KR101398680B1 - Afpm generator for small wind turbines - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 소형 풍력발전기용 종축자속형 발전기에 관한 것으로서, 상세하게는 코깅토크를 상쇄할 수 있는 소형 풍력발전기용 종축자속형 발전기에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a longitudinal axis magnetic flux generator for a small wind turbine generator, and more particularly to a longitudinal axis magnetic flux generator for a small wind turbine generator capable of canceling cogging torque.
풍력발전은 자연계에 존재하는 풍력에너지를 풍력터빈을 이용하여 전기에너지를 얻는 것이 목적이므로 가급적 많은 에너지를 얻기 위해 풍력터빈은 바람의 세기에 적합한 형태가 요구된다. In order to obtain as much energy as possible, the wind turbine is required to have a form suitable for the strength of the wind, because the purpose of the wind power is to obtain the electric energy using the wind turbine in the natural world.
풍력터빈에서 발생되는 풍력에너지는 풍력날개 길이의 제곱에 비례하여 동일한 조건에서도 많은 에너지를 얻기 위해 해안지역이나 산악지역과 같이 평균풍속이 큰 곳에 설치되는 경우에는 블레이드 길이가 큰 대형풍력발전기의 형태를 띠고 있다. 그렇지만 도시근교에서는 바람의 세기와 방향이 불규칙하고 풍속이 비교적 낮은 편으로 이에 적합한 소형풍력발전이 주류를 이루고 있다. 도시근교에 주로 설치되는 소형풍력발전기의 경우에는 바람의 세기가 약한 미풍에서도 기동이 용이하도록 풍력터빈과 발전기를 설계하여야만 풍속이 낮은 경우에도 지속적으로 발전이 가능하여 발전기의 이용률을 높일 수 있다. The wind energy generated from the wind turbine is proportional to the square of the length of the wind blades. In order to obtain much energy even in the same condition, when the wind turbine is installed in a place having a large average wind speed such as a coastal area or a mountainous area, It is. However, in the suburbs of the city, the intensity and direction of the wind are irregular and the wind speed is relatively low. In the case of a small wind turbine installed mainly in the suburbs of the city, the wind turbine and the generator should be designed so that the wind turbine and the generator can be easily operated even in a breeze with weak wind intensity, so that the power can be continuously used even when the wind speed is low.
또한 소형풍력터빈은 블레이드의 피칭제어가 어렵기 때문에 미풍에서부터 돌풍에 이르기 까지 속도변동 허용범위가 크고 변속기어에 의한 기계적 손실을 줄이기 위해 증속기가 없는 직입구동(Direct-Driven) 방식의 터빈발전기를 설계하여 가변속운전형태의 발전기를 주로 채택한다. 이와 같은 기능적 요구조건에 대응하기 위해서는 종축자속형 발전기(AFPM ;Axial Flux Permanent Magnet)가 유리하다. 종축자속형 발전기는 토크를 발생시키는 자속의 방향이 축과 같은 방향으로 두께가 얇은 디스크 형태로 제작이 가능하며, 동일한 사이즈의 원통형 발전기에 비해 단위 체적당 출력밀도가 높고 회전자와 고정자를 여러 층으로 설계하여 보다 높은 출력과 출력효율을 높일 수 있다. 또한 희토류계의 영구자석을 사용함으로써 고출력을 얻을 수 있다. 이러한 장점으로 인하여 소형 풍력발전에 종축자속형 발전기를 적용한 풍력발전시스템은 국내 등록실용신안 제20-0304643호 등 다양하게 개시되어 있다.In addition, since the small-sized wind turbine is difficult to control the pitch of the blades, a direct-driven turbine generator having no speedup is used to reduce the mechanical loss due to the speed change from the breeze to the blast. Design and adopts variable speed operation type generator. In order to meet such functional requirements, an axial flux permanent magnet (AFPM) is advantageous. A longitudinal axis magnetic flux generator can be produced in the form of a disk in which the direction of the magnetic flux generating torque is thin in the same direction as the axis and the output density per unit volume is higher than that of a cylindrical generator of the same size, So that higher output and higher output efficiency can be achieved. In addition, high output can be obtained by using a rare-earth permanent magnet. Due to these advantages, a wind power generation system employing a longitudinal axis magnetic flux generator in a small wind power generation has been variously disclosed, such as a domestic registered utility model No. 20-0304643.
한편, 이러한 기능적인 성능요건에 대응하여 미풍에서 기동이 용이하도록 코깅 토크(Cogging Torque)를 저감해야 하고, 이를 위해 AFPM 발전기는 고정자에 철심이 없는 코어리스(Coreless) 방식을 많이 채택하고 있으나, 코어리스 AFPM 기기는 고정자와 회전자간 이격거리인 공극(Air Gap)의 증대로 인해 효율이 상대적으로 매우 떨어지는 결정적인 결점을 갖는다. Meanwhile, in response to such functional performance requirements, the cogging torque must be reduced in order to facilitate maneuvering in the breeze. For this purpose, the AFPM generator adopts a coreless method without a core in the stator, The lease AFPM device has a critical drawback that efficiency is relatively low due to the increase of the air gap which is the distance between the stator and the rotor.
즉, 영구자석의 기자력이 증가할수록 공극에서의 자속밀도 증가로 인해 코깅 토크는 증가된다. 그렇지만 공극에서의 자속분포가 균일한 분포를 하지 않기 때문에 고정자 철심의 포화상태에 따라 또는 철심이 없는 경우에는 코깅 토크를 상대적으로 매우 크게 줄일 수가 있다. 그러나 철심이 없는 코어리스 AFPM 발전기의 경우에는 공극의 길이가 상대적으로 크게 증가하여 공극에서의 누설자속과 자기저항의 증가를 동반하게 됨으로써 효율이 매우 떨어지게 된다. 따라서 코어리스 기기에 비해 철심 코어를 그대로 유지한 상태에서 공극에서의 자속분포를 개선함으로써 코깅 토크를 저감시키는 방법이 요구된다.That is, as the magnetomotive force of the permanent magnet increases, the cogging torque increases due to the increase of the magnetic flux density in the air gap. However, since the magnetic flux distribution in the air gap does not have a uniform distribution, the cogging torque can be relatively greatly reduced depending on the saturated state of the stator core or in the absence of the iron core. However, in the case of the coreless AFPM generator without iron core, the length of the pore is relatively increased, which leads to an increase in leakage flux and magnetoresistance in the pore, resulting in a very low efficiency. Therefore, there is a need for a method of reducing the cogging torque by improving the magnetic flux distribution in the air gap while maintaining the core core as compared with the coreless device.
본 발명은 상기와 같은 요구사항을 해결하기 위한 것으로서, 코어를 갖는 고정자와 영구자석간에 발생되는 코깅 토크를 저감시킬 수 있는 소형 풍력발전기용 종축자속형 발전기를 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a longitudinal axis magnetic flux generator for a small wind turbine generator capable of reducing the cogging torque generated between a stator having a core and a permanent magnet.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 소형 풍력발전기용 종축자속형 발전기는 소형 풍력발전기용 종축자속형 발전기에 있어서, 하우징 내에 원판형으로 형성되되 양측면에 원주방향을 따라 배열된 다수개의 슬롯과, 상기 슬롯에 코일이 권선된 스테이터와; 상기 하우징에 상기 스테이터의 중심을 관통하여 상기 하우징에 대해 회전가능하게 장착된 샤프트와; 상기 스테이터를 중심으로 일측에서 상기 샤프트에 결합되며 제1원판형 디스크의 상기 스테이터와 대향되는 제1면에 원주방향을 따라 극성이 교번적으로 상호 이격되게 영구자석이 배치된 제1로터와; 상기 스테이터를 중심으로 타측에서 상기 샤프트에 결합되며 제2원판형 디스크의 상기 스테이터와 대향되는 제2면에 원주방향을 따라 극성이 교번적으로 상호 이격되게 영구자석이 배치된 제2로터;를 구비하고, 상기 제1로터에 장착된 상기 영구자석들은 코깅토크를 상쇄할 수 있도록 상기 제1면에 인접되게 배치된 영구자석들 상호간의 표면적의 크기가 다르게 원호길이에 차이가 있게 형성되어 있고, 상기 제2로터에 장착된 상기 영구자석들은 코깅토크를 상쇄할 수 있도록 상기 제2면에 인접되게 배치된 영구자석들 상호간의 표면적의 크기가 다르게 원호길이에 차이가 있게 형성되어 있다.In order to achieve the above object, a longitudinal axis magnetic flux generator for a small wind turbine according to the present invention is a longitudinal axis magnetic flux generator for a small wind turbine, comprising: a plurality of slots arranged in a circumferential direction on both sides, A stator having a coil wound around the slot; A shaft rotatably mounted on the housing through a center of the stator; A first rotor coupled to the shaft at one side of the stator and having a permanent magnet disposed on the first surface of the first disk-shaped disk opposite to the stator so that the polarities are alternately spaced from each other along the circumferential direction; And a second rotor coupled to the shaft at the other side of the stator and having a permanent magnet disposed on the second surface of the second disk-shaped disk opposite to the stator so that the polarities of the permanent magnets are alternately spaced from each other along the circumferential direction Wherein the permanent magnets mounted on the first rotor are formed such that the lengths of the permanent magnets adjacent to the first surface are different from each other in the arc length so that the cogging torque can be canceled, The permanent magnets mounted on the second rotor are formed such that the size of the surface area between the permanent magnets adjacent to the second surface is different from each other in the arc length so that the cogging torque can be canceled.
바람직하게는 상기 제1로터에 장착된 영구자석과 대향되는 위치의 상기 제2로터에 장착된 영구자석 상호간의 극성은 동일하게 배열된다.Preferably, the polarities of the permanent magnets mounted on the second rotor at positions opposed to the permanent magnets mounted on the first rotor are arranged in the same manner.
또한, 상기 제1로터에 장착된 영구자석과 대향되는 위치의 상기 제2로터에 장착된 영구자석 상호간의 표면적이 다르게 원호길이가 차이가 있게 형성된다.In addition, the surface area of the permanent magnets mounted on the second rotor at positions opposite to the permanent magnets mounted on the first rotor are formed to have different arcuate lengths.
더욱 바람직하게는 상기 제1로터에는 제1원호길이를 갖는 N극 영구자석과, 상기 제1원호길이와 다른 제2원호길이를 갖는 S극 영구자석이 원주방향을 따라 교번적으로 배열되어 있고, 상기 제2로터에는 제1원호길이를 갖는 S극 영구자석과 제2원호길이를 갖는 N극 영구자석이 원주방향을 따라 교번적으로 배열되어 있다.More preferably, the N-pole permanent magnet having the first arc length and the S-pole permanent magnet having the second arc length different from the first arc length are arranged alternately in the circumferential direction in the first rotor, The S-pole permanent magnet having the first arc length and the N-pole permanent magnet having the second arc length are alternately arranged in the second rotor in the circumferential direction.
상기 제1원호길이는 상기 제2원호길이를 기준으로 80 내지 97%의 길이를 갖는 것이 바람직하다.The first arc length preferably has a length of 80 to 97% based on the second arc length.
본 발명에 따른 소형 풍력발전기용 종축자속형 발전기에 의하면, 코어를 갖으면서도 코깅토크를 저감시킬 수 있어 발전효율을 향상시킬 수 있다.According to the longitudinal axis magnetic flux generator for a small wind turbine according to the present invention, the cogging torque can be reduced while having the core, and the power generation efficiency can be improved.
도 1은 본 발명에 따른 소형 풍력발전기용 종축자속형 발전기를 개략적으로 나타내 보인 단면도이고,
도 2는 도 1의 하우징 내에 장착된 요소를 발췌하여 나타내 보인 사시도이고,
도 3은 도 1의 발전기의 자력선 분포 및 원주방향을 따라 인접된 영구자석 및 제1 및 제2로터의 대향되는 위치의 자극 구조를 설명하기 위한 도면이고,
도 4는 도 1의 영구자석 크기 차이를 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 도 1의 영구자석 크기 차이를 다른 각도에서 보여주는 도면이고,
도 6 및 도 7은 영구자석의 크기를 변화시키지 않았을 때와, 크기 차이가 있을 때의 측정한 코깅토크를 나타내 보인 그래프이고,
도 8은 영구자석의 크기차이를 교번으로 배치하였을 때 측정한 코깅토크를 나타내 보인 그래프이다.1 is a sectional view schematically showing a longitudinal axis magnetic flux generator for a small wind turbine according to the present invention,
Fig. 2 is a perspective view showing components mounted in the housing of Fig. 1,
FIG. 3 is a view for explaining the magnetic pole structure of the permanent magnets adjacent to each other along the circumferential direction and the magnetic force line distribution of the generator shown in FIG. 1 and the opposing positions of the first and second rotors,
FIG. 4 is a view for explaining the difference in permanent magnet size in FIG. 1,
FIG. 5 is a view showing the permanent magnet size difference of FIG. 1 from another angle,
FIGS. 6 and 7 are graphs showing the measured cogging torque when the size of the permanent magnet is not changed,
8 is a graph showing the cogging torque measured when the magnets of the permanent magnets are alternately arranged.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소형 풍력발전기용 종축자속형 발전기를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, a longitudinal axis magnetic flux generator for a small wind turbine according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 소형 풍력발전기용 종축자속형 발전기를 개략적으로 나타내 보인 단면도이고, 도 2는 도 1의 하우징 내에 장착된 요소를 발췌하여 나타내 보인 사시도이다.FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a longitudinal axis magnetic flux generator for a small-size wind turbine according to the present invention, and FIG. 2 is a perspective view showing an element taken in the housing of FIG.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 소형 풍력발전기용 종축자속형 발전기(100)는 하우징(110), 샤프트(120), 스테이터(130), 제1 및 제2로터(140)를 구비한다.1 and 2, a longitudinal axis
스테이터(130)는 하우징(110) 내에 원판형으로 형성되되 제1 및 로터(140)(150)와 대향되는 양측면에 원주방향을 따라 배열된 다수개의 슬롯(132)과, 슬롯(132)에 코일(134)이 권선된 코어를 갖는 구조로 되어 있다.The
샤프트(120)는 하우징(110)에 스테이터(130)의 중심을 관통하여 하우징(110)에 대해 회전가능하게 장착되어 있다.The
제1로터(140)는 스테이터(130)를 중심으로 일측에서 샤프트(120)에 결합되며 제1원판형 디스크(141)의 스테이터(130)와 대향되는 제1면(142)에 원주방향을 따라 N극과, S극의 영구자석(145a)(145b)이 극성이 교번적으로 상호 이격되게 배치되어 있다.The
여기서, 제1로터(140)에 장착된 영구자석(145a)(145b)들은 코깅토크를 상쇄할 수 있도록 제1면(142)에 인접되게 배치된 영구자석(145a)(145b)들 상호간의 표면적의 크기가 다르게 형성되어 있다.The
여기서, 영구자석(145a)(145b)들은 표면적을 달리하기 위한 방안으로 도 5에 도시된 바와 같이 중심으로부터 원호방향을 따르는 원주길이가 다르게 형성된다.Here, the
제2로터(150)는 스테이터(130)를 중심으로 제1로터(140) 맞은편이되는 타측에서 샤프트(120)에 결합되며 제2원판형 디스크(151)의 스테이터(130)와 대향되는 제2면(152)에 원주방향을 따라 극성이 교번적으로 상호 이격되게 영구자석(155a)(155b)이 배치되어 있다.The
제2로터(150)에 장착된 영구자석(155a)(155b)들은 코깅토크를 상쇄할 수 있도록 제2면(152)에 인접되게 배치된 영구자석(155a)(155b)들 상호간의 표면적의 크기가 다르게 앞서 설명된 바와 같이 원호길이가 다르게 형성되어 있다.The
여기서, 제1로터(140)에 장착된 영구자석(145a)(145b)과 대향되는 위치의 제2로터(150)에 장착된 영구자석(155a)(155b) 상호간의 극성은 도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 동일하게 배열된다.The polarities of the
또한, 제1로터(140)에 장착된 영구자석(145a)(145b)과 대향되는 위치의 제2로터(150)에 장착된 영구자석(155a)(155b) 상호간의 표면적이 다르게 즉, 원호길이가 다르게 형성된다.The
즉, 도 3 내지 도 5를 참고하여 설명하면, 제1로터(140)에는 제1크기의 표면적에 대응되는 제1원호길이를 갖는 N극 영구자석(145a)과, 제1크기와 다른 제2크기의 표면적에 대응되는 제2원호길이를 갖는 S극 영구자석(145b)이 원주방향을 따라 교번적으로 배열되어 있고, 제2로터(150)에는 제1크기의 표면적에 대응되는 제1원호길이를 갖는 S극 영구자석(155b)과 제2크기의 표면적에 대응되는 제2원호길이를 갖는 N극 영구자석(155a)이 원주방향을 따라 교번적으로 배열되어 있다.3 to 5, the
여기서, 제1원호길이는 제2원호길이를 기준으로 80 내지 97%의 크기를 갖게 적용하는 것이 바람직하다.Here, it is preferable that the first arc length has a size of 80 to 97% based on the second arc length.
이하에서는 이러한 발전기에서 코깅토크 상쇄구조를 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the cogging torque canceling structure in such a generator will be described in more detail.
먼저, 도시된 예에서는 AFPM 발전기의 스테이터(130)와 제1 및 제2로터(140)(150)의 자극은 도 1에서와 같이 이중 회전자 단일 고정자 구조의 N-N형태의 AFPM 기기구조로 되어 있고, 자속은 도 3에서와 같이 형성된다. 이 경우에 자극의 원호길이를 기준으로 제1원호길이를 갖는 첫 번째 자극의 피치율(αm)과 제2원호길이를 갖는 두 번째 자극의 피치율(αc)은 아래의 수학식 1과 수학식 2와 같이 제1 및 제2로터(140)(150)의 원호길이 대비 자극의 원호길이의 비율로써 정의한다. First, in the illustrated example, the magnetic poles of the
여기서 , τm, τc, τgm, τgc, τp, τgp 는 N극과 S극 각각에서 첫 번째 자극의 원호 길이(또는 자극의 피치(pitch)), 두 번째 자극의 원호 길이(또는 자극의 피치(pitch)), 공극에서의 첫 번째 자극의 원호길이, 공극에서의 두 번째 자극의 원호길이, 제1 및 제2 로터(140)(150)의 원호길이 및 공극의 원호길이를 각각 나타낸다. Here, τ m , τ c , τ gm , τ gc , τ p , and τ gp are the arc lengths of the first stimulus (or the pitch of the stimulus) and the arc lengths of the second stimulus Or the pitch of the magnetic poles), the arc length of the first magnetic pole in the air gap, the arc length of the second magnetic pole in the air gap, the arc length of the first and
이러한 구조는 공극에서 N극과 S극에 의해 발생되는 코깅 토크를 상호 교차시켜 이를 상쇄시킨다.This structure counteracts the cogging torque generated by the N and S poles in the gap.
또한, N극과 S극에 의해 발생된 코깅 토크가 크기는 같지만 방향이 서로 반대방향으로 작용하여 공극에서 발생된 코깅 토크를 N극과 S극에 의해 상호 상쇄시키는 효과를 얻는다.In addition, the cogging torque generated by the N pole and the S pole is equal in magnitude but acts in directions opposite to each other, so that the cogging torque generated in the gap is canceled by the N pole and the S pole.
한편, 코깅 토크를 최소화하기 위해서 제안된 방법을 적용하여 모델 해석을 수행하였다. 모델 해석에 사용된 자극 피치의 조정은 우선 첫 번째 자극의 피치를 τm = 60°~ 180°범위에서 설정하고 그 다음에 두 번째 피치를 τc= 60°~ 180°범위에서 10도씩 증가시키면서 코깅 토크의 최적화를 수행하였다. 즉, 첫 번째 자극의 피치율을 αm=0.33~1.0 범위에서 우선 기준점으로 잡고, 그 다음에 두 번째 자극의 피치율 αc=0.33~1.0 으로 변화시키면서 코깅 토크가 최소가 되도록 최적화를 수행하였다. 도 6에서 나타낸 바와 같이 첫 번째 자극과 두 번째 피치가 τm = τc = 140°(αm=αc= 0.778 )인 경우 즉, 동일한 원호방향의 길이를 갖는 자극에서는 코깅 토크가 정상 토크의 약 50%정도로 매우 큰 반면에 두 번째 자극의 피치가 τc = 120°(αc= 0.667 )인 경우에는 정상 토크의 약 18%로 매우 낮은 코깅 토크를 얻을 수 있었다. 또한 도 7에서는 자극과 회전자 피치를 각각 독립적으로 조정한 경우에는 도 6에서와 같이 종속적인 조정에 비해 매우 효과적으로 코깅 토크를 저감할 수 있었다. 도 7에서와 같이 τm /τc = 140°/ 130°인 경우에는 약 5.5[N-m](정상 토크의 약 34.5%)로써 매우 큰 반면에 τm /τc = 130°/ 110°인 경우에는 약 1.4[N-m](정상 토크의 약 8.8%)로써 매우 작은 코깅 토크의 결과를 얻는다. 이 결과를 통하여 코깅 토크 저감을 위해서는 두 번째 자극의 원호방향의 길이를 독립적으로 조정하여 배치해 나가는 것이 보다 효과적임을 확인할 수 있다. On the other hand, to minimize the cogging torque, the proposed method was applied to the model analysis. The adjustment of the stimulus pitch used in the model analysis is performed by first setting the pitch of the first stimulus in the range of τ m = 60 ° to 180 °, then increasing the second pitch by 10 ° in the range of τ c = 60 ° to 180 ° Optimization of the cogging torque was performed. That is, optimization was performed so that the cogging torque was minimized while keeping the pitch ratio of the first stimulus at a reference point in the range of α m = 0.33 to 1.0, then changing the pitch ratio of the second stimulus to α c = 0.33 to 1.0 . 6, when the first stimulus and the second pitch are τ m = τ c = 140 ° (α m = α c = 0.778), that is, in a stimulus having the same length in the arc direction, The cogging torque is very high, about 50%, whereas the pitch of the second stimulus is τ c = 120 ° (α c = 0.667), which is about 18% of the normal torque. In FIG. 7, when the magnetic pole and the rotor pitch are independently adjusted, the cogging torque can be reduced more effectively than the dependent adjustment as shown in FIG. As shown in FIG. 7, when τ m / τ c = 140 ° / 130 °, it is very large as about 5.5 Nm (about 34.5% of the normal torque), whereas when τ m / τ c = 130 ° / 110 ° A very small cogging torque result is obtained at about 1.4 Nm (about 8.8% of the normal torque). From the results, it can be confirmed that it is more effective to adjust the length of the second stimulus in the direction of the arc independently in order to reduce the cogging torque.
또한, 도 8에서는 첫 번째 자극의 원호각을 110°로 고정한 상태에서 두 번째 자극의 원호각을 100°~150°범위내에서 변경시 각각의 경우에 대한 코깅 토크의 변화를 나타내고 있다. 도 8에서 앞서 검토한 바와 같이 τm /τc = 140°/ 130°인 경우에 1.4[N-m](정상 토크의 약 8.8%)로써 매우 작은 결과를 얻는다. 이러한 결과를 통하여 코깅 토크 저감을 위해서는 로터 폴 피치와 영구자석의 자극의 피치를 서로 상이한 각도로 조정하여 배치는 하는 것이 보다 효과적임을 확인할 수 있다.8 shows changes in the cogging torque for each case when the arc angle of the second stimulus is changed within a range of 100 ° to 150 ° with the arc angle of the first stimulus being fixed at 110 °. As can be seen in FIG. 8, very small results are obtained with 1.4 Nm (about 8.8% of the normal torque) when τ m / τ c = 140 ° / 130 °. From these results, it can be confirmed that it is more effective to arrange the rotor pole pitch and the pitch of the magnetic poles of the permanent magnet at different angles to reduce the cogging torque.
첫 번째 자극의 피치와 두 번째 자극의 피치각을 중심으로 여러 가지 경우에 대하여 해석한 결과를 아래의 표 1에 나타내었다.Table 1 below shows the result of analyzing various cases based on the pitch of the first stimulus and the pitch angle of the second stimulus.
τc τ m
한편, 제안된 방법을 검증하기 위해 1kW급, 360rpm, 16극의 2중층 회전자와 18슬롯을 가진 단일층 내부 고정자의 AFPM 발전기에 대하여 자극 수와 슬롯의 수를 18/16의 분수형 비율로 선정하였으며, 소형풍력 발전기의 정격회전수 360[rpm]를 고려하여 16극의 자극을 선정하였다. 또한, 상이한 피치의 자극을 교번하여 배치하여 공극에서의 자기저항의 변화가 최소가 되도록 제안된 방법을 적용하였다.In order to verify the proposed method, the number of poles and the number of slots for the AFPM generators of 1kW, 360rpm, 16-pole double layer rotors and 18-slot single layer inner stator were set at a fractional ratio of 18/16 And 16 poles were selected considering the rated revolutions of 360 [rpm] of small wind turbines. Also, the proposed method is applied so that the magnetic poles of different pitches are arranged alternately to minimize the change of the magnetoresistance in the gap.
권선은 부하토크 리플을 억제하고 권선의 이용률을 높이기 위해 3상 권선을 채택하였다. 특히 AFPM 기기는 기존 원통형 기기와는 달리 고정자가 양쪽 회전자의 내부에 위치하여 구조적으로 각상의 권선이 상호 중첩되지 않는 집중권(Non-overlapping Concentrated Coil)을 채택하였다. The windings employ three-phase windings to suppress load torque ripple and increase the utilization of the windings. In particular, the AFPM device adopts a non-overlapping concentric coil in which the stator is located inside the rotor, unlike the conventional cylindrical device, and the windings of each phase are not structurally overlapped with each other.
제안된 방법을 적용시에 부하토크 리플이 매우 저감되었음을 알 수 있었고, 채택된 구조로 적용하여 실제 제작된 소형풍력발전기에 대해 현장시험을 거쳐 우수한 성능의 결과를 확인할 수 있었다. It was found that the load torque ripple was reduced significantly when the proposed method was applied. The application of the proposed structure resulted in the field test of the small - sized wind turbine actually manufactured and confirmed the superior performance.
시험결과 풍속 10.0[m/s]에서 정격 사양에 해당되며, 최고 효율은 약 93%에 도달하여 철심이 없는 코어리스 AFPM 발전기의 효율 85% 수준에 비해 약 8%이상의 높은 효율을 기록하였다. 또한, 최저 풍속 1.5[m/s]에서도 발전기는 기동되어 발전기의 출력을 내기 시작하였으며, 이는 최저 풍속 3.0[m/s] 에서부터 기동되는 원통형 영구자석 또는 AFPM 발전기에 비해서도 기동풍속이 매우 낮음을 알 수 있었다. As a result of the tests, the maximum rated efficiency reached about 93% at wind speed of 10.0 [m / s], which is more than 8% higher than 85% efficiency of coreless AFPM generator without iron core. In addition, even at the minimum wind speed of 1.5 [m / s], the generator started to output the output of the generator, indicating that the starting wind speed was much lower than that of the cylindrical permanent magnet or AFPM generator starting from the minimum wind speed of 3.0 [m / s] I could.
110: 하우징 120: 샤프트
130: 스테이터 140: 제1로터
150: 제2로터110: housing 120: shaft
130: stator 140: first rotor
150: Second rotor
Claims (5)
하우징 내에 원판형으로 형성되되 양측면에 원주방향을 따라 배열된 다수개의 슬롯과, 상기 슬롯에 코일이 권선된 스테이터와;
상기 하우징에 상기 스테이터의 중심을 관통하여 상기 하우징에 대해 회전가능하게 장착된 샤프트와;
상기 스테이터를 중심으로 일측에서 상기 샤프트에 결합되며 제1원판형 디스크의 상기 스테이터와 대향되는 제1면에 원주방향을 따라 극성이 교번적으로 상호 이격되게 영구자석이 배치된 제1로터와;
상기 스테이터를 중심으로 타측에서 상기 샤프트에 결합되며 제2원판형 디스크의 상기 스테이터와 대향되는 제2면에 원주방향을 따라 극성이 교번적으로 상호 이격되게 영구자석이 배치된 제2로터;를 구비하고,
상기 제1로터에 장착된 상기 영구자석들은 코깅토크를 상쇄할 수 있도록 상기 제1면에 인접되게 배치된 영구자석들 상호간의 표면적의 크기가 다르게 원호길이에 차이가 있게 형성되어 있고,
상기 제2로터에 장착된 상기 영구자석들은 코깅토크를 상쇄할 수 있도록 상기 제2면에 인접되게 배치된 영구자석들 상호간의 표면적의 크기가 다르게 원호길이에 차이가 있게 형성되어 있고,
상기 제1로터에 장착된 영구자석과 대향되는 위치의 상기 제2로터에 장착된 영구자석 상호간의 극성은 동일하게 배열되어 있으며,
상기 제1로터에 장착된 영구자석과 대향되는 위치의 상기 제2로터에 장착된 영구자석 상호간의 표면적이 다르게 원호길이가 차이가 있게 형성되어 있고,
상기 제1로터에는 제1원호길이를 갖는 N극 영구자석과, 상기 제1원호길이와 다른 제2원호길이를 갖는 S극 영구자석이 원주방향을 따라 교번적으로 배열되어 있고, 상기 제2로터에는 제1원호길이를 갖는 S극 영구자석과 제2원호길이를 갖는 N극 영구자석이 원주방향을 따라 교번적으로 배열되어 있고,
상기 제1원호길이는 상기 제2원호길이를 기준으로 80 내지 97%의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 소형 풍력발전기용 종축자속형 발전기.In a longitudinal axis magnetic flux generator for a small wind turbine generator,
A plurality of slots formed in the housing in a disk shape and arranged on both sides in a circumferential direction, a stator having coils wound around the slots;
A shaft rotatably mounted on the housing through a center of the stator;
A first rotor coupled to the shaft at one side of the stator and having a permanent magnet disposed on the first surface of the first disk-shaped disk opposite to the stator so that the polarities are alternately spaced from each other along the circumferential direction;
And a second rotor coupled to the shaft at the other side of the stator and having a permanent magnet disposed on the second surface of the second disk-shaped disk opposite to the stator so that the polarities of the permanent magnets are alternately spaced from each other along the circumferential direction and,
The permanent magnets mounted on the first rotor are formed so that the length of the permanent magnets adjacent to the first surface is different from that of the first surface so that the cogging torque can be canceled,
The permanent magnets mounted on the second rotor are formed such that the surface magnitudes of the permanent magnets disposed adjacent to the second surface are different from each other in the arc length so as to cancel the cogging torque,
The polarities of the permanent magnets mounted on the second rotor at positions opposite to the permanent magnets mounted on the first rotor are arranged in the same manner,
Wherein a surface area of the permanent magnets mounted on the second rotor is different from that of the permanent magnets mounted on the first rotor,
An N pole permanent magnet having a first arc length and an S pole permanent magnet having a second arc length different from the first arc length are alternately arranged in the circumferential direction of the first rotor, An S-pole permanent magnet having a first arc length and an N-pole permanent magnet having a second arc length are alternately arranged along the circumferential direction,
Wherein the first arc length has a length of 80 to 97% based on the second arc length.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020130019889A KR101398680B1 (en) | 2013-02-25 | 2013-02-25 | Afpm generator for small wind turbines |
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| KR (1) | KR101398680B1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN104578634A (en) * | 2015-02-04 | 2015-04-29 | 河南理工大学 | Iron-core-free dual-air-gap axial magnetic flux permanent magnetic wind driven generator |
| KR101772271B1 (en) | 2015-06-03 | 2017-08-29 | 박태혁 | Generator for decreasing counter electromotive |
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2013
- 2013-02-25 KR KR1020130019889A patent/KR101398680B1/en active IP Right Grant
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