KR101054155B1 - 발전기 내의 로터 및 로터용 댐퍼 권선 - Google Patents

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Abstract

전기 기계 내의 로터(10)는 적어도 2개의 극을 갖는 자기 코어(11)와, 각각의 극에 대해 하나씩 대응하는 복수의 권선 조립체(21, 22)와, 자기 코어(11) 및 권선 조립체(21, 22)의 적어도 일부를 둘러싸는 댐퍼 권선(30)을 포함한다. 댐퍼 권선(30)은 (i) 자기 코어(11)의 회전축(12)에 동심인 복수의 전기 전도성 링(33)과 (ii) 자기 코어(11)의 회전축(12)에 평행하게 연장되고 각각의 링(33)에 연결된 복수의 바아(31, 32)를 갖는다. 각각의 바아(31, 32)의 반경방향 외측 표면은 각각의 링(33)의 반경방향 내측 표면에 각기 연결되어 있다. 자기 코어(11)의 스핀들(18)은 자기 코어(11)의 직축(直軸)에 수직하게 연장된 제 1 및 제 2 평면(18a, 18b)을 갖는다. 자기 코어(11)는 횡축(橫軸)을 따라 대향 방향으로 연장하는 제 1 및 제 2 돌출부(15, 17)를 포함할 수도 있다.

Description

발전기 내의 로터 및 로터용 댐퍼 권선{OPTIMIZED DRIVE TRAIN FOR A TURBINE DRIVEN ELECTRICAL MACHINE}
도 1은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 전기 기계(electrical machine) 내의 예시적인 로터 몸체 코어(rotor body core)의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 로터 몸체 코어의 단면도,
도 3은 다극 자기 코어(multi-pole magnetic core)와 복수의 권선 조립체(winding assemblies)를 갖는 로터의 부분 사시도,
도 4는 로터 몸체의 평행한 양 표면으로부터 연장하는 반원 형상의 돌출부(projections)를 갖는 전기 기계의 로터 몸체 코어의 다른 실시예를 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 복수의 전기 전도성 링(conductive rings)과 복수의 축방향의 바아(bar)를 갖는 댐퍼 권선(damper winding)의 측면도,
도 6은 도 5에 도시된 댐퍼 권선의 단부도,
도 7은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 스테이터(stator)와 로터를 구비하는 발전기(generator)와 같은 전기 기계의 단면도.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
10 : 로터 11 : 자기 코어
14 : 자기 코어(11)의 제 1 평행면
16 : 자기 코어(11)의 제 2 평행면
15, 115 : 평행면(14)의 제 1 돌출부
17, 117 : 평행면(16)의 제 2 돌출부
18 : 스핀들 18a : 스핀들(18)의 제 1 평면
18b : 스핀들(18)의 제 2 평면 21, 22 : 권선 조립체
30 : 댐퍼 권선 31, 32 : 바아
31a, 32a : 바아(31, 32)의 돌출 탭 33 : 전도성 링
본 발명은 발전기(그러나 이에 한정되지 않음)와 같은 전기 기계에 관한 것으로, 특히 강성 불균형(stiffness dissymmetry)을 교정하는 로터를 갖는 발전기 로터(generator rotor)에 관한 것이다.
로터와 스테이터를 갖는 종래의 발전기에 있어서, 로터에는 일반적으로 전원(current source)으로부터 전류가 공급되는 동안 발전기를 가동시키는 계자 권선(field windings)이 구비되어 있다. 스테이터는 전력을 출력하는 전기자 권선(armature windings)을 구비한다. 일반적인 로터 구조는 밀링 가공되어 발전기 로터에 형성된 반경방향의 교차 슬롯(cross-slot) 내에 계자 권선이 바아와 평행하게 조립되는 것을 필요로 한다. 밀링 가공되어 로터 몸체에 형성된 슬롯 내에 로터 계자 권선의 설치는 일반적으로 로터 웨지(wedge), 로터 치형부(teeth)와 유지 링(retaining rings)을 사용함으로써 이루어진다.
밀링 가공되어 발전기 로터에 형성된 슬롯은 로터 몸체의 길이를 따라서 단계적인 강성 변화를 야기한다. 이러한 강성의 변화는 이들 슬롯에 걸쳐있는 부품의 마멸(fretting)의 원인이 될 수 있다. 전력 시스템 장애(disturbance)에 따른 로터의 가동은, 일반적으로 원심 하중에 의해 로터 계자 권선이 로터 슬롯 외부로 들어올려지는 것을 방지하는 로터 웨지의 도브테일(dovetail)을 통해 댐퍼 회로(damper circuit)를 제공함으로써 역점을 두어 다루어졌다. 인접한 로터 슬롯 사이의 회로는 각각의 로터 몸체 단부에서 유지 링 아래에 놓이는 단락 스트랩(shorting strap)을 제공함으로써 완성되었다.
터빈-구동 발전기의 동력 전달 계통(turbine-driven generator drive train)의 동적 성능(dynamic performance) 및 시스템 가동은 그 구성 부품의 강성, 질량 및 특정한 구조에 의존하는 바가 크다. 그러므로, 구성 부품의 특성 및 성능을 조정하여 발전기의 동력 전달 계통의 성능을 최적화시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 로터 몸체의 강성을 조절하여 로터 몸체의 강성의 불균형을 교정함으로써 발전기의 동력 전달 계통의 특성 및 성능을 조정할 수 있는 것이 바람직하다. 또한, 발전기의 로터와 스테이터 사이의 공극(air gap)을 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 있어서, 전기 기계 내의 로터는 적어도 2개의 극을 갖는 자기 코어와, 각각의 극에 대해 하나씩 대응하는 복수의 권선 조립체와, 자기 코어 및 권선 조립체의 적어도 일부를 둘러싸는 댐퍼 권선을 포함한다. 댐퍼 권선은 (i) 자기 코어의 회전축에 동심인 복수의 전기 전도성 링과 (ii) 자기 코어의 회전축에 평행하게 연장되고 각각의 링에 연결된 복수의 바아를 갖는다. 각각의 바아의 반경방향 외측 표면은 각각의 링의 반경방향 내측 표면에 각기 연결되어 있다. 적어도 하나의 바아는 링의 내측 표면을 지나서 연속하는 링 사이에 형성된 간격 내로 반경방향으로 연장하는 복수의 돌출 탭(projection tabs)을 포함할 수도 있다. 복수의 링은 적어도 3개의 링을 포함할 수도 있다. 또한, 자기 코어는 이 자기 코어의 직축(直軸)(direct axis)에 수직으로 연장된 제 1 및 제 2 평면을 갖는 스핀들을 포함할 수도 있다. 자기 코어는 이 자기 코어의 횡축(橫軸)(quadrature axis)에 실질적으로 수직하게 연장된 제 1 및 제 2 평행면과, 제 1 평행면에 연결되고 횡축을 따르는 방향으로 제 1 평행면을 지나서 연장하는 제 1 돌출부와, 제 2 평행면에 연결되고 횡축을 따르는 방향이지만, 제 1 돌출부가 연장하는 방향과는 대향되는 방향으로 제 2 평행면을 지나 연장하는 제 2 돌출부를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 돌출부는 제 1 및 제 2 평행면에 각기 일체식으로 연결될 수도 있다. 제 1 및 제 2 돌출부는 사다리꼴 또는 반원 형상의 단면을 각각 가질 수도 있다.
본 발명의 또 다른 예시적인 실시예에 있어서, 자기 코어와 복수의 권선 조립체를 갖는 로터 내의 댐퍼 권선은, 자기 코어의 회전축에 동심으로 배열되고 자기 코어 및 권선 조립체의 반경방향 외측에 배열된 복수의 전기 전도성 링과, 자기 코어의 회전축에 평행하게 연장되고 각각의 링에 연결된 복수의 바아를 포함한다. 각각의 바아의 반경방향 외측 표면은 각각의 링의 개별 반경방향 내측 표면에 연결되어 있다. 적어도 하나의 바아는 링의 내부 표면을 지나서 연속하는 링 사이에 형성된 간격 내로 반경방향으로 연장하는 복수의 돌출 탭을 포함할 수도 있다. 복수의 링은 적어도 3개의 링을 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 로터는 복수의 권선 조립체와 적어도 2개의 극을 갖는 자기 코어를 포함하며, 각각의 극은 각각의 권선 조립체에 결합된다. 자기 코어는 자기 코어의 횡축에 실질적으로 수직하게 연장된 제 1 및 제 2 평행면과, 제 1 평행면에 연결되고 횡축을 따르는 방향으로 제 1 평행면을 지나서 연장되는 제 1 돌출부와, 제 2 평행면에 연결되고 횡축을 따르는 방향이지만, 제 1 돌출부가 연장하는 방향과는 대향되는 방향으로 제 2 평행면을 지나 연장되는 제 2 돌출부를 포함한다. 제 1 및 제 2 돌출부는 제 1 및 제 2 평행면에 각기 일체식으로 연결될 수도 있다. 제 1 및 제 2 돌출부는 사다리꼴 또는 반원 형상의 단면을 각각 갖는다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 전기 기계 내의 로터는 복수의 권선 조립체와 적어도 2개의 극을 갖는 자기 코어를 포함하고, 각각의 극은 각각의 권선 조립체에 결합되며, 이 자기 코어는 자기 코어의 직축에 수직하게 연장된 제 1 및 제 2 평면을 갖는 스핀들을 포함한다. 자기 코어는 자기 코어의 횡축에 실질적으로 수직하게 연장된 제 1 및 제 2 평행면과, 제 1 평행면에 연결되고 횡축을 따르는 방향으로 제 1 평행면을 지나서 연장되는 제 1 돌출부와, 제 2 평행면에 연결되고 횡축을 따르는 방향이지만, 제 1 돌출부가 연장하는 방향과는 대향되는 방향으로 제 2 평행면을 지나 연장되는 제 2 돌출부를 더 포함한다. 제 1 및 제 2 돌출부는 사다리꼴 또는 반원 형상의 단면을 각각 가질 수도 있다.
도 1 내지 도 3은 전기 발전기(그러나 이에 한정되지 않음)와 같은 전기 기계를 도시한다. 본 발명을 제한함이 없이 기술(記述)이 용이한 발전기로서 하기에 언급된 전기 기계는 다극 자기 코어(11)(2개의 극이 도시됨)와, 각각의 극에 대해 하나씩 대응하는 복수의 권선 조립체(21, 22)를 구비하는 발전기 로터(10)를 포함한다. 로터 코어(11)는 이 로터 코어(11)를 따라 종방향으로 연장된 회전축(12)을 갖는다. 회전축(12)은 로터 코어(11)의 직축(direct axis)("d-axis")과 횡축(quadrature axis)("q-axis") 사이의 교차점에 위치된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 횡축은 로터 코어(11)의 직축 및 회전축(12) 양자에 수직이다. 발전기 내의 자기 회로의 자기 저항(reluctance)은 대부분의 자속(flux)이 이동하는 직축을 따라서 발전기 로터와 스테이터 사이의 간격 크기에 가장 민감하고 횡축을 따라서는 덜 민감하다. 반면에, 원심 하중은 주로 횡축을 따라서 분포된다.
코어(11)는 대향하는 평면(18a, 18b)을 갖는 스핀들(18)을 포함한다. 평면(18a, 18b)은 횡축에 평행하게 연장되고, 그에 따라 직축에 수직이다. 평면(18a, 18b)은 코어(11)의 강성 불균형을 수정할 수 있다.
또한 코어(11)는 직축에 평행하게 연장되며 그에 따라 횡축에 수직으로 연장되는 2개의 대체로 평평한 표면(14, 16)을 포함한다. 돌출부(15, 17)는 평행한 평평한 표면(14, 16)의 외측으로, 각기 횡축을 따라 반대 방향으로 연장된다. 돌출부(15)는 표면(14)에 일체식으로 연결되고 횡축 방향으로 표면(14)을 지나 연장된다. 돌출부(17)는 표면(16)에 일체식으로 연결되고 돌출부(15)와는 반대 방향으로 횡축을 따라 표면(16)을 지나 연장된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 각각의 돌출부(15, 17)는 사다리꼴 단면 형상을 갖는다. 변형예로서, 돌출부는 도 4에 도시된 돌출부(115, 117)와 같이 반원 형상을 가질 수도 있다. 돌출부(15, 17)[또는 돌출부(115, 117)]는 로터 코어(11)의 강성 불균형에 대해 추가적인 교정을 제공할 수 있다. 따라서, 로터의 동력 전달 계통(예를 들어, 가스 터빈-구동 로터의 동력 전달 계통)의 동적 성능은, 평면(18a, 18b)의 형상을 통해 로터 스핀들(18)의 강성을 조정함으로써 또 로터 코어(11)의 몸체로부터 표면(14, 16)을 지나 외측으로 돌출부(15, 17)를 형성함으로써 향상될 수 있다. 그에 따라, 로터의 동력 전달 계통의 성능은 코어(11)의 강성, 질량 및 구조를 조정함으로써 최적화될 수 있다.
도 5 내지 도 7은 일련의 전기 전도성 링(33), 축방향 바아(31)[도 5 내지 도 7에 도시된 예시적인 실시예에 있어서 5개의 축방향 바아(31)가 도시됨]의 제 1 세트(set), 및 축방향 바아(32)[도 5 내지 도 7에 도시된 예시적인 실시예에 있어서 5개의 축방향 바아(32)가 도시됨]의 제 2 세트를 포함하는 댐퍼 권선(30)을 도시한다. 각각의 전도성 링(33)은 회전축(12)에 동심이고 코어(11) 및 로터 권선 조립체(21, 22)의 축방향 길이를 따라 반경방향 외측으로 배열된다. 축방향으로 연장된 바아(31, 32)는 링(33)과 함께 연결되어 전기 전도성 원통형 그리드(grid)로 구성된 댐퍼 권선을 형성한다. 특히, 바아(31, 32)의 반경방향 외측 표면은 링(33)의 반경방향 내측 표면에 연결된다.
각각의 축방향 바아(31)는 반경방향 외측으로 연장된 복수의 일체형 돌출 탭(31a)을 포함한다(도 5 및 도 6 참조). 마찬가지로, 각각의 바아(32)는 반경방향 외측으로 연장된 복수의 돌출 탭(32a)을 포함한다(도 5 및 도 6 참조). 돌출 탭(31a)은 각각의 바아(31)의 반경방향 외측 표면을 규정하고 돌출 탭(32a)은 각각의 바아(32)의 반경방향 외측 표면을 규정한다. 각각의 돌출 탭(31a, 32a)은 링(33)의 반경방향 내측 표면을 지나, 연속하는 링(33) 사이에 형성된 간격 내로 돌출한다. 돌출 탭(31a, 32a)은 링(33)의 위치가 축방향으로 적절하게 위치되도록 한다. 그에 따라, 댐퍼 권선의 생산은 최적화될 수 있다.
도 7에 도시된 바와 같이, 댐퍼 권선(30)은 로터 몸체(11)와 권선 조립체(21, 22)를 포함하는 로터의 다른 부분을 감싸도록 배열된다. 몸체(11)와 권선 조립체(21, 22) 둘레로 댐퍼 권선(30)을 배열함으로써, 권선 조립체(21, 22)는 원심 하중에 의해 코어(11)의 외측으로 들어올려지는 것에 대해 저항할 수 있어 권선 조립체(21, 22)는 스테이터(40)로부터 유도되는 고조파(harmonic currents)로부터 보호될 수 있다. 또한, 댐퍼 권선(30)은 불균형(예를 들면, 비대칭) 힘 부하(force load)의 회전에 따른 힘을 감소시키며 로터 조파(rotor hamonics)를 감소시킨다.
도 7에 도시된 바와 같이, 스테이터(40)는 코어(11), 권선 조립체(21, 22) 및 댐퍼 권선(30)을 포함하는 로터(10)를 감싸고 있다. 공극(42)은 로터(10)와 스테이터(40) 사이에 형성된다. 로터(10)는 회전축(12)을 중심으로 회전하여 전력을 발생시킨다. 복합물 인클로저(composite enclosure)를 구비한 로터의 특별한 일 적용에서, 로터와 스테이터 사이의 마그네틱 결합의 강성은 공극을 크게 함으로써 개선될 수 있다. 이것은 복합물 인클로저를 구비한 로터 구조체의 보다 향상된 전류 이송 능력의 결과로서 성취될 수도 있다.
본 발명은 현재 가장 실용적이고 바람직한 실시예로 생각되는 것과 관련하여 기술되었지만, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되는 것이 아니라, 첨부된 특허 청구의 정신과 범위 내에서 다양한 변형 및 등가의 구성을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 코어(11) 내의 강성 불균형을 수정할 수 있으며, 로터의 동력 전달 계통(예를 들어, 가스 터빈-구동 로터의 동력 전달 계통)의 동적 성능은 평면(18a, 18b)의 형상을 통해 로터 스핀들(18)의 강성을 조정함으로써 및 로터 코어(11)의 몸체로부터 표면(14, 16)을 지나 외측으로 돌출부(15, 17)를 형성함으로써 개선될 수 있다. 그에 따라, 로터의 동력 전달 계통의 성능은 코어(11)의 강성, 질량 및 구조를 조정함으로써 최적화될 수 있다.
몸체(11)와 권선 조립체(21, 22) 둘레로 댐퍼 권선(30)을 배열함으로써, 권선 조립체(21, 22)는 원심 하중에 의해 코어(11)가 외측으로 들어올려지는 것에 대 해 저항할 수 있어 권선 조립체(21, 22)는 스테이터(40)로부터 유도되는 높은 조화 전류로부터 보호될 수 있다.

Claims (10)

  1. 자기 코어(11) 및 복수의 권선 조립체(21, 22)를 구비하는 로터(10)용 댐퍼 권선(30)으로서,
    상기 자기 코어(11)의 회전축(12)과 동심으로, 상기 자기 코어(11) 및 상기 권선 조립체(21, 22)의 반경방향 외측에 배치되는 복수의 전기 전도성 링(33)과,
    상기 자기 코어(11)의 회전축(12)에 평행하게 연장되는 복수의 바아(31, 32)로서, 상기 바아(31, 32)의 각각의 반경방향 외측 표면이 각각의 상기 전기 전도성 링(33)의 각 반경방향 내측 표면에 연결되는, 상기 복수의 바아(31, 32)를 포함하는, 상기 로터(10)용 댐퍼 권선(30)에 있어서,
    상기 복수의 바아(31, 32) 중 적어도 하나는 연속하는 링(33) 사이에 형성되는 간극 내로 상기 전기 전도성 링(33)의 내측 표면을 지나서 반경방향으로 연장되는 복수의 돌출 탭(31a, 32a)을 포함하는 것을 특징으로 하는
    로터용 댐퍼 권선.
  2. 발전기 내의 로터(10)에 있어서,
    적어도 2개의 극을 갖는 자기 코어(11)와,
    각각의 극에 하나씩 대응하는 복수의 권선 조립체(21, 22)와,
    제 1 항에 따른 댐퍼 권선(30)을 포함하는
    발전기 내의 로터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 전기 전도성 링(33)은 적어도 3개의 링(33)으로 이루어져 있는
    발전기 내의 로터.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 자기 코어(11)는 상기 자기 코어(11)의 직축(直軸)(direct axis)에 수직으로 연장된 제 1 및 제 2 평면(18a, 18b)을 갖는 스핀들(spindle)(18)을 포함하는
    발전기 내의 로터.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 자기 코어(11)는 상기 자기 코어(11)의 횡축(橫軸)(quadrature axis)에 수직하게 연장된 제 1 및 제 2 평행면(14, 16)과; 상기 제 1 평행면(14)에 연결되고, 상기 횡축을 따르는 방향으로 상기 제 1 평행면(14)을 지나 연장되는 제 1 돌출부(15)와; 상기 제 2 평행면(16)에 연결되고, 상기 횡축을 따르지만 상기 제 1 돌출부(15)가 연장되는 방향과 반대 방향으로 상기 제 2 평행면(16)을 지나 연장되는 제 2 돌출부(17)를 포함하는
    발전기 내의 로터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 돌출부(15, 17)는 각각 상기 제 1 및 제 2 평행면(14, 16)에 일체로 연결되는
    발전기 내의 로터.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 돌출부(15, 17)는 각각 사다리꼴 형상의 단면을 갖는
    발전기 내의 로터.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 돌출부(15, 17)는 각각 반원 형상의 단면을 갖는
    발전기 내의 로터.
  9. 삭제
  10. 삭제
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