KR20170016449A - 회전 가능한 샤프트에 대한 토크 모니터링 시스템 - Google Patents
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Abstract
토크 모니터링 시스템은 회전 가능한 측정 인터페이스 및 고정 데이터 수신기를 포함한다. 측정 인터페이스는 회전 가능한 샤프트에 부착되도록 구성된다. 측정 인터페이스는 스트레인 게이지, 프로세서 및 NFC(near field communication) 트랜시버 코일을 포함한다. 고정 데이터 수신기는 회전하는 샤프트에 관련하여 고정이다. 고정 데이터 수신기는 프로세서 및 NFC 트랜시버 코일을 포함한다. 회전 가능한 측정 인터페이스는 고정 데이터 수신기 내의 NFC 트랜시버 코일에 의해 무선으로 송신된 라디오 신호로부터 도출된 동작 전력을 자신의 NFC 트랜시버 코일을 통해 수신한다. 회전 가능한 측정 인터페이스 내의 프로세서는 회전 가능한 샤프트 상의 토크를 표시하는 스트레인 게이지 신호들을 스트레인 게이지로부터 수신하고, 스트레인 게이지 신호들을 표시하는 디지털 데이터를 NFC 트랜시버 코일들을 통해 고정 데이터 수신기 내의 프로세서로 무선으로 송신하도록 구성된다.
Description
[0001] 본 출원은 2014년 6월 16일에 출원되고 전체 내용이 인용에 의해 본원에 통합된 명칭이 TORQUE MONITORING FEEDBACK DEVICE인 미국 가출원 제 62/012,744 호를 우선권으로 주장한다.
[0002] 많은 타입들의 시스템들은 회전 샤프트를 포함한다. 예를 들면, 전기 모터들 및 내부 연소 엔진들은 차량들, 크래프트들, 제조 시스템들 및 다른 디바이스들의 샤프트들 및/또는 트랜스미션들을 구동시킨다. 회전 샤프트가 정상적으로 발생되는 저항성 로드들(resistive loads)에 노출될 수 있는 동안에, 주기적인 및 간헐적인 힘들은 다른 컴포넌트들 및 로드들로부터 샤프트들 및 트랜스미션들에 피드백될 수 있다. 정상적으로 발생되는 힘들과 결합되면, 그러한 부가적인 힘들은 회전 샤프트의 서비스 수명을 감소시킬 수 있다. 또한, 그러한 비정상적인 힘들 및 진동들은 물론 다른 컴포넌트들을 손상시킬 수 있는 샤프트의 고장을 발생시킬 수 있다.
[0003] 일 실시예에서, 토크 모니터링 시스템은 회전 가능한 측정 인터페이스 및 고정 데이터 수신기를 포함한다. 측정 인터페이스는 회전 가능한 샤프트에 부착되도록 구성된다. 측정 인터페이스는 스트레인 게이지, 프로세서 및 NFC(near field communication) 트랜시버 코일을 포함한다. 고정 데이터 수신기는 회전하는 샤프트에 관련하여 고정이다. 고정 데이터 수신기는 프로세서 및 NFC 트랜시버 코일을 포함한다. 회전 가능한 측정 인터페이스는 고정 데이터 수신기 내의 NFC 트랜시버 코일에 의해 무선으로 송신된 라디오 신호로부터 도출된 동작 전력을 자신의 NFC 트랜시버 코일을 통해 수신한다. 회전 가능한 측정 인터페이스 내의 프로세서는 회전 가능한 샤프트 상의 토크를 표시하는 스트레인 게이지 신호들을 스트레인 게이지로부터 수신하고, 스트레인 게이지 신호들을 표시하는 디지털 데이터를 NFC 트랜시버 코일들을 통해 고정 데이터 수신기 내의 프로세서로 무선으로 송신하도록 구성된다.
[0004] 다른 실시예에서, 토크 모니터링 및 피드백 시스템은 회전 가능한 구동 샤프트, 회전 가능한 측정 인터페이스, 고정 데이터 수신기 및 ECU(electronics control unit)를 포함한다. 회전 가능한 측정 인터페이스는 회전 가능한 구동 샤프트와 일제히 회전하기 위해 회전 가능한 구동 샤프트에 부착된다. 측정 인터페이스는 스트레인 게이지, 프로세서 및 트랜시버 코일을 포함한다. 고정 데이터 수신기는 하우징에 포함되고, 회전하는 구동 샤프트에 관련하여 고정된다. 고정 데이터 수신기는 프로세서 및 트랜시버 코일을 포함한다. ECU는 고정 데이터 수신기와 통신하도록 구성된다. 회전 가능한 측정 인터페이스는 고정 데이터 수신기 내의 트랜시버 코일에 의해 무선으로 송신된 라디오 신호로부터 도출된 동작 전력을 자신의 트랜시버 코일을 통해 수신한다. 회전 가능한 측정 인터페이스 내의 프로세서는 스트레인 게이지로부터 스트레인 게이지 측정 데이터를 수신하고, 측정 데이터를 표시하는 데이터를 트랜시버 코일들을 통해 고정 데이터 수신기 내의 프로세서로 무선으로 송신하도록 구성된다.
[0005] 또 다른 실시예에서, 시스템은 주요 구동 샤프트, 병렬 구동 샤프트, 및 주요 구동 샤프트를 병렬 구동 샤프트에 기계적으로 링크하는 트랜스미션을 포함한다. 제 1 회전 가능한 측정 인터페이스는 주요 구동 샤프트와 일제히 회전하기 위해 주요 구동 샤프트에 부착된다. 제 1 측정 인터페이스는 스트레인 게이지 및 트랜시버 코일을 포함한다. 제 1 고정 데이터 수신기는 하우징에 포함되고, 주요 구동 샤프트에 관련하여 고정된다. 제 1 고정 데이터 수신기는 제 1 회전 가능한 측정 인터페이스의 트랜시버 코일과의 무선 통신을 위한 트랜시버 코일을 포함한다. 제 2 회전 가능한 측정 인터페이스는 병렬 구동 샤프트와 일제히 회전하기 위해 병렬 구동 샤프트에 부착된다. 제 2 측정 인터페이스는 스트레인 게이지 및 트랜시버 코일을 포함한다. 제 2 고정 데이터 수신기는 하우징에 포함되고, 병렬 구동 샤프트에 관련하여 고정된다. 제 2 고정 데이터 수신기는 제 2 회전 가능한 측정 인터페이스의 트랜시버 코일과의 무선 통신을 위한 트랜시버 코일을 포함한다. 제 1 및 제 2 회전 가능한 측정 인터페이스들은 대응하는 트랜시버 코일들을 통해 그들 각각의 제 1 및 제 2 고정 데이터 수신기들로부터 전력을 수신하고, 데이터 통신들을 그들 각각의 제 1 및 제 2 고정 데이터 수신기들에 제공한다.
[0006] 도 1은 다양한 실시예들에 따른 토크 모니터링 및 피드백 시스템을 예시한다.
[0007] 도 2는 다양한 실시예들에 따른 회전 가능한 측정 인터페이스를 예시한다.
[0008] 도 3은 다양한 실시예들에 따른 고정 데이터 수신기를 예시한다.
[0009] 도 4는 다양한 실시예들에 따른 스위치 리액턴스 엘리먼트를 포함하는 토크 모니터링 및 피드백 시스템의 실시예를 예시한다.
[0010] 도 5는 다양한 실시예들에 따른 데이터 통신들에 사용 가능한 용량성 디바이더 네트워크의 예를 도시한다.
[0011] 도 6은 다양한 실시예들에 따른 토크 모니터링 및 피드백 시스템의 부분의 단면도를 도시한다.
[0012] 도 7은 실시예에 따른 다수의 쌍들의 회전 가능한 측정 인터페이스들 및 고정 데이터 수신기들을 포함하는 트랜스미션을 예시한다.
[0007] 도 2는 다양한 실시예들에 따른 회전 가능한 측정 인터페이스를 예시한다.
[0008] 도 3은 다양한 실시예들에 따른 고정 데이터 수신기를 예시한다.
[0009] 도 4는 다양한 실시예들에 따른 스위치 리액턴스 엘리먼트를 포함하는 토크 모니터링 및 피드백 시스템의 실시예를 예시한다.
[0010] 도 5는 다양한 실시예들에 따른 데이터 통신들에 사용 가능한 용량성 디바이더 네트워크의 예를 도시한다.
[0011] 도 6은 다양한 실시예들에 따른 토크 모니터링 및 피드백 시스템의 부분의 단면도를 도시한다.
[0012] 도 7은 실시예에 따른 다수의 쌍들의 회전 가능한 측정 인터페이스들 및 고정 데이터 수신기들을 포함하는 트랜스미션을 예시한다.
[0013] 본 개시는 다양한 시스템들 중 임의의 것에서 사용하기 위한 하나 이상의 회전 가능한 샤프트들의 토크를 모니터링하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 그러한 시스템들의 예들은 제조 시스템들 및 구동 시스템들을 포함한다. 구동 시스템의 하나의 비제한적인 예는 헬리콥터의 구동 로터이다. 일부 시스템들에서, 주기적인 및/또는 간헐적인 힘들 및/또는 진동들은, 샤프트 및/또는 트랜스미션이 구동 저항성 회전 로드들의 정상적으로 예상되는 힘들뿐만 아니라 회전 로딩에서 주기적인 및/또는 간헐적인 변형들을 경험하도록, 다른 컴포넌트들로부터 샤프트 및/또는 트랜스미션에 피드백될 수 있다. 일부 시스템들에서, 베어링들과 같은 컴포넌트들이 마모되거나 그렇지 않다면 저하될 때, 샤프트를 회전시키기 위해 요구되는 힘들은 점진적으로 증가할 수 있다. 본원에 개시된 시스템들 및 방법들은, 샤프트 및/또는 트랜스미션의 로딩에 관한 데이터의 모니터링 및 콜렉션이 주기적인 피로 고장들, 공진 로딩 고장들, 비효율적인 동작 또는 샤프트의 바람직하지 않은 토크 로딩에 관련된 다른 타입들의 바람직하지 않은 결과를 완화하는데 사용될 수 있도록, 주기적인, 과도 또는 점진적으로 변하는 토크 로드들의 변화들에 관한 공지 및/또는 정보를 제공하도록 구성된 방식으로 샤프트들 및 트랜스미션들에 인가되는 힘들의 효과를 모니터링한다. 따라서, 본원에 설명된 다양한 방법들 및 실시예들에 따라 동작될 수 있는 토크 모니터링 및 피드백 시스템이 아래에 개시된다.
[0014] 도 1은 다양한 실시예들에 따른 토크 모니터링 및 피드백 시스템(100)을 예시한다. 도시된 비제한적인 예에서, 토크 모니터링 및 피드백 시스템(100)은 회전 가능한 샤프트(90)에 부착된 회전 가능한 측정 인터페이스(102)를 포함한다. 회전 가능한 샤프트는, 예를 들면, 차량 또는 제조 시스템에서 사용 가능한 구동 샤프트와 같은 임의의 타입의 회전 샤프트일 수 있다. 회전 가능한 측정 인터페이스(102)는 샤프트(90)에 단단히 부착되어, 회전 가능한 측정 인터페이스가 샤프트와 회전한다. 회전 가능한 측정 인터페이스(102)는 스트레인 게이지, 프로세서 및 트랜시버 코일과 같은 다양한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 회전 가능한 측정 인터페이스(102)의 컴포넌트들은, 샤프트와 함께 회전 가능한 측정 인터페이스(102)의 회전에 의해 생성될 수 있는 불균형한 힘들을 최소화하기 위해 샤프트(90)를 중심으로 방사상으로 분배될 수 있다.
[0015] 시스템(100)은 또한 샤프트(90)의 둘레(circumference)를 둘러쌀 수 있지만 샤프트에 단단히 부착되지 않는 고정 데이터 트랜시버(104)를 포함한다. 따라서, 샤프트(90)가 회전할 때, 고정 데이터 트랜시버는 회전하지 않는다. 고정 데이터 트랜시버(104)는 별개이고 회전 가능한 샤프트(90)로부터 떨어진 하우징에 포함될 수 있다. 고정 데이터 트랜시버(104)는 프로세서 및 트랜시버 코일과 같은 다양한 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
[0016] 고정 데이터 트랜시버(104)는, 고정 데이터 트랜시버에 대해 샤프트 및 회전 가능한 측정 인터페이스의 회전에도 불구하고, 고정 데이터 트랜시버와 회전 가능한 측정 인터페이스 사이의 간격(L1)이 일반적으로 일정하도록, 회전 가능한 측정 인터페이스(102)에 대해 길이방향으로 고정된 위치에 있다.
[0017] 고정 데이터 트랜시버(104) 및 회전 가능한 측정 인터페이스(102)의 트랜시버 코일들은 고정 데이터 트랜시버로부터 회전 가능한 측정 인터페이스로 전력을 전송하는데 사용되어, 회전 가능한 측정 인터페이스의 컴포넌트들에 대한 동작 전력을 제공한다. 트랜시버 코일들은 또한 회전 가능한 측정 인터페이스와 고정 데이터 트랜시버 사이의 무선 데이터 통신 링크로서 사용될 수 있다. 예를 들면, 회전 가능한 측정 인터페이스(102)는 스트레인 게이지의 디지털 데이터 인코딩 정보를 고정 데이터 수신기(104)로 전송할 수 있다.
[0018] 고정 데이터 수신기(104)와 통신하는 ECU(electronics control unit)(110)가 또한 도시된다. 고정 데이터 수신기(104)는 고정 데이터 수신기 및/또는 회전 가능한 측정 인터페이스(102)의 동작 및 그에 의해 검출되는 이벤트들에 관련된 데이터, 경고들 등을 ECU(110)로 포워딩할 수 있다. 그러한 검출된 이벤트들의 예들은 진동 이벤트, 텐션 이벤트, 압축 이벤트, 벤딩 이벤트, 공진 이벤트, 및 토크 이벤트 중 하나 이상을 포함한다. 회전 가능한 측정 인터페이스(102)는 다수의 스트레인 게이지들 및 그러한 이벤트들을 검출할 수 있는 다른 타입들의 센서들을 포함할 수 있다. 이들 다양한 이벤트들은 대응하는 임계치를 초과하는 것으로 검출된 진동, 텐션, 압축, 벤딩, 공진 또는 토크 레벨일 수 있다. 예를 들면, 스트레인 게이지는 게이지에 의해 검출된 스트레인에 비례하는 전압을 출력할 수 있다. 이어서, 전압은 프로세서(126, 136)에 의해 스트레인 측정으로 변환될 수 있다. 이어서, 이러한 측정은 사용자-지정 임계치 스트레인 레벨과 비교될 수 있다. 차례로 ECU(110)에 커플링되는 고정 데이터 수신기(104)와 회전 가능한 측정 인터페이스(102) 사이의 무선 통신의 결과로서, 이들 이벤트들 중 임의의 것은 회전 가능한 측정 인터페이스(102) 내의 프로세서(126), 고정 데이터 수신기(104) 내의 프로세서(136) 및/또는 ECU(110)에 의해 존재하는 것으로 결정될 수 있다. 임계값은 시스템 설계자에 의해 결정될 수 있고, 고정 데이터 수신기(104) 및/또는 회전 가능한 측정 인터페이스(102) 내의 메모리로 로딩될 수 있다(예를 들면, 프로세서들(126, 136)에 통합되는 저장소로 로딩됨). 샤프트 상의 스트레인은 앞서 설명된 이벤트들(진동, 텐션 등) 중 임의의 것에 의해 발생될 수 있다. 게이지 구성(예를 들면, 게이지가 샤프트(90)에 어떻게 장착되는지)에 의존하여, 상이한 이벤트들이 측정될 수 있다. 게이지로부터의 전압 출력은 이벤트의 진폭과 비례할 수 있고, 이러한 출력 전압은 스트레인 측정으로 변환될 수 있다.
[0019] 예를 들면, 회전 가능한 측정 인터페이스(102) 내의 프로세서(126)는 스트레인 게이지 신호를 프로세싱하고, 기계적 이벤트가 발생하거나 발생하고 있다고 결정할 수 있다. 이어서, 회전 가능한 측정 인터페이스(102) 내의 프로세서(126)는 기계적 이벤트가 발생하였거나 발생하고 있다는 신호를 NFC 인터페이스를 통해 고정 데이터 수신기(104)로 전송할 수 있다. 이어서, ECU(110)를 통해, 고정 데이터 수신기(104)는 (샤프트가 활동적으로 구동되는 예에서) 구동 유닛(115)으로 하여금 샤프트(90)를 구동시키는 모터의 토크 및/또는 속도를 조절하게 할 수 있다. 대안적으로, 고정 데이터 수신기(104)는 기계적 이벤트가 발생하였다는 신호를 다른 시스템 로직으로 전송하고, 그러한 시스템 로직은 특정 시스템의 세부사항들에 상응하는 적절한 동작을 취할 것이다. 다른 실시예들에서, 회전 가능한 측정 인터페이스(102)는 스트레인 게이지 신호를 표시하는 디지털 데이터를 NFC 인터페이스를 통해 고정 데이터 수신기(104)로 전송하고, 고정 데이터 수신기(104)는 기계적 이벤트가 발생하였거나 발생하고 있다고 결정하기 위해 그러한 데이터를 프로세싱한다. 또한, 스트레인 게이지 신호를 표시하는 디지털 데이터는 회전 가능한 측정 인터페이스로부터 고정 데이터 수신기로 그리고 ECU(110)(또는 다른 시스템 로직)으로 송신되어, 기계적 이벤트가 발생하였거나 발생하고 있는지를 ECU(110)가 프로세싱하고 결정할 수 있다.
[0020] 샤프트(90)가 활동적으로 회전되도록 요구되는 실시예들에서 샤프트(90)를 활동적으로 회전시키기 위한 구동 유닛(115)이 제공된다. 다른 실시예들에서, 샤프트(90)는 활동적으로 회전되지 않고, 따라서 구동 유닛(115)은 그러한 실시예들에 포함되지 않을 수 있다. 활동적으로 구동되는 샤프트(90)의 예에서, 앞서 리스팅된 이벤트들 중 임의의 것의 검출 시에, ECU(110)는 구동 유닛(115)으로 하여금 샤프트(90)의 회전 속도 및/또는 샤프트 상의 토크를 제어하게 할 수 있다. 예를 들면, 샤프트(90)는, 샤프트(90) 및 샤프트 부근의 다른 컴포넌트들에 대한 손상을 무릅쓰기보다는 샤프트 상의 과도한 진동, 텐션 등의 검출 시에 완전히 정지될 수 있다. 샤프트에서 문제를 검출하고 샤프트의 속도 및/또는 토크를 조절하기 위해 신호를 스트레인 게이지로부터 수신하는 것 사이의 레이턴시(latency)는 특히 NFC 인터페이스와 커플링된 프로세서들(126 및 136)의 속도로 인해 이러한 시스템에서 상대적으로 작다. 일부 구현들에서, 레이턴시는 1-20 ms 범위 내에 있다. 이로써, 레이턴시는 샤프트의 동작이 실시간으로 또는 거의 실시간으로 조절될 수 있을 정도로 충분히 작다. 이로써, 시스템은 비용이 드는 혼잡들(jams) 및 오송들(misfeeds)을 회피하기 위해 타이밍 피드 및 부분 동기화에서, 예를 들면, 분 조절들을 제공하기에 충분히 빠르게 반응할 수 있다.
[0021] 도 2는 다양한 실시예들에 따른 회전 가능한 측정 인터페이스(102)의 블록도를 도시한다. 도 2의 예에 도시된 바와 같이, 회전 가능한 측정 인터페이스(102)는 스트레인 게이지, 증폭기(AMP)(122), ADC(analog-to-digital converter)(124), 프로세서(126), 정류기(128) 및 트랜시버 코일(130)을 포함한다. 스트레인 게이지(120)는 토션 스트레인 게이지(torsional strain gauge)일 수 있다. 하나보다 더 많은 스트레인 게이지가 회전 가능한 측정 인터페이스(102)에 포함될 수 있고, 각각의 스트레인 게이지가 대응하는 스트레인 게이지로부터의 신호의 크기를 증가시키기 위한 별개의 증폭기(122)가 제공될 수 있다. ADC(124)는 스트레인 게이지(120)로부터의 아날로그 신호를 디지털 동등한 값으로 변환하고, 디지털 동등한 값을 프로세서(126)에 제공한다.
[0022] 회전 가능한 측정 인터페이스(102) 내의 트랜시버 코일(130)은 고정 데이터 수신기(104) 내의 대응하는 트랜시버 코일로부터 방사되는 에너지를 수신한다. 정류기(128)는 교류 전류(AC)-수신 에너지를 정류하고, 프로세서(126)와 같이 활동적으로 전력 공급되는 회전 가능한 측정 인터페이스(102) 내의 그러한 컴포넌트들에 정류된 전력을 제공한다. ADC(124) 및 증폭기는 또한 자신들의 동작뿐만 아니라 스트레인 게이지(120) 자체에 대한 정류된 전력을 수신할 수 있다. 정류기는 다이오드-기반 정류기와 같은 하프 또는 풀 브리지 정류기일 수 있다. 요구되는 경우에, 회전 가능한 측정 인터페이스(102)의 다양한 컴포넌트들에 대한 전력을 조정하기 위한 전압 조정기가 포함될 수 있다.
[0023] 프로세서(126)는 또한 트랜시버 코일(130)을 통해 데이터를 다시 고정 데이터 수신기(104)로 송신할 수 있다. 따라서, 트랜시버 코일(130)은 회전 가능한 측정 인터페이스(102)에 전력 공급하기 위해 고정 데이터 수신기(104)로부터 방사선(radiation)을 수신하고, 반대 방향으로 회전 가능한 측정 인터페이스(102)로부터 고정 데이터 수신기(104)로 데이터를 송신한다.
[0024] 도 3은 고정 데이터 수신기(104)의 블록도의 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 고정 데이터 수신기(104)는 트랜시버 코일(140)에 커플링된 프로세서(136)를 포함한다. 프로세서(136)는 또한 ECU(110)에 대한 데이터 인터페이스를 포함한다. 고정 데이터 수신기(104)는 배터리로 동작될 수 있거나, 전용 전력 연결부를 가질 수 있거나, ECU(110)와의 연결을 통해 전력 공급될 수 있다.
[0025] 일 실시예에서, 고정 데이터 수신기(104) 및 회전 가능한 측정 인터페이스(102)는 NFC(Near Field Communication)에 따라 서로 무선으로 인터페이싱한다. 이로써, 트랜시버 코일들(130 및 136)은 NFC 트랜시버 코일들이다. 다른 무선 인터페이스 표준들이 물론 사용될 수 있다.
[0026] 도 4는 토크 모니터링 및 피드백 시스템(100)의 예를 예시한다. 도 4를 참조하면, 좌측 상에 데이터 수신기(104)가 도시되고, 우측 상에 회전 가능한 측정 인터페이스(102)가 도시된다. 데이터 수신기(104)는 트랜시버 코일(140)에 커플링된 프로세서(136)를 포함한다. 부가적인 컴포넌트들이 물론 제공될 수 있다.
[0027] 회전 가능한 측정 인터페이스(102)는 앞서 언급된 바와 같이 트랜시버 코일(130)뿐만 아니라 프로세서(126) 및 정류기(128)를 포함한다. ADC(124)(도 4에 특별히 도시되지 않음)는 프로세서(126)의 부분으로서 포함될 수 있거나 별개의 컴포넌트일 수 있다. 트랜시버 코일(130)에 걸쳐 병렬로 연결된 커패시터(C1)가 도시된다. 트랜시버 코일(130) 및 커패시터(C1)의 결합은, 탱크 회로의 공진 주파수에서 트랜시버 코일(140)로부터 수신된 에너지를 저장하는 전기 공진기로서 기능하는 탱크 회로를 형성한다. 전력은 트랜시버 코일들(130 및 136) 둘 모두가 동일한 주파수에서 공진하도록 튜닝되게 함으로써 고정 데이터 수신기(104)로부터 회전 가능한 측정 인터페이스(102)로 전달된다.
[0028] 원격에서 전력 공급되는 회전 가능한 측정 인터페이스(102)로부터의 통신들은 공진 주파수에 따른 임피던스의 변화들을 이용함으로써 달성될 수 있다. 트랜시버 코일(130)의 직렬 공진을 직렬 공진을 향해 또는 병렬 공진을 향해 시프팅하는 것은 트랜시버 코일(130)에 의해 인출된 전력에서 실질적인 변화를 제공하고, 이것은 차례로 고정 데이터 수신기(104) 내의 트랜시버 코일(136) 상의 로딩을 변경한다. 직렬 공진으로 튜닝될 때, 트랜시버 코일(130)은 자신이 트랜시버 코일(140) 상에 과부하(heavy load)를 배치하는 흡수 상태에 있고, 이것은 자신의 공진의 Q를 감소시키고, 트랜시버 코일(140)에 걸친 전압을 감소시킨다. 병렬 공진으로 튜닝될 때, 트랜시버 코일(130)은 자신이 고정 데이터 수신기(104) 내의 트랜시버 코일(140) 상의 로드를 감소시키는 반사 상태에 있어서, 자신의 공진의 Q를 상승시키고, 트랜시버 코일(140)에 걸친 전압을 증가시킨다. 따라서, 고정 데이터 수신기(104) 내의 트랜시버 코일(136)에 대해 회전 가능한 측정 인터페이스(102) 내의 트랜시버 코일(130)의 리액턴스(및 결과적으로 공진 주파수)를 변경함으로써, 고정 데이터 수신기의 트랜시버 코일(140)에 걸친 전압이 변동되게 하여, 회전 가능한 측정 인터페이스(102)의 프로세서(126)에 의해 송신된 디지털 데이터를 인코딩할 수 있다.
[0029] 회전 가능한 측정 인터페이스(102) 내의 트랜시버 코일(130)의 공진 주파수는 스위치 반응 엘리먼트에 의해 튜닝될 수 있다. 도 4에 도시된 실시예에서, 커패시터(C2)는 그러한 스위치 반응 엘리먼트의 예이다. 커패시터(C2)는 스위치(SW2)에 의해 탱크 회로의 안팎으로 스위칭되고, 그의 상태는 제어 신호(129)를 통해 프로세서(126)에 의해 제어된다. 폐쇄될 때, 스위치(SW2)는 코일을 반사 상태로 튜닝하기 위해 커패시터(C2)를 병렬로 놓는다. 스위치(SW2)가 개방일 때, 커패시터(C2)가 탱크 회로로부터 제거되고, 탱크 회로는 흡수 상태에 있다. 이진 데이터는 이러한 방식으로 전송되고, 고정 데이터 수신기의 코일에서 이진 인코딩된 진폭 변조를 유도한다. 스위치 반응 엘리먼트는 선택 가능한 커패시터(또는 용량성 디바이더 네트워크) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
[0030] 도 5는 트랜시버 코일(130)에 걸쳐 직렬로 연결된 커패시터들(C3 및 C4) 및 도시된 바와 같이 제공된 커패시터(C5)를 포함하는 용량성 디바이더 네트워크의 예를 도시한다. 로직 1이 송신되는지 또는 로직 0이 송신되는지에 의존하여, 프로세서(126)는 커패시터(C5)를 포함할지 여부를 선택할 수 있고, 따라서 트랜시버 코일에 걸친 커패시턴스를 변경할 수 있다. 트랜시버 코일(130) 및 커패시터(C1)의 공진 탱크 회로에 걸친 임피던스를 변경하기 위한 다른 기술들이 물론 구현될 수 있다.
[0031] 도 4는 또한 임피던스 매칭을 위한 다수의 선택 가능한 탭들(66)의 사용을 도시한다. 선택된 탭을 정류기(128)에 제공하기 위해 프로세서(126)가 스위치(SW1)에 대한 제어 신호(131)를 선언함으로써 어느 하나의 탭(66)이 선택될 수 있다. 원하는 탭을 선택함으로써, 트랜시버 코일(130)의 유효 길이가 변경될 수 있다.
[0032] 이제 도 6을 참조하면, 회전 가능한 샤프트(90) 및 샤프트를 주위에 제공된 하우징(210)을 도시한 단면도가 도시된다. 하우징(210)은 고정 데이터 수신기(104)를 포함한다. 샤프트(90)에 부착된 회전 가능한 측정 인터페이스(102)가 도시된다.
[0033] 이제 도 7을 참조하면, 구동 시스템(300)의 표현이 도시된다. 일부 실시예들에서, 구동 시스템(300)은, 예를 들면, 헬리콥터의 부분을 포함할 수 있다. 구동 시스템(300)은 일반적으로 주요 구동 샤프트(302), 주요 구동 샤프트(302)로부터 전력을 취하는 병렬 구동 샤프트(304), 및 로드들(308)에 전력 공급하기 위한 전력을 마찬가지로 취하는 복수의 중간 구동 샤프트들(306)을 포함한다. 로드들은 로터 허브 컴포넌트들, 발전기들, 팬들, 송풍기들(blowers), 펌프들 또는 임의의 다른 회전식 저항성 로드들을 포함할 수 있다. 도 7에서 참조 번호들(100)은 회전 가능한 측정 인터페이스들(102) 및 대응하는 고정 데이터 수신기들(102)의 쌍들을 표현한다. 각각의 회전 가능한 측정 인터페이스/고정 데이터 수신기(100)가 도시된 위치들은 그러한 구동 시스템(300)의 다양한 브랜치들 모두의 적절한 동작을 보장하기 위해 구동 시스템(300)에서 활용될 비제한적인 가능한 위치들을 표시한다. 각각의 회전 가능한 측정 인터페이스/고정 데이터 수신기 쌍의 각각의 고정 데이터 수신기는 ECU(110)(도 7에 도시되지 않음)에 통신 가능하게 커플링된다. 다수의 회전 가능한 측정 인터페이스들/고정 데이터 수신기 쌍들을 포함함으로써, 트랜스미션 시스템의 다양한 브랜치들(예를 들면, 구동 샤프트(302), 병렬 구동 샤프트(304) 및 중간 구동 샤프트들(306) 각각)의 상대적인 토크 레벨들은 ECU(110)에 의해 모니터링될 수 있다. 그러한 데이터는 베어링 조건, 컴포넌트 정렬, 윤활(lubrication) 조건들, 부적절한 샤프트 속도들 및/또는 에이징 기어박스들(aging gearboxs)을 포함하는 다수의 구동라인 파라미터들에 대한 실시간 또는 거의 실시간 정보를 제공할 수 있다. 회전 가능한 측정 인터페이스들/고정 데이터 수신기 쌍들은 임의의 다른 복잡한 기계, 자동차, 항공기, 생산 라인 시스템 및/또는 구동 시스템을 통해 다수의 포인트들에서 공급되는 회전 전력을 결합 및 분리하는 전력 트랜스미션 시스템들에 마찬가지로 적용될 수 있다.
[0034] 트랜스미션 시스템의 효율은 다양한 스트레인 게이지들로부터의 신호들에 기초하여 계산될 수 있다. 트랜스미션 효율은 회전 가능한 측정 인터페이스들(102) 및 고정 데이터 수신기들(104)의 적어도 2 개의 쌍들로부터 수신된 스트레인 게이지 데이터에 기초하여 ECU(110)에 의해 계산될 수 있다.
[0035] 일부 실시예들에서, 시스템(300)의 동작의 관리는 (1) 구동 시스템(300)의 하나 이상의 컴포넌트들의 공진/자연 주파수들 및/또는 고조파(harmonics) 및 (2) 잠재적으로 손상하는 스트레스들, 스트레인들, 힘들, 토크들, 전력들 등의 주파수들 사이의 오버랩을 회피 및/또는 감소시키기 위한 시스템을 동작시키는 것을 포함할 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 회전 가능한 측정 인터페이스/고정 데이터 수신기 쌍들 및 연관된 컴포넌트들은, 송신된 전력 데이터가 구동 시스템(300)을 더 효율적으로 동작시키는 방법을 평가하는데 운영자들 및/또는 전자장치들(106) 및/또는 컴퓨터에 의해 사용될 수 있도록, 샤프트의 송신된 전력을 추정하기 위해 샤프트 회전 속도에 관한 정보와 측정된 스트레인 및 추정된 송신된 토크를 사용할 수 있고, 이로써 구동 시스템(300)을 동작시키는 연료 및/또는 다른 에너지 비용들을 잠재적으로 절약한다.
[0036] 본원에 설명된 실시예들은 단지 예들이고 비제한적이다. 본원에 설명된 시스템들, 장치 및 프로세스들의 많은 변형들 및 수정들이 가능하고, 본 개시의 범위 내에 있다. 따라서, 보호의 범위는 본원에 설명된 실시예들로 제한되지는 않지만, 후속하는 청구항들에 의해서만 제한되고, 청구항들의 범위는 청구항들의 청구 대상의 모든 등가물들을 포함해야 한다.
Claims (20)
- 토크(torque) 모니터링 시스템으로서,
회전 가능한 샤프트(shaft)와 회전하기 위해 상기 샤프트에 부착되도록 구성된 회전 가능한 측정 인터페이스 ― 상기 측정 인터페이스는 스트레인 게이지(strain gauge), 프로세서, NFC(near field communication) 트랜시버 코일을 포함함 ― , 및
하우징에 포함되고, 회전하는 샤프트에 관련하여 고정된 고정 데이터 수신기 ― 상기 고정 데이터 수신기는 프로세서 및 NFC 트랜시버 코일을 포함함 ― 를 포함하고,
상기 회전 가능한 측정 인터페이스는 상기 고정 데이터 수신기 내의 NFC 트랜시버 코일에 의해 무선으로 송신된 라디오 신호로부터 도출된 동작 전력을 자신의 NFC 트랜시버 코일을 통해 수신하고, 그리고
상기 회전 가능한 측정 인터페이스 내의 프로세서는 상기 회전 가능한 샤프트 상의 토크를 표시하는 스트레인 게이지 신호들을 상기 스트레인 게이지로부터 수신하고, 상기 스트레인 게이지 신호들을 표시하는 디지털 데이터를 상기 NFC 트랜시버 코일들을 통해 상기 고정 데이터 수신기 내의 프로세서로 무선으로 송신하도록 구성되는,
토크 모니터링 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 회전 가능한 측정 인터페이스는 상기 고정 데이터 수신기 내의 프로세서로의 송신 동안에 상기 디지털 데이터를 인코딩하기 위한 스위치 리액턴스 엘리먼트(switched reactance element)를 또한 포함하는,
토크 모니터링 시스템. - 제 2 항에 있어서,
상기 스위치 리액턴스 엘리먼트는 선택 가능한 용량성 디바이더 네트워크(capacitive divider network) 및 상기 회전 가능한 측정 인터페이스 내의 NFC 트랜시버 코일의 다수의 탭들 중 적어도 하나를 포함하는,
토크 모니터링 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 시스템은 상기 고정 데이터 수신기에 커플링되고 상기 샤프트의 속도 및 토크를 제어하도록 구성되는 제어 유닛을 더 포함하고,
상기 디지털 데이터에 기초하여, 상기 고정 데이터 수신기는 상기 샤프트가 기계적 이벤트를 경험하고 있다고 결정하고, 상기 샤프트의 속도 및 토크 중 적어도 하나를 조절하기 위한 신호를 상기 제어 유닛으로 전송함으로써 결정된 이벤트에 응답하도록 구성되는,
토크 모니터링 시스템. - 제 4 항에 있어서,
상기 이벤트는 진동 이벤트, 텐션(tension) 이벤트, 압축 이벤트, 벤딩(bending) 이벤트, 공진(resonance) 이벤트 및 토크 이벤트 중 적어도 하나를 포함하는,
토크 모니터링 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 시스템은,
복수의 회전 가능한 측정 인터페이스들,
복수의 고정 데이터 수신기들, 및
트랜스미션(transmission)을 더 포함하고,
상기 샤프트는 주요 구동 샤프트이고,
상기 시스템은 상기 트랜스미션을 통해 상기 주요 구동 샤프트에 기계적으로 커플링된 병렬 구동 샤프트를 더 포함하고, 그리고
상기 주요 구동 샤프트 및 병렬 구동 샤프트 각각은 대응하는 고정 데이터 수신기에 무선으로 커플링된 상기 회전 가능한 측정 인터페이스들 중 적어도 하나를 포함하는,
토크 모니터링 시스템. - 제 6 항에 있어서,
각각의 고정 데이터 수신기는 ECU(electronics control unit)와 통신하도록 구성되고,
상기 ECU는 상기 주요 구동 샤프트 상의 적어도 하나의 회전 가능한 측정 인터페이스 및 상기 병렬 구동 샤프트 상의 적어도 하나의 회전 가능한 측정 인터페이스로부터 수신된 디지털 데이터에 기초하여 상기 트랜스미션에 대한 효율 값을 결정하도록 구성되는,
토크 모니터링 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 회전 가능한 측정 인터페이스 내의 프로세서는 상기 스트레인 게이지가 임계치를 초과하는 힘을 검출하는지를 결정하는,
토크 모니터링 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 고정 데이터 수신기 내의 프로세서는 상기 회전 가능한 측정 인터페이스 내의 스트레인 게이지가 임계치를 초과하는 힘을 검출하는지를 결정하기 위해 상기 디지털 데이터를 프로세싱하는,
토크 모니터링 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 회전 가능한 측정 인터페이스 내의 프로세서는, 상기 샤프트가 회전하고 있지 않을지라도, 상기 디지털 데이터를 상기 NFC 트랜시버 코일들을 통해 상기 고정 데이터 수신기 내의 프로세서로 무선으로 송신하도록 구성되는,
토크 모니터링 시스템. - 토크 모니터링 및 피드백 시스템으로서,
회전 가능한 구동 샤프트,
회전 가능한 구동 샤프트와 일제히 회전하기 위해 상기 회전 가능한 구동 샤프트에 부착된 회전 가능한 측정 인터페이스 ― 상기 측정 인터페이스는 스트레인 게이지, 프로세서 및 트랜시버 코일을 포함함 ― ,
하우징에 포함되고, 회전하는 구동 샤프트에 관련하여 고정된 고정 데이터 수신기 ― 상기 고정 데이터 수신기는 프로세서 및 트랜시버 코일을 포함함 ― , 및
상기 고정 데이터 수신기와 통신하도록 구성된 ECU(electronics control unit)를 포함하고,
상기 회전 가능한 측정 인터페이스는 상기 고정 데이터 수신기 내의 트랜시버 코일에 의해 무선으로 송신된 라디오 신호로부터 도출된 동작 전력을 자신의 트랜시버 코일을 통해 수신하고, 그리고
상기 회전 가능한 측정 인터페이스 내의 프로세서는 상기 스트레인 게이지로부터 스트레인 게이지 측정 데이터를 수신하고, 상기 측정 데이터를 표시하는 데이터를 상기 트랜시버 코일들을 통해 상기 고정 데이터 수신기 내의 프로세서로 무선으로 송신하도록 구성되는,
토크 모니터링 및 피드백 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 회전 가능한 측정 인터페이스는 상기 고정 데이터 수신기 내의 프로세서로의 송신 동안에 디지털 데이터를 인코딩하기 위한 스위치 리액턴스 엘리먼트를 또한 포함하는,
토크 모니터링 및 피드백 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 시스템은 상기 고정 데이터 수신기에 커플링되고 상기 샤프트의 속도 및 토크를 제어하도록 구성된 제어 유닛을 더 포함하고,
디지털 데이터에 기초하여, 상기 고정 데이터 수신기는 상기 샤프트가 기계적 이벤트를 경험하고 있다고 결정하고, 상기 샤프트의 속도 및 토크 중 적어도 하나를 조절하기 위한 신호를 상기 제어 유닛으로 전송함으로써 결정된 이벤트에 응답하도록 구성되고,
상기 기계적 이벤트는 진동 이벤트, 텐션 이벤트, 압축 이벤트, 벤딩 이벤트, 공진 이벤트 및 토크 이벤트 중 적어도 하나를 포함하는,
토크 모니터링 및 피드백 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 시스템은,
복수의 회전 가능한 측정 인터페이스들,
복수의 고정 데이터 수신기들, 및
트랜스미션을 더 포함하고,
상기 샤프트는 주요 구동 샤프트이고,
상기 시스템은 상기 트랜스미션을 통해 상기 주요 구동 샤프트에 기계적으로 커플링된 병렬 구동 샤프트를 더 포함하고,
상기 주요 구동 샤프트 및 병렬 구동 샤프트 각각은 대응하는 고정 데이터 수신기에 무선으로 커플링된 상기 회전 가능한 측정 인터페이스들 중 적어도 하나를 포함하고, 그리고
각각의 고정 데이터 수신기는 ECU(electronics control unit)와 통신하도록 구성되고, 상기 ECU는 상기 주요 구동 샤프트 상의 적어도 하나의 회전 가능한 측정 인터페이스 및 상기 병렬 구동 샤프트 상의 적어도 하나의 회전 가능한 측정 인터페이스로부터 수신된 디지털 데이터에 기초하여 상기 트랜스미션에 대한 효율 값을 결정하도록 구성되는,
토크 모니터링 및 피드백 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 회전 가능한 측정 인터페이스 내의 프로세서는 상기 스트레인 게이지가 임계치를 초과하는 힘을 검출하는지를 결정하는,
토크 모니터링 및 피드백 시스템. - 제 11 항에 있어서,
상기 고정 데이터 수신기 내의 프로세서는 상기 회전 가능한 측정 인터페이스 내의 스트레인 게이지가 임계치를 초과하는 힘을 검출하는지를 결정하기 위해 상기 디지털 데이터를 프로세싱하는,
토크 모니터링 및 피드백 시스템. - 시스템으로서,
주요 구동 샤프트,
병렬 구동 샤프트,
상기 주요 구동 샤프트를 상기 병렬 구동 샤프트에 기계적으로 링크하는 트랜스미션,
상기 주요 구동 샤프트와 일제히 회전하기 위해 상기 주요 구동 샤프트에 부착되는 제 1 회전 가능한 측정 인터페이스 ― 상기 제 1 측정 인터페이스는 스트레인 게이지 및 트랜시버 코일을 포함함 ― ,
하우징에 포함되고, 상기 주요 구동 샤프트에 관련하여 고정된 제 1 고정 데이터 수신기 ― 상기 제 1 고정 데이터 수신기는 상기 제 1 회전 가능한 측정 인터페이스의 트랜시버 코일과의 무선 통신을 위한 트랜시버 코일을 포함함 ― ,
상기 병렬 구동 샤프트와 일제히 회전하기 위해 상기 병렬 구동 샤프트에 부착된 제 2 회전 가능한 측정 인터페이스 ― 상기 제 2 측정 인터페이스는 스트레인 게이지 및 트랜시버 코일을 포함함 ― , 및
하우징에 포함되고, 상기 병렬 구동 샤프트에 관련하여 고정된 제 2 고정 데이터 수신기 ― 상기 제 2 고정 데이터 수신기는 상기 제 2 회전 가능한 측정 인터페이스의 트랜시버 코일과의 무선 통신을 위한 트랜시버 코일을 포함함 ― 를 포함하고,
상기 제 1 회전 가능한 측정 인터페이스 및 제 2 회전 가능한 측정 인터페이스는 대응하는 트랜시버 코일들을 통해 그들 각각의 제 1 고정 데이터 수신기 및 제 2 고정 데이터 수신기로부터 전력을 수신하고, 데이터 통신들을 그들 각각의 제 1 고정 데이터 수신기 및 제 2 고정 데이터 수신기에 제공하는,
시스템. - 제 17 항에 있어서,
상기 제 1 고정 데이터 수신기 및 제 2 고정 데이터 수신기와 통신하도록 구성된 ECU(electronics control unit)를 더 포함하는,
시스템. - 제 18 항에 있어서,
상기 ECU는 상기 제 1 회전 가능한 측정 인터페이스 및 제 2 회전 가능한 인터페이스로부터 그들의 대응하는 제 1 고정 데이터 수신기 및 제 2 고정 데이터 수신기를 통해 수신되는 스트레인 게이지 데이터에 기초하여 트랜스미션 효율 값을 계산하는,
시스템. - 제 17 항에 있어서,
상기 시스템은 상기 병렬 구동 샤프트에 기계적으로 커플링된 중간 구동 샤프트를 더 포함하고,
상기 중간 구동 샤프트와 일제히 회전하기 위해 상기 중간 구동 샤프트에 부착된 제 3 회전 가능한 측정 인터페이스 ― 상기 제 3 측정 인터페이스는 스트레인 게이지 및 트랜시버 코일을 포함함 ― , 및
하우징에 포함되고 상기 중간 구동 샤프트에 관련하여 고정된 제 3 고정 데이터 수신기 ― 상기 제 3 고정 데이터 수신기는 상기 제 3 회전 가능한 측정 인터페이스의 트랜시버 코일과의 무선 통신을 위한 트랜시버 코일을 포함함 ― 를 포함하고,
상기 ECU는 상기 제 3 고정 데이터 수신기로부터 스트레인 게이지 데이터를 수신하는,
시스템.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| US201462012744P | 2014-06-16 | 2014-06-16 | |
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