KR100710761B1 - 회전 기기의 성능 테스트 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

회전 샤프트의 각 회전을 측정하기 위한 방법은, 각각의 연속한 시간 간격들 동안 연속한 하이 및 로우 논리 레벨을 발생시키는 디지털 회전 인코더를 샤프트에 부착시키는 단계를 포함한다. 샤프트는 회전되고, 디지털 회전 인코더에 의해 발생된 각각의 연속한 논리 레벨의 개별적인 시간 주기들은 축적되어 샤프트의 각 회전 또는 그 함수를 도출가능하게 한다. 이러한 방법은 인코더의 듀티 싸이클의 공차 에러에 무관하게 정확한 결과를 발생시킨다. 이것은 회전 기기의 속도-시간 특성이나 그 함수를 도출하기 위하여 회전 기기나 그 부품의 성능을 테스트하는데 사용될 수 있다. 본 발명의 높은 측정 해상도 덕분에, 플라이휠을 사용하여 기기의 회전 속도를 늦출 필요없이, 정상 상태 성능은 물론 동적 성능도 정확하게 결정될 수 있다.

회전축, 각 회전, 디지털 회전 인코더, 플라이휠, 듀티 싸이클

Description

회전 기기의 성능 테스트 방법 및 시스템{METHOD AND SYSTEM FOR PERFORMANCE TESTING OF ROTATING MACHINES}

본 발명은 일반적으로 각 회전(angular rotation)의 정밀 측정에 관한 것으로, 특히 회전 기기의 성능 테스트에 관한 것이다.

전기 모터의 성능 테스트에 대한 종래의 접근 방식은 과도 효과(transient effects)의 제거 후에 모터의 정상 상태(steady state) 성능을 측정하는 것이 일반적이다. 이를 위해, 모터 속도 데이터가 시간 함수로서 수집되고, 이 데이터를 필터링을 통해 변동을 제거하여, 예컨대 적당한 IEEE 표준에 제시된 표준 모터 성능 특성을 도출해 낸다. 이와 같은 특성은 모터가 무부하 조건 하의 정지 상태에서부터 가속되고, 토오크는 뉴튼의 운동 제2 법칙에 따라서 속도 곡선의 시간 도함수 함수로서 도출되는 무부하 시의 모터의 토오크-속도 성능에 불가피하게 관련된다. 게다가, 변동 효과가 제거된 모든 경우에서도 부하 테스트는 물론 소위 "시그너쳐(signature)" 테스트가 실시된다.

시그너쳐 테스트는 특정 모터의 무부하 성능과 생산 라인 모터가 평가될 수 있는 척도로서 기능하는 사전 측정 "마스터" 모터의 무부하 성능을 비교하기 위하여 고속 측정 기법과 프로세싱을 활용하는 무부하 테스트의 확장이다. 부하 테스트는 특정 토오크가 테스트 중의 운행 모터에 적용되어 최종적인 속도, 전류, 및 전력이 측정되는 동작 조건 하에서 모터의 성능을 측정한다.

통상적으로, 모터 속도는 모터 축에 결합된 타코미터를 이용하여 측정된다. 따라서 모터 속도는 아날로그 형태로 얻어지게 되어 해상도가 낮을 뿐만 아니라 노이즈도 심각한 수준이다. 이런 이유로 해서, 디지털 방식이 선호되며, 지난 이삼십년 동안에 모터 샤프트들 등의 회전 속도의 더욱 정밀한 디지털 샘플링을 얻고자하는 많이 노력해 왔었다. 이와 같은 많은 방법들은 여전히 기본적으로 아날로그 트랜스듀서를 채용하여 속도 신호를 도출한 다음에 후속 처리 시에 디지털 방식의 처리를 위해 이 속도 신호를 A/D 컨버터를 이용하여 디지털 형태로 바꾸고 있다.

R.Szabados 등은 「Transation on Energy Conversion, Vol. 5, No. 3, September 1990 」에 나오는 "Measurement of the Torque-Speed Characteristic of Induction Motor using an improved new digital approach"에서 그와 같은 기술에 대해서 개시하고 있다. 이들 방법에서는 고속 데이터 획득 시스템을 이용하여 직류 타코미터의 출력은 물론 라인 전류 및 전압과 같은 다른 관련 파라미터를 샘플링한다. 그 다음, 측정된 데이터는 디지털 방식으로 처리되어 노이즈를 제거하고, 동적 평균 필터링을 수행하여 외부로부터의 커플링 진동을 제거하고 뉴튼 법칙을 이용하는 속도 곡선의 시간 도함수로부터 상대 토오크 프로파일을 결정한다. 노이즈를 제거해도 변동이 없어지므로, 원래의 속도 데이터를 필터링함으로써 변동을 없애는 것이 상기 논문에서 제시된 방법의 본래적인 특징임이 드러나게 된다.

실제로, 원래의 속도 데이터는 오염되어 있으며 데이터 처리 단계의 첫 번째 작업은 속도 프로파일의 왜곡없이 외부 신호를 제거하는 것을 포함한다. 상기 논문의 주요 공헌은 제시되는 필터링 알고리즘을 개선하는 것에 있다.

Automation Technology, Inc에 양도된 미국 특허 제5,218,860호(Storar)에는 대안적인 접근 방식이 개시되어 있는데, 이 방식에서는 아날로그 트랜스듀스가 아니라 디지털 그레이 스케일 (증분) 인코더를 이용하여 속도를 측정한다. 도 1은 모터(11)가 고품질 베어링(13)에 지지된 회전 샤프트(12)로 구성된 테스트 고정구를 통해 미국 특허 제5,218,860호 따른 테스트 시스템에 기계적으로 결합되어 있는 모터 테스트 베드(10)를 도시한 것이다. 샤프트(12)에는 그 관성이 알려져 있는 플라이휠(14)과 고 해상도 회전식 디지털 인코더(15)가 장착되어 있다. 플라이휠(14)은 다음의 수학식 1에 따라 토오크가 결정될 수 있는 관성 부하로서 작용한다.

여기서, T = 토오크

I = 플라이휠의 관성

ν = 속도

t =시간

미국 특허 제5,218,860호에서 설명된 바와 같이, 토오크-속도 특성은 모터가 정지 상태에서 최대 속도에 도달하는데 걸리는 시간 동안에 규칙적인 공지의 시간 간격으로 샘플링된다. 측정 시간 간격은 수정 발진기에 의해 고정되는데 통상적으로 16.67 ms이며, 이는 하나의 60 Hz 전력 라인 싸이클의 기간에 해당한다. 속도 변화는 0.0072°정도로 작은 각 변위를 분해하는 회전 인코더에 의해 결정된다. 토오크와 속도는 전력 인가 시부터 최대 무부하 속도 도달 시까지 16.67 ms 주기 마다 계산된다. 모터에 부착된 플라이휠의 관성은 모터가 정지 상태에서 최대 속도까지의 전체 토오크-속도 곡선을 기술하는데 충분한 약 4초(이 시간은 대략 토오크 속도 결과를 대략 240번 샘플링하는데 걸리는 시간임) 내에 최대 속도에 도달하도록 선택된다.

미국 특허 제5,218,860호에 개시된 디지털 회전 인코더는 아날로그 트랜스듀서보다 크게 개선된 것으로서, 이전에는 쉽게 얻을 수 없었던 특정의 모터 특성을 측정할 수 있다. 그러나, 실제로 각 샘플링 기간 중에 수 많은 펄스가 평균되므로 이 디바이스의 해상도는 여전히 비교적 낮은 편이다. 구체적으로 설명하면, 미국 특허 제5,218,860호에는 증분 인코더가 모터 샤프트의 각각의 완전 회전 동안에 25,000개의 펄스를 생성한다고 기재되어 있다. 이것은, 평균 모터 속도가 10,000 rpm이라고 가정하면, 16.67 ms 기간 당 생성된 펄스수가 거의 70,000개라는 것을 의미한다. 이 실제 펄스수는 모터의 각 속도의 정확한 표시를 위해 2진 카운터에 의해 카운트된다. 그러나, 16.67 ms 정도의 큰 샘플링 기간 동안에는 변동은 더 이상 측정될 수 없고, 따라서 단지 평탄화된 특성만을 결정할 수 있을 뿐이다. 더욱이, 그와 같은 고정밀의 회전 인코더를 채용한다고 해서 특별한 이점이 있는 것도 아니며, 또 그와 같이 개략적인 샘플링 구간이 채용되는 경우에도 가격면에서 특별한 이점이 있는 것도 아닌 것으로 보인다. 이론적으로는, 단순히 샘플링 기간을 짧게 할수록 해상도는 높아질 수 있지만, 실제로 현 기술을 이용해서는 이것을 정확하고 저렴하게 달성하기가 어렵다.

더욱이, 모터 샤프트에 부착된 플라이휠은 모터에 부하를 주고 있으며, 이것은 모터의 정적 성능을 저하시키지는 않는다 하더라도, 과도 효과를 받게 되는 변동을 실질적으로 없애게 된다. 그 결과, 미국 특허 제5,218,860호가 교시하는 바와 같이 모터에 부하를 주게 되면 모터의 동적 성능을 측정할 수가 없게 된다.

본 발명자는 모터의 동적 성능에 대해서 알지 못하고서는 모터의 기본 거동을 알아내기가 불가능할 정도로 모터의 동적 성능은 모터에 대해 무한한 가치의 정보를 제공해 준다는 것을 알았다. 그러나, 상술한 바와 같은 이유로 해서, 16 ms 정도로 큰 샘플링 기간 동안에는 동적 성능 데이터를 얻을 수가 없는데, 이것은 이 기간 동안에는 곡선의 과도 부분 상의 변동의 대부분이 없게되기 때문이다. 샘플링 기간의 실제 크기에 상관없다 하더라도, 또, 널리 보급된 기술을 가지고서 그리고 가격의 제한을 갖고서 샘플링 기간을 줄이므로써 어느 정도는 개선될 수 있음은 분명하지만, 개선의 범위가 한정되어 있다. 이것은 고정된 기간 동안에 펄스를 카운트하는 것이, 비록 작다하더라도, 결코 최적의 결과를 실현시킬 수 없다는 사실로부터 당연한 것이다. 따라서, 샘플링 기간을 무한정으로 줄일 수 있다 하더라도(물론 그럴 수 없지만), 그와 같은 경우에 샘플링 기간 동안에 데이터가 얻어질 수 없기 때문에 결코 펄스 한 개의 기간보다 더 작게 줄일 수는 없다. 반면에 샘플링 기간을 늘이게 되면 샘플링 데이터를 얻을 수는 있겠지만, 이것은 샘플당 다수 데이터의 생성 비용을 보아가면서 그렇게 하는 것이다. 이것은 얻어지는 해상도가 이론적인 최대치보다 작게되는 것이 불가피하다는 것을 의미한다.

더욱이, 미국 특허 제5,218,860호에 개시된 방식을 이용하여 충분한 수의 샘플점(sample point)을 얻기 위해서는, 모터가 최대 속도에 도달하는데 걸리는 시간이 수 초 정도로 연장되도록 할 필요가 있다. 이것은 모터의 정상 상태 응답을 지연시킬 정도로 충분한 관성을 가진 플라이휠에 의해서 달성된다. 물론 이때 샘플점 수를 손상시키지 않고, 동시에 모터에 부하가 걸릴 때 사라지는 과도적인 성능에서의 변동에 관한 상세를 제공하지 않고, 적절한 속도 특성이 보다 적은 시간에 도출될 수 있도록 하는 것이 확실히 바람직하다.

Joseph L.Vitulli, Jr의 미국 특허 제4,535,288호에는 공간적으로 한정된 환경에서 이동 샤프트의 회전 속도를 결정하는 방법에 대해 개시되어 있는데, 이 방법에서는 순차적으로 연속한 한 쌍의 인코더(트랜스듀서) 펄스들 간의 시간이 속도를 결정하는데 이용된다. 갱신된 회전 속도는 상기 펄스에 대해 비순차적인 후속 펄스들이 추가 쌍으로부터 산출된다. Vitulli 특허에 개시된 회전 인코더는 60개의 균등 이격된 톱니(teeth)(각 톱니는 회전이 픽업을 지날 때에 제1 전압 레벨을 가진 출력 신호를 발생시킴)을 가진 톱니형 휠에 비견될 수 있다. 인접한 톱니 사이의 공간이 픽업을 통과하면 제2 전압 레벨을 가진 출력 신호가 생성된다. 통상적으로는, 제1 및 제2 전압 레벨은 펄스열이 생성되도록 각각 논리 하이와 로우 레벨을 가진 디지털 신호로 변환된다. 따라서, 하이 및 로우 레벨에 대해 동일한 각도를 주는 60개의 균등 이격된 톱니가 있다고 가정하면, 각각의 논리 하이 레벨에 대응하는 각 회전은 2π/120 라디안이다. 각각의 논리 하이 레벨의 지속 시간을 측정함으로써 각 속도가 계산될 수 있다.

그러나, 실제에 있어서는, 가장 좋은 회전 인코더라 하더라도 단지 ±10%의 듀티 싸이클 정밀도를 갖고 있는데, 이것은 인접 톱니들의 개시 간의 거리(펄스열의 주기에 해당)가 일정하다면 각 톱니의 폭은 ±10%의 정밀도가 된다는 것을 의미한다. 각 톱니가 픽업을 통과하는 측정 시간에 기초하여 각속도가 계산되기 때문에, 각속도는 각 톱니의 실제 폭에 따라 달라지며 따라서 최대 오차는 20%가 된다.
JP 59 160766(Fanuc)은 미국 특허 제4,535,288호에 기재된 것과 유사하게 회전 인코더를 사용하여 서보 모터의 속도 검출 장치가 결정되고, 따라서 동일한 문제, 즉 듀티 사이클 에러로 인한 부정확성의 문제가 있다. 게다가, 무부하일 때 기기를 테스트하는 것에 대해서는 전혀 언급도 없다.
GB 2 127 549는 모터의 토오크 측정 동안에 모터를 지지하기 위한 테스트 베드(test bed)에 대해 개시하고 있다. 여기에서 개시된 시스템은 이상에서 상세히 논의한 미국 특허 제5,218,860호와 아주 유사한 것으로 보이며, 동일한 결점을 가지고 있다. 특히, 주의할 점은 모터의 가속도를 줄이기 위해 정상 상태 토오크 및 과도 토오크가 GB 2 127 549에 의해 측정되는 모터에 부하가 걸려 있다는 것이다(모터에 부하가 걸려 있으면 본 출원에서 이야기한 모든 동적 현상이 사라지게 된다). GB 2 127 549의 제1면 제48행 내지 제53행에 기술된 내용으로부터 보면, 이러한 부하는 정지 상태(zero speed)에서 시작하여 충분한 속도(full speed)에 이르기까지의 모터의 과도 토오크-속도 특성을 기록하는데 필요하다는 것은 명백하다. GB 2 127 549에서 제안한 바와 같이 모터의 가속도를 줄이는 것은 모터의 과도 특성 - 과도 특성의 정확한 결정이 본 발명의 주요 특징임 - 의 도출에 악영향을 주는 것은 분명하다.
미국 특허 제4,169,371호(Witschi 등)는 가속도를 결정하기 위하여 구동 시스템의 속도의 시간 미분에 근거하여 동적 동작 중의 구동 시스템의 토오크 및/또는 전력을 측정하는 방법 및 장치에 대해 개시하고 있다. 이 시스템에는 부하가 걸려 있고, 따라서 동적 특성 - 이를 결정하는 것이 본 발명의 주된 목적임 - 이 소실되는 것은 명백하다.
미국 특허 제5,631,411호(Harms 등)는 모터의 속도를 계산하는 엔진 모니터링 장치에 대해 개시하고 있다. 도 1로부터 분명한 바와 같이, 관성 부하(즉, 플라이휠)가 모터에 연결되어 있고 따라서 여기에서도 역시 동적 특성 - 이를 결정하는 것이 본 발명의 주된 목적임 - 이 소실된다.
EP 457 086은 웜 기기(worm machine)에서의 로컬 드래그-인 토오크(local dragged-in torque)의 무접촉 측정을 위한 장치에 대해 개시하고 있다. 적어도 2개의 위치 센서 또는 근접 스위치(proximity switch)가 웜 케이싱에 배열되어 있다. 웜축의 회전 동안에, 센서는 웜 축 표면을 스캔하고, 검출된 특성에 기초하여, 속도 신호와 함께 전자 분석 회로에 공급가능한 측정 펄스를 발생하는데, 이렇게 하여 제품 공간내에서 웜 축의 세그먼트에서의 로컬 드래그-인 토오크(local dragged-in torque)를 산출한다. 이 장치는 웜축 드라이브와 웜 기기의 제품 공간 사이에 있는 통합 토오크(integral torque)를 측정하기 위한 장치와 함께 동작한다. 여기서는 무부하 기기의 토오크를 측정하는 것에 대해서는 어떠한 암시도 없다.
미국 특허 제5,390,545호(Doan)는 회전 기기의 비틀림 진동을 측정하는 장치에 대해 개시하고 있으며, 여기서 일정 간격으로 있는 복수의 톱니를 갖는 휠이 회전 기기에 접속되어 있다. 센서가 휠 회전 속도를 검출하고 그에 응답하여 그 회전 휠 속도에 비례하는 주파수를 갖는 속도 신호를 생성한다. 타이밍 장치는 이 속도 신호를 수신하여 속도 신호 중 가장 최근의 펄스의 기간을 결정하고, 그에 따라 이 결정된 기간을 대표하는 값을 갖는 순간 기간 신호를 생성한다.
미국 특허 제4,992,730호(Hagiya)는 회전체의 회전 속도를 계산하는 방법에 대해 개시하고 있으며, 이 방법은 회전 속도 센서의 출력에서 얻은 펄스열 신호에 대해 속도 계산 기준 시간 주기를 설정하는 단계; 이전의 속도 계산 기준 시간 주기 내의 마지막 펄스 에지로부터 현재의 속도 계산 기준 시간 주기 내의 마지막 펄스 에지까지의 시간 길이를 측정하는 단계; 및 시간 길이 측정의 결과에 근거하여 회전체의 회전 속도를 계산하는 단계를 포함한다.

<발명의 개요>

따라서, 본 발명의 목적은 지금까지 제시된 방법과 관련된 문제점들이 실질적으로 개선되거나 제거될 수 있는 회전 속도 측정 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.

이와 같은 목적은 본 발명의 포괄적 양상에 따라서, 회전 샤프트의 각 회전을 측정하는 방법에 있어서,

(a) 임의의 쌍의 순차 논리 상태가 상기 회전 샤프트의 공지의 각 회전에 대응하도록 반대되는 2진 논리 상태를 연속적으로 발생시키는 디지털 회전 인코더를 상기 회전 샤프트에 부착시키는 단계,

(b) 상기 회전 샤프트를 회전시키는 단계, 및

(c) 디지털 회전 인코더에 의해 발생된 각각의 연속한 논리 상태와 연관된 각각의 시간 기간을 개별적으로 측정하는 단계, 및
(d) 각각의 연속한 논리 상태와 연관된 각각의 시간 기간을 합산(sum)하여 디지털 회전 인코더에 의해 발생된 연속한 논리 상태의 쌍들의 누적 경과 시간 간격(accumulated elapsed time interval)을 도출함으로써, 샤프트의 각 회전 또는 그 함수의 도출을 가능케하는 단계

를 포함하는 샤프트의 각 회전 측정 방법을 제공함으로써 실현된다.

따라서, 본 발명은 샤프트의 공지의 각 회전 동안에 경과된 시간에 따라서 모터 또는 엔진 속도를 테스트하는 방식을 개선시킨다. 이와 같은 방식에 따라서, 논리 상태가 로우에서 하이로 다시 로우로 또는 그 반대로 변하도록 경과 시간이 측정된다. 논리 상태가 로우나 하이로 유지되는 시간 간격이 듀티 싸이클에 에러를 일으켜도, 순차 논리 상태에 대한 결합 시간 간격은 공지의 각 회전을 정확히 반영하고 있다. 따라서, 연속한 쌍의 논리 상태들 간의 누적 경과 기간을 측정하면, 비행 중의 임의의 속도 변화를 반영하면서 속도 결과에 영향을 미치는 듀티 싸이클 에러를 피할 수 있다. 예컨대, 회전 당 60 펄스를 생성하는 회전 인코더를 생각해 본다. 미국 특허 제4,535,288호의 경우에는 샤프트 rpm(revolution per minute)은 1초 정도의 간격 내에 결정될 수 있으며, 매우 고품질의 인코더(±10%정도의 듀티 싸이클 에러를 가짐)의 경우에는 ±10%의 측정 속도 부정확성을 발생시킬 것이다.

본 발명에 따른 방법은 전기 모터나 그 부품을 테스트하는 특정 응용을 제공하는데, 상기 방법은,

(a) 순차 논리 상태들의 임의의 쌍이 회전 전기 모터의 공지된 각 회전에 대응하도록 반대되는 2진 논리 상태들을 발생시키는 디지털 회전 인코더에 전기 모터의 무부하 샤프트를 부착시키는 단계,

(b) 회전 전기 모터의 동적 속도-시간 특성 또는 그 함수의 미분을 가능하게 하도록 전기 모터의 회전시 디지털 회전 인코더에 의해 발생된 논리 상태들의 연속 쌍들의 누적된 경과 시간 주기를 측정하는 단계, 및

(c) 무부하 회전 전기 모터의 동적 속도-시간 특성을 이용하여 무부하 회전 전기 모터의 정적 토오크 속도 또는 동적 토오크 속도 또는 정상 상태 동안의 발진 토오크 또는 정상 상태 동안의 속도 및 토오크 스펙트럼을 도출하는 단계

를 포함한다.

바람직하게는, 이 테스트 방법은,

(d) 상기 회전 기기의 회전자의 소정의 관성 모멘트와 상기 회전 기기의 상기 측정된 속도 특성을 참조하여 상기 회전 기기의 토오크를 계산하는 단계를 더 포함한다.

본 발명은 또한 회전 기기나 그 부품의 동적 및 정적 속도-시간, 토오크-시간, 및 속도-토오크 특성을 결정하는 장치도 제공한다. 사전 측정된 회전자를 이용하여, 상이한 고정자를 이용하는 동일한 기기에 대해 테스트를 실시하여 그 상이한 고정자의 상대적 성능 데이터(정적 및 동적 모두 다)를 제공할 수 있다. 마찬가지로, 사전 측정된 고정자를 이용하여, 상이한 회전자를 이용하는 동일한 기기에 대해 테스트를 실시하여 그 여러 가지 회전자의 상대적 성능 데이터(정적 및 동적 모두 다)를 제공할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 방법과 장치는 기기의 축에 외부의 관성 부하를 연결할 필요 없이 동적 및 정적 성능 데이터를 도출 가능하게 하는 것임을 이해할 것이다. 이에 따라 기기는 정상 상태(즉, 비과도(non-transient)) 동작에 더욱 신속히 도달할 수 있으며, 기기의 측정이 더욱 신속히 실시될 수가 있다. 이것은 소형 기기가 대량 생산되어 생산 라인에서 바로 측정되어야 하는 경우에는 특히 중요하다. 더욱이, 지금까지는 측정이 곤란하였던 변동의 측정이 가능하게 된다.

미국 특허 제5,218,860호[컬럼 1, 라인 29]에는 더 큰 모터에 있어서 전기자(armature)의 질량이 적당한 관성 부하를 제공할만큼 충분히 클 수 있다고 제시되어 있다. 즉, 미국 특허 제5,218,860호에 따르면 단지 큰 모터에 대해서만이지만 외부 관성 모터가 없어도 된다. 그러나, 이것은 본래 큰 관성을 가진 큰 모터가 어떤 경우에도 정상 상태 속도에 도달하는데 비교적 시간이 오래 걸리므로 충분한 샘플점을 얻을 수가 있기 때문에 가능한 것일 수 있을 것이다. 이것은 소형의 관성이 작은 모터에 대해서는 적용되지 않는다. 이것은 미국 특허 제5,218,860호에서 정상 상태 속도에 도달하는 시간을 고의로 느리게 하여 충분한 샘플점을 얻을 수 있도록 하기 위하여 외부 관성 부하를 갖추는 소형의 저-관성 모터에 대한 경우가 아니다. 따라서, 본 발명의 주 목적이 정상 상태 속도에 도달하는 시간을 늘리는 것이 아니라 줄이는 것이기 때문에, 미국 특허 제5,218,860호는 작은 모터라 하더라도 플라이휠을 필요로 하지 않게 하는 본 발명과는 차이가 명백하다.

본 발명은 또한 정상 상태 조건 동안에 발진하는 토오크와 속도를 측정할 수도 있기 때문에 시간과 주파수 영역 모두에서 속도-시간과 토오크-시간 특성을 도출할 수가 있다. 이와 같은 경우에, 플라이휠은 기기가 정상 상태에 도달하는데 걸리는 시간을 늦추는데 사용될 수 있으며, 따라서 가속 중에도 정상 상태 발진 토오크와 속도 현상을 발생시킬 수가 있다. 이에 의해, 명백하지 않을 수 있는, 기기가 갖는 결함이 부각될 수가 있다.

본 발명은 또한 회전 기기를 아주 유연한 방식으로 테스트할 수 있다. 사용자는 샘플링 시간과 샘플링 개시 시간을 제어할 수 있다. 사용자는 마찬가지로 x-축(시간과 주파수)과 y-축(토오크와 속도)을 제어할 수 있으므로 장치는 회전 기기 분석기로서도 이용될 수가 있다.

본 발명을 이해하고 이것이 실제로 어떻게 실시될 수 있는가를 알아보기 위하여, 첨부 도면을 참조로 비한정적인 예시로서만 바람직한 실시예가 설명한다.

도 1은 종래의 모터 테스트 베드를 도시한 도면;

도 2는 본 발명에 따른 모터 테스트 시스템의 기능 블록도;

도 3은 도 2에 도시된 모터 테스트 시스템의 상세 블록도;

도 4는 도 2에 도시된 모터 테스트 시스템을 동작시키기 위한 주요 단계를 나타낸 흐름도;

도 5 내지 13은 본 발명에 따른 모터 테스트 시스템으로 측정 또는 계산된 통상적인 교류 PSC 유도 모터 특성을 그래픽으로 도시한 도면;

도 14 내지 19는 정상 상태 조건에서의 결함을 부각시키기 위한 본 발명의 다른 적용을 그래픽으로 도시한 도면;

도 20 내지 도 23은 에어컨 팬에서의 결함을 부각시키기 위한 본 발명의 또 다른 적용을 그래픽으로 도시한 도면; 및

도 24는 본 발명에 따라 도출된 회전 샤프트의 속도 또는 토오크 특성을 표시하기 위한 동적 토오크 및 속도 분석기의 기능 블럭도.

도 2는 공지된 유형의 디지털 샤프트 인코더(23)에 샤프트(22)가 결합된 유도 모터(21)를 포함하는, 일반적으로 도면 부호 20으로서 도시된 모터 테스트 시스템의 기능 블록도를 도시한 것이다. 샤프트 인코더(23)는 고해상도를 요하지는 않으며 실제로 모터 샤프트의 회전 당 5,000 펄스를 발생할 수 있다. 모터(21)가 회전하면 샤프트 인코더(23)는 논리 상태가 로우로부터 하이로 그리고 다시 로우로 또는 그 반대로 변하는 경과된 시간을 측정하는 샘플링 유닛(24)에 의해 샘플링된 논리 레벨을 생성한다. 연속한 시간 간격들은 시간 데이터를 처리하는 컴퓨터(25)에 공급되어 모터(21)의 동적 속도 특성을 경과 시간의 함수로서 도출하고 이것을 메모리에 저장한다. 모터(21)는, 예컨대 모터(21)가 최대 정상 상태 속도에 도달하면 모터(21)에 인가되는 전력이 차단되고, 그에 따라 테스트 절차의 완료를 표시할 수 있도록, 컴퓨터(25)에 응답하여 결합된 제어 유닛(26)을 통해 작동된다. 컴퓨터(25)에는 디스플레이 모니터나 플로터와 같은 디스플레이 장치(27)가 연결되어 있다. 모터(21)는 정확히 알려진 시간에 작동될 수 있는 전원 장치(28)에 의해 전력을 공급받는다.

도 3은 제1 카운터(32)와 제2 카운터(33)의 클럭 입력(CLK)에 공급되는 발진기(31)를 포함하는 샘플링 유닛(24) 내의 타이밍 회로(30)를 도시한 것이다. 샤프트 인코더(22)의 출력은 제1 카운터(32)의 인에이블 입력(ENABLE)에 공급되고, 제1 카운터(32)의 출력은 컴퓨터(25)에 공급된다. 샤프트 인코더(22)의 출력은 인버터(34)에 의해 반전되어 제2 카운터(33)의 인에이블 입력(ENABLE)에 공급되고, 제2 카운터(33)의 출력은 또한 컴퓨터(25)에 공급된다. 마찬가지로, 제1 카운터(32)의 리셋 단자(RST)와 제2 카운터(33)의 리셋 단자(RST)도 컴퓨터(25)에 응답하여 결합되어 제1 카운터(32)와 제2 카운터(33)가 리셋될 수 있도록 한다. 이에 대해서 설명한다.

타이밍 회로(30)의 동작은 다음과 같다. 수정 발진기(31)는 공지의 안정된 주파수를 갖는 고주파 펄스를 발생시킨다. 샤프트 인코더(23)는 모터 샤프트와 함께 회전하기 때문에, 발진기(31)의 주파수보다 낮은 주파수의 순차 반대 2진 논리 로우 및 하이 상태를 발생시킨다. 샤프트 인코더(23)에 의해 발생된 상대적으로 낮은 주파수의 논리 레벨은 제1 카운터(32)의 인에이블 입력에 공급되고, 반전된 후에, 제2 카운터(33)의 인에이블 입력에 공급된다. 그 결과, 연속한 인에이블 신호들 간에서 제1 카운터(32)는 인코더가 논리 하이에 있을 때에 발진기(31)에 의해 생성된 상대적으로 고주파의 펄스 수를 측정하고, 제2 카운터(33)는 인코더가 논리 로우에 있을 때에 발진기(31)에 의해 생성된 상대적으로 고주파의 펄스 수를 측정하고, 이 두 측정 결과는 컴퓨터(25)에 공급된다. 컴퓨터(25)는 제1 카운터 인에이블 신호의 상태 변화에 응답하여 제1 카운터(32) 및 제2 카운터(33)의 각 출력 상의 데이터를 포착하여 이 카운터들의 각 RST 입력에 리셋 신호를 공급한다. 이것은 인코더가 논리 로우에 있을 때 제1 카운터(32)를 클리어시키고 인코더가 논리 하이에 있을 때 제2 카운터(33)를 클리어시킨다. 따라서 연속한 인에이블 신호들 간의 제1 카운터(32)의 출력은 샤프트 인코더(23)가 논리 하이를 유지하는데 걸리는 시간을 정확하게 나타낸다. 마찬가지로, 연속한 인에이블 신호들 간의 제2 카운터(33)의 출력은 샤프트 인코더(23)가 논리 로우를 유지하는데 걸리는 시간을 정확하게 나타낸다.

샤프트 인코더(23)가 회전당 단지 5,000개의 펄스의 해상도를 가지고 있고 또 모터(21)의 속도가 1,000 rpm 정도로 낮다고 가정하더라도 샤프트 인코더(23)는 분당 5백 만개의 펄스를 출력할 것이다. 따라서, 각 펄스는 대략 10 ㎲의 주기를 갖게 되는데, 이것은 정확하게 측정할 카운터(32)의 용량 내에 있는 것이다. 더욱이, 16.67 ms 시간 간격 내에 있는 상기 미국 특허 제5,218,860호에 개시된 시스템과 비교해서도, 샤프트 인코더(23)는 거의 1,667개의 펄스를 출력할 것이고, 각 펄스는 샘플링점이며, 이것은 미국 특허 제5,218,860호에서 설명된 단일 샘플링점과는 반대이다.

미국 특허 제5,218,860호는 수 많은 펄스를 이용하는 시간 측정과 관련된 것이기 때문에, 샤프트의 누적 각 회전을 측정하는데 훨씬 긴 시간 간격을 필요로 하지만, 각 펄스와 관련된 듀티 싸이클 에러는 실질적으로 무효가 된다. 상술한 바와 같이, 이것은 기기의 동적 응답의 결정에 영향을 미친다.

한편, Joseph L.Vitulli, Jr의 미국 특허 제4,535,288호는 단일 펄스만의 시간 측정을 제안하고 있으며, 따라서 일견해서 보면 동적 응답의 결정을 가능하게 한다. 그러나, 설명한 바와 같이, 이 방식은, 명료함을 위해, 현재는 더욱 정교하게 된 듀티 싸이클 에러를 경험한다. 회전 인코더의 제조업자는 회전 인코더의 회전당 펄스 수를 특정하고 또 듀티 싸이클도 특정한다. 듀티 싸이클이 50%로 특정되면, Vitulli,Jr에 의해 측정된 각 펄스에 대한 시간은 실제로 인코더의 각 펄스 동안의 명목상의 각 증분(angular increment)의 절반에 해당한다. 예컨대, 회전당 3,600개의 펄스가 있다면, 이것은 인코더의 단계적인 회전(degree rotation) 당 10개의 펄스에 해당한다. Vitulli,Jr는 단일 펄스의 하나의 명목상 반주기 싸이클을 측정하여 이로부터 제조자에 의해 특정된 듀티 사이클에 기초하여 각 인코더 펄스의 명목상 기간을 산출한다. 그러나, 이것은 제조자에 의해 특정된 듀티 싸이클에서의 불가피한 에러(현재 ±10% 정도임)로 인해 부정확하다.

따라서, Vitulli, Jr는 회전 인코더의 단일 펄스에서 명목상의 각 회전을 제공하여 단일 펄스 동안에 각속도의 계산을 가능하게 하고 있지만 실제 결과는 부정확하다.

도 4는 모터 테스트 시스템(20)의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다. 따라서, 초기에는 모터(21)에 전력이 공급되고, 상술한 바와 같이 샤프트 인코더(23)의 출력은 샘플링된다. 샘플링된 데이터는 수집되어 컴퓨터(25)에 의해 처리되고, 처리된 데이터는 디스플레이 장치(26) 상에 표시된다. 허용된 성능 범위를 벗어나는 것도 산출되고, 컴퓨터(25)가 경보 신호를 출력하여 잘못된 모터를 경보할 수 있다. 이와 같은 경보 신호는 물론 공지의 방식으로 듣거나 보이게 할 수 있다. 선택적으로, 다음에서 더 자세히 설명하겠지만, 모터(21)의 가속 중에 생긴 과도 효과에 대한 변동이 제거되어 종래의 정적 속도 특성을 발생시킬 수 있다.

도 5는 샤프트 인코더(23)에 의해 생성된 펄스의 측정된 연속 기간으로부터 계산된 교류 PSC 유도 모터에 대한 동적 모터 속도 특성을 그래픽으로 도시한 것이다. 따라서, 연속한 펄스들 간의 증분 모터 속도는 각 펄스에 상응하는 각 회전이 알려져 있기 때문에 산출될 수 있다. 모터 속도와 그에 따른 토오크는 시간에 따라 연속적으로 증가하지 않고, 오히려 짧은 시간 동안에 상승했다가 하강하고 다시 상승한다는 것에 유의한다. 대략 0.04초 후에, 이 효과는 없어지고 모터 속도와 토오크는 정상 상태에 도달할 때까지 시간에 따라 증가한다. 특히, 모터가 정상 상태에 도달하더라도 그 속도에는 여전히 연속적인 변동이 있음에 유의해야 한다. 이런 변동은 모터의 각 회전을 회전 인코더의 펄스 주기 함수로서 측정할 때만 나타나고, 지금까지 제시된 방법들에서는 수 많은 펄스에 대한 데이터 평균에 기초하여 함께 사라진다.

모터(21)에 플라이휠이 연결될 필요가 없다는 것은 이미 설명된 바이다. 대신에, 뉴튼 법칙에 따라서 회전자의 관성 모멘트로부터 모터 토오크가 다음과 같이 계산될 수 있다.

여기서, M(t) = 시간 t에서의 순간 토오크

Q = 회전자의 관성 모멘트

ω = 모터의 각속도

L(t) = 시간 t에서의 순간 외부 부하

모터(21)에는 부하가 연결되어 있지 않으므로, L(t)는 제로이고, 수학식 2는 다음과 같이 간단화된다.

도 6은 다음과 같이 모터(21)의 속도 특성으로부터 도출된 가속(run-up) 토오크 특성을 그래픽으로 도시한 것이다. 모터(21)는 외부 부하 없이 동작하며, 동적 속도 특성이 도출되어 컴퓨터(25)에 저장된다. 그 다음, 동적 속도 특성의 시간 도함수가 산출되고, 그 결과에 회전자의 관성 모멘트가 곱해진다. 속도는 rpm으로 결정되므로, 그 결과에 계수 2π/60이 더 곱해져, 무부하 모터의 기동에서부터 최대 속도 도달까지의 동적 토오크에 관련된 초당 라디안 단위의 등가 각속도로 변환되어야 한다. 공급 전압의 교류 싸이클에서의 미리 정해진 지점에서 모터를 기동시키도록 항상 주의한다면 이 특성은 반복될 수 있다. 예컨대, 실제의 특정 시스템에서는 교류 싸이클에서 전압이 0 볼트부터 모터가 상승하였던 시각에 기동하였다.

도 6에 도시된 모터의 상승 무부하 토오크 특성은 정적 속도 및 토오크 특성만을 제공하는 종래의 시스템으로는 얻을 수 없는 동적 모터 특성의 결정을 가능하게 한다. 동적 특성은 정적 데이터만으로는 검출할 수 없는 모터 고장을 검출해 낼 수 있게 할 뿐만 아니라 모터 특성의 분류도 가능하게 한다. 더욱이, 다음과 같은 것을 알게 되었다.

(ⅰ) 동적 토오크 특성은 모터 가속 중의 모터 토오크의 노이즈 진폭을 알려주며, 모터 가속 중의 토오크 변화로부터 일어나는 모터의 기계적 노이즈의 강도를 알려준다.

(ⅱ) 동적 토오크 특성은 모터의 회전 부품의 불균형를 알려준다.

(ⅲ) 동적 토오크 특성은 모터 고장을 알아내기 위한 고감도의 진단 도구를 제공한다.

지금까지는 상승 중의 모터의 동적 특성에 집중하여 설명하였다. 그러나, 만일 원한다면, 과도 효과에서 변동을 제거하여, 도 7에 그래픽으로 도시한 평탄한 속도-시간 특성을 제공할 수 있으며, 이 특성으로부터 종래의 토오크-속도 특성(도 11에 도시됨)이 도출될 수 있다. 과도 효과에서 변동을 제거하는 것은 여러 가지 방식으로 실시될 수 있다. 모터 샤프트는 고정자 전류가 정상 상태 값에 있을 때에만 기계적으로 잠기고 풀릴 수 있다. 이와 달리, 모터(21)가 고정자가 주 권선과 이 주 권선과 병렬로 스위치될 수 있는 보조 권선을 포함하는 영구 스플릿 커패시터(PSC)형 유도 모터라면, 회전자는 전류가 양 권선에 공급될 때에만 회전할 것이다. 따라서, 초기에는 전류는 주 권선에만 공급되고, 주 권선 내의 전류가 안정화될 때에만 회로에서 보조 권선이 스위치된다. 다시, 교류 공급 전압이 그 상승에 따라 제로가 될 때에만 회로 내에서 주 및 보조 고정자 권선이 스위치된다는 것에 유의해야 한다. 더 일반적으로는, 교류 공급 전압 싸이클에서 다른 임의의 알려진 각도에서 전력을 공급함으로써 반복 가능성이 보장될 수 있다.

과도 변동을 중화시키는 또 다른 방법은 적당한 알고리즘을 이용하여 모터의 동적 속도 특성을 처리하는 것이다. 이를 위해서, 도 5에 도시된 동적 속도 특성을 샘플링하여 속도 변화를 모터의 가속 중의 시간 함수로서 결정한다. 이 결과로서 도출된 신호를 시간 영역으로부터 주파수 영역으로 푸리에 변환하여 주파수 스펙트럼을 도출한다. 이 주파수 스펙트럼을 필터링하여 고조파를 제거하고 난 뒤에 다시 시간 영역으로 역변환한다. 이와 관련하여, 시간 영역에서 시간 해상도가 충분히 높다는 사실에 의해서 주파수 스펙트럼을 얻는 것이 가능하게 된다는 점에 유의해야 한다. 개략적인 시간 해상도를 이용하는 지금까지 제시된 방법들은 주파수 스펙트럼을 해결할 수 없다.

그러나 고정자 전류의 과도 효과에서 변동(fluctuations)을 상쇄시키기 위한 다른 접근은 통상 회전 방향의 반대 방향으로 샤프트를 회전시키는 것이며, 다음에 모터가 방향을 변화시키는 시간 동안에 가속(즉, 속도-시간) 특성의 샘플링을 시작하는 것이다. 그런 기술은 잘 알려져 있고, 예를 들면, 발명의 명칭이 "마찰 토오크 측정을 위한 장치 및 방법" 이며 또한 Automation Technology, Inc에 양도된 미국 특허 제5,440,915호에서 설명된다. 차후의 처리는 동적 속도 특성을 유도하기 위해 상술된 것과 유사하나, 과도 성분은 더 이상 존재하지 않기 때문에 정적 속도 특성을 만들어낸다.

도 8은 그래픽적으로 정상 상태에서 아이들링(idling)하는 무부하 4-극(pole) PSC 유도 모터에 대한 속도에서의 변화를 도시한다. 도 9는 모터의 속도 특성을 주파수 영역으로 변환시키는 결과를 도시한다. 도 9에서 도시된 주파수 스펙트럼은 시간 영역에서 분해될 수 있는 것보다 더 명확한, 모터에 관한 정보를 제공한다. 구체적으로 토오크 및 속도 변동에 관한 보다 명확한 정보가 유도된다.

회전자의 관성 모멘트는 두 개의 분리된 속도 특성을 유도함에 의해 결정될 수 있는데, 하나는 무부하 모터에 대한 것이고, 다른 하나는 알려진 관성 부하가 모터 샤프트에 인가된 경우이다. 따라서, 다음 단계가 수행된다.:

(i) 무부하 모터의 속도-시간 특성을 유도하고 그로부터 과도 변동 효과를 제거하는 단계,

(ii) 알려진 관성 모멘트의 관성 부하를 모터에 결합시키는 단계,

(iii) 부하 모터의 속도-시간 특성을 유도하고 그로부터 과도 변동 효과를 제거하는 단계, 및

(iv) 회전자의 관성 모멘트를 결정하기 위해 (i) 및 (iii)에서 유도된 각각의 속도 특성을 처리하는 단계

계산은 다음 수학식 4에 기초한다. :

무부하 모터에 대해

여기서 M_max는 모터 토오크의 최대값이다.

Q는 (산출될) 모터 회전자의 관성 모멘트이고,

ω는 모터의 각속도이다.

알려진 관성 부하 θ₁로 부하가 걸린 모터에 대해

모터 토오크 최대값(M_max)은 상수이고 거기에 인가된 임의의 부하와 독립적이다. 그러므로,

그것은 다음으로부터 유도될 수 있다.

모터 테스트 시스템(10)은 또한 아이들링시, 즉 무부하 정상 상태 조건 하에서 모터의 리플(ripple) 토오크 유도를 허용한다. 예를 들면, 아이들링시 교류 PSC 유도 모터에 의해 생성된 자기 노이즈의 강도 크기의 표시는 이로써 결정될 수 있다. 아이들링시, 모터는 가변하는 회전 자기장에 의해 생성된 가변 토오크 때문에 약한 리플이 중첩된, 기본적으로 일정한 속도에서 실행된다.

도 10은 정상 상태 조건하에서 아이들링시 모터에 의해 생성된 가변 토오크 강도를 나타내는 회전자의 관성 모멘트와 속도-시간 특성의 시간 도함수를 곱한 것을 그래픽으로 도시한다.

모터 테스트 시스템(10)은 또한 작업 속도에서 실행될 때, 예를 들면, 모터에 의해 생성된 자기 노이즈 강도의 크기를 표시하는 작업 속도에서 부하가 걸린 모터의 가변 토오크의 유도를 허용한다. 마찬가지로, 이것은 모터 토오크에서의 변화로부터 초래된 부하에 대한, 충격으로부터 초래된 기계적 노이즈 강도의 크기 표시를 제공한다. 모터와 인가된 부하의 속도는 다음에 기인한 토오크의 변화 때문에 변한다.

(i) 모터,

(ii) 부하, 및

(iii) 둘 사이의 불량한 결합.

외부 부하의 관성 모멘트에 부가된 회전자의 관성 모멘트와 속도 특성의 시간 도함수의 곱은 작업 속도에서 실행할 때 부하가 걸린 모터에 의해 생성된 가변 토오크 강도를 표시한다. 가변 토오크는 또한 부하 모터의 작업 조건에서 전기적 및 기계적 노이즈의 강도 크기 표시를 제공한다.

도 11은 무부하 모터의 정적 토오크-속도 특성을 그래픽적으로 도시한다. 모든 생산 주기의 끝에서, 외부 부하는 모터에 결합되고 부하가 걸린 모터의 속도-시간 특성이 결정된다. 과도 효과의 제거 후에, 이 곡선의 시간 도함수와, 회전자와 외부 부하의 총 관성 모멘트가 곱해진 것은 더 작은 부하의 모터의 정적 토오크-속도 특성을 준다. 이것은 수학식 8에서 보여진다.

여기서: M은 무부하 모터 토오크,

Q₁은 회전자의 관성 모멘트,

Q_L은 외부 부하의 관성 모멘트,

M_L은 부하 토오크.

도 12는 에어컨 팬인, 부하 M_L의 속도-토오크 특성과 함께 도 11에 도시된 정적 토오크-속도 특성을 그래픽으로 보여준다. 그러한 부하에 대해, 속도-토오크 특성은 일반적으로 형태가 포물선이고, 원점을 통과하며 모터의 실제 작업 속도에서 모터의 토오크-속도 특성과 교차한다. 도 13은 수학식 9를 유도하기 위해 도 11에 도시된 모터의 토오크-속도 특성과 도 12에 도시된 부하의 토오크-속도 특성 간의 차를 플롯한다.

도 13에 도시된 그래프는 부하가 걸린 상태에서 개시부터 모터의 최대 작업 속도까지 모터의 가속 동안 유도된다. 이 특성은 모터가 공급 전압의 교류 주기에서 동일한 지점으로부터 시작된다고 가정하면, 유사한 부하 모터에 대하여 반복될 수 있다. 예를 들면, 실시하기 위해 축소된 특별한 시스템에서는, 모터는 전압이 0볼트에서 상승하는 교류 주기의 한 지점에서 시작된다. 따라서, 도 13에 도시된 특성은 어떤 모터-부하 커플(에어컨, 물 펌프,등)이 설계서를 충족시키는 지를 표시하기 위해, 일군의 유사한 부하가 걸린 모터들의 GO-NOGO 테스트를 실행하기 위한 훌륭한 도구로서 역할을 한다. 도 13에 도시된 특성의 이전 용도는 부하가 걸린 기기의 기능을 확립하기 위해 알려져 있지 않다는 점을 명심해야 한다.

도 13에 도시한 부하 모터의 토오크-속도 특성을 계산하면, 도 11과 도 12에 도시된 모터의 정적 토오크-속도 특성은 도 12에서 그래픽적으로 보여진 부하의 토오크-속도 특성을 유도하기 위해 제외될 수 있다.

부하가 걸린 모터의 상승 상태 토오크-속도 특성은 그 특성의 과도 부분상의 변동을 제거하기 전에 도 6에서 보여진 것과 같은 무부하 모터의 것과 일반적으로 유사한 형태를 가지며, 이하와 같이 유도된다. 동적 속도 특성은 이상에서 설명된 것과 같이 직접 유도되고, 그것의 시간 도함수가 계산된다. 수학식 9로부터 명백한 바와 같이, 회전자와 외부 부하 모두의 총 관성 모멘트와 시간 도함수의 곱이 부하보다 적은 모터의 동적 토오크-속도 특성을 준다. 따라서, 이 특성은 일군의 유사한 모터의 동적 성능을 비교하기 위한 훌륭한 도구로서의 역할을 한다.

이 특성의 이전 용도는 개시로부터 가속 동안 모터 플러스 부하의 자기 노이즈 표시를 얻기 위해서이거나 부하 기기의 기능 확립을 위해서 알려져 있지 않다는 점을 명심해야 한다. 마찬가지로, 이 특성의 종래 용도는 개시부터 토오크 가속에서의 변화에 기인한 기계적 노이즈 표시를 얻기 위해 알려져 있지 않다.

부하가 걸린 모터의 통상 작업 조건 동안에, 모터와 부하는 다음에 기인한 토오크에서의 변동 때문에 약간 변하는 속도에서 움직인다.

(i) 모터,

(ii) 부하, 및

(iii) 둘 사이의 불량한 결합.

외부 부하의 관성 모멘트에 부가된 회전자의 관성 모멘트와 속도 특성의 시간 도함수를 곱한 것은 작업 속도에서 실행할 때 부하가 걸린 모터에 의해 생성된 가변 토오크 강도를 표시한다. 가변 토오크는 또한 부하 모터의 작업 조건에서 전기적 및 기계적 노이즈의 강도 크기 표시를 제공한다.

상술된 테스트의 대부분은 부하 또는 무부하 중의 하나인 완전한 모터에 관련된다. 그러나, 본 발명은 또한 명목상의 "이상적인" 기기와 비교하여 기기의 구성 요소의 테스트를 고려한다. 예를 들면, 상이한 회전자를 테스트하기 위해, 사전 측정되고 고성능을 가진 고정자가 사용되고 상기 테스트는 모터의 정적 및 동적 성능 양자를 유도하기 위해서 수행될 수 있다. 상이한 회전자를 사용하는 똑같은 모터에 대해 이들 테스트를 반복함에 의해, 회전자의 성능은 비교될 수 있다. 마찬가지로, 사전 측정되고 고성능을 가진 회전자를 사용하고 다른 고정자를 대체함에 의해, 고정자의 성능은 비교될 수 있다.

지금까지, 설명된 방법은 정상 상태에 도달할 때까지 기기의 개시로부터 속도-시간 또는 속도-토오크 특성의 과도 부분 측정에 관련된다. 따라서, 각 펄스의 실제 시간을 측정함에 의해, 속도-시간 또는 속도-토오크 특성은 고정 시간 주기에서 평균 회전을 측정함에 의해 분해될 수 있는 것보다 훨씬 더 미세한 해상도를 가지고 결정될 수 있다는 것을 증명했다. 그 결과로서 모터 특성의 과도 부분동안 일어나는 변동도 또한 분해될 수 있기 때문에, 지금까지 제안된 접근을 회피했던 모터 성능에 관한 정보가 제공된다.

심지어 무부하 기기가 정상 상태에 도달할 때에도, 명목상으로 일정한 속도 또는 토오크는 또한 본 발명에 따라 특성이 결정될 때 측정 가능하게 되는 섭동 또는 리플을 경험한다는 점이 또한 설명되었다.

그러나, 부하 기기가 실제 작동 조건 하에서 정상 상태에 도달하는 경우에도, 명목상으로 일정한 속도 또는 토오크는 또한 본 발명에 따라 특성이 결정될 때 측정 가능하게 되는 섭동 또는 리플을 경험한다는 점이 발명자에 의해 발견되었다. 이것은 또한 속도-시간 또는 속도-토오크 특성이 종래 방법을 사용하여 유도될 때 완전히 소실되는 매우 중요한 정보를 제공한다. 이 경우에, 물론, 교류 전압 주기에서 전력이 기기에 공급될 때, 개시부터 기기의 속도를 측정할 필요가 없고 교류 기기에 대해 더 이상 아는 것도 적절하지 않다. 요구되는 모든 것은 사실상 정상 상태에서 기기의 실시간 동적 속도-시간 특성인 것을 유도하기 위해서 실시간에서 정상 상태에 도달 후 기기의 속도-시간 특성을 측정하는 것이다. 명목상으로 일정한 속도는, 모터 및 제공된 부하의 유용한 성능 척도로서의 역할을 하는 동적 리플 성분을 가지기 위해 얻어진다. 특히, 너무 많은 리플은 적당하게 기능하지 못하는 작업 모터를 나타내기 때문에, 리플의 양은 작업 모터의 성능이 수용가능한지 여부에 관한 판단 기준으로서 역할을 한다. 그러므로, 끊임없이 작업 조건 하에서 부하 모터의 정상 상태 성능을 모니터링 하거나 리플 성분의 크기와 사전 설정된 임계값을 비교함에 의해, 부하 모터 또는 그것으로부터 어떤 성분이 설계서를 만족시키지 않는 경우에 경고가 주어질 수 있다.

본 발명은 또한 시간 및 주파수 영역 모두에서 속도-시간 및 토오크-시간 특성을 유도하기 위해 정상 상태 조건 동안에 발진하는 토오크 및 속도의 측정을 허용한다. 그런 경우에, 정상 상태에 도달하는 시간을 고의적으로 늦추기 위해서, 회전 샤프트가 정상 상태 속도에 도달할 때까지 기다리거나, 또는 대안적으로 회전 샤프트에 고 관성 플라이휠을 결합시키는 것 중의 어느 하나가 가능하다. 그런 경우에, 정상 상태 발진 토오크 및 속도 현상은 가속동안 나타날 것이며, 이것들은 지금까지 제안된 테스트 베드(bed)에서 보다 많은 샘플링 점들이 좀더 이용 가능하다는 사실 때문에 식별될 수 있다. 동적 리플은 그렇지않으면 명백하지 않았을 것인 기기가 가진 결점을 돋보이게 한다는 사실이 발견되었다.

도 14는 고 관성 모멘트를 가지는 플라이휠이 그 샤프트에 결합될 때의 모터의 속도-시간 특성을 도시한다. 모터 속도는 0부터 천천히 상승해서 플라이휠 없는 0.1초와 비교하여 대략 0.35초 후에 아이들링 속도에 도달한다. 모터의 정상 상태 속도에서 조그만 변화로 도시된 진동이 정상 상태 속도-시간 특성에서 중첩된다는 점을 명심해야 할 것이다. 모터 속도가 빠르게 정상 상태 속도로 상승할 때 이들은 항상 존재하나 인지가능하지 않다.

도 15는 1,260 rpm의 속도에 중심을 둔, 도 14에 도시된 모터의 속도-시간 특성의 줌(zooming) 효과를 도시하며, 정상 상태 모터 속도에서 주기적인 상승 및 하강을 좀더 명백히 보여준다. 이 곡선은 1,260 rpm의 속도에서 부하가 걸린 모터의 정상 상태 성능을 분류하기 위한 척도로서의 역할을 한다.

도 16은 1,260 rpm의 속도 주위에 중심을 둔, 도 15에 도시된 속도-시간 특성으로부터 유도된 속도 스펙트럼을 도시한다. 속도 스펙트럼이 100Hz의 기본 주파수를 지시하며, 이것은 교류 공급 주파수의 2배에 해당한다.

도 17은 시간에 관하여 도 14에 도시된 속도-시간 특성을 미분하거나 플라이휠 및 모터의 결합된 관성 모멘트를 곱함에 의해 유도된 토오크-시간 특성을 도시한다. 이 도면은 도 14의 속도-시간 곡선에서 관찰된 바와 같이 토오크에서의 유사한 발진을 보여준다.

도 18은 1,260 rpm의 속도에 중심을 둔, 도 17에 도시된 모터의 토오크-시간 특성의 줌(zooming) 효과를 도시하며, 정상 상태 모터 토오크에서 주기적인 상승 및 하강을 좀더 명백히 보여준다. 도 14에서 보여진 바와 같이, 모터는 시간 t=0.3 초에서 1,260rpm의 속도에 도달한다. 도 18은 이로써 t=0.3초 주위에 집중된 모터의 토오크-시간 특성에 줌인(zooming in)하는 것에 의해 유도된다. 이 곡선은 1,260 rpm의 속도에서 부하가 걸린 모터의 정상 상태 성능을 분류하기 위한 척도로서의 역할을 한다.

도 19는 1,260 rpm의 속도 주위에 중심을 둔, 도 18에 도시된 토오크-시간 특성으로부터 유도된 토오크 스펙트럼을 도시한다. 토오크 스펙트럼이 100Hz의 기본 주파수를 나타내며, 이것은 교류 공급 주파수의 2배에 해당한다.

도 20은 거스트(gust) 문제를 표시하는 에어컨에 대한 정상 상태 주파수 속도 스펙트럼 곡선을 도시하며, 이것은 큰 3Hz 성분으로서 그자체를 명백히 한다.

도 21은 조그만 3Hz 성분을 보여주는 양호한 에어컨에 대한 정상 상태 주파수 속도 스펙트럼 곡선을 도시한다.

도 22는 반복적으로 셔터를 조정하거나 다른 셔터 위치에 대하여 팬의 속도-시간 특성을 유도하여 표시함으로써 생산된 에어컨을 위한 정규적인 정상 상태 속도-시간 특성을 도시한다. 이것은 팬의 속도에서 변동이 작다는 것을 보여주며 에어컨의 고 품질 성능을 나타낸다.

도 23은 반복적으로 셔터를 조정하거나 다른 셔터 위치에 대하여 팬의 속도-시간 특성을 유도하여 표시함으로써 생산된 결함 있는 에어컨에 대한 속도-시간 특성을 도시한다. 이 경우에 팬의 속도에서 가파른 변동이 보여지며, 에어컨의 저 품질 성능을 나타낸다.

도 24는 본 발명에 따라 도출된, 회전 샤프트(41)의 속도 또는 토오크 특성을 표시하기 위한 동적 토오크 및 속도 분석기(40)의 기능 블록도이다. 동적 토오크 및 속도 분석기(40)는 시간 간격에 따라, 그리고 사용자에 모두 선택된 초기 샘플링 시간으로부터 측정된 속도 또는 토오크를 샘플링 하기 위한 샘플링 유닛(42)을 포함한다. 디스플레이(43)는 샘플링된 속도 및/또는 토오크 특성을 표시하기 위해 샘플링 유닛(42)에 결합된다. 제어판(44)은 시간 또는 주파수에 관한 제1 x축 스케일 제어 및 토오크 또는 속도에 관한 제2 수직 y축 스케일 제어를 허용한다. 전형적으로, x축은 수평이고, y축은 수직이나, 이것은 관습적인 것으로, 원한다면 축들이 반대로 바뀔 수 있다. 제어판(44)은 샘플링 유닛(42)의 샘플링 시간 간격이 사용자에 의해 조정될 수 있도록 하며, 이로써 더 큰 유연성을 제공한다. 왜냐하면 샘플링 시간 간격이 길수록 더 많은 샘플이 얻어지기 때문이다.

특허청구의 범위에 정의되어 있는 본 발명의 정신으로부터 벗어나지 않고 바람직한 실시예에서 변경들이 만들어질 수 있다는 것이 명백할 것이다. 따라서 바람직한 실시예가 특히 교류 PSC 유도 모터에 관해 설명되었지만, 본 발명은 다른 형태의 교류 및 직류 모터에 대한 용도에도 똑같이 잘 적용된다. 명백하게도 비록 주어진 형태의 기기의 특성이 제조자의 설계서로부터 수용할 수 없는 이탈의 양호한 지시자로서의 역할을 할수 있지만, 다른 형태 기기의 실제 속도-시간 및 속도-토오크 특성은 다를 것이다.

삭제

마찬가지로, 바람직한 실시에에서 회전하는 샤프트 인코더(encoder)에 의해 발생된 연속적인 펄스의 시간 주기가 측정된다. 그러나, 본 발명이 전형적으로 종래 방법 상의 속도 및 토오크 특성의 동적 효과 해결에 1000배의 개선을 제공한다는 사실을 보면, 예를들면 단지 모든 제2 또는 제3 펄스의 주기들이 측정되더라도, 상당한 개선이 여전히 성취될 수 있다는 것이 명백하다.

마지막으로, 본 발명이 회전 기기의 성능 테스트의 특별한 예를 가지고 설명되었지만, 이것이 지향하는 어떤 특정의 응용에 관계없이 각 회전 측정의 더 좋은 해결책을 제공하게 된다는 점을 이해할 것이다.

이하 방법의 청구항에 있어서, 청구항 단계를 가리키기 위해 사용된 알파벳 문자는 단지 편의를 위해 제공되며 단계를 수행하는 어던 특별한 지시를 의미하지 않는다.

Claims (80)

1. 전기 모터 또는 그 부품을 테스트하는 방법으로서,

   (a) 정지 상태(zero speed)에서 최대 속도(maximum speed)까지 상기 모터의 가속 동안, 무부하 회전 전기 모터(unloaded rotating electric motor)의 동적 속도-시간 특성을 측정하는 단계; 및

   (b) 상기 무부하 회전 전기 모터의 상기 동적 속도-시간 특성의 시간 도함수(time derivative)를 도출하고 회전자(rotor)의 관성 모멘트를 곱함으로써, 상기 무부하 회전 전기 모터의 정적 토오크 속도 또는 동적 토오크 속도 또는 정상 상태(steady state) 동안의 발진 토오크 또는 정상 상태 동안의 속도 및 토오크 스펙트럼을 도출하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 전기 모터 및 그에 부착된 부하를 포함하는 전기 기기를 테스트하는 방법으로서,

   (a) 정지 상태(zero speed)에서 최대 속도(maximum speed)까지 상기 모터의 가속 동안, 회전 전기 모터 플러스 부하(rotating electric motor plus load)의 동적 속도-시간 특성을 측정하는 단계; 및

   (b) 상기 회전 전기 모터 플러스 부하의 상기 동적 속도-시간 특성의 시간 도함수를 도출하고 회전자 및 부하의 결합 관성 모멘트를 곱함으로써, 상기 회전 전기 모터 플러스 부하의 결합 정적 토오크-속도 또는 동적 모터 마이너스 부하 토오크-속도(dynamic motor minus load torque-speed) 또는 정상 상태의 속도 스펙트럼 또는 정상 상태의 결합 토오크 스펙트럼을 도출하는 단계

   를 포함하며,

   상기 전기 모터 플러스 부하의 결합 토오크는 상기 전기 모터의 토오크에서 상기 부하의 토오크를 뺀 것과 같은 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 단계 (b)는,

   (i) 상기 동적 속도-시간 특성의 상기 시간 도함수를 계산하는 단계; 및

   (ii) 상기 단계 (i)에서 얻은 상기 시간 도함수에 상기 무부하 전기 모터의 관성 모멘트를 곱하여 상기 무부하 전기 모터의 동적 속도-토오크 특성을 도출하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전기 모터가 정상 상태 속도에 도달한 이후에 상기 전기 모터의 정상 상태 동안의 발진 토오크를 결정하기 위해,

   상기 단계 (b)는,

   (i) 상기 전기 모터의 정상 상태 동안의 상기 동적 속도-시간 특성의 상기 시간 도함수를 계산하는 단계; 및

   (ii) 상기 단계 (i)에서 얻은 상기 시간 도함수에 상기 무부하 전기 모터의 관성 모멘트를 곱하여 정상 상태에 있는 상기 무부하 전기 모터의 동적 속도-토오크 특성을 도출하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 단계 (b)는,

   (i) 상기 전기 모터가 정상 상태 속도에 도달할 때까지의 상기 전기 모터의 가속 동안 상기 동적 속도-시간 특성의 과도 부분(transient part)에서의 변동들(fluctuations)을 제거하여 정적 속도-시간 특성을 얻는 단계;

   (ii) 상기 정적 속도-시간 특성의 시간 도함수를 계산하는 단계; 및

   (iii) 상기 단계 (ii)에서 얻은 상기 시간 도함수에 상기 무부하 전기 모터의 관성 모멘트를 곱하여 상기 무부하 전기 모터의 정적 속도-토오크 특성을 도출하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제2항에 있어서, 상기 단계 (b)는,

   (i) 상기 전기 모터 플러스 부하가 정상 상태 속도에 도달할 때까지의 상기 전기 모터 플러스 부하의 가속 동안 상기 동적 속도-시간 특성의 과도 부분(transient part)에서의 변동들(fluctuations)을 제거하여 상기 전기 모터 플러스 부하의 정적 속도-시간 특성을 얻는 단계;

   (ii) 상기 전기 모터 플러스 부하의 상기 정적 속도-시간 특성의 상기 시간 도함수를 계산하는 단계; 및

   (iii) 상기 단계 (ii)에서 얻은 상기 시간 도함수에 상기 결합 전기 모터 플러스 부하의 관성 모멘트를 곱하여 상기 전기 모터 플러스 부하의 결합 정적 속도-토오크 특성을 도출하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제5항에 있어서,

   상기 전기 모터가 정상 상태 속도에 도달할 때까지의 상기 전기 모터의 가속 동안 과도 효과들에서의 변동들(fluctuations)을 제거하는 상기 (i) 단계는,

   (1) 상기 전기 모터의 샤프트를 로킹(locking)하는 단계;

   (2) 상기 전기 모터의 고정자 전류(stator current)를 모니터하는 단계; 및

   (3) 상기 고정자 전류가 정상 상태값에 도달했을 때에 상기 전기 모터의 상기 샤프트를 놓는(release)하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제5항에 있어서,

   주 권선 및 상기 주 권선과 병렬로 전환될 수 있는 보조 권선을 포함하는 고정자를 갖는 PSC형 교류 유도 모터에 사용하기 위하여,

   상기 전기 모터가 정상 상태 속도에 도달할 때까지의 상기 전기 모터의 가속 동안 상기 과도 효과에서의 변동들(fluctuations)을 제거하는 상기 (i) 단계는,

   (1) 교류 공급 전압 사이클에서 공지의 각도에서만 상기 주 권선에 처음으로 전류를 공급(feed)하는 단계;

   (2) 상기 주 권선에서의 상기 고정자 전류를 모니터하는 단계; 및

   (3) 상기 주 권선에서의 상기 고정자 전류가 상기 교류 공급 전압 사이클에서 동일한 공지의 각도에서 정상 상태값에 도달하였을 때 회로 내의 상기 보조 권선을 전환하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제5항에 있어서,

   상기 전기 모터가 정상 상태 속도에 도달할 때까지의 상기 전기 모터의 가속 동안 상기 과도 효과에서의 변동들(fluctuations)을 제거하는 상기 (i) 단계는,

   (1) 상기 샤프트를 통상의 회전 방향에 대해 반대 방향으로 회전시키는 단계; 및

   (2) 상기 회전 전기 모터가 방향을 바꾸는 시간 동안, 상기 속도-시간 특성의 샘플링을 시작하는 단계

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제5항에 있어서,

    상기 전기 모터가 정상 상태 속도에 도달할 때까지의 상기 전기 모터의 가속 동안 상기 과도 효과에서의 변동들(fluctuations)을 제거하는 상기 (i) 단계는,

    (1) 가속 동안의 상기 회전 전기 모터의 속도-시간을 푸리에 변환하는 단계;

    (2) 주파수 스펙트럼을 필터링하여 보다 높은 주파수 성분들을 제거하는 단계; 및

    (3) 결과적인 스펙트럼을 다시 시간 영역으로 변환하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제6항에 있어서,

    (iv) 제6항에서 도출된 상기 전기 모터의 상기 정적 속도-토오크 특성으로부터 상기 회전 전기 모터 플러스 부하의 상기 결합 정적 속도-토오크 특성을 감산하여 상기 부하의 상기 정적 토오크-속도 특성을 도출하는 단계

    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제6항에 있어서,

    (v) 상기 전기 모터 플러스 부하의 GO-NOGO를 그의 결합 정적 속도-토오크 특성의 함수로서 수행하는 단계

    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제1항 또는 제5항에 있어서,

    상기 전기 모터에 사용하기 위한 고정자들의 상대적 성능 특성을 테스트하기 위하여, 상기 방법은,

    (d) 사전에 조정된 회전자(pre-calibrated rotor)를 상기 전기 모터에 제공하는 단계;

    (e) 연속적인 고정자들을 제공하고 상기 고정자들에 대해 상기 단계 (a) 내지 (c)를 반복하여 상기 모터의 각각의 고정자-의존 특성을 얻는 단계

    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제1항 또는 제5항에 있어서,

    상기 전기 모터에 사용하기 위한 회전자들의 상대적 성능 특성을 테스트하기 위하여, 상기 방법은,

    (d) 사전에 조정된 고정자(pre-calibrated stator)를 상기 전기 모터에 제공하는 단계;

    (e) 연속적인 회전자들을 제공하고 상기 회전자들에 대해 상기 단계 (a) 내지 (c)를 반복하여 상기 모터의 각각의 회전자-의존 특성을 얻는 단계

    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제1항 또는 제5항에 있어서,

    (d) 관성 부하가 상기 모터 샤프트에 결합된 공지의 관성 모멘트를 갖는 상기 회전 전기 모터의 정적 토오크-속도 특성을 도출하는 단계; 및

    (e) 상기 무부하 전기 모터 및 전기 모터 플러스 관성 부하(electric motor plus inertial load) 각각의 토오크-속도 특성을 처리하여 상기 전기 모터의 회전자의 관성 모멘트를 결정하는 단계

    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제3항 또는 제4항에 있어서,

    속도 또는 토오크에서의 변화들은 전기 모터 노이즈의 척도로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제3항 또는 제4항에 있어서,

    속도 또는 토오크에서의 변화들은 전기 모터 불균형 및 진동(imbalance and vibration)의 척도로서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    (f) 상기 회전 전기 모터 또는 전기 모터 플러스 부하의 속도-시간 특성을 푸리에 변환하여 속도 주파수 스펙트럼을 도출하는 단계; 및

    (g) 상기 전기 모터 또는 전기 모터 플러스 부하의 상기 속도 주파수 스펙트럼을 분석하여, 상기 전기 모터 또는 상기 전기 모터 플러스 부하의 진동, 불균형, 에어-노이즈(air-noise) 및 발진 토오크를 결정하는 단계

    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    (f) 상기 회전 전기 모터 또는 전기 모터 플러스 부하의 상기 토오크-시간 특성을 푸리에 변환하여 토오크 주파수 스펙트럼을 도출하는 단계; 및

    (g) 상기 전기 모터 또는 전기 모터 플러스 부하의 상기 토오크 주파수 스펙트럼을 분석하여, 상기 전기 모터 또는 상기 전기 모터 플러스 부하의 진동, 불균형, 에어-노이즈 및 발진 토오크를 결정하는 단계

    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제2항에 있어서,

    상기 전기 모터 플러스 부하가 정상 상태 속도에 도달한 이후에 상기 전기 모터 플러스 부하의 정상 상태 동안의 발진 토오크를 결정하기 위하여, 상기 단계 (b)는,

    (i) 상기 전기 모터 플러스 부하의 정상 상태 동안의 상기 동적 속도-시간 특성의 상기 시간 도함수를 계산하는 단계; 및

    (ii) 상기 단계 (i)에서 구한 상기 시간 도함수에 상기 전기 모터 플러스 부하의 관성 모멘트를 곱하여 정상 상태에 있는 상기 전기 모터 플러스 부하의 동적 속도-토오크 특성을 도출하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제1항, 제3항, 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 회전 전기 모터의 정상 상태 속도로의 가속(build-up) 동안에 발진 속도 특성을 도출하는 단계를 포함하고,

    상기 단계는,

    (a) 고 관성 플라이휠(high inertia flywheel)을 상기 모터의 회전 샤프트에 결합시켜 정상 상태에 도달하는 시간을 서서히 늦추는(deliberately slow down) 단계;

    (b) 정상 상태 성능의 달성에 뒤이어 그 속도를 변동시키는 상기 회전 전기 모터의 정상 상태의 속도-시간 특성을 도출하는 단계; 및

    (c) 상기 회전 전기 모터의 소망의 속도 범위에서 줌인(zoom in)하여 제한 시간 프레임 동안 상기 발진 속도 특성이 중첩된 속도-시간 특성들을 도출하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제1항 또는 제4항에 있어서,

    상기 회전 전기 모터의 정상 상태 속도에서의 발진 토오크 특성을 도출하기 위해,

    (c) 속도-시간 곡선을 시간에 대해 미분하고 상기 회전 전기 모터의 관성 모멘트를 곱하여 변동 토오크를 시간의 함수로서 도출하는 단계

    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제2항에 있어서,

    회전 전기 모터 플러스 부하의 정상 상태 진동, 불균형, 노이즈 또는 발진 토오크를 실시간으로 테스트하기 위해,

    (i) 상기 회전 전기 모터 플러스 부하의 동적 모터 마이너스 부하 토오크-속도 또는 정상 상태 속도 스펙트럼 또는 정상 상태 결합 토오크 스펙트럼을 지속적으로 도출하는 단계; 및

    (ii) 상기 단계 (i)에서 도출된 상기 특성들 중 임의의 것에서 그의 공칭 정격(nominal rating)으로부터의 이탈(departure)을 결정하는 단계

    를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제2항에 있어서,

    상기 전기 모터가 에어콘의 팬(fan)에 결합되어 있는 상기 에어콘의 동작 성능을 테스트하기 위해,

    (ⅰ) 상기 팬이 정상 상태 속도에 도달할 수 있게 하는 단계;

    (ⅱ) 상기 팬의 속도-시간 특성을 도출하는 단계; 및

    (ⅲ) 상기 회전 전기 모터 플러스 팬(rotating electric motor plus fan)의 속도-시간 또는 토오크-시간 특성을 푸리에 변환하여 진동, 불균형 또는 에어 노이즈 발진 토오크를 테스트하기 위해 주파수 속도 스펙트럼 또는 주파수 토오크 스펙트럼을 도출하는 단계

    를 포함하여,

    품질이 낮은 것을 나타내는, 고진폭을 갖는 에어컨의 속도 또는 토오크의 고조파가 하이라이트(highlight)되는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제2항에 있어서,

    공기 흐름의 방향을 조절하기 위한 조절 가능 셔터를 갖고, 상기 전기 모터가 에어컨의 팬에 결합되어 있는 상기 에어컨의 동작 성능을 테스트하기 위하여,

    (ⅰ) 상기 팬이 정상 상태 속도에 도달할 수 있게 하는 단계; 및

    (ⅱ) 상기 셔터를 반복적으로 조절하고 서로 다른 셔터 위치들에 대해 상기 팬의 속도-시간 특성을 도출 및 표시하는 단계

    를 포함하여,

    낮은 품질 성능을 나타내는, 상기 팬의 속도의 급격한 변동이 하이라이트되는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제1항 내지 제12항, 제20항, 제23항 내지 제25항 중 어느 한 항의 방법에 따라 도출된 회전 샤프트의 속도 또는 토오크 특성들을 표시하는 방법으로서,

    (h) 공지의 초기 샘플링 시간으로부터 규칙적인 시간 간격들로 측정된 속도 또는 토오크를 샘플링하는 단계;

    (i) 전압용 스펙트럼 분석기 또는 오실로스코프를 사용하는 것과 유사한 방식으로 시간 또는 주파수에 대한 상기 측정된 속도 또는 토오크 샘플들을 상기 규칙적인 시간 간격들로 표시하는 단계;

    (j) 전압용 스펙트럼 분석기 또는 오실로스코프를 사용하는 것과 유사한 방식으로 상기 속도 또는 토오크를 샘플링하면서 시간 또는 주파수에 대해 제1 x-축 스케일을 제어하는 단계; 및

    (k) 전압용 스펙트럼 분석기 또는 오실로스코프를 사용하는 것과 유사한 방식으로 토오크 또는 속도 진폭에 대해 제2 직교 y-축 스케일을 제어하는 단계

    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 회전 전기 모터의 상기 속도-시간 특성을 측정하는 단계는,

    (ⅰ) 순차적 논리 상태들의 임의의 쌍 간의 시간 간격이 상기 샤프트(shaft)의 공지의 각 회전(angular rotation)에 대응하도록, 서로 반대의 2진 논리 상태들을 연속적으로 발생시키는 디지털 회전 인코더(digital rotary encoder)를 상기 샤프트에 부착시키는 단계;

    (ⅱ) 상기 샤프트를 회전시키는 단계;

    (ⅲ) 상기 디지털 회전 인코더에 의해 발생된 각각의 연속한 논리 상태와 연관된 각각의 시간 주기를 따로 측정하는 단계; 및

    (ⅳ) 각각의 연속한 논리 상태와 연관된 상기 각각의 시간 주기들을 합산하여, 상기 디지털 회전 인코더에 의해 발생된 논리 상태들의 연속한 쌍들의 누적 경과 시간 간격(accumulated elapsed time interval)을 도출함으로써, 상기 샤프트의 각 회전 또는 그 함수의 도출을 가능하게 하는 단계

    에 의해 상기 회전 샤프트의 각 회전을 측정하는 단계를 포함하는 방법.
28. 회전 전기 모터 또는 그 부품의 각 회전을 측정하는 장치로서,

    샤프트의 각 회전을 정확하게 측정하기 위해, 상기 전기 모터의 샤프트를 디지털 회전 인코더에 부착시키는 결합 유닛;

    상기 회전 전기 모터에 전력을 공급하는 전원 공급 장치; 및

    상기 회전 전기 모터의 속도 특성을 도출하기 위해 상기 디지털 회전 인코더에 결합된 컴퓨터

    를 포함하고,

    상기 전원 공급 장치는, 정지 상태에서 최고 속도까지 상기 모터를 가속화하기 위한 전력을 공급하고,

    상기 컴퓨터는, 정지 상태에서 최고 속도까지의 회전 동안 속도-시간 특성에 대응하는 무부하 회전 전기 모터의 동적 속도-시간 특성을 측정하고 상기 무부하 회전 전기 모터의 상기 동적 속도-시간 특성의 시간 도함수를 도출하고 회전자의 관성 모멘트를 곱하여 상기 무부하 회전 전기 모터의 정적 토오크 속도 또는 동적 토오크 속도 또는 정상 상태 동안의 발진 토오크 또는 정상 상태 동안의 속도 및 토오크 스펙트럼을 도출하는 것을 특징으로 하는 장치.
29. 회전 전기 모터 플러스 부하를 테스트하기 위한 장치로서,

    상기 회전 전기 모터 플러스 부하의 샤프트를 디지털 회전 인코더에 부착시키기 위한 결합 유닛;

    상기 회전 전기 모터에 전력을 공급하기 위한 전원 공급 장치; 및

    상기 회전 전기 모터의 속도 특성을 도출하기 위해 상기 디지털 회전 인코더에 결합된 컴퓨터

    를 포함하고,

    상기 전원 공급 장치는, 정지 상태에서 최고 속도까지 상기 모터를 가속하기 위한 전력을 공급하고,

    상기 컴퓨터는, 정지 상태에서 최고 속도까지의 회전 동안 속도-시간 특성에 대응하는 상기 회전 전기 모터 플러스 부하의 동적 속도 특성을 측정하고 상기 회전 전기 모터 플러스 부하의 속도-시간 특성의 시간 도함수를 도출하고 회전자 및 부하의 결합 관성 모멘트를 곱하여 상기 회전 전기 모터 플러스 부하의 결합 정적 토오크 속도 또는 동적 모터 마이너스 부하 토오크-속도 또는 정상 상태 속도 스펙트럼이나 정상 상태 결합 토오크 스펙트럼을 도출하며,

    상기 전기 모터 플러스 부하의 상기 결합 토오크는 상기 전기 모터의 토오크에서 상기 부하의 토오크를 뺀 것과 같은 것을 특징으로 하는 장치.
30. 제28항 또는 제29항에 있어서,

    상기 컴퓨터에 결합되어, 상기 컴퓨터에 의해 계산된 특성들을 그래픽으로 표시해주는 표시 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
31. 제28항에 있어서,

    상기 전기 모터의 정적 토오크-속도 특성들을 도출하기 위해 과도 효과들을 제거하는 수단을 포함하고,

    과도 효과들을 제거하는 상기 수단은,

    상기 전기 모터가 정상 상태 속도에 도달할 때까지의 상기 전기 모터의 가속 동안 상기 동적 속도-시간 특성의 과도 부분에서의 변동들을 제거하여 정적 속도-시간 특성을 얻는 수단;

    상기 정적 속도-시간 특성의 시간 도함수를 계산하는 수단; 및

    상기 시간 도함수에 상기 무부하 전기 모터의 관성 모멘트를 곱하여 상기 무부하 전기 모터의 정적 속도-토오크 특성을 도출하는 수단

    을 포함하는 장치.
32. 제29항에 있어서,

    상기 회전 전기 모터 플러스 부하의 결합 정적 토오크-속도 특성을 도출하기 위해 과도 효과들을 제거하는 수단을 포함하고,

    과도 효과들을 제거하는 상기 수단은,

    상기 전기 모터가 정상 상태 속도에 도달할 때까지의 상기 전기 모터의 가속 동안 동적 속도-시간 특성의 과도 부분에서의 변동들을 제거하여 정적 속도-시간 특성을 얻는 수단;

    상기 정적 속도-시간 특성의 시간 도함수를 계산하는 수단; 및

    상기 시간 도함수에 상기 무부하 전기 모터의 관성 모멘트를 곱하여 상기 전기 모터 플러스 부하의 결합 정적 속도-토오크 특성을 도출하는 수단

    을 포함하는 장치.
33. 제28항 또는 제29항에 있어서,

    회전 샤프트의 속도 또는 토오크 특성들을 표시하기 위해,

    공지의 초기 샘플링 시간으로부터 규칙적인 시간 간격들로 측정된 속도 또는 토오크를 샘플링하기 위한 샘플링 유닛;

    전압용 스펙트럼 분석기 또는 오실로스코프를 사용하는 것과 유사한 방식으로 시간 또는 주파수에 대해 상기 측정된 속도 또는 토오크 샘플들을 상기 규칙적인 시간 간격들로 표시하기 위한 디스플레이; 및

    전압용 스펙트럼 분석기 또는 오실로스코프를 사용하는 것과 유사한 방식으로 상기 속도 또는 토오크를 샘플링하면서 시간 또는 주파수에 대해 제1 x-축 스케일을 제어하고, 토오크 또는 속도 진폭에 대해 제2 직교 y-축 스케일을 제어하기 위한 제어판(control panel)

    을 더 포함하는 장치.
34. 제33항에 있어서,

    상기 제어판은 상기 시간 간격들을 조절하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
35. 제33항에 있어서,

    상기 제어판은 상기 초기 샘플링 시간을 조절하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
36. 제28항, 제29항, 제31항, 제32항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 디지털 회전 인코더는, 순차적 논리 상태들의 임의의 쌍 간의 시간 간격이 상기 샤프트의 공지의 각 회전에 대응하도록 서로 반대의 2진 논리 상태들을 연속적으로 발생하는 장치.
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