KR101708543B1 - 기어리스형 풍력 발전 설비의 동기 발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기어리스형 풍력 발전 설비의 동기 발전기에 관한 것으로, 고정자 및 다수의 부분으로 이루어진 외부 구동자를 포함한다. 또한 본 발명은 이러한 발전기를 포함하는 풍력 발전 설비에 관한 것이다. 또한 본 발명은 기어리스형 풍력 발전 설비의 동기 발전기를 운반하기 위한 운반 장치에 관한 것이다.

Description

기어리스형 풍력 발전 설비의 동기 발전기{SYNCHRONOUS GENERATOR OF A GEARLESS WIND ENERGY TURBINE}
본 발명은 기어리스형 풍력 발전 설비의 동기 발전기에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 동기 발전기를 포함하는 풍력 발전 설비에 관한 것이다. 또한 본 발명은 기어리스형 풍력 발전 설비의 동기 발전기를 운반하기 위한 운반 장치에 관한 것이다.
풍력 발전 설비들, 특히 도 1에 도시된 수평축 풍력 발전 설비들이 일반적으로 공개되어 있다. 도 1에 도시된 기어리스형 풍력 발전 설비의 경우에, 공기 역학 회전자는 발전기의 구동자를 직접 구동하고, 따라서 상기 발전기는 풍력으로부터 얻은 운동 에너지를 전기 에너지로 전환한다. 발전기의 구동자는 따라서 공기 역학 회전자와 마찬가지로 저속 회전한다. 이러한 저속을 고려하기 위해 발전기는 공칭 전력과 관련해서 비교적 큰 발전기 직경, 특히 큰 에어 갭 직경을 갖는다. 이로써 저속 회전에도 불구하고 에어 갭의 영역에서 발전기의 구동자와 고정자 사이의 비교적 큰 속도차가 달성될 수 있다. 예를 들어 ENERCON GmbH의 E126과 같은 현대식 풍력 발전 설비들은 7.5 MW의 공칭 전력을 갖는다. 이러한 E126도 기어리스형 풍력 발전 설비이고, 구조적 크기를 고려하여 상응하게 큰 발전기를 필요로 한다.
이 경우 특히, 이러한 발전기를 풍력 발전 설비의 설치 장소로 운반하는 것이 문제가 된다. 대부분의 국가에서 도로로 운반될 수 있는 최대 폭은 대략 5 m이다. 이는 즉, 발전기의 회전축이 도로에 대해 수직인 상태로 운반되는 경우에, 운반 시 발전기의 최대 직경이 5 m이어야 한다는 것을 의미한다. 발전기의 직경은 이로 인해 사실상 제한된다. 대부분의 설치 장소에 대한 이러한 운반 문제는 특히 발전기 생산 시설 근처 또는 항구 근처의 설치 장소에서는 해결될 수 있다 하더라도, 통상적으로 사용되는 바람직한 표준 발전기는 이러한 운반 치수에 의해 제한을 받는다.
E126 모델의 상기 풍력 발전 설비는 대략 10 m의 에어 갭 직경을 갖는 발전기를 포함한다. 이러한 발전기에서의 운반 문제는, 발전기를 여러 부분들로 나뉘어 운반함으로써, 즉 구동자와 고정자를 각각 다수의 부분으로 세분함으로써 해결된다. 회전자와 고정자는 따라서 개별 부품으로 인도되어, 설치 현장에서 또는 근처에서 조립된다.
이 경우 문제점은, 이러한 분리 부품들이 발전기 제조 시설 외부의 현장에서 다시 조립되어야 하는 것이다. 이것은 복잡하고 고비용이며 오류 발생이 잦다. 현장에서의 조립 검사 또는 완성된 발전기의 검사는 또한 발전기 생산 시설에서보다 더 어렵고, 더 복잡하며 결함 발생도 더 잦다.
이에 따라 예컨대 ENERCON GmbH의 다른 풍력 발전 설비들에 의해 고정자의 연속 와인딩(continuous winding)이 바람직할 수 있는 것이 공개된 바 있다. 이는, 예를 들어 유럽 특허 EP 1 419 315 B1호에 기술되어 있다. 이 간행물에 설명된 고정자의 와인딩은 매우 복잡하고, 기본적으로 생산 시설에서만 안정적으로 실시될 수 있다. 그러나 그 결과 발전기는 물론 매우 안정적으로 작동한다는 점에 주의해야 한다. 제조 시설에서 처리된 연속 와인딩은 운반을 위한 다수의 부분으로의 분리에서 제외된다.
우선권 출원 시 독일 특허청에 의해 하기 선행 기술들, 즉 DE 199 23 925 A1, US 2010/0024311 A1, DE 10 2009 032 885 A1 및 DE 10 2010 039 590 A1이 조사되었다.
본 발명의 과제는, 적어도 하나의 전술한 문제를 해결하는 것이다. 특히 상기 운반 문제를 고려하는 동시에 높은 안전성을 갖는 풍력 발전 설비의 가능한 한 큰 발전기를 가능하게 하는 해결 방법을 제안하는 것이다. 적어도 하나의 대안적인 해결 방법을 제안하는 것이다.
상기 과제는 청구범위 제 1 항에 따른 동기 발전기에 의해 해결된다. 본 발명에 따라 청구범위 제 1 항에 따른 동기 발전기가 제안된다. 이러한 기어리스형 풍력 발전 설비의 동기 발전기는 고정자와 구동자를 포함한다. 실질적으로 허브 및 하나 이상의, 특히 3개의 회전자 블레이드로 이루어진 공기 역학 회전자에 대해 용어 구분을 위해 이하에서는 발전기의 회전부에 대해 구동자라는 용어가 사용된다. 이 경우 본 발명에 따라 다수의 부분으로 이루어진 외부 구동자가 사용된다. 발전기는 이로써 내측에 놓인 고정자와 외측에 놓인 구동자를 포함하는 외부 구동자 발전기이다. 또한 구동자는 적어도 2개의 부분으로 세분된다. 고정자는 특히 세분되지 않는다.
이로써 고정자를 세분하지 않으면서 발전기의 직경의 확장이 가능한 것이 구현된다. 따라서 내측에 배치된 고정자는 하나의 부분으로 형성될 수 있고, 최대 운반 폭에 이르는 크기를 가질 수 있다. 고정자의 외경은 이러한 경우에 에어 갭의 평균 직경에 상응하거나 또는 정확히 말하면 에어 갭의 내경에 상응한다.
그러나, 외부 구동자는 더 큰 외경, 즉 에어 갭 직경보다 큰 외경을 갖고, 따라서 최대 운반 폭보다 커질 수 있다. 따라서 외부 구동자를 세분하는 것이 제안된다. 특히 외부 구동자인 경우에, 구동자의 세분은 몇 가지 문제점을 수반한다는 사실이 기초가 된다. 발전기가 외부 여기식 동기 발전기이고 따라서 구동자에 전기적으로 여기 전류가 공급되어야 하더라도, 상기 구동자의 분리는 거의 문제가 되지 않는다. 외부 여기를 위해 직류만 공급되면 되므로, 구동자의 분리 시 그리고 이에 따라 구동자의 재조립 시 해당하는 전류 라인들만, 가장 간단한 경우 2개의 직류 라인들만 다시 연결하면 된다. 이 경우 오류 가능성은 특히 3상 고정자 또는 6상 고정자를 위해 필요한 공정에 비해 작을 수 있다.
시스템에 따라 외부 여기식 구동자는 일반적인 기어리스형 풍력 발전 설비에서 항상 다수의 개별 구동자 극, 즉 상응하는 코일을 갖는 코어로 구성된다. 각각의 구동자 극은 직류 와인딩을 지지하기 때문에, 구동자를 위해 예컨대 고정자에 대해 공개된 연속 와인딩이 제공되지 않는다. 이는 세분을 용이하게 한다.
실시예에 따라, 동기 발전기는 링 발전기로서 형성되는 것이 제안된다. 링 발전기란, 자기 활성 영역이 실질적으로 링 영역에, 발전기의 회전축을 중심으로 동심으로 배치된 발전기의 구조적 형상이다. 특히 구동자와 고정자의 자기 활성 영역은 발전기의 방사방향 외부 1/4 내에만 배치된다. 또한 발전기의 중앙에 고정자를 위한 지지 구조가 배치될 수 있다.
바람직하게 적어도 48개, 더 바람직하게 적어도 72개, 특히 적어도 192개의 고정자 극(stator pole)이 제공된다. 이로써 다극 발전기가 제안된다. 상기 발전기는 저속 작동 발전기로서 적합하므로 특히 기어리스형 풍력 발전 설비에서 사용에 맞게 조정된다.
바람직하게 또한, 발전기를 6상 발전기로서, 즉 특히 서로 30도 변위된 2개의 3상 시스템을 포함하는 발전기로서 형성하는 것이 제안된다. 이로 인해 매우 균일하게 생성되는, 즉 실질적으로 6상 전류가 제공되고, 상기 전류는 후속 처리에 바람직하다. 특히 이러한 6상 전류는 후속하는 정류 및 주파수 인버터를 이용한 후속 처리에 적합하다. 특히 생성된 전류는 전체적으로 - 예상 밖의 손실은 무시하고 - 정류되고, 전기 회로망으로의 공급을 위해 전류 인버터에 의해 준비되는 소위 풀 스케일 컨버터(full scale converter) 컨셉에 바람직하다.
바람직하게, 동기 발전기의 고정자가 연속 와인딩을 포함하는 실시예가 제안된다. 고정자는 이로 인해 매우 안정적으로, 특히 불필요한 전기 접속점 없이 제조될 수 있으므로, 이와 관련해서 고장 가능성이 최소화된다. 특히 이와 관련해서 전기 접점들이 분리될 수 있고, 구체적으로는 전기 접점이 제공되지 않는다.
특히 고정자는 세분되지 않고, 따라서 작동 시 자기장을 안내하고 와인딩(들)을 수용하는, 세분되지 않은 고정자 박판 패킷이 제공된다. 이는 예를 들어 고정 부재, 냉각 부재, 커버 부재 등과 같은 개별 부재들의 분해를 배제하지 않는다.
실시예에 따라, 고정자는 4.3 m 이상의 외경을 갖는 것이 제안된다. 따라서 특히 세분되지 않는, 최대 운반 치수를 고려하는 고정자의 경우에 비교적 큰 에어 갭 직경이 가능하다. 바람직하게 4.7 m 이상의 외경을 갖는 고정자가 제공된다. 특히 고정자의 외경은 대략 5 m인 것이 제안된다. 이로 인해 최대 운반 폭이 이용될 수 있고, 이와 관련해서 동기 발전기가 최적화 또는 최대화될 수 있으며, 이 경우, 문제가 되는 고정자의 세분은 필요하지 않다. 5 m의 외경을 갖는 고정자를 이용함으로써, 세분되지 않는 고정자의 경우에, 상기 5 m가 운반 최대 크기라고 보면 - 직경과 관련해서 최대의 구조적 크기가 달성된다.
바람직한 실시예에 따라, 구동자는 원주 방향으로 다수의 구동자 세그먼트로 구성되고, 특히 2개 또는 4개의 구동자 세그먼트로 구성되는 것이 제안된다. 바람직하게, 이 경우 대칭적 세분이 제안되고, 이때 모든 및/또는 2개의 구동자 세그먼트들은 동일한 크기이며, 특히 동일한 크기의 원형 세그먼트를 형성한다. 이로 인해 조립 및/또는 운반이 간단해지고 용이해지며, 일반적으로 표준화될 수 있다.
바람직하게 구동자 세그먼트들은 상이한 개수의 구동자 극을 갖는다. 예를 들어 각각 동일한 크기이고 특히 각각 동일한 개수의 구동자 극을 갖는, 구체적으로 2개의 작은 세그먼트와 2개의 큰 세그먼트가 제공되는 경우에, 이러한 형상도 구동자의 대칭적 세분을 가능하게 한다. 예를 들어 48개의 극을 갖는 구동자는 4개의 세그먼트로 세분될 수 있고, 상기 세그먼트들 중 2개의 세그먼트는 각각 8개의 극을 갖고, 다른 2개의 세그먼트들은 각각 16개의 극을 갖는다. 이로 인해, 예를 들어, 구동자에 기본적인 안정성을 제공하는 2개의 큰 세그먼트가 제공될 수 있고, 이 경우 2개의 더 작은 세그먼트들은 조립 시 기본적으로 2개의 큰 세그먼트들을 서로 결합시킬 수 있다.
바람직한 실시예에 따라 회전축을 가진 동기 발전기가 제안되고, 이러한 발전기에서 운반을 위해 적어도 2개의 구동자 세그먼트들이 분해될 수 있다. 이러한 동기 발전기는, 상기 2개의 구동자 세그먼트들이 분해되는 경우에, 동기 발전기의 최대 폭이 한 방향으로는 고정자에 의해 결정되도록, 그리고 다른 방향으로는 구동자에 의해 결정되도록 형성된다. 특히, 고정자는 고정자의 회전축에 대해 제 1 횡방향으로 동기 발전기의 최대 폭을 형성하고, 구동자는 회전축 및 횡방향을 가로질러 길이방향으로 동기 발전기의 최대 폭을 형성하는 것이 제안된다. 따라서 동기 발전기는, 특히 대향 배치된 2개의 구동자 세그먼트들이 분해될 수 있고, 이로 인해 발전기의 치수가 정확히 전술한 위치에서 감소하도록, 즉 고정자의 직경으로 감소하도록, 형성된다. 분해 가능한 그리고 상응하게 분해된 상기 구동자 세그먼트들은, 상기 세그먼트들의 분해로 인해 고정자가 최대 치수를 형성하는 정도의 크기이면 된다. 상기 방향으로의 발전기 치수의 추가 감소는 더 이상 가능하지 않은데, 그 이유는 고정자가 대부분 분해될 수 없기 때문이다.
상기 횡방향은 운반 시 바람직하게 운반 차량의 주행 방향에 대해 횡방향으로 정렬되므로, 적재 상태의 차량의 운반 폭은 고정자의 외경으로 감소하게 된다. 길이방향으로, 즉 운반 차량의 주행 방향으로 발전기의 치수는 감소하지 않아도 된다. 이 경우 구동자 또는 구동자 세그먼트들은 유지될 수 있고, 따라서 발전기는 상기 방향으로 외부 치수로서 구동자의 외경을 갖는다.
바람직하게 적어도 500 kW, 적어도 1 MW 그리고 특히 적어도 2 MW의 공칭 전력을 갖는 동기 발전기가 이용된다. 이로써 큰 공칭 전력을 갖는 풍력 발전 설비를 위한 동기 발전기가 제안된다. 상기 발전기는, 세분되지 않는 고정자와 세분되는 구동자에 의해 바람직하게 구현될 수 있다.
또한 전술한 실시예들 중 적어도 하나의 실시예에 따른 동기 발전기를 포함하는 풍력 발전 설비가 제안된다. 따라서 최대화된 발전기, 그리고 동시에 높은 안정성을 갖는 풍력 발전 설비가 달성될 수 있고, 상기 발전기는 또한 번거로운 운반 문제를 야기하지 않는다.
또한 부분적으로 해체되는 동기 발전기를 운반하기 위한, 특히 전술한 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 동기 발전기를 운반하기 위한 운반 장치가 제안된다. 상기 동기 발전기는 고정자와 외부 구동자를 포함한다. 운반 장치는 메인 운반부라고도 할 수 있는 메인 운반 섹션을 포함하고, 상기 메인 운반 섹션은 동기 발전기의 고정자를 포함한다. 또한 운반 장치는 동기 발전기로부터 분해되는 적어도 2개의 구동자 세그먼트를 포함한다. 따라서 운반을 위해 동기 발전기를 부분적으로 분해하는 것이 제안되고, 이 경우 고정자는 하나의 부분으로 운반된다.
바람직하게는 분해되는 적어도 2개의 구동자 세그먼트들은 2개의 구동자 절반부로서 형성되고, 이들은 함께 한 방향으로 고정자의 외경을 초과하지 않는 치수를 갖도록, 운반 위치로 서로 오프셋되어 서로 끼워 맞춰진다. 이 경우 특히, 상기 2개의 구동자 절반부는 링 세그먼트로서 형성되고, 2개의 링 세그먼트 각각의 레그는 부분적으로 다른 링 세그먼트의 2개의 레그 사이에 배치된다. 이러한 배치 시 적어도 한 방향으로, 고정자의 직경의 크기를 초과하지 않는 치수를 달성하기 위해, 조립된 구동자의 링 세그먼트들과 이에 따른 링은 상응하게 가늘고 길게 형성될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 메인 운반 섹션은 적어도 하나의 구동자 세그먼트, 특히 2개의 구동자 세그먼트를 포함하고, 상기 세그먼트들은 동기 발전기에 조립되는 것이 제안된다. 메인 운반 섹션은 이렇게 형성되고, 고정자에 조립되어 유지되는 구동자 세그먼트들은, 메인 운반 섹션이 제 1 방향으로 고정자의 외경에 상응하는 폭을 갖도록 그리고 제 2 방향으로 구동자의 외경에 상응하는 길이를 갖도록 선택된다. 이 경우 특히 제 1 방향은 운반 시 주행 방향에 대해 횡방향으로 정렬되고, 폭은 이와 같이 적재 상태의 운반 차량의 실제 폭이다. 제 2 방향은 특히 주행 방향이다. 제 1 방향 및 제 2 방향은 바람직하게 거의 하나의 평면에 놓이고, 서로 거의 수직이다.
바람직하게 운반 장치는 전술한 적어도 하나의 실시예에 설명된 바와 같이 부분적으로 해체되는 동기 발전기를 포함한다. 또한, 운반 장치의 메인 섹션은 전술한 실시예들 중 하나의 실시예에 따른 부분적인 동기 발전기를 포함하지만 동기 발전기로부터 분해된 구동자 세그먼트를 포함하지 않는 경우에 바람직하다. 다시 말해서 운반 장치의 메인 섹션은 실질적으로 동기 발전기 전체에 해당하지만, 적어도 한 방향으로 동기 발전기의 폭이 고정자의 크기, 즉 직경으로 감소할 수 있는 한 상기 동기 발전기로부터 구동자 세그먼트들이 분해된다. 따라서 구동자 세그먼트의 최소의 분해를 제안하는, 동기 발전기의 운반이 제시된다.
또한 풍력 발전 설비의 설치 위치로 기어리스형 풍력 발전 설비의 동기 발전기를 운반하기 위한 방법이 제안된다. 이 경우 적어도 2개의 구동자 세그먼트들이 분해됨으로써 동기 발전기가 부분적으로 분해된다. 이 경우 풍력 발전 설비의 설치 위치로의 운반은, 풍력 발전 설비의 설치 위치 근처의 임시 조립 위치, 즉 특히 예를 들어 동기 발전기의 조립이 이루어질 수 있는 조립 위치로의 운반도 포함하며, 상기 조립 위치에서 예컨대 동기 발전기의 조립이 이루어질 수 있고, 거기로부터 직접 배치되는 설치 위치로의 운반은 기본적으로 특히 운반 폭과 관련해서 운반 제한이 적용되지 않는다. 다시 말해서 이러한 임시 조립 시설에 도착하면 공공 도로를 이용하는 운반은 이미 종료된다.
아래에서, 본 발명은, 첨부된 도면과 관련해서 실시예를 참고로 예시적으로 설명된다.
본 발명에 따르면, 전술한 문제 중 하나 이상을 해결할 수 있는, 기어리스형 풍력 발전 설비의 동기 발전기, 상기 동기 발전기를 포함하는 풍력 발전 설비, 및 기어리스형 풍력 발전 설비의 동기 발전기를 운반하기 위한 운반 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 풍력 발전 설비를 도시한 사시도.
도 2는 동기 발전기의 단면을 개략적으로 도시한 사시도.
도 3은 도 2에 따른 동기 발전기의 측면을 개략적으로 도시한 단면도.
도 4는 고정자를 도시한 축방향 평면도.
도 5는 부분적으로 분해된 동기 발전기를 도시한 축방향 평면도.
도 6은 운반을 위해 공간 절감 방식으로 끼워 맞춰진 2개의 구동자 세그먼트를 도시한 평면도.
도 7은 다른 실시예에 따른, 부분적으로 분해된 동기 발전기를 축방향에서 도시한 개략도.
도 8은 도 7에 따른 부분적으로 분해된 동기 발전기를 도시한 사시도.
도 9는 도 7 및 도 8에 따른, 부분적으로 분해된 동기 발전기의 단면을 개략적으로 도시한 사시도.
이하에서 동일하거나 유사한 실시예들의 동일하거나 유사한 부재들은 상이한 축척으로 도시될 수 있다.
도 1은 타워(102)와 나셀(104)을 포함하는 풍력 발전 설비(100)를 도시한다. 3개의 회전자 블레이드(108)와 스피너(110)를 포함하는 회전자(106)가 나셀(104)에 배치된다. 회전자(106)는 풍력에 의해 작동 시 회전 운동하고, 이로 인해 나셀(104) 내의 발전기를 구동한다.
도 2의 동기 발전기(1)는 세분된 외부 구동자(2)와 하나의 부분으로 이루어진 고정자(4)를 포함한다. 고정자(4)는 방사방향 지지 박판(6)에 의해 축 저널 수용부(axial mounting journal)라고도 할 수 있는 수용 저널(8)에서 지지된다.
풍력 발전 설비에서 동기 발전기(1)를 이용하기 위한 회전자 허브(12)가 도시되고, 상기 회전자 허브는 도 2에 도시되지 않은 회전자 블레이드를 지탱하며, 허브 플랜지(14)에 의해 외부 구동자(2)에 고정되므로, 외부 구동자(2)는 고정자(4)에 대해 회전할 수 있다.
외부 구동자(2)는 이를 위해 극 패킷(16)을 포함하고, 상기 극 패킷은 고정자 패킷(18)에 대해서 회전한다. 이러한 회전에 의해 도 2에 와인딩 헤드(20)만이 도시된 와인딩에서 발생되어 전달되는 전류가 제공된다. 도 2는 단면을 도시한 사시도이고, 몇몇 단면들, 특히 고정자 패킷(18)과 수용 저널(8)의 단면들은 음영 처리되어 도시되지 않는다. 도시된 극 패킷(16)은 그러나 외부 구동자(2)의 실제 세분에 의해 주어지는 측면부에 의해 도시된다.
도 2는 외부 구동자(2) 중에 하나의 외부 구동자 절반부(22)만을 도시한다. 외부 구동자 절반부(22)는 다른 외부 구동자 절반부(22)에 대한 결합을 위한 결합 플랜지(24)를 포함한다. 상기 결합 플랜지는 도 2에 도시된 예에서 기본적인 링 형상 및 외부 구동자(2)의 상기 링의 치수를 넘어 돌출한다. 동기 발전기(1)는 기어리스형 풍력 발전 설비를 위해 제공되므로, 저속 구동자인 것에 주목해야 한다. 이러한 돌출된 결합 플랜지(24)에 의한 바람 저항은 따라서 동기 발전기(1)의 작동에 문제가 되지 않는다. 또한 외부 구동자(2)와 결합 플랜지(24)는 허브 커버부에 또는 상기 구동자에 의해 함께 회전하는 스피너 하우징 내에 제공된다.
도 2는, 수용 저널(8) 또는 축 저널 수용부(8)에 견고하게 결합되고 도 2의 도면의 외부 영역에서 구동자 허브(12)를 적절한 회전 베어링에 의해 회전 가능하게 지지할 수 있는 부착물 내의 축 저널(26)을 도시한다. 구동자 허브(12)는 조립된 상태에서 허브 플랜지(14)에 의해 외부 구동자(2)에 견고하게 결합되기 때문에, 이와 관련해서 외부 구동자(2)도 지지된다.
도 3은 도 2의 동기 발전기의 측면을 단면도로 도시하고, 이 경우에 고정자(4) 및 다른 관련 부분들, 즉 수용 저널(8)과 축 저널(26)의 단면이 도시된다. 구동자 극 패킷(16)과 고정자 패킷(18) 사이에 에어 갭(28)이 형성되고, 상기 에어 갭은 동기 발전기(1)의 운반 치수를 결정한다. 도시된 예에서 에어 갭 직경은 5 m이다. 이 경우, 에어 갭 자체가 수 밀리미터의 두께를 갖는 것은 간단히 무시된다. 이와 관련해서 에어 갭 두께를 무시하고 에어 갭 직경에 상응하는 고정자(4)의 외경이 운반 폭이 된다. 따라서 운반을 위해 도 2와 도 3에 각각 하나씩 도시된 2개의 외부 구동자 절반부(22)는 동기 발전기(1)로부터 분리될 수 있고, 최대 치수로서 고정자(4)의 외경, 즉 고정자 패킷(18)의 영역의 외경이 유지된다.
운반 후에 동기 발전기(1)의 조립 시 2개의 외부 구동자 절반부(22)는 결합 플랜지(24)에 의해 서로 결합될 수 있다. 후속해서 회전자 허브(12)는 허브 플랜지(14)에서 외부 구동자(2)에 견고하게 고정될 수 있고, 상기 외부 구동자는 2개의 외부 구동자 절반부로 이루어진다. 이 경우 축 저널(26) 상에서 회전자 허브(12)의 지지부가 제공될 수 있고, 상기 지지부에 의해 동시에 적어도 부분적으로 외부 구동자(2)도 지지된다.
도 4는 축방향에서 본 고정자(404)를 개략적으로 도시하고, 고정자(404)는 도 2 및 도 3의 고정자(4)와 매우 유사하다. 도 4에 고정자(404)만이 도시되고, 상기 고정자의 외경(430)은 최대 치수 및 차량 운반 시 필수적인 폭을 결정한다.
도 5에 하나의 부분으로 이루어진 고정자(404)에 인접해서 각각의 외부 구동자 절반부(422)를 갖는 것인, 세분된 외부 구동자의 축방향 측면도가 도시된다. 도 5는 2개의 외부 구동자 절반부(422)의 조립을 설명하고, 상기 구동자 절반부들은 도시된 화살표에 따라 서로 가까워지고, 고정자(404)를 수용한다. 고정을 위해 2개의 외부 구동자 절반부(422)의 결합 플랜지들(424)이 서로 가까워지고, 후속해서 서로 나사 결합된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 이러한 간단한 조치에 의해, 즉 분해 가능한 2개의 세그먼트로 외부 구동자를 분해하는 것에 의해 고정자(404)의 운반을 위한 필요 공간이 감소된다. 2개의 외부 구동자 절반부(422)는 도시된 분해된 상태에서 양호하게 운반될 수 있다.
도 6은 2개의 외부 구동자 절반부(422)를 가급적 공간 절감 방식으로 서로 끼워 맞춰지는 가능성을 도시한다. 2개의 외부 구동자 절반부(422)는 각각의 레그(432)에 의해 관련 외부 구동자 절반부(422)의 반만 둘러싸인 내부 영역(434) 내로 삽입된다. 레그(432)는 특히 외부 구동자 절반부(422)의 하나의 섹션이고, 상기 섹션의 단부에는 결합 플랜지(424)가 형성된다.
이러한 배치는 고정자(404)의 외경(430)의 크기에 상응하거나 상기 고정자를 적어도 초과하지 않는 운반 폭(436)을 형성할 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이 이러한 끼워 맞춤을 달성하기 위해, 구동자 절반부들(422)은 각각 도시된 예에서 최종적으로 결합 플랜지(424)의 치수에 의해 결정된 최대 방사방향 두께(438)를 갖는 링 세그먼트로서 각각 형성된다. 이러한 방사방향 두께(438)는 외부 구동자(402)의 내부 자유 직경(440)보다 작아야 한다. 상기 방사방향 두께(438)는 자유 내경(440)의 0.8배 미만일 수 있다.
도 7은 동기 발전기(701)의 다른 실시예를 축방향에서 개략적으로 도시한다. 상기 동기 발전기(701)는 고정자(704)와 세분된 외부 구동자를 포함한다. 세분된 외부 구동자는 하나의 큰 구동자 세그먼트(742)와 2개의 작은 외부 구동자 세그먼트(744)를 포함한다. 운반을 위해 작은 외부 구동자 세그먼트들(74)이 분해되고, 도 7에 별도로 도시된다. 2개의 작은 상기 외부 구동자 세그먼트들(744)이 분해됨으로써, 동기 발전기(701)의 직경 또는 폭 범위는 고정자(704)의 외경(730)으로 제한된다. 이로써 고정자(704)의 직경(730)의 값으로 동기 발전기(701)의 폭을 제한할 수 있거나 또는 감소시킬 수 있고, 이 경우 외부 구동자는 완전히 분해되지 않아도 된다. 2개의 작은 외부 구동자 세그먼트들의 분해로 충분할 수 있다. 고정자(704)는 2개의 큰 외부 구동자 세그먼트(742)와 함께 실질적으로 메인 운반 섹션을 형성한다. 도시된 예에서 외부 구동자(702)는 구동자 극(746)을 포함하는데, 2개의 작은 외부 구동자 세그먼트들(744)은 각각 12개의 극을 갖고, 2개의 큰 외부 구동자 세그먼트들(742)은 각각 24개의 극을 갖는다.
고정을 위해 더 작은 2개의 다른 외부 구동자 세그먼트(744)는 각각 시컨트 플랜지(secant flange; 748)를 갖는다. 나머지 동기 발전기(701)에 상응하게 각각 대응 플랜지(750)가 제공된다. 이로 인해 동기 발전기(701)는 작은 외부 구동자 세그먼트(744)가 분해된 경우에도 비교적 높은 안정성을 가질 수 있는데, 그 이유는 대응 플랜지(750) 및 다른 부재가 고정부 없이도 각각의 작은 외부 구동자 세그먼트(742)에 동기 발전기(701)의 나머지 2개 큰 외부 구동자 세그먼트(742)를 결합시키기 때문이다. 시컨트 플랜지(748)와 대응하는 대응 플랜지(750)는 납작하고 평평한 결합 플랜지로서 형성될 수 있고, 이로 인해 작은 외부 구동자 세그먼트들(744)을 나머지 동기 발전기(701)에 고정하는 비교적 간단한 가능성이 제공된다. 동시에 비교적 간단하게, 즉 특히 눈으로 확인함으로써 점검될 수도 있는 안정적인 결합이 이루어진다.
동기 발전기(701)의 도 8의 사시도에는 또한 외부 구동자(702)의 기본적으로 바람직하게 캡슐화된 구성이 도시된다. 캡술화된 구성은 따라서 도시된 변형예일뿐만 아니라 일반적으로 바람직한 실시예이다. 2개의 작은 외부 구동자 세그먼트(744)는 전체 외부 구동자(702)의 매우 작은 부분만을 형성한다. 어쨌든 동기 발전기(701)의 운반을 위해 2개의 작은 외부 세그먼트(744)의 분해는 외부 구동자(702)의 구조의 안정성에 영향을 미칠 수 없다는 것을 알 수 있다. 외부 구동자(702)의 전체적인 강성 외부 슬리브(752)에 의해 높은 안정성이 제공된다.
이러한 강성 슬리브(752) 내에 2개의 대응 플랜지(750)가 형성되고, 시컨트 플랜지(748)에 대한 결합을 위해 준비된다. 도 8에서 또한, 조립과 분해를 위해 시컨트 플랜지들(748)이 양호한 접근성을 갖는 것을 수 있다. 또한 2개의 작은 외부 구동자 세그먼트(744)도 슬리브 섹션(754)에 의해 안정성이 보강된다.
풍력 발전 설비에 대한 동기 발전기(701)의 조립을 위해 허브 플랜지(714)가 제공되고, 상기 플랜지에 간단하게 공기 역학 회전자가 고정될 수 있다.
도 9의 동기 발전기(701)의 개략적인 단면도에서, 발전기의 구성은 도 2 및 도 3과 유사한 것을 알 수 있다. 이 경우에도 고정자(704)는 고정자 패킷(718)과 와인딩 헤드(720)를 포함한다. 외부 구동자(702)도 도 9에 도시된 바와 같이 극 패킷(716)을 포함하고, 상기 극 패킷은 고정자 패킷(718)에 대해 회전한다. 수용을 위해 수용 저널(708) 및 거기에 고정된 축 저널(726)이 제공된다. 도 7 내지 도 9의 실시예들은 실질적으로 외부 구동자(2 또는 702)의 세분 방식에 의해 도 2 및 도 3의 실시예와 구별된다. 도 2 및 도 3의 실시예에 따라 실질적으로 2개의 동일한 외부 구동자 절반부(22)로의 세분이 제안되는 한편, 도 7 내지 도 9의 실시예는 2개의 작은 외부 구동자 세그먼트(744)의 세분만을 제안한다.
이로써 미리 정해진 최대 운반 폭을 준수하면서, 특히 5 m의 운반 폭을 준수하면서 최대로 큰 에어 갭 직경을 갖는 동기 발전기가 제안된다. 발전기 부품들의 분리 비용은 낮게 유지된다. 또한 운반에 최적화된 발전기 부품들의 세분이 제안된다.
특히 하나의 3상 전류 시스템 또는 2개의 3상 전류 시스템이 세분되고 풍력 발전 설비의 설치 위치에서 다시 조립되어야 하는 고정자 분리 지점에 대한 회로 및 와인딩 공정이 감소할 수 있다. 상응하게 하나 이상의 해당하는 분리 지점들에서 회로 및 와인딩 공정이 감소할 수 있다. 또한 분리 지점의 개수도 감소한다.
고정자는 이 경우 분리되지 않도록 구현될 수 있다. 구동자, 즉 동기 발전기의 전자기 회전자는 적어도 2개의 부재, 바람직하게는 다수의 부재들로 세분된다. 기본적으로, 구동자가 외부 여기되는 경우에, 구동자 및 극 또는 극편의 직렬 접속이 제안된다. 이 경우 고정자에서 다상 교류 전압 시스템의 분리에 비해 이러한 구동자의 분리 시 분리 공정이 감소한다. 따라서 특히 운반 최적화된 세분이 제안된다. 특히 도 7 내지 도 9에 도시된 실시예에서 고정자 및 구동자의 부분의 동반 운반이 제안되고, 상기 운반 시 구동자의 2개의 측면부들만 별도 운반 시스템에 의해 운반되면 된다.
1 : 동기 발전기 2 : 외부 구동자
4 : 고정자 6 : 지지 박판
8 : 수용 저널 12 : 회전자 허브
14 : 허브 플랜지 20 : 와인딩 헤드
22 : 구동자 세그먼트 24 : 결합 플랜지
100 : 풍력 발전 설비 280 : 에어 갭
404 : 고정자 422 : 구동자 절반부
436 : 운반 폭 438 : 방사방향 두께
440 : 자유 내경

Claims (15)

  1. 기어리스형 풍력 발전 설비(100)의 링 발전기 형태인 동기 발전기(1)로서,
    - 고정자(4); 및
    - 상기 고정자(4)에 대해 회전할 수 있는 외부 여기식 외부 구동자(2)
    를 포함하고,
    상기 외부 여기식 외부 구동자(2)는 적어도 2개의 분리 가능한 구동자 세그먼트(22)를 포함하는 복수의 부분으로 이루어진 외부 구동자(2)이고, 상기 외부 구동자(2)는 복수의 개별 구동자 극을 포함하고, 상기 개별 구동자 극은 상응하는 코일을 구비한 코어를 가지고, 각각의 구동자 극은 개별 구동자 극 각각에 직류를 전기적으로 공급하여 각각의 구동자 극을 외부 여기되게 하는 직류 와인딩을 지지하며, 상기 직류 와인딩은 분리 및 재연결 가능한 직류 라인을 가지는 것인 동기 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자(4)는 세분되지 않는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 동기 발전기(1)는 적어도 48개의 고정자 극을 포함하고, 상기 동기 발전기(1)는 6상 발전기의 형태인 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 동기 발전기(1)의 고정자(4) 및 구동자(2) 중 어느 하나 또는 양자 모두는 연속 와인딩을 가지는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 고정자(4)의 외경은 4.3 m 이상인 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 구동자(2)는 원주방향으로 복수의 구동자 세그먼트(22)로 구성되고, 상기 구동자(2)는 자유 내경을 갖는 내측 자유 공간을 갖고, 구동자 세그먼트(22)들은 자유 직경(440)보다 작은 방사방향 두께(438)를 갖는 링 세그먼트들로서 형성되고, 상기 방사방향 두께(438)는 상기 자유 내경(440)의 0.8배 미만인 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 구동자 세그먼트(22)들은 상이한 개수의 구동자 극들을 갖는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  8. 제 6 항에 있어서,
    - 상기 동기 발전기(1)는 회전축을 갖고,
    - 상기 동기 발전기(1)의 적어도 2개의 구동자 세그먼트(22)는 상기 동기 발전기(1)의 운반을 위해 분리될 수 있고,
    상기 적어도 2개의 구동자 세그먼트(22)가 분리된 경우에,
    - 상기 고정자(4)는 상기 회전축을 가로지르는 횡방향으로 상기 동기 발전기(1)의 최대 치수를 형성하고,
    - 상기 구동자는 상기 회전축을 가로지르되 상기 횡방향도 가로지르는 길이방향으로 상기 동기 발전기(1)의 최대 치수를 형성하는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 동기 발전기는 적어도 500 kW의 공칭 전력을 제공하는 것을 특징으로 하는 동기 발전기.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 동기 발전기(1)를 포함하는 풍력 발전 설비(100).
  11. 부분적으로 해체된 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 동기 발전기(1)를 운반하기 위한 운반 장치로서,
    상기 운반 장치는 상기 동기 발전기(1)의 고정자(4)를 포함한 메인 운반 섹션을 운반하고,
    상기 적어도 2개의 구동자 세그먼트는 상기 동기 발전기로부터 분리된 것인 운반 장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 메인 운반 섹션은 상기 적어도 2개의 구동자 세그먼트를 더 포함하고, 분리된 상기 적어도 2개의 구동자 세그먼트(22)는 2개의 구동자 절반부로서 형성되고, 함께 한 방향으로 상기 고정자(4)의 외경을 초과하지 않는 치수를 갖도록 상기 운반 장치 상의 운반 지점에서 서로 오프셋되어 배치되는 것을 특징으로 하는 운반 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 메인 운반 섹션은 동기 발전기(1)에 조립된 구동자(2)의 일부를 포함하고,
    상기 메인 운반 섹션은,
    - 제 1 방향으로 상기 고정자(4)의 외경에 상응하는 폭을 갖고,
    - 제 2 방향으로 상기 구동자(2)의 외경에 상응하는 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 운반 장치.
  14. 제 11 항에 있어서, 상기 메인 운반 섹션은 상기 동기 발전기로부터 분리된 상기 적어도 2개의 구동자 세그먼트(22)가 없는 상기 구동자(2)의 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 운반 장치.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 동기 발전기(1)를 운반하기 위한 방법으로서,
    - 상기 동기 발전기(1)가 한 방향에 있어 상기 동기 발전기(1)의 고정자(4)의 외경에 상응하는 폭으로 작아지도록 상기 동기 발전기(1)로부터 적어도 2개의 구동자 세그먼트(22)를 분리하는 단계;
    - 구동자 세그먼트(22)만큼 작아진 동기 발전기(1)를 운반 차량에 적재하는 단계;
    - 풍력 발전 설비(100)의 설치 위치로 상기 동기 발전기(1)를 운반하는 단계로서, 분리된 구동자 세그먼트(22)들은 동일한 차량으로 별도로, 또는 별도의 차량으로 각각 설치 장소로 운반되는 것인 단계; 및
    - 풍력 발전 설비(100)의 설치 위치에서, 분리된 구동자 세그먼트(22)들을 상기 동기 발전기(1)에 조립하는 단계
    를 포함하는 운반 방법.
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