KR101730011B1

KR101730011B1 - 로터 구조 및 전기기계장치

Info

Publication number: KR101730011B1
Application number: KR1020157010090A
Authority: KR
Inventors: Erko Lepa
Original assignee: 에이비비 슈바이쯔 아게
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2013-10-04
Publication date: 2017-04-25
Also published as: BR112015007570A8; BR112015007570A2; WO2014053637A1; CN104704715A; KR20150060796A; EP2717432A1

Abstract

각 상에서 두 개 또는 다수의 권선 지로(winding branch)들을 포함하는 다상의 파권(wave winding)들을 포함하는 권선형 로터 유도 기계장치의 로터로서, 그 로터에 있어서 상기 권선들 중의 적어도 하나의 지로는 델타 결선으로 연결되고, 또한 상기 권선들 중의 적어도 하나의 지로는 델타 결선 밖에 유지된다.

Description

로터 구조 및 전기기계장치{ROTOR STRUCTURE AND ELECTRICAL MACHINE}

본 발명은 권선형(wound) 로터 유도 기계장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 그러한 기계장치의 로터 권선(rotor windings)에 관한 것이다.

권선형 로터 유도 기계장치들은 로터가 권선(windings)을 포함하는 전기 회전기계장치들이다. 이러한 기계장치의 한 유형은 발전기(DFIG)로서 보통 사용되는 이중여자형 유도 기계장치(double-fed induction machine)이다. 가장 흔한 유형의 이중여자형 유도 기계장치의 로터는 이러한 권선 유형의 단순성과 현실성 때문에 이층으로 된 봉형(bar-type)의 권선을 갖는다. 봉형 권선은 제조를 간단하게 만들어주고, 절연 양의 감소 덕분에 슬롯 공간을 더 양호하게 활용하는 것을 가능하게 해주고, 또한 고속의 회전속도에서 나타나는 원심력을 견디게 해준다.

이러한 권선 유형의 기본적인 이론은 문헌에서 다루어지고 있다. 그러나, 개방회로 전압(open-circuit voltage)의 크기 설정(dimensioning) 문제는 광범위하게 다루어지지는 않고 있다. 개방회로 전압의 크기설정 문제는 문헌에서는 다루어지지 않는데, 그 이유는 개방회로 전압이 절연전압 임계치를 초과하지 않는 한 그 개방회로 전압의 값은 그리 중요하지 않은 것으로 여겨졌기 때문이다.

이중여자형 유도 기계장치들이 그 장치의 슬립(slip)을 제어하는 주파수 컨버터들로써 동작될 때, 올바르고 정확하게 크기가 설정된 개방회로 전압은 완전한 드라이브 시스템의 치수를 설정함에 있어 중요한 역할을 한다.

이중여자형 유도발전기(DGIG: double-fed induction generator)의 로터 전압은 슬립에 비례하는 것으로 간주 될 수 있는 V-형의 곡선을 따른다. 로터 전압은 그 로터가 스테이터 전압과 동기상태일 때는 영이고, 따라서 슬립은 영이다. 슬립이 증가하거나 감소할 때, 로터 전압은 선형으로 변한다. 개방회로 전압은 로터가 회전하고 있지 않을 때 또는 그의 공칭 속도에서의 두 배로 회전할 때(즉, 슬립이 -1 또는 1일 경우) 로터의 권선에서 생성되는 전압에 상응한다. DFIG의 슬립은 전형적으로 -30% 내지 30%까지 변화할 수 있다(정격 속도가 1500rpm일때 1000...2000rpm의 회전속도 범위에 해당함). 개방회로 전압의 전형적인 값은 메가와트급 DFIG에서 1800V이다.

개방회로 전압의 치수 문제는 로터의 회전속도(슬립)가 허용가능한 한계치 내에서 변화할 때 로터의 전압이 지정된 범위에 존재한다는 점에 있어 중요하다. 전술한 바와 같이, 로터의 전압은 슬립이 영에서 증가하거나 영에서 감소할 때 증가하고, 그리고 그것은 슬립이 허용가능한 최대치에 있을 때 그의 허용가능한 최대치에 도달한다. 로터 전압의 변화가 슬립에 대하여 선형이므로, 정확하게 설정된 개방회로 전압은 슬립 최대치에서의 로터 전압이 지정된 값에 존재하는 것을 보증해준다. 슬립 최고치에서의 로터 전압은 또한 그 로터의 제어에 사용되는 주파수 컨버터의 크기를 정의한다. 따라서, 개방회로 전압은 슬립 최고치에서의 전압이 주파수 컨버터를 이용하여 처리될 수 있도록 하는 방식으로 치수가 설정되는 것이 필요하다. 이것은 주파수 컨버터의 정격이 이중-여자형 유도 기계장치의 로터의 개방회로 전압의 크기를 가늠하기 위한 적어도 소정의 설계상의 경계치를 설정한다는 것을 의미한다.

개방회로 전압의 전형적인 범위는 고출력 DFIG에 대해서는 상대적으로 적은 허용오차(tolerance)를 갖는 1800V 내지 2200V이다. 로터 전류, 기계장치의 손실 및 슬롯 조합에 관련된 다른 제약사항들이 고려될 때, 개방회로 전압 요건은 전통적인 디자인 접근방식을 사용해서는 용이하게 충족되지 않는다.

개방회로 전압의 크기 설정을 위해 보통 사용되는 디자인 접근방식에는 권선들을 점유하는 슬롯들의 수를 변화시키는 것이 있다. 전통적인 이층 권선 기법은 보통 하나의 슬롯당 하나의 권선 회전(또는 코일)을 구비한다. 개방회로 전압을 증가시키기 위해서는 슬롯의 수가 증가된다. 이러한 방법은 매우 효과적이지만, 수많은 다른 요인들에 의해 제한된다. 예컨대, 단편 권선 방식(fractional winding)은 이용될 수가 없고, 바람직하지 못한 방사상으로의 힘을 회피하기 위해서는 스테이터와 로터 권선 간의 비가 1.25에 근접하여야만 하고, 이빨(teeth)들은 기계적인 부하를 용인하여야 하며, 그리고 코일단 길이는 가능한 한 짧아야 한다.

개방회로 전압의 크기 설정을 위한 또 다른 디자인 접근방식으로는 로터 권선에 있어 스타형 또는 델타형 결선 방식을 이용하는 것이 있다. 로터 전압은 결선 방식을 변화함으로써 이론적으로는 1.73의 비율만큼 변화한다.

또한, 개방회로 전압은 슬롯에서의 로터 봉(rotor bar)들의 수가 변화되는 디자인 방식을 이용함으로써 그 크기가 설정될 수도 있다. 가장 흔한 봉 구조는 하나의 슬롯에 두 개의 봉들 또는 한 슬롯에 네 개의 봉들로 구성하는 것이다. 한 슬롯에서의 봉들의 수를 증가시키는 것은 그 권선에서의 유효 회전수를 증가시키게 되고, 이렇게 함으로써 개방회로 전압을 증가시킨다.

본 발명의 목적은 전술한 문제를 극복하도록 하는 로터 권선 구조를 제공하는 것이다. 본 발명의 목적은 후술하는 독립청구항에 기술된 것을 특징으로 하는 로터에 의해 달성된다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 종속청구항들에 개시되어 있다.

본 발명은 권선(winding)의 적어도 하나의 지로(브랜치)가 델타 결선(delta connection)으로 접속되는 방식으로 로터 권선을 연결한다는 개념에 기초하고 있다. 공지의 권선 타입들에서는 각 상(phase)의 끝단이 또 다른 상의 처음에 연결되도록 델타 결선으로 그 상들이 접속되며, 이렇게 함으로써 델타 결선이 형성된다. 본 발명에서 상의 권선들의 끝단들은 또 다른 상의 권선의 중간에서 전기적으로 연결되며, 그 권선들의 하나 또는 다수의 지로들은 델타 결선 밖에 유지된다. 또 다른 상의 권선의 중간에서의 델타 결선을 위한 접속점은 권선의 지로들 사이에 존재한다. 파권(wave winding)의 권선들은 전체 권선의 공지 부분을 형성하는 권선 지로들을 포함하며, 전통적으로 그 지로들은 직렬로 접속되어 전체 권선을 형성하게 된다.

본 발명의 장점은 권선형 로터 유도 기계장치의 개방회로 전압에 관한 크기 설정(dimensioning)이 더 용이하다는 것이다. 본 발명의 구조는 필요한 전기적 특성들을 달성함에 있어 그 기계장치의 설계자에게 더 많은 선택권을 제공한다. 본 발명의 어떤 실시예들은 로터 봉들의 단면적이 종래기술의 로터에서의 그것보다 더 작을 수 있기 때문에 재료비를 절감하는데에 더욱 도움이 된다.

이하에서 본 발명은 첨부한 도면들을 참조하여 바람직한 실시예들을 통하여 더 상세하게 설명될 것이다.
도 1은 일 실시예의 단접속(end connection)을 도시한다.
도 2는 도 1의 실시예의 로터 슬롯(slot)들에서의 봉(bar)들을 도시한다.
도 3은 또 다른 실시예의 단접속을 도시한다.
도 4는 도 3의 실시예의 로터 슬롯들에서의 봉들을 도시한다.
도 5는 또 다른 실시예의 단접속을 도시한다.
도 6은 도 5의 실시예의 로터 슬롯들에서의 봉들을 도시한다.
도 7은 또 다른 실시예의 단접속을 도시한다.
도 8은 도 7의 실시예의 로터 슬롯들에서의 봉들을 도시한다.
도 9는 또 다른 실시예의 단접속을 도시한다.
도 10은 도 9의 실시예의 로터 슬롯들에서의 봉들을 도시한다.
도 11은 또 다른 실시예의 단접속을 도시한다.
도 12는 도 11의 실시예의 로터 슬롯들에서의 봉들을 도시한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예의 단접속을 도시한다. 이 실시예에 있어서, 3상(three-phase) 로터의 각각의 상의 권선(phase winding)은 두 개의 지로(branch)들로 이루어져 있다. 상들에 대한 입력들은 M1, L1 및 K1으로 표기되며, M상은 지로들(A1-X1 및 A2-X2)로 이루어진다. 도 1은 또한 M상의 단접속점 E1을 도시하고 있다. L상은 지로들(B1-Y1 및 B2-Y2)과 단접속점 E2를 포함하는 한편, K상은 지로들(C1-Z1 및 C2-Z2)과 단접속점 E3를 포함한다.

본 개시에 따르면, 권선의 적어도 하나의 지로는 델타 결선(delta connection)으로 연결된다. 도 1을 보면, 지로들 A2-X2, B2-Y2 및 C2-Z2는 델타 결선으로 연결된다. 델타 결선은 또 다른 상의 지로들 사이의 한 지점에 각 권선의 끝단들을 연결함으로써 형성된다. 도 1의 실시예에 있어서, M상의 끝단 지점(E1)은 K상의 지로들 사이에 연결되고, K상의 끝단 지점(E3)은 L상의 지로들 사이에 연결되고, 그리고 L상의 끝단 지점(E2)은 M상의 지로들 사이에 연결된다.

이러한 연결관계로 인한 개방회로 전압의 변화는 이론적으로는 스타 결선형 권선에서보다는 1.267배 작고, 그리고 델타 결선형 권선에서보다는 1.365배만큼 더 크다.

예컨대, 전기기계장치가 스타 결선(star connection)으로 연결된다면, 그 계산된 개방회로 전압은 2290V이고, 임의의 지점에서의 로터 전류는 500A이고, 그리고 스타 결선으로부터 도 1의 실시예로의 변환 후의 개방회로 전압은 이론적으로는 2290/1.267 = 1807V가 될 것이며, 전류는 500 x 1.267 = 633.5A가 될 것이다.

또 다른 예에서, 상기 기계장치는 델타 결선으로 연결되며, 그 계산된 개방회로 전압은 1320V이고, 임의의 지점에서의 로터 전류는 500A이다. 그리고 델타 결선에서 도 1의 실시예로의 변환 후에 개방회로 전압은 이론적으로는 1320 x 1.365=1802V가 될 것이며, 전류는 500/1.365=366A가 될 것이다.

전술한 계산치로부터 알 수 있듯이, 슬롯의 하나의 봉(bar)에서의 전류는 슬롯의 다른 봉에 비해 1.73배 상이하다. 도 2는 도 1의 실시예의 슬롯들에서의 봉들을 도시하고 있는데, 여기서 더 작은 전류의 봉들은 봉의 음영이 진 부분들로서 도시되어 있다. 도 2는 또한 그 봉들이 어느 상(phase)에 속하는지를 나타내는 K, L, M 표시들을 보여주고 있다. 어떤 봉들에서는 전류가 더 작기 때문에, 그 봉들은 단면적이 더 작게 만들어져도 좋다. 이것은 봉들의 물리적 배열이 가장 낮은 층의 봉들의 높이가 같을 것을 요구하기 때문에 어떤 박층(laminate)들이 슬롯들에 부가되는 것을 필요로 한다. 파권(wave winding) 방식의 봉들은 전형적으로 특정 형상으로 구부러지는 구리로 제조되기 때문에 그 층들이 상이한 높이일 때 권선들을 구성하는 것은 실제로는 불가능하다. 상이한 단면적의 봉들을 이용하기 위한 또 다른 가능한 방법은 로터에서의 슬롯들을 불균일한 슬롯 높이를 갖도록 구성하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 각 상의 권선은 네 개의 지로(브랜치)들을 포함하는데, 각 상의 지로들 중의 둘은 델타 결선으로 연결된다. 이 실시예의 단접속(end connection)이 도 3에 도시되어 있다. 도 3은, 예를 들면, M상에서 지로 A1-X1이 두 개의 직렬접속된 지로들로 이루어진다는 것을 제외하고는 도 1과 유사하다. 마찬가지로, 하나의 지로처럼 도 3에 도시된 다른 지로들은 직렬로 접속된 두 개의 지로들로 이루어진다.

도 3에서는 직렬로 접속된 각 상의 두 개의 지로들로써 델타 결선이 형성된다. 말하자면, 각 상의 두 개의 지로들은 다른 두 개의 지로들의 끝단에서 연결되며, 이로써 델타 결선이 이루어진다. 도 1과 도 3의 실시예들 사이의 차이점은, 도 4로부터 알 수 있는 것과 같이, 도 3의 실시예서는 네 개의 봉들이 하나의 슬롯에 존재하는 구조를 형성한다는 점이다. 도 4는 그 봉들 중의 둘은 옆으로 나란하게 그리고 둘은 서로의 위에 놓여있는 방식으로, 즉 2x2 매트릭스 방식으로 봉들이 배열되어 있는 일 실시예를 나타내고 있다. 도 4는 또한 그 봉들이 어느 상에 속하는지를 지시하는 K, L, M 표시를 나타내고 있다. 또한, 전류 밀도는 도 1 및 도 2의 실시예의 그것과 유사하다는 것을 알 수 있다.

각 상에 대하여 네 개의 지로들이 사용되는 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서는 두 개의 지로들은 병렬로 접속되고 그리고 다른 두 개의 지로들은 직렬로 접속되어 있다. 직렬 접속된 지로들은 또한 델타 결선으로 연결된다. 이러한 실시예는 도 5에 예시되어 있는데, 이것은 권선의 단접속을 보여주고 있다. 전술한 바와 같이, 각 상의 권선은 네 개의 지로들을 포함한다. 예를 들면, M1 상은 A1'-X1', A1"-X1", 및 A2-X2 지로들을 갖는다. A2-X2 지로는 직렬로 접속된 두 개의 지로들을 갖는다.

A1'-X1' 및 A1"-X1" 지로들은 병렬로 연결되고, 이러한 병렬 접속은 또한 A2-X2 지로와 직렬로 연결된다. 각각의 상은 유사한 연결구성으로 형성된다. 더 설명하면, A2-X2 지로의 끝단은 B2-Y2 지로의 처음에 연결되고, 또한 B2-Y2 지로의 끝단은 C2-Z2 지로의 처음에 연결되고, 그것의 끝단은 다시 A2-X2 지로의 처음에 연결되도록 하는 방식으로, 서로에 대하여 각 상의 직렬접속된 지로들을 연결함으로써 델타 결선이 구성되며, 그에 의하여 하나의 델타 결선 시스템이 형성된다.

다음의 기술은 도 5의 실시예를 예를 들어 설명을 할 것이다. 전기기계장치가 스타 결선으로 접속될 때, 그 계산된 개방회로 전압은 2284V이고, 임의의 지점에서의 로터 전류는 500A이고, 그리고 스타 결선으로부터 도 5의 실시예와 같은 접속구성으로 전환한 후에 개방회로 전압은 이론적으로는 2284/1.1267 = 1802V이고 또한 전류는 500 x 1.1267 = 633.5A가 될 것이다. 병렬로 연결되는 봉들에서 전류밀도는 선 전류(line current)의 50%이고, 그리고 직렬로 연결되는 봉들에서 전류밀도는 선 전류의 57.8%이다. 따라서, 동일한 권선의 봉들 사이의 전류밀도의 차이는 이론적으로는 7.8%이다.

도 6은 도 5의 실시예의 슬롯에 있어서의 봉들을 도시한다. 음영이 진 영역들을 갖는 봉들은 더 낮은 전류밀도를 나타내는 병렬접속된 봉들이고, 각각의 슬롯에서 두 개의 다른 봉들은 직렬로 연결된다. 도 6은 또한 그 봉들이 어느 상에 속하는지를 나타내는 K, L, M 표시들을 도시하고 있다. 따라서, 도 5의 실시예는 전류밀도들이 아주 균일하게 분배되어 있는 권선 시스템을 구현한다.

각 상에 네 개의 지로들을 포함하고 한 슬롯에서의 봉들이 서로 다른 것의 최상부에 배열되는 구조의 권선 방식은 개방회로 전압의 크기를 설정하는 적어도 세 개의 다른 가능한 방법들을 제공한다. 델타 결선이 이루어지는 지점에 관하여 선택적인 대안들이 존재한다. 델타 결선은 지로들의 중심으로부터(도 7), 제1 지로 다음에(도 9) 또는 마지막 지로 전에(도 11) 구성될 수도 있다.

도 7은 델타 결선이 지로들의 중심에, 즉 두 개의 지로들이 연결점의 양측에 존재하는 구성의 일 실시예를 도시한다. M상의 지로들은 A1-X1, A2-X2, A1'-X1' 및 A1"-X1"로서 그리고 L 및 K 상들이 각각 표시되어 있다. 하나의 상의 모든 지로들은 직렬로 연결되고, 그리고 지로들의 각각의 직렬접속의 끝단 지점들은 또 다른 상의 중심점에 연결됨으로써, 각각의 끝단은 다른 하나의 상에 연결된다. 델타 결선점 후에 전류는 1.73배 감소하고, 그리고 파권의 물리적인 배열 때문에 처음 두 개의 지로들은 슬롯들에 먼저 배치된다. 두 개의 마지막 지로들은 더 작은 전류를 보유하기 때문에, 도 8에 도시된 바와 같이, 이 봉들의 단면적은 더 작게 만들어질 수가 있다. 슬롯에서 봉들의 배열은 각 층에서의 봉들의 높이가 동등하기 때문에 상기한 슬롯들 또는 특정하게 변형된 슬롯들에서의 어떤 부가적인 구조를 필요로 하지 않는다. 도 8은 또한 그 봉들이 어느 상에 속하는지를 지시하는 K, L, M 표시들을 나타내고 있다.

도 9의 실시예에 있어서, 델타 결선은 각 상의 권선의 첫 번째 지로 다음에 형성된다. 결과적인 전류밀도가 도 10에 도시되어 있는데, 여기서 한 슬롯에 있는 봉들 중의 세 개가 네 번째 것보다 더 작은 전류를 보유한다는 것을 이해할 수가 있다. 상기한 두 개의 상부 봉들의 단면적은 더 작게 만들 수가 있고, 또한 최하부 봉들의 음영 진 부분들은 전류밀도가 어디에서 상부 봉들에서만큼 낮은가를 보여주고 있다. 이 실시예는 상기 봉의 층들을 정렬하기 위해 특별한 구조를 필요로 한다. 도 10은 또한 그 봉들이 어느 상에 속하는지를 지시하는 K, L, M 표시들을 나타내고 있다.

도 11의 실시예에 있어서, 델타 결선은 각 상의 권선의 마지막 지로 전에 형성된다. 이 구조는 슬롯에서의 하나의 봉의 전류밀도가 다른 봉들에서의 그것보다 1.73배 낮은 상황으로 귀착된다. 도 12에서의 음영 표시된 봉들은 더 낮은 전류밀도를 갖는 봉들을 도시하고 있다. 도시된 것과 같이, 두 개의 상부 봉들에서는 더 낮은 전류밀도들이 위치한다. 도 12는 또한 그 봉들이 어느 상에 속하는지를 지시하는 K, L, M 표시들을 나타내고 있다.

전술한 실시예들 중의 어느 것에서는 봉의 층들을 정렬하기 위하여 어떤 특별한 구조가 필요할지도 모르지만, 이 실시예들은 여전히 어떤 상황들에서는 매우 유용할 수도 있다.

전술한 설명에 있어서 본 발명은 주로 이중여자형(double-fed) 유도 기계장치의 로터에 관련하여 기술되고 있다. 본 발명의 로터 구조는 권선형(wound) 로터 구조이며, 그 구조는 특정한 종류의 기계장치에만 한정되지는 않는다.

본 발명은 또한 본 발명의 로터 구조를 갖는 모터 또는 발전기와 같은 전기기계장치에도 관련된다. 이러한 기계장치는 전형적으로 슬립 링(slip ring)들을 구비하는 이중여자형 유도 발전기일 것이다. 그러나, 본 개시에 따른 로터를 갖는 전기기계장치는 또한 부하를 구동하기 위한 모터일 수도 있다.

기술이 진보함에 따라서 본 발명은 다양한 방식으로 구현될 수 있다는 것은 당해 기술분야의 전문가에게 자명할 것이다. 본 발명과 그 실시예들은 전술한 예들에 대해서만 적용되는 것으로 한정되는 것이 아니라 후술하는 특허청구범위의 영역 내에서 변형될 수도 있다.

Claims

각각의 상에서 두 개 이상의 권선 지로(winding branch)들을 포함하는 다상의 파권(wave winding)들을 포함하는 권선형 로터 유도 기계장치의 로터에 있어서,
상기 파권의 권선들 중의 적어도 하나의 지로는 델타 결선으로 연결되고, 그리고 상기 권선들 중의 적어도 하나의 지로는 상기 델타 결선 밖에 유지되는 것을 특징으로 하는 로터.
제1항에 있어서, 권선의 각 상은 두 개의 지로들을 포함하고, 그리고 상기 델타 결선은 각 상의 하나의 지로를 델타 결선에 연결함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 로터.
제2항에 있어서, 상기 권선은 이중 층 파권(double-layer wave winding)인 것을 특징으로 하는 로터.
제1항에 있어서, 권선의 각 상은 네 개의 지로들을 포함하고, 그리고 상기 델타 결선은 각 상의 두 개의 직렬접속된 지로들을 델타 결선에 연결함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 로터.
제4항에 있어서, 각 상의 권선의 상기 네 개의 지로들 중의 두 개는 직렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 로터.
제4항에 있어서, 각 상의 권선의 상기 네 개의 지로들 중의 두 개는 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 로터.
제1항에 있어서, 권선의 각 상은 네 개의 지로들을 포함하고, 그리고 상기 델타 결선은 각 상의 세 개의 직렬접속된 지로들을 델타 결선에 연결함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 로터.
제1항에 있어서, 권선의 각 상은 네 개의 지로들을 포함하고, 그리고 상기 델타 결선은 각 상의 하나의 지로를 델타 결선에 연결함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 로터.
제4항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 로터는 각각의 로터 슬롯에 네 개의 봉들을 포함하되, 상기 봉들은 서로의 상부에 배열되거나, 또는 처음 두 개는 옆으로 나란하게 그리고 나머지 두 개는 상기 처음 두 개의 상부에 나란하게 배열되는 것을 특징으로 하는 로터.
제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 로터는 이중여자형(double-fed) 유도 기계장치의 로터인 것을 특징으로 하는 로터.
제1항 내지 제8항 중의 어느 한 항에 따른 로터 구조를 포함하는 전기기계장치.