KR101756535B1 - 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리에 관한 것으로, 복수의 컨덕터(conductor)가 다단으로 적층되며, 투쓰의 사이에 삽입되는 직선부와, 직선부로부터 연장되어 스핀들의 외주면에 원호 형태로 배치되는 곡선부를 구비하는 복수의 코일 턴과, 상기 곡선부에 삽입되되 상기 컨덕터의 층간에 삽입되어 상기 컨덕터를 로터의 반경 방향에 대해 지지하는 복수의 제1 서포팅 블록과, 상기 제1 서포팅 블록과 이웃한 다른 서포팅 블록의 사이에 삽입되어 상기 컨덕터를 지지하는 제2 서포팅 블록을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 코일 턴의 형상과 배치 및 지지 구조를 개선함으로써 냉각 유체의 흐름을 원활히 하고, 냉각 유체를 코일 턴 내부까지 안내할 수 있어 코일 턴의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리{Rotor assembly having improved cooling path}

본 발명은 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코일 턴의 형상 및 지지 구조를 개선한 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리에 관한 것이다.

일반적으로 발전기는 전자 유도작용을 이용하여 기계적인 에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치로, 도체가 자기장 내에서 회전운동을 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.

종래의 냉각 구조는 로터 바디의 내측에 조립되는 컨덕터(conductor)의 냉각을 서브 슬롯으로 유입되는 냉각 유체에만 의존하는 구조이다.

특히 컨덕터의 조립체인 코일 턴이 로터의 스핀들과 밀착된 구조이기 때문에 턴과 턴 사이에 공간이 없어 코일 턴 내부에 가공된 환기구를 통해 냉각 유체가 흐르면서 냉각시키는 것이 코일 턴을 냉각시키는 유일한 방법이었다. 따라서 코일 턴의 효율적인 냉각이 어려운 문제가 있다.

한국특허공개 제2010-0120267호 (공개일 2010. 11. 15)

본 발명의 목적은 코일 턴의 형상 및 지지 구조를 개선하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명의 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리는, 복수의 컨덕터(conductor)가 다단으로 적층되며, 투쓰의 사이에 삽입되는 직선부와, 직선부로부터 연장되어 스핀들의 외주면에 원호 형태로 배치되는 곡선부를 구비하는 복수의 코일 턴과, 상기 곡선부에 삽입되되 상기 컨덕터의 층간에 삽입되어 상기 컨덕터를 로터의 반경 방향에 대해 지지하는 복수의 제1 서포팅 블록과, 상기 제1 서포팅 블록과 이웃한 다른 서포팅 블록의 사이에 삽입되어 상기 컨덕터를 지지하는 제2 서포팅 블록을 포함할 수 있다.

상기 제1 서포팅 블록은 상기 로터의 축 방향을 따라 냉각 유체가 통과하는 관통홈이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 제2 서포팅 블록은 상기 로터의 축 방향을 따라 냉각 유체가 통과하는 관통홈이 형성되고, 상기 곡선부의 일측에 접촉해 상기 로터의 축 방향으로 상기 곡선부를 지지하는 단턱부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 서포팅 블록간의 간격과, 상기 제1 서포팅 블록 및 상기 제2 서포팅 블록의 간격은 상기 곡선부의 곡률을 따라 상기 로터의 외측으로 갈수록 커지는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각 유체는 상기 제1 서포팅 블록 및 제2 서포팅 블록의 관통홈을 통과해 상기 로터의 축 방향을 따라 상기 로터 바디 쪽으로 흐르도록 안내되는 것을 특징으로 한다.

상기 직선부의 폭(W1)은 상기 곡선부의 폭(W2)보다 작은 것을 특징으로 한다.

상기 직선부의 폭(W1)은 상기 곡선부의 폭(W2)의 1/2인 것을 특징으로 한다.

상기 직선부의 두께(T1)은 상기 곡선부의 두께(T2)보다 큰 것을 특징으로 한다.

상기 직선부의 두께(T1)은 상기 곡선부의 두께(T2)의 2배인 것을 특징으로 한다.

상기 직선부와 곡선부의 단면적이 동일한 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리는 코일 턴의 형상과 배치 및 지지 구조를 개선함으로써 냉각 유체의 흐름을 원활히 하고, 냉각 유체를 코일 턴 내부까지 안내할 수 있어 코일 턴의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로터 어셈블리를 도시한 부분 사시도,
도 2는 도 1에 따른 로터 어셈블리의 하우징 내부를 도시한 부분 사시도,
도 3은 도 2에 따른 로터 어셈블리의 주요 부분을 도시한 부분 사시도,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로터 어셈블리의 코일 턴을 도시한 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로터 어셈블리를 도시한 부분 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 로터 어셈블리의 하우징 내부를 도시한 부분 사시도이다. 도 3은 도 2에 따른 로터 어셈블리의 주요 부분을 도시한 부분 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 로터 어셈블리의 코일 턴을 도시한 도면이다.

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. 코일 턴(130)은 하우징(190)에 수납되어 로터(100)의 외부로 노출되지 않는다.

로터(100)는 복수의 투쓰(tooth, 112) 및 서브 슬롯(미도시)이 형성된 로터 바디(110)와, 로터 바디(110)의 일측으로부터 연장된 스핀들(120)을 포함하여 구성된다. 스핀들(120)의 주위에 복수의 코일 턴(130)이 배치되며, 코일 턴(130)은 제1 서포팅 블록(140) 및 제2 서포팅 블록(150)에 의해 지지된다.

코일 턴(130)은 복수의 컨덕터(conductor, coil과 동일한 의미임)가 다단으로 적층되며, 투쓰(112)의 사이에 삽입되는 직선부(134)와, 스핀들(120)의 외주면 쪽에 곡선 형태로 배치되는 곡선부(136)로 구성된다. 컨덕터(132)의 사이에는 복수의 제1 서포팅 블록(140) 및 제2 서포팅 블록(150)이 삽입되어 코일 턴(130) 사이로 냉각 유체가 지나갈 수 있도록 유로를 형성한다.

컨덕터(132)는 다층으로 적층되되 투쓰(112)사이에 삽입되는 부분이 직선 형태로 적층되고(직선부), 직선 형태로 적층된 부분에서 스핀들(120)의 외주면을 감싸는 원호 형태로 연장 형성된다(곡선부). 다층으로 적층된 컨덕터(132)의 일측 직선부(134)가 로터(100)의 길이 방향을 따라 투쓰(112)의 사이에 삽입되고, 곡선부(136)가 스핀들 외주면에 배치된 상태에서 타측 직선부(134)가 반대쪽 투쓰(112)의 사이에 삽입되는 대략 'ㄷ'자 형태의 배치를 하나의 코일 턴(130)이라고 한다. 이러한 코일 턴(130)이 로터(100) 상에 복수 개 배치되어 각 투쓰(112)의 사이에 각각 삽입된다. 따라서 가장 바깥쪽에 배치된 코일 턴(130)에서 내측에 배치된 코일 턴(130)으로 갈수록 갈수록 곡선부(136)의 크기가 줄어드는 형태로 복수 개가 배치된다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 직선부(134)의 컨덕터 두께(T1)는 곡선부(136)의 컨덕터 두께(T2) 보다 두껍게 형성되며, 직선부(134)의 폭(W1)은 곡선부의 폭(W2)보다 좁게 형성된다. 바람직하게는 T1이 T2의 2배, W2가 W1의 2배가 되도록 형성될 수 있다.

코일 턴(130)에 전류가 흐르면 열이 발생하는데, 이때 발열량은 단면적과 반비례하여 발생된다. 단면적은 코일 턴의 폭과 두께를 곱해 계산되므로 T1이 T2의 2배, W2가 W1의 2배가 되면 결과적으로 직선부(134)와 곡선부(136)에서 발생되는 발열량이 동일해진다.

이는 곡선부(136)의 각 컨덕터(132) 사이에 제1 서포팅 블록(140) 및 제2 서포팅 블록(150)을 삽입할 공간을 확보하기 위해 곡선부(136)의 컨덕터 두께(T2)를 줄여야 하기 때문에, 곡선부(136)의 폭(W2)을 줄임으로써 발열량을 동일하게 하기 위함이다. 곡선부(136)의 컨덕터 두께(T2)는 컨덕터(132)의 벤딩 스트레스(bending stress)가 허용되는 범위 내에서 설계 수치가 달라질 수 있다.

또한, 직선부(134)에는 서브 슬롯으로 유입된 냉각 유체가 통과하여 배기될 수 있도록 복수의 덕트가 관통 형성된다. 각 컨덕터(132)에 형성된 덕트는 동일한 위치에 동일한 형상으로 형성되어 적층 시 하나의 배기 유로를 형성한다. 직선부(134)의 상측에는 덕트에 연통되는 배기구가 형성된 덕트 블록이 구비될 수 있다.

곡선부(136) 쪽으로 유입된 냉각 유체는 로터(100)의 축 방향으로 코일 턴(130)의 내부 및 외부를 지나가며 코일 턴(130)을 냉각시키고, 코일 턴(130)의 덕트 및 덕트 블록의 배기구를 거쳐 로터(100)의 외부로 배기된다(도 2의 냉각 유체 흐름에 따른 화살표 참조).

한편, 컨덕터(132)는 수십 개가 밀착 적층되어 하나의 코일 턴(130)을 이루는데, 컨덕터(132)의 층간에 복수의 제1 서포팅 블록(140) 및 제2 서포팅 블록(150)이 삽입된다. 제1 서포팅 블록(140) 및 제2 서포팅 블록(150)은 로터(100)의 반경 방향에 대해 컨덕터(132)를 지지한다.

제1 서포팅 블록(140)은 폭 방향(도 3을 기준으로 로터의 길이 방향에 따른 서포팅 블록의 방향을 길이 방향, 그에 수직인 방향을 서포팅 블록의 폭 방향이라고 정의함) 단면이 대략 'ㄷ'자 형상을 갖는 블록이다. 제1 서포팅 블록(140)은 곡선부(136)를 이루는 컨덕터(132)의 사이에 삽입되며, 복수 개가 곡선부(136)의 외주 방향을 따라 소정 간격 이격되어 방사상으로 배치된다. 또한, 제1 서포팅 블록(140)은 여러 개의 컨덕터 층을 사이에 두고 다른 컨덕터(132)의 사이에 동일한 형태로 배치된다. 즉, 제1 서포팅 블록(140)은 복수 층의 배열을 갖도록 배치되어 컨덕터(132)의 사이 사이에 냉각 유체가 관통하여 흐를 수 있는 복수의 유로를 형성한다.

제1 서포팅 블록(140)은 냉각 유체의 흐름을 방해하지 않으면서 곡선부(136)를 이루는 컨덕터(132)를 지지하여 컨덕터(132) 사이로 냉각 유체가 흐를 수 있는 공간을 형성해야 한다. 따라서 제1 서포팅 블록(140)은 폭 방향 단면이 'ㄷ'자 형상을 갖도록 홈이 형성된 블록 형태로 구비된다. 그러나 제1 서포팅 블록(140)은 폭 방향 단면이 사각형이고, 내부에 길이 방향으로 관통된 관통홈을 형성한 블록 형태 등 냉각 유체가 통과할 수 있는 형상이라면 다른 형태로 변경이 가능하다.

제2 서포팅 블록(150)은 제1 서포팅 블록(140)과 동일한 형태를 갖되, 길이 방향의 일측 단부로부터 로터(100)의 외측으로 돌출된 단턱부(152)를 구비한다. 단턱부(152)는 코일 턴(130)과 이웃한 다른 코일 턴(130)의 사이에 위치하되, 곡선부(136)와 이웃한 다른 코일 턴(130)의 곡선부 사이에 배치된다. 즉, 코일 턴(130)의 곡선부(136) 측면에 접촉하도록 배치된다.

단턱부(152)는 코일 턴(130)들이 서로 밀착되지 않고 적정 간격을 갖고 배치되도록 이격시키며, 로터(100)의 축 방향으로 곡선부(136)를 지지하는 역할을 한다. 단턱부(152)는 곡선부(136)의 복수 개 지점에만 구비되어도 코일 턴(130) 간의 간격을 유지할 수 있으므로 컨덕터(132)를 지지하는 모든 서포팅 블록들에 구비되지 않아도 된다. 따라서 제2 서포팅 블록(150)은 제1 서포팅 블록(140)보다 적은 수로 구비될 수 있으며, 바람직하게는 제1 서포팅 블록(140)의 배열 사이에 동일 간격을 두고 배치될 수 있다.

제1 서포팅 블록(140) 간의 간격과 제1 서포팅 블록(140) 및 이웃한 제2 서포팅 블록의 간격은 스핀들(120)에 가까운 컨덕터(132) 쪽에서 로터(100)의 외측으로 갈수록 커지는 것이 바람직하다. 이는 곡선부(136)의 곡률에 대응하여 서포팅 블록들을 배치하기 위함이다. 제1 서포팅 블록(140) 간의 간격과 제1 서포팅 블록(140) 및 이웃한 제2 서포팅 블록의 간격은 로터(100)의 설계 사양에 따라 달라질 수 있다.

전술한 바와 같이, 제1 서포팅 블록(140) 및 제2 서포팅 블록(150)에 의해 컨덕터(132)의 사이에 냉각 유체가 유동할 수 있는 공간인 유로가 형성되면, 로터(100)의 축 방향을 따라 스핀들(120) 쪽에서 로터 바디(110) 방향으로 유입되는 냉각 유체가 유동의 방향이 바뀌지 않고 코일 턴(130)의 사이로 유입될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리는 코일 턴의 형상과 배치 및 지지 구조를 개선함으로써 냉각 유체의 흐름을 원활히 하고, 냉각 유체를 코일 턴 내부까지 안내할 수 있어 코일 턴의 냉각 효율을 향상시키는 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 132: 컨덕터
134: 직선부 136: 곡선부
140: 제1 서포팅 블록 150: 제2 서포팅 블록
152: 단턱부 190: 하우징

Claims (10)

1. 복수의 투쓰가 형성된 로터 바디와, 상기 로터 바디의 일측으로부터 연장된 스핀들을 구비한 로터와,
   복수의 컨덕터(conductor)가 다단으로 적층되며, 상기 투쓰의 사이에 삽입되는 직선부와, 직선부로부터 연장되어 상기 스핀들의 외주면에 원호 형태로 배치되는 곡선부를 구비하는 복수의 코일 턴과,
   상기 곡선부에 삽입되되 상기 컨덕터의 층간에 삽입되어 상기 컨덕터를 로터의 반경 방향에 대해 지지하는 복수의 제1 서포팅 블록과,
   상기 제1 서포팅 블록과 이웃한 다른 서포팅 블록의 사이에 삽입되어 상기 컨덕터를 지지하는 제2 서포팅 블록을 포함하며,
   상기 제2 서포팅 블록은 상기 로터의 축 방향을 따라 냉각 유체가 통과하는 관통홈이 형성되고, 상기 곡선부의 일측에 접촉해 상기 로터의 축 방향으로 상기 곡선부를 지지하는 단턱부를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 서포팅 블록은 상기 로터의 축 방향을 따라 냉각 유체가 통과하는 관통홈이 형성된 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 서포팅 블록간의 간격과, 상기 제1 서포팅 블록 및 상기 제2 서포팅 블록의 간격은 상기 곡선부의 곡률을 따라 상기 로터의 외측으로 갈수록 커지는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
5. 제1항에 있어서,
   상기 냉각 유체는 상기 제1 서포팅 블록 및 제2 서포팅 블록의 관통홈을 통과해 상기 로터의 축 방향을 따라 상기 로터 바디 쪽으로 흐르도록 안내되는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
6. 제1항에 있어서,
   상기 직선부의 폭(W1)은 상기 곡선부의 폭(W2)보다 작은 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
7. 제6항에 있어서,
   상기 직선부의 폭(W1)은 상기 곡선부의 폭(W2)의 1/2인 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
8. 제1항에 있어서,
   상기 직선부의 두께(T1)은 상기 곡선부의 두께(T2)보다 큰 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
9. 제8항에 있어서,
   상기 직선부의 두께(T1)은 상기 곡선부의 두께(T2)의 2배인 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
10. 제7항 또는 제9항에 있어서,
    상기 직선부와 곡선부의 단면적이 동일한 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.

Images