KR101600648B1 - 풍력발전기 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 풍력발전설비의 블레이드 로터에 연결되고 영구자석을 갖는 로터와, 적층체로 이루어진 철심을 갖는 고정자를 갖춘 풍력발전기, 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명의 풍력발전기는 로터나 고정자의 외부를 완전히 둘러싸는 하우징이 없고, 고정자의 적층부들이 접착이나 용접에 의해 서로 결합되는 특징을 갖는다.

Description

풍력발전기 및 그 제조방법{GENERATOR FOR A WIND ENERGY INSTALLATION AND METHD FOR ITS PRODUCTION}

본 발명은 풍력발전설비의 블레이드 로터에 연결되고 영구자석을 갖는 로터와, 적층체로 이루어진 철심을 갖는 고정자를 갖춘 풍력발전기, 및 그 제조방법에 관한 것이다.

기어박스가 없고 직경이 5m 이상인 풍력발전기는 바람의 영향을 많이 받고, 이는 발전기의 에어갭의 정밀도에 악영향을 미친다. 이아 관련된 에어갭의 자속밀도의 감소는 토크의 감소와 전력 손실을 초래한다. 또, 로터와 고정자의 접촉부에 균열이 생길 위험도 있다.

대형 발전기는 에어갭의 형상을 정밀하게 유지하면서 강한 자력의 영향을 받는 철심 부분들을 제자리에 유지하는데 심각한 문제가 있다. 따라서, 종래의 발전기를 생산할 때는 각종 부분들을 정확하게 처리하고 품질을 통제한다는 관점에서 상당한 노력을 해야만 했다.

본 발명의 목적은 에어갭의 치수를 정밀하게 유지하면서도 종래보다 조립이 쉬운 풍력발전기를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적 달성을 위해, 본 발명의 풍력발전기는 로터나 고정자의 외부를 완전히 둘러싸는 하우징이 없고, 고정자의 적층부들이 접착이나 용접에 의해 서로 결합되는 특징을 갖는다.

이런 적층부들을 서로 결합해 형성된 철심은 자체적으로 지지기능을 갖춰, 에어갭의 정밀도를 보장한다. 철심을 위한 복잡한 고정장치들이 전혀 없어, 발전기도 더 가벼워진다.

본 발명에서, 로터는 내부 로터이고, 고정자는 로터를 둘러싸는 외부 링을 이룬다. 고정자의 철심이 외부로 완전히 노출되어 외부 공기에 의해 바로 냉각될 수 있다는 점이 장점이다. 철심의 외측면에는 냉각용 리브가 달려있다.

철심은 블레이드 로터 반대쪽에 있는 기판과 블레이드 로터를 마주보는 보강링 사이에 배치되고 기판과 동축이다. 특히, 기판과 보강링은 철심의 외주변에 닿는 다수의 축방향 지지체에 의해 연결된다. 또, 철심이 완전히 외부로 노출되어 외기로 직접 냉각된다. 철심은 2종류의 완전히 다른 형상의 적층구간들로 이루어진다. 능동 영역에서, 적층구간들에는 고정자 권선의 코일을 끼우는 슬롯이나 톱니가 축방향으로 형성되어 있다. 권선 영역의 끝에는 이런 슬롯이나 톱니가 없어서 코일이 없는 공간이 마련된다. 이때문에 기판과 보강링이 물리적으로 아주 간단하게 설계된다.

또, 기판에 로터의 회전축과 동축인 구멍이 뚫려있고, 로터와 블레이드 로터를 지지하는 축체가 이 구멍에 삽입되며, 이 구멍의 가장자리에 걸리는 플랜지가 축체에 달려있다.

영구자석은 NeFeB와 같은 희토류보다 훨씬 경제적인 페라이트로 이루어지고, 로터도 적층체들을 접착이나 용접으로 서로 결합한 철심을 갖다. 고정자와 (로터가 있다면) 로터의 적층부들이 볼트로 결합되기도 한다.

로터가 있다면, 이런 고정자와 로터는 여러 조각으로 이루어지는데, 가급적 2 조각으로 이루어지는 것이 좋다.

이런 2 조각은 운반할 때의 공간을 절감하기 위해 운반할 때는 서로 끼워맞춤되는데, 이 경우 이들은 로터의 영구자석의 자력에 의해 서로 단단히 결합된다.

또, 고정자와 로터의 적층판들이 서로 인접하고 적층되는 여러 적층구간들로 이루어지고, 연속되는 적층판의 적층구간들은 서로 겹쳐진다.

철심은 집중된 형태로 감긴다. 즉, 자극 및 위상의 수에 대한 철심의 슬롯의 갯수가 1보다 작고, 권선의 수가 최소화되며 위상 연결구간들의 겹침이 방지된다. 한편, 이때문에 접지불량이나 단락의 위험은 최소화되면서도 고정자의 형상이 크게 단순화된다.

또, 발전기의 권선이 구리선이 아닌 알루미늄선으로 이루어질 수 있다.

본 발명은 이상 설명한 발전기의 제조방법도 제공하는데, 이 방법에서는 적층구간들을 갖는 고정자의 일부분을 철심의 외경과 일치하는 내경을 갖는 클램핑장치 안에 삽입하면서 서로 결합한 다음, 클램핑장치와 같이 열처리하는 것을 특징으로 한다. 이런 열처리에 의해 응력이 경감된다.

특히, 고정자의 일부분 외에도, 로터의 일부분을 클램핑장치 안에 삽입하고, 고정자의 일부분과 마찬가지로 로터의 일부분을 클램핑장치에서 정렬시키고, 고정자의 일부분들과 로터의 일부분들이 서로 별도의 연결구를 통해 서로 용접되고, 용접에 의한 응력이 열처리에 의해 경감된다.

또, 로터의 일부분들이 별도의 클램핑장치에 삽입된 다음, 이 클램핑장치에서 정렬될 수도 있다.

관련 클램핑장치에 연결된 고정자와 로터의 일부분들이 접착제 안에 침지처리되고, 이 접착제가 열처리 과정중에 경화된다. 전기기기를 침지하는 기존의 방법으로 진공침지가 있는데, 이에 대해서는 DE 102 15 461에 소개되어 있다. 이 경우, 접착제가 좁은 에어갭으로 스며들어 적층부 사이의 표면을 완전히 적신다. 철심을 접착하는 다른 방법에서는, 적층부들을 에나멜이나 열가소성 플라스틱 접착제로 미리 코팅한 다음 열을 가해 압축한다(DE 31 103 39 C2 참조).

분명한 것은, 서로 인접하면서 철심을 이루는 적층구간들의 판들이 축방향 볼트나 별도의 프레싱 장치에 의해 압박된 다음 클램핑장치에 연결된다는 것이다.

또, 고정자와 로터의 철심 둘다 다수의 구간으로 이루어지고, 이들 구간은 접착되거나 용접된다. 구간의 갯수는 2개 이상이지만, 12개나 18개가 바람직하다.

고정자의 척층구간들에는 축방향으로 보강 리브들이 달려있는데, 이들 리브는 프레스되거나 인발가공되고, 특히 스프링에 의해 각 구간에 결합될 수 있다.

로터의 적층구간들에는 보강요소로서 웨브가 접착이나 용접으로 결합되어 있고, 로터 지지체가 내부에서 웨브에 인접해있고, 가능한 에어갭을 좁게 유지하는 조절요소를 갖는 것이 바람직하다.

고정자와 로터의 적층구간들 모두 수리에 대비하여 각각 빤경방향으로 빼낼수 있도록 발전기에 설치되는 것이 바람직하다.

수리를 할 때, 고정자는 회전자에 연결되어 프레임을 형성하는 축체에서 분리되는 것이 좋고, 이때 빼내야할 구간이 가장 윗쪽에 오도록 고정자가 로터의 구동토크에 의해 회전할 수 있다.

또, 관련 클램핑장치에 연결된 고정자의 부분들에 권선을 감은 다음 침지처리하고, 적층부들의 접착결합과 권선의 침지처리가 한 과정으로 처리되는 것이 좋다.

관련 클램핑장치에 연결된 고정자의 적층부의 적층판에도 권선이 끼워지고, 이들 권선은 수지와 같은 수단에 의해 별도로 고정된 다음 접착처리되므로, 적층부들의 접착과 슬롯내의 권선들의 접착은 하나의 공정으로 이루어지며, 이 경우 수지 욕조에 침지처리할 필요가 없다.

관련 클램핑장치에 연결되는 로터의 적층부들에 영구자석을 결합한 뒤 침지처리하므로, 적층부의 접착과 자석의 접착이 한 공정으로 이루어진다.

특히, 관련 클램핑장치에 연결되는 로터의 적층부의 적층판들에 영구자석을 설치한 뒤 접착처리하므로, 적층부의 접착과 영구자석의 접착이 한 공정으로 이루어지므로, 마찬가지로 수지 욕조에 침지처리할 필요가 없다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 발전기가 달린 풍력설비의 일부분의 개략도;
도 2는 도 1의 부분확대도;
도 3은 도 1의 발전기에 사용되는 고정자의 사시도;
도 4는 도 3의 고정자의 부분단면도;
도 5~6은 운반을 위한 로터와 고정자의 배치를 보여주는 도면들;
도 7~8은 도 1의 발전기의 로터와 고정자의 조립을 설명하는 도면들;
도 9는 로터와 고정자의 침지처리를 보여주는 도면;
도 10~12는 본 발명에 따른 두번째 실시예의 발전기가 달린 풍력설비의 부분단면도;
도 13은 도 10~12의 풍력설비의 상단부의 후방사시도;
도 14는 도 10~13의 풍력설비의 로터 구간의 사시도;
도 15~16은 도 14의 로터 구간의 상세도.

도 1에 도시된 풍력발전시설은 타워(1)의 축선(2)을 중심으로 바람의 영향을 받는 포드(3; pod)와, 포드하우징(4) 안에 배치된 축체(5)를 갖는다.

축체(5)의 6, 7 지점에 블레이드 로터(8)가 설치되고, 축체(5)는 축선(2)을 중심으로 피봇할 수 있고 블레이드 로터(8)는 축선(9)을 중심으로 회전할 수 있다. 블레이드 로터(8)의 블레이드(10)는 축선(9)에 거의 직각인 축선(12)을 중심으로 회전할 수 있도록 허브(11)에 연결된다.

발전기(13)는 블레이드 로터(8)에 직결되고, 발전기의 로터(15)는 허브(11)의 플랜지(14)를 통해 블레이드 로터(8)에 연결된다.

로터(15)를 환형 고정자(16)가 둘러싸고, 이 고정자는 축체(5)에서 돌출한 환형 플랜지(18)와 기판(17)을 통해 축체(5)에 견고하게 연결된다.

도 2에서 알 수 있듯이, 기판(17) 반대쪽의 고정자(16) 측면에 보강링(19)이 설치되고, 보강링(19)은 다수의 지지대(20)를 통해 기판(17)에 연결된다. 지지대(20)에 맞닿아 있는 적층형 철심(21)은 기판(17)과 보강링(19) 사이에 배치되고, 철심을 관통하는 볼트(22)에 의해 기판과 보강링에 연결된다. 철심(21)에는 축방향으로 슬롯이 형성되고, 고정자 권선(27)의 코일들이 이들 슬롯에 감긴다(도 4 참조). 철심(21)은 2가지 형태의 적층구간을 갖는다. 전자기 작동부에서, 이들 적층구간들에 형성된 슬롯에 고정자 권선(27)의 코일들이 감긴다. 작동부의 앞뒤의 단부 부분에는 슬롯이 없어, 빈 공간으로 남는다. 이때문에 기판(17)과 보강링(19)이 물리적으로 아주 단순화될 수 있는데, 이는 원통형 요소들을 가공하거나 성형할 필요가 없기 때문이다.

로터(15)의 철심(24)은 지지체(23)에 고정되고, 페라이트로 이루어진 영구자석(26)이 철심(24) 안에 삽입되며(도 8 참조), 영구자석(26)은 각각의 포켓 안에 배치되고 발전기(13)의 에어갭(25)에 접해있다. 기판(28) 외에도, 지지체(23)는 보강링(29)과 축방향 지지부(30)를 갖는데, 지지부(30)는 환형 철심(24)의 안쪽을 지지한다. 볼트(31)가 철심(24)을 관통해 기판(28)과 보강링(29)에 결합된다.

고정자(16)를 별도로 도시한 도 3에 의하면, 고정자(16)는 여러 조각으로 나뉘고, 이들 조각은 플랜지(32)에 의해 서로 결합된다. 고정자의 중심에는 축체(5)가 관통하는 구멍(33)이 형성되고, 그 외에도 기판(17)에 형성된 구멍은 플랩(34)으로 덮인다. 이런 구멍이 로터(15)의 기판(28)에도 있다. 또, 기판(17)의 가장자리에는 보강리브(35)가 있다. 36은 로터의 잠금볼트이다.

도 4는 철심(21)의 커넥터(37)를 보여주는데, 철심이 2 부분으로 나누어지고, 나사(38)에 의해 결합된다. 철심의 둘레에 형성된 리브(39)는 냉각에 사용된다. 리브(39) 사이사이에 일정 간격으로 슬롯(40)이 형성되는데, 커넥터(37)의 일부분이 슬롯(40)에 맞물린다. 로터의 철심도 분리되어 있다면, 비슷한 방식으로 커넥터가 필요할 것이다.

철심(21)은 적층 구간들(41)을 조립한 것이고, 이런 적층구간들은 고정자 권선(27)을 고정하기 위한 슬롯을 이루는 홈(42)을 갖는다.

로터(15)도 여러 조각으로 분리될 수 있고, 이들 로터와 고정자의 조각들은 운반을 위해 서로 끼워맞춤될 수 있다(도 5 참조). 예컨대, 로터 조각(43)은 180도 돌려 화살표(44) 방향으로 고정자 조각에 끼워진다. 이 목적으로, 로터용 연결 플랜지(46)와 회전체(45)가 달린 회전장치가 사용된다(도 6 참조).

이상 설명한 발전기(13)의 조립과정에 대해 도 7~8을 참조하여 설명한다.

고정자(16)의 기판(17)을 통 모양의 클램핑 장치(47) 안에 끼운다. 클램핑 장치의 내경은 고정자(16)의 철심(21)의 외경과 정확히 일치한다.

다음, 적층구간들(41)을 철심(21)으로 조립하는데, 적층구간들은 클램핑장치(47)와 정렬된다. 1개층의 적층구간들(41)을 48 부분에서 서로 맞닿게 한다. 층별 적층구간들을 서로 겹쳐놓고, 이 경우 고정자권선(27)용의 슬롯(50)을 원주 둘레에 균일하게 분포되게 형성하여 사용한다.

원하는 두께로 적층이 되었으면, 관통공(49)에 볼트(22)를 끼워 적층구간들을 서로 연결한 다음, 기판(17)과 보강링(19)으로 적층구간들을 압박한다. 이때 별도의 프레스를 사용할 수도 있다.

일단 고정자권선을 슬롯(50) 안에 넣었으면, 클램핑장치(47)와 고정자의 부품들을 포함한 전체 구조를 접착제 안에 담그는데, 이때 진공흡입효과를 이용해 접착제가 적층구간들 사이사이와 권선(27)과 슬롯(50)의 벽면 사이의 틈새로 스며들게 한다.

접착제가 스며든 구조를 오븐에서 열처리하여, 접착제를 경화시키면서 고정자 부품들이 단단히 접착되게 한다. 고정자를 클램핑장치에서 분리한 뒤, 라커칠 처리나 분말코팅처리를 한다.

도 8에 도시된 클램핑장치(51)는 로터(15)를 생산하는데 사용된다. 구체적으로, 로터생산과정은 고정자(16)의 생산과정과 동일하다. 적층구간들(52)로부터 철심(24)을 조립한 다음, 철심에 형성된 포켓에 영구자석(26)을 끼운다.

도 9는 클램핑장치(60)에 같이 조여진 고정자(16)와 로터(15)를 진공에서 동시에 접착제에 담근 침지상태를 나타낸 개략도이다. 클램핑장치(60)의 내부 가동부(61)에 로터 철심(24), 로터 기판(23) 및 보강링(29)이 연결되고, 고정자(16)와 로터(15)는 라커칠 처리를 위해 나중에 쉽게 분리되도록 되어있다. 정확한 치수를 갖고 테플론 등으로 코팅된 스페이서판(64)이 에어갭에 삽입되는데, 스페이서판은 제작단계가 끝나면 쉽게 제거될 수 있다. 고정자 철심(21)은 로터(15)의 자기력에 의해 정확히 제위치에 고정된다. 이런 침지과정은 수지로 일부 채워진 내압용기(63) 안에서 이루어진다.

고정자(16)와 로터(15)를 클램핑장치(47)로 조립하기 때문에, 부품의 정밀도와 자립도가 크게 향상된다. 에어갭(25)의 정밀도도 높아진다.

첨부 도면에서 동일한 부분에는 같은 번호를 붙이고, 다른 실시예의 경우 관련 번호에 a를 첨가한다.

도 10~12에 도시된 형태이고 블레이드 로터(8a)와 축체(5a)가 달린 풍력발전설비는 블레이드 로터(8a)를 잠그는 장치를 구비하는데, 이 장치의 슬리이브(70)는 축체(5a)에 연결되어 잠금볼트를 고정하며, 블레이드 로터(8a)의 허브(11a)의 플랜지(14a)에 구멍(71)이 뚫려있다.

고정자(16a) 안에서 회전하는 로터(15a)는 나사연결구(91)를 통해 플랜지(14)에 연결된다(도 11 참조). 도 10과 같이, 서로 연결되어 있는 고정자와 로터 모두 나사연결구(91)를 통해 플랜지(18a)에 연결된다. 도 12에 의하면, 이들 고정자와 로터가 나사연결구(91)를 통해 블레이드 로터(8a)의 허브(11a)의 플랜지(14a)에 연결될 수 있다.

고정자(16a)와 로터(15a)는 여러 구간으로 구성된다. 도 14에 도시된 로터의 한 구간(72)은 볼트(73)로 결합된 적층 철심(74), 판 형태의 하나의 중앙 웨브(77) 및 외곽 웨브들(76)을 포함한다. 판 형태의 중간 웨브(77)를 중앙 웨브와 외곽 웨브 사이의 적층철심에 배치한다.

중앙 웨브(75)에 지지체(78)가 결합된다. 적층철심(74) 반대쪽의 지지체(78)의 엔드피스(79; end piece)는 플랜지(14a)에 연결하는데 사용된다. 이 구간(72)은 양면 엔드피스(80)를 통해 로터의 다른 구간에 결합된다.

중간 웨브(77)는 연결편(81)을 통해 홀더(82)에 연결되고, 홀더는 지지체(78)의 측면으로 돌출한다. 외곽 웨브(76)와 홀더(82)를 2개의 나사봉(84)으로 연결하기도 하는데, 이들 나사봉은 홀더(82) 및/또는 외곽 웨브(86)에 연결된 홀딩블록(83)에 조여진다.

도 16에 의하면, 적층철심(74)의 채널(85)은 영구자석을 고정하기 위해 축방향으로 뻗는다. 영구자석을 둘러싼 적층판들의 형상은, 적층판의 연질 철 재료를 통한 자기 복귀경로는 차단하고 에어갭에 모이는 자속이 최적화되는 형상을 갖는다.

도 15는 고정자의 한 구간을 이루는 적층철심(86)의 사시도이다. 적층판들이 볼트(87)에 의해 결합된 상태에서 고정자권선을 끼우기 위한 슬롯(88)이 형성된다.

이 구간에서, 슬롯 반대쪽 표면에 축방향 홈(89)이 일정 간격으로 형성되고, 또한 보강리브(90)을 끼우기 위한 요홈부가 추가로 형성되기도 한다. 특히 스프링에 의해 끼워지는 보강리브(90)는 프레스나 인발로 가공되는 것이 좋다.

조절수단이기도 한 나사봉(84)을 이용해 로터의 축방향 길이 전장에 걸쳐 에어갭의 폭을 정확하게 조절할 수 있다.

고정자의 어떤 한 구간이 불량이면, 고정자(16a)를 도 12와 같이 로터(15a)와 블레이드 로터(8a)에 결합한 다음, 관련 구간이 리프팅 장치(92)와 일치하여 정렬될 때까지 이들 부분들을 같이 회전시킨다. 리프팅 장치(92)는 포드 하우징(4a)의 윗면에 배치된다(도 13 참조).

로터의 어떤 한 구간이 불량이면, 분리해야 할 고정자의 구간을 먼저 리프팅장치(92)와 정확히 정렬되게 일치시킨 다음, 고정자를 플랜지(18a)에 나사결합한다(도 11 참조). 이어서 이렇게 정렬된 고정자 구간에 결함 로터 구간을 일치시킨다. 다음, 고정자 구간과 결함 로터 구간을 리프팅장치(92)를 이용해 고정자 링이나 로터 링 밖으로 올린다.

Claims (20)

1. 풍력발전설비의 블레이드 로터에 연결되고 영구자석을 갖는 내부 로터와, 고정자의 적층부로 이루어진 철심을 갖는 고정자를 갖춘 풍력발전기에 있어서:
   고정자의 외부를 완전히 둘러싸는 하우징이 없고, 고정자의 적층부들이 접착이나 용접에 의해 서로 결합되며, 고정자가 내부 로터를 둘러싸는 외부 링을 형성하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
2. 제1항에 있어서, 상기 블레이드 로터 반대쪽을 향하는 기판과 블레이드 로터를 향하는 보강링 사이에 철심이 배치되고, 상기 보강링이 기판 및 철심과 동축인 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
3. 제1항에 있어서, 상기 철심이 권선 영역 끝에 형성되고, 권선 영역 끝에는 권선이 없는 공간이 있으며, 이 공간에 있는 철심에는 슬롯이나 톱니가 없는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
4. 제2항에 있어서, 상기 기판에 로터의 회전축과 동축인 구멍이 뚫려있고, 로터와 블레이드 로터를 지지하는 축체가 상기 구멍에 삽입되며, 이 구멍의 가장자리에 걸리는 플랜지가 상기 축체에 달려있는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
5. 제1항에 있어서, 상기 영구자석이 페라이트로 이루어지고, 상기 로터도 적층부들을 접착이나 용접으로 서로 결합한 철심을 갖는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
6. 제1항에 있어서, 상기 고정자의 적층부들이 볼트에 의해 서로 결합되고, 로터의 적층부들도 볼트에 의해 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
7. 제1항에 있어서, 상기 고정자와 로터가 2 조각으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
8. 제7항에 있어서, 상기 조각이 운반을 위해 서로 끼워맞춤되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
9. 제1항에 있어서, 철심에 일체로 연결되는 냉각용 리브가 고정자의 외면에 형성된 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
10. 제1항에 있어서, 상기 고정자와 로터의 적층판들이 서로 인접하고 적층되는 여러 적층구간들로 이루어지고, 연속되는 적층판의 적층구간들은 겹쳐지는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
11. 제1항에 있어서, 자극 및 위상의 수에 대한 철심의 슬롯의 수의 비가 1보다 작고, 권선의 수가 최소화되며 위상 연결구간들의 겹침이 방지되는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
12. 제1항에 있어서, 권선이 알루미늄선으로 이루어진 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
13. 삭제
14. 풍력발전설비의 블레이드 로터에 연결되고 영구자석을 갖는 내부 로터; 및
    적층부들을 접착이나 용접으로 서로 연결해 형성된 철심을 갖고, 에어갭을 유지하도록 내부에 철심을 지지하는 고정자;를 포함하고,
    상기 고정자는 외면을 갖고, 내부 로터를 둘러싸는 외부 링을 형성하며;
    고정자의 외면에 형성된 리브가 외부 환경에 노출되어 외부 공기에 의해 고정자를 냉각하는 것을 특징으로 하는 풍력발전기.
    
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