KR100919732B1 - 고정자 설계 방법, 전기 기계의 작동 방법 및 고정자 설계 시스템 - Google Patents

고정자 설계 방법, 전기 기계의 작동 방법 및 고정자 설계 시스템

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KR100919732B1
KR100919732B1 KR1020020023630A KR20020023630A KR100919732B1 KR 100919732 B1 KR100919732 B1 KR 100919732B1 KR 1020020023630 A KR1020020023630 A KR 1020020023630A KR 20020023630 A KR20020023630 A KR 20020023630A KR 100919732 B1 KR100919732 B1 KR 100919732B1
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Abstract

전기 기계(10)내의 키바 전압(12)은 상 벨트(28, 30)를 감고 있는 고정자(16)에 대한 키바(keybar)의 위치 설정, 키바 개수의 선택, 고정자 슬롯(22) 개수의 선택 및/또는 고정자에 대한 회전자(18)의 회전 방향을 전자기적으로 최적화함으로써 낮출 수 있다.

Description

고정자 설계 방법, 전기 기계의 작동 방법 및 고정자 설계 시스템 {DESIGN OF ELECTRIC MACHINE STATOR INCLUDING KEYBARS}
본 발명은 일반적으로 전기 기계 고정자(stator)에 관한 것이다.
대형 전기 기계, 특히 발전기의 고정자는 전형적으로 표준 개수의 키바(keybar)와 2개의 플랜지로 조립된다. 하나의 플랜지는 키바를 기계적으로 결합시키고 고정자를 지지하도록 각 단부에 배치된다. 키바의 개수와, 키바 및 플랜지의 크기는 주로 고정자의 기계적인 요구 사항에 부합되도록 설계된다.
기계적인 안정성을 위해, 키바는 일반적으로 자기(magnetic) 또는 비자기 스틸(non-magnetic steel) 또는 스틸 합금을 포함한다. 그러한 소재는 전기적으로 전도성을 갖는다. 키바는 전기장 주변에 위치하고 전기적으로 전도성을 갖기 때문에, 부정적인 전자기 효과가 발생하며 전기 기계의 정격과 성능을 제한한다.
키바 전압은 고정자 요크(stator yoke)[배면 철(back iron)] 자속 밀도를 한정한다. 키바 전압의 주요 원인은 고정자 코어 외측 표면 밖으로 흘러나오는 누출 유속이다. 만약 키바의 전자기 효과가 감소될 수 있다면, 전기 설계 기술자는 기계를 최적화하는데 보다 자유롭고, 적은 제약을 받을 것이며, 따라서 효율과 신뢰성을 희생시키지 않으면서 안전한 방법으로 제작비용을 낮추는 것이 가능하다.
따라서 전기 기계의 본래 상태를 유지한 채로 키바 전압을 낮추는 것이 (그리고 따라서 역 전자기 효과를 감소시키는 것이) 바람직할 것이다.
요약해서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 전기 기계에 있어서의 키바 전압은 고정자(전기자) 권선 상 벨트에 대한 키바의 위치 설정, 키바 개수의 선정, 고정자 슬롯 개수의 선정 및/또는 고정자에 대한 회전자의 회전방향의 전자기적 최적화에 의해 낮출 수 있다.
신규한 것으로 믿어지는 본 발명의 특징은 첨부된 청구항에 상세히 드러난다. 그러나 본 발명은 그것의 추가적인 목적과 이점 및 구성과 작동 방법 모두에 있어서 첨부된 도면과 함께 후술되는 설명을 참조함으로써 가장 잘 이해될 것이다.
도 1 및 도 2는 통상적인 전기 기계(10)의 측면도(반경방향-축방향 평면) 및 단면도(반경방향-주위 평면)로서, 이 전기 기계(10)는 회전자(18)와, 고정자 플랜지(14), 키바(12)에 의해 고정자 프레임(40) 및 섹션 플레이트(38)에 결합된 고정자 래미네이션(24) 층 세그먼트(26)(이하 "래미네이션 세그먼트"로 불림), 그리고 이 래미네이션 세그먼트의 고정자 슬롯(22)내의 고정자 권선(20)의 상 벨트(28, 30)를 포함하는 고정자(16)를 포함한다. 도 2의 실시예에 있어서, 상 벨트(28)는 외측 권선층(20)을 위한 상 벨트와 관련이 있으며, 상 벨트(30)는 내측 권선층(21)을 위한 상 벨트와 관련이 있다.
키바의 개수, (고정자 슬롯의 개수, 자극의 개수, 상의 개수에 따른) 고정자 권선의 상 벨트 폭 및 전자기 상호 작용(예를 들면, 키바 전압)상의 상대 위치의 영향은 복잡하며, 작동점 또는 부하에 의존한다. 통상적인 고정자 제조 기술 및 설계 방법에는 이러한 관계를 연관시키려 의도하거나 시도하지 않았다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 고정자(16)를 설계하는 방법은, 예를 들어 키바 전압 등의 현상으로부터 상 벨트의 위치에 대한 키바의 위치를 조정하는 전자기 효과를 판정하는 방법과, 최소의 역 전자기 효과(다른 위치에 비해 보다 적은 역 전자기 효과를 의미함)를 제공하는 상 벨트의 위치에 대한 키바의 위치를 선정하는 방법을 포함한다.
전자기 효과의 판정은 컴퓨터 시뮬레이션(도시되지 않음) 또는 물리적인 시험에 의해 이루어진다. 컴퓨터 시뮬레이션이 채택된 실시예에 있어서, 타임 스텝핑 회전 유한 요소법 등의 진보된 분석 방법은 주어진 하중에 대한 키바 전압상의 상 벨트에 대한 키바의 상대 위치의 미묘한 효과를 설계자가 양적인 면에서 판정하는 것을 허용한다. 그 후, 설계자는 최적화되고 보다 신뢰성 있는 기계 설계의 결과로 키바 전압을 최소화하는 위치 설정을 선정할 수 있다. "설계"는 고정자가 제작되기 전 또는 개선된 환경에서 이루어질 수 있다. 본 발명의 실시예를 사용하여 다른 상 벨트 위치가 유리한 것으로 판정된다면, 그에 따라 고정자 권선층에 대한 연결부가 이동될 수 있다.
이러한 실시예는 기계에 다른 물리적인 변화가 필요 없이 키바의 전압을 낮추는 데 사용될 수 있으며, 따라서 다른 모든 설계안에 대해 부정적인 영향을 미치지 않을 것이다. 또한, 키바 전압을 낮춤으로써, 이러한 실시예는 양쪽 모두 전기적으로 고저항 소재인 키바와 플랜지 사이의 나사형 표면 접촉부를 통과하는 키바 전류를 감소시키며, 따라서 아크(arcing) 또는 피팅(pitting)의 가능성을 줄인다.
도 3은 선택적인 키바 위치가 이용 가능한 실시예를 나타내는 블록 다이어그램이다. 도시의 단순화를 위해, 고정자 슬롯(22)은 곡선형보다는 직선형으로 도시되며, 6개의 외측 권선층 상 벨트중 단지 3개만이 도시된다.
도 3의 실시예는 54개의 고정자 슬롯을 구비하는 양극 전기 기계에 대한 것이다. 상 벨트(28)당 고정자 슬롯(22)의 개수는 상의 수와 극의 수로 고정자 슬롯의 수를 나눔으로써 계산될 수 있다. 다시 말해, 3개의 상, 2개의 극, 54개의 고정자 슬롯을 갖는 기계에 있어서, 상 벨트당 고정자 슬롯의 개수는 9[54/(3*2)]이다. 래미네이션 세그먼트(26)[그리고 대응하는 키바(12)-도 2에 도시됨]의 개수는 일반적으로 통상적인 제조 기술용 공업 표준이 된다. 예를 들어, 54개의 고정자 슬롯을 구비하는 기계는 전형적으로 18개의 래미네이션 세그먼트와 18개의 키바를 포함한다. 따라서, 3개의 고정자 슬롯당 1개의 키바를 구비한다.(54/18=3)
도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 상이한 키바 위치 선택안(32, 34)(x로 표시됨)이 존재한다. 제 1 선택안(32)에서, 키바는 각 상 벨트(28)의 제 1, 제 4 및 제 7 고정자 슬롯과 정렬되도록 배치된다. 제 2 선택안(34)에서, 키바는 각 고정자 벨트(28)의 제 2, 제 5 및 제 8 고정자 슬롯과 정렬되도록 배치된다.
사전 설정된 개수의 고정자 및 키바를 구비하는 일부 전기 기계에 있어서, 키바는 키바의 위치 변동이 전자기 효과를 변화시킬 것으로 예상되지 않도록 균형을 이룬다. 다시 말해, 고정자 상 벨트에 대한 키바의 어떠한 교번 상대 위치도 존재하지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는 새로운 기계 또는 어느 정도의 적응성을 갖는 기계를 위해, 키바의 개수 조정을 통해 전자기 효과를 판정하고, 최소의 역 전자기 효과를 제공하는 키바의 개수를 선택하는 것이다. 이러한 키바 개수 실시예는 전술한 키바 위치 실시예와 별도로 또는 연계하여 이용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 고정자 슬롯을 구비하는 몇몇 고정자는 14개의 래미네이션 세그먼트를 사용하며, 반면 다른 고정자 슬롯은 21개의 래미네이션 세그먼트를 사용한다. 이 두가지 선택안은 전자기 효과를 판정하도록 비교될 수 있으며, 다른 설계 관점이 타협되지 않는다면 바람직한 설계에 도달하게 하게 된다.
또 다른 실시예에 있어서, 이것은 별도로 사용될 수 있거나 또는 상기 실시예중 하나 또는 모두와의 조합으로 사용될 수 있으며, 전자기 효과는 고정자 슬롯의 개수(또는 다시말해 고정자 상 벨트 폭)에 기초하여 판정되며, 최소의 역 전자기 효과를 제공하는 고정자 슬롯의 개수가 선택된다.
상기의 모든 실시예에 있어서 비-전자기 제약은 전체적인 기계 설계에 많은 영향을 준다. 예를 들어, 소정의 발전기에 대해, 스탬핑(stamping)될 수 있는 최대 래미네이션 세그먼트는 키바 개수의 하한선을 결정한다.
설계 선택안을 평가하는데 사용될 수 있는 다른 인자는, 제작된 기계내의 회전자의 회전 방향의 변화가 상이한 전자기 효과를 나타내는 지의 여부이다. 그러한 효과가 다를 수 있는 한가지 이유는, 외측 및 내측 권선층(20, 21)의 상 벨트(28, 30)가, 예를 들어 고조파(harmonics)를 줄이기 위해 고정자 권선층을 "숏 피칭(short pitching)"하는 것을 도시하는 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 전형적으로 오프셋(offset)된다는 것이다. 이러한 실시예에 있어서, 도 1의 전기 기계(10)를 작동시키기 위한 방법은 키바(12)에 최소의 역 전자기 효과를 제공하는 회전자(18)의 회전방향을 선택하는 방법을 포함한다.
많은 실시예가 조합되어 사용될 때, 전자기 효과를 종합적으로 최소화하는 설계에 도달하도록 물리적 구속을 평가하고 선택안을 재검토함으로써 특정한 기계가 설계될 수 있다.
본 발명의 일부 특징들만이 본 명세서에 도시되고 설명되었지만, 다른 수정 및 변형이 당업자들에 의해 이루어질 것이다. 따라서, 첨부된 청구항은 본 발명의 진정한 사상에 속하는 그러한 모든 수정과 변형을 커버하는 것으로 의도된다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명에 따르면, 고정자 권선의 상 벨트에 대한 키바의 위치 설정, 키바 개수의 선정, 고정자 슬롯 개수의 선정 및/또는 고정자에 대한 회전자의 회전방향을 전자기적으로 최적화하여 전기 기계에 있어서의 키바 전압을 낮추는 방법이 제공된다.
도 1 및 도 2는 키바와 플랜지 시스템을 구비하는 통상적인 전기 기계의 측면도(반경방향-축방향 평면) 및 단면도(반경방향-주위 평면),
도 3은 선택적인 키바 배치가 가능한 실시예를 나타내는 블록 다이어그램.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 전기 기계 12 : 키바
14 : 플랜지 16 : 고정자
18 : 회전자 20, 21 : 고정자 권선층
22 : 고정자 슬롯 24 : 고정자 래미네이션
26 : 래미네이션 세그먼트 28, 30 : 상 벨트
32 : 제 1 키바 위치 선택안 34 : 제 2 키바 위치 선택안
38 : 섹션 플레이트 40 : 고정자 프레임

Claims (17)

  1. 키바(keybar)(12)에 의해 고정자 프레임(40)에 결합된 래미네이션 세그먼트(26)와, 상기 래미네이션 세그먼트의 고정자 슬롯(22)내의 고정자 권선(20)의 상(phase) 벨트(28, 30)를 포함하는 전기 기계용 고정자(16)의 설계 방법에 있어서,
    상기 상 벨트의 위치에 대한 키바의 위치를 조정하는 전자기 효과를 판정하는 단계와,
    최소의 역 전자기 효과(adverse electromagnetic effect)를 제공하는 상기 상 벨트의 위치에 대한 상기 키바의 위치를 선택하는 단계를 포함하는
    고정자 설계 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 키바의 개수를 조정하는 전자기 효과를 판정하는 단계를 더 포함하며, 상기 키바의 위치를 선택하는 단계는 최소의 역 전자기 효과를 제공하도록 상기 키바의 위치와 상기 키바의 개수 양자를 선택하는 단계를 포함하는
    고정자 설계 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정자 슬롯의 개수를 조정하는 전자기 효과를 판정하는 단계를 더 포함하며, 상기 키바의 위치를 선택하는 단계는 최소의 역 전자기 효과를 제공하도록 상기 키바의 위치와 상기 고정자 슬롯의 개수 양자를 선택하는 단계를 포함하는
    고정자 설계 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정자(16)에 대한 회전자(18)의 회전 방향을 조정하는 전자기 효과를 판정하는 단계를 더 포함하며, 상기 키바의 위치를 선택하는 단계는 최소의 역 전자기 효과를 제공하도록 상기 키바의 위치와 회전 방향 양자를 선택하는 단계를 포함하는
    고정자 설계 방법.
  5. 키바(12)에 의해 고정자 프레임(40)에 결합된 래미네이션 세그먼트(26)와, 상기 래미네이션 세그먼트의 고정자 슬롯(22)내의 고정자 권선(20)의 상 벨트(28, 30)를 포함하는 전기 기계용 고정자(16)의 설계 방법에 있어서,
    상기 상 벨트의 위치에 대한 상기 키바의 위치를 조정하고, 상기 키바의 개수를 조정하며, 상기 고정자 슬롯의 개수를 조정하는 전자기 효과를 판정하는 단계와,
    최소의 역 전자기 효과를 총괄적으로 제공하는, 상기 상 벨트의 위치에 대한 상기 키바의 위치, 상기 키바의 개수 및 상기 고정자 슬롯의 개수를 선택하는 단계를 포함하는
    고정자 설계 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 고정자(16)에 대한 회전자의 회전 방향을 조정하는 전자기 효과를 판정하는 단계와, 최소의 역 전자기 효과를 제공하도록 회전 방향을 선택하는 단계를 더 포함하는
    고정자 설계 방법.
  7. 키바(12)에 의해 고정자 프레임(40)에 결합된 래미네이션 세그먼트(26)와, 상기 래미네이션 세그먼트의 고정자 슬롯(22)내의 고정자 권선(20)의 상 벨트(28, 30)를 포함하는 전기 기계용 고정자의 설계 방법에 있어서,
    상기 키바의 개수를 조정하는 전자기 효과를 판정하는 단계와,
    최소의 역 전자기 효과를 제공하는 상기 키바의 개수를 선택하는 단계를 포함하는
    고정자 설계 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    고정자 슬롯의 개수를 조정하는 전자기 효과를 판정하는 단계를 더 포함하며, 상기 키바의 개수를 선택하는 단계는 최소의 역 전자기 효과를 제공하도록 상기 키바의 개수와 상기 고정자 슬롯의 개수 양자를 선택하는 단계를 포함하는
    고정자 설계 방법.
  9. 키바(12)에 의해 고정자 프레임(40)에 결합된 래미네이션 세그먼트(26)와, 상기 래미네이션 세그먼트의 고정자 슬롯(22)내의 고정자 권선(20)의 상 벨트(28, 30)를 포함하는 전기 기계용 고정자의 설계 방법에 있어서,
    상기 고정자 슬롯의 개수를 조정하는 전자기 효과를 판정하는 단계와,
    최소의 역 전자기 효과를 제공하는 상기 고정자 슬롯의 개수를 선택하는 단계를 포함하는
    고정자 설계 방법.
  10. 회전자(18)와, 키바(12)에 의해 고정자 프레임(40)에 결합된 래미네이션 세그먼트(26)와, 상기 래미네이션 세그먼트의 고정자 슬롯(22)내의 고정자 권선(20)의 상 벨트(28, 30)를 포함하는 고정자(16)를 포함하는 전기 기계 작동 방법에 있어서,
    상기 키바에 대해 최소의 역 전자기 효과를 제공하는 상기 회전자의 회전 방향을 선택하는 단계를 포함하는
    전기 기계 작동 방법.
  11. 키바(12)에 의해 고정자 프레임(40)에 결합된 래미네이션 세그먼트(26)와 상기 래미네이션 세그먼트의 고정자 슬롯(22)내의 고정자 권선(20)의 상 벨트(28, 30)를 포함하는 전기 기계용 고정자의 설계 시스템에 있어서,
    상기 상 벨트의 위치에 대한 상기 키바의 위치를 조정하는 전자기 효과를 판정하기 위한 수단과,
    최소의 역 전자기 효과를 제공하는 상기 상 벨트의 위치에 대한 상기 키바의 위치를 선택하기 위한 수단을 포함하는
    고정자 설계 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 판정 수단 및 상기 선택 수단은 컴퓨터를 포함하는
    고정자 설계 시스템.
  13. 키바(12)에 의해 고정자 프레임(40)에 결합된 래미네이션 세그먼트(26)와, 상기 래미네이션 세그먼트의 고정자 슬롯(22)내의 고정자 권선(20)의 상 벨트(28, 30)를 포함하는 전기 기계용 고정자의 설계 시스템에 있어서,
    상기 상 벨트의 위치에 대한 상기 키바의 위치를 조정하고, 상기 키바의 개수를 조정하며, 상기 고정자 슬롯의 개수를 조정하는 전자기 효과를 판정하기 위한 수단과,
    최소의 역 전자기 효과를 총괄적으로 제공하는, 상기 상 벨트의 위치에 대한 상기 키바의 위치, 상기 키바의 개수 및 상기 고정자 슬롯의 개수를 선택하기 위한 수단을 포함하는
    고정자 설계 시스템.
  14. 키바(12)에 의해 고정자 프레임(40)에 결합된 래미네이션 세그먼트(26)와, 상기 래미네이션 세그먼트의 고정자 슬롯(22)내의 고정자 권선(20)의 상 벨트(28, 30)를 포함하는 전기 기계용 고정자의 설계 시스템에 있어서,
    상기 키바의 개수를 조정하는 전자기 효과를 판정하기 위한 수단과,
    최소의 역 전자기 효과를 제공하는 상기 키바의 개수를 선택하기 위한 수단을 포함하는
    고정자 설계 시스템.
  15. 키바(12)에 의해 고정자 프레임(40)에 결합된 래미네이션 세그먼트(26)와, 상기 래미네이션 세그먼트의 고정자 슬롯(22)내의 고정자 권선(20)의 상 벨트(28, 30)를 포함하는 전기 기계용 고정자의 설계 시스템에 있어서,
    상기 고정자 슬롯의 개수를 조정하는 전자기 효과를 판정하기 위한 수단과,
    최소의 역 전자기 효과를 제공하는 상기 고정자 슬롯의 개수를 선택하기 위한 수단을 포함하는
    고정자 설계 시스템.
  16. 키바(12)에 의해 고정자 프레임(40)에 결합된 래미네이션 세그먼트(26)와, 상기 래미네이션 세그먼트의 고정자 슬롯(22)내의 고정자 권선(20)의 상 벨트(28, 30)를 포함하는 전기 기계용 고정자의 설계 시스템에 있어서,
    상기 상 벨트의 위치에 대한 상기 키바의 위치를 조정하는 전자기 효과를 판정하도록 시뮬레이션을 수행하는 컴퓨터를 포함하는
    고정자 설계 시스템.
  17. 키바(12)에 의해 고정자 프레임(40)에 결합된 래미네이션 세그먼트(26)와, 상기 래미네이션 세그먼트의 고정자 슬롯(22)내의 고정자 권선(20)의 상 벨트(28, 30)를 포함하는 전기 기계용 고정자의 설계 시스템에 있어서,
    상기 상 벨트의 위치에 대한 상기 키바의 위치를 조정하고, 상기 키바의 개수를 조정하며, 상기 고정자 슬롯의 개수를 조정하는 전자기 효과를 판정하도록 시뮬레이션을 수행하는 컴퓨터를 포함하는
    고정자 설계 시스템.
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