KR101755822B1 - 베인 구조의 로터 어셈블리 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 베인 구조의 로터 어셈블리에 관한 것으로, 로터 바디의 외주면에 결합되며 내부에 코일 턴을 수용하는 원통형의 하우징과, 상기 하우징의 내측에 삽입되어 상기 코일 턴의 로터 축 방향 밀림을 차단하는 서포팅 유닛과, 상기 하우징의 일단에 결합되어 냉각 유체를 상기 코일 턴으로 안내하는 복수의 블레이드가 구비된 베인 링을 포함한다.
본 발명에 따르면, 센터링 링을 삭제하고 냉각 유체의 유입 유량을 증가시킬 수 있는 베인 구조를 구비함으로써 코일 턴의 냉각 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 센터링 링을 삭제하더라도 코일 턴을 효과적으로 지지함과 동시에 냉각 유체의 유동을 방해하지 않는 지지 구조를 구비함으로써 코일 턴의 효과적인 지지 및 냉각 효율 향상에 도움이 되는 장점이 있다.

Description

베인 구조의 로터 어셈블리{Rotor assembly having vane structure}
본 발명은 베인 구조의 로터 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각 유체의 유입 구조가 개선된 베인 구조의 로터 어셈블리에 관한 것이다.
일반적으로 발전기는 전자 유도작용을 이용하여 기계적인 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치로, 도체가 자기장 내에서 회전 운동을 할 때에 전력을 일으키는 원리를 이용한 장치이다. 이러한 발전기는 냉각매체로 수소가스와 물을 사용하며, 먼지나 습기의 침입방지와 수소 가스의 누설을 방지하기 위하여 완전 밀폐 구조로 이루어진다.
발전기 내부의 통풍은 회전자인 로터(Rotor) 축에 부착된 팬에 의한 폐쇄 순환방식으로 되어 있으며, 수소 가스의 냉각을 위해 냉각기가 내장되어 있다. 또한, 고정자인 스테이터(Stator)는 로터를 수용하며, 코일 및 코일이 권선되는 스테이터 코어(Stator Core)와, 이들을 지지하는 프레임으로 구성된다.
로터가 회전 작동되는 동안 코일을 통해 이동하는 전류가 열을 발생시키는데, 로터 코일로부터 열이 효과적으로 방출되지 못하면 발전기의 성능 저하의 원인이 된다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 한국특허공개 2010-0120267호에 로터의 냉각을 위한 구조를 갖는 회전 전기 기계 및 로터가 개시되어 있다.
그런데 이러한 종래의 로터는 펌핑 헤드 및 팬에 의한 흡입 유량만으로는 로토 코일의 효율적인 냉각이 어려운 문제가 있다.
한국특허공개 제2010-0120267호 (공개일 2010. 11. 15)
본 발명의 목적은 냉각 유체의 유입 구조가 개선된 베인 구조의 로터 어셈블리를 제공하는 것이다.
본 발명의 베인 구조의 로터 어셈블리는, 로터 바디의 외주면에 결합되며 내부에 코일 턴을 수용하는 원통형의 하우징과, 상기 하우징의 내측에 삽입되어 상기 코일 턴의 로터 축 방향 밀림을 차단하는 서포팅 유닛과, 상기 하우징의 일단에 결합되어 냉각 유체를 상기 코일 턴으로 안내하는 복수의 블레이드가 구비된 베인 링을 포함한다.
상기 베인 링은 상기 하우징의 일단에 결합되는 링 형상의 프레임과, 상기 프레임의 내주면에 배치되되 상호 이격되어 일 방향으로 경사지게 배치된 복수의 상기 블레이드를 포함한다.
상기 베인 링은 상기 프레임의 외주면 일측에 돌출 형성된 스토퍼를 더 포함하고, 상기 하우징은 상기 스토퍼가 삽입되는 결합홈을 포함한다.
상기 하우징은 상기 스토퍼가 상기 결합홈에 삽입된 상태에서 상기 스토퍼의 삽입 방향에 수직인 방향으로 상기 베인 링을 회전시킬 때 상기 스토퍼가 삽입되어 이동할 수 있는 가이드 그루브를 더 포함한다.
상기 서포팅 유닛은 상기 로터 바디로부터 연장된 스핀들의 외주면에 결합되는 링 형상의 스핀들 링과, 상기 코일 턴을 상기 로터의 축 방향으로 지지하는 복수의 서포팅 블록을 포함한다.
상기 서포팅 유닛은 상기 코일 턴 및 스핀들 링의 사이에 배치되되 상기 스핀들의 외주면에 결합되는 링 형상의 절연 링과, 상기 코일 턴 및 상기 서포팅 블록의 사이에 삽입되는 절연 블록을 더 포함한다.
상기 서포팅 블록은 일단이 상기 절연링의 외주면에 안착되고 타단이 상기 하우징을 향해 연장되며, 연장된 단부에 단턱부가 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 베인 링은 상기 프레임의 측면에 형성되어 상기 단턱부가 삽입되어 지지되는 복수의 가이드 홈을 더 포함한다.
상기 서포팅 블록의 판면에는 상기 냉각 유체가 관통하는 복수의 홀이 관통 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 절연 블록의 판면에는 상기 서포팅 블록의 홀에 대응하는 위치에 복수의 홀이 관통 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 베인 구조의 로터 어셈블리는 센터링 링을 삭제하고 냉각 유체의 유입 유량을 증가시킬 수 있는 베인 구조를 구비함으로써 코일 턴의 냉각 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 센터링 링을 삭제하더라도 코일 턴을 효과적으로 지지함과 동시에 냉각 유체의 유동을 방해하지 않는 지지 구조를 구비함으로써 코일 턴의 효과적인 지지 및 냉각 효율 향상에 도움이 되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로터 어셈블리를 도시한 부분 사시도,
도 2는 도 1의 로터 어셈블리에 따른 주요 부분의 분해 사시도,
도 3은 도 1의 로터 어셈블리에 따른 주요 부분의 결합 사시도,
도 4는 도 3의 로터 어셈블리에 따른 주요 부분의 결합 단면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 베인 구조의 로터 어셈블리에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로터 어셈블리를 도시한 부분 사시도이고, 도 2는 도 1의 로터 어셈블리에 따른 주요 부분의 분해 사시도이다. 도 3은 도 1의 로터 어셈블리에 따른 주요 부분의 결합 사시도이며, 도 4는 도 3의 로터 어셈블리에 따른 주요 부분의 결합 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기용 로터 어셈블리(10)는 스테이터 내에 배치되어 회전하는 로터(100) 및 로터(100)의 외주면에 배치되는 복수의 코일 턴(130)을 포함하여 구성된다.
로터(100)는 복수의 투쓰(tooth) 및 서브 슬롯(미도시)이 형성된 로터 바디(110)와, 로터 바디(110)의 일측으로부터 연장된 스핀들(120)을 포함하여 구성되며, 스핀들(120)의 주위에 복수의 코일 턴(130)이 배치된다. 코일 턴(130)은 하우징(140)에 수납되어 로터(100)의 외부로 노출되지 않는다. 하우징(140)의 일단은 로터 바디(110)에 결합되고 타단은 베인 링(150)에 결합되며, 하우징(140)의 내측에 코일 턴(130)의 곡선부(136)를 지지하는 서포팅 유닛(160)이 구비된다.
코일 턴(130)은 복수의 컨덕터(conductor, coil과 동일한 의미임.)가 다단으로 적층되며, 투쓰의 사이에 삽입되는 직선부(134)와, 직선부(134)로부터 연장되고 스핀들(120)의 외주면 쪽에 곡선 형태로 배치되는 곡선부(136)로 구성된다.
냉각 유체는 로터 어셈블리(10)의 외부에서 베인 링(150)의 블레이드(154) 사이로 유입되며, 서포팅 유닛(160)을 통과해 코일 턴(130)의 곡선부(136) 및 직선부(134)를 차례로 냉각시킨다. 냉각 유체는 코일 턴(130)의 직선부(134)에 형성된 덕트(미도시)를 통과해 로터 바디(110)의 외부로 배기된다.
하우징(140)은 원통 형상으로, 일단이 로터 바디(110)에 열박음되고, 타단이 베인 링(150)에 결합되어 코일 턴(130)의 곡선부(136)를 커버한다. 하우징(140)의 베인 링(150) 방향 단부에는 베인 링(150)의 결합 시 결합 위치를 안내하는 복수의 결합홈(142)이 형성된다. 또한, 하우징(140)의 단부에는 결합홈(142)에 인접하여 베인 링(150)의 체결을 위한 체결 볼트가 삽입되는 복수의 볼트 홀(144)이 형성된다.
결합홈(142)은 후술할 스토퍼(156)의 형상에 대응하는 형상의 홈으로, 하우징(140)의 일측 단부에 함몰 형성되며, 스토퍼(156)의 결합 방향을 따라 홈이 형성된다.
결합홈(142)에 인접한 하우징(140)의 내주면에는 베인 링(150)의 결합 시 후술할 스토퍼(156)가 삽입되는 가이드 그루브(guide groove, 146)가 형성될 수 있다. 가이드 그루브(146)는 결합홈(142)과 연결되고 스토퍼(156)의 크기에 대응하는 폭을 갖는다. 가이드 그루브(146)는 스토퍼(156)의 삽입 방향에 수직인 방향으로 베인 링(150)을 회전시킬 때 스토퍼(156)가 가이드 그루브(146)에 삽입된 상태로 회전할 수 있을 정도의 길이로 형성되는 것이 바람직하다. 가이드 그루브(146)는 복수 개가 결합홈(142)으로부터 각각 소정 길이로 형성되는 형태일 수 있다. 또는, 가이드 그루브(146)는 하우징(140)의 내주면을 따라 원형으로 연결되도록 형성될 수 있다.
베인 링(150)은 하우징(140)에 결합되는 링 형상의 프레임(152)과, 프레임(152)의 내주면에 배치되는 복수의 블레이드(154)를 포함하여 구성된다.
프레임(152)은 후술할 서포팅 유닛(160)이 노출되지 않을 정도의 폭을 갖는 링 형상으로, 내주면에 블레이드(154)가 구비되고, 외주면 상에 하우징(140)에 삽입되기 위한 스토퍼(156)가 구비된다. 또한, 프레임(152)에는 스토퍼(156)의 삽입 방향 쪽 가장자리에 복수의 가이드 홈(158)이 형성될 수 있다.
블레이드(154)는 로터(100)의 회전 시 냉각 유체를 코일 턴(130) 쪽으로 안내하기 위한 것으로, 복수 개가 소정 간격 이격되어 일 방향으로 경사지게 배치된다.
스토퍼(156)는 적어도 한 개 또는 복수 개로 구비되며, 베인 링(150)의 외주면으로부터 외측으로 소정 높이로 돌출 형성된다. 스토퍼(156)는 전술한 결합홈(142)에 삽입되며, 스토퍼(156)가 결합홈(142)에 삽입된 후 삽입 방향과 수직인 방향으로 베인 링(150)을 회전시키면 스토퍼(156)는 가이드 그루브(146)를 따라 회전하여 결합홈(142)과 이격된다. 이 상태에서 볼트 홀(144)에 체결 볼트가 삽입되어 조여지면 베인 링(150)이 하우징(140)에 결합된 상태를 유지할 수 있다.
가이드 홈(158)은 스토퍼(156)의 삽입 방향 쪽에 위치한 프레임(152)의 측면에 복수 개가 구비되며, 서포팅 유닛(160)의 일부를 지지하는 역할을 한다. 가이드 홈(158)은 서포팅 유닛(160)의 일부가 로터(100)의 축 방향을 따라 베인 링(150) 방향으로 밀리는 것을 방지하는 역할을 한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 서포팅 유닛(160)은 스핀들(120)의 외주면에 밀착되도록 스핀들(120)에 삽입되는 스핀들 링(162)과, 스핀들 링(162)과 코일 턴(130)의 사이에 삽입되는 절연 링(164)과, 코일 턴(130)을 지지하기 위한 서포팅 블록(166)과, 코일 턴(130) 및 서포팅 블록(166)의 사이에 삽입되는 절연 블록(168)을 포함하여 구성된다.
스핀들 링(162)은 소정의 폭을 갖는 링 형상으로 스핀들(120)의 외주면에 밀착되도록 결합되며, 강도가 높은 금속 재질로 구비될 수 있다. 스핀들 링(162)은 열팽창에 따라 로터(100)의 축 방향으로 팽창하는 코일 턴(130)에 의해 서포팅 블록(166)이 축 방향으로 밀리는 하부 반력을 지지하는 역할을 한다. 스핀들 링(162)의 지지를 위해 스핀들(120) 상에는 스핀들 링(162)이 삽입되는 안착홈(미도시) 형성되거나, 별도의 지지구조가 구비될 수 있다.
절연 링(164)은 코일 턴(130)과 스핀들 링(162)의 사이에 배치되며, 소정의 폭을 갖는 링 형상으로 스핀들(120)의 외주면에 밀착되도록 결합된다. 절연 링(164)의 외주면에는 서포팅 블록(166)이 안착되는 복수의 안착홈(164a)이 형성될 수 있다. 절연 링(164)에 의해 서포팅 블록(166) 및 스핀들 링(162)이 금속 재질로 형성되더라도 코일 턴(130)에 영향을 주지 않게 된다.
서포팅 블록(166)은 절연 링(164)의 외주면에 일단이 안착되고 타단은 하우징(140)을 향해 연장된다. 또한, 서포팅 블록(166)은 절연 링(164)의 외주면을 따라 방사상으로 배치되며, 절연 블록(168)을 사이에 두고 코일 턴(130)을 지지하는 역할을 한다. 서포팅 블록(166)의 타단에는 전술한 베인 링(150)의 가이드 홈(158)에 삽입되는 단턱부(166a)가 돌출 형성될 수 있다. 단턱부(166a)가 가이드 홈(158)에 삽입되기 때문에 서포팅 블록(166)의 하부가 스핀들 링(162)에 의해 지지되고(지지 포인트 A), 스핀들 링(162)은 스핀들(120)에 안착되어 다시 한번 지지된다(지지 포인트 B). 또한, 서포팅 블록(166)의 상부는 베인 링(150)에 의해 지지(지지 포인트 C)되므로, 서포팅 블록(166)은 코일 턴(130)의 열팽창에 따른 힘을 효과적으로 지지할 수 있다.
서포팅 블록(166)은 코일 턴(130)이 열팽창에 의해 팽창하여 베인 링(150) 방향으로 밀리는 것을 방지하는 역할을 한다. 그러나 코일 턴을 냉각시키기 위한 냉각 유체의 흐름을 방해하지는 않아야 하므로 서포팅 블록(166)의 판면에는 복수의 홀이 관통 형성되는 것이 바람직하다. 서포팅 블록(166)에 형성되는 관통홀은 코일 턴(130)의 팽창은 효과적으로 지지하면서도 냉각 유체의 흐름에 방해되지 않을 정도의 크기와 모양으로 형성되는 것이 바람직하며, 이는 실험 데이터를 기반으로 결정될 수 있다.
절연 블록(168)은 서포팅 블록(166)의 형상에 대응하는 형상을 갖는 블록 형태의 절연체로, 서포팅 블록(166)과 코일 턴(130)의 곡선부(136) 사이를 절연한다. 절연 블록(168) 역시 절연 역할은 하면서 냉각 유체의 흐름은 방해하지 않아야 하므로, 서포팅 블록(166)에 형성된 홀의 위치와 크기에 대응하는 홀이 관통 형성되는 것이 바람직하다.
절연 블록(168)은 전술한 절연 링(164)과 맞물려 배치됨으로써 코일 턴(130)과 절연 블록(168) 및 스핀들 링(162) 사이를 빈틈없이 절연시킬 수 있다. 절연 블록(168)과 절연 링(164)이 맞물리는 부분은 상호 경사지게 형성되어 결합 및 위치 선정을 보다 용이하게 할 수 있다.
기존에 코일 턴의 지지를 위해 사용되던 센터링 링 대신 서포팅 블록이 그 역할을 대신함으로써 코일 턴으로 유입되는 냉각 유체의 흐름을 방해하던 센터링 링을 삭제할 수 있다. 또한, 베인 링을 추가로 구비함으로써 냉각 유체를 코일 턴 쪽으로 빠르게 대량으로 유입시킬 수 있다. 따라서 냉각 유체의 흐름이 보다 원활해져 코일 턴의 냉각 효율이 향상되는 효과가 있다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 일 실시 예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경이 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한, 본 발명의 권리범위에 속하게 될 것이다.
10: 로터 어셈블리 100: 로터
110: 로터 바디 120: 스핀들
130: 코일 턴 140: 하우징
142: 결합홈 144: 볼트 홀
146: 가이드 그루브 150: 베인 링
152: 프레임 154: 블레이드
156: 스토퍼 158: 가이드 홈
160: 서포팅 유닛 162: 스핀들 링
164: 절연 링 166: 서포팅 블록
168: 절연 블록

Claims (10)

  1. 로터 바디의 외주면에 결합되며 내부에 코일 턴을 수용하는 원통형의 하우징과,
    상기 하우징의 내측에 삽입되어 상기 코일 턴의 로터 축 방향 밀림을 차단하는 서포팅 유닛과,
    상기 하우징의 일단에 결합되어 냉각 유체를 상기 코일 턴으로 안내하는 복수의 블레이드가 구비된 베인 링을 포함하고,
    상기 서포팅 유닛은 상기 로터 바디로부터 연장된 스핀들의 외주면에 결합되는 링 형상의 스핀들 링과, 상기 코일 턴을 상기 로터의 축 방향으로 지지하는 복수의 서포팅 블록을 포함하는 베인 구조의 로터 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베인 링은 상기 하우징의 일단에 결합되는 링 형상의 프레임과, 상기 프레임의 내주면에 배치되되 상호 이격되어 일 방향으로 경사지게 배치된 복수의 상기 블레이드를 포함하는 베인 구조의 로터 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 베인 링은 상기 프레임의 외주면 일측에 돌출 형성된 스토퍼를 더 포함하고, 상기 하우징은 상기 스토퍼가 삽입되는 결합홈을 포함하는 베인 구조의 로터 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 스토퍼가 상기 결합홈에 삽입된 상태에서 상기 스토퍼의 삽입 방향에 수직인 방향으로 상기 베인 링을 회전시킬 때 상기 스토퍼가 삽입되어 이동할 수 있는 가이드 그루브를 더 포함하는 베인 구조의 로터 어셈블리.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 서포팅 유닛은 상기 코일 턴 및 스핀들 링의 사이에 배치되되 상기 스핀들의 외주면에 결합되는 링 형상의 절연 링과, 상기 코일 턴 및 상기 서포팅 블록의 사이에 삽입되는 절연 블록을 더 포함하는 베인 구조의 로터 어셈블리.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 서포팅 블록은 일단이 상기 절연링의 외주면에 안착되고 타단이 상기 하우징을 향해 연장되며, 연장된 단부에 단턱부가 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 베인 구조의 로터 어셈블리.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 베인 링은 상기 프레임의 측면에 형성되어 상기 단턱부가 삽입되어 지지되는 복수의 가이드 홈을 더 포함하는 베인 구조의 로터 어셈블리.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 서포팅 블록의 판면에는 상기 냉각 유체가 관통하는 복수의 홀이 관통 형성된 것을 특징으로 하는 베인 구조의 로터 어셈블리.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 절연 블록의 판면에는 상기 서포팅 블록의 홀에 대응하는 위치에 복수의 홀이 관통 형성된 것을 특징으로 하는 베인 구조의 로터 어셈블리.
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