KR101281537B1 - 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기의 구조 및 조립방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전장치의 코어형 풍력발전기에서 회전자의 재질과 구조를 개선하여 초기 구동을 수월하게 함으로써 발전기의 코깅토크를 최소화시킬 수 있는 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기의 구조 및 조립방법에 관한 것이다.
샤프트의 상단에 결합되어 설치되는 본 발명에 따른 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기는, 샤프트에 삽입되어 고정되는 고정자 코어; 회전자 하우징의 내벽에 제1고정단이 돌출 형성되며, 하단이 제1고정단에 얹혀지고 외주면이 회전자 하우징의 내벽면에 밀착 결합되어 고정 설치되는 회전자 스틸링; 회전자 스틸링의 하단에 내측을 향해 제2고정단이 돌출 형성되며, 하단이 제2고정단에 얹혀지고 회전자 스틸링의 내주면 벽에 등간격으로 고정 설치되는 영구자석을 포함하여 구성되고, 상기 회전자 하우징과 회전자 상판 및 하판의 재질은 알루미늄인 것을 특징으로 한다.

Description

아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기의 구조 및 조립방법{Structure and assembling method of out-rotor type vertical axis wind power generator }

본 발명은 수직축 풍력발전기의 구조 및 조립방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전장치의 코어형 풍력발전기에서 회전자의 재질과 구조를 개선하여 초기 구동을 수월하게 함으로써 발전기의 코깅토크를 최소화시킬 수 있는 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기의 구조 및 조립방법에 관한 것이다.

풍력발전은 바람을 이용하여 블레이드 또는 프로펠러를 회전시켜서 발생한 회전력을 발전기로 전달하여 전력을 생산하는 것으로, 블레이드 또는 프로펠러가 설치되는 방향에 따라 수평축 풍력발전장치와 수직축 풍력발전장치로 구분되는데, 수평축 풍력발전장치는 발전효율은 비교적 높으나 바람이 부는 방향에 따라 로터의 방향을 바꿔 줘야 하고 바람의 세기에 따라 블레이드의 각도를 바꿔 주는 장치가 추가로 필요하게 되며, 수평회전력을 수직회전력으로 전환하는 장치를 설치하여 발전기와 연결해줘야 하기 때문에 강한 바람에 의한 기구적 손상이 발생할 수 있는 위험과 유지 보수가 용이하지 않다는 문제가 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 수직축 풍력발전장치는 강관주(1)의 상단에 결합부(2)에 의해 결합된 발전부(3)를 구비하는데, 이러한 수직축 풍력발전장치는 길이방향을 따라 다수개의 블레이드가 설치된 회전축(3a)과, 회전축의 회전력을 전달받아 전력을 생산하는 발전기(3b)로 구성되므로 구조가 간단하고, 바람의 방향과 관계없이 소정의 회전력을 유지할 수 있다는 장점이 있으나, 회전축이 수직으로 배치되는 구조상 블레이드를 포함한 하중이 회전축의 하부에 집중되므로 발전장치를 지지하고 있는 지지부인 강관주(鋼管柱)와 회전축 사이의 연결부분이 취약하다는 단점이 있다.

수직축 풍력발전기는, 축이 고정되어 있고 발전기의 몸체가 회전하는 방식의 아웃로터(out-rotor)형과, 발전기 몸체가 고정되어 있고 축이 회전하는 방식의 인너로터(inner-rotor)형으로 구분되며, 또, 아웃로터형은 코어형과 코어레스형으로 구분되는데, 코어레스형 풍력발전기는 영구자석을 회전하는 로터(rotor) 상하 커버 안쪽에 배치하고 그 가운데에 코일을 배치하는 형태로 코깅토크(cogging torque)를 최소화하기 위해 코어없이 에폭시 몰딩으로 코일을 고정하는 구조로, 코깅토크가 낮고 초기 기동풍속이 낮아서 소형 풍력발전기에 적합하다는 장점은 있으나, 출력이 작고 효율이 낮으며 상용 풍속대에서 출력이 낮아 대형 풍력발전기에 적용할 수 없다는 단점이 있다.

한편, 코어형 풍력발전기는 영구자석을 회전하는 로터의 하우징 안쪽 측면에 배치하고 그 가운데에 코일을 배치하는데 하우징 내부에 코어를 내장하여 코일을 코어 슬롯에 고정하는 구조인데, 효율이 높고 출력이 크며 용량에 제약이 없을 뿐만 아니라 상용 풍속대에서 출력이 높다는 장점은 있으나, 코깅토크가 크고 초기 기동풍속이 높다는 단점이 있다.

수직축 풍력발전기에서 회전하는 로터는 하우징과 영구자석 등이 모두 철제이므로 자체의 무게가 무겁기 때문에 아웃로터형 수직축 풍력발전기는 초기 구동이 매우 어려워서 코깅토크가 커질 수밖에 없었다. 따라서 아웃로터 타입 수직축 풍력발전장치의 코어형 풍력발전기에서 초기 구동을 개선하기 위해서는 발전기의 코깅토크를 최소화시키는 것이 가장 중요한 기술적 문제인데, 이를 위해서는 로터의 무게를 최소화시켜야 한다는 것이 가장 중요하지만, 지금까지의 아웃로터 타입 수직축 풍력발전장치의 코어형 풍력발전기의 재질 및 구조로는 이를 해결할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전장치의 코어형 풍력발전기에서 회전하는 회전자의 재질과 구조 및 그에 따른 조립방법을 개선해서 회전자의 무게를 줄여 초기 구동을 수월하게 함으로써 발전기의 코깅토크를 최소화시킬 수 있는 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기의 구조 및 조립방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 과제 해결을 위하여 샤프트의 상단에 결합되어 설치되는 본 발명에 따른 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기는, 샤프트에 삽입되어 고정되는 고정자 코어; 회전자 하우징의 내벽에 제1고정단이 돌출 형성되며, 하단이 제1고정단에 얹혀지고 외주면이 회전자 하우징의 내벽면에 밀착 결합되어 고정 설치되는 회전자 스틸링; 회전자 스틸링의 하단에 내측을 향해 제2고정단이 돌출 형성되며, 하단이 제2고정단에 얹혀지고 회전자 스틸링의 내주면 벽에 등간격으로 고정 설치되는 영구자석을 포함하여 구성되고, 상기 회전자 하우징과 회전자 상판 및 하판의 재질은 알루미늄인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기의 조립방법은, 회전자 하우징과 그 내부에 배치되는 회전자 스틸링을 조립할 때, 회전자 스틸링을 -75∼-85℃의 드라이아이스에서 1∼2분 냉각시켜 수축시킨 상태에서 회전자 하우징에 삽입하고, 삽입시킨 후에는 상온에서 10∼15분 공냉시키는 방법으로 회전자 하우징과 회전자 스틸링을 조립하며, 회전자 하우징과 회전자 스틸링을 조립한 다음, 회전자 하우징과 회전자 스틸링에 탭을 형성하고, 회전자 하우징의 외주연에서 등간격으로 2∼4개의 볼트를 체결하여 고정 결합시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기는 회전자 하우징과 상판 및 하판의 재질을 알루미늄을 사용했기 때문에 회전자의 무게가 현저하게 줄어 들어 초기 구동을 수월하게 할 수 있어서 발전기의 코깅토크(cogging torque)를 최소화시킬 수 있다.

또한, 지금까지의 모든 풍력발전기는 스틸(탄소강)로 제작된 하우징의 내부에 고정자 코어를 삽입할 때 하우징에 열을 가하여 팽창시킨 상태에서 고정자 코어를 삽입한 후 냉각시키는 방법으로 조립하였으나, 본 발명에서는 하우징의 내부에 회전자 스틸링을 삽입할 때 스틸링을 드라이아이스에서 냉각시켜 수축시킨 상태에서 하우징의 내부에 삽입한 후 공냉시키면서 다시 원상태로 팽창시켜 결합하는 방법으로 조립하므로 냉각 삽입 후 공냉되면서 변형이 일어나지 않기 때문에 ―만일 스틸링에 열을 가하여 팽창시켜 삽입한 후 공냉시키면, 알루미늄 재질의 회전자 하우징과 스틸링의 신축률 차이로 인해 식으면서 변형이 발생하므로 동심도가 맞지 않게 되어 재가공을 해줘야만 조립작업이 끝남― 하우징과 스틸링의 동심(同心)이 일치하여 변형으로 인한 재가공작업이 필요 없어서 조립정밀도가 높을 뿐만 아니라 조립작업이 간단하여 생산성이 높다.

도 1은 수직축 풍력발전장치의 일예를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기를 설명하기 위한 단면도이다.

본 발명에 따른 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기의 구조 및 조립방법의 가장 큰 기술적 특징은, 회전자 하우징과 상판 및 하판의 재질로 알루미늄을 사용하여 회전자의 무게를 줄임으로써 발전기의 코깅토크를 줄였다는 점과, 하우징과 그 내부에 배치되는 스틸링을 냉각 삽입하는 방식으로 조립함으로써 조립시 변형으로 인한 재가공작업이 필요없어 조립작업이 수월할 뿐만 아니라 하우징과 스틸링의 동심을 일치시켜 조립정밀도를 매우 높게 했다는 점이다.

아웃로터 타입의 수직축 풍력발전장치의 코어형 풍력발전기는, 샤프트(20)가 고정되어 있고 샤프트(20) 상단에 결합된 발전기(10)가 회전하는 방식으로, 영구자석(15)을 회전하는 회전자의 하우징 안쪽 측면에 배치하고, 중심에 고정되어 있는 샤프트(20)에 고정자 코어(17)를 고정하는 구조인데, 발전기(10)는 샤프트(20)에 삽입되어 고정되고 코일이 권선되어 구성된 고정자 코어(17)와, 회전자 하우징(11)과 회전자 상판 및 하판(12, 12')의 내부에 배치되어 회전하는 회전자 스틸링(14)과, 영구자석(15)을 구비하여 구성된다. 미설명 부호 13은 발전기(10)가 샤프트(20)에 설치되어 원활하게 회전할 수 있도록 하기 위한 베어링이다.

본 발명의 가장 큰 기술적 특징이 회전자 하우징(11)과 회전자 상판 및 하판(12, 12')의 재질을 모두 알루미늄을 사용함으로써, 로터의 자체 무게를 현저하게 줄여 발전기의 코깅토크를 최소화시켰을 뿐만 아니라 풍력발전기 자체가 옥외에 설치되기 때문에 종래의 스틸(탄소강)로 제작한 것보다 부식에 강해서 내구성을 향상시켰다는 점이다.

회전자 스틸링(14)은 회전자 하우징(11)의 내벽에 밀착 결합되어 자력(磁力)이 흐를 수 있도록 하는 링 형상의 구성인데, 종래에는 하우징 자체가 자력이 흐를 수 있는 스틸을 사용했지만, 본 발명에서는 무게를 줄이기 위하여 하우징에 자력이 흐를 수 없는 알루미늄을 사용했기 때문에 하우징의 내측에 자력이 흐를 수 있는 회전자 스틸링(14)을 설치해 주어야 한다. 회전자 하우징(11)의 내벽 하부 부분에는 제1고정단(16)을 돌출 형성하여, 회전자 스틸링(14)의 하단이 제1고정단(16)의 상부에 얹혀지고 회전자 스틸링(14)의 외주면이 회전자 하우징(11)의 내벽면에 밀착 결합되도록 하여 고정 설치한다.

영구자석(15)은 회전자 스틸링(14)의 내주면 벽에 등간격으로 4∼8개가 고정되고, 고정자 코어(17)의 외주면과는 간격을 두고 설치되는 구성인데, 회전자 스틸링(11)의 하단에 내측을 향해 제2고정단(16')을 돌출 형성하여, 제2고정단(16')의 상부에 영구자석(15)이 얹혀져서 회전자 스틸링(14)의 내주면 벽에 고정 설치된다. 도시하지는 않았지만, 제2고정단(16')을 형성하지 않고, 제1고정단(16)을 영구자석(15)이 얹힐 수 있는 부분까지 길게 돌출시켜 제1고정단(16)의 상부에 영구자석(15)을 얹어서 설치할 수도 있다.

고정자 코어(17)는 샤프트(20)에 결합수단에 의해 고정 결합시켜도 되지만, 샤프트(20)의 외주면에 안착단(21)을 돌출 형성하여 안착단(21) 상부에 고정자 코어(17)를 얹고 결합수단에 의해 결합시키는 것이 바람직하다.

지금까지는 수직축 풍력발전기에서 하우징(외부 케이스)에 고정자를 삽입할 때 하우징에 열을 가해서 팽창시킨 다음, 팽창된 하우징의 내부에 고정자를 삽입하고 나서 냉각시키면, 팽창된 하우징이 수축하면서 그 내부에 위치한 고정자에 밀착되면서 결합되는 방식을 사용했으나, 본 발명에 따른 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기에서 알루미늄으로 된 회전자 하우징(11)의 내주면에 회전자 스틸링(14)을 삽입할 때 회전자 스틸링(14)을 드라이아이스에서 냉각시켜 수축시킨 상태에서 회전자 하우징(11)에 삽입시킨다는 것이 기술적 특징중 하나이다.

본 발명은 회전자 하우징(11)의 재질을 수축과 연신률의 변화가 심한 알루미늄을 사용했기 때문에, 만일 회전자 스틸링(14) 또는 회전자 하우징(11)에 열을 가한 상태에서 회전자 하우징(11) 내부에 회전자 스틸링(14)을 삽입시키면, 냉각되면서 알루미늄으로 된 회전자 하우징(11)과 스틸로 된 회전자 스틸링(14)의 수축 및 연신률의 차이에 의해 변형이 많이 발생하게 되어 조립된 후에 회전자 하우징(11)과 회전자 스틸링(14)의 동심도가 틀려지게 되므로, 재가공을 해주지 않으면 회전하면서 심한 진동이 발생하게 되어 사용할 수가 없게 된다.

따라서 본 발명의 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기에서는 회전자 하우징(11)의 내주면에 회전자 스틸링(14)을 삽입할 때, 회전자 스틸링(14)을 드라이아이스에서 냉각시켜 수축시킨 상태에서 회전자 하우징(11)에 삽입시킨다. 구체적으로는, 회전자 스틸링(14)을 -75∼-85℃의 드라이아이스에서 1∼2분 냉각시켜 외경을 -0.01∼-0.02㎜ 수축시킨 상태에서 회전자 하우징(11)에 삽입하며, 삽입시킨 후에는 상온에서 10∼15분 공냉시키는 방법으로 회전자 하우징과 회전자 스틸링을 조립한다. 공냉시킬 때도 급속히 진행시키면 양 재질 사이의 수축 및 연신률 차이가 심해서 동심도에 변화가 발생하므로 상온에서 천천히 진행시키는 방법으로 냉각시켜야 한다.

회전자 하우징(11)과 회전자 스틸링(14)을 조립한 다음, 두 구성요소의 결합을 더욱 확고히 하기 위하여 결합된 회전자 하우징(11)과 회전자 스틸링(14)에 탭(tap; 18)을 형성하고, 회전자 하우징(11)의 외주연에서 등간격으로 2∼4개의 볼트를 체결하여 고정 결합시키는 것이 바람직하다.

이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 명세서에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 : 발전기 11 : 회전자 하우징
12, 12' : 회전자 상판 및 하판 13 : 베어링
14 : 회전자 스틸링(steel ring) 15 : 영구자석
16, 16' : 제1 및 제2고정단 17 : 고정자 코어
18 : 탭(tap)
20 : 샤프트 21 : 안착단

Claims (5)

1. 코어형 발전기가 샤프트의 상단에 결합되어 설치되는 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기에 있어서,
   상기 발전기는,
   상기 샤프트에 삽입되어 고정되는 고정자 코어;
   회전자 하우징의 내벽에 제1고정단이 돌출 형성되며, 하단이 상기 제1고정단에 얹혀지고 외주면이 상기 회전자 하우징의 내벽면에 밀착 결합되어 고정 설치되는 회전자 스틸링;
   상기 회전자 스틸링의 하단에 내측을 향해 제2고정단이 돌출 형성되며, 하단이 상기 제2고정단에 얹혀지고 회전자 스틸링의 내주면 벽에 등간격으로 고정 설치되는 영구자석;
   을 포함하여 구성되고, 상기 회전자 하우징과 회전자 상판 및 하판의 재질은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기의 구조.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 고정자 코어는, 상기 샤프트의 외주면에 돌출 형성된 안착단에 얹혀져서 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기의 구조.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 회전자 스틸링을 드라이아이스에서 냉각시켜 수축시킨 상태에서 회전자 하우징에 삽입하며, 삽입시킨 후에는 상온에서 공냉시키는 방법으로 회전자 하우징과 회전자 스틸링을 조립하는 것을 특징으로 하는 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기의 구조.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 회전자 하우징과 회전자 스틸링을 조립한 다음, 회전자 하우징과 회전자 스틸링에 탭(tap)을 형성하고, 회전자 하우징의 외주연에서 등간격으로 2∼4개의 볼트를 체결하여 고정 결합시키는 것을 특징으로 하는 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기의 구조.
   
5. 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전장치의 코어형 풍력발전기에서 회전자 하우징과 그 내부에 배치되는 회전자 스틸링을 조립하는 방법으로,
   상기 회전자 스틸링을 -75∼-85℃의 드라이아이스에서 1∼2분 냉각시켜 수축시킨 상태에서 회전자 하우징에 삽입하고, 삽입시킨 후에는 상온에서 10∼15분 동안 공냉시키는 방법으로 회전자 하우징과 회전자 스틸링을 조립하며,
   회전자 하우징과 회전자 스틸링을 조립한 다음, 회전자 하우징과 회전자 스틸링에 탭(tap)을 형성하고, 회전자 하우징의 외주연에서 등간격으로 2∼4개의 볼트를 체결하여 고정 결합시키는 것을 특징으로 하는 아웃로터 타입의 수직축 풍력발전기의 조립방법.

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