KR102170237B1 - 냉각 유로가 형성된 발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 적은 양의 냉각 공기를 통해서도 회전자 및 고정자의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 냉각 유로가 형성된 발전기에 관한 것으로, 회전축(150); 상기 회전축(150)에 결합된 회전자 코어(120); 및 상기 회전자 코어(120)가 중앙에 관통 설치되는 회전 적층체(110)를 포함하는 회전자(100); 상기 회전자(100)가 중앙에 관통 설치되는 고정 적층체(210)를 포함하는 고정자(200): 및 상기 회전자(100)의 하부에 구비된 냉각팬(300)을 포함하고 있고, 상기 회전자 코어(150)는 상기 회전축(150)과 결합되는 코어 축부(121); 및 상기 코어 축부(121)의 상부에 확장된 면을 갖도록 형성된 코어 플랜지(122)를 포함하고 있다,

Description

냉각 유로가 형성된 발전기{Generator with Air Path}
본 발명은 냉각 유로가 형성된 발전기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대용량 프란시스 수차에 사용되는 발전기와 같은 대용량 발전기에 적용할 수 있도록 적은 양의 냉각 공기를 통해서도 회전자 및 고정자의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 냉각 유로가 형성된 발전기에 관한 것이다.
일반적으로 수차는 수력에 의해 발전을 하는 기계장치로서, 물의 낙차를 이용하여 수차를 통해 발전기의 회전축을 회전시켜 전력을 생산하는 장치이다.
널리 사용되는 수차 중의 하나인 프란시스 수차는, 나선형의 케이싱을 통하여 유입된 물이 스테이베인과 가이드베인을 거쳐 유도되어, 상기 나선형의 케이싱의 중앙부에 회전 가능하게 설치된 러너를 포함하고 있고, 러너의 회전에 의한 운동에너지를 이용하여 발전기의 회전자를 회전시키면서 전기를 발전하게 된다.
이처럼, 발전기의 회전자가 회전하면서 전기를 발생할 때에는 발전기에 구비된 회전자 및 고정자 등에서 열이 발생하게 되고, 이로 인하여 발전기의 효율이 낮아지는 문제가 있으므로, 발전기를 냉각시키는 것이 필요하다. 이러한 열의 문제는 대용량 프란시스 수차 등에 사용되는 대용량의 발전기인 경우에 그 중요성이 더 커질 수 있다.
등록특허공보 제10-1680101호(이하 ‘종래기술’이라 함)에서는 발전기 로터의 냉각을 위하여 회전자에 냉각 유로를 형성한 기술이 나타나 있다.
종래기술에 나타난 발전기의 로터는 얇은 판상의 코어부재(11)를 적층하여 형성한 적층 로터 코어(10)의 중앙에 회전축(13)이 결합된 구조를 갖고 있고, 로터를 냉각시키기 위하여, 로터 코어(10)에 상하방향으로 관통하는 방열 통공(30)이 형성되어 있고, 방열 통공(30)으로 공기가 쉽게 유입되도록 안내하는 날개부재(400)도 구비하고 있다.
하지만, 종래기술에 나타난 발전기 로터는 도 2에 나타난 종래의 냉각유로가 형성된 발전기를 참조하여 살펴보면, 냉각에 있어서 효율적이지 않은 문제점이 있다.
먼저, 회전자(100)의 회전 적층체(110)의 일부에 상하방향으로 관통하는 축방향 유로(130)가 형성되어 있어 회전자를 통과하는 유로가 한정적이므로 회전자(100)의 냉각에 효과적이지 않다.
또한, 발전기에는 고정자(200)도 구비되어 있는데 상기 회전 적층체(110)에 형성된 축방향 유로(130)를 통과하는 냉각 공기는 고정자(200)의 냉각에는 전혀 기여를 하지 않고, 고정자(200)의 냉각을 위해서는 회전자(100)와 고정자(200) 사이의 간극(140)으로 냉각 공기가 유입되어 냉각을 시켜야 하는데, 공기의 유입이 쉽지 않을 뿐 아니라, 고정자(200)에 형성된 방사상 고정자 유로(215)로 유입되는 공기의 양이 적으므로, 고정자(200)의 냉각도 효과적이지 않는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해서는 냉각팬(300)으로 더 많은 공기를 보내어야 하는데, 이 때에는 냉각팬(300)의 용량 또는 수량을 증가시켜야 하는 문제점이 발생하게 될 뿐 아니라, 공기 유량의 증가로 인하여 낼 수 있는데, 발전기이 풍손실도 증가하게 되고 결과적으로 발전기의 효율을 감소시킬 수도 있다.
이와 같은 발전기의 냉각 관련 문제는 대용량 프란시스 수차 등에 구비되는 발전기 등과 대용량 발전기에 있어서는 효율에 더 큰 영향을 미칠 수 있으므로, 발전기의 회전자와 고정자를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 기술 개발이 요구된다.
등록특허공보 제10-1680101호(2016.11.29. 공고)
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 상기 문제점을 해결하기 위하여 대용량 프란시스 수차에 연결되는 발전기와 같은 대용량 발전기에서도 적은 양의 냉각 공기를 통해서도 회전자 및 고정자의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 냉각 유로가 형성된 발전기를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 냉각 유로가 형성된 발전기는, 회전축(150)과, 상기 회전축(150)에 결합된 회전자 코어(120) 및 상기 회전자 코어(120)가 중앙에 관통 설치되는 회전 적층체(110)를 포함하는 회전자(100);와, 상기 회전자(100)가 중앙에 관통 설치되는 고정 적층체(210)를 포함하는 고정자(200): 및 상기 회전자(100)의 하부에 구비된 냉각팬(300)을 포함하고 있다. 이 때, 상기 회전자 코어(150)는 상기 회전축(150)과 결합되는 코어 축부(121) 및 상기 코어 축부(121)의 상부에 확장된 면을 갖도록 형성된 코어 플랜지(122)를 포함하고, 상기 회전 적층체(110)는 회전 적층체 부재(110i)가 적층되어 형성되고, 상기 회전 적층체(110)에는 다수의 방사형 회전자 유로(115)가 형성되어 있으며, 상기 고정 적층체(210)는 고정 적층체 부재(210i)가 적층되어 형성되고, 상기 고정 적층체(210)에는 다수의 방사형 고정자 유로(215)가 형성되어 있으며, 상기 방사형 회전자 유로(115)와 상기 방사형 고정자 유로(215)는 적어도 일부가 동일한 축 상에 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 코어 축부(121)와 상기 회전 적층체(110) 사이에는 상하방향으로 축방향 회전자 유로(130)가 추가로 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 코어 축부(121)에는 축부 경사부(121a)가 형성되어 있어, 상기 축방향 회전자 유로(130)가 상부로 갈수록 단면이 감소하도록 구성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 코어 플랜지(122)에는 상기 축방향 회전자 유로(130)와 연결되는 공기 배출 안내구(123)가 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 공기 배출 안내구(123)는 상기 축방향 회전자 유로(130)를 통하여 배출되는 공기(A)가 쉽게 배출될 수 있도록 그 측면(123a)이 경사져 있을 수 있다.
본 발명에 따른 냉각 유로가 형성된 발전기에서는, 방사상 회전자 냉각유로(115)를 통하여 회전자(100)를 냉각시킬 뿐 아니라, 방사상 회전자 냉각유로(115)를 지나면서 균일하게 방향성을 갖는 형태의 냉각 공기 흐름이 발생되도록 하여 방사상 고정자 냉각유로(215)를 통하여 배출되는 공기의 양을 증가시킴으로서 고정자(200)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 발전기는 회전자(100) 및 고정자(200)의 냉각 효율을 향상시킴으로써 냉각팬(300)의 용량 및 냉각 유량을 감소시킬 수 있으므로, 유입되는 냉각 공기에 의한 발전기의 손실인 풍손실을 저감시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 발전기는 효율적 냉각으로 열손실을 저감시킬 수 있고, 냉각 공기 유입량을 저감시킬 수 있어 풍손실을 저감시킬 수 있으므로, 이를 통하여 발전기의 효율을 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 냉각 유로가 형성된 발전기 회전자.
도 2는 종래의 냉각 유로가 형성된 발전기의 일 실시예.
도 3은 본 발명의 발전기에서의 냉각 공기 이동 개념도.
도 4는 본 발명의 냉각 유로가 형성된 발전기의 일 실시예.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 종래의 냉각 유로가 형성된 발전기의 일 실시예이고, 도 3은 본 발명의 발전기에서의 냉각 공기 이동 개념도이며, 도 4는 본 발명의 냉각 유로가 형성된 발전기의 일 실시예이다.
본 발명에서는 효과적으로 발전기를 냉각시키기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 회전자(100)에 방사형의 회전자 유로(115)를 형성하고, 고정자(200)에 방사형의 회전자 유로(115)를 형성하여 냉각팬(300)으로 회전자(100)에 유입되는 냉각 공기(A)를 방사형 회전자 유로(115)와 방사형 고정자 유로(215)를 통하여 배출되도록 하여 냉각 효율을 향상시키는 것을 고려하였다.
이를 구현하기 위하여 본 발명자는 도 4에 나타난 바와 같은 냉각 유로가 형성된 발전기를 발명하였다.
본 발명의 냉각 유로가 형성된 발전기는 도 4에 도시된 바와 같이 회전자(100)와 고정자(200) 및 냉각팬(300)을 포함하고 있다.
회전자(100)는 회전축(150)과, 상기 회전축(150)에 결합된 회전자 코어(120) 및 상기 회전자 코어(120)가 중앙에 관통 설치되는 회전 적층체(110)를 포함하고 있다.
회전 적층체(110)는 중공의 환형 회전 적층체 부재(110i)가 적층되어 형성되고, 상기 회전 적층체(110)에는 다수의 방사형 회전자 유로(115)가 형성되어 있다.
상기 방사형 회전자 유로(115)는 회전 적층체 부재(110i)를 적층하면서 형성되도록 한 것으로 이는 적층하는 회전 적층체 부재(110i) 중에 상기 방사형 회전자 유로(115)가 형성될 수 있는 형상을 갖는 부재를 적층할 때 유로(115)가 형성될 것이고, 유로가 형성되는 부분에서는 수평방향에서 방사형으로 유로가 형성되도록 구성할 수 있다.
또한, 회전 적층체(110)의 높이 방향으로도 다수의 방사형 회전자 유로가 형성되도록 구성되어 있고, 높이 방향으로는 도 4에 도시된 바와 같이 유로(115)가 수직방향으로 위치하도록 구성할 수도 있고, 나선형 방향 등과 같이 다른 방향으로 유로(115)를 형성하는 것도 가능할 것이다.
회전축(150)은 구동력을 전달받아서 회전자(100)가 회전운동을 할 수 있도록 하는 구성요소이고, 예를 들어, 상기 발전기가 프란시스 수차에 연결된 발전기인 경우에는 상기 회전축(150)은 프란시스 수차의 러너(runner)에 결합되는 구성요소가 된다.
회전자 코어(150)는 상기 회전축(150)과 결합되는 코어 축부(121); 및 상기 코어 축부(121)의 상부에 확장된 면을 갖도록 형성된 코어 플랜지(122)를 포함하고 있다.
상기 코어 축부(121)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 회전축(150)과 동일한 축을 가지고 있고, 상기 회전축(150)이 삽입되어 결합되도록 구성되어 있는 것이 바람직하고, 상기 회전축(150)과 상기 회전자 코어(150)가 동일하게 회전할 수 있도록 상기 회전축(150)과 상대이동이 발생하지 않도록 결합되어 있는 것이 바람직하다.
상기 코어 축부(121)는 상기 회전 적층체(110)의 중심에 위치하게 설치되어 상기 회전 적층체(110)와 결합된다.
이 때, 상기 코어 축부(121)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 회전 적층체(110)와 서로 이격된 부분이 존재하는 상태로 결합되며, 이처럼 코어 축부(121)와 상기 회전 적층체(110)가 서로 이격된 부분은 도 4에 도시된 바와 같은 축방향 회전자 유로(130)를 형성하게 된다.
상기 축방향 회전자 유로(130)의 양측으로는 코어 축부(121)와 회전 적층체(110)가 서로 결합되어 있고, 그 결합된 간격 또는 형상에 따라 축방향 회전자 유로(130)의 폭이 결정될 것이다.
상기 축방향 회전자 유로(130)는 적층 회전체(110)에 형성된 방사형 회전자 유로(115)와는 연결되어 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 통하여 냉각팬(300)에 의하여 상기 축방향 회전자 유로(130)로 냉각 공기(A)가 유입되면, 공기 중의 일부는 상기 방사형 회전자 유로(115)로 유입되어 고정자(100)를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있게 된다.
한편, 축방향 회전자 유로(130)로 유입된 냉각 공기(A) 중에서 보다 많은 양의 공기가 방사형 회전자 유로(115)에 유입되도록 하기 위하여 도 4에 도시된 바와 같이 상기 코어 축부(121)에 축부 경사부(121a)가 형성되어 있을 수 있다.
상기 축부 경사부(121a)는 상기 축방향 회전자 유로(130)가 상부로 갈수록 단면이 감소되도록 구성하면, 축방향 회전자 유로(130)로 유입된 냉각 공기(A)가 상기 회전 적층체(110)의 상부로 갈수록 상기 방사형 회전자 유로(115) 방향의 속도 성분이 커지게 되고, 이에 따라 회전 적층체(110)의 상부에 형성되어 있는 방사형 회전자 유로(115)에도 냉각 공기(A)가 보다 쉽게 유입되도록 할 수 있을 것이다.
상기 코어 플랜지(122)는 상기 코어 축부(121)의 상부에 대략 원판 형상으로 형성되어 있을 수 있다.
상기 코어 플랜지(122)는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 회전 적층체(110)의 상부면의 전부 또는 일부를 덮을 수 있는 정도의 크기를 갖는 것이 바람직하고, 상기 코어 플랜지(122)는 상기 회전 적층체(110)와 상대 이동이 발생하지 않도록 결합되어 있는 것이 바람직하다.
한편 상기 코어 플랜지(122)에는 상기 축방향 회전자 유로(130)와 연통되는 공기 배출 안내구(123)가 형성되어 있을 수 있다.
상기 공기 배출 안내구(123)는 상기 축방향 회전자 유로(130)를 통하여 배출되는 공기(A)가 쉽게 배출될 수 있도록 도 4에 도시된 바와 같이 그 측면(123a)이 경사져 있도록 구성하여, 단면이 점차 감소하는 축방향 회전자 유로(130)를 통과한 냉각 공기(A)가 상기 공기 배출 안내구(123)를 쉽게 통과할 수 있도록 구성하는 것도 가능할 것이다.
다음으로, 고정자(200)는 상기 회전자(100)가 중앙에 관통 설치되는 고정 적층체(210)를 포함하고 있다.
이 때, 고정자(200)의 고정 적층체(210)와 회전자(100)의 회전 적층체(110)는 좁은 간극(140)을 갖고 서로 이격되어 있다. 즉, 상기 고정 적층체(210)와 회전 적층체(110)는 서로 이격된 상태로 구성되어 있다.
고정 적층체(210)는 중공의 환형 고정 적층체 부재(210i)가 적층되어 형성되고, 상기 고정 적층체(210)에는 다수의 방사형 고정자 유로(215)가 형성되어 있다.
여기서, 상기 고정 적층체(210)에 형성된 각 방사형 고정자 유로(215)는 상기 회전 적층체(210)에 형성된 방사형 회전자 유로(115)에 서로 연통될 수 있도록 구성되어 있는 것이 바람직하고, 상기 방사형 회전자 유로(115)와 상기 방사형 고정자 유로(215)는 적어도 일부는 동일한 축 상에 형성되어 있을 수도 있다.
이러한 구성에서 고정 적층체(210)와 회전 적층체(110)는 미세한 간극(140)을 사이에 두고 서로 이격되어 있으므로, 상기 방사형 고정자 유로(215)와 방사형 회전자 유로(115)가 서로 마주한 상태가 되도록 구성되어 있으면, 상기 방사형 회전자 유로(115)를 통과한 냉각 공기(A)의 많은 양이 고정자(200)의 고정 적층체(210)에 형성된 방사형 고정자 유로(215)를 통과하여 외부로 배출되므로, 보다 많은 양의 냉각 공기(A)가 방사형 고정자 유로(215)를 통과하여 발전기의 외부로 배출되어 발전기를 보다 효율적으로 냉각시킬 수 있을 것이다.
다음으로 냉각팬(300)은 도 4에 도시된 바와 같이 간극(140)보다 축방향 회전자 유로(130)에 많은 양의 공기가 유입될 수 있도록 구성하는 것이 바람직하다.
발전기에서 냉각팬(300)은 도 4에 도시된 바와 같이 별도의 냉각팬(300)을 사용할 수도 있고, 상기 회전축(150)에 의하여 구동되는 냉각팬(300)을 사용할 수도 있다.
본 발명에서는 대용량 프란시스 수차에 사용되는 발전기 등과 같이 대용량 발전기에 대하여 고려하기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이 별도의 냉각팬(300)을 갖는 상태에서 살펴본다.
이러한 구성을 통하여 본 발명에서는 냉각팬(300)을 통하여 축방향 회전자 유로(130)와 방사형 회전자 유로(115) 및 방사형 고정자 유로(125)를 통하여 발전기의 외부로 배출되는 냉각 공기의 양이 증가하게 되고, 이로 인하여 냉각 및 발전기 효율이 현저히 증가할 수 있다.
이처럼, 발전기의 냉각 효율이 증가함에 따라 필요한 냉각팬(300)의 크기 및 개수가 감소할 수 있고, 과도하게 냉각팬(300)의 파워를 높일 필요가 없다. 따라서, 작동하는 냉각팬(300)의 수 또는 용량을 증가시킬 필요가 없고, 실제 고정자 및 회전자로 유입되는 냉각 공기(A)의 양도 큰 차이가 없을 것이므로 발전기의 풍손실 및 발전기 효율 등을 향상시킬 수 있을 것이다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 회전자 110 : 회전 적층체
110i : 회전 적층체 부재 111 : 회전자 폴
115 : 방사형 회전자 유로 120 : 회전자 코어
121 : 코어 축부 121a : 축부 경사부
122 : 코어 플랜지 123 : 공기 배출 안내구
123a : 안내구 측면 130 : 축방향 회전자 유로
140 : 간극 150 : 회전축
200 : 고정자 210 : 고정 적층체
210i 고정 적층체 부재 215 : 방사형 고정자 유로
250 : 고정자 권서 300 : 냉각팬 A : 공기

Claims (5)

  1. 회전축(150); 상기 회전축(150)에 결합된 회전자 코어(120); 및 상기 회전자 코어(120)가 중앙에 관통 설치되는 회전 적층체(110)를 포함하는 회전자(100);
    상기 회전자(100)가 중앙에 관통 설치되는 고정 적층체(210)를 포함하는 고정자(200): 및 상기 회전자(100)의 하부에 구비된 냉각팬(300)을 포함하는 발전기에 있어서,
    상기 회전자 코어(120)는 상기 회전축(150)과 결합되는 코어 축부(121); 및 상기 코어 축부(121)의 상부에 확장된 면을 갖도록 형성된 코어 플랜지(122)를 포함하고,
    상기 회전 적층체(110)는 회전 적층체 부재(110i)가 적층되어 형성되고, 상기 회전 적층체(110)에는 다수의 방사형 회전자 유로(115)가 형성되어 있으며,
    상기 고정 적층체(210)는 고정 적층체 부재(210i)가 적층되어 형성되고, 상기 고정 적층체(210)에는 다수의 방사형 고정자 유로(215)가 형성되어 있으며,
    상기 방사형 회전자 유로(115)와 상기 방사형 고정자 유로(215)는 적어도 일부가 동일한 축 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 유로가 형성된 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어 축부(121)와 상기 회전 적층체(110) 사이에는 상하방향으로 축방향 회전자 유로(130)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 유로가 형성된 발전기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 코어 축부(121)에는 축부 경사부(121a)가 형성되어 있어, 상기 축방향 회전자 유로(130)가 상부로 갈수록 단면이 감소하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 유로가 형성된 발전기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 코어 플랜지(122)에는 상기 축방향 회전자 유로(130)와 연결되는 공기 배출 안내구(123)가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 냉각 유로가 형성된 발전기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공기 배출 안내구(123)는 상기 축방향 회전자 유로(130)를 통하여 배출되는 공기(A)가 쉽게 배출될 수 있도록 그 측면(123a)이 경사져 있는 것을 특징으로 하는 냉각 유로가 형성된 발전기.

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KR101680101B1 (ko) 2015-03-20 2016-11-29 한국에너지기술연구원 로터의 냉각향상용 유로가 형성된 터보컴파운드용 발전기 로터

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