KR101020104B1 - 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멀티-링 구조의 풍력 발전 유닛에 관한 것이며, 회전축인 샤프트(4)와 상기 샤프트(4)의 회전에 따라 회전하는 회전자(2) 및 상기 회전자(2)에 인접한 고정자(1)를 구비하여 상기 회전자(2)와 고정자(1) 사이에 유도 전력을 발생시키는 풍력 발전기 유닛에 있어서, 상기 고정자(1)는, 고정자 플레이트(7)에 미리 결정된 간격을 가지고 동축적으로 배열된, 각각의 내측면에 전자기장 유도 수단(17, 18)이 장착된 복수의 고정자 링(8, 9, 10)을 구비하며, 상기 회전자(2)는, 회전자 플레이트(12)에 미리 결정된 간격을 가지고 동축적으로 배열되며 각각의 외측면에 전자기장 유도 수단(22, 23)이 장착된 상기 고정자 링의 수와 대응하는 수의 회전자 링(13, 14, 15)을 구비하고, 상기 고정자 링(8, 9, 10) 각각의 외측에 상기 회전자 링(13, 14, 15) 각각이 각각 교호하여 서로 미리 결정된 간격을 가지고 상기 샤프트(4)와 동축적으로 배치된다. 이에 따라 풍력-전력 변환을 위한 발전기 유닛의 회전자와 고정자를 각각 멀티-링 형태로 구성함으로서 컴팩트한 공간 내에서 다수의 동기화된 발전기가 동시에 작동하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있어 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
풍력, 발전기, 멀티-링

Description

멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛{Wind Generator Unit Having Multi-ring Structure}
본 발명은 일반적으로 풍력에 의해 발생된 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위한 풍력 발전기 유닛에 관한 것으로서, 더 상세하게는 풍력-전력 변환을 위한 발전기 유닛의 회전자와 고정자를 각각 멀티-링 형태로 구성함으로서 컴팩트한 공간 내에서 다수의 동기화된 발전기가 동시에 작동하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있어 전력 변환 효율을 향상시킨 새로운 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛에 관한 것이다.
근래 풍력을 이용하여 전기를 생산하기 위한 풍력 발전 장치는 환경친화적이고 상대적으로 경제적인 대체 에너지원으로서 주목받고 있다. 일반적으로 풍력 발전 장치는 바람의 힘에 의하여 회전하는 다수의 블레이드(회전날개)로부터 회전력이 기어박스를 통해 발전기 유닛의 회전자에 전달된다. 발전기 유닛에서는 이 회전자의 회전에 의해 풍력 에너지가 전기 에너지 즉 전력으로 변환된다.
이렇게 전력 변환을 위한 발전기 유닛은 많은 종류가 있으나, 종래 잘 알려져 있는 권선형 회전자 유도 발전기의 형태가 도 8에 도시된다. 도시된 예는 2극 3상 발전기 유닛의 단면으로서 도시되는데, 발전기 유닛(100)은 고정자(101), 회전자(102), 및 상기 회전자 고정자 각각에 감겨진 권선(103, 104)을 포함한다. 또한 풍력 터빈의 회전날개를 기어 박스를 통하여 발전기(100)에 연결시키는 샤프트(105)가 도시되어 있다. 이러한 발전기 유닛(100)은 예컨대 초당 60사이클(60 Hz) 또는 50 Hz의 일정한 주파수를 가지는 교류 전기를 만들어 내기 위하여 일정한 속도로 회전하도록 구성될 수 있다.
종래 풍력 발전의 경제성을 향상시키기 위하여 다양한 제안이 있어 왔으며, 회전 날개의 형상이나 구조를 변경하거나 발전기 유닛의 회전자의 회전 속도를 조절하는 등의 제안이 있었다. 예컨대 대한민국 특허 출원번호 10-2000-7001343 "가변 속도 풍력 터빈 발전기"의 공보에는 풍력 발전기 유닛의 회전자의 토크와 피치를 제어함으로써 전력 생산 효율을 향상시키려는 구성이 개시되어 있다. 그런데, 이러한 종래 풍력 발전기의 구성은 발전기 유닛(100) 자체의 구조를 그대로 둔다는 한계를 여전히 가지고 있다. 따라서 발전기 유닛(100)이 변환하는 전력량은 변하지 않으므로, 이러한 전력량의 질을 높이는 것은 일정한 제한이 있을 수밖에 없는 것이다.
따라서 발전기 유닛 자체의 전력 변환 밀도를 향상시킴으로써 풍력 발전 장치의 총 전력 생산량을 증가시킬 수 있으며, 구조가 컴팩트하고, 과량의 열을 발생시키지 않는 새로운 풍력 발전기 유닛에 대한 요구는 여전히 존재한다.
본 발명은 상술한 종래 단순 구조의 풍력 발전기 유닛 구조의 문제를 개선하기 위하여 고안된 것으로서, 풍력-전력 변환을 위한 발전기 유닛의 회전자와 고정자를 각각 멀티-링 형태로 구성함으로서 컴팩트한 공간 내에서 다수의 동기화된 발전기가 동시에 작동하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있어 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있고, 또한 다수의 고정자 링과 회전자 링이 교호하여 인접한 간격에 축방향으로 공기가 자유로이 통과할 수 있게 함으로써 별도의 통풍 구조를 추가할 필요없이 자체적으로 통풍 구조를 가지는 새로운 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적은 본 발명에 따라 제공되는 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛에 의하여 달성된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛은, 회전축인 샤프트(4)와 상기 샤프트(4)의 회전에 따라 회전하는 회전자(2) 및 상기 회전자(2)에 인접한 고정자(1)를 구비하여 상기 회전자(2)와 고정자(1) 사이에 유도 전력을 발생시키는 풍력 발전기 유닛에 있어서, 상기 고정자(1)는, 고정자 플레이트(7)에 미리 결정된 간격을 가지고 동축적으로 배열되며 각각의 내측면에 전자기장 유도 수단(17, 18)이 장착된 복수의 고정자 링(8, 9, 10)을 구비하며, 상기 회전자(2)는, 회전자 플레이트(12)에 미리 결정된 간격을 가지고 동축적으로 배열되며 각각의 외측면에 전자기장 유도 수단(22, 23)이 장착된 상기 고정자 링의 수와 대응하는 수의 회전자 링(13, 14, 15)을 구비하고, 상기 고정자 링(8, 9, 10) 각각의 외측에 상기 회전자 링(13, 14, 15) 각각이 각각 교호하여 서로 미리 결정된 간격을 가지고 상기 샤프트(4)와 동축적으로 배치되며, 상기 복수의 고정자 링(8, 9, 10)과 각각 대응되는 상기 회전자 링(13, 14, 15)은 각각 하나의 독립적인 발전기 유닛을 이루고, 상기 고정자 플레이트(7)와 상기 회전자 플레이트(12)는 개방 부분을 포함하는 형태로서, 상기 고정자 링(8, 9, 10)과 회전자 링(13, 14, 15) 사이의 간격에 축방향으로 공기가 자유로이 드나들 수 있는 통로를 제공하는 형태인 것을 특징으로 한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 고정자 링에 장착된 전자기장 유도 수단(17, 18)은 적층된 링 형태의 철심과 이 철심의 복수의 위치에 감겨진 권선이며, 상기 회전자 링에 장착된 전자기장 유도 수단은 적층된 링 형태의 철심과 이 철심의 복수의 위치에 설치된 영구자석인 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명의 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛에 따르면, 풍력-전력 변환을 위한 발전기 유닛의 회전자와 고정자를 각각 멀티-링 형태로 구성함으로서 컴팩트한 공간 내에서 다수의 동기화된 발전기가 동시에 작동하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있어 전력 변환 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 다수의 고정자 링과 회전자 링이 교호하여 인접한 간격에는 축방향으로 공기가 자유로이 통과할 수 있으므로 별도의 통풍 구조를 추가할 필요없이 자체적으로 통풍 구조를 가지며 결과적으로 발전기 유닛 내부의 열이 쉽게 발산될 수 있다는 등의 효과를 제공한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛을 구체적인 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛의 전체적인 구조를 보여주는 단면도이고, 도 2 및 도 3은 도 1의 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛을 A방향 및 B방향에서 본 모습을 보여주는 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛은, 회전축인 샤프트(4)와 상기 샤프트(4)의 회전에 따라 회전하는 회전자(2) 및 상기 회전자(2)에 인접한 고정자(1)를 구비하여 상기 회전자(2)와 고정자(1) 사이에 유도 전력을 발생시키는 발전기 유닛에 대한 것이다.
특히 본 발명의 발전기 유닛의 고정자(1) 및 회전자(2)는 멀티-링 구조를 가진다. 멀티-링 구조의 고정자(1)와 멀티-링 구조의 회전자(2)는 발전기 유닛의 서로 대향하는 측면에서, 십자형의 둥근 사이드 커버(3)에 의하여, 동축상으로 장착된다. 도 1의 A방향에서 고정자(1)가 장착되고, 도 1의 B방향에서 회전자(2)가 장착된다. 도 2 및 도 3은 축방향의 양쪽 즉 A방향 및 B방향에서 각각 바라본 모습으로서, 다수의 링 구조가 서로 동축적으로 배열된 모습을 하고 있는 것을 쉽게 알 수 있다.
각각의 부품들은 회전날개의 추력에 의해 회전하는 샤프트(4)에 대해 슬리브(5)를 사용하여 동축적으로 연결될 수 있다. 발전기 유닛을 적절히 제어하기 위 한 회전자 위치 센서(6)가 도 1에 점선으로 표시된 바와 같이 샤프트(4) 상에 장착될 수 있다.
도 4 및 도 5는 도 1에서 각각 고정자(1)와 회전자(2) 만을 추출하여 도시한 것이며, 도 6 및 도 7은 각각 고정자(1)와 회전자(2)의 여러 링 중에서 하나의 링 만을 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발전기 유닛에 있어서, 고정자(1)는, 고정자 플레이트(7)에 미리 결정된 간격을 가지고 동축적으로 배열되며 각각의 내측면에 전자기장 유도 수단(17, 18)이 장착된 복수의 고정자 링(8, 9, 10)을 구비한다. 고정자 플레이트(7)는, 도 4에서 축방향으로 본 모습에서 잘 나타나있는 바와 같이, 십자형태를 가지며 나머지 부분은 열려있는 공간으로 되어 있으므로, 결과적으로 축방향으로 공기가 자유롭게 통과할 수 있게 되어 있다. 고정자 링(8, 9, 10)은 예컨대 볼트(11)에 의하여 고정자 플레이트(7)에 동축적으로 장착될 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 고정자 링(8, 9, 10)은 고정자 플레이트(7)에 예컨대 볼트에 의하여 결합되는 마우팅 부싱(19, 20)과, 이 마운팅 부싱(19, 20)에 장착되는 전자기장 유도 수단(17, 18), 즉 적층된 링 형태의 철심(17)과 이 철심의 소정 부위에 감겨진 권선(18)을 포함할 수 있다. 철심(17)은 예컨대 볼트(21)에 의하여 마운팅 부싱(19, 20)에 결합될 수 있다. 마운팅 부싱(20)은 고정자 플레이트(7)에 결합될 때 볼트(11)가 삽입될 홀(201)이 형성될 수 있다.
도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발전 기 유닛에 있어서, 회전자(2)는, 회전자 플레이트(12)에 미리 결정된 간격을 가지고 동축적으로 배열되며 각각의 외측면에 전자기장 유도 수단(22, 23)이 장착된 상기 고정자 링의 수와 대응하는 수의 회전자 링(13, 14, 15)을 구비한다. 회전자 플레이트(12)는 도 5에서 축방향으로 본 모습에서 잘 나타나있는 바와 같이, 십자형태를 가지며 나머지 부분은 열려있는 공간으로 되어 있으므로, 결과적으로 축방향으로 공기가 자유롭게 통과할 수 있게 되어 있다. 회전자 링(13, 14, 15)은 예컨대 볼트(16)에 의하여 회전자 플레이트(12)에 동축적으로 장착될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 회전자 링(13, 14, 15)은 회전자 플레이트(12)에 예컨대 볼트에 의하여 결합되는 마우팅 부싱(24, 25)과, 이 마운팅 부싱(24, 25)에 장착되는 전자기장 유도 수단(22, 23), 즉 적층된 링 형태의 철심(22)과 이 철심의 소정 부위에 장착되는 영구자석(23)을 포함할 수 있다. 철심(22)은 예컨대 볼트(26)에 의하여 마운팅 부싱(24, 25)에 결합될 수 있다. 마운팅 부싱(25)은 회전자 플레이트(12)에 결합될 때 볼트가 삽입될 홀(251)이 형성될 수 있다.
본 발명에 따라, 고정자 링(8, 9, 10) 각각의 외측에 회전자 링(13, 14, 15) 각각이 각각 교호하여 서로 미리 결정된 간격을 가지고 상기 샤프트(4)와 동축적으로 배치된다. 즉 도시된 예의 경우, 고정자 링(8)과 회전자 링(13)이 하나의 독립적인 발전기 유닛을 이루며, 고정자 링(9)과 회전자 링(14)이 하나의 독립적인 발전기 유닛을 이루며, 또한 고정자 링(10)과 회전자 링(15)이 하나의 독립적인 발전기 유닛을 이룬다. 결과적으로 도시된 예의 발전기 유닛은 서로 동기화된 3개의 독립적인 발전기 유닛이 결합된 유닛의 역할을 할 수 있다. 이에 따라 변환 효율이 크게 향상될 수 있게 된다.
또한 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 고정자 플레이트(7)와 상기 회전자 플레이트(12)는 십자형 형상 즉 개방 부분을 포함하는 형태이다. 이에 따라, 고정자 링(8, 9, 10)과 회전자 링(13, 14, 15) 사이의 좁은 간격에 축방향으로 공기가 자유로이 드나들 수 있는 통로를 제공하게 되는데, 이는 각각의 링 사이에서 전력 변환에 따라 발생하는 열이 쉽게 발산될 수 있도록 한다는 장점을 제공한다.
이상에서는 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 설명하였으나, 당업자라면 본 명세서에서 설명된 여러 가지 특징을 참조하고 조합하여 다양한 변형이 가능하다. 예컨대 회전자 링의 수와 고정자 링의 수, 회전자 링에 부착되는 영구자석의 수, 고정자 링에 부착되는 권선의 수, 방사상의 간격의 크기, 고정자 링 및 회전자링의 축방향 길이, 형상 및 크기 등의 여러가지 파라미터를 다양하게 설정하여 다양한 형태의 변형예를 쉽게 고안할 수 있다. 더 나아가 고정자 플레이트와 회전자 플레이트 및 사이드 커버의 측방향 구조가 도시된 4개의 핀을 가지는 십자형에만 국한되는 것은 아니며 십자 핀 수나 형상에 있어서 다양하게 변형된 형태의 설계가 가능하다. 따라서 본 발명의 범위가 설명된 구체적인 실시예에만 국한되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 함을 지적해둔다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 풍력에 의해 발생된 회전 운동 에너지를 전기 에너지로 변환시키기 위한 풍력 발전기 등의 분야에서 널리 이용가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛의 전체적인 구조를 보여주는 단면도.
도 2 및 도 3은 도 1의 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛을 A방향 및 B방향에서 본 모습을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛 중 고정자 부분만을 보여주는 단면도 및 A방향에서 본 모습을 보여주는 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛 중 회전자 부분만을 보여주는 단면도 및 B방향에서 본 모습을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛 중 고정자의 하나의 링 부분만을 보여주는 단면도 및 A방향에서 본 모습을 보여주는 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛 중 회전자의 하나의 링 부분만을 보여주는 단면도 및 B방향에서 본 모습을 보여주는 도면.
도 8은 종래 권선형 회전자 유도 발전기 형태의 풍력 발전기 유닛의 구조를 보여주는 개략 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 멀티-링 고정자 2 : 멀티-링 회전자
3 : 사이드 커버 4 : 샤프트
5 : 슬리브 6 : 센서
7 : 고정자 플레이트 8, 9, 10 : 고정자 링
11 : 볼트 12 : 회전자 플레이트
13, 14, 15 : 회전자 링 16 : 볼트
17 : 철심 18 : 권선
19, 20 : 마운팅 부싱 21 : 볼트
22 : 철심 23 : 영구자석
24, 25 : 마운팅 부싱 26 : 볼트
201, 251 : 홀

Claims (3)

  1. 회전축인 샤프트(4)와 상기 샤프트(4)의 회전에 따라 회전하는 회전자(2) 및 상기 회전자(2)에 인접한 고정자(1)를 구비하여 상기 회전자(2)와 고정자(1) 사이에 유도 전력을 발생시키는 풍력 발전기 유닛에 있어서,
    상기 고정자(1)는, 고정자 플레이트(7)에 미리 결정된 간격을 가지고 동축적으로 배열되며 각각의 내측면에 전자기장 유도 수단(17, 18)이 장착된 복수의 고정자 링(8, 9, 10)을 구비하며,
    상기 회전자(2)는, 회전자 플레이트(12)에 미리 결정된 간격을 가지고 동축적으로 배열되며 각각의 외측면에 전자기장 유도 수단(22, 23)이 장착된 상기 고정자 링의 수와 대응하는 수의 회전자 링(13, 14, 15)을 구비하고,
    상기 고정자 링(8, 9, 10) 각각의 외측에 상기 회전자 링(13, 14, 15) 각각이 각각 교호하여 서로 미리 결정된 간격을 가지고 상기 샤프트(4)와 동축적으로 배치되며,
    상기 복수의 고정자 링(8, 9, 10)과 각각 대응되는 상기 회전자 링(13, 14, 15)은 각각 하나의 독립적인 발전기 유닛을 이루고,
    상기 고정자 플레이트(7)와 상기 회전자 플레이트(12)는 개방 부분을 포함하는 형태로서, 상기 고정자 링(8, 9, 10)과 회전자 링(13, 14, 15) 사이의 간격에 축방향으로 공기가 자유로이 드나들 수 있는 통로를 제공하는 형태인 것을 특징으로 하는, 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자 링(8, 9, 10)에 장착된 전자기장 유도 수단(17, 18)은 적층된 링 형태의 철심(17)과 권선(18)이며, 상기 회전자 링(13, 14, 15)에 장착된 전자기장 유도 수단(22, 23)은 적층된 링 형태의 철심(22)과 영구자 석(23)인 것을 특징으로 하는, 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛.
  3. 삭제
KR1020080026018A 2008-03-20 2008-03-20 멀티-링 구조의 풍력 발전기 유닛 KR101020104B1 (ko)

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