KR101662968B1 - 제너레이터，바람직하게는 풍력 터빈 발전 설비의 제너레이터의 자극편 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적층 형성된 극 조립체(4)와, 이 극 조립체(4)의 둘레에 배치된 하나 이상의 권선(6)과, 극 조립체의 종방향(A)으로, 적층된 극 조립체(4)를 관통하고 복수의 횡방향 배향된 맞물림 위치, 바람직하게는 최대한 3개의 횡방향 배향된 맞물림 위치를 보유하는 몸체(7)를 포함하는 자극편, 특히 제너레이터의 자극편에 관한 것이며, 상기 맞물림 위치들 내로는, 저부(9), 특히 제너레이터의 로터 또는 스테이터 상에 자극편을 고정하기 위해, 각각의 홀딩 수단(8)이 맞물릴 수 있다. 또한, 본 발명은 적층 형성된 극 조립체(4)와, 이 극 조립체(4)의 둘레에 배치된 하나 이상의 권선(6)과, 극 조립체(4)와 권선(6) 사이에 배치된 절연 수단(5)을 포함하는 자극편, 특히 제너레이터의 자극편에도 관한 것이며, 절연 수단(5)은 섬유 복합 재료를 포함하고, 절연 수단(5)은 극 조립체(4)와 권선(6) 사이에 접착 결합부를 구성한다. 또한, 본 발명은 적층 형성된 극 조립체(4)와, 이 극 조립체(4)의 둘레에 배치된 하나 이상의 권선(6)과, 극 조립체의 종방향(A)으로 극 조립체(4)의 하나 이상의 단부에서 극 조립체(4)와 권선(6) 사이에 제공된 하나 이상의 단부편(1)을 포함하는 자극편, 특히 제너레이터의 자극편에도 관한 것이며, 단부편(1)은, 권선을 위해 단부편(1)과 극 조립체(4) 사이에 모서리 없는 전환부를 제공하기 위해, 라운딩된 모서리들을 포함한다.

Description

제너레이터，바람직하게는 풍력 터빈 발전 설비의 제너레이터의 자극편{POLE SHOE OF A GENERATOR，PREFERABLY A GENERATOR OF A WIND TURBINE GENERATOR SYSTEM}

본 발명은 자극편, 특히 제너레이터의 자극편에 관한 것이다.

자극편은 예컨대 철처럼 높은 침투성을 갖는 재료로 이루어진 구조 부재이다. 자극편은 영구 자석 또는 권선의 자계선들을 정의된 형태로 생성되게 하여 분배하는 역할을 한다. 예컨대 전기 모터 내에서 자기 여기 전계는 자극편을 통해 원호 형태로 전기자 상에 분배된다. 그럼으로써 전기자의 회전을 따라 자속 밀도의 거동은 균일화된다. 이 경우, 스테이터가 자극편을 구비할 수 있을 뿐 아니라, 직류 모터의 전기자 또는 터보 제너레이터의 로터(회전자)도 자극편을 구비할 수 있다. 여기서 전기 여기된 교류/3상 기계들의 자극편들뿐 아니라, 직류 모터들의 전기자는 일반적으로 와전류 손실을 방지하기 위해 적층 구성된다.

풍력 터빈 발전 설비에서는 로터 또는 스테이터 내에 각각 자극편들을 포함하는 3상 비동기 제너레이터들 또는 3상 동기 제너레이터들이 이용된다. 풍력 터빈 발전 설비들의 제너레이터들의 크기가 증가하고 이에 수반되어 하중도 상승함으로 인해 자극편들의 공지된 실시예들은 기계적 및 열적 관점에서 그 하중 한계에 부딪힌다.

본 발명은 종래 기술로서 하기 문서들을 기초로 한다.

DE 198 59 065 A1, US 3,445,702 A, DE 951 943 B, DE 10 2006 029 628 A1, DE 38 04 728 A1, AT 180 982 B, DE 387 328 A 및 DE 19 11 596 U.

그러나 확인된 점에 따르면, 종래 기술로부터 공지된 해결 방법들은, 풍력 터빈 발전 설비의 작동 시간의 오랜 시간(통상 20년 이상)에 걸쳐 자극편들이 그 저부(base)(예: 제너레이터의 로터 또는 스테이터) 상에 확실하게 고정될 수 있도록 풍력 터빈 발전 설비의 제너레이터의 자극편을 형성하기에 특히 적합하지 않으며, 그럼으로써 작동 시간이 경과 하면서 작용하는 원심력으로 인해, 개별 자극편들이 완전하게 또는 부분적으로 풀리는 점이 자주 발생하고, 이는 풍력 터빈 발전 설비의 작동 중 상당한 문제를 초래하고 최악의 경우 심지어 전체 제너레이터를 파괴하게 된다.

본 발명의 과제는, 자극편, 특히 제너레이터의 자극편, 특히 풍력 터빈 발전 설비의 제너레이터의 자극편을 기계적 및/또는 열적 관점에서 개량하는 것에 있다.

본 발명에 따라서, 상기 과제는, 청구항 제1항, 청구항 제5항 및 청구항 제7항에 따른 특징들을 갖는 자극편(pole shoe), 특히 제너레이터의 자극편, 청구항 제11항에 따른 특징들을 갖는 제너레이터, 및 청구항 제12항의 특징들을 갖는 풍력 터빈 발전 설비를 통해 해결된다. 바람직한 개선예들은 종속 청구항들에 기술되어 있다.

따라서 적층 구성된 극 조립체(pole assembly)와, 극 조립체의 둘레에 따라 배치된 하나 이상의 권선과, 극 조립체의 종방향으로, 적층된 극 조립체를 관통하고 복수의 횡방향 배향된 맞물림 위치, 바람직하게는 최대한 3개의 횡방향 배향된 맞물림 위치를 보유하는 몸체를 포함하는 자극편, 특히 제너레이터의 자극편이 제공되며, 맞물림 위치들 내로는, 저부, 특히 제너레이터의 로터 또는 스테이터 상에 자극편을 고정하기 위해, 각각의 홀딩 수단이 맞물릴 수 있다.

여기서 바람직하게는, 저부와 자극편의 고정 위치의 개수는 감소될 수 있다. 상기 결합 위치들은 저부에 방해하는 방식으로 작용하는데, 그 이유는 상기 저부가 상응하는 보어들, 볼트들, 나사들 등을 포함해야만 하기 때문이다. 또한, 저부의 형성은 자극편의 고정 위치들의 사전 설정을 통해 제한된다.

그러므로 본 발명에 따라 바람직하게는 자극편의 극 조립체 내에 최대한 3개의 맞물림 위치가 제공된다. 이를 통해, 저부는 더욱 자유롭게 형성되고 자극편은 적은 복잡성으로 상기 저부에 장착될 수 있다. 또한, 예컨대 저부 내 냉각부가 자극편에 더욱 잘 작용할 수 있는데, 그 이유는 열 전달이 소수의 고정 위치에 의해 방해받기 때문이다. 또한, 저부의 내부 또는 그 하부의 냉각부는 자극편에 더 가깝게 배치될 수 있는데, 그 이유는 냉각부가 소수의 고정 위치를 통해 그 배치와 관련하여 더욱 적게 방해받기 때문이다. 이 경우, 바람직하게는 3개의 맞물림 위치가 극 조립체에 제공될 수 있으며, 그 밖에도 특히 바람직하게는 2개의 맞물림 위치, 또는 단일의 맞물림 위치만이 제공될 수 있다.

본 발명의 한 관점에 따라서, 최대한 3개의 맞물림 위치가 극 조립체의 단부들에, 그리고 경우에 따라 그 중심에 제공된다. 이를 통해, 극 조립체의 안정된 고정이 소수의 맞물림 위치 및 고정 수단으로도 달성될 수 있다.

본 발명의 한 추가 관점에 따라서, 최대한 3개의 맞물림 위치는, 맞물림 위치들 사이의 자극편의 표면에 걸쳐 열이 자극편으로부터 저부 내, 특히 제너레이터의 로터 또는 스테이터 내 하나 이상의 냉각 영역으로 방출될 수 있도록 제공된다. 이러한 방식으로, 극 조립체의 맞물림 위치들의 감소를 통해, 저부 내 냉각부와의 상호 작용하에 자극편의 향상된 냉각이 달성될 수 있다.

본 발명의 한 관점에 따라서, 홀딩 수단들은 나사들, 특히 강도 M24의 나사들이다. 상기 나사들을 통해, 간단한 방식으로 고정이 수행될 수 있다. 또한, 예컨대 M24 나사들과 같은 강도가 더 강한 나사들을 이용함으로써 확실한 고정이 수행될 수 있다.

또한, 본 발명은 적층 구성된 극 조립체와, 극 조립체의 둘레에 배치된 하나 이상의 권선과, 극 조립체와 권선 사이에 배치된 절연 수단을 포함하는 자극편, 특히 제너레이터의 자극편에도 관한 것이다. 절연 수단은 극 조립체와 권선 사이에 접착 결합부를 구성한다.

여기서 바람직하게는, 접착 결합부로서 절연 수단을 이용함으로써 극 조립체에 비해 권선의 확실한 파지가 달성되며, 그럼으로써 예컨대 제너레이터의 로터의 경우 자극편 상에 발생하는 원심력은 극 조립체에 대한 권선들의 변위를 보다 적게 야기할 수 있다.

본 발명의 한 관점에 따라서, 절연 수단은 섬유 복합 재료 및/또는 유리 섬유 강화 플라스틱(GFP)을 포함한다. 상기 유형의 절연 수단들은 유연하고, 안정되고, 하중 전달 능력이 있다. 섬유 복합 재료들 또는 유기 섬유 강화 플라스틱들(GFP)은 비전도성이고, 그에 따라 전기 절연하는 역할을 한다. 상기 재료들은 열적으로 전도성이 우수하고, 그에 따라 자극편에서 절연 수단으로서 이용 시 권선들에서 적층판들 내로 열을 전달할 수 있고, 그 다음 열은 적층판들로부터 냉각 장치들을 통해 방출될 수 있다. 또한, 섬유 복합 재료 또는 유리 섬유 강화 플라스틱(GFP)은, 자극편의 적층 스택과 권선들 사이에 접착 결합부를 형성하기 위해, 접착제를 통해 적셔지거나, 또는 접착제로 코팅될 수 있다.

본 발명의 한 추가 관점에 따라서, 섬유 복합 재료는 메타 아라미드 섬유들을 함유한다. 상기 유형의 섬유들은 노멕스(Nomex) 또는 케블라(Kevlar)로서도 공지되었다. 상기 섬유들은, 무게가 비교적 가볍고 두께도 얇은 조건에서도, 종래에 절연 수단으로서 이용되는 재료들과 비교하여 매우 안정적이다.

또한, 본 발명은 적층 구성된 극 조립체와, 극 조립체의 둘레를 따라 배치된 하나 이상의 권선과, 극 조립체의 종방향으로 극 조립체의 하나 이상의 단부에서 극 조립체와 권선 사이에 제공된 하나 이상의 단부편을 포함하는 자극편, 특히 제너레이터의 자극편에도 관한 것이다. 단부편은, 권선을 위해 단부편과 극 조립체 사이에 모서리 없는 전환부를 제공하기 위해, 라운딩된 모서리들을 포함한다.

이 경우, 바람직하게는, 라운딩된 단부편을 통해, 극 조립체의 모서리들에서 권선들 및 절연 수단의 손상이 방지될 수 있다.

본 발명의 한 관점에 따라서, 단부편 및/또는 측편은, 오목부의 함몰부 내에 권선을 수용하기 위해, 오목하게, 다시 말해 안쪽을 향해 만곡되어 형성된다. 이를 통해, 예컨대 작용하는 원심력을 통한 권선의 상향 이동은 방지되거나 감소된다.

본 발명의 한 추가 관점에 따라서, 단부편 및/또는 측편은 하나 이상의 돌출 모서리를 포함하고, 이 돌출 모서리는 권선에 대해 평행하게 연장된다. 상기 모서리를 통해, 대체되거나 추가되는 방식으로, 극 조립체의 상부 모서리 너머로 권선들이 상향 이동하는 점은 방지될 수 있다.

본 발명의 한 관점에 따라서, 단부편은 극 조립체 상에 안착된 부재 상에 제공된다. 상기 부재를 통해, 극 조립체의 최외부 적층판과 적층판들의 결합부 사이의 결합이 종방향으로 수행될 수 있으며, 그 다음 상기 결합은, 절연 수단 및 권선에 대해 매끄러운 표면을 보장하기 위해, 단부편을 통해 매끄러우면서도 동일 평면으로 마감될 수 있다. 또한, 단부편은 전기 절연 작용도 하는데, 그 이유는 단부편이 권선들과 극 조립체 사이의 이격 간격을 범위 한정하기 때문이다. 바람직하게는, 누설 전류를 방지하기 위해, 단부편을 통해 20㎜의 이격 간격이 제공된다.

본 발명의 실시예들과 장점들은 하기에서 하기 도들과 관련하여 더욱 상세하게 설명된다.

도 1은 자극편을 조립된 상태에서 도시한 사시도이다.
도 2는 자극편을 분해도 형태로 도시한 사시도이다.
도 3은 자극편을 분해도 형태로 도시한 단면 사시도이다.
도 4는 자극편을 조립된 상태에서 도시한 단면 사시도이다.
도 5는 자극편의 단부를 도시한 제 1 상세 사시도이다.
도 6은 자극편의 단부를 도시한 제 2 상세 사시도이다.
도 7은 자극편의 단부를 도시한 제 3 상세 사시도이다.
도 8은 자극편의 단부를 도시한 제 4 상세 사시도이다.
도 9는 제 1 실시예에서 모서리 라운딩부를 전방에서 보고 도시한 상세 사시도이다.
도 10은 제 1 실시예에서 모서리 라운딩부를 후방에서 보고 도시한 상세 사시도이다.
도 11a는 제 2 실시예에서 모서리 라운딩부를 전방에서 보고 도시한 상세 사시도이다.
도 11b는 제 2 실시예에서 모서리 라운딩부를 도시한 상면도이다.
도 11c는 제 2 실시예에서 모서리 라운딩부를 도시한 정면도이다.
도 11d는 제 2 실시예에서 모서리 라운딩부를 도시한 상세도이다.

도 1에는, 조립된 상태로 자극편의 사시도가 도시되어 있다. 상기 도해에서는, 하나의 권선(6) 또는 복수의 권선(6)에 의해 둘러싸인, 극 조립체(4)의 상부 영역이 식별된다. 극 조립체(4)의 두 단부에서는 각각의 단부편(1)의 상단부들이 식별된다. 자극편은 저부(9) 상에 고정되어 도시되어 있다. 저부(9)는 예컨대 제너레이터의 로터 또는 스테이터일 수 있다.

도 2에는, 분해도의 형태로 자극편의 사시도가 도시되어 있다. 도 3에는, 분해도의 형태로 자극편의 단면 사시도가 도시되어 있다. 도 4에는, 조립된 상태로 자극편의 단면 사시도가 도시되어 있다.

자극편의 내부는, 함께 극 조립체(4)의 형태로 자극편의 철심을 형성하는 복수의 적층판을 통해 형성된다. 자극편의 적층식 형성을 통해, 자극편 내부의 와전류는 방지되거나, 또는 적어도 감소될 수 있다. 이 경우, 적층판들은, 극 조립체(4)를 형성하기 위해, 종방향(A)으로 나란히 접합된다. 극 조립체(4)는, 그 상부 모서리에, 다시 말해 저부(9)의 반대 방향으로 향해 있는, 극 조립체의 측면에 돌출부를 구비하여 형성되고, 이 돌출부는, 저부(9)와 관련하여 반경 방향에서 권선들을 파지하기 위해, 측면으로 권선들(6)보다 더 돌출된다.

또한, 도 2에는, 극 조립체(4)와 권선들(6) 사이에 제공될 수 있는 U자형 측편(5)이 도시되어 있다. 측편(5)은, 마찬가지로 측면으로 권선들(6)보다 더 돌출되고 저부(9)와 관련하여 반경 방향에서 권선들을 파지하기 위해, U자 형태로, 다시 말해 상부 및 하부에 2개의 만곡된 모서리를 구비하여 구성된다. 이 경우, U자형 측편(5)의 상부 모서리만이 반경 방향 원심력을 상쇄하기 위해 필요하며, 그 때문에 U자형 측편(5)은 L자 형태로, 다시 말해 상부의 만곡된 모서리를 구비하여 구성될 수도 있다.

따라서 권선들(6)보다 더 돌출된 상기 돌출부는 극 조립체(4)의 상부 모서리를 통해, 또는 U자형 측편(5)의 상부 모서리를 통해 형성될 수 있거나, 또는 상응하는 돌출부들을 포함하는 두 부재(4, 5)가 함께 제공될 수 있다.

적층된 극 조립체(4)의 둘레에는 절연 수단이 제공된다. 절연 수단의 둘레에 권선(6)이 배치된다. 절연 수단은 극 조립체(4)와 권선(6)을 서로에 대해 전기 절연한다. 또한, 절연 수단은 전류가 통과하는 권선들(6)로부터 극 조립체(4)로의 우수한 열 전달에 기여할 수 있고, 접착성 절연 재료로서 극 조립체(4)에 대해 권선들(6)의 안정성을 보조할 수 있으며, 다시 말하면 극 조립체(4)의 상부 모서리들 또는 측편(5)의 상부 모서리에 대해 추가되거나 대체되는 방식으로 반경 방향 힘을 상쇄시킬 수 있다.

절연 수단은 도 2의 도해에는 도시되어 있지 않지만, 그 배치 및 구성은, 저부(9) 및 극 조립체(4)에 대해 권선(6)을 완전하게 절연하고, 권선들(6)로부터 저부(9) 및 극 조립체(4)로의 열 전달을 보장하며, 극 조립체(4)에 대해 권선들(6)의 안정성을 향상시키기 위해, U자형 측편(5)의 배치 및 구성에 상응한다.

종방향(A)으로 극 조립체(4)의 두 단부, 다시 말해 극 조립체의 단부면들에는, 도 5 내지 도 11d와 관련하여 더욱 상세하게 고려되고 설명되는 다양한 부재들(1, 2, 3)의 조립체가 각각 제공된다. 이 경우, 부재들(1, 2, 3)은 극 조립체(4)의 각각의 단부에서 권선(6)을 수용 및 안내하는 역할을 한다.

그 밖에도, 자극편은, 예컨대 원통형 볼트(7)로서 형성될 수 있는 몸체(7)를 포함한다. 상기 볼트(7)는, 적층판들을 결속하기 위해, 종방향(A)으로 극 조립체(4)의 적층판들을 통해 관통된다. 이 경우, 볼트(7)는 극 조립체(4)의 두 단부에서, 부재들(1, 2, 3) 중 하나 이상의 부재 내에 맞물리기 위해, 적층판들보다 더 돌출된다(도 5 내지 도 11d 참조). 그러나 볼트(7)는, 두 단부 또는 적어도 일측 단부에서 극 조립체(4)의 최외부 적층판들과 동일 평면으로 마감되도록 형성될 수도 있다. 그러므로 볼트(7)는 하기에서 종방향 볼트(7)로서 지칭된다.

저부(9)로 향하는 자극편의 횡방향으로 맞물림 위치들이 종방향 볼트(7)에 제공된다. 이를 위해, 극 조립체(4)의 상응하는 적층판들은 공동부들을 포함한다. 종방향 볼트(7)의 맞물림 위치들 내로는 재차 저부(9) 상에 제공되는 나사들 또는 볼트들(8)이 극 조립체(4)의 공동부들을 통과하여 맞물릴 수 있다. 그러므로 종방향(A)에 대해 횡방향으로 맞물리는 볼트들(8)은 횡방향 볼트들(8)로서 지칭된다. 저부(9)가 예컨대 제너레이터의 로터의 외부 벨트(9)[벨트(9)]라면, 자극편은 횡방향 볼트들(8)을 통해 상기 저부 상에 고정될 수 있다.

본 발명에 따라, 도시된 자극편은 최대한 3개의 횡방향 배향된 맞물림 위치를 보유한 종방향 볼트(7)를 포함한다. 이 경우, 예컨대 2개의 맞물림 위치는, 이 두 맞물림 위치가 상호 간에 최대한 멀리 이격되어 확실한 파지로 종방향 볼트(7) 내로 횡방향 볼트들(8)을 맞물리게 할 수 있는 방식으로, 자극편의 두 단부 가까이에 배치될 수 있다. 경우에 따라, 제3 횡방향 볼트(8)는, 종방향 볼트(7) 내에서 종방향(A)으로 대략 중심에 제공되는 제3 맞물림 위치 내로 맞물릴 수 있다. 이러한 방식으로, 횡방향 볼트들(8) 간에 최대한 큰 이격 간격이 가능해진다. 상기 중간 공간들 내에서 자극편은 극 조립체(4)의 상응하는 측면에 걸쳐 저부(9)와 직접 접촉하며, 그럼으로써 자극편으로부터 저부(9) 내로의 직접적인 열 전도가 이루어지게 된다.

상기 열은 예컨대 전류가 통과하는 권선들(6)을 통해 야기될 수 있으며, 이때 자극편의 과열 및 손상을 방지하게 위해 상기 열이 최대한 확실하게 방출되어야만 하는 범위를 달성할 수 있다. 이를 위해, 극 조립체(4)와 저부(9) 사이에 최대한 많은, 그리고 연속적인 접촉면이 저부(9)로 열을 방출하기에 바람직하다. 이 경우, 예컨대 바람직하게는 바로 접촉 영역들의 하부에서 연장되는, 다시 말해 횡방향 볼트들(8) 사이에서 연장되는 냉각부가 저부(9)에 제공될 수 있다.

그러므로 결과적으로 저부(9) 내 냉각부가 극 조립체(4)와 저부(9) 사이의 접촉면들에 직접 제공될 수 있는 영역들이 확대되기 때문에, 최대한 소수의 횡방향 볼트(8)를 포함한 자극편을 저부(9) 상에 고정할 수 있도록 하는 점이 바람직하고 추구할 가치가 있다. 예컨대 지금까지 풍력 터빈 발전 설비들의 제너레이터들에서 자극편들이 횡방향 볼트들(8)로서 10개의 M12 나사로 로터에 고정되었다면, 본 발명에 따라 고정은 횡방향 볼트들(8)로서 예컨대 3개의 나사만으로 수행될 수 있으며, 그럼에도 상기 나사들은 동일한 고정 안전성을 달성하기 위해 M24 나사로서 구성될 수 있다. 그러나 이를 통해서만, 고정 안정성이 동일하게 유지되는 조건에서, 횡방향 볼트들(8)의 상기 감소가 가능한데, 그 이유는 극 조립체(4)의 적층판들이 종방향(A)으로 종방향 볼트(7)를 통해 결속되기 때문이다.

종방향으로 연장되는 상기 볼트(7)는 지금까지, 횡방향 볼트들(8)로서 복수의 소형 M12 나사들에 의해 저부(9) 상에서 극 조립체(4)의 안정된 고정이 종방향 볼트(7) 없이도 가능했기 때문에 이용되지 않았다. 그러나 저부(9) 상에서 극 조립체(4)의 고정은 소수의 횡방향 볼트(8)로 실행된다면, 이는 극 조립체(4)의 개별 적층판들 사이에 낮은 안정성을 초래하고, 이 낮은 안정성은 종방향 볼트(7)에 의해 다시 보상된다. 이는, 종방향 볼트(7) 및 최대한 3개의 횡방향 볼트(8)의 배치를 통해, 지금까지 극 조립체(4)의 길이에 걸쳐 분포 배치되는 예컨대 10개의 소형 횡방향 볼트(8)를 이용한 경우처럼, 저부(9)에 대해 극 조립체(4)의 대응하는 안정성이 달성될 수 있음을 의미한다. 그러나 이를 통해 소수의 개별 횡방향 볼트(8) 사이에서 확대된 자유 공간들은 저부(9) 상으로 향상된 열 전달과 그에 따라 극 조립체(4) 및 그에 따른 권선들(6)의 향상된 냉각 가능성을 가능하게 한다.

극 조립체(4)와 저부(9) 사이에서 상기 열 전도를 향상시키기 위해, 극 조립체(4)와 저부(9) 사이에 예컨대 열 전도 컴파운드처럼 열 전도를 향상시키기 위한 수단이 제공될 수 있다.

또한, 종래의 경우 극 조립체(4)의 적층판들이 용접 솔기를 통해 밑면에서, 다시 말해 저부(9) 상에 안착된 극 조립체(4)의 측면에서 서로 결합된다는 점에도 유의해야 한다. 이를 위해, 적층판들 내에 상응하는 공동부가 제공되거나, 또는 극 조립체(4)의 조립된 적층판들 내에 구성되어야 한다. 그 다음 공동부 내로 용접 재료가 삽입되며, 다시 말하면 도포된다. 상기 용접 솔기가 본 발명에 따른 종방향 볼트(7)에 추가로 이용된다면, 용접 재료와 저부(9) 사이의 상기 공동부 내에는 공기로 채워진 중간 공간이 형성될 수 있으며, 이 중간 공간은 극 조립체(4)와 저부(9) 사이의 열 전도를 악화시킨다. 그러므로 특히 상기 중간 공간은, 공동부 내에 포함된 공기의 열 절연 작용을 방지하기 위해, 열 전도 컴파운드처럼 열 전도를 향상시키기 위한 수단으로 채워진다.

본 발명에 따라서, 자극편의 경우 절연 수단으로서, 섬유 복합 재료 또는 유리 섬유 강화 플라스틱(GFP)을 포함하는 재료가 이용된다. 상기 재료는, 상기 유형 및 방식으로 극 조립체(4)와 권선(6) 사이에 접착 결합부를 구성하기 위해, 접착제를 구비할 수 있다. 이 경우, 절연 수단은, 한편으로 극 조립체(4)와 권선(6) 사이에 전기 절연 및 우수한 열 전도성을 보장하는 방식으로 제공된다. 다른 한편으로, 그와 동시에, 극 조립체(4)와 권선(6) 사이에서는, 권선(6)이 극 조립체(4)에 대해 이동할 수 없게 하는 유형의 접착 작용이 달성된다. 상기 유형의 상대 이동은, 예컨대 제너레이터의 로터 내 자극편의 이용 시에, 원심력을 통해 야기될 수 있다. 이를 통해, 최악의 경우 권선(6)은 적어도 부분적으로 극 조립체(4)로부터 반경 방향으로, 다시 말해 저부(9)에 대해 수직으로 풀릴 수 있으며, 그럼으로써 자극편은 그 작용을 상실하거나, 또는 그 작용과 관련하여 적어도 감소되며, 주변은 분리된 권선(6)을 통해 손상될 수 있다.

작동 중에 상기 분리를 방지하기 위해, 추가의 기계적 조치 외에도, 접착 결합부가 절연 수단을 통해 제조될 수 있고, 그럼으로써 상기 분리 사례는 강한 원심력 및 지속적인 작동 조건에서 확실히 방지되거나, 적어도 그 발생 가능성이 감소될 수 있다.

그 밖에도, 본 발명에 따라, 바람직하게는 여기 전류를 통해 야기되는 권선(6)의 열을 최대한 절연 수단을 통해 극 조립체(4)로 전달하고, 결과적으로 열이 극 조립체로부터 예컨대 저부(9) 및 그 냉각부를 통해 자극편에서 배출될 수 있도록 하기 위해, 우수한 열 전도성을 보유하는 절연 수단을 이용한다. 이를 위해, 선택적으로, 극 조립체(4)와 절연 수단 사이, 및/또는 절연 수단과 권선(6) 사이에 열 전도 컴파운드 등도 제공될 수 있다.

본 발명에 따라, 절연 수단으로서, 예컨대 아라미드 섬유들로 구성되는 섬유 복합 재료가 이용된다. 아라미드 섬유들은 아라미드 또는 방향족 폴리아미드(폴리아라미드)로 이루어진 섬유들이다. 상기 아라미드 섬유들은 예컨대 DuPont사의 상표명 "노멕스" 및 "케블라" 하에 판매되고 있다. 특히 화재 방지를 위해 이용되는 메타 아라미드 섬유들도 상기 섬유에 속한다.

아라미드 페이퍼로서 상기 아라미드 섬유들의 이용은, 예컨대 전기 모터의 경우 전기 절연으로서 이용이거나, 또는 변압기 내 층 절연으로서의 이용이다. 상기 페이퍼는 매우 얇으면서도 그와 동시에 매우 안정적이다. 상기 페이퍼는 그 페이퍼 특성을 바탕으로 예컨대, 접착성 표면을 확보하기 위해, 예컨대 에폭시드 수지와 같은 수지로 적셔지거나, 또는 접착제로 코팅될 수 있다.

따라서 아라미드 페이퍼에 의해 얇은 두께 및 가벼운 무게에서도 높은 기계적 하중을 견딜 수 있고 그와 동시에 접착성으로 제공될 수 있는 절연 수단이 제공될 수 있다. 이 경우, 여러 가지 제너레이터 회전 속도에서 권선(6)에 작용할 수 있는 변하는 원심력을 통해, 절연 수단을 통해 흡수될 수 있어야 하는 전단력이 발생할 수 있다.

이 경우, 극 조립체(4) 상에는 제조 공정을 통해, 절연 재료를 관통함으로써 극 조립체(4)와 권선(6) 사이에 전도성 결합부를 형성할 수 있는 용접 점들이 발생할 수 있다는 점도 유의해야 한다. 상기와 같이 극미한 전도성 결합부는 극 조립체(4)와 권선(6) 사이에 섬락을 야기할 수 있고, 그 다음 상기 섬락은 결합부를 확장시킬 수도 있으며, 그럼으로써 절연은 더 이상 제공되지 않을 수도 있다. 그러므로 절연 재료로서는, 절연 재료의 적합한 두께에서 그 기계적 안정성이 용접 점들과 같은 상기 유형의 점 형태 및 첨두 하중에 저항할 수 있는, 예컨대 아라미드 페이퍼와 같은 재료가 바람직하다.

수지로 적셔지거나 접착제로 코팅된 아라미드 페이퍼를 구비한 절연 재료를 포함하는 자극편의 제조는 하기와 같이 수행될 수 있다.

우선 자극편의 극 조립체(4)가 적층판들로 제조된다. 이 경우, 상기 적층판들은 종방향 볼트(7)를 통해, 또는 또 다른 조치들 및 수단들을 통해서도 결속될 수 있다. 추가 단계로서, 극 조립체(4) 및 권선(6)의 기하구조에 적합하게 형성될 수 있도록 아라미드 페이퍼가 절단된다. 그 다음 아라미드 페이퍼는 수지로 적셔지거나, 또는 접착제로 코팅되며, 경우에 따라 수지 또는 접착제가 페이퍼의 내부 또는 그 표면에 점착된 상태로 유지될 수 있도록 하기 위해 건조된다. 이를 위해, 적셔진 아라미드 페이퍼는, 목표하는 기하구조를 확보하기 위해 가열하에 압착될 수 있다. 이 경우, 압착을 통해, 아라미드 페이퍼의 얇은 두께가 달성될 수 있다. 또한, 이를 통해, 절연 재료의 U자형 프로파일을 달성하기 위해, 예컨대 종방향(A)으로 각이 진 모서리들을 포함하는 안정된 기하구조가 아라미드 페이퍼에 제공될 수 있으며, 그럼으로써 권선(6)은 U자형 절연 수단 내에 수용될 수 있고, 그에 따라 극 조립체(4) 및 측편(5)의 상응하는 기하구조, 다시 말해 권선(6)을 수용하기 위한 돌출 모서리들을 포함하는 기하구조가 부분적으로 또는 완전하게 배제될 수 있다.

그 다음 아라미드 페이퍼는 절연 재료로서 극 조립체(4)의 측면 둘레에 배치된다. 극 조립체(4)의 단부들에서는 단부편(1)을 통한 절연이 수행될 수 있다. 그 다음 권선(6)이 접착성 아라미드 페이퍼 상에 권취되며, 그럼으로써 권선들은 아라미드 페이퍼에 점착되고, 아라미드 페이퍼는 다시 극 조립체(4) 상에 접착된다.

도 5에는 자극편의 단부의 제1 상세 사시도가 도시되어 있다. 극 조립체(4)는 종방향(A)으로 연장되는 공동부를 구비하여 도시되어 있으며, 공동부 내로는 종방향 볼트(7)가 끼워질 수 있다(미도시). 극 조립체(4)의 단부 상에는 부착형 패키지(add-on package)로서 지칭되는 부재(3)가 부착된다. 부착형 패키지는 극 조립체(4)의 기하구조에 부합하게 형성되며, 극 조립체(4)의 최외부 적층판을 나타낸다. 그러나 부착형 패키지는 동시에, 부재(3)가, 다시 말해 모서리 라운딩부로 지칭되는 단부편(1)(도 8 내지 도 11d 참조)이 부착형 패키지의 상기 모서리에 걸쳐 젖혀질 수 있는 방식으로, 측면에 공동부를 포함한다. 달리 말하면, 부착형 패키지는 극 조립체(4)의 프로파일에 부합하게 구성되지 않는다.

도 6에는, 자극편의 단부의 제2 상세 사시도가 도시되어 있다. 부착형 패키지 상에는 압력판으로서 지칭되는 부재(2)가 부착되어 있다. 압력판은 부착형 패키지의 기하구조에 부합하게 형성되고, 상부 영역에서 압력판은 부착형 패키지보다 더 짧게 형성되며, 그럼으로써 부착형 패키지는 압력판보다 더 돌출되어 도시된다. 이를 통해, 압력판은 상부 영역에서 그 아래 위치하는 부착형 패키지로부터 상승되며, 그럼으로써 모서리 라운딩부는 측면뿐 아니라 상부 영역에서도 압력판에 걸쳐 젖혀질 수 있다.

도 7에는, 자극편의 단부의 제3 상세 사시도가 도시되어 있다. 상기 도해에서 종방향 볼트(7)는, 극 조립체(4)의 적층판들뿐 아니라 부착형 패키지 및 압력판을 동일한 방식으로 관통하는 공동부 내로 끼워져 있다. 이러한 방식으로, 극 조립체(4)의 적층판들, 부착형 패키지 및 압력판은 종방향 볼트(7)를 통해 결속된다. 이 경우, 종방향 볼트(7)는 부착형 패키지 및 압력판을 센터링한다. 구조의 고정을 위해 압력판은 종방향 볼트(7)와 용접된다.

도 8에는, 자극편의 제4 상세 사시도가 도시되어 있다. 상기 도해에서 단부는 모서리 라운딩부로서 지칭되는 단부편(1)에 의해 마감되어 있다. 모서리 라운딩부에 의한 상기 마감을 통해, 극 조립체(4)의 평탄하고 매끄러운 표면이 제공될 수 있으며, 그럼으로써 극 조립체(4)의 두 단부에 권선들(6)이 매끄럽고 확실하게 안착될 수 있다. 반대로 말하면, 모서리 라운딩부가, 권선(6) 아래의 저부에서, 다시 말하면 극 조립체(4)의 단부 측 부재들(1, 2, 3)에서 예리한 모서리나 접힌 부분을 통해 발생할 수도 있는, 권선(6)의 손상을 방지한다. 이 경우, 예컨대 압력판과 종방향 볼트(7) 사이의 용접 결합부는 모서리 라운딩부를 통해 덮인다.

또한, 절연 재료는 극 조립체(4)의 단부들의 둘레에, 다시 말해 모서리 라운딩부에 걸쳐 구성될 수 있으며, 그럼으로써 절연 재료의 손상도 매끄러운 모서리 라운딩부에 의해 방지될 수 있다. 대체되거나 추가되는 방식으로, 모서리 라운딩부 자체는 절연 재료로 이루어져 제공될 수 있으며, 그럼으로써 상기 영역에서, 경우에 따라 제조 시 재료 및 시간을 절약하기 위해, 절연 수단이 배제될 수 있다.

도 9에는, 제 1 실시예에서 모서리 라운딩부가 전방에서 바라본 상세 사시도로 도시되어 있다. 도 10에는, 제 1 실시예에서 모서리 라운딩부가 후방에서 바라본 상세 사시도로 도시되어 있다.

여기서는, 모서리 라운딩부가, 절연 수단 및 권선(6)에 대해 평탄하고 매끄러운 표면을 제조하기 위해 부착형 패키지 및 압력판을 측면에서 완전하게 둘러쌀 수 있도록 구성되는 점이 식별된다. 또한, 모서리 라운딩부는, 예컨대 회전 작동 중에 발생하는 원심력에 대항하여 권선(6)을 상부 및 하부 방향에서 파지할 수 있도록 하기 위해, 상부 및 하부에 돌출 모서리들을 포함한다. 또한, 모서리 라운딩부는, 권선(6)의 단부를 정렬하기 위해, 내부에서 스트립이 안내될 수 있는 공동부(1a)도 포함한다.

이 경우, 본 발명에 따라, 부재들(1, 2, 3)의 조합 구조, 다시 말해 부착형 패키지와, 압력판과, 모서리 라운딩부가 제공된다. 지금까지 적층형 극 조립체(4)의 단부를 마감하기 위해 헤드 피스를 제공하는 점이 공지되었다. 이 경우, 지금까지 종방향 볼트(7)가 이용된 것이 아니라, 그 대신 적층형 극 조립체(4)가 복수의 소형 횡방향 볼트(8)로 저부(9)에 고정되었다.

그러나 본 발명에 따라, 이제 극 조립체(4)의 적층판들을 결속하고, 소수이지만 강도가 더 강한 횡방향 볼트들(8)을 위한 고정부로서 이용하기 위해, 종방향 볼트(7)가 제공된다면, 종방향 볼트(7)는 극 조립체(4)의 최외부 적층판보다 더 돌출될 수 있으며, 그리고 이 경우 그 해당 위치에서 고정되어야 한다. 극 조립체(4)의 상기 연장부 상에 단부편이 안착된다면, 자극편의 무게 및 길이가 바람직하지 못하게 증가된다. 예컨대 26㎜의 두께를 갖는 단부편이 극 조립체(4)의 단부 상에 안착될 수도 있다.

그러므로 본 발명에 따라 복수의 부재(1, 2, 3)의 조합 구조가 단부편으로서 극 조립체(4)의 단부에 제공된다. 극 조립체(4)의 최외부 적층판으로서의 부착형 패키지는 예컨대 18의 두께를 보유한다. 부착형 패키지는 모서리 라운딩부를 수용하기 위한 측면 공동부를 구비한 극 조립체(4)의 적층판에 상응한다. 압력판은 예컨대 6㎜의 두께를 보유하면서 종방향 볼트(7)를 고정하는 역할을 한다. 모서리 라운딩부는 예컨대 3㎜의 두께를 보유하고 극 조립체(4)의 단부를 둥글게 마감한다. 압력판 위쪽에 모서리 라운딩부를 배치함으로써 극 조립체(4)의 본 발명에 따른 헤드 피스는 9㎜의 총 두께를 보유하게 된다.

상기와 같이 헤드 피스의 두께의 감소를 통해, 이용되는 구리에 영향을 미치는 지금까지의 헤드 피스에 비해 재료 절약이 달성되는데, 그 이유는 지금까지의 헤드 피스는 구리로 제조되었기 때문이다. 이 경우, 풍력 터빈 발전 설비의 제너레이터의 고려되는 자극편의 경우, 자극편당 2.31㎏의 재료 절약이 달성될 수 있다. 이를 통해, 자극편이 72개인 경우, 166.3㎏의 구리가 절약될 수 있다.

도 11a에는, 제 2 실시예에서 모서리 라운딩부가 전방에서 바라본 상세 사시도로 도시되어 있다. 도 11b에는, 제 2 실시예에서 모서리 라운딩부의 상면도가 도시되어 있다. 도 11c에는, 제 2 실시예에서 모서리 라운딩부의 정면도가 도시되어 있다. 도 11d에는, 제 2 실시예에서 모서리 라운딩부의 상세도가 도시되어 있다.

상기 제 2 실시예에서, 모서리 라운딩부는 함몰부를 포함하며, 다시 말해 모서리 라운딩부는, 오목부의 함몰부 내에 권선(6)을 수용할 수 있도록, 오목하게 구성된다. 이를 통해, 예컨대 제너레이터의 로터 상에서 자극편의 회전 시 원심력에 의해 발생할 수 있는, 모서리 라운딩부에 대한 권선(6)의 변위가 방지될 수 있다.

모서리 라운딩부의 기하구조를 통해, 권선(6)이 열을 통해 팽창되며, 그리고 냉각되고 신장된 상태에서보다 극 조립체(4)의 둘레에 더욱 느슨하게 배치되는 경우에서도, 권선(6)은 오목한 표면의 함몰부 내에 파지된다.

그와 반대로, 표면이 직선인 경우라면, 권선(6)이 예컨대 동시에 원심력이 발생하는 조건에서 가열 시 반복되는 확장과 냉각 시 수축을 통해, 점차로 극 조립체(4)로부터 하향 이동될 수도 있는 위험이 발생할 수도 있다. 이러한 사례는 모서리 라운딩부의 오목한 형성을 통해 저지될 수 있다. 이 경우, 상기 형성은, 마찬가지로 오목한 형성을 통해 자극편의 측면들에서, 자극편의 단부들에 제공되는 모서리 라운딩부의 앞서 설명한 오목한 형성과 같이 대응하는 작용을 나타내는 측편(5)의 U자형 형상과 접착성 절연 수단을 통해 극 조립체(4)에 대한 권선(6)의 접착으로 보충된다.

Claims (17)

1. 제너레이터의 자극편에 있어서,
   적층 구성된 극 조립체(4);
   상기 극 조립체(4)의 둘레에 배치된 하나 이상의 권선(6);
   상기 극 조립체(4)의 종방향(A)으로 상기 극 조립체(4)의 하나 이상의 단부에서 상기 극 조립체(4)와 상기 권선(6) 사이에 제공된 하나 이상의 단부편(1)으로서, 상기 단부편(1)은, 권선을 위해 상기 단부편(1)과 상기 극 조립체(4) 사이의 모서리 없는 전환부를 제공하기 위해, 라운딩된 모서리들을 포함하고, 상기 단부편(1)은 상기 극 조립체(4) 상에 안착된 하나 이상의 부재(2, 3) 상에 제공되는 것인, 단부편(1);
   상기 극 조립체(4)와 권선(6) 사이의 U자형 측편(5); 및
   적층된 극 조립체(4)를 종방향(A)으로 관통하고, 저부(9) 상에 자극편을 고정하기 위해 각각의 홀딩 수단(8)이 내부로 맞물릴 수 있는 복수의 횡방향 배향된 맞물림 위치들을 보유하는 몸체(7)
   를 포함하고, 자극편의 조립된 상태에서, 적층된 상기 극 조립체(4)를 종방향(A)으로 관통하는 상기 몸체(7)는 극 조립체의 두 가장자리에서 극 조립체의 적층판들 보다 돌출하고, 하나 이상의 단부편(1) 내에 맞물리며, 상기 몸체(7)는 부재들(2, 3) 중 하나 이상의 부재 내에 맞물리는 것인 자극편.
2. 제1항에 있어서, 상기 단부편(1), 측편(5), 또는 단부편(1)과 측편(5)은 오목부의 함몰부 내에 상기 권선(6)을 수용하기 위해 오목하게 형성되는 것인 자극편.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단부편(1), 측편(5), 또는 단부편(1)과 측편(5)은 상기 권선(6)에 대해 평행하게 연장되는 하나 이상의 돌출 모서리를 포함하는 것인 자극편.
4. 제1항에 있어서, 3개의 맞물림 위치가 상기 극 조립체(4)의 단부들과 그 중심에 제공되는 것인 자극편.
5. 제1항에 있어서, 상기 맞물림 위치들은, 맞물림 위치들 사이에서 자극편의 표면에 걸쳐 열이 자극편으로부터 상기 저부(9) 내 하나 이상의 냉각 영역으로 방출될 수 있도록 제공되는 것인 자극편.
6. 제1항에 있어서, 상기 홀딩 수단들(8)은 나사들인 것인 자극편.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 극 조립체(4)와 상기 권선(6) 사이에 배치된 절연 수단을 포함하며,
   상기 절연 수단은 상기 극 조립체(4)와 상기 권선(6) 사이에 접착 결합부를 구성하는 것인 자극편.
8. 제7항에 있어서, 상기 절연 수단은 섬유 복합 재료 또는 유리 섬유 강화 플라스틱을 포함하는 것인 자극편.
9. 제8항에 있어서, 상기 섬유 복합 재료는 메타 아라아미드 섬유를 함유하는 것인 자극편.
10. 제1항에 있어서, 상기 몸체(7)는, 두 가장자리 또는 적어도 일측 가장자리에서 상기 극 조립체(4)의 최외부 적층판들과 동일 평면으로 마감되도록 형성되는 것인 자극편.
11. 제1항 또는 제2항에 따른 자극편을 포함하며, 상기 자극편은 제너레이터의 로터 또는 스테이터의 벨트 형태로 저부 상에 고정되는 것인 제너레이터.
12. 제11항에 따른 제너레이터를 포함하는 풍력 터빈 발전 설비.
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