KR101454008B1 - 수력발전 터빈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정자 및 상기 고정자 내에 동심으로 내장되는 로터를 포함하는 수력발전 터빈으로서, 상기 터빈은 상기 로터의 림 상에 원주방향으로 배치되는 마그네트 어레이를 포함하되, 상기 고정자는 형태에 있어 슬롯리스(slotless)이고 종래의 톱니 모양의 적층판과 반대로 권선부로 형성되며, 상기 터빈은 상기 권선부에 동심으로 내측에 상기 고정자 상에 실장되는 고리형의 코일 어레이를 포함하고, 각각의 코일은 상기 코일에서 유도된 AC 전류를 DC로 전환하는, 바람직하게 이격된 위치로 전달하기 위한 전용 정류기를 구비한다.

수력발전, 터빈, 슬롯리스, 권선부

Description

수력발전 터빈{HYDROELECTRIC TURBINE}

본 발명은 전기 발생을 위한 수력발전 터빈, 그리고 특히 해류 및/또는 조수 흐름으로부터 전기를 발생시키기에 적합한 중앙 개방형(open-centre) 수력발전 터빈에 관한 것이다.

중앙 개방형 수력발전 터빈으로부터의 동력 인출장치(power take off)는 대부분 회전자의 고정자(stator)의 외측 단부(edge)와 내측 단부에　위치한 림 구조의 전기 발생기에 의해 알맞게 배치된다. 그런 경우 발전기는 고전극 수(high pole number)의 동기식 기계(synchronous machine)이다.

필드 시스템(field system)은 자기회로를 통해 자속을 구동하기 위해 요구되는 기자력을 제공하기 위한 영구 마그네트 세트나 전류를 공급받는 전기 코일을 사용할 수도 있다. 이 배치는 회전자를 수용하는 고정자의 중앙에 큰 직경의 개방 공간을 제공한다. 림 발전기는 터빈과 마찬가지로 동일한 회전 속도로 작동하며 전동장치를 필요로 하지 않는다.

영구-자기장 여자(permanent-magnetic field excitation)를 구비한 직접-구 동(즉, 기어리스) 발전기(DDPMGs; Directly-Driven Generators with Permanent-Magnet field excitation)는 혁신적인 에너지 시스템을 위해, 동력 인출장치의 가장 간단하고 잠재적으로 가장 신뢰성이 높으며 비용 효율적인 형태를 제공한다.

DDPMGs 설계의 대다수는, 회전자와 고정자를 분리하는 좁은 간극 내에 방사상 자기장(radial magnetic field)을 형성하는 회전자 위의 마그네트 세트에 의해 형성되는 자기회로를 사용한다.

고정자는 보통 본질적으로 종래의 구조이며, 원통형의 적층형 철제 고정자의 내경 안 슬롯의 내측에 감겨 있는 절연된 코일을 기본으로 한 전기회로를 포함하며 인덕션(induction) 또는 동기식 기계의 고정자와 닮았다.

자기회로는 고정자 내의 회전자 위치에 의해서 전기회로와 연결된다. 자기회로는 일반적으로 자속의 통로를 위한 저 자기저항의 경로를 제공하기 위해 철(iron)이나 강철(steel)로 만들어지는 강자성체 섹션을 포함한다.　 이러한 섹션들은 보통 회전자와 고정자 내에 모두 제공된다.

필드 시스템에 의해 형성되는 자기장은 회전자와 고정자를 분리하는 간극을 교차 통과한다. 고정자에 대한 회전자의 상대 운동, 그리고 그로 인한 자기장, 및 그로 인한 전기회로의 고정자 코일은 기전력(EMF)이 코일 내에서 유도되도록 한다.

그러나 고정자 내의 어떤 다른 회로와의 쇄교자속 또한 변화하는 쇄교자속을 겪으며 EMF가 유도된다. 전력 손실을 유발하는, 고정자의 마그네트 철이나 마그네트 강철 내의 의도하지 않은 전류 흐름을 방지하기 위해서, 전기적 절연체에 의해 분리되는 마그네트 철이나 마그네트 강철의 얇은 시트를 이용하여 코일이 권선 되는 고정자 코어를 제조하는 것이 일반적이다.

상기 시트들은 적층판이라고 불리며 펀칭 공정에 의해 재단된다. 절연체는 보통 적층판이 펀칭되는 것으로부터 얇은 코팅의 형태로 시트의 일면 또는 양면에 제공된다. 전기자 코일은 보통, 펀칭공정 동안에 슬롯을 형성함으로써 적층형 자기 코어에 부착된다. 코일은 슬롯에 삽입되고 고정되어야 하고, 이 공정은 권선 절연체에 압력을 가하며, 종종, 단순히 전기 절연을 위해 요구되는 것보다 좀 더 두꺼운 절연체가 필요하게 된다.

적은 수의 기계가 필요한 경우, 적층판을 펀칭하기 위한 다이를 생산하는 데에 소요되는 비용은 최종 기계 비용의 중요한 요소가 될 수 있으며, 특별한 다이를 제조하는 데에 소요된 시간은 제조를 지연시킬 수 있다. 게다가, 펀칭된 적층판의 중심으로부터 제거된 물질이 버려지게 되며, 이는 상당한 비용을 의미한다.

수력발전과 관련된 어플리케이션에서, 큰 직경의 기계를 사용하는 것이 바람직하며, 이는 효율의 개선과 전자기적으로 활성화된 물질의 사용의 감소를 유도할 수 있다. 그러나 대형 직경을 가진 기계들의 경우에는 아크 세그먼트의 세트처럼 적층판을 제조하는 것이 필요하다. 왜냐하면 완전한 링을 생산하기 위한 충분한 사이즈의 자기 강철 시트를 얻는 것이 가능하지 않기 때문이다. 아크들은 지지 구조물 내에 수용되어야 한다. 이는 기계에 상당한 비용을 부가한다.

이 적층되고 슬롯이 형성된 고정자의 배치는 회전자를 향해 돌출되는 티스의 형태를 가져오게 되며, 그래서 “코깅(cogging)”이라고 알려진 효과, 즉, 회전자가 소정의 각 위치를 향해 끌어당겨지는 결과를 가져오며, 이는 회전자를 시동하 기 위한 상당한 구동토크를 요구하게 된다. 게다가, 회전자와 고정자 사이의 거대한 반경방향의 인력(radial attraction force)은 크고 굳은 지지 구조물을 필요로 한다.

본 발명은 위에 언급된 문제들을 완화하기 위한 견해와 함께 개발되었다.

이에, 본 발명은 회전자; 회전자의 외측 림 주위에 배치되고 방사형의 자기장을 형성하는 마그네트 어레이; 회전자를 동심(同心)으로 둘러싸며, 마그네트의 자속 복귀 경로를 규정하는 강자성 권선부를 포함하는 슬롯리스 고정자; 및 고정자 상의 복수의 코일을 포함하는 수력발전 터빈을 제공한다.

바람직하게, 코일은 상기 권선부의 내측으로 방사상으로 배치되어 있다.

바람직하게, 각각의 코일들은 고정자와 얽히지 않고 고정자에 기계적으로 부착된다.

바람직하게, 코일은 서로 얽히지 않는다.

바람직하게, 코일들은 마그네트 어레이를 동심으로 둘러싸는 고리형 어레이를 규정하기 위해 나란히 배치된다.

바람직하게, 코일 내의 유도 기전력이 모두 동일한 상을 갖지는 않는다.

바람직하게, 각 코일은 고정자에 접합된다.

보다 바람직하게, 각 코일은 실질적으로 장타원형 경로(obround path)를 따라 권선된다.

바람직하게, 각 코일은 전용 정류기를 구비한다.

바람직하게, 정류기는 고정자 상에 설치된다.

바람직하게, 각 정류기는 각각의 코일에 근접하여 설치된다.

바람직하게, 각 코일은 플루이드 타이트 코팅(fluid tight coating)이나 하우징에 내장된다.

바람직하게, 각 코일과 각 정류기는 플루이드 타이트 코팅이나 하우징에 함께 내장된다.

바람직하게, 코팅이나 하우징은 전기적으로 절연한다.

바람직하게, 각 정류기는 다이오드 브릿지(diode bridge) 또는 하프 브릿지(half bridge)를 포함한다.

바람직하게, 정류기는 공통 직류 출력에 공급된다.

바람직하게, 정류기들은, 정류기들이 병렬로 연결되어 있는 복수의 그룹을 형성하기 위해　서로 연결되며, 복수의 그룹들은 서로 직렬로 연결된다.

바람직하게, 고정자 권선부는 절연피복되지 않은 철 와이어로 형성된다.

여기에 사용되는 바와 같이, “슬롯리스”라는 용어는 발전기의 고정자의 형상을 언급하기 위한 것이며, 특히 원통형의 적층형 철 코어의 내경의 안쪽 단부 주위에 형성되어 있는, 그래서 이 슬롯을 통해 절연된 구리 코일이 종래의 방법으로 권선된 종래의 슬롯의 부재를 언급하기 위한 것이다.

이제 본 발명이 첨부된 도면을 참조하여 같이 기술될 것이다.

첨부된 도면을 참조하면, 예를 들어 수력발전 댐(미도시)이나 이와 유사한 곳에서도 적용될 수도 있으나, 주로 조류 흐름 및/또는 해수 흐름을 통해 전기를 생산하는데 사용하기 위한, 10으로 대체로 표시된, 수력발전 터빈이 도시되어 있다. 이하의 기술로부터 분명해지는 것과 같이, 터빈(10)은 특히, 개선된 신뢰성, 낮아진 비용, 그리고 보다 가벼워진 구조 등, 이전의 유사기술에 비해 많은 명확한 이익을 구현한다.

특히 도 2를 참조하면, 터빈(10)은 고정자(30) 내에서 회전을 위해 수용된 회전자(20)를 포함한다. 회전자(20)는 더 나아가, 중앙 개방형 디자인으로 상기 중앙 개방형을 규정하는 내측 림(23)을 포함한다. 회전자(20)는 내측 림(23)과 외측 림(22)사이에 포획되어 있는 일반적으로 방사상으로 확장된 블레이드(21)의 배열을 포함한다. 회전자(20)는 더 나아가, 외측 림(22) 주위에 배치된 바람직하게는 영구자석인 마그네트(41)의 배열을 포함한다. 마그네트(41)은 원주 방향(circumferential direction)으로 N극과 S극이 교대로 착자된다. 마그네트(41)의 배열은 바람직하게는　강자성 물질의 고리형 링(미도시)에 안착된다.

여기서 도 3과 도 4를 참조하면, 단면에서, 사용 시, 회전자(20)가 안착되는 고리형 채널(32)이 제공되는 좁은 통로(throat)에서, 고정자(30)가 벤츄리를 규정하는 것을 볼 수 있다. 고정자(30)의 벤츄리 단면은 회전자(20)의 회전 속도를 증가시키기 위해, 고정자(30)을 통해 흐르는 물의 가속을 초래한다. 이 벤츄리 단면은 본 발명의 운용에 필수적인 것은 아니다.

회전자(20)의 부드러운 운전을 용이하게 하기 위해, 어떠한 적당한 형태의 베어링이 회전자(20)와 고정자(30) 사이에 제공될 수도 있다. 회전자(20)와 같이, 고정자(30)는 어떠한 적당한 물질로 형성될 수 있으며, 도시된 바람직한 실시예에서 고정자(30)은 실질적으로 GRP로 형성된다.

도 5에 도시된 것의 일 예인 코일(42) 각각의 고리형 배열은 채널(32) 내의 고정자(30)에 고정된다. 코일(42)의 배열의 형상과 작용은 이후에 보다 상세하게 기술될 것이다. 강자성 권선부는 코일 어레이(22)에 대해 동심으로, 외측에 방사상으로 권선되며, 바람직하게는 철선으로 이루어진다.

권선부(50)는, 사용 시, 마그네트(41)에 의해 발생된 자기장을 위한 자속 복귀 경로를 고정자(30) 상에 제공하며, 게다가 바람직하게, 고정자(30)에 구조적 강도를 제공한다. 이는 고정자(30)의 생산에 있어 가벼운 물질의 사용을 보다 용이하게 한다.

사용 시에, 회전자(20)는 고정자(30)의 채널(32) 내에 안착되며, 코일(42)은 비교적 좁은 간극을 형성하며, 마그네트(41)를 동심으로 둘러싼다.

종래의 전기모터/발전기의 경우, 이 간극은 에어갭으로 알려져 있으나, 구동하는 동안 터빈(10)은 물 밑으로 가라앉으며, 그래서 간극은 공기와 대치되는 물로 가득 차게 된다.

자속 복귀 경로를 형성하는 권선부(50)와 함께, 마그네트(41)는 외측 림(22)과 고정자(30) 사이의 간극을 횡단하는 방사상으로 확장하는 자기장을 생산한다.

회전자(20)의 회전을 초래하면서 물이 터빈(10)을 통해 흐름에 따라, 반경 방향으로 확장하며 바람직하게는 인접한 마그네트 사이의 N극과 S극 사이에서 교번하는 자기장은, 각각의 코일에 교류 기전력을 유발하면서 코일을 가로질러 흐른다. 이하에서 보다 자세히 기술될 바와 같이, 유도된 교류 기전력은 터빈(10)으로부터 전력 출력을 제공한다.

전술한 바와 같이, 마그네트(41)에 의해 생산된 자기장을 위한 자속 복귀 경로를 제공하기 위하여, 고정자(30)는 홈이 있고 적층된 종래의 고정자 배열 대신에 권선부(50)를 갖추고 있다. 이 배열은 여러 이익이 되는 결과를 가지고 있음이 알려졌는데, 이는 특히 수력발전 어플리케이션에 이용될 때 유익하다.

홈이 있는 적층형 철 코어의 부재(不在) 또는 특히 손상되지 않은 고리형 권선부(50)의 포함은, 회전자(20)의 “코깅”을 제거한다. “코깅”은 종래의 홈이 있는 고정자 배열을 가지는 모터/발전기에서 경험되는 현상으로, 그것에 의하여 회전자 마그네트는 고정자 티스와 정렬되며 이는 회전자가 소정의 위치로 이끌리는 결과를 가져온다. 이 현상은 그러한 종래의 모터/발전기의 시동 토크(start-up torque)의 증가를 가져온다.

슬롯리스 권선부(50)의 포함을 통해 이 “코깅”을 제거함으로써, 회전자(20)는 낮아진 시동 토크를 가지게 되며, 그러므로 조수 어플리케이션에서 발견되듯이, 회전자에 많은 토크를 발생시키지 않는 낮은 유속에서도 시동이 가능하다. 게다가, 터빈(10)은 전체 조수주기(full tidal cycle)에 걸쳐 동력을 뽑아낼 수 있다. 나아가, 권선부(50)의 사용은 비교적 저비용이고 생산하기 수월함과 동시에, 홈이 있고 적층된 고정자 배열의 생략은 고정자(30)의 비용과 복잡성을 상당히 감소시킨다. 또 다른 이익은 코일(42) 배열의 외측에 방사상으로 방향의 권선부(50)의 배치에서 발생한다.

이 형상은 자속이 마그네트(41)를 가로지르기 위한 보다 넓은 갭을 창조하며, 그래서 상기 갭을 가로지르는 자속 밀도를 감소시킨다. 이것이 초기에는 단점으로 나타나지만, 그것은 고정자(30)와 회전자(20) 사이의 감소된 인력을 가져온다.

이것은 상기 인력에 저항하기 위해 회전자(20)와 고정자(30)에 요구되는 강성(stiffness)을 감소시키며, 그로 인해 변형에 저항한다. 그 결과, 회전자(20)와 고정자(30)는, 운송과 조작을 간단하게 하는 동시에 제조비용을 상당히 감소시키면서 비교적 가벼운 구성요소로서 생산될 수 있다. 이것은 터빈(10)의 전반적인 크기에 주어지는 중요한 이익이 될 수 있으며, 이는 직경이 약 10미터 또는 그 이상일 수도 있다. 철 권선부(50)의 사용은 생산과정에서의 폐기물을 제거할 수 있으며, 이는 홈이 있고 적층된 권선부를 생산하는데 있어, 특히 터빈(10)과 같은 거대 규모의 기계에 있어 중요한 요소이다.

발전기/전기모터에 사용되는 전기자의 타입에 관계없이, 기전력이 유도되며 일반적으로 구리선으로 형성된 코일들은 회전자를 둘러싸는 웹(web)을 형성하기 위해 복잡한 오버래핑 패턴에 감겨있다. 이 코일들은 보통 3상 AC 출력을 제공한다.

슬롯리스 전기자에 있어서, 전술한 코일을 감기 위한 프레임 또는 룸(loom)의 어떠한 형태를 제공하는 것은 종래의 기술이다. 그러나 본 발명은 터빈(10)의 전기회로를 위한 전체적으로 다르고 상당히 개선된 구성을 제공한다.

특히 도 3과 도 4를 참조하면, 전기회로가 채널(24) 내의　고리형 어레이 내측에 나란히 배치된 다수의 코일(42)을 포함하는 것을 볼 수 있다. 코일(42)의 수는 터빈(10)의 요구에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

게다가, 각각의 코일(42)은 정류기, 바람직하게는 단상 브리지 정류기(71, 도 6)를 구비하여 각각의 코일(42)에 유도된 AC 전류가 즉시 DC로 정류되며, 각 코일(42)과 정류기(71)로부터의 출력은 이후 터빈(10)을 위한 공통 DC 출력에 연결된다. 전술한 특징들은 특히 수력발전 어플리케이션에 상당히 유용한 것임을 증명하여 왔으며, 그 이유는 이하에서 제시된다.

교류회로(미도시)는 각각의 코일을 위한 하프 브리지 정류기(미도시)를 이용할 수 있다. 그러한 배열로, 각각의 정류기는 한 쌍의 다이오드를 포함할 수 있으며, 그 중 하나는 각각의 코일의 일 전극과 양 DC 출력 전극 사이에 연결되고, 다른 다이오드는 상기 코일의 동일한 전극과 음 DC 출력 전극 사이에 연결된다. 상기 코일의 다른 전극은, 다른 모든 코일들이 연결되는 공통지점에 연결된다.

구성 상의 용이성과, 회전자(20)의 자기장에 의해 수직으로 잘리는 각각의 코일(42) 내의 구리 와이어의 필요한 길이를 제공하기 위하여, 코일(42)은 장타원형 또는 경주트랙 형상의 경로 주위에 권선된 절연된 구리 와이어 또는 직사각형의 스트립인 것이 바람직하다.

코일(42)은 전기적 절연 코어를 구비하거나, 경주트랙 형상을 제공하기 위해 구리 와이어 또는 스트립이 권선된, 대체로 긴 직사각형의 형상의 외관을 갖는 것이 바람직하다.

각 코일의 권선 수는, 회전자(20)가 터빈에 의해 제공되는 부하의 단절에 의해 최대치까지 속도가 올라가더라도, 발생된 전압이 상업적으로 가능한, 바람직하게 낮은 가격의 정류기의 수준보다 낮도록 선택될 수 있다.

상기 권선부(50)가 종래의 적층되고 슬롯이 형성된 전기자에 비해 상당히 낮은 리액턴스를 가짐을 인지하고, 다이오드 기반의 정류기(71)가 코일(42)의 임피던스에서의 용인할 수 없는 전압강하를 초래함이 없이 사용될 수 있도록 함으로써, 단순 다이오드 기반의 정류기(71)의 사용은 용이해져 왔다.

코일과 나란히 또는 근접하여 위치하는, 각각의 코일(42)을 위한 전용 정류기의 배치는, 그리드 접속을 위한 고정된 전압 및 주파수에서 3상 AC로의 최종 복귀 전환을 위해 편리한 위치로 DC로서 전달되는 전력을 이용하여, AC-DC-AC 전환 시스템의 1차 AC-DC 전환 단계가 터빈(10)에서 수행될 수 있게 한다.

코일이 고정자(30) 주위에 감겨 있는 복잡한 웹으로 제공되지 않음에 따라, 고정자(30)의 전기회로를 생산하는 데에 소요되는 비용 및 복잡성은 상당히 감소된다.

특히, 각각의 코일들(42)은 물리적으로 분리된 유닛으로 제공되고, 그에 따라 각각의 코일(42)은 서로 떨어져 생산될 수 있어, 정밀하면서도 여전히 낮은 비용으로 생산될 수 있다. 제조 과정에서, 코일(42)은 또한 바람직하게 상기 코일이 살짝 담궈지거나 아니면 코팅되거나 내장되는 레진 형태의 전기적 절연체 내에 코팅될 수 있다. 이 코팅 또는 케이싱은 바람직하게 접지 또는 그라운드로부터 상기 코일(42)이 전기적으로 절연되도록 한다.

보다 유용하게, 이 절연 공정 중에, 각각의 코일(42)을 위한 전용 정류기(71)는 코일에 전기적으로 직렬 연결될 수 있고, 수지 내에 동시에 코팅되기 위해 그와 나란히 배치될 수 있으며, 그로 인해 효과적으로 물리적으로 단일 유닛으로 코일과 통합될 수 있다.

코팅된 코일과 정류기는, 돌출된 간단한 두 개의 와이어 출력(미도시)을 가진 비교적 얇은 직사각형의 슬래브(slab)와 닮았다. 유사하게, 단일 코일(42)과 정류기(71) 유닛을 제조하기 위한 공정은, 짧은 아크 형태의 모듈을 형성하기 위해 관련된 정류기들(71)을 이용하여 코일(42)의 그룹을 생성하기 위해 사용될 수 있다.

또한, 그와 같은 모듈은 전반적인 터빈(10)과 분리되어 바람직하게는 청정상태 하에서 제조될 수 있으며, 진공압력 주입설비(vacuum pressure impregnation facilities)가 필요한 경우, 전체 터빈(10)을 위한 코일(42)의 전체 고리형 어레이를 제조하는 데에 사용된다면 이는 비현실적으로 크고 비싸야 할 것이다.

이 배열은, 코일들이 분리된 3상 정류기 회로에 전달되는 3상 출력을 생성하기 위해 코일들이 연결되는 종래의 배열과 비교하여 많은 이점을 가지고 있다. 즉:

도시된 고리형 어레이를 형성하기 위해 고정자(30)에 코일(42) 어레이를 설치하는 것은, 레진이 코팅된 코일(42)을 나란히 정렬하여 채널(32) 내에 부착하는 단순한 작업이다.

이것은 복잡한 권선패턴을 필요로 하는, 종래의 슬롯이 형성된 고정자 상의 권선부의 형태와 근본적으로 다르다.

종래의 권선부 배열과 달리, 개별 코일(42)이 고정자(30) 와 얽히지 않고, 보다 특별히 권선부(50)가 자속 복귀 경로를 제공하며, 이들이 다른 것들과 서로 얽히지 않는다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 이 배열은 최종 고정자(30)의 생성의 복잡성을 상당히 감소시키며, 그로 인해 제조비용 및 제조시간을 감소시킨다.

각각의 코일(42)로부터의 출력은, 이하에서 보다 자세히 기술될 것처럼, 터빈(10)을 위한 공통 DC 출력에 연결된다. 각각의 코일(42)은, 바람직하게, 채널(32) 상의 지점에 실질적으로 접하는 평면 내에 배치되는 것처럼 실장된다.

각각의 코일(42) 및 이와 관련된 정류기(71)의 전기적 절연 코팅은, 터빈이 수중으로 잠기도록 하며, 또한 밀폐식 씰링을 제공하기 위해 변형되는 것이 바람직하다. 따라서, 각각의 코일은 이격 제조 공정 중에 동시에 전기적으로 절연되고 밀폐적으로 씰링되며, 그로 인해 코일(42)이 고정자(30)에 장착되면 추가적인 씰링을 제거한다.

또한 이는 터빈의 조립을 단순화 하며, 이에 대한 비용을 감소시킨다. 조합된 코일(42)과 정류기(71) 유닛이 제조되는 것에 대한 정확도는 이 분리 제조 공정에 의해 매우 향상된다. 특히, 유닛은 청정상태 하에서 제조될 수 있고, 필요하다면 진공함침설비(vacuum pressure impregnation facilities)를 이용할 수도 있다.

도 6을 참조하면, 복수의 코일(42)과 연관된 정류기(71)들에 의해 명확해진 바와 같이, 고정자(30)의 전기회로를 나타내는 회로 다이어그램이 도시되어 있다. 그러나, 도 6의 회로 다이어그램에 포함된 코일(42)의 수가 고정자(30)에 실제로 제공될 수 있는 코일(42)의 수를 필수적으로 나타내지는 않는다는 점이 이해될 것이다. 게다가, 회로 다이어그램은 코일(42)과 정류기(71) 사이의 바람직한 연결 형태를 보여주기 위한 것이며, 다른 어떤 적당한 형태가 이용될 수도 있음이 이해되어야만 한다. 도시된 바람직한 실시예에서, 코일(42) 어레이와 각각의 정류기(71)는 4개의 직렬 그룹으로 배치되고, 각각의 그룹은 서로 병렬로 연결된 7개의 코일(42)을 포함하는 것을 볼 수 있다. 각각의 그룹 내의 코일의 수와, 선택된 그룹이 수는 공통 DC 출력에서의 원하는 전압 및/또는 전류에 의해 정해진다. 따라서, 직렬 상태의 그룹의 수가 전체 전압을 정하게 되는 한편, 병렬 상태의 코일/정류기 유닛(30)의 수는 전체 전류를 정하게 될 것이다.

상기 배열은 터빈(10)의 부분을 형성하는 코일(42)의 수 및 각각의 코일(42) 내에서 발생되는 전압 및/또는 전류에 따라 다양하게 변경될 수도 있으며, 이는 많은 요인, 특히 각각의 코일(42)을 가로지르는 자속밀도와 각각의 코일(42)의 권선 수에 의존할 수도 있다.

터빈(10)을 위한 공통 DC 출력에서의 원하는 전압 및 전류 또한 해당 어플리케이션에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 예를 들어, 터빈(10)이 근해에 위치해 있고 생성된 전력을 5 킬로미터의 지하 케이블을 따라 전달해야만 한다면, 경제적인 단면의 케이블 내에서의 수용할 수 없는 전력 손실을 피하기 위해 이러한 길이의 케이블을 따라 전류를 구동할 수 있도록, 10000 볼트 범위 안의 전압이 필요할 것이다.

도시된 형태 안에 연결된 거대한 코일(42) 어레이의 사용이 코일(42)의 높은 여유도(degree of redundancy)를 확보하는 것이 도 6을 통해 이해될 수 있을 것이다.

따라서, 만일 특정한 코일(42) 또는 관련된 정류기(71)가 고장 나면, 터빈의 전력발생능력에 대한 전방적인 영향이 비교적 작아질 것이며, 어떠한 경우에는 터빈의 연속적인 작동을 방해하지 않을 것이다. 게다가, 코일에 의한 기전력이 모두 동일한 상은 아니기 때문에, 많은 수의 코일 사용은 매끄러운 DC 출력을 제공한다.

도 7을 참조하면, 터빈은 물가나 그 밖의 원하는 장소에 전력을 피드백 하기 위해 출력이 병렬로 공통 케이블(72)에 연결되는 복수의 터빈을 포함하는 조수농장(tidal farm)의 일부로서 제공될 수도 있다. 전력을 유틸리티 그리드 등에 공급하기 위하여, 고전압 DC 입력 인버터(73)가 제공되는 것이 바람직하다. 전달 거리가 짧아지면, 터빈은 저전압 DC(예를 들면 1000볼트 ~ 1500볼트)를 생성할 수도 있으며, 전기적 구동 장치에서 사용된 것과 유사한 인버터에 의해 그리드 연결을 위한 AC로의 최종 전환이 이루어질 수도 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 따른 수력발전 터빈의 사시도를 나타낸다.

도 2는 본 발명의 수력발전 터빈의 일부를 형성하는 회전자의 사시도를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 수력발전터빈의 또 다른 부분을 형성하는 고정자의 사시도를 나타낸다.

도 4는 도 2의 고정자의 단면도를 나타낸다.

도 5는 본 발명의 터빈의 일부를 형성하는 코일의 사시도를 나타낸다.

도 6은 본 발명의 터빈의 부분을 형성하는 코일 어레이의 회로 다이어그램을 나타낸다.

도 7은 본 발명의 복수의 수력발전 터빈을 포함하는 조수농장(tidal farm)의 개략적인 도면을 나타낸다.

Claims (18)

1. 회전자;

   상기 회전자의 외측 림이 주위에 배치되며, 방사형의 자기장을 형성하는 마그네트 어레이;

   동심(同心)으로 상기 회전자를 둘러싸며, 상기 마그네트를 향한 자속 복귀 경로를 규정하는 강자성의 권선부를 포함하는 슬롯리스(slotless) 고정자; 및

   상기 고정자 상의 복수의 코일을 포함하고,

   상기 고정자 권선부는, 절연피복되지 않은 철 와이어로 형성되는 것을 특징으로 하는 수력발전 터빈.
2. 제1항에 있어서,

   상기 코일은 상기 권선부의 내측으로 방사상으로 배치되는 수력발전 터빈.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 각각의 코일은 상기 고정자에 얽히지 않고 기계적으로 부착되는 수력발전 터빈.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 코일들은 서로 얽히지 않는 수력발전 터빈.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 코일들은, 상기 마그네트 어레이를 동심으로 둘러싸는 고리형 어레이를 규정하도록 나란하게 배치되는 수력발전 터빈.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 코일에서 유도된 기전력(electromotive force)들이 모두 동일한 상을 갖지는 않는 수력발전 터빈.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   각각의 코일은 상기 고정자에 접합되는 수력발전 터빈.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   각각의 코일은 실질적으로 장타원형(obround) 경로를 따라 권선되는 수력발전 터빈.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   각각의 코일은 전용 정류기를 구비하는 수력발전 터빈.

   　
10. 제9항에 있어서,

    상기 정류기는 상기 고정자에 설치되는 수력발전 터빈.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    각각의 정류기는 상기 각각의 코일에 근접하여 실장되는 수력발전 터빈.
12. 제1항 또는 제2항에 있어서,

    각각의 코일은 유체 타이트 코팅 또는 하우징에 내장되는 수력발전 터빈.
13. 제9항에 있어서,

    각각의 코일 및 정류기는 유체 타이트 코팅 또는 하우징 내에 함께 내장되는 수력발전 터빈.
14. 제12항에 있어서,

    상기 코팅 또는 하우징은 전기적으로 절연하는 수력발전 터빈.
15. 제9항에 있어서,

    각각의 정류기는 다이오드 브리지 또는 하프 브리지를 포함하는 수력발전 터빈.
16. 제9항에 있어서,

    상기 정류기들은 공통 DC 출력에 연결되는 수력발전 터빈.
17. 제9항에 있어서,

    상기 정류기들은, 상기 정류기들이 병렬로 연결되어 있는 다수의 그룹을 형성하기 위해　서로 연결되며, 상기 다수의 그룹들은 서로 직렬로 연결되는 수력발전 터빈.
18. 삭제

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