KR100919294B1 - 영구자석식 회전전기, 풍력발전시스템, 영구자석의착자방법 - Google Patents

Abstract

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 영구자석식 회전전기, 특히 풍력발전용 영구자석식 회전전기에서 발열한 발전기를 냉각하기 쉬운 구조로 하여 체격을 축소하여 저비용화하는 것이다.

도 1은 본 발명장치의 제 1 실시예가 되는 6극 영구자석식 회전전기의 영구자석 회전자 끝부 단면도이다. 영구자석 회전자(1)는 회전자 철심(2)으로 이루어지고, 영구자석(3, 4)이 회전자 철심(2)의 영구자석 슬롯(5)에 넣어져 있고, 상기 영구자석은 1극에 대하여 2개씩 배치되어 있다. 또 영구자석 회전자(1)는 극 사이에 냉각용 통풍로(6)를 설치하고, 그곳에 냉각풍을 흘림으로써 발전기 내부를 효율적으로 냉각할 수 있다. 냉각용 통풍로(6)의 통풍로 내경측의 둘레방향 폭은 회전자 철심의 1극분을 구성하는 폭의 내경측 끝부 각도를 θ라 하고, θ는 50°이상, 58°이하의 범위로 한다.

Description

영구자석식 회전전기, 풍력발전시스템, 영구자석의 착자방법{PERMANENT MAGNET TYPE ELECTRIC MACHINE, WIND TURBINE SYSTEM, METHOD FOR MAGNETIZING PERMANENT MAGNET}

본 발명은 영구자석식 회전전기, 풍력발전시스템, 영구자석의 착자방법에 관한 것이다.

풍력발전 도입량이 최근 비약적으로 증가하고 있고, 단기용량 증가에 의한 경제성 향상을 목적으로 하여 1 MW 이상의 대용량 영구자석기의 요구가 높아지고 있다. 대용량 영구자석기를 적용할 때에는 가령 효율이 높아도 그 손실은 절대값으로서 큰 것이 된다. 그 때문에 발열밀도를 소용량기와 같은 정도로 하기 위하여 회전전기 체격을 크게 한 경우에는, 중량 증가가 되어 제조비용, 건설비용이 커져 버리기 때문에, 체격을 작게 하여 발열밀도를 올릴 필요가 있다. 그러나 높은 발열밀도는 높은 냉각성능을 요구하여, 결과적으로 비용증가로 이어진다. 또 발열하기 어려운 구조로 하면 전기 특성이 악화되어 발전기로서의 사양을 만족하는 것이 곤란하게 된다. 저비용으로 전기 특성을 손상하지 않고 고효율의 냉각을 얻기 위해서는 냉각에 적합한 구조가 필수가 된다.

특허문헌 1에는, 극 사이에 공간을 설치하여 누설자속 등을 적게 함으로써 극 사이에서의 발열을 억제하는 것이 개시되어 있다.

[특허문헌 1]

일본국 특개2006-81377호 공보

특허문헌 1은, 단지 극 사이에 공간을 설치하여, 극 사이에서의 누설자속을 방지함으로써 극 사이에서의 발열을 방지하고자 하는 것이나, 회전시에 있어서의 공냉에 의한 냉각에 대해서는 설명되어 있지 않고, 본 발명에서는 회전시의 공냉에 착안하여 공냉에 적합한 회전자 구조를 제공하고자 하는 것이다.

이에 의하여 본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 영구자석식 회전전기에서 발열한 발전기를 냉각하기 쉬운 구조로 하고 체격을 축소하여 저비용화하는 것이다.

본 발명은, 풍력발전용 회전전기에 있어서, 상기 영구자석 회전자의 회전자 철심에 둘레방향으로 늘어서는 영구자석이 교대로 극성을 바꾸어 둘레방향을 따라 배치되고, 인접하는 다른 극 사이에 냉각용 통풍로를 설치하며, 그 통풍로 형상을 회전자 철심의 바깥 둘레측을 대략 사다리꼴 형상으로 하고, 대략 사다리꼴 형상의 지름방향 중심측 끝부로부터 축 중심으로 신장하는 홈을 설치한 점에 있다.

영구자석식 회전전기에 있어서, 발열한 발전기를 냉각하기 쉬운 구조로 하고 체격을 축소하여 저비용화하는 것이다.

도 1은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)

도 2는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)

도 3은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 1)

도 4는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 2)

도 5는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 2)

도 6은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 2)

도 7은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 2)

도 8은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 2)

도 9는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 2)

도 10은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 2)

도 11은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 2)

도 12는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 2)

도 13은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 2)

도 14는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 3)

도 15는 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 3)

도 16은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 4)

도 17은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 5)

도 18은 회전전기의 실시방법을 나타낸 설명도, (실시예 6)

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 20, 30, 40, 40, 50, 60, 70 : 회전자

2, 21, 22, 23, 24, 25 : 회전자 철심

3, 4, 44, 80, 90, 92, 93, 96 : 평판 영구자석

5, 81 : 영구자석 슬롯 6, 18 : 냉각용 통풍로

7 : 샤프트 8 : 통풍 냉각용 축 덕트

9 : 중간 스페이서 10 : 덕트 피스

11, 16 : 덕트 스페이스 12 : 냉각풍의 흐름

13 : 에어쿨러 14 : 외기

15 : 팬 17 : 고정자

19 : 착자용 코일 41, 42, 43 : 아크형 영구자석

82 : 가이드 91 : 접착제

94, 95 : 영구자석 100 : 회전전기

101 : 풍차 나셀 102 : 증속 기어

103 : 풍차 104 : 전력계통

105 : 전력 변환기

이하, 본 발명의 상세를 도면을 이용하면서 설명한다. 각 도면에서 동일부분은 같은 번호를 부여하고 있다.

(실시예 1)

도 1은 본 발명장치의 제 1 실시예가 되는 6극 영구자석식 회전전기의 영구자석 회전자 끝부 단면도이다. 영구자석 회전자(1)는 회전자 철심(2)으로 이루어지고, 영구자석(3, 4)이 회전자 철심(2)의 영구자석 슬롯(5)에 넣어져 있으며, 상기 영구자석은 1극에 대하여 2개씩 배치되어 있다. 또 영구자석 회전자(1)는 극 사이에 냉각용 통풍로(6)를 설치하고, 그곳에 냉각풍을 흘림으로써 발전기 내부를 효율적으로 냉각할 수 있다. 냉각용 통풍로(6)는 도 1에 나타내는 바와 같이 그 통풍로 형상을 회전자 철심의 바깥 둘레측을 대략 사다리꼴 형상으로 하고, 대략 사다리꼴 형상의 지름방향 중심측 끝부로부터 축 중심으로 신장하는 홈을 설치하고 있다. 이 구조에서의 냉각성능을 조사한 것이 도 2, 도 3 이고, 효율적으로 냉각할 수 있는 것을 알 수 있다.

도 2는 도 1에 기재한 회전자 철심의 1극분을 구성하는 폭의 내경측 끝부 각도(θ)와 영구자석 회전자와 고정자의 온도 상승과의 관계를 나타낸 도면이다. 또한 도 1에서는 회전자 철심의 1극분의 끝부가 지름방향으로 2개소 있으나, 1개소의 경우는 그 끝부 각도가 θ가 된다. 도 2에서 θ를 50°이상으로 함으로써 영구자석의 온도 상승을 100 k 이하로 하여 감자 온도 이하가 되도록 하고, θ를 58°이하로 함으로써 고정자의 권선종류 H종을 이용한 경우에 온도상승의 최고 온도 140 k를 넘지 않게 할 수 있다. 이것은 규격 전선인 H종의 권선의 최고 온도의 상한 온도가 140 k이기 때문이다.

이것에 의하여 냉각용 통풍로(6)의 통풍로 내경측의 둘레방향 폭은 회전자 철심의 1극분을 구성하는 폭의 내경측 끝부 각도를 θ라 하고, θ는 50°이상, 58°이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.

도 3은 도 1에 기재한 냉각용 통풍로의 지름방향 깊이(a) 치수와 영구자석 회전자의 온도 상승과 회전자 철심의 응력의 관계를 나타낸 도면이다. 도 1에 기재한 냉각용 통풍로(6)의 지름방향 최적 깊이(a)는 회전자 철심의 반경(r)과의 비율(a/r)을 33% 이상으로 함으로써 영구자석을 100 k 이하로 하여 감자 온도 이하가 되도록 하고, 58% 이하로 함으로써 회전자 철심의 응력이 재료의 항복 응력을 넘지 않고 사용할 수 있다.

이것에 의하여 냉각용 통풍로(6)의 지름방향 깊이(a)는 회전자 철심의 반경(r)과의 비율(a/r)이 33% 이상, 58% 이하의 범위로 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 도 1에서 나타낸 냉각용 통풍로(6)를 사용함으로써 발전기의 발열 밀도를 내릴 수 있어 발전기 체격 저감을 행할 수 있다. 또 회전자 철심(2)은 샤프트(7)에 접속되어 있다. 또한 본 도면에서는 6극을 나타내고 있으나, 그 밖의 극수이어도 마찬가지로 실현할 수 있는 것은 물론이다.

(실시예 2)

도 4는, 본 발명장치의 제 2 실시예가 되는 6극 영구자석식 회전전기의 영구자석 회전자 끝부 단면도이다. 제 1 실시예와 같이 영구자석 회전자(20)는 회전자 철심(21)으로 이루어지고, 영구자석(3, 4)이 회전자 철심(21)의 영구자석 슬롯(5)에 넣어져 있으며, 상기 영구자석은 1극에 관하여 2개씩 배치되어 있다. 또 영구자석 회전자(20)는 극 사이에 냉각용 통풍로(6)를 설치하여 그곳에 냉각풍을 흘림으로써 발전기 내부를 효율적으로 냉각할 수 있다. 또 회전자 철심(21)의 상기 영구자석보다 내경측에 1극에 대하여 하나의 통풍 냉각용 축 덕트(axial duct)(8)를 설치하고, 그곳에도 냉각풍을 통풍시킬 수 있다. 또 회전자 철심(21)은 샤프트(7)에 접속되어 있다. 또한 본 도면에서는 1극 부근 통풍 냉각용 축 덕트(8)를 1개소만 설치하고 있으나, 복수의 통풍 냉각용 축 덕트(8)를 마찬가지로 설치하는 것도 가능하다. 또 본 도면에서는 축 덕트의 형상을 원 형상으로 하고 있으나, 그 밖의 형상이어도 가능하다. 다음에 도 5를 이용하여 냉각풍의 흐름을 설명한다.

도 5는 본 발명장치의 제 2 실시예 영구자석식 회전전기의 축방향 1/2 단면도이다. 냉각풍의 흐름(12)을 보면 에어쿨러(13)에서 외기(14)에 의하여 차가워진 공기는, 샤프트(7)에 접속된 팬(15)에 의하여 냉각용 통풍로(6), 통풍 냉각용 축 덕트(8)를 통하여 중간 스페이서(9)에 방사상으로 배치된 덕트 피스(10)에 의하여 만들어진 덕트 스페이스(11)로부터 고정자(17)의 덕트 스페이스(16)로 빠져 나와 에어쿨러(13)로 순환한다. 덕트 스페이스(11)를 설치함으로써 발전기 중심부를 효과적으로 냉각할 수 있다.

도 6은 제 2 실시예의 영구자석 회전자(20)의 중간 스페이서(9)부 지름방향 단면도이다. 중간 스페이서(9)의 양면에 방사상으로 덕트 피스(10)가 배치되어 있는 통풍 냉각용 축 덕트(8)를 통과한 냉각풍은, 영구자석 회전자(20)의 축방향 중심부, 또는 에어쿨러 배기측으로 어긋나게 배치된 중간 스페이서(9)에 닿아 덕트 스페이스(11)를 통하여 고정자측으로 빠져 나갈 수 있다. 이에 의하여 상기 영구자석식 회전전기 중심부를 더욱 효과적으로 냉각할 수 있다.

제 1 실시예 및 제 2 실시예에서 영구자석 회전자(1)는 도 7과 같이 1극에 대하여 적어도 2개 이상의 평판 영구자석(3, 4)을 상기 영구자석 회전자(1)의 바깥 둘레측에서 보았을 때, 같은 극이 지름방향 바깥 둘레측을 향하도록 八자 배치된 영구자석 회전자(30)를 사용하여도 된다.

제 1 실시예 및 제 2 실시예에서 영구자석 회전자(1)는 도 8과 같이 1극에 대하여 적어도 2개 이상의 평판 영구자석(3, 4)을 상기 영구자석 회전자(1)의 바깥 둘레측에서 보았을 때, 같은 극이 지름방향 바깥 둘레측을 향하도록 V자 배치된 영구자석 회전자(40)를 사용하여도 된다.

제 1 실시예 및 제 2 실시예에서 영구자석 회전자(1)는 도 9와 같이 1극에 대하여 적어도 2개 이상의 아크형 영구자석(41, 42)을 상기 영구자석 회전자(1)의 바깥 둘레측에서 보았을 때, 같은 극이 지름방향 바깥 둘레측을 향하도록 둘레 방향을 따라 배치된 영구자석 회전자(50)를 사용하여도 된다.

제 1 실시예 및 제 2 실시예에서 영구자석 회전자(1)는 도 10, 도 11과 같이 아크형 영구자석(43)을 분할하지 않고 1극에 대하여 하나, 둘레 방향을 따라 배치한 영구자석 회전자(60)나 평판 영구자석(44)을 분할하지 않고 1극에 대하여 하나, 평행 배치한 영구자석 회전자(70)를 사용하여도 된다.

도 12, 도 13은 영구자석 고정법이다. 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 평판 영구자석(3)을 2분할한 평판 영구자석(80)을 영구자석 슬롯(81)에 설치한 가이드(82)로 고정하거나, 마찬가지로 제 1 실시예의 평판 영구자석(3)을 2분할한 평판 영구자석(90)을 접착재(91)로 고정한다. 대용량 영구자석식 회전전기의 경우, 사용하는 영구자석도 대형화한다. 큰 영구자석을 제작하는 것이 곤란하기 때문에, 자석 분할방식을 채용함으로써 영구자석 회전자의 조립 용이성을 향상할 수 있다.

(실시예 3)

도 14는 영구자석 회전자의 1극분의 도면이다. 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 회전자 철심(22)의 바깥 둘레 지름을 고정자(17)의 내경에 대하여 비동심으로 하고, 그 바깥 둘레 지름을 1극분의 둘레 방향 중심에서 좌우대칭으로 함으로써 유기전압 파형을 정현파로 하기 쉽게 할 수 있다.

도 15는 영구자석 회전자의 1극분의 도면이다. 제 1 실시예 및 제 2 실시예의 회전자 철심(23)의 바깥 둘레 지름을 고정자(17)의 내경에 대하여 비동심으로 하고, 그 바깥 둘레 지름을 1극분의 둘레 방향 중심에서 회전방향측의 지름을 반회전방향측의 지름보다 작게 함으로써 전기자 반작용을 저감할 수 있다.

(실시예 4)

도 16은 본 발명장치의 제 1 실시예 내지 제 2 실시예에서 나타낸 영구자석식 회전전기의 축방향 1/2 단면도이다. 회전자 철심(24)과 영구자석(94)을 축방향으로 패킷분할을 함으로써 영구자석식 회전전기의 출력을 패킷갯수로 조정하는 것이 가능해진다.

(실시예 5)

도 17은 본 발명장치의 제 1 실시예 내지 제 2 실시예에서 나타낸 영구자석식 회전전기의 1극분의 도면이다. 냉각용 통풍로(18)의 통풍냉각의 홈을 축 중심 방향으로 신장함으로써 영구자석을 착자하기 위한 착자용 코일(19)을 감는 것이 가능해진다.

(실시예 6)

도 18은, 본 발명의 회전전기를 풍력발전시스템에 적용한 예를 나타낸다. 제 1 실시예 내지 제 5 실시예에서 나타낸 회전전기(100)는, 풍차(103)와 증속 기어(102)를 거쳐 접속되어, 풍차 나셀(101) 내에 설치된다. 또한 회전전기(100)는 전력계통(104)과 전력변환기(105)를 거쳐 접속되고, 발전운전을 행할 수 있다. 또 풍차(103)와 회전전기(100)는 직결하는 것도 가능하다. 또 본 발명에서는 풍력을 동력원으로 하고 있으나, 예를 들면 수차, 엔진, 터빈 등에서도 충분히 적용이 가능하다.

상기 실시예의 풍력발전용 회전전기는, 대용량이 된 경우에 소형으로 냉각이 행할 수 있는 이점이 있다.

이상과 같이 본 발명은 영구자석식 회전전기의 냉각 효율 향상, 착자성 및 영구자석 회전자의 조립 용이성을 확보하여 부품 점수를 저감할 수 있다.

Claims (19)

1. 회전자와 고정자를 가지는 영구자석식 회전전기에 있어서,

   상기 영구자석 회전자의 회전자 철심에 둘레방향으로 늘어서는 영구자석이 교대로 극성을 바꾸어 둘레 방향을 따라 배치되고, 인접하는 다른 극 사이에 냉각용 통풍로를 설치하여, 그 냉각용 통풍로는 회전자 철심의 바깥 둘레 측의 지름방향 중심측 끝부로부터 축 중심으로 신장하는 홈으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
2. 제 1항에 있어서,

   통풍로 내경측의 둘레 방향 폭은 회전자 철심의 1극분을 구성하는 폭의 내경측 끝부 각도를 θ라 하고, θ는 50°이상, 58°이하의 범위로 한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
3. 제 1항에 있어서,

   통풍로의 회전자 철심 바깥 둘레로부터 축 중심으로 신장하는 지름방향 깊이(a)는 회전자 철심의 반경(r)과의 비율(a/r)이 33% 이상, 58% 이하의 범위로 한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 영구자석 회전자의 영구자석이 배치된 위치보다 내경측에 통풍 냉각용 축 덕트를 설치한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 영구자석 회전자의 축방향 중심, 또는 에어쿨러 배기측으로 어긋나게 하여 통풍 냉각용의 중간 스페이서를 설치한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 영구자석 회전자의 통풍 냉각용의 중간 스페이서에 덕트 피스를 설치한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
7. 제 1항에 있어서,

   냉각용 통풍로를 설치한 그 공간에 착자용 코일을 감을 수 있게 한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 회전자는 1극에 대하여 적어도 2개 이상의 평판 자석을 사용하고, 또한 그 배치를 상기 영구자석 회전자의 바깥 둘레측에서 보았을 때, 八자 형상으로 배치하여 같은 극이 지름방향 바깥 둘레측을 향한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 회전자는 1극에 대하여 적어도 2개 이상의 평판 자석을 사용하고, 또한 그 배치를 상기 영구자석 회전자의 바깥 둘레측에서 보았을 때 V자 형상으로 배치하여 같은 극이 지름방향 바깥 둘레측을 향한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 회전자는 1극에 대하여 적어도 2개 이상의 평판 자석을 사용하고, 또한 그 배치를 상기 영구자석 회전자의 바깥 둘레측에서 보았을 때, 평행하게 배치하여 같은 극이 지름방향 바깥 둘레측을 향한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
11. 제 1항에 있어서,

    상기 회전자는 1극에 대하여 적어도 2개 이상의 아크형상의 자석을 사용하고, 또한 그 배치를 상기 영구자석 회전자의 바깥 둘레측에서 보았을 때, 둘레 방향을 따라 배치하여 같은 극이 지름방향 바깥 둘레측을 향한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
12. 제 1항에 있어서,

    상기 회전자는 회전자 철심의 바깥 둘레 지름을 고정자 내경에 대하여 비동심으로 하고, 그 바깥 둘레 지름을 1극분의 둘레 방향 중심에서 좌우 대칭으로 하는 것을 특징으로 한 영구자석식 회전전기.
13. 제 1항에 있어서,

    상기 회전자는 회전자 철심의 바깥 둘레 지름을 고정자 내경에 대하여 비동심으로 하고, 그 바깥 둘레 지름을 1극분의 둘레방향 중심에서 회전방향측의 지름을 반회전방향측의 지름보다 작게 하는 것을 특징으로 한 영구자석식 회전전기.
14. 제 1항에 있어서,

    상기 회전자는 코어 철심의 영구자석 삽입구멍 내부에서 영구자석을 분할한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
15. 제 1항에 있어서,

    상기 회전자는 회전자 철심과 영구자석을 축 방향으로 패킷 분할한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
16. 제 1항에 기재된 영구자석식 회전전기가 증속기어를 개재하여 풍차와 접속되고, 이 영구자석식 회전전기는 풍차 나셀 내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 풍력발전시스템.
17. 회전자와 고정자를 가지는 영구자석식 회전전기에 있어서,

    상기 회전자에 영구자석이 배치된 위치보다 내경측에 통풍 냉각용 축 덕트와 덕트 피스를 구비한 중간 스페이서를 가지는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
18. 제 17항에 있어서,

    상기 중간 스페이서는 회전자의 축방향 중심, 또는 에어쿨러 배기측으로 어긋나게 하여 구비한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기.
19. 회전자의 영구자석의 착자방법에 있어서,

    상기 회전자는 극 사이에 냉각용 통풍로를 가지고, 상기 냉각용 통풍로에 구비된 착자 코일에 의하여 상기 회전자의 영구자석을 착자하는 것을 특징으로 하는 영구자석의 착자방법.