KR101932974B1 - 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기 - Google Patents

방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기 Download PDF

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Abstract

유량의 변동에 따라 작용하는 압력을 효율적으로 제어하여 수중설치에 적합한 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기가 개시된다. 본 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기는 고정자가 수용되는 제1 몸체; 상기 제1 몸체와 연결되도록 마련되는 제2 몸체; 상기 제2 몸체와 연결되도록 마련되어, 상기 제2 몸체와 상기 수차 사이에 배치되는 제3 몸체; 상기 제3 몸체의 내부에 마련되어, 상기 회전자를 지지하여 회전되도록 하는 베어링; 상기 제3 몸체의 내부에 마련되되, 상기 수차와 인접한 제3 몸체의 끝단에 배치되고, 상기 회전자의 축에 연결되어, 상기 회전자의 축과 함께 회전되며, 상기 회전자의 축과 상기 베어링 사이로 물의 침입이 방지되도록 하는 제1 오일 씰(first oil seal); 상기 제3 몸체의 내부에 마련되되, 상기 제2 몸체와 상기 제1 오일 씰 사이에 배치되고, 상기 회전자의 축에 연결되어, 상기 회전자의 축과 함께 회전되며, 상기 회전자의 밀봉을 유지하는 메카니컬 씰(mechanical seal); 및 상기 제3 몸체의 내부에 마련되되, 상기 메카니컬 씰을 감싸도록 형성되어, 상기 메카니컬 씰을 외부의 충격이나 진동으로부터 보호하는 메카니컬 씰 하우징;을 포함한다. 이에 의해, 이송되는 물에 의해 작용하는 압력을 안정적으로 측정하고, 외부에서 확인 가능하도록 하며, 영구자석 동기발전기의 내부에 물이 침입하지 않도록 방수 처리하여, 효율적이고 안정적인 전력 생산을 할 수 있다.

Description

방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기{Waterproof type permanent magnet induction generator with high efficiency for installing underwater}
본 발명은 영구자석 동기발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유량의 변동에 따라 발전기에 작용하는 압력을 효율적으로 제어하여 수중설치에 적합한 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기에 관한 것이다.
일반적으로 물을 이용하여 전기를 발전하는 분야는 댐에 저장된 물이 갖는 위치 에너지를 이용하는데 치중하였으나, 물의 위치 에너지를 확보하기 위한 자연의 입지가 제한되어 있고, 댐의 건설로 인한 환경오염의 문제가 부각되어 수력 에너지를 확보하기가 어려운 점이 있어, 10,000kW 이하의 소규모 발전을 통하여 수력 에너지를 확보하는 소수력 발전(小水力 發電, Small hydro)이 점차 주목받고 있다.
최근에는 산간 및 하천 지역의 댐에 저장된 물을 이용할 뿐만 아니라, 육상 양식장, 생할 하수, 생활 폐수 및 산업 폐수 처리장, 저수지, 보의 배수로 등 500kW 이하의 소규모 발전을 통하여 수력 에너지를 확보하는 초소수력 발전(Microhydro) 역시 등장하여 주목받고 있다.
구체적으로, 육상에 설치되고 해수를 저장하여 어패류를 양식하는 육상 양식장의 경우, 해수를 저장하여 어패류를 양식하도록 하는 수조가 설치되고, 수조는 육상에 설치됨으로써 바다의 해수면보다는 높은 곳에 위치되며, 수조에 저장된 해수를 바다로 배출하는 경우에 중력으로 인해, 해수가 위치에너지 및 운동에너지를 갖게 됨으로써, 배출되는 해수는 수차를 회전시킬 수 있게 되고, 수차의 회전에 의해 소수력 발전 시설에서 전력을 발생할 수 있게 되는 것이다.
이때, 방출되는 해수를 이용하여 전력을 발생하는 소수력 발전기술은 방출되는 해수를 난류 상태에서 층류 상태로 변환하고, 층류 상태의 해수를 이용하여 수차를 회전시키며, 수차에 연결된 소수력 발전기의 회전자가 수차와 함께 회전하며, 전력을 발생하게 된다.
이러한 층류 상태의 해수는 흐름이 일정하여, 방출되는 양에 따라 수압과 유속이 결정되어, 일정한 양의 해수가 방출되는 것이 전력을 발생하기에 바람직하나, 육상 양식장의 경우, 현실적으로 일정한 양의 해수를 지속적으로 방출하기에는 어려움이 있어, 효율적인 전력발생이 불가능하다는 문제가 있다.
또한, 소수력 발전 시설을 수중에 설치하기 때문에, 수차를 통과하는 물이 발전기의 내부로 유입되어, 발전기의 가동이 중단되거나 발전기에 파손되는 문제가 발생할 수 있다.
이에 육상 양식장에서 유량의 변동에 따라 발전기에 작용하는 압력을 효율적으로 제어하며, 수차를 통과하는 물이 발전기의 내부로 유입되지 않도록 하여, 지속적이고 안정적으로 전력을 생산할 수 있는 방안의 모색이 요구된다.
한국등록특허 제10-1850367호(발명의 명칭: 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기) 한국등록특허 제10-1234325호(발명의 명칭: 소수력 발전설비)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 이송되는 물에 의해 작용하는 압력을 안정적으로 측정하고, 외부에서 확인 가능하도록 하여, 효율적이고 안정적으로 전력 생산이 가능한 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 내부에 물이 침입하지 않도록 방수 처리하여, 안정적으로 전력 생산이 가능한 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기는 고정자가 수용되는 제1 몸체; 상기 제1 몸체와 연결되도록 마련되는 제2 몸체; 상기 제2 몸체와 연결되도록 마련되어, 상기 제2 몸체와 상기 수차 사이에 배치되는 제3 몸체; 상기 제3 몸체의 내부에 마련되어, 상기 회전자를 지지하여 회전되도록 하는 베어링; 상기 제3 몸체의 내부에 마련되되, 상기 수차와 인접한 제3 몸체의 끝단에 배치되고, 상기 회전자의 축에 연결되어, 상기 회전자의 축과 함께 회전되며, 상기 회전자의 축과 상기 베어링 사이로 물의 침입이 방지되도록 하는 제1 오일 씰(first oil seal); 상기 제3 몸체의 내부에 마련되되, 상기 제2 몸체와 상기 제1 오일 씰 사이에 배치되고, 상기 회전자의 축에 연결되어, 상기 회전자의 축과 함께 회전되며, 상기 회전자의 밀봉을 유지하는 메카니컬 씰(mechanical seal); 및 상기 제3 몸체의 내부에 마련되되, 상기 메카니컬 씰을 감싸도록 형성되어, 상기 메카니컬 씰을 외부의 충격이나 진동으로부터 보호하는 메카니컬 씰 하우징;을 포함한다.
또한, 본 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기는 상기 제2 몸체의 내부에 마련되되, 상기 회전자의 축에 연결되어, 상기 회전자의 축과 함께 회전되며, 상기 제1 몸체의 내부에 물의 침입이 방지되도록 하는 제2 오일 씰(second oil seal); 및 상기 제2 몸체의 내부에 마련되어, 기설정된 공급 주기마다 상기 제2 오일 씰에 윤활유를 공급하는 윤활유 공급부;를 더 포함할 수 있다.
그리고 본 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기는 상기 제1 몸체, 상기 제2 몸체 및 상기 제3 몸체의 하중을 부담하고, 상기 회전자의 회전에 의한 진동을 흡수하는 하우징; 및 상기 회전자에 연결되어, 상기 회전자의 회전속도가 기설정된 범위를 벗어나지 않도록 토크를 발생시키는 인버터; 상기 제2 몸체의 내부에 마련되어, 상기 제2 몸체의 내부 온도를 측정하는 온도 측정 모듈; 상기 하우징의 내주연에 마련되어, 이송되는 물의 유량에 따라 상기 제1 몸체, 상기 제2 몸체 및 상기 제3 몸체에 작용하는 압력을 측정하는 압력 측정 모듈; 및 상기 회전자의 회전속도가 상기 기설정된 범위를 벗어나지 않도록, 상기 제1 몸체, 상기 제2 몸체 및 상기 제3 몸체에 작용하는 압력의 측정 결과에 따라 상기 인버터를 제어하는 제어 모듈;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압력 측정 모듈은, 상기 하우징의 내주연에 복수로 마련되되, 상기 수차를 통과하는 물의 이송경로를 따라 기설정된 거리간격마다 배치되어, 복수의 측정 지점에서 상기 제1 몸체, 상기 제2 몸체 및 상기 제3 몸체에 작용하는 압력을 개별적으로 측정할 수 있다.
그리고 상기 제어 모듈은, 상기 윤활유 공급부를 통해, 상기 기설정된 공급 주기마다 상기 제2 오일 씰에 윤활유가 공급되도록 하되, 상기 제2 몸체의 내부 온도 측정 결과에 따라 상기 기설정된 공급 주기가 재설정되도록 할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기는 단면이 원형으로 형성되되, 상기 제2 몸체와 상기 제3 몸체 사이에 마련되어, 상기 제2 몸체의 내부에 물의 침입이 방지되도록 하는 제1 오링; 및 단면이 'C'형으로 형성되되, 개방된 일측에 상기 제1 오링이 끼움결합되도록 마련되어, 상기 제1 오링과 끼움결합되면, 물의 침입 경로가 연장되어 상기 제2 몸체의 내부에 물의 침입이 이중으로 방지되도록 하는 제2 오링;을 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 메카니컬 씰 하우징은, 상기 메카니컬 씰을 감싸도록 형성되되, 상기 메카니컬 씰과 접촉 가능한 내부에 물이 수용되도록 내부공간이 마련되어, 상기 내부공간에 수용된 물이 상기 메카니컬 씰에 윤활제 역할 및 냉각수 역할을 수행하도록 할 수 있다.
이에 의해, 이송되는 물에 의해 작용하는 압력을 안정적으로 측정하고, 외부에서 확인 가능하도록 하며, 영구자석 동기발전기의 내부에 물이 침입하지 않도록 방수 처리하여, 효율적이고 안정적인 전력 생산을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기를 이용하는 소수력 발전 시스템이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기를 이용하는 소수력 발전 시스템의 구성을 설명하기 위해 도시된 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기의 구조를 더욱 상세히 설명하기 위해 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기의 구성을 더욱 상세히 설명하기 위해 도시된 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기의 제1 오링과 제2 오링의 구조를 더욱 상세히 설명하기 위해 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기의 제어 모듈과 윤활유 공급부의 동작 특성을 더욱 상세히 설명하기 위해 도시된 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기의 압력 측정 모듈에 대하여 더욱 상세히 설명하기 위해 도시된 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기의 압력 측정 모듈의 구성을 더욱 상세히 설명하기 위해 도시된 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 대해 보다 상세히 설명하기로 한다. 이하에 소개되는 실시예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기(이하에서는 '영구자석 동기발전기'로 총칭함)를 이용하는 소수력 발전 시스템(이하에서는 '소수력발전 시스템'으로 총칭함)이 개략적으로 도시된 도면이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기를 이용하는 소수력 발전 시스템의 구성을 설명하기 위해 도시된 단면도이다.
이하에서는 도 1 내지 도 2를 참조하여 본 실시예에 따른 소수력발전 시스템(10)에 대하여 설명하기로 한다.
본 소수력발전 시스템(10)은 영구자석 동기발전기(100)를 이용하여 전기 에너지가 발생되도록 하기 위해 마련된다.
이를 위해, 소수력발전 시스템(10)은, 유입관(11), 수차(20), 수차용 하우징(30), 흡출관(40), 보호 프레임(50) 및 영구자석 동기발전기(100)로 구성될 수 있다.
유입관(11)은 소수력발전 시스템(10)이 설치된 시설의 수로를 따라 물이 유입되도록 하기 위해 마련된다. 예를 들면, 유입관(11)은 해수를 수용하는 수조에서 방출되는 해수가 바다까지 도달하도록 마련되는 육상 양식장과 같은 시설의 수로에 연결되어, 방출된 해수가 유입관(11)을 통해 유입되도록 할 수 있다. 유입관(11)은 하우징(500)과 연결되기 위해, 유입관용 연결 부재(110)가 구비되어, 유입관(11)으로부터 유입된 물이 수차(20)를 통과하는 과정에서 누수되는 것을 최소화시키고, 유압을 유지시켜 줄 수 있다.
수차(20)는 유입된 물에 의해 회전되어, 운동 에너지를 발생시키기 위해 마련된다. 구체적으로 수차(20)는 러너의 각도, 구면, 길이, 넓이, 회전 시에 발생되는 진동 등이 고려되어 제작된다.
수차용 하우징(30)은 수차(20)를 보호하기 위해 마련된다. 구체적으로, 수차용 하우징(30)은 수차(20)를 둘러 쌓도록 형성되고, 내부에 수차(20)를 수용하도록 마련되어, 유입된 물이 수차(20)를 통과하며, 수차(20)가 회전되는 경우, 유입 과정에서 발생된 거품이 수차(20)의 고속 회전에 의해 터지는 과정 또는 고속 회전에 의해 거품이 발생되는 과정에서, 수차(20)에 전달되는 충격을 흡수하여 수차(20)를 보호할 수 있다.
흡출관(40)은 수차(20)를 통과한 물이 배출되도록 하되, 배출되는 물이 이송되는 과정에서 낙차가 발생되어, 이송되는 물의 유속이 향상되도록 하기 위해 마련된다.
즉, 흡출관(40)을 통해, 이송되는 물의 유속이 향상되면, 수차(20)를 통과하는 물의 유속 역시 향상되고, 이에 따라 수차(20)의 회전속도가 향상되어, 전략 생산 효율이 증가될 수 있으며, 흡출관(40)에 의해, 수차(20)의 회전속도가 향상되는 경우에도, 영구자석 동기발전기(100)는 550~620V의 정격전압에 회전자(410)의 분당 회전수(RPM)가 900~1000RPM을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
그리고 흡출관(40)은 수차를 통과하는 물의 유속을 향상시킴으로써, 수차의 회전속도가 향상되도록 하기 위해, 수차(20)를 통과하는 물과 동일한 높이로 배출되도록 하는 제1 흡출관(41) 및 제1 흡출관(41)에 연결되어 제1 흡출관(41)으로부터 수차(20)를 통과한 물이 유입되어 배출되도록 하되, 제1 흡출관(41) 보다 높이가 낮아 제1 흡출관(41)으로부터 유입되는 물에 낙차가 발생되도록 하는 제2 흡출관(42), 제1 흡출관(41)과 제2 흡출관(42) 사이에 마련되어, 제1 흡츨관과 제2 흡출관(42)을 연결시켜주는 흡출관용 연결 부재(43), 그리고 흡출관용 연결 부재(43)의 내부에 배치되어 외부로 물이 유출되는 것을 방지하도록 하는 복수의 제3 오링(44)으로 구성될 수 있다.
구체적으로 복수의 제3 오링(44)은 니트릴부타디엔 고무(nitrile-butadiene rubber)를 재질로 제조되되, 단면이 원형으로 형성되어, 수차를 통과한 물의 이송방향의 수직방향을 따라 흡출관용 연결 부재의 내측에 마련되되, 제1 흡출관과 흡출관용 연결 부재가 연결되는 제1지점과 제2 흡출관과 흡출관용 연결 부재가 연결되는 제2지점에 각각 배치되어 외부로 물이 유출되는 것을 방지하도록 할 수 있다.
보호 프레임(50)은 수차(20) 및 영구자석 동기발전기(100)와 같은 구성요소들이 보호하기 위해 마련된다. 구체적으로, 보호 프레임(50)은, 본 소수력발전 시스템(10)이 지중에 설치되는 경우, 수차(20) 및 영구자석 동기발전기(100)와 같은 구성요소들이 지면의 하중으로부터 보호되도록, 지면의 하중을 부담하고, 외부로부터 물리적인 충격이 수차(20) 및 영구자석 동기발전기(100)에 전달되지 않도록 보호할 수 있다.
이를 위해, 보호 프레임(50)은 상부 보호 프레임과 하부 보호 프레임으로 구성되며, 각각의 프레임은 부식 대비를 위해, 표면에 부식방지제가 도포될 수 있다.
영구자석 동기발전기(100)는 계통 전원에 연결되는 고정자와 수차(20)에 직렬로 축결합되어, 수차(20)가 회전하면, 함께 회전하는 회전자(125)가 구비되며, 회전자(125)가 회전되면, 기전력이 발생되어 전기 에너지가 발생되도록 하기 위해 마련된다.
구체적으로, 영구자석 동기발전기(100)는 550~620V의 정격전압에 회전자(125)의 분당 회전수(RPM)가 900~1000 RPM을 유지하며, 전기 에너지를 생산할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기의 구조를 더욱 상세히 설명하기 위해 도시된 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기의 구성을 더욱 상세히 설명하기 위해 도시된 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기의 제1 오링(160)과 제2 오링(165)의 구조를 더욱 상세히 설명하기 위해 도시된 도면이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기의 제어 모듈과 윤활유 공급부(155)의 동작 특성을 더욱 상세히 설명하기 위해 도시된 도면이다.
도 3 내지 도 6를 참조하면, 본 영구자석 동기발전기는 이송되는 물에 의해 작용하는 압력을 외부에서 확인 가능하도록 하고, 내부에 물이 침입하지 않도록 방수 처리하여, 효율적이고 안정적으로 전력 생산을 하기 위해 마련된다.
이를 위해, 본 영구자석 동기발전기는 제1 몸체(110), 제2 몸체(115), 제3 몸체(120), 회전자(125), 베어링(130), 메카니컬 씰(135), 메카니컬 씰 하우징(140), 제1 오일 씰(145), 제2 오일 씰(150), 윤활유 공급부(155), 제1 오링(160), 제2 오링(165), 하우징(170), 인버터(미도시), 압력 측정 모듈, 온도 측정 모듈(미도시), 습도 측정 모듈(미도시) 및 제어 모듈로 구성될 수 있다.
제1 몸체(110)는 단면이 원형을 이루는 원통형 형상으로 형성되어, 고정자가 수용되도록 할 수 있으며, 제2 몸체(115)는 제1 몸체(110)와 연결되도록 마련되어, 내부에 제2 오일 씰(150)과 윤활유 공급부(155)가 수용되도록 할 수 있다.
제3 몸체(120)는, 제2 몸체(115)와 연결되도록 마련되어, 제2 몸체(115)와 수차(20) 사이에 배치될 수 있으며, 제3 몸체(120)의 내부에는 베어링(130), 제1 오일 씰(145), 메카니컬 씰(135) 및 메카니컬 씰 하우징(140)이 수용될 수 있다.
이때, 제2 몸체(115)와 제3 몸체(120)는 유선형으로 형성되어, 물과 영구자석 동기발전기 면의 마찰계수를 최소화할 수 있다.
회전자(125)는 수차(20)에 직렬로 축결합되어, 수차(20)가 회전하면, 함께 회전하여 기전력이 발생되어 전기 에너지가 발생되도록 할 수 있으며, 베어링(130)은, 회전자(125)를 지지하여 회전되도록 할 수 있다.
메카니컬 씰(135)은 제3 몸체(120)의 내부에 마련되되, 제2 몸체(115)와 제1 오일 씰(145) 사이에 배치되고, 회전자(125)의 축에 연결되어, 회전자(125)의 축과 함께 회전되며, 회전자(125)의 밀봉을 유지할 수 있다.
구체적으로, 메카니컬 씰(135)은 별도의 기구 없이 조립 가능한 더블타입으로 구현되어, 회전자(125)의 축과 베어링(130) 사이에서 각각 면 접촉하되, 회전자(125)의 축과 함께 회전하며, 회전자(125)가 물에 대하여 밀봉되도록 함으로써, 회전자(125)의 축과 베어링(130) 사이에 물이 침입하는 것을 방지할 수 있다.
메카니컬 씰 하우징(140)은 제3 몸체(120)의 내부에 마련되되, 메카니컬 씰(135)을 감싸도록 형성되어, 메카니컬 씰(135)을 외부의 충격이나 진동으로부터 보호할 수 있다.
나아가 메카니컬 씰 하우징(140)은 메카니컬 씰(135)과 접촉 가능한 내부에 물이 수용되도록 내부공간이 마련되어, 내부공간에 수용된 물이 메카니컬 씰(135)과 회전자(125)의 축이, 면 접촉된 부분이 소손되는 것을 방지하기 위한 윤활제 역할 및 냉각수 역할을 수행할 수 있다.
제1 오일 씰(145)은 제3 몸체(120)의 내부에 마련되되, 수차와 인접한 제3 몸체(120)의 끝단에 배치되고, 회전자(125)의 축에 연결되어, 회전자(125)의 축과 함께 회전되며, 회전자(125)의 축과 베어링(130) 사이로 물의 침입이 방지되도록 할 수 있다.
여기서, 제1 오일 씰(145)은 제3 몸체(120)의 끝단에 배치되어, 수차를 통과하는 물이 윤활제 역할을 수행할 수 있도록, 7.5kgf/cm2 이상의 수압에서도 물의 침입이 방지되도록 설계되는 것이 바람직하다.
제2 오일 씰(150)은 제2 몸체(115)의 내부에 마련되되, 회전자(125)의 축에 연결되어, 회전자(125)의 축과 함께 회전되며, 제1 몸체(110)의 내부에 물의 침입이 방지되도록 할 수 있으며, 윤활유 공급부(155)는 제3 몸체(120)의 내부에 마련되어, 기설정된 공급 주기마다 제2 오일 씰(150)에 윤활유를 공급할 수 있다.
구체적으로 설명하면, 제2 오일 씰(150)은 메카니컬 씰(135)과 유사하게 회전자(125)의 축과 면 접촉하되, 회전자(125)의 회전 시 발생되는 압력에 의해, 회전자(125)의 축과 면 접촉된 부분이 메카니컬 씰(135) 보다 상대적으로 더욱 밀착하게 되어, 회전자(125)의 축과 면 접촉된 부분이 회전으로 인해 소손될 가능성이 상대적으로 더 높기 때문에, 윤활유 공급부(155)를 통해, 기설정된 공급 주기마다 회전자(125)의 축과 면 접촉된 부분에 윤활유가 공급되도록 할 필요가 있다.
즉, 윤활유 공급부(155)는, 윤활유가 저장된 외부로부터 회전자(125)의 축과 면 접촉된 부분까지 연장형성된 그리스 공급 노즐이 구비되어, 특정 기간 또는 회전자(125)의 특정 회전 주기에 따라 설정되는 공급 주기에 따라 회전자(125)의 축과 면 접촉된 부분에 윤활유를 공급할 수 있다.
한편, 제1 오링(160)은 니트릴부타디엔 고무를 재질로 제조되되, 단면이 원형으로 형성되며, 제2 몸체(115)와 제3 몸체(120) 사이에 마련되어, 제2 몸체(115)의 내부에 물의 침입이 방지되도록 할 수 있다.
제2 오링(165)은 제1 오링(160)과 마찬가지로 니트릴부타디엔 고무를 재질로 제조되되, 도 5a 내지 도 5b에 도시된 바와 같이 단면이 'C'형으로 형성되되, 개방된 일측에 제1 오링(160)이 끼움결합되도록 마련되어, 제1 오링(160)과 끼움결합된 상태로 제2 몸체(115)의 내부에 물의 침입이 이중으로 방지되도록 할 수 있다.
여기서, 도 5a는 끼움결합되기 이전의 제1 오링(160)과 제2 오링(165)의 단면을 도시한 도면이고, 도 5b는 제1 오링(160)이 제2 오링(165)에 끼움결합된 상태의 단면을 도시한 도면이며, 도 5c는 제1 오링(160)이 제2 오링(165)에 끼움결합된 상태를 위에서 바라본 모습을 도시한 도면이다.
정리하면, 본 영구자석 동기발전기(100)는, 제2 몸체(115)와 제3 몸체(120) 사이에 제1 오링(160)과 제1 오링(160)과 제2 오링(165)이 끼움결합된 상태로 배치되어, 내부로 침입하는 물의 침입 경로가 연장되도록 하여, 방수효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
하우징(170)은 유입된 물이 제1 몸체(110), 제2 몸체(115) 및 제3 몸체(120)와 직렬로 축결합된 수차(20)를 통과하도록 하는 이송경로를 제공하되, 제1 몸체(110), 제2 몸체(115) 및 제3 몸체(120)를 고정시키고, 보호하기 위해 마련된다.
더불어, 하우징(170)은 제1 몸체(110), 제2 몸체(115) 및 제3 몸체(120)의 하중을 부담하고, 회전자(125)의 회전에 의해 발생되는 진동을 흡수할 수 있다.
이를 위해, 하우징(170)은 몸체를 이루는 바디부와 바디부에 연결되어, 유입된 물의 흐름을 변화시키는 가이드 베인 하우징부로 구성될 수 있다.
가이드 베인 하우징부는 바디부에 연결되도록 마련되되, 수차(20)에 인접한 바디부의 일측에 연결되도록 형성된 가이드 베인 타입으로 마련되어, 수차(20)에 인접한 바디부의 일측에 연결되도록 형성되어, 유입된 물의 흐름을 변화시킴으로써, 수차(20)를 향하여 이송되도록 유도할 수 있다.
이를 통해, 수차(20)를 통과하는 물의 유속을 향상시킬 수 있으며, 통과하는 물의 유속이 향상되면, 수차(20)의 회전속도가 향상되어, 전략 생산 효율이 증가될 수 있다.
다만, 수차(20)의 회전속도가 향상되는 경우에도, 영구자석 동기발전기(100)는 550~620V의 정격전압에 회전자(125)의 분당 회전수(RPM)가 900~1000 RPM을 유지하도록 하는 것이 바람직하다.
인버터(미도시)는 회전자(125)와 연결되어, 회전하는 회전자(125)에 토크(torque)가 발생되도록 하여, 회전자(125)의 회전속도가 기설정된 범위에 벗어나지 않도록 할 수 있다.
구체적으로 인버터는 회전자(125)의 회전속도가 기설정된 범위를 초과하면, 회전자(125)의 회전방향의 역방향 토크를 발생시켜, 회전자(125)의 회전속도를 감소시킬 수 있으며, 반대로, 회전자(125)의 회전속도가 기설정된 범위 이하인 경우, 정방향 토크를 발생시켜, 회전속도를 증가시킬 수 있다.
이를 통해, 유입되는 물의 유량이 일정하지 못한 경우에도, 회전자(125)의 회전속도를 기설정된 범위 이내로 유지하여, 영구자석 동기발전기(100)가 안정적으로 구동되도록 할 수 있다.
압력 측정 모듈(175)은 하우징(170)의 내부에 배치되어, 유입된 물의 유량에 따라 제1 몸체(110), 제2 몸체(115) 및 제3 몸체(120)에 작용하는 압력(수압 및 유압)을 측정하기 위해 마련된다.
온도 측정 모듈(미도시) 및 습도 측정 모듈(미도시)은 영구자석 동기발전기(100)의 내부 온도 및 내부 습도를 측정하기 위해 마련된다.
제어 모듈(미도시)은 소수력발전 시스템(10)의 구성요소들을 제어하여, 소수력발전 시스템(10)이 안정적으로 구동되도록 하기 위해 마련된다.
구체적으로, 압력 측정 모듈(175) 및 온도 측정 모듈은 측정된 측정 결과를 제어 모듈에 전달하고, 제어 모듈은 별도로 마련되는 정보표시 수단과 연결되어, 수신된 측정 결과가 외부에서 확인 가능하도록 할 수 있으며, 나아가 수신된 측정 결과에 따라 인버터를 제어하여, 영구자석 동기발전기(100)가 안정적으로 구동되도록 할 수 있다.
일 예를 들면, 제어 모듈은 회전자(125)의 회전속도가 900rpm 내지 1000rpm을 벗어나지 않도록, 인버터를 제어하여 압력 측정 모듈(175)로부터 수신된 압력의 측정 결과가 0.5~5kgf/cm2를 유지하도록 하되, 제1 몸체(110), 제2 몸체(115) 및 제3 몸체(120)에 작용하는 압력의 측정 결과가 클수록, 회전자(125)의 회전속도가 증가되도록 제어할 수 있다.
또한, 다른 예를 들면, 제어 모듈은, 습도 측정 모듈로부터 수신된 습도의 측정 결과가 기설정된 값을 초과하는 경우에도, 관리자의 입력 없이도, 소수력발전 시스템(10)의 가동이 강제 중단되도록 하여, 영구자석 동기발전기(100)의 손상을 예방할 수 있다.
그리고 또 다른 예를 들면, 제어 모듈은, 윤활유 공급부(155)가 제2 오일 씰(150)에 기설정된 공급 주기에 따라 윤활유를 공급하도록 하되, 온도 측정 모듈로부터 수신된 제2 몸체(115)의 내부 온도 측정 결과에 따라 윤활유의 공급 주기를 재설정할 수 있다.
일 예를 들면, 제어 모듈은, 도 6에 도시된 바와 같이 온도 측정 모듈을 이용하여 제2 몸체(115)의 내부 온도를 측정하고(S610), 제2 몸체(115)의 내부 온도 측정 결과에 따라 윤활유를 공급하는 공급 주기를 설정할 수 있다(S620).
그리고 제어 모듈은, 설정된 공급 주기가 도래하면(S630-Yes), 윤활유 공급부(155)가 회전자(125)의 축과 면 접촉된 부분에 윤활유를 공급하도록 제어하여(S640), 회전자(125)의 축과 면 접촉된 부분이 회전으로 인해 소손을 방지할 수 있다.
이를 통해, 영구자석 동기발전기(100)의 내부에 물이 침입하지 않도록 방수 처리하여, 효율적이고 안정적인 전력 생산을 할 수 있다.
더불어, 제어 모듈은, 영구자석 동기발전기(100)에 전원을 공급하기 위한 전원 라인과 내부에 누수를 방지할 수 있는 방수 처리된 제어 모듈용 하우징이 구비될 수 있다. 이때, 제어 모듈용 하우징은, 용접을 통해 1차 방수 처리된 후, 실리콘 마감을 통해 2차 방수 처리될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기의 압력 측정 모듈에 대하여 더욱 상세히 설명하기 위해 도시된 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기의 압력 측정 모듈의 구성을 더욱 상세히 설명하기 위해 도시된 도면이다.
도 7 내지 도 8을 참조하면, 압력 측정 모듈(175)은 복수로 마련되어, 복수의 측정 지점에서 제1 몸체(110), 제2 몸체(115) 및 제3 몸체(120)에 작용하는 압력을 개별적으로 측정되도록 할 수 있다.
일 예를 들면, 압력 측정 모듈(175)은 하우징(170)을 옆에서 바라본 모습을 개략적으로 도시한 도 7a 및 하우징(170)을 앞에서 바라본 모습을 개략적으로 도시한 도 7b와 같이 하우징(170)의 내주연에 복수로 마련되되, 셋 이상 마련되는 경우, 수차를 통과하는 물의 이송경로를 따라 기설정된 거리간격마다 배치되어, 각각의 측정지점에서 제1 몸체(110), 제2 몸체(115) 및 제3 몸체(120)에 작용하는 압력을 개별적으로 측정되도록 할 수 있어, 제1 몸체(110), 제2 몸체(115) 및 제3 몸체(120)에 작용하는 압력을 보다 안정적이고, 정밀하게 측정할 수 있으며, 이를 통해, 효율적이고 안정적인 전력 생산을 할 수 있다.
또한, 압력 측정 모듈(175)은, 도 8에 도시된 바와 같이 압력 측정 센서(176), 압력 측정 센서(176)를 감싸는 형태로 마련되는 방수 캡(177), 방수 캡(177)과 압력 측정 센서(176)가 결합되어 고정되도록 하는 헤드(178)와 헤드(178)에 삽입되는 고정 부재(179)로 구성됨으로써, 몸체를 감싸는 방수 수단이 마련되어, 높은 방수 능력을 확보할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
10 : 소수력발전 시스템
11 : 유입관 11a : 유입관용 연결 부재
20 : 수차 30 : 수차용 하우징
40 : 흡출관(draft tube) 41 : 제1 흡출관
42 : 제2 흡출관 43 : 흡출관용 연결 부재
44 : 제3 오링 50 : 보호 프레임
100 : 영구자석 동기발전기 110 : 제1 몸체
115 : 제2 몸체 120 : 제3 몸체
125 : 회전자 130 : 베어링
135 : 메카니컬 씰(mechanicah seal)
140 : 메카니컬 씰 하우징
145 : 제1 오일 씰(first oil seal)
150 : 제2 오일 씰(second oil seal)
155 : 윤활유 공급부 160 : 제1 오링
165 : 제2 오링 170 : 하우징
175 : 압력 측정 모듈 176 : 압력 측정 센서
177 : 방수 캡 178 : 헤드
179 : 고정 부재

Claims (7)

  1. 계통 전원에 연결되는 고정자와 수차에 직렬로 축결합되어, 상기 수차가 회전하면, 함께 회전하는 회전자가 구비되며, 상기 회전자가 회전되면, 기전력이 발생되어 전기 에너지가 발생되도록 하는 영구자석 동기발전기에 있어서,
    상기 고정자가 수용되는 제1 몸체;
    상기 제1 몸체와 연결되도록 마련되는 제2 몸체;
    상기 제2 몸체와 연결되도록 마련되어, 상기 제2 몸체와 상기 수차 사이에 배치되는 제3 몸체;
    상기 제3 몸체의 내부에 마련되어, 상기 회전자를 지지하여 회전되도록 하는 베어링;
    상기 제3 몸체의 내부에 마련되되, 상기 수차와 인접한 제3 몸체의 끝단에 배치되고, 상기 회전자의 축에 연결되어, 상기 회전자의 축과 함께 회전되며, 상기 회전자의 축과 상기 베어링 사이로 물의 침입이 방지되도록 하는 제1 오일 씰(first oil seal);
    상기 제3 몸체의 내부에 마련되되, 상기 제2 몸체와 상기 제1 오일 씰 사이에 배치되고, 상기 회전자의 축에 연결되어, 상기 회전자의 축과 함께 회전되며, 상기 회전자의 밀봉을 유지하는 메카니컬 씰(mechanical seal); 및
    상기 제3 몸체의 내부에 마련되되, 상기 메카니컬 씰을 감싸도록 형성되어, 상기 메카니컬 씰을 외부의 충격이나 진동으로부터 보호하는 메카니컬 씰 하우징;을 포함하고,
    상기 제2 몸체의 내부에 마련되되, 상기 회전자의 축에 연결되어, 상기 회전자의 축과 함께 회전되며, 상기 제1 몸체의 내부에 물의 침입이 방지되도록 하는 제2 오일 씰(second oil seal); 및
    상기 제2 몸체의 내부에 마련되어, 기설정된 공급 주기마다 상기 제2 오일 씰에 윤활유를 공급하는 윤활유 공급부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 몸체, 상기 제2 몸체 및 상기 제3 몸체의 하중을 부담하고, 상기 회전자의 회전에 의한 진동을 흡수하는 하우징; 및
    상기 회전자에 연결되어, 상기 회전자의 회전속도가 기설정된 범위를 벗어나지 않도록 토크를 발생시키는 인버터;
    상기 제2 몸체의 내부에 마련되어, 상기 제2 몸체의 내부 온도를 측정하는 온도 측정 모듈;
    상기 하우징의 내주연에 마련되어, 이송되는 물의 유량에 따라 상기 제1 몸체, 상기 제2 몸체 및 상기 제3 몸체에 작용하는 압력을 측정하는 압력 측정 모듈; 및
    상기 회전자의 회전속도가 상기 기설정된 범위를 벗어나지 않도록, 상기 제1 몸체, 상기 제2 몸체 및 상기 제3 몸체에 작용하는 압력의 측정 결과에 따라 상기 인버터를 제어하는 제어 모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 압력 측정 모듈은,
    상기 하우징의 내주연에 복수로 마련되되, 상기 수차를 통과하는 물의 이송경로를 따라 기설정된 거리간격마다 배치되어, 복수의 측정 지점에서 상기 제1 몸체, 상기 제2 몸체 및 상기 제3 몸체에 작용하는 압력을 개별적으로 측정하는 것을 특징으로 하는 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어 모듈은,
    상기 윤활유 공급부를 통해, 상기 기설정된 공급 주기마다 상기 제2 오일 씰에 윤활유가 공급되도록 하되, 상기 제2 몸체의 내부 온도 측정 결과에 따라 상기 기설정된 공급 주기가 재설정되도록 하는 것을 특징으로 하는 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기.
  6. 제3항에 있어서,
    단면이 원형으로 형성되되, 상기 제2 몸체와 상기 제3 몸체 사이에 마련되어, 상기 제2 몸체의 내부에 물의 침입이 방지되도록 하는 제1 오링; 및
    단면이 'C'형으로 형성되되, 개방된 일측에 상기 제1 오링이 끼움결합되도록 마련되어, 상기 제1 오링과 끼움결합되면, 물의 침입 경로가 연장되어 상기 제2 몸체의 내부에 물의 침입이 이중으로 방지되도록 하는 제2 오링;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 메카니컬 씰 하우징은,
    상기 메카니컬 씰을 감싸도록 형성되되, 상기 메카니컬 씰과 접촉 가능한 내부에 물이 수용되도록 내부공간이 마련되어, 상기 내부공간에 수용된 물이 상기 메카니컬 씰에 윤활제 역할 및 냉각수 역할을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 방수형 고효율 수중설치 영구자석 동기발전기.
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