KR101758989B1 - 발전기용 로터 어셈블리 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전기용 로터 어셈블리에 관한 것으로, 로터 바디의 외주면을 따라 방사상으로 배치되며, 상호 이격된 사이에 코일 턴이 삽입되는 복수의 치형부와, 치형부의 사이에 형성되어 냉각 유체가 이동하는 복수의 서브 슬롯과, 상기 로터 바디의 일측으로부터 연장 형성되어 상기 코일 턴을 지지하며, 상기 로터 바디의 길이 방향을 따라 외주면에 복수의 스핀들 슬롯이 함몰 형성된 스핀들을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 스핀들 영역에 추가적인 슬롯을 가공함으로써 냉각 유체의 유입 면적이 증가되고, 로터 바디의 서브 슬롯으로 유입되는 냉각 유체의 유량을 증가시킬 수 있어 냉각 효율을 향상시키는 효과가 있다.

Description

발전기용 로터 어셈블리{rotor assembly for generator}

본 발명은 발전기용 로터 어셈블리에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 냉각 유체의 유입 면적 및 냉각 유체의 유량을 증가시켜 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 발전기용 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.

종래의 냉각 구조는 로터 바디의 내측에 조립되는 컨덕터(conductor)의 냉각을 서브 슬롯으로 유입되는 냉각 유체에만 의존하는 구조이다. 그러나 종래의 냉각 구조로는 충분한 냉각이 어려워 추가 가공이 필요하나, 투쓰(tooth)의 가공 스트레스 때문에 깊게 가공하기가 어려워 냉각 유체의 유량 증가에 한계가 있다.

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

본 발명의 목적은 냉각 유체의 유입 면적 및 냉각 유체의 유량을 증가시켜 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 발전기용 로터 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명의 발전기용 로터 어셈블리는, 로터 바디의 외주면을 따라 방사상으로 배치되며, 상호 이격된 사이에 코일 턴이 삽입되는 복수의 치형부와, 치형부의 사이에 형성되어 냉각 유체가 이동하는 복수의 서브 슬롯과, 상기 로터 바디의 일측으로부터 연장 형성되어 상기 코일 턴을 지지하며, 상기 로터 바디의 길이 방향을 따라 외주면에 복수의 스핀들 슬롯이 함몰 형성된 스핀들을 포함할 수 있다.

상기 각각의 스핀들 슬롯은 상기 서브 슬롯에 각각 연통되는 것을 특징으로 한다.

상기 스핀들 슬롯의 높이(H)는 상기 서브 슬롯의 높이(H1)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 스핀들 슬롯의 높이(H)는 굽힘 강성에 영향을 주지 않는 범위 내에서 설정된 최대 깊이 이하인 것을 특징으로 한다.

상기 스핀들 슬롯의 폭은 상기 서브 슬롯의 폭에 대응하는 것을 특징으로 한다.

상기 스핀들 슬롯은 상기 냉각 유체가 상기 로터 바디의 길이 방향을 따라 상기 서브 슬롯으로 이동하도록 상기 서브 슬롯과 일직선으로 연통되는 것을 특징으로 한다.

상기 코일 턴과 상기 스핀들의 사이에 삽입되어 상기 코일 턴과 상기 스핀들을 절연하는 인슐레이터를 더 포함할 수 있다.

상기 인슐레이터에는 상기 스핀들 슬롯과 연통되는 복수의 관통홀이 관통 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기용 로터는 스핀들 영역에 추가적인 슬롯을 가공함으로써 냉각 유체의 유입 면적이 증가되고, 로터 바디의 서브 슬롯으로 유입되는 냉각 유체의 유량을 증가시킬 수 있어 냉각 효율을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기용 로터 어셈블리를 도시한 부분 사시도,
도 2는 도 1에 따른 로터 어셈블리 내측을 도시한 부분 사시도,
도 3은 도 1에 따른 로터 바디 및 스핀들을 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기용 로터 어셈블리의 냉각 유체 흐름을 도시한 단면도이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기용 로터 어셈블리에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기용 로터 어셈블리를 도시한 부분 사시도이고, 도 2는 도 1에 따른 로터 어셈블리 내측을 도시한 부분 사시도이며, 도 3은 도 1에 따른 로터 바디 및 스핀들을 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3에 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, 도 4 참조)을 포함하여 구성된다. 코일 턴(130)은 하우징(190)에 수납되어 로터(100)의 외부로 노출되지 않는다.

로터(100)는 복수의 치형부(tooth, 112) 및 서브 슬롯(114)이 형성된 로터 바디(110)와, 로터 바디(110)의 일측으로부터 연장된 스핀들(170)을 포함하여 구성되며, 스핀들(170)의 주위에 복수의 코일 턴(130)이 배치된다.

치형부(112)는 로터 바디(110)의 외주면으로부터 반경 방향 외측으로 스테이터를 향해 연장되며, 다른 부품과의 결합 관계에 따라 로터 바디(110)의 외주면 전체 또는 일부 영역에 구비될 수 있다. 치형부(112)와 이웃한 치형부(112)의 상부 쪽은 코일 턴(130)의 덕트 형성 부위가 삽입되는 부분이며, 하부 쪽은 서브 슬롯(114)이 형성되는 부분이다.

치형부(112)는 로터 바디(110)의 외측에서 내측으로 갈수록 그 폭이 좁아지는 형태이며, 서브 슬롯(114)이 형성되는 부분에 단턱(112a)이 구비된다. 단턱(112a)은 코일 턴(130)이 삽입되는 영역과 서브 슬롯(114) 영역을 구분하는 역할과 코일 턴(130)을 지지하는 역할을 한다.

서브 슬롯(114)은 치형부(112)의 사이에 형성되며, 치형부(112)의 사이에 삽입된 상태에서 코일 턴(130)의 하측에 위치하게 된다. 서브 슬롯(114)은 복수의 덕트(130a)가 형성된 코일 턴(130)의 하측에 위치하게 되며, 코일 턴(130)의 하측으로 유입된 냉각 유체를 치형부(112)의 사이로 안내함으로써 로터 바디(110)가 냉각되도록 한다. 또한, 서브 슬롯(114)과 코일 턴(130)의 덕트(130a)는 유체가 유동할 수 있도록 연통되므로 서브 슬롯(114)으로 유입된 냉각 유체는 코일 턴(130)의 덕트(130a)를 통해 이동하여 배기구(chimney)를 통해 빠져나가면서 코일 턴(130)을 냉각시키는 역할을 한다.

서브 슬롯(114)은 로터 바디(110)의 반경 방향 강성이나 치형부(112)의 회전 스트레스를 커버하기 위한 강성에 영향을 주지 않을 정도의 높이로 형성되는 것이 바람직하다. 서브 슬롯(114)의 스핀들 쪽 방향 단부는 스핀들(170)에 형성된 스핀들 슬롯(172)과 연통 형성된다.

스핀들(170)은 원통형의 외주면이 로터 바디(110)의 일측으로부터 연장 형성되며, 코일 턴(130)의 내측에서 코일 턴(130)을 지지하는 역할을 한다. 코일 턴(130)과 스핀들(170)의 사이에는 전기적 절연을 위한 원통형의 인슐레이터(150)가 삽입된다. 스핀들(170)의 외주면에는 서브 슬롯(114)과 연통되는 복수의 스핀들 슬롯(172)이 형성된다.

스핀들 슬롯(172)은 스핀들(170)의 원통형 외주면으로부터 반경 방향으로 함몰 형성되되 일단은 서브 슬롯(114)과 연통되고, 타단은 하우징(190)의 외측으로 연통되어 로터(100)의 외부에서 냉각 유체가 스핀들 슬롯(172)으로 유입될 수 있도록 한다. 스핀들 슬롯(172)의 높이(H1)는 서브 슬롯(114)의 높이(H) 보다 크게 형성된다. 스핀들 슬롯(172)의 폭은 서브 슬롯(114)의 폭에 대응하는 폭으로 형성될 수 있다. 스핀들 슬롯(172)은 스핀들(170)의 길이 방향을 따라 형성되어 서브 슬롯(114)과 연통되며, 냉각 유체를 서브 슬롯(114) 쪽으로 안내함과 동시에 코일 턴(130)의 엔드 와인딩(end winding, 132) 부위를 냉각하는 역할을 한다.

스핀들 슬롯(172)의 위치가 코일 턴(130)의 엔드 와인딩(132) 부위 하측에 해당하므로 냉각 유체가 스핀들 슬롯(172)을 통과하여 서브 슬롯(114)으로 흐를 때 코일 턴(130)의 엔드 와인딩(132) 부위를 냉각시킬 수 있다.

스핀들 슬롯(172)의 높이(H1)는 종래의 코일 턴과 스핀들 사이의 그루브 높이 보다 크게 형성되는 것이 바람직하며, 서브 슬롯(114)의 높이(H) 대비 2배 이상 깊게 형성할 수 있다. 서브 슬롯(114)과 연통되어 냉각 유체가 유입되는 입구단의 단면적이 클수록 서브 슬롯(114)으로 유입되는 냉각 유체의 유량이 증가할 수 있다. 따라서 스핀들 슬롯(172)의 높이(H1)가 증가되면 서브 슬롯(114)으로 연통되는 입구단의 단면적이 커져 냉각 유체의 유량이 증가되고, 냉각 효율이 크게 향상될 수 있다.

스핀들 슬롯(172)이 스핀들(170)의 외주면으로부터 함몰 형성되므로, 스핀들 슬롯(172)이 가공된 부분의 외경은 스핀들 슬롯(172)이 가공되지 않은 스핀들(170)의 일부 영역의 외경보다 작게 형성된다.

스핀들 슬롯(172)이 형성되면 슬롯 없이 가공한 스핀들에 비해 축 강성 보강에 도움이 된다.

좀더 상세히 설명하면, 스핀들 슬롯(172) 없이 서브 슬롯으로 연통되는 입구의 단면적을 증가시키려면 스핀들의 직경을 줄여야 하나, 스핀들의 직경을 줄이는 것보다 스핀들 슬롯(172)을 형성하는 것이 스핀들(170)의 강성 감소를 줄일 수 있다.

스핀들 슬롯(172)의 높이는 스핀들(170)의 굽힘 강성 등에 영향을 주지 않는 범위 내에서 설정된 최대 설정 높이 이하로 가공되는 것이 바람직하다. 또한, 스핀들 슬롯(172)의 입구단은 서브 슬롯(114)으로 유체가 이동할 때 저항을 최소화할 수 있도록 형성되는 것이 바람직하며, 이를 위해 각지게 단턱진 부분을 최소화하고 유선형으로 형성될 수 있다.

또한, 스핀들 슬롯(172)과 서브 슬롯(114)이 자연스럽게 연결되어 냉각 유체의 유로를 형성함으로써 유동 면적이 변하는 스핀들(170)의 단부에서 냉각 유체의 방향을 축방향에서 반경 방향으로 변경해주는 역할을 한다. 이에 따라 서브 슬롯(114)의 첫번째 덕트 부분의 유량 증가에 도움을 줌으로써 냉각 효율을 향상시킨다(첫번째 덕트 쪽의 코일 턴 온도가 일반적으로 가장 높게 나타남).

스핀들 슬롯(172)으로 유입된 냉각 유체는 인슐레이터(150)를 통해 코일 턴(130)의 엔드 와인딩(132)으로 유입될 수 있다. 이를 위해 인슐레이터(150)에는 복수의 관통홀(150a)이 판면에 관통 형성될 수 있다.

관통홀(150a)은 각 스핀들 슬롯(172)의 위치에 대응하는 인슐레이터(150)의 판면 상에 형성되며, 스핀들 슬롯(172)의 길이 방향을 따라 한 개 또는 복수 개로 형성될 수 있다. 그러나 관통홀(150a)은 필수적인 것은 아니며, 선택적으로 구비되거나 구비되지 않을 수 있다.

한편, 로터가 회전하는 선속에 의해 반경이 작은 곳(슬롯 형상 부위)과 큰 곳(로터의 표면)에서 수두(head, 길이 단위로 표현되는 단위 부피당 유체가 갖는 에너지)가 발생한다. 일반적으로 속도가 높은 곳의 압력이 낮기 때문에 유체는 압력이 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하게 되며, 이에 따라 로터의 표면 부근에서 펌핑(pumping) 하듯이 유체가 배출된다. 이러한 현상을 발생하는 수두를 본 발명이 속한 기술 분야에서 펌핑 헤드(pumping head)라고 정의한다.

로터에서 회전속도에 의해 발생하는 펌핑 헤드는 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 하나는 센터링 링의 하단(본 발명에서는 하우징의 스핀들 쪽 단부)에서 서브 슬롯의 입구단까지의 펌핑 헤드(PH1)이고, 다른 하나는 서브 슬롯에서 라디얼 덕트(본 발명에서는 덕트로 표현함)를 통해 로터 표면까지의 펌핑 헤드(PH2)이다.

로터에서의 총 펌핑 헤드(Total pumping head, PHt)는 전술한 PH1과 PH2의 합으로 계산되며, 회전 속도가 일정하다고 가정하면 펌핑 헤드는 두 포인트의 의 라디얼(radial) 거리에 의해 증가된다.

본 발명에서 스핀들 슬롯(172)이 형성되므로 전술한 PH2의 두 포인트의 라디얼 거리가 스핀들 슬롯(172)의 높이(H1)만큼 증가하게 되므로, 로터(100)에서의 총 펌핑 헤드(PHt)를 증가시킬 수 있다.

전술한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기용 로터 어셈블리에 있어서, 도면을 참조하여 냉각 유체의 흐름을 정리하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발전기용 로터 어셈블리의 냉각 유체 흐름을 도시한 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 냉각 유체는 로터(100)의 길이 방향을 따라 스핀들(170) 쪽으로 유입되어 코일 턴(130)의 엔드 와인딩(132) 하측의 스핀들 슬롯(172)으로 유입된다.

스핀들 슬롯(172)으로 유입된 냉각 유체는 스핀들 슬롯(172)을 따라 서브 슬롯(114)까지 유동하도록 안내되며, 일부 냉각 유체는 인슐레이터(150)에 형성된 관통홀(150a)을 통해 엔드 와인딩(132) 쪽으로 유입될 수 있다. 엔드 와인딩(132)으로 유입된 냉각 유체는 엔드 와인딩(132)을 냉각시키고 코일 턴(130)의 사이 공간을 통해 덕트로 유입되어 로터 바디(110)의 외측으로 빠져나간다.

한편, 스핀들 슬롯(172)을 따라 이동하는 냉각 유체는 스핀들 슬롯(172)을 통해 서브 슬롯(114)까지 유입된다. 스핀들 슬롯(172)에서 서브 슬롯(114)으로 유입되는 입구단의 단면적이 크므로 스핀들 슬롯(172)이 구비되지 않은 종래의 스핀들에 비해 많은 양의 냉각 유체를 서브 슬롯(114)으로 보낼 수 있다.

서브 슬롯(114)으로 유입된 냉각 유체는 덕트를 통과하며 코일 턴(130)을 냉각시킨 후 로터 바디(110)의 외측으로 빠져나간다.

이와 같이, 스핀들 영역에 추가적인 슬롯을 가공함으로써 냉각 유체의 유입 면적이 증가되고, 로터 바디의 서브 슬롯으로 유입되는 냉각 유체의 유량을 증가시킬 수 있어 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 112: 치형부
114: 서브 슬롯 130: 코일 턴
150: 인슐레이터 150a: 관통홀
170: 스핀들 172: 스핀들 슬롯
190: 하우징

Claims (8)

1. 로터 바디의 외주면을 따라 방사상으로 배치되며, 상호 이격된 사이에 코일 턴이 삽입되는 복수의 치형부와,
   치형부의 사이에 형성되어 냉각 유체가 이동하는 복수의 서브 슬롯과,
   상기 로터 바디의 일측으로부터 연장 형성되어 상기 코일 턴을 지지하며, 상기 로터 바디의 길이 방향을 따라 외주면에 형성되되 상기 외주면으로부터 복수의 스핀들 슬롯이 함몰 형성된 스핀들을 포함하는 발전기용 로터 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,
   상기 각각의 스핀들 슬롯은 상기 서브 슬롯에 각각 연통되는 것을 특징으로 하는 발전기용 로터 어셈블리.
3. 제2항에 있어서,
   상기 스핀들 슬롯의 높이(H1)는 상기 서브 슬롯의 높이(H)보다 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 발전기용 로터 어셈블리.
4. 제3항에 있어서,
   상기 스핀들 슬롯의 높이(H1)는 굽힘 강성에 영향을 주지 않는 범위 내에서 설정된 최대 깊이 이하인 것을 특징으로 하는 발전기용 로터 어셈블리.
5. 제3항에 있어서,
   상기 스핀들 슬롯의 폭은 상기 서브 슬롯의 폭에 대응하는 것을 특징으로 하는 발전기용 로터 어셈블리.
6. 제2항에 있어서,
   상기 스핀들 슬롯은 상기 냉각 유체가 상기 로터 바디의 길이 방향을 따라 상기 서브 슬롯으로 이동하도록 상기 서브 슬롯과 일직선으로 연통되는 것을 특징으로 하는 발전기용 로터 어셈블리.
7. 제2항에 있어서,
   상기 코일 턴과 상기 스핀들의 사이에 삽입되어 상기 코일 턴과 상기 스핀들을 절연하는 인슐레이터를 더 포함하는 발전기용 로터 어셈블리.
8. 제7항에 있어서,
   상기 인슐레이터에는 상기 스핀들 슬롯과 연통되는 복수의 관통홀이 관통 형성된 것을 특징으로 하는 발전기용 로터 어셈블리.

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