KR101065634B1

KR101065634B1 - 교류발전기

Info

Publication number: KR101065634B1
Application number: KR1020100047611A
Authority: KR
Inventors: 허창기
Original assignee: 허창기
Priority date: 2010-05-20
Filing date: 2010-05-20
Publication date: 2011-09-20

Abstract

본 발명은, 교류발전기에 있어서, 중심축수공을 갖는 좌우판체(6)(8) 사이에 회전자 어셈블리(18)를 회전가능케 축설치하고, 각 좌우판체(6)(8)의 외주부에는 동심원을 따르는 설치공(12)들을 배열 형성하고 좌우판체(6)(8)간에 서로 마주하는 설치공(12)을 가로지르는 막대형 고정자 어셈블리(14)들을 회전자 어셈블리(18)의 회전축봉(16)과 동일축방향으로 나란하게 좌우설치공(12)에 끼움 설치하되, 각 막대형 고정자 어셈블리(14)는 지지각관(20) 내에는 다수겹 직사각형 철심판(22)들이 내재되고 지지각관(20) 상에는 피복코일(24)들이 권선되고 절연재층(26)을 매개로 다수층으로 권선 형성되게 구성하며, 회전자 어셈블리(18)는 좌우판체(6)(8)의 중심축수공을 가로질러 축설치되는 회전축봉(16)에 내부 중공부(30a)를 갖는 원통체(30)를 장착하며, 원통체(30)의 원통외면에는 스플라인홈(36)들이 가공형성되고 스플라인홈(36)들에는 N,S영구자석(38)을 교호적으로 삽입 장착하여서 구성한 것이다.

Description

교류발전기{ALTERNATING CURRENT GENERRATOR}

본 발명은 발전기에 관한 것으로, 특히 소형 풍력발전이나 수력발전 등에 사용할 수 있는 교류발전기의 개량에 관한 것이다.

풍력발전은 풍차인 프로펠러의 회전운동을 발전기의 회전축에 전달하여 회전에너지가 전기 에너지로 변환시켜서 발전을 도모한 것이며, 발전기에서 발전된 전력원은 전기계통 부품에 전달되거나 배터리에 축적된 후 효율적으로 사용되어진다.

발전기에 의해서 발전되는 전력량 등은 발전기 사양에 좌우되므로, 발전설비에 맞는 발전기가 선택된다. 교류 발전기에는 여러 가지 종류가 있다. 계자(界磁)용으로 영구자석을 사용하는 타입과 코일을 사용하는 타입이 있고, 그 구조에 있어서는 원기둥형 회전자(rotor)와 그 회전자의 바깥을 감싸는 고정자(stator)가 배치된 형태의 레이디얼(radial) 타입과 원반형 회전자와 축방향으로 대향하도록 고정자가 배치되는 액시얼(axial) 타입으로 구분할 수 있으며, 각각마다 장단점이 있다.

교류 발전기의 발전효율을 중시하는 경우에는 영구자석을 계자용으로 하는 타입이 주로 사용되는데, 이는 동일 사이즈의 코일을 계자용으로 하는 타입에 비해서 더 강력한 자기장을 발생시켜서 코일에 자속량이 많아지게 하며 그 결과 더 큰 유기전압의 생성될 수 있기 때문이다.

레이디얼 타입의 교류발전기에서 원기둥형 회전자를 감싸는 고정자는 고정자권선을 내면에 고정지지하는 원형의 고정자철심과 그 고정자철심을 고정하는 프레임으로 구성한다. 원형의 고정자철심은 내면에 위치하는 고정자권선을 지지하기 위해, 회전자 축방향에 나란한 요철이 내주면을 따라가며 마치 "E"모양으로 형성되어 있는 바, 주로 요철의 돌부를 티스부(teeth portion)라 칭하고 요철의 홈부를 슬롯부(slot portion)라 칭한다. 고정자권선은 고정자철심의 슬롯부들을 따라 빙둘러서 감겨짐에 따라 형성되어서 고정자철심에 지지 고정된다.

원형의 고정자철심은 크게 세가지 형태로 제작될 수 있다.

첫번째로는 원형의 철심모양 동일한 프레스 금형으로 원형의 고정자 철심을 성형 제작하는 방법이다.

두번째로는 띠형 금속소재의 일측면을 따라가며 티스부 및 슬롯부가 형성되도록 프레스가공하여서 연속철심을 제작하고, 그 연속철심을 소정 직경을 갖도록 감아서 겹층한 후 끝단을 접합함으로써 원형의 고정자 철심을 구성하는 방법이다. 한국 공개특허 특2002-0061159호 "차량용 교류발전기"의 도 24에서는 두번째 방식으로 제작하는 고정자코어를 보여주고 있다.

세번째로는 완성할 원형의 고정자철심을 소정각도로 구획하여서 각 구획한 존형(zone type) 철심부를 각각 프레스 형성하고 각기 프레스 형성된 존형 철심부를 접합하여서 줌으로써 원형의 고정자 철심을 완성하는 방법이다.

그런데 이러한 원형의 고정자철심은 하기와 같은 제작 어려움이나 단점이 있다.

첫째, 원형의 고정자철심 제작시 금형 제작비용이 많이 들고 높은 정밀도를 요구한다. 원형의 고정자철심의 슬롯부와 티스부는 구조상 작은 치수로 구성되는 동시에 고른 전단력을 요구하는 프레스 공정의 특성상 해당 금형은 고정밀도의 제작 공차만을 허락한다. 또 겹층하는 원형의 고정자철심의 1개소 티스부라도 치수가 어긋나거나 버(burr)가 있게 되면 피복코일의 피복을 손상시켜 절연을 파괴한다.

둘째, 제작된 원형의 고정자철심은 그 직경이 고정되므로 발전기 등의 제작규격이 단일 직경으로 한정시키게 된다.

세째, 고정자권선을 고정자철심의 슬롯부에 고정 지지되게 하는 조립시간이 많이 소요되므로 생산효율이 떨어진다.

네째, 고정자 권선의 절연파괴에 의한 고장발생 확률이 높고 보수비용이 많이 소요된다는 것이다. 즉 슬롯에 감겨 취부된 고정자 권선과 고정자철심의 티스부 사이에는 절연 충진재를 개재시켜서 절연파괴를 방지한다.

다섯번째, 이러한 절연 충진재는 비정상적인 작동으로 전동기에 과전류가 인가되거나 고열 작동환경에 노출되면서 녹아 내릴 수 있으며 그에 따라 권선코일으로부터 이탈될 수 있고, 또 진동과 같은 원인으로 고정자권선이 고정자철심의 티스부와 마찰을 일으켜 권선코일의 절연을 파괴해 해당 설비의 성능이 크게 떨어지는 경우도 있다. 절연이 파괴될 경우 손상된 고정자 권선의 일부 또는 전체와 아울러 충진재도 제거해야 하며, 그 후 새로운 고정자권선으로 교체 고정하고 충진재로 충진해야 하는 등 보수비용 뿐만 아니라 보수시간도 많이 소요하게 된다.

따라서 본 발명의 목적은 고정자철심의 제작이 용이하고 비용이 저렴할 뿐더러 다양한 규격의 고정자 권선의 취부가 가능하며 고정자권선의 절연이 보다 확실하게 보장되게 하는 고정자를 구비함과 동시에 동일사이즈에서도 회전자의 회전속도가 보다 빠르게 될 수 있도록 하는 교류발전기를 제공하는데 있다.

상기한 목적에 따라 본 발명은, 교류발전기에 있어서, 중심축수공을 갖는 좌우판체(6)(8) 사이에 회전자 어셈블리(18)를 회전가능케 축설치하고, 각 좌우판체(6)(8)의 외주부에는 동심원을 따르는 설치공(12)들을 배열 형성하고 좌우판체(6)(8)간에 서로 마주하는 설치공(12)을 가로지르는 막대형 고정자 어셈블리(14)들을 회전자 어셈블리(18)의 회전축봉(16)과 동일축방향으로 나란하게 좌우설치공(12)에 끼움 설치하되, 각 막대형 고정자 어셈블리(14)는 지지각관(20) 내에는 다수겹 직사각형 철심판(22)들이 내재되고 지지각관(20) 상에는 피복코일(24)들이 권선되고 절연재층(26)을 매개로 다수층으로 권선 형성되게 구성하며, 회전자 어셈블리(18)는 좌우판체(6)(8)의 중심축수공을 가로질러 축설치되는 회전축봉(16)에 내부 중공부(30a)를 갖는 원통체(30)를 장착하며, 원통체(30)의 원통외면에는 스플라인홈(36)들이 가공형성되고 스플라인홈(36)들에는 N,S영구자석(38)을 교호적으로 삽입 장착하여서 구성함을 특징으로 한다.

또, 본 발명에서 회전자 어셈블리(18)의 원통체(30)는 원통외면의 스플라인홈(36)들에 영구자석(38)이 각각 삽입 장착된 실린더부(32)와, 회전축봉(16)에 축결합함과 동시에 실린더부(32)의 양측을 지지결합하는 좌우 플랜지부(34)로 구성함을 특징으로 한다.

또 본 발명의 N,S영구자석(38)의 개수는 18~22개로서 짝수개로 구성함을 특징으로 하며,

또 설치공(12)에는 일측이 절개된 수지재질 쐐기홀더(28)가 다수겹 직사각형 철심판(22)들을 감싼 상태로 막대형 고정자 어셈블리(14)를 압지끼움으로 지지고정함을 특징으로 한다.

본 발명은 교류 발전기를 구현함에 있어 고정자철심의 제작이 용이하고 비용이 저렴할 뿐더러 다양한 규격의 고정자 권선의 취부가 가능하며 고정자권선의 절연이 보다 확실하게 보장되게 하는 고정자를 구비한다. 그와 동시에 동일 사이즈에서도 회전자의 회전속도가 보다 빠르게 될 수 있음에 따라 큰 유기전압이 생기게 해주어 그 발전성능을 높이는 장점이 있다. 특히 본 발명은 풍차를 이용하므로 특성상 회전자의 회전속도가 다른 발전기에 비해 월등하게 낮은 풍력발전기용으로 사용하는데 매우 적합하다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 풍력발전용으로 사용 예시된 교류발전기의 단면도,
도 2는 본 발명의 교류발전기의 구체 단면구성도,
도 3은 교류발전기의 케이싱을 제거한 상태도,
도 4는 본 발명의 교류발전기를 구성하는 회전자어셈블리 구성도,
도 4는 도 3의 측면도,
도 6은 교류발전기의 측방 종단면도,
도 7 내지 도 9는 본 발명의 교류발전기를 구성하는 고정자어셈블리 구성도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에서는 고정자철심의 제작이 용이하고 비용이 저렴할 뿐더러 다양한 규격의 고정자 권선의 취부가 가능하며 고정자권선의 절연이 보다 확실하게 보장되도록 고정자 어셈블리를 구성하되 기존 원형 구조와는 다르게 회전자의 회전축과 동일한 축방향으로 좌우를 가로지는 막대형으로 구성하며, 회전자도 동시에 동일사이즈의 다른 회전자에 비해서 회전속도가 보다 빠르게 될 수 있도록 경량화하며 자속발생의 효율이 최적화되게 구성한다.

특히 본 발명의 교류발전기는 도 1에 예시한 바와 같이 풍력발전에 유용하게 이용될 수 있는데, 이 경우에는 동일 용량 대비해서 교류발전기(2)의 사이즈가 상대적으로 적은 것과 아울러 회전자를 경량화하는 것이 유리하다. 이는 교류발전기(2)를 수납하는 나셀(nacelle)의 부피가 적어질 수 있으면 그 만큼 프로펠러(60)의 수풍 면적이 넓어져서 풍차인 프로펠러(60)의 회전력을 향상시켜 주고, 또 회전자가 가벼운 만큼 교류발전기(2)의 회전수도 올릴 수 있기에 풍차발전효율이 높아지기 때문이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 풍력발전용으로 사용 예시된 교류발전기(2)의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 교류발전기(2)의 구체 단면구성도이며, 도 3은 교류발전기(2)의 케이싱(4)을 제거한 상태도이다. 그리고, 도 4는 본 발명의 교류발전기(2)를 구성하는 회전자어셈블리(18) 구성도이다.

또 도 5는 도 3의 측면도이고, 도 6은 교류발전기(2)의 측방 종단면도이고, 도 7 내지 도 9는 본 발명의 교류발전기(2)를 구성하는 고정자어셈블리(14)의 구성도이다.

첨부 도면들에서와 같이, 본 발명의 교류발전기(2)는 외부 케이싱(4)을 구비하며, 케이싱(4)의 내부에는 회전자 어셈블리(18)와 함께 회전자 어셈블리(18)를 빙 두른 다수의 막대형 고정자 어셈블리(14)들이 장치된다.

케이싱(4)의 좌우에는 각기 중심축수공을 갖는 원형의 좌우판체(6)(8)가 구비되며, 좌우판체(6)(8) 사이에는 회전자 어셈블리(18)가 회전가능케 축설치하되 회전자 어셈블리(18)의 회전축봉(16)이 좌우판체(6)(8)의 중심축수공에 축설치되게 구성한다.

회전자 어셈블리(18)는 좌우판체(6)(8)의 중심축수공을 가로질러 축설치되는 회전축봉(16)에 내부 중공부(30a)를 갖는 원통체(30)를 장착한 구성이며, 원통체(30)의 원통외면에는 스플라인홈(36)들을 가공형성하고 그 스플라인홈(36)들에는 N,S영구자석(38)을 교호적으로 삽입 장착하여서 구성한 것이다.

회전자 어셈블리(18)의 회전축봉(16)은 베어링축대(42)의 설치홈에 설치된 베어링(40)에 축설치되며, 베어링축대(42)는 원판체형태로서 좌우판체(6)(8)의 중심축수공에 심부 끼움턱이 끼움된 후 외주부가 나사 체결로 좌우판체(6)(8)와 조립고정된다.

본 발명에 따른 회전자 어셈블리(18)는 원통체(30)가 내부 중공부(30a)를 가짐으로써 내부가 꽉찬 원통체에 비해서 상대적으로 경량으로서 회전이 용이한 구조를 갖고 있다.

이를 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 회전자 어셈블리(18)의 원통체(30)는 중공부(30a)를 갖는 실린더부(32)와 그 좌우에 결합된 좌우 플랜지부(34)로 구성한다. 실린더부(32)는 원통외면에 N,S영구자석(38)이 삽입장착되는 스플라인홈(36)들이 형성되며, 좌우플랜지부(34)는 회전축봉(16)과 축결합함과 동시에 실린더부(32)의 양측을 지지결합하는 역할을 담당한다. 이때 좌우플랜지부(34)의 일측과 회전축봉(16)에는 각기 키홈(50)이 형성되어 키홈맞춤이 되고 그 맞춤된 키홈(50)에 키(52)가 끼움되어서 회전축봉(16)과 회전자 어셈블리(18)의 원통체(30)가 일체로 축결합되고, 또 바람직하게는 좌우플랜지부(34) 각각에 나공(44)이 형성되어 그 나공(44)에 무두볼트(46)로 체결되어서 회전축봉(16)이 좌우플랜지부(34)에 죄임고정되게 구성한다. 또 실린더부(32)와 좌우플랜지부(34)를 결합함에 있어서 좌우플랜지부(34)의 외륜과 좌우플랜지부(34)의 외륜에 나공(48)을 각기 형성하고 맞춤된 나공(48)들에 볼트(49)로 체결함으로써 견고하게 결합되게 한다.

상기와 같은 구성의 회전자 어셈블리(18)에서, 원통체(30) 원통외면에 형성된 스플라인홈(36)들과 그 스플라인홈(36)에 교호적으로 삽입장착되는 N,S영구자석(38)의 개수는 풍력발전기용으로 사용할 경우에 18~22개로서 짝수개로 구성하는 것이 바람직하며, 가장 바람직하게는 20개이다.

발전 전압은 계자의 자극(magnetic poles)의 수에 비례하는 바, 자극 수를 증가시키기 위해 회전자의 영구자석 수를 늘리면 되지만 그렇게 되면 영구자석의 크기가 줄어 계자의 자기장이 저하된다. 본 발명에서는 발명자가 실험을 통해 확인한 바에 따라 회전자의 동일 사이즈에서 이러한 상반관계에 있는 영구자석수와 영구자석의 크기의 관계가 가장 적절하여 풍력발전에 효율적인 영구자석(38)의 개수를 언급한 것이다.

한편 본 발명의 실시 예에 따른 고정자 어셈블리(14)는 좌우판체(6)(8)의 외주부를 빙둘러가며 설치하되 회전축봉(16)과 나란하게 설치된 구성적 특징이 있다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 회전자 어셈블리(18)를 그 사이에 축설치하는 좌우판체(6)(8)는 도 5에 도시된 바와 같이 그 외주부에 동심원을 따르는 설치공(12)들이 배열 형성된다. 이러한 좌우판체(6)(8)간에 좌우 설치공(12)을 서로 마주하게 하고 회전축봉(16)과 동일축 방향으로 좌우로 가로지르는 각 막대형 고정자 어셈블리(14)들을 그 마주한 각 좌우 설치공(12)에 끼움 설치한다. 좌우 설치공(12)에 고정자 어셈블리(14)가 끼움설치될 시 도 9에서와 같이 일측이 절개된 수지재질 쐐기홀더(28)가 사용된다. 그러면 쐐기홀더(28)가 막대형 고정자 어셈블리(14)의 다수겹 직사각형 철심판(22)들을 감싼 상태로 압지끼움됨으로써 막대형 고정자 어셈블리(14)가 좌우판체(6)(8)사이에 다리형태로 연결되어서 지지고정된다. 또 다수의 막대형 고정자 어셈블리(14)가 좌우판체(6)(8)간에 더욱 튼튼하게 고정하기 위해서 도 2에 도시된 바와 같이, 좌우로 뻗은 다리형 연결브라켓(10)으로 좌우판체(6)(8)간을 잇고 연결브라켓(10)의 양단 절곡부를 각기 좌우판체(6)(8)에 면접시키고 나사체결하여서 구성한다.

상기와 같은 막대형 고정자 어셈블리(14) 각각은 도 7에 도시된 바와 같이, 지지각관(20) 내에는 길게 뻗은 직사각형 철심판(22)들을 다수겹으로 포개서 내재되게 구성하고, 지지각관(20) 상에는 피복코일(24)들을 권선한 다음 그위에 절연재층(26)을 두르고 또 피복코일(24)을 이어서 권선하는 방법으로 절연재층(26)을 매개로 다수층으로 권선 형성되게 구성한 것이다. 도 8에서는 막대형 고정자 어셈블리(14)를 종단 절단한 단면을 보여주고 있다.

상기와 같은 고정자 어셈블리(14)를 구성함에 따라 개별적으로 고정자 어셈블리(14)들중 하나에 고정자권선 즉 피복코일(24)이 일부 손상이 된 경우에는 손상된 고정자 어셈블리(14)만 교체하면 되므로 적은 비용으로 빠른 보수를 완료할 수 있다. 또 본 발명에서는 기다란 직사각형 형태의 철심을 사용하므로 기존 원형의 충진재가 녹아내리는 경우가 방지될 수 있으며 철심의 제작이 용이하고 신뢰성이 높다. 또 본 발명과 같은 고정자 어셈블리(14)의 구조는 고정자권선 즉 권선된 피복코일(24)이 외부로 노출된 면적이 크므로 방열이 원활하여서 수명이 길어지고 고정자권선의 이탈에 의한 절연파괴의 위험이 배제되므로 높은 신뢰성을 제공한다.

또한 고정자 어셈블리(14)의 수를 제작자가 마음대로 가감하여 고정할 수 있으므로 다양한 규격의 고정자 권선의 취부가 가능하며, 두가지 규격이상의 발전기를 함께 사용하는 경우에는 보수에 필요한 동일한 형태의 고정자 어셈블리(14)들을 예비해서 가지고 있어도 되므로 재고비용을 낮출 수 있다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위 및 그 특허청구범위와 균등한 것에 의해 정해 져야 한다.

(2)-- 교류발전기 (4)-- 케이싱
(6)(8)-- 좌우판체 (10)-- 연결브라켓
(12)-- 설치공 (14)-- 막대형 고정자 어셈블리
(16)-- 회전축봉 (18)-- 회전자 어셈블리
(20)-- 지지각관 (22)-- 철심판
(24)-- 피복코일 (26)-- 절연재층
(28)-- 쐐기홀더 (30)-- 원통체
(30a)-- 중공부 (32)-- 실린더부
(34)-- 플랜지부 (36)-- 스플라인홈
(38)-- 영구자석 (40)-- 축베어링
(42)-- 베어링축대 (60)-- 프로펠러

Claims

교류발전기에 있어서,
중심축수공을 갖는 좌우판체(6)(8) 사이에 회전자 어셈블리(18)를 회전가능케 축설치하고, 각 좌우판체(6)(8)의 외주부에는 동심원을 따르는 설치공(12)들을 배열 형성하고 좌우판체(6)(8)간에 서로 마주하는 설치공(12)을 가로지르는 막대형 고정자 어셈블리(14)들을 회전자 어셈블리(18)의 회전축봉(16)과 동일축방향으로 나란하게 좌우설치공(12)에 끼움 설치하되, 각 막대형 고정자 어셈블리(14)는 지지각관(20) 내에는 다수겹 직사각형 철심판(22)들이 내재되고 지지각관(20) 상에는 피복코일(24)들이 권선되고 절연재층(26)을 매개로 다수층으로 권선 형성되게 구성하며,
회전자 어셈블리(18)는 좌우판체(6)(8)의 중심축수공을 가로질러 축설치되는 회전축봉(16)에 내부 중공부(30a)를 갖는 원통체(30)를 장착하며, 원통체(30)의 원통외면에는 스플라인홈(36)들이 가공형성되고 스플라인홈(36)들에는 N,S영구자석(38)을 교호적으로 삽입 장착하여서 구성함을 특징으로 하는 교류발전기.
제1항에 있어서, 회전자 어셈블리(18)의 원통체(30)는 원통외면의 스플라인홈(36)들에 영구자석(38)이 각각 삽입 장착된 실린더부(32)와, 회전축봉(16)에 축결합함과 동시에 실린더부(32)의 양측을 지지결합하는 좌우 플랜지부(34)로 구성함을 특징으로 하는 교류발전기.
제2항에 있어서, N,S영구자석(38)의 개수는 18~22개로서 짝수개로 구성함을 특징으로 하는 교류발전기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한항에 있어서, 설치공(12)에는 일측이 절개된 수지재질 쐐기홀더(28)가 다수겹 직사각형 철심판(22)들을 감싼 상태로 막대형 고정자 어셈블리(14)를 압지끼움으로 지지고정함을 특징으로 하는 교류발전기.