KR102106082B1 - 전력 전달 장치 - Google Patents

Abstract

상대적으로 회전가능한 2개의 동축 요소 사이에 전력을 전달하기 위한 전력 전달 장치가 개시되는 바, 이 장치는 자속(magnetic flux) 안내부, 외측 전기 권선 및 내측 코어를 수용하기 위한 공동부를 갖는 외측 코어; 및 상기 공동부내에 적어도 부분적으로 위치되며, 자속 안내부와 내측 권선을 갖는 내측 코어를 포함하고, 상기 내측 코어 및 외측 코어는, 상기 내측 코어와 외측 코어의 자속 안내부들이 사용 중에 전력이 전달되는 제 1 거리로 서로 분리되는 제 1 배치 상태와, 상기 내측 및 외측 코어가 제 2 거리로 서로 분리되는 제 2 배치 상태 사이에서 움직일 수 있도록 배치되며, 상기 제 2 거리에서 상기 내측 코어와 외측 코어의 상대 회전이 제 2 배치 상태 사이에서 가능하며, 제 1 배치 상태에서 상기 내측 코어와 외측 코어의 상기 자속 안내부들은 서로 인접하게 된다.

Description

전력 전달 장치{A POWER TRANSFER DEVICE}

본 발명은 특히 수중에서 사용되는 전력 전달 장치에 관한 것이다. 특히, 본 전력 전달 장치는 조력 터빈(tidal turbine)과 같이, 다양한 방향에서 오는 유동과 대면하도록 회전될 수 있는 수중 터빈을 위한 것이다.

수중 발전 장치는 일반적으로 잘 알려져 있으며 현재 많은 연구 및 개발의 대상이 되고 있다. 수중 발전 장치의 한 종류는 도 1a, 1b 및 1c에 나타나 있는 조력 터빈 발전기(10)이다. 이 발전기(10)는 지지 구조체(14)에 설치되는 터빈(12)을 포함하고, 상기 지지 구조체는 중력 또는 몇몇 다른 적절한 고정 수단에 의해 해저(16)에 고정된다. 터빈(12)은 복수의 터빈 블레이드(20)를 갖는 회전자(18)를 포함하고, 그 블레이드들은 적절한 물 유동(24) 내에 위치되면 터빈 축선(22) 주위의 회전력을 제공하도록 배치된다. 회전자(18)는 전자기 발전기(미도시)의 형태로 된 전기 기계를 구동시키는데 사용되며, 그 전자기 발전기는 터빈(12)의 소위 나셀(nacelle) 또는 케이싱(26) 내부에 내장된다. 조력 터빈에서 현재 사용되는 전자기 발전기는, 회전자에 의해 제공된 기계적 회전 운동을 전자기 기계를 통해 전기 에너지로 변환시키는 점에서 일반적으로 통상적인 것이다. 발생된 전기 에너지는 적절한 배치 및 연결의 케이블(미도시)에 의해 전기 네트워크 또는 그리드에 보내진다.

당업자라면 이해하듯이, 많은 수중 터빈 장치 및 다른 종류의 수중 발전기의 효율은, 발전 장치의 배향에 대한 유동(24)의 방향에 의해 영향을 받게 된다. 따라서, 유동 조건에 대하여 기계의 배향을 바꿀 수 있게 해주는 기능을 갖는 발전 장치를 제공하는 것이 일반적으로 바람직하다. 이러한 요건은 유동 조건의 작은 변화 또는 조수(tidal water)의 양방향 변화일 수 있다.

상기 지지 구조체(14)는, 사용시 발전 모듈이 적응적으로 부착될 수 있는 플랫폼을 제공하기 위해 해저(16)로부터 일반적으로 수직 방향으로 뻗어 있는 기둥형 구조체 또는 철탑의 형태로 있다. 지지 구조체(14)를 해저(16)에 부착하는 부착부는 해저(16)에 매립되는 파일과 같은 어떤 적절한 수단으로도 이루어질 수 있으며, 또는 그 부착부는 발전 장치의 중력 고정에 적합한 질량을 갖도록 구성될 수 있다. 지지 구조체(14)는 적절한 강화 또는 지지 부재를 포함할 수 있고 예컨대 삼각대와 같은 바람직한 기하학적 형태를 취할 수 있다.

터빈(12)과 지기 구조체(14) 사이의 적응성 부착부(28)는, 터빈(12)이 지지 구조체(14) 및 조류 유동에 대해 고정된 상태로 배치될 수 있도록 또는 터빈(12)이 미리 정해진 방식으로 방향성 물 유동(24)에 대해 회전되고 배향될 수 있게 회전가능 상태로 배치될 수 있도록 되어 있다. 따라서, 터빈은 제 2 방향성 유동(30)을 동력으로 이용하기 위해 도 1c (터빈(12)은 지지 구조체(14)의 수직 축선을 중심으로 180도 회전된 상태임)에 나타나 있는 바와 같은 제 2 배향으로 배치되기 전에 도 1b 에 나타나 있는 바와 같은 제 1 유동 방향에 대한 제 1 배향으로 유지될 수 있다. 실제로, 두 유동은 주어진 위치에서의 썰물과 밀물 또는 주어진 방향성 유동의 더 작은 변화에 대응될 수 있다. 연속적으로 가변적인 회전은, 180도로 서로 대향하지 않는 조류 유동 및 방향성 유동의 작은 차이에 맞게 터빈의 배향이 조절될 수 있게 해주므로 특히 유리하다.

회전 발전 장치에 의해 수용되어야 할 일 문제는, 발생된 전력이 전달될 때 통과하는 전기적 연결부이다. 본 발명은 이러한 문제를 다루고 또한 지지 구조체를 중심으로 회전할 수 있지만 적절한 전기적 연결부를 제공할 수 있는 개선된 발전 장치를 제공하고자 한다.

본 발명은 첨부된 청구 범위에 따른 전력 전달 장치 및 이의 작동 방법을 제공한다.

제 1 양태에서, 본 발명은 상대적으로 회전가능한 2개의 요소 사이에 전력을 전달하기 위한 수중 전력 전달 장치에 관한 것으로, 이 장치는, 자속(magnetic flux) 안내부, 외측 전기 권선 및 내측 코어를 수용하기 위한 공동부를 갖는 외측 코어; 및 상기 공동부내에 적어도 부분적으로 위치되며, 자속 안내부와 내측 권선을 갖는 내측 코어를 포함하고, 상기 내측 코어 및 외측 코어는, 상기 내측 코어와 외측 코어의 자속 안내부들이 제 1 거리로 서로 분리되는 제 1 배치 상태와, 상기 내측 및 외측 코어가 제 2 거리로 서로 분리되는 제 2 배치 상태 사이에서 움직일 수 있도록 배치되고, 상기 제 2 거리에서 상기 내측 코어와 외측 코어의 상대 회전이 상기 제 2 배치 상태 사이에서 가능하게 된다.

상기 제 1 배치 상태에서 상기 내측 코어와 외측 코어의 상기 자속 안내부들은 서로 접할 수 있다.

상기 내측 코어와 외측 코어는 주 축선을 따라 동축으로 포개질 수 있으며, 내측 코어와 외측 코어는 축방향으로 변위되어 상기 제 1 배치 상태에서 제 2 배치 상태로 움직일 수 있다. 축방향 변위는 분리일 수 있다. 상기 주 축선은 내측 코어와 외측 코어 사이의 상대 회전 축선일 수 있다.

상기 내측 코어와 외측 코어의 자속 안내부들은, 상기 내측 권선과 외측 권선을 사이에 두고 주 축선을 따라 축방향으로 서로 이격되어 있는 각각의 엔드캡을 가지며, 이 각각의 엔드캡은 대응하는 인터페이스 표면을 포함한다.

상기 내측 엔드캡 및 외측 엔드캡은 적어도 부분적으로 반경 방향으로 겹칠 수 있으며, 반경 방향 겹침부는 상기 인터페이스 표면의 일 부분을 형성한다.

상기 내측 엔드캡 및 외측 엔드캡은 상기 인터페이스 표면에서 주 축선에 대해 축방향으로 적어도 부분적으로 서로 겹칠 수 있다.

내측 코어는 일반적으로 원뿔대 면 내에 제한될 수 있다.

상기 수중 전력 전달 장치는 축방향 직렬로 배치되는 복수의 내측 코어 및 외측 코어를 가질 수 있다. 축방향으로 서로 인접하는 내측 코어 및 외측 코어는 엔드캡을 공유할 수 있다.

축방향으로 서로 분리된 엔드캡들의 인터페이스 표면은 공통 평면내에 있을 수 있다.

엔드캡들은 층상 구조로 배치될 수 있다.

상기 내측 코어 또는 외측 코어는 수직 축선을 중심으로 방향성을 갖고 회전할 수 있는 발전 장치에 설치될 수 있다.

발전 장치는 부력을 가질 수 있다.

제 2 양태에서, 수중 전력 전달 장치는 지지 구조제; 회전 축선을 중심으로 회전가능하도록 상기 지지 구조체에 설치되는 발전 모듈; 및 제 1 양태에 따른 전력 전달 장치를 포함하고, 이 전력 전달 장치의 주 축선은 상기 회전 축선과 동축이다.

상기 발전 모듈은 조력 터빈일 수 있다.

제 3 양태에서, 본 발명은 발전 모듈 및 해저에 고정되는 지지 구조체를 갖는 발전 장치를 조립하는 방법을 제공하는 바, 제 1 양태의 전력 전달 장치의 내측 코어는 상기 발전 모듈과 지지 구조체 중의 어느 하나에 부착되며 외측 코어는 상기 발전 모듈와 지지 구조체 중의 다른 하나에 부착되고, 상기 방법은 발전 모듈을 지지 구조체 쪽으로 내려 보내는 단계; 내측 코어와 외측 코어를 정렬시키는 단계; 및 내측 코어가 외측 코어 내부에 배치되도록 발전 모듈과 지기 구조체를 결합시키는 단계를 포함한다.

제 4 양태에서, 본 발명은 제 1 양태의 전력 전달 장치를 갖는 발전 장치를 작동시키는 방법에 관한 것으로, 내측 코어는 내측 코어와 외측 코어가 작용 거리로 서로 분리되는 외측 코어에 대해 제 1 배치 상태에 있게 되며, 상기 방법은, 내측 코어와 외측 코어가 회전할 수 있도록 서로 분리되는 제 2 배치 상태에 코어들을 두는 단계; 및 내측 코어와 외측 코어를 서로에 대해 회전시키는 단계; 코어들을 새로운 회전 위치에서 제 1 배치 상태에 두는 단계를 포함한다.

이제, 본 발명의 실시 형태들을 첨부 도면의 도움으로 설명하도록 한다.

도 1a ∼ 1c 는 회전가능한 조력 터빈을 나타낸다.
도 2 는 조력 터빈의 일 부분을 단면으로 나타낸 것이다.
도 3a ∼ 3c 는 전력 전달 장치의 길이 방향의 축방향 단면을 나타낸다.
도 4 는 전력 전달 장치의 대안적인 구성을 나타낸다.
도 5 는 전력 전달 장치의 다른 대안적인 구성을 나타낸다.
도 6 및 7 은 전력 전달 장치의 내측 코어에 대한 대안적인 구성을 나타낸다.
도 8a 및 8b 는 전력 전달 장치의 자기 코어의 상세 구성을 나타낸다.
도 9a ∼ 9c 는 3가지 배치 상태에 있는 층상 전력 전달 장치를 나타내는데, 도 9a 는 전력 전달 배치 상태를 나타내고, 도 9b 는 회전가능한 배치 상태를 나타내며, 그리고 도 9c 는 조립 중의 배치 상태를 나타낸다.
도 10 은 본 발명에 따른 전력 전달 장치를 나타낸다.
도 11 은 내고장성 전력 전달 장치를 나타낸다.

도 2 는, 도 1a, 1b 및 1c에 나타나 있는 유닛과 여러 면에서 유사한 조력 발전기의 형태로 된 수중 발전 장치(210)의 개략적인 단면을 나타낸다. 따라서, 부착부(228)를 통해 기계적으로 결합되어 있는 수중 터빈(212)의 나셀(226)과 지지 구조체(214)가 나타나 있으며, 상기 부착부는, 방향성 유동에 따라 요구될 때 상기 터빈(212)이 주 수직 축선(230)을 중심으로 회전할 수 있게 할 수 있다.

나셀(226) 내부에는 전기 변압기(232)가 내장되어 있는데, 이 전기 변압기는 나셀 내부에 내장되어 있는 발전기(미도시)에 의해 발생된 전기를 변환시킨다. 상기 변압기(232)는 케이블(234)을 통해 그리드 또는 몇몇 다른 네트워크에 전기적으로 연결되며, 상기 케이블은 소위 습식 메이트 커넥터(236; wet mate connector)를 통해 정치식 지지 구조체(214) 내부에서 끝난다. 본 목적을 위해, 상기 습식 메이트 커넥터는 수중에서 결합될 수 있는 플러그-소켓 장치라고 간단히 생각할 수 있다.

도 1a, 1b 및 1c 에 나타나 있는 바와 같이, 습식 메이트 커넥터(236)는 지지 구조체(214)에 대해 고정된 위치에서 소위 스태브 플레이트(238; stab plate) 상에 유지되며, 그래서 발전 장치(212)가 다른 방향으로 향하도록 회전될 때 나셀(226)에 대해 회전하게 된다. 나셀(226)과 습식 메이트 커넥터(236) 간의 상대 회전이 가능하도록, 발전 장치(212)는 연결 케이블(240)을 포함하는데, 이 연결 케이블은 나셀 커넥터(242)와 습식 메이트 커넥터(236) 사이를 연결한다.

습식 메이트 커넥터(236)가 적절히 기능하더라도, 이 커넥터는 비싸며 습식 메이트 연결을 위해 제한될 수 있는 전압 정격(voltage rating)에 있어 제한된다. 또한, 상기 습식 메이트 커넥터는 상기 연결 케이블로 인해 허용될 수 있는 운동 범위가 제한된다.

도 3a 및 3b 는 본 발명에 따른 전력 전달 장치(310)를 나타낸다. 이 전력 전달 장치(310)는 복수의 내측 전기 권선(312) 및 복수의 외측 전기 권선(314)을 포함하는데, 이들 권선은 전력 전달 장치(310)의 주 축선(316)에 대해 반경 방향으로 분리되어 있다. 3-상 전력 전달 장치를 제공하기 위해 축방향 직렬로 배치된 각각 3세트의 내측 권선(312) 및 외측 권선(314)이 있다. 3개의 권선 세트 각각은 다음 설명을 위해 전기기계적으로 동일하다고 간주될 수 있다.

각각의 상(phase)은 내측 권선(312)과 외측 권선(314) 주위에 배치되는 강자성 코어(318) 형태의 자속(magnetic flux) 안내부를 포함하는데, 이는 권선(312, 314)의 전기 코일이 교류(AC)로 통전될 때 높은 레벨의 자속 연결을 제공하게 된다. 즉, 공기 틈새를 제외하고, 상기 자속 안내부는 권선 주위에 폐쇄된 자기 루프 또는 회로를 제공한다. (단상) 코어(318)는 엔드캡(320, 322)을 포함하는데, 이 엔드캡은 반경 방향 내측 권선(312) 및 외측 권선(314)을 사이에 두고 주 축선(316)을 따라 축방향으로 이격되어 있다. 축방향으로 서로 인접한 권선(즉, 상(phase))이 엔드캡을 공유함을 이해할 것이다.

각각의 엔드캡(320, 322)은 환형 공기 틈새(324a, 324b)를 포함하는데, 이 공기 틈새는 내측 및 외측 코어의 일 부분을 각각 형성하는 반경 방향 내측 엔드캡 부분(320a, 322a) 및 외측 엔드캡 부분(320b, 322b)을 형성한다. 따라서, 내측 코어(326)는 적어도 부분적으로 반경 방향 내측 엔드캡(320a, 322a) 및 내측 전기 권선(312)으로 형성되며, 외측 코어(328)는 적어도 부분적으로 반경 방향 외측 엔드캡(320b, 322b) 및 외측 전기 권선(314)으로 형성된다. 엔드캡 내부에 있는 상기 환형 공기 틈새는 전력 전달 장치(310)의 주 축선(316) 상에 중심을 두고 있으며, 따라서 내측 코어는 그 주 축선을 중심으로 외측 코어에 대해 회전할 수 있다.

내측 엔드캡(320a, 322a)은 강자성 중앙 코어(330)의 형태로 되어 있는 적어도 하나의 내측 자속 안내 경로에 의해 연결되며, 상기 중앙 코어의 길이 방향 축선은 전력 전달 장치의 상기 주 축선(316)을 규정하고 상기 중앙 코어는 내측 권선(312)이 감기는 자기 전도성 코어를 제공한다. 본 실시 형태에서, 중앙 코어는 정사각형 단면을 갖는 적층 구조체로 되어 있는데, 하지만 후술하는 바와 같이 다른 구성도 가능하다.

외측 엔드캡(320b, 322b)은 축방향으로 연장되어 있는 강자성 외측 러너(332)의 형태로 되어 있는 2개의 외측 자속 안내 경로에 의해 연결되어 있고, 상기 러너들은, 중앙 코어(330)의 상호 반대측에서 서로 대향하도록 대략 180도로 원주 방향으로 서로 떨어져 있다.

상기 외측 러너(332)는 외측 권선(314)의 외측에 위치되며, 따라서 중앙 코어(330), 상측 엔드캡(320) 및 하측 엔드캡(322) 그리고 외측 러너(332)는, 자기 회로를 형성하고 또한 사용시 높은 레벨의 자속 연결을 제공하도록 두 권선을 전자기적으로 에워싼다.

내측 코어(326) 및 외측 코어(328)는 주 축선(316)을 중심으로 서로에 대해 회전할 수 있도록 배치된다. 따라서, 전력 전달 장치(310)는 터빈 지지부(214)의 연결부 내부에 설치될 수 있고 또한 나셀(226)이 연결 케이블로부터의 기계적인 간섭을 받음이 없이 자유롭게 연속적으로 회전될 수 있도록 해준다. 이러한 구성은 내측 코어(326)와 외측 코어(328) 사이의 회전 오프셋에 상관 없이 전력이 이들 두 코어 사이에 전달될 수 있음을 의미하고 또한 터빈(212)이 선택된 어떤 방향으로도 향할 수 있도록 해준다.

도 3c 는 도 3b 에 나타나 있는 강자성 코어(318)의 단면을 나타내는데, 상기 코어(318)의 구성을 더 잘 볼 수 있도록 권선(312, 314)은 생략되어 있다. 내측 엔드캡(320a)은, 이 엔드캡(320a)의 정면에 수직인 원주방향 면을 제공하기 위해 축방향으로 연장된 두께를 갖는 일반적으로 원형인 플레이트이다. 중앙 코어(330)는 내측 엔드캡(320a)의 중심부에 있는 결합부로부터 연장되어 있고 실질적으로 정사각형 단면을 가지며, 또한 축방향으로 연장되어 있는 적층체로 만들어져 있다.

외측 엔드캡(320b)은 축방향 두께를 갖는 한쌍의 플레이트 형태로 되어 있는데, 이 플레이트는 내측 엔드캡의 상호 반대측에서 그 내측 엔드캡의 원주방향 가장자리로부터 반경 방향 외측으로 연장되어 있다. 각각의 외측 플레이트는 내측 아치형 가장자리를 갖는데, 이 가장자리는 주위에서 실질적으로 일정한 공기 틈새(324a)가 형성되도록 내측 캡(320a)의 원주 방향 가장자리에 대응하며 그로부터 떨어져 있다. 아치형 면은 내측 엔드캡(320a)을 부분적으로 둘러싸기 위해 약 110도의 원호로 연장되어 있다.

외측 엔드캡은, 말단에 위치되어 있는 외측 러너(332)를 향해 수렴하도록 폭이 감소하면서 공기 틈새(324a)로부터 반경 방향 외측으로 연장되어 있다. 외측 러너(332)는 직사각형 단면을 가지며, 외측 엔드캡(320b)과의 결합부로부터 수직하게 연장되어 축방향 아래로 외측 전기 권선(314)의 외측을 지난다. 외측 러너(332)는 전기 권선(314)과 대향하는 주 측면을 갖는 직사각형으로 되어 있고 중앙 코어(330)의 경우처럼 적층체로 구성되어 있다.

이해할 수 있는 바와 같이, 공기 틈새(324a)가 있다는 것은, 내측 코어(326)와 외측 코어(328)가 서로에 대해 회전할 수 있도록 기계적으로 분리되어 있음을 의미한다. 전술한 실시 형태에서, 그 분리는 코어 등의 제조 및 정렬시의 기계적 공차가 허용되기에 충분한 약 3 mm ∼ 5 mm 이다. 그러나, 일부 실시 형태에서, 내측 및 외측 코어는 직접 접촉할 수도 있으며 공기 틈새는 그 두 코어 사이의 경계 또는 분할에 의해 규정되는 개념적인 것이 될 것이다. 다른 실시 형태에서, 상기 틈새는 이해할 수 있는 바와 같이 5 mm 보다 클 수 있다. 내측 및 외측 코어가 틈새에 의해 서로 분리되어 있는 경우, 그 틈새에는 장치가 배치되는 물과 같은, 공기 외의 다른 매체로 채워질 수 있다. 대안적으로, 공기 틈새(324a)는 낮은 상대 투자율을 갖는 철 유리 섬유 에폭시와 같은 반 투과성 재료로 채워지거나 부분적으로 채워질 수 있다.

다른 실시 형태에서, 도 4 에 나타나 있는 바와 같이, 반경 방향으로 연장되어 있는 외측 엔드캡(420b)은 수렴하지 않고 곧게 되어 있는데, 이는 내측 캡(420a)을 한정하는 공기 틈새(424a)가 약 30도로만 연장되어 있음을 의미한다.

반경 방향으로 서로 반대쪽에 있는 외측 엔드캡(420b)의 분지부들은 하우징에 의해 기계적으로 서로 연결되어 있어, 상기 공기 틈새를 유지하는데 요구되는 필요한 강도와 강성을 갖는 전체적인 구성체를 제공한다. 기계적 연결부는 어떤 적절한 종류라도 될 수 있는데, 예컨대, 두 요소 사이의 하나 이상의 연결봉으로서, 해로운 움직임을 방지하는데 적합한 강도와 크기를 갖는 연결봉으로 될 수 있다.

도 5 에는 또 다른 실시 형태가 나타나 있는데, 여기서는 축방향으로 연장되어 있는 4개의 외측 러너(532)가 제공되어 있는데, 각각의 러너는 도 3 및 4 를 참조하여 설명한 외측 러너(332)와 유사한 구성으로 되어 있다. 이 경우 외측 엔드캡(520b)은 잘려나간 코너를 갖는 실질적으로 정사각형의 플레이트인데, 이 플레이트는 중앙 원형 구멍을 가지며, 이 구멍은, 동일 평면 내에서 내측 엔드캡(320a)을 에워싸 그들 사이에 공기 틈새(524a)를 형성하는 크기로 되어 있다. 외측 러너(532)는 직사각형 단면을 가지며 엔드캡(520b)의 잘려나간 코너로부터 수직하게 연장되어 있다.

서로 다른 두 내측 폴 구성의 상세가 도 6 및 7 에 각각 나타나 있다. 먼저 도 6 을 참조하면, 환형 캡(634)의 형태로 되어 있는 내측 엔드캡(620a)을 갖는 내측 폴(626)의 단부도와 단면이 나타나 있는데, 상기 환형 캡은 그의 원주 방향 가장자리(636)에서 공기 틈새를 제공하기 위해 축방향으로 적층되는 고리형 적층체로 구성되어 있다. 중앙 코어(630)는 축방향으로 연장되어 있는 4개의 내측 러너(636)로 구성되어 있고, 이들 내측 러너는 구성체에 구조적 지지를 제공하는 중앙 부재(638) 주위에 직각 위상으로 배치되어 그 중앙 부재에 부착되어 있다. 내측 러너(636)는 직사각형 단면을 가지며, 반경 방향 내측 부면은 상기 중앙 부재(638)와 접하며 그 반경 방향 외측 부면의 말단부는 엔드캡 환형부(634)의 내측 가장자리와 결합해 있다.

도 7 은 내측 폴(726)의 대안적인 구성을 나타내는데, 여기서 내측 러너(736)는 C-형(또는 다상 배치를 위한 E-형)으로 되어 있고, 축방향으로 연장되어 있는 부분(739) 및 수직 아암(740)을 가지며, 이 수직 아암은 반경 방향으로 환형 엔드캡(734) 쪽으로 연장되어 있어, 상기 엔드캡에 스포크(spoke)형 구성을 주게 된다. 환형 엔드캡(734)은 도 6 과 관련하여 설명한 것과 유사하지만, 표면적이 감소된 정면을 갖고 있다. 구성체의 인접한 부분들을 배치하기 위해 키붙이(keyed) 표면을 사용할 수 있고, 또는 중앙 구조 부재(738)는 실질적으로 내측 러너(739) 안으로 들어가 이를 고정시키고 구조 하중을 전달하는 수평 돌출부, 예컨대 플레이트 또는 바아를 가질 수 있다. 이상적으로는, 적층체가 직교면에 있으므로, 내측 러너의 수평부는 고리형 적층체 안으로 또는 이를 통과하여 돌출되어 양호한 자속 전달이 일어나게 해준다.

다른 실시 형태에서, 내측 코어는 환형 엔드캡을 갖지 않을 수 있다. 이러한 구성에서, 공기 틈새는 내측 코어의 수직으로 연장되어 있는 아암의 반경 방향 외측 표면과 외측 코어의 엔드캡 사이에 제공된다. 이 경우, 내측 코어는 중앙 구조 부재 주위에 스포크 형태로 배치되는 C-형 또는 E-형 적층체로 이루어질 것이다. 다른 변형예에서, 환형 캡이 내측 엔드캡 및 외측 엔드캡 모두에 제공된다. 이러한 구성에 의해, 내측 및 외측 코어 사이의 잠재적인 편심에 상관 없이 자기 회로가 온전하게 유지될 수 있다.

도 8a 및 8b 에는, 코어 구성체(818)가 각각 나타나 있다. 따라서, 도 8a 에는, 엔드캡(820, 822), 중앙 코어(830) 및 외측 러너(832)를 갖는 코어(818)가 나타나 있다. 외측 러너와 외측 엔드캡 사이의 결합부는 키붙이 구성체(842)로 형성되는데, 여기서 외측 러너(832)는 외측 엔드캡(320b)의 외주면에 있는 홈 안에 꼭맞게 수용된다. 중앙 코어(830)가 제거되어 있는 도 8b 에서 보는 바와 같이, 그 중앙 코어 역시 키붙이 결합부를 제공하기 위해 홈(846) 안에 수용된다.

중앙 코어(830)를 따라 위로 연장되어 있는 중앙 코어 구조 부재(838)에는, 코어(818)의 일 단부로부터 다른 단부까지 이르는 통로(848)가 제공되어 있다. 이통로(848)의 크기는, 윈치로 티빈을 제 위치로 감아 올리거나 내측 코어를 외측 코어 안으로 삽입하기 위한 안내부를 제공하는 것을 도와주는데 사용될 수 있는 케이블 등을 수용하도록 되어 있다. 또한, 상기 통로(848)는 주 축선 상에 중심을 두고 그를 따라 연장되어 있어, 내측 코어가 설치 중에 외측 코어에 대해 회전할 수 있다.

또 다른 실시 형태가 도 11 에 나타나 있는데, 이 도에는 축방향 직렬로 배치되는 3개의 개별 코어를 갖는 장치(1110)가 나타나 있다. 따라서, 각각의 코어는 내측 권선(1112)과 외측 권선(1114)을 포함하는 권선 세트 및 개별 코어(1118)를 가지며, 따라서 엔드캡은 앞에서 설명한 실시 형태에서처럼 공유되는 것이 아니다. 코어들은 낮은 투자율을 갖는 비자성 재료로 만들어진 자기 절연체(1119)에 의해 분리된다. 이는 특히 유리한 실시 형태인데, 이 실시 형태에 따르면, 각각의 코어는 3-상 시스템의 한 상을 나타내며, 각 상은 전기적으로 또한 자기적으로 서로 절연되고, 그래서 소위 내고장성 기계가 제공된다.

설명한 모든 실시 형태에서, 전기 권선은 구리 또는 알루미늄과 같은 고 전도성 금속의 코일로 만들어진 통상적인 권선이다. 코일은 진공 함침된 에폭시에 내포되어, 내구성과 방수성을 갖는 구조체가 제공된다. 설명한 실시 형태에서, 내측 권선은 저전압 권선이고 따라서 터빈의 전기 공급부에 연결되며, 외측 권선은 고전압 권선이고 그리드에 연결된다. 내측 권선을 저전압 권선으로 하는 것이 특히 유리한 구성인데, 그렇게 하면, 실제 접지될 자기 코어와 권선 사이의 전압 스트레스가 줄어들기 때문이다. 그러나, 상기 장치의 용도에 따라서는 다른 구성도 바람직할 수 있다. 예컨대, 터빈을 외측 코어에 연결하는 것이 유리할 수 있는데, 이 경우 이 권선은 저전압 권선이 될 것이다. 다른 용도를 위해 다양한 전압 및 권회비(turn ratio)가 고려될 수 있음을 이해할 것이다. 그러나, 조력 터빈의 경우에 전형적인 값으로서, 저전압측은 690 V ∼ 6.6 kV 이고 고전압측은 3.3 kV ∼ 33kV 이다. 이와 관련하여, 저전압 및 고전압은 통상적인 정의에 따르지 않고 상대적으로 사용되는 것이다.

코어의 재료는 상기 설명에서 이해될 수 있는 요건에 부합하는 어떤 적절한 재료라도 될 수 있다. 예컨대, 코어에 있어서 자속 경로를 형성하는 부분은 탄소강 등과 같은 고 투자율 재료로 구성될 수 있다.

도 3 을 참조하면, 상기 전력 전달 장치는, 내측 코어(326)를 제 위치로 내려 보내기 전에 그 내측 코어를 외측 코어(328)를 통과하는 구멍과 정렬시켜 조립된다. 이 정렬은 기계적인 보조 기구(미도시)로 이루어지거나 또는 두 부분이 함께 모아질 때 그들 부분의 상대 위치를 맞추어 이루어질 수 있다.

조력 터빈의 경우, 내측 코어는 터빈 유닛에 장착되어 물 속으로 하강되어 지지 구조체와 만날 수 있다. 터빈 및 지지 구조체 각각은 대응하는 기계적 안내부를 가질 수 있는데, 이 안내부는 내측 코어를 외측 코어에 중심 맞춤시키게 되며, 따라서 필요한 경우에 코어 또는 권선에 대한 손상 없이 내측 코어를 삽입할 수 있다.

사용시, 터빈은 다른 변압기처럼 작동된다. 즉, 권선은 터빈의 전기 출력부에 연결되고 통전되어 외측 코일과의 교번 자속 연결이 이루어지며, 이러한 자속 연결에 의해 다른 권선에 전압이 유도되고 그리하여 관련된 전기 에너지가 상기 연결된 그리드에 전달된다.

터빈을 회전시키기 위해, 전력은 오프되고(이것이 필수적인 것은 아니지만), 터빈이 적절한 수단에 의해 회전된다. 일단 회전이 완료되면, 터빈은 권선을 다시 통전시킬 수 있고 전력이 새로운 방향으로 다시 전달된다. 어떤 실시 형태에서는, 내측 권선과 외측 권선 사이에 토크를 가하여 터빈을 회전시킬 수 있다.

도 9a, 9b 및 9c 는 전력을 정지 요소로부터 회전 요소에 전달하기 위한 전력 전달 장치를 나타낸다. 이 실시 형태의 전력 전달 장치(910)는 앞서 설명한 실시 형태와는 여러 면에서 유사하다. 이 실시 형태에서 주된 일 차이점으로서, 상기 장치가 전력 전달 배치 상태일 때 내측 코어(926)와 외측 코어(928)가 서로 접촉하고 또한 서로 떨어지게 축방향으로 움직이면, 내측 코어 및 외측 코어가 분리되어 서로에 대해 회전가능하게 되는 회전 배치 상태가 제공된다.

전력 전달 배치 상태 및 회전 배치 상태를 제공하기 위해, 내측 코어(926)의 각 연속적인 단(stage)이 주 축선(916)을 따라 반경 방향으로 감소하도록(또는 경우에 따라서는 증가하도록) 내측 코어(926)와 외측 코어(928)의 결합 경계(950)가 층을 이루어 축방향으로 포개져 있다. 이는 많은 이점들을 갖는다. 첫번째 이점으로서, 코어의 자속 경로가 기계적으로 분리되어 주 축선을 따라 코어들을 분리시킴으로써 회전이 가능하게 된다. 이는 상기 장치가 종래 기술에 알려져 있는 바와 같이 부양식 조력 터빈의 일 부분으로 사용될 때 특히 유리하다. 두번째 이점으로서, 공기 틈새가 실질적으로 제로로 줄어들어, 자기 저항이 낮은 더욱 효율적인 자기 회로가 얻어질 수 있다. 세번째 이점으로서, 전력 전달 장치는 스스로 중심 맞춤이 되며 또한 전력 전달 장치의 두 절반부를 함께 안내하는 것을 도와주는데 사용될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 전력 전달 장치(910)는 복수의 내측 전기 권선(912) 및 복수의 외측 전기 권선(914)을 포함하며, 이들 내측 및 외측 권선은 전력 전달 장치(910)의 주 축선(916)에 대해 반경 방향으로 서로 떨어져 있다.

각각의 상은, 권선(912, 914)의 전기 코일이 교류(AC)로 통전될 때 높은 레벨의 자속 연결을 제공하도록 내측 권선(912)과 외측 권선(914) 주위에 배치되는 강자성 코어 형태의 자속 안내부를 포함한다. 각각의 (단상) 코어는 엔드캡(920, 922)을 포함하며, 이 엔드캡은 반경 방향 내측 권선(912) 및 외측 권선(914)을 사이에 두고 주 축선(916)을 따라 축방향으로 이격되어 있다.

각각의 엔드캡(920, 922)은, 각각의 반경 방향 내측 엔드캡 부분(920a, 922a) 및 외측 엔드캡 부분(920b, 922b)을 한정하는 환형 분할부(924a, 924b)를 포함한다. 환형 분할부(924)는 전력 전달 장치(910)의 주 축선(916) 상에 중심 맞춤되어 있다. 따라서, 내측 코어(926)와 외측 코어(928)가 있으며, 내측 코어(926)는 반경 방향 내측 엔드캡(920a, 922a) 및 내측 전기 권선(912)으로 형성되며, 외측 코어(928)는 반경 방향 외측 엔드캡(922b, 920b) 및 외측 전기 권선(914)으로 형성된다.

분명, 상측 엔드캡(920)의 환형 분할부는 특정 상 코어에 대해 하측 엔드캡(922)에 있는 환형 분할부와 다른 반경을 가지며, 따라서 상측 및 하측 엔드캡의 환형 분할부(924a, 924b)를 제공하는 가장자리는 원뿔대 면에 의해 규정될 수 있으며, 환형 분할부의 각각의 마주하는 내측 면 및 외측 면은 코어의 전체 형상에 있어서의 테이퍼의 각도로 인해 어느 정도 반경 방향으로 겹치게 되며, 따라서 내측 코어는 외측 코어의 각각의 엔드캡을 통과할 수 없다.

내측 및 외측 코어의 권선 및 구성은 앞서 설명한 실시 형태와 같거나 다를 수 있다. 예컨대, 외측 러너는 자속 안내부의 개별 아암이 아닌 연속적인 하우징으로 대체될 수 있다.

도 9 에 나타나 있는 환형 분할부(924a, 924b)의 면이 코어의 테이퍼의 일반적인 각도와 일치하지만, 그럴 필요는 없고 상기 면은 일반적인 테이퍼 보다 가파르거나 완만한 각도를 가질 수 있다. 또한, 상기 면은 단차형 프로파일과 같은 특징적인 점을 포함할 수 있다. 또한, 코어의 일반적인 테이퍼형 단면 형상은 일정하지 않을 수 있지만, 비교적 더 가파르고 완만한 테이퍼 구배의 일 부분을 갖도록 코어의 축방향 길이를 따라 변할 수 있다.

도 9 에 나타나 있는 바와 같이, 외측 코어는 내측 코어로부터 축방향으로 분리되어 있다. 따라서, 외측 코어는 터빈에 연결되고, 내측 코어는 지지체에 연결된다. 이 경우, 외측 코어 권선(914)은 저전압 권선이다. 요소들의 상대적인 연결은 반대로 될 수 있음을 이해할 것이다.

환형은 전반적으로 환형인 것을 의미한다. 따라서, 분할부는 예컨대 물결 모양의 경로, 들쭉날쭉한 형태의 경로 또는 톱니형 경로를 따를 수 있다. 이러한 경로는 장치가 배치될 수 있는 회전 위치의 수를 제한할 수 있다.

설명한 실시 형태에서, 외측 코어(928)는 터빈에 장착되고 내측 코어(926) 위로 제 위치로 하강되며, 이 내측 코어는 지지 구조체의 길이 방향 수직 축선과 동축으로 지지 구조체에 장착된다(도 9c). 일단 제 위치에 놓이면, 서로 마주하는 환형 면들은 서로 접촉하게 되며 이 상태에서 전력 전달이 시작될 수 있다.

전력 전달 장치(910)의 코어(926, 928)를 회전시키기 위해, 터빈과 지지 구조체는 분리되며(이 경우 수직 방향으로), 따라서 내측 및 외측 코어는 분리되어 서로에 대해 자유롭게 회전할 수 있다(도 9b). 일단 원하는 회전이 완료되면, 내측 코어(926) 및 외측 코어(928)는 적절한 기구에 의해 함께 뒤로 이동하여, 축방향 분리가 폐쇄되고 코어들이 다시 한번 접촉하게 된다.

정지 마찰 등과 관련된 문제를 줄이는데 도움이 되도록, 내측 및 외측 코어의 대향하는 면들 간의 직접적인 접촉은 원주 방향 부분에 대해서만 존재할 수도 있음을 이해할 것이다. 또한, 코어들은 두 코어의 상대 회전에 도움이 되는 베어링 요소를 포함할 수 있다.

도 10 은 내측 엔드캡(1020a, 1022a) 및 외측 엔드캡(1020b, 1022b)이 서로상하로 놓이도록 반경 방향으로 겹치는 전력 전달 장치(1010)의 일 실시 형태를 나타낸다. 따라서, 내측 코어(1026) 및 외측 코어(1028)는, 코어의 다음 단들이 이전 단과는 다른 반경을 갖는 층상 구조를 갖는다. 이렇게 해서, 내측 코어(1026)의 정면은 반경 방향으로 겹치는 부분으로 외측 코어(1028)의 정면과 대향하여 접하게 된다. 따라서, 서로 대응하는 내측 및 외측 코어의 엔드캡은 동일 평면내에 있지 않고 공기 틈새는 축방향 평면이 아닌 반경 방향 평면내에 있게 된다.

위의 실시 형태를 조력 터빈의 형태로 된 수중 발전 장비와 관련하여 설명했지만, 이는 한정적인 것이 아니고, 다른 수중 장비도 본 발명을 사용할 수 있다.

위에서 설명한 것 외에 다른 적층 구성도 가능하다. 예컨대, 내측 코어 러너는 나선형으로 감긴 적층체로 만들어질 수 있거나, 또는 적층체는 원통형 자기 코어의 일부 호 주위를 따르도록 쐐기형으로 될 수 있다.

또한, 세개 이상의 권선이 포함될 수 있음을 이해할 것이다. 이들 권선 중의 일부는 발생된 전기의 전력 전달을 위한 것일 수 있거나 또는 통신 및 데이타 전달 목적을 위한 것일 수 있다.

일부 실시 형태에서, 상대적으로 회전가능한 두개의 요소 사이에 전력을 전달하기 위한 전력 전달 장치가 있을 수 있는데, 이 장치는, 주 축선에 대해 반경 방향으로 서로 분리되어 있는 내측 전기 권선과 외측 전기 권선; 및 적층된 디스크의 형태로 된 엔드캡들을 갖는 자속 안내부를 포함하며, 상기 엔드캡들은 그들 사이에 내측 및 외측 권선을 두고 주 축선을 따라 축방향으로 서로 떨어져 있으며, 각각의 엔드캡은 각각의 반경 방향 내측 및 외측 엔드캡을 한정하기 위해 주 축선에 중심을 두고 있는 환형 공기 틈새를 포함하고, 내측 엔드캡들은 내측 권선을 통과하는 적어도 하나의 내측 자속 안내부에 의해 연결되어 내측 코어를 형성하고, 외측 엔드캡들은 원주 방향으로 분리되어 있는 적어도 2개의 외측 자속 안내부에 의해 연결되어 외측 권선을 갖는 외측 코어를 형성하게 되며, 내측 및 외측 코어는 주 축선을 중심으로 상대 회전가능하게 장착되며, 상기 내측 자속 안내부 및 외측 자속 안내부는 적층체로 구성되며, 이 적층체의 면은 주 축선의 방향으로 연장되어 있다.

자속 안내부는 내측 전기 권선 주위에 실질적으로 닫힌 자기 회로를 형성하도록 배치된다. 내측 및 외측 자속 안내부는 각각의 엔드캡들 중의 적어도 하나에있는 홈 안에 위치되는 고투자율 재료를 포함할 수 있다. 내측 및 외측 전기 권선은 다른 권회수를 가질 수 있다. 내측 권선은 외측 권선 보다 낮은 전압 정격을 을 가질 수 있다. 내측 코어는 내측 엔드캡들 사이에서 이를 통과해 연장되어 있는 개방 통로를 포함할 수 있다.

내측 자속 안내부는 엔드캡들 사이에서 주 축선을 따라 연장되어 있는 복수의 적층된 고투자율 부재들을 포함할 수 있다.

반경 방향 내측 엔드캡은, 반경 방향으로 연장되어 있고 적층된 고투자율의 자속 안내 부재 및 환형 자속 안내 부재를 갖는 스포크형 구성을 포함할 수 있으며, 상기 환형 자속 안내 부재의 반경 방향 외측면은 환형 공기 틈새를 규정한다.

축방향으로 연장되어 있는 내측 자속 안내 부재 및 반경 방향으로 연장되어 있는 자속 안내 부재는 C-형 적층체로 형성될 수 있다.

상기 전력 전달 장치는 축방향으로 서로 이격된 복수의 내측 및 외측 코어를 포함할 수 있다. 각각의 내측 및 외측 코어는 실질적으로 자기적으로 절연되어 내고장성 기계가 제공된다.

Claims (14)

1. 상대적으로 회전가능한 2개의 동축 요소 사이에 전력을 전달하기 위한 전력 전달 장치로서,
   자속(magnetic flux) 안내부, 외측 전기 권선 및 내측 코어를 수용하기 위한 공동부를 갖는 외측 코어; 및
   상기 공동부 내에 적어도 부분적으로 위치되며, 자속 안내부와 내측 권선을 갖는 내측 코어를 포함하고,
   상기 내측 코어 및 외측 코어는 전력 전달 배치 상태와 회전가능한 배치 상태 사이에서 움직일 수 있도록 배치되며, 상기 전력 전달 배치 상태에서는 상기 내측 코어와 외측 코어의 자속 안내부들이 사용 중에 전력이 전달되는 제 1 거리로 서로 분리되고, 상기 회전가능한 배치 상태에서는 상기 내측 코어와 외측 코어가 서로 상대적인 방향으로 회전이 가능한 제 2 거리로 상기 내측 코어와 외측 코어가 서로 분리되고,
   상기 전력 전달 배치 상태에서 상기 내측 코어와 외측 코어의 상기 자속 안내부들은 서로 인접하게 되는 전력 전달 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 내측 코어와 외측 코어는 주 축선을 따라 동축으로 포개지며, 내측 코어와 외측 코어는 축방향으로 변위되어 상기 전력 전달 배치 상태와 회전가능한 배치 상태 사이에서 움직일 수 있는 전력 전달 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 내측 코어와 외측 코어의 자속 안내부들은 각각, 상기 내측 권선과 외측 권선을 사이에 두고 회전 축선을 따라 축방향으로 서로 이격되어 있는 내측 엔드캡과 외측 엔드캡을 가지며, 이 각각의 엔드캡은 대응하는 인터페이스 표면을 포함하는 전력 전달 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 내측 엔드캡 및 외측 엔드캡은 적어도 반경 방향으로 겹치며, 반경 방향 겹침부는 상기 인터페이스 표면의 일 부분을 형성하는 전력 전달 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 내측 엔드캡 및 외측 엔드캡은 상기 인터페이스 표면에서 주 축선에 대해 축방향으로 적어도 부분적으로 서로 겹치는 전력 전달 장치.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 내측 코어는 원뿔대 면 내에 제한되는 전력 전달 장치.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   축방향 직렬로 배치되는 복수의 내측 코어 및 외측 코어를 갖는 전력 전달 장치.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 내측 코어들은 이들 내측 코어의 폭이 축선의 길이를 따라 증가하도록층상 구조로 배치되게 서로 다른 크기로 되어 있는 전력 전달 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   축방향으로 서로 인접하는 내측 코어 및 외측 코어는 엔드캡을 공유하는 전력 전달 장치.
10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 내측 코어 또는 외측 코어는 수직 축선을 중심으로 방향성을 갖고 회전할 수 있는 발전 장치에 설치되는 전력 전달 장치.
11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 내측 코어 및 외측 코어는 적층된 디스크의 형태로 된 엔드캡들을 갖는 자속 안내부를 포함하며, 그 엔드캡들은 회전 축선을 따라 서로 분리되어 있고, 상기 내측 코어의 내측 엔드캡들은 적어도 하나의 내측 자속 안내부에 의해 연결되어 있으며, 상기 외측 코어의 외측 엔드캡들은 적어도 하나의 외측 자속 안내부에 의해 연결되어 있고, 상기 내측 자속 안내부 및 외측 자속 안내부는 적층체로 구성되어 있고, 이 적층체의 면은 축선 방향으로 연장되어 있는 전력 전달 장치.
12. 전력 전달 장치로서,
    자속 안내부, 외측 전기 권선 및 내측 코어를 수용하기 위한 공동부를 갖는 외측 코어; 및
    상기 공동부 내에 적어도 부분적으로 위치되며, 자속 안내부와 내측 권선을 갖는 내측 코어를 포함하고,
    상기 내측 코어 및 외측 코어는 전력 전달 배치 상태와 회전가능한 배치 상태 사이에서 움직일 수 있도록 배치되며, 상기 전력 전달 배치 상태에서는 상기 내측 코어와 외측 코어의 자속 안내부들이 사용 중에 전력이 전달되는 제 1 거리로 서로 분리되고, 상기 회전가능한 배치 상태에서는 상기 내측 코어와 외측 코어가 서로 상대적인 방향으로 회전이 가능한 제 2 거리로 상기 내측 코어와 외측 코어가 서로 분리되고,
    상기 내측 코어와 외측 코어의 자속 안내부들은 각각, 상기 내측 권선과 외측 권선을 사이에 두고 회전 축선을 따라 축방향으로 서로 이격되어 있는 내측 엔드캡과 외측 엔드캡을 가지며, 이 각각의 엔드캡은 대응하는 인터페이스 표면을 포함하며, 상기 내측 엔드캡 및 외측 엔드캡은 회전 축선에 대하여 반경 방향으로 겹치며, 반경 방향 겹침부는 상기 인터페이스 표면의 일 부분을 형성하는 전력 전달 장치.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 인터페이스 표면은 회전 축선에 수직인 평면내에 있는 전력 전달 장치.
14. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 전력 전달 장치를 작동시키는 방법으로서,
    내측 코어와 외측 코어가 인접 작용 거리로 서로 분리되도록 상기 내측 코어는 외측 코어에 대해 전력 전달 배치 상태에 있게 되며,
    상기 방법은, 내측 코어와 외측 코어를 축방향으로 분리시켜 이들 코어를 회전가능한 배치 상태에 두는 단계; 내측 코어와 외측 코어를 서로에 대해 회전시키는 단계; 내측 코어와 외측 코어를 축방향으로 결합시켜 이들 코어를 새로운 회전 위치에서 전력 전달 배치 상태에 두는 단계; 및 전력을 전달하는 단계를 포함하는, 전력 전달 장치를 작동시키는 방법.

Images