KR20100070149A - 풍력 발전기 - Google Patents

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KR20100070149A
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Abstract

본 발명은 회전자 권선과 슬립링 단자 간의 연결 구조를 개선하여 서로 간의 연결이 원활히 이루어질 수 있도록 함과 더불어 슬립링의 직경이 최소화될 수 있도록 하여 전체적인 제품의 크기를 줄일 수 있는 새로운 형태의 풍력 발전기에 관한 것이다.
이를 위해, 본 발명은 회전자와 고정자 및 샤프트를 포함하여 구성되며, 상기 샤프트는 회전자의 내주면에 관통 고정되는 고정단과 상기 고정단으로부터 연장되는 연장단 및 상기 연장단에 비해 직경이 작게 형성되면서 상기 연장단의 외벽면 중앙측으로부터 외향 돌출된 결합단으로 이루어진 샤프트를 포함하여 구성된 발전기부; 일단은 회전자에 권선된 각 상의 회전자 권선에 연결되고, 타단은 상기 샤프트를 이루는 연장단의 내부를 통해 상기 연장단의 끝단 외벽면 둘레 부위를 관통하면서 외부로 노출되도록 연결된 복수의 리드 케이블; 상기 발전기부를 구성하는 샤프트의 결합단에 고정 설치되며, 내측면의 둘레에는 상기 샤프트의 연장단을 관통하여 노출된 각 리드 케이블과의 전기적 접속을 위한 단자 연결부를 가지는 슬립링부:를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 풍력 발전기가 제공된다.
풍력 발전기, 회전자 권선, 슬립링, 단자 연결부, 리드 케이블

Description

풍력 발전기{wind powered generator}
본 발명은 풍력 발전기에 관한 것으로써, 더욱 구체적으로는 풍력 발전기를 구성하는 슬립링의 설치 공간이 풍력발전기가 구동되지 않을 경우에는 외부로부터 폐쇄된 상태를 이룰 수 있도록 하여 상기 슬립링으로 이물질이나 수분이 유입됨을 방지할 수 있도록 한 새로운 형태의 풍력발전기용 슬립링 냉각 구조에 관한 것이다.
일반적으로 풍력발전시스템은 공기의 운동에너지를 이용하여 전기를 얻는 일련의 발전장치로써, 통상 기어드(geared) 타입 풍력발전시스템이 널리 사용되고 있다.
첨부된 도 1은 전술한 기어드 타입의 풍력발전시스템을 개략적으로 도시되고 있다.
즉, 종래 기어드 타입의 풍력발전시스템은 크게 풍차날개(blade)(1), 풍력증속기(high-speed gear box)(2), 발전기(3), 슬립링(4), 브러시(5)를 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성되는 기어드 타입의 풍력발전시스템은 공기의 운동에너지를 상기 풍차날개(1)가 제공받아 회전되고, 상기 풍차날개의 회전에 의한 운동 에너지를 풍력증속기(2)에서 극대화한 후 발전기(3)를 통해 전기를 얻어서 상기 슬립링(4)과 연결된 브러시(5)를 통해 충전 장치(도시는 생략됨)로 제공하게 된다.
한편, 첨부된 도 2와 같이 상기 슬립링(4)은 상기 발전기(3)의 샤프트(3a)에 고정된 상태로 회전되도록 구성되고, 상기 슬립링(4)의 각 단자는 상기 발전기(3)의 회전자 권선(3b)과 리드 케이블(3c)에 의해 서로 연결되도록 구성된다.
이때, 상기 리드 케이블(3c)은 일단이 상기 회전자 권선(3b)에 연결됨과 더불어 타단은 상기 발전기 샤프트(3a)의 내부를 관통하여 상기 발전기 샤프트(3a)의 외측 끝단으로 노출된 후 상기 슬립링(4)의 각 단자와 연결되도록 구성된다.
하지만, 전술한 종래의 일반적인 리드 케이블(3c) 연결 구조는 상기 발전기 샤프트(3a)의 내부를 관통하도록 설치되기 때문에 상기한 리드 케이블(3c)의 개수가 많을수록 상기 발전기 샤프트(3a)의 직경 역시 커져야만 한다는 문제점이 있다.
즉, 3상의 슬립링 단자 구조일 경우 3줄 혹은, 6줄과 같이 상 수의 배수로 리드 케이블(3c)이 제공됨을 고려할 때 발전기 샤프트(3a)의 회전 동작시 각 리드 케이블(3c) 간의 부딪힘이 발생되고, 이러한 각 리드 케이블(3c) 간의 부딪힘에 의해 피복이 벗겨지는 등의 문제점 발생이 야기되었기 때문에, 상기한 문제점을 방지하기 위해서는 발전기 샤프트(3a)의 직경이 더욱 커질 수밖에 없었던 것이다.
특히, 상기한 바와 같이 발전기 샤프트(3a)의 직경이 커질 경우 이에 결합되는 슬립링(4)의 크기 역시 비례하여 커질 수밖에 없고, 이로 인해 전체 무게의 증가 및 전체 크기의 증가에 따른 문제점이 발생되었다.
본 발명은 전술한 종래 기술에 따른 각종 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써, 본 발명의 목적은 발전기의 회전자 권선과 슬립링 단자 간의 연결 구조를 개선하여 서로 간의 연결이 원활히 이루어질 수 있도록 함과 더불어 슬립링의 직경이 최소화될 수 있도록 하여 전체적인 제품의 크기를 줄일 수 있는 새로운 형태의 풍력 발전기를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 풍력 발전기에 따르면 회전자와 고정자 및 샤프트를 포함하여 구성되며, 상기 샤프트는 상기 회전자의 내주면에 관통 고정되는 고정단과 상기 고정단으로부터 연장되는 연장단 및 상기 연장단에 비해 직경이 작게 형성되면서 상기 연장단의 끝단 외벽면 중앙측으로부터 외향 돌출된 결합단으로 이루어진 샤프트를 포함하여 구성된 발전기부; 일단은 회전자에 권선된 각 상의 회전자 권선에 연결되고, 타단은 상기 샤프트를 이루는 연장단의 내부를 통해 상기 연장단의 끝단 외벽면 둘레 부위를 관통하면서 외부로 노출되도록 연결된 복수의 리드 케이블; 그리고, 상기 발전기부를 구성하는 샤프트의 결합단에 고정 설치되며, 내측면의 둘레에는 상기 샤프트의 연장단을 관통하여 노출된 각 리드 케이블과의 전기적 접속을 위한 단자 연결부를 가지는 슬립링부:를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
여기서, 상기 발전기부의 샤프트를 구성하는 연장단의 외측 끝단면에는 해당 면을 관통하여 노출되는 각 리드 케이블 서로 간의 통전을 방지하기 위한 절연체가 구비됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 각 리드 케이블의 타단 끝부분인 상기 연장단을 관통하여 노출되는 부분에는 상기 슬립링부의 단자 연결부에 전기적으로 접속되기 위한 메일 터미널이 형성되고, 상기 슬립링부에 구비된 단자 연결부의 끝단에는 상기 메일 터미널이 삽입되면서 전기적으로 접속될 수 있도록 피메일 터미널이 형성되어 서로 간이 플러그 형태로 접속되도록 구성됨을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 풍력 발전기는 슬립링부가 압입 고정되는 샤프트의 결합단에 대한 직경을 최소화할 수 있기 때문에 슬립링부 역시 그 크기를 최소화할 수 있게 되어 전체적인 풍력 발전기의 크기를 줄일 수 있게 됨과 더불어 중량도 확연히 저감시킬 수 있게 된 효과를 가진다.
특히, 발전기부와 슬립링부 간의 결합 구조가 상기 슬립링부를 샤프트에 결합 고정하는 과정을 통해 각 단자가 플러그 형태로 서로 접속되기 때문에 설치 작업이 편리하게 이루어질 수 있게 된 효과를 가진다.
또한, 본 발명에 따른 풍력 발전기는 각 리드 케이블이 서로 별개의 관통공 내에 위치된 상태를 이루기 때문에 서로 간의 접촉이 발생되지 않게 되고, 이로 인해 피복의 벗겨짐이 방지됨과 더불어 접촉 소음을 방지할 수 있게 된 효과 역시 가진다.
이하, 본 발명의 풍력 발전기에 대한 바람직한 실시예를 첨부된 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명하도록 한다.
실시예의 설명에 앞서 본 발명의 풍력 발전기에 대한 기본적인 구성은 종래의 구성과 동일하다. 즉, 첨부된 도 1과 같이 풍차날개(blade), 풍력증속기(high-speed gear box), 발전기, 슬립링, 브러시를 포함하여 구성된다.
본 발명은 상기한 풍력 발전기의 각 구성부분 중 리드 케이블(200)에 의한 발전기와 슬립링 간의 전기적 접속 구조를 기술적인 특징으로 제시하며, 이에 따라 하기의 실시예에서는 상기 발전기와 슬립링 및 리드 케이블(200)의 구성을 중심으로 설명하도록 하며, 이때의 발전기는 발전기부(100)로, 슬립링은 슬립링부(300)로 기재한다.
먼저, 첨부된 도 3과 같이 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기의 발전기부(100)는 발전기 외함 내에 고정 설치된 고정자(110)와, 상기 고정자(110)의 내부에 회전 가능하게 설치되는 회전자(120)와, 상기 회전자(120)의 중앙에 고정 설치되는 샤프트(130)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 회전자(120)에는 회전자 권선(121)이 구비되며, 상기한 회전자 권선(121)은 U상, V상, W상 등 3개의 상으로 구성된다.
또한, 상기 샤프트(130)는 상기 회전자(110)의 내주면에 관통 고정되는 고정단(131)과, 상기 고정단(131)으로부터 연장되는 연장단(132) 및 상기 연장단(132)의 외벽면 중앙측으로부터 외향 돌출된 결합단(133)으로 구성된다.
이때, 상기 결합단(133)은 상기 연장단(132)에 비해 직경이 작게 형성된다.
이와 함께, 상기 연장단(132)에는 복수의 관통공(132a)이 관통 형성되며, 상기한 관통공(132a)의 일단은 상기 고정단(131)과 인접한 부위의 외주면을 향해 관통됨과 더불어 상기 관통공(132a)의 타단은 상기 연장단(132)의 끝단 외벽면 둘레 부위로 관통된다. 이러한 관통공(132)의 형성은 상기 연장단(132)의 끝단 외벽면 둘레 부위로부터 드릴 등을 이용하여 수평한 방향(축방향)을 향해 일차적으로 구멍을 뚫은 후 상기 연장단(132)의 외주면으로부터 상기 일차적으로 형성된 구멍의 끝단을 향해 연결되는 구멍을 추가적으로 뚫음으로써 형성된다.
상기와 같은 관통공(132a)은 상기 회전자 권선(121)이 이루는 상의 개수에 대응되도록 형성된다. 즉, 실시예와 같이 회전자 권선(121)이 U,V,W와 같은 3상으로 구성될 경우 상기 관통공(132a)은 상기 3상에 비례하는 3개 혹은, 6개가 형성되는 것이다.
다음으로, 상기 각 리드 케이블(200)은 상기 각 회전자 권선(121)을 통해 전달되는 전원을 상기 슬립링부(300)로 전달하는 일련의 구성이다.
상기한 리드 케이블(200)은 일단이 회전자(120)에 권선된 각 상의 회전자 권선(121)에 연결되고, 타단은 상기 샤프트(130)의 연장단(132)에 형성된 각 관통공(132a)을 통해 상기 연장단(132)의 끝단 외벽면 둘레 부위를 관통하면서 외부로 노출되도록 연결된다.
이때, 상기 각 리드 케이블(200)은 양 끝단을 제외한 부위가 피복(210)으로 감싸지도록 구성되며, 상기 각 리드 케이블(200)의 양 끝단 중 연장단(132)의 외벽면 둘레 부위를 관통하면서 외부로 노출된 끝단 부위에는 메일 터미널(220)이 결합 된다.
다음으로, 상기 슬립링부(300)는 상기 발전기부(100)를 통해 얻은 전기를 브러시(도시는 생략됨)로 전달하는 일련의 구성으로써, 상기 발전기부(100)를 구성하는 샤프트(130)와 함께 회전되도록 상기 샤프트(130)에 고정 설치된다.
상기한 슬립링부(300)는 각 상의 슬립링(U상 슬립링, V상 슬립링, W상 슬립링)(310,320,330)과, 절연단(340)과, 단자 연결부(350)를 포함하여 구성된다.
이때, 상기 절연단(340)은 상기 각 상의 슬립링(310,320,330) 사이에 각각 구비되면서 상기 각 상의 슬립링(310,320,330) 서로 간이 절연되도록 하는 일련의 구성이다.
또한, 상기 단자 연결부(350)는 상기 각 상의 슬립링(310,320,330)과 각 리드 케이블(200)을 전기적으로 접속시키는 일련의 구성으로써, 첨부된 도 4와 같이 일단은 상기 각 상의 슬립링(310,320,330)에 연결되고, 타단은 상기 절연단(340)을 관통하여 상기 발전기부(100)와의 대향 부위로 각각 인출되는 복수의 도체로 구성된다.
이때, 상기한 단자 연결부(350)의 끝단에는 상기 리드 케이블(200)의 메일 터미널(220)이 삽입되면서 전기적으로 접속될 수 있도록 피메일 터미널(360)이 형성되어 서로 간이 플러그 형태로 접속되도록 구성된다.
한편, 본 발명의 실시예에서는 상기 발전기부(100)의 샤프트(130)를 구성하는 연장단(132)의 외측 끝단면에는 해당 면을 관통하여 노출되는 각 리드 케이블(200) 서로 간의 통전을 방지하기 위한 절연체(400)가 더 구비됨을 제시한다.
이때, 상기 절연체(400)는 결합단(133)이 내주면을 관통하는 링 형태로 형성됨을 실시예로 제시하지만, 필요에 따라 각 리드 케이블(200)의 끝단 부위만을 감싸는 절연 재질의 부시(bush)로 구성될 수도 있다.
하기에서는, 전술한 본 발명의 실시예에 따른 풍력 발전기의 발전기부(100)와 리드 케이블(200) 및 슬립링부(300) 간의 결합을 통한 전기적 접속 과정에 대하여 설명하도록 한다.
우선, 발전기부(100)를 구성하는 샤프트(130)의 각 관통공(132a)에 피복(210)으로 덮여진 리드 케이블(200)을 각각 관통시킨다. 이로 인해 리드 케이블(200)의 피복(210)이 벗겨진 양단은 각각 관통공(132a)의 양단을 관통하여 외부로 노출되도록 위치된다.
다음으로, 상기 리드 케이블(200)의 피복(210)이 벗겨진 일단은 각 상의 회전자 권선(121)에 연결하고, 상기 리드 케이블(200)의 피복(210)이 벗겨진 타단에는 메일 터미널(220)을 각각 설치한다.
이때, 상기 리드 케이블(200)의 피복(210)이 벗겨진 타단이 위치된 부위(메일 터미널이 위치된 부위)는 절연체(400)로 감쌈으로써 각 리드 케이블(200) 간은 절연 상태를 이룰 수 있도록 함과 더불어 상기 메일 터미널(220)의 설치 부위가 고정될 수 있도록 한다.
다음으로, 첨부된 도 5 내지 도 7과 같이 슬립링부(300)를 샤프트(130)의 결합단(133)에 결합하여 고정되도록 한다.
이때, 상기 슬립링부(300)를 상기 결합단(133)의 외측으로부터 결합하게 되 면 상기 슬립링부(300)의 내측편(도면상 좌측편)에 위치된 각 단자 연결부(350)의 피메일 터미널(360)은 상기 연장단(132)의 끝단 외벽면 둘레 부위로 관통된 리드 케이블(200)의 메일 터미널(220)과 결합됨으로써 서로 간의 통전이 이루어지도록 한다.
이후, 상기 슬립링부(300)의 외부 둘레에 브러시(도시는 생략됨)를 설치함으로써, 풍력 발전기의 발전기부(100)와 슬립링부(300)에 대한 결합이 완료된다.
따라서, 풍력 발전기의 동작이 이루어질 경우 풍차날개(blade)의 회전에 의한 운동 에너지는 풍력증속기에서 극대화된 후 발전기부(100)로 제공되고, 상기한 발전기부(100)에 의해 생성된 전기는 각 리드 케이블(200)을 통해 상기 슬립링부(300)의 각 슬립링(310,320,330)으로 전달됨과 더불어 상기 각 슬립링(310,320,330)에 접촉된 브러시를 통해 충전 장치로 제공됨으로써 발전 동작이 연속적으로 이루어지게 된다.
결국, 본 발명에 따른 풍력 발전기의 발전기부(100)와 슬립링부(300) 간의 결합 구조는 슬립링부(300)가 압입 고정되는 샤프트(130)의 결합단(133)에 대한 직경을 최소화할 수 있기 때문에 슬립링부(300) 역시 그 크기를 최소화할 수 있게 되어 전체적인 풍력 발전기의 크기를 줄일 수 있게 됨과 더불어 중량도 확연히 저감시킬 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 풍력 발전기의 구조를 설명하기 위해 나타낸 상태도
도 2는 종래 풍력 발전기의 발전기부와 슬립링 간의 리드 케이블을 이용한 전기적 접속 구조를 설명하기 위해 나타낸 요부 확대 단면도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발전기부와 슬립링 간의 리드 케이블을 이용한 전기적 접속 구조를 설명하기 위해 나타낸 요부 확대 단면도
도 4는 도 3의 “A”부 확대도
도 5 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 발전기부와 슬립링 간의 결합 상태를 설명하기 위해 나타낸 요부도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
100. 발전기부 110. 고정자
120, 회전자 121. 회전자 권선
130. 샤프트 131. 고정단
132. 연장단 132a. 관통공
133. 결합단 200. 리드 케이블
210. 피복 220. 메일 터미널
300. 슬립링부 310,320,330. 슬립링
340. 절연단 350. 단자 연결부
360 피메일 터미널 400. 절연체

Claims (3)

  1. 회전자와 고정자 및 샤프트를 포함하여 구성되며, 상기 샤프트는 상기 회전자의 내주면에 관통 고정되는 고정단과 상기 고정단으로부터 연장되는 연장단 및 상기 연장단에 비해 직경이 작게 형성되면서 상기 연장단의 끝단 외벽면 중앙측으로부터 외향 돌출된 결합단으로 이루어진 샤프트를 포함하여 구성된 발전기부;
    일단은 회전자에 권선된 각 상의 회전자 권선에 연결되고, 타단은 상기 샤프트를 이루는 연장단의 내부를 통해 상기 연장단의 끝단 외벽면 둘레 부위를 관통하면서 외부로 노출되도록 연결된 복수의 리드 케이블; 그리고,
    상기 발전기부를 구성하는 샤프트의 결합단에 고정 설치되며, 내측면의 둘레에는 상기 샤프트의 연장단을 관통하여 노출된 각 리드 케이블과의 전기적 접속을 위한 단자 연결부를 가지는 슬립링부:를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발전기부의 샤프트를 구성하는 연장단의 외측 끝단면에는 해당 면을 관통하여 노출되는 각 리드 케이블 서로 간의 통전을 방지하기 위한 절연체가 구비됨을 특징으로 하는 풍력 발전기.
  3. 제 1 항 또는, 제 2 항에 있어서,
    상기 각 리드 케이블의 타단 끝부분인 상기 연장단을 관통하여 노출되는 부분에는 상기 슬립링부의 단자 연결부에 전기적으로 접속되기 위한 메일 터미널이 형성되고,
    상기 슬립링부에 구비된 단자 연결부의 끝단에는 상기 메일 터미널이 삽입되면서 전기적으로 접속될 수 있도록 피메일 터미널이 형성되어 서로 간이 플러그 형태로 접속되도록 구성됨을 특징으로 하는 풍력 발전기.
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