 적어도 하나의 시점(즉, 회전자(113)가 미리 정의된 범위 내에서 대략 일정하게 회동하는 기간 내의 적어도 하나의 시점)에서 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수를 측정한 경우라면, 푸리에 변환(Fourier transform)을 이용하여 측정된 주파수로부터 주파수 성분을 획득할 수 있다.

다른 예를 들어, 측정부(160)가 전동기(100)가 기동하는 기간 내의 적어도 하나의 시점(즉, 회전자(113)의 회전 속도가 증가하고 있는 기간 내의 적어도 하나의 시점)에서 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수를 측정하였다면, 시간 주파수 분석(time-frequency analysis)을 이용하여 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수로부터 주파수 성분을 획득할 수도 있다. 여기서, 시간 주파수 분석은 주파수 성분이 변화하는 비정상 상황(non-stationary condition)에서 주파수 성분 분석을 수행할 수 있는 단기 푸리에 변환(short term Fourier transform) 등의 방법을 이용하여 구현될 수 있다. 이에 대해선 후술한다.

주파수 성분 획득부(172)가 획득한 적어도 하나의 주파수 성분에 대한 정보는 주파수 성분 분석부(174)로 전달된다.

도 3은 진단부의 편심 판단 과정의 일례를 설명하기 위한 그래프 도면으로 편심이 발생한 경우에서의 주파수 스펙트럼을 도시한 것이고, 도 4는 진단부의 회전자 파손 판단 과정의 일례를 설명하기 위한 그래프 도면으로 회전자 도체에 파손이 발생된 경우에서의 주파수 스펙트럼을 도시한 것이다. 도 3 및 도 4의 주파수 스펙트럼은 모두 극쌍수(p)가 2인 4극 전동기에서 공극으로 인한 주파수 변조(fr)가 29Hz인 경우에서 획득된 것이다.

주파수 성분 분석부(171)는 적어도 하나의 주파수 성분을 수신하고, 수신한 주파수 성분 중 적어도 둘의 값을 이용하여 전동기 고장의 발생 여부 및 고장의 종류를 식별할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 주파수 성분 분석부(171)는 회전 자계의 주파수(fs)에 대응하는 성분 이외의 주파수 성분(fs+kfr, k는 0, 양의 정수 또는 음의 정수)의 존재 여부를 기반으로 고장의 발생 여부를 판단하거나, 및/또는 회전 자계의 주파수(fs)에 대응하는 성분 이외의 주파수 성분(fs+kfr) 중 적어도 하나의 값이 소정의 값과 동일하거나 또는 이 값을 초과하는지 여부를 기반으로 고장의 발생 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 주파수 성분 분석부(171)는 자계의 주파수(fs)에 대응하는 성분 이외의 주파수 성분(fs+kfr)이 존재하거나 주파수 성분(fs+kfr)이 미리 정의된 값보다 크면 고장이 존재한다고 판단할 수 있다.

다른 실시예에 의하면, 주파수 성분 분석부(171)는 획득한 주파수 성분(fs+kfr)의 차이를 기반으로 고장의 종류를 식별할 수도 있다. 구체적으로 주파수 성분 분석부(171)는 회전 자계의 주파수(fs)에 대응하는 성분 이외의 다른 주파수 성분(fs+kfr) 중에서 적어도 두 개의 주파수 성분(예를 들어, fs+fr 및 fs+2fr 등)을 선택하고, 선택한 주파수 성분(fs+fr 및 fs+2fr)을 상호 비교한 후, 비교 결과에 따라 고장의 종류를 결정하여 식별할 수 있다. 상호 비교는 선택한 주파수 성분(fs+fr 및 fs+2fr)의 크기 비율을 의미할 수도 있다. 즉, 크기의 비율과 미리 정해진 값을 비교함으로써 고장 여부 및/또는 고장 종류를 결정할 수 있다. 일 예로, fs+fr의 주파수 성분의 크기와 fs+2fr의 주파수 성분의 크기가 미리 정해진 값 이상이면 편심 고장으로 판단하고, 미리 정해진 값 이하이면 회전자 고장으로 판단할 수 있다. 또한, 고장의 종류는 편심(동적 편심 및 정적 편심 중 적어도 하나를 포함 가능하다) 및/또는 회전자(113)에 설치된 적어도 하나의 도체(114)의 파손 여부(회전자 개방이나 회전자 바의 개방 등으로 표현 가능하다)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

이하, 도 3을 참조하여 편심이 발생된 경우에서 전동기가 통상적으로 동작하는 동안에 획득 가능한 주파수 성분의 경향에 대해 설명하도록 한다.

도 1에 도시된 바를 참조하면, 정상적인 상황에서 회전자(113)는 제2 축(a2)을 중심으로 회동하며, 이 경우 회전자(113)의 제2 축(a2)은 고정자(113)의 제1 축(a1)과 대체적으로 일치하게 된다. 그러나, 만약 회전자(113)에 편심이 발생하게 되면, 제1 축(a1)과 제2 축(a2)이 서로 일치하지 않게 된다.

예를 들어, 정적 편심이 발생하면, 회전자(113)의 제2 축(a2)은 제1 축(a1)으로부터 이탈되고, 회전자(113)는 이탈된 제2 축(a2)을 중심으로 회전하게 된다. 다시 말해서, 회전자(113)는 제1 축(a1)을 중심으로 회동하지 않게 된다. 이 경우, 회전자(113)와 고정자(111) 사이의 공극(119) 중 가장 작은 공극(즉, 회전자(113)와 고정자(111) 사이의 거리가 가장 짧은 공극, 이하 최소 공극)은 전동기(100)의 동작 시마다 대략 일정한 위치에 위치하게 된다.

다른 예를 들어, 동적 편심이 발생하면, 회전자(113)의 중심축인 제2 축(a2)은 제1 축(a1)으로부터 이탈되되, 회전자(113)는 고정자(111)의 중심축인 제1 축(a1)을 중심으로 회전하게 된다. 다시 말해서, 회전자(113)는 제2 축(a2)을 중심으로 회전하지 않는다. 이 경우에는 회전자(113)와 고정자(111) 사이의 공극(119) 중 최소 공극은 회전자(113)의 회동에 따라 회전 이동하게 된다. 구체적으로 회전자(113)가 회전할 때 최소 공극은 회전 속도(fn)에 따라 회전하면서 그 위치가 변화하게 된다. 동적 편심의 경우, 고정자(111)에 설치되어 그 위치가 고정되어 있는 측정부(160)는, 하기의 수학식 1에 기재된 바와 같은 주파수(frf)의 자속을 측정하게 된다.

[수학식 1]

여기서, k는 양의 정수이고, fs는 회전 자계의 회전 주파수이며, fr은 공극으로 인한 주파수 변조이다. p는 극쌍수이며, s는 슬립(이론적 속도에 대한 이론적 속도와 실제 속도의 차이)을 나타낸다.

최소 공극은 대체적으로 정현적으로 변화하기 때문에 수학식 1과 같이 fr과 같은 주파수 변조를 유도한다. 이 경우, 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수 스펙트럼은, 도 3에 도시된 바와 같이, 대체적으로 k=1에서의 주파수 성분이 지배적으로 나타나게 된다. 즉, fs+fr 성분 또는 fs-fr 성분이 상대적으로 더 큰 값을 갖는다. k가 증가함에 따라서 주파수 성분의 세기는 점차적으로 감소하되, 어느 정도 급격하게 감소하게 된다. 즉, fs±2fr 성분은 fs±fr 성분과 비교해 상대적으로 상당히 작은 세기를 가지고, fs±3fr 성분은 fs±2fr 성분과 비교해 상대적으로 상당히 작은 세기를 갖게 된다(즉, fs±2fr 성분 및 fs±3fr 성분의 차이가 상대적으로 크다). 동일하게 fs±4fr 성분의 세기는 fs±3fr 성분의 세기에 비해 매우 작게 측정된다.

이하, 도 4를 참조하여 회전자의 도체에 파손이 발생된 경우에 전동기가 통상적으로 동작하는 동안에 획득 가능한 주파수 성분의 경향에 대해 설명하도록 한다.

만약 도체(114)가 파손된 경우(회전자 개방이나 회전자 바의 개방 등으로 표현 가능하다), 공극(일례로, 최소 공극의 위치)은 대체적으로 일정하나 파손된 도체(114)에는 전류가 흐르지 않는다(즉, 개방된 바에는 전류의 흐름이 생성되지 않는다). 정상적인 상황에서는 도체(114)에는 전류가 정현적으로 분포하며, 이에 대응하여 전동기(100)의 자속 분포도 정현적으로 생성된다. 그러나, 도체(114)가 파손된 경우에는, 파손된 도체(114)에 전류가 정상적으로 흐르지 않게 되고, 이에 따라 파손된 도체(114)에 대응하는 지점에서의 자속 분포는 급격히 감소 변화하게 된다. 다시 말해서, 전류의 급속한 감소에 대응하여 자속의 급격한 국부적 감소가 발생하게 된다. 회전자(113)가 회전할 때마다 자속이 감소된 지점도 회전하게 되고, 측정부(160)에 주기적으로 도달하게 되고, 측정부(160)에 의해 측정된다. 이에 따라 측정부(160)는 정상적인 상황과는 상이한 공극의 자속 주파수 및/또는 누설 자속의 주파수를 획득 및 출력하게 된다. 이 경우, 측정부(160)가 측정하는 자속의 주파수(fbrb)는 하기의 수학식 2와 같이 주어질 수 있다.

[수학식 2]

여기서 k는 양의 정수이고, k2는 홀수로 주파수 내에 공극 자속 및/또는 누설 자속의 고조파에 의한 성분이 크게 나타나 홀수 고조파를 기준으로 fr의 배수 성분들이 유기되는 것을 나타내기 위해 도입된 것이다. fs는 회전 자계에 대응하는 주파수 성분이고, fr은 급격하게 감소하는 전류로 인한 주파수 변조이다. p는 극쌍수이며, s는 슬립을 나타낸다.

이 경우, 도 4에 도시된 바를 참조하면, 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수 스펙트럼은 k=1인 성분이 가장 우세하나, k가 증가함에도 주파수 성분의 세기가 거의 변화하지 않거나 상대적으로 작게 감소하게 된다. 즉, fs±fr 성분, fs±2fr 성분, fs±3fr 성분 및 fs±4fr 성분의 세기는 거의 동일하거나, 대체적으로 근사하거나 및/또는 차이가 미리 정의된 값보다 작게 된다. 다시 말해서, fs±2fr 성분은 fs±fr 성분과 비교해 상대적으로 그 세기가 작되, 이들 fs±fr 성분 및 fs±2fr 성분 간의 차이는 상대적으로 작다. 동일하게 fs±3fr 성분 역시 fs±2fr 성분과 비교하여 상대적으로 그 세기가 작되, fs±2fr 성분의 세기 및 fs±3fr 성분의 세기의 차이는 상대적으로 작게 된다. fs±3fr 성분 및 fs±4fr 성분 역시 동일하다. 한편, fs±fr 성분, fs±2fr 성분, fs±3fr 성분 및 fs±4fr 성분 중 적어도 하나의 성분의 세기와 회전 자계의 주파수에 대응하는 성분(fs 성분)의 세기의 차이는 상대적으로 클 수 있다.

도 3 및 도 4를 통해 설명한 바와 같이, 고장의 종류에 따라서 상이한 주파수 성분(fs±kfr)이 획득될 수 있다. 구체적으로, 회전 자계의 주파수에 대응하는 성분(fs)이나 k=1인 주파수 성분(fs±fr) 이외의 다른 주파수 성분(즉, k가 2 이상인 주파수 성분, fs±2fr, fs±2fr 및 fs±2fr)은 고장의 종류에 따라 상이한 형태로 나타나게 된다. 그러므로, k값에 따른 주파수 성분(fs±kfr)의 변화 양상을 확인하면, 전동기(100)에 발생된 고장의 종류를 식별할 수 있게 된다. 주파수 성분 분석부(174)는, 이와 같은 점을 이용하여 고장의 종류를 식별하도록 설계된 것일 수 있다.

일 실시예에 의하면, 주파수 성분 분석부(174)는 주파수 성분 획득부(172)가 획득한 적어도 하나의 주파수 성분 중에서 적어도 두 개의 주파수 성분(fs±kfr)을 선택하고, 선택한 주파수 성분(fs±kfr)을 상호 비교한 후 비교 결과를 기반으로 고장의 종류를 식별할 수 있다. 보다 구체적으로 예를 들어, 주파수 성분 분석부(174)는, 주파수 성분(fs±kfr)의 상호 비교 결과, 주파수 성분(fs±kfr)의 세기가 미리 정의된 값보다 작으면(즉, 거의 동일하거나 또는 근사하면), 회전자(113)의 도체(114)가 파손된 것으로 판단할 수 있다. 반대로 주파수 성분(fs±kfr)의 세기가 미리 정의된 값보다 크면(즉, 주파수 성분(fs±kfr) 간의 차이가 크면), 주파수 성분 분석부(174)는, 편심(일례로, 동적 편심)이 발생한 것으로 판단할 수 있다. 여기서 미리 정의된 값은 이론적 또는 실험적으로 획득된 것일 수 있으며, 실시예에 따라 설계자 및/또는 사용자에 의해 선택되거나 변경된 것일 수 있다. 또한, 선택되는 주파수 성분(fs±kfr)은 회전 자계의 주파수 성분(fs) 이외의 다른 주파수 성분(fs±kfr, k는 0이 아닌 자연수) 중 적어도 둘을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 선택되는 주파수 성분은 k=1인 주파수 성분(fs±fr) 및 k=2인 주파수 성분(fs±2fr)일 수도 있고, 또는 k=2인 주파수 성분(fs±2fr) 및 k=4인 주파수 성분(fs±4fr)일 수도 있다. 이외에도 다양한 경우의 수에 따라 적어도 두 개의 주파수 성분(fs±kfr)이 비교 대상으로 선택 가능하다. 설계자의 선택에 따라서, 오직 회전 자계의 주파수 성분(fs) 이외의 다른 주파수 성분(fs±kfr, k는 0이 아닌 자연수)만을 선택하도록, 주파수 성분 분석부(174)는 전달받은 데이터 중 일정 세기 이상의 주파수 성분(예를 들어, 회전 자계의 주파수 성분(fs)과 같이 세기가 최대인 주파수 성분)에 대한 데이터를 사전에 제거하도록 설정될 수도 있고, 및/또는 일정 세기의 이하의 주파수 성분을 검출한 후, 검출된 주파수 성분 중에서 비교 대상이 되는 적어도 두 개의 주파수 성분을 검출하도록 설계될 수도 있다.

필요에 따라 주파수 성분 분석부(174)는 적어도 두 개의 주파수 성분(fs±kfr)의 선택 및 비교를 다수 회수로 수행할 수도 있다. 예를 들어, 주파수 성분 분석부(171)는 두 개의 주파수 성분(fs±kfr)을 검출하여 비교한 후, 다시 두 개의 주파수 성분(fs±kfr)을 검출하여 비교할 수도 있다. 이 경우, 실시예에 따라 검출된 주파수 성분(fs±kfr) 중 일부는 선행하여 검출된 주파수 성분(fs±kfr)과 중복될 수도 있다. 이와 같이 2회에 걸쳐 주파수 성분(fs±kfr)을 분석하는 경우, 회전 자계의 주파수 성분(fs)과 k=1인 주파수 성분(fs±fr)의 검출에 따라 고장 종류의 식별이 어려워지는 것을 방지할 수 있다.

이와 같이 주파수 성분 분석부(174)는 회전 자계의 주파수에 대응하는 성분(fs) 이외의 주파수 성분(fs±kfr, k는 0이 아닌 정수)에 대한 정보를 기반으로 회전자(113)의 편심이나 바 개방과 같은 고장의 종류를 식별하게 된다.

도 5는 전동기 기동 중의 슬립의 변화의 일례를 도시한 그래프 도면이다.

상술한 바와 같이 측정부(160)는 전동기(100)가 기동하는 동안(즉, 회전자(113)의 주파수가 증가하는 동안)에 공극 자속 및/또는 누설 자속에 대한 주파수를 측정할 수 있으며, 주파수 성분 획득부(172)는 시간 주파수 분석 등의 방법을 이용하여 주파수 성분을 획득하게 된다. 보다 구체적으로 도 5에 도시된 바를 참조하면, 전동기(100)의 슬립(s)은, 전동기(100)의 동작이 개시된 이후, 1에서부터 0 또는 0의 근사값까지 감소하게 된다. 이 경우, 상술한 주파수 변조(fr)는, 슬립(s)의 변화와는 반대 방향으로, 점차로 증가하여 변화하게 된다(수학식 1 및 수학식 2 참조). 따라서, 측정부(160)는 전동기(100)의 속도(즉, 회전자(113)의 회전 속도) 변화에 대응하여, 변화하는 주파수, 예를 들어, 편심에 따라 변조된 주파수(frf) 및 도체(114) 고장에 따라 변조된 주파수(fbrb)를 측정하게 된다. 그러므로, 이 경우엔 푸리에 변환 대신에 시간 주파수 분석 방법을 적용하여 주파수 성분을 추출하게 된다.

도 6은 전동기 기동 중에 편심 여부를 판단하는 과정의 일례를 설명하기 위한 그래프 도면이고, 도 7은 편심 존재 시 전동기 기동 중에 획득한 주파수에 대응하는 주파수 스펙트럼을 도시한 것이다.

도 6 및 도 7에 도시된 바를 참조하면, 만약 회전자(113)의 편심(예를 들어, 정적 편심 또는 동적 편심)이 존재한다면, 전동기(100)가 기동하는 동안에 측정된 공극 자속 주파수 및/또는 누설 자속 주파수에 대해 단기 푸리에 변환을 적용하여 획득한 주파수 스펙트럼 내에는 회전 자계에 대응하는 주파수 성분(fs)과 k=1에서의 주파수 성분(fs±fr)은 상대적으로 우세하게 나타나나 k=2 이상의 성분은 상대적으로 약하게 나타나게 된다. 특히 k가 3보다 큰 성분은 매우 작게 나타난다. 다시 말해서, 도 3에서 설명한 바와 동일하게 k값의 증가에 대응하여 주파수 성분의 감쇠가 상대적으로 급격하게 나타난다. 즉, fs±3fr 성분이나 fs±4fr 성분은, fs±fr 성분이나 fs±2fr 성분에 대해 매우 작게 나타난다.

도 8은 전동기 기동 중에 회전자 파손 여부를 판단하는 과정의 일례를 설명하기 위한 그래프 도면이고, 도 9는 회전자 파손 존재 시 전동기 기동 중에 획득한 주파수에 대응하는 주파수 스펙트럼을 도시한 것이다.

반대로, 도 8 및 도 9에 도시된 바를 참조하면, 만약 회전자(113)에 파손이 발생한 경우라면, 전동기(100)가 기동하는 동안에 측정된 공극 자속 주파수 및/또는 누설 자속 주파수를 단기 푸리에 변환하여 획득한 주파수 스펙트럼 내에는 대부분의 주파수 성분(fs±kfr)이 상대적으로 뚜렷하게 나타나게 된다. 즉, k=0일 때의 주파수 성분(fs, 즉, 회전 자계에 대응하는 주파수 성분)이나 k=1일 때의 주파수 성분(fs±fr) 외에도 다른 주파수 성분(fs±kfr) 역시 스펙트럼 내에서 명확하게 드러난다. 다시 말해서, 도 4에서 설명한 바와 같이 k값이 증가하더라도 주파수 성분(fs±kfr)은 거의 감쇠하지 않거나 상대적으로 적게 감쇠하게 된다.

도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 전동기(100)가 기동하는 동안에서도 전동기(100) 내에 발생된 고장의 종류(즉, 회전자의 파손이나 편심 등)에 따라서 상이한 주파수 성분(fs±kfr)이 획득될 수 있으며, 이와 같은 주파수 성분(fs±kfr)의 차이를 기반으로 주파수 성분 분석부(174)는 고장의 종류를 결정 및 식별할 수 있게 된다. 전동기(100)가 기동하는 동안에 획득된 주파수를 기반으로 고장을 진단하는 경우에도, 주파수 성분 분석부(174)는 상술한 바와 동일하거나 또는 일부 변형된 방법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 주파수 성분 분석부(174)는 적어도 하나의 주파수 성분 중에서 적어도 두 개의 주파수 성분(fs±kfr) 또는 이에 대응하는 구역을 선택하고, 선택한 적어도 두 개의 주파수 성분(fs±kfr) 또는 이에 대응하는 구역을 상호 비교한 후 비교 결과를 기반으로 고장의 종류를 식별할 수도 있다. 이 경우, 주파수 성분 분석부(174)는, 적어도 두 개의 주파수 성분(fs±kfr) 또는 이에 대응하는 구역의 차이가 상대적으로 작으면 회전자(113)의 도체(114)가 파손된 것으로 판단하고, 반대로 적어도 두 개의 주파수 성분(fs±kfr) 또는 이에 대응하는 구역의 차이가 상대적으로 크면 정적 편심 또는 동적 편심이 발생한 것으로 판단하도록 설계될 수도 있다. 실시예에 따라서, 주파수 성분 분석부(174)는 도 7 및 도 9 각각에 대응하는 스펙트럼 정보를 미리 저장하고, 주파수 성분 분석 시에 획득한 주파수 스펙트럼을 미리 저장된 스펙트럼 정보와 비교하여 고장의 종류를 식별할 수도 있다. 이 경우, 학습 알고리즘을 채용하는 것도 가능하다.

이와 같이 전동기(100)가 기동하는 동안에 상대적으로 높은 기동 전류가 전동기(100)에 인가되므로, 이 시기에 공극 자속 및/또는 누설 자속을 분석하는 것은 진단의 민감도를 상대적으로 향상시킬 수 있다.

상술한 진단부(170)는 하나 또는 둘 이상의 프로세서를 이용하여 구현 가능하다. 여기서, 프로세서는 중앙 처리 장치(CPU, Central Processing Unit), 마이크로 컨트롤러 유닛(MCU, Micro Controller Unit), 마이컴(Micom, Micro Processor), 애플리케이션 프로세서(AP, Application Processor), 전자 제어 유닛(ECU, Electronic Controlling Unit) 및/또는 각종 연산 처리 및 제어 신호의 생성이 가능한 다른 전자 장치 등을 포함할 수 있다. 이들 장치는 예를 들어 하나 또는 둘 이상의 반도체 칩 및 관련 부품을 이용하여 구현 가능하다.

진단부(170)는 저장부(180)에 저장된 애플리케이션(앱, 소프트웨어 또는 프로그램 등으로 지칭 가능하다)을 구동시켜, 상술한 진단 동작 및/또는 이와 관련된 적어도 하나의 동작(연산 처리나 제어 등) 등을 수행할 수도 있다. 여기서, 저장부(180)에 저장된 애플리케이션은 설계자에 의해 직접 작성된 것일 수도 있고, 외부의 저장 매체로부터 전달된 것일 수도 있으며, 및/또는 유 무선 통신 네트워크를 통해 접속 가능한 전자 소프트웨어 유통망을 통하여 획득 또는 갱신된 것일 수도 있다.

전동기(100)는 저장부(180) 및 입출력부(182) 중 적어도 하나를 더 포함할 수도 있다.

저장부(180)는 적어도 하나의 데이터 및/또는 애플리케이션 등을 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부(180)는 측정부(160), 진단부(170) 및/또는 입출력부(182)의 동작에 필요한 데이터 및/또는 애플리케이션을 저장하고, 호출에 따라서 필요한 정보나 애플리케이션을 이들에게 제공할 수 있다. 또한, 저장부(180)는 진단부(170)의 진단 결과도 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부(180)는 전동기(100)의 고장 발생 여부에 대한 정보를 저장할 수도 있고, 및/또는 전동기(100)에 발생된 고장의 종류(예를 들어, 편심 또는 도체(114)의 파손 여부 등)에 대한 정보를 저장할 수도 있다. 저장부(180)는 주기억장치 및 보조기억장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 주기억장치는 롬(ROM) 및/또는 램(RAM)과 같은 반도체 저장 매체를 이용하여 구현된 것일 수 있다. 롬은 통상적인 롬, 이프롬(EPROM), 이이프롬(EEPROM) 및/또는 마스크롬(MASK-ROM) 등을 포함할 수 있다. 램은 디램(DRAM) 및/또는 에스램(SRAM) 등을 포함할 수 있다. 보조기억장치는 플래시 메모리 장치, SD(Secure Digital) 카드, 솔리드 스테이트 드라이브(SSD, Solid State Drive), 하드 디스크 드라이브(HDD, Hard Disc Drive), 광 기록 매체(optical media, 컴팩트 디스크(CD), 디브이디(DVD) 또는 레이저 디스크 등), 자기 테이프, 자기 드럼, 광자기 디스크 및/또는 플로피 디스크 등과 같이 데이터를 영구적 또는 반영구적으로 저장 가능한 적어도 하나의 저장 매체를 이용하여 구현될 수 있다.

입출력부(182)는 사용자나 외부 장치와의 인터페이스 기능을 수행할 수 있다. 입출력부(182)는 사용자 등으로부터 전동기(100)의 동작에 관한 적어도 하나의 지시, 명령 및/또는 데이터 등을 수신하기 위한 입력부(184)와, 적어도 하나의 데이터 등을 시각적 또는 청각적으로 외부로 출력하거나 다른 장치로 전달할 수 있는 출력부(186)를 포함할 수 있다.

입력부(184)는 전동기(100)의 동작에 필요한 적어도 하나의 데이터, 전동기(100)의 동작 개시 또는 중단에 대한 요청, 진단 개시 요청, 진단 중단 요청 및/또는 진단 결과 출력 요청 등 다양한 요청을 수신하고, 수신한 요청을 측정부(160), 진단부(170) 또는 제어부(미도시) 등에 전달할 수 있다. 입력부(184)는 키보드, 마우스, 터치스크린, 터치센서, 스틱형 조작 장치, 노브, 트랙볼, 트랙패드 및/또는 범용 직렬 버스(USB) 등과 같은 데이터 입출력 단자 등을 이용하여 구현 가능하다.

출력부(186)는 측정부(160)의 측정 결과, 진단부(170)의 판단 결과 및/또는 저장부(180)에 저장된 적어도 하나의 데이터 등을 사용자의 요청에 따라 또는 사용자의 요청과 무관하게 외부로 출력할 수 있다. 출력부(186)는 복수의 정보(예를 들어, 고장 발생 여부 및 고장의 종류 등)를 동시에 또는 순차적으로 출력할 수 있다. 출력부(186)는 디스플레이, 스피커 장치, 프린터 장치 및/또는 데이터 입출력 단자 등을 이용하여 구현될 수 있다.

실시예에 따라서, 전동기(100)는 진단부(170) 이외에도 전동기(100)의 동작을 제어하기 위한 제어부(미도시)를 더 포함하는 것도 가능하다. 예를 들어, 제어부는 전원(99)과 권선(112)을 연결시키거나 또는 전원(99)과 권선(112) 사이의 연결을 차단시킴으로써 회전자(113)가 회동하거나 또는 회동하지 않도록 할 수도 있다. 물론 설계자의 임의적 선택에 따라서, 진단부(170)로 동작하는 적어도 하나의 프로세서가 제어부의 기능을 더 수행하는 것도 가능하다.

이하, 도 10을 참조하여 고장 진단 장치의 일 실시예에 대해 설명한다.

도 10은 고장 진단 장치의 일 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

도 10에 도시된 바와 의하면 고장 진단 시스템(200)은 유도 전동기(210), 유도 전동기(210)의 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수를 측정하여 측정 결과(측정 결과에 대응하는 전기적 신호를 포함할 수 있다)를 획득하는 측정부(220), 및 측정부(220)로부터 전달된 측정 결과를 기반으로 유도 전동기(210)의 고장 발생 여부를 진단하고 및/또는 유도 전동기(210)에 발생한 고장의 종류를 판단할 수 있는 고장 진단 장치(230)를 포함할 수 있다.

유도 전동기(210)는, 도 1 및 도 2a를 참조하여 설명한 바와 동일하게 고정자(111), 고정자(111)에 설치되고 전원(99)으로부터 전류를 공급받는 권선(112), 권선(112)에 인가된 전압에 따라서 회동 가능한 회전자(113) 등을 포함할 수 있다. 고정자(111) 및 회전자(113) 사이에는 공극(119)이 형성되며, 공극(119)에는 공극 자속이 생성되고, 고정자(111)의 외부 또는 유도 전동기(210)의 외부에는 누설 자속이 생성된다.

측정부(220)는 측정한 공극 자속 및/또는 누설 자속에 대한 측정 결과(일례로, 공극 자속의 주파수 및/또는 누설 자속의 주파수)를 고장 진단 장치(230)로 전송할 수 있다. 측정부(220)는 공극 자속의 주파수를 적절히 측정하기 위해 고정자(111) 및 회전자(113)의 사이에 설치될 수 있으며, 보다 구체적으로는 고정자(111)의 적어도 하나의 돌출부(111a)에 적어도 일 회 이상 감겨 설치될 수도 있고 및/또는 적어도 하나의 돌출부(111a)의 적어도 일 면(일례로 내측 공간(111s) 방향으로 노출된 적어도 일 면)에 장착되어 설치될 수도 있다. 또한, 측정부(220)는 누설 자속의 주파수를 적절히 측정하기 위해 고정자(111)의 외부, 유도 전동기(210)의 외부 등에 설치될 수도 있다. 측정부(220)는 이외에도 다양한 방법으로 전동기(210)에 설치될 수 있다. 실시예에 따라서, 측정부(220)는 유도 전동기(210)가 기동하는 동안(즉 회전자(113)의 회전 주파수가 증가하는 동안)에 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수를 측정할 수도 있고, 및/또는 유도 전동기(210)의 회전자가 대체적으로 일정한 회전 주파수로 회전하는 동안에 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수를 측정할 수도 있다.

측정부(220)는 고장 진단 장치(230)와 통신 가능하게 연결되어 있을 수 있다. 예를 들어, 유선으로 직접 고장 진단 장치(230)와 통신 가능하게 연결되어 있을 수도 있으며, 보다 구체적으로 예를 들어, 측정부(220)와 연결된 케이블이 연장되어 고장 진단 장치(230)와 직접 연결됨으로써 측정부(220)와 고장 진단 장치(230)가 통신 가능하게 연결되어 있을 수도 있다. 다른 예로, 측정부(230)는 유선 통신 네트워크, 무선 통신 네트워크 또는 이들의 조합을 기반으로 고장 진단 장치(230)와 통신을 수행할 수도 있다. 보다 구체적으로, 측정부(230)에는 케이블이 연결되고, 케이블은 통신 장치와 연결되며, 통신 장치는 고장 진단 장치(230)와의 통신을 수행함으로써 측정부(230)가 획득한 데이터가 고장 진단 장치(230)로 전달되도록 할 수도 있다. 여기서, 유선 통신 네트워크는 페어 케이블, 동축 케이블, 광섬유 케이블 또는 이더넷 케이블 등을 이용하여 구현된 것일 수 있다. 무선 통신 네트워크는 근거리 통신 네트워크 및 원거리 통신 네트워크 중 적어도 하나를 이용하여 구현된 것일 수 있으며, 근거리 통신 네트워크는 와이 파이(Wi-Fi), 지그비(zigbee), 블루투스(Bluetooth), 와이파이 다이렉트(Wi-Fi Direct), 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy), 캔(CAN) 통신 또는 엔에프씨(NFC, Near Field Communication) 등을 이용하여 구현된 것일 수 있다. 원거리 통신 네트워크는 3GPP, 3GPP2 또는 와이맥스 계열 등의 이동 통신 표준을 기반으로 구현된 이동 통신 네트워크를 포함할 수 있다. 또한, 통신 장치는 통신을 수행할 수 있도록 특별히 설계된 적어도 하나의 전자 장치를 포함할 수도 있고, 또는 종래 공개된 데스크톱 컴퓨터, 서버 장치 또는 스마트 폰 등의 단말 장치를 포함할 수도 있다.

고장 진단 장치(230)는 측정부(220)의 측정 결과, 즉 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수에 대한 데이터를 수신하고 이를 기반으로 고장 여부를 진단할 수 있다.

일 실시예에 의하면, 고장 진단 장치(230)는 데이터 획득부(232)와 프로세서(234)를 포함할 수 있으며, 필요에 따라서, 저장부(236) 및/또는 입출력부(238) 등을 더 포함할 수도 있다.

데이터 획득부(232)는 측정 결과를 획득하고, 획득한 데이터를 프로세서(234)로 전달할 수 있다. 데이터 획득부(233)는 유무선 통신네트워크에 연결되어 측정부(220)가 전달한 데이터를 직접 또는 간접적으로 수신할 수 있다. 이 경우, 데이터 획득부(233)는 유선 통신 모듈 또는 무선 통신 모듈 등을 이용하여 구현될 수 있다.

프로세서(234)는 고장 발생 여부를 진단하거나 및/또는 발생된 고장의 종류를 식별할 수 있도록 마련된다. 프로세서(234)는 측정부(220)로부터 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수를 수신하고, 수신한 공극 자속의 주파수 및/또는 누설 자속의 주파수로부터 적어도 하나의 주파수 성분을 검출하여 획득하고, 획득한 주파수 성분을 기반으로 고장 여부의 진단 또는 발생된 고장의 식별을 수행할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(234)는 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수로부터 회전 자계의 주파수에 대응하는 주파수 성분 이외의 다른 주파수 성분(일례로 상술한 제1 내지 제8 주파수 성분 또는 제11 내지 제18 주파수 성분 등)이 검출되면 고장이 발생한 것으로 진단하거나, 및/또는 회전 자계의 주파수에 대응하는 주파수 성분 이외의 다른 주파수 성분 중 적어도 두 개의 주파수 성분(일례로 제1 및 제2 주파수 성분 또는 제11 및 제12 주파수 성분)을 상호 비교하고 적어도 두 개의 주파수 성분이 상당히 상이하면 편심이 발생한 것으로 결정 및 진단하고, 이와 반대로 적어도 두 개의 주파수 성분이 서로 동일하거나 근사하면 회전자(113) 파손이 발생한 것으로 결정 및 진단할 수도 있다.

또한, 프로세서(234)는 공극 자속 주파수 및/또는 누설 자속 주파수의 측정 시점에 따라서 다양한 방법으로 주파수 성분을 검출 수도 있다. 예를 들어, 공극 자속 주파수 및/또는 누설 자속 주파수가 회전자(113)의 회전 주파수가 증가하는 시점에 획득된 경우에는 시간 주파수 분석 방법을 이용하여 주파수 성분을 획득하고, 및/또는 공극 자속 주파수 및/또는 누설 자속 주파수가 회전자(113)의 회전 주파수가 대략 일정한 시점에 획득된 경우에는 푸리에 급수를 이용하여 주파수 성분을 획득할 수도 있다.

실시예에 따라서, 프로세서(234)는 고장 진단 장치(230)의 대체적인 동작을 제어하거나 또는 이의 동작에 필요한 각종 연산 처리를 수행할 수도 있다. 프로세서(234)는 저장부(236)에 저장된 애플리케이션을 구동시켜, 미리 정의된 연산, 판단, 처리 및/또는 제어 동작 등을 수행할 수도 있다.

프로세서(234)는, 상술한 진단부(170)와 동일 또는 유사하게, 하나 또는 둘 이상의 중앙 처리 장치나 애플리케이션 프로세서 등의 전자 장치를 이용하여 구현될 수 있으며, 이들 전자 장치는 하나 또는 둘 이상의 반도체 칩 등을 이용하여 제작된 것일 수 있다.

저장부(236)는 프로세서(234) 등의 동작에 필요한 데이터, 프로세서(234)의 판단 결과 및/또는 애플리케이션 등을 일시적으로 또는 비일시적으로 저장할 수 있다. 저장부(236)는, 상술한 바와 같이 주기억장치 또는 보조기억장치 등을 이용하여 구현 가능하다.

입출력부(238)는 프로세서(234)의 판단 결과를 외부로 출력하거나 사용자 등으로부터 고장 진단 장치(230)의 동작에 관한 지시, 명령 또는 데이터 등을 입력 받을 수 있다. 예를 들어, 입출력부(238)는 고장의 발생 여부 및/또는 식별된 고장의 종류를 시각적 또는 청각적으로 출력할 수 있다. 이 경우, 입출력부(238)는 고장의 발생 여부 및 고장의 종류를 동시에 또는 순차적으로 출력할 수도 있다. 또한, 입출력부(238)는 고장 진단 요청이나 진단 결과 출력 등과 같은 지시를 수신할 수도 있고, 고장 진단에 필요한 각종 설정이나 기준 값 등을 수신할 수도 있다. 입출력부(238)는 키보드, 마우스, 터치스크린, 터치센서 및/또는 트랙볼 등의 입력부와, 디스플레이 및/또는 스피커 장치 등과 같은 출력부를 포함할 수 있다.

고장 진단 장치(230)는 유도 전동기(210)의 고장을 측정하기 위해 특별히 설계된 전자 장치 또는 기계 장치일 수도 있고, 또는 종래 공지된 전자 장치 등일 수도 있다. 여기서, 전자 장치는 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 스마트 폰, 태블릿 피씨, 두부 장착형 디스플레이(HMD, Head Mounted Display) 장치, 스마트 시계, 내비게이션 장치, 개인용 디지털 보조기(PDA, Personal Digital Assistant), 휴대용 게임기, 디지털 텔레비전, 셋톱 박스, 음향 재생 장치 또는 이외 부호의 입력 및 수정이 가능한 다양한 장치 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

이하, 도 11을 참조하여 고장 진단 방법의 일 실시예에 대해 설명한다.

도 11은 고장 진단 방법의 일 실시예에 대한 흐름도이다.

도 11에 도시된 바에 의하면, 고정자 및 고정자 내측에 회동하게 마련된 회전자를 포함하는 전동기에서 고정자에 설치된 권선에 소정의 전압/전류가 인가될 수 있다(300). 이 경우, 인가되는 전압 및/또는 전류는 3상 전압 및/또는 전류를 포함할 수 있다.

전압 및/또는 전류의 인가에 따라서 생성된 고정자 자속 및 회전자의 도체에서 발생된 회전자 자속에 의해 토크가 유도되고 토크의 유도에 따라 회전자는 회동을 개시하게 된다(302). 이에 따라 전동기는 기동하게 된다. 회전자의 회동 속도는 소정의 속도까지 계속해서 증가한다. 필요에 따라서, 전동기의 기동 시점에 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수 측정이 수행될 수도 있다.

전동기가 기동하는 동안(즉, 회전자의 회전 속도가 증가하는 동안)에 전동기의 고장을 진단하기로 설정된 경우라면(304의 예), 측정된 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수에 대한 시간 주파수 분석이 수행되고 이에 따라 기동 중에 측정된 공극 자속 및/또는 누설 자속의 주파수에 대응하는 주파수 성분 또는 이에 대한 정보(예를 들어, 주파수 스펙트럼)가 획득될 수 있다(310). 여기서 시간 주파수 분석은 단기 푸리에 변환 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되진 않는다.

이어서 주파수 성분에 대한 분석이 수행된다(312).

주파수 성분의 분석은 복수의 주파수 성분 중 적어도 두 개의 주파수 성분을 검출하고 적어도 두 개의 주파수 성분을 비교하고, 비교 결과에 따라 두 개의 주파수 성분의 차이가 상대적으로 작은 경우엔 회전자의 도체에 파손이 발생한 것으로 판단하고, 반대로 두 개의 주파수 성분의 차이가 상대적으로 큰 경우엔 편심(예를 들어, 동적 편심 또는 정적 편심)이 발생한 것으로 판단할 수도 있다(314). 여기서 비교되는 두 개의 주파수 성분은 회전 자계에 대응하는 주파수 성분을 제외한 나머지 주파수 성분만을 포함할 수도 있다. 다른 예를 들어, 주파수 성분의 분석은 획득한 주파수 스펙트럼을 미리 저장된 주파수 스펙트럼과 비교하고 동일 또는 유사한 주파수 스펙트럼을 검출하고, 검출된 주파수 스펙트럼에 대응하는 고장의 종류에 따라서 전동기의 고장을 식별할 수도 있다.

판단 결과는 시각적 또는 청각적으로 외부에 출력될 수 있다(340).

한편, 회전자의 회동 속도는 일정 시간이 경과된 후 대략 일정한 속도에 도달하게 되고, 전동기는 도달한 속도에 따라 계속해서 동작하게 된다(320). 전동기가 계속해서 동작하는 동안의 적어도 하나의 시점에서 공극 자속 및/또는 누설 자속에 대한 주파수가 측정될 수 있다.

만약 전동기가 기동하는 동안에 고장 진단을 수행하지 않고(304의 아니오) 일정한 회동 속도로 회동하는 동안에 고장 여부를 판단하기로 한 경우라면(322의 예), 먼저 측정된 주파수에 대해 푸리에 변환을 수행하여 측정된 주파수에 대응하는 주파수 성분을 획득할 수 있다(330).

순차적으로 적어도 두 개의 주파수 성분을 비교한다(332). 여기서 비교되는 적어도 두 개의 주파수 성분은 회전 자계에 대응하는 주파수 성분을 포함하지 않을 수 있다.

적어도 두 개의 주파수 성분을 비교한 결과, 만약 두 개의 주파수 성분 간의 세기의 차이가 거의 없거나 매우 작다면(334의 예), 회전자의 도체에 파손이 발생된 것으로 판단 및 진단한다(336). 예를 들어, 두 개의 주파수 성분 간의 차이가 미리 정의된 값보다 작다면, 회전자의 파손이 발생된 것으로 판단할 수 있다.

반대로 적어도 두 개의 주파수 성분을 비교한 결과, 만약 두 개의 주파수 성분 간의 세기가 동일하지 않고 그 차이가 상당히 크다면(334의 아니오), 회전자의 편심이 발생된 것으로 판단한다(338). 예를 들어, 두 개의 주파수 성분 간의 차이가 미리 정의된 값보다 크다면, 편심 발생으로 판단할 수 있다.

실시예에 따라서 비교 대상이 되는 주파수 성분은 회전 자계에 대응하는 주파수 성분을 포함할 수도 있다. 또한, 주파수 성분의 비교는 다수 회수로 수행될 수도 있다.

상술한 과정에서 획득된 판단 결과는 외부로 시각적 또는 청각적으로 출력 가능하다.

상술한 실시예에 따른 전동기 고장 진단 방법은 컴퓨터 장치에 의해 구동될 수 있는 프로그램의 형태로 구현될 수 있다. 여기서 프로그램은 프로그램 명령, 데이터 파일 및 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 프로그램은 기계어 코드나 고급 언어 코드를 이용하여 설계 및 제작된 것일 수 있다. 프로그램은 상술한 전동기 고장 진단 방법을 구현하기 위하여 특별히 설계된 것일 수도 있고, 컴퓨터 소프트웨어 분야에서 통상의 기술자에게 기 공지되어 사용 가능한 각종 함수나 정의를 이용하여 구현된 것일 수도 있다. 또한, 컴퓨터 장치는 프로그램의 기능을 실현 가능하게 하는 프로세서나 메모리 등을 포함하여 구현된 것일 수 있으며, 필요에 따라 통신 장치를 더 포함할 수도 있다.

상술한 전동기 고장 진단 방법을 구현하기 위한 프로그램은 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록 매체는 하드 디스크나 플로피 디스크와 같은 자기 디스크 저장 매체, 자기 테이프, 콤팩트 디스크나 디브이디와 같은 광 기록 매체, 플롭티컬 디스크와 같은 자기-광 기록 매체 및 롬, 램 또는 플래시 메모리 등과 같은 반도체 저장 장치 등 컴퓨터 등의 호출에 따라 실행되는 특정 프로그램을 저장 가능한 다양한 종류의 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.

이상으로, 전동기, 전동기 고장 진단 장치 및 방법의 여러 실시예에 대해 설명하였으나, 전동기, 전동기 고장 진단 장치 및 방법은 오직 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 상술한 실시예를 기초로 수정 및 변형하여 구현 가능한 다양한 장치나 방법 역시 상술한 전동기, 전동기 고장 진단 장치 및 방법의 일례가 될 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성 요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나 다른 구성 요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 또는 치환되더라도 상술한 전동기, 전동기 고장 진단 장치 및 방법의 일 실시예가 될 수 있다.

100: 전동기 111: 고정자
112: 권선 113: 회전자
114: 도체 119: 공극
160: 측정부 170: 진단부
200: 고장 진단 시스템 210: 유도 전동기
220: 측정부 230: 고장 진단 장치

Claims

전원과 전기적으로 연결된 고정자;
상기 고정자 내측에서 상기 전원의 주파수에 따라서 회동 가능하게 마련된 회전자;
상기 고정자 및 상기 회전자 사이의 공극에 생성되거나 상기 고정자의 외부에 생성된 자속의 주파수를 측정하는 측정부; 및
상기 자속의 주파수에 대응하는 주파수 성분들(
) 중에서 회전 자계의 주파수(
)에 대응하는 성분 이외의 제1 주파수 성분들을 기반으로 고장을 진단하는 진단부를 포함하고,
상기 주파수 성분들(
)은 수학식에 의해 정의되고,
상기 수학식은
이고,
상기
는 슬립을 의미하고, 상기
는 극쌍수를 의미하고, 상기
는 임의의 정수이고,
상기 진단부는 상기 제1 주파수 성분들 중 적어도 두 개의 주파수 성분을 비교하고, 비교 결과를 기반으로 발생된 고장의 종류를 결정하고,
상기 진단부는 상기 적어도 두 개의 주파수 성분의 차이가 미리 정의된 값보다 작으면 회전자 바에 파손이 발생한 것으로 판단하고, 상기 적어도 두 개의 주파수 성분의 차이 또는 크기의 비율이 상기 미리 정의된 값보다 크면 회전자의 편심이 발생한 것으로 판단하는,
유도 전동기.
제1항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 주파수 성분은 상기 주파수 성분들 중에서 상기
의 값이 1과 2일 때의 주파수 성분인,
유도 전동기.
삭제
제1항에 있어서,
상기 측정부는 상기 회전자의 회동 속도가 증가하는 동안에 상기 자속의 주파수를 측정하고, 측정된 상기 자속의 주파수에 대해 시간 주파수 분석을 적용하여 상기 주파수 성분들을 획득하는 유도 전동기.
제1항에 있어서,
상기 측정부는 상기 회전자가 미리 정의된 범위 내에서 일정하게 회동하는 동안 상기 자속의 주파수를 측정하고, 측정된 상기 자속의 주파수에 대해 푸리에 변환을 적용하여 상기 주파수 성분들을 획득하는 유도 전동기.
전원과 전기적으로 연결된 고정자에 소정 주파수의 전원이 공급되고, 상기 고정자 내측에 배치된 회전자가 회동하는 단계;
상기 고정자 및 상기 회전자 사이의 공극에 생성되거나 상기 고정자의 외부에 생성된 자속의 주파수를 측정하고, 상기 자속의 주파수에 대응하는 주파수 성분들(
)을 획득하는 단계; 및
상기 주파수 성분들 중에서 회전 자계의 주파수(
)에 대응하는 성분 이외의 제1 주파수 성분들을 기반으로 진단을 수행하는 단계를 포함하고,
상기 주파수 성분들(
)은 수학식에 의해 정의되고,
상기 수학식은
이고,
상기
는 슬립을 의미하고, 상기
는 극쌍수를 의미하고, 상기
는 임의의 정수이고,
상기 제1 주파수 성분들을 기반으로 진단을 수행하는 단계는,
상기 제1 주파수 성분들 중 적어도 두 개의 주파수 성분을 비교하는 단계; 및
비교 결과를 기반으로 발생된 고장의 종류를 결정하는 단계를 포함하고,
상기 비교 결과를 기반으로 발생된 고장의 종류를 결정하는 단계는, 상기 적어도 두 개의 주파수 성분의 차이가 미리 정의된 값보다 작으면 회전자 바에 파손이 발생한 것으로 판단하고, 상기 적어도 두 개의 주파수 성분의 차이가 상기 미리 정의된 값보다 크면 회전자의 편심이 발생한 것으로 판단하는,
유도 전동기 고장 진단 방법.
제6항에 있어서,
상기 적어도 두 개의 주파수 성분은 상기 주파수 성분들 중에서 상기
의 값이 1과 2일 때의 주파수 성분인,
유도 전동기 고장 진단 방법.
삭제
제6항에 있어서,
상기 자속의 주파수를 측정하고, 상기 자속의 주파수에 대응하는 주파수 성분들(
)을 획득하는 단계는,
상기 회전자의 회동 속도가 증가하는 동안에 상기 자속의 주파수를 측정하는 단계; 및
측정된 상기 자속의 주파수에 대해 시간 주파수 분석을 적용하여 상기 주파수 성분들(
)을 획득하는 단계를 포함하는 유도 전동기 고장 진단 방법.
제6항에 있어서,
상기 자속의 주파수를 측정하고, 상기 자속의 주파수에 대응하는 주파수 성분들(
)을 획득하는 단계는,
상기 회전자가 미리 정의된 범위 내에서 일정하게 회동하는 동안 상기 자속의 주파수를 측정하는 단계; 및
측정된 상기 자속의 주파수에 대해 푸리에 변환을 적용하여 상기 주파수 성분들(
)을 획득하는 단계를 포함하는 유도 전동기 고장 진단 방법.
유도 전동기의 고정자 및 회전자 사이의 공극에 생성되거나 상기 고정자의 외부에 생성된 자속의 주파수에 대한 정보를 획득하는 데이터 획득부; 및
상기 자속의 주파수에 대응하는 주파수 성분들(
) 중에서 회전 자계의 주파수(
)에 대응하는 성분 이외의 제1 주파수 성분들을 기반으로 고장의 발생 여부를 판단하거나 또는 발생된 고장의 종류를 결정하는 진단부를 포함하고,
상기 주파수 성분들(
)은 수학식에 의해 정의되고,
상기 수학식은
이고,
상기
는 슬립을 의미하고, 상기
는 극쌍수를 의미하고, 상기
는 임의의 정수이고,
상기 진단부는 상기 제1 주파수 성분들 중 적어도 두 개의 주파수 성분을 비교하고, 비교 결과를 기반으로 발생된 고장의 종류를 결정하고,
상기 진단부는 상기 적어도 두 개의 주파수 성분의 차이가 미리 정의된 값보다 작으면 회전자 바에 파손이 발생한 것으로 판단하고, 상기 적어도 두 개의 주파수 성분의 차이가 상기 미리 정의된 값보다 크면 회전자의 편심이 발생한 것으로 판단하는,
유도 전동기 고장 진단 장치.