KR101043795B1 - 전기 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 아치형 고정자, 및 상기 고정자 내에 장착된 원통형 회전자를 구비하며, 영구자석 방사형 자속 동기식 전기 기계의 경우에서와 같이 자속이 상기 고정자와 상기 회전자 사이에서 흐르는 전기 기계에 있어서, 상기 고정자는 각각 독립적 고정자 코어와 권선을 구비하는 고정자 세그먼트(2)로 구성되어 있고, 상기 고정자 세그먼트는, 상기 고정자가 상기 회전자의 반경에 따라 아치형으로 되고, 선형 기계처럼 전자기적으로 독립적으로 작동되는 상기 고정자 세그먼트로 구성되도록, 서로 물리적으로 분리되도록 배치되어 있으며, 상기 고정자 세그먼트 각각은 고정자 코어, 및 다른 상기 고정자 세그먼트로부터 분리된 권선을 구비하고, 상기 고정자 세그먼트는, 상기 고정자 코어로부터 분리되고, 여러 개의 종방향 리브(41), 및 상기 리브(41)들 사이에 있는 부품(42)으로 구성된 오버헤드 지지 프레임 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계를 제공한다.

고정자, 회전자, 전기 기계, 고정자 코어, 권선, 고정자 세그먼트, 선형 기계, 리브, 부품, 오버헤드 지지 프레임 구조.

Description

전기 기계{ELECTRIC MACHINE}

본 발명은 선형 기계처럼 작용하는 고정자 세그먼트들로 구성되는 고정자를 가진, 영구 자석 방사형 자속 동기식 전기 기계처럼 작동하는 기계에 관한 것이다.

종래의 풍력 발전소에서, 풍력 회전자는 일반적으로 기어 시스템을 통해 1개, 드물게는 2개의 발전기를 구동한다. 대형 풍력 발전소에서 풍력 회전자가 통상적으로 10 내지 20rpm으로 회전할 때, 기어 시스템은 100에 가까운 기어비를 가져 발전기에 예를 들면 1500rpm의 회전 속도를 준다. 단일 기어 유성 기어 시스템을 가진 풍차에서, 기어비는 10에 가까워서, 발전기는 통상적으로 150 내지 250rpm으로 회전한다. 현재 공지되어 있는 다른 형태의 발전기는 소위 직접 구동식 발전기로서, 이는 기어 시스템이 전혀 사용되지 않고, 풍력 회전자가 전기 기계의 회전자에 직접 연결되는 것을 뜻한다.

직접 구동식 방사형-자속 발전기는 공보 WO-A1-00/60719호에 개시되어 있는데, 풍력 회전자의 샤프트에 직접 결합될 수 있는 풍력 발전기를 기술하고 있다. 상기 발전기는 개별적으로 그리고 서로에 대해 독립적으로 장착, 수리 및 제거될 수 있는 복수의 개별적 고정자 모듈로 구성된 고정자를 구비한다. 이것은 풍력 발전소, 특히 발전기의 설치를 쉽게 하는데, 고정자가 작은 부품으로 운반되고 정위치에 장착될 수 있기 때문이다.

공보 WO-A1-03/073583호는 권선이 제공된 고정자와 회전자를 가진 모듈식 동기 풍력 발전기를 개시하고 있으며, 회전자와 고정자 모두는 별개의 모듈로 구성된다. 상기 모듈에서, 고정자와 회전자는 모두 서로 중첩된 세그먼트 플레이트들로 구성된다.

상술한 공보 WO-A1-03/073583에서, 연속적 고정자 링을 구축하는 방법이 기술되어 있다. 청구범위에 따르면, 고정자 링은 적어도 2개의 부품으로 분할되어 있다. 도 4는 특히 연속적 링을 형성하기 위해 링 세그먼트들이 함께 록킹되는 방법을 도시한다. 링 세그먼트들은 각각의 단부에 정확하게 치형부(tooth)의 절반을 구비하여, 이들이 모여서 하나의 완전한 치형부를 형성한다. 이러한 해결방안에 의해, 풍력 발전기는 현장에서 세그먼트들로부터 조립되고, 케이블이 권선될 수 있으며, 이에 따라, 통상적인 많은 엔지니어링 작업이 반드시 필요하지 않게 된다.

종래기술의 풍력 발전기에서의 단점은 비교적 복잡하고 무거운 구조라는 것이다. 또한, 개별적 고정자와 회전자 모듈의 열팽창 및 다른 유사한 요인들은 발전기의 설치 및 작동에 어려움을 야기한다.

본 발명의 목적은 종래기술의 단점을 극복하고, 이론상 독립적이며, 기구적으로 접선 방향으로 연속되어 연결되었을 때, 통상적인 세그먼트 구조처럼 보이지만, 연속적 고정자 구조를 가진 특허출원 WO 03/073583에 따른 기계와는 기능적으로 현저히 다른 구조를 형성하는 선형 기계를 이용하는 해결방안을 얻는 것이다.

본 발명은, 전기 기계의 고정자가, 상기 전기 기계의 지지 구조물의 일부가 되는 연속적 링을 형성하지 않는, 선형 기계를 닮은 2개 이상의 개별적 독립 세그먼트들로 구성되는 원리에 기초한다. 따라서, 상기 기계에 나타나는 힘들은 특수 지지 구조물에 의해 상쇄된다. 종래기술의 해결방안에서, 고정자 코어는, 플레이트들을 적층한 플레이트들로 조립되어서, 자력의 "아치형" 지탱부로 기능하는 연속적 링 구조물을 형성한다.

본 발명에 따르면, 선형 기계는 선형 기계의 자기 회로를 형성하는, 예를 들면 5개의 병렬 고정자 플레이트 팩들을 사용하여 구현된다.

본 발명의 선형 기계는 모든 힘을 지탱하는 지지 구조물에 예를 들면 T-바에 의해 고정된다. 종래기술의 해결방안에서, 고정자 세그먼트들은 일반적으로 후방부가 상기 기계의 프레임 구조물에 용접되어 있는 연속적 링을 형성하도록, 중첩되어 조립된다. 이에 따라, 고정자 팩은 자력의 지지에 관여하는 "아치형"을 형성하게 된다.

종래의 기계의 자기 코어와는 달리, 선형 기계의 자기 코어들이 전기 기계의 자력을 지지하는 것에 관여하지 않기 때문에, 이미 자화된 영구자석 회전자 주위에 고정자 전체를 조립할 수 있다. 이렇게 고정자가 독립적 선형 기계로 구성되기 때문에, 필요시에 이들 각각이 작동정지되거나 교체될 수 있다.

또한, 경량 구조물과 효율적인 냉각이 달성되며, 개별 고정자 세그먼트들의 열팽창의 차이에 의해 발생되는 단점들이 제거될 수 있다.

본 발명에 따른 풍력 발전기의 특징들은 이하의 청구범위에 상세하게 나타나 있다.

도 1은 본 발명에 따른 직접 구동 풍력 발전기를 도시한다.

도 2는 본 발명에 따른 직접 구동 풍력 발전기의 단면도이다.

도 3은 회전자를 도시한다.

도 4는 고정자 세그먼트와 그 지지 구조물을 도시한다.

도 5는 자속 브리지를 도시한다.

도 6은 고정자 팩의 자기 회로의 프레임을 도시한다.

도 7은 영구자석을 도시한다.

도 8은, 각각의 세그먼트를 독립적인 것이 되게 하고, 세그먼트들이 서로 작은 간격을 두고 위치될 수 있게 하도록, 예를 들면 영구자석 방사형 자속 발생기의 고정자 세그먼트의 권선을 실시하기 위한 본 발명에 따른 장치를 도시한다.

도 9는 세그먼트의 단부들의 구조를 실시하기 위한 다른 대안을 도시한다.

아래에서, 본 발명을 실시예와 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는, 실질적으로 영구자석 방사형 자속 동기식 전기 기계처럼 작용하며, 풍력 발전소에 이용하기 위해 디자인된 직접 구동식 3상 발전기를 도시한다. 상기 발전기에서, 자속은 영구자석 방사형 자속 동기식 전기 기계의 경우와 같이 고정자와 회전자 사이에서 반경 방향으로 흐르며, 외부 아치형 고정자는, 실제로 독립적으로 작동하고, 권선되었을 때에는 선형 기계라고 지칭될 수 있는 세그먼트들로 구성된다. 고정자는 접선 방향으로 연속되어 나란히 연결되는, 예를 들면 12개의 선형 기계들을 포함하고, 발전기는 단부 플레이트(3)가 설치되는 원통형 케이싱(8), 고정자(2), 회전자(1), 외부 케이블(7), 및 발전기의 단부에 배치되는 파이프를 구비한 냉각 시스템(6)을 구비한다. 회전자(1)는 풍력 회전자의 샤프트(도시되지 않음)에 직접 결합될 수 있다.

상기 발전기는 영구자석 동기식 발전기이며, 회전자는 원통형 외곽부(31)를 포함하며, 프레임은, 플레이트형 단부 플레이트부(32), 상기 단부 플레이트부(32)들 사이의 플랜지부(33), 및 풍력 회전자의 샤프트에 연결하기 위한 튜브형 중심 샤프트(34)로 구성되는 셀형(cellular) 구조이다. 원통형 회전자(1)는 고정자 내에 장착되며, 그 표면에 고정되는 영구자석들(35)을 구비하므로(도 7 참조), 권선이 전혀 필요 없다.

고정자는 복수의 선형 기계 세그먼트들(2), 예를 들면 12개의 세그먼트들(도 4 참조)을 구비하며, 각각의 세그먼트는 서로 작은 간격을 두고 배치되며 그 위에 셀형 지지 프레임 구조물(40)을 구비하고, 상기 프레임 구조물(40)은, 발전기의 종방향으로 놓이는 브리지 빔을 닮은 복수의 천공 리브들(41), 및 그 천공 리브들(41)들 사이에 배치되는 스페이서 부품들(42)로 구성되며, 고정자 세그먼트들에는, 각각의 고정자 세그먼트 내에 장착되는 형상(profiled) 구리 권선(44)이 설치된 연속적인 고정자 권선 코어(43)가 설치되고, 상기 코어는 권선용 슬롯들(47)과 슬롯 쐐기들(48)을 구비하며, 상기와 같이 형성된 고정자 팩은, 예를 들어 팩 내에 포함되어 있는 T-바(45) 및 프레임 내에 제공되어 있는 대응 부재(46)를 구비하는 간단한 가동 구속부재에 의해 프레임에 고정된다(도 5 및 도 6).

본 발명의 해결방안에서, 자속 브리지는, 나사(screw)를 이용하여 하향 개방 종방향 U-채널 빔(51)을 오버헤드 프레임 구조물에 고정시킴으로써 선형 기계를 필요시에 상술한 오버헤드 프레임 구조물을 따라 발전기에 연결하기 위해 세그먼트들 사이에 설치되며, 상기 채널 빔에, 고정자 세그먼트들 사이의 갭을 가로질러 회전 자계를 유지하는 자속 브리지 바(53)가 배치된다(도 5 참조). 선형 기계들 사이의 불연속성은 도 9에 도시된 구조물을 사용하여 제거될 수 있는데, 여기에서 자기 회로의 철부(iron part)가 선형 기계의 양쪽 단부에서 넓어져(49), 기계들 사이의 자기저항이 감소된다. 선형 기계는 접선 방향으로 연속적으로 더욱 양호하게 결합되고, 조립체는 대형 회전 자계 기계(rotary-field machine)를 닮기 시작한다.

도 8에 도시된 본 발명의 해결방안에서, 고정자 세그먼트의 에지에 있는 권선은 슬롯의 일부만 채운다. 예를 들면 권선은 각각의 위상(U, V, W)에 있어서, 제1 및 마지막 슬롯(2)이 반만 채워진 상태가 되도록 배치될 수 있다. 다시 말해서, 마지막 슬롯에서 시작 단부에 있는 슬롯으로 복귀되어야 하는 마지막 코일이 장착되지 않은 상태로 남는다. 절반-코일 다이어몬드 권선 장치(3)를 사용함으로써, 상기 권선의 단부는 서로 다른 위상들 사이에서 대칭으로 되며, 이에 따라, 위상 인덕턴스에 큰 차이가 발생하지 않는다. 코일 단부는 에지 와이즈 권선(edgewise winding)에 비하여 용이하게 형성될 수 있고, 세그먼트의 시작 단부에 있는 제1 슬롯에 복귀 리드가 필요하지 않기 때문에, 코일 단부에서의 공간이 절약될 수 있다. 또한, 권선은 교차 컨덕터를 포함하지 않아, 코일 단부가 짧게 될 수 있다.

본 발명의 해결방안은 선형 기계들의 단부 영역에서 자장의 세기를 감소시켜(기계들 사이에 자기 불연속성이 존재함), 선형 기계의 단부 현상이 감쇄된다.

기계는 다음과 같이 조립된다.

1. 베어링과 플레이트가 회전자 상에 장착된다.

2. 힘을 제어할 수 있는 특수 툴을 이용하여 영구자석이 회전자에 장착된다.

3. 고정자 세그먼트가 유압식으로 또는 다른 적절한 제어된 방법으로 구속되면서 회전자에 인접한 위치에 한번에 하나씩 조심스럽게 위치된다.

4. 고정자의 지지 구조물이 단부 실드(shield)에 고정된다.

이러한 구조 및 이러한 조립 절차는 어떠한 장소에서도 기계를 건조할 수 있게 하며, 별도의 기계 공장을 필요로 하지 않는다.

본 발명의 여러 가지 다른 실시예는 상기 실시예에 제한되지 않고, 아래에 기술되는 청구범위의 범위 내에서 변경될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다. 연속적 팩으로 구성되는 세그먼트 외에도, 고정자 세그먼트는 단일 부재로부터 조립될 수 있다. 또한, 예를 들면 부분 부하가 걸리는 때에, 고정자의 일부 선형 기계가 상기 기계로부터 제거되거나, 작동되지 않도록 연결이 해제될 수 있고, 그 경우에 상기 기계는 하나 이상의 세그먼트 없이도 작동된다.

Claims (10)

1. 아치형 고정자 및 상기 고정자 내에 장착된 원통형 회전자를 구비하며,

   영구자석 방사형 자속 동기식 전기 기계의 경우에서와 같이 자속이 상기 고정자와 상기 회전자 사이에서 반경방향으로 흐르는 전기 기계로,

   상기 전기 기계의 고정자는 각각 독립의 고정자 코어와 권선을 구비하는 고정자 세그먼트들(2)로 구성되어 있고,

   상기 고정자 세그먼트들은, 서로 물리적으로 분리 배치되어, 상기 고정자가 상기 회전자의 반경에 따라 아치형으로 되고, 상기 고정자 세그먼트 각각은 전자기적으로 독립적으로 작동되는 선형 기계를 형성하며,

   상기 고정자 세그먼트 각각은 고정자 코어, 및 다른 고정자 세그먼트로부터 분리된 권선을 구비하고,

   상기 고정자는, 상기 고정자 코어로부터 분리되고, 복수의 종방향 리브들(41), 및 인접하는 상기 리브들 사이에서 접선방향으로 연장하는 스페이서 부품들(42)로 구성된 오버헤드 지지 프레임 구조물을 포함하는 전기 기계에 있어서,

   각 고정자 세그먼트의 권선은, 고정자 세그먼트의 중앙부에 위치하는 권선 슬롯들에 비해 상기 고정자 세그먼트의 에지에 위치하는 권선 슬롯들을 덜 채우도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
2. 제1항에 있어서,

   상기 오버헤드 지지 프레임 구조물은, 고정자 세그먼트들로 형성된 상기 선형 기계들의 단부 현상을 제거하기 위해 상기 선형 기계들 사이에 배치된 자속 브리지 요소(53)를 갖거나, 자기 회로가 동일한 효과를 발생시키기 위해 상기 선형 기계들의 단부들 사이에서 확장된(49) 것을 특징으로 하는 전기 기계.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   고정자 세그먼트들로 형성된 상기 선형 기계의 고정자 팩은 T-바에 의해 상기 오버헤드 지지 프레임 구조물에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   고정자 세그먼트의 에지에 있는 고정자 슬롯들을 채우는 슬롯의 비율이 최대 50%인 것을 특징으로 하는 전기 기계.
8. 제1항에 있어서,

   전기 기계는 3상(U, V, W) 전기 기계이고, 각각의 위상(U, V, W)을 위한 제1 및 마지막 슬롯은 부분적으로만 채워진 것을 특징으로 하는 전기 기계.
9. 삭제
10. 삭제

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