KR101293053B1 - 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조 - Google Patents

외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직축 풍력발전기에 관한 것으로, 더 상세하게는 외전형(outer rotor) 방식 영구자석발전기를 사용하는 수직축 풍력발전기에 있어서 고정축과 회전자의 결합구조, 고정자와 블레이드 로터부와의 회전결합구조에 관한 것이다.
본 발명 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조는 회전자와 블레이드 로터를 직접 결합하지 않고, 블레이드 결합어댑터를 구성하여 회전자와 블레이드 로터를 블레이드 결합어댑터를 이용하여 결합고정시키고, 또한 고정자의 고정축을 연장시켜 회전자의 상부로 노출시키고, 상기 블레이드 결합어댑터와 회전 가능한 구조로 결합시켜 블레이드 로터와 회전자의 결합력을 강화시키고 블레이드 로터와 영구자석발전기의 회전축을 동일하게 유지하여 회전 편심 및 진동을 개선하여 발전기의 수명을 증가시킬 수 있도록 한다.

Description

외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조{STRUCTURE OF SMALL-SCALED WIND POWER GENERATOR WITH OUTER-ROTOR TYPE PERMANENT MAGNET GENERATOR}
본 발명은 수직축 풍력발전기에 관한 것으로, 더 상세하게는 외전형(outer rotor) 방식 영구자석발전기를 사용하는 수직축 풍력발전기에 있어서 고정축과 회전자의 결합구조, 고정자와 블레이드 로터부와의 회전결합구조에 관한 것이다.
일반적으로 풍력발전기란 바람에 의해 발생되는 운동에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 수단으로, 풍력을 기계적인 회전력으로 변환하기 위한 운동에너지 변환수단, 운동에너지변환수단에서의 회전력을 전기적인 에너지로 변환하기 위한 전기에너지 변환수단으로 구성된다.
이의 구성 예로 바람에 의해 회전하는 블레이드(blade)를 구성하고 블레이드에 영구자석을 연결하여 코일 내에서 블레이드의 회전에 따라 영구자석이 회전하여 전류를 발생시키도록 구성할 수 있다.
이의 구성은 스테이터(stator)로 코일을 구성하고, 로터(rotor)로서 영구자석을 구성한 것이다.
도 1은 소형풍력 발전기의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 도1에서의 'A'부 축방향 자속 영구자석(AFPM) 발전기의 내부 구조를 나타낸 도면이다.
일반적으로 축 방향 자속 영구자석(AFPM ; Axial Flux Permanent Magnet) 발전기는 도 2에 도시된 바와 같이, N극과 S극 자석 사이에 고정자(Stator)(1)를 설치하고, 영구자석으로 구성되는 회전자(rotor)(2)를 풍력에 의해 회전하는 블레이드 로터부(3)에 의해 회전시켜 전기에너지를 생성하는 방식이다.
이와 같은 축방향 자속 영구자석 발전기는 코어리스(coreless)형으로 코어가 없어서 권선의 체적밀도를 상대적으로 높게 설계할 수 있으며, 코깅(cogging) 현상이 없어서 코깅(cogging)에 의해 발생되어지는 손실을 줄일 수 있다.
또한 이와 같은 발전방식은 초기 구동 토크가 일반적인 발전기 보다 낮기 때문에 저 풍속에서도 전력생산이 가능하고 고에너지 밀도를 가지는 영구 자석의 개발이 성과를 거둠으로써 고효율 고출력의 풍력발전이 가능하다.
네오디움(Nd-Fe-B)과 같은 고 에너지 영구자석은 코어리스형으로도 제작이 가능하고 영구자석이 부착된 디스크는 권선에서 발생하는 열을 방출하는 팬의 역할을 함으로써 동일한 용량의 권선에 비하여 더 많은 전류를 흘릴 수가 있다.
이러한 이유로 근래에는 소형 풍력발전기에는 축방향 자속 영구자석(AFPM) 발전기를 많이 적용하고 있고, 특히 수직축 풍력발전기에서는 외전형(outer rotor) 방식 영구자석 발전기를 많이 사용하고 있다.
종래 외전형 영구자석 발전기는 도 3에 도시된 바와 같이, 상부면(B)이 막혀있어서 블레이드 로터부(3)가 직접 상부면에 결합되어 회전하는 방식으로 설계된다.
따라서 외력이 발전기 내부의 볼베어링(4)에 전부 전달되고 회전공차에 의한 편심 및 진동이 증가하여 장기적으로는 발전기 수명이 줄어든다.
또한 상기와 같은 구조에 따르면 도 3에 도시된 블레이드 로터부(3)와 로터(2)와의 결합부(C)가 매우 취약한 결합구조를 갖게 됨에 따라서 외부 충격에 의한 외력이 발전기 상부면(B)에 전달될 때, 발전기가 손쉽게 파손될 수 있다.
본 발명에서는 외전형 방식의 영구자석 발전기를 풍력발전기에 적용할 때 발생할 수 밖에 없는 편심 및 진동 등의 구조적인 문제를 개선하고자 한다.
본 발명 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조는 회전자와 블레이드 로터를 직접 결합하지 않고, 블레이드 결합어댑터를 이용하여 회전자와 블레이드 로터를 결합 고정시키고, 또한 고정자의 고정축을 연장시켜 회전자의 상부로 노출시키고, 상기 블레이드 결합어댑터와 회전 가능한 구조로 결합시켜 블레이드 로터와 회전자의 결합력을 강화시키고 블레이드 로터와 영구자석발전기의 회전축을 동일하게 유지하여 회전 편심 및 진동을 개선하여 발전기의 수명을 증가시킬 수 있도록 한 것이다.
본 발명 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조는
영구자석으로 이루어지는 회전자의 사이에 고정자를 구성하여 블레이드 로터의 회전력을 회전자에 전달하여 회전자를 회전시켜 전류를 발생시키는 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조에 있어서,
블레이드 로터부를 상기 회전자의 상부면에 결합시키기 위한 블레이드 결합어댑터를 더 포함하여 구성하여 블레이드 로터부와 회전자를 블레이드 결합어댑터를 통하여 결합 고정하고, 상기 고정자의 고정축이 상기 블레이드 결합어댑터와 결합될 수 있도록 연장하여 구성하고, 상기 회전자는 상기 고정축의 연장부분이 상부로 노출될 수 있도록 통공부를 형성하고 고정축과의 결합면으로는 상기 베어링부가 구성되고 상부면으로는 상기 통공부를 중심으로 양 측으로 블레이드 결합어댑터를 결합 고정시키기 위한 어댑터결합부가 형성되며, 상기 블레이드 결합어댑터는 상부가 블레이드 로터부와 결합 고정되며 하부로는 회전자의 상부면에 형성된 어댑터결합부에 결합고정하기 위한 회전자결합부가 형성되고 하부 중앙으로 부터 그 내부로는 고정축을 결합하기 위한 고정축결합공이 형성되고 고정축결합공내에는 고정축 상에서 블레이드 어댑터를 회전시킬 수 있도록 베어링부가 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 본 발명 수직축 풍력발전기의 구조에 따르면, 회전자와 블레이드 로터를 직접 결합하지 않고, 블레이드 결합어댑터를 통해 결합하여 블레이드 로터와 회전자의 결합력을 강화 시키며, 또한 고정축을 연장하여 블레이드 결합어댑터 가 고정축 상에서 회전할 수 있도록 함으로써, 회전자의 결합력을 강화시킴은 물론 블레이드 로터부의 회전력을 전달함에 있어서의 편심을 방지하며 이로 인한 진동을 방지하지할 수 있다.
또한 블레이드 로터부와 회전자의 결합력이 강화됨으로써, 외부에서 작용하는 힘에 의해 풍력발전기의 파손을 방지할 수 있다.
도 1은 일반적인 소형풍력 발전기의 구성을 나타낸 도면
도 2는 상기 도 1에서의 'A'부 축방향 자속 영구자석(AFPM) 발전기의 내부 구조를 나타낸 도면.
도 3은 종래 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조를 나타낸 단면도.
본 발명 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조를 첨부된 도면 도 4에 도시된 실시 예를 참조하여 그 구조 및 작용을 설명하면 다음과 같다.
영구자석으로 이루어진 회전자(20)의 N극과 S극 자석 사이에 설치되는 고정자(Stator)(10), 블레이드 로터부(30)의 회전에 의해 회전하는 회전자(20), 풍력에 의해 회전하여 상기 회전자(20)를 회전시키는 블레이드 로터부(30), 블레이드 로터부(30)를 회전자(20)의 상부면에 결합시키기 위한 블레이드 결합어댑터(40), 상기 고정자(10)의 상하부로 회전자(20)를 취부시키고 블레이드 결합어댑터(40)에 결합되어 고정시키는 고정축(shaft)(50), 회전자(20)에 결합되어 고정축(50) 상에서 회전자(20)를 회전시킬 수 있도록 하는 베어링부(60)를 포함하여 구성되며,
상기 회전자(20)는 고정자(10)를 중심으로 상하부로 고정축(50)에 취부결합되며, 고정축(50)이 상하부의 외부로 노출될 수 있도록 통공부를 형성하고 결합면으로는 상기 베어링부(60)를 취부하기 위한 트랙을 형성하고 상부면으로는 상기 통공부를 중심으로 양 측으로 블레이드 결합어댑터(40)를 결합 고정시키기 위한 어댑터결합부(21)가 형성되고, 상기 블레이드 결합어댑터(40)는 상부가 블레이드 로터부(30)의 내부로 결합 고정되며, 하부로는 회전자(20)의 상부면에 형성된 어댑터결합부(21)에 결합고정하기 위한 회전자결합부(41)가 형성되고 하부 중앙으로 부터 그 내부로는 고정축(50)을 결합하기 위한 고정축결합공(42)이 형성되고, 고정축결합공(42)내에는 고정축(50) 상에서 블레이드 어댑터(40)를 회전시킬 수 있도록 베어링부(70)가 구성된다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조는, 회전자의 상부면을 통공시켜 고정축을 연장하여 노출시키고, 블레이드 로터부를 회전자에 직접 결합시키지 않고 어댑터를 통해 회전자에 고정 및 상기 노출된 고정축에 결합시켜 고정축상에서 블레이드 로터부가 회전되면서 회전자를 회전시키도록 함으로써, 편심을 발생시킬 수 있는 외력을 넓게 분산시키고 블레이드 로터부와의 결합력을 보완함으로써, 회전 편심 및 진동을 개선하고자 하는 구성을 특징으로 한다.
상기 고정자(10)는 고정축(50) 상에 구성되고, 고정축(50)상에 회전자(20)가 고정자(10)의 상하부로 취부 되는 구조를 이룬다.
상기 고정축(50)은 회전자(20)가 상하부 취부된 상태에서 회전자(20)의 외부로 노출될 수 있도록 충분한 길이로 연장된 상태로 이루어져 블레이드 결합어댑터(40)가 결합된다.
이의 구조에 따르면 블레이드 로터부(30)의 회전축 편심이 존재하는 경우 발생된 응력이 고정축(50)에 고르게 분산될 수 있게 됨으로써, 회전편심 및 이로 인한 진동을 개선할 수 있다.
상기 블레이드 결합어댑터(40)는 회전자(20)와 블레이드 로터부(30)를 결합하기 위한 수단으로, 상부는 블레이드 로터부(30)에 결합 고정되고, 하부는 회전자(20)의 상면에 결합 고정되어 블레이드 로터부(30)의 회전을 회전자(20)에 전달하는 구조로 블레이드 로터부(30)와의 결합력을 강화시킬 수 있도록 한다.
또한 블레이드 결합어댑터(40)는 고정축(50)을 내부로 결합 고정시켜 고정축(50) 상에서 회전하는 구조로 이루어진다.
상기 블레이드 결합어댑터(40)의 회전자결합부(41)는 상기 회전자(20)의 상부면에 형성된 어댑터결합부(21)에 결합하기 위한 수단으로, 상기 어댑터결합부(21), 회전자결합부(41)는 볼트결합공으로 구성된다.
상기 블레이드 결합어댑터(40)의 고정축결합공(42)은 상기 회전자(20)의 상부로 노출된 고정축(50)에 블레이드 결합어댑터(40)를 결합시키기 위한 수단으로 내부 중앙으로 구성된다.
그리고 상기 고정축결합공(42) 내에는 고정축(50) 상에서 블레이드 결합어댑터(40)가 회전할 수 있도록 베어링부(70)의 결합을 위한 환형의 트랙을 형성한다.
상기 베어링부(70)는 고정축(50)상에서 블레이드 결합어댑터(40)가 회전가능하도록 블레이드 로터부(30)의 회전에 의해 가해지는 하중을 흡수하기 위한 수단으로 상기 고정축결합공(42)에 형성된 트랙에 결합되어 고정축(50)과 블레이드 결합어댑터(40) 사이에 구성된다.
상기 베어링부(70)는 볼베어링으로 구성된다.
또한 블레이드 로터부(30)의 내측으로 블레이드 결합어댑터(40)가 결합되는 구조로 이루어지며, 상기 블레이드 결합어댑터(40)의 측면으로 블레이드 결합어댑터(40)를 블레이드 로터부(30)에 결합고정하기 위한 수단으로 블레이드 결합부(43)가 구성되며, 상기 블레이드 결합부(43)와 대향하는 위치로 블레이드 로터부(30)에는 어댑터 결합부(31)를 형성한다.
상기 블레이드결합부(43), 어댑터 결합부(31)는 볼트결합공으로 구성되어 볼트를 통해 고정시키는 볼트체결구조로 이루어진다.
상기 회전자(20)는 고정축(50)에 구성된 고정자(10)의 상하면에 취부되는 구조로서, 상하부면으로 고정축(50)를 외부로 노출시키기 위한 통공부가 형성되고, 그 내부로는 베어링부(60)를 결합하기 위하여 고정축(50)을 따라 환형의 트랙이 형성된다.
상기 베어링부(60)는 회전 시 발생되는 하중을 고정축(50) 상에 전달되지 않도록 흡수하여 고정축(50) 상에서 회전자(20)가 회전할 수 있도록 하기 위한 수단이다.
상기 베어링부(60)는 복열 앵귤러 볼베어링으로 구성하여 블레이드 로터부(30) 및 블레이드 결합어댑터(40)에 의해 가해지는 하중을 흡수하고 상하측으로 구성되는 베어링부(60)의 편심을 잡아줄 수 있도록 한다.
이와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조의 작용을 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 블레이드 로터부(30)와 회전자가(20)가 직접 결합되지 않고, 블레이드 결합어댑터(40)에 의해 결합 고정되는 구조를 특징으로 한다.
고정축(50) 상에 구성되는 고정자(10)를 중심으로 회전자(20)가 상하의 위치에 구성될 수 있도록 결합한다.
이때, 회전자(20)의 상부면에 형성된 통공부를 통하여 고정축(50)의 연장부가 노출된다.
즉, 종래와 달리 회전자(20)의 상부가 통공되고, 상기 고정축(50)이 연장되어 회전자(20)의 상부로 노출된 상태로 결합된다.
이와 같이 연장된 고정축(50)을 블레이드 결합어댑터(40)의 고정축결합공(42)을 맞추어 결합하고 회전자(20)의 상부면에 블레이드 결합어댑터(40)를 안착시킨다.
이후 회전자(20)의 상부면에 형성된 어댑터결합부(21)와 블레이드 결합어댑터(40)에 형성된 회전자결합부(41)를 맞추고 볼트로 결합고정하여 블레이드 결합어댑터(40))를 회전자(20)에 완전하게 결합 고정시킨다.
한편 블레이드 로터부(30)를 블레이드 결합어댑터(40)에 결합하고 블레이드 결합부(43)와 어댑터결합부(31)를 맞추어 볼트로 결합 고정하여 블레이드 로터부(30)를 블레이드 결합어댑터(40)에 결합 고정시킨다.
이에 따르면, 블레이드 결합어댑터(40)에 의해 블레이드 로터부(30)와 회전자(20)가 결합 고정되고, 고정축(50)이 블레이드 결합어댑터(40)에 블레이드 결합어댑터(40)가 회전가능한 구조로 결합된다.
이와 같이 결합된 수직축 풍력발전기는, 풍력에 의해 블레이드 로터부(30)가 회전하게 되면, 이의 회전력은 블레이드 결합어댑터(40)에 전달되고, 블레이드 결합어댑터(40)가 고정축(50) 상의 베어링부(70)의 작용에 의해 고정축(50) 상에서 회전하게 되고, 블레이드 결합어댑터(40)와 결합된 회전자(20)가 회전하게 된다.
따라서 블레이드 로터부(30)의 회전축 편심이 발생하더라도 고정축(50)에 고르게 분산되면서 블레이드 로터부(30)의 회전이 안정성있게 회전자(20)에 전달됨으로써, 회전편심 및 이로 인한 진동을 개선할 수 있다.

Claims (3)

  1. 영구자석으로 이루어지는 회전자(20)의 사이에 고정자(10)를 구성하여 회전자(20)를 회전시켜 전류를 발생시키는 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조에 있어서,
    블레이드 로터부(30)를 상기 회전자(20)의 상부면에 결합시키기 위한 블레이드 결합어댑터(40)를 더 포함하여 구성되고,
    상기 고정자(10)의 고정축(50)이 상기 블레이드 결합어댑터(40)와 결합될 수 있도록 연장하여 구성하고, 상기 회전자(20)는 상기 고정축(50)의 연장부분이 상부로 노출될 수 있도록 통공부를 형성하고 고정축(50)과의 결합면으로는 베어링부(60)가 구성되고 상부면으로는 상기 통공부를 중심으로 양 측으로 블레이드 결합어댑터(40)를 결합 고정시키기 위한 어댑터결합부(21)가 형성되며, 상기 블레이드 결합어댑터(40)는 상부가 블레이드 로터부(30)와 결합 고정되며 하부로는 회전자(20)의 상부면에 형성된 어댑터결합부(21)에 결합고정하기 위한 회전자결합부(41)가 형성되고 하부 중앙으로 부터 그 내부로는 고정축(50)을 결합하기 위한 고정축결합공(42)이 형성되고 고정축결합공(42)내에는 고정축(50) 상에서 블레이드 어댑터(40)를 회전시킬 수 있도록 베어링부(70)가 구성되는 것을 특징으로 하는 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 베어링부(60)는 복열 앵귤러 볼베어링으로 구성한 것을 특징으로 하는 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 블레이드 로터부(30)의 내측으로 블레이드 결합어댑터(40)가 결합되는 구조로 이루어지며, 상기 블레이드 결합어댑터(40)의 측면으로 블레이드 결합어댑터(40)를 블레이드 로터부(30)에 결합고정하기 위하여 블레이드 결합부(43)가 구성되며, 상기 블레이드 결합부(43)와 대향하는 위치로 블레이드 로터부(30)에는 어댑터 결합부(31)를 형성하며, 상기 블레이드결합부(43), 어댑터 결합부(31)는 볼트결합공으로 구성되어 볼트를 통해 고정시키는 볼트체결구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 외전형 방식 영구자석 발전기가 채용된 수직축 풍력발전기의 구조.








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