KR100727294B1 - 변환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1차 권선과 제2차 권선을 구비하고 고정부로부터 회전부로 전기 전력을 전달하는 변환기에 관한 것이다. 환상의 슬롯에 제1차 및 제2차 권선을 감아줌으로써, 본 발명에 따른 변환기는 작은 크기로 설계될 수 있으며, 같은 크기로 보다 효율적으로 전력을 더 많이 전달할 수 있게 된다.

풍력 발전, 터빈, 발전기.

Description

변환기{TRANSLATOR}

본 발명은 고정부(stationary member)로부터 회전부(rotating member)로 전기 전력을 전달하는 변환기(transformer)에 관한 것으로 제1차 권선과 제2차 권선을 구비한 변환기에 관한 것이다.

이와 같은 변환기를 비동기식 기계(asynchronous machine)라 흔히 부르는데, 고정자 권선(stator winding)은 제1차 권선(primary winding)을 형성하고 회전자 권선(rotor winding)은 제2차 권선을 형성하거나, 또는 그 반대로 고정자 권선이 제2차 권선을 회전자 권선이 제1차 권선을 형성하게 된다.

전력 변환 동안에 히스테리시스(hysteresis) 손실에 의한 열 손실이 워낙 크기 때문에, 한편으로는 변환 가능한 전력은 수 킬로와트 정도로 제한된다. 다른 한편으로는, 상기 발생 열은 방산(dissipate) 되어야 하며, 따라서 충분히 넓은 표면적을 지닌 최소 크기의 변환기가 필요하게 된다.
비동기식 기계의 회전자로부터 고정자 부품으로 슬립 링(slip-ring) 없이, 슬립 전력을 브러쉬(brush)없이 전달하는 교류 변환기에 대한 기술이 독일 특허 DE 199 53 583 C1에 기재되어 있다. 상기 변환기는 고정자 측 제1차 부위와 회전자 측 제2차 부위를 비동기식 기계의 축 상에 두고 있다. 상기 부위 각각은 접선 방향으로 감긴 코일로 교류 전류 권선을 구성한다.
전기 모터의 고정자를 위한 라미네이트 된 철심(laminated core)을 만드는 방법과 이를 이용한 전기 모터 기술은 독일 특허 DE 198 42 948 A1에 개시되어 있다.
각각 디스크 형태를 지니고 있는 자기 철심(magnetic core)이 부채 모양의 철심 여러 개를 조합하여 만드는 비접촉식 변환기에 대한 기술을 독일 특허 DE 100 20 949 A1에 기재되어 있다. 상기 자기 철심 각각은 권선을 수납하기 위하여 적어도 하나의 동심의, 방사상의 슬롯을 구비하고 있다.
에너지를 전달하는 전자기 커플러(electromagnetic coupler)는 유럽 특허 EP 0 688 028 A1에 상술 되어 있다. 제1차 권선 측과 제2차 권선 측 양쪽에 철심은 환상으로 배열되고 링 모양의 코일이 놓일 수 있는 환상의 홈을 구비하고 있다. 철심 배열은 라미네이트 된 변환기 부품과 함께 적어도 하나의 패키지를 구성한다.
컴퓨터 단층 촬영(computer tomography; CT) 시스템을 위한 변환기는 미국 특허 US 5,608,771에 개시되어 있다. 고정자 철심과 회전자 철심은 시공 시에 일체화되고 권선을 수납하기 위한 최소한 한 개의 환상의 슬롯을 구비한다.
투자율(permeability)이 낮고 전력 손실이 적은 전력 전송 철심을 위한 자성 재료에 관한 기술은 독일 특허 DE 42 14 376 A1에 페라이트(ferrite)와 플라스틱(plastic)의 균일 혼합물의 형태로 개시되어 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 방산 되는 열의 양을 감소시키고 그 결과 크기를 최소화할 수 있는, 또는 크기는 그대로 두는 대신에 더 많은 양의 전력을 변환할 수 있는 변환기를 제공하는 데 있다. 이 목적은 특허청구범위 제1항에 기재된 변환기에 의해 달성된다.

본 발명은 비동기식 기계와 같이 잘 알려진 회전 기계(rotary machine)에 있어서 구조상의 깊이는 열 방산(heat dissipation) 문제를 상당히 해소한 주요 요인이 된다. 역으로, 이것은 가능한 얇게 시공을 함으로써 열 방산 문제를 해결할 수 있음을 의미한다.

삭제

본 발명에 따르면, 변환기는 링 세그먼트(ring segment) 형태의 부품으로 구성된 회전부(rotating body)를 구비하고, 상기 회전부는 축 방향 또는 방사 방향으로 개방된 형태의 슬롯을 구비하고 있으며, 상기 링 세그먼트 형태의 부품을 페라이트(ferrite)로 제작되는 것이 바람직하다. 이와 같이 함으로써, 에어 갭(air gap) 없이 원하는 자성을 지닌 회전부를 만드는 것이 가능하며, 특별히 손실을 줄이면서 전력을 변환하는 것을 가능하게 한다.

변환기에 인가되는 힘을 회전부로부터 분리함으로써 회전부에 발생하는 변형 또는 손상을 방지하기 위하여, 상기 부품을 수납하는 지지 구조가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 변환기를 장착한 풍력 터빈의 경우, 고정부(stationary member)로부터 발전기의 로터(rotor)와 같은 회전부(rotating member)로 여기 전력이 변환될 수 있다. 물론, 다위상 전송을 위해서 주변의 복수 개 변환기를 사용하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 변환기를 작동하는데 인덕턴스 효과 또는 에너지 손실 등을 최소화하기 위하여 300㎑까지의 주파수, 더욱 바람직하게는 20㎑ 정도의 주파수 동작이 바람직한 것으로 보인다.

도1은 본 발명에 따른 회전부의 제1 실시예의 측면도를 나타낸 도면.

도2는 도1에 도시한 회전부의 일 부품을 나타낸 도면.

도3은 도1의 A-A 라인을 따라 절개한 절개도를 나타낸 도면.

도4는 회전부의 제2 실시예를 나타낸 측면도.

도5는 도4의 B-B 라인을 따라 절개한 회전부의 제2 실시예를 나타낸 절개도.

도6은 두 개의 회전부의 구성을 나타낸 사시도.

도7은 회전부의 부분 절개도.

도8은 회전부의 대체 구성을 나타낸 부분 개략도.

도9는 도8의 회전부 중 하나를 위한 부품의 사시도.

도10은 도8에 나타낸 다른 회전부의 부품의 사시도.
도11은 본 발명의 양호한 실시예를 나타낸 도면.

본 발명에 따른 양호한 실시예가 부속하는 청구항에 상술 될 것이다. 이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 상술한다.

도1은 본 발명에 따른 변환기(10)의 링(ring)을 나타낸 도면이다. 상기 링은 지지 구조(12)를 지니고 있으며, 이 지지 구조 안으로 부품(14)이 삽입된다. 상기 부품(14)은 지지 구조(12)에 의해 형성되는 내부 공간을 완전히 메우고, 그 결과 개별 부품(14) 사이에 에어 갭(air gap)이 없어지게 된다. 각각의 부품(14)에는 슬롯(16)이 정의된다. 부품(14)이 환상 구조를 지님으로써 슬롯(16)도 환상을 띠게 되며 이곳에 권선이 감기게 된다.

도2는 단일 부품(14)의 평면도를 나타낸 도면이다. 도2를 참조하면, 부품이 링 세그먼트 형태를 취하고 있음을 알 수 있다. 세그먼트(14)는 상부 바(upper bar; 15)와 하부 바(lower bar; 17)를 구비하고 있으며, 상기 상부 바(15)와 하부 바(17) 사이에는 크로스 피스(cross-piece; 19)가 구비되어 있다.

여기서, 바(15, 17)와 크로스 피스(19)는 사이에 슬롯을 정의할 수 있도록 U자형의 단면 형태를 지니며, 바(15, 17)는 크로스 피스(19)에 수직으로 향하게 된다. 도면으로부터 바(15, 17) 및 크로스 피스(19)로 구성된 부품(14)은 일체화된 구성임을 알 수 있다.

권선(18)이 슬롯 내부에 놓이게 되고, 슬롯 내부의 공간은 충전 화합물(20)로 채워진다. 상기 충전 화합물(filling compound)은, 한편으로는 슬롯 내부에서 권선을 고정시키는 역할을 하고, 다른 한편으로는 슬롯 내부로 습기가 침투하는 것을 방지함으로써 부식으로부터 보호하는 역할을 수행한다.

도4는 본 발명에 따른 변환기 링(10)의 또 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 여기서, 지지 구조(12) 내부에 부품(14)이 도시되어 있다. 상기 부품(14)은 도1에 도시된 부품과 유사하며 역시 유사하게 링 세그먼트를 구성하게 된다. 마찬가지로, 환상 슬롯(16)이 있고 그 내부에 권선이 감기게 된다. 도4의 링 세그먼트 형태에 도시된 부품(14)들 각각이 도1에 도시된 라디안 값보다 더 크게 확장된다는 것 이외에도, 또 다른 차이점은 부품(14)이 다른 구조로 되어 있다는데 있다. 상기 차이점은 도5를 살펴보면 쉽게 이해할 수 있다.

도5는 도4의 B-B 라인으로 절개한 단면도를 나타낸 도면이다. 도5를 참조하면, 부품(14)이 수납되는 U자형의 지지 구조(12)가 마찬가지로 제공되고 있다. 상기 부품(14)은 역시 U자형 단면을 지니고 있으나, 상부 바(15), 하부 바(17) 및 크로스 피스(19)는 U 자 형태를 형성하기 위하여 서로 개별 부품으로써 서로 연결되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이와 같은 실시예는 바(15, 17)와 크로스 피스(19)의 제조를 간단히 하는 장점이 있다. 상기 바(15, 17)와 크로스 피스(19) 사이에 슬롯이 유사하게 형성되며, 그 내부에는 권선(18)이 마련되고 상기 슬롯 내부는 충전 화합물(20)로 채워지게 된다.

도6은 축 방향으로 서로 반대 위치를 하고 있는 두 개의 변환기 링을 나타낸 도면이다. 그러나, 도면에 도시되어 있는 상기 변환기 링(10' 및 10") 사이의 갭은 본 발명을 설명하기 위해서 크게 확대하여 그려진 것이며, 실제로는 갭은 매우 얇게 구성된다. 도6에서, 지지 구조(12', 12")가 도시되어 있는데, 그 안에 부품(14)이 마그네틱 링을 구성하고, 그 내부에 권선(18)이 감기고 충전 화합물(20)이 슬롯 안에 채워지게 된다.

상기 두 개의 변환기 링(10' 및 10") 중 하나(10')는 장치의 고정부, 예를 들어 풍력 터빈의 발전기 고정자에 연결되며, 다른 쪽 변환기 링(10")은 회전부, 예를 들어 링 발전기의 회전자(rotor)에 연결된다. 회전 축은 일점 쇄선으로 도시되어 있다. 이는 도7을 참조하면 더욱 명확히 이해될 수 있다. 도6을 다시 참조하면, 두 개의 변환기 링 (10' 및 10")을 구비한 변환기 실시예를 개시하고 있다. 여기서, 변환기(transformer)는 고정부로부터 회전부에 전기 전력을 전달하는 역할을 하는 곳이므로, 상기 두 개의 변환기 링(10' 및 10") 가운데 하나는 고정부에 연결되고, 다른 하나는 회전부에 연결되게 된다. 예를 들어, 변환기 링(10')의 좌측부는 고정부(즉, 풍력 발전기의 발전기 고정자)에 연결되고, 변환기 링(10")의 우측부는 회전부(즉, 풍력 발전기의 로터)에 연결될 수 있다. 여기서, 변환기의 링, 고정부, 풍력 터빈의 발전기 고정자의 구성은 도11을 참조하여 아래에서 상술하기로 한다.

변환기 링(10' 및 10") 두 쪽이 모두 서로 반대 방향에 마주 보고 놓여 있으므로, 에너지는 제1차 권선으로부터 제2차 권선으로 자기 회로를 거쳐 전달되게 된다. 이는 도7을 참조하면 더욱 더 명확히 이해될 수 있다. 도7은 마주보고 있는 두 개의 변환기 링(10' 및 10")의 상부를 절개하여 나타낸 단면도이다.

양 변환기 링(10', 10")은 지지 구조(12', 12")를 지니고 있으며, 그 내부에는 자기 회로가 부품(14', 14")에 의해 형성되고, 여기에는 일체화된 제품으로 도시되어 있다. 마주보고 있는 한 쌍의 부품 사이의 갭, 즉 자기 회로에서의 에어 갭은 가능한 작은 것이 바람직하며, 예를 들어 0.1㎜ 내지 10㎜로 할 수 있다.

도7의 좌측에 나타낸 권선(18')은 제1차 권선이고, 우측에 나타낸 권선이 제2차 권선이다. 제1차 권선에서 전류 흐름의 방향은 지면에서 속으로 들어가는 방향으로 도시되어 있다. 이 경우 자기장의 방향은 도면의 화살표 방향으로 생성되게 되며 부품(14', 14")에 의해 자기 회로가 형성된다. 상기 자계는 제2차 권선(18")에 전압을 유기하게 되고, 유기 전압은 제2차 권선에 지면에서 나오는 방향으로 전류를 유기하게 된다. 이와 같이 해서, 상기 변환기에 의해 제1차 측(좌측)으로부터 제2차 측(우측)으로 전기 에너지가 이송된다.

도8은 두 개의 변환기 링(10)을 보여주고 있다. 그러나, 도8에서는 두 개의 변환기 링이 방사 방향(radial direction)으로 서로 마주보도록 설치되어 있다. 여기서, 내부 부품(14', 14")을 지지하는 지지 구조(12', 12")는 결국 자기 회로를 형성한다. 상기 도8에 있어서, 하부 권선이 제1차 권선이고, 상부 권선이 제2차 권선이다. 제1차 권선에서의 전류 흐름의 방향은 지면에서 들어가는 방향이다. 따라서, 자계는 도면에 도시한 화살표 방향으로 생성되게 되며, 이렇게 해서 제2차 권선에 전압을 유기하고, 제2차 권선에는 지면에서 나오는 방향으로 전류가 유도되어 흐르게 된다.

이와 같은 방사 방향으로 구성한 실시예의 경우에도 자기 회로의 부품(14', 14") 사이의 갭, 즉 자기 회로의 에어 갭은 가능한 작은 것이 바람직하며, 예를 들어 1㎜에서 3㎜ 사이로 할 수 있다.

도9는 부품(14)을 개략적으로 나타낸 사시도이다. 상기 부품(14)의 형태로부터, 이 부품(14)들을 복수 개 서로 순차적으로 이어서 배열하면 슬롯(16)을 구비한 링을 만들 수 있을 것이라는 것을 예상할 수 있으며, 이때에 슬롯(16)은 아래 방향에 열린 모습으로 형성된다.

도10은 부품(14)의 개략도를 나타낸 도면이다. 상기 부품(14)은 도8에 나타낸 하부 지지 구조(12)의 속에 설치되며, 그 결과 윗쪽으로 열린 슬롯을 구비한 링이 만들어진다. 도9 및 도10에 도시된 부품을 사용함으로써, 본 발명에 따라 서로 방사 방향으로 마주 보도록 설치된 링을 구비한 변환기를 제작할 수 있게 된다.
도11은 본 발명의 실시예로서, 풍력 터빈의 고정부와 회전부의 구성을 나타낸 도면이다. 도11을 참조하면, 위와 아래의 두 개의 도면에 각각 두 가지 실시예를 보여 주고 있으며, 각각 링 발전기에 대한 서로 다른 위치 설계를 예시하고 있다. 고정부는 도면 부호 30으로 나타내고 있으며, 회전부는 도면 부호 32로 나타내고 있다. 고정부(30) 상에 링 발전기의 고정자(36)이 지지부에 의해 마운트 된다. 한편, 회전부(32) 위에는 링 발전기의 회전자(34)가 장착되게 된다. 도11의 상단 그림을 참조하면, 변환기 링(10'. 10")이 축(axially)에 배열되어 있음을 알 수 있다. 즉, 제1 변환기 링(10')은 회전부(32)에 장착되고, 제2 변환기 링(10")은 고정부(30) 상에 장착된다. 도11의 상부 도면에 나타낸 실시예는 첨부 도면 도1 내지 도7의 도면에 해당한다.
한편, 도11의 하단에 나타낸 실시예는 변환기 링(10', 10")이 축에 배열되어 있으며, 제1 변환기 링(10')은 회전부(32)에 장착되고, 제2 변환기 링(10")은 고정부(30)에 장착된다. 도7에 이미 도시되어 있듯이, 제1 변환기 링(10')은 제1차 권선(18')을 구비하고 있으며, 제2 변환기 링(10")은 제2차 권선(18")을 구비하고 있다. 이와 같은 구성으로 하여, 제1차 권선(18') 측의 에너지를 제2차 권선(18") 측으로 전달하게 된다.

본 발명에 따른 변환기를 의도적으로 사용함으로써, 예를 들어 동기식 기계(synchronous machine)와 같은 발전기를 동작하는데 사용함으로써, 발전기 회전자(rotor)에 전기 제어 전력을 공급할 수 있게 된다. 상기 전기 제어 전력은 예를 들어 50킬로와트 이상의 범위일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 80 내지 120킬로와트의 범위에 있을 수 있다.

본 발명에 따른 변환기의 장점은 발전기의 회전자에 전기 여기 전력을 공급 하기 위해 사용되는 슬립 링 회전자(slip-ring rotor)가 필요하지 않게 되어서 풍력 발전 터빈에서 소모로 인한 정비 불량 문제를 제거하는 장점이 있다.

본 발명에 따른 변환기를 사용함으로써 전기 여기 전력이 전선 없이 전달되므로, 종래와 달리 소모 또는 파손이 없게 된다. 특별히, 본 발명에 따른 전기 변환기가 특히 동기식 발전기(synchronous generator)에 이용될 수 있다. 이와 같은 발전기는 비교적 반경이 큰 발전기에 이용될 수 있으며, 예를 들어 500킬로와트 이상 되는 반경이 4m 이상 되어서 변환기를 수용하는데 충분한 공간을 제공하게 된다.

Claims (10)

1. 고정부(stationary member)로부터 회전부(rotating member)로 전기 전력을 전달하는 변환기로서, 상기 변환기는 환상(環狀; annular)의 권선을 수납하기 위하여 환상의 철심(core)을 지니며, 축 방향으로 또는 방사 방향으로 개방된 형태의 환상의 슬롯(16)을 구비하며, 상기 환상의 슬롯(16)에 환상의 제1차 및 제2차 권선(18', 18")을 구비하고, 상기 제1차 및 제2차 권선(18', 18")은 축 방향으로 또는 방사 방향으로 서로 마주보도록 반대 위치에 놓이게 되고, 상기 제1차 권선(18')이 형성된 제1차 변환기 링(10')은 상기 고정부에 연결되고 상기 제2차 권선(18")이 형성된 제2차 변환기 링(10")은 상기 회전부에 연결되며,

   상기 환상의 철심은 U 자형 단면(U-shaped cross section)을 지닌 부품(14)을 구비하고, 상기 부품(14)은 세그먼트 형태의 링 세그먼트(ring segment)로써 일체화 시공(integral construction)됨을 특징으로 하는 변환기.
2. 제1항에 있어서, 상기 변환기는 상기 부품(14)을 수납하는 지지 구조(12)를 포함하는 것을 특징으로 하는 변환기.
3. 제1항에 있어서, 상기 부품(14)의 소재는 페라이트(ferrite)임을 특징으로 하는 변환기.
4. 삭제
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 변환기를 적어도 하나 구비한 풍력 터빈.
6. 삭제
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 변환기를 작동하는 방법으로서, 동작 주파수를 300㎑까지 이내에서 작동시키는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 발전기를 동작시키기 위해 필요한 여기 전력을 상기 발전기의 회전부에 전달하기 위하여 상기 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 변환기가 사용되는 것을 특징으로 하는 풍력 터빈용 발전기.
9. 삭제
10. 삭제

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