KR101265825B1 - Dual stator rfpm(radial flux permanent magnet) generator - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 풍력 발전기의 코깅토크 저감 기술에 관한 것으로서, 특히 이중 고정자(Dual Stator)간의 위치 전이를 통해 코깅토크(Cogging Torque)를 효과적으로 저감시킬 수 있도록 한 이중 고정자 RFPM 발전기에 관한 것이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a technology for reducing cogging torque of a wind generator, and more particularly, to a dual stator RFPM generator capable of effectively reducing cogging torque through positional transition between dual stators.
최근 소형 풍력 발전기의 출력 시작점 풍속(Cut-in-Speed)에 악영향을 끼쳐 효율과 출력을 저감시키는 코깅토크(Cogging Torque)를 없애기 위하여 축방향자력영구자석(AFPM, Axial Flux Permanent Magnet) 발전기와 방사형자력영구자석(RFPM, Radial Flux Permanent Magnet) 발전기의 기술개발에 관심이 집중되고 있다. Axial Flux Permanent Magnet (AFPM) Generator and Radial Radiator to Eliminate Cogging Torque that Reduces Efficiency and Power by Degrading Cut-in-Speed Attention has been focused on the development of Radial Flux Permanent Magnet (RFPM) generators.
AFPM 발전기는, 소형 풍력 발전기와 하이브리드 풍력 발전기에 많이 사용되고 있는 발전기로, 영구자석을 양쪽에 배치하고 그 가운데에 코일을 배치하는 것이 일반적인 형태로 코깅토크를 최소화하기 위하여 철심을 사용하지 않는 코어리스 AFPM 발전기가 대부분이다. 코어리스이기 때문에 초기 기동 풍속은 낮고 정격 풍속에서 출력이 높으나, 발전기 자체의 출력과 효율이 떨어지고 제조원가가 높다. 또한 상용 풍속대비 풍속대인 5~7m/s에서 실제 출력이 매우 낮아 대형 풍력 발전기에는 적용할 수 없는 단점이 있다. AFPM generator is a generator that is widely used in small and hybrid wind generators. It is common to place permanent magnets on both sides and coils in the center. Coreless AFPM does not use iron core to minimize cogging torque. Most of the generators. Because it is coreless, the initial starting wind speed is low and the output is high at the rated wind speed, but the power and efficiency of the generator itself are inferior and the manufacturing cost is high. In addition, the actual output is very low at 5 ~ 7m / s compared to commercial wind speed has a disadvantage that can not be applied to large wind generators.
RFPM 발전기는, 영구자석 모터와 같은 구조를 가진 발전기로 코깅토크가 높아 기동 풍속이 높은 단점이 있으나, 제조원가가 낮고 용량에 제약이 없을 뿐만 아니라, 출력과 효율이 높아 풍자원이 풍부한 곳에서는 많이 사용되고 있다. 또한 상용 풍속대인 5~7m/s에서도 정격 출력의 20% 이상 출력이 가능하기 때문에 하이브리드 가로등 등에 적용하기에 적당하다. RFPM generator is a generator with the same structure as a permanent magnet motor. It has a disadvantage of high starting wind speed due to high cogging torque. However, it is not only used for low production cost and capacity, but also has high output and efficiency. have. In addition, it is suitable for hybrid streetlights because it can output more than 20% of rated power even at 5 ~ 7m / s, which is a commercial wind speed.
한편, 코어리스 AFPM 발전기 특허기술(예를 들어, 대한민국 등록특허공보 제10-0870738호)이 개발되어 소형 풍력 발전기로 사용되고 있다. Meanwhile, a coreless AFPM generator patent technology (for example, Republic of Korea Patent Publication No. 10-0870738) has been developed and used as a small wind generator.
그러나 상기 코어리스 AFPM 발전기는 전술한 바와 같이 코깅토크는 없으나 코어가 없기 때문에 출력저하, 효율감소, 원가상승, 대형 풍력 발전기에 적용할 수 없는 등의 여러 가지 단점이 있다.However, since the coreless AFPM generator has no cogging torque but no core as described above, there are various disadvantages such as output reduction, efficiency reduction, cost increase, and the like which cannot be applied to a large wind generator.
따라서 본 발명은, 본 출원인에 의해 특허출원(10-2011-0085567호)되고 기술이 제안된 바 있는, 종래의 코어리스 AFPM 발전기보다 높은 발전효율 및 출력전압을 얻을 수 있도록 한 “슬롯이 있는 소형 풍력발전기용 종축자속형 영구자석 동기발전기”의 기술개발에 이어 ‘고정자 위치 전이’을 통한 코깅토크를 저감시키는 새로운 이중 고정자 RFPM 발전기를 제안한다.
Therefore, the present invention provides a small size with a "slot," which makes it possible to obtain a higher power generation efficiency and output voltage than a conventional coreless AFPM generator, which has been patented (10-2011-0085567) and proposed by the applicant. Following the technical development of the longitudinal axis permanent magnet synchronous generator for wind power generators, we propose a new dual stator RFPM generator that reduces cogging torque through stator position transfer.
본 발명의 목적은 종래 기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 보다 상세하게는, 슬롯이 있는 이중 고정자(Dual Stator)가 회전한 형태의 고정자 형상에서 각 슬롯마다 각기 다른 릴럭턴스(Reluctance)의 변화가 발생하도록 일정한 전기각(Electrical Angle)을 주어 이중 고정자(Dual Stator)간의 위치를 전이시킴으로써, RFPM 발전기에서 발생되는 코깅토크를 저감시켜 보다 높은 발전효율 및 출력전압을 얻을 수 있도록 한 이중 고정자 RFPM 발전기를 제공한다.
An object of the present invention is to improve the problems of the prior art, and more specifically, in the stator shape of the dual stator (slot with a slot) rotated form, different changes in reluctance for each slot The dual stator RFPM generator is designed to reduce the cogging torque generated from the RFPM generator by obtaining a constant electrical angle so as to generate a high electrical efficiency and output voltage. to provide.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 방사형 자력 영구자석(RFPM, Radial Flux Permanent Magnet) 발전기에 있어서, 상기 RFPM 발전기는, 다수개의 슬롯(110,210)에 코일(120,220)이 권선되며, 영구자석(400)에서 발생하는 자속을 쇄교시켜 회전자(500)가 하나의 독립된 자기장내 폐회로를 이룰 수 있도록 하는 내측 고정자(Inner Stator,100)와 외측 고정자(Outer Stator,200)를 갖되, 상기 내측 고정자 및 외측 고정자 간에 코깅토크를 저감시키기 위하여 상기 외측 고정자가 상기 내측 고정자에 비해 일정한 전기각으로 전이시켜 고정자 위치 전이(Stator Displacement)가 이루어지는 이중 고정자(Dual Stator,300)와; 상기 회전자(500)의 상부에 배열되어 설치된 영구자석에 대한 독립된 하나의 자기장내 폐회로를 이루어 외측 고정자(200)에 영구자석의 자속을 쇄교시키고, 동시에 상기 회전자(500)의 하부에 배열되어 설치된 영구자석에 대한 독립된 하나의 자기장내 폐회로를 이루어 상기 내측 고정자(100)에 영구자석의 자속을 쇄교시키는 다수개의 영구자석(Permanent Magnet,400)과; 상기 내측 고정자(100)와 외측 고정자(200) 사이에 위치하여 원형 링(Circle Ring,510)의 형상을 갖추되, 상기 원형 링(510)의 외ㆍ내측에 동일한 극성을 갖는 상기 다수개의 영구자석(400)이 일정 간격을 두고 순차적으로 배열되어 부착되고 발전 시 냉각 팬(Fan)의 역할을 하는 회전자(Rotor,500)로 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자 RFPM 발전기를 제공한다.According to a feature of the present invention for achieving the above object, in the Radial Flux Permanent Magnet (RFPM) generator, the RFPM generator, the coil (120, 220) is wound in a plurality of slots (110, 210), It has an inner stator (Inner Stator, 100) and an outer stator (Outer Stator, 200) to bridge the magnetic flux generated in the
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 고정자 위치 전이(Stator Displacement)는, 상기 외측 고정자(200)를 내측 고정자(100)에 비해 전기각으로 25~35[deg.(e)](최적 전이각 : 30[deg.(e)]) 전이시키되, 하기 식(式)에 의해 구해진다.According to an embodiment of the present invention, the stator displacement may include 25 to 35 [deg. (E)] (the optimal transition angle) of the
내ㆍ외측 고정자 각각에서 발생되는 1회전당 코깅토크의 발생횟수 는,Number of Cogging Torques Generated per Rotation in Internal and External Stator Quot;
이고 ego
이때 코깅토크가 한번 발생하기 위한 기계각은,At this time, the machine angle for generating the cogging torque once,
이며, Is,
위 를 전기각으로 표현한 는,top In terms of electrical angle Quot;
이다. to be.
상기 외측 고정자를 전이시켜 코깅토크 발생 위상을 180[deg.(e)]로 전이시키면 이때 발생되는 코깅토크는 합(Zero)으로 나타므로,When the outer stator is transferred and the cogging torque generation phase is shifted to 180 [deg. (E)], the cogging torque generated at this time is represented by a sum.
이다. to be.
따라서 외측 고정자에서 발생하는 코깅토크 위상을 180[deg.(e)]로 전이시키는 고정자 위치 전이각은, Therefore, the stator position transition angle that shifts the cogging torque phase occurring at the outer stator to 180 [deg. (E)],
여기서here
인 것을 특징으로 한다.
.
본 발명의 이중 고정자 RFPM 발전기는 다음과 같은 효과가 있다. The dual stator RFPM generator of the present invention has the following effects.
본 발명에 따르면, 슬롯이 있는 이중 고정자(Dual Stator)가 회전한 형태의 고정자 형상에서 각 슬롯마다 각기 다른 릴럭턴스의 변화가 발생하도록 일정한 전기각을 주어 고정자의 위치를 전이시키는 이중 고정자 RFPM 발전기를 구현함으로써, According to the present invention, a dual stator RFPM generator for which a slotted dual stator transfers a stator position by giving a constant electric angle so that different reluctance changes occur in each slot in a stator shape of a rotated form. By implementing
내측 고정자와 외측 고정자에서 발생하는 코깅토크와 발전기 내부에서 발생된 코깅토크가 서로 상쇄를 일으켜 발전기 기동 시 코깅토크를 최소화시킬 뿐만 아니라, 회전자가 냉각 팬(Cooling Fan)의 역할로 전기자 권선의 냉각특성이 우수하여 발전기의 출력과 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
The cogging torque generated from the inner stator and the outer stator and the cogging torque generated from the inside of the generator cancel each other to minimize cogging torque when starting the generator, as well as the cooling characteristics of the armature winding by the rotor as a cooling fan. This is excellent, there is an effect that can increase the output and efficiency of the generator.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 고정자 RFPM 발전기의 전체 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 상기 도 1의 내측 고정자의 형상을 나타낸 도면
도 3은 상기 도 1의 외측 고정자의 형상을 나타낸 도면
도 4는 상기 도 1의 영구자석과 회전자의 형상을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내측 고정자와 외측 고정자를 갖는 이중 고정자에 대한 고정자 위치 전이 이전의 모습을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내측 고정자와 외측 고정자를 갖는 이중 고정자에 대한 고정자 위치 전이 이후의 모습을 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 내측 고정자와 외측 고정자를 갖는 이중 고정자에 대한 고정자 위치 전이 방법을 나타낸 도면
도 8 및 도 9는 상기 도 7에 대한 해석 결과를 나타낸 도면1 is a view schematically showing the overall configuration of a dual stator RFPM generator according to a preferred embodiment of the present invention
2 is a view showing the shape of the inner stator of FIG.
3 is a view showing the shape of the outer stator of FIG.
4 is a view showing the shape of the permanent magnet and the rotor of FIG.
5 is a view showing a state before the stator position transition for a double stator having an inner stator and an outer stator according to a preferred embodiment of the present invention;
6 is a view showing a state after the stator position transition for the double stator having an inner stator and an outer stator according to a preferred embodiment of the present invention;
7 is a view showing a stator position shifting method for a double stator having an inner stator and an outer stator according to a preferred embodiment of the present invention.
8 and 9 are diagrams illustrating an analysis result of FIG. 7.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 하며 비록 종래기술과 동일한 부호가 표시되더라도 종래기술은 그 자체로 해석하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. First, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same reference numerals are assigned to the same components as much as possible even though they are shown in different drawings. The prior art should be interpreted as such. In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.
먼저, 코깅토크(Cogging Torque)란 발전기나 모터 내의 비균일 토크로서, 발전기 시스템의 자기 에너지가 최소인 위치로 이동하려는 접손 방향의 힘인데, 부하 전류와는 상관없이 회전자 영구자석과 고정자 치-슬롯(Stator teeth, Slot) 구조의 상호작용에 의해 발생되는 원주방향에 대한 릴럭턴스(Reluctance)의 변화에 기인하는 것을 말한다. 즉, 발전기(혹은 모터)의 축(Shaft)을 잡고 천천히 돌렸을 때 부드럽게 돌아가지 않고 약간 떡떡거리면서 불균일하게 돌아가는 현상을 말하는데, 발전기를 1~4rpm으로 돌리면서 이때 1바퀴 동안 느껴지는 토크의 변화량 중 가장 클 때와 가장 작을 때의 차이를 말한다. 이 코깅이 크면 발전기를 구동할 때 토크 리플(Ripple)이 커져 발전기를 제어하기가 쉽지 않다.First, cogging torque is non-uniform torque in a generator or motor. It is a force in the folding direction that tries to move to the position where the magnetic energy of the generator system is minimum. The rotor permanent magnet and the stator teeth are independent of the load current. This is due to a change in reluctance with respect to the circumferential direction caused by the interaction of the slot (Stator teeth, Slot) structure. In other words, when you grab the shaft of a generator (or motor) and turn it slowly, it doesn't turn smoothly, but it doesn't turn smoothly, but it rotates unevenly. The difference between the big and the smallest. This large cogging leads to greater torque ripple when driving the generator, making it difficult to control the generator.
이러한 코깅토크를 저감시키는 기술은, 스큐된(skewed) 영구자석 설계, 슬롯 변형 설계, 자석 가공, 극수와 슬롯 개수 등을 최적화시키는 것이 거의 대부분이었다. Most of these techniques to reduce cogging torque have been optimized for skewed permanent magnet design, slot deformation design, magnet machining, number of poles and slot number.
그러나 본 발명의 실시 예에서는 슬롯이 있는 내측 고정자(Inner Stator)와 외측 고정자(Outer Stator)를 갖는 이중 고정자(Dual Stator)가 회전한 형태의 고정자 형상에서 각 슬롯마다 각기 다른 릴럭턴스(Reluctance)의 변화가 발생하도록 일정한 전기각을 주어 내측/외측 고정자간의 위치를 전이시켜 줌으로써, 출력 시작점 풍속(Cut-in-Speed)에 대한 코깅토크를 저감시켜 3~5m/s의 낮은 풍속에서도 발전기의 동작이 가능하여 출력 및 효율을 크게 높일 수 있도록 한 이중 고정자 RFPM 발전기를 구현한 것에 그 특징이 있다.However, in the exemplary embodiment of the present invention, different slots have different reluctance for each slot in a stator shape in which a dual stator having an inner stator having an slot and an outer stator is rotated. By changing the position between the inner and outer stators by giving a constant electric angle so that a change occurs, the cogging torque for the output start point wind speed (Cut-in-Speed) is reduced, so that the generator can be operated at a low wind speed of 3 to 5 m / s. It is characterized by the implementation of a dual stator RFPM generator, which makes it possible to greatly increase the power and efficiency.
도 1 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 이중 고정자 RFPM 발전기의 핵심 기술적 구성수단은, 크게는 내측 고정자(Inner Stator,100)와 외측 고정자(Outer Stator,200)를 갖는 이중 고정자(300), 영구자석(Permanent Magnet,400), 회전자(Rotor,500)로 이루어진다. 1 to 9, the core technical constituent means of the dual stator RFPM generator according to the preferred embodiment of the present invention, a double having an inner stator (Inner Stator, 100) and an outer stator (Outer Stator, 200) It consists of a stator 300, a permanent magnet (400), a rotor (Rotor, 500).
여기서, 본 발명의 실시 예에 따른 이중 고정자 RFPM 발전기는, 풍력 발전기의 동력발생장치인 풍력을 받는 블레이드(Blade)와 연결된 회전체에 고정되어 회전체가 회전함에 따라 발생되는 기계적인 동력에 의해 회전하여 상기 회전자(500)를 회전시킨다. 또한 상기 내측 고정자(100) 및 외측 고정자(200)는 상기 회전자(500)의 원형 링(510)의 외ㆍ내측에 위치되어 풍력 발전기의 상ㆍ하부 하우징(미도시)에 의해 각각 결합되는 것은 풍력 발전기 기술 분야에서는 자명한 사항이다.Here, the dual stator RFPM generator according to an embodiment of the present invention is fixed to a rotor connected to a blade receiving a wind, which is a power generator of a wind generator, and rotates by mechanical power generated as the rotor rotates. To rotate the
도 1과 도 2를 참조하여, 내측 고정자(Inner Stator,100)는, 다수개의 슬롯(110)에 코일(Coil,120)을 권선하고 영구자석(400)에서 발생하는 자속의 자기통로의 역할을 하는 수단으로서, 상기 영구자석(400)이 부착된 회전자(500)의 내부에 설치되며, 상기 내측 고정자(100)에 형성된 다수개의 슬롯(110) 각각에 일정한 권선수로 코일(120)이 감겨져 있다. 코일이 권선되는 상기 다수개의 슬롯(110)은 내측 고정자(100)의 외주면에 형성된다. Referring to FIGS. 1 and 2, the
즉, 다수개의 슬롯(110)에 코일(120)이 권선되어 있는 상기 내측 고정자(100)에 영구자석(400)의 자속을 쇄교시켜 회전자(500)가 하나의 독립된 자기장내 폐회로를 이룰 수 있도록 한다.That is, the magnetic flux of the
도 1과 도 3을 참조하여, 외측 고정자(Outer Stator,200)는, 다수개의 슬롯(210)에 코일(Coil,220)을 권선하고 영구자석(400)에서 발생하는 자속의 자기통로의 역할을 하는 수단으로서, 상기 영구자석(400)이 부착된 회전자(500)의 상부에 설치되며, 상기 외측 고정자(200)에 형성된 다수개의 슬롯(210) 각각에 일정한 권선수로 코일(220)이 감겨져 있다. 코일을 권선되는 상기 다수개의 슬롯(210)은 외측 고정자(200)의 내주면에 형성된다.Referring to FIGS. 1 and 3, the
즉, 다수개의 슬롯(210)에 코일(220)이 권선되어 있는 상기 외측 고정자(200)에 영구자석(400)의 자속을 쇄교시켜 회전자(500)가 하나의 독립된 자기장내 폐회로를 이룰 수 있도록 한다.That is, by rotating the magnetic flux of the
또한, 상기 내측 고정자(Inner Stator,100) 및 외측 고정자(Outer Stator,200)는, 내측 고정자(100) 슬롯(110) 길이가 외측 고정자(200) 슬롯(210) 길이에 비해 더 크게 설계되며, 그 이유는 내측고정자의 면적이 외측고정자 보다 작기 때문에 동일한 슬롯 길이로 설계하면 내측고정자에 권선되는 코일 권선수가 작게 되어 외측에 비해 내측 출력이 작아지게 되므로 이를 방지하기 위하여 내측 고정자 슬롯 길이를 외측고정자 슬롯 길이에 비해 크게 설계하여 동일한 출력이 발생되도록 하기 위함이다. In addition, the
여기서 도 5 내지 도9를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 내측 고정자(100)와 외측 고정자(200)를 갖는 이중 고정자(Dual Stator, 300)에 대한 고정자 위치 전이(Stator Displacement)에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Here, with reference to FIGS. 5 to 9, the stator displacement of the dual stator 300 having the
본 발명의 일실시 예에 따른 고정자 위치 전이(Stator Displacement)는, 상기 외측 고정자(200)를 내측 고정자(100)에 비해 전기각으로 25~35[deg.(e)](최적 전이각 : 30[deg.(e)]) 전이시키되, 하기 식(式)에 의해 구해진다.Stator Displacement according to an embodiment of the present invention, the
즉,In other words,
내ㆍ외측 각각의 고정자에서 발생되는 1회전당 코깅토크의 발생횟수 는 다음과 같이 나타낼 수 있다.Number of Cogging Torques Generated per Rotation in Internal and External Stators Can be expressed as follows.
(1) (One)
따라서 코깅토크가 한번 발생하기 위한 기계각은 다음과 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the mechanical angle for generating the cogging torque once can be expressed as follows.
(2) (2)
를 전기각으로 표현한 는 In terms of electrical angle The
(3) (3)
가 된다..
여기서, 위 수학식 (3)의 deg.(e)는 전기각을 의미하며, 이는 회전자 극수와 무관하게 회전자의 N, S 2개의 극이 고정자 치를 쇄교하는 것을 360[deg.(e)] 기준으로 하는 것이다.Here, deg. (E) of Equation (3) means the electric angle, which means that the two poles of N and S of the rotor bridge the stator values irrespective of the number of rotor poles. )] Is a standard.
한편, 코깅토크는 내측 고정자(100)에 의한 코깅토크와 외측 고정자(200)에 의한 코깅토크의 합으로 나타나므로, 본 발명의 실시 예에 따른 내ㆍ외측 고정자 각각에서 발생되는 코깅토크를 저감하기 위한 고정자 위치 전이 방법은, 외측 고정자(200)의 위치 전이를 통해 외측 고정자에서 발생되는 코깅토크 발생 위상을 하기 수학식 (4)와 같이, 전이시켜 내ㆍ외측 고정자에서 발생되는 코깅토크 합이 0(Zero)이 되게 만드는 것이다. 즉 외측 고정자(200)를 위치 전이시켜 코깅토크 발생 위상을 180[deg.(e)]로 전이 시키면 발생되는 코깅토크를 0으로 만들 수가 있다.On the other hand, the cogging torque is represented by the sum of the cogging torque by the
(4) (4)
따라서 외측 고정자(200)에서 발생하는 코깅토크 위상을 180[deg.(e)]로 전이시키는 고정자 위치 전이 전이각은 하기 수학식 (5)와 같이 나타낼 수가 있다.Therefore, the stator position transition angle for transferring the cogging torque phase generated at the
(5) (5)
여기서here
이다.to be.
이와 같이, 위 수학식 (3)의 는 코깅토크가 한번 발생하는 전기각을 나타내는 함수로써, 가 절반으로 될 때 코깅토크는 전기각으로 180[deg.(e)]의 위상을 가짐으로 외측 고정자(200)를 전이각 만큼 전이 시켰을 때 내ㆍ외측 고정자에서 발생하는 코깅토크 위상이 서로 반대가 되어 코깅토크가 상쇄되며 그에 따라 발전기의 코깅토크가 감소됨을 알 수 있다.As such, the equation (3) Is a function representing the electric angle at which cogging torque occurs once. The cogging torque has a phase of 180 [deg. (E)] when the electric angle is half, so when the
도 8, 도 9를 참조하면, 위 수학식을 바탕으로 20극 30슬롯의 RFPM 발전기 해석 결과, 외측 고정자(200)를 내측 고정자(100)에 비해 전기각으로 25~35[deg.(e)](최적 전이각 : 30[deg.(e)]) 위치 전이시켰을 때 가장 작은 코깅토크가 발생함을 알 수 있었다.Referring to FIGS. 8 and 9, based on the above equation, as a result of RFPM generator analysis of 20 poles and 30 slots, the
즉, 상기 내측/외측 고정자(100,200) 각각에 형성된 다수개의 슬롯(110,210)에는 코일(120,220)이 일정하게 권선되어 있으므로, 코깅토크를 저감시키고 발전기의 출력을 증가시키기 위해서는, 외측 고정자(200)가 내측 고정자(100)에 비해 일정한 전기각으로 위치 전이되어 있어야 한다. That is, since the coils 120 and 220 are constantly wound in the plurality of
그 이유는, 외측 고정자(200)를 전기각으로 25~35[deg.(e)](최적 전이각 : 30[deg.(e)]) 전이시켜 줌으로서, 외측 고정자(200)에서 발생하는 코깅토크와 내측 고정자(100)에서 발생하는 코깅토크가 서로 반대로 발생하게 되고, 발전기 내부에서는 서로 반대로 발생된 코깅토크가 상쇄를 일으켜 발전기 초기 기동 시 코깅토크를 최소화할 수 있기 때문이다.The reason for this is to transfer the
다시 말해서, 회전자(500)에 부착된 영구자석(400)은 희토류 금속류의 자석으로 자속밀도가 매우 높기 때문에 코깅토크가 커지게 되면, 기동 시 큰 기동토크가 요구되므로 낮은 풍속에서는 풍력 발전기의 초기 기동이 불가능하게 되고, 풍력 발전기의 효율 및 출력 특성도 동시에 떨어지게 된다. 따라서 본 발명에서는 외측 고정자(200)가 내측 고정자(100)에 비해 전기각으로 25~35[deg.(e)](최적 전이각 : 30[deg.(e)]) 비틀어 주는 고정자 위치 전이(Stator Displacement)를 통해, 코깅토크를 최소화시켜 풍력 발전기의 효율과 출력 특성을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 3~5m/s의 낮은 풍속(혹은 미풍) 상태에서도 풍력 발전기의 초기 기동이 원활히 이루어질 수 있기 때문이다.In other words, the
여기서, 상기 전기각(Electrical Angle)은, 발전기의 영구자석의 회전자가 회전 시 발생하는 기계적인 각도를 전기적인 각으로 변환시킨 것을 말한다.Here, the electrical angle refers to a conversion of a mechanical angle generated when the rotor of the permanent magnet of the generator rotates to an electrical angle.
한편, 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 고정자 위치전이(Stator Displacement) 적용 후, 이론적인 수학식에 따라 코깅토크는 완전히 제거되어 영(Zero)의 값이 되어야 하는데, 시제품을 통한 실제의 해석 결과에서는 누설자속 및 고조파의 영향으로 인해 코깅토크가 완전히 제거되는 영(Zero)의 값이 아니라 이론과 다르게 약간의 코깅토크가 발생되는 것으로 확인되었다. On the other hand, referring to Figure 9, after applying the stator displacement (Stator Displacement) according to an embodiment of the present invention, the cogging torque should be completely removed to a value of zero (Zero) according to the theoretical equation, the prototype In the actual analysis results, it was confirmed that a little cogging torque is generated differently from the theory, not the zero value in which cogging torque is completely removed due to the influence of leakage flux and harmonics.
이는, 본 발명의 기술적 해결과제에서 전술한 바와 같이, 슬롯이 있는 이중 고정자(Dual Stator)가 회전한 형태의 고정자 형상에서 각 슬롯마다 각기 다른 릴럭턴스(Reluctance)의 변화가 발생하도록 일정한 전기각(Electrical Angle)을 주어 고정자의 위치를 전이시킴으로써, RFPM 발전기에서 발생되는 코깅토크를 저감시킬 수 있다는 것을 확인하여 주는 것이다.As described above in the technical problem of the present invention, the slotted dual stator rotates with a constant electric angle such that a change in reluctance is generated for each slot in a stator shape in which the slotted dual stator is rotated. By changing the position of the stator by giving an electrical angle, it is confirmed that the cogging torque generated by the RFPM generator can be reduced.
여기서, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 내측 고정자(100)와 외측 고정자(200)를 갖는 이중 고정자(300)는, 동일한 크기의 코깅토크와 출력 발생을 위해서는 20극, 30슬롯(110,210)의 형상과 상기 슬롯(110,210)에 권선되는 코일(120,220)의 횟수를 조절할 필요성이 있다. 1 to 6, the double stator 300 having the
예를 들면, 발전기 코일의 권선수는 내측 94턴, 외측 83턴으로 권선할 수 있다. 이는 고정자 치 설계를 길이가 아닌 각도로 설계하였기 때문에 외측 고정자의 면적이 내측 고정자에 비해 크고 영구자석 또한 크게 제작된다.For example, the number of turns of the generator coil can be wound to the inner 94 turns and the outer 83 turns. Since the stator tooth design is designed at an angle rather than a length, the area of the outer stator is larger than that of the inner stator and the permanent magnet is also made larger.
다시 말해서, 내ㆍ외측 고정자 치를 각각 9[deg.(e)]각도로 설계되고 영구자석 역시 동일한 각도로 설계되어 있다. 이는 회전자가 회전을 할 때 동일한 위치에서 코깅토크가 발생될 수 있도록 하기 위함이다. 즉 고정자 치 설계가 아니라 각도로 설계하였기 때문에 외측 고정자 치는 내측 고정자 치보다 크게 되고 자속도 많이 받게 되어 코일을 동일하게 권선하면 동일한 출력값을 얻을 수 없다. 따라서 발전기의 내측 코일 권수는 94턴 외측 코일 권수는 83턴으로 권선되고, 이때 코일 점적률은 내측 53.46[%], 외측 53.17[%] 로 설계하여 비슷한 출력이 발생되게 할 수 있는 것이다.In other words, the inner and outer stator teeth are designed at 9 [deg. (E)] angles and the permanent magnets are also designed at the same angle. This is to allow cogging torque to be generated at the same position when the rotor rotates. That is, because the stator teeth are designed at an angle rather than the stator tooth design, the outer stator teeth are larger than the inner stator teeth and receive more magnetic flux. Therefore, the number of turns of the inner coil of the generator is 94 turns and the number of turns of the outer coil is 83 turns. At this time, the coil spot ratio is designed to be 53.46 [%] inside and 53.17 [%] outside so that a similar output can be generated.
다시 도 4를 참조하여, 영구자석(Permanent Magnet,400)은, 희토류 금속 종류의 자속밀도가 높은 자석으로 다수개의 슬롯(110,210)에 코일이 권선되어 있는 내측 고정자(100) 및 외측 고정자(200)에 영구자석의 자속을 쇄교시키기 위해 회전자(500)의 외ㆍ내측에 N극 및 S극의 자석을 배열시키되, 상기 회전자의 외ㆍ내측 전체가 하나의 자기장내 폐회로를 이루도록 외ㆍ내측에 동일한 극성을 갖는 다수개의 영구자석(Permanent Magnet,400)이 일정 간격을 두고 N극성→S극성→N극성→S극성 혹은 S극성→N극성→S극성→N극성으로 순차적으로 배열시켜 부착되어 있다.Referring to FIG. 4 again, the
이때 내측 고정자(100) 및 외측 고정자(200)에 쇄교되는 자속은, 회전자(500)의 상부에 배열되어 설치된 영구자석의 N극에서 S극으로 혹은 S극에서 N극으로 외측 고정자(200)에 영구자석의 자속을 쇄교시키고, 이와 동시에 회전자(500)의 하부에 배열되어 설치된 영구자석의 N극에서 S극으로 혹은 S극에서 N극으로 경유하여 내측 고정자(100)에 영구자석의 자속을 쇄교시킨다.At this time, the magnetic flux chained to the
다시 말해서, 내측 고정자(100) 및 외측 고정자(200)에 쇄교되는 자속은, 회전자(500)의 상부에 배열되어 설치된 영구자석의 N극에서 S극으로 혹은 S극에서 N극으로 독립된 하나의 자기장내 폐회로를 이루어 외측 고정자(200)에 영구자석의 자속을 쇄교시키고, 이와 동시에 회전자(500)의 하부에 배열되어 설치된 영구자석의 N극에서 S극으로 혹은 S극에서 N극으로 독립된 하나의 자기장내 폐회로를 이루어 내측 고정자(100)에 영구자석의 자속을 쇄교시킨다.In other words, the magnetic flux that is chained to the
그리고 도 5를 참조한 본 발명의 실시예에 따른 상기 다수개의 영구자석(400)은 정사각형으로 제작되며, 상기 내측 고정자(100) 및 외측 고정자(200) 각각의 슬롯(110,210)에 코일(120,220)이 권선된 단면적 보다 약간 더 크게 제작한다. 이는 원활한 자속쇄교와 코깅토크를 저감시키기 위함이다.And the plurality of
또한, 도 4를 참조하여, 회전자(Rotor,500)는, 상기 내측 고정자(100)와 외측 고정자(200) 사이에 위치하여 원형 링(Circle Ring, 510)의 형상을 갖는 회전자 수단으로서, 일정한 규격을 갖되, 상기 원형 링(510)의 외ㆍ내측에 동일한 극성을 갖는 다수개의 영구자석(400)이 일정 간격을 두고 N극성→S극성→N극성→S극성 혹은 S극성→N극성→S극성→N극성으로 순차적으로 배열되어 부착되어 있다.Also, referring to FIG. 4, the
또한, 상기 회전자(500)는, 상기 영구자석(400)이 부착된 원형 링(510)이 상기 내측 고정자(100)와 외측 고정자(200) 사이에 위치하고, 상기 내측 고정자(100) 및 외측 고정자(200)의 슬롯(110,210) 각각에는 일정한 권선수의 코일(혹은 권선, 120,220)이 감겨져 있다. In addition, the
여기서, 일반적인 AFPM 발전기나 RFPM 발전기의 경우, 영구자석이 외측에 위치하고 고정자 권선이 내측에 위치한 구조와 영구자석이 내측에 위치하고 고정자 권선이 외측에 위치한 구조가 있다. 영구자석이 외측에 위치할 경우, 영구자석의 자속이 통과하는 공극길이가 짧아 자속활용률은 높은 반면에, 발열이 많이 발생되는 전기자 권선이 발전기 내부에 위치하므로 열적냉각특성에서 다소 불리하다.Here, in the case of a general AFPM generator or RFPM generator, there is a structure in which the permanent magnet is located outside and the stator winding is located inside, and the permanent magnet is located inside, and the stator winding is located outside. When the permanent magnet is located on the outside, the magnetic flux utilization rate is high due to the short pore length through which the magnetic flux of the permanent magnet passes, while the armature winding that generates a lot of heat is located inside the generator, which is somewhat disadvantageous in thermal cooling characteristics.
따라서 본 발명의 실시 예에서는, 이와 같은 문제점을 해소하고자 영구자석(400)이 원형 링(510)에 배열되어 부착되는 회전자(500)가 내측 고정자(100)와 외측 고정자(200) 사이에 위치하고 전기자 권선(혹은 외ㆍ내측 고정자 권선)이 회전자(500)의 외부에 위치하기 때문에 발전 시 상기 회전자(500)가 팬(Fan)의 역할을 하므로 전기자 권선의 냉각특성이 우수하여 발전효율이나 출력전압 이득 측면에서 유리한 효과가 있다.Therefore, in the embodiment of the present invention, in order to solve such a problem, the
이하 도 2 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이중 고정자 RFPM 발전기에 대한 작용을 설명한다. 2 to 9, the operation of the dual stator RFPM generator according to the preferred embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 실시 예에 따른 이중 고정자 RFPM 발전기는, 다수개의 슬롯(110,210)에 코일(120,220)이 권선되며, 영구자석(400)에서 발생하는 자속을 쇄교시켜 회전자(500)가 하나의 독립된 자기장내 폐회로를 이룰 수 있도록 하는 내측 고정자(Inner Stator,100)와 외측 고정자(Outer Stator,200)를 갖고 상호 고정자 위치 전이(Stator Displacement)가 가능한 이중 고정자(Dual Stator,300)와; 상기 회전자(500)의 상부에 배열되어 설치된 영구자석에 대한 독립된 하나의 자기장내 폐회로를 이루어 외측 고정자(200)에 영구자석의 자속을 쇄교시키고, 동시에 상기 회전자(500)의 하부에 배열되어 설치된 영구자석에 대한 독립된 하나의 자기장내 폐회로를 이루어 상기 내측 고정자(100)에 영구자석의 자속을 쇄교시키는 다수개의 영구자석(Permanent Magnet,400)과; 상기 내측 고정자(100)와 외측 고정자(200) 사이에 위치하여 원형 링(Circle Ring,510)의 형상을 갖추되, 상기 원형 링(510)의 외ㆍ내측에 동일한 극성을 갖는 상기 다수개의 영구자석(400)이 일정 간격을 두고 순차적으로 배열되어 부착되고 발전 시 냉각 팬(Fan)의 역할을 하는 회전자(Rotor,500)로 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자 RFPM 발전기를 구성함으로써, RFPM 발전기에서 문제가 되는 코깅토크를 내측 고정자(100)와 외측 고정자(200)를 갖는 이중 고정자(Dual Stator, 300)에 대한 고정자 위치 전이(Stator Displacement)에 의해 내측 고정자와 외측 고정자에서 발생하는 코깅토크와 발전기 내부에서 발생된 코깅토크가 서로 상쇄를 일으켜 발전기 기동 시 코깅토크를 최소화시키고, 회전자가 냉각 팬의 역할로 전기자 권선의 냉각특성이 우수하여 발전기의 출력과 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.In the dual stator RFPM generator according to the embodiment of the present invention, the coils 120 and 220 are wound in a plurality of
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art to which the present invention pertains may make various modifications and changes without departing from the essential characteristics of the present invention. Therefore, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
100 : 내측 고정자(Inner Stator) 110, 210 : 다수개의 슬롯
120, 220 : 코일
200 : 외측 고정자(Outer Stator)
300 : 이중 고정자(Dual Stator)
400 : 다수개의 영구자석(Permanent Magnet)
500 : 회전자(Rotor) 510 : 원형 링100:
120, 220: coil
200: outer stator
300: Dual Stator
400: multiple permanent magnets
500: Rotor 510: Round Ring
Claims (6)
상기 RFPM 발전기는, 다수개의 슬롯(110,210)에 코일(120,220)이 권선되며, 영구자석(400)에서 발생하는 자속을 쇄교시켜 회전자(500)가 하나의 독립된 자기장내 폐회로를 이룰 수 있도록 하는 내측 고정자(Inner Stator,100)와 외측 고정자(Outer Stator,200)를 갖되, 상기 내측 고정자 및 외측 고정자 간에 코깅토크를 저감시키기 위하여 상기 외측 고정자가 상기 내측 고정자에 비해 일정한 전기각으로 전이시켜 고정자 위치 전이(Stator Displacement)가 이루어지는 이중 고정자(Dual Stator,300)와;
상기 회전자(500)의 상부에 배열되어 설치된 영구자석에 대한 독립된 하나의 자기장내 폐회로를 이루어 외측 고정자(200)에 영구자석의 자속을 쇄교시키고, 동시에 상기 회전자(500)의 하부에 배열되어 설치된 영구자석에 대한 독립된 하나의 자기장내 폐회로를 이루어 상기 내측 고정자(100)에 영구자석의 자속을 쇄교시키는 다수개의 영구자석(Permanent Magnet,400)과;
상기 내측 고정자(100)와 외측 고정자(200) 사이에 위치하여 원형 링(Circle Ring,510)의 형상을 갖추되, 상기 원형 링(510)의 외ㆍ내측에 동일한 극성을 갖는 상기 다수개의 영구자석(400)이 일정 간격을 두고 순차적으로 배열되어 부착되고 발전 시 냉각 팬(Fan)의 역할을 하는 회전자(Rotor,500)로 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 고정자 RFPM 발전기
In Radial Flux Permanent Magnet (RFPM) Generator,
In the RFPM generator, coils 120 and 220 are wound around a plurality of slots 110 and 210, and the inside of the rotor 500 may form a closed circuit in one independent magnetic field by linking magnetic flux generated in the permanent magnet 400. The stator (Inner Stator, 100) and the outer stator (Outer Stator, 200), the outer stator in order to reduce the cogging torque between the inner stator and the outer stator, the stator position is shifted to a constant electric angle compared to the inner stator A dual stator 300 in which a stator displacement is made;
The magnetic flux of the permanent magnet is interlinked to the outer stator 200 by forming a closed circuit in an independent magnetic field for the permanent magnet installed and arranged on the upper part of the rotor 500, and at the same time, arranged at the lower part of the rotor 500. A plurality of permanent magnets (Permanent Magnet, 400) for releasing the magnetic flux of the permanent magnet to the inner stator 100 by forming a closed circuit in one magnetic field for the installed permanent magnet;
The plurality of permanent magnets positioned between the inner stator 100 and the outer stator 200 to have a shape of a circular ring (510), having the same polarity on the outside and the inside of the circular ring (510). Dual stator RFPM generator, characterized in that consisting of a rotor (Rotor, 500) 400 is attached to be arranged sequentially at a predetermined interval and acts as a cooling fan (Fan) during power generation
상기 고정자 위치 전이(Stator Displacement)는, 상기 외측 고정자(200)를 내측 고정자(100)에 비해 전기각으로 25~35[deg.(e)](최적 전이각 : 30[deg.(e)]) 전이시키되, 하기 식(式)에 의해 구해진다.
내ㆍ외측 고정자 각각에서 발생되는 1회전당 코깅토크의 발생횟수 는,
이고
이때 코깅토크가 한번 발생하기 위한 기계각은,
이며,
위 를 전기각으로 표현한 는,
이다.
상기 외측 고정자를 전이시켜 코깅토크 발생 위상을 180[deg.(e)]로 전이시키면 이때 발생되는 코깅토크는 합(Zero)으로 나타므로,
이다.
따라서 외측 고정자에서 발생하는 코깅토크 위상을 180[deg.(e)]로 전이시키는 고정자 위치 전이각은,
여기서
인 것을 특징으로 하는 이중 고정자 RFPM 발전기The method according to claim 1,
Stator Displacement, the outer stator 200 is 25 ~ 35 [deg. (E)] electric angle compared to the inner stator 100 (optimal transition angle: 30 [deg. (E)] ), But obtained by the following formula.
Number of Cogging Torques Generated per Rotation in Internal and External Stator Quot;
ego
At this time, the machine angle for generating the cogging torque once,
Is,
top In terms of electrical angle Quot;
to be.
When the outer stator is transferred and the cogging torque generation phase is shifted to 180 [deg. (E)], the cogging torque generated at this time is represented by a sum.
to be.
Therefore, the stator position transition angle that shifts the cogging torque phase occurring at the outer stator to 180 [deg. (E)],
here
Dual stator RFPM generator, characterized in that
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KR1020120092093A KR101265825B1 (en) | 2012-08-23 | 2012-08-23 | Dual stator rfpm(radial flux permanent magnet) generator |
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2012
- 2012-08-23 KR KR1020120092093A patent/KR101265825B1/en not_active IP Right Cessation
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