KR20110081277A

KR20110081277A - 링 발전기

Info

Publication number: KR20110081277A
Application number: KR1020117010230A
Authority: KR
Inventors: 윌코 구데베르
Original assignee: 워벤 알로이즈
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-07-13
Also published as: DE102008050848A1; CY1115562T1; CN102246395A; CN102246395B; JP2014064466A; SI2351191T1; WO2010040659A3; RU2506682C2; BRPI0920394B1; US20150211491A1; MX2011003642A; KR101484917B1; AU2009301208A1; RU2011118438A; EP2351191A2; WO2010040659A2; DK2351191T4; JP5453439B2; CA2739500A1; CA2739500C

Abstract

본 발명은 풍력발전설비용 링 발전기로서, 고정자 권선을 감은 라미네이트 코어를 수용하고 주변으로 뻗은 고정자 링; 고정자에 대해 회전축을 중심으로 회전하도록 장착 된 로터를 포함하고, 상기 링 발전기는 내부 로터의 형태이고 상기 고정자 링은 공기 유동에 의해 고정자를 냉각시키기 위한 냉각통로를 구비한 것을 특징으로 하는 링 발전기를 제공한다. 본 발명은 고정자 권선을 위하여 주변으로 확장한 고정자 링을 지닌 고정자와, 고정자에 대해 회전할 수 있도록 장착 된 로터와, 링 발전기를 냉각하기 위해 고정자를 관통해서 및/또는 고정자를 따라서, 및/또는 로터를 따라 공기 유동을 제공하기 위해서 공기 압력을 증압하거나 감압하는 압력챔버를 제공하기 위한 고정자 링에 연결된 고정자 벨을 구비한 풍력발전설비용 링 발전기로서, 상기 고정자 벨은 적어도 하나의 팬 개구부와 팬을 구비하고, 상기 팬은 운동기구에 의해 움직일 수 있도록 장착되거나, 유지보수를 위하거나 및/또는 작업자가 드나들 수 있도록 임시로 개방할 수 있도록 하는 고속동작 크램핑 장치로 고정되는 것을 특징으로 하는 링 발전기를 제공한다.

Description

링 발전기{RING GENERATOR}

본 발명은 풍력발전설비(Wind Power Installation) 또는 풍력 터빈의 링 발전기(Ring Generator)에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 풍력발전설비를 제어하는 방법과 풍력 터빈에 관한 것이다.

풍력 터빈은 바람으로부터 얻은 기계적 일을 전기발전기(Electric Generator)를 이용해서 전기 에너지로 변환한다. 이런 점에서, 링 발전기는 천천히 회전하는 발전기이며, 로터 블레이드(rotor blade)로 구성된 기계적 로터 어셈블리와 발전기 로터(generator rotor) 사이에서, 전송선 없이 작동한다. 이와 같은 목적에서, 링 발전기는 극(pole)을 복수 개 구비하고 있다. 극의 개수는 20개 내지 84개까지 가질 수 있으며, 그 이상일 수도 있다. 이러한 점에서, 링 발전기의 지름은 축 방향의 치수에 비해 훨씬 크다. 예를 들어서, 오늘날 건조되는 7 메가와트 또는 그 이상의 공칭전력(nominal power)을 내는 풍력발전설비의 링 발전기의 경우, 공극(air gap)에서의 지름은 약 10 미터 정도가 되지만 축 방향으로의 길이는 불과 1 미터에 불과하다. 여기서, 공극은 링 발전기의 고정자(stator)와 로터 사이의 중간 공간 간격을 의미한다. 로터 및/또는 고정자는 일반적으로 링 형태를 한다고 가정하며, 이러한 이유에서 이를 링 발전기라 부른다.

풍력발전설비에서 사용되는 링 발전기가 공칭 회전 속도로 회전할 때에 로터의 회전속도가 일 분(1 minute)당 5 ~ 50 회전 또는 10 ~ 30 회전 정도가 되므로, 사실상 로터의 회전속도가 비교적 느려서, 로터에 기계적으로 견고하게 연결된 프로펠러의 회전에 의한 냉각효과를 기대하는 것은 용이하지 않으며, 냉각 효과가 있다 하더라도 미미하다. 따라서, 스텝 업 전송을 하고 분당 수천 번 회전을 하는 다른 형태의 발전기가 풍력발전설비에서 관심을 끌고 있다. 이러한 발전기 측면에서의 해법은 천천히 회전하는 링 발전기에는 적용하는 것이 불가능하다.

독일특허 DE 109 36 591 A1은 외장 로터(external rotor)의 형태로서 전송선 없는 풍력 변환용 발전기 기술을 개시하고 있다. 상기 문헌에 공개된 기술에서는, 자기적으로 동작하는 발전기 부위는 풍력발전설비의 포드(pod) 외부에 설치된다. 외장 로터는 냉각 목적에서 사용되는데, 외장형 로터의 경우 로터가 방사방향(radial direction)에 볼 때에 고정자 외부에 장착된다. 고정자 내부에 마련된 장착대(mounting)로부터 외부에 설치된 로터에 이르기까지 캐리어 암(carrier arm)이 확장된다. 로터의 캐리어 암은 고정자의 냉각통로 속으로 냉각 기류를 유입시키기 위해서 날개형(vane)으로 제작할 수 있다. 그러나 위와 같은 형태의 구조는 매우 복잡하고 비용이 고가인 단점이 있다.

독일 특허 DE 2004 046 700 B4에 개시하고 있는 풍력발전설비의 링 발전기는 내장형 로터(internal rotor) 형태를 사용하고 있는데, 링 발전기를 냉각시키기 위해서 포드 내부의 팬(fan)을 사용해서 링 발전기 공극을 통해 공기를 강제로 흘려보내는 기술을 제안하고 있다.

본 발명에 관련된 선행기술을 열람하고자 하는 경우, 독일 특허 DE 196 36 591 A1, DE 102 46 690 A1, DE 600 21 492 T2, DE 196 08 286 B4, DE 600 29 977 T2, 유럽특허 EP 1 837 519 A2, 독일특허 DE 102 33 947 A1을 참조할 수 있다.

링 발전기의 냉각을 증대시키기 위해서는, 고정자와 특히 고정자 링을 수랭식 냉각(water cooling)에 알맞도록, 특히 물이 흐를 수 있는 통로를 마련하는 것과 같은 구조를 마련하는 것이 바람직하다. 그러나 위의 수랭식 냉각 기술의 단점은 장시간 사용할 경우 부식을 유발하게 되고, 특히 고정자와 같은 금속 부재에 심각한 부식을 야기한다.

따라서, 본 발명의 목적은 링 발전기의 냉각을 증대하거나 또는 보다 효율적으로 냉각을 수행할 수 있는 링 발전기 또는 대체 형태의 링 발전기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 첨부 청구범위 제1항에 기재된 발명에 의해 상기 목적이 구현된다. 바람에서 얻은 기계적 일을 전기 에너지로 변환하는 풍력발전설비의 링 발전기는 고정자(stator)를 구비하고 있으며, 고정자에 대해서 회전축을 중심으로 해서 회전하도록 장착되어 있는 로터를 구비하고 있다. 링 발전기와 관련해서, 본 발명의 명세서에서는 '로터'라는 어휘가 풍력발전설비에서 사용하는 기계적 로터 어셈블리, 즉 로터 어셈블리 허브 및 적어도 하나 또는 대부분 세 개로 구성된 로터 블레이드를 지칭하는 것이 아님을 인식하여야 하며, 이와 구별하여야 한다. 로터라는 어휘는 사용하는 발전기의 타입을 지칭하기 위한 것도 아님을 지적해 둔다. 하지만, 본 발명의 양호한 실시예로서 동기식 발전기(synchronous generator)에 적용될 수 있다.

고정자는 고정자 권선(stator winding)을 감은 적층 코어(laminated core)를 수용하기 위하여 주변으로 펼쳐진 고정자 링을 구비하고 있다. 고정자에 대해 회전하는 로터의 회전운동은 적층 코어에 대해 교류 자기장을 발생시키고, 그 결과 고정자 권선에 전류를 발생시키고 이때에 손실로 인하여 고정자의 온도를 증가시킨다.

고정자 링은 공기 기류 유입으로 고정자에서 발생하는 열을 냉각시키기 위한 냉각통로를 구비하고 있다. 추가의 공기 냉각이 제공될 수 있다. 상기 냉각통로는 능동 냉(active cooling)각 또는 수동냉각(passive cooling)이 사용될 수 있으며, 양자를 동시에 적용할 수도 있다. 능동냉각의 경우에 냉각 목적에서 인위적인 공기 기류를 발생시킨다.

본 발명에 따른 링 발전기의 경우, 내부 로터(internal rotor)의 형태인 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 따른 로터는 고정자 내부에서 회전한다. 예를 들어, 로터와 고정자 사이에 축 방향으로의 공극(air gap)은 짧은 길이의 셸 기둥(cylinder shell) 형태를 지닌다. 그 결과 축 방향으로의 공극은 직경이 다소 증가하거나 감소하게 되고 원뿔(cone)의 부분에 상응한다. 특히, 이런 점에서 링 형태의 고정자 내부에, 로터 역시 링 형태로 방사 방향으로 배치되는 특징이 있다. 고정자는 외측 링(outer ring)의 형태로서 고정된다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 강제순환에 의해 능동냉각을 위한 냉각통로를 제공할 수 있으며, 이에 대체 방식으로 또는 이와 동시에 공기에 의한 수동냉각 방식을 적용할 수도 있다. 특히, 공기 유동(air flow)과 냉각통로를 만드는 장치를 제공할 수 있으며, 능동냉각을 위해서는 공기흡입을 위한 개구부와 공기 유동의 출구를 위한 개구부를 구비한 장치를 제공할 수 있다.

또한, 고정자를 통해서, 또는 고정자를 따라서, 또는 링 발전기를 냉각시키기 위해 로터를 따라서, 능동 공기 유동을 제공하기 위해서 증가한 압력 또는 감소한 압력을 포함하는 압력 챔버를 제공하기 위하여, 고정자에 연결된 고정자 벨(stator bell)이 제공될 수 있다. 이와 같은 고정자 벨은 링 발전기와 링 발전기에 인접한 영역을 에워싸게 되며, 그 안에서 공기압이 증가하게 되어 링 발전기 내부의 부위를 통해 공기가 빠져나가게 되고, 특히 고정자 링 내부의 냉각통로 및/또는 공극을 통해, 냉각 공기 흐름이 형성된다. 고정자 벨은 주변방향으로 뻗는, 특히 고정자에 고정되기 위한 원형 고정부를 구비하고 있으며, 특히 고정자 링을 구비한다. 다른 측면에서, 고정자 벨의 정확한 형태는 기본적으로 중요한 고려대상이 아니다.

본 발명의 양호한 실시예로서, 고정자 링은 회전축에 대해 능동냉각 목적에서 내측 링 부위(inner ring portion)를 구비하고, 수동냉각 목적에서 외측 링 부위(outer ring portion)를 구비할 수 있으며, 고정자 벨을 고정자에 고정시켜 내측 링 부위만이 능동냉각 공기 흐름을 갖도록 한다. 특히, 고정자 벨은 방사 방향에 대해 원형 고정부 내부에 고정된다.

따라서, 내측 링 부위는 고정자 벨 속에 장착되고 고정자 벨의 압력 챔버에 노출되는 반면에, 외측 링 부위는 고정자 벨 외부에 장착된다. 고정자 벨 내부에서 압력 챔버를 통과하는 공기 유동은 내측 링 부위에만 도달하게 된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 링 발전기의 내부의 개구부를 통해 고정자 벨 쪽으로 공기를 흡입하기 위해서 고정자 벨 속의 공기압을 낮출 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예로서, 고정자 링을 적재하도록 고정자 벨을 제공하고, 고정자 권선을 감은 라미네이트 코어를 적재하도록 할 수 있다. 이 경우 고정자 벨은 고정자 링에 고정되고 풍력 발전 설비에 있어서는 기계 캐리어에 고정될 수 있다. 다른 측면에서 고정자 벨은 반드시 벨 모양을 할 필요가 없으며 일반적인 카울링(cowling) 형태와 같은 형태로 할 수 있다.

또 다른 실시예로서, 고정자 벨 내부에 팬(fan)을 구비한 팬 개구부를 적어도 하나 구비할 수 있다. 이상과 같은 팬에 의해 압력 챔버 속으로 공기를 주입시킬 수 있으며, 링 발전기를 냉각시키기 위해서 고정자를 관통하거나 고정자를 따라 및/또는 로터를 따라 공기 유동(air flow)을 발생시킬 수 있다. 또 다른 실시예로서, 반대 방향으로의 공기 유동을 만들기 위해 압력 챔버 속으로 공기 압력을 감압시킬 수 있다. 고정자 벨 내부에 두 개 또는 세 개의 팬이 제공될 수 있다.

바람직한 실시예로서, 회전축 방향으로 냉각 기류 통로가 부분적으로 또는 전체적으로 만들어질 수 있다. 따라서, 링 발전기는 축 방향으로 흐르는 냉각 공기 유동을 적어도 부분적으로는 구비하게 된다.

본 발명의 양호한 실시예로서, 회전축의 주위로 동심원 형태로 복수 개의 냉각통로가 만들어질 수 있으며 적어도 하나의 링 형태의 냉각 영역을 형성할 수 있다.

또 다른 실시예로서, 본 발명의 링 발전기는 고정자 링이 회전축에 대해 방사방향으로 내측 캐리어 링, 외측 캐리어 링 및 선택적으로 안정화 목적의 중앙 캐리어 링을 구비할 수 있으며, 상기 두 개의 캐리어 링 사이로 원형 냉각 영역이 제공될 수 있다. 고정자 링은 안정화 영역과 냉각 영역으로 구분될 수 있다. 적어도 두 개의 캐리어 링이 있으며, 두 개의 캐리어 링 사이에는 링 형태의 냉각 영역이 있다. 중앙 캐리어 링을 사용할 때에는 두 개의 링 형태의 냉각 영역을 제공하는 것이 가능하다. 즉, 하나는 중앙 캐리어 링과 외측 캐리어 링 사이에 두고, 다른 하나는 중앙 캐리어 링과 내측 캐리어 링 사이에 둘 수 있다. 캐리어 링은 각각 견고하게 제작한다. 라미네이트 코어 또는 자기도체 특성의 영역이 내측 캐리어 링에 고정된다.

상기 두 개 또는 세 개의 캐리어 링은 냉각 영역과 함께 제작될 수 있으며, 주물(casting)과 같은 방식으로 하나로 제작될 수 있다. 캐리어 링 부위라고도 칭할 수 있는 캐리어 링은 고정자 링을 단단하게 하기 위해 제공될 수 있다. 중앙 안정화 캐리어 링을 사용할 때에 고정자 벨은 중앙 안정화 캐리어 링에 고정되어서 고정자 링이 고정자 벨에 의해 적재될 수 있도록 한다. 이 경우, 고정자 벨은 적재 목적에서 중앙 캐리어 링에 고정자 링을 고정한다.

세 개의 캐리어 링과 두 개의 링 형태의 냉각 영역을 사용함으로써, 다른 냉각 단계와 다른 온도 범위를 제공할 수 있다. 내측 링 형태의 냉각 영역은 라미네이트 코어에 근접하며 그 결과 외측 링 형태의 냉각 영역보다 온도가 높을 수밖에 없다. 내측 링 형태의 냉각 영역에서의 고온 현상으로 인한 열적 스트레스는 외측 링 형태의 냉각 영역에 의해 흡수될 수 있다. 따라서, 내측 링 형태의 냉각 영역의 경우 상당량의 열과 비교적 많은 팽창을 예상하여야 하며, 반면에 외측 링 형태의 냉각 영역의 경우에는 비교적 상대적으로 적은 양의 열과 이에 따른 소량의 팽창을 예상할 수 있다. 이 경우 외측 링 형태의 영역은 내측 링 형태의 영역을 붙들고 있으므로, 팽창을 제한하게 된다.

본 발명의 실시예로서, 냉각 영역의 인접 냉각통로의 한계가 경계벽에 의해 서로 정해질 수 있으며, 경계벽은 인접 안정화 캐리어 링 사이에 연결 가지(connecting limb)를 형성하게 되고, 두 개의 인접 캐리어 링은 서로 냉각 늑재(cooling rib)에 의해 연결된다. 이와 같이 함으로써, 두 개의 인접 안정화 캐리어 링 사이에서 한편으로는 관련 캐리어 링을 연결하고 동시에 냉각통로를 분할하는 효과가 발생한다.

상기 연결 구조 또는 연결 가지는 냉각 늑재(cooling rib)의 기능을 동시에 수행할 수도 있다. 기본적으로, 상기 내측 냉각 늑재는 어떠한 임의의 구성이 가능하다. 직선 형태의 구성뿐 아니라 S자 형태 또는 구불구불 휘어진 형태 또는 기타 형태가 가능하다.

적어도 하나의 냉각 영역에서 적어도 하나의 냉각통로, 바람직하게는 모든 냉각통로가 축 방향 단면으로 삼각형 형태를 하는 것이 바람직하고, 두 개로 구성된 인접 냉각통로 각각은 축 방향 단면으로 평행 사변형(parallelogram) 형상, 특히 마름모 형상을 지니는 것이 바람직하다. 그리고 냉각통로는 냉각통로 내측을 향하도록 제작된 냉각 늑재를 적어도 하나 구비하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 삼각형 형태로 함으로써 동시에 설계적으로 안정된 구조를 지니도록 할 수 있다. 동일한 내용이 두 개의 냉각통로의 마름모 형태에 적용되고, 이는 두 개의 삼각형 냉각통로를 적절히 맞춤으로써 가능하다. 냉각통로의 내측에 냉각 늑재를 제공함으로써, 냉각통로 속으로 공기 유동을 공급할 수 있게 되어 냉각 효과를 증진할 수 있다.

본 발명의 실시예로서, 고정자 링은 조각조각으로 분할되어, 바람직하게는 두 개, 세 개, 네 개 또는 여러 개의 대칭성 원형 조각으로 구성할 수 있다. 예를 들어, 고정자 링은 중심각이 120°인 조각으로 구성할 수 있다. 이와 같이 분할하여 조각을 구성함으로써 생산 및/또는 운송에 편리하다. 고정자 링의 직경이 10 미터(m) 정도 되는 경우, 상기 설명한 바와 같이 분할 조각으로 함으로써 다루기 쉽게 된다.

본 발명의 실시예로서, 적어도 냉각통로의 영역 내부에는 고정자 링을 알루미늄 및/또는 알루미늄 합금으로 제작할 수 있다. 알루미늄은 열전도율이 양호하므로 냉각통로의 내측에 시공하는 것이 바람직하다. 또한, 알루미늄은 부식에 대해 강하므로, 습기가 있는 공기 또는 기타 기체와 접하는 곳에 시공되는 것이 바람직하다. 또한, 열 전도도를 개선하고 부식에 대한 내성과 안정성을 도모해서 합금이 사용될 수도 있다.

고정자 링 또는 고정자 링 영역은 주물 방식으로 제조될 수 있다. 이를 통해 특정 통로 구성과 다른 형상을 쉽고도 재연성 있게 제조하는 것이 가능하다. 적어도 냉각통로 내부 영역 및/또는 캐리어 링 내부를 주물로 제조하는 것이 바람직하다. 중심각이 90°또는 120°인 분할 조각을 사용하는 것이 바람직할 수도 있다.

본 발명의 또 다른 실시예로서, 축 방향 내측을 향하도록 한 흡입 유동 개구부를 구비하고, 적어도 외측으로 방사방향을 향한 배출 유동 개구부를 구비한 수동식 냉각통로를 제공할 수 있다.

상기 수동식 냉각통로의 경우, 방사 방향으로 바람에 의해 공기가 유입되는 것이 가능하며, 바람은 흡입 유동 개구부로 들어와서 수동식 냉각통로를 빠져나가게 된다. 방사 방향 외측으로 향한 배출 유동 개구부로 인해 흡입 효과가 발생한다. 본 발명에 따른 냉각통로는 흡입 유동 개구부와 배출 유동 개구부를 구비하기 때문에 부분적으로 폐쇄된 통로의 형태로 고정자 링의 안정성을 증진시킬 수 있다. 원칙적으로, 배출 유동 개구부는 축 방향을 향하도록 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 배출 유동 개구부는 흡입 개구부로서 제공될 수 있다. 배출 유동 개구부 영역 내에 축 방향으로 굴곡면을 지닌 고정자 링에 의해 상기 효과를 더욱더 증진시킬 수 있다. 이와 같이, 볼록 곡면을 사용함으로써 흡입 효과를 극대화할 수 있고, 마치 항공기 에어로포일(aerofoil)과 같이 배출 개구부에 작용해서 수동식 냉각통로를 통해 공기 유동을 증대시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 청구범위 제17항에 개시된 풍력발전설비의 링 발전기를 제안한다. 고정자 권선을 수용할 고정자 링과 고정자에 대해 회전하도록 설치된 로터를 본 발명에 따른 링 발전기를 구비한다. 고정자 링에 접속된 고정자 벨이 제공되고, 링 발전기의 냉각을 위한 목적에서 고정자를 관통하거나 및/또는 로터를 관통해서 흐르는 공기 유동을 확보하기 위해 감압 또는 증압 기능을 수행하는 압력 챔버가 제공된다. 여기서, 고정자 벨은 팬고 함께 적어도 하나의 팬 개구부를 구비하며, 팬은 움직일 수 있도록 운동기구에 의해 장착되거나 속효성 크램핑(clamping) 장치로 고정될 수 있으며, 이를 통해 유지보수 목적으로 및/또는 사람이 통과할 수 있도록 하는 목적으로 팬 개구부를 임시로 열 수 있도록 한다. 고정자 벨은 고정자 링에 고정되고, 고정자 로터 장치에 인접한 고정자 벨 속의 적어도 하나의 팬에 의해 증압이 만들어지고, 공기 냉각 유동 또는 로터 고정자 장치 내부의 개구부를 관통하는 공기 유동의 형태로써 감소한 압력이 공극을 통해 탈출한다.

고정자 벨 내부에 비정상적 개구부를 제공하는 것을 피하고, 로터 어셈블리-고정자 장치로의 접근을 가능하게 하기 위하여, 적어도 하나의 팬을 운동기구에 의해 움직일 수 있도록 장착된다. 상기 팬은 접어서 탈착할 수 있도록 하거나, 또는 피봇(pivot) 회전 방식으로 탈착하거나, 밀거나 돌려서 탈착하도록 할 수 있으며, 고정자 벨 내부의 팬 개구부가 비도록 해서 유지보수 목적 또는 사람이 진입할 수 있도록 하는 목적으로 비워둘 수 있다. 이와 같은 유지보수 목적에서 해당 팬과 기타 다른 팬들을 스위치 끄는 것이 바람직하다.

본 발명의 양호한 실시예로서, 운동기구(motion mechanism)는 피봇 운동 방식의 형태가 적용될 수 있다. 이와 같이 함으로써, 팬을 팬 개구부로부터 용이하게 피봇 회전 방식으로 물러나도록 할 수 있으며 개방 위치와 폐쇄 위치 각각에서 붙잡고 있도록 하기만 하면 된다.

본 발명의 양호한 실시예로서, 풍력발전설비의 머신 캐리어(machine carrier)에 고정하기 위한 제1 고정부재와 복수 개의 캐리어 부재, 특히 캐리어 암(carrier arm)을 구비한 것을 특징으로 하며, 상기 캐리어 부재는 별 형상의 구성으로 제2 고정부재를 향해 외측으로 확장해서 고정자 링에 고정하도록 하며, 고정자 링은 상기 캐리어 부재에 의해 머신 캐리어 위에 적재될 수 있게 된다. 방사 방향에 대해 상기 제1 고정부재는 내측으로 구성된 부재이고, 상기 제2 고정부재는 외측으로 구성된 고정부재이다. 캐리어 부재, 특히 캐리어 암은 별 형태(star configuration)로 캐리어 부재 내측에서 외측으로 확장하고, 이와 같은 형태로 인해 고정자 벨을 가로질러 뻗어나가게 된다. 고정자 벨을 닫기 위하여 연결부(connecting region)과 같은 덮개 부재를 캐리어 부재 사이에 설치할 수 있다. 또한, 팬과 함께 팬 개구부(fan opening)를 상기 연결부에 제공할 수 있다. 중간 영역(intermediate region)이 안정화하지만 그럼에도 캐리어 부재 또는 캐리어 암이 고정자 링을 지지하는 기능을 수행할 수 있다. 따라서, 고정자 벨은 동시에 두 가지 기능, 즉 고정자 링을 적재하는 기능과 동시에 공기 유동을 만들기 위해 증압 또는 감압을 수행하는 압력 챔버의 경계를 정하는 기능을 수행한다. 중간 영역은 특히 비틀림 강도(torsional stiffness)를 증대하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 바람직한 실시예로서, 고정자 벨은 하나의 조각으로 주물 형성될 수도 있으며, 금속 또는 주물용 철, 또는 타원체 그래파이트(spheroidal graphite)로 주물 형성할 수 있다. 당업계에서는 타원체 철(spheroidal iron) 또는 공모양의 주물철(globular cast iron)이란 의미의 GJS 또는 GGG로 알려져 있다. 이와 같이 해서, 다양한 형태의 주물이 가능할 뿐 아니라, 주물을 재사용함으로써 수회 반복 사용이 가능하다. 본 발명의 양호한 실시예로서, 재료의 기계적 특성이 양호한 것이 바람직하고, 생산 비용이 비싸지 않은 것이 바람직하다.

기본적으로 본 발명에 따른 링 발전기는 상술한 특징을 지니고 있으며, 상술한 특징을 선택 조합하는 것도 가능하다. 특히, 움직일 수 있도록 실장된 팬을 구비한 고정자 벨을 구비한 발전기는, 적어도 하나의 공기 유동에 의해 고정자를 냉각하기 위한 냉각통로를 구비한 고정자 링을 구비한 링 발전기의 특징과 조합될 수 있다. 마찬가지로, 반대 조합이 가능하며, 즉 냉각통로를 구비한 고정자 링을 구비한 링 발전기가, 움직일 수 있도록 장착된 팬을 구비한 고정자 벨을 구비한 링 발전기의 특징과 결합할 수 있다. 상기 조합은 본 발명의 일 실시예 또는 기타 실시예에 따라 특징을 지니게 된다.

바람직한 실시예로서, 링 발전기는 적어도 30 킬로와트의 공칭전력, 바람직하게는 적어도 300 킬로와트의 공칭전력, 더욱 바람직하게는 1 메가와트의 공칭 전력을 지니는 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 따른 링 발전기는 현대 풍력 발전 설비에 사용되는 공칭전력의 관점에서 유효하다.

본 발명에 따르면, 청구범위 제25항에 의해 개시된 풍력발전설비를 제어하는 기술을 제공한다. 제어풍력발전설비는 로터와 고정자를 구비한 링 발전기를 구비하고 있다. 링 발전기가 생산하는 전기전력을 우선 검출한다. 이와 같은 전기전력 검출은 고정자 권선에서의 전력을 직접 측정하거나 로터리 회전 및/또는 로터 블레이드의 피치 각도, 및/또는 제어 컴퓨터가 가지고 있는 내부 연산 파라미터를 이용해서 간접적으로 측정하는 것이 가능하다. 온도를 특정함으로써 생산되는 전기전력을 계산하기 위한 자료를 얻을 수 있다.

이어서, 검출 전기전력이 선정된 값에 도달하거나 넘게 되면 고정자 벨에 실장된 적어도 하나의 팬의 스위치를 턴온시켜서, 공기 유동을 고정자를 관통하거나 및/또는 로터를 관통해서 흘러들어오게 함으로써 링 발전기를 냉각시킨다. 그 결과, 해당 전력손실과 이로 인한 열적 부하가 생산된 전기전력으로 인해 예상될 때에 추가의 전력이 필요한 능동냉각(active cooling)을 개시한다. 여기서, 풍력발전설비에 대한 제어는 당업계에 숙련된 업자에게 알려진 대로 수행할 수 있다.

본 발명의 양호한 실시예로서, 선정된 값은 풍력발전설비가 생산하는 공칭전력의 30 %, 바람직하게는 50 %, 더욱 바람직하게는 80 % 로 설정할 수 있다. 특히, 공칭전력 자체를 선정된 값으로 선택할 수 있다. 결과적으로, 능동냉각은 완전 부하(full load)가 걸리거나 또는 직전에 켜지도록 하는 것이 바람직하며, 부분 부하가 걸린 경우에는 켜지지 않도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 제어 방법은 본 발명에 따른 링 발전기 중 어느 하나 또는 실시예로 기술된 것들 중 적어도 어느 하나에 따른 링 발전기를 위해 사용될 수 있다. 또한, 포드(pod)와 본 발명에 따른 링 발전기와, 특히 전술한 실시예에 따른 링 발전기를 구비한 풍력발전설비를 본 발명은 제공한다.

바람직하게는, 고정자 링의 외측 부위를 제외하고는 링 발전기를 포드 내부에 설치하는 것을 특징으로 하며, 고정자 링의 외측 부위를 포드의 외부에 두는 이유는 바람의 유입을 위한 목적에서이다.

포드는 허브 케이스(hub casing)를 포함할 수 있으며, 풍력발전설비가 동작할 때에 로터 어셈블리와 함께 회전한다. 허브 케이스는 스피터(spinner)라 칭할 수도 있다. 이와 같이 함으로써, 링 발전기는 상당부가 포드 내부에 설치되고, 그 결과 내후성을 지니게 된다. 링 발전기의 냉각은 냉각통로 및/또는 적절한 고정자 벨에 의해 포드 내부에서 수동방식 또는 능동방식으로 달성될 수 있다. 추가로, 고정자 링의 외측 부위는 수동 방식이 냉각 영역으로 하고 포드의 밖에 설치할 수 있다. 특히, 이와 같이 함으로써 포드 케이스를 넘어 돌출해서 냉각목적에서 바람의 유입을 가능하게 한다. 이런 관점에서, 냉각효과는 부분적으로 우세 풍속에 의해 결정된다. 완전 부하 범위에서는 강풍에 의해 높은 수준의 냉각이 달성되고, 부분 부하의 범위에서는 냉각을 낮은 수준으로 진행하게 되고, 그 결과 바람이 미미할 때에는 필요에 따라 적어도 부분적으로 자동으로 적응해서 냉각이 조절된다.

고정자 링의 외측 부위는 냉각수단을 구비할 수 있으며, 특히 수동냉각을 위한 냉각통로를 구비하고, 바람에 직접 노출되는 냉각수단을 구비할 수 있다. 따라서, 외측 부위에서는 링 발전기가 불어오는 바람에 열을 발산하게 된다. 상기 상황은 일반적으로 작동중인 풍력발전설비와 관련되어 있으며, 바람 속으로 회전한다.

바람직하게는, 포드는 공기 유체 역학적 구성을 함으로써, 라미나르(laminar) 방식으로 바람의 유입을 촉진할 수 있다. 즉, 포드가 바람 속으로 향할 때 고정자 링의 외측 부위 영역에 바람이 많이 불도록 하기 위해 공기 유체 역학적 형상을 지니도록 할 수 있다. 공기 유체 역학적 형상이란, 방울형상(drop-shaped) 또는 달걀 형상, 및/또는 측면에서 볼 때 계란형, 및/또는 로터 어셈블리의 축에 대해 회전대칭되는 형상을 지니도록 구성할 수 있다.

포드 외측에 유동수단(flow means)을 구비해서 고정자 링의 외측 부위 영역에 바람의 유동을 촉진하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 바람의 유동 유로를 안내하기 위해 안내 플레이트를 장만하는 것도 좋으며, 바람이 통과할 터널 같은 유동 수단을 제공하는 것도 좋다.

이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 이하 명세서에서 방향이란 바람의 방향을 의미한다. 따라서, '전면으로부터(from the front)'란 유입 바람의 각도로부터 보는 것을 의미한다.

도1은 풍력발전설비의 고정자 링의 전면을 나타낸 도면.
도2는 도1에 도시한 고정자 링의 후면을 나타낸 도면.
도3은 도1에 도시한 고정자 링을 우측에서 본 부분 단면.
도4는 도2에서 X 부위를 나타낸 도면.
도5는 도4에서 Y 부위를 나타낸 도면.
도6은 도4에서 U에 나타낸 부위를 나타낸 도면.
도7은 도4에서 AA라인을 따라 고정자 링을 관통한 단면을 나타낸 도면.
도8은 도4에서 도시한 부위를 일 관점에서 본 도면.
도9는 도1의 Z에 따라 일 부위를 나타낸 도면.
도10은 도9의 BB라인을 따라 절단한 단면으로 두 개의 냉각통로를 관통하는 단면을 나타낸 도면.
도11은 도9에 나타낸 부위의 일 측면 도면.
도12는 도1에 도시한 고정자 링을 CC로 표시한 라인을 따라 위에서 바라본 평면도,
도13은 압력챔버에 대해 외부로부터 본 고정자 벨 형태의 도면.
도14는 도13의 고정자 벨을 나타낸 도면.
도15는 도13 및 도14의 고정자 벨의 단면을 나타낸 절단도.
도16은 팬을 구비한 고정자 링에 고정한 고정자 벨을 도시한 도면.
도17은 네 개의 팬을 구비하고 하나의 팬은 팬 개구부로부터 피봇 방식으로 멀어지도록 작동하는 고정자 링에 고정된 고정자 벨을 보여주는 도면.
도18은 단면의 측면도로서 포드와 스피너 내부에 장착된 링 발전기의 부위를 나타낸 개략도.
도19 내지 도22는 본 발명의 실시예에 따른 풍력발전설비의 포드를 나타낸 개략도.

도1에 도시한 고정자 링(2)은 링 형상을 하고 있으며, 내부 로터에 의해 링 발전기의 일부를 형성한다. 고정자 링(2)은 내측 캐리어 링(4)과, 중앙 캐리어 링(6), 외측 캐리어 링(8)을 구비하고 있다. 내측 캐리어 링(4)과 외측 캐리어 링(8) 사이에는 능동냉각영역(10)이 제공되며, 중앙 캐리어 링(6)과 외측 캐리어 링(8) 사이에는 수동냉각영역(12)이 제공된다. 도면에 도시된 바와 같이, 고정자 링(2)은 내측 캐리어 링(4), 중앙 캐리어 링(6), 외측 캐리어 링(8), 능동냉각영역(10), 수동냉각영역(12) 모두를 하나의 단품(one piece)으로써 주물제작되는 것이 가능하며, 재질은 알루미늄이 활용될 수 있다.

내측 캐리어 링(4), 중앙 캐리어 링(6), 외측 캐리어 링(8)은 교체 특성에 의해 비교적 양호한 안정성과 견고성을 제공할 수 있다. 자기장을 안내하기 위해서, 자기적으로 도전성을 지닌 라미네이트 코어를 지닌 고정자 권선이 내측 캐리어 링(4) 위에 안쪽으로 구비될 수 있다. 라미네이트 코어는 내측 캐리어 링(4)에 고정함으로써 고정적으로 실장할 수 있다. 대략, 내부 로터를 라미네이트 코어 속에 고정자에 대해 회전하도록 실장할 수 있다. 라미네이트 코어에서 나오는 열은 주변 공기로 발산되고, 내측 캐리어 링(4)을 경유해서 능동냉각영역(10)과 수동냉각영역(12)으로 전달된다. 능동냉각영역은 열은 발산하기 위해 복수의 능동냉각통로(14)를 구비하고 있으며 내측 캐리어 링(4)과 중앙 캐리어 링(6) 사이에서 삼각형 형상을 하고 있다. 또한, 정사각형 또는 사다리꼴 형상의 단면을 하고 있는 수동냉각통로(16)를 경유해서 열이 발산될 수 있다.

고정자 링(2)은 외측 직경이 대략 5 미터(m) 정도이다. 축 방향으로는 약 90 센티미터(cm) 정도이다.

수동냉각통로(16) 각각은 외측으로 방사 방향으로 향한 배출 유동 개구부를 구비하고 있으며, 그 결과 도2의 후면도에서 능동냉각통로(14)만이 보인다.

도3의 측면도에서는 외측으로 방사방향으로 향한 배출 유동 개구부가 보이며, 도3의 하단에 도시한 부위가 섹션 분할되지 않은 채 도시되어 있다. 내측 캐리어 링(4)의 경사진 에지(20) 옆에 섹션 분할된 영역은 축 방향 단면을 보여주고 있으며, 능동냉각통로(14)와 수동냉각통로(16)를 도시하고 있다. 이 경우, 능동냉각통로는 축 방향으로 뻗어있으며, 입구영역(22)으로부터 출구영역(24)으로 뻗어 있다. 수동냉각통로(14)는 흡입 유동 개구부(17)로부터 배출 유동 개구부(18)로 뻗어 있다. 수동냉각통로(16)는 축 방향으로 뻗어있으며 배출 유동 개구부는 외측으로 방사방향으로 향한다. 또한, 능동냉각통로(14) 입구영역(22)은 고정자 링(2)의 측면 위에 놓이게 되고, 수동냉각통로(16)의 흡입 유동 개구부(17)의 반대 측에 놓이게 된다. 따라서, 고정자 링(2)은 능동냉각통로(14)를 관통해서 능동 공기 유동이 수동냉각통로(16)를 관통해서 흐르는 수동 공기 유동과 반대가 되도록 한다.

그러나 전술한 유동방향을 반드시 지켜야 하는 것은 아니며, 적어도 능동냉각통로를 관통해서 위에서 설명한 방향과 다른 방향으로 흐르도록 적절한 장치를 사용해서 공기 유동을 안내할 수 있다.

특히, 능동냉각통로(14) 또는 그들 각각의 입구영역(22)의 단면이 도4의 확대도에 나타나 있다. 이 경우, 능동냉각통로(14)는 단면에서 볼 때에 삼각형 형상을 하고 있으며, 교대로 서로 다른 방향으로 배치되어 있으며, 교대로 서로 다른 방향으로 배치되어 있어 두 개의 인접하는 능동냉각통로(14)는 평생 사변형 형상을 띠게 된다. 각각의 경계벽이 두 개의 능동냉각통로(14) 사이에 배치되며 서로 경사진 각도로 능동냉각통로(14)의 경계벽(26) 두 개를 형성한다.

따라서, 경계벽(26)은 능동냉각통로(14)를 세분하게 되고, 냉각늑재(cooling rib)로 작용한다. 또한, 경계벽(26)은 안정된 구성을 제공하며, 특히 교대로 엇갈린 경사 구조를 형성함으로 해서 내측 캐리어 링(4)과 중앙 캐리어 링(6) 사이에 튼튼한 연결 구성을 제공한다.

더욱이, 도5 및 도6에 나타난 대로 사지(limb)와 같은 구성의 냉각수단 또는 냉각늑재(cooling rib; 28)를 추가로 능동냉각통로(14)에 제공할 수 있다.

냉각늑재(28)는 공기 유동을 방해하지 않으면서도 능동냉각통로(14)의 유효냉각면적을 증대시키는 효과가 있다.

고정을 위한 목적에서, 내측 캐리어 링(4)에는 내측 캐리어 링 구멍(34)이 제공된다. 마찬가지로, 중앙 캐리어 링 구멍(36)이 중앙 캐리어 링(6)에 제공되고 외측 캐리어 링(8)에 접한 수동냉각영역(12)에 고정자 링(2)은 외측 캐리어 링 구멍(38)을 구비할 수 있다. 구멍(34, 36, 38) 중 적어도 하나에 대해서, 나사가 제공될 수 있으며 고정하기 위한 수단으로 이용될 수 있다. 외측 캐리어 링 구멍(38)은 고정자 링(2)을 고정자 벨에 고정하기 위한 목적으로 사용된다.

중앙 캐리어 링 구멍(36)은 보조면(35)에 의해 캐리어 링 위 적절한 위치에 형성되고, 보다 구체적으로는 네 군데 각각에 세 개의 구멍을 제작한다. 그들은 케이블을 고정하는데 사용된다.

도7은 외측 캐리어 링(8)과 중앙 캐리어 링(6) 사이에 수동냉각통로(16)를 제작하는 방법을 나타낸 단면도이다. 이 경우 수동냉각통로(16)는 흡입 유동 개구부(17)로부터 배출 유동 개구부(18)로 뻗어 확장된다. 결국, 공기 흐름은 축 방향으로 흡입 유동 개구부(17)를 통해 들어와서 배출 유동 개구부(18)를 통해 방사 방향으로 나가게 되는 것이다. 이 경우, 수동냉각통로(16)와는 떨어져 있는 외측 캐리어 링(8)의 측면은 고정자 링(2)의 외부(30)가 된다. 따라서, 적절한 요구 조건에 따라 외측 캐리어 링(8)의 양 측면을 따라 공기가 흘러들어서 능동냉각통로(16)를 관통해서 내측으로 흘러 외부(30)를 따라 외측으로 흐르게 된다.

능동냉각통로(14)를 중앙 캐리어 링(6)과 내측 캐리어 링(4) 사이에 둔다. 능동냉각통로(14)는 입구영역(inlet region; 22)에서 시작해서 출구영역(outlet region; 24)에 이르기까지 쭉 뻗어 있다. 중앙 캐리어 링(6)에는 빗물 배수 홈통을 고정하기 위해 구멍(37)이 외부에서 보이지 않게 설치된다.

도6의 투시도를 참조하면, 바람이 불어가는 쪽과 바람이 불어오는 쪽 측면에 각각 설치된 외측 고정영역(31)(33)이 도시되어 있으며, 도6에는 부분적으로 도시되어 있으나 도12를 참조하면 상세히 도시되어 있다.

도8은 배출 유동 개구부(18)를 관통해서 외부(30)로 수동냉각통로(16)가 어떻게 열려있는지를 보여 준다. 배출 유동 개구부(18)가 방사방향으로 외측으로 향하고 있어서 외측 캐리어 링 구멍(38)이 놓인 단부(40)는 작동 중 바람이 흘러가는 방향에서 볼 때에 수동냉각통로(16)의 하단(downstream)을 형성하게 된다.

도9는 수동냉각통로(16)의 흡입 유동 개구부(17)의 상측 방향에서 본 도면이다. 도7에 잘 나타나 있듯이, 수동냉각통로(16)는 흡입 유동 개구부(17)로부터 폭이 점점 좁아지도록 설계된다. 이렇게 함으로써 흡입 유동 개구부(17) 속으로 바람이 유입되는 것을 촉진할 수 있다. 외측 고정영역(31)(32) 영역에서는, 도면부호 16'에 도시한 바와 같이 수동냉각통로의 크기를 다소 줄이고 흡입 유동 개구부(17')의 크기도 다소 줄여서, 구멍을 제공하기 위한 중간벽(19)을 좀더 넓게 확보해서 특히 나사를 박을 수 있도록 한다.

도10에 도시한 부분 확대도면은 수동냉각통로(16)을 절단한 단면을 보여주고 있다. 도10을 보면, 흡입 유동 개구부(17)에서 시작해서 배출 유동 개구부(18)까지 수동냉각통로의 폭에 테이퍼링을 주고 있음을 알 수 있다. 이에 따라, 중간벽(18)의 너비도 함께 증가하는 것을 도시하고 있다.

도11에 도시한 부위에 대한 투시도는 전경에 능동냉각통로(14)의 출구영역(24)과 수동냉각통로(16)(16')의 흡입 유동 개구부(17)(17')를 도시하고 있다. 바람이 불어가는 쪽 외측 고정영역(31)과 바람이 불어오는 쪽 외측 고정영역(32) 각각은 폭이 약간 좁아진 수동냉각통로(16)의 영역에 외측 캐리어 링(38) 상부에 설치된다. 따라서, 도면부호 18'로 표시되는 배출 유동 개구부는 크기가 상대적으로 더 작게 만들어진다.

외측 고정영역(31)(32)은 고정자 링(2) 위에 놓이게 되고, 특히 서로 반대 방향에 놓이게 된다. 즉, 도1에 도시된 바와 같이 크기가 상대적으로 축소된 흡입 유동 개구부(17') 세 개에 12시 방향과 6시 방향에 놓인 두 개의 위치에 180°만큼 서로 떨어져 놓이게 된다. 하나의 위치에서 본 평면도가 도12에 나타나 있으며, 도12를 보면 바람이 불어가는 쪽의 외측 고정영역(31)은 8개의 구멍(41)을 구비하고 있으며, 바람이 불어오는 쪽의 외측 고정영역(32)은 8개의 구멍(42)을 구비하고 있다.

도13 내지 도15에 도시한 고정자 벨(100)은 머신 캐리어 고정부재(102)와, 고정자 링 고정부재(104)와 포이 고정부재(trunnion fixing; 106)를 포함한다. 머신 캐리어 고정부재(102)와, 고정자 링 고정부재(104)와 포이 고정부재(102)는 원형의 고정 플랜지(flange)의 형태를 지니며, 각각 주변으로 뻗는 하나 또는 두 개의 구멍 링(ring of hole)을 구비한다.

여섯 개의 캐리어 부위(108)는 머신 캐리어 고정부재(102)로부터 시작해서 대략 별 모양의 형상으로 고정자 링 고정부재(104)에 이르기까지 뻗은 모습을 지닌다. 캐리어 부위(108)는 캐리어 암(carrier arm)의 형태를 지니게 되어, 고정자 링 고정부재(104)에 고정된 고정자의 자체 하중에 의한 힘을 지니게 되고, 머신 캐리어 고정부재(102)를 통해 머신 캐리어에 그 힘을 인가하게 된다.

캐리어 부위(108) 사이의 영역은 플레이트와 같은 부위에 의해 각각 범위가 결정되고, 내부에 팬 개구부(110)가 제공된다. 또한, 캐리어 부위(108)에 추가로 보조 개구부(112)가 제공된다.

포이 고정부재(106) 영역에는 개구부가 설치되는데, 개구부는 적절한 방식으로 포이(trunnion)을 고정함으로써 닫혀 진다.

따라서, 고정자 벨(100) 전체가 팬 개구부(110), 특히 팬과 보조 개구부(112)에 의해 닫혀 진다. 고정자를 고정자 링 고정부재(104)에 고정하고 해당 로터를 설치함으로써, 압력 챔버가 고정자와 로터 사이에 만들어질 수 있으며, 다른 한 편으로는 고정자 벨(100)은 압력을 받게 된다. 공기가 본 발명에 따라 설치된 로터와 고정자 내의 개구부를 통해 빠져나갈 수 있고, 예를 들어 공극을 통해 빠져나가 개방 영역에 공기 유동을 발생시키게 되는 것이다.

도16은 고정자 벨(100)을 고정자 링(2*)과 함께 도시하고 있는데, 고정자 벨(100) 위에 고정자 링 고정부재(104)에 고정된다. 또한, 각각의 팬 개구부(110) 내에는 팬(114)이 설치되고, 팬 커버(116)로 닫히고 팬 개구부(110)를 덮는다.

팬 한두 개 또는 여러 개의 팬을 작동시켜서 공기를 고정자 벨(100)에 의해 둘러싸인 공간에 불어 넣는다. 공기는 발전기 내부의 개구부를 통해 빠져나가게 되며, 고정자 링(2*)이 발전기를 구성하고 냉각을 위해 제공된다. 이와 같은 목적에서, 보조 개구부(112)가 커버에 의해 닫히는데, 단지 도16에는 상세히 도시되어 있지는 않다. 도16에 도시되어 있는 대로, 고정자 벨(100)에 의해 덮어지는 공간으로부터 공기를 흡입하도록 하는 방식으로 팬(114)을 작동시킬 수 있으며, 도면에 도시된 평면으로부터 우측으로 향하게 된다. 본 발명의 양호한 실시예에 따르면 덮어진 공간 속으로 공기를 불어넣어서, 고정자 벨(100)을 적절히 설치해서 공기가 해당 포드로부터 나온 공기는 포드 외부 공기에 비해 보다 정화되고 건조되도록 한다.

도17은 본 발명에 따라 팬 개구부(110)를 유지 보수 또는 기타 목적으로 사용하는 것을 나타낸 도면이다. 예를 들어, 팬 개구부(110)의 경우, 힌지(hinge) 방식으로 팬(114)을 접을 수 있도록 해서 팬 개구부(110)가 열리도록 할 수 있다. 그리고나면, 작업자가 열린 팬 개구부(110)를 지나 고정자 벨(100)을 통해, 더욱 정확하게는 팬 개구부(110)를 통해 링 발전기로 접근할 수 있게 된다. 마찬가지로, 팬(114)을 펼치기 위해서 힌지를 사용하는 것 대신에, 기타 운동기구(motion mechanism)를 사용해도 된다. 팬 개구부(110)를 열기 위해서 고속동작의 크램핑 죔쇠 방식이 적용될 수도 있다. 이와 같은 목적에서, 고속 동작의 크램핑 족쇄는 수동 작동을 몇 번 하고 나면 해당 팬(114)이 쉽게 제거될 수 있다. 도면부호 110*으로 나타낸 개구부에서와 같이, 팬 개구부가 부분적으로 열릴 수 있거나 또는 팬 개구부가 다른 장치에 의해 가려진 경우에서 작업자가 통과해서 접근하는 것이 용이하지 않은 경우에도 개구부 바로 후면에 설치된 장치에 의해 부분적으로 유지 보수하는 것이 가능하다. 동일 내용이 더 작은 보조 개구부(112)에 대해 적용될 수 있다.

도18은 예시된 실시예에 따라 본 발명의 전체적 사상을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도18은 로터 블레이드(254)를 지닌 로터 어셈블리(252)를 구비한 포드(250)와 로터(201)를 지닌 링 발전기(200)와, 고정자 링(202)과 권선(27)이 감긴 라미네이트 코어(205)를 지닌 고정자(203)를 단면으로 나타낸 도면이다. 고정자(203)와 로터(201) 사이에 공극(209)이 설치되어 있다. 고정자 링(202)은 내측 캐리어 링(204)과, 중앙 캐리어 링(206)과, 외측 캐리어 링(205) 사이에는 수동냉각부위(212)를 형성하는 수동냉각통로(216)가 있다. 내측 캐리어 링(204)과 중앙 캐리어 링(206) 사이에 능동냉각통로(214)가 설치되어 능동냉각부위(210)를 구성한다.

고정자 벨(260)은 중앙 캐리어 링(206) 영역에 고정되고, 로터(201)의 자기 동작 부위에 인접해서 분리 부위(262)가 마련된다. 고정자 벨(260)에는 팬(264)이 준비되고, 팬(264)은 고정자 벨(260)과 분리 부위(262) 사이에 마련된 압력챔버(266)에 압력을 높이는 역할을 한다. 이와 같이 해서 압력챔버(266)에 압력을 증대시킴으로 해서, 공극(209)을 통해 공기가 유입되어 능동냉각통로(214)를 거쳐 흐르게 한다. 발전기와 특히 고정자는 상기 공극(209)과 능동냉각통로(214)를 통해 흘러들어오는 공기에 의해 상당량 냉각된다.

허브케이스(251*)를 포함한 포드케이스(251)는 중앙 캐리어 링(206)의 레벨로 뻗게 된다. 그 결과, 포드(250)에 대해 능동냉각부위(210)를 포함해서 링 발전기(200)가 포드(250) 내에 설치된다. 수동냉각부위(212)와 수동냉각통로(216)는 포드(250) 바깥에 설치된다. 로터(252)와 로터 블레이드(254), 즉 도18에 도시된 대로 포드(250)의 좌측 부위, 즉 허브케이스(251*)와 허브 또는 스피너가 바람이 불어오는 방향을 향하고 있다. 포드(250) 쪽으로 불어오는 바람은 우선 로터(252) 영역 내의 허브케이스(251*)를 따라 흐르게 된다.

포드케이스(251*)는 아래로 내리워져서 중앙 캐리어 링(206)과 동일 레벨에 놓이게 된다. 허브케이스는 로터 블레이드가 접속하는 영역에 외측 캐리어 링(208)과 동일 레벨에 놓일 수 있으며, 첨부도면 도18에 도면부호 251**로 도시하고 있다. 도18은 이런 관점에서 도시한 포착 도면이다. 또한, 중앙 캐리어 링(206) 영역에 고정자 링(202) 쪽으로 허브케이스(251*)를 향한 면 위에 고정자 링(202)에 빗물 홈통이 장착될 수 있으며, 이를 통해 빗물이 침투하는 것을 방지하고 링 발전기(200)의 부품을 보호하고 포드 내에 설치된 부품을 보호하게 된다.

그리고 나면, 함몰된 허브케이스(251*) 영역으로부터 흡입 유동 개구부(217) 영역 속으로 바람이 통과해서 수동냉각부위, 즉 외측냉각부위(212)와 수동냉각통로(216)를 지나 고정자 링(202)을 냉각시키게 된다.

공극(209)과 능동냉각통로(214)를 통해 능동냉각 유동(270)이 흐르도록 팬(264)이 동작함도 유의한다. 바람은 수동냉각통로(216)를 통해 흐르는 수동냉각 유동(272)에 반대 방향임을 유의한다. 보다 구체적으로, 팬 또는 복수 개의 팬(264)들이 포드 내부(253)로부터 고정자 벨(260)을 통해 압력챔버로 공기를 밀어넣고, 공극(209)과 능동냉각통로(214)를 통해 로터 어셈블리 허브(256) 방향으로 외측으로 공기가 흘러 가게 되므로, 결국 바람의 방향과 반대방향을 향한다.

도19 내지 도22는 포드(250)를 개략적으로 도시한다. 특히, 도면에서 파일로 로터 어셈블리 블레이드, 풍속계 등과 같은 포드 구조물은 도시되어 있지 않음에 유의한다. 도19의 도면은 포드(250) 상의 정면에서 비스듬히 본 모습을 나타낸 도면으로서, 포드케이스(251)와 허브케이스(251*)(251**)를 보여주고 있다. 특히, 수동냉각부위(212)의 배출 유동 개부구(218)의 링과 흡입 유동 개구부(217)의 링을 부분적으로 보여주고 있다. 도19에 나타나 있듯이, 정상동작시에 도면에 도시된 평면 속으로 우측으로부터 바람이 들어와서 허브 케이스(251)를 따라 흡입 유동 개구부(217)로 들어와서, 수동냉각부위(212)의 수동냉각통로를 지나 배출 유동 개구부(218)로 나가게 된다. 이 경우, 정상동작과정에 바람은 거의 축 방향으로 흘러 흡입 유동 개구부(217)로 들어오고 적어도 부분적으로 배출 유동 개구부(218)를 방사 방향으로 외측으로 나가게 된다.

도19는 허브케이스(251*)(251**) 위에 장착된 세 개의 로터 블레이드 부착장치(274)를 보여준다. 도19의 도면 좌측에 도시한 바와 같이, 로터 블레이드 부착장치(274) 근방에 허브케이스(251**)의 높은 부위와 허브케이스(251*)의 높은 부위와 허브케이스(251*)의 낮은 부위 사이에 전이 에지(transition edge; 276)가 마련된다. 높은 허브케이스 영역(251**)은 대략 외측 캐리어 링(208)에 정렬되고, 흡입 유동 개구부(217)를 감싼다. 허브케이스(251*)의 낮은 영역은 대략 중앙 캐리어 링(206)과 정렬되고, 흡입 유동 개구부(217)가 문제의 영역에서 보일 수 있고 바람이 다다를 수 있게 된다.

도20에 도시한 포드(250)의 전면도는 허브케이스(251*)(251**)를 보여주고 있으며, 흡입 유동 개구부(217)를 보여주고 있다. 도20의 도면은 정상적인 바람의 흡입 유동 방향을 나타내고 있다. 또한, 바람이 불어오는 쪽의 외측 고정영역(232)이 12시 방향위치에 마련되어 있다. 도21의 도면과 도22의 도면을 참조하면 포드 측의 로터 블레이드 부위(278)는 수동냉각부위(212) 영역을 넘어 흡입 유동 개구부(217)와 배출 유동 개구부(218)를 지난다.

2, 202 : 고정자 링
4, 204 : 내측 캐리어 링
6, 206 : 중앙 캐리어 링
8, 208 : 외측 캐리어 링
10 : 능동냉각영역
12 : 수동냉각영역
14, 214 : 능동냉각통로
16, 216 : 수동냉각통로
17, 217 : 흡입 유동 개구부
18, 218 : 배출 유동 개구부
26 : 경계벽
27 : 권선
28 : 냉각늑재
34 : 내측 캐리어 링 구멍
36 : 중앙 캐리어 링 구멍
38 : 외측 캐리어 링 구멍
100, 260 : 고정자 벨
102 : 머신 캐리어 고정부재
104 : 고정자 링 고정부재
106 : 포이 고정부재
110 : 팬 개구부
112 : 보조 개구부
114, 264 : 팬
116 : 팬 커버
200 : 링 발전기
209 : 공극
210 : 능동냉각부위
212 : 수동냉각부위
232 : 외측 고정영역
250 : 포드
251 : 포드케이스
254 : 로터 블레이드
256 : 로터 어셈블리 허브
262 : 분리 부위
266 : 압력챔버
270 : 능동냉각 유동
272 : 수동냉각 유동
274 : 로터 블레이드 부착장치
276 : 전기에지
278 : 로터 블레이드 부위

Claims

풍력발전설비용 링 발전기로서,
고정자 권선을 감은 라미네이트 코어를 수용하고 주변으로 뻗은 고정자 링;
고정자에 대해 회전축을 중심으로 회전하도록 장착 된 로터를 포함하고, 상기 링 발전기는 내부 로터의 형태이고 상기 고정자 링은 공기 유동에 의해 고정자를 냉각시키기 위한 냉각통로를 구비한 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제1항에 있어서, 강제적으로 흘려보내는 공기 유동에 의해 실시되는 능동냉각을 위한 냉각통로가 설치되고, 및/또는 바람에 의한 수동냉각을 위한 냉각통로가 설치되는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자에 접속된 고정자 벨을 포함하고, 특히 고정자 링을 구비해서 고정자를 관통하거나 및/또는 고정자를 따라, 및/또는 로터를 따라 능동 공기 유동을 제공하기 위하여 압력챔버를 제공하여 상기 압력챔버는 감압 또는 증압되는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제3항에 있어서, 회전축에 대해 고정자 링은 능동냉각을 위한 내측 링 부위와, 수동냉각을 위한 외측 링 부위를 구비하고 상기 고정자 벨은 고정자 링에 부착 고정되어 내측 링 부위는 능동냉각 공기 유동의 유입을 수용하는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제3항 또는 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 벨은 고정자 링을 적재하도록 개조되는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 벨 내에 팬을 구비한 팬 개구부가 적어도 하나가 제공되는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각통로 모두 또는 일부가 회전축에 대해 축 방향으로 뻗어있는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 냉각통로가 회전 축 주위로 동심원 형태로 마련되고 적어도 하나의 링 형태의 냉각 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 회전축에 대해 방사방향으로 고정자 링은 내측 캐리어 링과 외측 캐리어 링을 구비하고, 중앙 안정화 캐리어 링을 선택적으로 구비하고, 링 모양의 냉각영역이 상기 두 개의 캐리어 링 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제9항에 있어서, 중앙 안정화 캐리어 링이 제공되고, 고정자 벨이 상기 중앙 안정화 캐리어 링에 고정되어, 상기 고정자 링 및 고정자가 상기 고정자 벨에 의해 적재되는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제9항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각 영역 내 서로 인접하는 냉각통로는 경계벽에 의해 경계가 결정되고, 상기 경계벽은 두 개의 서로 인접하는 안정화 캐리어 링 사이에 연결 부재(connecting limb)를 형성하고, 및/또는 두 개의 인접 캐리어 링은 냉각 늑재(cooling rib)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 냉각 영역의 적어도 하나 냉각통로 및 바람직하게는 모든 냉각통로가 축 방향 단면으로 삼각형 형상을 하고, 및/또는 두 개의 인접 냉각통로는 축 방향 단면으로 평행사변형 형상을 하고, 및/또는 냉각통로는 냉각통로의 내측을 향하는 냉각늑재를 적어도 하나 구비하는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제1항 내지 제12항 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 링은 조각으로 분할되어 있으며, 특히 두 개, 세 개, 네 개 또는 그 이상의 대칭 원형 조각으로 구성됨을 특징으로 하는 링 발전기.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 냉각통로 영역 내의 고정자 링을 알루미늄, 및/또는 알루미늄 합금, 및/또는 특정 재질의 주물로 제작하는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 축 방향을 향하는 흡입 유동 개구부와 부분적으로 방사 방향으로 외측을 향하는 배출 유동 개구부를 각각 구비한 수동냉각통로를 구비한 링 발전기.
제15항에 있어서 상기 배출 유동 개구부는 흡입 개구부 형태를 지니고, 밖으로부터 축 방향으로 고정자로 불어오는 유동을 제공하는 바람은 배출 유동 개구부에서 흡입 작용을 하고, 및/또는 배출 유동 개구부 영역에서 축 방향으로 고정자의 배출 유동 개구부 상에서 흡입 작용을 증대하기 위해 굴곡 면을 지니는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
고정자 권선을 위하여 주변으로 확장한 고정자 링을 지닌 고정자와, 고정자에 대해 회전할 수 있도록 장착 된 로터와, 링 발전기를 냉각하기 위해 고정자를 관통해서 및/또는 고정자를 따라서, 및/또는 로터를 따라 공기 유동을 제공하기 위해서 공기 압력을 증압하거나 감압하는 압력챔버를 제공하기 위한 고정자 링에 연결된 고정자 벨을 구비한 풍력발전설비용 링 발전기로서, 상기 고정자 벨은 적어도 하나의 팬 개구부와 팬을 구비하고, 상기 팬은 운동기구에 의해 움직일 수 있도록 장착되거나, 유지보수를 위하거나 및/또는 작업자가 드나들 수 있도록 임시로 개방할 수 있도록 하는 고속동작 크램핑 장치로 고정되는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제17항에 있어서, 상기 운동기구는 피봇 운동기구인 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제17항 또는 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 벨은 풍력발전설비의 머신 캐리어에 고정하기 위한 제1 고정부재와 복수 개의 캐리어 부재, 특히 캐리어 암을 구비하는 것을 특징으로 하고, 상기 캐리어 부재는 별 형상의 구성으로 상기 고정자 링에 고정하기 위한 제2 고정부재에 외측 방향으로 확장되는 것을 특징으로 하고, 상기 고정자 링은 머신 캐리어 상의 캐리어 부재에 의해 적재되는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제9항에 있어서, 적어도 하나의 팬 개구부가 두 개의 캐리어 부재 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 벨은 금속, 특히 주물 철, 더욱 바람직하게는 회전 타원체 형상의 주물 철, 및/또는 한 개의 단품으로 주물제작되는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 제1항 내지 제16항 중 적어도 어느 한 항에 따른 특징을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 제17항 내지 제21항 중 어느 한 항에 따른 특징을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 링 발전기.
제1항 내지 제23항 중 어느 한 항에 따른 링 발전기로서, 공칭전력이 적어도 300 킬로와트, 바람직하게는 적어도 300 킬로와트, 더욱 바람직하게는 적어도 1메가와트인 것을 특징으로 하는 링 발전기.
풍력발전설비를 제어하는 방법으로서, 상기 풍력발전설비는 로터와 고정자를 구비한 링 발전기를 지니고, 상기 제어 방법은
상기 링 발전기가 생산하는 전기전력을 검출하는 단계; 및
상기 검출 전기 전력이 선정된 값에 도달하거나, 및/또는 선정된 값을 넘어서는 경우, 링 발전기를 냉각시키기 위해 고정자를 관통하거나 및/또는 고정자를 따라 및/또는 로터를 따라 공기 유동을 만들기 위해 고정자 벨에 장착된 적어도 팬 하나를 스위치 온 하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
제25항에 있어서, 상기 선정된 값은 공칭전력의 30 %, 바람직하게는 50 %, 더욱 바람직하게는 80 %로 선정되거나, 상기 선정된 값을 공칭전력 값으로 설정하는 것을 특징으로 하는 제어 방법.
제25항 또는 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 링 발전기는 제1항 내리 제24항 중 어느 한 항에 따른 링 발전기인 것을 특징으로 하는 제어 방법.
제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 따른 링 발전기와 포드를 구비한 풍력발전설비로서, 제25항 내지 제27항 중 어느 한 항에 따른 제어 방법을 구비한 것을 특징으로 하는 풍력발전설비.
제28항에 따른 풍력발전설비로서, 포드와 링 발전기를 구비하고, 상기 링 발전기는, 고정자 권선을 구비한 라미네이트 코어를 수용하기 위하여 주변으로 확장하는 고정자 링과, 고정자에 대해 회전축 주위에 회전할 수 있도록 장착된 로터를 구비하고, 상기 링 발전기는 내부 로터 형태로 구성되고, 고정자 링의 외측 부위를 제외하고는 링 발전기는 포드 내부에 설치되고, 고정자 링의 외측 부위는, 냉각목적의 유입 유동을 수용하기 위해, 포드의 밖에 설치되는 것을 특징으로 하는 풍력발전설비.
제29항에 있어서, 고정자 링의 외측 부위는 냉각 수단을 구비하고, 특히 수동냉각을 위한 냉각통로를 구비하고, 상기 냉각통로는 바람에 직접 노출된 것을 특징으로 하는 풍력발전설비.
제29항 또는 제30항 중 어느 한 항에 있어서, 포드는 공기 유체 역학적 형상을 해서 바람이 포드를 따라 고정자 링의 외측 부위로 라미나르(laminar) 방식으로 흘러 고정자 링의 외측 부위에서 냉각 작용을 촉진하는 것을 특징으로 하는 풍력발전설비.
제29항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서, 고정자 링의 외측 부위를 따라 바람의 유동을 촉진하기 위해 고정자 링의 외측 부위의 영역 내에 포드 밖으로 유동수단을 제공하는 것을 특징으로 하는 풍력발전설비.