KR100969682B1

KR100969682B1 - 직접구동식 전기기기

Info

Publication number: KR100969682B1
Application number: KR1020090088576A
Authority: KR
Inventors: 방덕제; 폴린더 헨크; 아브라함 페레이라 얀; 김봉준
Original assignee: 방덕제; 김봉준
Priority date: 2009-09-18
Filing date: 2009-09-18
Publication date: 2010-07-14
Also published as: ES2562411T3; US9157416B2; EP2479876A4; DK2479876T3; JP2013505697A; EP2479876B1; WO2011034336A3; WO2011034336A2; CN102725947B; JP5513622B2; CN102725947A; EP2479876A2; US20120228965A1

Abstract

본 발명은 직접구동식 전기기기에 관한 것으로서, 전력을 생산하는 풍력터빈의 발전기, 조력 발전기, 수력 발전기 및 외부 전력에 의해 회전 구동하는 전동기 등과 같은 대형 고토크 직접구동식의 영구자석형 전기기기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 최적화된 구조에 의해 사용되는 재료의 양을 줄일 수 있고, 이에 제작 원가를 낮출 수 있으며, 제작, 이동, 설치 및 유지보수가 용이한 직접구동식 영구자석형 전기기기를 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명에 따른 직접구동식 전기기기에서는 힘 밀도의 최대화 및 활동성 구성부 재료(active material)의 최소화를 통해 원가를 낮출 수 있고, 회전자 등 회전체의 지지 및 가이딩을 위해 베어링리스(bearingless) 방식을 적용하여 비활동성 구성부의 재료(inactive material)를 현저하게 줄일 수 있으며, 회전자 및 고정자 등이 복수개의 모듈로 분리 구성된 모듈 구조를 가짐으로써 조립, 취급, 수송, 설치, 유지보수가 용이한 장점이 있다.

직접구동, 전기기기, 발전기, 전동기, 풍력터빈, 베어링리스

Description

직접구동식 전기기기{Direct-drive electric machine}

본 발명은 직접구동식 전기기기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전력을 생산하는 풍력터빈의 발전기, 조력 발전기, 수력 발전기 및 외부 전력에 의해 회전 구동하는 전동기 등과 같은 대형 고토크 직접구동식의 영구자석형 전기기기에 관한 것이다.

주지된 바와 같이, 직접구동식 풍력터빈의 구조물은 크게 로터 블레이드, 발전기, 그리고 고정부 구조물 등으로 분류된다.

첨부한 도 1은 저속 대형 직접구동식 풍력터빈(풍력발전기)의 전형적인 예를 도시한 것으로서, 직접구동식 풍력터빈(10)은 로터 블레이드(11) 및 발전기의 회전자(12) 등 회전체와, 샤프트(13) 및 발전기의 고정자(14) 등 고정체와, 상기 회전체를 샤프트(13)에서 회전 가능하게 지지하는 베어링(15)을 포함한다.

여기서, 발전기의 회전자(12)는 풍력에 의해 저속으로 회전하는 로터 블레이드(11)와 직접 연결되어 있으므로, 발전기의 회전자(12)도 로터 블레이드(11)와 같 은 속도로 저속 회전하게 되며, 이에 직접구동식 발전기의 고토크화가 요구된다.

발전기 또는 전동기에서 저속시에 높은 토크가 발생되도록 하기 위해서는 접선력(tangential force)과 직경을 증가시키는 것이 필요하다. 따라서, 저속 고토크 직접구동식 전기기기(발전기/전동기)는 상기의 이유들로 인해 크기가 크고 재료가 많이 사용되어 무거우며 가격이 비싸지게 된다.

이러한 특성은 풍력터빈의 크기와 출력 레벨을 증가시킬수록, 즉 업-스케일링(up-scaling)할수록 더욱 현저해진다.

직접구동방식은 기어구동방식에 비해 가격적인 면에서는 불리하지만, 전력생산량과 신뢰성 측면에서 우수하다고 알려져 있다. 그러나, 상기에서 언급한 바와 같이 업-스케일링할수록 직접구동식 발전기의 무게와 가격이 현저하게 증가한다면, 기존의 직접구동 기술을 대형 풍력터빈 시스템에 계속 적용하여 사용하기에는 한계가 따를 것이다.

그러므로 기존의 대형 직접구동방식이 가지고 있는 한계를 극복할 수 있는 새로운 개념의 직접구동방식이 절실한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 최적화 된 구조에 의해 사용되는 재료의 양을 줄일 수 있고, 이에 제작 원가를 낮출 수 있으며, 제작, 이동, 설치 및 유지보수가 용이한 직접구동식 영구자석형 전기기기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 발전기 및 전동기와 같이 회전자 또는 이동자와 함께 고정자를 가지는 직접구동식의 전기기기에 있어서, 상기 회전자 또는 이동자 그리고 이에 조합되는 고정자가 각각 분리 구성된 복수개의 모듈들이 서로 조합되어 짧은 자속경로를 가지는 복수 모듈 조합형 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기를 제공한다.

여기서, 상기 회전자 또는 이동자와 상기 고정자의 조합된 구조에서 상기 회전자 또는 이동자를 중심으로 양측으로 공극을 가지도록 고정자가 배치되는 양측 공극형 구조로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전자 또는 이동자와 상기 고정자 사이에서 양측의 공극은, 각 고정자의 권선에 인가되는 전류의 제어를 통해 공극을 유지하는 베어링리스 드라이브(drive)에 의하여 유지되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전자와 상기 고정자가 각각 링 형상으로 되어 있는 것을 특징으 로 한다.

또한 상기 전기기기가 횡자속 발전기 또는 횡자속 전동기일 수 있고, 또는 상기 전기기기가 종자속 발전기 또는 종자속 전동기일 수 있다.

또한 상기 회전자와 고정자 사이에서 공극은, 유체 압력 및 부력에 의해 회전자를 지지하는 유체 정압 베어링과, 각 고정자의 권선에 인가되는 전류의 제어를 통해 공극을 유지하는 베어링리스 드라이브에 의하여 유지되는 것을 특징으로 한다.

또한 발전기 또는 전동기로서, 고정 구조물에 유체가 채워지는 링 형상의 고정부가 고정 설치되고, 상기 고정부의 내부에는 동심원상에 배치되는 링 형상의 회전부가 설치되며, 상기 고정부의 내측면에 고정자가 설치되고, 상기 회전부의 외측면에는 상기 고정자와 대향된 위치에 회전자가 설치되며, 상기 고정부의 내부에는 공극 유지를 위한 유체가 채워지고, 상기 회전부는 고정부의 외부로 연장된 연결부를 통해 로터 블레이드와 연결된 구성을 가지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 로터 블레이드가 고정부의 외경 쪽으로 배치되어, 상기 회전부가 고정부의 외경 쪽으로 연장된 연결부를 통해 로터 블레이드와 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 로터 블레이드가 고정부의 내경 쪽으로 배치되어, 상기 회전부가 고정부의 내경 쪽으로 연장된 연결부를 통해 로터 블레이드와 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 회전자 또는 이동자에서 각 모듈마다 두 개의 영구자석이 구비되 되, 상기 두 개의 영구자석 사이에 영구자석의 자속경로를 형성하는 삼각형 단면 모양의 철심이 배치되고, 각 모듈에서 역삼각형 단면 모양의 자속 집중형 철심이 구비되되, 상기 두 개의 영구자석이 상기 자속 집중형 철심의 양측 경사면에 배치되어, 각 영구자석이 자속 집중형 철심의 경사면과 자속경로 유지용 철심의 경사면 사이에 배치되는 구조로 된 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 직접구동식 전기기기에서는 힘 밀도의 최대화 및 활동성 구성부 재료(active material 또는 electromagnetic material)의 최소화를 통해 원가를 낮출 수 있고, 회전자 등 회전체의 지지 및 가이딩을 위해 베어링리스(bearingless) 방식을 적용하여 비활동성 구성부의 재료(inactive material 또는 structural material)를 현저하게 줄일 수 있으며, 회전자 및 고정자 등이 복수개의 모듈로 분리 구성된 모듈 구조를 가짐으로써 조립, 취급, 수송, 설치, 유지보수가 용이한 장점이 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

주지된 바와 같이, 직접구동식 발전기는 전력을 생산하는데 사용되는 전자계 구성부(electromagnetic part 또는 active part)와 구조물을 구성하는 구조적 구성 부(structural part 또는 inactive part)로 크게 나눌 수 있다. 이러한 두 구성부는 발전기의 설계, 즉 전자계 설계(electromagnetic design)와 기계 설계(mechanical design)시에 중요하게 고려되어야 하는 부분이다. 그리고, 대형 직접구동식 기기는 제작, 이송, 설치 및 유지보수 등에 어려움이 많이 생길 수 있으므로 설계시 실제상의 이슈들에 대해서도 중요하게 고려되어야 한다.

전자계 구성부와 구조적 구성부에 대해서는 사용되는 재료의 양을 현저하게 줄일 수 있는 구조, 그리고 최종적으로 가격을 낮출 수 있는 구조가 요구된다. 실제상의 이슈들에 대해서도 제작, 이동, 설치 및 유지보수가 용이한 구조가 요구되며, 운용 면에서도 전력생산량을 최대화 할 수 있는 방법들이 요구된다. 이슈들에 대한 해결방안들은 다음과 같이 요약될 수 있다.

- 전자계 구성부(electromagnetic part/active part)

ㆍ 영구자석(Permanent Magnet, PM)형 기기로서 높은 힘 밀도를 가지는 구조.

ㆍ 자속경로 길이를 짧게 하여 활동성 구성부 재료(active matierial)를 줄일 수 있는 구조.

ㆍ 넓은 철심 면적을 가짐으로써 쇄교 자속을 증가시킬 수 있는 구조.

- 구조적 구성부(structural part/inactive part)

ㆍ 베어링리스(bearingless) 구동 방식을 이용함으로써 비활동성 구성부 재료(inactive material)를 현저하게 줄일 수 있는 구조.

- 실제상의 이슈(pratical issues)

ㆍ 복수개의 모듈로 분리 구성된 모듈 구조를 가짐으로써 조립, 취급, 수송, 설치, 유지보수가 용이한 구조.

ㆍ 복수개의 모듈로 분리 구성된 모듈 구조를 가짐으로써 각 모듈이 독립적으로 운전될 수 있는 구조, 따라서 특정의 모듈 또는 특정의 어떤 부품에서 문제가 발생하더라도 문제가 없는 나머지의 다른 모듈에서는 계속해서 전력 생산이 가능한 구조. 예를 들면, 10 MW 시스템이 5개의 모듈로 발전기가 구성되어 있다고 가정한다면, 개별 모듈의 출력은 2 MW이다. 임의의 1개 모듈에서 문제가 발생한 경우에 센서를 통해 문제에 대한 정보를 입수할 수 있으며, 이때부터는 나머지 4개의 모듈만으로 계속 전력을 생산할 수 있도록 제어 및 운전이 가능하다. 따라서, 일부 부품에 문제가 있더라도 시스템 전체를 정지시키지 않고, 문제가 해결될 때까지 (8 MW의) 전력 생산을 계속할 수 있는 폴트 톨러런스(fault tolerance) 개념의 구조가 요구된다.

ㆍ 유연하고 경량화(flexible and lightweight)된 구조, 및 큰 직경의 베어링(bearing)을 가져 구조물이 과도하게 무겁거나 튼튼하거나 정밀하지 않아도 되는 구조, 그리고 메인 샤프트(main shaft)에 대해 정밀함을 요하는 베어링이 없어도 되는 구조.

이상에서 언급한 해결방안들은 도 2 ~ 도 4에 각각 나타나 있다.

저속 고토크 직접구동식 전기기기(발전기/전동기)가 가지고 있는 문제를 해결하기 위해서는 위에서 언급된 해결방안들이 설계, 제작 및 운용시에 반영되어야 한다. 이상의 해결방안들을 만족하기 위하여, 본 발명에 따른 직접구동식 전기기 기에서는 다음과 같이 크게 세 부분의 특징을 가지도록 고려되었으며, 각 부분을 실현하기 위한 구성을 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

ㆍ 힘 밀도의 최대화 및 활동성 구성부 재료(active material)의 최소화

ㆍ 비활동성 구성부 재료(inactive material)의 최소화

ㆍ 신개념의 가이딩 및 베어링 시스템

- 힘 밀도의 최대화 및 활동성 구성부 재료의 최소화

영구자석형 기기(발전기/전동기)는 권선형 기기에 비해 단위무게당 출력비, 효율, 신뢰성 및 에너지 산출 측면에서 높은 장점을 가지고 있다. 따라서, 본 발명에서는 대형 풍력터빈 발전기의 힘 밀도의 최대화와 비활동성 구성부 재료의 최소화를 위한 방안으로 영구자석형 기기의 구조가 채용된다. 이 영구자석형 기기는 자속의 형성 방향에 따라 축자속 영구자석 기기(Axial Flux Permanent Magnet, AFPM) 기기, 반경자속 영구자석(Radial Flux Permanent Magnet, RFPM) 기기, 그리고 횡자속 영구자석(Transverse Flux Permanent Magnet, TFPM) 기기로 분류할 수 있다. 이 중에서 횡자속 영구자석 기기의 경우 힘 밀도가 다른 기기들에 비해 상대적으로 높고 활동성 구성부 재료를 줄일 수 있는 가능성이 높다. 따라서, 본 발명에서는 힘 밀도 최대화와 활동성 구성부 재료 최소화를 위해 새로운 개념의 횡자속 영구자석 기기의 구조가 제시된다.

도 3과 관련하여, 발전기(또는 전동기)의 설계시 손실을 최소화하기 위해 철심과 권선 사용량의 최소화가 요구되며, 공극에서 자속(flux)이 쇄교되는 철 심(iron core)의 면적을 일정하게 유지하면서 자속의 경로(flux path)를 줄임으로써 철심의 사용량을 줄일 수 있다. 자속경로를 줄이기 위해서는 슬롯간격(slot pitch)과 슬롯높이(slot height)를 줄여야 하는데, 일반적으로 많이 사용되고 있는 종자속(longitudinal flux) 발전기(또는 전동기)는 슬롯간격을 줄이면 극간격(pole pitch)이 같이 감소하여 누설자속(leakage flux)이 증가하게 된다. 따라서, 종자속 발전기(또는 전동기)에서는 이 방법을 적용하여 철심의 사용량을 줄이기에 한계가 있으며, 반면 횡자속(transverse flux) 발전기(또는 전동기)는 슬롯간격을 줄이더라도 극간격이 감소하지 않기 때문에, 철심의 양을 줄여 철손(iron loss)을 줄이는 구조는 횡자속 발전기(또는 전동기)에 적용할 경우 유리해진다.

현재, 표면 장착 영구자석 타입(surface mounted PM type), 자속 집중 영구자석 타입(flux-concentrating PM type), 단일 권선 타입(single-winding type), 이중 권선 타입(double-winding type), 단측 공극 타입(single-sided air gap type), 양측 공극 타입(double-sided air gap type), C-코어 타입(C-core type), E-코어 타입(E-core type), 및 클로 폴 코어 타입(claw pole core type)과 같이 다양한 구조의 TFPM 기기들이 여러 연구자들에 의해 제안되어 있다. 이 중에서 자속 집중 영구자석 타입은 힘 밀도가 높아서 다른 종류에 비해 무게와 체적을 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한 단일 권선 타입과 단측 공극 타입은 구조를 간단히, 그리고 쉽게 구성할 수 있는 장점이 있다. 그리고, 클로 폴 코어 타입은 자속이 쇄교되는 철심의 면적을 증가시켜 인가되는 전압을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

권선의 형상을 고려해 보면, 링(ring) 형상의 권선은 작은 직경의 TF(횡자 속) 기기에 주로 적용되어 사용되어 왔다. 그러나, 상기 링 형상의 권선을 대형 직접구동식 기기에 동일하게 사용하게 되면, 제작과 설치, 그리고 유지보수 측면에서도 어려움이 따르게 된다. 따라서, 링 형상의 권선처럼 큰 치수를 가지지 않는 모듈 형상의 권선이 대형 직접구동식 기기에서는 유용할 것이다. 이상의 사항들을 요약하면 다음과 같다.

1) 컨셉 A : 단측 공극, 단일 권선, 자속 집중 타입 TFPM 기기

2) 컨셉 B : 링 형상의 권선 대신 큰 직경의 기기에 적당한 모듈 형상의 권선

3) 컨셉 C 및 D : 높은 인가전압 생산을 위한 증가된 철심 코어 면적(Increased iron core area to produce higher induced voltage)

4) 컨셉 E : 슬롯 피치와 높이를 줄임으로써 활동성 구성부 재료를 줄일 수 있는 짧은 자속경로를 가지는 복수 모듈 컨셉(Plural module concept with short flux path to reduce the active material by decreasing slot pitch and height)

첨부한 도 5는 새로운 TFPM 기기 구성을 나타낸 도면으로, 좌측의 도면은 위의 컨셉 A, B, C, D 및 E의 사항을 나타낸 구성이고, 우측의 사각형에 나타낸 구성은 위의 컨셉 A, B, C, D 및 E의 장점을 모두 가질 수 있는 새로운 컨셉을 구성한 것이다. 여기서, 클로 폴 코어(claw pole core)들은 고정자 철심이며, "□" 형상의 구성부는 육상경기트랙(racetrack) 형태의 모듈형 권선을 나타낸다. 그리고, 직육면체의 영구자석(PM) 사이에 직육면체로 된 자속 집중형 철심(core)이 개재되어, 영구자석과 철심이 서로 번갈아 배치되며, 영구자석에 표시된 화살표들은 영구 자석의 착자방향을 나타낸 것이다.

도 5의 좌측 도면에서 A는 횡자속 발전기(또는 전동기)의 일반적인 구조 중 하나를 나타낸 것이고, B는 큰 직경을 가지는 횡자속 발전기(또는 전동기)에 적합한 권선으로서 복수개의 모듈화된 권선들의 사용을 설명하기 위한 도면이다. 기존의 횡자속 발전기(또는 전동기)에는 링 형태의 권선이 주로 사용되고 있고, 이러한 링 형태의 권선을 큰 직경의 횡자속 발전기(또는 전동기)에 사용하기에는 제작, 설치, 유지보수 등 여러가지 측면에서 어려움이 많다. 대형 직접구동 풍력터빈의 발전기는 직경이 매우 크기 때문에, 본 발명에 따른 직접구동식 전기기기(발전기/전동기)는 도 5의 B에 나타낸 권선을 복수개 사용하여 구성된다. 도 5에서 C와 D, E는 이미 알려진 구조로서, E는 발전기(또는 전동기)의 철심(iron core)(또는 철심과 영구자석(PM))의 사용량을 줄일 수 있는 초기 개념을 나타낸 구조이다. 도 5의 우측 사각형에 나타낸 구성은 본 발명에 따른 기본 구조로서, 이 구조에서 회전자(또는 이동자)를 도 6의 (f)에 나타낸 구조로 변경한 것이 본 발명의 직접구동식 전기기기(발전기/전동기)의 특징이라 할 수 있겠다.

직접구동식 영구자석형 기기(direct-drive PM machine)의 출력과 크기를 증가시킬 경우, 기기의 공극(air gap)직경, 즉 회전자와 고정자의 직경 증가와 함께 다른 변수들의 전자계 설계치수들도 함께 증가하게 된다. 그 변수는 공극길이(air gap length), 극간격(pole pitch), 극폭(pole width), 영구자석 길이 등이 된다. 대형 영구자석형 기기에 큰 치수의 영구자석을 사용할 경우, 영구자석의 제조와 핸들링이 어렵게 되고, 이로 인해 영구자석의 가격과 영구자석형 기기의 가 격이 비싸지게 된다. 그리고, 도 5에 나타낸 바와 같은 영구자석과 자속 집중형 철심의 형상을 사용하게 되면, 첨부한 도 6의 (a)에 나타낸 바와 같이 영구자석의 이탈이 발생할 수 있다.

도 6의 (a) 구조에 대해 좀더 상세히 설명하면, 자속 집중형 영구자석 발전기(또는 전동기)에 적용되는 구조로서, 종자속형과 횡자속형 발전기(또는 전동기)에 공통으로 사용될 수 있는 구조이다. 도시된 바와 같이, 영구자석을 접착제만을 사용하여 고정시키면 발전기(또는 전동기)의 운전 및 사용시 분리될 수 있는 문제가 있다. 그리고, 영구자석이 크거나 두꺼워서 이를 제작하고 다루는데 어려움이 있다. 또한 극간격(pole pitch)을 일정하게 유지하면서 영구자석의 두께를 변화시킬 수는 없으며, 영구자석의 양을 증대시키기 위해서는 영구자석과 철심의 높이를 동시에 증가시켜야 한다.

따라서, 위에서 언급한 바와 같이 영구자석에 관련된 제작 단가를 낮추면서 영구자석의 이탈을 방지할 수 있고, 철심의 양의 증대 없이 영구자석 양의 증대가 가능한 본 발명의 구조는 도 6의 (f)와 같으며, 이를 설명하면 다음과 같다.

도 6의 (a) 구조는 도 6의 (c)와 같이 철심과 영구자석을 분할하여 도 6의 (d) 구조와 같이 재배열 할 수 있다. 도 6의 (e) 구조는 철심 양의 증대 없이 도 6의 (b)와 동일하게 영구자석의 양을 증대시킨 구조이다. 도 6의 (f) 구조는 도 6의 (a) 구조와 도 6의 (b) 구조가 가지는 문제점들을 개선할 수 있는 구조로서, 본 발명에 따른 회전자(또는 이동자) 구조이다. 도시된 바와 같이, 영구자석들의 탈착을 방지하고 핸들링의 어려움을 해소하기 위한 방안으로서, 복수개의 모듈로 구성되는 회전자 또는 이동자에서 각 모듈마다 하나의 두꺼운 영구자석 대신에 두 개의 얇은 직육면체 형상의 영구자석(24)을 사용하며, 영구자석(24)들 사이에 영구자석의 자속경로를 형성 및 유지시켜 주기 위한 삼각형 단면 모양의 철심(22)이 배치된다. 또한 각 모듈에서 역삼각형 단면 모양(바람직한 실시예에서 도 6의 (f)에 나타낸 바와 같이 역삼각형 단면 모양으로서 뒤집어진 원뿔형 플라스크 단면 모양이 될 수 있음)의 자속 집중형 철심(23)이 구비되고, 상기 두 개의 영구자석(24)은 자속 집중형 철심(23)의 양측 경사면에 배치된다. 이때, 삼각형 단면 모양의 철심(22)의 각 경사면에 이웃한 모듈의 영구자석(24)이 하나씩 배치되는 구조가 되며, 각 영구자석(24)이 자속 집중형 철심(23)의 경사면과 자속경로 유지용 철심(22)의 경사면 사이에 배치되는 구조가 된다.

이와 같이 영구자석의 이탈을 방지하고 제조와 핸들링을 쉽게 할 수 있는 구조는 횡자속 기기뿐만 아니라 종자속을 가지는 일반 RFPM 기기와 AFPM 기기에 대해서도 적용이 가능하다.

- 비활동성 구성부 재료 최소화

풍력터빈에 사용되는 발전기에서 비활동성 구성부(inactive part)의 역할은 다음과 같이 정의할 수 있다.

ㆍ 발전기의 회전자와 고정자 사이의 공극 유지

ㆍ 터빈의 로터 블레이드로부터 회전력을 받아 발전기의 회전자로 전달

소형 직접구동식 기기에서는 활동성 구성부의 무게가 차지하는 비중이 크지 만, 대형으로 갈수록 전체 무게 중에서 비활동성 구성부가 차지하는 비중이 더욱 커지는 것으로 알려져 있다. 직접구동식 풍력터빈의 경우, 대형화될수록 높은 토크를 가지는 발전기가 요구되기 때문이다. 따라서, 비활동성 구성부 재료의 최소화를 위해 다음의 사항들이 고려될 수 있다.

1) 베어링리스(bearingless) 영구자석 기기

2) 샤프트 및 기타 구조물이 없는 링(ring) 형상의 영구자석 기기

베어링리스 구동방식의 영구자석 기기의 설명에 앞서, 기존의 베어링리스 구동(드라이브)에 대한 설명을 통해 베이링리스 구동방식의 원리와 장단점에 대해 먼저 살펴보기로 한다. 이어서 기존의 베이링리스 구동방식이 가지고 있는 단점을 해결할 수 있고 기존 베어링리스 구동방식을 보다 간략히 구현할 수 있는 방법을 설명하기로 한다. 계속하여, 기존의 직접구동식 기기들이 가지고 있는 샤프트, 토크 전달을 위해 필요한 구조물, 공극을 유지하기 위해 필요한 구조물 등이 없는 링 형상의 영구자석형 기기에 대해 설명하기로 한다.

베어링리스 구동방식은 우주, 열악한 환경, 고속운전 등에 적용할 경우에 발생하는 베어링 관련 문제 등을 해결하기 위해 제안 및 사용되어 왔다. 상기 베어링리스 구동방식은 여러 연구자들에 의해 다음의 분야들에 적용하기 위한 연구가 수행되어 왔다.

1) 영구자석 베어링리스 전동기(PM bearingless motors)

2) 동기 릴럭턴스 베어링리스 전동기(synchronous reluctance bearingless motors)

3) 베어링리스 유도 전동기(bearingless induction motors)

4) 스위치드 릴럭턴스 베어링리스 전동기(switched reluctance bearingless motors)

5) 단극, 복합 및 가변극 베어링리스 전동기(homopolar, hybrid and consequent-pole bearingless motors)

상기의 베어링리스 구동방식들 중에서 영구자석 베어링 전동기의 장점은 다음과 같이 요약할 수 있다.

1) 작은 사이즈 및 경량화

2) 높은 파워 팩터(high power factor)와 고효율

3) 메인 권선의 인가전류 없이 생성되는 서스펜션 힘(suspension forces generated without excitation current in the main winding)

4) 자기 서스펜션이 전동기 권선 전류와 관계 없이 독립적으로 작동하므로 인버터 폴트에 대한 높은 독립성(high inverter fault independence because magnetic suspension operates independently of the motor winding current)

따라서, 본 발명에서는 영구자석 베어링리스 구동방식을 채용한다.

베어링리스 전동기의 큰 특징은 (자기)베어링 권선이 전동기와 결합되어 있다는 것이다.

첨부한 도 7의 (a)는 4극 영구자석 베어링리스 전동기의 권선 구조를 나타낸 것이다. 반경방향 베어링 힘과 토크를 분리하기 위해 베어링 권선과 토크 권선은 극수가 서로 다르게 설계된다. 기본적인 베어링리스 구동 구조의 권선배치는 도 7의 (b)와 같이 간략화하여 나타낼 수 있다. 여기서, 4극 전동기 권선(토크 권선)은 도면부호 4a와 4b로 나타내었으며, 2극 베어링 권선은 도면부호 2a와 2b로 나타내었다. 여러 타입의 PM(영구자석) 베어링리스 전동기들 중에서 인세트(inset) PM 타입의 베어링리스 전동기와 베리드(buried) PM 타입의 베어링리스 전동기의 회전자는 도 7의 (c)와 (d)에 각각 나타내었다. 도 7의 (d)에 나타낸 베리드 PM 타입 베어링리스 전동기는 영구자석에서의 자기저항(magnetic reluctance)이 작기 때문에 반경방향 베어링 힘을 향상시킬 수 있는 구조이다.

상술한 바와 같이, 베어링리스 구동 구조에서는 베어링 권선과 전동기 권선(토크 권선)을 사용하여 베어링 힘과 토크를 동시에 제어하여야 한다. 따라서, 베어링리스 구동 구조는 일반적인 전기기기(전동기/발전기)의 구동 구조보다 구성 및 제어가 복잡하며, 가격도 비싸지게 된다.

대형 직접구동식 풍력터빈 발전기의 경우, 발전기 전체 무게 중에서 비활동성 구성부의 무게가 차지하는 비중이 크다. 만약 베어링리스 구동 방식을 적용하게 되면 비활동성 구성부의 무게를 현저히 줄일 수 있고, 베어링리스 구동 방식을 적용한 발전기의 가격을 현저히 낮출수 있는 방법이 있다면 대형 직접구동에 베어링리스 구동의 적용이 가능할 것이다. 그런데 대형 직접구동의 경우, 회전자의 무게(활동성 구성부의 무게와 비활동성 구성부의 무게 포함)가 매우 무겁기 때문에, 베어링 힘(bearing force)으로 회전자의 무게를 지탱하고 요구 위치를 유지하기 위해서는 베어링리스 구동에서의 전력소모가 클 것으로 예상된다. 따라서, 대형 직접구동에 적용하기 위한 새로운 개념의 베어링리스 구동은 다음의 사항들을 만족하여야 한다.

(1) 비활동성 구성부 중량의 현저한 감소(significant mass reduction of the inactive part)

(2) 베어링 힘을 발생시키는데 소비되는 전력의 최소화(minimized power consumption to produce the bearing force)

(3) 단순화된 제어 및 구성 요소(simplified control and components)

본 발명에서 사용되는 새로운 영구자석 베어링리스 구동(드라이브) 구조 역시 회전자에 철심과 영구자석을 가지는 구조이다. 또한 고정자는 철심과 권선으로 구성된다. 첨부한 도 8은 본 발명에 따른 영구자석 베어링리스 구동(드라이브) 구조를 나타낸 도면으로서, 도시된 바와 같이 양측형 축자속 기기(axial flux machine)의 형상을 하고 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이 베어링 힘은 단지 회전자와 고정자의 공극길이를 일정하게 유지하기 위해서만 사용되며, 회전자의 무게를 지탱하는 데는 사용되지 않는 구조를 하고 있다. 도 8에 나타낸 베어링리스 구동 구조는 도 5에 나타낸 TFPM 기기의 구조를 하고 있지만, 통상의 영구자석(PM) 기기(종자속 영구자석 기기 등)에 적용해도 구현이 가능하다.

도 8의 구조는 기존의 일반적인 발전기(또는 전동기)와 같은 구조적 구성부가 없이 새로운 베어링리스 구동방식의 구조로 회전력을 전달하고 공극(air gap)을 유지하는 구조이다. 일반적인 발전기(또는 전동기)는 전기를 생산하는 전자계 구성부(electromagnetic part 또는 active part)와 베어링, 축(shaft) 및 회전력의 전달과 공극(air gap)의 유지를 위한 구조물인 구조적 구성부(structural part 또 는 inactive part)로 구성된다. 본 발명에 따른 베어링리스 구동방식 발전기(또는 전동기)는 베어링 권선과 토크 권선이 모두 필요한 기존의 베어링리스 구동방식 발전기(또는 전동기)와는 분명한 차이를 가진다.

도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 베어링리스 구동방식 발전기(또는 전동기) 구조는 양측 공극형 구조를 하고 있으며, 양측의 공극길이가 서로 동일하지 않을 때 권선에 다른 크기의 전류를 인가함으로써 양측 공극을 일정(동일)하게 유지할 수 있다. 즉, 기존 베어링리스 구동방식 구조처럼 토크의 발생과 베어링 힘의 발생을 위해 두가지 권선이 모두 필요한 것이 아니고 하나의 권선만으로 두 가지 역할을 다 수행할 수 있는 구조인 것이다.

회전자(rotor)의 진행방향과 자속(flux)의 경로가 도 8의 (a)에 나타나 있다. 새로운 베어링리스 구동 구조가 안정된 상태(stable state)에 있다면, 공극 1(air gap 1)과 공극 2(air gap 2)의 길이가 같을 것이다. 공극 1과 공극 2의 길이가 동일하지 않는 상태, 즉 안정되지 않은 상태(unstable state)일 때는 갭센서(gap sensor) 또는 양측 고정자 1, 2(stator 1, 2)에 인가되는 무부하 전압(no-load induced voltage)의 차이를 통해 양측의 공극길이 차이를 알 수 있다. 공극 1의 길이가 공극 2의 길이보다 큰 경우, 공극 1의 고정자와 회전자 사이의 흡인력(attraction force)을 증가시키고 공극 2에서의 흡인력을 감소시키면 양측 공극길이가 동일한 지점으로 회전자가 이동하게 된다. 이를 위해서는 고정자 1(stator 1)의 권선에 흐르는 전류(current, i)의 크기를 증가시키고, 고정자 2(stator 2)의 권선에 흐르는 전류의 크기를 감소시키면 된다.

영구자석에 의한 자속과 흡인력이 존재하기 때문에, 공극 2의 길이가 너무 작은 경우에는 공극 2에서의 흡인력이 공극 1에서 보다 상대적으로 매우 커서 고정자 1의 전류를 증가시키고 고정자 2의 전류를 감소시키더라도 양측 공극을 동일하게 하는 데에는 한계가 있을 수 있다. 이러한 경우에는 고정자 2에 흐르는 전류의 방향을 반대로 하여 공극 2에서의 흡인력을 줄여주는 방법도 가능하다.

회전자가 회전방향 또는 진행방향을 축으로 하여 흔들리는 경우에는 양측 공극의 상부측 공극길이와 하부측 공극길이가 달라지게 된다. 따라서, 도 8의 (a)와 도 8의 (b)에 나타낸 베어링리스 구동 구조만으로는 이 문제를 해결하기가 충분하지 않다. 도 8의 (c)는 이 문제를 해결 가능한 보다 바람직한 본 발명의 베어링리스 구동 구조를 보여준다. 이러한 구조를 사용함으로써 회전자가 진행방향을 축으로 흔들리더라도 공극 1과 공극 2를 일정하게 유지하는 제어가 가능하게 된다.

따라서, 어떠한 방법으로든지 또는 어떠한 가이딩을 사용하든지, 회전자의 중력방향 위치를 요구범위 내에서 일정하게 유지해 줄 수 있다면, 본 발명에서 제시되는 베어링리스 구동 구조는 풍력터빈뿐만 아니라 다른 대형 직접구동식 장치에서도 사용이 가능하다. 나아가 선형 구동 시스템(linear drive system)에도 적용이 가능하며, 이때는 제어 대상이 회전자(rotor)가 아니라 이동자(mover)가 된다.

공극 1과 공극 2의 길이가 다른 경우에는 각 공극에서의 자속밀도(flux density, B)가 변하게 되어 최종적으로 회전자와 고정자 사이에 존재하는 흡인력의 크기도 변하게 된다. 즉, 다른 치수와 파라미터들은 변하지 않고 공극길이만 변하게 되면, 공극길이 증가측에서는 자속밀도가 감소하고 감소측에서는 자속밀도가 증가하게 된다.

도 8에서 갭센서는 공극길이의 변화를 알기 위해 보조적으로 사용되는 것으로, 발전기(또는 전동기)가 운전 중에 있는 경우에는 갭센서를 사용하지 않고 각 권선에 인가되는 무부하 전압(no-load induced voltage) 등을 측정 비교하여 갭의 변화를 알 수 있다. 단, 발전기(또는 전동기)의 초기 기동시 또는 비정상상태일 때는 무부하 전압의 측정이 어려우므로 갭센서가 사용된다.

첨부한 도 9에는 자계강도(magnetic intensity, H)의 크기에 따라 비선형적으로 변하는 특성을 가지는 철심(iron core)의 자속밀도 특성을 고려하여, 공극길이가 다른 경우에 대한 자속밀도를 표시하였다(실제 철심에서의 자속밀도 특성은 도 9와 같이 직선형태를 보이는 것이 아니고 곡선형태를 보인다. 즉, 도 9는 개략화하여 나타낸 것이다). 본 발명에 따른 베어링리스 구동방식 발전기(또는 전동기)에서는 전술한 바와 같이 한쪽의 공극길이가 감소하면 다른 쪽의 공극길이는 반대로 증가하게 되는데, 도 9는 이때 양측 공극에서의 자속밀도 변화를 B-H 곡선상에 간략히 나타낸 것이다.

도 9에서 B _{air gap} 는 공극 1과 공극 2가 동일한 안정상태에서의 자속밀도이며, B _{smaller air gap} 와 B _{larger air gap} 는 공극 1과 공극 2가 동일하지 않은 상태일 때 작은 공극과 큰 공극에서의 자속밀도를 각각 나타낸다.

구조물의 무게(inactive mass)를 현저하게 줄일 수 있는 두 번째 방법은 도 4에 나타낸 바와 같은 링 형상의 발전기(전동기도 가능함) 구조이다. 그 형상을 개략적으로 나타내면 첨부한 도 10a ~ 도 10c에 나타낸 바와 같으며, 이에 대해 설명하면 다음과 같다.

도 10a ~ 도 10c는 링 형상의 횡자속 발전기(또는 전동기)를 나타낸 것으로, 도시된 바의 링 형상의 횡자속 발전기(또는 전동기)는 양측 공극형이며, 공극에서 쇄교되는 자속의 방향이 축방향인 축자속 기기(axial flux machine)의 구조를 가지고 있다. 고정자(stator)는 회전자(rotor)를 가운데에 두고 양쪽에 위치해 있으며, 각 고정자는 철심(iron core)과 권선(copper winding)으로 구성되어 있다. 회전자는 철심과 영구자석(permanent magnet)으로 구성되며, 도 8에 나타낸 자속경로(flux path)를 보면 알 수 있듯이 양측의 각 고정자에 대응하는 회전자가 각각 존재한다. 따라서 이 구조는 좌측의 고정자+회전자 1 세트와 우측의 고정자+회전자 1 세트로 구성된다.

도 10a에 나타낸 구조는 기존의 발전기(또는 전동기)가 가지고 있는 샤프트(shaft), 공극 유지와 토크의 전달의 위해서 필요한 구조물(inactive structure)을 최대한 제거한 형태이다. 따라서, 앞서 언급한 대형 고토크 직접구동식 발전기(또는 전동기)에서 해결해야 할 중요한 부분인 구조물의 현저한 무게 감소가 가능하게 된다.

대형 기기를 한 몸체로 구성하게 되면, 제작부터 조립, 이동, 설치 및 유지보수에 상당한 어려움이 발생하게 된다. 이는 곧 제품의 가격을 상승시키는 요인이 된다. 이러한 구조는 종래에 주로 많이 사용되는 구조이다. 기존의 일반 발전기(또는 전동기)와 같은 경우에는 시스템의 일부분 또는 일부 부품에서만 문제가 생겨도 발전기(또는 전동기)의 운전을 정지하고 문제를 해결한 후 다시 운전하여야 한다. 발전기(또는 전동기)의 출력이 큰 경우, 발전기(또는 전동기)의 운전이 정지되면 전체 운용시스템에 미치는 영향이 아주 크다.

따라서, 상기에 서술한 기존의 문제들을 개선하기 위해서, 본 발명에서는 링 형상의 발전기(또는 전동기)를 복수개의 모듈화로 구성이 가능하게 함으로써 다음사항들을 실현한다.

(1) 제작, 조립, 이동, 설치 및 유지보수 등에서 발생하는 문제들을 해결

(2) 발전기(또는 전동기)의 일부 부품 또는 일부 모듈에서 문제가 발생하더라도 문제가 없는 다른 모듈들은 계속해서 전력 생산(또는 운전)이 가능

이를 위해 발전기(또는 전동기)의 회전자, 고정자, 전력변환장치 및 구조물을 일체형이 아닌 모듈형으로 구성한다. 이 경우, 발전기(또는 전동기)가 3상(3 phase)의 구조라면 각 고정자 모듈은 개별적으로 3상 발전기(또는 전동기)의 고정자가 되며, 단지 출력만 작다. 따라서, 각 모듈의 출력은 '발전기(전동기)의 전체 출력/모듈의 수'가 된다.

도 10b와 도 10c는 본 발명에 따른 대형 링 형상의 횡자속 발전기(또는 전동기)를 나타낸 것으로, 복수개의 모듈로 분리 구성됨을 보여주고 있다. 이에 나타낸 바와 같이, 회전자는 모듈형으로 일부분씩 제작이 되어 서로 연결 조립됨으로써 최종적으로 원형의 회전자로 구성되는 것이 가능하다. 모듈형으로 구성된 고정자는 모듈별로 분해/조립이 용이한 구조를 하고 있으며, 각 고정자 모듈의 표면에 각 모듈에 해당하는 전력변환장치의 결합이 가능하다. 이와 같이 모듈형 구조를 사 용함으로써 앞서 언급한 바와 같이 일부 고정자 및 일부 전력변환장치 모듈에 문제가 있더라도, 다른 모듈들에서는 계속해서 전력 생산(또는 운전)이 가능하다.

이와 같은 모듈형 구조를 풍력터빈에 적용하게 되게 되면, 일부 모듈이 고장이 나더라도 유지보수 이전까지 나머지 모듈들로 전력 생산이 가능하기 때문에 전력생산량을 향상시킬 수 있는 한 방법이 된다. 그리고, 이러한 모듈형 구조는 풍력터빈뿐만 아니라, 대형 직접구동 방식을 사용하는 발전기와 전동기에 모두 적용이 가능하다.

또한 도 10a ~ 도 10c에는 횡자속 발전기(또는 전동기)로 링 형상의 발전기(또는 전동기) 구조를 나타내고 있지만, 종자속 발전기(또는 전동기)로도 이와 같은 링 형상의 구조를 구현하는 것이 가능하다.

또한 도 10a ~ 도 10c에 나타낸 바와 같이 토크(torque)의 전달과 공극(air gap)의 유지를 위해 축(shaft)과 구조물이 없는 링 형상의 발전기(또는 전동기) 구조는 풍력터빈용 외에도 저속 고토크 발전기(또는 전동기)에도 적용이 가능하다(예를 들어, 선박, 잠수함 등의 추진용 전동기, 조력 또는 수력발전용 발전기 등).

그리고, 이러한 원리 및 구조는 회전형 발전기(또는 전동기) 외에도 직선형 전동기(또는 발전기)에도 적용이 가능하다(예를 들어, 이송시스템용 선형전동기, 선형왕복운동을 하는 발전기 등).

- 신개념의 가이딩 및 베어링 시스템

기존의 직접구동식 풍력터빈은 회전체와 고정체의 가이딩과 지지를 위해 일 반 베어링(예컨대, 기계 베어링)을 사용한다. 베어링과 발전기 회전자의 구성을 고려하면 풍력터빈을 (1) 더블 베어링 시스템(double bearing system), (2) 싱글 베어링 시스템(single bearing system), (3) 내부 로터 시스템(internal rotor system), (4) 외부 로터 시스템(external rotor system) 등과 같이 분류할 수 있다. 풍력터빈에서 사용 가능한 통상의 직접구동식 시스템의 구조를 나타내면 첨부한 도 11과 같다. 도 11을 참조하면, 회전하는 부분, 고정체, 베어링이 도시되어 있으며, 도시된 바와 같은 기존의 베어링 시스템이 가지고 있는 문제점은 다음과 같이 요약할 수 있다.

베어링과 베어링이 설치되는 구조는 제작과 운전시에 정밀함이 요구 및 유지되어야 한다. 기존의 베어링 구조는 매우 큰 직경에 적용하는 것은 가능하지만, 베어링이 요구하는 정밀도를 큰 직경의 구조에서 만족시키기에는 어려움이 많이 따른다.

기존의 베어링은 로터 블레이드(rotor blade)를 지지하고 가이딩하는 것 외에 발전기의 회전자와 고정자 사이에 존재하는 흡인력(attraction force)을 이겨내고 공극길이를 일정한 범위 내에서 유지하여야 하기 때문에 베어링이 감당하여야 하는 부하가 아주 크다.

이상과 같은 이유 등으로 인해 기존의 기계적인 베어링 시스템은 튼튼하고 정밀하여야 한다. 이러한 기존의 베어링을 위에서 설명한 본 발명에 따른 베어링리스 구동 구조에 사용하기 위해서는, 베어링의 직경이 발전기의 직경과 비슷하게 커져야 한다. 그리고, 이때 베어링은 풍력터빈의 로터 블레이드 무게와 발전기의 회전자 무게를 동시에 지탱하고 가이딩 하여야 한다. 큰 직경의 베어링을 사용하여 로터 블레이드의 무게와 발전기 회전자의 무게를 모두 지지하고 가이딩하도록 하기 위해서는 구조가 매우 정밀해지고 튼튼해지며 무겁고 비싸지게 된다.

회전체의 회전속도 또는 직선 이동물체의 이동속도가 고속이라면, 대상 물체의 지지와 가이딩을 위해 높은 정밀도의 구조가 요구된다. 그러나, 상대적으로 저속인 대형 고토크(또는 고추력) 기기의 경우는 고속 기기 보다는 상대적으로 낮은 정밀도의 구조로도 대상 물체의 지지와 가이딩이 가능하다. 특히, 직접구동식 풍력터빈의 경우에는 대형화 될수록 회전체의 회전속도가 감소하는 경향을 가진다. 따라서, 기존의 베어링 시스템보다 낮은 정밀도를 가지는 베어링 시스템을 사용하고도 중(重)하중의 대형 물체를 요구하는 오차범위 내에서 지지하고 가이딩할 수 있다면, 상기에 언급한 기존의 베어링을 사용함으로써 발생하는 문제들을 극복할 수 있다.

이를 위해서는 베어링 시스템에서 기존의 베어링이 가지는 기계적인 접촉을 제거하는 것이 한 방법이 된다. 따라서, 유체베어링 또는 자기베어링을 사용하면 이 조건을 만족하면서 대상 물체의 지지와 가이딩이 가능하다.

먼저 유체베어링을 사용하여 대상 물체를 중력방향으로 일정 위치에 유지시키기 위해서는 물체의 무게를 이겨낼 수 있는 압력의 유체를 중력 반대방향으로 물체에 충돌시켜야 한다. 자기베어링을 사용하는 경우는 중력 반대방향의 베어링 힘을 증가시켜야 하며, 이를 위해 베어링 권선전류를 증가시켜야 한다. 만약, 대상 물체가 아주 무겁다면 무게를 지탱하고 가이딩 하기 위해 사용되는 에너지 소모 도 아주 크게 된다. 따라서, 기계적인 접촉이 없는 베어링이면서, 무게를 지탱하기 위해 소모되는 에너지의 양이 적은 새로운 개념의 베어링이 필요하다. 이를 위해 본 발명에서 대상 물체의 지지 및 지탱을 위해 부력을 가지는 회전체(또는 이동체)가 사용될 수 있다. 그리고, 회전자(또는 이동자)와 고정자 사이의 접촉(contact or touchdown)을 방지하기 위한 유체 정압 베어링(hydrostatic bearing)이 사용될 수 있다. 상기 유체 정압 베어링을 사용할 경우에는 공극을 유지하기 위한 베어링리스 구동의 부담을 덜어줄 수 있게 된다. 즉, 유체 정압 베어링도 공극을 유지하기 위한 역할을 일정 부분 수행할 수 있기 때문에, 베어링리스 구동의 피크(peak) 부하를 줄일 수 있는 효과가 있게 된다. 이 새로운 베어링 시스템에 대한 설명을 추가하면 다음과 같다.

1) 부력을 가지는 회전체(또는 이동체)

부력을 사용하면 무거운 구조물도 유체 내에서 쉽게 들어올릴 수 있다. 회전체 또는 이동체가 유체 내에서 부력을 가지는 구조가 되면, 회전체 또는 이동체를 중력을 이겨내고 요구하는 지점에 쉽게 위치시킬 수 있다. 따라서, 회전체 또는 이동체의 중력방향 위치를 일정 범위 내에서 유지하기 위해 기존의 무겁고 튼튼하고 정밀한 구조가 더 이상 필요 없게 된다.

2) 유체 정압 베어링

발전기(또는 전동기)의 제어 이상이나 전력변환장치 등 일부 부품에서 이상이 발생하면 발전기(또는 전동기)와 베어링리스 드라이브의 운전이 동시에 정지되며, 이로 인해 회전체가 고정체에 접촉하여 구조물의 손상이 발생할 수 있다. 따 라서, 유체 정압 베어링은 베어링리스 드라이브와 함께 공극을 유지하는 기능뿐만 아니라 회전체가 고정체에 접촉하여 손상이 발생하는 것을 방지하는 기능도 가지고 있다.

이러한 새로운 가이딩 및 지지 방식은 대형 직접구동식 발전기/전동기의 회전자 구조에 대해서 이용될 수 있다. 또한 이러한 가이딩 및 지지 방식은 로터 블레이드(또는 임펠러, 스크류 등)와 발전기/전동기 회전자 구조물 모두의 가이딩과 지지에 대해서도 이용될 수 있다. 따라서, 회전 부품을 지지하고 가이딩하는 무거운 구조물들이 제거될 수 있기 때문에 대형 직접구동식 풍력터빈의 무게를 크게 감소시킬 수 있게 된다.

상술한 부력을 가지는 회전체(또는 이동체)와 유체 정압 베어링을 도면을 참조하여 추가 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 적용되는 것으로서, 첨부한 도 12는 부력을 가지는 회전자를, 도 13은 유체 정압 베어링의 기본 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 12의 (a)는 부력이 있는 대상 물체가 유체 내에서 안정된 상태에 있는 때를 나타낸 것이다. 이와 같이 부력이 있는 물체는 유체에서 뜨게 된다. 그리고, 도 12의 (b)는 대상 물체가 안정되지 않은 상태에 있는 때를 나타낸 것으로, 물체가 흔들리거나 뒤집히려는 힘이 발생하게 된다. 따라서, 대상 물체가 불안정상태가 되어 흔들리거나 뒤집히려고 할 때, 외부에서 이와 반대방향의 힘을 가하게 되면 물체는 다시 안정상태로 돌아가게 된다. 본 발명에서는 이러한 점을 이용하기 위해 유체 정압 베어링을 사용하며, 기본적인 개념과 구조는 첨부한 도 13에 나 타낸 바와 같다. 도 13을 참조하면, 펌프에 의해 유체 통로로 공급된 유체가 회전체 주변에서 일정 압력상태를 유지하면서 부력에 의해 회전체를 지지하는 구조로 되어 있다.

회전체인 경우에 부력을 가지는 회전체 및 유체 정압 베어링의 2가지 방식을 적용하게 되면, 첨부한 도 14와 같이 구성할 수 있다. 이러한 구조는 대형 직접구동식 시스템에 적용이 가능하며, 특히 첨부한 도 15와 같이 직접구동식 풍력터빈의 로터 블레이드와 발전기 회전자의 지지 및 가이딩에도 적용 가능하다. 즉, 풍력터빈에 본 발명에 따른 발전기 구조를 적용할 경우, 직접구동식 풍력터빈의 발전기에 한정하지 않고 풍력터빈의 로터를 함께 결합시킨 구조의 구현이 가능하며, 이를 도 15에 예시하였다. 본 발명에 따른 링 형상의 베어링리스 구조의 발전기와 부력을 가지는 회전자 구조 및 유체 정압 베어링 시스템을 풍력터빈 로터의 가이딩에도 통합 적용할 수가 있는 것이다.

도 14와 도 15에 나타낸 유체 정압 베어링이 적용되는 구조에 대해 설명하면, 고정 구조물에 유체가 채워지는 링 형상의 고정부가 고정 설치되고, 상기 고정부의 내부에 동심원상에 배치되는 링 형상의 회전부가 설치된다. 그리고, 상기 고정부의 내측면에는 고정자가 설치되고, 상기 회전부의 외측면에는 상기 고정자와 대향된 위치에 회전자가 설치된다. 또한 상기 고정부의 내부에는 공극 유지를 위한 유체가 채워지고, 회전부의 내부에는 공기가 채워지며, 특히 회전부의 외경면에 반경방향으로 돌출 형성된 연결부에는 로터 블레이드(임펠러 또는 프로펠러 등)가 일체로 연결된다. 상기 연결부는 고정부의 외경면에 설치된 실링부재(유체를 실 링함)을 통해 외부로 연장되어서 외측의 로터 블레이드와 연결되며, 고정부의 내부에서 회전자 및 회전부가 로터 블레이드와 일체로 회전되게 된다. 이러한 유체 정압 베어링의 적용에 의해 고정자를 포함한 고정 구조물에 대해서 회전자를 포함한 회전 구조물이 유체의 압력 및 부력에 의해 지지되면서 회전될 수 있게 된다.

도 15에는 발전기(또는 전동기) 및 고정부의 외경 쪽으로 로터 블레이드가 설치된 실시예가 도시되어 있으나, 첨부한 도 16a 및 도 16b, 도 16c에 나타낸 바와 같이 발전기 및 고정부의 내경 쪽으로 로터 블레이드가 설치되는 구조도 구현이 가능하다. 이 경우, 연결부는 고정부의 내경면에 설치된 실링부재를 통해 외부로 연장되되, 연결부가 고정부의 내경 쪽으로 연장되고, 로터 블레이드 역시 고정부 내경 쪽에서 연결부와 일체로 연결되게 설치된다.

상기와 같이 유체 정압 베어링이 적용된 링 형상의 발전기(또는 전동기) 구조는 풍력터빈용 외에도 저속 고토크 발전기(또는 전동기)에도 적용이 가능하다(예를 들어, 선박, 잠수함 등의 추진용 전동기, 조력 또는 수력발전용 발전기 등).

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 풍력터빈에서 직접구동식 발전기의 예를 도시한 도면이다.

도 2는 (a) 활동성 구성부 재료를 줄이기 위한 구성, 및 (b) 철심 코어 면적을 증가시키기 위한 구성을 예시한 개략도이다.

도 3은 베어링리스에 의해 공극이 유지되는 구성을 도시한 개략도이다.

도 4는 대형 풍력터빈을 위한 경량화 되고 모듈화 된 직접구동식 발전기의 개념도이다.

도 5는 새로운 TFPM 기기의 구조를 예시한 개념도이다.

도 6은 본 발명에 따른 자속 집중 TFPM 기기의 구조를 도시한 도면으로서, 영구자석의 이탈을 방지할 수 있는 구조를 도시한 도면이다.

도 7은 종래기술에 따른 베어링리스 구동 구조를 도시한 도면으로서, (a) 4극 영구자석 베어링리스 전동기의 권선 구조, (b) 기본적인 베어링리스 구동 구조의 4극 및 2극 권선 배치, (c) 인서트 PM 타입의 베어링리스 전동기의 회전자, 및 (d) 베리드 PM 타입의 베어링리스 전동기의 회전자를 도시한 개략도이다.

도 8은 본 발명에 따른 베어링리스 TFPM 기기를 도시한 도면으로서, (a) 회전자의 진행방향과 자속의 경로, (b) 갭센서를 이용하여 고정자 권선에 흐르는 전류 및 공극길이가 제어되는 상태, 및 (c) 보다 바람직한 베어링리스 구동의 구성을 도시한 도면이다.

도 9는 공극길이가 다른 경우에 대한 자속밀도를 나타낸 도면이다.

도 10a ~ 도 10c는 본 발명에 따른 링 형상의 직접구동식 발전기(전동기)를 보여주는 도면이다.

도 11은 직접구동식 풍력터빈에서 베어링 지지 구조의 여러 형태를 도시한 개략도이다.

도 12는 부력이 있는 물체가 유체 내에 존재할 때 (a) 안정한 상태와 (b) 불안정한 상태를 도시한 도면이다.

도 13은 유체 정압 베어링에 대한 개념도이다.

도 14는 본 발명에서 부력을 가지는 회전체 및 유체 정압 베어링을 적용한 예시도이다.

도 15 및 도 16a, 도 16b, 도 16c는 본 발명에 따른 직접구동식 풍력터빈의 로터 블레이드와 발전기 회전자의 지지 및 가이딩 구조의 예시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 풍력터빈 11 : 로터 블레이드

12 : 회전자 13 : 샤프트

14 : 고정자 15 : 베어링

22 : 철심 23 : 철심

24 : 영구자석

Claims

발전기 및 전동기와 같이 회전자 또는 이동자와 함께 고정자를 가지는 직접구동식의 전기기기에 있어서,

상기 회전자 또는 이동자 그리고 이에 조합되는 고정자가 각각 분리 구성된 복수개의 모듈들이 1개의 상(phase)을 구성하도록 서로 조합되어 짧은 자속경로를 가지는 복수 모듈 조합형 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 1에 있어서,

상기 회전자 또는 이동자와 상기 고정자의 조합된 구조에서 상기 회전자 또는 이동자를 중심으로 양측으로 공극을 가지도록 고정자가 배치되는 양측 공극형 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 2에 있어서,

상기 회전자 또는 이동자와 상기 고정자 사이에서 양측의 공극은, 각 고정자의 권선에 인가되는 전류의 제어를 통해 공극을 유지하는 베어링리스 드라이브에 의하여 유지되며, 상기 베어링리스 드라이브는 상기 회전자 또는 상기 이동자의 무게를 지탱하는데 사용되지 않도록 형성되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

상기 양측 공극에서 쇄교되는 자속의 방향이 축방향인 축자속 기기의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

양측의 각 고정자에 대응하는 회전자 또는 이동자가 각각 구비되어 좌측의 고정자+회전자(또는 이동자) 1 세트와 우측의 고정자+회전자(또는 이동자) 1 세트로 구성되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,

상기 회전자와 상기 고정자가 각각 링 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전기기기가 횡자속 발전기 또는 횡자속 전동기인 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,

상기 전기기기가 종자속 발전기 또는 종자속 전동기인 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 2에 있어서,

상기 회전자와 고정자 사이에서 공극은, 유체 압력 및 부력에 의해 회전자를 지지하는 유체 정압 베어링과, 각 고정자의 권선에 인가되는 전류의 제어를 통해 공극을 유지하는 베어링리스 드라이브에 의하여 유지되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 9에 있어서,

발전기 또는 전동기로서,

고정 구조물에 유체가 채워지는 링 형상의 고정부가 고정 설치되고, 상기 고정부의 내부에는 동심원상에 배치되는 링 형상의 회전부가 설치되며, 상기 고정부의 내측면에 고정자가 설치되고, 상기 회전부의 외측면에는 상기 고정자와 대향된 위치에 회전자가 설치되며, 상기 고정부의 내부에는 공극 유지를 위한 유체가 채워 지고, 상기 회전부는 고정부의 외부로 연장된 연결부를 통해 로터 블레이드와 연결된 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 10에 있어서,

상기 로터 블레이드가 고정부의 외경 쪽으로 배치되어, 상기 회전부가 고정부의 외경 쪽으로 연장된 연결부를 통해 로터 블레이드와 연결되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 10에 있어서,

상기 로터 블레이드가 고정부의 내경 쪽으로 배치되어, 상기 회전부가 고정부의 내경 쪽으로 연장된 연결부를 통해 로터 블레이드와 연결되는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 1에 있어서,

상기 회전자 또는 이동자에서 각 모듈마다 두 개의 영구자석이 구비되되, 상기 두 개의 영구자석 사이에 영구자석의 자속경로를 형성하는 삼각형 단면 모양의 철심이 배치되고,

각 모듈에서 역삼각형 단면 모양의 자속 집중형 철심이 구비되되, 상기 두 개의 영구자석이 상기 자속 집중형 철심의 양측 경사면에 배치되어, 각 영구자석이 자속 집중형 철심의 경사면과 자속경로 유지용 철심의 경사면 사이에 배치되는 구조로 된 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 1에 있어서,

상기 각 모듈은 독립된 기능 및 운전을 수행할 수 있도록 독립된 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 3에 있어서,

상기 권선은 육상경기트랙(racetrack) 모양의 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.
청구항 3에 있어서,

상기 직접구동식의 전기기기는 이동자와 고정자로 구성되는 선형구동의 전기기기인 것을 특징으로 하는 직접구동식의 전기기기.