KR20070033037A

KR20070033037A - 전기 기계

Info

Publication number: KR20070033037A
Application number: KR1020077003712A
Authority: KR
Inventors: 유씨 후페넨; 파누 쿠로넨; 유하 피르회넨
Original assignee: 로타테크 핀랜드 오와이
Priority date: 2004-07-19
Filing date: 2005-07-07
Publication date: 2007-03-23
Also published as: WO2006008331A1; CA2573089C; KR101043795B1; EP1779494A4; US7772738B2; NO337005B1; EP1779494A1; CA2573089A1; NO20070246L; US20070284959A1

Abstract

본 발명은, 아치형 고정자, 및 상기 고정자 내에 장착된 원통형 회전자를 구비하며, 영구자석 방사상 자속 동기식 전기 기계의 경우에서와 같이 자속이 상기 고정자와 상기 회전자 사이에서 흐르는 전기 기계에 있어서, 상기 고정자는 각각 독립적 고정자 코어와 권선을 구비하는 고정자 세그먼트(2)로 구성되어 있고, 상기 고정자 세그먼트는, 상기 고정자가 상기 회전자의 반경에 따라 아치형으로 되고, 선형 기계처럼 전자기적으로 독립적으로 작동되는 상기 고정자 세그먼트로 구성되도록, 서로 물리적으로 분리되도록 배치되어 있으며, 상기 고정자 세그먼트 각각은 고정자 코어, 및 다른 상기 고정자 세그먼트로부터 분리된 권선을 구비하고, 상기 고정자 세그먼트는, 상기 고정자 코어로부터 분리되고, 여러 개의 길이방향 리브(41), 및 상기 리브(41)들 사이에 있는 부품(42)으로 구성된 오버헤드 지지 프레임 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계를 제공한다.

고정자, 회전자, 전기 기계, 고정자 코어, 권선, 고정자 세그먼트, 선형 기계, 리브, 부품, 오버헤드 지지 프레임 구조.

Description

전기 기계{ELECTRIC MACHINE}

본 발명은 선형 기계처럼 작용하는 고정자 세그먼트로 구성되는 고정자를 가진 영구 자석 방사상 자속 동기식 전기 기계처럼 작동하는 기계에 관한 것이다.

종래의 풍력 발전소에서, 풍력 회전자는 일반적으로 기어 시스템을 통해 1개, 드물게는 2개의 발전기를 구동한다. 대형 풍력 발전소에서 풍력 회전자가 통상적으로 10 내지 20rpm으로 회전할 때, 기어 시스템은 100에 가까운 기어비를 가져 발전기에 예를 들면 1500rpm의 회전 속도를 준다. 단일 기어 위성 기어 시스템을 가진 풍차에서, 기어비는 10에 가까워, 발전기는 통상적으로 150 내지 250rpm으로 회전한다. 현재 공지되어 있는 다른 형태의 발전기는 소위 직접 구동 발전기이며, 그것은 기어 시스템이 전혀 사용되지 않고, 풍력 회전자가 전기 기계의 회전자에 직접 연결되는 것을 뜻한다.

직접 구동 방사상 자속 발생기는 공보 WO-A1-00/6079에 개시되어 있으며, 풍력 회전자의 샤프트에 직접 결합될 수 있는 풍력 발전기를 기술하고 있다. 상기 발전기는 개별적으로 서로 독립적으로 장착, 수리 및 제거될 수 있는 복수개의 개별적 고정자 모듈로 구성되는 고정자를 구비한다. 이것은 풍력 발전소, 특히 발전기의 설치를 쉽게 하는데, 고정자가 작은 부품으로 운반되고 정위치에 장착될 수 있기 때문이다.

공보 WO-A1-03/073583은 권선이 제공된 고정자와 회전자를 가진 모듈식 동기 풍력 발전기를 개시하고 있으며, 회전자와 고정자는 별개의 모듈로 구성된다. 상기 모듈에서, 고정자와 회전자는 모두 서로 중첩된 세그먼트 플레이트로 구성된다.

상술한 공보 WO-A1-03/073583에서, 연속적 고정자 링을 형성하는 방법이 기술되어 있다. 청구범위에 따르면, 고정자 링은 적어도 2개의 부품으로 분할된다. 도 4는 특히 연속적 링을 형성하기 위해 링 세그먼트가 함께 록킹되는 방법을 도시한다. 링 세그먼트는 각각의 단부에 정확하게 1/2의 치형부(tooth)를 가져, 이들이 모여서 1개의 완전한 치형부를 형성한다. 이러한 해결방안에 의해, 풍력 발전기는 현장에서 세그먼트로부터 조립되고, 케이블이 권선될 수 있으며, 따라서, 통상적인 많은 엔지니어링 작업이 반드시 필요하지 않다.

종래기술의 발전기에서의 단점은 비교적 복잡하고 무거운 구조이다. 또한, 개별적 고정자와 회전자 모듈의 열팽창 및 다른 유사한 요인들은 발전기의 설치 및 작동에 어려움을 준다.

본 발명의 목적은 종래기술의 단점을 극복하고, 이론상 독립적이며, 기계적으로 직렬로 연결되었을 때, 통상적인 세그먼트 구조처럼 보이지만, 연속적 고정자 구조를 가진 특허출원 WO 03/073583에 따른 기계와는 기능상 현저히 다른 구조를 형성하는 선형 기계를 이용하는 해결방안을 얻는 것이다.

본 발명은, 전기 기계의 고정자가, 상기 전기 기계의 지지 구조의 일부인 연속적 링을 형성하지 않는, 선형 기계를 닮은 2개 이상의 개별적 독립적 세그먼트들로 구성되는 원리에 기초한다. 따라서, 상기 기계에 나타나는 힘은 특수 지지 구조에 의해 보상된다. 종래기술의 해결방안에서, 고정자 코어는, 자력의 일부를 지탱하는 "아치"로서 작용하는 연속적 링 구조을 형성하도록 플레이트를 적층함으로써, 플레이트에 의해 조립된다.

본 발명에 따르면, 선형 기계는 선형 기계의 자기 회로를 형성하는 예를 들면 5개의 병렬 고정자 플레이트 팩을 이용하여 실현된다.

본 발명의 선형 기계는 모든 힘을 견디는 지지 구조에 예를 들면 T-바에 의해 고정된다. 종래기술의 해결방안에서는, 고정자 세그먼트는, 일반적으로 후방부가 상기 기계의 프레임 구조에 용접된 연속적 링을 형성하도록, 중첩되어 조립된다. 따라서, 고정자 팩은 자력을 지지하는 것에 관련된 "아치"를 형성한다.

종래의 기계의 자기 코어와는 다르게, 선형 기계의 자기 코어가 전기 기계의 자력을 지지하는 것에 관련되지 않기 때문에, 이미 자화된 영구자석 회전자 주위에 고정자 전체를 조립할 수 있다. 이렇게 고정자가 독립적 선형 기계로 구성되기 때문에, 이들은 각각 필요시에 작동정지되거나 교체될 수 있다.

또한, 가벼운 구조와 효율적인 냉각이 달성되며, 개별 고정자 세그먼트들의 열팽창의 차이에 의해 발생되는 단점이 제거될 수 있다.

본 발명에 따른 풍력 발전기의 특징들은 이하의 청구범위들에 상세하게 나타나 있다.

도 1은 본 발명에 따른 직접 구동 풍력 발전기를 도시한다.

도 2는 본 발명에 따른 직접 구동 풍력 발전기의 단면도이다.

도 3은 회전자를 도시한다.

도 4는 고정자 세그먼트와 그 지지 구조를 도시한다.

도 5는 자속 브리지를 도시한다.

도 6은 고정자 팩의 자기 회로의 프레임을 도시한다.

도 7은 영구자석을 도시한다.

도 8은, 각각의 세그먼트를 독립적인 것이 되게 하고, 세그먼트들이 서로 작은 간격을 두고 위치될 수 있게 하도록, 예를 들면 영구자석 방사상 자속 발생기의 고정자 세그먼트의 권선을 실시하기 위한 본 발명에 따른 장치를 도시한다.

도 9는 세그먼트의 단부들의 구조를 실시하기 위한 다른 대안을 도시한다.

아래에서, 본 발명을 실시예와 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는, 실질적으로 영구자석 방사상 자속 동기식 전기 기계처럼 작용하며, 풍력 발전소에 이용하기 위해 디자인된 직접 구동 3상 발전기를 도시하며, 자속은 영구자석 방사상 자속 동기식 전기 기계의 경우와 같이 고정자와 회전자 사이에서 반경 방향으로 흐르며, 외부 아치형 고정자는, 실제로 독립적으로 작동하고, 이미 권선되었을 때에는 선형 기계라고 지칭될 수 있는 세그먼트로 구성된다. 고정자는 직렬로 나란히 연결되는 예를 들면 12개의 선형 기계들을 포함하고, 발전기는 단부 플레이트(3)가 설치되는 원통형 케이싱(8), 고정자(3), 회전자(1), 외부 케이블(7), 및 발전기의 단부에 배치되는 파이프를 가진 냉각 시스템(6)을 구비한다. 회전자(1)는 풍력 회전자의 샤프트(도시되지 않음)에 직접 결합될 수 있다.

상기 발전기는 영구자석 동기식 발전기이며, 회전자는 원통형 외곽부(31)을 포함하며, 프레임은, 플레이트형 단부 플레이트부(32), 상기 단부 플레이트부(32)들 사이의 플랜지부(33), 및 풍력 회전자의 샤프트에 연결하기 위한 관형 중앙 샤프트(34)로 구성되는 셀형(cellular) 구조로 된다. 원통형 회전자(1)는 고정자 내에 장착되며, 그 표면에 고정되는 영구자석을 구비하며(도 7 참조), 따라서 권선이 전혀 필요 없다.

고정자는 복수개의 선형 기계 세그먼트(2), 예를 들면 12개의 세그먼트(도 4 참조)들을 구비하며, 각각의 세그먼트는 서로 작은 간격을 두고 배치되며 그 위에 셀형 지지 프레임 구조(40)을 구비하고, 프레임 구조(40)은, 발전기의 길이방향으로 놓이는 브리지 빔을 닮은 복수개의 천공 리브(41), 및 천공 리브(41)들 사이에 배치되는 부품(42)으로 구성되며, 고정자 세그먼트에, 각각의 고정자 세그먼트 내에 장착되는 형상(profiled) 구리 권선(44)이 설치되는 연속적 고정자 권선 코어(43)가 설치되고, 상기 코어는 권선용 슬롯(47)과 슬롯 쐐기(48)를 구비하며, 상기와 같이 형성된 고정자 팩은, 팩 내에 포함된 T-바(45) 및 프레임 내에 설치되는 대응 부재(46)를 구비하는 간단한 가동 구속부재에 의해 프레임에 고정된다(도 5 및 도 6).

본 발명의 해결방안에서, 자속 브리지는, 스크루(52)를 이용하여 하향 개방 길이방향 U-채널 빔(51)을 오버헤드 프레임 구조에 고정시킴으로써 선형 기계를 필 요시에 상술한 오버헤드 프레임 구조를 따라 발전기에 연결하기 위해 세그먼트들 사이에 설치되며, 상기 채널 빔에, 고정자 세그먼트들 사이의 갭을 가로질러 회전 자계를 유지하는 자속 브리지 바(53)가 배치된다(도 5 참조). 선형 기계들 사이의 불연속성은 도 9에 도시된 구조를 사용하여 제거될 수 있는데, 자기 회로의 철부(iron part)는 선형 기계의 양쪽 단부에서 넓어져(49), 기계들 사이의 자기저항이 감소된다. 따라서, 선형 기계는 직렬로 더욱 양호하게 결합되고, 조립체는 대형 회전 자계 기계를 닮기 시작한다.

도 8에 도시된 본 발명의 해결방안에서, 고정자 세그먼트(81)의 에지에 있는 권선은 슬롯(82)의 일부만 채운다. 이것은 예를 들면 각각의 위상(U, V, W)에 대한 제1 및 마지막 슬롯(2)을 반만 채워진 상태로 남김으로써 배치될 수 있는데, 다시 말해서, 마지막 슬롯으로부터 시작 단부에 있는 슬롯으로 복귀되어야 할 마지막 코일이 장착되지 않은 상태로 남는다. 1/2 코일 다이어몬드 권선 장치(3)를 사용함으로써, 권선의 단부는 여러 개의 위상들 사이에서 대칭적으로 될 것이고, 따라서, 위상 인덕턴스에 큰 차이가 없다. 코일 단부는 에지 쪽 권선에 비하여 용이하게 형성될 수 있고, 세그먼트의 시작 단부에 있는 제1 슬롯에 복귀 리드가 필요하지 않으며, 따라서 코일 단부에서의 공간이 절약될 수 있고, 권선은 교차하는 도체를 포함하지 않아, 코일 단부는 짧게 될 수 있다.

본 발명의 해결방안은 선형 기계들의 단부 영역에서 자장의 세기를 감소시켜(기계들 사이에 자기 불연속성이 존재함), 선형 기계의 단부 현상이 감쇄된다.

기계는 다음과 같이 조립된다.

1. 베어링과 플레이트가 회전자 상에 장착된다.

2. 힘을 제어할 수 있는 특수 툴을 이용하여 영구자석이 회전자에 장착된다.

3. 고정자 세그먼트가 유압식으로 또는 다른 적절한 제어된 방법으로 구속되면서 회전자 근처의 위치에 한번에 하나씩 주의하여 위치된다.

4. 고정자의 지지 구조는 단부 실드(shield)에 고정된다.

이러한 구조 및 이러한 조립 절차는 기계를 거의 모든 곳에서 생산할 수 있게 하며, 별도의 기계 공장을 필요로 하지 않는다.

본 발명의 여러 가지 다른 실시예는 상기 실시예에 제한되지 않고, 아래에 기술되는 청구범위의 범위 내에서 변경될 수 있다는 것은 당업자에게 명백하다. 연속적 팩으로 구성되는 세그먼트 외에도, 고정자 세그먼트는 단일 부재로부터 조립될 수 있다. 또한, 예를 들면 부분 부하가 걸리는 때에, 고정자의 몇 가지 선형 기계는 상기 기계로부터 제거되거나, 작동되지 않도록 연결이 해제될 수 있고, 그 경우에 상기 기계는 하나 이상의 세그먼트 없이 작동될 것이다.

Claims

아치형 고정자, 및 상기 고정자 내에 장착된 원통형 회전자를 구비하며,

영구자석 방사상 자속 동기식 전기 기계의 경우에서와 같이 자속이 상기 고정자와 상기 회전자 사이에서 반경방향으로 흐르는

전기 기계에 있어서,

상기 고정자는 각각 독립적 고정자 코어와 권선을 구비하는 고정자 세그먼트(2)로 구성되어 있고,

상기 고정자 세그먼트는, 서로 물리적으로 분리되도록 배치되어, 상기 고정자가 상기 회전자의 반경에 따라 아치형으로 되고, 선형 기계처럼 전자기적으로 독립적으로 작동되는 상기 고정자 세그먼트로 구성되며,

상기 고정자 세그먼트 각각은 고정자 코어, 및 다른 상기 고정자 세그먼트로부터 분리된 권선을 구비하고,

상기 고정자 세그먼트는, 상기 고정자 코어로부터 분리되고, 여러 개의 길이방향 리브(41), 및 상기 리브(41)들 사이에 있는 부품(42)으로 구성된 오버헤드 지지 프레임 구조를 포함하는

것을 특징으로 하는 전기 기계.
제1항에 있어서,

상기 지지 프레임 구조는, 선형 기계의 단부 현상을 제거하기 위해 상기 선 형 기계들 사이에 배치된 자속 브리지 요소(53)를 갖거나, 자기 회로가 동일한 효과를 발생시키기 위해 상기 선형 기계의 단부들 사이에서 확장된(49) 것을 특징으로 하는 전기 기계.
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 선형 기계의 고정자 팩은 T-바 및 그 대응 부품(counterparts)에 의해 상기 프레임에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
제1항에 있어서,

기계적으로 직렬로 연결되었을 때, 세그먼트 구조를 형성하며, 선형 기계처럼 작동하는 독립적 세그먼트들을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
제4항에 있어서,

상기 고정자가 독립적 선형 기계로 구성되어 있고,

하나 이상의 상기 독립적 선형 기계가 작동정지되거나, 제거되거나 교체될 수 있는

것을 특징으로 하는 전기 기계.
제1항에 있어서,

상기 고정자가 복수개의 세그먼트들로 구성되고,

상기 고정자의 에지부 내의 상기 고정자 권선이 권선 슬롯의 일부만 채우는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
제6항에 있어서,

에지 슬롯을 채우는 슬롯의 비율이 최대 50%인 것을 특징으로 하는 전기 기계.
제6항에 따른 3상 전기 기계에 있어서,

각각의 위상(U, V, W)을 위한 제1 및 마지막 슬롯은 부분적으로만 채워진 것을 특징으로 하는 3상 전기 기계.
실질적으로 영구자석 방사상 자속 동기식 전기 기계처럼 작동하는 전기 기계를 조립하는 방법에 있어서,

a. 베어링과 플레이트가 상기 회전자 상에 장착되는 단계,

b. 영구자석이 상기 회전자 내에 장착되는 단계,

c. 고정자 세그먼트가 상기 회전자 근처의 위치에 한번에 하나씩 배치되는 단계, 및

d. 고정자의 지지 구조가 단부 실드(shield)에 고정되는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계를 조립하는 방법.
제9항에 있어서,

상기 고정자 세그먼트가 유압식으로 또는 다른 적절한 제어된 방식으로 상기 회전자 근처의 위치에 한번에 하나씩 배치되고,

상기 영구자석이, 힘을 제어할 수 있는 특수 툴을 이용하여 상기 회전자에 장착되는

것을 특징으로 하는 전기 기계를 조립하는 방법.