KR102069594B1 - 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조 및 이를 포함하는 발전기 - Google Patents

고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조 및 이를 포함하는 발전기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조 및 이를 포함하는 발전기에 관한 것으로, 고정자 프레임의 내면을 따라 복수의 단으로 적층되는 고정자 철심을 압축 고정하기 위해, 고정자 프레임상에서 고정자 철심의 적어도 일단부에 배치되는 고정자 플랜지 및 상기 고정자 철심에 배치되는 고정자 권선에 의해 상기 고정자 플랜지상에 발생되는 와전류손실을 완화하기 위해, 상기 고정자 플랜지에 형성되는 슬릿 또는 돌기 형상의 와전류손실 완화 수단을 포함하여 구성될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 고정자 플랜지의 표면에 슬릿 또는 돌기 형상을 배치하여 와전류 발생 면적을 감소시켜 궁극적으로 고정자 권선의 와전류손실을 완화하는 효과가 있다.

Description

고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조 및 이를 포함하는 발전기{Eddy current loss mitigation structure of stator flange and generator having the same}
본 발명은 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조 및 이를 포함하는 발전기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고정자 플랜지의 표면에 슬릿(slit) 또는 돌기 형상을 배치하여 와전류 발생 면적을 감소시켜 궁극적으로 고정자 권선의 와전류손실을 완화하는 구조 및 발전기에 관한 것이다.
발전기에는 여러 종류가 있다. 터빈과 같이 작동유체를 이용한 회전력으로 전력을 생산하는 방식, 전자기적 유도현상을 이용한 회전력으로 전력을 생산하는 방식 등이 있다. 그 밖에 언급하지는 않았으나 다른 방식도 있다.
여기서 전자기적 유도현상을 이용한 발전기는 고정자와 회전자의 상호작용으로 전력을 생산한다.
발전기 케이싱(casing)의 내부에 고정자프레임(stator frame)이 배치되고, 고정자프레임의 내측 둘레에는 고정자철심(stator core)가 배치된다. 그리고 고정자철심에는 슬롯(slot)이 형성되고, 슬롯의 내부에는 복수개의 고정자 권선(stator winding)이 배치된다. 그 밖에 다른 부품들이 있으나, 가장 기본적인 상기 부품들을 포함하여 고정자(stator)로 지칭된다.
회전자(rotor)는 고정자의 중앙에 배치되며, 이러한 회전자는 기본적으로 회전자 샤프트(rotor shaft)와 회전자 샤프트의 외주면에는 코일 웨지(coil wedge)가 가공되고 코일 웨지에는 계자 권선(field winding)이 배치된다. 그 밖에 다른 부품들이 추가된다.
전자기적 유도현상을 이용한 발전기의 경우, 일반적으로 안정적인 교류 3상전압을 적용하고 있으며, 교류가 고정자권선을 흐를 때 자속의 변화를 일으키게 되고, 이때 자속의 변화를 방해하는 방향으로 와전류가 발생된다.
와전류가 발생되면, 와전류에 의한 전력이 발생하고 이는 줄열로 변환되어 열손실을 일으킨다. 이를 와전류손실이라고 칭한다.
이러한 고정자 권선에 흐르는 교류에 의한 와전류 손실을 완화하기 위해 현대의 발전기는 고정자철심을 얇은 박판으로 만들어 복수의 단으로 적층하는 구조를 채택하고 있다. 그리고 열을 발산시키기 위해 복수의 단으로 적층된 고정자철심으로 냉각가스를 순환시킨다.
도 1에는 종래 발전기(10)의 고정자플랜지 구조가 게시되어 있다. 도 1를 참고하면, 고정자프레임(31)의 원통 형상의 내부에 배치된 키바(key bar;고정자철심이 끼움결합되는 부분;미도시)에 박판 형태로 복수의 단으로 적층된 고정자철심(33)이 배치되고, 고정자철심(33)에 형성된 슬롯에는 복수 개의 고정자권선(37)이 배치된다.
복수의 단으로 적층된 고정자철심(33)의 단부에는 고정자플랜지(35)가 배치되며, 고정자플랜지(35)가 고정자철심(33)을 가압 고정하게 된다.
그리고 고정자(30)의 중심부에는 회전자(20)가 배치되고, 회전자(20)는 회전자 샤프트(21)와 회전자 샤프트(21)의 외주면에 배치되는 코일 웨지(23)가 배치되고, 코일 웨지(23)에는 복수의 계자 권선(25)이 배치된다.
종래 발전기(10)의 경우 교류 3상 전압이 흐르면, 고정자철심(33)의 경우 상기된 구조에 의해 와전류손실이 완화되나, 고정자철심(33)의 단부에 배치되고, 고정자권선(37)의 수직면이 되는 고정자플랜지(35)의 표면상에 발생되는 와전류손실은 완화되지 않는다.
특히 고정자권선(37)에 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장이 입사하는 거리가 가까울수록 와전류가 상대적으로 크게 발생하므로 고정자플랜지(35)의 단부면 표면에서 고정자플랜지(35)의 내부보다 와전류가 상대적으로 크게 발생하게 된다. 물론 금속의 성질상 내부보다는 표면에서 전류의 흐름이 크게 일어난다.
여기서 도 2를 참고하면, 종래 발전기(10)의 고정자 플랜지(35) 형상의 경우, 원주방향으로 배치되는 복수개의 고정자권선(37)에서 발생되는 와전류 손실값이 고정자플랜지(35)의 표면에서 높은 값으로 형성되고 있음을 확인할 수 있다.
일반적으로 알려진 와전류손실 공식 중의 하나는 다음과 같다.
P ∝ B2 d2 f2 / k ρ D
P(와전류손실,W/kg), B(최대 자속밀도,T), d(재질 두께,m), f(주파수 Hz), (평형상수), ρ(재질 저항, Ωm), D(재질 밀도, kg/m3 )
상기 공식을 참고하면, P ∝ d2 / ρ D의 관계상 단위는 m2 / (Ωm ×kg/m3) = m4 / (Ω×kg)가 된다. 즉 와전류손실(P)은 입사하는 면적(d2)의 제곱 단위(m4)에 비례하여 증가하므로, 종래 매끄럽게 가공된 고정자플랜지(35)의 표면에서는 와전류손실은 완화되는 것을 기대하기 어렵다.
미국특허 등록번호: US3731127 A
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 고정자 플랜지의 표면에 슬릿 또는 돌기 형상을 배치하여 와전류 발생 면적을 감소시켜 궁극적으로 고정자 권선의 와전류손실을 완화하는 구조 및 발전기를 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조 및 이를 포함하는 발전기에 관한 것으로, 고정자 프레임의 내면을 따라 복수의 단으로 적층되는 고정자 철심을 압축 고정하기 위해, 고정자 프레임상에서 고정자 철심의 단부에 배치되는 고정자 플랜지; 및 상기 고정자 철심에 권선되는 고정자 권선에 의해 상기 고정자 플랜지상에 발생되는 와전류손실을 완화하기 위해, 상기 고정자 플랜지에 형성되는 슬릿 형상의 와전류손실 완화 수단;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지상에서 방사방향으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지의 내측 단부에서 외측 단부를 이으며, 직선형으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지의 내측 단부에서 외측 단부를 이으며, 유선형으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지의 원주방향을 따라 복수개가 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지의 내측 단부와 외측 단부에서 각각 소정 간격 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지의 내측에서 외측으로 갈수록 호의 길이가 커지는 부채꼴 홈 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지의 원주방향을 따라 복수개가 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 고정자 플랜지의 강성 보강을 위해, 상기 슬릿상에는 서포트바가 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 서포트바의 상부면에 와전류가 발생되는 것을 방지하도록, 상기 서포트바의 상부면 높이는 상기 고정자플랜지에 형성된 돌출부의 상부면 높이보다 낮게 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬릿의 양측벽을 형성하는 상기 고정자 플랜지의 돌출부 단면 형상은 끝단이 라운딩 처리된 기둥 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 슬릿을 형성하는 상기 고정자 플랜지의 돌출부 단면 형상은 삼각 기둥 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 고정자 플랜지의 표면에 발생되는 와전류를 감소시키도록, 상기 슬릿의 내측에는 절연부재가 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 고정자 프레임의 내면을 따라 복수의 단으로 적층되는 고정자 철심을 압축 고정하기 위해, 고정자 프레임상에서 고정자 철심의 적어도 일단부에 배치되는 고정자 플랜지; 및 상기 고정자 철심에 배치되는 고정자 권선에 의해 상기 고정자 플랜지상에 발생되는 와전류손실을 완화하기 위해, 상기 고정자 플랜지에 형성되는 돌기 형상의 와전류손실 완화 수단;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 돌기는, 상기 고정자 플랜지상에서 방사방향으로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 돌기는, 상기 고정자 플랜지의 방사방향으로 복수개로 분할 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 돌기는 원기둥 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 돌기는, 상기 고정자 플랜지의 내측에서 외측으로 갈수록 호의 길이가 커지는 부채꼴 기둥 형상일 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 고정자 플랜지의 표면에 발생되는 와전류를 감소시키도록, 상기 고정자 플랜지상에서 상기 돌기의 둘레에는 절연부재가 배치될 수 있다.
본 발명인 발전기는 외주면을 따라 계자 권선이 배치되는 회전자; 내주면을 따라 고정자 권선이 배치되는 고정자 철심과, 상기 고정자 철심이 내주면에 적층되는 고정자 프레임을 포함하는 고정자; 및 상기 고정자 프레임상에서 상기 고정자 철심의 단부에 배치되는 제1항 또는 제14항의 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조;를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고정자 플랜지의 표면에 슬릿(slit) 또는 돌기 형상을 배치하여 고정자 철심 단부에서의 와전류 발생 면적을 감소시킴으로써, 궁극적으로 고정자 권선을 흐르는 교류에 의해 발생되는 와전류손실을 완화하여 발전기의 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 종래 발전기의 고정자플랜지 구조를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 게시된 고정자플랜지에서의 와전류 발생 상태를 게시한 실험데이터.
도 3은 본 발명인 발전기의 고정자플랜지 슬릿 구조에 대한 제1 실시예를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명인 발전기의 고정자플랜지 슬릿 구조에 대한 제2 실시예를 나타낸 도면.
도 5는 도 3 및 도 4에 게시된 고정자플랜지에서의 와전류 발생 상태를 게시한 실험데이터.
도 6은 본 발명인 발전기의 고정자플랜지 슬릿 구조에 대한 제3 실시예를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명인 발전기의 고정자플랜지 슬릿 구조에 대한 제4 실시예를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명인 발전기의 고정자플랜지 돌기 구조에 대한 제1 실시예를 나타낸 도면.
도 9는 본 발명인 발전기의 고정자플랜지 돌기 구조에 대한 제2 실시예를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명인 고정자플랜지의 둘출부 측단면 구조에 대한 제1 형태를 나타낸 도면.
도 11은 본 발명인 고정자플랜지의 둘출부 측단면 구조에 대한 제2 형태를 나타낸 도면.
도 12는 본 발명인 고정자플랜지의 둘출부 측단면 구조에 대한 제3 형태를 나타낸 도면.
도 13은 본 발명인 고정자플랜지의 둘출부 측단면 구조에 대한 제4 형태를 나타낸 도면.
도 14는 본 발명인 고정자플랜지의 둘출부 측단면 구조에 대한 제5 형태를 나타낸 도면.
도 15은 본 발명인 고정자플랜지의 슬릿에 절연부재가 배치된 상태를 나타낸 도면.
도 16a 및 도 16b는 종래 고정자 플랜지의 단부면에서의 와전류 발생과 본원발명의 돌출부의 상부면에서의 와전류 발생을 비교한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조 및 이를 포함하는 발전기의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명인 발전기(10)의 고정자 플랜지(35) 슬릿(51) 구조에 대한 제1 실시예를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명인 발전기(10)의 고정자 플랜지(35) 슬릿(51) 구조에 대한 제2 실시예를 나타낸 도면이고, 도 5는 도 3 및 도 4에 게시된 고정자 플랜지(35)에서의 와전류 발생 상태를 게시한 실험데이터이다.
그리고 도 6은 본 발명인 발전기(10)의 고정자 플랜지(35) 슬릿(51) 구조에 대한 제3 실시예를 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명인 발전기(10)의 고정자 플랜지(35) 슬릿(51) 구조에 대한 제4 실시예를 나타낸 도면이다.
그리고 도 8은 본 발명인 발전기(10)의 고정자 플랜지(35) 돌기(56) 구조에 대한 제1 실시예를 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명인 발전기(10)의 고정자 플랜지(35) 돌기(56) 구조에 대한 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
그리고 도 10은 본 발명인 고정자 플랜지(35)의 둘출부 측단면 구조에 대한 제1 형태를 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명인 고정자 플랜지(35)의 둘출부 측단면 구조에 대한 제2 형태를 나타낸 도면이며, 도 12는 본 발명인 고정자 플랜지(35)의 둘출부 측단면 구조에 대한 제3 형태를 나타낸 도면이고, 도 13은 본 발명인 고정자 플랜지(35)의 둘출부 측단면 구조에 대한 제4 형태를 나타낸 도면이며, 도 14는 본 발명인 고정자 플랜지(35)의 둘출부 측단면 구조에 대한 제5 형태를 나타낸 도면이고, 도 15은 본 발명인 고정자 플랜지(35)의 슬릿(51)에 절연부재(70)가 배치된 상태를 나타낸 도면이다.
본 발명인 고정자 플랜지(35)의 와전류손실 완화 구조는 고정자 플랜지(35) 및 와전류손실 완화 수단(51,53)을 포함하여 구성될 수 있다.
고정자 철심(33)은 고정자 프레임(31)의 원통 형상의 내부에 배치된 키바(key bar;고정자 철심(33)이 끼움결합되는 부분;미도시)에 0.35mm~0.5mm 정도의 박판 형태로 복수의 단으로 적층되며 배치된다. 그리고 고정자 철심(33)에 형성된 슬롯에는 복수 개의 고정자 권선(37)이 권선되어 배치된다.
복수의 단으로 적층된 고정자 철심(33)의 단부에는 고정자 플랜지(35)가 배치되며, 고정자 플랜지(35)가 고정자 철심(33)을 가압하여 압축 고정하게 된다.
그리고 고정자(30)의 중심부에는 회전자(20)가 배치되고, 회전자(20)는 원통 형상의 회전자 샤프트(21)와, 회전자 샤프트(21)의 외주면 축방향을 따라 배치되는 코일 웨지(23) 및 코일 웨지(23)에는 권선되는 복수의 계자 권선(25)을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 발전기(10)는 교류 3상 전압을 사용하며, 고정자 철심(33)은 상기와 같이 복수의 단으로 박판 적층 구조에 의해 와전류손실이 완화된다.
여기서 상기 와전류손실 완화 수단(51,53)은 고정자 권선(37)에 의해 고정자 권선(37)의 수직면에 해당하는 고정자 플랜지(35)의 표면상에 발생되는 와전류손실을 완화하기 위해 고정자 플랜지(35)의 표면상에 슬릿(51) 또는 돌기(56) 형상으로 배치될 수 있다.
우선 도 3 및 도 4를 참고하면, 발전기(10)의 고정자 플랜지(35) 슬릿(51) 구조에 대한 제1,2 실시예에서는 상기 와전류손실 완화 수단은 슬릿(51) 형상으로 배치될 수 있으며, 상기 슬릿(51)은 상기 고정자 플랜지(35)상에서 방사방향으로 형성될 수 있다.
도 3에서는 고정자 플랜지(35)의 내측 단부(35a)에서 외측 단부(35b)를 이으며 직선형으로 형성되어 있는 와전류손실 완화 수단(51)을 확인할 수 있으며, 도 4에서는 고정자 플랜지(35)의 내측 단부(35a)에서 외측 단부(35b)를 이으며 유선형으로 형성되어 있는 와전류손실 완화 수단(51)을 확인할 수 있다. 이러한 상기 슬릿(51)은 상기 고정자 플랜지(35)의 원주방향을 따라 복수개가 배치될 수 있다.
도 5에는 도 3 및 도 4에 게시된 슬릿(51) 형상을 바탕으로 한 와전류 분포를 나타낸 실험데이터가 게시되어 있다. 도 13에는 도 5에 게시된 실험데이터의 기본 모델이 되며, 슬릿(51)의 양측벽을 형성하는 고정자 플랜지(35)의 돌출부(36)인 사각 기둥 형상이 게시되어 있다.
도 5에서, 복수개의 고정자 권선(37, 복수로 나열된 황색 블록)이 고정자 철심(33)의 슬롯에 원주방향을 따라 권선된 상태는 실험데이터의 상부에 표시된다. 그리고 고정자 플랜지(35, 요철 형상의 블록)의 표면은 실험데이터의 하부에 표시된다.
고정자 권선(37)에 전류가 흐름에 따라 발생되는 자기장은 대기 중을 거쳐 고정자 플랜지(35)로 입사하게 된다. 따라서 고정자 플랜지(35)의 단부면이 거리상으로 가장 가까워 고정자 플랜지(35)의 표면상에서 와전류가 가장 강하게 발생된다. 물론 고정자 플랜지(35)의 내부에서도 약하게 발생할 수 있다.
도 5의 실험데이터 및 도 13의 돌출부(36) 사각 기둥 형상을 살펴보면, 와전류(화살표)는 개별 슬릿(51)이 홈을 이루도록 하는 고정자 플랜지(35)의 돌출부(36) 상부면에 발생하는 것을 확인할 수 있다. 물론 고정자 플랜지(35)의 내부에서도 발생되나 상대적으로 그 크기는 약하다.
본원발명에서는 고정자 플랜지(35)의 단부면에 슬릿 가공에 따라 돌출부(36)가 형성되어 실질적인 와전류 입사면적이 감소되게 된다. 따라서 와전류손실은 고정자 플랜지(35)의 단부에서는 돌출부(36)의 상부면 면적만큼으로 감소하여 발생하게 되므로, 전반적으로 고정자 플랜지(35)의 단부면에서의 와전류손실값은 감소하게 된다.
여기서 일반적으로 알려진 와전류손실 공식을 활용하면,
P ∝ B2 A f2 / k ρ D
[P(와전류손실,W/kg), B(최대 자속밀도,T), A(m2), f(주파수 Hz), (평형상수), ρ(재료 저항, Ωm), D(재질 밀도, kg/m3 )]
상기 공식을 참고하면, P ∝ A / ρ D의 관계상 단위는 m2 / (Ωm ×kg/m3) = m4 / (Ω×kg)가 된다. 즉 와전류손실(P)은 입사하는 면적의 제곱 단위(m4)에 비례하여 증가한다.
따라서 고정자 플랜지(35)의 표면상에 입사 가능 면적이 돌출부(36)의 상부면 면적만큼으로 감소하므로, 그에 따라 와전류손실은 현저하게 감소하게 된다. 도 2와 도 5를 비교하면, 고정자 플랜지(35)에 슬릿 형상의 와전류손실 완화 수단(51)을 배치함에 따른 와전류 발생 감소를 극명하게 확인할 수 있다.
또한 도 16a 및 도 16b에는 종래 고정자 플랜지(35)의 단부면(35c)에서의 와전류 발생과 본원발명의 돌출부(36)의 상부면(36a)에서의 와전류 발생을 비교한 도면이 게시되어 있다.
우선 도 16a를 살펴보면, 종래 고정자 플랜지(35)의 단부면(35c)는 슬릿이 가공되어 있지 않고, 매끄러운 원판 형태임에 따라 와전류 손실이 단부면(35c) 면적(A1) 전체에 발생되고 있어, 와전류 손실이 상대적으로 크게 발생된다.
이에 비해 도 16b를 살펴보면, 본원발명의 고정자 플랜지(35)는 슬릿 가공에 따라 돌출부(36)가 형성되게 되고, 돌출부(36)의 상부면(36a)에 자기장이 입사하여 와전류가 발생되게 된다. 따라서 종래보다 입사면적이 상부면(36a) 면적(A2)만큼 축소되게 되므로, 와전류 발생이 상대적으로 작아지고, 그에 따라 와전류 손실이 감소하는 것을 확인할 수 있다.물론 돌출부(36)가 복수인 n개가 형성된 경우, 상부면(36a) 면적(A2)는 n ×A2 가 된다. 그리고 그 사이에는 슬릿(51)이 형성되어 있으므로, 입사면적 n × A2 는 A1 보다 작다.
즉 본원발명은 고정자 철심(33)에 발생되는 와전류 손실은 고정자 철심(33)의 박판 적층 구조로 감소시킴과 동시에, 고정자 플랜지(35)의 단부면(35c) 표면상에 입사되는 자기장에 의해 발생되는 와전류는 고정자 플랜지(35)의 표면에 슬릿(51)을 가공하여 돌출부(36)의 상부면(36a) 면적만큼으로 입사면적을 감소시켜, 입사면적(돌출부(36)의 상부면(36a) 면적)의 제곱에 비례하는 와전류 손실값 자체를 감소시키게 된다.
이는 종래기술에 비해 고정자(30) 전체의 와전류 손실값을 감소시킬 수 있어, 궁극적으로는 발전기(10)의 효율을 증대시키는 효과를 기대하게 한다.
한편, 도 10 내지 도 15를 참고하면, 상기 슬릿(51) 형상의 와전류 완화수단의 양측벽을 이루는 고정자 플랜지(35)의 돌출부(36)에 대한 다양한 실시예가 게시되어 있다.
우선 도 10를 참고하면, 제1 실시예에서는 상기 슬릿(51)의 양측벽을 형성하는 상기 고정자 플랜지(35)의 돌출부(36) 단면 형상은 사다리꼴 기둥 형상일 수 있다.
이 경우 사다리꼴 기둥의 하부에서 상부로 갈수록 점차 면적이 축소되므로, 와전류의 발생 면적인 돌출부(36)의 상부면은 점차 축소되게 되며, 와전류 손실 또한 감소하게 된다.
도 10에 게시된 화살표는 와전류를 표시하며, 사다리꼴 기둥 형상인 돌출부(36)의 상부면(36a)에서 주로 와전류가 발생하므로, 도 2와 비교하여 입사면적이 축소됨에 따라 와전류의 크기도 감소된 것을 화살표의 길이 차이 또는 화살표가 발생하는 위치 비교를 통해 확인할 수 있다.
다음 도 11를 참고하면 제2 실시예에서는 상기 슬릿(51)의 양측벽을 형성하는 상기 고정자 플랜지(35)의 돌출부(36) 단면 형상은 끝단이 라운딩 처리된 기둥 형상일 수 있다.
이 경우 라운딩 처리된 돌출부(36)의 끝단부 면적이 상당히 작아지므로, 와전류의 입사면적은 돌출부(36)의 끝단부로 갈수록 축소되게 되며, 이에 따라 와전류 손실 또한 도 2와 비교하여 현저하게 감소하게 된다.
도 11에 게시된 화살표와 같이 라운딩 형상인 돌출부(36)에서만 와전류가 발생하므로, 도 2와 비교하여 입사면적이 상당히 축소됨에 따라 와전류의 크기도 현저하게 감소된 것을 화살표의 길이 차이 또는 화살표가 발생하는 위치 비교를 통해 확인할 수 있다.
다음 도 12를 참고하면, 제3 실시예에서는 상기 슬릿(51)의 양측벽을 형성하는 상기 고정자 플랜지(35)의 돌출부(36) 단면 형상은 끝단이 삼각 기둥 형상일 수 있다.
이 경우에도 삼각 기둥인 돌출부(36)의 끝단부 면적은 상당히 축소되므로, 와전류의 입사면적은 현저하게 축소되어, 와전류 손실 또한 많이 감소하게 된다.
도 12에 게시된 화살표와 같이 삼각 기둥 형상인 돌출부(36)에서만 와전류가 발생하므로, 도 2와 비교하여 입사면적이 축소됨에 따라 와전류의 크기도 현저하게 감소된 것을 화살표의 길이 차이 또는 화살표가 발생하는 위치 비교를 통해 확인할 수 있다.
한편, 도 15를 참고하면, 본 발명의 실시예에서는 상기 고정자 플랜지(35)의 표면에 발생되는 와전류를 추가적으로 감소시키도록, 상기 슬릿(51)의 내측에는 절연부재(70)가 배치될 수 있다.
상기 절연부재(70)의 배치는 슬릿(51)의 내부에서 맴돌이되는 와전류를 약화시키거나 자기장 입사를 차단하여 와전류 발생 자체를 단절하는 효과를 발휘할 수 있다. 절연부재(70)에서는 와전류가 현저하게 약화되기 때문이다. 따라서 절연부재(70)가 슬릿(51)의 내부에 배치됨에 따라 와전류의 발생을 추가적으로 완화시키는 효과를 기대할 수 있다.
다음 도 6를 참고하면, 발전기(10)의 고정자 플랜지(35) 슬릿(51) 구조에 대한 제3 실시예에서는 상기 와전류손실 완화 수단은 슬릿(51) 형상으로 배치될 수 있으며, 상기 슬릿(51)은 상기 고정자 플랜지(35)상에서 방사방향으로 형성될 수 있다.
도 6에서는 고정자 플랜지(35)의 내측 단부(35a)와 외측 단부(35b)에서 각각 소정 간격 이격되어 배치되고, 고정자 플랜지(35)의 내측에서 외측으로 갈수록 호의 길이가 커지는 부채꼴 슬릿(51) 형상으로 형성되어 있는 와전류손실 완화 수단을 확인할 수 있다. 이러한 상기 슬릿(51)은 상기 고정자 플랜지(35)의 원주방향을 따라 복수개가 배치될 수 있다.
도 6에 게시된 제3 실시예에서는 부채꼴 슬릿(51) 홈 부분에서는 고정자 권선(37)에서 발생된 자기장의 입사거리가 증가하여 상대적으로 와전류가 약하게 발생하고, 고정자 플랜지(35)의 돌출부(36) 상부면은 입사거리가 상대적으로 가까워 와전류가 상대적으로 크게 발생하게 된다.
여기서 와전류가 크게 발생되는 고정자 플랜지(35) 표면의 와전류 입사 면적이 돌출부(36)의 상부면 면적만큼으로 감소하게 되므로, 그에 따라 와전류손실은 크게 감소하게 된다.
다음 도 7 및 도 14를 참고하면, 발전기(10)의 고정자 플랜지(35) 슬릿(51) 구조에 대한 제4 실시예에서는 상기 슬릿 형상의 와전류손실 완화 수단(51)에 서포트바(60)가 배치될 수 있다.
고정자 플랜지(35)에 와전류 발생을 감소시키기 위해 슬릿(51)을 절삭가공하게 되면, 고정자 플랜지(35)의 강성이 약화될 수 있다. 이때 약화된 강성을 보강하면서 동시에 와전류손실 완화 효과를 동시에 달성하기 위해 도 7에서와 같이, 슬릿(51)의 내부에 서포트바(60)를 적어도 하나 이상 배치할 수 있다.
여기서 도 14를 참고하면, 상기 서포트바(60)는 상기 돌출부(36)보다 낮은 높이로 형성될 수 있다. 만약 서포트바(60)와 돌출부(36)의 높이가 동일하면 서포트바(60)의 상부면이 와전류의 입사면적 증가로 될 수 있으므로, 서포트바(60)의 높이를 돌출부(36)의 높이보다 낮게 하여 고정자 플랜지(35)의 강성을 보강하면서 동시에 와전류의 발생량 자체를 줄일 수 있는 효과를 도출할 수 있다.
다음 도 8를 참고하면, 본 발명인 발전기(10)의 고정자 플랜지(35) 돌기(56) 구조에 대한 제1 실시예에서는 상기 와전류손실 완화 수단은 돌기(56) 형상으로 배치될 수 있으며, 상기 돌기(56)는 상기 고정자 플랜지(35)상에서 방사방향으로 형성될 수 있다.
도 8에서는 고정자 플랜지(35)의 방사방향을 따라 소정 간격 이격되어 복수개로 분할 배치되는 원기둥 돌기(56) 형상인 와전류손실 완화 수단을 확인할 수 있다. 이러한 상기 돌기(56)는 상기 고정자 플랜지(35)의 원주방향을 따라 복수개가 배치될 수 있다.
도 8에 게시된 제1 실시예에서는 원기둥 돌기(56)의 상부면에 주로 와전류가 입사하게 되고, 고정자 플랜지(35)의 표면은 원기둥 돌기(56)보다 낮은 높이를 이루므로, 고정자 권선(37)에서 발생된 자기장의 입사거리가 증가하여 와전류가 상대적으로 약하게 발생하게 된다. 이에 따라 와전류가 상대적으로 강하게 발생되는 고정자 플랜지(35) 표면의 입사 면적이 원기둥 돌기(56)의 상부면 면적만큼으로 감소하게 되므로, 와전류손실은 현저하게 감소하게 된다.
다음 도 9를 참고하면, 본 발명인 발전기(10)의 고정자 플랜지(35) 돌기(56) 구조에 대한 제2 실시예에서는 상기 와전류손실 완화 수단은 돌기(56) 형상으로 배치될 수 있으며, 상기 돌기(56)는 상기 고정자 플랜지(35)상에서 방사방향으로 형성될 수 있다.
도 9에서는 고정자 플랜지(35)의 방사방향을 따라 소정 간격 이격되어 복수개로 분할 배치되는 부채꼴 기둥 돌기(56) 형상인 와전류손실 완화 수단을 확인할 수 있다. 부채꼴 기둥 돌기(56) 형상은 고정자 플랜지(35)의 내측에서 외측으로 갈수록 호의 길이가 커지는 형상일 수 있다. 또한 이러한 상기 돌기(56)는 상기 고정자 플랜지(35)의 원주방향을 따라 복수개가 배치될 수 있다.
이에 따라 와전류가 발생될 수 있는 고정자 플랜지(35) 표면의 입사 면적이 부채꼴 기둥 돌기(56)의 상부면 면적만큼으로 감소하게 되므로, 그에 따라 와전류손실은 현저하게 감소하게 된다.
한편, 도면으로 도시하지는 않았으나, 본 발명의 실시예에서는 상기 고정자 플랜지(35)의 표면에 발생되는 와전류를 추가적으로 감소시키도록, 상기 돌기(56)의 둘레에는 절연부재(70)가 배치될 수 있다.
상기 절연부재(70)의 배치는 돌기(56)를 따라 맴돌이되는 와전류를 약화시키거나 고정자권선(37)에서 발생되는 자기장의 입사 자체를 차단하여 와전류 발생을 차단하는 효과를 유도할 수 있다. 절연부재(70)에서는 와전류가 현저하게 약화되기 때문이다. 따라서 와전류 손실을 추가적으로 완화시키는 효과를 기대할 수 있다.
이상의 사항은 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조 및 이를 포함하는 발전기의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
10:발전기
20:회전자 21:회전자 샤프트
23:코일 웨지(coil wedge) 25:계자 권선
30:고정자 31:고정자 프레임
33:고정자 철심 35:고정자 플랜지
35a:내측 단부 35b:외측 단부
36:돌출부 36a:상부면
37:고정자 권선
51:슬릿 형상의 와전류손실 완화 수단
56:돌기 형상의 와전류손실 완화 수단
60:서포트바
70:절연부재

Claims (20)

  1. 고정자 프레임의 내면을 따라 복수의 단으로 적층되는 고정자 철심을 압축 고정하기 위해, 고정자 프레임상에서 고정자 철심의 단부에 배치되는 고정자 플랜지; 및
    상기 고정자 철심에 권선되는 고정자 권선에 의해 상기 고정자 플랜지상에 발생되는 와전류손실을 완화하기 위해, 상기 고정자 플랜지에 형성되는 슬릿 형상의 와전류손실 완화 수단;
    을 포함하되,
    상기 슬릿의 양측벽을 형성하는 상기 고정자 플랜지의 돌출부 단면 형상은 끝단이 라운딩 처리된 기둥 형상인 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지상에서 방사방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지의 내측 단부에서 외측 단부를 이으며, 직선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지의 내측 단부에서 외측 단부를 이으며, 유선형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지의 원주방향을 따라 복수개가 배치되는 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지의 내측 단부와 외측 단부에서 각각 소정 간격 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지의 내측에서 외측으로 갈수록 호의 길이가 커지는 부채꼴 홈 형상인 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지의 원주방향을 따라 복수개가 배치되는 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  9. 고정자 프레임의 내면을 따라 복수의 단으로 적층되는 고정자 철심을 압축 고정하기 위해, 고정자 프레임상에서 고정자 철심의 단부에 배치되는 고정자 플랜지; 및
    상기 고정자 철심에 권선되는 고정자 권선에 의해 상기 고정자 플랜지상에 발생되는 와전류손실을 완화하기 위해, 상기 고정자 플랜지에 형성되는 슬릿 형상의 와전류손실 완화 수단;
    을 포함하되,
    상기 슬릿은, 상기 고정자 플랜지상에서 방사방향으로 형성되고,
    상기 고정자 플랜지의 강성 보강을 위해, 상기 슬릿상에는 서포트바가 배치되는 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 서포트바의 상부면에 와전류가 발생되는 것을 방지하도록, 상기 서포트바의 상부면 높이는 상기 고정자플랜지에 형성된 돌출부의 상부면 높이보다 낮은 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  11. 삭제
  12. 고정자 프레임의 내면을 따라 복수의 단으로 적층되는 고정자 철심을 압축 고정하기 위해, 고정자 프레임상에서 고정자 철심의 단부에 배치되는 고정자 플랜지; 및
    상기 고정자 철심에 권선되는 고정자 권선에 의해 상기 고정자 플랜지상에 발생되는 와전류손실을 완화하기 위해, 상기 고정자 플랜지에 형성되는 슬릿 형상의 와전류손실 완화 수단;
    을 포함하되,
    상기 슬릿을 형성하는 상기 고정자 플랜지의 돌출부 단면 형상은 삼각 기둥 형상인 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 플랜지의 표면에 발생되는 와전류를 감소시키도록, 상기 슬릿의 내측에는 절연부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  14. 고정자 프레임의 내면을 따라 복수의 단으로 적층되는 고정자 철심을 압축 고정하기 위해, 고정자 프레임상에서 고정자 철심의 적어도 일단부에 배치되는 고정자 플랜지; 및
    상기 고정자 철심에 배치되는 고정자 권선에 의해 상기 고정자 플랜지상에 발생되는 와전류손실을 완화하기 위해, 상기 고정자 플랜지에 형성되는 돌기 형상의 와전류손실 완화 수단;
    을 포함하되,
    상기 돌기는 원기둥 형상인 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 돌기는, 상기 고정자 플랜지상에서 방사방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 돌기는, 상기 고정자 플랜지의 방사방향으로 복수개로 분할 배치되는 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  17. 삭제
  18. 고정자 프레임의 내면을 따라 복수의 단으로 적층되는 고정자 철심을 압축 고정하기 위해, 고정자 프레임상에서 고정자 철심의 적어도 일단부에 배치되는 고정자 플랜지; 및
    상기 고정자 철심에 배치되는 고정자 권선에 의해 상기 고정자 플랜지상에 발생되는 와전류손실을 완화하기 위해, 상기 고정자 플랜지에 형성되는 돌기 형상의 와전류손실 완화 수단;
    을 포함하되,
    상기 돌기는, 상기 고정자 플랜지의 내측에서 외측으로 갈수록 호의 길이가 커지는 부채꼴 기둥 형상인 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 고정자 플랜지의 표면에 발생되는 와전류를 감소시키도록, 상기 고정자 플랜지상에서 상기 돌기의 둘레에는 절연부재가 배치되는 것을 특징으로 하는 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조.
  20. 외주면을 따라 계자 권선이 배치되는 회전자;
    내주면을 따라 고정자 권선이 배치되는 고정자 철심과, 상기 고정자 철심이 내주면에 적층되는 고정자 프레임을 포함하는 고정자; 및
    상기 고정자 프레임상에서 상기 고정자 철심의 단부에 배치되는 제1항 또는 제14항의 고정자 플랜지의 와전류손실 완화 구조;
    를 포함하는 발전기.

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