KR100695012B1 - 풍력 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전자와 발전기의 사이를 연결하는 메인샤프트에 발전기의 스테이터 및 로터를 조립할 때, 상기 스테이터를 메인샤프트에 조립하는 작업없이 로터를 메인샤프트에 조립하는 작업만으로도 메인샤프트에 대한 스테이터와 로터의 조립을 완료할 수 있도록 한 풍력 발전기에 관한 것으로서, 상기 로터(42)는 수직의 로터 프레임(42b)에 대하여 직각을 이루는 로터 축받이(42a)가 일체로 형성되어 메인샤프트(2)의 외측에 결합되고, 상기 로터 축받이(42a)의 외측에 한 쌍의 전동베어링(43)이 형성되며, 상기 스테이터(41)는 전동베어링(43)의 베어링 하우징(43a)에 고정되는 스테이터 하우징(41a)에 의해서 로터(42)에 조립됨으로써 조립의 간편성 및 효율성을 한층 증대시킬 수 있는 효과를 갖게 된다.

회전자, 메인샤프트, 발전기, 스테이터, 로터, 쉬링크 디스크

Description

풍력 발전기{Wind turbine generator system}

도 1은 본 발명이 적용된 풍력 발전기를 나타낸 사시도.

도 2는 도 1의 내부 구조를 나타낸 단면도.

도 3은 도 2의 "A"부 확대도.

도 4는 도 2의 "B"부 확대도.

도 5는 도 1의 댐퍼 구조를 나타낸 단면도.

도 6은 종래의 풍력 발전기를 나타낸 단면도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1:타워 2:메인샤프트

3:회전자 4:발전기

5:전방측 베어링 6:후방측 베어링

7:메인 프레임 8:샤프트 하우징

20:일체형 샤프트 31:로터 허브

32:회전날개 33:날개고정부

41:스테이터 41a:스테이터 하우징

42:로터 42a:로터 축받이

42b:로터 프레임 43:전동베어링

43a:베어링 하우징 44:쉬링크 디스크(shrink disc)

44a:고정디스크 44b:경사면

44c:가동디스크 44d:상대경사면

60:토로이달 롤러 베어링(toroidal roller bearing)

본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전자와 발전기의 사이를 연결하는 메인샤프트에 발전기의 스테이터 및 로터를 조립할 때, 상기 스테이터를 메인샤프트에 조립하는 작업없이 로터를 메인샤프트에 조립하는 작업만으로도 메인샤프트에 대한 스테이터와 로터의 조립을 완료할 수 있도록 한 풍력 발전기에 관한 것이다.

주지된 바와같이 풍력 발전기는 자연의 바람에 의해서 회전되는 회전자의 동력을 이용하여 발전을 일으키는 것으로서, 통상 도 1에 도시된 바와같이 지면으로부터 일정 높이로 타워(1)가 설치되고, 상기 타워(1)의 상부측에 다수의 회전날개(32)를 갖는 회전자(3)와 발전기(4)가 메인샤프트(2)에 의해서 서로 연결되어 상기 메인샤프트(2)를 통하여 회전자(3)의 회전력이 발전기(4) 측으로 전달되도록 구성하고 있다.

상기 회전자(3)는 메인샤프트(2)의 선단부에 형성된 로터 허브(31)의 둘레를 따라 다수의 회전날개(32)가 날개고정부(33)에 의해서 고정되는 것이며, 상기 날개 고정부(33)는 볼트 체결등과 같은 통상의 방식에 의해서 이루어진다.

그리고, 상기 메인샤프트(2)에 의해서 서로 연결된 회전자(3) 및 발전기(4)는 모터의 동력에 의해서 메인 프레임(7)이 타워(1) 축을 중심으로 회전이 가능하도록 구성되어 있다.

도 6은 종래의 풍력 발전기의 내부 구조를 나타낸 단면도로서, 이에 도시된 바와같이 상기 발전기(4)는 서로 간극을 갖는 스테이터(411)와 로터(412)로 구성되고, 전방측 베어링(5) 및 후방측 베어링(6)에 의해서 양단 지지가 이루어지는 메인샤프트(2)는 터빈 샤프트(2a)와 발전기 샤프트(2b)로 분리 구성되어 플랜지 이음부(2c)에 의해서 서로 연결되며, 상기 로터(412)는 발전기 샤프트(2b)와 결합되어 발전기 샤프트(2b)와 함께 회전하면서 스테이터(411)와의 전기적인 작용에 의해서 발전을 일으키도록 구성되어 있다.

한편, 발전기 샤프트(2b)에 대한 스테이터(411) 및 로터(412)의 결합구조를 좀더 구체적으로 살펴보면, 상기 발전기 샤프트(2b) 역시 전동베어링(413)에 의해서 양단 지지가 이루어지고, 스테이터 하우징(411a)은 전동베어링(413) 위에 연결된 구조를 가지며, 로터 회전체(412a)는 직접 발전기 샤프트(2b)에 결합된 구조로 되어 있다.

따라서, 종래의 풍력 발전기는 발전기 샤프트(2b)에 스테이터 및 로터를 결합할 때 스테이터 하우징(411a)을 전동베어링(413)의 위에 조립하는 작업과, 로터 회전체(412a)를 발전기 샤프트(2b)에 직접 결합시키는 작업을 각각 별도로 수행해야만 되므로 작업의 번거로움 및 불편성은 물론 작업의 효율성 저하를 초래하는 문 제점이 있었다.

그리고, 전기한 바와같이 상기 메인샤프트(2)가 터빈 샤프트(2a)와 발전기 샤프트(2b)로 분리 구성되어 플랜지 이음부(2c)에 의해서 연결된 구조로 되어 있어 회전 토오크의 전달을 위한 손실을 초래하는 문제점도 가지고 있었다.

통상적으로 발전기나 모터의 경우 자연열화나 물리적 결함 또는 과부하시 스테이터의 내부 권선에 과전류가 흐르게 되고, 이러한 현상의 반복에 의해서 스테이터 내부의 권선간에 절연이 파괴됨으로써 단락사고가 발생하게 되는데, 이때 발전기의 경우 과전류에 의한 역토크가 발생하게 된다.

그러나, 종래에는 이러한 단락 현상에 의한 역토크를 차단할 수 있는 수단이 전혀 마련되어 있지 않아 풍력 발전기의 손상은 물론 수명단축과 유지 및 보수에 따른 관리의 어려움을 유발하는 결함이 있었다.

또한, 종래에는 메인샤프트의 미스얼라인먼트와 틸팅이 발생하는 경우, 상기 메인샤프트에 대한 자동 조심(操心) 기능이 없어 상기 메인샤프트의 미스얼라인먼트와 틸팅으로 인한 동력 전달 및 작동의 부정확성을 초래하는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기한 바와같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위하여 창안된 것으로서, 그 목적은 회전자와 발전기의 사이를 연결하는 메인샤프트에 발전기의 스테이터 및 로터를 조립할 때, 상기 스테이터를 메인샤프트에 조립하는 작업없이 로터를 메인샤프트에 조립하는 작업만으로도 메인샤프트에 대한 스테이터와 로터의 조립을 완료할 수 있도록 하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 발전기에 단락사고가 발생하여 과전류에 의한 역토크가 발생하게 되면, 자연스럽게 메인샤프트와 로터 사이의 연결을 차단할 수 있게 하여 과부하로 인한 전체 시스템의 파손을 미연에 방지하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 메인샤프트의 미스얼라인먼트와 틸팅이 발생하는 경우, 상기 메인샤프트에 대한 자동 조심(操心) 기능을 가질 수 있도록 하는데 있다.

또한, 본 발명의 목적은 서포터에 의해서 샤프트 하우징에 지지되는 발전기로부터 전달되는 진동 및 소음을 차단할 수 있도록 하는데 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성할 수 있도록 전.후방측 베어링에 의해서 회전 가능하게 지지되는 메인샤프트에 의해서 회전자와 발전기가 연결되고, 상기 발전기는 스테이터와 로터로 구성됨에 있어서, 상기 로터는 수직의 로터 프레임에 대하여 직각을 이루는 로터 축받이가 일체로 형성되어 메인샤프트의 외측에 결합되고, 상기 로터 축받이의 외측에 한 쌍의 전동베어링이 형성되며, 상기 스테이터는 전동베어링의 베어링 하우징에 고정되는 스테이터 하우징에 의해서 로터에 조립된 것을 특징으로 한 풍력 발전기가 제공된다.

또한, 상기 로터 축받이는 외측에 볼트의 조임력에 의해서 일정 압력으로 로터 축받이를 메인샤프트 상에 밀착 고정시켜 함께 회전될 수 있도록 하고, 압력을 초과하면 로터 축받이와 메인샤프트 사이의 연결을 차단하는 쉬링크 디스크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 메인샤프트는 일체형 샤프트로 형성하고, 상기 후방측 베어링을 토로이달 롤러 베어링으로제1항에 있어서,

또한, 상기 발전기는 메인 샤프트의 외측에 구비되는 샤프트 하우징과 결합된 서포터에 의해서 지지되고, 상기 서포터와 발전기의 사이에 댐퍼가 구비된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 구성을 실시예에 따라 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명이 적용된 풍력 발전기를 나타낸 사시도이다.

이에 도시된 바와같이 본 발명은 통상에서와 같이, 지면으로부터 일정 높이로 타워(1)가 설치되고, 상기 타워(1)의 상부측에 다수의 회전날개(32)를 갖는 회전자(3)와 발전기(4)가 메인샤프트(2)에 의해서 서로 연결되어 상기 메인샤프트(2)를 통하여 회전자(3)의 회전력이 발전기(4) 측으로 전달되도록 구성된다.

그리고, 상기 회전자(3)는 메인샤프트(2)의 선단부에 형성된 로터 허브(31)의 둘레를 따라 다수의 회전날개(32)가 날개고정부(33)에 의해서 고정되는 것이며, 상기 날개고정부(33)는 볼트 체결등과 같은 통상의 방식에 의해서 이루어진다.

또한, 상기 메인샤프트(2)에 의해서 서로 연결된 회전자(3) 및 발전기(4)는 모터의 동력에 의해서 메인프레임(7)이 타워(1)의 중심축을 중심으로 회전이 가능하도록 구성된다.

이러한 풍력 발전기에 있어, 본 발명은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 일체형 샤프트(20)로 형성된 메인샤프트(2)에 로터(42)가 결합되고, 스테이터(41)는 스테이터 하우징(41a)에 의해서 로터(42)에 조립되도록 구성함으로써 상기 로터 (42)를 메인샤프트(2)에 조립하는 것만으로도 상기 메인샤프트(2)에 대한 스테이터(41) 및 로터(42)의 조립이 이루어질 수 있도록 한 것을 특징으로 한 것이다.

이를 좀더 구체적으로 설명하면, 로터(42)는 중간부에 수직의 로터 프레임(42b)에 대하여 직각을 이루는 관형의 로터 축받이(42a)가 일체로 형성되어 메인샤프트(2)의 외측에 직접 결합하도록 구성된다.

그리고, 상기 로터 축받이(42a)의 외측에 한 쌍의 전동베어링(43)을 배치 구성한 다음, 상기 전동베어링(43)의 베어링 하우징(43a)에 스테이터 하우징(41a)이 고정되도록 함으로써 스테이터(41)와 로터(42)가 하나의 몸체를 이루고 상호 회전이 가능하도록 구성한 것이다.

따라서, 메인샤프트(2)에 스테이터(41)를 조립하는 별도의 작업없이 로터(42)의 조립만으로 메인샤프트(2)에 대한 스테이터(41)와 로터(42)의 조립이 동시에 이루어질 수 있게 되는 것이며, 이에 따라 조립의 효율성 및 간편성을 기할 수 있는 장점을 갖게 된다.

한편, 발전기에 단락사고가 발생하여 과전류에 의한 역토크가 발생하게 되면, 전체 시스템에 과부하가 발생하게 되는데, 이때 메인샤프트(2)와 로터(42) 사이의 연결을 차단하기 위해 본 발명의 로터 축받이(42a)는 쉬링크 디스크(shrink disc)(44)를 더 포함한다.

상기 쉬링크 디스크(44)는 도 4에 도시된 바와같이 로터 축받이(42a)의 외측에 고정되는 고정디스크(44a)와 상기 고정디스크(44a)의 외측에 볼트(44e) 체결되는 가동디스크(44c)로 구성되는 것으로서, 상기 고정디스크(44a) 및 가동디스크 (44c)는 각각 서로 상접하는 경사면(44b) 및 상대경사면(44d)을 갖는다.

이에 따라 상기 볼트(44e)를 조이게 되면, 이 조임력에 의해서 가동디스크(44c)의 상대경사면(44d)이 고정디스크(44a)의 경사면(44b)을 따라 화살표 방향으로 이동하게 되어 메인샤프트(2)에 대하여 로터 축받이(42a)를 일정 압력, 즉 마찰력으로 밀착 고정할 수 있게 된다.

그리고, 메인샤프트(2)의 회전 토오크가 상기 마찰력을 초과하게 되는 경우에는 접촉면에서 미끄러짐이 발생해 로터 축받이(42a)에 대하여 메인샤프트(2)가 공회전하게 됨으로써 상기 메인샤프트(2)와 로터(42) 사이의 연결이 끊어지게 되는 것이다.

이와함께 본 발명은 메인샤프트(2)를 회전 가능하게 지지하는 전방측 베어링(5)과 후방측 베어링(6) 중에 전방측 베어링(5)을 토로이달 롤러 베어링(61)으로, 후방측 베어링(6)을 스페리컬 롤러 베어링(60)으로 구성함으로써 메인샤프트의 미스얼라인먼트 및 틸팅에 대한 보정이 가능한 장점도 갖는 것으로서, 이는 외륜 궤도가 구면을 이루어 내륜과 결합된 전동체와의 사이에서 축방향 보정과 자동 조심(操心) 역할을 동시에 수행하는 주지 관용의 토로이달 롤러 베어링(61)의 특성에 의해서 달성되는 것이다. 여기서 미설명 부호 8은 샤프트 하우징이다.

한편, 발전기(4)는 도 1에 도시된 바와같이 서포터(91)에 의해서 상기 샤프트 하우징(8)에 지지되는 것이며, 서포터(91)와 발전기(4)의 사이는 댐퍼(9)에 의해서 서로 연결된다.

상기 댐퍼(9)는 도 5에 도시된 바와같이 발전기(4)의 외측에 지지축(93)을 일체로 형성하고, 상기 지지축(93)과, 서포터(91)와 연결된 댐퍼몸체(92)의 사이에 방진러버(94)를 구비한 구조로 되어 있다.

통상 발전기(4)는 도 2에 도시된 바와같이 메인 샤프트(2)에 축설되는 로터(42)와 스테이터 하우징(41a)의 내측에 고정되는 스테이터(41)로 구성되어 로터(42)의 회전에 의해서 발전을 일으키도록 되어 있는데, 이때 상기 스테이터 하우징(41a)은 로터(42)의 토오크에 영향을 받지 않도록 지지되어야 하는 것으로서, 이를 위해 스테이터 하우징(41a)은 도 1에 도시된 바와같이 서포터(91)에 의해서 샤프트 하우징(8)에 지지되도록 구성되고, 상기 서포터(91)와 스테이터 하우징(41a)의 사이에 전기한 바와같은 댐퍼(9)가 구비되어 스테이터 하우징(8)을 통하여 전달되는 진동 및 소음을 차단할 수 있도록 한 것이다.

이와같이 구성된 본 발명은, 먼저 회전자(3)의 회전력이 일체형 샤프트(20)로 형성된 메인샤프트(2)를 통하여 로터 축받이(42a)에 전달되고, 상기 로터 축받이(42a)와 스테이터 하우징(41a)의 사이에는 전동베어링(43)이 개재되어 있어 스테이터(41)에 대한 로터(42)의 회전이 가능해진다.

그리고, 발전기에 단락사고가 발생하게 되는 경우에는, 메인샤프트(2)의 회전력이 일정 압력을 초과할 때 자연스럽게 로터 축받이(42a)와 메인샤프트(2) 간의 연결을 끊어주는 쉬링크 디스크(44)에 의해서 과부하로 인한 전체 시스템의 파손을 미연에 방지할 수 있게 된다.

또한, 메인샤프트(2)를 회전가능하게 지지하는 전방측 베어링(5)을 토로이달 롤러 베어링(61)으로, 후방측 베어링(6)을 스페리컬 롤러 베어링(60)으로 구성함으 로써 메인샤프트(2)의 미스얼라인먼트 및 틸팅에 대한 보정도 가능해지는 것이다.

상술한 바와같이 본 발명은 회전자와 발전기의 사이를 연결하는 메인샤프트에 발전기의 스테이터 및 로터를 조립할 때, 상기 스테이터를 메인샤프트에 조립하는 작업없이 로터를 메인샤프트에 조립하는 작업만으로도 메인샤프트에 대한 스테이터와 로터의 조립을 완료할 수 있도록 함으로써 조립의 간편성 및 효율성을 한층 증대시킬 수 있는 효과를 갖게 된다.

또한, 본 발명은 발전기에 단락사고가 발생하여 과전류에 의한 역토크가 발생하여 메인샤프트의 회전력이 일정 토크 이상을 초과하게 되면, 쉬링크 디스크에 의해서 상기 메인샤프트와 로터 사이의 연결이 자연스럽게 끊어지도록 함으로써 과부하로 인한 전체 시스템의 파손을 미연에 방지할 수 있고, 이로 인하여 풍력 발전기의 안전성 확보는 물론 기기의 성능 및 신뢰성 향상을 기할 수 있는 효과도 갖게 된다.

또한, 본 발명은 일체형 샤프트로 형성된 메인샤프트를 회전가능하게 지지하는 베어링을 자동 조심운동을 하는 토로이달 롤러 베어링과 스페리컬 롤러 베어링으로 구성함으로써 메인샤프트의 미스얼라인먼트와 틸팅에 대한 보정이 가능하고, 이로 인하여 기기 작동의 정확성을 보다 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 전.후방측 베어링(5)(6)에 의해서 회전 가능하게 지지되는 메인샤프트(2)에 의해서 회전자(3)와 발전기(4)가 연결되고, 상기 발전기(4)는 스테이터(41)와 로터(42)로 구성됨에 있어서,

   상기 로터(42)는 수직의 로터 프레임(42b)에 대하여 직각을 이루는 로터 축받이(42a)가 일체로 형성되어 메인샤프트(2)의 외측에 결합되고, 상기 로터 축받이(42a)의 외측에 한 쌍의 전동베어링(43)이 형성되며, 상기 스테이터(41)는 전동베어링(43)의 베어링 하우징(43a)에 고정되는 스테이터 하우징(41a)에 의해서 로터(42)에 조립된 것을 특징으로 한 풍력 발전기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 로터 축받이(42a)는 외측에 볼트(44e)의 조임력에 의해서 일정 마찰력으로 로터 축받이(42a)를 메인샤프트(2) 상에 밀착 고정시켜 함께 회전될 수 있도록 하고, 회전 토크가 마찰력을 초과하면 로터 축받이(42a)와 메인샤프트(2) 사이의 연결을 차단하는 쉬링크 디스크(44)를 더 포함하는 것을 특징으로 한 풍력 발전기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 메인샤프트(2)는 일체형 샤프트(20)로 형성하고, 상기 전방측 베어링 (5)을 토로이달 롤러 베어링(61)으로, 후방측 베어링(6)을 스페리컬 롤러 베어링(60)으로 구성한 것을 특징으로 한 풍력 발전기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 발전기(4)는 메인 샤프트(2)의 외측에 구비되는 샤프트 하우징(8)과 결합된 서포터(91)에 의해서 지지되고, 상기 서포터(91)와 발전기(4)의 사이에 댐퍼(9)가 구비된 것을 특징으로 한 풍력 발전기.

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