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KR20200033922A - 강철/비철 산업에서 롤러, 압연롤 및 윈치를 위한 직접 구동장치 - Google Patents

강철/비철 산업에서 롤러, 압연롤 및 윈치를 위한 직접 구동장치 Download PDF

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KR20200033922A
KR20200033922A KR1020207005128A KR20207005128A KR20200033922A KR 20200033922 A KR20200033922 A KR 20200033922A KR 1020207005128 A KR1020207005128 A KR 1020207005128A KR 20207005128 A KR20207005128 A KR 20207005128A KR 20200033922 A KR20200033922 A KR 20200033922A
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KR
South Korea
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rotor
rolling
drive
handling
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KR1020207005128A
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Inventor
코크 페터 데
발터 팀머보일
프랑크 플라테
Original Assignee
에스엠에스 그룹 게엠베하
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Abstract

본 발명은 금속 가공에서 스트립형 금속 재료를 취급하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는, 스트립형 금속 재료의 횡단면 변경, 이송, 저장, 장력 형성 및/또는 장력 감소를 위해 제공되는 적어도 하나의 롤링 부재(200, 301), 바람직하게는 롤러(200), 압연롤(200), 또는 윈치(301)와; 스테이터(12, 102, 102') 및 로터(11, 101, 101')를 구비한 전기 모터, 바람직하게는 토크 모터 또는 동기 모터를 구비한 구동부(10, 100)를 포함하며, 또한, 상기 장치는, 롤링 부재(200, 301)와 로터(11, 101, 101')를 연결하는 프레임(202, 302)을 더 포함하며, 그럼으로써 로터(11, 101, 101')의 회전은 롤링 부재(200, 301)로 전달되게 되고 스테이터(12, 102, 102')는 프레임(202, 302) 상에 직접 장착되고, 그리고/또는 로터(11, 101, 101')는 롤링 부재(200, 301)와, 또는 롤링 부재(200, 301)의 샤프트(201, 304)와 직접 연결된다.

Description

강철/비철 산업에서 롤러, 압연롤 및 윈치를 위한 직접 구동장치
본 발명은 금속 가공에서 스트립형 금속 재료를 취급하기 위한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 구동부(drive)와; 금속 재료의 횡단면 변경, 이송, 저장, 장력 형성 및/또는 장력 감소를 위한 적어도 하나의 롤링 부재(rolling element), 바람직하게는 롤러(roller), 압연롤(rol) 및/또는 윈치(winch)를; 포함한다.
금속 가공 동안, 재료 이송, 장력 형성 및 장력 감소, 저장을 실현하기 위해, 또는 재료를 성형하기 위해, 원통형 또는 원추형이면서 구동되어 회전하는 롤러들, 압연롤들 및/또는 윈치들을 포함하는 다수의 가공 기계(working machine)가 사용된다. 가공 기계들은 예컨대 압연기 및 스탬핑 프레스에서 강재 또는 비철 금속을 성형하기 위해 사용될 뿐만 아니라, 금속 스트립 취급 설비들에서는 인장 및 이송 롤러들(tensioning and transporting roller)로서도 사용된다.
롤러들, 압연롤들 및 윈치들의 구동은, 토크의 생성을 위한 3상 모터 외에도, 예컨대 클러치들, 변속기들, 브레이크들 등처럼 토크의 전달 및 변경을 위한 또 다른 기계적 컴포넌트들을 포함하는 동력 전달 계통(power train)을 통해 수행된다. 이 경우, 구동될 기계 부품과 전기 구동부 간에 기술적 분리가 존재한다. 이런 분리에 의해서는, 구동될 기계 부품과 구동부 간의 인터페이스가 최적의 상태가 되지 않게 된다.
보다 더 정확하게 말하면, 롤러, 압연롤 또는 윈치는 두 단부 상의 베어링들을 통해 프레임과 회전 가능하게 연결된다. 구동부에서부터 롤러, 압연롤 또는 윈치로의 토크 전달은 현재 하나 또는 복수의 클러치; 예컨대 카르단 샤프트(Cardan shaft)로서 형성될 수 있는 구동 스핀들; 기어휠들, 베어링, 제동 수단을 포함한 감속 기어장치(reduction gear); 및 기타 이동식 기계 부품들;을 통해 수행된다. 상기 기계의 폐루프 제어 시, 클러치뿐만 아니라, 변속기에서부터 클러치로의, 그리고 클러치에서부터 구동부의 로터로의 전이부 역시도 비틀림 하중(torsion load)에 대해 의도하는 정도로 토크 저항성을 갖지 못한다는 문제가 발생한다. 비틀림 연성(torsional compliance)을 통해, 롤러, 압연롤 또는 윈치의 회전수 및 회전 속도는 구동부에 대해 요동할 수 있으며, 이는 제어 정밀성에서 문제들을 야기할 수 있다. 이런 문제, 다시 말하면 구동될 기계 부품 상으로 회전수 또는 위치 제어식 전기 모터의 토크의 정확하고 신뢰성 있는 전달은 큰 관성 모멘트를 갖는 롤러들, 예컨대 압연기에서의 지지 롤러들의 구동 시 특별한 정도로 발생한다.
또한, 앞서 설명한 구동부 구성은 많은 공간을 차지하며, 그리고 롤러, 압연롤 또는 윈치의 유지보수 및 교체를 실용적인 방식으로 가능하게 하기 위해, 롤러, 압연롤 또는 윈치의 아래쪽에서 기초부(foundation) 내에 장착되어야 한다. 이는 동력 전달 계통 내에서 높은 비용 및 출력 손실을 야기한다. 많은 이동식 부품들은 보호 장치들을 통해 보호되어야 하고, 그뿐만 아니라 높은 유지보수 비용을 야기하고 신뢰성을 감소시킨다. 또한, 높은 초과 하중을 위해 종래 동력 전달 계통을 구성하는 점도 어렵고 고가이다.
본 발명의 과제는, 전술한 기술적 단점들 중 적어도 하나를 극복하는, 스트립형 금속 재료의 횡단면 변경, 이송, 저장, 장력 형성 및/또는 장력 감소를 위한 장치를 명시하는 것에 있다. 특히, 본 발명의 또 다른 과제는, 구조 유형이 조밀하고 비용이 낮은 조건에서도 상기 장치가 높은 신뢰성 및 제어 정밀성을 갖도록 하는 것에 있다.
상기 과제는, 청구항 제1항의 특징들을 갖는 장치에 의해 해결된다. 바람직한 개선예들은 종속 청구항들, 본 발명의 하기 설명, 그리고 바람직한 실시예들의 구체적인 내용 설명에서 제시된다.
본원의 장치는, 금속 가공에서 스트립형 금속 재료를 취급하기 위해, 특히 강재 또는 비철 금속으로 이루어진 금속 스트립들의 횡단면 변경, 이송, 저장 내지 임시 저장, 장력 형성 및/또는 장력 감소를 위해 이용된다.
본 발명에 따른 장치는 적어도 하나의 롤링 부재를 포함한다. 이런 경우, "롤링 부재"란 명칭은, 금속 스트립들의 횡단면 변경, 이송, 가속화, 장력 형성 및/또는 장력 감소를 위해 부합하게 구성되어 모든 -원기둥형 역시 포함하는- 원통형이고 회전 가능하게 장착되는 몸체를 포함한다. 또한, 본원의 장치는 프레임을 더 포함한다. 프레임은 개방되거나 폐쇄될 수 있으며, 특히 하우징, 기본 프레임 등이 "프레임"이란 명칭에 속한다. 바람직한 실시형태에 따라서, 프레임은 롤링 부재, 또는 이 롤링 부재와 연결된 샤프트의 회전 가능한 장착을 위한 하나 또는 복수의 베어링을 포함한다. 롤링 부재는 바람직하게는 롤러, 압연롤 또는 윈치이다. 따라서, 윈치의 경우, 롤링 부재는 스트립 재료와 직접 접촉하는 것이 아니라, 수평 또는 수직 스트립 저장부(strip storage)를 위한 케이블 윈치(cable winch)로서 이용된다. 상기 스트립 저장부는 스트립 취급 설비들에서, 특히 압연기들에서, 가공 기계들로 스트립 재료를 지속적으로 공급하기 위해 사용된다. 상이한 가공 속도를 갖는 설비 영역들, 또는 불연속적인 설비 영역 및 안정적인 스트립 이동부(strip run)는, 스트립 재료가 스트립 저장부에 의해 저장되거나 임시 저장됨으로써, 스트립 저장부에 의해 상호 간에 연결될 수 있다.
또한, 본원의 장치는 본 발명에 따라서 스테이터 및 로터를 구비한 전기 모터를 보유하는 구동부를 포함한다. 전기 모터는 자체의 베어링들을 포함하거나 베어링 없는 콤팩트 모터(compact motor)로서 형성될 수 있다. 전기 모터는 영구 여기형 3상 모터(permanently-excited three-phase motor)일 수 있으며, 전기 모터는 바람직하게는 로터가 그 내에서 지지되는 모터 하우징 또는 모터 프레임을 포함하며, 로터는 예컨대 종래 방식으로 자계에 의해 코일의 활전도체(live conductor)로 가해지는 힘을 통해 회전된다. 그 대안으로, 본원의 장치의 프레임, 또는 이 프레임의 일부분이 모터 하우징으로서 함께 사용될 수 있다. 바람직하게 전기 모터는 토크 모터 또는 동기 모터이다. 상기 유형의 모터들은 회전수가 상대적으로 낮은 조건에서 매우 높은 토크를 생성할 수 있으며, 그럼으로써 상기 모터들은 직접 구동장치들을 위한 모터로서 적합하다. 예컨대 토크 모터를 이용할 경우, 다수의 사례에서 감속 기어장치는 생략될 수 있다. 로터는 롤링 부재와 연결되며, 그럼으로써 로터의 회전은 롤링 부재로 전달되게 된다. 스테이터는 본원의 장치의 프레임 상에 직접 장착되고, 그리고/또는 로터는 롤링 부재와, 또는 롤링 부재의 상술한 샤프트와 직접 연결된다. 구동부의 스테이터가 프레임과 직접 연결된다면, 기계의 프레임과 구동부는 상기 방식으로 상호 간에 "블록화"된다. 이런 경우, 만일의 구동부 하우징 또는 모터 하우징, 구동부 프레임 또는 모터 프레임은 스테이터의 부분으로서 고려된다. 본원 출원의 문맥에서 "직접적인 연결", "직접적인 고정" 또는 "직접적인 장착"의 경우, 대응하는 기계적 컴포넌트들은 상호 간에 직접 접촉해 있으며, 이는 바람직하게는 고정된 방식으로 제공된다. 이는 예컨대 나사 결합, 리벳 결합 또는 용접 결합을 통해 달성될 수 있지만, 그러나 일체형 형성 역시도 포함된다.
상술한 구성에 따라서, 구동부는 롤링 부재의 회전 작동을 위한 직접 구동장치로서 기능한다. 특별한 통합을 통해, 한편으로 전기 모터와 롤링 부재 간에 매우 높은 비틀림 강성(torsional rigidity)이 달성되며, 다른 한편으로는 예컨대 변속기들, 클러치들, 카르단 샤프트들 등과 같은 복잡한 기계적 컴포넌트들은 동력 전달 계통 내에서 생략될 수 있다. 그에 따라, 동력 전달 계통은 간소화되며, 그리고 동력 전달 계통은 조밀하고 유지보수를 거의 요구하지 않으며 경량이고 신뢰성이 있다. 본원의 장치는, 적은 비용으로도, 높은 비틀림 강성을 기반으로 롤링 부재의 제어 기술 관련 특성들의 향상을 달성한다. 이는, 중량 감소 외에도, 에너지 효율을 향상시킨다. 기계의 수용을 위한 기초부들 및 공장들(hall)은 축소될 수 있다. 또한, 설명한 구동 시스템은, 예컨대 신규 재료들이 가공 처리되어야 한다면, 설비의 개장 또는 현대화 시, 기존 구동부를 교체할 필요 없이, 구동 출력의 간단한 증가를 허용한다. 컴포넌트들의 개수의 감소를 통해, 본원의 장치에서의 유지보수 작업은 감소되며, 그럼으로써 설비의 생산 시간은 연장될 수 있게 된다. 또한, 이에 수반하여 안전 기술 관련 애플리케이션들의 감소도 달성된다. 전체적으로 기능 및 디자인과 관련하여 기계의 자유도는 증가된다. 동력 전달 계통 내에서의 단순화는 상기 구동 시시스템들의 만일의 표준화 내지 규격화와 관련하여 유리하다. 구동부를 롤링 부재에 특히 가깝게 배치함으로써, 프레임은 그 외에도 전기 모터의 방열판(heat sink) 또는 냉각 표면으로서 사용될 수 있다. 매체들, 예컨대 유압유 및/또는 냉각수를 위한 만일의 이송은 롤링 부재의 구동 측에서부터 가능하다. 종래 스트립 처리 또는 압연 설비들의 경우, "비틀림에 연성인(torsionally soft)" 구동부를 통해 가공 재료 상에 이른바 채터 마크들(chatter mark) 또는 음영들(shading)이 발생할 수 있다. 이런 점들은 종래 복잡한 동력 전달 계통 내에서 구동 진동을 통해 생성된다. 상기 문제는 본 발명에 따른 직접 구동장치를 통해 감소되거나 해결될 수 있다.
바람직하게 전기 모터는 내부 회전자(internal rotor)로서 형성되며, 로터는 롤링 부재와 직접 연결되거나, 또는 롤링 부재의 샤프트와 직접 연결된다. 이는 특히 바람직한 실시형태에 따라 로터 및 샤프트, 또는 로터 및 롤링 부재의 일체형 구성을 포함한다. 그렇게 하여, 구동부와 롤링 부재 간의 비틀림 강성은 추가로 향상된다.
그 대안으로, 구동부의 전기 모터는 외부 회전자(external rotor)로서 설계될 수 있으며, 이런 경우, 롤링 부재의 외측면 섹션은 로터와 연결된다. "외측면 섹션"은 원통형 롤링 부재의 최외부 주연(outermost circumference)을 의미할 뿐만 아니라, 보다 더 안쪽에 위치하는 섹션들이 바깥쪽에서 작동하는 로터와의 연결을 허용하는 점에 한해, 상기 섹션들 역시도 포함된다. 본 실시형태에 따라서, 롤링 부재가 샤프트를 포함하는 점에 한해, 상기 샤프트는 프레임 내에서 구동 측에, 또는 구동부 내에 장착될 수 있다. 그러나 로터와 외측면 섹션의 밀집한 연결로 인해 샤프트가 생략될 수 있는 실시형태들 역시도 가능하다. 롤링 부재의 외측면 섹션과 로터는 비틀림 강성의 추가적인 향상을 위해 바람직하게는 상호 간에 직접 연결되며, 그로 인해 특히 바람직한 실시형태에 따라서 일체형 형성 또는 부분적인 일체형 형성도 포함된다.
기계적 컴포넌트들의 추가적 감소를 위해, 롤링 부재의 프레임은 바람직하게는 일측 측에만 설치되는 반면, 반대되는 측, 다시 말해 구동 측에는 롤링 부재가 샤프트 또는 로터를 통해 구동부 내에서 지지된다. 이런 방식으로, 롤링 부재와 로터는 하나의 베어링부를 공유할 수 있다. 그 대안으로, 샤프트는 2개의 베어링을 통해 프레임 상에서 지지될 수 있으며, 그럼으로써 구동부 내에서 로터를 위한 베어링은 경우에 따라 생략될 수 있게 된다.
바람직하게는, 힘 및 중량 분포를 균일하게 하기 위해, 그리고/또는 조밀한 장착 공간을 유지하면서 구동 출력을 높이기 위해, 2개의 구동부가 하우징의 대향하는 측들에서 롤링 부재와 연결된다.
구동부의 로터는, 바람직하게는 토크 기어장치가 중간에 개재되지 않으면서, 특히 감속 기어장치가 중간에 개재되지 않으면서, 롤링 부재와 연결된다. 토크 기어장치가 생략됨으로써, 구동부에서부터 롤링 부재로 직접적이고 즉각적인 토크 전달이 실행된다. "토크 기어장치"란 명칭에는, 입력 토크 또는 입력 회전수를 다른 크기의 출력 토크 또는 출력 회전수로 변환하고 그에 따라 토크 변환 내지 회전수 변환을 실행하는 모든 기어장치 형태가 속한다.
구동부는 특정한 실시 변형예들에서 스핀들 및/또는 카르단 샤프트를 통해 샤프트와 연결될 수 있다. 이는 특히 큰 출력을 갖는 구동부들의 경우, 또는 불리한 주변 조건들에서, 예컨대 열간 압연기에서 고려된다.
바람직하게 구동부는, 예컨대 로터 연장부의 둘레에 환형으로 배치될 수 있는 적어도 하나의 피싱 자석(fishing magnet)을 포함한다. 피싱 자석은 자기 입자들을 포착하여 전기 모터로부터 멀리 이격시키도록 구성된다. 그렇게 하여, 구동부의 통합 구성에도 불구하고, 자기 입자들이 전기 모터 내로 들어가는 점은 방지될 수 있으며, 그럼으로써 구동부의 신뢰성은 향상되게 된다.
바람직한 실시형태에 따라서, 구동부는, 전기 모터에 추가로, 롤링 부재의 급제동 및 경우에 따른 잠금 고정(locking)을 위해 브레이크 및/또는 홀딩 장치(holding device)를 포함한다.
앞서 설명한 구동부는 모듈형으로 구성된다. 구동부는 필요한 경우 바람직하게는 원통형 또는 원판형인 추가 모듈들을 통해 확장될 수 있다. 가능한 확장 모듈들은, 예컨대 브레이크 모듈; 홀딩 모듈; 베이스 모듈의 출력 증대를 위한 구동 수단들(예: 로터 및 스테이터)을 포함한 출력 증가 모듈; 기어 모듈; 및/또는 냉각 모듈;을 포함한다. 모듈들이 상호 간에 조합될 수 있도록 하기 위해, 모듈들은 기술적으로 호환 가능한 컴포넌트들, 특히 상호 간에 연결될 수 있거나 상호 간에 플랜지 결합될 수 있는 하우징들 내지 프레임들을 포함한다. 상기 모듈형 구조를 통해, 동일한 구조의 부품들(모터 디스크, 스테이터 디스크, 스테이터 시트, 스테이터 코일, 브레이크 디스크, 브레이크 라이닝 등)의 반복성은 증가될 수 있으며, 그럼으로써 비용은 감소되게 되고 본원 장치의 신뢰성은 증가될 수 있게 된다.
구동부는 바람직하게는 회전 각도 및/또는 회전 속도를 측정하기 위한 회전 인코더 또는 속도계를 포함한다. 회전 인코더는 고유 모듈로서, 또는 모듈의 구성부품으로서 제공될 수 있다. 그 대안으로, 인코더 없는 작동 모드도 가능하다.
또한, 구동부는 냉각 유닛을 구비할 수 있다. 상기 냉각 유닛은 예컨대 별도의 모듈로서 브레이크와 전기 모터 사이에 배치될 수 있고, 그리고/또는 냉각 재킷(cooling jacket)으로서 구동부의 모터 하우징 내에 또는 상에 배치될 수 있다. 냉각부는 예컨대 송풍기에 의해, 그리고/또는 수냉각 장치 내지 유체 냉각 장치로서 형성될 수 있다.
매체들, 예컨대 유압유 및/또는 냉각수를 위한 만일의 이송은 구동부의 로터를 통해 가능하다. 또한, 구동부는 하나 또는 복수의 통합된 컨버터를 포함할 수 있다.
설명한 직접 구동장치는, 특히 바람직하게는 압연기에서 사용되고, 롤링 부재는 지지롤 또는 작업롤이거나, 금속 스트립 취급 설비에서 사용되고, 롤링 부재는 이송 롤러, 인장 롤러, 가속 롤러, 또는 금속 스트립의 장력 형성 또는 장력 감소를 위한 롤러이거나, 또는 윈치 어셈블리를 포함한 스트립 저장부에서 사용되고, 롤링 부재는 케이블 윈치이다.
바람직하게 구동부는 로터를 위한 클러치, 특히 만곡 톱니 클러치(curved-teeth clutch)를 포함한다. 그에 따라, 통합된 구조에서 경우에 따라 구동부와 롤링 부재 간의 작은 전위(dislocation)는 보상된다. 또한, 비상 시, 또는 특정한 작동 조건들에서 구동부로부터 롤링 부재를 분리하기 위해, 클러치를 통해 롤링 부재를 신속하게 릴리스할 수 있는 것이 유용할 수 있다.
구동부는, 바람직하게는 작동 상태에서부터 롤링 부재가 실질적으로 정지하는 홀딩 상태(holding state)로 본원의 장치, 다시 말해 구동부 및/또는 롤링 부재를 마찰 없이 제동하도록 구성되는 전기식 제동 유닛(electric braking unit); 기계식 홀딩 유닛(mechanical holding unit)의 작동 시 본원의 장치를 홀딩 상태에서 기계적으로 잠금 고정하도록 구성되는 기계식 홀딩 유닛; 및 실질적으로 모든 이동 에너지가 전기식 제동 유닛에 의해 변환되는 반면, 기계식 홀딩 유닛은 단지 본원의 장치의 홀딩 상태에서만 작동되도록, 전기식 제동 유닛 및 기계식 홀딩 유닛을 제어하도록 구성되는 제어 유닛;을 포함한다.
제동은, 본 바람직한 실시형태에서는 전기식 제동 유닛에 의해 마찰 없이 수행된다. 이런 경우, "마찰 없이"란 기계적 마찰이 존재하지 않는 것을 의미하며, 제동은 이런 문맥에서 접촉 없이 수행된다. 그 결과, 예컨대 역전류 또는 와전류처럼, 전기 제동 동안 발생할 수 있는 재료 내부적인 과정들은 "마찰", "마찰 없이" 등의 명칭들에 속하지 않는다. 바람직하게 전기 모터는, 정상 작동 상태에서, 전기 모터에 전력을 공급하는 전력 공급 컨버터의 제어되는 램프(ramp)에서, 예컨대 주파수 및 전압의 매칭을 통해 제동된다. 예컨대 역전류 브레이크 또는 와전류 브레이크로서 구현될 수 있는 전기식 제동 유닛은 마찰 없이, 그리고 그에 따라 실질적으로 마모 없이 작동한다. 본원의 장치가 전기식 제동 유닛에 의한 제동을 통해 홀딩 상태에 도달한 후에, 본원의 장치는 본 바람직한 실시형태에 따라서 기계식 홀딩 유닛의 작동을 통해 기계적으로 잠금 고정된다. 잠금 고정은 바람직하게는 강제 끼워 맞춤 방식 또는 형상 결합 방식으로 수행된다. 기계식 홀딩 유닛은 예컨대 리테이닝 조(retaining jaw)를 통해 홀딩 디스크(holding disc) 상에 작용할 수 있으며, 그리고 롤링 부재 상에, 또는 롤링 부재의 샤프트 상에, 또는 전기 모터의 로터 상에도 제공될 수 있다. 전기식 제동 유닛 및 기계식 홀딩 유닛은, 이제 실질적으로 모든 이동 에너지가 전기식 제동 유닛에 의해 소멸되거나 변환되는 반면, 기계식 홀딩 유닛은 본원의 장치의 홀딩 상태에서만 작동되도록, 제어 유닛에 의해 제어된다. 따라서, 기계식 홀딩 유닛은, 이동 에너지를 마찰을 통해 소멸시키지 않으면서, 홀딩 상태에서, 다시 말하면 정지 위치에서 본원의 장치를 고정하거나 잠금 고정하는 기술적 기능을 갖는다.
그에 따라, 기계식 홀딩 유닛은 매우 조밀하게 형성될 수 있는데, 그 이유는 상기 홀딩 유닛이 실질적으로 이동 에너지를 변환시키지 않아도 되기 때문이다. 기계식 홀딩 유닛은 마모 부품들을 포함하지 않으며, 적어도 마모는 단지 작은 정도로만 일어난다. 또한, 마모 입자들이 기계식 홀딩 유닛에서부터 구동부 내로 침입할 수 있는 점도 방지된다. 따라서 이와 관련하여, 본원의 장치, 롤링 부재 또는 샤프트가 홀딩 상태에서 "실질적으로" 정지해 있거나, 또는 "실질적으로" 모든 이동 에너지가 전기식 제동 유닛에 의해 변환된다는 사항이 다루어진다면, 이는, 전기식 제동 유닛이 작동 상태에서 기인하는 모든 이동 에너지를 소멸시키도록 구성되는 반면, 기계식 홀딩 유닛은 그에 기여하지 않는다는 점을 의미한다. 그와 반대로, 크리프 이동(creep movement)에서, 예컨대 진동 등에서 기인하는 작은 에너지는 기계식 홀딩 유닛에 의해 흡수되고 변환될 수 있다.
바람직하게는, 작동 상태에서 구동부의 전기 모터에 전력을 공급하고 정상 작동 상태에서는 본원의 장치를 제동하기 위한 전술한 기능을 보유하는 전력 공급 컨버터가 제공된다. 비정상적인 작동 상태에서, 전력 공급 컨버터는 제동하기 위해 전기 모터로부터 바람직하게는 갈바닉 방식으로 절연되며, 그리고 본원의 장치는, 전기 모터의 권선부들이 제동 저항 및/또는 저항/커패시터 회로를 통해, 그리고/또는 직접적으로 단락되고, 그리고/또는 외부 직류 전압원이 접속됨으로써 홀딩 상태로 전환된다. 따라서, 기계식 홀딩 유닛은, 비정상적인 작동 상태에서도, 예컨대 전력 공급 컨버터의 고장 시에 작동 상태에서 기인하는 이동 에너지를 홀딩 상태로 변환하지 않아도 된다. 롤링 부재 및 구동부의 모든 이동 에너지는 바람직하게는 모든 작동 상태-예컨대 중지, 급중지, 비상 중지, 비상 셧다운-에서 전기식 제동 유닛에 의해 변환된다. 따라서, 기계식 홀딩 유닛은 바람직하게는 모든 경우에-비상 시에도- 정지 위치에서 본원의 장치를 고정하거나 잠금 고정하는 기술적 기능만을 담당 수행한다.
바람직하게 기계식 홀딩 유닛의 작동은 전기식으로, 기계식으로, 유압식으로, 또는 공압식으로 수행된다. 기계식 홀딩 유닛의 구성을 위해 적합한 리테이닝 조, 홀딩 디스크, 피스톤, 유압 내지 공압 실린더 및 라인들, 홀딩 클램프, 홀딩 핀의 모든 컴포넌트는 적은 힘의 작동을 위해 부합하게 구성될 수 있고 그에 따라 조밀하면서 경량으로, 그리고 비용 효과적으로 실현될 수 있다.
전력 공급 컨버터는 모터 제어를 위한 추가 기능들을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 회전수 측정, 및/또는 기계의 실제 상태에 따라서 회전 자계의 매칭을 위한 방법을 실행할 수 있다.
바람직한 실시예에 따라 설명되고 전기식 제동 유닛 및 기계식 홀딩 유닛을 포함하는 구동부는 직접 구동장치로서 매우 적합하다. 왜냐하면, 롤러, 압연롤 또는 윈치를 위한 직접 구동장치의 경우, 앞서 설명한 것처럼, 부분적으로 매우 높은 토크가 브레이크에 의해 유지될 수 있어야 하기 때문이다. 이를 위한 종래 브레이크 캘리퍼는 큰 장착 공간을 요구하는 반면, 전기식 제동 유닛 및 기계식 홀딩 유닛으로 구성되는 기술한 조합물은 직접 구동장치를 포함한 이용을 위해 최적으로 적합하다.
설명한 직접 구동장치는, 금속 스트립 및 박판의 가공을 위한 압연기들 및 설비들에서 롤러, 압연롤 및 윈치를 위해 특히 적합하게 적용될 수 있다. 특히 이와 관련하여 압연기에서의 작업롤, 지지롤 및 롤러 스탭핑 다이(roller stamping die); 인장 롤러; 이송 롤러; 장력 형성 또는 장력 감소를 위한 롤러; 가속 롤러; 코팅 롤러; 및 케이블 윈치;가 포함된다. 그러나 본 발명은, 스트립형 금속 재료들, 특히 강재 및 비철 금속의 취급에 관계되는 점에 한해, 다른 분야들에서도 구현될 수 있다.
본 발명의 또 다른 장점들 및 특징들은 바람직한 실시예들의 하기의 구체적인 내용 설명에서 확인할 수 있다. 하기에서 기술되는 특징들은, 해당 특징들이 서로 모순되지 않는 점에 한해, 독자적으로, 또는 앞서 설명한 특징들 중 하나 또는 다수와 조합되어 구현될 수 있다. 이 경우, 바람직한 실시예들의 하기의 구체적인 내용 설명은 첨부한 도면들을 참조하여 이루어진다.
도 1은 전기 모터를 구비한 직접 구동장치; 직접 구동장치에 의해 구동될 가공 기계; 및 기계를 제동하기 위한 장치;를 포함하는 기계의 구성을 도시한 개략도이다.
도 2a 및 2b는 롤러/압연롤; 및 내부 회전자로서의 직접 구동장치;를 포함하는 장치를 각각 도시한 개략도이다.
도 3은 롤러/압연롤; 및 외부 회전자로서의 직접 구동장치;를 포함하는 장치를 도시한 개략도이다.
도 4는 롤러/압연롤; 및 지지되는 로터를 구비한 직접 구동장치;를 포함하는 장치를 도시한 개략도이다.
도 5는 롤러/압연롤; 및 지지되지 않은 로터 및 냉각 재킷을 구비한 직접 구동장치;를 포함하는 장치를 도시한 개략도이다.
도 6은 롤러/압연롤; 및 지지되지 않은 로터 및 냉각 모듈을 구비한 직접 구동장치;를 포함하는 장치를 도시한 개략도이다.
도 7은 교체 가능한 롤링 몸체 및 축 방향 냉각 유닛을 포함한 변형예로서, 롤러/압연롤 및 직접 구동장치를 포함하는 장치를 도시한 개략도이다.
도 8은 케이블 윈치들 및 대응하는 직접 구동장치들을 포함하는 윈치 어셈블리를 도시한 개략도이며, 직접 구동장치들은 내부 회전자로서 설계되어 있다.
도 9는 케이블 윈치들 및 대응하는 직접 구동장치들을 포함하는 윈치 어셈블리를 도시한 개략도이며, 직접 구동장치들은 외부 회전자로서 설계되어 있다.
도 10은 케이블 윈치 및 이와 연결된 직접 구동장치를 도시한 개략도이며, 직접 구동장치는 내부 회전자로서 설계되어 있다.
도 11은 양쪽 측면들에 직접 구동장치들이 장착되어 있는 케이블 윈치를 도시한 개략도이며, 직접 구동장치들은 내부 회전자로서 설계되어 있다.
도 12는 케이블 윈치 및 이와 연결된 직접 구동장치를 도시한 개략도이며, 직접 구동장치는 외부 회전자로서 설계되어 있다.
도 13은 양쪽 측면들에 직접 구동장치들이 장착되어 있는 케이블 윈치를 도시한 개략도이며, 직접 구동장치들은 외부 회전자로서 설계되어 있다.
하기에서는, 바람직한 실시예들이 도면들에 따라서 기술된다. 여기서 동일하거나, 유사하거나, 동일하게 작용하는 요소들에는 동일한 도면부호들이 부여되며, 그리고 중복성을 피하기 위해 상기 요소들의 반복 설명은 부분적으로 생략된다.
직접 구동되는 롤러, 압연롤 또는 윈치를 포함하는 장치들에 대한 실시예들을 설명하기 전에, 맨 먼저 직접 구동장치로서 적합한 예시의 구동부가 기술되는데, 그 이유는 상기 구동부가 전기식 제동 유닛과 기계식 홀딩 유닛으로 구성된 조합물을 통해 조밀한 구조 형상에도 불구하고 높은 토크를 신뢰성 있게 제동할 수 있는 홀딩 장치를 구비하고 있기 때문이다.
도 1에는, 전기 모터를 구비한 구동부(10); 롤링 부재, 예컨대 롤러, 압연롤 또는 윈치를 포함하여 구동부(10)에 의해 구동될 가공 기계(20); 및 기계를 제동하기 위한 홀딩 장치(30);를 포함하는 기계의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 홀딩 장치(30)는 전기식 제동 유닛(40)과 기계식 홀딩 유닛(50)를 포함한다.
구동부(10)에 의해 구동될 가공 기계(20)는 갖가지 방식으로 구현될 수 있으며, 예컨대 압연기 내 하나 또는 복수의 작업롤 및/또는 지지롤로서; 인장 롤러 또는 이송 롤러로서; 권취 설비로서; 코팅 설비로서; 플라잉 전단기(flying shear)로서; 수직 또는 수평 저장부 내 윈치 등으로서 구현될 수 있다.
구동부(10)의 전기 모터, 바람직하게는 동기 모터 또는 토크 모터는, 바람직하게는 가공 기계(20)의 프레임 또는 하우징 상에 직접 고정되는 로터(11) 및 스테이터(12)를 포함한다. 로터(11)는 가공 기계(20)의 샤프트와 연결되며, 그럼으로써 로터(11)의 회전은 가공 기계(20)의 샤프트 및 그에 따른 이동 가능한 부품들로 전달되게 된다. 본원 출원의 문맥에서 "직접" 고정 또는 연결 또는 동의어로 "통합" 고정 또는 연결의 경우, 해당하는 기계적 컴포넌트들이 직접적인 방식으로 상호 간에 접촉한다. 이는, 예컨대 나사 결합, 리벳 결합 또는 용접 결합을 통해 달성될 수 있지만, 그러나 일체형 형성 역시도 포함된다. 이런 방식으로 가공 기계(20) 및 구동부(10)는 상호 간에 "블록화"되어 있다. 특별한 통합을 통해, 한편으로 구동부(10)와 가공 기계(20)의 샤프트 간에 뚜렷하게 높은 비틀림 강성이 달성된다.
구동부(10)와 가공 기계(20) 간의 밀집한 통합 연결은 장착 공간을 절약하는 설비 구조를 허용한다. 이에 수반되어, 예컨대 기초부 절약, 설비의 더 나은 접근성, 예비 부품들의 감소, 유지보수 비용의 감소, 공장의 축소를 통해, 설비 구조에서의 간소화가 달성된다. 모터들은 결합부들 또는 기타 하강하는 부품들을 통해 전혀 위해를 받지 않거나 보다 적게 받는다. 본원에서 설명되는 구동 개념의 큰 장점은 모터들의 열적 구성에서 분명해진다. 가공 기계(20)와 구동부(10)의 밀접한 연결을 통해, 기계적 유닛의 질량 및 표면이 열 소산을 위해 함께 사용될 수 있다. 그렇게 하여, 전기 모터의 출력은 구조적인 조치 없이 증가될 수 있다. 동력 전달 계통의 출력 손실은 현저하게 감소된다. 강제 환기 또는 수냉각은 많은 경우에서 생략될 수 있다. 구동부(10)는 내부 회전자 또는 외부 회전자로서 설계될 수 있다. 그 외에도, 통합 개념은 안전과 관련하여 개선 사항을 제공하는데, 그 이유는 예컨대 관절식 샤프트, 클러치, 브레이크 디스크 등과 같은 회전하는 외부 구동 부품들이 생략될 수 있기 때문이다. 베어링, 샤프트, 클러치, 모터 베이스 프레임, 변속기 베이스 프레임 등과 같은 부품들은 생략된다. 또한, 이동되는 부품들의 감소는 보다 더 높은 제어 정밀성을 제공하며, 이는 다시금 제조할 제품들의 품질에 긍정적으로 작용한다.
홀딩 장치(30)는, 전기식 제동 유닛(40)과 기계식 홀딩 유닛(50)뿐 아니라, 경우에 따른 구동부(10) 및/또는 이 구동부의 전력 공급 컨버터(13)의 기능들도 제어하는 제어 유닛(31)을 포함한다. 하기에서는, 다양한 작동 상태들, 특히 정상 작동 상태 및 비정상적인 작동 상태를 위한 제어 유닛(31)의 제어 기능들이 기술된다.
가공 기계(20)를 제동하거나 정지시키기 위해, 전기식 제동 유닛(40) 및 기계식 홀딩 유닛(50)을 포함하는 홀딩 장치(30)가 제공된다. 이런 경우, 개루프 제어는, 전기식 제동 유닛(40)이 정지할 때까지, 또는 거의 정지할 때까지 마찰 없는 방식으로 가공 기계(20)의 제동을 담당 수행하는 반면, 기계식 홀딩 유닛(50)은 정지 위치에 도달할 때까지 가공 기계(20)를 잠금 고정하거나 유지하도록, 제어 유닛(31)을 통해 실행된다. 이는 형태 결합 방식 또는 강제 끼워 맞춤 방식의 연결을 통해 수행될 수 있으며, 예컨대 로터(11) 또는 가공 기계(20)의 샤프트 상에서 함께 작동하는 브레이크 디스크에 의해 브레이크 패드에 양쪽 측면들에서 압착될 수 있다. 작동은 예컨대 전기식으로, 기계식으로, 유압식으로, 또는 공압식으로 수행될 수 있다. 가공 기계(20)의 거의 정지해 있는 상태에서부터 완전한 정지까지 경미한 제동은, 앞에서 설명한 것처럼, 기계식 홀딩 유닛(50)에 의해 담당 수행될 수 있다.
정상 작동 상태에서, 구동부(10)는 전력 공급 컨버터(13)의 제어되는 램프(ramp)(주파수, 전압)에서 제동된다. 구동부(10)의 모터에 전력을 공급하는 상기 전력 공급 컨버터(13)는 전자 장치이며, 그리고 구동부(10)의 부분, 또는 가공 기계(20)의 부분이거나, 또는 독립적인 부품일 수도 있다. 구동부(10)의 전기 모터는 3상 모터로서 구성될 수 있다. 컨버터(13)는, 전력 공급 외에도, 예컨대 회전수 측정, 및/또는 기계의 실제 상태에 따른 회전 자계의 매칭을 위한 방법과 같은, 모터 제어를 위한 추가 기능들도 포함할 수 있다. 특히 컨버터(13)는, 가공 기계(20)가 정지할 때까지, 또는 가공 기계가 거의 정지할 때까지, 주파수 및 전압을 매칭하는 것을 통해 가공 기계를 제동하기 위한 기능을 포함한다.
컨버터(13)의 고장 시에는, 상기 방식으로 구동부(10) 내지 가공 기계(20)의 제동은 불가능하다. 전기식 제동 유닛(40)은, 이런 경우에 컨버터(13)가 구동부(10)의 모터로부터 갈바닉 방식으로 절연되고, 이와 동시에 모터 권선부들은 제동 저항, 저항/커패시터 회로를 통해 또는 직접적으로 단락되거나, 또는 외부 직류 전압원이 접속되도록 구성된다. 이런 방식으로, 비상 시, 가공 기계(20)가 급제동될 수 있는 점이 보장된다.
특히 전기식 제동 유닛(40)의 앞서 설명한 구성은, 정상 모드에서뿐만 아니라, 전력 공급 컨버터(13)의 고장이 있는 경우에도, 가공 기계(20)의 마찰 없는, 다시 말해 비기계식 제동을 허용한다. 가공 기계(20) 및 구동부(20)의 모든 이동 에너지는 바람직하게는 모든 작동 상태-예컨대 중지, 급중지, 비상 중지, 비상 셧다운-에서 전기식 제동 유닛(40)에 의해 소멸되거나 변환된다. 따라서, 기계식 홀딩 유닛(50)은 이제 모든 경우에(비상 시에도) 정지 위치에서 가공 기계(20)를 고정하는 기능만을 담당 수행한다. 모든 작동 상태에서 오직 전기식 제동 유닛(40)만을 기반으로 가공 기계(20)를 제동하는 것을 통해, 에너지는 기계식 홀딩 유닛(50)에 의해 열로 변환되지 않는다. 에너지는 마찰로 변환되지 않으며, 그리고 이는 정상 모드에 대해서뿐만 아니라, 특히 전력 공급 컨버터(13)의 고장 시에도 적용된다. 그 결과, 기계식 홀딩 유닛(50)은 매우 조밀하게 형성될 수 있는데, 그 이유는 상기 기계식 홀딩 유닛이 비상 시에도 이동 에너지를 변환하지 않아도 되기 때문이다. 또한, 그렇게 하여, 기계식 홀딩 유닛(50)은 마모 부품들을 포함하지 않으며, 적어도 마모는 단지 작은 정도로만 일어난다. 또한, 그에 따라, 마모 요소들이 기계식 홀딩 유닛(50)에서부터 구동부(10) 내로 침입할 수 있는 점도 방지된다. 바람직하게 기계식 홀딩 유닛(50)은 구동부(10)의 하우징 내에 통합되거나, 또는 상기 구동부에 직접 플랜지 결합된다. 기계식 홀딩 유닛(50) 및 전기식 제동 유닛(40)은 구동부(10)를 위한 모터 시스템의 부품들 또는 모듈들일 수 있다.
설명한 구동부(10)는 직접 구동장치로서 기능하며, 그럼으로써 (예컨대 전기 모터, 브레이크 포함 모터 클러치, 감속 기어장치 및 기계 클러치로 구성되는) 종래 동력 전달 계통들의 복잡성은 분명히 감소될 수 있게 된다. 이 경우, 구동부(10), 특히 구동부(10)의 스테이터(12)는 바람직하게는 곧바로 가공 기계(20) 상에 또는 내에 위치된다.
설명한 구동부(10)는 모듈형으로 구성된다. 베이스 모듈로서 전기 모터는 본 문맥에서 모듈들로서의 기계식 홀딩 유닛(50) 및 전기식 제동 유닛(40)을 통해 확장된다. 구동부(10)는 필요한 경우 추가 모듈들을 통해 확장될 수 있다. 가능한 확장 모듈들은 예컨대 베이스 모듈의 출력 증대를 위한 구동 수단들(예: 로터 및 스테이터)을 포함한 출력 증가 모듈, 및/또는 송풍기 또는 유체 냉각 장치를 이용하여 구동부 및 경우에 따른 가공 기계의 부품들을 냉각하는 냉각 모듈을 포함한다. 모듈들이 상호 간에 조합될 수 있도록 하기 위해, 모듈들은 기술적으로 호환 가능한 컴포넌트들, 특히 상호 간에 연결될 수 있거나, 또는 상호 간에 플랜지 결합될 수 있는 하우징들을 포함한다. 상기 모듈형 구조를 통해, 구조가 동일한 부품들(모터 디스크, 스테이터 디스크, 스테이터 시트, 스테이터 코일 등)의 반복성은 증가될 수 있으며, 그럼으로써 비용은 감소되게 되고 본원 장치의 신뢰성은 증가될 수 있게 된다.
도 2a 및 2b에는, 내부 회전자로서 형성되어 예컨대 앞서 설명한 구동부(10)일 수 있는 구동부(100)와, 구동부(100)를 통해 직접 구동되는 ("롤러/압연롤"이란 명칭으로도 통합되는) 롤러 또는 압연롤(200)을 포함하는 장치들이 개략적으로 도시되어 있다. 롤러/압연롤(200)은 예컨대 인장 롤러, 또는 압연기에서의 작업롤 또는 지지롤일 수 있다. 또한, 롤러/압연롤(200)은, 가공할 재료 상에 층, 예컨대 색층/래커층, 부식제 등을 도포하는데 이용될 수 있는 코터 롤러(coater roller) 내지 코팅 롤러로서 구성될 수 있다.
구동부(100) 상에 롤러/압연롤(200)을 결합하기 위해, 도 2a에는, 롤러/압연롤(200)이 샤프트 저널(shaft journal)로서도 지칭되고 다시금 구동부(100)의 로터 또는 회전자(101)와 직접 연결되는, 예컨대 그 내에 고정되는 샤프트(201)를 포함하는, 일 변형예가 도시되어 있다. 이런 방식으로, 롤러/압연롤(200)은 구동부(100)의 로터(101)와 직접 또는 통합 연결된다. 로터(101)와 샤프트(201)는 특히 바람직한 실시 변형예에 따라서 일체형으로 형성된다.
도 2a 내지 13의 분류법(systematics)에서, 구동부는, 도 1에 도시된 구동부가 선호되는 구동부이긴 하지만, 예시의 구동부라는 점을 분명하게 하기 위해, 도 1의 도면부호 10 대신, 도면부호 100으로 표시되어 있다. 이런 구분은, 예컨대 도 1에서의 로터(11)와, 도 2a 및 다른 실시예들에서의 로터(101)처럼, 도면부호들이 부여되는 구동부의 컴포넌트들에 대해서도 유사하게 적용된다.
도면부호 202에 의해서는, 롤러/압연롤(200)의 프레임 또는 스탠드가 표시되어 있으며, 이 프레임 또는 스탠드는 일측에 롤러/압연롤(200)의 회전 가능한 지지를 위한 베어링(203)을 포함한다. 구동부(100) 상에 직접 결합을 통해, 경우에 따라서, 도 2a에 도시된 것처럼, 롤러/압연롤(200)을 위한 구동 측 베어링은 생략될 수 있다. 그 대신, 구동부(100)의 하우징(102) 또는 스테이터는 카르단 서스펜션(204)을 통해 프레임(202)과 연결된다.
따라서, 본원의 장치는 롤러/압연롤(200)의 회전 작동을 위한 구동부(100)를 포함하며, 한편으로 구동부(100)와 롤러/압연롤(200) 간의 높은 비틀림 강성이 보장되고, 다른 한편으로는 예컨대 변속기, 클러치, 카르단 샤프트 등과 같은 동력 전달 계통 내 하나 또는 복수의 종래 컴포넌트는 생략될 수 있다.
도 2b의 실시예에는, 도 2a의 실시예와 유사한 장치가 도시되어 있으며, 구동부(100)와 롤러/압연롤(200) 간의 연결은 플랜지(205)에 의해 실현된다. 본 실례에서도, 롤러/압연롤(200)의 모터 측 베어링부가 생략되거나, 또는 구동부(100)에 의해 담당 수행되는 점이 분명하게 확인된다. 또한, 서스펜션(204) 및 프레임(202)은 롤러/압연롤(200)의 구동 측 단부의 지지를 위해 함께 사용된다.
도 3에는, 롤러/압연롤(200) 및 직접 구동장치(100)를 포함하는 장치가 개략적으로 도시되어 있으며, 이 장치의 구성은, 실질적으로 구동부(100)가 외부 회전자로서 구현되는 점에서, 도 2a 및 2b의 변형예들과 구분된다. 이런 목적을 위해, 전기 모터의 고정 부품들, 다시 말해 예컨대 스테이터(102')는 구동부(100)의 내부에 위치되는 반면, 로터(101')는 바깥쪽에서 스테이터(102')의 둘레를 따라 회전한다. 로터(101')는 이런 경우에 롤러/압연롤(200)로 곧바로 전이될 수 있거나, 상기 롤러/압연롤과 일체형으로 형성되거나, 또는 롤러/압연롤(200)과 고정되게 연결될 수 있다. 이를 위해, 롤러/압연롤(200)의 "외측면 섹션은 로터(101')와 접촉한다. 이런 경우, "외측면 섹션"은 원통형 롤러/압연롤(200)의 최외부 주연을 의미할 뿐만 아니라, 해당 섹션들이 바깥쪽에서 작동하는 로터(101') 상에 롤러/압연롤(200)의 결합을 허용하는 점에 한해, 반경 방향에서 롤러/압연롤(200)의 샤프트(201)의 바깥쪽에 위치하는 상기 섹션들 역시도 포함된다. 샤프트 내지 샤프트 저널(201)은, 구동부(100) 내에 통합되어 베어링 하우징 내에 장착되는 베어링(103) 내에서 회전 가능하게 지지된다. 특정한 실시예들에서, 즉 로터(101') 또는 롤러/압연롤(200)의 외부 베어링부의 경우, 경우에 따라 샤프트 저널(201) 및 그 베어링(103)은 생략될 수 있다.
도 3의 실례에서도, 스테이터(102')는 프레임(202)과 기계적으로 고정되게 연결된다. 또한, 도 2의 도면에는, 구동부(100) 내에 통합된 브레이크(105)가 도시되어 있는데, 이 브레이크는 고출력 브레이크로서 예컨대 압축 공기를 통해 작동 가능하게 형성될 수 있다. 통합된 브레이크(105)는 도 1의 실시형태에서 확인되는 기계식 홀딩 유닛(50)에도 상응할 수 있으며, 본원의 장치의 제동 및 중지는 이와 관련하여 기술한 전기적 및 기계적으로 조합된 방식으로 수행된다. 도 1의 실시형태는 상기 및 하기 실시예들에 대해서도 적용될 수 있지만, 이에 대해서는 어느 경우에든 분명하게 언급되지 않는다. 또한, 도 3의 본 실시예의 장치는 회전 인코더 또는 속도계로서 롤러/압연롤(200)의 회전 각도 및/또는 회전 속도를 측정하는 인코더 시스템(111)을 구비한다.
따라서, 도 3의 장치는 롤러/압연롤(200)의 회전 구동을 위한 구동부(100)를 포함하며, 한편으로 구동부(100)와 롤러/압연롤(200) 간의 높은 비틀림 강성이 보장되고, 다른 한편으로는 예컨대 변속기, 클러치, 카르단 샤프트 등과 같은 동력 전달 계통 내 하나 또는 복수의 종래 컴포넌트는 생략될 수 있다.
도 4에는, 롤러/압연롤(200); 및 베어링(109)을 통해 지지되는 로터(101)를 구비한, 내부 회전자로서의 직접 구동장치(100);를 포함하는 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 본 실시예의 경우, 롤러/압연롤(200)은 스탠드(202) 상의 양쪽 측면들에서 베어링(203 및 203')들에 의해 지지된다. 제2 베어링(203')은 밀집한 통합을 통해 구동부(100)의 컴포넌트로서도 고려될 수 있다. 롤러/압연롤(200)은 샤프트 저널(201)을 통해 구동부(100)와 직접 연결된다. 스테이터(102)는 나사 결합부(106)를 통해 스탠드(202)와 직접 나사 결합되며, 그럼으로써 구동부(100)에서부터 롤러/압연롤(200)로의 비틀림 강성의 힘 전달이 달성되게 된다. 또한, 구동부(100)는, 공압 포트(107)를 통해 작동되는, 예컨대 개방되는 브레이크 모듈(105)을 더 포함한다. 브레이크 모듈(105)은 하나의 브레이크 디스크와, 도면에 도면부호 없이 도시되어 있는 브레이크 슈(brake shoe)들을 포함한다. 예시의 고출력 브레이크의 기술적 상세 내용에 대해서는, 재차 도 1 및 그 설명이 참조된다. 도 4의 실시예에서, 구동부(100) 내에는, 그 밖에도, 베어링(109)들을 포함한 유연한 클러치(108)가 제공되며, 그럼으로써 로터(101)는 롤러/압연롤(200)의 샤프트 저널(201)로부터 신속하게 분리될 수 있게 된다. 롤러/압연롤(200)과 구동부(100) 간의 작은 전위의 보상을 위해, 샤프트 저널(201) 내에는 만곡 톱니 클러치(미도시)가 제공될 수 있다. 피싱 자석(110)들은, 브레이크(105)의 작동을 통해 생성될 수 있는 자기 입자들을 구동 컴포넌트들로부터 멀리 이격시키기 위해 이용된다. 또한, 구동부(100)는, 회전 인코더 또는 속도계로서 롤러/압연롤(200)의 회전 각도 및/또는 회전 속도를 측정하는 인코더 시스템(111)을 더 구비한다.
도 5의 실시형태는, 로터(101)가 구동 측에서 지지되지 않는 점에서 도 4의 실시형태와 구분된다. 로터(101)와 샤프트(201)의 통합 또는 일체형 형성을 통해, 롤러/압연롤(200)의 베어링(203' 및 203)들은 구동부(100)에 의해 함께 사용된다. 또한, 도 5의 구동부(100)는 냉각 재킷(112)을 포함한다. 냉각 재킷(112)은, 구동부(100)에 선택적으로 구비될 수 있는 냉각 유닛의 부분이다. 냉각 재킷(112)은 구동부(100)의 하우징 내에 제공될 수 있거나, 또는 도 5에 도시된 것처럼, 본원 출원 내 전제부로서 구동부(100)의 하우징을 포함하는 스테이터(102) 상에 직접 제공될 수 있다.
냉각부의 대안의 형태는, 고출력 브레이크(105)와 구동부(100)의 전기 모터 사이에 별도의 원통형 모듈로서 배치되는 도 6의 실시형태에 따른 냉각 모듈(113)에 의해 실현된다. 냉각부는 송풍기를 통해, 그리고/또는 수냉각 장치 내지 유체 냉각 장치로서 형성될 수 있다. 도 6에는, 구동부(100)의 기본 모듈이 2개의 추가 모듈-냉각 모듈(113) 및 고출력 브레이크(105)-을 통해 어떻게 확장될 수 있는지가 도시되어 있다.
도 7에는, 교체 가능한 롤링 몸체(206)를 포함한 변형예로서, 롤러/압연롤(200) 및 직접 구동장치(100)를 포함하는 장치가 개략적으로 도시되어 있다. 롤링 몸체(206)는 롤러 베이스 프레임(207) 상에 안착된다. 본 실시예에서, 롤링 몸체의 원통형 외측면은 구동부(100)보다 더 돌출되며, 그럼으로써 구동부는 적어도 부분적으로 롤러/압연롤(200) 내에 수용되고 이런 방식으로 통합되게 된다. 롤링 몸체(206)는, 필요한 경우, 기계의 유지보수를 위해, 또는 롤러/압연롤(200)의 지름 또는 다른 특성들의 변경을 위해, 간단한 방식으로 분해되며, 그리고 경우에 따라 상기 롤링 몸체가 롤러 베이스 프레임(207) 및 구동부(100)와 모듈 유형으로 상호 작용하는 동안에 교체될 수 있다. 또한, 도 7에는, 여기서 축 방향 냉각 유닛(114)으로서 실현되는 추가 냉각 변형예가 도시되어 있다. 구동부(100)와 롤러/압연롤(200)로 이루어진 원통형 전체 구성의 중심축을 따라서는, 구동부(100) 및 롤러/압연롤(200)을 내부에서부터 냉각하기 위해, 냉각 유체가 관류하는 튜브가 연장된다.
도 2a ~ 7은 롤러/압연롤, 예컨대 압연기 내에서의 지지 롤러 또는 압연롤, 이송 롤러 또는 가속 롤러에 대한 실시예들에 관한 것이었다. 하기에서는, 수평 또는 수직 스트립 저장부들 내에서 사용되는 케이블 윈치의 직접 구동장치에 관계되는 실시예들이 기술된다.
스트립 취급 설비들에서, 특히 압연기들에서는, 가공 기계들로 스트립 재료를 연속해서 공급하기 위해, 스트립 저장부가 사용된다. 이를 위해, 스트립 저장부는 예컨대 안정된 스트립 이동부(로(furnace), 아연 포트(zinc pot), 코터 등)로부터 불연속적인 설비 영역(유입구, 유출구, SPM 등)을 분리한다. 이런 경우, 스트립은 하나 또는 복수의 편향 롤러를 통해 가변 변수의 스트립 루프(strip loop)에서 유지된다. 스트립 루프의 조정을 위해, 예컨대 도 8 및 9에 도시된 것과 같은 윈치 어셈블리들이 이용될 수 있다.
도 8의 윈치 어셈블리(300)는 복수(본 실례에서는 3개)의 윈치(301)를 포함하며, 이들 윈치는 윈치 프레임(302) 내에 회전 가능하게 장착되어 수평 저장부를 위한 케이블 윈치들로서 기능한다. 각자의 윈치(301)는 본 실례에서 직접 구동장치로서, 이른바 광산 구동장치(mining drive)로서 형성된 각각 하나의 구동부(100)에 의해 회전 구동된다. 윈치 어셈블리(300)에 의해 권취되거나 권출되는 케이블은 도면부호 303으로 표시되어 있다. 직접 구동장치(100)는 도 8의 본 실시예에서 내부 회전자로서 설계되어 있으며, 각자의 직접 구동장치(100)는 모듈형으로, 즉 스테이터(102) 및 로터(101)를 구비한 전기 모터; 브레이크 모듈(105); 및 브레이크 모듈(105)과 전기 모터 사이에 배치되는 팬 모듈(113)(fan module)로 구성된다. 본 실시예에서, 스테이터(102)는 윈치 프레임(302) 상에 직접적으로, 그리고 기계적으로 견고하게 고정된다. 매우 높은 토크의 공급을 위해, 직접 구동장치(100) 내에는 감속 기어장치가 통합될 수 있지만, 그러나 바람직한 실시형태에 따라서 상기 감속 기어장치는 생략된다.
도 9의 실시예는, 도 9에 직접 구동장치(100)들이 외부 회전자로서 설계되어 있는 윈치 어셈블리(300)의 변형예가 도시되어 있는 점에서, 도 8의 실시예와 구분된다. 직접 구동장치(100)들은, 대응하는 윈치(301)를 회전시키기 위해, 상기 윈치와 직접적으로, 그리고 기계적으로 고정되게 연결되어 바깥쪽에 위치하는 로터(101); 안쪽에 위치하는 (미도시한) 스테이터; 및 브레이크 모듈(105);을 각각 포함한다. 구동부(100)는 이런 방식으로 윈치 프레임(302) 내에 직접 장착되며, 구동부(100)와 윈치(301) 간의 통합은, 구동부(100)가 윈치(301)를 샌드위치 유형으로 둘러싸는 것을 통해 훨씬 더 뚜렷이 식별할 수 있다.
수직 또는 수평 저장부를 위한 직접 구동장치(100)를 포함하는 케이블 윈치(301)의 또 다른 실시예는 도 10에서 개시된다. 도 10에는, 직접 구동장치(100)가 내부 회전자로서 설계되어 있는 변형예가 도시되어 있다. 직접 구동장치(100)는 도 8의 직접 구동장치와 유사하며, 냉각 모듈은 생략되었다. 직접 구동장치(100)의 로터(101)와 윈치(301)의 샤프트(304)는 통합되어, 바람직하게는 일체형으로 형성된다. 그렇게 하여, 두 윈치 측 베어링(305)은 직접 구동장치(100)의 로터(101)에 의해 함께 사용될 수 있다. 따라서, 직접 구동장치의 내부에 있는 추가 베어링은 경우에 따라서 생략될 수 있다.
도시된 실시예들에서는 항상 직접 구동장치가 구동될 롤러/압연롤 또는 윈치를 위해 제공되었다. 그러나 복수의 직접 구동장치 역시도 롤러/압연롤 또는 윈치의 일측에, 또는 그 양측에 배치될 수 있다. 같은 정도로, 하나의 직접 구동장치가 복수의 롤러/압연롤 또는 윈치를 구동할 수 있다.
양측 직접 구동장치(100)를 포함하는 수직 또는 수평 저장부를 위한 케이블 윈치(301)의 일 실시예는 도 11에서 개시된다. 그 밖의 점에서, 구성은 도 10의 구성과 유사하다. 상기 양측 구동부는 유사한 방식으로 도 2a ~ 7에 도시된 롤러/압연롤(200)들을 위해서도 가능하다.
수직 또는 수평 저장부를 위한 직접 구동장치(100)를 포함한 케이블 윈치(301)의 또 다른 실시예는 도 12에서 개시된다. 도 12에는, 직접 구동장치(100)가 외부 회전자로서 설계되어 있고 이런 방식으로 예컨대 롤러들/압연롤들에 대해 도 3 및 도 7을 참조하여 기술한 실시예들과 유사하게 윈치(301) 내에 통합되어 있는 변형예가 도시되어 있다. 직접 구동장치(100)는, 자석들을 구비하고 윈치(301)와 통합되어, 또는 일체형으로 제공되어 바깥쪽에 위치하는 로터(101)를 포함한다. 안쪽에 위치하는 스테이터(102)는 윈치 프레임(302)과 고정되게 연결된다. 윈치(301)의 샤프트(304)는 베어링(109)을 통해 스테이터(102) 상에 회전 가능하게 장착되며, 그럼으로써 직접 구동장치(100)와 윈치(301) 간의 매우 밀집한 통합이 가능해진다. 베어링(109)은, 도 12에 도시되어 있지만 도면부호가 없는 베어링 하우징 내에 안착된다. 유사하지만, 그러나 토크 증가 및/또는 보다 더 균일한 힘 및 속도 분배를 위한 양측의 직접 구동장치를 포함하는 도 11의 경우와 같은 실시예는 도 13에서 개시된다.
모든 도시한 실시형태에 대해서는, 매체들, 예컨대 유압유 및/또는 냉각수를 위한 이송이, 예컨대 상응하는 라인들이 안쪽에 위치하는 로터 또는 스테이터를 통해 안내됨으로써, 구동 측에서부터 가능하다는 점이 적용된다. 구동부와 가공 기계 간의 밀집한 통합 연결은 장착 공간을 절약하는 설비 구조를 허용한다. 이에 수반되어, 예컨대 기초부 절약, 설비의 더 나은 접근성, 예비 부품들의 감소, 유지보수 비용의 감소, 공장의 축소를 통해, 설비 구조에서의 간소화가 달성된다. 모터들은 결합부들 또는 기타 하강하는 부품들을 통해 전혀 위해를 받지 않거나 보다 적게 받는다. 본원에서 설명되는 개념의 큰 장점은 모터들의 열적 구성에서 분명해진다. 가공 기계와 구동부의 밀접한 연결을 통해, 기계적 유닛의 질량 및 표면이 열 소산을 위해 함께 사용될 수 있다. 그렇게 하여, 전기 모터의 출력은 구조적인 조치 없이 증가될 수 있다. 동력 전달 계통의 출력 손실은 현저하게 감소된다. 강제 환기 또는 수냉각은 많은 경우에서 생략될 수 있다. 모터들은 내부 회전자 또는 외부 회전자로서 설계될 수 있다. 그 외에도, 기술한 통합 개념은 안전과 관련하여 개선 사항을 제공하는데, 그 이유는 예컨대 관절식 샤프트, 클러치, 브레이크 디스크 등과 같은 회전하는 외부 구동 부품들이 생략될 수 있기 때문이다. 베어링, 샤프트, 클러치, 모터 베이스 프레임, 변속기 베이스 프레임 등과 같은 부품들은 생략된다. 또한, 이동되는 부품들의 감소는 보다 더 높은 제어 정밀성을 제공하며, 이는 다시금 제조할 제품들의 품질에 긍정적으로 작용한다.
종래 동력 전달 계통과 비교하여 부품들의 감소는, 특정한 실시형태들에서 기어휠, 클러치 및 구름 베어링이 완전히, 그러나 적어도 부분적으로 생략될 수 있다는 사실로 나타난다. 이동 가능한 컴포넌트들 및 고정 컴포넌트들은 분명히 감소되며, 그럼으로써 구동 시스템의 보다 더 높은 비틀림 강성, 향상된 제어 품질 및 보다 더 높은 효율이 달성되게 된다. 오일 윤활의 필요성은 부분적으로 생략될 수 있으며, 그럼으로써 구동부의 출력 손실은 추가로 감소되게 된다. 모터 팬 또는 수냉각 장치는 생략될 수 있거나 보다 더 소형화될 수 있는데, 그 이유는 가공 기계의 프레임 및 구동부의 스테이터가 상호 간에 밀접하게 통합됨으로써 출력 손실이 추가로 감소되게 되기 때문이다. 예컨대 기어휠 및 그 베어링과 같은 마모 부품들의 분명한 감소를 통해, 기계의 유지보수 친화도 및 신뢰성은 향상된다. 더 나아가, 동력 전달 계통은 전체적으로, 특히 만일의 충격 하중과 관련하여, 뚜렷하게 하중 지지 능력이 있다. 또한, 작동 소음 및 안전 기술 관련 비용의 감소는, 예컨대 이동 가능한 부품들을 위한 덮개부들의 생략을 통해 달성된다. 설비 계획 역시도 간소화되는데, 그 이유는 동력 전달 계통들이 일반적으로 큰 비용으로 기초부 상에서 개별적으로 계획되어야 하기 때문이다. 앞서 상세하게 기술한 것처럼, 롤링 부재, 예컨대 롤러/압연롤 또는 윈치와 구동부의 통합 또는 "블록화"의 경우, 설비 계획 시 비용은 감소된다. 또한, 구동부는 경우에 따라 이미 공장에서 가공 기계의 프레임과 블록화될 수 있다. 그에 따라, 본원의 장치는 제조 공장에서 시험할 수 있고 설치 현장에 대해 검사하게 되며, 그럼으로써 최종 조립은 간소화되고 기계는 빠르게 운전 개시될 수 있게 된다.
적용할 수 있는 점에 한해, 실시예들에서 설명되는 모든 개별 특징은, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서, 상호 간에 조합될 수 있고, 그리고/또는 교체될 수 있다.
10: 구동부/직접 구동장치
11: 로터
12: 스테이터
13: 전력 공급 컨버터
20: 가공 기계
30; 홀딩 장치
31: 제어 유닛
40: 전기식 제동 유닛
50: 기계식 홀딩 유닛
100: 구동부/직접 구동장치
101, 101': 로터
102, 102': 하우징/스테이터
103: 베어링
105: 브레이크/브레이크 모듈
106: 나사 결합부
107: 공압 포트
108: 유연한 클러치
109: 베어링
110: 기초부
111: 인코더 시스템
112: 냉각 재킷
113: 냉각 모듈/팬 모듈
114: 축 방향 냉각 유닛
200: 롤러/압연롤
201: 샤프트
202: 프레임/스탠드
203: 베어링
204: 서스펜션
205: 나사 플랜지
206: 교체 가능한 롤링 몸체
207: 롤러 베이스 프레임
300: 윈치 어셈블리
301: 윈치
302: 윈치 프레임
303: 케이블
304: 샤프트
305: 베어링

Claims (14)

  1. 금속 가공에서 스트립형 금속 재료를 취급하기 위한 장치에 있어서,
    상기 취급 장치는,
    상기 스트립형 금속 재료의 횡단면 변경, 이송, 저장, 장력 형성 및/또는 장력 감소를 위해 제공되는 적어도 하나의 롤링 부재(200, 301), 바람직하게는 롤러(200), 압연롤(200), 또는 윈치(301)와;
    스테이터(12, 102, 102') 및 로터(11, 101, 101')를 구비한 전기 모터, 바람직하게는 토크 모터 또는 동기 모터를 구비한 구동부(10, 100)를 포함하며,
    상기 취급 장치는, 상기 롤링 부재(200, 301)와 상기 로터(11, 101, 101')를 연결하는 프레임(202, 302)을 더 포함하며, 그럼으로써 상기 로터(11, 101, 101')의 회전은 상기 롤링 부재(200, 301)로 전달되게 되고 상기 스테이터(12, 102, 102')는 프레임(202, 302) 상에 직접 장착되고, 그리고/또는 상기 로터(11, 101, 101')는 상기 롤링 부재(200, 301)와, 또는 상기 롤링 부재(200, 301)의 샤프트(201, 304)와 직접 연결되는 것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 구동부(10, 100)의 전기 모터는 내부 회전자이며, 상기 로터(11, 101)와 상기 롤링 부재(200, 301)는, 또는 상기 로터(11, 101)와 상기 롤링 부재(200, 301)의 샤프트(201, 304)는 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 구동부(10, 100)의 전기 모터는 외부 회전자이고, 상기 롤링 부재(200, 301)의 외측면 섹션은 상기 로터(101')와 연결되며, 상기 롤링 부재(200, 301)의 외측면 섹션과 상기 로터(101')는 바람직하게는 상호 간에 직접 연결되거나, 또는 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임(202, 302)은 일측에서 상기 롤링 부재(200, 301)를 지지하는 반면, 상기 프레임(202, 302)은 상기 롤링 부재(200, 301)를 위한 제2 베어링부를 포함하는 것이 아니라, 상기 롤링 부재(200, 301)가 대향하는 측에서 상기 구동부(10, 100)의 로터 베어링부를 통해 지지되거나, 또는
    상기 프레임(202, 302)은 2개의 측에서 상기 롤링 부재(200, 301)를 지지하며, 상기 로터(11, 101, 101')의 베어링부는 구동부(10, 100) 내에서 생략되는 것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 구동부(10, 100)는 프레임(202, 302)의 대향하는 측들에서 상기 롤링 부재(200, 301)와 연결되는 것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동부(10, 100)의 로터(11, 101, 101')는, 토크 기어장치가 중간에 개재되지 않으면서, 상기 롤링 부재(200, 301)와 연결되는 것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동부(10, 100)는, 자기 입자들을 포착하여 전기 모터로부터 멀리 이격시키도록 구성되는 적어도 하나의 피싱 자석(110)을 포함하는 것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동부(10, 100)는 모듈형 구성을 포함하며, 상기 구성은 추가 모듈들, 예컨대 브레이크 모듈(105) 및/또는 홀딩 모듈 및/또는 기어 모듈 및/또는 출력 증가 모듈 및/또는 냉각 모듈(113)을 통해 확장될 수 있는 것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동부(10, 100)는 상기 로터(11, 101, 101')를 위한 클러치, 바람직하게는 만곡 톱니 클러치를 포함하는 것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 취급 장치는
    압연기를 포함하고, 상기 롤링 부재(200, 301)는 지지롤 또는 작업롤이거나, 또는
    금속 스트립 취급 설비를 포함하고, 상기 롤링 부재(200, 301)는 이송 롤러, 인장 롤러, 가속 롤러, 또는 금속 스트립의 장력 형성 또는 장력 감소를 위한 롤러이거나, 또는
    윈치 어셈블리(300)를 구비한 스트립 저장부를 포함하고, 상기 롤링 부재(200, 301)는 케이블 윈치인
    것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구동부(10)는
    작동 상태에서부터 상기 로터(11)가 실질적으로 정지하는 홀딩 상태로 상기 취급 장치를 제동하도록 구성되는 전기식 제동 유닛(40);
    기계식 홀딩 유닛(50)의 작동 시 상기 취급 장치를 홀딩 상태에서 기계적으로 잠금 고정하도록 구성되는 기계식 홀딩 유닛(50); 및
    실질적으로 작동 상태에서의 모든 이동 에너지가 상기 전기식 제동 유닛(40)에 의해 변환되는 반면, 상기 기계식 홀딩 유닛(50)은 상기 취급 장치의 홀딩 상태에서만 작동되도록, 상기 전기식 제동 유닛(40) 및 상기 기계식 홀딩 유닛(50)을 제어하도록 구성되는 제어 유닛(31);을
    포함하는 것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 구동부(10)는, 작동 상태에서 상기 구동부(10)의 전기 모터에 전력을 공급하고 바람직하게는 정상 작동 상태에서는 상기 취급 장치를 제동하기 위한 기능을 보유하는 전력 공급 컨버터(13)를 포함하고,
    상기 전기식 제동 유닛(40) 및/또는 상기 제어 유닛(31)은, 상기 전력 공급 컨버터(13)의 고장을 포함하는 비정상적인 작동 상태에서 전기 모터로부터 상기 전력 공급 컨버터(13)를 갈바닉 방식으로 절연하며, 그리고 제동 저항 및/또는 저항/커패시터 회로를 통해, 그리고/또는 직접적으로 상기 전기 모터의 권선부들을 단락하고, 그리고/또는 외부 직류 전압원을 접속함으로써 상기 취급 장치를 홀딩 상태로 제동하도록 구성되는
    것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 구동부(10)는 하우징을 포함하고, 상기 하우징 내에는 상기 기계식 홀딩 유닛(50)이 통합되거나, 또는 상기 하우징 상에는 상기 기계식 홀딩 유닛(50)이 플랜지 결합되는 것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계식 홀딩 유닛(50)은, 홀딩 상태에서 잠금 고정이 형상 결합 방식으로, 그리고/또는 강제 끼워 맞춤 방식으로 수행되도록 구성되며, 상기 기계식 홀딩 유닛(50)의 작동은 바람직하게는 전기식으로, 기계식으로, 유압식으로 또는 공압식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 스트립 금속 재료의 취급 장치.
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