KR101783096B1

KR101783096B1 - 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리

Info

Publication number: KR101783096B1
Application number: KR1020150118880A
Authority: KR
Inventors: 황계하
Original assignee: 두산중공업 주식회사
Priority date: 2015-08-24
Filing date: 2015-08-24
Publication date: 2017-09-28
Also published as: KR20170023570A

Abstract

본 발명은 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리에 관한 것으로, 복수의 컨덕터(conductor)가 다단으로 적층되며, 로터 바디의 투쓰의 사이에 삽입되고 길이 방향을 따라 냉각 유체가 이동하는 복수의 덕트가 관통 형성된 직선부와, 상기 직선부로부터 연장되어 스핀들의 외주면에 원호 형태로 배치되는 곡선부를 구비하는 복수의 코일 턴과, 상기 컨덕터의 사이에 각각 삽입되어 상기 컨덕터 사이를 절연하는 턴 인슐레이터를 포함하며, 상기 곡선부는 판면에 길이 방향을 따라 형성되어 상기 덕트에 연통되며, 상기 냉각 유체를 상기 덕트로 안내하는 웨이브(wave) 형상의 냉각 유로를 포함한다.
본 발명에 따르면, 코일 턴 내에 형성된 냉각 유로의 구조를 웨이브 형태로 변경함으로써 냉각 유체가 코일 턴 내에 접촉하는 접촉 면적을 증가시켜 냉각 효율을 향상시키는 효과가 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 턴 내에 형성된 냉각 유로의 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. 그러나 이러한 종래의 냉각 구조로는 점차 대형화 되어가는 발전기의 로터 코일을 효율적으로 냉각시키기 어려운 문제가 있다.

일본특허공개 2002-204539호(공개일 2002. 07. 19)

본 발명의 목적은 코일 턴 내에 형성된 냉각 유로의 구조를 개선함으로써 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, 로터 바디의 투쓰의 사이에 삽입되고 길이 방향을 따라 냉각 유체가 이동하는 복수의 덕트가 관통 형성된 직선부와, 상기 직선부로부터 연장되어 스핀들의 외주면에 원호 형태로 배치되는 곡선부를 구비하는 복수의 코일 턴과, 상기 컨덕터의 사이에 각각 삽입되어 상기 컨덕터 사이를 절연하는 턴 인슐레이터를 포함하며, 상기 곡선부는 판면에 길이 방향을 따라 형성되어 상기 덕트에 연통되며, 상기 냉각 유체를 상기 덕트로 안내하는 웨이브(wave) 형상의 냉각 유로를 포함한다.

상기 냉각 유로는 원호 형상의 복수의 슬롯과, 상기 슬롯 사이를 각각 연결하는 연결부를 포함 한다.

상기 연결부는 모서리가 유선형인 것을 특징으로 한다.

상기 슬롯의 반경(D2)보다 상기 연결부의 높이(A)가 큰 것을 특징으로 한다.

상기 냉각 유로는 동일 반경을 갖는 상기 슬롯이 상기 연결부를 사이에 두고 반복 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 냉각 유로는 서로 다른 반경을 갖는 슬롯이 상기 연결부를 사이에 두고 교대로 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각 유로는 상기 턴 인슐레이터를 사이에 두고 서로 마주보는 두 개의 상기 컨덕터에 각각 형성되되, 서로 마주보도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 턴 인슐레이터는 판면에 관통 형성되어 상기 슬롯과 연통되는 복수의 연통홀을 포함한다.

상기 턴 인슐레이터는 상기 연결부에 대응하는 부분이 막혀있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 탑 레이어(top layer) 및 바텀 레이어(bottom layer)를 이루며 서로 마주보는 한 쌍의 컨덕터와, 상기 컨덕터가 다단으로 적층되어 로터 바디의 투쓰 사이에 삽입되고, 길이 방향을 따라 냉각 유체가 이동하는 복수의 덕트가 관통 형성된 직선부와, 상기 직선부로부터 연장되어 스핀들의 외주면에 원호 형태로 배치되는 곡선부가 구비되는 코일 턴을 포함하며, 상기 곡선부는 판면에 길이 방향을 따라 형성되어 상기 덕트에 연통되며, 상기 냉각 유체를 상기 덕트로 안내하는 웨이브(wave) 형상의 냉각 유로를 포함하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리를 제공할 수 있다.

상기 냉각 유로는 상기 탑 레이어 및 바텀 레이어에 각각 형성되되, 서로 마주보도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각 유로는 원호 형상의 복수의 슬롯과, 상기 슬롯 사이를 각각 연결하는 연결부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 연결부는 모서리가 유선형인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리는 코일 턴 내에 형성된 냉각 유로의 구조를 웨이브 형태로 변경함으로써 냉각 유체가 코일 턴 내에 접촉하는 접촉 면적을 증가시켜 냉각 효율을 향상시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 로터 어셈블리를 도시한 부분 사시도,
도 2는 도 1의 로터 어셈블리에 따른 주요 부분을 도시한 부분 사시도,
도 3은 도 2에 따른 코일 턴의 주요 부분을 도시한 부분 사시도,
도 4는 도 2에 따른 코일 턴 중 단층 구조의 코일 턴에 따른 냉각 유로를 도시한 단면도,
도 5는 도 2에 따른 코일 턴 중 다층 구조의 코일 턴에 따른 냉각 유로를 도시한 단면도,
도 6은 도 4 및 도 5에 따른 냉각 유로의 주요 부분을 도시한 확대 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 냉각 유로의 다른 실시 예를 도시한 단면도이다.

이하에서는 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 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 부분을 도시한 부분 사시도이며, 도 3은 도 2에 따른 코일 턴의 주요 부분을 도시한 부분 사시도이다.

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(150)을 포함하여 구성된다. 코일 턴(150)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(130)을 포함하여 구성된다. 스핀들(130)의 주위에 복수의 코일 턴(150)이 배치된다.

투쓰(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. 투쓰(112)는 이웃한 투쓰(112)와의 사이 상부 쪽에 후술할 코일 턴(150)의 직선부(154)가 삽입되며, 하부 쪽은 서브 슬롯이 형성되는 부분이다. 서브 슬롯은 투쓰(112)의 사이에 형성되며, 직선부(154)가 투쓰(112)의 사이에 삽입된 상태에서 코일 턴(150)의 하측에 위치하게 된다. 서브 슬롯은 복수의 코일 턴(150)의 직선부(154) 하측으로 유입된 냉각 유체를 투쓰(112)의 사이로 안내함으로써 로터 바디(110)가 냉각되도록 한다.

코일 턴(150)은 다층으로 적층된 컨덕터(152) 및 컨덕터(152)의 사이에 각각삽입되어 컨덕터(152) 간의 절연 역할을 하는 턴 인슐레이터(170)를 포함하여 구성된다.

컨덕터(152)는 투쓰(112)사이에 삽입되는 부분이 직선 형태로 적층되고(직선부), 직선 형태로 적층된 부분에서 스핀들(130)의 외주면을 감싸는 원호 형태로 연장 형성된다(곡선부). 다층으로 적층된 컨덕터(152)의 일측 직선부(154)가 로터(100)의 길이 방향을 따라 투쓰(112)의 사이에 삽입되고, 곡선부(156)가 스핀들 외주면에 배치된 상태에서 타측 직선부(154)가 반대쪽 투쓰(112)의 사이에 삽입되는 대략 'ㄷ'자 형태의 배치를 하나의 코일 턴(150)이라고 한다. 이러한 코일 턴(150)이 로터(100) 상에 복수 개 배치되어 각 투쓰(112)의 사이에 각각 삽입된다. 직선부(154)를 이루는 컨덕터(152)의 판면에는 슬릿(slit) 형상을 갖는 복수의 덕트(150a)가 길이 방향을 따라 관통 형성된다.

곡선부(156)에는 판면에 냉각 유체가 흐를 수 있는 냉각 유로(158)가 형성되는데, 냉각 유로(158)는 직선부(154)의 덕트(150a)로 연결되어 냉각 유체가 덕트(150a) 쪽으로 배출될 수 있도록 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 냉각 유로(158)는 웨이브(wave) 형상으로 형성될 수 있으며, 원호 형상의 복수의 슬롯(158a)과, 각 슬롯(158a)의 사이를 연결하는 연결부(158b)로 구성된다. 연결부(158b)는 직선 형태이며, 복수의 슬롯(158a) 사이에 형성된다.

전술한 냉각 유로는 코일 턴이 단층 구조(1 turn 1 layer)인지 다층 구조(1turn 2 layer)인지에 따라 그 배치가 다소 달라질 수 있다.

도 4는 도 2에 따른 코일 턴 중 단층 구조의 코일 턴에 따른 냉각 유로를 도시한 단면도이고, 도 5는 도 2에 따른 코일 턴 중 다층 구조의 코일 턴에 따른 냉각 유로를 도시한 단면도이며, 도 6은 도 4 및 도 5에 따른 냉각 유로의 주요 부분을 도시한 확대 단면도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 단층 구조의 코일 턴(150)은 턴 인슐레이터(170)가 각각의 컨덕터(152) 사이에 삽입되며, 하나의 턴 인슐레이터(170)를 사이에 두고 서로 마주보는 두 개의 컨덕터(152)에 형성된 냉각 유로(158)가 서로 마주보는 형태가 된다.

냉각 유로(158)를 통해 냉각 유체가 원활하게 흐를 수 있으려면 원호 형상의 슬롯(158a)이 마주보는 다른 냉각 유로(158)의 연결부(158b)와 마주보도록 서로 엇갈리게 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 냉각 유체의 흐름을 방해하지 않도록 턴 인슐레이터(170) 상에도 냉각 유로(158)의 형상을 따라 냉각 유체가 흐를 수 있도록 연통홀(170a)이 판면에 관통 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 턴 인슐레이터(170)는 연결부(158b)에는 접촉하여 마주보는 컨덕터(152) 사이를 절연하되, 슬롯(158a)과는 연통되도록 연통홀(170a)이 구비되는 것이 바람직하다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 다층 구조의 코일 턴(150')은 두 개의 서로 마주보는 컨덕터(152')가 탑 레이어(top layer) 및 바텀 레이어(bottom layer)를 구성하며, 탑 레이어와 바텀 레이어의 사이에 턴 인슐레이터가 삽입되지 않은 것이 특징이다.

이러한 다층 구조의 코일 턴(150')의 경우에도 서로 마주보는 두 개의 컨덕터(152')에 형성된 냉각 유로(158')가 서로 마주보는 형태가 되도록 형성되는 것이 바람직하다. 즉, 하나의 컨덕터(152')에 형성된 슬롯(158a)은 마주보는 컨덕터(152')에 형성된 연결부(158b)와 마주보도록 서로 엇갈리게 배치된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 냉각 유로(158)의 슬롯(158a)과 이웃한 슬롯(158a)의 중심간 거리인 슬롯 피치(W)는 모든 슬롯(158a)에서 동일하게 설계될 수도 있고, 슬롯 피치가 좁은 것과 넓은 것이 교대로 배치되는 형태가 될 수도 있다.

또한, 슬롯(158a)의 원호를 원주로 하는 가상의 원을 기준으로 할 때 그 원의 직경(D1)의 반인 D2는 연결부(158b)의 높이(A)보다 작은 것이 바람직하다. 그 이유는 슬롯(158a)의 반경(D2)이 연결부(158b)의 높이(A)보다 클 경우 슬롯(158a)과 컨덕터(152)의 판면과의 두께가 너무 작아져 컨덕터(152)의 강성에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 따라서 슬롯(158a)의 반경은 연결부(158b)의 높이(A)보다 작게 형성되는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 냉각 유로(158)가 웨이브 형상으로 구비됨으로써 컨턱터(152)와 냉각 유체가 접촉되는 접촉 면적이 커지므로 종래의 직선형 냉각 유로에 비해 컨덕터(152)의 열이 냉각 유체로 좀더 빠르게 전달될 수 있다. 따라서 컨덕터의 냉각 효율이 향상되는 효과가 있다.

냉각 유체가 냉각 유로(158)를 따라 유동할 때 냉각 유체의 유동에 대한 저항을 최소화하기 위해 냉각 유로(158)의 형태를 다음과 같이 변형할 수도 있다.

도 7은 본 발명에 따른 냉각 유로의 다른 실시 예를 도시한 단면도이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 냉각 유로(158)는 슬롯(158a)과 연결부(158b)의 연결 부위가 유선형으로 형성될 수 있다. 이러한 형태의 냉각 유로(158)는 냉각 유체의 유동 시 냉각 유체가 슬롯(158a)에서 연결부(158b)로 넘어갈 때 발생되는 유동 저항이 최소화되는 효과를 나타낸다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 로터 어셈블리는 코일 턴 내에 형성된 냉각 유로의 구조를 웨이브 형태로 변경함으로써 냉각 유체가 코일 턴 내에 접촉하는 접촉 면적을 증가시켜 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: 투쓰
130: 스핀들 150: 코일 턴
150a: 덕트 152: 컨덕터
154: 직선부 156: 곡선부
158: 냉각 유로 170: 턴 인슐레이터
190: 하우징

Claims

복수의 컨덕터(conductor)가 다단으로 적층되며, 로터 바디의 투쓰의 사이에 삽입되고 길이 방향을 따라 냉각 유체가 이동하는 복수의 덕트가 관통 형성된 직선부와, 상기 직선부로부터 연장되어 스핀들의 외주면에 원호 형태로 배치되는 곡선부를 구비하는 복수의 코일 턴과,
상기 컨덕터의 사이에 각각 삽입되어 상기 컨덕터 사이를 절연하는 턴 인슐레이터를 포함하며,
상기 곡선부는 판면에 길이 방향을 따라 형성되어 상기 덕트에 연통되며, 상기 냉각 유체를 상기 덕트로 안내하는 웨이브(wave) 형상의 냉각 유로를 포함하되, 상기 코일 턴을 구성하는 적층 컨덕터의 원호형 슬롯은 상기 냉각 유로의 형상에 따라 상기 냉각 유체가 흐를 수 있도록 이웃한 상기 원호형 슬롯과 상호 연통되는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제1항에 있어서,
상기 냉각 유로는 상기 원호 형상의 복수의 슬롯과, 상기 슬롯 사이를 각각 연결하는 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제2항에 있어서,
상기 연결부는 모서리가 유선형인 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제3항에 있어서,
상기 슬롯의 반경(D2)보다 상기 연결부의 높이(A)가 큰 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제3항에 있어서,
상기 냉각 유로는 동일 반경을 갖는 상기 슬롯이 상기 연결부를 사이에 두고 반복 형성된 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제3항에 있어서,
상기 냉각 유로는 서로 다른 반경을 갖는 슬롯이 상기 연결부를 사이에 두고 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제2항에 있어서,
상기 냉각 유로는 상기 턴 인슐레이터를 사이에 두고 서로 마주보는 두 개의 상기 컨덕터에 각각 형성되되, 서로 마주보도록 형성되는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제7항에 있어서,
상기 턴 인슐레이터는 판면에 관통 형성되어 상기 슬롯과 연통되는 복수의 연통홀을 포함하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제8항에 있어서,
상기 턴 인슐레이터는 상기 연결부에 대응하는 부분이 막혀있는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
탑 레이어(top layer) 및 바텀 레이어(bottom layer)를 이루며 서로 마주보는 한 쌍의 컨덕터와, 상기 컨덕터가 다단으로 적층되어 로터 바디의 투쓰 사이에 삽입되고, 길이 방향을 따라 냉각 유체가 이동하는 복수의 덕트가 관통 형성된 직선부와, 상기 직선부로부터 연장되어 스핀들의 외주면에 원호 형태로 배치되는 곡선부가 구비되는 코일 턴을 포함하며,
상기 곡선부는 판면에 길이 방향을 따라 형성되어 상기 덕트에 연통되며, 상기 냉각 유체를 상기 덕트로 안내하는 웨이브(wave) 형상의 냉각 유로를 포함하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제10항에 있어서,
상기 냉각 유로는 상기 탑 레이어 및 바텀 레이어에 각각 형성되되, 서로 마주보도록 형성되는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제11항에 있어서,
상기 냉각 유로는 원호 형상의 복수의 슬롯과, 상기 슬롯 사이를 각각 연결하는 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제12항에 있어서,
상기 연결부는 모서리가 유선형인 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제12항에 있어서,
상기 슬롯의 반경(D2)보다 상기 연결부의 높이(A)가 큰 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제12항에 있어서,
상기 냉각 유로는 동일 반경을 갖는 상기 슬롯이 상기 연결부를 사이에 두고 반복 형성된 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.
제12항에 있어서,
상기 냉각 유로는 서로 다른 반경을 갖는 슬롯이 상기 연결부를 사이에 두고 교대로 배치되는 것을 특징으로 하는 개선된 냉각 유로를 갖는 로터 어셈블리.