KR20110112185A - 풍력 발전 장치 - Google Patents

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KR20110112185A
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도모히로 누마지리
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명에 따른 풍력 발전 장치는, 스테이터와, 발전기 로터와 스테이터를 수용하는 스테이터 케이싱을 구비하는 발전기와, 일단이 풍차 로터에, 타단이 상기 발전기 로터에 결합된 주축과, 상기 주축을 회전 가능하게 지지하는 제 1 베어링과, 상기 주축과 상기 스테이터 케이싱이 서로에 대해 회전 가능하도록, 상기 주축에 마련되어 상기 스테이터 케이싱을 지지하는 제 2 베어링과, 상기 제 1 베어링이 장착된 기초부와, 상기 기초부와 상기 스테이터 케이싱의 정면 플레이트를 결합하는 결합 부재를 구비하는 토크 서포트를 포함하고 있다. 상기 스테이터 케이싱에 상기 주축의 원주방향으로 토크가 작용했을 때에, 상기 결합 부재와 상기 정면 플레이트의 사이에서 작용하는 힘의 하중 중심이 상기 정면 플레이트의 정면과 배면 사이의 범위 내에 위치한다.

Description

풍력 발전 장치{WIND TURBINE GENERATOR}
본 발명은 풍력 발전 장치에 관한 것으로, 특히 풍력 발전 장치에 있어서 발전기의 지지 구조체에 관한 것이다.
다이렉트 드라이브 방식의 풍력 발전 장치는, 풍차 로터의 회전을 전달하는 주축(샤프트)이 발전기 내의 발전기 로터를 직접 회전시키는 풍력 발전 장치이다. 통상의 풍력 발전 장치는 풍차 로터의 회전 주파수가 전력 계통(utility grid)의 주파수보다 낮기 때문에, 증속기(gear box)를 이용하고 있다.
한편, 다이렉트 드라이브 방식의 풍력 발전 장치에서는, 증속 기어를 이용하지 않고 풍차 로터에 접합된 주축이 발전기에 직접 접속되어 있지만, 이 방식의 풍력 발전 장치에서는, 발전기가 대형화하는 경향이 있다. 이것은 풍력 로터의 회전 주파수와 전력 계통의 주파수가 정합하지 않기 때문이며, 따라서 발전기 내의 계자 자석(field magnet) 극의 개수는 증가되어야만 한다. 계자 자석의 극의 개수가 증대되면, 발전기 로터의 직경도 커지고, 이로 인하여 발전기는 커진다. 또한, 근년의 대용량화로 인하여 발전기의 크기는 더욱 더 대형화하는 경향이 있다.
대형화하는 발전기를 지지하는 기구를 최적으로 설계하는 것은, 다이렉트 드라이브 방식의 풍력 발전 장치의 설계에 있어서 중요한 사항의 하나이다. 그리고, 다이렉트 드라이브 방식의 풍력 발전 장치에서는, 일반적으로, 발전기의 지지 기구로서 2개의 기구가 이용된다.
먼저, 주축과 스테이터 케이싱의 사이에 베어링이 마련되고, 그 베어링에 의해 스테이터 케이싱이 지지된다. 이러한 기구가 이용되는 것은, 발전기의 스테이터와 로터의 사이의 갭의 간격을 유지하기 위해서이다. 다이렉트 드라이브 방식의 풍력 발전 장치에 있어서는, 주축에서는 선단에 마련된 풍차 로터에 작용하는 중력이나 그 자신에게 작용하는 중력에 의해 굴곡이 일어난다. 이 때, 주축에 결합된 발전기 로터도 주축의 굴곡에 따라 변위된다. 발전기 로터의 변위가 발생해도 스테이터와 로터의 사이의 갭의 간격을 유지하기 위해서는, 스테이터 케이싱도 주축에 의해 지지될 필요가 있다.
그 한편, 주축에 마련된 베어링에 의해서 스테이터 케이싱을 지지하는 방식으로는, 주축에 대해서 원주방향으로 작용하는 토크를 지지할 수 없다. 특히, 발전기 로터가 회전하면, 발전기 로터와 스테이터의 사이에 작용하는 인력에 의해서, 스테이터 케이싱에는 스테이터 케이싱을 주축의 주위로 회전시키려고 하는 토크가 가해진다. 주축에 마련된 베어링에 의해서는, 이러한 토크를 지지할 수 없다.
이를 해결하기 위해, 스테이터 케이싱을 주축의 주위로 회전시키는 토크를 지지하도록, 정적 부재(전형적으로는, 주축을 지지하는 베어링이 마련된 기초부)와 스테이터 케이싱을 결합하는 기구가 마련된다. 이와 같은 기구를, 본 명세서에서는 "토크 서포트"라고 한다. 즉, 토크 서포트는 스테이터 케이싱의 회전을 방지하도록 스테이터 케이싱에 대해서 주축의 원주방향으로 작용하는 토크를 지지하는 기구이다.
주축에 마련된 베어링과 토크 서포트로 발전기를 지지하는 구조는, 예를 들면, 특허 문헌 1(EP 1327073 B1 호 공보), 특허 문헌 2(EP 2014917 A1 호 공보)에 개시되어 있다. 도 10은 특허 문헌 1에 개시된 풍력 발전 장치의 구조를 도시하는 사시도이다. 도 10의 구조에서는 스테이터(219)의 면에 아암(226), 빔(227) 및 댐핑 요소(228)를 마련하고, 빔(227)이 기초부(204)에 장착되어 있다. 이러한 기구는 스테이터(219)를 주축의 주위로 회전시키는 토크를 지지하는 토크 서포트로서 기능한다. 또한, 주축(218)에 베어링(216, 217)이 마련되고, 이러한 베어링에 의해서 스테이터(219)가 지지되어 있다.
한편, 특허 문헌 2에 개시된 풍력 발전 장치에서는, 베이스 플레이트에 마련된 제 1 및 제 2 베어링에 의해서 주축이 지지되어 있다. 스테이터 케이싱은, 로터의 주위에 마련된 제 1 단부 플레이트와 제 2 단부 플레이트 및 케이싱 소자를 포함하고 있다. 또한, 제 1 단부 플레이트는 주축에 마련된 제 3 베어링에 의해 지지되어 있다. 제 2 단부 플레이트는, 변형 가능한 비회전 커플링(non-rotatable coupling)에 의해서 베어링 하우징에 장착되어 있다. 이 비회전 커플링은 스테이터 케이싱을 주축의 주위로 회전시키는 토크를 지지하는 토크 서포트로서 기능하고 있다.
발명자는 발전기의 지지 기구에 관해서 검토를 진행하고 있지만, 발명자가 얻은 지견에 의하면, 토크 서포트의 설계에 있어서 중요한 사항의 하나가, 스테이터 케이싱에 작용하는 굽힘 모멘트(즉, 스테이터 케이싱을 면 외로 휘어지게 하는 힘)를 저감시키는 것이다. 스테이터 케이싱에 굽힘 모멘트가 작용해서 스테이터 케이싱이 변형되면, 스테이터와 로터의 사이의 갭이 균일하게 유지될 수 없게 된다. 이것은 발전기의 진동의 증대나 발전기 성능의 열화를 초래하기 때문에 바람직하지 않다. 특히, 토크 서포트의 구조가 부적절하면, 스테이터 케이싱에 큰 굽힘 모멘트가 작용하므로 바람직하지 않다. 예를 들면, 도 10의 구조에서는 스테이터(219)의 표면에 아암(226)이 접합되어 있기 때문에, 스테이터 케이싱에 굽힘 모멘트가 작용하므로 바람직하지 않다. 특히, 발전기가 고출력화 되면, 스테이터 케이싱에 원주방향으로 작용하는 토크도 증대되어, 굽힘 모멘트도 증대되므로, 굽힘 모멘트의 문제는 심각하게 된다.
굽힘 모멘트의 문제에 대처하기 위해서는, 스테이터 케이싱의 강성을 높여서 굽힘 모멘트의 증대에 대항하는 일도 생각할 수 있다. 그렇지만, 이러한 대처는 스테이터 케이싱의 중량이 증대되어 바람직하지 않다. 또한, 굽힘 모멘트의 문제에의 다른 대처로는, 가능한 한 외측에서 스테이터 케이싱을 지지하는 것도 있을 수 있다. 예를 들면, 도 10에 도시되어 있는 구조에서는, 스테이터(219)의 외주 부근까지 아암(226) 및 빔(227)을 마련하고, 이것에 의해 스테이터(219)를 지지한다. 그러나, 외주 부근까지 아암(226) 및 빔(227)을 연장하는 것은 아암(226) 및 빔(227)의 대형화나 중량의 증대를 초래하기 때문에, 바람직하지 않다.
유럽 특허 제 EP 1327073 B1 호 공보(일본 특허 공표 제 2004-511723 호 공보) 유럽 특허 제 EP 2014917 A1 호 공보(일본 특허 공개 제 2009-19625 호 공보)
따라서, 본 발명의 목적은 풍력 발전 장치에 있어서, 발전기의 스테이터 케이싱을 지지하는 구조체를 소형화하면서, 스테이터 케이싱에 작용하는 굽힘 모멘트를 저감할 수 있는 지지 구조체를 제공하는 것이다.
본 발명의 풍력 발전 장치는, 스테이터와, 발전기 로터와 스테이터를 수용하는 스테이터 케이싱을 구비하는 발전기와, 일단이 풍차 로터에, 타단이 상기 발전기 로터에 결합된 주축과, 상기 주축을 회전 가능하게 지지하는 제 1 베어링과, 상기 주축과 상기 스테이터 케이싱이 서로에 대해 회전 가능하도록, 상기 주축에 마련되어 상기 스테이터 케이싱을 지지하는 제 2 베어링과, 상기 제 1 베어링이 장착된 기초부와, 상기 기초부와 상기 스테이터 케이싱의 정면 플레이트를 결합하는 결합 부재를 구비하는 토크 서포트를 포함하고 있다. 상기 스테이터 케이싱에 상기 주축의 원주방향으로 토크가 작용했을 때에, 상기 결합 부재와 상기 정면 플레이트의 사이에서 작용하는 힘의 하중 중심이 상기 정면 플레이트의 정면과 배면 사이의 범위 내에 위치한다.
본 발명에 의하면, 토크 서포트는, 결합 부재와 정면 플레이트의 사이에서 작용하는 힘의 하중 중심이 정면 플레이트의 정면과 배면 사이의 범위 내에 있도록 구성되어 있으므로, 스테이터 케이싱의 정면 플레이트에 작용하는 굽힘 모멘트를 억제할 수 있다. 이로 인하여 스테이터 케이싱의 강도를 더 낮게 할 수 있다.
상기 토크 서포트가 상기 스테이터 케이싱에 마련되는 적어도 하나의 삽입 부재를 더 포함하고, 상기 삽입 부재에는 결합 부재가 삽입되는 경우, 상기 삽입 부재는, 그 일부가 상기 스테이터 케이싱의 내부에 배치되도록 상기 스테이터 케이싱에 마련되는 것이 바람직하다. 제 1 실시예에 있어서, 상기 삽입 부재는 삽입 부재의 결합 부재가 삽입되는 부분의 길이의 절반의 위치가, 상기 스테이터 케이싱의 정면과 배면 사이의 범위에 있도록 케이싱에 삽입된다.
전술한 풍력 발전 장치에 있어서, 삽입 부재는 케이싱과 별체로 형성되어, 케이싱에 장착되어도 좋다. 이 경우, 삽입 부재의 치수를 조절하는 것에 의해, 크기가 다른 케이싱에 대응할 수 있다. 또한, 케이싱의 가공도 용이하게 된다.
상기의 풍력 발전 장치에 있어서, 결합 부재의 단면은 직사각형이어도 좋다. 이 경우, 상기 결합 부재의 가공이나 설치가 용이하게 된다. 그리고, 결합 부재의 두께나 폭을 바꾸는 것에 의해, 보다 적절하게 발전기에 작용하는 하중을 지지할 수 있다.
상기의 풍력 발전 장치에 있어서, 기초부의 일부가 결합 부재를 형성해도 좋다. 이 경우, 결합 부재가 기초부의 일부를 형성하기 때문에, 부품 개수 및 조립 오차를 줄일 수 있다.
상기의 풍력 발전 장치에 있어서, 적어도 2개의 삽입 부재는, 상기 2개의 삽입 부재와 상기 2개의 삽입 부재가 삽입되는 상기 스테이터 케이싱의 면의 중심이 실질적으로 일직선으로 정렬되도록, 상기 스테이터 케이싱에 마련된다. 이 경우, 하중을 균등하게 지지 가능하고, 또한, 하나의 위치에서 토크 서포트에 작용하는 하중이 감소될 수 있다.
전술한 풍력 발전 장치는, 상기 스테이터 케이싱의 표면에 마련된 빔을 더 구비하고, 상기 빔은 상기 삽입 부재와 상기 삽입 부재가 마련되 상기 스테이터 케이싱의 면의 중심을 연결하는 선에 실질적으로 수직하도록, 상기 삽입 부재로부터 상하로 마련되어 있다. 이러한 구성을 사용하면 굽힘 모멘트에 대한 지지력이 개선되도록 케이싱의 강성이 증가된다.
일 실시예에 있어서, 상기 스테이터 케이싱의 상기 정면 플레이트는, 그 중앙부에 오목부를 구비하고, 상기 오목부의 외연으로부터 상기 주축의 반경방향 내측으로 돌출되는 돌출부를 포함하도록 구성된다. 또한, 제 1 베어링을 수용하는 베어링 하우징이 기초부에 결합된다. 상기 베어링 하우징의 일부가 오목부에 수용되고, 상기 돌출부는 베어링 하우징에 마련된 홈에 끼워맞춰져서, 상기 스테이터 케이싱과 베어링 하우징이 서로 결합되고, 이에 의해 토크 서포트가 상기 돌출부와 베어링 하우징으로 구성된다.
본 발명에 의하면, 풍력 발전 장치에서 발전기의 케이싱에 작용하는 굽힘 모멘트를 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 풍력 발전 장치의 구성을 도시하는 모식적인 사시도,
도 2는 발전기의 구성의 일례를 도시하는 단면도,
도 3a는 본 발명의 제 1 실시형태의 토크 서포트의 구성을 도시하는 단면도,
도 3b는 본 발명의 제 1 실시형태의 토크 서포트의 구성을 도시하는 단면도,
도 4a는 비교예에 있어서 토크 서포트의 구성을 도시하는 모식도,
도 4b는 본 발명의 제 1 실시형태에 있어서 토크 서포트의 구성을 도시하는 모식도,
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 토크 서포트의 구성을 도시하는 모식도,
도 6a는 본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서 토크 서포트의 구성을 도시하는 모식도,
도 6b는 도 6a의 토크 서포트의 구성을 도시하는 단면도,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서 토크 서포트의 구성을 도시하는 모식도,
도 8a는 본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서의 토크 서포트의 구성을 도시하는 모식도,
도 8b는 도 8a의 토크 서포트의 구성을 도시하는 단면도,
도 9a는 본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서 토크 서포트의 구성을 도시하는 모식도,
도 9b는 도 9a의 토크 서포트의 구성을 도시하는 단면도,
도 10은 종래 기술의 풍력 발전 장치의 토크 서포트의 구성을 도시하는 모식도.
이하, 본 발명의 풍력 발전 장치의 실시형태에 대해서 첨부 도면을 참조해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 풍력 발전 장치(30)의 구성을 도시하는 모식도이다. 주축(5)은 일단이 풍차 로터(도시되지 않고)에, 타단이 발전기(1)에 접속된다. 기초부(3)의 상면에 2대의 베어링 하우징(4-1, 4-2)이 마련되어 있고, 주축(5)은 그 베어링 하우징(4-1, 4-2)에 마련된 베어링(도 1에서는 도시되어 있지 않음)에 의해서 회전 가능하게 지지되어 있다. 여기서, 기초부(3)의 상면은 적어도 평면부(31)를 갖고 있다. 2대의 베어링 하우징(4-1, 4-2)은 주축(5)의 중심축(51)과 평면부(31)가 평행하도록, 기초부(3)의 상면에 장착된다.
도 2는 발전기(1)와 주축(5)의 접속 구조를 도시하는 단면도이다. 도 2에 도시되어 있는 것과 같이, 베어링 하우징(4-1, 4-2)의 개구의 내부에는 베어링(7-1, 7-2)이 마련되어 있고, 베어링(7-1, 7-1)에 의해 주축(5)이 회전 가능하게 지지되어 있다. 주축(5)은 풍차 로터에 접속되는 축 기초부(5a)와, 축 기초부(5a)가 삽입된 내통(5b)으로 구성되어 있고, 그 내통(5b)에 발전기 로터(16)가 접합되어 있다. 발전기 로터(16)는 판 부재나 막대 부재로 구성된 로터 플레이트(15)를 구비하고 있고, 로터 플레이트(15)의 외주부에 계자 자석(14)이 장착되어 있다. 계자 자석(14)의 외측에는 계자 자석(14)과 일정한 간격을 두고 스테이터(13)가 마련되고, 스테이터 케이싱(11)의 내벽에 장착되어 있다. 계자 자석(14)은 발전 때문에, 어느 정도의 폭을 가져야 하고, 계자 자석(14)을 지지하고, 회전하는 로터 플레이트(15)는 중량 경감을 위해 주축(5)에 가까운 쪽의 중앙 부분에 홈을 구비하고 있다. 상세하게는 도 2의 구조에서는, 로터 플레이트(15)는 계자 자석(14)을 라이닝한 백 플레이트(15a)와, 백 플레이트(15a)를 내통(5b)에 결합하는 결합 플레이트(15b)와, 백 플레이트(15a)와 결합 플레이트(15b)의 접합을 강화하기 위한 리브(15c)를 구비하고 있다. 내통(5b)에 가까울 수록, 주축(5)의 축방향의 리브(15c)의 폭이 작아진다.
내통(5a)에는 또한, 발전기 베어링(8-1, 8-2)이 마련되어 있고, 이들의 발전기 베어링(8-1, 8-2)에 의해 스테이터 케이싱(11)이 지지되어 있다. 전술한 바와 같이, 주축(5)에 마련된 발전기 베어링(8-1, 8-2)에 의해 스테이터 케이싱(11)이 지지되는 것은, 발전기 로터(16)의 계자 자석(14)과 스테이터(13) 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위해서 중요하다.
여기서, 전술한 바와 같이, 주축(5)에 마련된 발전기 베어링(8-1, 8-2)으로는 스테이터 케이싱(11)에 주축(5)의 원주방향으로 작용하는 토크를 지지할 수 없다. 그래서, 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 실시형태에서는 토크 서포트(2)가, 발전기(1) 측부에서 중심축(51)을 가로질러 좌우측의 기초부(3)의 각 단부의 평면부(31) 상에 장착되어, 토크 서포트(2)에 의해서 스테이터 케이싱(11)에 주축(5)의 원주방향으로 작용하는 토크가 지지되어 있다.
이하에 서술하는 바와 같이, 본 실시형태의 풍력 발전 장치의 특징 중 하나는, 토크 서포트(2)와 스테이터 케이싱(11)의 접속 구조에 있다. 이하에서는, 토크 서포트(2)와 스테이터 케이싱(11)의 접속 구조에 대해 상세하게 설명한다.
도 3a 및 도 3b는 토크 서포트(2)의 구조를 도시하는 단면도이다. 토크 서포트(2)는 각각 핀(21)과 2개의 브래킷(23)과 삽입 부재(22)를 구비하고 있다. 토크 서포트(2)에는, 브래킷(23)은 평면부(31) 상의 발전기(1) 측부의 우단부에 주축(5)의 중심축(51)과 평행하게 배열되어 장착된다. 핀(21)은 삽입 부재(22)와 브래킷(23)을 결합시키는 결합 부재이다. 핀(21)은 기초부(3)로부터 발전기(1)를 향해서, 주축(5)의 중심축(51)과 평행하게 부착되어, 일단은 브래킷(23)에 삽입 고정되고, 타단은 삽입 부재(22)에 삽입 고정된다. 삽입 부재(22)는 발전기(1)의 스테이터 케이싱(11)의 정면 플레이트(12)에 일부가 삽입되도록 마련되어 있다. 후술과 같이, 이것은 토크 서포트(2)가 스테이터 케이싱(11)에 작용하는 굽힘 모멘트를 저감시키기 위해 중요하다.
삽입 부재(22)는 부시 케이스(25; bush case)와, 해당 부시 케이스(25) 내에 마련된 방진 고무(26)를 구비하고 있다. 방진 고무(26)는 내부에 핀(21)을 수용하도록 구성되어 있고, 핀(21)에 작용하는 토크 반력을 흡수하는 탄성체로 제조된 완충 부재로서 기능한다. 부시 케이스(25)는 스테이터 케이싱(11)의 정면 플레이트(12)로부터 내부에 그 일부가 삽입되어 있다.
삽입 부재(22)의 위치는 기초부(3)의 필요한 크기, 토크 서포트(2)에 의해서 지지될 수 있는 토크의 크기에 영향을 주는 설계 파라미터 중 하나이다. 삽입 부재(22)는 스테이터 케이싱(11)의 정면 플레이트(12)의 중심으로부터 반경방향 외측으로 정면 플레이트(12)의 반경의 1/2 부터 3/4 까지의 거리의 위치에 마련되는 것이 바람직하다. 이것은 삽입 부재(22)를 스테이터 케이싱(11)의 외주 부근에 과도하게 가까이 배치하면 기초부(3)가 지나치게 커지고, 발전기(1)의 스테이터(13) 및 계자 자석(14)의 위치와 간섭하여 삽입 부재(22)의 장착이 곤란해지기 때문이다. 전술한 바와 같이, 본 실시형태에서는 로터 플레이트(15)는 주축(5)에 가까운 중앙부에 오목부를 구비하고 있고, 삽입 부재(22)가 스테이터 케이싱(11)의 정면 플레이트(12)의 중심으로부터 반경방향 외측으로 정면 플레이트(12)의 반경의 1/2 부터 3/4 까지의 거리에 배치되면, 삽입 부재(22)가 스테이터 케이싱(11)의 기초부(3) 측부에 배치된 정면 플레이트(12)로부터 스테이터 케이싱(11) 내부에 삽입되어도, 스테이터(13), 계자 자석(14), 로터 플레이트(15)와 간섭하는 일은 없다. 한편, 삽입 부재(22)가 스테이터 케이싱(11)의 중심에 너무 가까이 배치되면, 스테이터 케이싱(11)에 작용하는 토크를 지지할 수 없다. 또한, 좌우 2개의 삽입 부재(22)와 원형의 정면 플레이트(12)의 중심(도시되지 않음)이 일직선으로 정렬되는 것이 바람직하다.
본 실시형태에서는 토크 서포트(2)와 스테이터 케이싱(11)의 결합 구조가, 토크 서포트(2)가 스테이터 케이싱(11)의 정면 플레이트(12)에 작용하는 힘의 하중 중심이 정면 플레이트(12)의 두께(D)의 범위 내(즉, 정면과 배면의 사이의 범위 내)에 있도록 설계되어 있다. 보다 구체적으로는, 삽입 부재(22)가 스테이터 케이싱(11)의 정면 플레이트(12)로부터 내부로 삽입되는 위치에 마련되고, 또한, 핀(21)이 삽입 부재(22)에 삽입되는 깊이는, 하중 중심이 정면 플레이트(12)의 두께(D)의 범위 내에 있도록 적절히 조절된다. 이러한 구조의 이점에 대해서 도 4a의 비교예와 도 4b의 본 실시형태를 비교하면서 설명한다.
도 4a는 전술한 삽입 부재가 정면 플레이트의 표면에 마련되었다고 했을 경우의 토크 서포트(2)와 스테이터 케이싱의 결합 구조를 도시하는 모식도이다. 즉, 도 4a에 도시되어 있는 바와 같이, 토크 서포트가 핀(121)과 삽입 부재(122)를 구비하고, 핀(121)의 일단이 삽입 부재(122)에 삽입되고, 삽입 부재(122)가 스테이터 케이싱(111)의 정면 플레이트(112) 상에 마련되는 경우에 대해서 생각한다. 여기서, 본 실시형태의 삽입 부재(22)와 마찬가지로, 삽입 부재(122)가 부시 케이스(125)와, 해당 부시 케이스(125) 내에 마련된 방진 고무(126)를 포함하고 있다.
이 경우에, 발전기 로터(도시되지 않음)가 회전하면, 스테이터 케이싱(111)에는, 주축(도시되지 않음)의 원주방향으로 토크가 가해진다. 이 토크에 대응하는 힘은 도 4a에서는, 힘(F1)으로서 도시되어 있다. 스테이터 케이싱(111)에 원주방향의 토크가 가해졌을 때, 핀(121)에 의해 토크에 저항하는 힘이 삽입 부재(122)에 주어져서 스테이터 케이싱(111)의 회전이 방지된다. 이 때, 핀(121)의 삽입 부재(122)에 삽입된 부분으로부터 삽입 부재(122)에 하중(τ1)이 걸린다. 이 하중(τ1)의 합계의 크기로서, 하중(T1)은 하중(τ1)이 걸려 있는 영역의 중앙 부근에 작용하는 것으로 생각된다. 힘(F1)과 하중(T1)이 주축의 원주방향에 대해서 균형이 잡혀서, 스테이터 케이싱(111)이 원주방향으로 회전하는 것이 방지된다.
그렇지만, 이 때, 삽입 부재(122)가 스테이터 케이싱(111)의 정면 플레이트(112)로부터 돌출되어 있기 때문에, 하중(T1)이 작용하는 위치, 즉, 하중 중심이 스테이터 케이싱(111)의 두께의 범위로부터 벗어나서 배치되어, 스테이터 케이싱(111)에 하중(T1)에 의한 굽힘 모멘트(M1)가 작용하게 된다. 그리고, 결과적으로, 스테이터 케이싱(111)에는 굽힘 모멘트(M1)에 의해, 변형 및 휨과 같은 면외로의 변형이 발생해 버린다. 그 결과, 발전기 로터와 스테이터의 사이의 갭이 불균일하게 되어서 추가의 진동이 발생한다. 이것에 의해, 발전기의 안정적인 운전이 곤란하게 될 가능성이 있다.
한편, 본 실시형태에서는 도 4b에 도시되어 있는 바와 같이, 토크 서포트(2)와 스테이터 케이싱(111) 사이의 접속 구조가, 핀(21)으로부터 스테이터 케이싱(11)에 하중(T1)이 작용하는 위치, 즉, 하중 중심이 스테이터 케이싱(11)의 두께(D)의 범위 내(즉, 정면과 배면의 사이의 범위 내)에 있도록 설계되어, 스테이터 케이싱(11)에 작용하는 굽힘 모멘트가 저감된다. 상세하게는 본 실시형태에서도, 제 1 실시예와 마찬가지로, 주축(5)이 회전하면 스테이터 케이싱(11)에 원주방향으로 토크가 작용하는 한편, 핀(21)에 의해서 그 토크에 저항하는 힘이 삽입 부재(22)에 부여되어 스테이터 케이싱(11)의 회전이 방지된다. 도 4b에 있어서, 스테이터 케이싱(11)에 원주방향으로 작용하는 토크에 대응하는 힘은 힘(F2)으로서 도시되어 있다. 이 때, 핀(21)과 삽입 부재(22)의 사이에 하중(τ2)이 작용한다. 이 하중(τ2)의 합계의 크기로서 하중(T2)이, 하중(τ2)이 걸려 있는 영역의 중앙 부근에 작용하는 것으로 생각된다. 힘(F2)과 하중(T2)이 주축(5)의 원주방향에 관해서 균형을 이루는 것에 의해, 스테이터 케이싱(11)이 원주방향으로 회전하는 것이 방지된다.
이 때, 본 실시형태에서는 삽입 부재(22)의 일부가 스테이터 케이싱(11)의 정면 플레이트(12)로부터 그 내부에 삽입되어, 하중(T2)이 작용하는 위치, 즉 하중 중심의 위치가 스테이터 케이싱(11)의 두께의 범위 내에 있도록 조절된다. 이러한 구조에 의하면, 스테이터 케이싱(11)에는 하중(T2)에 의한 굽힘 모멘트는 작용하지 않는다. 따라서, 본 실시형태의 토크 서포트(2)의 구조에 의하면, 스테이터 케이싱(11)에 작용하는 면내 모멘트를 저감할 수 있다.
하중(T2)이 작용하는 위치, 즉 하중 중심의 위치는 핀(21)이 삽입 부재(22)에 삽입되는 깊이에 의해서 조절 가능하다. 즉, 핀(21)이 삽입 부재(22)로의 삽입 깊이는, 스테이터 케이싱(11)에 주축(5)의 원주방향으로 토크가 작용했을 때에 핀(21)과 삽입 부재(22)의 사이에서 작용하는 힘의 하중 중심이 스테이터 케이싱(11)의 두께(D)의 범위 내(즉, 정면과 배면의 사이의 범위 내)에 있도록 조절된다. 일 실시형태에 있어서, 도 3b에 도시되어 있는 바와 같이, 삽입 부재(22)의 핀(21)이 삽입되는 부분의 길이(L)의 절반의 위치(A)가, 스테이터 케이싱(11)의 두께(D)의 범위 내에 있는 위치까지, 삽입 부재(22)가 케이싱(11)의 내부로 삽입되는 것이 바람직하다. 위치(A)는 스테이터 케이싱(11)의 두께(D)의 중심선(17)에 가까울수록 더 바람직하고, 이상적으로는, 위치(A)가 중심선(17)과 대략 일치하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 본 실시형태의 토크 서포트(2)와 스테이터 케이싱(11)의 접속 구조에 의하면, 하중(τ2)이 작용하는 위치, 즉 하중 중심을 스테이터 케이싱(11)의 두께의 내측에 배치시킬 수 있다. 이것에 의해, 스테이터 케이싱(11)에 작용하는 굽힘 모멘트를 억제할 수 있다.
스테이터 케이싱(11)에 작용하는 굽힘 모멘트를 억제하는 것은, 기초부(3)의 소형화에도 유용하다. 스테이터 케이싱(11)에 작용하는 굽힘 모멘트가 저감될 수 없는 경우, 스테이터 케이싱(11)을 지지하는 위치를 스테이터 케이싱(11)의 외측으로 접근 배치시킬 필요성이 있다. 이것은 기초부(3) 또는 스테이터 케이싱(11)을 지지하도록 결합된 구조 부재를 대형화시켜서 바람직하지 않다. 한편, 본 실시형태에 의하면, 스테이터 케이싱(11)에 작용하는 굽힘 모멘트를 억제할 수 있기 때문에, 삽입 부재(22)를 마련하는 위치를 스테이터 케이싱(11)의 정면 플레이트(12)의 중심으로 접근시키는 것이 가능하게 된다. 이것은 기초부(3)의 소형화에 유용하다.
또한, 본 발명은 상기의 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 기술 사상의 범위 내에 있어서, 실시형태는 적당히 변형 또는 변경될 수 있는 것은 분명하다. 예를 들면, 본 발명은 이하에 도시하는 바와 같이 다양하게 변형될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시형태에 있어서의 토크 서포트(2)의 삽입 부재(22)의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 5에 도시되어 있는 것과 같이, 삽입 부재(22)의 부시 케이스(27)가, 스테이터 케이싱(11)과 별개로 마련되고, 볼트(도시되지 않음)와 같은 체결 도구를 이용해서 스테이터 케이싱(11)에 적어도 일부가 삽입된 상태로 장착되어도 괜찮다. 부시 케이스(27)가 스테이터 케이싱(11)과 별개로 제작되는 것은, 제작을 용이화하고, 또한 부시 케이스(27)의 형상을 바꾸는 것만으로, 여러가지 형상의 핀에 대응 가능하게 되는 점에서 바람직하다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서의 토크 서포트(2A)의 구성을 도시하는 모식도이다. 토크 서포트(2A)는, 핀(24)과, 부시 케이스(28) 및 방진 고무(29)를 구비한다. 핀(24)은 직사각형 막대 형상을 하고 있고, 그 일단이 기초부(3)의 발전기(1) 측부의 좌우 양단부에 예를 들어, 볼트(도시되지 않음)로 장착되어 있다. 한편, 핀(24)의 타단은 방진 고무(29)를 장착하고, 부시 케이스(28)에 삽입된다. 부시 케이스(28)는 스테이터 케이싱(11)의 기초부(3) 측부에 배치된 정면 플레이트(12)로부터 스테이터 케이싱(11)의 내부로 그 일부가 삽입되어 스테이터 케이싱(11)에 장착된다. 여기서, 도 6a에 도시되어 있는 바와 같이, 방진 고무(29)가 핀(24)의 전체 원주에 장착되어도 좋고, 또한 핀(24)의 상면과 하면에만 방진 고무(29)가 장착되어도 좋다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서의 토크 서포트(2B)의 구성을 도시하는 모식도이다. 토크 서포트(2B)는, 핀(33)이 기초부(3a)와 일체화되도록 구성되어 있고, 기초부(3a)의 발전기(1) 측부의 좌우 양단부가, 핀(33)으로서 발전기(1) 방향으로 돌출되어 있다. 기초부(3a)의 핀(33)의 단부는 부시 케이스(28)에 삽입된다. 부시 케이스(28)는 스테이터 케이싱(11)의 기초부(3a) 측부의 정면 플레이트(12)에 장착된다. 여기서, 다른 예와 마찬가지로, 핀(33)의 단부에는 방진 고무(도시되지 않음)가 장착되고, 부시 케이스(28)는 스테이터 케이싱(11)에 적어도 일부가 삽입되어서, 장착되어 있다. 이러한 구조에서는, 기초부(3a)와 토크 서포트(2B)의 핀(33)이 일체화되어 있는 것으로부터, 부품 개수 및 조립에 의한 오차 를 줄이는 것이 가능하다.
여기서, 부시 케이스(28)는, 정면 플레이트(12)의 중심(도시되지 않음)과 좌우측에 배치된 부시 케이스(28)가 일직선으로 정렬되도록, 정면 플레이트(12)에 마련되는 것이 바람직하다. 따라서, 기초부(3a)의 일부인 핀(33)이 삽입되는 좌우측 상의 부시 케이스(28)는, 정면 플레이트(12)의 중심(도시되어 있지 않음)과 부시 케이스(28)가 일직선으로 정렬되고, 기초부(3a)의 상면(도시되지 않음)에 홈이나 오목부를 형성하여, 그 내부에 주축(도시되지 않음)을 수용하도록, 정면 플레이트(12)의 부재에 삽입될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서의 토크 서포트의 구성을 도시하는 모식도이다. 도 8a에 도시되어 있는 바와 같이, 기초부(3) 측부의 발전기(1)의 스테이터 케이싱(11)의 정면 플레이트(12) 상의 2개의 위치에 삽입 부재(62)가 마련되어 있다.
여기서, 삽입 부재(62)는 다른 삽입 부재의 경우와 마찬가지로, 좌우측의 삽입 부재(62)와 정면 플레이트(12)의 중심(68)이 직선(63) 상에 일직선으로 정렬되는 것이 바람직하다. 또한, 삽입 부재(62)는 정면 플레이트(12)의 중심(68)으로부터 수평 방향으로 대체로 반경의 1/2의 거리만큼 이격된 위치에 마련되는 것이 바람직하다.
정면 플레이트(12)의 표면 상에는 빔(61)이 마련되어 있다. 빔(61)은 좌우측 2개의 삽입 부재(62)와 정면 플레이트(12)의 중심(도시되지 않음)을 연결하는 직선(63)에 대략 직교하도록, 삽입 부재(62)의 상하 양방향으로 장착되어 있다. 빔(61)의 길이는 발전기(1)의 측면까지의 길이의 절반, 즉 빔(61)의 장착 위치에서의 현의 길이의 절반에 상당하고, 형상은 높이가 정면 플레이트(12)의 중심 부근[삽입 부재(62)와 연결되는 측부]에서 가장 높고, 정면 플레이트(12)의 외주로 향함에 따라 서서히 낮아지도록 형성되어 있다.
도 8b에 도시되어 있는 바와 같이, 이 삽입 부재(62)로서 전술한 부시 케이스(64) 및 방진 고무(65)를 사용할 수 있다. 또한, 삽입 부재(62)에 삽입되는 핀(66)으로서, 전술한 핀이나 기초부의 일부 등을 사용할 수 있다. 삽입 부재(62)는, 적어도 그 일부가 스테이터 케이싱(11)의 기초부(3) 측부의 정면 플레이트(12)로부터 스테이터 케이싱(11)의 내부에 삽입되도록 마련되어 있다. 여기서, 삽입 부재(62)의 토크 서포트의 핀이 삽입되는 부분의 길이(K)의 절반의 위치(B)가 정면 플레이트(12)의 부재의 두께(D)의 범위 내에 있게 하는 위치까지 삽입 부재(62)가 삽입되는 것이 바람직하다.
여기서, 위치(B)는 정면 플레이트(12)의 부재의 두께(D)의 중심선(17)에 가까울수록 더 바람직하고, 이상적으로는 위치(B)가 중심선(17)과 대략 일치하는 것이 바람직하다. 이것은 토크 서포트의 핀에 작용하는 발전기(1)로 인한 토크가 정면 플레이트(12) 내에 전달되도록 허용되기 때문이다.
전술한 바와 같이, 정면 플레이트(12)상에 삽입 부재(62)를 상하로부터 지지하도록 빔(61)을 마련함으로써, 스테이터 케이싱(11)의 강성이 상승될 수 있다. 이에 의해 굽힘 모멘트에 대한 내력을 향상시킬 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 또 다른 실시형태에 있어서의 토크 서포트와 스테이터 케이싱의 접속 구조를 도시하는 도면이다. 도 9a는 토크 서포트와 스테이터 케이싱의 사이의 접속 구조를 도시하는 사시도이고, 도 9b는 해당 접속 구조를 위로부터 본 단면도이다.
도 9a 및 도 9b의 구조에서는 스테이터 케이싱(11)의 정면 플레이트(12)에 오목부가 형성되고, 이 오목부에 베어링대(4-2)의 일부분이 수용된다. 상세하게는 정면 플레이트(12)는 외주부 플레이트(12a)와 중심부 플레이트(12b)를 포함하고 있다. 외주부 플레이트(12a)는 중심부 플레이트(12b)의 외연부에 결합되어 있다. 중심부 플레이트(12b)는 그 중심 부분이 외연부보다도 오목하게 형성되어 있다.
또한, 외주부 플레이트(12a)의 일부분이 중심부 플레이트(12b)와의 결합 위치로부터 반경방향 내측으로 돌출되어 있고, 이 돌출된 부분(돌출부 : 12c)이 베어링대(4-2)에 마련된 홈(19)에 끼워맞춰져 스테이터 케이싱(11)을 지지하고 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 토크 서포트는 베어링대(4-2)와 스테이터 케이싱(11)의 정면 플레이트(12)의 돌출부(12c)로 구성되어 있다. 상세하게는 도 9a에 도시되어 있는 베어링 하우징(4-2)에는, 홈(19)과, 이 홈(19)을 가로질러 주축(5)의 축방향으로 관통하도록 개구(20)가 형성되어 있다. 한편, 외주부 플레이트(12a)의 돌출부(12c)에는, 개구(12d)가 형성되어 있다. 외주부 플레이트(12a)의 돌출부(12c)가 베어링 하우징(4-2)에 마련된 홈(19)에 끼워맞춰진 상태로, 베어링 하우징(4-2)의 개구(20)에 부시(18)가 삽입된다. 부시(18)는, 베어링 하우징(4-2)를 관통하여 마련된 개구(20)와 외주부 플레이트(12a)의 돌출부(12c)를 관통하도록 마련된 개구(12d)를 통해 삽입된다. 이에 의해 스테이터 케이싱(11)이 베어링 하우징(4-2)에 고정된다.
도 9a 및 도 9b의 구조에 있어서, 토크 서포트가 스테이터 케이싱(11)의 정면 플레이트(12)에 작용하는 힘의 하중 중심이 정면 플레이트(12)의 두께(D)의 범위 내(즉, 정면과 배면의 사이의 범위 내)에 있도록 설계되는 것에 유의하라. 도 9a 및 도 9b에서는 돌출부(12c)가 베어링 하우징(4-2)에 마련된 홈(19)에 끼워맞춰져 스테이터 케이싱(11)을 고정한다. 이 돌출부(12c)는 중심부 플레이트(12b)와의 결합 위치로부터 반경방향 내측으로 돌출되어 있기 때문에, 스테이터 케이싱(11)에 주축(5)의 원주방향으로 토크가 가해져도, 오직 정면 플레이트(12)의 그 면내 방향으로만 힘이 작용한다. 따라서, 도 9a 및 도 9b의 구조에 의해, 스테이터 케이싱(11)에 작용하는 굽힘 모멘트를 저감시킬 수 있다.
이상에는 본 발명의 여러가지 실시형태가 기재되어 있지만, 각 실시형태에 있어서, 토크 서포트의 핀의 형상은 원통형, 직사각형 이외의 형상도 가능하다. 또한, 토크 서포트와 삽입 부재는 기초부 및 이 기초부 측부의 스테이터 케이싱의 평판과 일체로 통합되어 있거나, 그로부터 분리된 부재일 수 있다. 또한, 토크 서포트가 원통형이고 기초대와 일체인 구성이거나, 삽입 부재가 스테이터 케이싱의 기초부 측의 평면과 별개인 구성 및 이들을 조합한 것에 적용할 수 있는 것은 자명하다.
또한, 상기의 실시형태에서는 다이렉트 드라이브 방식의 풍력 발전 장치에 대해서 언급되어 있지만, 본 발명은 다이렉트 드라이브 방식이 아닌 풍력 발전 장치에도 적용 가능하다. 단지, 본 발명은 대형의 발전기가 사용되는 다이렉트 드라이브 방식의 풍력 발전 장치에 적용되는 것이 가장 적합하다.

Claims (9)

  1. 스테이터와, 발전기 로터와 스테이터를 수용하는 스테이터 케이싱을 구비하는 발전기와,
    일단이 풍차 로터에, 타단이 상기 발전기 로터에 결합된 주축과,
    상기 주축을 회전 가능하게 지지하는 제 1 베어링과,
    상기 주축과 상기 스테이터 케이싱이 서로에 대해 회전 가능하도록, 상기 주축에 마련되어 상기 스테이터 케이싱을 지지하는 제 2 베어링과,
    상기 제 1 베어링이 장착된 기초부와,
    상기 기초부와 상기 스테이터 케이싱의 정면 플레이트를 결합하는 결합 부재를 구비하는 토크 서포트를 포함하고,
    상기 스테이터 케이싱에 상기 주축의 원주방향으로 토크가 작용했을 때에, 상기 결합 부재와 상기 정면 플레이트의 사이에서 작용하는 힘의 하중 중심이 상기 정면 플레이트의 정면과 배면 사이의 범위 내에 위치하는
    풍력 발전 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 토크 서포트는 상기 스테이터 케이싱에 마련되는 적어도 하나의 삽입 부재를 더 포함하고, 상기 삽입 부재에는 결합 부재가 삽입되며,
    상기 삽입 부재는, 그 일부가 상기 스테이터 케이싱의 내부에 배치되도록 상기 스테이터 케이싱에 마련되는
    풍력 발전 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 삽입 부재는 상기 삽입 부재의 상기 결합 부재가 삽입되는 부분의 길이의 절반의 위치가 상기 스테이터 케이싱의 정면과 배면 사이의 범위 내에 있도록, 상기 스테이터 케이싱에 삽입되는
    풍력 발전 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 삽입 부재는 상기 스테이터 케이싱과 별체로 형성되어, 상기 케이싱에 장착되어 있는
    풍력 발전 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 결합 부재의 단면은 직사각형인
    풍력 발전 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 기초부의 일부가 상기 결합 부재를 형성하는
    풍력 발전 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 삽입 부재의 개수는 2개이고,
    상기 2개의 삽입 부재는, 상기 2개의 삽입 부재와 상기 2개의 삽입 부재가 삽입되는 상기 스테이터 케이싱의 면의 중심이 실질적으로 일직선으로 정렬되도록, 상기 스테이터 케이싱에 삽입되는
    풍력 발전 장치.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 스테이터 케이싱의 정면에 마련된 빔을 더 포함하고,
    상기 빔은 상기 삽입 부재와 상기 삽입 부재가 삽입되는 상기 스테이터 케이싱의 면의 중심을 연결하는 선에 실질적으로 수직하도록, 상기 삽입 부재로부터 상하로 연장되도록 마련되는
    풍력 발전 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 베어링을 수용하도록 결합된 스테이터 하우징을 더 포함하고,
    상기 스테이터 케이싱의 상기 정면 플레이트는, 그 중앙부에 오목부를 구비하고, 상기 오목부의 외연으로부터 상기 주축의 반경방향 내측으로 돌출되는 돌출부를 포함하도록 구성되며,
    상기 베어링 하우징의 일부가 상기 오목부에 수용되고, 상기 돌출부는 상기 베어링 하우징에 마련된 홈에 끼워맞춰져, 상기 토크 서포트가 상기 돌출부와 상기 베어링 하우징에 의해 구성되는
    풍력 발전 장치.
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